住宅用固体氧化物燃料电池热电联供系统的设计与分析.docx

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1、住宅用固体氧化物燃料电池热电联供系统的设计与分析严晓红;薛滔;李泽华;吴傲寒;荆素文;吴肖龙;许元武;李曦【摘 要】Solid oxide fuel cell (SOFC) power generation technology is a green,efficient and new energy technology which can directly convert the chemical energy of the fuel into electric energy.SOFC is a distributed generation of power generation devic

2、es used in domestic cogeneration system,with some advances such as high efficiency,pollution-free,no noise and so on.This paper sets up the natural gas reforming hydrogen-SOFC combined heat and power supply system to complete the design and analysis of the domestic combined heat and power supply sys

3、tem with SOFC.According to the data of spring and summer thermoelectric consumption,this paper presents a operation scheme of domestic combined heat and power supply system which focus on consumer electricity consumption,and gives the recommended parameters of battery capacity and tank volume pared

4、with traditional thermal power generation,natural gas-based SOFC cogeneration system is more energy efficient.%固体氧化物燃料电池(SOFC)发电技术是一种能够直接将燃料中的化学能转化电能的绿色高效的能源技术.将 SOFC 作为分布式能源的发电装置运用在家用热电联供系统,具有综合效率高、无污染、无噪声等优点.文章搭建了自然气重整制氢-SOFC 热电联供系统,完成了基于 SOFC 的家用热电联供系统的设计与分析. 文章依据用户夏冬季热电消耗数据,提出了一种以用户电消耗为核心的家用热电联供

5、系统的运行方案,同时给出了蓄电池容量和水箱容积的推举参数.与传统火力发电系统相比,承受自然气的 SOFC 热电联供系统更加节能.【期刊名称】可再生能源【年(卷),期】2023(036)001【总页数】8 页(P151-158)【关键词】固体氧化物燃料电池;热电联供;节能分析;住宅;系统设计;发电技术【作 者】严晓红;薛滔;李泽华;吴傲寒;荆素文;吴肖龙;许元武;李曦【作者单位】武汉交通职业学院 交通工程学院, 湖北 武汉 430065;华中科技大学自动化学院, 湖北 武汉 430074;华中科技大学 自动化学院, 湖北 武汉 430074;华中科技大学 自动化学院, 湖北 武汉 430074;

6、华中科技大学 自动化学院, 湖北 武汉430074;华中科技大学 自动化学院, 湖北 武汉 430074;华中科技大学 自动化学院, 湖北 武汉 430074;华中科技大学 自动化学院, 湖北 武汉 430074【正文语种】中 文【中图分类】TK91;TM911.420 前言目前，家庭热电联供系统的能耗偏高，这是由于传统柴油发电机的发电效率低下， 噪音大，污染严峻；传统发电技术的电能和热能治理手段不科学，存在电能和热能的铺张现象；系统容量配置和运行策略设置不合理，存在电、热负荷不匹配或者变工况条件下系统主要设备运行效率低的状况。燃料电池热电联供技术是通过电化学反响将燃料中的化学能转化为电能，由

7、于电化学反响是一个放热过程，为了避开热量的铺张，可以对释放出的热量进展回收，同时向用户供热，从而到达充分利用废热的目的。近年来，作为分布式能源的住宅用燃料电池热电联供技术在全球得到了大力进展，为了进一步促进住宅用燃料电池热电联供技术的应用，可以考虑将自然气重整制氢技术与燃料电池的热电联供系统进展结合，这样，整个系统具有无噪声、节能、高效、环保等优点14。固体氧化物燃料电池SOFC发电系统是一代氢能发电设备，能够在中温600800条件下直接将储存在碳氢燃料氢气、自然气、甲烷等和氧化剂中的化学能转化成电能2，4，5。 SOFC 电堆的工作原理如图 1 所示。图 1 SOFC 电堆的工作原理 Fig

