本發明專利技術是關于一種燃料電池發電系統及方法。該燃料電池發電系統以碳氫化合物為原料進行發電，其包含原料供給裝置、重整制氫裝置以及燃料電池，其還包含陽極出口氣循環裝置，用于將燃料電池的陽極出口氣循環至重整制氫裝置入口。該發電系統通過循環陽極出口氣中的ＣＨ↓［４］和ＣＯ↓［２］，降低碳氫化合物達到一定的轉化率所需的重整反應溫度，抑制重整催化劑的燒結和積碳，從而達到延長重整催化劑、尤其是廉價的Ｎｉ系重整催化劑的使用壽命的效果。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及，特別是涉及一種以碳氫化合物 為原料的質子交換膜。
技術介紹
以氫氣為燃料的燃料電池發電系統具有清潔高效的特征，因而自上世 紀九十年代以來一直是分布式能源領域的研究熱點之一。氫氣是一種二次 能源，由各種一次能源轉換而來。因此，對于以化石燃料為原料的燃料電 池電站來說，將化石燃料轉化為滿足燃料電池發電要求的氬氣的氫源系統 技術十分重要。在諸多氫氣制造途徑之中，由于天然氣等碳氫化合物價格 較低，天然氣重整制氫的工業技術已十分成熟，天然氣重整制氫被認為是今后相當一段時間里最為經濟可行的選擇。可是，100 kW級以下的中小型 燃料電池電站尤其是質子交換膜燃料電池(PEFC)熱電聯產電站的氫源系 統，由于在制氫效率、重整氫氣中CO含量、可靠性與性能穩定性、啟動停 止與負荷追隨特性、緊湊性和使用壽命等方面都必須滿足新的更為苛刻的 要求，是一個與傳統的工業重整制氫技術不同的新領域。在天然氣水蒸氣重整制氫過程中，催化劑是影響系統造價和壽命的重 要因素之一。由于在所需工作溫度下具有活性高、不易燒結積碳等優 點，PEFC熱電聯產電站的氫源系統通常采用Ru系催化劑作為重整催化劑。 可是，由于金屬Ru的資源稀少，市場價格昂貴且波動極大，導致了重整制 氫成本高、風險大的問題。Ni系催化劑是工業上最常用的水蒸氣重整催化劑，與Ru系催化劑相比 具有資源豐富、價格低廉的優點，但也有活性較低、易燒結積碳的缺點。要 以Ni系催化劑取代Ru系催化劑作為水蒸氣重整催化劑，通常是嘗試通過 改善Ni系催化劑的化學組成或制備方法等來提高其抗燒結抗積碳性能的途 徑，如Ma t sumura Yasuyuki等(Matsumura Yasuyuki, Nakamori Toshie. Steamreforming of methane over nickel catalyst at low reaction temperature. Applied Catalysis A: General , 2004, 258: 107—114)，通過采用不同的載體來提高Ni系 催化劑的性 負b。為了充分利用現有廉價、成熟的工業Ni系催化劑，并進一步提高碳氫 化合物水蒸氣重整制氫的效率，本專利技術提出了一種以碳氬化合物為原料的 燃誶+電池發電系統及方法。
技術實現思路
為了解決現有的由于所需重整工作溫度高所 帶來的課題，以及重整制氬效率低等課題，專利技術者進行了深入細致的理論 模擬和實驗研究，并得到了通過將燃料電池陽極出口氣中的CH4、 C02、 H2 和水蒸氣循環至重整制氬裝置入口以改變重整制氫裝置入口的氣體組成， 可達到降低所需重整工作溫度，同時提高重整制氫效率的效果的研究結果。 本專利技術的目的是提供一種新的，具體地說，本發 明的一個目的是降低原料碳氬化合物進行水蒸氣重整時為了達到一定的轉 化率所需的重整反應溫度，從而可以釆用廉價的Ni系催化劑作為重整反應 的催化劑，并降低對反應器結構材料耐高溫耐腐蝕性的要求，從而更加適 于實用。本專利技術的另一目的是省去專門用于向重整反應器導入重整反應所 需的水的重整水供給裝置及其蒸發熱，從而達到簡化系統和提高重整制氫 效率的目的。本專利技術的目的及解決其技術課題是采用以下技術方案來實現的。依據 本專利技術提出的 一種以碳氫化合物為原料進行發電的燃料電池發電系統，其 包含原料供給裝置、重整制氫裝置以及燃料電池，其還包含陽極出口氣循 環裝置，用于將燃料電池的陽極出口氣循環至重整制氫裝置入口。所述重 整制氫裝置根據所連接燃料電池對重整氫氣的要求，可只含有重整反應器 與燃燒裝置、亦可包含重整反應器與燃燒裝置和CO變換反應器、進而還可 包含重整反應器與燃燒裝置、CO變換反應器和CO去除反應器。