基于甲烷重整制氫與質(zhì)子交換膜燃料電池的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

張春偉，劉海波，馬闖

（哈爾濱電氣股份有限公司，哈爾濱 150028）

0 引言

“3060”目標(biāo)吹響能源綠色全面轉(zhuǎn)型的號(hào)角。氫能作為二次能源，具有零碳、高效、可儲(chǔ)能、安全可控等顯著優(yōu)勢(shì)，氫能與燃料電池將在這場(chǎng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命中扮演重要角色[1]。質(zhì)子交換膜燃料電池是目前國(guó)內(nèi)發(fā)展最好的燃料電池技術(shù)，可應(yīng)用在汽車、船舶、無(wú)人機(jī)、固定式發(fā)電等領(lǐng)域[2]。然而目前國(guó)內(nèi)燃料電池產(chǎn)業(yè)還處于產(chǎn)業(yè)化初期，上游的氫氣源及加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施還不夠完善。截止2021年6月，我國(guó)共建成加氫站140余座，且這些加氫站主要集中氫燃料電池發(fā)展較為領(lǐng)先的省市，如廣東、上海、江浙、京津冀、山東，部分省市僅有一座甚至沒(méi)有加氫站。在加氫設(shè)施不完善的地區(qū)，如何推廣燃料電池技術(shù)是一項(xiàng)亟需解決的工作[3]。

目前我國(guó)制氫方式仍以化石能源制氫為主，其次為工業(yè)副產(chǎn)氫，可再生能源制氫處于起步階段。隨著制氫技術(shù)及CCUS技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計(jì)到2050年將形成可再生能源制氫為主、化石能源制氫為輔的發(fā)展格局。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)加氫設(shè)施不完善等制約燃料電池技術(shù)發(fā)展的問(wèn)題，結(jié)合目前化石能源制氫為主的現(xiàn)狀，本文提出將甲烷重整制氫與質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)合的集成系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)在無(wú)氫氣的場(chǎng)景下利用燃料電池推廣應(yīng)用問(wèn)題，還能實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)，能夠滿足家庭、醫(yī)院等的供電、供暖、熱水需求。

1 系統(tǒng)介紹

本文提出的甲烷重整制氫和質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)主要包括甲烷重整制氫系統(tǒng)、質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)、氫氣提純系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)，系統(tǒng)組成及工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖

1.1 甲烷重整制氫系統(tǒng)

制氫系統(tǒng)選擇甲烷水蒸氣重整制氫技術(shù)路線，該路線技術(shù)成熟度高，在工業(yè)上使用范圍廣[4]。甲烷重整制氫系統(tǒng)主要包括重整器、燃燒器、水汽變換反應(yīng)器、蒸汽發(fā)生器、換熱器等。

重整器內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)為：

在重整器內(nèi)部以上兩個(gè)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，且均為吸熱反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中需要的熱量由燃燒器提供。反應(yīng)進(jìn)行的程度取決于反應(yīng)壓力、水碳比、溫度等，選擇合適的反應(yīng)條件，有利于提高甲烷轉(zhuǎn)化率。

重整器內(nèi)部反應(yīng)之后的合成氣經(jīng)過(guò)降溫后，進(jìn)入水汽變化反應(yīng)器，完成以下反應(yīng)：

此反應(yīng)為一個(gè)放熱反應(yīng)，降低溫度或提高水蒸氣的濃度，有利于反應(yīng)向正向進(jìn)行。

燃燒器的主要作用是為重整制氫反應(yīng)提供熱量，燃料主要為提純過(guò)程中回收的可燃?xì)怏w，在一些情況下也需要甲烷補(bǔ)燃。燃燒尾氣用來(lái)預(yù)熱反應(yīng)氣體，剩余熱量回收用以供熱。蒸汽發(fā)生器用于加熱原料水，使液態(tài)水變?yōu)轱柡驼羝?/p>

1.2 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)

質(zhì)子交換膜燃料電池具有清潔、效率高（約50%以上）、運(yùn)行溫度低、模塊化結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池電堆、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、配電管理系統(tǒng)、控制器，以上子系統(tǒng)集成在一起形成質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)以提純后的氫氣作為電池陽(yáng)極反應(yīng)氣體，過(guò)濾后的潔凈空氣為電池陰極反應(yīng)氣體，在電池內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生電能和熱能。電能經(jīng)過(guò)配電管理系統(tǒng)對(duì)外輸出。熱能通過(guò)循環(huán)冷卻水帶走，維持電池內(nèi)部溫度穩(wěn)定，PEMFC一般運(yùn)行溫度在60～80 ℃，該溫度足夠用于生活熱水或者供暖需求[5]。

1.3 氫氣提純系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)制氫系統(tǒng)制得的氫氣要提純后才可用于PEMFC。氫氣提純系統(tǒng)主要包括換熱除水、兩級(jí)變壓吸附（PSA）[6]等，最終使氫氣純度符合要求。提純過(guò)程分離出來(lái)的可燃?xì)怏w送入燃燒器燃燒，過(guò)程中的熱量回收利用。

