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公開番号2024082250
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-06-19
出願番号2023199316
出願日2023-11-24
発明の名称アンモニアの自己蒸発により迅速に吸脱着の切り替えが可能なアンモニア燃料電池システム及びその発電方法
出願人福州大学,福大紫金チィン能科技股フン有限公司
代理人弁理士法人磯野国際特許商標事務所
主分類H01M 8/0606 20160101AFI20240612BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】アンモニアの自己蒸発により迅速に吸脱着の切り替えが可能なアンモニア燃料電池システム及びその発電方法を提供する。
【解決手段】アンモニア燃料電池システムでは、アンモニアタンク2のアンモニアガスは第1熱交換器3で予熱されてアンモニア分解反応器1に供給され、その分解ガスは吸着カラム装置7でアンモニア成分を吸着後、燃料電池用燃料吸気口81に供給される。吸着カラム装置7は二つの吸着カラムを備え、交互に吸着工程、脱着工程を行うとともに、ガスの進行方向と昇温降温を制御することにより吸着カラムのオンライン自己脱着を実現することができる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
アンモニアの自己蒸発により迅速に吸脱着の切り替えが可能なアンモニア燃料電池システムであって、
アンモニア分解反応器(１)と、アンモニアタンク(２)と、第１熱交換器(３)と、燃料タンク(４)と、第１送風機(５)と、第２熱交換器(６)と、吸着カラム装置(７)と、燃料電池(８)と、ガス循環システム(９)と、テールガス燃焼システム(１０)と、を含み、前記アンモニアタンク(２)の排気端は、前記第１熱交換器(３)を介して前記アンモニア分解反応器(１)上のアンモニアガス入口(１２)と連通し、前記アンモニア分解反応器(１)上の分解ガス出口(１３)は、前記第１熱交換器(３)を介して前記吸着カラム装置(７)の吸着吸気口と連通し、アンモニアガスは前記アンモニア分解反応器(１)で分解されて生成された生成物ガスが前記第１熱交換器(３)を介して原料であるアンモニアガスを予熱し、前記アンモニア分解反応器(１)に燃料ガスを供給するため前記燃料タンク(４)は前記アンモニア分解反応器(１)に連通され、
前記吸着カラム装置(７)の吸着排気口は前記燃料電池(８)の水素燃料吸気口(８１)に連通し、前記燃料電池(８)にH
2
＋N
2
の混合ガス燃料を提供し、前記燃料電池(８)の電気スタック出口(８２)は前記ガス循環システム(９)を介して前記吸着カラム装置(７)のテールガス吸気口に連通し、前記吸着カラム装置(７)のテールガス排気口は前記テールガス燃焼システム(１０)に連通し、
前記第１送風機(５)の排気端は前記第２熱交換器(６)を通過した後、前記アンモニア分解反応器(１)の燃料ガス入口(１５)に連通し、前記アンモニア分解反応器(１)の煙道ガス出口(１６)は前記第２熱交換器(６)を通過した後、前記吸着カラム装置(７)の煙道ガス入口と連通し、前記アンモニア分解反応器(１)で生成された煙道ガスは前記第２熱交換器(６)によって前記第１送風機(５)から排出された空気を予熱することを特徴とするアンモニアの自己蒸発により迅速に吸脱着の切り替えが可能なアンモニア燃料電池システム。
続きを表示（約 1,800 文字）【請求項２】
前記アンモニア分解反応器(１)が反応器内部管(１１)と、反応器外部管(１４)と、を備え、前記反応器内部管 (１１)は、アンモニアを分解する区域で、アンモニア分解触媒が装填されており、前記反応器外部管(１４)は、触媒を燃焼する区域で、燃焼触媒が装填されており、前記反応器外部管(１４)は、前記反応器内部管 (１１)の外側に嵌着され、前記反応器内部管 (１１)の両端にそれぞれアンモニアガス入口(１２)と分解ガス出口(１３)が設けられており、前記反応器外部管(１４)の両側にそれぞれ燃料ガス入口(１５)と煙道ガス出口(１６)が設けられており、前記アンモニアガス入口(１２)と前記分解ガス出口(１３)とを連通し、前記燃料ガス入口(１５)と煙道ガス出口(１６)とを連通することを特徴とする請求項１に記載のアンモニアの自己蒸発により迅速に吸脱着の切り替えが可能なアンモニア燃料電池システム。
