CN107925104A - 包含高级烃还原单元的固体氧化物燃料电池系统 - Google Patents

包含高级烃还原单元的固体氧化物燃料电池系统 Download PDF

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Abstract

在一些实例中，本公开涉及一种固体氧化物燃料电池系统，其包括：固体氧化物燃料电池；喷射器，其中所述喷射器被配置为接收来自固体氧化物燃料电池的燃料侧出口的燃料再循环流并且还接收主燃料流，其中所述喷射器被配置为使得主燃料流的流动将燃料再循环流吸入到喷射器中并将燃料再循环流和主燃料流混合以形成包括甲烷和高级烃的混合燃料流；以及高级烃还原单元，其被配置为接收来自喷射器的混合燃料流并且通过催化转化过程去除一部分高级烃以形成经还原的高级烃燃料流，其中固体氧化物燃料电池的燃料侧入口被配置为接收来自还原单元的经还原的高级烃燃料流。

Description

包含高级烃还原单元的固体氧化物燃料电池系统
本申请要求于2015年8月18日提交的美国临时申请号62/206,649的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开总体上涉及固体氧化物燃料电池系统。
背景技术
燃料电池和燃料电池系统(例如固体氧化物燃料电池和固体氧化物燃料电池系统)仍然是受关注的领域。一些现有的系统相对于某些应用有各种不足、缺点和劣势。因此，在该技术领域仍然需要进一步的贡献。
概述
在一个实例中，本公开涉及一种固体氧化物燃料电池系统，其包括：固体氧化物燃料电池，包括至少一个电化学电池、燃料侧入口、燃料侧出口、氧化剂侧入口和氧化剂侧出口；喷射器，包括第一喷射器入口、第二喷射器入口和喷射器出口，其中所述喷射器被配置为从所述固体氧化物燃料电池的燃料侧出口经由所述第一喷射器入口接收燃料再循环流，其中所述喷射器被配置为经由所述第二喷射器入口接收主燃料流，其中所述喷射器被配置为使得所述主燃料流的流动将所述燃料再循环流经由所述第一喷射器入口吸入到所述喷射器中，其中所述喷射器被配置为将所述燃料再循环流与所述主燃料流混合以形成包括甲烷和高级烃的混合燃料流；以及高级烃还原单元，其被配置为接收来自喷射器出口的混合燃料流，并通过催化转化过程去除混合燃料流的至少一部分高级烃，以形成经还原的高级烃燃料流，其中所述燃料侧入口被配置为从还原单元出口接收经还原的高级烃燃料流，其中所述至少一个电化学电池被配置为利用由固体氧化物燃料电池经由氧化剂侧入口而接收的氧化剂流，通过电化学过程从经还原的高级烃燃料流中的氢来发电，并且其中经还原的高级烃燃料流形成经由燃料侧出口离开所述固体氧化物燃料电池的燃料再循环流。
在另一个实例中，本公开涉及一种包括经由固体氧化物燃料电池系统发电的方法，所述燃料电池系统包括：固体氧化物燃料电池，包括至少一个电化学电池、燃料侧入口、燃料侧出口、氧化剂侧入口和氧化剂侧出口；喷射器，包括第一喷射器入口、第二喷射器入口和喷射器出口，其中所述喷射器被配置为从所述固体氧化物燃料电池的燃料侧出口经由所述第一喷射器入口接收燃料再循环流，其中所述喷射器被配置为经由所述第二喷射器入口接收主燃料流，其中所述喷射器被配置为使得所述主燃料流的流动经由所述第一喷射器入口将所述燃料再循环流吸入到所述喷射器中，其中所述喷射器被配置为将所述燃料再循环流与所述主燃料物流混合以形成包括甲烷和高级烃的混合燃料流；以及高级烃还原单元，被配置为接收来自喷射器出口的混合燃料流，并且通过催化转化过程去除混合燃料流的至少一部分高级烃，以形成经还原的高级烃燃料流，其中所述燃料侧入口被配置为从还原单元出口接收经还原的高级烃燃料流，其中所述至少一个电化学电池被配置为利用由固体氧化物燃料电池经由氧化剂侧入口而接收的氧化剂流，通过电化学过程从经还原的高级烃燃料流中的氢来发电，并且其中经还原的高级烃燃料流形成经由燃料侧出口离开所述固体氧化物燃料电池的燃料再循环流。
在附图和下面的描述中阐述了本公开的一个或多个实施方案的细节。本公开的其它特征、目的和优点将从说明书和附图以及权利要求中显而易见。
附图简要说明
本文的描述参考了附图，其中在几个视图中类似的附图标记指代类似的部分。
图1是示出示例性燃料电池系统的示意图。
