Разделение газов с высоким энергетическим кпд для топливных элементов - RU2002120185A

Реферат

1. Система, вырабатывающая электрический ток, содержащая, по меньшей мере, один топливный элемент, работающий при температуре, по меньшей мере, около 250°С, по меньшей мере, одну газовую систему, выбранную из системы отделения водородосодержащего газа или системы подачи кислородосодержащего газа, соединенную с топливным элементом, при этом система отделения водородосодержащего газа или система подачи кислородосодержащего газа включает, по меньшей мере, одно устройство, выбранное из компрессора или насоса, и приводную систему для компрессора или насоса, которая включает средство для регенерации энергии, по меньшей мере, из одной из систем, системы отделения водородосодержащего газа системы подачи кислородосодержащего газа, или из тепла топливного элемента.

2. Система по п.1, в которой топливным элементом является топливный элемент из расплавленного карбоната или топливный элемент из твердого оксида.

3. Система по п.1, в которой топливный элемент работает при температуре, по меньшей мере, приблизительно 600°С.

4. Система по п.1, в которой средство для регенерации энергии содержит, по меньшей мере, одну систему, выбранную из газовой турбины, теплообменника, или двигателя Стирлинга.

5. Система по п.1, в которой система отделения водородосодержащего газа или система подачи кислородосодержащего газа включает модуль адсорбции с использованием разности давлений.

6. Система по п.1, в которой насос содержит вакуумный насос.

7. Система, вырабатывающая электрический ток, содержащая, по меньшей мере, один топливный элемент, работающий при температуре по меньшей мере 250°С, по меньшей мере, одну газовую систему, выбранную из системы отделения водородосодержащего газа или системы подачи кислородосодержащего газа, соединенную с топливным элементом, и систему газовой турбины, соединенную с системой отделения водородосодержащего газа или с системой подачи кислородосодержащего газа, в которой система газовой турбины работает от энергии, регенерируемой, по меньшей мере, из одной из систем, системы отделения водородосодержащего газа, системы подачи кислородосодержащего газа, или из тепла топливного элемента.

8. Система по п.7, в которой система отделения водородосодержащего газа или система подачи кислородосодержащего газа включает модуль адсорбции с использованием разности давлений.

9. Система по п.8, в которой модуль адсорбции с использованием разности давлений выполнен с возможностью подачи водородосодержащего газа на топливный элемент, при этом модуль адсорбции с использованием разности давлений включает первый адсорбент и, по меньшей мере, один второй материал, выбранный из второго адсорбента, катализатора конверсии с водяным паром или катализатора реакции конверсии водяного газа.

10. Система по п.9, в которой первый адсорбент преимущественно адсорбирует углекислый газ по сравнению с водяным паром.

11. Система по п.10, в которой первый адсорбент содержит активированный щелочью материал, а катализатор содержит Cu - ZnO, карбонильный комплекс переходного металла, или катализатор, содержащий металл из группы переходных металлов, введенный в клетку цеолита.

12. Система по п.7, в которой система газовой турбины также соединена, по меньшей мере, с одним устройством, выбранным из компрессора, насоса или вспомогательного устройства.

13. Система, вырабатывающая электрический ток, содержащая, по меньшей мере, один топливный элемент, выбранный из топливного элемента из расплавленного карбоната или топливного элемента из твердого оксида, по меньшей мере, одну газовую систему, выбранную из системы отделения водородосодержащего газа или системы подачи кислородосодержащего газа, соединенную с топливным элементом; и систему газовой турбины, соединенную с системой отделения водородосодержащего газа или с системой подачи кислородосодержащего газа, в которой система газовой турбины работает от энергии, регенерируемой, по меньшей мере, из одной из систем, системы отделения водородосодержащего газа, системы подачи кислородосодержащего газа, или из тепла топливного элемента.

