CN108963305A

CN108963305A - 燃料电池系统以及提高燃料电池系统燃料效率的方法

Info

Publication number: CN108963305A
Application number: CN201710374463.8A
Authority: CN
Inventors: 胡立舜; 安德鲁·P·夏皮罗; 伊丽娜·P·什皮里; 帕特里克·G·卡罗尔; 伊尔凡·S·胡塞尼; 罗伯特·J·佩里
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2018-12-07

Abstract

本发明公开了一种燃料电池系统，包括燃料电池单元、燃料回收单元以及第一回流管道。该燃料电池单元包括一个含有阳极和阴极的燃料电池。该燃料电池的阳极用于产生含有酸性气体和未反应燃料气体的阳极输出流。该燃料回收单元包括含有非水性吸收液的酸性气体吸收器，用于从阳极输出流中吸收酸性气体，以产生含酸性气体的吸收液和含有未反应燃料气体的产出气流。该第一回流管道用于将产出气流输送回燃料电池单元。本发明还公开了一种提高燃料电池系统燃料效率的方法。

Description

燃料电池系统以及提高燃料电池系统燃料效率的方法

技术领域

本发明大体上涉及一种燃料电池系统，以及一种提高燃料电池系统燃料效率的方法。

背景技术

燃料电池潜在地能够清洁、安静和高效地产生电力。不同于基于热能的发动机，燃料电池能够利用电化学过程将燃料中的化学能转化为电能。在各种各样类型的燃料电池中，固体氧化物燃料电池(SOFC)使用金属氧化物(如氧化钙、氧化锆)的硬质陶瓷化合物来形成其组成部分，例如，电极、电解液和连接体。通常，在SOFC中，在阴极，氧气被还原成氧离子，在阳极，燃料气体，如甲烷，通过氧离子被氧化成水和二氧化碳(CO₂)。当使用碳氢化合物作为燃料气体时，会产生CO₂，并成为SOFC的阳极输出流的一部分。该阳极输出流通常包括大约15％到30％的未反应燃料气体，包括氢气、一氧化碳，或甲烷。

虽然燃料电池系统拥有清洁、安静发电等诸多优点，其燃料效率通常较低。为提高燃料效率，可以将未反应燃料气体再次利用。一种方法是将阳极输出流通入一气体发动机，如汽轮机、往复式发动机、斯特林发动机等，回收阳极输出流中的能量。然而，这种燃料电池和气体发动机的混合系统一般需要很大的空间。另一种方法是从阳极输出流中去除CO₂，将CO₂含量降低的阳极输出流再循环回到燃料电池系统中。用于去除CO₂的其中一种材料是胺的水溶液。然而，通过热法蒸发方法来再生该胺的水溶液的能耗非常高，这样，虽然阳极输出流中的燃料气体被回收后再利用，但燃料电池系统的整体能耗通常还是非常高。

因此，需要开发一种燃料效率有所改进的燃料电池系统，以及提高燃料电池系统燃料效率的方法。

发明内容

一方面，本发明提供一种燃料电池系统。该燃料电池系统包括燃料电池单元、燃料回收单元以及第一回流管道。该燃料电池单元包括一个含有阳极和阴极的燃料电池，其中，阳极用于产生含有酸性气体和未反应燃料气体的阳极输出流。该燃料回收单元包括含有非水性吸收液的酸性气体吸收器，该酸性气体吸收器用于从阳极输出流中吸收酸性气体，以产生含酸性气体的吸收液和含有未反应燃料气体的产出气流。该第一回流管道用于将该产出气流输送回燃料电池单元。

另一方面，本发明提高了一种提高燃料电池系统燃料效率的方法。该方法包括：从燃料电池系统的燃料电池单元的一个燃料电池的阳极产生阳极输出流，该阳极输出流包括酸性气体和未反应燃料气体；使用非水性吸收液吸收阳极输出流中的酸性气体，以产生含酸性气体的吸收液和含有未反应燃料气体的产出气流；以及将该产出气流输送回燃料电池单元。

