CN201402833Y - 基于天然气制氢与质子交换膜燃料的电池集成发电装置 - Google Patents

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叶根银
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Abstract

本实用新型公开了基于天然气制氢与质子交换膜燃料的电池集成发电装置。该装置的第四换热器的高温流体侧分别与膜分离器的高压侧及压力调节阀相连；低温流体侧与压缩机与第三换热器之间的管路相连；第三换热器的高温流体侧分别与重整反应器的烟气出口和排出管连接，低温侧流体侧分别与压缩机和重整反应器的入口连接。本实用新型利用对质子交换膜燃料电池无毒害的制氢原料气天然气作为钯膜内侧的吹扫气，降低膜内侧的氢气分压，从而提高膜内外氢气分压压差，从而提高天然气重整制氢系统与燃料电池集成系统的整体发电效率。本实用新型系统热量匹配好，能量利用效率高，为天然气重整钯膜分离制氢与质子交换膜燃料电池集成发电提供了新的装置。

Description

基于天然气制氢与质子交换膜燃料的电池集成发电装置
技术领域：
本实用新型涉及一种天然气制氢与质子交换膜燃料电池集成发电的工艺，特别是涉及到利用钯膜分离生产不含CO的氢气的工艺及装置。
背景技术
从二十世纪末开始，燃料电池技术得到了飞速的发展。燃料电池是将化学能转化为电能的高效能源转化装置，其排放物为水，不会对环境造成危害。目前燃料电池技术发展最成熟的是质子交换膜燃料电池，该燃料电池对氢源中CO的含量的要求非常苛刻(CO＜10ppm)。如果能小规模地生产满足质子交换燃料电池需要的高纯氢气，可解决现燃料电池技术在推广应用中的一个关键问题。小规模高纯度氢气生产技术不仅解决了燃料电池在线供氢难题，还可以免去因瓶装氢在储存和运输中带来的高危险和高投资。
目前，在线制氢中去除合成气中CO的方法主要有两种，一是通过化学方法，使CO的含量降低到10ppm以下，主要有高、低温水汽变化，CO优先氧化，选择性甲烷化。单独的水汽变化不能将CO含量降低到10ppm，后续必需进行CO优先氧化，或选择性甲烷化处理；CO优先氧化需在合成气中通入空气，空气的通入会降低氢气的浓度，并且操作温度难以控制，高温下会造成大量氢气消耗。选择性甲烷化只能适用于CO含量很低的合成气净化。二是利用对氢气有选择性透过的钯及其合金膜生产高纯度的氢气，氢气透过的推动力来自膜两侧的氢气分压的差别，因此要求合成气生产系统必须在较高的压力下进行，给系统操作带来了困难。中国发明专利申请“利用钯膜从含氢合成气中生产高纯度氢气的方法及装置”(申请号200810029463.5)提出了一种对合成气进行冷却降温的方法去除合成气中的水分来提高合成气中氢气分压的方法，该方法可以提高氢气产量。但由于合成气冷凝过后需要加热，系统的热量较难匹配，需要额外热源补充。
实用新型内容
本实用新型针对采用钯膜分离制氢与燃料电池集成发电过程中，钯膜两侧需要很大的氢气分压差，操作成本较高的问题，提供一种整体发电效率高、能量利用效率高的基于天然气制氢与质子交换膜燃料的电池集成发电装置。
本实用新型利用对质子交换膜燃料电池无毒害的制氢原料气天然气作为钯膜内侧的吹扫气，降低膜内侧的氢气分压，从而提高膜内外氢气分压压差，从而提高天然气重整制氢系统与燃料电池集成系统的整体发电效率。本实用新型设计简单，系统热量匹配好，能量利用效率高，为天然气重整钯膜分离制氢与质子交换膜燃料电池集成发电提供了一种新的工艺方法。
本实用新型的目的通过如下技术方案实现：
