一种亚大气压氢能发电系统，结合了接近环境温度的相变热吸收技术以及氢氧直接燃烧技术

《Energy Conversion and Management》：A Sub-Atmospheric hydrogen power generation system Combining Near-Ambient-Temperature Phase-Change heat absorption and Hydrogen-Oxygen direct combustion

氢氧直接燃烧耦合近常温相变吸热半封闭朗肯循环系统，利用0.02MPa低压下60℃附近水的相变吸热提升热效率，通过太阳能驱动沸腾传热实现高效低品位热能利用，解决氢能利用中压力不匹配与再生困难问题，热效率达83.24%接近燃料电池理论极限。

　　

孙恩辉|陈钦才|丁彦宇|冷振宇|马文静|张林尧|徐金良

华北电力大学雁赵电力实验室，中国保定071003

摘要

通过水电解生产氢气及其利用在空间上是分离的，而相关的高压储存和发电途径在实践中仍然有限，这限制了整体能源效率。本研究提出了一种创新方法，将接近室温的相变热吸收与亚大气压下的高温氢氧直接燃烧相结合。据此构建了一个半封闭的朗肯循环，该循环由氢氧燃烧和低品位热能协同驱动。由于该循环适用于亚大气压条件并能够适应低品位热能，因此非常适合与新兴的能源储存技术（如接近大气压的固态氢储存）集成。以低品位太阳能为例，系统利用了水在亚大气压（0.02 MPa）下的低饱和温度（约60°C），通过太阳能实现高效的沸腾传热，有效缓解了亚临界朗肯循环中大量潜热带来的再生困难；结合氢氧燃烧，采用了一种再生过程来分配高低品位热能，从而提高了氢的利用率。对亚大气压下水相变传热的热力学分析和数值模拟验证了所提出系统的可行性。在主蒸汽条件为0.02 MPa和1190°C的情况下，分别考虑和不考虑低品位太阳能时，热效率分别为23.51%和83.24%（不包括太阳能输入的氢燃料利用率）。鉴于约60°C的太阳能丰富且成本可忽略不计，83.24%的效率相当于氢氧燃料电池的理论极限，具有实际的工程意义。数值结果进一步表明，蒸汽品质与流速呈负相关，与太阳辐射强度呈正相关；对于11.7米的管道，平均出口蒸汽品质达到83%，证实了其工程可行性。这项工作为高效耦合氢能与低品位热能提供了一条新的技术途径。

引言

氢作为一种二次能源载体，在清洁性、可再生性和高热值方面具有显著优势[1]，[2]，为传统能源系统提供了有前景的替代方案[3]，[4]。然而，基于氢的发电面临的一个根本挑战是实际转换效率与理论极限之间存在较大差距，这限制了其大规模应用[5]。

目前，基于氢的发电主要依赖于燃料电池技术[6]，[7]。从热力学角度来看，氢氧燃料电池的理论效率可达约83%[8]；典型的变体包括质子交换膜燃料电池（PEMFCs）和固体氧化物燃料电池（SOFCs）[9]，[10]。PEMFCs相对成熟，但其实际系统效率仅为40-60%，并且受到高铂催化剂成本和CO中毒问题的限制[11]，[12]。SOFCs在较高温度（600-1200°C）下运行，可实现内部重整和联合发电，效率为50-80%；然而，如此高的温度会引起热应力，从而降低长期稳定性，耐久性仍然是一个主要挑战[13]，[14]，[15]。

