生物质驱动的高温质子交换膜燃料电池与三相有机朗肯循环及喷雾闪蒸海水淡化技术的集成：局部敏感性分析与生命周期评估

《Energy》：Integration of biomass-driven high-temperature proton exchange membrane fuel cell with trilateral organic Rankine cycle and spray flash desalination: local sensitivity analysis and life cycle assessment

　　摘要：本文提出了一种新型的生物质基多联产系统，该系统将生物质气化与高温质子交换膜燃料电池、三重有机朗肯循环以及多级喷射闪蒸脱盐系统相结合，以实现电力和淡水的同步生产。研究采用了涵盖能源、?、经济和环境方面的综合评估框架，对整个系统的性能进行了评价，并优化了三重有机朗肯循环的工作流体。通过局部敏感性分析来量化关键参数的影响，同时运用多目标优化方法来确定最理想的系统运行条件。研究结果表明，提高燃料电池的电流密度可显著提升发电量和经济性，净现值可提高16.6倍，最高可达12500 A/m2。由于综合性能优异，甲苯被认定为三重有机朗肯循环的最合适工作流体。局部敏感性分析显示，气化温度和电流密度是决定系统整体性能的核心参数，而电效率和净现值则对水煤气变换反应器温度的变化最为敏感。生命周期评估结果表明，该系统的环境影响主要集中在运行阶段。

引言：全球范围内大量的工业排放导致了环境污染、气候变化以及健康危害，使得人类在享受发展成果的同时不得不面对严峻的后果。在此背景下，先进清洁能源技术的应用日益被视为实现可持续发展的关键途径[1]。在各种可再生能源中，氢气被视为最理想的清洁燃料，也是化石燃料的最佳替代品[2]。氢气具有高能量密度、在宇宙中储量丰富以及使用过程中不会产生温室气体排放等优点[3]。氢气可用于燃料电池发电，其中质子交换膜燃料电池被认为是最具成熟度和前景的氢能利用技术。与固体氧化物燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池相比，质子交换膜燃料电池具有操作温度低、启动速度快、功率密度高以及系统结构紧凑等优势[4]。此外，与碱性燃料电池不同，高温质子交换膜燃料电池对二氧化碳的耐受性更强，无需严格的二氧化碳去除措施即可直接使用空气作为氧化剂，从而简化了系统操作[5]。因此，质子交换膜燃料电池成为解决能源存储、运输以及负荷调节问题的关键技术[6]。另外，备受关注的高温质子交换膜燃料电池通常在120-200°C的温度下运行[7]。与低温质子交换膜燃料电池相比，高温质子交换膜燃料电池对一氧化碳的耐受性更强。此外，它在系统集成以及与高温氢气生产过程的热耦合方面也具有更大优势[8]。

在实际应用中，由于不可逆的阴极反应和极化效应等因素，高温质子交换膜燃料电池会产生大量低品位能量，这些能量以废热的形式散失，导致燃料电池效率大幅下降。长期运行还会因局部热量积聚而影响电池的结构稳定性，缩短设备的使用寿命[9]。因此，回收利用高温质子交换膜燃料电池产生的废热已成为提高电池效率并延长其使用寿命的关键方向[10]。在各种生物质基多联产系统的动力装置中，外燃式燃气轮机因其独特的燃料灵活性和运行可靠性而展现出极大的应用潜力[11]。与传统在涡轮膨胀机内部直接燃烧燃料的燃气轮机不同，外燃式燃气轮机采用间接加热方式，燃料在外部燃烧器中燃烧，产生的热量通过高温换热器传递给工作流体后再进入涡轮[12]。这种设计将燃烧产物与涡轮工作流体隔开，使得可以使用更广泛的熱源和燃料，包括生物质、煤炭、聚光太阳能以及工业废热，同时还能减少涡轮的污染、侵蚀和腐蚀，进而提高系统的可靠性和运行灵活性[13]。因此，外燃式燃气轮机在生物质应用领域具有两大优势：首先，它将涡轮与燃烧产物分开，避免了涡轮叶片直接接触生物质合成气中的腐蚀性物质，从而显著提升了系统的耐用性并减少了维护需求；其次，外燃式燃气轮机能够处理低热值的燃料，如生物质气化产生的发生气，因此特别适合用于分散式的生物能源系统[14]。近年来，越来越多的研究致力于将外燃式燃气轮机整合到生物质基多联产系统中。Bollas等人[15]对以生物质为燃料的外燃式微型涡轮机进行了多目标优化，该系统实现了20.3%的电效率，并明确了回热器材料选择与系统总成本之间的权衡关系。Ren等人[14]提出了一种将外燃式燃气轮机与有机朗肯循环及吸收式制冷相结合的热电联产系统，通过参数分析和优化，证明了该系统在热力学性能和?经济性方面的优势。Zaman和Ghosh[16]研究了一种结合外燃式燃气轮机、熔融碳酸盐燃料电池以及燃烧后二氧化碳捕集的生物质基负碳排放系统，该系统的运行结果表明，在保持合理效率的同时具备实现负排放的潜力。

