CN108604695B - 利用具有发动机的rep的能量储存 - Google Patents

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Abstract

一种能量储存系统，包括动力设备，其被配置成生成包括二氧化碳的排气。该能量储存系统还包括第一燃料电池，其被配置成作为电解槽反向运行。第一燃料电池被配置成接收来自动力设备的至少一部分排气。阳极被配置成经由排气接收二氧化碳并且从单独的进料接收甲烷，并且阳极被配置成输出含氢气体混合物。该能量储存系统还包括重整器，其被配置成将含氢气体混合物甲烷化以将含氢气体混合物中基本上全部的一氧化碳转化成甲烷。能量储存系统还包括作为氢泵反向运行的第二燃料电池，第二燃料电池被配置成从由重整器输出的气体混合物中分离氢气。

Description

利用具有发动机的REP的能量储存
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2015年11月16日提交的美国临时专利申请No.62/255,868的权益和优先权，该专利申请的全部公开内容通过引用并入本文。
背景技术
本申请总体上涉及利用燃料电池的能量储存领域。
能量储存可以通过从水或烃生成H2来进行。重整器-电解槽-净化器(“REP”)可用于生成H2。REP和包括它们的系统的例子在转让给本申请的受让人的PCT公布No.WO 2015/116964中描述。
REP需要蒸汽和CO2来运行。这样的蒸汽和CO2可以由高温燃料电池供应。然而，对高温燃料电池的利用有时受到限制(例如，由于发电成本或规模)。
发明内容
在一个实施方式中，能量储存系统包括动力设备，其被配置成生成包括二氧化碳的排气。能量储存系统还包括第一燃料电池，其包括被电解质基质隔开的阳极和阴极；以及电源，其被配置成向第一燃料电池施加反向电压以使第一燃料电池作为电解槽反向运行。第一燃料电池被配置成接收来自动力设备的至少一部分排气。阳极被配置成经由排气接收二氧化碳并且还从单独的进料接收甲烷。阳极被配置成输出包括氢气和一氧化碳的含氢气体混合物。能量储存系统还包括重整器，其被配置成将从第一燃料电池的阳极输出的含氢气体混合物甲烷化以将含氢气体混合物中基本上全部的一氧化碳转化成甲烷，其中重整器被配置成输出气体混合物。能量储存系统还包括作为氢泵反向运行的第二燃料电池，第二燃料电池被配置成从由重整器输出的气体混合物中分离氢气。
在能量储存系统的一个方面，第一燃料电池的阴极被配置成接收来自动力设备的排气。
在能量储存系统的一个方面，动力设备是内燃机。
在能量储存系统的一个方面，进料被配置成将甲烷与动力设备的排气分开供应到第一燃料电池的阳极。
在能量储存系统的一个方面，进料包括甲烷和二氧化碳。由第二燃料电池输出的氢气量与由进料供应的碳量成比例。
在能量储存系统的一个方面，第一燃料电池的阴极被配置成接收从第二燃料电池的阳极输出的气体混合物。
在能量储存系统的一个方面，重整器还被配置成将包括在由第一燃料电池输出的含氢气体中的二氧化碳转化成甲烷。
在能量储存系统的一个方面，第二燃料电池被配置成利用电化学氢气压缩机压缩含氢气体以输出净化的氢气。
在另一个实施方式中，利用能量储存系统生成氢气的方法包括将燃料供应给动力设备并利用动力设备生成排气，并在第一燃料电池处接收来自动力设备的排气和蒸汽。方法还包括在第一燃料电池的阳极处经由排气接收二氧化碳且从单独的进料接收甲烷。方法还包括从第一燃料电池输出包括氢气和一氧化碳的含氢气体混合物。方法还包括利用重整器将从第一燃料电池接收的基本上全部的一氧化碳转化成甲烷。方法还包括利用第二燃料电池从重整器输出的气体混合物中分离氢气。方法还包括将来自第二燃料电池的剩余气体混合物进给到第一燃料电池的阴极中。
在能量储存系统的一个方面，方法还包括当电源向第一燃料电池施加反向电压时，在第一燃料电池的阳极中生成含氢气体，并在第一燃料电池的阳极中利用电解反应从含氢气体分离二氧化碳。
在所述方法的一个方面，第一燃料电池输出含氢气体并分开地输出包括二氧化碳和氧气的氧化剂气体。
在能量储存系统的一个方面，方法还包括利用第二燃料电池中的至少一个电化学氢气压缩机压缩来自第一燃料电池的阳极的含氢气体。
在能量储存系统的一个方面，方法还包括从第二燃料电池的阴极输出净化的氢气。
在所述方法的一个方面，来自第二燃料电池的剩余气体混合物从第二燃料电池的阳极输出。
在能量储存系统的一个方面，所述方法还包括当不需要将电力储存在能量储存系统中时将来自排气的热仅进给到第一燃料电池的阴极，使得该热将第一燃料电池维持在期望的运行温度。
