一种天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统及方法与流程

本发明涉及一种天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统，天然气直接来源于现有城市管网，通过自热蒸汽重整，耦合强吸热的蒸汽重整反应和放热的部分氧化反应，实现体系自供热，采用高低温蒸汽变换和优先氧化技术生产燃料电池用富氢气体，并与加压加湿后的空气进入燃料电池堆系统发生电化学反应，输出电力，并利用燃料电池余热驱动热泵输出高品质热力，同时利用天然气烟气余热生产热水，实现热电联产，属于分布式能源领域。

背景技术：

目前质子交换膜燃料电池作为新一代能源系统，具有节能、环保、占地面积小、热电比与热电需求结构相近、启动快、发电效率高，并对天然气及电力起到削峰填谷的作用，被誉为是继火力、水力和核能之后的第四代发电，尤其在分布式发电、家庭热电联产、移动电源、交通等领域，已经受到国内外众多学者的关注，在当前最具有使用和商业价值，如申请号为200910039095.7的中国专利。然而，纯氢由于价格、安全性、存储、输运等多方面局限条件，一定程度上限制了燃料电池规模化应用；另一方面，天然气重整制氢，直接利用城镇现有管网，开辟了现阶段燃料电池应用推广的新方式。天然气重整制氢技术路线多，包括水蒸气重整、自热氧化重整、部分氧化以及天然气直接裂解等多种方式，自热重整将蒸汽重整吸热反应和部分氧化放热反应结合起来，可以最大限度降低燃料消耗，并具有良好的动态特性；此外，在实际应用中，pemfc发电系统的燃料综合利用率并不高，主要是由于质子交换膜燃料电池的发电效率受到各种操作参数的影响，同时在发电过程中产生大量的热，这部分余热品位低，利用难，但能量大，约占总能量40%~60%。国内外科技工作者针对燃料电池热管理及余热利用进行了多方面研究，主要的技术路线包括余热供暖、系统预热、余热制冷。

技术实现要素：

本发明的目的在于根据“温度对口，梯级利用”原则，利用质子交换膜燃料电池余热、变换反应与co优先氧化反应过程放热的能量逐级加热工质水，提出一种新型的基于天然气自热重整技术质子交换膜燃料电池热电联产系统，充分、高效、科学地挖掘利用天然气自热重整反应热、质子交换膜燃料电池余热、燃烧尾气废热等各环节热量，进一步提升能源综合利用效率，增加经济收益，减少废热污染。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统，其特征在于：包括天然气自热重整模块，质子交换膜燃料电池模块，自热重整尾气热利用模块，燃料电池余热利用模块，连接管路；系统输入天然气、空气及工质水，输出电力与多级热力，实现高效率的热电联产。

进一步的，所述天然气自热重整模块，包括天然气增压机、空压机、自热重整器、燃烧器、高温变换反应器、低温变换反应器、co氧化反应器、#1-#4换热器、#5集成换热器，天然气管道、空气管道、工质水管道、合成气管道；所述天然气增压机的天然气出口分成两路，一路与所述燃烧器的进口连接，另一路与所述#5集成换热器的天然气进口连接；所述空压机的空气出口分成四路，其中一路空气出口与所述燃烧器的空气进口连接，一路空气出口与所述co氧化反应器的空气进口连接，另一路空气出口与所述#5集成换热器的空气进口连接；所述#5集成换热器的天然气出口、空气出口、水蒸气出口合并后与所述自热重整器的进口连接，所述自热重整器的合成气出口与#5集成换热器的合成气进口连接，所述高温变换反应器的进口与所述#4换热器的合成气出口连接，所述高温变换反应器的出口与所述#3换热器的合成气进口连接，所述低温变换反应器进口与所述#3换热器的合成气出口连接，所述低温变换反应器的出口与所述#2换热器的合成气进口连接，所述#2换热器的合成气出口与所述co氧化反应器的合成气进口连接，所述co氧化反应器的出口与所述#1换热器的合成气进口连接；所述工质水管道与所述#1换热器的工质水进口连接，所述#1换热器的工质水出口与所述#2换热器的工质水进口连接，所述#2换热器的工质水出口与所述#3换热器的工质水进口连接，所述#3换热器的工质水出口与所述#4换热器的工质水进口连接，所述#4换热器的工质水出口与所述#5集成换热器的工质水进口连接，所述#5集成换热器的工质水出口与所述自热重整器的混合气入口连接。

