CN115939468A - 一种高效船用氨燃料sofc发电装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高效船用氨燃料SOFC发电装置与方法，该装置包括液氨储罐；催化燃烧裂解一体器，其包括催化氨分解器、以及围绕所述催化氨分解器设置的SOFC尾气催化燃烧器，所述催化氨分解器与SOFC尾气催化燃烧器形成两者的换热空间；引射器；SOFC电池模块，其包括阳极进气口、阳极尾气出口、阴极进气口、阴极尾气出口；空气进气组件；以及混合器。与现有技术相比，本发明可以减少发电系统空间占用，降低发电系统部件间热损耗，提升系统效率等，整个发电系统高效紧凑、性能可靠、效率较高且成本较低，易于实现小型化、实用化，可在船体有空间限制的情况下使用。
Description
技术领域
本发明属于能源动力设备技术领域，涉及一种高效船用氨燃料SOFC发电装置与方法。
背景技术
目前，以氨为燃料的SOFC发电系统成为了双碳时代替代化石燃料的新宠，各国已开展SOFC发电方法的研究。在发电系统拓扑结构的设计方法方面，丹麦哥本哈根热能系统研究所的M.Rokni设计了外部分解的氨燃料SOFC发电方法的系统图，分解器和燃烧室完全隔离开，氨气预分解后进入SOFC中，电堆的尾气进入到催化燃烧室内燃烧，之后高温燃气依次为空气和氨气提供热量，整个系统流程简单，排放尾气温度较高，热能耗较大，电厂效率和功率分别为51.0％和10.2kW；意大利佩鲁贾大学的Linda Barelli等人设计了外部分解的氨燃料SOFC发电方法系统图，该系统同样将燃烧室和分解器隔离开来，氨经过裂解器后进入到SOFC电堆，电堆出口的尾气首先加热空气，之后进入到燃烧室内，燃烧室出口气体用于加热氨气和空气，该系统相比上个系统余热回收效果提升，但是结构庞大同时部件传热损耗大，输出100W的情况下系统效率保持在52.1％；韩国机械材料研究所的Thai-Quyen等人设计了直氨式SOFC独立系统的拓扑图并进行最优参数的研究，该系统氨气在加热后直接通入SOFC电堆中，电堆尾气出来后首先为氨气加热，之后进入到催化燃烧室，但氨直接进入阳极会与阳极催化剂形成络合物，导致发电系统寿命衰退，经过计算当选用最优参数该系统可输出100kW，效率为54.74％；上海交通大学的王旭升设计了一种结合阳极尾气和燃烧器排气再循环的沼气燃料SOFC-燃气轮机混合动力系统，该系统采用引射器技术进行再循环的回路操作，在阳极和燃烧器排气的循环比分别为0.4和0.425时，系统的设计效率可以达到62.21％，但是仍然将重整器与催化燃烧室隔离开。
综上所述，当前在以氨为燃料的船舶SOFC发电方法设计上，主要有两方面问题，常规的氨燃料SOFC发电系统大多采用外部分解的方式，燃烧室和分解器完全隔离开来，这导致系统结构庞大，占用较多空间，不适于安装在空间较为狭小的船舶上，并且部件之间传热损耗大；其次是采用直接将氨气通入到SOFC阳极作为燃料的直氨式发电系统，直氨式会导致氨气与SOFC阳极催化剂形成络合物，降低阳极催化剂活性，引起发电系统性能衰退，大大降低发电效率，维护成本升高，同时高温下氨气会氧化形成有毒的一氧化氮，不利于船上人员的身体健康。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种高效船用氨燃料SOFC发电装置与方法，充分提高整个系统发电的效率，减少空间结构占用等。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的技术方案之一提供了一种高效船用氨燃料SOFC发电装置，包括：
液氨储罐；
催化燃烧裂解一体器，其包括催化氨分解器、以及围绕所述催化氨分解器设置的SOFC尾气催化燃烧器，所述催化氨分解器与SOFC尾气催化燃烧器形成两者的换热空间；
引射器；
SOFC电池模块，其包括阳极进气口、阳极尾气出口、阴极进气口、阴极尾气出口；
空气进气组件；
以及混合器；
所述液氨储罐依次连接所述催化氨分解器、引射器和SOFC电池模块的阳极进气口，所述空气进气组件连接所述阴极进气口，所述阳极尾气出口和阴极尾气出口均连接所述混合器，再回合返回连接所述SOFC尾气催化燃烧器。
进一步的，所述催化氨分解器的外表面还分布有若干位于换热空间中的肋片。
进一步的，所述液氨储罐与所述催化氨分解器之间还设有第一换热器，所述空气进气组件与所述阴极进气口之间还设有第二换热器，所述SOFC尾气催化燃烧器的尾气出口还依次连接所述第一换热器和第二换热器。