在另一个实施方式中，能量储存系统包括动力设备，其被配置成输出REP阴极进气；以及燃料电池，其包括由电解质基质隔开的阳极和阴极。燃料电池还包括电源，其被配置成向第一燃料电池施加反向电压以使所述燃料电池作为电解槽反向操作。阳极被配置成接收包括二氧化碳的REP阳极进气。燃料电池被配置成输出包括氢气和二氧化碳的含氢气体混合物。能量储存系统还包括重整器，其被配置成将从燃料电池输出的含氢气体混合物甲烷化，使得二氧化碳转化成甲烷，重整器被配置成输出经转化的含氢气体混合物。能量储存系统还包括压缩机，其被配置成压缩来自重整器的经转化的含氢气体混合物。
在能量储存系统的一个方面，REP阳极进气还包括烃。
在能量储存系统的一个方面，动力设备是内燃机。
在能量储存系统的一个方面，REP阴极进气是来自动力设备的排气。
在能量储存系统的一个方面，重整器被配置成将由燃料电池输出的含氢气体混合物中的一氧化碳和二氧化碳转化成甲烷。
在能量储存系统的一个方面，压缩机被配置成将来自重整器的经转化的含氢气体混合物中的甲烷压缩。
在能量储存系统的一个方面，来自压缩机的经压缩的甲烷和经转化的含氢气体混合物被冷却，使得水被冷凝并从经转化的含氢气体混合物中分离。
在能量储存系统的一个方面，在能量储存系统中产生的甲烷被配置成注入到管道中。
在能量储存系统的一个方面，能量储存系统还包括脱水罐，其被配置成从甲烷输出流中除去冷凝水。
在能量储存系统的一个方面，从压缩机输出的经压缩的甲烷被配置成被储存。
在能量储存系统的一个方面，动力设备被配置成接收厌氧消化器气体以及二氧化碳和甲烷的混合物。
在另一个实施方式中，使用能量储存系统生成氢气的方法包括：在燃料电池的阳极处经由阳极REP进气接收二氧化碳。方法还包括从燃料电池输出包括甲烷、二氧化碳和氢气的含氢气体混合物。方法还包括利用重整器将来自燃料电池的含氢气体混合物甲烷化。方法还包括利用压缩机从来自重整器的经转化的含氢气体混合物中分离水，并从压缩机输出经分离的气体混合物。
在能量储存系统的一个方面，方法还包括在脱水罐中从由压缩机输出的经分离的气体混合物中除去水，并将来自由压缩机输出的经分离的气体混合物中的甲烷进给到气体管线中。
在能量储存系统的一个方面，所述方法还包括当电源向第一燃料电池施加反向电压时，在所述燃料电池的阳极中生成含氢气体，并在所述燃料电池的阳极中利用电解反应从含氢气体混合物分离二氧化碳。
在所述方法的一个方面，燃料电池输出含氢气体混合物并分开地输出包括二氧化碳和氧气的氧化剂气体。
附图说明
图1示出了包括本发明的重整器-电解槽-净化器(REP)组件的REP系统的示意图；
图2示出了纳入REP组件的能量存储系统的说明性配置；
图3示出了REP组件的示意性配置和在其中发生的反应；
图4示出了高效能量储存和NOx还原系统；以及
图5示出了基于ADG进料的电力-甲烷转化系统。
具体实施方式
重整器-电解槽-净化器(“REP”)组件包括至少一个电解槽熔融碳酸盐燃料电池，并且可以包括在燃料电池堆(也被称为REP堆)中形成的多个电解槽燃料电池。所述至少一个电解槽燃料电池是反向运行的燃料电池，从而电解CO2和水而产生氢气，并通过电化学地除去CO3 ＝来净化氢气。CO2可以由烃例如甲烷提供，并且除去CO3 ＝驱动重整反应完成。如下文所述和在附图中所示，在所述至少一个电解槽燃料电池中可以发生其他反应。
REP堆包括熔融碳酸盐燃料电池(“MCFC”)堆，并且REP组件包括用于向REP堆供电以驱动电解反应完成的电源。REP组件和/或REP系统中可以包括控制器，用于控制电源并控制REP组件和/或REP系统的其他运行和部件。下面将更详细地描述控制运行。虽然说明书将REP组件、REP堆和REP系统描述为包括重整，例如内部重整或外部重整，但也考虑了REP组件、REP堆和/或REP系统可以省略内部重整和/或外部重整，并且可以用于在没有重整的情况下电解含有CO2和水的供应气体并净化氢气。
图1示出了REP系统100的示例的示意图。如图1所示，在预热器102中利用较低水平的废热将燃料例如天然气、厌氧消化器气体(“ADG”)或其他合适的燃料预热并随后供应到REP系统100。在预热之前或之后，燃料可以用水湿润或与水混合。在REP系统100中，燃料通过与蒸汽反应重整而产生氢气、CO和二氧化碳，并在高温(重整温度)下通过从H2中除去CO2来净化氢气以将它与其他反应产物分离并驱动重整反应完成。REP系统100输出氢气并分开地输出其他反应产物，包括氧气和二氧化碳。如所示，向REP系统100供应高水平废热以驱动吸热重整反应，使得所有燃料都转化成氢气，由此减少由甲烷不完全转化成氢气所导致的CO2排放。
REP组件可以与基本负荷直接燃料电池
Figure BDA0001695036680000061
