（工程热物理专业论文）高温燃料电池冷热电联供总能系统的分析.pdf

摘要 摘要 面对日益严峻的世界范围内的能源短缺和环境恶化，如何提高能源的综合利 用效率和降低污染物排放已成为世界各国普遍关注的重大课题之一。冷热电三联 供总能系统是建立在能量梯级利用的基础上，将发电和供热供冷集成于一体的 总体供能系统，可以有效提高能源的综合利用效率和减少污染物的排放。 总能系统的发电装置主要有微型燃气轮机、内燃机以及高温燃料电池。高温 燃料电池( 熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池) 具有发电效率高、排气 温度高、环境相容型好等优点。高的排气温度( 4 0 0 ( 3 以上) ，使高温燃料电池能 更好地驱动吸收式制冷机工作。因此，发展基于高温燃料电池的冷热电三联供总 能系统具有十分重要的意义和非常广阔的应用前景。 本文首先介绍了总能系统的原理和国内外发展现状，分析了总能系统在中国 的发展潜力。介绍了基于高温燃料电池的冷热电总能系统，根据我国的能源现状 和建筑用能的发展要求，提出了高温燃料电池冷热电总能系统。 在此基础上，提出了一个基于熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 的冷热电三联供 系统，介绍了此总能系统的构成和工作原理，并利用热力学分析方法对该总能系 统进行了能量和烟平衡分析。结果表明该总能系统的综合能量利用效率高于燃 气轮机总能系统的能量利用效率，而燃料电池和吸收式制冷机子系统的烟损失 较大 最后，提出了一个基于固体氧化物燃料电池( s o f c ) 的冷热电总能系统， 建立了描述该总能系统性能的数学模型，利用m a t l a b 6 5 软件包分析了s o f c 的运行参数( 压力、温度、负载电压和燃料流量等) 变化对系统性能的影响，得 到了s o f c 的燃料流量、电流密度等参数变化对总能系统输出功率和制冷量( 制 热量) 等参数的影响规律，为高温燃料电池冷电热总能系统的分析、设计与优化 提供参考依据。 关键词：总能系统冷热电三联供熔融碳酸盐燃料电池固体氧化物燃料电池 模拟 i i i 山东大学硕七学付论文 = = = = = = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = a bs t r a c t o n eo ft h eb i g g e s tc h a l l e n g e sf o ra l lo ft h ec o u n t r i e sa r o u n dt h ew o r l d i st h er a p i di n c r e a s ei ne n e r g yc o n s u m p t i o n sa n dt h es e r i o u se n v i r o n m e n t d e t e r i o r a t i o no nt h eg l o b a l 一i ti sac r u c i a li s s u et os i g n i f i c a n t l yi m p r o v e t h et o t a le n e r g yu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c ya n dt or e d u c et h eg l o b a lp o l l u t i o n s a t o t a l e n e r g ys y s t e m ( t e s ) i s a n i n t e g r a t i n ge n e r g y s y s t e m t h a t s i m u l t a n e o u s l ys u p p l i e st h ep o w e rg e n e r a t i o na n dh e a t i n g c o o l i n gb a s e do n c a s c a d eu t i l i z a t i o no fe n e r g y , w h i c h s i g n i f i c a n t l ye n h a n c e st h ee n e r g y e f f i c i e n c ya n dr e d u c e st h ep o l l u t i o ne m i s s i o n st ot h ee n v i r o n m e n t c u r r e n t l y ，t h ep o w e rg e n e r a t i o ne q u i p m e n te m p l o y e df o rt e sm a i n l y i n c l u d e st h em i c r og a st u r b i n e s ( m g t ) ，i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e s ( i c e ) ，a n dh i g ht e m p e r a t u r ef