[发明专利]甲烷化阳极废气以提高二氧化碳捕获

说明书

一种发电系统，包括：烟气发生器，其配置成产生包括二氧化碳和氧气的烟气；燃料供应；燃料电池组件，该燃料电池组件包括阴极部分和阳极部分，阴极部分配置成接收由烟气发生器产生的烟气并输出阴极废气，阳极部分配置成接收来自燃料供应的燃料并输出含有氢气和二氧化碳的阳极废气；甲烷转化器，其配置成接收阳极废气，将阳极废气中的至少一部分氢气转化为甲烷，并输出甲烷化的阳极废气；冷却器组件，其配置成将甲烷化的阳极废气冷却至预定温度以便液化甲烷化的阳极废气中的二氧化碳；以及气体分离组件，其配置成接收冷却的甲烷化的阳极废气并将液化二氧化碳与残余燃料气体分离。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年4月29日提交的美国临时申请号62/329663的优先权，其通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及燃料电池发电系统，特别地，涉及一种燃料电池发电气体分离系统和方法。

背景技术

燃料电池是通过电化学反应将存储在燃料中的化学能直接转化成电能的设备。通常，燃料电池包含由电解质隔开的阳极和阴极，该电解质用于传导带电离子。熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)凭借使反应物燃料气体通过阳极，同时氧化气体(例如二氧化碳和氧气)通过阴极而操作。燃烧类发电厂通过燃烧易燃烃类基燃料(包括煤、天然气、生物气和合成气)来产生能量。

作为燃烧过程的结果，燃烧类发电厂产生烟气，其通常由大气排放物处理。然而，这种排放对环境有害，因为它们含有二氧化碳(CO2)，有助于全球气候变化。越来越多的国家和国际法规对这些发电系统可能释放到环境中的二氧化碳量进行了严格的规定。

因此，已经使用许多方法来控制或限制来自燃烧类发电厂的二氧化碳排放。然而，由于应用二氧化碳捕获系统稀释含CO2烟气导致的能量(电能和/或热量)的显著损失，从燃烧后烟气中分离二氧化碳是非常昂贵的。包括二氧化碳的烟气可以提供给电化学燃料电池，该电化学燃料电池可以包括阴极、阳极和电解质以用于浓缩阳极废气中的二氧化碳。包括来自烟气的二氧化碳的阳极废气可以连通到压缩机、冷凝器和/或冷却器以使二氧化碳与包括在阳极废气中的其它气体液化和分离。然而，包括在阳极废气中的氢气和其它不可冷凝气体将阻碍二氧化碳的捕获并且经由制冷增加压缩和/或冷凝的成本(例如通过增加用于压缩和/或冷凝的能量)或减少捕获的二氧化碳量。

发明内容

本文描述的实施方式一般涉及通过使用燃料电池系统捕获二氧化碳的系统和方法，并且特别地涉及可以与化石燃料设备、设施或装置(例如发电厂、锅炉或任何其它燃烧器，如水泥厂中的窑和钢铁工业中的炼焦炉)集成的燃料电池发电气体分离系统，其配置成有效地分离烟气中包括的各种气体，特别是二氧化碳。将包括在燃料电池阳极废气中的氢气甲烷化以增加阳极废气中二氧化碳的相对浓度并减少经水分离的阳极废气的体积。

在一些实施方式中，燃料电池发电系统配置成与化石燃料设备集成以便利用由化石燃料设备产生的烟气。烟气包括由化石燃料设备输出的二氧化碳和氧气。发电系统包括阳极部分和阴极部分。含有二氧化碳的烟气与燃料电池的阴极部分连通。阳极部分产生阳极废气，其包括二氧化碳、水、氢气、一氧化碳和其它气体。阳极废气与气体分离组件连通。该气体分离组件包括甲烷转化器，该甲烷转化器配置成将包括在阳极废气中的至少一部分氢转化为甲烷以产生甲烷化的阳极废气。相对于非甲烷化的废气，甲烷化的阳极废气具有较高的二氧化碳与不可冷凝气体的比率。

在一些实施方式中，气体分离组件可包括冷却器组件，用于将阳极废气冷却到预定温度以便液化甲烷化阳极废气中的二氧化碳。在一些实施方式中，由燃料电池产生的废热用于驱动冷却器组件。在一些实施方式中，供应到燃料电池的阴极部分的入口烟气专门含有由化石燃料装置、设施或设备输出的全部或部分烟气。在某些实施方式中，冷却器组件可包括一个或多个冷却器或分离罐。在一些实施方式中，气体分离组件从燃料电池的阴极部分回收来自阴极废气输出的废热，并利用至少一部分回收的废热来驱动冷却器组件。