[发明专利]用于燃料电池系统的烟气污染物的原位监测

说明书

一种发电系统，包括：燃料电池分离系统，其配置成接收烟气并从其产生电能；烟气抛光系统，其位于燃料电池分离系统的上游并配置成除去烟气中的污染物；烟气分析仪，其配置成实时测量烟气中污染物的量；以及工厂控制系统，其可操作地联接至烟气抛光系统、烟气分析仪和燃料电池分离系统并配置成调节烟气抛光系统的操作参数。

相关专利申请的交叉引用

本申请是于2016年4月22日提交的美国临时专利申请号62/326,505的国际专利申请，其公开内容通过引用整体并入本文。

背景技术

本公开涉及燃料电池发电系统。更具体地，本公开涉及用于燃料电池系统的烟气污染物的原位监测。

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换成电能的装置。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。燃料电池可包括熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，其通过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。基于燃烧的发电厂通过燃烧易燃烃基燃料(包括煤、天然气、生物质、沼气和合成气)来产生能量。

作为燃烧过程的结果，基于燃烧的发电厂产生烟气，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基于燃烧的发电厂的二氧化碳排放。然而，由于应用二氧化碳捕获系统导致的能量(电能和/或热量)的显著损失，从燃烧后烟气中分离二氧化碳可能不具有成本效益。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包括在废气中的二氧化碳。

在一些情况下，提供给燃料电池(例如MCFC)的烟气可包括可能损坏燃料电池的污染物。例如，煤衍生烟气中的某些污染物对MCFC造成的风险最大。通常对煤衍生的烟气进行深度抛光，即清洁以除去这些污染物。感兴趣的污染物包括硫氧化物、含硒物质(以及类似的铍物质)、颗粒物、汞物质(例如Hg、HgO、HgCl₂)和卤素(例如Cl、F1、Br、I)物质。天然气衍生的烟气可含有显著低于煤的污染物水平，但仍可能包括足以损害下游燃料电池的大量SOx物质(例如SO₂和SO₃)。

提供用于监测克服上述挑战的燃料电池系统的烟气中污染物的水平的改进系统和方法将是有利的。这些和其它有利特征对于审阅本公开的人员将是显而易见的。

发明内容

本文描述的实施方式一般涉及用于监测提供给燃料电池的烟气中污染物的水平的系统和方法，并且特别涉及用于测量烟气中污染物的量并基于污染物的量来调节烟气抛光系统和/或燃料电池的操作参数的系统和方法。

在一些实施方式中，发电系统包含燃料电池分离系统，其配置成接收烟气并从其产生电能。燃料电池分离系统包括燃料电池，该燃料电池包含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，该废气包括二氧化碳、氢气、一氧化碳和其它气体。烟气抛光系统位于燃料电池组件的上游并配置成除去烟气中包括的污染物。烟气分析仪配置成实时测量烟气抛光系统下游及其上游中至少一个的烟气中包括的污染物的量。工厂控制系统可操作地联接至烟气抛光系统、烟气分析仪和燃料电池。工厂控制系统配置成基于由烟气分析仪确定的抛光烟气中包括的污染物的量来调节烟气抛光系统和任选的燃料电池的操作参数。

在一些实施方式中，响应于烟气中污染物的水平超过预定阈值，工厂控制系统配置成采取至少一个校正动作以便保护包括在接收烟气的燃料电池分离系统中的燃料电池。

在一些实施方式中，燃料电池是内部重整MCFC，而在其它实施方式中，燃料电池是外部重整MCFC。