整體煤氣化固體氧化物燃料電池并網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李萍萍，陳姍姍，趙璐璐，史明亮，黃 巖，李初福

（1北京低碳清潔能源研究院，北京 102209；2國(guó)家能源集團(tuán)新能源有限責(zé)任公司，北京 100007）

傳統(tǒng)的煤電技術(shù)通過煤直接燃燒進(jìn)行發(fā)電不僅會(huì)產(chǎn)生大量粉塵污染和溫室氣體排放而且發(fā)電效率較低(僅為30%～40%)[1]。以煤氣化方式供應(yīng)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)所需燃料的整體煤氣化發(fā)電技術(shù)(integrated gasification fuel cell，IGFC)，具有效率高、排放低、噪音小、環(huán)境友好等特點(diǎn)，與CO2捕集技術(shù)(CO2capture storage，CCS)相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)CO2及污染物的近零排放，徹底解決煤電排放問題，非常契合我國(guó)以煤為主的資源稟賦，對(duì)助力中國(guó)煤電技術(shù)改革，優(yōu)化煤電落后產(chǎn)能具有重大的戰(zhàn)略意義[2-4]。將煤氣化技術(shù)與SOFC技術(shù)相結(jié)合的整體煤氣化燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，又稱IG-SOFC 系統(tǒng)[5-6]，發(fā)電效率在55%以上，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)尾氣CO2的富集，尾氣中CO2含量可富集95%以上，對(duì)CO2的捕集帶來較大便利。

IG-SOFC 系統(tǒng)在分布式以及固定式電站領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景，尤其適用于醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心、偏遠(yuǎn)地區(qū)等應(yīng)用場(chǎng)景。SOFC技術(shù)目前主要掌握在布魯姆能源(Bloom Energy，BE)、三菱重工、通用燃料電池等少數(shù)國(guó)外公司，部分公司已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用并以MW級(jí)分布式應(yīng)用為主，下一步目標(biāo)是降低燃料電池成本，提高性能及穩(wěn)定性。但國(guó)外公司大都對(duì)其系統(tǒng)技術(shù)和重要研發(fā)成果實(shí)施技術(shù)封鎖，國(guó)內(nèi)很難進(jìn)行借鑒和學(xué)習(xí)。中國(guó)市場(chǎng)SOFC技術(shù)起步較晚，本體技術(shù)薄弱，上下游產(chǎn)業(yè)鏈不完善，SOFC系統(tǒng)研發(fā)仍停留在技術(shù)驗(yàn)證階段。

與光伏及風(fēng)電等分布式電源類似，IG-SOFC發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)重要前提就是要能夠穩(wěn)定并網(wǎng)，滿足電能質(zhì)量、功率控制、并網(wǎng)同步等并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；電力并網(wǎng)模塊承擔(dān)著并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)電力變換、控制、并網(wǎng)接入等重要任務(wù)，是面向應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)[7-11]。經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研SOFC電力并網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域的研究主要集中在理論研究和仿真模擬方面，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證較為匱乏[12-13]。黃捷[14]設(shè)計(jì)了1 kW SOFC DC/DC升壓，DC/AC逆變的電力系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并進(jìn)行仿真模擬；魏立明等[15]在SOFC逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用模糊PID控制技術(shù)，以改善輸出電壓的穩(wěn)定性，通過仿真模擬SOFC 正常工作的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；Tahri等[16]設(shè)計(jì)了一種用于分布式燃料電池系統(tǒng)的兩級(jí)DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換器控制器，通過仿真模擬驗(yàn)證了方案的可行性。

為彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)IG-SOFC 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域的驗(yàn)證缺失，本工作提出一種IG-SOFC 并網(wǎng)發(fā)電測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，開發(fā)SOFC專用并網(wǎng)逆變器，搭建SOFC 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，并基于測(cè)試平臺(tái)，在煤制合成氣作為燃料的條件下對(duì)一個(gè)5 kW 級(jí)SOFC堆塔模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 IG-SOFC系統(tǒng)總體架構(gòu)