u e lc e l l s ( h t f c s ) h i g ht e m p e r a t u r ef u e l c e l l s ( h t f c s ，l e m c f ca n ds o f c ) h a v et h ea d v a n t a g e so fh i g hp o w e r g e n e r a t i o ne f f i c i e n c y ，h i g he x h a u s tt e m p e r a t u r e ，a n de n v i r o n m e n t a l b e n i g n i t y t h eh i g he x h a u s tt e m p e r a t u r e ( a b o v e4 0 0 c ) o fh t f c sm a k e s t h e mq u i t es u i t a b l ef o rd r i v i n gt h ea b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ni nt h et e s a sa r e s u l t ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ea n dw i d ea p p l i c a t i o np e r s p e c t i v et o r e s e a r c ha n dd e v e l o pt h et e sb a s e do nh t f c s a nh t f c t e si s p r o p o s e db a s e d o nt h ec h i n a s e n e r g ys o u r c e s s i t u a t i o na n dt h ee n e r g yc o n s u m p t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h el a r g eb u i l d i n g s a f t e ra b r i e f l yr e v i e wo nt h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ft h et e st e c h n o l o g ya n d a na n a l y s i so nt h ed e v e l o p m e n tp o t e n t i a lo ft e si nc h i n a an e wc o o l i n g ，h e a t i n ga n dp o w e rc o g e n e r a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d b a s e do nt h em c f ca n dt h ea b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nb yu s i n gt h ew a s t eg a s e x h a u s t e df r o mt h eh i g h t e m p e r a t u r ef u e l c e l l st od r i v et h ea b s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o n i na d d i t i o nt os u p p l y i n ge l e c t r i c i t y ，t h en e ws y s t e mc a n p r o v i d eal a r g eb u i l d i n gw i t ha i r c o n d i t i o n i n gi ns u m m e ra n dh e a t i n gi n w i n t e r t h ee n e r g yb a l a n c ea n de x e r g ya n a l y s i so ft h es y s t e ms h o w st h a tt h e o v e r a l le n e r g yu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo ft h ep r o p o s e dc o g e n e r a t i o ns y s t e mi s a b s t r a c t m o r et h a n8 6 a n dt h eb i g g e s te x e r g yl o s si sg e n e r a t e di nt h ec o m p o n e n t s o ff u e lc e l la n da b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n f i n a l l y , at o t a le