CN216958124U - 一种直接利用氨分解混合气的燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种直接利用氨分解混合气的燃料电池系统，包括氢燃料电池、氢气分离与供给单元以及空气供给单元；氢燃料电池包括电池阳极、电池阴极和循环水流道；氢气分离与供给单元包括吸附塔、氢气分离器和氢气缓冲罐，吸附塔的入口连接混合气输送管路，吸附塔的出口与氢气分离器相连；氢气分离器的内部设置有氮气储存腔、氢气储存腔以及只允许氢气单向通过的膜分离器；氢气储存腔的出口与氢气缓冲罐的入口连通，氢气缓冲罐与氢燃料电池的电池阳极相连；空气供给单元包括空气滤清器、空气压缩机、中冷器和增湿器。本实用新型可实现分离混合气中的氢气和氮气，使氢气单独经过膜分离器得到高纯氢气，从而提高电堆的性能。

Description

一种直接利用氨分解混合气的燃料电池系统

技术领域

本实用新型涉及氢燃料电池用氢发电领域，具体地说是涉及一种直接利用氨气分解后氢气和氮气混合气的燃料电池系统。

背景技术

液氨作为富氢化合物，具有储氢密度高、易于运输、安全性高等一系列优点，可用作分解制氢供给燃料电池。氨气进行分解反应，可得到含75％H₂和25％N₂的氢氮混合气体，但是氨分解产物中还会存在少量反应不完全的氨气以及一定的氮气，这不利于燃料电池的电解质以及电极催化剂的正常运行，因此需要增加分离过程对其予以分离和脱除。另外，现有燃料电池系统的阳极侧一般不配备吹扫装置，运行结束后残留的氢气无法及时排除，存在安全隐患。

实用新型内容

基于上述技术问题，本实用新型提出一种直接利用氨分解混合气的燃料电池系统。

本实用新型所采用的技术解决方案是：

一种直接利用氨分解混合气的燃料电池系统，包括氢燃料电池、氢气分离与供给单元以及空气供给单元；

氢燃料电池包括电池阳极、电池阴极和循环水流道，循环水流道位于电池阳极和电池阴极之间；

氢气分离与供给单元包括吸附塔、氢气分离器和氢气缓冲罐，吸附塔的入口连接混合气输送管路，吸附塔的出口与氢气分离器相连；所述氢气分离器的内部设置有只允许氢气单向通过的膜分离器，膜分离器将氢气分离器的内部空间分隔成氮气储存腔和氢气储存腔；氢气储存腔的出口与氢气缓冲罐的入口连通，氢气缓冲罐的出口通过阳极气体输送管路与氢燃料电池的电池阳极相连，在阳极气体输送管路上设置有氢气供给阀门；

空气供给单元包括空气滤清器、空气压缩机、中冷器和增湿器，空气滤清器的入口连接空气输送管路，空气滤清器的出口连通空气压缩机的入口，空气压缩机的出口连通中冷器的入口，中冷器的出口连通增湿器的入口，增湿器的出口通过阴极气体输送管路与氢燃料电池的电池阴极相连。

优选的，该系统还包括循环水单元，循环水单元包括节温器、PTC加热器、循环水泵和散热器，节温器的入口与循环水流道的出口连通，节温器的其中一个出口与PTC加热器的入口连通，节温器的另一个出口与散热器的入口连通；

所述中冷器包括空气流道和冷却水流道，空气流道的入口连通空气压缩机的出口，空气流道的出口连通增湿器的入口；冷却水流道的入口与散热器的出口连通，冷却水流道的出口和PTC加热器的出口均与循环水泵的入口连通，循环水泵的出口与循环水流道的入口连通。

优选的，该系统还包括氮气吹扫单元，氮气吹扫单元包括氮气输送管路，氮气输送管路的一端与氮气储存腔连通，氮气输送管路的另一端与氮气储存罐的入口连通，氮气储存罐的出口通过氮气吹扫管路连接阳极气体输送管路，在氮气吹扫管路上设置有氮气吹扫阀门。

优选的，所述氮气储存腔还连接有氮气排出管路。

优选的，所述吸附塔中填充有活性炭或分子筛。

本实用新型的有益技术效果是：

1、本实用新型提供一种直接利用氨分解混合气的燃料电池系统，可应用氨分解产物气体进行直接发电，吸附塔可物理吸附混合气中的杂质气体和水分，提高气体纯度；并通过在氢气分离器上设置膜分离器，实现分离混合气中的氢气和氮气，使氢气单独经过膜分离器得到高纯氢气，从而提高电堆的性能。

