CN117594825A - 一种基于高温质子交换膜燃料电池电堆的热电联供系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高温质子交换膜燃料电池电堆的热电联供系统。系统包括自热重整反应器，水煤气变换反应器和高温质子交换膜燃料电池电堆；其中，自热重整反应器的输出端通过第一热交换器连接水煤气变换反应器的输入端，水煤气变换反应器的输出端通过第二热交换器连接高温质子交换膜燃料电池电堆的输入端，通过所述高温质子交换膜燃料电池电堆输出交流电；第一热交换器和第二热交换器用于使水煤气变换反应器和高温质子交换膜燃料电池电堆在所需温度范围内工作。该系统可省去对重整气的纯化过程，在保证较高CO耐受度的情况下，提高热电联供效率。
Description
技术领域
本发明涉及热电联供技术领域，更具体的说是涉及一种基于高温质子交换膜燃料电池电堆的热电联供系统
背景技术
当前世界能源资源日益紧张，生态环境问题突出，发展清洁能源并减少环境污染已成为未来能源发展和整个人类社会发展的必然趋势。燃料电池技术通过电化学反应过程使燃料中的化学能直接转化为电能，具有安静、环保、高效的突出优势。
但是基于氢的燃料电池由于氢气的存储特性而存在显着的缺点，目前最成熟的高压气瓶储氢方式的体积储氢密度也仅为常温下柴油体积储氢密度的三分之一，因此采用柴油重整制氢即产即用具有高体积储氢密度、方便安全、加注基础设施完善等优点。
目前，现有的柴油重整制氢系统通常较少采用具有更高功率密度、更短启动时间以及更长使用寿命的质子交换膜燃料电池，这主要是由于目前常用的低温质子交换膜燃料电池(工作温度在60-80℃之间)对CO的耐受度非常低(＜10ppm)，而柴油重整气经水煤气变换反应后仍含有1％左右的CO，需要进一步纯化，带来了更高的使用成本以及更大的系统体积和质量。
同时，目前对于燃料电池阳极尾气中残余氢气及柴油重整反应产生的甲烷气体的回收利用方式也主要采用明火燃烧，这会导致严重的污染物排放以及较低的设备使用稳定性和寿命，且安全性差。
为此，本申请为至少部分解决上述技术问题，提出了一种基于高温质子交换膜燃料电池电堆的柴油自热重整燃料电池热电联供系统。
发明内容
有鉴于此，本发明提供的基于柴油自热重整的燃料电池热电联供系统，目的在于，通过采用具有更高CO耐受度(2.5％以下)的高温质子交换膜燃料电池(工作温度在120-200℃之间)，省去对重整气的纯化过程，降低成本的同时，提高电极催化效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于高温质子交换膜燃料电池电堆的热电联供系统，包括自热重整反应器，水煤气变换反应器和高温质子交换膜燃料电池电堆；其中，
自热重整反应器的输出端通过第一热交换器连接水煤气变换反应器的输入端，水煤气变换反应器的输出端通过第二热交换器连接高温质子交换膜燃料电池电堆的输入端，通过所述高温质子交换膜燃料电池电堆输出交流电；
所述第一热交换器和所述第二热交换器用于使水煤气变换反应器和高温质子交换膜燃料电池电堆在所需温度范围内工作。
优选的，自热重整反应器、水煤气变换反应器和高温质子交换膜燃料电池电堆的内部布设有温度传感器。
优选的，所述自热重整反应器中氧与碳比例为0.4–0.5，水与碳比例为1.6–2。
优选的，所述高温质子交换膜燃料电池电堆的输出端依次连接DC/DC转换器和DC/AC转换器，用于获得稳定的交流电。
优选的，所述水煤气变换反应器的输出端连接高温质子交换膜燃料电池电堆的阳极入口，所述高温质子交换膜燃料电池电堆的阴极入口通过第一空气压缩机引入空气。
优选的，所述第一热交换器和所述第二热交换器的冷流入口分别通过进水计量泵进行进水。
优选的，所述自热重整反应器的输入端连接气体混合系统，所述气体混合系统包括三个输入支路，分别用于引入空气、柴油和水。
优选的，第一输入支路包括第二空气压缩机和第三热交换器，用于引入空气并预热；
第二输入支路包括柴油储罐、第一进料计量泵和预热室，用于按需引入柴油并预热；
第三输入支路包括水箱、第二进料计量泵和蒸发室，用于按需引入水并气化。
优选的，所述预热室和所述蒸发室中间设有催化燃烧室，催化燃烧室中存放催化剂，其中，预热室、催化燃烧室和蒸发室为板式一体化结构。
优选的，所述催化燃烧室的输入端连接所述高温质子交换膜燃料电池电堆的阳极出口；以及通过第三压缩机引入空气；所述催化燃烧室的输出端连接所述第三热交换器的热流入口。
