[發明專利]以低質量副產物氣體操作燃料電池系統的方法

有效

• 申請號: 201280060219.X
• 申請日: 2012-12-06
• 公開（公告）號: CN104025357A
• 公開（公告）日: 2014-09-03
• 發明（設計）人: M·G·格里夫
• 申請（專利權）人: 德爾福技術有限公司
• 主分類號: H01M8/06
• 分類號: H01M8/06;H01M8/04
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 張欣

技術領域

本公開涉及操作燃料電池系統的方法；更特定地，設計操作固體氧化物燃料電池的方法；且進一步更特定地，涉及以低質量副產物氣體操作固體氧化物燃料電池的方法。

背景技術

當提供諸如空氣那樣的含氫和氧化劑的燃料時，使用燃料電池來產生電。現有技術領域中已知數種不同類型的燃料電池；在這些電池中有固體氧化物燃料電池(SOFC)。SOFC被認為是高度有效的發電機，它以燃料適應性產生高功率密度。典型的SOFC包括夾在陰極層和陽極層之間的致密電解質。空氣在陰極層的表面上通過，且含氫(H₂)和一氧化碳(CO)的燃料在與陰極層相對的陽極層的表面上通過。來自空氣的氧離子從陰極層通過致密電解質遷移到陽極層，其中氧離子在陽極層中與燃料中的H₂和CO反應，形成水和CO₂，且藉此在陽極層和陰極層之間創建約1伏的電位。為了增加電壓和功率，以電串聯的形式堆疊多個SOFC重復單元而形成SOFC疊層。

以重整流(reformate?stream)的形式向SOFC疊層提供CO和H₂燃料。本技術領域中已知，使用諸如催化部分氧化(CPOx)氫重整器之類的燃料重整器來處理諸如甲烷之類的碳氫化合物燃料而產生CO和H₂。為了改進疊層功率密度和系統效率，使從SOFC疊層陽極的一部分流出的氣體再循環到燃料重整器。還已知流出氣體為陽極尾氣，并且包括大量水蒸汽和CO₂。當這些氣體再循環而返回燃料重整器時，在燃料重整器中發生吸熱流重整，藉此降低燃料重整器的溫度。為了使燃料重整器的溫度維持在升高的優選水平，可在燃料重整器中結合燃燒器和熱交換器。把一部分陽極尾氣提供給燃燒器，并且與來自陰極尾氣的消耗空氣一起燃燒。然后來自燃燒器的熱流出物通過熱交換器而把熱添加到重整過程。在本技術領域中還已知，當SOFC疊層正處于工作溫度時，某些燃料可在SOFC疊層陽極內部部分地或全部地重整。例如，諸如甲烷、甲醇、氨、二甲醚之類的燃料可與重整物和/或氣體陽極尾氣混合，并且直接引入SOFC疊層陽極。

美國專利5,451,249號公開了可處理從垃圾填埋場發出的氣體流使之基本上包含諸如甲烷之類的碳氫化合物，這可用來作為燃料電池發電站中的燃料源。美國專利’249教導的方法包括使垃圾填埋場氣體通過硫化氫吸附床，使硫化氫減少到5ppm或更小的水平；使所產生的氣體冷卻以使水蒸汽和較重的碳氫化合物冷凝；吸收水蒸汽和較重的碳氫化合物部分以形成經干燥的氣體流；通過活性炭除去碳氫化合物污染物；以及從經干燥的氣體流中除去污染物顆粒。該方法還產生含碳氫化合物和具有最小BTU值的其它污染物的廢氣流；因此要求附加燃料源來燃燒(flare)進入大氣的廢氣流以防止污染環境。

處理垃圾填埋場氣體以獲得燃料電池要求的甲烷的純度的方法是復雜的、高成本的，并且涉及效率方面的實質性的損耗。由于基本除去所有雜質(包括可毒害重整催化劑和燃料電池的硫化合物)的高處理水平，該方法限制了使用垃圾填埋場氣體作為燃料電池的燃料源的經濟吸引力。

發明內容

簡單地描述，本發明提供一種方法，用于在包含一個或多個期望燃料成分的副產物氣體上操作燃料電池系統。本發明可應用于所有類型的燃料電池，但是特定地可應用于高溫燃料電池，諸如固體氧化物燃料電池(SOFC)以及熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)。這里描述的實施例是關于SOFC應用的，但是系統的變型可應用于其它類型的燃料電池。燃料電池系統包括用于形成重整流的燃料重整器、用于向燃料重整器提供熱能量的燃燒器、以及SOFC疊層。該方法包括下列步驟：用氣體燃料提純器把副產物氣體分離成提純氣體流和剩余流；把提純氣體流饋入配置成轉換提純氣體流以產生重整流的燃料重整器；以及把剩余氣體流饋入燃燒器，該燃燒器配置成把熱量提供給燃料重整器。提純氣體流包括比剩余氣體流中濃度高的優選燃料成分以及比剩余氣體流中濃度低的污染物。對于給定的硬件組，通過使全局系統(包括提純系統和燃料電池系統)效率最優化，來確定提純燃料流中的優選燃料成分的期望回收百分率。從通過在邊上(marginally)把更多燃料引入重整器中得到的SOFC的效率中的增益可與操作提純系統中的寄生損耗保持平衡。

該方法還包括下列步驟：把重整流饋入發出陽極尾氣的SOFC疊層。陽極尾氣可分成第一部分以及第二部分，其中使第一部分再循環回燃料重整器以補充提純氣體流，而使第二部分再循環回燃燒器以補充剩余氣體流。