（电力系统及其自动化专业论文）分布式发电中燃料电池的研究.pdf

r e s e a r c ho nf u e lc e l li nd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e m a b s t r a c t d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ni sab r a n d - n e wa n d p r o m i s i n gt e c h n o l o g yt og e n e r a t ee l e c t r i c i t y a n du t i l i z ep o w e rc o m p r e h e n s i v e l y d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ni n c l u d i n gi n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e s ，m i c r o - t u r b i n e s ，f u e lc e l l s ，s o l a rp h o t o v o l t a i cc e l l sa n dw i n dp o w e r , a n ds oo n ，t h e c a p a c i t yo ft h e ma r ea b o u taf e wd o z e nk i l o w a t t st om e g a w a t t s t h ef u e lc e l lp o w e r g e n e r a t i o nw i 也c l e a n ，e f f i c i e n t ，s h o r tc o n s t r u c t i o nt i m e ，m o d u l a r , a n do t h e ra d v a n t a g e s ，s o i ti sv e r yc o m p e t i t i v e f u e lc e l l sh a v eab r o a dr a n g eo fa p p l i c a t i o n s ，i tc a l lb ea p p l i e dt o f o c u so np o w e rg e n e r a t i o n ，c a na l s ob eu s e da sav a r i e t yo fs c a t t e r e dp o w e ra n dm o b i l e p o w e rs u p p l y w i t ht h ep o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c ha d v a n c ei nf u e lc e l l ，i tw i l l b em o r ew i d e l yu s e d 。 a na p p r o p r i a t ed y n a m i cf u e lc e l l ( f c ) m o d e lp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h es t u d yo f t h ed i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ( d g ) t e c h n o l o g y o nt h eb a s i so ft h ec u r r e n tm o d e l ，t h en o n l i n e a r o fp r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ( p e m f c ) a n ds o l i do x i d ef u e lc e l l ( s o f c ) s y s t e m s t e a d ys t a t em o d e lt h a ta r es u i t a b l ef o rc o n t r o ls t u d ya r ei m p r o v e di nt h i sp a p e r , t h e yt a k e i n t oa c c o u n tt h ei m p a c t so ft h ef u e lu t i l i z a t i o na n dv a r i o u sr e a c t a n t so v e rt i m ep r e s s u r e ， a n dt h e i rs i m u l a t i o n sa r ei m p l e m e n t e db yt h ev i s u a lc + + p l a t f o r ms o f t w a r e a p p l i c a t i o no f t h em o d e l ，t h ev o l t a g e - c u r r e n tc a lv e sa n dp o w e r - c a r r e n tc u r v e sa n dv o l t a g et r a n s i e n t c h a r a c t e r i s t i c sa r eg a i n e d a n do nt h eb a s i so ft h em o d e l ，a p p l i c a t i o no fc e l le f f i c i e n c ya n d p o w e rg e n e r a t i o no fe c o n o m i ca n a l y s i st h a tt h eg e n e r a lc o n t r o lo ff u e lu t i l i z a t i o ni nt h e o 7 0 9r a n g ei sb e t t e r t h ef u e lc e l l sc o n t r o ls t r a t e g yi nt h eg r i di sd e p i c t e di nd e t a i l a m o n gt h ed gs y s t e m sc a l c u l a t i o no ft h et i d a lc u r r e n t ，w ec a l lr e g a r dt h ef u e lc e l l s c o n n e c t e dg r i dn o d ea sap vn o d e f i n a l l y , i n a l l u s i o nt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e m ，i n a c c o r d a n c e 埘倦t h ei e c 619 7 0s t a n d a r d ，a n di nt h el i g h to fe x i s t i n gh y d r o p o w e rp l a n ta n d c o g e n e r a t i o np o w e rp l a n tc o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ( c i m ) ，t h ef u e lc e l lp o w e rp l a n t s c i mm o d e lw h i c hi ss u i t a b l ef o rd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ；f u e lc e l l ；m o d e l ；u t i l i z a t i o nc o n t r o l ；p o w e r c o n t r o l ；t h ec o n n e c t e dg r i d ；c o m m o ni nf o r ma t i o nm o d e l 插图清单 图2 1燃料电池的原理图1 0 图2 2燃料电池发电系统框图。1 5 图3 1燃料电池堆连接到交流电网的示意图2 2 图3 2算法流程图2 5 图3 3p m e f c 堆模型的电压一电流稳态特性2 6 图3 4s o f c 堆模型的电压一电流稳态特性2 6 图3 5p m e f c 堆模型的功率一电流稳态特性2 6 图3 - 6s o f c 堆模型的功率一电流稳态特性2 6 图3 7p m e f c 堆的电压一电流稳态曲线2 7 图3 8p m e f c 堆的功率一电流稳态曲线2 7 图3 - 9不同工作温度对电池性能的影响2 8 图3 1 0p m e f c 堆模型的电压暂态特性2 9 图3 1 1s o f c 堆模型的电压暂态特性2 9 图3 1 2s o f c 堆效率、燃料耗量与利用率的关系曲线3 0 图3 1 3 燃料电池并网控制总示意图3 1 图4 1c i m 3 0 1 部分的包图3 7 图4 2普遍化的例子3 8 图4 3简单的关联例子3 8 图4 4简单的聚集例子3 9 图4 5燃料电池的c i m 框图3 9 表格清单 表2 1 各种燃料电池成本1 4 表3 1 模型参数2 5 表4 1 燃料电池扩展的主要类4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金目巴王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：签字日期： 学位论文版权使用授权书 年妒月o 日 本学位论文作者完全了解 盒胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 婵嗍。刁年o 日 | 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：严哳鲴 | 电话： 邮编： 五i 致谢 硕士论文的顺利完成，离不开导师丁明教授对我的悉心指导、教诲和帮助。 导师学识渊博、为人豁达、和蔼可亲，使我受益匪浅。