创新氨制氢技术助力SOFC全电力船舶系统高效运行
创新氨制氢技术助力SOFC全电力船舶系统高效运行
随着全球气候变化的加剧，开发先进、安全和高效的绿色海洋动力系统已成为世界主要海洋国家的重要课题。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。
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。
本文原文来自《Frontiers in Energy》