用于产生电力的基于燃料电池的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于在低二氧化碳排放的情况下使用固体氧化物燃料电池系统产生电力的方法。在第一反应区中裂化液态烃进料，并且将其作为气态进料供应给第二反应区。所述进料在所述第二反应区中进行蒸汽重整以提供含有氢的重整产物气体。氢从所述重整产物气体分离并且作为燃料供应给固体氧化物燃料电池的阳极。通过使燃料中的氢氧化而在燃料电池中产生电力。将含有氢和蒸汽的阳极排气流供应回所述第一反应区中以提供热量来驱动所述第一和所述第二反应区中的吸热反应，并且将未使用的氢再循环回燃料电池。由于这种方法的热和电效率的缘故，在该方法中产生相对较少数量的二氧化碳。

【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，并且涉及用于产生电力的方法。特别地，本 专利技术涉及产生电力的固体氧化物燃料电池系统和使用该系统产生电力的方法。
技术介绍
固体氧化物燃料电池是由直接从电化学反应产生电力的固态元件组成的燃料电 池。这种燃料电池的是有用的，因为其供给高质量的可靠的电力，操作清洁，并且是相对紧 凑的发电装置，从而使其在城市地区的应用十分有吸引力。固体氧化物燃料电池由阳极、阴极和夹在阳极与阴极之间的固体电解质形成。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供应至阳极，含氧气体 (通常为空气)被供应至阴极以提供化学反应物。供应至阳极的可氧化燃料气体通常为合 成气(氢与一氧化碳的混合物)。燃料电池在通常为8oo°c至iioo°c的高温下操作，以将含 氧气体中的氧转化成氧离子，氧离子可以穿过电解质在阳极处与来自燃料气体的氢和/或 一氧化碳相互作用。电力通过在阴极处氧转化为氧离子以及在阳极处氧离子与氢和/或一 氧化碳的化学反应产生。以下反应描述了电池中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-电负载或储存装置可以连接在阳极与阴极之间，以使得电流可以在阳极与阴极之 间流动，从而为电负载供电或将电力提供给储存装置。燃料气体通常由蒸汽重整反应器供应给燃料电池的阳极，蒸汽重整反应器将低分 子量烃和蒸汽重整成氢和碳氧化物。甲烷(例如为天然气)是用来产生用于燃料电池的燃 料气体的优选低分子量烃。替代地，燃料电池阳极可以设计为在内部使供应给燃料电池阳 极的蒸汽与低分子量烃(诸如甲烷)实现蒸汽重整反应。在一些情况下，在蒸汽重整反应器中使用的甲烷进料和/或其它低分子量烃进料 可以由诸如汽油、柴油或煤油的液体燃料产生。液体燃料可在预重整反应器中转化成用于 蒸汽重整反应器的进料。液体燃料可以通过使燃料与蒸汽混合以及使燃料和蒸汽在550°C 或更高(通常700°C或更高)的温度下反应而转化成用于蒸汽重整反应器的进料。甲烷蒸汽重整根据以下反应提供含有氢和一氧化碳的燃料气体 CH4+H2(>#CO+3H2。由于形成氢和一氧化碳的反应是相当吸热的反应，因此必须供 应热量以进行蒸汽重整反应。该反应通常在750°C至iioo°c的温度下进行以将大量甲烷或 其它烃和蒸汽转化成氢和一氧化碳。通常地，通过燃烧器提供用于1)引起蒸汽重整反应器中的甲烷蒸汽重整反应的 热量和(如果需要的话)2)用于将液体燃料转化成用于蒸汽重整反应器的进料的热量，所 述燃烧器使含氧气体和燃料(通常为诸如天然气的烃燃料)燃烧以提供所需热量。还利用 无焰燃烧提供用于驱动蒸汽重整反应的热量，其中，还通过将烃燃料和含氧气体以避免引起有焰(flammable)燃烧的相对数量提供给无焰燃烧室来驱动无焰燃烧。由于由燃烧提供 的大量热能未被捕获并且发生损失，因此这些用于提供驱动蒸汽重整反应和/预重整反应 所必需热量的方法在能量方面效率较低。美国专利申请No. 2005/0164051公开了一种系统和方法，其中重整反应器和预重 整反应器可与燃料电池热整合。使用由燃料电池产生的热量提供驱动重整反应器的吸热反 应的热量。通过将重整反应器放置在与燃料电池相同的热箱中和/或通过将燃料电池和重 整器以彼此热接触的方式放置而使重整反应器与燃料电池热整合。可通过将重整器紧靠燃 料电池放置而将燃料电池和重整器放置成彼此热接触，其中燃料电池的阴极排气管道可与 重整器直接接触(例如，通过在重整器周围缠绕阴极排气管道来实现，或者通过一个或多 个重整器壁包括阴极排气管道的壁来实现)，以使得来自燃料电池的阴极排气向重整器提 供传导热传递。