燃料电池与燃气轮机组成的一体化发电系统

1、燃料电池与燃气轮机组成的一体化发电系统许世森(国家电力公司热工研究院)摘要 对各种燃料电池进行了综合比较。重点介绍团体氧化物(SoFC)燃料电池与微型燃气轮机组成的混合体化发电系统的构成和特点，简述了其性能和经济性，分析了这种发电技术的发展趋势和应用前景。关键词 燃料电池 燃气轮机0 引言    燃料电池从1839年发明以来，就以高效、清洁而闻名。它是将燃料的化学能直接转化为电能的装置，与常规发电技术相比，其发电效率不受卡诺循环的限制，发电效率可达到5070，被视为21世纪重要的发电方式之。但由于与其竞争的燃气轮机发电技术的飞速发展，其商业化的进展缓慢。直到20世

2、纪90年代，燃料电池在关键技术中取得了些突破，性能不断提高，目前，国际上磷酸型燃料电池已进入商业化，其它几种燃料电池预计在2005年。2010年200 kW将全面进入商业化。    发电领域内的一个重要趋势是大型燃气轮机联合发电系统应用的增加。低于25MW级电站，传统上被用于自备发电和驱动机械，但是，面对全球对电力的各种需求和集中电网出现的问题，为了向用户提供更安全可靠的电力，建设分散电源作为电网的有效补充，已逐渐成为世界能源界的共识。这预示着燃料电池和小型燃气轮机这两种高效清洁的分散电源有着广阔的应用前景。    燃料电池在高温和加

3、压下运行，使得燃料电池和小型燃气轮机组成混合式的一体化发电系统成为可能，而SiemensWestinghouse经过长期的努力将其变为现实，在2000年7月，成功地开发出220kW加压型SOFC和Micro-Turbine组成的一体化发电系统，目前正在位于美国Califomia的燃料电池研究中心进行实验。该装置的开发成功为组成大容量的燃料电池联合循环一体化发电系统奠定了坚实的基础，说明了燃料电池不仅可作为小容量的分散电源，而且可组成大容量的中心电站，标志着燃料电池进入了一个崭新的阶段。l 各种燃料电池发电技术综合比较    目前，正在研究和发展的燃料电池主要有碱件

4、燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔触碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEFC)。由于它们的电解质材料、电池结构和操作条件不同，使其性能各具特点，各有其适用的范围。    (1)AFC：与其它燃料电池相比，AFC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Pt、Au、Ag等贵金属做催化剂，价格昂贵。电解质的腐蚀性严重、寿命较短，这些特点决定了人AFC仅限于航天或军事应用，不适合于民用。    (2)PAFC：以磷酸做为电解质，可容许燃料气和空气

5、中CO2的存在。这使得PAFC成为最早在地面上应用或民用的燃料电池。与AFC相比，它可以在180210运行，燃料气和空气的处理系统大大简化，加压运行时，可组成热电联产。但是，PAFC的发电效率目前仅能达到4045(LHV)，它需要贵金属铂做电催化剂；燃料必须外重整；而且，燃料气中C0的浓度必须小于1(175)2(200)，否则会使催化剂中毒；酸性电解液的腐蚀作用，使PAFC的寿命难以超过40000小时。PAFC目前的技术已成熟，产品也进入商业化，作为特殊用户的分散式电源、现场可移动电源和备用电源，PAFC还有市场，但用作大容量集中发电站比较困难。    (3)MC

6、FC：在历650700运行，可采用镍做电催化剂，而不必使用贵重金属；燃料可实现内重整，使发电效率提高，系统简化；CO可直接用作燃料；余热的温度较高，可组成燃气蒸汽联合循环、使发电容量和发电效率进一步提高。与SOFC相比，MCFC的优点是：操作温度较低，可使用价格较低的金属材料，电极、隔膜、双极板的制造工艺简单，密封和组装的技术难度相对较小，大容量化容易，造价较低 缺点是：必须配置C02循环系统；要求燃料气中H2S和CO小于O5mgkg；熔融碳酸盐具有腐蚀件，而且易挥发；肖SOFC相比，寿命较短；组成联合循环发电的效率比SOFC低。与低温燃料电池相比，MCFC的缺点是启动时间较长，不适合作备用电

7、源。MCFC已接近商业化，示范电站的规模已达到2MW。从MCFC的技术特点和发展趋势看，MCFC是将来民用发电(分散电源和中心电站)的理想选择之一。    (4)S0FC：电解质是固体，可以被做成管形、板形成整体形。与液体电解质的燃料电池(AFC、PAFC和MCFC)相比，SOFC避免了电解质蒸发和电池材料的腐蚀问题，电池的寿命较长(已达到70 OOO小时)。CO可做为燃料，使燃料电池以煤气为燃料成为可能。SOFC的运行温度在1000左右，燃料可以任电池内进行重整。由于运行温度很高，要解决金属与陶瓷材料之间的密封也很困难。与低温燃料电池相比，SOFC的启动时间较长