1.4 余熱回收系統(tǒng)

余熱回收系統(tǒng)主要是回收整個(gè)系統(tǒng)中的余熱，包括制氫過(guò)程、燃燒尾氣余熱、氫氣提純過(guò)程，以及燃料電池的循環(huán)水，通過(guò)換熱器將以上過(guò)程中的余熱回收統(tǒng)一進(jìn)行分配，用于生活熱水或者供暖。

2 系統(tǒng)建模

本文使對(duì)甲烷重整制氫質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，該軟件能夠較好地模擬出整個(gè)系統(tǒng)工作流程以及關(guān)鍵物料數(shù)據(jù)。模型基于以下假設(shè)：1）零維；2）系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)、絕熱；3）所有工作流體均視為理想狀態(tài)，所有化學(xué)反應(yīng)都處于化學(xué)平衡狀態(tài)。下面對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵部件的模型進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 部件建模

重整器是制氫系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件，其反應(yīng)條件決定了甲烷的轉(zhuǎn)化率。在模擬中，反應(yīng)溫度由燃燒器提供的熱量決定。

水汽變化反應(yīng)器反應(yīng)溫度設(shè)定為416 ℃，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為0.75。燃燒器反應(yīng)溫度設(shè)置為900 ℃，壓力為0.12 MPa，所有可燃物完全燃燒，不考慮氮氧化物的生成。

用氫氣的燃燒反應(yīng)來(lái)替代質(zhì)子交換膜燃料電池反應(yīng)。電池反應(yīng)溫度設(shè)置為80 ℃，氫氣利用率為92%，電池效率按55%計(jì)算，即燃燒熱的55%作為燃料電池輸出電功率，剩余熱量由循環(huán)水回收。

由兩級(jí)分離器模擬兩級(jí)變壓吸附過(guò)程，根據(jù)實(shí)際變壓吸附過(guò)程的分離效果不同，兩級(jí)分離器設(shè)置不同分離比。

圖2 集成系統(tǒng)工藝流程圖

2.2 邊界條件

集成系統(tǒng)中的主要進(jìn)口物料參數(shù)如表1所示。表中空氣指的是燃燒器所需要的空氣量。

表1 進(jìn)口物料參數(shù)表

系統(tǒng)中的各處冷卻水入口溫度均為20 ℃，常壓，冷卻水流量隨系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整。

3 系統(tǒng)模擬結(jié)果分析

在上一節(jié)的條件下，對(duì)系統(tǒng)的流程進(jìn)行了模擬。結(jié)果顯示，現(xiàn)有的集成系統(tǒng)是完全可行的。表2展示了關(guān)鍵部件之后的主要流股數(shù)據(jù)，表中只展示出流股中的關(guān)鍵組分及比例。通過(guò)表中數(shù)據(jù)，可以清晰地看出每個(gè)關(guān)鍵部件之后，流股的溫度、壓力及成分變化。在重整器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)生成了H2、CO和CO2，接下來(lái)在水汽變化反應(yīng)中再將生成的CO和H2O共同反應(yīng)生成H2和CO2，進(jìn)一步提高氫氣產(chǎn)率。經(jīng)過(guò)提純后的合成氣中，氫氣純度達(dá)到99.99%，完全滿足質(zhì)子交換膜燃料電池的氫氣進(jìn)氣要求。提純過(guò)程中分離出的氣體全部進(jìn)入燃燒器中燃燒，作為重整反應(yīng)的熱量來(lái)源。

表2 主要流股數(shù)據(jù)表

上述提純后的氫氣進(jìn)入PEMFC，在氫氣利用率為92%、電池效率為55%的條件下，PEMFC系統(tǒng)輸出電功率為180 kW，同時(shí)有147 kW的熱量由循環(huán)冷卻水帶走。除此之外，制氫、提純以及燃燒尾氣均有余熱可回收。制氫過(guò)程能夠回收的熱量為26 kW，提純過(guò)程回收的熱量為94 kW，燃燒尾氣可回收熱量18 kW。綜上，甲烷重整制氫質(zhì)子交換膜燃料電池集成系統(tǒng)輸出電功率180 kW，可回收利用余熱共計(jì)285 kW，回收利用的熱水溫度均在65 ℃以上，完全滿足生活熱水及供暖需求。

4 結(jié)論

本文提出了甲烷重整制氫與質(zhì)子交換膜燃料電池集成的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并通過(guò)建模仿真對(duì)系統(tǒng)流程進(jìn)行了研究，得到了流程中的流股數(shù)據(jù)及系統(tǒng)能量變化。研究表明：將甲烷重整制氫系統(tǒng)與質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)集成是完全可行的，能夠解決在無(wú)氫地區(qū)的燃料電池應(yīng)用問(wèn)題。集成系統(tǒng)制取的氫氣純度達(dá)到99.99%，在模擬工況下，該系統(tǒng)能夠輸出180 kW電力，同時(shí)可回收285 kW熱量用于生活熱水或供暖。本研究為燃料電池的進(jìn)一步應(yīng)用和推廣提供了依據(jù)和新思路。