CN214753865U - 一种新型液氨储氢发电系统 - Google Patents

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张傑
赵宏
张纪尧
王海成
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Abstract

本实用新型公开一种新型液氨储氢发电系统，该系统包括预热单元、氨气分解炉、分离器、净化单元和燃料电池；液氨通入预热单元，经过吸热后汽化，所得气体通入氨气分解炉内胆中裂解为氢气、氮气与氨气的混合气；混合气在分离器中被分为两部分，第一部分混合气冷却后通入净化单元，在净化装置内混合气体中的微量氨气被脱除，净化所得产品气通入燃料电池阳极发电；第二部分混合气先通入氨气分解炉外层中反应放热，用于为氨气裂解和预热单元供热，然后通入净化单元完成氨气脱除。本实用新型仅以液氨和空气为原料即可直接发电，产物仅有氮气和水，具有清洁与高效的特点；而且以液氨作为能量载体还具有产氢率高，储运压力较低，原料成本低等优点。

Description

一种新型液氨储氢发电系统
技术领域
本实用新型涉及一种新型液氨储氢发电系统，属于制氢与储氢领域。
背景技术
液氨的含氢量高，易于运输，成本极低，是一种优良的储氢载体。但液氨裂解反应温度高，吸热量大，一般需要在氨分解炉中加热至800～850℃，在镍基催化剂作用下，将氨进行分解，工艺要求较高。而且为了提供热量，反应过程中需要单独提供燃料，以将燃料燃烧后产生的热量用来提供氨分解所需的热量，进而导致系统复杂，成本高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种新型液氨储氢发电系统。
本实用新型所采用的技术解决方案是：
一种新型液氨储氢发电系统，包括预热单元、氨气分解炉、分离器、净化单元和燃料电池；
预热单元包括第一换热器和第二换热器，第一换热器和第二换热器各自设有冷、热流体出入口，第一换热器的冷流体入口与液氨输送管路相连，第一换热器的冷流体出口与第二换热器的冷流体入口相连，第二换热器的冷流体出口通过第一流体输送管路与氨气分解炉相连；
氨气分解炉包括外层和内胆，外层为燃烧室，所述第二换热器的冷流体出口通过第一流体输送管路与氨气分解炉的内胆入口相连；在氨气分解炉的内胆内部填充氨气裂解催化剂；
氨气分解炉的内胆出口通过第二流体输送管路与分离器的入口相连，分离器设有至少两个出口，其中一个出口通过第三流体输送管路与第一换热器的热流体入口相连，另一个出口通过第四流体输送管路与氨气分解炉的外层入口相连；
氨气分解炉的外层入口还与第一空气输入管路相连；氨气分解炉的外层出口通过第五流体输送管路与第二换热器的热流体入口相连；
净化单元包括第一吸附塔和第二吸附塔，第一换热器的热流体出口通过第六流体输送管路与第一吸附塔的入口相连，第一吸附塔的出口通过第七流体输送管路与燃料电池的入口相连，燃料电池还与第二空气输入管路相连，燃料电池的出口连接第一尾气排放管路；
第二换热器的热流体出口通过第八流体输送管路与第二吸附塔的入口相连，第二吸附塔的出口连接第二尾气排放管路。
优选的，在氨气分解炉的外层内部填充氢气催化燃烧催化剂。
优选的，所述第一吸附塔和第二吸附塔中均填充有用于吸附氨气的分子筛。
本实用新型的有益技术效果是：
本实用新型提供一种新型液氨储氢发电系统，该系统中液氨经过催化裂解后变为氮氢混合气体，混合气体中残留的氨气被脱除后，可通入燃料电池发电。另外，该系统利用液氨裂解所得氢气的一部分燃烧供热，即可维持裂解所需温度。该系统仅以液氨和空气为原料即可直接发电，产物仅有氮气和水，具有清洁与高效的特点。而且本实用新型以液氨作为能量载体还具有如下优点：产氢率高，储运压力较低，原料成本低。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步说明：
图1为本实用新型的结构原理示意图。
具体实施方式
结合附图，一种新型液氨储氢发电系统，包括预热单元1、氨气分解炉2、分离器3、净化单元4和燃料电池5。预热单元1包括第一换热器101和第二换热器102，第一换热器101和第二换热器102各自设有冷、热流体出入口。第一换热器101的冷流体入口与液氨输送管路6相连，第一换热器101的冷流体出口与第二换热器102的冷流体入口相连，第二换热器102的冷流体出口通过第一流体输送管路7与氨气分解炉2相连。氨气分解炉2包括外层和内胆，外层为燃烧室，所述第二换热器102的冷流体出口通过第一流体输送管路7与氨气分解炉的内胆入口相连。在氨气分解炉的内胆内部填充氨气裂解催化剂。氨气分解炉的内胆出口通过第二流体输送管路8与分离器3的入口相连，分离器3设有至少两个出口，其中一个出口通过第三流体输送管路9与第一换热器101的热流体入口相连，另一个出口通过第四流体输送管路10与氨气分解炉的外层入口相连。氨气分解炉的外层入口还与第一空气输入管路11相连。氨气分解炉的外层出口通过第五流体输送管路12与第二换热器102的热流体入口相连。
净化单元4包括第一吸附塔401和第二吸附塔402，第一换热器101的热流体出口通过第六流体输送管路13与第一吸附塔401的入口相连，第一吸附塔的出口通过第七流体输送管路14与燃料电池5的入口相连。燃料电池5还与第二空气输入管路15相连，燃料电池5的出口连接第一尾气排放管路16。第二换热器102的热流体出口通过第八流体输送管路17与第二吸附塔402的入口相连，第二吸附塔402的出口连接第二尾气排放管路18。
上述氨气裂解催化剂为低温催化剂，采用该低温催化剂时氨气分解温度为400～500℃。
上述低温催化剂优选为单原子贵金属与过渡金属的复合材料。
作为对本实用新型的进一步设计，在氨气分解炉2的外层内部填充氢气催化燃烧催化剂，进一步促进氢气高效催化燃烧。
更进一步的，所述第一吸附塔401和第二吸附塔402中均填充有用于吸附氨气的分子筛。
采用上述新型液氨储氢发电系统进行发电的方法，包括以下步骤：
(1)液氨通过液氨输送管路输送至第一换热器101，经第一换热器的冷流体入口流入，在第一换热器中进行预热升温，随后经第一换热器的冷流体出口和第二换热器102的冷流体入口进入第二换热器，在第二换热器中继续升温汽化，汽化后的氨气经第一流体输送管路输送至氨气分解炉2的内胆。
(2)在氨气分解炉2的内胆中，氨气分解为氮气和氢气，形成氮气、氢气和残余氨气的混合气体，混合气体经第二流体输送管路输送至分离器3。
(3)混合气体在分离器3中被分成混合气A和混合气B，分离器3只是对混合气体的体积进行分割，并不会对混合气体的成分进行分离。如可分割为混合气A与混合气B的体积比为3:1或5:1等。混合气A经第三流体输送管路输送至第一换热器101的热流体入口，在第一换热器中放热冷却后经热流体出口流出，并经第六流体输送管路输送至第一吸附塔401。在第一吸附塔401中混合气A中的残余微量氨气被脱除，剩余的气体通入燃料电池5阳极反应发电。
(4)混合气B经第四流体输送管路输送至氨气分解炉2的外层，与第一空气输入管路输送进来的空气混合，在氨气分解炉外层内燃烧放热，向内胆中的氨气分解反应供热。燃烧尾气经第五流体输送管路输送至第二换热器102的热流体入口，在第二换热器中放热冷却后经热流体出口流出，并经第八流体输送管路输送至第二吸附塔402；在第二吸附塔中燃烧尾气中残留的氨气被脱除，剩余气体排空。
上述氨气分解炉外层的燃烧为直接燃烧或催化燃烧。
下面通过具体应用实例对本实用新型作进一步说明：
在船内设置如图1所示的液氨储氢发电系统，按照上述液氨裂解发电方法，即可以液氨为原料，满足航行的动力需求。该系统中的净化单元包括第一吸附塔与第二吸附塔，两个塔内均填有5A分子筛。
具体实现过程如下：
先使用鼓风机将少量纯氢和空气通入氨气分解炉外层。氨气分解炉外层内填有镍基催化剂，纯氢发生催化燃烧反应，反应所得热量可为液氨分解炉内胆、第一换热器以及第二换热器预热。
预热完成后，使用液泵将储存于球罐中的液氨通入液氨裂解发电系统。液氨经第一换热器、第二换热器预热后进入氨气分解炉内胆。氨气分解炉内胆中填有单分子铂与镍的复合材料，其工作温度为500℃。在此温度下，氨气分解为氮气与氢气的混合气体，但分解反应的转化率无法达到100％，因此该混合气体内仍有少量氨气残存。
混合气体在分离器中被分为两部分。第一部分混合气体通入第一换热器放热后进入第一吸附塔。其中的氨气被分子筛吸附，直至残余浓度低于0.1ppm。净化后较为纯净的氢气氮气混合物进入质子交换膜燃料电池阳极反应发电。第二部分混合气体进入氨气分解炉外层，与空气混合。氢气发生催化燃烧反应放热，为氨气分解炉内胆提供热量、维持氨气分解温度。催化燃烧尾气进入第二换热器放热后再经过空冷，温度降至常温附近，然后通入第二吸附塔。第二吸附塔内的分子筛脱除混合气中的氨气后，残余气体达到排放标准，直接排空。

