CN111448340A - 使用rep和pem技术进行负荷跟踪发电和蓄电 - Google Patents

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Abstract

一种用于生成氢气和电力的制氢系统包括：电源；重整器‑电解器‑净化器(REP)组件，所述组件包括至少一个燃料电池，所述至少一个燃料电池包括由电解质基质分离的阳极和阴极；至少一个低温燃料电池以及储氢装置。所述至少一个燃料电池被配置成接收由所述电源供应的反向电压，并在所述至少一个燃料电池的所述阳极中生成含氢气体。所述至少一个低温燃料电池被配置成接收从所述REP组件输出的所述含氢气体。所述至少一个低温燃料电池被配置成选择性地在发电模式和蓄电模式下操作，在所述发电模式下，所述含氢气体被用于生成电力，而在所述蓄电模式下，所述含氢气体被加压并储存在所述储氢装置中。

Description

使用REP和PEM技术进行负荷跟踪发电和蓄电
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年11月16日提交的美国申请第15/815,556号的权益和优先权，所述申请的内容通过引用整体并入本文。
政府权利声明
本发明是在美国能源部授予的合作协议DE-EE0006669的政府支持下完成的。政府享有本发明的某些权利。
技术领域
本申请涉及从燃料(诸如天然气、甲烷、ADG沼气和其它气体)生产氢气，尤其是涉及使用燃料重整器-电解器-净化器组件来进行氢气生产。本申请进一步涉及燃料重整器-电解器-净化器组件和系统的应用，诸如结合燃料重整器-电解器-净化器组件的燃料电池系统的应用。
背景技术
碳氢燃料(诸如甲烷、丙烷、天然气、煤气等)广泛用于能源消耗设备以及用于能源生产。利用碳氢化合物燃料的大多设备和系统(包括燃料电池)需要重整燃料以生产氢气(H2)。能量存储可以通过从水或碳氢化合物生成H2来执行。重整器-电解器-净化器(“REP”)可以用于生成H2。在转让给本申请的受让人的PCT公开第WO 2015/116964号中描述了REP和包括它们的系统的示例。
一般而言，为了平衡净发电量与需求，电源系统(诸如电网)需要在来自可再生发电机的高发电量时段期间存储过剩电力，并且在来自不可调度的可再生来源的低发电量时段期间将其返回电网。用于储存过剩电力的常规解决方案是使用电池组、低效率电解器、压缩空气能量储存装置和抽水水电系统，所有这些很昂贵、具有有限的储存容量或具有较高的往返能量损失。能量储存的问题之一是，当不需要能量储存时，储存装置大部分时间处于闲置状态。同样地，当系统脱离最佳发电点操作时，负荷跟踪型发电通常具有相对较低的效率。
需要一种处理能量存储和负荷跟踪型发电的改进的系统和方法。
发明内容
在至少一个实施例中，用于生成氢气和电力的制氢系统包括：电源；重整器-电解器-净化器(REP)组件，所述组件包括至少一个燃料电池，所述至少一个燃料电池包括由电解质基质分离的阳极和阴极；至少一个低温燃料电池以及储氢装置。至少一个燃料电池被配置成接收由电源供应的反向电压，并在至少一个燃料电池的阳极中生成含氢气体。至少一个低温燃料电池被配置成接收从REP组件输出的含氢气体。至少一个低温燃料电池被配置成选择性地在发电模式和蓄电模式下操作，在所述发电模式下，含氢气体被用于生成电力，而在所述蓄电模式下，含氢气体被加压并储存在储氢装置中。
在一个方面中，电源被配置成施加反向电压，使得从REP组件输出的含氢气体包括95％或更多的氢气。
在一个方面中，REP组件被配置成选择性地在制氢模式和发电模式下操作；并且REP组件进一步包括控制器，所述控制器被编程为当REP组件在制氢模式下操作时，控制电源向至少一个燃料电池施加反向电压，使得至少一个燃料电池生成含氢气体，并且当REP组件在发电模式下操作时，控制电源不向至少一个燃料电池施加反向电压，使得至少一个燃料电池由燃料生成电力。
在一个方面中，由至少一个燃料电池生成的电力被配置成输出到电源。
在一个方面中，在至少一个低温燃料电池在发电模式下的操作期间，至少一个低温燃料电池向电源、REP组件或其组合输出所生成的电力。
在一个方面中，制氢系统进一步包括第二低温燃料电池。储氢装置包含至少预储存量的含氢气体。在至少一个低温燃料电池在发电模式下的操作期间，第二低温燃料电池被配置成从储氢装置接收含氢气体，并将所生成的电力输出到电源。
在一个方面中，当电源向至少一个燃料电池施加反向电压时，在至少一个燃料电池的阳极中通过电解反应将二氧化碳与含氢气体分离，使得至少一个燃料电池输出含氢气体，并分离地输出包含二氧化碳和氧气的氧化剂气体。
在一个方面中，制氢系统进一步包括一个或多个重整器，所述一个或多个重整器被配置成重整碳氢燃料并将重整的燃料作为气体进料输出到至少一个燃料电池。至少一个燃料电池进一步被配置成执行以下中的一个或多个：使甲烷与水反应以产生氢气和二氧化碳，以及变换一氧化碳和水以产生氢气和二氧化碳。
在一个方面中，REP组件的至少一个燃料电池包括熔融碳酸盐燃料电池，并且至少一个低温燃料电池包括质子交换膜燃料电池。第二低温燃料电池可以包括质子交换膜燃料电池。
在另一实施例中，用于生成氢气和电力的制氢系统包括：电源；重整器-电解器-净化器(REP)组件，所述组件包括至少一个燃料电池，所述至少一个燃料电池包括由电解质基质分离的阳极和阴极；压缩器；热交换器和储氢装置。至少一个燃料电池被配置成接收由电源供应的反向电压，并在至少一个燃料电池的阳极中生成含氢气体。制氢系统被配置成选择性地在蓄电模式和发电模式下操作。在蓄电模式下的制氢操作期间，压缩器接收并压缩从REP组件输出的含氢气体，热交换器接收从压缩器输出的经压缩的含氢气体，并且储氢装置接收从热交换器输出的经压缩的含氢气体。
在一个方面中，制氢系统进一步包括电动机，所述电动机被配置成从电源接收电力并驱动压缩器。
