[发明专利]具有二氧化碳捕集组件的高效燃料电池系统及其方法

说明书

本申请公开了一种高效燃料电池系统，所述高效燃料电池系统包括：顶部燃料电池组件，其包括顶部阴极部分和顶部阳极部分；底部燃料电池组件，其包括底部阴极部分和底部阳极部分，其中所述底部阳极部分接收从所述顶部阳极部分输出的阳极排气；以及分离组件，其被配置成接收含二氧化碳的排气并且从所述含二氧化碳的排气中分离二氧化碳；其中所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的至少一个接收从烟道气产生装置输出的烟道气的至少一部分，并且其中与所述底部燃料电池组件相比，所述顶部燃料电池组件具有数量更多的燃料电池，使得所述顶部燃料电池组件利用比所述底部燃料电池组件更多的燃料。

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2015年6月5日提交的美国专利申请号14/732,032的权益和优先权，所述专利申请的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

背景技术

本申请涉及燃料电池动力产生系统，并且具体地涉及具有二氧化碳捕集能力的多堆式高效燃料电池系统及其操作方法。本申请的系统可以与任何类型的燃料电池一起使用，并且特别是与熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池一起使用。

根据IEA(国际能源机构)的声明，世界能源消耗正在增长，其中平均能源使用量每年增长约1.1％，直到2040年为止。目前，超过85％的能源是由化石燃料供应的。用于电力、运输和供热的化石燃料需要燃烧，从而导致将二氧化碳排放到地球大气中。自从人类开始使用化石燃料以来，大气中的二氧化碳浓度已经几乎翻了一番，并且大气中二氧化碳浓度的增加被认为是全球变暖趋势的主要原因。实际上，全世界将在2040年时使大气中的二氧化碳总量增加20％，从而导致预计全球温度上升3.6摄氏度。化石燃料的可持续和高效的使用，以及已排放二氧化碳的捕集将有助于减缓地球大气中的二氧化碳浓度的增加。目前正在开发输出较低排放水平的燃料电池，作为常规的基于化石燃料的燃烧发电厂的产热和发电的替代方法。

燃料电池是通过电反应将储存在烃燃料中的化学能直接转换成电能的装置。通常，燃料电池包括通过电解质基板分离的阳极和阴极，所述电解质基板传导带电离子。为了产生有用的功率水平，串联堆叠多个单独燃料电池，其中导电分隔板位于每个电池之间。

在构建燃料电池系统中，将单独燃料电池堆叠在一起以形成燃料电池堆。燃料电池的数量确定燃料电池堆的额定功率。为了给系统提供更高的额定功率，利用许多燃料电池堆，并且组合燃料电池堆的输出以提供期望的功率输出。在某些燃料电池系统中，可以将一个或多个燃料电池堆组织在一个或多个燃料电池堆模块中，所述燃料电池堆模块中的每个包括封装在外壳或容纳结构中的一个或多个燃料电池堆。

多堆式燃料电池系统可以包括燃料电池堆模块，其中多个燃料电池堆封装在共同外壳内。在为高温燃料电池堆，并且特别是为熔融碳酸盐燃料电池堆开发的该设计的系统中，采用盒状容纳结构作为外壳，并且可以沿着容纳结构的长度布置燃料电池堆。燃料电池模块内的每个燃料电池堆可以具有：入口歧管，其用于接收操作燃料电池堆所需的燃料和氧化剂气体；以及出口歧管，其用于传送用过的燃料和氧化剂气体作为来自燃料电池堆的阳极排气和阴极排气。燃料电池模块的容纳结构包括：燃料和氧化剂气体入口端口，其通过管道与燃料电池堆的相应燃料和氧化剂气体入口歧管连通；以及燃料和氧化剂气体出口端口，其通过管道与氧化剂和燃料气体出口歧管连通。在转让给本文相同受让人的美国专利号8,962,210中描述了不需要入口歧管和出口歧管的容纳结构内的燃料电池堆的替代性布置。

在内部重整燃料电池中，重整催化剂被放置在燃料电池堆内以允许直接使用烃燃料诸如管线天然气、液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、生物气、含煤气的甲烷等，而不需要昂贵和复杂的外部重整设备。在内部重整器中，重整反应使用由燃料电池产生的水和热量，并且在燃料电池中使用通过重整反应产生的氢。通过燃料电池反应产生的热量为吸热重整反应提供热量。因此，使用内部重整以冷却燃料电池堆。