用于燃料电池的可调节气体组合物的制造方法
【专利摘要】用作燃料电池例如固体氧化物燃料电池(SOFC)的阳极气体的可调节气体组合物的制造方法在系统中实施，该系统包含(a)燃料处理单元(1)，其中将烃燃料原料转化成重整气体，燃烧单元(2)，其中来自燃料处理单元(a)的重整气体用氧气源部分或完全地燃烧，以及(c)后处理单元(3)，其中通过改变该单元中催化床的温度或通过前面的燃烧单元(2)部分燃烧至后处理单元的原料气体来催化改变该重整气体的平衡组成。
【专利说明】用于燃料电池的可调节气体组合物的制造方法
[0001] 本发明涉及一种用作燃料电池，例如固体氧化物燃料电池的阳极气体的可调节气 体组合物的制造方法。本发明还涉及实施该方法的系统，其将化石燃料转化成可调节气体 组合物。
[0002] 更具体地，本发明涉及一种方法，其中首先在燃料处理单元中将烃燃料原料转化 成合成气，于是该合成气完全或部分地燃烧，随后进行后加工处理。该处理通过改变催化床 的温度而催化地改变了合成气的平衡组成，这通过在将所得的合成气送到固体氧化物燃料 电池（S0FC)阳极之前对该后加工单元散热（或加热）来实现。
[0003] 这种方法，其是已知工艺的新颖组合，在现有技术中没有说明或建议。根据 US2008/0141590A1，催化重整装置用于从烃燃料产生重整物，用于为能量产生源例如S0FC 装置添加燃料，在这种情况下，尾气（合成气）从阳极放出，所述合成气含有大量剩余的氢 和一氧化碳。阳极合成气的一部分回收到燃料汽化器（vaporizer)中，使得在与空气合并 用于放热重整之前在汽化器中分散的燃料完全汽化和加热。
[0004] US2010/0104897A1说明了另一种用于固体氧化物燃料电池系统的燃料加工方法。 所述方法能够完全去除残留在重整气体中的烃，从而防止燃料电池性能劣化。该方法包括 (a)使用脱硫剂（desulfurizer)和主重整器（primary reformer)获得富氢重整气体，该主 重整器重整烃基燃料来产生富氢重整气体，以及（b)选择性地分解脱硫重整气体中包含的 C2_C5烃并通过使用后重整器将其转化成氢和甲烷。
[0005] 在EP0673074B1中，说明了燃料电池装置，所述燃料电池装置包含预重整器，其供 应有含氢的阳极废气和来自燃料电池的蒸汽，并且供应有烃燃料。该预重整器包含适用于 烃燃料的低温蒸汽重整的催化剂，以及适用于烃燃料的部分氧化重整的催化剂。该预重整 器还包含适用于烃燃料的加氢脱硫的催化剂。
[0006] 含有镍的S0FC阳极对于氢的电化学氧化是高度活性的，同时非常易于从高级烃 形成碳。在进入S0FC组之前，为了避免在阳极上形成碳，含有高级烃的燃料转化成氢、水、 一氧化碳、二氧化碳和甲烷的混合物。用于该转化的最成熟的方法是蒸汽重整（SR)、部分氧 化（CP0/P0X)以及自动热重整（ATR)。
[0007] 蒸汽重整是由天然气产生氢的主要技术，例如，在镍催化剂的帮助下，其中烃与蒸 汽反应以形成一氧化碳和氢。在环境压力下，在高于850°c的温度下甲烷几乎完全转化。另 一方面，该转化反应（一氧化碳与水反应以形成二氧化碳和氢的反应）的平衡常数在更高 温度下降低，在此期望更低分数的氢和二氧化碳。
[0008] 该重整和该转化反应同时发生，在环境压力的条件下于600°C下产生了最大的C02 含量。下表给出了用于蒸汽重整和甲烷部分氧化的模拟平衡组成。在750°C至550°C的重 整温度（这是用于加热和绝热蒸汽重整器的典型工作温度范围）下该重整气体可包含几个 ppm至约18%量的甲烧。
