用CO2捕集提高燃料电池收益的再循环复合体

摘要

提供了一种系统和方法，用于推进燃料电池的总体性能，同时分离几乎纯的CO2流用于隔离或用于产生电能以进一步提高过程的总体效率。所述系统和方法采用换热器系统，其设置为产生返回至燃料电池阳极入口的燃料流，比起初始存在于燃料电池阳极出口，所述燃料流具有较高更高摩尔浓度的一氧化碳(CO)和氢气(H2)燃料。

说明书

背景

本发明总体上涉及固体氧化物燃料电池(SOFC)，更具体地，涉及用于推进固体氧化物燃料电池(SOFC)的总体性能同时分离几乎纯的CO₂流用于隔离或用于产生电能以进一步提高过程的总体效率的系统和方法。

燃料电池为电化学能量转化装置，其在电力生产中已展示相对高效率和低污染的潜力。燃料电池通常提供直流电流(dc)，经由例如逆变器可将其转化为交流电流(ac)。dc或ac电压可用于电力发动机、灯和许多电装置和系统。燃料电池可在固定、半固定或便携式应用中运行。某些燃料电池，例如固体氧化物燃料电池(SOFC)，可在提供电以满足工业和市政需要的大规模电力系统中运行。其它的可用于较小的便携式应用，例如，为汽车供电。

通过跨离子传导层将燃料和氧化剂电化学组合，燃料电池产生电。该离子传导层(也称为燃料电池的电解质)可为液体或固体。常见类型的燃料电池包括磷酸(PAFC)、熔融碳酸盐(MCFC)、质子交换膜(PEMFC)和固体氧化物(SOFC)，都在总体上按它们的电解质命名。在实践中，燃料电池通常以电串联集合在燃料电池组合中，以在可用的电压或电流下产生电力。因此，互连结构可用于串联或并联连接或偶联相邻的燃料电池。

通常，燃料电池的部件包括电解质和两个电极。产生电的反应通常在电极处发生，在此处通常布置催化剂以加速反应。电极可构造为通道、多孔层等，以提高表面积，用于发生化学反应。电化学还原氧(通常来自空气)的电极称为阴极，而电化学氧化燃料的电极称为阳极。电解质从一个电极将带电荷的颗粒携带到另一个，并且另外对燃料和氧化剂两者基本上不可渗透。在固体氧化物燃料电池(SOFC)的情况下，电解质为固体陶瓷氧化物，其在足够高的温度下(通常超过500℃)传导负氧离子。由于SOFC中的电解质仅在高温下传导，阳极燃料入口流和阴极氧化剂入口流通常必须预热至高温(通常超过500℃)。该预热通常经由与热的燃料电池排气作回收性的热量交换而完成。

通常，燃料电池将氢气(燃料)和氧(氧化剂)转化为水(副产物)，以产生电。在高温操作中，副产物水可作为蒸汽离开燃料电池。该排放的蒸汽(和其它热的排气组分)可用于涡轮机和其它应用，以产生另外的电或动力，提供提高的电力生产效率。如果采用空气作为氧化剂，空气中的氮气基本上为惰性的，并且通常经过燃料电池。氢气燃料可经由碳基原料的局部重整(例如，原位蒸汽重整)，例如更容易得到的天然气和其它烃燃料和原料的重整而提供。烃燃料的实例包括天然气、甲烷、乙烷、丙烷、甲醇、合成气和其它烃。产生氢气以进料至电化学反应的烃燃料重整可结合到燃料电池的操作中。此外，这样的重整可在燃料电池的内部和/或外部发生。对于在燃料电池外部实施的烃重整，相关的外部重整器可安置远离燃料电池或与燃料电池相邻。

