CN1941482A - 一种基于甲烷裂解和燃料电池的能源系统 - Google Patents

一种基于甲烷裂解和燃料电池的能源系统 Download PDF

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Abstract

一种基于甲烷裂解和燃料电池的能源系统，包括甲烷催化裂解装置和碳燃料电池及质子膜燃料电池。首先，为了进行稳流操作，在流化床内进行甲烷催化裂解，使用Ni催化剂，在500－750℃其转化率可达70％－80％。其次，使用技术相对成熟且有较大应用前景的PEMFC来消耗甲烷裂解产生的氢。PEMFC的电效率在25－100℃可以高达0.4－0.65，最后，以熔融碳酸盐为电解质的碳燃料电池被用来消耗甲烷裂解产生的碳，其在550℃的操作条件下效率可达到0.82。本工艺过程集成度高，氢和碳易于分离，碳燃料电池可以高效地利用各种形态的碳资源，过程简单易行。

Description

一种基于甲烷裂解和燃料电池的能源系统
                        技术领域
本发明涉及一种能源系统，特别涉及一种基于甲烷裂解和燃料电池的能源系统。
                        背景技术
工业上甲烷的利用主要是通过水蒸汽重整反应来实现的。甲烷的部分氧化和自热重整反应最近也日益受到重视。但是，这些反应过程比较复杂并且伴随有CO的产生，后继步骤中须经过水蒸汽重整把CO氧化成CO2。
                        发明内容
为了解决上述技术问题，本发明以天然气为原料，结合燃料电池技术，获得一个输出电效率为69％的高效能源工艺路线。
本发明的目的是提供一种能源系统。
本发明的能源系统，包括甲烷催化裂解装置和碳燃料电池及质子膜燃料电池。
所述的甲烷催化裂解装置为流化床反应器，采用Ni催化剂，反应温度为500-750℃。
所述碳燃料电池优选采用熔融碳酸盐为电解质。
本发明的能源系统，分别使用不同的预热器对反应原料预热，并且使用朗肯循环集中回收系统的余热。
本发明的能源系统，其流化床反应器入口端依次串联有预热器1和预热器1′；流化床反应器的碳纤维出口端与碳燃料电池相连，氢气出口端顺序串联有废热锅炉和质子膜燃料电池；碳燃料电池另连接有预热器2，出口端与废热锅炉相连；质子膜燃料电池连接有预热器3，出口端与预热器1和预热器1′中间的管线相连；废热锅炉与透平机、压缩机和泵依次连接成环路，形成朗肯循环。
能源系统的预热器1′所需热量由质子膜燃料电池的出口热气体来提供，预热器1所需热量由流化床出口高温气体提供，预热器2所需的热量由碳燃料电池出口高温二氧化碳气体来提供，预热器3所需热量由质子膜燃料电池的反应余热来提供，流化床需要的反应热由碳燃料电池的余热来供应，其它多余的热量通过废热锅炉来利用。
该能源系统包含三个关键部分(见附图)：首先，为了进行稳流操作，在流化床内进行甲烷催化裂解，使用Ni催化剂，在500-750℃其转化率可达70％-80％。其次，使用技术相对成熟且有较大应用前景的PEMFC来消耗甲烷裂解产生的氢。PEMFC的电效率在25-100℃可以高达0.4-0.65，最后，以熔融碳酸盐为电解质的碳燃料电池被用来消耗甲烷裂解产生的碳，其在550℃的操作条件下效率可达到0.82。
另外，分别使用预热器1，2，3，4对反应物料预热，并且使用朗肯循环(包括废热锅炉、透平机、压缩机和泵)集中回收系统的余热。
本发明的发明要点：
(1)集成了流化床反应器，质子膜燃料电池和碳燃料电池，系统热效率高达69％，高于传统的甲烷水蒸气重整方式。
(2)该系统除在开始运行时需要提供热量外，可以在自热条件下稳态操作。
采用流化床催化裂解甲烷，产物氢气和纳米碳纤维分别作为质子膜燃料电池和碳燃料电池原料，输出电能，同时得到生活用水。
随着石油资源的日趋紧缺和全球二氧化碳温室效应，提高能源过程的能效呼声益高。工业上甲烷主要是通过水蒸汽重整反应来利用的。但是，水蒸汽重整过程比较复杂并且伴随有CO的产生。本发明从甲烷裂解和碳燃料电池出发，构建了一个高效的能源系统，热效率远远高于市场上传统的甲烷水蒸汽重整方式。而且，本工艺过程集成度高，氢和碳易于分离，碳燃料电池可以高效地利用各种形态的碳资源，过程简单易行。本能源系统同样可以推广到其它烃类燃料的利用，如除甲烷之外的烷烃，烯烃或者炔烃等烃类，它们可以通过裂解得到甲烷作为该体系的原料。因此必然具有非常广阔的市场前景。
本发明消耗的原料是天然气。天然气的洁净程度对甲烷裂解和燃料电池的使用的影响不大，但是必须保证甲烷催化裂解中不能带有空气杂质，否则气体中混有的CO会导致质子膜燃料电池的中毒。
                            附图说明
图1为本发明的能源系统工艺流程图
                          具体实施方式
甲烷预热分两段进行，第一段将新鲜的甲烷从常温(25℃)常压(1atm)下经过预热器1′加热到100℃，第二段将从预热器1′出来的甲烷经过预热器1从100℃加热到600℃。进入流化床催化裂化反应器，在600℃下催化裂解成纳米碳纤维和氢气。高纯氢经过废热锅炉回收热量，降温到100℃通入质子膜燃料电池，同时氧化剂空气经过预热器3加热到100℃后通入质子膜燃料电池，与氢气反应生成100℃的水，可以作为生活用水出售。高温纳米碳纤维(600℃)直接通入碳燃料电池，同时将氧气和氮气从常温通过预热器2加热到650℃，然后通入碳燃料电池与纳米碳纤维反应，得到的产物高温二氧化碳也通过废热锅炉回收热量再集中收集，作为产品出售。本实施例中流化床的转化率为70％，催化甲烷催化裂解完成后，剩余0.429单位/时间的甲烷，经过在系统中循环后又通入第二预热器进行回收，同第一段预热器出来的甲烷一起使用。(系统中所有气体都是在常压状态)。

