[发明专利]一种质子交换膜燃料电池热电联产系统及方法

说明书

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池热电联产系统及方法。质子交换膜燃料电池热电联产系统包括：天然气自热重整制氢模块、质子交换膜燃料电池模块、热水循环模块，所述天然气自热重整制氢模块连接天然气管网制取氢气提供给所述质子交换膜燃料电池模块；所述天然气自热重整制氢模块包括多级换热器，冷却水分两路，一路参与重整反应制氢，另一路分多支分别与多级换热器进行热交换后进入所述热水循环模块，所述热水循环模块用于对燃料电池阴极侧出口尾气预热或为用户供热。解决了在无直接氢气来源场景下的燃料电池燃料供应问题，以及天然气自热重整制氢过程中产生的大量余热无法得到充分利用的问题。

技术领域

本发明涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料电池热电联产系统及方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

氢能源作为低碳、零碳的清洁能源，因其热值高、无污染、来源广等特点，正在脱颖而出。氢燃料电池将燃料的化学能直接转换为电能，可以广泛地用作集中或分散式电站，为家庭、商场、酒店、医院等诸多场所提供电能，从而实现热电联产。

在现有的工业制氢方式中，天然气自热重整制氢仍然占据了很大的比例，并且将会是未来的主流制氢方式。在现有天然气自热重整系统中，甲烷和水蒸气重整过程反应温度约800～1000℃，如果仅用来重整制取氢气，系统产生的大量热量会浪费，故存在系统效率利用率太低的问题。其次，目前国内燃料电池产业还处于产业化初期，上游的氢气源及加氢站等基础设施还不够完善，储氢、运氢成本昂贵造成我国大部分地区无法直接用氢，上述诸多问题为燃料电池热电联产技术的推广带来诸多困难。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的是提供一种质子交换膜燃料电池热电联产系统，解决在无直接氢气来源场景下的燃料电池燃料供应问题，以及天然气自热重整制氢过程中产生的大量余热无法得到充分利用的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种质子交换膜燃料电池热电联产系统，包括：天然气自热重整制氢模块、质子交换膜燃料电池模块、热水循环模块，所述天然气自热重整制氢模块连接天然气管网制取氢气提供给所述质子交换膜燃料电池模块；所述天然气自热重整制氢模块包括多级换热器，冷却水分两路，一路参与重整反应制氢，另一路分多支分别与多级换热器进行热交换后进入所述热水循环模块，所述热水循环模块用于对燃料电池阴极侧出口尾气预热或为用户供热。

本发明的另一优选实施方式中，所述天然气自热重整制氢模块包括燃烧器、集成换热器和自热重整器；所述燃烧器与集成换热器连接为集成换热器提供热量，所述集成换热器入口分别与冷却水管道、天然气管道和空气管道连接，重整原料在所述集成换热器预热后经第二管路进入自热重整器进行重整反应，所述自热重整器产生的高温合成气通过第四管路与集成换热器进行热交换，预热进入集成换热器的重整原料；其中，所述重整原料包括CH4、O2、水蒸气。

本发明的另一优选实施方式中，所述天然气自热重整制氢模块还包括通过管路依次连接的一级换热器、高温气体变换器、二级换热器、低温气体变换器、三级换热器、CO优先氧化反应器、四级换热器；所述集成换热器出口的合成气通过第三管路与一级换热器进行热交换后依次通入高温气体变换器、二级换热器、低温气体变换器、三级换热器、CO优先氧化反应器、四级换热器，所述另一路冷却水分成四支分别经一级换热器、二级换热器、三级换热器、四级换热器换热后进入热水循环模块。

本发明的另一优选实施方式中，所述天然气管道上设置有脱硫器，用于脱除天然气中的杂质。

本发明的另一优选实施方式中，所述冷却水管路上设置有冷却水泵，所述天然气管道设置有第一压缩机，所述空气管道设置有第二压缩机。