燃料电池系统及操作方法技术方案

本发明专利技术涉及用于操作熔融碳酸盐燃料电池系统的系统和方法。一种用于操作熔融碳酸盐燃料电池的方法包括：将包含分子氢的含氢流提供至熔融碳酸盐燃料电池阳极；加热烃流，所述烃流的至少大部分由在20℃和大气压下为液体的烃组成，其中热源包括来自所述熔融碳酸盐燃料电池阳极的阳极排气；使所述经加热的烃流的至少一部分与催化剂接触以产生包含气态烃、氢和至少一种碳氧化物的蒸汽重整进料；自所述蒸汽重整进料分离所述分子氢的至少一部分；和将所述分离的分子氢的至少一部分作为所述包括分子氢的流的至少一部分提供至所述熔融碳酸盐燃料电池阳极。

【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和操作燃料电池的方法。具体地说，本发明涉及操作熔融碳酸盐燃料电池系统的系统和方法。
技术介绍
熔融碳酸盐燃料电池将化学能转化为电能。熔融碳酸盐燃料电池有用的，是因为其递送高质量可靠的电功率、操作清洁且为相对紧凑的发电机。这些特征使得熔融碳酸盐燃料电池作为电源在电力供应源受到限制的城市区域、船舶或偏远区域中的使用颇具吸引力。熔融碳酸盐燃料电池由阳极、阴极和夹在所述阳极与阴极之间的电解质层形成。所述电解质包含可悬浮于多孔、绝缘且化学惰性的基质中的碱金属碳酸盐、碱土金属碳酸盐、熔融碱金属碳酸盐或其混合物。将可氧化的燃料气体或可在燃料电池中重整为可氧化的燃料气体的气体输送至所述阳极。被输送至所述阳极的可氧化的燃料气体通常为合成气——可氧化的组分、分子氢、二氧化碳和一氧化碳的混合物。可将含氧化剂的气体(通常为空气和二氧化碳)输送至阴极以提供产生碳酸根阴离子的化学反应物。在所述燃料电池的操作过程中，不断更新所述碳酸根阴离子。在高温(通常为550℃至700℃)下操作熔融碳酸盐燃料电池，以使含氧化剂的体中的氧与二氧化碳反应以产生碳酸根阴离子。所述碳酸根阴离子跨越电解质以在阳极处与来自燃料气体的氢和/或一氧化碳反应。通过氧与二氧化碳在阴极处转化为碳酸根离子以及碳酸根离子与氢和/或一氧化碳在阳极处的化学反应产生电功率。以下反应描述不存在一氧化碳时电池中的电电化学反应：阴极电荷传递：CO2+0.5O2+2e-→CO3＝阳极电荷传递：CO3＝+H2→H2O+CO2+2e-和总反应：H2+0.5O2→H2O如果一氧化碳存在于所述燃料气体中，则以下化学反应描述所述电池中的电化学反应。阴极电荷传递：CO2+O2+4e-→2CO3＝阳极电荷传递：CO3＝+H2→H2O+CO2+2e-和CO3＝+CO→2CO2+2e-总反应：H2+CO+O2→H2O+CO2电负载或储存装置可连接于所述阳极与所述阴极之间以允许电流在所述阳极与阴极之间流动。所述电流给所述电负载供电或将向所述储存装置提供电功率。通常通过蒸汽重整器将燃料气体供应至阳极，所述重整器将低分子量烃与蒸汽重整为氢和碳氧化物。例如，天然气中的甲烷是用于产生用于所述燃料电池的燃料气体的一种优选的低分子量烃。可选择地，所述燃料电池阳极可被设计为在内部实现对供应至所述燃料电池的阳极的低分子量烃(例如甲烷)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和一氧化碳的燃料气体：通常，所述蒸汽重整反应在对大量甲烷与蒸汽转化为氢和一氧化碳有效的温度下进行。可在蒸汽重整器中通过蒸汽与一氧化碳经水煤气转移反应：转化为氢和二氧化碳来实现进一步的氢产生。然而，在用于将燃料气体供应至熔融碳酸盐燃料电池的传统操作的蒸汽重整器中，极少量氢由所述水煤气转移反应产生，这是因为所述蒸汽重整器于能量上有利于通过蒸汽重整反应产生一氧化碳和氢的温度下操作。在此温度下操作不利于通过水煤气转移反应产生二氧化碳和氢。由于一氧化碳可在所述燃料电池中被氧化以提供电能而二氧化碳则不能，因此在有利于烃和蒸汽重组为氢和一氧化碳的温度下进行所述重整反应通常被认为是提供用于所述燃料电池的燃料的优选方法。因此，通常通过在外部或内部蒸汽重组而供应至阳极的所述燃料气体含有氢、一氧化碳和少量二氧化碳、未反应的甲烷和作为蒸汽的水。然而，含有非氢化合物(例如一氧化碳)的燃料气体对于在熔融碳酸盐燃料电池中相比在更纯的氢燃料气流中产生电功率低效。在给定温度下，熔融碳酸盐燃料电池中可产生的电功率随氢浓度增加而增加。这是因为分子氢相对于其它化合物的电化学氧化电位。