CN110739471A - 基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，包括：重整制氢装置和燃料电池堆，重整气输送至供热热交换器，供热热交换器向外提供热量，燃料电池堆的电能通过电能转换器输出；重整制氢装置内设置有重整电加热器和重整热交换器；重整电加热器与电能转换器连接，重整制氢装置和燃料电池堆启动所需的电力均由外来电力源提供；重整电加热器为重整制氢装置制氢提供热能；燃料电池堆输出的尾气被输送至催化加热器中或被输送至带压缩机的碳捕捉器中。本发明的优点在于：发电效率高、能源利用率高，氮氧化物和碳氧化物排放量低。

Description

基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统
技术领域
本发明涉及热电联供系统技术领域。
背景技术
热电联供系统能很好地服务于生活和生产，满足生活与生产中的照明、设备用电、采暖、热水等需求。传统的热电联供系统，有基于燃气内燃机的分布式热电联供系统、基于燃气外燃机的分布式热电联供系统、基于微型燃气轮机的分布式热电联供系统等等。但是目前的电联供系统的缺陷在于：发电效率低，二氧化碳以及有害物质如CO、NOX排放量高。
重整制氢装置是将含氢的化合物转化成含氢气的重整气。重整制氢的原料可以是天然气、汽油、柴油等烃类，也可以采用甲醇、酒精等醇类。传统的重整制氢过程中所需的热量主要通过燃料催化燃烧获得，在催化燃烧过程中有以下几种方式都会产生NOX ：一、燃烧用空气中所含的N2在高温下氧化生成； 二、碳化氢系燃料在燃烧时分解, 其分解的中间产物与空气中的N2反应而生成；三、燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中氧化所生成。因此目前的重整制氢装置也存在二氧化碳以及有害物质如CO、NOX排放量高的问题。
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，其氮氧化物以及碳氧化物的排放量低，发电供热效率高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，包括：重整制氢装置和燃料电池堆，还包括：电能转换器、催化加热器、带压缩机的碳捕捉器以及供热热交换器；
重整制氢装置输出的富含氢气的重整气输送至供热热交换器中释放热量后再输送至燃料电池堆发电使用，供热热交换器向外提供热量；燃料电池堆产生的电能通过电能转换器输出，电能转换器还与外来电力源连接；
重整制氢装置内设置有重整电加热器和重整热交换器，重整电加热器与电能转换器连接，重整制氢装置启动所需的初始电力均由外来电力源通过电能转换器提供；重整电加热器为重整制氢装置提供热能；
燃料电池堆的尾气输出端分别与催化加热器和带压缩机的碳捕捉器连接，催化加热器与带压缩机的碳捕捉器连接；燃料电池堆尾气输出端输出的尾气被输送至催化加热器中或被输送至带压缩机的碳捕捉器中；
如燃料电池堆输出的尾气被输入至催化加热器中时，尾气在催化加热器内催化放热反应产生的高温气体进入至重整器热交换器中，重整器热交换器中的释放了热能后的气体进入至带压缩机的碳捕捉器中进行碳氧化物的去除，之后从带压缩机的碳捕捉器中直接向外排出；如燃料电池堆输出的尾气被输送至带压缩机的碳捕捉器中，带压缩机的碳捕捉器对尾气进行碳氧化物去除，去除了碳氧化物的气体回送至燃料电池堆内发电使用。
进一步地，前述的基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，其中，当燃料电池堆为中温型燃料电池堆或高温型燃料电池堆时，燃料电池堆内设置有电堆电加热器和电堆热交换器，电堆电加热器与电能转换器连接，电堆电加热器为燃料电池堆启动提供初始热能；
催化加热器内催化放热反应产生的高温气体进入至重整器热交换器和/或电堆热交换器中，电堆热交换器中释放了热量的气体进入带压缩机的碳捕捉器中进行碳氧化物的去除，之后从带压缩机的碳捕捉器中直接向外排出。
更进一步地，前述的基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，其中，催化加热器上还设置有燃料输入管，用于输送至重整制氢装置中进行重整制氢反应的原料一部分通过燃料输入管输送进入至催化加热器中进行催化放热反应，催化加热器中催化放热反应产生的热量被输送至重整制氢装置和/或输送至中温型或者高温型的燃料电池电堆中。