基于天然气制氢与质子交换膜燃料的电池集成发电装置，包括脱硫器、第一换热器、膜分离器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、压力调节阀、水泵、压缩机、质子交换膜燃料电池、燃烧器和重整反应器；所述第一换热器的高温流体侧分别与重整反应器出口和膜分离器的高压侧相连，低温流体侧分别与脱硫器出口和膜分离器的低压侧相连；第二换热器的高温流体侧分别与膜分离器的低压侧和质子交换膜燃料电池的阳极端连接，低温流体侧分别与水泵和第四换热器的低温流体侧相连；第四换热器的高温流体侧分别与膜分离器的高压侧及压力调节阀相连；低温流体侧还与压缩机与第三换热器之间的管路相连；第三换热器的高温流体侧分别与重整反应器的烟气出口和排出管连接，低温侧流体侧分别与压缩机和重整反应器的入口连接；质子交换膜燃料电池的阳极出口与压缩机连接，燃烧器输入端分别与压力调节阀和进气管连接，输出端与重整反应器的烟气入口连接。
所述的燃烧器还通过管道与补燃天然气源连接。
所述的脱硫器为固定床式脱硫器。
所述的重整反应器为外加热固定床反应器，壳体内间隔设有镍基水蒸汽重整催化剂道和高温烟气通道；镍基水蒸汽重整催化剂道和高温烟气通道的接触面为换热面。
所述的压缩机为往复式压缩机。
所述的第一换热器、第二换热器、第三换热器和第四换热器采用翅片式换热器或螺旋板式换热器。
天然气制氢与质子交换膜燃料电池集成发电的方法，包括如下步骤：
(1)脱硫后的天然气与来自重整反应器出口的含氢合成气经第一换热器换热后，含氢合成气温度降低到410～660℃，天然气温度上升到400～650℃，含氢合成气和天然气分别进入膜分离器高压侧和低压侧，在膜分离器内含氢合成气中的氢气透过钯膜进入到膜的低压侧；
(2)在膜分离器内，高压侧合成气中的大部分氢气透过钯膜组件进入到低压侧，与低压侧的天然气混合；从膜分离器低压侧出来的氢气与天然气的混合气，通过第二换热器预热来自水泵的脱盐水，氢气与天然气混合气温度减低到60～85℃，进入到质子交换膜燃料电池的阳极通道；水被预热并部分汽化，进入第三换热器；水蒸汽与天然气的摩尔流量比为(2-5)∶1；
(3)氢气与天然气混合气进入到质子交换膜燃料电池的阳极通道，空气进入到燃料电池的阴极通道；阳极通道中的氢气与阴极通道中的氧气在燃料电池中发生电化学反应产生电力；质子交换膜燃料电池的阳极通道中未反应的氢气由天然气带出，通过压缩机加压至6～20atm；并与来自第三换热器过热到600～800℃的水蒸气一起进入重整反应器；在重整反应器内天然气与水蒸汽在镍基催化剂的作用下反应生成含氢合成气，反应温度600～1000℃，反应压力6～20atm高温含氢合成气进入第一换热器与天然气换热后进入钯膜分离器；
(4)膜分离器高压侧出来的尾气经降压后进入燃烧器与空气混合燃烧；从燃烧器出来的高温烟气送入重整反应器，通过重整反应器内的换热面为重整反应供热，维持天然气水蒸气重整反应的进行所需要的热量；流出重整反应器的高温烟气进入第三换热器预热天然气和水蒸汽的混合物。
传统的天然气重整反应制氢与质子交换膜燃料电池集成发电的工艺一般采用化学法降低合成气中的CO含量，本实用新型与之相比具有如下优点：
(1)采用先进的金属钯及钯合金膜分离技术，解决了因化学方法净化CO所需的复杂工艺流程，可以为质子交换膜燃料电池提供CO含量接近为零的原料气体。
(2)采用进重整反应器的天然气作为膜分离器膜内侧的吹扫气，在膜内侧天然气的流通带动了透过氢气的流通，有效的降低膜分离器膜内侧的氢气分压，提高氢气的透过量，进而提高系统的发电效率。
(3)整个系统能量配置合理，合成气与天然气换热，进入膜分离器两侧的流体(天然气及含氢合成气)都能达到膜分离的适宜工作温度而无需额外热源。出分离器后的的天然气与氢气混合气及合成气先后与进重整反应器的水换热，使得天然气与氢气混合气达到燃料电池工作温度，合成气显热得到利用，水获得热量。整个系统热量配置合理，能量利用效率高。