进一步的，所述质子交换膜燃料电池模块，包括质子交换膜燃料电池本体、所述空压机、空冷器、增湿器、逆变器、空气管道、冷却水管道；所述质子交换膜燃料电池本体的阳极氢气进口与所述#1换热器的合成气出口连接，所述质子交换膜燃料电池本体的阴极空气进口与所述增湿器的空气出口连接，所述空压机的其中一路空气出口与所述空冷器的空气进口连接，所述空冷器的空气出口与所述增湿器的空气进口连接，所述质子交换膜燃料电池本体产生的电力通过所述逆变器输出。

进一步的，所述自热重整尾气热利用模块，包括#6热水换热器、温升型热泵机组、所述空冷器、尾气管道、冷却水管道、热水管道、热力管道；天然气和空气在所述燃烧器燃烧后产生的尾气在所述#6热水换热器加热冷却水供热；所述冷却水管道分成两路，一路与所述空冷器的冷却水进口连接，另一路与所述温升型热泵机组的冷却水进口连接，所述温升型热泵机组的冷却水出口与所述#6热水换热器的冷却水进口连接，所述空冷器的冷却水出口与所述#6热水换热器的冷却水进口连接；所述#6热水换热器的冷却水出口分为两路，一路与所述热水管道连接直接向用户提供热水，另一路与所述温升型热泵机组的热水进口连接；所述温升型热泵机组通过所述热力管道向用户提供蒸汽等热力产品。

进一步的，所述燃料电池余热利用模块，包括所述质子交换膜燃料电池本体、所述温升型热泵机组、所述增湿器、循环水泵；所述质子交换膜燃料电池本体的冷却水出口与所述温升型热泵机组的驱动热源进口连接，所述温升型热泵机组的驱动热源出口与所述循环水泵的进口连接，所述循环水泵的出口与所述质子交换膜燃料电池本体的冷却水进口连接，所述质子交换膜燃料电池本体的阴极水蒸气出口与所述增湿器的水蒸气进口连接，所述质子交换膜燃料电池本体的阳极氢气出口与所述燃烧器的天然气进口连接。

质子交换膜燃料电池的氢气来源于天然气自热重整，基于现有的城市天然气管网，水蒸气通过工质水经逐级加热预热到所需温度，通过耦合水蒸气重整反应和部分氧化反应制取混合气，经高低温变换反应和优先氧化反应，消除混合气中的一氧化碳，生产燃料电池用富氢气体；pemfc发电系统的氧气直接来源于空气，经所述空压机加压加热后进入燃料电池，与氢气发生电化学反应，输出电力。

天然气经过脱硫净化等工序后进入所述增压机，作为所述燃烧器的燃料来源与所述质子交换膜燃料电池本体的尾气、空气混合燃烧为所述自热重整器提供热量，发生（1）式反应：

ch4+2o2→co2+2h2o-802.7kj/mol(1)

燃烧后的烟气通过所述#5集成换热器、所述#6热水换热器先预热进入所述自热重整器的天然气、工质水及空气，后加热所述空冷器及所述温升型热泵机组来的冷却水；

天然气经过所述#5集成换热器加热升温后，与加热后的空气、水混合进入自热重整器主要发生（2）、（3）式反应，生成合成气，合成气中包括氢气、一氧化碳、甲烷、二氧化碳、水蒸气及氮气：

ch4+0.5o2→co+2h2-35.7kj/mol(2)

ch4+h2o→co+3h2+206.2kj/mol(3)