或固体氧化物燃料电池(“SOFC”)结合使用，从而以高往返效率存储来自电网的过剩电力。通常，为了平衡净发电量与需求量，供电系统，例如电网，需要在可再生发电机的高发电量期间储存过剩电力，并在可再生源的低发电量(不能调度)期间将其返还给电网。用于储存过剩电力的常规解决方案一直是使用电池、低效率电解槽、压缩空气能量储存器和抽吸式水力发电系统，它们全都是昂贵的、储存容量有限或往返能量损失高。
在PCT公开No.WO 2015/116964中描述的能量储存系统的一个例子中，通过将在运行中提供基本负荷电力的DFC或SOFC与消耗过剩电力以生成氢气输出的REP组件相结合，来提供用于存储来自电网的过剩电力的高往返效率。例如，图2示出了这样的能量储存系统900的说明性配置。在图2中，系统900包括具有被电解质基质隔开的阳极侧912和阴极侧914的REP组件910、具有被基质隔开的阳极侧922和阴极侧924的DFC 920、以及阳极排气氧化器(“AGO”)930。DFC 920可以是使用烃进料的任何燃料电池，例如SOFC或熔融碳酸盐燃料电池(“MCFC”)。
如图2所示，燃料，例如天然气，和水被提供给系统900并在热交换器950中预热，从而气化水以产生蒸汽。然后将燃料和蒸汽混合物供应到DFC920的阳极侧922，在此燃料利用直接重整催化剂进行内部重整并与供应到DFC920的阴极侧924的氧化剂气体进行电化学反应以产生基本负荷电力。基本负荷电力(直流电)从DFC 920输出，并可以提供给电网或为外部设备供电。包括CO2、H2、CO和水的阳极排气从DFC的阳极侧922输出并被提供到REP组件910的阳极侧912和/或AGO 930。
在图2中，REP组件910的阳极侧接收从DFC的阳极侧922输出的全部或一部分阳极排气。虽然未在图2中显示，但是在将阳极排气供应到REP组件910之前，可以将蒸汽添加给从DFC的阳极侧922输出的阳极排气。这是因为系统周围的热和物质平衡表明，来自DFC的阳极排气对于产生高纯度氢气而言含水量略有不足。REP组件910使阳极排气中的CO和CO2与水反应以产生氢气。阳极排气REP进料中的氢气被添加到由REP组件中的反应生成的氢气中。通常，阳极排气以干基计含有20-30％H2+CO，并且CO在REP组件910中的内部水气变换反应期间被转化成氢气。阳极排气中的水和CO2也进行电化学反应而产生H2和CO3 ＝离子，并且CO3 ＝离子被传送过电解质膜，在阴极侧914被转化成CO2和O2，然后从REP组件的阴极侧914输出作为氧化剂气体。图3详细示出了REP组件中在它运行期间对来自DFC的阳极排气发生的这些反应。
如图3可以看出，直流电从电源975被提供给REP组件，以向REP组件的所述至少一个电解槽燃料电池施加反向电压。由于阳极排气已经含有氢气，所以从REP组件900输出每千克氢气(包括随阳极排气输入的氢气)的耗电量是高温电解槽的通常35kWh/kg耗电量的约75％，或约26kWh/kg。由于通过REP组件900输出每千克氢气的耗电量降低，当与可能需要大约45-60kWh/kg H2之间的标准低温电解槽相比，储存电力的往返效率大致加倍。
再次参考图2，利用鼓风机940或类似装置将空气供应到AGO 930。AGO 930还接收来自DFC 920的阳极侧922的阳极排气的一部分，并且还可以接收REP组件中生成的并且从REP组件900的阳极侧912输出的一部分含氢气体。这允许与REP运行无关地控制AGO温度。AGO 930氧化DFC阳极排气和/或含氢气体中的燃料以产生并输出加热的氧化剂气体，其被传送到REP组件910的阴极侧914。向REP组件900供应加热的氧化剂气体减少了REP组件的电力需求，由此提高了它的效率。如图2所示，包括在REP组件900中产生的CO2和O2混合物的氧化剂气体从REP组件900的阴极侧914被传送到DFC 920的阴极侧924。从DFC 920的阴极侧924输出的阴极排气被送到热交换器950，用于在从系统900排出之前预热被输入到所述系统900中的燃料和水的混合物。
在图2中，控制器990用于控制系统900的运行，包括控制来自DFC 920的阳极排气的分配、控制从REP组件910的阳极侧输出的含氢气体的分配、以及根据外部电力需求和过剩电力的可用性向REP组件910提供过剩电力。具体地，DFC运行而产生用于外部电力需求、例如电网的基本负荷电力，并且来自DFC 910的全部或一部分阳极排气被直接输出到REP组件910。当电网上没有过剩电力储存时，DFC阳极排气可以被传送通过REP组件910并且不变地从REP组件910的阳极侧912输出，例如，含氢气体是未改变的阳极排气。以这种方式，REP组件910被保持发热并且只要电网上出现过剩电力就准备好按需运行。在这样的情况下，控制器990控制来自REP组件910的含氢气体被传送到AGO930，AGO 930还接收空气并燃烧或氧化阳极排气以产生含有N2、O2和CO2的热氧化剂气体。然后，该热氧化剂气体被传送到REP组件910的阴极侧914，并且从REP组件910的阴极侧914输出的氧化剂气体然后被传送到DFC阴极侧924。将热的氧化剂气体传送通过REP组件有助于保持REP组件910发热，无论REP组件是以过剩电力运行还是闲置。
