CN113948738B - 集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢方法及系统，在储能阶段通过压缩空气与吸热型化学反应相耦合，不仅实现物理/化学能的混合存储，还能提高了压缩热的能量品位；在释能阶段，采用与压缩空气储能压力相匹配的固体氧化物燃料电池‑透平系统，高效地将存储的化学能和压力能转化为电能；在储能和释能阶段，均以氢气为能量载体实现低品位热能到高品位化学能的转化，在实现储能和制氢一体化应用模式的同时，提高系统的能量利用效率。

Description

集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢方法及系统

技术领域

本发明属于储能制氢技术领域，具体涉及一种集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢方法及系统。

背景技术

随着世界范围内化石能源的日益枯竭，以及日益严重的环境污染和生态破坏等问题，大力发展可再生能源技术并高效利用化石能源是实现“碳达峰、碳中和”目标的有效途径。然而，可再生能源的间歇性和不可调度性给其并网带来巨大挑战，从而使可再生能源被大量削减。为了确保可再生能源的高渗透率，同时解决电网波动问题，非高峰时段的电能存储技术和高峰时段的发电技术得到广泛关注。在目前的电能存储技术中，压缩空气储能因可靠性高、寿命长、成本低等特点被认为是最有前途的技术之一；然而目前压缩空气储能系统在释能阶段采用的发电技术效率较低，从而限制了整体系统的能量效率。相比于传统的发电技术，固体氧化物燃料电池由于具有效率高、燃料灵活、污染物排放低等诸多优点在发电领域受到广泛关注。压缩空气储能与固体氧化物燃料电池相结合的储能技术为未来提高可再生能源的占比提供了一种新兴的替代方案。

另一方面，氢能作为一种清洁的二次能源载体，有多种来源途径，并且氢能可高效地转化为电和热，在未来能源系统中具有广阔的应用途径。氢能的属性可以助力构建以新能源为主体的新型电力系统，必定在未来终端能源体系中占据重要地位。目前，氢能的开发与利用技术已经成为新一轮世界能源技术变革的重要方向，也是很多产业未来发展的战略制高点，发展氢能对实现“碳达峰、碳中和”具有重大意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢方法及系统，包括压缩空气热化学储能制氢系统和固体氧化物燃料电池释能制氢系统；在储能阶段通过压缩空气与吸热型化学反应相耦合，不仅实现物理/化学能的混合存储，还能提高压缩热的能量品位；在释能阶段，采用与压缩空气储能压力相匹配的固体氧化物燃料电池-透平系统，通过能量梯级利用准则，高效地将存储的化学能和压力能转化为电能；此外，在储能和释能阶段，均以氢气为能量载体实现低品位热能到高品位化学能的转化，在实现储能和制氢一体化应用模式的同时，提高系统的能量利用效率。

本发明采用以下技术方案：

集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，包括蒸发反应器，蒸发反应器的燃料入口依次经燃料蒸发器、燃料预热器和燃料泵后与液态燃料储罐的出口连接；蒸发反应器的燃料出口依次经燃料预热器和气液分离器后分两路，一路与液态燃料储罐的入口连接，另一路经氢气分离器与气态燃料储罐的入口连接；蒸发反应器的热源入口与空气压缩机连接；蒸发反应器的热源出口依次经燃料蒸发器和余热回收器后与空气储罐的入口连接，余热回收器的冷侧与蓄热器连接；

气态燃料储罐的出口经混合器和燃料加热器与固体氧化物燃料电池的阳极入口连接，空气储罐的出口依次经空气预热器和空气加热器后与固体氧化物燃料电池的阴极入口连接，空气预热器的热侧与蓄热器连接；固体氧化物燃料电池的阳极出口分两路，一路经循环压缩机与混合器的入口连接，另一路与燃烧室的燃料入口连接，固体氧化物燃料电池的阴极与燃烧室的空气入口连接，燃烧室的出口依次经透平、燃料加热器和空气加热器后与蒸发反应器的热源入口；蒸发反应器的液态水入口与水泵连接。

