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FIE Research Article 采用氨制氢快速方法的创新型SOFC全电力船舶系统的高效运行 |
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论文标题：Highly efficient operation of an innovative SOFC powered all-electric ship system using quick approach for ammonia to hydrogen
期刊：Frontiers in Energy
作者：Xiaojing Lv, Peiran Hong, Jiale Wen, Yi Ma, Catalina Spataru, Yiwu Weng
发表时间：17 Nov 2024
DOI：https://doi.org/10.1007/s11708-025-0974-8
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文章亮点
（1）建立了一个以NH3为燃料的SOFC全电力推进系统，额定功率为96kW，电能效率为60.13%，完全满足船舶的巡航要求。
（2）使用2kW的原型实验台验证了该系统的准确性和在不断变化的导航条件下调整参数的可行性。
研究背景及意义
为应对全球气候变化，世界主要海洋国家对开发先进、安全和高效的绿色海洋动力系统产生了浓厚的兴趣。固体氧化物燃料电池（SOFC）以其高效率和燃料适应性而著称，为海事应用提供了巨大的潜力。以NH3为燃料的固体氧化物燃料电池（SOFC）动力系统被认为是实现船舶脱碳和碳中和的最有前途的解决方案之一。然而，要确保以NH3为燃料的全电动船舶的SOFC动力系统高效稳定地运行，需要解决几个关键挑战，包括生产H2所需的NH3速度慢、船舶运行条件变化时效率低以及船体空间有限等技术难题。为了解决这些技术难题，本文以目标船型为例，创新性地提出了一种用于快速生产H2的带肋催化燃烧集成氨裂解器（IAC），旨在为船舶构建安全高效的SOFC全电动推进系统。
主要研究内容
本文首先探讨了以NH3为燃料的SOFC船舶动力系统所面临的技术挑战，引入了一种用于快速生产氢气的创新型NH3集成反应堆，建立了一个可适应各种航行条件的安全高效的SOFC全电力推进系统。使用2kW的原型实验台对其进行验证，得出为船舶设计的 NH3-SOFC动力推进系统额定功率为96kW，电能效率为60.13%，完全满足船舶的巡航要求。
图 1 以NH3为燃料、SOFC为动力的全电力推进系统拓扑图
在相同的催化条件下，1.1m长的反应器通过高效的热传递，在2.94s内实现了NH3的完全分解，减少了35%的裂解时间，节省了42%的舱室空间。这些结果表明了以NH3为燃料的SOFC动力系统在目标船上的合理性和可行性。
图2 IAC性能比较
研究CR和A/O比对以NH3为燃料的SOFC推进系统的相互影响，图3显示了 SOFC 动力推进系统效率随A/O和CR变化的变化。在高负荷航行条件下，调整CR和A/O均可提高高燃料利用率下的系统效率，其中A/O调整最为有效。A/O值从0.4到0.53，CR值从10%到20%，操作员可以灵活调整这些参数，确保在苛刻条件下高效运行。
图3 A/O和CR对SOFC动力推进系统效率的影响
通过使用其他操作参数适当调整A/O，推进系统可以在各种条件下高效运行，如图4所示。动力系统必须在低负荷时保持55.02%的效率，在高负荷时保持61.73%的效率，在20%至110%的功率范围内支持最佳性能。
图4 效率随相对功率比的变化
根据SOFC全电力推进系统的热工作状态参数，建立了以NH3为燃料的2kW SOFC实验平台。实验进行了氨裂解反应，模拟了电力系统的热环境温度范围，在400至740℃的高温条件下运行，选择HG2273Ni作为催化剂。
图5 以NH3为燃料的2kW SOFC实验系统
通过测试NH3-SOFC发电系统的性能，得到了发电系统的I-V曲线，如图6所示。在570至700℃范围内，与温度相关的偏差保持在3%以下。在656℃时，实验和模拟的H2产率均达到100%。SOFC输出功率达到2048W，效率约为58.66%，噪音水平为58.6 dB，二氧化碳、氮氧化物和二氧化硫排放量极低。这些结果验证了模型的准确性以及在不断变化的航行条件下调整参数的可行性。
图6 NH3裂解气体放电的I-V曲线
综上所述，文章建立了一个以NH3为燃料的SOFC全电力推进系统，并用2kW的原型实验台对其进行了验证，研究结果验证了模型的准确性和在不断变化的导航条件下调整参数的可行性。这些成果为绿色船舶推进系统的设计提供了宝贵的技术见解，为未来促进可持续发展提供了支撑。
原文信息
Highly efficient operation of an innovative SOFC powered all-electric ship system using quick approach for ammonia to hydrogen
Xiaojing Lv, Peiran Hong, Jiale Wen, Yi Ma, Catalina Spataru, Yiwu Weng
Abstract:
