以甲酸为储制氢介质的燃料电池系统及其热能利用方法技术方案

本发明专利技术属于氢能利用技术领域，具体涉及一种以甲酸为储制氢介质的燃料电池系统及其热能利用方法。该系统包括甲酸制氢单元、燃料电池单元和换热单元，甲酸制氢单元包括甲酸储存装置和甲酸分解制氢装置，燃料电池单元包括燃料电池和储能电池，甲酸分解制氢装置连接燃料电池的阳极，换热单元包括尾气燃烧装置和换热装置，利用尾气燃烧装置产生的高温水蒸汽以及燃料电池的冷却水所携带的热量为甲酸裂解制氢装置、甲酸储存装置、CO氧化装置等供热，实现了系统能量的梯级利用，提高了整个系统能效，从而保证系统无需过多地依赖外界的能量供给。本发明专利技术具有零排放，安全高效，效率高等优势，解决了氢能及燃料电池推广在安全便捷方面的瓶颈问题。颈问题。颈问题。

【技术实现步骤摘要】
以甲酸为储制氢介质的燃料电池系统及其热能利用方法


[0001]本专利技术属于氢能利用
，具体涉及一种以甲酸为储制氢介质的燃料电池系统及其热能利用方法。

技术介绍

[0002]能源是人类社会存在和发展的重要物质基础，能源的利用和变革也是保证国家竞争力的根本。在人口不断增长和生活水平不断提高的今天，能源消费已呈指数增长趋势，但地球上不可再生的化石能源被少数几个外国寡头垄断，由此引发的能源分配紧张问题已愈发严重。此外，传统内燃机对化石能源的利用率低，且其消耗所产生的大量二氧化碳对地球的生态环境也造成了严重影响。因此，摆脱对传统化石能源体系的依赖，加大绿色且可再生能源如氢能的使用，具有重要的科学及战略意义。
[0003]燃料电池是将氢和氧分别通入具有电催化活性的电极，并将氢气中的化学能直接转化为电能的装置，反应的唯一产物是水。燃料电池具有四大优势：一是低温静噪；二是结构紧凑、重量轻、维护成本小；三是可持续发电无需充电；四是能量转换率高(超过60％，为内燃机的两倍)。目前，燃料电池已在无人机、车辆以及撬装式发电系统等需要持续供能的领域有着广泛的应用，且被认为将在未来的能源系统中发挥重要作用。但遗憾的是，基于燃料电池的发电供能系统正面临着一个重要的瓶颈问题：氢气安全高效储存运输的困难。传统的氢气运输补给方式是采用约20兆帕的高压储氢长管拖车，其氢气装卸过程繁琐，包含加压、装载、运输、卸压等多步过程，且单次充/放一车氢气所耗时间约4～5小时，除此之外运输成本十分高昂，9～10元/kg氢气/100公里，储力却十分低下，以30吨载重量的长管拖车为例，仅能携带300Kg氢气，由此导致便捷性差。而液氢储存本身能耗非常大，技术壁垒也很高。
[0004]与传统的压缩储氢及液态储氢法不同，目前以化学物质为氢气载体，在温和条件下完成对氢气的储存与运输，并在供能系统需要用氢时将其高效催化分解放出，做到即需即产、即产即用，已成为当下氢能利用发展的一大热点。但目前较为主流的化学储/运/制氢法都存在不同的缺陷，例如，电解水制氢技术成本高(>100元/kg H2)、本身能耗十分高昂，更无法适用于海上、野外等应用场景；而甲醇重整制氢一般需要250℃以上的高温及30
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50个大气压的高压，且氢气纯度较差，含有很高浓度(>1％)的CO，需对产物进行深度提纯，否则极易使燃料电池中毒，这造成了成本的提升。
[0005]为此，现有技术公开了一种以甲酸制氢为原料的燃料电池系统，包括甲酸泵、甲酸反应釜、换热装置、燃料电池电堆、电堆冷却水系统、冷却水输出管路以及冷却水回流管路，该系统将甲酸反应釜中甲酸裂解产生的氢气直接送入燃料电池电堆产电，产电过程中产生的热量经电堆冷却水系统传导给换热装置，从而为甲酸反应釜中的甲酸换热。虽然该技术是以甲酸作为燃料电池的氢原料，克服了电解水或甲醇制氢存在的上述缺陷，但该技术依然存在如下问题：(1)由于燃料电池的工作温度一般是80℃，所以由冷却水带出来的热的品味比较低，并且如果甲酸反应釜需要的是80℃以上的温度，那么该技术中的冷却水是做不
到换热的，也即该技术无法满足不同反应温度反应器的需求；(2)该技术直接将甲酸裂解产生的氢气送入燃料电池中，而未作任何提纯处理，事实上，甲酸裂解产生的气体中除了氢气之外，还含有少量的CO、CO2及甲酸和水蒸气，将这样的混合气体送入燃料电池，会给电池带来灭顶之灾。因此，非常有必要对现有技术进行改进，以尽可能地优化甲酸制氢
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燃料电池系统的各项性能。

