kW級燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的簡介

1、kW級燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的簡介能源足人類牛.存和社會發(fā)展的早本條件之二隨薦社隹經(jīng)眇的發(fā)展，能檬危機問題對人們的生產(chǎn)和生活器響逐漸加採*為了解抉能源問JB,近期人們將注意力集中欄新能源的硏究上.盡管大量新能源像龍陽能和風能的幵覽和利用可適當緩解能源値機和耳境污給問題.但足施用I：的怖限件和技術(shù)進展決定了化石能課還是本世圮的主Sfigfir天然氣彼認為足繼BL石油之后的第飛大能源.具有清潔、髙效、優(yōu)質(zhì)的得點*址期內(nèi)，我國城帀己開始利用天然氣，迎來了天然弋工業(yè)蓬勅發(fā)展同面如何高效合理的利用這些寶貴的天煞資源，開笈下游市場，成為苜畫問題。燃料電池（FuelCell）己披公認為足將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的高

2、效能源轉(zhuǎn)化裝矍，近幾十年來的研究開發(fā).燃料電池取得了相斗大的進展*特別是凰子交換眼燃料電池<ProtonExchangeMembraneFudCeLL簡稱PEMFC）山得到了迅速發(fā)展*它與石1】作溫度低（70T-1009U匸任屯此人、能吊暑度茫、啟動時冊知i、實現(xiàn)丐捋放等諾1；憂點.是自前最具有僮用和商業(yè)價值的燃料電？fc*氫能足燃料電池這種先進技術(shù)的理握動力源#自從燃料電池灣生起.供氫與燃料電池本身都是同樣責愛的樓心技術(shù)”在PEM燃料電地的應(yīng)用11程中,其溺哽的粗源對CO的含量要求非?？量蹋–tKIOppm）1-4J.日前PEMFC®源技懇冇兩類：一是燃料電池攜帶純戟：二魁化

3、和能源現(xiàn)場制圮供納.閔為純包價格鬲、安全杵段輸送儲存授加注困限制了燃料電池的規(guī)模應(yīng)用。天然氣柞為發(fā)展燃料電池氫源的一次能源丫具有氫制取技術(shù)路I®參樣化、經(jīng)濟上競爭力軽.能糠利用效率高和環(huán)境效益好等諸參優(yōu)勢應(yīng)為燃料屯池的藥選制魁龍源向能托小范國內(nèi)生嚴満定處料電抱r.,夏的紀i,是解決現(xiàn)階段燃料電池技術(shù)在推廣應(yīng)用中的一個關(guān)犍開索一.小塊模屁n牛.產(chǎn)技術(shù)不僅解決了燃料電池衽統(tǒng)供SL難題尸還可免去因JB裝氫在儲存利運輸中帶來的爲投資和織危險*燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)是一種極具灣力的新型分布式能源技術(shù)臼將天燃氣制氫裝賈和PEM燃料屯池集成丈現(xiàn)發(fā)電和供熱（采曖和生活熱水）的熱電聯(lián)產(chǎn)枝術(shù).實現(xiàn)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.該技術(shù)是實現(xiàn)為家庭和小型筒業(yè)用戶供電供熱的有效途艷.對緩解能源緊缺起著枳極的作用利用天勲氣制頊燃料電池用氫，不儀拓寬了天然氣的利用領(lǐng)域，乜伍疋了國家能源政策和環(huán)境保護的總體夏求.金曾址劉現(xiàn)階段還是未來發(fā)展都很有盤義.kW級燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是個集成體系，主耍包括人然氣制絨系統(tǒng)和PEM燃料電池發(fā)電系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)。其工作原理如圖12所示。I卜r天魅氣HgpAI星s燎詵中二小型天然氣制壯與PMEFC集成熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)匸作;京理圖反應(yīng)尾氣|供熄?I?熾交換始水儲荷供魁木天然HBtKf反應(yīng)構(gòu)仟成rB合成氣凈化單元PLM«料電池一袂常-

5、J4t*:回枚-交涼FigurellProcessdiagramofCHPsxstcnibysmallscalehydrogenproductionintegratedwithPEMFC其中尺然氣制絨系統(tǒng)主耍包括脫硫、犬然氣載整轉(zhuǎn)化反應(yīng)、合成氣凈化單元(主要包擇高低變換過程、選擇性催化輒化過程或P體膜分離及變壓吸陽凈化)。燃料電池系統(tǒng)主要包括質(zhì)子交換膜燃料電池堆(PEMFC),血流/交流變換器，換熱系統(tǒng)及熱水儲備單元.其輸入端為來白城市燃氣管網(wǎng)的夭然氣和供水管網(wǎng)的口來水。水蒸汽發(fā)生器吸熱蒸發(fā)為水蒸汽.與經(jīng)過脫硫后的大然氣一起進入車整反應(yīng)器混合后進行合成氣生產(chǎn)(對于自熱或氧化蒸汽審.整反應(yīng)會混入

