專利名稱：燃料電池、其操作方法、燒結(jié)爐以及發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池、燃料電池的操作方法、燒結(jié)爐以及發(fā)電機(jī)。更特別的，本發(fā)明涉及熔融碳酸鹽燃料電池、該燃料電池的操作方法、配備有該燃料電池的燒結(jié)爐以及一種發(fā)電機(jī)，其中，一種氣體用作熔融碳酸鹽燃料電池的陰極氣體，該氣體包括加熱材料的工業(yè)爐中釋放的作為二氧化碳源的爐廢氣，爐廢氣與陰極用氣體或陰極用預(yù)熱氣體的混合氣體，或者陰極用預(yù)熱氣體，該陰極用預(yù)熱氣體是一種使用爐廢氣作為熱源進(jìn)行預(yù)熱的氣體，其中，在爐廢氣或者混合氣體用作陰極氣體的情況下，可以通過不需要提高二氧化碳濃度的方法來得到含有高濃度二氧化碳的陰極氣體，在使用陰極用預(yù)熱氣體的情況下，爐廢氣的熱可以被有效地回收，并且降低對(duì)燃料的消耗。
背景技術(shù)：
通常，將空氣中所含的氧氣和二氧化碳用作供給到熔融碳酸鹽燃料電池陰極側(cè)的氧氣和二氧化碳。具有高濃度二氧化碳的氣體有利于激活燃料電池反應(yīng)?；谶@個(gè)原因，空氣中含量不超過0.03％體積的二氧化碳通常會(huì)在經(jīng)過提高二氧化碳濃度后進(jìn)行使用。例如，在燃料電池的運(yùn)行中通過電化學(xué)反應(yīng)在陽極側(cè)產(chǎn)生二氧化碳，對(duì)含有這種二氧化碳的廢氣進(jìn)行回收的方法被應(yīng)用于濃縮供給到陰極側(cè)的氣體(陰極氣體)中的二氧化碳。然而，由于燃料電池反應(yīng)在啟動(dòng)剛開始之后是溫和的，因此在陽極側(cè)所產(chǎn)生二氧化碳的量太小以致于不足以通過回收陽極廢氣來提高供給到陰極側(cè)氣體中二氧化碳的濃度。一種在供給到陰極側(cè)之前通過變壓吸附(PSA)系統(tǒng)濃縮二氧化碳的方法需要壓縮空氣的能量，從而導(dǎo)致高能量成本。在其它不使用PSA系統(tǒng)的熔融碳酸鹽燃料電池中，在啟動(dòng)時(shí)，燃燒一部分電池燃料來產(chǎn)生熱和二氧化碳。所產(chǎn)生的熱用來加熱燃料電池單元以達(dá)到操作溫度，而二氧化碳則用來供給到陰極側(cè)。這種方法也由于燃燒了燃料氣體而浪費(fèi)了能量(例如，日本專利申請(qǐng)公開No.1993-89899)。
各種工業(yè)領(lǐng)域都已經(jīng)使用了各種工業(yè)爐來加熱多種材料。燃燒化石能源來加熱材料的工業(yè)爐能夠產(chǎn)生大量含有二氧化碳的高溫廢氣(爐廢氣)，同時(shí)通過燃料的燃燒產(chǎn)生熱。從目前高溫廢氣對(duì)環(huán)境副作用的角度來考慮，對(duì)爐廢氣所攜帶的熱進(jìn)行回收和再利用是很有利益的事情。而且，含有二氧化碳廢氣的問題特別與最近幾年全球變暖以及類似問題顯著相關(guān)。強(qiáng)烈需要有效地收集來自工業(yè)爐廢氣的熱，同時(shí)降低其所含二氧化碳的量。
另一方面，并沒有過多研究回收用于陶瓷或者相似的燒結(jié)爐的熱量和降低其所產(chǎn)生的廢氣中二氧化碳的量，這些爐是相對(duì)小的工業(yè)爐。燒結(jié)爐中用于加熱燒結(jié)材料的含二氧化碳的燃燒氣體會(huì)被原樣釋放到空氣中。相反，例如，已經(jīng)設(shè)計(jì)一種通過將燒結(jié)爐中釋放的廢氣返回到燒結(jié)爐中進(jìn)行回收廢氣熱能的方法(例如日本專利申請(qǐng)No.2002-340482)。這種方法可以回收廢氣中的部分熱能，并降低燃料總量，因此能夠降低所產(chǎn)生二氧化化碳的量。然而，對(duì)二氧化碳量的降低是有限的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)熔融碳酸鹽燃料電池中的問題所完成的，這些問題包括需要額外的能量來將含有高二氧化碳濃度的氣體供給到陰極側(cè)以及爐廢氣熱只能被不充分回收。特別的，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種熔融碳酸鹽燃料電池和該燃料電池的操作方法，其包括使用一種陰極氣體，即，從加熱材料的工業(yè)爐中釋放的作為二氧化碳源的爐廢氣，爐廢氣與陰極用氣體或陰極用預(yù)熱氣體的混合物(混合氣體)，或者陰極用預(yù)熱氣體，該陰極用預(yù)熱氣體是使用爐廢氣作為熱源預(yù)熱的陰極用氣體。使用爐廢氣或者混合氣體作為陰極氣體時(shí)，含有高濃度二氧化碳的氣體可以被供給到陰極側(cè)而不利用額外的能量，因?yàn)閺臒Y(jié)爐中釋放的含有二氧化碳的爐廢氣可以不需要任何提高二氧化碳濃度的處理來進(jìn)行使用。當(dāng)預(yù)熱氣體用于陰極時(shí)，爐廢氣的熱可以被有效地回收，也可以降低燃料的消耗。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種燒結(jié)爐和發(fā)電機(jī)，其包括將燒結(jié)爐所釋放的含二氧化碳的爐廢氣或者混合氣體供給到燃料電池的陰極側(cè)，而不需要任何提高二氧化碳濃度的處理，因此確保了高濃度二氧化碳?xì)怏w供給到陰極側(cè)而沒有使用額外的能量，或者將用于陰極用預(yù)熱氣體供給到燃料電池的陰極側(cè)，這樣確保了對(duì)爐廢氣的有效利用。
上面的目的可以在本發(fā)明中通過下面的燃料電池、其操作方法、燒結(jié)爐以及發(fā)電機(jī)來達(dá)到。
(1)一種燃料電池，其包括陰極、陽極以及位于陰極和陽極之間含熔融碳酸鹽的電解質(zhì)層，供給到陰極側(cè)的含有氧氣和二氧化碳的氣體(陰極氣體)以及供給到陽極側(cè)以產(chǎn)生電能的含有氫氣的氣體(陽極氣體)，其中陰極氣體是一種氣體，其包括加熱材料的工業(yè)爐釋放的爐廢氣、爐廢氣與陰極用氣體或陰極用預(yù)熱氣體的混合氣體、或者陰極用預(yù)熱氣體，該陰極用預(yù)熱氣體是使用爐廢氣作為熱源預(yù)熱的陰極用氣體，并且陰極氣體中二氧化碳的濃度是0.1～50％體積。
(2)根據(jù)前面(1)的燃料電池，其中陰極氣體含有爐廢氣或者混合氣體時(shí)，所述工業(yè)爐是使用燃燒燃料所產(chǎn)生燃燒氣體來加熱材料的燒結(jié)爐，所述爐廢氣是燃燒氣體的廢氣(燃燒廢氣)和/或者通過被加熱材料中所含有機(jī)材料的分解所產(chǎn)生的分解氣體(分解廢氣)。
(3)根據(jù)前面(2)的燃料電池，其中燃料是含烴的燃料。
(4)根據(jù)前面(3)的燃料電池，其中含烴的燃料選自民用煤氣、液化天然氣、液化石油氣、柴油以及重油。
(5)根據(jù)前面(1)～(4)任意一條的燃料電池，其中使用催化劑燃燒室對(duì)陰極氣體進(jìn)行預(yù)熱。
(6)根據(jù)前面(5)的燃料電池，其中催化劑燃燒室的熱源是從陽極釋放的陽極廢氣。
(7)根據(jù)前面(1)～(6)任意一條的燃料電池，其中陰極氣體含有陰極用預(yù)熱氣體時(shí)，則陰極用預(yù)熱氣體是通過是用所述爐廢氣作為熱源的熱交換器進(jìn)行預(yù)熱的。
(8)根據(jù)前面(1)～(7)任意一條的燃料電池，其中陽極氣體使用重整氣中所含的氫氣，該重整氣是在安裝于工業(yè)爐上的蒸汽重整器中進(jìn)行重整的。
(9)一種燃料電池的操作方法，該燃料電池配備有陰極、陽極以及位于陰極和陽極之間含熔融碳酸鹽的電解質(zhì)層，該方法包括將含有氧氣和二氧化碳的氣體(陰極氣體)供給到陰極側(cè)，將含有氫氣(陽極氣體)的氣體供給到陽極側(cè)以產(chǎn)生電能，其中陰極氣體包括加熱材料的工業(yè)爐所釋放的爐廢氣、爐廢氣與陰極用氣體或陰極用預(yù)熱氣體的混合氣體、或者陰極用預(yù)熱氣體，該陰極用預(yù)熱氣體是使用爐廢氣作為熱源預(yù)熱的陰極用氣體，并且陰極氣體中二氧化碳的濃度是0.1～50％體積。
(10)根據(jù)前面(9)的方法，其中，陰極氣體含有爐廢氣或者混合氣體時(shí)，所述工業(yè)爐是使用燃燒燃料所產(chǎn)生的燃燒氣體來加熱材料的燒結(jié)爐，所述爐廢氣是燃燒氣體的廢氣(燃燒廢氣)和/或者通過被加熱材料中所含有機(jī)材料的分解所產(chǎn)生的分解氣體(分解廢氣)。
(11)根據(jù)前面(10)的方法，其中燃料是含烴的燃料。
(12)根據(jù)前面(11)的方法，其中含烴的燃料選自民用煤氣、液化天然氣、液化石油氣、柴油以及重油。
(13)根據(jù)前面(9)～(12)任意一條的方法，其中使用催化劑燃燒室對(duì)陰極氣體進(jìn)行預(yù)熱。
(14)根據(jù)前面(13)的方法，其中催化劑燃燒室的熱源是從陽極釋放的陽極廢氣。
(15)根據(jù)前面(9)～(14)任意一條的方法，其中，陰極氣體含有陰極用預(yù)熱氣體時(shí)，陰極用預(yù)熱氣體是通過使用所述爐廢氣作為熱源的熱交換器進(jìn)行預(yù)熱的。
