首都住宅建筑燃料电池热电联供系统建模与能量供需分析

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)热电联供(combined heat and power,CHP)系统作为一种建筑供能新手段,可有效降低建筑运行能耗、推动能源绿色低碳转型。针对北方地区住宅建筑电热需求大且热电矛盾突出,全年负荷波动大等特点,以北京市为代表,利用DeST软件对住宅建筑进行负荷分析并搭建燃料电池热电联供系统模拟平台,研究不同参数对联供系统性能的影响;以负荷特性和参数分析结果为依据,设计一年不同时段下北京住宅建筑管理策略:冬季采用“以热定电”,其余季节均采用“以电定热”;与基线系统相比,在春、夏、秋、冬4个典型日中联供系统天然气耗气量分别减少了39.16%、31.63%、36.01%和14.04%,对热电联供系统用于未来建筑供能具有一定借鉴意义。

移动式固体氧化物燃料电池系统集成技术研究现状与进展

固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)是一种能量转换装置,可以通过电化学反应将燃料中的化学能直接转换为电能。目前,SOFC大多被视为固定式发电技术,然而因其具有燃料灵活性、高效率和高能量密度等特点,在移动式发电领域如辅助动力、无人机动力、远程电源等也具有广阔应用前景。与固定式SOFC应用相比,移动式SOFC研究进展起步相对较晚,技术较不完善。移动式SOFC系统通常包括电堆、重整器、供气装置、尾燃器、换热器和储能组件等核心组件。开发SOFC移动系统需要考虑系统的鲁棒性、易用性以及发电能力等,而移动式SOFC系统部件相对较复杂,这些部件的耦合匹配特性又会显著影响系统的紧凑性、启动特性及体积/质量功率密度。从热特性、启动策略及高功率密度混合动力系统集成等方面对国内外移动式SOFC系统集成技术的研究进展进行综述。最后,基于对现有研究成果的总结提出了未来移动式SOFC系统集成中存在的挑战,及在材料与工艺的改进、新型启动策略和混合系统设计与优化等方面的发展方向。

煤制合成气中温变压吸附H_(2)/CO_(2)分离研究与示范

煤制合成气净化工段位于水气变换后,脱除H_(2)S、CO_(2)等气体杂质,获取较高纯度的工业H_(2)。目前成熟净化工艺为以低温甲醇洗、液氮洗为代表的湿法以及变压吸附脱碳为代表的干法技术。中温变压吸附(ET-PSA)技术在与来流变换气一致的中温温度区间运行,采用自行合成的疏水富氮活性炭吸附剂,将传统变压吸附操作温度提升至170~220℃,实现中温高湿环境下的硫碳共脱。引入N_(2)充洗和低压N_(2)清洗2个新变压吸附步序,可使H_(2)回收率提高至99%。以丰喜泉稷厂煤制变换气为中试侧线原料,搭建了原料气处理量5 000 m^(3)/h(标况下)的中温变压吸附H_(2)/CO_(2)分离中试试验装置,H_(2)经两级中温变压吸附纯度达到燃料电池H_(2)水平(含有效气N_(2)),中试装置已累计运行超过2 800 h。并以公用工程运行数据计算中试装置能耗,仅折算电耗,中试H_(2)净化运行成本相比丰喜泉稷厂内低温甲醇洗H_(2)净化电耗可节约成本约35%。该技术突破了常规固体吸附净化温度限制,采用中温下选择性吸附性能好的吸附剂实现H_(2)中杂质定向脱除,为实现高效高品质H_(2)净化提供新的工艺路线。

固体氧化物燃料电池积碳效应数值模拟

燃料灵活性是固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)的显著优势之一,但在使用碳氢化合物为燃料时,阳极碳沉积导致的电池性能衰减是影响SOFC长期稳定运行的最主要原因之一。为探明阳极碳沉积对电池性能的影响机制,构建了以合成气(H_(2)、CO、H_(2)O、CO_(2)、CH_(4))为燃料的固体氧化物燃料电池一维瞬态基元反应动力学模型,模型考虑了阳极非均相反应、电化学反应、电极微观结构演变、电荷和质量传输过程以及碳相变过程的耦合效应。参考试验中不同时刻的电化学阻抗谱验证了模型的准确性,基于该模型提出了SOFC阳极碳沉积机制:在高温(>1000 K)条件下,碳以薄膜碳的形式覆盖在阳极Ni表面和Ni/YSZ/气体三相界面,阻断了非均相反应和电荷转移反应的进行;在较低温度(<1000 K)条件下,薄膜碳演化为固体碳,固体碳生长在多孔阳极内部,堵塞阳极孔隙,阻碍燃料气体扩散。所构建模型可以反映出这一机制。最后,利用模型研究不同燃料组分下阳极碳沉积导致的SOFC性能衰减。研究表明,降低燃料中CH_(4)含量,可有效降低SOFC的性能衰减速度,提升SOFC运行性能。

