CN116845304A - 利用带有rep的燃料电池系统生成氢气 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统包括具有阳极和阴极的燃料电池，所述阴极配置为输出阴极排气。所述燃料电池配置为生成废热。所述燃料电池系统还包括重整器，所述重整器配置为利用所述废热部分地重整进料气并输出含氢流。所述燃料电池系统还包括重整器‑电解器‑净化器(“REP”)，所述重整器‑电解器‑净化器具有REP阳极和REP阴极，所述REP阳极配置为接收所述含氢流的第一部分。

Description

利用带有REP的燃料电池系统生成氢气
相关申请的交叉引用
本申请是中国申请号为“201880080406.1”(国际申请号为PCT/IB2018/059191)、申请日为“2018年11月21日”、申请人为“燃料电池能有限公司”的发明创造名称为“利用带有REP的燃料电池系统生成氢气”的发明专利申请的分案申请。
本申请要求于2017年11月22日提交的美国临时专利申请No.62/590,112的权益和优先权，其全部公开内容通过引用合并在本文中。
政府权利声明
本发明是在能源部授予的DE-EE0006669的政府支持下完成的。政府拥有本发明的一定权利。
背景技术
本申请总体上涉及通过将重整电解器-净化器(“REP”)与高温燃料电池结合来生成H2(“氢气”)的领域。具体地，REP可以与燃料电池一起使用来生成氢气。REP和包括REP的系统的示例在PCT公开No.WO 2015/116964中有描述，其已转让给本申请的受让人。
REP需要部分重整的燃料，以便在运行期间在REP内保持均匀的温度分布和热平衡。例如，存在比重整过程所需的更多的少量CH4(“甲烷”)可能会对在REP中提供一致的温度分布有重大影响。但是，重整燃料通常需要燃料制备、转化和重整供热方面的专用设备，这可能会增加系统的成本和复杂性以及附加设备的运行成本。因此，将期望的进料制备和部分重整方法并入燃料电池系统中的燃料电池中可能是有利的。
发明内容
一个实施方案涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括燃料电池，燃料电池具有阳极和阴极，阴极配置为输出阴极排气。燃料电池配置为生成废热。燃料电池系统还包括重整器，重整器配置为利用废热对进料气进行部分重整，并输出含氢流。燃料电池系统还包括REP，REP具有REP阳极和REP阴极，REP阳极配置为接收含氢流的第一部分。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的一个方面，热交换器配置为利用废热加热进料气并输出加热的进料气。废热在阴极排气中被传送到热交换器。重整器配置为接收加热的进料气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，燃料电池配置为接收含氢流的剩余部分。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，燃料电池系统还包括间接重整单元，间接重整单元设置在阳极上。间接重整单元配置为进一步重整含氢流并输出燃料转化气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，燃料转化气的第一部分是由REP阳极接收的含氢流的第一部分，并且阳极配置为接收燃料转化气的剩余部分。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，REP阳极配置为接收从阳极输出的阳极排气的一部分。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，阳极配置为接收从间接重整单元输出的燃料转化气的剩余部分。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，燃料电池系统还包括阳极气体氧化器(“AGO”)，该阳极气体氧化器配置为从阳极接收阳极排气，并用来自空气供应装置的空气氧化阳极排气；和传热元件，该传热元件设置在AGO中。燃料电池系统配置为将燃料转化气的第一部分与来自水供应装置的水混合以形成含水的进料气。传热元件配置为接收含水的进料气，并将来自AGO中的氧化反应的热量传递给含水的进料气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，REP阳极配置为从传热元件接收含水的进料气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，燃料电池系统还包括第二重整器，该第二重整器设置在传热元件与REP阳极之间。第二重整器配置为在将含水的进料气引入到REP阳极之前进一步重整含水的进料气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，重整器配置为接收来自AGO中的氧化反应的热量。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，燃料电池系统还包括阳极气体氧化器(“AGO”)，该阳极气体氧化器配置为从阳极接收阳极排气。AGO配置为用来自空气供应装置的空气氧化阳极排气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，AGO配置为从REP阴极接收加热的吹扫气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，燃料电池系统还包括传热元件，该传热元件设置在AGO中。燃料电池系统配置为将含氢流的第一部分与来自水供应装置的水混合以形成含水的进料气。