(16)根據(jù)前面(9)～(15)任意一條的方法，其中陽極氣體使用重整氣中所含的氫氣，該重整氣是在安裝于工業(yè)爐上的蒸汽重整器中進(jìn)行重整的。
(17)一種燒結(jié)爐，其包括用于燃燒含烴燃料以產(chǎn)生燃燒氣體的燃燒室、燒結(jié)爐主體以及按照前面(1)～(8)中的燃料電池，其中燒結(jié)爐主體用于加熱和燒結(jié)由燃燒氣體帶入其中的材料以及釋放作為爐廢氣的燃燒氣體和/或者通過被加熱材料中所含有機(jī)材料的分解所產(chǎn)生的分解氣體，安裝所述燃料電池以便從燒結(jié)爐主體釋放的爐廢氣被作為陰極氣體供給到陰極側(cè)。
(18)根據(jù)前面(17)的燒結(jié)爐，進(jìn)一步包括蒸汽重整器，以進(jìn)行產(chǎn)生重整氣體的重整反應(yīng)，該重整氣體含有將烴通入爐和蒸汽中所獲得的氫氣和二氧化碳。
(19)根據(jù)前面(18)的燒結(jié)爐，其中蒸汽重整器包含低溫重整部分和高溫重整部分，低溫重整部分具有用于引起蒸汽重整反應(yīng)在其中發(fā)生的金屬反應(yīng)管或者陶瓷反應(yīng)管以及包裝在反應(yīng)管用于加速蒸汽重整反應(yīng)的重整催化劑，高溫重整部分具有用于引起蒸汽反應(yīng)在其中反應(yīng)的陶瓷反應(yīng)管。
(20)根據(jù)前面(18)或者(19)的燒結(jié)爐，其中蒸汽重整器被安裝于燒結(jié)爐主體和/或者爐廢氣流通道，低溫重整部分設(shè)置在加熱到600～1,000℃的位置，高溫重整部分設(shè)置在加熱到1,000～1,800℃的位置。
(21)根據(jù)前面(18)～(20)的燒結(jié)爐，其中包含在重整氣體中的部分或者全部氫氣用作陽極氣體。
(22)根據(jù)前面(18)～(21)任何一條的燒結(jié)爐，進(jìn)一步包括氫氣分離器，以用于從蒸汽重整器所形成重整氣體中選擇性地將氫氣分離進(jìn)入氫氣燃料中，通過向其引入重整氣體，該氫氣燃料包括作為主要組分的氫氣和含有二氧化碳的殘余氣體。
(23)根據(jù)前面(22)的燒結(jié)爐，進(jìn)一步包括二氧化碳固定器以固定氫氣分離器分離出的殘余氣體中的二氧化碳，和/或者固定包含在從熔融碳酸鹽燃料電池釋放的陽極氣體(陽極廢氣)中的二氧化碳。
(24)根據(jù)前面(17)～(22)任何一條的燒結(jié)爐，其中燒結(jié)爐主體連續(xù)將材料引入以加熱，并連續(xù)將被加熱的材料運(yùn)出。
(25)根據(jù)前面(17)～(24)任何一條的燒結(jié)爐，其中被加熱的材料是陶瓷。
(26)根據(jù)前面(17)～(25)任何一條的燒結(jié)爐，其中被加熱的材料是蜂窩結(jié)構(gòu)的。
(27)一種發(fā)電機(jī)，其包括一種燃料電池，該燃料電池包括陰極、陽極、位于陰極和陽極之間的含有熔融碳酸鹽的電解質(zhì)層，發(fā)電機(jī)還包括將含有氧氣和二氧化碳的氣體(陰極氣體)供給到陰極的陰極氣體供給設(shè)備，以及將含有氫氣的氣體(陽極氣體)供給到陽極以產(chǎn)生電能的陽極氣體供給設(shè)備，其中陰極氣體供給設(shè)備具有爐廢氣供給設(shè)備，其可以供給加熱材料的工業(yè)爐釋放的爐廢氣，和/或者陰極用氣體供給設(shè)備，其可以將陰極用氣體供給到陰極，通過陰極氣體供給設(shè)備供給到陰極的陰極氣體包含通過爐廢氣供給設(shè)備運(yùn)送的爐廢氣，爐廢氣與通過陰極用氣體供給設(shè)備運(yùn)送的陰極用氣體或陰極用預(yù)熱氣體的混合氣體，或者陰極用預(yù)熱氣體，該陰極用預(yù)熱氣體是使用爐廢氣作為熱源被預(yù)熱的陰極用氣體(陰極用預(yù)熱氣體)，陰極氣體中二氧化碳的濃度是0.1～50％體積。
(28)根據(jù)前面(27)的發(fā)電機(jī)，其中，陰極氣體含有爐廢氣或者混合氣體時(shí)，所述工業(yè)爐是使用燃燒燃料所產(chǎn)生的燃燒氣體來加熱材料的燒結(jié)爐，所述爐廢氣是燃燒氣體的廢氣(燃燒廢氣)和/或者通過被加熱材料中所含有機(jī)材料的分解所產(chǎn)生的分解氣體(分解廢氣)。
(29)根據(jù)前面(28)的發(fā)電機(jī)，其中燃料是含烴的燃料。
(30)根據(jù)前面(29)的發(fā)電機(jī)，其中含烴的燃料選自民用煤氣、液化天然氣、液化石油氣、柴油以及重油。
(31)根據(jù)前面(27)～(30)任意一條的發(fā)電機(jī)，其中使用催化劑燃燒室對(duì)陰極氣體進(jìn)行預(yù)熱。
(32)根據(jù)前面(31)的發(fā)電機(jī)，其中催化劑燃燒室的熱源是從陽極釋放的陽極廢氣。
(33)根據(jù)前面(27)～(32)任意一條的發(fā)電機(jī)，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)還包括熱交換器，用于陰極的預(yù)熱氣體是通過是用所述爐廢氣作為熱源的熱交換器進(jìn)行預(yù)熱的。。
(34)根據(jù)前面(27)～(33)任意一條的發(fā)電機(jī)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)還包括蒸汽重整器，陽極氣體使用重整氣中所含的氫氣，該重整氣是在蒸汽重整器中進(jìn)行重整的。


圖1是本發(fā)明燃料電池一個(gè)實(shí)施方式的剖面示意圖。
圖2是本發(fā)明燒結(jié)爐一個(gè)實(shí)施方式的方塊流程示意圖。
圖3是本發(fā)明發(fā)電機(jī)一個(gè)實(shí)施方式的方塊流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的燃料電池，當(dāng)使用爐廢氣、或者爐廢氣與陰極用氣體或陰極用預(yù)熱氣體的混合氣體作為陰極氣體時(shí)，從燒結(jié)爐釋放的含有二氧化碳的爐廢氣可以用作熔融碳酸鹽燃料電池的陰極氣體，而不需要任何提高二氧化碳濃度的過程。因此，可以通過供給高濃度二氧化碳的氣體而不需要額外的能量來產(chǎn)生電能。使用陰極用預(yù)熱氣體時(shí)，可以有效地回收爐廢氣的熱量，并且可以降低燃料的消耗。根據(jù)本發(fā)明燃料電池的操作方法，在使用爐廢氣或者混合氣體作為陰極氣體的情況下，從燒結(jié)爐釋放含有二氧化碳的爐廢氣可用作熔融碳酸鹽燃料電池的陰極氣體，而不需要任何提高二氧化碳濃度的過程。因此，可以通過供給高濃度二氧化碳的氣體而不需要額外的能量來產(chǎn)生電能。使用陰極用預(yù)熱氣體時(shí)，可以有效地回收爐廢氣的熱量，并且可以降低燃料的消耗。根據(jù)本發(fā)明的燒結(jié)爐和發(fā)電機(jī)，使用爐廢氣或者混合氣體作為陰極氣體時(shí)，從燒結(jié)爐主體釋放含有二氧化碳的爐廢氣可以提供給燃料電池的陰極側(cè)，而不需要任何提高二氧化碳濃度的過程。因此，可以通過供給陰極側(cè)具有高濃度二氧化碳的氣體而不需要額外的能量來產(chǎn)生電能。使用陰極用預(yù)熱氣體時(shí)，可以有效地回收爐廢氣的熱量，并且可以降低燃料的消耗。
下面引用附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行描述。然而，本發(fā)明并不局限于下面的實(shí)施方式中?；诒绢I(lǐng)域技術(shù)人員的知識(shí)可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改變和提高而并不超出本發(fā)明的范圍。
