这种系统的空气/燃料比很高,典型的为80:1,因而尾气中含有大量的Ｏ2。最佳压比比回热器式系统要大的多,因为燃料电池堆入口温度随压比的增大而增大,而回热器式系统则相反,随压比的增大而减小。系统效率比回热器式系统要低2%左右,但是通过透平尾气的回热再利用,效率可以得到一定的提高。
    另外一种循环结构是将ＳＯＦＣ阴极和阳极的出口气体分开后再循环,这样会增加系统的复杂性,同时要再加一个增压器。
    (4)带回热器的ＧＴ+ＳＯＦＣ尾气再循环、增压型ＳＯＦＣ　这种循环结构相对于图5所示结构来说,多了一个回热器,如图6所示。压缩空气通过回热器预热和尾气再循环余热之间有一个分配问题。在压比一定的情况下,透平入口温度高时回热器传送给压缩空气的能量就多而ＳＯＦＣ尾气再循环量就少。一般情况下ＳＯＦＣ尾气再循环比例为20%左右。这种系统的效率比图3所示的系统效率约高2%。

 

    (5)带回热器的ＧＴ+常压型ＭＣＦＣ　ＭＣＦＣ-ＧＴ系统多为底层循环结构,在常压下工作,如图7所示。燃料在电池内部重整化,水在回热器中被加热汽化,之后与预热后的燃料气混合进入ＭＣＦＣ阳极进行化学反应。阳极排出的气体中的多余燃料在氧化器中氧化燃烧,燃烧后的混合气体经过热器对预热后的压缩空气进行再加热,之后作为燃料电池阴极氧化气体提供给ＭＣＦＣ。阴极排出的尾气经回热器再利用后排出。压缩空气经回热器预热、过热器再热后进入透平膨胀做功,透平尾气提供给氧化器作为氧化燃烧气体。



    这种底层模型结构简单,投资少,常压下可靠运行时间长,燃料可以在ＭＣＦＣ内部直接重整化,潜在效率可达到75%,被美国能源部(ＤＯＥ)确定为一下一代重点开发的发电系统之一。
3.2　集中式发电混合系统循环结构
    集中式高温燃料电池/燃气轮机混合发电技术是实现美国能源部“展望21世纪”目标的关键技术之一。集中式混合系统可以煤和天然气为燃料,以煤为燃料的系统效率目标是大于60%,以天然气为燃料的系统效率目标为大于75%。目前集中式混合系统还处于概念设计和验证阶段,美国国家能源技术实验室、西门子西屋公司在研发ＳＯＦＣ/ＧＴ集中大规模发电方面作了大量工作。
    (1)以天然气为燃料的ＳＯＦＣ/ＧＴ系统　图8是ＳＯＦＣ-ＧＴ整合了湿空气透平(ＨＡＴ)的混合循环系统,设计输出功率为300ＭＷ。空气首先在带中间冷却的压气机中压缩,高压空气经过后冷却器冷却后进入加湿器。从中间冷却器过来的热水从顶部喷出,空气与热水逆向流动,空气因一部分水汽化而被加湿,湿空气经回热器预热后送入ＳＯＦＣ;加湿器中一部分没有汽化的水经废气余热再加热后重新进入加湿器循环,另一部分重新回到压气机中间冷却器循环,还有一部分经压气机后冷却器被再加热升温后作为天然气的预热热源。除硫后的天然气经预热进入ＳＯＦＣ的阳极参加电化学反应,ＳＯＦＣ混合尾气经高压透平和低压透平膨胀做功后进入回热器给湿空气预热,最后经废气余热回收器排出。

