固体氧化物燃料电池在移动交通领域的应用及研究进展.pdf

第 29 卷 第 5 期2023 年 10 月（自然科学版）JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)Vol.29 No.5Oct.2023DOI:10.12066/j.issn.1007-2861.2501先进电化学能源材料与器件固体氧化物燃料电池在移动交通领域的应用及研究进展覃祥富,曹军文,张文强,于波(清华大学 核能与新能源技术研究院,北京 100084)摘摘摘要要要:固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)是一种可以将化学能直接转化为电能的能量转换技术,具有效率高、燃料选择灵活、杂质耐受能力强等特点.近年来,人们越来越重视 SOFC 在移动交通领域的应用.从 SOFC 的工作原理出发,重点分析 SOFC 在移动交通领域的应用优势,并介绍 SOFC 在移动交通中的应用形式,包括作为辅助电力单元和动力系统,并计算出其作为动力系统的油井-车轮(well to wheel,WTW)效率为 34%39%,远高于内燃机(14%17%)和电池(27%),展现了 SOFC 作为动力系统的巨大潜力.接着,重点讨论 SOFC 发电系统的研究进展,包括原理性验证、能效提高和作为动力系统的性能研究等.最后,总结了目前 SOFC 在移动交通领域的应用现状,并对其应用前景进行展望.SOFC 在移动交通领域有巨大的应用潜力,将为交通领域脱碳开辟新的路径.关关关键键键词词词:固体氧化物燃料电池;移动交通;动力系统;油井-车轮效率中中中图图图分分分类类类号号号:TK 91文文文献献献标标标志志志码码码:A文文文章章章编编编号号号:1007-2861(2023)05-0803-16Application and research progress ofsolid oxide fuel cell in transportationQIN Xiangfu,CAO Junwen,ZHANG Wenqiang,YU Bo(Institute of Nuclear and New Energy Technology,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:Solid oxide fuel cell(SOFC)is an energy conversion technology that can directlytransform chemical energy into electric energy.It possesses characteristics of high efficiency,flexible fuel choice,and strong impurity tolerance.In recent years,there has been increasedresearch focus on the application of SOFC in transportation.This study starts from theworking principle of SOFC,analyses the application advantages of SOFC in transportation,and introduces the forms of application of SOFC in transportation,including as an aux-iliary power unit and powertrain.The calculated efficiency of well-to-wheel(WTW)as apower system is 34%39%,which is much higher than that of internal combustion engines(14%17%)and batteries(27%),demonstrating the potential of SOFC as a powertrainin transportation.Then,the research progress of the SOFC power system is presented,收稿日期:2023-04-17基金项目:国家自然科学基金资助项目(91645126,21273128);清华大学自主科研计划资助项目(2018Z05JZY010);清华-MIT-剑桥低碳能源大学联盟种子基金资助项目(201LC004)通信作者:于波(1975),女,教授,博士生导师,博士,研究方向为清洁能源、高效能源转换装置等.E-mail:cassy 804（自然科学版）第 29 卷including principle verification,energy efficiency improvement,and research on the pow-ertrain performance.Finally,the current application status of SOFC in transportation issummarized,and its application prospects are discussed.SOFC holds substantial potentialfor application in transportation and can contribute to its decarbonization.Key words:solid oxide fuel cell;transportation;powertrain;efficiency of well to wheel实现绿色低碳发展、减少温室气体排放是当前人类社会的共同目标.