在一个方面中，制氢系统进一步包括：热水储存装置，所述热水储存装置被配置成接收、储存和输出具有第一温度的水；以及冷水储存装置，所述冷水储存装置被配置成接收、储存和输出具有低于第一温度的第二温度的水。在制氢系统在蓄电模式下的操作期间，热交换器将水输出到热水储存装置，并且冷水储存装置将水输出到热交换器的入口。
在一个方面中，制氢系统进一步包括膨胀器。在发电系统在发电模式下的操作期间，热交换器接收来自热水储存装置的水和来自储氢装置的含氢气体，并对加压的含氢气体进行热交换，并且膨胀器接收从热交换器输出的含氢气体，并使含氢气体膨胀，以回收用于压缩含氢气体以便于存储在储氢装置中的能量中的至少一部分。
在一个方面中，制氢系统进一步包括至少一个低温燃料电池，所述至少一个低温燃料电池被配置成接收从膨胀器输出的含氢气体和从REP组件输出的含氢气体，并生成电力。
在一个方面中，由至少一个低温燃料电池生成的电力被配置成输出到电源、REP组件或其组合。
在另一实施例中，一种生成氢气和电力的方法包括：在重整器-电解器-净化器(REP)组件中接收燃料气体，所述组件包括至少一个燃料电池，所述至少一个燃料电池包括由电解质基质分离的阳极和阴极；向至少一个燃料电池施加反向电压，所述反向电压由电源生成；在至少一个燃料电池的阳极中生成含氢气体；将含氢气体从REP组件输出到至少一个低温燃料电池；在发电模式下操作至少一个低温燃料电池，在所述发电模式中，含氢气体用于生成电力；以及在蓄电模式下操作至少一个低温燃料电池，在所述蓄电模式中，含氢气体被加压并存储在储氢装置中。
本领域普通技术人员将会理解，上述方面不是相互排斥的，并且可以被组合。
附图说明
通过阅读结合附图的以下详细描述，以上和其它特征和各方面将变得更加显而易见，在附图中：
图1示出了包括REP组件的重整器-电解器-净化器(REP)系统的示意图。
图2示出了REP系统的更详细的视图。
图3示出了REP组件中发生的反应。
图4A至图4F示出了制氢系统的示意性构型，其中的每一个包括图1的REP组件以生成氢气以便于在一个或多个质子交换膜(PEM)发电系统中使用。图4A至图4F的构型的不同之处主要在于向制氢系统提供空气的方式、利用从REP组件输出的CO2/O2混合物的方式、提供CO2捕获和/或提供氢气储存。
图5示出了制氢系统在模式1A——用于负荷跟踪型发电的蓄电模式——下的操作。
图6示出了制氢系统在模式1B——使用压缩器(以及利用CO2/O2热电联产)的用于负荷跟踪型电力的蓄电模式——下的操作。
图7示出了制氢系统在模式2A——用于负荷跟踪型发电的峰值电力模式——下的操作。
图8示出了制氢系统在模式2B——使用膨胀器(以及利用CO2/O2热电联产)的用于负荷跟踪型电力的峰值电力模式——下的操作。
具体实施方式
总体上参照附图，下面描述的实施例涉及制氢系统，所述制氢系统包括重整器-电解器-净化器(REP)组件、第一低温燃料电池、第二低温燃料电池和储氢装置。第一低温燃料电池和第二低温燃料电池不是REP组件的一部分。此外，第一低温燃料电池和第二低温燃料电池不包含在同一燃料电池堆中。换句话说，分离地提供第一低温燃料电池和第二低温燃料电池。
图1示出了REP组件100的示例。如图1所示，燃料(诸如天然气、ADG沼气气体或其它合适的燃料)在预加热器102中使用较低级废热进行预热，并且然后将其供应给REP组件100。燃料可以在被预加热之前或之后被加湿或与水混合。在REP组件100中，通过与蒸汽反应来重整燃料以产生氢气、一氧化碳和二氧化碳，并且通过将CO2(作为CO3离子)与其它反应产物分离并且驱动重整反应完成来在高温(例如重整温度)下纯化氢气。REP组件100输出低纯度氢气(约95％至98％)，并分离地输出其它反应产物，包括氧气和二氧化碳。如图所示，高级废热被供应到REP组件100以驱动吸热重整反应，使得所有的燃料被转化为氢气，从而减少由甲烷不完全转化为氢气而导致的CO2排放。
图2示出了REP组件100的更详细的视图，所述REP组件100包括REP堆200和电源230。在以下示例中，电源230是电网，但是在其它方面，电源230可以是电池、在发电模式操作的另一燃料电池或燃料电池组件、或者任何其它蓄电装置或电力供应设备。REP堆200包括一个或多个仅重整电池202和一个或多个REP燃料电池204，这些燃料电池中的每一个包括由电解质基质分离的阳极204a和阴极204b。如图2所示，仅重整电池202可以是燃料电池堆的一部分，使得REP堆200是间接内部重整堆。在其它示例中，代替或除了内部仅重整电池202之外可以使用外部重整器来重整燃料。REP燃料电池204是当通过施加由电源230供应的反向电压反向操作时能够将CO2泵出重整进料的熔融碳酸盐燃料电池。施加的反向电压可以大于1.0伏特，例如，在1.15至1.5伏特的范围内。仅重整电池202和REP燃料电池204被组装成堆并串联连接，使得燃料首先被输送通过仅重整电池202，并且然后被输送通过REP燃料电池204的阳极204a。阴极204b可以接收被供应到系统的热气体(诸如空气)以及在净化操作中从REP燃料电池204的阳极204a产生的CO2/O2气体混合物。
同样如图2所示，REP组件100可以包括一个或多个预加热器，所述一个或多个预加热器利用来自REP组件的电池204的废热和/或由REP组件100外部的和/或与REP组件100集成的其它设备产生的废热。预加热器102使用来自燃料电池204以及仅重整电池202的废热，以在将燃料供应至仅重整电池202之前预加热燃料，所述燃料与水混合或被加湿。其它预加热器104可以用于使用来自其它设备(诸如用于产生电力的高温燃料电池)的废热预加热被供应到REP组件100的气体。而且，如图2所示，可以提供氧化器106，用于通过用空气氧化补充燃料并生成热氧化剂气体(所述热氧化剂气体然后被供应到阴极204b)来增加到使用补充燃料的REP堆200的热量。
