CN116525897A - 一种重整气涡轮与高温质子交换膜燃料电池联合发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种重整气涡轮与高温质子交换膜燃料电池联合发电系统。碳氢燃料经增压装置加压后，与经水泵加压的水混合、通入催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置中，碳氢燃料水溶液吸热重整，产生高温高压重整气，进入重整气涡轮进行做功发电，重整气涡轮出口的常温常压重整气通入高温PEMFC阳极，通过电化学反应发出电力；高温PEMFC阴阳极出口的尾气一并通入至催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置，通过燃烧反应释放热量，为重整反应提供热量。本发明提出的联合发电系统，通过燃料电池尾气催化燃烧与重整制氢一体化，并利用高温高压重整气涡轮发电做功，实现系统的温度梯级利用和部件高效匹配，提升系统的发电效率和能量密度。
Description
技术领域
本发明属于发电技术领域，特别是涉及一种重整气涡轮与高温质子交换膜燃料电池联合发电系统。
背景技术
随着双碳政策的提出，在生产及消费过程中尽可能减少对生态环境的污染，化石燃料的使用应该减少，清洁能源是未来发展的重中之重。氢能作为一种环保高效的可再生能源，有望在未来取代化石能源，而受到了广泛的关注。氢燃料电池是氢能利用的主要方式，其中质子交换膜燃料电池因其转化效率高、低噪音等优点，非常适合作为汽车等移动场合的动力来源，但是燃料电池系统存在氢气储运困难等问题，限制了氢能技术的进一步推广。
相比于目前成本较高的高压储氢以及液态储氢，碳氢燃料也更容易储存和运输，可作为高能量密度的氢能载体。同时碳氢燃料重整制氢更加适用于高温质子交换膜燃料电池的纯度要求，在较低温度下也能实现高效率转化，大大降低制氢能耗和成本。因此有必要提出将“制-储-发”三效一体化的集成式燃料电池发电系统，根据碳氢燃料重整制氢技术和高温质子交换膜燃料电池系统工作的温度区间特点，充分利用燃料电池出口尾气中的剩余燃料和高温分解重整气的做功能力，进而设计出一种将重整气涡轮与质子交换膜燃料电池进行联合发电的系统，解决氢气储运问题，同时提升系统燃料利用率和整体发电效率。这一系统适合应用在舰船动力系统和分布式发电系统。
现有的利用碳氢燃料作为氢源，结合燃料电池发电的系统，均把碳氢燃料重整制氢与燃料电池发电系统独立布置，未能利用碳氢燃料重整后的高温高压重整气进入涡轮做功，同时也未利用燃料电池尾气催化燃烧，为碳氢燃料重整过程提供热量，使得系统的整体效率不高，结构不够紧凑。
发明内容
本发明目的是为了解决质子交换膜燃料电池系统氢气储运难、电池尾气利用等问题，提供了一种重整气涡轮与高温质子交换膜燃料电池联合发电系统。所述系统利用高温质子交换膜燃料电池出口尾气的催化燃烧为热碳氢燃料重整制氢通过热源，并通过涡轮实现碳氢燃料重整制氢技术和高温PEMFC的温度匹配、高效结和，提升系统的发电效率和综合能量密度。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种重整气涡轮与高温质子交换膜燃料电池联合发电系统，所述系统包括碳氢燃料罐1、增压装置2、储水罐3、水泵4、混合室5、催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6、重整气涡轮7、发电机8、高温质子交换膜燃料电池9和鼓风机10；
所述的碳氢燃料罐1出口端与增压装置2进口端连接，所述储水罐3出口端与水泵4进口端连接，经增压装置2加压后的碳氢燃料与经过加压的水与混合室5的入口端连接，高压的碳氢燃料水溶液与催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6冷侧进口端连接，所述催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6的冷侧出口端与重整气涡轮7的进口端连接，所述重整气涡轮7的出口端的重整气与高温质子交换膜燃料电池9阳极进口端连接，所述重整气涡轮7与发电机机8连接，所述鼓风机10出口端与高温质子交换膜燃料电池9的阴极进口端连接，所述高温质子交换膜燃料电池9的阴极和阳极出口尾气混合后与催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6的热侧进口端连接。
进一步地，所述的碳氢燃料为甲烷、甲醇、柴油或甲酸。
进一步地，当碳氢燃料为甲烷时，甲烷为气体，在储存时储存在高压气瓶中，之后经过阀门进入混合室5，此外，甲烷重整温度高于燃料电池尾气催化燃烧的温度，需要补充部分甲烷进行催化燃烧提高催化燃烧温度，由于甲烷重整气中一氧化碳浓度高，需要在驱动涡轮后加入一氧化碳优先氧化反应器去除一氧化碳。
