本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)。更特別地，本發(fā)明涉及環(huán)境友好的燃料電池系統(tǒng)，其中作為溫室氣體的二氧化碳的排放被最小化。

背景技術(shù)：

燃料電池系統(tǒng)包括用于將包含碳?xì)浠衔锏娜剂蠚怏w轉(zhuǎn)換成富氫重整氣體的重整器，以及用于通過使重整氣體與空氣中的氧氣反應(yīng)來產(chǎn)生電力的燃料電池堆。

最近，關(guān)于從生物氣體提取高純度甲烷氣體并且將其用作用于燃料電池的燃料氣體的研究和發(fā)展已經(jīng)有所進(jìn)展。

在去除水分和雜質(zhì)的純化過程以及分離甲烷和二氧化碳以增加甲烷純度的升級(jí)過程之后，將生物氣體輸入到重整器。

在生物氣體的升級(jí)過程中，存在化學(xué)吸收方法、變壓吸附方法、水沖洗方法和膜分離方法。

在它們之中，膜分離方法具有相對(duì)簡單的裝置配置，是環(huán)境友好的，并且該裝置易于操作，然而，為了增加甲烷的純度，使其以應(yīng)用于分離膜的高壓進(jìn)行操作是必要的，因此由于增壓所致的高能量消耗，能量效率是低的。

而且，由于在生物氣體的升級(jí)過程中分離的二氧化碳是具有代表性的溫室氣體，因此其排放量必須降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題

本發(fā)明提供了一種燃料電池系統(tǒng)，其中整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的能量效率通過降低在燃料氣體的升級(jí)過程中消耗的能量的量來增加，并且通過最小化作為溫室氣體的二氧化碳的排放來實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的燃料電池。

技術(shù)方案

根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)包括：去除包括在燃料氣體中的雜質(zhì)并且增加甲烷的純度的預(yù)處理設(shè)備；將從預(yù)處理設(shè)備排放的燃料氣體轉(zhuǎn)換成重整氣體的重整器；以及通過使用重整氣體生成電力的燃料電池堆。預(yù)處理設(shè)備包括從燃料氣體分離包括二氧化碳的副產(chǎn)物氣體的升級(jí)單元，以及去除包括在副產(chǎn)物氣體中的二氧化碳的二氧化碳去除單元。

預(yù)處理設(shè)備還可以包括安裝在升級(jí)單元前方的純化單元，并且純化單元可以包括除濕單元、脫硫單元、氨去除單元和硅氧烷去除單元之中的至少一個(gè)。

升級(jí)單元可以包括吸收和壓縮其中雜質(zhì)被去除的燃料氣體的壓縮器，以及將甲烷和二氧化碳從經(jīng)壓縮的燃料氣體分離的多級(jí)分離膜。從升級(jí)單元排放的燃料氣體可以包括達(dá)90%或更多的甲烷。多級(jí)分離膜可以包括串行設(shè)置的至少兩個(gè)分離膜，并且應(yīng)用于多級(jí)分離膜的流入部分的燃料氣體的壓力可以是0.3mpa至0.5mpa。

二氧化碳去除單元可以包括傳遞副產(chǎn)物氣體通過水和碳酸鈣的混合物的配置，并且包括在副產(chǎn)物氣體中的二氧化碳可以在二氧化碳去除單元中被碳化。二氧化碳去除單元可以生成高純度甲烷，并且可以向安裝在升級(jí)單元與重整器之間的燃料供給單元提供高純度甲烷。

重整器可以從燃燒器接收用于重整反應(yīng)所必需的熱量。燃料電池系統(tǒng)還可以包括連接到燃燒器并且去除從燃燒器排放的燃燒氣體之中的二氧化碳的輔助二氧化碳去除單元。從重整器排放的重整氣體可以包括二氧化碳，并且燃料電池堆可以向燃燒器提供包括二氧化碳的未經(jīng)反應(yīng)的燃料。

輔助二氧化碳去除單元可以連接到燃料電池堆的空氣出口以去除從燃料電池堆排放的未經(jīng)反應(yīng)的空氣之中的二氧化碳。

有益效果

燃料電池系統(tǒng)去除在燃料氣體的預(yù)處理過程中生成的二氧化碳，使得可以實(shí)現(xiàn)具有溫室氣體的極少排放的環(huán)境友好的燃料電池系統(tǒng)。而且，整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的能量效率可以在增加燃料氣體的甲烷純度的升級(jí)單元的操作壓力降低時(shí)增加。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。

圖2是圖1中所示的燃料電池系統(tǒng)之中的升級(jí)單元的示意圖。

圖3是圖1中所示的燃料電池系統(tǒng)之中的二氧化碳去除單元的示意圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。

