使用燃料電池的綜合發電和化學生產制造技術

在各種方面中，提供在提高的功率密度下運行熔融碳酸鹽燃料電池組件的系統和方法。這可以部分通過以集成方式在燃料電池堆內進行有效量的吸熱反應實現。這可以在仍保持燃料電池組件內的所需溫度差的同時提高功率密度。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】使用燃料電池的綜合發電和化學生產專利
在各種方面中，本專利技術涉及與使用熔融碳酸鹽燃料電池的電力生產集成的化學生產和/或發電工藝。專利技術背景熔融碳酸鹽燃料電池利用氫氣和/或其它燃料發電。可通過在燃料電池上游或燃料電池內的蒸汽重整器中重整甲烷或其它可重整燃料來提供氫氣。可重整燃料可包括可以在升高的溫度和/或壓力下與蒸汽和/或氧反應產生含氫氣的氣態產物的烴質材料。或者或另外，燃料可以在熔融碳酸鹽燃料電池的陽極池中重整，可運行所述燃料電池以創造適合在陽極中重整燃料的條件。或者或另外，可以在燃料電池的外部和內部進行重整。傳統上，運行熔融碳酸鹽燃料電池以使每單位燃料輸入的發電量最大化，這可以被稱作燃料電池的電效率。這種最大化可基于獨自或與另一發電系統結合的燃料電池。為了實現提高的發電量和管理發熱，燃料電池內的燃料利用率通常保持在70％至75％。美國公開專利申請2011/0111315描述了一種在陽極入口料流中存在顯著氫氣含量的運行燃料電池系統的系統和方法。’315公開中的技術涉及在陽極入口提供足夠的燃料以在燃料接近陽極出口時仍有足夠的燃料用于氧化反應。為了確保足夠的燃料，’315公開提供了具有高H2濃度的燃料。氧化反應中未用到的H2再循環到陽極以用于下一程。按單程計，H2利用率可以為10％至30％。文獻’315沒有描述陽極內的顯著重整，而是主要依靠外部重整。美國公開專利申請2005/0123810描述了一種用于氫氣和電能聯產的系統和方法。該聯產系統包含燃料電池和構造成接收陽極排氣料流并分離氫氣的分離單元。一部分陽極排氣也再循環到陽極入口。’810公開中給出的運行范圍看起來基于固體氧化物燃料電池。熔融碳酸鹽燃料電池被描述為替代物。美國公開專利申請2003/0008183描述了一種用于氫氣和電力聯產的系統和方法。作為用于將烴型燃料轉化成氫氣的化學轉化器的通用類型提到燃料電池。該燃料電池系統還包括外部重整器和高溫燃料電池。描述了該燃料電池系統的一個實施方案，其具有大約45％的電效率和大約25％的化學生產率，導致系統聯產效率為大約70％。‘183公開看起來沒有描述獨立于該系統的燃料電池的電效率。美國專利5,084,362描述了一種將燃料電池與氣化系統集成以便可使用煤氣作為燃料電池陽極的燃料源的系統。使用燃料電池生成的氫氣作為用于由煤氣(或其它煤)進料生成甲烷的氣化器的進料。然后使用來自氣化器的甲烷作為燃料電池的至少一部分輸入燃料。由此，燃料電池生成的至少一部分氫氣以氣化器生成的甲烷的形式間接再循環到燃料電池陽極入口。JournalofFuelCellScienceandTechnology中的一篇文章(G.Manzolini等人,J.FuelCellSci.andTech.,第9卷，2012年2月)描述了一種將燃燒發電機與熔融碳酸鹽燃料電池組合的發電系統。描述了燃料電池的各種布置和運行參數。來自燃燒發電機的燃燒輸出部分地用作燃料電池陰極的輸入。Manzolini文章中的模擬的一個目標是使用MCFC從發電機的廢氣中分離CO2。Manzolini文章中描述的模擬確立了660℃的最大出口溫度并指出入口溫度必須足夠更冷以慮及經過燃料電池的升溫。基礎模型實例中MCFC燃料電池的電效率(即發電量/燃料輸入)為50％。針對CO2捕捉優化的試驗模型實例中的電效率也是50％。Desideri等人的文章(Intl.J.ofHydrogenEnergy,Vol.37,2012)描述了使用燃料電池分離CO2的發電系統的性能的建模方法。利用陽極排氣再循環到陽極入口和陰極排氣再循環到陰極入口來改進燃料電池的性能。模型參數描述了50.3％的MCFC電效率。專利技術概述一方面，提供了一種運行熔融碳酸鹽燃料電池的方法。該方法包括將包含可重整燃料的燃料料流引入熔融碳酸鹽燃料電池的陽極入口；將包含CO2和O2的陰極入口料流引入燃料電池的陰極入口；在第一運行條件下運行燃料電池以生成電力和至少100mW/cm2的廢熱，第一運行條件提供至少大約150mA/cm2的電流密度；和進行有效量的吸熱反應以保持大約80℃或更低，如大約60℃或更低的在陽極入口與陽極出口之間的溫度差。另一方面，提供了一種運行熔融碳酸鹽燃料電池組件的方法。該方法包括將包含可重整燃料的燃料料流引入熔融碳酸鹽燃料電池的陽極入口；將包含CO2和O2的陰極入口料流引入燃料電池的陰極入口；在第一運行條件下運行燃料電池以生成電力，第一運行條件提供至少大約150mA/cm2的電流密度，第一運行條件具有相應的基線運行條件；和進行有效量的吸熱反應以保持大約80℃或更低，如大約60℃或更低的在陽極入口與陽極出口之間的溫度差，其中在基線運行條件下運行燃料電池會導致在陽極入口與陽極出口之間至少大約100℃的升溫，所述燃料電池組件的基線運行條件被定義為除基線運行條件包括大約75％的燃料利用率且基線運行條件中的燃料料流包含至少大約80體積％的甲烷外與第一運行條件相同的運行條件。