天然气化学链和燃料电池耦合的氢电联产系统

摘要

为实现天然气低碳高效制氢的目标，针对传统蒸汽重整制氢反应温度高（高于800℃）、能量转化效率低和二氧化碳排放量高的问题，提出了一种天然气水基化学链重整制氢（CLHG）方法，并耦合固体氧化物燃料电池（SOFC）实现氢电联产。在燃料反应器中，金属氧化物在天然气和水蒸气的共同作用下被还原生成富氢气体，该气体直接进入SOFC发电，并集成微型燃气轮机（MGT）对SOFC排气进行能量梯级利用。被还原的金属氧化物经水蒸气氧化生成纯净氢气，通过空气氧化恢复初始状态并释放热量，以实现化学链自热式重整制氢。基于构建的热力学模型，对系统进行了热力学分析和不可逆损失分析。研究结果表明，在设计工况下，系统能量转化效率为69.97%,（火用）效率为67.04%,CO₂捕集率为91.39%。与传统天然气重整制氢相比，该系统将制氢反应温度由800℃以上降低至约600℃,同时显著减少了碳排放。对系统的关键过程进行了实验，验证了天然气水基化学链重整制氢系统的可行性。该研究可为天然气的高效低碳利用提供新途径，并验证了制氢与燃料电池耦合应用的可行性。

关键词

化学链重整制氢 / 固体氧化物燃料电池 / 微型燃气轮机 / CO₂捕集 / 热力学模型

基金资助

国家自然科学基金资助项目(52225601,52090061)