8、.1 Stack work principle of SOFC图 1 中，SOFC 电堆为发电部件，由阴极、阳极及中间电解质组成三层固态构造，其输入为 H2 和 O2，其中的 H2 是通过甲烷、沼气、乙醇以及其他生物质燃料重整获得的；O2 输入端可直接通入空气。两种原料分别从电解质层两侧输入， 当电堆加热升温到 600800时，由 O2 电解出的氧离子通过电解质与 H2 发生电化学反响产生电子，继而通过外部负载回路形成电流。目前，国内针对 SOFC 和燃料电池的热电联供系统进展了一些初步争论。尹艳红对固体氧化物燃料电池的发电特点进展了分析，并将争论成果应用到了工业生产中1，6。任洪波将燃料电池

9、技术应用到住宅领域，对搭建系统的电力和热力构成进展了描述，并且在运营本钱上进展了分析，突出了热电联供系统的经济可行性7。本文以固体氧化物燃料电池家庭热电联供系统SOFC-CHP为争论对象，从电能和热能的合理利用和运行策略两方面对其进展争论，并以原料为自然气的 2 kW级 SOFC 热电联供系统为例，对 SOFC 住宅用热电联供系统的节能效果进展分析。1 系统构成与热电联供分析热电联供系统均承受转移热能时间的方式进展热能回收，这种热能回收方式的具体做法是在系统中布置一个热水储存罐，将系统不能完全消耗的热能存储起来，将多余地热能进展存储，从而在用户所需热量较多时予以补充8。假设用户所需热量高于存储

10、的热能，必要在系统中添加电加热单元来进展热能的补充。电能回收则承受转移电能时间的方式，利用电力储存设施蓄电池等将峰谷时多余的电力存储起来，用于补充峰值时的电力需求。热电联供系统的工作流程如图 2 所示。图 2 所示的热电联供系统仅仅是将燃烧室释放出来的余热用于给空气换热，提升空气的温度，并未对空气的余热进展充分利用。实际工程案例说明，只有深度地挖掘烟气余热的潜力，才能有效地提高热电联供系统的整体效率7。图 2 系统工作流程图 Fig.2 System work flow chart因此，在本文系统热量回收利用的设计中，首先，利用燃烧室释放出来的高温烟气 为重整反响供给热量并预热进入电堆的空气；

11、然后，承受高温烟气冷凝热利用技术， 利用温度较低的水吸取烟气的热量，从而同时到达烟气释放显热和水蒸气释放潜热 的目的。这种梯级利用烟气余热的方式能够很好地表达热电联供系统的经济性。1.1 系统构成在 SOFC 发电系统中，除 SOFC 电堆外，还需要燃烧室、换热器等其他子系统部件才能构成一个完整而独立的发电系统。本文构建了以自然气为燃料的 SOFC 独立发电系统图 3。图 3 SOFC 独立发电系统构造图 Fig.3 SOFC independent power generation system structure该系统由燃料供给子系统、空气供给子系统、SOFC 电堆子系统、尾气回收子系统、

12、热能回收利用子系统、热能存储与利用子系统和电能利用子系统组成。1.1.1 燃料供给子系统燃料供给子系统的主要作用是为系统供给充分的氢气。在本文中，通过水蒸气重整反响重整甲烷得到氢气。依据不同功率负载需求，通过掌握甲烷输入量、水碳比和重整反响温度来调整电堆的氢气流量810。式中： 分别为供给和设置的燃料摩尔流速，mol/s；H2 为氢气的化学系数为氢气的设定流速与实际入口流速的偏差，mol/s。1.1.2 空气供给子系统空气供给子系统通过掌握鼓风机的转速，向系统“吹”入适量的空气。进入系统的 冷空气分成两局部，一局部进入热交换器进展换热，由于电化学反响是个放热过程， 经过换热器换热后，空气的温度

