[发明专利]用CO2捕集提高燃料电池收益的再循环复合体

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。