预压缩冷却与双燃料喷射SOFC-ICE混合系统在可再生能源应用中的效能提升研究

为解决航运及交通领域高能耗与碳排放问题，研究人员开展了一项结合固体氧化物燃料电池(SOFC)与内燃机(ICE)的混合系统研究，集成预压缩冷却与氢-天然气双燃料喷射技术。通过MATLAB与CONVERGE多尺度建模验证，该系统实现56.06%的综合效率，NOx排放显著降低，为可再生能源在动力系统的应用提供创新解决方案。

　　

全球航运与交通运输业贡献了2.89%的年度碳排放，其中内燃机(ICE)技术的高能耗与污染问题尤为突出。尽管天然气因其高辛烷值和低CO₂排放被视为理想替代燃料，但其燃烧速度慢、反应活性低的缺陷限制了应用。更棘手的是，氢能虽具清洁高效特性，却面临储存安全与高压容器技术的瓶颈。如何平衡能源效率与排放控制，成为实现"碳达峰"目标的关键挑战。

江苏大学的研究团队在《Renewable Energy》发表论文，创新性地将固体氧化物燃料电池(SOFC)与ICE结合，引入预压缩冷却和氢-天然气双燃料喷射技术。研究通过MATLAB建立0维系统模型，结合CONVERGE软件进行3维燃烧室仿真，并利用GT-Power构建1维发动机模型，多尺度验证混合系统的性能。

方法学亮点
团队采用三阶段建模策略：零维模型优化系统参数，三维燃烧仿真解析SOFC阳极尾气燃烧机理，一维模型验证实际工况表现。关键技术包括电流密度调控、双燃料混合比优化及两级废热回收(WHR)系统集成。

研究结果

1. 电流密度对系统效率的影响
   当电流密度升高时，SOFC的活化极化、浓度极化和欧姆极化加剧，导致系统效率从峰值56.06%逐步下降。但预压缩冷却技术通过降低进气温度，有效抵消了效率损失。

2. 双燃料协同效应
   氢气的快速燃烧特性弥补了天然气反应活性不足的缺陷。当氢混合比达15%时，燃烧稳定性提升28%，未燃碳氢化合物排放减少19%，同时NO_x生成量因预冷却技术控制在欧盟VI阶段标准以下。

3. 与EGR技术的对比优势
   传统废气再循环(EGR)虽能降低NO_x，但会导致3.2%的功率损失。而预压缩冷却方案在同等排放控制水平下，反而提升ICE制动效率1.8个百分点。

结论与展望
该研究证实SOFC-ICE混合系统在功率分配比1.5时达到最佳能效，其创新点在于：

1. 通过预压缩冷却实现电荷密度提升与NO_x协同控制，突破传统EGR的技术局限；
2. 氢-天然气双燃料策略使热效率与火用效率分别提升至58.3%和61.7%；
3. 两级WHR系统回收余热使整体能源利用率提高12%。

这项技术为远洋船舶等维护困难的场景提供可靠解决方案，其模块化设计更适用于风光互补的微电网系统。未来研究将聚焦于阳极尾气重整技术优化，以进一步降低对高压氢储运的依赖。论文工作获得"新能源直流微电网光储充一体化关键科学问题研究(BK202426)"项目支持，Guofang Kong、Ning Liu和Mingyue He的跨学科合作为清洁能源转型提供了新范式。