[发明专利]以低质量副产物气体操作燃料电池系统的方法

说明书

技术领域

本公开涉及操作燃料电池系统的方法；更特定地，设计操作固体氧化物燃料电池的方法；且进一步更特定地，涉及以低质量副产物气体操作固体氧化物燃料电池的方法。

背景技术

当提供诸如空气那样的含氢和氧化剂的燃料时，使用燃料电池来产生电。现有技术领域中已知数种不同类型的燃料电池；在这些电池中有固体氧化物燃料电池(SOFC)。SOFC被认为是高度有效的发电机，它以燃料适应性产生高功率密度。典型的SOFC包括夹在阴极层和阳极层之间的致密电解质。空气在阴极层的表面上通过，且含氢(H₂)和一氧化碳(CO)的燃料在与阴极层相对的阳极层的表面上通过。来自空气的氧离子从阴极层通过致密电解质迁移到阳极层，其中氧离子在阳极层中与燃料中的H₂和CO反应，形成水和CO₂，且藉此在阳极层和阴极层之间创建约1伏的电位。为了增加电压和功率，以电串联的形式堆叠多个SOFC重复单元而形成SOFC叠层。

以重整流(reformate stream)的形式向SOFC叠层提供CO和H₂燃料。本技术领域中已知，使用诸如催化部分氧化(CPOx)氢重整器之类的燃料重整器来处理诸如甲烷之类的碳氢化合物燃料而产生CO和H₂。为了改进叠层功率密度和系统效率，使从SOFC叠层阳极的一部分流出的气体再循环到燃料重整器。还已知流出气体为阳极尾气，并且包括大量水蒸汽和CO₂。当这些气体再循环而返回燃料重整器时，在燃料重整器中发生吸热流重整，藉此降低燃料重整器的温度。为了使燃料重整器的温度维持在升高的优选水平，可在燃料重整器中结合燃烧器和热交换器。把一部分阳极尾气提供给燃烧器，并且与来自阴极尾气的消耗空气一起燃烧。然后来自燃烧器的热流出物通过热交换器而把热添加到重整过程。在本技术领域中还已知，当SOFC叠层正处于工作温度时，某些燃料可在SOFC叠层阳极内部部分地或全部地重整。例如，诸如甲烷、甲醇、氨、二甲醚之类的燃料可与重整物和/或气体阳极尾气混合，并且直接引入SOFC叠层阳极。

美国专利5,451,249号公开了可处理从垃圾填埋场发出的气体流使之基本上包含诸如甲烷之类的碳氢化合物，这可用来作为燃料电池发电站中的燃料源。美国专利’249教导的方法包括使垃圾填埋场气体通过硫化氢吸附床，使硫化氢减少到5ppm或更小的水平；使所产生的气体冷却以使水蒸汽和较重的碳氢化合物冷凝；吸收水蒸汽和较重的碳氢化合物部分以形成经干燥的气体流；通过活性炭除去碳氢化合物污染物；以及从经干燥的气体流中除去污染物颗粒。该方法还产生含碳氢化合物和具有最小BTU值的其它污染物的废气流；因此要求附加燃料源来燃烧(flare)进入大气的废气流以防止污染环境。

处理垃圾填埋场气体以获得燃料电池要求的甲烷的纯度的方法是复杂的、高成本的，并且涉及效率方面的实质性的损耗。由于基本除去所有杂质(包括可毒害重整催化剂和燃料电池的硫化合物)的高处理水平，该方法限制了使用垃圾填埋场气体作为燃料电池的燃料源的经济吸引力。

发明内容

简单地描述，本发明提供一种方法，用于在包含一个或多个期望燃料成分的副产物气体上操作燃料电池系统。本发明可应用于所有类型的燃料电池，但是特定地可应用于高温燃料电池，诸如固体氧化物燃料电池(SOFC)以及熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)。这里描述的实施例是关于SOFC应用的，但是系统的变型可应用于其它类型的燃料电池。燃料电池系统包括用于形成重整流的燃料重整器、用于向燃料重整器提供热能量的燃烧器、以及SOFC叠层。该方法包括下列步骤：用气体燃料提纯器把副产物气体分离成提纯气体流和剩余流；把提纯气体流馈入配置成转换提纯气体流以产生重整流的燃料重整器；以及把剩余气体流馈入燃烧器，该燃烧器配置成把热量提供给燃料重整器。提纯气体流包括比剩余气体流中浓度高的优选燃料成分以及比剩余气体流中浓度低的污染物。对于给定的硬件组，通过使全局系统(包括提纯系统和燃料电池系统)效率最优化，来确定提纯燃料流中的优选燃料成分的期望回收百分率。从通过在边上(marginally)把更多燃料引入重整器中得到的SOFC的效率中的增益可与操作提纯系统中的寄生损耗保持平衡。

该方法还包括下列步骤：把重整流馈入发出阳极尾气的SOFC叠层。阳极尾气可分成第一部分以及第二部分，其中使第一部分再循环回燃料重整器以补充提纯气体流，而使第二部分再循环回燃烧器以补充剩余气体流。