14. Система, вырабатывающая электрический ток, содержащая, по меньшей мере, один топливный элемент, работающий при температуре, по меньшей мере, приблизительно 250°С, по меньшей мере, одну газовую систему, выбранную из системы отделения водородосодержащего газа или системы отделения кислородосодержащего газа, соединенную с топливным элементом, в которой система отделения водородосодержащего газа выполнена с возможностью выработки первого потока отходящего газа, и система отделения кислородосодержащего газа выполнена с возможностью выработки второго потока отходящего газа, и систему газовой турбины, соединенную, по меньшей мере, с одной из систем, системой отделения водородосодержащего газа, или системой отделения кислородосодержащего газа, в которой система газовой турбины получает, по меньшей мере, один из потоков, первый поток отходящего газа или второй поток отходящего газа.

15. Система по п.14, в которой топливный элемент работает при температуре, по меньшей мере, приблизительно 600°С.

16. Система по п.14, в которой система отделения водородосодержащего газа содержит первый адсорбционный модуль, а первый поток отходящего газа обогащен углекислым газом.

17. Система по п.16, содержащая также камеру сгорания, которая образует первый вход для приема первого потока отходящего газа и выход для удаления потока газа продукта сгорания.

18. Система по п.17, содержащая также первую трубу, через которую сообщаются по текучей среде выход камеры сгорания и входное отверстие катода, образованное топливным элементом, вторую трубу, через которую сообщаются по текучей среде выходное отверстие катода, образованное топливным элементом, и система газовой турбины, и по меньшей мере, один теплообменник, вмещающий в себя, по меньшей мере, часть первой трубы и, по меньшей мере, часть второй трубы.

19. Система по п.17, содержащая также, по меньшей мере, одну трубу, через которую сообщаются по текучей среде выход камеры сгорания и система газовой турбины.

20. Система по п.14, в которой система газовой турбины включает, по меньшей мере, одно устройство, выбранное из компрессора и вакуумного насоса.

21. Система по п.16, в которой первый модуль адсорбции содержит вращающийся модуль адсорбции с использованием разности давлений.

22. Система по п.21, в которой система газовой турбины включает, по меньшей мере, одно устройство, соединенное с вращающимся модулем адсорбции с использованием разности давлений, при этом устройство выбрано из компрессора и вакуумного насоса.

23. Система, вырабатывающая электрический ток, содержащая, по меньшей мере, один топливный элемент, выбранный из топливного элемента из расплавленного карбоната и топливного элемента из твердого оксида, по меньшей мере, один модуль адсорбции с использованием разности давлений, который выполнен с возможностью выработки потока газа, обогащенного кислородом для подачи на топливный элемент, и поток отходящего газа тяжелого продукта, и, по меньшей мере, один вакуумный насос, соединенный с модулем адсорбции с использованием разности давлений, для извлечения потока газа тяжелого продукта.

24. Система, вырабатывающая электрический ток, содержащая источник кислородосодержащего газа, по меньшей мере, один модуль отделения водородосодержащего газа, который выполнен с возможностью выработки потока газа, обогащенного водородом, и поток газа, обогащенного углекислым газом, устройство сгорания для получения потока газа продукта сгорания из кислородосодержащего газа и потока газа, обогащенного углекислым газом, и по меньшей мере, один топливный элемент из расплавленного карбоната, имеющий входное отверстие катода для приема потока газа продукта сгорания и входное отверстие анода для приема потока газа, обогащенного водородом.

25. Система по п.24, в которой модуль отделения водородосодержащего газа содержит модуль адсорбции с использованием разности давлений.

26. Система по п.24, содержащая также модуль адсорбции с использованием разности давлений, соединенный с источником кислородосодержащего газа, который может вырабатывать поток газа, обогащенного кислородом, для подачи на устройство сгорания.

27. Система по п.24, в которой топливный элемент из расплавленного карбоната имеет выходное отверстие для удаления, по меньшей мере, одного потока отходящего газа топливного элемента, при этом система дополнительно содержит первый теплообменник, который принимает поток отходящего газа топливного элемента и поток газа продукта сгорания.

28. Система по п.27, содержащая также реактор, вырабатывающий водородосодержащий газ и трубу для подачи смеси углеводородного топлива/воды на реактор, вырабатывающий водородосодержащий газ, в которой, по меньшей мере, часть трубы для смеси углеводородного топлива/воды расположена внутри первого теплообменника.