传热元件配置为接收含水的进料气，并将来自AGO中的氧化反应的热量传递给含水的进料气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，REP阳极配置为从传热元件接收含水的进料气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，燃料电池系统还包括第二重整器，该第二重整器设置在传热元件和REP阳极之间。第二重整器配置为在将含水的进料气引入到REP阳极之前进一步重整含水的进料气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，重整器配置为接收来自AGO中的氧化反应的热量。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，燃料电池系统还包括传热元件，该传热元件设置在AGO中，并且配置为从空气供应装置接收空气，并将来自AGO中的氧化反应的热量传递给通过传热元件的空气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，REP阴极配置为接收通过传热元件的空气作为吹扫气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，REP阳极配置为从水供应装置接收蒸汽。
另一实施方案涉及一种操作燃料电池系统的方法，包括：提供具有阳极和阴极的燃料电池；提供重整器；以及提供具有REP阳极和REP阴极的REP。该方法还包括：从燃料电池生成废热；以及用废热加热进料气，形成加热的进料气。该方法还包括：在重整器中部分重整加热的进料气并输出含氢流；以及将含氢流的第一部分供给到REP阳极。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的方法的一个方面，该方法还包括用来自水供应装置的蒸汽将含氢流的第一部分水合以形成含水的进料气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的方法的另一方面，该方法还包括：将含氢流的剩余部分供给到阳极；以及从阳极输出阳极排气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的方法的另一方面，该方法还包括在将含水的进料气引入到REP阳极之前重整含水的进料气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的方法的另一方面，该方法还包括：在AGO中氧化阳极排气；以及将来自AGO的热量传递给含水的进料气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的方法的另一方面，该方法还包括：将来自AGO的热量传递给来自空气供应装置的空气；以及将加热的空气供给到REP阴极用作吹扫气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的方法的另一方面，吹扫气在整个REP阴极上保持基本均匀的温度。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的方法的另一方面，该方法还包括：在AGO处接收吹扫气；以及用吹扫气氧化阳极排气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的方法的另一方面，该方法还包括在引入到REP阳极之前，将阳极排气的一部分与含水的进料气混合。
另一实施方案涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统包括供给系统，该供给系统具有水供应装置和燃料供应装置。供给系统配置为净化来自水供应装置的水和来自燃料供应装置的燃料，并且将水和燃料混合以形成含水的进料气。燃料电池系统还包括燃料电池，该燃料电池具有阳极和阴极，阳极配置为接收含水的进料气的第一部分。燃料电池系统还包括重整器-电解器-净化器(“REP”)，该重整器-电解器-净化器具有REP阳极和REP阴极，REP阳极配置为接收含水的进料气的第二部分。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的一个方面，燃料电池系统还包括水处理系统，该水处理系统配置为净化来自水供应装置的水。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，燃料电池系统还包括第一热交换器，该第一热交换器配置为接收含水的进料气并使含水的进料气中的至少一部分水蒸发。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，燃料电池系统还包括第二热交换器，该第二热交换器配置为接收含水的进料气，并将通过第一热交换器之后剩余的含水的进料气中的水蒸发。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，燃料电池系统还包括重整器，该重整器配置为将含水的进料气的一部分重整为氢气。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，燃料电池系统还包括氢气净化装置或氢气加压装置中的至少一种，氢气净化装置或氢气加压装置配置为将从REP阳极输出的氢气的至少一部分再循环到供给系统。
在可与以上实施方案和方面以任何组合相结合的燃料电池系统的另一方面，燃料电池系统配置为将来自REP阳极的氢气与含水的进料气混合。
附图说明
图1是根据示例性实施方案的结合有重整器-电解器-净化器(“REP”)的燃料电池系统的示意图。
图2是燃料电池系统的另一实施方案的示意图，该燃料电池系统在附加的重整之后将燃料转化气供给到REP。
图3是燃料电池系统的另一实施方案的示意图，该燃料电池系统在燃料转化气与燃料电池阳极排气混合之后将燃料转化气直接供给到REP。该配置可降低制造成本但增加了运行成本。
具体实施方式
