[发明专利]一种氨重整分离一体化装置及包括其的氢-氨混合动力系统

说明书

本发明提供了一种氨重整分离一体化装置及包括其的氢‑氨混合动力系统，属于动力能源领域。解决了现有氨重整器与分离装置均存在结构复杂与效率低及两者相互独立未实现耦合工作问题。它包括相互连通的氨微通道热重整模块和氢气选择性分离模块；氨微通道热重整模块包括氨气腔、废气换热腔、重整气腔一、氨气重整微通道和电热层，在氨气腔内均匀布置若干氨气重整微通道，在废气换热腔的外壁面包裹一层电热层，在废气换热腔上设有发动机废气进口和发动机废气出口，在重整气腔一上开设有重整气出口；氢气选择性分离模块包括重整气腔二、氢气分离腔、重整气腔三和氢气选择性通过复合管。本发明适用于氢燃料电池‑氨燃料压燃活塞发动机混合动力系统。

技术领域

本发明创造属于动力能源领域，尤其是涉及一种基于氢分子选择性通过的氨重整分离一体化装置及包含氨重整分离一体化装置的氢燃料电池-氨燃料压燃活塞发动机混合动力系统。

背景技术

发动机在工程、农业、海洋等各国民生产领域得到广泛应用，是CO2排放的主要来源，且由于发动机的功率密度、安全可靠性等优势使其具有不可替代性。为实现碳排放控制目标，控制源头集中在发动机的优化与完善，在此背景下，零碳动力技术的发展势在必行。

氢能源是一种清洁高效的可再生能源，作为电池燃料大大促进了氢燃料电池的发展。燃料电池能直接把燃料中的化学能转化为电能，具有高效、清洁和环保等优点，逐渐在汽车、航运等方面有一定规模的应用。但是燃料电池多采用氢作为燃料来源，氢的储存、运输过程中容易发生泄露，且氢会腐蚀储气罐，造成安全隐患。为了避免储存和运输的难题，通过原料重整来实现现场制氢，就显得尤为重要。氨是一种富氢物质，其理论储氢量可达17.6wt％，且热稳定性好，放氢条件温和，可将其作为储氢材料，在现场释放氢气供燃料电池运作。热裂解是氨燃料制氢的主要方法之一，且所需的部分能量可以通过回收发动机废气余热获取。

可用于氢气分离的无机膜材料主要有金属膜、陶瓷膜、分子筛膜和炭膜等，其中应用最为广泛的是金属钯及其合金膜。氢气在金属钯中的传输遵循溶解-扩散机理：即氢气首先在钯膜表面进行化学吸附并解离成氢原子，解离后的氢原子溶解于钯膜，通过金属原子晶格的间隙扩散至钯膜的另一侧，接着从钯膜另一侧的表面析出，并重新结合成氢气分子。由于其它元素的原子或分子其直径均大于钯原子的晶格间隙，因此钯膜仅能选择性通过氢原子而阻碍其它气体，具有极好的氢气选择性。

现阶段未有适用于新型氢-氨混合动力系统的氨高效重整装置以及重整混合气的氢气分离装置，现有氨重整器与分离装置均存在结构复杂与效率低的问题，且两者相互独立未实现耦合工作，这会使装置空间尺寸与重量增加，导致动力装置整体的有效热效率与功率密度降低。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种氨重整分离一体化装置，以达到氨气高效裂解与氢气高效高纯度分离，实现氨重整与氢分离一体化耦合，简化系统结构，减小尺寸与重量，使氨燃料满足氢-氨混合动力系统的燃料供给需求。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种氨重整分离一体化装置，包括相互连通的氨微通道热重整模块和氢气选择性分离模块；

所述氨微通道热重整模块包括氨气腔、废气换热腔、重整气腔一、氨气重整微通道和电热层，在氨气腔内均匀布置若干氨气重整微通道，氨气腔和重整气腔一分别设置在废气换热腔的左右两端，若干氨气重整微通道的两端分别与氨气腔和重整气腔一连通，在氨气腔上设有氨气进气口，在废气换热腔的外壁面包裹一层电热层，在废气换热腔上设有发动机废气进口和发动机废气出口，在重整气腔一上开设有重整气出口；

所述氢气选择性分离模块包括重整气腔二、氢气分离腔、重整气腔三和氢气选择性通过复合管，在氢气分离腔内均匀布置若干氢气选择性通过复合管，重整气腔二和重整气腔三分别设置在氢气分离腔的左右两端，若干氢气选择性通过复合管的两端分别与重整气腔二和重整气腔三连通，在重整气腔二上设有重整气进口，重整气出口和重整气进口通过管道连通，在氢气分离腔上设有氢气出口，在重整气腔三上设有富氢氨重整气出口。