可在燃料电池内部和/或与燃料电池相邻重整烃的燃料电池系统可提供优点，例如简化设计和操作。例如，烃的蒸汽重整反应通常为吸热的，因此，在燃料电池内的内部重整或在相邻重整器中的外部重整可利用燃料电池的通常放热的电化学反应产生的热量。此外，在燃料电池内氢和氧的产生电的电化学反应中有活性的催化剂也可促进烃燃料的内部重整。在SOFC中，例如，如果在电极(例如，阳极)处布置镍催化剂以维持电化学反应，活性镍催化剂也可将烃燃料重整为氢和一氧化碳(CO)。此外，当重整烃原料时，可产生氢和CO两者。因此，燃料电池，例如可利用CO作为燃料(除了氢以外)的SOFC，通常为更具吸引力的候选，用于利用重整的烃和用于烃燃料的内部和/或相邻重整。

通常，在燃料电池内的高操作温度和副产物蒸汽的存在通常促进烃的内部或相邻重整。有利地，在燃料电池中的过量蒸汽可降低在燃料电池内和在相邻重整器中元素碳的沉积。总的来说，内部和/或相邻重整和它们与燃料电池操作集成可改进燃料电池操作的效率和/或经济性。

遗憾的是，通常难以在燃料电池的所有区域中保持足够高的蒸汽/碳比率，以防止形成元素碳和相关的碳沉积，尤其是如果内部重整预期在电极(例如，阳极)上连同例如电化学反应发生。在入口附近的燃料电池区域尤其易遭受碳形成。亦即，由于从燃料电池的入口到出口提高H₂O (例如，蒸汽)浓度的典型梯度，进入到内部蒸汽重整的燃料对蒸汽或液体水(H₂O)饥饿。在朝向出口的燃料流的方向，H₂O浓度通常提高，因此，在燃料电池的出口区域处通常存在过量的H₂O。通常预期在接近电池入口处形成碳，因为在入口处H₂O浓度最低。在燃料电池中的碳沉积可导致燃料电池差的传热/传质、损坏和/或失效。

由于在燃料电池内碳沉积物的累积，维持燃料电池的长期运行可能有问题。如果燃料电池依赖于碳基原料而不是更清洁的氢基原料，则这样的碳沉积物通常相对更差。最终，燃料电池可能需要关闭或更换，例如，中断电的生产并且提高燃料电池系统的维修成本。此外，用于外部重整和/或相邻重整的重整器或预重整器也可经受显著的碳沉积。因此，这些重整器也通常关闭用于再生(例如，经由蒸汽)，提高操作和维修成本，并且降低总体燃料电池系统的效率。

SOFC的阳极单元通常将最多80%的燃料电化学氧化成为反应产物，剩余20%未经氧化通向排气。利用的上限归因于高浓度的反应产物，其阻碍接近阳极下游末端的化学反应并且可引起燃料电池材料损坏。

鉴于前述，需要提供一种提高SOFC的燃料利用的技术。如果该技术能实现将CO₂与燃料流分离用于隔离或用于膨胀通过涡轮机，例如，以产生电力，从而提高过程的总体效率，将更加有益。

概述

本发明的一个示例性实施方案包含燃料电池再循环复合体，所述复合体包含：

燃料电池，其包含设置为产生热的阳极排气流的阳极，所述阳极包含入口和出口；

废热回收循环，其设置为通过冷却所述热的阳极而产生电力；

压缩机，其设置为压缩经由所述废热回收循环冷却的废气；

膨胀器，其设置为膨胀和冷却所述经压缩的废气；和

换热器系统，其设置为接受至少一部分所述经膨胀的气体和在经由所述膨胀器冷却之前预冷却所述经压缩的废热回收循环废气，还设置为通过相变使水(H₂O)和二氧化碳(CO₂)从经过所述废热回收循环的废气中除去，还设置为产生返回至所述燃料电池阳极入口的燃料流，比起在进入所述废热回收循环之前初始存在于所述燃料电池阳极废气，该燃料流具有较高摩尔浓度的一氧化碳(CO)和氢气(H₂)燃料。