具体的，蒸发反应器包括蒸发反应管，蒸发反应管的入口经第五三通阀分两路，一路与第四三通阀的第一出口连接，另一路经引射器与第四三通阀的第二出口连接，蒸发反应管的气态水出口与引射器的第二入口连接。

进一步的，蒸发反应管包括多个，多个蒸发反应管并联设置。

进一步的，蒸发反应管由内至外依次包括燃料流道、热源流道和水流道。

更进一步的，燃料流道为螺旋结构。

再进一步的，水流道、热源流道及燃料流道沿燃料流道的螺旋线同轴设置。

更进一步的，热源流道上间隔设置有翅片。

再进一步的，多个翅片沿热源流道的外壁中心对称设置。

本发明的另一技术方案是，一种集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢方法，利用集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，包括以下步骤：

在储能阶段，采用空气压缩机压缩后的空气作为热化学反应的热源，蒸发反应器内仅发生燃料的反应过程；水泵停止工作，蒸发反应器的水流道内无水流过，燃料流入蒸发反应器的燃料流道，在没有水的参与下发生裂解反应，产生合成气，空气流经蒸发反应器为裂解反应提供热量；

在释能阶段，采用气体燃料燃烧后的尾气作为热化学反应的热源，蒸发反应器内同时发生燃料的反应过程和水的蒸发过程；水泵向蒸发反应器中供水，水流道内有水流过，液态水吸收热源热量后生成气态水，燃料流入引射器的第一入口，同时蒸发形成的气态水被引射器的第二入口吸入，两股气体充分混合后流入燃料流道发生重整反应，产生氢气和二氧化碳，尾气为重整反应和液态水的蒸发提供热量。

具体的，在储能阶段和释能阶段，均通过氢气分离器向外输出氢气；

在储能阶段，氢气分离器输出的一氧化碳流入气态燃料储罐中存储；

在释能阶段，氢气分离器输出的二氧化碳排入大气；

在储能阶段，采用蓄热工质回收空气的余热并存储于蓄热器中；

在释能阶段，采用蓄热工质吸收蓄热器中存储的热量，用于预热流经空气预热器的空气。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，在储能阶段，通过压缩空气阶段产生的压缩热驱动吸热型热化学反应产生合成气，将压缩热的低品位热能转化为合成气的高品位化学能，同实现物理/化学能的混合存储(即，压力能和化学能)；在释能阶段，固体氧化物燃料电池-透平系统通过能量的梯级利用，将存储的压力能和化学能高效地转化为电能输出，且释能系统所需的高压燃料和空气已在储能阶段获得，可大大减少传统固体氧化物燃料电池-透平系统中压缩燃料和空气所消耗的功，从而显著提高系统的发电量和

效率，采用一氧化碳作固体氧化物燃料电池的燃料，避免了传统固体氧化物燃料电池系统中燃料重整消耗的热量，可进一步提高系统的发电量；此外，尾气的低品位热能可进一步转化为氢气的高品位化学能，提高系统的能量效率。

进一步的，采用结构紧凑的新型蒸发反应器，集成液体蒸发功能与燃料反应功能于一体，根据不同需求，既可同时实现液体的蒸发和燃料的反应，又可仅实现燃料的反应；蒸发反应器在储能阶段发生燃料的裂解反应生成合成气，实现储能和制氢的双重目的，在释能阶段发生燃料和水的重整反应，实现制氢和余热回收的双重目的；蒸发反应管的入口经第五三通阀分两路，一路与第四三通阀的第一出口连接，另一路经引射器与第四三通阀的第二出口连接，蒸发反应管的气态水出口与引射器的第二入口连接。通过设置两路，使流入蒸发反应管内的反应物的组分不同，从而实现储能和释能阶段采用同一套设备发生不同的反应过程；在储能阶段，仅有燃料经第四三通阀和第五三通阀流入蒸发反应管发生裂解反应；在释能阶段，燃料流入引射器，同时蒸发后的气态水由引射器第二入口被吸入，燃料和气态水混合均匀后流入蒸发反应管发生重整反应。

