整体煤气化固体氧化物燃料电池并网测试系统设计

李萍萍，陈姗姗，赵璐璐，史明亮，黄 岩，李初福

（1北京低碳清洁能源研究院，北京 102209；2国家能源集团新能源有限责任公司，北京 100007）

传统的煤电技术通过煤直接燃烧进行发电不仅会产生大量粉尘污染和温室气体排放而且发电效率较低(仅为30%～40%)[1]。以煤气化方式供应燃料电池发电系统所需燃料的整体煤气化发电技术(integrated gasification fuel cell，IGFC)，具有效率高、排放低、噪音小、环境友好等特点，与CO2捕集技术(CO2capture storage，CCS)相结合可实现CO2及污染物的近零排放，彻底解决煤电排放问题，非常契合我国以煤为主的资源禀赋，对助力中国煤电技术改革，优化煤电落后产能具有重大的战略意义[2-4]。将煤气化技术与SOFC技术相结合的整体煤气化燃料电池发电系统，又称IG-SOFC 系统[5-6]，发电效率在55%以上，同时还可实现尾气CO2的富集，尾气中CO2含量可富集95%以上，对CO2的捕集带来较大便利。

IG-SOFC 系统在分布式以及固定式电站领域都有广阔的应用前景，尤其适用于医院、数据中心、偏远地区等应用场景。SOFC技术目前主要掌握在布鲁姆能源(Bloom Energy，BE)、三菱重工、通用燃料电池等少数国外公司，部分公司已实现商业化应用并以MW级分布式应用为主，下一步目标是降低燃料电池成本，提高性能及稳定性。但国外公司大都对其系统技术和重要研发成果实施技术封锁，国内很难进行借鉴和学习。中国市场SOFC技术起步较晚，本体技术薄弱，上下游产业链不完善，SOFC系统研发仍停留在技术验证阶段。

与光伏及风电等分布式电源类似，IG-SOFC发电系统实现大规模应用的一个重要前提就是要能够稳定并网，满足电能质量、功率控制、并网同步等并网标准；电力并网模块承担着并网发电系统电力变换、控制、并网接入等重要任务，是面向应用的重要环节[7-11]。经文献调研SOFC电力并网相关领域的研究主要集中在理论研究和仿真模拟方面，实验验证较为匮乏[12-13]。黄捷[14]设计了1 kW SOFC DC/DC升压，DC/AC逆变的电力系统拓扑结构并进行仿真模拟；魏立明等[15]在SOFC逆变系统设计中采用模糊PID控制技术，以改善输出电压的稳定性，通过仿真模拟SOFC 正常工作的动态响应特性；Tahri等[16]设计了一种用于分布式燃料电池系统的两级DC/DC 升压转换器及转换器控制器，通过仿真模拟验证了方案的可行性。

为弥补国内IG-SOFC 并网发电系统领域的验证缺失，本工作提出一种IG-SOFC 并网发电测试系统设计方案，开发SOFC专用并网逆变器，搭建SOFC 并网发电系统测试平台，并基于测试平台，在煤制合成气作为燃料的条件下对一个5 kW 级SOFC堆塔模块进行实验测试，以验证系统设计方案的可行性和有效性。

1 系统架构

1.1 IG-SOFC系统总体架构

IG-SOFC系统的总体构架图见图1，IG-SOFC系统主要包括煤气化-净化、SOFC 并网发电、尾气燃烧、热量回收、CO2捕集等。具体工艺流程如下：煤经煤气化过程转化为主要成分为CO和H2的合成气，合成气经净化脱硫后通入SOFC 电堆阳极，在其中发生电化学反应，并将化学能转化为电能，并网逆变器将SOFC输出的直流电转变为与电网频率、电压、相位一致的交流电，并将电能输送至电网；SOFC阳极出口部分未反应完全的合成气尾气经过纯氧燃烧器燃烧后，燃烧尾气中CO2含量进一步富集，再经过CO2捕集工序可实现全流程CO2近零排放[17]。煤气化及纯氧燃烧器的高温热源可以通过联合蒸汽轮机发电等形式进行热量回收，进一步提高系统能效。

