燃料电池体系制造技术

一种在燃料电池内产生电的方法，其包括：ａ）在预－转化器中，在有效实现较高碳的（Ｃ↓［２＋］）烃基本完全转化的条件下，预－转化较高碳的（Ｃ↓［２＋］）烃燃料，生产预－转化的燃料流；ｂ）将预－转化的燃料流，在有效产生甲烷浓度增加的燃料流的条件下，进行甲烷化；和ｃ）将燃料流和氧化剂供给高温燃料电池，其中甲烷被转化并通过在燃料电池的阳极处使燃料流反应和在燃料电池的阴极处使氧化剂反应而产生电。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
燃料电池体系
本专利技术涉及燃料电池，尤其涉及向燃料电池的电源发生体系供应燃料。
技术介绍
燃料电池将气态燃料(如氢气、天然气和气化煤)通过电化学方法直接转化成电。当供给燃料和氧化剂(通常是空气)时，燃料电池持续产生电力。典型的燃料电池由与两个电极(主要是电导体)接触的电解质(离子导体、H+，O2-，CO32-等)组成。当通过外部负载使电池短路(short)时，燃料在阳极氧化，这导致电子的释放，而电子流过外部负载，并在阴极处还原氧。通过在电解液内离子流的流动，平衡在外部电路中的电荷流。因此，来自空气中的氧气或其它氧化剂在阴极被解离并转化成氧离子，氧离子迁移通过电解质膜，并与燃料在阳极/电解质界面处反应。在负载条件下单个电池的电压在0.6-1.0V DC附近，且可达到100-1000mAcm-2范围内的电流密度。已提出了数种不同类型的燃料电池。其中，固态氧化物燃料电池(SOFC)被认为是最有效和万能的电能发生体系，特别用于低污染、高效率、高电能密度和燃料灵活的分散发电。SOFC在高温——例如700-1000℃——下操作。在高温下操作的其它燃料电池包括要求最低温度650℃的熔融碳酸盐燃料电池。然而，SOFC是本专利技术最感兴趣的，并在此主要针对它们进行进一步讨论，但是无论如何不局限于此。许多SOFC结构正处在开发之中，其中包括管状、单片和平面设计。平面或扁平板设计是研究最广泛的。单个平面型SOFC通过互连或气体分离器连接形成多电池装置，有时被称为燃料电池组。例如通过在气体分离器中提供气流通道，从而在气体分离器与各电极之间提-->供气流通路。在燃料电池组中，单独制造各元件——电解质/电极层压材料和气体分离器板，然后将其层叠在一起。对于气态燃料和氧化剂来说，使用这一布局，可存在外部和内部同向流动、逆向流动和交叉流动多种选择。常规地，通常用蒸汽润湿的氢气用作燃料电池的燃料。然而，为了在经济上可行，燃料必须尽可能便宜。一种相对便宜的氢气源是天然气，主要是甲烷和比例很小的重质烃(C2+)。天然气常在蒸汽转化反应中转化成氢气，但该反应是吸热的，且由于甲烷的稳定性，该反应要求至少约650℃的转化温度进行基本转化，并要求更高的温度进行完全转化。一方面高温燃料电池体系产生的热必须除去，另一方面，能够从燃料电池中在至少约650℃的所需水平下将热能转移到蒸汽转化器的热交换器是昂贵的。因此通过蒸汽转化天然气产生的氢气不可能是便宜的燃料来源。在EP-A-0435724中公开了一种燃料电池发电方法的提议，其中在蒸汽预-转化器中，将烃燃料转化成包括氢气的燃料电池燃料流。公开了在预-转化器内的温度为700-850℃，最终产物为65-80体积％H2、5-20体积％CO和5-25体积％CO2的气体组合物。在US-A-5302470中公开了另一种这样的提议，认为在与那些已知的蒸汽转化反应相类似的条件下——例如约450-650℃的入口温度，约650-900℃的出口温度和约0-10kg/cm2.G的压力——进行蒸汽预-转化反应，生成的燃料电池燃料流主要由氢气组成，其通过一氧化碳转换转化器(shift converter)输送到燃料电池的阳极。在上述两个提议中建议使用的烃燃料除了天然气之外，还包括甲醇、煤油、石脑油、LPG和城市煤气。已提出通过使用天然气作为高温平面型燃料电池组用燃料源，并在至少约650℃的温度下，使用催化活性的阳极，使天然气在燃料电池组内进行天然气的蒸汽转化，以缓和上述甲烷基本完全蒸汽预-转化的成本问题。然而，这一布局可导致来自C2+烃的碳在阳极上沉积的问题，并由于该原因，其不适合其它较高级的烃燃料。此外，考虑-->到甲烷蒸汽转化的吸热本质，在燃料流内过多的甲烷可导致燃料电池组的过度冷却。为了减轻这一问题，在燃料电池组上游约700℃的高温下使天然气进行部分蒸汽预-转化，将燃料流限制到最大约25％的甲烷(基于湿重)。EP-A-0673074中公开了另一种在燃料电池中由诸如气化煤、天然气、丙烷、石脑油或其它轻质烃、煤油、柴油或燃料油生产电流的方法。如其说明书中所述，该方法包括在开始将成分中的乙烷和较高级烃转化成甲烷、氢气和碳的氧化物并开始实现对成分中甲烷预-转化成碳氧化物和氢气的测量之后，约5-20％烃燃料在至少500℃的温度下发生蒸汽预-转化。在这一较低温度下的蒸汽预-转化减少了在预-转化器内的碳沉积。然后将具有蒸汽预-转化成分的烃燃料供应到燃料电池组的燃料入口，燃料电池组涂有或含有甲烷的蒸汽转化催化剂，在700-800℃下剩余的烃燃料转化成氢气和碳氧化物，其提供给燃料电池组的阳极。认为在燃料入口内残留的烃燃料的间接内部蒸汽转化使得在燃料入口内可以使用转化催化剂，与镍陶瓷金属阳极相比，这样不易因较高级烃的内部蒸汽转化而产生焦化或碳沉积。认为在所述温度范围内将烃燃料的蒸汽预-转化限制到5-20％的燃料，以使燃料在电池组中内部转化时，相对增加供给燃料电池组内的燃料流中氢气的含量，从而减少了碳沉积。在我们2000年8月16日提出的国际申请No.PCT/AU00/00974中公开了另一提供燃料电池用燃料流的方法，其中增加了衍生自较高级碳(C2+)的烃燃料的甲烷的比例，在此引入其内容作为参考。在这一提议中，在不大于500℃的预-转化器温度下，所有燃料在蒸汽预-转化器中与蒸汽反应，产生燃料流，其包括氢气和不少于20体积％的甲烷(基于湿重测量)。燃料流在燃料电池的阳极反应，产生电，同时诸如空气的氧化剂在燃料电池的阴极反应。根据这一提议，可使用任何宽范围内的较高级烃燃料，并且不大于500℃的较低的预-转化温度不仅导致产生较大比例的甲烷。而且能-->采用更简单从而更便宜的预-转化器体系。已发现，增加供应到高温燃料电池内的燃料流中的甲烷比例是有利的，其中甲烷在阳极进行内部转化，因为放热燃料电池反应所释放的热被吸热的蒸汽/甲烷内部转化反应所消耗，这产生了对燃料电池更好的热控制。继而，改进了燃料电池的效率，因为降低了与燃料电池否则所要求的冷却系统相关的附加损失。在燃料流内有任何额外的甲烷含量替代氢气意味着更多的内部转化，并因此降低了对电池冷却的要求，而电池冷却通常通过使过量的空气流过燃料电池的阴极侧而实现。然而，PCT/AU00/00974这一提议的缺点在于它试图平衡燃料流中甲烷的生成，这与希望的预-转化起始燃料中所有较高级烃相矛盾。对于较高级烃的全部转化来说，可能要求达到在该申请中所定义温度范围的上限(不大于500℃)或更高(由于反应动力学和/或催化效力要求的实际界限)，但热动力学要求低于这一温度的温度以优化燃料流内甲烷的比例。本专利技术试图缓解这一缺点。专利技术概述因此，本专利技术提供一种在燃料电池内产生电的方法，其包括：a)在预-转化器中，在有效实现较高碳的(C2+)烃基本完全转化的条件下，预-转化较高碳的(C2+)烃燃料，生产预-转化的燃料流；b)将预-转化的燃料流，在有效产生甲烷浓度增加的燃料流的条件下，进行甲烷化；和c)将燃料流和氧化剂供给高温燃料电池，其中甲烷被转化并通过在燃料电池的阳极处使燃料流反应和在燃料电池的阴极处使氧化剂反应而产生电。在本专利技术的方法中，实现燃料中较高碳的烃的基本完全转化的必须条件可产生贫甲烷燃料(小于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在燃料电池内产生电的方法，其包括：ａ）在预－转化器中，在有效实现较高碳的（Ｃ↓［２＋］）烃基本完全转化的条件下，预－转化较高碳的（Ｃ↓［２＋］）烃燃料，生产预－转化的燃料流；ｂ）将预－转化的燃料流，在有效产生甲烷浓度增加 的燃料流的条件下，进行甲烷化；和ｃ）将燃料流和氧化剂供给高温燃料电池，其中甲烷被转化并通过在燃料电池的阳极处使燃料流反应和在燃料电池的阴极处使氧化剂反应而产生电。

