[0001] 本发明涉及能源动力设备技术领域，特别是一种基于尾气和阳极排气耦合利用的氨燃料船舶SOFC/GT/SCO2/ORC/KC混合动力系统。

[0002] 氨燃料是一种可持续的绿色能源，对于实现绿色航行具有重要意义。氨燃料在燃烧过程中只产生水和氮气，无二氧化碳排放。因此，将氨燃料应用于航行领域可以显著减少船舶的碳排放和空气污染物排放。此外，氨燃料还具有高能量密度和易于储存的特点，可以满足船舶远距离航行的需求。固体氧化物燃料电池是一种高效、环保的发电装置，具有较高的电能转换效率(可达60％以上)。SOFC以氨为燃料时，可在阳极产生电能，同时生成氮气和水。燃料电池与燃气轮机联合发电系统是一种新型的能源转换和利用技术,这种系统在能源转换效率和环境友好性方面具有很大潜力。

[0003] 现有技术中的燃料电池与双燃气轮机耦合系统将燃料通入固体氧化物燃料电池中参与电化学反应并发电，再利用SOFC阴极尾气做功发电，再将SOFC尾气通入后燃室充分燃烧，随后通入燃气轮机中做功发电；燃气轮机和SOFC联合发电可提高氢燃料的利用率和系统发电效率。但是其以氢气，甲醇作为燃料来建立系统，缺乏对于液氨燃料及SOFC尾气的物性与组分考虑，无论是液氨冷能、SOFC尾气热能还是SOFC阳极排气中的水均未能得到充分利用，并且系统能效较低。

[0028] 下面结合实施例对本发明作进一步说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本说明之后，本领域技术人员对本说明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。

[0029] 请结合图1所示，本发明实施例涉及的基于尾气和阳极排气耦合利用的氨燃料船舶SOFC/GT/SCO2/ORC/KC混合动力系统，其中SOFC为固体氧化物燃料电池，GT为燃气轮机(涡轮)，SCO2为超临界二氧化碳循环，ORC为有机朗肯循环，KC为卡琳娜循环。该系统包括如下的部件：液氨泵1，第一换热器2，第二换热器3，第三换热器4，第一压缩机5，氨气裂解器6，SOFC 7，后燃室8，第一涡轮9，第二压缩机10，第七换热器11，第一分流器12，第六换热器13，第四换热器14，第二涡轮15，第五换热器16，化学回热器17，第三压缩机18，第八换热器19，第九换热器20，第一分离器21，第三涡轮22，第一混合器23，第一冷却器24，第一工质泵25，第十换热器26，节流阀27，第十一换热器28，第十二换热器29，第四涡轮30，第二分流器31，第二冷却器32，第二混合器33，第二工质泵34，第二分离器35。这些部件构成的各子系统包括SOFC/GT混合动力子系统、SCO2循环子系统、KC循环子系统和ORC循环子系统。下面具体介绍各系统的结构及工作原理。

[0030] SOFC/GT混合动力子系统包括液氨泵1、第一换热器2、第二换热器3、第三换热器4、第一压缩机5、氨气裂解器6、SOFC 7、后燃室8、第一涡轮9、第二压缩机10、第七换热器11、第一分流器12。液氨泵1、第一换热器2、第二换热器3、第三换热器4、第一压缩机5、和氨气裂解器6依次相连，氨气裂解器6出口与SOFC 7阳极入口相连，第二压缩机10与第七换热器11的冷源入口相连，第七换热器11的冷源出口与第一分流器12前端相连，第一分流器12的两个出口分别连接至SOFC 7阴极和后燃室8的进口。第一分流器12将第七换热器11出口气体分离为两股，一股通入SOFC 7阴极，另一股通入后燃室8。SOFC 7阳极出口与第六换热器13热源入口相连，第六换热器13热源出口与第九换热器20热源入口相连，第九换热器20热源出口与第十二换热器29热源入口相连，第十二换热器29热源出口与第二分离器35入口相连，第二分离器35液相出口产出淡水，第二分离器35的气相出口与SOFC 7阴极出口均与后燃室8进口相连，后燃室8出口与第一涡轮9入口相连。

