在熔融金属负极固体氧化物燃料电池中的硫管理和使用制造技术

本发明专利技术公开了熔融金属负极固体氧化物燃料电池(MMA‑SOFC)系统的实施例，包括第一和第二MMA‑SOFC、与所述第一MMA‑SOFC一体化或流体连通的燃料接触器、将熔融金属从第一熔融金属负极递送至第二熔融金属负极的熔融金属导管、和一个或多个外部电路，其中所述第一熔融金属负极氧化熔融金属以产生金属氧化物和电子。所述燃料接触器还原金属氧化物，并在熔融金属与含硫燃料反应时在熔融金属中产生金属和金属硫化物。所述第二熔融金属负极氧化在含金属硫化物的熔融金属中的金属硫化物以产生金属和电子，并且所述外部电路由在所述第一和第二MMA‑SOFC中产生的电子发电。

Sulfur management and use in molten metal anode solid oxide fuel cells

The invention discloses a molten metal anode of solid oxide fuel cell (MMA SOFC) the embodiment of the system, including the first and second MMA SOFC, with the first MMA SOFC integration or in fluid communication with the fuel contactor, the molten metal from the first to second delivery of molten metal anode molten metal anode, and molten metal conduit one or more external circuit, wherein the first molten metal anode oxidation of molten metal to produce metal oxide and electronic. The fuel contactor reduces metal oxides and produces metal and metal sulfides in the molten metal during the reaction of molten metal with a sulfur-containing fuel. The metal sulfides in the molten metal containing metal sulfide in the second molten metal anode oxidation to produce metal and electronics, and the external circuit by the electronic power generated in the first and second MMA in SOFC.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求2014年4月28日提交的题为“在熔融金属负极固体氧化物燃料电池中的硫管理和使用”的美国专利申请No.14/263,442(案号SA 6006 PA)的优先权，该申请的内容以全文引用方式并入本文。
本公开的实施例通常涉及熔融金属负极固体氧化物燃料电池(MMA-SOFC)，更具体地涉及包括第二MMA-SOFC的MMA-SOFC系统，所述第二MMA-SOFC构造为由金属硫化物副产物来发电。
技术介绍
