一种燃料电池氢气供应系统的制作方法

1.本实用新型属于燃料电池技术领域，具体涉及一种燃料电池氢气供应系统。


背景技术：

2.在氢燃料电池系统中，外围辅助系统为燃料电池电堆阴极提供空气，为燃料电池电堆阳极提供氢气，燃料电池电堆利用氢气和空气（氧气）的反应并产生电能，反应产物是水，因此是一种高效、零排放、低噪音的能源利用方式，非常适合应用于新能源汽车领域。
3.然而，影响氢燃料电池应用推广的难点之一在于氢的储存和运输问题，在现有技术中，氢气储存需要以20~70mpa的高压气态的形式储存，或者将温度降低到-253℃以下液化以液氢的形式储存。无论是加压到高压还是降温到液化，都需要消耗大量的能量，而且对储氢容器的要求也很高。高压气态氢需要使用高强度材料例如包含碳纤维的储氢瓶，而液氢气瓶则对保温结构设计或材料的隔热性能提出了很高的要求，这无疑大大增加了燃料电池的成本，并且因为直接储存氢气，氢燃料电池也容易被消费者认为存在一定的安全隐患。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供了一种燃料电池氢气供应系统，能够有效解决燃料电池的氢气存储问题，拓宽了燃料电池的应用前景。
5.在本实用新型的第一个方面，本实用新型公开了一种燃料电池氢气供应系统，所述氢气供应系统包括液氨储罐、氢气供应管路和氨气回收管路。
6.其中，所述液氨储罐用于储存液态氨气；所述氢气供应管路用于将液氨转化为氢气并供给至燃料电池电堆的阳极气体入口；所述氢气供应管路上设置有裂解反应器和氨气吸附塔；所述裂解反应器具有裂解腔和催化燃烧腔，其中所述裂解腔用于提供氨裂解反应所需的场所，所述催化燃烧腔用于提供氨裂解反应所需的热量；所述氨气吸附塔用于从氨裂解反应的产物气体中吸附残留的氨气；所述氨气回收管路与氨气吸附塔相连，用于将氨气吸附塔吸附的氨气回收利用。
7.基于本实用新型提出的上述技术方案，本实用新型实质上通过储存液氨避免直接储存氢气，并且通过氨的裂解反应生成氢气为燃料电池电堆阳极提供原料气，从而克服了氢气存储过程中产生的各种问题。由于氨气的裂解反应可能难以充分进行，本实用新型进一步在氢气供应管路上设置了氨气吸附塔对氨裂解反应的产物气体中残留的痕量氨气进行吸附，从而确保向燃料电池电堆的阳极气体入口供应的高品质的原料气体，避免影响燃料电池电堆的性能和寿命。
8.进一步的，为提供氨裂解反应器所需的热量，所述裂解反应器的催化燃烧腔与所述燃料电池电堆的阳极尾气出口连通，并被配置为利用阳极尾气中残余的氢气与空气反应从而为氨裂解反应提供热量。
9.进一步的，所述氨气回收管路将氨气吸附塔吸附的氨气循环至所述裂解反应器继续参与氨裂解反应；所述氨气回收管路上设置有循环驱动装置，所述循环驱动装置包括循
环泵或引射器。
10.进一步的，所述氨气吸附塔包括第一氨气吸附塔和第二氨气吸附塔；其中：
11.所述第一氨气吸附塔具有第一氨气吸附腔和第一换热腔；所述第一氨气吸附腔具有第一气体入口和第一气体出口，用于从氨裂解反应的产物气体中吸附残留的氨气；所述第一换热腔具有第一换热介质入口和第一换热介质出口，用于在通入换热介质时使第一氨气吸附腔吸附的氨气脱附；
12.所述第一氨气吸附塔被配置为在第二氨气吸附塔进行吸附操作时执行脱附操作，并将第一氨气吸附腔中脱附的氨气输送到氨气回收管路中；
13.所述第二氨气吸附塔具有第二氨气吸附腔和第二换热腔；所述第二氨气吸附腔具有第二气体入口和第二气体出口，用于从氨裂解反应的产物气体中吸附残留的氨气；所述第二换热腔具有第二换热介质入口和第二换热介质出口，用于在通入换热介质时使第二氨气吸附腔吸附的氨气脱附；
14.所述第二氨气吸附塔被配置为在第一氨气吸附塔进行吸附操作时执行脱附操作，并将从第二氨气吸附腔中脱附的氨气输送到氨气回收管路中。
15.特别优选的，为了快速、便捷的调整和切换第一氨气吸附塔和第二氨气吸附塔的工作状态，本实用新型提供了一种优选的燃料电池氢气供应系统：
16.所述氢气供应管路上设置有多通阀，所述多通阀包括至少十个通路，并被配置为具有第一连通状态和第二连通状态；
17.所述十个通路分别与所述裂解反应器的产物气体出口、所述燃料电池电堆的阳极气体入口，以及所述第一气体入口、第一气体出口、第一换热介质入口、第一换热介质出口、第二气体入口、第二气体出口、第二换热介质入口、第二换热介质出口连通；