图2是说明为了评估本公开的一个或多个方面而进行的实验的结果的图。
图3A和3B是显示陶瓷和金属整料的实例的照片。
图4是示出在为了评估本公开的一个或多个方面而进行的实验中使用的两个陶瓷片的照片。
详细说明
固体氧化物燃料系统可以用来使用一个或多个电化学电池来发电。用烃进料原料例如天然气操作的燃料电池系统的设计必须考虑在燃料处理组件和/或燃料电池组中形成碳的可能性。例如，碳形成可以通过如下的烃裂解(反应1)或Boudouard反应(反应2)在升高的温度下发生：
CxH2x+2→xC+(x+1)H2，其中x≥2 (反应1)
2CO→C+CO2 (反应2)
系统中的碳沉积还可能通过阻断气体流动路径、促进金属粉化、污染催化性燃料电池组件以及促进燃料电池组中的阳极分层而对燃料电池性能产生不利影响。
如本文将进一步详细描述的，可以采用本公开的实例，通过使用高级烃还原单元来降低碳形成的可能性，该高级烃还原单元被配置为在氢气和蒸汽的存在下优先将气体进料流中存在的具有两个或更多个碳原子的烃(在本文中被称为“高级烃”)例如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等等转化成甲烷(反应3)：
CxH2x-2+(x-1)H2→x CH4，其中x≥2 (反应3)
由于进料流中还存在甲烷、蒸汽、氢气、一氧化碳和二氧化碳，所以也可能以受到反应动力学、热力学和来自周围环境的传热的限制的程度发生其他转化过程(反应4至7)
在注入到电池系统循环之后且在引入到固体氧化物燃料电池的阳极侧之前，高级烃还原单元基本上立即或相对较快地提供基本上不含高级烃且主要由甲烷、氢气、二氧化碳和一氧化碳组成的气流。与高级烃相比，甲烷、一氧化碳和氢在较高温度下稳定得多，并且更不容易热裂化。在一些实例中，在引入到固体氧化物燃料电池的阳极(燃料)侧之前，通过高级烃还原单元从气态烃进料中除去约80％或更多，例如约90％或更多，95％或更多，或基本上全部的高级烃。在一些实例中，在引入到固体氧化物燃料电池的阳极侧之前，离开烃还原单元的燃料流可以在蒸汽重整器中进一步处理以根据反应4至5部分地减少气体的甲烷含量或者减少至平衡极限。
进料到高级烃还原单元的气态烃流可以是从阳极(燃料)侧离开系统的固体氧化物燃料电池的主燃料流(例如，天然气流)和燃料再循环流的混合物。喷射器(也被称为射出器)可以用来混合主燃料流和燃料再循环流。喷射器可以被配置为使得主燃料流的流动将再循环燃料流吸入到喷射器中(例如，不需要将再循环流泵送到喷射器中)，其中再循环燃料流与主燃料流混合。由于固体氧化物燃料电池的高操作温度，燃料再循环流可能处于相对高的温度。因此，燃料再循环流可以有利地用于在喷射器中混合时增加主燃料流的温度。而且，再循环燃料流也可以包括高浓度的蒸汽(例如，约30％至约60％的蒸汽)。因此，再循环燃料流有利地为喷射器下游的高级烃还原单元和蒸汽重整单元提供热量和蒸汽源。
图1是示出根据本公开的一个实施方案的示例性固体氧化物燃料电池系统10的示意图。燃料电池系统10包括固体氧化物燃料电池组12、任选的蒸汽重整器14、阳极喷射器16和高级烃(“HC”)还原单元18。
固体氧化物燃料电池12可以包括一个或多个电化学电池，例如以燃料电池组的形式，其被用于通过化学反应发电。本公开中可以使用包括一个或多个电化学电池的任何合适的固体氧化物燃料电池系统。合适的实例包括在2013年5月16日公开的Liu等人的美国专利申请公开号2003/0122393中描述的那些，其全部内容通过引用并入本文。
固体氧化物燃料电池组12的电化学电池包括阳极、阴极和电解质，并且固体氧化物燃料电池组12包括阳极(燃料)侧20和阴极(氧化剂)侧22。在燃料电池系统12的操作期间，氧化剂流(例如，如图1中标记的空气24的形式)可以经由氧化剂侧入口44被供给到阴极侧22，其经由氧化剂侧出口26离开燃料电池12的阴极侧24。类似地，包括氢气的燃料流可以经由燃料侧入口28被供给到阳极侧20，其经由燃料侧出口30离开燃料电池12的阳极侧24。氢气与氧化物离子在阳极处的电化学反应(H2+O2-→H2O+2e-)产生燃料加工组件所使用的阳极再循环流38中的大部分蒸汽。如图1所示，系统10被配置为使得经由入口28进入阳极侧20的燃料流可以是由高级HC还原单元18产生的经还原的高级HC燃料流32。
