CN1054507A - 燃料电池发电系统的操作方法 - Google Patents

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Abstract

将阳极气体供给融态碳酸盐燃料电池的阳极室， 同时将阴极气体供给燃料电池的阴极室。用CO2分 离器或者可以用作CO2分离器的其他燃料电池将 CO2由燃料电池阴极室放出的气体中分离出来。将 分离出的CO2全部地或者部分地与阳极室放出放出 的气体一起引入阴极室，以使阴极室的CO2浓度升 高并在低的CO2利用率模式下进行发电。

Description

本发明涉及内含熔融态碳酸盐的燃料电池发电系统的操作方法，特别涉及用该系统进行高效发电的操作方法。
已知的融态碳酸盐式燃料电池通常包括多个燃料电池单元。每个燃料电池单元包括一个电解质板（矩形板），一个阴极（氧化电极）和一个阳极（燃料电极）。该电解质板包括浸渍了融态碳酸盐的多孔物质，阴极电极和阳极电极将电解质板夹在中间。在阴极电极处形成阴极室，而在阳极电极处则形成阳极室。将氧化气体供给阴极室同时将燃料气体供给阳极室，由于阴极与阳极之间产生了电势差而导致发电。将多个燃料电池单元一个接一个地重叠起来，并在每两个燃料电池单元中间插有隔板。
在使用上述形式的燃料电池当中，图14所示的是一种典型的天然气烃水蒸汽转化类型的发电系统。电解质板1被阴极和阳极夹在中间，阴极侧装有阴极室2，阳极侧装有阳极室3，由此形成燃料电池Ⅰ。空气A由压缩机4加压，经冷却器5冷却，再由另一台压缩机6加压，经空气预热器7预热，然后其中一部分经空气供给管线8引入阴极室2。空气A的其余部分经支路9引入烃水蒸汽转化器10的燃烧室。从阴极室排出的气体经阴极排气管线11引入涡轮机12，然后通过空气预热器7排入大气。
另一方面，天然气（CH4）NG流经天然气预热器13和14、脱硫器15和烃水蒸汽转化器10。在烃水蒸汽转化器10中天然气NG转变为燃料气FG，然后将此燃料气FG送入燃料电池Ⅰ的阳极室3。将阳极室3排出的气体导入热交换器17、天然气预热器14、加热器18、天然气预热器13和冷凝器19。经冷凝器19冷却后的气体被引入气-液分离器20。在气液分离器20中，从气体（阳极排出之气体）中分离出水，然后气体由压缩机21加压，经管线22进入热交换器17，引入烃水蒸汽转化器10的燃烧室，再由烃水蒸汽转化器10送入阳极室2。分离后的水经泵23加压后导入热水器24加热成蒸气。蒸气流经蒸气发生器18后在烃水蒸汽转化器10的入口处与天然气NG合并。示号器26指定一个压缩机作阴极循环之用。
当融态碳酸盐燃料电池进行发电操作时，天然气（CH4）经转化后送入阳极室3。在此情况下，烃水蒸汽转化器10内发生下列反应：
CH4+H2O→CO+3H2
另一方面，燃料电池I的阴极室内发生下列反应：
CO2+1/2O2+2e→CO＝ 3
在后一反应中产生了碳酸根离子CO＝ 3，所产生的碳酸根离子经电解质板1到达阳极。经烃水蒸汽转化器10转化生成的燃料气被引入阳极并与碳酸根离子CO＝ 3接触，由此而产生下列反应
CO＝ 3+H2→CO＝ 2+H2O+2e-
CO2 3+CO→2CO2+2e-
因而，5CO2和3H2O作为阳极废气被排出。照这样，融态碳酸盐燃料电池发电时，CO2在阴极被吸收，同时在阳极产生了等量的CO2。可以这样说，很明显，由阴极气体中分离出CO2，然后分离出的CO2被移入阳极。
在阴极2的反应中，如果阴极处CO2的浓度较高，反应会加速而且燃料电池的电压亦升高，结果发电效率就会提高。
然而，在一般的融态碳酸盐式燃料电池系统中，阳极室3排出的阳极废气中的CO2被引入阴极室2，将需要量的CO2供给阴极室2，而循环供给阴极室2的CO2则被空气冲淡。因而，阴极室2入口处的CO2浓度非常低，例如7%，该浓度大大低于标准浓度（30%），因此电池电压较低。
