具有减少ＣＯ２排放的联合高效化石燃料发电设备／燃料电池系统技术方案

一种联合发电系统，其包括用于处理化石基燃料例如煤和天然气的化石燃料发电设备，该设备与具有阳极区和阴极区的碳酸盐燃料电池串联配置。该发电设备的烟道气专门用作燃料电池阴极区的入口气体。离开燃料电池阳极区的阳极废气进行包括封存废气中的二氧化碳的处理。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及燃料电池系统，特别是具有提高效率的联合燃料电池 和化石燃料发电设备系统。
技术介绍
燃料电池是一种通过电化学反应将储存在碳氢化合物燃料中的化 学能直接转变为电能的装置。通常，燃料电池包含被电解质隔开的阳 极和阴极，该电解质起到电传导带电离子的作用。熔融碳酸盐燃料电 池的操作是使反应物燃料气体经过阳极，同时使包含二氧化碳和氧气 的氧化性气体经过阴极。化石燃料发电设备通过燃烧诸如煤或天然气的化石燃料产生能 量。燃烧过程的结果是化石燃料发电设备产生烟道气，通常该烟道气 通过大气排放的方式得到处理。然而，这种排放对环境有害，因为它 们包含大量的二氧化碳，而二氧化碳会造成地球变暖和气候变化。因此，已使用许多方法来控制或限制化石燃料发电设备产生的烟 道气排放中的二氧化碳含量。然而，从烟道气中分离二氧化碳的方法成本效率差，因为该气体中二氧化碳的浓度低(约10%)。美国专利No. 5232793中公开了 一种系统，其中通过使用与发电设 备串联的碳酸盐燃料电池减少了化石燃料发电设备烟道气中的二氧化 碳排放。在该系统中，将废气加入到氧化剂供给中，并将组合气体用 作熔融碳酸盐燃料电池阴极的原料气。随后，燃料电池中的电化学反 应导致原料气中的二氧化碳从燃料电池的阴极转移到阳极。从而，阳 极废气具有高浓度的二氧化碳气体。这允许从废气中有效分离出二氧 化碳气体，并随后进行处理或转变成可利用的形式。专利NO. 5232793的系统使用 一种外部改进的燃料电池系统。该外部改进装置产生烟道气。为了有效回收C02，还需要将改进燃料再循环到燃料电池的氧化剂供给线上。此外，该专利技术将燃料电池所需的具有 环境温度的空气加入化石燃料发电设备的废气中。这需要进一步对送入燃料电池的氧化剂进行预热以便达到要求的工作温度。NO. 5232793 的单独空气添加和外部改进都增加了系统的复杂性和成本。它们同时 降低了系统的效率。因此，本专利技术的一个目标是提供包括化石燃料发电设备和碳酸盐 燃料电池的联合发电系统，该系统试图减少上述的缺点。本专利技术的另一目标是提供包括化石燃料发电设备和碳酸盐燃料电 池的联合发电系统，该系统的复杂性较小并且具有提高的效率。
技术实现思路
根据本专利技术的原理，在包括化石燃料发电设备和碳酸盐燃料电池 的联合发电系统中实现了上述和其它的目标，该系统优选具有内部重 整，具有阳极区和阴极区，其中燃料电池阴极区的入口气体仅包含由 化石燃料发电设备产生的烟道废气。离开燃料电池阳极区的阳极废气 包含浓的二氧化碳气体，并且可进行进一步的处理。进一步处理的一种形式中，对阳极废气进行处理以封存或隔离二 氧化碳气体，并然后处理封存的气体。在该处理的另一种形式中，将 该阳极废气送入耐二氧化碳的低温燃料电池中用作燃料。在处理的又 一种形式中，将阳极废气通入二氧化碳分离器以除去和封存二氧化碳， 并将剩余的废气再循环到燃料电池的阳极。在处理的又一种形式中， 将阳极废气通入燃烧器中使废气中的氢气和一氧化碳转变为二氧化 碳，随后对燃烧器的排出物进行二氧化碳的封存和去除。 附图说明阅读下面与附图结合的详细说明，本专利技术的上述和其它特征及方 面将更为显而易见，其中图1显示了依照本专利技术原理的联合发电系统，该系统包括化石燃 料发电设备和碳酸盐燃料电池；图2显示了图1所示的联合发电系统的替代性配置；和图3显示了图1系统的另一种配置，该配置包含耐二氧化碳的低 温燃料电池。 具体实施例方式图1显示了依照本专利技术原理的联合发电系统1。系统1包括化石 燃料发电设备6和碳酸盐燃料电池组件10，燃料电池组件10具有阴 极区12和阳极区14。如图所示，燃料电池IO是内部重整或直接的熔 融碳酸盐燃料电池，其中用于阳极的燃料在组件中得到内部重整。