CN216389455U - 一种氢燃料电池的氨制氢系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种氢燃料电池的氨制氢系统，包括氨制氢装置、供氨部和供液部；所述供氨部连接至氨制氢装置的阳极入口；所述供液部连接至氨制氢装置的阴极入口；所述氨制氢装置的阳极排气口经过第一水气分离装置将氮气和水分离，水通过管路通入供液部，氮气通过管路通入燃料电池的阴阳极吹扫口；所述氨制氢装置的阴极氢气出口连接至燃料电池的氢气入口。本实用新型能够实现氢燃料电池与氨制氢装置间的协同设计和耦合协调运行，提高储氢能量密度和能源利用率。

Description

一种氢燃料电池的氨制氢系统

技术领域

本实用新型属于氢燃料电池技术领域，尤其涉及一种氢燃料电池的氨制氢系统。

背景技术

氢能作为一种清洁、高效、可持续的能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。随着全球气候、环境保护和能源安全成为全球挑战，氢能以其多功能性及其脱碳潜力，受到越来越多的关注，可广泛应用于运输、建筑和工业领域。尤其是，作为交通运载工具的能源，用于氢内燃机或氢燃料电池的燃料，氢气应用得到了高度重视。然而，氢气是世界上已知的相对分子质量最小的气体，其密度只有空气的1/14，即在1标准大气压和0℃，氢气的密度仅0.089g/L。因此，为了满足交通运载工具的续航里程，氢气储存面临巨大困难和挑战。目前，技术最成熟、应用最广泛的储氢方式，就是高压气态储氢，储氢罐压力通常采用35MPa，同时70MPa正在发展当中。不过，高压气态储氢仍然不能满足不断增长的对储氢能量密度的需求。此外，有机化合物储氢需要专门的加氢和放氢装置，难以用于交通运载工具用移动储氢方式；固态储氢技术也不成熟，储氢能量密度较高的固态储氢材料，要求释放氢气温度高，短期内难以推广；低温储氢能耗较大，绝热问题难以解决，也存在安全隐患。

氨是体积储氢密度和质量储氢密度均高于水、甲醇和液氢的无碳媒介，常温加压(8bar)便可转化为液态，被认为是氢储运的重要载体之一。《焦耳》杂志发表的一篇论文指出，在基于可再生能源的燃料中，氨的成本最低，氨的存储和分配比氢更便宜，同时没有二氧化碳排放。现有氨制氢采用加热裂解，而氨电解制氢效率更高。理论上，氨电解产生1g氢气所需电能仅1.55W·h，而1g氢气通过氢燃料电池可产生33W·h能量，也就是说，电解氨制氢用于燃料电池发电，电解氨的理论耗能仅占燃料电池理论输出电能5％以下。但是，氨制氢装置反应过程中生成氮气和水，通常直接排放，造成浪费；同时，需要外部供电，而且内部反应需要高温环境，影响能效；此外，目前并没有氢燃料电池的氨制氢系统，更缺乏氢燃料电池与氨制氢的协同设计和耦合运行。

实用新型内容

为了克服现有技术方法的不足，本实用新型的目的在于提出一种氢燃料电池的氨制氢系统，能够实现氢燃料电池与氨制氢装置间的协同设计和耦合协调运行，提高储氢能量密度和能源利用率。

为实现以上目的，本实用新型采用技术方案是：一种氢燃料电池的氨制氢系统，包括氨制氢装置、供氨部和供液部；所述供氨部连接至氨制氢装置的阳极入口；所述供液部连接至氨制氢装置的阴极入口；所述氨制氢装置的阳极排气口经过第一水气分离装置将氮气和水分离，水通过管路通入供液部，氮气通过管路通入燃料电池的阴阳极吹扫口；所述氨制氢装置的阴极氢气出口连接至燃料电池的氢气入口。

进一步的是，还包括储氮罐，所述氨制氢装置的阳极排气口经过第一水气分离装置将氮气和水分离，氮气储存至储氮罐，所述储氮罐通过管路通入燃料电池的阴阳极吹扫口。

进一步的是，所述燃料电池的排水口连接至所述供液部。

进一步的是，在所述供氨部与氨制氢装置的阳极入口的连接管路上设置有第一换热器和/或第二换热器，来自供氨部的氨经第一换热器和/或第二换热器加热后流入氨制氢装置的阳极入口；

