CN114303266A - 集成发电、二氧化碳分离以及下游处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种集成发电和排气处理系统包含：燃料电池系统，其被配置成产生电力并分离包含在从所述燃料电池系统输出的排气中的CO2；以及排气处理系统，其被配置成执行以下中的至少一项：隔绝从所述燃料电池系统输出的所述排气中分离的CO2或使其致密化。

Description

集成发电、二氧化碳分离以及下游处理系统及方法
背景技术
本发明总体上涉及燃料电池系统领域，并且更具体地涉及与二氧化碳去除和下游处理组件集成的燃料电池系统。
燃料电池是可以将储存在燃料中的能量转化为电能效率的电化学装置。高温燃料电池包含固体氧化物和熔融碳酸盐燃料电池。这些燃料电池可以使用氢和/或烃燃料来操作。存在一些燃料电池类别，如固体氧化物再生燃料电池，其也允许反向操作，使得可以使用电能作为输入将氧化的燃料还原为未氧化的燃料。
发明内容
本公开的各个实施例提供了一种包含以下的集成发电和排气处理系统：燃料电池系统，所述燃料电池系统被配置成产生电力并分离包含在从所述燃料电池系统输出的排气中的CO2；以及排气处理系统，所述排气处理系统被配置成执行以下中的至少一项：隔绝从所述燃料电池系统输出的所述排气中分离的CO2或使其致密化。
本公开的各个实施例提供了一种操作燃料电池系统的方法，所述方法包括：将燃料提供到燃料电池系统；操作所述燃料电池系统以产生电力和燃料排气流；使用二氧化碳分离装置从所述燃料排气流中分离CO2以产生含CO2的排气和经纯化的排气；将分离的含CO2的排气提供到排气处理系统；以及执行以下中的至少一项：使用所述排气处理系统隔绝所述含CO2的排气中的CO2或使其致密化。
本公开的各个实施例提供了一种操作燃料电池系统的方法，所述方法包括：将燃料提供到燃料电池系统；操作所述燃料电池系统以产生电力和燃料排气流；使用二氧化碳分离装置从所述燃料排气流中分离CO2以产生含CO2的排气和经纯化的排气；以及将分离的含CO2的排气和固体CaO提供到含NaOH的溶液，使得CO2气体与NaOH(l)反应以形成Na2CO3(l)和水，使得CaO(s)与所述水反应以形成Ca(OH)2(l)，并且使得所述Na2CO3(l)和所述Ca(OH)2(l)反应以沉淀出固体CaCO3和NaOH(l)。NaOH(l)可以再循环回到过程中以与另外的CO2气体反应。
附图说明
图1A是根据本发明的实施例的燃料电池系统的示意图。
图1B是图1A的二氧化碳分离器的示意图。
图2是能够与本发明的实施例一起使用的二氧化碳分离器的示意图。
图3和4是根据本发明的实施例的燃料电池系统的示意图。
图5是根据本公开的各个实施例的集成燃料电池发电和CO2处理系统的示意图。
图6是根据本公开的各个实施例的集成燃料电池发电和CO2处理系统的示意图。
图7是根据本公开的各个实施例的CO2固定过程的示意图。
图8是展示根据本公开的各个实施例的包含CO2捕获的燃料电池电力系统中的热量和/或水回收的示意图。
图9A是根据本公开的各个实施例的船舶中组合的LNG燃料电池电力和排气处理系统的示意图，并且图9B是示出系统的排气处理系统的组件的示意图。
具体实施方式
本发明的实施例展示了二氧化碳分离装置如何可以与如固体氧化物燃料电池系统等燃料电池系统一起使用。另外的实施例展示了集成发电、二氧化碳分离和下游处理系统。另外的实施例展示了分离CO2的固体氧化物燃料电池(SOFC)发电机与下游设备集成在一起的系统，所述系统允许SOFC发电机在存在下游设备的情况下继续操作。应注意的是，也可以使用如熔融碳酸盐系统等其它燃料电池系统。
图1A展示了根据本发明的一个实施例的燃料电池系统100。优选地，系统100是如固体氧化物燃料电池(SOFC)系统等高温燃料电池堆叠系统。系统100可以是在燃料电池(即，放电或发电)和电解(即，充电)两种模式下操作的如固体氧化物再生燃料电池(SORFC)系统等再生系统，或者可以是仅在燃料电池模式下操作的非再生系统。
系统100含有高温燃料电池堆叠106。所述堆叠可以含有多个SOFC或SORFC。示意性地展示了高温燃料电池堆叠106以示出所述堆叠的一个固体氧化物燃料电池，其含有陶瓷电解质，如氧化钇或氧化钪稳定的氧化锆；阳极电极，如镍稳定的氧化锆金属陶瓷；以及阴极电极，如锰酸锶镧。每个燃料电池均含有电解质、位于电解质阳极室一侧的阳极电极、位于电解质的阴极室中另一侧的阴极电极以及其它组件，如分离器板/电触点、燃料电池壳体和绝缘件。在燃料电池模式下操作的SOFC中，氧化剂，如空气或氧气进入阴极室，而燃料，如氢气或碳氢燃料进入阳极室。可以使用任何合适的燃料电池设计和组件材料。系统100进一步含有阳极尾气氧化器(ATO)反应器116、再循环鼓风机122和罐式二氧化碳罐式俘获器126。
系统100如下操作。通过燃料入口导管102将燃料入口流提供到燃料电池堆叠106中。燃料可以包括任何合适的燃料，如氢燃料或烃燃料，包含但不限于甲烷、含有甲烷与氢和其它气体的天然气、丙烷或其它沼气；或碳燃料的混合物，如一氧化碳、氧化的含碳气体，如甲醇，或其它含碳气体与含氢气体，如水蒸气、氢气或其它混合物。例如，混合物可以包括源自煤或天然气重整的合成气。燃料入口导管102将燃料入口流提供到燃料电池堆叠106的阳极侧。
通过空气入口导管104将空气或另一种含氧气体提供到堆叠106中。空气入口导管104将空气提供到燃料电池堆叠106的阴极侧。
一旦将燃料和氧化剂提供到燃料电池堆叠106中，则操作堆叠106以产生电力和燃料排气流。燃料排气流可以含有氢气、水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、一些未反应的烃气，如甲烷，以及其它反应副产物和杂质。