当过剩电力可用并且需要储存时，控制器990进行控制以向REP组件910提供过剩电力，使得通过电源向所述至少一个电解槽燃料电池施加反向电压并且将供应到REP组件910的DFC阳极排气转化成氢气。在这种情况下，控制器990基于可利用的并提供给REP组件的过剩电力的量来控制绕过REP组件910周围的DFC阳极排气的量。通过这样的控制，进给到REP组件910的部分DFC阳极排气与提供给REP组件的过剩电力相平衡，从而产生高纯度(>97％)的氢气。
基于REP组件910是以过剩电力运行还是闲置以及基于需要在AGO 930中生成的热的量(例如AGO的温度)，控制器990还控制提供给AGO 930的从REP组件输出的含氢气体的量以及输出供外部应用(例如排出)的含氢气体量，如图2所示。例如，当REP组件910以过剩电力运行并且绕过REP组件周围并提供给AGO的DFC阳极排气量不足以将AGO温度维持在预定温度时，控制器990进行控制以将一部分从REP组件输出的含氢气体提供给AGO，从而维持AGO中的预定温度。随着提供给REP组件的过剩电力的量增加以及绕过REP组件周围去往AGO的DFC阳极排气量减少，控制器990进一步进行控制以增加供应给AGO的来自REP组件的含氢气体的量。相反，当REP组件910闲置时，所有的DFC阳极排气可以被提供给REP组件910以保持REP组件发热，并且控制器990进行控制以使得全部或大部分从REP组件的阳极侧912输出的含氢气体被传送到AGO 930，从而维持AGO中的预定温度。为了温度控制，也会调整给AGO的空气。
通过将DFC与REP组件组合并利用过剩电力在REP组件中产生氢气，以所产生的氢气形式储存过剩电力，并具有高电力储存往返效率。在图2的配置中，如下估算电力储存往返效率：
储存的电力
氢气产生–26kWh/kg
氢气储存–3kWh/kg
产生的电力
55％效率的电力产生-18.5kWh/kg
往返效率＝18.5/(26+3)＝64％(或在没有高压储存的情况下为71％)
虽然图2中系统的64％或71％往返效率与常规电池存储可达到的70-80％往返效率相似，但图2的系统具有产生氢气的优点，氢气可以在长时间内大量储存而不损失效率。此外，由图2的系统产生的氢气可以被排出以提供燃料给以氢气运行的装置、例如场外(off-site)PEM燃料电池和燃料电池车辆，或为化学和精炼操作提供氢气。如在图2的系统中那样，排出氢气通常比将氢气转化回电力提供更高的价值。
虽然图2中所示的说明性系统使用REP组件910来利用过剩电力生成氢气，但也考虑到，除了用于能量储存而产生氢气之外，REP组件也可以按电力产生模式运行以产生额外的电力来增加系统900的效率。图2的系统可以被修改，使得REP组件910被控制成当有过剩电力可用于储存时以产生氢气的模式作为高温电解槽运行或者在高电力需求期间以电力产生模式运行以生成额外的电力。在这样的配置中，控制器990基于外部电力需求和/或用于储存的过剩电力的可得性来控制REP组件的运行模式。图2的系统可以被进一步修改，从而包括两个或更多个顶部DFC和至少一个包括燃料电池堆或DFC堆的底部REP组件，其中来自顶部DFC的阳极排气被供应到底部REP组件的阳极侧，在AGO中产生的预热空气和/或热氧化剂气体被供应到底部REP组件的阴极侧并且从底部REP组件输出的阴极排气(氧化剂气体)被供应到顶部DFC的相应阴极侧。这种系统的说明性实施方式在美国专利申请No.14/578,077的图2中示出，该申请被转让给本申请的受让人并通过引用并入本文。
在包括伴随高温燃料电池例如REP或DFC的负荷的这样的系统中，系统必须接近热中性以避免加热和冷却底部REP堆的部件，因为热循环大大降低了所述堆的寿命。可以通过向顶部DFC的阳极排气添加补充甲烷燃料来调节热平衡，使得在以电力产生模式运行的底部REP组件中重整甲烷燃料吸收由电池电阻和电流密度产生的热。控制器以基于电流密度的速率控制补充甲烷燃料的供应。在一些说明性实施方式中，在将阳极排气供应到以电力产生模式运行的底部REP组件之前，可以通过冷却顶部DFC的一部分阳极废气并利用催化剂通过以下反应将阳极排气中的氢气和CO2转化成甲烷，来增加从顶部DFC输出的阳极排气中的甲烷浓度：
4H2+CO2→CH4+2H2O (1)
此外，当底部REP组件以电力产生模式运行时，可以通过在REP组件的电池中产生的热来限制电流密度。
