CN114335635A - 一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统 - Google Patents
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Abstract
一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统，属于能源利用技术领域，本发明为了解决现有膜燃料电池系统重整过程中产生大量热能未充分利用，造成极大的资源浪费的问题。包括膜燃料电池系统、超临界二氧化碳循环系统、制冷系统、供热换热器和尾气处理装置。重整过程反应温度约在800～1000℃，超临界二氧化碳系统在温度达到550℃时，发电效率达45％，和甲烷重整过程温度匹配很好，将膜燃料电池、超临界CO2循环有机结合起来，形成一套可调节的热、电、冷联产系统。可根据用户需求，独立调节发电量、供热量和制冷量。梯级回收系统中的热量，实现一定的水和燃料自补充，节约资源，提高系统效率。
Description
技术领域
本发明属于能源利用技术领域，尤其涉及一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统。
背景技术
质子交换膜燃料电池PEMFC以氢气为燃料，具有清洁、绿色、高效等优点，是实现“双碳”目标的有效方式之一。利用甲烷和水蒸气重整制氢是目前工业上最成熟的制氢技术，将该技术与质子交换膜燃料电池结合，即可实现在无H2场景下的PEMFC应用。
值得注意的是，甲烷和水蒸气重整过程反应温度约在800～1000℃，PEMFC运行温度不超过100℃，PEMFC运行只消耗甲烷重整产生的氢气，并不消耗热量。而现有技术中，甲烷和水蒸气重整过程中产生的巨大热量仅仅用来预热反应原料，余下热量仅用于供热或直接浪费，并未形成能量的梯度利用，这造成了极大的资源浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统，以解决现有膜燃料电池系统重整过程中产生大量热能未充分利用，造成极大的资源浪费的问题。
本发明所采用的技术方案如下：
一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统，其特征在于：包括膜燃料电池系统、超临界二氧化碳循环系统、制冷系统、供热换热器、和尾气处理装置；
膜燃料电池系统包括第一预热器、第二预热器、燃烧室、重整器、水汽变换反应器、提纯单元、储水罐、燃料电池、原料水预热器、第二热电换热器和第一热电换热器；
第二压缩机通过管路依次与第二预热器的管程、第一分流器、重整器、第一热电换热器的壳程、水汽变换反应器、原料水预热器的壳程、提纯单元、氢气缓冲罐和燃料电池连通；
第一压缩机通过管路依次与第一预热器的管程和燃烧室连通；
第一分流器通过管路依次与燃烧室、第二热电换热器的壳程、第一预热器的壳程、第二预热器的壳程和第二分流器连通，第二分流器分别通过制冷管路和供热管路与尾气处理装置连通；
储水罐通过管路依次与原料水预热器的管程和重整器连通；
超临界二氧化碳循环系统包括回热器、冷却器、功能压缩机、透平和发电机；透平的出口通过管路依次与回热器的管程、冷却器和功能压缩机的进口连通，功能压缩机的出口通过管路依次与回热器的壳程、第一热电换热器的管程、第二热电换热器的管程和透平的进口连通；
制冷系统包括发生器、吸收器、冷凝器和蒸发器；发生器通过管路依次与冷凝器、蒸发器和吸收器串接连通，发生器分别通过浓溶液管和稀溶液管与吸收器连通；
制冷管路在发生器内设有换热管段，供热管路与热网管路通过供热换热器相连并进行换热。
进一步的，第一预热器、第二预热器、原料水预热器、第一热电换热器和第二热电换热器均是单级换热器、双级换热器或者多级换热器中的一种。
进一步的，第一预热器、第二预热器、原料水预热器、第二热电换热器和第一热电换热器均是多级换热器。
进一步的，提纯单元通过管路与储水罐连通。
进一步的，提纯单元通过管路与燃烧室连通。
进一步的，生活热水管在燃料电池内设有吸热管段。