29. Система по п.28, содержащая также модуль адсорбции с использованием разности давлений, соединенный с источником кислородосодержащего газа, который может вырабатывать поток газа, обогащенного кислородом, для подачи на реактор, вырабатывающий водородосодержащий газ.

30. Система, вырабатывающая электрический ток, содержащая, по меньшей мере, один топливный элемент, имеющий выходное отверстие анода для удаления анодного отходящего газа и входное отверстие катода, при этом топливный элемент работает при температуре, по меньшей мере, приблизительно 250°С, модуль адсорбции с использованием разности давлений, который выполнен с возможностью выработки потока газа, обогащенного кислородом, и устройство сгорания для получения потока газа продукта сгорания из потока газа, обогащенного кислородом, и анодного отходящего газа, и трубу, через которую сообщаются по текучей среде устройство сгорания и входное отверстие катода для топлива, для подачи потока газа продукта сгорания на катод топливного элемента.

31. Способ получения, по меньшей мере, одного подаваемого потока, по меньшей мере, на один топливный элемент, работающий при температуре, по меньшей мере, приблизительно 250°С, включающий обеспечение, по меньшей мере, одной из систем, системы отделения водородосодержащего газа или системы подачи кислородосодержащего газа, соединенную с топливным элементом, при этом система отделения водородосодержащего газа или система подачи кислородосодержащего газа включает, по меньшей мере, одно устройство, выбранное из компрессора или вакуумного насоса, регенерацию энергии, по меньшей мере, из одной из систем, системы отделения водородосодержащего газа, системы подачи кислородосодержащего газа, или из тепла топливного элемента, и осуществление работы компрессора или вакуумного насоса, по меньшей мере, частично на регенерируемой энергии, для обеспечения, по меньшей мере, одного потока, подаваемого на топливный элемент.

32. Способ по п.31, в котором регенерация энергии и работа включает введение, по меньшей мере, одного отходящего потока из топливного элемента, системы отделения водородосодержащего газа или системы подачи кислородосодержащего газа, по меньшей мере, в один агрегат, выбранный из теплообменника и газовой турбины.

33. Способ по п.31, в котором топливный элемент работает при температуре, по меньшей мере, приблизительно 600°С.

34. Способ по п.31, в котором система отделения водородосодержащего газа или система подачи кислородосодержащего газа содержит модуль адсорбции с использованием разности давлений.

35. Способ получения, по меньшей мере, одного потока топлива, по меньшей мере, на один топливный элемент, работающий при температуре, по меньшей мере, приблизительно 250°С, включающий создание первой разности давлений в первом потоке газа, содержащем топливо, в условиях достаточных для разделения первого потока газа, содержащего топливо, на первый поток обогащенного топливом газа и первый поток обедненного топливом газа, введение, по меньшей мере, одного из потоков, первого потока обогащенного топливом газа или первого потока обедненного топливом газа, в первый агрегат для создания первой разности давлений, и введение первого потока обогащенного топливом газа в топливный элемент.

36. Способ по п.35, в котором создание первой разности давлений включает адсорбцию с использованием разности давлений, первый поток газа, содержащего топливо, содержит поток водородосодержащего газа, поток обогащенного топливом газа содержит поток обогащенного водородом газа, поток обедненного топливом газа содержит поток газа, обогащенного углекислым газом, и введение агрегата включает введение потока газа, обогащенного углекислым газом, в газовую турбину, в качестве рабочей среды для осуществления адсорбции с использованием разности давлений.

37. Способ получения кислородосодержащего потока газа и потока газа, содержащего углекислый газ, на катод топливного элемента из расплавленного карбоната, и водородосодержащего потока газа на анод топливного элемента, включающий разделение водородосодержащего потока газа на поток газа, обогащенного водородом, и поток газа, обогащенного углекислым газом, сжигание смеси потока газа, обогащенного углекислым газом и кислородосодержащего потока газа для получения потока газа продукта сгорания, введение потока газа обогащенного водородом, в анод топливного элемента, и введение потока газа продукта сгорания в катод топливного элемента.

38. Способ по п.37, в котором разделение происходит посредством адсорбции с использованием разности давлений.

39. Способ по п.37, включающий также кислородное обогащение потока подаваемого воздуха для получения кислородосодержащего потока газа.