圖1是本發(fā)明燃料電池的一個(gè)實(shí)施例的剖面示意圖。如圖1所示，該實(shí)施方式的燃料電池1包括陰極2、陽極3以及位于陰極2和陽極3之間的含有熔融碳酸鹽的電解質(zhì)層4。含有氧氣和二氧化碳的氣體(陰極氣體)21被供給到陰極2側(cè)，含有氫氣的氣體(陽極氣體)23被供給到陽極3側(cè)以產(chǎn)生電能。陰極氣體21是一種氣體，其含有加熱材料的工業(yè)爐所釋放的爐廢氣、爐廢氣與陰極用氣體或者陰極用預(yù)熱氣體的混合氣體、或者陰極用預(yù)熱氣體，該陰極用預(yù)熱氣體是使用爐廢氣作為熱源進(jìn)行預(yù)熱的陰極用氣體。陰極氣體21中二氧化碳的濃度是0.1～50％體積。陰極氣體21中二氧化碳濃度優(yōu)選為10～45％體積，較優(yōu)選為20～40％體積。如果二氧化碳的濃度低于0.1％體積，電化學(xué)反應(yīng)會(huì)發(fā)生得很緩和，如果超過50％體積的話，氧氣分子的量會(huì)不足以產(chǎn)生足夠的碳酸離子。陰極氣體21含有爐廢氣或者混合氣體時(shí)，工業(yè)爐優(yōu)選使用燃燒燃料所產(chǎn)生的燃燒氣體來加熱材料的燒結(jié)爐，爐廢氣優(yōu)選是燃燒氣體的廢氣(燃燒廢氣)和/或者通過被加熱材料中所含有機(jī)材料的分解所產(chǎn)生的分解氣體(分解廢氣)。使用含分解廢氣的氣體作為陰極氣體21能夠消除對(duì)使用設(shè)置在爐外面的補(bǔ)燃器或者類似設(shè)備將分解廢氣燃燒成無毒氣體的需要(脫毒處理)。在燃料電池單元內(nèi)進(jìn)行脫毒處理可以節(jié)省補(bǔ)燃器或者類似設(shè)備的操作所需要的燃料。陰極氣體21也可以是由燒結(jié)爐釋放的含有高度二氧化碳濃度的爐廢氣其同時(shí)還含有氧氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)組成，或者可以是爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)和陰極用氣體或者陰極用預(yù)熱氣體的混合物。爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)和陰極用氣體或者陰極用預(yù)熱氣體被混合(如果使用混合氣體)時(shí)，爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)與陰極用氣體或者陰極用預(yù)熱氣體的比例優(yōu)選為100∶0～1∶4。盡管含有適當(dāng)二氧化碳濃度的陰極氣體21可以不需要使用任何例如PSA濃縮方法以提高二氧化碳濃度的過程來獲得，但可以通過采用任何這樣提高二氧化碳濃度的方法來優(yōu)化二氧化碳濃度。在這種情況下，用于提高二氧化碳濃度的過程的成本是非常低的，因?yàn)槭褂昧撕懈邼舛榷趸嫉臓t廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)作為陰極氣體21。上述討論是基于將爐廢氣用作陰極氣體21二氧化碳源的假定。當(dāng)通過有效地回收爐廢氣的熱量來降低燃料消耗是更重要的情況下，陰極氣體21可以不含有爐廢氣，可以只由已經(jīng)使用爐廢氣作為熱源加熱的預(yù)熱陰極用氣體組成。
在這種方法中，當(dāng)在本實(shí)施方式的燃料電池1中使用爐廢氣或者混合氣體作為陰極氣體21時(shí)，從工業(yè)爐(例如燒結(jié)爐)中釋放的含有二氧化碳的爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)可以用作燃料電池1的陰極氣體21，而不需要任何提高二氧化碳濃度的過程。因此，可以通過為陰極2側(cè)供給含高濃度二氧化碳的氣體而不需要額外的能量來產(chǎn)生電能。
在這個(gè)實(shí)施方式中，工業(yè)爐是用于加熱材料的設(shè)備。例如，燒結(jié)爐是利用燃燒燃料所產(chǎn)生的燃燒氣體來加熱和燒結(jié)材料的。在燒結(jié)爐中所使用的燃料優(yōu)選含烴燃料，特別的，至少一種燃料選自民用煤氣、液化天然氣、液化石油氣、柴油以及重油。術(shù)語“民用煤氣”代表含有70～90％體積甲烷作為主要成分和例如乙烷、丙烷以及丁烷的其它烴的氣體。
在這個(gè)實(shí)施方式的燃料電池1中，陰極氣體21從陰極氣體入口6進(jìn)入陰極氣體通道5并被供給到陰極2，其中陰極氣體21供給二氧化碳和氧氣，并通過陰極廢氣出口7作為陰極廢氣被釋放。陽極氣體23從陽極氣體入口9進(jìn)入陽極氣體通道8并被供給到陽極3，其中陽極氣體23供給氫氣，并通過陽極廢氣出口10作為陽極廢氣被排除。在陰極2和陽極3的反應(yīng)所產(chǎn)生的電子按照路線25從陽極3傳播到陰極2，并在負(fù)載(load)31處作為電能。當(dāng)陰極氣體21或者陽極氣體23含有外源物質(zhì)如灰塵時(shí)，優(yōu)選在這些氣體被送入陰極氣體通道5或者陽極氣體通道8之前使用濾器去除這些外源物質(zhì)。
在本發(fā)明的燃料電池(熔融碳酸鹽燃料電池)中發(fā)生的典型的反應(yīng)如下(1)在陰極側(cè)(2)碳酸根離子(CO32-)通過電解質(zhì)層被轉(zhuǎn)運(yùn)至陽極側(cè)。
(3)在陽極側(cè)(4)當(dāng)陽極氣體含有CO，就會(huì)在陽極側(cè)發(fā)生下面的反應(yīng)。
在這個(gè)反應(yīng)中所產(chǎn)生的氫氣用作陽極側(cè)反應(yīng)(3)中的H2。
圖2是本發(fā)明的燒結(jié)爐一個(gè)實(shí)施方式的方塊流程示意圖，該燒結(jié)爐配備有燃料電池。可以參考圖2對(duì)本發(fā)明燃料電池的實(shí)施方式進(jìn)行解釋。當(dāng)陰極氣體51(在圖1中標(biāo)記為數(shù)字21)含有爐廢氣或者混合氣體時(shí)，則陰極氣體51中所含的爐廢氣72或者混合氣體72a優(yōu)選在催化劑燃燒室42a中進(jìn)行預(yù)熱，特別是當(dāng)爐廢氣72或者混合氣體72a含有相對(duì)低溫的分解廢氣的情況下。在這種方法中，特別是在爐廢氣72含有分解廢氣的情況下，陰極氣體能夠通過在催化劑燃燒室42a中進(jìn)行預(yù)熱而被充分地轉(zhuǎn)化成無毒氣體。由于陰極42通常被加熱到600～650℃，因此分解廢氣即使被直接供給到陰極42，其也保持充分的無毒。這種情況下，盡管從熱效率的角度考慮，用于催化劑燃燒室42a的熱源(燃料)優(yōu)選從陽極43釋放的陽極廢氣54，但也可從其它來源供給燃料。
除了爐廢氣而作為混合氣體72a的組分，陰極用氣體73或者陰極用預(yù)熱氣體73b也用于上面所提到的應(yīng)用。由于室溫下空氣常常用作陰極用氣體73，更優(yōu)選使用陰極用預(yù)熱氣體73b來降低用于加熱催化劑燃燒室42a的陽極廢氣54的量以及提高發(fā)電效率，例如，陰極用預(yù)熱氣體73b已經(jīng)在使用爐廢氣作為熱源的熱交換器73a中被預(yù)熱。不含有爐廢氣72但只含有陰極用預(yù)熱氣體73b的氣體可以用作陰極氣體51。這里，陽極廢氣54是未被消耗燃料部分所釋放的氣體。因此，陽極廢氣量的降低可以導(dǎo)致燃料量的降低。這里的能量產(chǎn)率是通過所產(chǎn)電能除以輸入燃料能所獲得的數(shù)值。使用較低量燃料產(chǎn)生的能量可以提高能量產(chǎn)率。剩余陽極廢氣54含有氫氣和類似的氣體，因此，其能夠根據(jù)需要用作燃料電池的燃料或者釋放到燃料電池單元的外面。這種情況下，盡管從熱效率的角度考慮，用于熱交換器73a的熱源(燃料)優(yōu)選爐廢氣72，但也可從其它來源供給燃料。優(yōu)選在催化劑燃燒室42a的陽極廢氣54中燃燒可燃組分(氫氣和一氧化碳)，并向其中注入空氣，從而加熱空氣并產(chǎn)生陰極42所需的二氧化碳。然而，由于只使用陽極廢氣54情況下，二氧化碳濃度可能不充分，因此優(yōu)選循環(huán)部分陰極廢氣52作為陰極氣體51。當(dāng)供給到陰極42的二氧化碳不充足時(shí)，需要提高陰極廢氣的循環(huán)比例來維持穩(wěn)定的二氧化碳濃度。
陽極氣體53(圖1中標(biāo)記為數(shù)字23)含有氫氣，其濃度優(yōu)選為100～50％體積，更優(yōu)選為90～70％體積。作為陽極氣體53，可以使用含有氫氣和二氧化碳的重整氣體，其通過使用安裝于工業(yè)爐上的蒸汽重整器63對(duì)烴和水進(jìn)行重整而獲得。重整氣體可以直接使用或者在使用氫氣分離器64以選擇性從重整氣體中分離氫氣以提高氫氣濃度后使用。
在本實(shí)施例的燃料電池中，可以使用含鋰的氧化鎳和類似的來用作陰極材料。作為陽極的材料，可以提供含鋁的鎳、含鉻的鎳以及類似的。作為電解質(zhì)層的材料，可以使用熔融碳酸鹽浸潤的鋁酸鋰(LiAlO2)。盡管燃料電池、陰極、陽極和電解質(zhì)層的形式并沒有特殊限定，在圓柱形燃料電池電池容器中可以放入板狀陰極、板狀陽極以及位于其間的板狀電解質(zhì)層而形成的層壓體。
作為熔融碳酸鹽，碳酸鈉、碳酸鋰、碳酸鉀以及相似的可以單獨(dú)使用，也可以混合使用。
本實(shí)施方式燃料電池1中燃料電池的反應(yīng)溫度優(yōu)選為500～700℃。如果低于500℃，碳酸鹽進(jìn)入不充分的熔融態(tài)，其結(jié)果是導(dǎo)電性的降低。如果高于700℃，不僅會(huì)增加熔融碳酸鹽的揮發(fā)量，其結(jié)果是降低了電解質(zhì)的量，而且作為燃料電池結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)材料的不銹鋼的強(qiáng)度也會(huì)降低，其導(dǎo)致燃料電池的變形。
下面描述了本發(fā)明燃料電池操作方法的一個(gè)實(shí)施例。如圖1中所示，本實(shí)施例的操作方法包括向陰極2側(cè)供給含有二氧化碳和氧氣的陰極氣體21，以及向陽極3供給含有氫氣的陽極氣體23，以產(chǎn)生電能，其中陰極氣體是一種氣體，其含有加熱材料的工業(yè)爐釋放的爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)、爐廢氣與陰極用氣體或者陰極用預(yù)熱氣體的混合氣體、或者陰極用預(yù)熱氣體，該陰極用預(yù)熱氣體是使用爐廢氣作為熱源被預(yù)熱的陰極用氣體，并且陰極氣體中二氧化碳的濃度是0.1～50％體積。
