CN111924802A - 质子交换膜燃料电池的co2及余热回收系统及回收方法 - Google Patents

质子交换膜燃料电池的co2及余热回收系统及回收方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111924802A
CN111924802A CN202010802581.6A CN202010802581A CN111924802A CN 111924802 A CN111924802 A CN 111924802A CN 202010802581 A CN202010802581 A CN 202010802581A CN 111924802 A CN111924802 A CN 111924802A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pipeline
heat exchanger
waste heat
water
hydrogen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010802581.6A
Other languages
English (en)
Inventor
杨迎霞
张永宾
迟静
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong Yanhuang Industrial Design Co ltd
Original Assignee
Shandong Yanhuang Industrial Design Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong Yanhuang Industrial Design Co ltd filed Critical Shandong Yanhuang Industrial Design Co ltd
Priority to CN202010802581.6A priority Critical patent/CN111924802A/zh
Publication of CN111924802A publication Critical patent/CN111924802A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/06—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents
    • C01B3/12—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of inorganic compounds containing electro-positively bound hydrogen, e.g. water, acids, bases, ammonia, with inorganic reducing agents by reaction of water vapour with carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/50—Carbon dioxide
    • C01B32/55—Solidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618—Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H01M8/0668—Removal of carbon monoxide or carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0211—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a non-catalytic reforming step
    • C01B2203/0216—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a non-catalytic reforming step containing a non-catalytic steam reforming step
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines

Abstract

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池的CO2及余热回收系统和回收方法，所述回收系统包括：制氢系统、分离系统、发电系统、CO2回收系统、余热回收系统；相变储热水箱中的相变储热管采用螺旋状的薄壁铜管材料，增大了水箱内的水与相变材料的储热面积，加强了换热效果；回收制氢过程中产生的CO2和高效利用PEMFC发电过程中产生的余热，提高燃料电池系统的能量利用效率，通过采用CO2回收制备干冰装置，有效的回收再利用了制氢过程中产生的CO2，并制备出了可家用、可销售的干冰，实现了资源的有效利用。

