燃料电池与燃气轮机组成的一体化发电系统

电力18讯：    许世森
[摘要] 对各种燃料电池进行了综合比较。重点介绍团体氧化物(SoFC)燃料电池与微型燃气轮机组成的混合―体化发电系统的构成和特点，简述了其性能和经济性，分析了这种发电技术的发展趋势和应用前景。
[关键词] 燃料电池 燃气轮机
0 引言
    燃料电池从1839年发明以来，就以高效、清洁而闻名。它是将燃料的化学能直接转化为电能的装置，与常规发电技术相比，其发电效率不受卡诺循环的限制，发电效率可达到50％～70％，被视为21世纪重要的发电方式之―。但由于与其竞争的燃气轮机发电技术的飞速发展，其商业化的进展缓慢。直到20世纪90年代，燃料电池在关键技术中取得了―些突破，性能不断提高，目前，国际上磷酸型燃料电池已进入商业化，其它几种燃料电池预计在2005年。2010年200 kW将全面进入商业化。
    发电领域内的一个重要趋势是大型燃气轮机联合发电系统应用的增加。低于25MW级电站，传统上被用于自备发电和驱动机械，但是，面对全球对电力的各种需求和集中电网出现的问题，为了向用户提供更安全可靠的电力，建设分散电源作为电网的有效补充，已逐渐成为世界能源界的共识。这预示着燃料电池和小型燃气轮机这两种高效清洁的分散电源有着广阔的应用前景。
    燃料电池在高温和加压下运行，使得燃料电池和小型燃气轮机组成混合式的一体化发电系统成为可能，而Siemens―Westinghouse经过长期的努力将其变为现实，在2000年7月，成功地开发出220kW加压型SOFC和Micro-Turbine组成的一体化发电系统，目前正在位于美国Califomia的燃料电池研究中心进行实验。该装置的开发成功为组成大容量的燃料电池联合循环一体化发电系统奠定了坚实的基础，说明了燃料电池不仅可作为小容量的分散电源，而且可组成大容量的中心电站，标志着燃料电池进
入了一个崭新的阶段。
l 各种燃料电池发电技术综合比较
    目前，正在研究和发展的燃料电池主要有碱件燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔触碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和质子交换膜燃料电池(PEFC)。由于它们的电解质材料、电池结构和操作条件不同，使其性能各具特点，各有其适用的范围。
    (1)AFC：与其它燃料电池相比，AFC功率密度和比功率较高、性能可靠。但它要以纯氢做燃料、纯氧做氧化剂，必须使用Pt、Au、Ag等贵金属做催化剂，价格昂贵。电解质的腐蚀性严重、寿命较短，这些特点决定了人AFC仅限于航天或军事应用，不适合于民用。
    (2)PAFC：以磷酸做为电解质，可容许燃料气和空气中CO2的存在。这使得PAFC成为最早在地面上应用或民用的燃料电池。与AFC相比，它可以在180℃～210℃运行，燃料气和空气的处理系统大大简化，加压运行时，可组成热电联产。但是，PAFC的发电效率目前仅能达到40％～45％(LHV)，它需要贵金属铂做电催化剂；燃料必须外重整；而且，燃料气中C0的浓度必须小于1％(175℃)～2％(200℃)，否则会使催化剂中毒；酸性电解液的腐蚀作用，使PAFC的寿命难以超过40000小时。PAFC目前的技术已成熟，产品也进入商业化，作为特殊用户的分散式电源、现场可移动电源和备用电源，PAFC还有市场，但用作大容量集中发电站比较困难。
    (3)MCFC：在历650℃～700℃运行，可采用镍做电催化剂，而不必使用贵重金属；燃料可实现内重整，使发电效率提高，系统简化；CO可直接用作燃料；余热的温度较高，可组成燃气／蒸汽联合循环、使发电容量和发电效率进一步提高。与SOFC相比，MCFC的优点是：操作温度较低，可使用价格较低的金属材料，电极、隔膜、双极板的制造工艺简单，密封和组装的技术难度相对较小，大容量化容易，造价较低 缺点是：必须配置C02循环系统；要求燃料气中H2S和CO小于O．5mg／kg；熔融碳酸盐具有腐蚀件，而且易挥发；肖SOFC相比，寿命较短；组成联合循环发电的效率比SOFC低。与低温燃料电池相比，MCFC的缺点是启动时间较长，不适合作备用电源。MCFC已接近商业化，示范电站的规模已达到2MW。从MCFC的技术特点和发展趋势看，MCFC是
将来民用发电(分散电源和中心电站)的理想选择之一。
    (4)S0FC：电解质是固体，可以被做成管形、板形成整体形。与液体电解质的燃料电池(AFC、PAFC和MCFC)相比，SOFC避免了电解质蒸发和电池材料的腐蚀问题，电池的寿命较长(已达到70 OOO小时)。CO可做为燃料，使燃料电池以煤气为燃料成为可能。SOFC的运行温度在1000℃左右，燃料可以任电池内进行重整。由于运行温度很高，要解决金属与陶瓷材料之间的密封也很困难。与低温燃料电池相比，SOFC的启动时间较长，不适合作应急电源。与MCFC相比，SOFC组成联合循环的效率更高，寿命更长(可大于40000小时)；但SOFC面临技术难度较大，价格可能比MCFC高。示范业绩证明SOFC是未来化石燃料发电技术的理想选择之