本发明的首要目的是提供使用融态碳酸盐燃料电池发电系统的操作方法，用于提高发电效率，即通过提高供给燃料电池阴极室的CO2浓度，降低CO2利用率，并保持CO2分压在一适当水平的方法提高发电效率。
本发明的另一目的是提供使用燃料电池发电系统的操作方法，用于降低排入大气的阴极废气中CO2的浓度。
本发明的一个方面，是提供融态碳酸盐燃料电池的发电系统的操作方法，它包括：电解质板夹在阴极和阳极之间，将氧化气体供给阴极室，燃料气供给阳极室，其特征在于用CO2分离器将阴极室排出气体（称为“阴极废气”）中的CO2分离出去，使分离出的CO2全部地或者部分地与阳极室排出气体（称为“阳极废气”）中所含的CO2一起送入阴极室，以使引入阴极室气体中的CO2浓度上升，并使CO2的利用率降低。
还提供了不用CO2分离器的另一种融态碳酸碳燃料电池。在这种情况下，含大量CO2的气体被强制由上游燃料电池的阴极室进入下游燃料电池的阴极室。下游燃料电池的阳极室排出的阳极废气中的CO2全部地或者部分地与上游燃料电池排出的阳极废气中的CO2一起被送入上游燃料电池的阴极室。
此外，一个或两个上游和下游燃料电池的阴极室排出的阴极废气部分再循环至所述燃料电池本身的阴极室入口处，从而降低了CO2在阴极的利用率。
由于从CO2分离器分离出的CO2再循环给阴极室入口，因此，阴极室入口处的CO2浓度较高。当融态碳酸盐燃料电池的CO2用量恒定时，其利用率随着CO2浓度的增加而降低。因而，CO2的保留量增大，从阴极入口处到阴极出口处的CO2分压增高。结果，反应加快，发电效率得以提高。
如果用融态碳酸盐燃料电池代替CO2分离器，则将两个燃料电池的阴极室串联，上游燃料电池在低CO2利用率模式下运转，过剩的CO2从上游燃料电池的阴极室出口处送入下游燃料电池的阴极室入口处，CO2在阴极处被用于反应，同时在发电过程中进行CO2的分离。由于下游燃料电池阳极室排出的阳极废气中的CO2再循环给上游燃料电池的阴极室，因此，阴极室的CO2浓度升高，结果使CO2利用率降低。同时，CO2分压可以保持在一适当水平，结果使阴极反应加快，发电效率升高。在上述方法中，如果CO2从阴极室出口处循环给一个或两个上游和下游燃料电池的阴极室入口处，则阴极处的CO2利用率降低并可为整个系统选择理想的运转条件。
本发明的其他目的和优点可从下列详细的说明和权利要求书并结合附图明显看出。
图1  是本发明第一个实施例的发电系统简图;
图2 表明阴极室入口处CO2浓度、CO2利用率与所产生的电压之间的关系;
图3  是实施本发明第二实施例方法的发电系统简图;
图4  是由图3经改进的系统图;
图5 是当燃料气中CO2含量与图4系统相比相对较小时的系统图;
图6  是一系统简图，其中采用了图3实施例中的阴极再循环技术;
图7、8和9分别代表一系统图，其中采用了图4实施例中的阴极再循环技术;
图10  简要图示了本发明另一实施例的系统图;
图11  也简要图示了本发明另一实施例的系统图;
图12  图示说明本发明另一实施例的系统图;
图13  也是对本发明另外一个实施例图示说明的系统图;
图14  是常用的天然气进行烃水蒸汽转化的融态碳酸盐燃料电池系统的简图。
现在，参照附图对本发明的优选实施例加以说明。但是，为了便于说明的目的，在以下的说明中对于融态碳酸盐燃料电池发电系统中结合使用的烃水蒸汽转化器、催化剂燃料器等等均略去不加以详述。
一般来说，由融态碳酸盐燃料电池的阳极室排出的气体中含大量的CO2和与CO2同样大量的H2以及比较少量的H2和CO。为了将阳极室排出的气体中所含的CO2供给燃料电池的阴极室，在供气之前须用催化剂燃烧器将H2和CO燃料掉或用气体分离器将可燃组分除去。有一些装置可以用于此目的。例如，图14的烃水蒸汽转化器10就是有这种功效的装置。但是，本发明并不打算揭示这类装置。因而，在下面的说明中对这些装置的阐述从略。此外，对于为使本系统进行最佳运转的热交换器、除湿装置等等将不作说明。
