氨作为一种可行的无碳能源载体，具有为高效混合系统提供动力的巨大潜力。在这些系统中，固体氧化物燃料电池（SOFC）-燃气轮机（GT）系统提供了一个集成平台，结合了电化学和热力学能量转换。在这篇综述中，通过独立研究氨在直接氨馈入的固体氧化物燃料电池（DA-SOFC）和氨燃烧的GT（NH₃-GT）中的作用，对使用氨作为SOFC-GT混合系统的唯一燃料的可行性进行了批判性评估。对于DA-SOFC，我们总结了电解质结构、催化阳极材料、NOₓ减排和耐久性策略的最新进展。对于NH₃-GT，我们回顾了氨的燃烧特性，并探讨了包括与氢或甲烷共燃、分级燃烧和催化燃烧方法在内的改进措施。通过比较两个组件的性能、挑战和系统集成策略，我们证明了氨作为统一燃料的技术可行性，并强调了其支持高效、低排放和无碳SOFC-GT发电的潜力。所呈现的见解为全球向碳中和过渡过程中基于氨的混合能源系统的发展奠定了基础。
固体氧化物燃料电池（SOFC）-燃气轮机（GT）系统是一种先进的能量转换技术，它结合了SOFC的高发电效率和低排放以及GT的快速动态响应和高功率密度[1]。从系统工程的角度来看，典型的SOFC-GT配置包括两个核心组件：SOFC，这是一种在高温（600–1000°C）下直接将燃料和氧化剂的化学能转换为电能的电化学装置[2]；以及GT，这是一种通过燃烧将燃料的化学能转换为机械功的热机械发动机，随后由发电机转换为电能[3]。SOFC-GT混合概念出现在20世纪末，其动力在于通过电化学和热力学循环的热力学集成来提高能量转换效率和优化系统性能[4,5]。这种耦合利用了SOFC和GT的互补特性，提高了燃料利用率、废热回收和整体系统效率；因此，它是下一代清洁能源发电技术的一个有前途的候选者[6]。与独立的SOFC或GT系统相比，SOFC-GT混合系统通过利用两个组件之间的热力学协同作用实现了更优的整体性能[7,8]。具体来说，SOFC的高温废气被用来驱动GT，从而回收废热以进行额外的发电[9]。同时，GT废气的热能可以用来预热供应给SOFC的燃料和空气流，进一步提高系统的热效率[10]。此外，GT表现出出色的燃料灵活性，能够使用多种燃料，如天然气、沼气和氢气[11,12]。这种与富含氢的燃料的兼容性为SOFC和GT技术的有效集成提供了坚实的基础。
近年来，研究人员专注于提高SOFC-GT混合系统的效率、稳定性和适应性[[13], [14], [15], [16], [17]]。在基于碳氢化合物的燃料领域，Weng等人[18]进行了数值模拟，评估了在不同运行条件下使用甲烷、氢气和乙醇作为燃料的SOFC-GT系统的性能[19]。他们的结果显示，使用甲烷作为燃料时，峰值功率输出分别比使用氢气和乙醇高出30%和22%，同时实现了高达62.29%的净电效率。在生物质衍生燃料领域，Sinha等人[20]比较分析了由三种生物质原料（松木锯末、杨木锯末和杏仁壳）驱动的SOFC-GT系统。尽管松木锯末在三种原料中表现出最高的熵破坏、最大的环境影响和最低的可持续性指数，但它实现了最高的63.12%的热效率。此外，Grigoruk等人[21]研究了一种由干粉煤气化产生的合成气驱动的SOFC-GT系统，并发现该系统的性能优于使用水煤浆气化产品的系统。这种优异的性能主要归因于合成气成分的差异以及水煤浆原料较低的发热值，这导致电效率降低了3–5%。
尽管以碳氢化合物为燃料的SOFC-GT系统表现出有希望的性能，但几个固有的限制限制了它们的长期可持续性和环境可行性[22]。首先，碳氢化合物燃料的燃烧不可避免地会产生二氧化碳排放，加剧全球气候变化并影响当地空气质量。其次，这些燃料通常需要广泛的预处理，如催化重整、脱硫和去除其他杂质，从而增加了系统复杂性、运营成本和维护要求[23,24]。此外，与碳氢化合物燃料相关的物流挑战，包括储存、运输和市场价格波动，给系统可靠性和经济可行性带来了不确定性[25]。
这些缺点凸显了迫切需要一种无碳、经济上可行的替代燃料，以提高SOFC-GT技术的可持续性和可扩展性。在这种情况下，理想的下一代燃料应满足几个关键标准：零碳排放、来自可再生资源的广泛可用性、易于储存和运输以及具有竞争力的成本。氢气名义上满足了无碳要求，并且可以从可再生电力中生产[26,27]。然而，由于在常温条件下的体积能量密度极低，氢气必须以高压或低温液态形式储存[28]，这大大增加了储存和运输成本，并对基础设施提出了严格要求。这些限制严重限制了氢气在大规模、跨区域运输和长时间储能应用中的部署[29,30]。相比之下，作为一种无碳能源载体，氨与天然气或柴油等传统化石燃料相比，具有接近零的温室气体排放潜力[31]。如图1所示，氨可以直接用于SOFC、GT和集成的SOFC-GT混合系统，而无需进行广泛的燃料改造。此外，氨可以从多种来源合成，包括生物质衍生的氮物种或通过使用过剩的可再生电力通过电化学途径合成[32]。重要的是，氨可以在SOFC阳极直接分解，消除了对复杂燃料重整过程的需求[33]。这种简化不仅降低了系统复杂性、资本和运营成本，还提高了整体系统可靠性和能源效率。
