CN118221073A - 一种耦合pemfc发电及天然气现场重整制氢的综合余热利用*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耦合PEMFC发电及天然气现场重整制氢的综合余热利用***，包括天然气重整制氢子***，PEMFC发电子***和供热子***；重整制氢子***包括天然气重整制氢反应器、高温/低温水汽变换反应器、氢分离钯膜装置、天然气预热器、水蒸发器、换热器、冷却器；PEMFC发电子***包括燃料电池电堆；供热子***包括燃烧室和余热回收装置。燃烧后的出口高温尾气依次经过水蒸发器、天然气预热器、重整反应器后，与电堆进口空气换热，提高了电堆进口气体温度，降低了燃烧室出口尾气温度；尾气经过冷却水换热后，温度再次降低后排入环境中。本发明不仅实现了现场制氢发电，提供了制氢子***所需的热量，而且通过热回收装置提高了***的热效率。
Description
技术领域
本发明属于新能源热管理技术领域，特别涉及一种耦合PEMFC发电及天然气现场重整制氢的综合余热利用***。
背景技术
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是燃料电池中的一种特殊类型，在交通运输和固定发电领域受到广泛关注。质子交换膜燃料电池的工作原理是通过电化学过程将氢燃料直接转化为电能。由于PEMFC依赖于纯氢作为燃料，因此其尚未被广泛商业化。因其具有特殊的物理性质，经常储存在高压罐或低温液体中，导致成本较高，运输困难。使用天然气蒸汽重整的方法将化石燃料转化为氢，有效地解决了储氢问题。天然气蒸汽重整工艺是一种强吸热反应，需要持续的外界热源来向重整反应器供热。因此，如何连续、高效率的为反应器提供热量是需要解决的问题之一。利用燃烧室产生的高温尾气可以给天然气蒸汽重整反应提供所需的热量。
天然气蒸汽重整反应产生的重整气中不仅含有H2，而且含有大量的副产物，如一氧化碳。PEMFC对一氧化碳的耐受性低，100 ppm浓度的一氧化碳就会毒害PEMFC的阳极催化剂。如何从反应后的重整气中分离出H2是另一个问题。钯膜对H2具有高渗透性和选择性，随着膜两侧压差的增大，H2的渗透性得到提高。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种耦合PEMFC发电及天然气现场重整制氢的综合余热利用***，该综合***包括天然气重整制氢子***，PEMFC发电子***和供热子***，不仅实现现场制氢、即产即用，而且合理的余热回收***提高了***的热效率，减少了热损失。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种耦合PEMFC发电及天然气现场重整制氢的综合余热利用***，其特征在于：包括重整制氢子***、PEMFC发电子***和供热子***；重整制氢子***包括天然气预热器1、水蒸发器2、混合器3、反应气加热器4、重整反应器5、高温水汽变换装置10、低温水汽变换装置12、钯膜13、氢气冷却器14和水泵15，天然气预热器1的出口依次与混合器3、反应气加热器4、重整反应器5、高温水汽变换装置10、低温水汽变换装置12、钯膜13、氢气冷却器14连接，氢气冷却器14通过水泵15与水箱连接；PEMFC发电子***包括电堆风机6、空气预热器7和PEMFC电堆18，电堆风机6通过空气预热器7与PEMFC电堆18连接；供热子***包括余热回收装置8、燃烧室空压机16和燃烧室17，余热回收装置8与空气预热器7连接，燃烧室17与钯膜13和PEMFC电堆18连接，燃烧室空压机16与燃烧室17连接；氢气冷却器14与PEMFC电堆18连接，水蒸发器2的进口与重整气冷却器9和燃烧室17连接，出口与天然气预热器1和混合器3连接。
