專利名稱：變換反應(yīng)膜式燃燒器/燃料電池結(jié)合體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方法，用于在水存在下將膜一側(cè)的CO在所述膜的所述一側(cè)轉(zhuǎn)化為CO2以及H2O，同時(shí)H2通過所述膜到達(dá)所述膜的另一側(cè)，并且所述氫氣在所述另一側(cè)與飼入所述另一側(cè)的氧氣燃燒。該反應(yīng)被稱為水煤氣變換反應(yīng)。
本發(fā)明的目的是將水煤氣變換反應(yīng)應(yīng)用于其他領(lǐng)域并提供相對(duì)濃縮的二氧化碳?xì)怏w流。由于該膜所述一側(cè)的進(jìn)料包括燃料電池的陽極廢氣，該目的得以通過如上所述的方法實(shí)現(xiàn)。如果該與氫氣燃燒的氧氣包括源自所述燃料電池的陰極氣體，則本發(fā)明的效果可進(jìn)一步得到提高。
就此而言，該氧氣或空氣或者可由變換反應(yīng)膜式燃燒器飼入至燃料電池或者可源自該燃料電池并被飼入至變換反應(yīng)膜式燃燒器中。
據(jù)指出，EP 1 033 769公開一種方法，其中陽極廢氣通過自熱反應(yīng)器被飼入至變換反應(yīng)膜式反應(yīng)器中。如汽油的燃料同樣加至該自熱反應(yīng)器中。氫氣通過膜式反應(yīng)器的膜，然而與本發(fā)明不同，該氫氣并不在該膜式變換反應(yīng)器中燃燒而是用于向后續(xù)元件進(jìn)料。也就是說，該膜式變換反應(yīng)器滲透側(cè)的產(chǎn)物為氫氣，而本發(fā)明的為水流。
依據(jù)本發(fā)明，本方法應(yīng)用于燃料電池、且更具體而言為固體氧化物燃料電池(SOFC)的廢氣。SOFC燃料電池的一個(gè)重要特征為，進(jìn)行含碳燃料的燃燒，但這不導(dǎo)致燃料與燃燒所需的空氣之中的氮?dú)饣旌?。特別是包含CO與H2的陽極廢氣在有水加入的情況下被飼入一個(gè)室中，而氫氣在另一個(gè)室中與陰極廢氣或另外一種含有氧氣的氣體燃燒，該陰極廢氣將由其中氧氣的百分含量有可能略微減少或者有可能根本不減少的空氣組成。
當(dāng)然，任何所需的催化劑都將在膜鄰近的相應(yīng)室中提供，或?qū)⑾蚰け旧砉┮匀魏伪仨毜拇呋瘎?。不同的需要與該裝置的工作溫度以及工作壓力有關(guān)。150-1400℃的溫度以及高至幾十個(gè)大氣壓的壓力都是可以的。
可通過允許源自變換反應(yīng)膜式燃燒器的相對(duì)熱的廢氣與來自變換反應(yīng)膜式燃燒器或來自燃料電池的進(jìn)氣進(jìn)行熱交換得到這樣的溫度。任選地，可單獨(dú)加熱氣體。該相對(duì)較高的溫度可如下獲得，通過來自變換反應(yīng)膜式燃燒器的廢氣中存在的能量驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)在另一側(cè)與壓縮機(jī)相連。視對(duì)如此得到的系統(tǒng)的要求而定，這種裝置可具有許多變體。例如，可相繼使用不同的變換反應(yīng)膜式燃燒器，所有的燃燒器都可或不與SOFC相結(jié)合，所采用的是普通的(燃?xì)?渦輪機(jī)?？墒褂眠@種渦輪機(jī)發(fā)電。
盡管上文已結(jié)合SOFC描述了本發(fā)明，但應(yīng)明白，任何其他的燃料電池都可與變換反應(yīng)膜式燃燒器相結(jié)合。這種燃料電池理所當(dāng)然地能夠發(fā)電。在其被儲(chǔ)藏和/或排放之前，該源自變換反應(yīng)膜式燃燒器的廢氣不僅可用于壓縮和/或加熱進(jìn)氣，還可用于產(chǎn)生能量如電力，或通過這些方法用于滿足加熱的需要。