重整器-电解器-净化器(“REP”)总成包括至少一个电解器熔融碳酸盐燃料电池，并且可以包括形成在燃料电池堆——也称为REP堆中的多个电解器燃料电池。该至少一个电解器燃料电池是这样的电池，其反向运行以便电解水以产生氢气，并同时通过电化学除去CO3离子以从烃重整过程净化氢气。可以通过重整烃诸如甲烷来提供CO2。然后除去CO3离子驱动完成重整反应。
在燃料电池中进行电化学反应之前，通常重整烃燃料诸如甲烷、煤气等以产生用于燃料电池的阳极的氢气。在内部重整燃料电池时，将蒸汽重整催化剂放置在燃料电池堆内以允许直接使用烃燃料而无需昂贵和复杂的重整装备。另外，吸热重整反应可以有利地用于帮助冷却燃料电池堆。已经开发了采用直接内部重整和间接内部重整的内部重整燃料电池。
直接内部重整(“DIR”)是通过在活性阳极室内放置重整催化剂(“DIR催化剂”)来实现的。该催化剂暴露于燃料电池的电解质。
通过将重整催化剂(“IIR催化剂”)放置在燃料电池堆内的隔离室中并将重整气从该室引导至燃料电池的阳极室中来实现间接内部重整(“IIR”)。
REP堆通常包括熔融碳酸盐燃料电池(“MCFC”)堆，并且使用REP堆的系统包括用于向REP堆供电以驱动电解反应的电源。尽管系统通常包括重整，例如内部或外部重整，但是也可以考虑到REP和/或系统更一般地可以省略内部和/或外部重整，并且可以用于电解包含CO2和水的供应气，以及在不重整的情况下运行和净化氢气。
参考图1，根据示例性实施方案示出了燃料电池系统100。系统100包括具有阳极104和阴极106的燃料电池102(例如，基本负荷直接燃料电池(SureSourceTM燃料电池)或固体氧化物燃料电池(“SOFC”)。虽然燃料电池102示出为具有一个阳极104和一个阴极106，但是应当理解，燃料电池102可以配置为具有串联堆叠的多个燃料电池的燃料电池堆。系统100还包括具有REP阳极110和REP阴极112的REP 108(例如，第二燃料电池)。与燃料电池102类似，尽管REP 108示出为具有一个阳极110和一个阴极112，但是应当理解，REP 108可以配置为具有串联堆叠的多个电池的电池堆。
燃料和水供给到作为供给系统113的一部分的系统100，以使燃料电池102运行以输出功率，并且使REP 108运行以输出氢气。供给系统113包括燃料供应装置114和水供应装置116。从燃料供应装置114供给到系统100的燃料可以包括天然气、厌氧消化器气体(“ADG”)和/或其他合适的燃料。然后对燃料脱硫，使得其可以被接收在燃料电池102中而不会由于硫的积累引起燃料电池102损坏或降解。从水供应装置116供给到系统100的水在水处理系统(“WTS”)118(即，净化器)中得到净化。从WTS 118输出的水的第一部分120与脱硫燃料混合，形成含水的(例如，饱和的)进料气(即，燃料/水混合物)。
然后将进料气供给通过第一热交换器122。热量在第一热交换器122中从燃料电池102的阴极106输出的阴极排气传递到进料气，使基本上所有的水蒸发并提高进料气的温度。然后将加热的进料气供给到第一重整器124(即，预转化器)，在该第一重整器中，通过使燃料与蒸汽反应来重整(例如，轻微重整)加热的进料气以产生氢气。例如，加热的进料气中大约1-2％的甲烷被重整为氢气。第一重整器124中的重整反应是吸热的，并且在将进料气供给到第一重整器124之前在第一热交换器122中预热进料气提供了将某些进料气转化为氢气所需的热量。根据一些实施方案，在进料气中可能需要少量的氢气以防止损坏燃料电池102内的间接重整电池129。然后，第一重整器124输出配置为在燃料电池102和REP 108处接收的轻微重整的进料气(即，含氢流)。
然后将轻微重整的进料气的第一部分126供给通过第二热交换器128。热量在第二热交换器128中从阴极106输出的阴极排气传递到重整进料气的第一部分126，从而提高重整进料气的温度。
仍然参考图1，在通过第二热交换器128之后，轻微重整的进料气的第一部分126然后被供给到燃料电池102进行反应。具体地，轻微重整的进料气在间接重整单元129处被接收在燃料电池102中(例如，燃料转化)。间接重整单元129设置在燃料电池102的阳极104上(例如，直接在其上)，并且配置为将在间接重整单元129中接收的进料气的至少一部分(例如，全部)传递至阳极104。从间接重整单元129输出的进料气——其可以称为燃料转化气或含氢流(并输出到燃料转化歧管130中)——在被供给到阳极104或REP 108之前，在间接重整单元129中被进一步部分重整。间接重整单元129中的部分重整过程是吸热的，使得热量从阳极104和/或阴极106传递至间接重整单元129，从而在运行期间冷却燃料电池102。
在阳极104中的燃料转化气反应之后，阳极104输出阳极排气(CO2、H2O、H2和CO的混合物)，该阳极排气被供给到阳极气体氧化器(“AGO”)132。AGO 132进一步接收来自空气供应装置134的空气，该空气通过压缩机/鼓风机136被压缩并泵入AGO 132。AGO 132还接收来自REP阴极112的加热的空气，该加热的空气包括来自REP 108的CO2和氧气。加热的空气可以在被供给到AGO 132之前用作REP阴极112中的吹扫气。REP 108的运行将CO2和氧气传递到用作吹扫气的加热的空气中，从而提高了燃料电池102的电压和性能(例如，功率输出)。此外，REP阴极112的空气吹扫还通过降低运行REP 108所需的电压和功率来改进REP 108的性能。供应到REP 108的空气必须在被送到REP 108之前加热，以便在REP 108内保持一致的热分布。阳极排气在AGO 132中被来自空气供应装置134的空气和来自REP阴极112的吹扫气氧化，并且AGO 132将氧化的进料气输出到阴极106。然后将附加的空气与AGO 132下游和阴极106上游的氧化的进料气混合，以便向阴极106提供所需的温度，该温度低于AGO 132的氧化器出口温度。在阴极106中，CO2与氧气反应并被传递到阳极104以产生功率，并且阴极106输出阴极排气。然后使阴极排气通过第二热交换器128，在该第二热交换器中，如上所述，热量从阴极排气传递到重整的进料气。然后使阴极排气通过第一热交换器122，在该第一热交换器中，如上所述，热量从阴极排气传递到进料气。在通过第一热交换器122和第二热交换器128之后，阴极排气可以从系统100输出或者在系统100的其他部分中用于传热或用作热源。
