本發(fā)明涉及氨分解制氫設(shè)備，具體涉及一種用于質(zhì)子交換膜燃料電池的內(nèi)置有鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在氫能產(chǎn)業(yè)中，氨分解制氫技術(shù)因其高效、安全、低成本的特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注；傳統(tǒng)的制氫方法不僅成本高昂，還存在安全隱患，氨作為富氫載體，且液氨具有易于儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，通過分解氨氣來制備氫氣是一種安全且高效的制氫方案；其中氨分解反應(yīng)受熱力學(xué)平衡控制，即使在固定床反應(yīng)器中使用高效催化劑也不能實(shí)現(xiàn)氨的完全轉(zhuǎn)化，在質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用中，極少量的氨也會(huì)溶解在質(zhì)子交換膜中，生成的nh,將導(dǎo)致質(zhì)子傳遞速率降低，從而大大降低質(zhì)子交換膜燃料電池的工作效率；有使用純氫為原料氣時(shí)燃料電池才具有最高的發(fā)電效率，而以純氨為原料的氨分解反應(yīng)產(chǎn)物中氫氣的濃度最高僅為75%；由氨分解裝置制得的“氫-氮-殘量氨”混合氣不能直接輸送到燃料電池發(fā)電單元，必須對混合氣中的氫進(jìn)行富集，膜分離回收率百分之90以上；現(xiàn)有氨制氫裝置只能制備含少量氨氣的氫-氮混合氣，若需要制備純氫，需要額外配備變溫吸附裝置（tsa），用以吸附少量殘氨；并配備變壓吸附（psa）分離氫氣與氮?dú)猓粋鹘y(tǒng)氨分解制氫氣系統(tǒng)涉及設(shè)備數(shù)量多，能耗高，生產(chǎn)成本高且分離效果不佳等缺陷。

2、中國專利cn115672194a公開了一種用于氨分解制氫與分離的釩合金復(fù)合膜反應(yīng)器，包括反應(yīng)器殼體、以及設(shè)置在反應(yīng)器殼體內(nèi)的釩合金薄壁管復(fù)合膜和加熱組件，反應(yīng)器的氫氣出口與釩合金薄壁管復(fù)合膜連通。本發(fā)明的膜反應(yīng)器采用高氫滲透性能的釩合金薄壁管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鈀及其合金管，集氨分解、氫氣分離與加熱為一體，提高了氨轉(zhuǎn)化率與氫氣提純效率；然而該復(fù)合膜反應(yīng)器對于氨分解過程中的溫度利用率不高，且反應(yīng)器內(nèi)部的溫度無法進(jìn)行均勻有效地分布和控制，在系統(tǒng)運(yùn)用過程中特別是大氣量情況下存在較大的能量消耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)氫氣分離設(shè)備存在能耗高，生產(chǎn)成本高，分離效果不佳；含有復(fù)合膜的反應(yīng)器存在著溫度分布不均勻且控制性不佳等缺陷，提供一種氫氣提純效果好且氨氣分解效率高、系統(tǒng)能耗低、溫度分布均勻且溫度控制性佳的適用于質(zhì)子交換膜燃料電池的含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)。

2、針對現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)氫氣分離設(shè)備存在能耗高，生產(chǎn)成本高，分離效果不佳；含有復(fù)合膜的反應(yīng)器存在著溫度分布不均勻且控制性不佳等缺陷，提供一種氫氣提純效果好且氨氣分解效率高、系統(tǒng)能耗低、溫度分布均勻且溫度控制性佳的適用于質(zhì)子交換膜燃料電池的含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)。

