kW级燃料电池热电联产系统的简介

1、kW级燃料电池热电联产系统的简介能源足人类牛.存和社会发展的早本条件之二随荐社隹经眇的发展，能檬危机问题对人们的生产和生活器响逐渐加採*为了解抉能源问JB,近期人们将注意力集中栏新能源的硏究上.尽管大量新能源像龙阳能和风能的幵览和利用可适当缓解能源値机和耳境污给问题.但足施用I：的怖限件和技术进展决定了化石能課还是本世圮的主Sfigfir天然气彼认为足继BL石油之后的第飞大能源.具有清洁、髙效、优质的得点*址期内，我国城帀己开始利用天然气，迎来了天然弋工业蓬勅发展同面如何高效合理的利用这些宝贵的天煞资源，开笈下游市场，成为苜畫问题。燃料电池（FuelCell）己披公认为足将化学能转化为电能的高

2、效能源转化裝矍，近几十年來的研究开发.燃料电池取得了相斗大的进展*特别是凰子交换眼燃料电池<ProtonExchangeMembraneFudCeLL简称PEMFC）山得到了迅速发展*它與石1】作温度低（70T-1009U匸任屯此人、能吊暑度茫、启动时冊知i、实现丐捋放等諾1；忧点.是自前最具有僮用和商业价值的燃料电？fc*氢能足燃料电池这种先进技术的理握动力源#自从燃料电池灣生起.供氢与燃料电池本身都是同样責爱的樓心技术”在PEM燃料电地的应用11程中,其溺哽的粗源对CO的含量要求非常苛刻（CtKIOppm）1-4J.日前PEMFC®源技恳冇两类：一是燃料电池携帶纯戟：二魁化

3、和能源现场制圮供納.闵为纯包价格鬲、安全杵段输送储存授加注困限制了燃料电池的规模应用。天然气柞为发展燃料电池氢源的一次能源丫具有氢制取技术路I®参样化、经济上竞争力軽.能糠利用效率高和环境效益好等诸参优势应为燃料屯池的药选制魁龍源向能托小范国内生严満定處料电抱r.,夏的紀i,是解决现阶段燃料电池技术在推广应用中的一个关犍開索一.小塊模屁n牛.产技术不仅解决了燃料电池衽统供SL难题尸还可免去因JB装氢在储存利运输中带来的爲投资和織危险*燃料电池热电联产技术是一种极具灣力的新型分布式能源技术臼将天燃气制氢裝賈和PEM燃料屯池集成丈现发电和供热（采暧和生活热水）的热电联产枝术.实现了能源的

4、梯飯利用.提高能源利用率由在民川能爛消耗卜匕不斷增加的今天.该技术是实现为家庭和小型筒业用户供电供热的有效途艳.对缓解能源紧缺起着枳极的作用利用天勲气制顼燃料电池用氢，不仪拓宽了天然气的利用领域，乜伍疋了国家能源政策和环境保护的总体夏求.金曾址刘现阶段还是未来发展都很有盘义.kW级燃料电池热电联产系统是个集成体系，主耍包括人然气制絨系统和PEM燃料电池发电系统两个子系统。其工作原理如图12所示。I卜r天魅气HgpAI星s燎诜中二小型天然气制壮与PMEFC集成热电联产系统匸作;京理图反应尾气|供熄?I?熾交换始水储荷供魁木天然HBtKf反应構仟成rB合成气净化单元PLM«料电池一袂常-

5、J4t*:回枚-交涼FigurellProcessdiagramofCHPsxstcnibysmallscalehydrogenproductionintegratedwithPEMFC其中尺然气制絨系统主耍包括脱硫、犬然气載整转化反应、合成气净化单元(主要包择高低变换过程、选择性催化辄化过程或P体膜分离及变压吸阳净化)。燃料电池系统主要包括质子交换膜燃料电池堆(PEMFC),血流/交流变换器，换热系统及热水储备单元.其输入端为来白城市燃气管网的夭然气和供水管网的口来水。水蒸汽发生器吸热蒸发为水蒸汽.与经过脱硫后的大然气一起进入車整反应器混合后进行合成气生产(对于自热或氧化蒸汽审.整反应会混入

6、空气，产生的审整气体经过合成气净化单元生产高纯度的氢气或C0<10ppm的富卷合成气，进入质子交换膜燃料电池发电，产生的直流电经过直流交流转换器转换麻外供.反应器的届气进入尾气燃烧器燃烧产牛热殳用于向甫整反应器供热及牛.产水蒸汽，其余的热最采用高效换热器牛.产热水外供。天然气重整制氢的方法C肪天然'(重整制包主要仃三种方法门：1蒸汽重整(SteamandMethaneReforming,简称SMR)：2部分氧化(PartialOxidationofMethane.简称POM)；3自热重整(AutothermalReforming,简称ATR).在制氢的反应中，仔3步垠鱼要的反应：

7、甲烷的水蒸气甫整.水气变换反应和甲烷的部分氧化。其主要反应方程为：CH<+H2O->CO+3H2AH29JCK-+205.7kj/mol(1-1)CO+H2OYO2+2出AH29rk=41kJ/mol(1-2)CH4+O5O2-*CO+2H：AHswl35.5kj/mol(1-3)SMR法经过近几十年來不断的工艺改进，足目前工业上犬然代制氢应用最广泛、最成熟的方法叫甲烷水蒸气亜整反应是一个强吸热反应(主要发生反应(1-1),(1-2),反应所需要的热量由天然气的燃烧或废热锅炉余热供给。虫整反应要求沿度维持在800-1000*C,反应丿R力通常在23MPa,催化剂般采用N!/Al2O

