CN107690722A - 具有二氧化碳捕集组件的高效燃料电池系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种高效燃料电池系统，所述高效燃料电池系统包括：顶部燃料电池组件，其包括顶部阴极部分和顶部阳极部分；底部燃料电池组件，其包括底部阴极部分和底部阳极部分，其中所述底部阳极部分接收从所述顶部阳极部分输出的阳极排气；以及分离组件，其被配置成接收含二氧化碳的排气并且从所述含二氧化碳的排气中分离二氧化碳；其中所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的至少一个接收从烟道气产生装置输出的烟道气的至少一部分，并且其中与所述底部燃料电池组件相比，所述顶部燃料电池组件具有数量更多的燃料电池，使得所述顶部燃料电池组件利用比所述底部燃料电池组件更多的燃料。

Description

具有二氧化碳捕集组件的高效燃料电池系统及其方法
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2015年6月5日提交的美国专利申请号14/732,032的权益和优先权，所述专利申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
背景技术
本申请涉及燃料电池动力产生系统，并且具体地涉及具有二氧化碳捕集能力的多堆式高效燃料电池系统及其操作方法。本申请的系统可以与任何类型的燃料电池一起使用，并且特别是与熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池一起使用。
根据IEA(国际能源机构)的声明，世界能源消耗正在增长，其中平均能源使用量每年增长约1.1％，直到2040年为止。目前，超过85％的能源是由化石燃料供应的。用于电力、运输和供热的化石燃料需要燃烧，从而导致将二氧化碳排放到地球大气中。自从人类开始使用化石燃料以来，大气中的二氧化碳浓度已经几乎翻了一番，并且大气中二氧化碳浓度的增加被认为是全球变暖趋势的主要原因。实际上，全世界将在2040年时使大气中的二氧化碳总量增加20％，从而导致预计全球温度上升3.6摄氏度。化石燃料的可持续和高效的使用，以及已排放二氧化碳的捕集将有助于减缓地球大气中的二氧化碳浓度的增加。目前正在开发输出较低排放水平的燃料电池，作为常规的基于化石燃料的燃烧发电厂的产热和发电的替代方法。
燃料电池是通过电反应将储存在烃燃料中的化学能直接转换成电能的装置。通常，燃料电池包括通过电解质基板分离的阳极和阴极，所述电解质基板传导带电离子。为了产生有用的功率水平，串联堆叠多个单独燃料电池，其中导电分隔板位于每个电池之间。
在构建燃料电池系统中，将单独燃料电池堆叠在一起以形成燃料电池堆。燃料电池的数量确定燃料电池堆的额定功率。为了给系统提供更高的额定功率，利用许多燃料电池堆，并且组合燃料电池堆的输出以提供期望的功率输出。在某些燃料电池系统中，可以将一个或多个燃料电池堆组织在一个或多个燃料电池堆模块中，所述燃料电池堆模块中的每个包括封装在外壳或容纳结构中的一个或多个燃料电池堆。
多堆式燃料电池系统可以包括燃料电池堆模块，其中多个燃料电池堆封装在共同外壳内。在为高温燃料电池堆，并且特别是为熔融碳酸盐燃料电池堆开发的该设计的系统中，采用盒状容纳结构作为外壳，并且可以沿着容纳结构的长度布置燃料电池堆。燃料电池模块内的每个燃料电池堆可以具有：入口歧管，其用于接收操作燃料电池堆所需的燃料和氧化剂气体；以及出口歧管，其用于传送用过的燃料和氧化剂气体作为来自燃料电池堆的阳极排气和阴极排气。燃料电池模块的容纳结构包括：燃料和氧化剂气体入口端口，其通过管道与燃料电池堆的相应燃料和氧化剂气体入口歧管连通；以及燃料和氧化剂气体出口端口，其通过管道与氧化剂和燃料气体出口歧管连通。在转让给本文相同受让人的美国专利号8,962,210中描述了不需要入口歧管和出口歧管的容纳结构内的燃料电池堆的替代性布置。
在内部重整燃料电池中，重整催化剂被放置在燃料电池堆内以允许直接使用烃燃料诸如管线天然气、液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、生物气、含煤气的甲烷等，而不需要昂贵和复杂的外部重整设备。在内部重整器中，重整反应使用由燃料电池产生的水和热量，并且在燃料电池中使用通过重整反应产生的氢。通过燃料电池反应产生的热量为吸热重整反应提供热量。因此，使用内部重整以冷却燃料电池堆。
已经开发和使用两种不同类型的内部重整燃料电池设计。第一类型的内部重整燃料电池是直接内部重整(DIR)燃料电池模块，其中通过将重整催化剂放置在燃料电池的活性阳极室内以完成直接内部重整。第二类型的内部重整燃料电池利用间接内部重整(IIR)，其通过将重整催化剂放置在燃料电池堆内的隔离室中，，并且将来自该室的重整气体引导到燃料电池的阳极室中以完成所述间接内部重整。合并DIR和IIR两者的内部重整熔融碳酸盐燃料电池系统(也称为直接燃料电池(DFC))已经演变为环境友好型发电的选择，并且是绿色电力的主要商业选项。与常规的基于燃烧的发电厂相比，碳酸盐发电厂温室气体和颗粒物排放量较低。碳酸盐发电厂几乎不排出NOx气体、SOx气体或颗粒物。碳酸盐发电厂被加州空气资源委员会(CARB)指定为“超净的”。
发明内容
本申请的目的是提供一种包括燃料电池的高效系统，所述系统用于利用从烟道气产生系统输出的烟道气，并且用于输出从其可以容易分离并捕集二氧化碳的排气。更具体地说，本申请提供一种燃料电池系统，其利用从烟道气产生系统输出的烟道气，并且提供从烟道气中分离并转移CO2以便产生CO2浓度以干基计算接近90％的富CO2气体流。
本申请的另一个目的是提供一种成本有效的模块化燃料电池系统，其中总体燃料利用率达到80％或更高并且电力和转换系统效率达到55％或更高，同时保持燃料电池内的热平衡。
本申请的又进一步目的是提供一种燃料电池系统，其利用向系统提供的燃料的约80％和100％。
本申请的又一个目的是提供一种燃料电池系统，其中将来自一个或多个顶部燃料电池模块的排气的部分用过的燃料供应到底部燃料电池模块。
本申请的又进一步目的是提供一种用于燃料电池系统的控制器，其平衡一个或多个燃料电池模块的阴极部分与阳极部分之间的压力以消除对阳极升压器和/或阴极升压器的需要。
本申请的更进一步目的是提供一种用于燃料电池系统的控制器，其将二氧化碳利用率调整到高于90％，同时保持一个或多个顶部燃料电池模块和一个或多个底部燃料电池模块中的高电力输出。
通过高效燃料电池系统实现这些目的和其他目的，所述高效燃料电池系统包括一个或多个顶部燃料电池堆和一个或多个底部燃料电池堆，并且在操作期间具有高燃料利用率，以及提供从一个或多个底部燃料电池堆的阳极排气中有效地集中和分离CO2。本申请具有至少两种用于从高效燃料电池系统的排气中有效地集中和分离CO2的可能配置。在系统的一种配置中，在存在或没有附加补充空气的情况下，将来自烟道气产生装置(诸如化石燃料发电厂或化学处理厂)的烟道气部分或全部供给到系统的阴极作为入口氧化剂气体。该系统的燃料电池是熔融碳酸盐燃料电池，并且烟道气中存在的显著部分CO2通过电化学燃料电池反应传输到阳极侧并与燃料中已经存在的CO2组合。在分离组件中分离并输出从底部燃料电池堆输出的阳极排气中存在的高度集中的CO2，以用于储存或用于在另一个过程中使用。剩余的耗尽CO2的阳极排气可以作为燃料再循环到燃料电池，或用于产热或另一个化学过程。
在系统的另一种配置中，将来自外部的空气或干燥空气供给到系统阴极作为入口氧化剂气体。该系统配置的燃料电池可以是固体氧化物燃料电池。可替代地，在该系统配置中可以使用磷酸燃料电池或任何其他类型的燃料电池。在该配置中，由于高燃料利用率(约80％或更高)，一个或多个底部燃料电池堆的阳极排气中的CO2浓度非常高，并且阳极排气中存在的CO2被分离组件分离并输出以用于储存或用于在另一过程中使用。剩余的贫CO2排气可以作为燃料再循环到燃料电池，或用于产热或另一个化学过程。
本申请的一些实施例由一种高效燃料电池系统表征，其适于接收来自烟道气产生装置的烟道气并且从所述烟道气捕集二氧化碳，所述高效燃料电池系统包括：顶部燃料电池组件，其包括顶部阴极部分和顶部阳极部分；底部燃料电池组件，其包括底部阴极部分和底部阳极部分，其中所述底部阳极部分接收从所述顶部阳极部分输出的阳极排气；以及分离组件，其被配置成接收含二氧化碳的排气并且从所述含二氧化碳的排气中分离二氧化碳。在所述系统中，所述含二氧化碳的排气是从所述底部阳极部分输出的阳极排气和源于从所述底部阳极部分输出的所述阳极排气的气体中的一种，并且所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的至少一个接收从所述烟道气产生装置输出的烟道气的至少一部分。