然 而，也可以使用外部改进的碳酸盐燃料电池组件，在该情形中，在送 至燃料电池阳极区之前使用改进器来改进燃料。根据本专利技术的原理，将化石燃料发电设备6和碳酸盐燃料电池组 件10串联设置，以便仅向组件的阴极区12供应来自发电设备的烟道 废气。下文将更详细地讨论这种配置。如图l所示，将诸如煤、天然气或其它碳氢化合物燃料的化石燃 料从化石燃料供给2与空气供给4提供的空气一起提供至化石燃料发 电设备6。化石燃料和空气在生产能量的发电设备6中发生燃烧反应， 并产生输出的烟道废气。该烟道废气典型包含约10°/。的二氧化碳、19% 的水、和9%的氧气以及余量的氮气。这些成分的精确量依赖于化石燃 料的类型和空气供给4提供的空气量。可以通过调整空气供给4来改 变氧气含量。线路8将部分或全部的烟道废气耦合至阴极区12的入口 12A,因 此该烟道气是该入口的唯一氧化气体供给。同时，通过线路15将来自 供给16的燃料，例如煤气、天然气或其它含氢燃料，送到阳极区14 的入口 14A。可以理解的是，在燃料电池组件10中，阴极区12中的烟道废气 和阳极区14中的改进氢气发生电化学反应产生能量输出。此外，这种分(约65%-75%或更多)的二氧化碳。更具体地，烟道气中的二氧化碳和氧气在燃料电池的阴极区12 中反应产生碳酸根离子，该离子通过燃料电池的电解质被送到阳极区14。在阳极区14中，碳酸根离子被来自燃料的氢气还原产生水和二氧 化碳。净结果是上面提及的烟道气中的较大部分的二氧化碳从阴极区 转移到阳极区。因此，燃料电池10的阳极室的出口 14B处的阳极废气 具有高浓度的二氧化碳，从而允许二氧化碳气体更容易且更有效地被 回收加以处理或转化为有用的形式。特别地，耗尽二氧化碳的烟道气通过线路18经阴极出口 12B离开 阴极区12。阳极废气主要包含二氧化碳以及未反应的氢气、 一氧化碳、 水蒸气和痕量的其它气体，另一方面，该废气离开阳极出口 14B并通 过线路20输送用于进一步的处理。该处理包括封存或隔离气体中全部 或部分的二氧化碳，由于二氧化碳的高浓度，现在可以更有效地进行 该处理。由于阴极和阳极气体在高温条件下离开燃料电池，通过单元17 或单元19回收这些蒸气全部或部分的显热(sensible heat)。单元 17与化石燃料发电设备锅炉的节热器或HRSG(热回收蒸气发生器)相 似。事实上，单元17可以与发电设备装置结合，将本专利技术用于现有的 发电设备时尤为如此。热回收并非所需的，但对于使效率最大化和使 生产每KW能量的CO,排放最小化而言是需要的。图1显示了处理阳极废气的不同形式。更具体而言，阳极废气通 过线路20被带到二氧化碳分离器22,废气中的二氧化碳气体在这里 与废气中的其它气体分离并被输出到线路24。典型地，在进入二氧化 碳分离器22之前将该气体冷却，以便气体中的水凝结成液体从而易于 通过水分离器21除去。这提高了 C02的浓度并使分离更容易。线路24 将二氧化碳气体送至封存处理组件51，在这里气体被处理或转变成有 用的形式。阳极废气中的剩余气体主要是包含氢气和一氧化碳的燃料， 并通过线路32由系统中输出。可选地，可以将它们送至燃烧器34, 同样为该燃烧器供应空气或来自氧气供给30的氧气。与氧气燃烧的优 点在于消除了空气中二氧化碳和氮气的污染。二氧化碳和水是燃烧器 34中燃烧反应的产物，并且二氧化碳也由线路36输运到组件52中进 行封存处理。在C02封存之前，可以将其冷却并本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种联合发电系统，包括：　产生含二氧化碳和氧的输出烟道气的化石燃料发电设备；　具有阳极区和阴极区的碳酸盐燃料电池；　其中所述碳酸盐燃料电池阴极区的入口气体仅包括输出烟道气。

【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：M法鲁克，FC扬克，
申请(专利权)人：燃料电池能有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]