通过燃料排气导管110从堆叠106提供燃料排气流(即，堆叠阳极排气流)。通过空气排气导管112从堆叠空气排气出口提供空气排气流(即，堆叠阴极排气流)。燃料排气导管110被配置成通过ATO输入导管114将燃料排气流的一部分提供到ATO反应器116，并且通过再循环导管120使燃料排气流的一部分再循环。燃料排气的提供到ATO反应器116并通过再循环导管120再循环的所述部分可以变化。例如，可以将燃料排气的10％提供到ATO反应器116，并且使90％再循环。可替代地，可以将燃料排气的50％提供到ATO反应器116，而使50％再循环。可替代地，可以将燃料排气的90％或更多提供到ATO反应器，而使10％或更少再循环。提供到导管120中的再循环燃料的量由鼓风机122的功率或鼓风速度控制。提供到导管114和120中的燃料排气流可以含有相同组成或相同含量的氢气、一氧化碳、水和二氧化碳。空气排气导管112被配置成将空气排气流提供到ATO反应器116。
ATO反应器116分别通过ATO输入导管114和导管112收纳燃料排气流和空气排气流。ATO反应器使用组合的燃料排气流和空气排气流使阳极尾气氧化，并且将加热的氧化的燃料(即，反应器排气)输出到ATO排气导管118。
再循环鼓风机122耦接到再循环导管120以通过再循环导管124将再循环燃料排气流从再循环导管120提供到二氧化碳罐式俘获器126。再循环鼓风机122可以是计算机或操作员控制的，并且可以改变提供到二氧化碳罐式俘获器126的再循环燃料排气流的量和/或速率并且还改变被提供回到堆叠106的不含二氧化碳或二氧化碳耗尽的再循环燃料排气流的量和/或速率。如此，再循环鼓风机122可以用于增加或降低系统100中的整体再循环率。
二氧化碳罐式俘获器126可以是任何类型的二氧化碳俘获器，如可消耗的二氧化碳俘获器。二氧化碳罐式俘获器126没有二氧化碳导管。相反，当二氧化罐式俘获器126充满二氧化碳并用干净的俘获器更换时，操作员将其从SOFC系统中物理去除。二氧化碳罐式俘获器126可以放置在再循环鼓风机122的下游并且可以用于延长热箱寿命，只要二氧化碳罐式俘获器126可以定期更换。二氧化碳罐式俘获器126从再循环燃料排气流中去除二氧化碳。优选地，二氧化碳罐式俘获器126从再循环燃料排气流中去除基本上所有二氧化碳。二氧化碳罐式俘获器126可以从再循环燃料排气流中去除二氧化碳的少于50％或多于50％，如50％到60％、60％到70％、70％到80％、80％到90％、或90％到100％，如约98％、约99％或约99.5％。二氧化碳罐式俘获器126可能需要每日更换其二氧化碳收集组件，或者可能需要其它合适的更换周期。可以提供旁通阀和导管(未示出)以允许在不中断发电的情况下更换二氧化碳罐式俘获器126。优选地，二氧化碳罐式俘获器126定位于含有燃料堆叠106的热箱外部，以方便维修人员接近。二氧化碳罐式俘获器126可以定位于含有热箱的系统壳体中。
图1B展示了图1A的二氧化碳罐式俘获器126的示意图。二氧化碳罐式俘获器126在图1B中更详细地示出。二氧化碳罐式俘获器126可以包含两个二氧化碳罐式俘获器126A和126B。可以提供阀125以允许将再循环燃料排气流从再循环导管124转向到二氧化碳罐式俘获器126A或126B中的一个或两个。另外，阀125可以防止再循环燃料排气流流向二氧化碳罐式俘获器126A和126B中的一个或两者。二氧化碳罐式俘获器126A和126B从再循环燃料排气流中去除二氧化碳。可以提供阀127以允许将二氧化碳罐式俘获器126A和126B与再循环导管128隔离。阀125和阀127的操作可以允许系统操作员将再循环燃料排气同时传递到二氧化碳罐式俘获器126A和126B中的一个、两个或不传递到两者。阀125和阀127可以被配置成将二氧化碳罐式俘获器126A和126B与系统100隔离。换言之，二氧化碳罐式俘获器126B可以被隔离和更换，而二氧化碳俘获器126A继续起作用，并且反之亦然。这种隔离可以有助于俘获器更换或其它维护或调节二氧化碳去除率而不中断发电。
如图1A和1B所展示的，将二氧化碳量减少的经纯化的再循环燃料排气流通过再循环导管128提供回到燃料堆叠106的燃料入口流。使二氧化碳耗尽的燃料排气再循环到燃料入口中提高了燃料电池堆叠106的性能。
图2展示了根据本发明的另一个实施例的电化学二氧化碳分离器226。电化学二氧化碳分离器226是可以用于本发明的实施例的一种类型的二氧化碳分离器。电化学二氧化碳分离器226可以在电解模式(即，具有施加的电位)下操作的熔融碳酸盐燃料电池。
电化学二氧化碳分离器226可以收纳通过再循环导管224输入的再循环燃料排气流。再循环燃料排气流可以由氢气、二氧化碳、水和二氧化碳组成。再循环导管224可以耦接到电化学二氧化碳分离器226的阳极206室。通过空气输入导管202将空气提供到电化学二氧化碳分离器226并用于吹扫电化学二氧化碳分离器226。从电源204将电力施加到电化学二氧化碳分离器226以在电解槽模式下操作电化学二氧化碳分离器。在一个实施例中，电源204可以包括燃料电池堆叠106。根据以下反应，所施加电流将碳酸根离子(CO3 -2)从阳极206通过电解质208转移到阴极210：
阳极：2H2O→2H2+O2 O2+2CO2+2e-→CO3 -2
阴极：CO3 -2→O2+2CO2+2e-
阴极210室耦接到二氧化碳导管214，并且从再循环燃料排气流中提取的二氧化碳通过二氧化碳导管214离开电化学二氧化碳分离器226。