通常已知燃料电池由三个主要部分组成：负极、正极和电解质膜，在所述负极处发生电化学氧化，在所述正极处发生电化学还原，所述电解质膜为致密不透气的离子输送膜，所述离子输送膜在特定温度范围内显示纯的离子电导率或混合的离子-电子电导率。正极产生氧离子，氧离子随后迁移通过电解质膜到达负极电极。氧离子在负极氧化燃料，由此产生电子，电子流动通过外部电路回到正极，由此产生电能。参照图1，常规熔融金属负极固体氧化物燃料电池10(MMA-SOFC)包括熔融金属负极40。通过将操作温度保持在位于熔融金属41(也称为熔融金属浴或熔融熔体)中的金属和金属氧化物42的熔点以上而使熔融金属41保持为液相，所述熔融金属41在熔融金属负极40中被氧化。熔融金属负极40与固体电解质30接触，也可暴露于燃料(气体、液体或固体)，例如含硫燃料。正极20设置于固体电解质30的相对侧上，所述正极20在空气的存在下进行正极金属的O2(g)还原以产生氧离子。对于在负极40处的集电，可将金属线72或在操作条件下为固体且惰性的任何其他导电子材料浸入负极熔体41中以促进电子收集，所述电子经由电路70返回至正极20。再次参照图1，使用金属/金属氧化物循环，使得金属在负极40中被电化学氧化成金属氧化物，然后被燃料还原。所述被燃料还原从金属氧化物再生金属。当硫化合物存在于燃料中时，金属硫化物46形成，并可能不利地抑制金属氧化物42在熔融金属41中被燃料还原。燃料中的硫污染物也可能由于形成金属硫化物而劣化MMA-SOFC的性能，甚至使电池中毒。在燃料/负极界面处形成的金属硫化物比熔融金属41和金属氧化物42都更轻，因此漂浮至熔融金属41浴的顶部。这抑制了金属氧化物42物质被燃料还原，以及负极回收和燃料电池操作。因此，持续需要提供对硫化物副产物的改进处理和使用的MMA-SOFC系统。
技术实现思路
参照图3，本公开的实施例涉及第二熔融金属固体氧化物燃料电池(MMA-SOFC)110，其用于电化学氧化在第一MMA-SOFC 10中产生的金属硫化物物质，并产生SO2(g)、金属物质(和/或金属氧化物)和用于发电的电子。实质上，本专利技术的MMA-SOFC系统5能够在第一和第二MMA-SOFC 10和110两者中发电，因此被认为是共发电。由于在油气田中持续增加的硫浓度以及在处理厂和离网边远区中增大的对电力的需求，本公开的系统具有工业实用性，特别是在石油天然气和发电工业中。根据一个实施例，提供了一种MMA-SOFC系统。所述系统包括第一MMA-SOFC和第二MMA-SOFC，所述第一MMA-SOFC包括第一正极、第一熔融金属负极和设置于所述第一正极与所述第一熔融金属负极之间的第一固体电解质；所述第二MMA-SOFC包括第二正极、第二熔融金属负极和设置于所述第二正极与第二熔融金属负极之间的第二固体电解质。所述系统还包括熔融金属导管、燃料接触器和一个或多个外部电路，所述熔融金属导管构造为将熔融金属从所述第一熔融金属负极递送至所述第二熔融金属负极；所述燃料接触器与所述第一MMA-SOFC一体化或者与所述第一MMA-SOFC流体连通。所述第一熔融金属负极包括氧化区域，所述氧化区域构造为氧化熔融金属以产生金属氧化物和电子，所述燃料接触器包括再生区域，所述再生区域构造为还原金属氧化物，并在熔融金属与含硫燃料反应时在熔融金属中产生金属硫化物。此外，所述第二熔融金属负极构造为氧化在含金属硫化物的熔融金属中的金属硫化物以产生金属和电子，所述外部电路构造为由在所述第一MMA-SOFC和所述第二MMA-SOFC两者中产生的电子来发电。为清楚起见，所述第一熔融金属负极为第一MMA-SOFC中的区域，在此区域处熔融金属中的金属发生电化学氧化，且所述第二熔融金属负极为第二MMA-SOFC中的区域，在此区域处熔融金属中的金属硫化物发生电化学氧化。即使在所述第一熔融金属负极和所述第二熔融金属负极处熔融金属的组成不同(即相比于当熔融金属被递送至所述第一熔融金属负极时，当熔融金属被递送至所述第二熔融金属负极时其更富含硫化物)，所述负极共用熔融金属浴。在一个可选择的MMA-SOFC系统实施例中，所述系统可包括与所述第一MMA-SOFC和所述第二MMA-SOFC流体连通的燃料接触器，其中所述燃料接触器包括再生区域和硫酸盐化区域，所述再生区域构造为通过还原在被所述第一熔融金属负极递送的含金属氧化物的熔融金属流中的金属氧化物而产生金属，所述硫酸盐化区域构造为由在被所述第二熔融金属负极递送的熔融金属流中的金属产生金属硫化物。在另一实施例中，提供了一种用于在两个分别的MMA-SOFC中共发电的方法。所述方法包括通过氧化在第一MMA-SOFC的第一熔融金属负极中的熔融金属而产生金属氧化物和电子、通过使熔融金属和金属氧化物与含硫燃料反应而产生金属和金属硫化物、通过氧化在第二MMA-SOFC的第二熔融金属负极中的金属硫化物而产生金属氧化物和电子、以及通过在外部电路中收集来自所述第一MMA-SOFC和所述第二MMA-SOFC的电子而共发电。