40. Способ по п.39, в котором кислородное обогащение включает введение потока подаваемого воздуха в модуль адсорбции с использованием разности давлений для получения потока газа, обогащенного кислородом.

41. Способ по п.37, в котором топливный элемент выделяет, по меньшей мере, один поток отходящего газа топливного элемента, при этом способ дополнительно включает передачу тепла от потока газа продукта сгорания к потоку отходящего газа топливного элемента.

42. Способ по п.41, включающий также введение нагретого потока отходящего газа топливного элемента в газовую турбину.

43. Система, вырабатывающая электрический ток, содержащая, по меньшей мере, один топливный элемент, работающий при температуре, по меньшей мере, приблизительно 250°С, систему регенерации тепла топливного элемента, соединенную с топливным элементом, по меньшей мере, одну систему подачи топливного газа, соединенную с топливным элементом, и систему газовой турбины, соединенную с системой регенерации тепла топливного элемента и системой подачи топливного газа.

44. Система по п.43, в которой топливный элемент работает при температурах, по меньшей мере, приблизительно 600°С.

45. Система по п.43, в которой система регенерации тепла топливного элемента содержит трубу для рециркуляции, через которую проходит рабочая среда регенерации тепла для передачи тепловой энергии из топливного элемента на энергию расширения газа для системы газовой турбины.

46. Система по п.45, в которой рабочая среда регенерации тепла имеет тепловое сообщение с потоком отходящего газа топливного элемента.

47. Система по п.43, в которой система подачи топливного газа содержит модуль адсорбции с использованием разности давлений, и система газовой турбины содержит, по меньшей мере, один насос или компрессор, соединенный с модулем адсорбции с использованием разности давлений, и детандер, соединенный с насосом или компрессором.

48. Система по п.47, в которой модуль адсорбции с использованием разности давлении выполнен с возможностью выработки потока газа, обогащенного кислородом, для подачи на топливный элемент.

49. Система по п.47, содержащая первый модуль адсорбции с использованием разности давлений, который выполнен с возможностью выработки потока газа, обогащенного кислородом, для подачи на топливный элемент, и второй модуль адсорбции с использованием разности давлений, который выполнен с возможностью выработки потока газа, обогащенного водородом, для подачи на топливный элемент.

50. Система, вырабатывающая электрический ток, содержащая, по меньшей мере, один топливный элемент выбранный из топливного элемента из расплавленного карбоната или топливного элемента из твердого оксида, систему регенерации тепла топливного элемента, соединенную с топливным элементом, по меньшей мере, одну систему подачи топливного газа, соединенную с топливным элементом, и систему газовой турбины, соединенную с системой регенерации тепла топливного элемента и системой подачи топливного газа.

51. Система, вырабатывающая электрический ток, содержащая, по меньшей мере, один топливный элемент, образующий, по меньшей мере, один вход для приема потока топливного газа, и, по меньшей мере, один выход для выведения потока отходящего газа топливного элемента, причем топливный элемент работает при температуре, по меньшей мере, около 250°С, по меньшей мере, одну систему подачи топливного газа, для подачи потока топливного газа на вход топливного элемента, систему газовой турбины, соединенную с системой подачи топливного газа, первую трубу, сообщающуюся по текучей среде с выходом топливного элемента для прохождения через нее потока отходящего газа топливного элемента, вторую трубу для прохождения через нее рабочей среды восстановления тепла, и сообщающуюся с системой турбины, и первый теплообменник, вмещающий первую часть первой трубы и вторую часть второй трубы.

52. Система по п.51, в которой топливный элемент работает при температуре, по меньшей мере, приблизительно 600°С.

53. Система по п.51, в которой система подачи топливного газа содержит модуль адсорбции с использованием разности давлений, который может вырабатывать поток газа, обогащенного кислородом для подачи на входное отверстие катода топливного элемента, и система газовой турбины содержит, по меньшей мере, один насос или компрессор, соединенный с модулем адсорбции с использованием разности давлений, и детандер, соединенный с насосом или компрессором, при этом детандер образует вход для приема рабочей жидкости регенерации тепла.

