基于替代燃料的燃料電池內(nèi)燃機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)方案探討與性能淺析

李成杰， 王紫璇， 李 博， 馬松松， 郭發(fā)福， 劉 禾， 秦 江

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 100081；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 智能海洋工程研究院，廣東深圳 518055)

能源技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了人類社會的發(fā)展，工業(yè)革命以來，化石燃料的使用支撐著人類向未知的領(lǐng)域探索，拓寬了人們的生存空間。但是化石燃料的大量使用造成了二氧化碳的過量排放，進(jìn)而導(dǎo)致了溫室效應(yīng)的發(fā)生[1]。實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和是解決全球變暖問題的重要途徑之一，也是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求[2]。而在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，為了降低碳排放，目前的主要技術(shù)手段有提高動(dòng)力系統(tǒng)的效率[3]和使用低碳替代燃料[4]。目前，常見的提高動(dòng)力系統(tǒng)效率的手段為發(fā)展電推進(jìn)，動(dòng)力終端輸出為電能，進(jìn)而帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作；常見的動(dòng)力裝置有鋰電池、燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)(ICE)發(fā)電機(jī)。以鋰電池作為主要電能來源的交通載具在工作過程中實(shí)現(xiàn)了零排放，研究表明全電推進(jìn)會大幅降低碳排放，但是目前的鋰電池的能量密度低(≈250W·h/kg)，無法支撐載具實(shí)現(xiàn)長續(xù)航。而在燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)或內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)與鋰電池組成的混合動(dòng)力系統(tǒng)中，由于燃?xì)鉁u輪或內(nèi)燃機(jī)一直工作在設(shè)計(jì)工況，所以燃?xì)鉁u輪和內(nèi)燃機(jī)的熱效率有所提高，降低了耗油率[5]。

使用低碳替代燃料是指使用生物燃料或使用電力燃料來替代化石燃料，作為一種潛在的低排放手段，受到廣泛關(guān)注[6]。生物燃料是指以動(dòng)植物油脂或農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)為原料，采用加氫法或費(fèi)托合成技術(shù)生產(chǎn)的燃料，使用生物燃料有可能在其生命周期內(nèi)減少高達(dá)80%的二氧化碳排放[7]，但生物燃料需要土地和水資源，會與人們的飲食產(chǎn)生競爭。電力燃料是指使用可再生電力通過水電解獲得的氫氣以及再合成得到的甲醇、甲烷和氨等燃料[8]。電力燃料作為低碳替代燃料具有可再生和清潔的優(yōu)點(diǎn)，是發(fā)展清潔交通的重要技術(shù)手段。

內(nèi)燃機(jī)從發(fā)明至今已有上百年的歷史，在使用過程中相關(guān)技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新突破，逐漸趨于成熟，具有經(jīng)濟(jì)性好和變負(fù)載特性好的優(yōu)勢[9]。為了適應(yīng)新時(shí)期對內(nèi)燃機(jī)的技術(shù)要求，有學(xué)者研究了基于電力燃料的內(nèi)燃機(jī)性能。2000年，福特汽車公司開始了氫內(nèi)燃機(jī)的研制工作，隨后國內(nèi)外的汽車公司也進(jìn)行了氫內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)，2019年，上海汽車集團(tuán)股份有限公司和博世集團(tuán)分別研制了2.0T的缸內(nèi)直噴增壓氫內(nèi)燃機(jī)[10]。使用氨作為內(nèi)燃機(jī)燃料的研究也有很多，Meyer等[11]通過重新設(shè)計(jì)燃燒系統(tǒng)以優(yōu)化化學(xué)動(dòng)力學(xué)，結(jié)果表明使用超低NOx排放的純氨是可行的；Lee等[12]提出了一種新的燃燒策略，即使用氨本身作為燃燒促進(jìn)劑，通過氨氣混合物點(diǎn)火來完成燃燒，不再使用任何額外的傳統(tǒng)燃料，避免了氨的燃燒惰性。而甲醇也可以作為內(nèi)燃機(jī)燃料，Xie等[13]將1臺柴油機(jī)改裝為甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)，并對其性能和排放特性進(jìn)行了研究；國內(nèi)的吉利汽車公司已經(jīng)研發(fā)出了基于甲醇內(nèi)燃機(jī)的重卡[14]。但傳統(tǒng)熱機(jī)的效率受限于卡諾循環(huán)，無法大幅提升。