附图说明

结合以下附图，通过接下来的详细描述，能够使本发明的以上的以及其它的方面、特征和优点更加清晰。

图1为依据本发明燃料电池系统的一个实施例的示意图；以及

图2为依据本发明提高燃料电池系统燃料效率的方法的一个实施例的流程图。

具体实施方式

以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。除非另作定义，在本文中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分或元件。本文中使用的“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或”、“或者”并不意味着排他，而是指存在提及项目(例如成分)中的至少一个，并且包括提及项目的组合可以存在的情况。“包括”、“包含”、“具有”、或“含有”以及类似的词语是指除了列于其后的项目及其等同物外，其他的项目也可在范围内。

本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。此外，在“大约第一数值到第二数值”的表述中，“大约”同时修正第一数值和第二数值两个数值。在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。本文中所提及的数值包括从低到高一个单元一个单元增加的所有数值，此处假设任何较低值与较高值之间间隔至少两个单元。

图1所示为依据本发明一个实施例的燃料电池系统10的示意图。作为一种实施方式，燃料电池系统10为SOFC系统。如图1所示，SOFC系统10包括燃料电池单元100和燃料回收单元200。燃料电池单元100包括一个燃料电池110，燃料电池110包括阳极111和阴极113。阳极111能够产生阳极输出流407，阳极输出流407中含有酸性气体和未反应燃料气体。通常，酸性气体包括CO₂或硫化氢。燃料回收单元200包括酸性气体吸收器210，酸性气体吸收器210中含有非水性吸收液。该酸性气体吸收器210用于接收阳极输出流407并吸收阳极输出流407中的酸性气体，以产生含酸性气体的吸收液501和含有未反应燃料气体的产出气流411。产出气流411通过第一回流管道(图1中未显示)被输送回燃料电池单元100再利用。具体地，产出气流411被输送回燃料电池110的阳极111中，燃料电池单元100中任意其它燃料电池的阳极中，或者，不同于SOFC系统10的其他燃料电池系统中。

非水性吸收液能够可逆地与CO₂进行反应，和/或与CO₂具有很高的亲和力。在某些实施例中，该位于酸性气体吸收器210中的非水性吸收液包括胺和非水溶剂。

所述胺包括选自乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、三乙醇胺(TEA)、二甘醇胺(DGA)、二甲基乙醇胺(DMEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)、单甲基乙醇胺(MMEA)、2-(2-氨基乙氧基)乙醇、氨基乙基乙醇胺(AEEA)、乙二胺(EDA)、二亚乙基三胺(DETA)、三亚乙基四胺(TETA)、四乙烯五胺(TEPA)、2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)、2-(乙氨基)乙醇(EAE)、2-(甲氨基)-乙醇(MAE)、2-(二乙基氨基)-乙醇(DEAE)、二异丙醇胺(DIPA)、甲基氨基丙胺(MAPA)、3-氨基丙醇(AP)、2,2-二甲基-1,3-丙二胺(DMPDA)、3-氨基-1-环己氨基丙烷(ACHP)、异丙醇胺(MIPA)、和2-甲基-甲醇胺中的一种或多种。

在某些特别的实施例中，该胺是一种基于聚硅氧烷的胺。该基于聚硅氧烷的胺包括无机硅-氧主链(…-Si-O-Si-O-Si-O-…)，该主链被含有一个或多个氮原子的官能团官能化。含有一个或多个氮原子的官能团的示例包括：脂肪胺、亚胺、脒、酰胺、杂环氨基化合物如吡啶、芳香性胺如苯胺，以及诸如此类，和它们的组合。该含有一个或多个氮原子的官能团位于侧链上，也可能作为无机硅-氧主链的封端基团。该基于聚硅氧烷的胺包括一种线性或树枝状结构。该基于聚硅氧烷的胺的其中一个例子如下所示，其中，x＝2～10：

