CN107278340B - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统包括：去除包括在燃料气体中的杂质并且增加甲烷的纯度的预处理设备；将从预处理设备排放的燃料气体转换成重整气体的重整器；以及通过使用重整气体生成电力的燃料电池堆。预处理设备包括从燃料气体分离包括二氧化碳的副产物气体的升级单元，以及去除包括在副产物气体中的二氧化碳的二氧化碳去除单元。

Description

燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池系统。更特别地，本发明涉及环境友好的燃料电池系统，其中作为温室气体的二氧化碳的排放被最小化。
背景技术
燃料电池系统包括用于将包含碳氢化合物的燃料气体转换成富氢重整气体的重整器，以及用于通过使重整气体与空气中的氧气反应来产生电力的燃料电池堆。
最近，关于从生物气体提取高纯度甲烷气体并且将其用作用于燃料电池的燃料气体的研究和发展已经有所进展。
在去除水分和杂质的纯化过程以及分离甲烷和二氧化碳以增加甲烷纯度的升级过程之后，将生物气体输入到重整器。
在生物气体的升级过程中，存在化学吸收方法、变压吸附方法、水冲洗方法和膜分离方法。
在它们之中，膜分离方法具有相对简单的装置配置，是环境友好的，并且该装置易于操作，然而，为了增加甲烷的纯度，使其以应用于分离膜的高压进行操作是必要的，因此由于增压所致的高能量消耗，能量效率是低的。
而且，由于在生物气体的升级过程中分离的二氧化碳是具有代表性的温室气体，因此其排放量必须降低。
发明内容
技术问题
本发明提供了一种燃料电池系统，其中整个燃料电池系统的能量效率通过降低在燃料气体的升级过程中消耗的能量的量来增加，并且通过最小化作为温室气体的二氧化碳的排放来实现环境友好的燃料电池。
技术方案
根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统包括：去除包括在燃料气体中的杂质并且增加甲烷的纯度的预处理设备；将从预处理设备排放的燃料气体转换成重整气体的重整器；以及通过使用重整气体生成电力的燃料电池堆。预处理设备包括从燃料气体分离包括二氧化碳的副产物气体的升级单元，以及去除包括在副产物气体中的二氧化碳的二氧化碳去除单元。
预处理设备还可以包括安装在升级单元前方的纯化单元，并且纯化单元可以包括除湿单元、脱硫单元、氨去除单元和硅氧烷去除单元之中的至少一个。
升级单元可以包括吸收和压缩其中杂质被去除的燃料气体的压缩器，以及将甲烷和二氧化碳从经压缩的燃料气体分离的多级分离膜。从升级单元排放的燃料气体可以包括达90%或更多的甲烷。多级分离膜可以包括串行设置的至少两个分离膜，并且应用于多级分离膜的流入部分的燃料气体的压力可以是0.3MPa至0.5MPa。
二氧化碳去除单元可以包括传递副产物气体通过水和碳酸钙的混合物的配置，并且包括在副产物气体中的二氧化碳可以在二氧化碳去除单元中被碳化。二氧化碳去除单元可以生成高纯度甲烷，并且可以向安装在升级单元与重整器之间的燃料供给单元提供高纯度甲烷。
重整器可以从燃烧器接收用于重整反应所必需的热量。燃料电池系统还可以包括连接到燃烧器并且去除从燃烧器排放的燃烧气体之中的二氧化碳的辅助二氧化碳去除单元。从重整器排放的重整气体可以包括二氧化碳，并且燃料电池堆可以向燃烧器提供包括二氧化碳的未经反应的燃料。
辅助二氧化碳去除单元可以连接到燃料电池堆的空气出口以去除从燃料电池堆排放的未经反应的空气之中的二氧化碳。
有益效果
燃料电池系统去除在燃料气体的预处理过程中生成的二氧化碳，使得可以实现具有温室气体的极少排放的环境友好的燃料电池系统。而且，整个燃料电池系统的能量效率可以在增加燃料气体的甲烷纯度的升级单元的操作压力降低时增加。
附图说明
图1是根据本发明的第一示例性实施例的燃料电池系统的示意图。
图2是图1中所示的燃料电池系统之中的升级单元的示意图。
图3是图1中所示的燃料电池系统之中的二氧化碳去除单元的示意图。
图4是根据本发明的第二示例性实施例的燃料电池系统的示意图。
符号描述
100：预处理设备 110：纯化单元
120：升级单元 130：二氧化碳去除单元
200：重整器 210：燃烧器
300：燃料电池堆 310：逆变器
320：热量存储罐 410：燃料供给单元
420：水供给单元 430：空气供给单元