进一步的，多个蒸发反应管并联设置，使流体分多路进入蒸发反应管，降低蒸发反应管内流体的流速，从而减少流动阻力损失。

进一步的，燃料流道为螺旋结构，可增大燃料与热源之间的传热面积进行强化传热，促进燃料的反应向正方向进行，提高燃料的反应效率；同时可以减小蒸发反应管的轴向长度，减小设备占地面积。

进一步的，蒸发反应管的水流道、热源流道及燃料流道沿燃料流道的螺旋线同轴设置，可使热源沿径向方向均匀地将热量传递给水或燃料。

进一步的，热源流道上间隔设置有翅片以增大传热面积，强化热源与水之间的传热。

进一步的，多个翅片沿热源流道的外壁中心对称设置，可保证热源沿径向方向均匀地将热量传递给水。

一种集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢方法，采用同一套蒸发反应器，分别采用空气和尾气作为热源驱动燃料热化学反应的发生，使储能和释能阶段均可制氢，实现低品位热能转到燃料高品位化学能的转化，同时可减少整体系统的投资成本和占地面积。

进一步的，在储能阶段，采用蓄热工质回收空气的余热并存储于蓄热器中；在释能阶段，采用蓄热工质吸收蓄热器中存储的热量，用于预热流经空气预热器的空气；可提高进入蒸发反应器的尾气的能量品位，使其温度与燃料热化学反应的温度进行良好的匹配，解决了释能阶段尾气温度范围与热量无法满足燃料热化学反应的问题，实现储能和释能阶段均能发生燃料的热化学反应。

综上所述，本发明在储能阶段可实现物理/化学能的混合储能，在释能阶段可将存储的能量高效转化为电能，同时在储能和释能阶段均以氢气为载体，将低品位的热能转化为燃料高品位的化学能，在实现储能和制氢一体化应用模式的同时，提高系统的能量利用效率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明集成压缩空气热化学过程与燃料电池的储能制氢系统的工艺流程示意图；

图2为本发明蒸发反应器示意图；

图3为本发明蒸发反应管示意图，其中，(a)为主视图，(b)为测试图。

其中：1.液态燃料储罐；2.燃料泵；3.燃料预热器；4.燃料蒸发器；5.蒸发反应器；6.空气压缩机；7.第一三通阀；8.气液分离器；9.氢气分离器；10.第二三通阀；11.气态燃料储罐；12.第三三通阀；13.余热回收器；14.空气储罐；15.蓄热器；16.燃料节流阀；17.混合器；18.燃料加热器；19.空气节流阀；20.空气预热器；21.空气加热器；22.固体氧化物燃料电池；23.循环压缩机；24.燃烧室；25.透平；26.水泵；27.第四三通阀；28.第五三通阀；29.引射器；30.蒸发反应管；301.水流道；302.燃料流道，303.热源流道；304.翅片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢方法，在储能阶段，压缩空气产生的压缩热用于驱动吸热型化学反应产生气体燃料实现物理/化学能的混合储能；在释能阶段，气体燃料与空气依次通过固体氧化物燃料电池和透平发电实现能量的梯级利用；在储能和释能阶段均以氢气为载体实现低品位热能到燃料高品位化学能的转化。

请参阅图1，本发明一种集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，包括液态燃料储罐1、燃料泵2、燃料预热器3、燃料蒸发器4、蒸发反应器5、空气压缩机6、第一三通阀7、气液分离器8、氢气分离器9、第二三通阀10、气态燃料储罐11、第三三通阀12、余热回收器13、空气储罐14、蓄热器15、燃料节流阀16、混合器17、燃料加热器18、空气节流阀19、空气预热器20、空气加热器21、固体氧化物燃料电池22、循环压缩机23、燃烧室24、透平25和水泵26。