从导师身上所学到的做 学问以及做人的态度和精神将使我受益终身。攻读硕士学位期间，在学习和生 活上，自始至终得到导师的悉心关怀和帮助，使我在知识能力和学术水平上都 褥到了很大的提高。在本文即将完成之际，学生要对敬爱的导师表示衷心的感 谢和深深的敬意! 在求学过程中，也要感谢茆美琴、吴红斌老师对我的帮助和关心。本文各 个章节的完成，也离不开他们平时对我的悉心指导。最终方案的确立和软件的 实现更离不开他们的很多扇发性的建议和指导。在此，表示衷心感谢! 科研工作的完成，离不开身边同学对我的鼓励与帮助。感谢杨为、张征凯、 郭学风、张颖嫒、杨之俊、丁银、高研等几位同学，和你们在一起，让我体味 到了合作的快乐。感谢电力系统2 0 3 研究室所有的兄弟姐妹们，我们共同构建 了2 0 3 研究室这个真诚、温馨的大家庭，谢谢大家对我的关心和帮助。 最后，我要感谢我的家人和朋友对我的支持，论文的完成与他们的关怀和 鼓励密不可分。 作者：严流进 2 0 0 9 年4 月 1 1 选题背景及研究意义 第一章绪论 耳前全世界的供电系统都是以大机组、大电网、高电压为主要特征的集中 式单一供电系统。全世赛9 0 的电力负荷都由这种集中单一的大电网供电。但 是当今社会对能源与电力供应的质量与安全可靠性要求越来越高，大电网由于 自身的缺陷其单一供电已不能满足这种要求。( 1 ) 大型互联电力系统中，局部事 故极易扩散。由于大电网中任何一点的故障所产生的扰动都会对整个电网造成 较大影响，严重时可能弓| 起大面积停电甚至是全网崩溃，造成灾难性后果，这 样的事故在2 0 0 3 年美加事故大停电中就有发生；而且这种大电网又极易受到战 争或恐怖势力的破坏，严重时将危害国家的安全，如科索沃战争和海湾战争等 【l 。】。( 2 ) 集中式大电网还不能灵活跟踪电力负荷的变化，丽为了短暂的峰荷建 造发电厂其花费是巨大的，经济效益也非常低。随着负荷峰谷差的不断增大， 电刚的负荷率正逐年下降，发输电设施豹利用率都有下降的趋势。( 3 ) 大电网的 发展不能满足对环保和需求的限制。 能源是国民经济发展的动力，也是衡量综合国力、国家文明发展程度和人 民生活水平的重要指标。石油、煤炭等不可再生能源资源的日趋桔竭，引起的 环境严重污染及直接影响圈家经济发展、囡防安全已是2 1 世纪各国面临的三大 闽题。为解决经济发展与能源短缺及环境污染之间日益加剧的矛盾，发展清洁、 高效、可持续发展的新能源动力技术已成为十分紧迫的任务。 由于以上几个方蘑的原因，世界许多能源、电力专家公认为大电网与分布 式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，简称d g ) 相结合是熊够节省投资，降低能耗，提 高系统安全性和灵活性的主要方法，是2 1 世纪电力工业的发展方向。d g 指的是 在用户附近配置较小的发电机组( 数千瓦到几十兆瓦) ，以满足特定用户的需要 或支持现存配电网的经济运行。d g 包括内燃机、微型燃气轮机、燃料电池、太 阳能发电的光铗电池和风力发电等 3 - 8 】。 燃料电池发电就是把化学反应的化学能直接转化为电能的，它不经过热机 过程，因此不受卡诺循环的限制，能量转化效率高( 4 0 一6 0 ) ，环境友好，几 乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物。而且，二氧化碳的排放量也比常规发电厂 减少4 0 以上。正是由于这些突出的优越性，燃料电池技术的研究和开发受各 国政府和大公司的重视，被认为是2 l 世纪首选的洁净、高效的发电技术f 9 1 。 作为燃料电池燃料的氢可从煤炭、天然气和石油中制取，也可从植物、生 物排放物、太阳能、风能和电解水等过程中制取。馨前我国有丰富的天然气资 源，煤气层也十分丰富，以及还有大量的生物资源，可以说氢能是取之不尽， 用之不绝的，对燃料电池发电有绝对的燃料保证。 1 2 燃料毫池发电技术的研究现状 1 2 1 国外燃料电池发展概况【1 2 1 7 】 发达囡家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以 巨资，从事燃料电池技术的研究与开发，现在已取得了许多重要成果，使得燃 料电池匿p 将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。值得注意的 是这种重要的新型发电方式实现电能的终点生产与消费同步，可以大大提高燃 料利用率、降低空气污染及解决电力供应、提高电网的安全性。 ( 1 ) 磷酸型燃料电池( p a f c ) 日本是对p a f c 研究开展较早的国家，受l9 7 3 年世冥性石油危机以及美国 p a f c 研发的影响，自2 0 世纪7 0 年代起日本决定开发各种类型的燃料电池，p a f c 被作为大型节能发电技术豳新能源产业技术开发机构( n e n o ) 进行开发。自l9 8 1 年起，进行了2 0 0 k w 现场塑p a f c 发电装置的研究和开发。1 9 8 6 年又开展了 1 0 0 0 k w 现场型发电装置的开发，以适用于边远地区或商业应用。