淺析基于燃料電池微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的集成與能量平衡
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作者：張毅
燃料電池微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能很好地滿足家庭及小型商業(yè)用戶對(duì)電力和熱能的需求，實(shí)現(xiàn)天然氣這種清潔能源的“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”，在減少二氧化碳排放、減少化石能源消耗和維護(hù)國(guó)家能源安全等方面有很廣闊的應(yīng)用前景。
國(guó)內(nèi)外專家、學(xué)者都針對(duì)燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)做了大量研究。Arsalis等以天然氣為原料的千瓦級(jí)PEMFC熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了研究和模擬，得出PEMFC熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的最高總效率為83. 08%，其中發(fā)電效率為27.62%，熱效率為55.46%。Barelli等對(duì)應(yīng)用于住宅的PEMFC燃料電池與SOFC燃料電池進(jìn)行了能量與炯分析，并利用aspen進(jìn)行模擬，研究結(jié)果表明，盡管SOFC發(fā)電效率（可達(dá)40%）略高于低溫PEMFC發(fā)電效率（可達(dá)32%），然而在低溫常壓下，PEMFC熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)比SOFC熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的效率更高，更加適合家用熱電聯(lián)產(chǎn)，但低溫下的PEMFC對(duì)CO非常敏感，微量CO即可使催化劑中毒。Hwang等開(kāi)發(fā)集成了家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并用該熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)滿足典型家庭的熱、電負(fù)荷，結(jié)果表明，該系統(tǒng)供應(yīng)熱電相對(duì)比較穩(wěn)定，且該系統(tǒng)總效率最高可以達(dá)到81%。
華南理工大學(xué)新能源技術(shù)團(tuán)隊(duì)在基于燃料電池微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)方面進(jìn)行了大量研究，利用Aspen對(duì)千瓦級(jí)PEMFC熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，研發(fā)、測(cè)試了微型天然氣自熱重整反應(yīng)器、蒸汽重整反應(yīng)器以及高低溫變換反應(yīng)器，并對(duì)CO優(yōu)先氧化催化劑及反應(yīng)器進(jìn)行了研發(fā)與測(cè)試，通過(guò)測(cè)試表明，CO體積分?jǐn)?shù)能夠降低到10-5以下。盡管已經(jīng)對(duì)每個(gè)模塊都做了全面的研究與分析，然而基于燃料電池微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)整體，每個(gè)上游模塊的性能對(duì)下游模塊都有影響，因此有必要對(duì)模塊進(jìn)行加工集成，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試，分析系統(tǒng)的能量平衡。
1 樣機(jī)的設(shè)計(jì)與集成
1.1樣機(jī)的工作原理
圖1顯示了基于燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)樣機(jī)的工藝流程。