阳极206室进一步耦接到经纯化的再循环燃料排气流导管212。与通过再循环导管224进入二氧化碳分离器226的再循环燃料排气流相比，通过经纯化的阳极排气流导管212离开二氧化碳分离器阳极206室的经纯化的再循环燃料排气流含有较少二氧化碳。根据占整体组合物的百分比，与通过再循环导管224进入二氧化碳分离器206的再循环燃料排气流相比，经纯化的再循环燃料排气流导管212中的经纯化的再循环燃料排气流含有较高百分比的氢气。优选地，电化学二氧化碳分离器226从再循环燃料排气流中去除基本上所有二氧化碳。电化学二氧化碳分离器226可以从再循环燃料排气流中去除少于50％或多于50％的二氧化碳，如50％到60％、60％到70％、70％到80％、80％到90％或90％到100％，如约98％、约99％或约99.5％。
图3展示了根据本发明的实施例的系统300。系统300类似于图1A所展示的系统100并含有许多共同的组件。系统100和300共同的那些组件在图1A和3中用相同的数字编号，并且将不再进一步描述。
系统100与300之间的一个区别是系统300可以利用二氧化碳分离器326而不是二氧化碳罐式俘获器126。二氧化碳分离器326可以是任何类型的二氧化碳分离器，如二氧化碳膜分离器，或者如上文关于图2所讨论的电化学二氧化碳分离器。系统100与300之间的另一个区别是系统300可以利用ATO排气或SOFC阴极排气来吹扫二氧化碳分离器326的收集侧以去除二氧化碳。系统100与300之间的另外的区别是系统300可以用水使二氧化碳分离器326收集侧的气体有偏向。
再循环导管124可以耦接到二氧化碳分离器326。再循环燃料排气流通过再循环导管124输入到二氧化碳分离器326，并且从再循环燃料排气流中去除二氧化碳以产生经纯化的(例如，二氧化碳耗尽的)再循环燃料排气流。与通过再循环导管124进入二氧化碳分离器326的再循环燃料排气流相比，离开二氧化碳分离器326的经纯化的再循环燃料排气流含有更少的二氧化碳。作为总组成的百分比，与通过再循环导管124进入二氧化碳分离器326的再循环燃料排气流相比，经纯化的再循环燃料排气流含有更高百分比的氢气。优选地，二氧化碳分离器326从再循环燃料排气流中去除基本上所有二氧化碳。二氧化碳分离器326可以从再循环燃料排气流中去除二氧化碳的少于50％或多于50％，如50％到60％、60％到70％、70％到80％、80％到90％、或90％到100％，如约98％、约99％或约99.5％。
二氧化碳分离器326耦接到再循环导管334。将二氧化碳量减少的经纯化的再循环燃料排气流通过再循环导管334提供回到燃料入口流。使减少的二氧化碳燃料排气再循环到燃料入口中提高了燃料电池堆叠106的性能。
通过向碳分离器326的收集侧添加水来使二氧化碳分离器326的收集侧有偏向来提高二氧化碳分离器326在选择二氧化碳时的效率。
在一个实施例中，将来自ATO反应器116的热排气通过热排气导管118传递到阴极回热器热交换器336，在所述阴极回热器热交换器中，ATO排气与通过进口导管104提供的空气进口流进行热交换。热交换器有助于提高空气入口导管104中的空气温度并降低导管118中的ATO排气的温度，使得不会损坏膜加湿器328。
在替代性实施例中，SOFC阴极排气中的所有或部分可以直接传递到阴极回热器热交换器336。阀349可以将阴极排气从导管112引导到导管350。阀349可以可替代地是分流器(未示出)，所述分流器被配置成将阴极排气的一部分引导到导管350并且将阴极排气的一部分引导到ATO反应器。阀351可以被配置成将从导管350收纳的阴极排气朝向阴极回热器热交换器336引导并防止阴极排气流到ATO反应器116。另外，阀351可以耦接到导管352以将ATO排气和/或SOFC阴极排气作为排气引导出系统300。阀349和351以及导管350的使用可以允许将SOFC阴极排气或ATO排气、ATO排气和SOFC阴极排气两者的混合物传递到阴极回热器热交换器336，或者将ATO排气和SOFC阴极排气都不传递到所述阴极回热器热交换器。
从热交换器336开始，ATO排气导管118可以耦接到膜加湿器328。空气通过导管118输入到膜加湿器328。任选地，空气也可以通过耦接到膜加湿器328的空气导管340输入到膜加湿器中。空气导管340可以输入由鼓风机、风扇或压缩机(未示出)供应的空气。
在操作中，膜加湿器328加湿空气或氧化的燃料流以输入到二氧化碳分离器326中。膜加湿器328可以包括聚合物膜加湿器。
必要时可以通过水导管342将水输入到膜加湿器328中。水也可以由膜加湿器328从二氧化碳导管332收集，所述二氧化碳导管耦接在二氧化碳分离器326与膜加湿器332之间。水从产物侧328B穿过膜渗透到膜加湿器328的收集侧328A。来自导管342的水在膜加湿器328中与来自导管118的ATO排气混合，并且现在潮湿空气传递到潮湿空气导管330。
潮湿空气导管330耦接到二氧化碳分离器326，并且潮湿空气或ATO排气用于使二氧化碳分离器326对二氧化碳的分离有偏向。在传统的二氧化碳分离器在反应中自然选择水的情况下，在二氧化碳分离器的收集侧上存在水会减少水的选择并提高二氧化碳分离器选择二氧化碳的效率。以这种方式，进入二氧化碳分离器326的收集侧的空气中的水量增加使二氧化碳分离器326偏向于从再循环燃料排气流中选择二氧化碳。优选地，潮湿空气或ATO排气含有的水与再循环燃料排气流的水基本上等量。潮湿空气或ATO排气含有的水可以是再循环燃料排气流中所含的水约90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％或10％。术语“约”提供了基于给定过程变量的变化，如10％或更小、优选地5％或更小的变化。潮湿空气或ATO排气含有的水还可以超过再循环燃料排气流中所含的水的100％，例如，约110％、120％、130％、140％、150％、160％、170％、180％、190％或200％。
