CN112820914A - 一种直接利用甲醇重整气的燃料电池系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种直接利用甲醇重整气的燃料电池系统及其工作方法，属于燃料电池技术领域。主要包括甲醇重整反应单元、第一换热单元、第一气液分离单元、第二气液分离单元、催化燃烧单元、第二换热单元、第三换热单元、燃料电池单元和混气装置。本发明直接利用甲醇重整气作为阳极原料，不做氢气提纯分离处理，缩短简化了工艺流程；同时，阳极尾气经过催化燃烧，充分释放阳极尾气中未反应的氢气的热量，提高燃料电池发电系统热效率，并将经过催化燃烧的阳极尾气与阴极进气混合，作为阴极原料循环利用，提高燃料利用率，提高熔融碳酸盐燃料电池发电系统热电综合效率，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，具体涉及一种直接利用甲醇重整气的燃料电池系统及其工作方法。
背景技术
熔融碳酸盐燃料电池是一种工作于650℃的高温燃料电池，采用富氢气体作为原料，可以直接将原料中的化学能转化为电能，是一种清洁高效、低噪音、低污染的发电方式。
目前，以氢气、天然气、合成气为原料的熔融碳酸盐燃料电池发电系统成本相对偏高，而甲醇重整制氢是一种成本较低、清洁高效的制氢方式，将其与熔融碳酸盐燃料电池结合，将甲醇重整制得的氢气通入燃料电池阳极，实现用甲醇为原料的燃料电池发电系统，可降低发电成本。但是，传统甲醇重整制氢装置要配备气体分离装置来提纯甲醇重整气中的氢气，工艺复杂冗长，成本偏高，熔融碳酸盐燃料电池燃料利用率低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种直接利用甲醇重整气的燃料电池系统及其工作方法，缩短了以甲醇为原料的熔融碳酸盐燃料电池发电系统工艺流程，降低了熔融碳酸盐燃料电池发电系统成本及发电成本，充分利用了燃料中的能量。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种直接利用甲醇重整气的燃料电池系统，包括甲醇重整反应单元、第一换热单元、第一气液分离单元、第二气液分离单元、催化燃烧单元、第二换热单元、第三换热单元、燃料电池单元和混气装置；
甲醇重整反应单元的进口连接有甲醇进料管，甲醇重整反应单元的出口与第一换热单元的热侧进口连接，第一换热单元的热侧出口与第一气液分离单元的进口连接，第一气液分离单元的气相出口与第二换热单元的冷侧进口连接，第二换热单元的冷侧出口与燃料电池单元的阳极燃料进料口连接，燃料电池单元的阳极尾气出口与催化燃烧单元的进口连接，催化燃烧单元的进口还连接有O2进气管，催化燃烧单元的出口与第二换热单元的热侧进口连接，第二换热单元的热侧出口与第二气液分离单元的进口连接，第二气液分离单元的气相出口与混气装置的进口连接，混气装置的进口还连接有空气进气管和CO2进气管，混气装置的出口与第三换热单元的冷侧进口连接，第三换热单元的冷侧出口与燃料电池单元的阴极燃料进料口连接，燃料电池单元的阴极尾气出口与第三换热单元的热侧进口连接，第三换热单元的热侧出口连接有阴极尾气排出管；第一气液分离单元和第二气液分离单元的液相出口均连接有冷凝水排出管。
优选地，第二换热单元的冷侧出口与燃料电池单元的阳极燃料进料口之间的连接管路上设有阳极气体流量检测及控制装置，第三换热单元的冷侧出口与燃料电池单元的阴极燃料进料口之间的连接管路上设有阴极气体流量检测及控制装置，空气进气管上设有空气流量检测及控制装置，CO2进气管上设有CO2流量检测及控制装置，第二气液分离单元的气相出口与混气装置的进口之间的连接管路上设有阳极尾气流量检测及控制装置；阳极气体流量检测及控制装置、阴极气体流量检测及控制装置、空气流量检测及控制装置、CO2流量检测及控制装置和阳极尾气流量检测及控制装置均分别与系统的控制单元连接。