【請求項３】
前記アンモニア分解触媒はルテニウムベースのアンモニア分解触媒であることを特徴とする請求項２に記載のアンモニアの自己蒸発により迅速に吸脱着の切り替えが可能なアンモニア燃料電池システム。
【請求項４】
前記煙道ガスは水素と酸素が触媒燃焼して生成される温度が600℃～680℃である水蒸気と窒素ガスの混合ガスであり、前記生成物ガスはアンモニア触媒分解後に生成される水素ガスと、窒素ガスと、完全に分解されないアンモニアガスとの混合ガスであることを特徴とする請求項１に記載のアンモニアの自己蒸発により迅速に吸脱着の切り替えが可能なアンモニア燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス循環システム(９)は凝縮器(９１)と、ガス水分離器(９２)と、を備え、前記テールガス燃焼システム(１０)は火炎防止器(１０１)と、テールガス燃焼器(１０２)と、を備え、前記燃料電池(８)の前記電気スタック出口(８２)は順次に前記凝縮器(９１)と、前記ガス水分離器(９２)と連通した後、前記吸着カラム装置(７)のテールガス吸気口に連通し、前記吸着カラム装置（７）のテールガス排気口は前記火炎防止器（１０１）を通過した後、前記テールガス燃焼器（１０２）と連通し、前記吸着カラム装置(７)のテールガス排気口は前記火炎防止器（１０１）を通過した後、前記テールガス燃焼器（１０２）と連通し、
前記吸着カラム装置(７)の空気入口は外部の第２送風機(３０)と連通し、前記第２送風機(３０)は前記吸着カラム装置(７)を迅速に冷却することに用いられ、前記吸着カラム装置(７)の空気出口は配管により、且つバルブを介して外部大気と連通することを特徴とする請求項１に記載のアンモニアの自己蒸発により迅速に吸脱着の切り替えが可能なアンモニア燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池(８)の排気口は前記アンモニアタンク(２)に近接する方向に向かって設置されることを特徴とする請求項１に記載のアンモニアの自己蒸発により迅速に吸脱着の切り替えが可能なアンモニア燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池(８)はプロトン交換膜燃料電池であることを特徴とする請求項１に記載のアンモニアの自己蒸発により迅速に吸脱着の切り替えが可能なアンモニア燃料電池システム。
【請求項８】
前記第１送風機(５)と前記アンモニア分解反応器(１)との間の空気配管に予熱器(２０)がさらに設置されることを特徴とする請求項１に記載のアンモニアの自己蒸発により迅速に吸脱着の切り替えが可能なアンモニア燃料電池システム。
【請求項９】
前記吸着カラム装置(７)は、並列に設置される少なくとも２つの吸着カラムを備え、それぞれアンモニアの吸着と脱着のために循環して往復することに特徴とする請求項１に記載のアンモニアの自己蒸発により迅速に吸脱着の切り替えが可能なアンモニア燃料電池システム。
【請求項１０】
前記吸着カラム装置(７)は、並列に設置された２つの吸着カラムを備え、それぞれ吸着カラムＡ(７１)と吸着カラムＢ(７２)であり、そのうち１つはアンモニアの吸着に用いられ、もう１つはアンモニアの脱着に用いられ、両者の間に循環して往復することを特徴とする請求項９に記載のアンモニアの自己蒸発により迅速に吸脱着の切り替えが可能なアンモニア燃料電池システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンモニア燃料電池技術分野に関し、具体的にはアンモニアの自己蒸発により迅速に吸脱着の切り替えが可能なアンモニア燃料電池システム及びその発電方法に関するものである。
続きを表示（約 4,200 文字）【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池は電気化学反応によって燃料の化学エネルギー中のギブス自由エネルギー部分を電気エネルギーに変換し、カルノーサイクル効果の制限を受けず、効率が高く、運転時にノイズがなく汚染がない。従って、省エネルギー及び生態環境を保護する観点から、燃料電池は優れた発展将来性を有する。水素は現在燃料電池用途において最も理想的な燃料であり、有害な副反応がなく、水等のみを排出する利点があるが、その体積エネルギー密度が低い(10～35mol L
－1
H
2
