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：10.1007/s11708-025-0974-8

微信链接：点击此处阅读微信文章

Frontiers in Energy发表文章“Highly efficient operation of an innovative SOFC powered all-electric ship system using quick approach for ammonia to hydrogen”，该成果被美国科学促进会（AAAS）主办的全球科技新闻服务平台（EurekAlert！）进行了报道。查看详情请识别下方二维码：

文章内容

上海交通大学中英国际低碳学院吕小静副教授研究团队提出了一种以NH₃为燃料的船舶SOFC全电力推进系统，使用2kW级的原理型实验台验证了该系统的准确性和不同航行工况下的参数调整可行性。这项研究为船舶推进提供了一种高效且环境友好的途径，满足了航运业对脱碳的迫切需求。

Topological diagram of an NH₃-fueled, SOFC powered all-electric propulsion system

随着世界主要海运国家努力开发先进的绿色海洋动力系统，固体氧化物燃料电池因其高效率和燃料适应性，已成为一项极具潜力的技术。国际海事组织签署协议预计2060年，超60%新船将使用NH₃或H₂燃料。氨价格低廉、不易燃，且易于储存和运输，是传统燃料极具吸引力的替代品。在固体氧化物燃料电池中使用氨，消除了与积碳和燃料重整相关的问题，使其成为向绿色低碳航运转型的关键因素。

该研究攻克了氨燃料固体氧化物燃料电池船舶动力系统的技术难题，包括产氢速度慢、效率低以及空间有限等问题。研究人员引入了一种创新的肋式催化燃烧一体化氨裂解器（IAC），用于快速产氢，这对于将氨高效分解为高浓度氢气至关重要。针对目标船舶设计的氨燃料SOFC系统，额定功率为96千瓦，电效率为60.13%，满足额定巡航条件下的要求。长度为1.1米的IAC在2.94秒内实现了完全的氨分解，与传统方法相比，裂解时间减少了35%，所需舱室空间减少了42%。通过在高负荷航行条件下调整循环比（CR）和氨氧比（A/O），系统的效率可以进一步优化。

通过一个2kW级原理型实验装置进行了验证，实验结果令人瞩目！在570-700°C的范围内，氨裂解氢气的误差小于3%，这与典型的船舶运行场景相关。在656°C时，氨裂解氢气的效率达到100%。在此条件下，SOFC产生了2.045kW功率，效率约为58.66%。检测到的噪音水平为58.6 dB，而尾气中二氧化碳（CO₂）、一氧化氮（NO）和二氧化硫（SO₂）的浓度接近零，显示出该系统对环境的极小影响。

这项研究不仅在船舶用氨燃料固体氧化物燃料电池动力系统的开发方面取得了技术突破，还为航运业向绿色、清洁系统转型提供了支持。研究结果对未来减少海洋碳排放具有重要技术指导意义，与全球应对气候变化的努力相一致。创新的一体化氨裂解器和高效的固体氧化物燃料电池系统，为海运行业的脱碳提供了切实可行且高效的解决方案，为航运业的可持续未来铺平了道路。

本研究得到了中船集团-上海交大前瞻创新联合重点项目、NSFC以及上海市政府间国际合作项目的资助支持。

文章信息

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

扫描二维码，阅读原文

通讯作者简介

吕小静，上海交通大学长聘副教授/博士生导师，英国伦敦大学学院（UCL）客座研究员，上海市青年科技“启明星”人才计划。长期从事燃料电池/燃气轮机智能混动、零碳化先进船舶动力、智慧能源系统及智能控制等方面研究。作为独立PI，主持国家自然科学基金委面上/青年基金、中央军委装备发展部/国防科工局基础研究专项、上海市科委创新计划等国家及省部级项目12项。发表学术论文80余篇，主编出版专著4部，申请/授权发明专利11项。担任上海能源研究会城市能源专委会副主任委员，中国造船工程学会轮机委员会副秘书长，为中国工程院院刊《Frontiers in Energy》、《动力工程学报》等期刊青年编委。

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。

Frontiers in Energy已被SCIE、Ei Compendex、CAS、Scopus、INSPEC、Google Scholar、CSCD(中国科学引文数据库)、中国科技核心期刊等数据库收录。2024年海内外下载量为110余万，截至2025年03月10日，即时Impact Factor为6.0,即时CiteScore为6.8。

Frontiers in Energy免收版面费，且对于录用的文章提供免费语言润色以保障出版质量。进入外审的稿件（不包括评论、新闻热点等短文），第一轮审稿周期约30天，从审稿到录用平均60天。

更多信息请访问：

http://journal.hep.com.cn/fie（国内免费开放）

https://link.springer.com/journal/11708

联系我们：

FIE@sjtu.edu.cn, (86) 21-62932006

qiaoxy@hep.com.cn, (86) 10-58556482

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中12种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

中国学术前沿期刊网

http://journal.hep.com.cn