补充热量从燃烧室提供给重整器，其中燃料电池与重整器的热接触降低了 重整器实现重整反应的燃烧热要求。通过将预重整反应器定位在具有催化性启动燃烧器的热箱中，以及通过提供由与 来自燃料电池的阳极排气流进行热交换而加热的天然气进料，来提供用于预重整反应器的 热量。然而，由于使用天然气作为预重整反应器的进料，因此预重整反应器并不用于将液体 进料转化成用于蒸汽重整反应器的较低分子量进料。尽管比捕获由燃烧提供的热能更有效，但该方法的热效率仍然相对较低，这是由 于1)因为来自燃料电池的排气的热的温度等于或接近驱动重整反应所需的温度(750°C至 iioo°c )，所以来自燃料电池的热量不足以完全驱动重整反应，并且，除非发生近乎完全的 热交换，否则在没有来自另一热源(诸如燃烧室)的额外热量的情况下，来自燃料电池的热 量将不足以驱动重整反应；和2)大量来自燃料电池排气的热量将远离重整反应器以及朝 向反应器对流地传递。预重整反应器也不将液态烃进料转化成用于蒸汽重整反应器的较低 分子量进料，并且燃料电池很可能不会提供足够的热量来进行此操作。此外，与预重整反应器和重整反应器联接的固体氧化物燃料电池通常以电化学效 率低并且不产生高电力密度的方式工作。固体氧化物燃料电池通常在商业上以“贫氢”模 式操作，其中选择例如通过蒸汽重整产生燃料气体的条件以限制在燃料排气中离开燃料电 池的氢的量。这样做是为了使燃料气体中氢的电能势与离开电池的未转化成电能的氢所损 失的势(热+电化学)能平衡。然而，对于在固体氧化物燃料电池中产生电力而言，与更纯净的氢燃料气体流相 比，含有非氢化合物(诸如一氧化碳或二氧化碳)的燃料气体的效率较低。这归因于氢分 子相对于其它化合物的电化学氧化势。举例来说，氢分子在0. 7伏特下可以产生1. 3ff/cm2 的电力密度，而一氧化碳在0. 7伏特下仅可以产生0. 5ff/cm2的电力密度。因此，针对在固 体氧化物燃料电池中产生电力而言，含有大量非氢化合物的燃料气体流不如主要含有氢的 燃料气体有效。已经采取某些措施来重新捕获离开燃料电池的过多氢的能量，然而，这些措施在 能效方面显著低于如果氢在燃料电池中进行电化学反应的情况。举例来说，已经使得通过 使燃料气体在燃料电池中发生电化学反应而产生的阳极排气进行燃烧来驱动涡轮膨胀机 (turbine expander)以产生电力。然而，由于大量热能发生损失而未由膨胀机转化成电能， 因此这在效率方面显著低于在燃料电池中捕获氢的电化学势。离开燃料电池的燃料气体也已经燃烧以提供用于各种热交换应用的热能，包括如上文提及的驱动重整反应器。然而，由 燃烧提供的几乎50%的热能未被捕获并且发生损失。对于用于点燃燃烧器而言，氢是非常 昂贵的气体，因此，通常地，调节固体氧化物燃料电池中所用的氢量以利用提供给燃料电池 的绝大部分氢产生电力，并且使燃料电池排气中离开燃料电池的氢量尽量减少。美国专利申请公开No. 2007/0017369 (‘ 369公开案)提供了一种操作燃料电池系 统的方法，其中将进料提供给燃料电池的燃料入口。进料可以包括从外部蒸汽重整器提供 的氢与一氧化碳的混合物，或者替代地，可以包括在燃料电池堆中内部地重整成氢和一氧 化碳的烃进料。使燃料电池堆操作以产生电力以及含有氢和一氧化碳的燃料排气流，其中 将燃料排气流中的氢和一氧化碳从燃料排气流分离并且作为进料的一部分供应回燃料入 口。因此，用于燃料电池的燃料气体是通过使烃燃料源重整得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生电力的方法，其包括：在第一反应区中，在至少６００℃的温度下使蒸汽、进料前体和来自固体氧化物燃料电池的阳极排气流的混合物与第一催化剂接触，以产生包括一或多种气态烃和蒸汽的进料，其中所述进料前体含有在大气压下在２０℃时为液体并且在大气压下在高达４００℃的温度时能汽化的可汽化烃，并且其中，所述阳极排气流含有氢和蒸汽并且具有至少８００℃的温度；在第二反应区中，在至少４００℃的温度下使所述进料和可选地使额外蒸汽与第二催化剂接触，以产生包括氢和二氧化碳的重整产物气体；从所述重整产物气体分离含有至少０．６、至少０．７、至少０．８、至少０．９或至少０．９５摩尔分数的氢的氢气流；将所述氢气流供应给所述固体氧化物燃料电池的阳极；使所述氢气流与氧化剂在所述固体氧化物燃料电池的阳极中的一或多个阳极电极处混合，以按至少０．４Ｗ／ｃｍ↑［２］的电力密度产生电力；及从所述固体氧化物燃料电池的阳极分离包括氢和水的阳极排气流；其中，以不多于每ｋＷｈ所产生电力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]