CN105121709A - 高效率燃料电池 - Google Patents

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Abstract

具有改善效率的燃料电池装置。该装置包括一个或者多个燃料电池单元110和甲烷化单元200以及控制单元300。燃料电池单元包括水入口111、氢出口112、以及氧出口113。甲烷化单元包括催化剂222、氢入口213、具有第一可控阀门215的碳氧化物入口214、以及甲烷出口216，其中第一燃料电池单元的氢出口耦合到甲烷化单元的氢入口，并且甲烷化单元适配为将氢和碳氧化物转换为甲烷，其中控制单元适配为控制第一可控阀门，以便于获得将氢和碳氧化物转换为甲烷的最佳转换过程。

Description

高效率燃料电池
技术领域
本发明涉及高效率燃料电池，并且具体涉及包括催化剂分段的燃料电池，该催化剂分段具有用于甲烷化过程的碳氧化物反馈。
背景技术
当被馈送燃料和氧(例如氢和氧)时，燃料电池可以用于生成电。然而，燃料电池还可以以反向的方式操作。在这一情形下，燃料电池可以被馈送电以进行电解过程，以便于从水或水蒸气生成例如氧和氢。当使用处于这一操作模式的燃料电池时，燃料电池可以用于利用过量生成的电并且产生高质量燃料。这一燃料可以例如以比可以存储电的方式容易得多的方式进行存储。具体而言，存储氢比存储等效的电或者电能更容易。此外，可能生成高质量燃料以用于其它用途，像例如加热用途。然而，氢的处理可能产生附加的问题，因为压缩氢以便于减少存储体积需要高压力。此外，使用氢作为燃料可能引起严重的安全问题，因为氢在特定环境下可能极具爆炸性。因此，可以通过甲烷化过程的方式将氢转换为甲烷。以此方式，氢可以被转换为甲烷，使得此甲烷可以被馈送到公共燃料或者气体网。例如，在韩国专利申请号10-0814156或者韩国专利申请号10-1093674中描述了这种过程。US2004/0202914描述了具有反应器管件的燃料电池装置，该反应器管件包括用于甲烷化过程的催化剂。反应器管件在燃料电池的下游并且由导管连接。热量交换器被设置在燃料电池和反应器管件之间。DE102011088613描述了具有用于控制燃料电池的内部致动器的燃料电池。EP2540388描述了用于操作甲烷化反应器的方法和甲烷化反应器。基于以上方面，可以有利的是，使燃料电池装置具有比现有技术燃料电池装置更高的效率。
发明内容
根据独立权利要求的主题，本发明提供了高效率燃料电池和用于操作该高效率燃料电池的方法、对应的程序元件、以及计算机可读介质。其它实施例被并入在从属权利要求中。
应该注意的是，下面描述的本发明的示例性实施例还适用于设备、高效率燃料电池、方法、程序元件、以及计算机可读介质。
根据示例性实施例，提供了包括第一燃料电池单元、甲烷化单元、以及控制单元的燃料电池装置，其中第一燃料电池单元包括用于将水转换成氢和氧的活性部分、水入口、氢出口、以及氧出口，其中甲烷化单元包括催化剂、氢入口、具有第一可控阀门的碳氧化物入口、以及甲烷出口，其中第一燃料电池单元的氢出口耦合到甲烷化单元的氢入口，其中甲烷化单元适配为将氢和碳氧化物转换为甲烷，其中控制单元适配为控制第一可控阀门，以便于获得将氢和碳氧化物转换为甲烷的经优化的转换过程。
因此，可能控制向甲烷化单元的碳氧化物馈送，以便于获得经优化的转换过程。特别地，当控制向甲烷化单元的碳氧化物馈送时，燃料电池的效率、特别地甲烷化过程的效率可以显著地增加。应该注意的是，碳氧化物可以是或者包括一氧化碳或者二氧化碳。此外，应该注意的是，水入口意指燃料电池单元可以被馈送水，该水包括气态形式的水，像水蒸气。燃料电池单元可以具有负极、正极、以及在负极和正极之间的膜。第一燃料电池单元的氢出口耦合到甲烷化单元的氢入口可以通过在第一燃料电池单元和甲烷化单元之间的共同接口来实现。应该注意的是，氢出口不应该排他地理解为所体现的器件，而是可以连同甲烷化单元的氢入口一起作为功能性接口。特别地，当提供其中第一燃料电池单元被设置为直接邻近甲烷化单元的装置时，可以存在从第一燃料电池单元到甲烷化单元的直接输运，分别用作燃料电池单元的氢出口和甲烷化单元和氢入口。控制单元可以基于例如在燃料电池内或者甲烷化单元内的感测，控制第一可控阀门。特别地，可以感测氢和/或甲烷和/或碳氧化物的浓度，以便于具有控制用于馈送碳氧化物的可控阀门的基础。阀门还可以基于经验数据库进行控制。控制单元可以基于所确定的出口和/或甲烷化单元中的例如一氧化碳和/或二氧化碳和/或甲烷的浓度，控制入口阀门以便于控制碳氧化物(例如一氧化碳和/或二氧化碳)的进入。可以提供传感器以用于确定上述浓度。可以通过马达驱动进行控制。控制过程可以例如控制该过程以便于实现碳氧化物到甲烷的最大转换率。由于甲烷化是催化过程，该过程需要活化能，碳氧化物(例如一氧化碳和/或二氧化碳)的最佳浓度可以依赖于压力和温度而变化。根据示例性实施例，燃料电池装置的甲烷化单元被设置在燃料电池单元旁边，使得允许热量从甲烷化单元转移到燃料电池单元。活性部分可以包括燃料电池正极、燃料电池负极、以及在它们之间的膜。水入口、氢出口、以及氧出口可以与包含活性部分的体积连通。氢入口、碳氧化物入口、以及甲烷出口可以与包含催化剂的体积连通。
因此，在甲烷化单元中生成的源于放热甲烷化过程的热量可以用于加热燃料电池单元。
根据示例性实施例，甲烷化单元和燃料电池单元共享共同壁体。共同壁体可以允许从甲烷化单元到燃料电池单元的直接热量转移。共同壁体可以是燃料电池体积/腔体和催化剂体积/腔体之间的分离体。共同壁体可以具有用于将氢从燃料电池腔体转移到催化剂腔体的开口。共同壁体可以被设计为具有用于转移氢的多孔区域。多孔区域(特别地多孔区域的多孔性)可以由致动器控制，例如压电致动器。致动器的激活可以由控制单元进行。控制过程可以基于在控制单元中实现的查找表。
根据示例性实施例，燃料电池装置包括燃料电池单元和甲烷化单元以便于允许内部甲烷化过程。这可以通过将燃料电池单元设置在甲烷化单元旁边来提供，特别地当共享允许燃料电池单元和甲烷化单元之间的热量转移的壁体时。甲烷化单元可以进行初级内部甲烷化。换句话说，还可能提供可选的其它后续甲烷化单元，该后续甲烷化单元可以位于包括燃料电池和(初级)甲烷化单元的共同壳体内部或者外部。
根据示例性实施例，燃料电池装置进一步包括多个燃料电池单元，其中之一是第一燃料电池单元，其中每个燃料电池单元包括水入口、氢出口、以及氧出口，其中甲烷化单元包括多个碳氧化物入口，每个碳氧化物入口具有可控阀门，其中多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元的氢出口耦合到甲烷化单元的氢入口，其中控制单元适配为控制多个可控阀门，以便于获得将氢和碳氧化物转换为甲烷的经优化转换过程。