燃料電池作為一種新型的發(fā)電裝置，其通過燃料和氧氣的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，規(guī)避了卡諾循環(huán)的限制，具有高效率的優(yōu)勢[15]。質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)是目前最具有應(yīng)用潛力的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)[16]。PEMFC由于工作溫度低(≈60 ℃)，目前已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，主要應(yīng)用于汽車和輪船上。SOFC由于具有燃料適應(yīng)性廣、不需要貴金屬作為催化劑、全固態(tài)的優(yōu)點(diǎn)[17]，被認(rèn)為是最有前景的燃料電池。但是目前燃料電池的劣勢在于啟動(dòng)時(shí)間較慢、功率密度低。

因此，為了平衡燃料電池和內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)劣勢，筆者提出了基于替代燃料的燃料電池內(nèi)燃機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)，即將燃料電池單元與內(nèi)燃機(jī)單元組合，共同提供動(dòng)力。這種混合動(dòng)力裝置既發(fā)揮了發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)工作時(shí)間長、動(dòng)力性好的優(yōu)點(diǎn)，又可以發(fā)揮燃料電池高效率、無污染和低噪聲的好處，二者“并肩戰(zhàn)斗”，取長補(bǔ)短，不僅可以提高系統(tǒng)的熱效率，而且可以減少廢氣排放。

根據(jù)PEMFC和SOFC工作特性的不同，將其分別與內(nèi)燃機(jī)結(jié)合構(gòu)建不同的混合動(dòng)力系統(tǒng)方案，PEMFC由于燃料利用率高(可達(dá)95%)，因此與內(nèi)燃機(jī)只有熱端和電端的耦合。而SOFC由于燃料利用率低，尾氣內(nèi)含有未反應(yīng)完的燃料，因此與內(nèi)燃機(jī)還存在燃料端的耦合。另外，PEMFC中要求燃料為高純氫，因此在使用除氫氣以外燃料時(shí)還需要進(jìn)行純化，而SOFC則不需要。根據(jù)不同燃料釋放氫氣的方式和條件不同，對系統(tǒng)方案進(jìn)行調(diào)整，并對系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部件建立數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算獲得不同系統(tǒng)方案的發(fā)電效率，為未來燃料電池內(nèi)燃機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用提供理論分析。

1 PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)介紹

PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。對于不同的燃料，系統(tǒng)流程略有不同，以氫氣為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)不需要預(yù)熱器、重整器和純化器。以液氨為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)，由于液氨可以分解制氫所以不需要水。而以甲醇和甲烷為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)則需要有水來進(jìn)行蒸汽重整制氫反應(yīng)。對于以液氨、甲醇和甲烷為燃料的系統(tǒng)，燃料分為兩部分：一部分燃料經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入重整器，在重整器內(nèi)發(fā)生重整反應(yīng)生成富氫重整氣，因?yàn)镻EMFC對燃料的要求是純氫，所以重整氣再進(jìn)入純化器內(nèi)純化，筆者采用鈀管作為純化裝置，氫氣回收率為90%[18]，純化后的氫氣進(jìn)入PEMFC內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能；另一部分燃料進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃燒做功，內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，內(nèi)燃機(jī)尾氣先給燃料預(yù)熱后再給重整器提供熱量。