440：控制单元 500：辅助二氧化碳去除单元。
具体实施方式
以下将参照附图更加全面地描述本发明，在所述附图中示出本发明的示例性实施例。如本领域技术人员将认识到的，所描述的实施例可以按各种不同的方式进行修改，所有修改不脱离于本发明的范围。
贯穿说明书，除非明确描述成相反，否则词语“包括”及其变型，诸如“包括着”或“包括有”将被理解成暗示其它元件的可能的另外的包括。在附图中，相应元件的尺寸和厚度出于描述的简易性而被任意图示，并且本发明不一定受限于这样图示的尺寸和厚度。
图1是根据本发明的第一示例性实施例的燃料电池系统的示意图。
参照图1，第一示例性实施例的燃料电池系统包括去除包括在燃料气体中的杂质并且增加甲烷的纯度的预处理设备100、将燃料气体转换成重整气体的重整器200、以及使重整气体与空气中的氧气反应以生成电力的燃料电池堆300。
作为包括碳氢化合物的气体的燃料气体可以是例如生物气体。生物气体是在利用诸如畜禽粪便和尿液、食物废物以及污水处理厂污泥之类的高含量的有机材料厌氧分解有机废物时生成的气体。生物气体可以包含大约55%至80%的甲烷（CH4）、20%至45%的二氧化碳（CO2）和诸如硫化氢、硅氧烷、氨等之类的其它杂质。
预处理设备100包括去除包括在燃料气体中的杂质的纯化单元110、通过从其中杂质被去除的燃料气体分离二氧化碳来增加甲烷的纯度的升级单元120，以及去除从升级单元120分离的二氧化碳的二氧化碳去除单元130。
纯化单元110可以包括去除包括在燃料气体中的水分的除湿单元、去除包括在燃料气体中的硫化氢的脱硫单元、去除包括在燃料气体中的氨的氨去除单元，以及去除包括在燃料气体中的硅氧烷的硅氧烷去除单元。
除湿单元可以设置在纯化单元110前面，并且经过除湿单元的燃料气体的露点温度可以低于0℃。在该情况下，设置在除湿单元之后的单元可以防止吸附剂由于水分的凝固现象和由于此所致的性能恶化。当生物气体顺序地经过以上描述的单元时，水分和各种外来材料被去除。
作为中等质量气体的通过纯化单元110从其去除水分和杂质的燃料气体可以用作热电厂的燃料，然而，由于低能量效率，该燃料气体作为用于燃料电池的燃料是不兼容的。相应地，升级单元120从燃料气体分离二氧化碳，从燃料气体去除杂质以便将燃料气体的甲烷纯度增加至90%或更多。稍后描述升级单元120和二氧化碳去除单元130的详细配置。
燃料供给单元410安装在预处理设备100与重整器200之间。燃料供给单元410包括燃料气体压力泵和燃料流量计，并且向重整器200供给从预处理设备100排放的燃料气体。
重整器200是水蒸气重整反应器，并且使燃料气体中的甲烷与氧气在高温气氛中反应以重整成氢气。重整器200从燃烧器210接收热量。燃烧器210对燃烧器燃料和空气进行混合和燃烧以生成燃烧热量并且向重整器200供给燃烧热量，从而将重整器200维持在蒸汽重整所必需的高温处。
作为副产物的一氧化碳（CO）在重整反应过程中生成。水气体反应器（未示出）和部分氧化反应器（未示出）安装在重整器（200）的下游以便将包括在重整气体中的一氧化碳的浓度降低到小于大约50ppm。
燃料电池堆300使重整气体之中的氢气与空气之中的氧气化学反应以生成电力和热量。只要连续供给氢气，燃料电池就是可以永久使用的高效能量源，而没有污染物的排放或噪声。燃料电池堆300连接到逆变器310。逆变器310将燃料电池堆300的DC功率转换成AC功率。
燃料电池堆300可以连接到热量存储罐320。热量存储罐320通过使用废热回收装备（未示出）来接收并且存储从燃料电池堆300生成的热量。燃料电池系统可以通过使用热量存储罐320的热量来向用户供给热水或加热水以及生成电力。
燃料电池系统还包括水供给单元420和空气供给单元430，以及控制单元440。水供给单元420包括水泵和热量交换器，并且它向重整器200供给水蒸气重整反应所必需的固定量的水，并且向燃料电池堆300供给冷却水。空气供给单元430包括气体流量计和空气泵，并且向燃烧器210和燃料电池堆300供给空气。控制单元440电气连接到燃料供给单元410、水供给单元420、空气供给单元430和逆变器310以控制其操作。
图2是图1中所示的燃料电池系统之中的升级单元的示意图。
参照图2，升级单元120具有用于气体分离的分离膜（以下，为了方便，称为“分离膜”），所述分离膜具有针对二氧化碳的高透过率。分离膜可以包括中空纤维膜，并且可以包括聚醚砜、聚苯乙烯和聚酰亚胺中的任何一个。