6、空氣，產(chǎn)生的審整氣體經(jīng)過合成氣凈化單元生產(chǎn)高純度的氫氣或C0<10ppm的富卷合成氣，進入質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電，產(chǎn)生的直流電經(jīng)過直流交流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換麻外供.反應(yīng)器的屆氣進入尾氣燃燒器燃燒產(chǎn)牛熱殳用于向甫整反應(yīng)器供熱及牛.產(chǎn)水蒸汽，其余的熱最采用高效換熱器牛.產(chǎn)熱水外供。天然氣重整制氫的方法C肪天然'(重整制包主要仃三種方法門：1蒸汽重整(SteamandMethaneReforming,簡稱SMR)：2部分氧化(PartialOxidationofMethane.簡稱POM)；3自熱重整(AutothermalReforming,簡稱ATR).在制氫的反應(yīng)中，仔3步垠魚要的反應(yīng)：

7、甲烷的水蒸氣甫整.水氣變換反應(yīng)和甲烷的部分氧化。其主要反應(yīng)方程為：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法經(jīng)過近幾十年來不斷的工藝改進，足目前工業(yè)上犬然代制氫應(yīng)用最廣泛、最成熟的方法叫甲烷水蒸氣亜?wù)磻?yīng)是一個強吸熱反應(yīng)(主要發(fā)生反應(yīng)(1-1),(1-2),反應(yīng)所需要的熱量由天然氣的燃燒或廢熱鍋爐余熱供給。蟲整反應(yīng)要求沿度維持在800-1000*C,反應(yīng)丿R力通常在23MPa,催化劑般采用N!/Al2O

8、3.生成的H2/CO之比約為3,煉料氣H2O/CH4摩爾比為25，通入過呈的水蒸汽是為了抑制炭的沉積。甲烷水蒸汽重整制氫方法存在的主要問題是：該方法需吸收人為的熱，并fl反應(yīng)溫度高，制氯過程啟動慢、能耗高，燃料成木占生產(chǎn)成本的52%Y8%,反應(yīng)需耍昂貴的耐高溫不銹范管作反應(yīng)器.水蒸汽車整是慢速反應(yīng)，因此該過程制氫能力低、裝建規(guī)模大，投資高。POM法是一個輕放熱反應(yīng)(主要發(fā)生反應(yīng)(1-3),可在鬲空速下進行使氫氣生產(chǎn)規(guī)?？s小.生成的出/CO之比約為2.般反應(yīng)條件是常壓烏溫，采用的催化劑主要是負載熨金屬催化劑。部分氣化法與水煎氣重整法不同之處在，它的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，啟動速度快，反應(yīng)速率比亜幣反應(yīng)快

9、卜2個數(shù)昴級，并目的燃料電池負荷的變動而改變,供給氫氣雖的響應(yīng)性鬲。但氏反應(yīng)是在髙隘下進行，得到的氫氣純度低，能效差。POM法囚可實現(xiàn)門熱反應(yīng)無需外界供熱，可避免使用耐高溫的合金鋼管反應(yīng)器，采用極其廉價的耐火材料堆砌反應(yīng)器.其裝賢投資明顯降低.由于以下幾方面的因素限制了部分氣化匸藝的發(fā)展：廣價氧的來源：催化劑床層的同部詁度過窩的問題：催化材料的反應(yīng)穩(wěn)定性：操作體系的安金性問題。ATR法是利用POM過程的反應(yīng)熱來供給強吸熱的SMR反應(yīng)，是結(jié)合SMR和POM的種新方法(主旻發(fā)生反應(yīng)(11)(1-2).(1-3),nJ以實現(xiàn)的熱平衡，其前眾I分樂觀。該方法超一種很適合在燃料電池系統(tǒng)中的制耗I：藝，引