Description

质子交换膜燃料电池的CO2及余热回收系统及回收方法
技术领域
本发明涉及热电联供技术领域，尤其涉及质子交换膜燃料电池的CO2及余热回收系统及回收方法。
背景技术
2019年《政府工作报告》明确提出“推动充电、加氢等设施建设”，这是氢能源首次被写进《政府工作报告》，意味着氢燃料电池等氢能源领域有很大的发展前景。质子交换膜燃料电池(PEMFC)作为一种清洁、高效的绿色环保电源，其发电过程不涉及氢氧燃烧，不受卡诺循环的限制，能量转换率高,发电时不产生污染，可以有效降低CO2排放，也符合节能减排的目的。PEMFC 的应用对于缓解环境污染和能源危机都具有十分重大的战略意义。
PEMFC发电过程中产生的水所带的热量是低品位热量，如何有效利用其产生的热量，是提高PEMFC系统热效率的关键因素之一，基于PEMFC的家用热电联产系统(PEMFC-CHP)正是解决方案之一，但仍然存在两大关键问题，第一个关键问题在于PEMFC发电过程需要纯度很高的氢气，而制氢过程中会产生大量CO2，若未经回收，一方面会造成大气污染，一方面会影响PEMFC质子交换膜的性能，降低电池的转换效率及寿命。另一个关键问题在于如何更高效的回收PEMFC发电过程中产生的余热，提高燃料电池系统的能量利用效率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明实施例的目的在于提出了一种质子交换膜燃料电池的CO2及余热回收方法及系统和装置，旨在回收制氢过程中产生的CO2和高效利用PEMFC发电过程中产生的余热，提高燃料电池系统的能量利用效率。
具体技术方案如下：
质子交换膜燃料电池的CO2及余热回收系统，所述回收系统包括：制氢系统、分离系统、发电系统、CO2回收系统、余热回收系统；
所述制氢系统通过管道分别与分离系统、余热回收系统相连，所述分离系统通过管道分别与CO2回收系统、发电系统、余热回收系统相连；
所述制氢系统由燃烧器(BUNNER1)、自热重整装置(ATR)、高低温CO 变换反应器(HTS；LTS)、CO优先氧化反应器(PROX)、换热器(EX1、EX2、 EX3)组成，目的是将家用液化石油气经过一系列反应得到富氢气体，所述燃烧器与家用液化石油气(LPG)、空气(AIR1)通过进气管道相连，燃烧器的出气管道与自热重整装置相连，冷却水(WATER1)通过管道与自热重整装置相连，所述自热重整装置的出气管道与高温CO变换反应器(HTS)相连，所述高温CO变换反应器通过管道与换热器(EX1)相连，所述换热器(EX1)的通过管道与低温CO变换反应器(LTS)相连，所述低温CO变换反应器通过管道与换热器(EX2)相连，所述换热器(EX2)的通过管道与CO优先氧化反应器(PROX)相连，所述CO优先氧化反应器(PROX)的通过管道与换热器(EX3) 相连；
所述分离系统由分离装置(SEP)组成，所述分离装置(SEP)的前端通过管道与所述换热器(EX3)相连，所述分离装置(SEP)的后端通过管道分别与所述发电系统和所述CO2回收系统中相连；
所述分离装置由盛放的NaOH溶液模块、干燥氢气的浓硫酸模块、盛放稀盐酸的模块以及干燥二氧化碳气体的浓硫酸模块组成；
所述发电系统包括质子交换膜燃料电池(PEMFC)组成，其进气管道与所述分离装置相连，反应产生的水(WATER2)与余热回收系统中的装置通过管道相连；
所述CO2回收系统由压缩机(COMPR1、COMPR2)、水冷器(EX4、EX5)、除燥器(CLEANER)、净化器(DRYER)、换热器(EX6)、干冰机(DIM)组成，所述压缩机(COMPR1)进气管道与分离装置出气管道相连，所述压缩机(COMPR1)出气管道与换热器(EX4)相连，所述换热器(EX4)出气管道与压缩机(COMPR2)相连，所述压缩机(COMPR2)出气管道与换热器(EX5)相连，所述水冷器(EX5)出气管道与除燥器(CLEANER)相连，所述除燥器 (CLEANER)出气管道与干燥器(DRYER)相连，所述干燥器(DRYER)出气管道与换热器(EX6)相连，换热器(EX6)出气管道与干冰机(DIM)相连；
所述余热回收系统包括普通水箱(TANK)，所述普通水箱(TANK)的输入管道与所述制氢系统中的自热重整装置(ATR)、高低温CO变换反应器(HTS； LTS)、CO优先氧化反应器(PROX)的输出管道相连，所述普通水箱(TANK) 的输出管道与换热器(EX7)相连；
所述余热回收系统还包括燃烧器(BUNNER2)，所述燃烧器(BUNNER2) 的输入管道与发电系统的质子交换膜燃料电池(PEMFC)相连，所述燃烧器 (BUNNER2)的输出管道与相变储热管(PIPE)相连，所述相变储热管(PIPE) 的输出管道与换热器(EX7)相连，换热器(EX7)的输出管道与换热器(EX8) 相连，换热器(EX8)的输出管道与相变储热水箱相连；