优选地，第二气液分离单元的气相出口与混气装置的进口之间的连接管路上设有压缩单元。
进一步优选地，压缩单元进口前设有除沫装置。
优选地，第一换热单元为气-液型换热器，第二换热单元和第三换热单元为气-气型换热器。
优选地，第一气液分离单元和第二气液分离单元的冷凝水出口均分别与第一换热单元的冷侧入口连接。
进一步优选地，甲醇重整反应单元的出口与第一换热单元的热侧进口之间的连接管路上设有温度检测装置，第一气液分离单元和第二气液分离单元的冷凝水出口与第一换热单元的冷侧入口之间的连接管路上均分别设有流量检测及控制装置，温度检测装置和流量检测及控制装置均分别与系统的控制单元连接。
优选地，混合装置内的壁面为圆滑曲面，混合装置内设有扰流部件。
优选地，第二换热单元与第二气液分离单元之间设有第一余热换热器，阴极尾气排出管上设有第二余热换热器，第一余热换热器和第二余热换热器均用于加热外部介质。
本发明公开的上述直接利用甲醇重整气的燃料电池系统的工作方法，其特征在于，包括：
甲醇重整反应单元发生甲醇重整反应，生成的混合气体进入第一换热单元换热冷凝后，进入第一气液分离单元中除去水分，得到含有氢气和二氧化碳的低温混合气体；低温混合气体在第二换热单元中换热升温后进入燃料电池单元的阳极燃料进料口，阳极尾气进入催化燃烧单元除去未反应的H2后进入第二换热单元换热冷凝后在第二气液分离单元中除去水分，剩余气体进入混气装置，与空气和CO2混合，在第三换热单元换热升温后进入燃料电池单元的阴极燃料进料口，阴极尾气进入第三换热单元换热降温后由阴极尾气排出管排出。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种直接利用甲醇重整气的燃料电池系统，燃料电池单元所需的阳极燃料为富氢气体，阴极燃料为二氧化碳和空气，可以充分利用甲醇重整制氢工艺产生的氢气和二氧化碳作为燃料，甲醇重整制氢工艺成本低；直接使用甲醇重整气，只去除水蒸汽，不对其中的氢气和二氧化碳做分离提纯处理，工艺路线简单。燃料电池阳极尾气做催化燃烧处理，充分利用了阳极尾气中未反应的氢气的热量，提高发电电池系统热效率；后续将经过催化燃烧的阳极尾气与阴极进气混合，作为阴极原料，重复利用。综合利用了尾气的余热，提高了燃料电池发电系统综合热电效率，减少了系统能耗。
进一步地，通过在系统的关键部位设置流量检测及控制装置，能够控制系统的关键运行参数，保证系统高效、稳定地运行。
进一步地，第二气液分离单元的气相出口与混气装置的进口之间的连接管路上设有压缩单元，能够控制循环尾气的速度及流量。
更进一步地，压缩单元进口前设有除沫装置，防止未完全去除的水分影响压缩单元的正常运行。
进一步地，第一换热单元采用气-液型换热器，第二换热单元和第三换热单元采用气-气型换热器，具有较高的换热效率，提高余热利用率。
进一步地，利用第一气液分离单元和第二气液分离单元的冷凝水对混合气进行降温，提高了能源利用率，减少了系统能耗。
进一步地，混合装置内的壁面采用圆滑曲面，保证内部气体的均匀流动无死角，同时扰流部件能够提高气体的混合程度。
进一步地，设置第一余热换热器和第二余热换热器能够再次将剩余热量充分利用，对外做供暖、溴化锂制冷等使用。
本发明公开的上述直接利用甲醇重整气的燃料电池系统的工作方法，工艺流程简单，充分利用了系统中反应产物及其余热，系统的成本低、能耗低、综合热电效率高，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的系统整体结构示意图。
