[發明專利]用于高溫電池系統的再循環設備及方法

有效

• 申請號: 201380079734.7
• 申請日: 2013-09-23
• 公開（公告）號: CN105580178B
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: T·哈卡拉
• 申請（專利權）人: 康維恩公司
• 主分類號: H01M8/04089
• 分類號: H01M8/04089;F04F5/00
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司11127
• 代理人: 王小東

技術領域

世界上大多數能量借助石油、煤、天然氣或核動力產生。至于例如可用性和環境友好等方面，所有這些生產方法都具有它們的具體問題。至于環境方面，尤其石油和煤在燃燒時會造成污染。核動力的問題至少在于使用過的燃料的貯存。

尤其由于環境問題，已經研發了更環境友好并且例如比上述能源效率更高的新能源。經由環境友好工藝中的化學反應將燃料(例如沼氣)的能量直接轉換成電能的燃料電池以及將電能轉換成燃料的電解槽是充滿希望的未來能量轉換裝置。

背景技術

如圖1提出的燃料電池包括陽極側100和陰極側102以及位于其間的電解質材料104。在固體氧化物燃料電池(SOFC)中，氧106被饋送到陰極側102，并且通過接收來自陰極的電子而還原成負氧離子。負氧離子經過電解質材料104到達陽極側100，在陽極側100，負氧離子與燃料108反應，生成水，通常還生成二氧化碳(CO₂)。陽極100和陰極102經由外部電路111連接，外部電路111包括用于燃料電池的負載110，以取出電能以及離開系統的熱。在電解操作模式(固體氧化物電解電池(SOEC))下，反應被逆轉，即，熱以及來自源110的電能被供給到電池，在電池處，水往往還有二氧化碳在陽極側被還原，形成氧離子，氧離子穿過電解質材料移向陰極側，在陰極側，發生對氧的去電離。在SOFC和SOEC兩種模式下均可以使用相同的固體電解質電池。在這樣的情況下并且在本說明書的背景下，電極通常基于燃料電池操作模式而命名為陽極和陰極，而在純粹的SOEC應用中，氧電極可命名為陽極。

固體氧化物電解槽電池在允許發生高溫電解反應的溫度下進行操作，所述溫度通常介于500℃到1000℃之間，但甚至超過1000℃的溫度也可能是有用的。這些操作溫度類似于SOFC的這些條件。凈電池反應生成氫氣和氧氣。一摩爾水的反應在下面示出，水的還原發生在陽極處：

陽極：H₂O+2e^---->2H₂+O^2-

陰極：O^2---->1/2O₂+2e^-

凈反應：H₂O--->H₂+1/2O₂

圖2中提出了SOFC裝置，作為高溫燃料電池裝置的實例。SOFC裝置可以利用諸如烴類(諸如天然氣或沼氣)、酒精(諸如甲醇)、或者甚至氨的燃料。圖2中的SOFC裝置包括位于堆疊形成物103(SOFC堆疊)中的一個以上燃料電池，通常是多個燃料電池。每個燃料電池均包括如圖1中提出的陽極100和陰極102結構。圖2中的SOFC裝置還包括燃料換熱器105，并且可選地還包括重整器107。通常，若干換熱器用于控制燃料電池工藝中不同位置處的熱狀態。重整器107是可用于將諸如天然氣的原料轉換成適用于燃料電池的組合物(例如包含氫和甲烷、二氧化碳、一氧化碳和惰性氣體的組合物)的反應器。因為重整烴類燃料的工藝需要蒸汽，所以有利的是回收在燃料電池中形成為燃料氧化的產物的水并且使用所述水在重整器中進行燃料重整，從而一旦系統已經運行并發電就不需要將外部水饋送到系統。用于回收在燃料電池中形成為燃料氧化反應的產物的水的實用方法是陽極廢氣再循環，其中使從陽極排放的氣體的一部分再循環，使之經由反饋裝置109與未使用的原料混合。

通過在高溫下布置陽極廢氣再循環，還可以省略至少一個換熱器。雖然發電模式下的陽極廢氣再循環的主要目的是確保重整器進口處的良好的氣體成分以促進期望的重整反應，但它的優點還有就是與單獨的單程操作比較，提高單程反應物利用的期望水平范圍內的總體燃料利用率。在電解操作模式下，廢氣再循環還可用于在期望的反應物利用率下調節針對最佳電解性能的電池進口組成。在兩種操作模式下，陽極氣體再循環增加了流過堆疊的總體流體流，改進了氣流分布并因此改進了溫度和組成分布。

在啟動SOFC或SOEC系統期間，陽極氣體的再循環可以用于以下目的：改進來自整個系統的熱源的熱量分布，或者在關閉期間，用于氣體循環的裝置可輔助所述系統的沖水稀釋。在燃料部分氧化(POX)作為用于維持需要的氧-碳比的裝置的情況下，陽極氣體再循環可用于以下目的：抑制POX反應器中的意外高溫升高。