【摘 要】
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在全球用对气候变化和能源转型的背景下,燃料电池的作用愈加突出,我国已将氢能及燃料电池技术作为重点发展任务。将燃料电池技术与分布式场景结合,既弥补了传统集中式发电的不足,又符合绿色环保、安全可靠的用能要求。天然气在分布式发电领域的应用,已经成为全球能源发展的重要方向之一;生物质资源分布广且分散,具有可再生性,用于分布式发电既高效又经济。与中低温燃料电池相比,高温燃料电池不需要贵金属做催化剂,燃料适应
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在全球用对气候变化和能源转型的背景下,燃料电池的作用愈加突出,我国已将氢能及燃料电池技术作为重点发展任务。将燃料电池技术与分布式场景结合,既弥补了传统集中式发电的不足,又符合绿色环保、安全可靠的用能要求。天然气在分布式发电领域的应用,已经成为全球能源发展的重要方向之一;生物质资源分布广且分散,具有可再生性,用于分布式发电既高效又经济。与中低温燃料电池相比,高温燃料电池不需要贵金属做催化剂,燃料适应性广,发电效率高,结合国外建设经验,认为SOFC与MCFC是最适合建设大中型固定式分布式电站的燃料电池技术。本文研究了以天然气和生物质为燃料的电池系统,包括固体氧化物燃料电池（SOFC）与熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）,对系统的能效与经济性进行了对比分析,考察不同发电系统在分布式发电场景中的适应性。第一部分主要介绍了燃料电池的工作原理及特点,总结了国外固定式高温燃料电池的生产应用现状,考察了国内SOFC与MCFC的发展现状,分析了适用于我国的分布式燃料电池应用场景。利用Aspen Plus建立了 PEMFC、SOFC、MCFC的发电模型,将系统模型的参数于文献数据对比,误差较小验证了模型的可靠性,可用于后续对比分析。第二部分以天然气为燃料,建立了1MW的燃料电池发电系统,对系统进行能量分析、?分析与经济性分析,结果表明SOFC发电效率与?效率分别为55.1%与56.7%,相比其他系统能量转换效率最高;系统内燃料电池堆与尾部换热器的?损失分别为162与285kW,是系统内?损失最高的设备:对尾部余热加以利用可进一步提高系统效率。PEMFC含有膜电极使得设备成本较高,整体发电成本约0.14$/kWh,高温燃料电池SOFC与MCFC发电成本相近约0.1$/kWh,与传统天然气发电的上网电价相比差距较小,但与其他可再生能源发电项目相比还需要继续降本才有竞争力。第三部分采用生物质为燃料,建立1MW的SOFC、MCFC发电系统与内燃机系统,对三种系统进行能量分析、?分析与经济性分析,发现电池发电系统效率分别为51%与41%,低于以天然气为燃料的电池发电系统;发电成本约0.036$/kWh,远低于天然气发电系统成本;最后对系统中?损失较大的尾气利用部分进行优化设计,提出四种方案,发现燃料电池与蒸汽轮机结合将发电效率由51%提高到66%,发电成本由0.036$/kWh降至0.028$/kWh,是为最优选择。
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