经由上述的技术方案可知，本发明公开提供了一种基于高温质子交换膜燃料电池电堆的热电联供系统具有如下优势：
1.本发明通过柴油现场制氢即产即用避免了氢气存储问题，且柴油具有能量密度高、单位体积原料理论氢含量高，常温下是液态便于运输和储存、基础设施完善等优势。
2.本发明采用具有更高CO耐受度(2.5％以下)的高温质子交换膜燃料电池(工作温度在120-200℃之间)，省去对重整气更多复杂的纯化过程，且相较于低温质子交换膜燃料电池具有更高的电极催化效率、无需复杂的水管理，相较于固体氧化物燃料电池具有更高功率密度、更短启动时间以及更长使用寿命。
3.本发明利用催化燃烧技术处理燃料电池阳极尾气中的残余燃料，相较于传统燃烧方式，具有燃烧过程无明火、燃烧稳定、起燃温度低、安全性好、污染物排放水平低等优势。
4.本发明通过采取热量梯级利用、能量回收、催化燃烧室与预热室和气化室一体化结构等措施进一步提升系统综合能量利用效率，实现安全、高效、环保的热电联供效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明基于高温质子交换膜燃料电池电堆的热电联供系统结构示意图。
附图标记说明
1-柴油储罐；2-第一进料计量泵；3-第二空气压缩机；4-第三空气压缩机；5-水箱；6-第二进料计量泵；7-预热室；8-催化燃烧室；9-蒸发室；10-混合室；11-第三热交换器；12-自热重整反应器；13-水煤气变换反应器；14-高温质子交换膜燃料电池电堆；15-DC/DC转换器；16-DC/AC转换器；17-第一进水计量泵；18-第一热交换器；19-第二热交换器；20-第二进水计量泵；21-第一空气压缩机。
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。
为了提高CO的耐受度，本发明实施例基于高温质子交换膜燃料电池电堆提供了一种的热电联供系统。
该系统包括自热重整反应器，水煤气变换反应器和高温质子交换膜燃料电池电堆；其中，
自热重整反应器的输出端通过第一热交换器连接水煤气变换反应器的输入端，水煤气变换反应器的输出端通过第二热交换器连接高温质子交换膜燃料电池电堆的输入端，通过所述高温质子交换膜燃料电池电堆输出交流电；
具体的，水煤气变换反应器的输出端连接高温质子交换膜燃料电池电堆的阳极入口，高温质子交换膜燃料电池电堆的阴极入口通过第一空气压缩机引入空气，通过空气与重整气体在高温质子交换膜燃料电池电堆内的电化学反应产生电能，以满足外部电负载需求。
第一热交换器和第二热交换器用于使水煤气变换反应器和高温质子交换膜燃料电池电堆在所需温度范围内工作。其中，水煤气变换反应器工作温度在250-280℃之间，高温质子交换膜燃料电池电堆工作温度在160-180℃之间。
优选的，自热重整反应器的工作温度为880-920℃。
本申请中，自热重整反应器、水煤气变换反应器和高温质子交换膜燃料电池电堆的内部布设有温度传感器，以便于对各部件的工作状态进行监控。
一种实施例中，在各部件输入端或对应热交换器的热流出口安装温度传感器，以进一步确保水煤气变换反应器和高温质子交换膜燃料电池电堆工作在安全温度范围内。可选的，自热重整反应器排出的重整气经第二热交换器冷却到230℃以下，水煤气变换反应器排出的反应气经第三热交换器冷却到150℃以下。
为优化上述技术方案，本发明中自热重整反应器中氧与碳比例为0.4–0.5，水与碳比例为1.6–2，以保证自热重整后较优的制氢效果以及重整气内较低的CO浓度；同时在该比例下，自热重整反应吸热放热量较小，控制反应温度更容易；
且可通过第一进料计量泵2、第二进料计量泵6、第二空气压缩机3来调控该比例。
此外，为了获得稳定的交流电，使高温质子交换膜燃料电池电堆的输出端依次连接DC/DC转换器和DC/AC转换器。
同时，为实现热电联供效应，以及稳定有效的冷却效果，
使第一热交换器和第二热交换器的冷流入口分别通过进水计量泵进行进水。
且第一热交换器的热流入口连接自热重整反应器的输出端，热流出口连接水煤气变换反应器的输入端；第二热交换器的热流入口连接水煤气变换反应器的输出端，热流出口连接高温质子交换膜燃料电池电堆的阳极入口。
外部冷水经过第一热交换器和第二热交换器加热后排出，可满足用于对供热和热水的需求，依此达到热电联供。