13、低于电堆内部的温度，通过温度较低的空气可以带 走电堆内多余的热量，进而保持电堆温度在安全温度范围内；另一局部空气经过冷 空气旁路管道进入空气混合器与从换热器出来的换热后的空气混合，这能够更为直 接地调整进入电堆的空气温度，使得调整系统温度的手段更为敏捷3。式中：Cp，air 为空气定压比热容，kJ/kg；Tair，in 为鼓风机入口的空气温度，K；N.air，in 为空气的摩尔流速，mol/s；Pair，bl 和 Pair，in 分别为鼓风机入口和出口的空气压强，Pa； 为鼓风机的效率； 为空气的等压比热容与等温比热容之比；N.air，in 为供给空气的摩尔流速，mol/s。1.1.3 SOF

14、C 电堆子系统SOFC 电堆是系统中最重要的局部，主要通过电化学反响将燃料中的化学能直接转化为电能和热能。电能通过功率变换器向外部负载供电，电堆里的气体可以带走电化学反响产生的热能，通过热能回收利用子系统回收热量。式中：Vcell 为电堆的输出电压，V；Enernst 为能斯特电压，V； act 为极化损失的电压，V；ohm 为欧姆损失的电压，V；conc 为浓度损失的电压，V。式中：PEN 为阳极-电解质-阴极构造PEN的节点密度，kg/m3；VPEN 为PEN 的节点体积，m3；CPEN 为 PEN 的比热容，kJ/kg； 为 PEN 的温度变化率为 PEN 在节点入口处所携带的热量为反响

15、所吸取的热量为输出的热量，kJ。1.1.4 尾气回收子系统尾气回收子系统主要包括蒸发器 重整器燃料入口处、热交换室和燃烧室。燃烧室通过催化燃烧电堆未反响完全的燃料气体得到温度更高的烟气，然后，高温烟气进入多级热交换室预热空气，最终，高温烟气进入蒸发器预热甲烷和水，得到较高温度的水蒸气和甲烷。这种多级热能利用的方式提高了能量回收利用率。式中：T1 和 T2 分别为燃烧室进口和电堆出口的燃料温度为燃料流速，mol/s；L0 为回收风机的输出功率，W；L 为回收风机的寄生功率，kJ；mech 为回收风机的机械效率；motor 为电动机效率。1.1.5 热能回收利用子系统蒸发器释放出来的气体仍旧具有较

16、高的温度，热能回收子系统通过对尾气热量的回收与存储到达提高系统整体热电效率的目的。热能回收利用子系统利用常温自来水回收烟气的热量，最终，得到较高温度的热水供用户日常消耗11。式中： Tout，gas 为回收器出口的尾气温度，；Tin，gas 为回收器入口的尾气温度，；为回收尾气的流速，mol/s 为总回收热量，kJ。1.1.6 热能存储与利用子系统在热能利用子系统中，较低温度的冷水通过换热器吸取尾气中的热量后，温度上升， 高温的热水存储在储水箱中供用户使用。这个利用尾气加热冷水的方案是通过热交 换器来实现的，在这个方案中，热水箱的掌握和电堆的掌握是两个独立的过程，这 样就避开了二者的耦合关系，

17、简化了整个系统的简单程度。循环冷却水与城市供给 水之间的抱负热传递过程可以通过能量守恒定律来进展计算。依据能量守恒定律，热水温度的变化可以表示为式中：mhot 为热水的质量，kg；为热水的比热容，kJ/kg；Thot 为热水的温度，；分别为通过尾气吸取的热量、用户使用热水时消耗的热量、水箱的散热损失，kJ。依据阅历公式可以表述为式中：UA 为热传导率，它的大小取决于外界环境和储水箱的温差以及储水箱本身的物理性质；T0 为外界环境的温度，。1.1.7 电能利用子系统SOFC 系统本身有很强的热电耦合特性，动态响应慢，负载功率的变化会使 SOFC 电堆的输出电压发生较大的波动；SOFC 系统并没有

