基于替代燃料的燃料電池內燃機混合動力系統方案探討與性能淺析

李成杰， 王紫璇， 李 博， 馬松松， 郭發福， 劉 禾， 秦 江

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

能源技術的進步推動了人類社會的發展，工業革命以來，化石燃料的使用支撐著人類向未知的領域探索，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，進而導致了溫室效應的發生[1]。實現碳達峰、碳中和是解決全球變暖問題的重要途徑之一，也是推動經濟高質量發展的內在要求[2]。而在交通運輸領域，為了降低碳排放，目前的主要技術手段有提高動力系統的效率[3]和使用低碳替代燃料[4]。目前，常見的提高動力系統效率的手段為發展電推進，動力終端輸出為電能，進而帶動電動機工作；常見的動力裝置有鋰電池、燃氣渦輪發電機和內燃機(ICE)發電機。以鋰電池作為主要電能來源的交通載具在工作過程中實現了零排放，研究表明全電推進會大幅降低碳排放，但是目前的鋰電池的能量密度低(≈250W·h/kg)，無法支撐載具實現長續航。而在燃氣渦輪發電機或內燃機發電機與鋰電池組成的混合動力系統中，由于燃氣渦輪或內燃機一直工作在設計工況，所以燃氣渦輪和內燃機的熱效率有所提高，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，受到廣泛關注[6]。生物燃料是指以動植物油脂或農林廢棄物等生物質為原料，采用加氫法或費托合成技術生產的燃料，使用生物燃料有可能在其生命周期內減少高達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點，是發展清潔交通的重要技術手段。

內燃機從發明至今已有上百年的歷史，在使用過程中相關技術也在不斷地創新突破，逐漸趨于成熟，具有經濟性好和變負載特性好的優勢[9]。為了適應新時期對內燃機的技術要求，有學者研究了基于電力燃料的內燃機性能。2000年，福特汽車公司開始了氫內燃機的研制工作，隨后國內外的汽車公司也進行了氫內燃機的研發，2019年，上海汽車集團股份有限公司和博世集團分別研制了2.0T的缸內直噴增壓氫內燃機[10]。使用氨作為內燃機燃料的研究也有很多，Meyer等[11]通過重新設計燃燒系統以優化化學動力學，結果表明使用超低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劑，通過氨氣混合物點火來完成燃燒，不再使用任何額外的傳統燃料，避免了氨的燃燒惰性。而甲醇也可以作為內燃機燃料，Xie等[13]將1臺柴油機改裝為甲醇發動機，并對其性能和排放特性進行了研究；國內的吉利汽車公司已經研發出了基于甲醇內燃機的重卡[14]。但傳統熱機的效率受限于卡諾循環，無法大幅提升。

燃料電池作為一種新型的發電裝置，其通過燃料和氧氣的電化學反應產生電能，規避了卡諾循環的限制，具有高效率的優勢[15]。質子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)是目前最具有應用潛力的燃料電池動力系統[16]。PEMFC由于工作溫度低(≈60 ℃)，目前已經初步實現商業化，主要應用于汽車和輪船上。SOFC由于具有燃料適應性廣、不需要貴金屬作為催化劑、全固態的優點[17]，被認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時間較慢、功率密度低。

因此，為了平衡燃料電池和內燃機的優劣勢，筆者提出了基于替代燃料的燃料電池內燃機混合動力系統，即將燃料電池單元與內燃機單元組合，共同提供動力。這種混合動力裝置既發揮了發動機持續工作時間長、動力性好的優點，又可以發揮燃料電池高效率、無污染和低噪聲的好處，二者“并肩戰斗”，取長補短，不僅可以提高系統的熱效率，而且可以減少廢氣排放。

根據PEMFC和SOFC工作特性的不同，將其分別與內燃機結合構建不同的混合動力系統方案，PEMFC由于燃料利用率高(可達95%)，因此與內燃機只有熱端和電端的耦合。而SOFC由于燃料利用率低，尾氣內含有未反應完的燃料，因此與內燃機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還需要進行純化，而SOFC則不需要。根據不同燃料釋放氫氣的方式和條件不同，對系統方案進行調整，并對系統內各個部件建立數學模型，通過計算獲得不同系統方案的發電效率，為未來燃料電池內燃機混合動力系統的應用提供理論分析。