进一步的，所述阳极尾气出口处还引出一条尾气循环支路并返回连接所述引射器。
更进一步的，所述阳极尾气出口处的尾气循环支路位置设有三通阀，在尾气循环支路上还设有第二阀门。
进一步的，所述空气进气组件包括依次连接的空气过滤器与空气压缩机。
进一步的，所述液氨储罐的出口端还设有第一阀门。
进一步的，本发明采用的催化剂有：Ru/Al2O3、Ni/Al2O3、Co和Fe/Al2O3双金属催化剂、Co/Al2O3、Fe/Al2O3(本系统上述几种催化剂均有较好氨分解效果)。
进一步的，本发明液氨储罐比催化裂解一体器的位置高2m-10m，并且放置在船舶甲板上，可以吸收周围环境中的热量汽化并且利用压差和重力势能传输液体工质。
本发明的技术方案之二提供了一种高效船用氨燃料SOFC发电方法，其基于如上任一所述的高效船用氨燃料SOFC发电装置，该方法包括以下步骤：
(1)氨气从液氨储罐中流出，变为氨气并加热后送入催化氨分解器中，在高温与催化剂的条件下开始进行氨分解反应；
(2)催化氨分解器中所产生的燃料气进入到引射器的高压端气体入口，与后续SOFC电池模块排出后返回的部分阳极燃料尾气混合，再进入到SOFC电池模块的阳极，与从阴极进气口进来的高温空气进行电化学反应，输出电能；
(3)进行完电化学反应后的高温阳极尾气，其一部分返回引射器，另一部分则在混合器与从阴极尾气出口出来的阴极尾气混合，得到高温预混气；
(4)所得高温预混气进入SOFC尾气催化燃烧器中，在高温与催化剂最用下进行氧化反应放出热量，并与与催化氨分解器不断换热，催化氧化后的高温尾气从SOFC尾气催化燃烧器出口出来后，回收热量并排出。
进一步的，步骤(1)中，氨气被升温至800K-850K，压力为1.4bar-1.5bar，再进入催化氨分解器。
进一步的，步骤(3)中，高温阳极尾气中的20％被送回引射器，剩余送往混合器中。
针对现有氨燃料SOFC发电方法中氨分解器和燃烧室隔离开的现状，本发明设计了具有肋片的管套一体化氨分解方法。本发明所设计的氨分解方法，就是在圆管状的氨分解反应器外面套设一根圆管，同时内部的夹层中加装肋片。内部管程作为催化氨分解器，在管壁上涂抹氨分解催化剂。管程与套设的圆管之间的催化燃烧器中通入未被SOFC电池模块完全利用的尾气，催化氨分解器的外部管壁涂抹催化氧化氢气的催化剂，通过尾气催化氧化以及SOFC电池模块的余热来提供氨分解反应吸收的热量；
针对现有氨燃料SOFC发电方法中余热回收不充分，部件间热损耗较高的现状，本发明设计了阳极尾气再循环方法，并通过在SOFC电池模块的阳极前加装引射器的方式实现，高速的高压燃料气流在腔体内因为流速较高，因此静压降低，将低压的阳极尾气吸引，并在混合腔内混合，这样可以充分利用未被反应的氢气以及SOFC电池模块的余热。
在采用上述的发电方法后，系统可以在依靠较少外部电力输入的情况下实现发电。并且采用一体式分解器有效提升系统效率，充分利用尾气的余热以及未被完全反应的氢气，减小空间占用率和建造成本，阳极尾气再循环方法的使用有效实现燃料气高低压循环的调节，进一步回收阳极尾气中的氢气和热量。整个发电系统高效紧凑、性能可靠、效率较高且成本较低，易于实现小型化、实用化，可在船体有空间限制的情况下使用。
附图说明
图1为本发明的工艺装置的示意图；
图2为催化燃烧裂解一体器的结构示意图；
图中标记说明：
1-液氨储罐，2-第一阀门，3-第一换热器，4-催化燃烧裂解一体器，5-引射器，6-SOFC电池模块，7-第二阀门，8-三通阀，9-空气过滤器，10-空气压缩机，11-混合器，12-第二换热器，13-SOFC尾气催化燃烧器，14-催化氨分解器，15-肋片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施方式或实施例中，如无特别说明的功能部件或结构，则表明其均为本领域为实现对应功能而采用的常规部件或常规结构。
为提高充分提高整个系统发电的效率，减少空间结构占用等，本发明提供了一种高效船用氨燃料SOFC发电装置，可参见图1和图2所示，包括：
液氨储罐1；
催化燃烧裂解一体器4，其包括催化氨分解器14、以及围绕所述催化氨分解器14设置的SOFC尾气催化燃烧器13，所述催化氨分解器14与SOFC尾气催化燃烧器13形成两者的换热空间；
引射器5；
SOFC电池模块6，其包括阳极进气口、阳极尾气出口、阴极进气口、阴极尾气出口；
