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。     

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。     

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。     

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。     

我国大面积熔融碳酸盐燃料电池发电技术取得重要突破

2008年11月10日,具有我国自主知识产权的“燃料电池发电技术研究开发”课题取得重要突破,在国内首次成功实现大面积双极板熔融碳酸盐燃料电池堆的发电试验。该燃料电池技术研发课题由华能集团公司所属西安热工院研究院自主设计,是华能集团公司科技项目———“绿色煤电”关键技术研发项目中的一个子课题。课题目标是设计研发并建成2~5kW高温燃料电池发电系统试验台和电池堆,内容包括熔融碳酸盐燃料电池的性能研究,燃料电池堆组装技术研究及高温燃料电池尾气余热利用等技术。该试验的成功表明,热工院自主设计的双极板结构合理,易于加工,能够满足5~10kV熔融碳酸盐燃料电池堆的设计要求;并已完全掌握560mm×400mm双极板的设计与制造、组装等各项相关技术。目前,课题组已完成5kW熔融碳酸盐燃料电池发电系统的设计方案,正在进行5kW熔融碳酸盐燃料电池堆的研制工作。燃料电池作为一种新兴的发电技术,具有发电效率高、污染小、可用作分散电源、不需要大量冷却水等优点,被认为是继火力发电、水力发电、核能发电之后的第四大发电方式,是21世纪清洁发电技术之一。我国大面积熔融碳酸盐燃料电池发电技术取得重要突破     

燃料电池发电的研究现状与应用前景

概述了燃料电池发电的研究现状,对碱性燃料电池、磷酸型燃料电池、熔融碳酸盐电池、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池的反应原理、发展过程及技术特点进行了详细介绍,并对燃料电池发电的应用前景进行了展望.     

第二代燃料电池

日本中央电力研究所试制成可以使用天然气、煤气等各种燃料,输出功率为1千瓦的熔融碳酸盐型燃料电池,并设置在该所武山试验中心,开始进行发电试验。该燃料电池的类型是用500℃左右的温度将碳酸盐熔融后,使氢与氧在其中进行反应来获得电力的。该公司声称:将利用今后三年的时间,就燃料气体成份的变化与发电量,起动和停机条件的设定及负荷的变化与输出功率关系进行研究。     

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.     

燃料电池技术及其应用

本文着重阐述了氧—氧型燃料电池、磷酸盐型燃料电池、熔融碳酸盐型燃料电池和固体高温型燃料电池的基本原理及结构,详细比较了各种类型燃料电池的优缺点,概述了国内外对燃料电池的开发现状和应用状况,并提出了在我国将开发和应用燃料电池的设想.     

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。     

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.     

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。     

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。     

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.     

熔融碳酸盐燃料电池单体数值模拟及性能分析

介绍了熔融碳酸盐燃料电池的原理.认为燃料电池内部的温度、电流密度和反应气体浓度等分布参数对燃料电池的安全、高效运行具有重要的影响,准确地预测燃料电池的温度场、电流密度场和反应气体的浓度场具有十分重要的意义.在考虑熔融碳酸盐燃料电池内部电特性和热特性的基础上,建立了熔融碳酸盐燃料电池单体准二维数学模型.利用该模型对逆流形式的熔融碳酸盐燃料电池单体的主要性能参数进行了稳态数值模拟.仿真结果对于熔融碳酸盐燃料电池的设计及运行具有一定的参考价值.     

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。     

日本燃料电池的发展状况

简要地概述了日本燃料电池的发展状况。因燃料电池两电极中均含有贵重金属 (铂 钌 )作催化剂 ,大部分情况需要防止其对一氧化碳的中毒失效。如果含有碱性电解质 ,要考虑除去二氧化碳。碱性燃料电池开发较早 ;高分子电解质燃料电池在家庭及动力电源的应用上取得很大进展 ;磷酸型燃料电池已广泛应用于供电、供热 ;熔融碳酸型燃料电池则非常适合于大规模及高效率的电站应用 ;固体氧化物燃料电池的重点集中于平面基材的研究 ,以降低成本 ,适合大规模生产。在各种燃料电池的研究开发上 ,不单只是利用燃料来发电 ;更重要的是使能源得到合理的充分利用。通过对上述五种燃料电池的性能比较 ,分析了它们今后的发展方向     

熔融碳酸盐燃料电池系统建模与控制

熔融碳酸盐燃料电池 (MCFC)是目前商业化前景最好的燃料电池 ,特别适合大容量中心电站和联合循环发电。MCFC系统工作在高温、封闭、复杂的环境下 ,内部状态测量极为困难 ,试验分析代价很高 ,有时几乎是不可能的。为提高MCFC性能并确保其安全、长寿命运行 ,需要采用数值分析的方法 ,建立完善的MCFC数学模型 ,借助模型来进行性能仿真分析和动态控制设计。首先详细介绍了MCFC的电极、单电池、电堆、系统四个层次的建模以及MCFC控制的研究现状 ,并指出了现有模型的不足 ;然后讨论了电堆和系统两级建模的发展方向 ;最后 ,分析了MCFC系统的非线性、大时滞、分布参数、多输入多输出、有约束和随机干扰等特征 ,并根据这些特征 ,提出了两种适宜的控制方法