进一步的，所述PEMFC电堆18的运行温度Tst为65 ℃。
进一步的，所述重整反应器5的反应温度Tref为700 ℃。
进一步的，所述高温水汽变换装置10的反应温度THWGS为450 ℃。
进一步的，所述低温水汽变换装置12的反应温度TLWGS为300 ℃。
进一步的，所述钯膜13的运行温度TPd为300 ℃，运行压力为10bar。
进一步的，所述重整反应器5的出口重整气F5与重整气冷却器9相接，利用水流W4冷却重整气温度，所述重整气的温度降低到450 ℃。
进一步的，所述重整反应器5和高温水汽变换装置10之间设置有重整气冷却器9，所述高温水汽变换装置10和低温水汽变换装置12之间设置有水汽冷却器11，氢气冷却器14依次通过水汽冷却器11、重整气冷却器9与水蒸发器2连接。利用反应水W3来冷却高温水汽变换装置10的出口重整气F7温度，所述重整气的温度进一步降低到300 ℃。
进一步的，所述低温水汽变换装置12出口重整气F9进入钯膜13提纯后分为两股气F10和F11，F10为99.999%的高温H2，经氢气冷却器14降温以后，进入PEMFC电堆18的阳极；含有CH4和CO两种可燃气体的气流F11送到燃烧室17参与燃烧反应。
进一步的，所述燃烧室17进口气为含H2的电堆尾气Ex、钯膜分离废气F11、少量天然气和空气流A2，经充分燃烧后，高温尾气C1作为供热源依次经过水蒸发器2、天然气预热器1、重整反应器5后进一步与电堆进口空气换热，最后与余热回收装置8中的冷却水换热后，温度降低到200 ℃后排入环境中，而换热后的冷却水温度升高，作为热水使用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
与传统PEMFC***采用单一氢气发电不同，本发明通过收集钯膜产生的可燃废气及电堆排出的含氢尾气，作为燃烧室的燃料，产生的高温燃烧尾气作为***的供热源给重整装置、预热器、蒸发器等装置供热；重整反应所需要的水不仅作为反应物参与重整反应，而且作为冷源收集高/低温水汽变化装置产生的余热，降低了热损失。该综合***不仅实现了现场制氢发电，而且通过一系列换热措施，不但提供了制氢子***所需的热量，而且通过热回收装置提高了***的热效率。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
其中：1-天然气预热器，2-水蒸发器，3-混合器，4-反应气加热器，5-重整反应器，6-电堆风机，7-空气预热器，8-余热回收装置，9-重整气冷却器，10-高温水汽变换装置，11-水汽冷却器，12-低温水汽变换装置，13-钯膜，14-氢气冷却器，15-水泵，16-燃烧室空压机，17-燃烧室，18-PEMFC电堆。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。本发明中：A1-A5表示空气；C1-C7表示燃烧尾气；F1-F2表示天然气（甲烷）；F3表示天然气和水；F4表示天然气和水；F5-F9表示重整气；F10表示纯氢气；F11表示分离废气；F12表示纯氢气；Ex表示电堆尾气；W1-W6表示水。
如图1所示，一种耦合PEMFC发电及天然气现场重整制氢的综合余热利用***，其特征在于：包括重整制氢子***、PEMFC发电子***和供热子***；重整制氢子***包括天然气预热器1、水蒸发器2、混合器3、反应气加热器4、重整反应器5、高温水汽变换装置10、低温水汽变换装置12、钯膜13、氢气冷却器14和水泵15，天然气预热器1的出口依次与混合器3、反应气加热器4、重整反应器5、高温水汽变换装置10、低温水汽变换装置12、钯膜13、氢气冷却器14连接，氢气冷却器14通过水泵15与水箱连接；PEMFC发电子***包括电堆风机6、空气预热器7和PEMFC电堆18，电堆风机6通过空气预热器7与PEMFC电堆18连接；供热子***包括余热回收装置8、燃烧室空压机16和燃烧室17，余热回收装置8与空气预热器7连接，燃烧室17与钯膜13和PEMFC电堆18连接，燃烧室空压机16与燃烧室17连接；氢气冷却器14与PEMFC电堆18连接，水蒸发器2的进口与重整气冷却器9和燃烧室17连接，出口与天然气预热器1和混合器3连接。