目前，开发出 的最大的装置为1 1 m w ，要u 2 0 0 1 年为止已有1 2 台装置运行时闻超过了4 万小时的 设计寿命，有2 0 0 多台装畿运行在世界各地。富士电机公司是目前日本最大的 p a f c 电池堆供应商。在1 9 9 7 年3 月宠成了分散型5 m w 设备的运行研究。现在己 有5 0 k w ，1 0 0 k w 及5 0 0 k w 总计8 8 种设备投入使用。东芝公司安装在美国某公司 的1 号机和安装在网本大阪梅田中心的大阪煤气公司2 号机，累计运行时间均已 突破了4 万小时。从燃料电池的寿命和可靠性来看，累计运行时闻4 万小时是燃 料电池的长远目标。近期将推出的商业化p c 2 5 d 型设备成本会降至15 0 0 美元 k w ，体积是p c 2 5 c 的3 4 ，质量仅为1 4 吨。 ( 2 ) 质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 著名的加拿大b a l l a r d 公司在p e m f c 技术上全球领先，现在已将p e m f c 技术 扩展到交遽和固定电站方面，萁子公司b a l l a r dg e n e r a t i o ns y s t e m 被认为在开发、 生产和市场化方面直走在世界前列。其第一座2 5 0 k w 发电厂于1 9 9 7 年8 月成功 发电，1 9 9 9 年9 月送至i n d i a n ac i n e r g y ，经过周密测试、评估后，设计了第二座 电厂，提高了性能，降低了成本，安装在柏林，输出功率2 5 0 k w 。不久b a l l a r d 公司的第三座2 5 0 k w 电厂也在2 0 0 0 年9 月安装在瑞士进行了现场测试，在2 0 0 0 年l0 月通过它的伙伴e b a r ab a l l a r d 将第蹰座燃料电池电厂安装在蠢本的n t t 公司，向亚洲开拓了市场。 ( 3 ) 熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 熔融碳酸盐燃料电池( m c f c ) 由于其可以作为大规模发电装置应用，可以应 用无“污染 氢燃料而引起了世界范围的重视。m c f c 发展的非常快，到了2 0 世纪8 0 年代，已被作为第二代燃料电池，并成为近期实现兆瓦级商品化燃料电 池电站的主要研究目标。现在m c f c 的主要研制者集中在美国、日本和西欧等 2 国家，2 0 0 2 年已经商品化生产。美匡麓源部( d e e ) 去年己拨给固定式燃料电池 电站的研究费用4 4 2 0 万美元，而其中的2 3 将用于m c f c 的开发，美国的m c f c 技术开发一直主要由两大公司承担，e r c ( e n e r g yr e s e a r c hc o r p o r a t i o n ，现为 f u e lc e l le n e r g yi n e ) 和m cp o w e r 公司，2 家公司都到了现场示范阶段。e r c 预 计将以1 2 0 0 美元k w 的设备费用提供3 m w 的装置。这与小型燃气涡轮发电装置 设备费用1 0 0 0 美元k w 比较接近。但小型燃气轮机发电效率仅有3 0 ，并且有废 气排放和噪声问题。美国m cp o w e r 公司已在加州圣迭弋的海军航空站进行了 2 5 0 k w 装置的试验，现在计划在弼一地点试验改进7 5 k w 装置。m cp o w e r 公司 正在研制的5 0 0 k w 模块，2 0 0 2 年已经开始生产出厂。日本对m c f c 的研究，自 1 9 81 年“月光计划 时开始，1 9 9 1 年后转为重点，每年在燃料电池上的费用为 1 2 到1 5 亿美元，并在1 9 9 0 年追加2 亿美元，专门用于m c f c 的研究。l9 9 4 年， 分别由日立和石川岛播磨重工完成了2 个1 0 0 k w 、电极面积l m 2 、加压外重整的 m c f c 。另外由中部电力公司制造的l m w 外重整m c f c 正在川越火力发电厂安 装，预计以天然气为燃料时，热电效率高于4 5 ，运行寿命大于5 0 0 0 h 。由三菱 电机与美国e r c 合作研制的内重整3 0 k w m c f c 已运行了1 0 0 0 0 h 。三洋公司研制 了3 0 k w 的内重整m c f c 。目前，石川岛播磨重工有世界上最大面积的m c f c 燃 料电池堆，试验寿命已超过13 0 0 0 h 。日本为促进m c f c 的开发研究，于19 8 7 年 成立了m c f c 研究协会，负责燃料电遗堆的运转、电厂外围设备和系统技术等 方面的研究，现在它与1 4 个单位联合成为曰本研究开发主力。欧洲早在1 9 8 9 年 就制定了1 个j o u l e 计划，目标是建立环境污染小、可分散安装、功率为2 0 0 m w 的“第二代电厂，包括m c f c 、s o f c 和p e m f c 三种类型，它将任务分配到各 国。进行m c f c 研究的主要有荷兰、意大利、德国、丹麦和西班牙。