在本申请的所述系统中，所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分各自并行地接收从所述烟道气产生装置输出的烟道气的一部分。可替代地，所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的一个接收从所述烟道气产生装置输出的烟道气的至少一部分并产生阴极排气，并且所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的另一个接收由所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的所述一个产生的所述阴极排气。例如，所述顶部阴极部分接收从所述烟道气产生装置输出的烟道气的至少一部分并产生阴极排气，并且所述底部阴极部分接收由所述顶部阴极部分产生的所述阴极排气。在一些实施例中，所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分适于并行或串行地接收所述烟道气，并且所述系统进一步包括用于控制所述烟道气向所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分的流动为并行或串行的控制器。
在一些实施例中，所述含二氧化碳的排气是从所述底部阳极部分输出的阳极排气，所述分离组件输出已分离的二氧化碳并且单独地输出具有减少的二氧化碳量的已分离阳极排气，并且所述已分离的阳极排气再循环到所述顶部阳极部分以用作燃料。所述系统还可包括管道和流动控制构件，所述管道和流动控制构件用于排出少量的所述已分离阳极排气，以在将剩余的已分离阳极排气再循环到所述顶部阳极部分之前移除惰性气体。
在一些实施例中，所述系统进一步包括氧化器组件，所述氧化器组件用于通过空气和氧气中的一种或多种氧化从所述底部阳极部分输出的阳极排气，以产生所述含二氧化碳的排气并且产生用于在将所述烟道气提供到所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的至少一个之前加热所述烟道气的废热，并且所述分离组件输出已分离的二氧化碳并单独地输出具有减少的二氧化碳量的已分离气体。
在某些实施例中，所述分离组件包括：冷凝器，其用于冷却所述含二氧化碳的排气，以从所述含二氧化碳的排气中分离水并且输出已分离水的含二氧化碳的排气；以及二氧化碳分离器，其用于从所述已分离水的含二氧化碳的排气中分离二氧化碳，以输出具有减小的二氧化碳含量的已分离气体并且单独地输出适合于隔离和外部使用中的一种或多种的二氧化碳。所述二氧化碳分离器使用压缩和低温冷却以产生液态二氧化碳、溶剂洗涤和薄膜法中的一种或多种以分离所述二氧化碳。
所述系统进一步包括控制器。在一些实施例中，所述控制器控制所述烟道气到所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的一个或多个的流速，以在所述顶部燃料电池组件和所述底部燃料电池组件中的每个中支持燃料电池阴极侧的电化学反应，并且实现预定的总体CO2利用率。预定的总体CO2利用率为50％或更高，并且在一些实施例中为85％或更高。在一些实施例中，所述控制器控制烟道气和燃料通过所述顶部燃料电池组件和所述底部燃料电池组件的流速，使得所述顶部阳极部分和所述顶部阴极部分之间的压力平衡，并且所述底部阳极部分和所述底部阴极部分之间的压力平衡。在一些实施例中，所述底部阳极部分接收补充燃料，并且所述控制器控制向所述底部阳极部分传送的补充燃料量，其中所述控制器通过控制传送到所述底部阳极部分的所述补充燃料量以控制所述底部燃料电池组件中产生的电流量。在某些实施例中，所述控制器控制以下中的一个或多个：
(a)在所述顶部燃料电池组件和所述底部燃料电池组件中产生的电流量，使得随着所述高效燃料电池系统的操作时间增加，由所述顶部燃料电池组件产生的所述电流量减少，并且由所述底部燃料电池组件产生的所述电流量增加；
(b)基于电力需求在所述底部燃料电池组件中产生的电流量，使得当所述电力需求增加时，在所述底部燃料电池组件中产生的所述电流量增加；
(c)并行或串行传送到所述顶部燃料电池组件和所述底部燃料电池组件的烟道气的流动；
(d)烟道气到所述顶部燃料电池组件和所述底部燃料电池组件的流速，以实现预定的总体CO2利用率；
(e)所述顶部燃料电池模块与所述底部燃料电池模块之间的压力，使得所述压力平衡；
(f)向所述第一顶部燃料电池模块和所述第二顶部燃料电池模块中的每个提供的燃料供给量；
(g)向所述底部燃料电池组件提供的补充燃料量；
(h)从所述分离组件输出到所述顶部阳极部分的已分离排气的再循环；以及
(i)向所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的一个或多个供应的补充空气量，以便控制向所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的一个或多个传送的阴极入口气体中的二氧化碳的温度和浓度。
在某些实施例中，与底部燃料电池组件相比，顶部燃料电池组件具有数量更多的燃料电池，使得顶部燃料电池组件利用比底部燃料电池组件更多的燃料，并且其中高效燃料电池系统的总体燃料利用率为80％或更高。
在某些实施例中，高效燃料电池系统将在顶部阴极和底部阴极中使用新鲜空气或干燥的新鲜空气，而不是接收和使用来自烟道气产生装置的烟道气。在该操作模式中，将来自底部燃料电池的阳极的排气传送到气体分离组件，在那里从未利用燃料中分离二氧化碳和水。已分离的二氧化碳可被隔离或用于其他应用。可以对其中二氧化碳和水减少的已分离的未利用燃料进行加压并且将其与到顶部模块的燃料供给进行组合。该系统中的燃料电池将是固体氧化物燃料电池。然而，该系统也可以与包括磷酸燃料电池的其他类型的燃料电池一起使用。
附图说明
在结合附图阅读以下详述时，本公开的以上和其他特征及方面将变得更显而易见，在附图中：
图1示出了高效燃料电池系统，其包括第一顶部燃料电池模块、第二顶部燃料电池模块、底部燃料电池模块和碳捕集组件；以及
图2示出了图1的高效燃料电池系统的替代性实施例。
具体实施方式
如下所示和所述，本申请提供了一种成本有效的模块化燃料电池系统，其中实现对过量二氧化碳的捕集，同时保持较高的总体燃料利用率、较高的电功率输出和改善的转换系统效率。根据本申请，燃料电池系统包括多个燃料电池堆或多个燃料电池堆模块，其包括一个或多个顶部堆叠或顶部堆叠模块以及一个或多个底部堆叠或底部堆叠模块，并且其中一个或多个顶部堆叠/模块接收新燃料，并且将来自一个或多个顶部燃料电池堆/模块排气的部分用过的燃料供应到一个或多个底部燃料电池堆/模块。燃料电池系统还接收并利用从一个或多个烟道气产生装置输出的含二氧化碳烟道气作为入口氧化剂气体，其可以被并行或串行地提供给一个或多个顶部堆叠/模块和/或一个或多个底部堆叠/模块的阴极。在系统的燃料电池堆中的电化学反应期间，包含在烟道气中的大部分二氧化碳被提取并且与来自底部燃料电池堆/模块的阳极排气一起输出。在本申请中，来自底部燃料电池堆/模块的阳极排气被传送到其中分离和捕集二氧化碳的二氧化碳捕集组件，并且包含未使用燃料的剩余气体流可以与新燃料混合并且被供应到一个或多个顶部燃料电池堆/模块。在某些替代性实施例中，来自底部燃料电池堆/模块的阳极排气在阳极排气氧化器(AGO)中被氧化并且在此之后传送到二氧化碳捕集组件，在所述二氧化碳捕集组件中将二氧化碳从AGO排气中分离并且储存或外部使用。在本申请的两个实施例中，高达90％的供给到系统的二氧化碳可以被分离并集中在阳极排气中，并且将二氧化碳从阳极排气中分离以用于捕集和封存。此外，控制和调整一个或多个顶部和底部燃料电池堆/模块中的二氧化碳利用率，以将总体二氧化碳利用率保持在50％或更高，并且在一些实施例中保持在85％或更高，或接近90％，同时仍然在一个或多个顶部和底部燃料电池堆/模块中保持高电压。