如果预定压力和预定流速的燃料气体被供给到分离膜，大部分二氧化碳经过分离膜并且大部分甲烷被分离膜阻挡。将分离膜划分成流入部分、渗透部分和残余部分。流入部分是其中注入燃料气体的部分，渗透部分传递二氧化碳，并且残余部分重定向甲烷。
升级单元120包括吸收并且压缩从纯化单元110排放的燃料气体的压缩器121、降低从压缩器121排放的燃料气体的压力的缓冲罐122，以及将甲烷和二氧化碳从燃料气体分离的多级分离膜123。缓冲罐122可以在必要时省略。多级分离膜123可以包括串行设置的第一分离膜124和第二分离膜125。
通过压缩器121吸收-压缩的燃料气体被提供给第一分离膜124的流入部分I1，并且第一分离膜124将二氧化碳从燃料气体分离。在该过程中，小量的二氧化碳包含在第一分离膜124的残余部分R1中，并且小量的甲烷包含在第一分离膜124的渗透部分P1中。
第一分离膜124的残余部分R1连接到第二分离膜125的流入部分I2以向第二分离膜125供给燃料气体。第二分离膜125再次将二氧化碳从所供给的燃料气体分离。在该过程中，小量的二氧化碳包含在第二分离膜125的残余部分R2中，并且小量的甲烷包含在第二分离膜125的渗透部分P2中。
使用利用膜分离方法的升级单元的常规技术向多级分离膜应用大约0.6MPa至1MPa的高压以维持超过98%的燃料气体中的甲烷纯度。一般地，当多级分离膜的流入部分压力增加时，甲烷和二氧化碳的分离性能增加，然而根据压缩的能量消耗增加，使得整个燃料电池系统的能量效率降低。
在第一示例性实施例的燃料电池系统中，升级单元120降低多级分离膜123的流入部分压力，使得整个燃料电池系统的能量效率增加。
在该情况下，最终以防止重整器200催化剂的阻塞现象的程度从升级单元120排放的燃料气体中的甲烷纯度例如可以设定为90%。也就是说，升级单元120降低多级分离膜123的流入部分压力以使得最终从升级单元120排放的燃料气体包括超过90%的甲烷。
最终来自升级单元120的燃料气体的甲烷纯度取决于燃料气体的流速而具有某种差异，但是与应用于多级分离膜123的入口的压力成比例。当在大约0.3MPa至0.5MPa的条件下设定应用于多级分离膜123的燃料气体的流入压力时，确保最终排放的燃料气体内的90%或更多的甲烷纯度是可能的。
表1示出取决于燃料气体的流入部分压力和燃料气体的出口流速的二氧化碳的所检测到的量。通过纯化过程的燃料气体的组成是以50%的甲烷和以50%的二氧化碳，并且在改变流入部分压力的出口流速的同时测量最终排放的燃料气体内的二氧化碳的浓度。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
如表1中所示，当燃料气体的出口流速为2-3L/min并且燃料气体的流入部分压力超过0.3MPa时，可以确认最终排放的燃料气体内的甲烷浓度超过90%。当燃料气体的出口流速增加时，满足90%的甲烷纯度条件的燃料气体的流入部分压力是高的，但是不超过0.5MPa。
第二分离膜125的残余部分R2连接到重整器200以向重整器200供给燃料气体。第一分离膜124的渗透部分P1和第二分离膜125的渗透部分P2连接到二氧化碳去除单元130以向二氧化碳去除单元130供给副产物气体。副产物气体包括大约70%至80%的二氧化碳和20%至30%的未被使用的甲烷。
图3是图1中所示的燃料电池系统之中的二氧化碳去除单元的示意图。
参照图3，二氧化碳消除单元130被制作为传递副产物气体通过水和氧化钙（CaO）的混合物的配置。例如，二氧化碳去除单元130可以包括腔室131、安装在腔室131中并且搅动水和氧化钙的搅拌器132，以及排放腔室131内部的副产物气体的喷嘴133。
喷嘴133位于腔室131内部的下侧处，并且可以排放水和氧化钙的混合物内部的以气泡形式的副产物气体。包括在副产物气体中的二氧化碳通过以下的化学式1变成碳酸钙。
[化学式1]
Figure 255261DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。
由于将碳酸钙用作造纸领域、食品领域、化学领域等中的多种添加剂，因此二氧化碳去除单元130可以创建除了去除作为温室气体的二氧化碳的主要功能之外的附加价值。碳酸钙可以通过腔室31下方的排放管道134被排放到腔室131外部。
