天然气重整制氢发电技术进展.pdf

■ 技 术 血 用 ， T e ch n o lo g y A p p lica tio n 天然气重整制氢发电技术进展 孙静 文 中国石油安全环保技术研究院 摘要 随着 天然气的使 用量 日益增长，天然气作为燃料的使用效率也逐渐 为人们所 关注 。 重 整制 氢技 术和 质 子膜 燃料 电池 P E M F C 技 术 相 结合 为 小型化 、分布 式天 然 气制 氢发 电设 备 的 发 展提 供 了可 能 。文 中介 绍 了天然 气 重整 制 氢发 电技 术 原 理 、重 整 制 氢 小型化 反 应 器及 催化 剂 研 究进展 、P E M F C阳极 抗 C O 催 化 剂 和 双极 板研 究进 展 、分 析 了 国 内外 重 整 制 氢发 电技 术应 用 现 状 ，并对该技术在油气集输管线供电等石油行业应用前景进行 了展望。 关键 词 天 然 气 重 整制 氢 燃料 电池 进展 应 用 D 0I 1 0． 3 9 6 9 ／ i ． i s s n． 2 0 9 5 - 1 4 9 3 ． 2 0 1 3． 0 1 1． 0 0 7 随 着 同 际 能 源 结 构 的 改 变 ，天 然 气 的 使 用 比 例 、适 用 范 围的 h t 益 增长 扩 大 ，天 然气 的 能源 使用 效率 也 逐 渐为 人们 所 关 注 。天然 气蒸 汽 重 整制 氢是 目前 最 经 济 、最 成 熟 的制 氢 方 法⋯ 。燃 料 电池具 有 高 能量 密 度 、高 能量 转 化率 的 特点 ，是一 种新 型 环 保 的 电源 装置 。质子 膜燃 料 电池 P E MF C 技 术 能 够 将 氢气 和 氧气 转化 为电能 和 水 ，其转 化 效率 高 于 内燃 机 。基 于 重 整 制 氢 技 术 和 P E MF C技 术 的 新 型 的小 型化 、分 布式 发 电设备 具 有 能量 效率 高 、安 全 性 好 等特 点 ，已成 为 近年来 研 究 的热点 。 本 文将综 述 天然 气 重 整制 氢 发 电技术 现 状 ，并 对 天然 气重 整 制 氢发 电技 术 和设 备 的油 田应 用 前景 进行 展 望 1 天然气重整制氢发 电技术 天 然 气 重 整 制 氢 发 电技 术 是 一 个 多 步 反 应 体 系 ， 主要 分 为天 然气 重 整制 氢 系 统 以及 P E MF C发 电 系统 两个 部 分 。工 作 流 程如 图 1 。水 经 由水 蒸 气 发 生 器产 生 蒸汽 ，与经 过脱 硫 后 的天 然气 一 起进 入 水 蒸气 重 整反 应器 产生 富氢 合 成气 。合 成气 经 由变 天 然气 天 然气 纯氨 气 直 流 电 图 1 天然气重整制氢 发电原理 作者简介 孙静 文，2 0 1 1 年 毕业于哈尔滨工业大学 ，从事 环保 科研 作 ，E - ma i l s u n j i n g w e n c n p r l r n m． c n ，地址 北 京市 昌平 区西沙 屯桥西 中圈石油科 技同区 A座 ，1 0 2 2 0 6 。 1 6 }www． s y s h j n ． O O F IR 压 吸 附 P S A或 钯 膜 分 离 提 纯 得 到 高 纯 度 氢 气 ， 氢 气 和 氧 化 剂 氧 气 或 空 气 进 入 P E MF C发 电 后 外供 。 1 ． 1 天然 气蒸 汽重 整制 氢 天 然 气蒸 汽 重整 制 氢 的主要 反 应 为 甲烷 与蒸 汽 的转化 反应 ，方 程 式如 下 CH H， O 汽 } CO3 H， 2 0 6 ． 2 9 k J ／ r n o l 1] 天然 气蒸 汽 重整 制 氢方 法 是 目前 工业 上 用 最 为广 泛 ，技 术最 为 成熟 ，价格 也 最为 低 廉 的制 氢 方 法 。大 规 模 天然 气 重 整 制 氢 1 0 0 0 m ／ h 已广 泛 应 用 于 化 r行 业 。 