更进一步地，前述的基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，其中，所述的外来电力源包括再生能源发电模块和电网，再生能源发电模块与电网均与电能转换器相连接，再生能源发电模块的电能通过电能转换器输出，电网与电能转换器之间能相互传递电能。
再进一步地，前述的基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，其中，再生能源发电模块与燃料电池堆的电能都还分别与电能储存器相连接，再生能源发电模块和燃料电池堆均能将电能输送至电能储存器储存；所述的电能储存器与电能转换器连接，电能储存器中的电能通过电能转换器输出。
再进一步地，前述的基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，其中，再生能源发电模块采用的再生能源包括：太阳能、太阳热能、风能、水力发电、地热能。
进一步地，前述的基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，其中，重整制氢装置与供热热交换器之间还设置有氢气纯化器，氢气纯化器用于去除富含氢气的重整气中的一氧化碳；所述的氢气纯化器与气体输送管并联设置在重整制氢装置与供热热交换器之间，重整制氢装置1输出的富含氢气的重整气能通过气体输送管直接输送至供热热交换器中、或通过氢气纯化器去除一氧化碳后再输送至供热热交换器中。
进一步地，前述的基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，其中，燃料电池堆的尾气输出端通过三通阀分别与催化加热器以及带压缩机的碳捕捉器连接。
本发明的优点是：一、整个系统基于重整制氢装置与燃料电池堆，燃料电池具有结构简单、能量密度高、环境污染小的优点。二、重整制氢装置内重整反应所需的热量由重整电加热器和重整器热交换器提供，这相较于传统的燃料燃烧供热的方式，能大大减少氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳的排放量。三、燃料电池堆尾气输出端输出的仍然含有一定量氢气的尾气经带压缩机的碳捕捉器除去二氧化碳后回送至燃料电池堆中发电使用，这使得重整反应生成的氢气得到充分利用；燃料电池堆尾气输出端输出的仍然含有一定量氢气的尾气经催化加热器催化放热反应产生高温气体，用于对重整制氢装置和/或中高温型燃料电池堆辅助供热，这也进一步充分利用了燃料电池堆尾气输出端输出的含有氢气的尾气，同时还进一步减少了氮氧化物以及碳氧化物的排放量。四、整个系统还配备外来电力源，外来电力源为整个系统启动提供初始的能量，也能在热电联供系统发生故障时，为用户提供能源保障。五、电能储存器能将过剩的电能储存，有效避免电能浪费，电能储存器中的电能可以在发生故障或者在系统供电不足等情况下使用，从而确保整个热电联供系统的供电、供热的稳定性。五、发电效率高，能源利用率高。
附图说明
图1是本发明所述的基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，包括：重整制氢装置1和燃料电池堆2，电能转换器3、催化加热器4、带压缩机的碳捕捉器5以及供热热交换器6。
重整制氢装置1是将含氢化合物转换为富含氢气的重整气的设备，重整制氢的原料可以是天然气、汽油、柴油等烃类，也可以采用甲醇、酒精等醇类。由于原料的不完全燃烧，重整制氢装置1氢气输出端输出的富含氢气的重整气中还含有一定量的CO。
燃料电池堆2是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置。燃料电池堆2的种类可根据实际需要选取，如：质子交换膜燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池、固态氧化物燃料电池等等。将重整气输送至燃料电池堆2内发电时，还需要通入相应量的空气。
电能转换器3的类别根据实际需要选择，如：直流-直流转换器、直流-交流转换器、交流-交流转换器等。