附图说明
图1为基于天然气制氢与质子交换膜燃料的电池集成发电装置结构示意图。
图2为图1中重整反应器结构示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本实用新型的技术方案，以下结合实施例和流程图对本实用新型做进一步说明，其作用只是进一步说明本实用新型的技术特征，而不是限定本实用新型。
实施例1：10千瓦级天然气制氢与质子交换膜燃料电池集成发电系统
某10kw天然气制氢与质子交换膜燃料电池集成发电系统，系统进料为天然气和脱盐水。天然气流量2.49kg/h，水流量10.87kg/h。天然气摩尔组分为：CH4：96.4％、C2H6：1.97％、C3H8：0.34％、I-C4H10：0.07％、N-C4H10：0.08％、N2：0.9％、S：50ppm，进气压力：1.2atm，进气温度：常温。进水压力1.2atm，进水温度为常温。
如图1所示，10kw天然气制氢与质子交换膜燃料电池集成发电装置，包括脱硫器1、第一换热器2、膜分离器3、第二换热器4、第三换热器7、第四换热器8、水泵10、压缩机6、质子交换膜燃料电池5、燃烧器11、重整反应器9、压力调节阀12。第一换热器2的高温流体侧分别与重整反应器9出口和膜分离器3的高压侧相连，低温流体侧分别与脱硫器1出口和膜分离器3的低压侧相连，用于离开重整反应器9的合成气与原料天然气换热。第二换热器4的高温流体侧分别与膜分离器3的低压侧和质子交换膜燃料电池5的阳极端连接，其低温流体侧分别与水泵10和第四换热器8的低温流体侧相连，用于用离开膜分离器3的天然气、氢气混合气体预热反应原料水。第四换热器8的高温流体侧分别与膜分离器3的高压侧及压力调节阀12相连；低温流体侧分别于第二换热器4的低温流体侧及压缩机6与第三换热器7之间的管路相连，用膜分离器3的分离出氢气后的合成气进一步预热反应原料水。第三换热器7的高温流体侧分别与重整反应器9的的烟气出口和排出管连接，低温流体侧分别与压缩机6和重整反应器的入口连接。第三换热器7的高温流体为离开重整反应器9的高温烟气，低温侧流体为经过压缩机6加压的天然气、氢气混合物及经过第四换热器8预热的水；加热后的天然气、水蒸气及少量氢气进入重整反应器9。质子交换膜燃料电池5的阳极出口与压缩机6连接，燃烧器11输入端分别与压力调节阀12和进气管连接，输出端与重整反应器9的烟气入口连接。质子交换膜燃料电池5的阴极通道还与外界相通。
第一换热器2用于脱硫后的天然气与合成气换热；第二换热器4用于加压后的水与出膜分离器3的天然气氢气混合气换热；第三换热器8用于膜分离器出来的尾气降温便于压力调节阀12降压，第四换热器7用于给重整反应器9加热后的高温烟气与出第二换热器4的水换热。
重整反应器可采用外加热固定床反应器，其结构如图2所示，重整反应器9的壳体内间隔设有镍基水蒸汽重整催化剂道13和高温烟气通道14。镍基水蒸汽重整催化剂道13和高温烟气通道14的接触面为换热面15。
第一换热器2、第二换热器4、第三换热器7和第四换热器8采用翅片式换热器，或螺旋板式换热器。
脱硫器1采用普通固定床脱硫箱。
膜分离器3采用金属钯膜分离器，其具体结构型式参见中国发明专利200810199114.8。
质子交换膜燃料电池5可采用通用产品，如上海神力的移动式电站。
