熔融碳酸盐燃料电池发电厂的应用展望

分析了开发熔融碳酸盐燃料电池 ( MCFC)发电厂的必要性、可能性及资源条件。首次从电极、单电池、电堆、系统 4个层次阐述了 MCFC燃料电池的发电原理 ,并分析了 4个层次中发生的主要热、电过程 ;给出了有代表性的天然气 MCFC发电厂、煤气化 MCFC—燃气轮机—汽轮机联合发电厂的原理、构成和主要过程 ;介绍了 MCFC发电系统商业化的最佳容量、燃料选择、全球主要市场的前景、特点以及商业化存在的障碍。简要阐明了我国大力研究和开发 MCFC发电系统的现实意义。     

熔融碳酸盐燃料电池发电的应用与商业化

首先分析了开发熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)发电的必要性、可能性及资源条件。然后首次从电极、单电池、电堆、系统四个层次阐述了MCFC燃料电池的发电原理,并分析了四个层次中发生的主要热、电过程;给出了有代表性的天然气MCFC发电厂、煤气化MCFC-燃气轮机-汽轮机联合发电厂的原理、构成和主要过程;介绍了MCFC发电系统商业化的最佳容量、燃料选择、全球主要市场的前景和特点。最后简要阐明了我国大力研究和开发MCFC发电系统的现实意义。     

SOFC建模与控制策略的研究现状与发展

简单介绍了固体氧化物燃料电池(SOFC)的单体结构类型和工作原理;然后详细介绍SOFC的电极、单电池、电堆、系统四个层次的建模以及SOFC控制的研究现状,并指出现有模型的不足;接着讨论SOFC电池数学建模的发展方向;最后,针对SOFC系统的非线性、大时滞、多输入多输出和随机干扰等特征,提出了几种适宜的控制方案.     

车用燃料电池热管理系统模型研究

车用燃料电池系统发电的同时释放大量热量,必须构建适合的热管理系统以确保系统性能和可靠性。在分析车用燃料电池热管理系统工作原理基础上,建立了面向控制的计及电堆、空气冷却器、氢气热交换器、旁路阀、散热片和冷却水循环泵模型的燃料电池热管理系统模型,并通过仿真实验研究了电堆电流、冷却液流速、散热片表面风速、旁路阀开度与燃料电池温度的关系;讨论了它们对空气冷却器、氢气热交换器、电堆及散热器入口与出口温度差的影响。模拟结果可以为燃料电池热管理控制系统设计提供指导和帮助。     

熔融碳酸盐燃料电池电堆的输出电压模型

为保证熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)电堆可靠、高效和安全地运行 ,要求保持输出电压的恒定。根据MCFC电堆发电过程中物质与电量的平衡 ,分析了顺流型电堆的内部动态特性 ,就输出电压与燃料气体利用率和电流密度等相关量建立了由一组变系数偏微分方程和积分方程描述的数学模型 ,并从外部负载扰动的角度讨论了各状态量之间的相互关系。仿真结果证实了分析和建模的正确性。     

设计工况和非设计工况下MCFC/MGT联合发电系统基于方法的性能分析

熔融碳酸盐燃料电池是未来最具有吸引力的发电方法之一。基于分析的理论,在IPSEpro仿真平台下建立了熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机(MCFC/MGT)联合发电系统的稳态性能仿真模型。利用该模型对联合发电系统在额定工况和变工况下的稳态性能进行了仿真研究,分析了系统中各部件的不可逆性和系统的整体性能。仿真结果表明,MCFC/GMT联合发电系统具有较高的效率,且具有良好的变工况特性。     

设计工况和非设计工况下MCFC/MGT联合发电系统基于(火用)方法的性能分析

熔融碳酸盐燃料电池是未来最具有吸引力的发电方法之一.基于(火用)分析的理论,在IPSEpro仿真平台下建立了熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机(MCFC/MGT)联合发电系统的稳态性能仿真模型.利用该模型对联合发电系统在额定工况和变工况下的稳态性能进行了仿真研究,分析了系统中各部件的不可逆性和系统的整体性能.仿真结果表明,MCFC/GMT联合发电系统具有较高的效率,且具有良好的变工况特性.     