在这种循环中,ＳＯＦＣ的最高燃料利用率一般设计为85%,最佳效率点的压比约为20:1,燃气轮机入口温度低于1200℃。为了提高系统的效率,有必要提高ＳＯＦＣ的空气/燃料比,这可通过在高压透平和低压透平之间增加一个ＳＯＦＣ来实现。西门子西屋公司以煤的合成气为燃料的500ＭＷ　ＧＴ-ＳＯＦＣ系统采用的就是这种方案。
    (2)以煤为燃料的ＳＯＦＣ/ＧＴ系统　以煤的气化为基础并联合汽轮机循环,ＧＴ-ＳＯＦＣ混合系统输出功率可达到500ＭＷ以上,由西门子-西屋开发研究的500ＭＷＧＴ-ＳＯＦＣ系统效率达到59%(高热值)。本文以一个示例简要说明这种循环的结构。
    图9为煤合成气ＧＴ-ＳＯＦＣ混合系统流程图。从总体上看,整个系统分为以下三大子系统:
    ａ.气化系统:包括气化炉、水煤浆的制备和储运、除灰脱硫设备以及粗煤气显热回收系统;
    ｂ.动力系统:ＳＯＦＣ发电、燃气轮机发电、汽轮机发电以及相关辅助设备系统;
    ｃ.空分系统:制造氧气的空气分离系统。
    图中采用以水煤浆为燃料的喷流床的德士古气化炉。水煤浆用泵增压后喷入气化炉,在一定压力和高温下与高纯度的氧气发生反应,生成主要成份为Ｈ2,ＣＯ、ＣＯ2和Ｈ2Ｏ的合成气。从气化炉出来的气体在冷却器中冷却,然后经除尘、过滤后进入水解器,除去其中的ＣＯＳ,再经除硫设备除掉绝大部分的Ｈ2Ｓ。分离出来的Ｈ2Ｓ和ＣＯＳ蒸汽被送到Ｃｌａｕｓ硫回收装置进行硫回收。合成气在送入燃料电池之前还必须经过氧化锌防护床和过滤器,以达到ＳＯＦＣ对燃料含硫量的要求。一部分合成气直接送入燃烧室,另一部分进入燃料电池。从燃料电池出来的混合气体经回热器对送入燃料电池的压缩空气进行加热后也送到燃烧室,燃烧室排出的高温气体在燃气透平膨胀做功后排到余热锅炉作为锅炉循环水所需的热源,带动汽轮机发电循环。
    系统中将58%的合成气提供给ＳＯＦＣ,42%提供给燃气轮机燃烧室。燃气轮机压气机(中间冷却)提供空分所需空气量的50%,没有ＣＯ2分离和回收装置,仿真效率为56.4%。ＮＥＴＬ设计的三种燃煤ＳＯＦＣ/ＧＴ混合系统,如表3。设计的这些系统需要经过大量的验证和评估,如煤的气化、系统整合和平衡、先进燃气轮机技术、系统控制以及废气回收ＣＯ2分离等,预计第一个示范性工程的建设周期至少需10年或更久。

    4　高温燃料电池/燃气轮机混合系统的发展趋势
    高温燃料电池/燃气轮机混合系统以其高效、低排放的优点在21世纪的发电市场中占有举足轻重的地位。目前,混合系统的分布式发电已经有了示范工程和应用,而集中式大功率发电仍然处于概念设计和验证阶段。具有代表性的混合系统技术有:
    (1)高温燃料电池技术;
    (2)高压比、中间冷却和无油轴承的先进燃气轮机技术;
    (3)灵敏的控制系统;
    (4)氢气分离隔膜技术;
    (5)空气、氢气、二氧化碳的隔膜分离器;
    (6)天然气重整;
    (7)二氧化碳分离和回收技术;
    (8)超高温蒸汽透平。
    在市场化进程中,混合系统还有赖于这些技术的进步以降低发电成本和提高发电效率。同时小功率分布式发电示范项目也可以为大规模集中式混合发电系统提供经验和技术积累,而已进入商业化应用的单独燃料电池发电、燃气轮机发电以及航空燃气轮机技术等都可以为混合系统的发展提供支持。
    美国固体能源转换联盟(ＳＥＣＡ)在其八年计划中提出了发展低价(<＄400/ｋＷ)的燃料电池模块,而先进透平系统(ＡＴＳ)已作为一个独立产品生产线开始商业化投产。先进透平系统的燃气轮机将会取代现有的燃气轮机装置。由美国通用公司(ＧＥ)开发、应用在英国ＢａｎｇｌａｎＢａｙ的ＡＴＳ已经成功通过了商业化投产前的试验,其功率为400ＭＷ(50Ｈｚ),效率达到60%。
    目前,开展燃料电池/燃气轮机混合系统的研究机构和公司很多,在技术上存在着很多问题和挑战。在燃料电池方面,需要寻找价格低、性能好的电极材料,研究燃料电池的制造新工艺;在燃气轮机方面需要研发适用于大功率混合系统的燃气轮机装置;在系统整合方面需要研究燃料电池和燃气轮机部件的相容性、分布式电站之间的连接、系统的稳态和动态模型及其控制系统;还要在燃料重整化技术、煤的气化技术、二氧化碳回收及其装置、氢的分离、运输和储存及ＮＯＸ排放的控制等方面开展研究。
    混合系统的研究目标是:到2010年以天然气为燃料的混合系统示范性工程效率达到60%,燃料电池发电成本下降到＄400/ｋＷ;到2020年,以煤为燃料的混合系统示范性工程的效率达到60%,以天然气为燃料的混合系统示范性工程的效率达到75%;到2030年,混合系统中的整合将使碳的回收达到二氧化碳零排放的标准。