CN1698230A - 燃料电池系统及相关的方法 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池系统，包括：具有被供给燃料气体的燃料极(19)和被供给氧化剂气体的空气极(16)的燃料电池(12)；二氧化碳分离器(15、52、71)，用于分离从燃料电池的燃料极排出的阳极排出气体(25)中的二氧化碳；燃料气化器(13、58)，用于通过将燃料注射入阳极排出气体中制出燃料气体，所述阳极排出气体中的二氧化碳已在二氧化碳分离器中被分离，并且从二氧化碳分离器中排放出来。燃料气化器制出的燃料气体被供给燃料电池的燃料极。

Description

燃料电池系统及相关的方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统及其相关的方法，具体的说，涉及一种配有二氧化碳分离器的燃料电池及其相关的方法。
背景技术
在燃料电池发电设备中，烃燃料进行电化学反应，以将其转化为水和二氧化碳，引起化学焓的差异，被转化为电能，从而能有效地获得电力。但是，将必然产生二氧化碳。
由于二氧化碳如果被直接排放到大气中有导致全球变暖问题产生的可能性，日本专利申请公开号H11-26004提供了一种从阳极排放的气体中除去二氧化碳的技术。
发明内容
然而，通过本发明发明者对具有上述结构的发电设备所做的大量研究工作表明，到目前为止尚没有人对已用于发电的燃气进行再利用的尝试，因而还不能说整个系统的发电效率保持在一个高水平。
在这些研究的基础上，本发明者完成了本发明，特别是，本发明的目的是提供一种燃料电池系统及其相关方法，其中用于发电的燃料气体被重复利用并在系统内循环，使得燃料被有效地利用，同时使得整个燃料电池系统的发电效率得到改善。
根据本发明的一个方面，一种燃料电池系统包括：具有被供给燃料气体的燃料极和被供给氧化剂气体的空气极的燃料电池；二氧化碳分离器，用于分离从燃料电池的燃料极排出的阳极排出气体中的二氧化碳；燃料气化器，用于通过将燃料注射入阳极排出气体中以制出燃料气体，所述阳极排出气体中的二氧化碳已在二氧化碳分离器中被分离，并且从二氧化碳分离器中排放出来，燃料气化器制出的燃料气体被供给燃料电池的燃料极。
此外，根据本发明的另一个方面，一种燃料电池系统包括：具有被供给燃料气体的燃料极和被供给氧化剂气体的空气极的燃料电池；二氧化碳分离装置，用于分离从燃料电池的燃料极排出的阳极排放气体中的二氧化碳；燃料注射装置，用于通过将燃料注射入阳极排出气体中以制出燃料气体，所述阳极排出气体中的二氧化碳已在二氧化碳分离装置中被分离，并且从二氧化碳分离装置中排放出来，该燃料注射装置制出的燃料气体被供给燃料电池的燃料极。
同时，根据本发明的再一个方面，提供了一种在燃料电池系统内循环气体的方法，所述燃料电池系统具有被供给燃料气体的燃料极和被供给氧化剂气体的空气极，该方法包括：从燃料电池的燃料极排出的阳极排出气体中分离二氧化碳；通过向其中的二氧化碳已被分离并排出的阳极排出气体中注入燃料，以制出燃料气体；以及将燃料气体供给燃料电池的燃料极。
从下文结合附图进行的描述中，可更加清楚地理解本发明其他更进一步的特征、优越性以及益处。
附图的简要说明
图1是显示本发明第一个实施例燃料电池系统的整体结构的示意图；
图2是图1所示第一个实施例燃料电池系统中二氧化碳分离器的内部结构示意图；
图3是显示本发明第二个实施例燃料电池系统的整体结构的示意图；
图4是图3所示第二个实施例燃料电池系统中外部重整器的透视图；
图5是显示本发明第三个实施例燃料电池系统的整体结构的示意图。
具体实施方式
以下将适当地结合附图详细说明本发明各个实施例的燃料电池系统及其相关的方法。
(第一个实施例)
首先，参看图1和图2，将详细说明本发明第一个实施例的燃料电池系统及其相关的方法。
图1是本实施例燃料电池系统的整体结构示意图，图2是图1所示二氧化碳分离器的内部结构示意图。