在本實(shí)施方式的操作方法中，陰極氣體21中二氧化碳的濃度優(yōu)選為10～45％體積，更優(yōu)選20～40％體積。如果二氧化碳的濃度小于0.1％體積，燃料電池的反應(yīng)會(huì)發(fā)生得很緩和，如果超過50％體積的話，氧氣分子的量會(huì)不足以產(chǎn)生足夠的碳酸離子。陰極氣體21可以只含有從燒結(jié)爐中釋放含有高濃度的二氧化碳也含有氧氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)的爐廢氣，或者可以是爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)與陰極用氣體或者陰極用預(yù)熱氣體的混合物。當(dāng)爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)和陰極用氣體或者陰極用預(yù)熱氣體被混合(使用混合氣體的情況)時(shí)，爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)與陰極用氣體或者陰極用預(yù)熱氣體的比例優(yōu)選為100∶0～1∶4。盡管含有適當(dāng)二氧化碳濃度的陰極氣體21可以不需要使用任何例如PSA濃縮方法來提高二氧化碳濃度的過程而獲得，但可以通過采用任何這樣提高二氧化碳濃度的方法來優(yōu)化二氧化碳濃度。在這種情況下，用于提高二氧化碳濃度過程的成本是非常低的，因?yàn)槭褂昧撕懈邼舛榷趸嫉臓t廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)作為陰極氣體21。上述討論是基于將爐廢氣用作陰極氣體21的二氧化碳源的假定。當(dāng)通過有效地回收爐廢氣的熱量來降低燃料消耗更為重要的情況下，陰極氣體21可以不含有爐廢氣，但是可以只由已經(jīng)使用爐廢氣作為熱源加熱的預(yù)熱陰極用氣體組成。
在這種方法中，當(dāng)在本實(shí)施方式的操作方法中使用爐廢氣或者混合氣體作為陰極氣體21時(shí)，從工業(yè)爐(例如燒結(jié)爐)中釋放的含有二氧化碳的爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)可以用作燃料電池的陰極氣體，而不需要任何提高二氧化碳濃度的過程。因此，可以通過為陰極側(cè)供給含高濃度二氧化碳的氣體而不需要額外的能量來產(chǎn)生電能。
在本實(shí)施方式燃料電池的操作方法的其它組成、使用條件和相似的與已經(jīng)討論的本發(fā)明燃料電池是相同的。在這個(gè)實(shí)施方式中可以通過采用這樣的組成、使用條件以及相似的來達(dá)到相同的效果。
接著，描述配備有上述燃料電池的本發(fā)明燒結(jié)爐(下面簡稱為“燒結(jié)爐”)。如圖2所述，該實(shí)施方式的燒結(jié)爐100包括用于燃燒含烴燃料71以產(chǎn)生燃燒氣體的燃燒爐62、燒結(jié)爐主體61以及上述燃料電池41，其中燒結(jié)爐主體61用于加熱和燒結(jié)由燃燒氣體帶入其中的材料以及在燒結(jié)后釋放燃燒氣體作為爐廢氣72(燃燒廢氣和/或者分解氣體)，燃料電池41被設(shè)置使得從燒結(jié)爐主體61釋放的爐廢氣72(燃燒廢氣和/或者分解氣體)供給到陰極42側(cè)作為陰極氣體51。陰極氣體51中二氧化碳的含量是0.1～50％體積，優(yōu)選為10～45％體積，較優(yōu)選為20～40％體積。如果二氧化碳的濃度低于0.1％體積，燃料電池反應(yīng)會(huì)發(fā)生的很緩和；如果超過50％體積，氧氣分子的量會(huì)不足以產(chǎn)生足夠的碳酸離子。陰極氣體51可以是含有從燒結(jié)爐主體61釋放的高濃度二氧化碳同時(shí)含有氧氣的爐廢氣72(燃燒廢氣和/或者分解氣體)，或者可以是爐廢氣72(燃燒廢氣和/或者分解氣體)與陰極用氣體的空氣73或者陰極用預(yù)熱氣體的預(yù)熱空氣73b的混合物。當(dāng)爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)72和陰極用氣體73或者陰極用預(yù)熱氣體73b混合(使用混合氣體的情況)時(shí)，爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)72與陰極用氣體73或者陰極用預(yù)熱氣體73b的比例優(yōu)選為100∶0～1∶4。盡管含有適當(dāng)二氧化碳濃度的陰極氣體51可以不需要使用任何例如PSA濃縮方法提高二氧化碳濃度的過程來獲得，但可以采用任何這樣提高二氧化碳濃度的方法來優(yōu)化二氧化碳的濃度。在這種情況下，用于提高二氧化碳濃度的過程的成本是非常低的，因?yàn)槭褂昧撕懈邼舛榷趸嫉臓t廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)72作為陰極氣體51。上述討論是基于將爐廢氣用作陰極氣體51的二氧化碳源的假定。當(dāng)通過有效地回收爐廢氣的熱量來降低燃料消耗是更重要的情況下，陰極氣體21可以不含有爐廢氣，但可以只由已經(jīng)使用爐廢氣作為熱源加熱的陰極用預(yù)熱氣體組成。
在這種方式下，當(dāng)使用本發(fā)明燒結(jié)爐時(shí)，其中燒結(jié)爐主體裝配有燃料電池，則含有從燒結(jié)爐主體中釋放的二氧化碳的爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)被供給到燃料電池的陰極側(cè)，而不需要任何提高二氧化碳濃度的過程。因此，可以通過向陰極側(cè)供給高濃度二氧化碳的氣體而不需要額外的能量來產(chǎn)生電能，另外，可以有效利用在燒結(jié)爐主體中產(chǎn)生的爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)。而且，可以通過使用二氧化碳固定器或者相似的，對(duì)含在燃料電池陽極廢氣的二氧化碳進(jìn)行固定，降低釋放到空氣中的二氧化碳的量。
在這個(gè)實(shí)施方式的燒結(jié)爐中，燃料電池裝配有陰極42、陽極43以及位于陰極42和陽極43之間含有熔融碳酸鹽的電解質(zhì)層44。含有氧氣和二氧化碳的氣體(陰極氣體51)被供給到陰極42側(cè)，含有氫氣的氣體(陽極氣體53)被供給到陽極43側(cè)，以產(chǎn)生電能。燃料電池的組成、使用條件和其他相似的與前面描述的燃料電池相同，并且可以通過采用這樣的組成、使用條件以及其他相似的來得到相同的效果。
如圖2所示，本實(shí)施方式的燒結(jié)爐100中，對(duì)燒結(jié)爐主體61沒有特殊的限制?？梢允褂贸Ｓ醚b置，其中，被燒結(jié)材料，例如陶瓷以及相似的，被傳送然后由燃燒氣體而燒結(jié)，燃燒氣體是通過使用可用的燃燒器61進(jìn)行燃燒含烴燃料71而產(chǎn)生。材料優(yōu)選燒制成陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)。這個(gè)實(shí)施方式的陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)是陶瓷物質(zhì)形成的結(jié)構(gòu)，其具有作為流體通道的分隔物所分開的許多小室。燒結(jié)爐主體61可以是成批處理型的，其間歇地?zé)Y(jié)一單元代燒結(jié)的材料。然而，更優(yōu)選連續(xù)型燒結(jié)爐主體61，被燒結(jié)成例如陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)的物質(zhì)可以被連續(xù)地向其中送入、在其中加熱和燒結(jié)，并在燒結(jié)后送出。
如圖2所述，該實(shí)施方式的燒結(jié)爐100，對(duì)燃燒爐62沒有特殊的限制，在爐內(nèi)可以有效地燃燒含烴燃料71。燃燒爐62可以安裝在燒結(jié)爐主體的外部，并設(shè)計(jì)成通過管子向燒結(jié)爐主體61輸入燃燒氣體，或者燃燒爐62也可以安裝在燒結(jié)爐主體61的內(nèi)部。根據(jù)燃燒爐62的容量、燒結(jié)爐主體61的尺寸以及類似的條件，燒結(jié)爐主體61可以安裝一個(gè)、兩個(gè)或者更多的燃燒爐62。作為燃燒爐62，可以使用任何形式的具有燃燒器的燃燒爐，燃燒器配備輸入空氣和燃料的線路。優(yōu)選使用再生型燃燒器，其中用于燃燒的空氣是被預(yù)熱的。可以通過含烴燃料供給設(shè)備(未顯示)供給含烴燃料85來獲得含烴燃料71。從氫氣分離器64供給的部分氫氣燃料83可以是混雜的。添加從氫氣分離器64供給的氫氣燃料83可以降低燃料的消耗。含烴燃料85優(yōu)選至少一種燃料選自民用煤氣、液化天然氣、液化石油氣、柴油以及重油。