在本申请的系统配置中，顶部和底部燃料电池堆/模块中的燃料利用率被控制在期望限度内，同时还提高系统的总体燃料利用率和电效率。具体地，使一个或多个顶部燃料电池堆/模块和所用燃料的尺寸大于一个或多个底部燃料电池堆/模块的尺寸。在某些示例性实施例中，系统包括具有两个或更多个堆叠的顶部燃料电池堆或模块，以及具有两个或更多个堆叠的底部燃料电池堆或模块，其中与底部燃料电池堆相比，顶部燃料电池堆具有数量更多的串联堆叠燃料电池，使得顶部堆叠比底部堆叠在燃料供给中利用更多的燃料。在其他示例性实施例中，系统包括多个顶部燃料电池模块和一个或多个底部燃料电池模块，其中每个燃料电池模块包括一个或多个燃料电池堆，并且顶部燃料电池模块的数量大于底部燃料电池模块的数量。在一些实施例中，顶部燃料电池堆/模块消耗约三分之二的燃料，并且一个或多个底部燃料电池堆/模块消耗燃料供给中剩余的约三分之一的燃料。底部燃料电池堆/模块可以接收附加的新燃料，其可以是干燃料或者可以与水蒸气预混合。此外，一个或多个底部燃料电池堆/模块中的电流密度低于顶部燃料电池堆/模块中的电流密度。
在本申请中，可以在系统的操作时间内控制一个或多个顶部堆叠/模块中以及一个或多个底部堆叠/模块中产生的电流。具体地，随着时间推移，一个或多个顶部堆叠/模块中产生的电流可以减小，而一个或多个底部堆叠/模块中产生的电流增加。在一个或多个底部堆叠/模块中，所产生的电流基于供应到一个或多个底部堆叠/模块的甲烷或其他新燃料的量而改变。此外，可以调整在一个或多个底部堆叠/模块中产生的电流以适应针对热量和电力的客户需求。例如，当针对电力的客户需求较大时，可以增加一个或多个底部堆叠/模块的输出。此外，氧化从一个或多个底部堆叠/模块传送的阳极排气的氧化器可以包括设计特征，其允许在底部模块的各种输出水平下处理来自一个或多个底部堆叠/模块的阳极排气。例如，当一个或多个底部堆叠/模块产生较少功率时，将使阳极排气中的更多过量燃料供应到阳极排气氧化器，并且因此阳极排气氧化器被设计成能够处理大量未利用的燃料。在某些实施例中，系统可以适用于使用高效燃料电池系统的工厂排气中的热量，以用于在压力通过涡轮机下降之前加热来自能量回收发电系统中的气体分配系统的高压天然气。在转让给本文相同受让人的美国专利号8,080,344中论述了使用来自燃料电池发电厂的热量以用于加热来自气体分配系统的高压天然气。
在一些实施例中，可以使用阳极升压器控制从一个或多个顶部燃料电池堆/模块供应到一个或多个底部燃料电池堆/模块的阳极排气的压力，并且可以使用阴极升压器控制从一个或多个底部燃料电池堆/模块供应到一个或多个顶部燃料电池堆/模块的阴极排气的压力。以此方式，可以使用阳极升压器和/或阴极升压器控制顶部模块中的阳极流与阴极流之间的压力差。然而，在其他实施例中，一个或多个顶部和底部燃料电池堆/模块中的阳极与阴极之间的压力是平衡的，使得从系统中消除阳极升压器和阴极升压器中的一个或多个。
本申请进一步提供系统的燃料电池中的改善的热均匀性，特别是在一个或多个底部堆叠/模块的燃料电池中。在一些实施例中，与一个或多个顶部堆叠/模块中的电池相比，一个或多个底部堆叠/模块中的电池使用不同量和不同分布的直接内部重整(DIR)，以便改善一个或多个底部堆叠/模块中的电池的热均匀性。具体地，一个或多个底部堆叠/模块中的电池具有从阳极入口区到阳极出口区逐渐增加的直接内部重整催化剂装载。相比之下，一个或多个顶部堆叠/模块中的电池具有从阳极入口区到出口区均匀分布的DIR催化剂。
本申请的并在以下更详细描述的系统特别适于与熔融碳酸盐燃料电池堆一起使用。然而，这些系统可以适于与固体氧化物燃料电池堆和其他类型的燃料电池一起使用。例如，本申请的系统可以适于与固体氧化物燃料电池和/或与磷酸燃料电池一起使用，使得系统接收新鲜空气或干燥新鲜空气作为入口氧化剂气体，其被并行或串行地提供给一个或多个顶部堆叠/模块和/或一个或多个底部堆叠/模块的阴极。在系统的燃料电池堆中的电化学反应期间，当燃料电池为碳酸盐燃料电池时，包含在燃料中和入口氧化剂气体中的大部分二氧化碳从一个或多个底部堆叠/模块的阳极输出作为阳极排气，其被传送到二氧化碳捕集组件(气体分离组件)，在所述二氧化碳捕集组件中分离和捕集二氧化碳，并且包含未使用燃料的剩余气流可以与新燃料混合并被供应到一个或多个顶部燃料电池堆/模块。在一些替代性实施例中，来自一个或多个底部燃料电池堆/模块的阳极排气在阳极排气氧化器(AGO)中通过氧气进行氧化并且然后传送到二氧化碳捕集组件，在所述二氧化碳捕集组件中将二氧化碳从AGO排气中分离并且储存或外部使用。这些系统适合于与一个或多个顶部和底部燃料电池堆/模块中的固体氧化物燃料电池一起使用，以引起高效的燃料利用，同时还将二氧化碳从系统排气中分离并且捕集二氧化碳。此外，这些系统可以替代地利用磷酸燃料电池或其他类型的燃料电池。
图1示出了本申请的模块化燃料电池系统100的示意性实施例。图1所示的燃料电池系统100具有改善的性能效率，并且具体是与常规燃料电池系统相比更高的燃料利用率和功率输出，并且还提供了与现有技术中描述的常规燃料电池系统相比的制造和操作成本效率。系统100从系统所产生的排气中捕集二氧化碳，从而减小系统100的总体碳足迹。在下文中更详细地描述燃料电池系统100的改善的性能、成本效率和碳捕集能力。
图1的燃料电池系统100包括顶部燃料电池组件和底部燃料电池组件。在图1中，顶部燃料电池组件包括第一顶部燃料电池模块102和第二顶部燃料电池模块112，而底部燃料电池组件包括底部燃料电池模块122。第一顶部燃料电池模块102包括一个或多个第一燃料电池堆102A，并且每个燃料电池堆具有两个或更多个电池并且具有第一顶部阴极部分104和第一顶部阳极部分106。尽管在图1中，第一顶部燃料电池模块102被示为具有一个燃料电池堆，但是应该理解，在一些实施例中，第一顶部燃料电池模块102包括具有类似配置并且设置在共同容纳结构内的两个或更多个燃料电池堆。第一顶部燃料电池模块102中的燃料电池堆可以包括高温熔融碳酸盐燃料电池堆。在每个堆叠102A的每个电池中，第一顶部阴极部分104和第一顶部阳极部分106被储存在电解质基板中的熔融碳酸盐电解质(未示出)分离。
在图1中，第一顶部燃料电池堆102A是内部重整燃料电池堆，并且包括直接内部重整、间接内部重整，或直接内部重整和间接内部重整的组合。在本示意性实施例中，第一顶部燃料电池堆102A包括一个或多个内部重整单元148，其接收燃料供给中的一部分并且将重整或部分重整的燃料(包含氢气和一氧化碳)传送到燃料转向歧管106A，所述燃料转向歧管106A将燃料引导到堆叠的电池的第一顶部阳极部分106，在那里燃料与经过第一顶部阴极部分104的氧化剂气体发生电化学反应。在图1的示意性实施例中，第一顶部阴极部分104接收通过开放堆叠面向共同容纳结构提供的氧化剂气体(例如，由烟道气产生装置产生的烟道气)。然而，在其他实施例中，可以通过阴极入口歧管(未示出)将氧化剂气体供应到第一顶部阴极部分104。
如图1所示，第一顶部阴极部分104将阴极排气传送到阴极出口歧管108。然后，经由合适的管道将阴极排气从阴极出口歧管108传送到可设置在第一顶部燃料电池模块102内部或外部的热交换器136。第一顶部阳极部分106将阳极排气传送到阳极出口歧管110。然后，将阳极排气从阳极出口歧管110传送到第一顶部燃料电池模块102的外部，以用于在底部燃料电池模块122中使用。
如以上所提及的，第一顶部堆叠102A包括一个或多个内部重整单元148。从经过一个或多个内部重整单元148的燃料中产生氢气、二氧化碳和一氧化碳。然后，经由燃料转向歧管106A将重整或部分重整的燃料供应到堆叠的第一顶部阳极部分106。在堆叠的第一顶部阳极部分106中，氢气发生电化学反应以产生水，一氧化碳发生电化学反应以形成二氧化碳或者与水发生化学反应以产生氢气和二氧化碳。也可以通过将重整催化剂放置在第一顶部阳极部分106的一个或多个阳极室中，并且具体地通过将重整催化剂放置在堆叠中的每个电池的一个或多个阳极室的阳极集电器的波纹中，将直接内部重整(DIR)设置在第一顶部堆叠102A的每个电池中。
如上所述，第一顶部燃料电池模块102可以包括多个第一顶部燃料电池堆。基于提供期望的功率输出所需的数量确定每个燃料电池模块中的燃料电池堆的数量。可以通过所需的输出、堆叠尺寸和重量，以及运输便利性确定每个燃料电池堆中的燃料电池的数量。
燃料电池系统100的顶部燃料电池组件还包括第二顶部燃料电池模块112，其包括一个或多个第二燃料电池堆。如同第一顶部燃料电池模块102一样，图1示出了单个燃料电池堆112A包括在第二顶部燃料电池模块112中，但是可以设想两个或更多个第二顶部燃料电池堆112A可以包括在第二燃料电池模块112中并且封装在相同的容纳结构中。第二顶部燃料电池模块112中的第二顶部燃料电池堆可以包括高温熔融碳酸盐燃料电池。