作为净化重整电解器，REP燃料电池堆200可以在净化模式或制氢模式下操作。在此类操作期间，REP组件将来自系统的几乎所有的碳作为CO3离子去除，并从重整的甲烷中产生几乎纯的氢气。同时，REP燃料电池堆200通过蒸汽分解(电解)有效地产生附加氢气。来自电解反应的氧气与CO2形成CO3离子。因此，当天然气被供应到REP组件时，约80％的氢气输出由天然气重整产生，而另外20％的氢气由电解反应提供。REP组件高效地且以最小CO2排放产生氢气。
在图2中，首先燃料气体在仅重整电池202中被部分重整。图3中示出了仅重整电池202中水和甲烷之间发生的反应。如图2和3所示，来自仅重整电池202的部分重整气体然后被进给到作为电解器在净化模式(制氢模式)下操作的燃料电池204的阳极侧204a。在燃料电池204中，水被分解成氢气和氧气，并且氧气与重整气体中的二氧化碳结合以产生CO3离子。CO3离子以电化学的方式被去除穿过熔融碳酸盐膜。图3中示出了燃料电池204的阳极侧204a中的这些反应。燃料电池204中的这种操作去除了系统中几乎所有的碳，并迫使平衡重整和变换反应基本上完全将CH4和CO转化为氢气。因此，如图2和图3所示，离开的含氢气体流是具有少量的CO2和CH4以及痕量的CO的几乎纯的氢气(约95-98％)。对于需要高纯度氢气的系统，在氢气被加压时，这少量的CO2和CH4可以容易地被去除。然而，多种系统能够直接使用低纯度氢气，而不需要除去少量杂质。随着氢气被冷却，可以通过甲烷化CO(CO+3H2→CH4+H2O)来去除痕量CO2。痕量CO将降低PEM燃料电池性能。
如图2所示，作为电解器的REP燃料电池204的操作可以由控制器250控制。控制器250被编程为控制反应气体到燃料电池204的供应速率或流速。控制器250还被编程为控制从电源230供应的、施加到燃料电池204的电压和电流，使得离子转移在正常燃料电池操作(发电模式)的相反方向上。REP组件100的燃料电池中发生的反应在图3中示出。控制器250可以进一步控制燃料电池204的操作模式在作为电解器的操作和正常发电操作之间的切换。下面将更详细地描述此操作。如果CO2和氧气(66/34％)是期望的副产品，则可在没有阴极的空气吹扫的情况下操作REP。当使用空气吹扫时，由于空气稀释了来自REP的CO2/O2，因此降低了REP电压和电力要求。
图4A至图4F示出了制氢系统4000的示意性构型，其中的每一个包括生成氢气以便于在一个或多个低温燃料电池420中使用的REP组件400(例如，包括上述REP堆200的REP组件100)。低温燃料电池可以是例如质子交换膜(PEM)发电系统或PEM燃料电池420。可以使用其它类型的燃料电池，但是高温燃料电池不需要氢气，并且更难以用于负荷跟踪。PEM发电系统或PEM燃料电池420可以被操作用于净化压缩的氢气和用于发电两者。一般而言，PEM燃料电池包括膜电极组件，所述膜电极组件具有阳极、阴极和夹在其间的聚合物电解质膜。膜电极组件由一对流场板夹住，所述对流场板被配置成将氢气引导至燃料电池的一侧上的阳极，并将氧气引导至燃料电池的另一侧上的阴极。阳极可以包括催化剂，例如铂催化剂，所述铂催化剂使氢气分裂成质子(带正电的氢离子)和电子(带负电)。聚合物电解质膜只允许质子穿过聚合物电解质膜到达阴极，在那里，在发电模式下，质子与被供给阴极的氧气结合形成水。电子沿外部电路行进到阴极(即，电子不穿过聚合物电解质膜)，从而形成电流(即，产生电能)。净化模式下的PEM燃料电池可以用于给H2加压并对其进行净化。在此模式下，较低纯度的氢气被进给到阳极，并且纯氢气离开阴极。
图4A至图4F的示意性系统还包括用于用呈蒸汽形式的水部分重整燃料(诸如天然气)的外部重整器430以及为重整器430生成高级热量的高级加热器440(例如燃烧器)。
如图4A至图4F所示，燃料(诸如天然气)和水在热交换器450中使用来自外部源的低级废热进行预加热，以便蒸发水。所得到的蒸汽和燃料的混合物然后被输送到重整器430，在那里使用由高级加热器440提供的高级热量对燃料进行部分重整。可以是燃烧器的高级加热器440接收氧化剂气体和燃料滑流，并燃烧或氧化燃料以生成用于在重整器430中进行重整反应的高级热量。从重整器输出的部分重整燃料然后被进给到REP组件400的阳极侧412，这产生通常具有95％或更高纯度的含氢气体流。REP组件400包括作为电解器反向操作的MCFC燃料电池堆，并且具有与上述REP堆200相同或相似的构型和操作。REP组件400还包括用于向燃料电池堆施加反向电压的电源(例如，上述电源230)。REP组件400还从阴极侧414分离地输出氧化剂气体，所述氧化剂气体包括作为REP组件400中的反应结果而产生的CO2/O2混合物。REP组件400中发生的反应在上文中进行描述且在图3中示出。
在图4A至图4F的系统中，由REP组件400生成的含氢气体流被冷却并可以被处理，并且然后被进给到一个或多个PEM发电系统420，所述一个或多个PEM发电系统420包括一个或多个PEM燃料电池。在冷却过程期间或之后，部分冷却的含氢气体与重整催化剂(未示出)接触，所述重整催化剂将氢气气体流中的所有CO和大部分CO2转化成甲烷和水，使得将95％或更多的氢气、5％或更少的甲烷和CO2以及小于1ppm的CO的混合物输送到一个或多个PEM发电系统420的阳极侧422。在图4A至图4F的示意性构型中，从PEM燃料电池的阳极侧422进行泄放(blow down)用于保持燃料电池中的甲烷浓度低。具体而言，包括从PEM燃料电池的阳极侧422输出的甲烷和氢气的阳极排气气体经由阳极排气再循环路径426再循环回到重整系统，并与输入到系统中的燃料和水混合，使得100％的燃料被利用，并且被提供给PEM燃料电池的阳极侧422的燃料气体中的甲烷浓度低。再循环鼓风机组件425设置在再循环路径中，以便提供进给REP系统所需的气体压力。