因此，导管330将潮湿混合物输入到收集侧326A中，并且导管332从二氧化碳分离器326的收集侧326A输出二氧化碳和潮湿混合物。导管124将再循环燃料排气输入到产物侧326B中，并且导管334从二氧化碳分离器326的产物侧326B输出二氧化碳耗尽的排气。
因此，导管340和/或118将氧化剂提供到收集侧328A，并且导管330从膜加湿器328的收集侧328A输出加湿的氧化剂。导管332将二氧化碳和潮湿混合物输入到产物侧328B，并且导管338输出二氧化碳并从产物侧328B输出。
潮湿空气或ATO排气和二氧化碳混合物从二氧化碳分离器的收集侧行进通过二氧化碳导管332到达膜加湿器328。膜加湿器328从潮湿空气混合物中去除一部分水，并通过输出导管338输出二氧化碳和空气。如上文所讨论的，通过膜加湿器328从二氧化碳导管332中去除的水可以用于加湿进入膜加湿器328的空气或ATO排气。因此，系统300使用ATO排气或SOFC阴极排气来吹扫二氧化碳分离器收集侧和/或用水使收集气体有偏向。
图4展示了根据本发明的实施例的系统400。系统400类似于图1A所展示的系统100并含有许多共同的组件。系统100和400共同的那些组件在图1A和4中用相同的数字编号，并且将不再进一步描述。
系统100与400之间的一个区别是系统400可以利用二氧化碳膜分离器426而不是二氧化碳罐式俘获器126。
二氧化碳膜分离器426可以是二氧化碳膜分离器，所述二氧化碳膜分离器被构造成具有定制的膜结构429以阻挡水从二氧化碳膜分离器的产物侧426B(输入侧)输送到收集侧426A。定制的膜结构(产物侧阻水件)429可以由允许二氧化碳通过但不允许水通过的材料构成。已发现对产物侧阻水件构造有效的一种此类材料是聚四氟乙烯
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产物侧阻水件通过积聚或阻挡阻碍水输送进入到二氧化碳膜分离器的吹扫空气中。二氧化碳膜分离器426可以以类似于电化学二氧化碳分离器的方式构造，但不需要输入电流来操作。
再循环导管124可以耦接到二氧化碳膜分离器426。再循环燃料排气流通过再循环导管124进入二氧化碳膜分离器426的产物侧426B。二氧化碳膜分离器从再循环燃料排气流中去除二氧化碳。如先前所讨论的，二氧化碳膜分离器的产物侧阻水件429阻碍水的输送，因此二氧化碳膜分离器426在收集侧426A上仅收集二氧化碳。优选地，二氧化碳膜分离器426从再循环燃料排气流中去除基本上所有二氧化碳。二氧化碳膜分离器426可以从再循环燃料排气流中去除二氧化碳的少于50％或多于50％，如50％到60％、60％到70％、70％到80％、80％到90％、或90％到100％，如约98％、约99％或约99.5％。
与通过再循环导管124进入二氧化碳分离器426的产物侧426B的再循环燃料排气流相比，离开二氧化碳膜分离器426的收集侧426A的经纯化的再循环燃料排气流含有更少的二氧化碳。作为总组成的百分比，与通过再循环导管124进入二氧化碳分离器426的再循环燃料排气流相比，经纯化的再循环燃料排气流含有更高百分比的氢气。
二氧化碳膜分离器426的产物侧426B耦接到再循环导管434。将二氧化碳量减少的经纯化的再循环燃料排气流通过再循环导管434提供回到燃料入口流。使减少的二氧化碳燃料排气再循环到燃料入口中提高了燃料电池堆叠106的性能。
将吹扫空气通过空气导管430提供到二氧化碳膜分离器426的收集侧426A，所述空气导管可操作地耦接到二氧化碳膜分离器426的收集侧426A。吹扫空气从二氧化碳膜分离器426的收集侧426A去除二氧化碳。二氧化碳膜分离器426操作性地耦接到输出导管432，并且空气和二氧化碳混合物从二氧化碳膜分离器426的收集侧426A流到输出导管432。
图5到9B是根据本发明的实施例的集成发电、二氧化碳分离和下游处理系统的示意图。在一些实施例中，发电系统是可以分离其阳极排气流中的CO2的燃料电池系统，如以上任何一或多个先前实施例中所描述的并在图1A到4中所展示的燃料电池系统100到400。也可以使用其它合适的发电系统，如其它燃料电池系统。燃料电池系统与用于CO2处理的下游设备集成在一起。根据各个实施例，系统和方法对由燃料电池系统排气提供的CO2提供直接下游处理、使用和/或储存。
下游应用和/或CO2储存
图5是根据本公开的各个实施例的集成燃料电池发电和CO2处理系统500的示意图。参考图5，系统500允许在下游过程中直接处理CO2，所述过程将CO2从气态转化为另一种产物，所述产物具有更高的价值或更密集且更稳定储存CO2。
具体地，系统包含燃料电池系统502，如被配置成使用烃燃料，如天然气或高级烃来操作的SOFC发电系统。例如，燃料电池系统502可以包括上文所描述的系统100、200、300或400中的任何一个，或含有二氧化碳分离器的另一燃料电池系统。燃料电池系统502可以通过燃料导管506流体连接到燃料源504，如燃料箱或气体管线(例如，天然气管线)。
系统500还可以包含排气处理系统550，所述排气处理系统包含储器(例如，收纳罐或蓄能器)510和CO2处理器520，如CO2隔绝系统和/或压缩机。储器510可以直接流体连接在燃料电池系统502的下游，以便收纳从燃料电池系统502直接输出的排气。例如，排气导管508可以将燃料电池系统502的阳极排气出口(例如，与燃料电池堆叠阳极排气流体连接的二氧化碳分离器的出口)流体连接到储器510。
