覃祥富, 曹軍文, 張文強(qiáng), 于 波

(清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院, 北京 100084)

實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展、減少溫室氣體排放是當(dāng)前人類(lèi)社會(huì)的共同目標(biāo). 我國(guó)于2020年9月宣布二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值, 努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]. 交通運(yùn)輸作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性和戰(zhàn)略性的產(chǎn)業(yè)[2], 該領(lǐng)域的脫碳是實(shí)現(xiàn)全面綠色低碳發(fā)展、完成雙碳目標(biāo)面臨的最大挑戰(zhàn)之一. 交通行業(yè)的特點(diǎn)要求能源除了具備較高的能量密度外, 還需具有良好的攜帶性和便捷的加注性, 碳?xì)浠衔锶剂鲜悄壳白钅軡M足上述要求的能源, 約占交通用能源總量的91%[3]. 然而, 碳?xì)淙剂系哪芰哭D(zhuǎn)換形式以燃燒為主, 造成了嚴(yán)重的碳排放, 全球約22% 的二氧化碳排放來(lái)自交通領(lǐng)域[4]. 同時(shí), 碳?xì)淙剂系娜紵€會(huì)造成NOx、硫化物和顆粒物等有害物質(zhì)的大量排放, 影響公眾健康. 為此, 各國(guó)都相繼制定了禁售內(nèi)燃機(jī)(internal combustion engine, ICE) 和全面實(shí)現(xiàn)電氣化的規(guī)劃[5]. 我國(guó)也提出到2035年基本實(shí)現(xiàn)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)電動(dòng)化轉(zhuǎn)型的目標(biāo)[6]. 開(kāi)發(fā)更清潔、更高效的能量轉(zhuǎn)化技術(shù)來(lái)替代傳統(tǒng)的燃燒方式, 是交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低碳化、清潔化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵.

目前, 人們已開(kāi)發(fā)了多種新技術(shù)以解決交通領(lǐng)域的脫碳問(wèn)題, 其中以鋰離子電池技術(shù)和以氫為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC) 技術(shù)研究最為廣泛. 在過(guò)去10年, 電池在制造、成本和基礎(chǔ)設(shè)施的可用性等方面有了長(zhǎng)足發(fā)展, 以電池技術(shù)為基礎(chǔ)的純電動(dòng)汽車(chē)(electric vehicle, EV) 在乘用車(chē)領(lǐng)域迎來(lái)了“大發(fā)展”, 市場(chǎng)份額逐年上升. 但不可否認(rèn)的是, 純電動(dòng)汽車(chē)仍存在續(xù)航里程不足、充電時(shí)間普遍較長(zhǎng)、充電樁建設(shè)未完全普及、熱安全性等問(wèn)題, 限制了其更廣泛的適用性. 以氫為燃料的PEMFC 功率密度高、燃料加注時(shí)間短, 適用于長(zhǎng)距離行駛和公共交通, 但由于PEMFC 對(duì)氫純度要求高且依賴(lài)貴金屬催化劑, 以PEMFC 為基礎(chǔ)的燃料電池汽車(chē)目前仍存在制氫加氫網(wǎng)絡(luò)未建設(shè)完善、電堆成本偏高、車(chē)載儲(chǔ)氫技術(shù)未成熟、碰撞安全性等問(wèn)題, 在一定程度上限制了商業(yè)化進(jìn)程. 因此,發(fā)展高效清潔的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)依然任重道遠(yuǎn).

固體氧化物燃料電池(solid oxide fuel cell, SOFC) 被稱(chēng)為第三代燃料電池技術(shù), 是一種可以將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的高效清潔的能量轉(zhuǎn)換技術(shù). SOFC 的特征與PEMFC 類(lèi)似,區(qū)別在于PEMFC 的電解質(zhì)為工作在低溫段(通常< 100?C) 的聚合物, 而SOFC 的電解質(zhì)為工作在高溫段(500～1 000?C) 的固體氧化物, 這也使得SOFC 相對(duì)PEMFC 具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì), 如效率更高、燃料選擇更靈活和雜質(zhì)容忍能力更強(qiáng)等. 目前, SOFC 主要應(yīng)用于固定式電站、分布式家庭電源、緊急電源等領(lǐng)域, 并已經(jīng)開(kāi)始了商業(yè)化進(jìn)程. 長(zhǎng)期以來(lái), 由于工作溫度高和使用陶瓷組件, SOFC 一直被認(rèn)為不適用于交通領(lǐng)域. 然而近年來(lái), 隨著SOFC 在單電池設(shè)計(jì)、制造和加工及連接體、電堆、密封等方面的持續(xù)進(jìn)步, SOFC 的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn), 人們開(kāi)始重新審視SOFC 在交通領(lǐng)域應(yīng)用的可能性, 并努力推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程, 拓寬應(yīng)用場(chǎng)景.SOFC 的功率覆蓋范圍廣(100 W～3 GW), 應(yīng)用場(chǎng)景不僅包括傳統(tǒng)的交通領(lǐng)域(如乘用車(chē)和商用車(chē)等), 還可以拓展到水面艦艇、水中兵器、無(wú)人平臺(tái)、航天航空、單兵電源、移動(dòng)電源等領(lǐng)域, 如圖1 所示[7]. SOFC 將為移動(dòng)交通領(lǐng)域的脫碳開(kāi)辟一條新路徑, 為實(shí)現(xiàn)高效、清潔、綠色、低碳的交通動(dòng)力提供新方法.