18、电能存储的力量，而且 SOFC 电堆的工作温度较高，存在冷启动困难的问题。针对这些问题，电能治理子系统中通常会增加储能装置以提高 SOFC 系统的动态特性和过载力量，同时可以避开燃料亏空对电池片造成的破坏3，12。常见的储能装置包括蓄电池和超级电容， 储能装置和 SOFC 电堆有两种连接方法：一是储能装置直接与 SOFC 电堆输出直流母线并联，在这种连接方式下，储能装置输出的电流波动较大；二是通过双向DC/DC 功率变换器与 SOFC 电堆输出直流母线并联。系统电能治理的核心在于掌握双向 DC/DC 变换器的工作模式，从而调整 SOFC 电堆、蓄电池和负载之间的能量流淌13。基于以上分析，本文

19、提出由 SOFC、单向 DC/DC 变换器、蓄电池、双向 DC/DC 变换器、DC/AC 逆变器和负载端构成的电能利用子系统图 4。图 4 SOFC 电能治理子系统构造框图 Fig.4 Block diagram of SOFC power management subsystem在该电能治理子系统中，能量存储装置通过双向 DC/DC 变换器和直流母线并联起来。该设计有如下优点。当负载功率发生突变时，动态电能的供给和吸取可由蓄电池来完成，从而实现系统动态响应力量的提高；系统冷启动时，由蓄电池向负载电器供能。将直流母线与双向变换器的一段进展并联，由于直流母线的电压是稳定的，可以对双向变换器进展优

20、化设计，将电感适度地减小，从而实现动态性能的提高。双向变换器工作模式的合理选择，可以到达能量治理的目的，协调掌握燃料电池和蓄电池，从而有效地提高系统的工作效率。1.2 系统参数的设置为了充分分析 SOFC 系统的工作状况，将 SOFC 单电池和整个系统的输入状况列于表 1。表 1 系统各变量和输入参数值 Table 1 System variable and input parameter? 依据以上的输入状况，可以得到系统输出功率与燃料利用率和系统效率间的关系图 5。图 5 OFC 输出功率效果图 Fig.5 SOFC output power 2 家用固体氧化物燃料电池热电联供系统具体状况

21、分析本文设计的 SOFC 家用热电联供系统主要针对小型家庭用户，而小型家庭用户的用电特点为电与热负荷具有随时间变化的特性，而且变化特点多是以阶跃的形式存在的。由于 SOFC 为强热电耦合系统，温度的变化具有较大的时滞效应，使得电能输出功率的变化具有的较大的时间常数；而家庭用电功率的变化为秒级，如此高频率的进展大幅功率的切换不仅存在肯定的技术难度，而且会缩短电池片的寿命10，14。因此，将系统设计成两种稳定功率输出模式。在大功率需求时段，工作在高功率输出状态；在其他时刻，切换至低功率状态，而高、低功率切换，可以在 30 s 内完成，切换时间在系统实际运行过程中可以无视不计。2.1 家庭用电状况统

22、计本文依据中国电力企业联合会和国家能源局的生活用电数据，模拟出北京市一个住房面积为 120 m2 的用户在冬季和夏季每日用电量的变化趋势图图 6，7。由于北方冬季有室内供暖，因此，可以不用考虑暖气热量的消耗，夏季天气较热，空调用电量较大。从图 6，7 可以觉察，6：00-8：30，11：00-13：00，17：30- 19：30，22：00-22：30 为用户用热顶峰期和用电顶峰期。图 6 用户在冬季的电功率需求和热功率需求 Fig.6 Power and thermal requirements of user in winter图 7 用户在夏季的电功率需求和热功率需求 Fig.7 Pow

23、er and thermal requirements of user in summerSOFC 热电联供系统产生的电能，一方面通过功率变换器转化为 220 V 沟通电满足用户的用电需求；另一方面，电能的存储主要是通过双向 DC/DC 变换器给蓄电池充电来完成的，这样就可以在用电顶峰时段保证用户的用电需求。系统产生的热量通过循环冷水存贮在水箱中，供用户在用热顶峰时段使用；热水量无法满足用户需求时，可以用电热水器给冷水加热，从而补充热水的短缺。图 8 热电联供系统电功率输出仿真图 Fig.8 Simulation of the electric power output of the coge