具体地，燃料电池系统502可以被配置成输出含有CO2和水以及很少氮或不含氮的排气流。例如，排气流可以从燃料电池系统CO2分离器输出，如上文所描述。换句话说，与常规燃料电池系统不同，排气流可以不含或基本上不含氮(N2)(例如，含有少于5体积％的N2，如小于约1体积％或小于约0.5体积％的N2)。
储器510可以通过排气导管516流体连接到CO2处理器520，使得可以将储器510中所含的排气提供到CO2处理器520。因此，排气(例如，从燃料电池系统的阳极排气中分离的二氧化碳)可以从燃料电池系统502流到储器510，且然后流到CO2处理器520。
排气背压可以降低燃料电池系统502的效率。因此，储器510可以被配置成缓冲由如CO2处理器520等下游组件产生的排气背压的影响。例如，CO2处理器520可以包含在操作期间产生背压和/或背压脉冲的元件。储器510可以经操作以减少和/或防止此类背压被施加到燃料电池系统502。换句话说，储器510可以经操作以将燃料电池系统502与下游组件产生的压力变化隔离。
在一些实施例中，储器502可以包含内部挡板和/或压力吸收介质以进一步降低背压对发生器502的影响。在其它实施例中，储器502可以被配置成冷却排气流。例如，储器510可以与外部或内部冷却系统(如冷却盘管和/或热交换器)集成。
在一些实施例中，储器510可以被配置成使用冷却水喷雾或水雾来使排气冷却。系统500可以任选地包含流体连接到储器510的排放阀512。排水阀512可以周期性地打开以从储器510中释放水。
系统500可以任选地包含流体连接到储器510的泄压阀514。如果储器510内的排气压力超过设定值，泄压阀512可以被配置成从储器510释放排气。例如，泄压阀514可以被配置成在储器510中的压力接近燃料电池系统502的压力极限时打开。
流量测量前馈
图6是根据本公开的各个实施例的集成燃料电池发电和CO2处理系统600的示意图。系统600可以类似于图5的系统500，并且如此，类似的元件不再详细描述。
参考图6，系统600可以包含燃料电池系统502和排气处理系统560，所述排气处理系统被配置成基于燃料流量测量CO2输出。处理系统560可以包含燃料传感器，如燃料测量阀518，其安置在燃料导管506上，将燃料电池系统502流体地连接到燃料源504，如燃料箱或管道。排气导管516可以被配置成将燃料电池系统502的排气出口流体连接到CO2处理器520。处理系统560可以任选地包含上述储器510。
燃料测量阀504可以被配置成测量输入到燃料电池系统502的燃料的量和/或组成(例如，等级等)。如燃料测量阀518等传感器可以有线或无线连接到中央处理单元(CPU)530，所述CPU可以用于基于输入到燃料电池系统502的燃料的测量，确定存在于从燃料电池系统502输出的排气中的CO2和/或H2O的量。CPU 530可以被配置成确定燃料入口流的收入等级测量，使得可以出于财务原因进行CO2输出测量，如CO2信用计算。例如，CPU 530可以确定穿过传感器518的燃料类型(例如，等级、化学组成等)和/或燃料量(例如，如果提供的燃料类型是已知的)。CPU 530然后可以基于燃料电池系统502的已知或所感测的操作参数计算将从燃料电池系统502提供到CO2处理器520的二氧化碳的量和/或流速(例如，操作温度、蒸汽与碳之比、燃料与空气之比、燃料利用率、二氧化碳分离器效率和/或吞吐量等)。因此，系统600可以利用上游燃料测量来确定CO2的下游流量。
此实施例的优点在于可以避免对排气流的CO2含量的另外的下游测量，所述排气流是包含H2O和CO2两者的湿排气流。避免测量此类湿排气流的CO2含量可能是有益的，因为能够测量湿气流的流量测量装置可能发生故障，使得如果将高于阈值量的二氧化碳提供到CO2处理器520，这可能在燃料电池系统502上产生下游背压，这可能导致快速的系统退化或故障。
在图5和6的实施例中，系统500、600包含：储器510，所述储器被配置成收纳从燃料电池系统502输出的排气；以及压缩机520，所述压缩机被配置成压缩从储器510输出的排气，使得储器510被配置成减少施加到燃料电池系统502的排气背压量。
在图5的实施例的系统500中，储器510包括泄压阀514，所述泄压阀被配置成防止储器中的排气背压超过预设水平。预设水平小于将损坏燃料电池系统502的压力量。在一个实施例中，储器510包括内部挡板，所述内部挡板被配置成减少施加到燃料电池系统502的排气背压量。在另一个实施例中，排气处理系统550进一步包括冷却系统，所述冷却系统被配置成降低储器510中的排气的温度。
在图6的实施例的系统600中，排气处理系统560包括：传感器518，所述传感器被配置成测量提供到燃料电池系统的燃料的特性；以及中央处理单元530，所述中央处理单元被配置成基于由传感器进行的测量确定从燃料电池系统502输出的排气中的CO2量。
燃料电池系统502可以包括：固体氧化物燃料电池堆叠，所述固体氧化物燃料电池堆叠被配置成产生所述电力；以及关于图1A到4中的任何一个描述的二氧化碳分离装置，所述二氧化碳分离装置被配置成分离包含在从所述燃料电池系统输出的所述排气中的所述CO2。
CO2转化为固体CaCO3
图7是根据本公开的各个实施例的CO2固定过程的示意图。在一些实施例中，固定过程可以由图5和6的CO2处理器520执行。在此实施例中，CO2处理器520包括化学反应容器(例如，反应罐等)。此实施例中的排气处理系统550、560包括CO2处理器520，所述CO2处理器被配置成将CO2化学转化为固体碳酸钙。