應(yīng)用上述的方法，當(dāng)燃燒礦物燃料時(shí)可能獲得一方面主要含有水和空氣、另一方面含有其中碳主要以二氧化碳的形式存在的廢氣。該二氧化碳能夠例如被注入地下已枯竭的天然氣田中。
本發(fā)明還涉及如下系統(tǒng)，其含有SOFC燃料電池以及用于使CO及H2反應(yīng)的裝置，該裝置包括兩側(cè)分別被第一和第二室限定的氫氣可透過的膜，其中所述第一室配有CO及H2進(jìn)料裝置以及CO2及H2O排出裝置，所述第二室體現(xiàn)為燃燒室并配有氧氣進(jìn)料裝置以及排水裝置，其中所述SOFC電池的陽極輸出口與所述第一室相連而陰極輸出口與所述第二室相連。


下文將參照附圖中高度概略的說明性實(shí)施方案更為詳盡地解釋本發(fā)明。在附圖中圖1所示為SOFC與變換反應(yīng)膜式燃燒器結(jié)合體的基本實(shí)施方案；圖2所示為第二實(shí)施方案；圖3所示為第三實(shí)施方案；圖4所示為第四實(shí)施方案；圖5所示為第五實(shí)施方案；圖6所示為本發(fā)明的進(jìn)一步變體；以及圖7所示為圖4的變體。
具體實(shí)施例方式
圖1中本發(fā)明系統(tǒng)的基本實(shí)施方案用1標(biāo)示。其由用2標(biāo)示的SOFC以及用3標(biāo)示的變換反應(yīng)膜式燃燒器組成。該SOFC具有陽極側(cè)4以及陰極側(cè)5，其間以未更詳細(xì)地圖示的膜分隔。燃料如天然氣被進(jìn)至陽極側(cè)；氧氣，例如以空氣的形式，被進(jìn)至陰極側(cè)。該(含碳的)燃料在陽極側(cè)被部分消耗，同時(shí)氧氣為過量存在。所用的燃料可與水(蒸氣)或與經(jīng)循環(huán)的陽極廢氣或來自變換反應(yīng)膜式燃燒器的廢氣混合，并任選地在進(jìn)入燃料電池之前/之時(shí)飼經(jīng)轉(zhuǎn)化爐(reformer)。
該陽極廢氣被飼入變換反應(yīng)膜式燃燒器的室6。這些廢氣主要由一氧化碳、氫氣、二氧化碳和水組成。任選地在這些廢氣進(jìn)入室6之前供給水(蒸氣)。當(dāng)然，也可單獨(dú)將水飼入室6。水煤氣變換反應(yīng)在室6發(fā)生，一氧化碳與水反應(yīng)生成二氧化碳以及氫氣。變換反應(yīng)膜式燃燒器的膜8的構(gòu)造使得氫氣可優(yōu)選透過。由于在膜一側(cè)的室6及在膜另一側(cè)的室7之間分壓或化學(xué)勢(shì)不同，該存在于變換反應(yīng)膜式燃燒器中的氫氣通過該膜。并且，基本由氧氣濃度降低的空氣組成的源自燃料電池2的陰極廢氣被飼入室7。在室7中氫氣與氧氣燃燒生成水。該燃燒可為完全或部分燃燒。
自室6的廢氣基本由CO2與水組成?？赏ㄟ^冷凝以簡單的方式或以任何本領(lǐng)域已知的方式分離水(區(qū)9)，之后可任選壓縮地儲(chǔ)存CO2。該氣體中所有的一氧化碳以及氫氣殘余物可用氧氣(空氣)(催化)氧化。
如果需要可進(jìn)一步加熱，之后，源自室7的廢氣可用于如10所示的循環(huán)和/或余熱利用。
這樣，借助于燃料電池的幫助即可發(fā)電并將陽極廢氣轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，其中二氧化碳以極高的濃度存在，并因此能夠相對(duì)容易地被儲(chǔ)藏或用于其他目的(儲(chǔ)存于氣缸中)。
上述系統(tǒng)的一種變體如圖2所示。圖2的系統(tǒng)用11標(biāo)示，其由SOFC12、變換反應(yīng)膜式燃燒器13、CO2存儲(chǔ)室19以及余熱利用裝置20組成。該過程以與上述基本相同的方式發(fā)生。然而，自變換反應(yīng)膜式燃燒器的廢氣的熱量被分別飼入熱交換器14與15，其熱交換介質(zhì)分別為流入燃料以及流入空氣。當(dāng)然，也可將之顛倒，即將該陽極廢氣熱交換器與進(jìn)入空氣流相結(jié)合或?qū)⒃摕崃坑糜谄渌康摹?br> 本發(fā)明的另一種系統(tǒng)如圖3所示，其實(shí)體用21標(biāo)示。該系統(tǒng)由SOFC22及變換反應(yīng)膜式燃燒器23組成。以上述方式使陽極廢氣通過變換反應(yīng)膜式燃燒器并作為相對(duì)較純的CO2儲(chǔ)存。進(jìn)入燃料任選地以熱交換器24預(yù)熱。