荷兰对m c f c 的研究从1 9 8 6 年就己经开始，1 9 8 9 年研制出了l k w 级电池堆，1 9 9 2 年对l o k w 级 外部转化型与1 k w 级内部转化型电池堆进行了试验，1 9 9 5 年对以煤制气与天然 气为燃料的2 个2 5 0 k w 系统进行了试运转。意大利于1 9 8 6 年开始执行m c f c 国家 研究计划，1 9 9 2 1 9 9 4 年研制5 0 1 0 0 k w 电池堆，意大利a n s o d o 与i f c 签订了有关 m c f c 技术的协议，已安装l 套单电池( 面积lm 2 ) 自动化生产设备，年生产能力为 2 3 m w ，可扩大到6 9 m w 。德国m b b 公司于1 9 9 2 年完成了1 0 k w 级外部转化技 术的研究开发，在e r c 协助下，于19 9 2 19 9 4 年进行了l o o k w 级与2 5 0 k w 级电池 堆的制造与运转试验。现在m b b 公司拥有世界上最大的电池组体。 ( 4 ) 固体氧化物燃料电池( s o f c ) 被称为第三代燃料电池的s o f c 正在积极的研制和开发中，它被认为是正 在兴起的新型发电方式主力型之。美国是世界上最早研究s o f c 的国家，而 美国的西屋电气公司所起的作用尤为重要，现已成为在s o f c 研究方面最有权 威的祝构。世界上最大的s o f c 燃料电池为2 5 0 k w ，2 0 0 1 年8 月份已在德国进 入第二考核期。早在19 6 2 年，西屋电气公司就以甲烷为燃料，在s o f c 试验 3 装置上获得了电流，并指趱烃类燃料在s o f c 内必须完成燃料的催化转化与电 化学反应两个基础过程，这是s o f c 发展的基础。从1 9 9 5 年起，西屋电气公 司采用空气电极作支撑管，简化了s o f c 的结构，使电池的功率密度提高了近 3 倍。该公司为荷兰u t i l i e s 公司建造1 0 0 k w 级s o f c 系统，能量总翻用率达到 7 5 ，在日本，s o f c 研究是“月光计划 的一部分。早在19 7 2 年，电子综合 技术研究所就开始研究s o f c 技术。铁1 9 8 9 年起，东京煤气公司还着手开发 大面积平板式s o f c 装置，19 9 2 年6 月完成了10 0 w 平板式s o f c 装置，该电 池的有效面积达4 0 0 c m 2 。现在f 面i 与s a n y o 公司开发的平板式s o f c 功率已达 到k w 级。另外，中部电力公司与三菱重工合作，从1 9 9 0 年起对叠层波纹板式 s o f c 系统进行研究和综合评价，研制出4 0 0 w 试验装置，该装置的单电池有 效面积达到1 3 1 c m 2 。 1 2 2 国内燃料电池发展概况【1 8 珈】 我国的燃料电池研究始于19 5 8 年，原电子工业部天津电源研究所最早开展 了m c f c 的研究。2 0 世纪7 0 年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研究曾 呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制的两种碱性石棉 膜型氢氧燃料电池系统( k w 级a f c ) 均通过丁例行的航天环境模拟试验。1 9 9 0 年 中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院p e m f c 的研究任务，1 9 9 3 年开始 进行直接甲醇质子交换膜燃料电池( d m f c ) 的研究。电力工业部哈尔滨电站成套 设备研究所于1 9 9 1 年研制撼由7 个单电池组成的m c f c 原理性电池。“八五 期 间，大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、北京化工冶金研究所、清华大 学等十几个单位进行了与s o f c 有关的研究。到2 0 世纪9 0 年代中期，在国家科技 部与中科院将燃料电池技术列入“九五科技攻关计划的推动下，中国进入了 燃料电池研究的第二个高潮。以大连化学物理研究所为牵头单位，全面开展了 质子交换膜燃料电涟的电池材料与电池系统的研究，并组装了0 。l k w ，1 2 k w ， 5 k w 和2 5 k w 电池组与电池系统。5 k w 电池组包括内增湿部分其重量比功率为 1 0 w k g ，体积比功率为3 0 0 w l 。 我国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了很大进展，积 累了一定经验。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就 燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专 家对燃料电池的研究十分重视，1 9 9 6 年和l9 9 8 年两次在香山会议上对我国燃料 电池技术的发展进行了专题讨论，强调了崮主研究与开发燃料电池系统的重要 性和必要性。近几年我国加大了在p e m f c 方面的研究力度。 2 0 0 0 年大连化学物理研究所与中科院电工研究所己完成3 0 k w 车用燃料电 池的全部试验工作。