8、，不适合作应急电源。与MCFC相比，SOFC组成联合循环的效率更高，寿命更长(可大于40000小时)；但SOFC面临技术难度较大，价格可能比MCFC高。示范业绩证明SOFC是未来化石燃料发电技术的理想选择之一，既可用作中小容量的分布式电源(500 kw50 MW)，也可用作大容量的中心电站(100 MW)。尤其是加压型SOFC与微型燃气轮机结合组成联合循环发电的示范，将使SOFC的优越性进一步得到体现。    (5)PEFC：PEFC的运行温度较低(约80)，它的启动时间很短，在几分钟内可达到满负荷。与PAFC相比，电流密度和比功率都较高，发电效率也较高(4550

9、(LHV)，对co的容许值较高(10mgkg)。PEFC的余热温度较低，热利用率较低。与PAFC和MCFC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。PEFC是理想的可移动电源，是电动汽车、潜艇、航天器等移动工具电源的理想选择之一。目前，在移动电源、特殊用户的分布式电源和家庭用电源方面有一定的市场，不适合做大容量中心电站。    综上所述，MCFC和SOFC这两种燃料电池既能以天然气为燃料作为高效清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站(以天然气或煤为燃料)的发展潜力。比较而言，SOFC的运行温度最高(9501000)，更容易与底部的燃气轮

10、机简单循环或联合循环形成一体化的发电系统，发电效率更高：    2 SOFC发电系统特性分析    常压SOFC发电系统，电池的高温排气用余热锅炉回收。大容量时可组成底部蒸汽循环发电，小容量时只能供热。加压S0FC发电系统，电池的高温排气可用小型燃气轮机回收，除带动压缩机外，还可以发电，大容量时，还可组成燃气蒸汽联合循环。21 常压SOFC发电系统分析图1是常压SOFC发电系统的原则流程图。常压的空气经过滤后，用空气压缩机或高压头风机压缩至丁艺过程要求的压力(主要是克服系统的阻力)、然后，经过两级利用电池排气加热的预热器和一级空气加热

11、器，在进入SOFC电池堆之前，使温度达到600。管道天然气的压力应比工艺过程的压力高出13个大气压。天然气经脱硫后，直接进入SOFC电池堆，在电池堆内部天然气被重整为H2和CO，参与电化学的氧化反应，产生直流电。燃料的利用率一般为85。S0FC的排气温度一般在70850之间，通过余热锅炉和空气加热器来回收余热，产生蒸汽和加热空气。常压SOFC的发电效率一般为50(acLHV)。余热锅炉产生蒸汽和热水，可使总热效率达到80(LHV)。常压SOFC的主要用途是热电联产。    1997年，荷兰NUON采用美国西屋公司的管形S0FC技术建成运行了EOBEISAM 10O

12、kW常压的SOFC热电联产系统，可向电网输送100kW交流电，同时以热水形式向当地的郊区热网中输送45kW的热源。该机组的最大出力可达到160kW，最高净发电效率可达到47(acLHV)。整个机组包括四个模块，即燃料供给系统、SOFC电池堆、热回收系统、电气调节系统，每个模块独立出厂，模块之间在现场组装。若不算电气调节系统，该机组的体积为(859×275×358)8457m3。    22 加压的SOFC联合循环发电系统分析    图2是加压SOFC和GT(PSOFCGT)的联合循环发电系统原则流程图。该系统相当于

13、用SOFC取代燃气轮机的燃烧室的燃气轮机联合循环发电系统。在MW级以下，只有燃气轮机发电，余热产生蒸汽和加热空气，无法组成燃气和蒸汽联合循环。50MW以上可以组成SOFC燃气蒸汽联合循环发电系统。非再热的单燃气轮机发电系统的发电效率可达到6065(LHV)，若采用再热系统，发电效率可达到70，未来大型SOFC发电系统(数百MW)的发电效率可超过72%（LHV）。热电联产的效率可达85%。    由燃气轮机驱动的压缩机将空气压缩到工艺所需的压力，经过一系列换热器，使进入S0FC电池堆的空气温度达到600700。SOFC的排汽温度一般为850、SOFC的操作压力一般为610个大

14、气压。系统优化研究还表明，在燃气轮机入口利用燃气补燃以提高燃机人口温度的做法并不能有效地提高整个系统的效率WEstinghouse公司对250kW至数百兆瓦的PS0FCGT系统进行了优化研究，总结出SOFC与GT的出力的最佳比为35。由于它具有非常高的发电效率，Siemens Westinghouse电力公司将把250kW的PSOFCGT做为他们的第一个商业产品，预计2001年可商业化。第一台220kW的PSOFCGT示范机组将采用已验证过的200kWSOFC和20kW的微型燃气轮机。SOFC中包括1152个单电池。运行压力为35个大气压。体积与100kW常压型S0FC相当。该示范机组已于20

