CN109638331B - 一种基于甲醇的燃料电池混合发电系统 - Google Patents

一种基于甲醇的燃料电池混合发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于甲醇的燃料电池混合发电系统，包括PEMFC、SOFC、用于对甲醇进行重整反应以获得重整气的甲醇前处理组件、用于对重整气进行分离提纯以获得氢气的氢气提纯组件、和氢气燃烧器；甲醇前处理组件的重整气出口连接氢气提纯组件的重整气入口；氢气提纯组件的氢气出口连接PEMFC的阳极入口；燃料电池混合发电系统处于预定的稳定运行阶段时，PEMFC的阳极出口连接SOFC的阳极入口，SOFC的阳极出口连接氢气燃烧器的气体入口。该系统同时利用PEMFC和SOFC进行发电，PEMFC与SOFC分别在低温、高温下运行，可以实现氢气的梯级利用，提高氢气的燃料利用率，提高系统发电效率。

Description

一种基于甲醇的燃料电池混合发电系统
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种基于甲醇的燃料电池混合发电系统。
背景技术
氢气作为一种清洁的能源，在利用过程中无污染物的排放，被誉为21世纪极有开发利用前景的新型清洁能源；并且氢气的热值高、来源极为广泛，可以由传统化石能源煤炭制备，也可由太阳能、风能等可再生能源发电进行制备，还可以通过提纯化工、冶金等行业工业废气进行制备。将氢气用于燃料电池发电只产生了水而无其他污染物的排放，是一种清洁高效的发电方式。
对于传统的燃料电池分布式发电系统，采用煤炭制氢、可再生能源制氢或工业废气制氢显然与分布式发电系统的规模很难匹配，而采用甲醇水汽重整制氢联合燃料电池发电可以很好地为燃料电池分布式发电系统供应氢气燃料；并且甲醇水汽重整制氢反应具备温度较低、氢气含量高便于提纯、反应条件温和易于实现等优点。
甲醇水汽重整制备的氢气可以作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)及固体氧化物燃料电池(SOFC)的燃料进行发电，其中，PEMFC反应温度较低使得氢气转化率较低及发电效率较低，但其启动较快；而SOFC反应温度较高，以氢气为燃料时可以提高发电效率及氢气转化率，但是SOFC反应温度高导致启动时间较长。现有的利用氢气的燃料电池系统一般只利用PEMFC或者SOFC中的一类，不可避免有相应的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于甲醇的燃料电池混合发电系统，通过将PEMFC和SOFC联用，来提高氢气的转化率和系统发电效率并降低系统的启动时间。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于甲醇的燃料电池混合发电系统，包括PEMFC、SOFC、用于对甲醇进行重整反应以获得重整气的甲醇前处理组件、用于对重整气进行分离提纯以获得氢气的氢气提纯组件、和氢气燃烧器；
所述甲醇前处理组件的重整气出口连接所述氢气提纯组件的重整气入口；所述氢气提纯组件的氢气出口连接所述PEMFC的阳极入口；
所述燃料电池混合发电系统处于预定的稳定运行阶段时，所述PEMFC的阳极出口连接所述SOFC的阳极入口，所述SOFC的阳极出口连接所述氢气燃烧器的气体入口。
可选的，所述燃料电池混合发电系统还包括空气供应单元、SOFC阴极预热单元和SOFC阳极预热单元；所述空气供应单元的空气出口连接所述PEMFC的阴极入口和SOFC阴极预热单元的空气入口；