催化加热器4的工作原理是：采用催化剂，如：铂Pt、钯Pd、钌Ru、铱Ir、铈Ce等元素以及它们的混合物，催化剂沉积在氧化铝陶瓷或二氧化硅等载体上，当燃料充分接触到载体上的催化剂时，开始产生高效率解离放热反应，最终生成水以及碳氧化物。催化加热器能在不产生明火、无需外接电源的状态下发热达到加热效果，具有环保、效率高、可长时间使用、无需点火、无噪音、无烟等优点。
带压缩机的碳捕捉器5的工作原理主要分为以下两个步骤：一、通过压缩机将碳氧化物压缩至管道或容器中。二、物理方式或化学方式处理。其中物理方式可以分为吸收、吸附、薄膜分离等；物理吸收主要是利用亨利定律使二氧化碳气体于低温高压下溶于吸收液中，达到二氧化碳回收的效果，吸收液可以利用升温或减压再生；物理吸附系将二氧化碳气体通过物理吸附剂，利用吸附剂与气体之间的吸附力，如凡得瓦力，达到二氧化碳吸附，常见的吸附剂有沸石、活性碳等。化学方式则是指化学吸收。化学吸收，常用的溶剂为具醇胺官能基的碱性溶剂，利用碱性溶液与酸性气体(碳氧化物)之问的可逆化学反应，达到二氧化碳吸附的目的。
重整制氢装置1输出的富含氢气的重整气输送至供热热交换器6中释放热量后再输送至燃料电池堆2供发电使用，供热热交换器6向外提供热量。供热热交换器6可以直接将热量提供给用户13。供热热交换器6的设置，使得重整制氢装置1输出的重整气的热量得到充分利用。
本实施例中，重整制氢装置1与供热热交换器6之间还设置有氢气纯化器10，氢气纯化器10用于去除富含氢气的重整气中的一氧化碳。
氢气纯化器10通常通过钯膜分离或一氧化碳再氧化反应或一氧化碳选择性甲烷化反应或变压吸附等方式纯化氢气。
钯膜分离，由于氢气很容易透过钯膜，而其他气体则不可通过，在300℃-500℃下，把待纯化的氢气通入钯管的一侧时，氢被吸附在钯管壁上，由于钯的 4d 电子层缺少两个电子，它能与氢生成不稳定的化学键，由于钯与氢的这种反应是可逆的，在钯的作用下 氢被电离为质子其半径小于钯的晶格，故可通过钯管，在钯的作用下质子又与电子结合并重新形成氢分子，从钯管的另一侧逸出。
一氧化碳再氧化反应为放热反应，主要通过系统中的一氧化碳与氧气藉由高选择性的催化剂，如CoOx，CuO-CeO2；金属支撑体：铂，钌与铑，只让一氧化碳与氧气参与氧化反应生成二氧化碳，进而减少一氧化碳的浓度。
一氧化碳选择性甲烷化反应为放热反应，通过钌与铑等贵金属沉积在三氧化二铝等载体上，并在200℃左右温区下将含有二氧化碳及一氧化碳的环境中，选择性的让1个一氧化碳分子与3个氢气分子产生反应生成甲烷和水，进一步减少一氧化碳浓度。
变压吸附(PSA)为利用不同吸附剂对不同气体分子“吸附”性能的差异，吸附速度与吸附量的不同，以及吸附剂对混合气体中各组份的吸附容量随压力变化而改变的物理特性，从而将气体混合物分开。
所述的氢气纯化器10与气体输送管14并联设置在重整制氢装置1与供热热交换器6之间，重整制氢装置1输出的富含氢气的重整气能通过气体输送管14直接输送至供热热交换器6中、或通过氢气纯化器10去除一氧化碳后再输送至供热热交换器6中。供热热交换器6中释放热量后的重整气再输送至燃料电池堆2发电使用。在实际发电工作过程中，当燃料电池堆2对重整气中的氢气的纯度需要比较高时，重整气则需要先经氢气纯化器10进行CO去除处理。氢气纯化器10的设置能有效提高燃料电池堆2的工作效率，从而提高发电效率。
重整制氢装置1内设置有重整电加热器11和重整热交换器12，重整电加热器11与电能转换器3连接，重整制氢装置1启动所需的初始电力均由外来电力源通过电能转换器3提供；重整电加热器11为重整制氢装置1制氢提供热能。
燃料电池堆2产生的电能通过电能转换器3输出。电能转换器3输出的电能提供给用户13。所述的电能转换器3还与外来电力源连接。本实施例中，所述的外来电力源包括再生能源发电模块7和电网8。再生能源发电模块7采用的再生能源包括：太阳能、太阳热能、风能、水力发电、地热能。具体的再生能源的类型可以根据实际情况选择。
