[发明专利]用于产生电力的基于燃料电池的系统

说明书

技术领域

本发明涉及产生电力的燃料电池系统，并且涉及用于产生电力的方法。特别地，本发明涉及产生电力的固体氧化物燃料电池系统和使用该系统产生电力的方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池是由直接从电化学反应产生电力的固态元件组成的燃料电池。这种燃料电池的是有用的，因为其供给高质量的可靠的电力，操作清洁，并且是相对紧凑的发电装置，从而使其在城市地区的应用十分有吸引力。

固体氧化物燃料电池由阳极、阴极和夹在阳极与阴极之间的固体电解质形成。可氧化燃料气体或可在燃料电池中重整为可氧化燃料气体的气体被供应至阳极，含氧气体(通常为空气)被供应至阴极以提供化学反应物。供应至阳极的可氧化燃料气体通常为合成气(氢与一氧化碳的混合物)。燃料电池在通常为800℃至1100℃的高温下操作，以将含氧气体中的氧转化成氧离子，氧离子可以穿过电解质在阳极处与来自燃料气体的氢和/或一氧化碳相互作用。电力通过在阴极处氧转化为氧离子以及在阳极处氧离子与氢和/或一氧化碳的化学反应产生。以下反应描述了电池中产生电力的化学反应：

阴极电荷转移：O₂+4e^-→2O^＝

阳极电荷转移：H₂+O^＝→H₂O+2e^-及

              CO+O^＝→CO₂+2e^-

电负载或储存装置可以连接在阳极与阴极之间，以使得电流可以在阳极与阴极之间流动，从而为电负载供电或将电力提供给储存装置。

燃料气体通常由蒸汽重整反应器供应给燃料电池的阳极，蒸汽重整反应器将低分子量烃和蒸汽重整成氢和碳氧化物。甲烷(例如为天然气)是用来产生用于燃料电池的燃料气体的优选低分子量烃。替代地，燃料电池阳极可以设计为在内部使供应给燃料电池阳极的蒸汽与低分子量烃(诸如甲烷)实现蒸汽重整反应。

在一些情况下，在蒸汽重整反应器中使用的甲烷进料和/或其它低分子量烃进料可以由诸如汽油、柴油或煤油的液体燃料产生。液体燃料可在预重整反应器中转化成用于蒸汽重整反应器的进料。液体燃料可以通过使燃料与蒸汽混合以及使燃料和蒸汽在550℃或更高(通常700℃或更高)的温度下反应而转化成用于蒸汽重整反应器的进料。

甲烷蒸汽重整根据以下反应提供含有氢和一氧化碳的燃料气体：由于形成氢和一氧化碳的反应是相当吸热的反应，因此必须供应热量以进行蒸汽重整反应。该反应通常在750℃至1100℃的温度下进行以将大量甲烷或其它烃和蒸汽转化成氢和一氧化碳。

通常地，通过燃烧器提供用于1)引起蒸汽重整反应器中的甲烷蒸汽重整反应的热量和(如果需要的话)2)用于将液体燃料转化成用于蒸汽重整反应器的进料的热量，所述燃烧器使含氧气体和燃料(通常为诸如天然气的烃燃料)燃烧以提供所需热量。还利用无焰燃烧提供用于驱动蒸汽重整反应的热量，其中，还通过将烃燃料和含氧气体以避免引起有焰(flammable)燃烧的相对数量提供给无焰燃烧室来驱动无焰燃烧。由于由燃烧提供的大量热能未被捕获并且发生损失，因此这些用于提供驱动蒸汽重整反应和/预重整反应所必需热量的方法在能量方面效率较低。

美国专利申请No.2005/0164051公开了一种系统和方法，其中重整反应器和预重整反应器可与燃料电池热整合。使用由燃料电池产生的热量提供驱动重整反应器的吸热反应的热量。通过将重整反应器放置在与燃料电池相同的热箱中和/或通过将燃料电池和重整器以彼此热接触的方式放置而使重整反应器与燃料电池热整合。可通过将重整器紧靠燃料电池放置而将燃料电池和重整器放置成彼此热接触，其中燃料电池的阴极排气管道可与重整器直接接触(例如，通过在重整器周围缠绕阴极排气管道来实现，或者通过一个或多个重整器壁包括阴极排气管道的壁来实现)，以使得来自燃料电池的阴极排气向重整器提供传导热传递。补充热量从燃烧室提供给重整器，其中燃料电池与重整器的热接触降低了重整器实现重整反应的燃烧热要求。

通过将预重整反应器定位在具有催化性启动燃烧器的热箱中，以及通过提供由与来自燃料电池的阳极排气流进行热交换而加热的天然气进料，来提供用于预重整反应器的热量。然而，由于使用天然气作为预重整反应器的进料，因此预重整反应器并不用于将液体进料转化成用于蒸汽重整反应器的较低分子量进料。