该非水性吸收液中的非水溶剂包括一种含羟基的有机溶剂，其既能够溶解胺，也能够溶解胺与CO₂的反应产物或耦合产物。该含羟基的有机溶剂包括选自乙二醇(MEG)、二乙二醇(DEG)、三羟甲基丙烷醚、丙三醇、三甘醇、四甘醇、1,3-二(3-羟丙基)四甲基二硅氧烷、1,1,3,3-四甲基二硅氧烷和三羟甲基丙烷烯丙基醚的氢化硅烷化反应产物、丁子香酚、异丁子香酚、2-烯丙基-6-甲基苯酚和2-烯丙基苯酚中的一种或多种。

该非水性吸收液还可以包括一种吸收促进剂，例如哌嗪或哌嗪的衍生物。哌嗪的衍生物选自N-氨乙基哌嗪、N-甲基哌嗪、2-甲基哌嗪、1-乙基哌嗪、1-(2-羟乙基)哌嗪、和1,4-二甲基哌嗪中的一种或多种。优选地，该吸收促进剂的浓度在0.5-10重量百分比范围内。

本发明中，使用非水性吸收液从阳极输出流407中去除酸性气体，因此阳极输出流407中的未反应燃料气体可以被回收。由于含有未反应燃料气体的产出气流411被循环回燃料电池单元100再利用，燃料电池系统10的燃料效率得以提高。

从阳极111排出的阳极输出流407或许还包括水蒸气。在酸性气体吸收器210所进行的吸收中，阳极输出流407中包含的至少一部分水蒸气也能够被该非水性吸收液所吸收。

燃料电池单元100还可以包括燃料预热器121、空气预热器123和重整器131。燃料预热器121与燃料电池110的阳极111、重整器131、酸性气体吸收器210和燃料源141相连接。燃料预热器121用于将阳极输出流407的热量传递给燃料气混合物402，得到预热后的燃料气混合物403，其中，燃料气混合物402包括来自燃料源141的燃料气401和产出气流411。重整器131与燃料电池110的阳极111和燃料预热器121相连接。重整器131用于将至少一部分预热后的燃料气混合物403转化为重整的燃料气流405。该重整的燃料气流405被引入燃料电池110的阳极111中。空气预热器123用于将阴极输出流605的热量传递给来自空气源143的空气流601，得到预热后的空气流603，该预热后的空气流603被引入到燃料电池110的阴极113中。

燃料回收单元200还可以包括冷却器201。通常，从阳极111排出的阳极输出流407具有非常高的温度。即使经过预热器121以后，即阳极输出流407与燃料气混合物402发生热交换以后，降温后的阳极输出流408的温度仍然大约在300℃左右或以上。冷却器121用于将降温后的阳极输出流408进一步降温至大约30～50℃，得到冷却的阳极输出流410，冷却的阳极输出流410被引入到酸性气体吸收器210中。在冷却器201的运行中或运行后，一股液体水流409会产生并从冷却器201中排出。

如图1中所示，燃料电池系统10可以进一步包括再生单元300。再生单元300包括再沸器310。从酸性气体吸收器210得到的含酸性气体的吸收液501被引入再沸器310中，在再沸器310中，含酸性气体的吸收液501被加热产生脱附气体505和再生吸收液503。脱附气体505包括脱附的酸性气体如CO₂，还可能包括脱附的水蒸气。再生吸收液503被第二回流管道(图1中未显示)输送回酸性气体吸收器210再利用。

在SOFC系统10的运行中，燃料电池110的阳极111产生阳极输出流407。依次流经燃料预热器121和冷却器201后，得到的冷却的阳极输出流410被引入酸性气体吸收器210。在酸性气体吸收器210中，冷却的阳极输出流410中含有的大部分酸性气体和水蒸气被非水性吸收液吸收。经过吸收，得到含有未反应燃料气体的产出气流411，和含有酸性气体和水蒸气的含酸性气体的吸收液501。产出气流411被输送回燃料电池单元100再利用。具体地，产出气流411与来自燃料源141的燃料气体401混合得到燃料气混合物402。燃料气混合物402在燃料预热器121中被预热，接着在重整器131中被重整，得到重整的燃料气流405。重整的燃料气流405被引入燃料电池110的阳极111中，或燃料电池单元100中的其它燃料电池中。含酸性气体的吸收液501被引入再生单元300的再沸器310中进行再生，再生吸收液503被输送回酸性气体吸收器210再利用，脱附气体505从SOFC系统10中被排出。

