一种天然气水蒸气自热式转化与水电解混动制氢及燃料电池耦合的热电联供系统技术方案

本发明专利技术公开了一种天然气水蒸气自热式转化与水电解混动制氢及燃料电池耦合的热电联供(CHP)系统，其由混动制氢(HHP)与质子膜燃料电池(PEMFC)子系统组成，其中，HHP子系统是由能源原料模块、自热式转化(ATR)制氢模块、质子交换膜水电解(PEM)制氢模块与变压吸附(PSA)提氢模块构成，PEMFC子系统是由PEMFC模块、交直流变换(DC/AC)模块与余热回收(WHR)模块构成，其特点是可提供一种从天然气与水为原料制取纯度大于等于99.995％的氢气、最终热电联供过程中的能量传递、转化效率及高效的能量平衡，混动制氢子系统可依据原料天然气或电力市场及区域供应情况切换制氢模式且无需消耗天然气作为燃料气。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于氢能源中的制备与热电联供应用，特别是涉及一种天然气水蒸气自热式转化与水电解混动制氢及燃料电池耦合的热电联供系统。

技术介绍

1、氢能是当前最有前景的清洁二次能源之一，是传统的天然气与其它能源形式的重要纽带，对实现电力、热能、冷能、可再生能源等与天然气的耦合具有非凡的意义。而氢燃料电池是氢能最重要的技术载体之一，其中，在氢能与燃料电池结合城市燃气或城乡生物质沼气的应用中，主要是将燃气或沼气通过水蒸气转化制得高纯度h2作为燃料电池的燃料，并将燃料电池应用于汽车、区域性民用发电、分布式燃料电池热电联供等，其中，质子交换膜的氢燃料电池(pemfc)是目前主要应用在于汽车与热电联供两大领域的典型，其具有工作温度低、启动性能良好、功率密度高等优点，这些优点使它十分适合应用在分布式发电和中小型应用的场合，其功率等级己达到兆瓦级。随着功率等级的增加，它的应用领域将更加广泛。比如，加拿大ballard公司研制的250kw天然气重整制氢-燃料电池电站的发电效率31％，作为邮局、医院的备用电力；美国plug power，idatech，德国的西门子等都研制过5kw本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种天然气水蒸气自热式转化与水电解混动制氢及燃料电池耦合的热电联供系统，其特征在于，热电联供(CHP)系统是由混动制氢(HHP)子系统与质子膜氢燃料电池(PEMFC)子系统组成，其中，HHP子系统是由能源原料模块、质子交换膜水电解(PEM)制氢模块、天然气水蒸气自热式(ATR)制氢模块、变压吸附(PSA)提氢模块，以及各模块之间管道、阀门、换热器所构成，PEMFC子系统主要是由PEMFC模块、电力变换(DC/AC)模块、余热回收(WHR)模块，以及各模块之间管道、阀门、换热器所构成，其中，CHP系统的主流程为，来自城市或工业管网的天然气与脱盐水作为原料进入HHP子系统，原料天然气与脱...

