用於制氫的重整器‑電解槽‑淨化器(REP)組件、包含其的系統以及制氫的方法與流程
2023-07-07 22:38:21 2
本發明涉及由燃料諸如天然氣、甲烷、ADG消化池氣體以及其它燃料制氫，具體而言，涉及使用用於制氫並能夠與燃料電池系統和其它系統整合的燃料重整器-電解槽-淨化器組件。該發明進一步涉及燃料重整器-電解槽-淨化器組件以及包含其的系統的各種應用。
背景技術：
烴類燃料，諸如甲烷、丙烷、天然氣、煤氣等，廣泛用於能量消耗設備以及用於產生能量。許多利用烴類燃料的設備和系統——包括燃料電池—需要重整燃料來制氫(H2)。例如，燃料電池汽車需要高純度氫作為運行的燃料。目前，低溫電解和蒸汽甲烷重整被用於由烴類燃料制氫。在低溫電解中，電解槽由水生成氫。由於低溫電解需要的較高的能量消耗，該工藝是非常無效率的。
由於甲烷和CO不完全轉化為氫以及其它缺陷，由天然氣和其它燃料制氫的常規技術也遭受低效率和過量CO2產生。例如，使用連接至變壓吸附(pressure swing adsorption)(PSA)設備的蒸汽甲烷重整器(SMR)的常規氫氣製造和分離系統遭受非全部甲烷轉化為氫的缺陷，並由此將大量的進給能量(feed energy)轉化為熱。該熱生成使得系統使用來自其它來源的廢熱來提高效率變得不現實並且還增加了CO2排放物。這些常規的系統當規模由當前的通常500,000千克每天系統下降時還遭受效率損失和成本增加，並且除了高的CO2排放物以外，通常還產生顯著量的NOx。這可使得獲得批准安裝和運行這些常規系統是困難的，特別地，在非工業領域。對於可再生的進料，由於進料被CO2稀釋以及需要壓縮進料流，這樣的系統甚至更低效率地運行。
技術實現要素：
本發明的目的是提供具有低溫室排放物的用於產生氫的低成本系統。
本發明在一個步驟中重整和淨化來自天然氣和其它燃料的氫。用於在高溫下以電化學淨化氫的電同時由蒸汽電解產生額外的氫。而且，利用廢熱驅動吸熱重整反應，這消除了否則將通過燃燒燃料產生的排放物。本發明的系統包含高溫電化學淨化系統以在重整過程期間從重整氣體移除CO2和以接近理論上最小的CO2排放物的方式驅動甲烷至H2和CO2的轉化至完成，從燃料產生氫。
本發明的單步驟系統簡化了操作並導致低成本系統。另外，對於集中式和分布式生產兩者，本發明的系統可以生成氫，並且具有其它可能的用途，諸如能夠實現CO2俘獲和能量存儲。
而且，本發明由重整燃料——諸如天然氣——和高溫電解生成氫，這降低氫的邊緣生產成本。結果，氫的總成本是經濟上吸引人的。
本發明涉及高溫電解槽組件，其包括至少一個電解槽燃料電池，該電解槽燃料電池包括由電解質基體隔開的陽極和陰極；和用於向該至少一個電解槽燃料電池施加反向電壓的電源，其中，當電源向至少一個電解槽燃料電池施加反向電壓時，在至少一個電解槽燃料電池的陽極中的電解反應生成含氫氣體並且從含氫氣體分離二氧化碳，以便至少一個電解槽燃料電池輸出含氫氣體並單獨地輸出包括二氧化碳的氧化劑氣體。從至少一個電解槽燃料電池輸出的含氫氣體包括95％或更多的氫，和氧化劑氣體包括二氧化碳和氧的混合物。在某些實施方式中，高溫電解槽組件包括串聯連接並形成燃料電池組的多個電解槽燃料電池。在一些實施方式中，每個電解槽燃料電池是熔融碳酸鹽燃料電池。在某些實施方式中，組件進一步包括用於重整烴類燃料並輸出重整的或部分重整的燃料至至少一個電解槽燃料電池的一個或多個重整器。在這樣的情況中，進一步改造至少一個電解槽燃料電池以使甲烷與水反應來產生氫和二氧化碳，並且使一氧化碳與水變換(shift)來產生氫。具體地，一個或多個重整器可以包括一個或多個包括重整催化劑的內部重整燃料電池，並且在這樣的實施方式中，高溫電解槽組件包括多個電解槽燃料電池，並且一個或多個重整燃料電池和多個電解槽燃料電池形成為燃料電池組。
本發明的高溫電解槽組件可以進一步包括用於控制電源向至少一個電解槽燃料電池施加預定量的反向電壓的控制器。預定量的反向電壓大於1.0伏特。而且，高溫電解槽組件可以配置為以制氫模式和發電模式(功率產生模式，power producing mode)中的一種運行，和當高溫電解槽組件以制氫模式運行時，控制器控制電源向至少一個電解槽燃料電池施加反向電壓，以便至少一個電解槽燃料電池生成含氫氣體，和當高溫電解槽組件以發電模式運行時，控制器控制電源不向至少一個電解槽燃料電池施加反向電壓，以便至少一個電解槽燃料電池由燃料生成電。
還描述了利用高溫電解槽組件的各種系統。下面描述的系統包括但不限於生產含氫氣體的重整器-電解槽-淨化器系統、包含高溫電解槽組件和高溫燃料電池系統的發電和氫生成系統、生成用於俘獲的二氧化碳氣體的重整系統、用於生成電力的包括低溫燃料電池和高溫電解槽組件的系統、用於儲存過量功率為氫的能量存儲系統、用於將一種氣體轉化為具有低CO2含量的另一種氣體的氣體轉化系統、用於使用高溫電解槽和煤供電組件生成高純度二氧化碳的二氧化碳俘獲系統、和組合的氣化器和氫生成系統。還描述了生成含氫氣體和分離CO2進行俘獲的各種方法。
附圖說明
在組合附隨的附圖閱讀下面的詳細描述之後，本發明的上述和其它特徵和方面將變得更清楚，其中：
圖1顯示了包括本發明的REP組件的重整器-電解槽-淨化器(REP)系統的示意圖；
圖2顯示了重整器-電解槽-淨化器系統的更詳細的視圖；
圖3A和3B顯示了整合有燃料電池系統的重整器-電解槽-淨化器系統；
圖4顯示了在重整器-電解槽-淨化器(REP)組件中發生的反應；和
圖5A和5B顯示了測試圖2-3的重整器-電解槽-淨化器系統的結果；
圖6顯示了制氫系統的實施方式，其利用基於熔融碳酸鹽燃料電池的重整器-電解槽-淨化器組件並在此之後電化學氫壓縮以產生高壓、純的氫；
圖7顯示了CO2俘獲系統的說明性配置，其組合重整器與本發明的REP組件；
圖8A-8F顯示了氫生成系統的說明性配置，其中每個包括生成氫用於一個或多個PEM發電系統的REP組件；
圖9A和9B顯示了包含本發明的REP組件的這樣的能量存儲系統的說明性配置；
圖9C顯示了REP組件的示意性配置以及在其中發生的反應；
圖10A和10B顯示了說明性ADG轉化系統，其使用REP組件和甲烷化組件用於將厭氧消化池氣體(ADG)轉化為天然氣；
圖11A-11C顯示了CO2俘獲系統的說明性配置，其使用本發明的REP組件用於電化學反應由另一個燃料供電設備輸出的煙道氣；
圖12顯示了組合的氣化器和REP系統的說明性配置，其使用本發明的REP組件來淨化由氣化器產生的氫氣和/或向氣化器提供氧，同時產生適合於CO2俘獲的廢氣。
具體實施方式
