本發(fā)明涉及氨分解制氫設備，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：

1、在氫能產(chǎn)業(yè)中，氨分解制氫技術因其高效、安全、低成本的特點而受到廣泛關注；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，且液氨具有易于儲存運輸?shù)奶攸c，通過分解氨氣來制備氫氣是一種安全且高效的制氫方案；其中氨分解反應受熱力學平衡控制，即使在固定床反應器中使用高效催化劑也不能實現(xiàn)氨的完全轉(zhuǎn)化，在質(zhì)子交換膜燃料電池應用中，極少量的氨也會溶解在質(zhì)子交換膜中，生成的nh,將導致質(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）分離氫氣與氮氣；傳統(tǒng)氨分解制氫氣系統(tǒng)涉及設備數(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合膜反應器，包括反應器殼體、以及設置在反應器殼體內(nèi)的釩合金薄壁管復合膜和加熱組件，反應器的氫氣出口與釩合金薄壁管復合膜連通。本發(fā)明的膜反應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；然而該復合膜反應器對于氨分解過程中的溫度利用率不高，且反應器內(nèi)部的溫度無法進行均勻有效地分布和控制，在系統(tǒng)運用過程中特別是大氣量情況下存在較大的能量消耗。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術中傳統(tǒng)氫氣分離設備存在能耗高，生產(chǎn)成本高，分離效果不佳；含有復合膜的反應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)有技術中傳統(tǒng)氫氣分離設備存在能耗高，生產(chǎn)成本高，分離效果不佳；含有復合膜的反應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)明解決其技術問題所采取的技術方案是：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)件反應器：液氨罐與汽化器連通，汽化器還同時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)件反應器包括氨氣入口、氫氣出口、多個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，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；多個分解氣出口同時與第一換熱器連通，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置有真空泵，真空泵與所述氫氣出口連通。

4、進一步的，液氨罐和汽化器之間設置有第一閥門，汽化器的出口設置有三通閥，汽化器的出口與三通閥的其中一個接口連通，三通閥的另外兩個接口分別與第一換熱器以及第二換熱器連通。

5、進一步的，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)壁上間隔設置有多個折流板，多個折流板環(huán)繞分解區(qū)間的內(nèi)壁設置，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、進一步的，分解區(qū)間靠近分離區(qū)間的一端設置有第一濾網(wǎng)，第一濾網(wǎng)上開設有多個開孔，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、進一步的，分解區(qū)間外部套設有第一環(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；分離區(qū)間的外壁上設置有第二環(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。

8、進一步的，鈀膜內(nèi)構(gòu)件的外壁上套置有第二濾網(wǎng)，第二濾網(wǎng)上開設有多個通孔，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分解氣出口的上方，第二濾網(wǎng)由鎳金屬制造而成。

9、進一步的，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、進一步的，第一換熱器的其中一個流體出口與汽化器連通，第一換熱器的其中一個流體出口和汽化器之間設置有燃燒器，第一換熱器與燃燒器之間設置有第二閥門，燃燒器和汽化器之間設置有第三閥門。

11、進一步的，第二換熱器與氨氣入口連通，真空泵和第二換熱器之間設置有第四閥門，第二換熱器和氨氣入口之間設置有第五閥門，第二換熱器能夠?qū)恼婵毡弥袑氲臍錃馀c經(jīng)過汽化器汽化后的氨氣進行換熱，第二換熱器排出氫氣的一端設置有第六閥門。

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)采用變壓吸附進行提純制氫，可以避免反復吹掃的步驟；其氫氣回收率高，運行過程中氫氣損失較小，具有操作簡單、有更高的適應性、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行分離提純，可以使得化學平衡向生成產(chǎn)物氫的方向進行，又可以通過降低流速的方法延長反應物與催化劑的接觸時間，有利于反應的進一步發(fā)生；且反應過程中同時能夠?qū)囟群蜌怏w進行集中匯集，減少了反應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上結(jié)合多個換熱器，達到了對溫度的有效利用，同時也有助于促進氨氣的分解反應，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，有效實現(xiàn)了以液氨為原料質(zhì)子交換膜燃料電池的運行，克服了現(xiàn)有純氫儲存運輸風險大的缺陷；含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)實現(xiàn)了系統(tǒng)的集成化、小型化，同時省去額外設備投資，降低制氫運行成本。

技術特征：

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)件反應器包括氨氣入口、氫氣出口、多個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，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；多個所述分解氣出口同時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置有第一閥門，所述汽化器的出口設置有三通閥，所述汽化器的出口與所述三通閥的其中一個接口連通，所述三通閥的另外兩個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)壁上間隔設置有多個折流板，多個所述折流板環(huán)繞所述分解區(qū)間的內(nèi)壁設置，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)間的一端設置有第一濾網(wǎng)，所述第一濾網(wǎng)上開設有多個開孔，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；所述分離區(qū)間的外壁上設置有第二環(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。

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)上開設有多個通孔，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流體出口與所述汽化器連通，所述第一換熱器的其中一個流體出口和所述汽化器之間設置有燃燒器，所述第一換熱器與所述燃燒器之間設置有第二閥門，所述燃燒器和所述汽化器之間設置有第三閥門。

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置有第四閥門，所述第二換熱器和所述氨氣入口之間設置有第五閥門，所述第二換熱器能夠?qū)乃稣婵毡弥袑氲臍錃馀c經(jīng)過所述汽化器汽化后的氨氣進行換熱，所述第二換熱器排出氫氣的一端設置有第六閥門。

10.一種權(quán)利要求1～9中的任意一項所述的含鈀膜內(nèi)構(gòu)件的氨分解制氫系統(tǒng)的應用，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)件反應器：液氨罐與汽化器連通，汽化器還同時與第一換熱器以及第二換熱器連通；鈀膜內(nèi)構(gòu)件反應器包括氨氣入口、氫氣出口、多個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；氫氣出口和多個分解氣出口均與分離區(qū)間連通；分離區(qū)間內(nèi)設置有鈀膜內(nèi)構(gòu)件；鈀膜內(nèi)構(gòu)件與氫氣出口連通；多個分解氣出口同時與第一換熱器連通，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)實現(xiàn)系統(tǒng)的集成、小型化，同時省去額外設備投資，降低制氫系統(tǒng)成本。

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