所述第一换热器还与燃料电池的水冷装置相连接，燃料电池水冷装置的吸热后的冷却水流经第一换热器换热后流回燃料电池水冷装置；

所述第二换热器还与氨制氢装置的阳极排气口连接，氨制氢装置的阳极排气流经第二换热器换热。

利用燃料电池的水冷装置输出冷却水的热量为氨气加热，利用氨制氢装置的阳极排气的热量为氨气加热，氨气在吸收氢燃料电池和/或氨制氢装置阳极排气的余热，得到加热后，进入氨制氢装置阳极入口，从而提高氨制氢装置制氢效率。

进一步的是，在所述供液部与氨制氢装置的阴极入口的连接管路上设置有第三换热器和/或第四换热器，来自供液部的阴极反应物经第三换热器和/或第四换热器加热后流入氨制氢装置的阴极入口；

所述第三换热器还与燃料电池的水冷装置相连接，燃料电池水冷装置的吸热后的冷却水流经第三换热器换热后流回燃料电池水冷装置；

所述第四换热器还与氨制氢装置的阴极出口连接，氨制氢装置的阴极排气流经第四换热器换热。

利用燃料电池的水冷装置输出冷却水的热量为进入氨制氢装置的阴极入口的阴极反应物加热，利用氨制氢装置的阴极排气的热量为阴极反应物加热，供液部中的阴极反应物，吸收氢燃料电池和氨制氢装置阴极排气的余热，得到加热后，进入氨制氢装置阴极入口，从而提高氨制氢装置制氢效率。进一步的是，在所述氨制氢装置的阴极出口与燃料电池的氢气入口的连接管路上设置有第二水气分离装置，所述氨制氢装置的阴极出口经过第二水气分离装置将氢气和水分离，水储存至供液部，氢气通向燃料电池的氢气入口。

进一步的是，所述供液部采用储水箱。

进一步的是，供氨部采用储氨罐。

进一步的是，还包括储氢罐，所述氨制氢装置的阴极氢气出口将氢气储存至储氢罐，所述储氢罐通过管路通入燃料电池的氢气入口。

进一步的是，所述氢燃料电池的发电输出端连接至氨制氢装置电源端，从氢燃料电池取电后为氨制氢装置提供电能，实现氢燃料电池为氨制氢装置供电。优选地，氢燃料电池到氨制氢装置之间的电路上设置有电力电子DC/DC变换器，不需其它外部供电。

采用本技术方案的有益效果：

本实用新型利用氨制氢装置的副产物氮气，实现了氢燃料电池停机吹扫，有利于氢燃料电池性能和耐久性提升；对氨制氢装置和氢燃料电池的副产物水进行了回收，实现了水的循环利用。

本实用新型利用氢燃料电池余热冷却水和氨制氢装置排气，分别与氨制氢装置阴阳极反应物进行热交换，使得氨制氢装置阴阳极反应物在进入制氢装置前首先进行加热，提高制氢效率，同时有利于氢燃料电池散热，提高了系统能效。

本实用新型氨制氢装置的电能直接由氢燃料电池经DC/DC提供，无需其它外部供电。

综上，实现了氢燃料电池与氨制氢装置间的协同设计和耦合协调运行，提高了氢燃料电池储氢能量密度和能源利用率。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中一种氢燃料电池的氨制氢系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例2中一种氢燃料电池的氨制氢系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例3中一种氢燃料电池的氨制氢系统的结构示意图；

图4为本实用新型实施例4中一种氢燃料电池的氨制氢系统的结构示意图；

图5为本实用新型一种氢燃料电池的氨制氢系统的一种优化结构示意图；

图6为本实用新型一种氢燃料电池的氨制氢系统的二种优化结构示意图；

其中，1—氨制氢装置，2—燃料电池，3—供氨部，4—储氢罐，5—供液部， 6—储氮罐，7—膨胀器，8—第一换热器，9—第二换热器，10—第三换热器，11—第四换热器，12—第一水气分离装置，13—第二水气分离装置，14—变换器，15—压力传感器。

具体实施方式

为了使实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本实用新型作进一步阐述。

实施例1，如图1所示，一种氢燃料电池的氨制氢系统，包括氨制氢装置1、供氨部3和供液部5；所述供氨部3连接至氨制氢装置1的阳极入口；所述供液部5连接至氨制氢装置1的阴极入口；所述氨制氢装置1的阳极排气口经过第一水气分离装置12将氮气和水分离，水通过管路通入供液部5，氮气通过管路通入燃料电池2的阴阳极吹扫口；所述氨制氢装置1的阴极氢气出口连接至燃料电池2的氢气入口。

