一种热氨涡轮与质子交换膜燃料电池联合发电系统

1.本发明属于发电技术领域，特别是涉及一种热氨涡轮与质子交换膜燃料电池联合发电系统。


背景技术：

2.氢能作为一种环保高效的可再生能源，受到了广泛的关注。氢燃料电池是氢能利用的主要方式，其中质子交换膜燃料电池因其转化效率高、工作温度低、功率密度高等优点，非常适合作为汽车等移动场合的动力来源，但是燃料电池系统存在氢气储运困难等问题，限制了氢能技术的进一步推广。
3.考虑到氨比氢更容易液化，也更容易储存和运输，可作为高能量密度的氢能载体。同时氨分解制氢更加适用于质子交换膜燃料电池的纯度要求，在较低温度下也能实现高效率转化，大大降低制氢能耗和成本。因此有必要提出将“制-储-发”三效一体化的集成式燃料电池发电系统，根据液氨分解制氢技术和质子交换膜燃料电池系统工作的温度区间特点，充分利用燃料电池出口尾气中的剩余燃料和高温分解合成气的做功能力，进而设计出一种将热氨涡轮与质子交换膜燃料电池进行联合发电的系统，解决氢气储运问题，同时提升系统燃料利用率和整体发电效率。
4.现有的利用氨作为氢源，结合燃料电池发电的系统，均把氨分解制氢与氢燃料电池发电系统独立布置，未能利用氨分解后的高温高压合成气进入涡轮做功，同时也未利用燃料电池尾气催化燃烧，为液氨分解过程提供热量，使得系统的整体效率不高，结构不够紧凑。


技术实现要素：

5.本发明目的是为了解决质子交换膜燃料电池系统氢气储运难、电池尾气利用等问题，提供了一种热氨涡轮与质子交换膜燃料电池联合发电系统。所述系统利用pemfc出口尾气的催化燃烧为热氨分解制氢通过热源，并通过涡轮实现液氨分解制氢技术和质子交换膜燃料电池pemfc的温度匹配、高效结和，提升系统的发电效率和综合能量密度。
6.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种热氨涡轮与质子交换膜燃料电池联合发电系统，所述系统包括液氨罐1、液氨泵2、催化燃烧与氨分解一体化装置3、热氨涡轮4、发电机5、质子交换膜燃料电池6和压气机7；
7.所述的液氨罐1出口端与液氨泵2进口端连接，经泵加压后的液氨与催化燃烧与氨分解一体化装置3冷侧进口端连接，所述催化燃烧与氨分解一体化装置3的冷侧出口端与热氨涡轮4的进口端连接，所述热氨涡轮4的出口端的合成气与质子交换膜燃料电池6阳极进口端连接，所述压气机7出口端与质子交换膜燃料电池6的阴极进口端连接，所述质子交换膜燃料电池6的阴极和阳极出口尾气混合后与催化燃烧与氨分解一体化装置3的热侧进口端连接。
8.优选地，所述的催化燃烧与氨分解一体化装置3是将液氨分解装置与燃烧室进行
一体化设计，所述催化燃烧与氨分解一体化装置3的燃烧侧通入质子交换膜燃料电池6阴阳极出口的尾气，将阳极出口多余的氢气、氮气和阴极出口多余的氧气在催化燃烧与氨分解一体化装置3内进行催化燃烧，为液氨分解产生合成气提供热源。
9.优选地，液氨通过泵或高压储氨罐，保证催化燃烧与氨分解一体化装置3的冷侧入口压力高于1mpa，液氨在所述的催化燃烧与氨分解一体化装置3内分解为氢气与氮气混合的合成气，所述的催化燃烧与氨分解一体化装置3出口的高温高压合成气具有一定的做功能力，先将其通入至所述的热氨涡轮4中进行膨胀做功后，热氨涡轮4的出口合成气温度低于50℃，压力在1bar左右，然后通入质子交换膜燃料电池6的阳极入口进行电化学反应，实现发电效益。
10.本发明的有益效果为：
11.1.本发明将液氨作为燃料，利用液氨高储氢密度，易于储存和运输，通过液氨在线分解制氢为质子交换膜燃料电池提供氢源，有效解决氢能行业中储运成本高的问题，是一种完全零污染的绿色能源系统。
12.2.本发明提出热氨涡轮与质子交换膜燃料电池的联合发电系统，将氨分解后产生的高温高压合成气先通入涡轮中膨胀做功，再通入燃料电池发电，实现能量的梯级利用，提升系统的发电效率。
13.3.本发明利用质子交换膜燃料电池尾气的催化燃烧为氨分解提供热源，提升了系统燃料利用率；同时采用催化燃烧与氨分解装置的一体化设计，增加了系统紧凑性，提高系统的功率密度。
附图说明
14.图1是一种热氨涡轮与质子交换膜燃料电池联合发电系统的结构示意图。
15.其中，1-液氨罐；2-液氨泵；3-催化燃烧与氨分解一体化装置；4-热氨涡轮；5-发电机；6-质子交换膜燃料电池；7-压气机。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明：
18.参见图1说明本实施方式。本发明所述的一种热氨涡轮与质子交换膜燃料电池联合发电系统，其包括：液氨罐1、液氨泵2、催化燃烧与氨分解一体化装置3、热氨涡轮4、发电机5、质子交换膜燃料电池6和压气机7。
19.所述的液氨罐1出口端与液氨泵2进口端连接，经泵加压后的液态氨与催化燃烧与氨分解一体化装置3冷侧进口端连接，所述催化燃烧与氨分解一体化装置3的冷侧出口端与热氨涡轮4的蒸汽进口端连接，所述热氨涡轮4的出口端的合成气与质子交换膜燃料电池6阳极进口端连接，所述压气机7出口端与质子交换膜燃料电池6的阴极进口端连接，所述质子交换膜燃料电池6的阴极和阳极出口尾气混合后与催化燃烧与氨分解一体化装置3的热
侧进口端连接。
20.所述的催化燃烧与氨分解一体化装置3是将液氨分解装置与传统燃烧室进行一体化设计，所述催化燃烧与氨分解一体化装置3的燃烧侧通入质子交换膜燃料电池6阴阳极出口的尾气，将阳极出口多余的氢气、氮气和阴极出口多余的氧气在催化燃烧与氨分解一体化装置3内进行催化燃烧，为液氨分解产生合成气提供热源。
21.液氨通过泵或高压储氨罐，保证催化燃烧与氨分解一体化装置(3)的冷侧入口压力高于1mpa。液氨在所述的催化燃烧与氨分解一体化装置3内分解，产生包括氢气、氮气的合成气，所述的催化燃烧与氨分解一体化装置3出口的高温高压合成气具有一定的做功能力，先将其通入至所述的热氨涡轮4中进行膨胀做功，热氨涡轮4出口的合成气压力大约为1bar，温度低于50℃，再将做功后的合成气通入质子交换膜燃料电池6的阳极入口进行电化学反应，实现发电效益。
22.本发明提出了一种热氨涡轮与质子交换膜燃料电池联合发电系统，液氨经泵加压后，通入催化燃烧与氨分解一体化装置中，液氨吸热分解成氢气和氮气的合成气，高温高压合成气进入热氨涡轮进行膨胀做功发电，热氨涡轮出口的常温常压合成气通入质子交换膜燃料电池阳极，通过电化学反应发出电力；质子交换膜阴阳极出口的尾气一并通入至催化燃烧与氨分解一体化装置，通过燃烧反应释放热量，为液氨分解提供热量。本发明提出了一种高功率密度的清洁能源联合发电系统，通过燃料电池尾气催化燃烧与液氨分解制氢一体化，并利用高温高压合成热氨涡轮发电做功，实现系统的温度梯级利用和部件高效匹配，提升系统的发电效率和能量密度。
23.本实施方式只是对本发明的实例性说明，不限制其保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，但只要未超出本发明的精神实质，任何改动均应在本发明保护范围内。