图1表示本发明方法的第一个实施例。阴极和阳极将浸渍了碳酸盐的电解质板1夹在中间，阴极和阳极分别面对着电解质板1，从而形成燃料电池Ⅰ。将氧化气体送入阴极室并将燃料气体送入阳极室。在这一实施例中，空气A（氧化气体）由空气供给管线8通入阴极室2的入口处，燃料气体FG（阳极气体）由燃料气体供给管线16送入阳极室3的入口处。阴极排气管线11与阴极室2的出口相连并在阴极排气管线11上装有CO2分离器27。CO2分离器27可以是分离膜式的。经CO2分离器27分离出的CO2通过CO2再循环管线28（从CO2分离器27延伸至空气供给管线8）再循环至阴极室2的入口处。从含CO2的阳极废气中除去可燃性组分（图中未示）然后阳极废气经阳极排气管29供给阴极室2。CO2支路管30与CO2循环管线28相接，从而使部分CO2可以分作其他应用。经CO2分离器27分离了CO2的空气通过管线31排入大气。
为了使燃料电池Ⅰ运转，须事先算好阴极反应所需的CO2量，并将过量的CO2（大于计算量）供给阴极室2，以使阴极室入口处的CO2浓度升高。将剩余的CO2从阴极室2排出并引入CO2分离器27中。分离器27只分离出CO2，所分离出的CO2经CO2循环管线28全部地或者部分地再循环给阴极室2。
除再循环的CO2以外，还将阳极室3排出的气体中的CO2送到阴极室2的入口处。这意味着CO2供给量大于阴极反应的需要量，以及阴极室2的CO2浓度较高。然而，即便是供给阴极室2过量的CO2，阴极反应中所用的CO2量并不超过该反应所需CO2量。因此，随着阴极室入口的CO2浓度的升高，阴极室2的CO2利用率亦随之而降低。
本发明中，由于阴极室入口处CO2浓度的增加，故燃料电池Ⅰ是以低的CO2利用率模式运转，结果产生了较高的电压并且提高了发电效率。由于CO2的利用率降低，因此能加快阴极反应的CO2的保留量增加，结果使从阴极室入口到阴极室出口的CO2分压维持在一个较高的水平。因而，产生了较高的电压，并提高了发电效率。CO2浓度、CO2利用率和产生的电压之间的关系示于图2。由图2可知，随着阴极室入口处CO2浓度a的增加，产生的电压随之升高。另一方面，随着CO2利用率b升高，产生的电压降低;随着CO2利用率b降低，电压则上升。此处，CO2的浓度代表CO2与整个气体的比例。CO2浓度随设计因素而变化。因而，一般要定量地表示CO2的浓度很困难，在以下的说明中使用的是CO2的绝对量而不是CO2的浓度。
图3表明了本发明的又一实施例。其中用第二个融态碳酸盐燃料电池Ⅱ代替CO2分离器27。第二个燃料电池Ⅱ起到分离器27相同的作用。上游或者说第一个燃料电池Ⅰ的阴极出口与下游燃料电池Ⅱ的入口直接相连。上游燃料电池Ⅰ在低的CO2利用率模式下运转并将需要量的CO2供给下游燃料电池Ⅱ。在此情况下，可以根据需要任意地确定燃料电池Ⅰ和Ⅱ之间的容量比，但在这个具体的实施例中，燃料电池Ⅰ和Ⅱ具有相同的容量。正确地说，燃料电池Ⅱ置于燃料电池Ⅰ的下游，从而燃料电池Ⅱ用作CO2分离器，经空气供给管线8将空气引入燃料电池Ⅰ的阴极室入口处，阳极室3排出的阳极废气经阳极排气管线29引入燃料电池Ⅰ的阴极室，阴极室2的阴极排气管11与下游燃料电池Ⅱ的阴极室入口相连，以使燃料电池Ⅰ和Ⅱ的阴极室相互直接相连。因而，上游燃料电池Ⅰ的阴极室2排出的过量CO2供给下游燃料电池Ⅱ的阴极室2，在下游燃料电池Ⅱ的阴极反应中使用的然后被分离的CO2则由阳极室3回收。回收的CO2经CO2再循环管线28全部地或者部分地引入上游燃料电池Ⅰ的阴极室入口处。燃料气体供给管线16和16a分别与燃料电池Ⅰ和Ⅱ的阳极室3相连并向两个燃料电池的阳极室提供等量的燃料气体。