进一步的，尾气处理装置通过管路与储水罐连通。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、甲烷和水蒸气重整过程反应温度约在800～1000℃，超临界二氧化碳S-CO2发电系统，循环工作温度区间大，效率随着工质温度升高而升高，在温度达到550℃时，发电系统效率可达45％，和甲烷重整过程温度匹配很好，将甲烷重整制氢、质子交换膜燃料电池、超临界CO2循环有机结合起来，形成一套可调节的热、电、冷联产系统。该系统可根据用户需求，独立调节发电量、供热量和制冷量。本系统能够梯级回收系统中的热量，实现一定的水和燃料自补充，节约资源，提高系统效率。
2、适应性好、可调节性强。可通过甲烷分离器调节PEMFC和超临界CO2循环的发电量。制冷量和供热量均可调节。
3、充分利用原料，实现部分的燃料和水自给。提纯分离出的可燃气体全部送入燃烧器燃烧，节约燃料；燃烧器尾气中的水蒸气、合成气中分离出的水蒸气全部回收。此外，系统无危废尾气和废水的排放，尾气中的CO2分离后进行封存，环境友好。
附图说明
图1是本发明的示意图；
图中：10-第二压缩机、11-第二预热器、12-第一分流器、13-重整器、14-第一热电换热器、15-水汽变换反应器、16-原料水预热器、17-提纯单元、18-氢气缓冲罐、19-燃料电池、 21-第一压缩机、22-第一预热器、23-燃烧室、24-第二热电换热器、25-第二分流器、26-供热管路、27-制冷管路、28-尾气处理装置、29-储水罐、3-生活热水管、41-回热器、42-冷却器、43-功能压缩机、44-发电机、45-透平、46-吸热管路、51-发生器、52-吸收器、53-蒸发器、54-冷凝器、6-供热换热器、7-热网管路。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺栓连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认可在现有连接方式中找到至少一种连接方式实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择螺栓连接。
以下将结合附图，对本发明作进一步详细说明，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施例。
如图所示，一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统，其特征在于：包括膜燃料电池系统、超临界二氧化碳循环系统、制冷系统、供热换热器6、和尾气处理装置28；
膜燃料电池系统包括第一预热器22、第二预热器11、燃烧室23、重整器13、水汽变换反应器15、提纯单元17、储水罐29、燃料电池19、原料水预热器16、第二热电换热器 24和第一热电换热器14；
第二压缩机10通过管路依次与第二预热器11的管程、第一分流器12、重整器13、第一热电换热器14的壳程、水汽变换反应器15、原料水预热器16的壳程、提纯单元17、氢气缓冲罐18和燃料电池19连通；第二压缩机10向重整器13提供经预热的甲烷原料，在重整器13内经过重整得到以氢气和二氧化碳为主的混合气体，再逐步分离出纯净氢气，最终将氢气供给燃料电池19的阳极。
第一压缩机21通过管路依次与第一预热器22的管程和燃烧室23连通；第一压缩机21为燃烧室23提供空气。
第一分流器12通过管路依次与燃烧室23、第二热电换热器24的壳程、第一预热器22 的壳程、第二预热器11的壳程和第二分流器25连通，第二分流器25分别通过制冷管路27和供热管路26与尾气处理装置28连通；燃烧室23为甲烷燃料提供重整反应所需的热量，天然气经第一分流器12分流进燃烧室23一部分，与第一压缩机21供给的空气混合燃烧，燃烧后的高温气体在第二热电换热器24第一次放热，在第一预热器22内对空气第二次放热，在第二预热器内对天然气第三次放热，再经过第二分流器25的分流，分别通过供热管路26和制冷管路27进入尾气处理装置28进行处理。
储水罐29通过管路依次与原料水预热器16的管程和重整器13连通；储水罐29为重整器13提供原料水，原料水经原料水预热器16加热后进入重整器13。