本發明涉及高溫電解槽組件——貫穿說明書也稱為重整器-電解槽-淨化器(REP)組件，和包括REP組件的各種系統。如下面所描述的，REP組件包括至少一個電解槽燃料電池以及可以包括形成燃料電池組——也被稱為REP組——的多個電解槽燃料電池。反向運行至少一個電解槽燃料電池以便電解CO2和水來產生氫，和通過移除CO3＝來淨化氫。CO2可以由烴諸如甲烷提供，並且移除CO3＝驅動重整反應至完成。在至少一個電解槽燃料電池中可以發生其它反應，如下面所描述的和附圖中所顯示的。
REP組優選包括熔融碳酸鹽燃料電池組，和REP組件包括電源，其用於向REP組供給電用於驅動電解反應至完成。控制器可以包括在REP組件中和/或REP系統中用於控制電源和用於控制REP組件和/或REP系統的其它操作和部件。在下面更加詳細地描述控制操作。雖然說明書描述REP組件、REP組和REP系統為包括重整，諸如內部或外部重整，但是還考慮了REP組件、REP組和/或REP系統可以省略內部和/或外部重整，並且可以被用於電解包含CO2的供給氣體和淨化氫而沒有重整。
圖1顯示了本發明的重整器-電解槽-淨化器(REP)系統100的示意圖。如圖1所示的，在預加熱器102中使用低水平的廢熱預加熱燃料——諸如天然氣、ADG消化池氣體或其它適合的燃料，並隨後供給至REP系統100。在被預加熱之前或之後，燃料可以被溼潤或與水混合。在REP系統100中，通過與蒸汽反應重整燃料以產生氫、CO和二氧化碳，並在高溫(重整溫度)下淨化氫，以使其與其它反應產物分離並驅動重整反應至完成。REP系統100輸出氫和單獨地輸出其它反應產物——包括氧和二氧化碳。如所示的，高水平廢熱被供給至REP系統100以驅動吸熱重整反應，使得全部燃料被轉化為氫，由此降低由於甲烷不完全轉化為氫造成的CO2排放物。
圖2顯示了REP系統100的更加詳細的視圖，其包括REP組件，該組件包括REP組200和電源230。REP組200包括燃料電池元件，並且可以包括一個或多個僅重整電池(reforming only cell)或重整單元202和一個或多個REP燃料電池204，其中每個包括由電解質基體分隔的陽極204a和陰極204b。REP燃料電池與常規MCFC燃料電池一樣配置，但是通過施加大於1.0伏特，通常在1.15至1.5伏特範圍內的反向電壓反向運行。僅重整單元202和REP燃料電池204被組裝為組並串聯連接，使得燃料首先被傳送通過僅重整電池202並隨後通過REP燃料電池204的陽極204a。陰極204b可以接收供給至系統的熱氣——諸如空氣，和來自REP燃料電池的陽極204a的在淨化操作中產生的CO2/O2氣體混合物。在一個說明性實施方式中，REP系統100的燃料電池組200包含開發用於商業熔融碳酸鹽燃料電池技術的元件，諸如由FuelCell Energy，Inc.開發的然而，應當理解，其它類型的熔融碳酸鹽燃料電池可以被用在REP系統100中。
還如圖2中所示的，REP系統100可以包括一個或多個預加熱器，其利用來自REP系統的電池204的廢熱和/或由REP系統外的和/或與REP系統整合的其它設備產生的廢熱。在供給燃料至僅重整電池202之前，預加熱器102使用來自燃料電池204和僅重整電池202的廢熱預加熱燃料，該燃料可以與水混合或被潤溼。其它預加熱器(一個或多個)104可以被用於使用來自其它設備諸如被用於發電的高溫燃料電池的廢熱預加熱供給至該系統的氣體。而且，如圖2所示的，可以提供氧化器106用於使用補充燃料通過利用空氣氧化補充燃料增加至REP系統的熱，並生成熱氧化劑氣體，該熱氧化劑氣體然後被供給至REP燃料電池陰極204b。
在本發明中，以淨化模式或制氫模式運行REP燃料電池組200，作為淨化重整電解槽並在這樣的操作期間，從系統移除幾乎全部的碳——作為CO2，並由重整甲烷產生近乎純的氫。另外，REP燃料電池組200還同時通過離解蒸汽(電解)有效地產生額外的氫。因此，當供給天然氣至REP系統時，大約80％的氫輸出由天然氣重整產生和其他20％的氫通過電解反應提供。該重整器-電解槽-淨化器(REP)系統100有效地產生氫並且具有最小CO2排放物。
如圖2所示，燃料——諸如天然氣和/或可再生的燃料——加水被進料入系統200。該燃料進料在預加熱器102中加熱，然後輸送至重整電池202和REP燃料電池204，在那裡幾乎全部的氣體被重整為氫和CO。用於該吸熱重整反應的熱由外部廢熱104提供，該外部廢熱104從其它廢熱生成設備提供。在某些實施方式中，補充的或額外的燃料被用作後備或用於提升廢熱的水平，具體地在可中斷的可再生的廢熱諸如風能或太陽能熱被用作廢熱的來源時。例如，在圖2中，在系統中提供氧化器106，其接收補充燃料和空氣並氧化補充燃料以產生加熱的氣體用於陰極。以該方式，氧化反應提升被用於REP電池中的廢熱的水平。
在圖2中所示的說明性實施方式中，首先燃料氣體在僅重整電池(RU's)202中被部分重整。圖4中顯示了在RU's(重整器)中水和甲烷之間發生的反應。如圖2和4中所示的，來自RU's 202的部分重整的氣體然後被進料至以淨化模式運行的MCFC燃料電池的陽極側204a——作為電解槽(REP電池)(制氫模式)。在燃料電池204中，水被離解為氫和氧，氧與重整氣體中的二氧化碳結合以產生CO3＝，並且穿過熔融碳酸鹽薄膜電化學地移除CO3＝。圖4中顯示了燃料電池204的陽極側204a中的這些反應。燃料電池204中的該操作移除系統中幾乎全部的碳並迫使平衡重整和變換反應基本上完成CH4和CO至氫的轉化。因此，如圖2和4所示的，離去的含氫氣流是具有小量CO2和CH4的幾乎純的氫(大於98％)。當氫被加壓用於需要高純度氫的系統時，該小量的CO2和CH4可以被容易地移除。然而，許多系統能夠直接使用低純度氫，而不需要移除小量的雜質。
如圖2所示的，REP燃料作為電解槽的運行可以由控制器控制。控制器250被編程以控制至REP燃料電池204的反應氣體的供給或流速。控制器250還控制施加至燃料電池的電壓和電流，其由電源(如，DC電源)230供給，使得離子轉移為正常燃料電池運行的反向方向。圖4中顯示了REP系統100的燃料電池中發生的反應。當含有CO2和氧的氣體被用作陰極側氣體時，控制器250可以進一步控制燃料電解池204的運行模式在作為電解槽的運行與正常發電運行之間切換。在下面更加詳細地描述該運行。
而且，雖然圖2中顯示重整電池202為REP燃料電池組的部分，以便該電池組為間接內部重整組，但是在其它實施方式中，對於重整燃料，替代或除了內部重整電池以外，還可以使用外部重整器。