(a) 燃料：氫氣

2 SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)介紹

SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)方案圖如圖2所示。與PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)類似，對于不同的燃料，系統(tǒng)流程也稍有不同：以氫氣為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)不需要重整器；以液氨為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)則不需要水；而以甲醇和甲烷為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)則需要有水來進(jìn)行蒸汽重整制氫反應(yīng)。對于以液氨、甲醇和甲烷為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)，其工作流程為燃料經(jīng)預(yù)熱后進(jìn)入重整器內(nèi)發(fā)生重整反應(yīng)生成富氫重整氣，再進(jìn)入SOFC中與經(jīng)SOFC陰極尾氣預(yù)熱后的空氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能。SOFC陽極尾氣給重整器供熱后再給燃料預(yù)熱，最后通入內(nèi)燃機(jī)內(nèi)燃燒，內(nèi)燃機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

(a) 燃料：氫氣

3 燃料電池內(nèi)燃機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)建模

采用模塊化建模的方法，基于質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律和電化學(xué)方程，分別建立了燃料電池模型、重整器模型、內(nèi)燃機(jī)模型和換熱器模型并完成整個(gè)系統(tǒng)的搭建，通過物質(zhì)流和能量流分析系統(tǒng)的熱力學(xué)性能。

3.1 模型假設(shè)

為了簡化系統(tǒng)模型，進(jìn)行以下假設(shè)：

(1) 系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行。

(2) 混合動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)的壓降暫不考慮，因?yàn)閾?jù)相關(guān)文獻(xiàn)[19]報(bào)道，系統(tǒng)中主要部件的壓降很小。

(3) 忽略空氣中的其他組分，假設(shè)空氣均由氧氣和氮?dú)饨M成，兩者體積比例為21∶79。

(4) 重整器內(nèi)發(fā)生的重整反應(yīng)處于化學(xué)平衡狀態(tài)。

(5) 不考慮系統(tǒng)內(nèi)部件的熱損失。

3.2 PEMFC模型

3.2.1 電化學(xué)模型

PEMFC所涉及的電化學(xué)反應(yīng)方程式如表1所示。

表1 PEMFC涉及的化學(xué)反應(yīng)Tab.1 Chemical reactions involved in PEMFC

PEMFC模型采用半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚20]，如式(1)～式(5)所示。開路電壓采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，如式(2)[21]所示。損耗計(jì)算如式(3)～式(5)[22]所示。假設(shè)陰極和陽極內(nèi)部氣體的溫度均勻且與電堆溫度相同；忽略了熱輻射或內(nèi)部熱傳導(dǎo)的影響。

U=E-ηact-ηohm-ηconc

(1)

(2)

ηact=a+blogj

(3)

ηohm=jRohm

(4)

(5)

式中：U為輸出電壓，V；E為開路電壓，V；ηact為活化極化損失，V；ηohm為歐姆極化損失，V；ηconc為濃度極化損失，V；a為Tafel常數(shù)，取0.405 V；b為Tafel斜率，取0.12 V/A；c為常數(shù)，取0.10 V；jL為極限電流密度，A/cm2；j為電流密度，A/cm2；logj的底數(shù)為10或e；T為溫度，K；p為壓力，Pa。

3.2.2 PEMFC模型驗(yàn)證

PEMFC模型的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[23]中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比如圖3所示。在相同電流下，隨著電流的增加，模擬輸出電壓和實(shí)際輸出電壓呈現(xiàn)相同的下降趨勢。兩者最大誤差為1.0%，具有較好的擬合度，該模型滿足理論計(jì)算的要求。

圖3 PEMFC模型驗(yàn)證結(jié)果Fig.3 PEMFC model verification results

3.3 SOFC模型

3.3.1 電化學(xué)模型

反應(yīng)器后面的氣體流入SOFC陽極通道，陽極通道主要由甲烷、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣和氮?dú)饨M成。隨著氫電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，陽極通道中的甲烷在催化層的作用下與水蒸氣發(fā)生重整反應(yīng)生成氫氣。電化學(xué)模型是燃料電池輸出電壓、電流和各種極化損失的計(jì)算模型。燃料電池的輸出電壓等于能斯特電動(dòng)勢，以消除極化損失。極化損失主要包括濃度極化損失、歐姆極化損失和活化極化損失。具體化學(xué)反應(yīng)方程式及計(jì)算公式如式(6)～式(14)所示。