使陰極廢氣與氫氣在變換反應(yīng)膜式燃燒器中接觸。若需要，在進(jìn)一步加熱后將其飼入燃?xì)鉁u輪機(jī)25的膨脹器28。將膨脹器28的軸(shaft)26及與渦輪機(jī)25的壓縮機(jī)27相連。由此，進(jìn)入空氣的壓力得以升高，從而其溫度升高。該空氣任選地直接在熱交換器24中加熱。用于熱交換器24的能量例如由陰極廢氣、變換反應(yīng)膜式燃燒器的廢氣、膨脹器或另外的燃燒器的廢氣提供。
軸26的殘余能量用于發(fā)電，從而可通過SOFC以及渦輪機(jī)兩者發(fā)電。
本發(fā)明的另一系統(tǒng)如圖4所示，而其實(shí)體用31標(biāo)示。在該系統(tǒng)中具有兩個(gè)用32和39標(biāo)示的SOFC。變換反應(yīng)膜式燃燒器33連接于SOFC 32的下游而變換反應(yīng)膜式燃燒器40連接于SOFC 39的下游。兩種情況下變換反應(yīng)膜式燃燒器燃燒側(cè)的排出產(chǎn)物都被分別飼入燃?xì)鉁u輪機(jī)35的膨脹器37及38中。由此，進(jìn)入氣體被壓縮機(jī)36壓縮并經(jīng)熱交換器34飼入SOFC 32。燃料同樣經(jīng)熱交換器34飼入SOFC 32。渦輪機(jī)38也可用于發(fā)電。
如圖5所示，系統(tǒng)41中使用一單獨(dú)的SOFC 42，且其陰極廢氣在飼入變換反應(yīng)膜式燃燒器的燃燒區(qū)之前被飼入(若需要，可在加熱之后)燃?xì)鉁u輪機(jī)45的膨脹器47。在變換反應(yīng)膜式燃燒器燃燒氫氣之后，燃燒過程所產(chǎn)生的氣體被飼入(若需要，可在加熱之后)渦輪機(jī)45的另一個(gè)膨脹器48中。在渦輪機(jī)45中，一方面進(jìn)入空氣被壓縮，另一方面產(chǎn)生電能。熱交換器如44所示。SOFC陽極側(cè)的廢氣被飼入變換反應(yīng)膜式燃燒器的第一室中。
應(yīng)明白，上文所給出的僅為本發(fā)明所提供的許多可能性的圖解。各種各樣的催化劑可用于變換反應(yīng)膜式反應(yīng)器中。此外，可使用各種膜，如硅石或沸石基微孔膜。鈀基膜以及質(zhì)子傳導(dǎo)膜特別有利，因?yàn)樗鼈兡軌蛟诟邷叵伦鳂I(yè)。
如圖6中用62標(biāo)示的系統(tǒng)中，與上述變體不同，空氣首先飼經(jīng)用63標(biāo)示的變換反應(yīng)膜式燃燒器。該含有少量氧氣的空氣隨后被飼入燃料電池65。無論燃料電池還是變換反應(yīng)膜式燃燒器的燃料側(cè)都沒有變化?？梢匀?xì)鉁u輪機(jī)56促進(jìn)空氣的輸送過程，該燃?xì)鉁u輪機(jī)的壓縮機(jī)部分用66標(biāo)示，膨脹部分用67標(biāo)示。這意味著渦輪機(jī)56是任選的。
圖4所示實(shí)施方案的變體在圖7中用71標(biāo)示。該實(shí)施例中出現(xiàn)單個(gè)SOFC 72。有三個(gè)變換反應(yīng)膜式燃燒器73、74及75。從圖7可以看出，源自陽極的廢氣流分布于該三個(gè)變換反應(yīng)膜式反應(yīng)器中。根據(jù)前圖所述的反應(yīng)在這些反應(yīng)器中發(fā)生，也就是說，氫氣通過該膜。含有氧氣的進(jìn)入氣流用76標(biāo)示。其在77被分為3條支流。