在上游燃料电池Ⅰ中，大量的CO2（大于阴极反应的需要量）被送到阴极室2，结果阴极室入口处CO2浓度较高。此外，剩余的CO2从上游燃料电池Ⅰ的阴极室2排出并被导入下游燃料电池Ⅱ的阴极室2。因而，下游燃料电池Ⅱ在低的CO2利用率模式下运转。在下游燃料电池Ⅱ中，用上游阴极室2排出的CO2发电，并进行CO2的分离。从下游燃料电池Ⅱ的阳极室3排出的气体返回到上游燃料电池Ⅰ的阴极室2，也就是说，将下游处分离过的和回收的CO2再循环至上游处。
现在用具体数字说明一个实例。其中用液化天然气LNG作原料，供给阳极室3的燃料气中CO2的含量是H2的25%。于是，若反应使用的H2的总量是100体积时，就有25体积的CO2分成两等份，并将等量的CO2分别供给燃料电池Ⅰ和Ⅱ的阳极室3。62.5体积的CO2（供给阳极室3的12.5体积与用于电池反应的50体积的CO2总和）和从下游燃料电池Ⅱ的阳极室3排出并再循环的62.5体积的CO2（和上游燃料电池Ⅰ一样）均被导入上游燃料电池Ⅰ的阴极室入口处。简言之，有125体积的CO2供给上游燃料电池Ⅰ的阴极室。这样，供给的CO2气体中用去50体积，其剩余部分（75体积的CO2）则供给下游燃料电池Ⅱ的阴极室2。在燃料电池Ⅱ中，使用了50体积的CO2，剩余部分（25体积的）排入大气。因而，在上游燃料电池Ⅰ中，阴极室入口处CO2的浓度较高并且CO2利用率低至40%。因此，上游燃料电池Ⅰ可以用作存贮大量CO2的CO2贮气器。此外，从阴极室入口处到阴极室出口处，CO2分压都维持在较高水平。因而，可以将产生的电压调整到一个较高值。另一方面，在用作CO2分离器的下游燃料电池Ⅱ中，CO2的利用率高达66.7%，并且使CO2的回收率升高。
在图3的系统中，从上游燃料电池Ⅰ的阴极室2排出的阴极废气可以排入大气而不引入下游燃料电池Ⅱ的阴极室2。此外，从下游燃料电池Ⅱ的阳极室3排出的CO2可以供给燃料电池Ⅱ本身的阴极室2而不必再循环给上游处。简言之，燃料电池Ⅰ和Ⅱ可以相互独立。在这种情况下，两个燃料电池Ⅰ和Ⅱ的阴极室入口处的CO2量分别是62.5体积，并且CO2的使用量分别是50体积。因此，燃料电池Ⅰ和Ⅱ的CO2利用率分别是80%。这意味意各自的CO2利用率都较高，各自的CO2保留量较低，阴极室出口处的CO2分压各自降低。因而，不能期望有较高的电压。另一方面，根据本发明，燃料电池Ⅰ和Ⅱ相互连结，并且在上游燃料电池Ⅰ的阴极室入口处的CO2浓度较高，以致，排出了过量的CO2，也即是说上游燃料电池Ⅰ是在低的CO2利用率模式下运转的。因而，与两个电池各自独立运转相比，本发明的燃料电池Ⅰ和Ⅱ是在高CO2浓度和低CO2利用率模式下运转。此外，CO2分压可以维持在一个较高的水平。因而，产生的电压较高。
图4是图3的改进方案。在类似于图3的系统中，设定上游燃料电池Ⅰ的容量与下游燃料电池Ⅱ的容量不同。具体地说，较大容量的燃料电池Ⅰ置于上游，较小容量的燃料电池Ⅱ置于下游。下游燃料电池Ⅱ用作CO2分离器。
由于两个燃料电池的容量互不相同，供给阳极室3的CO2量分别定为15体积和10体积（如图4所示）。燃料电池Ⅰ使用的CO2量定为60体积，燃料电池Ⅱ使用的CO2量定为40体积，结果从阳极室3排出的CO2总量为50体积。在50体积CO2中，35体积CO2被再循环至上游燃料电池Ⅰ的阴极室2。从上游燃料电池Ⅰ的阴极室2排出50体积CO2，然后引入下游燃料电池Ⅱ的阴极室2。