实施例2，如图2所示，一种氢燃料电池的氨制氢系统，包括氨制氢装置1、供氨部3、储氮罐6和供液部5；所述供氨部3连接至氨制氢装置1的阳极入口，所述氨制氢装置1的阳极排气口经过第一水气分离装置12将氮气和水分离，水储存至供液部5，所述供液部5通过管路连接至氨制氢装置1的阴极入口；氮气储存至储氮罐6，所述储氮罐6通过管路通入燃料电池2的阴阳极吹扫口；所述氨制氢装置1的阴极氢气出口连接至燃料电池2的氢气入口。

优选的，所述燃料电池2的排水口连接至所述供液部5。

作为上述实施例的优化方案，如图3所示，还包括储氢罐4，所述氨制氢装置1的阴极氢气出口将氢气储存至储氢罐4，所述储氢罐4通过管路通入燃料电池2的氢气入口。还可通过在储氢罐4上设置氢气压力传感器15，实时获取储氢罐4氢气压力数据。

优选的，在所述氨制氢装置1的阴极氢气出口与燃料电池2的氢气入口的连接管路上设置有第二水气分离装置13，所述氨制氢装置1的阴极氢气出口经过第二水气分离装置13将氢气和水分离，水储存至供液部5，氢气通向燃料电池2 的氢气入口。

优选的，所述供液部5采用储水箱。供液部5可向氨制氢装置1提供用于电解生成氢气的原料，可采用水，但不仅限于水。

优选的，所述供氨部3采用储氨罐。供氨部3可向氨制氢装置1提供用于电解生成氢气的原料，可采用氨气，但不仅限于氨气。

优选的，氨制氢装置1采用氨电解制氢。

作为上述实施例的优化方案，如图4所示，在所述供氨部3与氨制氢装置1 的阳极入口的连接管路上设置有第一换热器8和/或第二换热器9；

所述第一换热器8还与燃料电池2的水冷装置相连接，燃料电池2水冷装置的吸热后的冷却水流经第一换热器8换热后流回燃料电池2水冷装置；

所述第二换热器9还与氨制氢装置1的阳极排气口连接，氨制氢装置1的阳极排气流经第二换热器9换热。

利用燃料电池2的水冷装置输出冷却水的热量为氨气加热，利用氨制氢装置 1的阳极排气的热量为氨气加热，氨气在吸收氢燃料电池2和氨制氢装置1阳极排气的余热，得到加热后，进入氨制氢装置1阳极入口，从而提高氨制氢装置1 制氢效率。

作为上述实施例的优化方案，如图4所示，在所述供液部5与氨制氢装置1 的阴极入口的连接管路上设置有第三换热器10和/或第四换热器11；

所述第三换热器10还与燃料电池2的水冷装置相连接，燃料电池2水冷装置的吸热后的冷却水流经第三换热器10换热后流回燃料电池2水冷装置；

所述第四换热器11还与氨制氢装置1的阴极出口连接，氨制氢装置1的阴极出口的排气流经第四换热器11换热。

利用燃料电池2的水冷装置输出冷却水的热量为进入氨制氢装置1的阴极入口的水加热，利用氨制氢装置1的阴极排气的热量为水加热，供液部5中的水，吸收氢燃料电池2和氨制氢装置1阴极排气的余热，得到加热后，进入氨制氢装置1阴极入口，从而提高氨制氢装置1制氢效率。

作为上述实施例的优化方案，如图5所示，所述氢燃料电池2的发电输出端连接至氨制氢装置1电源端，实现氢燃料电池2为氨制氢装置1供电。优选的，从氢燃料电池2取电后为氨制氢装置1提供电能，氨制氢装置1的所需电能，由氢燃料电池2发电经DC/DC变换器14提供，不需其它外部供电。

优选的，在所述供氨部3出口处设置有膨胀器7。

为了更好的理解本实用新型，下面对本实用新型的工作原理作一次完整的描述：

供氨部3向氨制氢装置1的阳极入口提供氨气；氨制氢装置1的阳极排气口经过第一水气分离装置12将氮气和水分离，水储存至供液部5，由供液部5向氨制氢装置1的阴极入口提供水；氮气储存至储氮罐6，由储氮罐6向燃料电池 2的阴阳极吹扫口提供氮气；所述氨制氢装置1的阴极出口将氢气储存至储氢罐 4，由储氢罐4向燃料电池2的氢气入口提供氢气燃料。