(6)

(7)

(8)

(9)

U=UOCP-(ηohm+ηconc+ηact)

(10)

ηohm=jRohm

(11)

(12)

(13)

(14)

式中：UOCP為能斯特電動(dòng)勢，V；ΔG為吉布斯自由能變化值，J；F為法拉第常數(shù)，F(xiàn)=96 485 C/mol；Rohm為電池內(nèi)阻，Ω；R為理想氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)；TPEN為電極板溫度，K；j0為交換電流密度，A/cm2；下標(biāo)TPB表示三相界面，ca和an分別表示陰極和陽極。

3.3.2 SOFC模型驗(yàn)證

SOFC模型的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[24]中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比如圖4所示。該模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的擬合度，可滿足理論計(jì)算的要求。

原來，楊秋香把丈夫親吻妻子的感情事也當(dāng)作討價(jià)還價(jià)的本錢了，她想用這個(gè)辦法讓男人覺得離了她實(shí)在是寂寞，慢慢拗著男人，以后也好事事聽她擺布。然而，事實(shí)恰恰相反：楊力生見老婆絲毫沒把他放在心上，看著她無情離去的背影，頓時(shí)覺得心里像吃了個(gè)涼柿子那樣不是滋味兒。他對她也更加冷淡了。

3.4 重整器模型

燃料的化學(xué)重整類型主要有3種類型：蒸汽重整、部分氧化重整和自熱重整。其中，部分氧化重整和自熱重整都不需要吸熱，但是這2種重整方式的制氫率不高，出口氣體的氫氣含量低。考慮蒸汽重整具有制氫率高的優(yōu)勢，采用蒸汽重整的方式制氫，重整所需的熱量由燃料電池尾氣或內(nèi)燃機(jī)尾氣提供。本文燃料涉及的制氫反應(yīng)方程式見式(6)、式(15)和式(16)。

圖4 SOFC模型驗(yàn)證結(jié)果Fig.4 SOFC model verification results

(15)

(16)

化學(xué)反應(yīng)的平衡態(tài)由最小吉布斯自由能法確定，計(jì)算方法如下：

(17)

式中：G為吉布斯自由能，J；cp為各組分比定壓熱容，J/(mol·K)；H為焓，J；n為物質(zhì)的量，mol；y為逸度比；下標(biāo)i代表物質(zhì)組分，m表示摩爾。

通過給定反應(yīng)溫度和壓力，計(jì)算出重整器出口各物質(zhì)含量。

3.5 內(nèi)燃機(jī)模型

內(nèi)燃機(jī)模型采用奧托循環(huán)模型，認(rèn)為氫氣和碳?xì)淙剂峡梢猿浞秩紵齕25]。內(nèi)燃機(jī)內(nèi)涉及的燃燒反應(yīng)方程式見表2。

表2 燃燒反應(yīng)方程式Tab.2 Chemical equations involved in combustion reactions

采用給定循環(huán)效率和機(jī)械效率的方法計(jì)算內(nèi)燃機(jī)的有效功率。內(nèi)燃機(jī)的有效效率ηICE為：

(18)

式中：PICE為航空活塞發(fā)動(dòng)機(jī)有效輸出功，kW；Nin為燃油流量，mol/s；Qnet為燃料低位熱值，kJ/mol。

4 結(jié)果與討論

4.1 混合動(dòng)力系統(tǒng)方案計(jì)算結(jié)果

PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)選取見表3。SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)選取見表4。

表3 PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)Tab.3 Parameters of PEMFC/ICE hybrid power system