在这个实施例中，导入上游燃料电池Ⅰ的阴极室2的CO2量是从阳极室3转移出的75体积与再循环的35体积之和，即110体积。另一方面，CO2的使用量是60体积，因而剩余的50体积CO2被排走。因此，阴极室入口处的CO2浓度较高，CO2的利用率较低（54.5%）。这意味着燃料电池Ⅰ在低CO2利用率模式下运转，在阴极室2中CO2的保留量较大，产生的电压较高。在下游燃料电池Ⅱ中，既发电又进行CO2的分离，但是CO2的回收是主要目的，结果CO2利用率很高（80%），因而产生的电压不象图3系统那么高。然而，排入大气中的CO2量很少（10体积），因而，这有利于防止地球的温室效应。此外，从阳极室3排出的部分CO2再循环至上游处，剩余部分从支路分出。分出的CO2作其他应用而不是发电，例如，与氢气混合生产甲醇。
图5是一个与图4系统相同的例子。燃料气不含足量的CO2也能进行满意的运转。具体地说，如果燃料气中CO2的量较少，就将下游燃料电池Ⅱ阳极室3排出的CO2全部再循环至上游燃料电池Ⅰ的阴极室2，这使得燃料电池Ⅰ的阴极室入口处的CO2浓度上升至需要的水平。此外，调低CO2的利用率和增加CO2的保留量。从而，能够进行较经济的运转，且改善发电效率。鉴于该例子的这些优点，可以使用氯气厂生产的不含CO2的副产物气体。
图6和7分别说明本发明的其它实施例。将上游燃料电池Ⅰ阴极室2排出的CO2中的50%进行再循环，结果分别改变了阴极入口处CO2气体的组成和CO2的利用率。
在类似于图3的图6中，将上游燃料电池Ⅰ阴极室2排出的CO2中的50%进行再循环。换句话说，从阴极室2排出的一半CO2（75体积CO2）经再循环管线32再循环至阴极室入口处，结果从燃料电池Ⅰ的阳极室3转移出的CO2和从下游燃料电池Ⅱ的阳极室3再循环的CO2（合计125体积）与上述的75体积CO2合并。这样，可用的CO2变成了200体积。在转移至阴极室2的200体积CO2中，反应消耗掉50体积，剩余的150体积CO2从阴极室出口处排出。在150体积的CO2中，75体积被用来再循环，另外的75体积供给下游燃料电池Ⅱ的阴极室2。这样，当CO2的使用量恒定时，阴极室入口处的CO2量增加至200体积，结果CO2的利用率为25%，该值比图3的40%要低。
图7显示的是类似于图4的系统。如上所述，从上游燃料电池Ⅰ的阴极室2排出的一半CO2（50体积）经再循环管线32再循环至阴极入口处。因此，阴极入口处的CO2总量是160体积，因为从燃料电池Ⅰ阳极室3转移出的CO2和从下游燃料电池Ⅱ的阳极室3再循环的CO2，合计为110体积，加上上述的50体积，则在阴极入口处的CO2总量变成160体积。供给阴极入口处的CO2量是160体积，而CO2的使用量是60体积（恒定不变），所以CO2的利用率是37.5%。比值比图4的54.5%要小。
图8仍然是本发明的另一个实施例。图8也显示了与图4类似的系统。从下游燃料电池Ⅱ的阴极室2排出的一半CO2（10体积）经再循环管线33再循环至阴极室入口处。这10体积CO2与从上游燃料电池Ⅰ转移出的50体积CO2在下游燃料电池Ⅱ的阴极室入口处合并。因此，总量变成60体积。供给阴极室入口处的CO2量是60体积而所用的CO2是40体积（恒定不变），所以CO2的利用率是66.7%。此值比没有再循环的80%要小。
图9描绘了本发明的又一实施例。该实施例将图7和上游燃料电池Ⅰ的阴极再循环与图8的下游燃料电池Ⅱ的阴极再循环（将燃料电池Ⅱ的阴极废气再循环至阴极室入口处）结合起来。将燃料电池Ⅰ和Ⅱ的阴极室2所排出的部分CO2分别再循环至各自的阴极室入口处，以便降低各自阴极室2处的CO2利用率。
图10表示本发明的又一实施例。在图1-9的实施例中，燃料气体FG直接供给上游阳极室3和下游阳极室3。与此相反，在这个具体的实施例（图10）中，燃料气体FG只供给上游燃料电池Ⅰ的阳极室3。来自上游燃料电池Ⅰ的阳极室3的阳极废气（含未反应的可燃性气体）经阳极废气供给管线40引入下游燃料电池Ⅱ的阳极室3。来自下游燃料电池Ⅱ的阳极废气经CO2再循环管线28与空气供给管线8中的空气合并以后被引入上游燃料电池Ⅰ的阴极室入口处。