氨制氢装置1阳极排气，经与氨气热交换后，再经过水回收装置，氮气储存到储氮罐6，回收的水进入供液部5；氨制氢装置1阴极排气，经与来自供液部 5的水热交换后，再经过水回收装置，氢气储存到供氢燃料电池2使用的储氢罐 4，回收的水进入供液部5。氨制氢装置1制氢过程中，实时调节氢燃料电池2 余热冷却水流量，以及第一换热器8、第二换热器9、第三换热器10和第四换热器11，从而控制氨气和水进入氨制氢装置1前的温度。

利用燃料电池2的水冷装置输出冷却水的热量为氨气加热，利用氨制氢装置 1的阳极排气的热量为氨气加热，氨气在吸收氢燃料电池2和氨制氢装置1阳极排气的余热，得到加热后，进入氨制氢装置1阳极入口，从而提高氨制氢装置1 制氢效率。

利用燃料电池2的水冷装置输出冷却水的热量为进入氨制氢装置1的阴极入口的水加热，利用氨制氢装置1的阴极排气的热量为水加热，供液部5中的水，吸收氢燃料电池2和氨制氢装置1阴极排气的余热，得到加热后，进入氨制氢装置1阴极入口，从而提高氨制氢装置1制氢效率。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种氢燃料电池的氨制氢系统，其特征在于，包括氨制氢装置(1)，供氨部(3)和供液部(5)；所述供氨部(3)连接至氨制氢装置(1)的阳极入口；所述供液部(5)连接至氨制氢装置(1)的阴极入口；所述氨制氢装置(1)的阳极排气口经过第一水气分离装置(12)将氮气和水分离，氮气通过管路通入燃料电池(2)的阴阳极吹扫口；所述氨制氢装置(1)的阴极氢气出口连接至燃料电池(2)的氢气入口。

2.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池的氨制氢系统，其特征在于，还包括储氮罐(6)，所述氨制氢装置(1)的阳极排气口经过第一水气分离装置(12)将氮气和水分离，水通过管路通入供液部(5)，氮气储存至储氮罐(6)，所述储氮罐(6)通过管路通入燃料电池(2)的阴阳极吹扫口。

3.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池的氨制氢系统，其特征在于，所述燃料电池(2)的排水口连接至所述供液部(5)。

4.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池的氨制氢系统，其特征在于，在所述供氨部(3)与氨制氢装置(1)的阳极入口的连接管路上设置有第一换热器(8)和/或第二换热器(9)；

所述第一换热器(8)还与燃料电池(2)的水冷装置相连接，燃料电池(2)水冷装置的吸热后的冷却水流经第一换热器(8)换热后流回燃料电池(2)水冷装置；

所述第二换热器(9)还与氨制氢装置(1)的阳极排气口连接，氨制氢装置(1)阳极排气流经第二换热器(9)换热。

5.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池的氨制氢系统，其特征在于，在所述供液部(5)与氨制氢装置(1)的阴极入口的连接管路上设置有第三换热器(10)和/或第四换热器(11)；

所述第三换热器(10)还与燃料电池(2)的水冷装置相连接，燃料电池(2)水冷装置的吸热后的冷却水流经第三换热器(10)换热后流回燃料电池(2)水冷装置；

所述第四换热器(11)还与氨制氢装置(1)的阴极出口连接，氨制氢装置(1)阴极出口的排气流经第四换热器(11)换热。

6.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池的氨制氢系统，其特征在于，在所述氨制氢装置(1)的阴极出口与燃料电池(2)的氢气入口的连接管路上设置有第二水气分离装置(13)，所述氨制氢装置(1)的阴极出口经过第二水气分离装置(13)将氢气和水分离，水通入供液部(5)，氢气通向燃料电池(2)的氢气入口。

7.根据权利要求1、3或6所述的一种氢燃料电池的氨制氢系统，其特征在于，所述供液部(5)采用储水箱，供氨部(3)采用储氨罐。

8.根据权利要求1或6所述的一种氢燃料电池的氨制氢系统，其特征在于，还包括储氢罐(4)，所述氨制氢装置(1)的阴极氢气出口将氢气储存至储氢罐(4)，所述储氢罐(4)通过管路通入燃料电池(2)的氢气入口。

9.根据权利要求1所述的一种氢燃料电池的氨制氢系统，其特征在于，所述燃料电池(2)发电输出端连接至氨制氢装置(1)电源端。

10.根据权利要求1或9所述的一种氢燃料电池的氨制氢系统，其特征在于，所述燃料电池(2)到氨制氢装置(1)之间的电路上设置有电力电子变换器(14)。

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