参考图4，提供了通过将水转化成氢气来储存能量的可替选能量储存系统。通常，水可以通过电解转化成氢气和氧气以储存来自风能和太阳能的过剩电力。然而，由于电解槽的低效率，低温水电解的往返效率低。较低的效率降低了用于能量储存的现有技术和电解应用的成本效益。
本发明的某些实施方式通过利用能量储存系统400从水或蒸汽生成氢气来克服这些困难。REP组件需要蒸汽和CO2，因此REP组件可以与动力设备一起用于供应包括CO2的排气，并且供应热以保持能量储存系统400的热平衡。动力设备可以是蒸汽锅炉、燃气轮机或内燃机(“ICE”)410。
能量储存系统400包括ICE 410、REP组件420、重整器430和电化学氢气压缩机(“EHC”)440。
在图4中，提供燃料并将其与空气一起供给到ICE 410中用于燃烧。一般而言，燃料电池不耐硫，所以可以首先对燃料脱硫。优选地，燃料是天然气、ADG或者含硫极少或不含硫的其他合适燃料。燃料在ICE中燃烧产生排气。在示例性实施方式中，排气可以进一步脱硫。排气主要包括CO2和N2。具体地，排气可含有约80％N2。ICE可以被配置成连续运行，但是当不需要储存过剩电力时，来自排气的热可以仅进给到REP阴极424以将REP组件420维持在其正常运行温度。
水被去离子化，然后进给到蒸汽发生器450中。来自排气的热或来自REP阴极424的输出气体可用于将进给到蒸汽发生器450中的去离子水转化成蒸汽。
如图4所示，REP阳极422接收排气，其包括约80％N2和约20％CO2。根据示例性实施方式，具有还原性气氛的气体可以进给到REP阳极422，使得可以向排气添加少量的CH4、H2或其它烃以与排气中的任何O2反应并将其除去。此外，ICE 410可以在富含燃料的条件(即，具有低氧含量)下运行，以使来自ICE410的排气中的O2含量最小化。CO2和N2与蒸汽(H2O)和来自进料的CH4一起，它们在电解过程中发生反应而产生主要含有H2和N2以及少量CO2、CH4和CO的输出气体。REP阳极422也可以直接从进料接收燃料。由排气供应到REP阳极422的CO2的进给速率基于发送给REP组件420的电流量(能量储存系统400中可用的过剩电力)来控制。优选地，控制CO2的进给速率以最小化来自REP阳极422的出口气体中未反应的CO2。
跨REP阳极422的甲烷重整反应是吸热的并从系统中除去热。因此，REP组件420的温度和温度分布可以至少部分基于进给到系统中的CH4的量来控制。另外，H2是甲烷重整反应的副产物，并且从REP组件420输出的H2可以至少部分由进给到REP组件420中的CH4的量来控制。根据示例性实施方式，H2副产物可以与碳输入基本成比例。例如，H2副产物可以基本上与进给到REP组件420中的CH4和/或CO2的量成比例。
排气也被进给到REP阴极424中以向REP组件420提供附加的热。在不需要储存能量的情况下，排气只进给到REP阴极424而不是REP阳极422。REB组件中的反应420还在REP阴极424中生成CO2和O2。
燃料和水的混合物在蒸汽发生器450中的蒸汽热交换器452中被加热，其中水被转化成蒸汽，产生燃料和蒸汽混合物。通过来自REP阴极424的出口气体向蒸汽热交换器452供热。在示例性实施方式中，也部分由来自ICE 410的排气供热。由蒸汽发生器450输出的燃料和蒸汽混合物通过出水口454被进给，其中未转化成蒸汽的多余水被从加热的蒸汽和燃料混合物中除去。多余的水被送回到蒸汽热交换器452中。燃料和蒸汽混合物在第一重整器热交换器432(从重整器输出气体混合物传热)中被进一步加热。
第二重整器热交换器434用于预热供应到REP组件420的燃料和蒸汽混合物。来自REP阳极422的输出气体在第二重整器热交换器434中被冷却，在燃料和蒸汽混合物进给到REP阳极422之前向蒸汽和燃料混合物传热。
在EHC 440中，含H2的流被电化学推过膜，产生从EHC阴极444释放的高压净化H2流。具体地，来自重整器的经转化的含氢气体(其包括H2和CH4的混合物以及在这种配置中的氮气)，被传送到氢气泵，氢气泵利用电化学氢气压缩来压缩氢气。H2和CH4混合物被接收在EHC阳极442中，并且H2穿过膜被泵送到EHC阴极444从而将其与甲烷和N2分离。纯的压缩H2从EHC阴极444输出，同时CH4和N2从EHC阳极442单独输出。通过将氢气泵与EHC440一起使用，可将氢气净化至超过99％纯度，并以2,000psig或更高的高压输出，适合储存或适合用于以高纯度氢气运行的装置。剩余的气体混合物包括CH4、N2和未被净化的任何残留H2，并送回到REP阴极424。
EHC 440一般不耐受CO，所以在来自REP阳极422的输出气体进给到EHC 440之前，可以使用重整器430将基本上所有的CO转化成CH4。重整器430中的反应也会基本上将所有的CO2转化成CH4。在反应期间，H2与CO2和CO通过甲烷化反应(参见方程式(2)和(3))而反应形成CH4和水。