考虑电堆性能一致性的燃料电池混合动力系统多目标优化能量管理方法

为优化燃料电池混合动力系统(fuel cell hybrid power system,FCHPS)并延长其使用寿命,该文提出一种考虑电堆性能一致性的多目标优化能量管理方法。该方法的目的是降低系统等效氢耗、提高燃料电池系统内电堆组运行效率的同时限制锂电池荷电状态(state of charge,SOC)波动。由于电堆组的性能会在实际运行过程中发生退化,因此该方法还考虑了电堆组的性能状态差异,通过限制性能较差电堆的运行压力,以延长系统寿命。为实现这一目的采用樽海鞘群算法(salpswarmalgorithm,SSA)对目标函数进行优化求解,得到系统最优功率分配。最后,基于RT-LAB半实物仿真平台,将所提方法与有限状态机控制方法进行对比,实验结果表明所提出的方法能够有效降低系统氢耗,提高电堆组效率的同时减缓性能较差电堆的功率波动,维持系统一致性,有利于系统长期稳定运行。     

生物质气化–熔融碳酸盐燃料电池联合循环发电系统性能研究

将生物质气化与熔融碳酸盐燃料电池(molten carbonate fuel cell,MCFC)构建为新型的生物质能高效清洁利用联合循环发电技术,气化产生的富氢气体作为MCFC的燃料,通过燃烧半焦以及MCFC中未利用的燃料为气化反应提供热量,进行生物质气化–MCFC联合循环发电系统的模拟研究。运用Aspen Plus软件搭建系统模型并计算,研究了燃料电池内重整及系统工作压力对系统性能的影响。结果表明：生物质气化–MCFC联合循环发电技术具有较高的系统发电效率,可达50%,比常规生物质气化驱动燃气轮机技术高出10个百分点;对于常压系统无需采用内重整,而对于增压系统,采用内重整对系统性能有较大改善;提高系统工作压力可改善其整体性能,最佳工作压力在0.8~1.2 MPa。     

固定电站用燃料电池系统性能衰减的规律

对某固定电站用燃料电池系统在恒负载条件下的性能衰减规律进行了研究.电压和功率随着运行时间的增加线性衰减,电堆和单体电池的电压衰减速率分别为0.042 V/h、0.37 mV/h,电堆和辅助系统的功率衰减速率分别为2.8 W/h、0.4 W/h.经过150 h的运行,燃料电池堆的稳定性和单体电池的一致性下降,燃料电池系统的效率下降3％;电堆性能受限于性能最差的单体电池;辅助系统功率是影响系统效率的主要因素.     

熔融碳酸盐燃料电池－燃气轮机混合动力系统特性分析

文中研究了由熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和燃气轮机组成的混合动力系统。在设计点工况下，MCFC电堆的发电量占系统总发电量的80％，剩下20%的电量由燃气轮机提供。文章在混合动力系统动态数学模型的基础上，结合系统运行的具体过程，通过计算分析，对混合动力系统的动态特性进行了研究。结果表明：当混合动力系统的供给燃料流量变化时，混合动力系统内部各参数均会发生显著的动态变化，从而影响混合动力系统中各部件的运行性能，导致混合动力系统的效率下降。此外，由于各部件之间复杂的相互作用，混合动力系统的负荷响应速度较慢。研究结果还表明，由于供给燃料发生变化而引起的燃气轮机转速的改变，有利于改善混合动力系统的变工况性能。     

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)发电系统进展

燃料电池 ,尤其是熔融碳酸盐燃料电池是 2 1世纪最有希望的发电技术。在简要叙述了熔融碳酸盐燃料电池发电系统的发电原理后 ,从以下方面对系统的开发进行了论述 :单体元件 (电极和电解质 )性能的提高 ,燃料的处理 ,余热利用 ,电力调节和并网 ,电池参数 (工作压力、温度、反应气体的组成和利用率、燃料气体湿度 )的控制与优化。介绍了熔融碳酸盐燃料电池发电系统的国内外研究现状 ,给出了天然气外部重整型和内部重整型燃料电池的循环模型。指出熔融碳酸盐燃料电池系统开发面临的主要课题 :延长寿命、降低成本、系统小型化、改善电能质量等 ,给出一种多段熔融碳酸盐燃料电池系统模型     

高温燃料电池发电技术分析

熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)均可被固定电站应用.对SOFC以及MCFC的发展状况进行了论述,分析了SOFC的发展方向和存在的问题,以及MCFC的材料工艺、发展现状和存在的问题,并从制造成本、电池堆容量、材料体系、商业化示范等方面对2种高温燃-料电池进行了比较分析.分析得出,适合我国绿色煤电计划的高温燃料电池发展技术路线是优先发展MCFC技术,利用国内外积累的MCFC研究成果,尽快实现MCFC的大型化与产业化.     

