以低质量副产物气体操作燃料电池系统的方法

技术领域

本公开涉及操作燃料电池系统的方法；更特定地，设计操作固体氧化物燃 料电池的方法；且进一步更特定地，涉及以低质量副产物气体操作固体氧化物 燃料电池的方法。

背景技术

当提供诸如空气那样的含氢和氧化剂的燃料时，使用燃料电池来产生电。 现有技术领域中已知数种不同类型的燃料电池；在这些电池中有固体氧化物燃 料电池(SOFC)。SOFC被认为是高度有效的发电机，它以燃料适应性产生高 功率密度。典型的SOFC包括夹在阴极层和阳极层之间的致密电解质。空气在 阴极层的表面上通过，且含氢(H₂)和一氧化碳(CO)的燃料在与阴极层相对 的阳极层的表面上通过。来自空气的氧离子从阴极层通过致密电解质迁移到阳 极层，其中氧离子在阳极层中与燃料中的H₂和CO反应，形成水和CO₂，且藉 此在阳极层和阴极层之间创建约1伏的电位。为了增加电压和功率，以电串联 的形式堆叠多个SOFC重复单元而形成SOFC叠层。

以重整流(reformate stream)的形式向SOFC叠层提供CO和H₂燃料。本 技术领域中已知，使用诸如催化部分氧化(CPOx)氢重整器之类的燃料重整器 来处理诸如甲烷之类的碳氢化合物燃料而产生CO和H₂。为了改进叠层功率密 度和系统效率，使从SOFC叠层阳极的一部分流出的气体再循环到燃料重整器。 还已知流出气体为阳极尾气，并且包括大量水蒸汽和CO₂。当这些气体再循环 而返回燃料重整器时，在燃料重整器中发生吸热流重整，藉此降低燃料重整器 的温度。为了使燃料重整器的温度维持在升高的优选水平，可在燃料重整器中 结合燃烧器和热交换器。把一部分阳极尾气提供给燃烧器，并且与来自阴极尾 气的消耗空气一起燃烧。然后来自燃烧器的热流出物通过热交换器而把热添加 到重整过程。在本技术领域中还已知，当SOFC叠层正处于工作温度时，某些 燃料可在SOFC叠层阳极内部部分地或全部地重整。例如，诸如甲烷、甲醇、 氨、二甲醚之类的燃料可与重整物和/或气体阳极尾气混合，并且直接引入SOFC 叠层阳极。

美国专利5,451,249号公开了可处理从垃圾填埋场发出的气体流使之基本 上包含诸如甲烷之类的碳氢化合物，这可用来作为燃料电池发电站中的燃料 源。美国专利’249教导的方法包括使垃圾填埋场气体通过硫化氢吸附床，使硫 化氢减少到5ppm或更小的水平；使所产生的气体冷却以使水蒸汽和较重的碳 氢化合物冷凝；吸收水蒸汽和较重的碳氢化合物部分以形成经干燥的气体流； 通过活性炭除去碳氢化合物污染物；以及从经干燥的气体流中除去污染物颗 粒。该方法还产生含碳氢化合物和具有最小BTU值的其它污染物的废气流； 因此要求附加燃料源来燃烧(flare)进入大气的废气流以防止污染环境。

处理垃圾填埋场气体以获得燃料电池要求的甲烷的纯度的方法是复杂的、 高成本的，并且涉及效率方面的实质性的损耗。由于基本除去所有杂质(包括 可毒害重整催化剂和燃料电池的硫化合物)的高处理水平，该方法限制了使用 垃圾填埋场气体作为燃料电池的燃料源的经济吸引力。

发明内容

简单地描述，本发明提供一种方法，用于在包含一个或多个期望燃料成分 的副产物气体上操作燃料电池系统。本发明可应用于所有类型的燃料电池，但 是特定地可应用于高温燃料电池，诸如固体氧化物燃料电池(SOFC)以及熔 融碳酸盐燃料电池(MCFC)。这里描述的实施例是关于SOFC应用的，但是 系统的变型可应用于其它类型的燃料电池。燃料电池系统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热能量的燃烧器、以及SOFC叠层。该 方法包括下列步骤：用气体燃料提纯器把副产物气体分离成提纯气体流和剩余 流；把提纯气体流馈入配置成转换提纯气体流以产生重整流的燃料重整器；以 及把剩余气体流馈入燃烧器，该燃烧器配置成把热量提供给燃料重整器。提纯 气体流包括比剩余气体流中浓度高的优选燃料成分以及比剩余气体流中浓度 低的污染物。对于给定的硬件组，通过使全局系统(包括提纯系统和燃料电池 系统)效率最优化，来确定提纯燃料流中的优选燃料成分的期望回收百分率。 从通过在边上(marginally)把更多燃料引入重整器中得到的SOFC的效率中的 增益可与操作提纯系统中的寄生损耗保持平衡。