2 0 0 1 年己有5 家单位生产出燃料电池概念车，并接受订货。 在高温燃料电池的研究方面也取得新的突破，设计并成功地运行了原型电池堆。 4 董。3 各种燃料电池发电技术的对比 各种燃料电池的属性和应用场合【2 l j 如下： ( 1 ) 碱性燃料电池( a f c ) 与其它燃料电池相比，a f c 功率密度和比功率较高，性能可靠。但它要以 纯氢做燃料，纯氧做氧化剂，必须使用贵重金属做催优剂，价格昂贵。电解质 的腐蚀严重，寿命较短，这些特点决定了a f c 仅限于航天或军事应用，不适合 民用。 ( 2 ) 磷酸型燃料电池( p a f c ) 最早在民用的燃料电池，其发电效率图前仅能达到4 0 0 a - 4 5 ( l h v ) ，它需 要贵金属做电催化荆；燃料必须外重整；燃料气中的c o 的浓度必须小于1 ( 1 7 5 ) - - 一2 ( 2 0 0 c ) ；寿命难以超过4 0 0 0 0 h 。p a f c 的技术己经成熟，产品也进入商 业化，发展潜力较小，用作大容量集中发电站较困难，一般用以提供饭店、医 院、学校等场所。 ( 3 ) 质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 与p a f c 相比，电流密度和跣功率较高。与p a f c 和m c f c 等液体电解质燃 料电池相比，它具有寿命长、运行可靠的特点。但p e m f c 的余热温度较低，热 利用率较低，综合发电效率低。p e m f c 非常适合予运输动力、便携式电源及家 用型发电机，不适合做大容量中心电站。 ( 4 ) 熔融碳酸型燃料电池( m c f c ) 与p a f c 相比，m c f c 降低造价的潜力很大；可实现内部重整，使发电效率 提高，系统简化；c o 可直接用作内重整；余热的温度较高，可组成燃气一蒸气 联合循环，使发电容量和发电效率进一步提高。与s o f c 相比，m c f c 操作温度 较低，制造工艺简单，密封和组装技术难度相对较小，大容量化容易，造价较 低。缺点是：必须配备c 0 2 循环系统；要求燃料气中h 2 s 和c o d , 于0 5 x1o 一；电 解质具有腐蚀性，易挥发；与s o f c n 比寿命较短，组成联合循环发电的效率低。 从m c f c 的技术特点和发展趋势来看，m c f c 是将来民用发电( 分散电源和中心 电站) 的理想选择之一。 ( 5 ) 固体氧化物燃料电池( s o f c ) 与液体电解质的燃料电池( a f c 、p a f c 和m c f c ) 相比，s o f c 避免了电解质 蒸发和电池材料的腐蚀问题，延长了电池使用寿命。c o 可作为燃料，使燃料电 池以煤气为燃料成为可能。s o f c 的运行温度在10 0 0 左右，燃料可在电池内进 行重整。与m c f c 相比，s o f c 组成联合循环的效率更高，但s o f c 面临的技术 难度较大，价格可能比m c f c 高。示范业绩证明s o f c 是未来化石燃料发电技术 的理想选择之一，其应用范匿相当广泛，几乎涵盖了所有憋传统电力市场，其 中以静置型的商业用电力、工业用热电合并系统以及小型电力市场，前景较为 着好。 5 1 4 燃料电池发电的经济性 燃料电池是一种正在逐步完善的能源利用方式。其投资成本正在不断的降 低，匿前p e m f c 的国辨商业价格为1 5 0 0 美元成w ，p a f c 的价格为3 0 0 0 美元 k w 。国内富原公司公布其p e m f c 接受订货的价格为1 0 0 0 0 元k w ，其他燃料 电池国内暂无商业产晶【2 羽。燃料电池发电与常规的火电投瓷比较不能单考虑电 源投资，还应将长距离输电、配电投资与厂用电、输电能耗和两种能源转换装 置的效率考虑在内。如此来计算综合投资大型的火电厂约为l1 3 l15 万元 k w 。发电消耗的燃料为燃料电池的2 倍以上，按隧前国内天然气最低市价( 产 地市价人民币l 元m 3 ) 计算，当发电时间超过7 0 0 0 0 h 以后，用燃料电池发电将 比用传统的热机发电更经济。在实际发电工程中还应考虑传统的热极发电占地 面积大、环境污染重的问题。随着燃料电池发电技术的不断完善，造价将会不 断的降低，特别是在规模化生产后，其造价将大幅度的下降，有理幽相信，不久 的将来这种发电方式会对传统热机发电构成挑战。最近国际上一些学者和国际 组织认为：大容量、高参数机组发电，超高压、大电网远距离送电的集中供电是 一些工监发达国家过去走过的道路。蚕前的情况正在发生变化，较分散的发电站 的出现，再加上对改善能源投资的选择，传统的观念正在变得过时。19 9 9 年在 布鲁塞尔戒立的国际热电联产( i c a ) 组织声称：“其实质是推动世界范墨内的清 洁、高效、分散的电力生产，这是下一个世纪( 2 1 世纪) 电力工业的方向。随着 小型分散的热电厂、燃料电池发电、风力发电、太阳能发电、生物质能发电等 的出现和增加，当今酶电力系统将发生很大的转变。超大型的电站与分散微型 电站的结合可以减少在输配电线路上的投资，会使得电力系统更安全更经济。一 个疆前拥有5 0 个发电厂的电力公司在未来若干年态会有几百个甚至几千个微 型电站与之相连。