来自外界的工质水，经过所述#1—#4换热器、所述#5集成换热器加热升温至一定温度的过热蒸汽进入所述自热重整器；根据“温度对口、梯级利用”原则，利用系统自身反应能量逐级加热工质水产生高温蒸汽，较传统直接利用所述燃烧器生产高温蒸汽，可节约天然气燃烧量，相当于提高系统能源综合效率；

合成气经过所述#5集成换热器、所述#4换热器两级降温至一定温度后进入所述高温变换反应器，再经过所述#3换热器降温至一定温度后进入所述低温变换反应器，发生（4）式蒸汽变换反应，降低co含量，合成气中包括氢气、一氧化碳、甲烷、二氧化碳、水蒸气及氮气：

co＋h2o→h2＋co2-41.2kj/mol(4)

变换反应后的co含量仍不能满足所述质子交换膜燃料电池本体要求，经所述#3换热器降温至一定温度后进入所述co氧化反应器，发生（5）式反应，进一步去除co，控制co浓度在10ppm以下，生产富氢气体，包括氢气、一氧化碳、甲烷、二氧化碳、水蒸气及氮气：

co＋h2+o2→co2+h2o-524.8kj/mol(5)

富氢气体进入所述质子交换膜燃料电池本体并进行电化学反应，如式（6）：

2h2→4h⁺+4e^-(6)

步骤8、空气通过过滤器后被所述空压机增压，冷却后经过所述增湿器与所述质子交换膜燃料电池本体阴极反应的尾气发生热湿交换，湿空气进入所述质子交换膜燃料电池本体的阴极侧发生电化学反应，如式（7）：

o2+4h⁺+4e^-→2h2o(7)

为保证燃料电池系统正常运转，维持最佳工作温度，需及时将电化学反应产生的热量释放，以此余热源为所述温升型热泵机组的驱动热源，将所述#6热水换热器出来的部分热水升温至热蒸汽等热力产品，用于高品质供热或供汽，经驱动放热后，继续循环为所述质子交换膜燃料电池本体，较传统直接冷却排放或生产热水，可提供高品质热量，相当于进一步提高能源综合利用效率。

作为优选，所述增湿器为多孔碳板增湿器。

作为优选，所述温升型热泵机组为溴化锂热水驱动温升型热泵机组。

一种天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统方法，使用所述的天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统，所述天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统方法的步骤如下：

（1）自热重整系统工作时，天然气经天然气增压机增压后，一路作为燃烧器燃料，另一路经换热器升温后，进入自热重整器。空气经空压机增压后分为三路进入自热重整系统，一路进入燃烧器为燃烧反应供给氧气，一路进入co氧化反应器提供氧气，一路经过换热器升温后进入自热重整器反应。自热重整器反应后的合成气经过两次换热器降温后进入高温变换反应器反应，高温变换反应器反应后的合成气经过换热器降温后进入低温变换反应器反应，低温变换反应器反应后的合成气经过换热器降温后进入co氧化反应器反应，co氧化反应器反应后的合成气经过换热器降温后进入质子交换膜燃料电池，为燃料电池反应提供氢气。

（2）当质子交换膜燃料电池工作时，空气经过空压机压缩，空冷器冷却，增湿器增湿后为燃料电池反应供给氧气；自热重整系统通过自热重整为燃料电池反应供给氢气，氢气与氧气在燃料电池中反应后产生电力，同时为余热利用系统提供驱动热源。

（3）自热重整系统工作时的热利用包括两部分，一部分是反应过程中产生的热量，由工质水经过一系列换热器收集后，产生水蒸气进入自热重整器；另外一部分是燃烧反应产生的废气带走的热量，废气经过两次换热器降温后排出。冷却水经过空冷器和换热器升温后提供热水。

（4）燃料电池工作时的余热利用，质子交换膜燃料电池反应时产生的热量由废气和冷凝水带走。由废气带走的热量分为两部分，其中阳极产生的废气返回自热重整系统，为自热重整器提供热量；阴极产生的废气经增湿器增湿换热后返回燃料电池为燃料电池反应提供热量；反应产生的冷凝水经过温升型热泵冷却后返回燃料电池，如此循环工作，达到余热利用的目的。