图1 IG-SOFC系统总体构架图Fig.1 Architecture diagram of IG-SOFC system

本文重点介绍IG-SOFC系统的核心——SOFC并网发电系统的设计、平台搭建及测试验证过程；煤气化净化、尾气燃烧等常规单元采用成熟技术及实验测试场地现有成熟装备，因此文中不再赘述。

1.2 SOFC并网发电系统测试平台架构设计

SOFC 并网发电系统测试平台架构如图2 所示，平台主要由气路处理模块、SOFC 发电模块、电力并网模块、控制模块四部分组成。

图2 SOFC并网发电系统测试平台架构图Fig.2 Architecture diagram of SOFC grid-connected power generation test platform

气路处理模块主要功能是对输入SOFC电堆的原料气(合成气)进行控制，将原料气按一定的压力、温度、流量供给SOFC电堆；同时，气路处理模块通过换热器对尾气中所含高温位热源进行回收利用，用以预热原料气，提升系统热效率。气路处理模块的原料气来自于测试场地煤气化——净化车间的净化合成气，由管道输送至本文所搭建的SOFC并网发电测试平台。

SOFC发电模块主要由热箱和SOFC堆塔两部分组成，热箱维持电堆750 ℃的工作环境温度，SOFC堆塔通过内部电化学反应，将输入原料气中的化学能转换成电能；SOFC堆塔通常由数个小功率电堆堆叠集成，电堆气路上并联，电路上串联。

电力并网模块主要包括逆变器、交流负载等，将电堆输出的直流电经过逆变器变成交流电接入电网，并实现并网测试或并网发电的功能。

控制模块负责系统的监测与控制，根据功率指令，控制系统输出功率以及所需的燃料气用量，保证燃料利用率以及系统效率；同时，根据系统工况检测并处理系统故障，保障系统安全运行。

1.2.1 电力并网模块

电力并网模块(以下简称并网模块)主要包括逆变器、交流负载、电能表、开关接触器及断路器等电力设备及元件。图3为并网模块系统图，如图所示，逆变器与电网之间接入交流负载，当并网模块工作于“并网发电模式”时，燃料电池通过逆变器直接并网发电，KM3断开，交流负载不接入；当并网模块工作于“并网测试模式”时，KM3闭合，交流负载接入，燃料电池输出电能通过逆变器变成交流电，流入交流负载。多功能电能表接入在交流母线侧(电网侧)，用于监测交流母线电流、电压及测试平台工作于“并网发电模式”时向电网供应的发电量。

图3 并网模块系统图Fig.3 System diagram of grid-connection module

图4 所示为并网模块实物图，为保障系统安全，将并网模块以电器柜的形式进行了集成制造，电器柜为正压防爆通风柜。

图4 并网模块实物图Fig.4 Pictures of grid-connection module

SOFC 输出通常呈现低电压、大电流的特点，根据输出电压等级，需经1～2 级DC/DC 升压后，再经过DC/AC 并网。图5 所示为实验5 kW 级SOFC 堆塔并网发电测试平台用逆变器电路拓扑图，SOFC 堆塔额定输出直流电压160 V，经一级Boost 升压至360 V 后，再经全桥逆变电路接入220 V 电网。其中，Boost 控制SOFC 输出功率，DC/AC控制直流母线电压的稳定。表1所示为实验5kW级SOFC堆塔性能参数。