该方法还包括下列步骤：把重整流馈入发出阳极尾气的SOFC叠层。阳极 尾气可分成第一部分以及第二部分，其中使第一部分再循环回燃料重整器以补 充提纯气体流，而使第二部分再循环回燃烧器以补充剩余气体流。

操作SOFC系统的方法的一个优势在于：该方法与将剩余气体燃烧到大气 中且添加高质量燃料相反，允许使用剩余气体流作为燃烧器的补充燃料。另一 个优势在于通过基本上或完全维持重整过程吸热而增加燃料到电效率。再有， 另一个优势在于燃烧器中需要较少能量来维持燃料重整器的期望温度。再者， 另一个优势在于在分离或提纯将被用作燃料的副产物气体时的损耗可基本上， 因为不需要优选燃料成分的高产量回收。

附图说明

现在将通过示例、参考附图来说明本发明，其中：

图1是SOFC系统的示意性流程图，该系统使得第一部分阳极尾气在重整 器前再循环进入燃料流，且第二部分阳极尾气再循环进入燃烧器热交换器；

图2是根据本发明的SOFC系统的示意性流程图，示出在重整器前进入燃 料流的经处理的副产物气体的第一部分以及进入燃料重整器的燃烧器的经处 理的副产物气体的第二部分；

图3是图2的SOFC系统的示意性流程图，示出在SOFC叠层前进入重整 流的经处理的副产物气体的第三部分；

图4是图3的SOFC系统的示意性流程图，示出分离的绝热重整器以及燃 烧器热交换器。

具体实施方式

在图1-4中，在所有的附图中，类似的标号表示相应的部件。在图1中示 出的是固体氧化物燃料电池(SOFC)系统100，用于把存储在碳氢化合物燃料 中的潜在的化学能转换成电能。SOFC系统100包括配置成从碳氢化合物燃料 流115中产生重整流110的燃料重整器105。然后重整流110与阴极空气流125 一起馈入SOFC叠层120，在其中产生电流。提供阴极空气热交换器130以在 到SOFC叠层120之前预热阴极空气流125的温度。为了更高的燃料处理效率， SOFC系统100还包括燃烧器135，用于使燃料重整器105的温度维持在预定 的温度。可把上列部件容纳在绝缘容器101中。

图1中示出的示例性燃料重整器105是催化燃料重整器，诸如部分氧化 (CPOx)重整器，把它配置成将碳氢化合物燃料流115转换成含CO和H₂的 重整流110。燃料重整器105可包括与燃料重整器105热通信的结合的燃烧器 135。燃烧空气流140和燃烧器燃料流141分别经由燃烧空气入口136和燃烧 空气入口137提供给燃烧器135。在燃烧器135中燃烧预定比例的燃烧器空气 /燃料混合物而产生热能。把燃烧器135产生的热能传送到燃料重整器105以 便将燃料重整器105的温度维持在升高的优选水平，用于把碳氢化合物燃料流 115有效地重整为重整流110。离开燃烧器135的流出燃烧气体144包含废热， 下游的阴极热交换器130捕获这些废热。使用废热来预热到SOFC叠层120的 阴极空气流125，以通过将工作温度维持在约650到850℃而增加SOFC叠层 120的工作效率。

图1所示的SOFC叠层120包括接收来自燃料重整器105的重整流110的 重整流入口145、接收来自阴极热交换器130的预热的阴极空气流125的空气 流入口147、用过的空气流出口149、以及阳极尾气出口151。多个串联堆叠的 重复的匣子(cassette)形成SOFC叠层120，以产生较高的电压输出。重复匣 子的堆叠包括多个工作匣子，其中每个工作匣子包括围绕SOFC的图像帧组件。 由夹在阴极层和阳极层之间的高密度电解质层形成SOFC。

重整流110进入SOFC叠层120，并且在阳极层的表面上通过。来自阴极 空气热交换器130的加热的阴极空气流125在阴极层的表面上通过，其中来自 空气的氧离子从阴极层通过致密电解质迁移到阳极层，在其中氧离子与重整流 中的H₂和CO反应，形成H₂O蒸汽和CO₂，且藉此在阳极层和阴极层之间产 生电位。