n e r g ys y s t e m i s d e v e l o p e dt oi n t e g r a t ep o w e r g e n e r a t i o n ，h e a t i n ga n dc o o l i n gt oa c h i e v et h ee n e r g yc a s c a d eu t i l i z a t i o n b a s e do ns o l i do x i d ef u e lc e l l s ( s o f c s ) t h ed e v e l o p e dt o t a le n e r g ys y s t e m i sc o n s i s t e do fat u b u l a rs o l i do x i d ef u e lc e l ls t a c ka n da na b s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o n ( s o f c - a b ) t h ep e r f o r m a n c eo ft h et o t a le n e r g ys y s t e mw a s s i m u l a t e du s i n gt h em a t l a b6 5s o f t w a r et oe v a l u a t et h ee f f e c t so ft h e o p e r a t i n gp a r a m e t e r so ft h es o f c ，s u c ha st h ec u r r e n td e n s i t y ，o u t p u tp o w e r f u e lf l o w , o nt h et o t a le n e r g ys y s t e m t h eo b t a i n e dr e s u l t sc o u l dp r o v i d e k n o w l e d g ef o rt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o no ft h ep r o p o s e dt o t a le n e r g y s y s t e m k e yw o r d s ：t o t a le n e r g ys y s t e m c o m b i n e dc o o l i n g ，h e a t i n ga n dp o w e r m c f cs o f c m o d e l i n g v 山东大学硕士学位论文 v i 符号说明 电池工作面积，c m 2 ； 公式( 3 - 1 2 ) 中的常数； 一理论电压i 矿： 一 实际输出电压，v ； 法拉第常数，f = 9 6 4 9 3 c ： 内部电流密度，m a c m 2 ； 通用气体常数8 3 1 4 ，m o l k ； 电极上电子的传递系数； 电池堆电池个数： 电池电流密度，m a c m 2 ； 交换电流密度，m a c m 2 ； 极限电流密度，m a c m 2 ； 电池工作温度，k ； g i b b s 自由能变化，材堙； 哈池反应中的焓变，k j 堙； 电池反应中的熵变，u ( k g k ) 电极上电子的传递系数； 电堆的输出电流，a ： 电池吸热( 或放热) i d 堙； 第f 种气体的流速，堙s ； 第f 种气体的焓值，k d 堙； 参考状态下的温度，k ； 参考状态下的焓值。k d 堙 - 羹6 m 1 j 了 ， 0 如咖e如f o r 口 疗，以以r解明岱 口j鳊川啊瓦 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：垂i 圣麈 e t 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 巨应导师签名：碴塑 e t 期：型皇 i 绪论 1 1 前言 1 绪论 我国正处在经济高速发展时期，对能源的需求很大，但目前我国能 源综合利用水平还很低，并且环境污染严重。因此提高能源利用效率和 降低环境污染是我国实施能源可持续发展战略的重大研究课题之一。建 设资源节约型社会已成为我国的必然选择。 冷热电联供总能系统是将制冷、供热及发电过程一体化的能量联供 系统，利用温度比较高的高品位热能发电，利用温度较低的低品位热能 供热( 供冷) 总能系统是在上世纪7 0 年代能源危机后提出的，通过能 源的梯级利用，来实现提高能源利用率的目的。随着人类社会的发展， 新技术的提出，尤其是微型燃气轮机和燃料电池的技术进步为总能系统 提供了新的利用模式，因此最近总能系统的研究再度被重视。 总能系统一般包括动力驱动系统，余热回收和利用系统等。动力驱 动装置有微型燃气轮机，内燃机以及燃料电池等，动力驱动装置的作用 是将燃料的化学能转换为电能、机械能或热能，余热回收和利用系统包 括余热锅炉、吸收式制冷机和热泵系统等，这些装置可由总能系统的排 气废热来驱动。