一种模块化可拆卸氨燃料电池系统和模块化方法与流程

1.本技术涉及燃料电池技术领域，具体涉及一种模块化可拆卸氨燃料电池系统和模块化方法。


背景技术：

2.燃料电池是一种把燃料具有的化学能直接转化为电能的装置，其不受卡诺循环效应的限制，能量转化效率高，运行时无噪声无污染。因此，从节约能源和保护生态环境的角度来看，燃料电池具有较好的发展前景。氢是目前燃料电池应用中最理想的燃料，有着无不良副反应，只排放水等优点，但其体积能量密度低(10～35mol l-1h2)，造价、储运、安全成本高。用氨作为燃料电池的燃料，具有体积能量密度大(60mol l-1h2)，造价便宜，储运方便，无积碳效应，不造成碳排放等优点，因此氨燃料电池得到了广泛的关注。氨燃料电池按照燃料利用方式可以分为直接氨燃料电池和间接氨燃料电池。其中，直接氨燃料电池主要为固体氧化物燃料电池(sofc)，碱性膜燃料电池(aemfc)，然而目前这两种技术均处于实验室阶段。间接氨燃料电池是将氨作为氢的载体，通过低成本液nh3的存储运输替代现有的高压储氢的存储运输，将液nh3运送至用氢现场，nh3在ru、ni等金属催化剂催化下几乎完全分解为75％h2+25％n2混合气后直接供给氢燃料电池发电，从而发展出全新的用氢路线——间接氨燃料电池。现有的间接氨燃料电池在使用时存在以下问题：
3.1、环境温度等因素变化时可影响吸附柱温度，吸附柱温度较高时会降低附剂的吸附效果，导致残氨吸附不完全；
4.2、氨罐及吸附柱需定期更换，吸附柱布置不合适将导致更换吸附柱不便，工作量大；若吸附柱未能及时更换可导致残氨进入燃料电池，损坏系统；
5.3、燃料电池系统复杂、庞大，造成搬运不便。