圖1 SOFC 的應(yīng)用場(chǎng)景Fig.1 Application scenarios of SOFC

SOFC 的研究主要包括3 個(gè)層次: 單電池、電堆和系統(tǒng). 在單電池層面, 主要進(jìn)行電極材料開(kāi)發(fā)、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、層間界面優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)及快速物質(zhì)傳輸; 在電堆層面, 主要研究連接體材料開(kāi)發(fā)、密封、流道設(shè)計(jì)等; 在系統(tǒng)層面, 主要研究系統(tǒng)原理性驗(yàn)證、能效提升、配套設(shè)備(balance-of-plant, BOP) 的開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)控制、交通用動(dòng)力系統(tǒng)性能等方面. BOP 組件包括燃料處理模塊、燃燒器、空氣泵等. 已有研究更多側(cè)重單電池和電堆的開(kāi)發(fā), 并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步, 功率密度高達(dá)2 W/cm2的單電池已經(jīng)被證實(shí)[8], Leah 等[9]提出一種能量效率高達(dá)65.7% 的金屬支撐SOFC 電堆. 系統(tǒng)層面的研究是實(shí)驗(yàn)室研究與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的“橋梁”, 為了使SOFC 具有實(shí)際應(yīng)用能力, 將單電池和電堆層面的優(yōu)異性能轉(zhuǎn)移到系統(tǒng), 使得系統(tǒng)層面的研究越來(lái)越受到重視.

本工作旨在分析SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用形式, 并重點(diǎn)介紹系統(tǒng)層面存在的問(wèn)題和研究進(jìn)展, 展望SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域的應(yīng)用前景, 為促進(jìn)SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考. 首先, 介紹SOFC 的工作原理和在移動(dòng)交通領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì), 并介紹SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域的應(yīng)用形式; 接著, 分析系統(tǒng)層面存在的問(wèn)題及研究進(jìn)展; 最后, 總結(jié)目前SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀, 并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行展望.

1 SOFC 的工作原理

SOFC 通常由3 層組成: 燃料電極(陽(yáng)極)、電解質(zhì)和空氣電極(陰極). 燃料電極和空氣電極均為多孔電極結(jié)構(gòu), 將致密的電解質(zhì)層包裹在中間[10]. 電解質(zhì)的作用是隔絕燃料氣體和空氣, 傳導(dǎo)離子, 因此需要十分致密, 并且有很高的離子傳導(dǎo)率和很低的電子電導(dǎo)率. 目前常用的電解質(zhì)材料主要是傳導(dǎo)O2-的固體氧化物, 如氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(yttria-stabilised zirconia, YSZ). 電極是電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所, 為保證足夠的三相界面和快速的物質(zhì)擴(kuò)散傳輸, 一般為多孔結(jié)構(gòu). 目前應(yīng)用最廣泛的陰極材料是Sr 摻雜的LaMnO3(LSM) 和Sr、Fe 摻雜的LaCoO3(LSCF), 常用的陽(yáng)極材料為Ni-YSZ[10].

SOFC 的工作原理與其他燃料電池類(lèi)似. 以H2作燃料為例, 工作原理如圖2 所示. 空氣進(jìn)入陰極, 氧氣分子在陰極上形成吸附態(tài)氧原子, 通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)擴(kuò)散到陰極內(nèi)部與外電路傳輸來(lái)的電子(e-) 結(jié)合還原為O2-, 即

圖2 SOFC 的工作原理Fig.2 Working principle of SOFC

O2-在氧濃度差和電位差的共同作用下, 通過(guò)電解質(zhì)中的氧空位發(fā)生定向躍遷, 遷移到陽(yáng)極與燃料發(fā)生氧化反應(yīng), 同時(shí)釋放電子流經(jīng)外電路回到陰極, 形成閉合回路. 陽(yáng)極反應(yīng)為

總反應(yīng)式為

在實(shí)際應(yīng)用中, 為了滿足電壓要求, 需要將多個(gè)燃料電池單元串聯(lián)形成電堆. 常見(jiàn)SOFC電堆的結(jié)構(gòu)類(lèi)型有管式、平板式和扁管式[11-12]. 管式SOFC 的熱循環(huán)穩(wěn)定性良好, 高溫密封較為簡(jiǎn)單, 但電流路徑長(zhǎng)、歐姆阻抗大, 導(dǎo)致電堆的輸出性能受到限制. 平板式SOFC 的電流收集均勻、路徑短, 輸出的功率密度更高, 同時(shí)制造方法相對(duì)簡(jiǎn)單, 是目前研究和開(kāi)發(fā)常用的結(jié)構(gòu)形式. 扁管式SOFC 兼具前二者的優(yōu)點(diǎn), 但是目前技術(shù)尚未成熟.

對(duì)于平板式SOFC, 通常有3 種電池設(shè)計(jì): 電解質(zhì)支撐、陽(yáng)極支撐和金屬支撐. 電解質(zhì)支撐的電池電解質(zhì)較厚, 約50～150μm, 造成了很高的歐姆阻抗, 限制了輸出性能. 相比之下, 陽(yáng)極支撐和金屬支撐的電解質(zhì)厚度更薄, 歐姆阻抗大大減小, 因此更適合應(yīng)用在移動(dòng)交通領(lǐng)域和高功率需求場(chǎng)景. 陽(yáng)極支撐的支撐結(jié)構(gòu)是陶瓷材料, 目前已得到廣泛應(yīng)用.

2 SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

SOFC 最顯著的特征是采用高溫下傳導(dǎo)O2-的固體氧化物作為電解質(zhì), 因此相比于其他技術(shù), SOFC 具有明顯的優(yōu)勢(shì).