本发明的实施例还提供了提高燃料电池燃料效率的方法。图2显示了依据本发明一个实施例的方法70的流程图。方法70包括如下的步骤。

如图2所示，在模块701，一股阳极输出流从燃料电池系统的燃料电池单元的一个燃料电池的阳极产生。该阳极输出流包括酸性气体和未反应燃料气体。

在模块703，该阳极输出流中的酸性气体被非水性吸收液所吸收，得到产出气流和含酸性气体的吸收液。该产出气流含有未反应燃料气体。该含酸性气体的吸收液含有酸性气体，在某些实施例中，还含有水蒸气。

在模块705，产出气流被输送回燃料电池单元再利用。

在某些实施例中，方法70还可以进一步包括在模块703以后的如下步骤。

在模块707，含酸性气体的吸收液被分离成脱附气体和再生吸收液。

在模块709，再生吸收液被用来吸收阳极输出流中的酸性气体。

在某些实施例中，方法70还可以进一步包括可选的步骤702，位于模块701之后、模块703之前。在模块702，阳极输出流被冷却，优选地，阳极输出流被冷却至大约30～50℃的温度范围，然后流程进行至模块703。

本发明提供了一种具有改进的燃料效率的燃料电池系统10，以及一种使用非水性吸收液来去除阳极输出流407中的酸性气体，并回流酸性气体降低的阳极输出流，即产出气流411，至燃料电池单元的方法。与使用胺的水溶液用来去除酸性气体相比，非水性吸收液还能够从阳极输出流中去除水蒸气。更重要的是，再生非水性吸收液的能耗比再生胺的水溶液的能耗要低。因此，采用非水性吸收液，燃料电池系统10的整体效率会提高。另外，由于未使用胺的水溶液，燃料电池系统10的设备腐蚀问题可以避免。

本发明的燃料电池系统10的燃料电池单元100可以包括SOFC，熔融盐燃料电池(MCFC)或其它合适的燃料电池。在某个实施例中，燃料电池系统10的燃料电池单元100包括多个SOFC。

示例

本示例列出了如图1所示的SOFC系统10的模拟结果。在五个实验中，使用了五种不同的吸收材料来吸收阳极输出流407中的CO₂和水蒸气。每个实验中所使用的吸收材料的组成如表1中示。实验1中使用了水溶性组分，而实验2～5采用了根据本发明的非水性吸收液。该五个实验由模拟软件HYSYS来测试，燃料电池单元100和燃料回收单元200使用了电解液非随机两液体(ENRTL)模型来预测，用于分离含酸性气体的吸收液501的再生单元300使用了彭-罗宾逊模型来预测。

表1.

依据表1中的模拟结果，与使用水溶性吸收材料的情况相比，当使用非水性吸收液用于从阳极输出流中吸收CO₂和水蒸气时，SOFC系统的效率更高。虽然在实验2～5中，再沸器的温度比实验1中再沸器的温度高，但再沸器的负荷低于实验1中的再沸器的负荷，因为进行非水性吸收液的再生所需要的能量较少。

本说明书用具体实施例来描述发明，包括最佳模式，并且可以帮助任何熟悉本发明工艺的人进行实验操作。这些操作包括使用任何装置和系统并且使用任何具体化的方法。本发明的专利范围由权利要求书来定义，并可能包括其它发生在本技术领域的例子。如果所述其它例子在结构上与权利要求书的书面语言没有不同，或者它们有着与权利要求书描述的相当的结构，都被认为是在本发明的权利要求的范围中。

