[发明专利]燃料电池系统及操作方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池系统和操作燃料电池的方法。具体地说，本发明涉及操作熔融碳酸盐燃料电池系统的系统和方法。

背景技术

熔融碳酸盐燃料电池将化学能转化为电能。熔融碳酸盐燃料电池有用的，是因为其递送高质量可靠的电功率、操作清洁且为相对紧凑的发电机。这些特征使得熔融碳酸盐燃料电池作为电源在电力供应源受到限制的城市区域、船舶或偏远区域中的使用颇具吸引力。

熔融碳酸盐燃料电池由阳极、阴极和夹在所述阳极与阴极之间的电解质层形成。所述电解质包含可悬浮于多孔、绝缘且化学惰性的基质中的碱金属碳酸盐、碱土金属碳酸盐、熔融碱金属碳酸盐或其混合物。将可氧化的燃料气体或可在燃料电池中重整为可氧化的燃料气体的气体输送至所述阳极。被输送至所述阳极的可氧化的燃料气体通常为合成气——可氧化的组分、分子氢、二氧化碳和一氧化碳的混合物。可将含氧化剂的气体(通常为空气和二氧化碳)输送至阴极以提供产生碳酸根阴离子的化学反应物。在所述燃料电池的操作过程中，不断更新所述碳酸根阴离子。

在高温(通常为550℃至700℃)下操作熔融碳酸盐燃料电池，以使含氧化剂的体中的氧与二氧化碳反应以产生碳酸根阴离子。所述碳酸根阴离子跨越电解质以在阳极处与来自燃料气体的氢和/或一氧化碳反应。通过氧与二氧化碳在阴极处转化为碳酸根离子以及碳酸根离子与氢和/或一氧化碳在阳极处的化学反应产生电功率。以下反应描述不存在一氧化碳时电池中的电电化学反应：

阴极电荷传递：CO₂+0.5O₂+2e^-→CO₃^＝

阳极电荷传递：CO₃^＝+H₂→H₂O+CO₂+2e^-和

总反应：H₂+0.5O₂→H₂O

如果一氧化碳存在于所述燃料气体中，则以下化学反应描述所述电池中的电化学反应。

阴极电荷传递：CO₂+O₂+4e^-→2CO₃^＝

阳极电荷传递：CO₃^＝+H₂→H₂O+CO₂+2e^-和

CO₃^＝+CO→2CO₂+2e^-

总反应：H₂+CO+O₂→H₂O+CO₂

电负载或储存装置可连接于所述阳极与所述阴极之间以允许电流在所述阳极与阴极之间流动。所述电流给所述电负载供电或将向所述储存装置提供电功率。

通常通过蒸汽重整器将燃料气体供应至阳极，所述重整器将低分子量烃与蒸汽重整为氢和碳氧化物。例如，天然气中的甲烷是用于产生用于所述燃料电池的燃料气体的一种优选的低分子量烃。可选择地，所述燃料电池阳极可被设计为在内部实现对供应至所述燃料电池的阳极的低分子量烃(例如甲烷)与蒸汽的蒸汽重整反应。

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：通常，所述蒸汽重整反应在对大量甲烷与蒸汽转化为氢和一氧化碳有效的温度下进行。可在蒸汽重整器中通过蒸汽与一氧化碳经水煤气转移反应：转化为氢和二氧化碳来实现进一步的氢产生。

然而，在用于将燃料气体供应至熔融碳酸盐燃料电池的传统操作的蒸汽重整器中，极少量氢由所述水煤气转移反应产生，这是因为所述蒸汽重整器于能量上有利于通过蒸汽重整反应产生一氧化碳和氢的温度下操作。在此温度下操作不利于通过水煤气转移反应产生二氧化碳和氢。

由于一氧化碳可在所述燃料电池中被氧化以提供电能而二氧化碳则不能，因此在有利于烃和蒸汽重组为氢和一氧化碳的温度下进行所述重整反应通常被认为是提供用于所述燃料电池的燃料的优选方法。因此，通常通过在外部或内部蒸汽重组而供应至阳极的所述燃料气体含有氢、一氧化碳和少量二氧化碳、未反应的甲烷和作为蒸汽的水。