【技术特征摘要】
AU 2001-2-21 PR 32421.一种在燃料电池内产生电的方法，其包括：a)在预-转化器中，在有效实现较高碳的(C2+)烃基本完全转化的条件下，预-转化较高碳的(C2+)烃燃料，生产预-转化的燃料流；b)将预-转化的燃料流，在有效产生甲烷浓度增加的燃料流的条件下，进行甲烷化；和c)将燃料流和氧化剂供给高温燃料电池，其中甲烷被转化并通过在燃料电池的阳极处使燃料流反应和在燃料电池的阴极处使氧化剂反应而产生电。2.权利要求1的方法，其中调节发生预-转化时的温度以实现所需的转化率。3.权利要求1或2的方法，其中调节发生甲烷化时的温度以实现甲烷生产所需的控制。4.权利要求3的方法，其中在250-450℃的温度下发生甲烷化。5.权利要求1的方法，其中包括：在至少300℃的预-转化器温度下，在蒸汽预-转化器中使较高碳的(C2+)烃燃料反应，产生甲烷、氢气和碳氧化物的混合物；在250-450℃的温度范围内，使混合物进行甲烷化，该温度低于预-转化温度，以产生相对于混合物甲烷含量增加的燃料流；和将燃料流与氧化剂供给高温燃料电池，甲烷在...

【专利技术属性】
技术研发人员：K艾哈迈德，
申请(专利权)人：塞拉米克燃料电池有限公司，
类型：发明
国别省市：AU[澳大利亚]