[实用新型]基于天然气制氢与质子交换膜燃料的电池集成发电装置

说明书

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；