一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统的制作方法

1.本发明属于能源利用技术领域，尤其涉及一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统。


背景技术：

2.质子交换膜燃料电池pemfc以氢气为燃料，具有清洁、绿色、高效等优点，是实现“双碳”目标的有效方式之一。利用甲烷和水蒸气重整制氢是目前工业上最成熟的制氢技术，将该技术与质子交换膜燃料电池结合，即可实现在无h2场景下的pemfc应用。
3.值得注意的是，甲烷和水蒸气重整过程反应温度约在800～1000℃，pemfc运行温度不超过100℃，pemfc运行只消耗甲烷重整产生的氢气，并不消耗热量。而现有技术中，甲烷和水蒸气重整过程中产生的巨大热量仅仅用来预热反应原料，余下热量仅用于供热或直接浪费，并未形成能量的梯度利用，这造成了极大的资源浪费。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统，以解决现有膜燃料电池系统重整过程中产生大量热能未充分利用，造成极大的资源浪费的问题。
5.本发明所采用的技术方案如下：
6.一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统，其特征在于：包括膜燃料电池系统、超临界二氧化碳循环系统、制冷系统、供热换热器、和尾气处理装置；
7.膜燃料电池系统包括第一预热器、第二预热器、燃烧室、重整器、水汽变换反应器、提纯单元、储水罐、燃料电池、原料水预热器、第二热电换热器和第一热电换热器；
8.第二压缩机通过管路依次与第二预热器的管程、第一分流器、重整器、第一热电换热器的壳程、水汽变换反应器、原料水预热器的壳程、提纯单元、氢气缓冲罐和燃料电池连通；
9.第一压缩机通过管路依次与第一预热器的管程和燃烧室连通；
10.第一分流器通过管路依次与燃烧室、第二热电换热器的壳程、第一预热器的壳程、第二预热器的壳程和第二分流器连通，第二分流器分别通过制冷管路和供热管路与尾气处理装置连通；
11.储水罐通过管路依次与原料水预热器的管程和重整器连通；
12.超临界二氧化碳循环系统包括回热器、冷却器、功能压缩机、透平和发电机；透平的出口通过管路依次与回热器的管程、冷却器和功能压缩机的进口连通，功能压缩机的出口通过管路依次与回热器的壳程、第一热电换热器的管程、第二热电换热器的管程和透平的进口连通；
13.制冷系统包括发生器、吸收器、冷凝器和蒸发器；发生器通过管路依次与冷凝器、蒸发器和吸收器串接连通，发生器分别通过浓溶液管和稀溶液管与吸收器连通；
14.制冷管路在发生器内设有换热管段，供热管路与热网管路通过供热换热器相连并进行换热。
15.进一步的，第一预热器、第二预热器、原料水预热器、第一热电换热器和第二热电换热器均是单级换热器、双级换热器或者多级换热器中的一种。
16.进一步的，第一预热器、第二预热器、原料水预热器、第二热电换热器和第一热电换热器均是多级换热器。
17.进一步的，提纯单元通过管路与储水罐连通。
18.进一步的，提纯单元通过管路与燃烧室连通。
19.进一步的，生活热水管在燃料电池内设有吸热管段。
20.进一步的，尾气处理装置通过管路与储水罐连通。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
22.1、甲烷和水蒸气重整过程反应温度约在800～1000℃，超临界二氧化碳s-co2发电系统，循环工作温度区间大，效率随着工质温度升高而升高，在温度达到550℃时，发电系统效率可达45％，和甲烷重整过程温度匹配很好，将甲烷重整制氢、质子交换膜燃料电池、超临界co2循环有机结合起来，形成一套可调节的热、电、冷联产系统。该系统可根据用户需求，独立调节发电量、供热量和制冷量。本系统能够梯级回收系统中的热量，实现一定的水和燃料自补充，节约资源，提高系统效率。
23.2、适应性好、可调节性强。可通过甲烷分离器调节pemfc和超临界co2循环的发电量。制冷量和供热量均可调节。
24.3、充分利用原料，实现部分的燃料和水自给。提纯分离出的可燃气体全部送入燃烧器燃烧，节约燃料；燃烧器尾气中的水蒸气、合成气中分离出的水蒸气全部回收。此外，系统无危废尾气和废水的排放，尾气中的co2分离后进行封存，环境友好。