1 PEMFC/ICE混合動力系統介紹

PEMFC/ICE混合動力系統結構圖如圖1所示。對于不同的燃料，系統流程略有不同，以氫氣為燃料的混合動力系統不需要預熱器、重整器和純化器。以液氨為燃料的混合動力系統，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力系統則需要有水來進行蒸汽重整制氫反應。對于以液氨、甲醇和甲烷為燃料的系統，燃料分為兩部分：一部分燃料經預熱后進入重整器，在重整器內發生重整反應生成富氫重整氣，因為PEMFC對燃料的要求是純氫，所以重整氣再進入純化器內純化，筆者采用鈀管作為純化裝置，氫氣回收率為90%[18]，純化后的氫氣進入PEMFC內發生電化學反應產生電能；另一部分燃料進入內燃機內燃燒做功，內燃機帶動發電機發電，內燃機尾氣先給燃料預熱后再給重整器提供熱量。

(a) 燃料：氫氣

2 SOFC/ICE混合動力系統介紹

SOFC/ICE混合動力系統方案圖如圖2所示。與PEMFC/ICE混合動力系統類似，對于不同的燃料，系統流程也稍有不同：以氫氣為燃料的混合動力系統不需要重整器；以液氨為燃料的混合動力系統則不需要水；而以甲醇和甲烷為燃料的混合動力系統則需要有水來進行蒸汽重整制氫反應。對于以液氨、甲醇和甲烷為燃料的混合動力系統，其工作流程為燃料經預熱后進入重整器內發生重整反應生成富氫重整氣，再進入SOFC中與經SOFC陰極尾氣預熱后的空氣發生電化學反應產生電能。SOFC陽極尾氣給重整器供熱后再給燃料預熱，最后通入內燃機內燃燒，內燃機帶動發電機發電。

(a) 燃料：氫氣

3 燃料電池內燃機混合動力系統建模

采用模塊化建模的方法，基于質量守恒定律、能量守恒定律和電化學方程，分別建立了燃料電池模型、重整器模型、內燃機模型和換熱器模型并完成整個系統的搭建，通過物質流和能量流分析系統的熱力學性能。

3.1 模型假設

為了簡化系統模型，進行以下假設：

(1) 系統處于穩定狀態運行。

(2) 混合動力系統內的壓降暫不考慮，因為據相關文獻[19]報道，系統中主要部件的壓降很小。

(3) 忽略空氣中的其他組分，假設空氣均由氧氣和氮氣組成，兩者體積比例為21∶79。

(4) 重整器內發生的重整反應處于化學平衡狀態。

(5) 不考慮系統內部件的熱損失。

3.2 PEMFC模型

3.2.1 電化學模型

PEMFC所涉及的電化學反應方程式如表1所示。

表1 PEMFC涉及的化學反應Tab.1 Chemical reactions involved in PEMFC

PEMFC模型采用半經驗模型[20]，如式(1)～式(5)所示。開路電壓采用經驗公式計算，如式(2)[21]所示。損耗計算如式(3)～式(5)[22]所示。假設陰極和陽極內部氣體的溫度均勻且與電堆溫度相同；忽略了熱輻射或內部熱傳導的影響。

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，取0.405 V；b為Tafel斜率，取0.12 V/A；c為常數，取0.10 V；jL為極限電流密度，A/cm2；j為電流密度，A/cm2；logj的底數為10或e；T為溫度，K；p為壓力，Pa。

3.2.2 PEMFC模型驗證

PEMFC模型的計算結果與文獻[23]中實驗數據的對比如圖3所示。在相同電流下，隨著電流的增加，模擬輸出電壓和實際輸出電壓呈現相同的下降趨勢。兩者最大誤差為1.0%，具有較好的擬合度，該模型滿足理論計算的要求。

圖3 PEMFC模型驗證結果Fig.3 PEMFC model verification results

3.3 SOFC模型

3.3.1 電化學模型

反應器后面的氣體流入SOFC陽極通道，陽極通道主要由甲烷、氫氣、一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣和氮氣組成。隨著氫電化學反應的進行，陽極通道中的甲烷在催化層的作用下與水蒸氣發生重整反應生成氫氣。電化學模型是燃料電池輸出電壓、電流和各種極化損失的計算模型。燃料電池的輸出電壓等于能斯特電動勢，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。具體化學反應方程式及計算公式如式(6)～式(14)所示。

(6)

(7)

(8)

(9)

U=UOCP-(ηohm+ηconc+ηact)

(10)

ηohm=jRohm

(11)

(12)

(13)

(14)

式中：UOCP為能斯特電動勢，V；ΔG為吉布斯自由能變化值，J；F為法拉第常數，F=96 485 C/mol；Rohm為電池內阻，Ω；R為理想氣體常數，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模型驗證

SOFC模型的計算結果與文獻[24]中實驗數據的對比如圖4所示。該模型的計算結果與實驗數據有較好的擬合度，可滿足理論計算的要求。

原來，楊秋香把丈夫親吻妻子的感情事也當作討價還價的本錢了，她想用這個辦法讓男人覺得離了她實在是寂寞，慢慢拗著男人，以后也好事事聽她擺布。然而，事實恰恰相反：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，頓時覺得心里像吃了個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燃機尾氣提供。本文燃料涉及的制氫反應方程式見式(6)、式(15)和式(16)。