18.在所述第一连通状态下，与裂解反应器的产物气体出口、第一换热介质入口相连通的两个通路彼此连通，与第一换热介质出口、第二气体入口相连通的两个通路彼此连通，与第二气体出口、燃料电池电堆的阳极气体入口相连通的两个通路彼此连通；
19.在所述第二连通状态下，与裂解反应器的产物气体出口、第二换热介质入口相连通的两个通路彼此连通，与第二换热介质出口、第一气体入口相连通的两个通路彼此连通，与第一气体出口、燃料电池电堆的阳极气体入口相连通的两个通路彼此连通。
20.具体的，所述氨气吸附塔连接的氨气回收管路上设置有脱附阀，所述脱附阀被配置为在所述氨气吸附塔执行脱附操作时开启，并在所述氨气吸附塔执行吸附操作时关闭。
21.具体的，所述燃料电池电堆包括质子交换膜燃料电池电堆、固体氧化物燃料电池电堆和熔融碳酸盐燃料电池电堆的至少一种。
22.在本实用新型的第二个方面，本实用新型在前述燃料电池氢气供应系统的基础上，也提供了一种燃料电池氢气供应系统的控制方法，所述控制方法包括计算所述氨气吸附塔的氨气吸附量，当氨气吸附量大于预设阈值时使氨气吸附塔执行脱附操作，并使脱附的氨气进入所述氨气回收管路。
23.进一步的，当所述氨气吸附塔包括前文所述的第一氨气吸附塔和第二氨气吸附塔时，所述控制方法包括以下步骤：
24.s1：使第二氨气吸附塔对氨裂解反应的产物气体执行吸附操作，同时使第一氨气吸附塔执行脱附操作，并将第一氨气吸附腔中脱附的氨气输送到氨气回收管路中；
25.s2：计算第二氨气吸附塔的氨气吸附量，当氨气吸附量大于预设阈值时执行步骤s3；
26.s3：使第一氨气吸附塔对氨裂解反应的产物气体执行吸附操作，同时使第二氨气吸附塔执行脱附操作，并将第二氨气吸附腔中脱附的氨气输送到氨气回收管路中；
27.s4：计算第一氨气吸附塔的氨气吸附量，当氨气吸附量大于预设阈值时执行步骤s1。
28.进一步的，当所述氢气供应管路上设置有前述的多通阀时，所述控制方法包括以下步骤：
29.s1’：将所述多通阀置于第一连通状态，从而将氨裂解反应的产物气体依次经过第一换热腔、第二氨气吸附腔，然后进入燃料电池电堆的阳极气体入口；
30.s2’：计算第二氨气吸附塔的氨气吸附量，当氨气吸附量大于预设阈值时执行步骤s3’；
31.s3’：将所述多通阀置于第二连通状态，从而将氨裂解反应的产物气体依次经过第二换热腔、第一氨气吸附腔，然后进入燃料电池电堆的阳极气体入口；
32.s4’：计算第一氨气吸附塔的氨气吸附量，当氨气吸附量大于预设阈值时执行步骤s1’。
33.本实用新型提供的燃料电池氢气供应系统和控制方法通过使用储存成本更低、更安全的液氨代替氢气，有效克服了现有技术中储存氢气所引起的诸多弊端，拓宽了燃料电池的应用前景。并且，本实用新型提供的优选方案进一步提供了一种能够快速切换氨气吸附塔工作状态、持续向燃料电池电堆的阳极气体入口供应高品质阳极气体的解决方案，一方面进一步提高了氨气吸附塔的工作效率，另一方面也充分利用了氨裂解反应的产物气体多余的热量，有利于提高燃料电池系统的能量效率。
附图说明
34.通过结合附图对本公开示例性实施例进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
35.图1示出了实施例中一种燃料电池氢气供应系统；
36.图2示出了实施例中一种改进的燃料电池氢气供应系统；
37.图3示出了实施例中另一种改进的燃料电池氢气供应系统；
38.图4示出了多通阀的连通状态切换示意图；
39.图5示出了图3所示的燃料电池氢气供应系统的控制流程图。
40.1-液氨储罐；2-裂解反应器；21-裂解腔；22-催化燃烧腔；3-氨气吸附塔；31-第一氨气吸附塔；32-第二氨气吸附塔；4-燃料电池电堆；5-循环泵；6-多通阀；71-第一脱附阀；72-第二脱附阀。
具体实施方式
41.下面将参照附图更详细地描述本公开的实施例。虽然附图中显示了本公开的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，
提供这些例举性的实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