因此，可能考虑甲烷化单元中甲烷的局部变化的浓度，并且根据甲烷和/或氢和/或碳氧化物的局部浓度来控制碳氧化物的反馈或者甚至前馈。因此，适当量的碳氧化物可以被反馈或者前馈到甲烷化单元的多个碳氧化物入口中的相应碳氧化物入口，从而可以在甲烷化单元内执行碳氧化物、甲烷和/或氢的浓度的适配控制。特别地，如上文已经描述的，多个燃料电池单元的多个氢出口可以直接输运到甲烷化单元的氢入口中。甲烷化单元的氢入口可以在甲烷化单元的一定范围之上延伸，该范围对应于邻近于甲烷化单元的多个燃料电池单元的延伸。应该注意的是，甲烷化单元的氢入口可以是包括燃料电池单元和甲烷化单元之间的多个导管的装置，但是还可以是接收燃料电池单元的多个氢出口的共轨氢入口。
根据示例性实施例，甲烷化单元包括多个甲烷化子分段，其中每个甲烷化子分段被分配到多个燃料电池单元之一，其中每个甲烷化子分段包括多个碳氧化物入口之一，每个碳氧化物入口具有可控阀门。
因此，在燃料电池装置的某些分段中，可以建立燃料电池单元和相应甲烷化子分段之间的一一对应，这可以简化对整个甲烷化单元中的甲烷化过程的控制。然而，应该注意的是，还可能将两个或者更多燃料电池单元分配到一个甲烷化子分段，或者将两个或者更多甲烷化子分段分配到燃料电池单元。应该注意的是，还可能的是，燃料电池单元的数目和甲烷化子分段的数目没有对应性。
根据示例性实施例，甲烷化单元包括至少一个加热元件。
当增加温度时，可以加速甲烷化过程。特别地，当使用低温类型的燃料电池单元时，一个或多个燃料电池单元的热量生成可能不足以获得经优化的甲烷化过程。加热元件可以提供甲烷化单元中所需要的温度以便于优化甲烷化过程。应该注意的是，多个加热元件可以用于提供沿着甲烷化单元的延伸的相应温度分布，以便于通过局部控制甲烷化单元中的操作状况，来控制甲烷化过程。应该注意的是，特别地，当使用高温燃料电池单元时，假设燃料电池单元的温度对于经优化的甲烷化过程而言过高，还可以将冷却元件应用于甲烷化单元。甲烷化是在例如300摄氏度到700摄氏度的高温下的放热反应。催化剂(例如镍)和添加活化能促进反应。原因在于氢的反应慢。分子形式的氢反应慢(惰性)。加热将氢从分子形式转换为原子形式。后者反应更快。活化能的量依赖于压力。1巴(bar)需要100kJ/mol。在更高压力下，活化能的量更小。在例如4bar下，活化能为大约75kJ/mol。
根据示例性实施例，甲烷化单元包括至少一个传感器，用于感测甲烷化单元中的操作参数，其中传感器从组中选取，该组由压力传感器、甲烷传感器、氢传感器、温度传感器、碳氧化物传感器组成，其中控制单元适配为基于传感器的感测来控制阀门。
因此，可以感测甲烷化单元的特定操作状况，以便于提供碳氧化物馈送阀门的控制过程的基础。应该注意的是，特别地，甲烷传感器、氢传感器、和/或碳氧化物传感器可以是能够感测相应媒介(media)的浓度的传感器。应该注意的是，沿着甲烷化单元，可以提供每个类型的多个传感器以便于检测甲烷化单元的操作状况的局部分布，以便于提供用于控制多个碳氧化物馈送阀门的适当基础。
根据示例性实施例，根据感测到的甲烷化单元中的操作参数可控制加热元件。
这允许控制沿着甲烷化单元的延伸的温度分布。
根据示例性实施例，甲烷化单元包括至少一个压力控制阀门，其中该压力控制阀门可以根据感测到的甲烷化单元中的操作参数控制。
因此，不仅可能通过测量馈送到甲烷化单元的碳氧化物，还可能通过控制甲烷化单元内的压力，来控制甲烷化过程。特别地，控制甲烷化单元中的压力可以用于微调甲烷化过程。应该注意的是，还可以沿着甲烷化单元的延伸提供多个压力控制阀门。
根据示例性实施例，甲烷化单元进一步包括至少一个氢残余气体出口。
因此，可能将氢从甲烷化单元取出，特别地未被转换为甲烷的残余氢。残余氢可以被反馈到甲烷化单元。特别地，氢可以被反馈到甲烷化单元的分段，在此处预期或者感测到氢比率低。
根据示例性实施例，多个燃料电池单元中的每个包括负极和正极以及负极和正极之间的燃料电池膜，其中至少一个燃料电池膜包括可控电极装置，并且燃料电池装置进一步包括电极装置控制单元。
因此，可能控制燃料电池电解过程并且在过热状况下快速反应。特别地，可能直接控制膜，并且在燃料电池单元的非常核心的元件处执行控制。这允许对燃料电池单元的控制程序的迅速响应和快速反馈。
应该注意的是，电极装置可以是多个电极装置，例如栅格或者具有水平栅格与竖直栅格交叉的图案。应该注意的是，水平栅格和竖直栅格可以被远离地设置以便于隔离。电极装置可以被设置在膜的表面上或者膜的体积中。还可能在膜的一个侧表面上提供电极装置的一个部分，而在膜的另一侧表面上提供电极装置的其它部分。应该注意，还可以使用备选的控制参数以用于控制燃料电池操作过程，即电解。特别地，可以提供电冲击的备选冲击，像例如光冲击、压力冲击、温度冲击、或者对于控制燃料电池过程而言适当的任何其它冲击。
根据示例性实施例，燃料电池装置包括至少一个di/dt测量单元，其中电极装置控制单元适配为基于所测量的或者所感测的di/dt来控制电极装置。
因此，可能测量电流梯度并且从所测量的或者检测到的或者感测到的电流梯度推断出燃料电池的状况，使得可以通过控制电极装置来适当地控制燃料电池。特别地，当检测到高电流梯度时，像电流的快速增加，迅速地以控制过程做出反应是必要的，以便于避免燃料电池装置的损坏。
根据示例性实施例，甲烷化单元包括涂覆有催化剂的活性壁体表面分段。
因此，可能提供催化剂的简单构造。应该注意的是，活性壁体表面分段可以成褶皱状或者可以以增加表面的方式形成，使得催化剂的活性表面是高的。因此，甲烷化过程可以在效率方面得到改善和增加。
根据示例性实施例，催化剂是从组中选取的固相催化剂材料，该组由镍、氧化铝、氧化锆、贵金属(特别地，铂和铂合金)组成。
特别地，固相催化剂容易处理，并且几何结构在常规基础上保持恒定。特别地，可以避免催化剂的剂量问题。
根据示例性实施例，多个燃料电池单元被堆叠。
因此，可能提供燃料电池装置的紧凑设计，例如具有多个堆叠燃料电池单元以及沿着燃料电池单元的堆叠延伸的甲烷化单元。
根据示例性实施例，燃料电池装置进一步包括矩形壳体，其中每个燃料电池单元具有矩形封套，该矩形封套具有至少一个切削边缘，其中多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元的切削边缘与彼此对应，以便于形成用于管道运输(duct)气体的通道。
因此，可能提供经优化的几何结构。切削边缘可以产生具有例如三角形截面的通道，使得该通道可以被放置为邻近对应的切削边缘、但是在燃料电池装置的矩形壳体内。
根据示例性实施例，燃料电池装置进一步包括矩形壳体，其中每个燃料电池单元具有矩形封套，该矩形封套具有三个切削边缘，其中每个燃料电池单元的三个切削边缘彼此对应，以便于形成用于管道运输气体的至少三个通道，第一通道用于提供水蒸气，第二通道用于氧收集，并且第三通道用于接收甲烷化单元，其中多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元的氢出口耦合到甲烷化单元的氢入口中的至少一个。
因此，在燃料电池装置的矩形壳体内，燃料电池单元的切削边缘提供空间，该空间用于提供用于管道运输气体的通道。特别地，还可能提供在矩形壳体的每个纵向边缘处的四个通道，一个通道用于水蒸气、一个通道用于氧、一个通道用于甲烷化单元、并且一个通道用于残余气体管道。
根据示例性实施例，提供了用于改善具有第一燃料电池单元和甲烷化单元的燃料电池装置的效率的方法，其中第一燃料电池单元包括水入口、氢出口、以及氧出口，并且其中甲烷化单元包括氢入口、碳氧化物入口、第一可控阀门、以及甲烷化出口，其中第一燃料电池单元的氢出口耦合到甲烷化单元的氢入口，其中甲烷化单元适配为将氢和碳氧化物转换为甲烷，该方法包括步骤：控制第一可控阀门，以用于控制向甲烷化单元的碳氧化物馈送，以便于获得将氢和碳氧化物转换为甲烷的最佳转换过程。
特别地，应该注意的是，还可以沿着甲烷化单元提供多个可控阀门，使得可以控制碳氧化物浓度的局部分布，以便于在甲烷化单元的每个位置处具有最优化。
根据示例性实施例，提供了程序元件，当由处理器执行该程序元件时，其适配为执行上述方法。
根据示例性实施例，提供了存储了上述程序元件的计算机可读介质。
本发明的这些和其它方面将参照下文描述的实施例进行阐述并且从中变得显而易见。
附图说明
将在下面参照附图描述本发明的示例性实施例。
图1图示了根据本发明的示例性实施例的将电能转换为甲烷的过程的示意性概览。
图2图示了根据本发明的示例性实施例的具有受控的碳氧化物馈送的燃料电池装置的示意性概览。
图3图示了根据本发明的示例性实施例的在甲烷化单元中附加地具有甲烷出口的燃料电池装置。
图4图示了根据本发明的示例性实施例的在甲烷化单元中具有附加的压力控制阀门的燃料电池装置。
图5图示了根据本发明的示例性实施例的在甲烷化单元中具有附加的加热元件的燃料电池装置。
图6图示了根据本发明的示例性实施例的具有燃料电池单元结构以及甲烷化单元中的加热元件和碳氧化物控制阀门的燃料电池装置的示意性概览。
图7图示了根据本发明的示例性实施例的燃料电池装置的示意性概览，该示意性概览图示了燃料电池单元结构和甲烷化单元中的附加的压力控制阀门。
图8图示了根据本发明的示例性实施例的燃料电池装置的示意性概览，该示意性概览图示了具有膜中的控制电极装置的燃料电池单元结构、甲烷化单元中的加热元件和碳氧化物控制阀门。
图9图示了根据本发明的示例性实施例的燃料电池装置的示意性概览，该示意性概览图示了具有电极装置的燃料电池单元结构和甲烷化单元中的附加的压力控制阀门。
图10图示了根据本发明的示例性实施例的具有堆叠的燃料电池单元的燃料电池装置的总体构成，以及甲烷化单元关于燃料电池单元堆叠的输入和输出的相互关系。
图11图示了根据本发明的示例性实施例的实现了甲烷化单元和用于氢和碳氧化物的反馈线路的燃料电池装置的示意性概览。
图12图示了具有分配到的甲烷化子分段的堆叠燃料电池单元的总体结构。
图13图示了包括阀门、控制路径、以及像泵和管道那样的二级元件的甲烷化单元的相应输入和输出的示意性概览。
图14a至图14h图示了在燃料电池单元110旁边的甲烷化单元200的各种几何结构。
具体实施方式
图1图示了通过电解的方式将电能转换为来自水的氢和氧的过程、以及之后的通过使用电解的氢输出的甲烷化过程的示意性概览。由于甲烷化，产生了甲烷(CH4)，其可以用于甲烷存储用途。水借由燃料电池水入口或者水蒸气入口111被馈送到燃料电池110。水通过电解的方式并且通过输入电能被分裂开成为氧和氢。氧被供应到燃料电池氧输出或者出口113，并且氢通过燃料电池氢出口112被输出。燃料电池将电能转换为加热能量WE，该加热能量被用作用于甲烷化过程的过程能量。当通过氢出口112离开电解/燃料电池单元110时，氢通过甲烷化单元氢入口212进入甲烷化单元200。甲烷化所需要的碳通过碳氧化物入口214提供，使得氢和碳氧化物在催化剂的支持下被转换为甲烷。图1的方案图示了，不仅甲烷离开了燃料电池装置，而且水(通常为蒸气)和氢也离开燃料电池装置。总体原理是使用燃料电池单元的热能为甲烷化过程提供加热能量，并且通过控制碳氧化物的输入来控制甲烷化过程。应该注意的是，碳氧化物可以是一氧化碳以及二氧化碳。燃料电池装置(特别地，燃料电池单元)的温度可以在大约100摄氏度直到大约1000摄氏度甚至更高的范围内。
图2图示了具有燃料电池单元110和甲烷化单元200的燃料电池装置1的构成。燃料电池装置1可以具有用于管道运输气体(像水蒸气、氧、氢等)的通道或者管道。图2的左侧图示了具有甲烷化单元200和燃料电池单元110的燃料电池装置1的截面图，燃料电池单元110具有燃料电池水蒸气入口111和氧输出113。在燃料电池壳体2中提供了燃料电池单元110以及甲烷化单元200以及管道或者通道。在右侧，以放大图图示了甲烷化单元200。氢通过燃料电池氢出口112离开燃料电池单元110，并且通过氢入口212进入甲烷化单元200。应该注意的是，氢出口112和氢入口212不强制要求所体现的管道结构，而是还可以被认为是从燃料电池单元110和甲烷化单元200的直接输运。氢进入甲烷化单元200，并且甲烷化单元200由燃料电池单元的热能加热，热能源于电能的输入和电解过程。此外，甲烷化单元200通过碳氧化物入口214被馈送以碳氧化物，然而碳氧化物的量可以由碳氧化物入口阀门215控制。对碳氧化物阀门215的控制可以通过将控制单元300耦合到阀门215来执行。甲烷化单元内的热量以及其可以被提供在甲烷化单元的壁体表面分段上的催化剂将碳氧化物和氢转换为甲烷，然而碳氧化物中的剩余氧连同残余氢一起转换为水(可能以蒸气形式)。甲烷通过甲烷出口216离开甲烷化单元。图2图示了实施例，其中燃料电池单元的热量足够用于操作甲烷化单元200中的甲烷化过程，从而不需要其它热量。
燃料电池装置的甲烷化单元200被设置在燃料电池单元110旁边，使得允许从甲烷化单元到燃料电池单元的热量转移。在甲烷化单元200中生成的源于放热甲烷化过程的热量可以用于加热燃料电池单元110。甲烷化单元200和燃料电池单元110共享共同壁体150。共同壁体150可以允许从甲烷化单元到燃料电池单元的直接热量转移。共同壁体150可以是燃料电池体积/腔体110和催化剂体积/腔体200之间的分离体。共同壁体150可以具有用于将氢从燃料电池腔体转移到催化剂腔体的开口。共同壁体可以被设计为具有用于转移氢的多孔区域。多孔区域(特别地，多孔区域的多孔性)可以由致动器(例如压电致动器)控制。致动器的激活可以由控制单元进行。控制过程可以基于在控制单元中实现的查找表。共同壁体150可以具有永久多孔的多孔分段，从而允许输运基础量的氢，并且同时可以具有阀门控制的导管以用于控制附加量的氢。因此，最小量的氢可以永久输运，并且附加的量可以经由阀门由控制单元来控制。燃料电池装置可以包括燃料电池单元和甲烷化单元，以便于允许燃料电池装置内的内部甲烷化过程。这可以通过将燃料电池单元设置在甲烷化单元旁边来提供，特别地当共享允许燃料电池单元和甲烷化单元之间的热量转移的壁体时。甲烷化单元可以进行初级的内部甲烷化。换句话说，还可能提供可选的其它后续甲烷化单元，该后续甲烷化单元可以位于包括燃料电池和(初级)甲烷化单元的共同壳体内部或者外部。