附图说明
25.图1是本发明的示意图；
26.图中：10-第二压缩机、11-第二预热器、12-第一分流器、13-重整器、14-第一热电换热器、15-水汽变换反应器、16-原料水预热器、17-提纯单元、18-氢气缓冲罐、19-燃料电池、 21-第一压缩机、22-第一预热器、23-燃烧室、24-第二热电换热器、25-第二分流器、26-供热管路、27-制冷管路、28-尾气处理装置、29-储水罐、3-生活热水管、41-回热器、42-冷却器、43-功能压缩机、44-发电机、45-透平、46-吸热管路、51-发生器、52-吸收器、53-蒸发器、54-冷凝器、6-供热换热器、7-热网管路。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
28.本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆
卸连接包括但不限于螺栓连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认可在现有连接方式中找到至少一种连接方式实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择螺栓连接。
29.以下将结合附图，对本发明作进一步详细说明，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。
30.如图所示，一种可调节的质子交换膜燃料电池热、电、冷联产系统，其特征在于：包括膜燃料电池系统、超临界二氧化碳循环系统、制冷系统、供热换热器6、和尾气处理装置28；
31.膜燃料电池系统包括第一预热器22、第二预热器11、燃烧室23、重整器13、水汽变换反应器15、提纯单元17、储水罐29、燃料电池19、原料水预热器16、第二热电换热器 24和第一热电换热器14；
32.第二压缩机10通过管路依次与第二预热器11的管程、第一分流器12、重整器13、第一热电换热器14的壳程、水汽变换反应器15、原料水预热器16的壳程、提纯单元17、氢气缓冲罐18和燃料电池19连通；第二压缩机10向重整器13提供经预热的甲烷原料，在重整器13内经过重整得到以氢气和二氧化碳为主的混合气体，再逐步分离出纯净氢气，最终将氢气供给燃料电池19的阳极。
33.第一压缩机21通过管路依次与第一预热器22的管程和燃烧室23连通；第一压缩机 21为燃烧室23提供空气。
34.第一分流器12通过管路依次与燃烧室23、第二热电换热器24的壳程、第一预热器22 的壳程、第二预热器11的壳程和第二分流器25连通，第二分流器25分别通过制冷管路 27和供热管路26与尾气处理装置28连通；燃烧室23为甲烷燃料提供重整反应所需的热量，天然气经第一分流器12分流进燃烧室23一部分，与第一压缩机21供给的空气混合燃烧，燃烧后的高温气体在第二热电换热器24第一次放热，在第一预热器22内对空气第二次放热，在第二预热器内对天然气第三次放热，再经过第二分流器25的分流，分别通过供热管路26和制冷管路27进入尾气处理装置28进行处理。
35.储水罐29通过管路依次与原料水预热器16的管程和重整器13连通；储水罐29为重整器13提供原料水，原料水经原料水预热器16加热后进入重整器13。
36.超临界二氧化碳循环系统包括回热器41、冷却器42、功能压缩机43、透平45和发电机44；透平45的出口通过管路依次与回热器的41壳程、冷却器42的壳程和功能压缩机 43的进口连通，功能压缩机43的出口通过管路依次与回热器41的管程、第一热电换热器 14的管程、第二热电换热器24的管程和透平45的进口连通，冷却器42的管程内设有循环的冷却介质；超临界二氧化碳循环系统用于对外供电，co2介质在第一热电换热器14内吸收重整反应产生的热量，再在第二热电换热器24内吸收天然气燃烧产生的热量，利用膜燃料电池系统产生的热量驱动透平45做功，带动发电机44对外供电。
37.制冷系统包括发生器51、吸收器52、冷凝器54和蒸发器53；发生器51通过管路依次与冷凝器54、蒸发器53和吸收器52串接连通，发生器51分别通过浓溶液管和稀溶液管与吸收器52连通；