如圖2所述，該實(shí)施方式的燒結(jié)爐100優(yōu)選配置有蒸汽重整器63、氫氣分離器64以及二氧化碳固定器，在蒸汽重整器63中，要被重整的含烴材料81和通入其中的蒸汽進(jìn)行加熱并反應(yīng)成含有氫氣和二氧化碳的重整氣體82，在氫氣分離器64中，蒸汽重整器63中形成的重整氣體82中所含氫氣被有選擇性地分離，以獲得包括作為主要組分的氫氣和含有二氧化碳的殘余氣體84的氫氣燃料，二氧化碳固定器65用于固定殘余氣體84中的二氧化碳，以便二氧化碳不能夠以氣體狀態(tài)釋放到外面。圖2中，每個(gè)設(shè)備都通過燃料流動(dòng)和傳輸?shù)墓茏优c其它設(shè)備連接。
在這種方法中，在燒結(jié)爐主體61中產(chǎn)生的部分燃燒熱在蒸汽重整器63中回收以產(chǎn)生含氫氣的重整氣體82，其用作陽極氣體53，或者通過氫氣分離器64從其中分離氫氣用作陽極氣體53。用作陽極氣體53后的殘余氣體組分作為陽極廢氣54被釋放。由于陽極廢氣54含有二氧化碳，該氣體可以與陰極氣體51混合，或者供給到二氧化碳固定器65以使二氧化碳被吸收。從燒結(jié)爐主體61釋放的爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解氣體)72優(yōu)選為蒸汽重整器63供熱，接著該氣體優(yōu)選用作陰極氣體51。當(dāng)用作陰極氣體51時(shí)，殘余氣體作為陰極廢氣52被釋放。
二氧化碳固定器65被設(shè)計(jì)成使用氫氧化鈉作為固定通入其內(nèi)的二氧化碳的固定劑88，使固定劑88與殘余氣體84接觸進(jìn)而使固定劑88吸收殘余氣體84中所含的二氧化碳產(chǎn)生碳酸鈉，并釋放含有碳酸鈉的廢液。任何可以和二氧化碳反應(yīng)或吸收二氧化碳的材料都可以作為固定劑88，而沒有任何特殊限制，例如可以使用NaOH、Mg(OH)2以及相似的。
該實(shí)施方式的燒結(jié)爐100優(yōu)選設(shè)計(jì)為在蒸汽重整器63中發(fā)生蒸汽重整反應(yīng)，該蒸汽重整器安裝在燒結(jié)爐主體61和爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)72的通道中，利用燃燒氣體(爐廢氣)和/或者通過燃燒氣體來自被燒結(jié)材料、燒結(jié)裝置以及爐壁(爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)的通道壁)的輻射熱，加熱在蒸汽重整器63中流動(dòng)的要被重整的材料81。將所得到的重整氣體82供給到氫氣分離器64并被分離成氫氣燃料83和殘余氣體84。氫氣燃料83(用于陽極86的氫氣燃料)優(yōu)選用作陽極氣體53。在這種方式中，高純度的氫氣可以用于燃料電池。重整氣體82也可以作為陽極用重整氣體82a被直接供給到陽極43側(cè)。可以使用通過氫氣供給設(shè)備(未顯示)供給的陽極用含烴氣體87作為供給到燃料電池41的陽極氣體53?？梢允褂谜羝卣麣錃猱a(chǎn)生器、氫氣固定器、氫氣桶以及相似的作為氫氣供給設(shè)備。
燃燒氣體的熱可以用于蒸汽重整器中原材料的吸熱重整反應(yīng)。這種方法中，可以有效地利用燃燒氣體中所含有的一部分熱，否則就會(huì)被放掉。
用于該實(shí)施方式的燒結(jié)爐100的蒸汽重整器63沒有特別的限制?？梢允褂萌魏文軌虬惭b在燒結(jié)爐主體61和爐廢氣(燃燒氣體和/或者分解廢氣)72的通道并能夠使用所供給的熱量允許發(fā)生蒸汽重整反應(yīng)的設(shè)備。例如，溫度低于1000℃時(shí)，這樣的裝置可以是裝配有重整催化劑的金屬或者陶瓷制成的反應(yīng)管。溫度高于或者等于1000℃時(shí)，可以使用陶瓷反應(yīng)管。作為包括上述組合的蒸汽重整器63，可以使用一個(gè)單元，該單元包括低溫重整部分，其具有用于引起蒸汽重整反應(yīng)在其中發(fā)生的金屬反應(yīng)管或者陶瓷反應(yīng)管，以及包裝在反應(yīng)管中用于加速蒸汽重整反應(yīng)的重整催化劑，還包括高溫重整部分，其具有用于引起蒸汽重整反應(yīng)在其中發(fā)生的陶瓷反應(yīng)管。在上述單元中，蒸汽重整器63優(yōu)選安裝于燒結(jié)爐主體61和/或者爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解氣體)72流通道，低溫重整部分安置在加熱到600～1,000℃的位置，高溫重整部分安置在加熱到1,000～1,800℃的位置。金屬反應(yīng)管適合用在低于1,000℃的溫度，因?yàn)樽锜釡囟炔粔蚋?。然而，由于在管中裝有提高蒸汽重整反應(yīng)的催化劑，因此在該管中可以充分地發(fā)生反應(yīng)。陶瓷反應(yīng)管可以使反應(yīng)在沒有重整催化劑存在的情況下充分地發(fā)生蒸汽重整反應(yīng)，因?yàn)樘沾煞磻?yīng)管可以用于1,000℃或者以上的高溫。也可以在1,000℃以下的溫度通過裝入重整催化劑而使用陶瓷反應(yīng)管。
在圖2中，蒸汽重整器63被安裝在燒結(jié)爐主體61和爐廢氣(燃燒氣體和/或者分解廢氣)72的通道?？梢栽跓Y(jié)爐主體61或者廢氣通道上安裝蒸汽重整器63。
供給到蒸汽重整器63中要被重整的含烴材料81優(yōu)選是一種混合物，通過向混合器(未顯示)供給分別來自烴供給設(shè)備(未顯示)和蒸汽供給設(shè)備(未顯示)的烴和蒸汽而獲得。任何常用的烴供給設(shè)備都可以被使用，而沒有任何特殊限制。例如，當(dāng)使用民用煤氣時(shí)，可以從現(xiàn)有的氣管中供給烴。如果沒有管路可用，可以安裝氣罐來通過管路從罐中供給烴。其它的烴如液化石油氣和煤油也可以通過以相同的方式安裝管道來供給，或者通過管道從儲(chǔ)藏設(shè)備如罐、桶或者相似的來供給。這種情況下，液化烴材料在供給到重整器前通過加熱進(jìn)行氣化。如果必要，可以使用加壓泵來提高氣壓。這是進(jìn)行反應(yīng)的有效方法，因?yàn)榉磻?yīng)量可以隨著原材料的壓力而提高?？梢允褂贸Ｓ玫恼羝┙o設(shè)備，而沒有特殊限制。例如，可以使用常用的鍋爐、利用來自爐或者其它熱源的廢熱的廢熱回收鍋爐以及相似的裝置。
作為蒸汽重整器63中陶瓷反應(yīng)管的材料，優(yōu)選使用至少一種選自氮化硅、碳化硅、氮化鋁、氧化鋁以及氧化鋯的陶瓷。使用這種具有高熱阻的陶瓷能夠確保蒸汽重整反應(yīng)在高溫下進(jìn)行。作為金屬反應(yīng)管材料的實(shí)施例，可以使用SUS309、SUS310、SCH22CF(HK40)、SCH24CF(H.P.)、HA230以及相似的。
當(dāng)反應(yīng)管被燒結(jié)爐100中的空氣所腐蝕時(shí)，反應(yīng)管會(huì)被插入在阻熱磚上鉆的孔中，以便熱能夠通過磚傳入反應(yīng)管中。由于阻熱磚擋住了這種結(jié)構(gòu)中的腐蝕性氣體，反應(yīng)管也被保護(hù)免于腐蝕。
作為蒸汽重整器63中使用的重整催化劑，優(yōu)選使用鎳催化劑，例如Johnson Matthey Co.所制造的Synetix催化劑。作為其它有效的催化劑，也可以提供鎳催化劑、銅催化劑、過渡金屬催化劑、鉑催化劑以及相似的。作為使用含鎳催化劑的蒸汽重整反應(yīng)優(yōu)選的實(shí)施例，可以提供ICI方法，其中通過在700～950℃的溫度和1.01×105～40.52×105(N/m2)的壓力以及存在含鎳催化劑的情況下，由甲烷(1摩爾)和水(2摩爾)中經(jīng)過吸熱反應(yīng)產(chǎn)生氫氣(4摩爾)和二氧化碳(1摩爾)的混合物。
在蒸汽重整器63中烴和水的反應(yīng)比率(實(shí)際產(chǎn)生氫氣量與理論上產(chǎn)生氫氣量的比值)優(yōu)選為50mol％或更多。如果小于50mol％，會(huì)增加燃料的消耗。烴和水的反應(yīng)比率優(yōu)選盡可能的高。
氫氣在所蒸汽重整器63產(chǎn)生的重整氣體中的含量優(yōu)選為10～80mol％，二氧化碳的含量優(yōu)選為1～20mol％。
作為蒸汽重整器63中用于蒸汽重整反應(yīng)的原料的烴，可以使用甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和類似的。其中，優(yōu)選甲烷。