工作时，原料天然气经脱硫器1脱去硫氢化合物。脱硫后的天然气经过管路进入第一换热器2与来自重整反应器9出口的含氢合成气换热，天然气被加热到620℃，含氢合成气则降温到630℃。经过换热的天然气和含氢合成气分别进入膜分离器3的低压侧和高压侧，膜分离器3高压侧合成气中的大部分氢气透过钯膜组件进入到低压侧，与低压侧的天然气混合。膜分离器低压侧流动的天然气有效的降低了该侧氢气的分压，提高了氢气的透过量。膜分离器3为一紧凑型膜分离器，设计压力1.5MPa：设计温度650℃。钯膜组件的钯膜采用钯(75％)银(25％)合金膜，膜厚度25μm，膜总有效面积0.3m2，氢气回收率85％，有关膜分离器的详细信息可参考申请号为200810199114.8的中国发明专利申请。
经过膜分离器3生产得到的氢气与天然气的混合气经管道进入第二换热器4，在第二换热器4中天然气和氢气混合气与来自水泵10加压的脱盐水换热，天然气和氢气混合气降温到75℃，经管路进入燃料电池5。在燃料电池5中，天然气与氢气混合气进入燃料电池的阳极通道，空气进入燃料电池的阴极通道，阳极通道中的氢气和阴极通道中的氧气在燃料电池内通过电化学反应发电对外供电。燃料电池5阳极通道中未反应的氢气由天然气带出，通过压缩机6加压至13atm，压缩机6可选用往复式压缩机。脱盐水经管道进入水泵10，增压到13atm。水泵选择转子或往复型水泵。加压后的水经管道进入第二换热器4。水通过第二换热器4预热到192℃并被部分汽化，然后经管路进入第四换热器8继续被加热，第四换热器8的热源为膜分离器3高压侧的尾气，尾气降温并经过压力调节阀12降压到0.5atm经第四换热器8加热的水与加压后的天然气混合进入第三换热器7，第三换热器7的热源是从重整反应器9的高温烟气通道13出来的高温烟气(835℃)，水被汽化并被过热到750℃，高温烟气温度降低至256℃。
加压后的天然气与第三换热器7生产的水蒸汽混合进入重整反应器9，在镍基水蒸汽重整催化剂道13的作用下，天然气与水蒸汽反应生成富含氢气的合成气(主要成分H2、H2O、CH4、CO，CO2)；合成气从出口进入第一换热器2。从膜分离器3高压侧出来的分离出氢气的尾气先经过第四换热器8降温并经压力调节阀12与空气混合在燃烧器11中燃烧，燃烧所产生的高温烟气(1288℃)经烟气入口进入重整反应器9中的高温烟气通道14，通过换热面15给反应供热，供完热的高温烟气温度降低到836℃，经烟气出口进入第三换热器7的输入端，重整器9内反应温度维持在750℃。系统启动时，采用补燃天然气启动燃烧器11，产生高温烟气给系统预热。该实施例由2.5kg/h的天然气生产12525瓦的电力，系统自身消耗780W，发电效率为34.7％。
实施例2：50千瓦级天然气制氢与质子交换膜燃料电池集成发电系统
某50kw天然气制氢与质子交换膜燃料电池集成发电系统，进料组成与实施例1相同。天然气进料量12kg/h，水量39kg/h。发电系统配置与实施例1相同。
工作时，原料天然气经脱硫器1脱去硫氢化合物。脱硫后的天然气经过管路进入第一换热器2与来自重整反应器9出口的含氢合成气换热，天然气被加热到635℃，合成气则降温到640℃。经过换热的天然气和合成气分别进入膜分离器3的低压侧和高压侧，在此，膜分离器3高压侧合成气中的大部分氢气透过钯膜组件进入到低压侧，与低压侧的天然气混合。膜分离器3为一紧凑型膜分离器，设计压力1.2MPa：设计温度650℃。钯膜组件的钯膜采用钯(75％)银(25％)合金膜，膜厚度25μm，膜总有效面积1.3m2，氢气回收率75％，有关膜分离器的详细信息可参考申请号为200810199114.8的中国发明专利申请。