空气进气组件；
以及混合器11；
所述液氨储罐1依次连接所述催化氨分解器14、引射器5和SOFC电池模块6的阳极进气口，所述空气进气组件连接所述阴极进气口，所述阳极尾气出口和阴极尾气出口均连接所述混合器11，再回合返回连接所述SOFC尾气催化燃烧器13。
在一些具体的实施方式中，所述催化氨分解器14的外表面还分布有若干位于换热空间中的肋片15。
在一些具体的实施方式中，所述液氨储罐1与所述催化氨分解器14之间还设有第一换热器3，所述空气进气组件与所述阴极进气口之间还设有第二换热器12，所述SOFC尾气催化燃烧器13的尾气出口还依次连接所述第一换热器3和第二换热器12。
在一些具体的实施方式中，所述阳极尾气出口处还引出一条尾气循环支路并返回连接所述引射器5。
更进一步的，所述阳极尾气出口处的尾气循环支路位置设有三通阀8，在尾气循环支路上还设有第二阀门7。
在一些具体的实施方式中，所述空气进气组件包括依次连接的空气过滤器9与空气压缩机10。
在一些具体的实施方式中，所述液氨储罐1的出口端还设有第一阀门2。
在一些具体的实施方式中，本发明采用的催化剂有：Ru/Al2O3、Ni/Al2O3、Co和Fe/Al2O3双金属催化剂、Co/Al2O3、Fe/Al2O3(本系统上述几种催化剂均有较好氨分解效果)。
在一些具体的实施方式中，本发明液氨储罐1比催化裂解一体器的位置高2m-10m，并且放置在船舶甲板上，可以吸收周围环境中的热量汽化并且利用压差和重力势能传输液体工质。
以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。
下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。
实施例1：
结合上述实施方式，本实施例提供了一种高效船用氨燃料SOFC发电方法，请再参见图1和图2所示，具体过程为：
第一步：第一阀门2开启，甲板上液氨储罐1内的液氨在压力和重力的作用下流出管道，并不断吸收周围环境中的热量，变为氨气。氨气进入到第一换热器3中吸收热量，温度不断升高，压力略有降低，从第一换热器3中出来的氨气温度达到催化分解要求的高温，之后进入到催化氨分解器14内，在高温和催化剂的条件下开始氨分解反应，通过合理设计氨分解器管长，氨气完全分解为燃料气。
本发明采用的催化剂有：Ru/Al2O3、Ni/Al2O3、Co和Fe/Al2O3双金属催化剂、Co/Al2O3、Fe/Al2O3(本系统上述几种催化剂均有较好氨分解效果)
本发明液氨储罐1比催化裂解一体器的位置高2m-10m，并且放置在船舶甲板上，可以吸收周围环境中的热量汽化并且利用压差和重力势能传输液体工质。
所述的催化氨分解器14中的氨气分解过程是指：氨气首先在第一换热器3内从高温尾气处吸收热量，温度升高为800K-850K，压力为1.4bar-1.5bar，这一参数为氨气进入催化氨分解器14入口的参数；在氨气进入到催化氨分解器14内后，在催化剂和高温的作用下，氨气不断分解为氢气和氮气，并且分解过程中还会吸收超低浓度的SOFC尾气催化燃烧器13产生的热量，保证催化分解过程高效快速进行；
第二步、催化氨分解器14产生的燃料气进入到引射器5的高压端气体入口，第二阀门7开启，高温的SOFC阳极燃料尾气被引射器5的低压端气体入口吸引，燃料气与阳极燃料尾气在引射器5的混合室内混合，燃料气温度升高，氢气浓度增加，引射器5出口的燃料气进入到SOFC电池模块6的阳极。SOFC电池模块6阳极的燃料气与阴极的高温空气进行电化学反应，输出电能。
第三步、进行完电化学反应后高温的阳极尾气，当第二阀门7开启后，一部分在引射器5的作用下被吸引与氨裂解气混合作为阳极燃料，继续进行电化学反应使得SOFC电池模块6持续输出电力，另外一部分在混合器11与阴极尾气混合。
第四步、混合器11出口的高温预混气进入到超低浓度SOFC尾气催化燃烧器13，在高温和催化剂的作用下进行氧化反应放出热量，并且通过肋片15与氨催化裂解器不断换热。
高温预混气在超低浓度SOFC尾气催化燃烧器13中的催化氧化过程是指：阳极尾气在进行电化学反应后仍然有未反应完全的氢气，预混气在高温和催化剂的作用下，其中的氢气与氧气发生氧化反应释放热量。高温预混气本身具有的热量与氧化反应释放的热量通过催化氨分解器14的管壁以及外面的肋片15传递给内部的氨分解反应，为氨分解提供所需的热量；
