Интеграция твердооксидного топливного элемента и двигателя внутреннего сгорания для морских применений

Современная научная литература по интеграции твердооксидного топливного элемента и двигателя внутреннего сгорания (SOFC-ICE) сосредоточена на применении передовых технологий сгорания, работающих в качестве нижнего цикла, для формирования небольшой доли нагрузки. Такой подход к интеграции может создавать для судов определенные проблемы, включая ограниченные динамические возможности и значительные требования к пространству и массе. Кроме того, потенциал интеграции SOFC-ICE для выработки электроэнергии на судах ранее не исследовался. В связи с этим в настоящей работе предложен новый подход к интеграции SOFC-ICE для морских применений, обеспечивающий высокоэффективную выработку электроэнергии, при котором анодный отходящий газ (AOG) SOFC смешивается с природным газом (NG) и сжигается в судовом двигателе с искровым зажиганием (SI) для совместной выработки мощности. Целью статьи является исследование потенциала предложенного подхода к интеграции SOFC-ICE с точки зрения эффективности системы, выбросов, распределения нагрузки, требований к пространству и массе, а также реакции на изменение нагрузки. В работе использованы верифицированная нульмерная (0-D) модель SOFC, эксперименты на двигателе и валидированная среднемассовая модель двигателя AOG-NG. Исследование показало, что интеграция SOFC-ICE с распределением мощности 67–33 при выходной мощности 750 кВтэ обеспечила наибольшее повышение эффективности — на 8,3% по сравнению с обычным судовым двигателем, работающим на природном газе. Результаты моделирования показали, что при распределении мощности SOFC-ICE 33–67 можно добиться повышения эффективности на 5,2%, снижения выбросов UHC и NOx примерно на 30% и снижения выбросов CO2 примерно на 12% при сравнительно небольшом увеличении размеров и массы — в 1,7 раза. Кроме того, исследование показало, что в предложенной системе SOFC-ICE для морских применений распределение мощности в пользу ICE значительно улучшит динамические характеристики объединенной системы, а возможные резкие и значительные изменения нагрузки могут компенсироваться двигателем внутреннего сгорания.