一种用于氨燃料船舶额外发电的新型挥发气利用方法：基于SOFC与PEMFC的集成能源系统的热经济性评估

《Fuel》：A novel boil-off gas utilization for additional power generation in ammonia-fueled ships: Thermo-economic evaluation of integrated SOFC-based and PEMFC-based energy systems

　　摘要：本研究提出将SOFC与PEMFC相结合的能源系统，旨在利用氨燃料船舶燃料箱产生的蒸发气来产生额外电力。据测算，该蒸发气的生成速率为19 kmol/h，其中8–16 kmol/h可用于这两种燃料电池能源系统。在集成式PEMFC能源系统中，氨在进入燃料电池之前会先在重整器中分解为氢气和氮气。为了适应船舶有限的空间，对重整器进行了优化设计。通过能量、耗散能和经济性分析，评估了所提出的集成燃料电池能源系统的性能。集成式SOFC能源系统的最大净电效率约为42%，整体系统效率最高可达68%。相比之下，集成式PEMFC能源系统的最大净电效率约为32%，整体系统效率约为58%，分别比集成式SOFC能源系统低24%和15%。集成式SOFC系统的耗散能效率最高为42%，而PEMFC系统的最高耗散能效率约为34%，比集成式SOFC系统低约19%。集成式SOFC能源系统的投资回收期在3.11至3.32年之间，而PEMFC能源系统的投资回收期则在4.57至6.36年之间，比SOFC能源系统长1.46–3.04年。

引言：为减少船舶的温室气体排放，国际海事组织正在加大力度制定法规，力争在2050年前实现净零排放[1]。2025年，海洋环境保护委员会在第83届和第84届会议上通过了相关中期措施[2]。从2027年起，针对总吨位5,000吨及以上且从事国际航行的船舶，将开始实施温室气体强度标准[3]。这一措施将引入全球碳定价机制，对不合规的实体征收相当于碳税的费用[4][5]。能量效率设计指数适用于新建船舶，而碳强度指标则用于现有船舶，以提升能源效率并减少碳排放[6]。

氨是一种无碳燃料，燃烧时不产生二氧化碳，被视为海运领域极具前景的下一代燃料。目前，氨燃料船舶的研发工作正在进行中，预计将于2026–2027年左右投入运营[7]。虽然氢燃料也是理想的选择，但其高昂的生产成本、较低的单位体积能量密度以及爆炸风险，给运输、储存和处理带来了诸多困难。氨可作为储存和运输氢气的介质，因其较高的能量密度以及易于储存和运输而受到关注。不过，氨也存在一些缺点：其储存容量需求大于传统燃料[8]，具有毒性，一旦泄漏可能造成污染，而且燃烧速度较慢[9][10]。

作为船舶燃料时，氨可在-33°C（1个大气压）下液化，这使其比氢气更便于运输和储存，且液化所需的能量也更少。此外，氨的储存量可高于氢气，使得运输量可增加约70%，从而有利于大规模储存和远距离运输[11]。在氨燃料船舶中，氨可用作主引擎的燃料，还可应用于基于氨的燃料电池及氨燃气轮机等多种系统中。

在PEMFC系统中，燃料电池可以直接使用来自液氢储存罐的纯氢气，或者通过甲烷或甲醇重整产生的氢气。Zuliani等人[12]对一种结合了1千瓦高温PEMFC、重整器以及以天然气为燃料的辅助设备的热电联产系统进行了能量分析。他们将高温PEMFC系统与低温PEMFC系统进行了比较，发现设计负荷下高温PEMFC系统的电效率为26%，整体效率为78%。而低温PEMFC系统的电效率为25–27%，与高温PEMFC系统几乎相当，且其辅助设备更为简单可靠。Authayanun等人[13]评估了配备不同燃料处理装置的3千瓦家用级高温PEMFC系统的效率，并将其与低温PEMFC系统进行了对比。他们研究了三种情况：配备蒸汽重整器的高温PEMFC系统、两种配备水煤气反应器的方案以及一种不配备水煤气反应器的方案，还有同时配备蒸汽重整器和水煤气反应器的低温PEMFC系统。在纯氢运行条件下，低温PEMFC系统的性能优于高温PEMFC系统。但当燃料从纯氢切换为天然气时，同时配备蒸汽重整器和水煤气反应器的高温PEMFC系统的性能则优于低温PEMFC系统。各系统的效率排序为：同时配备蒸汽重整器和水煤气反应器的高温PEMFC系统 > 低温PEMFC系统 > 仅配备蒸汽重整器的高温PEMFC系统，其中高温PEMFC系统的整体系统效率约为60%。