天然氣和水進(jìn)入蒸汽重整反應(yīng)器( SR)，在400~ 500C下發(fā)生重整反應(yīng)，生成CO體積分?jǐn)?shù)較高的富氫合成氣；合成氣進(jìn)入高溫變換反應(yīng)器( HTS)，在350~ 4500C下發(fā)生水氣變換反應(yīng)，CO體積分?jǐn)?shù)降低到1. 0%~2.0%；之后合成氣進(jìn)入低溫變換反應(yīng)器( LTS)，在200~ 3000C下再次發(fā)生水氣變換反應(yīng)，CO體積分?jǐn)?shù)降低到0.3%~0.6%；接著合成氣進(jìn)入優(yōu)先氧化反應(yīng)器( PROX)，在100~1500C下發(fā)生優(yōu)先氧化反應(yīng)，CO體積分?jǐn)?shù)降低到10-5以下；最后富氫合成氣進(jìn)入質(zhì)子交換膜燃料電池( PEMFC)通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電。并利用各過(guò)程的余熱來(lái)生產(chǎn)熱水。
氮?dú)庾鳛橄到y(tǒng)保護(hù)氣用于實(shí)驗(yàn)前的吹掃，氫氣用于實(shí)驗(yàn)前催化劑的還原，LPG作為大氣式燃燒器的燃料，對(duì)蒸汽重整反應(yīng)器進(jìn)行加熱。
1.2樣機(jī)的集成
圖2為基于燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)樣機(jī)的實(shí)物圖。樣機(jī)主要包括制氫單元、CO脫除單元、產(chǎn)電單元及產(chǎn)熱單元。
制氫單元集蒸汽重整反應(yīng)器、大氣式燃燒器、天然氣和水的預(yù)熱、汽化于一體。蒸汽重整反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參考了發(fā)明專利《一種天然氣自熱重整制氫的裝置》，為了充分利用煙氣余熱，在重整反應(yīng)器煙氣排出口焊接了直徑為100 mm的不銹鋼薄管，并在不銹鋼薄管內(nèi)安裝了換熱盤管。
CO脫除單元包括高溫變換反應(yīng)器、低溫變換反應(yīng)器和優(yōu)化氧化反應(yīng)器。優(yōu)化氧化反應(yīng)器采用自主研發(fā)的K -Pt/y -Al2O3催化劑。
產(chǎn)電單元采用新源動(dòng)力股份有限公司生產(chǎn)的風(fēng)冷質(zhì)子交換膜燃料電池。
產(chǎn)熱單元為自行設(shè)計(jì)的蛇管換熱器，回收系統(tǒng)難以利用的熱能加熱自來(lái)水，為家庭提供熱能。
2樣機(jī)測(cè)試
2.1樣機(jī)測(cè)試系統(tǒng)
樣機(jī)測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。
甲烷、干空氣和LPG的消耗量用質(zhì)量流量控制儀( MFC)進(jìn)行測(cè)量。冷水分為2路，一路作為反應(yīng)原料經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)流量后進(jìn)入SR反應(yīng)器；另一路作為冷卻水，經(jīng)流量和溫度測(cè)量后通過(guò)各產(chǎn)熱單元，轉(zhuǎn)化為熱水。熱水的出口溫度用溫度計(jì)測(cè)量。樣機(jī)產(chǎn)生的電用臺(tái)灣亞銳電子有限公司生產(chǎn)的直流電子負(fù)載進(jìn)行功率測(cè)試。排放的煙氣用Testo公司生產(chǎn)的燃?xì)鉄煔夥治鰞x進(jìn)行組分含量檢測(cè)。燃料電池尾氣組成用氣相色譜儀檢測(cè)。
來(lái)自樣機(jī)SR、HTS、LTS和PROX反應(yīng)器的富氫合成氣主要成分為H2、CH4、CO2、CO和水蒸汽，采用冷凝器和干燥管去除未反應(yīng)的水蒸汽，然后用氣相色譜儀進(jìn)行檢測(cè)。
2.2樣機(jī)測(cè)試方案
樣機(jī)典型操作條件：水碳比為2.5，甲烷流量為2.6 L/min，水的流量為5.5g/min，空速為90 h-1，重整反應(yīng)器的溫度為500℃。系統(tǒng)的外部能量由大氣式燃燒器提供，LPG的流量為1.5Umin，根據(jù)LPG的流量組成以及各組分的熱值可以得出，LPG的能量輸入為2 787.5 W。
3測(cè)試結(jié)果與討論
3.1 樣機(jī)的物質(zhì)與能量輸入