由于包括在副产物气体中的二氧化碳被去除，因此留下97%或更多的高纯度甲烷。二氧化碳去除单元130连接到存储甲烷的存储罐（未示出），或者通过管道135连接到燃料供给单元410，从而向从升级单元120排放的燃料气体添加高纯度甲烷。
在后一种情况下，由于预处理设备100去除在燃料气体的预处理过程中生成的作为温室气体的二氧化碳，因此实现环境友好的燃料电池系统并且同时将在去除二氧化碳之后留下的高纯度甲烷重用作重整器200的燃料气体，从而增加整个燃料电池系统的效率。
图4是根据本发明的第二示例性实施例的燃料电池系统的示意图。
参照图4，根据第二示例性实施例的燃料电池系统具有与以上描述的第一示例性实施例相同的配置（除了还包括辅助二氧化碳去除单元500之外）。相同的参考标号用于与在第一示例性实施例中相同的构成元件。
辅助二氧化碳去除单元500可以连接到重整器200的燃烧器210和燃料电池堆300的空气出口。辅助二氧化碳去除单元500去除从燃烧器210排放的燃烧气体之中的二氧化碳以及从燃料电池堆300排放的未经反应的空气之中的二氧化碳。辅助二氧化碳去除单元500的配置可以与图3的二氧化碳去除单元130的配置相同。
重整器200内部的甲烷通过水蒸气重整反应而分解成氢气和二氧化碳，并且包括二氧化碳的重整气体被供给到燃料电池堆300。燃料电池堆300排放包括二氧化碳的未经反应的燃料，并且在该情况下，燃料电池堆300的燃料出口连接到燃烧器210以向燃烧器210供给未经反应的燃料。提供给燃烧器210的未经反应的燃料用于维持重整器200的温度。相应地，从重整器200生成的二氧化碳也包括在从燃烧器210向辅助二氧化碳去除单元500供给的燃烧气体中。
第二示例性实施例的燃料电池系统再次去除从重整器200、燃烧器210和燃料电池堆300排放的空气之中的二氧化碳，以及在燃料气体的预处理过程中生成的二氧化碳。因此，实现具有温室气体的极少排放的环境友好的燃料电池系统是可能的。
虽然已经结合目前被视为实际的示例性实施例的内容描述了本发明，但是要理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，意图覆盖包括在随附权利要求的范围内的各种修改和等同布置。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，包括：
去除包括在燃料气体中的杂质并且增加甲烷的纯度的预处理设备(100)；
将从预处理设备(100)排放的燃料气体转换成重整气体的重整器(200)；以及
通过使用重整气体生成电力的燃料电池堆(300)，
其中预处理设备(100)包括从燃料气体分离包括二氧化碳的副产物气体的升级单元(120)，以及去除包括在副产物气体中的二氧化碳的二氧化碳去除单元(130)，
其特征在于，
升级单元(120)包括吸收和压缩其中杂质被去除的燃料气体的压缩器(121)，以及将甲烷和二氧化碳从经压缩的燃料气体分离的多级分离膜(123)，
多级分离膜(123)包括串行设置的至少两个分离膜，
二氧化碳去除单元(130)包括传递副产物气体通过水和氧化钙的混合物的配置，并且
包括在副产物气体中的二氧化碳在二氧化碳去除单元(130)中被碳化，
其中，升级单元(120)被配置以使得应用于多级分离膜(123)的流入部分的燃料气体的压力是0.3MPa至0.5MPa，从而从升级单元(120)排放的燃料气体包括达90%或更多的甲烷。
2.权利要求1所述的燃料电池系统，其中
预处理设备(100)还包括安装在升级单元(120)前方的纯化单元(110)，
其中纯化单元(110)包括除湿单元、脱硫单元、氨去除单元和硅氧烷去除单元之中的至少一个。
3.权利要求1所述的燃料电池系统，其中
重整器(200)从燃烧器(210)接收用于重整反应所必需的热量，并且
还包括连接到燃烧器(210)并且去除从燃烧器排放的燃烧气体之中的二氧化碳的辅助二氧化碳去除单元(500)。
4.权利要求3所述的燃料电池系统，其中
从重整器(200)排放的重整气体包括二氧化碳，并且
燃料电池堆(300)向燃烧器(210)提供包括二氧化碳的未经反应的燃料。
5.权利要求3所述的燃料电池系统，其中
辅助二氧化碳去除单元(500)连接到燃料电池堆(300)的空气出口并且去除从燃料电池堆(300)排放的未经反应的空气之中的二氧化碳。
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