在某些說明性實施方式中，圖2的REP系統中使用的元件與市售的由FuelCell Energy，Inc.開發的燃料電池的元件相同或相似。通過使用市售的REP系統的元件，該發明可以利用有競爭力的成本迅速地商業化，其進一步導致成本節約。
圖3A和3B顯示了整合圖1和2的REP系統100與高溫燃料電池諸如標準燃料電池系統的組件。在圖3A所示的組件中，高溫燃料電池系統300是發電燃料電池，其可以向REP系統100提供廢熱、控制、進料氣體處理、水處理、功率和輔助支持儀器，因此最小化REP系統資本成本。如圖3A所示的，水和燃料被供給至高溫燃料電池系統300，其還接收來自REP系統100的返回陰極排氣。標準燃料系統使用的部分的淨化的和潤溼的燃料被發送至REP系統100的REP單元100A(REP組件)。包括未消耗的氧化劑氣體的熱陰極排氣也從高溫燃料電池系統300輸出並然後被供給至REP系統100的陰極側，以向REP單元100A供給熱並稀釋由REP單元100A產生的CO2和氧(其降低REP的電壓和功率需求)。從REP系統100輸出的陰極排氣被循環返回至高溫燃料電池系統300用作陰極側中的氧化劑。該循環富集CO2和氧，其略微提高了標準DFC燃料電池系統的性能。如上述關於圖2所描述的，供給至REP系統的潤溼的燃料首先在預加熱器102中預加熱，然後輸送至重整電池202並隨後提供至REP單元100A的陽極側204a，所述REP單元100A包括作為電解槽運行的燃料電池組件。REP單元101A的陽極側204a輸出具有小量CO2和CH4的氫。由REP系統100產生的氫可以進一步被淨化以移除CO2和CH4，以便可以向運行和需要高純度氫的設備——諸如燃料電池汽車——提供高純度氫。下面更加詳細地描述這樣的應用。
圖3B顯示了30電池組的照片，並且圖3B類似於圖3A的30電池REP系統100的可能布置。圖3B的REP系統100包括放置在基座上的燃料電池組204，和用於供給入口氣體至電池組和輸送排氣離開電池組的各種連接和埠。如圖3B所示的，REP系統100還包括多個歧管206a-c，用於引導各自的入口和出口氣體，其包括燃料轉向歧管206a，用於引導重整燃料至REP燃料電池的陽極側；燃料離開歧管206b，用於接收陽極排氣(淨化的氫)；和陰極離開歧管206c，用於輸出陰極排氣。在受讓於與本文相同的受讓人的美國專利序號7,323,270和7,070,874中顯示並描述了可以適於用於圖3A的REP系統100中的示例性燃料電池模塊，所述專利通過引用併入本文。
雖然在圖3A和3B的說明性實施方式中重整電池202被顯示為燃料電池組的部分，以便電池組是間接內部重整組，但是在其它實施方式中，對於重整燃料，替代或除了內部重整電池以外，還可以使用外部重整器。
如上面所討論的，本發明的REP系統利用作為高溫電解槽運行的MCFC燃料電池來通過從氣體中移除CO2將由重整電池供給的重整氣中的水、甲烷和/或一氧化碳轉化為氫。為了作為電解槽運行REP系統的燃料電池，電壓被施加至燃料電池，以便由CO2和H2O生成的CO3＝離子以在燃料電池中正常發生的流動方向的反向方向流動。施加至作為電解槽運行的燃料電池的電壓由電源供給，電源可以是蓄電池(battery)、以發電模式運行的另一個燃料電池或燃料電池組件(或甚至在以發電模式運行的REP組中的燃料電池)，或任何其它能量存儲或電源設備。REP系統的燃料電池中的反應當CO3＝離子被泵送穿過電解質薄膜或基體時在陽極側上需要CO2和水並且在陰極側上生成CO2和氧的混合物。產生CO3＝所需的氧通過在陽極側上水的離解產生。在本說明性實施方式中，該反應通過向MCFC電池施加大約1.2V的反向電壓產生，並且在圖3A所示的系統中，由燃料電池系統300或其部分生成的電可以被用於向REP單元100A施加反向電壓。在圖4中顯示在REP系統中的燃料電池的陽極側中和陰極側中發生的反應，以及施加DC功率至陽極側以驅動電解反應。
如上面所討論的，REP系統以及具體地REP系統中的燃料電池的運行由控制器250等控制。控制器250控制電源以及燃料電池中電解反應所需的電壓的施加，以及至REP系統的入口氣體的流速。所需的電壓為下面能斯特方程的函數：
能斯特電壓方程
通過配置和控制REP系統以利用另一種氣體諸如空氣稀釋陰極CO2和氧濃度，實現較低電壓和更有效的運行。在陽極中，在大約1100°F的高溫下，甲烷通過與水反應重整以產生氫和CO。然後CO與水反應以產生氫和CO2。雖然這些反應是可逆的，但是當CO2被泵送離開系統時，這些反應被驅動朝向完全或接近完全轉化。由系統泵送CO2離開也可以由控制器250控制。
理論上，可以由陽極產生純氫，但是由於來自熔融碳酸鹽薄膜的CO2和電池的陰極側上的CO2的蒸汽壓，完全的CO2移除是不可能的。測試已經顯示在乾燥的基礎上，CO2可以被降低至1％左右，如果需要使用下遊淨化系統其可以容易地由氫移除。該水平的CO2足以將基本上所有甲烷轉化為氫。而且，如果使用下遊淨化步驟，由下遊淨化步驟排出的氫和CO2可以容易地被循環至REP系統，使得可以實現至氫的100％轉化。在一些實施方式中，REP系統可以整合有反應器廢氣——諸如來自Fischer-Tropes反應器的廢氣——以促進來自系統的氫廢氣的循環。而且，REP系統可以整合有低溫燃料電池系統、基於煤運行的發電系統、氣化器以及其它系統。使用本發明的REP系統的系統的具體實例在下面描述。
在本發明中，通過從被重整的氣體移除幾乎全部碳驅動完成天然氣至氫的重整。以CO3＝形式的該碳移除在高溫下完成，使得重整反應繼續至完成。REP系統燃料電池的用於移除CO2的功率為系統提供雙重利益，因為其在淨化來自重整反應的氫的同時生成額外的氫。由於高溫以及反應基於蒸汽電解而不是水的事實，由燃料電池中電解反應生成的氫是非常高效的。預期的是每千克來自電解的氫，電解功率需求將是低溫電解系統中使用的功率的大約55％。由於高達80％的總氫來自重整，基於產生的總氫，功率需求為大約11％。
在本發明中其它重要的要素是使用廢熱來驅動吸熱重整反應。雖然廢熱的一個來源可以是諸如圖3的整合組件中的提供功率的高溫燃料電池，但是可以使用許多其它的廢熱來源。一些使用的廢熱是相對低溫(近似250°F)廢熱，其用於將進料水轉化為蒸汽以及預加熱該氣體用於重整。然而，重整反應需要高水平的熱，諸如是由高溫燃料電池、燃氣輪機、太陽能熱、原子核、氣化、電熱或其它來源可得到的。
而且，對於需要非常高純度氫的系統，產生的低純度廢氣可以容易地被循環至REP系統以保持非常高的總效率和低CO2排放物。
