具有提高的CO制造技术

在高压下以具有低CO

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有提高的CO2利用率的熔融碳酸盐燃料电池的高压操作
提供了用于当在高压下以低CO2含量阴极输入料流操作时操作熔融碳酸盐燃料电池以提高CO2利用率的系统和方法。
技术介绍
本申请公开并要求保护作为埃克森美孚研究与工程公司(ExxonMobilResearchandEngineeringCompany)与燃料电池能源公司(FuelCellEnergy,Inc.)之间的联合研究协议的范围内的活动成果的主题，所述联合研究协议在本申请的有效申请日或之前生效。熔融碳酸盐燃料电池利用氢气和/或其它燃料来产生电力。可以通过在蒸汽重整器(如位于燃料电池上游或集成在燃料电池内的蒸汽重整器)中对甲烷或其它可重整燃料进行重整来提供氢气。还可以在熔融碳酸盐燃料电池中的阳极池中对燃料进行重整，可以操作所述阳极池以产生适于在阳极中对燃料进行重整的条件。还有一种选择是在燃料电池的外部和内部均进行一定重整。可重整燃料可以涵盖含烃材料，所述含烃材料可以在高温和/或高压下与蒸汽和/或氧气反应以产生包括氢气的气态产物。熔融碳酸盐燃料电池的吸引人的特征之一是能够将CO2从低浓度料流(如阴极输入料流)传输到更高浓度料流(如阳极输出流)。在操作期间，MCFC阴极中的CO2和O2转化为碳酸根离子(CO32-)，所述碳酸根离子然后作为电荷载体跨熔融碳酸盐电解质传输。碳酸根离子与燃料电池阳极中的H2反应形成H2O和CO2。因此，操作MCFC的净结果之一是CO2跨电解质的传输。CO2跨电解质的这种传输可以允许MCFC产生电力，同时降低或最小化从各种含COx的料流中隔离碳氧化物的成本和/或挑战。当MCFC与燃烧来源(如天然气发电厂)配对时，这可以允许额外发电，同时减少或最小化发电产生的整体CO2排放。美国专利申请公开2015/0093665描述了用于操作熔融碳酸盐燃料电池的方法，其中在阴极中进行一些燃烧以提供补充热量以便在燃料电池阳极内进行另外的重整(和/或其它吸热反应)。所述公开指出，随着CO2浓度降至约1.0摩尔％以下，由碳酸盐燃料电池产生的电压和/或功率会开始迅速下降。所述公开进一步陈述，随着CO2浓度进一步下降，例如下降到低于约0.3vol％，在某一时刻，燃料电池两端的电压可能变得足够低，以致碳酸盐的进一步传输很少或不会发生碳酸盐的进一步传输，并且燃料电池停止工作。Manzolini等人的文章(《燃料电池科学与技术杂志(JournalofFuelCellScienceandTechnology)》,第9卷,2012)描述了一种用于将燃料电池用于CO2分离来对发电系统性能进行建模的方法。对各种燃料电池配置进行建模，以处理来自天然气联合循环涡轮机的含CO2的排气。燃料电池用于产生另外的电力，同时还将CO2浓缩在燃料电池的阳极排气中。为燃料电池的阴极出口建模的最低CO2浓度为大约1.4vol％。
技术实现思路
在一个方面，提供了一种用于产生电力的方法。所述方法包含在包括1.0kPa-g或更高的阴极压力、60mA/cm2或更大的平均电流密度、0.97或更低的转移率的操作条件下以包括含量为5.0vol％或更低的CO2的阴极输入料流来操作包括阳极和阴极的熔融碳酸盐燃料电池，以产生电力、包括H2、CO和CO2的阳极排气和包括含量为1.0vol％或更低的CO2的阴极排气。所述方法包含将阳极输入料流引入到熔融碳酸盐燃料电池的阳极中。所述方法进一步包含将包括O2、H2O和CO2的阴极入口料流引入到所述熔融碳酸盐燃料电池的阴极中。所述方法进一步包含在1kPa-g或更高的阴极压力、80mA/cm2或更大的平均电流密度和70％或更高的第一CO2利用率下操作所述熔融碳酸盐燃料电池以产生电力、包括H2、CO和CO2的阳极排气以及包括CO2、1.0vol％或更多的O2和1.0vol％或更多的H2O的阴极排气。在所述燃料电池的操作期间，基于所述平均电流密度计算的表观CO2利用率大于所述第一CO2利用率，如大2.0％或更多、或大5.0％或更多。附图说明图1示出了熔融碳酸盐燃料电池和相关联的重整和分离级的配置的实例。图2示出了熔融碳酸盐燃料电池和相关联的重整和分离级的配置的另一个实例。图3示出了熔融碳酸盐燃料电池的实例。图4示出了熔融碳酸盐燃料电池的流动模式实例，其中阳极流动方向大致垂直于阴极流动方向对齐。图5示出了在熔融碳酸盐燃料电池的操作期间在恒定的计算的CO2利用率下电压随燃料电池压力的变化。图6示出了在熔融碳酸盐燃料电池的操作期间在恒定的计算的CO2利用率下CO2利用率随压力的变化。图7示出了在各种熔融碳酸盐燃料电池的操作期间在恒定的计算的CO2利用率下电压随燃料电池压力的变化。具体实施方式在各个方面，在高压下以具有低CO2含量的阴极输入料流操作熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，以提供增加的操作电压和/或提高的CO2利用率。已经发现，当使用低CO2含量阴极输入料流时增加熔融碳酸盐燃料电池的操作压力可以提供操作电压的出乎意料地大幅增加。增加的操作电压可以在多个方面有益，如减少由燃料电池产生的废热和/或允许以操作电压换取电流密度增加。另外地或可替代地，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)可以在高压下操作，同时还操作以提供提高的CO2利用率。提高的CO2利用率部分是通过在引起替代离子(不同于碳酸根离子)跨电解质传输的条件下操作MCFC来实现的。替代离子传输的水平可以基于转移率来表征。出乎意料地发现，在高压下操作可以减少替代离子传输的量，同时仍能提高CO2的利用率。常规地，熔融碳酸盐燃料电池通常在接近环境压力下操作，其中燃料电池阳极和燃料电池阴极中的压力基本上相同。在接近环境的压力下的操作可以简化维持燃料电池的阳极和阴极中大致平衡的压力。由于通常构造熔融碳酸盐燃料电池的方式的性质，在熔融碳酸盐燃料电池操作期间维持阳极和阴极中相似的压力可能是有价值的。例如，如果阳极和阴极中的压力变得足够不同，则由于气体通过电池内和/或用于向阳极和阴极进料的歧管中的边缘密封件，可能发生气体从阳极到阴极(或从阴极到阳极)的直接传递。另外地或可替代地，阳极与阴极之间的压力变化可以改变电解质渗透到多孔阳极和多孔阴极材料中的量。常规地，熔融碳酸盐燃料电池的阴极输入进料中的CO2浓度保持在相对高的值下，如8vol％的CO2或更大、或10vol％的CO2或更大、或可能还会更高。在此类相对较高的CO2浓度和/或低燃料利用率下，增加熔融碳酸盐燃料电池的操作压力只能提供最小的益处。例如，对于具有包含30mol％CO2的阴极输入料流的在大约40％CO2利用率下操作的熔融碳酸盐燃料电池，将压力从～0kPa-g(环境压力)增加到大约500kPa-g提供的电压增加小于50mV。因为增加常规操作的MCFC的操作压力的值相对有限，所以常规燃料电池操作通常在5kPa-g或更低的压力下进行。与常规操作相比，已经发现，当阴极输入料流具有低CO2浓度时，熔融碳酸盐燃料电池阴极压力的适度增加可以在低转移率值和/或高CO2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于产生电力的方法，所述方法包括：在包括1.0kPa-g或更高的阴极压力、60mA/cm