38.制冷管路27在发生器51内设有换热管段，供热管路26与热网管路7通过供热换热器 6相连并进行换热。制冷系统利用从制冷管路27吸收的热量制冷，热网管路7利用从供热
管路26吸收的热量供热，至此实现了膜燃料电池的热、电、冷联产。
39.提纯单元17通过管路与储水罐29连通，使重整后凝结出的液态水回到储水罐29。提纯单元17通过管路与燃烧室23连通，将重整后残余的co等气体送入燃烧室23燃烧，转变为可处理的尾气。
40.第一预热器22、第二预热器11、原料水预热器16和原料水换热器14均是多级换热器，多级换热器降低换热温差，优化换热过程。
41.生活热水管20在燃料电池19内设有吸热管段。燃料电池19运行产生的热量用于加热生活水，进一步利用了能源。
42.工作流程：甲烷经过脱硫除杂后经压缩机加压，之后通过第二预热器22进行预热，一部分进入燃烧室23燃烧作为重整热源，一部分进入重整器13与水蒸气进行重整反应。水通过原料水预热器16加热为高温蒸汽，之后与甲烷混合进入重整器13参与反应。重整器 13出口的高温合成气在第一热电换热器14进行热交换后，进入水汽变化反应器15进一步反应，反应为co+h2o
→
co2+h2，之后再预热原料水，降温后的合成气经过提纯，得到高纯氢气，进入氢气缓冲罐18。经提纯后的氢气纯度可达99.99％，满足pemfc要求，进入燃料电池19的阳极。提纯单元17采用凝结、变压吸附等方式净化氢气，分离出的凝结水回收至储水罐29，其余气体(主要为co、h2、co2等)进入燃烧器23。提纯单元17形成的凝结水、尾气经分离装置分离出的凝结水汇集到储水罐29，实现一定的水自给。燃烧室 23出口的高温尾气先通过第二热电换热器24加热超临界co2，再依次预热空气和甲烷气体，之后分流为两股，一股用于制冷，一股用于供热，降温后的烟气在尾气处理后，对外排放。
43.第一热电换热器14和第二热电换热器24用于将重整反应和燃烧室燃烧产生的高温对 co2流体放热，换热后的高温高压co2在透平45中做功，带动发电机44对外供电。透平 45排出的co2乏气通过回热器41、冷却器42降温后，进入功能压缩机43变成高压co2，再依次通过回热器41、第二热电换热器3，进入透平45做功，完成整个循环。
44.烟气余热作为驱动热量输入发生器51中，加热溴化锂溶液使之沸腾，产生水蒸气，同时溴化锂溶液变浓，水蒸气进入冷凝器54凝结为液体，热量由循环冷却水带走，水凝结为液态经节流后进入蒸发器53，在低压下蒸发为蒸汽，吸收蒸发热量，这部分即为制冷量，蒸汽进入吸收器52，被吸收器52中的浓溶液吸收，放出的吸收热被循环冷却水带走，形成的溴化锂稀溶液被溶液泵送到发生器51中，完成一个循环。
45.燃烧尾气成分为水蒸气、co2和n2。通过对尾气热量的回收后，达到尾气处理装置28 后，尾气温度低于100℃，水以液态形式存在，因而可直接将液态水回收。co2回收采用化学吸收法，吸附剂选择氨水，是目前应用较为广泛且技术成熟的一种方法。剩余的氮气直接排放到大气中。尾气处理装置28通过管路与储水罐29连通，将尾气内的冷凝水排入储水罐29中。
46.甲烷和水蒸气重整过程反应温度约在800～1000℃，pemfc运行温度不超过100℃， pemfc运行只消耗甲烷重整产生的氢气，并不消耗热量。
47.超临界二氧化碳s-co2循环发电技术作为一种新兴的发电技术，具有环境友好、热效率高、经济性好等特点。s-co2循环工作温度区间大，效率随着工质温度升高而升高，在温度达到550℃时，发电系统效率可达45％，和甲烷重整过程温度匹配很好。本专利中超临界二氧化碳循环系统采用简单布雷顿循环方案，该方案结构简单、设备体积小、投入成本低。
此外，该循环系统不仅可以产生电力，同时也可以利用冷却介质回收的热量，实现热电联产。
48.将甲烷水蒸气制氢与燃料电池组合系统中引入超临界co2循环和吸收式制冷技术，既能实现pemfc在无h2场景下的应用，同时梯级利用重整过程中的余热和物料，形成一套可调节的热、电、冷联供系统，并做到部分燃料和水自给，实现能量和资源的高效梯级利用。
49.以上实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。