測試本發明的REP系統以確定其在功率消耗以及產生的氫的純度方面的效率以及比較REP系統與常規電解槽的效率。圖5A顯示了分析與常規電解槽相比估算的REP系統的燃料電池所需的電壓的測試數據。如圖所示5A的，當REP系統的燃料電池被作為電解槽以CO2泵模式(淨化模式)運行時，需要施加至每個電池的電壓在1000和1300mV/電池之間，同時需要生產高純度氫的電壓在1150和1300mV/電池之間。與之相比，常規低溫電解槽電壓範圍為1600和2000mV之間。因此，該測試顯示了本發明的REP系統中的高溫電解是比常規的低溫電解槽更加高效的。
圖5B說明了REP系統中獲得的氫純度和施加至REP系統的燃料電池的電池電壓之間的關係。如圖5B所示的，隨著施加更大的電壓，氫的純度增加至高達大約98-99％，並且隨著電池電壓增加，REP系統輸出的氣體中CO和CO2的量下降。通過燃料電池中電解反應淨化重整的氣體使產生氫和淨化重整氣體兩者消耗的功率的利益倍增。
本發明提供制氫的大量的提高。因為REP系統是完全規模可調的(scalable)，其可以被按尺寸製作以提供給定位置處需要的準確量的氫，消除對氫運輸的需求。在一些位置，運輸成本可以容易地使氫的成本翻倍或翻三倍並由於來自卡車或其它運輸裝置的排放物大大地增加CO2排放物。氫存儲也是昂貴的。當作為REP系統的部分運行時，當前用於發電的尺寸的單一高溫組——諸如組，可以產生超過每天1,500kg的氫。大規模燃料電池系統通常包含多個燃料電池組，使得例如，使用8個燃料電池組的REP系統將由此產生超過每天12,000kg的氫。因此，可以利用本發明的REP系統生成大的工業規模的氫。
在該規模的另一端，REP系統將保持效率，即使當其規模下降時。例如，家庭更換燃料系統將使REP系統減小至通常燃料電池車輛所需要的每天1至2Kg氫的生產水平。這樣的系統可以潛在地解決氫基礎設施問題——其是對這些類型車輛所關心的問題。如下面更加詳細描述的，也可以使用在一個步驟中壓縮和淨化H2的電化學氫壓縮(EHC)系統。通過組合REP組件和EHC系統，車輛所需的高壓、高純度氫可以以該小規模被容易地且成本有效地生成。
REP系統在陰極中產生33％的氧/67％的CO2的流。如下面更加詳細描述的，該氣體可以潛在地被用作氣化器中或甚至標準鍋爐中的氧化劑以產生用於俘獲的高純度CO2流。即使沒有CO2俘獲，使用該氣體作為氧化劑代替空氣將消除NOx形成。在一些情況中，該流可以用空氣或陰極排氣稀釋，使得陰極側上的氣體組合物與由FuelCell Energy Inc.開發的商業發電電池中使用的組合物類似。該稀釋有助於保持系統中的熱平衡並降低電池上的電壓需求。儘管如此，本發明的系統使CO2俘獲變得實際。在下面更加詳細地描述包含REP並提供CO2俘獲的系統的實例。
如上面所討論的，REP系統還包含高溫電解槽，其比目前的低溫技術更加高效，僅使用大約55％的常規功率。當整合有高溫燃料電池系統——諸如燃料電池時，該電解槽可以在沒有任何燃料的情況下運行，以有效地將額外的電能作為氫儲存。
圖6顯示了制氫系統400的另一個實施方式，為了產生高壓高純度H2，所述制氫系統400利用REP系統然後電化學氫壓縮(EHC)以產生高壓高純度氫。如圖6所示，系統400包括用於為供給至系統的燃料脫硫的脫硫裝置15、用於預加熱脫硫的燃料和利用水潤溼脫硫的燃料的預加熱器/潤溼器16a、進一步的預加熱器19、用於重整潤溼的燃料的預轉化器或重整器25、作為高溫電解槽運行的燃料電池REP組28、甲烷轉化器26和電化學氫壓縮(EHC)系統27。在圖6中，燃料在脫硫裝置15中脫硫，在潤溼器16中與水混合或被潤溼，使用一個或多個預加熱器16、19預加熱，並被進料至預轉化器(重整器)25以經由下面的反應轉化燃料中的甲烷和水為H2和CO2：
CH4+2H2O→4H2+CO2 (1)
來自外部來源(未示出)的熱被加入預轉化器25。然後將包含氫和CO2的重整的燃料傳輸至作為高溫電解槽(CO2泵)運行的REP燃料電池組28的陽極側。在REP燃料電池組28中，燃料中的CO2經由下面的反應通過電解額外的水移除以產生更多的H2：
由REP組中生成的含氫氣體移除CO2驅動CH4轉化至接近完成以及由燃料電池組28生成95-99％的H2流。得到的由燃料電池組28輸出的含氫氣流在熱交換器19中略微冷卻，該熱交換器19也預加熱潤溼的燃料，然後該含氫氣流被輸送至使氣體甲烷化的甲烷轉化器26。在甲烷轉化器26中，通過將所有痕量的CO轉化為CH4，將其由氣體移除，使得產生具有0％的CO2和CO的98％的H2/2％的CH4的流。
在甲烷化過程之後，得到的轉化的含氫流(98％的H2/2％的CH4)被輸送至電化學氫壓縮(EHC)系統27，其被用於壓縮H2從接近大氣壓至2000+psig。同時，EHC系統27淨化H2至某些用途所需的99.9+％，諸如在燃料電池車輛中。從EHC系統27剩下的包括甲烷、H2和H2O的氣體在熱交換器8中冷卻然後使用吹風機32循環返回至供給進料。以該方式，100％的CH4被轉化為H2和生成的100％的H2被最終作為具有>99.9％的純度並在>2000psig壓力下壓縮的最終產物H2輸出。
下面顯示圖6中所示系統的材料平衡：
圖6的系統可以用作氫燃料加燃料系統，其使用反向運行的燃料電池系統(REP組件)由天然氣和/或其它燃料有效地生成H2。該請燃料加燃料系統可以用來向燃料電池汽車和小的工業用途以顯著低的生產成本提供H2燃料。雖然H2生產的資本和維護成本將增加H2生產的總成本，但是由於當前小規模的氫通常大於$5每千克，該H2的總成本仍然是經濟上吸引人的。而且，現場有效生成H2將有助於利用向燃料電池汽車和為小工業用途提供H2燃料來解決基礎設施問題。
如上面所討論的，上面描述的系統和實施方式提供用於生產高純度氫的改進的和最有效的系統，其大大地降低用於汽車和工業過程中的制氫的成本。而且，上面描述的系統和實施方式降低由於燃料重整產生的CO2排放物。
上面關於圖1-6描述的REP系統和REP組件可以被併入多種系統以提供氫生成、有效能量存儲、燃料淨化、CO2移除和CO2俘獲。這樣的系統和用途的說明性配置在本文下面描述。