在76處具有原始組成的氣流被飼入第一變換反應(yīng)膜式反應(yīng)器73。將源于其的一部分富含水的氣體(氣流78)與一部分源自76的原始含氧氣流在79混合，且該混合氣流被飼至第二變換反應(yīng)膜式反應(yīng)器74。重復(fù)相同的步驟用于第三變換反應(yīng)膜式反應(yīng)器75。經(jīng)發(fā)現(xiàn)，例如，當(dāng)空氣用作含氧氣流時(shí)，存在足夠的氧氣以保證變換反應(yīng)膜式反應(yīng)器中氫氣的轉(zhuǎn)化。由此，可更為自由地選擇燃料電池72的燃料利用率(fuel utilisation)。燃料電池的利用率(utilisation)低意味著將出現(xiàn)單個(gè)變換反應(yīng)膜式反應(yīng)器的入口溫度與出口溫度的差別過大的現(xiàn)象。該差別可借助于上述流程加以限制，結(jié)果導(dǎo)致燃料電池的利用率范圍擴(kuò)大(broad field of utilization)，也就是說就飼入變換反應(yīng)膜式反應(yīng)器的陽極廢氣流組成而言范圍擴(kuò)大。所需得熱交換表面區(qū)域也可減少，并可更為自由地設(shè)計(jì)系統(tǒng)的熱處理。此外，在燃料電池的設(shè)計(jì)上具有更自由的選擇，并且整個(gè)過程的產(chǎn)出得以提高。此外，還導(dǎo)致陽極廢氣飼入其中的第二變換反應(yīng)膜式反應(yīng)器的所述室中溫度升高。這也是有利的。
應(yīng)明白，替代三個(gè)變換反應(yīng)膜式反應(yīng)器，二個(gè)或更多個(gè)變換反應(yīng)膜式反應(yīng)器可用于圖7的實(shí)施方案中。圖4所示的壓縮機(jī)也可應(yīng)用。應(yīng)明白在上述如除圖四之外的圖所示的實(shí)施方案情況下，也可采用兩個(gè)變換反應(yīng)膜式反應(yīng)器，其中第一變換反應(yīng)膜式反應(yīng)器的排出產(chǎn)物被飼入第二變換反應(yīng)膜式反應(yīng)器。
由以上所述可知，可通過將各種上文所述的元件與本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員公知的其他元件加以適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合得到多種變體。這種結(jié)合落入所附權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.在水存在下將膜一側(cè)的CO在所述膜的所述一側(cè)轉(zhuǎn)化為CO2以及H2O的方法，同時(shí)H2通過所述膜到達(dá)所述膜的另一側(cè)，并且所述氫氣在所述另一側(cè)與飼入所述另一側(cè)的氧氣燃燒，其特征在于，所述膜的所述一側(cè)的進(jìn)氣中含有源自燃料電池的陽極廢氣。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧氣包含源自燃料電池的陰極廢氣。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氧氣被飼入燃料電池的陰極。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氧氣包含空氣。
5.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中從源自所述膜的所述一側(cè)的廢氣中將水分離。
6.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中源自所述膜的至少一側(cè)的廢氣的熱量被回收。