参考图7，可以将从燃料电池系统502输出的CO2和固体CaO提供到定位于CO2处理器520中的NaOH溶液(例如，含有NaOH(l)的水溶液)。CO2可以与NaOH(l)反应以形成Na2CO3(l)和H2O(即，水)，使得CaO(s)可以与水反应以形成Ca(OH)2(l)。然后Na2CO3(l)和Ca(OH)2(l)可以在水溶液中反应以形成(即，沉淀出)固体CaCO3并产生NaOH(l)。然后使含有沉淀碳酸钙的悬浮液穿过过滤器522以将固体碳酸钙与悬浮液的含有NaOH(l)的溶剂分离，由此将从燃料电池系统输出的碳固定为呈固体形式的固体碳酸钙。在分离固体碳酸钙以与从燃料电池系统502输出的另外的二氧化碳气体反应之后，所产生的NaOH(l)然后再循环回到过程中。
热量和水回收
图8是展示根据本公开的各个实施例的包含CO2捕获的燃料电池发电系统700中的热量和/或水回收的示意图。参考图8，可以将来自燃料电池系统502的可以含有CO2和/或H2O的排气提供到冷凝器712。通过使排气冷却，使水从冷凝器中的排气冷凝。可以使用带阀的水收集导管724将冷凝水从冷凝器712中去除。将含有二氧化碳的剩余排气从冷凝器712提供到CO2处理器520，在此实施例中，CO2处理器包括压缩机714。因此，冷凝器712可以操作以通过从排气中去除热量来使来自排气的水冷凝，以便向压缩机714提供干燥的CO2排气。压缩机714可以包括气相CO2到液相或固相CO2以供储存，并在压缩期间释放热量。
此实施例包含集成从燃料电池系统502、冷凝器712和/或压缩机714回收的热量以将热量提供到其它集成用途。此实施例任选地包含来自如液化天然气(LNG)气化等过程的热交换的集成，其可以通过排气处理系统750中的CO2液化或固化来吸收大量热量。
图8展示了从燃料电池系统502排气、冷凝器712和压缩机714捕获热量，所述热量被递送到下游热量负载，如连接到燃料源的液化天然气(LNG)导管704，在此实施例中，所述燃料源包括LNG容器702(例如，LNG罐)。热量可以由燃料电池系统502、冷凝器712和/或压缩机714通过排气处理系统750的任何合适的热交换器718来提供。热交换器718可以是板型和/或翅片型热交换器，在所述热交换器中，在打开阀之后，由来自燃料电池系统502、冷凝器712和/或压缩机714的热量加热的热空气用于加热从LNG容器702输出到带阀的LNG导管704中的LNG。可替代地，热交换器718可以包含在LNG导管704与燃料电池系统502、冷凝器712和/或压缩机714之间循环的热交换介质，如水或另一种传热液体。热交换可以在LNG导管704(需要热量)中的LNG膨胀和转化为气相天然气与从组件502、712和714回收热量之间发生。任选地，可以使用热泵来提高递送到下游使用的热量的质量。
在一些实施例中，可以从燃料电池系统排气中回收有用的水。例如，可以将在冷凝器712中收集的水通过导管724提供到水处理装置730。水处理装置730可以是化学处理容器(例如，加热的或未加热的罐)，所述化学处理容器被配置成使用pH中和剂和/或加热对水进行巴氏杀菌来中和接收到的水的pH和/或精制接收到的水。从水处理装置730输出的中和的水和/或巴氏杀菌水可以用于各种应用，如饮用水、作物灌溉、热交换器718热交换流体或其它化学过程用途。
液化天然气(LNG)热交换和CO2隔绝
在其它实施例中，可以储存所产生的CO2以供稍后分配。图9A展示了在(LNG)燃料耗尽时，储存在如船舶等位置中的CO2。
船舶集成提供了实施例的实例，其中LNG被气化并用作燃料，并且CO2被分离和液化并储存，直到船舶返回港口。在燃料补给期间，由于将LNG提供到船舶，CO2可能被清空。此外，根据本文所描述的热集成实施例，LNG气化的效率有助于CO2的冷凝。
图9A是根据本公开的各个实施例的船舶S中组合的LNG燃料电池电力和排气处理系统900的示意图，并且图9B是示出系统900的排气处理系统750的组件的示意图。参考图9A和9B，系统900可以安置在船舶S中，如集装箱船舶等。系统900可以包含：燃料电池系统502，所述燃料电池系统被配置成向船舶S的电力负载902提供电力；以及排气处理系统750，所述排气处理系统可以被配置成使LNG气化并产生经压缩的CO2。如图9A所示，排气处理系统750可以安置在燃料电池系统502外部。然而，在其它实施例中，排气处理系统750的一或多个组件可以安置在燃料电池系统502的柜内。
燃料电池系统900可以包含如上文关于图1A-4所讨论的CO2分离装置。因此，燃料电池系统900可以被配置成输出包括H2O、CO2和小于5体积％的N2，如小于1体积％或小于0.5体积％的N2的排气。
排气处理系统750可以通过LNG导管704流体连接到LNG容器702。LNG容器702可以被配置成在约或低于约-163℃的温度下，例如低于-161℃的天然气冷凝温度的温度下储存LNG。被配置成将LNG从容器702泵送到排气处理系统750的泵或鼓风机703可以安置在LNG导管704上的LNG容器702外部。
燃料电池系统502的排气出口可以通过排气入口导管706流体连接到排气处理系统750的入口。燃料导管506可以将排气处理系统750的天然气(NG)出口流体连接到燃料电池系统502的燃料入口。燃料电池系统502可以电连接到负载902，如船舶S的初级和/或次级电负载。
排气处理系统750可以包含可以通过处理导管722顺序地流体连接的冷凝器712、压缩机714、一或多个热交换器716、718和储存容器，如二氧化碳储存罐720。任选的第一热交换器716、冷凝器712和/或压缩机714可以流体连接到水收集导管724。
