一種基於甲烷裂解和燃料電池的能源系統的製作方法
2023-04-29 16:11:51
專利名稱：一種基於甲烷裂解和燃料電池的能源系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種能源系統，特別涉及一種基於甲烷裂解和燃料電池的能源系統。
背景技術：
工業上甲烷的利用主要是通過水蒸汽重整反應來實現的。甲烷的部分氧化和自熱重整反應最近也日益受到重視。但是，這些反應過程比較複雜並且伴隨有CO的產生，後繼步驟中須經過水蒸汽重整把CO氧化成CO2。
發明內容
為了解決上述技術問題，本發明以天然氣為原料，結合燃料電池技術，獲得一個輸出電效率為69％的高效能源工藝路線。
本發明的目的是提供一種能源系統。
本發明的能源系統，包括甲烷催化裂解裝置和碳燃料電池及質子膜燃料電池。
所述的甲烷催化裂解裝置為流化床反應器，採用Ni催化劑，反應溫度為500-750℃。
所述碳燃料電池優選採用熔融碳酸鹽為電解質。
本發明的能源系統，分別使用不同的預熱器對反應原料預熱，並且使用朗肯循環集中回收系統的餘熱。
本發明的能源系統，其流化床反應器入口端依次串聯有預熱器1和預熱器1′；流化床反應器的碳纖維出口端與碳燃料電池相連，氫氣出口端順序串聯有廢熱鍋爐和質子膜燃料電池；碳燃料電池另連接有預熱器2，出口端與廢熱鍋爐相連；質子膜燃料電池連接有預熱器3，出口端與預熱器1和預熱器1′中間的管線相連；廢熱鍋爐與透平機、壓縮機和泵依次連接成環路，形成朗肯循環。
能源系統的預熱器1′所需熱量由質子膜燃料電池的出口熱氣體來提供，預熱器1所需熱量由流化床出口高溫氣體提供，預熱器2所需的熱量由碳燃料電池出口高溫二氧化碳氣體來提供，預熱器3所需熱量由質子膜燃料電池的反應餘熱來提供，流化床需要的反應熱由碳燃料電池的餘熱來供應，其它多餘的熱量通過廢熱鍋爐來利用。
該能源系統包含三個關鍵部分(見附圖)首先，為了進行穩流操作，在流化床內進行甲烷催化裂解，使用Ni催化劑，在500-750℃其轉化率可達70％-80％。其次，使用技術相對成熟且有較大應用前景的PEMFC來消耗甲烷裂解產生的氫。PEMFC的電效率在25-100℃可以高達0.4-0.65，最後，以熔融碳酸鹽為電解質的碳燃料電池被用來消耗甲烷裂解產生的碳，其在550℃的操作條件下效率可達到0.82。
另外，分別使用預熱器1，2，3，4對反應物料預熱，並且使用朗肯循環(包括廢熱鍋爐、透平機、壓縮機和泵)集中回收系統的餘熱。
本發明的發明要點(1)集成了流化床反應器，質子膜燃料電池和碳燃料電池，系統熱效率高達69％，高於傳統的甲烷水蒸氣重整方式。
(2)該系統除在開始運行時需要提供熱量外，可以在自熱條件下穩態操作。
採用流化床催化裂解甲烷，產物氫氣和納米碳纖維分別作為質子膜燃料電池和碳燃料電池原料，輸出電能，同時得到生活用水。
隨著石油資源的日趨緊缺和全球二氧化碳溫室效應，提高能源過程的能效呼聲益高。工業上甲烷主要是通過水蒸汽重整反應來利用的。但是，水蒸汽重整過程比較複雜並且伴隨有CO的產生。本發明從甲烷裂解和碳燃料電池出發，構建了一個高效的能源系統，熱效率遠遠高於市場上傳統的甲烷水蒸汽重整方式。而且，本工藝過程集成度高，氫和碳易於分離，碳燃料電池可以高效地利用各種形態的碳資源，過程簡單易行。本能源系統同樣可以推廣到其它烴類燃料的利用，如除甲烷之外的烷烴，烯烴或者炔烴等烴類，它們可以通過裂解得到甲烷作為該體系的原料。因此必然具有非常廣闊的市場前景。