这些限制制约了燃料电池的可扩展性。因此，直接将氢作为热力循环（如燃气轮机、朗肯循环或内燃机）中的燃烧燃料已成为一种可行的替代方案。研究表明，这类循环可以实现40-60%的整体效率[16]，[17]，[18]，与燃料电池相当。对于燃气轮机和联合循环系统，可以实现相对较高的热效率。Pashchenko[19]分析了一个使用绿色氢燃料的联合循环电厂，纯氢情况下获得了57.5%的低位热值（LHV）效率；Wei等人[20]评估了一个带有水回收的氢燃料联合循环，达到了55.19%的效率；Ahmad等人[21]研究了氨燃料的燃气轮机联合循环，观察到了54%的峰值效率。这些结果证实了氢在联合循环配置中的良好性能，但此类系统通常较为复杂。相比之下，氢燃料内燃机（ICEs）提供了结构更简单的替代方案。Fu等人[22]实验研究了一种1.5升涡轮增压直喷氢发动机，发现制动热效率随负荷增加而提高，达到了33.46%。Bao等人[23]测试了一种2.0升涡轮增压直喷氢发动机，在2000转/分钟时报告了42.6%的效率。?zener等人[24]在13升低压直喷氢发动机中使用了M-lens活塞，将制动热效率提高到了1000转/分钟和950牛米时的45%。总体而言，虽然氢内燃机在结构上较为简单，但其效率仍然中等。另一方面，高压热力循环展示了更大的潜力。Miao等人[25]优化了一个由氢混合合成气驱动的半封闭氧化燃烧超临界CO₂动力循环，在26-28 MPa的燃烧室入口压力下实现了56.15%的效率。Sun等人[26]提出了一种氢燃料半封闭朗肯循环，在30 MPa下实现了68.27%的峰值效率。然而，这两种方法都依赖于高压操作，与电解氢的生产压力范围存在显著不匹配，并需要能耗较高的压缩。

总之，当前的基于氢的热力发电系统通常结构复杂，实际效率中等，且与电解氢的压力兼容性较差。为了解决这些挑战，本文创新性地提出了一种将接近室温的相变热吸收与亚大气压下的分阶段高温氢氧直接燃烧相结合的概念。基于这一概念，开发了一个由氢氧燃烧和低品位热能共同驱动的半封闭朗肯循环。该循环完全在亚大气压下运行，实现了接近大气压的氢利用，缓解了与电解过程的压力不匹配问题。该循环采用直接再生方式，无需辅助的底部循环，大大简化了配置。此外，低品位热能有效地驱动了相变沸腾，实现了高转换效率，并为高效耦合氢能与低品位热能提供了新的途径。

部分摘录

构建带有氢氧直接燃烧的半封闭朗肯循环

绿色氢可以通过多种途径利用，包括甲醇合成、燃料电池发电和氢氧直接燃烧进行热能到电能的转换（图1）。大多数基于氢的热力循环都集中在布雷顿循环上，但其效率提升通常需要复杂的联合循环集成[27]。相比之下，朗肯循环具有接近等温的热量排放，因此具有更高的效率潜力；然而，

氢氧直接燃烧亚大气压朗肯循环的热力学、技术经济性和生命周期评估

基于上述系统配置和运行原理，有必要进一步从热力学角度评估循环性能。能量平衡分析揭示了系统的整体热能到电能转换能力，而熵分析反映了能源利用的质量和不可逆损失的分布。

亚大气压下相变热吸收过程的数值模拟

在之前的热力学分析中，显示在亚大气压下运行的朗肯循环可以在理论上实现氢能与低品位热源之间的高效耦合。然而，该系统的实际工程可行性关键取决于水在亚大气压条件下是否能够稳定实现相变热吸收。因此，本节对

结论

本研究提出并开发了一种高效的氢发电系统，该系统将接近室温的相变热吸收与亚大气压下的高温氢氧直接燃烧相结合。以低品位太阳能作为代表性的热源，进行了热力学模拟和关键相变过程的数值分析，以系统地验证所提出循环的可行性。主要结论如下：

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CRediT作者贡献声明

孙恩辉：可视化、研究。陈钦才：软件、方法论。丁彦宇：写作——审稿与编辑。冷振宇：写作——审稿与编辑。马文静：监督、数据管理。张林尧：项目管理。徐金良：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2023YFB4102501）、国家自然科学基金（52206010）、中央高校基本科研业务费（2024MS153）以及河北省高等教育机构科研项目（编号BJ2025002）的支持。