超临界二氧化碳循环系统包括回热器41、冷却器42、功能压缩机43、透平45和发电机44；透平45的出口通过管路依次与回热器的41壳程、冷却器42的壳程和功能压缩机 43的进口连通，功能压缩机43的出口通过管路依次与回热器41的管程、第一热电换热器 14的管程、第二热电换热器24的管程和透平45的进口连通，冷却器42的管程内设有循环的冷却介质；超临界二氧化碳循环系统用于对外供电，CO2介质在第一热电换热器14内吸收重整反应产生的热量，再在第二热电换热器24内吸收天然气燃烧产生的热量，利用膜燃料电池系统产生的热量驱动透平45做功，带动发电机44对外供电。
制冷系统包括发生器51、吸收器52、冷凝器54和蒸发器53；发生器51通过管路依次与冷凝器54、蒸发器53和吸收器52串接连通，发生器51分别通过浓溶液管和稀溶液管与吸收器52连通；
制冷管路27在发生器51内设有换热管段，供热管路26与热网管路7通过供热换热器 6相连并进行换热。制冷系统利用从制冷管路27吸收的热量制冷，热网管路7利用从供热管路26吸收的热量供热，至此实现了膜燃料电池的热、电、冷联产。
提纯单元17通过管路与储水罐29连通，使重整后凝结出的液态水回到储水罐29。提纯单元17通过管路与燃烧室23连通，将重整后残余的CO等气体送入燃烧室23燃烧，转变为可处理的尾气。
第一预热器22、第二预热器11、原料水预热器16和原料水换热器14均是多级换热器，多级换热器降低换热温差，优化换热过程。
生活热水管20在燃料电池19内设有吸热管段。燃料电池19运行产生的热量用于加热生活水，进一步利用了能源。
工作流程：甲烷经过脱硫除杂后经压缩机加压，之后通过第二预热器22进行预热，一部分进入燃烧室23燃烧作为重整热源，一部分进入重整器13与水蒸气进行重整反应。水通过原料水预热器16加热为高温蒸汽，之后与甲烷混合进入重整器13参与反应。重整器 13出口的高温合成气在第一热电换热器14进行热交换后，进入水汽变化反应器15进一步反应，反应为CO+H2O→CO2+H2，之后再预热原料水，降温后的合成气经过提纯，得到高纯氢气，进入氢气缓冲罐18。经提纯后的氢气纯度可达99.99％，满足PEMFC要求，进入燃料电池19的阳极。提纯单元17采用凝结、变压吸附等方式净化氢气，分离出的凝结水回收至储水罐29，其余气体(主要为CO、H2、CO2等)进入燃烧器23。提纯单元17形成的凝结水、尾气经分离装置分离出的凝结水汇集到储水罐29，实现一定的水自给。燃烧室 23出口的高温尾气先通过第二热电换热器24加热超临界CO2，再依次预热空气和甲烷气体，之后分流为两股，一股用于制冷，一股用于供热，降温后的烟气在尾气处理后，对外排放。
第一热电换热器14和第二热电换热器24用于将重整反应和燃烧室燃烧产生的高温对 CO2流体放热，换热后的高温高压CO2在透平45中做功，带动发电机44对外供电。透平45排出的CO2乏气通过回热器41、冷却器42降温后，进入功能压缩机43变成高压CO2，再依次通过回热器41、第二热电换热器3，进入透平45做功，完成整个循环。
烟气余热作为驱动热量输入发生器51中，加热溴化锂溶液使之沸腾，产生水蒸气，同时溴化锂溶液变浓，水蒸气进入冷凝器54凝结为液体，热量由循环冷却水带走，水凝结为液态经节流后进入蒸发器53，在低压下蒸发为蒸汽，吸收蒸发热量，这部分即为制冷量，蒸汽进入吸收器52，被吸收器52中的浓溶液吸收，放出的吸收热被循环冷却水带走，形成的溴化锂稀溶液被溶液泵送到发生器51中，完成一个循环。
燃烧尾气成分为水蒸气、CO2和N2。通过对尾气热量的回收后，达到尾气处理装置28后，尾气温度低于100℃，水以液态形式存在，因而可直接将液态水回收。CO2回收采用化学吸收法，吸附剂选择氨水，是目前应用较为广泛且技术成熟的一种方法。剩余的氮气直接排放到大气中。尾气处理装置28通过管路与储水罐29连通，将尾气内的冷凝水排入储水罐29中。
甲烷和水蒸气重整过程反应温度约在800～1000℃，PEMFC运行温度不超过100℃，PEMFC运行只消耗甲烷重整产生的氢气，并不消耗热量。
超临界二氧化碳S-CO2循环发电技术作为一种新兴的发电技术，具有环境友好、热效率高、经济性好等特点。S-CO2循环工作温度区间大，效率随着工质温度升高而升高，在温度达到550℃时，发电系统效率可达45％，和甲烷重整过程温度匹配很好。本专利中超临界二氧化碳循环系统采用简单布雷顿循环方案，该方案结构简单、设备体积小、投入成本低。此外，该循环系统不仅可以产生电力，同时也可以利用冷却介质回收的热量，实现热电联产。