所述燃料电池混合发电系统处于预定的稳定运行阶段时，所述PEMFC的阴极出口连接所述SOFC阴极预热单元的空气入口，所述SOFC阴极预热单元的空气出口连接所述SOFC的阴极入口；
所述PEMFC的阳极出口连接所述SOFC阳极预热单元的氢气入口，所述SOFC阳极预热单元的氢气出口连接所述SOFC的阳极入口；
所述SOFC的阳极出口和阴极出口均连接所述氢气燃烧器的气体入口，所述氢气燃烧器的高温烟气出口连接所述SOFC阳极预热单元和SOFC阴极预热单元的烟气入口。
可选的，所述燃料电池混合发电系统还包括依次连接的氮气供应单元和氮气预热单元；
所述燃料电池混合发电系统处于预定的启动阶段时，所述SOFC阴极预热单元的空气出口连接所述SOFC的阴极入口，所述氮气预热单元的氮气出口连接所述SOFC的阳极入口；
所述PEMFC的阴极出口和阳极出口均连接所述氢气燃烧器的气体入口，所述氢气燃烧器的高温烟气出口连接所述SOFC阴极预热单元和氮气预热单元的烟气入口。
可选的，所述甲醇前处理组件包括依次连接的甲醇水溶液供应单元、甲醇水溶液气化单元和甲醇水汽重整单元。
可选的，所述氢气提纯组件包括依次连接的用于去除甲醇和水的分离单元、CO优先氧化单元和CO2脱除单元；
所述甲醇水汽重整单元的重整气出口连接所述分离单元的重整气入口，所述CO2脱除单元的氢气出口连接所述PEMFC的阳极入口。
可选的，还包括甲醇供应单元和甲醇燃烧室；
所述空气供应单元和所述甲醇供应单元均连接所述甲醇燃烧室的气体入口；所述甲醇燃烧室的高温烟气出口连接所述甲醇水汽重整单元、甲醇水溶液气化单元和CO优先氧化单元的烟气入口。
可选的，所述甲醇燃烧室的高温烟气出口连接所述甲醇水汽重整单元的烟气入口，所述甲醇水汽重整单元的烟气出口连接所述甲醇水溶液气化单元的烟气入口，所述甲醇水溶液气化单元的烟气出口连接所述CO优先氧化单元的烟气入口。
可选的，所述燃料电池混合发电系统处于预定的稳定运行阶段时，所述氢气燃烧器的高温烟气出口连接所述SOFC阴极预热单元的烟气入口，所述SOFC阴极预热单元的烟气出口连接所述SOFC阳极预热单元的烟气入口。
可选的，所述燃料电池混合发电系统处于预定的启动阶段时，所述氢气燃烧器的高温烟气出口连接所述SOFC阴极预热单元的烟气入口，所述SOFC阴极预热单元的烟气出口连接所述氮气预热单元的烟气入口。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的燃料电池混合发电系统，同时利用PEMFC和SOFC进行发电，PEMFC与SOFC分别在低温、高温下运行，可以实现氢气的梯级利用，提高氢气的燃料利用率，提高系统发电效率。此外，SOFC的尾气输送至氢气燃烧器进行燃烧，进一步提高了氢气的利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的燃料电池混合发电系统处于启动阶段的示意图。
图2为本发明实施例提供的燃料电池混合发电系统处于稳定运行阶段的示意图。
图示说明：10、PEMFC；20、SOFC；21、SOFC阳极预热单元；22、SOFC阴极预热单元；31、甲醇水溶液供应单元；32、甲醇水溶液气化单元；33、甲醇水汽重整单元；41、分离单元；42、CO优先氧化单元；43、CO2脱除单元；50、氢气燃烧器；60、空气供应单元；70、甲醇供应单元；71、甲醇供应单元；81、氮气供应单元；82、氮气预热单元。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本实施例提供了一种基于甲醇的燃料电池混合发电系统，包括预定的启动阶段和稳定运行阶段。燃料电池混合发电系统刚开始启动时，处于预定的启动阶段，当系统中的SOFC20的温度升温至600-800℃时，系统切换至稳定运行阶段。
