用于燃料電池的可調(diào)節(jié)氣體組合物的制造方法
【專利摘要】用作燃料電池例如固體氧化物燃料電池(SOFC)的陽(yáng)極氣體的可調(diào)節(jié)氣體組合物的制造方法在系統(tǒng)中實(shí)施，該系統(tǒng)包含(a)燃料處理單元(1)，其中將烴燃料原料轉(zhuǎn)化成重整氣體，燃燒單元(2)，其中來(lái)自燃料處理單元(a)的重整氣體用氧氣源部分或完全地燃燒，以及(c)后處理單元(3)，其中通過(guò)改變?cè)搯卧写呋驳臏囟然蛲ㄟ^(guò)前面的燃燒單元(2)部分燃燒至后處理單元的原料氣體來(lái)催化改變?cè)撝卣麣怏w的平衡組成。
【專利說(shuō)明】用于燃料電池的可調(diào)節(jié)氣體組合物的制造方法
[0001] 本發(fā)明涉及一種用作燃料電池，例如固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極氣體的可調(diào)節(jié)氣 體組合物的制造方法。本發(fā)明還涉及實(shí)施該方法的系統(tǒng)，其將化石燃料轉(zhuǎn)化成可調(diào)節(jié)氣體 組合物。
[0002] 更具體地，本發(fā)明涉及一種方法，其中首先在燃料處理單元中將烴燃料原料轉(zhuǎn)化 成合成氣，于是該合成氣完全或部分地燃燒，隨后進(jìn)行后加工處理。該處理通過(guò)改變催化床 的溫度而催化地改變了合成氣的平衡組成，這通過(guò)在將所得的合成氣送到固體氧化物燃料 電池（S0FC)陽(yáng)極之前對(duì)該后加工單元散熱（或加熱）來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0003] 這種方法，其是已知工藝的新穎組合，在現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)有說(shuō)明或建議。根據(jù) US2008/0141590A1，催化重整裝置用于從烴燃料產(chǎn)生重整物，用于為能量產(chǎn)生源例如S0FC 裝置添加燃料，在這種情況下，尾氣（合成氣）從陽(yáng)極放出，所述合成氣含有大量剩余的氫 和一氧化碳。陽(yáng)極合成氣的一部分回收到燃料汽化器（vaporizer)中，使得在與空氣合并 用于放熱重整之前在汽化器中分散的燃料完全汽化和加熱。
[0004] US2010/0104897A1說(shuō)明了另一種用于固體氧化物燃料電池系統(tǒng)的燃料加工方法。 所述方法能夠完全去除殘留在重整氣體中的烴，從而防止燃料電池性能劣化。該方法包括 (a)使用脫硫劑（desulfurizer)和主重整器（primary reformer)獲得富氫重整氣體，該主 重整器重整烴基燃料來(lái)產(chǎn)生富氫重整氣體，以及（b)選擇性地分解脫硫重整氣體中包含的 C2_C5烴并通過(guò)使用后重整器將其轉(zhuǎn)化成氫和甲烷。
[0005] 在EP0673074B1中，說(shuō)明了燃料電池裝置，所述燃料電池裝置包含預(yù)重整器，其供 應(yīng)有含氫的陽(yáng)極廢氣和來(lái)自燃料電池的蒸汽，并且供應(yīng)有烴燃料。該預(yù)重整器包含適用于 烴燃料的低溫蒸汽重整的催化劑，以及適用于烴燃料的部分氧化重整的催化劑。該預(yù)重整 器還包含適用于烴燃料的加氫脫硫的催化劑。
[0006] 含有鎳的S0FC陽(yáng)極對(duì)于氫的電化學(xué)氧化是高度活性的，同時(shí)非常易于從高級(jí)烴 形成碳。在進(jìn)入S0FC組之前，為了避免在陽(yáng)極上形成碳，含有高級(jí)烴的燃料轉(zhuǎn)化成氫、水、 一氧化碳、二氧化碳和甲烷的混合物。用于該轉(zhuǎn)化的最成熟的方法是蒸汽重整（SR)、部分氧 化（CP0/P0X)以及自動(dòng)熱重整（ATR)。
[0007] 蒸汽重整是由天然氣產(chǎn)生氫的主要技術(shù)，例如，在鎳催化劑的幫助下，其中烴與蒸 汽反應(yīng)以形成一氧化碳和氫。在環(huán)境壓力下，在高于850°c的溫度下甲烷幾乎完全轉(zhuǎn)化。另 一方面，該轉(zhuǎn)化反應(yīng)（一氧化碳與水反應(yīng)以形成二氧化碳和氫的反應(yīng)）的平衡常數(shù)在更高 溫度下降低，在此期望更低分?jǐn)?shù)的氫和二氧化碳。
[0008] 該重整和該轉(zhuǎn)化反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，在環(huán)境壓力的條件下于600°C下產(chǎn)生了最大的C02 含量。下表給出了用于蒸汽重整和甲烷部分氧化的模擬平衡組成。在750°C至550°C的重 整溫度（這是用于加熱和絕熱蒸汽重整器的典型工作溫度范圍）下該重整氣體可包含幾個(gè) ppm至約18%量的甲燒。
[0009] 0/C = 2且lbar絕對(duì)壓力下天然氣（100% CH4)重整物的平衡組成
[0010]
【權(quán)利要求】
