基于替代燃料的燃料电池内燃机混合动力系统方案探讨与性能浅析

李成杰， 王紫璇， 李 博， 马松松， 郭发福， 刘 禾， 秦 江

(1.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，哈尔滨 100081；2.哈尔滨工业大学(深圳) 智能海洋工程研究院，广东深圳 518055)

能源技术的进步推动了人类社会的发展，工业革命以来，化石燃料的使用支撑着人类向未知的领域探索，拓宽了人们的生存空间。但是化石燃料的大量使用造成了二氧化碳的过量排放，进而导致了温室效应的发生[1]。实现碳达峰、碳中和是解决全球变暖问题的重要途径之一，也是推动经济高质量发展的内在要求[2]。而在交通运输领域，为了降低碳排放，目前的主要技术手段有提高动力系统的效率[3]和使用低碳替代燃料[4]。目前，常见的提高动力系统效率的手段为发展电推进，动力终端输出为电能，进而带动电动机工作；常见的动力装置有锂电池、燃气涡轮发电机和内燃机(ICE)发电机。以锂电池作为主要电能来源的交通载具在工作过程中实现了零排放，研究表明全电推进会大幅降低碳排放，但是目前的锂电池的能量密度低(≈250W·h/kg)，无法支撑载具实现长续航。而在燃气涡轮发电机或内燃机发电机与锂电池组成的混合动力系统中，由于燃气涡轮或内燃机一直工作在设计工况，所以燃气涡轮和内燃机的热效率有所提高，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电力燃料来替代化石燃料，作为一种潜在的低排放手段，受到广泛关注[6]。生物燃料是指以动植物油脂或农林废弃物等生物质为原料，采用加氢法或费托合成技术生产的燃料，使用生物燃料有可能在其生命周期内减少高达80%的二氧化碳排放[7]，但生物燃料需要土地和水资源，会与人们的饮食产生竞争。电力燃料是指使用可再生电力通过水电解获得的氢气以及再合成得到的甲醇、甲烷和氨等燃料[8]。电力燃料作为低碳替代燃料具有可再生和清洁的优点，是发展清洁交通的重要技术手段。

内燃机从发明至今已有上百年的历史，在使用过程中相关技术也在不断地创新突破，逐渐趋于成熟，具有经济性好和变负载特性好的优势[9]。为了适应新时期对内燃机的技术要求，有学者研究了基于电力燃料的内燃机性能。2000年，福特汽车公司开始了氢内燃机的研制工作，随后国内外的汽车公司也进行了氢内燃机的研发，2019年，上海汽车集团股份有限公司和博世集团分别研制了2.0T的缸内直喷增压氢内燃机[10]。使用氨作为内燃机燃料的研究也有很多，Meyer等[11]通过重新设计燃烧系统以优化化学动力学，结果表明使用超低NOx排放的纯氨是可行的；Lee等[12]提出了一种新的燃烧策略，即使用氨本身作为燃烧促进剂，通过氨气混合物点火来完成燃烧，不再使用任何额外的传统燃料，避免了氨的燃烧惰性。而甲醇也可以作为内燃机燃料，Xie等[13]将1台柴油机改装为甲醇发动机，并对其性能和排放特性进行了研究；国内的吉利汽车公司已经研发出了基于甲醇内燃机的重卡[14]。但传统热机的效率受限于卡诺循环，无法大幅提升。

燃料电池作为一种新型的发电装置，其通过燃料和氧气的电化学反应产生电能，规避了卡诺循环的限制，具有高效率的优势[15]。质子交换膜燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)是目前最具有应用潜力的燃料电池动力系统[16]。PEMFC由于工作温度低(≈60 ℃)，目前已经初步实现商业化，主要应用于汽车和轮船上。SOFC由于具有燃料适应性广、不需要贵金属作为催化剂、全固态的优点[17]，被认为是最有前景的燃料电池。但是目前燃料电池的劣势在于启动时间较慢、功率密度低。