所述重整反应器5和高温水汽变换装置10之间设置有重整气冷却器9，所述高温水汽变换装置10和低温水汽变换装置12之间设置有水汽冷却器11，氢气冷却器14依次通过水汽冷却器11、重整气冷却器9与水蒸发器2连接。
所述PEMFC电堆18的运行温度Tst为65 ℃。所述重整反应器5的反应温度Tref为700℃。所述高温水汽变换装置10的反应温度THWGS为450 ℃。所述低温水汽变换装置12的反应温度TLWGS为300 ℃。所述钯膜13的运行温度TPd为300 ℃，运行压力为10bar。
所述重整反应器5和高温水汽变换装置10之间设置有重整气冷却器9，利用水流W4冷却重整气温度，所述重整气的温度降低到450 ℃。
所述高温水汽变换装置10和低温水汽变换装置12之间设置有水汽冷却器11，氢气冷却器14依次通过水汽冷却器11、重整气冷却器9与水蒸发器2连接。利用反应水W3来冷却高温水汽变换装置10的出口重整气F7温度，所述重整气的温度进一步降低到300 ℃。
所述低温水汽变换装置12出口重整气F9进入钯膜13提纯后分为两股气F10和F11，F10为99.999%的高温H2，经氢气冷却器14降温以后，进入PEMFC电堆18的阳极；含有CH4和CO两种可燃气体的气流F11送到燃烧室17参与燃烧反应。
所述燃烧室17进口气为含H2的电堆尾气Ex、钯膜分离废气F11、少量天然气和空气流A2，经充分燃烧后，高温尾气C1作为供热源依次经过水蒸发器2、天然气预热器1、重整反应器5后进一步与电堆进口空气换热，最后与余热回收装置8中的冷却水换热后，温度降低到200 ℃后排入环境中，而换热后的冷却水温度升高，作为热水使用。
本发明的天然气重整制氢发电***的工作原理如下：
在天然气重整制氢子***中，将预热的天然气和蒸汽送至天然气重整反应器5，在该反应器中发生吸热反应并产生由CH4，H2O，H2，CO和CO2组成的重整气，具体反应如下：
(1)
(2)
(3)
为了进一步提高H2产率和降低CO含量，将重整气送至高温水汽变换装置10和低温水汽变换装置12。然后，在钯膜13提纯单元中，富含氢气的气体被分离成两股气流: 第一股F11 作为燃料被输送到燃烧室17，第二股气流F10 为99.999% 的高纯度氢气被输送到PEMFC电堆18的阳极。天然气重整制氢反应器在10 bar下运行，以提供足够的压差，使氢气渗透通过钯膜。其中高温燃烧尾气提供了所需的反应热。
水W1 首先被水泵15送到氢气冷却器14，与高温氢气进行热交换，然后依次在重整反应器5的出口处及高温水汽变换装置10的出口处与重整气体进行热交换。预热的水通过水蒸发器2与燃烧尾气 C1 进行热交换后变成蒸汽。燃烧室作为综合***的热量供应核心装置，其进口气包括PEMFC电堆18尾气，钯膜13分离的废气及少量天然气燃料，在燃烧室17内与空气进行燃烧反应，燃烧后的出口高温尾气依次经过水蒸发器2、天然气预热器1、重整反应器5后，进一步与电堆进口空气换热，不仅提高了电堆进口气体温度，而且降低了燃烧室出口尾气温度；最后，将尾气C6 