[发明专利]高压氨裂解和前置氨回收后置氢回收的PEMFC系统及运行方法

说明书

本发明公开了一种高压氨裂解和前置氨回收后置氢回收的PEMFC系统及运行方法，包括液氨高压供应装置、高压氨裂解纯化装置、燃料电池、引射器和透氢装置，其中高压氨裂解纯化装置包括第一换热器、嵌套的氨催化裂解装置与氨催化燃烧装置、纯化装置，均处于高压工作状态。燃料电池以高压氮氢混合气为燃料；通过调节裂解尾气温度控制氨的吸脱附，脱附的氨进入催化燃烧装置供热，实现残余氨的回收利用；将燃料电池排出的含氢气体进行分流，一部分进入氨催化燃烧装置供热，一部分进入透氢装置进行氢气再富集后重新通入燃料电池，提升了系统物料利用效率。本发明采用氨高压裂解纯化的氮氢混合气作为优化的燃料电池的燃料，省略了氢气分离和压缩的步骤。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种高压氨裂解和前置氨回收后置氢回收的PEMFC系统及运行方法。

背景技术

氢能因其零碳无污染、来源广泛等优点成为了新能源领域的焦点之一。然而目前氢能面临储存和运输的难题，比如储运能量密度低、成本高、安全性问题等。为解决这些问题，以氨为储氢介质进行储氢、运氢、用氢受到了研发者们的关注。氨具有储氢密度高(质量分数17.6wt％)、易液化(室温下＜ 10bar或-33℃)、易存储、难爆炸、零碳排放等优势，且氨制取、存储、运输、使用等过程较为成熟，可有效解决氢能储、运、用方面的难题。在氨使用端，其既可以作为优良的储氢介质，进行氨-氢储存与转化，如氨裂解制备氢气应用于质子交换膜燃料电池；也可以作为零碳燃料直接燃烧进行能量供应，如氨燃烧应用于氨内燃机、氨燃气轮机、氨工业窑炉等。

尽管目前已有专利对以氨为原料、氨裂解气为燃料的燃料电池系统进行了概念性设计，但极少专利考虑物料、能量分配问题。以残余氨的回收利用为例，假设氨催化裂解装置的产氢率为4kg/h，即使氨裂解效率高达99％，裂解尾气中残余氨量依然能达到0.22kg/h。作为参考值，催化燃烧层对应的理论氨需求量约为3kg/h，说明裂解尾气中的残余氨有很高的利用价值。此外，PEMFC阳极出气口富氢气体的处理同样需要考虑物料分配问题。

针对这一问题，本发明设计了一种高压氨裂解和前置氨回收后置氢回收的PEMFC系统，该系统通过裂解、纯化等过程直接为PEMFC提供燃料，具备能量利用率高、响应速度快、成本低等优势。并且充分考虑系统物料和能量分配问题，简化了系统流程，大大降低了发电系统的全周期成本。

发明内容

本发明目的在于提供一种高压氨裂解和前置氨回收后置氢回收的PEMFC系统及运行方法，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：

本发明提供一种高压氨裂解和前置氨回收后置氢回收的PEMFC 系统，该系统不经过氮氢分离过程、无需气体压缩步骤，高压裂解气通过高压管道直接供给燃料电池系统。具体地，该系统包括：液氨高压供应装置、高压氨裂解纯化装置、引射器、燃料电池和透氢装置，所述氨高压供应装置包括依次相连的液氨罐、液压泵、气化罐，高压氨裂解纯化装置包括第一换热器、纯化装置、相互换热设置的氨催化裂解装置与氨催化燃烧装置，所述第一换热器的第一换热侧的进口与所述液氨高压供应装置相连，所述第一换热器的第一换热侧的同时与氨催化裂解装置、氨催化燃烧装置的进口相连，而纯化装置的进气口通过第一换热器的第二换热侧与氨催化裂解装置出口相连，所述纯化装置用于对裂解气中的氨进行吸附和脱附，所述纯化装置的吹扫出口通过吹扫管路与第一换热器的第一换热侧的进口相连；引射器的喷射口与纯化装置的出口连接；燃料电池阳极进口与引射器的出口连接，所述燃料电池的阳极出口与氨催化燃烧装置的进口相连；透氢装置的进口与燃料电池阳极出口连接，透氢装置的出口与引射器的回流口连接。