图5 SOFC定制逆变器电路拓扑图Fig.5 Topology diagram of inverter

表1 5 kW级SOFC堆塔性能参数Table 1 Parameters of 5 kW SOFC stack tower

1.2.2 控制模块

控制模块负责系统工作模式、运行模式、工艺参数的控制。工作模式控制方面，当工作于“并网发电模式”，控制模块通过控制逆变器、继电器等执行元件，控制SOFC系统并网发电，同时，接受功率指令，控制系统并网功率。当工作于“并网测试模式”，控制模块通过控制逆变器、继电器等执行元件，控制SOFC系统向交流负载送电。运行模式控制方面，主要有定燃料流量和定燃料利用率两种。在定燃料流量控制方式下，输入的燃料气(合成气)流量保持恒定(不同发电功率下，输入燃料气均保持最大设计流量)。在定燃料利用率控制方式下，不同发电功率下，燃料气流量不同，消耗的燃料气与输入的燃料气的比率(即燃料利用率)为定值。相对于定燃料流量控制方式，定燃料利用率控制方式可以提升系统发电效率，尤其是低负荷运行工况下。工艺参数控制主要是通过控制气路处理及SOFC 发电模块中流量计、加热器、风机等元件，实现SOFC运行工艺参数，如反应温度、进料燃气流量、进出口压力等的控制。

为提升系统在全功率区间发电效率，推荐采用定燃料利用率控制方式。可以通过控制输入燃料气流量(Fsyn，mol/s)与系统输出功率(PAC，W)来控制燃料利用率ηfuel，三者之间关系如式(1)所示

式中，Nstack、Ncell为所测试堆塔所串联的电堆个数及每个电堆包含的电池片数；XCO、XH2为合成气中CO 和H2的摩尔含量；F为法拉第常数，96485 C/mol；VDC为SOFC 堆塔电压，V；ΦDC-AC为逆变效率。式(1)的推导前提为所用合成气中主要发生电化学反应的成分为H2和CO，甲烷等气体含量很少可以不计入计算。

系统并网功率PAC与SOFC堆塔输出功率PDC(W)的关系如式(2)所示

SOFC堆塔输出功率PDC与堆塔输出电流IDC(A)及电压的关系如式(3)所示

SOFC 堆塔输出电流IDC(A)与电化学反应电子转移数ne-(mol/s)的关系如式(4)所示

为防止燃料亏空，引发SOFC 电堆阳极氧化、电堆性能衰减，燃料利用率一般控制在90%以下。

2 测试流程

鉴于SOFC并网发电测试平台涉及的设备及管阀件较多，文中仅对测试流程的主要测试步骤进行介绍。

（1）SOFC发电模块升温：在SOFC阳极通入弱还原性氮氢混合气[实验5 kW系统氮氢混合气流量1 Nm3/h N2/H2(95%N2，5%H2)]，阴极通入空气(实验5 kW 系统空气流量10 Nm3/h)的情况下，将热箱及SOFC堆塔升温至反应温度700 ℃左右。热箱升温速率控制在15～30 ℃/h，防止升温过快对SOFC堆塔造成热应力损伤。

（2）SOFC堆塔健康状态监测：在热箱及堆塔升温过程中，实时监测SOFC堆塔开路电压，对电堆健康状态进行监测。升温过程中，SOFC开路电压先快速升高，后缓慢爬升，最后略有下降。实验5 kW 系统，在升温初始段(约0～300 ℃)，SOFC开路电压自0 V 快速升至150 V 左右。升温中段(300～500 ℃)，电压由150 V升至260 V，升温末段，电压自260 V略有降低。

（3）SOFC并网发电模式：当SOFC堆塔温度达到700 ℃，开路电压稳定在230～250 V 之后，将SOFC 阳极侧气体由N2/H2混合气切换为合成气(实验5 kW系统合成气流量3 Nm3/h)，增加阴极侧空气流量(至24 Nm3/h)。待电堆开路电压稳定后，闭合逆变器直流侧开关KM4(图5)，设定逆变器输出功率，控制系统并网发电。在并网发电模式测试过程中，始终保持QF、KM1，KM2(图3)处于闭合状态，KM3处于断开状态。

（4）SOFC并网测试模式：闭合交流负载交流母线开关KM3(图3)，将交流负载的功率设定为略高于逆变器输出功率，即可进行SOFC并网测试模式调试。此阶段交流负载功率大于逆变器输出功率，电网向系统送电，系统并网但不向电网送电。