8、3.生成的H2/CO之比约为3,煉料气H2O/CH4摩尔比为25，通入过呈的水蒸汽是为了抑制炭的沉积。甲烷水蒸汽重整制氢方法存在的主要问题是：该方法需吸收人為的热，并fl反应温度高，制氯过程启动慢、能耗高，燃料成木占生产成本的52%Y8%,反应需耍昂贵的耐高温不锈范管作反应器.水蒸汽車整是慢速反应，因此该过程制氢能力低、装建规模大，投资高。POM法是一个轻放热反应(主要发生反应(1-3),可在鬲空速下进行使氢气生产规模缩小.生成的出/CO之比约为2.般反应条件是常压烏温，采用的催化剂主要是负载熨金属催化剂。部分氣化法与水煎气重整法不同之处在，它的反应是放热反应，启动速度快，反应速率比亜幣反应快

9、卜2个数昴级，并目的燃料电池负荷的变动而改变,供给氢气虽的响应性鬲。但氏反应是在髙隘下进行，得到的氢气纯度低，能效差。POM法囚可实现门热反应无需外界供热，可避免使用耐高温的合金钢管反应器，采用极其廉价的耐火材料堆砌反应器.其装賢投资明显降低.由于以下几方面的因素限制了部分氣化匸艺的发展：廣价氧的來源：催化剂床层的同部诂度过窩的问题：催化材料的反应稳定性：操作体系的安金性问题。ATR法是利用POM过程的反应热來供给强吸热的SMR反应，是结合SMR和POM的种新方法(主旻发生反应(11)(1-2).(1-3),nJ以实现的热平衡，其前眾I分乐观。该方法超一种很适合在燃料电池系统中的制耗I：艺，引

10、起了广泛的关注。它具冇单元规恪小，操作温度低，启动速度快，原料广泛等诸狙优点，该工艺同水蒸汽重整工艺相比，优势之处在丁：变外供热为口供热反应，热效率更高：热最利用较为合理，能量消耗亚低：反应空速更大冈。但其控速步骡仍然足反应过程中的慢速水蒸汽重整反应。另外，由于自热审整反应器中，强放热反应和强吸热两步反应进行，因此反应器仍需耐高温的不锈钢管做反应器.可能会増加装員投资。合成气净化方法天然气经过重整后制得的合成气中除了含有%外,还有OUCO.C6和HQ,在PEM燃料电池的应用过趕中，其需求的緘源对CO的含晟坐求常苛刻(CO<IOppm)必须要对介成气进行净化握纯达到供包要求。在小空天嬪气制

11、包技术的介成气净化系统方面，日前主要有三种方法：高低温水气变换和CO选择性緘化，得到CO含虽低T-lOppm的富氢气体；(2) 通过膜分离技术_££接生产高纯度氢气：(3) 变压吸附净化。高低温水气变换和CO选择性氢化的净化方法近年來.由于碳氢化合物亜整的富氢气体可PEMFC燃料电池，(HPEMFC要求CO的浓度要小于lOppm.合成气需要经过CO变唤反应(WalerGasShift,简称WGS)降低CO含蚤。反应式如下：CO+H2O->CO22H2AH29sk=-41kJ/mol(1-4)目前在匸业上应用的变换过程通常为离低温变换鬲温(350-400V)提烏反应速率

12、，低触(200-250*0保证CO的转化率。但堤受热力学平衛的淑制，CO的含凰只能控制在03%7)5%需耍经过CO优先氧化(PreferentialOxidation.简称PrOx)的深度氧化获得能到达到PEMFC耍求的氢源l,(K,2,o该艺具冉操作简单、运行成本低和爼Y损失少等待点，很适介应用T小型的制氢系统，口木的燃料电池联供电站基本都选用该路线。但足CO优先負化的催化剂追度线空很窄，必须没汁敢热性能女孑的反应器并控制好氧气的进气獄。1.232膜分离生产高纯度氢气膜分离技术是-种操作简便、节能、高效的零气捉纯方法卩叫口前最常用的是耙及其合金膜，主要足利用金屈耙(Pd)任4(X卜6001的

13、恃况下，对氢气通过屛勺烏选择性的特氐膜气体分离机理一般可分为下面四种：Krmdsen扩散，分子筛效应，表面扩散，洛解扩散。锂膜分禹主耍膜的温度，塚度，命金成分，以及絨气柱膜两侧的分压有关，并可用Sievert'sLaw来表达叫AQ=k叩：7)Ld-5)美国InnovaTek公司的InnovaGen使用的就足此方法，该技术牛产出來的氢气纯度很髙(可达99.99%以I:),但是该方法分离提纯氢气时裔要较高的压力(0.5MPa以h).而民用的天然气簷网的压力不能满足该要求，必需在般分岛器前添加压缩机停用加设备，这也就增加了设备尺寸利能龟消耗。如何提高合成气侧緘气分圧及耙膜的透过性能是膜分离技术应用的关键。123.3变压吸附净化系统变压吸附(PressureSwingAbsorption.简称PSA)是利用混合气体中并组分在吸附剂上的平衡吸附童或扩散速率的不同，通过改变压力实现对气体的分离。CO的净化部分采用变压吸附的方法，在定压力卜，利用多种吸附剂组成的复介吸附床，将银整气在-定的压力(2MPa)下选择吸附，难吸附的目标产物包气从吸附塔出口输出，以达到提纯氢T目的。变压吸附的净化方法在工业上应用广泛，技术比较成熟，在燃料电池供氢系统中也有应用冋席怡宏卩习将膜分离与变压吸附2种净化技术结合，经过膜分离后的渗透气进行脱辄处理后进入变斥吸旳，变斥吸附工艺采用二塔一均流程，最终H