根据示例性实施方案，可以将轻微重整的进料气的第二部分127供给到REP 108。具体地，将来自WTS 118的水的第二部分121与重整的进料气的第二部分127混合，形成具有比重整的进料气高的水含量的含水的进料气。REP 108中可能需要这种附加的水，以补偿REP电解反应(H2O+CO2→H2+CO3)中消耗的水。如果热交换器142和146中的热回收(将在下面进一步详细讨论)不足以蒸发和加热所需的附加的水，则水可以从水的第二部分121转移到水的第一部分120并利用热交换器122中的阴极排气的蒸发。在该配置中，为了避免过量的蒸汽送到燃料电池102，一部分脱硫燃料(即，旁路燃料115)可以绕过预转化器124和燃料排放到REP 108(例如，轻微重整的进料气的第二部分127在该处被分离)，以便将蒸汽燃料比降低到供给到燃料电池102的正常水平。如图1所示，在形成重整的进料气的第一部分126和第二部分127的下游引入旁路燃料115，使得旁路燃料115仅混合在重整的进料气的第一部分126中。
然后，将轻微重整的进料气的第二部分127和水的第二部分121相结合的含水的进料气在第一传热元件138处被接收到AGO 132中。具体地，当含水的进料气通过第一传热元件138时，热量从AGO 132中的氧化反应传递到含水的REP进料气，从而增加了含水的进料气的温度。然后将加热的含水的进料气供给到第二重整器140，在该第二重整器中将含水的进料气进一步重整。根据示例性实施方案，第二重整器140可以位于AGO 132内部以促进传递。第二重整器140输出重整的进料气，该重整的进料气被供给到REP阳极110以在REP 108中反应。通过第一传热元件138中传递的热量将进入REP 108的进料气的重整量控制在所需水平。这可以平衡REP 108中的热量并在REP 108中产生平稳的温度分布。REP阳极110输出氢气(例如，纯度为95-98％)作为REP阳极排气。根据另一示例性实施方案，热量也可以从AGO132直接传递到第二重整器140。
然后将REP阳极排气供给通过第三热交换器142。热量在第三热交换器142中从REP阳极排气传递到供给水，从而提高了水的第二部分121的温度。热量使第二部分121中存在的液态水蒸发并使蒸汽过热。然后将REP阳极排气供给到第三重整器144，在该第三重整器中重整(例如，部分重整)REP阳极排气，以从输出流中除去所有的CO。REP阳极110的输出包含CH4、CO2和痕量CO以及氢气。许多使用氢气的装置对CO敏感和/或不能耐受CO。然而，通过使从REP阳极110输出的流在较低温度下通过重整催化剂，该流中的所有CO都转化为CH4和CO2。因为从REP阳极110输出的流中CO和CO2极少，所以仅消耗流中的一小部分氢气。应当注意，如果在能耐受CO的系统中使用氢气，则可以在不通过第三重整器144的情况下输出流。仍然参考图1，然后将输出流供给通过第四热交换器146。热量在第四热交换器146中从REP阳极排气传递到水的第二部分121，进一步提高了水的温度并使水部分蒸发。如图1所示，水的第二部分121在与轻微重整的进料气的第二部分127混合以形成具有较高水含量的含水的进料气之前，在第四热交换器146中然后在第三热交换器142中被加热。
输出流的至少一部分可以从系统100输出以进行储存或用于其他用途，或者可以在系统100中用于其他目的。某些氢气使用者可能需要高纯度和/或高压的氢气。在这些情况下，系统100中可以包括氢气净化和/或加压装置145。如果净化了输出流，则杂质(主要是CH4)可以经由再循环管线155再循环至供给系统113并与供应至燃料电池102和REP 108的其他燃料混合。
关于REP阴极112，空气可以通过AGO 132中的第二传热元件148从空气供应装置134供给并被接收在REP阴极112中。具体地，当空气通过第二传热元件148时，热量从AGO132中的氧化反应传递到空气，从而提高了空气的温度。引入到REP阴极112的这种预热空气用作吹扫气，其降低了REP阴极112中CO2和O2的浓度。该过程引起REP 108上的电压降低，并且功耗降低。如果期望CO2和O2作为副产物，则系统100也可以在没有吹扫气的情况下运行。然而，应当注意，吹扫气的使用有助于在REP阴极112中保持均匀的温度，从而使REP 108的寿命最大化。
如上所述，图1描绘了利用来自燃料电池102的废热来加热(例如，在第一热交换器122中)并实现进入REP 108的进料气的一部分(即，轻微重整的进料气的第二部分127)的部分重整(例如，在第一重整器124中)的实施方案。该废热可被认为是在燃料电池102的外部，因为废热在从燃料电池阴极106的排气流中被传送。如下所述，其他实施方案可以利用燃料电池102内部的废热来实现对进入REP的进料气的至少一部分进行部分重整。例如，间接重整单元229可以利用来自燃料电池102内的放热反应的废热。另外，图1描绘了利用来自燃料电池102的阳极排气(例如，在AGO 132中被氧化之后)来加热(经由第一传热元件138)并实现进入REP 108的进料气的附加的部分重整(例如，在第二重整器140中)的实施方案。然而，如下所述，应当理解，在其他示例性实施方案中，可以以不同的方式使用阳极排气。例如，根据其他示例性实施方案，阳极排气可以与进入REP的进料气混合(即，融合)，以提供具有足够的氢气含量的REP进料气。