在下面描述的說明性配置中，每個系統包括REP組件，該REP組件包括至少一個REP組，其配置和運行在上面描述。具體而言，如本文中上面所描述的，至少一個REP組包括具有由電解質基體分隔開的陽極側和陰極層的至少一個電解槽燃料電池，並且REP組件還包括電源，諸如DC電源，用於向REP組供給必需的反向電壓以促進其中的反應。如上面所描述的，在施加反向電壓之後，水和二氧化碳在至少一個電解槽燃料電池的陽極側中電化學地反應，以產生氫和CO3＝離子，並且CO3＝離子被輸送穿過電解質基體至電解槽燃料電池(一個或多個)的陰極側。由陽極側移除CO3＝離子驅動水和二氧化碳之間的反應至完成。可以在電解槽燃料電池(一個或多個)的陽極側中發生的其它反應在水和甲烷之間以產生氫和二氧化碳，以及內部變換反應在水和一氧化碳之間以產生氫。在電解槽燃料電池(一個或多個)的陰極側中，CO3＝離子被轉化為氧和二氧化碳。在圖4中顯示了這些反應。
具有蒸汽甲烷重整的REP組件用於CO2俘獲的用途
本發明的REP組件可以與重整器一起使用用於有效地俘獲由重整器輸出的CO2。常規地，蒸汽甲烷重整器是在精煉(refinery)操作中最大的CO2排放器之一，並且從這樣的重整器輸出的CO2不被俘獲。因此，存在對有效俘獲從精煉和其它蒸汽甲烷重整操作中輸出的CO2的需求。
在常規蒸汽甲烷重整器配置中，蒸汽和天然氣被進料至重整器，在那裡甲烷被轉化為氫和CO，和然後重整器流出液被冷卻和CO被變換至氫。在這樣的常規系統中，變換氣體被發送至變壓吸附(PSA)系統，在那裡氫與氣體中的剩餘甲烷和CO以及與由於重整反應產生的CO2分離。包括甲烷、CO和CO2的剩餘氣體然後被用作至重整器的燃料並與空氣一起燃燒以提供重整器中吸熱重整反應所需的熱。由重整反應生成的CO2被作為煙道氣從重整器排出。由於這些常規的重整操作，蒸汽甲烷重整是精煉中最大的CO2排放器並且每加侖汽油當量(gge)的H2排放大約11,000g的CO2。
本發明利用類似於圖1、2和4中所顯示以及上面所描述那些的REP組件，結合重整器用於俘獲由重整器生成的CO2。在本發明的CO2俘獲系統中，重整器接收天然氣和蒸汽並重整天然氣成為氫。重整器的出口不被冷卻而是直接進料至REP組件，其包括反向運行的MCFC燃料電池組和電源。在REP組件中，剩餘甲烷和CO被轉化為氫和CO2，其被泵送穿過燃料電池薄膜，使得CO2被在高溫下電化學地移除。如上面所討論的，由於CO2穿過薄膜移除，反應被推進接近完成，並且REP組件輸出為98％的氫的含氫氣體流出液，其可以被進一步淨化。CO2也從REP組件輸出並可以被俘獲或在接收氧化劑氣體的設備諸如陽極氣體氧化器(AGO)中使用。
圖7顯示了CO2俘獲系統700的說明性配置，其組合重整器710與REP組件720——也被稱為CO2泵。CO2俘獲系統700還包括甲烷轉化器730，EHC(氫泵)740——其是電化學氫壓縮機，以及熱交換器732、734和750。如圖7所示的，天然氣和蒸汽形式的水被供給至重整器710，在那裡重整天然氣以產生包含氫和CO的重整氣體。從重整器710輸出的重整氣體被作為與蒸汽混合的供給氣體直接輸出至CO2泵/REP組件720的陽極側，並且在CO2泵/REP組件720中，重整氣體中的剩餘甲烷被轉化為氫和CO2，其被泵送穿過CO2泵720的薄膜。具體而言，在CO2泵/REP組件720中，根據下面的反應，CO2與水反應以產生CO3＝，其由泵/REP組件移除：
該反應與上面描述的反應(2)相同，且通過CO3＝離子穿過基體薄膜的電化學移除驅動向前，使得生成接近純的氫(～98+％)。在CO2被移除的同時，幾乎全部的進料甲烷被轉化為氫。在CO2泵/REP組件中發生的其它反應在上面描述並在圖4中顯示。
CO2泵/REP組件720從其陽極側輸出生成的含氫氣體(大約98％的純度的氫)，其然後被淨化。從CO2泵/REP組件720輸出的含氫氣體在熱交換器732中冷卻並隨後被輸送至甲烷轉化器730。在甲烷轉化器730中，氫氣中所有的剩餘CO和CO2被轉化返回為甲烷。移除氣體中全部的CO是重要的，使得H2泵/EHC740的功率需求被最小化。甲烷轉化器730輸出包括氫(98％)和甲烷的混合物的轉化的含氫氣體，其在熱交換器734中冷卻。如圖7所示的，熱交換器732和734可以被用於使用生成的含氫氣體和甲烷轉化器輸出氣體中的熱預加熱供給至系統700的水，以產生重整器710中重整反應所需的蒸汽。然後，將冷卻的包括氫和甲烷的混合物的轉化的含氫氣體輸送至H2泵740，其使用電化學氫壓縮(EHC)來壓縮和淨化氫。如圖7所示的，在H2泵/EHC 740的陽極層742中接收氫和甲烷混合物，並且氫被泵送穿過薄膜至H2泵/EHC 740的陰極側744，以便使其與甲烷分離。純的壓縮的氫被從H2泵/EHC 740的陰極層輸出，同時甲烷被從陽極側742單獨地輸出。通過使用具有EHC的H2泵，可以將氫淨化至超過99％的純度並在2,000psig或更高的高壓下輸出，適合用於存儲或用於基於高純度氫運行的設備中。
還如所示的，CO2泵/REP組件720生成並通過電化學運輸CO3＝離子穿過高溫薄膜單獨地輸出包括大約2/3二氧化碳和1/3氧的混合物的氧化劑氣體。該CO2/O2混合物可以被用於代替重整器710中的空氣，在圖7的說明性實施方式中，重整器710包括陽極排氣氧化器。重整器710的陽極排氣氧化器還接收由H2泵/EHC的陰極輸出的甲烷和未回收的氫並利用CO2/O2混合物氧化甲烷和未回收的氫，同時產生重整器中重整反應所需的熱。通過利用來自CO2泵/REP組件720的CO2/O2混合物代替空氣，基本上全部的甲烷和未回收的氫被用作燃料以為重整器提供熱，並被轉化為CO2和水。從氧化器輸出的煙道氣在其被在熱交換器750中冷卻並且水被從煙道氣中冷凝出之後是基本上純的CO2。然後，可以壓縮冷卻的CO2，使得來自系統700的全部的CO2可以被俘獲並螯合，而沒有進一步淨化。如圖7所示的，從熱交換器750中的煙道氣回收的熱被用於加熱水以產生用於重整反應的蒸汽。
圖7中的系統700具有超過常規重整系統的若干優勢。如上面所描述的，由系統700產生的CO2是高純度的並且易於俘獲。而且，由於在反應中沒有氮存在，沒有NOx從系統700產生或排放。由系統產生的氫是高純度的(>99％)和處於3000psig或更大的高壓下，並且由於甲烷至氫的高度轉化，系統700保持熱平衡而不需要額外的熱被轉化至蒸汽或其它副產物。進一步，系統700是從產生1kg的氫每天的小的家庭系統至產生10,000+kg的氫每天的較大系統規模可調的。另外，用於系統700中的儀器與當前用於MCFC燃料電池的儀器類似，因此是可容易獲得的。圖7的系統700的另一個優勢是降低系統的燃料消耗，這是因為大約20％的產生的氫來自水-CO2電解反應。而且，如果需要，系統可以被運行以負荷跟蹤(load follow)來滿足氫要求，或可以被用於負荷跟蹤以有助於平衡區域的功率需求。
