中高温SOFC/MGT联合发电技术研究进展

胡小夫，汪洋，田立，苏军划，耿宣，沈建永，张南极

(中国华电科工集团有限公司，北京 100070)

0 引言

燃料电池是一种直接将化学能转化为电能的装置，其一次发电效率高达50.0%～60.0%。而传统的热机发电是将化学能转化为热能，再将热能转化为机械能，最后将机械能转化为电能，受“卡诺循环”限制，综合发电效率仅为35.0%～45.0%。因此，燃料电池相比于传统的热机发电具有发电效率高、燃料适应性强、无粉尘及残渣、CO2排放少、噪音污染小等优点，现正以奋起直追的势头快步进入工业化规模应用阶段，成为继火电、水电、核电后的第四代发电方式[1-2]。

根据电解质的不同将燃料电池分为磷酸型燃料电池(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)。与其他3类燃料电池相比，SOFC具有燃料种类多样化(如H2、天然气、煤气、生物质气等)、发电效率高、全固态结构、无液态熔融盐腐蚀、成本相对较低、易选址、燃料种类多、结构简单，以及能够实现热电联供或与蒸汽轮机混合进行二次发电等优点，是未来化石燃料发电技术的理想选择之一[3-4]。

中高温SOFC的工作温度一般在600～1 000 ℃，排气具有较高品味的余热，直接排放会造成大量的热量损失，SOFC与余热回收装置组成的各种联合发电系统可以具有更高的发电效率。研究发现，固体氧化物燃料电池/微型燃气轮机(SOFC/MGT)联合发电系统的能量利用率高达80.0%～95.0%，目前被认为是SOFC发电系统能量利用的最有效方式，也是未来分布式发电系统的主要装置[5-8]。本文主要介绍SOFC/MGT联合发电系统的工作原理和基于CH4的SOFC/MGT联合发电系统，阐述SOFC/MGT联合发电系统的应用研究现状并对其前景进行展望。

1 SOFC/MGT联合发电系统简介

1.1 SOFC结构及工作原理

SOFC电池组一般是将单电池串联或并联，再通过连接材料和密封材料组装成大功率电池堆。SOFC单电池由内到外分别是阴极、电解质、阳极、连接体和电池间集流体，SOFC单电池的物理结构是电解质两侧贴附着阳极和阴极，催化剂附着在阳极和阴极材料上[9-10]。阴极的作用是将注入的氧气均匀地分布在阴极材料表面，通过催化作用使氧原子得到电子变成氧离子；阳极的作用是将氢气均匀地分散在阳极材料表面并完成电子的传导，在外电路实现有效的功率输出。SOFC单电池根据其物理设计结构不同分为管式和平板式，如图1所示[11-12]，图中：Air，空气；Cathode，阴极；Electrolyte，电解质；Anode，阳极；Flat plate solid oxide fuel cell，平板式固体氧化物燃料电池；Fuel，燃料；Cell repeat unit，电池的重复单元；Current flow，电流；Interconnect，连接体。

图1 管式和层式SOFC结构示意[13]Fig.1 Schematic of tubular and layered SOFC structures[13]

SOFC的工作原理是在SOFC阴极侧O2得到电子变成氧离子，渗透过电解质到达阳极，在燃料气体、电极和电解质三相交界的三相界面(TPB)处，H2和氧离子发生电化学反应生成H2O(如图2所示)，氧离子失去的电子通过外电路流回阴极，再与O2结合产生氧离子，其反应式见式(1)—(3)[13-14]。

电化学反应

(1)

阳极反应

(2)

阴极反应

(3)

图2 SOFC电池在三相界面(TPB)上反应示意Fig.2 SOFC battery reaction on the three-phase boundary (TPB)

1.2 SOFC/MGT联合发电系统

SOFC排气温度和MGT涡轮进口温度具有相容性，将它们组成联合发电系统不仅可以提高整个系统的效率，还可以为未来分布式发电提供一种极具前景的解决方案。图3是SOFC/MGT联合发电系统示意图。SOFC电池堆作为一个燃烧器单元，压缩空气和燃料进入SOFC电池堆中产生电能，燃料化学能(约50.0%)转化成电能，然后高温尾气经燃烧室燃烧后再给MGT供气，MGT利用高温尾气产生附加电力提高系统效率(约30.0%)[15]。