[0009] 0/C = 2且lbar绝对压力下天然气（100% CH4)重整物的平衡组成
[0010]
【权利要求】
1. 用作燃料电池，例如固体氧化物燃料电池（SOFC)的阳极气体的可调节气体组合物 的制造方法，包括以下步骤： (a) 在燃料处理单元中处理烃燃料原料， (b) 任选地，通过在燃烧单元中用氧气源部分或完全的燃烧来处理来自步骤（a)的产 物气体，以及 (c) 在后处理单元中通过改变温度来改变由步骤（b)获得的产物气体的组成。
2. 根据权利要求1的方法，其中该烃燃料原料是化石燃料和/或合成燃料。
3. 根据权利要求1的方法，其中来自步骤（b)的产物气体为合成气。
4. 根据权利要求1的方法，其中步骤（a)中的燃料与空气、蒸汽、阳极循环物或步骤 (a)至（c)内的任何循环物或其组合反应。
5. 根据前述任一权利要求的方法，其中阳极循环物在步骤（a)下游的任意一个或多个 位置加入。
6. 根据前述任一权利要求的方法，其中通过使用内部或外部热源/散热器或者内部 和外部热源/散热器两者，或者通过在前面的燃烧单元中部分燃烧至后处理单元的原料气 体，来改变步骤（c)中的温度。
7. 根据前述任一权利要求的方法，其中通过平衡或非平衡型反应用催化剂进行步骤 (c)中的组成改变。
8. 根据前述任一权利要求的方法，其中步骤（b)中的燃烧单元是催化燃烧单元。
9. 根据前述任一权利要求的方法，其中通过步骤（c)中的转化反应，将一氧化碳转化 成氢和二氧化碳。
10. 根据前述任一权利要求的方法，其中通过步骤（c)中的甲烷化反应，将一氧化碳转 化成甲烷。
11. 根据前述任一权利要求的方法，其中将重整气体用空气燃烧，并且其中来自燃烧的 不含氢和一氧化碳的烟道气，用于将下游组分加热到低于安全温度，在该安全温度下没有 对催化剂的氧化的风险。
12. 根据权利要求11的方法，其中包含脱硫和转化/甲烷化催化剂或耐硫转化/甲烷 化催化剂的后处理单元将一氧化碳转化为氢和二氧化碳（转化反应）或转化成甲烷（甲烷 化）。
13. 根据权利要求1-10的任一的方法，其中在辅助燃烧器中产生的包含少量氧气的热 烟道气用于加热该燃料处理单元、通过在催化合成气燃烧器中的烟道气氧部分地燃烧燃料 处理单元中产生的氢和一氧化碳、通过阴极槽加热该燃料电池组或通过另外的燃烧器加热 阴极空气。
14. 通过根据上述任一权利要求的方法将化石燃料转化成可调节气体组合物的系统， 所述系统包含： (a) 燃料处理单元（1)，其中，将烃燃料原料转化成重整气体， (b) 任选的燃烧单元（2)，其中将来自燃料处理单元（a)的重整气体用氧气源部分或完 全地燃烧，以及 (c) 后处理单元（3)，其中通过改变该单元中催化床的温度或通过在前面的燃烧单元 (2)中部分燃烧至后处理单元的原料气体来催化改变该重整气体的平衡组成。
15. 根据权利要求14的系统，还包含辅助燃烧器（4)，其产生热烟道气，该烟道气用于 任选加热燃料处理单元（1)、用于部分燃烧燃料处理单元（1)中产生的氢或一氧化碳、或者 用于通过阴极槽加热燃料电池。
16. 根据权利要求14的系统，其包含用于加热阴极空气的另外的燃烧器（5)。
【文档编号】H01M8/06GK104254942SQ201280062030
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2012年11月21日 优先权日:2011年12月15日
【发明者】H·莫达雷斯, P·內特 申请人:托普索燃料电池股份有限公司