图中：1-甲醇重整反应单元；2-第一换热单元；3-第一气液分离单元；4-第二气液分离单元；5-催化燃烧单元；6-第二换热单元；7-压缩单元；8-第三换热单元；9-燃料电池单元；10-混气装置；11-甲醇储罐；12-阳极气体流量检测及控制装置；13-阴极气体流量检测及控制装置；14-空气流量检测及控制装置；15-CO2流量检测及控制装置；16-阳极尾气流量检测及控制装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1，为本发明的直接利用甲醇重整气的燃料电池系统，主要包括甲醇重整反应单元1、第一换热单元2、第一气液分离单元3、第二气液分离单元4、催化燃烧单元5、第二换热单元6、第三换热单元8、燃料电池单元9和混气装置10。
甲醇重整反应单元1的进口连接有甲醇进料管，甲醇重整反应单元1的出口与第一换热单元2的热侧进口连接，第一换热单元2的热侧出口与第一气液分离单元3的进口连接，第一气液分离单元3的气相出口与第二换热单元6的冷侧进口连接，第二换热单元6的冷侧出口与燃料电池单元9的阳极燃料进料口连接，燃料电池单元9的阳极尾气出口与催化燃烧单元5的进口连接，催化燃烧单元5的进口还连接有O2进气管，催化燃烧单元5的出口与第二换热单元6的热侧进口连接，第二换热单元6的热侧出口与第二气液分离单元4的进口连接，第二气液分离单元4的气相出口与混气装置10的进口连接，混气装置10的进口还连接有空气进气管和CO2进气管，混气装置10的出口与第三换热单元8的冷侧进口连接，第三换热单元8的冷侧出口与燃料电池单元9的阴极燃料进料口连接，燃料电池单元9的阴极尾气出口与第三换热单元8的热侧进口连接，第三换热单元8的热侧出口连接有阴极尾气排出管；第一气液分离单元3和第二气液分离单元4的液相出口均连接有冷凝水排出管。
在本发明的一个较优的实施例中，第二换热单元6的冷侧出口与燃料电池单元9的阳极燃料进料口之间的连接管路上设有阳极气体流量检测及控制装置12，第三换热单元8的冷侧出口与燃料电池单元9的阴极燃料进料口之间的连接管路上设有阴极气体流量检测及控制装置13，空气进气管上设有空气流量检测及控制装置14，CO2进气管上设有CO2流量检测及控制装置15，第二气液分离单元4的气相出口与混气装置10的进口之间的连接管路上设有阳极尾气流量检测及控制装置16；阳极气体流量检测及控制装置12、阴极气体流量检测及控制装置13、空气流量检测及控制装置14、CO2流量检测及控制装置15和阳极尾气流量检测及控制装置16均分别与系统的控制单元连接。
在本发明的一个较优的实施例中，第二气液分离单元4的气相出口与混气装置10的进口之间的连接管路上设有压缩单元7。优选地，压缩单元7进口前设有除沫装置，如除沫网、除沫栅板等。
在本发明的一个较优的实施例中，第一换热单元2为气-液型换热器，第二换热单元6和第三换热单元8为气-气型换热器。
在本发明的一个较优的实施例中，第一气液分离单元3和第二气液分离单元4的冷凝水出口均分别与第一换热单元2的冷侧入口连接。优选地，甲醇重整反应单元1的出口与第一换热单元2的热侧进口之间的连接管路上设有温度检测装置，第一气液分离单元3和第二气液分离单元4的冷凝水出口与第一换热单元2的冷侧入口之间的连接管路上均分别设有流量检测及控制装置，温度检测装置和流量检测及控制装置均分别与系统的控制单元连接。
在本发明的一个较优的实施例中，混合装置10内的壁面为圆滑曲面，混合装置10内设有扰流部件，如扰流柱、扰流板等。
