一种氨氢燃料电池系统

本发明涉及新能源发电领域，特别涉及一种以氨气为燃料的氨氢燃料电池系统。

背景技术：

1、氢燃料电池是一种将氢气所具有的化学能直接转换成电能的发电装置，同时也是目前燃料电池中最环保高效的。氢燃料电池有无污染、无噪声、高效率等特点，其与o2产生反应后的产物只有h2o，发电效率可以达到50％以上。但是h2易燃易爆，因此难以存储运输，而氨气则性质稳定，且氨的制备工艺成熟可以轻易获取、运输存储，以氨制氢就成为当前一个有效的制氢方法。然而现有的氨分解制氢工艺中存在着氨分解反应不充分并且能量消耗大的问题，氨分解系统中能量利用率不高，分解过程中产生的热量无法良好的利用从而造成了能量浪费，且分解后的气体中通常会残留少量氨气，排放到空气中容易对环境造成污染。

2、中国专利cn114429072a公开了一种以氨分解气为原料的pemfc发电系统，包括氨分解器、第一换热器、氨吸收器和催化燃烧器，氨分解器用于将氨气分解为分解气，第一换热器用于将氨分解器产生的分解气与外部导入的氨气进行热交换，氨吸收器用于将分解气导入燃料电池以产生电能，催化燃烧器用于将燃料电池产生的尾气与空气混合后燃烧并提供热量；该pemfc发电系统通过将燃料电池的尾气进行燃烧的方式来为系统进一步提供热量，然而在将燃料电池产生的尾气和空气混合后直接燃烧并为系统提供热量的过程中，燃烧后的尾气通常存在大量热量但是无法很好的使用，造成较大的余热浪费，且尾气中存在有氮氧化物，排放到空气中会对环境造成污染；整个系统的输出效率不高。

技术实现思路

1、针对现有技术中，以氨气为燃料的氨氢燃料电池系统存在着氨气分解不充分，分解过程能量消耗大且期间产生较大余热浪费，燃料电池系统发电后产生的尾气无法合理再次利用，容易造成环境污染等缺陷；提供一种能够将氨气充分分解且分解速率高，系统能量利用率高，反应过程中对环境污染较小，且输出效率高、稳定性佳的氨氢燃料电池系统。

2、为解决上述技术问题，本发明所述的一种氨氢燃料电池系统，包括储氨装置、第一蒸发器、氨分解反应装置、第一冷凝装置、吸附装置、发电装置、燃烧装置、空气供应装置和循环系统，储氨装置通过第一蒸发器与氨分解反应装置的第一反应入口连通，氨分解反应装置的第一反应出口与第一冷凝装置的第一冷凝入口连通，第一冷凝装置的第一冷凝出口与吸附装置连通，吸附装置远离第一冷凝装置的一端与发电装置的发电入口连通，发电装置的发电出口和空气供应装置均与燃烧装置的气体入口相通；燃烧装置的气体出口与氨分解反应装置的第二反应入口连通；氨分解反应装置的第二反应出口与循环系统连通；循环系统包括第二冷凝装置，第一冷凝装置的第一冷凝出口与第二冷凝装置连通，第二冷凝装置的第二冷凝出口与第一蒸发器连通，第一蒸发器还与第一冷凝装置相耦合。

3、进一步的，第一蒸发器与氨分解反应装置之间设置有第一换热装置，第一蒸发器与第一换热装置的第一换热进口连通，第一换热装置的第一换热出口与氨分解反应装置的第一反应入口相连，氨分解反应装置的第一反应出口与第一换热装置的第二换热进口连接，第一换热装置的第二换热出口与第一冷凝装置连通。

4、进一步的，吸附装置包括第一吸附柱和第二吸附柱，第一吸附柱和第二吸附柱依次连通，第一吸附柱与第一冷凝装置连通，第二吸附柱与发电装置的发电入口连通。

5、进一步的，第一吸附柱为变温吸附柱或者变压吸附柱，第二吸附柱为变温吸附柱或者变压吸附柱，第一吸附柱中填充有吸附剂，第二吸附柱中填充有吸附剂。

6、进一步的，氨分解反应装置中设置有钌基催化剂。

7、进一步的，氨分解反应装置的第一反应入口和第一反应出口相连通，第一反应入口和第一反应出口组成第一反应通道，氨分解反应装置的第二反应入口和第二反应出口相连通，第二反应入口和第二反应出口组成第二反应通道；第二反应通道螺旋设置在第一反应通道的外壁上。

8、进一步的，空气供应装置与燃烧装置之间设置有第二换热装置，氨分解反应装置的第二反应出口通过第二换热装置与循环系统热耦合连通，第二换热装置能够将从氨分解反应装置的第二反应出口中排出的气体与从空气供应装置中排出的空气进行热量转换。

9、进一步的，循环系统包括蒸发装置、膨胀装置、第二冷凝装置以及工质泵，蒸发装置和膨胀装置、第二冷凝装置以及工质泵依次通过管道串联连接，蒸发装置和膨胀装置、第二冷凝装置以及工质泵共同组成一个闭合回路。