第五步、催化氧化后的高温尾气从超低浓度SOFC尾气催化燃烧器13出口出来后，先后经过第一换热器3和第二换热器12分别与氨气和空气换热。
本实施例的船用氨燃料SOFC发电方法，具体是将一种可以降低能耗、回收余热、废气催化燃烧的氨分解一体化设计方法充分与燃料高低压可循环可调节的高效SOFC发电模块有机集成，形成一种新型高效船用氨燃料SOFC发电方法。整个发电系统高效紧凑、性能可靠、效率较高且成本较低，易于实现小型化、实用化，可在船体有空间限制的情况下使用。本方法通过改变电池模块的数量，可实现数百千瓦至几兆瓦的发电功率。
实施例2：
以某型号5MW级的客船为例，该客船为铝合金船体，35米长，载客量150人，续航200英里，燃料电池组为双电机螺旋桨提供驱动功率。根据这些特点，为该船设计了41个120kW的燃料电池模块，每个模块中SOFC单电池个数为758个；催化剂为Ru/Al2O3,阳极尾气再循环比例为0.2，SOFC的燃料利用率为0.8，额定燃料流量为34090SLPM，额定空气流量为485570SLPM，换热器的效率为0.9；催化燃烧裂解一体器4的裂解器氨燃料进口温度为850K，SOFC出口尾气进入的温度为1088K；SOFC的阳极燃料进口处温度为995K，阴极进口处温度为940K，液氨储罐1内部压力为2.16Mpa。本实例通过以下步骤进行工作：
(1)岸上卡车为该船加满氨后，船开始启动。首先第一阀门2接收指令打开，甲板上的液氨储罐1中的液氨在压力和重力的作用下流出管道，并吸收周围空气中的热量汽化，温度至约298.15K，压力通过第一阀门2调节为1.5bar,之后氨气通入到第一换热器3；
(2)氨气进入到第一换热器3中，与高温热源进口处的高温尾气进行换热，温度不断升高，通过合理设计，氨气在第一换热器3出口处温度达到850K，压力降低为1.47bar，这一参数为催化分解所需要的参数，随后高温氨气通入到催化燃烧氨裂解一体器的催化氨分解器14；
(3)催化氨分解器14中的氨气在高温和催化剂的作用下开始分解，产生氢气和氮气。催化氨分解器14出口的燃料气的温度为946K，压力由于有损失下降为1.44bar，随后高温燃料气流入引射器5的高压气体入口端；
(4)SOFC电池模块6的阳极出口尾气通过三通阀8进入到引射器5的低压气体入口端。经过阳极尾气再循环过程，阳极燃料气的温度从946K升高为995K，随后进入到船舱内，与SOFC电池模块6相连，分别为41个电堆模块提供燃料。SOFC电池模块6的阳极燃料与阴极的空气进行电化学反应，输出电能；
(5)SOFC电池模块6阴极的空气首先经过空气过滤器9，之后通过甲板的空气压缩机10被吸入，额定空气流速为485570SLPM，进口温度为298.15K，压力为1.346bar，吸入的空气之后流入第二换热器12；
(6)高温尾气经过催化氧化后，从超低浓度SOFC尾气催化燃烧器13的出口流出后进入到第二换热器12的高温热源入口，并且与空气换热，经过合理设计空气在第二换热器12出口处温度达到940K，压力降低为1.319bar，之后流入到SOFC电池模块6的阴极，SOFC电池模块6阴极空气与阳极的燃料气进行电化学反应，SOFC与变电系统和配电系统相连，产生的电能供应到船舶底部的双电机螺旋桨提供驱动功率，船舶此时开始行进，多余的电能作为生活用电或储存起来；
(7)从阳极和阴极输出的尾气温度达到了1088K，压力为1.266bar，其中阳极尾气一部分在引射器5的作用下被吸收再利用，阳极尾气再循环的比例为20％，剩余80％的阳极尾气与阴极尾气首先通入混合器11进行预混，预混后的尾气通入催化燃烧氨裂解一体器的超低浓度SOFC尾气催化燃烧室，在高温和催化剂的作用下，尾气中未被反应完全的氢气与氧气反应，催化氧化释放热量，为氨的裂解和阳极燃料气温度的升高提供热量，通过合理设计，催化燃烧室出口的气体温度达到了1045K，压力为1.206bar，之后通入到第一换热器3的高温气体入口端；
(8)进入到第一换热器3中的高温尾气与氨气进行换热，为氨气提供热量。换热后的高温尾气温度降低为956.2K，压力降低为1.182bar，之后通入到第二换热器12的高温气体入口端；
(9)进入到第二换热器12中的高温尾气为与空气进行换热，为空气的升温提供热量，经过换热后尾气的温度降低为327.1K，压力降低为1.159bar，第二换热器12的出口通入大气；
(10)当船舶需要停靠岸边时，首先关闭第一阀门2和空气压缩机10，待发电装置内气体排净后停止向螺旋桨供电，之后关闭第二阀门7、SOFC电池模块6和换热器。
