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”目標吹響能源綠色全面轉(zhuǎn)型的號角。氫能作為二次能源，具有零碳、高效、可儲能、安全可控等顯著優(yōu)勢，氫能與燃料電池將在這場能源生產(chǎn)和消費革命中扮演重要角色[1]。質(zhì)子交換膜燃料電池是目前國內(nèi)發(fā)展最好的燃料電池技術，可應用在汽車、船舶、無人機、固定式發(fā)電等領域[2]。然而目前國內(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設施還不夠完善。截止2021年6月，我國共建成加氫站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有加氫站。在加氫設施不完善的地區(qū)，如何推廣燃料電池技術是一項亟需解決的工作[3]。

目前我國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。隨著制氫技術及CCUS技術的發(fā)展，預計到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。

針對目前國內(nèi)加氫設施不完善等制約燃料電池技術發(fā)展的問題，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)不僅可以實現(xiàn)在無氫氣的場景下利用燃料電池推廣應用問題，還能實現(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)子交換膜燃料電池熱電聯(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路線，該路線技術成熟度高，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、水汽變換反應器、蒸汽發(fā)生器、換熱器等。

重整器內(nèi)發(fā)生的反應為：

在重整器內(nèi)部以上兩個反應同時發(fā)生，且均為吸熱反應，反應過程中需要的熱量由燃燒器提供。反應進行的程度取決于反應壓力、水碳比、溫度等，選擇合適的反應條件，有利于提高甲烷轉(zhuǎn)化率。

重整器內(nèi)部反應之后的合成氣經(jīng)過降溫后，進入水汽變化反應器，完成以下反應：

此反應為一個放熱反應，降低溫度或提高水蒸氣的濃度，有利于反應向正向進行。

燃燒器的主要作用是為重整制氫反應提供熱量，燃料主要為提純過程中回收的可燃氣體，在一些情況下也需要甲烷補燃。燃燒尾氣用來預熱反應氣體，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）、運行溫度低、模塊化結(jié)構等優(yōu)點。質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池電堆、空氣供應子系統(tǒng)、氫氣供應子系統(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極反應氣體，過濾后的潔凈空氣為電池陰極反應氣體，在電池內(nèi)部發(fā)生反應，同時產(chǎn)生電能和熱能。電能經(jīng)過配電管理系統(tǒng)對外輸出。熱能通過循環(huán)冷卻水帶走，維持電池內(nèi)部溫度穩(wěn)定，PEMFC一般運行溫度在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、兩級變壓吸附（PSA）[6]等，最終使氫氣純度符合要求。提純過程分離出來的可燃氣體送入燃燒器燃燒，過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)主要是回收整個系統(tǒng)中的余熱，包括制氫過程、燃燒尾氣余熱、氫氣提純過程，以及燃料電池的循環(huán)水，通過換熱器將以上過程中的余熱回收統(tǒng)一進行分配，用于生活熱水或者供暖。

2 系統(tǒng)建模

本文使對甲烷重整制氫質(zhì)子交換膜燃料電池熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進行了模擬，該軟件能夠較好地模擬出整個系統(tǒng)工作流程以及關鍵物料數(shù)據(jù)。模型基于以下假設：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)，所有化學反應都處于化學平衡狀態(tài)。下面對系統(tǒng)中關鍵部件的模型進行詳細介紹。

2.1 部件建模

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

水汽變化反應器反應溫度設定為416 ℃，反應轉(zhuǎn)化率為0.75。燃燒器反應溫度設置為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。

用氫氣的燃燒反應來替代質(zhì)子交換膜燃料電池反應。電池反應溫度設置為80 ℃，氫氣利用率為92%，電池效率按55%計算，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。

由兩級分離器模擬兩級變壓吸附過程，根據(jù)實際變壓吸附過程的分離效果不同，兩級分離器設置不同分離比。

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，對系統(tǒng)的流程進行了模擬。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鍵組分及比例。通過表中數(shù)據(jù)，可以清晰地看出每個關鍵部件之后，流股的溫度、壓力及成分變化。在重整器內(nèi)發(fā)生反應，同時生成了H2、CO和CO2，接下來在水汽變化反應中再將生成的CO和H2O共同反應生成H2和CO2，進一步提高氫氣產(chǎn)率。經(jīng)過提純后的合成氣中，氫氣純度達到99.99%，完全滿足質(zhì)子交換膜燃料電池的氫氣進氣要求。提純過程中分離出的氣體全部進入燃燒器中燃燒，作為重整反應的熱量來源。

表2 主要流股數(shù)據(jù)表

上述提純后的氫氣進入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。制氫過程能夠回收的熱量為26 kW，提純過程回收的熱量為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)，并通過建模仿真對系統(tǒng)流程進行了研究，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，能夠解決在無氫地區(qū)的燃料電池應用問題。集成系統(tǒng)制取的氫氣純度達到99.99%，在模擬工況下，該系統(tǒng)能夠輸出180 kW電力，同時可回收285 kW熱量用于生活熱水或供暖。本研究為燃料電池的進一步應用和推廣提供了依據(jù)和新思路。