任选的第一热交换器716可以被配置成降低燃料电池系统排气的温度。例如，在一些实施例中，第一热交换器716可以使用空气来使系统排气冷却。在其它实施例中，第一热交换器716可以利用NG来使系统排气冷却，同时加热通过导管506提供到燃料电池系统502的NG。例如，第一热交换器716可以被配置成将系统排气冷却到处于约200℃到约25℃范围内的温度，以促进系统排气中CO2的后续压缩。系统排气可以维持高于0℃，以防止存在于系统排气中的水冷冻。
第一热交换器716还可以增加提供到其的NG的温度，以提高燃料电池系统502的效率。例如，第一热交换器716可以将NG加热到处于约100℃到大约300℃范围内的温度。如果系统排气在第一热交换器716中的温度低于100℃，则可以从第一热交换器716中去除第一水流。
冷凝器712可以被配置成使由第一热交换器提供的系统排气冷却到低于100℃，以将水从系统排气中冷凝出来。然后将主要包括二氧化碳的系统排气从冷凝器提供到压缩机714。第二水流从冷凝器712的底部输出。
压缩机714可以被配置成压缩从冷凝器712提供的系统排气，并且由此产生第三水流。然后可以将主要包括二氧化碳的经压缩的排气提供到第二热交换器718以与导管704中提供的LNG进行热交换并将LNG转化为NG。
由第一热交换器716、冷凝器712和/或压缩机714提取的水可以由收集导管724收集。所收集的水可以提供到任选的水处理装置730以用于中和和/或精制。
第二热交换器718可以被配置成使系统排气冷却到足以使用导管704中的从LNG容器702输出的LNG产生液态CO2的温度。例如，第二热交换器718可以被配置成使主要包括二氧化碳的系统排气冷却到处于约-20℃到约-30℃范围内的温度。
在一些实施例中，第二热交换器718可以被配置成逐渐加热LNG以使LNG气化并形成NG。第二热交换器718还可以允许LNG在其转化为NG时逐渐膨胀。如图9B所示，可以通过燃料导管708将NG提供到第一热交换器716。然而，在其它实施例中，燃料导管708可以通过导管506将NG直接提供到燃料电池系统502，并且可以省略第一热交换器716或提供空气以使系统排气冷却。从处理导管722输出的经压缩或液态CO2可以储存在储存罐720中。
在一些实施例中，排气处理系统750可以任选地包含汽化器732。例如，如果由系统排气提供的热量不足以使LNG完全汽化，则汽化器732可以操作以使用从第二流体提取的热量使LNG汽化和膨胀。例如，汽化器732可以在系统启动期间或在燃料系统200在低负载条件下操作期间选择性地操作。第二流体可以是由船舶S上的水箱提供的水，或者可以是从船舶S外部提供的淡水或海水，并且然后由汽化器中的加热器加热。可以将水蒸气添加到汽化器中的NG中以加湿提供到燃料电池系统502的NG。
在其它实施例中，冷凝器712、压缩机714和/或第二热交换器718可以用被配置成产生固体CO2的CO2固定系统更换。例如，CO2固定系统可以被配置成使用图7的方法产生固体CaCO3。
在仍其它实施例中，系统900可以任选地包含图5中描述的储器510，所述储器被配置成缓冲在处理燃料电池系统排气期间产生的压力变化。在一些实施例中，系统900可以包含本文所描述但未在图9A和9B中示出的另外的组件。例如，系统可以包含图5的排放阀512和泄压阀514和/或图6的传感器(例如，测量阀)504和CPU 530。
图8、9A和9B的实施例的系统700和900包含排气处理系统750，所述排气处理系统包括：冷凝器712，所述冷凝器被配置成使来自从燃料电池系统502输出的排气的水冷凝；压缩机714，所述压缩机相对于排气的流动方向安置在冷凝器712的下游并且被配置成压缩排气中的CO2；以及至少一个热交换器716、718，所述至少一个热交换器被配置成使用来自所述冷凝器或所述压缩机中的至少一个的热量来加热提供到燃料电池系统502的燃料。
在图9A和9B的实施例的系统900中，所述至少一个热交换器包括：第一热交换器716，所述第一热交换器安置在冷凝器712的上游并且被配置成使用来自排气的热量来加热燃料；以及第二热交换器718，所述第二热交换器被配置成使用来自冷凝器712或压缩机714中的至少一个的热量来加热燃料。在一个实施例中，第二热交换器718被配置成将排气转化为液态CO2。在一个实施例中，系统700或900进一步包括液化天然气(LGN)容器702，所述LGN容器被配置成通过LGN导管704将呈液化天然气(LGN)形式的燃料提供到第二热交换器718；并且当燃料从第一热交换器716输出到燃料电池系统502时，燃料呈天然气(NG)形式。
在一个实施例中，系统900进一步包括汽化器732，所述汽化器被配置成在系统900启动期间使用外部热源使水汽化以加湿燃料。在一个实施例中，系统700或900进一步包括水处理装置730，所述水处理装置被配置成执行以下中的至少一种：中和或精制从冷凝器712接收到的水。在一个实施例中，燃料电池系统502定位于船舶上并电连接到所述船舶的电力负载902。
为了说明和描述的目的，已经呈现了本发明的以上描述。这并非旨在是穷尽的或将本发明限于所公开的精确形式，并且鉴于以上教导，修改和变化是可能的，或可以获取本发明的实践。选择描述是为了解释本发明的原理及其实际应用。本发明的范围旨在由所附权利要求及其等效物限定。

Claims (20)

1.一种集成发电和排气处理系统，其包括：
燃料电池系统，其被配置成产生电力并分离包含在从所述燃料电池系统输出的排气中的CO2；以及