再一方面，提供了一種運行熔融碳酸鹽燃料電池的方法。該方法包括將包含可重整燃料的燃料料流引入熔融碳酸鹽燃料電池的陽極入口；將包含CO2和O2的陰極入口料流引入燃料電池的陰極入口；在第一運行條件下運行燃料電池以生成在第一功率密度下的電力和廢熱，第一運行條件包括第一陽極入口溫度、第一陽極入口流速、第一陽極燃料分壓、第一陽極水分壓、第一陰極入口流速、第一陰極CO2分壓和第一陰極O2分壓，第一運行條件具有相應的最大功率運行條件；和進行有效量的吸熱反應以保持大約80℃或更低，如大約60℃或更低的在陽極入口與陽極出口之間的溫度差，其中在最大功率運行條件下運行燃料電池組件會產生與第一功率密度相差小于大約20％的功率密度，最大功率運行條件相當于這樣的運行條件：對于包括第一陽極入口溫度、第一陽極入口流速、第一陽極燃料分壓、第一陽極水分壓、第一陰極入口流速、第一陰極CO2分壓和第一陰極O2分壓的運行條件而言生成最大功率密度。本申請與另外21個共同待審的PCT申請有關，它們在同一日期與其一起提交并通過下列代理人案號和名稱標識：名稱為“IntegratedPowerGenerationandCarbonCaptureusingFuelCells”的2013EM104-WO；名稱為“IntegratedPowerGenerationandCarbonCaptureusingFuelCells”的2013EM107-WO；名稱為“IntegratedPowerGenerationandCarbonCaptureusingFuelCells”的2013EM108-WO；名稱為“IntegratedPowerGenerationandCarbonCaptureusingFuelCells”的2013EM109-WO；名稱為“IntegratedPowerGenerationandChemicalProductionusingFuelCells”的2013EM272-WO；名稱為“IntegratedPowerGenerationandChemicalProductionusingFuelCellsataReducedElectricalEfficiency”的2013EM2本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種運行熔融碳酸鹽燃料電池的方法，所述方法包括：將包含可重整燃料的陽極燃料料流引入熔融碳酸鹽燃料電池的陽極的陽極入口；將包含CO2和O2的陰極入口料流引入熔融碳酸鹽燃料電池的陰極的陰極入口；在第一運行條件下運行熔融碳酸鹽燃料電池以生成電力和至少30mW/cm2的廢熱，第一運行條件提供至少大約150mA/cm2的電流密度；從熔融碳酸鹽燃料電池的陽極出口生成陽極排氣；和進行有效量的吸熱反應以保持大約100℃或更低的在陽極入口與陽極出口之間的溫度差。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2013.03.15 US 61/787,587;2013.03.15 US 61/787,697;1.一種運行熔融碳酸鹽燃料電池的方法，所述方法包括：將包含可重整燃料的陽極燃料料流引入熔融碳酸鹽燃料電池的陽極的陽極入口；將包含CO2和O2的陰極入口料流引入熔融碳酸鹽燃料電池的陰極的陰極入口；在第一運行條件下運行熔融碳酸鹽燃料電池以生成電力，第一運行條件提供至少200mA/cm2的電流密度，第一運行條件具有相應的基線運行條件；從熔融碳酸鹽燃料電池的陽極出口生成陽極排氣；和進行有效量的吸熱反應以保持80℃或更低的在陽極入口與陽極出口之間的溫度差，其中在基線運行條件下運行熔融碳酸鹽燃料電池會導致在陽極入口與陽極出口之間至少100℃的升溫，所述熔融碳酸鹽燃料電池的基線運行條件被定義為除基線運行條件包括75％的熔融碳酸鹽燃料電池的陽極的燃料利用率且基線運行條件中的陽極燃料料流包含至少80體積％的甲烷外與第一運行條件相同的運行條件。2.上述權利要求1的方法，其進一步包括從熔融碳酸鹽燃料電池中取出包含一種或多種通過進行有效量的吸熱反應生成的反應產物的產物料流。3.權利要求2的方法，其中從熔融碳酸鹽燃料電池中取出所述產物料流，沒有經過熔融碳酸鹽燃料電池的陽極。4.上述權利要求1的方法，其中所述熔融碳酸鹽燃料電池進一步包含一個或多個集成的吸熱反應段。5.權利要求4的方法，其中所述一個或多個集成的吸熱反應段的至少一個集成的吸熱反應段包含集成重整段，其中陽極燃料料流在引入熔融碳酸鹽燃料電池的陽極的陽極入口之前經過所述集成重整段。6.權利要求4或5的方法，其中進行有效量的吸熱反...

【專利技術屬性】
技術研發人員：P·J·貝洛維茨，T·A·巴爾克霍爾茲，F·赫什科維茨，
申請(專利權)人：埃克森美孚研究工程公司，
類型：發明
國別省市：美國;US