现在参考图2，根据示例性实施方案示出了燃料电池系统200。在燃料电池系统200中，过量燃料被送至燃料电池202并从间接重整单元229作为过量燃料转化气输出，而不是将所有燃料转化气直接供给到燃料电池的阳极，如图1所示。过量燃料为系统200提供了附加的冷却，从而允许系统200在较高的负载下运行。此外，在REP 208中保持适当的热平衡所需的大部分重整是在间接重整单元229中执行的。可以在不向系统200添加装备(即部件)的情况下执行该重整，从而降低能够保持适当热量平衡的系统200的成本和复杂性。参考图2，与图1相同的附图标记表示相同的元件。系统200包括具有阳极204和阴极206的燃料电池202。系统200还包括具有REP阳极210和REP阴极212的REP 208(例如，第二燃料电池)。
燃料和水供给到作为供给系统213的一部分的系统200，用于使燃料电池202运行以输出功率，并且使REP 208运行以输出氢气。供给系统213包括燃料供应装置214和水供应装置216。从燃料供应装置214供给到系统200的燃料可以包括天然气、厌氧消化器气体(“ADG”)和/或其他合适的燃料。然后对燃料脱硫，使得其可以被接收在燃料电池202中而不会由于硫的积累引起燃料电池202损坏或降解。从水供应装置216供给到系统200的水在WTS218中得到净化。从WTS 218输出的水的第一部分220与脱硫燃料混合，形成含水的(例如，湿润的)燃料。进一步将含水的燃料与从REP 208输出的氢气混合以形成进料气。
然后将进料气供给通过第一热交换器222。热量在第一热交换器222中从燃料电池202的阴极206输出的阴极排气传递到进料气，提高进料气的温度并使基本上所有的水蒸发。然后将加热的进料气供给到第一重整器224，在该第一重整器中，通过使燃料与蒸汽反应来重整(例如，轻微重整、部分重整等)加热的进料气以产生氢气。第一重整器224中的重整反应是吸热的，并且在将进料气供给到第一重整器224之前在第一热交换器222中预热进料气提供了将某些进料气转化为氢气所需的热量。可能需要少量的氢气以防止损坏燃料电池202内的间接重整电池229。然后，第一重整器224输出配置为在燃料电池202处接收的轻微重整的进料气。
然后将轻微重整的进料气供给通过第二热交换器228。热量在第二热交换器228中从阴极206输出的阴极排气传递到重整进料气，从而提高重整进料气的温度。在通过第二热交换器228之后，轻微重整的进料气然后被供给到燃料电池202进行反应。具体地，轻微重整的进料气在输出燃料转化气的间接重整单元229处被接收在燃料电池202中。间接重整单元229设置在燃料电池202的阳极204上(例如，直接在其上)，并且传递来自阳极204的热量。从间接重整单元229输出的进料气形成燃料转化气(其被输出到燃料转化歧管230中)，其在间接重整单元229中被进一步部分重整。间接重整单元229中的部分重整过程是吸热的，使得热量从阳极204和/或阴极206传递至间接重整单元229，从而在运行期间冷却燃料电池202。来自间接重整单元229的燃料转化气的至少一部分通过燃料转化歧管230到达阳极204。
图1中的燃料电池系统100示出为所有的燃料转化气被直接供给到阳极104，而在图2所示的燃料电池系统200中，燃料转化气的第一部分231然后通过燃料转化歧管230从间接重整单元229输出以用于REP 208。剩余的燃料转化气然后被供给到燃料电池202的阳极204用于反应。阳极204然后输出阳极排气，该阳极排气被供给到阳极气体氧化器(“AGO”)232。AGO 232进一步接收来自空气供应装置234的空气，该空气通过压缩机/鼓风机236被压缩并泵入AGO 232。AGO 232还接收REP阴极212中的加热的空气用作吹扫气。阳极排气在AGO232中被来自空气供应装置234的空气和来自REP阴极212的吹扫气氧化，并且AGO 232输出氧化的进料气。然后将附加的空气与AGO 232下游和阴极206上游的氧化的进料气混合，以便向阴极206提供所需的温度，该温度低于AGO 232的氧化器出口温度。然后将氧化的进料气和氧气供给到阴极206，氧化的进料气和氧气在该阴极处发生反应，并且阴极206输出阴极排气。然后使阴极排气通过第二热交换器228，在该第二热交换器中，如上所述，热量从阴极排气传递到重整的进料气。然后使阴极排气通过第一热交换器222，在该第一热交换器中，如上所述，热量从阴极排气传递到进料气。在通过第一热交换器222和第二热交换器228之后，阴极排气可以从系统200输出或者在系统200的其他部分中用于传热或用作热源。
根据示例性实施方案，可以将燃料转化气供给到REP 208。具体地，将来自WTS 218的水的第二部分221与燃料进料气的第一部分231混合，形成具有比重整的进料气高的水含量的含水的进料气。然后，含水的进料气在第一传热元件238处被接收到AGO 232中。具体地，当含水的进料气通过第一传热元件238时，热量从AGO 232中的氧化反应传递到含水的进料气，从而增加了含水的进料气的温度。然后将加热的含水的进料气供给到第二重整器240，在该第二重整器中将含水的进料气进一步重整。第二重整器240输出重整的进料气，该重整的进料气被供给到REP阳极210以在REP 208中反应。在该配置中，控制重整的水平以改善REP 208周围的热平衡。REP阳极210输出氢气。
然后将REP阳极排气供给通过第三热交换器242。热量在第三热交换器242中从REP阳极排气传递到供给水，从而提高了水的第二部分221的温度。热量使第二部分221中存在的液态水蒸发并且可以使蒸汽过热。然后将REP阳极排气供给到第三重整器244，在该第三重整器中，通过转化成CH4来除去REP阳极排气中的CO。然后将输出流供给通过第四热交换器246。热量在第四热交换器246中从REP阳极排气传递到水的第二部分221，进一步提高了水的温度并使水部分蒸发。如图2所示，水的第二部分221在与燃料转化气的第一部分231混合以形成含水的进料气之前，在第四热交换器246中然后在第三热交换器242中被加热。
