天然气重整制氢发电技术进展

技术血用，TECHNOLOGYAPPLICATION天然气重整制氢发电技术进展孙静文中国石油安全环保技术研究院摘要随着天然气的使用量日益增长，天然气作为燃料的使用效率也逐渐为人们所关注。重整制氢技术和质子膜燃料电池PEMFC技术相结合为小型化、分布式天然气制氢发电设备的发展提供了可能。文中介绍了天然气重整制氢发电技术原理、重整制氢小型化反应器及催化剂研究进展、PEMFC阳极抗CO催化剂和双极板研究进展、分析了国内外重整制氢发电技术应用现状，并对该技术在油气集输管线供电等石油行业应用前景进行了展望。关键词天然气重整制氢燃料电池进展应用D0I103969IISSN209514932013011007随着同际能源结构的改变，天然气的使用比例、适用范围的HT益增长扩大，天然气的能源使用效率也逐渐为人们所关注。天然气蒸汽重整制氢是目前最经济、最成熟的制氢方法。燃料电池具有高能量密度、高能量转化率的特点，是一种新型环保的电源装置。质子膜燃料电池PEMFC技术能够将氢气和氧气转化为电能和水，其转化效率高于内燃机。基于重整制氢技术和PEMFC技术的新型的小型化、分布式发电设备具有能量效率高、安全性好等特点，已成为近年来研究的热点。本文将综述天然气重整制氢发电技术现状，并对天然气重整制氢发电技术和设备的油田应用前景进行展望1天然气重整制氢发电技术天然气重整制氢发电技术是一个多步反应体系，主要分为天然气重整制氢系统以及PEMFC发电系统两个部分。工作流程如图1。水经由水蒸气发生器产生蒸汽，与经过脱硫后的天然气一起进入水蒸气重整反应器产生富氢合成气。合成气经由变天然气天然气纯氨气直流电图1天然气重整制氢发电原理作者简介孙静文，2011年毕业于哈尔滨工业大学，从事环保科研作，EMAILSUNJINGWENCNPRLRNMCN，地址北京市昌平区西沙屯桥西中圈石油科技同区A座，102206。16WWWSYSHJNOOFIR压吸附PSA或钯膜分离提纯得到高纯度氢气，氢气和氧化剂氧气或空气进入PEMFC发电后外供。11天然气蒸汽重整制氢天然气蒸汽重整制氢的主要反应为甲烷与蒸汽的转化反应，方程式如下CHH，O汽CO3H，20629KJRNOL1天然气蒸汽重整制氢方法是目前工业上用最为广泛，技术最为成熟，价格也最为低廉的制氢方法。大规模天然气重整制氢1000MH已广泛应用于化R行业。随着电子元器件生产、医药生产、食品加工等行业对小规模、高纯度氢气的需求，小型分布式制氢反应器成为了研究的新方向，也为质子膜燃料电池的燃料提供了新思路。12质子交换膜燃料电池PEMFCPEMFC是一种以全氟磺酸型离子交换膜为电解质，在催化剂的作用下将储存在燃料氢气和氧化剂空气或氧气中的化学能高效、环境友好地转化为电能的连续发电装置。PEMFC的组成及工作基本原理见图2，主要部件为阴阳极板和电解质质子交换膜。PEMFC工作原理与化学原电池类似，氢气进入阳极，在催化剂作用下解离为质子和电子，质子穿过电解质与阴极的氧气在阴极催化剂作用下反应生成水，阳极释放的电子从外电路自阳极流向阴极生成直流电。水蒸气重整制氢技术的小型化及其与PEMFC技术的结合为天然气制氢发电小型化、分布式设备的产生提供了方向。技水应用，TECHNOLOGYAPPLICATION天与军事领域都具有广阔的发展前景，因此，世界各国及许多大公司都投入了大量精力对该技术进行研究开发。加拿大BALLARD公司、美国PLUGPOWER公司在PEMFC技术上全球领先，各自实现了千瓦级PEMFC小型电站的商业化，并在全球推广。其他发达国家如日本、德国、英国、意大利、俄罗斯等国以及一些著名跨国企业也均加入了研制PEMFC系统和PEMFC电动车的行列。国内对天然气重整制氢发电技术的研究还处于起步阶段。中科院大连物理化学研究所设计研发了甲醇重整制氢PEMFC样机。中国石油安全环保技术研究院与华南理工大学合作，开发研制了输出功率600W，整机效率大于42的小型制氢发电设备样机。天然气重整制氢发电技术在石油行业具有巨大的应用潜力。受地域等自然环境条件和经济条件的限制，我国油气长输管道工程中的很多小型站场、阀室，难于依托稳定的工业用系统电源。天然气重整制氢发电技术能够依托长输管线的气源，建设高效、安全、一次性投资低的分布式电站，满足场站内自控、通讯及应急照明等用电负荷要求。同时，该技术对伴生气等油气资源的回收、资源化利用等方面具有广阔的应用前景，大力推广天然气制氢发电技术对能源利用效率的提高和能源回收转换都具有重要的意义。5结语天然气重整制氢发电技术作为一种高效、安全、便捷的能源利用方式，正在逐步的完善并进入商业化阶段。未来的研究趋势主要集中在以下几个方面重整制氢反应器的小型化和稳定化研究；高效、价廉的PEMFC阳极抗CO技术研发；机械强度高、易于加工、成本低廉的PEMFC部件的开发；重整制氢和PEMFC发电过程机理的进一步研究。石油石化行业与天然气重整制氢发电技术具有紧密的关系，应尽快学习和掌握其应用技术，抓住机遇，进行相关的具有自主知识产权的新技术研发，并为其在油田的推广做好准备。参考文献1王婷婷天然气蒸汽重整试验系统设计及PEMFC燃料电18IWSY。HJ。池试验研究D南京东南大学，2006382解东来，叶根银，费广平小型天然气制氢与PEMFC热电联产技术进展J煤气与热力，2008，2888113赵鑫梅，刘光全，许毓，等燃料电池发展现状及在石油行业的应用可行性J油气田环境保护，2009123436，444XIEDL，GRACEJR，LIMCJDEVELOPMENTOFINTERRLAIIYCIRCUIATINGFIUIDIZEDBEDMEMBRANEREACTORFORHYDROGENPRODUCTIONFROMNATURAIGASJ武汉理大学学报2006112522575杨长幸，胡鸣若PEMFC阳极抗CO性能研究进展J电源技术，2O11，35111451145463ADAMSWA，BLALRJ，BULLOCKKR，ETAIENHANCEMENTOFTHEDERFORMANCEANDREIIABIIITYOFCOP0ISONEDPEMFUELCELISJJPOWERSOURCES，200514555617HOFFMANNWR，HUTTLNGERKJS；NTERINGOFPOWDERSOFPOIYAROMATICMESOPHASETOHIGHSTRENGTHISOTR0DICCARBONSJCARBON1994，326108711038倪红军，汪兴兴，黄明字，等质子交换膜燃料电池及其双极板的研究J材料科学与T艺，200842502549黄乃宝，衣宝廉，侯明等PEMFC薄层金属双极板研究进展J化学进展，2005学伦