)、製造コスト、貯蔵輸送、安全コストが高い。非水素燃料では、炭化水素燃料の体積エネルギー密度が大きい(21～49mol L
－1
H
2
)、コストが安価で、貯蔵しやすく、しかし、その反応時に炭素堆積効果が発生することによって燃料電池性能を低下させ、且つCO
2
を排出するため、応用要件を満たすことができない。
アンモニア燃料は、体積エネルギー密度が大きく(60mol L
－1
H
2
)、製造コストが安く、輸送が便利で、炭素堆積効果がなく、炭素を排出しないなどの利点を有し、見通しがある解決手段となる。従って、アンモニア燃料電池が注目されている。アンモニア燃料電池は燃料利用方式に応じて直接アンモニア燃料電池と間接アンモニア燃料電池に分けることができる。そのうち、直接アンモニア燃料電池は主に固体酸化物燃料電池(SOFC)であり、動作温度は通常800～1000℃であり、アンモニアを燃料とする場合に外部改質を必要とせずに燃料電池内に直接供給して発電することができ、且つ貴金属触媒を必要とせず、コージェネレーションのエネルギー変換効率が高い。しかし、直接アンモニア燃料電池の現在の技術はまだ成熟している途中である。
間接アンモニア燃料電池はアンモニアを水素の担体とするものであり、低コストの液体NH
3
の貯蔵輸送によって従来の高圧水素貯蔵の貯蔵輸送に取って代わり、液体NH
3
を水素の現場へ輸送し、NH
3
はRu、Ni等の金属触媒の触媒作用下でほぼ完全に75％H
2
＋25％N
2
の混合ガスに分解された後に直接水素燃料電池に供給して発電させ、それにより新たな水素利用ルートである「間接アンモニア燃料電池」が開発される。間接アンモニア燃料電池の開発において、高性能低温アンモニア分解製造水素触媒及び反応装置の組立技術と高効率でコンパクトな間接アンモニア燃料電池システムの統合重要な技術は研究重点及び技術的難点である。そのうち、アンモニア分解は高温(450～500℃)で行う必要があり、燃焼により熱を供給することができる。燃焼は、直接燃焼と触媒燃焼とに分けることができる。触媒燃焼とは、触媒の作用下で可燃物がより低い温度で燃焼することを指す。直接燃焼に比べて、触媒燃焼の温度が低く、燃焼が完全であり、安全で、環境に優しい。燃料電池は現在市場で最も成熟しているプロトン交換膜燃料電池(PEMFC)を用い、その動作温度が低い(60～80℃)が、起動・停止が早いが、プロトン交換膜燃料電池におけるペルフルオロスルホン酸膜のプロトンは高濃度アンモニアと反応してNH
4+
イオンを生成し、プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)性能の不可逆的な減衰を引き起こしやすい。アンモニア分解は工業装置の条件下では100%完全に分解することができず、微量の残留アンモニアが存在する。システムの連続運転を確保するために、アンモニア分解テールガスをアンモニアの吸着装置によって残留アンモニア(アンモニア濃度が0.1ppm未満でなければならない)を除去した後に燃料電池に入る必要がある。
そのため、アンモニア燃料電池システムは、アンモニア分解、アンモニア除去、水素燃料電池等の一連の部品装置を組み合わせる必要がある。アンモニアの吸着装置は変温吸着(TSA)と変圧吸着(PSA)の２種類の方式に分けられる。そのうち、変温吸着は再生が徹底的で、回収率が高く、製品ロスが小さく、通常、微量不純物または脱離困難な不純物の除去するサイクルに用いられる。変温吸着装置内の吸着剤が吸着飽和した後にそれを脱着する必要がある。脱着方式は主にオンライン脱着とオフライン脱着に分けられる。オンライン脱着はエネルギーのサイクル利用をよりよく実現することができ、システムの自動化を実現しやすく、運用コストを節約することに役立つ。従って、本システムのアンモニア除去装置は変温吸着を採用し、脱着の際にオンライン脱着を採用する。
【０００３】