本发明对系统的余热进行多级利用，利用自热重整反应热按照“温度对口，梯级利用”原则逐级加热工质水产生蒸汽参与重整反应，利用质子交换膜燃料电池余热驱动温升型热泵机组输出高品质热力，利用天然气燃烧后尾气余热预热燃料和加热生产热水。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1.本发明的天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统，输入天然气、空气和工质水，可输出电力、热水及热蒸汽等多品质电力和热力产品，是一种新的分布式能源系统，可实现热电联供。

2.本发明的天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统，利用现有的城镇天然气管网，以自热重整技术为基础，结合吸热的蒸汽重整反应和放热的部分氧化反应，生产富氢气体，解决纯氢价格高、运输难等制约质子交换膜燃料电池规模化应用的瓶颈问题。

3.本发明的天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统，利用“温度对口，梯级利用”原则，将自热重整过程中的反应热加以利用，逐级加热工质水，产生蒸汽进行蒸汽重整反应，降低了天然气燃烧量，相当于提升能源综合效率。

4.本发明的天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统，利用温升型吸收式热泵深度挖掘质子交换膜燃料电池的余热，作为驱动热源，为用户提供高品质的蒸汽能源。

5.本发明的天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统，充分利用燃烧尾气废热，作为天然气、空气、工质水预热以及生活热水的能源来源，对系统的废热进行多级利用，争取将废热吃光用尽，热污染减少的同时能源利用效率得到提升。

6．本发明的天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统，利用燃料电池反应产生的水作为空气进气增湿的水来源，是一种新的质子交换膜燃料电池自增湿方式。

附图说明

图1是本发明实施例的天然气自热重整模块流程图。

图2是本发明实施例的质子交换膜燃料电池模块流程图。

图3是本发明实施例的自热重整尾气热利用模块流程图。

图4是本发明实施例的燃料电池余热利用模块流程图。

图5是本发明实施例的系统流程图。

图中：增压机1，自热重整器2，燃烧器3，高温变换反应器4，低温变换反应器5，co氧化反应器6，#5集成换热器7，#4换热器8，#3换热器9，#2换热器10，#1换热器11，#6热水换热器12，温升型热泵机组13，循环水泵14，质子交换膜燃料电池本体15，空压机16，空冷器17，增湿器18，逆变器19，工质水管道20。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，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5所示，本实施例提供的天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统，包括，增压机1，自热重整器2，燃烧器3，高温变换反应器4，低温变换反应器5，co氧化反应器6，#5集成换热器7，#4换热器8，#3换热器9，#2换热器10，#1换热器11，#6热水换热器12，温升型热泵机组13，循环水泵14，质子交换膜燃料电池本体15，空压机16，空冷器17，增湿器18，逆变器19。