基于煤氢协同与柴油动力的露天矿卡综合排放性对比

矿卡运输是露天煤矿的关键生产系统,随着绿色低碳和清洁环保要求的提高,能源转化和矿卡动力系统运行是露天煤矿大气污染物和温室气体排放的主要来源之一,其已成为研究热点。为研究露天矿卡能源与动力方案综合排放性,以某露天煤矿及其运输系统作为研究对象,对能源转化和矿卡动力2个子系统设计了3种基于煤氢协同的技术方案及另外1种传统技术路线的对比方案,确定研究范围和边界条件,建立研究模型和数据清单,以10 a为周期对运输1 m^(3)·km的土石方或煤炭的燃料周期过程中的大气污染物和温室气体排放进行定量分析和对比。结果表明方案2采用绿氢动力的综合排放性最好,方案1和3可将排放从矿卡动力转移到能源转化环节,有利于采取集中有效措施进行减排,方案1的减排重点为脱硫和除尘,方案3和方案4的减排重点为CO_(2)捕集、封存和利用,方案4矿卡柴油动力系统的大气污染物CO和HC+NO_(x)排放量大,减排技术难度大,有必要开展矿卡新型清洁高效动力系统研究。

固体氧化物燃料电池阴极数学模型与性能分析

该文针对固体氧化物燃料电池(SOFC)的LSM/YSZ(Sr掺杂LaMnO3/Y2O3稳定ZrO2)多孔阴极,耦合电极内部离子传导、电子传导、气体扩散与电化学反应过程,建立了全面考虑活化极化、欧姆极化与浓差极化的电极微观数学模型。模型对交换电流密度计算子模型进行了改进,揭示了温度、氧气分压对其的影响,并将三相界(TPB)定量表示为电极微观结构参数(孔隙率,配位数,接触角等)的函数。模型计算结果与文献中实验数据吻合较好。在此基础上利用该模型对过电位、氧气浓度等参数在电极上的分布进行计算,并研究了混合导体颗粒尺寸、氧气利用率、电极厚度、孔隙结构参数对电极极化的影响。模拟结果对电极微观结构优化及电池运行提供了一定的理论指导。

管式固体氧化物燃料电池机理模型与性能分析

针对Siemens-Westinghouse公司阴极支撑型(AES)管式固体氧化物燃料电池,耦合电极内部离子传导、电子传导、气体扩散、热量传递及电化学反应过程,建立了全面考虑活化极化、欧姆极化与浓差极化损失的管式SOFC横截面方向二维微观机理模型。模型计算结果与文献中实验数据吻合较好,模拟结果表明电池横截面方向的组分浓度和电流密度的分布与SOFC的运行工况密切相关。连接器的存在和尺寸对电池工作性能均有较强影响。对于所研究的阴极支撑型SOFC,电池性能会受到氧气在多孔阴极中扩散过程的限制,改善多孔电极的微观结构可有效提高电池运行性能。

百千瓦级天然气制氢质子交换膜燃料电池热电联产系统稳态特性模拟分析

依托Aspen Plus平台建立了百千瓦级质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)热电联产系统模型,该模型由燃料处理单元、热回收单元与PEMFC单元构成。燃料处理单元关键设备模型依据反应动力学参数搭建,PEMFC电堆采用Aspen Custom Modeler自定义模型。验证了关键设备模型的准确性,并分析了稳态条件下设备运行参数对系统性能的影响,结果表明:在以电定热运行模式下,可适当减少燃烧天然气进料或者降低重整原料水碳比,以提高系统的电效率与㶲效率。此外,可调节变压吸附(pressure swing adsorption,PSA)至PEMFC管路阀门,增大电堆阳极进气压力以提高发电量,但不建议增大电堆阴极进气压力,这会导致系统辅助设备耗电量上升、净电效率下降。以热定电时,可采取相反的调节方式,降低燃烧烟气与PEMFC尾气的排放温度,提高系统热效率。研究结果可为调整PEMFC热电联产系统工作参数以实现热电输出合理配比提供参考。