如图1和图2所示，燃料电池系统10包括空气压缩机11、燃料电池12和燃料气化器13，另外还包括具有热交换器14的二氧化碳分离器15。
压缩空气经过设置于二氧化碳分离器15中的热交换器14，从空气压缩机11输送到燃料电池12的空气极16，送气管道17连接空气压缩机11和热交换器14，并且空气供给管道18连接热交换器14和燃料电池12。
燃料电池12包括多个与多个燃料极19匹配的空气极16，并且该燃料电池最好采用固体氧化物燃料电池(SOFC)，该固体氧化物燃料电池由发电室CL和隔板(图中未显示)交替地层叠在一起形成。
图1中只代表性地显示了一个发电室CL，电解质层EM由氧化物离子传导性固体电解质例如氧化钇稳定了的氧化锆(YSZ)组成，并且电解质层EM具有一个与由镧-锰氧化物构成的空气极(阴极)16形成的表面，和另一个与由镍-陶瓷材料构成的燃料极(阳极)19形成的表面。隔板具有一个与空气流的通路形成的表面，和另一个与燃料气体流的通路形成的表面，并且该隔板在发电室之间具有导电作用。还有，SOFC的运行温度是在约600℃(含)至1000℃(含)范围内的高温。
即，发电室CL和隔板是按照如下方式进行交替层叠的：发电室CL的燃料极19和隔板上的燃料气体流的通路彼此相向地设置，并且发电室CL的空气极16和隔板上的空气流的通路彼此相向地设置，结果形成了燃料电池12。
燃料气体经过燃料气体供给管道20，被输送到多个在燃料电池12内形成的燃料极19，所述燃料气体供给管道20位于燃料电池12的燃料气化器13和燃料极19之间。因所述燃料气体被用于发电而生成的阳极排放气体25，经过与燃料电池12的下游端口连接的阳极排气管21被运送到二氧化碳分离器15。
空气经过空气供给管道18，被运送到在燃料电池12内形成的多个空气极16，并且由于所述空气用于发电而生成的阴极排放气体26，通过与燃料电池12的另一下游端口连接的阴极排气管22被运送到二氧化碳分离器15。
如图2所示，二氧化碳分离器15通常具有为圆筒状的外部形状，包括位于上部的阳极排出气体流的通路23和位于下部的阴极排出气体流的通路24，并且该通路23和通路24由绝热壁部分32分开并进行界定。
导入阳极排出气体流的通路23中的是由燃料电池12的燃料极19排出的阳极排出气体25，导入阴极排出气体流的通路24中的是由燃料电池12的空气极16排出的阴极排出气体26。即，关于二氧化碳分离器15的阳极排出气体流的通路23和阴极排出气体流的通路24，图2中左侧显示的是上游侧，右侧显示的是下游侧。阳极排出气体流的通路23和阴极排出气体流的通路24基本上被二氧化碳除去件27界定，该二氧化碳除去件27为圆盘状，位于二氧化碳分离器15的轴向(纵向)上，即，在排出气体从上游侧流动到下游侧的方向上。
二氧化碳除去件27具有设有中心轴28的径向中心部，该中心轴28沿二氧化碳分离器15的轴向平行延伸，二氧化碳除去件27围绕中心轴28可转动地被支撑住。由于阳极排出气体流的通路23和阴极排出气体流的通路24彼此之间被绝热壁部分32分开，在阳极排出气体流的通路23中产生的主要为高温的热量基本上没有被传递给阴极排出气体流的通路24。
在二氧化碳分离器15中，热交换器14被设置在阳极排出气体流的通路23中。热交换器14包括一根细的由金属制成的盘绕成螺旋形状的供给管，该供给管的一端30与空气压缩机11连接，而另一端31与燃料电池12的空气极16连接，以使得从空气压缩机11释放出来的压缩空气穿过螺旋供给管的内部。由于主要为低温的压缩空气的存在，在压缩空气通过位于阳极排出气体流的通路23中的螺旋部分时，发生热交换，把在阳极排出气体流的通路23中流动的高温阳极排出气体25中的热量移走，使得低温的阳极排出气体被传送到二氧化碳除去件27。