如图1所示，第二顶部燃料电池堆112A包括在堆叠的每个电池中被电解质基板分离的第二顶部阴极部分114和第二顶部阳极部分116，所述电解质基板在其中储存熔融碳酸盐电解质(未示出)。内部重整进入第二顶部阳极部分116的燃料，以产生包含氢气和一氧化碳的部分重整或全部重整的燃料，其然后与经过第二顶部阴极部分114的氧化剂气体发生电化学反应。在堆叠的第二顶部阳极部分116中，氢气发生电化学反应以产生水，并且一氧化碳发生电化学反应以形成二氧化碳或者与水发生化学反应以产生氢气和二氧化碳。第二顶部燃料电池堆112A包括间接内部重整、直接内部重整，或直接内部重整和间接内部重整的组合。在本示意性实施例中，第二顶部燃料电池堆112A包括一个或多个重整单元150，其接收燃料供给中的一部分并且将重整或部分重整的燃料(包含氢气和一氧化碳)传送到燃料转向歧管116A，所述燃料转向歧管116A将燃料引导到堆叠的第二顶部阳极部分116，在那里燃料与氧化剂气体发生电化学反应。在图1中，第二顶部阴极部分114接收通过开放阴极入口堆叠面而向共同容纳结构提供的氧化剂气体(例如，由烟道气产生装置产生的烟道气)。然而，在其他实施例中，可以通过阴极入口歧管(未示出)将氧化剂气体供应到第二顶部阴极部分114。
如图1所示，第二顶部阴极部分114将阴极排气传送到阴极出口歧管118。然后，经由合适的管道将阴极排气从阴极出口歧管118传送到可设置在第二顶部燃料电池模块112内部或外部的热交换器138。第二顶部阳极部分116将阳极排气传送到阳极出口歧管120。然后，将阳极排气从阳极出口歧管120传送到第二顶部燃料电池模块112的外部，以用于在底部燃料电池模块122中使用。
如以上所提及的，第二顶部燃料电池堆112A包括一个或多个内部重整单元150。从经过一个或多个内部重整单元150的燃料中产生氢气、二氧化碳和一氧化碳。然后，经由转向歧管116A将重整或部分重整的燃料供应到堆叠的第二顶部阳极部分116。也可以通过将重整催化剂放置在第二顶部阳极部分116的一个或多个阳极室中，并且具体地通过将重整催化剂放置在第二顶部堆叠112A的每个电池中的一个或多个阳极室的阳极集电器的波纹中，将直接内部重整(DIR)设置在第二顶部堆叠112A中。
类似地，如以上关于第一顶部燃料电池模块102所述的，第二顶部燃料电池模块112可以包括具有类似构造的多个第二顶部燃料电池堆。基于提供期望的功率输出所需的数量确定每个模块的燃料电池堆的数量。可以通过所需的输出、堆叠尺寸和重量，以及运输便利性确定每个燃料电池堆中的燃料电池的数量。
如图1所示，燃料电池系统100包括底部燃料电池堆件，其在图1中包括底部燃料电池模块122，所述底部燃料电池模块122包括由共同容纳结构封装的一个或多个燃料电池堆122A。底部燃料电池堆122A中的每个燃料电池包括在堆叠的每个电池中被电解质基板分离的底部阴极部分124和底部阳极部分126，所述电解质基板在其中储存熔融碳酸盐电解质(未示出)。
底部燃料电池堆122A是内部重整燃料电池堆，并且包括直接内部重整、间接内部重整，或直接内部重整和间接内部重整的组合。在图1的实施例中，底部燃料电池堆122A包括直接内部重整催化剂，其放置在底部阳极部分126的一个或多个阳极室中，并且具体地放置在底部燃料电池堆122A的每个电池中的一个或多个阳极室的阳极集电器的波纹中。尽管在图1所示的实施例中，底部燃料电池堆122A不包括间接内部重整，但是在其他实施例中，底部燃料电池堆可以包括一个或多个重整单元，以用于在重整的阳极排气传送到底部阳极部分126之前进一步重整从第一顶部模块和所述第二顶部模块接收的阳极排气。
在图1中，底部阴极部分124接收通过开放阴极入口堆叠面而向共同容纳结构提供的氧化剂气体(例如，由烟道气产生装置产生的烟道气)。然而，在其他实施例中，可以通过阴极入口歧管将氧化剂气体供应到顶部阴极部分124。底部阴极部分124将阴极排气传送到阴极出口歧管128中。如图1所示，然后经由适当管道将阴极出口歧管128中收集的阴极排气从底部燃料电池模块122传送到烟道气加热器166，以用于预热作为阴极入口氧化剂气体输入到系统中的烟道气。
类似地，如以上关于第一顶部燃料电池模块102、112所述的，底部燃料电池模块122可以包括各自具有阴极部分和阳极部分的多个底部燃料电池堆。基于提供期望的功率输出和效率所需的数量确定每个模块的燃料电池堆的数量。底部燃料电池模块122中的燃料电池堆122A可以包括高温熔融碳酸盐燃料电池。
假定每个堆叠中的燃料电池的数量，以及因此每个堆叠的高度受可运输性约束的控制。一个或多个顶部模块中的标准顶部燃料电池堆包括约400个燃料电池，其包括间接内部重整单元。然而，一个或多个底部模块中的底部燃料电池堆没有重整单元，或者与顶部燃料电池堆相比具有数量少得多的重整单元。因此，在底部燃料电池堆中，更多的空间可用于包括附加的燃料电池。例如，如果在底部燃料电池堆中没有使用重整单元，则存在用于将32个燃料电池添加到堆叠的空间。因此，在一些实施例中，与一个或多个底部模块相比，一个或多个顶部模块可包括总数更多的燃料电池堆，但是每个底部燃料电池堆中包括的燃料电池的数量可以大于每个顶部燃料电池堆中包括的燃料电池的数量。该堆叠设计有助于最大化系统的功率输出。
在本申请中以及在图1的实施例中，顶部阴极部分104、114和底部阴极部分124接收烟道气作为阴极入口氧化剂气体，所述烟道气是从外部烟道气产生系统产生和输出的。烟道气产生系统可以是产生二氧化碳作为产能和/或产热副产品的发电厂，诸如燃烧化石燃料的发电厂、钢铁加工厂、水泥制造厂和/或氨制品厂，并且在示例性实施例中，系统100可以位于此种烟道气产生系统的地点处或其附近。将从烟道气产生系统输出并且包含二氧化碳和氧气的烟道气作为阴极入口氧化剂气体供给到系统100，并且使用鼓风机145经由烟道气输入168在烟道气加热器166中接收所述烟道气。鼓风机145增加烟道气的压力并且将烟道气传送到烟道气加热器166。在一些实施例中，将空气或氧气添加到烟道气，以便获得氧化剂气体中的期望氧气量并且以便控制供应给阴极的氧化剂气体中的CO2浓度。烟道气加热器166使用来自顶部和/或底部燃料电池模块的阴极排气中的热量加热所接收的烟道气，并且在此之后输出加热的烟道气以用于在顶部和/或底部燃料电池模块中使用。在图1所示的实施例中，烟道气加热器作为热交换器进行操作，以便使用阴极排气中的废热以用于加热烟道气。如图所示，在经过烟道气加热器166之后，已冷却的阴极排气被输出并且经由排气出口192排放到系统外。
在示例性实施例中，可以通过合适的管道将加热的烟道气并行地传送到顶部和底部燃料电池模块。可替代地，可以将加热的烟道气串行地传送到顶部和底部燃料电池模块，其中首先将加热的烟道气传送到顶部和底部燃料电池模块中的一个，并且在此之后将来自顶部和底部燃料电池模块中的一个的阴极排气传送到顶部和底部燃料电池模块中的另一个。在图1所示的实施例中，可以操作系统100，其中烟道气在顶部燃料电池模块与底部燃料电池模块之间并行流动，或者在其间串行流动，并且可以使用可编程控制器152或类似装置，以根据所选操作模式以及烟道气流速控制烟道气的流动。此外，控制器152基于顶部和底部燃料电池模块的期望操作和总体CO2利用率，以及顶部和底部燃料电池模块中的期望操作电池电压控制从并行操作到串行操作的改变。例如，可以选择优于并行操作或并行配置的系统串行操作或串行配置，以便达到CO2移除目标、系统热量守恒、压力平衡、底部模块热管理和燃料电池性能。
在顶部燃料电池模块102、112与底部燃料电池模块122之间的并行配置中，控制器152进行控制以打开流动控制构件或阀170、172、174和175并且关闭流动控制构件或阀176。在此种操作中，控制器152控制阀175的打开，以用于顶部燃料电池模块102、112的阴极与底部燃料电池模块122的阴极之间的压力平衡。此外，控制器152经由流动控制构件170、172、174和175控制向顶部和底部燃料电池模块中的每个传送的已加热烟道气的量，即已加热烟道气在顶部和底部燃料电池模块中的分布。在一个或多个顶部燃料电池模块102、112与底部燃料电池模块122之间的串行配置中，其中首先将已加热烟道气传送到第一顶部燃料电池模块和第二顶部燃料电池模块，并且在此之后将来自顶部燃料电池模块102、112的阴极排气传送到底部燃料电池模块122，控制器152进行控制以关闭阀174和175并且打开阀176。在此种配置中，可以使用从底部燃料电池模块输出的阴极排气中的热量加热向顶部燃料电池模块供应的烟道气(图1中未示出的热交换器)。在使用该串行流动配置的情况下，可以通过消除对阳极或阴极升压鼓风机的需要以简化高效燃料电池系统，并且所述高效燃料电池系统还可以允许在顶部燃料电池模块中进行合理的CO2利用，从而使得顶部燃料电池模块能够以更高的电压和更高的效率进行操作。