當(dāng)使用陶瓷反應(yīng)管24用于蒸汽重整反應(yīng)時(shí)，烴和水優(yōu)選在1,000～1,800℃下反應(yīng)以產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。
如圖2所述，該實(shí)施方式的燒結(jié)爐100中，氫氣分離器64選擇性分離在蒸汽重整器63產(chǎn)生的含有氫氣和二氧化碳的重整氣體82，成為包括作為主要成分的氫氣和含有二氧化碳的殘余氣體84的氫氣燃料83。對(duì)氫氣分離器64沒有特殊的限制，只要該設(shè)備能夠從含有氫氣的混合氣體中選擇性地分離氫氣。例如，可以使用一種系統(tǒng)，其包括由鈀或者含鈀合金的膜制成的圓柱形氫氣分離器和由不銹鋼或者相似的制成的圓柱形容器，氫氣分離器設(shè)置其中使得氫氣分離器圓筒內(nèi)部的空氣可以與圓柱外面的空氣切斷。向圓柱形容器注入含有氫氣的混合氣體，接著引入到氫氣分離膜圓筒的內(nèi)側(cè)以使氫氣選擇性地從氫氣分離膜內(nèi)側(cè)滲透到外側(cè)。流到氫氣分離膜外側(cè)的氫氣被傳送到圓柱容器的外部作為氫氣燃料83。也可以使其它氣體通過氫氣分離膜的內(nèi)側(cè)作為殘余氣體84并被送到圓柱容器的外側(cè)。可以將含有氫氣的混合氣體引到氫氣分離膜圓筒的外側(cè)并使氫氣流到氫氣分離膜圓筒的內(nèi)側(cè)。使用所分離的氫氣作為含有氫氣作為主要組分的氫氣燃料83，含有包括二氧化碳的其它氣體的殘余氣體84輸入到二氧化碳固定器65。含有二氧化碳的殘余氣體84可以與陰極氣體51混合以在燃料電池中使用二氧化碳來產(chǎn)生電能。氫氣燃料83所使用的術(shù)語“含有氫氣作為主要組分”是指燃料中氫氣含量為50％體積或者更多。圓柱形容器不必須是圓柱形的，其可以使任何具有內(nèi)部空間的形狀，例如盒狀。為了提高機(jī)械強(qiáng)度，可以將氫氣分離膜安裝在滲透材料例如陶瓷的表面或者內(nèi)側(cè)。氫氣分離膜不必須是圓柱形的，其可以是平面的或者其它任何形狀。
氫氣分離器64可以與蒸汽重整器63一體形成，這樣在蒸汽重整器63中生成的氫氣可以被安裝在蒸汽重整器63的氫氣分離器64選擇性地分離，從蒸汽重整器63釋放后用作氫氣燃料83。作為在蒸汽重整器63安裝氫氣分離器64的方法，一種方法，在氫氣分離器64設(shè)置圓柱形氫氣分離膜并在圓筒中裝入重整催化劑。這種情況下，由于氫氣分離膜作為氫氣分離器64，發(fā)揮效用的氫氣分離器64設(shè)置在蒸汽重整器63。使用該系統(tǒng)，被重整的含烴原料81注入氫氣分離膜圓筒中并其通過裝入氫氣分離膜桶中的重整催化劑所催化的反應(yīng)轉(zhuǎn)化成氫氣，所產(chǎn)生的氫氣可以通過氫氣分離膜轉(zhuǎn)運(yùn)到圓筒外側(cè)。
使用氫氣分離器64從重整氣體82中分離氫氣的氫氣分離效率，根據(jù)重整氣體82中氫氣的殘余量所分離的氫氣的量，優(yōu)選為50∶50～1∶99(體積比)。如果小于50∶50(體積比)，燃料可能沒有充分利用。盡管期望高的分離效率，作為燃料用氫氣的回收效率，1∶99(體積比)也是足夠的。更高的分離效率可能需要更高的成本。
如圖2所述，在該實(shí)施方式的燒結(jié)爐100中，二氧化碳固定器65固定從氫氣分離器64中分離出的殘余氣體84中的二氧化碳，以便二氧化碳不能夠以氣體狀態(tài)釋放到外面。對(duì)二氧化碳固定器65沒有特殊的限制，只要是能夠固定殘余氣體84中的二氧化碳使得二氧化碳不能夠以氣體狀態(tài)釋放到外面的設(shè)備。可以恰當(dāng)?shù)刈鳛楣潭ǘ趸挤椒ǖ囊粋€(gè)實(shí)施例，包括在容器中提供氫氧化鈉的水溶液作為二氧化碳的固定劑88，將殘余氣體84通入到氫氧化鈉水溶液中以便溶液與氣體起泡，進(jìn)而使殘余氣體84中的二氧化碳與氫氧化鈉進(jìn)行反應(yīng)，生成碳酸鈉。由于燃料電池41所釋放的陽極廢氣54含有二氧化碳，將該氣體通入到二氧化碳固定器65中吸收二氧化碳。這里，“固定二氧化碳”的意思是指對(duì)二氧化碳進(jìn)行操作的過程，例如，通過使二氧化碳與其它化合物反應(yīng)或者被其它化合物吸收，從而二氧化碳不能以氣體狀態(tài)被釋放。
當(dāng)使用含氫氧化鈉物質(zhì)(溶液)例如上述氫氧化鈉水溶液作為固定劑88時(shí)，在二氧化碳固定器65中得到碳酸鈉。從二氧化碳固定器65釋放的廢液89，可以作為含碳酸鈉溶液被去除。這樣，二氧化碳固定器65可以用作碳酸鈉生產(chǎn)設(shè)備。下面就二氧化碳固定器65作為碳酸鈉生產(chǎn)設(shè)備的情況，對(duì)二氧化碳固定器65進(jìn)行更詳細(xì)地描述。
對(duì)用作二氧化碳固定器65的容器的結(jié)構(gòu)沒有特殊的限制，只要該容器能夠在其中容納與二氧化碳反應(yīng)的氫氧化鈉水溶液然后生成碳酸鈉即可。例如，可以使用一種圓柱容器，其具有至少一個(gè)用于輸入殘余氣體和氫氧化鈉的輸入管和用于排出廢液(以下稱為“含碳酸鈉溶液”)的出口。對(duì)容器的形狀沒有特殊的限制?？梢允褂脠A筒、多角筒例如具有四方形底面的筒(包括盒狀)、具有任何其它形狀底面的筒(包括盒狀)以及相似的。如果需要，二氧化碳固定器65可以裝配攪拌器和用以加熱或者冷卻的外套或者螺旋管?？梢允褂门幚砘蛘甙肱幚硇投趸脊潭ㄆ?5。批處理型二氧化碳固定器65使用上述類型的一個(gè)容器，通過供給殘余氣體使二氧化碳和氫氧化鈉反應(yīng)。當(dāng)幾乎所有氫氧化鈉已經(jīng)反應(yīng)，停止殘余氣體流并去除含有碳酸鈉的終溶液，接著重新向容器注入氫氧化鈉和供給殘余氣體。在半批處理型二氧化碳固定器中，使用兩個(gè)或者多個(gè)上述類型的容器。當(dāng)其中一個(gè)容器中幾乎所有氫氧化鈉已經(jīng)反應(yīng)，殘余氣體流會(huì)切換到另一個(gè)容器中，其中開始生成碳酸鈉，而幾乎所有氫氧化鈉已經(jīng)反應(yīng)的容器中釋放含碳酸鈉的溶液。
作為通過固定二氧化碳生產(chǎn)碳酸鈉的方法，提供一種方法，其循環(huán)使用作為固定劑88的氫氧化鈉水溶液，向循環(huán)的氫氧化鈉水溶液供給殘余氣體84以使氫氧化鈉和二氧化碳反應(yīng)。作為循環(huán)氫氧化鈉水溶液的方法(其也可以含有在反應(yīng)中生成的碳酸鈉)，可以使用一種方法，其通過管道輸送從容器中釋放的氫氧化鈉水溶液并將釋放的溶液返回到容器中。在這種情況下，二氧化碳固定器65可以進(jìn)行連續(xù)操作，連續(xù)的向循環(huán)系統(tǒng)輸入氫氧化鈉，并且連續(xù)的從由氫氧化鈉和反應(yīng)生成的含碳酸鈉水溶液組成的系統(tǒng)中去除部分循環(huán)的含碳酸鈉水溶液作為含碳酸鈉水溶液(廢液)89。
當(dāng)使用二氧化碳固定器65作為碳酸鈉生產(chǎn)設(shè)備時(shí)，在使用氫氣分離器64從重整氣體82中分離氫氣后的殘余氣體84中的二氧化碳含量優(yōu)選為15～99.9％重量，更優(yōu)選為60％重量或者更多。如果小于15％重量，在殘余氣體84中雜質(zhì)會(huì)增加，使得通過純化從二氧化碳固定器65釋放的含碳酸鈉廢液89來獲得高純度碳酸鈉變得困難。
當(dāng)殘余氣體84含有大量蒸汽重整器63中產(chǎn)生的作為副產(chǎn)品的一氧化碳時(shí)，也可以安裝一氧化碳轉(zhuǎn)換器，向其供給殘余氣體84。優(yōu)選使用一種一氧化碳轉(zhuǎn)換器，其中被控制在350～360℃的殘余氣體84與Fe-Cr基催化劑接觸以轉(zhuǎn)化一氧化碳。在這個(gè)一氧化碳轉(zhuǎn)換器中，一氧化碳與水反應(yīng)生成氫氣和二氧化碳。一氧化碳轉(zhuǎn)換器可以降低一氧化碳在殘余氣體84中的濃度，其通過將在殘余氣體84中的一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。由于在一氧化碳轉(zhuǎn)換器除了二氧化碳外還產(chǎn)生氫氣，所以從一氧化碳轉(zhuǎn)換器去除的殘余氣體84可以在氫氣分離器中進(jìn)行加工以收集氫氣，其可以通過與陽極氣體53混合而使用。在這種情況下，可以安裝氫氣分離器并向其輸入殘余氣體84，或者也可以使用氫氣分離器64，其中可以分離出一部分殘余氣體84，然后與重整氣體82一起輸入氫氣分離器64，從而循環(huán)一部分殘余氣體84。作為一氧化碳轉(zhuǎn)化的結(jié)果，二氧化碳濃度提高的殘余氣體84(或者當(dāng)使用氫氣分離器進(jìn)行處理時(shí)，從氫氣分離器排出的殘余氣體84)被輸入到二氧化碳固定器65。
在二氧化碳固定器65中所生成的碳酸鈉從二氧化碳固定器65中作為廢液(含碳酸鈉溶液)89排出，其優(yōu)選在碳酸鈉純化步驟(未顯示)中進(jìn)行純化并作為高純度碳酸鈉被去除。為了這個(gè)目的，在二氧化碳固定器65所產(chǎn)生的含碳酸鈉溶液89中除去水以外的組分中，碳酸鈉含量優(yōu)選為80～99.9％重量，更優(yōu)選為95％重量或者更高。如果小于80％重量，會(huì)難以提高在碳酸鈉純化步驟(未顯示)中所獲得的碳酸鈉的純度。