该实例下，整个发电系统可产生5MW电力驱动双电机螺旋桨，系统发电效率为60.69％。
实施例3：
以某型号100kW级的观光船为例，该观光船为铝合金船体，船体只有一层船舱，载客量100人，整船的尺寸为25.46m*5.36m，最大巡航速度15km/h，满载排水量为72吨，燃料电池为驱动螺旋桨的电机提供电力。根据这些特点，为该船设计了两个48kW的燃料电池模块，每个模块中SOFC单电池个数为为328个；催化剂为Ni/Al2O3，阳极再循环比例为0.4，SOFC的燃料利用率为75％，额定燃料流量为695SLPM,额定空气流量为9910SLPM，换热器效率为0.9，催化燃烧裂解一体器4的裂解器氨燃料进口温度为860K，SOFC出口尾气进入的温度为1086K；SOFC的阳极燃料进口处温度为970K，阴极进口处温度为940K，液氨储罐1内部压力为2.16Mpa。本实例通过以下步骤进行工作：
(1)在岸边站点加满氨后，断开加氨管道，船开始启动。首先第一阀门2接收指令打开，船尾甲板上的液氨储罐1中的液氨在压力和重力的作用下流出管道，并吸收周围空气中的热量汽化，温度至约298.15K，压力通过第一阀门2调节为1.5bar,之后氨气通入到第一换热器3；
(2)氨气进入到第一换热器3中，与高温热源进口处的高温尾气进行换热，温度不断升高，通过合理设计，氨气在第一换热器3出口处温度达到860K，压力降低为1.47bar，这一参数为催化分解所需要的参数，随后高温氨气通入到甲板下的催化燃烧氨裂解一体器的催化氨分解器14；
(3)催化氨分解器14中的氨气在高温和催化剂的作用下开始分解，产生氢气和氮气。催化氨分解器14出口的燃料气的温度为930K，压力由于有损失下降为1.357bar，随后高温燃料气流入引射器5的高压气体入口端；
(4)SOFC电池模块6的阳极出口尾气通过三通阀8进入到引射器5的低压气体入口端。经过阳极尾气再循环过程，阳极燃料气的温度从930K升高为970K，随后进入到甲板下的动力室内，与SOFC电池模块6相连，分别为2个电堆模块提供燃料。SOFC电池模块6的阳极燃料与阴极的空气进行电化学反应，输出电能；
(5)SOFC电池模块6阴极的空气首先经过空气过滤器9，之后通过甲板的空气压缩机10被吸入，额定空气流速为9910SLPM，进口温度为298.15K，压力为1.319bar，吸入的空气之后流入第二换热器12；
(6)高温尾气经过催化氧化后，从超低浓度SOFC尾气催化燃烧器13的出口流出后进入到第二换热器12的高温热源入口，并且与空气换热，经过合理设计空气在第二换热器12出口处温度达到940K，压力降低为1.261bar，之后流入到SOFC电池模块6的阴极，SOFC电池模块6阴极空气与阳极的燃料气进行电化学反应，SOFC与变电系统和配电系统相连，产生的电能供应到船舶尾部的螺旋桨电机提供驱动功率，船舶此时开始行进；
(7)从阳极和阴极输出的尾气温度达到了1086K，压力为1.21bar，其中阳极尾气一部分在引射器5的作用下被吸收再利用，阳极尾气再循环的比例为40％，剩余60％的阳极尾气与阴极尾气首先通入混合器11进行预混，预混后的尾气通入催化燃烧氨裂解一体器的超低浓度SOFC尾气催化燃烧室，在高温和催化剂的作用下，尾气中未被反应完全的氢气与氧气反应，催化氧化释放热量，为氨的裂解和阳极燃料气温度的升高提供热量，通过合理设计，催化燃烧室出口的气体温度达到了1076K，压力为1.153bar，之后通入到第一换热器3的高温气体入口端；
(8)进入到第一换热器3中的高温尾气与氨气进行换热，为氨气提供热量。换热后的高温尾气温度降低为987.8K，压力降低为1.13bar，之后通入到第二换热器12的高温气体入口端；
(9)进入到第二换热器12中的高温尾气为与空气进行换热，为空气的升温提供热量，经过换热后尾气的温度降低为362.8K，压力降低为1.107bar，第二换热器12的出口通入大气；
(10)当船舶需要停靠岸边时，首先关闭第一阀门2和空气压缩机10，待发电装置内气体排净后停止向螺旋桨供电，之后关闭第二阀门7、SOFC电池模块6和换热器。
该实例下，整个发电系统可产生100kW电力驱动螺旋桨电机，系统发电效率为58.91％。
实施例4：
