多堆栈固体氧化物燃料电池与超临界二氧化碳布雷顿循环及储热系统的混合动力系统设计与性能优化研究

为解决船舶行业在净零排放场景下面临的大规模电力输出、灵活性和高能效利用等挑战，研究人员提出了一种集成多堆栈SOFC、超临界CO2布雷顿循环（SCBC）和储热系统（TES）的新型混合动力系统。通过参数优化与多目标决策，系统最高功率达20.048 MW，效率达68.78%，并显著降低NOx（4.50 ppm）和N2O（0.15 ppm）排放。该研究为船舶脱碳提供了高效、灵活的技术方案。

　　

在全球贸易中，航运承担了超过70%的货物运输量，但其温室气体排放占比高达2.5%，成为国际减排焦点。国际海事组织（IMO）提出2030年减排30%、2040年减排80%的硬性目标，迫使行业寻求突破性技术。氨燃料因其零碳特性被视为理想替代能源，但其燃烧过程易产生强效温室气体N₂O（温室效应为CO₂的265-298倍）和NOx。固体氧化物燃料电池（SOFC）虽具高效率优势，却受限于单堆功率不足、动态响应差等瓶颈。为此，哈尔滨工程大学团队在《Journal of Energy Storage》发表研究，创新性地将多堆栈SOFC、超临界CO₂布雷顿循环（SCBC）和相变储热（TES）系统耦合，为船舶动力系统提供了"功率-效率-灵活性"协同优化的解决方案。

研究采用0-D模型对SOFC电化学反应建模，结合参数敏感性分析确定关键变量影响；通过多目标优化获得帕累托前沿，以实际集装箱船需求为决策依据；采用相变材料（PCM）储热技术实现SOFC与SCBC的热力学解耦。

系统描述
系统布局显示，TES被置于燃烧器与预热器之间，既回收余热又为SCBC提供预热源。多堆栈设计（三堆功率分别为1.089 MW、7.619 MW和5.747 MW）突破单堆功率限制。

SOFC电化学模型
基于气体平衡态假设，建立包含电流密度、燃料利用率等参数的0-D模型。验证表明，提高堆入口温度（T_F8）可增加功率输出，但需权衡效率损失。

参数/敏感分析
当SOFC工作温度提升50 K时，功率增长12%；燃料利用率超过85%将引发局部电池氧化。SCBC最高温度设定为873.15 K时，系统效率达60.96%。

参数优化
帕累托前沿分析揭示功率与效率的权衡关系：最大功率20.048 MW时效率为68.78%，NOx/N₂O排放分别控制在4.50 ppm和0.15 ppm。

讨论与结论
该研究首次实现多堆栈SOFC-TES-SCBC深度耦合，相较传统方案：1）功率范围扩展至5.593 MW；2）系统体积能量密度提升40%；3）动态响应时间缩短30%。储热系统使辅助锅炉燃料消耗降低15%，尽管增加设备体积，但显著提升船舶运营经济性。研究为航运业提供了一条兼顾高功率输出（满足20 MW级需求）、低排放（N₂O<0.2 ppm）和快速调负荷（±10%负荷响应<5分钟）的技术路径，对实现IMO 2040减排目标具有里程碑意义。