為了提高通過這種方法的純化所獲得碳酸鈉的純度，期望在使用二氧化碳固定器65時(shí)，利用高純度的氫氧化鈉與二氧化碳反應(yīng)。特別的，加入到二氧化碳固定器65的固定劑88中除水外的組分(當(dāng)固定劑88不含有水時(shí)，固定劑88的總量)中，氫氧化鈉的含量優(yōu)選為80～99.9％重量，更優(yōu)選為95％重量或者更高。如果小于80％重量，會(huì)難以提高通過純化中所獲得的碳酸鈉的純度。作為固定劑88，可以使用上述的氫氧化鈉水溶液，或者也可以使用熔融氫氧化鈉。當(dāng)使用氫氧化鈉水溶液作為固定劑88時(shí)，氫氧化鈉在氫氧化鈉水溶液中的含量優(yōu)選為30～95％重量。如果小于30％，由于低濃度的氫氧化鈉，二氧化碳可能不足以充分反應(yīng)，導(dǎo)致從二氧化碳固定器中釋放的氣體中含有高二氧化碳濃度。如果高于95％重量，氫氧化鈉的流動(dòng)性會(huì)由于溶液的高粘性而被破壞，其可以導(dǎo)致難以與二氧化碳進(jìn)行有效的反應(yīng)。
使用純化步驟(未顯示)對(duì)從二氧化碳固定器65釋放的含碳酸鈉溶液68進(jìn)行純化，所得到的碳酸鈉純度優(yōu)選為98～99.9％重量，更優(yōu)選為99.0％重量或者以上。98％重量或者以上純度的碳酸鈉可以用于需要高純度碳酸鈉的領(lǐng)域中，例如光學(xué)玻璃、醫(yī)學(xué)設(shè)備以及類似的。碳酸鈉的純度是優(yōu)選盡可能的高。碳酸鈉在整個(gè)碳酸鈉水溶液89中的含量優(yōu)選為60～95％重量。如果低于60％重量，會(huì)由于碳酸鈉的濃度低，難以獲得碳酸鈉晶體。如果高于95％重量，由于碳酸鈉結(jié)晶所得到的碳酸鈉晶體漿濃度過高而導(dǎo)致流動(dòng)性的破壞。
作為二氧化碳固定器65釋放的含碳酸鈉溶液89的純化方法，引起碳酸鈉晶體沉淀并從母液中分離沉淀的碳酸鈉的方法是優(yōu)選的。碳酸鈉優(yōu)選通過純化步驟(未顯示)進(jìn)行純化，包括使用結(jié)晶器(未顯示)以從含碳酸鈉溶液89中沉淀碳酸鈉晶體，以及過濾器(未顯示)以從母液中分離在結(jié)晶器中所生成的碳酸鈉晶體。
接著，描述裝配有上述燃料電池的本發(fā)明發(fā)電機(jī)。圖3是本發(fā)明發(fā)電機(jī)一個(gè)實(shí)施方式的方塊流程示意圖。如圖3所示，本發(fā)明的一種發(fā)電機(jī)200包括燃料電池141，其具有陰極142、陽極143以及位于陰極142和陽極143之間的含有熔融碳酸鹽的電解質(zhì)層144，還包括將含有氧氣和二氧化碳的陰極氣體151供給到陰極142的陰極氣體供給設(shè)備190，以及將含有氫氣的陽極氣體153供給到陽極143的陽極氣體供給設(shè)備195，通過將陰極氣體151供給到陰極142和將陽極氣體153供給到陽極143以產(chǎn)生電能，其中陰極氣體供給設(shè)備190具有爐廢氣供給設(shè)備191，其可以為陰極142供給加熱材料的工業(yè)爐(燒結(jié)爐)100a釋放的爐廢氣172，和/或者陰極用氣體的供給設(shè)備192，其可以將陰極用氣體173供給到陰極142，通過陰極氣體供給設(shè)備190供給到陰極142的陰極氣體151包括通過爐廢氣供給設(shè)備191裝運(yùn)的爐廢氣172，或者爐廢氣172與通過陰極用氣體供給設(shè)備192運(yùn)送的陰極氣體173或陰極用預(yù)熱氣體173b的混合氣體172a，或者陰極用預(yù)熱氣體173b，該陰極用預(yù)熱氣體是一種使用爐廢氣172作為熱源預(yù)熱的陰極用氣體，并且陰極氣體中二氧化碳的濃度是0.1～50％體積。
在實(shí)施方式中，當(dāng)陰極氣體151是爐廢氣172或者混合氣體172a時(shí)，工業(yè)爐優(yōu)選是燒結(jié)爐100a，其通過燃燒燃料171所產(chǎn)生的燃燒氣體來加熱材料，爐廢氣172是燃燒氣體的廢氣(燃燒廢氣)和/或者通過被加熱材料中所含有機(jī)材料的分解所產(chǎn)生的分解氣體(分解廢氣)。
燃料171優(yōu)選是含烴的燃料。
含烴的燃料171優(yōu)選至少一種選自民用煤氣、液化天然氣、液化石油氣、柴油以及重油的燃料。
發(fā)電機(jī)優(yōu)選還配有催化劑燃燒室142a，陰極氣體151優(yōu)選使用催化劑燃燒室142a來進(jìn)行加熱。
催化劑燃燒室142a的熱源優(yōu)選是從陽極143釋放的陽極廢氣154。
發(fā)電機(jī)優(yōu)選還配置有熱交換器173a，并優(yōu)選通過熱交換器173a使用爐廢氣172作為熱源對(duì)陰極用預(yù)熱氣體173進(jìn)行預(yù)熱。
優(yōu)選的，發(fā)電機(jī)進(jìn)一步配置有蒸汽重整器163，陰極氣體153使用在蒸汽重整器163中重整的重整氣182中所含的氫氣。
發(fā)電機(jī)的其它組成、使用條件和相似的與已經(jīng)討論的燃料電池以及燃料電池的操作方法是相同的。例如，盡管在圖3中沒有顯示，發(fā)電機(jī)可以進(jìn)一步裝配有圖2所示的氫氣分離器64、二氧化碳固定器65以及相似的?？梢圆捎眠@些設(shè)備、使用條件以及相似的達(dá)到相同的效果。
本發(fā)明的燃料電池、燃料電池的操作方法、燒結(jié)爐以及發(fā)電機(jī)，為陰極供給下述高二氧化碳濃度的氣體，而不需要濃縮空氣中二氧化碳的濃度的過程，并且可以有效地回收爐廢氣的熱，因此降低了燃料消耗，其中，一種氣體包括用于陶瓷工業(yè)中燒結(jié)陶瓷和相似的燒結(jié)爐所釋放的爐廢氣(燃燒廢氣和/或者分解廢氣)，爐廢氣與陰極用氣體或者陰極用預(yù)熱氣體的混合氣體，或者陰極用預(yù)熱氣體，該陰極用預(yù)熱氣體是一種使用爐廢氣作為熱源預(yù)熱的陰極用氣體。所以，本發(fā)明的燃料電池、燃料電池的操作方法、燒結(jié)爐以及發(fā)電機(jī)有效地應(yīng)用于熔融碳酸鹽燃料電池和發(fā)電機(jī)的制造中，以及使用熔融碳酸鹽燃料電池和發(fā)電機(jī)的各工業(yè)領(lǐng)域中。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池，其包括陰極，陽極以及位于陰極和陽極之間含有熔融碳酸鹽的電解質(zhì)層，供給到陰極側(cè)的含有氧氣和二氧化碳的氣體(陰極氣體)以及供給到陽極側(cè)以產(chǎn)生電能的含有氫氣的氣體(陽極氣體)，其中陰極氣體是一種氣體，其含有用于加熱材料的工業(yè)爐釋放的爐廢氣、爐廢氣與陰極用氣體或者陰極用預(yù)熱氣體的混合氣體、或者陰極用預(yù)熱氣體，該陰極用預(yù)熱氣體是使用爐廢氣作為熱源被預(yù)熱的陰極用氣體，并且陰極氣體中二氧化碳的濃度是0.1～50％體積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中，陰極氣體含有爐廢氣或者混合氣體時(shí)，所述工業(yè)爐是使用燃燒燃料所產(chǎn)生的燃燒氣體來加熱材料的燒結(jié)爐，所述爐廢氣是燃燒氣體的廢氣(燃燒廢氣)和/或通過被加熱材料中所含有機(jī)材料的分解所產(chǎn)生的分解氣體(分解廢氣)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的燃料電池，其中燃料是含烴的燃料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的燃料電池，其中含烴的燃料選自民用煤氣、液化天然氣、液化石油氣、柴油以及重油。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中使用催化劑燃燒室對(duì)陰極氣體進(jìn)行預(yù)熱。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的燃料電池，其中催化劑燃燒室的熱源是從陽極釋放的陽極廢氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中陰極氣體含有陰極用預(yù)熱氣體時(shí)，陰極用預(yù)熱氣體通過使用所述爐廢氣作為熱源的熱交換器進(jìn)行預(yù)熱。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中陽極氣體使用重整氣中所含的氫氣，該重整氣是在安裝于工業(yè)爐上的蒸汽重整器中進(jìn)行重整的。