二氧化碳除去件27由可在高温下使用的蜂巢件制成，并且二氧化碳吸收材料被负载在作为载体的蜂巢状陶瓷上。该二氧化碳除去件27可被用于所谓的旋转式再生型分离器。二氧化碳吸收材料适宜由含有锆酸锂作为主要组分的材料制成，并优选具有在某一温度下吸收二氧化碳的性能，该温度在300℃(含)至700℃(含)的范围内，同时在比该预定温度(在300℃(含)至700℃(含)的范围内)高的温度下排放二氧化碳。也就是说，由于SOFC是在600℃(含)至1000℃(含)的温度范围内的一较高的温度下运行的燃料电池，所以生成的排放气体的温度比处于300℃(含)至700℃(含)的温度范围内的二氧化碳吸收温度还高。从而，通过将二氧化碳除去件27从面对阳极排放气体流的通路23(其中有低温的阳极排出气体25流过)的位置，旋转并转换到面对阴极排放气体流的通路24(其中有高温的阴极排出气体26流过)的位置，二氧化碳除去件27从阳极排出气体流的通路23中吸收的二氧化碳可以从二氧化碳除去件27释放到阴极排出气体流的通路24中，结果，能够有效地从阳极排放气体25中除去二氧化碳。
即，二氧化碳除去件27绕中心轴28的旋转使得可以交替地进行吸收和释放二氧化碳的反复操作。因而，在二氧化碳除去件27位于阳极排出气体流的通路23(由于热交换器14吸收热量而保持低温)中时，二氧化碳除去件27吸收二氧化碳，而当二氧化碳除去件27转换到阴极排出气体流的通路24中时，二氧化碳除去件27放出二氧化碳。并且，并不限于此种结构，还可以采用其他类型的结构，只要通过旋转二氧化碳除去件27或类似的操作能以连续的方式交替地吸收和释放二氧化碳即可。另外，并不反对使用这种结构：二氧化碳除去件被固定，二氧化碳吸收区域被设置于二氧化碳除去件的阳极排出气体流的通路23的一部分中，而二氧化碳释放区域被设置在二氧化碳除去件的阴极排出气体流的通路24的一部分中，从而允许被二氧化碳吸收区域吸收的二氧化碳被转换到二氧化碳释放区域，以使二氧化碳得到释放。
更进一步地，在二氧化碳除去件27的下游侧，阳极排出气体流的通路23通过二氧化碳除去件27与阳极排出气体流的通路23’相连通，阴极排出气体流的通路24通过二氧化碳除去件27与阴极排出气体流的通路24’相连通。阳极排出气体流的通路23’和阴极排出气体流的通路24’在与二氧化碳分离器15成为一体的中空圆柱形件中延伸、并被该中空圆柱形件界定。阳极排出气体流的通路23’和阴极排出气体流的通路24’彼此通过导热壁部分33隔离开，通过导热壁部分33可以发生热交换。
注射器34设置在阳极排出气体流的通路23’中，突出伸入所述气流通路以注射燃料，注射器34和阳极排出气体流的通路23’形成燃料气化器13。并且，注射器34连接到储存燃料的燃料箱36。
结合空气作为氧化剂气体以及含有氢的燃料气体的流动，下面说明具有上述结构的燃料电池系统的运行。
如图1所示，由空气压缩机11提供的低温压缩空气被传送到设置于二氧化碳分离器15中的热交换器14，在此与高温的阳极排出气体25发生热交换，压缩空气的温度升高。然后，压缩空气通过空气供给管18被运送到燃料电池12的空气极16处。在燃料电池12内，空气中的氧气用于发电，生成的气体中含有从燃料电池12的空气极16排出的残余氮气。这种阴极排出气体26被输入到二氧化碳分离器15的阴极排出气体流的通路24中。
期间，通过将由燃料箱36传送来的、并被注射器34喷射为雾状的燃料气化得到燃料气体。烃燃料，诸如乙醇或天然气、柴油和汽油，都可以作为燃料电池12的燃料。此处，通过可交换热的导热壁部分33，热量37从阴极排放气体流的通路24’被传输给燃料气化器13，燃料气化器13便保持高温，从而，可以有效地将雾状的燃料气化，并可以均匀地混合燃料以形成燃料气体。通过燃料气体供给管道20，这种燃料气体被传送到燃料电池12的燃料极19处，在燃料电池12中用于发电，生成的阳极排放气体25被输入到二氧化碳分离器15的阳极排出气体流的通路23中。阳极排出气体25中含有的是二氧化碳、水蒸气和氢气。通过二氧化碳分离器15的热交换器14，在阳极排出气体25和低温的压缩空气之间产生热交换，阳极排出气体25的温度被降低到在300℃(含)至700℃(含)范围内的一个温度，然后阳极排出气体25到达绕中心轴28旋转的二氧化碳除去件27。结果，在其中的二氧化碳被二氧化碳除去件27选择性地吸收、分离和除去后，阳极排出气体25流入燃料气化器13的阳极排出气体流的通路23’。并且，继续进行下一步骤，以实现循环重复操作，其中阳极排出气体25与前述从燃料箱36传送来的、通过注射器34喷出的雾状燃料混合，以形成输送到燃料电池12的燃料极19处的燃料气体。