我国于 2020 年 9 月宣布二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值,努力争取 2060 年前实现碳中和1.交通运输作为我国国民经济基础性、先导性和战略性的产业2,该领域的脱碳是实现全面绿色低碳发展、完成双碳目标面临的最大挑战之一.交通行业的特点要求能源除了具备较高的能量密度外,还需具有良好的携带性和便捷的加注性,碳氢化合物燃料是目前最能满足上述要求的能源,约占交通用能源总量的 91%3.然而,碳氢燃料的能量转换形式以燃烧为主,造成了严重的碳排放,全球约 22%的二氧化碳排放来自交通领域4.同时,碳氢燃料的燃烧还会造成 NOx、硫化物和颗粒物等有害物质的大量排放,影响公众健康.为此,各国都相继制定了禁售内燃机(internal combustion engine,ICE)和全面实现电气化的规划5.我国也提出到 2035 年基本实现汽车产业电动化转型的目标6.开发更清洁、更高效的能量转化技术来替代传统的燃烧方式,是交通领域实现低碳化、清洁化转型的关键.目前,人们已开发了多种新技术以解决交通领域的脱碳问题,其中以锂离子电池技术和以氢为燃料的质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)技术研究最为广泛.在过去 10 年,电池在制造、成本和基础设施的可用性等方面有了长足发展,以电池技术为基础的纯电动汽车(electric vehicle,EV)在乘用车领域迎来了“大发展”,市场份额逐年上升.但不可否认的是,纯电动汽车仍存在续航里程不足、充电时间普遍较长、充电桩建设未完全普及、热安全性等问题,限制了其更广泛的适用性.以氢为燃料的 PEMFC 功率密度高、燃料加注时间短,适用于长距离行驶和公共交通,但由于 PEMFC 对氢纯度要求高且依赖贵金属催化剂,以 PEMFC 为基础的燃料电池汽车目前仍存在制氢加氢网络未建设完善、电堆成本偏高、车载储氢技术未成熟、碰撞安全性等问题,在一定程度上限制了商业化进程.因此,发展高效清洁的能量转换技术依然任重道远.固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell,SOFC)被称为第三代燃料电池技术,是一种可以将化学能直接转化为电能的高效清洁的能量转换技术.SOFC 的特征与 PEMFC 类似,区别在于 PEMFC 的电解质为工作在低温段(通常 1 000C进口组分燃料、水、空气富氢气体、空气SOFC 电堆尾气、空气出口组分富氢气体水和二氧化碳(含少量氢气、一氧化碳、甲烷等)水、二氧化碳催化剂Ni-Ru 基催化剂Ni 基催化剂压力常压常压常压SOFC 系统在 Aspen Plus 中的建模研究开展较早.Zhang 等22完全利用 Aspen Plus 现有操作单元,结合电压损失的半经验公式,完成了对 100 kW 天然气-管式 SOFC 发电系统的模拟.这种完全利用 Aspen Plus 现有模块的方法比较便捷,但是半经验公式的普适性仍有待验证.类似地,Doherty 等23完全利用 Aspen Plus 现有操作单元,基于电化学原理,利用Aspen Plus 中的内置 Fortran 语言实现了对阴极支撑-SOFC 电特性的模拟.Hauck 等24利用 Aspen Plus 完成了可逆 SOFC 的模拟.目前,系统 Aspen Plus 建模研究存在以下问题:与实验匹配程度差,由于实验难度大,用于检验模型的实验数据都来自其他文献,但是不同系统在燃料、系统流程、参数、电池类型等方面存在差异,会造成检验失真;主要设备建模精确度不够,对于重整器的模拟,大多数Aspen Plus 模型都采用 RGibbs 模型,但是鲜有文献验证其准确性.SOFC 电堆的反应是电化学与热力学相互耦合的过程,在含碳气氛中反应更加复杂.现有的 Aspen Plus 中操作单元难以实现对 SOFC 电特性的准确仿真,单纯依靠气体分压的电压损失经验公式并不具有普适性,第 5 期覃祥富,等:固体氧化物燃料电池在移动交通领域的应用及研究进展811同时含碳气氛下 SOFC 的模拟与传统 SOFC 模拟有所差别,因此如何更准确地进行含碳气氛下 SOFC 的仿真也需要进一步研究.4.2能效提高方法完成系统原理性验证之后,接下来进行的工作是提高系统的能量利用效率.能效提高的方法主要包括操作参数的调整、工艺流程的优化设计和加入底循环等.操作参数的调整主要是指通过改变系统的各个操作运行参数,分析其对系统性能的影响,从而寻找出系统处于最佳状态时的运行参数,这是提高能效的常用方法.不同操作参数对系统性能的影响可能有耦合效应.Dhingra 等25分别研究了电堆燃料利用率、空气利用率、阴极空气预热温度、重整器水碳比、氧碳比和预热温度对 1 kW 固定式 SOFC 发电系统性能的影响,并研究了两个变量耦合时的情况.