这种电力网络类似于目前的计算机网络，少数的几台主机与 众多的p c 机相连。这种电网会使得各种能源得到更好利用和配置，这种变化 将要求未来的电力系统运行方式有个重大的变革。将来的电网系统将是现有 的大电厂和中小燃料电池共存的状态。因为大电网有其优越性的同时，也存在 着缺陷，如高电垂长距离输电将有6 8 的损失。而分散的中小型燃料电涟 电站可以在许多地点建立，可以减少送电损失( 输气能量损失一般仅为3 ) ，同 时能为电网调峰做出贡献。中小型分散式电源将灵活地适癍季节性和地域性的 电力需求变化。气体能源的供应是否会成问题呢? 根据专家计算，一条直径为 0 。9 1 m 的输氢管道用于9 5 01 6 0 0 k m 输气其所输能量约相当于5 0 0 k v 高压输电 线路输送能量的l o 倍以上，而输氢管道所需的建设费用仅为建设高压输电线 路的2 5 5 0 ，日常运行维护也比输电线路低得多。因此这种方式在经济上 是有前景的。 6 1 5 燃料电池发电对我国电力系统的影响 被称为第四代发电方式的燃料电池，由于具有燃料利用效率可达8 0 、不 排放有害气体( p a f c 不排放任何气体) 、容量可根据需要而定，所以受到了各方 面的极大关注。各国家的政府都在这方面增加研发资金，推动其商业化的进程。 在近年它首先受到了交通界的重视，作为交通动力装置已被搬上汽车、舰船， 几乎同时它受到了国外电力系统的重视。p a f c 发电装置已有数万套进入宾馆、 家庭运行，p a f c 已有了4 万多小时的运行记录。 我国稀土资源丰富，发展m c f c 和s o f c 技术具有十分有利的条件。以天然 气和净化煤气为燃料的m c f c 和s o f c 发电效率高达5 5 6 5 ，而且还可提供 优质余热用于联合循环发电，是一种优良的区域性供电电站。热电联供时，燃 料利用率高达8 0 以上。专家们认为它与各种大型中心电站的关系，颇类似于 个人电脑与大型中心计算机的关系，二者互为枣 充。二十一世纪，这种区域性、 环境友好的、高效的发电技术有可能发展成为一种主要的供电方式。 最近日本提出2 0 1 0 年普及燃料电池的应用，并向发达欧美国家建议制定安 全基准和通用规格。随着其生产成本的降低，燃料电池也将在我国获褥快速的 发展，它将对传统的热机发电构成有利的挑战。展望其对电力系统的影响如下 【2 2 】： ( 1 ) 增强调峰能力 应用氢气做燃料p e m f c 已经商业化，在国外容量为3 k w 、5 k w 、7 k w 等热 电联用的燃料电池正在源源不断地进入家庭，数百k w 的燃料电池正在源源不断 地进入旅馆、饭店商厦等场所。这些电力装置同小型光伏发电装置一样可以独 立发电，也可与电力霹相连。为了获得氢燃料，目前在非纯氢燃料电池前均加 了燃料改质器。据专家介绍，碳纳米管储氢技术已获得突破，随着其商业化的 发展，实行家庭发电将像用煤气灶与煤气罐配合使用一样方便，购一罐氢气可 以发电数月( 3 k g 氢气能量可以使一般轿车行驶5 0 0 k m ) 。在有煤气或天然气管 道的地方，打开气阀就可以发电和供热水。 可以使用天然气、煤气为燃料的m c f c 、s o f c 发电能力为数千k w 发电装 置将坐落于较大的公用场所，用管道向燃料电池提供燃气为附近的用户提供电 力和热能，使城市的发电不再污染环境。成千上万的燃料电池发电装置服役， 必将使得电网的调峰能力大大增强，常规的火电厂，由于存在有较大污染，因 此让其远离城区带基本负荷。在缺乏调峰手段和缺乏调峰电量的东北电网加大 燃料电池的入网量，必将大大地提高未来电网的调峰能力。 ( 2 ) 节约配电网的建设费用 我国有许多偏远的山村和海岛，远离电网或处在电霹的末端，用电量不大。 从商业角度考虑，架设高电压等级的线路是不合算的，但不架设又难以实现村 树通电豹目标。有了燃料电池，用当地生物质气体为燃料，再配合当地的风能、 7 太阳能等，就可以满足当地的长期的电能需求。这样可以使投资更加合理，又 提高电网的经济效益。 ( 3 ) 提高电嬲的安全性 目前电网均采用高压长距离输电的方式使偏僻山区的水电和坑口、路口以 及海口处的火电输送到负荷中心地带。中外近年多次电网事故证明，在地震、 水灾、暴风、冰雪、雷电等自然灾害面前，这种系统往往是十分脆弱的。而星 罗棋布的燃料电池加入到电网中供电，将会大大提高电网的安全性。在某个远 距离的基本负荷电源跳阑时，燃料电池可以对电网起到一定的支承作用，保证 重要用户的电能需求。随着m c f c 、s o f c 技术的突破、天然气管线的铺通和大 型煤气化技术的解决，届时人们会看到，对于大规模的应用化石能源的电力系 统来说，变长距离输电为长距离输气，应用大中小相结合的各种燃料电池靠近 负荷供电供热会更经济、更安全。 ( 4 ) 增加电网管理的复杂性 燃料电池发电将增加管理的复杂性。一是燃料电池发的均是直流电，需变 频后入网，如此将需要对谐波进行控制；二是价格管理，每一个小的系统与电 网均有电量交换，需要进行合理的价格管理，这与其他新能源入网闯题一样( 如 太阳能、风能、生物质能发电) ，入网电量小，管理量不小。 