一种多源燃料适配型重整制氢燃料电池发电系统

本发明属于燃料电池、清洁可再生能源领域，特别涉及一种多源燃料适配型重整制氢燃料电池发电系统。

背景技术：

1、氢气，作为一种清洁的可再生能源载体，因其高能量密度和零污染排放等显著优点，被广泛认为是最具前景的化石燃料替代品之一。质子交换膜燃料电池（pemfc）利用氢气的这些优势，直接将储存在燃料中的化学能转化为电能，具有高效率、低污染、无噪音和振动小等特点，在能源转换和利用过程中扮演着关键的角色。然而，pemfc在商业化应用中仍面临一些挑战，其中之一是对纯氢的过度依赖。

2、要实现氢燃料电池的驱动，必须具备来源广泛、可靠且稳定的氢源。然而，氢气的存储和运输面临诸多挑战。氢气需要在高压或低温条件下存储，这不仅需要昂贵的设备和严格的安全防护措施，还增加了储运成本。此外，当前氢能的基础设施尚未完善，导致大规模制氢和分布式供氢仍无法满足燃料电池的需求。这一现状限制了氢燃料电池在广泛应用中的推广。

3、为了克服这些挑战，现场制氢技术应运而生。现场制氢技术通过化学反应将醇类、烃类等化石燃料转化为氢气，提供了一种有效的解决方案，可以显著降低氢气的储存和运输难度。目前，燃料重整发电技术是最常用的现场制氢技术之一。这种技术通过催化剂将不同的燃料转化为氢气，从而实现就地制氢。

4、然而，现有的燃料重整发电系统通常采用“一种燃料，一种催化剂，一套系统”的设计理念，导致系统只能处理特定类型的燃料。在实际应用中，当提供的燃料类型无法满足系统要求时，必须重新调整操作条件和重构系统架构，以适应新的燃料类型。这不仅增加了系统的复杂性，还降低了其灵活性和适应性，尤其在复杂且不断变化的实际应用场景中，这种限制显得尤为突出。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷，为了解决现有燃料重整发电系统中存在的对单一燃料的依赖性和灵活性不足的问题，本发明的目的是提供一种多源燃料适配型重整制氢燃料电池发电系统，该系统能够处理多种类型的燃料，无需频繁调整系统参数，从而提高系统的操作灵活性和适应性，以优化氢气的产生和电力的供应。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种多源燃料适配型重整制氢燃料电池发电系统，其特征在于：包括多源燃料供应模块、重整制氢模块、氢气净化模块、燃烧供热模块和发电模块，多源燃料供应模块包括气体和液体两种燃料供应装置；重整制氢模块包括换热器hx1、换热器hx2、重整器、高温水汽变换装置、低温水汽变换装置、冷凝器cl1、冷凝器cl2、冷凝器cl3、燃料泵、水泵以及气液分离器，其中，换热器hx1和换热器hx2的出口依次与重整器、高温水汽变换装置、低温水汽变换装置连接，冷凝器cl1设置在重整器与高温水汽变换装置之间，冷凝器cl2设置在高温水汽变换装置与低温水汽变换装置）之间，冷凝器cl3设置在低温水汽变换装置后并通过水泵与水罐连接；氢气净化模块包括变压吸附装置和气液分离器（sp），气液分离器通过冷凝器cl3与低温水汽变换装置连接，并与水罐和变压吸附装置连接；燃烧供热模块包括烟气余热回收装置、压缩机cp1和燃烧室，压缩机cp1与燃烧室连接，燃烧室与变压吸附装置连接；发电模块包括质子交换膜燃料电池和压缩机cp2，质子交换膜燃料电池进口端与变压吸附装置和压缩机cp2连接，出口端与燃烧室连接。

4、本发明中，多源燃料供应模块能够同时适用于气体和液体两种燃料类型，包括但不限于甲烷、甲醇、乙醇、煤油和柴油等燃料。氢气净化模块采用多级净化技术，去除重整过程中产生的杂质和副产物，确保输出的氢气纯度满足燃料电池的要求。