燃料侧出口30可以与第一喷射器入口34为流体连通，使得离开阳极侧出口30的流(在图1中被标记并称为阳极再循环流38)在离开固体氧化物燃料电池12之后进入喷射器16。另外，主燃料流36(例如，天然气流)经由第二喷射器入口38单独进入喷射器16。喷射器16可以被配置为使得主燃料流36进入喷射器16的流动将阳极再循环流38吸入到喷射器16中。在这个意义上，第一喷射器入口34可以被称为吸入口，而第二喷射器入口38可以被称为动力入口(motive inlet)。主燃料流36的流动可以例如通过经由管道将喷射器连接至压缩的燃料源来产生，该管道具有用于调节气体流量的在线阀门，并且主燃料流36的流动可以被认为是针对喷射器16的操作的动力流体。
喷射器16也可以被配置为使得阳极再循环流38在经由第一入口34被吸入到喷射器16中时与主燃料流36混合。喷射器设计应当优选地促进流体流的快速混合并且在混合过程期间使烃燃料与喷射器及其扩散器的热表面的接触最小化。喷射器16与高级HC还原单元18为流体偶联，使得来自喷射器的混合燃料流经由一个或多个出口(图1中未示出)被供给到高级HC还原单元18。传统的金属或陶瓷管道可以用来将喷射器连接到高级烃还原单元。当使用金属管时，管的内部金属表面优选涂覆有陶瓷材料，其防止气流中存在的高级烃与热的金属表面接触。优选地，喷射器16应当被配置为使得供给到高级HC还原单元18的混合燃料流是阳极再循环流38和主燃料流36的基本均匀的组合物。
喷射器16可以是被配置为如本文所述进行操作的任何合适的喷射器或射出器。示例性喷射器或射出器可以包括Blanchet等人的美国专利第6,902,840号、Merritt等人的美国专利第5,441,821号和/或欧洲专利申请公开第2565970号中所述的一个或多个实例。这些文献中的每一个的全部内容通过引用并入本文。还考虑其他示例性喷射器或射出器。
当进入阳极喷射器16时，阳极再循环流38和主燃料流36可以具有任何合适的组成。在一些实例中，阳极再循环流38可以包括蒸汽、甲烷、一氧化碳、二氧化碳，氮气和/或氢气。例如，阳极再循环流38可以包括约30至约70体积％的蒸汽(优选约45至约55体积％的蒸汽)；约0至约1体积％的甲烷(优选约0至约0.05体积％的甲烷)；约10至约40体积％的一氧化碳加氢气(优选约20至约30体积％的一氧化碳加氢气)；和约10至约40体积％的二氧化碳加氮气(优选约20至约30体积％的二氧化碳加氮气)。精确的组成将特别取决于再循环比例(即，阳极再循环速率与主燃料速率的比值)、固体氧化物燃料电池的操作温度和燃料利用率。在一些实例中，主燃料流36可以是脱硫的天然气燃料流，其包括烃(例如甲烷和高级烃)以及其他组分(例如二氧化碳和氮气)。例如，主燃料流36可以包括大于或等于约50体积％的甲烷(优选约75至约98体积％)；约0.1至约40体积％的高级烃；约0至约15体积％的二氧化碳加氮气；以及优选小于约5体积％的水。还考虑不同于本文所述的那些燃料组合物的示例性燃料组合物。这些燃料包括液化石油气或合成天然气和被定制为提供具有期望的热含量的气体混合物的燃料混合物。虽然含硫燃料可以与耐硫的燃料电池系统和燃料处理组件一起使用，但通常使燃料脱硫是有利的。从烃类燃料中除去硫的方法包括：a)传统的加氢脱硫处理(例如，如Villa-Gracia等人的美国专利号5,010,049中所述)，b)使用吸附存在的硫化合物的被动吸附剂(例如，如Ratnasamy等人的美国专利申请公开US20130078540中所述)，和c)选择性催化硫氧化(SCSO)，然后捕获硫氧化产物(例如，如Lampert的美国专利号7,074,375中所述)。以上所列参考文献中的每一个都整体并入本文。
在一些实例中，阳极再循环流38进入喷射器16时的温度可以比主燃料流36进入喷射器16时的温度高得多。有利的是，在一些实例中，阳极再循环流38的较高温度用于增加主燃料流36的温度，例如用于在高级HC还原单元18和阳极侧20之前预热主燃料流36。在一些实例中，阳极再循环流38进入喷射器16时的温度可以大于约500摄氏度(℃)，并且优选大于约650℃，更优选约750℃至约950℃。在一些实例中，主燃料流36在进入喷射器16时的温度可以大于约50℃，并且优选地大于约75℃，并且更优选地从约90℃至约150℃。在喷射器16中混合后，进入高级HC还原单元18的混合的阳极再循环流38和主燃料物流36的温度可以大于约400℃，并且优选大于约500℃，并且更优选为约600至约750℃。
