一种由现场氨分解驱动的混合式PEMFC-ICE系统：考虑废热回收的技术经济与环境优化

《Fuel》：A hybrid PEMFC-ICE system powered by on-site ammonia decomposition: techno-economic and environmental optimization considering waste heat recovery

　　徐江海|袁硕|詹子章|陈毅宇|刘圆丽|黄泰明|万忠民|王晓东|湖南科技大学机械工程学院，岳阳414006，中国

摘要

本研究描述了一种混合动力发电系统，该系统结合了质子交换膜燃料电池（PEMFC）和内燃机（ICE），利用氨分解技术，并对系统进行了全面评估，包括热力学、经济可行性和环境影响。分解温度、PEMFC电流密度、温度以及氢气/氧气压力等重要因素对系统的能源效率、平准化成本（LCOE）和温室气体排放（GHG）有显著影响。通过采用非支配排序遗传算法II（NSGA-II）和遗传算法（GA），获得了帕累托解和最优运行参数集。研究结果表明，保持适当的温度和高氢气/氧气压力可以提高能源效率，降低LCOE并减少GHG排放。NSGA-II优化后的效率为54.50%，比GA优化的52.28%高出2.22%，比未优化系统的48.46%高出6.04%。NSGA-II优化后的LCOE为0.0523美元/kWh，而GA优化后的LCOE为0.0572美元/kWh，未优化系统的LCOE为0.0650美元/kWh。NSGA-II优化后的GHG排放减少了7.22×10^7克，比参考值高出25.48%。这些发现表明，优化方法显著提高了系统的整体效能。

引言

在能源框架不断变化的背景下，氢能正成为实现可持续能源未来的关键因素，具有巨大的增长潜力。氢能的发展已经从最初的工业化阶段发展到广泛应用阶段，包括氢的生产、储存和使用等不同过程。随着氢能在能源结构中的比例不断增加，人们越来越关注将其整合到能源转换技术中。使用质子交换膜（PEMFC）的燃料电池和燃烧氢气的发动机（ICE）已成为利用氢能的重要技术。

PEMFC作为氢能应用的关键技术，在汽车[1]、航空航天[2]、便携式电源[3]、分布式发电[4]和重型设备[5]等领域得到了广泛应用。例如，丰田第二代Mirai燃料电池堆的功率密度为5.4 kW/kg，代表了当前民用车辆燃料电池技术的领先水平[6]。以燃料电池为中心的分布式发电系统在远离集中式电站的地区具有显著优势，可以减少传输损耗并实现高功率效率。陈等人[7]、[8]将PEMFC与三联产（CCHP）系统集成，显著提高了系统的能源效率。还有研究将PEMFC与太阳能结合，分析了运行参数对系统功能的影响，结果显示系统性能峰值达到了82%。赵等人[9]开发了基于PEMFC的CCHP系统和除湿控制，研究了关键参数对系统性能的影响，并进行了多目标优化，使能源效率提高了5.5%，熵效率提高了0.77%。张等人[10]提出了基于PEMFC和太阳能的住宅CCHP系统，考虑了运行温度、太阳辐射、环境温度和电流密度的影响。研究结果表明，随着电流密度的增加，CCHP系统的效率也提高了，一年中最热的月份达到了75.4%，最冷的月份达到了85.0%。

另一方面，ICE也为高效利用氢能提供了有效途径[11]、[12]。丰田于2021年推出的氢内燃机旨在推进其商业化进程[13]。此外，钱等人[14]和季等人[15]专注于低压缩比氢基ICE的研究，钱等人[16]还研究了高压缩比氢-柴油混合物的压缩点火。李等人[17]使用车载乙醇/蒸汽反应器产生的富氢燃料在火花点火发动机中进行了初步测试。Boretti[18]采用乙烷和直接喷射点火来提高发动机效率并减少排放。杨等人[19]采用了一种结合博弈论和粒子群优化算法的原创方法，提高了基于氢的ICE的运行效率。结果显示，优化后的氢基ICE的功率性能提高了3.6%，经济效率提高了5.7%。