图3 SOFC/MGT联合发电系统示意[16]Fig.3 Schematic of SOFC/MGT combined power generation system[16]

2 基于CH4的SOFC/MGT联合发电系统

在短期内直接将H2作为SOFC的燃料较难实现，而天然气(CH4)储量大、分布广且较廉价易得，采用CH4重整制得SOFC的燃料是目前最易实现的操作方式。CH4重整制氢主要包括外重整制氢和内重整制氢2种方式。

2.1 采用CH4外重整制氢的SOFC/MGT联合发电系统

基于SOFC的CH4外重整制氢技术主要包括水汽重整(SMR)制氢技术、部分氧化重整(POX)制氢技术和自热重整(ATR)制氢技术，其中水汽重整制氢是目前应用最广泛的热力学制氢技术[17]。由于SOFC系统对燃料成分要求不严格，经过高温水汽反应的产物(甲烷、CO、CO2等)可直接通入电堆，不需要水煤气转化过程，避免增加低温水汽变换反应和选择性氧化反应而带来复杂的系统设计[18]。

基于CH4外重整制氢技术的SOFC/MGT联合发电系统如图4所示。经脱硫处理后的天然气与水混合，经过换热器预热后进入天然气重整制氢反应单元进行重整反应(见式(4))，得到的合成气进入合成气净化单元，发生置换反应(见式(5))，除去合成气中的CO，得到富氢气体，进入SOFC发生电化学反应(见式(6))，SOFC排出的高温尾气进入燃气透平膨胀做功，带动发电机发电，为用户供电和供热。

重整反应

(4)

置换反应

(5)

电化学反应

(6)

图4 基于CH4外重整制氢技术的SOFC/MGT联合发电系统示意Fig.4 External reforming technology of hydrogen production in SOFC/MGT combined power generation system based on methane

2.2 采用CH4内重整制氢的SOFC/MGT联合发电系统

中高温SOFC工作温度在600～1 000 ℃，而CH4重整反应温度在600～800 ℃，因此可以将CH4重整制氢过程安置在SOFC内部。采用内重整制氢过程可以大大降低系统成本及能耗，这是因为内重整制氢不需要单独的燃料重整器，电池电化学反应产生的水可以为重整反应提供部分水蒸气；电化学反应连续地消耗H2也有利于重整反应的进行，增大燃料转换率；同时内重整制氢反应为强烈的吸热反应，而电化学反应为强放热反应，内重整制氢反应吸收电化学反应放出的热量，使得SOFC发生的内重整制氢反应和电化学反应相互促进[4]。

CH4内重整制氢反应发生在SOFC燃料入口处，在入口处由于水蒸气和甲烷浓度适宜，H2浓度低，重整反应向正方向进行，直接生成H2和CO，CO再发生置换反应产生H2。随着内重整制氢反应的发生，H2浓度增加，对重整反应起抑制作用，同时甲烷和水蒸气大量消耗，重整反应速度下降。在SOFC后半部分，产生的H2使电化学反应快速进行(如图5所示)。

图5 SOFC工作原理示意Fig.5 SOFC working principle

基于CH4内重整制氢技术的SOFC/MGT联合发电系统如图6所示。压缩机将燃料加压后经预热器预热，然后与预热的水蒸气混合，再送入燃料电池的阳极，在阳极中发生重整反应、置换反应和电化学反应，阴极中的反应物为经过加压和预热后的空气；SOFC阳极未完全反应的燃料气和阴极未完全反应的贫氧空气在后燃烧中发生燃烧反应。燃烧后的高温高压排气进入燃气透平膨胀做功，带动发电机发电，透平的排气则先后经过空气、燃料和水蒸气的预热器用来预热燃料和空气。在混合系统总体工况负荷特性下，混合系统效率的最大化可通过增加燃料电池的功率来实现[19]。

图6 基于CH4内重整制氢技术的SOFC/MGT联合发电系统示意[19]Fig.6 Internal reforming technology of hydrogen production in SOFC/MGT combined power generation system based on methane[19]