在底部燃料电池模块122与顶部燃料电池模块102、112之间的另一个串行配置(未示出)可以包括：首先将已加热烟道气传送到底部燃料电池模块，以及将从底部燃料电池模块输出的阴极排气传送到顶部燃料电池模块。可以适当地调整图1所示的系统，以给此种配置提供在底部燃料电池模块122的阴极排气与顶部燃料电池模块102、112的阴极入口之间的合适管道，以及由控制器152控制的合适流动控制构件。
在并行或串行的配置和操作中，控制器152控制向底部燃料电池模块122和顶部燃料电池模块102、112中的一个或多个供应的烟道气的流速和量。具体地，控制器152控制烟道气的流速，以便在顶部燃料电池模块102、112和底部燃料电池模块122中的每个中支持碳酸盐燃料电池阴极侧的电化学反应，并且在顶部燃料电池模块102、112和底部燃料电池模块122中实现预定的总体CO2利用率，优选地高达85％。在包括两个顶部燃料电池模块102、112和一个底部燃料电池模块122的图1的示意性配置中，还控制到燃料电池堆的阴极气体流，使得CO2与氧气的利用率比被控制在2:1或更高，以便支持碳酸盐燃料电池阴极侧的电化学反应。
在本申请中，可以将补充空气(新鲜空气)添加(未示出)到向顶部模块和/或底部模块供应的入口氧化剂气体，以便控制二氧化碳或氧气的浓度以及入口氧化剂气体的温度。控制器152(辅助空气供应，即鼓风机和控制装置，即未示出的流动控制阀)调整和调制补充空气的添加和补充空气的流速，以便控制和保持模块中的每个内的期望热分布。例如，可以添加补充空气以稀释向顶部和/或底部燃料电池模块供应的烟道气，以便降低阴极入口气体的温度并且控制阴极入口气体中二氧化碳或氧气的浓度。如果顶部模块和/或底部模块中的阴极入口温度高于期望值，则控制器152将分别增加对顶部模块和/或底部模块的补充空气供应，以减小阴极入口温度。如果二氧化碳浓度过高，或者如果顶部模块和/或底部模块中的氧气浓度过低，则控制器152将增加对顶部模块和/或底部模块的补充空气供应，以减小二氧化碳浓度或增大氧气浓度。
如图1所示，底部燃料电池模块122的底部阳极部分126可操作地联接到第一顶部阳极部分106和第二顶部阳极部分116中的每个，使得底部阳极部分126接收从第一顶部燃料电池模块102和第二顶部燃料电池模块112的第一顶部阳极部分106和第二顶部阳极部分116传送的阳极排气。在图1的示意性实施例中，第一顶部阳极部分106和第二顶部阳极部分116与底部阳极部分126以二比一的比例进行配置，并且第一顶部燃料电池模块102和第二顶部燃料电池模块112的燃料电池堆的总数与底部燃料电池模块122的燃料电池堆的数量以二比一的比例进行配置。在其他实施例中，顶部模块和底部模块的数量可以变化，并且顶部燃料电池堆和底部燃料电池堆的总数也可以变化。为了提高效率，在某些实施例中，顶部模块的数量大于底部模块的数量，和/或顶部燃料电池堆的总数大于底部燃料电池堆的总数。顶部模块或堆叠具有比底部模块或堆叠更高的电流密度(因为更好的燃料质量)和燃料利用率。
如图所示，从顶部燃料电池模块102、112的阳极部分输出并且包含未利用燃料的阳极排气被传送以用于在底部燃料电池模块122中使用。具体地，在图1中，在底部燃料电池模块122中的从一个或多个顶部燃料电池模块接收的阳极排气被供应到底部燃料电池模块122的每个堆叠的燃料转向歧管126A，以用作阳极侧输入气体。燃料转向歧管126A将阳极侧输入气体引导到堆叠的底部阳极部分126，在那里阳极侧输入气体中的未利用燃料与向底部阴极部分124供应的氧化剂气体(例如，已加热烟道气)发生电化学反应。在一些实施例中，也可以向底部阳极部分126提供补充燃料151，诸如通过在来自顶部燃料电池模块的阳极排气被传送到底部燃料电池模块时向所述阳极排气添加补充燃料。控制器152控制向底部阳极部分126提供的补充燃料151的量，以便在底部燃料电池模块中实现期望的燃料利用率和电流产生。
在底部阳极部分126中产生的阳极排气经由阳极出口歧管130从底部燃料电池模块输出，并且然后传送到分离组件177，以用于将CO2从底部燃料电池模块122的阳极排气中分离。来自底部阳极部分126的阳极排气包含：来自向顶部阳极部分106和116提供的以及向底部阳极部分126提供的阳极侧输入气体的所有CO2，以及从顶部燃料电池模块和底部燃料电池模块的阴极氧化剂气体流中提取的所有CO2。从底部阳极部分126输出的阳极排气中存在的CO2的量可以高达向系统100供给的总CO2的90％。例如，从底部阳极部分输出的阳极排气可以包含约53％的二氧化碳、42％的水蒸气，以及约5％的氢气和一氧化碳的混合物，例如合成气。分离组件177分离阳极排气的不同组分，并且在图1的示意性配置中包括冷凝器178和CO2捕集组件180。
冷凝器178冷却并冷凝来自底部燃料电池模块122的阳极排气以便从其中分离水。冷凝器178将干燥的阳极排气(已分离水的阳极排气)输出到CO2捕集组件180。例如，干燥的阳极排气将包含约90％的二氧化碳和9％的水蒸汽，以及附加的惰性气体。CO2捕集组件180从干燥阳极排气中移除二氧化碳，使得所得的干燥已分离阳极排气具有显著减少的二氧化碳量，并且其组成类似于向第一顶部阳极部分106和第二顶部阳极部分116输入的重整燃料的组成。CO2捕集组件180使用一个或多个分离过程(诸如压缩和冷却以产生低温二氧化碳、溶剂洗涤或薄膜法)从干燥阳极排气中移除二氧化碳。干燥的已分离阳极排气作为再循环流从CO2捕集组件180传送到阳极升压器182，以与从燃料供应186输入到系统100中的新燃料混合，所述阳极升压器182在经由控制阀188传送再循环流之前增加所述再循环流的压力。在一些实施例中，一些或全部的再循环流可以替代地经由旁路阀190传送，以便与从预转换器134输出的部分重整燃料混合。控制器152可以调整阀188和190，以便调整向新燃料添加的再循环流的量，以及向部分重整燃料添加的再循环流的量。在这些实施例中，在使用再循环燃料流的情况下，系统100可以实现非常高的燃料利用率和效率。
在图1的实施例中，阀184或类似装置可以设置在CO2捕集组件180与阳极升压器182之间的管道中。控制器152可以调整阀184以排出再循环流的一部分，使得从再循环流中放出惰性气体诸如氮气中的一部分以防止这些惰性气体的累积。
现在将描述图1所示的系统的操作。在操作期间，经由烟道气输入168将从烟道气产生系统产生和输出的烟道气供应到系统100。在烟道气加热器166中，使用来自从顶部燃料电池模块和底部燃料电池模块输出的阴极排气的废热以加热烟道气。然后将已加热烟道气并行或串行地提供给顶部燃料电池模块102、112和底部燃料电池模块122，以用作阴极氧化剂气体。如下文所述的，在系统100的操作期间，在顶部燃料电池模块和底部燃料电池模块中提取用作阴极氧化剂气体的烟道气中的二氧化碳，并且将所述二氧化碳与来自底部燃料电池模块的阳极排气一起输出，使得可以分离和捕集二氧化碳。
同样在图1的系统的操作期间，第一顶部燃料电池模块102和第二顶部燃料电池模块112各自从燃料供应186接收燃料供给的一部分(诸如甲烷、天然气或其他合适燃料)。在将燃料供给传送到顶部燃料电池模块102、112之前，可以预热和/或处理燃料供给。例如，可以使用加湿器加湿燃料供给，并且可以使用预转换器134部分地重整顶部燃料电池模块外部的燃料供给中的一些。此外，可以在脱氧器中对燃料供给进行脱氧，在脱硫器(未示出)中对燃料供给进行脱硫，和/或对燃料供给进行达到燃料电池纯度规范可能需要的其他处理。然后，在第一顶部燃料电池模块102和第二顶部燃料电池模块112之间分配已预热和/或处理的燃料供给，其中第一顶部燃料电池模块102接收燃料供给的第一部分，并且第二顶部燃料电池模块112接收燃料供给的第二部分，并且可以将燃料供给的第一部分和第二部分的量控制为大约相同或不同的。可以使用控制器152控制向第一顶部燃料电池模块102和第二顶部燃料电池模块112供应的第一燃料供给部分和第二燃料供给部分的相应量。然后，在第一热交换器136和第二热交换器138(燃料过热器)中，使用分别从相应顶部燃料电池模块传送的阴极排气热量以预热第一顶部燃料电池模块102和第二顶部燃料电池模块112的每个中接收的燃料供给部分。在示例中，燃料过热器136和138位于堆叠模块内并且是分离的单元。在一些实施例中，热交换器136、138位于模块外壳的外部并且可以组合成一个热交换器。在第一燃料电池模块102和第二燃料电池模块112中的每个中，然后将已预热燃料供给部分传送到相应顶部模块的一个或多个燃料电池堆的顶部阳极部分106、116，并且可以在将已预热燃料供给部分传送到相应顶部阳极部分106、116之前，在间接内部重整器148、150中重整已预热燃料供给部分。