IG-SOFC系統(tǒng)的總體構(gòu)架圖見圖1，IG-SOFC系統(tǒng)主要包括煤氣化-凈化、SOFC 并網(wǎng)發(fā)電、尾氣燃燒、熱量回收、CO2捕集等。具體工藝流程如下：煤經(jīng)煤氣化過程轉(zhuǎn)化為主要成分為CO和H2的合成氣，合成氣經(jīng)凈化脫硫后通入SOFC 電堆陽(yáng)極，在其中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并網(wǎng)逆變器將SOFC輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)頻率、電壓、相位一致的交流電，并將電能輸送至電網(wǎng)；SOFC陽(yáng)極出口部分未反應(yīng)完全的合成氣尾氣經(jīng)過純氧燃燒器燃燒后，燃燒尾氣中CO2含量進(jìn)一步富集，再經(jīng)過CO2捕集工序可實(shí)現(xiàn)全流程CO2近零排放[17]。煤氣化及純氧燃燒器的高溫?zé)嵩纯梢酝ㄟ^聯(lián)合蒸汽輪機(jī)發(fā)電等形式進(jìn)行熱量回收，進(jìn)一步提高系統(tǒng)能效。

圖1 IG-SOFC系統(tǒng)總體構(gòu)架圖Fig.1 Architecture diagram of IG-SOFC system

本文重點(diǎn)介紹IG-SOFC系統(tǒng)的核心——SOFC并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、平臺(tái)搭建及測(cè)試驗(yàn)證過程；煤氣化凈化、尾氣燃燒等常規(guī)單元采用成熟技術(shù)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)地現(xiàn)有成熟裝備，因此文中不再贅述。

1.2 SOFC并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

SOFC 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)如圖2 所示，平臺(tái)主要由氣路處理模塊、SOFC 發(fā)電模塊、電力并網(wǎng)模塊、控制模塊四部分組成。

圖2 SOFC并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)架構(gòu)圖Fig.2 Architecture diagram of SOFC grid-connected power generation test platform

氣路處理模塊主要功能是對(duì)輸入SOFC電堆的原料氣(合成氣)進(jìn)行控制，將原料氣按一定的壓力、溫度、流量供給SOFC電堆；同時(shí)，氣路處理模塊通過換熱器對(duì)尾氣中所含高溫位熱源進(jìn)行回收利用，用以預(yù)熱原料氣，提升系統(tǒng)熱效率。氣路處理模塊的原料氣來自于測(cè)試場(chǎng)地煤氣化——凈化車間的凈化合成氣，由管道輸送至本文所搭建的SOFC并網(wǎng)發(fā)電測(cè)試平臺(tái)。

SOFC發(fā)電模塊主要由熱箱和SOFC堆塔兩部分組成，熱箱維持電堆750 ℃的工作環(huán)境溫度，SOFC堆塔通過內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)，將輸入原料氣中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能；SOFC堆塔通常由數(shù)個(gè)小功率電堆堆疊集成，電堆氣路上并聯(lián)，電路上串聯(lián)。

電力并網(wǎng)模塊主要包括逆變器、交流負(fù)載等，將電堆輸出的直流電經(jīng)過逆變器變成交流電接入電網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)測(cè)試或并網(wǎng)發(fā)電的功能。

控制模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)與控制，根據(jù)功率指令，控制系統(tǒng)輸出功率以及所需的燃料氣用量，保證燃料利用率以及系統(tǒng)效率；同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)工況檢測(cè)并處理系統(tǒng)故障，保障系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1.2.1 電力并網(wǎng)模塊

電力并網(wǎng)模塊(以下簡(jiǎn)稱并網(wǎng)模塊)主要包括逆變器、交流負(fù)載、電能表、開關(guān)接觸器及斷路器等電力設(shè)備及元件。圖3為并網(wǎng)模塊系統(tǒng)圖，如圖所示，逆變器與電網(wǎng)之間接入交流負(fù)載，當(dāng)并網(wǎng)模塊工作于“并網(wǎng)發(fā)電模式”時(shí)，燃料電池通過逆變器直接并網(wǎng)發(fā)電，KM3斷開，交流負(fù)載不接入；當(dāng)并網(wǎng)模塊工作于“并網(wǎng)測(cè)試模式”時(shí)，KM3閉合，交流負(fù)載接入，燃料電池輸出電能通過逆變器變成交流電，流入交流負(fù)載。多功能電能表接入在交流母線側(cè)(電網(wǎng)側(cè))，用于監(jiān)測(cè)交流母線電流、電壓及測(cè)試平臺(tái)工作于“并網(wǎng)發(fā)電模式”時(shí)向電網(wǎng)供應(yīng)的發(fā)電量。