技术实现要素：

6.(一)申请目的
7.有鉴于此，本技术的目的在于提供一种模块化可拆卸氨燃料电池系统和模块化方法，用于解决现有技术中的上述技术问题。
8.(二)技术方案
9.本技术公开了一种模块化可拆卸氨燃料电池系统，包括第一集成模块、第二集成模块和第三集成模块，第一集成模块、第二集成模块和第三集成模块之间通过可拆卸式气路和快接口连接；其中第一集成模块用于集成吸附柱和氨罐，氨罐中的氨自蒸发吸热冷却所述吸附柱；所述第二集成模块用于集成氨分解组件；所述第三集成模块用于集成电气组件。
10.在一种可能的实施方式中，所述吸附柱环绕所述氨罐四周设置，使所述氨罐中的氨自蒸发吸热通过热传导冷却所述吸附柱。
11.在一种可能的实施方式中，所述吸附柱的更换时间与所述氨罐的更换时间相同。
12.在一种可能的实施方式中，所述第二集成模块包括减压阀、流量控制器、氨分解反应器、换热器、阻火器、风机和空气预热器；所述换热器包括第一进气端、第二进气端、第一出气端和第二出气端，所述第一进气端与所述风机连通，所述第二进气端与所述氨分解反应器的外壳连通，所述第一出气端与所述氨分解反应器的外壳连通，所述第二出气端与所述阻火器连通；所述换热器与所述氨分解反应器之间设置有空气预热器；所述减压阀与所述氨分解反应器的内壳连通，所述减压阀与所述氨分解反应器之间设置有流量控制器。
13.在一种可能的实施方式中，所述第三集成模块包括燃料电池、冷凝器、气液分离器、直流变换器、锂电池和逆变器。
14.在一种可能的实施方式中，所述第一集成模块还包括第一进快接口a和第一出快接口a；所述第二集成模块还包括第二进快接口、第一进快接口b、废气口和第二进气快接口a；所述第三集成模块还包括第一出快接口b和第二进气快接口b；其中，第一进快接口a和第一进快接口b通过第一可拆卸式气路连接，第一出快接口a和第一出快接口b通过第二可拆卸式气路连接，氨罐和第二进快接口通过第三可拆卸式气路连接，第二进气快接口a和第二进气快接口b通过第四可拆卸式气路连接。
15.在一种可能的实施方式中，当吸附柱为多个时，多个吸附柱串联。
16.在一种可能的实施方式中，所述换热器包括第一进气端、第二进气端、第一出气端和第二出气端，所述第一进气端与所述风机连接，所述第二进气端与所述氨分解反应器连接，所述第一出气端与所述氨分解反应器连接，所述第二出气端与所述阻火器连接，所述阻火器与所述废气口连接。
17.在一种可能的实施方式中，风机鼓入的空气经过空气预热器升温至第一预设温度，第一预设温度的空气与氢氮混合气混合后进入氨分解反应器外管，在催化燃烧催化剂的作用下发生催化燃烧给氨分解反应器内管供热，同时生成高温烟气；高温烟气经过换热器对风机鼓入的空气进行加热；其中，第一预设温度为300℃，内管供热的温度为600℃-700℃，高温烟气的温度为500℃-600℃，换热器对风机鼓入的空气进行加热的温度为200℃-300℃。
18.作为本技术的第二方面，还提供了一种可拆卸氨燃料电池系统的模块化方法，将吸附柱和氨罐集成设置为第一集成模块，并设置第一进快接口a和第一出快接口a；将减压阀、流量控制器、氨分解反应器、换热器、阻火器、风机和空气预热器集成设置为第二集成模块，并设置第二进快接口、第一进快接口b、废气口和第二进气快接口a；将燃料电池、冷凝器、气液分离器、直流变换器、锂电池和逆变器集成设置为第三集成模块，并设置第一出快接口b和第二进气快接口b；其中，第一进快接口a和第一进快接口b通过第一可拆卸式气路连接，第一出快接口a和第一出快接口b通过第二可拆卸式气路连接，氨罐和第二进快接口通过第三可拆卸式气路连接，第二进气快接口a和第二进气快接口b通过第四可拆卸式气路连接。
19.(三)有益效果
20.本技术存在以下效果：
21.将吸附柱固定于氨罐周边，氨的自蒸发吸热可以冷却周边吸附柱，使吸附柱保持较好吸附能力；氨罐周边固定吸附柱的量通过计算使得氨罐中的氨用完时吸附柱即将吸附饱和为宜。氨罐用完时，只需断开第一集成模块与其他模块连接的气路，更换第一集成模
块，吸附柱与氨罐一同更换，避免了传统方案吸附柱布置于柜内的更换不便，大大节约了更换氨罐及吸附柱的时间和工作量。
22.通过系统模块化布局，每个集成模块之间均由快接和可拆卸式气路连接，需要移动设备时，可将快接及可拆卸式气路断开，逐个搬运各模块，使得搬运更加灵活。
23.本技术的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本技术的实践中得到教导。本技术的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
24.以下参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释和说明本技术，而不能理解为对本技术的保护范围的限制。
25.图1是本技术系统结构图；
26.其中：1、第一集成模块；2、第二集成模块；3、第三集成模块；11、吸附柱；12、氨罐；13、第一进快接口a；14、第一出快接口a；21、减压阀；22、氨分解反应器；23、换热器；24、阻火器；25、风机；26、空气预热器；27、第二进快接口；28、第一进快接口b；29、第二进气快接口a；31、燃料电池；32、冷凝器；33、气液分离器；34、直流变换器；35、锂电池；36、逆变器；37、第一出快接口b；38、第二进气快接口b。
