AHICE-PEMFC动力系统中氨氢发动机的高压阴极排气辅助进气加湿技术：统一机理与边际效率与NOx排放的权衡

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Cathode-exhaust-assisted intake humidification for ammonia–hydrogen engines in AHICE–PEMFC powertrains: Unified mechanisms and marginal efficiency–NOx trade-offs

　　摘要：氨因其较高的氢密度以及完善的储存和运输基础设施，被视为一种极具潜力的无碳燃料。在氨-氢内燃机-质子交换膜燃料电池混合动力系统中，液氨既作为燃料又充当氢气载体，使得发动机与燃料电池之间能够实现协同的能量转换，从而提升能源效率。然而，氨燃烧产生的氮氧化物排放仍是其实际应用面临的主要障碍。进气加湿是一种潜在的缸内减排策略，但目前针对不同加湿方式及其最佳工作范围的系统比较仍较为有限。本研究探讨了在两种进气加湿策略——新鲜空气注水与燃料电池阴极废气混合——下的氨-氢发动机排放与效率特性。研究人员建立了多物理场仿真模型，用于分析不同进气湿度条件下缸内温度场及高温反应区的变化情况。研究评估了基于阴极废气的加湿方法的可行性，并提出了一种基于边际减排率的方法来比较两种策略的最佳工作区域。研究结果表明，提高进气湿度可通过增加混合物比热容、降低峰值温度、延缓高温反应区的形成以及改变自由基的可用性等机制，共同削弱对温度敏感的氮氧化物生成环境。对于氨-氢燃烧而言，这种氮氧化物减排效应是热力型氮氧化物生成、燃料结合态氮氧化以及可能的脱氮反应共同作用的结果，而并非仅由热力型氮氧化物抑制所致。在新鲜空气注水方案中，约21.8克水蒸气/千克干空气的中间湿度水平堪称排放与效率之间的理想平衡点——效率下降1%可带来8.80%的氮氧化物减排效果。而阴极废气混合方案虽然能使氮氧化物减排效率降低8.18%，但却能将用水量减少50.37%。通过利用燃料电池内部产生的水蒸气及剩余氧气，阴极废气混合方案将发动机侧的氮氧化物控制与燃料电池的水管理及空气供应整合在一起，为AHICE-PEMFC混合动力系统中的空气与湿度协同管理以及排放与效率提升提供了量化依据。