整体煤气化联合循环系统空分单元集成特性

研究整体煤气化联合循环(integrated gasification combined cycle,IGCC)系统空气分离单元(air separation unit,ASU)的集成特性。对ASU主要操作参数分析结果表明,提高空气压缩机压比会导致空气精馏分离过程困难,消耗的空气压力能有所增加,但是提高空气压缩机压比有利于降低ASU的制氧功耗及提高IGCC系统供电效率。综合考虑IGCC系统NOx排放限制以及制氧比功耗,推荐适合IGCC系统的ASU出口氧气纯度为0.85。对ASU与燃气轮机集成度分析表明,IGCC系统供电效率随着集成度的增加先提高后降低,集成度在0.80时,IGCC系统供电效率最高。另外,与独立空分方案相比,采用整体空分方案的IGCC系统通过开发利用燃气轮机抽气显热,其供电效率有进一步提高的潜力。

直接碳燃料电池技术研究进展分析

直接碳燃料电池(Direct Carbon Fuel Cell,DCFC)能够直接将固体碳燃料中的化学能高效、清洁地转化为电能,对煤炭的合理利用、污染物控制以及CO2减排具有重要意义。目前已开发出以熔融碳酸盐、熔融氢氧化物和固体氧化物作为电解质的多种DCFC,但与其它燃料电池技术相比,研究尚处于起步阶段。本文综述了DCFC技术的发展历程及研发现状,对现有DCFC加以分类,分析比较了其各自工作机理、性能特点以及在CO2减排方面的特性。在总结各类DCFC所面临的技术难题基础上,展望了直接碳燃料电池技术今后可能的发展方向。

固体氧化物直接碳燃料电池研究进展

固体氧化物直接碳燃料电池(solid oxide direct carbonfuel cell,SO-DCFC)在煤炭清洁利用方面具有独特优势,近年来受到研究人员的广泛重视。在对SO-DCFC基本概念与特点介绍基础上,对其中3个重要研究内容,即阳极反应机制、机制建模与模拟、及性能改进与优化方面的研究现状和进展进行了综述分析,指出SO-DCFC阳极反应机制与碳燃料和阳极接触方式密切相关,对其性能改进极为重要;碳燃料与阳极直接物理接触时基本不发生碳的直接电化学反应,碳燃料与CO2的气化反应是影响SO-DCFC性能的速率控制步骤;目前SO-DCFC模拟研究工作较少,应加强SO-DCFC机制建模与模拟工作;通过引入碳燃料催化气化和抑制阳极CO积炭能显著改善电池性能。

管式固体氧化物燃料电池的数值模拟

通过耦合速度场、温度场、电势场和组分浓度场,建立了以纯氢气为燃料的管式固体氧化物燃料电池(SOFC)数学模型,并对西门子-西屋公司阴极支撑型(AES)管式SOFC进行了轴向二维模拟。模拟结果表明,组分浓度和电流密度的分布与SOFC的运行工况密切相关。在所模拟的电压范围内,欧姆极化起主要作用,提高固体氧化物燃料电池的平均工作温度、改善多孔电极的微观结构、使用纯氧代替空气作为氧化剂可改善电池性能。

煤气化费托合成/电联产系统建模及热力学分析

建立包括分布参数F-T合成反应器模型、考虑燃料气热值的燃气轮机模型及其他能够体现内部关键参数耦合关系的系统级单元子模型,并用于研究集成联产系统的整体热力学性能。首先,对合成气H2/CO、表观气速对F-T合成反应器合成气转化率和F-T合成尾气组成影响分析,结果表明F-T合成尾气存在CO/H2提高、CO2增浓的特点。综合考虑F-T合成反应器合成气转化率和反应器烃产率,推荐适合F-T合成的表观气速范围为0.15~0.40 m.s-1。其次,在燃气轮机模型部分,改变透平叶片高度来实现因燃料变化而引起的透平与压气机通流量的重新匹配,借助量纲分析法建立起透平通流面积与冷却叶片空气流量的函数关系式,并用于预测燃料组成和热值对燃气轮机性能的影响,提出了一种体现燃料气组成及热值影响的燃气轮机建模方法。最后,耦合F-T合成与燃气轮机模型,对不同H2/CO条件下煤气化F-T合成燃料/电联产系统整体性能预测,推荐了一套工艺流程简单且较单产系统具有热力学性能优势的联产系统方案。

煤粉锅炉水冷壁结垢腐蚀情况及其原因分析

某煤粉锅炉采用内螺纹管水冷壁,由于焊口附近内螺纹错位和焊口的影响,引起管内螺纹凹槽和焊口附近的流场发生急剧变化,容易形成涡流,流体发生回流现象,使焊口附近容易产生沉积物。沉积量增大后,由于炉水中氯离子有时偏离规定值,会诱发在沉积物下的氢腐蚀。为了防止水冷壁管的氢腐蚀,应该在水质处理、锅炉运行、焊接工艺等方面加以改进。

