[發明專利]具有二氧化碳回收的燃料電池系統的運行方法及相關設備

在審

• 申請號: 202210876668.7
• 申請日: 2022-07-25
• 公開（公告）號: CN115692799A
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: T·德-索貝爾;M·塞利尼;G·雷馬力奧斯
• 申請（專利權）人: 德希尼布能源法國公司
• 主分類號: H01M8/0668
• 分類號: H01M8/0668;H01M8/04007;H01M8/04014;H01M8/04029
• 代理公司: 中國貿促會專利商標事務所有限公司 11038
• 代理人: 張智慧

本發明涉及具有二氧化碳回收的燃料電池系統的運行方法及相關設備。一種燃料電池系統的運行方法，包括以下步驟：?燃料電池單元(30)的運行；?在燃料電池單元(30)的出口(74，76)回收富含二氧化碳的陽極氣流(36)；?陽極氣流(36)的冷卻和存在于陽極氣流(36)中的水的冷凝，以便形成干燥陽極流(40)；?將干燥陽極流(40)引入到二氧化碳捕獲單元(34)中，以便形成二氧化碳氣流(18)和貧二氧化碳陽極流(19)；?將貧二氧化碳陽極流(19)的至少一部分(124)再循環到燃料進料流(35)中。

技術領域

本發明涉及一種燃料電池系統的運行方法，其包括二氧化碳回收的步驟。

背景技術

本發明的方法通常在燃料電池設備中實施，允許通過液體燃料和空氣中的氧氣之間的電化學反應產生電流。液體燃料通常是氣體，例如氫氣、一氧化碳、甲烷、丙烷、丁烷、發酵氣體、氣化生物質和/或油漆蒸氣。液體燃料也可以由液體燃料組成，例如甲醇、乙醇或燃料，特別是例如柴油或汽油。

燃料電池通常由一個或多個固體氧化物燃料電池(SOFC)組成。

這樣的電池主要用于輸出功率在1kW到2MW的范圍的固定應用。

SOFC元件一般由四層組成，其中三層是陶瓷。由四個疊加層組成的單個電池具有幾毫米的典型厚度。然后將數十個這樣的電池串聯疊加以形成堆棧。

在這樣的電池中，在陰極側形成的氧離子在高溫下移動穿過用作電解質的固體氧化物膜，以便與陽極側的氣體燃料(例如氫)發生反應。

這樣的電化學反應有助于產生電以及二氧化碳和水的形成，其由電化學反應產生。

然而，二氧化碳CO₂是主要的溫室氣體之一，其釋放到大氣中導致全球變暖。為了降低燃料電池的環境影響，因此有必要最小化二氧化碳向大氣中的釋放。

而且，盡管氧離子與燃料之間的電化學反應完成，但SOFC元件中產生的氧離子的量不足以消耗全部的(重整的)液體燃料。因此，必須在SOFC元件的出口處回收大量未消耗的液體燃料。SOFC元件中的液體燃料的轉化率常規地約為60％。

在已知的設備中，離開陽極的一部分氣體(包括形成的二氧化碳)被再循環到電池的陽極，以便消耗未反應的燃料的部分，從而提高電池的效率。離開陽極的流的剩余部分被送入催化燃燒器，在其中與在SOFC元件的陰極的出口處回收的貧氧空氣流一起燃燒。

為了回收存在于工業流出物中的二氧化碳，已知如何將其注入二氧化碳捕獲單元。二氧化碳捕獲通常使用易于吸收二氧化碳的液體溶劑進行，特別是胺水溶液。液體溶劑吸收存在于氣體流出物中的二氧化碳。然后將載有二氧化碳的液體溶劑的簡單加熱用于回收二氧化碳和再生液體溶劑，因此，該液體溶劑可再次用于處理新的流出物。

在這樣地配置中，接近常規的排煙系統，二氧化碳捕獲單元放置在催化燃燒器之后，以便處理從燃燒器出來的流。因此，同樣地，在流出物從設備排出之前，形成流出物的后處理模塊。二氧化碳捕獲單元沒有集成到燃料電池設備中。特別地，在本文中，來自二氧化碳捕獲單元的輸出流不重新注入到設備中。

此外，從催化燃燒器出來的氣體中的二氧化碳的濃度非常低，通常小于或等于8摩爾％。實際上，引入催化燃燒器的陽極流的部分與從陰極出來的貧氧空氣混合。然后，這樣的混合步驟具有顯著降低待處理地流出物中二氧化碳濃度的效果。以這樣的低濃度存在的二氧化碳的回收需要使用具有非常高的再生速率的液體溶劑，通常使用完全再生的液體溶劑，這意味著非常高的能量消耗。而且，在燃燒器之后存在的空氣中的氧可導致液體溶劑尤其是胺化合物的降解問題。