输出流的至少一部分可以从系统200输出以进行储存或用于其他用途。如关于图1所述，系统200中可以包括氢气净化和/或加压装置245。如果净化了输出流，则杂质(主要是CH4)可以经由再循环管线255再循环至供给系统213并与供应至燃料电池202和REP 208的其他燃料混合。
关于REP阴极212，空气可以通过AGO 232中的第二传热元件248从空气供应装置234供给并被接收在REP阴极212中。具体地，当空气通过第二传热元件248时，热量从AGO232中的氧化反应传递到空气，从而提高了空气的温度。引入到REP阴极212的这种预热空气用作吹扫气，其降低了REP阴极212中CO2和O2的浓度。该过程引起REP 208上的电压降低，并且功耗降低。如果期望CO2和O2作为副产物，则系统200也可以在没有吹扫气的情况下运行。然而，应当注意，吹扫气的使用有助于在REP阴极212中保持均匀的温度，从而使系统200的寿命最大化。
图1和图2描绘的实施方案各自包括第二重整器140、240以进一步部分重整进入REP的进料气。然而，应当理解，图2中的第二重整器240可以具有比图1中的第二重整器140更轻的负荷，因为进入第二重整器240的进料气需要较少的重整。换句话说，图2中的第二重整器240不会重整像图1中的第二重整器140那样多的进料气，因此可以具有比图1中的第二重整器140小的重整能力。通过比较发现，进入图2中的第二重整器240的进料气比进入图1中的第二重整器140的进料气包含更多的氢气，因为图2中的进料气已经在间接重整单元229中进行了部分重整。结果，对于相似的系统，第二重整器240可以小于第二重整器140。
现在参考图3，根据示例性实施方案示出了燃料电池系统300。在燃料电池系统300中，过量燃料被送至燃料电池302并从间接重整单元329作为过量燃料转化气输出并直接供给到REP阴极，而不是将所有燃料转化供给到燃料电池的阳极，如图1所示，或通过重整器处理燃料转化气，如图2所示。在该配置中，一些基本完全重整的阳极排气与燃料转化气混合，以将进入REP 308的混合气进料的总重整水平提供至所需水平，以在REP 308中的温度分布中保持良好的热平衡。参考图3，图1和图2相同的附图标记表示相同的元件。系统300包括具有阳极304和阴极306的燃料电池302。系统300还包括具有REP阳极310和REP阴极312的REP308(例如，第二燃料电池)。
燃料和水供给到作为供给系统313的一部分的系统300，用于使燃料电池302运行以输出功率，并且使REP 308运行以输出氢气。供给系统313包括燃料供应装置314和水供应装置316。从燃料供应装置314供给到系统300的燃料可以包括天然气、厌氧消化器气体(“ADG”)或其他合适的燃料。然后对燃料脱硫，使得其可以被接收在燃料电池302中而不会由于硫的积累引起燃料电池302损坏或降解。从水供应装置316供给到系统300的水在WTS318中得到净化。从WTS 318输出的水的第一部分320与脱硫燃料混合，形成含水的(例如，湿润的)燃料。进一步将含水的燃料与从REP 308输出的氢气混合以形成进料气。
然后将进料气供给通过第一热交换器322。热量在第一热交换器322中从燃料电池302的阴极306输出的阴极排气传递到进料气，提高进料气的温度并使基本上所有的水蒸发。然后将加热的进料气供给到第一重整器324，在该第一重整器中，通过使燃料与蒸汽反应来重整(例如，轻微重整、部分重整等)加热的进料气以产生氢气。第一重整器324中的重整反应是吸热的，并且在将进料气供给到第一重整器324之前在第一热交换器322中预热进料气提供了将某些进料气转化为氢气所需的热量。可能需要少量的氢气以防止损坏燃料电池302内的间接重整电池329。然后，第一重整器324输出配置为在燃料电池302处接收的重整的进料气。
然后将轻微重整的进料气供给通过第二热交换器328。热量在第二热交换器328中从阴极306输出的阴极排气传递到重整进料气，从而提高重整进料气的温度。在通过第二热交换器328之后，轻微重整的进料气然后被供给到燃料电池302进行反应。具体地，轻微重整的进料气在输出燃料转化气的间接重整单元329处被接收在燃料电池302中。间接重整单元329设置在燃料电池302的阳极304上(例如，直接在其上)，并且燃料转化歧管330配置为将至少一部分进料气从间接重整单元329传递至阳极304。从间接重整单元329输出的进料气形成燃料转化气，其在间接重整单元329中被进一步部分重整。间接重整单元329中的部分重整过程是吸热的，使得热量从阳极304和/或阴极306传递至间接重整单元329，从而在运行期间冷却燃料电池302。来自间接重整单元329的燃料转化气的至少一部分通过燃料转化歧管330到达阳极304。
图2中的燃料电池系统200示出为燃料转化气的第一部分231在被供给到REP阳极210之前被供给通过第一传热单元238和第二重整器240，而在图3中，在不进一步干扰处理而不是混合来自燃料电池的阳极排气气体的情况下，燃料转化气的第一部分331从间接重整单元329输出以直接用于REP 308。剩余的燃料转化气然后被供给到燃料电池302的阳极304用于反应。阳极304然后输出阳极排气，该阳极排气被供给到阳极气体氧化器(“AGO”)332和REP 308。AGO 332进一步接收来自空气供应装置334的空气，该空气通过压缩机/鼓风机336被压缩并泵入AGO 332。阳极排气在AGO 332中被来自空气供应装置334的空气氧化，并且AGO 332输出氧化的进料气。然后将附加的空气与AGO 332下游和阴极306上游的氧化的进料气混合，以便提供所需的氧化进料气和氧气的比，以在阴极306中反应。因为从燃料转化歧管330输出的燃料转化气尚未被重整到向REP 308提供适当的热平衡所需的水平，所以阳极排气的一部分与该燃料转化气混合。可以根据需要添加阳极排气，以平衡REP 308中的热量，并在REP 308中提供所需的热分布。
