甲醇燃料固体氧化物燃料电池（SOFC）系统用于散货船推进的技术可行性

《International Journal of Hydrogen Energy》：Technical feasibility of a methanol-fueled SOFC system for the propulsion of bulk carrier ships

船舶动力系统用甲烷燃料电池替代传统发动机的技术可行性研究。通过构建包含六个主发动机和三个辅助发动机的散货船模型，对比分析显示在额定功率45%工况下，SOFC系统效率达54%，较传统系统提升2%-8%，二氧化碳排放减少17.9%（289吨/航次vs352吨）。研究创新点在于建立模块化SOFC系统热力学模型，并完成3D船体布局设计验证。系统重量增加155%（546吨vs214吨），但仅占船舶总吨位1%，空间占用增加128%可通过优化储罐布局解决。该研究为国际海事组织2050减碳目标提供技术路径参考。

　　在当前全球航运业面临减排压力的背景下，甲醇作为一种具有潜力的替代燃料，因其易处理性、操作安全性以及与现有船舶系统兼容性而受到越来越多的关注。本文研究了将甲醇用于固体氧化物燃料电池（SOFC）动力系统，以评估其在高效率船舶动力系统中的可行性。通过详细分析和建模，研究展示了该系统在能源效率和环境效益方面的优势，特别是在减少二氧化碳排放方面表现突出。此外，研究还探讨了在船舶上安装这种新型动力系统的重量和空间需求，以确保其在实际应用中的可行性。

### 甲醇在船舶动力系统中的优势与挑战

甲醇作为一种低碳燃料，其优势在于它在常温常压下为液体状态，能够与现有的燃料储存和加注基础设施兼容，只需进行有限的调整即可使用。这一特性使得甲醇在航运领域具有一定的吸引力。然而，甲醇的体积能量密度较低（约16 MJ/l），这意味着需要更大的储存空间，这在一定程度上限制了船舶的续航能力。相比之下，传统的重油（HFO）和船用柴油（MDO）的体积能量密度更高，约为40 MJ/l，因此在相同功率需求下，它们所需的储存空间更小。

为了克服甲醇在体积能量密度方面的劣势，研究建议将甲醇与高效的能源转换技术相结合，如SOFC系统。SOFC技术因其较高的电效率和对多种燃料的兼容性而被认为是一种理想的解决方案。其工作温度通常在700–1000 °C之间，这使得甲醇可以在系统内部进行重整或裂解，从而减少对额外外部设备的依赖。尽管如此，为了确保系统的稳定运行，仍然建议使用外部重整器或裂解装置。这一系统设计不仅能够提高能源利用效率，还能减少温室气体排放。

### 研究背景与现有文献综述

在航运领域，随着国际海事组织（IMO）对碳中和目标的推进，各种零碳和低碳燃料，如氢气、氨和甲醇，正在被广泛研究。这些燃料虽然在环保方面具有显著优势，但它们的使用涉及诸多挑战，包括储存、运输以及与现有船舶系统集成的复杂性。例如，氢气由于其极低的体积能量密度，需要高压储存或低温液化，这带来了存储和运输方面的高成本和高技术要求。液态氨虽然体积能量密度较高，但其毒性和储存条件也引发了安全方面的担忧。

在现有的文献中，许多研究关注了SOFC技术在船舶应用中的潜力。例如，Van Biert等人对船舶燃料电池应用进行了全面综述，指出SOFC是大规模推进系统的最佳选择，尽管其技术尚处于早期阶段。Haseltalab等人则研究了基于SOFC的系统组件设计和能量管理，强调了精确控制策略在提高系统效率和耐用性方面的重要性。Duong等人提出了一种多代系统，将SOFC与液化天然气（LNG）冷能利用循环和排气余热回收系统结合，以提高整体能效。El Marouazi和Marty的研究则关注了生物甲烷在SOFC中的应用，发现基于生物甲烷的SOFC系统可实现高达100%的CO?排放减少。Di Micco等人评估了基于氨的SOFC系统在船舶推进中的可行性，发现其平均电效率可达到57%。

尽管这些研究为SOFC技术在船舶领域的应用提供了有益的见解，但关于甲醇在SOFC系统中的应用仍然存在一些研究空白。因此，本文旨在填补这一空白，通过对甲醇燃料的SOFC系统进行详细分析，评估其在船舶推进系统中的技术可行性，同时关注其对环境的影响。

### 研究方法与模型构建

为了评估甲醇在SOFC系统中的应用，本文采用了一种三步分析方法。首先，选择了一艘典型船舶进行分析，以确定其在船上所需的动力需求、任务配置以及发动机室和燃料储存区域的布局。其次，构建了一个基于SOFC的热化学模型，用于估算燃料消耗和相应的二氧化碳排放。第三步，评估了基于甲醇的SOFC系统的新型船上布局（三维模型），以确定其重量和体积需求。