在本发明的一个较优的实施例中，第二换热单元6与第二气液分离单元4之间设有第一余热换热器，阴极尾气排出管上设有第二余热换热器，第一余热换热器和第二余热换热器均用于加热外部介质，可用于供暖、溴化锂制冷等。
上述系统的工作方法如下：
甲醇重整反应单元1发生甲醇重整反应，生成的混合气体进入第一换热单元2换热冷凝后，进入第一气液分离单元3中除去水分，得到含有氢气和二氧化碳的低温混合气体；低温混合气体在第二换热单元6中换热升温后进入燃料电池单元9的阳极燃料进料口，阳极尾气进入催化燃烧单元5除去未反应的H2后进入第二换热单元6换热冷凝后在第二气液分离单元4中除去水分，剩余气体进入混气装置10，与空气和CO2混合，在第三换热单元8换热升温后进入燃料电池单元9的阴极燃料进料口，阴极尾气进入第三换热单元8换热降温后由阴极尾气排出管排出。
本发明的工作原理如下：
该系统主要由燃料处理系统、燃料电池本体和阳极尾气循环及余热回收利用系统组成。
燃料处理系统主要包括甲醇重整制氢单元和水蒸气冷凝分离单元。甲醇重整制氢单元主要通过甲醇和水发生重整反应，该反应生成占比分别约为75％和25％的氢气和二氧化碳的混合气体(含水)，如下面反应方程式所示，生成主要成分为氢气和二氧化碳的混合气体，再通过冷凝分离出去甲醇重整气中的水分。
CH3OH→CO+2H2
H2O+CO→CO2+H2
CH3OH+H2O→CO2+3H2
熔融碳酸盐燃料电池堆本体工作于650℃，阳极采用富氢气体为燃料，本专利则采用甲醇重整气作为阳极燃料，甲醇重整气中的二氧化碳不参与反应；阴极采用二氧化碳和氧气(来自空气)为原料，并在燃料电池内部发生电化学反应。
尾气循环单元主要是指阳极尾气首先经过催化燃烧出去未反应的氢气，再经过换热冷凝分离出去阳极尾气中的水蒸气，此时阳极尾气中的主要成分为二氧化碳。再将此阳极尾气与阴极进气混合，作为阴极原料被再次利用。
余热回收利用单元主要利用熔融碳酸盐燃料电池高温阳极尾气和高温阴极尾气余热，首先对熔融碳酸盐燃料电池阳极进气和阴极进气进行余热，完成余热后燃料电池尾气中剩余的低品位热量和甲醇重整气的低品位热量可以与冷水进行换热，用于供暖、溴化锂制冷等。
以上所述，仅为本发明实施方式中的部分，本发明中虽然使用了部分术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便的描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的内容，以便于更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。
Claims (10)
1.一种直接利用甲醇重整气的燃料电池系统，其特征在于，包括甲醇重整反应单元(1)、第一换热单元(2)、第一气液分离单元(3)、第二气液分离单元(4)、催化燃烧单元(5)、第二换热单元(6)、第三换热单元(8)、燃料电池单元(9)和混气装置(10)；
甲醇重整反应单元(1)的进口连接有甲醇进料管，甲醇重整反应单元(1)的出口与第一换热单元(2)的热侧进口连接，第一换热单元(2)的热侧出口与第一气液分离单元(3)的进口连接，第一气液分离单元(3)的气相出口与第二换热单元(6)的冷侧进口连接，第二换热单元(6)的冷侧出口与燃料电池单元(9)的阳极燃料进料口连接，燃料电池单元(9)的阳极尾气出口与催化燃烧单元(5)的进口连接，催化燃烧单元(5)的进口还连接有O2进气管，催化燃烧单元(5)的出口与第二换热单元(6)的热侧进口连接，第二换热单元(6)的热侧出口与第二气液分离单元(4)的进口连接，第二气液分离单元(4)的气相出口与混气装置(10)的进口连接，混气装置(10)的进口还连接有空气进气管和CO2进气管，混气装置(10)的出口与第三换热单元(8)的冷侧进口连接，第三换热单元(8)的冷侧出口与燃料电池单元(9)的阴极燃料进料口连接，燃料电池单元(9)的阴极尾气出口与第三换热单元(8)的热侧进口连接，第三换热单元(8)的热侧出口连接有阴极尾气排出管；第一气液分离单元(3)和第二气液分离单元(4)的液相出口均连接有冷凝水排出管。
