分布式固体氧化物燃料电池发电系统发展现状与展望

能源是工业的粮食、国民经济的命脉。构建以清洁低碳能源为主体的能源供应体系，加速发展新型电力系统是我国实现“双碳”目标的关键举措。固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)分布式发电系统凭借高发电效率、低温室气体排放以及安全可靠的系统保障脱颖而出，展现了下一代新型电力系统广阔发展前景，是世界主要发达国家大力发展和推广的新型分布式发电技术。该文从技术、结构、系统、应用等多个层面对以SOFC为代表的新型电力系统进行梳理；并对综合煤气化燃料电池联合发电技术(integrated gasification fuel cell,IGFC)进行介绍和碳减排分析；最后，针对分布式燃料电池发电系统的发展提出建议与展望。     

液体燃料(乙醇)在高温SOFC阳极反应的进展

本文综述了燃料电池技术的发展；指明了燃料电池的发展方向；重点介绍了液体燃料(乙醇)应用到固体氧化物燃料电池中的意义、发展现况以及一些急待解决的问题。详细介绍了乙醇催化制氢反应(液体燃料乙醇应用在SOFC阳极的主要反应)。得出了乙醇必将是SOFC未来绿色能源的结论。     

氢能离我们还有多远--我国燃料电池现状、差距及对策

叙述了我国质子交换膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)的研究与开发现状,特别指出在性能指标、稳定性、燃料电池系统水平和燃料电池示范深度和广度等方面我国燃料电池和国外的差距。认为根据我国的具体情况,燃料电池公共汽车和大客车将会比燃料电池轿车先得到商业化应用,因此,应加大对其投资力度。提出发展我国燃料电池的对策,建议:(1)根据国情确定研制FC的方向,我国继续以PEMFC和SOFC为重点研究开发对象,其中以PEMFC为重点,中、低温SOFC也要抓紧;(2)加强应用技术基础研究,争取在燃料电池方面有原始创新;(3)加速燃料电池实用化示范工作;(4)走引进、开发并举的道路。     

燃料电池发电技术介绍

介绍了各种类型燃料电池的工作原理和技术现状,并提出将燃料电池作为固定分布式发电技术的评价标准。指出磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)最有可能作为分布式电源用于区域性供电。     

固体氧化物燃料电池的现状和未来

简述了国外固体氧化物燃料电池 (SOFC)的发展状况及近年来取得的重要进展。首先对SOFC的工作原理进行了简单的介绍 ,然后对于传统的以氢为燃料的SOFC ,重点从成本和技术两个方面 ,比较了高温和中温反应条件下 ,燃料电池阳极、阴极、电解质和层间介质所用材质的选取 ;对于近年发展起来的以碳氢化合物为燃料的SOFC ,重点介绍了碳氢化合物氧化的间接法和直接法两种工艺流程和研究现状。最后针对以氢为燃料的高温和中温SOFC及碳氢化合物为燃料的SOFC的研究和技术现状 ,分别进行了前景展望     

基于深度强化学习技术的光伏–固体氧化物燃料电池混合能源系统多场景控制

固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell,SOFC)运行安静、清洁高效,具有广泛的应用前景。SOFC能够与其他发电装置和储能装置灵活耦合形成混合能源系统,该文所研究的光伏-燃料电池(photovoltaic-solidoxidefuelcell,PV-SOFC)混合能源系统将太阳能通过电转气技术(powerto gas,P2G)转换为氢能供SOFC使用,能够有效弥补太阳能波动性大、间歇性强的缺点。针对SOFC混合能源系统多变量、强非线性的特征,该文采用深度强化学习(deep reinforcement learning,DRL)技术研究一种智能运行控制策略。首先,搭建PV-SOFC混合能源系统的仿真模型,该模型以SOFC为核心,侧重于系统中的功率流向和氢气流向,并考虑了系统内部的运行条件约束。其次,分别提出联网运行模式与孤岛运行模式下基于深度确定性策略梯度算法(deep deterministic policy gradient,DDPG)的系统智能运行控制策略。最后,通过算例仿真验证该算法的有效性。结果表明,孤岛运行模式下DDPG算法能够在不同环境和负荷需求条件下使混...     