此处，当吸收二氧化碳并绕中心轴28旋转的二氧化碳除去件27被转换到与二氧化碳分离器15的阴极排出气体流的通路24面对的位置时，由于在阴极排出气体流的通路24中的阴极排出气体26的温度保持在高于700℃的高温，所以二氧化碳除去件27的温度趋于超过700℃，其结果是二氧化碳可被释放。因此，由于二氧化碳除去件27使得二氧化碳被释放，除氮气和氧气外还含有二氧化碳的排出气体35穿过阴极排出气体流的通路24’，并根据情况需要进行后处理后，排出系统外。
根据具有本实施例上述结构的燃料电池系统10，由于二氧化碳分离器15上游侧的气流通路被绝热壁部分32分开，通过使用热交换器14可以有效地进行热交换。
更进一步地，由于二氧化碳分离器15下游侧的气流通路彼此之间被具有导热性能的导热壁部分33分开，热可以从高温的阴极排出气体26传输到燃料气化器13，使得液状燃料可以有效地被气化。
另外，由于液体燃料能被排入除去了二氧化碳的高温排出气体中，因而可以得到均一混合和充分气化的燃料气体，结果使得发电性能得到改善。
(第二个实施例)
现在结合图3和图4详细说明本发明第二个实施例的燃料电池系统及其相关方法。本实施例与前述实施例燃料电池系统主要不同在于：使用外部重整器作为热交换器来冷却阳极排出气体，所以相似组件使用同样的附图标号，同时对相似描述进行适当的简化或者省略。
图3举例说明本实施例燃料电池系统50的示意图，图4是图3所示外部重整器的透视图。
如图3所示，从空气压缩机11伸出的空气供给管18经过热交换器55在两个方向上分支，一根供气管18a连接到外部重整器51，而另一根供气管18b连接到燃料电池12的空气极(阴极)。外部重整器51设置在二氧化碳分离器52内，并伸入阳极排出气体流的通路53中，提供热交换功能。从外部重整器51伸出的供气管54连接到燃料电池12的燃料极(阳极)19。
排气管56与位于二氧化碳除去件65下游侧的阴极排出气体流的通路57’连接，并向着空气压缩机的热交换器55伸出。在热交换器55中，从空气压缩机11伸出的空气供给管18中的空气和排气管56中的阴极排出气体之间发生热交换。
燃料气化器58通过管道59连接到外部重整器51，允许燃料气化器58中被气化了的燃料气体通过外部重整器51，被传送到燃料电池12的燃料极19处。
如图4详细所示，外部重整器51是由内管61和外管62构成的双重管结构。外部重整器51具有流通部63，该流通部63被内管61界定在其内部，用于阳极排出气体25的流通；外部重整器51还包括重整器功能部64，由内管61和外管62之间界定，在燃料气化器中被气化了的燃料气体流过此部分。
更具体地说，外部重整器51具有这样一种结构：阳极排出气体25经流通部63被输送到二氧化碳除去件65，所述流通部63构成阳极排出气体流的通路53的一部分，接着，在燃料气化器58中被气化了的燃料气体被传送到与阳极排出气体流的通路53隔开的重整器功能部64，以被输送到燃料极19。因而，燃料气体通过这种外部重整器51被循环。
导入重整器功能部64的是从空气压缩机11出来的压缩空气和蒸气，其导入空气和蒸气的量根据将被循环的燃料气体流进行控制，以使得可在作为吸热反应的蒸汽重整反应模式下发生重整反应。也就是说，由于温度保持高于700℃的阳极排出气体25和将在吸热反应中被重整的燃料气体之间的热交换的存在，使得阳极排出气体25被冷却到在300℃(含)至700℃(含)范围内的一个温度，同时将热提供给燃料气体，从而促进蒸汽重整反应。因此，通过在控制阳极排出气体25的温度的同时，控制外部重整器51的平稳反应，二氧化碳被从阳极排出气体25中吸收出来，并排放到外部，从而使得二氧化碳分离器52的功能得以再生。在这种情况下，在来自空气压缩机11的空气中可以含有水蒸气，也可以将水蒸气单独喷入燃料气化器58中，还可以将水蒸气单独喷入重整器功能部64的入口部分内，或者水蒸气可以包含阳极排出气体25中所含的湿汽。
