零碳_低碳燃料SOFC-发动机联合动力系统热力学分析_马万达.pdf

西安交通大学学报 Journal of Xian Jiaotong University ISSN 0253-987X,CN 61-1069/T 西安交通大学学报网络首发论文西安交通大学学报网络首发论文 题目：零碳/低碳燃料 SOFC-发动机联合动力系统热力学分析 作者：马万达，魏胜利，杜振华，倪士栋 收稿日期：2022-05-19 网络首发日期：2022-07-28 引用格式：马万达，魏胜利，杜振华，倪士栋零碳/低碳燃料 SOFC-发动机联合动力系统热力学分析J/OL西安交通大学学报.https:/ 网络首发网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合出版管理条例和期刊出版管理规定的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认出版确认：纸质期刊编辑部通过与中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有限公司签约，在中国学术期刊（网络版）出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为中国学术期刊（网络版）是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN 2096-4188，CN 11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。收稿日期：2022-05-19。作者简介：马万达（1997-），男，硕士生；魏胜利（通信作者），男，教授，硕士生导师。基金项目：国家重点研发计划资助项目（2017YFB0103402）。零碳/低碳燃料 SOFC-发动机联合动力系统热力学分析 马万达，魏胜利，杜振华，倪士栋（江苏大学汽车与交通工程学院，212013，江苏镇江）摘要：为响应能源动力领域低碳节能的战略需求，促进固体氧化物燃料电池（SOFC）商业化应用，设计了一种 SOFC-发动机联合动力系统，以 NH3、H2、天然气为燃料，并结合尾气余热梯级利用技术。首先建立并验证了系统的数学模型，然后探究分析了零碳/低碳燃料下边界条件对系统性能的影响。结果表明：燃料流率增大时系统效率无明显变化，H2作燃料时 SOFC 与发动机子模块效率最佳，但使用 NH3系统总效率最高，可达81.96%；当量比保持在 1 时可使系统整体效率达到最优；蒸汽燃料比从 0.8 降低到 0.2 时系统总效率随之升高，但其过低也会导致系统经济性变差；理想条件下，该系统应用在动力机械装置中时，考虑到 SOFC 装置与发动机模块的耦合性，SOFC 工作温度维持在 600-650为宜。关键词：燃料电池；发动机；零碳燃料；低碳燃料；热力学分析 中图分类号：TM911.4 文献标识码：A Thermodynamic Analysis for None-Carbon and Low-Carbon Fuel on SOFC-Engine Hybrid Power System MA Wanda,WEI Shengli,DU Zhenhua,NI Shidong(School of Automotive and Traffic Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang,Jiangsu 212013,China)Abstract:In response to the current strategic demand for low-carbon and energy conservation in the energy power field,promote the commercialization of solid oxide fuel cell(SOFC),a SOFC-engine hybrid system was put forward.Combined with the cascade utilization technology of tail gas residual heat,it used NH3,H2 and natural gas as fuels.First,the mathematical model of the hybrid system was established and verified.Then,the influence of boundary conditions on system performance in the application of zero-carbon/low-carbon fuel was explored and analyzed.The results showed that the fuel flow rate has no obvious effect on system efficiency.When the hybrid system uses H2 as fuel,the efficiency of both SOFC and engine modules reach the best.Nevertheless,when using NH3,the total system efficiency achieves the highest,up to 81.96%.The total efficiency of the hybrid system can be optimized by keeping the equivalent ratio at 1.The system