质子交换膜燃料电池CO2回收及余热回收方法，包括以下步骤：
CO2及H2回收方法：
S100，将液化石油气(LPG)和空气通入燃烧器(BUNNER)燃烧，得到燃烧气体；
S200，将S100得到的燃烧气体和水通入自热重整装置(ATR)，把LPG转换为富含氢气的合成气；
S300，将富氢合成气通过高低温CO变换反应器(HTS；LTS)、CO优先氧化反应器(PROX)，降低CO浓度到10ppm以下；
S400，把经过S200、S300反应产生的混合气通入分离装置，得到干燥的氢气和干燥的二氧化碳气体，将氢气通入PEMFC发电装置，将二氧化碳气体通入压缩机(COMPRL1)及换热器(EX6)，然后经过压缩机(COMPRL2)以及换热器(EX5)、除燥器(CLEANER)、干燥器(DRYER)得到具有一定压力的干燥且纯净的二氧化碳气体；
S500，将步骤S400中得到的具有一定压力的干燥且纯净的二氧化碳气体通入换热器(EX6)，得到液态二氧化碳；
S600，将液态二氧化碳通入干冰机(DIM)进行减压降温，到达相变临界点的二氧化碳形成雪花状的固体的二氧化碳即干冰；
余热回收方法：
SS100，将PEMFC发电过程产生的水(water2)通过燃烧器(BUNNER2)加热；
SS200，将加热后的水通过相变储热管道(PIPE)进入换热器(EX7)；经过 S200、S300反应过程的水(water5、6、7、8)通过水箱(TANK)混合后也进入换热器(EX7)，混合后通过换热器(EX8)导入至相变储热水箱；
SS300，相变储热水箱的水可供家庭日常生活热水使用。
优选的，所述分离装置由盛放的NaOH溶液模块、干燥氢气的浓硫酸模块、盛放稀盐酸的模块以及干燥二氧化碳气体的浓硫酸模块组成。
优选的，步骤S400中得到的干燥且有压力的CO2气体通过换热器(EX6)冷凝，获得压力为11.1-11.5bar，温度为(-27)-(-23)℃的液态CO2。
优选的，所述余热回收系统中的相变储热管道(PIPE)采用的是相变温度在 50℃-60℃的石蜡材料；
优选的，所述余热回收系统中的相变储热水箱采用相变温度在50℃-60℃的石蜡材料，将石蜡材料用细长的螺旋状薄壁铜管封装，横置于保温水箱内，保温水箱内置弹簧卡扣机构。
有益效果：
1.本发明提出了一种质子交换膜燃料电池热电联产过程中的CO2回收系统，通过采用CO2回收制备干冰装置，有效的回收再利用了制氢过程中产生的 CO2，并制备出了可家用、可销售的干冰。
2.CO2回收方法及装置的目的是为了利用回收装置回收制氢系统中的CO2方以便制备干冰。一方面，可以起到延长质子交换膜燃料电池工作寿命(若富氢气体含有CO2会降低PEMFC的使用寿命)，另一方面，回收CO2制备的干冰，可供家庭洗车、聚会或者售卖使用，提高家庭经济效益。
3.余热回收方法及装置的目的是为了利用回收装置回收制氢过程与发电过程中产生的含有余热的产物水，一方面，可供家庭日常热水使用，另一方面，减少了整个系统与环境之间的能量损失，提高经济效益；余热回收方法及装置主要包括加热器、管道和相变储热水箱；其中相变储热水箱中的相变储热管采用螺旋状的薄壁铜管材料，增大了水箱内的水与相变材料的储热面积，加强了换热效果，供给了家庭生活用热水，实用性很强。相变储热水箱端盖与壳体之间采用螺纹结构，方便端盖的旋出，以便更换螺旋相变储热管内的相变材料。
4.在进行氢气和二氧化碳回收时，经过高温CO变换反应器(HTS)、低温CO变换反应器(LTS)和CO氧化优先反应器(PROX)装置所得混合气为高纯度氢气及CO2合成气，通过分离装置(SEP)分离CO2保证通入PEMFC的气体为干燥的高纯氢气。
5.经济效益：
1)从余热回收方法及装置来说，市面上常规的PEMFC热效率约为30％，经过氢气化学能转换热能计算，该系统使用1/3kg氢气可以加热60L水升温 45℃，假设使用该PEMFC-CHP系统用户为一个四口之家，主要热水用途为晚上洗澡和早上洗漱，因此使用市面上常规的电热水器的60L储热水箱即可，查阅资料可知，某品牌电热水器常规60L储热水箱在24小时内降低温度20 ℃(仅夏季)，而使用相变储热水箱，经过24小时后，水温只降低了10摄氏度(全年)，温差Δt＝10℃。
设该四口之家使用该系统一天与使用常规热水器一天之间节省的能量为n，一年节省的能量为Q,则利用公式Q＝cmΔt，可以算出该四口之家一天能够节省的能量为
Figure BDA0002627929310000061
一年节省的能量为Q＝365天×n＝365×2520KJ＝919800KJ；
但是由于常规电热水器只考虑了夏季降温，因此该PEMFC-CHP系统相变储热水箱与常规电热水器储热水箱实际温差会大于10摄氏度，因此可以省更多的电能，如果考虑一个小区，一个地区，那么该系统节省的电能非常可观。
另一方面，设原来的PEMFC能量利用率为η1该系统的能量利用率为η2，则有：
Figure BDA0002627929310000062
Figure BDA0002627929310000063
