氨燃料电池：来源、储运、应用及与氢气的比较

氨燃料电池：来源、储运、应用及与氢气的比较

胡进一、何兴、赵剑锋、李梦洁、夏少军、梁前潮

海军工程大学动力工程学院，武汉，中国

湖北省重点研发计划项目（批准号：）

直接以氨作为阳极燃料的氨燃料电池称为直接氨燃料电池，根据电解质类型又分为固体氧化物和碱性电解质氨燃料电池。以加热裂解氨并通入氨分解气体作为阳极的氨燃料电池一种叫间接氨燃料电池，主要为间接质子交换膜燃料电池，也就是氨氢燃料电池。

1. 氨源、储存、运输和应用

与氢相比，氨具有质量能量密度高（4kWh/kg）、沸点高（常压下液化温度为-33.4℃）、着火极限低（16%-25%）等优点，是世界上最大的氨燃料是一种重要的化学制品，应用十分广泛。使用氨燃料可以大大缓解氢气储存和运输带来的问题。目前，应用最广泛的氨生产技术是哈伯法，即氢气和氮气合成氨通过铁基催化剂在高温高压条件下合成氨，为实现双碳目标，第二代、第三代合成氨生产技术逐渐成熟，合成氨生产过程中碳排放逐步降至零。成本、持续时间、体积质量密度、循环效率、灵活性、技术就绪水平（TRL）等是影响储能技术的常用指标。其中，氨的体积能量密度（-33℃）是氢气的1.5倍。氢气（-253℃）； 在内燃机和车用燃料电池领域，压缩氢循环效率分别为30-35%和21-29.4%，氨循环效率分别为24.7-28.6%和15.2-20.7%。道路或管道的碳足迹高达氨的127倍[1]。氨的用途十分广泛，主要是火焰燃烧和催化燃烧，也可用作能源载体或制冷剂[1]。

图 1：氨生产技术发展时间表[2]

2. 燃料电池的优势

燃料电池是一种将化学能转化为电能的动力装置，具有功率密度高、噪音低、燃料供应多样化、续航能力强等特点。由于碳排放低、清洁能源占比大，目前燃料电池在新能源汽车中的应用最为广泛。商业化领域最前沿的是质子交换膜燃料电池（PEMFC）和固体氧化物燃料电池（SOFC），不同类型的燃料电池适合不同的应用场景，SOFC需要氢载体在高温下参与化学反应，实现离子交换产生电流，工作在高温条件下，热损耗大，体积利用率低，体积功率密度低，动态响应差，主要用于对体积要求不高的场合，如汽车、工程机械、电力系统等。如固定电站、船舶等。PEMFC以氢气为燃料，具有体积利用率高、体积功率密度优势明显、响应速度快等优点，主要应用于汽车、无人机等对体积要求严格的地方。

表1 氨燃料性能参数对比[3]

3. 应用领域的局限性

SOFC和PEMFC受限于远洋船舶和长期海上备用动力装置的主要原因是氢气储存的瓶颈技术壁垒。表格为相同功率输出下氢气、氨和柴油的消耗量和体积储存燃料所占体积。从图中可以看出，氢气所占体积远高于氨和柴油所占体积。然而，集成氨分解器和燃料电池的氨燃料电池系统所占体积约为纯氢燃料电池的5倍、柴油燃料动力设备的2倍。

表2 燃料电池和柴油动力设备中氨和氢燃料消耗量比较

4. 氨氢燃料电池的优势

氨燃料电池主要分为直接氨燃料电池（直接引入氨）和间接氨燃料电池（以氨分解气为燃料），图中为氨燃料电池的功率对比，与SOFC一样，直接氨燃料电池需要较高的温度才能完成高效的催化反应，而间接氨燃料电池，主要为氨-氢燃料电池，可以在室温下启动，响应速度更快，功率密度更高，体积利用率也相对较高。而基于由于氨燃料的储运条件温和，氨氢燃料电池在脱碳背景下具有突出优势。

5. 氨-氢燃料电池发展方向

一、提高氨分解效率：

氨裂解是在催化剂作用下通过氨分解炉加热实现的，整个裂解工艺的效率提升路径包括热源的选择、多级热源循环、高效催化裂解、低成本的催化剂。

二是适用于氨分解气体的PEMFC的设计：

氨分解气在PEMFC中的应用主要面临两个障碍，一是氨分解气中含有未分解的氨，要求氨含量控制在1ppm以内，不影响PEMFC的性能；二是氨分解气中含有接近25%的氮，氮的存在阻碍了氢气的传质效率。

6、氨-氢燃料电池关键技术研究成果示范

一是常规流道内氮氢混合气体的水-热-气传递特性研究[4]

氨分解气体中含有较高的氮浓度，氮的存在会阻碍氢气在多孔层中的扩散，增加极化损耗，且沿流动方向这种现象会恶化。因此，在同样的功率需求下，基于氨分解气可通过提高进气压力、充分加湿、氮气吸附等方式缓解极化损失，从而达到以纯氢为燃料的输出性能。质子交换膜燃料电池中水和热的分配是燃料电池的一个重要问题。因此本文利用流体力学软件，基于数值模拟方法，耦合化学反应等多物理场，研究质子交换膜燃料电池内水和传热的分布特性，分析了燃料电池内水和传热对燃料电池性能的影响。工作压力、加湿、氮气吸附对提高燃料电池输出性能的影响。研究结果表明，提高工作压力、加湿进气、吸附氮气可有效提高燃料电池的输出性能，如图所示图。 在低压工况下，提高单位压力可使输出性能提高80%；在低湿度工况下，相对湿度提高0.15可使输出性能提高8%；当氢气摩尔分数提高5 %，输出性能可提升10%。反应气摩尔浓度分布与膜内水含量变化趋势相反，热量整体变化趋势与膜内水含量一致但随着负荷的不断增大，出口处的热点值有下降的趋势，不同工况下燃料电池的最佳性能输出区域不同，其中4-6#区域占比最大如图所示，氨氢燃料电池的发电效率达到总发电效率的65%，通过优化运行条件组合，可使氨氢燃料电池达到纯氢燃料电池的输出性能。