因此，为了平衡燃料电池和内燃机的优劣势，笔者提出了基于替代燃料的燃料电池内燃机混合动力系统，即将燃料电池单元与内燃机单元组合，共同提供动力。这种混合动力装置既发挥了发动机持续工作时间长、动力性好的优点，又可以发挥燃料电池高效率、无污染和低噪声的好处，二者“并肩战斗”，取长补短，不仅可以提高系统的热效率，而且可以减少废气排放。

根据PEMFC和SOFC工作特性的不同，将其分别与内燃机结合构建不同的混合动力系统方案，PEMFC由于燃料利用率高(可达95%)，因此与内燃机只有热端和电端的耦合。而SOFC由于燃料利用率低，尾气内含有未反应完的燃料，因此与内燃机还存在燃料端的耦合。另外，PEMFC中要求燃料为高纯氢，因此在使用除氢气以外燃料时还需要进行纯化，而SOFC则不需要。根据不同燃料释放氢气的方式和条件不同，对系统方案进行调整，并对系统内各个部件建立数学模型，通过计算获得不同系统方案的发电效率，为未来燃料电池内燃机混合动力系统的应用提供理论分析。

1 PEMFC/ICE混合动力系统介绍

PEMFC/ICE混合动力系统结构图如图1所示。对于不同的燃料，系统流程略有不同，以氢气为燃料的混合动力系统不需要预热器、重整器和纯化器。以液氨为燃料的混合动力系统，由于液氨可以分解制氢所以不需要水。而以甲醇和甲烷为燃料的混合动力系统则需要有水来进行蒸汽重整制氢反应。对于以液氨、甲醇和甲烷为燃料的系统，燃料分为两部分：一部分燃料经预热后进入重整器，在重整器内发生重整反应生成富氢重整气，因为PEMFC对燃料的要求是纯氢，所以重整气再进入纯化器内纯化，笔者采用钯管作为纯化装置，氢气回收率为90%[18]，纯化后的氢气进入PEMFC内发生电化学反应产生电能；另一部分燃料进入内燃机内燃烧做功，内燃机带动发电机发电，内燃机尾气先给燃料预热后再给重整器提供热量。

(a) 燃料：氢气

2 SOFC/ICE混合动力系统介绍

SOFC/ICE混合动力系统方案图如图2所示。与PEMFC/ICE混合动力系统类似，对于不同的燃料，系统流程也稍有不同：以氢气为燃料的混合动力系统不需要重整器；以液氨为燃料的混合动力系统则不需要水；而以甲醇和甲烷为燃料的混合动力系统则需要有水来进行蒸汽重整制氢反应。对于以液氨、甲醇和甲烷为燃料的混合动力系统，其工作流程为燃料经预热后进入重整器内发生重整反应生成富氢重整气，再进入SOFC中与经SOFC阴极尾气预热后的空气发生电化学反应产生电能。SOFC阳极尾气给重整器供热后再给燃料预热，最后通入内燃机内燃烧，内燃机带动发电机发电。

(a) 燃料：氢气

3 燃料电池内燃机混合动力系统建模

采用模块化建模的方法，基于质量守恒定律、能量守恒定律和电化学方程，分别建立了燃料电池模型、重整器模型、内燃机模型和换热器模型并完成整个系统的搭建，通过物质流和能量流分析系统的热力学性能。

3.1 模型假设

为了简化系统模型，进行以下假设：

(1) 系统处于稳定状态运行。

(2) 混合动力系统内的压降暂不考虑，因为据相关文献[19]报道，系统中主要部件的压降很小。

(3) 忽略空气中的其他组分，假设空气均由氧气和氮气组成，两者体积比例为21∶79。

(4) 重整器内发生的重整反应处于化学平衡状态。

(5) 不考虑系统内部件的热损失。

3.2 PEMFC模型

3.2.1 电化学模型

PEMFC所涉及的电化学反应方程式如表1所示。

表1 PEMFC涉及的化学反应Tab.1 Chemical reactions involved in PEMFC

PEMFC模型采用半经验模型[20]，如式(1)～式(5)所示。开路电压采用经验公式计算，如式(2)[21]所示。损耗计算如式(3)～式(5)[22]所示。假设阴极和阳极内部气体的温度均匀且与电堆温度相同；忽略了热辐射或内部热传导的影响。