(1) 高效率. 與其他燃料電池一樣, SOFC 通過(guò)電化學(xué)過(guò)程將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔? 不受卡諾循環(huán)的限制, 因此效率比傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)高. 此外, SOFC 工作溫度高, 提高了化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué), 大大降低了活化損失, 相對(duì)于其他燃料電池效率更高, 是目前效率最高的燃料電池(40%～65%)[13]. 除此之外, SOFC 的高效率不受尺寸規(guī)模影響, 即使是1 kW 的SOFC 系統(tǒng)也可以達(dá)到60% 的凈效率[14].

(2) 潛在的高比功率和比能量. 由于移動(dòng)交通空間有限且有輕量化的要求, 因此要求能量轉(zhuǎn)化裝置必須有高比能量和比功率, 而SOFC 剛好滿足這個(gè)要求. 如圖3 所示, 當(dāng)SOFC 的功率密度達(dá)到2 W/cm2時(shí), 比功率和比能量遠(yuǎn)高于PEMFC 和其他各類(lèi)電池, 比能量與內(nèi)燃機(jī)相當(dāng), 比功率甚至高于內(nèi)燃機(jī)[15-16]. 圖3 中PHEV (plug-in hybrid electric vehicle) 代表插電式混合動(dòng)力汽車(chē), HEV (hybrid electric vehicle) 代表混合動(dòng)力汽車(chē). Lee 等[8]已經(jīng)證實(shí)了SOFC 功率密度達(dá)到2 W/cm2的可行性.

圖3 各類(lèi)動(dòng)力系統(tǒng)比功率與比能量的比較Fig.3 Comparison of specific power and specific energy of different powertrain

(3) 燃料選擇靈活. 由于工作溫度高, 除H2外, 一些小分子碳?xì)淙剂先鏑H4、甲醇、乙醇、煤層氣、液化石油氣、焦?fàn)t氣、丙烷等可以直接在SOFC 陽(yáng)極進(jìn)行內(nèi)重整, 而后進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng), 不需要額外的重整器. 除此之外, SOFC 具有較強(qiáng)的含碳燃料耐受性, CO 耐受能力強(qiáng), 在高溫下CO 發(fā)生水汽變換反應(yīng)生成H2, 同時(shí)CO 也可以在SOFC 陽(yáng)極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成CO2, 這意味著即使燃料需要進(jìn)行外重整(如柴油、汽油等), 也不需要額外的H2凈化過(guò)程.

(4) 低排放. 由于避免了燃燒過(guò)程, SOFC 不會(huì)生成NOx和顆粒物(particulate matter,PM), 產(chǎn)物清潔, 若采用碳?xì)浠衔镒鳛槿剂? 理論上產(chǎn)物只有H2O 和CO2. 由于能量轉(zhuǎn)換效率高, 產(chǎn)出相同的電能消耗的燃料更少, 單位千瓦時(shí)發(fā)電量下SOFC 產(chǎn)生CO2的量較傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)減少40% 以上[10].

(5) 靜默無(wú)噪聲. SOFC 中的電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電過(guò)程不需要大功率運(yùn)動(dòng)部件, 工作過(guò)程只產(chǎn)生輕微振動(dòng), 因此噪聲很小.

(6) 高質(zhì)量余熱. 由于工作溫度高, SOFC 電堆尾氣的溫度接近600?C, 屬于高質(zhì)量余熱,利用此余熱進(jìn)行熱電聯(lián)供, 整個(gè)系統(tǒng)的效率可以達(dá)到85% 以上. 對(duì)于移動(dòng)交通, 此余熱可以作為駕駛室/乘客艙的熱源.

(7) 潛在的長(zhǎng)運(yùn)行壽命. 日本Enefarm 項(xiàng)目目前已運(yùn)行超過(guò)13 a, 從事實(shí)上證明了SOFC具有長(zhǎng)壽命的優(yōu)點(diǎn)[17].

(8) 成本下降潛力大. SOFC 不使用貴金屬作為催化劑, 大規(guī)模量產(chǎn)后成本下降潛力大.

3 SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域的應(yīng)用形式

SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域的應(yīng)用形式主要有兩種: 作為輔助電力單元和作為動(dòng)力系統(tǒng).

將SOFC 作為輔助電力單元主要是為車(chē)輛的所有用電設(shè)備(如空調(diào)、電燈、電視等) 提供電能, 是SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域最早的應(yīng)用形式, 目前已經(jīng)較為成熟. 通常為重型卡車(chē)、公交車(chē)、軍事車(chē)輛、急救車(chē)輛等提供電力, 以減少內(nèi)燃機(jī)的空轉(zhuǎn)[18].

將SOFC 作為動(dòng)力系統(tǒng)包含兩種情況: ①SOFC 作為輔助動(dòng)力裝置(auxiliary power unit,APU), 補(bǔ)充現(xiàn)有技術(shù)的不足, 此時(shí)對(duì)SOFC 功率需求較小. 最常見(jiàn)的是以SOFC 作為增程器的純電動(dòng)汽車(chē), 利用SOFC 為電池充電, 以達(dá)到增程的目的, 即增加里程動(dòng)力系統(tǒng)[19], 結(jié)構(gòu)形式如圖4(a) 所示, 這是目前備受關(guān)注的應(yīng)用形式. ②SOFC 作為主動(dòng)力, 此時(shí)SOFC 提供動(dòng)力系統(tǒng)所需的平均功率, 蓄能裝置(如電池等) 提供峰值功率或動(dòng)態(tài)過(guò)渡功率[19]. SOFC 與蓄能裝置組成混合動(dòng)力, 結(jié)構(gòu)形式如圖4(b) 所示.