排气处理系统，其被配置成执行以下中的至少一项：隔绝从所述燃料电池系统输出的所述排气中分离的CO2或使其致密化。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述排气处理系统包括：
储器，其被配置成收纳从所述燃料电池系统输出的排气；以及
压缩机，其被配置成压缩从所述储器输出的排气，
其中所述储器被配置成减少施加到所述燃料电池系统的排气背压量。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述储器包括泄压阀，所述泄压阀被配置成防止所述储器中的所述排气背压超过预设水平。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述预设水平小于将损坏所述燃料电池系统的压力量。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述储器包括内部挡板，所述内部挡板被配置成减少施加到所述燃料电池系统的所述排气背压量。
6.根据权利要求2所述的系统，其中所述排气处理系统进一步包括冷却系统，所述冷却系统被配置成降低所述储器中的所述排气的温度。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述排气处理系统包括：
传感器，其被配置成测量提供到所述燃料电池系统的燃料的特性；以及
中央处理单元，其被配置成基于由所述传感器进行的测量确定从所述燃料电池系统输出的所述排气中的CO2量。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述排气处理系统包括CO2处理器，所述CO2处理器被配置成将所述CO2化学转化为固体碳酸钙。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述燃料电池系统包括：固体氧化物燃料电池堆叠，其被配置成产生所述电力；以及二氧化碳分离装置，其被配置成分离包含在从所述燃料电池系统输出的所述排气中的所述CO2。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述排气处理系统包括：
冷凝器，其被配置成使来自从所述燃料电池系统输出的所述排气的水冷凝；
压缩机，其相对于所述排气的流动方向安置在所述冷凝器的下游并且被配置成压缩所述排气中的所述CO2；以及
至少一个热交换器，其被配置成使用来自所述冷凝器或所述压缩机中的至少一者的热量来加热提供到所述燃料电池系统的燃料。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述至少一个热交换器包括：
第一热交换器，其安置在所述冷凝器的上游并且被配置成使用来自所述排气的热量来加热所述燃料；以及
第二热交换器，其被配置成使用来自所述冷凝器或所述压缩机中的至少一者的热量来加热所述燃料。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述第二热交换器被配置成将所述排气转化为液态CO2。
13.根据权利要求11所述的系统，其进一步包括液化天然气(LGN)容器，所述LGN容器被配置成通过LGN导管将呈液化天然气(LGN)形式的所述燃料提供到所述第二热交换器；并且
当所述燃料从所述第一热交换器输出时，其呈天然气(NG)形式。
14.根据权利要求13所述的系统，其进一步包括汽化器，所述汽化器被配置成在系统启动期间使用外部热源使水汽化以加湿所述燃料。
15.根据权利要求10所述的系统，其进一步包括水处理装置，所述水处理装置被配置成执行以下中的至少一项：中和或精制从所述冷凝器接收到的水。
16.根据权利要求10所述的系统，其中所述燃料电池系统位于船舶上并电连接到所述船舶的电力负载。
17.一种操作燃料电池系统的方法，其包括：
将燃料提供到燃料电池系统；
操作所述燃料电池系统以产生电力和燃料排气流；
使用二氧化碳分离装置从所述燃料排气流中分离CO2以产生含CO2的排气和经纯化的排气；
将所分离的含CO2的排气提供到排气处理系统；以及
执行以下中的至少一项：使用所述排气处理系统隔绝所述含CO2的排气中的CO2或使其致密化。
18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括：
使来自所述含CO2的排气的水冷凝；
压缩所述含CO2的排气中的所述CO2；以及
使用从所述冷凝或所述压缩中的至少一项产生的热量来加热提供到所述燃料电池系统的燃料。
19.根据权利要求17所述的方法，其中：
燃料电池系统位于船舶上并电连接到所述船舶的电力负载；
所述燃料包括储存在液化天然气(LNG)容器中的LNG；
经压缩CO2储存在CO2储存容器中；并且
当所述船舶到达港口时，将所述LNG填充到所述LNG容器中，并且从所述CO2储存容器中去除所述CO2。
20.一种操作燃料电池系统的方法，其包括：
将燃料提供到燃料电池系统；
操作所述燃料电池系统以产生电力和燃料排气流；
使用二氧化碳分离装置从所述燃料排气流中分离CO2以产生含CO2的排气和经纯化的排气；
将所分离的含CO2的排气和固体CaO提供到含NaOH的溶液中，使得CO2气体与NaOH(l)反应以形成Na2CO3(l)和水，使得CaO(s)与所述水反应以形成Ca(OH)2(l)，并且使得所述Na2CO3(l)和所述Ca(OH)2(l)反应以沉淀出固体CaCO3并产生NaOH(l)；以及
使所产生的NaOH(l)再循环以与另外的CO2气体反应。
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