具体实施方式
27.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
28.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
29.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
30.在本技术的上述描述中，需要说明的是，术语“一侧”、“另一侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.如图1所示，本实施例提供了一种模块化可拆卸氨燃料电池系统，其特征在于，包括第一集成模块1、第二集成模块2和第三集成模块3，第一集成模块、第二集成模块和第三集成模块之间通过可拆卸式气路和快接口连接；其中第一集成模块用于集成吸附柱11和氨罐12，氨罐中的氨自蒸发吸热冷却所述吸附柱；所述第二集成模块用于集成氨分解组件，氨
分解组件用于分解氨提供燃料；所述第三集成模块用于集成电气组件，电气组件用于将燃料转换为电能输出。
32.本实施例中，所述吸附柱环绕所述氨罐四周设置，使所述氨罐中的氨自蒸发吸热通过热传导冷却所述吸附柱。
33.本实施例中，所述吸附柱的更换时间与所述氨罐的更换时间相同。
34.本实施例中，第二集成模块2包括减压阀21、流量控制器、氨分解反应器22、换热器23、阻火器24、风机25和空气预热器26；所述换热器23包括第一进气端、第二进气端、第一出气端和第二出气端，所述第一进气端与所述风机25连通，所述第二进气端与所述氨分解反应器22的外壳连通，所述第一出气端与所述氨分解反应器22的外壳连通，所述第二出气端与所述阻火器24连通；所述换热器23与所述氨分解反应器22之间设置有空气预热器26；所述减压阀21与所述氨分解反应器22的内壳连通，所述减压阀21与所述氨分解反应器22之间设置有流量控制器。
35.本实施例中，第三集成模块3包括燃料电池31、冷凝器32、气液分离器33、直流变换器34、锂电池35和逆变器36。
36.本实施例中，所述第一集成模块还包括第一进快接口a13和第一出快接口a14；所述第二集成模块还包括第二进快接口27、第一进快接口b28、废气口和第二进气快接口a29；所述第三集成模块还包括第一出快接口b37和第二进气快接口b38；其中，第一进快接口a和第一进快接口b通过第一可拆卸式气路连接，第一出快接口a和第一出快接口b通过第二可拆卸式气路连接，氨罐和第二进快接口通过第三可拆卸式气路连接，第二进气快接口a和第二进气快接口b通过第四可拆卸式气路连接。
37.本实施例中，当吸附柱为多个时，多个吸附柱串联。
38.本实施例中，风机25鼓入的空气经过空气预热器26升温至第一预设温度，第一预设温度的空气与氢氮混合气混合后进入氨分解反应器外管，在催化燃烧催化剂的作用下发生催化燃烧给氨分解反应器内管供热，同时生成高温烟气；高温烟气经过换热器23对风机25鼓入的空气进行加热；其中，第一预设温度为300℃，内管供热的温度为600℃-700℃，高温烟气的温度为500℃-600℃，换热器23对风机25鼓入的空气进行加热的温度为200℃-300℃。
39.氨罐中的氨经过减压阀和流量控制器后进入氨分解反应器的内管，在高温下(450-500℃)经过氨分解催化剂(钌基催化剂)的催化后分解为氢气、氮气和少量残氨。内管出口气进入吸附柱以除去残氨得到纯净的氢气氮气混合气。氢氮气进入燃料电池发生氧化还原反应产生电流。电流经过直流变换器变压后供给锂电池及逆变器，逆变器可以对外输出给负载用电。燃料电池的出口气(主要成分为氢气、氮气和水)，经过冷凝及气液分离后得到干燥的氢氮混合气。风机鼓入的空气经过预热器变成高温空气(300℃)，与氢氮混合气和第二混合气混合后进入氨分解反应器外管，其中第二混合气为经过冷凝器冷凝和气液分离器分离后的混合气，在催化燃烧催化剂的作用下发生催化燃烧给氨分解反应器内管供热(600-700℃)，同时生成高温烟气(500-600℃)。高温烟气经过换热器23将热量传递给空气以加热空气(200-300℃)，提高系统的能量效率。换热后的烟气(氮气、水及残余的氢气)经过阻火器24后排空。
40.将吸附柱固定于氨罐周边，氨的自蒸发吸热可以冷却周边吸附柱，提高吸附柱的
吸附能力；氨罐周边固定吸附柱的量通过计算使得氨罐中的氨用完时吸附柱即将吸附饱和为宜。氨罐用完时，只需断开第一集成模块与其他模块连接的气路，更换第一集成模块。吸附柱与氨罐一同更换，避免了传统方案吸附柱布置于柜内的更换不便，大大节约了更换氨罐及吸附柱的时间和工作量；通过系统模块化布局，每个集成模块之间均由快接和可拆卸式气路连接，需要移动设备时，可将快接及可拆卸式气路断开，逐个搬运各模块，使得搬运更加灵活。
41.作为本技术的第二方面还提供了一种可拆卸氨燃料电池系统的模块化方法，将吸附柱和氨罐集成设置为第一集成模块，并设置第一进快接口a和第一出快接口a；将减压阀、流量控制器、氨分解反应器、换热器、阻火器、风机和空气预热器集成设置为第二集成模块，并设置第二进快接口、第一进快接口b、废气口和第二进气快接口a；将燃料电池、冷凝器、气液分离器、直流变换器、锂电池和逆变器集成设置为第三集成模块，并设置第一出快接口b和第二进气快接口b；其中，第一进快接口a和第一进快接口b通过第一可拆卸式气路连接，第一出快接口a和第一出快接口b通过第二可拆卸式气路连接，氨罐和第二进快接口通过第三可拆卸式气路连接，第二进气快接口a和第二进气快接口b通过第四可拆卸式气路连接。