随着 电 子 元 器 件 生 产 、医药 生 产 、食 品加 工 等 行 业 对 小 规 模 、高 纯 度 氢 气 的 需 求 ，小 型 分 布式 制 氢 反 应 器成 为 了研 究 的新 方 向 ， 也 为质 子膜燃 料 电池 的燃 料 提供 了新 思路 。 1 ． 2质子 交换 膜 燃料 电池 P E M F C P E MF C是 一 种 以 全 氟 磺 酸 型 离 子 交 换 膜 为 电 解 质 ，在 催化 剂 的作 用 下将 储存 在 燃料 氢 气 和 氧化 剂 空气 或 氧 气 中的化 学 能高 效 、环 境 友好 地 转 化 为 电 能 的连 续 发 电装 置 。P E MF C的组 成 及 工作 基 本 原 理见 图 2 ，主 要部 件 为 阴 阳极 板 和 电解 质 质 子 交 换膜 。P E MF C工 作 原理 与 化 学 原 电池 类似 ，氢气 进 入 阳极 ，在催 化 剂 作用 下 解 离为 质 子 和 电子 ，质子 穿过 电解 质 与 阴极 的氧气 在 阴极 催 化 剂作 用 下反 应 生成 水 ，阳极 释放 的电子 从 外 电路 自 阳极 流 向 阴极生 成 直流 电 。 水 蒸 气 重 整 制 氢 技 术 的小 型 化 及 其 与 P E MF C 技 术 的结 合 为天 然气 制 氢发 电小 型化 、分 布 式设 备 的产 生提 供 了方 向 。 ■ 技 水 应 用 ， T e c h n o lo g y ＆ A p p lic a tio n 天 与军 事 领域 都 具有 广 阔 的发 展前 景 ，因此 ，世 界 各 国及 许 多 大公 司都 投 入 了大 量精 力 对该 技术 进 行 研 究 开 发 。加 拿 大 B a l l a r d 公 司 、美 国 P l u g P o w e r 公 司在 P E MF C技 术上 全球 领先 ，各 自实 现 了千 瓦 级 P E MF C小 型 电 站 的 商 业 化 ，并 在全 球 推 广 。其 他 发达 国 家如 日本 、德 国 、英 国 、意大 利 、俄 罗斯 等 国 以 及 一 些 著 名 跨 国企 业 也 均 加 入 了研 制 P E MF C 系统 和 P E MF C电动 车 的行 列 。 国内对 天 然气 重 整制 氢 发 电技术 的研究 还 处 于 起 步 阶段 。 中科 院大 连物 理 化学 研 究所 设计 研 发 了 甲醇重 整制 氢 P E MF C样 机 。 中国石 油安 全 环保 技 术 研究 院与 华南 理 工大 学合 作 ，开发研 制 了输 出功 率 6 0 0 W ，整 机 效 率 大 于 4 2 ％的小 型 制 氢 发 电设 备 样 机 。 天然 气 重整 制 氢发 电技 术 在 石油 行 业具 有 巨大 的应用潜 力。受地域等 自然环境条件和经济条件的 限 制 ，我 国油 气 长 输 管 道 工 程 中 的很 多 小 型 站 场 、 阀室 ，难 于依 托稳 定 的 工业 用 系统 电源 。天然 气重 整 制氢 发 电技 术 能够 依 托长 输 管线 的气 源 ，建 设 高 效 、安 全 、一 次性 投 资低 的分 布式 电站 ，满 足场 站 内 自控 、通 讯 及 应 急 照 明等 用 电负 荷 要 求 。 同 时 ， 该技术对伴生气等油气资源的回收 、资源化利用等 方面 具有 广 阔 的应 用前 景 ，大 力 推广 天然 气 制氢 发 电技 术对 能 源利 用 效率 的提高 和 能源 回收转 换都 具 有重 要 的意 义 。 5 结语 天 然 气 重 整 制 氢 发 电技 术 作 为 一 种 高 效 、安 全 、便捷 的能 源利用 方 式 ，正 在 逐步 的完 善 并进 入 商 业 化 阶段 。 未来 的研 究 趋势 主要 集 中在 以下 几个 方 面 ◇ 重 整制 氢 反应器 的小 型 化和 稳定 化研 究 ； ◇ 高 效 、价 廉的 P E MF C阳极 抗 C O技术 研发 ； ◇ 机 械 强 度 高 、 易 于 加 工 、 成 本 低 廉 的 P E MF C部 件 的开 发 ； ◇ 重 整 制 氢 和 P E MF C发 电过 程 机 理 的 进 一 步 研 究 。 