CO2+4H2→CH4+2H2O (2)
CO+3H2→CH4+H2O (3)
优选地，重整器430输出包括至少H2、N2、CH4的混合物的经转化的含氢气体。重整器输出气体混合物在第一重整器热交换器432中被进一步冷却并且进给到EHC阳极442中。
在REP组件420中的电解期间，向REP阴极424添加CO2和O2。来自EHC440的剩余气体混合物中的H2和CH4然后被CO2和O2氧化而产生CO2和H2O。氧化过程产生额外的热。然后通过蒸汽热交换器452进给来自REP阴极424的输出气体以提供用于将水转化成蒸汽的热，然后使其从能量储存系统400排出。当MCFC运行产生电力时，进给到系统的NOx量通常会减少，因此当MCFC以REP模式运行时，仍可以减少进给到REP系统的NOx。
一般而言，从CO2产生H2需要大约36kWh/kg，而从给REP组件420的CH4进料产生H2需要小于8kWh/kg。给REP组件420的CH4进料减少了生成H2所需的能量，因为在CH4-进给的REP组件420中，大约80％的H2是通过在重整器430中重整CH4生成的并且其余的大约20％的H2是在REP组件420中在电解期间生成的。
参考图5，能量存储系统被设置用于通过将有较高CO2含量的燃料例如ADG有效地从其中除去CO2而将其转化为有较低CO2含量的另一种燃料例如管道天然气，而储存能量。通常，通过将ADG压缩至高压并利用变压吸附(“PSA”)系统除去CO2，或通过添加氢气将CO2转化成CH4，而将ADG转化成天然气。前一种技术导致随着CO2除去一部分CH4，它必须燃烧以防止CH4排放，并且还具有高压缩成本，因为CO2以及CH4必须被压缩。后一种常规技术需要昂贵的氢气，并且由于反应的放热性质，大约17％的氢能被转化为热而不是CH4。
本发明的某些实施方式通过利用能量储存系统500通过在REP组件520中电化学地除去大部分CO2并在重整器530中通过甲烷化反应除去剩余的CO2而将ADG转化成天然气，同时利用动力设备供热以保持能量存储系统500的热平衡，从而克服了这些困难。动力设备可以是燃气轮机或ICE 510，并且可以被配置成向REP阴极524供应REP阴极进气。根据示例性实施方式，REP阴极进气包括烃。能量储存系统500产生CH4供应，其可以被注入到天然气管道中。具体地，能量储存系统500可能对形成CH4有利，其中燃料是ADG或其他合适的燃料。
能量储存系统500包括ICE 510、REP组件520和重整器530。
在图5中，将含有CO2的燃料脱硫并与空气一起进给到ICE 510中用于燃烧。优选地，燃料是ADG或其他合适的燃料。根据示例性实施方式，REP 520的进料可以基本上全部是CO2。燃料在ICE中燃烧生成排气。排气主要包括CO2和N2。具体地，排气可含有约80％N2。排气被进给通过REP阴极524、通过蒸汽热交换器552，并从能量储存系统500排出。根据示例性实施方式，排气是REP阴极进气。能量存储系统500所需的大部分热由甲烷化反应产生，但来自排气的热用于辅助将REP组件520维持在其正常运行温度。
水被去离子化，然后被进给到蒸汽发生器550中。来自排气的热或从REP阴极524输出的气体可用于将进给到蒸汽发生器550中的去离子水转化成蒸汽。燃料和水的混合物在蒸汽发生器550中的蒸汽热交换器552中被加热，其中水被转化成蒸汽，产生燃料和蒸汽混合物。通过来自REP阴极524的出口气体向蒸汽热交换器552供热。由蒸汽发生器550输出的燃料和蒸汽混合物通过第一脱水罐554被进给，其中未转化成蒸汽的多余水被从加热的蒸汽和燃料混合物中除去。多余的水被送回到蒸汽热交换器552中。燃料和蒸汽混合物在第一重整器热交换器532(从重整器输出气体混合物传热)中被进一步加热。进一步冷却重整器出口气体可能是所需的，但是该热交换器未示出。
第二重整器热交换器534用于预热供应给REP组件520的燃料和蒸汽混合物。来自REP阳极522的输出气体在第二重整器热交换器534中被冷却，在蒸汽和燃料混合物进给到REP阳极522中之前向燃料和蒸汽混合物传热。
如图5所示，REP阳极522接收REP阳极进气。例如，REP阳极进气可以包括ADG，其包括约60％CH4和约40％CO2，以及蒸汽(H2O)。在REP组件520中，然后从所述混合物中泵出CO2并向所述混合物添加H2直到H2与CO2比率为4:1。ADG中大约80％的CO2被泵出，同时留下大约20％用于甲烷化。该比率允许所述气体在重整器530中甲烷化以形成基本上纯的CH4流，其中只有少量未转化的H2和CO2(参见方程式(4))。
60CH4+8CO2+32H2→68CH4+16H2O(4)