图4A至图4F的构型的不同之处主要在于向制氢系统4000提供空气的方式、利用从REP组件400输出的CO2/O2混合物的方式、提供CO2捕获和/或提供氢气储存。现在将描述图4A至图4F中的制氢系统4000的不同构型。
在图4A中，被供应给制氢系统4000的空气460用于高级加热器440中和PEM发电系统420中。如图所示，空气中的第一部分462被输送到高级加热器440，用于与燃料滑流一起燃烧，并且空气中的第二部分464被输送到PEM发电系统420的阴极侧424。鼓风机466或类似设备可以用于向PEM发电系统420的阴极侧424供应第二空气部分464。
如图4A所示，没有空气被进给到REP组件400的阴极侧414。尽管这种构型需要更多的电力用于操作REP组件400，但是REP组件400从阴极侧414输出具有超过30％氧气的氧化剂气体，所述氧化剂气体然后与第二空气部分一起被输送到PEM发电系统420的阴极侧424。向PEM发电系统420供应这种富集的氧化剂气体提高了PEM发电系统420的操作性能。在图4A的示意性构型中，从PEM发电系统420的阴极侧424输出的阴极排气被排出制氢系统4000。
图4B示出了与图4A的构型类似的构型，但是第二空气部分464被输送到REP组件400的阴极侧414，而不是直接提供给PEM发电系统420的阴极侧424。所有相似的并且具有相似功能的组件用相似的附图标记来标记，并且省略其详细描述。如图4B所示，空气中的第二部分464在热交换器428中使用从REP组件400的阴极侧414输出的氧化剂排气中的热量进行预加热，然后预加热的第二空气部分被输送到REP组件400的阴极侧414。这种示意性构型由于较低的所需电压而降低了REP组件400的功耗，但是需要增加热交换器。
图4A至图4B的系统可以很容易地被配置成通过添加储氢装置来作为峰化系统操作。图4C示出了图4A的制氢系统4000的说明性构型，其被配置为具有储氢装置480的调峰系统。氢气通常在1000至2000psig下进行储存，但在一些示例中，氢气可以在50psig至10000psig的情况下进行储存。所有相似的并且具有相似功能的组件用相似的附图标记来标记，并且省略其详细描述。
在图4C中，可选的制氢系统4000包括：氢气纯化组件470，其用于在将由REP组件400生成的含氢气体压缩以便于进行储存之后纯化所述气体中的全部或部分；以及储氢组件480，其用于储存从氢气纯化组件470输出的经纯化和压缩的氢气。图4C的制氢系统4000允许REP组件400连续操作，以便连续生成含氢气体，而PEM产能系统420和储氢组件480可以基于外部电力需求来操作。具体而言，由REP组件400产生的含氢气体可以被储存在储氢组件480中，或者根据对PEM产能系统420的外部电力需求直接在PEM产能系统420中转换成电力。此外，被输送到PEM产能系统420的含氢气体的量和被输送到储氢组件480的含氢气体的量由控制器490基于PEM产能系统420的操作条件和/或对PEM产能系统420的电力需求来控制。
如图4C所示，从REP组件400输出的含氢气体中的所有或部分可以被输送到PEM产能系统420用于发电和/或被输送到储氢组件470，在所述储氢组件470中含氢气体使用压缩器472进行压缩，并且之后在可选的纯化设备474(诸如变压吸附器(PSA)或电化学氢压缩器(EHC)中进行氢气纯化。如果EHC被用作压缩器472，则可能不需要进一步的净化。发电不需要净化，但如果氢气被排出用于其它用途，则净化可能是必需的。在含氢气体在压缩器472中被压缩之后，由于气体中的低水平污染物，在净化装置474中的净化相对容易实现。从净化装置474输出的净化的加压氢气气体然后被输送到储氢组件480以便于在峰值发电期间进行存储以供将来在PEM发电组件420中使用和/或以便于输出到外部设备。尽管图4C中未示出，但是可以提供氢气膨胀器，用于使从储氢装置480输送到PEM发电系统420的加压氢气膨胀，以便回收用于压缩氢气以便储存在储存组件480中的能量中的一些。
如图4C所示，所述系统还包括氢气旁路路径476，用于将杂质(主要是CH4)从净化设备474输送到PEM阳极排气再循环路径426，所述PEM阳极排气再循环路径426再循环由PEM发电系统420产生的阳极排气以便于在重整器430中使用。如上所讨论的那样，制氢系统4000还包括控制器490，用于控制制氢系统4000的操作，并且特别是用于控制由REP组件400生成的含氢气体的使用和路线。具体而言，控制器490被编程为控制从REP组件400输送到PEM发电系统420的含氢气体的量、从REP组件400输送到氢气纯化组件470的含氢气体的量、从氢气纯化组件470输送到储氢组件480的经纯化的氢气的量、从储氢组件480输送到PEM发电系统420的氢气的量以及从储氢组件480输出的氢气的量。这些控制基于多种因素，包括REP组件的和PEM发电系统的操作模式、对PEM发电系统的外部电力需求、储氢组件的容量以及燃料进料的组成。因此，例如，当外部电力需求低和/或当PEM发电系统不产生电力或产生低电力时，控制器490控制由REP组件产生的含氢气体中的较大量或所有含氢气体被输送到氢气纯化组件470并将其储存在储氢组件480中。然而，当电力需求高时，诸如在PEM发电组件420的峰值电力操作期间，控制器490控制由REP组件生成的含氢气体中的全部或较大部分被输送到PEM发电系统420的阳极侧422，同时很少或没有含氢气体被输送到氢气纯化组件470。在出来高电力需求期间，控制器490还可以控制氢气从储氢组件480被输送到PEM发电系统420，以便生成附加电力。而且，当储氢组件480的存储容量变低时，控制器490可以控制氢气从储氢组件480输出和/或提供给PEM发电系统420。可以进一步设想的是，相同的控制器490或另一控制设备也控制与第一空气部分462一起被提供给高级加热器440的空气的量和与第二空气部分464一起被提供给PEM发电系统420的阴极侧424的空气的量。类似的控制器可以设置在图4A和图4B中示出的系统中。