燃料电池系统装置走向商业化

介绍固体氧化物燃料电池（SOFC）的技术性能水平现状,以及SOFC与微型燃气轮相结合提供电力的发展前景。文章还介绍一种新开发的扁平管形高功率密度OFC（HPD－SOFC）的性能及其与SOFC的比较,说明其真正具有商业推广价值。     

SOFC阳极Ni催化剂的发展历程与应用前景

燃料电池是一种能量利用率高、基本不污染空气、原料充足的能源装置.目前,燃料电池主要分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、质子交换膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)这五种基本类型.着重介绍了SOFC中Ni-ZrO2(Y2O3)金属陶瓷阳极和H2S毒化机理,综述了阳极催化剂的有关性质和存在的主要问题,展望了SOFC的应用前景,并探讨了我国SOFC发展的技术路线.     

高温燃料电池发电系统研究

介绍燃料电池的分类和应用技术路线,比较各种燃料电池的发电特性,分析高温燃料电池的应用前景。分析表明,固体氧化物燃料电池在大型电厂的应用具有潜在优势。应用稳态模拟软件(AspenPlus)对1000kW SOFC/GT发电系统进行了模拟,模拟结果与WestingHouse 500kW SOFC/GT发电系统设计数据比较吻合,误差小于5%。应用建立的系统模型对影响系统性能的主要参数进行了优化,系统效率提高到51.403%。     

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.     

固体氧化物燃料电池的效率分析

固体氧化物燃料电池(SOFC)具有很高的理论能量转换效率,但是目前报道的实际SOFC单体性能远不能达到理论转换效率。从热力学理论及实验数据出发解释了SOFC单体性能远不能达到理论效率的原因,针对电压效率、电流效率和燃料利用率分别提出了相应的改进方法,为SOFC的进一步发展提供理论依据。其中温度对电压效率、电流效率和燃料利用率有重要的影响,提高温度可以提高这三者的值,但是提高温度将降低SOFC的热力学理论效率。     

Performance of several types of fuel cells and factor analysis of performance

There are four types of fuel cells: Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFC), Phosphoric Acid Fuel Cells (PAFC), Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC), and Solid Oxide Fuel Cells (SOFC). The performance of these fuel cells has not been compared. Equations that are able to express the performance of these fuel cells accurately were derived or modified from the latest published performance data. The cell voltages of the four fuel cells were estimated by these equations, resulting in high‐temperature fuel cells such as MCFC and SOFC having higher energy conversion efficiencies than low‐temperature fuel cells such as PEFC and PAFC. This difference originates from low cathode polarization, overcoming both a decrease of open circuit voltage with increasing temperature and higher Nernst losses for high‐temperature fuel cells of approximately 85 mV than those for low‐temperature fuel cells due to steam generation in the anode chamber in the high‐temperature fuel cells. A generalized relationship between cell voltage and operating temperature was derived, stating that the cell voltage is almost constant between 500 °C and 1000 °C. A fuel cell which has protons as a migration species in the electrolyte and works between 250 °C and 500 °C would give a performance comparable with high‐temperature fuel cells due to lower Nernst losses than those for high‐temperature fuel cells. © 2001 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 138(1): 24–33, 2002     

固体氧化物燃料电池阳极材料的研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)因具有能量转换率高,燃料适应性强,环境友好和操作方便等优点,受到了人们的普遍关注,但是SOFC的广泛应用还有待于其关键材料的进一步发展.介绍了SOFC对阳极材料的基本要求,对阳极材料研究进展进行评述.重点对各种阳极材料(金属、YSZ金属陶瓷、Cu基金属陶瓷、Ce基氧化物以及钙钛矿氧化物等)性能方面的优缺点进行比较,并着重介绍了钙钛矿阳极材料f铬酸镧基氧化物)的进展情况.对改进阳极材料性能的各种措施进行了归纳和总结.     