42.在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“连接”、“连通”表示直接或通过其他组件间接的连接或连通。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象，但并不直接表示先后顺序或重要程度的不同。下文还可能包括其他明确的和隐含的定义。
43.如图1所示，本实用新型的具体实施方式提供了一种燃料电池氢气供应系统，包括液氨储罐1、氢气供应管路和氨气回收管路。
44.所述氢气供应管路上设置有裂解反应器2和氨气吸附塔3，其中所述裂解反应器2具有裂解腔21和催化燃烧腔22，所述裂解腔21用于提供氨裂解反应所需的场所。液氨储罐1中储存的氨气可以通过本领域常规的方式输送到裂解反应器2的裂解腔21中进行反应，得到含有氢气、氮气和痕量氨气的产物气体。
45.所述氨气吸附塔3用于从氨裂解反应的产物气体中吸附残留的氨气，所述氨气回收管路与氨气吸附塔3相连，用于将氨气吸附塔3吸附的氨气回收利用。
46.为了提供裂解反应器2所需的能量，所述裂解反应器2的催化燃烧腔22与所述燃料电池电堆4的阳极尾气出口连通，从而能够利用阳极尾气中残余的氢气与空气反应，为氨裂解反应提供热量。进一步的，为了实现能量的最大化利用，可以在液氨储罐1与裂解反应器2之间设置换热器或具有类似功能的公知组件（未示出），并利用催化燃烧腔22排出的尾气对液氨储罐1输出的液氨进行换热汽化。
47.为了妥善利用氨气吸附塔3吸附的氨气，可以将脱附后的氨气通过循环泵5循环至所述裂解反应器2继续参与氨裂解反应。在其他具体实施方式中，也可以通过设置引射泵等常用的循环驱动装置实现对脱附后氮气的循环利用。氨气吸附塔3中氮气的脱附可以通过常规的脱附方式实现，例如向氨气吸附塔3的换热腔中通入温度更高的换热介质（换热介质的循环路径未示出）。
48.图2示出了本实用新型具体实施方式提供的一种改进的燃料电池氢气供应系统。相比于图1，图2提供的改进的燃料电池氢气供应系统包括第一氨气吸附塔31和第二氨气吸附塔32。
49.所述第一氨气吸附塔31具有第一氨气吸附腔和第一换热腔；所述第一氨气吸附腔具有第一气体入口和第一气体出口，用于从氨裂解反应的产物气体中吸附残留的氨气；所述第一换热腔具有第一换热介质入口和第一换热介质出口，用于在通入换热介质时使第一氨气吸附腔吸附的氨气脱附；
50.所述第二氨气吸附塔32具有第二氨气吸附腔和第二换热腔；所述第二氨气吸附腔具有第二气体入口和第二气体出口，用于从氨裂解反应的产物气体中吸附残留的氨气；所述第二换热腔具有第二换热介质入口和第二换热介质出口，用于在通入换热介质时使第二氨气吸附腔吸附的氨气脱附；
51.所述第一氨气吸附塔31被配置为在第二氨气吸附塔32进行吸附操作时执行脱附操作，并将第一氨气吸附腔中脱附的氨气输送到氨气回收管路中；所述第二氨气吸附塔32被配置为在第一氨气吸附塔31进行吸附操作时执行脱附操作，并将从第二氨气吸附腔中脱
附的氨气输送到氨气回收管路中。对于实现以上配置的具体方式，可以采用单向阀、三通阀及电控元件实现，本实施例不作具体的限制。
52.对于图2所示的燃料电池氢气供应系统，其控制方法包括以下步骤：
53.s1：使第二氨气吸附塔32对氨裂解反应的产物气体执行吸附操作，同时使第一氨气吸附塔31执行脱附操作，并将第一氨气吸附腔中脱附的氨气输送到氨气回收管路中；
54.s2：计算第二氨气吸附塔32的氨气吸附量，当氨气吸附量大于预设阈值时执行步骤s3；
55.s3：使第一氨气吸附塔31对氨裂解反应的产物气体执行吸附操作，同时使第二氨气吸附塔32执行脱附操作，并将第二氨气吸附腔中脱附的氨气输送到氨气回收管路中；
56.s4：计算第一氨气吸附塔31的氨气吸附量，当氨气吸附量大于预设阈值时执行步骤s1。
57.通过使用第一氨气吸附塔31和第二氨气吸附塔32交替执行吸附、脱附操作，可以不间断的向燃料电池电堆4供应高品质的阳极气体，降低了对氨气吸附塔最大吸附量的要求，也避免了在长期连续运行状态下氨气吸附塔性能发生劣化。
58.图3示出了另一种改进的燃料电池氢气供应系统，该系统通过使用多通阀6，能够方便快速的切换氨气吸附塔的工作状态，并且充分利用了氨裂解反应的产物气体多余的热量，无需使用额外的换热介质即可实现脱附操作。