具有上述结构的本实施例燃料电池系统50，利用二氧化碳分离器52的热量，可以均匀地获得新的液体燃料，同时使得二氧化碳分离器52能利用外部重整器51的吸热反应进行连续的运转。
更进一步地，由于重整型燃料电池系统通过使用存在于外部的重整器51使得阳极排出气体25被冷却，在这种燃料电池系统中不再需要单独的热交换器，因而达到了低成本的要求。
另外，外部重整器的结构可以采用与如图2所示的热交换器14的结构相同的结构，同时在传送管道内部负载上重整催化剂。
(第三个实施例)
现在结合图5详细说明本发明第三个实施例的燃料电池系统及其相关方法。本实施例与第二个实施例燃料电池系统主要不同在于：在二氧化碳分离器中设置了排出气体燃烧室，所以，相似组件使用同样的附图标号，同时对相似描述进行适当的简化或者省略。
图5是本实施例燃料电池系统70的示意图。
如图5所示，除了第二实施例燃料电池系统50的组成部件外，燃料电池系统70还包括排出气体燃烧室72，该排出气体燃烧室位于二氧化碳分离器71的阴极排出气体流的通路77内，并位于其上游侧。并且，从燃料电池12的燃料极(阳极)19伸出的阳极排出管道73在两个方向上分支，分为第一支管74和第二支管75。第一支管74与二氧化碳分离器71的阳极排出气体流的通路76相连通，第二支管75与排出气体燃烧室72相连通。
采用本实施例燃料电池系统70，含有在燃料电池组12中未被完全消耗掉的燃料的排出气体在排出气体燃烧室72中燃烧，以获得高温，结果使得二氧化碳可以被有效地从二氧化碳除去件65中释放出来。此外，通过第二支管75将从阳极排放气体管道73中排出的阳极排放气体输送到排放气体燃烧室72，同时阴极排放气体也被输送到排出气体燃烧室72，从而使得这些排出气体可以有效地被燃烧。
采用根据上述本发明不同实施例的结构，使得从燃料极排放的气体中所含的未燃的可燃组分可以被循环再利用，从而可使得燃料组分被有效地利用，同时使整个系统的发电效率得以改善。
还有，由于阳极排出气体中所含的二氧化碳的浓度通过二氧化碳分离器被有效地降低了，因而可以防止这些二氧化碳被盲目地释放到大气中。
顺便提及的是，在上述不同实施例中，因为通过阳极的气体循环能有效调整所述气体中的氢气浓度，因而需要设置一个将所述气体排放到循环通路外面的路径。
申请日为2003年1月30日、申请号为2003-22408的日本专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
尽管本发明是结合本发明的具体实施例进行说明的，本发明并不限于上述实施例。根据上面的教导，本发明所属技术领域内的技术人员可以对上述实施例做出修改和变更。本发明的范围由所附的权利要求界定。
工业适用性
如上所述，本发明的燃料电池系统可使从燃料电池的燃料极排放的气体中所含的未燃的可燃组分得以循环再利用，同时将二氧化碳除去。采用这种结构，可有效地利用燃料组分，同时提高整个系统的发电效率，这种结构有望应用到涉及以燃料电池驱动的汽车的很广的范围中。

Claims (14)

1.一种燃料电池系统，包括：
具有被供给燃料气体的燃料极和被供给氧化剂气体的空气极的燃料电池；
二氧化碳分离器，用于分离从燃料电池的燃料极排出的阳极排出气体中的二氧化碳；和