进入高级HC还原单元18的混合流的温度和总体组成可以取决于进入喷射器16的主燃料流36和阳极再循环流38相对于彼此的体积流速。在一些实例中，阳极再循环流38的体积流速与主燃料流36的体积流速的比率可以是大约2:1或更大，例如大约4:1或更大。在涉及对天然气进行操作的约30k-We燃料电池功率组的一些实例中，阳极再循环流38的体积流速可以是约150SLM或更大，且优选约200至约300SLM。主燃料流36的体积流速可以是约25SLM或更大，优选约40至约60SLM。此外，在一些实例中，阳极再循环与主燃料流速的比率(即再循环比率)应大于约2，且优选大于约4，以确保阳极再循环流含有足够的蒸汽用于下游高级HC还原单元和可选的蒸汽重整单元中的有效处理。
基于阳极再循环流38和主燃料流36的组成，来自喷射器16的混合燃料流可以包括甲烷以及高级烃，例如乙烷、丙烷、丁烷、戊烷等。混合流中的高级烃主要来源于主燃料流36，特别是当燃料流36是天然气流的形式时(尽管还考虑天然气流以外的含高级烃的主燃料流，例如液化石油气和沼气)。典型的气体蒸汽组成的范围可以是约(体积％)：约5至约35％的甲烷、约0.01至约15％的高级烃、约10至约40％的二氧化碳加氮气、约20％至约60％的蒸汽和约10至约35％的氢气加一氧化碳。高级HC还原单元18可以被配置为通过根据反应3将来自喷射器的至少一部分高级烃转化而减少从喷射器16接收的混合燃料流中的高级烃的量。例如，高级HC还原单元18可以被配置为根据上述反应3转化至少60％的高级烃，优选至少80％。
适于用在高级HC还原单元18中的催化剂组合物包括至少一种第VIII族金属，更优选至少一种第VIII族贵金属。第VIII族贵金属包括铂、钯、铑、铱或其组合。包含铑和/或铂的催化剂是特别优选的。在一种形式中，催化剂被承载在载体上。合适的载体是本领域已知的，并且包括耐火氧化物如二氧化硅、氧化铝、氧化钛(二氧化钛)、氧化锆和氧化钨及其混合物。包含至少两种阳离子的混合耐火氧化物也可以用作催化剂的载体材料。在其它实施方案中，催化剂可以被承载在任何方便的固体和/或多孔表面或其他结构上。在其他实施方案中，催化剂可以不被承载在载体或任何其他结构上。在一些实施方案中，催化剂还包含助催化剂元素以提高催化剂活性和耐久性并抑制碳形成。助催化剂元素的实例包括但不限于选自第IIa-VIIa族、第Ib-Vb族、镧系元素和锕系元素(例如使用旧国际理论和应用化学联合会(IUPAC)版本的元素周期表)的元素。诸如氧化镁、二氧化铈和氧化钡的助催化剂可以抑制催化剂上的碳形成。
催化活性金属和任选的助催化剂元素可以通过本领域已知的技术沉积在载体上。在一种形式中，催化剂通过浸渍而沉积在载体上，例如通过使载体材料与催化剂金属的溶液接触，接着干燥并煅烧所得的材料。催化剂可以包括实现期望的高级烃转化率的任何合适量的催化活性金属。在一些实例中，催化剂包含0.01至40重量％，优选0.1至15重量％，更优选0.5至5重量％的活性金属。助催化剂元素的存在量可以为0.01至约10重量％，优选0.1至5重量％。本发明的实施方案还可以包括更多或更少百分比的活性金属和/或助催化剂元素。
在各种实施方案中，高级HC还原单元18可以被配置为提供在高级HC还原过程期间提供催化剂和反应物之间的接触的任何合适的反应方案。在一种形式中，高级HC还原单元18是固定床反应器，其中催化剂以固定布置被保持在反应区内。在一种形式中，催化剂粒料以固定床方案使用，例如通过常规技术保持在适当位置。在其它实施方案中，可以使用其它反应器类型和反应方案，例如流化床反应器，其中催化剂以小颗粒存在并通过工艺气体的流进行流化。