圖3 并網(wǎng)模塊系統(tǒng)圖Fig.3 System diagram of grid-connection module

圖4 所示為并網(wǎng)模塊實(shí)物圖，為保障系統(tǒng)安全，將并網(wǎng)模塊以電器柜的形式進(jìn)行了集成制造，電器柜為正壓防爆通風(fēng)柜。

圖4 并網(wǎng)模塊實(shí)物圖Fig.4 Pictures of grid-connection module

SOFC 輸出通常呈現(xiàn)低電壓、大電流的特點(diǎn)，根據(jù)輸出電壓等級(jí)，需經(jīng)1～2 級(jí)DC/DC 升壓后，再經(jīng)過DC/AC 并網(wǎng)。圖5 所示為實(shí)驗(yàn)5 kW 級(jí)SOFC 堆塔并網(wǎng)發(fā)電測(cè)試平臺(tái)用逆變器電路拓?fù)鋱D，SOFC 堆塔額定輸出直流電壓160 V，經(jīng)一級(jí)Boost 升壓至360 V 后，再經(jīng)全橋逆變電路接入220 V 電網(wǎng)。其中，Boost 控制SOFC 輸出功率，DC/AC控制直流母線電壓的穩(wěn)定。表1所示為實(shí)驗(yàn)5kW級(jí)SOFC堆塔性能參數(shù)。

圖5 SOFC定制逆變器電路拓?fù)鋱DFig.5 Topology diagram of inverter

表1 5 kW級(jí)SOFC堆塔性能參數(shù)Table 1 Parameters of 5 kW SOFC stack tower

1.2.2 控制模塊

控制模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)工作模式、運(yùn)行模式、工藝參數(shù)的控制。工作模式控制方面，當(dāng)工作于“并網(wǎng)發(fā)電模式”，控制模塊通過控制逆變器、繼電器等執(zhí)行元件，控制SOFC系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電，同時(shí)，接受功率指令，控制系統(tǒng)并網(wǎng)功率。當(dāng)工作于“并網(wǎng)測(cè)試模式”，控制模塊通過控制逆變器、繼電器等執(zhí)行元件，控制SOFC系統(tǒng)向交流負(fù)載送電。運(yùn)行模式控制方面，主要有定燃料流量和定燃料利用率兩種。在定燃料流量控制方式下，輸入的燃料氣(合成氣)流量保持恒定(不同發(fā)電功率下，輸入燃料氣均保持最大設(shè)計(jì)流量)。在定燃料利用率控制方式下，不同發(fā)電功率下，燃料氣流量不同，消耗的燃料氣與輸入的燃料氣的比率(即燃料利用率)為定值。相對(duì)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統(tǒng)發(fā)電效率，尤其是低負(fù)荷運(yùn)行工況下。工藝參數(shù)控制主要是通過控制氣路處理及SOFC 發(fā)電模塊中流量計(jì)、加熱器、風(fēng)機(jī)等元件，實(shí)現(xiàn)SOFC運(yùn)行工藝參數(shù)，如反應(yīng)溫度、進(jìn)料燃?xì)饬髁?、進(jìn)出口壓力等的控制。

為提升系統(tǒng)在全功率區(qū)間發(fā)電效率，推薦采用定燃料利用率控制方式?？梢酝ㄟ^控制輸入燃料氣流量(Fsyn，mol/s)與系統(tǒng)輸出功率(PAC，W)來控制燃料利用率ηfuel，三者之間關(guān)系如式(1)所示

式中，Nstack、Ncell為所測(cè)試堆塔所串聯(lián)的電堆個(gè)數(shù)及每個(gè)電堆包含的電池片數(shù)；XCO、XH2為合成氣中CO 和H2的摩爾含量；F為法拉第常數(shù)，96485 C/mol；VDC為SOFC 堆塔電壓，V；ΦDC-AC為逆變效率。式(1)的推導(dǎo)前提為所用合成氣中主要發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的成分為H2和CO，甲烷等氣體含量很少可以不計(jì)入計(jì)算。