送至余热回收装置8以产生有用的热水，温度再次降低后排入环境中，减少了热损失，冷却水经换热后温度升高，回收部分热量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种耦合PEMFC发电及天然气现场重整制氢的综合余热利用***，其特征在于：包括重整制氢子***、PEMFC发电子***和供热子***；重整制氢子***包括天然气预热器（1）、水蒸发器（2）、混合器（3）、反应气加热器（4）、重整反应器（5）、高温水汽变换装置（10）、低温水汽变换装置（12）、钯膜（13）、氢气冷却器（14）和水泵（15），天然气预热器（1）的出口依次与混合器（3）、反应气加热器（4）、重整反应器（5）、高温水汽变换装置（10）、低温水汽变换装置（12）、钯膜（13）、氢气冷却器（14）连接，氢气冷却器（14）通过水泵（15）与水箱连接；PEMFC发电子***包括电堆风机（6）、空气预热器（7）和PEMFC电堆（18），电堆风机（6）通过空气预热器（7）与PEMFC电堆（18）连接；供热子***包括余热回收装置（8）、燃烧室空压机（16）和燃烧室（17），余热回收装置（8）与空气预热器（7）连接，燃烧室（17）与钯膜（13）和PEMFC电堆（18）连接，燃烧室空压机（16）与燃烧室（17）连接；氢气冷却器（14）与PEMFC电堆（18）连接，水蒸发器（2）的进口与和燃烧室（17）连接，出口与天然气预热器（1）和混合器（3）连接。
2.根据权利要求1所述的耦合PEMFC发电及天然气现场重整制氢的综合余热利用***，其特征在于：所述PEMFC电堆（18）的运行温度Tst为65 ℃。
3.根据权利要求1所述的耦合PEMFC发电及天然气现场重整制氢的综合余热利用***，其特征在于：所述重整反应器（5）的反应温度Tref为700 ℃。
4.根据权利要求1所述的耦合PEMFC发电及天然气现场重整制氢的综合余热利用***，其特征在于：所述燃烧室（17）进口气为含氢气的电堆尾气Ex、钯膜分离废气F11、天然气和空气流A2，充分燃烧后，高温尾气C1作为供热源依次经过水蒸发器（2）、天然气预热器（1）、重整反应器（5）后与PEMFC电堆（18）进口空气换热，最后与余热回收装置（8）中的冷却水换热后，温度降低到200 ℃后排入环境中，而换热后的冷却水温度升高，作为热水使用。
5.根据权利要求1所述的耦合PEMFC发电及天然气现场重整制氢的综合余热利用***，其特征在于：所述重整反应器（5）和高温水汽变换装置（10）之间设置有重整气冷却器（9），所述高温水汽变换装置（10）和低温水汽变换装置（12）之间设置有水汽冷却器（11），氢气冷却器（14）依次通过水汽冷却器（11）、重整气冷却器（9）与水蒸发器（2）连接。
6.根据权利要求1所述的耦合PEMFC发电及天然气现场重整制氢的综合余热利用***，其特征在于：天然气燃料和反应用水分别经过天然气预热器（1）和水蒸发器（2）加热以后，送入混合器（3），经反应气加热器（4）加热后，进入重整反应器（5）中。
7.根据权利要求1所述的耦合PEMFC发电及天然气现场重整制氢的综合余热利用***，其特征在于：低温水汽变换装置（12）出口重整气F9进入钯膜（13）提纯后分为两股气F10和F11，F10为99.999%的高温H2，经氢气冷却器（14）降温以后，进入PEMFC电堆（18）的阳极；含有甲烷和一氧化碳两种可燃气体的气流F11送到燃烧室（17）参与燃烧反应。
8.根据权利要求1所述的耦合PEMFC发电及天然气现场重整制氢的综合余热利用***，其特征在于：燃烧室出口尾气经余热回收装置（8）降温以后，排到大气中。
9.根据权利要求1所述的耦合PEMFC发电及天然气现场重整制氢的综合余热利用***，其特征在于：所述高温水汽变换装置（10）的反应温度THWGS为450 ℃；所述低温水汽变换装置（12）的反应温度TLWGS为300 ℃；所述钯膜（13）的运行温度TPd为300 ℃，运行压力为10bar。
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