工业副产氢驱动SOFC热电联供系统优化与蒸汽联产策略研究

本综述系统探讨了利用工业副产氢的固体氧化物燃料电池（SOFC）热电联供（CHP）系统优化方案，创新提出蒸汽联产（CSP）模式。研究通过对比阴极尾气处理布局（如低温再循环），明确了25–40 A单池电流与0.2–0.35 SLM燃料流量的最优工况，实现20–28 kW功率与4–12 kg/h蒸汽的灵活调控，为石化工业低碳能源转型提供关键技术路径。

　　

Highlight

本研究亮点在于构建了基于工业副产氢的25 kW级SOFC-CSP系统，创新性地提出阴极尾气分流与低温再循环布局（Layout 4），显著提升系统热效率与蒸汽温度调控范围。通过实验表征明确了单池电流25–40 A、燃料流量0.2–0.35 SLM的最优操作窗口，并建立系统性能图谱。针对石化场景的电-热双需求，对比了跟随电负荷（FEL）与跟随热负荷（FTL）两种运行模式，实现功率输出20–28 kW、蒸汽产量4–12 kg/h的灵活调节。进一步提出电流调控与燃料流量调控策略，为工业级SOFC系统优化提供新思路。

Model assumptions

SOFC-CSP系统模型在Aspen Plus中建立，基于以下假设：

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  燃料为组成为95% H₂与5% CH₄的工业副产氢；
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  系统处于稳态运行；
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  气相物性采用PENG-ROB方法计算；
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  忽略电堆堆积效应且假设电堆绝热；
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  管道压降可忽略；
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  CO电化学反应速率远低于H₂，因此仅考虑氢气电化学反应。

Comparison of four system layouts

Layout 1中，未利用的燃料能量通过燃烧优先用于内部热需求（如反应物预热），仅能产生低温蒸汽。Layout 2通过分流高温阴极尾气（700–750°C）可实现更高温度蒸汽生产。阴极尾气再循环（COGR）可提升阴极入口预热效果与系统热效率。Layout 3（高温再循环）与Layout 4（低温再循环）通过优化热集成路径，进一步拓展蒸汽温度调控范围与能量利用效率。

Conclusions

本研究开发的25 kW SOFC-CSP系统成功验证了工业副产氢在石化场景的应用潜力。Layout 4凭借其高温蒸汽生产能力与高热效率的优势成为最优布局。关键参数（如电堆温度、气体入口温度等）的优化分析为系统性能提升提供依据。通过运行模式与调控策略的创新，实现了电-热输出的协同优化，为工业领域低碳能源系统设计提供重要参考。