引言：随着深度脱碳需求的不断增长，交通运输领域正在积极寻求具有零碳排放潜力、运行安全且适合大规模应用的替代燃料方案[1][2][3]。在各类候选燃料中，氨因其无碳特性、较高的体积能量密度、完善的储存和运输基础设施以及出色的氢存储能力，越来越受到关注，被视为一种极具前景的可再生能源载体[4][5][6]。此外，海水电解技术的进步[7]以及能够在温和条件下实现低能耗氨合成的催化剂的发展[8][9]，进一步提升了大规模低成本生产绿色氨的可行性。尽管具备这些优势，但由于氨的反应活性较低且点火性能较差，直接将其用于内燃机仍存在诸多限制。为克服这些缺陷，人们广泛研究了氨-氢混合燃烧技术，即通过裂解部分氨来产生氢气，以此提升燃料的反应性、火焰稳定性以及排放性能[10][11][12]。基于这一理念，近期有研究逐步探索了氨-氢内燃机、以氨为原料的氢燃料电池以及氨-氢混合动力系统。例如，Comotti等人[13]开发了一种氨-氢内燃机混合动力系统，并证明了在冷启动和稳态运行阶段，利用氨制氢来满足燃料需求是可行的。此外，氨-氢内燃机还与电动推进系统相结合，形成了用于电动化交通的氨基混合动力架构[14][15]。Zhai等人[16]则设计并验证了一种以氨为燃料的燃料电池高尔夫车，该车型包含氨裂解分离装置、质子交换膜燃料电池以及电池组，从而证明了氨基制氢在动力应用领域的实际可行性。在这些以氨为基础的推进与发电概念的基础上，整合了氨-氢内燃机、质子交换膜燃料电池以及电池的氨-氢混合动力系统（AHICE-PEMFC），近年来逐渐成为一种具有前景的零碳动力系统架构，有望实现可持续且高效的交通运输[17][18]。该系统并非多种动力源的简单并行组合，而是一个高度集成的动力系统——液氨作为燃料的储存与输送介质，通过氨裂解/分离装置在系统中产生氢气，而后由氨-氢内燃机、质子交换膜燃料电池以及电池共同提供动力输出。在这种架构中，从氨裂解中获得的氢气既可以用于质子交换膜燃料电池发电，也可用于改善内燃机中的点火性能、火焰传播速度以及燃烧稳定性。因此，氨裂解功能不仅起到了氢气供应的作用，还成为了连接质子交换膜燃料电池氢气供应路径与发动机燃烧控制路径的关键纽带。质子交换膜燃料电池非常适合在低负荷和中等负荷条件下高效发电，而氨-氢内燃机则在高负荷、长距离行驶以及需要快速功率输出的场合具备强大的动力输出能力。当这两种系统结合使用时，可通过负载共享以及协同利用氢气，进一步提升燃料利用率、能源使用灵活性以及多模式运行能力[19][20]。鉴于氨-氢内燃机与质子交换膜燃料电池之间的这种互补关系，以往的研究从热力学、经济性、系统集成以及能源管理等多个角度评估了AHICE-PEMFC混合动力系统的潜力。Ezzat等人[21]对配备燃料电池与未配备燃料电池的氨-氢发动机增程式混合动力系统进行了热力学对比，发现引入燃料电池能够提升系统的能量效率与热效率。随后，他们又对包含液氨储罐、氨分解分离装置、内燃机以及燃料电池的混合系统进行了热力学与能量分析[22]。Xu等人[23]研究了分解温度、分离效率、燃料价格以及系统使用寿命等因素对AHICE-PEMFC混合动力系统性能的影响，证明了该系统在热力学、经济性以及环境性能方面都具有显著优势。Lei等人[24]进一步探讨了此类系统的多能源分配策略，揭示了通过协同利用氨与氢气来提升系统效率的潜力。我们之前的研究[25]也表明，在同时配备氨-氢内燃机与质子交换膜燃料电池的增程式动力系统中，通过合理的参数匹配，可以在保持氨-氢内燃机高效稳定运行的同时缩小两个子系统的规模。得益于这种增程式设计，协同工作的AHICE-PEMFC系统能够进一步提升整体能源效率。尽管以往的研究已经证明了AHICE-PEMFC混合动力系统的能源效率潜力，但未燃燃料以及氮氧化物排放问题仍然是制约基于发动机原理的氨基动力系统实现可持续应用的两大关键难题[26][27][28]。现有的氨基动力系统往往将效率提升与排放控制视为相互独立的任务，主要依靠尾气后处理系统来解决排放问题。这就形成了一种先容忍污染物生成，再在后续环节进行控制的排放控制模式[29][30][31]。相比之下，缸内氮氧化物减排策略则侧重于从源头抑制污染物的生成，废气再循环以及水注入便是典型的手段。研究表明，水注入可以通过稀释反应物、增加混合物的比热容以及降低局部峰值温度来抑制氮氧化物的生成[32][33][34][35]。Ariemma等人[36]进一步指出，在燃烧过程中添加水分是一种有效的氮氧化物减排方法，尤其适用于氨这类含氮燃料，在稀燃条件下效果更为显著。然而，传统的水注入或外部加湿方案通常需要额外的水源、注入与计量装置以及专门的控制单元，而且还可能降低热效率、增加湿度调控的复杂性、削弱燃烧稳定性以及提升系统的整体复杂度。因此，如何利用系统内部资源来实现进气湿度调控，便成了AHICE-PEMFC混合动力系统氮氧化物控制中的一个重要课题。在AHICE-PEMFC混合动力系统中，质子交换膜燃料电池的阴极废气为进气湿度调控提供了一种潜在的内部资源。它不仅可以提供部分所需的氧气，还能引入水蒸气实现稀释作用，进而影响缸内的火焰传播、温度分布、未燃物质含量以及氮氧化物的生成。与独立的注水系统或外部加湿系统相比，阴极废气混合方案充分利用了质子交换膜燃料电池运行过程中自然产生的潮湿废气流，从而实现了空气循环、水分管理、燃烧控制以及排放控制之间的系统级耦合。不过，目前关于AHICE-PEMFC混合动力系统的研究大多集中在氢气生产的能耗、氢气分配、能源管理、热力学性能、经济可行性以及动力系统集成等方面，对于将质子交换膜燃料电池的阴极废气作为氨-氢内燃机的进气调节资源时，其在湿度调控、氧气稀释、燃烧过程演变以及排放物生成方面的作用，仍缺乏系统的了解。因此，阴极废气混合方案不应被简单地视为一种进气加湿方法，而应看作是涉及燃料供应、水分管理、燃烧控制以及排放控制等多个子系统之间的耦合问题。为解决这一跨子系统的耦合问题，本研究提出并分析了适用于AHICE-PEMFC混合动力系统的发动机进气加湿策略，重点探讨了利用质子交换膜燃料电池的阴极废气来调节发动机进气条件的可能性。需要说明的是，本研究的目的是为AHICE-PEMFC混合动力系统的空气供应集成建立以机制分析为基础的仿真模型，而非给出最终的整车级瞬态控制策略。通过可控的三维数值模拟，本研究系统地分析了两种湿度调控方案——新鲜空气注水与质子交换膜燃料电池阴极废气混合——的效果。分析结果明确了进气湿度、氧气稀释、缸内燃烧、温度分布、未燃物质含量以及氮氧化物生成之间的耦合机制。具体而言，本研究首先分析了在不同水气比条件下，新鲜空气成分的变化对氨-氢发动机燃烧特性及排放特性的影响。随后，建立了适用于AHICE-PEMFC架构的阴极废气混合模型，用以分析阴极化学计量比对废气成分、混合气流速率以及发动机进气湿度的影响规律。最后，通过比较不同加湿方案下的氮氧化物减排效果与效率损失，本研究引入了一种边际减排指标，用于确定湿度调控过程中的效率与排放之间的权衡区域。基于上述研究内容，本研究的主要贡献可分为三个方面。首先，本研究建立了一个三维数值仿真框架，用于分析氨-氢发动机中的进气加湿现象。该框架使得两种湿度调控方法——新鲜空气注水与质子交换膜燃料电池阴极废气混合——得以系统比较，同时也揭示了进气湿度抑制氮氧化物生成的共同机制，即增加混合物的比热容、降低燃烧峰值温度以及延缓高温反应区的形成。其次，本研究明确了质子交换膜燃料电池阴极废气混合方案与单纯注水方案在运行特性上的差异。具体来说，阴极废气混合方案不仅会引入水蒸气稀释效应，还会改变进气混合物中的氧气浓度以及氮氧摩尔比，从而对火焰传播、燃料氧化以及氮氧化物的生成产生协同影响。最后，本研究根据单位指示热效率损失所对应的氮氧化物减排量，定量确定了湿度调控的权衡区域，这一区域可作为AHICE-PEMFC混合动力系统进行系统级动态控制以及实验验证时的边界条件与设计依据。本文的其余部分结构如下：第二部分介绍了不同注水策略下的仿真边界条件，以及氨-氢发动机的建模方法；第三部分展示了对应于各种注水策略边界条件下的进气成分特征以及发动机性能测试结果；最后，第四部分总结了本研究的主要发现，并指出了未来研究的方向。

