[发明专利]一种LOHC燃料电池发电系统及方法

说明书

本发明公开了一种LOHC燃料电池发电系统及方法，由燃料电池，高温热泵，LOHC脱氢和朗肯循环四个子系统组成。燃料电池子系统，将H₂化学能转化成电能；高温热泵子系统，将燃料电池的低温热能转换为高温热能；LOHC脱氢子系统，利用高温热能实现LOHC脱氢；朗肯循环子系统，将系统剩余热能转化为电能。本发明中燃料电池发电废热由工质快速吸收并带走，确保了电池高效稳定工作，一部分热量用于驱动朗肯循环发电，产生的电能可用于系统内部消耗，一部分热量用于LOHC脱氢，生成的H₂用于燃料电池使用。该系统及方法解决了燃料电池工作温度与LOHC脱氢温度不匹配所导致的能量浪费问题，降低了脱氢反应耗能对燃料电池发电效率的不利影响，提升了整体能量利用水平。

技术领域

本发明属于氢能源领域，具体涉及一种LOHC燃料电池发电系统及方法。

背景技术

H₂作为一种真正意义上的清洁燃料，是解决未来环境问题的关键。其生产、储存、运输和使用有别于传统燃料，单位体积能量密度的限制使其长距离输送也难以像煤炭、石油一样便捷高效。H₂的标准沸点(-253℃)远低于天然气(-162℃)，采用液氢方式储存和运输成本过高，而管道输送过程中的氢脆问题短期内很难解决。液体有机氢载体(LiquidOrganic Hydrogen Carrier，LOHC)是一种极具潜力的H₂存储方式，通过不饱和有机物的可逆催化加氢和脱氢反应，实现了高密度储氢。不同于金属储氢，LOHC是一种性质与石油相近的流体，具有与现有加油站兼容的潜力。一旦有机液体储氢技术实现商业化应用，必将为世界氢能产业带来一次全新的技术革命。

目前，已报道的LOHC对主要有：十氢化萘(萘)、环己烷(苯)、联环己烷(联苯)、全氢二苄基甲苯(二苄基甲苯)、十二氢乙基咔唑(乙基咔唑)、甲酸/甲醇(二氧化碳)等。这些物质的加氢、脱氢反应条件各不相同，但总的来说，脱氢反应是一个较强的吸热反应，同时必须使用催化剂加快反应速度。此外，由于LOHC沸点和热分解温度一般较低，反应吸热量较高(～60kJ/mol-H₂)，为了保证高的脱氢速度和转化率，反应温度窗口一般较窄，维持温度窗口难度较高。

有学者提出利用燃料电池余热实现LOHC脱氢，但二者的温度不匹配使得其具体实施较为困难。还有学者指出利用H₂低温催化燃烧为LOHC脱氢反应提供能量，但烟气侧较低的传热系数将使得设备的尺寸大大增加。

如何降低LOHC脱氢反应耗能对燃料电池发电效率的不利影响，构建更加可靠高效的集成系统，提高整体能量利用率将是推动氢燃料电池技术进一步发展的重要环节。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LOHC燃料电池发电系统及方法，以实现LOHC为氢源的燃料电池系统高效发电，将高温热泵、朗肯循环、LOHC脱氢与燃料电池相结合，利用工质在电池内的相变吸收电池余热，保证燃料电池安全稳定运行。高温热泵将燃料电池低温热能转换为高温热能，用于LOHC脱氢；朗肯循环产生的电能可供循环泵、压缩机等使用。该系统和方法降低了脱氢反应耗能对燃料电池发电效率的不利影响，提升了整体能量利用效率。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种LOHC燃料电池发电系统，包括燃料电池、高温热泵、LOHC脱氢和朗肯循环四个子系统；燃料电池子系统，是能量转换的主要场所，用于将H₂的化学能转化成电能，包括除湿器、混合器、燃料电池和H₂缓冲罐；

高温热泵子系统，用于提升燃料电池余热品位，以满足LOHC脱氢的温度和能量需求，包括燃料电池、压缩机、脱氢反应器和膨胀阀；

LOHC脱氢子系统，利用燃料电池余热实现LOHC脱氢，包括脱氢反应器、H₂减温器、热回收换热器和H₂缓冲罐；