Claims (6)

1.一种基于甲烷裂解和燃料电池的能源系统，其特征是包括甲烷催化裂解装置和碳燃料电池及质子膜燃料电池。
2.如权利要求1所述的能源系统，其特征是所述的甲烷催化裂解装置为流化床反应器，采用Ni催化剂，反应温度为500-750℃。
3.如权利要求2所述的能源系统，其特征是所述碳燃料电池采用熔融碳酸盐为电解质。
4.如权利要求3所述的能源系统，其特征是分别使用不同的预热器对反应物料预热，并且使用朗肯循环集中回收系统的余热。
5.如权利要求4所述的能源系统，其特征是其流化床反应器入口端依次串联有预热器1和预热器1′；流化床反应器的碳纤维出口端与碳燃料电池相连，氢气出口端顺序串联有废热锅炉和质子膜燃料电池；碳燃料电池另连接有预热器2，出口端与废热锅炉相连；质子膜燃料电池连接有预热器3，出口端与预热器1和预热器1′中间的管线相连；废热锅炉与透平机、压缩机和泵依次连接成环路，形成朗肯循环。
6.如权利要求5所述的能源系统，其特征是预热器1′所需热量由质子膜燃料电池的出口热气体来提供，预热器1所需热量由流化床出口高温气体提供，预热器2所需的热量由碳燃料电池出口高温二氧化碳气体来提供，预热器3所需热量由质子膜燃料电池的反应余热来提供，流化床需要的反应热由碳燃料电池的余热来供应，其它多余的热量通过废热锅炉来利用。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN100461516C (zh) * 2007-05-10 2009-02-11 上海交通大学 天然气熔融碳酸盐燃料电池发电系统
CN113169364A (zh) * 2018-12-14 2021-07-23 埃科纳能源公司 用于产生氢和生成电力的方法

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