基于级联PEMFC系统的煤层气增效回收与碳捕集协同优化研究

本研究针对煤层气(CMR)制氢过程中能源效率低与碳排放问题，创新性提出级联质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统，通过传统/先进?-?经济-?环境(3E)分析揭示阴极(51.8%?损)和换热器2(58.5541 mpts/h环境负荷)为关键优化靶点，结合碳税机制与MEA溶液捕集CO2技术，经多目标优化确定822.39°C为最佳重整温度，为清洁能源系统集成提供理论支撑。

　　

随着化石能源过度使用导致的环境问题日益严峻，氢能作为清洁高效的二次能源备受关注。然而当前制氢仍依赖传统化石燃料，煤层气(Coalbed Methane, CBM)虽被视为过渡性清洁能源，但其开采利用过程中存在甲烷逃逸和碳排放问题。如何通过技术创新实现CBM高效转化与碳减排的双重目标，成为能源领域的研究热点。

湖南工业大学的研究团队在《Process Safety and Environmental Protection》发表研究，构建了级联质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)系统，将CBM重整制氢与燃料电池发电进行耦合。研究采用Aspen Plus模拟平台，整合传统/先进?分析(Exergy Analysis)、?经济(Exergoeconomic)和?环境(Exergoenvironmental)方法，引入单乙醇胺(Monoethanolamine, MEA)溶液碳捕集技术和碳税核算机制，通过TOPSIS-Shannon熵权法进行多目标优化。

关键技术包括：1) 基于变温吸附的CBM分离技术；2) 集成钙氧化物(CaO)的蒸汽甲烷重整(SMR)工艺；3) 三明治结构的PEMFC电堆设计；4) 考虑碳税的?经济成本核算模型；5) 生命周期评估(LCA)驱动的?环境分析方法。

系统描述

系统分为CBM重整(上部)与PEMFC发电(下部)两个子系统。通过变压吸附分离甲烷，经混合器与H₂O/N₂混合后，在换热器1预热至反应温度，进入填充CaO催化剂的SMR反应器。

常规?分析

阴极?损达154.3770 kW(占系统总量51.8%)，阳极占比22.6%，显示PEMFC是能效提升关键。换热器2的?环境负荷最高(58.5541 mpts/h)，需优先优化。

先进?分析

揭示阴极可避免?损达51.1256 kW，其?经济成本率(2.5326$/h)也居首位，表明通过材料改进可显著降低运营成本。

多目标优化

以总?损(298.0251 kW)、?经济成本率(27.8790$/h)和?环境影响率(424.3612 mpts/h)为指标，确定822.39°C为最优重整温度，此时系统综合性能最佳。

该研究首次将碳税机制纳入?经济分析框架，证实级联系统可使?效率提升至73.59%。Xu等学者此前研究显示，类似系统的可避免?损仅占3.55-44.86%，而本系统通过阴极优化可实现51.1256 kW的?损规避，为同类研究提供了新思路。研究团队特别指出，换热器2的环境负荷主要来自金属材料加工过程，建议采用再生材料降低58.5541 mpts/h的环境影响。这些发现为清洁能源系统集成提供了量化优化依据，对实现"双碳"目标具有重要实践意义。