千瓦級固體氧化物燃料電池分布式發電系統檢視原始碼討論檢視歷史

來自 搜狐網 的圖片

千瓦級固體氧化物燃料電池分布式發電系統發展自主知識產權的分布式SOFC發電系統，掌握核心技術、打破國外壟斷是當務之急。

一、 背景

固體氧化物燃料電池可以直接使用氫氣及多種碳基燃料，如煤氣、天然氣、醇類、油類等，實現潔淨高效發電，尤其適用於分布式發電。美國、日本等發達國家已經初步實現了千瓦至兆瓦級SOFC分布式發電和熱電聯供系統的商業化應用，但是相關產品和核心技術均對中國禁運。發展自主知識產權的分布式SOFC發電系統，掌握核心技術、打破國外壟斷是當務之急。

二、應用案例

1.項目概述

本項目開發的SOFC分布式發電/供能系統與現有的發電/熱電聯供技術相比具有更高的發電效率和更低的污染物排放，除了分布式電站應用外，還可以在交通運輸、便攜電源、飛行器及水下潛器等民用與軍用領域有廣闊的應用前景。項目突破了關鍵集成技術，形成裝備，建立了高效輔助系統集成及健康管控、廣譜燃料適應及穩定運行、多應用場景示範運行等系列技術體系，形成了系列產品，滿足多用途需求。在山西、上海、四川、廣東等地因地制宜地開發了適用於多應用場景的千瓦級SOFC發電系統，直接採用氫氣、煤氣、管道天然氣、液化石油氣等多種燃料高效發電，特別適用於分布式發電和熱電聯供等領域，項目合同額數億元，取得了良好的經濟效益。

2.主要效益

直接經濟效益

本項目在山西晉煤集團建立了基於氣化煤氣為燃料的燃料電池發電系統運行和評價實驗室，自主開發了碳基燃料電池示範及測試平台，實現了1~5 kW電力輸出。使用碳基燃料提供清潔、高效的電力，無噪音、無腐蝕，尤其適合應用於分布式熱電聯供系統。2016、2017年分別為晉煤集團節支電費45萬元、1610萬元，合計1655萬元。

社會效益與間接經濟效益

本項目研發了具有完全自主知識產權的SOFC發電系統，在國內首次實現了基於廣譜碳基燃料的SOFC分布式發電和供能系統示範運行，驗證了技術的可靠性和廣泛適用性，打破了國外壟斷，填補了國內空白，取得了非常好的社會效益與一定的經濟效益。

三、技術要點

1.本項目自主開發了以SOFC電池堆為核心的氣-熱-電輔助系統（BOP），包括燃料處理和供應、空氣供應、尾氣處理、電池堆溫控和電力電子管理等模塊。重點優化了機架組件、面板組件、保溫、電氣和自動控制模塊的設計布局方式。在保證系統熱區熱量平衡和滿足燃料、空氣、尾氣處理能力要求的前提下，減小了燃料、空氣供應等模塊的體積，並對各子模塊的尺寸和布局進行了優化設計。

2.本項目自主開發了緊湊型換熱網絡及高效熱量管控策略。開發了適用於高溫燃料電池系統的微型燃燒器，提出了重整反應和電化學、燃燒反應的熱量耦合互補策略，實現餘熱高效回收利用；採用了電池堆尾氣部分回流的循環利用技術，形成重整反應閉式循環，提高系統效率的同時降低了水耗和能耗；系統研究了不同組分和溫度下尾氣循環比對SOFC電池堆入口及重整器入口氣體組分的影響，確定了燃料、空氣流量的安全可調區間。

3.自主開發了安全高效的功率管理策略。選用了結構簡單、效率高的非隔離式升壓構型的直流（DC-DC）變換器，優化並減小了電路的非線性現象，提高了電力輸出穩定性；設計了實際工況下電安全並具有故障快速響應的燃料電池電管理系統及通訊網絡。通過上述BOP模塊設計、構建及優化，與高效電池堆耦合，集成了千瓦級SOFC發電系統。

4.自主開發了千瓦級SOFC系統多方案運行工藝包。建立了BOP系統關鍵模塊仿真模型，包括燃料供應子系統（燃料淨化器、重整器、水蒸汽發生器和燃料預熱器等）、空氣供應子系統（空氣壓縮機，空氣預熱器等）、熱量管理子系統（微型燃燒器、換熱器和尾氣循環等）、電管理子系統（DC-DC變換器、逆變器等）；設計了單堆、多堆並聯和串聯多種組合方案，開發了基於甲烷重整的五種尾氣循環利用方式，詳細研究了各類方案下電堆溫度、氣體流量、工作電流、重整溫度等關鍵運行參數對系統輸出性能和效率的影響規律，並對電堆工作電流進行了優化；結合系統模擬仿真優化熱區設計，實現了不同運行模式下的系統熱區內的熱量流動平衡。

5.自主開發了BOP系統硬件在環測試驗證平台。發展了氣-熱-電輔助系統控制方法，設計了多變量協調的健康控制策略；針對系統啟停特性、穩態運行特性和變載響應特性三個關鍵特性開展了系統研究和硬件在環驗證；掌握了BOP各模塊在不同燃料及空氣流量、溫度、壓力下的動態特性和參數耦合規律，並優化了不同工況下的特性參數；成功將自主開發的在環測試驗證平台應用於千瓦級SOFC分布式發電系統，為系統安全穩定運行提供保障。

6.構建了新型尾氣處理催化燃燒器，掌握了燃料電池尾氣富氧催化燃燒技術；研究了高溫CO2與固體煤之間的高溫反應過程，掌握了燃料連續輸送和熱平衡管理技術；研究並優化了合成氣燃料高溫淨化與控制技術，成功應用於整體碳基燃料電池示範系統。

7.開展了適用LPG燃料SOFC發電系統優化和集成工作，對重整器、燃燒器、換熱器等部件進行了優化設計；成功運行了自主啟動、以LPG（以C3組分為主）複雜組成燃料的千瓦級SOFC分布式發電系統。

8.設計了高效的熱量回收和循環系統，將尾氣通過富氧催化燃燒，實現了化學能的清潔高效轉化，採用系統自產的高溫CO2尾氣擾動煤粉形成動態流化床，實現了SOFC發電用燃料的連續供給，確保發電系統穩定運行。

四、應用前景

本項目在上海建立起多處示範基地，為華特迪士尼（上海）公司合作建立了智慧建築熱電聯供及微能網中多能互補示範應用，與新奧集團下屬的上海泛智能源裝備有限公司聯合，開發了針對城市天然氣的120千瓦級SOFC-MGT聯合發電系統，具有效率更高、排放更少、綜合成本更低等優點，推動了相關產業的發展，獲得了良好的應用前景。