7.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中含有氧氣的氣體在高壓下被引入膜的所述另一側(cè)。
8.如前述任一權(quán)利要求所述的方法，其中源自所述膜的所述另一側(cè)的含有水的氣體被飼入下一步驟，用以于另一膜的一側(cè)在水的存在下將CO轉(zhuǎn)化并于所述另一膜的該一側(cè)生成CO2和H2O，同時(shí)氫氣通過所述所述另一膜到達(dá)該另一膜的另一側(cè)。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其中單獨(dú)的含氧氣的氣流被飼入所述另一膜的所述一側(cè)的入口。
10.含有SOFC燃料電池以及用于使CO與H2反應(yīng)的裝置(3、13、23、33、40、43、63、73)的系統(tǒng)(1、11、21、31、41、56)，其包含兩側(cè)分別被第一室(6)及第二室(7)所限的氫氣可透過的膜(8)，其中所述第一室配有CO及H2進(jìn)料裝置以及CO2及H2O排出裝置，所述第二室(7)構(gòu)造為燃燒室并配有氧氣進(jìn)料裝置以及排水裝置，其中所述SOFC的陽極輸出口與所述第一室相連。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述SOFC的陰極出口與所述第二室相連。
12.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中陰極入口與所述第二室相連。
13.如權(quán)利要求10-12之一所述的系統(tǒng)，其中所述第一室的出口配有除水裝置。
14.如權(quán)利要求10-13之一所述的系統(tǒng)，其中所述第二室的出口與燃?xì)鉁u輪機(jī)(25、35、45、56)的膨脹器(28、37、38、47、48)相連。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中飼入所述膜的第二室的氣體被飼經(jīng)所述渦輪機(jī)(25、35、45、56)的壓縮機(jī)(27、36、46、66)。
16.如權(quán)利要求10-15之一所述的系統(tǒng)，其中所述渦輪機(jī)的出口與另一SOFC(39)的陰極入口相連。
17.如權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述另一SOFC與如權(quán)利要求1O-13之一所述的系統(tǒng)相連。
18.如權(quán)利要求10-17之一所述的系統(tǒng)，其包含另一用于使CO及H2反應(yīng)的裝置(74、75)，該裝置包含兩側(cè)分別被第一室及第二室所限的氫氣可透過的膜，其中所述第一室配有CO及H2進(jìn)料裝置以及CO2及H2O排出裝置，所述第二室(7)構(gòu)造為燃燒室并配有與來自所述用于使CO及H2反應(yīng)的裝置(3、13、23、33、40、43、63、73)的第二室的排放相連接的進(jìn)料口。
19.如權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述第二室配有單獨(dú)的氧氣進(jìn)料裝置。
全文摘要
加入水在膜的一側(cè)轉(zhuǎn)化CO以提供CO
文檔編號(hào)H01M8/04GK1679195SQ03820495
公開日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2003年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月30日
發(fā)明者丹尼爾·揚(yáng)森, 揚(yáng)·威爾科·戴克斯特拉, 阿倫德·德赫羅特 申請(qǐng)人:荷蘭能源建設(shè)基金中心