比较可得，使用该系统能量的利用率从50％提高到了74％，增加了24个百分点，节省能量约为24％×143000KJ＝34320KJ，即使用1/3kg氢气，该系统能量利用率提高了24％，节约了34320KJ的能量，产物无污染，减少了碳排放，热量得到了高效的利用，具有广阔的市场前景。
2)从CO2回收方法及装置来说，根据制氢工艺的化学式(如图5所示) 制备1/3kg氢气同时产生了约0.41kg二氧化碳，由于分离装置、两级压缩及换热装置、净化器、干燥器、干冰机都不会使CO2气体含量减少，因此经过 CO2回收装置可产生干冰也约为0.41kg，市面上干冰价格约为6-12元/kg，约产生经济效益2.46-4.92元；
市售液化石油气110元15kg，则每kg液化石油气价格约为7.3元，查阅资料，1kg液化石油气约可产生1/4kg氢气，0.3075kg CO2气体，产生经济效益1.845-3.69元，节省了约26％-50％。综上所述，该发明通过上述创新点，都增加了能量利用率和经济效益。
附图说明
图1：一种质子交换膜燃料电池池热电联产过程中CO2回收系统和装置的流程图；
图2：一种质子交换膜燃料电池池热电联产过程中余热回收系统和装置的流程图；
图3：一种质子交换膜燃料电池池热电联产过程中CO2、余热回收和装置的AspenPlus模拟图；
图4：相变储热水箱的结构示意图；
其中，1是相变储热水箱的壳体，2是相变储热水箱的内胆，3是保温材料，4是相变储热水箱的出水管，5是相变储热水箱的进水管，6是相变储热水箱的端盖，7是端盖的螺纹结构，8是螺旋储热管，9是热水；
图5：制氢工艺的化学式；
图6：总系统连接图；
图7：制氢系统装置连接图；
图8：分离系统连接图；
图9：发电系统连接图；
图10：二氧化碳回收系统连接图；
图11：余热回收系统连接图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明进行详细清楚的描述。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中，如图1、图2所示，一种质子交换膜燃料电池热电联产过程中的CO2回收及余热回收方法，包括步骤:
CO2及H2回收方法：
S100，将液化石油气(LPG)和空气通入燃烧器(BUNNER)燃烧，得到燃烧气体；
S200，将S100得到的燃烧气体和水通入自热重整装置(ATR)，把LPG 转换为富含氢气的合成气；
S300，将富氢合成气通过高低温CO变换反应器(HTS；LTS)、CO优先氧化反应器(PROX)，降低CO浓度到10ppm以下；
S400，把经过S200、S300反应产生的混合气通入分离装置，得到干燥的氢气和干燥的二氧化碳气体，将氢气通入PEMFC发电装置，将二氧化碳气体通入压缩机(COMPRL1)及换热器(EX6)，然后经过压缩机(COMPRL2)以及换热器(EX5)、除燥器(CLEANER)、干燥器(DRYER)得到具有一定压力的干燥且纯净的二氧化碳气体；
S500，将步骤S400中得到的具有一定压力的干燥且纯净的二氧化碳气体通入换热器(EX6)，得到液态二氧化碳；
S600，将液态二氧化碳通入干冰机(DIM)进行减压降温，到达相变临界点的二氧化碳形成雪花状的固体的二氧化碳即干冰；
余热回收方法：
SS100，将PEMFC发电过程产生的水(water2)通过燃烧器(BUNNER2) 加热；
SS200，将加热后的水通过相变储热管道(PIPE)进入换热器(EX7)；经过S200、S300反应过程的水(water5、6、7、8)通过水箱(TANK)混合后也进入换热器(EX7)，混合后通过换热器(EX8)导入至相变储热水箱；
SS300，相变储热水箱的水可供家庭日常生活热水使用。
其中，液化石油气(LPG)通入到燃烧器(BURNER)和自热重整装置(ATR) 中，发生的主要反应为：
C3H8+5O2→3CO2+4H2O
Figure BDA0002627929310000091
C3H8+3H2O→3CO+7H2
C3H8+6H2O→3CO2+10H2
Figure BDA0002627929310000092
C4H10+2O2→4CO+5H2
C4H10+4H2O→4CO+9H2
C4H10+8H2→4CO2+13H2；
富氢合成气通过高低温CO变换反应器(HTS；LTS)、CO优先氧化反应器 (PROX)，发生的主要反应为：
CO+H2O→CO2+H2
CO+H2+O2→CO2+H2O；
分离装置的原理是利用装置内盛放氢氧化钠溶液的模块来吸收富氢合成气内的二氧化碳，从而导出氢气，再将氢气通入装置内部盛放浓硫酸溶液的模块干燥，得到干燥的氢气，将盛放氢氧化钠溶液的模块中的液体导入盛放稀盐酸的模块中，盐酸和碳酸钠反应生成二氧化碳，再继续通过另一盛放浓硫酸的模块，得到干燥的二氧化碳气体；