Nalbant等人[14]为基于高温PEMFC的集成热电联产系统建立了数学模型，研究了蒸汽与碳的比例、燃料电池工作温度以及阳极化学计量比等关键变量对系统性能的影响。当蒸汽与碳的比例从1增加到2时，电效率提升了约50%，而热电联产效率和耗散能效率分别下降了15%和30%。将燃料电池的工作温度从120°C提高到200°C时，电效率提升了37.21%，热电联产效率下降了0.35%，而耗散能效率提升了23%。将阳极的化学计量比从1.2提高到2时，电效率、热电联产效率以及耗散能效率分别下降了42.04%、33.15%和37.39%。

Marandi等人[15]提出了一种结合PEMFC与废热回收系统的混合系统。该系统采用了并联的两级有机朗肯循环，利用氢气蒸发后的气体作为散热介质，从燃料电池堆中回收废热。燃料电池的功率输出为1036千瓦，整个系统的总功率则为1353千瓦。整个系统的能量效率为58.15%，耗散能效率为36.64%。从耗散能经济性角度分析，整个系统的总成本率为154.66美元/小时，其中PEMFC部分的成本为59.33美元/小时，耗散能破坏的成本率为114.12美元/小时。

在PEMFC系统中使用氨作为燃料时，必须先将其分解为氢气和氮气，然后再送入燃料电池堆。这一分解过程通常在重整器中进行，通过使用各种催化剂来提高氨的转化率和反应效率。在相同的金属负载下以及不同温度下具有相同氨转化率的情况下，活性较高的金属依次为钌、铱和镍[16][17]。钌催化剂的转化率和氢气生成率明显高于铱和镍催化剂[18]。不过，镍催化剂与铱催化剂在转化率和氢气生成率方面差异较小。此外，镍催化剂价格相对较低，因此成为人们作为经济型替代材料的重点研究对象[19][20]。

Pashapour等人[21]提出了一种结合氨燃料SOFC与逆向燃气轮机的混合系统，旨在解决传统SOFC-GT系统存在的缺陷。他们使用了三种SOFC燃料进行了热力学分析：氢气、纯氨以及氨/氮混合物。他们比较了三种方案下的系统效率。要产生207千瓦的输入能量，氢气所需的质量流量为6.21千克/小时，而由于低热值的不同，氨所需的质量流量则为40.05千克/小时。在相同的输入能量条件下，氨重整所能产生的氢气量比纯氢多14.5%。氨重整属于吸热反应，该反应所需的能量可从废气中获取，或者由SOFC电化学反应过程中释放的放热来提供。此外，并联的涡轮结构使得压缩机和发电机能够独立运转，从而使涡轮效率提升了约11.3%。传统单独使用SOFC系统时，氢气的效率约为49%，氨气的效率约为58%；而在所提出的三种方案中，混合系统的效率达到了68.45%，相比传统系统提升了约15.3–28.4%。Shi等人[22]提出了一种基于液氨的SOFC-PEMFC混合系统的冷热电三联供系统，分析了利用氨的冷能的潜力，并提出了无需重整器的系统设计方案。氨蒸发过程中产生的冷能约占其低热值的6.76%，该冷热电三联供系统的最大输出功率为1044千瓦，效率高达96.04%。Rabet等人[23]提出了一种基于现有SOFC的生物质多联产系统，旨在解决辐射热未得到充分利用以及缺乏二氧化碳捕集的问题。该系统的一个显著特点是，可通过热光伏装置回收SOFC产生的辐射废热。此外，该系统还通过钒氯热化学循环产生氢气，同时还提出了一种集成设计方案，即利用LNG的冷能将SOFC产生的二氧化碳液化并加以捕获。在优化设计下，整个系统的净功率输出约为2,798千瓦，最大耗散能效率为35.44%，氢气生成率为0.01285千克/秒，同时二氧化碳的排放量从约0.6562千克/千瓦时降至0.63千克/千瓦时。热光伏装置通过利用SOFC的585.3千瓦辐射热损失来产生116千瓦的电能，从而提升了系统的效率和经济性。Laleh等人[24]提出了一种新型混合系统，该系统结合了光热转换技术、质子交换膜电解槽、气化技术、固体氧化物燃料电池以及朗肯循环，仅以生物质衍生的合成气作为燃料，旨在应对环境问题并减少碳排放。该系统通过预热空气和水实现太阳能辅助的气化，从而提升了合成气的质量。通过质子交换膜电解槽可生产出环保型的氢气和氧气，而供给固体氧化物燃料电池的氧气则有助于提升其电化学性能。所提出的集成系统实现了55.03%的能量效率以及50.64%的耗散能效率，通过多目标优化，其最大能量效率可达74.88%。这些结果充分展现了高效、低排放的多能源生产系统的巨大潜力，有助于降低对化石燃料的依赖。