Molten carbonate fuel cell stack performance with gas recycling

The molten carbonate fuel cell (MCFC) power plant is expected to be one of the most promising future power generation systems for the electric utilities because of its high efficiency, environmental suitability and capability of using coal as fuel. To obtain such attractive performance, it is necessary for the plant to adopt the gas-recycling operation system. The authors tested a 6-kW class MCFC stack with three types of gas recyclings, i.e., cathode, anode and carbon dioxide ones, including pressurized conditions. This paper describes the test results and the effects of the gas-recycling operations. Cathode gas recycling is proved to be able to control the stack temperature and give the flexibility for setting oxygen utilization. Anode gas recycling is proved to be able to suppress the methane formation and decrease the deviation of the stacked cell voltages. Including the starting-up process, it is proved that the electricity can be generated from the stack without supplying carbon dioxide from outside the system by carbon dioxide gas recycling. In such a process using a burner for carbon dioxide gas recycling, burner temperature must be controlled to a certain value. It is important to adjust the fuel supplying rate, load current and cathode gas-recycling ratio to each other. At the load change process, constant gas utilization operation is not effective in changing the burner temperature.     

熔融碳酸盐燃料电池的电气建模

熔融碳酸盐燃料电池目前是高温燃料电池研究领域的一个难点,其严格的热启动过程和运行状态对电池性能和寿命的影响至关重要。针对这一问题,建立了基于机理的熔融碳酸盐燃料电池电气模型,详细给出了采用电化学方程的熔融碳酸盐燃料电池电气特性的模型结构、算法、训练、仿真和试验。实验结果证明其快速准确,为熔融碳酸盐燃料电池的系统控制提供了一个实际工程应用模型。     

混合装置中高温燃料电池建模综述鲻

由于高温燃料电池发电不受卡诺循环的限制 ,能量转换效率高 ,污染比较小 ,排气温度较高 ,因此将燃料电池与燃气轮机组成混合装置在未来分布式发电领域具有广阔的前景。为了降低研发项目的风险 ,以及对其性能进行深入研究 ,混合装置的建模和仿真成为一种重要的研究手段之一。概述了高温燃料电池的早期模型、细化模型、整体“堆”模型以及控制方面模型 ,重点介绍了典型模型的建模思想和主要的方程 ,为实现燃料电池 燃气轮机混合装置的建模仿真做准备工作。     

燃料电池-燃气轮机混合发电系统性能研究

文章对由燃料电池和燃气轮机组成的混合发电系统的性能进行了分析。该混合系统采用的是底层循环方式,并于常压下工作。分析表明,在设计点工况,混合系统的发电效率为58.7％;在非设计点工况,其发电效率也能达到56%以上。在设计点工况下,混合系统的功率约有80％来自燃料电池电堆,20%由燃气轮机提供。在非设计点工况时,燃料电池发电功率占混合系统总输出功率的比例随着混合系统输出功率的减少而增大;混合系统可以在其输出功率不低于设计点功率80%的工况下运行。     

熔融碳酸盐燃料电池/燃气轮机混合动力系统启动停机过程特性分析

对增压型熔融碳酸盐燃料电池/微型燃气轮机混合动力系统(molten carbonate fuel cell/micro-gas turbine,MCFC/MGT)在启动停机过程中的运行特性进行分析。为使混合动力系统顺利启动和停机,对启动和停机过程中引起部件破坏的因素进行分析,并提出相应的保护措施。对应用了保护措施后的混合动力系统的启动停机特性进行计算。结果表明,应用所提出的系统启动和停机策略,系统可以有较好的运行特性,同时也发现由于燃料电池自身的特性,这种混合动力系统不适合频繁的启动停机。