结果发现,在较低的燃料利用率下,高的空气利用率对系统性能不利,这在单独研究各个操作变量时没有发现.工艺流程优化的目的主要是通过改进系统工艺流程以实现内部能量的回收利用,从而使系统的能效提高.常见的优化方法主要有阳极尾气循环和多级电堆26.阳极尾气循环指将电堆阳极的反应尾气通过循环泵回收到重整器.Walluk 等27研究了模拟阳极循环气对自热重整器的影响,发现在 0.45 的循环比、65%的燃料利用率下,富氢气体产量最大,同时还能避免积碳.但阳极循环对系统性能的影响还需进一步研究.多级电堆是指将第一级电堆阳极的反应尾气通入下一级电堆中使用,从而实现提高电堆燃料利用率以提高系统能效的目的.多级电堆的加入虽然可以提高燃料利用率,但是也会增大系统体积和质量,这对移动交通是不太合适的.而单纯进行阳极循环,系统效率可能也难以达到移动交通领域的要求.因此仍需要对系统的工艺流程进行进一步优化.Pan 等28设计了一种除水流程,即重整产物先冷凝除水再通入SOFC 电堆阳极,这种设计可以使 SOFC 的工作电压提高 8%,从而提高系统效率.加入底循环是指加入其他做功过程以回收利用电堆尾气中的未用燃料和高温热量.在移动交通领域,通常加入内燃机(ICE)(见图 6)或 PEMFC(见图 7)来利用 SOFC 阳极尾气中的未用燃料以产生额外的电能29.Kim 等30对 5 kW SOFC-ICE 系统进行了可行性实验验证,完成了 301 h 的实验,结果表明,加入 ICE 可以产生额外的电能,提高整个系统的效率.Rabbani 等31研究了以天然气、乙醇和二甲醚作为燃料的 SOFC-PEMFC 系统,建模结果表明,相比单纯的 SOFC,系统效率提升了 8%.除此之外,加入蒸汽轮机(steam turbine,ST)或燃气轮机(gas turbine,GT)回收高温热量也是常见的底循环类型.Dimitrova 等32提出将SOFC-GT 作为电动汽车的增程器,建模结果表明,SOFC-GT 系统的能量效率可达 70%.但WaterDieselAirCompressor 1Heater 1Heater 2Heater 3ReformerHeater 4ICEHeatStackCoolerTail gasElectricityAnodeCathodeAdditional electricityPump图 6 SOFC-ICE系统流程图Fig.6 SOFC-ICE system process flow chart812（自然科学版）第 29 卷WaterDieselAirCompressor 1Heater 1Heater 2Heater 3ReformerHeater 4HeatStackAfterburnerCoolerTail gasAirElectricityAnodeCathodeCO/CO2PEMFC subsystemAdditional electricityPumpH2H2separator图 7 SOFC-PEMFC系统流程图Fig.7 SOFC-PEMFC system process flow chart是 ST 和 GT 一般体积较大,在移动交通领域应用的关键在于减小体积.总体而言,加入底循环势必会对系统的体积和质量带来负面影响,加入不同类型底循环带来的增益与弊端仍需要进一步研究,目前还处于概念开发和原理性验证阶段.4.3SOFC 动力系统性能将 SOFC 发电系统作为移动交通领域动力系统的研究正逐渐受到研究者关注,这一想法最早由 Brett 等33在 ABSOLUTE(advanced battery solid oxide fuel cell linked unitto maximize efficiency)项目中提出,旨在利用氯化镍电池和中温 SOFC 为汽车提供动力.2016 年日产推出世界上第一款以 SOFC 作为辅助动力的汽车后,大量研究人员开始研究将SOFC 作为电动汽车增程器.Bessekon 等34建立了 SOFC-电池系统的简化动态模型,仿真结果表明,以 SOFC 作为增程器可以使电动汽车的续航里程增加至少 94 km.Song 等35利用技术-经济性方法分析了以 SOFC 为增程器的电动汽车相对于纯电动汽车的优势,当 SOFC和电池的价格分别下降到 200$/kW 和 150$/(kWh),且车辆每天的运行时间超过 8 h,使用SOFC 的纯电动汽车将更具优势.目前,大多数研究集中在将 SOFC 作为移动交通的辅助动力,如作为电动汽车的增程器,但鲜有研究考虑将 SOFC 作为主动力.将 SOFC 作为主动力的可行性、经济性及性能等方面仍需进行更加深入的研究,值得研究者关注.清华大学长期致力于研究 SOFC 在移动交通领域的应用,并对其应用潜力进行定量分析,取得了初步的研究成果.本课题组针对 SOFC 发电系统作为乘用车主动力,基于车辆动力学进行建模计算,考虑将柴油、汽油、甲醇作为 SOFC 的燃料,假设 SOFC 发电系统的效率为40%、50%、60%,仿真结果如图 8 所示.