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1、燃料电池池与燃气气轮机组组成的一一体化发发电系统统许世森森(国家家电力公公司热工工研究院院)摘摘要 对各种种燃料电电池进行行了综合合比较。重重点介绍绍团体氧氧化物(SoFFC)燃燃料电池池与微型型燃气轮轮机组成成的混合合体化化发电系系统的构构成和特特点，简简述了其其性能和和经济性性，分析析了这种种发电技技术的发发展趋势势和应用用前景。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
2、术的飞速发展，其商业化的进展缓慢。直到20世纪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压下运行，使得燃料电池和小型
3、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 各种种燃料电电池发电电技术综综合比较较 目前，正正在研究究和发展展的燃料料电池主主要有碱碱件燃料料电池(AFCC)、磷磷酸型燃燃料电池
4、池(PAAFC)、熔触触碳酸盐盐燃料电电池(MMCFCC)、固固体氧化化物燃料料电池(SOFFC)和和质子交交换膜燃燃料电池池(PEEFC)。由于于它们的的电解质质材料、电电池结构构和操作作条件不不同，使使其性能能各具特特点，各各有其适适用的范范围。 (1)AFCC：与其其它燃料料电池相相比，AAFC功功率密度度和比功功率较高高、性能能可靠。但但它要以以纯氢做做燃料、纯纯氧做氧氧化剂，必必须使用用Pt、AAu、AAg等贵贵金属做做催化剂剂，价格格昂贵。电电解质的的腐蚀性性严重、寿寿命较短短，这些些特点决决定了人人AFCC仅限于于航天或或军事应应用，不不适合于于民用。 (2)PAFFC：以以磷酸
5、做做为电解解质，可可容许燃燃料气和和空气中中CO22的存在在。这使使得PAAFC成成为最早早在地面面上应用用或民用用的燃料料电池。与与AFCC相比，它它可以在在18002210运行，燃燃料气和和空气的的处理系系统大大大简化，加加压运行行时，可可组成热热电联产产。但是是，PAAFC的的发电效效率目前前仅能达达到400445(LHVV)，它它需要贵贵金属铂铂做电催催化剂；燃料必必须外重重整；而而且，燃燃料气中中C0的的浓度必必须小于于1(1755)2(2000)，否否则会使使催化剂剂中毒；酸性电电解液的的腐蚀作作用，使使PAFFC的寿寿命难以以超过4400000小时时。PAAFC目目前的技技术已成
6、成熟，产产品也进进入商业业化，作作为特殊殊用户的的分散式式电源、现现场可移移动电源源和备用用电源，PPAFCC还有市市场，但但用作大大容量集集中发电电站比较较困难。 (3)MCFC：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
7、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
8、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，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
9、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(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
10、而言，SOFC的运行温度最高(9501000)，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： 2 SSOFCC发电系系统特性性分析 常压SSOFCC发电系系统，电电池的高高温排气气用余热热锅炉回回收。大大容量时时可组成成底部蒸蒸汽循环环发电，小小容量时时只能供供热。加加压S00FC发发电系统统，电池池的高温温排气可可用小型型燃气轮轮机回收收，除带带动压缩缩机外，还还可以发发电，大大容量时时，还可可组成燃燃气蒸蒸汽联合合循环。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(
11、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S0F
12、C技术建成运行了EOBEISAM 10OkW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(859275358)8457m3。 222 加压压的SOOFC联联合循环环发电系系统分析析 图22是加压压SOFFC和GGT(PPSOFFCGGT)的的联合循循环发电电系统原原则流程程图。该该系统相相当于用用SOFFC