液态燃料储罐1出口依次经燃料泵2、燃料预热器3冷侧和燃料蒸发器4冷侧与蒸发反应器5的燃料入口连接，蒸发反应器5的燃料出口经燃料预热器3热侧与气液分离器8的入口连接，气液分离器8的液体出口与液态燃料储罐1的入口连接，气液分离器8的气体出口与氢气分离器9的入口连接，氢气分离器9的第一出口向外输出氢气，氢气分离器9的第二出口连接第二三通阀10的入口，第二三通阀10的第一出口连接气态燃料储罐11的入口，第二三通阀10的第二出口连通大气；空气压缩机6的入口连通大气，空气压缩机6的出口与第一三通阀7的第一入口连接，第一三通阀7的出口与蒸发反应器5的热源入口连接，蒸发反应器5的热源出口经燃料蒸发器4热侧与第三三通阀12的入口连接，第三三通阀12的第一出口经余热回收器13热侧与空气储罐14的入口连接，第三三通阀12的第二出口连通大气环境；蒸发反应器5的液态水入口与水泵26的出口连接。

蓄热器15的第一出口与余热回收器13的冷侧入口连接，余热回收器13的冷侧出口与蓄热器15的第一入口连接，蓄热器15的第二出口与空气预热器20的热侧入口连接，空气预热器20的热侧出口与蓄热器15的第二入口连接。

气态燃料储罐11的出口经燃料节流阀16与混合器17的第一入口连接，混合器17的出口经燃料加热器18的冷侧与固体氧化物燃料电池22的阳极入口连接；空气储罐14的出口依次经空气节流阀19、空气预热器20冷侧和空气加热器21冷侧与固体氧化物燃料电池22的阴极入口连接，固体氧化物燃料电池22的阳极出口分为两路，一路经循环压缩机23与混合器17的第二入口连接，另一路与燃烧室24的燃料入口连接，固体氧化物燃料电池22的阴极出口与燃烧室24的空气入口连接，燃烧室24的出口依次经透平25、燃料加热器18热侧和空气加热器21的热侧与第一三通阀7的第二入口连接。

请参阅图2，采用结构紧凑的蒸发反应器5集成液体蒸发功能与燃料反应功能于一体，既可同时实现液体的蒸发和燃料的反应，又可仅实现燃料的反应；包括第四三通阀27；第五三通阀28；引射器29及多个并联的蒸发反应管30，燃料由第四三通阀27入口流入，第四三通阀27第一出口连接第五三通阀28第一入口，第四三通阀27第二出口连接引射器29的第一入口，引射器29出口连接第五三通阀28第二入口，第五三通阀28出口分多路连接蒸发反应管30燃料入口；蒸发反应管30气态水出口连接引射器29第二入口。

请参阅图3，蒸发反应管30包括水流道301、燃料流道302、热源流道303和翅片304，燃料流道302设为螺旋结构以增大热源与燃料之间的传热面积；燃料流道302的外部设置有热源流道303，多个翅片304中心对称设置在热源流道303的外壁以增大热源与水之间的传热面积；水流道301设置在燃料流道302的外部，水流道301外部设有绝热层；水流道301、热源流道303及燃料流道302沿螺旋线同轴设置，燃料和水与热源的流动方式为逆流。

在储能阶段，采用空气压缩机6压缩后的空气作为热化学反应的热源，蒸发反应器5内仅发生燃料的反应过程，无水的蒸发过程；此时水泵26停止工作，水流道301内无水流过，燃料经第四三通阀27的第一出口和第五三通阀28的第一入口流入燃料流道302，在没有水的参与下发生裂解反应，产生合成气(氢气和一氧化碳)，空气流经热源流道303为裂解反应提供热量。