2、本实用新型中被分离得到的氮气储存在氮气储存罐中，能够直接用于管路和氢燃料电池阳极的吹扫，降低电池中的残留氢气含量，起到保护电池的作用，提高了系统安全性。

3、本实用新型还设置有循环水单元，通过节温器的出口转换，可在系统的启动和运行过程中均可保持系统温度和放电的稳定性，具有启动迅速、灵活性高和可持续高效工作等优点。

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。

图中：1-氢燃料电池、101-电池阴极、102-电池阳极、103-循环水流道、2-吸附塔、3-氢气分离器、301-氮气储存腔、302-氢气储存腔、303-膜分离器、4-氢气缓冲罐、5-阳极气体输送管路、6-混合气输送管路、7-氮气排出管路、8-氮气输送管路、9-氮气储存罐、10-氢气供给阀门、11-氮气吹扫阀门、12-空气滤清器、13-空气输送管路、14-空气压缩机、15-中冷器、16-增湿器、17-循环水泵、18-节温器、19-PTC加热器、20-散热器。

具体实施方式

结合附图，一种直接利用氨分解混合气的燃料电池系统，包括氢燃料电池1、氢气分离与供给单元以及空气供给单元。氢燃料电池1包括电池阳极102、电池阴极101和循环水流道103，循环水流道103位于电池阳极102和电池阴极101之间。氢气分离与供给单元包括吸附塔2、氢气分离器3和氢气缓冲罐4，吸附塔2的入口连接混合气输送管路6，吸附塔2的出口与氢气分离器3相连。所述氢气分离器3的内部设置有只允许氢气单向通过的膜分离器303，膜分离器将氢气分离器的内部空间分隔成氮气储存腔301和氢气储存腔302，分别用于存储纯化后的氢气和剩余的氮气。氢气储存腔302的出口与氢气缓冲罐4的入口连通，氢气缓冲罐4的出口通过阳极气体输送管路5与氢燃料电池1的电池阳极相连，在阳极气体输送管路上设置有氢气供给阀门10，通过阳极气体输送管路5将氢气通入电池阳极进行氧化反应。空气供给单元包括空气滤清器12、空气压缩机14、中冷器15和增湿器16，空气滤清器12的入口连接空气输送管路13，空气滤清器12的出口连通空气压缩机14的入口，空气压缩机14的出口连通中冷器15的入口，中冷器15的出口连通增湿器16的入口，增湿器16的出口通过阴极气体输送管路与氢燃料电池1的电池阴极相连。

上述氨分解混合气主要为75％氢气和25％氮气的混合气。氢燃料电池1是系统内的核心组件，主要包括电池阴极101、电池阳极102和循环水流道103。氢燃料电池1具有启动迅速、运行寿命长、能量转化率高等特点，可进行氢气的消耗以及对外输出供电，经直流变换器稳压后可稳定输出直流电，经逆变器转换后可对外输出定频定压的交流电，从而稳定电能供应，保证设备的用电要求。

上述空气供给单元主要是将空气依次进行收集、过滤、增压和加湿处理，为氢燃料电池1提供适宜的氧化剂进气条件。由于空气压缩机14的出口气体温度远高于氢燃料电池的运行温度，因此需通过中冷器15对空气进行降温，中冷器15的出口与增湿器16相连，空气在增湿后通入电池阴极101的入口进行还原反应。

作为对本实用新型的进一步设计，该系统还包括循环水单元，循环水单元包括节温器18、PTC加热器19、循环水泵17和散热器20，节温器18的入口与循环水流道103的出口连通，节温器的其中一个出口与PTC加热器19的入口连通，节温器的另一个出口与散热器20的入口连通。所述中冷器15包括空气流道和冷却水流道，空气流道的入口连通空气压缩机14的出口，空气流道的出口连通增湿器16的入口。冷却水流道的入口与散热器20的出口连通，冷却水流道的出口和PTC加热器的出口均与循环水泵17的入口连通，循环水泵17的出口与循环水流道103的入口连通。该单元的作用是在启动阶段进行电池预热和在运行阶段维持系统的温度在稳定范围。节温器18可根据系统管道内的循环水温度自动调节开度，保持氢燃料电池1的温度在最佳范围。中冷器15可将压缩后的高温空气进行有效冷却。PTC加热器19在系统的启动阶段对循环水进行加热，使氢燃料电池1快速达到最佳运行温度。循环水泵17的出口与循环水流道103的入口相连，循环水单元构成完整回路。

更进一步的，该系统还包括氮气吹扫单元，氮气吹扫单元包括氮气输送管路8，氮气输送管路8的一端与氮气储存腔301连通，氮气输送管路8的另一端与氮气储存罐9的入口连通，氮气储存罐9的出口通过氮气吹扫管路连接阳极气体输送管路，在氮气吹扫管路上设置有氮气吹扫阀门11。所述氮气储存腔还直接连接有氮气排出管路7。在吹扫模式下，氮气吹扫阀门11打开，通过阳极气体输送管路5与电池阳极102的入口相连进行氢气吹扫，多余氮气经过氮气排出管路7向外排出。

上述吸附塔2中可填充活性炭或分子筛，用于物理吸附混合气中的杂质气体和水分。上述膜分离器303的主要组分为钯膜或钯-银合金膜，可将混合气中的氢气组分有效分离，具有氢选择性高、透氢量高、热稳定性及耐压性好等优点。

