[发明专利]通过冷却/冷凝从燃料电池的阳极排气中除去二氧化碳

说明书

一种用于从已被压缩以形成加压阳极排放蒸汽的阳极排放气体中除去二氧化碳的系统，所述系统包括：进料/流出物热交换器，其被配置成将阳极排放蒸汽冷却至第一预定温度，并且部分地冷凝阳极排放蒸汽中的二氧化碳；第一蒸汽‑液体分离器，其被配置成接收进料/流出物热交换器的输出并将液体二氧化碳与未冷凝的阳极排放蒸汽分离；进料/制冷剂热交换器，其被配置成接收来自所述第一蒸汽‑液体分离器的未冷凝的阳极排放蒸汽，将未冷凝的阳极排放蒸汽冷却至第二预定温度，并且冷凝未冷凝的阳极排放蒸汽中的二氧化碳；以及第二蒸汽‑液体分离器，其被配置成接收进料/制冷剂热交换器的输出并分离液体二氧化碳以形成富氢气的、未冷凝的阳极排放蒸汽。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年4月21日提交的美国临时专利申请No.62/325,719的权益和优先权，所述临时专利申请的整个公开内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本公开涉及燃料电池。特别地，本公开涉及用于一种用于通过冷却/冷凝从燃料电池的阳极排气中除去二氧化碳的系统和方法。

背景技术

燃料电池是通过电反应将储存在燃料(诸如烃燃料)中的化学能转换成电能的设备。通常，燃料电池具有阳极、阴极和电解质层，它们一起驱动产生电的化学反应。可包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的混合物的排气作为副产物从燃料电池的阳极产生。阳极排气含有有用的副产物气体，诸如氢气和一氧化碳，其可作为合成气输出用于其它用途，诸如用于燃料电池的燃料或用于其它化学反应的进料。然而，为了使阳极排气适合于此类用途，必须除去存在于阳极排气中的二氧化碳。

当从高温阳极排气中纯化氢气或合成气时，经常使用变压吸附系统(PSA)将二氧化碳和其它杂质与氢气或合成气分离，但可使用其它纯化工艺，诸如电化学氢气分离器。因为阳极排气具有如此高的二氧化碳含量，所以从PSA回收的氢气或合成气低于正常值，并且可能需要调节PSA的循环时间。而且，大的阳极排气体积增加了PSA的尺寸和成本。常规地，使用较大的PSA，并且得到较低的氢气或合成气回收。

存在对改进技术的需求，包括与用于从PSA上游的燃料电池的阳极排气中除去二氧化碳的系统和方法相关的技术或其它纯化技术。这种技术允许减小PSA的尺寸，并且因此降低PSA的成本，并使氢气或合成气的生产最大化。

发明内容

在一些实施方案中，用于从已被压缩以形成加压阳极排放蒸汽的阳极排放气体中除去二氧化碳的系统包括：进料/流出物热交换器，其被配置成将阳极排放蒸汽冷却至第一预定温度，并且部分地冷凝加压阳极排放蒸汽中的二氧化碳；第一蒸汽-液体分离器，其被配置成接收进料/流出物热交换器的输出并将液体二氧化碳与未冷凝的阳极排放蒸汽分离；进料/制冷剂热交换器，其被配置成接收来自第一蒸汽-液体分离器的未冷凝的阳极排放蒸汽，将未冷凝的阳极排放蒸汽冷却至第二预定温度，并且冷凝未冷凝的阳极排放蒸汽中的另外的二氧化碳；以及第二蒸汽-液体分离器，其被配置成接收进料/制冷剂热交换器的输出并分离液体二氧化碳以形成富氢气的、未冷凝的阳极排放蒸汽。

在一些实施方案中，燃料电池系统包括燃料电池，所述燃料电池包括阴极、阳极和设置在阴极与阳极之间的电解质基质；从阳极排放气体中除去二氧化碳以形成富氢气的、未冷凝的阳极排放蒸汽的系统；以及变压吸附系统，其被配置成从富氢气的、未冷凝的阳极排放蒸汽中分离二氧化碳和其它杂质，以从阳极排放气体中纯化氢气或合成气。所述系统包括进料/流出物热交换器，其被配置成将加压阳极排放蒸汽冷却至第一预定温度，并且部分地冷凝阳极排放蒸汽中的二氧化碳；第一蒸汽-液体分离器，其被配置成接收进料/流出物热交换器的输出并将液体二氧化碳与未冷凝的阳极排放蒸汽分离；进料/制冷剂热交换器，其被配置成接收来自第一蒸汽-液体分离器的未冷凝的阳极排放蒸汽，将未冷凝的阳极排放蒸汽冷却至第二预定温度，并且冷凝未冷凝的阳极排放蒸汽中的另外的二氧化碳；以及第二蒸汽-液体分离器，其被配置成接收进料/制冷剂热交换器的输出并分离液体二氧化碳以形成富氢气的、未冷凝的阳极排放蒸汽。