这两种氢能利用技术之间的效率存在显著差异[20]。燃料电池在低负载下效率较高，但随着负载的增加效率逐渐下降。相比之下，使用氢的ICE在高负载条件下具有高功率密度和效率，但在低负载下效率较低。因此，将内燃机与燃料电池结合使用可以产生显著的优势。该系统可以将燃料电池在低负载下的高效率与ICE在高负载下的优势结合起来，从而在整个负载范围内实现更高效的能源转换。在该系统中，PEMFC作为低能量需求时的主要电源，而ICE在负载增加到高水平时提供额外的能量输出。系统可以根据负载需求动态调整能量输出，以优化整体能源转换效率。因此，PEMFC-ICE混合动力发电系统结合了两种技术的优势，使其成为一种非常有前景的氢能利用技术。然而，与氢储存、运输和安全相关的一些关键问题在短期内难以解决。目前，许多研究人员正在探索通过醇类或汽油重整来生产氢[21]、[22]。赵等人[23]提出了一种基于甲醇重整的CCHP系统用于氢生产和除湿。侯等人[24]开发了一种新型燃料电池电化学发电系统，该系统结合了甲醇蒸汽重整用于氢生产，并与PEMFC集成。在正常运行条件下，该系统的热效率为81.71%，PEMFC的发电效率为44.17%，整个系统的效率为31.53%。然而，由于甲烷和醇类都含有碳，在重整过程中不可避免地会产生含碳污染物。相比之下，氨作为氢载体燃料具有显著优势，包括易于储存和运输以及零碳排放[25]、[26]。因此，使用氨作为主要燃料在现场为PEMFC生产氢，并将氢/氨混合物用于ICE，为开发混合动力发电系统提供了一条可行的技术路径。

为了进一步明确本研究的工作差距和新颖性，表1比较了与PEMFC系统、氢燃料ICE、氨分解和混合动力发电系统相关的代表性研究。如表所示，大多数现有研究分别关注基于PEMFC的CCHP系统、ICE优化、重整辅助氢生产或氨分解。相比之下，本研究在一个统一的框架内整合了现场氨分解、PEMFC发电、ICE发电、废热回收和多目标优化。

基于上述研究差距，本研究开发了一种由现场氨分解驱动的混合PEMFC-ICE发电系统。需要指出的是，我们之前的工作[27]提出了一种基于氨分解的PEMFC-ICE混合动力发电系统，并进行了全面的热力学、经济和环境评估。那项研究主要通过参数分析和敏感性分析验证了初步系统配置的可行性，包括氨分解温度、分离比、PEMFC/ICE功率比、氨价格、氢价格和服务寿命的影响。还应澄清的是，氨分解、PEMFC-ICE混合化和多目标优化算法的各个要素已在之前的研究中进行了研究。因此，这项工作的新颖性不在于提出氨分解、PEMFC-ICE耦合或GA/NSGA-II/TOPSIS作为独立技术。相反，这项工作的主要贡献在于在一个统一的技术-经济-环境框架内，将现场氨分解、PEMFC发电、ICE发电、废热回收和多目标运行参数优化进行了集成。

与之前的工作[27]相比，本研究进一步将这一概念发展为操作优化和实际应用。具体来说，当前的手稿重点优化关键运行参数，包括氨分解温度、PEMFC电流密度、PEMFC运行温度、氢压力和氧气压力。建立了一个基于GA、NSGA-II[28]和TOPSIS的多目标优化框架，以同时提高能源效率、降低LCOE并增强GHG减排。此外，还考虑了来自PEMFC和ICE的废热回收，以加强混合系统的内部能量耦合，并支持氨的预热和分解。

参数分析和多目标优化用于确定所提出混合系统的决策变量、优化目标和最佳运行条件。优化的目标是提高系统效率、降低LCOE并增强GHG减排，同时保持安全和稳定的运行。主要贡献包括：

