百千瓦级天然气制氢质子交换膜燃料电池热电联产系统稳态特性模拟分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22078

发电技术 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (3): 350-360.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.22078

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百千瓦级天然气制氢质子交换膜燃料电池热电联产系统稳态特性模拟分析

吴磊¹^,², 彭黎菊³, 李爽¹^,², 史翊翔¹^,², 蔡宁生¹^,²

^1.热科学与动力工程教育部重点实验室(清华大学能源与动力工程系)，北京市海淀区 100084
^2.清华大学山西清洁能源研究院，山西省太原市 030032
^3.北京建筑大学环境与能源工程学院，北京市大兴区 102627

收稿日期:2022-12-03 出版日期:2023-06-30 发布日期:2023-06-30
通讯作者: 李爽
作者简介:吴磊(1996)，男，硕士研究生，主要从事燃料电池热电联产系统模拟工作，wul20@mails.tsinghua.edu.cn；
彭黎菊(1997)，女，硕士研究生，主要从事重整制氢燃料电池系统模拟工作，2108140421018@stu.bucea.edu.cn；
李爽(1989)，男，博士，助理研究员，主要研究方向为氢能利用、气体净化等，本文通信作者，shuangli@tsinghua.edu.cn；
史翊翔(1982)，男，博士，教授，主要研究方向为洁净煤发电技术、氢能与燃料电池，shyx@tsinghua.edu.cn；
蔡宁生(1956)，男，博士，教授，主要研究方向为洁净煤发电技术、氢能与燃料电池，cains@tsinghua.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金项目(52176190);清华大学山西清洁能源研究院科研团队经费(sxky1903)

Simulation and Analysis of Steady State Characteristics of Hundred Kilowatt Proton Exchange Membrane Fuel Cell Combined Heat and Power System Based on Hydrogen Production From Natural Gas

Lei WU¹^,², Liju PENG³, Shuang LI¹^,², Yixiang SHI¹^,², Ningsheng CAI¹^,²

^1.Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education (Department of Energy and Power Engineering, Tsinghua University), Haidian District, Beijing 100084, China
^2.Shanxi Research Institute for Clean Energy, Tsinghua University, Taiyuan 030032, Shanxi Province, China
^3.School of Environment and Energy Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Daxing District, Beijing 102627, China

Received:2022-12-03 Published:2023-06-30 Online:2023-06-30
Contact: Shuang LI
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52176190);Support Funds from Shanxi Research Institute for Clean Energy, Tsinghua University for Research Teams(sxky1903)

摘要/Abstract

摘要：

依托Aspen Plus平台建立了百千瓦级质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)热电联产系统模型，该模型由燃料处理单元、热回收单元与PEMFC单元构成。燃料处理单元关键设备模型依据反应动力学参数搭建，PEMFC电堆采用Aspen Custom Modeler自定义模型。验证了关键设备模型的准确性，并分析了稳态条件下设备运行参数对系统性能的影响，结果表明：在以电定热运行模式下，可适当减少燃烧天然气进料或者降低重整原料水碳比，以提高系统的电效率与?效率。此外，可调节变压吸附(pressure swing adsorption，PSA)至PEMFC管路阀门，增大电堆阳极进气压力以提高发电量，但不建议增大电堆阴极进气压力，这会导致系统辅助设备耗电量上升、净电效率下降。以热定电时，可采取相反的调节方式，降低燃烧烟气与PEMFC尾气的排放温度，提高系统热效率。研究结果可为调整PEMFC热电联产系统工作参数以实现热电输出合理配比提供参考。

关键词: 天然气蒸气重整制氢, 质子交换膜燃料电池(PEMFC), 热电联产, 稳态特性

Abstract:

A model of hundred kilowatt proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) combined heat and power system was established in Aspen Plus platform, which was composed of fuel processing unit, heat recovery unit and PEMFC unit. The key equipment model of fuel processing unit was built according to the reaction kinetic parameters, while PEMFC stack adopted the custom model from Aspen Custom Modeler. This paper verified the accuracy of key equipment model and analyzed the effects of operating parameters on system performances under steady-state conditions. The results show that under the operation mode of determining heat by power, the feed of combustion natural gas or the steam-carbon ratio of reforming gas can be appropriately reduced to improve electrical efficiency and exergy efficiency of the system. In addition, the linkage valve on the pipeline from pressure swing adsorption (PSA) to PEMFC can be adjusted to increase the anode inlet pressure of the stack, so as to improve the power generation. However, it is not recommended to increase the cathode inlet pressure of the stack, which will lead to raise of auxiliary equipment power consumption and decline in net power efficiency. When the power is determined by heat, the opposite adjustment method can be adopted, and the exhaust temperature of combustion flue gas and PEMFC tail gas can be reduced to improve the system thermal efficiency. The study results provide reference for adjusting the operation parameters of PEMFC combined heat and power system to achieve appropriate thermo-electric output ratio.