經(jīng)單位轉(zhuǎn)化，典型操作條件下，系統(tǒng)的進(jìn)料情況：甲烷的流量6. 39 mol/h，水的流量18. 31 mol/h，調(diào)節(jié)LPG的流量2.26 mol/h。系統(tǒng)的能量輸入主要為液化石油氣與甲烷提供的內(nèi)能，能量輸出則包括電能、熱水、未能利用的煙氣、燃料電池的尾氣以及系統(tǒng)的散熱。能量平衡關(guān)系如圖4所示。
系統(tǒng)的輸入能量E e計(jì)算公式為：
為方便計(jì)算，選取25℃，1個(gè)大氣壓(0.1 M Pa)為基準(zhǔn)態(tài)，確定系統(tǒng)中各組分的標(biāo)準(zhǔn)焓。則樣機(jī)物質(zhì)與能量輸入如表1所示。
3.2樣機(jī)的物質(zhì)與能量輸出
利用氣相色譜儀可以對(duì)各反應(yīng)單元的輸出物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。表2所示為SR、HTS、LTS、PROX出口氣各組分體積分?jǐn)?shù)。
系統(tǒng)的輸出能量Ex計(jì)算公式為：
其中，熱水回收的熱量Eh如表3所示。
利用標(biāo)準(zhǔn)焓，計(jì)算得系統(tǒng)的能量輸出如表4所示。
3.3樣機(jī)的能量平衡分析
典型操作條件下整個(gè)系統(tǒng)的能量平衡關(guān)系如圖5所示。系統(tǒng)總輸入能量為11 706. 93 kJ/h，產(chǎn)生2 764. 58 kJ/h的電能以及2 895. 93 kJ/h的熱能。整個(gè)系統(tǒng)的電效率為23. 6%，熱效率為24.7%。其余能量以煙氣、馳放氣和散熱的形式損失掉。
表5為系統(tǒng)各單元能量損失百分比，其中CO脫除單元( HTS、LTS、PROX)的能量損失較小，生產(chǎn)的熱水也較少，這是由于合成氣中CO含量較低，CO反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱較少，同時(shí)系統(tǒng)的保溫效果較好；燃燒器的能量損失較為嚴(yán)重，且大部分熱水來(lái)自燃燒器煙氣回收的熱量，這是由于本樣機(jī)采用的燃燒器為大氣式燃燒器，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原因，燃燒器的底部散熱以及過(guò)高的過(guò)�？諝庀禂�(shù)帶走的能量無(wú)法人為控制，造成了較高的能量散失；燃料電池的能量損失也較高，主要是因?yàn)轳Y放氣含有大量的未反應(yīng)甲烷，直接排空帶走了系統(tǒng)的能量。
整個(gè)樣機(jī)的電效率為23.6%，熱效率為24.7%，總效率為48.3%。其中馳放氣中含有較多的甲烷，直接排空造成較大的能量損失，如果對(duì)其進(jìn)行回收利用，則可以達(dá)到更好的節(jié)能效果。
4結(jié)論
將天然氣制氫與燃料電池發(fā)電有機(jī)結(jié)合在一起，并回收余熱，將微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)成為一種可能。測(cè)試了樣機(jī)的整體性能，在典型操作條件下，合成氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)為61.36%，CO體積分?jǐn)?shù)為9 x10-6滿足了質(zhì)子交換膜燃料電池對(duì)燃料的要求。
系統(tǒng)的能量平衡分析得出，樣機(jī)的熱損失高達(dá)51.7%，熱損失比較嚴(yán)重，其中燃料電池馳放氣與燃燒器的能量損失較為嚴(yán)重，分別達(dá)到各自單元總能量的25.4%與39.8%。樣機(jī)的尾氣中含有較高濃度的甲烷，如果對(duì)其加以回收利用，可以顯著地提高熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)能量利用率。
5摘要：設(shè)計(jì)加工了一款集天然氣制氫、CO脫除、燃料電池發(fā)電、熱水生產(chǎn)為一體的微型熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)樣機(jī)，測(cè)試了典型工況下樣機(jī)的性能，利用能量平衡方法對(duì)各組成單元能量損耗進(jìn)行詳細(xì)分析。測(cè)得樣機(jī)的電效率為23.6%，熱效率為24.7%，系統(tǒng)的能量損失主要由于馳放氣和煙氣排放等造成。