在一些实施方案中，固定床设置可以采取其他形式，例如，其中催化剂被置于整体式结构上。例如，一些典型的实施方案可以包括被洗涂(wash-coated)到整体式结构上的催化剂。合适的整体式结构包括耐火氧化物整料、陶瓷泡沫和金属整料和泡沫，以及由耐火氧化物、陶瓷和/或金属形成的其它结构。一种优选类型的整体式结构是一个或多个整料主体，其具有延伸穿过其中的多个细分的流动通道，例如蜂窝，尽管也可以采用其它类型的整体式结构。整体式支持物可以由一种或多种金属氧化物制成，所述金属氧化物例如氧化铝、二氧化硅-氧化铝、氧化铝-二氧化硅-二氧化钛、富铝红柱石、堇青石、氧化锆、氧化锆-尖晶石、氧化锆-富铝红柱石、碳化硅等。整体式结构可以具有圆柱形构造，其具有延伸穿过其中的正多边形横截面的多个平行气体流动通道。气体流动通道的尺寸可以被设定为每平方英寸提供约50至1500个气流通道。也可以使用其他的材料、尺寸、形状和流速，包括具有比本文提到的范围更大或更小尺寸的流动通道。例如，整体式结构可以由诸如不锈钢等的耐热和抗氧化金属制成。整体式支持物可以由这样的材料制成，例如通过将平坦的和波纹状的片材一个放在另一个之上并且将堆叠的片材卷绕成围绕波纹的轴线的管状构造，以提供具有多个细的平行气体流动通道的圆柱形结构。流动通道的尺寸可以根据具体的应用而定，例如每平方英寸管状辊端面面积约200至1200个。催化材料可以通过各种已知的涂布技术中的一种或多种涂布到蜂窝体的表面上。图3A和3B分别是显示合适的圆柱形陶瓷和金属整料的实例的照片。
高级HC还原单元18的精确操作参数可以取决于燃料电池系统配置，但是示例性操作参数可以为约1至约15巴、约400至约750℃、气时空速(GHSV)为约5000至200,000h-1且蒸汽与烃的进料比(基于C-1计算)为约1.5至约4或更高。在一些实例中，系统可以被配置为给出小于约30％的甲烷转化率，例如小于约20％，小于10％，并且优选小于5％的甲烷转化率，并具有基本上完全的高级烃转化率。高级HC还原单元18可以在固体氧化物燃料电池组12的外部，并且可以被配置为允许单元与其周围环境之间的一些传热。
在一些实例中，高级HC还原单元18可以被配置为从由喷射器16进入高级HC还原单元18的混合燃料流中移除约80％或更多，例如约85％或更多，约90％或更多，或优选95％或更多的高级烃。在一些实例中，通过高级HC还原单元18转化之后在经还原的高级HC燃料流40中的高级烃的浓度可以为约5体积％或更少，例如约1体积％或更少，优选约0.3体积％或更少。
在一些实例中，高级HC还原单元18可以在大于或等于约400摄氏度，例如约500摄氏度至600摄氏度，或优选地大于或等于约650摄氏度的温度下操作。在一些实例中，向高级HC还原单元18添加热量以在优选的温度下操作。或者，如上所述，由于阳极再循环流38进入喷射器16并与主燃料流36混合时相对较高的温度，来自喷射器16的混合燃料流可以在这样的高温下进入高级HC还原单元18。
如上所述，在高级HC还原单元18中，高级烃可以在升高的温度下根据反应3在催化剂的存在下反应，以减少离开喷射器16的混合燃料流中的高级烃的量。有利地，在高级HC还原单元18和/或任选的下游蒸汽重整器中的反应所需的全部蒸汽可以由离开固体氧化物燃料电池12的阳极侧时已经包含在阳极再循环流38中的蒸汽供应。这消除了需要为高级HC还原单元18供应单独的蒸汽源，以降低从喷射器16供应的混合燃料流中的高级烃的浓度。
在一些实例中，存在于阳极再循环流38中的蒸汽可以在系统10的阳极回路循环内完全生成，而基本上不从外部来源添加额外的水(例如，不添加额外的水)。例如，在燃料侧出口30和喷射器入口34之间的阳极再循环流38中、在喷射器16内除了在进入喷射器16时可能存在于主燃料流36中(例如，由于在进入喷射器16之前对主燃料流36进行的SCSO处理)的相对少量的水(例如，少于5体积％)之外、以及在高级HC还原单元18内，可以基本上不从外部源添加额外的水(例如，不添加额外的水)。另外，在出口42和任选的蒸汽重整单元14之间的经还原的高级HC燃料流40中、在任选的蒸汽重整单元14内、以及离开蒸汽重整单元14的出口流内和阳极侧入口28内，可以基本上不从外部源添加额外的水(例如，不添加额外的水)。基本上不从外部源向燃料电池12的阳极侧20添加水(例如，不添加额外的水)。
如上所述，高级HC还原单元18可以用于降低燃料和任何随后的蒸汽重整工艺中高级烃的浓度，剩余的烃可以在催化剂存在下转化为一氧化碳和氢气，用于燃料电池中。在燃料电池组中进行燃料重整的燃料电池系统中，离开高级HC还原单元18的流可以被直接进料到燃料电池组。本文所述的本发明方法提供了与常规的用于去除高级烃的预重整方法相比的几个优点；这些加压过程需要蒸汽产生，使用相对较大的绝热反应器(GHSV～3000h-1)并且在约450摄氏度的温度下操作。随后可能需要对燃料组成和预热进行进一步的调整，以用于随后的高温蒸汽重整和在燃料电池组中的使用。