3 实验测试结果

3.1 SOFC并网发电模式测试结果

实测SOFC 并网发电模式、合成气进料工况下，SOFC 并网发电测试系统(以下简称SOFC 发电系统)工作特性曲线如图6～7所示。

图6 SOFC发电系统功率，堆塔电压与电流的关系Fig.6 The relationship between output power,voltage of stack tower and current of SOFC power generation system

由图6 可知，在测试过程中，电流范围为0～26.6 A，SOFC堆塔输出功率为0～4.5 kW，SOFC发电系统并网功率为0～4.25 kW；由图7可知，测试过程中SOFC 堆塔电压范围为169～234 V，燃料利用率为0～84.4%，堆塔电效率为0～55.1%，系统电效率为0～52.0%。

图7 SOFC发电系统电效率，燃料利用率与输出功率的关系Fig.7 The relationship between power efficiency,fuel utilization and output power of SOFC power generation system

其中燃料利用率的计算见式(1)，系统电效率ηsys与堆塔电效率ηstack的定义及计算公式如下

其中，LHVsyn为合成气的低位热值，kJ/kmol。

所述SOFC堆塔输出功率为燃料电池堆塔输出的直流功率，SOFC 发电系统并网功率为交流功率。此外，由图7中可见，并网功率略低于堆塔输出功率，这主要是逆变器等损耗引起，该部分损耗约占堆塔输出功率的0.5%～5.5%，逆变器逆变效率为94.5%～99.5%。

测试过程采用的是1.2.2 节所述的定燃料流量的运行控制模式，这种模式操作简单，在测量系统电化学性能方面(如I-V曲线测量)有一定优势，可以比较直观地展示燃料电池在不同燃料利用率及电流密度下的电力输出性能。由测试结果可知，在最高燃料利用率84.4%的工况下，电功率和电效率仍为上升趋势，堆塔电压没有明显加速下降趋势，证明燃料电池堆塔在此燃料利用率和电流密度下仍处于良好的工作状态，不存在燃料亏空及电流密度过高造成的内阻急剧增大及电堆性能急剧衰减等问题。此外，在全测试区间内，并网功率与堆塔输出功率曲线上升趋势一致，证明SOFC发电系统运行状态稳定，实现了变功率下的稳定、高效并网。

3.2 SOFC并网测试模式长周期测试结果

为了验证本文设计的SOFC并网发电测试系统的长期运行可靠性，进行了168 h的长周期稳定性测试。为遵循实验所在化工场地管理要求(不能长时间向电网送电)，保障场区供电安全，长周期测试采用“并网测试”运行模式。

长周期测试结果如图8 所示，SOFC 发电系统并网功率2.7 kW，交流负载功率3.05 kW，由于场地电压质量较差，电网侧电压波动，交流负载实际功率在3～3.1 kW区间内波动。

图8 SOFC发电系统168 h长周期稳定性测试Fig.8 168 h long-cycle stability test of SOFC power generation system

168 h 稳定性测试，验证了SOFC 并网发电测试系统长周期运行的可靠性与稳定性及“并网测试”运行模式的可行性。

4 结论

（1）对IG-SOFC 并网发电测试系统进行了研究，设计并搭建了可实现“并网测试模式”及“并网发电模式”实时切换的SOFC并网发电系统测试平台。

（2）通过实验测试验证了本文所提出的SOFC并网发电系统测试平台设计与测试流程方案的可行性。

（3）在“并网发电”模式下进行了实验测试，实验结果表明，SOFC 并网发电系统(平台)可以稳定高效地控制燃料电池电力输出，并实现变功率下的稳定并网发电。在煤制合成气作为燃料的工况下，SOFC堆塔输出功率达到额定功率4.5 kW时，堆塔电效率为55.1%；由于存在逆变器等造成的并网损耗，系统并网发电效率为52.0%。

（4）在“并网测试”模式下完成了168 h长周期稳定性测试，进一步验证了SOFC并网发电测试系统长周期运行的稳定性与安全可靠性。