[发明专利]用于产生电力的基于燃料电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及产生电力的燃料电池系统，并且涉及用于产生电力的方法。特别地，本发明涉及产生电力的固体氧化物燃料电池系统和使用该系统产生电力的方法。

背景技术

固体氧化物燃料电池是由直接从电化学反应产生电力的固态元件组成的燃料电池。这种燃料电池的是有用的，因为其供给高质量的可靠的电力，操作清洁，并且是相对紧凑的发电装置，从而使其在城市地区的应用十分有吸引力。

固体氧化物燃料电池由阳极、阴极和夹在阳极与阴极之间的固体电解质形成。可氧化燃料气体或可在燃料电池中重整为可氧化燃料气体的气体被供应至阳极，含氧气体(通常为空气)被供应至阴极以提供化学反应物。供应至阳极的可氧化燃料气体通常为合成气(氢与一氧化碳的混合物)。燃料电池在通常为650℃至1100℃的高温下操作，以将含氧气体中的氧转化成氧离子，氧离子可以穿过电解质在阳极处与来自燃料气体的氢和/或一氧化碳相互作用。电力通过在阴极处氧转化为氧离子以及在阳极处氧离子与氢和/或一氧化碳的化学反应产生。以下反应描述了电池中产生电力的化学反应：

阴极电荷转移：O₂+4e^-→2O^＝

阳极电荷转移：H₂+O^＝→H₂O+2e^-及

              CO+O^＝→CO₂+2e^-

电负载或储存装置可以连接在阳极与阴极之间，以使得电流可以在阳极与阴极之间流动，从而为电负载供电或将电力提供给储存装置。

燃料气体通常由蒸汽重整反应器供应给阳极，蒸汽重整反应器将低分子量烃和蒸汽重整成氢和碳氧化物。甲烷(例如为天然气)是用来产生用于燃料电池的燃料气体的优选低分子量烃。替代地，燃料电池阳极可以设计为在内部使供应给燃料电池阳极的蒸汽与低分子量烃(诸如甲烷)实现蒸汽重整反应。

甲烷蒸汽重整根据以下反应提供含有氢和一氧化碳的燃料气体：由于形成氢和一氧化碳的反应是相当吸热的反应，因此必须供应热量以进行蒸汽重整反应。该反应通常在750℃至1100℃的温度下进行以将大量甲烷或其它烃和蒸汽转化成氢和一氧化碳。

用于在蒸汽重整反应器中引起甲烷蒸气重整反应的热量通常由燃烧器提供，所述燃烧器使含氧气体与燃料(通常为诸如天然气的烃类燃料)燃烧以提供所需热量。还利用无焰燃烧提供用于驱动蒸汽重整反应的热量，其中，还通过将烃燃料和含氧气体以避免引起有焰(flammable)燃烧的相对数量提供给无焰燃烧室来驱动无焰燃烧。由于由燃烧提供的大量热能未被捕获并且发生损失，因此这些用于提供驱动蒸汽重整反应所必需热量的方法在能量方面效率较低。

美国专利No.4,128,700公开了使蒸汽重整反应器和燃料电池热整合的系统和方法，其中，燃料电池提供热量以驱动重整反应器，重整反应器提供用于燃料电池的燃料气体。蒸汽重整反应器通过使来自燃料电池阳极的排气、大部分未反应氢和水燃烧进行加热，从而驱动重整反应和产生包括氢和一氧化碳的重整产物。重整产物被供应给燃料电池以用于该燃料电池中的电化学反应。通过使燃料电池阳极排气燃烧产生的热燃烧器气体具有足够高的温度以提供驱动重整反应器中的750℃-1100℃蒸汽重整反应的热量。该系统使重整反应器和燃料电池的操作热整合，然而，热整合的效率较低，因为1)大量由使燃料电池排气燃烧提供的热能未被捕获并且发生损失；和2)氢是用于驱动燃烧器的非常昂贵的燃料。