圖4 SOFC 作為動(dòng)力系統(tǒng)的兩種形式Fig.4 SOFC are used as power systems in two forms

作為輔助電力單元可以看成SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域應(yīng)用的“先導(dǎo)”, 已有較為成熟的商業(yè)化產(chǎn)品. 目前的研究更多側(cè)重于將SOFC 作為動(dòng)力系統(tǒng). 為了從宏觀上了解SOFC 作為動(dòng)力系統(tǒng)的車(chē)輛與內(nèi)燃機(jī)車(chē)輛和純電動(dòng)汽車(chē)的差別[20], 下面計(jì)算并對(duì)比油井-車(chē)輪(well to wheel,WTW) 效率, 以期對(duì)SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行定量化分析.

(1) 內(nèi)燃機(jī).

內(nèi)燃機(jī)的能量流如圖5(a) 所示. 燃料從油井到油箱經(jīng)歷生產(chǎn)、精煉、分配等過(guò)程后的能量利用效率ηW-T為84%[20]. 內(nèi)燃機(jī)將燃料的化學(xué)能經(jīng)過(guò)燃燒的方式釋放, 并通過(guò)活塞運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能, 典型的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)效率為40%, 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為35%. 發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)過(guò)離合器和傳動(dòng)裝置傳遞到變速箱, 最后傳到驅(qū)動(dòng)橋, 從而驅(qū)動(dòng)車(chē)輪前進(jìn). 典型的柴油機(jī)從油箱到車(chē)輪的效率ηT-W為20%, 汽油機(jī)為17%[20].

圖5 幾種動(dòng)力的WTW效率比較Fig.5 WTW effciency comparison of different powertrain

內(nèi)燃機(jī)從油井到車(chē)輪的效率為

對(duì)于柴油機(jī), 從油井到車(chē)輪的總效率為17%; 對(duì)于汽油機(jī), 從油井到車(chē)輪的總效率為14%.

(2) 純電動(dòng).

純電動(dòng)汽車(chē)的能量流如圖5(b) 所示. 公用電網(wǎng)中電的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)化、分配過(guò)程的能量效率ηgrid為40% (火電), 純電動(dòng)汽車(chē)的充電效率ηC為85%. 電池中的化學(xué)能通過(guò)電氣裝備轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能, 這些電氣裝備包括電機(jī)、DC/DC 轉(zhuǎn)化器、控制器等. 從電池到車(chē)輪的效率ηB-W為80%.

純電動(dòng)汽車(chē)從油井到車(chē)輪的效率為

(3) SOFC 作為輔助動(dòng)力.

以SOFC 作為輔助動(dòng)力車(chē)輛的能量流與串聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)類(lèi)似, 如圖5(c) 所示. 以液體碳基燃料作為SOFC 燃料為例, 燃油從油井經(jīng)過(guò)生產(chǎn)、精煉、分配, 加注到油箱, 油箱中的燃料經(jīng)過(guò)重整器進(jìn)行重整反應(yīng)生成富氫氣體, 而后進(jìn)入SOFC 電堆, 通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能, SOFC 輸出的電能為電池充電, 電池輸出電功率驅(qū)動(dòng)電機(jī), 電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能. SOFC 系統(tǒng)效率設(shè)計(jì)為60%. 電池的充電效率ηC為85%, 從電機(jī)到車(chē)輪的效率ηB-W與純電動(dòng)汽車(chē)一樣, 為80%.

以SOFC 作為輔助動(dòng)力的車(chē)輛從油井到車(chē)輪的效率為

(4) SOFC 作為主動(dòng)力.

以SOFC 作為主動(dòng)力車(chē)輛的能量流如圖5(d) 所示. 燃油從油井經(jīng)過(guò)生產(chǎn)、精煉、分配,加注到油箱, 油箱中的燃料經(jīng)過(guò)重整器進(jìn)行重整反應(yīng)生成富氫氣體, 而后進(jìn)入SOFC 電堆, 通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能和熱能, SOFC 輸出的電能經(jīng)過(guò)DC/DC 轉(zhuǎn)化器傳輸給電機(jī), 電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能. SOFC 系統(tǒng)效率設(shè)計(jì)為60%. DC/DC 轉(zhuǎn)化器的效率ηDC/DC為98%, 從電機(jī)到車(chē)輪的效率ηB-W與純電動(dòng)汽車(chē)一樣, 為80%.

以SOFC 作為主動(dòng)力的車(chē)輛從油井到車(chē)輪的效率為

(5) WTW 對(duì)比.

從上述幾種不同動(dòng)力系統(tǒng)的WTW 效率對(duì)比可以看出, SOFC 作為主動(dòng)力的動(dòng)力系統(tǒng)WTW 效率最高, 是內(nèi)燃機(jī)的2.3 倍以上, 是純電動(dòng)汽車(chē)的1.4 倍, 展現(xiàn)了SOFC 作為動(dòng)力系統(tǒng)的巨大潛力.