根据示例性实施方案，将氧化的进料气的第一部分350供给到REP阴极312，以吹扫REP 308阴极并从REP 308稀释CO2和O2。还应注意，可以使用氧化的进料气，用于吹扫上述的REP 108、208。仍然参考图3，REP阴极312然后输出REP阴极排气，如上所述，其与氧化的进料气的剩余的第二部分351混合并且与来自空气供应装置334的附加的空气混合。然后将空气、氧化的进料气和REP阴极排气的混合物供给到阴极306，该混合物在该阴极处反应，并且阴极306输出阴极排气。来自REP 308的CO2和O2提高了燃料电池302上的电压和燃料电池302的功率输出。然后，阴极排气通过第二热交换器328，在该第二热交换器处，如上所述，热量从阴极排气传递到重整的进料气。然后使阴极排气通过第一热交换器322，在该第一热交换器处，如上所述，热量从阴极排气传递到进料气。在通过第一热交换器322和第二热交换器328之后，阴极排气可从系统300输出或在系统300的其他部分中用于传热或用作燃料源(例如，在其他燃料电池中)。
根据示例性实施方案，将燃料转化气供给到REP 308。具体地，将来自WTS 318的水的第二部分321与燃料转化气的第一部分331混合，形成具有较高水含量的含水的进料气。然后将含水的进料气直接供给到REP阳极310用于在REP 308中反应。REP阳极310输出包括氢气的REP阳极排气。如图3所示，阳极排气的一部分也可以与含水的进料气混合，以引入到REP阳极310中，并将阳极排气的剩余部分供给到AGO 332中。
然后将REP阳极排气供给通过第三热交换器342。热量在第三热交换器342中从REP阳极排气传递到进料气，从而提高了蒸汽的第二部分321的温度。例如，热量可以使第二部分321中存在的任何液态水蒸发或者可以使蒸汽过热。然后将REP阳极排气供给到第三重整器344，在该第三重整器中重整(例如，部分重整)REP阳极排气，以进一步产生包括氢气的输出流。然后将输出流供给通过第四热交换器346。热量在第四热交换器346中从REP阳极排气传递到蒸汽的第二部分321，进一步提高了蒸汽的温度。如图3所示，在与燃料转化气的第一部分331混合以形成含水的进料气之前，蒸汽的第二部分321在第四热交换器346中然后在第三热交换器342中被预热。
输出流的至少一部分可以从系统300输出以进行储存或用于其他用途，或者可以在系统300中用于其他目的。另外，如上所述，在将含水的燃料供给到第一重整器324之前，一部分出口流可以与含水的燃料混合。
根据在本申请中描述的某些实施方案，部分重整的燃料的一部分从燃料转化歧管230、330获取并被传送到REP。相较于(a)从外部间接重整器传送部分重整的燃料，或(b)从阳极排气传送部分重整/部分消耗的燃料，这带来了某些好处。
在(a)的情况下，外部间接重整器需要热量来驱动重整过程。然而，在本公开的某些实施方案中使用的间接内部重整器利用相邻燃料电池包(例如，与阳极相邻)的废热来驱动重整过程。在间接内部重整器中进行重整比在外部间接重整器中进行重整更高效。当然，外部间接重整器仍然可用作预重整器，如图1至图3所示。
在(b)的情况下，与燃料转化气相比，阳极排气相对于气体中的碳具有更少量的氢气，其在燃料电池内尚未发生电化学反应，并且对于产生的每单位(例如，kg)氢气需要相对较高的功率输入到REP。
如本文所使用的，术语“大约”、“约”、“基本上”和类似术语旨在具有与本公开主题所属领域普通技术人员的普通和公认用法相一致的广泛含义。审阅本公开的本领域技术人员应当理解，这些术语旨在允许对所描述和要求保护的某些特征进行描述，而不将这些特征的范围限于所提供的精确数值范围。因此，这些术语应被解释为表示所描述和要求保护的主题的非实质性或无关紧要的修改或变更被认为在所附权利要求书中所述的本公开的范围内。
应当注意，本文用来描述各种实施方案的术语“示例性”旨在表示这样的实施方案是可能的实施方案的可能的示例、表示和/或例示(并且这种术语并不旨在表示这样的实施方案必定是非凡或最高级的示例)。
如本文中所使用的，术语“联接”、“连接”等是指两个构件彼此直接或间接地接合。这样的接合可以是固定的(例如，永久性的)或可移动的(例如，可移动的或可释放的)。可以利用两个构件或彼此一体地形成为单个整体的两个构件和任何附加的中间构件，或者利用两个构件或彼此附接的两个构件和任何附加的中间构件来实现这种接合。
本文中对元件的位置(例如，“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等)的引用仅用于描述附图中各个元件的定向。应当注意，根据其他示例性实施方案，各个元件的定向可以不同，并且这种变型旨在被本公开所涵盖。
应当理解，尽管已经关于本发明的优选实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员可以想到在本发明的精神和范围内的各种其他实施方案和变型，并且其他这样的实施方案和变型旨在由相应的权利要求覆盖。本领域技术人员将容易理解，在实质上不脱离本文描述的主体的新颖性教导和优点的情况下，许多修改是可能的(例如，尺寸、结构、参数值、安装布置、材料的使用、定向、制造工艺等的变化)。例如，根据替代性实施方案，任何过程或方法步骤的顺序或次序可以改变或重新排序。在不脱离本公开的范围的情况下，还可以在各种示例性实施方案的设计、操作条件和布置中做出其他替换、修改、改变和省略。

Claims (20)

1.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池，所述燃料电池包括：
阳极，和
阴极，所述阴极配置为输出阴极排气，其中：
所述燃料电池配置为生成废热；
重整器，所述重整器配置为利用所述废热对进料气进行部分重整，并输出含氢流；
重整器-电解器-净化器(“REP”)，所述重整器-电解器-净化器包括：
REP阳极，所述REP阳极配置为接收所述含氢流的第一部分；和
REP阴极；和