54. Система по п.53, в которой система, вырабатывающая электрический ток, также содержит источник воздуха для подачи воздуха на модуль адсорбции с использованием разности давлений и на вторую трубу в качестве рабочей среды для регенерации тепла.

55. Система по п.51, в которой первая труба и вторая труба расположены рядом внутри теплообменника так, что тепло передается из отходящего газа катода в первой трубе рабочей среде регенерации тепла во второй трубе.

56. Система по п.51, в которой система подачи топливного газа содержит модуль адсорбции с использованием разности давлений, который может вырабатывать поток газа, обогащенного водородом для подачи на входное отверстие анода топливного элемента, и система газовой турбины содержит, по меньшей мере, один насос или компрессор, соединенный с модулем адсорбции с использованием разности давлений, и детандер, соединенный с насосом или компрессором, при этом детандер образует вход для приема рабочей жидкости регенерации тепла.

57. Система по п.56, содержащая также систему выработки водородосодержащего газа, соединенную с модулем адсорбции с использованием разности давлений, при этом система выработки водородосодержащего газа образует выход для подачи потока водородосодержащего газа на модуль адсорбции с использованием разности давлений, и вход для приема углеводородного топлива.

58. Система по п.55, содержащая также третью трубу, сообщающуюся по текучей среде со входом системы выработки водородосодержащего газа, по которой может проходить углеводородное топливо, четвертую трубу, устанавливающую сообщение по текучей среде между выходом системы выработки водородосодержащего газа и входом, образованным в модуле адсорбции с использованием разности давлений, для приема подаваемого потока водородосодержащего газа, и второй теплообменник, вмещающий часть третьей трубы и четвертой трубы, в которой третья труба и четвертая труба расположены рядом так, что тепло передается из подаваемого потока водородосодержащего газа в четвертой трубе углеводородному топливу в третьей трубе.

59. Система по п.53, в которой насос содержит вакуумный насос для извлечения потока газа, обедненного кислородом, из модуля адсорбции с использованием разности давлений, и топливный элемент работает при температуре, по меньшей мере, приблизительно 600°С.

60. Система по п.51, в которой топливный элемент образует первый выход для выведения потока отходящего катодного газа, и второй выход для выведения потока отходящего анодного газа, и поток отходящего катодного газа проходит по первой трубе, при этом система, вырабатывающая электрический ток, также содержит третью трубу, по которой проходит поток отходящего анодного газа, причем часть третьей трубы размещена внутри первого теплообменника.

61. Система по п.51, содержащая также, по меньшей мере, один второй теплообменник, вмещающий вторую часть первой трубы и второй трубы, и в которой система газовой турбины включает, по меньшей мере, две турбины с детандером, и вторая труба устанавливает сообщение между первым теплообменником, вторым теплообменником и двумя турбинами с детандерами.

62. Система по п.51, в которой топливный элемент содержит топливный элемент из твердого оксида или топливный элемент из расплавленного карбоната, система подачи топливного газа содержит первый вращающийся модуль адсорбции с использованием разности давлений для подачи потока газа, обогащенного кислородом, на входное отверстие катода топливного элемента, и второй вращающийся модуль адсорбции с использованием разности давлений для подачи потока газа, обогащенного водородом, на входное отверстие анода топливного элемента, и система газовой турбины соединена с первым вращающимся модулем адсорбции с использованием разности давлений и вторым вращающимся модулем адсорбции с использованием разности давлений.

63. Система по п.51, в которой система подачи топливного газа содержит модуль разделения газа, который выполнен с возможностью выработки потока обогащенного топливом газа для подачи на вход топливного элемента.

64. Способ получения, по меньшей мере, одного потока обогащенного топливом газа, по меньшей мере, на один топливный элемент, работающий при температуре, по меньшей мере, приблизительно 250°С, включающий создание разности давлений в потоке газа, содержащего топливо, в условиях, достаточных для отделения потока обогащенного топливом газа от потока газа, содержащего топливо, введение потока обогащенного топливом газа в топливный элемент, передачу тепла из топливного элемента рабочей среде регенерации тепла, и введение рабочей среды регенерации тепла, по меньшей мере, в один агрегат для создания разности давлений.