仍然参考图1，例如，一旦来自喷射器16的混合燃料流中的高级烃的浓度已经降低到期望的水平，则将还原的高级HC燃料流40可以经由出口42离开高级HC还原单元18。出口42经由蒸汽重整器单元14与燃料电池12的阳极侧入口28流体连通。蒸汽重整器14可以被配置为改变离开经还原的高级HC燃料流40的经还原的高级HC燃料流40的组成。蒸汽重整单元14将经还原的高级HC燃料流40中的烃类(主要是甲烷)转化为氢气和一氧化碳(反应4)，用于在燃料电池12的操作中发电。由于甲烷蒸汽重整是吸热的，因此使用来自阴极废气流26的热量来驱动该过程接近完成。在一个优选的实施方案中，蒸汽重整器14被配置为热交换器，其中阴极废气流26穿过热交换器的热侧通道，并且经还原的高级HC燃料流40穿过热交换器的冷侧通道，该冷侧通道中还含有用于蒸汽重整的催化剂。
在一些实例中，经还原的高级HC燃料流40可以以燃料电池12使用的燃料流期望的组成离开高级HC还原单元18，使得经还原的高级HC燃料流40被进料到阳极入口28而不进一步改变流的含量。该方法特别好地适用于被设计用于堆内重整的燃料堆。采用堆内重整，在燃料电池组内进行反应4，在紧密靠近电化学电池处产生氢气和一氧化碳。堆内重整还提供跨燃料电池组的更均匀的温度分布，并且可以消除对重整器单元14的需要。
从描述中显而易见的是，本公开的一些实例可以提供一个或多个优点。例如，在一些情况下，根据本公开的实例的燃料处理子系统可以通过去除更容易转化为碳的高级烃而大大降低燃料电池系统中碳形成的风险。当燃料电池系统以堆内重整操作时，系统的一些实例可以是特别有利的，因为在燃料电池组中在高温下形成碳的风险降低。本公开的一些实例可以允许消除或使用更小且更便宜的要使用的蒸汽重整器单元，因为至少一部分蒸汽重整可以在燃料电池组中完成。此外，在本公开的一些实例中，阳极再循环流提供子系统所需的基本上所有的蒸汽，并且不需要从外部源供应蒸汽。蒸汽对于以下是必要的：a)高级烃还原，b)燃料电池组内或外部的甲烷蒸汽重整，c)防止在燃料电池阳极回路中形成碳，和d)从燃料电池组进行热传递。
实施例
进行一系列实验以评估与本公开的实例有关的一个或多个方面。
实施例1
在实验室规模的测试单元中证实了催化组分的有效性。将用包含铑和铂的催化剂洗涂的0.43”直径×6”长度的陶瓷蜂窝体(400cpsi)装载在管式反应器中并加热到大约678摄氏度。
通过将0.708SLM的脱硫的天然气[81.8％CH4、8.02％C2H6、0.35％C3H8、0.11％C4H10、0.034％C5H12、1.27％CO2和8.11％N2；体积％]与0.467SLM的一氧化碳、0.708SLM的氢气、0.906SLM的二氧化碳和1.982SLM的蒸汽混合而产生4巴(bara)的模拟的阳极喷射器出口流。将模拟的气体进料预热到大约678摄氏度，然后以21,011h-1的GHSV通过高级烃还原催化剂。
发现干的反应器流出物的组成为(以体积％计)CH4 11.3％、CO 14.6％、CO226.9％、H2 39.8％和N2 7.5％。
基于流出物组成，高级烃还原催化剂完全从产物流中除去了高级烃。
实施例2
在实验室规模的测试单元中评估了生产量对C2+烃的转化率的影响。将用包含铑和铂的催化剂洗涂的0.43”直径×1”长度的陶瓷蜂窝体(400cpsi)装载在管式反应器中并加热到大约678摄氏度。
通过将脱硫的天然气[82％CH4、7.4％C2H6、0.48％C3H8、0.15％C4H10、0.04％C5H12、1.41％CO2和8.1％N2；体积％]与一氧化碳、氢气、二氧化碳和蒸汽混合而产生4巴(bara)的模拟的阳极喷射器出口流，得到包含14.2％CH4、1.3％C2H6、0.083％C3H8、0.026％C4H10、0.006％C5H12、7.3％CO、19.6％CO2、13.0％H2、3.1％N2和41.4％H2O(体积％)的模拟的气体进料。
将模拟的进料预热到大约678摄氏度，然后以38,100至130,400h-1的GHSV通过高级烃还原催化剂。