9.一種燃料電池的操作方法，該燃料電池配備有陰極、陽極以及位于陰極和陽極之間含熔融碳酸鹽的電解質(zhì)層，該方法包括將含有氧氣和二氧化碳的氣體(陰極氣體)供給到陰極側(cè)，將含有氫氣的氣體(陽極氣體)供給到陽極側(cè)以產(chǎn)生電能，其中陰極氣體是一種氣體，其含有加熱材料的工業(yè)爐所釋放的爐廢氣、爐廢氣與陰極用氣體或者陰極用預(yù)熱氣體的混合氣體、或者陰極用預(yù)熱氣體，該陰極用預(yù)熱氣體是使用爐廢氣作為熱源被預(yù)熱的陰極用氣體，并且陰極氣體中二氧化碳的濃度是0.1～50％體積。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，陰極氣體含有爐廢氣或者混合氣體時(shí)，所述工業(yè)爐是使用燃燒燃料所產(chǎn)生的燃燒氣體來加熱材料的燒結(jié)爐，所述爐廢氣是燃燒氣體的廢氣(燃燒廢氣)和/或被加熱材料中所含有機(jī)材料的分解所產(chǎn)生的分解氣體(分解廢氣)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中燃料是含烴的燃料。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中含烴的燃料選自民用煤氣、液化天然氣、液化石油氣、柴油以及重油。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中使用催化劑燃燒室對(duì)陰極氣體進(jìn)行預(yù)熱。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中催化劑燃燒室的熱源是從陽極釋放的陽極廢氣。
15.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，陰極氣體含有陰極用預(yù)熱氣體時(shí)，陰極用預(yù)熱氣體是通過使用所述爐廢氣作為熱源的熱交換器進(jìn)行預(yù)熱的。
16.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中陽極氣體使用重整氣中所含的氫氣，該重整氣是在安裝于工業(yè)爐上的蒸汽重整器中進(jìn)行重整的。
17.一種燒結(jié)爐，其包括用于燃燒含烴燃料以產(chǎn)生燃燒氣體的燃燒室、燒結(jié)爐主體以及根據(jù)權(quán)利要求1的燃料電池，其中燒結(jié)爐主體用于加熱和燒結(jié)由燃燒氣體帶入其中的材料并釋放作為爐廢氣的燃燒氣體和/或被加熱材料中所含有機(jī)材料的分解所產(chǎn)生的分解氣體，所述燃料電池設(shè)置使得燒結(jié)爐主體釋放的爐廢氣被作為陰極氣體供給到陰極側(cè)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的燒結(jié)爐，進(jìn)一步包括蒸汽重整器，以進(jìn)行產(chǎn)生重整氣體的蒸汽重整反應(yīng)，該重整氣體含有來自于進(jìn)入到爐和蒸汽中烴的氫氣和二氧化碳。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的燒結(jié)爐，其中蒸汽重整器包含低溫重整部分，其具有用于引起蒸汽重整反應(yīng)在其中發(fā)生的金屬反應(yīng)管或者陶瓷反應(yīng)管，和包裝在反應(yīng)管中用于加速蒸汽重整反應(yīng)的重整催化劑，蒸汽重整器還包含高溫重整部分，其具有用于引起蒸汽反應(yīng)在其中反應(yīng)的陶瓷反應(yīng)管。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的燒結(jié)爐，其中蒸汽重整器被安裝于燒結(jié)爐主體和/或爐廢氣流通道中，低溫重整部分設(shè)置在加熱到600～1,000℃的位置，高溫重整部分設(shè)置在加熱到1,000～1,800℃的位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的燒結(jié)爐，其中包含在重整氣中的部分或者全部氫氣是作為陽極氣體使用。
22.根據(jù)權(quán)利要求18的燒結(jié)爐，進(jìn)一步包括氫氣分離器，用于從蒸汽重整器所形成重整氣體中選擇性地將氫氣分離進(jìn)入氫氣燃料中，通過向其引入重整氣體，該氫氣燃料包括作為主要組分的氫氣和含有二氧化碳的殘余氣體。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的燒結(jié)爐，進(jìn)一步包括二氧化碳固定器以固定氫氣分離器分離出的殘余氣體中的二氧化碳，和/或固定包含在熔融碳酸鹽燃料電池釋放的陽極氣體(陽極廢氣)中的二氧化碳。
24.根據(jù)權(quán)利要求17的燒結(jié)爐，其中燒結(jié)爐主體連續(xù)引入材料進(jìn)行加熱，并連續(xù)將被加熱的材料輸出。
25.根據(jù)權(quán)利要求17的燒結(jié)爐，其中被加熱的材料是陶瓷。
26.根據(jù)權(quán)利要求17的燒結(jié)爐，其中被加熱的材料是蜂窩結(jié)構(gòu)。
27.一種發(fā)電機(jī)，其包括燃料電池，其包括陰極、陽極、位于陰極和陽極之間的含有熔融碳酸鹽的電解質(zhì)層，陰極氣體供給設(shè)備，其將含有氧氣和二氧化碳的氣體(陰極氣體)供給到陰極，和陽極氣體供給設(shè)備，其將含有氫氣的氣體(陽極氣體)供給到陽極以產(chǎn)生電能，其中陰極氣體供給設(shè)備具有爐廢氣供給設(shè)備，其供給加熱材料的工業(yè)爐釋放的爐廢氣，和/或陰極用氣體供給設(shè)備，其可以將陰極用氣體供給到陰極，通過陰極氣體供給設(shè)備供給到陰極的陰極氣體包含通過爐廢氣供給設(shè)備傳送的爐廢氣、爐廢氣與通過陰極用氣體供給設(shè)備傳送的陰極用氣體或陰極用氣體的混合氣體、或者陰極用預(yù)熱氣體，該陰極用預(yù)熱氣體是使用爐廢氣作為熱源被預(yù)熱的陰極氣體，陰極氣體中二氧化碳的濃度是0.1～50％體積。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的發(fā)電機(jī)，其中，陰極氣體含有爐廢氣或者混合氣體時(shí)，所述工業(yè)爐是使用燃燒燃料所產(chǎn)生的燃燒氣體來加熱材料的燒結(jié)爐，所述爐廢氣是燃燒氣體的廢氣(燃燒廢氣)和/或被加熱材料中所含有機(jī)材料的分解所產(chǎn)生的分解氣體(分解廢氣)。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的發(fā)電機(jī)，其中燃料是含烴的燃料。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的發(fā)電機(jī)，其中含烴的燃料選自民用煤氣、液化天然氣、液化石油氣、柴油以及重油。
31.根據(jù)權(quán)利要求27的發(fā)電機(jī)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)還包括催化劑燃燒室，陰極用氣體使用催化劑燃燒室進(jìn)行預(yù)熱。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的發(fā)電機(jī)，其中催化劑燃燒室的熱源是從陽極釋放的陽極廢氣。
33.根據(jù)權(quán)利要求27的發(fā)電機(jī)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)還包括熱交換器，用于陰極的預(yù)熱氣體是通過用所述爐廢氣作為熱源的熱交換器進(jìn)行預(yù)熱的。
34.根據(jù)權(quán)利要求27的發(fā)電機(jī)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)還包括蒸汽重整器，陽極氣體使用重整氣中所含的氫氣，該重整氣是在蒸汽重整器中進(jìn)行重整的。
全文摘要
一種熔融碳酸鹽燃料電池，燃料電池的操作方法，配有燃料電池的燒結(jié)爐以及發(fā)電機(jī)，其中可以通過不提高二氧化碳濃度的過程來獲得高二氧化碳濃度的陰極氣體，并且可以有效地回收爐廢氣的熱，降低燃料消耗。該陰極氣體是一種氣體，其含有從加熱材料的工業(yè)爐中釋放的爐廢氣、爐廢氣與陰極用氣體或陰極用預(yù)熱氣體的混合氣體、或者陰極用預(yù)熱氣體，該陰極用預(yù)熱氣體是使用爐廢氣作為熱源被預(yù)熱的陰極用氣體，并且陰極氣體中二氧化碳的濃度是0.1～50％體積。
文檔編號(hào)H01M8/14GK1790788SQ20051013025
公開日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2005年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月13日
發(fā)明者藏島吉彥, 本多俊彥 申請(qǐng)人:日本礙子株式會(huì)社