5、进一步地，所述各燃料的重整温度在550-760℃之间。其中，甲烷重整温度为580-750℃，甲醇为550-650℃，乙醇为560-700℃，煤油为600-750℃，柴油为630-760℃。

6、进一步地，所述重整器（rf）统一采用镍基催化剂，高温水汽变换装置（hw）和低温水汽变换装置（lw）采用铜基催化剂。

7、进一步地，的流动方式为逆流。

8、进一步地，所述烟气余热回收装置（hc）出口烟气温度为200℃。

9、进一步地，所述甲烷、甲醇、乙醇、煤油和柴油的水碳比（s/c）设置为3。

10、进一步地，所述重整器（rf）出口重整气组分包含甲烷（ch4），水蒸气（h2o），氢气（h2），一氧化碳（co）和二氧化碳（co2）。

11、进一步地，所述质子交换膜燃料电池pemfc的阳极进口为来自变压吸附装置（psa）提纯后的高纯氢气，浓度约为99.999%；而阴极进口为经过压缩机（cp2）增压后的空气。

12、进一步地，所述甲烷、煤油和柴油这三种燃料并非同时投入，而是根据所使用的燃料体系，单独与水一同进入重整器，并通过切换阀门或更换燃料储罐，实现进口燃料的有序切换。

13、进一步地，干燥后的气液分离器sp的出口重整气进入变压吸附装置（psa）提纯后两股气流分别为高纯氢气和重整尾气。高纯氢气进入质子交换膜燃料电池pemfc，重整尾气进入燃烧室。

14、进一步地，所述系统所需的热量均由提供，利用燃烧后的高温烟气为蒸发过程和重整反应过程提供所需的热量。经过一系列换热过程，重整器rf的出口烟气经烟气余热回收装置（hc）收集部分热量后排放至环境，从而减少了系统的热量损失。燃烧室的进料包括燃料、变压吸附装置（psa）分离后的重整尾气、质子交换膜燃料电池pemfc的出口废气以及压缩机cp2的出口空气。

15、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

16、与传统单一燃料重整发电不同，本发明适用于不同类型的燃料源，通过利用各种碳氢化合物和生物质燃料进行重整制氢，摆脱了对特定燃料的依赖，从而提高了能源供应的灵活性和可靠性。该发明具有重要的实际应用价值，拓展燃料重整发电系统的应用领域，可以利用当地的生物质、天然气、柴油等资源来产生电力，增强地区的能源安全性，通过利用多种燃料来源来确保电力供应的可靠性，从而满足当地居民的基本电力需求。该系统不仅实现了灵活的现场制氢发电，能够适应多种燃料类型，包括醇类、烃类等化石燃料，显著提高了系统的适应性和应用范围，使其能够在不同的能源供应条件下稳定运行，而且通过精心设计的换热措施，有效地回收了过程中产生的热量，提高了整个系统的热效率，减少了能源浪费。

技术特征：

1.一种多源燃料适配型重整制氢燃料电池发电系统，其特征在于：包括多源燃料供应模块、重整制氢模块、氢气净化模块、燃烧供热模块和发电模块，多源燃料供应模块包括气体和液体两种燃料供应装置；重整制氢模块包括换热器hx1（1）、换热器hx2（2）、重整器（3）、高温水汽变换装置（4）、低温水汽变换装置（5）、冷凝器cl1（6）、冷凝器cl2（7）、冷凝器cl3（8）、燃料泵（9）、水泵（10），其中，换热器hx1（1）和换热器hx2（2）的出口依次与重整器（3）、高温水汽变换装置（4）、低温水汽变换装置（5）连接，冷凝器cl1（6）设置在重整器（3）与高温水汽变换装置（4）之间，冷凝器cl2（7）设置在高温水汽变换装置（4）与低温水汽变换装置（5））之间，冷凝器cl3（8）设置在低温水汽变换装置（5）后并通过水泵（10）与水罐连接；氢气净化模块包括变压吸附装置（12）和气液分离器（11），气液分离器（11）通过冷凝器cl3（8）与低温水汽变换装置（5）连接，并与水罐和变压吸附装置（12）连接；燃烧供热模块包括烟气余热回收装置（13）、压缩机cp1（14）和燃烧室（15），压缩机cp1（14）与燃烧室（15）连接，燃烧室（15）与变压吸附装置（12）连接；发电模块包括质子交换膜燃料电池（16）和压缩机cp2（17），质子交换膜燃料电池（16）进口端与变压吸附装置（12）和压缩机cp2（17）连接，出口端与燃烧室（15）连接。