1. 用作燃料電池，例如固體氧化物燃料電池（SOFC)的陽(yáng)極氣體的可調(diào)節(jié)氣體組合物 的制造方法，包括以下步驟： (a) 在燃料處理單元中處理烴燃料原料， (b) 任選地，通過(guò)在燃燒單元中用氧氣源部分或完全的燃燒來(lái)處理來(lái)自步驟（a)的產(chǎn) 物氣體，以及 (c) 在后處理單元中通過(guò)改變溫度來(lái)改變由步驟（b)獲得的產(chǎn)物氣體的組成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中該烴燃料原料是化石燃料和/或合成燃料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中來(lái)自步驟（b)的產(chǎn)物氣體為合成氣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中步驟（a)中的燃料與空氣、蒸汽、陽(yáng)極循環(huán)物或步驟 (a)至（c)內(nèi)的任何循環(huán)物或其組合反應(yīng)。
5. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其中陽(yáng)極循環(huán)物在步驟（a)下游的任意一個(gè)或多個(gè) 位置加入。
6. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其中通過(guò)使用內(nèi)部或外部熱源/散熱器或者內(nèi)部 和外部熱源/散熱器兩者，或者通過(guò)在前面的燃燒單元中部分燃燒至后處理單元的原料氣 體，來(lái)改變步驟（c)中的溫度。
7. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其中通過(guò)平衡或非平衡型反應(yīng)用催化劑進(jìn)行步驟 (c)中的組成改變。
8. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其中步驟（b)中的燃燒單元是催化燃燒單元。
9. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其中通過(guò)步驟（c)中的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，將一氧化碳轉(zhuǎn)化 成氫和二氧化碳。
10. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其中通過(guò)步驟（c)中的甲烷化反應(yīng)，將一氧化碳轉(zhuǎn) 化成甲烷。
11. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的方法，其中將重整氣體用空氣燃燒，并且其中來(lái)自燃燒的 不含氫和一氧化碳的煙道氣，用于將下游組分加熱到低于安全溫度，在該安全溫度下沒(méi)有 對(duì)催化劑的氧化的風(fēng)險(xiǎn)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中包含脫硫和轉(zhuǎn)化/甲烷化催化劑或耐硫轉(zhuǎn)化/甲烷 化催化劑的后處理單元將一氧化碳轉(zhuǎn)化為氫和二氧化碳（轉(zhuǎn)化反應(yīng)）或轉(zhuǎn)化成甲烷（甲烷 化）。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1-10的任一的方法，其中在輔助燃燒器中產(chǎn)生的包含少量氧氣的熱 煙道氣用于加熱該燃料處理單元、通過(guò)在催化合成氣燃燒器中的煙道氣氧部分地燃燒燃料 處理單元中產(chǎn)生的氫和一氧化碳、通過(guò)陰極槽加熱該燃料電池組或通過(guò)另外的燃燒器加熱 陰極空氣。
14. 通過(guò)根據(jù)上述任一權(quán)利要求的方法將化石燃料轉(zhuǎn)化成可調(diào)節(jié)氣體組合物的系統(tǒng)， 所述系統(tǒng)包含： (a) 燃料處理單元（1)，其中，將烴燃料原料轉(zhuǎn)化成重整氣體， (b) 任選的燃燒單元（2)，其中將來(lái)自燃料處理單元（a)的重整氣體用氧氣源部分或完 全地燃燒，以及 (c) 后處理單元（3)，其中通過(guò)改變?cè)搯卧写呋驳臏囟然蛲ㄟ^(guò)在前面的燃燒單元 (2)中部分燃燒至后處理單元的原料氣體來(lái)催化改變?cè)撝卣麣怏w的平衡組成。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，還包含輔助燃燒器（4)，其產(chǎn)生熱煙道氣，該煙道氣用于 任選加熱燃料處理單元（1)、用于部分燃燒燃料處理單元（1)中產(chǎn)生的氫或一氧化碳、或者 用于通過(guò)陰極槽加熱燃料電池。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其包含用于加熱陰極空氣的另外的燃燒器（5)。
【文檔編號(hào)】H01M8/06GK104254942SQ201280062030
【公開(kāi)日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月15日
【發(fā)明者】H·莫達(dá)雷斯, P·內(nèi)特 申請(qǐng)人:托普索燃料電池股份有限公司