在本实施例中，燃料气体只供给上游燃料电池Ⅰ的阳极室3，但是，来自下游燃料电池Ⅱ的含CO2的阳极废气则送入上游燃料电池Ⅰ的阴极室2。结果，本实施例也能获得与图1-9实施例相同的优点。
图11表明的还是又一实施例。此实施例由图3-5实施例修改而成。此实施例装设有阳极废气再循环管线41和42。这些管线分别用于使阳极废气再循环至上游和下游燃料电池Ⅰ和Ⅱ的阳极室3。在管线41和42上还分别装有鼓风机43和44。
图12和13分别表示本发明的另外一些实施例。在此之前的实施例中，均装有两个燃料电池，但是在以下的实施例中却装有三个燃料电池。图12和13系统的功能与前述各图所示系统的功能相同。具体地说，例如，图12中的最上游燃料电池Ⅰ与图3的燃料电池Ⅰ相当，图12的最下游燃料电池Ⅱ与图3的燃料电池Ⅱ相当。除了中间的燃料电池Ⅲ以外，图12和13中供气和排气的方式与其它各图相同。燃料气FG通过管线16、16b和16a分别送气至燃料电池Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的阳极室。最上游的燃料电池Ⅰ所排出的阴极废气通过管线11，依次地引入燃料电池Ⅲ和Ⅱ（它们均是燃料电池Ⅰ的下游的燃料电池）中间燃料电池Ⅲ阳极废气中所含的CO2，通过再循环管线28b导入CO2再循环管线28，管线28是由最下游燃料电池Ⅱ的阳极室3向上引伸的管线。除以上说明外，其它可以参照图3的说明。
图13图示的是一种与图12系统相类似的系统。在图12中，由最下游燃料电池的阳极室3通过CO2支线30回到再循环管线28的CO2体积是零体积。另一方面，图13中，回到再循环管线28的CO2体积与图4一样，设定为10体积。在图13中，由支线30排出的CO2体积也调定为15体积。
装设三个燃料电池比装两个燃料电池可以提高CO2的浓度。图12是图3的改进方案。下表分别显示图3和12中各阴极处的CO2利用率：
图3 图12
最上游燃料电池（Ⅰ） 50／125＝40％ 40／125＝32％
中间的燃料电池（Ⅲ） －－－－ 40／85＝47％
最下游燃料电池（Ⅱ） 50／75＝66.7％ 20／45＝44.4％
图13是图4的改进方案，下表分别表明图4和图13中各燃料电池阴极处的CO2利用率。
图4 图12
最上游燃料电池（Ⅰ） 60／110＝54.5％ 40／110＝36.4％
中间的燃料电池（Ⅲ） －－－－ 40／70＝57％
最下游燃料电池（Ⅱ） 40／50＝80％ 20／30＝66.7％
因此，在同样的要求下降低CO2的利用率是可能的。装设四个燃料电池可以使CO2利用率降的更低。
本发明并不局限于上述实施例而可以有其他模式。例如，在图3中，从第2个燃料电池Ⅱ的阴极室2排出的CO2还可以用其他的燃料电池进一步分离和回收，所回收的CO2可以再循环至最上游的或者说第一个燃料电池Ⅰ的阴极室入口处。换句话说，可以提供三个或者多个燃料电池。还可以进行其他的修改和变化只要不违背权利要求的精神和范围。
总之，本发明具有下列优点：
由于CO2已通过CO2分离器从融态碳酸盐燃料电池的阴极排出的含CO2气体中分离和回收，而且回收的CO2全部地或者部分地再循环至阴极室入口处，同时阳极室排出的CO2也转送至阴极室，而CO2的使用量保持恒定，因而从阴极室排出剩余的CO2，结果获得了低CO2利用率的运转模式，阴极室入口处的CO2浓度升高，剩余的CO2被排出，降低了CO2的利用率。结果，大量的CO2（能加快燃料电池的反应）被保留在阴极室，从阴极室入口到阴极室出口的CO2分压维持在较高水平，因此提高了发电效率;