本发明采用具有更高CO耐受度(2.5％以下)的高温质子交换膜燃料电池(工作温度在120-200℃之间)，可省去对重整气更多复杂的纯化过程，且相较于低温质子交换膜燃料电池具有更高的电极催化效率、无需复杂的水管理，相较于固体氧化物燃料电池具有更高功率密度、更短启动时间以及更长使用寿命。
在另一种实施例中，自热重整反应器的输入端连接气体混合系统，需要注意的是，本申请的核心为高温质子交换膜燃料电池电堆的应用，而并非仅在于气体混合系统，即当应用其他方法产生的柴油重整气时，也将落入本发明的保护范围。
本发明中，气体混合系统包括三个输入支路，分别用于引入空气、柴油和水。
具体为，第一输入支路包括第二空气压缩机和第三热交换器，用于引入空气并预热；
第二输入支路包括柴油储罐、第一进料计量泵和预热室，用于按需引入柴油并预热；
第三输入支路包括水箱、第二进料计量泵和蒸发室，用于按需引入水并气化。
其中，预热室和蒸发室中间设有催化燃烧室，预热室、催化燃烧室和蒸发室为板式一体化结构；以提高热交换效果，提高热量利用效率。
本发明中，为了充分利用燃料电池阳极尾气，避免明火燃烧导致的污染物排放；使催化燃烧室的输入端连接所述高温质子交换膜燃料电池电堆的阳极出口；以及通过第三压缩机引入空气，以使阳极尾气和空气在催化剂的作用下发生催化燃烧反应，从而放热，用于预热室内柴油的预热和蒸发室内水的气化。
一种实施例中采用铂基催化剂，具体成分为PtLaCe/Al2O3。
进一步，使催化燃烧室的输出端连接第三热交换器的热流入口，以提高热能利用效率。
为进一步阐明本申请热电联供系统的工作原理，通过下方实施例进行说明。
如图1所示，自热重整反应器12的输出端连接第一热交换器18的热流入口，第一热交换器18的热流出口连接水煤气变换反应器13的输入端，水煤气变换反应器13的输出端连接第二热交换器19的热流入口，第二热交换器19的热流出口连接高温质子交换膜燃料电池电堆14的阳极入口，高温质子交换膜燃料电池电堆14的阴极入口通过第一空气压缩机21引入空气；进一步，高温质子交换膜燃料电池电堆14通过依次连接DC/DC转换器15和DC/AC转换器16输出稳定的交流电。
同时，第一热交换器18的冷流入口通过第一进水计量泵17进水，第二热交换器19的冷流入口通过第二进水计量泵20进水，两个热交换器排水端输出的热水可满足用户对供热或供水的需求。
本实施例中，自热重整反应器12、水煤气变换反应器13以及高温质子交换膜燃料电池电堆14的内部设有温度传感器，用于监测上述部件均在安全温度范围内工作；可选的，第一热交换器18和第二热交换器18的热流出口也布设温度传感器，用于进一步监测水煤气变换反应器13以及高温质子交换膜燃料电池电堆14的工作温度。
进一步，自热重整反应器12的输入端连接混合室10，混合室10具有三个输入支路；其中，
第一支路通过第二压缩机3和第三热交换器11引入空气并预热；具体的，第二压缩机3的输出端连接第三热交换器11的冷流入口，第三热交换器11的冷流出口连接混合室；
第二支路首先包括柴油储罐1，和依次与之相连的第一进料计量泵2、预热室7，其中，预热室7的输出端连接混合室10；通过第一进料计量泵2将柴油储罐1中的柴油通过管道泵入预热室7；
第三支路依次包括水箱5、第二进料计量泵6和蒸发室9，且蒸发室9的输出端连接混合室10；第二进料计量泵6将水箱5内的水通过管道泵入蒸发室9；
本实施例中，预热室7和蒸发室9中间设有催化燃料室8，进一步，催化燃料室8的输入端连接高温质子交换膜燃料电池电堆14的阳极出口，同时通过第三空气压缩机4引入空气；空气与高温质子交换膜燃料电池电堆14的阳极尾气在催化剂作用下发生催化燃烧反应放热，以使预热室7内柴油预热和蒸发室9内的水气化。
一种实施例中，预热室7、催化燃烧室8和蒸发室9作为一体化设计，并采用板式结构，预热室7和蒸发室9分别位于催化燃烧室8两侧，以提高热交换效果，提高热量利用效率。
同时，催化燃烧室8的输出端连接第三热交换器11的热流入口，通过与催化燃烧室8排出的尾气换热，实现对空气的预热效果。
工作时，经预热的空气、柴油和水蒸气共同进入混合室10，进行充分混合后再次进入自热重整反应器12内发生柴油自热重整反应，生成的重整气成分主要为H2、CO2、N2、H2O、CO及CH4，之后重整气经第二热交换器18换热降温后进入水煤气变换反应器13内发生水煤气变换反应，降低重整气内CO浓度的同时，进一步提高重整气内的氢气含量。
之后，由水煤气变换反应器13排出的高温重整气经第三热交换器19进一步降温后进入高温质子交换膜燃料电池电堆14的阳极，与由第三空气压缩机21送入阴极的空气发生电化学反应发电，产生的电能通过DC/DC转换器15和DC/AC转换器16变为特定电压的交流电满足外部电负载需求。