请参考图1，图1为燃料电池混合发电系统处于启动阶段时，各部件的连接关系示意图。
燃料电池混合发电系统包括PEMFC10、SOFC20、用于对甲醇进行重整反应以获得重整气的甲醇前处理组件、用于对重整气进行分离提纯以获得氢气的氢气提纯组件、空气供应单元60和氢气燃烧器50。
甲醇前处理组件的重整气出口连接氢气提纯组件的重整气入口。氢气提纯组件的氢气出口连接PEMFC10的阳极入口，空气供应单元60连接PEMFC10的阴极入口。
其中，甲醇前处理组件包括依次连接的甲醇水溶液源、第一泵、甲醇水溶液供应单元31、甲醇水溶液气化单元32和甲醇水汽重整单元33。甲醇水溶液源将甲醇和去离子水混合获得甲醇水溶液。
氢气提纯组件包括依次连接的用于去除甲醇和水的分离单元41、CO优先氧化单元42和CO2脱除单元43。甲醇水汽重整单元33的重整气出口连接分离单元41的重整气入口，CO2脱除单元43的氢气出口连接PEMFC10的阳极入口。甲醇水溶液供应单元31可控制甲醇水溶液的流量。
燃料电池混合发电系统还包括依次连接的甲醇源、第二泵、甲醇供应单元70和甲醇供应单元71。空气供应单元60和甲醇供应单元70均连接甲醇供应单元71的气体入口。甲醇供应单元71的高温烟气出口连接甲醇水汽重整单元33、甲醇水溶液气化单元32和CO优先氧化单元42的烟气入口。甲醇供应单元70可控制甲醇的流量。
具体的，甲醇供应单元71的高温烟气出口连接甲醇水汽重整单元33的烟气入口，甲醇水汽重整单元33的烟气出口连接甲醇水溶液气化单元32的烟气入口，甲醇水溶液气化单元32的烟气出口连接CO优先氧化单元42的烟气入口，以进行梯度供热。
燃料电池混合发电系统还包括SOFC阴极预热单元22、SOFC阳极预热单元21，以及依次连接的氮气供应单元81和氮气预热单元82。空气供应单元60的空气出口连接SOFC阴极预热单元22的空气入口。
燃料电池混合发电系统处于预定的启动阶段时，PEMFC10的阴极出口和阳极出口均连接氢气燃烧器50的气体入口，氢气燃烧器50的高温烟气出口连接SOFC阴极预热单元22和氮气预热单元82的烟气入口，以提供热量。SOFC阴极预热单元22的空气出口连接SOFC20的阴极入口，氮气预热单元82的氮气出口连接SOFC20的阳极入口。
由此，利用PEMFC10的尾气中未反应的氢气和空气进行燃烧产生高温烟气，高温烟气为空气和氮气提供热量，再利用升温后的空气和氮气分别为SOFC20的阴极和阳极预热，以使SOFC20升温。
具体的，氢气燃烧器50的高温烟气出口连接SOFC阴极预热单元22的烟气入口，SOFC阴极预热单元22的烟气出口连接氮气预热单元82的烟气入口。
在燃料电池混合发电系统的启动阶段中：
1、甲醇水溶液中甲醇与水的摩尔比优选为1:1～1:3。
2、甲醇供应单元71燃烧产生高温烟气，该处的高温烟气的主要成分为CO2与水蒸气。利用该高温烟气分别为甲醇水汽重整单元33、甲醇水溶液气化单元32及CO优先氧化脱除单元进行梯级供热，梯级供热后高温烟气的温度降低成为低温烟气，低温烟气直接排空。
3、甲醇供应单元71的反应温度<850℃、压力<5bar。
4、甲醇与水蒸气在甲醇水汽重整单元33中经过重整反应后获得重整气，重整气中包括甲醇、水、CO2、氢气和CO。
5、分离单元41为板式换热器，通过水与重整气进行换热分离得到重整气中未反应的甲醇与水，分离得到的甲醇与水的温度<50℃，分离后的气体的主要组分为CO+CO2+氢气。