3、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：一種含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)，包括液氨罐、汽化器、第一換熱器、第二換熱器和鈀膜內(nèi)構(gòu)件反應(yīng)器：液氨罐與汽化器連通，汽化器還同時(shí)與第一換熱器以及第二換熱器連通；經(jīng)過汽化后的一部分氨氣通入第一換熱器，經(jīng)過汽化后的另一部分氨氣通入第二換熱器；鈀膜內(nèi)構(gòu)件反應(yīng)器包括氨氣入口、氫氣出口、多個(gè)分解氣出口以及相連通的分解區(qū)間和分離區(qū)間，分解區(qū)間位于分離區(qū)間的上方，氨氣入口與分解區(qū)間連通；氫氣出口和多個(gè)分解氣出口均與分離區(qū)間連通；氫氣出口位于所述分離區(qū)間的下表面上；分離區(qū)間內(nèi)部固定有鈀膜內(nèi)構(gòu)件，鈀膜內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)與分解區(qū)間的結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，鈀膜內(nèi)構(gòu)件的一端為封閉結(jié)構(gòu)，鈀膜內(nèi)構(gòu)件的另一端為開口結(jié)構(gòu)，鈀膜內(nèi)構(gòu)件上為開口結(jié)構(gòu)的一端固定在分離區(qū)間的下表面上并且與氫氣出口相連通；多個(gè)分解氣出口同時(shí)與第一換熱器連通，氫氣出口與第二換熱器連通，氫氣出口和第二換熱器之間設(shè)置有真空泵，真空泵與所述氫氣出口連通。

4、進(jìn)一步的，液氨罐和汽化器之間設(shè)置有第一閥門，汽化器的出口設(shè)置有三通閥，汽化器的出口與三通閥的其中一個(gè)接口連通，三通閥的另外兩個(gè)接口分別與第一換熱器以及第二換熱器連通。

5、進(jìn)一步的，分解區(qū)間位于所述分離區(qū)間的上方，分解區(qū)間的內(nèi)壁上間隔設(shè)置有多個(gè)折流板，多個(gè)折流板環(huán)繞分解區(qū)間的內(nèi)壁設(shè)置，分解區(qū)間內(nèi)部填充有氨分解催化劑；氨氣入口位于分解區(qū)間的正上方。

6、進(jìn)一步的，分解區(qū)間靠近分離區(qū)間的一端設(shè)置有第一濾網(wǎng)，第一濾網(wǎng)上開設(shè)有多個(gè)開孔，第一濾網(wǎng)的外邊緣與分解區(qū)間的內(nèi)壁連接，第一濾網(wǎng)由鎳金屬制造而成。

7、進(jìn)一步的，分解區(qū)間外部套設(shè)有第一環(huán)形加熱件，第一環(huán)形加熱件的截面形狀與分解區(qū)間的截面形狀相對應(yīng)；分離區(qū)間的外壁上設(shè)置有第二環(huán)形加熱件，第二環(huán)形加熱件的截面形狀與分離區(qū)間的截面形狀相對應(yīng)。

8、進(jìn)一步的，鈀膜內(nèi)構(gòu)件的外壁上套置有第二濾網(wǎng)，第二濾網(wǎng)上開設(shè)有多個(gè)通孔，第二濾網(wǎng)的外壁與分離區(qū)間的內(nèi)壁連接，第二濾網(wǎng)位于氫氣出口和多個(gè)分解氣出口的上方，第二濾網(wǎng)由鎳金屬制造而成。

9、進(jìn)一步的，鈀膜內(nèi)構(gòu)件穿過第二濾網(wǎng)與氫氣出口連通，鈀膜內(nèi)構(gòu)件穿過第二濾網(wǎng)與氫氣出口連通，分離區(qū)間中填充有氨分解催化劑。

10、進(jìn)一步的，第一換熱器的其中一個(gè)流體出口與汽化器連通，第一換熱器的其中一個(gè)流體出口和汽化器之間設(shè)置有燃燒器，第一換熱器與燃燒器之間設(shè)置有第二閥門，燃燒器和汽化器之間設(shè)置有第三閥門。

11、進(jìn)一步的，第二換熱器與氨氣入口連通，真空泵和第二換熱器之間設(shè)置有第四閥門，第二換熱器和氨氣入口之間設(shè)置有第五閥門，第二換熱器能夠?qū)恼婵毡弥袑?dǎo)入的氫氣與經(jīng)過汽化器汽化后的氨氣進(jìn)行換熱，第二換熱器排出氫氣的一端設(shè)置有第六閥門。