本申请中，柴油储罐中储存柴油的硫含量需不大于10ppm，
自热重整反应器中进行重整的氧与碳比例在0.4–0.5之间，水与碳的比例在1.6–2之间；且自热重整反应器内的温度需维持在880-920℃之间；
当自热重整反应器内温度高于920℃时，降低进入自热重整反应器内混合气氧碳比的同时，提高其水碳比；当自热重整反应器内温度低于880℃时，降低进入自热重整反应器内混合气水碳比的同时，提高其氧碳比。
本发明通过柴油自热重整制氢即产即用避免了氢气存储问题，并与高温质子交换膜燃料电池结合省去对重整气的进一步提纯，采用催化燃烧技术对燃料电池阳极尾气回收利用，并将预热室、催化燃烧室和蒸发室作为一体化结构，进一步提高能量利用效率，制氢过程产生的高温重整气与外部液态水热交换降温，实现部件温度匹配，并满足用户对供热和热水需求。本发明具有综合能量利用效率高、安静、安全、环保等优势。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于高温质子交换膜燃料电池电堆的热电联供系统，其特征在于，包括自热重整反应器，水煤气变换反应器和高温质子交换膜燃料电池电堆；其中，
自热重整反应器的输出端通过第一热交换器连接水煤气变换反应器的输入端，水煤气变换反应器的输出端通过第二热交换器连接高温质子交换膜燃料电池电堆的输入端，通过所述高温质子交换膜燃料电池电堆输出交流电；
所述第一热交换器和所述第二热交换器用于使水煤气变换反应器和高温质子交换膜燃料电池电堆在所需温度范围内工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于高温质子交换膜燃料电池电堆的热电联供系统，其特征在于，自热重整反应器、水煤气变换反应器和高温质子交换膜燃料电池电堆的内部布设有温度传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于高温质子交换膜燃料电池电堆的热电联供系统，其特征在于，所述自热重整反应器中氧与碳比例为0.4–0.5，水与碳比例为1.6–2。
4.根据权利要求1所述的一种基于高温质子交换膜燃料电池电堆的热电联供系统，其特征在于，所述高温质子交换膜燃料电池电堆的输出端依次连接DC/DC转换器和DC/AC转换器，用于获得稳定的交流电。
5.根据权利要求1所述的一种基于高温质子交换膜燃料电池电堆的热电联供系统，其特征在于，所述水煤气变换反应器的输出端连接高温质子交换膜燃料电池电堆的阳极入口，所述高温质子交换膜燃料电池电堆的阴极入口通过第一空气压缩机引入空气。
6.根据权利要求1所述的一种基于高温质子交换膜燃料电池电堆的热电联供系统，其特征在于，所述第一热交换器和所述第二热交换器的冷流入口分别通过进水计量泵进行进水。
7.根据权利要求1所述的一种基于高温质子交换膜燃料电池电堆的热电联供系统，其特征在于，所述自热重整反应器的输入端连接气体混合系统，所述气体混合系统包括三个输入支路，分别用于引入空气、柴油和水。
8.根据权利要求7所述的一种基于高温质子交换膜燃料电池电堆的热电联供系统，其特征在于，
第一输入支路包括第二空气压缩机和第三热交换器，用于引入空气并预热；
第二输入支路包括柴油储罐、第一进料计量泵和预热室，用于按需引入柴油并预热；
第三输入支路包括水箱、第二进料计量泵和蒸发室，用于按需引入水并气化。
9.根据权利要求8所述的一种基于高温质子交换膜燃料电池电堆的热电联供系统，其特征在于，所述预热室和所述蒸发室之间设有催化燃烧室，其中，预热室、催化燃烧室和蒸发室为板式一体化结构。
10.根据权利要求9所述的一种基于高温质子交换膜燃料电池电堆的热电联供系统，其特征在于，所述催化燃烧室的输入端连接所述高温质子交换膜燃料电池电堆的阳极出口；以及通过第三压缩机引入空气；所述催化燃烧室的输出端连接所述第三热交换器的热流入口。
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| CN202311547277.1A CN117594825A (zh) | 2023-11-20 | 2023-11-20 | 一种基于高温质子交换膜燃料电池电堆的热电联供系统 |
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