系統(tǒng)并網(wǎng)功率PAC與SOFC堆塔輸出功率PDC(W)的關(guān)系如式(2)所示

SOFC堆塔輸出功率PDC與堆塔輸出電流IDC(A)及電壓的關(guān)系如式(3)所示

SOFC 堆塔輸出電流IDC(A)與電化學(xué)反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移數(shù)ne-(mol/s)的關(guān)系如式(4)所示

為防止燃料虧空，引發(fā)SOFC 電堆陽(yáng)極氧化、電堆性能衰減，燃料利用率一般控制在90%以下。

2 測(cè)試流程

鑒于SOFC并網(wǎng)發(fā)電測(cè)試平臺(tái)涉及的設(shè)備及管閥件較多，文中僅對(duì)測(cè)試流程的主要測(cè)試步驟進(jìn)行介紹。

（1）SOFC發(fā)電模塊升溫：在SOFC陽(yáng)極通入弱還原性氮?dú)浠旌蠚鈁實(shí)驗(yàn)5 kW系統(tǒng)氮?dú)浠旌蠚饬髁? Nm3/h N2/H2(95%N2，5%H2)]，陰極通入空氣(實(shí)驗(yàn)5 kW 系統(tǒng)空氣流量10 Nm3/h)的情況下，將熱箱及SOFC堆塔升溫至反應(yīng)溫度700 ℃左右。熱箱升溫速率控制在15～30 ℃/h，防止升溫過快對(duì)SOFC堆塔造成熱應(yīng)力損傷。

（2）SOFC堆塔健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)：在熱箱及堆塔升溫過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)SOFC堆塔開路電壓，對(duì)電堆健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。升溫過程中，SOFC開路電壓先快速升高，后緩慢爬升，最后略有下降。實(shí)驗(yàn)5 kW 系統(tǒng)，在升溫初始段(約0～300 ℃)，SOFC開路電壓自0 V 快速升至150 V 左右。升溫中段(300～500 ℃)，電壓由150 V升至260 V，升溫末段，電壓自260 V略有降低。

（3）SOFC并網(wǎng)發(fā)電模式：當(dāng)SOFC堆塔溫度達(dá)到700 ℃，開路電壓穩(wěn)定在230～250 V 之后，將SOFC 陽(yáng)極側(cè)氣體由N2/H2混合氣切換為合成氣(實(shí)驗(yàn)5 kW系統(tǒng)合成氣流量3 Nm3/h)，增加陰極側(cè)空氣流量(至24 Nm3/h)。待電堆開路電壓穩(wěn)定后，閉合逆變器直流側(cè)開關(guān)KM4(圖5)，設(shè)定逆變器輸出功率，控制系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電。在并網(wǎng)發(fā)電模式測(cè)試過程中，始終保持QF、KM1，KM2(圖3)處于閉合狀態(tài)，KM3處于斷開狀態(tài)。

（4）SOFC并網(wǎng)測(cè)試模式：閉合交流負(fù)載交流母線開關(guān)KM3(圖3)，將交流負(fù)載的功率設(shè)定為略高于逆變器輸出功率，即可進(jìn)行SOFC并網(wǎng)測(cè)試模式調(diào)試。此階段交流負(fù)載功率大于逆變器輸出功率，電網(wǎng)向系統(tǒng)送電，系統(tǒng)并網(wǎng)但不向電網(wǎng)送電。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3.1 SOFC并網(wǎng)發(fā)電模式測(cè)試結(jié)果

實(shí)測(cè)SOFC 并網(wǎng)發(fā)電模式、合成氣進(jìn)料工況下，SOFC 并網(wǎng)發(fā)電測(cè)試系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱SOFC 發(fā)電系統(tǒng))工作特性曲線如圖6～7所示。

圖6 SOFC發(fā)電系統(tǒng)功率，堆塔電壓與電流的關(guān)系Fig.6 The relationship between output power,voltage of stack tower and current of SOFC power generation system

由圖6 可知，在測(cè)試過程中，電流范圍為0～26.6 A，SOFC堆塔輸出功率為0～4.5 kW，SOFC發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)功率為0～4.25 kW；由圖7可知，測(cè)試過程中SOFC 堆塔電壓范圍為169～234 V，燃料利用率為0～84.4%，堆塔電效率為0～55.1%，系統(tǒng)電效率為0～52.0%。