C2+烃转化率数据总结在下表1和图2中。
GHSV(h-1) C2+烃转化率
38,128 93％
75,779 79％
130,399 65％
表1
如C2+烃转化率数据所示，即使在高生产量(GHSV>35,000h-1)下操作时，高级HC还原催化剂也显著降低了产物流中高级烃的水平。
实施例3
在实验室规模的测试装置中证实了催化组分用于减少碳形成的有效性。将用包含铑和铂的催化剂洗涂的0.43”直径×0.5”长度的陶瓷蜂窝体(400cpsi)，装载到管式反应器中并加热到大约785摄氏度。
通过将0.54SLM的脱硫的天然气[82.1％CH4、7.54％C2H6、0.51％C3H8、0.13％C4H10、0.03％C5H12、1.5％CO2和7.9％N2；体积％]与0.22SLM的一氧化碳、0.39SLM的氢气、0.58SLM的二氧化碳和1.244SLM的蒸汽混合而产生4巴(bara)的模拟的阳极喷射器出口流。将模拟的气体进料预热到大约785摄氏度，然后以151,557h-1的GHSV通过高级烃还原催化剂，持续776小时。
干的反应器流出物的组成具有以下平均组成(以体积％计)：CH4 16.8％、CO15.1％、CO2 27.5％、H2 39.8％、N2 3.7％和0.3％C2+烃。图4是显示位于高级HC还原催化剂的上游(A)和下游(样品B)的两个陶瓷测试片的照片。如图所示，位于催化剂上游的测试片(A)具有显著的碳沉积，而下游的测试片(B)是清洁的，例如没有可见的碳沉积。该测试清楚地表明了高级HC还原催化剂用于降低燃料电池系统中碳沉积的有效性。
已经描述了本发明的各种实施方案。这些和其他实施方案在以下权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种固体氧化物燃料电池系统，包括：
固体氧化物燃料电池，包括至少一个电化学电池、燃料侧入口、燃料侧出口、氧化剂侧入口和氧化剂侧出口；
喷射器，包括第一喷射器入口、第二喷射器入口和喷射器出口，其中所述喷射器被配置为经由所述第一喷射器入口接收来自所述固体氧化物燃料电池的燃料侧出口的燃料再循环流，其中所述喷射器被配置为经由所述第二喷射器入口接收主燃料流，其中所述喷射器被配置为使得所述主燃料流的流动将所述燃料再循环流经由所述第一喷射器入口吸入到所述喷射器中，其中所述喷射器被配置为将所述燃料再循环流与主燃料流混合以形成包括甲烷和高级烃的混合燃料流；以及
高级烃还原单元，被配置为接收来自喷射器出口的混合燃料流，并通过催化转化过程去除混合燃料流的至少一部分高级烃以形成经还原的高级烃燃料流，其中所述燃料侧入口被配置为接收来自还原单元出口的经还原的高级烃燃料流，
其中至少一个电化学电池被配置为利用由固体氧化物燃料电池经由氧化剂侧入口而接收的氧化剂流，通过电化学过程从经还原的高级烃燃料流中的燃料来发电，并且
其中经还原的高级烃燃料流形成经由燃料侧出口离开固体氧化物燃料电池的燃料再循环流。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中存在于所述燃料再循环流中的蒸汽完全在所述系统的阳极回路循环内产生，而基本不从外部来源添加额外的水。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述高级烃还原单元被配置为转化所述混合燃料流中大约80％或更多的高级烃。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述高级烃还原单元被配置为转化所述混合燃料流中小于约20％的甲烷。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述高级烃还原单元在大约600摄氏度或更高的温度下操作。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括位于所述还原单元出口和燃料侧入口之间的蒸汽重整器，所述蒸汽重整器被配置为在所述经还原的高级烃燃料流经由燃料侧入口被接收之前，将所述经还原的高级烃燃料流中剩余的甲烷和高级烃的至少一部分转化为一氧化碳和氢气。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料再循环流具有比所述主燃料流更高的温度，使得当与所述燃料再循环流混合时，所述主燃料流的温度在所述喷射器中增加。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料再循环流包括存在于所述混合燃料流中的蒸汽和氢气，并且其中使用所述混合燃料流中的所述蒸汽和氢气催化地去除所述混合燃料流中至少一部分的高级烃。