其次，当用第2个燃料电池作为CO2分离器代替上述的CO2分离器，并且两个燃料电池的阴极室相互直接相连，上游或者说第1个燃料电池在低的CO2利用率模式下运转，下游或者说第2个燃料电池用来自第1个燃料电池的阴极室的CO2进行发电时，从阳极出口处回收CO2并再循环至第1个燃料电池，第1个燃料电池产生的电压与前文所述的同样高或者说提高了发电效率。此外，第2个或者说下游燃料电池边发电边分离CO2，而且提高了CO2的利用率。于是，再循环至上游处的CO2量可以增加，并且由下游燃料电池阴极室需排入大气的CO2量可以减少。这有利于防止地球的温室效应。
再者，通过将第1个燃料电池和/或第2个燃料电池阴极室排出的部分CO2（例如，50%）再循环至所述燃料电池本身的阴极室入口处的方法，可以将燃料电池阴极室的CO2量、CO2利用率和CO2浓度调整到最理想值。

Claims (20)

1、一种使用燃料电池和采用CO2分离器的发电系统的操作方法，所述燃料电池包括一种被阴极和阳极夹在中间的电解质板，装在阴极处的阴极室，和装在阴极处的阴极室，以及为发电用的，通入阴极室的氧化气体和装入阳极室的燃料气体，该方法包括以下的步骤：
(A)将从阴极室排出的气体(称为阴极废气)引入CO2分离器；
(B)将从阳极室排出的含CO2的气体(称为阳极废气)引入阴极室；和
(C)将CO2分离器分离出的全部或者部分CO2与阳极废气的CO2合并，然后将它们再循环至阴极室，或者将部分CO2放出到该系统以外，供发电以外的应用，藉此将高浓度的CO2供入阴极室，使燃料电池在低的CO2利用率情况下进行高效率的发电。
2、根据权利要求1的方法，其中供给阳极室的燃料气体包含H2和CO2，而且CO2大约是H2的25%。
3、根据权利要求2的方法，其中供给阴极室的氧化气体包含空气，阳极废气中所含的CO2，以及由CO2分离器分离的CO2。
4、根据权利要求3的方法，其中，将阴极废气排入大气中，所述阴极废气中所含的CO2已用CO2分离器分离出去。
5、一种采用至少两个相互串联的燃料电池的发电系统的运转方法，其中一个燃料电池位于其后续燃料电池的上游处，所述燃料电池包括一种夹在阴极和阳极当中的电解质板，装于阴极处的阴极室和装于阳极处的阳极室，以及阴极室中装有氧化气体，阳极室中装有燃料气体，供发电用，所述方法包括以下的步骤：
（A）将空气导入最上游燃料电池的阴极室;
（B）将燃料气体引入各个燃料电池的阳极室;
（C）将各个燃料电池的阳极室所排出阳极废气中的全部CO2都再循环至最上游燃料电池的阴极室中，或者将其中一部分CO2取出系统之外，供其它应用;以及
（D）将各个燃料电池排出的阴极废气引入其下游燃料电池的阴极室中，藉此将高浓度的CO2送入各燃料电池的阴极室，使所有燃料电池在低的CO2利用率情况下，进行高效率的发电。
6、根据权利要求5的方法，其中供给阳极室的燃料气体包含H2和CO2，CO2大约是H2的25%。
7、根据权利要求5的方法，其中装有至少两个燃料电池，一个燃料电池的容量是其下游燃料电池的大约1.5倍，并根据各电池的容量将燃料气送入各燃料电池的阳极室中。
8、根据权利要求7的方法，其中将最下游燃料电池阴极室排出的阴极废气排入大气中。
9、一种使用至少两个相互串联的燃料电池的发电系统的操作方法，其中一个燃料电池装于其后续燃料电池的上游，所述燃料电池包括夹于阴极与阳极当中的电解质板，阴极处装有阴极室，阳极处装有阳极室，以及阴极室中加入的氧化气体，阳极室中装入的燃料气体，供发电用，所述方法包括以下的步骤：
（A）将空气送入最上游燃料电池的阴极室;
（B）将燃料气送入各燃料电池的阳极室;
（C）将各燃料电池阳极室排出的阳极废气中的全部CO2再循环到最上游燃料电池的阴极室，或者将其中一部分CO2取出该系统之外供发电以外的其它应用，以及
（D）将各燃料电池排出的阴极废气中的一部分导入其后续的一个下游燃料电池的阴极室，并将其余的阴极废气导入同一燃料电池阴极室的入口处，从而将高浓度的CO2加入到各燃料电池的阴极室，使所有燃料电池以低的CO2利用率，进行高效率的发电。