[0031] SCO2循环子系统包括第四换热器14、第二涡轮15、第五换热器16、第六换热器13、化学回热器17、第三换热器4、第七换热器11和第三压缩机18。第六换热器13布置在第四换热器14和第五换热器16之间，SOFC/GT混合动力子系统中SOFC 7的阳极排气进入第六换热器13热源进口与SOFC/GT混合动力子系统中的第一涡轮9排出的尾气进入第四换热器14热源进口共同驱动SCO2循环子系统，随后分别从第六换热器13和第四换热器14的热源出口流出，第六换热器13冷源出口与第四换热器14冷源入口相连，第四换热器14冷源出口与第二涡轮15相连，第二涡轮15出口与第五换热器16热源入口相连，第五换热器16热源出口与化学回热器17入口相连，化学回热器出口与第三换热器4热源入口相连，第三换热器4热源出口与第七换热器11热源入口相连，第七换热器11热源出口与第三压缩机18进口相连，第三压缩机18出口与第五换热器16冷源入口相连，第五换热器16冷源出口与第六换热器13的冷源入口相连。

[0032] KC循环子系统包括第八换热器19、第九换热器20、第一分离器21、第三涡轮22、第一混合器23、第一冷却器24、第一工质泵25，第十换热器26和节流阀27。第八换热器19布置在第十换热器26与第九换热器20之间，第八换热器19冷源出口与第九换热器20冷源入口相连，第九换热器20冷源出口与第一分离器21入口相连，第一分离器21气相出口与第三涡轮22入口相连，第一分离器21液相出口与第十换热器26热源入口相连，第十换热器26热源出口与节流阀27入口相连，节流阀27出口与第三涡轮22出口一同与第一混合器23相连，第一混合器23出口与第一冷却器24进口相连，第一冷却器24出口与第一工质泵25入口相连，第一工质泵25出口与第十换热器26冷源进口相连，第十换热器26冷源出口与第八换热器19冷源入口相连。

[0033] ORC循环子系统包括第十一换热器28、第十二换热器29、第四涡轮30、第二分流器31、第二冷却器32、第二混合器33、第二工质泵34和第一换热器2。第十一换热器28设置在第十二换热器29和第二工质泵34之间，第十一换热器28冷源出口与第十二换热器29冷源进口相连，第十二换热器29冷源出口与第四涡轮30进口相连，第四涡轮30出口与第二分流器31相连，分离器31将第四涡轮30出口气体分离为两股，一股通入第二冷却器32进口，另一股通入第一换热器2热源进口，第二冷却器32出口与第一换热器2热源出口均通入第二混合器33进口，第二混合器33出口与第二工质泵24相连，第二工质泵34出口与第十一换热器28冷源进口相连。

[0034] 本实施例中，化学回热器17设置于第五换热器16后部，由化学回热器17供给氨气裂解器6中氨气裂解所需能量。

[0035] 第一冷却器24和第二冷却器32采用海水作为冷源，海水温度为10℃。

[0036] 第五换热器16和第十换热器26为回热器，可回收涡轮出口高温气体和氨水混合物液体中的余热，减少相应的冷却器端的能量流失，提高循环发电效率。

[0037] 以下具体介绍本申请实施例提供的基于尾气和阳极排气耦合利用的氨燃料船舶SOFC/GT/SCO2/ORC/KC混合动力系统的工作原理。

[0038] (一)SOFC/GT混合动力子系统

[0039] 经液氨泵1加压至一定压力后的液氨依次通过第一换热器2、第二换热器3加热，再通过第三换热器4加热气化后通过第一压缩机5压缩，送至氨气裂解器6，氨气裂解器6运行的能量由化学回热器17提供，氨气裂解器6出口富氢混合燃料气通入SOFC 7阳极。