Claims (3)

1.一种新型液氨储氢发电系统，其特征在于：包括预热单元、氨气分解炉、分离器、净化单元和燃料电池；
预热单元包括第一换热器和第二换热器，第一换热器和第二换热器各自设有冷、热流体出入口，第一换热器的冷流体入口与液氨输送管路相连，第一换热器的冷流体出口与第二换热器的冷流体入口相连，第二换热器的冷流体出口通过第一流体输送管路与氨气分解炉相连；
氨气分解炉包括外层和内胆，外层为燃烧室，所述第二换热器的冷流体出口通过第一流体输送管路与氨气分解炉的内胆入口相连；在氨气分解炉的内胆内部填充氨气裂解催化剂；
氨气分解炉的内胆出口通过第二流体输送管路与分离器的入口相连，分离器设有至少两个出口，其中一个出口通过第三流体输送管路与第一换热器的热流体入口相连，另一个出口通过第四流体输送管路与氨气分解炉的外层入口相连；
氨气分解炉的外层入口还与第一空气输入管路相连；氨气分解炉的外层出口通过第五流体输送管路与第二换热器的热流体入口相连；
净化单元包括第一吸附塔和第二吸附塔，第一换热器的热流体出口通过第六流体输送管路与第一吸附塔的入口相连，第一吸附塔的出口通过第七流体输送管路与燃料电池的入口相连，燃料电池还与第二空气输入管路相连，燃料电池的出口连接第一尾气排放管路；
第二换热器的热流体出口通过第八流体输送管路与第二吸附塔的入口相连，第二吸附塔的出口连接第二尾气排放管路。
2.根据权利要求1所述的一种新型液氨储氢发电系统，其特征在于：在氨气分解炉的外层内部填充氢气催化燃烧催化剂。
3.根据权利要求1所述的一种新型液氨储氢发电系统，其特征在于：所述第一吸附塔和第二吸附塔中均填充有用于吸附氨气的分子筛。
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