Key words: hydrogen production by nature gas steam reforming, proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), combined heat and power, steady state characteristics

中图分类号:

TK 91

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图/表 13

表1 CH4水蒸气重整化学反应动力参数

Tab. 1 Kinetic parameters of CH4 steam reforming chemical reaction

Y	X	E/(kJ⋅mol^-1)	T_ref/ K
k₁/(kmol⋅Pa^0.5⋅kg^-1⋅h^-1)	0.058 2	240.10	648
k₂/(kmol⋅Pa^-1⋅kg^-1⋅h^-1)	7.558×10^-5	67.13	648
k₃/(kmol⋅Pa^0.5⋅kg^-1⋅h^-1)	6.935×10^-3	243.90	648
$K H 2$ /Pa^-1	2.96×10^-7	82.90	648
$K H 2 O$	0.415 2	88.68	823
$K C H 4$ /Pa^-1	1.79×10^-6	38.28	823
K_CO/Pa^-1	4.091×10^-4	70.65	648

表1 CH4水蒸气重整化学反应动力参数

Tab. 1 Kinetic parameters of CH4 steam reforming chemical reaction

Y	X	E/(kJ⋅mol^-1)	T_ref/ K
k₁/(kmol⋅Pa^0.5⋅kg^-1⋅h^-1)	0.058 2	240.10	648
k₂/(kmol⋅Pa^-1⋅kg^-1⋅h^-1)	7.558×10^-5	67.13	648
k₃/(kmol⋅Pa^0.5⋅kg^-1⋅h^-1)	6.935×10^-3	243.90	648
$K H 2$ /Pa^-1	2.96×10^-7	82.90	648
$K H 2 O$	0.415 2	88.68	823
$K C H 4$ /Pa^-1	1.79×10^-6	38.28	823
K_CO/Pa^-1	4.091×10^-4	70.65	648

表2 NGSR模拟值与参考值对比

Tab. 2 Comparison of NGSR simulation values with reference values

组分	物质摩尔分数/%			相对误差/%
组分	进口	出口参考值	出口模拟值	相对误差/%
CH₄	21.69	3.58	3.53	-1.66
H₂O	74.41	34.09	33.96	-0.39
CO₂	1.10	5.86	5.91	0.88
CO	0	9.09	9.07	-0.15
H₂	1.20	47.14	47.29	0.33
N₂	0.33	0.24	0.24	-1.57
C₂H₆	0.78	0	2.70×10^-4	—
C₃H₈	0.42	0	2.70×10^-8	—
C₄H₁₀	0.06	0	2.60×10^-12	—

表3 WGS反应器模型验证结果

Tab. 3 Verification results of WGS reactor model

项目	各组分摩尔分数/%
项目	CH₄	N₂	CO₂	CO	H₂	H₂O
进料	3.580	0.238	5.861	9.092	47.141	34.088
出口参考值	3.580	0.238	12.300	2.652	53.582	27.648
出口模拟值	3.580	0.238	12.120	2.833	54.400	27.829

表4 PEMFC验证模型参数

Tab. 4 Validation model parameters of PEMFC

参数	A/cm²	N	l/μm	j_max/(A/cm²)	R_c/Ω	T_cell/K
取值	232	35	178	1.5	0.000 3	353.15

图1 PEMFC模型模拟值与参考值对比

Fig. 1 Comparison between simulation and reference values of PEMFC model

图2 百千瓦级燃料电池CHP系统流程图

Fig. 2 Flow chart of hundred kilowatt fuel cell CHP system

表5 天然气组分

Tab. 5 Natural gas components

组分	CH₄	C₂H₆	C₃H₈	C₄H₁₀	C₅H₁₂
体积分数/%	92.70	2.09	0.27	0.12	0.08
组分	C₆H₁₄	H₂	O₂	CO₂	N₂
体积分数/%	0.03	0.01	0.35	1.90	2.45

表6 百千瓦级PEMFC电堆模型参数

Tab. 6 Hundred kilowatt PEMFC stack model parameters

参数	A/cm²	N	l/μm	j_max/(A/cm²)	T_cell/K
取值	943.8	225	20	1.5	353.15

图3 水碳比对PEMFC-CHP系统性能的影响

Fig. 3 Effect of steam-carbon ratio on performance of PEMFC-CHP system

图4 重整温度对系统性能的影响

Fig. 4 Effect of reforming temperature on system performance

图5 阳极压力对系统性能的影响

Fig. 5 Effect of anode pressure on system performance

图6 阴极压力对系统性能的影响

Fig. 6 Effect of cathode pressure on system performance

图7 余热回收温度对系统性能的影响

Fig. 7 Effect of waste heat recovery temperature on system performance

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百千瓦级天然气制氢质子交换膜燃料电池热电联产系统稳态特性模拟分析

Simulation and Analysis of Steady State Characteristics of Hundred Kilowatt Proton Exchange Membrane Fuel Cell Combined Heat and Power System Based on Hydrogen Production From Natural Gas

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