设置在所述阳极上的间接重整单元，所述间接重整单元配置为进一步重整所述含氢流并输出燃料转化气。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：
热交换器，所述热交换器配置为利用所述废热加热所述进料气并输出加热的进料气；其中：
所述燃料电池配置为将所述废热在所述阴极排气中传送到所述热交换器；并且
所述重整器配置为接收所述加热的进料气。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：
第一热交换器，所述第一热交换器配置为利用所述废热加热所述进料气并向所述重整器输出加热的进料气；和
第二热交换器，所述第二热交换器配置为从所述重整器接收重整的进料气。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中所述燃料电池配置为接收所述含氢流的第二部分。
5.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中：
所述燃料转化气的第一部分是由所述REP阳极接收的所述含氢流的所述第一部分；并且
所述阳极配置为接收所述燃料转化气的第二部分。
6.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述REP阳极配置为接收从所述阳极输出的阳极排气的一部分。
7.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述阳极配置为接收从所述间接重整单元输出的所述燃料转化气的一部分。
8.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：
设置在所述AGO中的传热元件；其中：
所述燃料电池系统配置为将所述含氢流的所述第一部分与来自水供应装置的水混合以形成含水的进料气；并且
所述传热元件配置为接收所述含水的进料气，并将来自所述AGO中的氧化反应的热量传递给所述含水的进料气。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中所述REP阳极配置为从所述传热元件接收所述含水的进料气。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其中：
所述重整器是第一重整器，所述燃料电池还包括第二重整器，所述第二重整器设置在所述传热元件与所述REP阳极之间；并且
所述REP阳极配置为从所述传热元件接收所述含水的进料气。
11.一种燃料电池系统，包括：
燃料电池，所述燃料电池包括：
阳极，和
阴极，所述阴极配置为输出阴极排气，其中：
所述燃料电池配置为生成废热；
第一重整器，所述第一重整器配置为利用所述废热对进料气进行部分重整，并输出含氢流；
重整器-电解器-净化器(“REP”)，所述重整器-电解器-净化器包括：
REP阳极，所述REP阳极配置为接收所述含氢流的第一部分；和
REP阴极；
阳极气体氧化器(“AGO”)，所述阳极气体氧化器配置为从所述阳极接收阳极排气；
设置在所述AGO中的传热元件；和
第二重整器，所述第二重整器设置在所述传热元件和所述REP阳极之间；其中：
所述AGO配置为用来自空气供应装置的空气氧化所述阳极排气；
所述燃料电池系统配置为将所述含氢流的所述第一部分与来自水供应装置的水混合以形成含水的进料气；
所述传热元件配置为接收所述含水的进料气并将来自所述AGO中的氧化反应的热量传递给所述含水的进料气；
所述REP阳极配置为从所述传热元件接收所述含水的进料气；和
所述第二重整器配置为在将所述含水的进料气引入到所述REP阳极之前进一步重整所述含水的进料气。
12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述AGO配置为从所述REP阴极接收加热的吹扫气。
13.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述第二重整器配置为接收来自所述AGO中的所述氧化反应的热量。
14.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述REP阴极配置为接收通过所述传热元件的空气作为吹扫气。
15.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中所述REP阳极配置为接收来自所述水供应装置的流。
16.一种操作燃料电池系统的方法，包括：
提供具有阳极和阴极的燃料电池；
提供重整器；
提供具有REP阳极和REP阴极的REP；
从所述燃料电池生成废热；
用所述废热加热进料气，由此形成加热的进料气；
在所述重整器中部分重整所述加热的进料气并输出含氢流；
用来自水供应装置的流将所述含氢流的第一部分水合以形成含水的进料气；
将所述含氢流的第二部分供给到所述阳极；
从所述阳极输出阳极排气；
将所述阳极排气的一部分与所述含水的进料气混合；和
将所述含水的进料气供给到所述REP阳极。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
将来自间接重整单元的燃料转化气输出到所述REP阳极。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括：
使得来自间接重整单元的所述进料气的一部分通过燃料转化歧管到达所述REP阳极。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括：
将来自间接重整单元的燃料转化气的第一部分输出到所述REP阳极；并且
将所述燃料转化气的第二部分供给到所述阳极。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括：
将所述阳极排气输出到所述REP阳极。
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