SOFC-PEMFC联合发电系统的优化应用

当前开发的不同类型的FC，功率范围很大，从1kW以下到10MW以上。质子交换膜型燃料电池（PEMFC）较成熟，仅适用于低温；而SOFC与PEMFC联合发电是一种选择。

2000年Andrew Dicks等提出SOFC-PEMFC联合发电的概念［26］。依靠SOFC内重整燃气组分，为PEMFC提供净化重整气体，节省外置重整器，使之具有更高的能量转换效率（见图4-13）。研究人员以SOFC与质子交换燃料电池联合发电系统作为研究对象，以其系统操作参数为不确定参数，采用基于拉丁超立方体抽样的不确定分析方法——适宜的概率分布函数表述和量化不确定因素，反映到确定性的模型上，输出概率分布规律的结果，以此分析系统净功率。

图4-13　SOFC-PEMFC联合发电系统示意图

研究者在管式SOFC（IRSOFC）基础上通过耦合质量、能量平衡方程和电化学分析建立SOFC-PEMFC的模型，包括PEMFC的电化学模型、空气侧和燃料侧的压气机所用的等熵效率模型、热交换器基于ε-NTU方法的零维模型、系统中辅助设备基本的节点稳态热力学模型，并建立质量、能量平衡方程，研究相关因素的影响。图4-14所示为系统求解流程。表4-11所示为该法以不确定性因素（电堆温度、低燃料流量和利用率）对系统引起偏差和波动的分析及其多参数评价。结果表明，SOFC电堆高的工作温度、低燃料流量和低的利用率有利于减少系统净电功率因不确定因素引起的偏差和波动，可借以评判设计参数的合理性。

图4-14　系统模型求解流程图(www.xing528.com)

表4-11　不确定参数的取值范围及分布

燃料电池［FC/AIP（air independent propulsion）］系统直接将氢能转换为电能，它与柴油机组合具有军事上的特殊用途，如用于潜艇。其优点是装置的转换效率很高，省去了热机复杂的转换过程，减少能量损耗，实际效率可达到70%；对外热辐射较少，有效地降低潜艇的热辐射；噪声较小，用于潜艇可提高潜艇在航行时的隐蔽性；过载能力强，其短时过载能力可达额定功率的2倍，装备FC-AIP系统的潜艇可进行短时内加速航行；系统配置灵活，便于安装。

FC堆是由若干个电池单元串并联而成，可按任意需要布置，灵活选择FC的配置方式；效率随输出功率变化特性较好，特别适合潜艇对于动力装置需要功率范围宽而效率高的要求。其缺点是燃料危险性非常大，系统比功率较小，目前质子膜燃料电池的比功率只有100W/kg，与柴油机的比功率300W/kg相差较远，要想达到相同功率，FC所需重量要大于柴油机；其工作寿命短、价格较高，是柴油发电机组价格的3～6倍。但是将AIP系统与当前潜艇的“柴电”动力装置组合在一起，构成混合推进装置可使常规潜艇隐蔽性提高，作战能力提升。此外，燃料电池也可与太阳能光伏等新型清洁能源产业联合发电，这更加开拓了燃料电池的应用空间。

在环保指标方面，它能有效降低火力发电的污染物、噪声和温室气体排放量。与常规燃煤发电机组相比，燃料电池发电中几乎没有燃烧过程，NOx排放量很小，一般可达到0.139～0.236kg/（MW·h）以下，噪声低。

在综合指标方面，燃料电池可使用多种燃料，包括氢气、甲醇、煤气、沼气、天然气等；燃料电池为模块化结构，体积小（小于1m2/kW）、系统容易扩容，自动化程度高，可实现无人操作；系统供电灵活、可靠，是理想的分布式电源；FC发电系统符合国家能源和电力安全的战略需要。

为此，在北美、日本和欧洲，FC发电快步进入工业化规模应用阶段，将成为继火电、水电、核电后的第四代发电方式。