经过膜分离器3生产得到的氢气与天然气的混合气经管道进入第二换热器4，在第二换热器4中天然气和氢气混合气与来自水泵10加压的脱盐水换热，天然气和氢气混合气降温到75℃，经管路进入燃料电池5。在燃料电池5中，天然气与氢气混合气进入燃料电池的阳极通道，空气进入燃料电池的阴极通道，阳极通道中的氢气和阴极通道中的氧气在燃料电池内通过电化学反应发电对外供电。燃料电池5阳极通道中未反应的氢气由天然气带出，通过压缩机6加压至8atm，压缩机6可选用往复式压缩机。脱盐水经管道进入水泵10，增压到8atm。水泵选择转子或往复型水泵。加压后的水经管道进入第二换热器4。水通过第二换热器4预热到171℃后经管路进入第四换热器8继续被加热并部分汽化，第四换热器8的热源为膜分离3高压侧的尾气，尾气降温并经过压力调节阀12降压到0.5atm；经第三换热器8预热的水进入第三换热器7，第三换热器7的热源是从重整反应器9的高温烟气通道13出来的高温烟气(863℃)，在此，水被汽化并被过热到800℃，高温烟气温度降低至463℃。
加压后的天然气与第四换热器7生产的水蒸汽混合进入重整反应器9，在镍基水蒸汽重整催化剂道13的作用下，天然气与水蒸汽反应生成富含氢气的合成气(主要成分H2、H2O、CH4、CO，CO2)；合成气从出口进入第一换热器2。从膜分离器3高压侧出来的分离出氢气的尾气先经过第四换热器8降温并经压力调节阀12与空气混合在燃烧器11中燃烧，燃烧所产生的高温烟气(1372℃)经烟气入口进入重整反应器9中的高温烟气通道14，通过换热面15给反应供热，供完热的高温烟气温度降低到863℃，经烟气出口进入第三换热器7的输入端，重整器9内反应温度维持在800℃。系统启动时，采用补燃天然气启动燃烧器11，产生高温烟气给系统预热。该实施例由12.0kg/h的天然气生产57941W的电力，系统自身消耗2650W，发电效率为33.9％。
实施例3：200千瓦级天然气制氢与质子交换膜燃料电池集成发电系统
某200kw天然气制氢与质子交换膜燃料电池集成发电系统，进料组成与实施例1相同。天然气进料量46.4kg/h，水量152kg/h。发电系统配置与实施例1相同。
工作时，原料天然气经脱硫器1脱去硫氢化合物。脱硫后的天然气经过管路进入第一换热器2与来自重整反应器9出口的含氢合成气)换热，天然气被加热到600℃，合成气则降温到610℃。经过换热的天然气和合成气分别进入膜分离器3的低压侧和高压侧，在此，膜分离器3高压侧合成气中的大部分氢气透过钯膜组件进入到低压侧，与低压侧的天然气混合。在膜内侧天然气有效的降低了膜分离器膜内侧的氢气分压，提高了氢气的透过量。膜分离器3为一紧凑型膜分离器，设计压力1.2MPa：设计温度650℃。钯膜组件的钯膜采用钯(75％)银(25％)合金膜，膜厚度25μm，膜总有效面积6m2，氢气回收率87％，有关膜分离器的详细信息参见申请号为200810199114.8的中国发明专利申请。
经过膜分离器3生产得到的氢气与天然气的混合气经管道进入第二换热器4，在第二换热器4中天然气和氢气混合气与来自水泵10加压的脱盐水换热，天然气和氢气混合气降温到75℃，经管路进入燃料电池5。在燃料电池5中，天然气与氢气混合气进入燃料电池的阳极通道，空气进入燃料电池的阴极通道，阳极通道中的氢气和阴极通道中的氧气在燃料电池内通过电化学反应发电对外供电。燃料电池5阳极通道中未反应的氢气由天然气带出，通过压缩机6加压至11atm，压缩机6可选用往复式压缩机。脱盐水经管道进入水泵10，增压到11atm。水泵选择转子或往复型水泵。加压后的水经管道进入第二换热器4。水通过第二换热器4预热到184℃后经管路进入第四换热器8继续被加热并被部分汽化，第四换热器8的热源是膜分离器3高压侧的尾气，尾气降温并经过压力调节阀12降压到0.5atm；经第三换热器8预热的水进入第四换热器7，第四换热器7的热源是从重整反应器9的高温烟气通道13出来的高温烟气(888℃)，在此，水被汽化并被过热到750℃，高温烟气温度降低至491℃。