本專利技術的目的及解決其技術問課題還可采用以下技術措施進一步實現。優選的，前述的燃料電池發電系統，其中所述陽極出口氣循環裝置包含陽極出口氣儲罐、氣體增壓裝置和流量計。優選的，前述的燃料電池發電系統，其中所述重整制氫裝置的重整反 應器采用Ni系重整催化劑。優選的，前述的燃料電池發電系統，其還包含脫硫裝置，設置于重整 制氫裝置之前，用于脫除原料中的硫。優選的，前述的燃料電池發電系統，其還包含用于向重整制氫裝置導 入重整反應所需的水的重整水供給裝置。本專利技術的目的及解決其技術課題還采用以下的技術方案來實現。依據 本專利技術提出的 一種以碳氫化合物為原料進行發電的燃料電池發電方法，其特征在于其包含以下步驟將原料碳氫化合物與陽極出口氣混合后，導入重整制氫裝置進行碳氫化合物重整制氫反應以制備重整氫氣；將上述重整氫氣導入燃料電池進行發電；以及 將燃料電池的陽4及出口氣循環至重整制氫裝置的入口 。 優選的，前述的燃料電池發電方法，其中將所述陽極出口氣分流，被 分流的陽極出口氣進入燃燒裝置進行燃燒，用于向重整制氫裝置提供碳氫 化合物重整反應所需的熱量。優選的，前述的燃料電池發電方法，其中所述的循環至重整制氫裝置 入口的陽極出口氣的摩爾流量與原料碳氫化合物中碳的摩爾流量之比為 4. 0至10. 0，陽極出口氣的CH4、H2和C02的摩爾百分比含量分別為10~ 35%、 10~ 35%和10~ 30°/。，使得陽極出口氣中CH,的摩爾流量與原料碳氫化合物中 碳的摩爾流量之比為0.5-3.5、陽極出口氣中氫氣的摩爾流量與原料碳氫 化合物中碳的摩爾流量之比為0.5-3.5、陽極出口氣中水蒸氣的摩爾流量 與原料碳氫化合物中碳的摩爾流量之比為1. 5 ~ 4. 0。優選的，前述的燃料電池發電方法，其包含在重整制氫反應步驟之前， 將原料碳氫化合物和陽極出口氣混合后導入脫硫裝置進行脫硫的步驟。優選的，前述的燃料電池發電方法，其中所述重整反應采用Ni系重整 催化劑。優選的，前述的燃料電池發電方法，其中所述重整反應的反應溫度為 560 ~ 660°C。本專利技術的目的及解決其技術課題還采用以下的技術方案來實現。依據 本專利技術提出的 一種以碳氫化合物為原料進行發電的燃料電池發電方法，其包含以下步驟將重整水、原料碳氫化合物和陽極出口氣混合后，導入重整制氫裝置進行碳氫化合物的重整制氫反應以制備重整氫氣； 將上述重整氫氣導入燃料電池進行發電；以及 將燃料電池的陽極出口氣循環至重整制氫裝置的入口 。 所述重整制氫反應根據所連接燃料電池對重整氫氣的要求，可只含有重整反應步驟、亦可包含重整反應步驟和CO變換反應步驟、進而還可包含重整反應步驟、C0變換反應步驟和C0去除反應步驟。本專利技術的目的及解決其技術課題還可采用以下技術措施進一步實現。 優選的，前述的燃料電池發電方法，其中將所述陽極出口氣分流，被分流的陽極出口氣導入燃燒裝置進行燃燒，用于向重整制氫裝置提供碳氫化合物重整反應所需的熱量。優選的，前述的燃料電池發電方法，其中所述循環至重整制氫裝置入口的陽極出口氣的摩爾流量與原料碳氫化合物中碳的摩爾流量之比為1.5-8.0，陽極出口氣包含摩爾百分比為10~35%的CH4、 10~35°/。的&和15 ~ 30%的C02。優選的，前述燃料電池發電方法，其中所述循環至重整制氫裝置入口 的陽極出口氣中CH4的摩爾流量與原料碳氫化合物中碳的摩爾流量之比為 0. 2 ~ 3. 0、陽極出口氣中氫氣的摩爾流量與原料碳氫化本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種以碳氫化合物為原料進行發電的燃料電池發電系統，其特征在于其包含：原料供給裝置、重整制氫裝置、燃料電池、以及陽極出口氣循環裝置，用于將燃料電池的陽極出口氣循環至重整制氫裝置的入口。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：蘇慶泉，龔娟，
申請(專利權)人：北京科技大學，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]
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