具有碳捕获和提高的效率的固体氧化物燃料电池系统的制作方法

背景技术：

1、本申请总体上涉及固体氧化物燃料电池(sofc)系统领域，并且更具体地涉及具有高纯度二氧化碳(co2)排气流以促进碳捕获的sofc系统。

2、通常，燃料电池包含一起驱动化学反应以发电的阳极、阴极和电解质层。具体地，sofc是一种固体电化学电池，所述固体电化学电池包括夹置在多孔阳极与多孔阴极之间的固体不透气的电解质。氧气通过阴极传输到阴极/电解质界面，在所述阴极/电解质界面中，氧气被还原为氧离子，所述氧离子通过电解质迁移到阳极。在阳极处，离子氧与如氢或甲烷等燃料反应并释放电子。电子通过外部电路行进返回到阴极以产生电力。

3、阳极排气可以包含蒸汽、氢、一氧化碳和二氧化碳的混合物，产生所述阳极排气作为燃料电池阳极的副产物。阳极排气含有如氢气和一氧化碳等有用的副产物气体，其可以输出作为用于其它用途的合成气，如用于燃料电池的燃料或用于其它化学反应的进料。此外，所述排气中的co2和水也可以输出用于隔绝或另外的下游处理。然而，为了制备适于此类用途的阳极排气，必须将阳极排气中存在的co2与剩余的副产物气体分离。

4、因此，提供一种sofc系统将是有利的，所述sofc系统递送富含co2的排气流以能够实现容易的碳捕获，而不会损害系统效率或导致过度的操作成本。

技术实现思路

1、本公开的一方面涉及一种燃料电池系统。所述系统包含燃料电池模块，所述燃料电池模块具有入口和出口，所述燃料电池模块被配置成在所述入口处接收包括气态燃料的燃料流并从所述出口排出经消耗燃料流。所述系统进一步包含排气处理模块，所述排气处理模块与所述燃料电池模块流体连通。所述排气处理模块相对于所述燃料电池模块被安置成使得来自所述燃料电池模块的废热能由所述排气处理模块使用。所述系统被配置成将所述经消耗燃料流的第一部分引导到所述排气处理模块，其中所述经消耗燃料流包含经消耗燃料和至少一种包含氧气和二氧化碳的气态副产物。所述排气处理模块被配置成使用来自所述燃料电池模块的所述废热使所述经消耗燃料流的所述第一部分经历共电解以产生富含燃料的料流。所述系统被配置成将所述富含燃料的料流引导到所述燃料电池模块的所述入口。

2、在各个实施例中，所述系统进一步包含控制器，所述控制器被配置成基于所述经消耗燃料流的成分来操作所述燃料电池模块或所述排气处理模块中的至少一者。在一些实施例中，所述燃料电池模块包含至少一个固体氧化物燃料电池。在其它实施例中，所述排气处理模块包含至少一个固体氧化物电解堆叠。在又其它实施例中，所述排气处理模块容纳在所述燃料电池模块内。在各个实施例中，所述燃料电池模块包含多个燃料电池堆叠，其中所述多个所述燃料电池堆叠的第一子集是固体氧化物燃料电池，并且其中所述多个所述燃料电池堆叠的第二子集是固体氧化物电解堆叠。在一些实施例中，所述排气处理模块于所述燃料电池模块分离。在其它实施例中，所述排气处理模块包含并联电连接的多个支路，所述多个支路中的每个支路具有至少一个固体氧化物电解堆叠，并且每个固体氧化物电解堆叠包含多个固体氧化物电解池。

3、在各个实施例中，所述系统进一步包含后燃器，所述后燃器与所述燃料电池模块流体连通并安置在所述出口下游。在一些实施例中，所述后燃器被配置成接收所述经消耗燃料流的第二部分，并通过使所述第二部分内的未反应的燃料反应来产生第一排气流。在其它实施例中，所述排气处理模块被配置成在出口料流中排出在所述第一部分的共电解期间产生的氧气。在又其它实施例中，所述系统被配置成将所述出口料流引导到所述后燃器，其中来自所述第一出口料流的氧气促进包含于所述第一部分内的所述未反应的燃料的燃烧。在各个实施例中，所述后燃器被配置成排出由二氧化碳组成的第二排气流。在一些实施例中，所述排气处理模块被配置成向所述燃料电池模块提供还原气体。在其它实施例中，所述排气处理模块被配置成在所述燃料电池系统的关机事件期间提供所述还原气体。

