在各个方面中，提供在可改进或优化燃料电池的综合电效率和化学效率的条件下运行固体氧化物燃料电池的系统和方法。代替选择使燃料电池的电效率最大化的传统条件，操作条件可容许燃料电池的阳极排气中过量合成气和/或氢气的输出。合成气和/或氢气然后可用于各种应用，包括化学合成方法和收集氢气用作燃料。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】使用固体氧化物燃料电池的集成发电和化学生产专利
在各方面中，本专利技术涉及与使用固体氧化物燃料电池生产电力集成的化学生产和/或发电工艺。专利技术背景固体氧化物燃料电池利用氢气和/或其它燃料发电。可通过在燃料电池上游或燃料电池内的蒸汽重整器中重整甲烷或其它可重整燃料来提供氢气。可重整燃料可包括可以在升高的温度和/或压力下与蒸汽和/或氧反应产生含氢气的气态产物的烃质材料。或者或另外，燃料可以在固体氧化物燃料电池的阳极池中重整，可运行所述燃料电池以创造适合在阳极中重整燃料的条件。或者或另外，可以在燃料电池的外部和内部进行重整。传统上，运行固体氧化物燃料电池以使每单位燃料输入的发电量最大化，这可以被称作燃料电池的电效率。这种最大化可基于独自的燃料电池或在结合的热和电力应用中。为了实现提高的发电量和管理发热，燃料电池内的燃料利用率通常保持在70%至85%。美国专利申请公布N0.2005/0123810描述了一种用于氢气和电能联产的系统和方法。该联产系统包含燃料电池和构造成接收阳极排气料流并分离氢气的分离单元。一部分阳极排气也再循环到阳极入口。’ 810公开中给出的运行范围看起来基于熔融碳酸盐燃料电池。固体氧化物燃料电池被描述为替代物。专利技术概述—方面，提供了使用具有阳极和阴极的固体氧化物燃料电池生产电和氢气或合成气的方法。该方法将包含可重整燃料的燃料料流引入固体氧化物燃料电池的阳极、与固体氧化物燃料电池的阳极相关的内部重整元件、或其组合中；将包含O2的阴极入口料流引入固体氧化物燃料电池的阴极中；在固体氧化物燃料电池中发电；从阳极排气中取出包含出的气流、包含HdPCO的气流或它们的组合，其中固体氧化物燃料电池的电效率为大约1 %至大约50%，固体氧化物燃料电池的总燃料电池生产率为至少大约150mW/cm2。附图简述图1示意性显示固体氧化物燃料电池和相关重整段和分离段的配置的一个实例。图2示意性显示固体氧化物燃料电池和相关重整段和分离段的配置的另一实例。图3示意性显示固体氧化物燃料电池的运行的一个实例。实施方案详述鐘述在各方面中，提供了由固体氧化物燃料电池(SOFC)以高总燃料电池效率除了生产电之外还生产大量氢气或合成气的系统和方法。本专利技术各方面可使用平板电池或管状电池。总燃料电池效率通常指的是燃料电池的综合电效率和化学效率。随后提供总燃料电池效率的更完整定义。可以在以任何其他参数为代价下设计和运行典型的燃料电池系统用于优化电效率。可以利用原位和/或由于燃烧废气和阳极产物产生的热至维持燃料电池以稳态条件运行所需要的程度。与大部分发电方法一样，传统燃料电池系统主要重视电产品。传统燃料电池系统可以用在主要目的是生产高效电力的应用中，如分布式发电或备用发电中。本专利技术各方面可建立燃料电池运行参数以导致总燃料电池效率超过传统燃料电池效率。另外或或者，本专利技术提供了提高总燃料电池生产率同时维持非常高的总系统效率的方法。一方面，生产率为:对于设计量的燃料电池容量，每单位时间产生的有用产物(如合成气、热、电)的总量，如通过燃料电池的横截面积测量。代替选择使燃料电池电效率最大化的传统条件，运行条件可产生高得多的整个系统的总燃料电池效率和/或生产率，如果容许电效率降至在上述典型燃料电池系统中寻求的最佳电效率以下。如下文更详细描述的，总燃料电池效率是由燃料电池产生的能量的量相对于输送至燃料电池的能量的量的量度，而生产率是由燃料电池产生的能量(总化学、电和热能)的量相对于燃料电池的尺寸(如阳极面积)的量度。可实现高的总燃料电池效率和/或生产率的条件可容许燃料电池的阳极排气中过量合成气和/或氢气输出且可通过使阳极和阴极的输入和输出完全或部分分开(decoupling)以容许一些产物过量生产而实现。该过量可例如通过降低电池的电效率(例如通过在较低电压下运行)和/或使用原位产生的热用于有效生产(例如合成气形式的)化学能实现。