技术特征：
1.一种热氨涡轮与质子交换膜燃料电池联合发电系统，其特征在于：所述系统包括液氨罐(1)、液氨泵(2)、催化燃烧与氨分解一体化装置(3)、热氨涡轮(4)、发电机(5)、质子交换膜燃料电池(6)和压气机(7)；所述的液氨罐(1)出口端与液氨泵(2)进口端连接，经泵加压后的液氨与催化燃烧与氨分解一体化装置(3)冷侧进口端连接，所述催化燃烧与氨分解一体化装置(3)的冷侧出口端与热氨涡轮(4)的进口端连接，所述热氨涡轮(4)的出口端的合成气与质子交换膜燃料电池(6)阳极进口端连接，所述压气机(7)出口端与质子交换膜燃料电池(6)的阴极进口端连接，所述质子交换膜燃料电池(6)的阴极和阳极出口尾气混合后与催化燃烧与氨分解一体化装置(3)的热侧进口端连接。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的催化燃烧与氨分解一体化装置(3)是将液氨分解装置与燃烧室进行一体化设计，所述催化燃烧与氨分解一体化装置(3)的燃烧侧通入质子交换膜燃料电池(6)阴阳极出口的尾气，将阳极出口多余的氢气、氮气和阴极出口多余的氧气在催化燃烧与氨分解一体化装置(3)内进行催化燃烧，为液氨分解产生合成气提供热源。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，液氨通过泵或高压储氨罐，保证催化燃烧与氨分解一体化装置(3)的冷侧入口压力高于1mpa，液氨在所述的催化燃烧与氨分解一体化装置(3)内分解为氢气与氮气混合的合成气，所述的催化燃烧与氨分解一体化装置(3)出口的高温高压合成气具有一定的做功能力，先将其通入至所述的热氨涡轮(4)中进行膨胀做功后，热氨涡轮(4)的出口合成气温度低于50℃，压力在1bar左右，然后通入质子交换膜燃料电池(6)的阳极入口进行电化学反应，实现发电效益。

技术总结
本发明提出一种热氨涡轮与质子交换膜燃料电池联合发电系统。液氨经泵加压后，通入催化燃烧与氨分解一体化装置中，液氨吸热分解成氢气和氮气的合成气，高温高压合成气进入热氨涡轮进行膨胀做功发电，热氨涡轮出口的常温常压合成气通入质子交换膜燃料电池阳极，通过电化学反应发出电力；质子交换膜阴阳极出口的尾气一并通入至催化燃烧与氨分解一体化装置，通过燃烧反应释放热量，为液氨分解提供热量。本发明提出的联合发电系统，通过燃料电池尾气催化燃烧与液氨分解制氢一体化，并利用高温高压合成热氨涡轮发电做功，实现系统的温度梯级利用和部件高效匹配，提升系统的发电效率和能量密度。密度。密度。


技术研发人员：秦江 冷爽 于彬 王聪 哈婵
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/8/6