[發明專利]一種LOHC燃料電池發電系統及方法

有效

• 申請號: 202110025995.7
• 申請日: 2021-01-08
• 公開（公告）號: CN112768724B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 劉虎;于鵬飛;周賽;薛景文;王金華;車得福
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: H01M8/04007
• 分類號: H01M8/04007;H01M8/04082;H01M8/04089;H01M8/04119;H01M8/0606;F01K25/10
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 閔岳峰

本發明公開了一種LOHC燃料電池發電系統及方法，由燃料電池，高溫熱泵，LOHC脫氫和朗肯循環四個子系統組成。燃料電池子系統，將H₂化學能轉化成電能；高溫熱泵子系統，將燃料電池的低溫熱能轉換為高溫熱能；LOHC脫氫子系統，利用高溫熱能實現LOHC脫氫；朗肯循環子系統，將系統剩余熱能轉化為電能。本發明中燃料電池發電廢熱由工質快速吸收并帶走，確保了電池高效穩定工作，一部分熱量用于驅動朗肯循環發電，產生的電能可用于系統內部消耗，一部分熱量用于LOHC脫氫，生成的H₂用于燃料電池使用。該系統及方法解決了燃料電池工作溫度與LOHC脫氫溫度不匹配所導致的能量浪費問題，降低了脫氫反應耗能對燃料電池發電效率的不利影響，提升了整體能量利用水平。

技術領域

本發明屬于氫能源領域，具體涉及一種LOHC燃料電池發電系統及方法。

背景技術

H₂作為一種真正意義上的清潔燃料，是解決未來環境問題的關鍵。其生產、儲存、運輸和使用有別于傳統燃料，單位體積能量密度的限制使其長距離輸送也難以像煤炭、石油一樣便捷高效。H₂的標準沸點(-253℃)遠低于天然氣(-162℃)，采用液氫方式儲存和運輸成本過高，而管道輸送過程中的氫脆問題短期內很難解決。液體有機氫載體(LiquidOrganic Hydrogen Carrier，LOHC)是一種極具潛力的H₂存儲方式，通過不飽和有機物的可逆催化加氫和脫氫反應，實現了高密度儲氫。不同于金屬儲氫，LOHC是一種性質與石油相近的流體，具有與現有加油站兼容的潛力。一旦有機液體儲氫技術實現商業化應用，必將為世界氫能產業帶來一次全新的技術革命。

目前，已報道的LOHC對主要有：十氫化萘(萘)、環己烷(苯)、聯環己烷(聯苯)、全氫二芐基甲苯(二芐基甲苯)、十二氫乙基咔唑(乙基咔唑)、甲酸/甲醇(二氧化碳)等。這些物質的加氫、脫氫反應條件各不相同，但總的來說，脫氫反應是一個較強的吸熱反應，同時必須使用催化劑加快反應速度。此外，由于LOHC沸點和熱分解溫度一般較低，反應吸熱量較高(～60kJ/mol-H₂)，為了保證高的脫氫速度和轉化率，反應溫度窗口一般較窄，維持溫度窗口難度較高。

有學者提出利用燃料電池余熱實現LOHC脫氫，但二者的溫度不匹配使得其具體實施較為困難。還有學者指出利用H₂低溫催化燃燒為LOHC脫氫反應提供能量，但煙氣側較低的傳熱系數將使得設備的尺寸大大增加。

如何降低LOHC脫氫反應耗能對燃料電池發電效率的不利影響，構建更加可靠高效的集成系統，提高整體能量利用率將是推動氫燃料電池技術進一步發展的重要環節。

發明內容

本發明的目的在于提供一種LOHC燃料電池發電系統及方法，以實現LOHC為氫源的燃料電池系統高效發電，將高溫熱泵、朗肯循環、LOHC脫氫與燃料電池相結合，利用工質在電池內的相變吸收電池余熱，保證燃料電池安全穩定運行。高溫熱泵將燃料電池低溫熱能轉換為高溫熱能，用于LOHC脫氫；朗肯循環產生的電能可供循環泵、壓縮機等使用。該系統和方法降低了脫氫反應耗能對燃料電池發電效率的不利影響，提升了整體能量利用效率。

本發明采用如下技術方案來實現的：

一種LOHC燃料電池發電系統，包括燃料電池、高溫熱泵、LOHC脫氫和朗肯循環四個子系統；燃料電池子系統，是能量轉換的主要場所，用于將H₂的化學能轉化成電能，包括除濕器、混合器、燃料電池和H₂緩沖罐；

高溫熱泵子系統，用于提升燃料電池余熱品位，以滿足LOHC脫氫的溫度和能量需求，包括燃料電池、壓縮機、脫氫反應器和膨脹閥；

LOHC脫氫子系統，利用燃料電池余熱實現LOHC脫氫，包括脫氫反應器、H₂減溫器、熱回收換熱器和H₂緩沖罐；