最近的研究集中在以甲烷作为SOFC燃料的能源系统上。Abdolhosseinnejad等人[25]提出了一种利用高温废气能量的新型SOFC驱动的供电和制冷系统。该研究提出了一种方法，通过将SOFC产生的高温废气（温度超过1400开尔文）与底部发电循环相结合，从而提升能量回收率和系统运行效率。通过将基于甲烷燃料的SOFC与有机闪蒸循环以及喷射式制冷系统相结合，可以利用高温废气通过热电发电机和蒸汽轮机产生额外的电力。对这种SOFC混合系统进行的熱力学、耗散能和经济性分析表明，其热效率可达83.1%，耗散能效率提升至44.9%，二氧化碳排放率则降低了11.4%。通过经济性分析优化后，该系统的平准化成本降低了15%以上，净现值提升了39.5%，系统投资回收期也从7.48年缩短至6.39年。Xia等人[26]提出了一种结合了交叉流式SOFC子系统、有机朗肯循环子系统以及供热子系统的热电联产系统，并对该SOFC-热电联产系统的设计和运行优化进行了研究。该系统通过能量级联利用SOFC产生的废热，旨在最大限度地减少耗散能的流失。研究发现，SOFC的耗散能损失是最大的不可逆损失，其数值为24.25千瓦；该系统的总成本率为4.58美元/小时，其整个生命周期内每单位能量输出的碳排放量为0.242千克二氧化碳/千瓦时。由于运行条件的变化，如内部重整速率和进气温度的变化，会导致SOFC的温度分布不均匀，进而使系统稳定性出现较大波动。Dai等人[27]提出了一种用于海洋应用的基于SOFC的三联产系统，并从能量、耗散能、耗散能经济性、耗散能环境性、应急经济性以及应急环境性六个方面对该系统进行了全面分析。这种基于SOFC的海洋三联产系统（可同时产生电力、冷却效果和供热效果）能够回收SOFC产生的高温废气中的废热，其净输出功率为281.68千瓦，制冷能力为40.21千瓦，供热能力为6.02千瓦。该系统的电效率为70.23%，耗散能效率为67.14%，整体能量效率为81.76%。所提出的系统经过优化后，其能量效率提升了2.27个百分点，达到了68.58%，而总成本率则下降了7.24%。尽管已有大量关于现有SOFC-GT型能源系统的研究报道，但直接将其与PEMFC-GT型系统进行比较的研究却很少。SOFC具有连续运行等优点[28]，还能使用天然气或生物气等现有燃料[29]、[30]，但也存在启动时间较长[31]、[32]、在高温下易受热冲击[33]、[34]以及系统结构复杂[35]等缺点。PEMFC则适合快速启动以及应对频繁的负荷变化[36]、[37]、[38]，但需要昂贵的铂催化剂[39]、[40]、[41]，并且需要纯氢气[42]、[43]。鉴于SOFC和PEMFC各自的优缺点，在安装环境中选择合适的燃料电池系统至关重要。此外，PEMFC还可分为低温型PEMFC和高温型PEMFC。低温型PEMFC需要高纯度的氢气，并且需要对水分进行严格管理。由于氧还原反应速度较慢，阴极处会产生过电压，从而导致电池电压下降；同时，铂对一氧化碳的亲和力也会使电池性能下降。相比之下，高温型PEMFC无需考虑水分问题，简化了水分管理流程，能够容忍燃料中的杂质，而且结构更为简单，有助于降低成本[44]。因此，在本研究中，集成式PEMFC能源系统中采用了高温型PEMFC而非低温型PEMFC。