干燥的二氧化碳气体需要通过两级压缩及换热装置，再经过除燥器和干燥器才能得到具有一定压力的干燥且纯净的二氧化碳气体，为避免CO2冷凝过程中气体的凝华，干燥且有压力的CO2气体需通过换热器(EX6)冷凝来获得压力11.1-11.5bar，温度为(-27)-(-23)℃的液态CO2，再导入干冰制备机进行进一步减压降温，即可形成雪花状固体CO2即干冰；
PEMFC发电过程中产出的水(water2)温度较低，达不到家庭用热水标准，仍需通过加热装置加热后再进行换热才能导入相变储热水箱供家庭热水使用，而经过S200、S300反应过程的水(water5、6、7、8)温度较高，可以直接进行换热导入相变储热水箱供家庭热水使用；
为了更好的说明一种质子交换膜燃料电池热电联产过程中的CO2回收、余热回收方法及系统和装置的原理，使用Aspen Plus绘制了整个流程图，如图 3所示，其中，BUNNER1、ATR、HTS、EX1、LTS、EX2、PROX、EX3、SEP为制氢系统装置，S1-S8为产品流，S8为富氢合成气；COMR1、EX4、COMPR2、EX5、 CLEANER、DRYER、EX6、DIM为CO2回收系统装置，CO1-CO8都是CO2产品，DRYICE 为干冰产品，可供家庭干冰使用；PEMFC为发电系统，制备产生的电(ELECTRIC) 可供家庭电力使用,产生的水(water2)可导入余热回收系统供家庭生活热水使用；BURNER2、PIPE、TANK、EX7、EX8为余热回收系统装置，water2-water10 皆为产品水，通过换热装置EX8后可导入相变储热水箱供家庭热水使用；
相变储热水箱的结构示意图如图4所示，其中，1是相变储热水箱的壳体， 2是相变储热水箱的内胆，3是相变储热水箱壳体1与内胆2之间的保温材料，采用石棉材料，4是相变储热水箱的出水管，5是相变储热水箱的进水管，6 是相变储热水箱的端盖，7是端盖的螺纹结构，8是螺旋储热管，内置相变材料，9是热水；
当PEMFC发电系统和制氢系统过程产生的水经过加热、换热后通过进水管3注入相变储热水箱内胆2中，内置相变材料的螺旋储热管8以及壳体1 和内胆2之间的保温材料3均可以减少热水9与环境之间的自然散热，起到节能减排的作用；
进一步的，螺旋储热管8采用螺旋状的薄壁铜管材料，增大了相变材料与热水的换热面积，其内封装的相变材料采用相变温度在50℃-60℃的石蜡材料，其工作原理是当白天温度较高时，质子交换膜燃料电池热电联产过程中余热回收的热水温度大约在70℃左右，这个温度高于相变材料石蜡的相变温度，石蜡吸收水的热量融化储热；当夜晚温度较低时，系统与环境的散热增大，水温低于石蜡相变温度时，石蜡凝固放热加热水箱中的水，因此石蜡融化和凝固的过程就对水箱内的水温起到了一个“削峰填谷”的作用，减少了整个系统的散热损失，提高了质子交换膜燃料电池热电联产过程系统的热量利用率；
螺旋储热管8镶嵌在端盖6上，端盖6上的螺纹结构7都是为了便于更换相变材料，保证相变储热水箱的性能。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.质子交换膜燃料电池的CO2及余热回收系统，其特征在于，所述回收系统包括：制氢系统、分离系统、发电系统、CO2回收系统、余热回收系统；
所述制氢系统通过管道分别与分离系统、余热回收系统相连，所述分离系统通过管道分别与CO2回收系统、发电系统、余热回收系统相连；
所述制氢系统由燃烧器（BUNNER1）、自热重整装置（ATR）、高低温CO变换反应器（HTS；LTS）、CO优先氧化反应器（PROX）、换热器（EX1、EX2、EX3）组成，目的是将家用液化石油气经过一系列反应得到富氢气体，所述燃烧器与家用液化石油气（LPG）、空气（AIR1）通过进气管道相连，燃烧器的出气管道与自热重整装置相连，冷却水（WATER1）通过管道与自热重整装置相连，所述自热重整装置的出气管道与高温CO变换反应器（HTS）相连，所述高温CO变换反应器通过管道与换热器（EX1）相连，所述换热器（EX1）的通过管道与低温CO变换反应器（LTS）相连，所述低温CO变换反应器通过管道与换热器（EX2）相连，所述换热器（EX2）的通过管道与CO优先氧化反应器（PROX）相连，所述CO优先氧化反应器（PROX）的通过管道与换热器（EX3）相连；
所述分离系统由分离装置（SEP）组成，所述分离装置（SEP）的前端通过管道与所述换热器（EX3）相连，所述分离装置（SEP）的后端通过管道分别与所述发电系统和所述CO2回收系统中相连；
所述分离装置由盛放的NaOH溶液模块、干燥氢气的浓硫酸模块、盛放稀盐酸的模块以及干燥二氧化碳气体的浓硫酸模块组成；
所述发电系统包括质子交换膜燃料电池（PEMFC）组成，其进气管道与所述分离装置相连，反应产生的水（WATER2）与余热回收系统中的装置通过管道相连；
所述CO2回收系统由压缩机（COMPR1、COMPR2）、水冷器（EX4、EX5）、除燥器（CLEANER）、净化器（DRYER）、换热器（EX6）、干冰机（DIM）组成，所述压缩机（COMPR1）进气管道与分离装置出气管道相连，所述压缩机（COMPR1）出气管道与换热器（EX4）相连，所述换热器（EX4）出气管道与压缩机（COMPR2）相连，所述压缩机（COMPR2）出气管道与换热器（EX5）相连，所述水冷器（EX5）出气管道与除燥器（CLEANER）相连，所述除燥器（CLEANER）出气管道与干燥器(DRYER)相连，所述干燥器(DRYER)出气管道与换热器（EX6）相连，换热器（EX6）出气管道与干冰机（DIM）相连；