4 SOFC 發(fā)電系統(tǒng)的研究及進(jìn)展

將SOFC 應(yīng)用在移動(dòng)交通領(lǐng)域, 最核心的模塊是SOFC 發(fā)電系統(tǒng). 以燃料外部重整(external reforming, ER) 的SOFC 系統(tǒng)為例, ER-SOFC 發(fā)電系統(tǒng)通常由重整器、SOFC 電堆、燃燒器、水泵、空氣壓縮機(jī)、換熱器、冷卻器等設(shè)備組成, 主要包括燃料處理過(guò)程和富氫氣體發(fā)電過(guò)程. 燃料處理過(guò)程主要是將燃料通過(guò)催化重整反應(yīng)轉(zhuǎn)化為富氫氣體, 富氫氣體發(fā)電指氫氣在含碳?xì)夥罩羞M(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能. 而SOFC 對(duì)燃料的利用率難以達(dá)到100%, 通常在電堆后面接燃燒器將剩余的燃?xì)馊急M.

對(duì)于SOFC 發(fā)電系統(tǒng)的研究包括原理性驗(yàn)證、能效提升、動(dòng)力系統(tǒng)性能等, 下面將分別進(jìn)行討論.

4.1 系統(tǒng)原理性驗(yàn)證

系統(tǒng)原理性驗(yàn)證主要是指從熱力學(xué)角度驗(yàn)證及分析系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的可行性, 一般先進(jìn)行計(jì)算機(jī)模型的搭建, 然后根據(jù)建模結(jié)果為設(shè)備選型和開(kāi)發(fā)提供依據(jù). 常用的建模軟件有Aspen Plus、VMGSim、ChemCAD、Design Ⅱ、PRO/Ⅱ、gPROMS, 其中Aspen Plus 數(shù)據(jù)庫(kù)完整、功能強(qiáng)大, 目前廣泛應(yīng)用于化工過(guò)程模擬. Aspen Plus 于20 世紀(jì)70年代由美國(guó)能源部和麻省理工大學(xué)共同開(kāi)發(fā), 經(jīng)過(guò)不斷迭代優(yōu)化、擴(kuò)充提高, 可以對(duì)化工流程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬、優(yōu)化設(shè)計(jì)、靈敏度分析、換熱網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)等, 是化工流程模擬的專(zhuān)用軟件, 也是進(jìn)行SOFC 系統(tǒng)層面研究的常用工具[21]. 系統(tǒng)建模最關(guān)鍵的就是主要設(shè)備的建模仿真. SOFC 系統(tǒng)的主要設(shè)備如表1 所示.

表1 主要設(shè)備及其描述Table 1 Main equipment and its description

SOFC 系統(tǒng)在Aspen Plus 中的建模研究開(kāi)展較早. Zhang 等[22]完全利用Aspen Plus 現(xiàn)有操作單元, 結(jié)合電壓損失的半經(jīng)驗(yàn)公式, 完成了對(duì)100 kW 天然氣-管式SOFC 發(fā)電系統(tǒng)的模擬. 這種完全利用Aspen Plus 現(xiàn)有模塊的方法比較便捷, 但是半經(jīng)驗(yàn)公式的普適性仍有待驗(yàn)證. 類(lèi)似地, Doherty 等[23]完全利用Aspen Plus 現(xiàn)有操作單元, 基于電化學(xué)原理, 利用Aspen Plus 中的內(nèi)置Fortran 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了對(duì)陰極支撐-SOFC 電特性的模擬. Hauck 等[24]利用Aspen Plus 完成了可逆SOFC 的模擬.

目前, 系統(tǒng)Aspen Plus 建模研究存在以下問(wèn)題: ①與實(shí)驗(yàn)匹配程度差, 由于實(shí)驗(yàn)難度大,用于檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都來(lái)自其他文獻(xiàn), 但是不同系統(tǒng)在燃料、系統(tǒng)流程、參數(shù)、電池類(lèi)型等方面存在差異, 會(huì)造成檢驗(yàn)失真; ②主要設(shè)備建模精確度不夠, 對(duì)于重整器的模擬, 大多數(shù)Aspen Plus 模型都采用RGibbs 模型, 但是鮮有文獻(xiàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性. SOFC 電堆的反應(yīng)是電化學(xué)與熱力學(xué)相互耦合的過(guò)程, 在含碳?xì)夥罩蟹磻?yīng)更加復(fù)雜. 現(xiàn)有的Aspen Plus 中操作單元難以實(shí)現(xiàn)對(duì)SOFC 電特性的準(zhǔn)確仿真, 單純依靠氣體分壓的電壓損失經(jīng)驗(yàn)公式并不具有普適性,同時(shí)含碳?xì)夥障耂OFC 的模擬與傳統(tǒng)SOFC 模擬有所差別, 因此如何更準(zhǔn)確地進(jìn)行含碳?xì)夥障耂OFC 的仿真也需要進(jìn)一步研究.

4.2 能效提高方法

完成系統(tǒng)原理性驗(yàn)證之后, 接下來(lái)進(jìn)行的工作是提高系統(tǒng)的能量利用效率. 能效提高的方法主要包括操作參數(shù)的調(diào)整、工藝流程的優(yōu)化設(shè)計(jì)和加入底循環(huán)等.

操作參數(shù)的調(diào)整主要是指通過(guò)改變系統(tǒng)的各個(gè)操作運(yùn)行參數(shù), 分析其對(duì)系統(tǒng)性能的影響,從而尋找出系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)時(shí)的運(yùn)行參數(shù), 這是提高能效的常用方法. 不同操作參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響可能有耦合效應(yīng). Dhingra 等[25]分別研究了電堆燃料利用率、空氣利用率、陰極空氣預(yù)熱溫度、重整器水碳比、氧碳比和預(yù)熱溫度對(duì)1 kW 固定式SOFC 發(fā)電系統(tǒng)性能的影響,并研究了兩個(gè)變量耦合時(shí)的情況. 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 在較低的燃料利用率下, 高的空氣利用率對(duì)系統(tǒng)性能不利, 這在單獨(dú)研究各個(gè)操作變量時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn).