15、00年5月开始在位于美国南加州的国家燃料电池研究中心进行示范实验。    与此同时，一座250kW不带燃气轮机的热电联产SOFC发电系统正在加拿大进行示范。一座320kW的燃料电池燃气轮机(POFCGT)发电系统正在设计之中。Westinghouse希望尽快推出MC级POFCGT的商业化产品。1MW的PSOFCGT系统将由4个200 kW电池堆组成，分成两组布置于一个水平放置的压力容器内，运行的压力也是35个大气压，燃气轮机的功率为200 kW，发电效率超过65(LHV)。该机组将于2002年投运。    2MW的PSOFCGT系统将

16、采取两台燃气轮机一台用驱动压缩机，另一台用于发电，每台燃气轮机的燃烧室都用S0FC取代。空气压缩采取中间冷却式压缩。这样的系统可获得70(LHV)的发电效率。图3是双级联合循环PS0FCGT发电系统流程图。    在该系统个，第一级SOFC的操作压力为9个大气压，第一级燃气轮机驱动中间冷却式压缩机，没有净功率输出：第二级SOFC操作压力为3个大气压，第一级SOFC的排气做为第二级SOFC的阴极气，第二级SOFC的排气驱动发电燃气轮机。2MWPSOFCGT系统比l MW的占地增加30。SOFC巳达到很高的可靠性。最长运行时间已有70000小时，可以达到lO 000小

17、时无衰减。在13000小时的运行时间里，可用率达到了90，最长连续运行时间达到6500小时。燃料采用天然气、柴油或航空汽油：    SOFC是用空气冷却，若无蒸汽循环发电，则整个PSOFCGT系统的用水量很少。SOFC的运行噪音非常小，常压S0FC系统中唯一运转部件是鼓风机。由于GT的功率占总功率的l3或更少。所以，PSOFCGT的噪音也远低于常规的发电方式(包括常规的联合循环)。    SOFC发电系统的高效率使CO2的排放量大幅度减少，PS0FCGT系统单位出力下的C02排放量是荧国常规发电厂平均单位排放量的一半。S0FCNox的

18、排放可以控制在2mgkg以下。由于燃料进SOFC之前必须进行脱硫处理，因此，S0FC的SOx排放几乎没有。   SOFC既可与GT组成联合发电系统，也可组成SOFCGTST联合循环的发电系统，还可组成热电联产系统。    3 Sure CELLTM一体化PSOFCTurbineSure CELLTM电站是将一个SOFC与个燃气轮机整体化系统。图4是它的简明工艺流程图。天然气被运送到电站内，预热和脱硫后，被压缩至所需压力。在热回收系统中由燃气轮机排气加热并送往S0FC中。SOFC系统所匹配的燃气轮机压力比率为10：1。电气调节系统把直流电转变为交

19、流电。 SOFC的排气(850和增压力下)被送往燃气轮机。本系统设计了一个天然气辅助燃烧器，可以优化整个系统。设备设计为简化装配和便于卡车运输：表1是3MWe、5MWe和10MWe概念电站的设计表1 SureCELL TM概念电站设计性能电站参数3A4We5MWel0MWe电站详述：电站净交流电出力(MWc)3352103SOFC净交流电出力(MWe)193868燃气轮机净交流电出力(Mw，f)141436燃料流量(kgh)3915091296压缩空气(k9h)18565185655544O电站排烟量(kgh)l89501911556160电站排气温度()210217357电站性能：电站效率(

20、净LHV，)616961Nox排放(mgkg)545电站计划成本：1996承包安装电站成本($)12001000900    计划的原型结构是一个19MWe SOFC与一个14MWe燃气轮机的联合，提供3MWe出力。19MWe SOFC由三个子模块组成，每一个提供约600kW，三个电池模块装在同一个容器中c运输条件的限制是束缚发电出力的因素，每增加一个600 kW模块使SOFC发电机组长度增加了27m 。计算的净发电效率在6070之间。    Westinghouse对Sure CELLTM电站进行了一个使用寿命期的估算。主要因素包括

21、效率和燃料消耗、一次成本和安装费用、经费、计划中的运行和维护费用，还有可靠性和可用性等。评估同样是基于对2000年工业状况的预计，天然气燃料成本为$250300million Btu。电站的经费和建设成本从独立发电机(IPP)的角度出发。资金成本和对比系统的性能来自1996年版的燃气轮机世界年度设备报道。    图5是这个评估的初步结果。在标准燃料成本和2000年时的设备成本下，Sure CELLTM电站比目前燃气轮机发电机组技术有3040的发电成本优势。如与能源部先进的燃气轮机系统(ATS)或更大出力(50 MWe)设备相比,至少也有20的优势。    4结论    4.1 MCFC和SOFC既能以天然气为燃料作为高效清洁的分布电源，又具有形成大容量的联合循环中心发电站(以天然气或煤为燃料)的发展潜力。比较而言，S0FC更容易与底部的燃气轮机简单循环或联合循环形成一体化的发电系统，发电效率更高。    42 功率为220 kW