再生能源发电模块7与电网8均与电能转换器3相连接，再生能源发电模块7的电能通过电能转换器3输出，电网8与电能转换器3之间能相互传递电能。再生能源发电模块7与燃料电池堆2的电能都还分别与电能储存器9相连接，再生能源发电模块7和燃料电池堆2均能将电能输送至电能储存器9储存；所述的电能储存器9与电能转换器3连接，电能储存器9中的电能通过电能转换器3输出。再生能源发电模块7和燃料电池堆2的电能除去用户13以及整个系统自用以外，如有多余都可以储存在电能储存器9中。外来电力源，尤其是再生能源发电模块7，为整个系统的启动提供初始的能量，包括电能和热能，采用再生能源发电模块7节能环保无污染。
燃料电池堆2的尾气输出端分别与催化加热器4和带压缩机的碳捕捉器5连接。本实施例中，燃料电池堆2的尾气输出端通过三通阀23分别与催化加热器4与带压缩机的碳捕捉器5连接。催化加热器4与带压缩机的碳捕捉器5连接。燃料电池堆2尾气输出端输出的尾气被输送至催化加热器4中或被输送至带压缩机的碳捕捉器5中。
如燃料电池堆2输出的尾气被输入至催化加热器4中时，尾气在催化加热器4内催化放热反应产生的高温气体进入至重整器热交换器12中，重整器热交换器12中的释放了热能后的气体进入至带压缩机的碳捕捉器5中进行碳氧化物的去除，之后从带压缩机的碳捕捉器5中直接向外排出。如燃料电池堆2输出的尾气被输送至带压缩机的碳捕捉器5中，带压缩机的碳捕捉器5对尾气进行碳氧化物去除，去除了碳氧化物的气体回送至燃料电池堆2内发电使用。由于燃料电池堆2输出的尾气中仍然含有一定量的氢气，将移除了二氧化碳的、仍然含有一定量氢气的尾气回送至燃料电池堆2内发电使用，这能充分利用重整制氢装置1重整反应制出的氢气，从而也进一步节约能源。
燃料电池堆2根据工作温度高低通常分为低温型燃料电池堆、中温型燃料电池堆、高温型燃料电池堆。当燃料电池堆2为低温型燃料电池堆时，由于其可以在相对较低的温度下进行工作，因此无需额外提供热能。当燃料电池堆2为中温型燃料电池堆或高温型燃料电池堆时，燃料电池堆2内设置有电堆电加热器21和电堆热交换器22，电堆电加热器21与电能转换器3连接，电堆电加热器21为燃料电池堆2启动提供初始热能。催化加热器4内催化放热反应产生的高温气体进入至重整器热交换器12和/或者电堆热交换器22中，电堆热交换器22中释放了热量的气体进入带压缩机的碳捕捉器5中进行碳氧化物的去除，之后从带压缩机的碳捕捉器5中直接向外排出。即：当燃料电池堆2为中温型燃料电池堆或高温型燃料电池堆时，燃料电池堆2启动或工作需要的热能可以由电堆电加热器21和电堆热交换器22提供。
催化加热器4上还设置有燃料输入管41，用于输送至重整制氢装置1中进行重整制氢反应的原料一部分通过燃料输入管41输送进入至催化加热器4中进行催化放热反应，催化加热器4中催化放热反应产生的热量被输送至重整制氢装置1中和/或输送至中温型或者高温型的燃料电池电堆中。热量的传递可以根基实际需要采用适合的换热器，释放热量后的气体都经过带压缩机的碳捕捉器进行二氧化碳去除后再向外排出。将进行重整制氢反应原料的一部分通过燃料输入管41输送进入至催化加热器4中进行催化反应发热，其目的在于：确保催化加热器4能够提供足够的热量，从而为系统中的重整制氢装置1或者为中温型或高温型的燃料电池堆2的高效工作作好充分保障。
本发明的优点在于：一、整个系统基于重整制氢装置1与燃料电池堆，燃料电池具有结构简单、能量密度高、环境污染小的优点。二、重整制氢装置1内重整反应所需的热量由重整电加热器11和重整器热交换器12提供，这相较于传统的燃料燃烧供热的方式，能大大减少氮氧化物、一氧化碳、二氧化碳的排放量。三、燃料电池堆2尾气输出端输出的仍然含有一定量氢气的尾气经带压缩机的碳捕捉器5除去二氧化碳后回送至燃料电池堆2中发电使用，这使得重整反应生成的氢气得到充分利用；燃料电池堆2尾气输出端输出的仍然含有一定量氢气的尾气经催化加热器催化放热反应产生高温气体，用于对重整制氢装置1和/或中高温型燃料电池堆2辅助供热，这也进一步充分利用了燃料电池堆2尾气输出端输出的含有氢气的尾气，同时还进一步减少了氮氧化物以及碳氧化物的排放量。四、整个系统还配备外来电力源，外来电力源为整个系统启动提供初始的能量，也能在热电联供系统发生故障时，为用户提供能源保障。五、电能储存器9能将过剩的电能储存，有效避免电能浪费，电能储存器9中的电能可以在发生故障或者在系统供电不足等情况下使用，从而确保整个热电联供系统的供电、供热的稳定性。五、发电效率高，能源利用率高。

Claims (8)