以某型号1.2MW级内河集装箱货船为例，该船体拥有两层货舱，载货能力200TEU，整船长109.8米，型宽11.4米，型深3.52米，燃料电池为驱动螺旋桨的电机提供电力。根据这些特点，为该船设计了6个200kW的燃料电池模块，每个模块中SOFC单电池个数为为1253个；氨可以既作为船舶燃料又作为船舶货物,催化剂为Ru/Al2O3，阳极再循环比例为0.3，SOFC的燃料利用率为85％，额定燃料流量为7810SLPM,额定空气流量为111250SLPM，换热器效率为0.9，催化燃烧裂解一体器4的裂解器氨燃料进口温度为865K，SOFC出口尾气进入的温度为1086K；SOFC的阳极燃料进口处温度为1010K，阴极进口处温度为950K，液氨储罐1内部压力为2.16Mpa。本实例通过以下步骤进行工作：
(1)在装货点装满氨气后，将氨气运输上船舶，连接第一阀门2，船开始启动。首先第一阀门2接收指令打开，船尾甲板上的液氨储罐1中的液氨在压力和重力的作用下流出管道，并吸收周围空气中的热量汽化，温度至约298.15K，压力通过第一阀门2调节为1.5bar,之后氨气通入到第一换热器3；
(2)氨气进入到第一换热器3中，与高温热源进口处的高温尾气进行换热，温度不断升高，通过合理设计，氨气在第一换热器3出口处温度达到865K，压力降低为1.45bar，这一参数为催化分解所需要的参数，随后高温氨气通入到船舱内的催化燃烧氨裂解一体器的催化氨分解器14；
(3)催化氨分解器14中的氨气在高温和催化剂的作用下开始分解，产生氢气和氮气。催化氨分解器14出口的燃料气的温度为951K，压力由于有损失下降为1.37bar，随后高温燃料气流入引射器5的高压气体入口端；
(4)SOFC电池模块6的阳极出口尾气通过三通阀8进入到引射器5的低压气体入口端。经过阳极尾气再循环过程，阳极燃料气的温度从951K升高为1010K，随后进入到船舱底部的动力室内，与SOFC电池模块6相连，分别为6个电堆模块提供燃料。SOFC电池模块6的阳极燃料与阴极的空气进行电化学反应，输出电能；
(5)SOFC电池模块6阴极的空气首先经过空气过滤器9，之后通过甲板的空气压缩机10被吸入，额定空气流速为111250SLPM，进口温度为298.15K，压力为1.351bar，吸入的空气之后流入第二换热器12；
(6)高温尾气经过催化氧化后，从超低浓度SOFC尾气催化燃烧器13的出口流出后进入到第二换热器12的高温热源入口，并且与空气换热，经过合理设计空气在第二换热器12出口处温度达到950K，压力降低为1.271bar，之后流入到SOFC电池模块6的阴极，SOFC电池模块6阴极空气与阳极的燃料气进行电化学反应，SOFC与变电系统和配电系统相连，产生的电能供应到船舶尾部的螺旋桨电机提供驱动功率，船舶此时开始行进，多余的电可以储存以及作为生活用电；
(7)从阳极和阴极输出的尾气温度达到了1091K，压力为1.21bar，其中阳极尾气一部分在引射器5的作用下被吸收再利用，阳极尾气再循环的比例为30％，剩余70％的阳极尾气与阴极尾气首先通入混合器11进行预混，预混后的尾气通入催化燃烧氨裂解一体器的超低浓度SOFC尾气催化燃烧室，在高温和催化剂的作用下，尾气中未被反应完全的氢气与氧气反应，催化氧化释放热量，为氨的裂解和阳极燃料气温度的升高提供热量，通过合理设计，催化燃烧室出口的气体温度达到了1028K，压力为1.163bar，之后通入到第一换热器3的高温气体入口端；
(8)进入到第一换热器3中的高温尾气与氨气进行换热，为氨气提供热量。换热后的高温尾气温度降低为962.8K，压力降低为1.33bar，之后通入到第二换热器12的高温气体入口端；
(9)进入到第二换热器12中的高温尾气为与空气进行换热，为空气的升温提供热量，经过换热后尾气的温度降低为337.1K，压力降低为1.189bar，第二换热器12的出口通入大气；
(10)当船舶需要停靠岸边时，首先关闭第一阀门2和空气压缩机10，待发电装置内气体排净后停止向螺旋桨供电，之后关闭第二阀门7、SOFC电池模块6和换热器。
该实例下，整个发电系统可产生1.2MW电力驱动螺旋桨电机，系统发电效率为62.57％。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高效船用氨燃料SOFC发电装置，其特征在于，包括：
液氨储罐；
催化燃烧裂解一体器，其包括催化氨分解器、以及围绕所述催化氨分解器设置的SOFC尾气催化燃烧器，所述催化氨分解器与SOFC尾气催化燃烧器形成两者的换热空间；
引射器；
SOFC电池模块，其包括阳极进气口、阳极尾气出口、阴极进气口、阴极尾气出口；