在圖7中的系統700的說明性配置中，使用甲烷轉化器730和H2泵740淨化CO2泵/REP組件720中生成的氫。然而，系統700可以被修改以代替使用PSA基磨光系統用於將氫與CO2泵/REP組件生成的氣體中的其它成分分離。在這樣的修改的系統中，在氣體被提供至PSA基磨光系統之前，甲烷轉化器是不需要的。該修改的系統的優勢與圖7中所示的系統700的那些優勢相同。
使用REP組件中生成的H2從天然氣PEM發電
本發明的REP組件還可以被用於提供低成本H2，用於現場或遠程位置PEM發電。PEM燃料電池基於高純度H2運行，並且常規地需要高成本蒸汽甲烷重整系統或存儲的氫源。然而，在本發明中，REP組件有效地以低成本生成氫，用於PEM基的發電系統。
圖8A-8F顯示了氫生成系統800的說明性配置，其中每個包括REP組件810，其生成氫用於一個或多個PEM發電系統820。圖8A-8F的說明性系統還包括重整器830，用於部分重整燃料——諸如天然氣——與蒸汽形式的水；和高水平加熱器840，諸如AGO，其生成用於重整器830的高水平的熱。
如圖8A-8F所示的，在熱交換器850中使用低水平廢熱預加熱燃料諸如天然氣和水以便使水蒸發，所述低水平廢熱可以來自外部來源。得到的蒸汽和燃料的混合物然後被輸送至重整器830，在那裡使用由高水平加熱器840提供的高水平熱部分重整燃料。可以為AGO的高水平加熱器840接收氧化劑氣體和燃料的滑流並燃燒或氧化燃料以生成用於重整器830中的重整反應的高水平熱。然後，將由重整器輸出的部分重整的燃料進料至REP組件810的陽極側812，其產生具有大於95％純度的含氫氣流。REP組件810包括作為電解槽以反向運行的MCFC燃料電池組，並具有與上面描述的REP組件相同或類似的結構和運行。REP組件還包括用於向燃料電池組施加反向電壓的電源。REP組件800還從陰極側814單獨地輸出由於REP組件800中的反應的結果產生的包括CO2/O2混合物的氧化劑氣體。在上面描述並在圖4中顯示了在REP組件800中發生的反應。
在圖8A-8F的系統中，由REP組件800生成的含氫氣流被冷卻並可以被加工，以及隨後被進料至一個或多個PEM發電系統820或PEM燃料電池。在冷卻處理期間或其後，部分冷卻的含氫氣體與重整催化劑接觸，該催化劑轉化氫氣流中全部的CO和CO2為甲烷和水，使得超過95％的氫和小於5％的甲烷和小於1ppm的CO的混合物被傳送至一個或多個PEM發電系統820的陽極側822。在圖8A-8F的說明性配置中，來自PEM燃料電池(一個或多個)的陽極側822的洩料(blow down)被用於保持燃料電池中甲烷濃度是低的。具體而言，從PEM燃料電池(一個或多個)的陽極層822輸出的包括甲烷和氫的陽極排氣被經由陽極排氣循環路徑826循環返回至重整系統並與輸入該系統的燃料和水混合，使得100％的燃料被利用並且提供至PEM燃料電池(一個或多個)的陽極層822的燃料氣體中的甲烷濃度是低的。洩料組件825提供在循環路徑中，從而保持PEM燃料電池中甲烷濃度是低的。
圖8A-8F的配置主要區別在於空氣提供至系統800的方式，利用從REP組件810輸出的CO2/O2混合物的方式，提供CO2俘獲和/或提供氫存儲。現在將描述圖8A-8F中系統800的不同配置。
在圖8A中，供給至系統800的空氣860在高水平加熱器840和PEM發電系統820中使用。如所示的，第一部分的空氣862被輸送至高水平加熱器840用於與燃料的滑流一起燃燒，和第二部分的空氣864被輸送至PEM發電系統820的陰極側824。吹風機866或類似設備可以被用來供給第二空氣部分864至PEM發電系統820的陰極側824。
如圖8A所示的，沒有空氣被進料至REP組件810的陰極側814。雖然該配置需要更多功率用於運行REP組件810，但是REP組件810從陰極側814輸出具有大於30％氧的氧化劑氣體，其然後被連同第二空氣部分輸送至PEM發電系統820的陰極側824。供給該富集氧化劑氣體至PEM發電系統820增加了PEM發電系統820的運行性能。在圖8A的說明性配置中，從PEM發電系統820的陰極側824輸出的陰極排氣被排放離開系統800。
圖8B顯示了與圖8A的配置類似的配置，但是第二空氣部分864被輸送至REP組件810的陰極側814，而不是被直接提供至PEM發電系統820的陰極側824。全部的類似或具有類似功能的元件被標記有相同的參考標記，並省略其詳細描述。如圖8B所示的，第二部分的空氣864在熱交換器828中使用從REP組件810的陰極側814輸出的氧化劑排氣中的熱進行預加熱，並且然後將預加熱的第二空氣部分輸送至REP組件810的陰極側814。由於所需的低電壓，該說明性配置降低了REP組件810的功率消耗，但是其需要添加熱交換器。
圖8A-8B的系統可以通過添加氫存儲容易地配置為作為峰化(peaking)系統運行。圖8C顯示了配置為具有氫存儲的峰化系統的圖8A的系統800的說明性配置。全部的類似或具有類似功能的元件被標記有相同的參考標記，並省略其詳細描述。
在圖8C中，系統800包括用於壓縮和淨化全部或部分由REP組件810生成的含氫氣體的氫淨化組件870和用於儲存從氫淨化組件870輸出的淨化和壓縮的氫的氫存儲組件880。圖8C的系統800允許連續運行REP組件810，以便連續地生成含氫氣體，同時PEM能量生成系統820和氫存儲組件880可以基於外部功率需求運行。具體而言，由REP組件810產生的含氫氣體可以被儲存在氫存儲組件880中或在PEM能量生成系統820中直接被轉化為功率，這取決於PEM能量生成系統820的外部功率需求。另外，輸送至PEM能量生成系統820的含氫氣體的量和輸送至氫存儲組件880的含氫氣體的量通過控制器890基於PEM能量生成系統820的運行條件和/或對PEM能量生成系統820的功率需求進行控制。
如圖8C所示的，由REP組件810輸出的全部或部分含氫氣體可以被輸送至PEM能量生成系統820用於發電和/或輸送至氫淨化組件870，在這裡使用壓縮機872壓縮含氫氣體以及隨後在淨化設備874諸如PSA(變壓吸附器)或EHC中淨化氫。如果EHC被用作壓縮機872，那麼進一步淨化可能不需要。在含氫氣體在壓縮機872中被壓縮之後，由於氣體中低水平的汙染物，淨化設備874中的淨化相對容易實現。然後，由淨化設備874輸出的淨化的加壓氫氣被輸送至氫存儲組件880用於存儲供將來在尖峰發電期間在PEM發電組件820中使用和/或輸出至外部設備。如果氫沒有被輸出，淨化可能不需要。雖然在圖8C中未示出，但是可以提供氫膨脹器用於膨脹從氫存儲輸送至PEM發電系統820的加壓氫，以便回收一些為了在存儲組件880中儲存壓縮氫使用的能量。