total efficiency increases by the steam-fuel ratio reduction from 0.8 to 0.2.However,it will lead to the system economic deterioration if the steam-fuel ratio is comparatively lower.Under ideal conditions,considering the coupling between SOFC device and engine module,the SOFC operating temperature should be maintained at 600-650 when the system is applied to power mechanical devices.Keywords:fuel cell;engine;none-carbon fuel;low-carbon fuel;thermodynamic analysis 在能源危机与环境污染问题日益严峻的背景下，2021 年两会政府工作报告中提出了“2030 年前实现碳达峰，2060 年前实现碳中和”的目标。开发和利用高效、清洁的新型能源逐渐成为社会发展的必然趋势。固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell,SOFC）具有全固态结构，能将燃料化学能直接转化成电能，其发电效率高，可应用在分布式发电、热电联产等场合1；且其燃料适应性强，为 H2、NH3、天然气等零碳/低碳燃料的发展与应用提供新途径。目前，关于不同燃料对 SOFC 性能影响等方面的探索已经成为研究热点。Perna 等2提出了一种小型热电联产系统并使用 NH3燃料，系统效率最高可达 81%。Shy 等人3同样使用 NH3燃料对加压阳极支撑 SOFC 的功率和阻抗进行了实验测量，发现加压NH3-SOFC 在集成微燃机的混合动力系统中具有较好的应用潜力。Wan 等4在总结时发现，NH3-SOFC网络首发时间：2022-07-28 08:43:05网络首发地址：https:/ H2-SOFC 在性能上并无明显差异。且 NH3作为一种良好的氢载体，在 SOFC-H+和 SOFC-O2-中均具有实际应用潜力5。Tu 等6使用天然气燃料，探究了CH4组分对电池性能的影响。Zhu 等7将天然气应用到 SOFC 与内燃机混合动力系统中，并对系统的效率、经济性能进行了分析，结果显示这种混动系统在能量转换利用方面具有广阔的发展前景。Yang等8用液化天然气（LNG）燃料，提出了一种 SOFC与湿气涡轮机耦合的冷电联供系统，使废冷能得到合理利用的同时降低了 CO2排放。此外，甲烷9、甲醇10、天然气11等低碳燃料在 SOFC 三维模型中的性能表现同样得到了研究者的广泛关注。图 1 内燃机额定工况下热平衡示意图 Fig.1 Heat balance diagram of internal combustion engine at rated operating condition 零碳/低碳燃料在 SOFC 系统中的应用已经得到充分的关注及认可。在此基础上，若将 SOFC 与燃气轮机、斯特林发动机、内燃机等耦合成混合动力系统12-14并回收利用 SOFC 尾气能量，则可进一步提高系统效率。此外，如图 1 内燃机额定工况下各热量的占比图所示，发动机尾气废热约占燃料燃烧所产生能量的 1/315，通常其被直接排放到大气中，造成能量浪费。但目前在尾气余热利用方面，较成熟的废气涡轮增压技术并不能很好地解决热量浪费问题，而其他相关技术，如温差发电、尾气制冷等，还有待进一步完善。此外，SOFC 燃料重整温度为 650-75016，与发动机排气温度高度吻合，若将 SOFC 与发动机组成联合动力系统，并梯级利用发动机尾气余热使其为 SOFC 燃料重整等提供温度环境，则可进一步提高能量利用率及经济性能。虽然已有学者对SOFC 与发动机联合动力系统进行了研究17,18，但都仅将发动机作为 SOFC 尾气后燃装置，而没有使其应用 SOFC 同等运行条件，且上述研究中并未采用NH3、H2等零碳燃料，即使氨、氢发动机相关技术已具有一定的积累19,20。综上所述，本文提出一种以 NH3、H2、天然气为燃料的 SOFC-发动机联合动力系统，探究不同燃料对 SOFC 与发动机子模块及系统整体效率的影响，为零碳/低碳燃料在动力系统中的应用以及 SOFC 商业化发展提供参考。1 系统运行原理 该新型 SOFC-发动机联合动力系统示意图如图2 所示21,22，其中箭头所指方向为各物质及能量的传输方向。图 2 零碳/低碳燃料 SOFC-发动机联合动力系统示意图 Fig.2 Schematic diagram of zero-carbon/low-carbon SOFC-engine hybrid power system 在系统运行时，燃料气体从存储装置中分别同时通向 SOFC 模块与发动机模块，其中燃料流（1）、（2）的流量比为 1:1，以便于在边界条件相同的情况下比较 SOFC 装置与发动机装置的功率、效率以及联合动力系统的应用对二者性能的影响。燃料气体（1）与水蒸气在混合装置中形成混合气（3），然后通入到重整装置中进行重整。重整后的燃料混合气（5）通入 SOFC 的阳极，与通入阴极的空气（6）在SOFC 装置中做氧化还原反应来实现电能输出。反应后的 SOFC 尾气（8）与空气（7），以及通过预热装置后的燃料流（4）在加压混合装置中混合形成燃料混合气（9）。混合气通入到发动机中燃烧放出热能，发动机尾气（10）通入到热交换器中实现第一级余热回收，该能量用于为重整装置提供温度环境。随后，发