根据另一实施方案，燃料电池再循环复合体包含：

包含阳极的燃料电池，其设置为产生热的废气，所述阳极包含入口和出口；

废热回收循环，其设置为通过冷却所述热的阳极而产生电力；和

换热器系统，其设置为通过相变使水(H₂O)和二氧化碳(CO₂)从经过所述废热回收循环的废气中除去，还设置为产生返回至所述燃料电池阳极入口的燃料流，比起在进入所述废热回收循环之前初始存在于所述燃料电池阳极废气，所述燃料刘具有较高摩尔浓度的一氧化碳(CO)和氢气(H₂)燃料。

根据又一实施方案，燃料电池再循环复合体包含：

烃燃料重整系统，其设置为产生一氧化碳(CO)和氢气(H₂)；

水煤气变换反应器，其设置为将CO转化为二氧化碳(CO₂)；

换热器系统，其设置为加热所述H₂和除去固体形式的、液体形式的所述CO₂或两者；

包含阳极的燃料电池，其设置为产生与来自所述换热器系统的H₂流对应的热废气，所述阳极包含入口和出口；和

废热回收循环，其设置为通过冷却所述热的阳极而产生电力。

根据再一实施方案，燃料电池再循环复合体包含：

燃料电池，其包含设置为产生热废气的阳极，所述阳极包含入口和出口；

烃燃料重整系统，其设置为从烃燃料除去碳和在所述燃料电池阳极的出口下游将经重整的燃料引入所述燃料电池再循环复合体内；

废热回收循环，其设置为通过冷却所述热的阳极而产生电力；

压缩机，其设置为压缩经由所述废热回收循环冷却的废气；

膨胀器，其设置为膨胀和冷却所述经压缩的废气；和

换热器系统，其设置为接受至少一部分所述膨胀气体和在经由所述膨胀器冷却之前预冷却所述经压缩的废热回收循环废气，还设置为通过相变将水(H₂O)和二氧化碳(CO₂)从经过所述废热回收循环的废气中除去，还设置为产生返回至所述燃料电池阳极入口的燃料流，比起在进入所述废热回收循环之前初始存在于所述燃料电池阳极废气，所述燃料流具有较高摩尔浓度的一氧化碳(CO)和氢气(H₂)燃料。

附图

结合附图，由以下详述，本发明的前述和其它特征、方面和优点显而易见，其中在附图中始终用相同的符号代表相同的部件，其中：

图1为说明根据一个实施方案的固体氧化物燃料电池(SOFC)再循环复合体的简图；

图2为说明根据另一实施方案的固体氧化物燃料电池(SOFC)再循环复合体的简图；

图3为说明根据又一实施方案的固体氧化物燃料电池(SOFC)再循环复合体的简图；

图4为说明根据再一实施方案的固体氧化物燃料电池(SOFC)再循环复合体的简图；

图5为说明根据再一实施方案的固体氧化物燃料电池(SOFC)再循环复合体的简图；和

图6为说明根据再一实施方案的固体氧化物燃料电池(SOFC)再循环复合体的简图。

虽然以上指定的附图描述备选的实施方案，但是还预期本发明的其它实施方案，如在讨论中描述的。在所有情况下，本公开呈现本发明的说明性实施方案作为代表而不是限制。本领域技术人员可以设计出很多其它修改和实施方案，它们落入本发明原理的范围和精神内。

详述

参考附图，本文描述的实施方案有利地用同步碳捕集特征提供提高的SOFC效率。还预期本发明的其它实施方案，如在讨论中描述的。本文描述的原理可几乎同样容易地应用于例如不是严格的固体氧化物燃料电池的相似燃料电池技术。利用本文描述的原理，多种废热回收循环和用于集成那些循环的方法也是可能的。

图1为说明根据一个实施方案的固体氧化物燃料电池(SOFC)再循环复合体10的简图。再循环复合体10包含SOFC，该SOFC包括阳极11和阴极12。来自阳极11排气的热量驱动兰金（Rankine）热循环(在本文中称为有机兰金循环(ORC)13)以产生电力。将ORC废气应用于压缩机14，压缩机14用于在接近环境温度和压力下除去一些冷凝水之后压缩ORC废气，然后通过在高压下将废气冷却至环境温度而进一步除去冷凝水。经压缩的ORC废气随后经由采用例如换热器16的膨胀器15和预膨胀循环进一步冷却。根据一方面，预膨胀循环通过经由与换热器16接触而冷却经压缩的ORC废气流来操作。