圖4 SOFC模型驗證結果Fig.4 SOFC model verification results

(15)

(16)

化學反應的平衡態由最小吉布斯自由能法確定，計算方法如下：

(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為物質的量，mol；y為逸度比；下標i代表物質組分，m表示摩爾。

通過給定反應溫度和壓力，計算出重整器出口各物質含量。

3.5 內燃機模型

內燃機模型采用奧托循環模型，認為氫氣和碳氫燃料可以充分燃燒[25]。內燃機內涉及的燃燒反應方程式見表2。

表2 燃燒反應方程式Tab.2 Chemical equations involved in combustion reactions

采用給定循環效率和機械效率的方法計算內燃機的有效功率。內燃機的有效效率ηICE為：

(18)

式中：PICE為航空活塞發動機有效輸出功，kW；Nin為燃油流量，mol/s；Qnet為燃料低位熱值，kJ/mol。

4 結果與討論

4.1 混合動力系統方案計算結果

PEMFC/ICE混合動力系統的參數選取見表3。SOFC/ICE混合動力系統的參數選取見表4。

表3 PEMFC/ICE混合動力系統參數Tab.3 Parameters of PEMFC/ICE hybrid power system

表4 SOFC/ICE混合動力系統參數Tab.4 Parameters of SOFC/ICE hybrid power system

PEMFC/ICE混合動力系統的性能計算結果如表5所示。從表5可以看出，在內燃機和PEMFC消耗同樣燃料的情況下，PEMFC/ICE混合動力系統的發電效率在40%以上，這是因為PEMFC的效率較高，從而使系統發電效率上升，而內燃機的效率相對較低。因此，當PEMFC消耗的燃料比例更高時，系統的發電效率將會更高。以甲烷和甲醇為燃料的PEMFC/ICE混合動力系統發電效率較低，這是由于PEMFC要求燃料為純氫，在以甲醇或甲烷為氫源時，重整制氫后的氣體在純化器中會損耗部分燃料。

表5 PEMFC/ICE混合動力系統性能計算結果Tab.5 Performance calculation results of PEMFC/ICE hybrid power system

SOFC/ICE混合動力系統的性能計算結果如表6所示。從表6可以看出，SOFC/ICE混合動力系統的發電效率可以達到50%以上，這是因為燃料主要被SOFC利用，SOFC的效率高，同時內燃機又利用了剩余的燃料，實現了燃料的有效利用。以甲烷和液氨為燃料的混合動力系統的發電效率高于60%，這是因為甲烷和液氨的制氫反應需要大量的熱量，實現了系統內熱量的回收利用。但是由于SOFC/ICE混合動力系統中ICE需要燃燒SOFC的稀薄尾氣，所以技術實現難度較高。

表6 SOFC/ICE混合動力系統性能計算結果Tab.6 Performance calculation results of SOFC/ICE hybrid power system

4.2 混合動力系統性能表現

圖5和圖6分別給出了PEMFC/ICE混合動力系統和SOFC/ICE混合動力系統基于不同燃料供應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量，氫氣儲存的質量密度為6%，甲烷按相同壓力下的氫氣密度換算，儲存的質量密度為32.4%。燃料消耗率和碳排放量的計算公式如下：

(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力系統的燃料消耗率較低，這是因為這2種燃料可以實現液態存儲，而氫氣和甲烷的液化難度相對較大，存儲質量密度較低。在碳排放指標上，氫氣和液氨可實現零排放。綜合來看，液氨作為燃料電池內燃機混合動力系統的燃料有很大的前景。

圖5 PEMFC/ICE混合動力系統性能表現Fig.5 Performance of PEMFC/ICE hybrid power system

圖6 SOFC/ICE混合動力系統性能表現Fig.6 Performance of SOFC/ICE hybrid power system

5 結 論

(1) 在PEMFC/ICE混合動力系統中，當PEMFC和ICE燃料流量相同時，該工況下系統的發電效率可達到40%以上。

(2) SOFC/ICE混合動力系統的發電效率可達到50%以上，以甲烷和液氨為燃料的SOFC/ICE混合動力系統發電效率高于60%。

(3) 以液氨和甲醇作為燃料的混合動力系統的燃料消耗率要低于以氫氣和甲烷作為燃料的混合動力系統的燃料消耗率；在碳排放指標上，氫氣和液氨可實現零排放。

(4) PEMFC/ICE混合動力系統由于耦合相對較弱，因此技術實現要相對容易；而SOFC/ICE混合動力系統由于ICE需要燃燒SOFC的稀薄尾氣，技術實現難度較高。