13、取代代燃气轮轮机的燃燃烧室的的燃气轮轮机联合合循环发发电系统统。在MMW级以以下，只只有燃气气轮机发发电，余余热产生生蒸汽和和加热空空气，无无法组成成燃气和和蒸汽联联合循环环。500MW以以上可以以组成SSOFCC燃气蒸蒸汽联合合循环发发电系统统。非再再热的单单燃气轮轮机发电电系统的的发电效效率可达达到600665(LHVV)，若若采用再再热系统统，发电电效率可可达到770，未未来大型型SOFFC发电电系统(数百MMW)的的发电效效率可超超过722%（LLHV）。热热电联产产的效率率可达885%。 由燃气轮轮机驱动动的压缩缩机将空空气压缩缩到工艺艺所需的的压力，经经过一系系列换热热器，使使进入
14、SS0FCC电池堆堆的空气气温度达达到60007000。SSOFCC的排汽汽温度一一般为8850、SOOFC的的操作压压力一般般为610个个大气压压。系统统优化研研究还表表明，在在燃气轮轮机入口口利用燃燃气补燃燃以提高高燃机人人口温度度的做法法并不能能有效地地提高整整个系统统的效率率WEsstinnghoousee公司对对2500kW至至数百兆兆瓦的PPS0FFCGGT系统统进行了了优化研研究，总总结出SSOFCC与GTT的出力力的最佳佳比为335。由由于它具具有非常常高的发发电效率率，Siiemeens Wesstinnghoousee电力公公司将把把2500kW的的PSOOFCGT做做为他
15、们们的第一一个商业业产品，预预计20001年年可商业业化。第第一台2220kkW的PPSOFFCGGT示范范机组将将采用已已验证过过的2000kWWSOFFC和220kWW的微型型燃气轮轮机。SSOFCC中包括括11552个单单电池。运运行压力力为35个大大气压。体体积与1100kkW常压压型S00FC相相当。该该示范机机组已于于20000年55月开始始在位于于美国南南加州的的国家燃燃料电池池研究中中心进行行示范实实验。 与此同同时，一一座2550kWW不带燃燃气轮机机的热电电联产SSOFCC发电系系统正在在加拿大大进行示示范。一一座3220kWW的燃料料电池燃气轮轮机(PPOFCCGTT)发
16、电电系统正正在设计计之中。WWesttingghouuse希希望尽快快推出MMC级PPOFCCGTT的商业业化产品品。1MMW的PPSOFFCGGT系统统将由44个2000 kkW电池池堆组成成，分成成两组布布置于一一个水平平放置的的压力容容器内，运运行的压压力也是是355个大气气压，燃燃气轮机机的功率率为2000 kkW，发发电效率率超过665(LHVV)。该该机组将将于20002年年投运。 2MWW的PSSOFCCGTT系统将将采取两两台燃气气轮机一一台用驱驱动压缩缩机，另另一台用用于发电电，每台台燃气轮轮机的燃燃烧室都都用S00FC取取代。空空气压缩缩采取中中间冷却却式压缩缩。这样样的系
17、统统可获得得70(LHHV)的的发电效效率。图图3是双双级联合合循环PPS0FFCGGT发电电系统流流程图。 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。SOFCC巳达到到很高的的可靠性性。最长长运行时时间已有有700000小小时，可可以达到到lO 0000小时无无衰减。在在130000小小时的运运行时间间里，可可用率达达到了990，最最长连续续运行时时间达到到650
18、00小时时。燃料料采用天天然气、柴柴油或航航空汽油油： SSOFCC是用空空气冷却却，若无无蒸汽循循环发电电，则整整个PSSOFCCGTT系统的的用水量量很少。SSOFCC的运行行噪音非非常小，常常压S00FC系系统中唯唯一运转转部件是是鼓风机机。由于于GT的的功率占占总功率率的l3或更更少。所所以，PPSOFFCGGT的噪噪音也远远低于常常规的发发电方式式(包括括常规的的联合循循环)。 SOFFC发电电系统的的高效率率使COO2的排放放量大幅幅度减少少，PSS0FCCGTT系统单单位出力力下的CC02排排放量是是荧国常常规发电电厂平均均单位排排放量的的一半。SS0FCCNoxx的排放放可以控
19、控制在22mgkg以以下。由由于燃料料进SOOFC之之前必须须进行脱脱硫处理理，因此此，S00FC的的SOxx排放几几乎没有有。 SOOFC既既可与GGT组成成联合发发电系统统，也可可组成SSOFCCGTTSTT联合循循环的发发电系统统，还可可组成热热电联产产系统。 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流电