高温燃料电池冷热电联供总能系统是利用能量的梯级利 用的概念，通过燃料电池发电后的高温排气驱动吸收式制冷机机进行工 作，为用户提高电、热冷 燃料电池的工作原理是将燃料的化学能通过电化学反应直接转化为 电和热，由于反应过程中不经过卡诺循环，因而转换效率很高，同时由 于参与电化学反应的物质是氢和氧，反应生成物是水，所以燃料电池发电 过程对环境没有污染。燃料电池由于具有发电效率高，清洁干净、噪声 小和模块化结构等优点，被认为是2 1 世纪最具发展前景的发电装置之一。 根据燃料电池的工作温度不同，燃料电池可分为高温燃料电池，中 温燃料电池、低温燃料电池。高温燃料电池是指工作温度和排气温度较 高的燃料电池，这类燃料电池包括熔融碳酸盐燃料电池( m o l t e nc a r b o n a t e f u e l c e l l ，m c f c ) 和固体氧化物燃料电池( s o l i d o x i d e f u e l c e l l ，s o f c ) ； 其中m c f c 的工作温度是6 0 0 7 0 0 c ，s o f c 的工作温度是8 0 0 1 【2 1 0 0 0 1 2 。 当工作温度在6 0 0 c 以上时，天然气、煤气，石油气、沼气等都可以被重 山东大学硕士学位论文 整而加以利用，而且燃料本身转换效率高，排气的温度高，余热利用价值 大，高温燃料电池总能系统的燃料利用率可达8 0 以上。 针对不同工作温度的燃料电池，总能系统的能量梯级利用有不同的 方式，下面以固体氧化物燃料电池( s o f c ) 为例，说明高温燃料总能系 统的能量梯级流动的方式，对于安装在住宅区内s o f c 总能系统来说，燃 料电池发的电用来提供住宅区的电需要，从燃料电池出来的高温废气 ( 7 0 0 ( 7 以上) ，可作为余热烟气型吸收式制冷机的驱动热源，生产出的 冷热水用来满足住宅区内的制冷和供热需要，若从吸收式制冷机出来的 废气温度很高( 1 5 0 c 以上) ，通过换热还可为住宅区提供生活热水。采 用基于燃料电池的总能系统，可以大大地提高能源的综合利用率，实现 能源的梯级利用，同时可以较好地解决常规发电方式的环境污染的问题。 1 2 本文的主要研究内容 2 在下面的章节，本文做了以下几方面的工作： 第二章介绍总能系统的分类及特点，分析总能系统在我国的发展潜 力。给出高温燃料电池总能系统的定义，总结国外燃料电、 池总能系统的研究现状，并根据我国能源发展方向和建筑 。 物结构特点，提出适用于我国的高温燃料电池总能系统模 型； 第三章概述燃料电池总能系统理论基础首先介绍了燃料电池的 工作原理、特点及分类，重点分析燃料电池电化学理论基 础，并对两类高温燃料电池进行比较；其次，根据燃料电 池高温废气的特点，提出适用于高温燃料电池总能系统的 溴化锂吸收式制冷机： 第四章根据能量梯级利用的原理，提出一个基于m c f c 冷热电联供 总能系统，分析了其构成和工作原理，并运用热力学分析 方法对该系统的能量和火用平衡进行分析； 第五章提出一个由固体氧化物燃料电池和吸收式制冷机组成的冷 热电联供总能系统，应用m a t l a b 软件包对总能系统进行模 拟分析，分析燃料电池的电流密度、燃料流量，输出功率 l 绪论 等参数对总能系统的影响。 由于高温燃料电池的工作温度很高，具有发电效率高、污染物排放低 和余热利用价值大等优点，适合与吸收式制冷机构成总能系统，实现能 量的梯级利用，可以大大提高系统的能源综合利用效率。具有良好的发 展前景和推广应用价值。 3 山东大学硕士学位论文 2 燃料电池冷热电联供总能系统 2 1 总能系统及其分类 2 1 1 总能系统的发展 一一一一 我国正处在经济高速发展时期，对能源的需求很大，但是目前我国 能源综合利用水平距世界发达国家还有很大的差距，提高能源利用效率 和降低环境污染是我国实施能源可持续发展战略的重大研究课题之一。 建设资源节约型社会已成为我国的必然选择f 1 1 冷热电联供( c o m b i n e dc o o l i n gh e a ta n dp o w e r ，c c h p ) 总能系统 ( t o t a le n e r g ys y s t e m ，t e s ) 是将制冷、供热及发电过程一体化的能量 联供系统，利用温度比较高的高品位热能发电，利用温度较低的低品位 热能供热( 供冷) 。传统动力系统的技术主要着眼于单独的设备，在单 一目标下的能耗高，忽视环境影响和不合理的能源价格情况下，具有一 定的经济效益【2 】，但从技术角度出发，这些设备都没达到能源资源综合 而高效的利用。总能系统( t o t a le n e r g ys y s t e m 。d t e s ) 将发电系统以 小规模、分散式的方式布置在用户附近，可独立地输出电、热和冷，同 时它又可以与大电网连接，在电力不够时从网上购买电力，而在电力多 余时向大电网出售电力，通过能量的梯级利用，可以提高能量的综合利 用效率【3 4 1 。 总能系统是在上世纪7 0 年代能源危机后提出的，通过能源的梯级利 用，来实现提高能源利用率的目的。目前的总能系统是由多学科交叉形 成的能源学科之一，涉及的学科包括工程热力学、经济学，生态学，和 系统控制科学等。总能系统全面考虑系统的热力性能、经济性、对环境 的影响、控制与动态运行特性等，是一个多目标、多参数的优化系统哺1 。 