4、本公开的另一方面涉及一种操作燃料电池系统的方法。所述方法包含由燃料电池模块从出口排出经消耗燃料流，所述燃料电池模块被配置成在入口处接收气态燃料。所述方法进一步包含由排气处理模块接收所述经消耗燃料流的第一部分，所述第一部分包括经消耗燃料和至少一种包含二氧化碳和氧气的气态副产物。所述方法还包含由所述排气处理模块通过使用来自所述燃料电池模块的废热使所述经消耗燃料流的所述第一部分经历共电解来从所述第一部分中产生富含燃料的料流。所述方法进一步包含由所述燃料电池系统将由所述排气处理模块产生的所述富含燃料的料流引导到所述燃料电池模块。

5、在一些实施例中，所述方法还包含由与所述燃料电池模块流体连通的后燃器接收所述经消耗燃料流的第二部分；以及由所述后燃器通过使所述第二部分内的未反应的燃料反应来产生第一排气流。在各个实施例中，所述方法还包含由与所述排气处理模块流体连通的水分离单元从所述富含燃料的料流的至少一部分中去除水。在其它实施例中，所述方法进一步包含由与所述燃料电池系统通信的控制器基于所述经消耗燃料流的成分来操作所述燃料电池模块或所述排气处理模块中的至少一者。在又其它实施例中，所述控制器被配置成基于所述燃料电池系统内的气态燃料的成分来调节所述燃料电池系统的至少一个操作条件。

技术特征：

1.一种燃料电池系统，其包括：

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其进一步包括控制器，所述控制器被配置成基于所述经消耗燃料流的成分来操作所述燃料电池模块或所述排气处理模块中的至少一者。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池模块包括至少一个固体氧化物燃料电池。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中所述排气处理模块包括至少一个固体氧化物电解堆叠。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中所述排气处理模块容纳在所述燃料电池模块内。

6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池模块包括多个燃料电池堆叠，其中所述多个所述燃料电池堆叠的第一子集是固体氧化物燃料电池，并且其中所述多个所述燃料电池堆叠的第二子集是固体氧化物电解堆叠。

7.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中所述排气处理模块与所述燃料电池模块分离。

8.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中所述排气处理模块包括并联电连接的多个支路，所述多个支路中的每个支路包括至少一个固体氧化物电解堆叠，并且每个固体氧化物电解堆叠包括多个固体氧化物电解池。

9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其进一步包括后燃器，所述后燃器与所述燃料电池模块流体连通并安置在所述出口下游。

10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其中所述后燃器被配置成接收所述经消耗燃料流的第二部分，并通过使所述第二部分内的未反应的燃料反应来产生第一排气流。

11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述排气处理模块被配置成在出口料流中排出在所述第一部分的共电解期间产生的氧气。

12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池系统被配置成将所述出口料流引导到所述后燃器，并且其中来自所述第一出口料流的氧气促进包含于所述第一部分内的所述未反应的燃料的燃烧。

13.根据权利要求12所述的燃料电池系统，其中所述后燃器被配置成排出由二氧化碳组成的第二排气流。

14.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述排气处理模块被配置成向所述燃料电池模块提供还原气体。

15.根据权利要求14所述的燃料电池系统，其中所述排气处理模块被配置成在所述燃料电池系统的关机事件期间提供所述还原气体。

16.一种操作燃料电池系统的方法，所述方法包括：

17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括：

18.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括：

19.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括：

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述控制器被配置成基于所述燃料电池系统内的气态燃料的成分来调节所述燃料电池系统的至少一个操作条件。

技术总结
一种燃料电池系统包含燃料电池模块，所述燃料电池模块具有入口和出口。所述燃料电池模块接收包含气态燃料的燃料流并排出经消耗燃料流。所述系统还包含排气处理模块，所述排气处理模块相对于所述燃料电池模块被安置成使得来自所述燃料电池模块的废热可由所述排气处理模块使用。所述系统被配置成将所述经消耗燃料流的第一部分引导到所述排气处理模块，其中所述经消耗燃料流包含经消耗燃料和至少一种包含氧气和二氧化碳的气态副产物。所述排气处理模块使用来自所述燃料电池模块的所述废热使所述经消耗燃料流的所述第一部分经历共电解以产生富含燃料的料流。所述系统被配置成将所述富含燃料的料流引导到所述燃料电池模块的所述入口。

技术研发人员：C·C·布朗
受保护的技术使用者：维萨电力系统有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14