进一步地，当碳氢燃料为甲酸时，甲酸制氢的反应为脱氢反应，甲酸溶液通过增压装置2后直接进入反应器，进行制氢反应。
进一步地，当碳氢燃料为柴油时，柴油重整温度高于燃料电池尾气催化燃烧的温度，需要补充部分柴油进行催化燃烧提高催化燃烧温度，由于柴油中含有大量的硫，需要进行脱硫，此外，由于柴油重整气中一氧化碳浓度高，需要在驱动涡轮后加入一氧化碳优先氧化反应器去除一氧化碳。
进一步地，所述的催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6是将碳氢燃料重整装置与燃烧室进行一体化设计，所述催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6的燃烧侧通入高温质子交换膜燃料电池9阴阳极出口的尾气，将阳极出口多余的氢气、一氧化碳，二氧化碳、水蒸气和阴极出口多余的氧气在催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6内进行催化燃烧，为碳氢燃料重整产生重整气提供热源。
进一步地，碳氢燃料和水组成的混合溶液经过加压或高压储罐，保证催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6的冷侧入口压力高于1bar，碳氢燃料水溶液在所述的催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6内分解为氢气与一氧化碳，二氧化碳、水蒸气混合的重整气，所述的催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6出口的高温高压重整气具有一定的做功能力，先将其通入至所述的重整气涡轮7中进行膨胀做功后，重整气涡轮7的出口重整气温度在160℃左右，压力在1bar左右，然后通入高温质子交换膜燃料电池6的阳极入口进行电化学反应，实现发电效益。
本发明的有益效果为：
1.本发明将碳氢燃料作为燃料，利用碳氢燃料高储氢密度，易于储存和运输，通过碳氢燃料现场重整制氢为高温质子交换膜燃料电池提供氢源，有效解决氢能行业中储运成本高的问题，是一种完全零污染的绿色能源系统。
2.本发明提出重整气涡轮与高温质子交换膜燃料电池的联合发电系统，将碳氢燃料重整后产生的高温高压重整气先通入涡轮中膨胀做功，再通入燃料电池发电，实现能量的梯级利用，提升系统的发电效率。
3.本发明利用高温质子交换膜燃料电池尾气的催化燃烧为碳氢燃料重整提供热源，提升了系统燃料利用率；同时采用催化燃烧与碳氢燃料重整装置的一体化设计，增加了系统紧凑性，提高系统的功率密度。
4.本发明利用的碳氢燃料包括甲烷、甲醇、柴油、甲酸。可以根据工作条件调整碳氢燃料。
附图说明
图1是一种重整气涡轮与高温质子交换膜燃料电池联合发电系统结构示意图。
图2是当碳氢燃料为甲酸时联合发电系统结构示意图。
图3是当碳氢燃料为甲烷时联合发电系统结构示意图。
图4是当碳氢燃料为柴油时联合发电系统结构示意图。
其中，1-燃料罐；2-增压装置；3-储水罐；4-水泵；5-混合室；6-催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置；7-重整气涡轮；8-发电机；9-高温质子交换膜燃料电池；10-鼓风机气机。
具体实施方式
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。
本发明提出一种重整气涡轮与高温质子交换膜(PEMFC)燃料电池联合发电系统，所述系统包括碳氢燃料罐1、增压装置2、储水罐3、水泵4、混合室5、催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6、重整气涡轮7、发电机8、高温质子交换膜燃料电池9和鼓风机10；
所述的碳氢燃料罐1出口端与增压装置2进口端连接，所述储水罐3出口端与水泵4进口端连接，经增压装置2加压后的碳氢燃料与经过加压的水与混合室5的入口端连接，高压的碳氢燃料水溶液与催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6冷侧进口端连接，所述催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6的冷侧出口端与重整气涡轮7的进口端连接，所述重整气涡轮7的出口端的重整气与高温质子交换膜燃料电池9阳极进口端连接，所述重整气涡轮7与发电机机8连接，所述鼓风机10出口端与高温质子交换膜燃料电池9的阴极进口端连接，所述高温质子交换膜燃料电池9的阴极和阳极出口尾气混合后与催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6的热侧进口端连接。
所述的碳氢燃料为甲烷、甲醇、柴油或甲酸。