例如，Watanabe等人在“Applicability of molten carbonate fuel cells to various fuels”(Journal of Power Sources，2006，第868至871页)中描述使用含有50％分子氢和50％水的进料且在90％燃料利用率、0.49MPa的压力、1500A/m2的电流密度下操作的10kW熔融碳酸盐燃料电池组可产生0.12W/cm2的电功率密度和0.792伏的电池电压，而使用含有50％一氧化碳和50％水的进料在相同操作条件下操作的相同熔融碳酸盐燃料电池组可产生仅0.11W/cm2的电功率密度和0.763伏的电池电压。因此，含有大量非氢化合物的燃料气流在于熔融碳酸盐燃料电池中产生电功率方面不如大部分含有氢的燃料气体样有效。然而，熔融碳酸盐燃料电池通常在商业上以“氢贫乏”模式操作，其中选择燃料气体产生的条件(例如通过蒸汽重整)以限制所述燃料气体中离开所述燃料电池的氢的量。实施此以平衡所述燃料气体中的氢的电能电位与通过氢离开所述电池而未转化至电能所损失的电位能(电化学+热)。然而，已采取某些措施以再捕获离开所述燃料电池的氢的能量，这些氢的能量效率显著低于氢在所述燃料电池中发生电化学反应的情形。例如，自使所述燃料电池中的燃料气体发生电化学反应产生的阳极排气已经燃烧以驱动涡轮膨胀机产生电。然而，如此做比捕获所述燃料电池中的氢的电化学电位显著低效，这是因为热能中的许多热能损失而非通过膨胀机转化为电能。离开所述燃料电池的燃料气体已经被燃烧以提供用于各种热交换应用的热能。然而，在燃烧之后，几乎50％的热能损失于这些热交换应用中。氢是一种用来点燃低效能量回收系统中所利用的燃烧器的昂贵气体，且因此传统上调整熔融碳酸盐燃料电池中所使用的氢的量以利用提供至所述燃料电池的氢中的大部分来产生电功率且最小化在燃料电池排气中离开所述燃料电池的氢的量。已采取其它措施以从存在于所述阳极排气中的燃料气体产生更多氢和/或通过将所述燃料气体提供至后重整器和/或气体分离单元来再循环所述阳极气体中的氢。为回收氢和/或二氧化碳，存在于阳极中的燃料气体在后重整器中重整，以使阳极气流中的氢富集和/或经受水煤气转移反应以形成氢和二氧化碳。热可由阳极气流提供。用于诱导蒸汽重整器中的甲烷蒸汽重整反应和/或将液体燃料转化为用于蒸汽重整器的进料的热也已由燃烧器提供。燃烧含氧气体与燃料(通常为例如天然气的烃燃料)的燃烧器可用于将所需热提供至蒸汽重整器。已利用无焰燃烧来提供热用于驱动蒸汽重整反应，其中也通过以避免诱导有焰燃烧的相对量将烃燃料和氧化剂提供至无焰燃烧室来驱动无焰燃烧。用于提供驱动蒸汽重整反应和/或水煤气转移本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.06.16 US 61/187,5501.一种操作熔融碳酸盐燃料电池的方法，其包括：
将包括分子氢的含氢流提供至熔融碳酸盐燃料电池阳极；
使用热源加热烃流，所述烃流的至少大部分由在20℃和大气压下为
液体的烃组成，所使用的热源包括来自所述熔融碳酸盐燃料电池阳极的
阳极排气；
使所述经加热的烃流的至少一部分与催化剂接触以产生包括气态
烃、氢和至少一种碳氧化物的蒸汽重整进料；
自所述蒸汽重整进料分离所述分子氢的至少一部分；和
将所述分离的分子氢的至少一部分作为所述包括分子氢的流的至
少一部分提供至所述熔融碳酸盐燃料电池阳极。
2.如权利要求1的方法，其中所述烃流包括至少一种具有4至25
的碳数的烃。
3.如权利要求1的方法，其中所述烃流包括柴油烃。
4.如权利要求1的方法，其中自进料流分离的分子氢含有至少约0.6
摩尔份数的分子氢或至少约0.95摩尔份数的分子氢。
5.如权利要求1的方法，进一步包括使所述进料流的至少一部分与
催化剂接触以产生包括分子氢和二氧化碳的重整的产物气体，自所述重
整的产物气体分离所述分子氢；和将所述分子氢提供至所述熔融碳酸盐
燃料电池阳极。
6.如权利要求1的方法，进一步包括使所述进料流的至少一部分与
催化剂接触以产生包括分子氢和二氧化碳的重整的产物气体，自所述重
整的产物气体分离所述二氧化碳和将所述二氧化碳提供至所述熔融碳
酸盐燃料电池的阴极。

【专利技术属性】
技术研发人员：崔晶瑜，E·E·恩格沃尔，J·W·约翰斯顿，M·L·乔施，S·L·惠灵顿，
申请(专利权)人：国际壳牌研究有限公司，
类型：发明
国别省市：