实现方法就是根据能量品位的高低分级利用，在系统上综合利用能源， 确定系统的功( 电) ，热冷能量利用的相互配合与调度，而不仅仅局限于 提高单一设备或工艺的能源利用率，以获得最佳的总效果。 2 1 2 总能系统的分类 大多的总能系统是在热电联产( c o m b i n e dh e a ta n dp o w e r 。c h p ) 基 础上发展起来的。系统主要由动力驱动装置( 燃气轮机、内燃机及 4 2 燃料电池冷热电联供总能系统 燃料电池) 和余热回收装置( 如余热锅炉，吸收式制冷机) 组成。 系统动力设备选用时应根据驱动设备的特点，用户热( 冷) 电负荷的特点 等因素选择原动机的形式。根据应用的场所不同，总能系统又分为区域 冷热电联供、建筑冷热电联供系统和热电联供系统等：根据驱动装置的 不同，又分为燃气机驱动、内燃机驱动、燃气轮机驱动以及燃料电池驱 动的总能系统等，这些总能系统是在发电基础上发展起来的，以电力或 功的输出为其基本功能，余热利用只是其副产品。根据驱动装置和余热 回收形式的不同，介绍一下总能系统的工作模式。 1 燃气轮机+ 蒸汽热水型吸收式制冷机 该方案是燃气轮机先利用燃料先发电，发电后的排气进入余热锅炉， 回收余热生成蒸汽或高温热水利用。冬季由换热站转换热水供暖，夏季 靠蒸汽溴化锂吸收式制冷机制冷。在燃气轮机停运或所需热量不够的情 况下，通过备用锅炉补燃提供所需的热量，如图2 1 。 供电 供暖热水 供冷 图2 1 燃气轮机+ 蒸汽热水型吸收式制冷机模式 2 燃气轮机+ 余热直燃吸收式制冷机 这种方案也是天然气先通过燃气轮机发电，发电后烟气的余热直接 驱动溴化锂吸收式空调机工作，该模式去掉了余热锅炉这一中间环节。 如果溴化锂机组排出的烟气温度仍然很高，还可以进行二次余热利用，夏 季用于供应卫生热水，冬季用于供暖。在燃气轮机停用或供热、制冷所需 热量不够的时候，也可以直接燃烧天然气进行补燃。因为去掉了整个锅 炉及相关系统，投资成本会降低，如图2 2 。 5 供电 供暖热水 供冷 图2 2 燃气轮机+ 余热直燃型吸收式制冷机 图2 3 内燃机总能系统示意图 3 内燃机+ 吸收式制冷机模式 供电 供暖热水 供冷 图2 3 为内燃机作为驱动装置的总能系统示意图，内燃机先用石油或 天然气发电，发电后的废热利用包含两部分，一部分来自高温烟气，温 、度在5 0 0 6 0 0 ，可直接排入余热锅炉用来产生蒸汽，驱动吸收式制冷 机工作，另一部分来自内燃机缸套冷却水，温度大约8 5 9 5 和润滑油 的冷却水，温度大约为5 0 6 0 ，可直接用来换热，产生热水。通过余 热回收利用，可以提高燃料的综合利用效率，同时减轻排气对大气的污 染作用。 2 2 总能系统特点及发展潜力 2 2 1 总能系统的特点 工业发达国家都在大力发展冷热电联供总能系统。欧盟决定到2 0 1 0 年将其热电联产的比例增加1 倍，提高到总发电比例的1 8 。美国能源部计 划到2 0 1 0 年将热电联产装机容量在1 9 9 8 年的基础上翻一番。达到4 6 g w ， 为了实现该计划，美国政府要求新建楼房需采用分布式冷热电联供系统， 6 2 燃料电池冷热电联供总能系统 到2 0 2 0 年所有联邦政府建筑以及5 0 接受联邦政府资助的机构须采用该 技术。在日本，已建成的小型冷热电总能系统共1 4 1 3 个，平均容量 4 7 7 k w ”。 总能系统在世界各国已得到广泛应用，并产生了良好的经济和环境 效益，主要具有以下特点： ( 1 ) 能量利用率高。分布式总能系统对能量进行梯级利用，可提高系 统能源利用率；同时系统靠近用户端，没有远距离输送能量引起 的输配损失比1 。 ( 2 ) 环境友好。系统多采取天然气等清洁能源为燃料，动力设备本身 也可达到较高的排放标准，和常规的分产能源供应系统相比，总 能系统更能满足环保的需要。 ( 3 ) 装置容量小、占地面积小，初投资少用户可以直接投资建设小 型的分布式联产电站。表l 显示了各类技术的投资规模以及未来的 变化。随着技术的不断进步和成熟，未来分布式总能系统的投资 成本还会降低，这种趋势可以开拓更为广泛的用户市场。 表2 一l 动力驱动装置的初投资变化“钉美元k w 技术类型年度投资情况 1 9 9 92 0 0 0 2 0 1 0 柴油发动机1 0 0 04 0 03 5 0 微型燃气轮机 8 0 07 0 04 0 0 燃料电池4 5 0 0 2 0 0 08 0 0 光伏发电 5 2 0 0 4 0 0 01 5 0 0 风力发电2 0 0 01 3 0 0 1 1 0 0 ( 4 ) 提高供电安全稳定性和缓解用电高峰负荷。由于总能系统不使用 电网电力，当电网发生故障时，可保证用户的供电不受影响，在 夏季用电高峰期，可以缓解用电高峰负荷。因此，直接安置在用 户近旁的分布式总能系统与大电网配合，可提高电力系统的运行 可靠性。图2 - 4 表示了美国新增公用及独立电站平均容量的历史发 展情况。从其发展历史上看，电站建设的规模也不是一味地求大， 7 山东大学硕士学付论文 应该强调发展灵活性更大、效益更好的中小型联供电站。 