2.根据权利要求1所述的直接利用甲醇重整气的燃料电池系统，其特征在于，第二换热单元(6)的冷侧出口与燃料电池单元(9)的阳极燃料进料口之间的连接管路上设有阳极气体流量检测及控制装置(12)，第三换热单元(8)的冷侧出口与燃料电池单元(9)的阴极燃料进料口之间的连接管路上设有阴极气体流量检测及控制装置(13)，空气进气管上设有空气流量检测及控制装置(14)，CO2进气管上设有CO2流量检测及控制装置(15)，第二气液分离单元(4)的气相出口与混气装置(10)的进口之间的连接管路上设有阳极尾气流量检测及控制装置(16)；阳极气体流量检测及控制装置(12)、阴极气体流量检测及控制装置(13)、空气流量检测及控制装置(14)、CO2流量检测及控制装置(15)和阳极尾气流量检测及控制装置(16)均分别与系统的控制单元连接。
3.根据权利要求1所述的直接利用甲醇重整气的燃料电池系统，其特征在于，第二气液分离单元(4)的气相出口与混气装置(10)的进口之间的连接管路上设有压缩单元(7)。
4.根据权利要求3所述的直接利用甲醇重整气的燃料电池系统，其特征在于，压缩单元(7)进口前设有除沫装置。
5.根据权利要求1所述的直接利用甲醇重整气的燃料电池系统，其特征在于，第一换热单元(2)为气-液型换热器，第二换热单元(6)和第三换热单元(8)为气-气型换热器。
6.根据权利要求1所述的直接利用甲醇重整气的燃料电池系统，其特征在于，第一气液分离单元(3)和第二气液分离单元(4)的冷凝水出口均分别与第一换热单元(2)的冷侧入口连接。
7.根据权利要求6所述的直接利用甲醇重整气的燃料电池系统，其特征在于，甲醇重整反应单元(1)的出口与第一换热单元(2)的热侧进口之间的连接管路上设有温度检测装置，第一气液分离单元(3)和第二气液分离单元(4)的冷凝水出口与第一换热单元(2)的冷侧入口之间的连接管路上均分别设有流量检测及控制装置，温度检测装置和流量检测及控制装置均分别与系统的控制单元连接。
8.根据权利要求1所述的直接利用甲醇重整气的燃料电池系统，其特征在于，混合装置(10)内的壁面为圆滑曲面，混合装置(10)内设有扰流部件。
9.根据权利要求1所述的直接利用甲醇重整气的燃料电池系统，其特征在于，第二换热单元(6)与第二气液分离单元(4)之间设有第一余热换热器，阴极尾气排出管上设有第二余热换热器，第一余热换热器和第二余热换热器均用于加热外部介质。
10.根据权利要求1～9任意一项所述的直接利用甲醇重整气的燃料电池系统的工作方法，其特征在于，包括：
甲醇重整反应单元(1)发生甲醇重整反应，生成的混合气体进入第一换热单元(2)换热冷凝后，进入第一气液分离单元(3)中除去水分，得到含有氢气和二氧化碳的低温混合气体；低温混合气体在第二换热单元(6)中换热升温后进入燃料电池单元(9)的阳极燃料进料口，阳极尾气进入催化燃烧单元(5)除去未反应的H2后进入第二换热单元(6)换热冷凝后在第二气液分离单元(4)中除去水分，剩余气体进入混气装置(10)，与空气和CO2混合，在第三换热单元(8)换热升温后进入燃料电池单元(9)的阴极燃料进料口，阴极尾气进入第三换热单元(8)换热降温后由阴极尾气排出管排出。
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