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用于在低二氧化碳排放的情况下在固体氧化物燃料电池系统中产生电力的方法。使蒸汽和含烃进料的混合物进行重整以产生含有氢的重整产物气体。将含有至少０．６摩尔分数的氢的第一气流从重整产物气体分离并且供应给固体氧化物燃料电池的阳极。第一气流与氧化剂在燃料电池中的一或多个阳极电极处混合以产生电力。将包括氢和水的阳极排气流从燃料电池分离。将来自燃料电池的阳极排气流和／或阴极排气流供应到重整反应器中，其中，在热的阳极和／或阴极排气流与重整反应器中的反应物之间进行热交换。由于这种方法的热效率的缘故，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650°c至1100°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。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+H2C>#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。用于在蒸汽重整反应器中引起甲烷蒸气重整反应的热量通常由燃烧器提供，所述 燃烧器使含氧气体与燃料(通常为诸如天然气的烃类燃料)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所必需热量的方 法在能量方面效率较低。美国专利No. 4，128，700公开了使蒸汽重整反应器和燃料电池热整合的系统和方 法，其中，燃料电池提供热量以驱动重整反应器，重整反应器提供用于燃料电池的燃料气体。蒸汽重整反应器通过使来自燃料电池阳极的排气、大部分未反应氢和水燃烧进行加热， 从而驱动重整反应和产生包括氢和一氧化碳的重整产物。重整产物被供应给燃料电池以用 于该燃料电池中的电化学反应。通过使燃料电池阳极排气燃烧产生的热燃烧器气体具有足 够高的温度以提供驱动重整反应器中的750°C -iioo°c蒸汽重整反应的热量。该系统使重 整反应器和燃料电池的操作热整合，然而，热整合的效率较低，因为1)大量由使燃料电池 排气燃烧提供的热能未被捕获并且发生损失；和2)氢是用于驱动燃烧器的非常昂贵的燃 料。美国专利申请No. 2005/0164051公开了一种系统和方法，其中重整反应器可以与 燃料电池热整合，其中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(hot box)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 可以与重整器直接接触(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(参见，例如本申请的第0085段)。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1100°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。此外，与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气体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势能与离开电池的未转化成电能的氢所损失的势能(热+电 化学)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。在给定温度下， 可以在固体氧化物燃料电池中产生的电力随着氢浓度增大而增加。这归因于氢分子相对于 其它化合物的电化学氧化势(oxidation potential)。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的氢和一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生电力的方法，包括：在重整反应器中，使蒸汽和含有一或多种气态烃的进料的混合物与重整催化剂在至少４００℃的温度下接触以产生包括氢和二氧化碳的重整产物气体；使含有至少０．６摩尔分数的氢的第一气流从重整产物气体分离；将第一气流供应给固体氧化物燃料电池的阳极；在固体氧化物燃料电池的阳极中的一或多个阳极电极处使第一气流与氧化剂混合以按照至少０．４Ｗ／ｃｍ↑［２］的电力密度产生电力；使包括氢和水的阳极排气流从固体氧化物燃料电池分离；和在重整反应器中，在蒸汽和进料的混合物与热源之间进行热交换，所述热源选自由阳极排气流、从燃料电池分离的阴极排气流、以及阳极排气流和阴极排气流两者组成的组；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恩格瓦尔，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]