第一顶部燃料电池模块102和第二顶部燃料电池模块112消耗向顶部燃料电池模块传送的相应燃料供给部分中包含的燃料中的一部分，使得从第一顶部模块102和第二顶部模块112传送的阳极排气在其中包含剩余的燃料部分。第一燃料电池模块102和第二燃料电池模块112消耗燃料供给中的燃料的约三分之二，并且传送包含剩余燃料部分的阳极排气，所述剩余燃料部分为燃料供给中的初始燃料的约三分之一。在第一燃料电池模块102和第二燃料电池模块112中的电化学反应期间，提取通过相应顶部阴极部分104、114传送的阴极氧化剂流(烟道气)中存在的CO2，并且跨过电解质基板将所述CO2传送到相应顶部阳极部分。因此，从阳极顶部部分输出的阳极排气不仅包含剩余的未利用燃料，而且还包含从顶部阴极部分104、114的阴极氧化剂流提取的CO2。
在图1中，燃料电池系统100可以包括阳极升压鼓风机132，其设置在第一顶部燃料电池模块102和第二顶部燃料电池模块112的下游以及底部燃料电池模块122的上游。阳极升压鼓风机132接收从第一顶部阳极部分106和第二顶部阳极部分116传送的阳极排气，并且在其传送到底部燃料电池模块122之前增加阳极排气的压力。阳极升压鼓风机132在低压增加的情况下进行操作，从而引起低压缩功率和低成本。控制器152可以控制阳极升压鼓风机132的操作，以便分别控制第一顶部燃料电池模块102和第二顶部燃料电池模块112以及底部燃料电池模块122的阳极部分和阴极部分之间的压差。在该系统中，顶部燃料电池模块102、112和底部燃料电池模块122的阳极至阴极压差可受到升压鼓风机132影响。当顶部燃料电池模块和底部燃料电池模块的阳极部分和阴极部分之间的压差通过控制器152达到平衡时，可以从系统100移除阳极升压鼓风机132。
如图1所示，可以为通过阳极升压鼓风机132向底部燃料电池模块122供应的阳极排气补充新的补充燃料151。补充的新燃料可以与阳极排气混合，而不需要任何附加的水以加湿燃料，因为来自第一顶部燃料电池模块102和第二顶部燃料电池模块112的阳极排气流包含足量的水。控制器152可以控制向底部燃料电池模块供应的新燃料的量，以便在底部燃料电池模块中实现期望的燃料利用率和电流产生。可以从与顶部燃料电池模块相同或不同的燃料供应中供应补充的新燃料。在一些实施例中，补充的新燃料包括可重整燃料诸如甲烷。
如上文所提及的，在一些实施例中，底部燃料电池模块的底部燃料电池堆包括间接内部重整器。在此类实施例中，将补充燃料提供给底部燃料电池堆的间接内部重整器，并且然后将重整或部分重整的补充燃料从间接内部重整器供给到底部堆叠的底部阳极部分。在一些实施例中，仅将补充燃料供给到底部燃料电池堆的间接内部重整器，而将来自第一顶部燃料电池模块102和第二顶部燃料电池模块112的阳极排气直接提供到底部堆叠的燃料转向歧管126A中，而不传送通过间接内部重整器。该配置改善底部堆叠的热分布并且使从底部堆叠输出的功率最大化。
在底部燃料电池模块122中接收包含来自顶部燃料电池模块的阳极排气以及任选地补充新燃料的阳极入口气体，并且经由燃料转向歧管126A将其传送到底部燃料电池模块中的一个或多个燃料电池堆的底部阳极部分126。如上所述，可以在底部阳极部分中通过直接内部重整以重整阳极入口气体。在底部燃料电池模块中的电化学反应期间，阳极入口气体中的燃料与通过底部阴极部分传送的阴极氧化剂气体(烟道气的一部分)进行反应，并且提取阴极氧化剂气体中存在的CO2以及通过电解质基板将其传送到底部阳极部分。因此，底部阳极部分所产生并从其输出的阳极排气将包含已经存在于阳极入口气体中的CO2以及从阴极氧化剂气体提取的CO2。也就是说，从底部阳极部分126输出的阳极排气将包含：初始存在于燃料供给中的CO2、从通过顶部阴极部分104、114传送的阴极氧化剂气体中提取并且存在于向底部阳极部分126中输入的阳极入口气体中的CO2，以及从通过底部阴极部分124传送的阴极氧化剂气体中提取的CO2。来自底部阳极部分126的阳极排气进一步包含水和未利用的燃料。
如上所述，经由阳极出口歧管130从一个或多个底部燃料电池堆传送由底部阳极部分产生的阳极排气，并且将所述阳极排气从底部燃料电池模块122输出到分离组件177。在图1的分离组件177中，将阳极排气传送到冷凝器178，所述冷凝器178从阳极排气中移除水并且将干燥的阳极排气传送到碳捕集组件180。碳捕集组件180从干燥的阳极排气中分离并移除大部分二氧化碳，并且经由阳极升压器182使得具有减少的二氧化碳量的干燥已分离阳极排气再循环，以用于在顶部燃料电池模块102、112中使用。此外，经由阀184排出干燥的已分离阳极排气的一小部分，以便在将干燥的已分离阳极排气提供给阳极升压器182之前防止惰性气体的累积。阳极升压器182增加了再循环的干燥已分离阳极排气流的压力，并且传送其以与由燃料供应186供应的新燃料混合。可替代地，使再循环的干燥已分离阳极排气流在预转化器134附近绕过，以与从预转化器输出的部分重整燃料混合。在这些实施例中，在使用再循环燃料流的情况下，系统100可以实现非常高的燃料利用率和效率。
如上所述，燃料电池系统100包括被编程以控制燃料电池系统100的各种部件和操作的控制器152。控制器152被编程以控制以下中的一个或多个：
(1)向第一顶部燃料电池模块102和第二顶部燃料电池模块112和/或底部燃料电池模块122供应的补充空气(新鲜空气)的量和流速，以便用新鲜空气稀释烟道气/阴极氧化剂气体，并且控制向顶部燃料电池模块和底部燃料电池模块传送的入口氧化剂气体中的二氧化碳和氧气的温度和浓度；
(2)阳极升压鼓风机132的操作，以便控制第一顶部燃料电池模块102和第二顶部燃料电池模块112以及底部模块122的阳极部分和阴极部分之间的压差并且保持低压差；
(3)向底部燃料电池模块供应的补充燃料的量和流速，以便在底部燃料电池模块中实现期望的燃料利用率和电流产生；
(4)并行或串行传送到顶部燃料电池组件和底部燃料电池组件的烟道气的流动；
(5)向一个或多个顶部燃料电池组件和底部燃料电池组件提供的烟道气的流速，以便实现预定的总CO2利用率，其优选地为50％或更高并且在一些实施例中为85％或更高，并且在顶部燃料电池组件和底部燃料电池组件中的每个中支持燃料电池阴极侧的电化学反应；
(6)顶部燃料电池模块和底部燃料电池模块的阳极侧和阴极侧之间的压力，使得压力平衡；
(7)向第一顶部燃料电池模块和第二顶部燃料电池模块中的每个提供的燃料供给量；
(8)从底部堆叠逐渐抽取补充燃料，并且将燃料递送到顶部堆叠，并随着堆叠老化将输出从顶部模块转移到底部模块；
(9)与新燃料混合的再循环的干燥已分离阳极排气的量，以及绕过预转换器的再循环的干燥已分离阳极排气的量。
控制器对以上操作中的一个或多个的控制取决于系统的实际操作条件和期望操作、操作的长度，以及其他因素。例如，基于电力需求(例如，针对电力的客户需求)控制由底部燃料模块122产生的电流，使得当电力需求为低时，控制器152进行控制以使得向底部燃料电池模块供应较少量的补充燃料或不供应补充燃料；以及当电力需求增加时，控制器152进行控制以使得向底部燃料电池模块供应的补充燃料的量增加。
此外，在本申请中，当随着系统的老化，第一顶部燃料电池模块102和第二顶部燃料电池模块112的重整率降低时，控制器152进行控制以使得向底部模块122传送的为富含甲烷燃料的补充燃料逐渐转向到第一顶部模块102和第二顶部模块112。也就是说，随着系统继续操作并且顶部模块102、112中的重整率降低，将较少的补充燃料发送到底部模块122，并且将较多的燃料发送到第一顶部模块102和第二顶部模块112。以此方式，通过添加更多的包含甲烷的燃料以补偿顶部模块的甲烷冷却负荷的损失。因此，基于从一个或多个顶部燃料电池模块供应到一个或多个底部燃料电池模块的未重整燃料的量，顶部模块中产生的电流随着操作时间而减少，并且一个或多个底部燃料电池模块中产生的电流随着操作时间而增加。此外，此种控制不影响底部模块122的冷却，因为底部模块从重整率减小的顶部模块接收未转换的燃料(包括未转换的甲烷)。