本發明消耗的原料是天然氣。天然氣的潔淨程度對甲烷裂解和燃料電池的使用的影響不大，但是必須保證甲烷催化裂解中不能帶有空氣雜質，否則氣體中混有的CO會導致質子膜燃料電池的中毒。
圖1為本發明的能源系統工藝流程圖具體實施方式
甲烷預熱分兩段進行，第一段將新鮮的甲烷從常溫(25℃)常壓(1atm)下經過預熱器1′加熱到100℃，第二段將從預熱器1′出來的甲烷經過預熱器1從100℃加熱到600℃。進入流化床催化裂化反應器，在600℃下催化裂解成納米碳纖維和氫氣。高純氫經過廢熱鍋爐回收熱量，降溫到100℃通入質子膜燃料電池，同時氧化劑空氣經過預熱器3加熱到100℃後通入質子膜燃料電池，與氫氣反應生成100℃的水，可以作為生活用水出售。高溫納米碳纖維(600℃)直接通入碳燃料電池，同時將氧氣和氮氣從常溫通過預熱器2加熱到650℃，然後通入碳燃料電池與納米碳纖維反應，得到的產物高溫二氧化碳也通過廢熱鍋爐回收熱量再集中收集，作為產品出售。本實施例中流化床的轉化率為70％，催化甲烷催化裂解完成後，剩餘0.429單位/時間的甲烷，經過在系統中循環後又通入第二預熱器進行回收，同第一段預熱器出來的甲烷一起使用。(系統中所有氣體都是在常壓狀態)。
權利要求
1.一種基於甲烷裂解和燃料電池的能源系統，其特徵是包括甲烷催化裂解裝置和碳燃料電池及質子膜燃料電池。
2.如權利要求1所述的能源系統，其特徵是所述的甲烷催化裂解裝置為流化床反應器，採用Ni催化劑，反應溫度為500-750℃。
3.如權利要求2所述的能源系統，其特徵是所述碳燃料電池採用熔融碳酸鹽為電解質。
4.如權利要求3所述的能源系統，其特徵是分別使用不同的預熱器對反應物料預熱，並且使用朗肯循環集中回收系統的餘熱。
5.如權利要求4所述的能源系統，其特徵是其流化床反應器入口端依次串聯有預熱器1和預熱器1′；流化床反應器的碳纖維出口端與碳燃料電池相連，氫氣出口端順序串聯有廢熱鍋爐和質子膜燃料電池；碳燃料電池另連接有預熱器2，出口端與廢熱鍋爐相連；質子膜燃料電池連接有預熱器3，出口端與預熱器1和預熱器1′中間的管線相連；廢熱鍋爐與透平機、壓縮機和泵依次連接成環路，形成朗肯循環。
6.如權利要求5所述的能源系統，其特徵是預熱器1′所需熱量由質子膜燃料電池的出口熱氣體來提供，預熱器1所需熱量由流化床出口高溫氣體提供，預熱器2所需的熱量由碳燃料電池出口高溫二氧化碳氣體來提供，預熱器3所需熱量由質子膜燃料電池的反應餘熱來提供，流化床需要的反應熱由碳燃料電池的餘熱來供應，其它多餘的熱量通過廢熱鍋爐來利用。
全文摘要
一種基於甲烷裂解和燃料電池的能源系統，包括甲烷催化裂解裝置和碳燃料電池及質子膜燃料電池。首先，為了進行穩流操作，在流化床內進行甲烷催化裂解，使用Ni催化劑，在500－750℃其轉化率可達70％－80％。其次，使用技術相對成熟且有較大應用前景的PEMFC來消耗甲烷裂解產生的氫。PEMFC的電效率在25－100℃可以高達0.4－0.65，最後，以熔融碳酸鹽為電解質的碳燃料電池被用來消耗甲烷裂解產生的碳，其在550℃的操作條件下效率可達到0.82。本工藝過程集成度高，氫和碳易於分離，碳燃料電池可以高效地利用各種形態的碳資源，過程簡單易行。
文檔編號H01M8/14GK1941482SQ20061001549
公開日2007年4月4日 申請日期2006年8月30日 優先權日2006年8月30日
發明者李永丹, 章睿 申請人:天津大學