用于产生电力的系统和方法技术方案

本发明专利技术涉及一种使用固态氧化物燃料电池系统产生电的方法，其产生较少量的二氧化碳。将含有氢气的第一及第二气流以独立地选定的流量馈送至固态氧化物燃料电池的阳极。在该固态氧化物燃料电池的一个或更多个阳极电极处将该第一气流及该第二气流与氧化剂混合以产生电。从该燃料电池的阳极分离包含氢气及水的阳极废气流，且从该阳极废气流分离包含氢气的所述第二气流且将其馈送回至燃料电池的阳极。将第一气流及第二气流馈送至该燃料电池的流量经选择以使得该燃料电池产生高电力密度。来自所述阳极废气流的氢气的循环减少了操纵所述燃料电池所需的待产生的氢气的量，由此减少了在生产操作燃料电池所需的氢气的生产中产生的二氧化碳的量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及产生电力的燃料电池系统，且涉及一种用于产生电力的方法。具体地 说，本专利技术涉及关于一种产生电力的固态氧化物燃料电池系统及一种使用该系统产生电力 的方法。
技术介绍
固态氧化物燃料电池为包含直接从电化学反应产生电力的固态组件的燃料电池。 这种燃料电池为有用的，因为其提供高品质的可靠电力，操作时洁净，且为相对紧凑的发电 机，从而使得其在市区的应用十分有吸引力。固态氧化物燃料电池由阳极、阴极及夹在阳极与阴极之间的固态电解质形成。可 氧化燃料气体或可在燃料电池中重整为可氧化燃料气体的气体被馈送至阳极，且含氧气体 (通常为空气)被馈送送至阴极以提供化学反应物。馈送送至阳极的可氧化燃料气体通常 为合成气(可氧化组份氢气与一氧化碳分子的混合物)。在通常为650°C至1000°C的高温 下操作燃料电池，以将含氧气体中的氧气转化成氧离子，氧离子可越过电解质与来自阳极 处的燃料气体的氢气和/或一氧化碳相互作用。电力由阴极处氧气至氧离子的转化及阳极 处氧离子与氢气和/或一氧化碳的化学反应产生。以下反应描述电池中的产生电力的化学 反应阴极电荷转移02+4e- — 20 =阳极电荷转移H2+0=— H20+2e_及C0+0=—C02+2e-电负载或储存设备可连接于阳极与阴极之间，以使得电流可在阳极与阴极之间流 动，从而为电负载供电或将电力提供至储存设备。燃料气体通常由蒸汽重整反应器供应至阳极，蒸汽重整反应器将低分子量烃及蒸 汽重整成氢气及碳氧化物。甲烷(例如天然气中)为用于产生用于燃料电池的燃料气体的 优选低分子量烃。或者，燃料电池阳极可经设计以在内部实现供应至燃料电池的阳极的诸 如甲烷的低分子量烃与蒸汽的蒸汽重整反应。甲烷蒸汽重整根据以下反应提供含有氢气及一氧化碳的燃料气体 CH4 + H2O弍CO + 3Η2。通常，蒸汽重整反应在可有效地将相当大量甲烷及蒸汽转 化成氢气及一氧化碳的温度下进行。此外，可在蒸汽重整反应器中由在水煤气变换反应中 将蒸汽及一氧化碳转化成氢气及二氧化碳来实现氢气产生。在水煤气变换反应中根据以下 反应形成氢气及二氧化碳=H2O + COgCO2 + Η2。然而，在用于将燃料气体供应至固 态氧化物燃料电池的常规操作的蒸汽重整反应器中，由于蒸汽重整反应器在极为有利于由 蒸汽重整反应产生一氧化碳及氢气且不利于由水煤气变换反应产生氢气及二氧化碳的温 度下操作，故很少有氢气由水煤气变换反应产生。可在燃料电池中氧化一氧化碳以提供电 能，而二氧化碳则不能被氧化，因此，在有利于将烃及蒸汽重整为氢气及一氧化碳且不利于 将一氧化碳及蒸汽变换反应为更多氢气及二氧化碳的温度下进行重整反应通常被接受为3提供用于燃料电池的燃料的优选方法。通常由外部或内部蒸汽重整而供应至阳极的燃料气 体因此含有氢气、一氧化碳、少量二氧化碳、未反应的甲烷以及为蒸汽的水。然而，与更纯净的氢气燃料气体流相比，含有诸如一氧化碳的非氢化合物的燃料 气体对于在固态氧化物燃料电池中产生电力而言其效率较低。在给定温度下，可在固态氧 化物燃料电池中产生的电力随着氢气浓度增加而增加。这归因于氢气分子相对于其它化合 物的电化学氧化电位。例如，在0. 7伏特下氢气分子可产生1. 3ff/cm2的电力密度，而在0. 7 伏特下一氧化碳仅可产生0. 5ff/cm2的电力密度。因此，含有相当大量非氢化合物的燃料气 体流在固态氧化物燃料电池中的电力产生方面不如主要含有氢气的燃料气体有效。然而，在商业上固态氧化物燃料电池通常以“贫氢”模式操作，其中例如由蒸汽重 整产生燃料气体的条件经选定以限制燃料气体中退出燃料电池的氢气量。进行此操作以平 衡燃料气体中氢气的电能电位与由离开电池的未转化成电能的氢气损失的电位能(电化 学+热)。