方法论：为表征水添加量，首先定义新鲜空气中的水添加比为：wair=mH2O/mdry air，其中单位为克水蒸气/千克干空气，mH2O表示水蒸气的质量，mdry air则表示干空气的质量。对于阴极废气混合方案，水添加量则是通过一个广义混合比来表示的，其表达式为w* = YH2O/(1 - YH2O)，其中YH2O表示进气混合物中水蒸气的质量分数。此外，还研究了氮氧比nN2/nO2以及水氧比等参数。

水添加比wair对缸内燃烧特性的影响：新鲜空气注水首先通过改变热量释放、压力上升以及高温反应区发展之间的关联，从而影响燃烧过程。图3和图4分别展示了在不同新鲜空气注水比例下的缸内压力与热量释放率变化情况。总体而言，随着wair值的增加，缸内峰值压力会降低，其中干空气注入条件的压力最高，而湿度最高的条件（wair=29.1克水蒸气/千克干空气）下压力最低。

结论：本研究探讨了在AHICE-PEMFC混合动力系统中的氨-氢发动机里，利用阴极废气辅助进气加湿来主动减少氮氧化物的生成。在每周期燃料质量和氧气供应量保持不变的条件下，对比了两种进气边界策略，即新鲜空气水注入与PEMFC阴极废气混合。通过三维数值模拟，研究了进气湿度及氧化剂成分对燃烧阶段、高温反应区演化的影响。

作者贡献声明：
余元斌：写作——审阅与编辑、方法学、概念设计。罗春奇：写作——初稿撰写、方法学、实验研究、定量分析、概念设计。肖东梅：软件应用、方法学、数据整理。闵海涛：项目指导、概念设计。李晓平：资金筹集。

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：本研究得到了中国国家自然科学基金（编号52472407）以及吉林省科技厅科技人才项目（编号20250601072RC）的支持。

余元斌|罗春奇|肖东梅|闵海涛|李晓平
中国长春市130022，吉林大学汽车底盘集成与仿生学国家重点实验室