42.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本技术的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本技术进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本技术的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本技术的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种模块化可拆卸氨燃料电池系统，其特征在于，包括第一集成模块、第二集成模块和第三集成模块，第一集成模块、第二集成模块和第三集成模块之间通过可拆卸式气路和快接口连接；其中第一集成模块用于集成吸附柱和氨罐，氨罐中的氨自蒸发吸热冷却所述吸附柱；所述第二集成模块用于集成氨分解组件；所述第三集成模块用于集成电气组件。2.根据权利要求1所述的一种模块化可拆卸氨燃料电池系统，其特征在于，所述吸附柱环绕所述氨罐四周设置，使所述氨罐中的氨自蒸发吸热通过热传导冷却所述吸附柱。3.根据权利要求2所述的一种模块化可拆卸氨燃料电池系统，其特征在于，所述吸附柱的更换时间与所述氨罐的更换时间相同。4.根据权利要求3所述的一种模块化可拆卸氨燃料电池系统，其特征在于，所述第二集成模块包括减压阀、流量控制器、氨分解反应器、换热器、阻火器、风机和空气预热器；所述换热器包括第一进气端、第二进气端、第一出气端和第二出气端，所述第一进气端与所述风机连通，所述第二进气端与所述氨分解反应器的外壳连通，所述第一出气端与所述氨分解反应器的外壳连通，所述第二出气端与所述阻火器连通；所述换热器与所述氨分解反应器之间设置有空气预热器；所述减压阀与所述氨分解反应器的内壳连通，所述减压阀与所述氨分解反应器之间设置有流量控制器。5.根据权利要求4所述的一种模块化可拆卸氨燃料电池系统，其特征在于，所述第三集成模块包括燃料电池、冷凝器、气液分离器、直流变换器、锂电池和逆变器。6.根据权利要求5所述的一种模块化可拆卸氨燃料电池系统，其特征在于，所述第一集成模块还包括第一进快接口a和第一出快接口a；所述第二集成模块还包括第二进快接口、第一进快接口b、废气口和第二进气快接口a；所述第三集成模块还包括第一出快接口b和第二进气快接口b；其中，第一进快接口a和第一进快接口b通过第一可拆卸式气路连接，第一出快接口a和第一出快接口b通过第二可拆卸式气路连接，氨罐和第二进快接口通过第三可拆卸式气路连接，第二进气快接口a和第二进气快接口b通过第四可拆卸式气路连接。7.根据权利要求6所述的一种模块化可拆卸氨燃料电池系统，其特征在于，当吸附柱为多个时，多个吸附柱串联。8.根据权利要求7所述的一种模块化可拆卸氨燃料电池系统，其特征在于，风机鼓入的空气经过空气预热器升温至第一预设温度，第一预设温度的空气与氢氮混合气混合后进入氨分解反应器外管，在催化燃烧催化剂的作用下发生催化燃烧给氨分解反应器内管供热，同时生成高温烟气；高温烟气经过换热器对风机鼓入的空气进行加热；其中，第一预设温度为300℃，内管供热的温度为600℃-700℃，高温烟气的温度为500℃-600℃，换热器对风机鼓入的空气进行加热的温度为200℃-300℃。9.一种可拆卸氨燃料电池系统的模块化方法，其特征在于，将吸附柱和氨罐集成设置为第一集成模块，并设置第一进快接口a和第一出快接口a；将减压阀、流量控制器、氨分解反应器、换热器、阻火器、风机和空气预热器集成设置为第二集成模块，并设置第二进快接口、第一进快接口b、废气口和第二进气快接口a；将燃料电池、冷凝器、气液分离器、直流变换器、锂电池和逆变器集成设置为第三集成模块，并设置第一出快接口b和第二进气快接口b；其中，第一进快接口a和第一进快接口b通过第一可拆卸式气路连接，第一出快接口a和第一出快接口b通过第二可拆卸式气路连接，氨罐和第二进快接口通过第三可拆卸式气路连接，第二进气快接口a和第二进气快接口b通过第四可拆卸式气路连接。

技术总结
一种模块化可拆卸氨燃料电池系统和模块化方法，包括第一集成模块、第二集成模块和第三集成模块，第一集成模块、第二集成模块和第三集成模块之间通过可拆卸式气路和快接口连接；其中第一集成模块用于集成吸附柱和氨罐，氨罐中的氨自蒸发吸热冷却所述吸附柱；所述第二集成模块用于集成氨分解组件；所述第三集成模块用于集成电气组件。将吸附柱固定于氨罐周边，氨的自蒸发吸热可以冷却周边吸附柱，提高吸附柱的吸附能力，通过系统模块化布局，每个集成模块之间均由快接和可拆卸式气路连接，需要移动设备时，可将快接及可拆卸式气路断开，逐个搬运各模块，使得搬运更加灵活。使得搬运更加灵活。使得搬运更加灵活。


技术研发人员：江莉龙 罗宇 陈崇启 林立 游嘉诚 张卿
受保护的技术使用者：福大紫金氢能科技股份有限公司
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/21