已采取某些措施来再次捕获退出燃料电池的氢气的能量，然而，与氢气在燃料电 池中电化学地反应的情况相比，这些措施是显著缺乏能量效率的。举例而言，已经将由在 燃料电池中使燃料气体电化学地反应而产生的阳极废气燃烧以驱动涡轮膨胀机(turbine expander)产生电。然而，由于大量热能损失而非由膨胀机转化成电能，因此与在燃料电池 中捕获氢气的电化学电位相比为效率显著较低的。退出燃料电池的燃料气体也已燃烧以 提供热能以用于各种热交换应用。然而，在燃烧之后约50%的热能在这种热交换应用中损 失。氢气非常昂贵，不应用作在低效率能量回收系统中利用的燃烧器的燃料，因此，传统上 来说，用于固态氧化物燃料电池中的氢气的量经调整以利用提供至燃料电池的大部分氢气 来产生电力，且最小化在燃料电池废气中退出燃料电池的氢气量。此外，为产生所需量的电 力，能量的低效回复导致产生更多的二氧化碳。二氧化碳是固态氧化物燃料电池操作产生的副产品，在所述操作中，烃进料被重 整或部分氧化而为燃料电池提供含氢气的燃料。二氧化碳会在下述情况下产生(1)在产 生用于固态氧化物燃料电池的操作的燃料时；和/或(2)通过对燃料电池中的一氧化碳进 行氧化时。在产生电力时所产生的二氧化碳的量是电池系统的相关电效率和热效率的函 数，其中，由该系统产生的二氧化碳的量是燃料电池系统的电效率和/或热效率的倒数。美国专利申请公开第2007/0017369号(‘369公开案)提供了一种操作燃料电池 系统的方法，其中将进料提供至燃料电池的燃料入口。进料可包括从外部蒸汽重整器提供 的氢气与一氧化碳的混合物，或者可包括在燃料电池堆栈中内部地重整成氢气及一氧化碳 的烃进料。燃料电池堆栈操作以产生电及含有氢气及一氧化碳的燃料废气流，其中将燃料废 气流中的氢气及一氧化碳从燃料废气流分离且馈送回至燃料入口作为进料的一部分。因 此，用于燃料电池的燃料气体为由重整烃燃料源而导出的氢气及一氧化碳与从燃料废气系 统分离的氢气及一氧化碳的混合物。将来自燃料废气的氢气的至少一部分再循环经过燃料 电池使得能够实现高操作效率。该系统进一步由在经由所述堆栈的每一道期间利用约75% 的燃料而提供燃料电池中的高燃料利用率。美国专利申请公开案第2005/0164051号提供了一种操作燃料电池系统的方法， 其中将燃料提供至燃料电池的燃料入口。该燃料可为诸如甲烷的烃燃料；含有夹带氢气及其它气体的甲烷的天然气；丙烷；沼气；与来自重整器的氢气燃料混合的未经重整的烃燃 料；或诸如一氧化碳、二氧化碳的非烃含碳气体、诸如甲醇的氧化含碳气体或其它含碳气体 与诸如水蒸气或合成气的含氢气体的混合物。燃料电池堆栈操作以产生电及含有氢气的燃 料废气流。利用氢气分离器以从燃料电池的燃料侧废气流分离出未经利用的氢气。由氢气 分离器分离的氢气可再流通回至燃料电池，或可被导引至一子系统以用于需要氢气的其它 用途。可根据电需求或氢气需求来选择再流通回至燃料电池的氢气量，其中当对电的需求 较高时将更多氢气再流通回至燃料电池。视电需求而定，燃料电池堆栈能够以从0至100% 的燃料利用率操作。当电需求较高时，燃料电池以高燃料利用率操作以增加电产量生，优选 的燃料利用率为50至80%。减少二氧化碳的排放已成为全球优先考虑的问题。因此，能够减少二氧化碳的排 放同时利用烃进料而从固态氧化物燃料电池系统产生电力的方法是人们所需要的，因此， 所需要的是利用烃进料而从固态氧化物燃料系统以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生电的方法，其包含：从含有一种或更多种烃的进料产生含氢气的第一气流；以选定流量将所述第一气流馈送送至固态氧化物燃料电池的阳极；以选定流量将含有氢气的第二气流馈送至该固态氧化物燃料电池的所述阳极；在该阳极中，将第一气流及第二气流与在该固态氧化物燃料电池的一个或更多个阳极电极处的氧化剂混合以按至少０．４Ｗ／ｃｍ↑［２］的电力密度产生电；从该固态氧化物燃料电池的所述阳极分离包含氢气及水的阳极废气流；以及从该阳极废气流分离第二气流，该第二气流包含从阳极废气流分离的氢气，其中，以产生每千瓦小时的电而不超过４００ｇ的速率产生二氧化碳。

【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：崔晶瑜，EE恩沃尔，ML乔希，SL韦林顿，
申请(专利权)人：国际壳牌研究有限公司，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]