[发明专利]以提高的CO2利用率操作的燃料电池的重整催化剂图案

说明书

提供了一种当以提高的COsubgt;2/subgt;利用率操作熔融碳酸盐燃料电池堆时可以减小或最小化所述燃料电池堆内的温差的用于所述燃料电池堆的重整元件和对应的方法。所述重整元件可以包含至少一个表面，其中重整催化剂沉积在所述表面上。所述至少一个表面的第一部分上的最小重整催化剂密度和/或活性与最大重整催化剂密度和/或活性之间的差异可以是20％到75％，其中最高催化剂密度和/或活性接近所述燃料电池堆的与阳极入口和阴极入口中的至少一个相对应的一侧。

技术领域

提供了用于当以低CO₂含量阴极输入料流操作时针对提高的CO₂利用率操作熔融碳酸盐燃料电池堆的系统和方法。燃料电池组合件可以包含内部重整组合件，所述内部重整组合件具有降低或最小化燃料电池内的温度梯度的重整催化剂分布。

背景技术

本申请公开并要求保护作为埃克森美孚研究与工程公司(ExxonMobil Researchand Engineering Company)与燃料电池能源公司(FuelCell Energy,Inc.)之间的联合研究协议的范围内的活动成果的主题，所述联合研究协议在本申请的有效申请日或之前生效。

熔融碳酸盐燃料电池利用氢气和/或其它燃料来产生电力。可以通过在蒸汽重整器(如位于燃料电池上游或集成在燃料电池内的蒸汽重整器)中对甲烷或其它可重整燃料进行重整来提供氢气。还可以在熔融碳酸盐燃料电池中的阳极池中对燃料进行重整，可以操作所述阳极池以产生适于在阳极中对燃料进行重整的条件。还有一种选择是在燃料电池的外部和内部均进行一定重整。可重整燃料可以涵盖含烃材料，所述含烃材料可以在高温和/或高压下与蒸汽和/或氧气反应以产生包括氢气的气态产物。

熔融碳酸盐燃料电池的吸引人的特征之一是能够将CO₂从低浓度料流(如阴极输入料流)传输到更高浓度料流(如阳极输出流)。在操作期间，MCFC阴极中的CO₂和O₂转化为碳酸根离子(CO₃^2-)，所述碳酸根离子然后作为电荷载体跨熔融碳酸盐电解质传输。碳酸根离子与燃料电池阳极中的H₂反应形成H₂O和CO₂。因此，操作MCFC的净结果之一是CO₂跨电解质的传输。CO₂跨电解质的这种传输可以允许MCFC产生电力，同时降低或最小化从各种含CO_x的料流中隔离碳氧化物的成本和/或挑战。当MCFC与燃烧来源(如天然气发电厂)配对时，这可以允许额外发电，同时减少或最小化发电产生的总CO₂排放。

对于具有位于燃料电池堆内的内部重整区段的燃料电池组合件，各种类型的催化剂分布是已知的。例如，美国专利8,822,090描述了一种重整催化剂图案和对应的流程图。催化剂图案和流程图被描述为部分地通过使另外的重整在燃料电池堆的中心附近发生来提供改善的温度分布。

美国专利申请公开2015/0093665描述了用于操作熔融碳酸盐燃料电池的方法，其中在阴极中进行一些燃烧以提供补充热量以便在燃料电池阳极内进行另外的重整(和/或其它吸热反应)。所述公开指出，随着CO₂浓度降至约1.0摩尔％以下，由碳酸盐燃料电池产生的电压和/或功率会开始迅速下降。所述公开进一步陈述，随着CO₂浓度进一步下降，例如下降到低于约0.3vol％，在某一时刻，燃料电池两端的电压可能变得足够低，以致碳酸盐的进一步传输很少或不会发生碳酸盐的进一步传输，并且燃料电池停止工作。

发明内容