[发明专利]集成的加氢甲烷化燃料电池发电

说明书

技术领域

本发明涉及通过催化加氢甲烷化技术与燃料电池技术的集成由某些非气态含碳原料产生电力的工艺和装置。

发明背景

燃料电池因其无需直接燃烧即可通过氢气和其它燃料源的电化学转化直接且可能高效地产生电力而倍受关注。

在典型的燃料电池中，含氧气体(如空气)从电池的阴极侧进入燃料电池中。在阴极处，空气中的氧气转化(还原)为氧离子，并穿过电解质(通常为陶瓷膜)到达阳极。在阳极侧，燃料被电化学氧化产生热能和电能。

在氢燃料电池中，例如，氢气氧化为水(蒸汽)。在烃基燃料电池中，烃(如甲烷)氧化为二氧化碳和水。

这类燃料电池的一个问题是氧化反应是高度放热的，而有效利用这种产生的热量的能力(或无能力)则直接关系到燃料电池工艺的整体效率。

对于这种过量的热能，一种建议的应用包括将混合的氢气/甲烷燃料流进料到燃料电池中。氢气氧化是优先的反应，并且所产生的热量至少部分导致甲烷重整(借助蒸汽)为氢气和一氧化碳(该反应是高度吸热的)。然后由重整反应得到的氢气(和一氧化碳)至少部分作为所述氢燃料电池转化的一部分而消耗掉。

使用甲烷/氢气共进料流的一个问题是可能会产生具有较高燃烧值的废气(包含大量的甲烷、氢气和一氧化碳)。该废气可以燃烧产生热值(例如产生蒸汽和电力)，但这是一种相对低效的用途。

此外，氢气和甲烷两者都是具有大量其它用途的增值气体。通过混合分别产生的氢气和甲烷流可以生成适用于燃料电池的进料流，但这是没有效率的。因此，仍然需要适用于燃料电池使用的低成本进料流。

考虑到各种因素例如较高的能量价格和环保意识，由具有较低燃烧值的含碳原料，例如石油焦、煤炭和生物质，产生增值的气体产物(如氢气和甲烷)受到重新关注。这类材料在催化剂源和蒸汽存在下和升高的温度和压力下催化气化(加氢甲烷化)以产生甲烷、氢气和其它增值气体已经公开在，例如，US3828474, US3998607, US4057512, US4092125, US4094650, US4204843, US4468231, US4500323, US4541841, US4551155, US4558027, US4606105, US4617027, US4609456, US5017282, US5055181, US6187465, US6790430, US6894183, US6955695, US2003/0167961A1, US2006/0265953A1, US2007/0000177A1, US2007/0083072A1, US2007/0277437A1, US2009/0048476A1, US2009/0090056A1, US2009/0090055A1, US2009/0165383A1, US2009/0166588A1, US2009/0165379A1, US2009/0170968A1, US2009/0165380A1, US2009/0165381A1, US2009/0165361A1, US2009/0165382A1, US2009/0169449A1, US2009/0169448A1, US2009/0165376A1, US2009/0165384A1, US2009/0217582A1, US2009/0220406A1, US2009/0217590A1, US2009/0217586A1, US2009/0217588A1, US2009/0218424A1, US2009/0217589A1, US2009/0217575A1, US2009/0229182A1, US2009/0217587A1, US2009/0246120A1, US2009/0259080A1, US2009/0260287A1, US2009/0324458A1, US2009/0324459A1, US2009/0324460A1, US2009/0324461A1, US2009/0324462A1和GB1599932中。

碳源加氢甲烷化形成甲烷通常包括四个单独的反应：

碳蒸汽转化：C + H₂O → CO + H₂      (I)

水煤气变换：CO + H₂O → H₂ + CO₂   (II)