符號(hào)描述

100：預(yù)處理設(shè)備110：純化單元

120：升級(jí)單元130：二氧化碳去除單元

200：重整器210：燃燒器

300：燃料電池堆310：逆變器

320：熱量存儲(chǔ)罐410：燃料供給單元

420：水供給單元430：空氣供給單元

440：控制單元500：輔助二氧化碳去除單元。

具體實(shí)施方式

以下將參照附圖更加全面地描述本發(fā)明，在所述附圖中示出本發(fā)明的示例性實(shí)施例。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的，所描述的實(shí)施例可以按各種不同的方式進(jìn)行修改，所有修改不脫離于本發(fā)明的范圍。

貫穿說明書，除非明確描述成相反，否則詞語“包括”及其變型，諸如“包括著”或“包括有”將被理解成暗示其它元件的可能的另外的包括。在附圖中，相應(yīng)元件的尺寸和厚度出于描述的簡易性而被任意圖示，并且本發(fā)明不一定受限于這樣圖示的尺寸和厚度。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。

參照?qǐng)D1，第一示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)包括去除包括在燃料氣體中的雜質(zhì)并且增加甲烷的純度的預(yù)處理設(shè)備100、將燃料氣體轉(zhuǎn)換成重整氣體的重整器200、以及使重整氣體與空氣中的氧氣反應(yīng)以生成電力的燃料電池堆300。

作為包括碳?xì)浠衔锏臍怏w的燃料氣體可以是例如生物氣體。生物氣體是在利用諸如畜禽糞便和尿液、食物廢物以及污水處理廠污泥之類的高含量的有機(jī)材料厭氧分解有機(jī)廢物時(shí)生成的氣體。生物氣體可以包含大約55%至80%的甲烷（ch4）、20%至45%的二氧化碳（co2）和諸如硫化氫、硅氧烷、氨等之類的其它雜質(zhì)。

預(yù)處理設(shè)備100包括去除包括在燃料氣體中的雜質(zhì)的純化單元110、通過從其中雜質(zhì)被去除的燃料氣體分離二氧化碳來增加甲烷的純度的升級(jí)單元120，以及去除從升級(jí)單元120分離的二氧化碳的二氧化碳去除單元130。

純化單元110可以包括去除包括在燃料氣體中的水分的除濕單元、去除包括在燃料氣體中的硫化氫的脫硫單元、去除包括在燃料氣體中的氨的氨去除單元，以及去除包括在燃料氣體中的硅氧烷的硅氧烷去除單元。

除濕單元可以設(shè)置在純化單元110前面，并且經(jīng)過除濕單元的燃料氣體的露點(diǎn)溫度可以低于0℃。在該情況下，設(shè)置在除濕單元之后的單元可以防止吸附劑由于水分的凝固現(xiàn)象和由于此所致的性能惡化。當(dāng)生物氣體順序地經(jīng)過以上描述的單元時(shí)，水分和各種外來材料被去除。

作為中等質(zhì)量氣體的通過純化單元110從其去除水分和雜質(zhì)的燃料氣體可以用作熱電廠的燃料，然而，由于低能量效率，該燃料氣體作為用于燃料電池的燃料是不兼容的。相應(yīng)地，升級(jí)單元120從燃料氣體分離二氧化碳，從燃料氣體去除雜質(zhì)以便將燃料氣體的甲烷純度增加至90%或更多。稍后描述升級(jí)單元120和二氧化碳去除單元130的詳細(xì)配置。

燃料供給單元410安裝在預(yù)處理設(shè)備100與重整器200之間。燃料供給單元410包括燃料氣體壓力泵和燃料流量計(jì)，并且向重整器200供給從預(yù)處理設(shè)備100排放的燃料氣體。

重整器200是水蒸氣重整反應(yīng)器，并且使燃料氣體中的甲烷與氧氣在高溫氣氛中反應(yīng)以重整成氫氣。重整器200從燃燒器210接收熱量。燃燒器210對(duì)燃燒器燃料和空氣進(jìn)行混合和燃燒以生成燃燒熱量并且向重整器200供給燃燒熱量，從而將重整器200維持在蒸汽重整所必需的高溫處。

作為副產(chǎn)物的一氧化碳（co）在重整反應(yīng)過程中生成。水氣體反應(yīng)器（未示出）和部分氧化反應(yīng)器（未示出）安裝在重整器（200）的下游以便將包括在重整氣體中的一氧化碳的濃度降低到小于大約50ppm。

燃料電池堆300使重整氣體之中的氫氣與空氣之中的氧氣化學(xué)反應(yīng)以生成電力和熱量。只要連續(xù)供給氫氣，燃料電池就是可以永久使用的高效能量源，而沒有污染物的排放或噪聲。燃料電池堆300連接到逆變器310。逆變器310將燃料電池堆300的dc功率轉(zhuǎn)換成ac功率。