Claims

1.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池单元，包括燃料电池，所述燃料电池包括阳极和阴极，所述阳极用于产生含有酸性气体和未反应燃料气体的阳极输出流；

燃料回收单元，包括酸性气体吸收器，所述酸性气体吸收器包括非水性吸收液，用于从所述阳极输出流中吸收所述酸性气体，以产生含酸性气体的吸收液和含有所述未反应燃料气体的产出气流；以及

第一回流管道，用于将所述产出气流输送回所述燃料电池单元。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述燃料电池是固体氧化物燃料电池。

3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述酸性气体包括二氧化碳或硫化氢。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述非水性吸收液包括胺和非水溶剂。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述胺包括乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、二甘醇胺、二甲基乙醇胺、甲基二乙醇胺、单甲基乙醇胺、2-(2-氨基乙氧基)乙醇、氨基乙基乙醇胺、乙二胺、二亚乙基三胺、三亚乙基四胺、四乙烯五胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、2-(乙氨基)乙醇、2-(甲氨基)-乙醇、2-(二乙基氨基)-乙醇、二异丙醇胺、甲基氨基丙胺、3-氨基丙醇、2,2-二甲基-1,3-丙二胺、3-氨基-1-环己氨基丙烷、异丙醇胺、2-甲基-甲醇胺和基于聚硅氧烷的胺中的一种或多种。

6.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述非水溶剂包括乙二醇、二乙二醇、三羟甲基丙烷醚、丙三醇、三甘醇、四甘醇、1,3-二(3-羟丙基)四甲基二硅氧烷、1,1,3,3-四甲基二硅氧烷和三羟甲基丙烷烯丙基醚的氢化硅烷化反应产物、丁子香酚、异丁子香酚、2-烯丙基-6-甲基苯酚和2-烯丙基苯酚中的一种或多种。

7.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述非水性吸收液还包括哌嗪或哌嗪的衍生物。

8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：

再生单元，用于分离所述含酸性气体的吸收液得到脱附气体和再生吸收液；以及

第二回流管道，用于将所述再生吸收液输送回所述燃料回收单元。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述再生单元包括再沸器，用于加热所述含酸性气体的吸收液。

10.一种提高燃料电池系统燃料效率的方法，包括：

从所述燃料电池系统的燃料电池单元的一个燃料电池的阳极产生阳极输出流，所述阳极输出流包括酸性气体和未反应燃料气体；

使用非水性吸收液吸收所述阳极输出流中的所述酸性气体，以产生含酸性气体的吸收液和含有所述未反应燃料气体的产出气流；以及

将所述产出气流输送回所述燃料电池单元。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括：

分离所述含酸性气体的吸收液得到脱附气体和再生吸收液；以及

使用所述再生吸收液吸收所述阳极输出流中的所述酸性气体。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述非水性吸收液包括胺和非水溶剂。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述胺包括乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、二甘醇胺、二甲基乙醇胺、甲基二乙醇胺、单甲基乙醇胺、2-(2-氨基乙氧基)乙醇、氨基乙基乙醇胺、乙二胺、二亚乙基三胺、三亚乙基四胺、四乙烯五胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、2-(乙氨基)乙醇、2-(甲氨基)-乙醇、2-(二乙基氨基)-乙醇、二异丙醇胺、甲基氨基丙胺、3-氨基丙醇、2,2-二甲基-1,3-丙二胺、3-氨基-1-环己氨基丙烷、异丙醇胺、2-甲基-甲醇胺和基于聚硅氧烷的胺中的一种或多种。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述非水溶剂包括乙二醇、二乙二醇、三羟甲基丙烷醚、丙三醇、三甘醇、四甘醇、1,3-二(3-羟丙基)四甲基二硅氧烷、1,1,3,3-四甲基二硅氧烷和三羟甲基丙烷烯丙基醚的氢化硅烷化反应产物、丁子香酚、异丁子香酚、2-烯丙基-6-甲基苯酚和2-烯丙基苯酚中的一种或多种。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述非水性吸收液还包括哌嗪或哌嗪的衍生物。