对于分析微型燃料电池热电联产系统模拟与制氢系统研发

摘要：微型燃料电池热电联产系统是一种建立在能量的梯级利用概念基础上，将制氢、发电和热水生产有机结合在一起的能源利用系统。它能很好的满足家庭及小型商业用户对电力和热的需求，在减少二氧化碳排放、减少化石能源消耗和维护国家能源安全有很广阔的前景。微型燃料电池热电联产系统主要由燃料处理单元、产电单元和其他一些辅助单元构成。燃料处理单元主要由自热重整反应器、高温水气变换反应器、低温水气变换反应器和CO优先氧化反应器组成。利用Aspen Plus软件模拟了千瓦级的微型燃料电池热电联产系统的工艺流程。能量和火用浅析策略是评价一个系统能源利用效率的两种策略。借助能量和火用浅析策略对该系统的整体性能和系统各组成部分的性能进行了详细的浅析。对典型案例下的各组成单元的能量损耗和火用损耗进行了详细浅析。结果显示系统的能量和火用损失主要是由于驰放气和烟气等排放造成。系统的所有单元中质子交换膜燃料电池的能量效率和火用效率最小。对水碳比、氧碳比、氢气利用率、发电效率和甲烷进料量对整个系统性能影响也进行了能量与火用浅析。设计了燃料处理单元中的重整反应器、高温水气变换反应器和低温水气变换反应器。并对其测试探讨，主要内容包括：对氧化蒸汽重整反应器(OSR)、高温水气变换反应器(HTS)和低温水气变换反应器(LTS)进行了性能测试，实验测试了水碳比SC、氧碳比AC、空速以及温度对各反应器性能的影响。同时，对水碳比为4.0、氧碳比为2.4、重整反应器甲烷进料为2.6L min~(-1)条件下的典型案例进行了实验探讨。实验结果表明：典型操作条件下，HTS维持在450℃，LTS维持在250℃左右时，LTS出口富氢气体中H2含量为45.56%，CO含量为0.057%，系统效率在6063%之间；氧碳比一定时，H2在OSR、HTS、LTS中随水碳比增加而增加，CO在OSR、HTS、LTS中随水碳比增加而减小；水碳比一定时，H2在OSR、HTS、LTS中随氧碳比增加而减小，HTS中CO转化率随氧碳比增加而增加，LTS中CO转化率随氧碳比增加而基本不变，维持在99%；氧碳比为2.4，水碳比为3.5，OSR甲烷进料量为2.6L min~(-1)条件下，H2含量和CO转化率都随空速的增加而减小。关键词：天然气论文微型热电联产论文能量浅析论文火用浅析论文制氢系统论文

摘要5-6

ABSTRACT6-10

第一章 绪论10-22

1.1 课题探讨背景与作用10-12

1.2 基于燃料电池的微型热电联产系统研发进展12-15

1.2.1 研发情况12-13

1.2.2 市场产业化情况13-15

1.3 有效能浅析15-18

1.3.1 热力学浅析策略概述15-16

1.3.2 有效能论述16

1.3.3 有效能浅析策略在微型热电联产系统中的运用16-18

1.4 富氢气体中 CO 的脱除策略18-21

1.4.1 钯膜分离法18-19

1.4.2 变压吸附法19

1.4.3 CO 优先氧化法19

1.4.4 甲烷化法19-20

1.4.5 水气变换法20-21

1.5 本论文探讨内容21-22

1.5.1 探讨目标21

1.5.2 探讨内容21-22

第二章 微型燃料电池热电联产系统的能量与火用浅析22-41

2.1 系统工艺流程22-24

2.2 能量与火用浅析策略24-27

2.3 系统典型案例浅析27-31

2.3.1 系统输入与系统输出27-28

2.3.2 系统各部件的能量损耗与火用能损耗浅析28-31

2.4 操作条件对系统性能的影响31-40

2.4.1 水碳比的影响31-32

2.4.2 氧碳比的影响32-34

2.4.3 氢气利用效率的影响34-35

2.4.4 燃料电池发电效率的影响35-36

2.4.5 甲烷进料量的影响36-38

2.4.6 散热的影响38-40

2.5 本章小结40-41

第三章 微型燃料电池热电联产制氢系统的研发与测试41-74

3.1 反应器的设计41-46

3.1.1 制氢反应器41-42

3.1.2 高温水气变换反应器42-44

3.1.3 低温水气变换反应器44-46

3.2 反应器测试系统46-52

3.2.1 反应器测试流程46-47

3.2.2 实验主要设备和材料47-48

3.2.3 仪器校正48-52

3.3 测试案例及操作步骤52-56

3.3.1 测试考察参数52-53

3.3.2 氧化蒸汽重整测试案例53-54

3.3.3 高低温水气变换反应器性能测试案例54-55

3.3.4 测试操作步骤55-56

3.4 测试结果与讨论56-73

3.4.1 典型操作条件下的制氢系统性能56-58

3.4.2 操作条件对制氢系统的影响58-73

3.5 本章小结73-74

结论74-77