燃料電池堆300可以連接到熱量存儲(chǔ)罐320。熱量存儲(chǔ)罐320通過使用廢熱回收裝備（未示出）來接收并且存儲(chǔ)從燃料電池堆300生成的熱量。燃料電池系統(tǒng)可以通過使用熱量存儲(chǔ)罐320的熱量來向用戶供給熱水或加熱水以及生成電力。

燃料電池系統(tǒng)還包括水供給單元420和空氣供給單元430，以及控制單元440。水供給單元420包括水泵和熱量交換器，并且它向重整器200供給水蒸氣重整反應(yīng)所必需的固定量的水，并且向燃料電池堆300供給冷卻水?？諝夤┙o單元430包括氣體流量計(jì)和空氣泵，并且向燃燒器210和燃料電池堆300供給空氣?？刂茊卧?40電氣連接到燃料供給單元410、水供給單元420、空氣供給單元430和逆變器310以控制其操作。

圖2是圖1中所示的燃料電池系統(tǒng)之中的升級(jí)單元的示意圖。

參照?qǐng)D2，升級(jí)單元120具有用于氣體分離的分離膜（以下，為了方便，稱為“分離膜”），所述分離膜具有針對(duì)二氧化碳的高透過率。分離膜可以包括中空纖維膜，并且可以包括聚醚砜、聚苯乙烯和聚酰亞胺中的任何一個(gè)。

如果預(yù)定壓力和預(yù)定流速的燃料氣體被供給到分離膜，大部分二氧化碳經(jīng)過分離膜并且大部分甲烷被分離膜阻擋。將分離膜劃分成流入部分、滲透部分和殘余部分。流入部分是其中注入燃料氣體的部分，滲透部分傳遞二氧化碳，并且殘余部分重定向甲烷。

升級(jí)單元120包括吸收并且壓縮從純化單元110排放的燃料氣體的壓縮器121、降低從壓縮器121排放的燃料氣體的壓力的緩沖罐122，以及將甲烷和二氧化碳從燃料氣體分離的多級(jí)分離膜123。緩沖罐122可以在必要時(shí)省略。多級(jí)分離膜123可以包括串行設(shè)置的第一分離膜124和第二分離膜125。

通過壓縮器121吸收-壓縮的燃料氣體被提供給第一分離膜124的流入部分i1，并且第一分離膜124將二氧化碳從燃料氣體分離。在該過程中，小量的二氧化碳包含在第一分離膜124的殘余部分r1中，并且小量的甲烷包含在第一分離膜124的滲透部分p1中。

第一分離膜124的殘余部分r1連接到第二分離膜125的流入部分i2以向第二分離膜125供給燃料氣體。第二分離膜125再次將二氧化碳從所供給的燃料氣體分離。在該過程中，小量的二氧化碳包含在第二分離膜125的殘余部分r2中，并且小量的甲烷包含在第二分離膜125的滲透部分p2中。

使用利用膜分離方法的升級(jí)單元的常規(guī)技術(shù)向多級(jí)分離膜應(yīng)用大約0.6mpa至1mpa的高壓以維持超過98%的燃料氣體中的甲烷純度。一般地，當(dāng)多級(jí)分離膜的流入部分壓力增加時(shí)，甲烷和二氧化碳的分離性能增加，然而根據(jù)壓縮的能量消耗增加，使得整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的能量效率降低。

在第一示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)中，升級(jí)單元120降低多級(jí)分離膜123的流入部分壓力，使得整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的能量效率增加。

在該情況下，最終以防止重整器200催化劑的阻塞現(xiàn)象的程度從升級(jí)單元120排放的燃料氣體中的甲烷純度例如可以設(shè)定為90%。也就是說，升級(jí)單元120降低多級(jí)分離膜123的流入部分壓力以使得最終從升級(jí)單元120排放的燃料氣體包括超過90%的甲烷。

最終來自升級(jí)單元120的燃料氣體的甲烷純度取決于燃料氣體的流速而具有某種差異，但是與應(yīng)用于多級(jí)分離膜123的入口的壓力成比例。當(dāng)在大約0.3mpa至0.5mpa的條件下設(shè)定應(yīng)用于多級(jí)分離膜123的燃料氣體的流入壓力時(shí)，確保最終排放的燃料氣體內(nèi)的90%或更多的甲烷純度是可能的。

表1示出取決于燃料氣體的流入部分壓力和燃料氣體的出口流速的二氧化碳的所檢測到的量。通過純化過程的燃料氣體的組成是以50%的甲烷和以50%的二氧化碳，并且在改變流入部分壓力的出口流速的同時(shí)測量最終排放的燃料氣體內(nèi)的二氧化碳的濃度。