如圖8C所示的，系統還包括用於從淨化設備874輸送雜質至PEM陽極排氣循環路徑826的氫旁路路徑876，PEM陽極排氣循環路徑826循環由PEM發電系統820產生的陽極排氣用於重整器830。如上面所討論的，系統800還包括用於控制系統800的運行的控制器890，具體地，用於控制由REP組件810生成的含氫氣體的使用和發送。具體而言，控制器890控制從REP組件810輸送至PEM發電系統820的含氫氣體的量、從REP組件輸送至氫淨化組件870的含氫氣體的量、從氫淨化組件870輸送至氫存儲組件880的淨化的氫的量、從氫存儲組件880輸送至PEM發電系統820的氫的量和從氫存儲組件880輸出的氫的量。這些控制基於下述眾多因素，包括REP組件和PEM發電系統的運行模式、對PEM發電系統的外部功率需求、氫存儲組件的容量和燃料進料的組成。因此，例如，當外部功率需求低時和/或當PEM發電系統不產生或產生低功率時，控制器890控制由REP組件產生的較大量的含氫氣體或全部的含氫氣體輸送至氫淨化組件870並存儲在氫存儲組件880中。然而，當功率需求高時，諸如在PEM發電組件820的尖峰功率運行期間，控制器890控制由REP組件生成的全部或較大部分的含氫氣體輸送至PEM發電系統820的陽極側822，而少數或沒有含氫氣體被輸送至氫淨化組件870。在這樣的高功率需求期間，控制器890還可以控制氫從氫存儲組件880輸送至PEM發電系統820，以便生成額外的功率。而且，當氫存儲組件880的存儲容量變低時，控制器890可以控制氫從氫存儲組件880輸出和/或提供至PEM發電系統820。進一步考慮了相同的控制器890或另一個控制設備也控制向高水平加熱器840提供有第一空氣部分862的空氣的量，和向PEM發電系統820的陰極層824提供有第二空氣部分864的空氣的量。在圖8A和8B所示的系統中，可以提供類似的控制器。
圖8D顯示了圖8C的系統800的修改的配置。全部的類似或具有類似功能的元件被標記有相同的參考標記，並省略其詳細描述。在圖8D所示的配置中，從REP組件810輸出的包括CO2/O2混合物的氧化劑氣體被用於氧化在加熱器840中生成用於在重整器830中重整反應的高水平熱所需的燃料。在圖8D的系統800中，全部的空氣860被經由吹風機866等輸送至PEM發電系統820的陰極側824，和REP組件810不供給有空氣。如所示的，REP組件810的陰極側814輸出包括CO2/O2混合物的氧化劑氣體至高水平加熱器840，在那裡其被用於氧化燃料的滑流和用於生成用於重整器830的高水平熱。高水平加熱器840輸出煙道氣排氣，其主要包括CO2和水，以及小量的未反應的氧並且其可以被加工用於CO2俘獲。具體而言，來自加熱器840的煙道氣排氣被冷卻，以便使水冷凝出，那麼得到的氣體是幾乎純CO2，其可以被容易地俘獲用於存儲或其它用途。
圖8D中系統800的優勢之一是高水平加熱器840中沒有產生NOx，這是因為在輸入CO2/O2混合物和在氧化反應中沒有氮存在。因此，即使在環境敏感區域，該系統可以容易地安裝。圖8D中系統的另一個優勢是容易俘獲來自加熱器排氣的CO2，如上面所討論的。
圖8E顯示了圖8D中所示系統800的修改的配置，並包括兩個PEM燃料電池820a和820b，其中第一PEM燃料電池820a被用於發電，如在圖8中，和輔助PEM燃料電池820b(第二PEM燃料電池)被添加用於氧化和移除REP組件810產生的CO2/O2混合物的氧，以促進CO2俘獲，同時生成額外的功率。全部的類似或具有類似功能的元件被標記有相同的參考標記，並省略其詳細描述。
如圖8E所示，供給至系統的空氣860，其中第一部分862的空氣被提供至高水平加熱器840和第二部分864的空氣被使用吹風機866或類似設備提供至第一PEM燃料電池820a的陰極側824a。在圖8E的說明性實施方式中，沒有空氣被提供至REP組件810的陰極層814。第一空氣部分862的量和第二空氣部分864的量由控制器進行控制，控制器可以是控制890或單獨的控制設備。
在圖8E中，從REP組件810的陽極側812輸出的含氫氣體的第一部分816a被輸送至第一PEM燃料電池820a的陽極側822a以及從REP組件810的陽極側812輸出的含氫氣體的第二部分816b被輸送至第二PEM燃料電池820b的陽極側822b。而且，含氫氣體的第三部分818——其可以包括從REP組件810輸出的全部或一些含氫氣體——可以被輸送至氫淨化組件870用於在氫存儲組件880中存儲和/或經由旁路路徑876循環。從REP組件810輸送至第一PEM燃料電池820a和第二PEM燃料電池820b和/或至氫淨化組件870的含氫氣體的量由控制器890基於對PEM燃料電池820a、820b的外部功率需求，REP組件810產生的CO2/O2混合物的量，氫存儲組件880的存儲容量以及其它因素進行控制。從淨化組件870輸送至氫存儲組件880和/或至氫旁路路徑876的淨化的和加壓的氫的量也由控制890控制。
如圖8E所示的，從REP組件810的陰極側814輸出的CO2/O2混合物被輸送至第二PEM燃料電池820b的陰極側824b，在那裡其與提供至陽極側822b的氫氣電化學反應。第二PEM燃料電池組件的陰極側824b輸出主要包含CO2和水以及小量殘餘氧的陰極排氣。該陰極排氣可以被冷卻以使水冷凝出並隨後提供用於CO2俘獲——用於存儲或其它用途。使用輔助PEM燃料電池820b接收和反應REP組件810產生的CO2/O2混合物在陰極排氣中產生較低濃度的氧，而沒有產生任何CO。由此，簡化了自輔助PEM燃料電池820b的陰極排氣的CO2俘獲。
圖8F顯示了用於確定系統800的預期性能所執行的ChemCad熱和材料平衡模擬的系統800的簡化配置。全部的類似或具有類似功能的元件被標記有相同的參考標記，並省略其詳細描述。在圖8F中，空氣860被使用吹風機866或類似設備供給至系統。在被輸送至高水平加熱器840之前，第一部分862的空氣在熱交換器828中使用來自從REP組件810的陰極側814輸出的CO2/O2混合物的熱進行預加熱。第二部分864的空氣被提供至PEM發電系統820的陰極側824。在圖8F的系統中，通過在加熱器840中氧化反應產生的煙道氣從加熱器輸出並被輸送至REP組件810的陰極側814。由REP組件810產生的CO2/O2混合物從REP組件的陰極側814輸出，通過熱交換器828輸送並從系統輸出。