技术实现思路

[0006]鉴于此，本专利技术首要解决的技术问题是现有的甲酸制氢
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燃料电池系统因利用电池冷却水加热甲酸反应器所导致的换热效率差的缺陷，进而提供一种可实现能量梯级高效利用的甲酸制氢
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燃料电池系统。
[0007]本专利技术要解决的另一技术问题是现有的甲酸制氢
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燃料电池系统电池寿命短的缺陷，进而提供一种对电池无毒害且零碳排放的甲酸制氢
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燃料电池系统。
[0008]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0009]一方面，本专利技术提供了一种以甲酸为储制氢介质的燃料电池系统，包括甲酸制氢单元、燃料电池单元以及换热单元，所述甲酸制氢单元包括甲酸储存装置和甲酸分解制氢装置，所述燃料电池单元包括燃料电池和储能电池，所述甲酸分解制氢装置连接所述燃料电池的阳极；
[0010]所述甲酸分解制氢装置包括反应器本体及设置于所述反应器本体外围的第一腔体，所述第一腔体用于填充第一保温介质；
[0011]所述换热单元包括尾气燃烧装置和换热装置，所述尾气燃烧装置的进口与所述燃料电池的阳极和阴极连通，所述尾气燃烧装置的出口连接所述换热装置，所述换热装置与所述第一腔体相连，用于将所述尾气燃烧装置产生的热量与所述第一保温介质进行热交换。
[0012]可选地，所述换热装置与所述燃料电池的冷却水管路出口连接，用于将所述燃料电池的冷却水携带的热量与所述第一保温介质进行热交换。
[0013]可选地，所述甲酸储存装置包括储存器本体及设置于所述储存器本体外围的第二腔体，所述第二腔体用于填充第二保温介质；所述换热装置与所述第二腔体相连，用于将所述尾气燃烧装置产生的热量和/或所述燃料电池的冷却水携带的热量与所述第二保温介质进行热交换。
[0014]可选地，所述甲酸制氢单元还包括气体纯化装置，所述气体纯化装置包括依次连接的水蒸气吸收装置、甲酸吸收装置、氢气分离装置和二氧化碳吸收装置，所述水蒸气吸收装置连接所述甲酸分解制氢装置，所述氢气分离装置连接所述燃料电池的阳极。
[0015]作为另一种实施方式，所述甲酸制氢单元还包括气体纯化装置，所述气体纯化装置包括依次连接的水蒸气吸收装置、甲酸吸收装置、CO氧化装置和二氧化碳吸收装置，所述水蒸气吸收装置连接所述甲酸分解制氢装置，所述二氧化碳吸收装置连接所述燃料电池的阳极。
[0016]可选地，所述换热装置与所述CO氧化装置连接，用于将所述尾气燃烧装置产生的热量和/或所述燃料电池的冷却水携带的热量为所述CO氧化装置供热。
[0017]可选地，在所述反应器本体内设置有搅拌装置、压力检测装置及温度检测装置。
[0018]可选地，在所述甲酸分解制氢装置与气体纯化装置之间的管路上还设置有气体稳流阀和气体稳压阀。
[0019]可选地，在所述甲酸储存装置与所述甲酸分解制氢装置之间的管路上还设置有进液泵。
[0020]可选地，所述燃料电池单元还包括空气泵及净化装置，所述空气泵及净化装置与所述燃料电池的阴极连接。
[0021]另一方面，本专利技术还提供了上述以甲酸为储制氢介质的燃料电池系统的热能利用方法，包括如下步骤：
[0022]将所述燃料电池中未反应的气体送入所述尾气燃烧装置中进行燃烧，产生的水蒸汽经所述换热装置为所述甲酸分解制氢装置供热。
[0023]优选地，所述水蒸汽经所述换热装置为所述甲酸储存装置和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以甲酸为储制氢介质的燃料电池系统，包括甲酸制氢单元、燃料电池单元以及换热单元，所述甲酸制氢单元包括甲酸储存装置(1)和甲酸分解制氢装置(2)，所述燃料电池单元包括燃料电池(4)和储能电池(15)，所述甲酸分解制氢装置(2)连接所述燃料电池(4)的阳极；其特征在于：所述甲酸分解制氢装置(2)包括反应器本体及设置于所述反应器本体外围的第一腔体，所述第一腔体用于填充第一保温介质；所述换热单元包括尾气燃烧装置(6)和换热装置(7)，所述尾气燃烧装置(6)的进口与所述燃料电池(4)的阳极和阴极连通，所述尾气燃烧装置(6)的出口连接所述换热装置(7)，所述换热装置(7)与所述第一腔体相连，用于将所述尾气燃烧装置(6)产生的热量与所述第一保温介质进行热交换。2.根据权利要求1所述的以甲酸为储制氢介质的燃料电池系统，其特征在于，所述换热装置(7)与所述燃料电池(4)的冷却水管路出口连接，用于将所述燃料电池(4)的冷却水携带的热量与所述第一保温介质进行热交换。3.根据权利要求1或2所述的以甲酸为储制氢介质的燃料电池系统，其特征在于，所述甲酸储存装置(1)包括储存器本体及设置于所述储存器本体外围的第二腔体，所述第二腔体用于填充第二保温介质；所述换热装置(7)与所述第二腔体相连，用于将所述尾气燃烧装置(6)产生的热量和/或所述燃料电池(4)的冷却水携带的热量与所述第二保温介质进行热交换。4.根据权利要求1所述的以甲酸为储制氢介质的燃料电池系统，其特征在于，所述甲酸制氢单元还包括气体纯化装置(3)，所述气体纯化装置(3)包括依次连接的水蒸气吸收装置(12)、甲酸吸收装置(13)、氢气分离装置(14)和二氧化碳吸收装置(5)，所述水蒸气吸收装置(12)连接所述甲酸分解制氢装置(2)，所述氢气分离装置(14)连接所述燃料电池(4)的阳极。5.根据权利要求2所述的以甲酸为储制氢介质的燃料电池系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙毅飞，蔡嘉斌，
申请(专利权)人：厦门固洛璞科技有限公司，
类型：发明
国别省市：