[发明专利]一种发电功率可变化的模块化氨燃料电池系统

说明书

本发明提供了一种发电功率可变化的模块化氨燃料电池系统，包括氨分解装置，用于为氨气分解提供反应环境，以获取包含氢气的混合气体；氨气检测器，用于检测混合气体中氨气的浓度；以及吸附柱装置，具有并列连接的多个吸附组，用于吸附氨气并输出氢气，吸附组的更换状态由氨气检测器检测的氨气的浓度决定。本发明的发电功率可变化的模块化氨燃料电池系统体积较为紧凑，能够适用于各种气量情况下发电；并且将吸附柱设置在氨分解装置的外侧，通过气路、快接等方式连接，使得吸附柱能够更方便快接进行更换，减少了吸附柱更换时间，同时不会影响氨气的分解；也减少了氨气进入电堆的风险。

技术领域

本发明属于能源技术领域，具体涉及一种发电功率可变化的模块化氨燃料电池系统。

背景技术

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。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转化成电能，不受卡诺循环效应的限制，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。而用氨作为燃料，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，成为富有前景的方案。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氨燃料电池(SOFC)和碱性膜氨燃料电池(AEMFC)，然而直接氨燃料电池目前的技术尚不成熟。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。

间接氨燃料电池通常采用市场上最成熟的质子交换膜燃料电池(PEMFC)，其运行温度低(60-80℃)，启停快速，然而质子交换膜燃料电池中的全氟磺酸隔膜中的质子会与高浓度氨反应生成NH4+离子，易导致质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能的不可逆衰减。氨分解在现有氨分解条件下不可能100％完全分解，存在微量的残余氨。为了保证系统的持续运转，需要将氨分解尾气经过氨吸附装置除去残氨(氨浓度需低于0.1ppm)后再进入燃料电池。因此，氨燃料电池系统需要耦合氨分解、氨吸附、氢燃料电池等一系列部件装置。

间接氨燃料电池系统中的氨吸附装置分为变温吸附(TSA)和变压吸附(PSA)两种方式。其中，变温吸附再生彻底、回收率高、产品损失小，通常用于微量杂质或难解吸杂质的脱除的循环。变温吸附装置内的吸附剂吸附饱和后需要对其进行脱附。脱附方式主要分为在线脱附和离线脱附。脱附方式主要分为在线脱附和离线脱附。在线脱附可以更好地利用能源，但脱附效率低，且会增加系统的复杂性，而离线脱附可以不受时间和空间限制，随用随换，大大简化了系统。然而，目前市场上缺乏准确预判吸附柱吸附饱和的方法可导致吸附柱未能及时更换，从而使残氨进入燃料电池，造成燃料电池损坏。且若系统中吸附柱位置及结构布置不合适将导致更换吸附柱工作量大，影响吸附柱更换速度。

目前，间接氨燃料电池主要存在问题以下问题：

1.间接氨燃料电池整体系统复杂、庞大，导致制造成本高、搬运不便等问题。且当需要改变燃料电池系统的功率，尤其是在数量级上改变时，往往需要重新设计，制造整个氨变氢系统，周期长，且成本高。

2.缺乏准确预判吸附柱吸附饱和的方法可导致吸附柱未能及时更换，从而使残氨进入燃料电池，造成燃料电池损坏。且若系统中吸附柱位置及结构布置不合适将导致更换吸附柱工作量大，影响吸附柱更换速度。

发明内容

本发明为解决背景技术中存在的技术问题而提供的一种发电功率可变化的模块化氨燃料电池系统。