工藝流程優(yōu)化的目的主要是通過(guò)改進(jìn)系統(tǒng)工藝流程以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部能量的回收利用, 從而使系統(tǒng)的能效提高. 常見(jiàn)的優(yōu)化方法主要有陽(yáng)極尾氣循環(huán)和多級(jí)電堆[26]. 陽(yáng)極尾氣循環(huán)指將電堆陽(yáng)極的反應(yīng)尾氣通過(guò)循環(huán)泵回收到重整器. Walluk 等[27]研究了模擬陽(yáng)極循環(huán)氣對(duì)自熱重整器的影響, 發(fā)現(xiàn)在0.45 的循環(huán)比、65% 的燃料利用率下, 富氫氣體產(chǎn)量最大, 同時(shí)還能避免積碳. 但陽(yáng)極循環(huán)對(duì)系統(tǒng)性能的影響還需進(jìn)一步研究. 多級(jí)電堆是指將第一級(jí)電堆陽(yáng)極的反應(yīng)尾氣通入下一級(jí)電堆中使用, 從而實(shí)現(xiàn)提高電堆燃料利用率以提高系統(tǒng)能效的目的. 多級(jí)電堆的加入雖然可以提高燃料利用率, 但是也會(huì)增大系統(tǒng)體積和質(zhì)量, 這對(duì)移動(dòng)交通是不太合適的. 而單純進(jìn)行陽(yáng)極循環(huán), 系統(tǒng)效率可能也難以達(dá)到移動(dòng)交通領(lǐng)域的要求. 因此仍需要對(duì)系統(tǒng)的工藝流程進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化. Pan 等[28]設(shè)計(jì)了一種除水流程, 即重整產(chǎn)物先冷凝除水再通入SOFC 電堆陽(yáng)極, 這種設(shè)計(jì)可以使SOFC 的工作電壓提高8%, 從而提高系統(tǒng)效率.

加入底循環(huán)是指加入其他做功過(guò)程以回收利用電堆尾氣中的未用燃料和高溫?zé)崃? 在移動(dòng)交通領(lǐng)域, 通常加入內(nèi)燃機(jī)(ICE)(見(jiàn)圖6) 或PEMFC (見(jiàn)圖7) 來(lái)利用SOFC 陽(yáng)極尾氣中的未用燃料以產(chǎn)生額外的電能[29]. Kim 等[30]對(duì)5 kW SOFC-ICE 系統(tǒng)進(jìn)行了可行性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 完成了301 h 的實(shí)驗(yàn), 結(jié)果表明, 加入ICE 可以產(chǎn)生額外的電能, 提高整個(gè)系統(tǒng)的效率.Rabbani 等[31]研究了以天然氣、乙醇和二甲醚作為燃料的SOFC-PEMFC 系統(tǒng), 建模結(jié)果表明, 相比單純的SOFC, 系統(tǒng)效率提升了8%. 除此之外, 加入蒸汽輪機(jī)(steam turbine, ST) 或燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbine, GT) 回收高溫?zé)崃恳彩浅Ｒ?jiàn)的底循環(huán)類(lèi)型. Dimitrova 等[32]提出將SOFC-GT 作為電動(dòng)汽車(chē)的增程器, 建模結(jié)果表明, SOFC-GT 系統(tǒng)的能量效率可達(dá)70%. 但是ST 和GT 一般體積較大, 在移動(dòng)交通領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵在于減小體積. 總體而言, 加入底循環(huán)勢(shì)必會(huì)對(duì)系統(tǒng)的體積和質(zhì)量帶來(lái)負(fù)面影響, 加入不同類(lèi)型底循環(huán)帶來(lái)的增益與弊端仍需要進(jìn)一步研究, 目前還處于概念開(kāi)發(fā)和原理性驗(yàn)證階段.

圖6 SOFC-ICE系統(tǒng)流程圖Fig.6 SOFC-ICE system process flow chart

圖7 SOFC-PEMFC系統(tǒng)流程圖Fig.7 SOFC-PEMFC system process flow chart

4.3 SOFC 動(dòng)力系統(tǒng)性能

將SOFC 發(fā)電系統(tǒng)作為移動(dòng)交通領(lǐng)域動(dòng)力系統(tǒng)的研究正逐漸受到研究者關(guān)注, 這一想法最早由Brett 等[33]在ABSOLUTE (advanced battery solid oxide fuel cell linked unit to maximize effciency) 項(xiàng)目中提出, 旨在利用氯化鎳電池和中溫SOFC 為汽車(chē)提供動(dòng)力.2016年日產(chǎn)推出世界上第一款以SOFC 作為輔助動(dòng)力的汽車(chē)后, 大量研究人員開(kāi)始研究將SOFC 作為電動(dòng)汽車(chē)增程器. Bessekon 等[34]建立了SOFC-電池系統(tǒng)的簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)模型, 仿真結(jié)果表明, 以SOFC 作為增程器可以使電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程增加至少94 km. Song 等[35]利用技術(shù)-經(jīng)濟(jì)性方法分析了以SOFC 為增程器的電動(dòng)汽車(chē)相對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)勢(shì), 當(dāng)SOFC和電池的價(jià)格分別下降到200 $/kW 和150 $/(kW·h), 且車(chē)輛每天的運(yùn)行時(shí)間超過(guò)8 h, 使用SOFC 的純電動(dòng)汽車(chē)將更具優(yōu)勢(shì).

