一种深海大功率氨储氢燃料电池供能系统及工艺技术方案

本发明专利技术公开了一种深海大功率氨储氢燃料电池供能系统及工艺，供能系统，包括储氨罐、氨分解反应器、膜分离器、氢燃料电池、缓冲瓶和液氧罐；其中，所述氨分解反应器为套管式结构，包括内管和内管外侧的夹套，夹套内壁上设置有催化剂层，且夹套内设置有点火器，内管的进气端储氨罐连接，内管的出气端与膜分离器的进口连接；膜分离器的净气出口与氢燃料电池的氢气进口连接，膜分离器的进口侧的尾气出口和液氧罐均与所述夹套的进口连接；所述夹套的出口与液氧罐的出口均与所述缓冲瓶的进口连接，缓冲瓶的出口与氢燃料电池的空气进口连接。的出口与氢燃料电池的空气进口连接。的出口与氢燃料电池的空气进口连接。

【技术实现步骤摘要】
一种深海大功率氨储氢燃料电池供能系统及工艺


[0001]本专利技术属于氢燃料电池
，具体涉及一种深海大功率氨储氢燃料电池供能系统及工艺。

技术介绍

[0002]这里的陈述仅提供与本专利技术相关的
技术介绍
，而不必然地构成现有技术。
[0003]随着海洋开发的不断深入，水下监测逐步走向深海，需求量也不断增大，电能供应是海底长期观测设备的难题之一，特别是深海地区不具备远距离电缆供电的条件。若采用常规锂电池长期供电，则耐压舱体积将会巨大，不易装配且存在安全隐患。氢燃料电池由于电能转换效率高、无污染且噪声低，在分布式供能中获得了广泛应用。但深海操作舱是密闭舱、空间有限、长时间无人值守、续航时间长，所需要的氢气和空气量较大，而氢气和空气即使经过高压压缩后也是以气体形式存在，造成高压罐体积较大，难以在深海应用。而纯氧作为气源的氢氧燃料电池技术不成熟，寿命短、成本高，限制了氢燃料电池在深海供能的应用。
[0004]此外，海下1000m的深海环境中，水压可达10MPa，氢燃料电池工作过程中产生的水和气体(氮气)直接向舱外排放时耗能很大，若存储在舱内，则会占据很大空间，进而对深海操作舱的体积提出了更高要求，以上因素都不利于长时间深海作业。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的是提供一种深海大功率氨储氢燃料电池供能系统及工艺。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术是通过如下的技术方案来实现：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种深海大功率氨储氢燃料电池供能系统，包括储氨罐、氨分解反应器、膜分离器、氢燃料电池、缓冲瓶和液氧罐；其中，
[0008]所述氨分解反应器为套管式结构，包括内管和内管外侧的夹套，夹套内壁上设置有催化剂层，且夹套内设置有点火器，内管的进气端储氨罐连接，内管的出气端与膜分离器的进口连接；
[0009]膜分离器的净气出口与氢燃料电池的氢气进口连接，膜分离器的进口侧的尾气出口和液氧罐均与所述夹套的进口连接；
[0010]所述夹套的出口通过气液分离器与液氧罐的出口均与所述缓冲瓶的进口连接，缓冲瓶的出口与氢燃料电池的空气进口连接。
[0011]氨气在常温、0.8MPa就可以液化，液化后的液氨存储于液氨储罐中，可以有效提高氨气的存储量，当氨气进行催化热解时，就可以得到足够多的氢气。采用该种方式，可以有效降低燃料的存储体积，为深海长时间作业奠定了基础。
[0012]氨分解反应器为套管式结构，膜分离器分离得到的是较为纯净的氢气，而滤下的尾气中含有氮气、一部分氢气和少量未反应的氨气，将该部分尾气通入氨分解反应器的夹
套中进行催化燃烧，可以为氨气的催化热解提供足够的热量。此外，将该部分尾气回收利用，不但实现了氢气和少量氨气的资源化利用，还省去了将该部分尾气向舱外排放的能量消耗，同时可以避免对海水造成的污染。
[0013]由于纯氧作为氢燃料电池的气源技术不成熟，氢燃料电池的寿命短，且该种氢燃料电池的价格远比空气作为气源的氢燃料电池的价格高，所以目前来说，纯氧的氢燃料电池难以用于为深海长时间作业供能。但是空气难以被压缩，即使被压缩后体积仍旧较大，难以适用于体积较小的深海操作舱。
[0014]本专利技术中，将夹套的出口通过气液分离器与液氧罐的出口均与缓冲瓶的进口连接，缓冲瓶的出口与氢燃料电池的空气进口连接。由于膜分离器分离得到的尾气与氧气经过催化燃烧后，产物是氮气和水，由于尾气中还含有大量的氮气，所以催化燃烧后的气体是含有较多水的氮气，将大部分水经过气液分离器分离去除，得到较为湿润的氮气。将该部分氮气与纯氧在缓冲罐内按比例混合后，得到模拟空气，可以将模拟空气通入氢燃料电池中参与反应。由于氮气为湿气，所以混合后的模拟空气是湿润的空气，将其通入电池时，有利于对隔膜进行润湿，对氢燃料电池的正常运行起到促进作用。