24、neration system2.2 家用热电联供系统方案仿真依据前面所述的用户热电消耗数据，可以得到家庭热电联供系统的电功率输出仿真图 图 8。依据文献12中供给的各气体流速、水碳比与功率间的对应关系，可以得到：在电功率需求为 2 000 W 的工况下，燃料流量为 0.008 68 mol/s，空气流量为 0.655 mol/s，水碳比为 3，旁路阀开度为 0；在电功率需求为 200 W 的工况下，燃料流量为 0.000 7 mol/s，空气流量为 0.06 mol/s，水碳比为 3，旁路阀开度为 0.1。燃料电池的输出功率大于用户的需求功率时，多余的电能可以用蓄电池进展存储；反之，就由蓄电

25、池存储的电能来补充用户的需求。为了计算方案的节能性，需要考虑蓄电池的充放电状况，图 9 给出了蓄电池随着用户用电变化的充放电状况。图 9 蓄电池充放电工况 Fig.9 Battery charge and discharge conditions通过模拟用户冬季一天的用电量，可以计算出燃料电池总发电量为 11.22 kWh，输出的热能折算成电能为 9.976 kWh。燃料电池的输出功率高于用户所需电功率时，多余电能存储在蓄电池中，假定双向 DC/DC 变换器的效率为 94%，蓄电池充放电的效率为 85%，电能供用户使用时，还要经过 DC/AC 变换器，假定其变换效率为 97%。用户一天的电能消

26、耗量为 8.324 kWh，热功率消耗量为 11.1 kWh。在本方案中， 热能的输出量不能满足用户的热需求，不满足局部由电热水器进展补充，假定其效 率为 85%。下面将通过计算，检验该方案能否满足用户冬季一天的热电总消耗量。其中，燃料电池的输出热功率小于用户的热需求，缺乏局部由电热水器进展补充时， 需要消耗的电能为由图 9 可计算出蓄电池充放电的总电能为 5.953 kWh，因此，电能存储模块损耗的电能为因此，燃料电池到达用户的电能为Eu 大于用户一天消耗的电能 8.324 kWh，因此，仿真方案满足设计要求。2.3 系统相关参数由热电联供系统的热电输出功率和蓄电池充放电工况图图8，9以及用

27、户在夏、冬季的电功率需求和热功率需求图 6，7可以得出：夏季时，蓄电池存储的电能至少为 1.335 kWh，热水存储的热能至少为 4.05 kWh；冬季时，蓄电池存贮的电能至少为 0.289 kWh，热水存储的热能至少为 5.89 kWh。综上可知，蓄电池至少能够存储 1.335 kWh 的电能，热水至少能够存储 5.89 kWh 的热能。假定承受的蓄电池的额定电压为 12 V，需要存储 1.335 kWh 的电能，则蓄电池的容量至少为 111.25 Ah。水吸热公式：式中：C 为水的比热容，4.2 kJ/kg ； 为水的密度，取 1 kg/L；V 水为水的体积，L。假定热水温度从 20上升到

28、 70，通过计算得到水箱的容量至少为 110.97 L。因此，我们依据家庭用户的热能和电能需求制定出家用热电联供系统的运行方案， 并给出了系统的关键参数，其中，蓄电池容量至少为 111.25 Ah，水箱容量至少为 110.97 L。2.4 节能分析目前，在我国的电力供给中，传统火力发电占据了 80%的比例14。如图 10 所示， 火力发电需要经过化石燃料的燃烧，通过蒸汽推动涡轮机做功产生电力，整个过程 产生大量二氧化硫、悬浮颗粒等，造成环境污染；最重要的是发电过程受卡诺循环 限制，能源转换效率不高，大约只有 30%15。燃料电池发电过程中无噪声，反应产物只有水和二氧化碳，清洁无污染；反响中没有