圖7 SOFC發(fā)電系統(tǒng)電效率，燃料利用率與輸出功率的關(guān)系Fig.7 The relationship between power efficiency,fuel utilization and output power of SOFC power generation system

其中燃料利用率的計(jì)算見式(1)，系統(tǒng)電效率ηsys與堆塔電效率ηstack的定義及計(jì)算公式如下

其中，LHVsyn為合成氣的低位熱值，kJ/kmol。

所述SOFC堆塔輸出功率為燃料電池堆塔輸出的直流功率，SOFC 發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)功率為交流功率。此外，由圖7中可見，并網(wǎng)功率略低于堆塔輸出功率，這主要是逆變器等損耗引起，該部分損耗約占堆塔輸出功率的0.5%～5.5%，逆變器逆變效率為94.5%～99.5%。

測(cè)試過程采用的是1.2.2 節(jié)所述的定燃料流量的運(yùn)行控制模式，這種模式操作簡(jiǎn)單，在測(cè)量系統(tǒng)電化學(xué)性能方面(如I-V曲線測(cè)量)有一定優(yōu)勢(shì)，可以比較直觀地展示燃料電池在不同燃料利用率及電流密度下的電力輸出性能。由測(cè)試結(jié)果可知，在最高燃料利用率84.4%的工況下，電功率和電效率仍為上升趨勢(shì)，堆塔電壓沒有明顯加速下降趨勢(shì)，證明燃料電池堆塔在此燃料利用率和電流密度下仍處于良好的工作狀態(tài)，不存在燃料虧空及電流密度過高造成的內(nèi)阻急劇增大及電堆性能急劇衰減等問題。此外，在全測(cè)試區(qū)間內(nèi)，并網(wǎng)功率與堆塔輸出功率曲線上升趨勢(shì)一致，證明SOFC發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了變功率下的穩(wěn)定、高效并網(wǎng)。

3.2 SOFC并網(wǎng)測(cè)試模式長(zhǎng)周期測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的SOFC并網(wǎng)發(fā)電測(cè)試系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性，進(jìn)行了168 h的長(zhǎng)周期穩(wěn)定性測(cè)試。為遵循實(shí)驗(yàn)所在化工場(chǎng)地管理要求(不能長(zhǎng)時(shí)間向電網(wǎng)送電)，保障場(chǎng)區(qū)供電安全，長(zhǎng)周期測(cè)試采用“并網(wǎng)測(cè)試”運(yùn)行模式。

長(zhǎng)周期測(cè)試結(jié)果如圖8 所示，SOFC 發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)功率2.7 kW，交流負(fù)載功率3.05 kW，由于場(chǎng)地電壓質(zhì)量較差，電網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)，交流負(fù)載實(shí)際功率在3～3.1 kW區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。

圖8 SOFC發(fā)電系統(tǒng)168 h長(zhǎng)周期穩(wěn)定性測(cè)試Fig.8 168 h long-cycle stability test of SOFC power generation system

168 h 穩(wěn)定性測(cè)試，驗(yàn)證了SOFC 并網(wǎng)發(fā)電測(cè)試系統(tǒng)長(zhǎng)周期運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性及“并網(wǎng)測(cè)試”運(yùn)行模式的可行性。

4 結(jié)論

（1）對(duì)IG-SOFC 并網(wǎng)發(fā)電測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)并搭建了可實(shí)現(xiàn)“并網(wǎng)測(cè)試模式”及“并網(wǎng)發(fā)電模式”實(shí)時(shí)切換的SOFC并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)。

（2）通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了本文所提出的SOFC并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)與測(cè)試流程方案的可行性。

（3）在“并網(wǎng)發(fā)電”模式下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SOFC 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)(平臺(tái))可以穩(wěn)定高效地控制燃料電池電力輸出，并實(shí)現(xiàn)變功率下的穩(wěn)定并網(wǎng)發(fā)電。在煤制合成氣作為燃料的工況下，SOFC堆塔輸出功率達(dá)到額定功率4.5 kW時(shí)，堆塔電效率為55.1%；由于存在逆變器等造成的并網(wǎng)損耗，系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電效率為52.0%。

（4）在“并網(wǎng)測(cè)試”模式下完成了168 h長(zhǎng)周期穩(wěn)定性測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證了SOFC并網(wǎng)發(fā)電測(cè)試系統(tǒng)長(zhǎng)周期運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全可靠性。