1.基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，包括：重整制氢装置和燃料电池堆，其特征在于：还包括：电能转换器、催化加热器、带压缩机的碳捕捉器以及供热热交换器；
重整制氢装置输出的富含氢气的重整气输送至供热热交换器中释放热量后再输送至燃料电池堆发电使用，供热热交换器向外提供热量；燃料电池堆产生的电能通过电能转换器输出，电能转换器还与外来电力源连接；
重整制氢装置内设置有重整电加热器和重整热交换器，重整电加热器与电能转换器连接，重整制氢装置启动所需的初始电力均由外来电力源通过电能转换器提供；重整电加热器为重整制氢装置提供热能；
燃料电池堆的尾气输出端分别与催化加热器和带压缩机的碳捕捉器连接，催化加热器与带压缩机的碳捕捉器连接；燃料电池堆尾气输出端输出的尾气被输送至催化加热器中或被输送至带压缩机的碳捕捉器中；
如燃料电池堆输出的尾气被输入至催化加热器中时，尾气在催化加热器内催化放热反应产生的高温气体进入至重整器热交换器中，重整器热交换器中的释放了热能后的气体进入至带压缩机的碳捕捉器中进行碳氧化物的去除，之后从带压缩机的碳捕捉器中直接向外排出；如燃料电池堆输出的尾气被输送至带压缩机的碳捕捉器中，带压缩机的碳捕捉器对尾气进行碳氧化物去除，去除了碳氧化物的气体回送至燃料电池堆内发电使用。
2.根据权利要求1所述的基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，其特征在于：当燃料电池堆为中温型燃料电池堆或高温型燃料电池堆时，燃料电池堆内设置有电堆电加热器和电堆热交换器，电堆电加热器与电能转换器连接，电堆电加热器为燃料电池堆启动提供初始热能；
催化加热器内催化放热反应产生的高温气体进入至重整器热交换器和/或电堆热交换器中，电堆热交换器中释放了热量的气体进入带压缩机的碳捕捉器中进行碳氧化物的去除，之后从带压缩机的碳捕捉器中直接向外排出。
3.根据权利要求2所述的基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，其特征在于：催化加热器上还设置有燃料输入管，用于输送至重整制氢装置中进行重整制氢反应的原料一部分通过燃料输入管输送进入至催化加热器中进行催化放热反应，催化加热器中催化放热反应产生的热量被输送至重整制氢装置和/或输送至中温型或者高温型的燃料电池电堆中。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，其特征在于：所述的外来电力源包括再生能源发电模块和电网，再生能源发电模块与电网均与电能转换器相连接，再生能源发电模块的电能通过电能转换器输出，电网与电能转换器之间能相互传递电能。
5.根据权利要求4所述的基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，其特征在于：再生能源发电模块与燃料电池堆的电能都还分别与电能储存器相连接，再生能源发电模块和燃料电池堆均能将电能输送至电能储存器储存；所述的电能储存器与电能转换器连接，电能储存器中的电能通过电能转换器输出。
6.根据权利要求4所述的基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，其特征在于：再生能源发电模块采用的再生能源包括：太阳能、太阳热能、风能、水力发电、地热能。
7.根据权利要求1或2或3所述的基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，其特征在于：重整制氢装置与供热热交换器之间还设置有氢气纯化器，氢气纯化器用于去除富含氢气的重整气中的一氧化碳；所述的氢气纯化器与气体输送管并联设置在重整制氢装置与供热热交换器之间，重整制氢装置输出的富含氢气的重整气能通过气体输送管直接输送至供热热交换器中、或通过氢气纯化器去除一氧化碳后再输送至供热热交换器中。
8.根据权利要求1或2或3所述的基于重整制氢装置与燃料电池的热电联供系统，其特征在于：燃料电池堆的尾气输出端通过三通阀分别与催化加热器以及带压缩机的碳捕捉器连接。
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