重整器输出气体混合物在第一重整器热交换器532中被加热并进给到压缩机540。在重整器530中产生的水被冷凝并在第二脱水罐542处与CH4分离。剩余的CH4然后被注入天然气管道。根据示例性实施方式，通过将由电解反应产生的H2副产物作为甲烷储存，可以实现显著的压缩机成本和能量节约。例如，CH4体积基本上是作为H2储存的能量当量的1/3。此外，从REP 520输出的较低纯度H2降低了用于运行REP 520所需的电压(例如，10％左右)，从而增加了电力储存效率。
应该理解，虽然本发明已经就其优选实施方式进行了描述，但是本领域技术人员可以想到各种其他实施方式和变型，这些都在本发明的范围和精神内，并且这样的其他实施方式和变型旨在被相应的权利要求覆盖。
用于本文中时，术语“大约”、“约”，“基本上”和类似的术语意图具有广泛的含义，与本公开主题所属领域的普通技术人员的通用和公认的用法一致。审阅本公开的本领域技术人员应该理解，这些术语旨在允许描述所描述和要求保护的某些特征，而不是将这些特征的范围限制于所提供的精确数值范围。因此，这些术语应该被解释为表明：所描述和要求保护的主题的非实质性或无关紧要的修改或变更被认为是在如所附权利要求书中记载的本公开的范围内。
应该注意，如本文中用于描述各个实施方式的术语“示例性”旨在表明这样的实施方式是可行实施方式的可行的例子、表现和/或说明(并且这样的术语不旨在暗示这样的实施方式一定是特别的或最好的例子)。
如本文中使用的术语“联接”、“连接”等意味着两个构件直接或间接地彼此接合。这样的接合可以是静止的(例如永久的)或活动的(例如，可拆卸的或可松脱的)。这样的接合可以实现为：这两个构件或这两个构件与任何另外的中间构件彼此彼此一体化形成为单一的整体，或者这两个构件或这两个构件与任何另外的中间构件彼此附接。
本文提及元件的位置(例如，“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”等)仅用于描述图中各种元件的方位。应该注意的是，根据其他示例性实施方式，各个元件的方位可以不同，并且这样的变化旨在由本公开所涵盖。
应该理解，虽然本发明已经就其优选实施方式进行了描述，但是本领域技术人员可以想到各种其他实施方式和变型，这些都在本发明的范围和精神内，并且这样的其他实施方式和变型旨在被相应的权利要求覆盖。本领域技术人员将容易领会，在没有实质上背离本文所述主题的新颖教导和优点的情况下，许多修改(例如，结构、参数值、安装布置等的变化)是可能的。例如，根据可替选实施方式，任何过程或方法步骤的次序或顺序可以变化或重新排序。在不背离本公开的范围的情况下，还可以对多个示例性实施方式的设计、运行条件和布置做出其他替代、修改、改变和省略。

Claims (30)

1.一种能量储存系统，包括：
动力设备，所述动力设备被配置成生成包括二氧化碳的排气；
第一燃料电池，所述第一燃料电池包括：
被电解质基质隔开的阳极和阴极；和
电源，所述电源被配置成向所述第一燃料电池施加反向电压以使所述第一燃料电池作为电解槽反向运行；
其中所述第一燃料电池被配置成接收来自所述动力设备的至少一部分所述排气；
其中所述阳极被配置成经由所述排气接收二氧化碳并且还从单独的进料接收甲烷；并且
其中所述阳极被配置成输出包括氢气和一氧化碳的含氢气体混合物；
重整器，所述重整器被配置成将从所述第一燃料电池的阳极输出的所述含氢气体混合物甲烷化以将所述含氢气体混合物中基本上全部的一氧化碳转化成甲烷，其中所述重整器被配置成输出气体混合物；以及
作为氢泵反向运行的第二燃料电池，所述第二燃料电池被配置成从通过所述重整器输出的所述气体混合物中分离氢气。
2.根据权利要求1所述的能量储存系统，其中所述第一燃料电池的阴极被配置成接收来自所述动力设备的所述排气。
3.根据权利要求1所述的能量储存系统，其中所述动力设备是内燃机。
4.根据权利要求1所述的能量储存系统，其还包括进料，其中所述进料被配置成将甲烷与所述动力设备的所述排气分开供应到所述第一燃料电池的阳极。
5.根据权利要求4所述的能量储存系统，其中所述进料包括甲烷和二氧化碳；并且
其中由所述第二燃料电池输出的氢气量与由所述进料供应的碳量成比例。
6.根据权利要求1所述的能量储存系统，其中所述第一燃料电池的阴极被配置成接收从所述第二燃料电池的阳极输出的气体混合物。
7.根据权利要求1所述的能量储存系统，其中所述重整器还被配置成将包括在由所述第一燃料电池输出的所述含氢气体混合物中的二氧化碳转化成甲烷。
8.根据权利要求1所述的能量储存系统，其中所述第二燃料电池被配置成利用电化学氢气压缩机压缩含氢气体以输出净化的氢气。
9.一种利用根据权利要求1-8中任一项所述的能量储存系统生成氢气的方法，包括：
将燃料供应给所述动力设备并利用所述动力设备生成排气；