根据上述的系统和系统操作，首先将燃料供给到两个并行顶部燃料电池模块102、112，其取决于操作条件电化学地消耗大约65％至75％的燃料。然后，将来自顶部燃料电池模块102、112的燃料排气供应到底部燃料电池模块122，所述底部燃料电池模块122也可以接收附加的新燃料(补充燃料)。底部燃料电池模块122在电化学转换反应中消耗其接收的燃料的大约60％至70％。因此，顶部燃料电池组件和底部燃料电池组件利用向系统100提供的燃料的大约80％至100％，并且系统100实现高于60％的电转换效率。
控制器152可以是由GE制造的常规PLC(可编程逻辑控制器)。进而，所使用的控制程序可以是被称为“Versapro”的软件产品，即用于工业自动化的GE PLC中可实现的GE产品。在其他实施例中，控制器可以是由Foxboro制造的常规DCS(分布式控制系统)，并且控制程序可以是也由Foxboro制造的用于工业自动化的DCS中实现的软件。在又一个实施例中，控制器可以是常规的基于PLC的“Iconics”系统。尽管控制器152已经被描述为控制以上提到的各种部件，应该理解的是，控制器152可以控制本文公开的任何部件，无论是否具体说明。
本申请还考虑到控制图1所示的系统的顶部模块和底部模块的燃料电池堆中的热条件。如上所述，顶部模块和底部模块的燃料电池堆包括内部重整，并且特别是直接内部重整，其中重整催化剂分布在堆叠的阳极室内。为了改善燃料电池的热均匀性，特别是在底部模块的一个或多个堆叠中，底部模块中的燃料电池使用与顶部模块中的燃料电池不同的直接内部重整催化剂量和空间分布。
在另一个实施例中，图1的高效燃料电池系统100适于与作为到顶部和/或底部燃料电池阴极部分的入口氧化剂气体的新鲜空气或干燥新鲜空气一起使用，而不是与来自烟道气产生装置的烟道气一起使用。在该操作模式中，将来自底部燃料电池的阳极的排气传送到气体分离组件，在那里类似于图1所示的系统，从阳极排气中的未利用燃料分离二氧化碳和水。已分离的二氧化碳可被隔离或用于其他应用。可以对其中二氧化碳和水减少的已分离的未利用燃料进行加压并且将其与到顶部模块的燃料供给组合。该系统中的燃料电池可以是固体氧化物燃料电池，或任何其他燃料电池，包括磷酸燃料电池。
在又一个实施例中，取决于系统的操作模式，顶部阴极部分和/或底部阴极部分可以选择性地接收单独的或与补充空气混合的来自烟道气产生装置的烟道气，或者新鲜空气或干燥的新鲜空气作为入口氧化剂气体。在此类实施例中，提供合适的管道和流量控制构件或阀以用于向顶部阴极和/或底部阴极选择性地供应烟道气或空气，并且控制器152通过控制流动控制构件或阀的开关以控制向阴极部分供应的入口氧化剂气体(即，烟道气或空气)的类型。
图2示出了图1的高效燃料电池系统200的替代性实施例。除了从底部燃料电池模块122传送的阴极排气和阳极排气之外，图2所示的示例性实施例与上述类似地进行配置。在图2中，系统200的类似部件用来自图1中的系统100的类似附图标号进行标记，并且省略其详述。在图2所示的示意性实施例中，来自烟道气产生装置的烟道气被并行地传送到顶部燃料电池模块和底部燃料电池模块，并且顶部燃料电池模块和底部燃料电池模块中的每个所输出的阴极排气被传送到热量回收单元(未示出)，以用于回收和使用阴极排气中的废热并且在此之后从系统200输出排气208。阴极排气可以首先从系统200输出，并且在此之后提供给外部热回收单元以用于回收废热。应当理解的是，图2的系统可以被修改以使得来自烟道气产生装置的烟道气被串行地传送到顶部燃料电池模块和底部燃料电池模块，使得烟道气首先传送到顶部燃料电池模块和底部燃料电池模块中的一个，并且顶部燃料电池模块和底部燃料电池模块中的一个所产生的阴极排气然后传送到顶部燃料电池模块和底部燃料电池模块中的另一个。例如，类似于在图1的配置中，系统200可以被配置以使顶部燃料电池模块首先接收烟道气产生装置所产生的烟道气，并且然后传送来自顶部燃料电池模块的阴极排气，以用作底部燃料电池模块中的氧化剂气体。还可以考虑到，系统200可以被配置成串行和并行地将烟道气传送到顶部燃料电池模块和底部燃料电池模块，并且控制器152被设置用于控制系统200的操作模式，使得系统要么以其中烟道气并行流动的并行模式进行操作，要么以其中烟道气串行流动的串行模式进行操作。
在图2的实施例中，烟道气加热器被替换为组合式氧化器和烟道气加热器202，其用空气或氧气催化地氧化从底部燃料电池模块122输出的阳极排气，以产生具有高CO2含量和废热的燃烧气体。当使用氧气以用于氧化阳极排气时，燃烧气体包含基本上全部的CO2和水。组合式氧化器和烟道气加热器202所产生的废热用于加热由烟道气产生装置产生并经由烟道气入口168输入到系统200中的烟道气。控制器152控制向组合式氧化器和烟道气加热器202供应的空气/氧气的量，以便控制氧化器和烟道气加热器202中的温度。
从组合式氧化器和烟道气加热器202输出的燃烧气体被传送到分离组件277，其在图2的实施例中包括冷凝器/热回收单元(HRU)278和CO2分离器280。冷凝器/HRU 178冷却燃烧气体，以冷凝出水并将已分离水或干燥的燃烧气体输出到CO2分离器280，所述CO2分离器280从干燥的燃烧气体中分离CO2以用于储存或用于另一用途，并且输出剩余的燃烧气体以从系统中排出。在图2的实施例中，CO2分离器280可以具有与图1的CO2分离器180相同或类似的配置，并且可以使用相同或类似的技术分离CO2。
除了从底部燃料电池模块122传送的阴极排气和阳极排气之外，图2所示的示例性实施例与以上关于图1所述类似地进行操作。在图2的实施例中，底部阳极部分126将阳极排气传送到组合式氧化器和烟道气加热器202，在那里用空气或氧气氧化阳极排气以产生用于加热输入烟道气的燃烧气体和废热。燃烧气体从氧化器和烟道气加热器202传送到分离组件277的冷凝器278。冷凝器278使得从组合式氧化器和烟道气加热器202接收的燃烧气体中冷凝出水，并且将干燥的燃烧气体传送到CO2捕集组件280。CO2捕集组件280处理干燥的燃烧气体以从剩余排气中分离二氧化碳，并且输出已分离的二氧化碳以用于储存或其他用途，以及单独地输出剩余的燃烧气体以从系统中排出。作为系统200的配置和操作的结果，出于与以上关于图1所描述相同的原因，本申请的系统200可以移除和分离经由烟道气和燃料输入到系统200中的二氧化碳的高于90％。
图1和图2中所示的系统是本申请的系统的示意性示例，所述示例使用一个或多个顶部堆叠，其可以是一个或多个模块和一个或多个底部堆叠的形式，其可以是一个或多个模块的形式，并且其中来自一个或多个顶部堆叠的阳极排气传送到一个或多个底部堆叠以及来自一个或多个顶部堆叠的阴极排气可以传送到一个或多个底部堆叠，并且其中一个或多个顶部堆叠和一个或多个底部堆叠被配置成在顶部堆叠中产生约2/3的系统电流以及在一个或多个底部堆叠中产生约1/3的系统电流，以改善燃料利用率、燃料效率、系统内的热均匀性和降低发电成本。另外，图1和图2的系统使用从外部烟道气产生装置供应的烟道气作为阴极氧化剂气体，并且在从底部燃料电池模块输出的阳极排气中提取并输出烟道气中的CO2，使得可以捕集二氧化碳并将其储存或容易地提供其以用于其他用途。因此，图1和图2的系统不仅能够在提高效率和降低总体排放量的情况下发电，还能够捕集和分离从烟道气产生装置输出的CO2，从而大大降低总体CO2排放量。
在另一个实施例中，图2的高效燃料电池系统可以适于与作为到顶部和/或底部燃料电池阴极部分的入口氧化剂气体的新鲜空气或干燥新鲜空气一起使用，而不是与来自烟道气产生装置的烟道气一起使用。在此类实施例中，来自底部燃料电池阳极的排气传送到组合式氧化器和空气加热器，其配置与图2的组合式氧化器和烟道气加热器202类似。在组合式氧化器和空气加热器中，用空气或氧气氧化阳极排气，以产生用于加热入口氧化剂气体(新鲜空气或干燥新鲜空气)的燃烧气体和废热。燃烧气体然后传送到分离组件，其具有与图2中的冷凝器类似的配置，并且包括用于从燃烧气体中冷凝出水的冷凝器，以及用于处理干燥的燃烧气体以分离二氧化碳用于储存或其他用途的CO2捕集组件。剩余的耗尽CO2的燃烧气体从分离组件输出以从系统中排出。如在图2的系统中，可移除和分离经由入口氧化剂气体(空气/干燥空气)和烟道输入到系统中的大部分二氧化碳，同时还保持顶部燃料电池和底部燃料电池中的高燃料利用率。