图3图示了与图2的装置相似的装置。对应的元件用对应的附图标记表示，并且将不再进一步详细描述。图3和图2之间的区别在于提供了加热元件217，其可以被提供在甲烷化单元200内。如果燃料电池单元为低温燃料电池单元并且热能不足以操作甲烷化单元200中的甲烷化过程，则可能需要由加热元件217提供的附加热量。为这一目的，附加的加热元件217被提供在甲烷化单元内。以相同方式，进入氢入口212的氢连同所馈送的碳氧化物一起将被转换为甲烷，该甲烷可以通过甲烷出口216离开甲烷化单元。碳氧化物可以通过碳氧化物入口214馈送，并且由阀门215和控制单元300控制。应该理解的是，碳氧化物可以借由喷嘴(nozzle)装置(其未示出并且未进一步详细描述)分布在甲烷化单元内。甲烷化单元200可以具有活性催化剂壁体表面分段222，活性催化剂壁体表面分段222可以涂覆有催化剂，如将参照图4描述的那样。应该注意的是，即使未参照剩余附图明确描述，图2和图3等中的甲烷化单元200也可以提供有其可以涂覆有催化剂的甲烷化单元活性壁体表面分段。
图4图示了相似于图2和图3的实施例的进一步示例性实施例。除了图2的结构，图4图示了提供压力控制阀门219以控制甲烷化单元内200的压力。压力控制阀门也可以由控制单元300控制，从而控制单元300可以控制碳氧化物馈送阀门215以及压力控制阀门219。相似于图2和图3中的结构，进入氢入口212的氢和通过碳氧化物入口214提供的碳氧化物将被转换为甲烷，该甲烷可以通过甲烷出口216离开甲烷化单元200。应该注意的是，水蒸气也可以通过甲烷出口216离开甲烷化单元。不过，水蒸气还可以通过单独出口(其未示出并且未进一步详细描述)离开甲烷化单元200。图4涉及高温燃料电池单元，从而可以避免加热元件。然而，应该理解的是，如果热量不足够，对于高温燃料电池单元，也可以提供一个或者多个附加的加热元件。甲烷化单元200包括活性壁体表面分段222，该活性壁体表面分段可以涂覆有催化剂。活性壁体表面可以是腔体的内表面，该腔体形成了甲烷化单元。活性壁体表面分段可以成褶皱状，从而增大了活性壁体表面分段的有效表面。特别地当使用壁体表面分段作为催化剂的载体或者基板时，增大的表面可以增加催化过程的效率。典型的催化剂可以是固相催化剂，像镍、氧化锆、氧化铝、或者像铂、金那样的贵金属和贵金属合金等。
图5图示了像上面的图2至图4那样的相似结构。相同的元件用相同的附图标记表示，并且将不再进一步详细描述。相比于图4，图5附加地包括加热元件217，以用于加热甲烷化单元200。通常，图5中的结构包括低温类型的燃料电池单元，使得甲烷化过程所需要的附加热量将由加热元件217提供。然而，应该注意的是，如果温度足够高，即使使用了低温燃料电池单元，也可以省略加热元件217。与图4一致，甲烷化单元被提供有压力控制阀门219，该压力控制阀门(以及碳氧化物馈送阀门215)可以由控制单元300控制。
应该注意的是，阀门、传感器、泵、控制线加热器等可以在图2至图5以及图13所示的甲烷化单元内多次提供。换句话说，阀门、传感器、泵、控制线加热器等的所示集合中的每个可以被提供用于被设置为邻近甲烷化单元200的燃料电池单元110中的每个燃料电池单元。控制单元300可以单独控制阀门或者阀门的相应组中的每个阀门，以便于考虑多个燃料电池单元110中的每个燃料电池单元的不同状况。因此，可以控制燃料电池单元中的每个燃料电池单元，以便于实现甲烷化单元中的碳氧化物的最佳浓度和甲烷的最大增益。
图6图示了燃料电池装置的示意性概览，其中相对于其总体构成，更详细地图示了燃料电池单元。图6中的甲烷化单元200相似于图3的甲烷化单元。燃料电池单元包括燃料电池负极114、燃料电池膜115、以及燃料电池正极118。正极、膜以及负极形成燃料电池的活性部分，用于将水转换为氢和氧，或者用于将氢和氧转换为水，这依赖于燃料电池的操作模式。此外，可以提供气体分布板，其用120表示。气体分布板用于使所馈送的气体(特别地，水蒸气、氧、或者氢)差不多相等地分布。如图6中可以看到的，燃料电池装置可以进一步提供有电流梯度测量单元119，该电流梯度测量单元可以检测di/dt以便于检测燃料电池单元的操作状况。A表示电流传感器，并且V图示电压传感器。Z图示负载。
图7图示了与图6所示的相似的结构，然而具有附加的压力控制阀门219。压力控制阀门219以及碳氧化物控制阀门215由控制单元300控制。燃料电池单元110的构成相似于图6的燃料电池单元的构成，并且因此将不再进一步详细描述。
图8和图9对应于图6和图7中的结构。图8中的甲烷化单元与图6中的甲烷化单元相同，并且图9中的甲烷化单元与图7中的甲烷化单元相同。因此，相应甲烷化单元将不再参照图8和图9进一步详细描述。图8和图9图示了对燃料电池单元110的进一步修改，该燃料电池单元可以具有燃料电池膜控制电极116。燃料电池控制电极116可以由燃料电池膜控制电极控制单元117控制。电极116可以用于对燃料电池单元的迅速和快速控制，因为电极116直接作用在燃料电池的核心元件(即膜)中或者直接作用在燃料电池的核心元件(即膜)上。即使电极16被图示为在膜内部，应该理解的是，电极还可以被提供在膜表面的旁边，或者在膜的表面上。电极116可以例如是栅格电极(gridelectrode)，或者例如其可以由控制单元117单独控制的分立的水平和竖直电极。甚至竖直或者水平栅格的单个竖直接线或者导体条带可以被单独控制，以便于局部地控制膜。控制单元117可以基于检测到的电流梯度或者检测到的温度来控制电极装置116，该感测信息可以分别来自于梯度传感器119或者温度传感器。应该注意的是，控制单元117可以与控制单元300功能性连接，以便于从属地控制燃料电池单元的操作以及甲烷化单元的控制。
图10图示了在具有水蒸气入口111和氧出口113的壳体2内的燃料电池装置1的进一步示例性实施例。燃料电池装置1可以包括其可以以堆叠方式设置的多个燃料电池单元110。甲烷化单元200可以被提供在壳体2的角落中，该自由空间可以源于燃料电池单元110的对应切削边缘(cut-offedge)。甲烷化单元200在右侧以放大图示出，该放大图图示了多个进一步的元件，像例如参照图3和图5更详细描述的加热元件217。甲烷化单元200可以进一步包括碳氧化物馈送入口，该碳氧化物馈送入口由碳氧化物控制阀门215控制。此外，压力可以在甲烷化单元内借由压力控制阀门219控制。压力控制阀门219和碳氧化物控制阀门215可以由控制单元300控制。甲烷化单元可以进一步具有碳氧化物出口，因为该出口，残余碳氧化物可以离开甲烷化单元200。残余碳氧化物可以被反馈或者前馈到碳氧化物入口，以便于再进入甲烷化单元。应该注意的是，再进入根据甲烷化单元内的碳氧化物的浓度可以在不同位置发生。甲烷化单元可以进一步具有甲烷出口216以及用于残余氢的附加出口220。残余氢也可以被反馈或者前馈到甲烷化单元，例如到达甲烷化单元内的具有较低氢浓度的位置。将参照图11进一步详细描述反馈过程。
图11图示了气体反馈的原理。燃料电池装置1的总体构成与上文所述相似。甲烷化单元200可以具有例如多个氢出口220或者碳氧化物出口221。虽然图示为相同的管道，但是应该理解的是，氢的出口和碳氧化物的出口可以是不同的出口，从而气体的量可以单独控制。然而，图11未进一步详细图示单独控制氢和碳氧化物的可能。在甲烷化单元200的中心处的氢浓度较低，并且碳氧化物的浓度也是如此，并且浓度向着端部分段增加。因此通常，残余氢和碳氧化物的出口在甲烷化单元200的端部分段处，并且入口在甲烷化单元中部。应该注意的是，多个残余氢出口和碳氧化物出口可以不同地控制，使得在甲烷化单元的长度之上可以非常精确地控制浓度。因此，可以非常高效地创建整个甲烷化过程。
图11还图示了通道的位置，该通道由矩形封套的燃料电池单元110的切削边缘形成。对应的切削边缘形成通道3、3a、3b、3c，以用于接收气体管道。燃料电池单元的对应切削边缘121a形成通道3a以用于管道运输气体，这里为燃料电池水蒸气入口111。切削边缘121b形成通道3b以用于接收氧出口113，并且切削边缘121c形成通道3c以用于接收甲烷化单元200。当然，其它切削边缘可以提供用于接收残余气体管道的附加通道。
图12图示了在壳体2内的燃料电池装置1的结构，其中每个燃料电池单元110被分配到甲烷化单元200的对应子分段210。然而，应该注意的是，如果没有从甲烷化子分段210和相应燃料电池单元110的一一对应，燃料电池装置也可以工作。燃料电池单元110还可以被分配到共同甲烷化单元200。多个燃料电池单元110可以被设置为燃料电池单元110的堆叠。燃料电池单元110中的每个燃料电池单元可以被设置为邻近甲烷化单元200。多个燃料电池单元110中的每个燃料电池单元可以与甲烷化单元共享共同壁体。甲烷化单元200可以被设计为催化剂子分段210的堆叠。催化剂子分段210中的每个催化剂子分段可以像如之前参照图2至图10以及图13中任一者所描述的甲烷化单元200那样来设计。因此，整个甲烷化单元200可以具有多个：甲烷化单元氢入口212、甲烷化单元氢入口213、甲烷化单元碳氧化物入口214、碳氧化物入口阀门215、甲烷化单元甲烷出口216、甲烷化单元加热单元/元件217、甲烷化单元传感器218、催化剂压力控制阀门219、甲烷化单元残余氢气出口220、甲烷化单元残余碳氧化物气体出口221、甲烷化单元活性壁体表面分段或者催化剂222、甲烷化单元氢残余气体控制阀门232、甲烷化单元甲烷控制阀门233、氢残余气体泵浦单元/压力梯度生成器242、甲烷泵浦单元/压力梯度生成器243、压力控制泵浦单元/压力梯度生成器244、碳氧化物馈送泵浦单元/压力梯度生成器245、以及碳氧化物残余气体泵浦单元/压力梯度生成器246。应该注意的是，上述阀门、入口、出口、泵、或者生成器中的一些可以为甲烷化单元200提供一次或者多次。
在图10至图12的装置中，多个燃料电池单元110中的每个燃料电池单元的氢出口112耦合到甲烷化单元200的氢入口212中的至少一个氢入口。
此外，图13进一步详细地图示了甲烷化单元的元件。再次，具有相同功能的元件用相同附图标记表示，如上文所述，并且将不会进一步详细描述。除了氢输入212和加热分段217之外，入口和出口可以被提供有控制阀门、以及例如用于提供流或者增加压力的设备(像泵)。特别地，碳氧化物入口214可以被提供有碳氧化物控制阀门215，并且可以通过碳氧化物泵245来增加碳氧化物的压力。还有，来自残余碳氧化物出口221的残余碳氧化物可以通过碳氧化物泵246反馈。应该注意的是，除了或者代替泵245和泵246中的一个或者两个，可以在碳氧化物控制阀门215之前或者之后直接提供共同泵。碳氧化物残余输出221可以被提供有碳氧化物过滤器256，以便于保证仅碳氧化物以计划方式离开甲烷化单元200。以相同方式，残余氢出口220可以被提供有氢过滤器252以保证仅氢通过氢出口220离开甲烷化单元。氢控制阀门232可以用于控制氢的量。出口可以由氢泵242支持。还有，甲烷出口216可以被提供有甲烷过滤器253，并且甲烷的排出量可以由甲烷控制阀门233控制。甲烷的出口可以由甲烷泵243支持。还有，压力阀门219可以与压力泵244共线，以提供相应的压力梯度。应该注意的是，还可以提供感测器件218，该感测器件可以感测甲烷化单元200内的操作状况。传感元件218可以例如感测氢的浓度、甲烷的浓度、碳氧化物的浓度等。感测单元还可以检测甲烷化单元内的压力状况、以及温度。应该注意的是，感测元件218可以包括多个分立传感器，该传感器可以分布在甲烷化单元的延伸之上。应该理解的是，依赖于需要，像温度传感器、压力传感器、碳氧化物浓度传感器、氢浓度传感器、以及甲烷浓度传感器那样的好几种传感器可以沿着甲烷化单元的延伸分布，以便于关于甲烷化单元的若干操作参数来获得对操作状况的完整印象。例如阀门215、219、232、233的若干阀门的控制可以由控制单元300控制。还有，泵242、243、244、245、246可以由控制单元300控制。应该注意的是，碳氧化物浓度可以由相应传感器直接感测，或者可以由例如控制单元300基于甲烷化单元(尤其是包含催化剂的体积)内的传感器的传感信号来确定。
控制单元可以控制入口阀门215，以便于基于所确定的出口中和/或甲烷化单元中的例如一氧化碳和/或二氧化碳和/或甲烷的浓度，来控制碳氧化物(例如一氧化碳和/或二氧化碳)的进入。可以提供传感器218以用于确定上述浓度。控制可以由马达驱动进行。控制过程可以例如控制该过程以便于实现碳氧化物到甲烷的最大转换率。由于甲烷化是催化过程，该过程需要活化能，碳氧化物(例如一氧化碳和/或二氧化碳)的最佳浓度可以依赖于压力和温度而变化。控制单元300可以具有包括在内的以数值形式或者算法形式的查找表。查找表可以具有包括在内的一方面温度、压力、一氧化碳浓度、二氧化碳浓度中的至少一个和另一方面传感器信号之间的关系。假设碳氧化物的浓度过低，控制单元可以激活入口阀门216，从而馈送附加的碳氧化物。假设浓度过高，控制单元300可以激活出口阀门219，从而释放气体。
图14图示了在燃料电池单元110旁边的甲烷化单元200的各种几何结构。应该理解的是，图14的种类中的每种还可以由以堆叠方式设置的多个燃料电池单元110来实现，其中燃料电池单元110中的每个燃料电池单元与甲烷化单元200共享共同壁体分段。在图14中，仅示出了一个燃料电池单元，即第一燃料电池单元，该第一燃料电池单元遮盖了图14中的其它燃料电池单元。图14a图示了将甲烷化单元200设置在(多个)燃料电池单元110的一侧旁边的实施例。图14b图示了将两个甲烷化单元200设置在(多个)燃料电池单元110的两个不同壁体分段旁边的实施例。图14c图示了将甲烷化单元200设置在(多个)燃料电池单元110的切削角落或者切削边缘处的实施例。燃料电池单元110和甲烷化单元200之间的共同壁体从燃料电池侧看去是凸的。图14d图示了相似于图14c的实施例，但是具有从燃料电池侧看去是凹的共同壁体。图14e图示了将甲烷化单元嵌入在(多个)燃料电池单元中的实施例。甲烷化单元200形成了穿过燃料电池单元110的通道。燃料电池单元和甲烷化单元的外截面形状为矩形或者正方形。图14f图示了相似的实施例，但是所嵌入的甲烷化单元200具有椭圆形、卵形、或者圆形的截面。图14g图示了具有椭圆形、卵形、或者圆形截面的燃料电池单元110的实施例，该燃料电池单元具有嵌入的甲烷化单元，该甲烷化单元可以是圆形的、卵形的、或者矩形的、或者多边形的。图14h图示了具有多边形截面的(多个)燃料电池单元110的实施例。多边形截面可以是八边形的或者六边形的。八边形截面允许致密填充，其间具有馈送导管的空间。当在(多个)燃料电池单元中嵌入馈送导管时，六边形截面允许像蜂巢那样的致密填充(未在图14h中详细图示)。
应该注意的是，对气体反馈(特别地碳氧化物(即一氧化碳和/或二氧化碳)的反馈、氢的反馈)的特别控制、对温度的控制等可以增加甲烷化过程的效率，使得燃料电池装置的整体效率可以明显增加。
应该注意的是，术语“包括”不排除其它元件或者步骤，并且“一”或者“一个”不排除多个。还有，可以将联系不同实施例描述的元件组合。
应该注意的是，权利要求中的参考符号不应被解释为限制权利要求的范围。
参考列表：
1燃料电池装置
2燃料电池装置的壳体
3、3a、3b、3c用于管道运输气体的通道
110燃料电池单元
111燃料电池水(蒸气)入口
112燃料电池氢出口
113燃料电池氧出口
114燃料电池负极
115燃料电池膜
116燃料电池膜控制电极
117膜控制电极控制单元
118燃料电池正极
119di/dt测量单元
120分布板
121、121a/b/c燃料电池单元切削边缘
150甲烷化单元和燃料电池单元之间的共同壁体
200甲烷化单元
210甲烷化子分段
212甲烷化单元氢入口
213甲烷化单元氢入口
214甲烷化单元碳氧化物入口
215碳氧化物入口阀门
216甲烷化单元甲烷出口
217甲烷化单元加热单元/元件
218甲烷化单元传感器
219甲烷化单元压力控制阀门
220甲烷化单元残余氢气出口
221甲烷化单元残余碳氧化物气体出口
222甲烷化单元活性壁体表面分段，催化剂
232甲烷化单元氢残余气体控制阀门
233甲烷化单元甲烷控制阀门
242氢残余气体泵浦单元/压力梯度生成器
243甲烷泵浦单元/压力梯度生成器
244压力控制泵浦单元/压力梯度生成器
245碳氧化物馈送泵浦单元/压力梯度生成器
246碳氧化物残余气体泵浦单元/压力梯度生成器
300控制单元

Claims (18)

1.一种燃料电池装置，包括：
第一燃料电池单元(110)，
甲烷化单元(200)，以及
控制单元(300)，
其中所述第一燃料电池单元包括
活性部分(114、115、118)，用于将水转换为氢和氧，
水入口(111)，
氢出口(112)，
氧出口(113)，
其中所述甲烷化单元包括
催化剂(222)，
氢入口(212)，
碳氧化物入口(214)，具有第一可控阀门(215)，
甲烷出口(216)，
其中所述第一燃料电池单元的所述氢出口耦合到所述甲烷化单元的所述氢入口，
其中所述甲烷化单元适配为通过所述催化剂将氢和碳氧化物转换为甲烷，
其中所述甲烷化单元(200)被设置在所述第一燃料电池单元(110)旁边，使得允许从所述甲烷化单元到所述第一燃料电池单元的热量转移，
其中所述控制单元适配为控制所述第一可控阀门，以便于获得将氢和碳氧化物转换为甲烷的最佳转换过程。
2.根据权利要求1所述的燃料电池装置，其中所述甲烷化单元(200)和所述第一燃料电池单元(110)共享共同壁体，其中所述共同壁体允许所述甲烷化单元和所述第一燃料电池单元之间的热量转移。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的燃料电池装置，包括多个燃料电池单元(110)，所述多个燃料电池单元中的一个燃料电池单元是所述第一燃料电池单元(110)，其中所述多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元包括
活性部分(114、115、118)，用于将水转换为氢和氧，
水入口(111)，
氢出口(112)，
氧出口(113)，
其中所述甲烷化单元(200)被设置在所述多个燃料电池单元(110)中的每个燃料电池单元旁边，使得允许从所述甲烷化单元到所述多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元的热量转移，
其中所述甲烷化单元(200)进一步包括多个碳氧化物入口(214)，每个碳氧化物入口具有可控阀门(215)，
其中所述多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元的所述氢出口被耦合到所述甲烷化单元的所述氢入口，
其中所述控制单元(300)适配为控制多个可控阀门(215)，以便于获得将氢和碳氧化物转换为甲烷的最佳转换过程。
4.根据权利要求3所述的燃料电池装置，其中所述多个燃料电池单元(110)中的每个燃料电池单元与所述甲烷化单元(200)共享共同壁体(150)，其中所述共同壁体允许所述甲烷化单元和所述多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元之间的热量转移。
5.根据权利要求3至4中的任一项所述的燃料电池装置，其中所述甲烷化单元(200)包括多个甲烷化子分段(210)，其中所述甲烷化子分段中的每个甲烷化子分段被分配到多个燃料电池单元(110)中的至少一个燃料电池单元，其中所述甲烷化子分段中的每个甲烷化子分段包括多个碳氧化物入口(214)之一，每个碳氧化物入口具有可控阀门(215)。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃料电池装置，其中所述甲烷化单元(200)包括至少一个加热元件(217)。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的燃料电池装置，其中所述甲烷化单元(200)包括至少一个传感器(218)，所述至少一个传感器用于感测所述甲烷化单元中的操作参数，所述传感器从组中选取，所述组由压力传感器、甲烷传感器、氢传感器、温度传感器、碳氧化物传感器组成，其中所述控制单元(300)适配为基于所确定的碳氧化物浓度来控制所述第一可控阀门。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的燃料电池装置，其中所述控制单元(300)适配为基于所述所确定的碳氧化物浓度来单独控制所述多个可控阀门(215)中的每个可控阀门。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的燃料电池装置，其中所述甲烷化单元(200)包括至少一个压力控制阀门(219)，其中根据感测到的所述甲烷化单元中的操作参数能够控制所述压力控制阀门。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的燃料电池装置，其中所述甲烷化单元进一步包括至少一个氢残余气体出口(220)。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的燃料电池装置，其中所述甲烷化单元进一步包括至少一个碳氧化物残余气体出口(221)。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的燃料电池装置，其中所述多个燃料电池单元(110)中的每个燃料电池单元包括负极(114)和正极(118)以及在所述负极和所述正极之间的燃料电池膜(115)，其中至少一个燃料电池膜包括控制电极装置(116)，并且所述燃料电池装置进一步包括电极装置控制单元(117)。
13.根据权利要求12所述的燃料电池装置，其中所述燃料电池装置包括至少一个di/dt测量单元(119)，其中所述电极装置控制单元(117)适配为基于测量的di/dt来控制所述电极装置(116)。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的燃料电池装置，其中所述甲烷化单元(200)包括涂覆有催化剂的活性壁体表面分段(222)。
15.根据权利要求14所述的燃料电池装置，其中所述催化剂是从组中选取的固相催化剂材料，所述组由以下项组成：镍、氧化铝、氧化锆、贵金属，特别地铂和铂合金。
16.根据权利要求4至15中的任一项所述的燃料电池装置，进一步包括壳体(2)，所述壳体具有矩形截面，其中所述多个燃料电池单元(110)被堆叠，其中所述燃料电池单元(110)中的每个燃料电池单元具有矩形封套，所述矩形封套具有至少一个切削边缘(121)，其中所述燃料电池单元中的每个燃料电池单元的所述切削边缘彼此对应，使得矩形壳体和对应的所述切削边缘之间的空间形成用于管道运输气体的通道(3)。
17.根据权利要求4至16中的任一项所述的燃料电池装置，进一步包括矩形壳体(2)，其中每个燃料电池单元(110)具有矩形封套，所述矩形封套具有三个切削边缘(121、121a/b/c)，其中每个燃料电池单元的所述三个切削边缘彼此对应，使得所述矩形壳体和对应的所述切削边缘之间的空间形成至少三个用于管道运输气体的通道(3a/b/c)，第一通道(3a)用于提供水蒸气，第二通道(3b)用于氧收集，并且第三通道(3c)用于接收所述甲烷化单元(200)，其中所述多个燃料电池单元中的每个燃料电池单元的所述氢出口(112)耦合到所述甲烷化单元(200)的所述氢入口(212)中的至少一个氢入口。
18.一种用于改善燃料电池装置的效率的方法，所述燃料电池装置具有第一燃料电池单元(110)、甲烷化单元(200)，其中所述第一燃料电池单元包括用于将水转换成氢和氧的活性部分、水入口(111)、氢出口(112)以及氧出口(113)，并且其中所述甲烷化单元包括催化剂、氢入口(212)、碳氧化物入口(214)、第一可控阀门(215)以及甲烷出口(216)，其中所述第一燃料电池单元的氢被馈送到所述甲烷化单元的所述氢入口，其中所述甲烷化单元适配为通过所述催化剂将氢和碳氧化物转换为甲烷，其中源于所述甲烷化过程的热量被转移到所述燃料电池单元，所述方法包括控制所述第一可控阀门的步骤，以控制碳氧化物向所述甲烷化单元的馈送，以便于获得将氢和碳氧化物转换为甲烷的最佳转换过程。
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2784187A1 (en) * 2013-03-25 2014-10-01 Helmut-Schmidt-Universität/ Universität der Bundeswehr Hamburg High efficiency fuel cell
FR3014117B1 (fr) * 2013-12-03 2016-01-01 Commissariat Energie Atomique Procede de fonctionnement d'un reacteur a empilement de type soec pour produire du methane ch4, en l'absence d'electricite disponible
CN106133973A (zh) 2014-01-31 2016-11-16 燃料电池能有限公司 用于制氢的重整器‑电解槽‑净化器(rep)组件、包含其的系统以及制氢的方法
EP3425716A1 (en) * 2015-11-16 2019-01-09 Fuelcell Energy, Inc. Energy storage using an rep with an engine
WO2017087405A1 (en) 2015-11-16 2017-05-26 Fuelcell Energy, Inc. System for capturing co2 from a fuel cell
EP3377535A4 (en) 2015-11-17 2019-07-31 Fuelcell Energy, Inc. HYDROGEN AND CARBON MONOXIDE PRODUCTION BY MEANS OF A REP WITH PARTIAL OXIDATION
JP6650035B2 (ja) 2015-11-17 2020-02-19 フュエルセル エナジー， インコーポレイテッドＦｕｅｌｃｅｌｌ Ｅｎｅｒｇｙ， Ｉｎｃ． Ｃｏ２捕捉が改善された燃料電池システム
WO2017184703A1 (en) 2016-04-21 2017-10-26 Fuelcell Energy, Inc. Fluidized catalytic cracking unit system with integrated reformer-electrolyzer-purifier
JP7010430B2 (ja) * 2017-11-10 2022-01-26 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構 メタン合成装置
US10897055B2 (en) 2017-11-16 2021-01-19 Fuelcell Energy, Inc. Load following power generation and power storage using REP and PEM technology