固体氧化物燃料电池本体模拟研究

简要介绍固体氧化物燃料电池的运行机理及影响因素；应用Aspen P1us软件对固体氧化物燃料电池本体及其电解质进行了模拟，用测算的方法得到1MW电池本体所需的燃料、空气和水蒸气的流量，并用编写的Fortune模块对电池的发电量、电压和效率进行了计算，得到了预期的结果。用国外实际运行数据校验，证明所建模型是合理的。     

Comprehensive summary of solid oxide fuel cell control: a state-of-the-art review

A thermoelectric generation (TEG) system has the weakness of relatively low thermoelectric conversion efficiency caused by heterogeneous temperature distribution (HgTD). Dynamic reconfiguration is an effective technique to improve its overall energy efficiency under HgTD. Nevertheless, numerous combinations of electrical switches make dynamic reconfiguration a complex combinatorial optimization problem. This paper aims to design a novel adaptive coordinated seeker (ACS) based on an optimal configuration strategy for large-scale TEG systems with series–parallel connected modules under HgTDs. To properly balance global exploration and local exploitation, ACS is based on ‘divide-and-conquer’ parallel computing, which synthetically coordinates the local searching capability of tabu search (TS) and the global searching capability of a pelican optimization algorithm (POA) during iterations. In addition, an equivalent re-optimization strategy for a reconfiguration solution obtained by meta-heuristic algorithms (MhAs) is proposed to reduce redundant switching actions caused by the randomness of MhAs. Two case studies are carried out to assess the feasibility and superiority of ACS in comparison with the artificial bee colony algorithm, ant colony optimization, genetic algorithm, particle swarm optimization, simulated annealing algorithm, TS, and POA. Simulation results indicate that ACS can realize fast and stable dynamic reconfiguration of a TEG system under HgTDs. In addition, RTLAB platform-based hardware-in-the-loop experiments are carried out to further validate the hardware implementation feasibility.     

Design of a 2-DOF-PID controller using an improved sine–cosine algorithm for load frequency control of a three-area system with nonlinearities

This paper proposes an improved sine–cosine algorithm (ISCA) based 2-DOF-PID controller for load frequency control. A three-area test system is built for study, while some physical constraints (nonlinearities) are considered for the investigation of a realistic power system. The proposed method is used as the parameter optimizer of the LFC controller in different scenarios. The 2-DOF-PID controllers are used because of their capability of fast disturbance rejection without significant increase of overshoot in set-point tracking. The 2-DOF-PID controllers’ efficacy is observed by examining the responses with the outcomes obtained with PID and FOPID controllers. The simulation results with the suggested scheme are correlated with some of the existing algorithms, such as SCA, SSA, ALO, and PSO in three different scenarios, i.e., a disturbance in two areas, in three areas, and in the presence of physical constraints. In addition, the study is extended to a four-area power system. Statistical analysis is performed using the Wilcoxon Sign Rank Test (WSRT) on 20 independent runs. This confirms the supremacy of the proposed method.     

混合能源直流微电网能源优化管控策略研究

混合能源直流微电网在快速跟踪负载方面具有较大优势,弥补了固体氧化物燃料电池(solidoxidefuelcell,SOFC)直流微电网功率跟踪缓慢的问题。现有能源管控策略重点关注能源分配,对系统效率、运行安全性和燃料亏空方面缺乏相关研究和成熟策略。为此,提出了一种混合能源直流微型电网能源优化管控策略。首先,搭建了混合SOFC直流微电网模型。其次,采用最优操作点(optimal operating points, OOPs)实现最大效率,然后采用平均电流控制模式保证稳定的电力供应。最后,设计了基于SOFC电流的时滞控制算法来避免燃料亏空。实验结果表明,所提出的能源优化管控策略具有时间响应迅速、输出效率高和热特性良好等优势。     

固体氧化物燃料电池发电系统的模拟与优化研究

针对1MW固体氧化物燃料电池（SOFC）发电系统,建立了描述SOFC电池堆电化学过程和特性的模型,在此基础上建立了基于Aspen Plus软件平台的SOFC发电系统模型,并对其系统参数进行了分析和优化。研究为大型SOFC发电系统的设计奠定了基础。     

高温燃料电池发电系统模拟

介绍了固体氧化物燃料电池的工作原理和发电系统组成，并用稳态模拟软件Aspen Plus对发电系统进行模拟，估算的输入数据及模拟结果与国外类似系统的实验数据非常接近，说明模拟是成功的，为进一步优化燃料电池发电系统奠定了基础。