当碳氢燃料为甲烷时，甲烷为气体，在储存时储存在高压气瓶中，之后经过阀门进入混合室5，此外，甲烷重整温度高于燃料电池尾气催化燃烧的温度，需要补充部分甲烷进行催化燃烧提高催化燃烧温度，由于甲烷重整气中一氧化碳浓度高，需要在驱动涡轮后加入一氧化碳优先氧化反应器去除一氧化碳。
当碳氢燃料为甲酸时，甲酸制氢的反应为脱氢反应，甲酸溶液通过增压装置2后直接进入反应器，进行制氢反应。
当碳氢燃料为柴油时，柴油重整温度高于燃料电池尾气催化燃烧的温度，需要补充部分柴油进行催化燃烧提高催化燃烧温度，由于柴油中含有大量的硫，需要进行脱硫，此外，由于柴油重整气中一氧化碳浓度高，需要在驱动涡轮后加入一氧化碳优先氧化反应器去除一氧化碳。
所述的催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6是将碳氢燃料重整装置与燃烧室进行一体化设计，所述催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6的燃烧侧通入高温质子交换膜燃料电池9阴阳极出口的尾气，将阳极出口多余的氢气、一氧化碳，二氧化碳、水蒸气和阴极出口多余的氧气在催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6内进行催化燃烧，为碳氢燃料重整产生重整气提供热源。
碳氢燃料和水组成的混合溶液经过加压或高压储罐，保证催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6的冷侧入口压力高于1bar，碳氢燃料水溶液在所述的催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6内分解为氢气与一氧化碳，二氧化碳、水蒸气混合的重整气，所述的催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6出口的高温高压重整气具有一定的做功能力，先将其通入至所述的重整气涡轮7中进行膨胀做功后，重整气涡轮7的出口重整气温度在160℃左右，压力在1bar左右，然后通入高温质子交换膜燃料电池6的阳极入口进行电化学反应，实现发电效益。
实施例
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明：
参见图1说明本实施方式。本发明所述的一种重整气涡轮与质子交换膜燃料电池联合发电系统，其包括：碳氢燃料罐1、增压装置2、储水罐3、水泵4、混合室5、催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6、重整气涡轮7、发电机8、高温质子交换膜燃料电池9、鼓风机10。
所述的碳氢燃料罐1出口端与增压装置2进口端连接，所述储水罐3出口端与水泵4进口端连接，经增压装置加压后的碳氢燃料与经过加压的水与混合室5的入口端连接，高压的碳氢燃料水溶液与催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6冷侧进口端连接，所述催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6的冷侧出口端与重整气涡轮7的进口端连接，所述重整气涡轮7的出口端的重整气与高温质子交换膜燃料电池9阳极进口端连接，所述重整气涡轮7与发电机机8连接，所述鼓风机10出口端与高温质子交换膜燃料电池9的阴极进口端连接，所述高温质子交换膜燃料电池9的阴极和阳极出口尾气混合后与催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6的热侧进口端连接。
所述的碳氢燃料包括甲烷、甲醇、柴油、甲酸。
所述的催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6是将液碳氢燃料重整装置与传统燃烧室进行一体化设计，所述催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6的燃烧侧通入高温质子交换膜燃料电池9阴阳极出口的尾气，将阳极出口多余的氢气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气和阴极出口多余的氧气在催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6内进行催化燃烧，为碳氢燃料重整产生重整气提供热源。
碳氢燃料在所述的催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6内分解，产生包括氢气、一氧化碳、二氧化碳、水蒸气的重整气，所述的催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6出口的高温高压重整气具有一定的做功能力，先将其通入至所述的重整气涡轮7中进行膨胀做功，重整气涡轮7出口的重整气压力大约为1bar，温度大约160℃，再将做功后的重整气通入高温质子交换膜燃料电池9的阳极入口进行电化学反应，实现发电效益。