在释能阶段，采用气体燃料燃烧后的尾气作为热化学反应的热源，蒸发反应器5内同时发生燃料的反应过程和水的蒸发过程；此时水泵26根据设计的水碳比1:1向蒸发反应器5中供水，水流道301内有水流过，液态水吸收热源热量后生成气态水，燃料经第四三通阀27第二出口流入引射器29第一入口，同时蒸发形成的气态水被引射器29第二入口吸入，两股气体充分混合后流入燃料流道302，燃料在水的参与下发生重整反应，产生氢气和二氧化碳，尾气流经热源流道303同时为重整反应和液态水的蒸发提供热量。

储能和释能阶段采用同一套蒸发反应器5，分别采用空气和尾气作为热源驱动燃料热化学反应的发生，均可实现低品位热能转到燃料高品位化学能的转化，同时可减少整体系统的投资成本和占地面积。

在储能和释能阶段，系统均可通过氢气分离器9第一出口向外输出氢气；在储能阶段，氢气分离器9第二出口输出一氧化碳，经第二三通阀10第一出口流入气态燃料储罐11中存储；在释能阶段，氢气分离器9第二出口输出二氧化碳，经第二三通阀10第二出口排入大气。

在储能阶段，采用蓄热工质(如导热油等)回收空气的余热并存储于蓄热器15中；在释能阶段，采用蓄热工质(如导热油等)吸收蓄热器15中存储的热量，用于预热流经空气预热器20的空气。

采用储能阶段的空气余热来预热释能阶段的空气，可提高空气加热器21热侧出口尾气的能量品位，使其温度与燃料热化学反应的温度进行良好的匹配，解决了释能阶段尾气温度范围与热量无法满足燃料热化学反应的问题，实现储能和释能阶段均能发生燃料热化学过程。

发生热化学反应的液态燃料为甲醇；乙醇或二甲醚。

释能系统所需的高压燃料和空气已在储能阶段获得，可大大减少固体氧化物燃料电池-透平中压缩燃料和空气所消耗的功，从而显著提高系统的发电量和

效率，采用一氧化碳作固体氧化物燃料电池的燃料，避免了传统固体氧化物燃料电池系统中燃料重整消耗的热量，可进一步提高系统的发电量。

在释能阶段，根据设计的水碳比确定进入混合器17的固体氧化物燃料电池22阳极循环气体的流量。

请参阅图1、图2和图3，本发明集成压缩空气热化学过程与燃料电池的储能制氢系统的工作流程为：

在储能阶段，第一三通阀7的第一入口打开，第二入口关闭，第二三通阀10的第一出口打开，第二出口关闭；第三三通阀12的第一出口打开，第二出口关闭；水泵26处于非工作状态，液态燃料储罐1中的液态燃料经燃料泵2加压后，依次经过燃料预热器3冷侧和燃料蒸发器4冷侧吸热变为气体，之后进入蒸发反应器5燃料入口，同时空气经空气压缩机6压缩升温后，经第一三通阀7第一入口进入蒸发反应器5的热源入口；在蒸发反应器5中，仅发生燃料的反应过程，无水的蒸发过程，燃料经第四三通阀27的第一出口和第五三通阀28的第一入口流入燃料流道302，在没有水的参与下发生裂解反应，产生合成气(氢气和一氧化碳)，将空气的低品位热能转化为合成气的高品位化学能，空气流经热源流道303为裂解反应提供热量；反应产生的合成气流经燃料预热器3热侧，在预热冷侧液态燃料的同时冷却降温，之后合成气进入气液分离器8中进行气液分离，分离出的液态燃料循环至液态燃料储罐1中循环利用，除去液态燃料的合成气则进入氢气分离器9中；氢气分离器9将合成气中的氢气分离出后输送至外界存储或利用，余下的一氧化碳则经第二三通阀10第一出口进入气态燃料储罐11中存储；由蒸发反应器5流出的空气首先流经燃料蒸发器4热侧为液态燃料的蒸发供热，然后经第三三通阀12第一出口流入余热回收器13热侧，此时蓄热工质流经余热回收器13冷侧，以回收空气中的余热并存储于蓄热器15中，降温后的空气流入空气储罐14中存储；