图2 - 4 美国新增电站平均容量的历史发展1 2 2 2 总能系统在我国的发展潜力 据前面所述，冷热电联供总能系统具有节能、环保的特点，符合我 国未来的能源发展战略，而且国家有关部门将推进节能，加速可再生能 源开发利用确定为优先发展的产业。针对我国能源现状和未来发展趋势， t e s 的应用领域主要包括： ( 1 ) 替换城区内以燃煤为主的热电厂。这些热电厂基本处在人口众多 的居民区，烧煤产生的污染对居住环境造成了的很大影响，随着 电力供应的发展，这些处在城市中心的燃煤热电厂可以逐步被总 能系统取代； ( 2 ) 新开发的城区。随着城市的发展，建设分布式小城镇是一个必然 趋势。为了避免燃煤污染，新建小区也应当逐步走向集中供能方 式； ( 3 ) 城市商业中心和高层商业建筑，该类建筑对电和冷热的需求比较 集中，数量大而时间长。建设大型的冷热电联供系统，可以缓解 用电高峰时的电网负担，同时降低商业中心空调系统的初投资和 运行费： ( 4 ) 分散的中小型制造工业园区。这些用户生产用电需求大，同时需 要空调制冷、热水和蒸汽： ( 5 ) 公用事业单位。如机场、医院、大学校园等。这些机构的组织性 非常强，对电、热、冷三种负荷的需求比较集中； 8 2 燃料电池冷热电联供总能系统 ( 6 ) 作为后备电站使用。在分时电价结构下，大型用户可以将其负荷 结构进行分类，在高电价的高峰负荷时段，使用总能系统来降低 用电费用，同时也可缓解对电网的需求压力，均衡电网的电力负 荷，可以起到经济和环保的调峰作用。 在中国，为实现天然气的高效利用，北京、上海等地区率先开展了 分布式冷热电联产系统的示范性项目建设，如北京已建成燃气集团监控 中心、次渠门站综合楼项目，上海已建成浦东国际机场、环球国际金融 中心等分布式冷热电项目。随着西气东输工程的顺利进行和液化天然气 的引进，中国能源结构调整力度将迸一步加强，从北京、南京、上海、 杭州，到广州、深圳，将有更多地区满足分布式冷热电联产系统的建设 条件相信这些项目的成功实现将对我国总能系统发展起到很好的借鉴 作用。 分布式总能系统在我国有很广阔的市场，发展潜力巨大。大力发展分 布式总能系统对于提高能源利用效率，缓解能源矛盾，改善环境都有好 处。 i 2 3 高温燃料电池总能系统 燃料电池被称为是继水力：火力、核能之后第四代发电装置和替代 内燃机的动力装置。国际能源界预测，燃料电池是2 l 世纪最有吸引力的发 电方式之一【h 1 燃料电池的工作原理是将燃料的化学能通过电化学反应 直接转化为电和热，由于反应过程中不经过卡诺循环，因而转换效率很 高，同时由于参与电化学反应的物质是氢和氧，反应生成物是水，所以燃料 电池发电过程对环境没有污染。 高温燃料电池是指工作温度和排气温度较高的燃料电池，这类燃料 电池包括熔融碳酸盐燃料电池( m o l t e nc a r b o n a t ef u e lc e l l ，m c f c ) 和 固体氧化物燃料电池( s o l i do x i d ef u e lc e l l ，s o f c ) ；其中m c f c 的工作温 度是6 0 0 7 0 0 ( 2 ，s o f c 的工作温度是8 0 0 1 0 0 0 1 2 。当工作温度在6 0 0 ( 2 以上时，天然气、煤气、石油气、沼气等都可以被重整而加以利用，而且燃 料本身转换效率高。在我国能源结构中，煤炭一直占据主导地位，短期内 9 山东大学硕七学位论文 不能改变。目前我国煤的大型气化装置技术已经过关，可以将煤气和高温 燃料电池联合起来，组成煤气化一燃料电池联合循环( i g c c f c ) 这对 于以煤炭为主要能源的我国解决提高能源使用效率、减少二氧化硫排放 等问题上有重要意义1 1 4 】。对于高温燃料电池来说，其工作温度高( 6 0 0 以上) ，因此排气的余热利用价值大。 2 3 1 燃料电池总能系统的研究现状 b s i c r e 1 5 】等人研究了一个小型s o f c 的热电联产系统，该模型可以 满足一个家庭的电和热需要，使用t r n s y $ 软件模拟了s o f c 热电联产 系统与家庭用户能量需求之间的关系。 j l s i l v e i r a 1 6 1 等人提出了一个基于m c f c 和溴化锂制冷机的总能系 统，该系统为巴西的一座办公楼提供电能和制冷用的空调水。m c f c 发 的电满足建筑物电需要，同时利用m c f c 的高温排气作为溴化锂制冷机 的驱动热源。通过能量平衡分析，发现基于燃料电池的热电冷总能系统 的效率比其他热电联产系统的效率高。 m b g u n e s 1 在其研究生毕业论文中提出了一个基于p e m f c 的家 用能源供应系统，该系统由p e m f c ，蓄热器，电动热泵组成，采用m a t l a b 软件包作为模拟工具，分析了系统的能量供应情况。 m v e t t e r 1 8 j 等人对燃料电池热电联产系统的动态特性及燃料的消 耗量进行了模拟研究，结果表明冬季消耗的电量只有夏季的三分之一， 同时他们的研究说明燃料电池热电联产装置相比其他热电联产装置的效 率高，这点与j l s i l v e i r a 等人的研究结果一致。 