尽管氨作为无碳燃料具有许多优点，但其在DA-SOFC-GT系统中的应用仍受到几个关键挑战的阻碍[34]。这些挑战包括SOFC内氨分解效率有限、在高操作温度下形成氮氧化物（NOₓ）以及由于氮化作用导致的阳极退化[35,36]。此外，DA-SOFC-GT系统主要仍处于理论和实验研究阶段，向商业规模部署的进展有限。必须解决这些技术和开发障碍，才能充分发挥氨燃料混合动力系统的潜力。为了应对这些挑战，我们提供了关于氨燃料SOFC、GT及其集成DA-SOFC-GT配置的最新进展的全面概述。综述首先讨论了氨的物理化学性质和各种生产途径，包括可再生合成方法。然后探讨了直接氨馈入的SOFC（DA-SOFC）的操作原理和最新发展，重点关注薄膜结构、催化阳极材料、耐久性和排放控制。随后，探讨了氨燃料GT（NH₃-GT）的当前状态和设计策略，强调了燃烧改进技术，如氨-甲烷/氢共燃、分级燃烧和先进催化系统的使用。此外，对文献和代表性案例研究进行了批判性分析，总结了DA-SOFC-GT系统的热力学建模和控制策略的最新进展。最后，确定了关键技术挑战并概述了未来的研究方向，以展示氨作为清洁高效能源载体的可行性和变革潜力。这项工作旨在为实现能源行业的绿色转型和支持可持续能源系统的发展做出贡献。
氨的基本性质和能量特性
氨越来越被认为是一种有前途的无碳氢载体和可持续能源系统的燃料替代品。它是一种无色气体，具有刺鼻的气味，按重量计算含有大约17.6%的氢[37]，这大约是甲醇中的1.4倍。由于其化学成分和燃烧特性，氨在清洁发电方面比传统燃料具有多个优势。
DA-SOFC的基本工作原理
根据所使用的电解质类型，DA-SOFC可以大致分为氧化物离子导电型SOFC（O-SOFC）和质子导电型SOFC（H-SOFC）[64]。两种配置的基本工作原理如图3所示。
在O-SOFC（图3a）中，氨（NH₃）在阳极被催化分解为氢（H₂）和氮（N₂）（方程（1））。同时，氧分子（O₂）在阴极被还原形成氧化物离子（O²⁻）（方程（4））。
NH₃-GT的操作原理和当前状态
GT是一种成熟且广泛应用的发电技术，其工作原理基于布雷顿循环。图9[163]展示了一个微型GT的典型配置，它通常采用单轴架构，包括压缩机、燃烧室、涡轮机和发电机[164]。在这个系统中，环境空气首先被压缩机压缩，然后与燃料混合并在燃烧室内燃烧以产生...
SOFC-GT耦合系统的操作原理和当前状态
将SOFC与GT高效集成已成为提高能量转换效率和减少先进发电系统中温室气体排放的有希望的策略。文献中提出了各种SOFC–GT耦合配置，主要根据SOFC和GT组件之间的相对位置和相互作用进行分类[[216], [217], [218], [219], [220], [221]]。这些配置旨在实现最佳的热力学性能...
作为一种新兴的发电技术，SOFC-GT系统通过热力学耦合实现了级联能量利用，显示出提高能量转换效率的巨大潜力。以往的研究主要集中在以甲烷为燃料的SOFC-GT系统上；然而，这类系统的进一步发展受到CO₂排放的限制。氨可以直接用于SOFC-GT系统而不产生CO₂排放；因此，它是一种有前途的替代燃料。
Baozuo SUN：概念化、方法论、撰写 - 原始手稿。Yu Liu：概念化、方法论、监督、撰写 - 审稿与编辑。Zhao YIN：概念化、方法论、监督、撰写 - 审稿与编辑。Hualiang ZHANG：研究、撰写 - 审稿与编辑。Yujie XU：研究、撰写 - 审稿与编辑。Haisheng CHEN：资金获取、撰写 - 审稿与编辑。
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
本工作得到了国家自然科学基金的支持，项目编号为52202324。作者还感谢中国科学院的“****”、中国科学院（CAS）南京未来能源系统研究所独立部署的研究项目E3550101、中国科学院国际合作局的关键合作项目（授权号：117GJHZ2023009MI）以及Xplorer奖和关键实验室的支持。