所述余热回收系统包括普通水箱（TANK），所述普通水箱（TANK）的输入管道与所述制氢系统中的自热重整装置（ATR）、高低温CO变换反应器（HTS；LTS）、CO优先氧化反应器（PROX）的输出管道相连，所述普通水箱（TANK）的输出管道与换热器（EX7）相连；
所述余热回收系统还包括燃烧器（BUNNER2），所述燃烧器（BUNNER2）的输入管道与发电系统的质子交换膜燃料电池（PEMFC）相连，所述燃烧器（BUNNER2）的输出管道与相变储热管（PIPE）相连，所述相变储热管（PIPE）的输出管道与换热器（EX7）相连，换热器（EX7）的输出管道与换热器（EX8）相连，换热器（EX8）的输出管道与相变储热水箱相连。
2.一种质子交换膜燃料电池CO2回收及余热回收方法，其特征在于，包括以下步骤：
CO2及H2回收方法：
S100，将液化石油气（LPG）和空气通入燃烧器（BUNNER）燃烧，得到燃烧气体；
S200，将S100得到的燃烧气体和水通入自热重整装置（ATR），把LPG转换为富含氢气的合成气；
S300，将富氢合成气通过高低温CO变换反应器（HTS；LTS）、CO优先氧化反应器（PROX），降低CO浓度到10ppm以下；
S400，把经过S200、S300反应产生的混合气通入分离装置，得到干燥的氢气和干燥的二氧化碳气体，将氢气通入PEMFC发电装置，将二氧化碳气体通入压缩机（COMPRL1）及换热器（EX6），然后经过压缩机（COMPRL2）以及换热器（EX5）、除燥器（CLEANER）、干燥器（DRYER）得到具有一定压力的干燥且纯净的二氧化碳气体；
S500，将步骤S400中得到的具有一定压力的干燥且纯净的二氧化碳气体通入换热器（EX6），得到液态二氧化碳；
S600，将液态二氧化碳通入干冰机（DIM）进行减压降温，到达相变临界点的二氧化碳形成雪花状的固体的二氧化碳即干冰；
余热回收方法：
SS100，将 PEMFC发电过程产生的水（water2）通过燃烧器（BUNNER2）加热；
SS200，将加热后的水通过相变储热管道（PIPE）进入换热器（EX7）；经过S200、S300反应过程的水（water5、6、7、8）通过水箱（TANK）混合后也进入换热器（EX7），混合后通过换热器（EX8）导入至相变储热水箱；
SS300，相变储热水箱的水可供家庭日常生活热水使用。
3.如权利要求2所述的质子交换膜燃料电池CO2回收及余热回收方法，其特征在于，所述分离装置由盛放的NaOH溶液模块、干燥氢气的浓硫酸模块、盛放稀盐酸的模块以及干燥二氧化碳气体的浓硫酸模块组成。
4.如权利要求2所述的质子交换膜燃料电池CO2回收及余热回收方法，其特征在于，步骤S400中得到的干燥且有压力的CO2气体通过换热器(EX6)冷凝，获得压力为11.1-11.5 bar，温度为（-27）-（-23）℃的液态CO2。
5.如权利要求2所述的质子交换膜燃料电池CO2回收及余热回收方法，其特征在于，所述余热回收系统中的相变储热管道（PIPE）采用的是相变温度在50℃-60℃的石蜡材料。
6.如权利要求2所述的质子交换膜燃料电池CO2回收及余热回收方法，其特征在于，所述余热回收系统中的相变储热水箱采用相变温度在50℃-60℃的石蜡材料，将石蜡材料用细长的螺旋状薄壁铜管封装，横置于保温水箱内，保温水箱内置弹簧卡扣机构。
CN202010802581.6A 2020-08-11 2020-08-11 质子交换膜燃料电池的co2及余热回收系统及回收方法 Pending CN111924802A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010802581.6A CN111924802A (zh) 2020-08-11 2020-08-11 质子交换膜燃料电池的co2及余热回收系统及回收方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010802581.6A CN111924802A (zh) 2020-08-11 2020-08-11 质子交换膜燃料电池的co2及余热回收系统及回收方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111924802A true CN111924802A (zh) 2020-11-13

Family

ID=73310689