当 SOFC 发电系统效率为 60%时,柴油-SOFC 作为主动力的混合动力汽车(以下称“SOFC 车辆”)的百公里柴油消耗量仅是柴油内燃机的 40%,里程是同油箱体积柴油内燃机的 2.5 倍;汽油-SOFC 车辆的百公里汽油消耗量仅是汽油机的34%,里程是同油箱体积汽油内燃机的 2.94 倍;甲醇-SOFC 车辆的百公里甲醇消耗量仅是甲醇内燃机的 43%,里程是同体积油箱甲醇内燃机的 2.17 倍.建模结果展现了 SOFC 作为乘用车主动力的应用潜力.若以 SOFC 作为无人机动力,以丙烷作为燃料,假设 SOFC 发电系统效率为 60%,建模结果表明无人机的续航时间可达 18 h,飞行距离达到 2 700 km,展现了 SOFC作为无人机动力的应用潜力.除了上述提到的原理性验证、能效提高及动力系统性能之外,开发专用 BOP 组件(如重整器、循环风机、燃烧器等)也是系统层面的研究重点.BOP 组件故障已经成为造成系统停机的主要原因17,因此开发可靠的 BOP 组件对于保证系统稳定可靠运行也同样重要.第 5 期覃祥富,等:固体氧化物燃料电池在移动交通领域的应用及研究进展8134.726.549.342.843.346.452.272.685.161.89(a)?(b)?2.234.30?012345678910?/L?40%SOFC50%SOFC60%SOFC?40%SOFC50%SOFC60%SOFC8466114281 4081 1986201 7621 4987752 1141 79793005001 0001 5002 0002 500?/km?图 8 SOFC 作为主动力的混合动力汽车仿真结果Fig.8 Simulation results of the hybrid electric vehicle with SOFC as main power5SOFC 在移动交通领域的应用现状与固定式 SOFC 相比,对于面向移动交通领域应用的 SOFC 要求更加严苛,包括低启动时间、长寿命、低衰减率、高效率和高功率密度等.应用在移动交通领域的 SOFC 必须在各方面满足应用条件,否则难以达到应用要求.比如效率和功率密度,由于空间和重量受到严格限制,这两个指标不满足要求会使系统体积过大,从而限制其在移动交通领域的应用.对此可以参考 AVL List GmbH 对 SOFC 作为电动汽车增程器定义的要求36,如表 2 所示.表 2 AVL公司对SOFC的要求Table 2 AVLs requirements for SOFC指标要求操作温度 700C燃料液体碳基燃料;绿氢系统启动时间10 000 h系统效率 50%功率输出 15 kW电流密度(单电池)2 A/cm2电流密度(电堆)0.8 A/cm2电堆体积功率密度1 0001 200 W/L系统体积功率密度100120 W/L系统质量功率密度120140 W/kg衰减率6 mV/(1 000 h)电堆成本 100 欧元/kW系统成本600 km;SOFC 输出功率:5 kW;最大速度:120 km/h;加速时间:14 sDelphi(SOFC 系统)+Peterbilt卡车37,46辅助电力单元燃 料:天 然 气、柴 油、汽 油、丙烷 等;SOFC 系 统 效 率:37%;噪声:60 dBA(3 m 内);CO 排放:8 g/(kWh);NMHC 和 NOx排放:0.2 g/(kWh)Ebersp acher(SOFC 系统)+Volvo class 8重卡39辅助电力单元燃料:柴油;启动时间:70 min(冷),30 min(热);功 率:2.9 kW;效 率:29%;噪声:58 dBA潍柴+CeresPower47电动汽车增程器功率:30 kW;燃料:压缩天然气Adaptiveenergy+洛马公司StalkerVXE43无人机动力燃料:丙烷;功率:450 W;最大起飞质量:21.77 kg;续航时间:8 h;巡航速度:66.67 km/h;航程:491.19 km;离地高度:91.44 mBloom energy(SOFC)+Chanties deIAtlantique48邮轮辅助电力装置燃料:液化天然气;功率:150 kWSunfire44轮船辅助电力燃料:柴油;功率:50 kW;效率:55%;燃料利用率:73%Ultra-USSI45单兵电源燃料:丙烷;功率:350 WSOFC 在移动交通领域有巨大的应用潜力,随着 SOFC 技术的进步,其应用潜力正逐渐变为现实,这将为交通领域的脱碳开辟一条新的路径,为实现高效、清洁、绿色、低碳的交通动力提供新方法,全面助力双碳目标的实现.816（自然科学版）第 29 卷参参参考考考文文文献献献:1 习近平.在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话 EB/OL.(2020-09-23)2023-08-01.http:/ 1210813555.htm.2 中国经济网-经济日报.交通运输业:国民经济大动脉更加通畅 EB/OL.(2022-05-31)2023-04-20.http:/ 37694345.shtml.3 Edenhofer O.Climate change 2014:mitigation of climate change M.Cambridge:CambridgeUniversity Press,2014:599-670.4 IEA.CO2emissions in 2022 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