燃料电池组

元件定义

该元件指燃料电池组的设备设施，燃料电池是一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。燃料电池理论上可在接近 100%的热效率下运行，具有很高的经济性。目前实际运行的各种燃料电池，由于种种技术因素的限制，再考虑整个装置系统的耗能，总的转换效率多在45%～60%范围内，如考虑排热利用可达80%以上。

平台提供了PEM 燃料电池和 SOFC燃料电池两类：

质子交换膜PEM 燃料电池(proton exchange membrane or polymer electrolyte membrane, PEM) 主要由质子交换膜（电解质），催化剂层、气体扩散层和双极板等核心部件组成，其燃料可以试用甲醇，氨，，二甲醚(DME)，氢等绿色燃料，平台使用氢为燃料，其工作原理为：燃料（氢气H₂）进入阳极，通过扩散作用到达阳极催化剂表面，在阳极催化剂的作用下分解成带正电的质子（H⁺）和带负电的电子（e^-），质子通过质子交换膜到达阴极，电子则沿外电路通过负载流向阴极。同时，氧气（O₂）通过扩散作用到达阴极催化剂表面，在阴极催化剂作用下，电子、质子和氧气发生氧还原反应（ORR）生成水。

固体氧化物 SOFC 燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC )是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，是燃料电池中理论能量密度最高的一种，被普遍认为是在未来会与**质子交换膜燃料电池(PEMFC)**一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。SOFC 属于高温燃料电池，发电的排气有很高的温度，具有较高的利用价值，可以提供天然气重整所需热量，也可以用来生产蒸汽，更可以和燃气轮机组成联合循环，非常适用于分布式发电。燃料电池和燃气轮机、蒸汽轮机等组成的联合发电系统不但具有较高的发电效率，同时也具有低污染的环境效益。常压运行的小型SOFC发电效率能达到 45%-50%。高压 SOFC 与燃气轮机结合，发电效率能达到70%。SOFC 发电系统包括燃料处理单元、燃料电池发电单元以及能量回收单元。

SOFC 的工作原理：在固体氧化物燃料电池的阳极一侧持续通入燃料（氢气、甲烷、煤气等，平台选用氢气），具有催化作用的阳极表面吸附燃料气体，并通过阳极的多孔结构扩散到阳极与电解质的界面。在阴极一侧持续通入氧气或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O₂得到电子变为O^2-，在化学势的作用下，O^2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极。在这个过程中，SOFC不仅产生了电能，还产生了热能。

无论是PEM 燃料电池还是 SOFC燃料电池，均是将燃料的化学能转换成电能和热能，主要提供电能的装置。均可以用如下的通用模型进行建模，其数学模型如下：

P =F\eta_e

\eta_q + \eta_p+\eta_l = 1

式中：F 是燃料提供的总功率( $\mathrm{kW}$ ),P 是发电机的额定功率( $\mathrm{kW}$ ), $\eta_p$ 代表发电效率, $\eta_q$ 代表发热效率, $\eta_l$ 代表燃料电池组的损失系数。

燃料电池组元件的示意图如下：

当不考虑燃料电池组的热回收利用时，其发热效率记为0，燃料电池组没有热力引脚，此时燃料电池组元件的示意图如下：

元件说明

属性

CloudPSS 元件包含统一的属性选项，其配置方法详见参数卡页面。

参数

设备参数

参数名	键值 (key)	单位	备注	类型	描述
生产厂商	`manufacturer`		生产厂商	文本	生产厂商
设备型号	`equipType`		设备型号	文本	设备型号
额定发电系数	`PowerGenEff`	$\mathrm{kWh/Nm^3}$	额定发电系数	实数	单位燃料（1 Nm³氢气）的发电量（kWh）
热电联产系数	`CHPeff`		热电联产系数	实数	燃料电池组的热电联产效率系数，范围为0-1，一般在0.4-0.8之间
最大发电功率	`MaxPowerGen`	$\mathrm{kW}$	最大发电功率	实数	燃料电池组的最大发电功率
最大热输出功率	`MaxThermalGen`	$\mathrm{kW}$	最大热输出功率	实数	最大热输出功率
最大氢气耗量	`MaxHydrogenCon`	$\mathrm{Nm^3/h}$	最大氢气耗量	实数	最大氢气耗量
采购成本	`PurchaseCost`	万元/台	采购成本	实数	采购成本
固定运维成本	`FixedOMCost`	万元/年	固定运维成本	实数	设备固定运维成本
可变运维成本	`VariableOMCost`	元/ $\mathrm{kW}$ h	可变运维成本	实数	设备可变运维成本

基础参数

参数名	键值 (key)	备注	类型	描述
元件名称	`CompName`	元件名称	文本	元件名称
元件类型	`CompType`	选择元件类型	选择	选择交流元件时输出交流电；选择直流元件时输出直流电。
是否考虑热回收	`IsHeatRecovery`	是否考虑热回收	选择	选择不考虑热回收时，燃料电池组的热不进行回收利用，此时，数据管理模块输入的热电联产系数无效，其发热效率记为0，燃料电池组没有热力引脚；选择考虑热回收时，数据管理模块的燃料电池组的热电联产系数将用于计算燃料电池组的产热量，燃料电池组有热力引脚

规划参数

参数名	键值 (key)	单位	备注	类型	描述
待选设备类型	`DeviceSelection`		从设备库中选择设备类型	选择	选择数据管理模块录入的设备型号，将燃料电池组元件的厂家、产品型号、额定运行参数自动绑定为对应设备在数据管理模块中录入的参数。
最小发电容量配置	`MinPowerGenCapacity`	$\mathrm{kW}$	设备的最小发电容量配置	实数	仅当待选设备类型选择数据管理模块输入的设备后生效。
最大发电容量配置	`MaxPowerGenCapacity`	$\mathrm{kW}$	设备的最大发电容量配置	实数	仅当待选设备类型选择数据管理模块输入的设备后生效。

引脚

燃料电池组的引脚用于将燃料电池组元件与其他电设备连接，支持线连接和信号名的连接方式。

引脚的名称、键值、维度、定义描述的详细说明如下表所示。

引脚名	键值 (key)	维度	描述
直流电接口	`DC`	1×1	可以在引脚处输入相同的字符使得元件与其他元件相连，当基础参数元件类型项是直流元件时，键名为`DC`
交流电接口	`AC`	1×1	可以在引脚处输入相同的字符使得元件与其他元件相连，当基础参数元件类型项是交流元件时，键名为`AC`
氢耗率	`V_H2`	1×1	可以在引脚处输入相同的字符使得燃料电池组与其他电元件相连，氢气耗率，为输入引脚。
热接口	`HeatPort`	1×1	热力输出引脚，仅当是否考虑热回收选择考虑热回收时生效，可以在引脚处输入相同的字符使得燃料电池组与其他电元件相连。

常见问题

元件模型是否准确？

燃料电池组组模型较为简单，平台主要关注燃料与电、热之间的转换关系，主要关注燃料耗率、电热功率等参数，对于各部件的过程参数并不关注。

燃料电池组的交直流元件有什么区别？

选择交流时输出交流电，选择直流时输出直流电

注意，交流元件和直流元件不能直接相连。

燃料电池组元件在规划优化平台使用时需要配置哪些元件参数？数据管理模块需要配置哪些数据？

在对燃料电池组元件进行规划设计前，务必录入编辑元件的基础参数和规划参数；

在数据管理模块需要配置燃料电池组的额定运行参数。并在基础参数中绑定数据管理模块的燃料电池组。

元件定义​

元件说明​

属性​

参数​

设备参数​

基础参数​

规划参数​

引脚​

常见问题​