本研究提出了基于SOFC和PEMFC的集成能源系统，作为一种有效方式，利用氨燃料船舶的燃料箱产生的蒸发气来产生额外电力。这些电力可用于为船舶上的各种设备供电，从而提升船舶的整体能源效率。此外，还将对这两种集成系统进行全面的评估，包括能源分析、能量分析以及经济性分析，以便确定最优的集成系统方案。此前关于氨元素利用的研究大多集中在主燃料发电、陆基系统或单一燃料电池配置方面。虽然氨燃料船舶尚未实现商业化，但预计未来会作为一种有望实现船舶减碳的解决方案被广泛应用。值得注意的是，目前缺乏直接比较基于SOFC的系统与基于高温PEMFC的系统在利用氨蒸发气方面的热经济可行性的研究。因此，本研究的独特之处在于提出了在未来的氨燃料船舶中综合利用氨蒸发气的策略，并对SOFC系统与高温PEMFC系统的热经济性能进行了深入的比较分析。通过这些研究，为下一代氨燃料船舶的优化能源系统设计提供了重要的指导依据。

在基于SOFC的集成能源系统中，氨的气化反应在燃料电池内部完成，无需额外的气化装置。而基于PEMFC的集成能源系统由于燃料电池的工作温度较低，因此在氨进入燃料电池之前需要进行气化处理。具体而言，氨必须先分解为氢气和氮气，才能送入燃料电池。因此，在基于PEMFC的集成系统中，气化装置的设计尤为重要。本研究对气化装置的设计进行了优化，以便在船舶有限的空间内安装集成燃料电池系统。

**系统建模与描述**
本研究提出了利用氨燃料船舶产生的蒸发气 的集成燃料电池能源系统，该系统由两种类型的燃料电池构成：SOFC和PEMFC。表1列出了氨燃料船舶的发动机规格及燃料箱尺寸。船舶上的主发动机、辅助机械以及锅炉每天大约消耗374吨氨。而燃料箱产生的蒸发气量则为每天约7.84吨，大约是前者总量的四十八分之一。

**结果与讨论**
图6展示了在1–9巴的压力范围内，氨的转化率随温度的变化情况。随着压力升高，温度下降，氨的转化率也会降低。在1巴的压力下，523开尔文时的转化率约为89%，而在9巴的压力下则降至约55%。在所有压力条件下，氨的转化率都会随温度升高而上升，当温度超过873开尔文时，转化率几乎可达到100%。图7则显示了在本研究中设计的不同长度的气化装置对氨转化率的影响。

**结论**
对氨燃料船舶燃料箱产生的蒸发气进行处理，能够提升船舶整体能源系统的效率。本研究提出了基于SOFC和PEMFC的集成能源系统，作为利用蒸发气的有效方法；这些系统产生的额外电力可用于驱动船舶上的各类设备，从而显著提升船舶的整体能源效率。

**作者贡献说明**
Tae-Woo Lim：撰写原始稿件、验证、方法论、数据整理、概念构建。Da-Hye Hwang：验证、方法论、研究实施。Jinwon Jung：验证、方法论、研究实施。Yong-Seok Choi：审稿与编辑、监督、资源协调、数据整理。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了韩国海洋水产部资助的韩国海洋科学技术振兴院（KIMST）的支持，项目编号为RS-2023-00256331。

Tae-Woo Lim|Da-Hye Hwang|Jinwon Jung|Yong-Seok Choi
韩国海洋大学海洋系统工程系，韩国