29、燃烧过程和机械做功，不受卡诺循环的约束与能量转换效率的限制，能够到达 85%90%的热电综合利用效率13。图 11 为家庭用热电联供系统的热电联供方式。图 10 传统火力发电系统的供电方式 Fig.10 Power supply mode of traditional thermal power generation system图 11 热电联供系统的热电联供方式 Fig.11 Thermoelectric combined supply mode of thermoelectric combined cogeneration system依据前文的仿真结果，假设系统所用自然气是由煤炭重整制

30、备而成的，而电网所用电能是通过火力发电获得的，则可以对热电联供下的煤耗与火力发电的煤耗进展比照，这里仅选取夏、冬季各一天的数据进展分析。2.4.1 电网供给用户需求由电网供给所需热电，假设电热水器的效率为 85%，夏季一天消耗的电能为冬季一天消耗的电能为中国的平均发电煤耗为 0.37 kg/kWh，为满足用户夏季一天的电能需求量， 需要消耗的煤炭量为同理，可以算出为满足用户冬季一天的电能需求量，需要消耗的煤炭量为 7.91 kg。2.4.2 热电联供供给用户需求系统在电功率需求为 2 000 W 的工况下，燃料输入速率为 0.008 68 mol/s；在电功率需求为 200 W 时，燃料输入速

31、率为 0.000 7 mol/s 。由图 8 和文献10，12中供给的方法可以求出，系统一天消耗的自然气的摩尔数为 112.984 mol，折算成标准大气压下的体积为依据文献 11，16，1 t 煤可以转化为 400 m3 的合成自然气，从图 5 可知，系统效率的平均值为 84.5%，因此，由煤炭合成自然气时，需要煤炭的质量为因此，本方案在冬季一天可节约煤炭 0.43 kg，能源节约率为 5.44%。3 结语本文首先介绍了家庭用 SOFC 热电联供系统，进而基于热能利用子系统和电能利用子系统，提出一种以用户电消耗为核心的家用热电联供系统的运行方案，针对该运行方案，给出了蓄电池容量和水箱容积的最

32、低阈值。最终，通过与传统火力发电系统的节能性进展比照，觉察对于家庭用户而言，承受以自然气为燃料的 SOFC 热电联供系统更加节能。因此，该系统的设计为实际热电联供系统的争论供给了依据，具有理论和实际意义。参考文献：1尹艳红，朱威，夏长荣，等.一种的生物质气发电装置-固体氧化物燃料电池J.可再生能源，20233：38-40.1 Yin Yanhong，Zhu Wei，Xia Changrong，et al.A new biomass gas power plant-solid oxide fuel cellJ.Renewable Energy Resources，20233：38-40.2 程欢

33、.面对掌握的平板式 SOFC 系统建模优化与观测器设计D.武汉：华中科技大学，2023.2 Cheng Huan.Control-oriented modeling optimization and observer design for plannar solid oxide fuel cell systemD.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2023.3 张琳.面对高效率负载跟踪的 SOFC 系统优化与掌握争论D.武汉：华中科技大学，2023.3Zhang Lin.Optimization and control st

34、rategy of SOFC from the perspective of high efficiencyD.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2023.4M P Nielsen，S K Kr.Modeling a PEM Fuel Cell Gas ReformerC.Denmark：ECOS Copenhagen，2023.5P Aguiar，C S Adjiman，N P Brandon.Anode supported intermediatetemperature direct internal reforming

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36、y Resources，2023，29 6：115-120.7 任洪波，吴琼，任建兴，等.基于燃料电池、太阳能电池、蓄电池的住宅分布式能源系统的运行优化J.可再生能源，2023，324：379-384.7Ren Hongbo，Wu Qiong，Ren Jianxing，et al.Optimization of residential energy distribution system based on fuel cell，solar cell and batteryJ.Renewable Energy Resources，2023，32 4：379-384. 8A M Meziou，I M

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