在又一实施例中，提供了一种用于在单独的熔融金属负极固体氧化物燃料电池(MMA-SOFC)中由金属硫化物发电的方法。所述方法包括如下步骤：提供MMA-SOFC，所述MMA-SOFC包括正极、熔融金属负极、设置于所述正极与所述熔融金属负极之间的固体电解质，其中所述MMA-SOFC与燃料接触器流体连通；通过使熔融金属与含硫燃料反应而在熔融金属流中产生金属硫化物和H2，所述含硫燃料仅包含H2S或者包含H2S、硫、砜、亚砜或其组合中的一种或多种；通过氧化在所述MMA-SOFC的熔融金属负极中的金属硫化物而产生金属和电子；以及通过在外部电路中收集来自所述MMA-SOFC的电子而发电。本文描述的实施例的另外的特征和优点在如下详细描述中阐述，且根据所述描述，所述另外的特征和优点部分对于本领域技术人员而言是易于显而易见的，或将通过实施本文描述的实施例(包括如下详细描述、权利要求书以及所附附图)而被认识。应了解前述一般描述和如下详细描述阐述了各种实例，并旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特性的概述或框架。所附附图被包括以提供各个实施例的进一步理解，并被引入本说明书并构成本说明书的一部分。附图示出了本文描述的各个实施例，并与说明书一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。附图说明图1为常规MMA-SOFC的示意图。图2为管状MMA-SOFC的横截面前视图。图3显示了根据本公开的一个或多个实施例，与电化学氧化金属硫化物以共发电的第二MMA-SOFC结合的具有平面设计的MMA-SOFC系统。图4显示了第一MMA-SOFC的横截面侧视图；然而，燃料再生步骤在根据本公开的一个或多个实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种熔融金属负极固体氧化物燃料电池(MMA‑SOFC)系统，其包括：第一MMA‑SOFC，所述第一MMA‑SOFC包括第一正极、第一熔融金属负极和设置于所述第一正极与所述第一熔融金属负极之间的第一固体电解质；第二MMA‑SOFC，所述第二MMA‑SOFC包括第二正极、第二熔融金属负极和设置于所述第二正极与所述第二熔融金属负极之间的第二固体电解质；熔融金属导管，所述熔融金属导管构造为将熔融金属从所述第一熔融金属负极递送至所述第二熔融金属负极；燃料接触器，所述燃料接触器与所述第一MMA‑SOFC一体化或者与所述第一MMA‑SOFC流体连通；和一个或多个外部电路，其中所述第一熔融金属负极包括氧化区域，所述氧化区域构造为氧化所述熔融金属以产生金属氧化物和电子，且所述燃料接触器包括再生区域，所述再生区域构造为还原所述金属氧化物，并在所述熔融金属与含硫燃料反应时在所述熔融金属中产生金属硫化物；所述第二熔融金属负极构造为氧化在含金属硫化物的熔融金属中的金属硫化物以产生金属和电子；且所述外部电路构造为由在所述第一MMA‑SOFC和所述第二MMA‑SOFC两者中产生的电子来发电。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.28 US 14/263,4421.一种熔融金属负极固体氧化物燃料电池(MMA-SOFC)系统，其包括：第一MMA-SOFC，所述第一MMA-SOFC包括第一正极、第一熔融金属负极和设置于所述第一正极与所述第一熔融金属负极之间的第一固体电解质；第二MMA-SOFC，所述第二MMA-SOFC包括第二正极、第二熔融金属负极和设置于所述第二正极与所述第二熔融金属负极之间的第二固体电解质；熔融金属导管，所述熔融金属导管构造为将熔融金属从所述第一熔融金属负极递送至所述第二熔融金属负极；燃料接触器，所述燃料接触器与所述第一MMA-SOFC一体化或者与所述第一MMA-SOFC流体连通；和一个或多个外部电路，其中所述第一熔融金属负极包括氧化区域，所述氧化区域构造为氧化所述熔融金属以产生金属氧化物和电子，且所述燃料接触器包括再生区域，所述再生区域构造为还原所述金属氧化物，并在所述熔融金属与含硫燃料反应时在所述熔融金属中产生金属硫化物；所述第二熔融金属负极构造为氧化在含金属硫化物的熔融金属中的金属硫化物以产生金属和电子；且所述外部电路构造为由在所述第一MMA-SOFC和所述第二MMA-SOFC两者中产生的电子来发电。