图4D示出了图4C的制氢系统4000的经修改的构型。所有相似的并且具有相似功能的组件用相似的附图标记来标记，并且省略其详细描述。在图4D中示出的构型中，包含从REP组件400输出的CO2/O2混合物的氧化剂气体用于氧化在加热器440中生成用于在重整器430中进行重整反应的高级热量所需的燃料。在图4D的制氢系统4000中，所有的空气460经鼓风机466等被输送到PEM发电系统420的阴极侧424，并且不为REP组件400供应空气。如图所示，REP组件400的阴极侧414将包含CO2/O2混合物的氧化剂气体输出到高级加热器440，在所述高级加热器440中，所述氧化剂气体用于氧化燃料滑流并为重整器430生成高级热量。高级加热器440输出燃料气体排气，所述燃料气体排气主要包括CO2和水以及少量未反应的氧气，并且可以对所述燃料气体排气进行处理以进行CO2捕获。具体而言，来自加热器440的燃料气体排气被冷却，以便将水冷凝出来，并且所得到的气体几乎是纯的CO2，所述CO2可以容易地被捕获以便于进行储存或其它用途。图4D中的制氢系统4000的优点之一是，由于在输入的CO2/O2混合物和氧化反应中不存在氮气，所以高级加热器440不产生NOx。因此，即使在有或没有CO2捕获的环境敏感区域中，也可以容易地安装所述系统。如上所述，图4D中系统的另一优点是容易从加热器排气中捕获CO2。
图4E示出了图4D中示出的制氢系统4000的经修改的构型，并且包括两个PEM燃料电池420a和420b，其中第一PEM燃料电池420a用于发电，并且第二PEM燃料电池420b被添加用于氧化和去除来自由REP组件400产生的CO2/O2混合物中的氧气以促进CO2捕获，同时生成附加电力。所有相似的并且具有相似功能的组件用相似的附图标记来标记，并且省略其详细描述。
如图4E所示，空气460被供应给系统，其中空气中的第一部分462被提供给高级加热器440，并且空气中的第二部分464使用鼓风机466或类似设备被提供给第一PEM燃料电池420a的阴极侧424a。在图4E的示意性实施例中，没有空气被提供给REP组件400的阴极侧414。第一空气部分462的量和第二空气部分464的量由控制器控制，所述控制器可以是控制器490或分离的控制设备。
在图4E中，从REP组件400的阳极侧412输出的含氢气体中的第一部分416a被输送到第一PEM燃料电池420a的阳极侧422a，以及从REP组件400的阳极侧412输出的含氢气体中的第二部分416b被输送到第二PEM燃料电池420b的阳极侧422b。而且，含氢气体的第三部分418，可以包括从REP组件400输出的含氢气体中的所有或一些，可以被输送到氢气纯化组件470，用于储存在储氢组件480中和/或经由旁路路径476再循环。从REP组件400输送到第一PEM燃料电池420a和第二PEM燃料电池420b和/或输送到氢气纯化组件470的含氢气体的量由控制器490基于对PEM燃料电池420a、420b的外部电力需求、由REP组件400产生的CO2/O2混合物的量、储氢组件480的储存容量和其它因素来控制。从净化组件470输送到储氢组件480和/或输送到氢气旁路路径476的经净化和加压的氢气的量也由控制器490控制。
如图4E所示，从REP组件400的阴极侧414输出的CO2/O2混合物被输送到第二PEM燃料电池420b的阴极侧424b，在那里它与提供给阳极侧422b的氢气气体进行电化学反应。第二PEM燃料电池组件的阴极侧424b输出主要包含CO2和水以及少量残余氧的阴极排气。所述阴极排气可被冷却以冷凝出水，并随后被提供用于进行CO2捕获以便于进行储存或其它用途。使用第二PEM燃料电池420b来接收和反应由REP组件400产生的CO2/O2混合物导致阴极排气中的氧气的浓度较低而不产生任何CO。结果，简化了从第二PEM燃料电池420b的阴极排气中进行的CO2捕获。尽管未示出，但是在其它方面，氢气净化组件470可以被省略，使得从REP组件400输出的含氢气体被直接输送到第一PEM燃料电池420a和/或第二PEM燃料电池420b，并且从第一PEM燃料电池420a和/或第二PEM燃料电池420b输出的含氢气体被输送到储氢装置480和/或经由阳极排气再循环路径426再循环回到重整系统。
图4F示出了系统4000的附加的潜在构型。所有相似的并且具有相似功能的组件用相似的附图标记来标记，并且省略其详细描述。在图4F中，使用鼓风机466或类似设备将空气460供应到系统。空气中的第一部分462在被输送到高级加热器440之前，在热交换器428中使用从REP组件400的阴极侧414输出的空气/CO2/O2混合物的热量进行预加热。空气中的第二部分464被提供给PEM发电系统420的阴极侧424。在图4F的系统中，由加热器440中的氧化反应产生的燃料气体从加热器输出，并被输送到REP组件400的阴极侧414。所述燃料气体被加热至REP操作温度，并且通过用燃料气体吹扫REP阴极，REP电压和所需的电力输入将被降低。由REP组件400产生的CO2/O2混合物与燃料气体混合并从REP组件的阴极侧414输出，通过热交换器428输送并从系统输出。
同样如图4F所示，由REP组件400产生的含氢气体从其阳极侧412输出，并被输送到PEM发电系统420的阳极侧422。从PEM系统420的阳极侧422输出并包含氢气和甲烷的阳极排气被再循环到REP组件400的阳极侧412。包括鼓风机的再循环鼓风机组件425可以用于阳极排气再循环路径426中，以便提供再循环PEM阳极排气所需的压力。再循环鼓风机组件425还通过在REP中将再循环的甲烷转化为氢气来保持PEM燃料电池中的低甲烷浓度。再循环流向重整器燃料(未示出)的少量泄放可以用于防止惰性物质(诸如N2)在REP氢气中积累。用来自重整器440的排气气体吹扫REP组件400的阴极侧将降低REP组件所需的电压和电力。还预期REP组件400减少重整器440排气中的NOx。