12、一種含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)的應(yīng)用：含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池。

13、本發(fā)明所述的一種含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)的氨制氫系統(tǒng)采用變壓吸附進(jìn)行提純制氫，可以避免反復(fù)吹掃的步驟；其氫氣回收率高，運(yùn)行過程中氫氣損失較小，具有操作簡單、有更高的適應(yīng)性、成本較低以及更高的回收率等優(yōu)勢；通過將氨氣分解和氨氣分離有效結(jié)合，提高了系統(tǒng)的整體集成度，簡化了系統(tǒng)部件布局設(shè)置，更符合氨分解現(xiàn)場制氫的要求；采用多層鈀膜來對氫氣進(jìn)行分離提純，可以使得化學(xué)平衡向生成產(chǎn)物氫的方向進(jìn)行，又可以通過降低流速的方法延長反應(yīng)物與催化劑的接觸時(shí)間，有利于反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)生；且反應(yīng)過程中同時(shí)能夠?qū)囟群蜌怏w進(jìn)行集中匯集，減少了反應(yīng)過程中溫度分布不均勻造成的缺陷，在溫度分布均勻的基礎(chǔ)上結(jié)合多個(gè)換熱器，達(dá)到了對溫度的有效利用，同時(shí)也有助于促進(jìn)氨氣的分解反應(yīng)，提高了整體系統(tǒng)的能量利用率和氫氣產(chǎn)量及氫氣純度，有效實(shí)現(xiàn)了以液氨為原料質(zhì)子交換膜燃料電池的運(yùn)行，克服了現(xiàn)有純氫儲(chǔ)存運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)大的缺陷；含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成化、小型化，同時(shí)省去額外設(shè)備投資，降低制氫運(yùn)行成本。