石油石化行业 与天然气重整制氢发电技术具有 紧密 的关 系，应尽快学 习和掌握其应用技术 ，抓住 机 遇 ，进 行 相 关 的具 有 自主 知 识 产 权 的 新 技 术研 发 ，并 为其 在油 田的推 广做好 准 备 。 参 考 文献 [ 1 ] 王婷婷天然 气蒸汽 重整试 验系统 设计及 P E M F C 燃料 电 1 8 I w ．s y 。 h j ．。 。 池试验研究 [ D ]南京 东南大学， 2 0 0 6 3 - 8 [ 2 ] 解东来 ， 叶根银， 费广平小 型天然 气制 氢与 P E M F C 热 电 联产技术进展 [ J ] ． 煤气与热力 ， 2 0 0 8 ， 2 8 8 8 - 1 1 [ 3 ]赵 鑫梅， 刘光 全， 许 毓， 等． 燃料 电池 发展 现状及 在 石油 行业 的应用可 行性 [ J ]油 气 田环 境保护 ， 2 0 0 9 1 2 3 4 - 36， 4 4． [ 4 ]XI E D L ， G R A C E J R ， LI M C J D e v el o p m e n t o f i n ter r l aII Y Ci r C UI ati n g fI ui di z e d b ed m emb r a nE r e ac to r fo r h ydr o ge n P r o duc t i on fr om n at u r a I g a s [ J ] 武 汉 理 大 学学 报 2 0 0 6 1 1 2 5 2 2 5 7 [ 5 ]杨长幸 ， 胡鸣若P E M F C 阳极抗 c O 性能研究进展 [ J ] 电源 技 术 ， 2 O1 1 ， 3 5 1 1 1 4 51 - 1 4 5 4 ． [ 6 3 A D A M S W A ， B L Al R J ， B U L L O C K K R ， e t aI E n h a n c e m e n t of th e Der f o r man c e and r eI i a bi I i ty of C O p 0 i s o n e d P E M f u el c el I s[ J ] J P o w e r S o u r c e s ， 2 005 1 45 5 56 1． [ 7 ] H O F F M A N N W R ， H U T Tl N G E R K J ． S； n t e r i n g o f p o w der S of poI y a r om ati c me so ph as e t o hi g h s t r e n g t h i s o t r 0 D i c c a r b o n s [ J ] ． C a r b o n 1 9 9 4 ， 3 2 6 1 0 8 7 1 1 0 3 [ 8 ] 倪红 军， 汪兴兴 ， 黄明字 ， 等质 子交换 膜燃 料 电池及 其 双 极 板 的 研 究 [ J ] ． 材 料 科 学 与 T 艺， 2 0 0 8 4 2 5 0 2 54． [ 9 ] 黄乃宝 ， 衣宝廉 ， 侯 明． 等 P E M F C 薄层 金属双极板研 究进 展 [ J ] 化 学 进 展 ， 2 0 0 5 ， 1 7 6 9 6 3 9 6 9 [ 1 0 ]洪 学 伦甲醇 重 整 气 为燃 料 的质 子 交 换 膜燃 料 电池 [ J ] 化 _T学 报 ， 2 0 0 7 6 1 5 6 4 1 5 6 7 收稿 日期 2 0 l 3 - 0 9 1 2 广 告 索 引 封二 中国石油天然气集团公司工程技术节能监测中心 封底 大庆油田工程捂投标 彩插1 中国石油天然气集团公司管道节能监测中心 P 5 8 2 0 1 4 年杂志联合征订 欢迎广大读者订阅 P 4 7 欢迎订阅 油气田环境保护杂志