6、分离后的气体进入到CO优先氧化反应单元，该单元的反应温度<200℃，该反应由甲醇燃烧产生的烟气进行供热，反应后CO的浓度<10ppm。
7、经过CO优先氧化反应单元后的重整气进入CO2脱除单元43，脱除其中的CO2酸性气体，经过CO2脱除单元43后重整气中CO2浓度<100ppm。
8、经过CO2脱除单元43后制备得到高纯氢气，氢气进入PEMFC10的阳极中进行发电，反应温度为80-200℃，阳极中未反应的氢气输送至氢气燃烧器50进行燃烧，燃烧后得到的高温烟气分别为进入到SOFC20阴极的空气及阳极的氮气进行加热。其中，氢气燃烧器50的温度在850-1000℃，反应压力1-2bar。经过加热后空气的温度为700～850℃，氮气的温度为700-850℃；将加热后的空气及氮气分别输送至SOFC20的阴极和阳极，对SOFC20进行升温，待SOFC20的温度升温至600-800℃时启动过程完成，系统切入稳定运行阶段。
请参考图2，图2为燃料电池混合发电系统处于稳定运行阶段时，各部件的连接关系示意图。
燃料电池混合发电系统处于稳定运行阶段时，氮气预热单元82断开与SOFC20的阳极的连接，PEMFC10断开与氢气燃烧器50的连接，SOFC阴极预热单元22的烟气出口断开与氮气预热单元82的连接。
此时，PEMFC10的阴极出口和空气供应单元60均连接SOFC阴极预热单元22的空气入口，SOFC阴极预热单元22的空气出口连接SOFC20的阴极入口。PEMFC10的阳极出口连接SOFC阳极预热单元21的氢气入口，SOFC阳极预热单元21的氢气出口连接SOFC20的阳极入口。
SOFC20的阳极出口和阴极出口均连接氢气燃烧器50的气体入口，氢气燃烧器50的高温烟气出口连接SOFC阳极预热单元21和SOFC阴极预热单元22的烟气入口。
具体的，氢气燃烧器50的高温烟气出口连接SOFC阴极预热单元22的烟气入口，SOFC阴极预热单元22的烟气出口连接SOFC阳极预热单元21的烟气入口。
在燃料电池混合发电系统的稳定运行阶段中：
1、甲醇前处理组件和氢气提纯组件的连接未改变，氢气的获得方法和启动阶段相同，将甲醇水溶液经过汽化、重整、CO的氧化、CO2脱除等处理后获得氢气。
2、PEMFC10的阴极的未反应空气经过换热后进入SOFC20的阴极。当PEMFC10的未反应空气中的氧气的含量不足时，则由空气供应单元60进行补充供应空气，经过预热后的空气温度在500-800℃。
3、PEMFC10的阳极未反应的氢气经过预热后进入SOFC20的阳极。预热后的燃料气温度在500-800℃。
4、SOFC20发电后未反应的氢气及空气进入氢气燃烧器50，燃烧后产生的高温烟气输送至SOFC阴极预热单元22和SOFC阳极预热单元21，分别为空气和氢气进行预热。
本实施例提供的燃料电池混合发电系统具有以下有益效果：
1、PEMFC10与SOFC20分别在低温、高温下运行，可以实现氢气的梯级利用，提高氢气的燃料利用率，以及提高系统发电效率。
2、SOFC20的阳极未反应的氢气回收进行燃烧，燃烧释放的热量对输入SOFC20阴极的空气以及SOFC20阳极的氢气进行预热，可以提高能量利用效率。
3、CO的优先氧化反应温度低，可实现反应的自热维持，相比CO的甲烷化反应脱除CO可以减少能量的消耗，并且与后续PEMFC10的反应温度匹配，无需配制换热器降低气体组分的温度。
4、CO的优先氧化可以富集CO2,通过后续的CO2脱除单元43得到高纯CO2，可以对CO2进行捕集利用，减少碳的排放。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于甲醇的燃料电池混合发电系统，其特征在于，包括PEMFC、SOFC、用于对甲醇进行重整反应以获得重整气的甲醇前处理组件、用于对重整气进行分离提纯以获得氢气的氢气提纯组件、和氢气燃烧器；
