[发明专利]用于为气井供电的自我可持续的固体氧化物燃料电池系统和方法

说明书

用于为气井供电的自我可持续的固体氧化物燃料电池(SOFC)系统的实施例包括：第一SOFC，所述第一SOFC包括第一阴极、第一阳极和第一固体电解质；第二SOFC，所述第二SOFC包括第二阴极、第二阳极和第二固体电解质；SO₂去除设备；燃烧回路，所述燃烧回路包括燃烧器和循环热载体，所述循环热载体与所述燃烧器、所述第一SOFC和所述第二SOFC热连接；以及一个或多个外部电路。所述第一阳极包括第一氧化区域，所述第一氧化区域被配置成产生SO₂和电子。所述第二阳极包括第二氧化区域，所述第二氧化区域被配置成使CH₄电化学氧化以产生合成气和电子，并使H₂电化学氧化以产生H₂O和电子。所述外部电路被配置成由在所述第一SOFC和所述第二SOFC两者中产生的电子产生电力。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年6月23日提交的美国临时申请第62/523,838号和于2017年10月3日提交的美国专利申请第15/723,664号的优先权，所述美国临时申请和所述美国专利申请两者以全文引用的方式并入本文。

技术领域

本公开的实施例总体上涉及一种固体氧化物燃料电池(SOFC)系统，并且更具体地涉及一种SOFC系统，所述SOFC系统包含被配置成从酸性天然气中去除硫化氢的第一SOFC和被配置成由第一SOFC的副产物发电的第二SOFC。

背景技术

电力供应是保持偏远的陆上或海上天然气井的产量并提高生产率的关键要求。但是，这些井无法从传统电源获得一致且高效的电力。很多时候，将传统的电网线路连接到天然气井的偏远或海上位置是不可行的。因此，需要设计替代性电力供应选项以在偏远的气井位置内操作各种能源密集型应用。这些应用包含：井口气体压缩、多相流量计、远程终端单元、灭火系统、阴极保护系统、监督控制和数据采集以及设施照明。替代性电力供应选项的操作多次需要将燃料运输到偏远位置以操作替代性电力供应选项。

传统上直接利用来自天然气井的天然气作为燃料源是不可行的，因为未加工的天然气含有污染物和其它不期望的成分，如硫化氢。众所周知，燃料电池由三个主要部分组成：阳极，其中电化学氧化发生；阴极，其中电化学还原发生；以及电解质膜，所述电解质膜是致密的、不透气的离子转运膜，所述离子转运膜在具体温度范围内展现出纯离子或混合离子-电子电导率。阴极产生氧离子，所述氧离子然后迁移通过电解质膜到达阳极。氧离子使阳极中的燃料氧化并且由此产生电子，所述电子流动通过外部电路流回到阴极，从而产生电能。但是，在SOFC中已广泛观察到易受硫中毒的危害，并且因此在进入电池之前必须通过使用吸附床或其它方式去除硫。

因此，持续需要自我可持续的固体氧化物燃料电池系统，所述系统向偏远气井提供电力并且能够直接利用来自气井的天然气作为燃料源。

发明内容

本公开的实施例涉及用于向气井供电的自我可持续的固体氧化物燃料电池(SOFC)系统和相关联的方法。第一SOFC从天然气进料流中去除硫组分，并且第二SOFC用所述第一SOFC的副产物产生电力，其中每个SOFC产生电子，所述电子用于发电。本质上，本发明的自我可持续的固体氧化物燃料电池系统能够在所述第一SOFC和所述第二SOFC两者中发电，并且因此被认为共同发电。然后，所产生的电力可以最终用于气井本身的操作。本公开的系统具有工业实用性，特别是在天然气和电力工业中，这是由于天然气储层中硫的浓度不断增加以及处理厂和离网偏远位置对电力的需求增加。