U=E-ηact-ηohm-ηconc

(1)

(2)

ηact=a+blogj

(3)

ηohm=jRohm

(4)

(5)

式中：U为输出电压，V；E为开路电压，V；ηact为活化极化损失，V；ηohm为欧姆极化损失，V；ηconc为浓度极化损失，V；a为Tafel常数，取0.405 V；b为Tafel斜率，取0.12 V/A；c为常数，取0.10 V；jL为极限电流密度，A/cm2；j为电流密度，A/cm2；logj的底数为10或e；T为温度，K；p为压力，Pa。

3.2.2 PEMFC模型验证

PEMFC模型的计算结果与文献[23]中实验数据的对比如图3所示。在相同电流下，随着电流的增加，模拟输出电压和实际输出电压呈现相同的下降趋势。两者最大误差为1.0%，具有较好的拟合度，该模型满足理论计算的要求。

图3 PEMFC模型验证结果Fig.3 PEMFC model verification results

3.3 SOFC模型

3.3.1 电化学模型

反应器后面的气体流入SOFC阳极通道，阳极通道主要由甲烷、氢气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气和氮气组成。随着氢电化学反应的进行，阳极通道中的甲烷在催化层的作用下与水蒸气发生重整反应生成氢气。电化学模型是燃料电池输出电压、电流和各种极化损失的计算模型。燃料电池的输出电压等于能斯特电动势，以消除极化损失。极化损失主要包括浓度极化损失、欧姆极化损失和活化极化损失。具体化学反应方程式及计算公式如式(6)～式(14)所示。

(6)

(7)

(8)

(9)

U=UOCP-(ηohm+ηconc+ηact)

(10)

ηohm=jRohm

(11)

(12)

(13)

(14)

式中：UOCP为能斯特电动势，V；ΔG为吉布斯自由能变化值，J；F为法拉第常数，F=96 485 C/mol；Rohm为电池内阻，Ω；R为理想气体常数，取8.314 J/(mol·K)；TPEN为电极板温度，K；j0为交换电流密度，A/cm2；下标TPB表示三相界面，ca和an分别表示阴极和阳极。

3.3.2 SOFC模型验证

SOFC模型的计算结果与文献[24]中实验数据的对比如图4所示。该模型的计算结果与实验数据有较好的拟合度，可满足理论计算的要求。

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3.4 重整器模型

燃料的化学重整类型主要有3种类型：蒸汽重整、部分氧化重整和自热重整。其中，部分氧化重整和自热重整都不需要吸热，但是这2种重整方式的制氢率不高，出口气体的氢气含量低。考虑蒸汽重整具有制氢率高的优势，采用蒸汽重整的方式制氢，重整所需的热量由燃料电池尾气或内燃机尾气提供。本文燃料涉及的制氢反应方程式见式(6)、式(15)和式(16)。

图4 SOFC模型验证结果Fig.4 SOFC model verification results

(15)

(16)

化学反应的平衡态由最小吉布斯自由能法确定，计算方法如下：

(17)

式中：G为吉布斯自由能，J；cp为各组分比定压热容，J/(mol·K)；H为焓，J；n为物质的量，mol；y为逸度比；下标i代表物质组分，m表示摩尔。

通过给定反应温度和压力，计算出重整器出口各物质含量。

3.5 内燃机模型

内燃机模型采用奥托循环模型，认为氢气和碳氢燃料可以充分燃烧[25]。内燃机内涉及的燃烧反应方程式见表2。

表2 燃烧反应方程式Tab.2 Chemical equations involved in combustion reactions

采用给定循环效率和机械效率的方法计算内燃机的有效功率。内燃机的有效效率ηICE为：

(18)