F-T燃料/电联产系统集成特性分析

建立了煤气化炉、F-T合成反应器和发电单元的模型,对基于煤气化的单纯IGCC发电系统、F-T燃料合成系统及F-T燃料/电联产系统进行了热力性能计算,并对F-T燃料/电联产系统的集成特性进行分析。分析结果表明,F-T燃料/电联产系统方案可通过降低余热锅炉内平均换热温差改善热能的梯级利用,提高联产系统的能量利用率;简化了尾气循环工艺流程的F-T合成单元,易于气化单元和发电单元的压力匹配,且可有效拓宽化电比的调节范围,最高达到2.3。

联产系统环境经济学综合评价

通过对能源系统增加虚拟排放治理单元,以排放成本和经济学成本的形式量化终端排放的环境影响,从而来统一产品输出相同、终端排放不同的系统间热力、环境和经济(TEE)性能比较基准;其次,把排放成本和经济学成本按照各单元排放占联产系统终端排放的比例分摊,来考虑联产系统不同产品对应环境影响的差异,建立了一种适合联产系统的环境经济学综合评价分析方法;最后,以煤气化F-T合成燃料/电联产系统为例介绍该方法应用。与常规基于热力学第一定律的技术经济方法分析结果对比表明:该方法能够以环境成本的形式分析联产系统的产品能耗、成本和TEE综合效益来源。与常规经济学方法分析结果对比表明:该方法可以体现联产系统终端排放对不同产品的影响差异以及联产系统TEE综合性能潜力。

固体氧化物直接碳燃料电池新型阳极研究进展

固体氧化物直接碳燃料电池采用固体氧化物作为电解质,能够将碳燃料的化学能直接转化为电能,具有效率高、燃料适应性广、利于CO2捕集等优点,在能源与环境问题日益突出的现实条件下展现出广阔的应用前景。固体氧化物直接碳燃料电池中的关键问题在于研发合适的碳燃料转化阳极,以满足反应催化、物质输运以及杂质耐受等要求。本文系统地总结并分析了多孔固体阳极、熔融碳酸盐阳极和液态金属阳极三类直接燃料电池阳极的结构特性、工作原理、材料特性等,特别关注了以液态金属作为阳极的直接碳燃料电池,分析了该类电极的优势,探讨了未来固体氧化物直接碳燃料电池阳极的发展方向。

固体氧化物电解池H_2O-CO_2共电解制取烃类燃料反应特性研究

固体氧化物电解池(solid oxide electrolysis cells,SOEC)共电解H2O-CO2是减少CO2排放和进行可再生能源转化储存的潜在有效途径之一。该文开展了SOEC共电解H2O-CO2实验研究,在产物中发现甲烷气体生成。不同原料气配比条件下的共电解实验结果表明,SOEC共电解H2O-CO2电化学性能介于电解水蒸气和电解CO2之间。增加工作电压和反应气体中CO2的分压有利于提高产物中CH4的浓度,逆向水气变换反应是CO生成的主要途径。与H2-CO在SOEC阴极的反应产物组成相比,H2O-CO2共电解产物中H2浓度非常低,据此推测产物CH4主要由H2O和CO2在Ni催化剂表面原位电化学转化生成。

基于甲烷催化部分氧化的SOFC性能研究

基于固体氧化物燃料电池的热电联供系统可以实现能源的梯级利用,实现较高的效率,降低污染排放,具有很好的发展前景.针对该系统中传统重整器存在的高能耗等问题,对新型重整方式催化部分氧化进行了研究.本文首先研究了催化剂为0.5%Rh/Al2O3,以甲烷为燃料时CPOX的性能变化规律.通过调节控制温度、体积空速和入口气C/O比,研究了不同工况下CH4转化率、H2选择性、CO选择性和甲烷重整效率的变化规律,对工况进行优化.在优化工况下,即温度800℃、体积空速200 min-1、C/O摩尔比为1.0时,实现了催化部分氧化与微管式固体氧化燃料电池四管电堆的直接耦合,并对电池性能进行测试,结果表明,最大功率可达到纯氢燃料的87.8%.

直接火焰燃料电池热应力分析及性能研究

针对直接火焰燃料电池建立了二维有限元分析模型,对由于火焰温度分布不均匀而引起的燃料电池热应力进行分析,并利用Weibull方法对其失效概率进行了计算.火焰温度的不均匀分布极大提高了燃料电池的失效概率,因此均匀分布的火焰温度对于直接火焰燃料电池的稳定运行至关重要.本文设计并构建了一个基于Hencken型平焰燃烧器的新型直接火焰燃料电池装置,以甲烷为燃料,利用Hencken型平焰燃烧器产生稳定且均匀分布的平面富燃扩散火焰.在不同燃料流速下测定了电池性能,电池最大功率密度达到400,W/m2.