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010802581.6A Pending CN111924802A (zh) 2020-08-11 2020-08-11 质子交换膜燃料电池的co2及余热回收系统及回收方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111924802A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115072662A (zh) * 2022-07-20 2022-09-20 山东省科学院能源研究所 一种质子交换膜燃料电池热电联产系统及方法

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1546927A (zh) * 2003-12-17 2004-11-17 华南理工大学 储热式热泵空调装置的储热器及其储热材料的制备方法
CN101846394A (zh) * 2010-06-23 2010-09-29 广东长菱空调冷气机制造有限公司 一种相变储热式热泵热水器水箱
CN201706689U (zh) * 2010-06-23 2011-01-12 广东长菱空调冷气机制造有限公司 一种相变储热式热泵热水器水箱
CN102544549A (zh) * 2010-12-14 2012-07-04 中国科学院大连化学物理研究所 一种基于燃料电池的热电联供系统
CN202304525U (zh) * 2011-09-08 2012-07-04 金播 蓄热水箱
CN104157890A (zh) * 2014-08-18 2014-11-19 芜湖国氢能源股份有限公司 一种氢燃料电池热水利用系统
CN204923456U (zh) * 2015-06-03 2015-12-30 北京宇田相变储能科技有限公司 一种相变储能热水器
CN206321087U (zh) * 2016-04-25 2017-07-11 芜湖美的厨卫电器制造有限公司 换热器及相变蓄热式热水器
CN107359361A (zh) * 2017-08-24 2017-11-17 中海石油气电集团有限责任公司 一种天然气制氢及与质子交换膜燃料电池集成热电冷三联供的撬装式集成装置及方法
CN107352509A (zh) * 2017-08-24 2017-11-17 中海石油气电集团有限责任公司 一种适用于小微型家庭的燃气制氢集成反应装置及方法
CN207227003U (zh) * 2017-08-24 2018-04-13 中海石油气电集团有限责任公司 一种利用lng接收站蒸发气实现站内气冷热电联供的装置
CN108931105A (zh) * 2017-05-27 2018-12-04 广东合即得能源科技有限公司 自发电式干冰制造机
CN210403912U (zh) * 2019-06-17 2020-04-24 山东明宇新能源技术有限公司 一种基于co2回收的家用pemfc热电联供系统

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1546927A (zh) * 2003-12-17 2004-11-17 华南理工大学 储热式热泵空调装置的储热器及其储热材料的制备方法
CN101846394A (zh) * 2010-06-23 2010-09-29 广东长菱空调冷气机制造有限公司 一种相变储热式热泵热水器水箱
CN201706689U (zh) * 2010-06-23 2011-01-12 广东长菱空调冷气机制造有限公司 一种相变储热式热泵热水器水箱
CN102544549A (zh) * 2010-12-14 2012-07-04 中国科学院大连化学物理研究所 一种基于燃料电池的热电联供系统
CN202304525U (zh) * 2011-09-08 2012-07-04 金播 蓄热水箱
CN104157890A (zh) * 2014-08-18 2014-11-19 芜湖国氢能源股份有限公司 一种氢燃料电池热水利用系统
CN204923456U (zh) * 2015-06-03 2015-12-30 北京宇田相变储能科技有限公司 一种相变储能热水器
CN206321087U (zh) * 2016-04-25 2017-07-11 芜湖美的厨卫电器制造有限公司 换热器及相变蓄热式热水器
CN108931105A (zh) * 2017-05-27 2018-12-04 广东合即得能源科技有限公司 自发电式干冰制造机
CN107359361A (zh) * 2017-08-24 2017-11-17 中海石油气电集团有限责任公司 一种天然气制氢及与质子交换膜燃料电池集成热电冷三联供的撬装式集成装置及方法
CN107352509A (zh) * 2017-08-24 2017-11-17 中海石油气电集团有限责任公司 一种适用于小微型家庭的燃气制氢集成反应装置及方法
CN207227003U (zh) * 2017-08-24 2018-04-13 中海石油气电集团有限责任公司 一种利用lng接收站蒸发气实现站内气冷热电联供的装置