本实施例中的天然气增压机1的天然气出口分成两路，一路与燃烧器3的进口连接，另一路与#5集成换热器7的天然气进口连接，空压机16的空气出口分成四路，其中一路出口与燃烧器3的空气进口连接，一路出口与co氧化反应器6的空气进口连接，一路与#5集成换热器7的空气进口连接，另外一路与空冷器17的空气进口连接。集成换热器7的天然气出口、空气出口、水蒸气出口合并后与自热重整器2的进口连接，自热重整器2的合成气出口与#5集成换热器7的合成气进口连接，高温变换反应器4的进口与#4换热器8的合成气出口连接，高温变换反应器4的出口与#3换热器9的合成气进口连接，低温变换反应器5的进口与#3换热器9的合成气出口连接，低温变换反应器5的出口与#2换热器10的合成气进口连接，#2换热器10的合成气出口与co氧化反应器6的合成气进口连接，co氧化反应器6的出口与#1换热器11的合成气进口连接。工质水管道20与#1换热器11的工质水进口连接，#1换热器11的工质水出口与#2换热器10的工质水进口连接，#2换热器10的工质水出口与#3换热器9的工质水进口连接，#3换热器9的工质水出口与#4换热器8的工质水进口连接，#4换热器8的工质水出口与#5集成换热器7的工质水进口连接，#5集成换热器7的出口与自热重整器2的混合器入口连接。质子交换膜燃料电池本体15的氢气进口与#1换热器11的合成气出口连接，质子交换膜燃料电池本体15的阴极空气进口与增湿器18的出口空气连接，空冷器17的空气出口与增湿器18的空气进口连接。逆变器19与质子交换膜燃料电池本体15连接。#6热水换热器12的混合气进口与#5集成换热器7的合成气出口连接。冷却水管道分成两路，一路与空冷器17的冷却水进口连接，一路与温升型热泵机组13的冷却水进口连接，温升型热泵机组13的冷却水出口与#6热水换热器12的冷却水进口连接，空冷器17的冷却水出口与#6热水换热器12的冷却水进口连接。#6热水换热器12的冷却水出口分为两路，一路与热水管道连接，一路与温升型热泵机组13的热水进口连接，温升型热泵机组13的热水出口与热力管道连接。#6热水换热器12的尾气出口与尾气管道连接。质子交换膜燃料电池本体15的冷却水出口与温升型热泵13的驱动热源进口连接，温升型热泵13的驱动热源出口与循环水泵14的进口连接，循环水泵14的出口与质子交换膜燃料电池本体15的驱动热源进口连接。质子交换膜燃料电池本体15的阴极水蒸气出口与增湿器18的水蒸气进口连接。质子交换膜燃料电池本体15的阳极冷却水出口与燃烧器3的合成气进口连接。

本实施例中的天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统的方法，其具体过程如下：

（1）当天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统开始运行时，天然气自热重整系统开始工作，如图1所示，天然气经增压机1增压、#5集成换热器7升温后，进入自热重整器2。空气经空压机16增压后分为三路进入自热重整系统，一路进入燃烧器3为燃烧反应供给氧气，一路进入co反应器6提供氧气，一路经过#5集成换热器7升温后进入自热重整器2反应。自热重整器2反应后的合成气经过#5集成换热器7与#4换热器8两次换热器降温后进入高温变换反应器4反应，高温变换反应器4反应后的合成气经过#3换热器9降温后进入低温变换反应器5反应，低温变换反应器5反应后的合成气经过#2换热器10降温后进入co氧化反应器6反应，co氧化反应器6反应后的合成气经过#1换热器11降温后通过合成器管道进入燃料电池15，为燃料电池反应提供氢气。

（2）当天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统开始运行时，质子交换膜燃料电池开始工作，如图2所示，空气经过空压机16压缩，空冷器17冷却，增湿器18增湿后为燃料电池15反应供给氧气；自热重整系统通过自热重整为燃料电池反应供给氢气，氢气与氧气在燃料电池中反应后提供电力。

（3）当天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统开始运行时，自热重整系统的热利用系统开始工作，如图1、图3所示，一部分是反应过程中产生的热量，工质水经过#1换热器11、#2换热器10、#3换热器9、#4换热器8、#5集成换热器7收集合成气在整个自热重整反应中的热量后，进入自热重整器2，为自热重整反应提供热量。另外一部分是反应产生的废气带走的热量，废气经过#5集成换热器7和#6热水换热器12降温后排出。冷却水经过空冷器17后经过#6换热器12，吸收废气中散发的热量升温，进而提供热水。

（4）当天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统开始运行时，燃料电池的余热利用系统开始工作，如图4所示，燃料电池15反应时产生的热量由废气和冷凝水带走。由废气带走的热量分为两部分，其中阳极产生的废气返回自热重整系统，为自热重整器2提供热量；阴极产生的废气经增湿器18增湿后返回燃料电池15为燃料电池反应提供热量；反应产生的冷凝水经过温升型热泵13冷却后返回燃料电池，为燃料电池反应提供热量。

本发明的天然气自热重整质子交换膜燃料电池分布式热电联产系统的能源利用效率高，经济效益好，消除热污染的同时还提升了系统的收益。

虽然本发明以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更改，均应属于本发明的保护范围。