在所有情况下，应当理解的是，上述布置仅示出了表示本申请的应用的许多可能具体实施例。例如，虽然在图1和图2的具体配置中，顶部燃料电池模块的数量和顶部燃料电池堆的总数大于一个或多个底部燃料电池模块的数量和/或一个或多个底部燃料电池堆的总数，但是应当理解的是，在其他配置中，一个或多个顶部燃料电池模块的数量可以与一个或多个底部燃料电池模块的数量相同，和/或一个或多个顶部燃料电池堆的总数可以与一个或多个底部燃料电池堆的总数相同。在此类其他配置中，与一个或多个底部燃料电池模块和一个或多个底部燃料电池堆相比，一个或多个顶部燃料电池模块和一个或多个顶部燃料电池堆可以具有总数更多的燃料电池。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，根据本申请的原理可以容易地设想出许多和变化的其他布置。

Claims (15)

1.一种高效燃料电池系统，其被配置成接收来自烟道气产生装置的烟道气并且从所述烟道气捕集二氧化碳，所述高效燃料电池系统包括：
顶部燃料电池组件，其包括顶部阴极部分和顶部阳极部分；
底部燃料电池组件，其包括底部阴极部分和底部阳极部分，其中所述底部阳极部分接收从所述顶部阳极部分输出的阳极排气；以及
分离组件，其被配置成接收含二氧化碳的排气并且从所述含二氧化碳的排气中分离二氧化碳；
其中所述含二氧化碳的排气是从所述底部阳极部分输出的阳极排气和源于从所述底部阳极部分输出的所述阳极排气的气体中的一种；
其中所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的至少一个接收从所述烟道气产生装置输出的所述烟道气的至少一部分；以及
其中与所述底部燃料电池组件相比，所述顶部燃料电池组件具有数量更多的燃料电池，使得所述顶部燃料电池组件利用比所述底部燃料电池组件更多的燃料。
2.根据权利要求1所述的高效燃料电池系统，其中所述顶部燃料电池组件包括两个或更多个顶部燃料电池模块；
其中所述顶部燃料电池模块中的每个包括顶部阳极部分；以及
其中所述系统被配置以使得来自所述顶部燃料电池模块的所述顶部阳极部分中的每个的阳极排气在离开所述相应的顶部阳极部分之后进行组合，并且所述已组合的阳极排气由所述底部阳极部分接收。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的高效燃料电池系统，其中所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的每个并行地接收从所述烟道气产生装置输出的所述烟道气的一部分。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的高效燃料电池系统，其中所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的一个接收从所述烟道气产生装置输出的所述烟道气的至少一部分并产生阴极排气；以及
其中所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的另一个接收由所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的所述一个产生的所述阴极排气。
5.根据权利要求4所述的高效燃料电池系统，其中所述顶部阴极部分接收从所述烟道气产生装置输出的所述烟道气的至少一部分并产生阴极排气；以及
其中所述底部阴极部分接收由所述顶部阴极部分产生的所述阴极排气。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的高效燃料电池系统，其中所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分被配置成并行或串行地接收所述烟道气；以及
其中所述系统进一步包括用于控制所述烟道气向所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分的并行或串行流动的控制器。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的高效燃料电池系统，其中所述含二氧化碳的排气是从所述底部阳极部分输出的阳极排气；
其中所述分离组件输出已分离的二氧化碳，并且单独地输出具有减少的二氧化碳量的已分离阳极排气；以及
其中所述已分离的阳极排气再循环到所述顶部阳极部分以用作燃料。
8.根据权利要求7所述的高效燃料电池系统，其进一步包括管道和流动控制构件，所述管道和流动控制构件用于排出少量的所述已分离阳极排气，以在将所述剩余的已分离阳极排气再循环到所述顶部阳极部分之前移除惰性气体。
9.根据权利要求1或权利要求2所述的高效燃料电池系统，其进一步包括氧化器组件，所述氧化器组件用于通过空气和氧气中的一种或多种氧化从所述底部阳极部分输出的阳极排气，以产生所述含二氧化碳的排气并且产生用于在将所述烟道气提供到所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的至少一个之前加热所述烟道气的废热；
其中所述分离组件输出已分离的二氧化碳，并且单独地输出具有减少的二氧化碳量的已分离气体。
10.根据权利要求1或权利要求2所述的高效燃料电池系统，其中所述分离组件包括：
冷凝器，其用于冷却所述含二氧化碳的排气，以从所述含二氧化碳的排气中分离水并且输出已分离水的含二氧化碳的排气；以及
二氧化碳分离器，其用于从所述已分离水的含二氧化碳的排气中分离二氧化碳，以输出具有减小的二氧化碳含量的已分离气体并且单独地输出适合于储存和外部使用中的一种或多种的二氧化碳。
11.根据权利要求10所述的高效燃料电池系统，其中所述二氧化碳分离器使用压缩和低温冷却以产生液态二氧化碳、溶剂洗涤和薄膜法中的一种或多种以分离所述二氧化碳。
12.根据权利要求1或权利要求2所述的高效燃料电池系统，其进一步包括控制器，所述控制器用于控制所述烟道气到所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的至少一个的流速，以在所述顶部燃料电池组件和所述底部燃料电池组件中的每个中支持燃料电池阴极侧的电化学反应，并且实现50％或更高的总体CO2利用率。
13.根据权利要求1或权利要求2所述的高效燃料电池系统，其进一步包括控制器，所述控制器用于控制烟道气和燃料通过所述顶部燃料电池组件和所述底部燃料电池组件的流速，使得所述顶部阳极部分和所述顶部阴极部分之间的压力平衡，并且所述底部阳极部分和所述底部阴极部分之间的压力平衡。
14.根据权利要求1或权利要求2所述的高效燃料电池系统，其中所述底部阳极部分进一步接收补充燃料；以及
所述高效燃料电池系统进一步包括用于控制传送到所述底部阳极部分的补充燃料量的控制器；
其中所述控制器通过控制传送到所述底部阳极部分的所述补充燃料量以控制所述底部燃料电池组件中产生的电流量。
15.根据权利要求1或权利要求2所述的高效燃料电池系统，其进一步包括控制器，其中所述控制器控制以下中的一个或多个：
(a)在所述顶部燃料电池组件和所述底部燃料电池组件中产生的电流量，使得随着所述高效燃料电池系统的操作时间增加，由所述顶部燃料电池组件产生的所述电流量减少，并且由所述底部燃料电池组件产生的所述电流量增加；
(b)基于电力需求在所述底部燃料电池组件中产生的所述电流量，使得当所述电力需求增加时，在所述底部燃料电池组件中产生的所述电流量增加；
(c)并行或串行传送到所述顶部燃料电池组件和所述底部燃料电池组件的所述烟道气的所述流动；
(d)所述烟道气到所述顶部燃料电池组件和所述底部燃料电池组件的所述流速，以实现预定的总体CO2利用率；
(e)所述顶部燃料电池模块和所述底部燃料电池模块中的所述阳极部分和所述阴极部分之间的所述压力，使得所述压力平衡；
(f)向所述第一顶部燃料电池模块和所述第二顶部燃料电池模块中的每个提供的燃料供给量；
(g)向所述底部燃料电池组件提供的补充燃料量；
(h)从所述分离组件输出到所述顶部阳极部分的二氧化碳浓度减小的剩余排气的再循环；以及
(i)向所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的一个或多个供应的补充空气量，以便控制向所述顶部阴极部分和所述底部阴极部分中的一个或多个传送的阴极入口气体中的二氧化碳和氧气的温度和浓度。
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