65. Способ по п.64, в котором создание разности давлений включает адсорбцию с использованием разности давлений, поток газа, содержащий топливо, содержит воздух, поток обогащенного топливом газа содержит поток газа, обогащенного кислородом, и агрегат содержит газовую турбину.

66. Способ по п.64, в котором передача тепла включает передачу тепла от потока отходящего газа, по меньшей мере, одного топливного элемента рабочей среде регенерации тепла.

67. Способ по п.65, в котором рабочую среду регенерации тепла расширяют при введении в газовую турбину для приведения в действие компрессора или насоса, вырабатывающего разность давлений.

68. Способ получения, по меньшей мере, одного потока обогащенного топливом газа, по меньшей мере, на один из топливных элементов, топливный элемент из расплавленного карбоната или топливный элемент из твердого оксида, включающий создание разности давлений в потоке газа, содержащего топливо, в условиях, достаточных для отделения потока обогащенного топливом газа от потока газа, содержащего топливо, введение потока, обогащенного топливом газа в топливный элемент, передачу тепла из топливного элемента рабочей среде регенерации тепла, и введение рабочей среды регенерации тепла, по меньшей мере, в один агрегат для создания разности давлений.

69. Способ получения потока газа, обогащенного кислородом, по меньшей мере, на один из топливных элементов, к топливному элементу из расплавленного карбоната или топливному элементу из твердого оксида, включающий обеспечение первого модуля адсорбции с использованием разности давлений, который может вырабатывать поток газа, обогащенный кислородом, для подачи на топливный элемент, обеспечение системы газовой турбины, соединенной с первым модулем адсорбции с использованием разности давлений, и циркуляцию потока рабочей жидкости регенерации тепла через систему газовой турбины, в которой часть потока рабочей среды регенерации тепла расположена рядом с потоком отходящего газа, по меньшей мере, одного топливного элемента.

70. Способ по п.69, в котором система газовой турбины содержит, по меньшей мере, один детандер, соединенный с компрессором или насосом, и рабочая среда регенерации тепла вводится в детандер.

71. Способ по п.69, включающий также нагрев потока газа, обогащенного кислородом, перед подачей на топливный элемент путем расположения части потока газа, обогащенного кислородом рядом, по меньшей мере, с одним потоком, потоком рабочей среды регенерации тепла или потоком отходящего газа топливного элемента.

72. Способ по п.69, включающий также обеспечение второго модуля адсорбции с использованием разности давлений, который может вырабатывать поток газа, обогащенного водородом, для подачи на топливный элемент, в котором систему газовой турбины также соединяют со вторым модулем адсорбции с использованием разности давлений.

73. Система, вырабатывающая электрический ток, содержащая, по меньшей мере, один топливный элемент, топливный элемент из расплавленного карбоната или топливный элемент из твердого оксида, и модуль адсорбции с использованием разности давлений, соединенный с топливным элементом, который может вырабатывать водородосодержащий газ для подачи на топливный элемент, причем модуль адсорбции с использованием разности давлений содержит первый адсорбент и, по меньшей мере, один второй материал, выбранный из второго адсорбента и катализатора конверсии с водяным паром или катализатора реакции конверсии водяного газа.

74. Система по п.73, в которой первый адсорбент преимущественно адсорбирует углекислый газ по сравнению с водяным паром.

75. Система по п.74, в котором модуль адсорбции с использованием разности давлений включает, по меньшей мере, одну первую зону и, по меньшей мере, одну вторую зону, при этом первая зона включает первый адсорбент.

76. Система по п.75, в которой первый адсорбент содержит активированный щелочью материал, а катализатор содержит Cu - ZnO, карбонильный комплекс переходного металла, или катализатор, содержащий металл из группы переходных металлов, введенный в клетку цеолита.

77. Система по п.75, содержащая также третью зону, которая включает, по меньшей мере, один осушитель.

78. Система по п.74, в которой катализатор включен, по меньшей мере, в одну из зон, первую зону или вторую зону.

79. Система по п.80, в которой активированный щелочью материал выбран из оксида алюминия, пропитанного карбонатом калия, гидротальцита, активированного карбонатом калия, и их смесей.