为了改进SOFC叠层功率密度、系统效率、并且减少SOFC系统100中的 碳沉淀和沉积，使来自SOFC叠层120的一部分阳极尾气流出物152再循环回 到燃料重整器105上游的碳氢化合物燃料流115。阳极尾气具有丰富的H₂O蒸 汽和CO₂以及未反应的H₂和CO气体。当这些气体反馈回燃料重整器105时， 在燃料重整器105中发生吸热流重整。在这个吸热反应存在时，燃烧器135提 供的热维持重整器105的最佳工作温度。同样，来自阳极尾气流出物152的热 有助于维持重整器105的最佳工作温度；阳极尾气流出物152的温度约为650 到850℃。可把离开SOFC叠层120的阳极尾气流出物152分成第一部分153 和第二部分155，其中使第一部分153再循环回到重整器105的燃料入口。可 使第二部分155再循环回到燃烧器以补充或替换燃烧器燃料流141。还可使离 开SOFC叠层120的用过的空气出口149的用过的阴极空气流排出物157再循 环回燃烧器以补充或替换燃烧空气流140。

图2-4示出可使用气体燃料提纯器200来分离和提纯含一个或多个优选燃 料成分的副产物气体203的流使之成为提纯气体流205和剩余气体流207。副 产物气体203的示例包括从垃圾填埋场、废水处理操作、以及工业化学处理、 有机材料的部分氧化或热解、以及煤或燃料油的气化发出的气体。可把提纯气 体流205作为燃料流115提供至燃料重整器105。可把剩余气体流207与未引 导到重整器入口的阳极尾气的第二部分155一起提供给燃烧器135作为燃烧器 燃料流141。为了示意的目的，将到燃料重整器105和燃烧器135的提纯的和 剩余的燃料流205、207分别示出为到各自部件的分立的输入点。在实际应用 中，可分别把提纯的和剩余的燃料流205、207直接引入重整器105和燃烧器 135的燃料入口。与到燃烧器135的剩余气体流207相比，到重整器105的剩 余气体流207是更高等级的燃料。定义更高等级的燃料为意味着提纯气体流205 具有更高的优选燃料成分浓度，并且与剩余气体流207相比，其包含显著少的 污染物。优选燃料成分可包括诸如甲烷之类的轻质碳氢化合物；诸如甲醇和乙 醇之类的醇类；或其它燃料，诸如氢、一氧化碳、二甲醚或氨。优选燃料流还 可包括惰性气体，诸如氮、二氧化碳、和水蒸气。优选燃料成分和惰性气体可 接受的水平可取决于燃料电池系统100和燃料电池堆120的特定设计。污染物 可包括硫、磷、硅氧烷、卤素、以及颗粒物质。

作为本发明的示例性实施例，可配置气体燃料提纯器200使之通过移除对 SOFC系统100可能有害的任何污染物而处理来自市政垃圾填埋场中的有机物 质的生物降解的排出废气流，并且产生提纯气体流205以及剩余气体流207。 废气可包括大多数轻链碳氢化合物，包括甲烷，以及二氧化碳、水蒸气、和痕 量的硫化氢和其它无机物。气体燃料提纯器200可以是典型气体分离系统的气 体燃料提纯器，并且取决于存在的污染物的类型，可包括硫化氢吸附床、水冷 凝器、蒸汽碳氢化合物吸收剂、活性炭、以及机械装置，诸如过滤器和旋流器， 来移除颗粒。气体燃料提纯器200还可包括本技术领域中已知的变压净化系统， 该系统可包括变压吸收、变温吸收、以及真空变压吸收。

优选地，诸如颗粒物质、卤素、硫化合物、硅氧烷之类的基本所有污染物， 以及可不利于燃料电池系统100的任何其它污染物都要从提纯流205中除去。 可在可更换的吸附剂中(未示出)捕获(trap)和消耗(disposed of)一些污 染物，而其它污染物可存在于剩余气体流207中。然而，提纯气体流205不需 要优选燃料成分的极高的回收水平。与用于把提纯燃料提供给燃料电池发电站 的美国专利’249教导的方法相比，图2到图4所示的操作SOFC系统100的 方法不需要提纯气体流205是基本上纯的甲烷或其它要求的燃料成分。换言之， 对于气体燃料提纯器200来说，优选在小于100％的回收的情况下工作，藉此 产生包含期望燃料成分以及一些其它可容忍的气体(诸如原来存在于副产物气 体中的氮、二氧化碳以及水蒸气)的提纯气体流205。优选燃料成分的未回收 部分可有利地留存在剩余气体流207中。