上述直接利用氨分解混合气的燃料电池系统的运行方法，包括以下步骤：

(1)系统启动阶段节温器18的出水口与PTC加热器19的入口连通，此时启动循环水泵17，循环水路开始流动，水流不经过散热器20所在支路。PTC加热器19开启加热模式，直至管路内的水温升至70-80℃之间。

(2)温度升至氢燃料电池1的最佳运行温度后，开启空气压缩机14，空气由空气输送管路13进入管道，经过空气滤清器12后由空气压缩机14输送至增湿器16进行加湿处理，使空气相对湿度升至80％，进入电池阴极101。

(3)开启氢气供给阀门10，此时氮气吹扫阀门11处于关闭状态，75％氢气和25％氮气的混合气体由混合气输送管路6进入吸附塔2，经过杂质和水分去除后输入氢气分离器3，膜分离器303将氢气与氮气分离，氢气进入氢气储存腔302中。氢气储存腔302中的氢气经过氢气缓冲罐4稳定压力和流量后，进入电池阳极102。气体分离后剩余氮气储存在氮气储存腔301中，氮气储存罐9用于氮气的进一步存储，当氮气储存罐9充满后，多余氮气通过氮气排出管路7向外排出。

(4)接通氢燃料电池1的外电路，电池开始对外供电。

(5)氢燃料电池1在输出电量的同时，也进行热量的释放。氢燃料电池1运行时循环水管路内的温度升高，此时节温器18的出水口与散热器20和中冷器15依次连通，水流不再经过PTC加热器19所在支路，且PTC加热器19停止加热。开启散热器20，使散热量与氢燃料电池1的产热量达到平衡，维持氢燃料电池1的温度在最佳范围。

该方法还包括停机阶段：关闭氢气供给阀门10停止供应氢气，同时关闭空气压缩机14停止供应空气，将氢燃料电池1与外电路断开连接，保持循环水泵17和散热器20的运行状态，直至循环水温度下降至节温器18与散热器20支路的闭合温度，关闭循环水泵17和散热器20。开启氮气吹扫阀门11进入吹扫模式，使用氮气储存罐9中的氮气对电池阳极102进行吹扫，直至阳极流道中的残留氢气吹扫完毕，系统停机。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种直接利用氨分解混合气的燃料电池系统，其特征在于：包括氢燃料电池、氢气分离与供给单元以及空气供给单元；

氢燃料电池包括电池阳极、电池阴极和循环水流道，循环水流道位于电池阳极和电池阴极之间；

氢气分离与供给单元包括吸附塔、氢气分离器和氢气缓冲罐，吸附塔的入口连接混合气输送管路，吸附塔的出口与氢气分离器相连；所述氢气分离器的内部设置有只允许氢气单向通过的膜分离器，膜分离器将氢气分离器的内部空间分隔成氮气储存腔和氢气储存腔；氢气储存腔的出口与氢气缓冲罐的入口连通，氢气缓冲罐的出口通过阳极气体输送管路与氢燃料电池的电池阳极相连，在阳极气体输送管路上设置有氢气供给阀门；

空气供给单元包括空气滤清器、空气压缩机、中冷器和增湿器，空气滤清器的入口连接空气输送管路，空气滤清器的出口连通空气压缩机的入口，空气压缩机的出口连通中冷器的入口，中冷器的出口连通增湿器的入口，增湿器的出口通过阴极气体输送管路与氢燃料电池的电池阴极相连。

2.根据权利要求1所述的一种直接利用氨分解混合气的燃料电池系统，其特征在于：该系统还包括循环水单元，循环水单元包括节温器、PTC加热器、循环水泵和散热器，节温器的入口与循环水流道的出口连通，节温器的其中一个出口与PTC加热器的入口连通，节温器的另一个出口与散热器的入口连通；

所述中冷器包括空气流道和冷却水流道，空气流道的入口连通空气压缩机的出口，空气流道的出口连通增湿器的入口；冷却水流道的入口与散热器的出口连通，冷却水流道的出口和PTC加热器的出口均与循环水泵的入口连通，循环水泵的出口与循环水流道的入口连通。

3.根据权利要求1所述的一种直接利用氨分解混合气的燃料电池系统，其特征在于：该系统还包括氮气吹扫单元，氮气吹扫单元包括氮气输送管路，氮气输送管路的一端与氮气储存腔连通，氮气输送管路的另一端与氮气储存罐的入口连通，氮气储存罐的出口通过氮气吹扫管路连接阳极气体输送管路，在氮气吹扫管路上设置有氮气吹扫阀门。

4.根据权利要求1所述的一种直接利用氨分解混合气的燃料电池系统，其特征在于：所述氮气储存腔还连接有氮气排出管路。

5.根据权利要求1所述的一种直接利用氨分解混合气的燃料电池系统，其特征在于：所述吸附塔中填充有活性炭或分子筛。

Images