59.如图3所示，所述氢气供应管路上设置有多通阀6，所述多通阀6包括至少十个通路，在本实施例中具体为十通阀，十个通路分别标记为字母a~j。
60.具体的，通路a与所述第一氨气吸附塔31的第一气体入口连通，通路b与第一气体出口连通，通路c与第一换热介质入口连通，通路d与第一换热介质出口连通；通路e与所述第二氨气吸附塔32的第二气体入口连通，通路f与第二气体出口连通，通路g与第二换热介质入口连通，通路h与第二换热介质出口连通；通路i则与所述裂解反应器的产物气体出口连通，通路j与所述燃料电池电堆4的阳极气体入口连通。
61.如图4所示，所述多通阀6具有第一连通状态和第二连通状态：
62.在所述第一连通状态下，与裂解反应器2的产物气体出口、第一换热介质入口相连通的两个通路i、c彼此连通，与第一换热介质出口、第二气体入口相连通的两个通路d、e彼此连通，与第二气体出口、燃料电池电堆的阳极气体入口相连通的两个通路f、j彼此连通。
63.基于所述多通阀6的第一连通状态，所述氨气经过裂解反应器2形成的产物气体首先进入第一氨气吸附塔31中的所述第一换热腔，利用高温产物气体作为换热介质对第一氨气吸附塔31中的所述第一氨气吸附腔进行换热升温，从而使第一氨气吸附塔31执行脱附操作，脱附的氨气进入氨气回收管路；经过换热降温后的产物气体继续进入第二氨气吸附塔32的第二氨气吸附腔执行吸附操作，在去除了痕量的氨气后进入燃料电池电堆4的阳极气体入口。
64.在所述第二连通状态下，与裂解反应器2的产物气体出口、第二换热介质入口相连通的两个通路i、g彼此连通，与第二换热介质出口、第一气体入口相连通的两个通路h、c彼此连通，与第一气体出口、燃料电池电堆的阳极气体入口相连通的两个通路d、j彼此连通。
65.基于所述多通阀6的第二连通状态，所述氨气经过裂解反应器2形成的产物气体首先进入第二氨气吸附塔32中的所述第二换热腔，利用高温产物气体作为换热介质对第二氨
气吸附塔32中的所述第二氨气吸附腔进行换热升温，从而使第二氨气吸附塔32执行脱附操作，脱附的氨气进入氨气回收管路；经过换热降温后的产物气体继续进入第一氨气吸附塔31的第一氨气吸附腔执行吸附操作，在去除了痕量的氨气后进入燃料电池电堆4的阳极气体入口。
66.对于图3所示的燃料电池氢气供应系统，其控制方法包括以下步骤：
67.s1’：将所述多通阀6置于第一连通状态，从而将氨裂解反应的产物气体依次经过第一换热腔、第二氨气吸附腔，然后进入燃料电池电堆的阳极气体入口；
68.所述步骤s1’中，同时使第一氨气吸附塔31连接的氨气回收管路上设置的第一脱附阀71阀处于连通状态，以便脱附的氨气进入氨气回收管路中；此时第二氨气吸附塔32连接的氨气回收管路上设置的第二脱附阀72阀则处于断开状态；
69.s2’：计算第二氨气吸附塔32的氨气吸附量，当氨气吸附量大于预设阈值时执行步骤s3’；
70.所述步骤s2’具体包括：
71.步骤s21’：计算当前进入裂解反应器2的氨气流量q1、燃料电池的氢气消耗流量q2，根据q1、q2得到第二氨气吸附塔32当前的氨气吸附率，并积分得到氨气吸附量；
72.步骤s22’：将氨气吸附量和预设阈值进行对比。
73.s3’：将所述多通阀置于第二连通状态，从而将氨裂解反应的产物气体依次经过第二换热腔、第一氨气吸附腔，然后进入燃料电池电堆的阳极气体入口；
74.所述步骤s3’中，同时使第二氨气吸附塔32连接的氨气回收管路上设置的第二脱附阀72阀处于连通状态，以便脱附的氨气进入氨气回收管路中；此时第一氨气吸附塔31连接的氨气回收管路上设置的第一脱附阀71阀则处于断开状态；
75.s4’：计算第一氨气吸附塔31的氨气吸附量，当氨气吸附量大于预设阈值时执行步骤s1’。
76.与步骤步骤s2’类似的，所述步骤s4’具体包括：
77.步骤s41’：计算当前进入裂解反应器2的氨气流量q1、燃料电池的氢气消耗流量q2，根据q1、q2得到第一氨气吸附塔31当前的氨气吸附率，并积分得到氨气吸附量；
78.步骤s42’：将氨气吸附量和预设阈值进行对比。
79.以上已经描述了本公开的各实施例，本领域技术人员应当理解上述说明仅仅是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对现有技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。