目前, 大多數(shù)研究集中在將SOFC 作為移動(dòng)交通的輔助動(dòng)力, 如作為電動(dòng)汽車(chē)的增程器,但鮮有研究考慮將SOFC 作為主動(dòng)力. 將SOFC 作為主動(dòng)力的可行性、經(jīng)濟(jì)性及性能等方面仍需進(jìn)行更加深入的研究, 值得研究者關(guān)注.

清華大學(xué)長(zhǎng)期致力于研究SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域的應(yīng)用, 并對(duì)其應(yīng)用潛力進(jìn)行定量分析,取得了初步的研究成果. 本課題組針對(duì)SOFC 發(fā)電系統(tǒng)作為乘用車(chē)主動(dòng)力, 基于車(chē)輛動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模計(jì)算, 考慮將柴油、汽油、甲醇作為SOFC 的燃料, 假設(shè)SOFC 發(fā)電系統(tǒng)的效率為40%、50%、60%, 仿真結(jié)果如圖8 所示. 當(dāng)SOFC 發(fā)電系統(tǒng)效率為60% 時(shí), 柴油-SOFC 作為主動(dòng)力的混合動(dòng)力汽車(chē)(以下稱(chēng)“SOFC 車(chē)輛”) 的百公里柴油消耗量?jī)H是柴油內(nèi)燃機(jī)的40%,里程是同油箱體積柴油內(nèi)燃機(jī)的2.5 倍; 汽油-SOFC 車(chē)輛的百公里汽油消耗量?jī)H是汽油機(jī)的34%, 里程是同油箱體積汽油內(nèi)燃機(jī)的2.94 倍; 甲醇-SOFC 車(chē)輛的百公里甲醇消耗量?jī)H是甲醇內(nèi)燃機(jī)的43%, 里程是同體積油箱甲醇內(nèi)燃機(jī)的2.17 倍. 建模結(jié)果展現(xiàn)了SOFC 作為乘用車(chē)主動(dòng)力的應(yīng)用潛力. 若以SOFC 作為無(wú)人機(jī)動(dòng)力, 以丙烷作為燃料, 假設(shè)SOFC 發(fā)電系統(tǒng)效率為60%, 建模結(jié)果表明無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間可達(dá)18 h, 飛行距離達(dá)到2 700 km, 展現(xiàn)了SOFC作為無(wú)人機(jī)動(dòng)力的應(yīng)用潛力.

圖8 SOFC 作為主動(dòng)力的混合動(dòng)力汽車(chē)仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of the hybrid electric vehicle with SOFC as main power

除了上述提到的原理性驗(yàn)證、能效提高及動(dòng)力系統(tǒng)性能之外, 開(kāi)發(fā)專(zhuān)用BOP 組件(如重整器、循環(huán)風(fēng)機(jī)、燃燒器等) 也是系統(tǒng)層面的研究重點(diǎn). BOP 組件故障已經(jīng)成為造成系統(tǒng)停機(jī)的主要原因[17], 因此開(kāi)發(fā)可靠的BOP 組件對(duì)于保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行也同樣重要.

5 SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

與固定式SOFC 相比, 對(duì)于面向移動(dòng)交通領(lǐng)域應(yīng)用的SOFC 要求更加嚴(yán)苛, 包括低啟動(dòng)時(shí)間、長(zhǎng)壽命、低衰減率、高效率和高功率密度等. 應(yīng)用在移動(dòng)交通領(lǐng)域的SOFC 必須在各方面滿足應(yīng)用條件, 否則難以達(dá)到應(yīng)用要求. 比如效率和功率密度, 由于空間和重量受到嚴(yán)格限制, 這兩個(gè)指標(biāo)不滿足要求會(huì)使系統(tǒng)體積過(guò)大, 從而限制其在移動(dòng)交通領(lǐng)域的應(yīng)用. 對(duì)此可以參考AVL List GmbH 對(duì)SOFC 作為電動(dòng)汽車(chē)增程器定義的要求[36], 如表2 所示.

