关键词:
富氢燃料电池
甲醇水蒸气重整
一氧化碳优先氧化
氢气催化燃烧
摘要:
氢能作为一种潜力巨大、环境友好的能源载体,被认为是化石燃料的理想替代品。以氢为输入能源的氢燃料电池在交通运输和分布式发电等领域具有广泛的应用前景。然而,目前氢气的存储和运输技术面临着诸多挑战,成为阻碍氢能快速发展的重要因素。甲醇作为高储氢密度的氢源载体,因其具有较高的氢碳比(4:1)和体积能量密度(15.8 GJ/m3)而被用于现场制氢,可以有效解决燃料电池的氢源问题。
本文基于富氢燃料电池的用氢需求,选择甲醇水蒸气重整制氢作为制氢方法,并结合了一氧化碳优先氧化和氢气催化燃烧技术,设计并搭建了一套短流程的现场重整制氢系统,该套系统不需要依靠外界电源供应,可以实现黑启动。具体研究内容如下:
首先,利用Aspen Plus模拟软件对甲醇水蒸气重整反应、一氧化碳优先氧化反应和氢气催化燃烧反应进行了热力学分析。然后,针对该制氢系统,进行了工艺流程的设计和全流程建模仿真,包括物料衡算和能量衡算,系统理论制氢能量效率达到94.9%。接着,对重整反应器和CO净化反应器进行了详细设计计算,供热单元采用了电加热导热油炉和氢气催化燃烧耦合的系统,为系统启动和运行阶段提供能量。最后,绘制了系统管路装配图,并搭建了甲醇水蒸气重整制氢系统。
通过测试搭建的甲醇水蒸气重整制氢系统,对系统进行了功能性验证,并研究了不同反应温度、水醇比和氧碳比对系统的影响,以寻找最佳工作点。制氢实验结果表明,在最佳操作条件下(反应温度为240℃,水醇比为1.4,氧碳比为1.0),甲醇转化率稳定在99.96%,产品气中H2浓度达到70%左右,且CO浓度低于9 mg/m3,符合燃料电池进气标准。