加压后的天然气与第四换热器7生产的水蒸汽混合进入重整反应器9，在镍基水蒸汽重整催化剂道13的作用下，天然气与水蒸汽反应生成富含氢气的合成气(主要成分H2、H2O、CH4、CO，CO2)；合成气从出口进入第一换热器2。从膜分离器3高压侧出来的分离出氢气的尾气先经过第四换热器8降温并经压力调节阀12与空气混合在燃烧器11中燃烧，燃烧所产生的高温烟气(1277℃)经烟气入口进入重整反应器9中的高温烟气通道14，通过换热面15给反应供热，供完热的高温烟气温度降低到888℃，经烟气出口进入第三换热器7的输入端，重整器9内反应温度维持在750℃。系统启动时，采用补燃天然气启动燃烧器11，产生高温烟气给系统预热。该实施例消耗46.4kg/h的天然气，发电210211W，系统自身消耗12500W，发电效率为33.3％。

Claims (6)

1、基于天然气制氢与质子交换膜燃料的电池集成发电装置，包括脱硫器、第一换热器、膜分离器、第二换热器、第三换热器、第四换热器、压力调节阀、水泵、压缩机、质子交换膜燃料电池、燃烧器和重整反应器；其特征在于，所述第一换热器的高温流体侧分别与重整反应器出口和膜分离器的高压侧相连，低温流体侧分别与脱硫器出口和膜分离器的低压侧相连；第二换热器的高温流体侧分别与膜分离器的低压侧和质子交换膜燃料电池的阳极端连接，低温流体侧分别与水泵和第四换热器的低温流体侧相连；第四换热器的高温流体侧分别与膜分离器的高压侧及压力调节阀相连；低温流体侧还与压缩机与第三换热器之间的管路相连；第三换热器的高温流体侧分别与重整反应器的烟气出口和排出管连接，低温侧流体侧分别与压缩机和重整反应器的入口连接；质子交换膜燃料电池的阳极出口与压缩机连接，燃烧器输入端分别与压力调节阀和进气管连接，输出端与重整反应器的烟气入口连接。
2、根据权利要求1所述的基于天然气制氢与质子交换膜燃料的电池集成发电装置，其特征在于所述的燃烧器还通过管道与补燃天然气源连接。
3、根据权利要求1所述的基于天然气制氢与质子交换膜燃料的电池集成发电装置，其特征在于所述的脱硫器为固定床式脱硫器。
4、根据权利要求1所述的基于天然气制氢与质子交换膜燃料的电池集成发电装置，其特征在于所述的重整反应器为外加热固定床反应器，壳体内间隔设有镍基水蒸汽重整催化剂道和高温烟气通道；镍基水蒸汽重整催化剂道和高温烟气通道的接触面为换热面。
5、根据权利要求1所述的基于天然气制氢与质子交换膜燃料的电池集成发电装置，其特征在于所述的压缩机为往复式压缩机。
6、根据权利要求1所述的基于天然气制氢与质子交换膜燃料的电池集成发电装置，其特征在于所述的第一换热器、第二换热器、第三换热器和第四换热器采用翅片式换热器或螺旋板式换热器。
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CN104627961A (zh) * 2015-02-13 2015-05-20 中国石油大学(北京) 氢燃料电池汽车上使用压缩天然气原位制氢的方法和系统
CN104627962A (zh) * 2015-02-13 2015-05-20 中国石油大学(北京) 氢燃料电池汽车上使用液化天然气原位制氢的方法和系统
CN112813454A (zh) * 2021-03-03 2021-05-18 中海石油气电集团有限责任公司 一种天然气重整联合二氧化碳制氢发电系统及方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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