原文信息：
Contribution of waste heat recovery system to hydrogen power technology for land transportation
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0306261924017823
Highlights
• 对耦合余热回收后的氢内燃机、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池的综合性能进行了重新评估
• 提出了一种新的内燃机-余热回收系统协同优化设计方法以突破传统内燃机热效率
回收后的氢内燃机、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池的综合性能进行了重新评估
• 氢内燃机、质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池耦合余热回收后系统效率分别可达63.7%、69.2%和78%。
• 氢内燃机耦合余热回收可具有比质子交换膜燃料电池耦合余热回收更高的机械效率
Research gap
质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池和氢内燃机作为陆地交通运输动力系统中主要的氢能利用技术均会产生大量余热，因此为提高其热效率，余热回收是不可或缺的一部分。在以往的研究中这三种技术常常会被做各方面比较，但是并没有将余热回收作为各种动力系统的一部分。为了填补这一空白，本文对耦合余热回收后的这三种技术进行了重新比较评估。
Abstract
Hydrogen is one of the most important candidates for future energy supply systems. Currently, proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), solid oxide fuel cells (SOFCs) and hydrogen internal combustion engines (HICEs) are the major hydrogen energy utilization technologies for land transportation. All the three technologies produce large amounts of waste heat. As a result, waste heat recovery (WHR) technologies have become increasingly indispensable for improving thermal efficiency. Hence, it is necessary to re-evaluate these three technologies after combining with WHR as a whole system. However, in former researches they are only compared without WHR. To fill the research gap, in this study how the WHR systems help improve the thermal efficiency of current and future HICEs, PEMFCs and SOFCs is studied and compared. In addition, the advantages and disadvantages of the three technologies coupled with WHR systems are re-evaluated. The results show that the proposed new collaborative design method of the HICE–WHR combined system can achieve a maximum efficiency of 63.7%. The maximum electricity efficiencies of the combined system of PEMFC–WHR and SOFC–gas turbine–WHR can achieve 69.2 and 78%, respectively. However, considering the end demand for mechanical energy, the maximum mechanical efficiency of the HICE–WHR combined system may be slightly higher than that of the PEMFC–WHR combined system. In terms of the cost and power density, the PEMFC–WHR combined system may have the most advantages among the three in the future, followed by the HICE–WHR combined system. These conclusions are opposite to the comparison of only the three technologies themselves, which provide a new perspective on the development of these technologies.
Keywords
Hydrogen internal combustion engine
proton exchange membrane fuel cell
solid oxide fuel cell
waste heat recovery
thermal efficiency
Graphics
图1 图形摘要
图2 车载ORC余热回收系统实物图
图3 氢内燃机余热特征对内燃机-余热回收联合系统效率的影响
图4余热回收耦合部分绝热内燃机的联合系统效率
图5 氢内燃机-余热回收联合系统热平衡图
图6 质子交换膜燃料电池-余热回收联合系统热平衡图
图7 固体氧化物燃料电池-余热回收联合系统热平衡图
团队介绍
本研究由天津大学、中国科学技术大学的研究人员共同完成。
通信作者简介：
舒歌群(Shu Gequn)，教授，博士生导师，中国科学技术大学党委书记。长期从事内燃机设计和内燃机余热能转化和利用的研究工作。作为首席科学家主持承担了973项目“高效、节能、低碳内燃机余热能梯级利用基础研究”（2010），主持承担了政府间国际科技创新合作重点专项“提高中载及重载卡车能效关键技术中美联合研究”（2017）等国家和省部级科研项目30余项。发表SCI论文120余篇，授权发明专利20余项。2007年获“通用汽车中国高校汽车领域创新人才奖”一等奖，2008年获“中国内燃机学会突出贡献奖”，2010年享受政府特殊津贴，2013年作为团队负责人入选科技部重点领域创新团队。作为第一完成人获天津市科技进步一等奖（2006）、中国机械工业科技进步一等奖（2014）、国家科技进步二等奖（2015）、天津市自然科学一等奖（2017）、国家自然科学二等奖（2020）、天津市技术发明一等奖（2021）。现为国务院学位委员会第七届学科评议组动力工程及工程热物理组成员、教育部高等学校能源动力类专业教学指导委员会副主任、教育部科技委先进制造学部副主任，中国内燃机学会副理事长、中国内燃机学会编辑委员会主任委员。
第一作者简介：
王轩，博士，天津大学副教授。主要研究方向为热动力系统的设计开发和仿真控制，包括(1)混合动力汽车的能量管理;(2)内燃机余热回收;(3) CO2布雷顿循环仿真与智能控制;(4)电池热管理。先后主持国家自然科学基金、重点研发计划子课题、军科委项目等多项国家课题。发表SCI论文50余篇，专利10余项，入选天津大学科技创新领军人才培育计划。
关于Applied Energy
本期小编：彭维珂；审核人：董增澳
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