CN210403912U (zh) * 2019-06-17 2020-04-24 山东明宇新能源技术有限公司 一种基于co2回收的家用pemfc热电联供系统

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
叶培建: "《航天器热控制技术》", 31 March 2018, 北京理工大学出版社 *
王长友，韩艳丽，王子良，解东来: "基于质子交换膜燃料电池的微型天然气热电联产研发进展", 《应用化工》 *
肖钢等人: "《低碳经济与氢能开发》", 30 June 2011, 武汉理工大学出版社 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115072662A (zh) * 2022-07-20 2022-09-20 山东省科学院能源研究所 一种质子交换膜燃料电池热电联产系统及方法
CN115072662B (zh) * 2022-07-20 2024-02-13 山东省科学院能源研究所 一种质子交换膜燃料电池热电联产系统及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2917738C (en) Flexibly operable power plant and method for the operation thereof
CN106977369B (zh) 一种综合利用电能联合制甲醇及氨的装置及方法
KR101648976B1 (ko) 덤프 파워 에너지를 이용하여 연도 가스에 있는 이산화탄소를 천연 가스로 변환하기 위한 방법 및 장치
CN201902241U (zh) 一种利用燃气轮机排烟余热发电的装置
Su et al. Novel ways for hydrogen production based on methane steam and dry reforming integrated with carbon capture
CN203096014U (zh) 一种利用工厂废气制天然气的装置
CN101540410B (zh) 天然气制氢与质子交换膜燃料电池集成发电的方法及装置
Xiao et al. Energy‐effective carbon dioxide capture and storage design in hydrogen production from liquefied natural gas
CN108313981A (zh) 一种太阳能氢电甲醇联产储能系统及其使用方法
CN208561683U (zh) 一种太阳能氢电甲醇联产储能系统
CN101993730A (zh) 基于化石燃料化学能适度转化的多功能能源系统
CN109361000B (zh) 整体煤气化固体氧化物燃料电池-蒸汽轮机联合发电系统及工艺
CA2552366A1 (en) Apparatus and methods for gas production during pressure letdown in pipelines
CN214411262U (zh) 一种直接利用甲醇重整气的燃料电池系统
CN111924802A (zh) 质子交换膜燃料电池的co2及余热回收系统及回收方法
CN207227003U (zh) 一种利用lng接收站蒸发气实现站内气冷热电联供的装置
Xue et al. Proposal and energetic and exergetic evaluation of a hydrogen production system with synergistic conversion of coal and solar energy
CN116317175B (zh) 太阳能驱动的rsoc分布式多联产系统及其联产方法
CN209312923U (zh) 一种燃料电池装置
Li et al. Investigation of renewable methanol production from CO2 hydrogeneration based on spectral splitting and heat integration
CN115324668A (zh) 一种氨分解合成气发电系统
CN201402833Y (zh) 基于天然气制氢与质子交换膜燃料的电池集成发电装置
CN210635949U (zh) 利用富余电力与沼气联合制生物天然气的电力储能系统
WO2022242598A1 (zh) 一种基于新能源消纳的天然气制备含氢产品的装置及方法
CN211998804U (zh) 甲醇水蒸气与氢混合气一体式超高压制氢系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20201113

RJ01 Rejection of invention patent application after publication