表4 SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)Tab.4 Parameters of SOFC/ICE hybrid power system

PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)的性能計(jì)算結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，在內(nèi)燃機(jī)和PEMFC消耗同樣燃料的情況下，PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)電效率在40%以上，這是因?yàn)镻EMFC的效率較高，從而使系統(tǒng)發(fā)電效率上升，而內(nèi)燃機(jī)的效率相對較低。因此，當(dāng)PEMFC消耗的燃料比例更高時(shí)，系統(tǒng)的發(fā)電效率將會更高。以甲烷和甲醇為燃料的PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)電效率較低，這是由于PEMFC要求燃料為純氫，在以甲醇或甲烷為氫源時(shí)，重整制氫后的氣體在純化器中會損耗部分燃料。

表5 PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)性能計(jì)算結(jié)果Tab.5 Performance calculation results of PEMFC/ICE hybrid power system

SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)的性能計(jì)算結(jié)果如表6所示。從表6可以看出，SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)電效率可以達(dá)到50%以上，這是因?yàn)槿剂现饕籗OFC利用，SOFC的效率高，同時(shí)內(nèi)燃機(jī)又利用了剩余的燃料，實(shí)現(xiàn)了燃料的有效利用。以甲烷和液氨為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)電效率高于60%，這是因?yàn)榧淄楹鸵喊钡闹茪浞磻?yīng)需要大量的熱量，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)熱量的回收利用。但是由于SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)中ICE需要燃燒SOFC的稀薄尾氣，所以技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較高。

表6 SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)性能計(jì)算結(jié)果Tab.6 Performance calculation results of SOFC/ICE hybrid power system

4.2 混合動(dòng)力系統(tǒng)性能表現(xiàn)

圖5和圖6分別給出了PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)和SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)基于不同燃料供應(yīng)的燃料消耗率和碳排放量。其中，考慮了氫氣和甲烷儲存裝置的質(zhì)量，氫氣儲存的質(zhì)量密度為6%，甲烷按相同壓力下的氫氣密度換算，儲存的質(zhì)量密度為32.4%。燃料消耗率和碳排放量的計(jì)算公式如下：

(19)

(20)

式中：f為燃料消耗率，g/(kW·h)；qm,fuel和qm,CO2分別為燃料和二氧化碳質(zhì)量流量，g/s；Pele為輸出功，kW·h；eCO2為二氧化碳排放量，g/(kW·h)。

從圖5和圖6可以看出，以液氨和甲醇作為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃料消耗率較低，這是因?yàn)檫@2種燃料可以實(shí)現(xiàn)液態(tài)存儲，而氫氣和甲烷的液化難度相對較大，存儲質(zhì)量密度較低。在碳排放指標(biāo)上，氫氣和液氨可實(shí)現(xiàn)零排放。綜合來看，液氨作為燃料電池內(nèi)燃機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃料有很大的前景。

圖5 PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)性能表現(xiàn)Fig.5 Performance of PEMFC/ICE hybrid power system

圖6 SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)性能表現(xiàn)Fig.6 Performance of SOFC/ICE hybrid power system

5 結(jié) 論

(1) 在PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)中，當(dāng)PEMFC和ICE燃料流量相同時(shí)，該工況下系統(tǒng)的發(fā)電效率可達(dá)到40%以上。

(2) SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)電效率可達(dá)到50%以上，以甲烷和液氨為燃料的SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)電效率高于60%。

(3) 以液氨和甲醇作為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃料消耗率要低于以氫氣和甲烷作為燃料的混合動(dòng)力系統(tǒng)的燃料消耗率；在碳排放指標(biāo)上，氫氣和液氨可實(shí)現(xiàn)零排放。

(4) PEMFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)由于耦合相對較弱，因此技術(shù)實(shí)現(xiàn)要相對容易；而SOFC/ICE混合動(dòng)力系統(tǒng)由于ICE需要燃燒SOFC的稀薄尾氣，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較高。