3 SOFC/GT联合发电系统的应用研究

德国西门子公司、日本三菱公司最早开展SOFC/MGT联合发电技术的研究[20]。2000年德国西门子西屋公司将世界上第1台SOFC/MGT联合发电系统安装于美国加利福尼亚大学，该系统由1个增压SOFC模块和1个MGT组成，输出功率为220 kW，其中SOFC占200 kW，MGT占20 kW[21]。2013年日本三菱重工公司研发出200 kW管式SOFC与MGT混合发电系统，该系统以天然气为燃料，运行已超过4 000 h；2017年该公司又推出代号为Hybrid-FC的250 kW SOFC/MGT联合发电系统商业化产品，系统整体效率为65.0%，目前已在日本5个城市进行了长期的示范运行(如图7所示)。

图7 日本三菱重工250 kW SOFC/MGT联合系统[16]Fig.7 Japan Mitsubishi Heavy Industries 250 kW SOFC/MGT combined system[16]

SOFC/MGT联合发电系统具有结构庞大、性能复杂等特性，单靠实验室常规试验研究存在成本较高、实施困难等问题，因此，近年来国内外科研机构开始以数值模拟和仿真分析研究联合发电系统。Y.Haseli等[22]通过热力学分析比较了SOFC/MGT联合循环发电系统和传统的MGT循环系统的发电效率，结果表明：在相同的条件下SOFC/MGT联合循环发电系统具有更高的热效率，比MGT循环系统高27.8%。Marco Santin等[23]采用WTEMP软件对SOFC/MGT联合发电系统在甲醇、煤油等燃料情况下燃料电池和燃气轮机的效率和经济性进行研究，研究表明：采用甲醇为燃料的低成本系统最具吸引力。Prapan Kuchonthar[24]采用Aspen Plus对SOFC和MGT联合发电系统进行模拟，比较SOFC/MGT发电系统在热、蒸汽利用和单热回收利用方面的性能，发现使用蒸汽利用系统可以提高系统的发电效率。

我国许多研发机构和高校也通过数值模拟和仿真分析对SOFC/MGT联合发电系统进行研发。张安超等[25]研究发现，在最佳操作温度和燃料利用率下SOFC/MGT联合发电系统的性能最佳，联合发电效率高达80.0%。陈启梅等[26]考察了高温燃料电池直接燃烧式混合发电系统和间接燃烧式混合发电系统，研究表明：直接燃烧式混合发电系统效率高，而间接燃烧式混合发电系统中燃料电池运行良好，易集成和启动，且使用寿命长。李贺等[27]利用Aspen Plus软件建立SOFC、MGT、吸收式制冷和热泵模型，研究采用变转速调节模式、空气调节阀模式等方式对混合发电系统性能的影响，并提出一种新的控制模式，可以使SOFC/MGT联合发电系统具有优越的变工况性能，使系统效率维持在56.4%以上。卢立宁[28]研究SOFC/MGT联合循环系统，以提高发电效率和 效率为目标对系统进行优化。吴小娟[29]利用 Matlab/Simulink 仿真建立SOFC/MGT各部件动态模型，按拓扑结构连接各子模块并进行参数优化。岳秀艳等[30]通过建立热力学模型提出SOFC冷热电联产系统，分析了运行参数变化对系统发电功率和制冷量的影响。王建国等[31]利用Aspen Plus和Fortran程序分析SOFC/GT/ST系统的性能，结果表明：较高的压力、温度和燃料利用率有利于提高SOFC系统性能。杨倩[32]利用Aspen Plus等计算程序对SOFC/MGT/Kalina联合发电系统进行模拟，考察了不同工况下SOFC操作压力、电流密度、空气流量、燃料利用率等运行参数对联合循环系统性能的影响，结果表明：在特定工况下发电效率高达73.1%。

4 展望

SOFC/MGT联合发电系统可实现能源的梯级利用，大大提高能源利用率，因此SOFC/MGT联合发电系统具有广阔的发展前景。由于天然气具有储量大、分布广并可直接在SOFC高温阳极室内重整等优点，使采用内重整制氢的基于CH4的SOFC/MGT联合发电系统会成为未来能源路线转移的必然趋势。我国科研机构和高校应加强在SOFC/MGT联合发电技术方面的研发力度，使我国尽早掌握具有自主知识产权的SOFC/MGT联合发电技术。