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181130 US 62/773,4661.一种用于产生电力的方法，所述方法包括：在包括1.0kPa-g或更高的阴极压力、60mA/cm2或更大的平均电流密度、0.97或更低的转移率的操作条件下以包括含量为5.0vol％或更低的CO2的阴极输入料流来操作包括阳极和阴极的熔融碳酸盐燃料电池，以产生电力、包括H2、CO和CO2的阳极排气和包括含量为1.0vol％或更低的CO2的阴极排气。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述操作条件包括10kPa-g或更高的阳极压力，或其中所述阴极压力为10kPa-g或更高，或其组合。


3.根据权利要求1所述的方法，其中所述操作条件包括1.0kPa-g到300kPa-g的阳极压力，或其中所述阴极压力为1.0kPa-g到300kPa-g，或其组合。


4.根据权利要求1所述的方法，其中所述操作条件包括10kPa-g到500kPa-g的阳极压力，或其中所述阴极压力为10kPa-g到500kPa-g，或其组合。


5.根据权利要求1所述的方法，其中所述阴极压力为100kPa-g到500kPa-g。


6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述操作条件包括第一操作电压，所述第一操作电压比当所述燃料电池在包括0kPa-g的阴极压力、所述平均电流密度和包括所述CO2含量的阴极输入料流的第二操作条件下操作时所述燃料电池的第二操作电压大10mV或更多(或20mV或更多)。


7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一操作电压为0....

【专利技术属性】
技术研发人员：J·罗斯，E·B·沈，T·C·吉尔里，
申请(专利权)人：燃料电池能有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US