燃料气化器，用于通过将燃料注射入阳极排出气体中制出燃料气体，所述阳极排出气体中的二氧化碳已在二氧化碳分离器中被分离，并且从二氧化碳分离器中排放出来，该燃料气化器制出的燃料气体被供给燃料电池的燃料极。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中二氧化碳分离器具有二氧化碳除去件，该二氧化碳除去件依靠阳极排出气体的温度来吸收和释放二氧化碳。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中二氧化碳分离器包括与燃料电池的燃料极相连通的阳极排出气体流的通路和与燃料电池的空气极相连通的阴极排出气体流的通路，所述阳极排出气体流的通路和所述阴极排出气体流的通路通过壁部分被彼此隔开，以及
其中所述的二氧化碳除去件是可旋转的，其设置方式为：覆盖所述阳极排出气体流的通路和所述阴极排出气体流的通路两者，由此二氧化碳在低于预定值的温度时被吸收，并在高于该预定值的温度时被释放。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，还包括：
热交换器，该热交换器被设置在位于二氧化碳除去件的上游侧的阳极排出气体流的通路内，以冷却所述的阳极排出气体。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中热交换器使用来自空气压缩机的空气对阳极排出气体进行热交换，以降低阳极排出气体的温度，并且流过热交换器的所述空气被供给燃料电池的空气极。
6.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中二氧化碳分离器的壁部分具有绝热性能，并位于二氧化碳除去件的上游侧。
7.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中所述二氧化碳分离器的阳极排出气体流的通路和阴极排出气体流的通路分别与位于二氧化碳除去件下游侧的阳极排出气体流的通路和阴极排出气体流的通路相连通，并且所述主要位于二氧化碳除去件下游侧的阳极排出气体流的通路和阴极排出气体流的通路彼此之间通过具有导热性的壁部分隔开。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其中所述燃料气化器将燃料注入位于二氧化碳除去件下游侧的阳极排出气体流的通路中，以形成燃料气体。
9.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中所述热交换器使用燃料气化器内的被气化了的燃料气体对阳极排出气体进行热交换，以降低阳极排出气体的温度，并且流过热交换器的燃料气体被供给燃料电池的燃料极。
10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其中所述热交换器包括引起重整反应的重整装置，所述重整反应为吸热反应。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中所述热交换器的重整反应包括蒸气重整反应。
12.根据权利要求1所述的燃料电池系统，还包括：
排出气体燃烧室，该排出气体燃烧室被设置在二氧化碳分离器的阴极气体流的通路中，位于二氧化碳除去件的上游侧，从燃料电池燃料极排出的阳极排出气体的一部分被供给该燃烧室。
13.一种燃料电池系统，包括：
具有被供给燃料气体的燃料极和被供给氧化剂气体的空气极的燃料电池；
二氧化碳分离装置，用于分离从燃料电池的燃料极排出的阳极排放气体中的二氧化碳；
燃料注射装置，用于通过将燃料注射入阳极排出气体中以制出燃料气体，所述阳极排出气体中的二氧化碳已在二氧化碳分离装置中被分离，并且从二氧化碳分离装置中排放出来，该燃料注射装置制出的燃料气体被供给燃料电池的燃料极。
14.一种在燃料电池系统内循环气体的方法，所述燃料电池系统具有被供给燃料气体的燃料极和被供给氧化剂气体的空气极，该方法包括：
从燃料电池的燃料极排出的阳极排出气体中分离二氧化碳；
向其中二氧化碳已被分离并排出的阳极排出气体中注入燃料，以制出燃料气体；以及
将所述的燃料气体供给燃料电池的燃料极。
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