技術(shù)特征：

1.一種含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)，包括液氨罐、汽化器、第一換熱器、第二換熱器和鈀膜內(nèi)構(gòu)件反應(yīng)器：其特征在于：所述液氨罐與所述汽化器連通，所述汽化器還同時(shí)與所述第一換熱器以及所述第二換熱器連通；經(jīng)過汽化后的一部分氨氣通入所述第一換熱器，經(jīng)過汽化后的另一部分氨氣通入所述第二換熱器；所述鈀膜內(nèi)構(gòu)件反應(yīng)器包括氨氣入口、氫氣出口、多個(gè)分解氣出口以及相連通的分解區(qū)間和分離區(qū)間，所述分解區(qū)間位于所述分離區(qū)間的上方，所述氨氣入口與所述分解區(qū)間連通；所述氫氣出口和多個(gè)所述分解氣出口均與所述分離區(qū)間連通；所述氫氣出口位于所述分離區(qū)間的下表面上；所述分離區(qū)間內(nèi)部固定有鈀膜內(nèi)構(gòu)件，所述鈀膜內(nèi)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)與所述分解區(qū)間的結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，所述鈀膜內(nèi)構(gòu)件的一端為封閉結(jié)構(gòu)，所述鈀膜內(nèi)構(gòu)件的另一端為開口結(jié)構(gòu)，所述鈀膜內(nèi)構(gòu)件上為開口結(jié)構(gòu)的一端固定在所述分離區(qū)間的下表面上并且與所述氫氣出口相連通；多個(gè)所述分解氣出口同時(shí)與所述第一換熱器連通，所述氫氣出口與所述第二換熱器連通，所述氫氣出口和所述第二換熱器之間設(shè)置有真空泵，所述真空泵與所述氫氣出口連通。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述液氨罐和所述汽化器之間設(shè)置有第一閥門，所述汽化器的出口設(shè)置有三通閥，所述汽化器的出口與所述三通閥的其中一個(gè)接口連通，所述三通閥的另外兩個(gè)接口分別與所述第一換熱器以及所述第二換熱器連通。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述分解區(qū)間位于所述分離區(qū)間的上方，所述分解區(qū)間的內(nèi)壁上間隔設(shè)置有多個(gè)折流板，多個(gè)所述折流板環(huán)繞所述分解區(qū)間的內(nèi)壁設(shè)置，所述分解區(qū)間內(nèi)部填充有氨分解催化劑；所述氨氣入口位于所述分解區(qū)間的正上方。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述分解區(qū)間靠近所述分離區(qū)間的一端設(shè)置有第一濾網(wǎng)，所述第一濾網(wǎng)上開設(shè)有多個(gè)開孔，所述第一濾網(wǎng)的外邊緣與所述分解區(qū)間的內(nèi)壁連接，所述第一濾網(wǎng)由鎳金屬制造而成。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述分解區(qū)間外部套設(shè)有第一環(huán)形加熱件，所述第一環(huán)形加熱件的截面形狀與所述分解區(qū)間的截面形狀相對應(yīng)；所述分離區(qū)間的外壁上設(shè)置有第二環(huán)形加熱件，所述第二環(huán)形加熱件的截面形狀與所述分離區(qū)間的截面形狀相對應(yīng)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述鈀膜內(nèi)構(gòu)件外壁上套置有第二濾網(wǎng)，所述第二濾網(wǎng)上開設(shè)有多個(gè)通孔，所述第二濾網(wǎng)的外壁與所述分離區(qū)間的內(nèi)壁連接，所述第二濾網(wǎng)位于所述氫氣出口和多個(gè)所述分解氣出口的上方，所述第二濾網(wǎng)由鎳金屬制造而成。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述鈀膜內(nèi)構(gòu)件穿過所述第二濾網(wǎng)與所述氫氣出口連通，所述分離區(qū)間中填充有氨分解催化劑。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述第一換熱器的其中一個(gè)流體出口與所述汽化器連通，所述第一換熱器的其中一個(gè)流體出口和所述汽化器之間設(shè)置有燃燒器，所述第一換熱器與所述燃燒器之間設(shè)置有第二閥門，所述燃燒器和所述汽化器之間設(shè)置有第三閥門。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)，其特征在于：所述第二換熱器與所述氨氣入口連通，所述真空泵和所述第二換熱器之間設(shè)置有第四閥門，所述第二換熱器和所述氨氣入口之間設(shè)置有第五閥門，所述第二換熱器能夠?qū)乃稣婵毡弥袑?dǎo)入的氫氣與經(jīng)過所述汽化器汽化后的氨氣進(jìn)行換熱，所述第二換熱器排出氫氣的一端設(shè)置有第六閥門。

10.一種權(quán)利要求1～9中的任意一項(xiàng)所述的含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)的應(yīng)用，其特征在于：所述含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)用于質(zhì)子交換膜燃料電池。

技術(shù)總結(jié)
本申請公開了一種含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)及應(yīng)用，包括液氨罐、汽化器、第一換熱器、第二換熱器和鈀膜內(nèi)構(gòu)件反應(yīng)器：液氨罐與汽化器連通，汽化器還同時(shí)與第一換熱器以及第二換熱器連通；鈀膜內(nèi)構(gòu)件反應(yīng)器包括氨氣入口、氫氣出口、多個(gè)分解氣出口以及相連通的分解區(qū)間和分離區(qū)間，氨氣入口與分解區(qū)間連通；氫氣出口和多個(gè)分解氣出口均與分離區(qū)間連通；分離區(qū)間內(nèi)設(shè)置有鈀膜內(nèi)構(gòu)件；鈀膜內(nèi)構(gòu)件與氫氣出口連通；多個(gè)分解氣出口同時(shí)與第一換熱器連通，氫氣出口與第二換熱器連通，氫氣出口和第二換熱器之間設(shè)置有真空泵，真空泵與氫氣出口連通。該含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成、小型化，同時(shí)省去額外設(shè)備投資，降低制氫系統(tǒng)成本。

技術(shù)研發(fā)人員：田勇,王大彪,江莉龍,陳智鋒,孟彤,羅宇,陳崇啟,張卿
受保護(hù)的技術(shù)使用者：福大紫金氫能科技股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2