10、进一步的，用于对应连通第二蒸发器、膨胀装置、第二冷凝装置和工质泵的管道中设置有制冷剂。

11、进一步的，第二冷凝装置中设置有冷却介质，第二冷凝装置外接有冷却塔。

12、根据本申请实施例提出的氨氢燃料电池系统，采用氢燃料电池作为发电装置，并且通过将氢燃料电池发电后的尾气进行燃烧，将燃烧后产生的气体以用于为氨分解反应过程提供热量，并且在为氨分解反应提供热量后将燃烧后产生的气体导入循环系统，有效的提高了系统的能量利用率和发电过程中产生的余热，减少了系统对于外部能量的需求和消耗，减少了发电过程中尾气燃烧对环境的污染，也降低了系统的热量流失，并且有效利用尾气自身的能量进行做功发电，也提高了系统的能量输出和生产效率；将第一冷凝器中的冷却介质导入循环系统以用于循环系统对尾气的利用，使得所述循环系统能够稳定地产出能量，

13、提高了系统的生产效率和能量产出，同时也提高了系统的生产稳定性，减少了系统对外界能量的需求，从整体上的提高了系统的能量利用率、系统稳定性和生产效率。

14、上述
技术实现要素：
相关记载仅是本申请技术方案的概述，为了让本领域普通技术人员能够更清楚地了解本申请的技术方案，进而可以依据说明书的文字及附图记载的内容予以实施，并且为了让本申请的上述目的及其它目的、特征和优点能够更易于理解，以下结合本申请的具体实施方式及附图进行说明。

技术特征：

1.一种氨氢燃料电池系统，包括储氨装置、第一蒸发器、氨分解反应装置、第一冷凝装置、吸附装置、发电装置、燃烧装置、空气供应装置和循环系统，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的一种氨氢燃料电池系统，其特征在于：所述第一蒸发器与所述氨分解反应装置之间设置有第一换热装置，所述第一蒸发器与所述第一换热装置的第一换热进口连通，所述第一换热装置的第一换热出口与所述氨分解反应装置的第一反应入口相连，所述氨分解反应装置的第一反应出口与所述第一换热装置的第二换热进口连接，所述第一换热装置的第二换热出口与所述第一冷凝装置连通。

3.根据权利要求1所述的一种氨氢燃料电池系统，其特征在于：所述吸附装置包括第一吸附柱和第二吸附柱，所述第一吸附柱和所述第二吸附柱串联连通，所述第一吸附柱与所述第一冷凝装置连通，所述第二吸附柱与所述发电装置的发电入口连通。

4.根据权利要求3所述的一种氨氢燃料电池系统，其特征在于：所述第一吸附柱为变温吸附柱或者变压吸附柱，所述第二吸附柱为变温吸附柱或者变压吸附柱，所述第一吸附柱中填充有吸附剂，所述第二吸附柱中填充有吸附剂。

5.根据权利要求1所述的一种氨氢燃料电池系统，其特征在于：所述氨分解反应装置中设置有钌基催化剂。

6.根据权利要求1所述的一种氨氢燃料电池系统，其特征在于：所述氨分解反应装置的第一反应入口和第一反应出口相连通，所述第一反应入口和所述第一反应出口组成第一反应通道，所述氨分解反应装置的第二反应入口和第二反应出口相连通，所述第二反应入口和所述第二反应出口组成第二反应通道；所述第二反应通道螺旋设置在所述第一反应通道的外壁上。

7.根据权利要求1所述的一种氨氢燃料电池系统，其特征在于：所述空气供应装置与所述燃烧装置之间设置有第二换热装置，所述氨分解反应装置的第二反应出口通过所述第二换热装置与所述循环系统热耦合连通，所述第二换热装置能够将从所述氨分解反应装置的第二反应出口中排出的气体与从所述空气供应装置中排出的空气进行热量转换。

8.根据权利要求1所述的一种氨氢燃料电池系统，其特征在于：所述循环系统还包括第二蒸发器、膨胀装置以及工质泵，所述第二蒸发器和所述膨胀装置、所述第二冷凝装置以及所述工质泵依次通过管道串联连接，所述第二蒸发器和所述膨胀装置、所述第二冷凝装置以及所述工质泵共同组成一个闭合回路。

9.根据权利要求8所述的一种氨氢燃料电池系统，其特征在于：用于对应连通所述第二蒸发器、所述膨胀装置、所述第二冷凝装置和所述工质泵的管道中设置有制冷剂。

10.根据权利要求1所述的一种氨氢燃料电池系统，其特征在于：所述第二冷凝装置中设置有冷却介质，所述第二冷凝装置外接有冷却塔。

技术总结
本发明涉及了一种氨氢燃料电池系统，包括储氨装置、第一蒸发器、氨分解反应装置、第一冷凝装置、吸附装置、发电装置、燃烧装置、空气供应装置和循环系统，储氨装置通过第一蒸发器与氨分解反应装置连通，氨分解反应装置再通过第一冷凝装置与吸附装置连通，吸附装置与发电装置连通，发电装置和空气供应装置均与燃烧装置的气体入口相通；燃烧装置的气体出口与氨分解反应装置的第二反应入口连通，氨分解反应装置的第二反应出口与循环系统连通；本发明将氢燃料电池供电系统的残余废热进行再利用，在利用余热的同时能够确保氨气能够充分分解以及能量在系统之中的有效转移利用，提升了整个系统的输出效率。

技术研发人员：江莉龙,王大彪,罗宇,林立,张卿,陈崇启
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13