高压氨裂解和前置氨回收后置氢回收的PEMFC系统及运行方法技术方案

本发明专利技术公开了一种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，包括液氨高压供应装置、高压氨裂解纯化装置、燃料电池、引射器和透氢装置，其中高压氨裂解纯化装置包括第一换热器、嵌套的氨催化裂解装置与氨催化燃烧装置、纯化装置，均处于高压工作状态。燃料电池以高压氮氢混合气为燃料；通过调节裂解尾气温度控制氨的吸脱附，脱附的氨进入催化燃烧装置供热，实现残余氨的回收利用；将燃料电池排出的含氢气体进行分流，一部分进入氨催化燃烧装置供热，一部分进入透氢装置进行氢气再富集后重新通入燃料电池，提升了系统物料利用效率。本发明专利技术采用氨高压裂解纯化的氮氢混合气作为优化的燃料电池的燃料，省略了氢气分离和压缩的步骤。和压缩的步骤。和压缩的步骤。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及燃料电池
，特别涉及一种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。

技术介绍

[0002]氢能因其零碳无污染、来源广泛等优点成为了新能源领域的焦点之一。然而目前氢能面临储存和运输的难题，比如储运能量密度低、成本高、安全性问题等。为解决这些问题，以氨为储氢介质进行储氢、运氢、用氢受到了研发者们的关注。氨具有储氢密度高(质量分数17.6wt％)、易液化(室温下＜ 10bar或
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33℃)、易存储、难爆炸、零碳排放等优势，且氨制取、存储、运输、使用等过程较为成熟，可有效解决氢能储、运、用方面的难题。在氨使用端，其既可以作为优良的储氢介质，进行氨
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氢储存与转化，如氨裂解制备氢气应用于质子交换膜燃料电池；也可以作为零碳燃料直接燃烧进行能量供应，如氨燃烧应用于氨内燃机、氨燃气轮机、氨工业窑炉等。
[0003]尽管目前已有专利对以氨为原料、氨裂解气为燃料的燃料电池系统进行了概念性设计，但极少专利考虑物料、能量分配问题。以残余氨的回收利用为例，假设氨催化裂解装置的产氢率为4kg/h，即使氨裂解效率高达99％，裂解尾气中残余氨量依然能达到0.22kg/h。作为参考值，催化燃烧层对应的理论氨需求量约为3kg/h，说明裂解尾气中的残余氨有很高的利用价值。此外，PEMFC阳极出气口富氢气体的处理同样需要考虑物料分配问题。
[0004]针对这一问题，本专利技术设计了一种高压氨裂解和前置氨回收后置氢回收的PEMFC系统，该系统通过裂解、纯化等过程直接为PEMFC提供燃料，具备能量利用率高、响应速度快、成本低等优势。并且充分考虑系统物料和能量分配问题，简化了系统流程，大大降低了发电系统的全周期成本。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于提供一种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，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
[0006]为解决上述技术问题所采用的技术方案：
[0007]本专利技术提供一种高压氨裂解和前置氨回收后置氢回收的PEMFC 系统，该系统不经过氮氢分离过程、无需气体压缩步骤，高压裂解气通过高压管道直接供给燃料电池系统。具体地，该系统包括：液氨高压供应装置、高压氨裂解纯化装置、引射器、燃料电池和透氢装置，所述氨高压供应装置包括依次相连的液氨罐、液压泵、气化罐，高压氨裂解纯化装置包括第一换热器、纯化装置、相互换热设置的氨催化裂解装置与氨催化燃烧装置，所述第一换热器的第一换热侧的进口与所述液氨高压供应装置相连，所述第一换热器的第一换热侧的同时与氨催化裂解装置、氨催化燃烧装置的进口相连，而纯化装置的进气口通过第一换热
器的第二换热侧与氨催化裂解装置出口相连，所述纯化装置用于对裂解气中的氨进行吸附和脱附，所述纯化装置的吹扫出口通过吹扫管路与第一换热器的第一换热侧的进口相连；引射器的喷射口与纯化装置的出口连接；燃料电池阳极进口与引射器的出口连接，所述燃料电池的阳极出口与氨催化燃烧装置的进口相连；透氢装置的进口与燃料电池阳极出口连接，透氢装置的出口与引射器的回流口连接。
[0008]本专利技术提供的PEMFC系统的有益效果是：通过调节换热后裂解尾气的温度控制纯化装置内氨的吸脱附，实现裂解后残余氨的集中回收利用，有效避免了氨燃料的浪费，提高系统能量利用效率，将燃料电池排出的富氢气体进行分流，一部分进入氨催化燃烧装置进行供热，一部分通入透氢装置提纯氢气，并将产品气重新通入燃料电池的阳极进行能量转换，实现了系统物料的合理分配，提升了系统物料利用效率，采用燃料电池阳极富氢尾气进行催化燃烧供热，作为氨裂解的热源，相对于氨催化燃烧供能，氢催化燃烧的反应速率更快，以及采用氨高压在线裂解的氮氢混合气作为优化的燃料电池的燃料，省略了氢气提纯分离和压缩的步骤，起到了简化系统结构、降低系统成本的作用。
[0009]作为上述技术方案的进一步改进，所述高压氨裂解纯化装置还包括第二换热器，所述第二换热器的第一换热侧进口与氨催化燃烧装置的出口连接，所述第二换热器的第二换热侧进口与外部的空气供应系统连接，所述第二换热器的第二换热侧出口与氨催化燃烧装置的进口连接。
[0010]从氨催化燃烧装置排出的高温燃烧气通过第二换热器对进入氨催化燃烧装置前的空气进行预热，起到节能的效果，提高热量的利用率。