所述的四种不同的碳氢燃料具有不同的性质，在制氢过程中的装置也不完全相同，表1展示了不同碳氢燃料制氢的相关数据，包括水碳比、反应温度，反应率以及反应气中的一氧化碳浓度。在本发明中，利用燃料电池尾气中的氢气进行催化燃烧，为重整提供热量。燃料电池尾气进行催化燃烧的温度区间为300-600℃，在柴油和甲烷系统中需要进行补充部分燃料进行催化燃烧。甲烷需要进行一氧化碳去除。柴油需要进行脱硫和一氧化碳去除。一氧化碳优先氧化的温度区间在100-120℃，柴油脱硫的温度在60℃左右。
当碳氢燃料为甲醇时，其联合发电系统结构与本发明所述一种重整气涡轮与质子交换膜燃料电池联合发电系统结构相同，如图1所示。其联合发电系统结构包括燃料罐1、增压装置2、储水罐3、水泵4、混合室5、催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置6、重整气涡轮7、发电机8、高温质子交换膜燃料电池9和鼓风机10。
当碳氢燃料为甲酸时，其联合发电系统结构如图2所示，甲酸制氢的反应为脱氢反应，甲酸溶液通过增压装置后直接进入反应器，进行制氢反应。所述联合发电系统结构包括燃料罐、增压装置、催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置、重整气涡轮、发电机、高温质子交换膜燃料电池和鼓风机。
但碳氢燃料为甲烷时，其联合发电系统结构如图3所示，甲烷为气体，在储存中储存在高压气瓶中，之后经过阀门进入混合室，此外，甲烷重整温度高于燃料电池尾气催化燃烧的温度，需要补充部分甲烷进行催化燃烧提高催化燃烧温度。由于甲烷重整气中一氧化碳浓度较高，需要在驱动涡轮后加入一氧化碳优先氧化反应器去除一氧化碳。所述联合发电系统结构包括高压气瓶、阀门、储水罐、水泵、混合室、催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置、重整气涡轮、发电机、一氧化碳优先氧化反应器、高温质子交换膜燃料电池和鼓风机。
当碳氢燃料为柴油时，其联合发电系统结构如图4所示，柴油重整温度高于燃料电池尾气催化燃烧的温度，需要补充部分柴油进行催化燃烧提高催化燃烧温度。由于柴油中含有大量的硫，需要进行脱硫。此外，由于柴油重整气中一氧化碳浓度较高，需要在驱动涡轮后加入一氧化碳优先氧化反应器去除一氧化碳。所述联合发电系统结构包括燃料罐、增压装置、柴油脱硫反应器、储水罐、水泵、混合室、催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置、重整气涡轮、发电机、一氧化碳优先氧化反应器、高温质子交换膜燃料电池和鼓风机。
| 燃料 | 水碳比 | 反应温度 | 反应率 | 一氧化碳浓度 |
| 甲醇 | 1-2 | 250-350℃ | >95％ | <2％ |
| 甲酸 | —— | 80-120℃ | >95％ | <50ppm |
| 甲烷 | 2-3 | 700-900℃ | >80％ | 10—20％ |
| 柴油 | 2.5-5 | 650—950℃ | >80％ | 10—20％ |
表1不同碳氢燃料制氢的相关数据
本发明提出一种重整气涡轮与高温质子交换膜燃料电池联合发电系统。碳氢燃料经增压装置加压后，与经水泵加压的水混合、通入催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置中，碳氢燃料水溶液吸热重整，产生高温高压重整气，进入重整气涡轮进行做功发电，重整气涡轮出口的常温常压重整气通入高温PEMFC阳极，通过电化学反应发出电力；高温PEMFC阴阳极出口的尾气一并通入至催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置，通过燃烧反应释放热量，为重整反应提供热量。本发明提出了一种高功率密度的清洁能源联合发电系统，通过燃料电池尾气催化燃烧与重整制氢一体化，并利用高温高压重整气涡轮发电做功，实现系统的温度梯级利用和部件高效匹配，提升系统的发电效率和能量密度。
本实施方式只是对本发明的实例性说明，不限制其保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，但只要未超出本发明的精神实质，任何改动均应在本发明保护范围内。
Claims (7)
1.一种重整气涡轮与高温质子交换膜燃料电池联合发电系统，其特征在于：所述系统包括碳氢燃料罐(1)、增压装置(2)、储水罐(3)、水泵(4)、混合室(5)、催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置(6)、重整气涡轮(7)、发电机(8)、高温质子交换膜燃料电池(9)和鼓风机(10)；