i b m o r r i s o n 1 9 】等人也分析了一个小型的家用s o f c 热电联产装置， 他们采用了一个叫e s p r h o t 3 0 0 0 的模拟软件，给出了联产装置的各个 部件数学模型，通过模拟分析，i b m o r r i s o n 等人认为，在没有对热电联 产系统进行优化的情况下，该热电联产装置已经可以满足单个家庭的能 源需要。 位于美国宾西法尼亚匹兹堡的卡内基梅隆大学建筑性能与诊断中心 将在大学校园内建一座示范教学办公楼。这座建筑的冷、熟、电由2 5 0 k w 的s o f c 总能系统提供乜”由s o f c 电池堆排出的7 5 5 的废气首先经过热 回收装置变成3 1 5 1 2 的废气，然后再送入余热回收锅炉与冷水进行换热， 使其变为总热量为1 5 0 的蒸汽或热水，通过吸收式制冷系统来供冷供热。 l o 2 燃料电池冷熟电联供总能系统 由于s o f c 产生的电和热不一定能够完全满足办公楼的能源需要，在不足 时从电网供电以及从校园的蒸汽管网供蒸汽；反之s o f c 产生的电和热在 非峰值时段被b a p p 用下来的余量，需要考虑返回电网和校园蒸汽管网。 a 0 v e l e z 乜”的研究论文中提出了一个低温燃料电池和单效溴化锂 制冷机组成的总能系统。由于波多黎各地处赤道附近，气候常年炎热潮 湿，因此不需要供热，所以余热利用装置选择的是单效吸收式制冷机， 结果表明，p e m f c 和单效溴化锂吸收式制冷机组成的总能系统的能源利用 率能达到6 5 。 国内对燃料电池总能系统的研究还处于起步阶段，没找到这方面的 资料。 2 3 2 存在的问题及解决的方法 国外燃料电池热电联产的研究方向主要针对家庭应用。在美国，现 代住宅小区没有现代化的摩天大楼，住宅多是单层或两三层独立的别墅 小楼，建筑面积一般在1 5 0 m 以上，有卧室、卫生间、洗衣问、贮藏室、 车库等设施，一个小型燃料电池( 几k w ) 热电联产系统就可以满足一个 家庭的能源需求。但我国的城市人口密集，土地资源紧缺，可以预测， 今后我国的住宅小区内还将以高密度集合式的住宅为主，最适合高密度 集合式住宅的空调方式是集中空调，即采用小区集中供热供冷的方式。 因此适合住宅小区使用的大型高温燃料电池( 几百k w 一几m w ) 热电联产 系统的研究更符合我国的实际情况。 耳前对于总能系统的研究大部分集中于燃气轮机及内燃机等常规动 力驱动装置，但对于高温燃料电池驱动的总能系统的研究还是比较少。 本文提出了两种高温燃料电池总能系统模型，先简单地介绍一下其中的 一种模型，更详细的分析将在以下章节中给出该类高温燃料电池总能 系统主要由换热器，固体氧化物燃料电池( s o f c ) 、溴化锂吸收式制冷 机组成，燃料电池将燃料和氧化剂的化学能转化为电能和热量，没有反 应的燃料被送入后燃烧室内和空气完全燃烧，提高s o f c 的排气温度。从 后燃烧室出来的高温气体预热完燃料和空气后，被送往溴化锂吸收式制 冷机内，驱动制冷机工作，夏季制冷，冬季制热。图2 5 给出了本文提出 的总能系统原理图： 坐丕盔兰堡主兰堡垒苎 燃料电池排气 图2 5s o f c 总能系统工作流程图 相比于其他总能系统的动力装置，高温燃料电池还具有以下特点： ( 1 ) 工作温度高，可在电池内部实现燃料的重整转化过程，使电池系统 简化，而且排气温度高，废气的可利用价值大，实现冷热电联供 后，系统的总效率可高达8 0 以上； ( 2 ) 燃料适应性强，不仅可使用氢气，还可使用天然气、煤气等作为 燃料，因而s o f c 在天然气发电、洁净煤发电方面极具吸引力； ( 3 ) 清洁无污染。由于参与电化学反应的物质是氢和氧，反应生成物是 水，所以燃料电池发电过程对环境没有污染。另外，它没有机械运动 部件，因此运行噪声很低。 ( 4 ) 反应过程简单，不像传统的发电装置需要经过许多中间的转化过 程，大大降低了能源转换过程中的不可逆性损失，能量转换效率 更高。 ( 5 ) 建设周期短由于燃料电池采用模块化设计，各组件在制造厂生 产，在现场安装，简单省时，因而建设周期很短。系统规模按负 荷要求可大可小，容易扩容，便于根据热电负荷的实际需求而分 期建设。 燃料电池的发电效率可达4 0 以上，热电联产的效率也达到8 0 以上 乜”。鉴于燃料电池的优点，随着该项技术商业化进程的推进，必将在未 来的热电( 冷) 联产系统中占据重要地位。因此，燃料电池本身及在热 电( 冷) 联产中的应用具有重要的研究意义和现实意义 2 燃科电池冷热电联供总能系统 2 4 本章小结 随着人民生活水平的提高，空调数量越来越多，大量电动空调的使 用给电网造成了巨大的负担，有关的城市不得以采取拉闸限电的措施。 总能系统不但不使用外网电力，而且在用电高峰期，通过将发的多余电 上网，对电网调峰做出一定的贡献心” 总能系统的概念由来以及，但技术的发展。特别是微型燃气轮机和 燃料电池以及其他新能源技术的进步为冷热电联供赋予了新的内涵。高 温燃料电池具有发电效率高，余热利用价值大的优点，可以预测在未来 的能源发展中，高温燃料电池热电冷三联供总能系统将成为能源可持续 发展的一个重要领域。我国对燃料电池总能联供能源系统的研究和应用 尚处在起步阶段，耍在未来的竞争中占有一席之地，首先应加大对总能系 统技术的研究力度。尤其要吸引企业的兴趣，使其成为研发主角，国家给 予相应的政策支持，科研院所给予技术、理论支持。