表2 AVL公司對(duì)SOFC的要求Table 2 AVL’s requirements for SOFC

對(duì)于SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域的應(yīng)用, 國(guó)際上很早就進(jìn)行了研究. 1999年, 在美國(guó)能源部(Department of Energy, DOE) 的支持下, 由美國(guó)國(guó)立能源技術(shù)研究室(National Energy Technology Laboratory, NETL) 主導(dǎo), 成立了專(zhuān)門(mén)研究推進(jìn)SOFC 商業(yè)化應(yīng)用的固態(tài)能量轉(zhuǎn)化聯(lián)盟(Solid State Energy Conversion Alliance, SECA). SECA 項(xiàng)目由政府、高校、企業(yè)幾十家單位共同參與, 目標(biāo)是開(kāi)發(fā)3～5 kW 的SOFC 發(fā)電系統(tǒng), 為美國(guó)海軍水下作戰(zhàn)中心和美國(guó)國(guó)家航天航空局提供軍事應(yīng)用, 并推進(jìn)其商業(yè)化應(yīng)用. 2008年, 該項(xiàng)目的參與者Delphi公司在Peterbilt 公司的柴油卡車(chē)上成功示范運(yùn)行了SOFC 發(fā)電系統(tǒng)[37]. 該項(xiàng)目還考慮將SOFC 部署在飛機(jī)上, 以減少航空碳排放[38]. 2016年, 由Ebersp¨acher 公司開(kāi)發(fā)的SOFC 發(fā)電系統(tǒng)在Volvo 卡車(chē)上示范運(yùn)行, 這是歐洲第一款使用SOFC 作為輔助動(dòng)力的重卡[39]. Atrex Energy 在全地形車(chē)輛上安裝1 kW SOFC 系統(tǒng)并使用壓縮天然氣進(jìn)行了100 多英里(1 英里=1.609 km) 的越野測(cè)試, 展示了將管狀電池作為動(dòng)力的應(yīng)用潛力[40]. 2016年, 日產(chǎn)發(fā)布了全球第一款以SOFC 作為輔助動(dòng)力的電動(dòng)汽車(chē), 續(xù)航里程超過(guò)600 km[41]. 2018—2019年,金屬支撐SOFC 的創(chuàng)始公司Cere Power 公司分別與日產(chǎn)和濰柴動(dòng)力達(dá)成協(xié)議, 分別為貨車(chē)和公交車(chē)提供SOFC[42]. 在無(wú)人機(jī)應(yīng)用方面, 美國(guó)洛馬公司開(kāi)發(fā)的以丙烷為燃料的Stalker VXE30 無(wú)人機(jī)以SOFC 作為動(dòng)力, 續(xù)航時(shí)間8 h, 續(xù)航速度66.67 km/h[43]. 在輪船[44]、單兵電源[45]等方面, 也有SOFC 的應(yīng)用實(shí)例. SOFC 應(yīng)用在移動(dòng)交通領(lǐng)域的實(shí)例總結(jié)如表3 所示,表中NMHC (non-methane hydrocarbons) 代表非甲烷總烴.

表3 SOFC 應(yīng)用在移動(dòng)交通領(lǐng)域的產(chǎn)品Table 3 SOFC applications in the field of transportation

總的來(lái)看, 歐美推動(dòng)SOFC 應(yīng)用在移動(dòng)交通領(lǐng)域的開(kāi)始時(shí)間較早, 在多種應(yīng)用場(chǎng)景下已經(jīng)完成示范性應(yīng)用, 并正逐步拓寬其應(yīng)用場(chǎng)景, 推進(jìn)商業(yè)化進(jìn)程, 部分成果已經(jīng)有較為成熟的產(chǎn)品, 并且成長(zhǎng)起一批成熟的企業(yè). 國(guó)內(nèi)雖然起步較晚, 但也正逐漸關(guān)注該領(lǐng)域, 部分高校和企業(yè)先后開(kāi)展這方面的研究, 并取得了重要的研究進(jìn)展.

6 結(jié)論與展望

本工作總結(jié)了SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用形式, 包括作為輔助電力單元和動(dòng)力系統(tǒng), 并計(jì)算了SOFC 作為動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)的油井-車(chē)輪效率為34%～39%, 遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機(jī)(14%～17%) 和電池(27%), 展現(xiàn)了SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力. 同時(shí), 從原理性驗(yàn)證、能效提高和動(dòng)力系統(tǒng)性能三方面討論了SOFC 系統(tǒng)的研究進(jìn)展, 最后總結(jié)了SOFC 目前在移動(dòng)交通領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀.

從應(yīng)用形式看, 將SOFC 作為輔助電力單元有助于作為“切入點(diǎn)” 進(jìn)入市場(chǎng), 屬于初步應(yīng)用; 作為輔助動(dòng)力有利于進(jìn)一步拓寬SOFC 的應(yīng)用, 打開(kāi)市場(chǎng), 屬于中度應(yīng)用, 也是研究者們目前重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域; 作為主動(dòng)力的SOFC 屬于深度應(yīng)用, 有利于進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用場(chǎng)景, 加速商業(yè)化進(jìn)程, 目前的研究還較少. 隨著應(yīng)用程度的加深, 對(duì)SOFC 的要求也將越來(lái)越高, 包括大幅提高功率密度、降低性能衰減速率、延長(zhǎng)使用壽命、縮短啟動(dòng)時(shí)間等. 因此, 突破SOFC的技術(shù)難點(diǎn)是推動(dòng)其在移動(dòng)交通領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵.

為了加速SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域的應(yīng)用, 需要單電池、電堆和系統(tǒng)層面的共同進(jìn)步. 在單電池層面, 中溫或低溫SOFC 材料的開(kāi)發(fā)、高功率密度單電池的開(kāi)發(fā)、長(zhǎng)耐久性和熱循環(huán)穩(wěn)定性的研究等都是值得關(guān)注的研究重點(diǎn). 在電堆層面, 研究的重點(diǎn)包括高溫密封材料的開(kāi)發(fā)、氣體流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)和多物理場(chǎng)的耦合研究等. 在發(fā)電系統(tǒng)層面, 針對(duì)不同燃料高效重整技術(shù)的開(kāi)發(fā)、專(zhuān)用BOP 組件的開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)的快速升溫策略、能效提高策略、能量管理策略和動(dòng)態(tài)控制策略等是目前研究的重點(diǎn). SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域更廣泛的應(yīng)用仍然依賴(lài)于各個(gè)層面的技術(shù)突破, 需要進(jìn)行更深入的研究.

SOFC 在移動(dòng)交通領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力, 隨著SOFC 技術(shù)的進(jìn)步, 其應(yīng)用潛力正逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí), 這將為交通領(lǐng)域的脫碳開(kāi)辟一條新的路徑, 為實(shí)現(xiàn)高效、清潔、綠色、低碳的交通動(dòng)力提供新方法, 全面助力雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn).