CN100449841C - 零排放或低排放和共生产型能量供应站 - Google Patents

零排放或低排放和共生产型能量供应站 Download PDF

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Abstract

私用和轻型商用运输车辆的选择趋势是可以达到零排放的电动或燃料电池车辆。通过一种使用转换装置的现场能量供应系统可以最好地满足这些车辆对电池再充电的电力或运行燃料电池的氢的需求。这一途径可导致对现今的汽车和卡车服务站行业的基础设施进行最小的改变并能够避免对电力行业的正常运转产生任何扰动。该现场氢/电力混合型转化装置是一个重整装置和/或一个燃料电池。或是满足电池车辆对氢燃料的需求，或是为在电动车辆上使用的电池充电提供电力，该系统的输出可产生变化。该种利用高温固体氧化物燃料电池系统发电的现场分配的能量供应系统和一个用于产生氢的整体式蒸汽重整系统是最理想的途径。一个这样的能量供应系统对CO2的完全收集隔离有所考虑，而同时提高系统效率且充分利用该系统。该CO2的收集特征促进了为现场设备提供零排放/低排放能量供应的商业意识。

Description

零排放或低排放和共生产型能量供应站
技术领域和背景技术
本发明涉及能量供应系统，特别是涉及一种使用能量供应站生产并向使用者例如车辆输送氢和/或电力的能量供应系统。
能量供应站是已知的和现有的。传统的能量供应站是一种独立的站点，其可被构造用于提供可消耗的燃料，例如烃类燃料或氢。另一种选择是，该站点可被构造用于发电。这些类型的站点的一个缺点是它们仅提供单一功能服务，要么是输送燃料，要么是发电。此外，它们不会沿燃料和电力供应链，减少向环境中排放的总量。
此外，与传统以燃烧为基础的能量系统和站点如内燃机或任何在现场的和中央发电厂相关的环境和政治方面所关注的是正在上升的对另一种可选的清洁(如：绿色)类型的能量系统的兴趣。由此，对相对清洁的高性能能量供应站存在一种需求。特别是，一种使用一种或多种类型的化学转化器的改进型低排放站点将代表在该领域中的一个主要进展。此外，一种可以向使用者例如车辆输送氢燃料和/或电力的低排放能量供应站也将代表在该领域中的一个主要进展。
发明内容
根据本发明所述的站点使用一种用于建立零排放/低排放服务站的混合型重整器/燃料电池系统，利用现有燃料输送基础设施而不会加重现有电力基础设施的负担，同时去除了或大大减少了温室排放出的CO2组分，保持环境平衡。传统输送的燃料例如汽油、柴油、天然气、甲醇或沼气被转化成氢和电力，用于零排放/低排放车辆例如燃料电池车辆、电池动力车辆或混合型动力车辆。由该站点产生的过剩的电力可就地利用、在附近利用或被分配到电力网中。
该混合型重整器/燃料电池系统可为一个二合一的既提供氢又提供电力的系统，或者该混合型重整器/燃料电池系统可被构造以提供氢或电力。由于可以被构造以共用重整器子系统和燃料电池子系统间的主要组件，该二合一系统的布置是有利的且该二合一系统的布置能够在基本负载运行中提供多样化的能量服务。这就提供了系统运行的有效性、成本有效性和通用性。该系统主要引人注目之处是其环境优势-SOx、NOx或CO2的零排放，再加上系统资本和运行的经济性。
该混合型系统可以使用一个化学转化器。该化学转化器可以作为一个重整装置运行。当作为蒸汽重整装置运行时，吸热的蒸汽重整反应所用的热能由外部热源通过辐射和/或对流方式提供。由氢、一氧化碳和蒸汽的分子组成物的转移反应产生了氢、二氧化碳和蒸汽的流。使蒸汽冷凝，可从转移反应流中提取出纯氢且可收集二氧化碳用作隔离。通过使用产生能量的零排放/低排放站点，这就解决了全球性变暖的问题。
当化学转化器作为一种部分氧化或自动热量型重整装置运行时，一小部分天然气在有燃烧催化剂和重整催化剂存在的情况下发生氧化，产生氢、二氧化碳、蒸汽和氮的混合物。由于存在来自燃烧加热要求使用的空气中的氮稀释剂，CO2的分离和收集不再容易。
化学转化器也可以作为燃料电池进行运转。当作为燃料电池进行运转时，随着燃料供给例如氢或天然气，产生电力。当使用高温燃料电池时，在没有空气中的氮的稀释作用时燃料流被转化成CO2和蒸汽。在采用冷凝技术分离出蒸汽后，二氧化碳可很容易地被收集、分离或隔离去除。
本发明构成一种混合使用蒸汽重整装置和高温燃料电池的零排放站点，重整装置和燃料电池各自容量取决于二者的热能匹配，其中重整反应是吸热的且燃料电池反应是放热的。结果是，与燃料电池的化学匹配需求相比，该重整装置具有更大的容量。由此，过量的重整过的燃料可被用于其它站点组件，或可被输送至车辆。蒸汽重整与高温燃料电池运行相结合也易于对CO2的收集。
本发明还与构造用于提高全部站点的系统运行效率和通用性的化学转化器相关。该化学转化器可被布置在用于收集转化器产生的热废气以便输送到共生产的下级装置(bottoming device)例如燃气轮机的容器罐中。该下级装置从转化器产生的废热中获取能量，改善了能量系统的效率。下级装置也可以包括例如一种加热、通风或冷却(HVAC)系统。
本发明适应了对清洁能量生产的当前需要，同时适应了为可由电池、氢燃料电池或二者组合之一提供动力的零排放/低排放车辆生产所使用的能量的需要。在本发明之前，已能够在远程中心生产设施中和现有汽车或卡车服务站点现场使用重整工艺生产氢。氢可被用作零排放/低排放车辆例如由氢燃料电池提供动力的车辆的燃料。也可以通过使用电力网进行电解进行氢的生产。该电力网也可被用于为电动车辆的电池充电。这样造成耗费过高，且还会加重电力基础设施的负担。此外，用于生产氢的传统系统会产生不需要的CO2排放。在燃料生产和发电站处的CO2温室气体的持续排放抵消了使用零排放/低排放车辆所取得的效益。以上耗费和相应的排放与通过使用零排放/低排放车辆所取得的节省是相悖的。
在传统的重整工艺包括蒸汽重整、部分氧化重整或自动热重整中，一小部分天然气在有燃烧气体例如空气存在的情况下发生氧化，利用热源为吸热的重整过程提供热量。因此，排放到大气中的排放物总是含有二氧化碳、蒸汽和氮的混合物。将二氧化碳与氮分离不是很容易，由此不能经济地进行隔离。以上所述对于使用煤、天然气或油的现有传统电厂是真实的。
通过提供用于将烃类燃料转化成随后输送给使用者例如车辆的氢和/或电力的能量供应站，本发明实现了前述目标并具有一些优势。该站点包括一个用于处理燃料以形成含二氧化碳的输出介质的化学转化器、一个用于从输出介质中分离出化学组分的分离级、一个与分离级形成流体回路的收集部件，用于收集二氧化碳，和一个用于连接车辆的车辆接口。该车辆接口允许电力和/或氢在车辆和站点之间进行交换。该站点也可被构造用于将氢输送至另一装置，或将能量输送到电力网中。
根据本发明的一方面，该能量供应站包括一个用于在将燃料导入化学转化器前对燃料进行预处理的燃料处理元件。该系统还可包括一个用于在将液体重整剂导入化学转化器前加热和汽化液体重整剂的汽化器，和/或包括一个用于在将燃料导入化学转化器前加热和蒸发燃料的蒸发器。该汽化器可包括一个蒸汽锅炉或一个热回收蒸汽发生器。
根据本发明的另一方面，该能量供应系统可包括一个用于汽化重整剂和蒸发燃料，和/或用于混合燃料与重整剂的混合器。
根据本发明的另一方面，该能量供应系统可进一步包括一个布置在汽化器和混合器之间的第二加热级，用于在将重整剂导入混合器前加热重整剂。
根据本发明的此外另一方面，该化学转化器可包括一个用于在有重整剂存在的情况下重整燃料和用于产生含有氢、水和一氧化碳的输出介质的重整装置。该重整装置将燃料转化成氢和作为其间发生的中间反应的产物的一氧化碳。该重整剂可包括空气、水或蒸汽。在这种布置中的该分离级可适合于单独分离输出介质中的氢、水和二氧化碳。
根据本发明的此外另一方面，该能量供应站进一步包括一个用于在将重整剂导入重整装置前处理重整剂的处理级。该处理级可包括一个去离子器或一个汽化器。该去离子器使用去离子树脂或采用反渗透技术对重整剂进行处理。
根据本发明的此外另一方面，当化学转化器为一个重整装置时，车辆接口被构造用于向车辆输送氢。当化学转化器为一个燃料电池时，车辆接口被构造用于向车辆输送电力。
根据本发明的此外另一方面，该能量供应站可包括一个发电机，该发电机可包括一个燃料电池或一个燃气轮机组件。该发电机可有选择地与车辆接口相连接，用于向车辆输送电力。
根据本发明的此外另一方面，该能量供应站可包括一个用于从输入的燃料或输出介质中除去硫的脱硫装置、一个用于将输出介质中的一氧化碳和蒸汽转化成二氧化碳和氢的低温和/或高温转移反应器、和/或一个用于对输出介质中的氢进行处理的氢处理器。
附图说明
通过以下说明并结合附图对本发明的前述和其它目的、特征和优点进行详细描述，其中相同的参考标号适用于不同视图中的相同组件。以下附图说明了本发明的原理：
图1是根据本发明教导所述的低排放或零排放能量供应站的示意图；
图2是说明在低排放能量供应站中反应物和排放物的工艺流程的示意框图；以及
图3是说明在根据本发明所述的低排放能量供应站中的流体和能量流的示意框图。
具体实施方式
本发明提供一种零排放/低排放能量供应站(ZES)，其适合于主要生产其后输送给或由零排放车辆(ZEV)使用的氢和/或电力，而与此同时，消除或大大降低CO2、SOx和NOx的排放。该种途径利用现有的能源工业基础设施，且对其作很少或未作改变。能量供应站302可适合包括一个或更多的与图1和图2所示的能量系统300相关的组件。
图1示出了根据本发明教导所述的有利于环境的(例如：低排放)能量供应系统300。在此所用术语零排放或低排放意思是包括碳排放(包括CO、CO2和CxHy等)比在该站配售的或消费的烃类燃料的碳含量少50％，最好在25％以下，接近或等于0％最佳的能量供应站。如图所示的系统300包括零排放/低排放车辆304和零排放/低排放能量供应站302。该能量供应站可为任何大小的具有产生所需能量或氢的能力或容量的能量供应站。在此使用的术语“车辆”指的是备种运输工具或方式，包括，但不限于例如汽车、卡车、公共汽车、火车、海船、飞机、宇宙飞船、输送装置等等。根据一个优选实施方式，如图所示的车辆是一种使用耗氢的燃料电池和/或充电电池的机动的燃料电池车辆。美国专利No.5858568和美国专利No.5332630公开了适用于本发明所述用途的车辆的例子，其内容在此作为参考被引用。特别是，美国专利No.5858568公开了与外部能量供应站相连接的机动的燃料电池能量系统的性能。输送装置可以是构造用于储存或输送氢气或电力的任何设备。如图所示的零排放/低排放车辆304可包含一个车辆入口面板306。该车辆入口面板306使零排放/低排放能量供应站302直接与车辆304相连接。
如图所示的零排放/低排放能量供应站302可包括多种组件。根据一个实施例，该能量供应站包括一个适于连通车辆入口面板306的能量供应站车辆接口308。该车辆接口可以是任何允许、能够使或促进能量供应站与车辆304相连接以在此输送氢和/或电力的机械、电气、机电或化学组件。该车辆接口308可有选择地连接一个可选的功率表310和/或一个可选的燃料表312。如图所示的燃料表312测量在能量供应站302和车辆304内的燃料箱之间的燃料量交换量。如图所示的功率表310测量在能量供应站和车辆304之间的电量交换量。根据另一可选实施例，能量供应站302产生的电力可通过功率表310或其他任何适当的构件被用于为电池315充电或静止用途如现场用途、用于邻接住宅区或商业设施，或被提供给当地电网。
如图所示的清洁能量供应站302可进一步包括一个与功率表310相连接的发电机314。该发电机可包括适于产生能量或电力的任何设备，举例来说可包括燃料电池、燃气轮机、蒸汽轮机、IC发电机、下级装置及类似设备。在此使用的术语“下级装置”指的是包括可连接以接收来自另一个能量供应站组件的能量、电力、排放物或热能之中任何一个的任何适当构件。发电机被构造用于产生可通过车辆接口308向车辆304供应的电力。能量供应站302也可以包括一个用于转化在能量供应站中产生的任何电力的变换器327。例如：如果化学转化器是一个燃料电池，那么该变换器可将由此产生的直流电转化为交流电。
该能量供应站302进一步包括一个化学转化器316。该化学转化器316要么为一个重整装置，要么为一个燃料电池，或者是一种使用多个用于提供二者功能的转化器的混合型体系。该化学转化器与分离级318实现流体连接，该分离级318依次与二氧化碳收集装置320实现流体连接。该收集装置可以是任何适于收集和/或储存二氧化碳的装置或设备。该分离级318适用于从由化学转化器316或一些其他系统组件产生的输出介质中除去一种或多种组分。如图所示的化学转化器也可被布置与用于系统启动和在稳态运转期间进行热学控制的热控制装置325实现热学连通。根据化学转化器的功能可将化学转化器定位用以接收水、空气或燃料。该热控制装置与燃料源和空气源实现流体连接。
根据一种实施方式，如图所示的化学转化器316可以是一个燃料重整装置。该重整装置适于接收烃类燃料和重整剂324例如水、空气、蒸汽、氧气或二氧化碳。那些普通技术人员将会认识到水可以蒸汽的形式供给重整装置。该重整装置使用一种催化剂材料以促进烃类燃料向更简单的反应物进行重整。例如：烃类燃料可被催化重整成具有H2O、H2、CO和CO2混合物的输出介质。如图所示的重整装置在有重整剂存在的情况下重整燃料以产生相对较纯的燃料储备。美国专利No.5858314公开了适合在如图所示的能量供应系统300中使用的重整装置的一个例子，其内容在此作为参考被引用。根据一种实施方式，可在系统中使用板状紧凑型重整装置，尽管那些普通技术人员将会认识到也可以使用其它类型的重整装置，包括有传统的反应床和圆筒形重整装置。重整过程所需热量可以通过燃料如烃类燃料发生部分氧化从内部供给或通过热源例如通过热控制装置325、燃料电池或其它生成热量的设备从外部供给。可通过辐射、传导或对流向重整装置供给热量。
如图所示的热控制装置325可包括任何用于连接化学转化器316的挑选出来的构件，用于控制、调节或调整其温度或系统300的其它组件的温度。那些普通技术人员将会认识到热控制装置325可以例如在系统启动后作为加热装置进行运转或在稳态运行期间作为散热或冷却装置进行运转。美国专利No.5338622中提出了一种适当的加热装置的例子，其内容在此作为参考被引用。
当重整装置作为蒸汽重整装置运行时，这是一种优选的操作方式，它接收含有烃类燃料和蒸汽的反应物气体混合物。通过辐射和/或对流从外部提供吸热蒸汽重整反应的热能。这样就使在燃料流中的氢从加热介质中分离出来。该分离级可包括适于单独地从输出介质中去除、分离或隔离水、氢和二氧化碳的一级或多级。在从重整装置输出介质中去除或分离蒸汽如使用冷凝技术之后，也可以通过分离级318从蒸汽中提取氢，而剩下的二氧化碳可被收集、隔离或储存在二氧化碳收集装置320中。通过重整装置生成的重整过的燃料或氢的输出可通过车辆接口308供给到车辆304。另一种选择是，氢可被储存在能量供应站302内的燃料储存装置322中。该燃料储存装置322可以是任何适当的储存组件且可由金属或玻璃纤维成形，或由带聚合物衬里的复合材料制成，例如美国昆腾科技公司生产的IV类TriShield贮罐。
当进行上述蒸汽重整时，不将空气与燃料混合，由此在转化器输出介质中不存在难于除去的氮的副产物。这一点与部分氧化或自动热重整重整装置完全相反，其中一小部分天然气在有燃烧和重整催化剂存在的情况下发生氧化。因此，重整装置产生出氢、二氧化碳、蒸汽和氮的混合物。
那些普通技术人员将会很容易认识到一个处理装置如一个去离子装置或汽化器，可被提供用于在被导入到化学转化器316之前对重整剂324进行预处理。可根据所使用的重整剂的种类或化学转化器316的种类和/或结构选择重整剂处理器。如果重整剂是水，该处理器可使用去离子树脂装置和反渗透装置对重整剂进行处理。
如图所示的分离级318适用于或被构造用于从化学转化器316生成的输出介质中分离或去除一种或多种选出的组分。根据一种实施方式，分离级适用于去除一种或多种组分，以使得在输出介质中留下二氧化碳。然后，剩余的二氧化碳可被捕获和收集到二氧化碳收集装置320内。那些普通技术人员将会很容易认识到二氧化碳可直接从化学转化器排放物中除去，或在去除一种或多种其他排放组分例如氢后，二氧化碳可剩留在排放物中。
分离级318可以是任何适用于或被构造用于从化学转化器的输出介质中分离一种或多种组分的适当级。该分离级可被构造用于从输出介质中分离出氢或二氧化碳。根据大量技术，包括，但不限于化学或物理吸收、吸附、低温蒸馏法、高压液化、隔膜法、酶和分子筛型分离技术等，该分离级可被构造用于从输出介质中分离出氢或二氧化碳。其中一个例子是在水溶液环境中使用酶的技术，即它将CO2和H2O转化成H+和HCO3 -。碳酸氢盐(HCO3 -)具有环境安全性，适于可控处理。
当化学转化器316起到重整装置的作用时，重整过的燃料可被储存在车辆304的燃料储存装置322或储存装置中。该储存装置可包括适当的适于储存或输送氢的储存介质。储存介质也可以指氢在容器中被输送的方式或氢在容器中被输送的状态。可以压缩气体状态(H2)、固态(例如金属氢化物)、液态(例如液体氢化物包括有NaBH4、KBH4和LiBH4)或者液体或冷冻状态(例如液化氢)的形式储存或输送氢。在氢以液态进行储存或输送时可使用任何适当的化学反应，例如通过NaBO2与4H2进行反应生成NaBH4和2H2O。在有任何适当的已知催化剂存在的情况下，氢的释放发生在逆反应方向。由于可以使用现有的汽油储存或输送车辆的实施方式，因此水溶液是一种特别适于储存氢的形式。
能量供应站302还可以包括用于进一步限定燃料或重整过的燃料的设备例如脱硫装置、氢转移反应器、氢过滤器或用于压缩氢的氢压缩器。压缩器可以是机械的、或电化学的压缩器，例如磷酸、碱性或质子交换膜装置。
在运转过程中，混合型能量供应站302能够产生可向车辆304供给的氢和/或电力。当化学转化器是一个重整装置时，该能量供应站包括向重整装置供给重整剂如空气、水或二者都有以及燃料的装置。重整装置输出介质主要含有富氢气体。该输出介质然后经过分离级以分离出一种或多种组分如氢或二氧化碳。随后通过车辆接口308可将氢输送给零排放/低排放车辆304。燃料表312能够测定供给到车辆304的燃料量。氢燃料也能被提供至发电机314，其依次产生电力和排放物。该电力也可以通过车辆接口308供给车辆304。
化学转化器316也可以作为一种电化学装置如燃料电池进行运转。当作为燃料电池进行运转时，该装置消耗燃料和氧化剂以产生电力和高温输出介质。当使用固体氧化物燃料电池时，该燃料流输出介质包括二氧化碳和未被氮稀释的蒸汽。在经过分离级318例如采用冷凝技术从输出介质中除去蒸汽后，剩下的二氧化碳可被收集和储存在收集装置320中。此外，该高温输出介质也可被输送至发电机，依次产生附加的电力。该电力可以通过车辆接口306和/或308供给车辆304。在此使用的术语燃料电池意指包括任何适当的燃料电池，例如在美国专利No.5501781和No.4853100中描述的板状燃料电池，其内容在此作为参考被引用，或者是矩形、正方形或管状燃料电池。该燃料电池可以是熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池或质子交换膜燃料电池之中的一种，最好是固体氧化物燃料电池。
根据另一种实施方式，化学转化器可被布置在用于收集转化器产生的用于输送到发电机或下级装置例如燃气轮机的热废气的容器罐中。美国专利No.5501781中公开和描述了一种适当的适用于装入化学转化器316的容器，其内容在此作为参考被引用。该下级装置从转化器产生的废热中获取能量，改善了能量系统的效率。下级装置也可以包括例如一种加热、通风或冷却(HVAC)系统。
那些普通技术人员将会很容易认识到可以使用任意适当数量的化学转化器、热控制装置、发电机和分离级。根据一个优选实施例，能量供应站302包括一个或多个燃料电池以及一个或多个用于产生氢和电力的重整装置。
本发明的一个重要优势在于能量供应站可以混合方式进行运转，由此产生并向零排放/低排放车辆304供给氢和电力。根据一种实施方式，重整装置产生的重整过的燃料量大于燃料电池所需要的燃料量。因此，过量的重整过的燃料可用于氢的生产。
根据本发明所述的能量供应站302的另一个重要优势在于它推动或促进了零排放/低排放电气或燃料电池车辆的使用。根据本发明所述的该能量供应站302可通过就地转化传统输送燃料向车辆304供给氢和电力。这一途径允许该能量供应站使用或连接现代的基础设施，例如电力供应网、燃料供应卡车及管线。此外，一方面，能量供应站302的现场分配的能量供应系统利用高温燃料电池系统发电和利用蒸汽重整系统产生氢。由于具有较高的系统效率、高系统利用率以及二氧化碳隔离相对容易，因此这些系统是所希望的途径。通过对二氧化碳隔离进行简化，能量供应站促进了零排放/低排放装置的形成和使用。
图2是说明根据本发明教导所述的反应物和输出介质的工艺流程的示意框图。相同的参考标号被用于表示的相同组件。如图所示的系统或能量供应站302是用作对前述系统的某些组件的运转和相互关系进行简单地说明。虽然图中示出多个不同级和组件，系统能够由此具有任意选定数量的组件和布置。如图所示的布置仅为例证性的，而不应被解释为限制性的。以下不再重复前面对不同级和组件进行的说明。如图所示，系统使用了两个化学转化器，即一个燃料电池112和一个重整装置110。
重整剂88如水被引导进入处理级92，且随后被输送至汽化器94处。该汽化器将水加热并将其转化成蒸汽，随后蒸汽被输送至混合器176中。该汽化器可以是蒸汽锅炉或热回收蒸汽发生器。根据一个备选实施例，一个二级加热器可被定位在汽化器94和混合器176之间，以进一步对在被引入混合器176之前排出汽化器的气体重整剂进行加热。将燃料导入处理级96，然后再将其导入混合器176中。在被导入重整装置110之前，重整剂和燃料在混合器176中进行混合。若使用液体燃料和使用蒸汽作为这一过程的热源，该混合器也用作蒸发器。该蒸发器加热并蒸发燃料。重整装置110最好在有重整剂和催化剂存在的情况下将燃料进行重整，生成一种具有H2O、H2、CO、CO2和S中的一种或多种的输出介质。氢和/或输出介质中的其它组分可被导入到燃料电池112中。燃料电池在有氧化剂存在的情况下以电化学方式将重整过的燃料转化成电力，伴随着产生输出介质或主要由H2O和CO2组成的排放物。燃料电池输出介质75可以是能够被输送到下级设备例如燃气轮机74或HVAC级中的高温介质。该下级设备可产生排放物例如氮，且电力可被输送到其它地点或用户。相反地，该下级设备可接收输入介质例如空气，并产生导入到燃料电池112的输出流。该输出流可以是一种被下级设备压缩的介质，或者是一种适于燃料电池处理的输出流出物。从那里可以将由燃料电池产生的电力提取出来，并将其用于所需目的。例如，电力可就地使用、或在附近使用、供给电网402用于正常电力用途或者可被用于为如在电动车辆304中所使用的电池404充电。
于是重整装置110的输出介质可被输送至第二处理级406。该处理级406可以是任何合适的用于处理或限定燃料的处理级，其例子包括脱硫装置。该脱硫装置可使用ZnO从输出介质中吸收或去除硫。于是可将经过处理的输出介质导入另一个处理级412，例如它可包括在有H2O存在的情况下将CO转化成混有CO2的H2的高温和低温转移反应器。高温转移反应器可包括有与输出介质发生化学反应的Fe2O3/Cr2O3材料的反应床，而该低温反应床可包括有与输出介质发生化学反应的CuO/ZnO材料的反应床。在适当位置可提供热交换器，以确保在工艺步骤中达到适当的温度。
系统300进一步包括一个用于从输出介质中除去水的水分离级。例如可使用已知的冷凝技术除水。
零排放/低排放混合型供电站的输出介质通常含有可被导入分离级的H2和CO2。例如，图1中的分离级318将CO2或H2从输出介质中分离出来。根据一种实施方式，该分离级按照任意上述已知技术将氢从输出介质中分离出来。剩留在输出介质中的带有富氢气体的且未被过量不需要的N2稀释的CO2可以很容易地被隔离并被储存在收集装置320中。由于CO2未被排入或发散到环境中，由此就形成了零排放/低排放能量供应站。采用以上蒸汽协助的重整和由高温燃料电池获得废热的技术可简单化CO2的分离。燃料电池运行的剩余氧化剂流中的有利于环境的N2通过下级设备例如燃气轮机74、HVAC级，并被单独排放到周围环境中。
发明所述的零排放系统混合使用以上蒸汽重整器和高温燃料电池，其各自容量取决于二者的热能匹配，以使重整反应是吸热的且燃料电池反应是放热的。结果是，与燃料电池的化学匹配需求相比，该重整装置具有更大的容量。由此，过量的重整过的燃料可被用于氢的生产。蒸汽重整与高温燃料电池运行相结合对CO2的完全收集有所考虑。此外，本发明所述系统在不进行附加燃烧加热的情况下达到了总系统能量的平衡。在该有利于环境的系统中，共生产的电力与氢燃料能的比率约为2∶1。系统300具有的电效率约为45％且化学生产率约为25％，导致系统共生产的效率约为70％。这样就可在能量供应站为电动车辆电池充电、为能量供应站的运行提供必要的电力；为周围商业电力需求提供电力；同时也可在能量供应站为燃料电池车补给燃料提供氢。该系统可在超出设计规范的条件下运行，其中生成一小部分氢重整产物并导致系统效率小于最佳值。另一方面，能量供应站302的超出设计规范的条件可用于产生一定量的电力，其要求增加附加燃烧量以支持重整过程，由此产生相对较低等级的CO2排放。
系统300可装备有用于控制SOx排放的除硫装置，且可被布置以包含一个燃料电池级，该燃料电池级按照电化学原理在1000℃以下运行并消除了在该过程中NOx的形成。
根据本发明所述的能量供应站302的另一个重要优势在于其在不要求附加燃料和空气燃烧组分的情况下达到了总系统能量的平衡。该能量供应站可共用重整装置系统和燃料电池系统二者的组件，并可以在基本负载运行中提供多样化的能量服务。该系统的吸引力在于其在经济型能量供应站布置中所具有的环境优势，例如零排放。
从化学转化器的输出介质中分离出的氢也可通过图2中的处理级416进行处理和/或储存。收集的氢可用于就地消耗或不在现场消耗。例如，氢可被提供给带有氢储罐的燃料电池车辆，或氢可被现场的发电机314使用以产生附加的能量和电力。
图3示出了根据本发明教导所述的能量供应站302的另一个实施例，同时示出了在其中发生的能量和流体流。相同的参考标号被用于表示相同部件。虽然图中示出多个不同级和组件，该能量供应站能够由此具有任意选定数量的组件和布置。如图所示的布置仅为例证性的，而不应被解释为限制性的。以下不再重复前面对不同级和组件进行的说明。如图所示的能量供应站302示出了一个高效率共生产型系统，其包括安置用于在有重整剂和催化剂存在的情况下将输入燃料重整成富氢的输出介质的蒸汽重整器。重整过的燃料的一部分可被导入燃料电池112，与氧化剂反应物如空气发生电化学反应，生成输出排放物和电力428。该重整装置可利用燃料电池废热作为过程热量422进行重整反应。富氢输出介质424的剩余部分可用于其它目的。
如图所示的燃料电池112生成可被导入可选的将排放物转化成旋转能量的燃气轮机总成74的输出排放物。该燃气轮机产生电力428和排放物流，其又被导入到锅炉，例如热回收蒸汽发生器(HRSG)420中。该导入HRSG中的燃气轮机排放物将输入流体430例如水，在其通过时转化成蒸汽426。由HRSG产生的该蒸汽426可被重整装置110利用，用于重整输入燃料。
如图所示的能量供应站302使用燃料电池、重整装置和可选的燃气轮机以构成具有约45％的电效率外加25％的化学效率，导致电学/化学共生产的效率约为70％的能量供应站。如图3所示的这种集成的燃料电池/重整装置系统的性能通过充分利用来自高温燃料电池的废热而得到加强，其中所述高温燃料电池用于为重整装置提供过程热量422和用于重整反应的蒸汽426。
在此所用术语氢的意思是包括富氢的流体或气体，以及可包括任何数量的其它种类的流体、气体或气体种类，例如包括有CO2、CO、H2O以及未经处理或未经重整的燃料的残留气体。
由此可见，本发明有效地实现了在前述说明书中清楚说明的上述目标，由于可在不偏离本发明范围条件下对以上结构进行某些改变，这意味着以上说明书或所示附图中包含的全部内容可被理解为例证性的，且非限制性的。
也可理解为以下权利要求用于覆盖本发明在此所述的一般特征和特殊特征，和落于其间的与语言问题相关的本发明范围的全部陈述。
尽管已对本发明进行了描述，但所要求的新的和需要专利保护的内容如下：

Claims (79)

1、一种用于将烃类燃料转化成用于随后输送给车辆的氢和电力中的至少一种的能量供应站，所述站包括：
一个或多个定位成接收燃料和用于将燃料转化成氢和电力中的至少一种的化学转化器，其中所述一个或多个化学转化器对燃料进行处理以产生含有二氧化碳的输出介质，
一个用于从输出介质中分离出化学组分的分离级，
一个与分离级形成流体回路的收集部件，用于收集二氧化碳，以及
一个与车辆进行连接的车辆接口。
2、一种用于从烃类燃料中生产氢和电力的共生产型能量供应站，所述站包括：
多个定位成接收烃类燃料和用于对燃料进行处理以产生含有二氧化碳的输出介质的化学转化器，所述化学转化器中的至少一个产生氢，并且所述化学转化器中的至少一个产生电力，
一个用于从输出介质中分离出化学组分的分离级，以及
一个与分离级形成流体回路的用于在分配前储存氢的储存部件。
3、根据权利要求1或2所述的能量供应站，其特征在于，烃类燃料包括天然气、煤气、丙烷、石脑油、汽油、柴油、甲醇和沼气之中的一种。
4、根据权利要求1或2所述的能量供应站，其特征在于，其还包括一个用于在将燃料导入至少一个化学转化器前对燃料进行预处理的燃料处理元件。
5、根据权利要求1或2所述的能量供应站，其特征在于，其还包括一个或多个用于在将液体重整剂导入至少一个化学转化器前加热和汽化液体重整剂的汽化器。
6、根据权利要求1或2所述的能量供应站，其特征在于，其还包括一个或多个用于在将燃料导入至少一个化学转化器前加热和蒸发燃料的蒸发器。
7、根据权利要求5所述的能量供应站，其特征在于，所述汽化器包括一个蒸汽锅炉或一个热回收蒸汽发生器。
8、根据权利要求5所述的能量供应站，其特征在于，其还包括一个与汽化器形成流体回路且适用于接收汽化的重整剂和燃料的混合器，所述混合器适用于蒸发燃料以及混合重整剂和燃料。
9、根据权利要求8所述的能量供应站，其特征在于，其还包括一个布置在汽化器和混合器之间的第二加热级，用于在将重整剂导入混合器前加热重整剂。
10、根据权利要求1或2所述的能量供应站，其特征在于，该化学转化器包括一个重整装置且输出介质包括氢、水和二氧化碳，其中，该分离级适合于从输出介质中单独隔离出氢、水和二氧化碳中的至少一种。
11、根据权利要求10所述的能量供应站，其特征在于，其还包括用于向重整装置供给重整剂的装置，该重整装置适于将燃料转化成氢和作为其中发生的中间反应的产物的一氧化碳。
12、根据权利要求11所述的能量供应站，其特征在于，该重整剂是空气、水和蒸汽中的一种。
13、根据权利要求10所述的能量供应站，其特征在于，其还包括一个用于在将重整剂导入重整装置前处理重整剂的处理级。
14、根据权利要求13所述的能量供应站，其特征在于，该处理级包括一个去离子器或一个汽化器。
15、根据权利要求14所述的能量供应站，其特征在于，该去离子器利用去离子树脂和反渗透方式其中之一对重整剂进行处理。
16、根据权利要求1所述的能量供应站，其特征在于，该化学转化器包括至少一个重整装置且输出介质包括氢、水和二氧化碳，其中，车辆接口被构造用于向车辆输送氢。
17、根据权利要求1或2所述的能量供应站，其特征在于，所述化学转化器包括至少一个燃料电池，其中，所述燃料电池产生电力。
18、根据权利要求1所述的能量供应站，其特征在于，所述化学转化器包括至少一个燃料电池，其中，所述燃料电池产生电力，并且其中，所述车辆接口适于在车辆和所述站之间交换电力。
19、根据权利要求17所述的能量供应站，其特征在于，该燃料电池是固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池之中的一种。
20、根据权利要求1或2所述的能量供应站，其特征在于，其还包括一个用于产生电力的发电机。
21、根据权利要求20所述的能量供应站，其特征在于，该发电机包括燃料电池、燃气轮机、内燃机和斯特林发动机组件之中的至少一种。
22、根据权利要求20所述的能量供应站，其特征在于，所述发电机包括一个定位成接收重整装置的氢输出的燃料电池，以便在有氧化剂存在的情况下以电化学方式将氢转化成电能。
23、根据权利要求20所述的能量供应站，其特征在于，该发电机是一个燃料电池，所述燃料电池是固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池之中的一种。
24、根据权利要求20所述的能量供应站，其特征在于，所述发电机与车辆接口相连接，用于向车辆输送电力。
25、根据权利要求1或2所述的能量供应站，其特征在于，其还包括一个用于将由所述化学转化器产生的直流电转化为交流电的变换器。
26、根据权利要求1或2所述的能量供应站，其特征在于，其还包括一个或多个以下装置：
用于从燃料或输出介质中除去硫的脱硫装置，
至少一个用于将输出介质中的一氧化碳和蒸汽转化成二氧化碳和氢的低温和高温转移反应器，以及
用于对输出介质中的氢进行处理的氢处理器。
27、根据权利要求26所述的能量供应站，其特征在于，该氢处理器包括机械压缩器和电化学压缩器中的一种。
28、根据权利要求27所述的能量供应站，其特征在于，该电化学压缩器包括磷酸、碱性和质子交换膜装置中的一种。
29、根据权利要求1或2所述的能量供应站，其特征在于，所述化学转化器的所述输出介质包括蒸汽，其中，所述分离级包括用于将蒸汽从输出介质中冷凝出来的装置，由此将氢和二氧化碳从输出介质中分离出来。
30、根据权利要求1或2所述的能量供应站，其特征在于，所述分离级将氢从输出介质中分离出来。
31、根据权利要求30所述的能量供应站，其特征在于，所述分离级通过物理吸收、吸附、低温蒸馏法、高压液化、隔膜法、酶和CO2的分子筛型分离法中的一种方式将所述氢从所述输出介质中隔离出来。
32、根据权利要求1或2所述的能量供应站，其特征在于，所述分离级包括一个或多个用于形成液态或固态氢化合物以将氢从其中隔离出来的装置；用于冷却化学转化器的输出介质以将氢从其中分离出来的装置；用于给化学转化器的输出介质加压以将氢从其中分离出来的装置；和用于薄膜过滤化学转化器的输出介质以将氢从其中分离出来的装置。
33、根据权利要求1或2所述的能量供应站，其特征在于，其还包括一个用于储存通过所述分离级从输出介质中分离出的氢的储存装置。
34、根据权利要求33所述的能量供应站，其特征在于，其还包括用于在所述储存装置中以压缩气体状态、固态、液态和冷冻状态之一储存所述氢的装置。
35、根据权利要求34所述的能量供应站，其特征在于，其还包括用于在所述储存装置中以液态在化合物NaBH4、KBH4和LiBH4中的至少一种内储存所述氢的装置，这些化合物在有选定催化剂存在的情况下释放氢。
36、根据权利要求1或2所述的能量供应站，其特征在于，其还包括两个或多个化学转化器，所述化学转化器包括一个蒸汽重整装置和一个高温燃料电池，其中，其各自容量取决于燃料电池和重整装置的热能匹配特征，而不需要附加燃烧加热，其中，重整装置进行吸热的重整反应且燃料电池进行放热反应，其中，与燃料电池的化学匹配需求相比，该重整装置具有更大的容量，由此，过量的重整装置产生的重整过的燃料被用于生产氢。
37、根据权利要求1或2所述的能量供应站，其特征在于，其还包括多个化学转化器，其中，所述化学转化器包括一个用于将燃料重整成氢的重整装置和一个用于发电的燃料电池，其中，其生产的电能与氢能之比为2∶1。
38、根据权利要求1或2所述的能量供应站，其特征在于，其还包括多个化学转化器，其中，所述化学转化器包括一个用于将燃料重整成氢的重整装置和一个用于发电的燃料电池，其中，所述站在使用所述重整装置以较低的共生产效率产生较少的氢的第一条件下运转，或者在使用所述燃料电池产生较少的电力的第二条件下运转，由此需要来自燃烧过程的热能以支持重整装置的重整过程，进而达到低CO2的排放水平。
39、根据权利要求2所述的能量供应站，其特征在于，其还包括一个用于在进行处置前收集输出介质中的二氧化碳的收集装置。
40、根据权利要求2所述的能量供应站，其特征在于，所述储存部件包括一个复合的带聚合物衬里的贮罐。
41、一种用于在一站中由烃类燃料共生产氢和电力的方法，包括以下步骤：
使用多个化学转化器通过对燃料进行处理以形成含有二氧化碳的输出介质来共生产氢和电力，其中所述化学转化器中的至少一个产生氢，并且所述化学转化器中的至少一个产生电力，
从输出介质中分离出化学组分，以及
在分配前存储氢。
42、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，该烃类燃料包括天然气、煤气、丙烷、石脑油、汽油、柴油、甲醇和沼气之中的一种。
43、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，其还包括在将燃料导入至少一个化学转化器前对燃料进行预处理的步骤。
44、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，其还包括在将液体重整剂导入至少一个化学转化器前加热和汽化液体重整剂的步骤。
45、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，其还包括在将燃料导入至少一个化学转化器前加热和蒸发燃料的步骤。
46、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，其还包括在将液体重整剂导入化学转化器前汽化液体重整剂的步骤，其中，所述汽化器包括一个蒸汽锅炉或一个热回收蒸汽发生器。
47、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，其还包括将重整剂与燃料进行汽化和混合的步骤。
48、根据权利要求47所述的方法，其特征在于，其还包括提供一个用于汽化和混合重整剂和燃料的混合器，以及在将重整剂导入混合器前加热重整剂的步骤。
49、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，一个或多个化学转化器是重整装置且由此产生的输出介质包括氢、水和二氧化碳，其中，该分离的步骤中包括从输出介质中单独隔离出氢、水和二氧化碳中的至少一种这一步。
50、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，一个或多个化学转化器是重整装置，该方法还包括向重整装置供给重整剂以便将燃料转化成氢和作为其中发生的中间反应的产物的一氧化碳的步骤。
51、根据权利要求44所述的方法，其特征在于，该重整剂是空气、水和蒸汽中的一种。
52、根据权利要求50所述的方法，其特征在于，其还包括在将重整剂导入重整装置前利用一个处理级对重整剂进行处理的步骤。
53、根据权利要求52所述的方法，其特征在于，该处理级包括一个去离子器或一个汽化器。
54、根据权利要求53所述的方法，其特征在于，该去离子器使用去离子树脂和反渗透方式其中之一对重整剂进行处理。
55、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，该化学转化器包括至少一个重整装置且输出介质包括氢、水和二氧化碳，该方法还包括通过车辆接口向车辆输送氢的步骤。
56、根据权利要求41或49所述的方法，其特征在于，所述化学转化器包括至少一个燃料电池，其中，所述燃料电池产生电力。
57、根据权利要求56所述的方法，其特征在于，其还包括提供一个适于在车辆和所述站之间交换电力的车辆接口的步骤。
58、根据权利要求56所述的方法，其特征在于，该燃料电池是固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池之中的一种。
59、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，其还包括提供一个用于产生电力的发电机的步骤。
60、根据权利要求59所述的方法，其特征在于，该发电机包括燃料电池、燃气轮机、内燃机和斯特林发动机组件之中的至少一种.
61、根据权利要求59所述的方法，其特征在于，所述发电机包括一个定位成接收重整装置的氢输出的燃料电池，该重整装置用于在有氧化剂存在的情况下以电化学方式将氢转化成电能。
62、根据权利要求59所述的方法，其特征在于，该发电机是一个燃料电池，所述燃料电池是固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱性燃料电池和质子交换膜燃料电池之中的一种。
63、根据权利要求59所述的方法，其特征在于，所述发电机与车辆接口相连接，用于向车辆输送电力。
64、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，其还包括将由所述化学转化器产生的直流电转化为交流电的步骤。
65、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，其还包括一个或多个
用于从燃料或输出介质中除去硫的脱硫装置，
至少一个用于将输出介质中的一氧化碳和蒸汽转化成二氧化碳和氢的低温和高温转移反应器，以及
用于对输出介质中的氢进行处理的氢处理器。
66、根据权利要求65所述的方法，其特征在于，该氢处理器包括机械压缩器和电化学压缩器中的一种。
67、根据权利要求66所述的方法，其特征在于，该电化学压缩器包括磷酸、碱性和质子交换膜装置中的一种。
68、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所述化学转化器的所述输出介质包括蒸汽，其中，所述分离步骤包括将蒸汽从输出介质中冷凝出来的步骤，由此将氢和二氧化碳从输出介质中分离出来。
69、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所述分离步骤包括将氢从输出介质中分离出来的步骤。
70、根据权利要求69所述的方法，其特征在于，其还包括通过物理吸收、吸附、低温蒸馏法、高压液化、隔膜法、酶和CO2的分子筛型分离法中的一种将所述氢从所述输出介质中隔离出来的步骤。
71、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，通过一个分离级进行所述分离步骤，所述分离级包括一个或多个用于形成液态或固态氢化合物以将氢从其中隔离出来的装置；用于冷却化学转化器的输出介质以将氢从其中分离出来的装置；用于给化学转化器的输出介质加压以将氢从其中分离出来的装置；和用于薄膜过滤化学转化器的输出介质以将氢从其中分离出来的装置。
72、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，其还包括储存从输出介质中分离出的氢的步骤。
73、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，其还包括在一储存装置中以压缩气体状态、固态、液态和冷冻状态之一储存从输出介质中分离出的氢的步骤。
74、根据权利要求73所述的方法，其特征在于，其还包括在所述储存装置中以液态在化合物NaBH4、KBH4和LiBH4中的至少一种内储存所述氢的步骤，这些化合物在有选定催化剂存在的情况下释放氢。
75、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所述化学转化器包括一个蒸汽重整装置和一个高温燃料电池，该方法还包括由燃料电池和重整装置的热能匹配特征确定所述燃料电池和所述重整装置的容量，而不需要附加燃烧加热的步骤，其中，重整装置进行吸热的重整反应且燃料电池进行放热反应，其中，与燃料电池的化学匹配需求相比，该重整装置具有更大的容量，由此，过量的重整装置产生的重整过的燃料被用于生产氢。
76、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所述化学转化器包括一个用于将燃料重整成氢的重整装置和一个用于发电的燃料电池，其中，共生产的电能与氢之比为2∶1。
77、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所述化学转化器包括布置在所述站中的一个用于将燃料重整成氢的重整装置和一个用于发电的燃料电池，其中，所述站在使用所述重整装置以较低的共生产效率产生较少的氢的第一条件下运转，或者在使用所述燃料电池产生较少的电力的第二条件下运转，由此需要来自燃烧过程的热能以支持重整装置的重整过程，进而达到低CO2的排放水平。
78、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，其还包括在进行处置前收集二氧化碳的步骤。
79、根据权利要求41所述的方法，其特征在于，所述存储步骤包括在一个复合的带聚合物衬里的贮罐中储存氢的步骤。
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