在释能阶段，第一三通阀7的第一入口关闭，第二入口打开；第二三通阀10的第一出口关闭，第二出口打开；第三三通阀12的第一出口关闭；第二出口打开；由气态燃料储罐11中流出的高压气态燃料首先经燃料节流阀16降至恒定压力，然后进入混合器17与来自固体氧化物燃料电池22的阳极循环气体混合，混合后的气体流经燃料加热器18冷侧被加热至给定温度，之后进入固体氧化物燃料电池22阳极；同时，由空气储罐14中流出的高压空气首先经空气节流阀19降至恒定压力，然后进入空气预热器20冷侧，此时蓄热工质流经蓄热器15吸收其中存储的热量，然后流经空气预热器20热侧预热空气，被预热后的空气流经空气加热器21冷侧被加热至给定温度，之后进入固体氧化物燃料电池22阴极；气态燃料与空气在固体氧化物燃料电池22中发生电化学反应进行发电，之后部分阳极尾气经循环压缩机23加压后进入混合器17中与气态燃料混合，另一部分阳极尾气则与阴极尾气一同进入燃烧室24中使未发生反应的气态燃料完全燃烧；由燃烧室24产生的高温尾气经透平25膨胀发电后，依次流经燃料加热器18与空气加热器21的热侧依次加热气态燃料和空气，之后尾气经第一三通阀7第二入口进入蒸发反应器5热源入口；与此同时，液态燃料经燃料泵2加压，在燃料预热器3与燃料蒸发器4热侧吸热变为气体后进入蒸发反应器5燃料入口，水经水泵26加压后进入蒸发反应器5液态水入口；在蒸发反应器5中，同时发生燃料的反应过程和水的蒸发过程，液态水流经水流道301吸热蒸发为气态水，燃料经第四三通阀27第二出口流入引射器29第一入口，同时蒸发形成的气态水被引射器29第二入口吸入，两股气体充分混合后流入燃料流道302，燃料在水的参与下发生重整反应，产生氢气和二氧化碳，尾气流经热源流道303同时为重整反应和液态水的蒸发提供热量；反应生成的氢气和二氧化碳流经燃料预热器3热侧，在预热冷侧液态燃料的同时冷却降温，之后氢气和二氧化碳进入气液分离器8中进行气液分离，分离出的液态燃料循环至液态燃料储罐1中循环利用，除去液态燃料的氢气和二氧化碳则进入氢气分离器9中；氢气分离器9将氢气分离出后输送至外界存储或利用，余下的二氧化碳则经第二三通阀10第二出口排入大气；由蒸发反应器5流出的尾气首先流经燃料蒸发器4热侧为液态燃料的蒸发供热，然后经第三三通阀12第二出口排入大气。

以甲醇作为液态燃料为例，集成压缩空气热化学过程与燃料电池的储能制氢系统在设计工况下的输入参数与模拟结果分别如表1和表2所示。

表1设计工况下系统输入参数

表2设计工况下系统模拟结果

综上所述，本发明一种集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢方法及系统，在储释能阶段的氢气产率分别为2.12mol/s和4.23mol/s，采用同一套蒸发反应器，通过吸热型热化学反应将低品位的热能转化为高品位的化学能；在高效制氢的同时，该系统可实现31.93％的电效率。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，其特征在于，包括蒸发反应器（5），蒸发反应器（5）的燃料入口依次经燃料蒸发器（4）、燃料预热器（3）和燃料泵（2）后与液态燃料储罐（1）的出口连接；蒸发反应器（5）的燃料出口依次经燃料预热器（3）和气液分离器（8）后分两路，一路与液态燃料储罐（1）的入口连接，另一路经氢气分离器（9）与气态燃料储罐（11）的入口连接；蒸发反应器（5）的热源入口与空气压缩机（6）连接；蒸发反应器（5）的热源出口依次经燃料蒸发器（4）和余热回收器（13）后与空气储罐（14）的入口连接，余热回收器（13）的冷侧与蓄热器（15）连接；

气态燃料储罐（11）的出口经混合器（17）和燃料加热器（18）与固体氧化物燃料电池（22）的阳极入口连接，空气储罐（14）的出口依次经空气预热器（20）和空气加热器（21）后与固体氧化物燃料电池（22）的阴极入口连接，空气预热器（20）的热侧与蓄热器（15）连接；固体氧化物燃料电池（22）的阳极出口分两路，一路经循环压缩机（23）与混合器（17）的入口连接，另一路与燃烧室（24）的燃料入口连接，固体氧化物燃料电池（22）的阴极出口与燃烧室（24）的空气入口连接，燃烧室（24）的出口依次经透平（25）、燃料加热器（18）和空气加热器（21）后与蒸发反应器（5）的热源入口连接；蒸发反应器（5）的液态水入口与水泵（26）连接。

2.根据权利要求1所述的集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，其特征在于，蒸发反应器（5）包括蒸发反应管（30），蒸发反应管（30）的入口经第五三通阀（28）分两路，一路与第四三通阀（27）的第一出口连接，另一路经引射器（29）与第四三通阀（27）的第二出口连接，蒸发反应管（30）的气态水出口与引射器（29）的第二入口连接。

3.根据权利要求2所述的集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，其特征在于，蒸发反应管（30）包括多个，多个蒸发反应管（30）并联设置。

4.根据权利要求2所述的集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，其特征在于，蒸发反应管（30）由内至外依次包括燃料流道（302）、热源流道（303）和水流道（301）。

5.根据权利要求4所述的集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，其特征在于，燃料流道（302）为螺旋结构。

6.根据权利要求5所述的集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，其特征在于，水流道（301）、热源流道（303）及燃料流道（302）沿燃料流道的螺旋线同轴设置。

7.根据权利要求4所述的集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，其特征在于，热源流道（303）上间隔设置有翅片（304）。

8.根据权利要求7所述的集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，其特征在于，多个翅片（304）沿热源流道（303）的外壁中心对称设置。

9.一种集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢方法，其特征在于，利用权利要求1所述的集成压缩空气热化学过程与燃料电池储能制氢系统，包括以下步骤：

在储能阶段，采用空气压缩机压缩后的空气作为热化学反应的热源，蒸发反应器内仅发生燃料的反应过程；水泵停止工作，蒸发反应器内部设置的水流道内无水流过，燃料流入蒸发反应器内设置的燃料流道，在没有水的参与下发生裂解反应，产生合成气，空气流经蒸发反应器为裂解反应提供热量；

在释能阶段，采用气体燃料燃烧后的尾气作为热化学反应的热源，蒸发反应器内同时发生燃料的反应过程和水的蒸发过程；水泵向蒸发反应器中供水，蒸发反应器内设置的水流道内有水流过，液态水吸收热源热量后生成气态水，燃料流入蒸发反应器内设置的引射器的第一入口，同时蒸发形成的气态水被蒸发反应器内设置的引射器的第二入口吸入，两股气体充分混合后流入蒸发反应器内设置的燃料流道发生重整反应，产生氢气和二氧化碳，尾气为重整反应和液态水的蒸发提供热量。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在储能阶段和释能阶段，均通过氢气分离器向外输出氢气；

在储能阶段，氢气分离器输出的一氧化碳流入气态燃料储罐中存储；

在释能阶段，氢气分离器输出的二氧化碳排入大气；

在储能阶段，采用蓄热工质回收空气的余热并存储于蓄热器中；

在释能阶段，采用蓄热工质吸收蓄热器中存储的热量，用于预热流经空气预热器的空气。

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