9.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述混合燃料流以等于或大于约3:1的比率包括所述燃料再循环流和所述主燃料流。
10.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述高级烃还原单元包括一个或多个涂覆在整料形式上的催化组分，所述混合燃料流在所述催化组分上流动以去除所述混合燃料流中的至少一部分高级烃。
11.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述整料形式包括陶瓷堇青石整料。
12.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述高级烃还原单元包括用于所述催化转化过程的催化活性组分，其中所述催化活性组分包含铑或铂中的至少一种。
13.一种方法，其包括经由固体氧化物燃料电池系统发电，所述燃料电池系统包括：
固体氧化物燃料电池，包括至少一个电化学电池、燃料侧入口、燃料侧出口、氧化剂侧入口和氧化剂侧出口；
喷射器，包括第一喷射器入口、第二喷射器入口和喷射器出口，其中所述喷射器被配置为经由所述第一喷射器入口接收来自所述固体氧化物燃料电池的燃料侧出口的燃料再循环流，其中所述喷射器被配置为经由所述第二喷射器入口接收主燃料流，其中所述喷射器被配置为使得所述主燃料流的流动将所述燃料再循环流经由所述第一喷射器入口吸入到所述喷射器中，其中所述喷射器被配置为将所述燃料再循环流与主燃料流混合以形成包括甲烷和高级烃的混合燃料流；以及
高级烃还原单元，被配置为接收来自喷射器出口的混合燃料流，并通过催化转化过程去除混合燃料流的至少一部分高级烃以形成经还原的高级烃燃料流，其中所述燃料侧入口被配置为接收来自还原单元出口的经还原的高级烃燃料流，
其中至少一个电化学电池被配置为利用由固体氧化物燃料电池经由氧化剂侧入口而接收的氧化剂流，通过电化学过程从经还原的高级烃燃料流中的氢来发电，并且
其中经还原的高级烃燃料流形成经由燃料侧出口离开固体氧化物燃料电池的燃料再循环流。
14.根据权利要求12所述的方法，其中存在于所述燃料再循环流中的蒸汽完全在所述系统的阳极回路循环内产生，而基本不从外部来源添加额外的水。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述高级烃还原单元被配置为转化所述混合燃料流中大约80％或更多的高级烃。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述高级烃还原单元被配置为转化所述混合燃料流中小于约20％的甲烷。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述高级烃还原单元在约600摄氏度或更高的温度下操作。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述燃料电池系统还包括位于所述还原单元出口和燃料侧入口之间的蒸汽重整器，所述蒸汽重整器被配置为在所述经还原的高级烃燃料流经由燃料侧入口被接收之前，将所述经还原的高级烃燃料流中剩余的甲烷和高级烃的至少一部分转化为一氧化碳和氢气。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述燃料再循环流具有比所述主燃料流更高的温度，使得当与所述燃料再循环流混合时，所述主燃料流的温度在所述喷射器中增加。
20.根据权利要求12所述的方法，其中所述燃料再循环流包括存在于所述混合燃料流中的蒸汽和氢气，并且其中使用所述混合燃料流中的所述蒸汽和氢气催化地去除所述混合燃料流的至少一部分高级烃。
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