空气进气组件；
以及混合器；
所述液氨储罐依次连接所述催化氨分解器、引射器和SOFC电池模块的阳极进气口，所述空气进气组件连接所述阴极进气口，所述阳极尾气出口和阴极尾气出口均连接所述混合器，再回合返回连接所述SOFC尾气催化燃烧器。
2.根据权利要求1所述的一种高效船用氨燃料SOFC发电装置，其特征在于，所述催化氨分解器的外表面还分布有若干位于换热空间中的肋片。
3.根据权利要求1所述的一种高效船用氨燃料SOFC发电装置，其特征在于，所述液氨储罐与所述催化氨分解器之间还设有第一换热器，所述空气进气组件与所述阴极进气口之间还设有第二换热器，所述SOFC尾气催化燃烧器的尾气出口还依次连接所述第一换热器和第二换热器。
4.根据权利要求1所述的一种高效船用氨燃料SOFC发电装置，其特征在于，所述阳极尾气出口处还引出一条尾气循环支路并返回连接所述引射器。
5.根据权利要求4所述的一种高效船用氨燃料SOFC发电装置，其特征在于，所述阳极尾气出口处的尾气循环支路位置设有三通阀，在尾气循环支路上还设有第二阀门。
6.根据权利要求1所述的一种高效船用氨燃料SOFC发电装置，其特征在于，所述空气进气组件包括依次连接的空气过滤器与空气压缩机。
7.根据权利要求1所述的一种高效船用氨燃料SOFC发电装置，其特征在于，所述液氨储罐的出口端还设有第一阀门。
8.一种高效船用氨燃料SOFC发电方法，其基于如权利要求1-7任一所述的高效船用氨燃料SOFC发电装置，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)氨气从液氨储罐中流出，变为氨气并加热后送入催化氨分解器中，在高温与催化剂的条件下开始进行氨分解反应；
(2)催化氨分解器中所产生的燃料气进入到引射器的高压端气体入口，与后续SOFC电池模块排出后返回的部分阳极燃料尾气混合，再进入到SOFC电池模块的阳极，与从阴极进气口进来的高温空气进行电化学反应，输出电能；
(3)进行完电化学反应后的高温阳极尾气，其一部分返回引射器，另一部分则在混合器与从阴极尾气出口出来的阴极尾气混合，得到高温预混气；
(4)所得高温预混气进入SOFC尾气催化燃烧器中，在高温与催化剂最用下进行氧化反应放出热量，并与与催化氨分解器不断换热，催化氧化后的高温尾气从SOFC尾气催化燃烧器出口出来后，回收热量并排出。
9.根据权利要求8所述的一种高效船用氨燃料SOFC发电方法，其特征在于，步骤(1)中，氨气被升温至800K-850K，压力为1.4bar-1.5bar，再进入催化氨分解器；
液氨储罐比催化裂解一体器的位置高2m-10m。
10.根据权利要求8所述的一种高效船用氨燃料SOFC发电方法，其特征在于，步骤(3)中，高温阳极尾气中的20％被送回引射器，剩余送往混合器中。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116207309A (zh) * | 2023-04-06 | 2023-06-02 | 上海交通大学 | 一种具有高效氨分解功能的氨燃料船用sofc发电装置 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003040602A (ja) * | 2001-07-30 | 2003-02-13 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 燃料電池用水素製造装置 |
| JP2004060975A (ja) * | 2002-07-29 | 2004-02-26 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 熱交換用ダクト |
| KR20110005044A (ko) * | 2009-07-09 | 2011-01-17 | 한국에너지기술연구원 | 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치 |
| KR20150012098A (ko) * | 2013-07-24 | 2015-02-03 | 주식회사 이노윌 | 연료전지용 촉매연소기 일체형 주전열면 열교환기 |
| JP2017084592A (ja) * | 2015-10-28 | 2017-05-18 | 株式会社Kri | 固体酸化物形燃料電池システム |