2.根据权利要求1所述的系统，其还包括第二固体金属负极。3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第二固体金属负极设置于所述第二熔融金属负极与所述第二固体电解质之间。4.根据权利要求2所述的系统，其中所述第二固体金属负极包括金属或金属陶瓷。5.根据权利要求2所述的系统，其中所述第二固体金属负极包含选自如下的金属：铁(Fe)、铜(Cu)、镍(Ni)、钴(Co)及其组合。6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一熔融金属负极、所述第二熔融金属负极或两者包含选自如下的金属：锡(Sn)、铋(Bi)、铟(In)、铅(Pb)、锑(Sb)、铜(Cu)、钼(Mo)、汞(Hg)、铱(Ir)、钯(Pd)、铼(Re)、铂(Pt)、银(Ag)、砷(As)、铑(Rh)、碲(Te)、硒(Se)、锇(Os)、金(Au)、锗(Ge)、铊(Tl)、镉(Cd)、钆(Gd)、铬(Cr)、镍(Ni)、铁(Fe)、钨(W)、钴(Co)、锌(Zn)、钒(V)及其组合。7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一熔融金属负极、所述第二熔融金属负极或两者包含锑。8.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一固体电解质、所述第二固体电解质或两者包含氧化锆基电解质或二氧化铈基电解质。9.根据权利要求8所述的系统，其中所述氧化锆基电解质选自氧化钇稳定的ZrO2(YSZ)、氧化钪稳定的ZrO2(ScSZ)、氧化钙稳定的ZrO2(CSZ)及其组合。10.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一固体电解质、所述第二固体电解质或两者包含氧化钇稳定的ZrO2(YSZ)。11.根据权利要求8所述的系统，其中所述二氧化铈基电解质包含稀土掺杂的二氧化铈。12.根据权利要求8所述的系统，其中所述二氧化铈基电解质选自钆掺杂的二氧化铈(GDC)、氧化钇掺杂的二氧化铈(YDC)、钐掺杂的二氧化铈(SmDC)及其组合。13.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一正极、所述第二正极或两者选自亚锰酸镧锶(LSM)、氧化钇稳定的ZrO2/亚锰酸镧锶(YSZ-LSM)、镧锶钴铁氧体(LSCF)及其组合。14.根据权利要求1所述的系统，其还包括与所述第一熔融金属负极和所述第二熔融金属负极流体连通的燃料接触器。15.根据权利要求14所述的系统，其中所述燃料接触器包含多孔陶瓷、金属或其组合。16.根据权利要求1所述的系统，其还包括牺牲还原剂，所述牺牲还原剂在所述第二熔融金属负极的下游，并构造为将所述金属氧化物还原成金属。17.根据权利要求16所述的系统，其中所述牺牲还原剂为石墨棒或者选自如下的一者：铁(Fe)、锆(Zr)、锰(Mn)、钽(Ta)、硅(Si)或钛(Ti)及其组合。18.根据权利要求1所述的系统，其还包括在所述第二熔融金属负极下游的SO2去除和处理设备。19.根据权利要求18所述的系统，其中所述SO2去除和处理设备包括选自如下的一个或多个单元：湿式洗涤器单元、喷雾干燥单元、湿法H2SO4加工单元、SNOX烟道气脱硫单元及其组合。20.根据权利要求1所述的系统，其还包括在所述第二熔融金属负极下游的克劳斯单元的催化部分，所述克劳斯单元的催化部分构造为利用SO2副产物将H2S催化转化为单质硫。21.根据权利要求1所述的系统，其中所述含硫燃料选自氢燃料、碳燃料、烃类燃料、硫化氢及其混合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯塔马蒂奥斯·索恩蒂，亚斯明·A·道萨里，埃萨姆·扎基·哈马德，
申请(专利权)人：沙特阿拉伯石油公司，
类型：发明
国别省市：沙特阿拉伯;SA