従来技術には以下の問題が存在する：即ち、１）若し外部からの熱供給がなければ、アンモニアガスの蒸発により配管が凍結し、アンモニアガス流量が急激に低下し、現在主に電気加熱方式が採用され、アンモニアガスの蒸発量が多い場合、吸熱が多く、エネルギー消費が高い。２）触媒燃焼プロセスは不安定であり、温度制御が容易でなく、且つ火炎燃焼及び火炎の逆火が発生して反応器の前端を高温にしてシステムを故障させるリスクがある。３）現在市場での変温吸着装置(TSA)は主に電熱を用いてオンライン脱着を行い、加熱が遅く且つ大量の電気エネルギーを消費する必要があり、高温脱着が完了した後に長時間(＞８h)冷却して吸着を継続することができる。４）システムの後端の余熱が浪費され、前端の空気及びアンモニアの加熱が消費される電気エネルギー及び熱エネルギーが多く、システムのエネルギー利用効率が低い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の技術不足に対して、本発明はアンモニアの自己蒸発により迅速に吸脱着の切り替えが可能なアンモニア燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下の技術的解決手段を用いる。
アンモニアの自己蒸発により迅速に吸脱着の切り替えが可能なアンモニア燃料電池システムであって、アンモニア分解反応器と、アンモニアタンクと、第１熱交換器と、燃料タンクと、第１送風機と、第２熱交換器と、吸着カラム装置と、燃料電池と、ガス循環システムと、テールガス燃焼システムと、を備え、前記アンモニアタンクの排気端は、前記第１熱交換器を介して前記アンモニア分解反応器上のアンモニアガス入口と連通し、前記アンモニア分解反応器上の分解ガス出口は、前記第１熱交換器を介して前記吸着カラム装置の吸着吸気口と連通し、アンモニアガスは前記アンモニア分解反応器で分解されて生成された生成物ガスが前記第１熱交換器を介して原料であるアンモニアガスを予熱し、前記アンモニア分解反応器に燃料ガスを供給するため前記燃料タンクは前記アンモニア分解反応器に連通され、
前記吸着カラム装置の吸着排気口は前記燃料電池の水素燃料吸気口に連通し、前記燃料電池にH
2
＋N
2
の混合ガス燃料を提供し、前記燃料電池の電気スタック出口は前記ガス循環システムを介して前記吸着カラム装置のテールガス吸気口に連通し、前記吸着カラム装置のテールガス排気口は前記テールガス燃焼システムに連通し、
前記第１送風機の排気端は前記第２熱交換器を通過した後、前記アンモニア分解反応器の燃料ガス入口に連通し、前記アンモニア分解反応器の煙道ガス出口は前記第２熱交換器を通過した後、前記吸着カラム装置(７)の煙道ガス入口と連通し、前記アンモニア分解反応器で生成された煙道ガスは前記第２熱交換器によって前記第１送風機から排出された空気を予熱する。
【０００６】
前記アンモニア分解反応器が反応器内部管と、反応器外部管と、を備え、前記反応器内部管は、アンモニアを分解する区域で、アンモニア分解触媒が装填されており、前記反応器外部管は、触媒を燃焼する区域で、燃焼触媒が装填されており、反応器外部管は、前記反応器内部管の外側に嵌着され、前記反応器内部管の両端にそれぞれアンモニアガス入口と分解ガス出口が設けられており、前記反応器外部管の両側にそれぞれ燃料ガス入口と煙道ガス出口が設けられており、前記アンモニアガス入口と前記分解ガス出口とを連通し、前記燃料ガス入口と煙道ガス出口とを連通する。
【０００７】
前記アンモニア分解触媒はルテニウムベースのアンモニア分解触媒である。
【０００８】
前記煙道ガスは水素と酸素が触媒燃焼して生成される温度が600℃～680℃である水蒸気と窒素ガスの混合ガスであり、前記生成物ガスはアンモニア触媒分解後に生成される水素ガスと、窒素ガスと、完全に分解されないアンモニアガスとの混合ガスである。
【０００９】
前記ガス循環システムは凝縮器と、ガス水分離器と、を備え、前記テールガス燃焼システムは火炎防止器と、テールガス燃焼器と、を備え、前記燃料電池の電気スタック出口は順次に前記凝縮器と、前記ガス水分離器と連通した後、前記吸着カラム装置のテールガス吸気口に連通し、前記吸着カラム装置のテールガス排気口は前記火炎防止器を通過した後、前記テールガス燃焼器と連通し、前記吸着カラム装置のテールガス排気口は前記火炎防止器を通過した後、前記テールガス燃焼器と連通し、前記吸着カラム装置のテールガス排気口は前記火炎防止器を通過した後、前記テールガス燃焼器と連通し、
前記吸着カラム装置の空気入口は外部の第２送風機と連通し、前記第２送風機(３０)は前記吸着カラム装置を迅速に冷却することに用いられ、前記吸着カラム装置の空気出口は配管により、且つバルブを介して外部大気と連通する。
【００１０】
好ましくは、前記燃料電池の排気口は前記アンモニアタンクに近接する方向に向かって設置される。
（【００１１】以降は省略されています）

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