[发明专利]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

说明书

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及方法，系统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。天然气直接来源于现有城市管网，通过自热蒸汽重整，耦合吸热的蒸汽重整反应和放热的部分氧化反应，实现系统内部自供热，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，并与加压自增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；同时，对系统的余热进行多级利用，形成清洁、高效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。

技术领域

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。

发明内容

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。