图2为说明根据一个实施方案的固体氧化物燃料电池(SOFC)再循环复合体20的简图。SOFC再循环复合体20与SOFC再循环复合体10类似，除了SOFC再循环复合体20采用电动冷却单元22以在预膨胀循环期间进一步增强经压缩的ORC废气流的冷却。

经压缩的ORC废气流的低于环境冷却有利地使得一些CO₂从流中除去，在超过环境压力下作为液体24，或在超过环境压力和低于熔融温度下作为从液相冷凝出的固体产物26。根据一方面，SOFC再循环复合体20采用设备在膨胀器15的下游从冷却的废气收集固体CO₂，其在图1中描述的点2-1a处从气相直接固化。

在其与换热器16接触，使其温度以一定方式向适当的反应温度提高之后，经冷却、膨胀的残余气体流经由能量回收器19返回至阳极11的入口，比起初始存在于阳极排气，所述气体流具有较高摩尔浓度的CO₂和H₂燃料。根据一方面，将从阳极除去的一部分水流经由阴极12排气温热至适当的反应温度，随后应用于在阳极11上游的单独的重整器单元或阳极11本身，以产生重整烃燃料所必需的蒸汽。

不如此限制在图1和2中分别描述的实施方案10、20；并且应理解的是，SOFC再循环复合体10和SOFC再循环复合体20可在压缩-膨胀过程不存在下纯粹依靠电动冷却单元(例如在图3中描述的)来实现。图3为说明根据一个实施方案的固体氧化物燃料电池(SOFC)再循环复合体30的简图。经压缩的ORC废气流的低于环境冷却有利地使得一些CO₂从流中除去，在超过环境压力下作为液体24，或在超过环境压力和低于熔融温度下作为从液相冷凝出的固体产物26。

图4为说明根据一个实施方案的固体氧化物燃料电池(SOFC)再循环复合体40的简图。在该实施方案中，烃燃料(CH₄)经由重整设备42重整为CO和H₂，然后进入SOFC阳极11。随后，在图4中描述的点3-1a处，借助水煤气变换设备44，将CO转化为CO₂。借助压缩-膨胀过程50(例如在图5中描述的)或借助电动冷却单元22(例如在图4中描述的)或两者，所得到的CO₂随后以固体或液体形式除去。在图4中描述的点3-1b处，在通过能量回收器/换热器16回收热量之后，残余的H₂部分随后前进至阳极11。根据一方面，在经过能量回收器19足以将其温度升高至适当的反应温度之后，在图4中描述的点3-1c处，阳极排气中剩余的任何H₂可再循环返回至阳极入口。根据一个实施方案，在图4中描述的点3-1d处，兰金循环13可部署在阳极排气的下游，由阳极排气热量产生电或轴功率。

图6为说明根据一个实施方案的固体氧化物燃料电池(SOFC)再循环复合体60的简图。SOFC再循环复合体60采用与本文对于SOFC再循环复合体10或SOFC再循环复合体20所描述的相似方式运行，除了可将燃料(CH₄)在图6中描述的点4-1a处重整后在图6中描述的点4-1b处引入阳极下游，以防止在阳极11内碳化。根据一个实施方案，使用例如在图4中描述的过程/结构实现燃料的重整，以向ORC 13递送残余的H₂部分。

在概要说明中，本文描述了用于提高固体氧化物燃料电池(SOFC)的总体性能同时分离几乎纯的CO₂流用于隔离或用于产生电能以进一步提高过程的总体效率的系统和方法。所述系统和方法用同步碳捕集有利地提高SOFC效率至大于50%。利用本文的原理的特定实施方案产生高达并且大于60%的固体氧化物燃料电池效率。

虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，本领域技术人员会想到许多修改和变化。因此，应理解的是，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真实精神内的所有这些修改和变化。