有机朗肯循环是一种有效的利用废热和可再生能源的技术，其在铸造厂、水泥厂以及冶炼炉等工业领域的应用已得到广泛研究[17]。此外，由于其具备很强的适应能力和对不同运行条件的灵活性，有机朗肯循环尤其适用于存在较大温度波动和强间歇性的工业废热场景[18]。现代有机朗肯循环系统通常采用环保型的有机工作流体[19]，这种做法不仅符合绿色发展理念，还能带来经济效益[20]。Yu等人[21]对与抛物面槽式太阳能集热器耦合的有机朗肯循环系统的设计和运行进行了优化，以甲苯作为工作流体时，系统的效率从17.9%提升到了24.8%。Sun等人[22]通过能源、?和经济性分析，评估了一种基于线性菲涅尔反射镜与有机朗肯循环相结合的混合系统，研究结果表明，该系统的平准化能源成本为0.0446欧元/千瓦时，简单投资回收期为7.74年。值得注意的是，在有机朗肯循环系统中，蒸发器中的大量?损失是导致整体热效率较低的原因之一[23]。正因如此，三重循环的优势逐渐显现出来。它的流程与有机朗肯循环类似，同样由蒸发器、膨胀阀、冷凝器和液压泵这四个热力部件组成，不同之处在于在三重循环中，工作流体是以液态形式进入膨胀机的，这一特性有助于实现从热载体到工作流体的更高效热传递，因此该循环具有更高的传热效率以及更低的压缩功，进而提升了整体性能。Raksa-in等人[24]比较了五种用于中低温废热回收的热力循环，发现三重循环具有最高的功率输出和最低的平准化电能成本，这些优势使其特别适合用于需要高效废热回收的多联产系统。为了确保太阳能场与热能储存装置直接耦合，同时保持有机流体处于液态，Romei等人[25]基于有机朗肯循环开发了三重有机朗肯循环系统，他们还设计了一种新型的径向进流涡轮机，用于处理两相膨胀过程，该涡轮机的最大效率可达85%。Khouya[26]研究了一种专为高蒸发温度下的有机工作流体的三重循环应用的聚光光热系统，研究结果表明，该系统的总效率可达29–38.55%，此外他还指出环己烷、正辛烷、甲苯和苯均可作为三重循环的有机工作流体。