现在将详细讨论上述制氢系统4000的各种示例的操作模式。为简单起见，示意性地示出了REP组件和PEM发电系统，但是应当理解，可以使用上述REP组件或PEM发电系统(或PEM燃料电池)中的任何一种。本申请中描述的制氢系统中的任何一个可以在蓄电模式和峰值电力模式下操作，在所述蓄电模式下，从REP组件输出的氢气最终储存在储氢装置中，而在所述峰值电力模式下，来自储氢装置的氢用于发电，如下所述。
蓄电模式
模式1A——使用可逆EHC的用于负荷跟踪型发电的蓄电模式
需要负荷跟踪型发电，以使被生成用于电网的电力量与来自电网的电力需求相匹配。随着可再生能源发电增加，这变得越来越重要，因为无法控制发电。目前，使用低效率的负荷跟踪型发电。然而，在未来，将需要蓄电和发电来使到电网的电力与电力需求相匹配。
图5示出了制氢系统在模式1A——用于负荷跟踪型发电的蓄电模式——下的操作。在模式1A中，来自电网530(或任何其它电源，例如，上述电源230)的过剩电力用于操作REP组件500和以EHC模式操作的第一PEM系统或PEM燃料电池520a。天然气、水和电力被进给到REP组件500中，所述REP组件500生成氢气(大约95％至98％纯度)，并将氢气进给到以EHC模式操作的第一PEM系统或PEM燃料电池520a。第一PEM系统或PEM燃料电池520a作为电化学氢气净化器和压缩器反向操作，并将经压缩的纯化氢气输出到储氢装置580(例如，上述储氢装置480)和阳极排气再循环路径526(例如，上述阳极排气再循环路径426)。再循环将未转化的甲烷送回REP以便转化为氢气。第一PEM发电系统或PEM燃料电池520a以电化学氢气压缩(EHC)模式操作，其中第一PEM发电系统或PEM燃料电池520a对氢气加压以便进行储存。在本示例中，第一PEM发电系统或PEM燃料电池520a是可逆的，并且可以在需要时操作以发电。例如，当需要峰值电力时，可以使用储氢装置580中的氢气。第二PEM发电系统或PEM燃料电池520b在模式1A操作期间是空闲的。
模式1B——使用压缩器(还利用CO2/O2发电)的用于负荷跟踪型电力的蓄电模式
图6示出了制氢系统在模式1B——用于负荷跟踪型电力和CO2/O2发电的蓄电模式——下的操作。在模式1B中，来自电网530(或任何其它电源，例如上述电源230)的电力用于操作REP组件500和被配置为驱动压缩器/膨胀器571的电动机/发电机595。这种情况类似于利用EHC的模式1A，但本示例使用了机械压缩器，并且不净化所储存的氢气。天然气、水和电力被进给到REP组件500中，所述REP组件500生成氢气(大约95％至98％纯度)，并将氢气进给到压缩器572，所述压缩器572压缩氢气并将氢气输出到热交换器596。因为压缩器加热氢气，所以在运送氢气以进行储存之前冷却氢气更有效。在本示例中，氢气将热交换器596中的冷水(由冷水储存装置597供应)加热到例如预定温度，并且被加热的水被输出并储存在热水储存装置598中。这允许系统回收由压缩系统生成的热量。热水可以在峰值电力模式下用于预加热和加湿进入膨胀器的氢气，这增加了膨胀器的电力输出。氢气从热交换器596输出并储存在储氢装置580中以便于稍后使用。第二PEM发电系统或PEM燃料电池520b在模式1B操作期间是空闲的。包含从REP组件500输出的CO2/O2混合物的氧化剂气体用于CO2捕获和/或O2输出。对于较大的系统来说，使用压缩器而非EHC模式更具成本效益。
峰值电力模式
模式2A——使用可逆EHC的用于负荷跟踪型发电的峰值电力模式
图7示出了图5的系统在模式2A——用于负荷跟踪型发电的峰值电力模式——下的操作。在模式2A中，电力仍然用于操作REP组件500。天然气、水和电力被进给到REP组件500中，所述REP组件500生成氢气(大约95％至98％纯度)，并将氢气进给到第一可逆PEM燃料电池520a。在第一PEM燃料电池520a在发电模式下的操作期间，第一PEM燃料电池520a被配置为向电源、REP组件500或其组合输出所生成的电力。例如，第一PEM燃料电池520a可以在发电模式下操作，以产生用于REP组件500的电力并向电网530输出电力。在一些示例中，来自PEM的电力中的大约30％被供应给REP组件，并且大约70％被供应给电网。来自储氢装置580的氢气被输送到第二PEM发电系统或PEM燃料电池520b，所述第二PEM发电系统或PEM燃料电池520b也以发电模式操作，以产生输出到电源、REP组件500或其组合的电力。在一些示例中，由第二PEM燃料电池520b产生的所有电力都进入电网，并且调节输出以满足电网需求(负荷跟踪)。
模式2B——使用压缩器(利用CO2热电联产)的用于负荷跟踪型电力的峰值电力模式
图8示出了系统在模式2B——用于负荷跟踪型电力的峰值电力模式——下的操作。在本示例中，也包含CO2生成/捕获(诸如如图4D所示)以产生零CO2电力。在模式2B中，来自储氢装置580的氢气被输送到热交换器596，所述热交换器596也接收从热水储存装置598输出的水。热水可以用于在膨胀器之前加湿和加热氢气，以增加膨胀器发电。来自REP系统的废热也可以用来加热氢气。在热交换发生后，从热交换器596输出的加压氢气被输送到氢气膨胀器571，所述氢气膨胀器571被配置成膨胀加压氢气以回收用于压缩氢气以便于储存在模式1A下的储存组件580中的能量中的一些，并且从热交换器596输出的水被输送到冷水储存装置597。氢气膨胀器571驱动发电机/电动机573。处于低压(通常为3至15psig)的膨胀的氢气从氢气膨胀器571输送至第一PEM发电系统或PEM燃料电池520a，所述第一PEM发电系统或PEM燃料电池520a以发电模式操作。来自PEM燃料电池中的膨胀器的电力用于操作REP组件500。天然气、水和电力被进给到REP组件500中，所述REP组件500生成氢气(大约95％至98％纯度)，并将氢气进给到PEM发电系统或PEM燃料电池520a。在PEM发电系统或PEM燃料电池520a在发电模式下的操作期间，PEM发电系统或PEM燃料电池520a被配置为向电源、REP组件500或其组合输出所生成的电力。例如，PEM发电系统或PEM燃料电池520a可以在发电模式下操作，以产生用于REP组件500的电力并向电网530输出电力。在REP组件500电力使用之后由第一PEM发电系统或PEM燃料电池520a产生的净电力被输出到电网530。包含从REP组件500输出的CO2/O2混合物的氧化剂气体用于CO2捕获和/或O2输出，如例如在模式1B中所述的那样。