FR3075832A1 (fr) * 2017-12-22 2019-06-28 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Procede de fonctionnement en mode de demarrage ou en mode stand-by d'une unite power-to-gas comportant une pluralite de reacteurs d'electrolyse (soec) ou co-electrolyse a haute temperature
US11295257B2 (en) 2018-04-17 2022-04-05 International Business Machines Corporation Cognitive prioritization for report generation
US20200087590A1 (en) * 2018-09-13 2020-03-19 Syntactic Dream Energy, LLC System for, method of, and the resulting product of the production of fuel gas, heat and electricity and the cleaning of carbon emissions
JP2020062618A (ja) * 2018-10-19 2020-04-23 キヤノン株式会社 炭化水素生成方法及び炭化水素生成装置
US11495806B2 (en) 2019-02-04 2022-11-08 Fuelcell Energy, Inc. Ultra high efficiency fuel cell power generation system
WO2024079163A1 (en) * 2022-10-11 2024-04-18 Aarhus Universitet A control system for methanation reactor

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040202914A1 (en) * 2003-04-09 2004-10-14 Ion America Corporation Co-production of hydrogen and electricity in a high temperature electrochemical system
CN101273114A (zh) * 2005-04-29 2008-09-24 海塞特有限责任公司 用于转化烃物质的体系和方法
DE102011088613B3 (de) * 2011-12-14 2012-12-06 Hamburg Innovation Gmbh Brennstoffzellenmembraneinheit, steuerbare Brennstoffzelle und Hochdruckelektrolysezelle
EP2540388A1 (de) * 2011-06-29 2013-01-02 SolarFuel GmbH Verfahren zum Betreiben eines Methanisierungsreaktors und Methanisierungsreaktor

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3479950B1 (ja) * 2003-03-04 2003-12-15 スガ試験機株式会社 環境浄化循環型水電解装置
US8257563B2 (en) * 2006-09-13 2012-09-04 Ceramatec, Inc. High purity hydrogen and electric power co-generation apparatus and method
KR100814156B1 (ko) 2007-08-06 2008-03-14 전남대학교산학협력단 메탄-산소 발생 장치 및 이를 이용한 이산화탄소와물로부터 메탄과 산소를 제조하는 방법
KR101093674B1 (ko) 2010-04-08 2011-12-15 전남대학교산학협력단 메탄-산소 발생 장치 및 이를 이용한 이산화탄소와 물로부터 메탄과 산소를 제조하는 방법
CN102965686A (zh) * 2011-08-31 2013-03-13 本田技研工业株式会社 水电解系统及其运行方法
WO2013190581A1 (en) * 2012-06-22 2013-12-27 Andrea Capriccioli Unit for the accumulation of electrical energy via production of methane
EP2784187A1 (en) * 2013-03-25 2014-10-01 Helmut-Schmidt-Universität/ Universität der Bundeswehr Hamburg High efficiency fuel cell

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040202914A1 (en) * 2003-04-09 2004-10-14 Ion America Corporation Co-production of hydrogen and electricity in a high temperature electrochemical system
CN101273114A (zh) * 2005-04-29 2008-09-24 海塞特有限责任公司 用于转化烃物质的体系和方法
EP2540388A1 (de) * 2011-06-29 2013-01-02 SolarFuel GmbH Verfahren zum Betreiben eines Methanisierungsreaktors und Methanisierungsreaktor
DE102011088613B3 (de) * 2011-12-14 2012-12-06 Hamburg Innovation Gmbh Brennstoffzellenmembraneinheit, steuerbare Brennstoffzelle und Hochdruckelektrolysezelle

Also Published As

Publication number Publication date
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