所述的碳氢燃料罐(1)出口端与增压装置(2)进口端连接，所述储水罐(3)出口端与水泵(4)进口端连接，经增压装置(2)加压后的碳氢燃料与经过加压的水与混合室(5)的入口端连接，高压的碳氢燃料水溶液与催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置(6)冷侧进口端连接，所述催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置(6)的冷侧出口端与重整气涡轮(7)的进口端连接，所述重整气涡轮(7)的出口端的重整气与高温质子交换膜燃料电池(9)阳极进口端连接，所述重整气涡轮(7)与发电机机(8)连接，所述鼓风机(10)出口端与高温质子交换膜燃料电池(9)的阴极进口端连接，所述高温质子交换膜燃料电池(9)的阴极和阳极出口尾气混合后与催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置(6)的热侧进口端连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的碳氢燃料为甲烷、甲醇、柴油或甲酸。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，当碳氢燃料为甲烷时，甲烷为气体，在储存时储存在高压气瓶中，之后经过阀门进入混合室(5)，此外，甲烷重整温度高于燃料电池尾气催化燃烧的温度，需要补充部分甲烷进行催化燃烧提高催化燃烧温度，由于甲烷重整气中一氧化碳浓度高，需要在驱动涡轮后加入一氧化碳优先氧化反应器去除一氧化碳。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，当碳氢燃料为甲酸时，甲酸制氢的反应为脱氢反应，甲酸溶液通过增压装置(2)后直接进入反应器，进行制氢反应。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，当碳氢燃料为柴油时，柴油重整温度高于燃料电池尾气催化燃烧的温度，需要补充部分柴油进行催化燃烧提高催化燃烧温度，由于柴油中含有大量的硫，需要进行脱硫，此外，由于柴油重整气中一氧化碳浓度高，需要在驱动涡轮后加入一氧化碳优先氧化反应器去除一氧化碳。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置(6)是将碳氢燃料重整装置与燃烧室进行一体化设计，所述催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置(6)的燃烧侧通入高温质子交换膜燃料电池(9)阴阳极出口的尾气，将阳极出口多余的氢气、一氧化碳，二氧化碳、水蒸气和阴极出口多余的氧气在催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置(6)内进行催化燃烧，为碳氢燃料重整产生重整气提供热源。
7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，碳氢燃料和水组成的混合溶液经过加压或高压储罐，保证催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置(6)的冷侧入口压力高于1bar，碳氢燃料水溶液在所述的催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置(6)内分解为氢气与一氧化碳，二氧化碳、水蒸气混合的重整气，所述的催化燃烧与碳氢燃料重整一体化装置(6)出口的高温高压重整气具有一定的做功能力，先将其通入至所述的重整气涡轮(7)中进行膨胀做功后，重整气涡轮(7)的出口重整气温度在160℃左右，压力在1bar左右，然后通入高温质子交换膜燃料电池(6)的阳极入口进行电化学反应，实现发电效益。
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| CN202310451459.2A CN116525897A (zh) | 2023-04-25 | 2023-04-25 | 一种重整气涡轮与高温质子交换膜燃料电池联合发电系统 |
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| CN117317333A (zh) * | 2023-11-27 | 2023-12-29 | 常州创氢能源科技有限公司 | 航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆 |
| CN117317333B (zh) * | 2023-11-27 | 2024-01-30 | 常州创氢能源科技有限公司 | 航空用涡轮增压高温质子交换膜燃料电池电堆 |
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