[0040] 经第二压缩机10压缩后的空气通过第七换热器11加热，加热后的空气经第一分流器12分流为两股，一股通入SOFC 7阴极，另一股通入后燃室8。富氢混合燃料气与空气在SOFC 7内反应产生电能，SOFC 7反应后的阴极气体直接通入后燃室8燃烧，而反应后的阳极气体依次通入第六换热器13、第九换热器20、第十二换热器29作为热源驱动SCO2循环子系统、KC循环子系统和ORC循环子系统，随后阳极气体通入第二分离器35，气相出口流股通入后燃室8参与燃烧反应，液相出口流股产出淡水，满足船员日常生活对淡水的需求。

[0041] 经过后燃室8燃烧后的高温高压尾气在第一涡轮9处做功，做功后的气体依次通过第四换热器14、第二换热器3、第八换热器19和第十一换热器28，最终排入大气，其中第四换热器14利用尾气余热驱动SCO2循环子系统，第二换热器3利用尾气余热加热液氨，第八换热器19利用尾气余热驱动KC循环子系统，第十一换热器利用尾气余热驱动ORC循环子系统。

[0042] (二)SCO2循环子系统

[0043] SCO2循环子系统由阳极排气和第一涡轮排气余热共同驱动，循环工质在第六换热器13和第四换热器14处加热，并在第二涡轮15处膨胀做功；膨胀完的工质气体通过第五换热器16降温，并经过化学回热器17处继续降温，同时化学回热器17吸收的热量为氨气裂解器运行提供能量，随后工质在第三换热器4和第七换热器11处继续降温，其中第三换热器4和第七换热器11利用SCO2循环子系统工质的热量加热液氨和空气，同时利用液氨的冷能冷却工质，随后工质经第三压缩机18处压缩，并通过第五换热器16升温，而后回到第六换热器13完成一个循环。

[0044] (三)KC循环子系统

[0045] KC循环子系统由阳极排气和第一涡轮排气余热共同驱动，循环工质在第八换热器19和第九换热器20处加热气化，并在第一分离器21出被分离出气相流股和液相流股，气相流股在第三涡轮22处膨胀做功，液相流股进入第十换热器26中回收热量，随后液相流股经节流阀27后与膨胀完的气相流股一同进入第一混合器23中混合，随后通过第一冷却器24降温液化，液化后的工质经第一工质泵25处加压，再通入第十换热器26中加热，而后回到第八换热器19完成一个循环。

[0046] (四)ORC循环子系统

[0047] ORC循环子系统由阳极排气和第一涡轮排气余热共同驱动，循环工质经第十一换热器28和第十二换热器29处加热气化，并在第四涡轮30处膨胀做功；膨胀完的工质气体经第二分流器31被分离为两股，一股通入第二冷却器32降温，另一股通入第一换热器2降温，通入第一换热器2的流股充分利用了液氨的冷能进行降温，同时加热了液氨；降温后的两流股均通入第二混合器33混合，混合后的工质经第二工质泵34处加压，而后回到第十一换热器28完成一个循环。

[0048] 以下给出一个具体的示例进一步介绍本发明的可行性。

[0049] 系统初始条件如表1所示，系统模拟结果如表2所示。

[0050] 表1系统初始条件

[0051]

[0052]

[0053] 表2系统模拟结果

[0054]项目 取值 项目 取值
SOFC运行电压 0.73 SOFC输出功率 9329kW
第一涡轮做功 3020kW 第二涡轮做功 4843kW
第三涡轮做功 285kW 第四涡轮做功 153kW
辅助机械耗功 1365kW 系统总发电量 17630kW
系统净发电量 16265kW 系统净发电效率 75.5％
系统产淡水量 1384L/天    

[0055] 由表2可知，本发明在表1的系统初始条件下，可实现75.5％的系统净发电效率与16265kW的系统净发电量，同时整个系统完全使用氨作为燃料，真正实现了零碳排放。

[0056] 综上，本发明实现了船舶高效零排运行，为氨燃料动力船舶绿色高效发展提供了一种切实可行的方案。