10、起了廣泛的關(guān)注。它具冇單元規(guī)恪小，操作溫度低，啟動速度快，原料廣泛等諸狙優(yōu)點，該工藝同水蒸汽重整工藝相比，優(yōu)勢之處在?。鹤兺夤釣榭诠岱磻?yīng)，熱效率更高：熱最利用較為合理，能量消耗亞低：反應(yīng)空速更大岡。但其控速步騾仍然足反應(yīng)過程中的慢速水蒸汽重整反應(yīng)。另外，由于自熱審整反應(yīng)器中，強放熱反應(yīng)和強吸熱兩步反應(yīng)進行，因此反應(yīng)器仍需耐高溫的不銹鋼管做反應(yīng)器.可能會増加裝員投資。合成氣凈化方法天然氣經(jīng)過重整后制得的合成氣中除了含有%外,還有OUCO.C6和HQ,在PEM燃料電池的應(yīng)用過趕中，其需求的緘源對CO的含晟坐求?？量?CO<IOppm)必須要對介成氣進行凈化握純達到供包要求。在小空天嬪氣制

11、包技術(shù)的介成氣凈化系統(tǒng)方面，日前主要有三種方法：高低溫水氣變換和CO選擇性緘化，得到CO含雖低T-lOppm的富氫氣體；(2) 通過膜分離技術(shù)_££接生產(chǎn)高純度氫氣：(3) 變壓吸附凈化。高低溫水氣變換和CO選擇性氫化的凈化方法近年來.由于碳氫化合物亜?wù)母粴錃怏w可PEMFC燃料電池，(HPEMFC要求CO的濃度要小于lOppm.合成氣需要經(jīng)過CO變喚反應(yīng)(WalerGasShift,簡稱WGS)降低CO含蚤。反應(yīng)式如下：CO+H2O->CO22H2AH29sk=-41kJ/mol(1-4)目前在匸業(yè)上應(yīng)用的變換過程通常為離低溫變換鬲溫(350-400V)提烏反應(yīng)速率

12、，低觸(200-250*0保證CO的轉(zhuǎn)化率。但堤受熱力學(xué)平衛(wèi)的淑制，CO的含凰只能控制在03%7)5%需耍經(jīng)過CO優(yōu)先氧化(PreferentialOxidation.簡稱PrOx)的深度氧化獲得能到達到PEMFC耍求的氫源l,(K,2,o該藝具冉操作簡單、運行成本低和爼Y損失少等待點，很適介應(yīng)用T小型的制氫系統(tǒng)，口木的燃料電池聯(lián)供電站基本都選用該路線。但足CO優(yōu)先負化的催化劑追度線空很窄，必須沒汁敢熱性能女孑的反應(yīng)器并控制好氧氣的進氣獄。1.232膜分離生產(chǎn)高純度氫氣膜分離技術(shù)是-種操作簡便、節(jié)能、高效的零氣捉純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、恃況下，對氫氣通過屛勺烏選擇性的特氐膜氣體分離機理一般可分為下面四種：Krmdsen擴散，分子篩效應(yīng)，表面擴散，洛解擴散。鋰膜分禹主耍膜的溫度，塚度，命金成分，以及絨氣柱膜兩側(cè)的分壓有關(guān)，并可用Sievert'sLaw來表達叫AQ=k叩：7)Ld-5)美國InnovaTek公司的InnovaGen使用的就足此方法，該技術(shù)牛產(chǎn)出來的氫氣純度很髙(可達99.99%以I:),但是該方法分離提純氫氣時裔要較高的壓力(0.5MPa以h).而民用的天然氣簷網(wǎng)的壓力不能滿足該要求，必需在般分島器前添加壓縮機停用加設(shè)備，這也就增加了設(shè)備尺寸利能龜消耗。如何提高合成氣側(cè)緘氣分圧及耙膜的透過性能是膜分離技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。123.3變壓吸附凈化系統(tǒng)變壓吸附(PressureSwingAbsorption.簡稱PSA)是利用混合氣體中并組分在吸附劑上的平衡吸附童或擴散速率的不同，通過改變壓力實現(xiàn)對氣體的分離。CO的凈化部分采用變壓吸附的方法，在定壓力卜，利用多種吸附劑組成的復(fù)介吸附床，將銀整氣在-定的壓力(2MPa)下選擇吸附，難吸附的目標產(chǎn)物包氣從吸附塔出口輸出，以達到提純氫T目的。變壓吸附的凈化方法在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，技術(shù)比較成熟，在燃料電池供氫系統(tǒng)中也有應(yīng)用冋席怡宏卩習將膜分離與變壓吸附2種凈化技術(shù)結(jié)合，經(jīng)過膜分離后的滲透氣進行脫輒處理后進入變斥吸旳，變斥吸附工藝采用二塔一均流程，最終H