The solid oxide fuel cell (SOFC) power system fueled by NH3 is considered one of the most promising solutions for achieving ship decarbonization and carbon neutrality. This paper addresses the technical challenges faced by NH3 fuel SOFC ship power system, including slow hydrogen (H2) production, low efficiency, and limited space. It introduces an innovative a NH3-integrated reactor for rapid H2 production, establishes a safe and efficient all-electric SOFC all-electric propulsion system adaptable to various sailing conditions. The system is validated using a 2 kW prototype experimental rig. Results show that the SOFC system, designed for a target ship, has a rated power of 96 kW and an electrical efficiency of 60.13%, meeting the requirements for rated cruising conditions. Under identical catalytic scenarios, the designed reactor, with highly efficient heat transfer, measuring 1.1 m in length, can achieve complete NH3 decomposition within 2.94 s, representing a 35% reduction in cracking time and a 42% decrease in required cabin space. During high-load voyage conditions, adjusting the circulation ratio (CR) and ammonia-oxygen ratio (A/O) improves system efficiency across a wide operational range. Among these adjustments, altering the A/O ratio proves to be the most efficient strategy. Under this configuration, the system achieves an efficiency of 55.02% at low load and 61.73% at high load, allowing operation across a power range of 20% to 110%. Experimental results indicate that the error for NH3 cracking H2 is less than 3% within the range of 570–700 °C, which is relevant to typical ship operation scenarios. At 656 °C, the NH3 cracking H2 rate reaches 100%. Under these conditions, the SOFC produces 2.045 kW of power with an efficiency of approximately 58.66%. The noise level detected is 58.6 dB, while the concentrations of CO2, NO, and SO2 in the flue gas approach zero. These findings support the transition of the shipping industry to green, clean systems, contributing significantly to future reductions in ocean carbon emissions.
Cite this article:
Xiaojing Lv, Peiran Hong, Jiale Wen, Yi Ma, Catalina Spataru, Yiwu Weng. Highly efficient operation of an innovative SOFC powered all-electric ship system using quick approach for ammonia to hydrogen. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-025-0974-8
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通讯作者简介
吕小静，上海交通大学中英国际低碳学院副教授、博导。国际外文期刊《Energy》、《 International Journal of Hydrogen Energy》and《Applied Energy》审稿人，国内外学术组织American Society of Mechanical Engineers任职，中国造船工程学会轮机委员，中国动力工程学会委员，《动力工程学报》编辑部青年委员。获得上海交通大学教职工年度考核“优秀”，上海市青年“启明星”人才计划，上海交通大学博士后奖励基金“二等奖”，“Outstanding Reviewer” Energy-Elsevier，上海市青年“扬帆”人才计划，上海交通大学“优秀博士毕业生”。研究方向为燃料电池/燃气轮机混合动力系统、智慧能源系统及智能控制技术、零碳化船舶先进动力系统。发表学术论文30余篇，软件版权登记及专利3篇，出版书籍3篇。
期刊简介
Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。
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