[0011]所述氨催化裂解装置、纯化装置、第一换热器均处于高压工作状态(≥10bar)，无需气体压缩步骤即可满足PEMFC系统供氢压力需求。高压反应系统通过液压泵、耐高温高压耐腐蚀反应器材料和多重密封实现。液压泵可以计量(瞬时流量和总量)氨，也可以控制反应器的压力，实现稳定控压。C
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276哈氏合金属于镍
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钼
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铬
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铁
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钨系镍基合金，是现代金属材料中最耐蚀的一种。Inconel 625是以钼、银为主要强化元素的固溶强化型镍基变形高温合金，具有优良的耐腐蚀和抗氧化性能。由于系统工作温度、压力较高，考虑到腐蚀问题选择哈氏合金作为主体材质，主要的反应器部分采用更耐温、耐压的 Inconel 625。系统采用简单、有效的法兰密封结构，石墨密封垫片使得密封性能增强，并通过螺栓施加预紧力，达到多重密封效果。
[0012]作为上述技术方案的进一步改进，所述第一换热器与氨催化燃烧装置之间设置有减压阀。减压阀可对进入氨催化燃烧装置的氨气进行减压，使得氨气的压力调节至催化燃烧的最佳状态。
[0013]作为上述技术方案的进一步改进，所述氨催化燃烧装置与氨催化裂解装置以内外套管形式紧密相连设置。氨催化燃烧装置为所述氨催化裂解装置提供裂解所需能量。
[0014]作为上述技术方案的进一步改进，所述氨催化裂解装置的入口处设有温度传感器、压力传感器、质量流量传感器；所述纯化装置的入口处设有温度传感器，而出口处设有氨浓度传感器，上述的传感器与控制系统连接，实现燃料混合气按需实时供给和调控。
[0015]作为上述技术方案的进一步改进，所述纯化装置包括并联的两个吸附柱，两者可交替使用。纯化装置通过化学或物理吸附将裂解尾气中的残余氨消除，待吸附氨积累至一定量后通过升温、吹扫等方式进行脱附。脱附氨经吹扫管路回流至第一换热器的第一换热
侧进口进行回收利用。
[0016]具体地，当其中一个吸附柱达到饱和吸附状态时，氨浓度传感器检测到纯化后的裂解气中氨浓度超过上限。控制系统调节第一换热器的换热效率，通过升温、吹扫的方式使该吸附柱发生氨脱附，进而重新获得吸附活性，另一个吸附柱可同时进行残余氨吸附。所述纯化装置使用的吸附剂包括但不限于碱土金属卤化物、过渡金属卤化物、改良活性炭、分子筛、改性金属有机框架材料(MOF)等。
[0017]作为上述技术方案的进一步改进，所述氨催化燃烧装置为金属蜂窝材料或者陶瓷蜂窝材料，其表面涂覆氨催化燃烧催化剂或本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高压氨裂解和前置氨回收后置氢回收的PEMFC系统，其特征在于：其包括：液氨高压供应装置,其包括依次相连的液氨罐(800)、液压泵(810)、气化罐(820)；高压氨裂解纯化装置，其包括第一换热器(100)、纯化装置(200)、相互换热设置的氨催化裂解装置(300)与氨催化燃烧装置(400)，所述第一换热器(100)的第一换热侧的进口与所述液氨高压供应装置相连，所述第一换热器(100)的第一换热侧的同时与氨催化裂解装置(300)、氨催化燃烧装置(400)的进口相连，而纯化装置(200)的进气口通过第一换热器(100)的第二换热侧与氨催化裂解装置(300)出口相连，所述纯化装置(200)用于对裂解气中的氨进行吸附和脱附，所述纯化装置(200)的吹扫出口通过吹扫管路与第一换热器(100)的第一换热侧的进口相连；引射器(900)，其喷射口与纯化装置(200)的出口连接；燃料电池(500)，其阳极进口与引射器(900)的出口连接，所述燃料电池(500)的阳极出口与氨催化燃烧装置(400)的进口相连；透氢装置(600)，其进口与燃料电池(500)阳极出口连接，透氢装置(600)的出口与引射器(900)的回流口连接。2.根据权利要求1所述的一种高压氨裂解和前置氨回收后置氢回收的PEMFC系统，其特征在于：所述高压氨裂解纯化装置还包括第二换热器(700)，所述第二换热器(700)的第一换热侧进口与氨催化燃烧装置(400)的出口连接，所述第二换热器(700)的第二换热侧进口与外部的空气供应系统连接，所述第二换热器(700)的第二换热侧出口与氨催化燃烧装置(400)的进口连接。3.根据权利要求1所述的一种高压氨裂解和前置氨回收后置氢回收的PEMFC系统，其特征在于：所述第一换热器(100)与氨催化燃烧装置(400)之间设置有减压阀(410)。4.根据权利要求1所述的一种高压氨裂解和前置氨回收后置氢回收的PEMFC系统，其特征在于：所述氨催化燃烧装置(400)与氨催化裂解装置(300)以内外套管形式紧密相连设置。5.根据权利要求1所述的一种高压氨裂解和前置氨回收后置氢回收的PEMFC系统，其特征在于：所述纯化装置(200)包括并联的两个吸附柱，两者可交替使用,当一个吸附柱饱和时，进行氨脱附和回收利用。6.根据权利要求1所述的一种高压氨裂解和前置氨回收后置氢回收的PEMFC系统，其特征在于：所述氨催化燃烧装置(400)为金属蜂窝材料或者陶瓷蜂窝材料，其表面涂覆氨催化燃烧催化剂或者氢催化燃烧催化剂。7.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李骏，李娜，李栋，高翔，陈海娥，浦及，
申请(专利权)人：佛山仙湖实验室，
类型：发明
国别省市：