利用燃料电池产生电力的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于产生电的固态氧化物燃料电池系统。该系统包括固态氧化物燃料电池、重整反应器和氢气分离装置。所述重整反应器包括重整区域，在所述重整区域中，包含有一种或更多种烃的进料被蒸汽重整以产生含有氢气的重整产物气体。氢气分离装置布置在重整反应器中以从重整反应器所产生的重整产物气体中分离氢气。所述氢气分离装置与固态氧化物燃料电池的阳极操作性地连接以向燃料电池提供氢气，该氢气作为待氧化而产生电力的燃料。

【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^CO + 3H2。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 + CO^CO2 + H2。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4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(热+电 化学)。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。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%。需要对用于产生电的固态氧化物燃料电池系统及用于产生电的固态氧化物燃料 电池方法在效率及电力密度上做进一步改良。
技术实现思路
在一个方面中，本专利技术是针对一种用于产生电的系统，其包含a)固态氧化物燃料电池，包括1)阳极，该阳极具有⑴阳极入口(ii)阳极废气出口，其中，该阳极废气出口与阳极入口以气态连通的形式操作性 地连接；2)阴极；以及3)布置在阳极和阴极之间、与所述阳极和阴极相接触并将所述阳极和阴极分开的 电解质；b)重整反应器，包括1)重整区域，该重整区域适用于对蒸汽和包括一种或更多种气态烃的进料的经汽 化混合物进行重整，所述重整区域包含重整催化剂床，在该重整催化剂床中布置有重整催 化剂而与所述重整区域中的蒸汽和进料的经汽化混合物相接触；以及2)与所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生电的系统，其包括：ａ）固态氧化物燃料电池，包括：１）阳极，该阳极具有：（ｉ）阳极入口（ｉｉ）阳极废气出口，其中，该阳极废气出口与阳极入口以气态连通的形式操作性地连接；２）阴极；以及３）布置在阳极和阴极之间、与所述阳极和阴极相接触并将所述阳极和阴极分开的电解质；ｂ）重整反应器，包括：１）重整区域，该重整区域适用于对蒸汽和包括一种或更多种气态烃的进料的经汽化混合物进行重整，所述重整区域包含重整催化剂床，在该重整催化剂床中布置有重整催化剂而与所述重整区域中的蒸汽和进料的经汽化混合物相接触；以及２）与所述重整区域以气态连通的形式进行耦合的一个或更多个重整区域入口，蒸汽、包括一种或更多种气态烃的进料、或蒸汽与包括一种或更多种气态烃的进料的经汽化混合物通过所述一个或更多个重整区域入口而被引入到所述重整区域中；ｃ）氢气分离装置，其具有：１）可选择性地透过氢气的构件，该构件布置在重整反应器的重整区域中并与重整反应器的重整区域进行气态连通，以及２）与上述构件进行气态连通定位的氢气出口，所述构件处于重整反应器的重整区域与氢气出口之间以允许氢气穿过所述构件从所述重整区域选择性地流至氢气出口，其中，所述氢气出口与燃料电池的阳极入口以气态连通的形式操作性地耦合。...

【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]