同样，由于海水淡化需要消耗大量能源，因此将新型脱盐技术与可再生能源或废热相结合变得极为重要[27]。喷射闪蒸脱盐技术作为一种极具前景的脱盐工艺，具有维护方便、操作简单、成本低廉、产水率高且效率高等优点[28]、[29]。喷射闪蒸技术的主要驱动力量在于瞬间的压力降，其工作流体的目标温度与系统压力密切相关，因此通常可在80°C以下运行。由于该技术具有出色的蒸发效率，即使在低温条件下也能实现极快的蒸发速度，因此能够高效地与100°C以下的 External热源相结合，从而有效利用低品位废热[30]。Guo等人[31]提出了一种带有内部热回收的单级喷射闪蒸脱盐系统的集成模型，该系统的热回收率可达33%-40%，虽略低于理论值，但未来发展为多级系统具有很大的潜力。Cai等人[32]研究了运行间歇性以及系统集成对基于喷射闪蒸脱盐技术的废热回收的影响，他们的研究强调了热储存设计、运行温度以及流动条件在提升淡水产量和热回收效率方面的重要性。

氢气是质子交换膜燃料电池的理想燃料，因此，从可再生原料中高效生产氢气以减少温室气体排放已成为一项亟需研究的课题[33]。与主流的氢气生产方法相比，生物质制氢路线被认为是一种高效、节能且环境友好的替代方案[34]。生物质气化是一种有效的热化学转化路径，可通过高温气化将生物质转化为主要以氢气和一氧化碳组成的合成气。与其他氢气生产技术相比，气化工艺通常能获得更高的合成气产量以及更好的转化效率。此外，合成气中的一氧化碳还可以通过水煤气变换等反应进一步转化为高纯度的氢气，这为大规模氢气生产提供了可能[35]。已有不少研究探讨了将生物质气化与能源转换系统相结合的方法。Brito等人[36]研究了生物质衍生合成气的蒸汽重整过程，他们在优化条件下获得了高达52.7%的氢气纯度。Wang等人[37]提出了一种新型的城市固体废物基多联产系统，该系统将气化技术与发电、供热、制冷以及氢气生产相结合，经过优化后，该系统的?效率达到了39.59%，产品成本为16.01美元/吉焦。Xin等人[38]提出了一种太阳能-生物质混合气化系统，旨在解决传统生物质气化在效率及规模方面的局限性，该系统实现了65.01%的总能源转换效率，燃料生产成本为每吨354.1美元。

生命周期评估是一种广泛采用的评估方法，用于定量分析产品及其在整个生命周期内的环境影响，这一周期涵盖了从原材料提取到最终处理的全过程[39]。Kallis等人[40]研究了一种利用有机朗肯循环从船舶辅助发动机的夹套冷却水中回收废热以用于发电的系统，生命周期评估结果表明该系统具有明显的环境效益，而且通过扩大有机朗肯循环系统的规模，这些效益还可以进一步提升。此外，研究还表明工作流体的选择起着至关重要的作用，那些全球变暖潜能值较低的替代流体相比传统制冷剂能够大幅降低环境影响。Yang等人[41]采用生命周期评估方法分析了使用Al2O3/R141b纳米制冷剂的有机朗肯循环系统，研究结果显示，添加0.2%的Al2O3纳米颗粒可使ECER-135指数降低1.5%，与燃煤发电相比，所研究系统的环境影响仅为0.67%。Hou等人[42]运用生命周期评估方法对比了热集成式冷热电三联供系统与非集成式系统，结果表明热集成式系统在环境性能方面更具优势，分析还指出，与毒性相关的影响因素主要源于系统中含硫残留物。