因此，与本领域已知的相比，燃料电池可加工大得多的至阳极总燃料输入量，同时维持相似或更高的总输出效率(化学、电和有用热能之和)。较高的生产率容许燃料电池更有效的用在综合系统中。阳极中发生的电化学方法可导致阳极输出合成气流包含至少H2,CO和⑶2的组合。然后可使用水煤气变换反应产生所需合成气的组成和/或使H2产量相对于其它合成气组分增加或最大化。然后可以在各种应用中使用合成气和/或氢气，包括但不限于化学合成工艺和/或收集氢气用作“清洁”燃料。如本文所用，术语“电效率”(“EE”)定义为由燃料电池产生的电化学动力除以燃料电池燃料输入的低位发热值(“LHV”)的速率。燃料电池的燃料输入包括送往阳极的燃料以及用于保持燃料电池的温度的任何燃料，如送往与燃料电池相关的燃烧器的燃料。在本说明书中，由该燃料产生的动力可以以LHV(el)燃料率(fuel rate)描述。如本文所用，术语“电化学动力”或LHV(el)是通过燃料电池中连接阴极与阳极的电路和氧离子经燃料电池电解质的转移而生成的动力。电化学动力不包括燃料电池上游或下游的设备产生或消耗的动力。例如，由燃料电池排气料流中的热产生的电不被视为电化学动力的一部分。类似地，由燃料电池上游的燃气轮机或其它设备生成的动力不是生成的电化学动力的一部分。“电化学动力”不考虑燃料电池运行过程中消耗的电力或由直流电转化成交流电引起的任何损失。换言之，不从燃料电池产生的直流电力中减去用于供给燃料电池运行或以其它方式运行燃料电池的电力。本文所用的功率密度是电流密度乘以电压。本文所用的电流密度是每单位面积的电流。本文所用的总燃料电池功率是功率密度乘以燃料电池面积。本文所用的术语“阳极燃料输入”，被称作LHV(anode_in)，是阳极入口料流内的燃料量。术语“燃料输入”，被称作LHV(in)，是送往燃料电池的燃料总量，包括阳极入口料流内的燃料量和用于保持燃料电池的温度的燃料量。基于本文提供的可重整燃料的定义，该燃料可包括可重整和不可重整的燃料。燃料输入不同于燃料利用率。本文所用的术语“总燃料电池效率” (“TFCE”)被定义为:由燃料电池生成的电化学动力加上由燃料电池生成的合成气的LHV的速率(rate of LHV)，除以阳极的燃料输入的LHV的速率。换言之，TFCE=(LHV(el)+LHV(sg net) )/LHV(anode_in)，其中LHV(anode_in)是指送往阳极的燃料组分(如出、CH4和/或CO)的LHV的速率，且LHV(Sg net)是指在阳极中产生合成气(H2、CO)的速率，其是阳极的合成气输入与阳极的合成气输出之差。LHV(el)描述燃料电池的电化学动力生成。总燃料电池效率不包括由该燃料电池生成的用于该燃料电池外的有益利用的热。在运行中，由燃料电池生成的热可能被下游设备有益利用。例如，该热可用于生成额外的电力或用于加热水。当在本申请中使用该术语时，在燃料电池外实施的这些用途不是总燃料电池效率的一部分。总燃料电池效率仅针对燃料电池运行，并且不包括燃料电池上游或下游的动力生成或消耗。本文所用的术语“化学效率”被定义为燃料电池的阳极排气中的HdPCO的低位发热值或LHV(sg out)除以燃料输入或LHV(in)。本文所用的术语“总燃料电池生产率”(“TFCP”)被定义本文档来自技高网...
【技术保护点】
使用具有阳极和阴极的固体氧化物燃料电池生产电以及氢气或合成气的方法，所述方法包括：将包含可重整燃料的燃料料流引入固体氧化物燃料电池的阳极、与固体氧化物燃料电池的阳极相关的重整段(包括内部重整元件)、或其组合中；将包含O2的阴极入口料流引入固体氧化物燃料电池的阴极中；在固体氧化物燃料电池中发电；和从阳极排气中取出包含H2的气流、包含H2和CO的气流、或者其组合，其中固体氧化物燃料电池的电效率为大约10％至大约50％，固体氧化物燃料电池的总燃料电池生产率为至少大约150mW/cm2。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：P·J·贝洛维茨，T·A·巴尔克霍尔兹，A·S·李，
申请(专利权)人：埃克森美孚研究工程公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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