1) 本研究开发了一种基于氨分解的集成PEMFC-ICE混合动力发电系统。在这种配置中，氨被用作现场氢生产的载体。高纯度的氢被供应给PEMFC进行电化学发电，而剩余的NH3/H2/N2混合物则用于ICE进行额外的发电。从PEMFC和ICE回收的废热用于支持氨的预热和分解，从而加强了混合系统的内部能量耦合。

2) 建立了一个系统级的技术-经济-环境评估框架，以分析关键运行参数对能源效率、LCOE和GHG减排的耦合效应。该框架有助于明确氨分解、PEMFC运行、ICE发电和废热回收如何共同影响混合系统的热力学、经济和环境性能。

3) 应用基于GA、NSGA-II和TOPSIS的多目标优化策略来确定所提出混合系统的最佳运行窗口。选择了五个关键运行变量作为决策变量，包括氨分解温度、PEMFC电流密度、PEMFC运行温度、氢压力和氧气压力。优化目标是最大化能源效率、最小化LCOE并最大化GHG减排。使用GA和NSGA-II获得帕累托最优解，使用TOPSIS选择最终折中方案。

本文的其余部分组织如下。第2节描述了系统配置、工作原理和基于氨分解的PEMFC-ICE混合动力发电系统的状态转换配置。第3节介绍了氨分解、PEMFC和ICE子系统的数学模型，以及热力学、经济和环境评估方法。第4节介绍了多目标优化框架，包括决策变量、优化目标、算法设置和决策过程。第5节讨论了仿真结果、模型验证、参数分析、优化性能以及与已发表系统的比较。最后，第6节总结了本研究的主要结论。

系统配置和工作原理

图1显示，这种基于氨分解的混合动力发电系统包括三个主要子系统：氨分解单元、PEMFC和ICE。系统的操作工作流程可以总结如下：

氨分解：液氨在热交换器中加热成为氨气，然后在重整系统中分解为氢气和氮气。生成的氢气、氮气和未反应的氨气随后...

氨分解和纯化

在氢生产技术中，通常使用天然气或醇类重整等传统方法，但由于它们含有碳，因此会产生二氧化碳和其他污染物。因此，本文提出使用氨作为氢生产的原料。氨分解用于氢生产具有显著优势，因为氨不含碳，因此整个过程是无污染的。氨分解系统主要包括两个...

决策变量和优化目标

在混合动力发电系统中，氨分解温度直接影响分解速率，从而影响对PEMFC和ICE子系统的燃料供应。此外，PEMFC的运行参数强烈影响电化学性能和整体系统效率。因此，选择了五个关键运行参数作为决策变量，包括氨分解温度、PEMFC电流密度、PEMFC运行温度...

模型验证

在本节中，通过将MATLAB仿真结果与实验数据进行比较来验证混合动力发电模型。图5展示了混合动力发电系统的模型验证结果。图5(a)显示了PEMFC的电流密度-电压（功率）曲线。在低电流区域，实验数据与模拟数据非常相似。然而，随着电流的增加，实验数据与模拟数据之间的差异逐渐增大。

结论
本研究介绍了一种利用氨分解产生氢气的混合发电系统，并对该系统进行了全面的评估和多目标优化。评估标准包括能源效率、平准化成本（LCOE）以及温室气体减排量。采用NSGA-II和GA优化算法得出了三维帕累托前沿。主要结论如下：
(1) 适当的分解温度可以提高系统效率，降低平准化成本（LCOE），并减少碳排放（CRedIT）。

作者贡献声明
徐江海：撰写——原始草稿，验证，软件，资源，方法论。
袁硕：验证，软件，数据管理。
詹子章：验证，软件，方法论。
陈一宇：验证，监督，软件。
刘元丽：验证，软件。
黄泰明：验证，软件。
万忠民：撰写——审阅与编辑，验证，资金筹集。
王晓东：撰写——审阅与编辑，资金筹集。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2022YFB4003704）、湖南省教育厅科研项目（项目编号25B0592）、国家自然科学基金重大项目（项目编号52090062）、国家自然科学基金（项目编号51976055）以及湖南省科技创新计划（项目编号2020RC4040、2021GK2017）的支持。