20、。 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 SSureeCELLL TTM概念念电站设设计性能能电站参数数3A4WWe5MWeel0MWWe电站详述述：电站净交交流电出出力(MMWc)33521033SOFCC净交流流电出力力(MWWe)193868燃气轮机机净交流流电出力力(Mww，f)141436燃料流量量(kggh)39150912966压缩空气气(k99h)18566518566555444O电站排烟烟量(kkghh)l89550191
21、115561660电站排气气温度()210217357电站性能能：电站效率率(净LLHV，)616961Nox排排放(mmgkkg)545电站计划划成本：19966承包安安装电站站成本($)1200010000900 计划的的原型结结构是一一个19MWWe SSOFCC与一个个144MWee燃气轮轮机的联联合，提提供3MMWe出出力。119MMWe SOFFC由三三个子模模块组成成，每一一个提供供约6000kWW，三个个电池模模块装在在同一个个容器中中c运输输条件的的限制是是束缚发发电出力力的因素素，每增增加一个个6000 kWW模块使使SOFFC发电电机组长长度增加加了27m 。计算算的净发
22、发电效率率在600770之之间。 Wesstinnghoousee对Suure CELLLTMM电站进进行了一一个使用用寿命期期的估算算。主要要因素包包括效率率和燃料料消耗、一一次成本本和安装装费用、经经费、计计划中的的运行和和维护费费用，还还有可靠靠性和可可用性等等。评估估同样是是基于对对20000年工工业状况况的预计计，天然然气燃料料成本为为$2503000mmilllionn Bttu。电电站的经经费和建建设成本本从独立立发电机机(IPPP)的的角度出出发。资资金成本本和对比比系统的的性能来来自19996年年版的燃燃气轮机机世界年年度设备备报道。 图5是这个评估的初步结果。在标准燃料成本
23、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结论论 4.1 MMCFCC和SOOFC既既能以天天然气为为燃料作作为高效效清洁的的分布电电源，又又具有形形成大容容量的联联合循环环中心发发电站(以天然然气或煤煤为燃料料)的发发展潜力力。比较较而言，SS0FCC更容易易与底部部的燃气气轮机简简单循环环或联合合循环形形成一体体化的发发电系统统，发电电效率更更高。 422 功率率为2220 kkW的PPSOFFCTTurbbinee系统已已进入示
24、示范，发发电效率率达到55560；1MMW PPS0FFCTTurbbinee系统将将于20002年年投入运运行，发发电效率率可达到到60655；22MW3MWWPSOOFCTurrbinne系统统将于220055年投入入运行，发发电效率率可达到到65700；预预计20010年年，发电电效率将将达到772；20115年，发发电效率率将达到到80以上。 43 SureCELLTM电站与其它电站相比具有许多独特的优势。随着燃料电池发电技术的不断成熟和系统容量进一步增大，以及采用燃料电池和燃气轮机一体化，其比投资将大幅度减小了。其经济方面的优势将会是燃料电池分布式电站系统被广泛应用的一个催化剂。参考
25、文献献1 许许世森，朱朱宝田等等，在我我国电力力系统发发展的燃燃料电池池发电的的技术路路线和实实施方案案研究，国国家电力力公司热热工研究究院，1199991222 FFBeevc，AAdvaancees iin sso1iid ooxidde ffuell ceellss annd iinteegatted PowwerPPlannts，PProccInnsnMecchEEngrrsVVol 2111，paantAA，PPP355933661999733 FBevvc，PParkker，WWG. ，SSureeCELLLTMM innteggratted sollid oxiideffuell ceell Powwer Plaantss foor ddisttribbuteed PPoWeerIIn PPoweerGeen995，AAnahheimm，Caaliffomiia，DDeceembeer UU95作者简介介许世森森，男，119655年100月出生生。工学学博士，高高级工程程师研究究室主任任。长期期从事IIGCCC、燃料料电池发发电技术术的研究究，是国国家电力力公司研研究燃料料电池发发电技术术的技术术路线和和实施方方案的技技术负责责人，负负责编写写国家电电力公司司燃料电电池发展展规划。