目前关于集成能源系统的研究大多集中在提升单一输出形式的效率，比如发电效率，或者仅采用简单的二元耦合方案。然而，这类方法并未充分挖掘出协同生产多种能源载体——包括氢气、电力和淡水——的巨大潜力。尤其是将生物质等可再生碳源与高效的脱盐技术相结合的研究还远远不够深入。此外，许多现有研究依赖于在固定运行条件下的模拟，采用的评估指标较为有限，缺乏系统的不确定性分析，也很少对集成系统在整个生命周期内的实际环境足迹进行评估。因此，对于所得结论的可靠性、稳健性及可持续性往往缺乏充分的支持。为应对上述挑战，本研究的主要创新点总结如下：(1)本研究提出了一种新型且高度集成的生物质多联产系统，该系统将生物质气化与高温质子交换膜燃料电池、增强型火焰管式气体发生器、透平氧化反应器以及多级喷射闪蒸脱盐子系统相结合。通过全面的热集成和级联能源利用，生物质可转化为高价值的氢气、电能和淡水。高温质子交换膜燃料电池产生的废热依次通过透平氧化反应器回收用于发电，而剩余的反应气体则被送入燃烧室。燃烧排放的最终低品位废热则用于驱动多级喷射闪蒸脱盐过程，从而实现能源的全面利用。与独立的增强型火焰管式气体发生器系统不同，所提出的系统整合了这种气体发生器，能够从合成气及烟气中同时回收热量，因此其排气还可进一步用于发电和淡水生产。(2)本研究引入了局部敏感性分析方法，以系统地识别影响系统性能的关键设计参数和操作变量。该方法揭示了集成系统内的敏感性特征及参数相互作用，为有针对性的优化提供了定量指导。此外，为解决热力学效率、经济性能与环境影响之间的固有权衡问题，本研究采用了基于遗传算法的多目标优化策略，并进一步运用理想解相似度排序法来确定全局最优的操作条件。(3)本研究采用生命周期评估方法，全面量化了从原材料提取到设备报废整个系统生命周期中的资源消耗与环境排放情况。在此基础上，从全生命周期的角度对所提出系统的环境可持续性进行了评估。

系统结构
图1展示了所提出的多联产系统的示意图，该系统可协同产生氢气、电能和淡水。系统整合了生物质气化、高温质子交换膜燃料电池以及增强型火焰管式气体发生器，用于生成氢气和电能；同时还配备了透平氧化反应器和多级喷射闪蒸脱盐子系统，以实现全面的废热回收和级联能源利用。

物料与反应
空气与生物质燃料按预定比例混合后送入气化炉，在其中发生高温气化反应。

建模
本部分介绍了所提出的混合系统的关键子模型，随后建立了能量、?、经济性及环境性4E分析模型。最后，给出了基于NSGA-II和TOPSIS方法的详细优化流程以及生命周期评估方法，图2展示了整个流程的流程图。

验证
为确保所建立的集成系统模型的可信度，本研究将其核心模型与现有文献及实验数据进行了对比验证，结果如图5所示。为验证生物质气化模型的准确性，图5(a)展示了该模型预测的合成气成分分布。在相同的操作条件下（含水率为20%，气化温度为1023.15开尔文），模型输出结果与实验数据进行了比较。

结果与讨论
通过参数分析确定了关键控制参数，并通过局部敏感性分析量化了不同变量对系统性能的影响，进而通过多目标优化确定了最佳操作条件。随后运用生命周期评估方法识别了主要的环境影响，同时还考虑了燃料电池的退化情况，并提出了相应的更换策略。

结论
本研究提出了一种新型且高度集成的混合多联产系统，该系统将生物质气化用于氢气生产与高温质子交换膜燃料电池、透平氧化反应器及多级喷射闪蒸脱盐装置相结合。为全面评估系统性能，本研究建立了涵盖能量、?、经济性及环境性分析的统一4E评估框架。此外，还通过局部敏感性分析、多目标优化及生命周期评估等方法对所提出的系统进行了全面评估。

作者贡献说明
高瑞航：模型验证、形式化分析；蔡贝楠：初稿撰写、资金筹集、数据整理；朱鹏飞：可视化处理、形式化分析；赵宇琪：概念设计；蔡伟华：项目监督、方法设计；车勋建：资源协调、概念设计；郭在民：初稿撰写、软件应用。

利益冲突声明
? 作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了吉林省科学技术发展计划项目（项目编号20230101342JC）以及国家自然科学基金（项目编号52206194）的支持。

郭在民|蔡贝楠|高瑞航|赵宇琪|朱鹏飞|车勋建|蔡伟华
中国吉林省吉林市132012，东北电力大学能源与动力工程学院热流体力学与核工程实验室