| US20190039887A1 (en) * | 2017-08-07 | 2019-02-07 | Gas Technology Institute | Devices and methods for hydrogen generation via ammonia decomposition |
| CN114420972A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-04-29 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种以氨分解气为原料的pemfc发电系统 |
| CN115036539A (zh) * | 2022-06-21 | 2022-09-09 | 福州大学 | 一种燃料电池发电系统及其控制方法 |
| CN115513502A (zh) * | 2022-09-29 | 2022-12-23 | 佛山仙湖实验室 | 高压氨裂解和前置氨回收后置氢回收的pemfc系统及运行方法 |
| CN116207309A (zh) * | 2023-04-06 | 2023-06-02 | 上海交通大学 | 一种具有高效氨分解功能的氨燃料船用sofc发电装置 |
-
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Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003040602A (ja) * | 2001-07-30 | 2003-02-13 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 燃料電池用水素製造装置 |
| JP2004060975A (ja) * | 2002-07-29 | 2004-02-26 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 熱交換用ダクト |
| KR20110005044A (ko) * | 2009-07-09 | 2011-01-17 | 한국에너지기술연구원 | 고체산화물 연료전지 시스템용 연소기-열교환기 일체형 장치 |
| KR20150012098A (ko) * | 2013-07-24 | 2015-02-03 | 주식회사 이노윌 | 연료전지용 촉매연소기 일체형 주전열면 열교환기 |
| JP2017084592A (ja) * | 2015-10-28 | 2017-05-18 | 株式会社Kri | 固体酸化物形燃料電池システム |
| US20190039887A1 (en) * | 2017-08-07 | 2019-02-07 | Gas Technology Institute | Devices and methods for hydrogen generation via ammonia decomposition |
| CN114420972A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-04-29 | 中国人民解放军海军工程大学 | 一种以氨分解气为原料的pemfc发电系统 |
| CN115036539A (zh) * | 2022-06-21 | 2022-09-09 | 福州大学 | 一种燃料电池发电系统及其控制方法 |
| CN115513502A (zh) * | 2022-09-29 | 2022-12-23 | 佛山仙湖实验室 | 高压氨裂解和前置氨回收后置氢回收的pemfc系统及运行方法 |
| CN116207309A (zh) * | 2023-04-06 | 2023-06-02 | 上海交通大学 | 一种具有高效氨分解功能的氨燃料船用sofc发电装置 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116207309A (zh) * | 2023-04-06 | 2023-06-02 | 上海交通大学 | 一种具有高效氨分解功能的氨燃料船用sofc发电装置 |
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