在模型构建方面，本文选择了一个由SolydEra生产的30 kW的SOFC堆，该堆可运行于多种燃料，包括氢气、氨和甲烷重整气。通过对单个电池单元的建模，研究者能够评估其在甲醇重整气条件下的性能。模型考虑了电池单元的热化学和电化学反应，以确保其在不同工况下的准确模拟。

此外，为了提高系统的整体效率，研究者还设计了一个模块化的SOFC系统，该系统由多个堆组成，并结合了必要的辅助设备，如重整反应器、催化燃烧器和热交换器。这种模块化设计不仅有助于提高系统的可扩展性，还允许制造商和系统设计者根据不同的应用需求调整输出功率，而无需重新设计整个系统。

### 系统性能评估

在分析甲醇燃料的SOFC系统时，研究者考虑了其在不同负载条件下的性能表现。结果显示，该系统在额定功率下具有较高的电效率（54%），并且其二氧化碳排放量（458 g/kWh）明显低于传统柴油机（533 g/kWh）和辅助柴油机（635 g/kWh）。这些结果表明，甲醇燃料的SOFC系统在减少温室气体排放方面具有显著优势。

此外，通过对比不同燃料的体积能量密度和碳含量，研究者还发现甲醇的体积能量密度较低，这导致其在船舶上的储存需求增加。然而，由于甲醇的碳含量较低，其单位燃料的二氧化碳排放量也显著减少。因此，在考虑船舶的续航能力和环保效益时，甲醇的使用可能需要权衡其较高的燃料体积需求和较低的排放量。

### 船舶布局与系统安装

为了评估甲醇燃料的SOFC系统在实际船舶上的可行性，研究者对船舶的发动机室和燃料储存区域进行了详细分析。通过结合现有的船舶设计数据和三维CAD建模，研究者确定了安装该系统的空间需求。研究发现，为了满足船舶的功率需求，需要安装60个SOFC模块，每个模块的重量约为9.1吨，体积约为4.8 m × 1.2 m × 2.1 m。整个系统总重量为546吨，而传统柴油机系统的总重量为214吨。这一重量差异虽然显著，但仅占船舶总重量（25606吨）的约1.5%，因此对船舶的稳定性影响较小。

在燃料储存方面，甲醇的体积需求约为266 m3，这比传统柴油机系统的116.4 m3高出约128%。这一增加可以通过现有的燃料储存容量（1098 m3）来满足，只需增加加油次数即可。此外，研究还发现，甲醇的使用能够有效减少硫氧化物（SOx）和颗粒物排放，同时降低氮氧化物（NOx）排放，因为催化燃烧器的运行温度低于产生大量NOx的临界值，而燃料电池本身不产生NOx。

### 环境与经济影响

在环境影响方面，甲醇的使用能够显著减少温室气体排放。研究结果显示，基于甲醇的SOFC系统在单次航行中的二氧化碳排放量为289吨，而传统柴油机系统则为352吨。这一减少量意味着，假设船舶全年航行时间为6000小时，基于甲醇的SOFC系统每年可减少约2160吨的二氧化碳排放。此外，甲醇的使用还能有效降低硫氧化物和颗粒物排放，这对改善港口和海域的空气质量具有重要意义。

在经济影响方面，尽管甲醇的体积需求较大，但其成本相对较低，且在某些情况下可能比传统燃料更具竞争力。然而，甲醇的储存和运输成本可能较高，这需要进一步的经济分析。此外，安装基于甲醇的SOFC系统需要一定的投资，包括设备采购、系统集成以及可能的基础设施改造。这些因素可能会影响该系统的经济可行性。

### 结论与展望

综上所述，甲醇作为船舶推进系统的燃料，具有较高的环境效益，特别是在减少二氧化碳排放方面。然而，其体积能量密度较低，导致储存需求增加，这可能对船舶的设计和运营提出挑战。此外，安装基于甲醇的SOFC系统需要一定的技术和经济投入，包括模块化设计、热管理优化以及辅助设备的集成。

研究结果表明，甲醇燃料的SOFC系统在技术上是可行的，尽管其在燃料体积和重量方面存在一定的挑战。这些挑战可以通过优化船舶设计、提高燃料储存效率以及增加加油频率来缓解。此外，随着技术的进步和成本的降低，甲醇燃料的SOFC系统可能在未来成为航运业实现碳中和目标的重要工具。

未来的研究可以进一步探讨甲醇燃料的SOFC系统在不同船舶类型和航行条件下的表现，以及其在实际应用中的经济性和可靠性。此外，还需要考虑该系统的维护需求、长期运行成本以及对现有航运基础设施的适应性。通过这些研究，可以更好地评估甲醇燃料的SOFC系统在航运业中的实际应用潜力，并为相关政策制定和技术发展提供科学依据。