所述甲醇前处理组件的重整气出口连接所述氢气提纯组件的重整气入口；所述氢气提纯组件的氢气出口连接所述PEMFC的阳极入口；
所述燃料电池混合发电系统处于预定的稳定运行阶段时，所述PEMFC的阳极出口连接所述SOFC的阳极入口，所述SOFC的阳极出口连接所述氢气燃烧器的气体入口；
所述基于甲醇的燃料电池混合发电系统还包括空气供应单元、SOFC阴极预热单元和SOFC阳极预热单元；所述空气供应单元的空气出口连接所述PEMFC的阴极入口和SOFC阴极预热单元的空气入口；
所述燃料电池混合发电系统处于预定的稳定运行阶段时，所述PEMFC的阴极出口连接所述SOFC阴极预热单元的空气入口，所述SOFC阴极预热单元的空气出口连接所述SOFC的阴极入口；
所述PEMFC的阳极出口连接所述SOFC阳极预热单元的氢气入口，所述SOFC阳极预热单元的氢气出口连接所述SOFC的阳极入口；
所述SOFC的阳极出口和阴极出口均连接所述氢气燃烧器的气体入口，所述氢气燃烧器的高温烟气出口连接所述SOFC阳极预热单元和SOFC阴极预热单元的烟气入口。
2.根据权利要求1所述的燃料电池混合发电系统，其特征在于，还包括依次连接的氮气供应单元和氮气预热单元；
所述燃料电池混合发电系统处于预定的启动阶段时，所述SOFC阴极预热单元的空气出口连接所述SOFC的阴极入口，所述氮气预热单元的氮气出口连接所述SOFC的阳极入口；
所述PEMFC的阴极出口和阳极出口均连接所述氢气燃烧器的气体入口，所述氢气燃烧器的高温烟气出口连接所述SOFC阴极预热单元和氮气预热单元的烟气入口。
3.根据权利要求1所述的燃料电池混合发电系统，其特征在于，所述甲醇前处理组件包括依次连接的甲醇水溶液供应单元、甲醇水溶液气化单元和甲醇水汽重整单元。
4.根据权利要求3所述的燃料电池混合发电系统，其特征在于，所述氢气提纯组件包括依次连接的用于去除甲醇和水的分离单元、CO优先氧化单元和CO2脱除单元；
所述甲醇水汽重整单元的重整气出口连接所述分离单元的重整气入口，所述CO2脱除单元的氢气出口连接所述PEMFC的阳极入口。
5.根据权利要求4所述的燃料电池混合发电系统，其特征在于，还包括甲醇供应单元和甲醇燃烧室；
所述空气供应单元和所述甲醇供应单元均连接所述甲醇燃烧室的气体入口；所述甲醇燃烧室的高温烟气出口连接所述甲醇水汽重整单元、甲醇水溶液气化单元和CO优先氧化单元的烟气入口。
6.根据权利要求5所述的燃料电池混合发电系统，其特征在于，所述甲醇燃烧室的高温烟气出口连接所述甲醇水汽重整单元的烟气入口，所述甲醇水汽重整单元的烟气出口连接所述甲醇水溶液气化单元的烟气入口，所述甲醇水溶液气化单元的烟气出口连接所述CO优先氧化单元的烟气入口。
7.根据权利要求2所述的燃料电池混合发电系统，其特征在于，所述燃料电池混合发电系统处于预定的稳定运行阶段时，所述氢气燃烧器的高温烟气出口连接所述SOFC阴极预热单元的烟气入口，所述SOFC阴极预热单元的烟气出口连接所述SOFC阳极预热单元的烟气入口。
8.根据权利要求2所述的燃料电池混合发电系统，其特征在于，所述燃料电池混合发电系统处于预定的启动阶段时，所述氢气燃烧器的高温烟气出口连接所述SOFC阴极预热单元的烟气入口，所述SOFC阴极预热单元的烟气出口连接所述氮气预热单元的烟气入口。
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