模式1B和2B与模式1A和2A的不同之处在于，包含从REP组件500输出的CO2/O2混合物的氧化剂气体用于CO2捕获和/或O2输出。REP组件可以与重整器一起使用，用于有效地捕获从REP组件500输出的CO2。例如，如以上关于图4C所讨论的那样，从REP组件500输出的CO2/O2混合物可以用于氧化在加热器中生成用于在重整器中进行重整反应的高级热量所需的燃料。加热器可以输出燃料气体排气，所述燃料气体排气主要包括CO2和水以及少量未反应的氧气，并且可以对所述燃料气体排气进行处理以进行CO2捕获。具体而言，来自加热器的燃料气体排气被冷却，以便将水冷凝出来，并且所得到的气体几乎是纯的CO2，所述CO2可以容易地被捕获以便于进行储存或其它用途。例如，从REP组件输出的CO2可以用于接收氧化剂气体的设备，诸如阳极气体氧化器(AGO)。而且，模式1B和2B包括用于储氢的压缩器/膨胀器而不是可逆电化学氢气压缩器(EHC)，所述压缩器/膨胀器用于在模式1A下进行压缩和净化以及在模式1B下进行发电。
通过使用上述1A至2B模式，可以最小化储能和峰值发电的成本。如图5至图8所见，系统中装备中的大多数一直在操作(在发电和蓄电期间)，并且高效地生成峰值电力。尽管第二PEM发电系统或PEM燃料电池在蓄电模式期间是空闲的，但是PEM电池具有相对低的资本成本，使得使PEM电池空闲对总发电成本具有相对低的影响。上述系统示出了大约40％的发电效率，这对于负荷跟踪型电力系统来说是典型的20％到30％效率的改进。40％的发电效率是由天然气产生的电力的整体系统效率。利用这种系统，蓄能的唯一损失来自压缩电力(在EHC或压缩器中)，所述电力将随储存压力而变化。此外，被进给到REP组件的电力用于生成氢气，以及净化天然气，使得在蓄电模式中，大部分电力被转换成氢气以便于进行储存。
除了上述操作模式之外，或者作为上述操作模式的替代方案，在一些示例中，如果储存的电力值接近于零或者为负，则在蓄电模式期间可以使用具有较高碳含量和/或CO2的较低成本的原料。在这种电价下，通过REP中的电解生产的氢气比由天然气产生的H2更便宜。
如各种示例性实施例中所示，REP组件和包含REP组件的系统的构建和布置仅是示意性的。尽管在本公开中仅详细描述了若干实施例，但是在实质上不脱离本文描述的主题的新颖教导和优点的情况下，多种修改和组合是可能的(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、取向、图像处理和分割算法等方面的变化)。被示出为一体形成的一些元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可以颠倒或以其它方式变化，并且离散元件或位置的性质或数量可以改变或变化。根据替代性实施例，任何过程、逻辑算法或方法步骤的顺序或序列可以被改变或重新排序。在不脱离本发明的范围的情况下，还可以对各种示例性实施例的设计、操作条件和布置进行其它替换、修改、改变和省略。
上述系统中的任何一个还可以包括显示或输出设备、输入设备(诸如键盘、鼠标、触摸屏或其它输入设备)，并且可以通过逻辑网络连接到附加系统。本文描述的实施例中的多个可以在使用到具有处理器的一个或多个远程计算机的逻辑连接的联网环境中实践。逻辑连接可以包括在此以示例而非限制的方式给出的局域网(LAN)和广域网(WAN)。此类联网环境在办公室范围或企业范围的计算机网络、内联网和因特网中是常见的，并且可以使用各种不同的通信协议。本领域技术人员可以理解的是，此类网络计算环境通常可以涵括多种类型的计算机系统构型，包括个人计算机、手持设备、多处理器系统、基于微处理器的或可编程的消费电子产品、网络PC、小型计算机、大型计算机等。实施例也可以在分布式计算环境中实践，其中任务由通过通信网络链接(通过硬连线链路、无线链路或硬连线或无线链路的组合)的本地和远程处理设备来执行。在分布式计算环境中，程序模块可以位于本地和远程存储器储存设备中。
在方法步骤的一般上下文中描述了各种实施例，在一个实施例中，这些方法步骤可以由程序产品来实施，所述程序产品包括由联网环境中的计算机执行的计算机可执行指令，诸如程序代码。一般而言，程序模块包括执行特定任务或实施特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等。计算机可执行指令、相关联的数据结构和程序模块代表用于执行本文公开的方法的步骤的程序代码的示例。此类可执行指令或相关联的数据结构的特定序列代表了用于实施此类步骤中描述的功能的相对应的动作的示例。
实施例的软件和网络实施方式可以用标准编程技术来完成，所述标准编程技术具有基于规则的逻辑和其它逻辑以完成各种数据库搜索步骤、关联步骤、比较步骤和决策步骤。还应当注意的是，本文和权利要求中使用的词语“组件”和“模块”旨在涵括使用一行或多行软件代码的实施方式、和/或硬件实施方式、和/或用于接收手动输入的装备。
