[发明专利]在热回收蒸汽发生器中的燃料电池集成

说明书

发明领域

在各方面，本发明涉及使用熔融碳酸盐燃料电池产生电和从涡轮机排气流中除去CO₂。

发明背景

熔融碳酸盐燃料电池利用氢气和/或其他燃料产生电。可通过在燃料电池上游或燃料电池内的蒸汽重整器中重整甲烷或其它可重整燃料来提供氢气。可重整燃料可包括可以在升高的温度和/或压力下与蒸汽和/或氧反应产生含氢气的气态产物的烃质材料。另外或或者，燃料可以在熔融碳酸盐燃料电池的阳极池中重整，可运行所述燃料电池以创造适合在阳极中重整燃料的条件。另外或或者，可以在燃料电池的外部和内部进行重整。

Journal of Fuel Cell Science and Technology中的一篇文章(G.Manzolini等人,J.Fuel Cell Sci.and Tech.,第9卷，2012年2月)描述了一种将燃烧发电机与熔融碳酸盐燃料电池组合的发电系统。描述了燃料电池的各种布置和运行参数。来自燃烧发电机的燃烧输出部分地用作燃料电池阴极的输入。Manzolini文章中的模拟的一个目标是使用MCFC从发电机的废气中分离CO₂。Manzolini文章中描述的模拟确立了660℃的最大出口温度并指出入口温度必须足够更冷以虑及经过燃料电池的升温。基础模型实情形中MCFC燃料电池的电效率(即发电量/燃料输入)为50％。针对CO₂捕捉优化的试验模型情形中的电效率也是50％。

Desideri等人的文章(Intl.J.of Hydrogen Energy,Vol.37,2012)描述了使用燃料电池分离CO₂的发电系统的性能的建模方法。利用阳极排气再循环到阳极入口和阴极排气再循环到阴极入口来改进燃料电池的性能。模型参数描述了50.3％的MCFC电效率。

在天然气结合循环发电厂中，来自燃气轮机的废气可传送到热回收蒸汽发生器(HRSG)。HRSG可包括用于接收来自涡轮机的废气的入口和在已经从废气中提取热能之后排出接收自涡轮机的废气的出口。在入口和出口之间是流路，其中设置有多个换热器。当废气从入口传至出口时，换热器从废气中提取热。不同类型的HRSG可包括不同类型和数量的换热器，换热器产生蒸汽用于蒸汽轮机或者用于工艺用热。例如，3-级HRSG可包括三个不同的换热器，每个换热器产生高、中或低压蒸汽。

发明概述

一方面，提供了使用包括阳极和阴极的集成熔融碳酸盐燃料电池的用于产生电的热回收蒸汽发生器(“HRSG”)，HRSG包括：形成在接收气流的入口和排出至少一部分所接收气流的出口之间延伸的流路的外壳；延伸到流路中的一个或多个换热器；和位于外壳内且包含多个具有阴极入口的熔融碳酸盐燃料电池的燃料电池屏，燃料电池屏在流路中定向使得熔融碳酸盐燃料电池的阴极入口接收实质上所有所接收气流，多个熔融碳酸盐燃料电池还具有多个流体暴露于流路的阴极出口以将阴极排气排放至流路。

另一方面，提供了使用位于热回收蒸汽发生器(“HRSG”)内部的熔融碳酸盐燃料电池处理废气以减少CO₂的方法，该方法包括：通过HRSG的入口接收含CO₂废气如来自燃气轮机的排气以形成所接收气流，将所接收气流传送通过包含多个熔融碳酸盐燃料电池的燃料电池屏以产生包含比所接收气流少至少大约50体积％CO₂的阴极排气，燃料电池屏位于HRSG内，其中实质上所有所接收气流传送至熔融碳酸盐燃料电池的阴极段；将阴极排气送至第一换热器；并将阴极排气送至排气管中。

附图简述

图1图示了集成至热回收蒸汽发生器中管道燃烧器与换热器之间的熔融碳酸盐燃料电池。

图2图示了集成至热回收蒸汽发生器中第一换热器之前的熔融碳酸盐燃料电池。

图3图示了集成至热回收蒸汽发生器中第一换热器之后的熔融碳酸盐燃料电池。

图4图示了运行熔融碳酸盐燃料电池的一个实例。

图5图示了包含集成至热回收蒸汽发生器中的熔融碳酸盐燃料电池堆的屏的透视图。

图6图示了与屏内多个熔融碳酸盐燃料电池堆连接的阳极歧管的布置。

图7图示了包含集成至热回收蒸汽发生器中的熔融碳酸盐燃料电池堆的屏的顶视图。

图8图示了包含集成至热回收蒸汽发生器中的熔融碳酸盐燃料电池堆的多行屏的顶视图。

实施方案详述

综述