含碳捕集和不含碳捕集的天然气固体氧化物燃料电池系统性能( Performance of a Natural Gas Solid Oxide Fuel Cell System With and Without Carbon Capture )

AKS Iyengar BJ Koeppel DL Keairns MC Woods TR Shultz

美国能源部(DOE)国家能源技术实验室(NETL)的燃料电池项目侧重于开发低成本、高效率和可靠的基于化石燃料的固体氧化物燃料电池(SOFC)电力系统，该系统能够产生至少90%的碳捕获的环境友好型电力。NETLs SOFC技术发展路线图与分布式发电领域的近期市场机会相一致，以验证和推进该技术，同时通过逐步扩大的系统演示为公用事业规模的天然气(NG)和煤制合成气燃料应用铺平道路。本研究是NETL正在进行的一系列系统评估的一部分，以帮助优先考虑沿着实现实用规模SOFC系统的研究途径的技术进步，这是燃料电池计划的一个转型目标。特别地，介绍了在有和无二氧化碳(CO2)捕获的情况下，实用规模的天然气燃料电池(NGFC)系统的性能。所分析的NGFC系统具有一个外部自热重整器(ATR)将燃料送入由平面阳极支撑的SOFC组成的SOFC系统，该系统具有分离的阳极和阴极尾气流。在具有CO2捕获的系统中，空气分离单元(ASU)用于为ATR和SOFC阳极排气中未使用的燃料的燃烧提供氧气，以及CO2净化单元，以提供几乎纯净的CO2流，适用于用于提高采油作业或储存在地下盐水地层中的运输。废气中剩余的热能在底部蒸汽朗肯循环中回收，同时提供任何工艺热需求。利用西北太平洋国家实验室(PNNL)开发的降阶模型(ROM)对SOFC的性能进行了预测。ROM虽然在计算上对系统研究是有效的，但提供了关于堆栈状态的其他详细信息，如内部温度梯度，通常从通常用于表示SOFC的简单性能模型中无法获得。这些附加信息在系统优化研究中可能是重要的，以防止在可能对整个系统可靠性产生不利影响的非设计条件下运行。通过改变显著的系统参数，包括内部（SOFC模块）NG改造的百分比（范围从0到100%)、燃料利用率和电流密度，分析了NGFC系统的性能。探讨了SOFC底层技术的发展对电气性能的影响。

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