式中：PICE为航空活塞发动机有效输出功，kW；Nin为燃油流量，mol/s；Qnet为燃料低位热值，kJ/mol。

4 结果与讨论

4.1 混合动力系统方案计算结果

PEMFC/ICE混合动力系统的参数选取见表3。SOFC/ICE混合动力系统的参数选取见表4。

表3 PEMFC/ICE混合动力系统参数Tab.3 Parameters of PEMFC/ICE hybrid power system

表4 SOFC/ICE混合动力系统参数Tab.4 Parameters of SOFC/ICE hybrid power system

PEMFC/ICE混合动力系统的性能计算结果如表5所示。从表5可以看出，在内燃机和PEMFC消耗同样燃料的情况下，PEMFC/ICE混合动力系统的发电效率在40%以上，这是因为PEMFC的效率较高，从而使系统发电效率上升，而内燃机的效率相对较低。因此，当PEMFC消耗的燃料比例更高时，系统的发电效率将会更高。以甲烷和甲醇为燃料的PEMFC/ICE混合动力系统发电效率较低，这是由于PEMFC要求燃料为纯氢，在以甲醇或甲烷为氢源时，重整制氢后的气体在纯化器中会损耗部分燃料。

表5 PEMFC/ICE混合动力系统性能计算结果Tab.5 Performance calculation results of PEMFC/ICE hybrid power system

SOFC/ICE混合动力系统的性能计算结果如表6所示。从表6可以看出，SOFC/ICE混合动力系统的发电效率可以达到50%以上，这是因为燃料主要被SOFC利用，SOFC的效率高，同时内燃机又利用了剩余的燃料，实现了燃料的有效利用。以甲烷和液氨为燃料的混合动力系统的发电效率高于60%，这是因为甲烷和液氨的制氢反应需要大量的热量，实现了系统内热量的回收利用。但是由于SOFC/ICE混合动力系统中ICE需要燃烧SOFC的稀薄尾气，所以技术实现难度较高。

表6 SOFC/ICE混合动力系统性能计算结果Tab.6 Performance calculation results of SOFC/ICE hybrid power system

4.2 混合动力系统性能表现

图5和图6分别给出了PEMFC/ICE混合动力系统和SOFC/ICE混合动力系统基于不同燃料供应的燃料消耗率和碳排放量。其中，考虑了氢气和甲烷储存装置的质量，氢气储存的质量密度为6%，甲烷按相同压力下的氢气密度换算，储存的质量密度为32.4%。燃料消耗率和碳排放量的计算公式如下：

(19)

(20)

式中：f为燃料消耗率，g/(kW·h)；qm,fuel和qm,CO2分别为燃料和二氧化碳质量流量，g/s；Pele为输出功，kW·h；eCO2为二氧化碳排放量，g/(kW·h)。

从图5和图6可以看出，以液氨和甲醇作为燃料的混合动力系统的燃料消耗率较低，这是因为这2种燃料可以实现液态存储，而氢气和甲烷的液化难度相对较大，存储质量密度较低。在碳排放指标上，氢气和液氨可实现零排放。综合来看，液氨作为燃料电池内燃机混合动力系统的燃料有很大的前景。

图5 PEMFC/ICE混合动力系统性能表现Fig.5 Performance of PEMFC/ICE hybrid power system

图6 SOFC/ICE混合动力系统性能表现Fig.6 Performance of SOFC/ICE hybrid power system

5 结 论

(1) 在PEMFC/ICE混合动力系统中，当PEMFC和ICE燃料流量相同时，该工况下系统的发电效率可达到40%以上。

(2) SOFC/ICE混合动力系统的发电效率可达到50%以上，以甲烷和液氨为燃料的SOFC/ICE混合动力系统发电效率高于60%。

(3) 以液氨和甲醇作为燃料的混合动力系统的燃料消耗率要低于以氢气和甲烷作为燃料的混合动力系统的燃料消耗率；在碳排放指标上，氢气和液氨可实现零排放。

(4) PEMFC/ICE混合动力系统由于耦合相对较弱，因此技术实现要相对容易；而SOFC/ICE混合动力系统由于ICE需要燃烧SOFC的稀薄尾气，技术实现难度较高。