10、根据权利要求9的方法，其中供给阳极的燃料气体包含H2和CO2，CO2是H2的大约25%。
11、根据权利要求10的方法，其中装有至少2个燃料电池，其中一个燃料电池的容量是其下游燃料电池的大约1-1.5倍，并根据各燃料电池的容量将相应量的燃料气体送入各燃料电池的阳极室。
12、根据权利要求11的方法，其中将最下游燃料电池阴极室排出的阴极废气排入大气。
13、根据权利要求11的方法，其中将各燃料电池阴极室排出的阴极废气分成近似相等的两部分，以致大约一半的阴极废气送入同一燃料电池的阴极室，同时将大约另外一半送入其下游的燃料电池，而最下游燃料电池所排出的废气中则只有一半放入大气中。
14、一种使用至少两个燃料电池互相串联的发电系统的操作方法，其中一个燃料电池位于其后续燃料电池的上游，所述燃料电池包括夹于阴极与阳极当中的电解质板，阴极处装有阴极室，阳极处装有阳极室，阴极室中装有氧化气体，阳极室中装有燃料气体，供发电用，所述方法包括以下的步骤：
（A）将空气通入最上游燃料电池阴极室;
（B）将燃料气体送入各燃料电池的阳极室;
（C）将各燃料电池阳极室排出的阳极废气中的所有CO2再循环至最上游燃料电池的阴极室，或者将其中一部分CO2取出该系统以外供发电以外的应用;
（D）将各个燃料电池阴极室排出的阴极废气导入紧接其后的一个下游燃料电池的阴极室，以及
（E）将最下游燃料电池排出的阴极废气中的一部分阴极废气导入最下游燃料电池阴极室的入口，从而将高浓度的CO2送入各燃料电池的阴极室，使所有燃料电池以低的CO2利用率进行高效率的发电。
15、根据权利要求14的方法，其中供给阳极室的燃料气体含H2和CO2，CO2是H2的大约25%。
16、根据权利要求15的方法，其中，装有至少两个燃料电池，一个燃料电池的容量是其下游另一个燃料电池的大约1-1.5倍，并且根据燃料电池的容量将相应量的燃料气体供给燃料电池阳极室。
17、根据权利要求16的方法，其中将最下游燃料电池阴极室排出的阴极废气排入大气。
18、根据权利要求17的方法，其中将各个燃料电池阴极室排出的阴极废气部分地供给同一燃料电池的阴极室入口处。
19、一种采用至少两个燃料电池互相串联的发电系统的操作方法，其中一个燃料电池位于其后续燃料电池的上游，所述燃料电池包括夹于阴极与阳极当中的电解质板，阴极处装有阴极室，阳极处装有阳极室，阴极室中装有氧化气体，阳极室中装有燃料气体，供发电用，所述方法包括以下的步骤：
（A）将空气通入最上游燃料电池的阴极室;
（B）将燃料气导入最上游燃料电池的阳极室，然后将最上游燃料电池的阳极废气依次导入其下游各个燃料电池，以及
（C）将最下游燃料电池阳极室排出的阳极废气中的全部CO2再循环到最上游燃料电池的阴极室，或者将一部分CO2取出该系统以外，供发电以外的其它应用，从而将高浓度的CO2送入各燃料电池的阴极室，使各燃料电池以低的CO2利用率进行高效率的发电。
20、一种使用至少两个燃料电池互相串联的发电系统的操作方法，其中一个燃料电池位于其后续燃料电池的上游，所述燃料电池包括夹于阴极与阳极当中的电解质板，阴极处装有阴极室，阳极处装有阳极室，阴极室中装有氧化气体，阳极室中装有燃料气体，供发电用，所述方法包括以下的步骤：
（A）将空气通入最上游燃料电池的阴极室;
（B）将燃料气体送入各燃料电池的阳极室;
（C）将各燃料电池阳极室排出的阳极废气中的所有CO2再循环至最上游燃料电池的阴极室，或者将其中一部分CO2取出该系统以外供发电以外的其它应用，以及
（D）将各燃料电池排出的阳极废气中的一部分阳极废气再循环至同一燃料电池的阴极室，从而将高浓度的CO2送入各燃料电池的阴极室，使所有燃料电池以低的CO2利用率进行高效率的发电。
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