图2 不同操作条件下的极化曲线

图3 不同工作条件下的输出特性

二是栅栏式三角流道内氮氢混合气体水-热-气换热特性研究[5]

适当的流道设计可以提高以氨分解气为燃料的质子交换膜燃料电池（氨-氢燃料电池）的体积功率密度，加速其在新能源领域的应用。鉴于体积功率密度低针对氨氢燃料电池，基于植物生长的一般规律和三角形受力稳定、结构简单的特点，设计如图所示的栅栏式三角形流道（三角流道）。采用三维两相数值模型，研究了三角形流道截面尺寸和长度对氨-氢燃料电池气相-热-水分布的影响。研究结果表明：三角形流道可以提高体积利用率、促进反应气体的扩散效率，进而可以显著提高燃料电池的体积功率密度，如图所示，且改善的程度与负载输出相关； 低负荷输出时，反应气体相对充足，尤其对于短流道，三角流道优势不突出。随着输出负荷的增加，反应气体逐渐出现饥饿状态。流道越长，反应气体越容易进入饱和状态。通道内，饥饿现象越明显，且膜内含水量的变化规律与反应气相反；热点值随负荷产量的增加而明显增大，流量越大时增大越明显道肋比越大，流道越短；流道越长，压降损失越大，燃料的有效利用率越低；与传统方形流道相比，当采用20层三角形流道燃料电池组装成电堆，其最大体积功率密度提高45%，如图所示。

图4 栅栏式三角形流道设计思路

图5 三角流道与常规流道输出性能对比

图6 不同流道尺寸的三角形流道体积功率密度

三是集成氨分解器与PEMFC的间接氨燃料电池系统模拟技术[6][7]

但对于PEMFC来说，氨是有毒气体，所以通常的做法是将氨转化为不含氮的纯氢，这增加了燃料系统的复杂性。直接利用氨分解气的PEMFC可以简化燃料系统，而这种方案已经通过初步的实验研究进行了验证。初步验证实验得到的系统能量效率仅为34-36％，远低于预期。因此，本文建立了直接以氨分解气为燃料的PEMFC仿真模型，并研究了系统的最大效率及系统参数变化对效率的影响。结果表明，考虑一定的热损失，系统效率可达45%。提高氨分解反应温度会降低系统效率有所提高，但效果并不显著，850℃时系统效率可达44%。研究结果可为更加科学、定量地评估直接氨分解气体燃料PEMFC的潜在价值提供参考。

图7 间接氨燃料电池系统流程

图8 不同粗氨分解气流量下PEMFC电压-电流特性曲线

四、100kW氨法制氢系统试验验证

基于现有的氨制氢系统试验设备对前期氨制氢系统的模拟结果进行了验证。氨裂解采用电加热提供热源，通过实验发现氨反应温度必须大于760° C 可获得大于 90% 的氨分解率。从系统效率来看，在 830 ℃、电流 20.59 A 时系统效率达到最大值 44.05%。与其他热源供给方式的模拟结果对比，系统效率略有下降。

图9 氨制氢测试系统

7. 氨-氢燃料电池技术前景

首先，优化流道配置及受力分析，进一步提高体积功率密度：

栅栏式三角形流道在提高体积功率密度方面具有突出的优势，当三角形燃料电池堆成电堆时，可以利用三角形受力稳定性的优势，减少上下板厚度，进一步降低体积占有率，提高体积功率密度。

二是提高间接氨燃料电池系统的能量回收率：

系统主要能量损失来源于燃料电池的散热，但通过提高燃料电池工作温度来提高系统效率的空间不大。综合分析电加热等各种加热方式的优势、燃烧氨、燃烧氨分解气、燃烧阳极尾气，采用多种加热方式共同供给氨裂解所需的热源。系统优化再生器、蒸发器、分解器等热回收技术，减少不必要的热量损失，从而提高系统的能量利用率。

三是集成氨分解器与PEMFC的间接氨燃料电池系统模拟技术：

目前项目组对PEMFC分解剂需求采用稳态模拟，氨分解气处于稳定的氨分解速率供应模式，但实际燃料电池燃料需求可能处于动态变化，因此动态集成氨分解器与PEMFC的间接氨燃料电池系统的仿真技术将是未来重要的研究方向。

通讯地址：胡锦义，电子邮箱：

参考

[1] Z、Nayak-Luke RM、Bañares-Alcántara R.：Power-to-X。 公司； 2021 年。

[2] DR，P V.，Choi J，BHR，RY，JM 等人。A 到。焦耳 2020；4：1186-205。

[3] C, M. 论绿色燃料在双燃料中的应用. Manag 2022;251:。

[4] 胡建军，梁庆，李明，何晓玲，赵建军，刘哲等。燃料电池的气-热-水反应。2022；8：9787-804。

[5] Hu J, Liang Q, He X, Xia S, Liu Y. 燃料电池栅栏式流动的生物特性。Int J 2023。

[6] 赵建军，梁倩，梁燕，胡建军. a - PEMFC 的 3D 研究. Int J Sci 2022；17：1-17。

[7] 赵建锋, 梁永锋, 梁庆昌, 李明军, 胡建英. 基于气体作为燃料的PEMFC研究. 科学学报, 2022;13: 63–70.

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