[0015]在一些实施例中，所述膜分离器的出口与氢燃料电池的氢气进口之间连接有碳吸附器。
[0016]该碳吸附器用于对初步净化后的氢气进行再次净化，得到更为纯净的氢气。
[0017]在一些实施例中，所述储氨罐的横截面上设置有防腐弹性隔膜，防腐弹性隔膜将储氨罐分隔为第一腔室和第二腔室，液氨存储于其中第一腔室中，第二腔室与氢燃料电池的排液口和气液分离器排液口连接。
[0018]优选的，第二腔室与氢燃料电池的排液口和气液分离器排液口之间连接有储液罐和泵。由于氨在常温和0.8MPa下就可以液化，氨储罐内的压强远小于舱外压强，所以将氢燃料电池工作过程中产生的水泵送至储氨罐的第二腔室中，相比于直接外排可以节省大量的能耗，且氢燃料电池工作过程中氨气是不断消耗的，所以利用储氨罐对产生的水进行存储，可以有效节省占用体积，更利于深海操作舱的小型化。
[0019]在一些实施例中，还包括多级储气罐，相邻两级储气罐之间设置有微型抽连式空气泵，多级储气罐的进口与氢燃料电池的气体出口连接，多级储气罐的出口与舱外连通。
[0020]由于通入氢燃料电池中的气体为模拟空气，其中的氧气参与反应生成水，而大量的氮气不参与反应，需要外排。随着氢燃料电池的持续工作，氨分解产生的氮气量是持续增加的。但是由于氮气的产生速率较低，难以使泵持续工作向舱外排放，且泵的耗能较大。
[0021]采用多级储气罐，相邻两级储气罐之间通过微型抽连式空气泵连通，首级储气罐可以对氢燃料电池外排的氮气进行收集缓冲，当达到一定压强，再采用泵将其泵送至下一级加压存储，采用多级储气罐对氮气进行多级加压后外排，可以有效降低氮气外排的能耗，且能保证空气泵在一段时间内的连续运行。
[0022]优选的，所述多级储气罐为三级储气罐，包括第一储气罐、第二储气罐和第三储气罐。
[0023]第二方面，本专利技术提供一种深海大功率氨储氢燃料电池供能工艺，包括如下步骤：
[0024]将液压罐内的液氨气化后输送至氨分解反应器内进行催化热解，得到氮气、氢气和未反应氨的混合气体；
[0025]将混合气体通入膜分离器中进行分离，得到初级净化后的氢气和滤下的尾气，初级净化后的氢气经过再次吸附净化，得到纯净氢气，将纯净氢气通入氢燃料电池中参与反应；
[0026]经膜分离器分离得到的尾气通入氨分解反应器内进行催化燃烧，为氨气的催化热解提供热量；
[0027]尾气经过催化燃烧后的湿润氮气与预热后的氧气混合，形成模拟空气，将模拟空气通入氢燃料电池中参与反应。
[0028]在一些实施例中，氨气在氨分解反应器内催化热解的温度为550
‑
650℃。
[0029]在一些实施例中，还包括将氢燃料电池工作过程中产生的水收集后输送至储氨罐的第二腔室中的步骤。
[0030]在一些实施例中，还包括将氢燃料电池工作过程中产生的氮气收集后初级增压外排的步骤。
[0031]上述本专利技术的一种或多种实施例取得的有益效果如下：
[0032]氨在催化剂作用下在600℃左右几乎可以完全分解，混合气体包含氮气、氢气和微量未反应的氨，混合气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深海大功率氨储氢燃料电池供能系统，其特征在于：包括储氨罐、氨分解反应器、膜分离器、氢燃料电池、缓冲瓶和液氧罐；其中，所述氨分解反应器为套管式结构，包括内管和内管外侧的夹套，夹套内壁上设置有催化剂层，且夹套内设置有点火器，内管的进气端储氨罐连接，内管的出气端与膜分离器的进口连接；膜分离器的净气出口与氢燃料电池的氢气进口连接，膜分离器的进口侧的尾气出口和液氧罐均与所述夹套的进口连接；所述夹套的出口通过气液分离器与液氧罐的出口均与所述缓冲瓶的进口连接，缓冲瓶的出口与氢燃料电池的空气进口连接。2.根据权利要求1所述的深海大功率氨储氢燃料电池供能系统，其特征在于：所述膜分离器的出口与氢燃料电池的氢气进口之间连接有碳吸附器。3.根据权利要求1所述的深海大功率氨储氢燃料电池供能系统，其特征在于：所述储氨罐的横截面上设置有防腐弹性隔膜，防腐弹性隔膜将储氨罐分隔为第一腔室和第二腔室，液氨存储于其中第一腔室中，第二腔室与氢燃料电池的排液口和气液分离器排液口连接。4.根据权利要求3所述的深海大功率氨储氢燃料电池供能系统，其特征在于：第二腔室与氢燃料电池的排液口和气液分离器排液口之间连接有储液罐和泵。5.根据权利要求1所述的深海大功率氨储氢燃料电池供能系统，其特征在于：还包括多级储气罐，相邻两级储气罐之间设置有微型抽连式空气泵，多级储气罐的进口与氢燃料电池的气体出口连接，多级储气...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建梅，姜桂林，王鲁元，司洪宇，李晓桐，
申请(专利权)人：山东省科学院能源研究所，
类型：发明
国别省市：