1 6 燃料电池的发展趋势及主要障碍 1 6 1 发展趋势 发展趋势主要在以下几个方面： ( 1 ) 汽车焉燃料电池发电机 ( 2 ) 电力发电系统 ( 3 ) 备用电源 ( 4 ) 便捷的电力传输 ( 5 ) 微型化燃料电池 1 6 2 存在问题 燃料电池有许多优点，人销对其将成为未来主要的能源持肯定态度。但就 目前来看，燃料电池还有很多不足之处，使其尚不能进入大规模的商业化应用。 主要归纳为以下几个方面： 一 ( 1 ) 市场价格昂贵； ( 2 ) 高温时寿命及稳定性不理想； ( 3 ) 燃料电池技术不够普及； ( 4 ) 没有完善的燃料电池供应体系。 8 l 。7 本文所做的主要工作 本文主要以可适用于分布式发电应用的质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 和固 体氧讫物燃料电池( s o f c ) 为研究对象，建立它们的可容易实现并阙控制、以及 有利于在d g 或微网系统中能量管理系统集成的数学模型，主要包括以下几个方 西的内容： ( 1 ) 简要阐述燃料电池的工作原理、特点与类型；回顾了燃料电池发电技 术的研究现状；阐明了不同燃料电池的技术特性；给出了燃料电池的关键构成材 料与部件；燃料电池系统结构与特性及燃料电洼应用的主要动态。 ( 2 ) 在目前已有模型的基础上，通过对燃料电池单体的v i 极化曲线的分 析，并根据燃料电池堆发电过程中物质与怠量平鬻，就输出电压与燃料气体利 用率，电流密度和工作温度等相关量建立了p e m f c 和s o f c 的数学模型。针对 具体燃料电池堆所给出的参数，运用v i s u a lc + + 6 。0 这个软件平台建立p e m f c 和s o f c 堆的仿真模型，通过仿真，研究在受载电流或燃料的利用率发生变化时 电压、功率输出和效率的动态响应特性。同时建立它们的系统模型，即在堆电 压和功率模型的基础土增加了燃料处理器或重整器模型、功率调节单元模型。 ( 3 ) 在( 2 ) 的基础上，研究燃料利用率的控制，以及当燃料电池并网发电时， 功率调节单元的两种控制策略和总的控制设计方案。 ( 4 ) 囡前，还没有一个统一的便于能量管理系统集成的燃料电池电厂的 c i m 模型，本文针对分布式发电系统的特点，按照i e c 6 1 9 7 0 的标准，并参照 已有的水电厂和热电联产电厂的c i m 模型，建立适合分在式发电系统的c i m 模型。 9 第二章燃料电池发电系统的基本原理 2 1 燃料电池发电的原理 燃料电池【2 l 】是一种新型的电化学反应装置，即把化学反应的化学能直接转 化为电能。它打破了用燃料燃烧取其热量的传统发电模式，而以燃料通过电解 质进行化学反应的方式，直接地将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、洁净 地转化为电能。其能量转化方式为：化学能( 燃料) 一电能，与传统的火力发电 能量转化方式化学能一热能_ 机械能一电能相比，有着本质的区别。其具体原 理图如下： 图2 1 燃料电池的应用领域非常广泛， 规格的分散电源和可移动电源。 燃料电池的原理图 它既可适合用于集中发电，也可用作各种 燃料电池的结构与一般的蓄电池不同，它由燃料电极、氧化剂和电解质等 基本元件组成。以氢一氧燃料电池为铡，其电极反应为： 负极：a + 4 e 一一2 0 2 一 正极：嘎。2 h + + 2 e 一 1 总电池反应为：马+ 妄砬专致o z 当然，它还需要一套相应的辅助系统，包括燃料、氧化剂攻击系统、排热 系统、排水系统、控制系统和安全系统等。在实用的燃料电池中因电解质不同， 参与反应的离子也不同。燃料电池和普通电池一样，是通过电化学反应产生电 流，但却有根本的区别：一旦工作，电流稳定，无须充电，因为它不像普通的 电池那样，反应物和产物封存在电池之内，而是反应物不停的补充进电池，产 物则不停的排出电池。 l o 2 2 燃料毫池发电盼优点 和传统发电方式相比，燃料电池发电具有以下几个显著的优点：良好的环 境效益；发电效率高；可用燃料的多样性；余热的再利用；安装简便可实现模 块化操作运行等【2 引。 ( 1 ) 清洁 当氢为燃料时，燃料电池的副产物是水。这意味着燃料电池是“零排放”。 氢经过燃料电池电化学作用，一边释放电能推动机械做功，一边与空气中的氧 化合又重新产生水，几乎无硫氧化合物( s o x ) $ d 氮氧化合物( n o x ) 的排放，温室 气体c 0 2 的排放量也远小于火力发电厂。 ( 2 ) 高效 燃料电池的发电方式，是按照电化学的原理，直接等温地将化学能转变成 电能，它与柴油一汽油发电橇近似，但它不是热枕，没有燃烧过程、不受卡诺 循环的限制、转换次数少、效率高。 燃料电池的能量转换效率定义为：所产生的电能w r ( 通过外电路电子所作 的最大电功量) ，与电化学反应所释放麴全部能量a h ( 焓变量) 之比。在可逆理 想状态下的转换效率为：燃料电池最高总效率( ) 一二争1 0 0 ，实际运行过程为 _ ，| g t w 不可逆状态，燃料电池的转换效率为：燃料电池安际转换效率( ) = 等争l 0 0 以 。式中，f 为法拉第常数，f = 9 6 4 8 4 。5 6