2.根据权利要求1所述的一种多源燃料适配型重整制氢燃料电池发电系统，其特征在于：质子交换膜燃料电池（16）的阳极进口为来自变压吸附装置（12）提纯后的高纯氢气，浓度约为99.999%；而阴极进口为经过压缩机cp2（17）增压后的空气。

3.根据权利要求1所述的一种多源燃料适配型重整制氢燃料电池发电系统，其特征在于：气体燃料包括甲烷、煤油和柴油，液体燃料包括甲醇和乙醇，气体燃料和液体燃料与水的比例均为3，即甲烷、甲醇、乙醇、煤油和柴油的水碳比（s/c）设置为3。

4.根据权利要求3所述的一种多源燃料适配型重整制氢燃料电池发电系统，其特征在于：所述甲烷、煤油和柴油这三种燃料并非同时投入，而是根据所使用的燃料体系，单独与水一同进入重整器，并通过切换阀门或更换燃料储罐，实现进口燃料的有序切换。

5.根据权利要求3所述的一种多源燃料适配型重整制氢燃料电池发电系统，其特征在于：甲醇和乙醇这两种燃料并非同时投入，而是根据所使用的燃料体系，按照比例与水配制成甲醇溶液或乙醇溶液后，通过切换阀门或更换燃料储罐，实现进口燃料的切换。

6.根据权利要求1所述的一种多源燃料适配型重整制氢燃料电池发电系统，其特征在于：重整器（3）采用镍基催化剂，高温水汽变换装置（4）和低温水汽变换装置（5）采用铜基催化剂。

7.根据权利要求1所述的一种多源燃料适配型重整制氢燃料电池发电系统，其特征在于：燃料的重整温度在550-760℃之间，其中，甲烷重整温度为580-750℃，甲醇为550-650℃，乙醇为560-700℃，煤油为600-750℃，柴油为630-760℃。

8.根据权利要求1所述的一种多源燃料适配型重整制氢燃料电池发电系统，其特征在于：燃烧室（15）的进料包括燃料、变压吸附装置（12）分离后的尾气、质子交换膜燃料电池（16）的出口废气以及空气。

9.根据权利要求1所述的一种多源燃料适配型重整制氢燃料电池发电系统，其特征在于：烟气余热回收装置（13）出口烟气温度为200℃。

10.根据权利要求1所述的一种多源燃料适配型重整制氢燃料电池发电系统，其特征在于：所述重整器（3）出口重整气组分包含甲烷，水蒸气，氢气，一氧化碳和二氧化碳。

技术总结本发明公开了一种多源燃料适配型重整制氢燃料电池发电系统，包括多源燃料供应模块、重整制氢模块、氢气净化模块、燃烧供热模块和发电模块，多源燃料供应模块包括气体和液体两种燃料供应装置；不仅能够同时适用于气体和液体两种燃料类型，包括但不限于甲烷、甲醇、乙醇、煤油和柴油等燃料，而且通过燃料重整器、水汽变换反应器、变压吸附装置、燃烧室、质子交换膜燃料电池以及各种换热设备的有机组合，实现了系统的高效发电。本发明具有良好的燃料适配性，能够根据不同应用场景提供的燃料源，灵活切换和调整燃料重整制氢的路径，以确保在各种情况下均能提供稳定且可靠的电力输出，以及实现高效的能源利用，从而满足当地居民或企业的电力需求。技术研发人员：王在兴,毛军逵,梁凤丽,贺振宗受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20