在小于约90％的回收的情况下，操作气体燃料提纯器200的工作和资本成 本大大地小于在基本100％的回收情况下操作燃料提纯器200。即时方法提倡 提纯垃圾填埋场气体以提供足够期望的燃料成分，用作燃料重整器105的燃料， 同时含足够少的污染物，以避免毒害催化剂。该方法还提倡剩余气体流207、 垃圾填埋场气体提纯过程的气体副产物包含足够期望的燃料成分、惰性气体以 及可燃污染物，与来自SOFC叠层的阳极尾气一起可用作燃烧器135的燃料源。 剩余气体流207可包含足够少的污染物。对于正常工程约束下的一组给定的硬 件，可通过使包括气体燃料提纯器200和SOFC系统100的全局系统效率最优， 来确定提纯气体流205中的优选燃料成分的期望的浓度和回收百分率 (fraction)。

把剩余气体流207馈入燃烧器135，当其与阳极尾气流出物152的第二部 分155中包含的H₂混合时，产生在燃烧器135中燃烧的气体的可燃混合物，且 藉此把有用的热能提供给燃料重整器105，同时消除了提供商用级燃料来烧去 来自气体提纯过程的废气的需求。可通过气体燃料提纯器200来控制提纯气体 流205中的硫含量至含硫化合物的低浓度，以避免毒害燃料重整器105中的催 化剂或SOFC叠层120中的SOFC。通过馈送剩余气体流207来补充燃烧器燃 料流141，剩余气体流207中剩余的任何污染物不会影响燃料重整器或SOFC 阳极的催化剂。这提供了沉积和颗粒物更少倾向的优势，限制了通过燃料重整 器105和SOFC叠层120的流路；因此允许SOFC系统100以较低质量燃料可 靠地工作。而在气体燃料提纯器200和燃烧器135中，诸如来自任何无机物的 灰尘副产物之类的污染物和剩余物仍会积累到某个程度，可设计气体燃料提纯 器200和燃烧器135使之为日常维护而便于接近，从而移除这些污染物和剩余 物。

图3示出图2的SOFC系统100，具有分离成第一部分提纯气体流205a和 第二部分提纯气体流205b的提纯气体流205。把第一部分提纯气体流205_a作 为燃料提供给燃料重整器105。第二部分提纯气体流205b旁通燃料重整器105， 且可直接引入SOFC叠层120或SOFC叠层120上游的重整燃料110。如果提 纯气体流205的优越的燃料成分在SOFC叠层120的阳极内能够完全地或部分 地重整，SOFC系统100的这个实施例是有利的。已知诸如甲烷、甲醇、氨和 二甲醚之类的燃料成分对于内部重整是有吸引力的，因此允许使用更简单的和 更低成本的预重整器，并且通过吸热燃料重整反应来改进呢SOFC叠层120的 冷却，且因此减少了与用阴极空气冷却相关联的寄生损耗。

图4示出图3的SOFC系统100的可选实施例，具有用预重整器/粉碎器 159以及独立的燃烧器161代替燃料重整器105以及一体式燃烧器135。这对 可充分地内部重整的燃料提供了简单的SOFC系统100。

操作SOFC系统100的该方法的一个优势在于允许气体燃料提纯器200更 有效，因为与用添加外部高质量燃料来烧去较低质量的剩余气体流207相反， 有用地把剩余气体流207的加热值提供给燃烧器135。另一个优势在于允许更 高的回收百分率和提供给燃料重整器105更高的较少的空气要求，这通过保持 基本上或完全地吸热的重整过程还增加了燃料到电效率。再有，另一个优势在 于SOFC叠层120可在更高的燃料利用率下运转，因为在燃烧器135中需要较 少能量来维持要求的温度，因为剩余气体流205正在向燃烧器135提供一些有 用的能量。再有，另一个优势在于基本上可减小在分离和提纯要作为燃料使用 的废气时的损耗，因为不需要从燃料提纯器200得到优选燃料成分的高回收率。

已经根据本发明的优选实施例描述了本发明，并不旨在如此地限制，而是 在某种程度上如下述权利要求书所阐明。