将甲烷水蒸气制氢与燃料电池组合系统中引入超临界CO2循环和吸收式制冷技术，既能实现PEMFC在无H2场景下的应用，同时梯级利用重整过程中的余热和物料，形成一套可调节的热、电、冷联供系统，并做到部分燃料和水自给，实现能量和资源的高效梯级利用。
以上实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。
Claims (7)
1.一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统，其特征在于：包括膜燃料电池系统、超临界二氧化碳循环系统、制冷系统、供热换热器(6)、和尾气处理装置(28)；
膜燃料电池系统包括第一预热器(22)、第二预热器(11)、燃烧室(23)、重整器(13)、水汽变换反应器(15)、提纯单元(17)、储水罐(29)、燃料电池(19)、原料水预热器(16)、第二热电换热器(24)和第一热电换热器(14)；
第二压缩机(10)通过管路依次与第二预热器(11)的管程、第一分流器(12)、重整器(13)、第一热电换热器(14)的壳程、水汽变换反应器(15)、原料水预热器(16)的壳程、提纯单元(17)、氢气缓冲罐(18)和燃料电池(19)连通；
第一压缩机(21)通过管路依次与第一预热器(22)的管程和燃烧室(23)连通；
第一分流器(12)通过管路依次与燃烧室(23)、第二热电换热器(24)的壳程、第一预热器(22)的壳程、第二预热器(11)的壳程和第二分流器(25)连通，第二分流器(25)分别通过制冷管路(27)和供热管路(26)与尾气处理装置(28)连通；
储水罐(29)通过管路依次与原料水预热器(16)的管程和重整器(13)连通；
超临界二氧化碳循环系统包括回热器(41)、冷却器(42)、功能压缩机(43)、透平(45)和发电机(44)；透平(45)的出口通过管路依次与回热器的(41)管程、冷却器(42)和功能压缩机(43)的进口连通，功能压缩机(43)的出口通过管路依次与回热器(41)的壳程、第一热电换热器(14)的管程、第二热电换热器(24)的管程和透平(45)的进口连通；
制冷系统包括发生器(51)、吸收器(52)、冷凝器(54)和蒸发器(53)；发生器(51)通过管路依次与冷凝器(54)、蒸发器(53)和吸收器(52)串接连通，发生器(51)分别通过浓溶液管和稀溶液管与吸收器(52)连通；
制冷管路(27)在发生器(51)内设有换热管段，供热管路(26)与热网管路(7)通过供热换热器(6)相连并进行换热。
2.根据权利要求1所述的一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统，其特征在于：第一预热器(22)、第二预热器(11)、原料水预热器(16)、第二热电换热器(24)和第一热电换热器(14)均是单级换热器、双级换热器或者多级换热器中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统，其特征在于：第一预热器(22)、第二预热器(11)、原料水预热器(16)、第二热电换热器(24)和第一热电换热器(14)均是多级换热器。
4.根据权利要求1所述的一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统，其特征在于：提纯单元(17)通过管路与储水罐(29)连通。
5.根据权利要求1所述的一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统，其特征在于：提纯单元(17)通过管路与燃烧室(23)连通。
6.根据权利要求1所述的一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统，其特征在于：生活热水管(3)在燃料电池(19)内设有吸热管段。
7.根据权利要求1所述的一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统，其特征在于：尾气处理装置(28)通过管路与储水罐(29)连通。
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