如本文所用，术语“大约”、“约”、“基本上”和类似的术语旨在具有与由本公开的主题所涉及的领域的普通技术人员进行的通用和可接受用法相一致的广泛含义。查阅本公开的本领域技术人员应当理解的是，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，这些术语应被解释为指示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在所附权利要求中所述的本发明的范围内。
本文对元件的位置(例如，“顶部”、“底部”、“上面”、“下面”等)的引用仅用于描述图中各种元件的取向。应当注意的是，根据其它示例性实施例，各种元件的取向可以不同，并且这些变化旨在由本公开所涵括。
关于本文中基本上任何复数和/或单数术语的使用，本领域技术人员可以根据上下文和/或应用从复数转换成单数和/或从单数转换成复数。为了清楚起见，本文可以明确阐述各种单数/复数排列。

Claims (15)

1.一种用于生成氢气和电力的制氢系统，所述制氢系统包括：
电源；
重整器-电解器-净化器(REP)组件，所述组件包括至少一个燃料电池，所述至少一个燃料电池包括由电解质基质分离的阳极和阴极，所述至少一个燃料电池被配置成接收由所述电源供应的反向电压并在所述至少一个燃料电池的所述阳极中生成含氢气体；以及
以下中的至少一个：
储氢装置；或者
至少一个低温燃料电池；
其中所述REP组件被配置成将所述含氢气体输出到所述储氢装置或所述至少一个低温燃料电池中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的制氢系统，其中所述至少一个低温燃料电池被配置成选择性地在发电模式和蓄电模式下操作，在所述发电模式下，所述含氢气体被用于生成电力，而在所述蓄电模式下，所述含氢气体被加压并储存在所述储氢系统中。
3.根据权利要求1所述的制氢系统，其中从所述REP组件输出的所述含氢气体包括95％或更多的氢气。
4.根据权利要求1所述的制氢系统，其中：
所述REP组件被配置成选择性地在制氢模式和发电模式下操作；并且
所述REP组件进一步包括控制器，所述控制器被编程为：
当所述REP组件在所述制氢模式下操作时，控制所述电源以向所述至少一个燃料电池施加所述反向电压，使得所述至少一个燃料电池生成所述含氢气体，以及
当所述REP组件在所述发电模式下操作时，控制所述电源不向所述至少一个燃料电池施加所述反向电压，使得所述至少一个燃料电池由燃料生成电力，并且可选地将所生成的电力输出到所述电源。
5.根据权利要求2所述的制氢系统，其中在所述至少一个低温燃料电池在所述发电模式下的操作期间，所述至少一个低温燃料电池被配置成向所述电源、所述REP组件或其组合输出所述生成的电力。
6.根据权利要求2所述的制氢系统，进一步包括：
第二低温燃料电池，其中：
所述储氢装置包含至少预储存量的所述含氢气体；并且
在所述至少一个低温燃料电池在所述发电模式下的操作期间，所述第二低温燃料电池被配置成从所述储氢装置接收所述含氢气体，并将所述生成的电力输出到所述电源。
7.根据权利要求1所述的制氢系统，其中当所述电源向所述至少一个燃料电池施加所述反向电压时，在所述至少一个燃料电池的所述阳极中通过电解反应将二氧化碳与所述含氢气体分离，使得所述至少一个燃料电池输出所述含氢气体，并分离地输出包含二氧化碳和氧气的氧化剂气体。
8.根据权利要求1所述的制氢系统，进一步包括：
一个或多个重整器，所述一个或多个重整器被配置成重整碳氢燃料并将重整的燃料作为气体进料输出到所述至少一个燃料电池，
其中所述至少一个燃料电池进一步被配置成执行以下中的一个或多个：
使甲烷与水反应以产生氢气和二氧化碳，以及
变换一氧化碳和水以产生氢气和二氧化碳。
9.根据权利要求1所述的制氢系统，进一步包括：
压缩器，所述压缩器被配置为压缩从所述REP组件输出的所述含氢气体；以及
热交换器，其中
所述热交换器被配置成接收从所述压缩器输出的经压缩的含氢气体；并且
所述储氢装置被配置成接收从所述热交换器输出的经冷却的、压缩的含氢气体。
10.根据权利要求9所述的制氢系统，进一步包括：
热水储存装置，所述热水储存装置被配置成接收、储存和输出具有第一温度的水；以及
冷水储存装置，所述冷水储存装置被配置成接收、储存和输出具有低于所述第一温度的第二温度的水，其中：
在所述制氢系统在所述蓄电模式下的操作期间：
所述热交换器将水输出到所述热水储存装置，并且
所述冷水储存装置将水输出到所述热交换器的入口。
11.根据权利要求9所述的制氢系统，进一步包括：
膨胀器，
其中，在所述制氢系统在发电模式下的操作期间，所述膨胀器接收从所述热交换器输出的所述含氢气体，并使所述含氢气体膨胀，以回收用于压缩所述含氢气体以便于存储在所述储氢装置中的能量中的至少一部分。
12.根据权利要求11所述的制氢系统，其中
所述至少一个低温燃料电池被配置成：
接收从所述膨胀器输出的所述含氢气体和从所述REP组件输出的所述含氢气体，以及
生成电力。
13.根据前述权利要求中任一项所述的制氢系统，其中：
所述REP组件的所述至少一个燃料电池包括熔融碳酸盐燃料电池；并且
所述至少一个低温燃料电池包括质子交换膜燃料电池。
14.一种使用权利要求1所述的制氢系统生成氢气和电力的方法，所述方法包括：
在包括所述至少一个燃料电池的所述REP组件中接收燃料气体；
向所述至少一个燃料电池施加由所述电源供应的所述反向电压；
在所述至少一个燃料电池的所述阳极中生成所述含氢气体；以及
将所述含氢气体从所述REP组件输出到所述储氢装置或者所述至少一个低温燃料电池中的至少一个。
15.根据权利要求14所述的方法，其中：
在所述至少一个低温燃料电池在发电模式下的操作期间，第二低温燃料电池从所述REP组件接收所述含氢气体中的另一部分并生成电力。
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