在所述第一燃料电池处接收来自所述动力设备的排气和蒸汽；
在所述第一燃料电池的阳极处经由所述排气接收二氧化碳且从单独的进料接收甲烷；
从所述第一燃料电池输出所述包括氢气和一氧化碳的含氢气体混合物；
利用所述重整器将从所述第一燃料电池接收的基本上全部的一氧化碳转化成甲烷；
利用所述第二燃料电池从所述重整器输出的气体混合物中分离氢气；以及
将来自所述第二燃料电池的剩余气体混合物进给到所述第一燃料电池的阴极中。
10.根据权利要求9所述的方法，其还包括：
当所述电源向所述第一燃料电池施加反向电压时，在所述第一燃料电池的阳极中生成含氢气体；以及
在所述第一燃料电池的阳极中利用电解反应从所述含氢气体分离二氧化碳。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一燃料电池输出所述含氢气体并分开地输出包括二氧化碳和氧气的氧化剂气体。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括利用所述第二燃料电池中的至少电化学氢气压缩机压缩来自所述第一燃料电池的所述阳极的含氢气体。
13.根据权利要求9所述的方法，还包括从所述第二燃料电池的阴极输出净化的氢气。
14.根据权利要求9所述的方法，其中来自所述第二燃料电池的剩余气体混合物从所述第二燃料电池的阳极输出。
15.根据权利要求9所述的方法，还包括当不需要将电力储存在所述能量储存系统中时将来自所述排气的热仅进给到所述第一燃料电池的所述阴极，使得所述热将所述第一燃料电池维持在期望的运行温度。
16.一种能量储存系统，包括：
动力设备，所述动力设备被配置成输出REP阴极进气；
燃料电池，所述燃料电池包括：
被电解质基质隔开的阳极和阴极；和
电源，所述电源被配置成向所述燃料电池施加反向电压以使所述燃料电池作为电解槽反向运行；
其中所述阳极被配置成接收包括二氧化碳的REP阳极进气；并且
其中所述燃料电池被配置成输出包括氢气和二氧化碳的含氢气体混合物；
重整器，所述重整器被配置成将从所述燃料电池输出的所述含氢气体混合物甲烷化，使得所述二氧化碳转化成甲烷，所述重整器被配置成输出经转化的含氢气体混合物；以及
压缩机，所述压缩机被配置成压缩来自所述重整器的所述经转化的含氢气体混合物。
17.根据权利要求16所述的能量储存系统，其中所述REP阳极进气还包括烃。
18.根据权利要求16所述的能量储存系统，其中所述动力设备是内燃机。
19.根据权利要求16所述的能量储存系统，其中所述REP阴极进气是来自所述动力设备的排气。
20.根据权利要求16所述的能量储存系统，其中所述重整器被配置成将由所述燃料电池输出的所述含氢气体混合物中的一氧化碳和二氧化碳转化成甲烷。
21.根据权利要求16所述的能量储存系统，其中所述压缩机被配置成将来自所述重整器的所述经转化的含氢气体混合物中的甲烷压缩。
22.根据权利要求21所述的能量储存系统，其中将来自所述压缩机的经压缩的甲烷和所述经转化的含氢气体混合物冷却，使得水被冷凝并从所述经转化的含氢气体混合物中分离。
23.根据权利要求16所述的能量储存系统，其中在所述能量储存系统中产生的甲烷被配置成送入到管道中。
24.根据权利要求22所述的能量储存系统，还包括被配置成从甲烷输出流中除去冷凝水的脱水罐。
25.根据权利要求22所述的能量储存系统，其中从所述压缩机输出的经压缩的甲烷被配置成进行储存。
26.根据权利要求16所述的能量储存系统，其中所述动力设备被配置成接收厌氧消化器气体以及二氧化碳和甲烷的混合物。
27.一种利用根据权利要求16-26中任一项所述的能量储存系统生成甲烷的方法，所述方法包括：
在所述燃料电池的阳极处经由所述阳极REP进气接收二氧化碳；
从所述燃料电池输出包括甲烷、二氧化碳和氢气的含氢气体混合物；
利用所述重整器将来自所述燃料电池的所述含氢气体混合物甲烷化；以及
利用压缩机从来自所述重整器的所述经转化的含氢气体混合物中分离水，并从所述压缩机输出经分离的气体混合物。
28.根据权利要求27所述的方法，还包括在脱水罐中从由所述压缩机输出的所述经分离的气体混合物中除去水；以及
将来自由所述压缩机输出的所述经分离的气体混合物中的甲烷进给到气体管线中。
29.根据权利要求27所述的方法，还包括：
当所述电源向燃料电池施加反向电压时，在所述燃料电池的阳极中生成含氢气体；以及
在所述燃料电池的阳极中利用电解反应从所述含氢气体混合物分离二氧化碳。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述燃料电池输出所述含氢气体混合物并分开地输出包括二氧化碳和氧气的氧化剂气体。
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