如表1中所示，當(dāng)燃料氣體的出口流速為2-3l/min并且燃料氣體的流入部分壓力超過0.3mpa時(shí)，可以確認(rèn)最終排放的燃料氣體內(nèi)的甲烷濃度超過90%。當(dāng)燃料氣體的出口流速增加時(shí)，滿足90%的甲烷純度條件的燃料氣體的流入部分壓力是高的，但是不超過0.5mpa。

第二分離膜125的殘余部分r2連接到重整器200以向重整器200供給燃料氣體。第一分離膜124的滲透部分p1和第二分離膜125的滲透部分p2連接到二氧化碳去除單元130以向二氧化碳去除單元130供給副產(chǎn)物氣體。副產(chǎn)物氣體包括大約70%至80%的二氧化碳和20%至30%的未被使用的甲烷。

圖3是圖1中所示的燃料電池系統(tǒng)之中的二氧化碳去除單元的示意圖。

參照?qǐng)D3，二氧化碳消除單元130被制作為傳遞副產(chǎn)物氣體通過水和氧化鈣（cao）的混合物的配置。例如，二氧化碳去除單元130可以包括腔室131、安裝在腔室131中并且攪動(dòng)水和氧化鈣的攪拌器132，以及排放腔室131內(nèi)部的副產(chǎn)物氣體的噴嘴133。

噴嘴133位于腔室131內(nèi)部的下側(cè)處，并且可以排放水和氧化鈣的混合物內(nèi)部的以氣泡形式的副產(chǎn)物氣體。包括在副產(chǎn)物氣體中的二氧化碳通過以下的化學(xué)式1變成碳酸鈣。

[化學(xué)式1]

。

由于將碳酸鈣用作造紙領(lǐng)域、食品領(lǐng)域、化學(xué)領(lǐng)域等中的多種添加劑，因此二氧化碳去除單元130可以創(chuàng)建除了去除作為溫室氣體的二氧化碳的主要功能之外的附加價(jià)值。碳酸鈣可以通過腔室31下方的排放管道134被排放到腔室131外部。

由于包括在副產(chǎn)物氣體中的二氧化碳被去除，因此留下97%或更多的高純度甲烷。二氧化碳去除單元130連接到存儲(chǔ)甲烷的存儲(chǔ)罐（未示出），或者通過管道135連接到燃料供給單元410，從而向從升級(jí)單元120排放的燃料氣體添加高純度甲烷。

在后一種情況下，由于預(yù)處理設(shè)備100去除在燃料氣體的預(yù)處理過程中生成的作為溫室氣體的二氧化碳，因此實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的燃料電池系統(tǒng)并且同時(shí)將在去除二氧化碳之后留下的高純度甲烷重用作重整器200的燃料氣體，從而增加整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的效率。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)的示意圖。

參照?qǐng)D4，根據(jù)第二示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)具有與以上描述的第一示例性實(shí)施例相同的配置（除了還包括輔助二氧化碳去除單元500之外）。相同的參考標(biāo)號(hào)用于與在第一示例性實(shí)施例中相同的構(gòu)成元件。

輔助二氧化碳去除單元500可以連接到重整器200的燃燒器210和燃料電池堆300的空氣出口。輔助二氧化碳去除單元500去除從燃燒器210排放的燃燒氣體之中的二氧化碳以及從燃料電池堆300排放的未經(jīng)反應(yīng)的空氣之中的二氧化碳。輔助二氧化碳去除單元500的配置可以與圖3的二氧化碳去除單元130的配置相同。

重整器200內(nèi)部的甲烷通過水蒸氣重整反應(yīng)而分解成氫氣和二氧化碳，并且包括二氧化碳的重整氣體被供給到燃料電池堆300。燃料電池堆300排放包括二氧化碳的未經(jīng)反應(yīng)的燃料，并且在該情況下，燃料電池堆300的燃料出口連接到燃燒器210以向燃燒器210供給未經(jīng)反應(yīng)的燃料。提供給燃燒器210的未經(jīng)反應(yīng)的燃料用于維持重整器200的溫度。相應(yīng)地，從重整器200生成的二氧化碳也包括在從燃燒器210向輔助二氧化碳去除單元500供給的燃燒氣體中。

第二示例性實(shí)施例的燃料電池系統(tǒng)再次去除從重整器200、燃燒器210和燃料電池堆300排放的空氣之中的二氧化碳，以及在燃料氣體的預(yù)處理過程中生成的二氧化碳。因此，實(shí)現(xiàn)具有溫室氣體的極少排放的環(huán)境友好的燃料電池系統(tǒng)是可能的。

雖然已經(jīng)結(jié)合目前被視為實(shí)際的示例性實(shí)施例的內(nèi)容描述了本發(fā)明，但是要理解的是，本發(fā)明不限于所公開的實(shí)施例，而是相反，意圖覆蓋包括在隨附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的各種修改和等同布置。