【技术特征摘要】

1.一种天然气水蒸气自热式转化与水电解混动制氢及燃料电池耦合的热电联供系统，其特征在于，热电联供(chp)系统是由混动制氢(hhp)子系统与质子膜氢燃料电池(pemfc)子系统组成，其中，hhp子系统是由能源原料模块、质子交换膜水电解(pem)制氢模块、天然气水蒸气自热式(atr)制氢模块、变压吸附(psa)提氢模块，以及各模块之间管道、阀门、换热器所构成，pemfc子系统主要是由pemfc模块、电力变换(dc/ac)模块、余热回收(whr)模块，以及各模块之间管道、阀门、换热器所构成，其中，chp系统的主流程为，来自城市或工业管网的天然气与脱盐水作为原料进入hhp子系统，原料天然气与脱盐水先后全部进入hhp子系统的能源原料模块与atr制氢模块生产出含氢浓度为80～90％(v/v)的变换气与从pem制氢模块生产出纯度为99.0～99.99％(v/v)进入psa提氢模块，从中流出纯度大于等于99.995～99.999％(v/v)的h2产品气进入pemfc子系统的pemfc模块，从中输出的直流电经dc/ac模块输出功率为10kw～10mw的交流电，或直接供区域用户，或并入电网使用，从pemfc模块产生的余热，经whr模块回收输出12kw～15mw的热量，一部分供区域用户热水使用，一部分返回至hhp子系统使用，产生的冷却水与hhp子系统的冷却水混合并处理后循环使用，产生的含h2尾气作为燃料气返回至hhp子系统使用，从hhp子系统中的pem制氢模块产生的浓度为98.5～99.5％(v/v)的o2作为燃料气，一部分输入到hhp子系统中的atr制氢模块使用，一部分输入到pemfc子系统的pemfc模块使用，从hhp子系统中的psa提氢模块产生的含氢解吸气，一部分作为燃料气返回至hhp子系统中的atr制氢模块使用，一部分作为排放气经处理后直接排放。

2.如权利要求1所述的一种天然气水蒸气自热式转化与水电解混动制氢及燃料电池耦合的热电联供系统，其特征在于，所述的hhp子系统中的pem制氢模块产生的纯度为99.0～99.99％且或直接或经催化脱氧的h2与atr制氢模块产生的含h2浓度为80～90％变换气之间的比例为1～4:6～9，该比例的调配是通过脱盐水/工艺蒸汽、原料天然气/燃料气、工艺转化气与pem制氢模块的o2及/或psa提氢模块及/或pemfc子系统中的pemfc模块的含h2废气流出的作为补充燃料气的解吸气使用量的调控获得，其中，通过脱盐水或/及水蒸气储罐出口处控制atr制氢模块所需的预热脱盐水或/及工艺蒸气流量的给水泵出口或/及旁路蒸汽节流阀开度或控制链接pem制氢模块的高温蒸气节流阀开度来调控进入atr制氢模块的工艺蒸气与进入pem制氢模块的预热脱盐水或/及高温蒸气流量分配，以及来自pem制氢模块的o2与来自psa提氢模块的含h2解吸气体或/及pemfc子系统中的pemfc模块的含h2废气中的h2浓度及流量在atr制氢模块中的atr转化炉/反应器的燃烧室发生燃烧反应与反应温度的调控为主。

3.如权利要求1所述的一种天然气水蒸气自热式转化与水电解混动制氢及燃料电池耦合的热电联供系统，其特征在于，所述的hhp子系统中的pem制氢模块与atr制氢模块通过切换与关闭预热脱盐水/工艺蒸汽、原料天然气与pem制氢模块的o2/psa提氢模块的解吸气/pemfc子系统中的pemfc模块的含h2废气管道及物流管道之间的连接进行单独运行，其中，psa提氢板块的h2产品气流出量分别取决于pem制氢模块与atr制氢模块各自产出纯度为99.0～99.99％h2与含h2浓度为80～90％变换气的最大能力，并由此决定chp系统的热电联供能力。

4.如权利要求1所述的一种天然气水蒸气自热式转化与水电解混动制氢及燃料电池耦合的热电联供系统，其特征在于，所述的hhp子系统中的atr制氢模块中，预转化气流量不变前提下，通过调控来自pem制氢模块的o2流量以及新增加通入来自pem制氢模块的无需经气液分离及催化脱氧的h2进入atr转化炉/反应器的燃烧室的流量，实现改变流出的高温转化气的组成，用于生产合成气与h2下游所需的碳氢比的转化气，其中，随着o2及h2流量的增加，转化气中的h2浓度就越高，达到90％后趋于稳定，或，在atr制氢模块中的atr转化炉出口的气体合成气工况下，合成气无需经过中高温变换反应，或是经过换热降温后直接进...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪兰海，钟娅玲，钟雨明，陈运，唐金财，蔡跃明，
申请(专利权)人：浙江天采云集科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：