可以预测在能源结构 调整中，燃料电池总能系统将成为未来能源可持续发展的一个重要领域。 山东大学硕士学位论文 3 高温燃料电池总能系统理论基础 3 1 燃料电池概述 燃料电池的研究要追述到1 6 0 多年前，18 3 9 年英国科学家格罗夫 ( g r o v e ) 用氢气和氧气进行了燃料电池发电试验。从此，许多科学家进 行了燃料电池发电试验，1 8 9 4 年，奥斯特瓦尔德( w o s t w a l d ) 从热力 学理论上证实，燃料的电化学氧化优于高温燃烧，电化学电池的能量转 换效率高于热机 燃料电池在2 0 世纪五六十年代得到了广泛关注。1 9 6 8 年n a s a 完成了 a p o l l o 登月计划后，人们开始对燃料电池的地面应用产生了兴趣。由于 宇航项目的减少，燃料电池的研究开发经历了短时期的低潮。到了7 0 年 代中期，出于燃料电池地面应用的目的，燃料电池技术的发展转向了磷 酸燃料电池。目前磷酸燃料电池的功率已达到兆瓦级，寿命已达到实用 要求。 由于热电联产系统的研究开发，8 0 年代熔融碳酸盐燃料电池和9 0 年 代的固体氧化物燃料龟池得到了快速发展，但寿命和价格阻碍了高温燃 料电池发展。质子交换膜燃料电池在9 0 年代取得了突破发展，其实质子 交换膜燃料电池早在6 0 年代就已出现，却没有用到空间技术上，对其重 视程度也不及碱性燃料电池。 从历史上看，燃料电池技术的发展未能竞争过快速发展的燃烧发电 技术，是因为燃料电池发展过程中相应的材料的发展是分阶段、时断时 续的进行的，没有使人们清楚地认识到燃料电池发电的优点，而只是盲 目地直接使用化石燃料，大力发展火力发电技术，而中止了对燃料电池 的连续性研究开发。 高温燃料电池是指工作温度和排气温度较高的燃料电池。当工作温 度在6 0 0 以上时，天然气、煤气、石油气、沼气等都可以被重整而加以 利用，而且燃料本身转换效率高。对于高温燃料电池来说，其工作温度高 ( 6 0 0 ( 2 以上) ，排气的余热利用价值大，可以作为烟气余热型吸收式制 冷机的驱动热源。西气东输的工程的完成，为燃料电池总能系统的发展 提供了燃料的支持。 1 4 3 高温燃料电池总能系统理论基础 可作为总能系统供电装置的燃料电池主要有以下几种：l 、质子膜交 换燃料电池( p e m f c ) ，可在室温下工作，反应生成电能和6 0 8 0 c 热水， 发电效率为4 0 ，造价较低，适用于家庭式的总能系统。2 、熔融碳酸盐 燃料电池( m c f c ) ，将熔融状态的碳酸盐作为电解质，发电效率高达4 5 ， 并能产生6 0 0 7 0 0 c 高温余热，适用于建造区域性分散电站。3 、固体氧 化物燃料电池( s o f c ) ，以固体氧化物作为电解质，在高温下进行非燃 烧反应，工作温度可超过8 0 0 ，废热温度高，可利用价值高，而且s o f c 产生的废热非常清洁，基本上是水蒸气和热空气，是最适合冷热电总能 系统的发电装置，也适合分散发电和热电联产，固体氧化物燃料电池可 与煤的气化构成联合循环，适用于建造大型，中型电站，热电联产的效 率可达7 0 - 8 0 。本文研究的主要是m c f c 和s o f c 这两类高温燃料电池总能 系统。 3 2 燃料电池工作原理、分类和应用 3 2 1 工作原理 燃料电池的单体主要由阳极、阴极和两极板之间的电解质组成。燃 料龟池的工作原理是：燃料( 氢气等) 在阳极发生氧化反应，产生的电 子通过外电路到达阴极；在阴极，电子、氧气和离子发生还原反应生成 水。明极、阳极和整个反应如下： 图3 - 1 燃料电池的工作原理 国砒：三d 2 化一专d 2 一 a n n o d e ：0 2 + 码专h z o + 2 e 山东大学硕士学付论文 o v e r a l l ：j 10 2 + 也_ d 燃料电池与常规电池不同，它是一种能量转换装置，而常规电池是能 量储存装置。一般化学电池与环境只有能量交换，而燃料电池是发电装 置，与环境即有能量又有物质交换。燃料电池的燃料和氧化剂是储存在 电池外部的，从理论上讲，只要不断向燃料电池供给燃料和氧化剂，就 可以连续不断地发电。但实际上，由于元件老化和故障等原因，燃料电 池有一定的寿命。 3 2 2 燃料电池分类 根据工作温度的不同，可将燃料电池分为低温( 低于2 0 0 ) 、中温 ( 2 0 0 一7 5 0 ) 、高温( 7 5 0 以上) ；最常用的是根据燃料电池所使用电解 质的不同来分类的，可将燃料电池分为5 种主要类型，即碱性燃料电池 ( a f c ) 、磷酸型燃料电池( p a f c ) 、固体氧化物燃料电池( s o f c ) 、熔融碳 酸盐燃料电池( m c f c ) 和质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 。其中后三种燃料 电池是目前世界各国研究开发的重点。 3 2 3 燃料电池应用 a f c 以强碱溶液( 例如k o h h 2 0 ) 为电解质，导电离子是0 h 一，工作温、 度通常为1 0 0 以下，属于低温电池，因此它在室温常压下也可以正常工 作。目前a f c 仍被广泛地应用于美国的航天飞机中