還如圖8F中所示的，由REP組件810產生的含氫氣體從其陽極側812輸出並被輸送至PEM發電系統820的陽極側822。從PEM系統820的陽極側822輸出且包括氫和甲烷的陽極排氣被循環至REP組件810的陽極側812。可以在循環路徑826中使用包括吹風機的洩料組件825，從而保持PEM燃料電池中甲烷濃度是低的。
利用來自重整器840的排氣吹掃(sweep)REP組件810的陰極側將降低REP組件所需的電壓和功率。還預期REP組件810降低重整器840排氣中的NOx。
如上面所提到的，在ChemCad熱和材料平衡模擬中測試圖8的系統。表1概括了該模擬的性能結果：
表1
基於上面的模擬結果，如果低水平廢熱是可利用的，系統800應當能夠提供具有大約47％的效率的負荷跟蹤發電。然而，如果沒有低水平廢熱是可利用的，那麼需要更多燃料用於系統的運行，且效率下降至大約42％。該平衡基於包括40個電池的小型REP組件。
對DFC陽極排氣使用REP組件的能量存儲
本發明的REP組件還可以結合基荷直接燃料電池或SOFC使用，從而存儲來自具有高往返效率(round trip efficiency)的電網的過量功率。一般地，為了平衡淨髮電與需求，電源系統諸如電力網需要在自可再生的發電機高發電周期期間存儲過量的功率並在自可再生的來源的低發電周期期間將其返回至電網，該可再生的來源不能被調度(dispatch)。用於存儲過量功率的常規方案為使用蓄電池、低效率電解槽、壓縮的空氣能量存儲以及泵送的水電系統，其全部是昂貴的、具有有限存儲容量或具有高往返能量損失。在本發明中，通過組合運行以提供基荷功率的DFC或SOFC與消耗過量的功率以生成氫輸出的REP組件來提供用於存儲來自電網的過量功率的高往返效率。
圖9A和9B顯示了這樣的能量存儲系統900的說明性配置。在圖9A和9B中，系統900包括具有由電解質基體分離的陽極側912和陰極側914的REP組件910，具有由基體分離的陽極側922和陰極側924的DFC 920，以及陽極排氣氧化器(AGO)930。DFC 920可以是使用烴類進料的任何燃料電池，諸如固體氧化物燃料電池(SOFC)或熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)。
如圖9A和9B所示的，燃料諸如天然氣和水被供給至系統900並在熱交換器950中預加熱，以便使水蒸發以產生蒸汽。然後將燃料和蒸汽混合物供給至DFC 920的陽極側922，在那裡燃料被使用直接重整催化劑內部重整並經歷與供給至DFC 920的陰極側924的氧化劑氣體的電化學反應，以產生基荷功率。基荷功率(DC功率)從DFC 920輸出並可以被提供至電網用於為外部設備供電。包括CO2、H2、CO和水的陽極排氣從DFC的陽極側922輸出並提供至REP組件910的陽極側912和/或至AGO 930。如圖9B所示的，通過結合陽極排氣與循環的氫以及供給至熱交換器950的燃料和水混合物，來自陽極側922的部分陽極排氣也可以被循環返回至DFC。
在圖9A和9B中，REP組件910的陽極側接收從DFC的陽極側922輸出的全部或部分陽極排氣。雖然在圖9A和9B中未示出，但是在陽極排氣被供給至REP組件910之前，蒸汽可以被添加至從DFC的陽極側922輸出的陽極排氣中。這是因為圍繞系統的熱和材料平衡顯示來自DFC的陽極排氣在用於高純度制氫的水含量方面略稍不足。REP組件910使陽極排氣中的CO和CO2與水反應以產生氫。陽極排氣中的氫被添加至從REP組件中的反應生成的氫。通常，陽極排氣在乾燥基礎上包含20-30％的H2+CO，和在REP組件910中的內部水氣體變換反應期間，CO被轉化為氫。陽極排氣中的水和CO2也被電化學反應以產生H2和CO3＝離子，並且CO3＝離子被輸送通過電解質薄膜，在陰極側914中被轉化為CO2和O2並隨後作為氧化劑氣體從REP組件的陰極側914輸出。在圖9C中詳細地顯示了在REP組件對來自DFC的陽極排氣的操作期間在REP組件中發生的這些反應。
由圖9C中可見，由電源975向REP組件提供DC功率以向REP組件的至少一個電解槽燃料電池施加反向電壓。由於陽極排氣已經包含氫，所以從REP組件900輸出的每千克氫的功率消耗——包括伴隨陽極排氣輸入的氫——是通常35kWh/kg功率消耗的大約75％，或大約26kWh/kg。由於由REP組件900輸出的每千克氫的功率消耗降低，所以當與標準低溫電解槽相比時，存儲功率的往返效率是近似兩倍的。
再參考圖9A和9B，空氣被使用吹風機940或類似設備供給至AGO 930。AGO 930也接收來自DFC 920的陽極側922的部分陽極排氣並也可以接收在REP組件中生成並從REP組件900的陽極側912輸出的部分含氫氣體。這使得獨立於REP運行控制AGO溫度。AGO 930氧化DFC陽極排氣中的燃料和/或含氫氣體以產生和輸出加熱的氧化劑氣體，其被輸送至REP組件910的陰極側914。供給加熱的氧化劑氣體至REP組件900降低了REP組件的功率需求，由此增加了其效率。如圖9A和9B所示的，在REP組件900中產生的包括CO2和O2混合物的氧化劑氣體被從REP組件900的陰極側914輸送至DFC 920的陰極側924。在被排放離開系統之前，從DFC 920的陰極側924輸出的陰極排氣被發送至用於預加熱輸入系統900的燃料和水混合物的熱交換器950。
在圖9A和9B中，控制器990被用於控制系統900的運行，包括控制來自DFC 920的陽極排氣的分布，控制從REP組件910的陽極側輸出的含氫氣體的分布和向REP組件910提供過量的功率，這取決於外部功率需求和過量功率的可用性。具體而言，運行DFC以生成基荷功率，其被用於外部功率需求，如電網，並且全部或部分來自DFC 910的陽極排氣被直接輸出至REP組件910。當在電網上不存在過量功率被存儲時，DFC陽極排氣被輸送通過REP組件910並未變化地從REP組件910的陽極側912輸出，即，含氫氣體是未變化的陽極排氣。以該方式，過量的功率無論何時出現在電網上，REP組件910被保持熱的並準備按需運行。在這樣的情況中，控制器990控制輸送來自REP組件910的含氫氣體至AGO 930，其還接收空氣並燃燒或氧化陽極排氣以產生包含N2、O2和CO2的熱的氧化劑氣體。然後，該熱的氧化劑氣體被輸送至REP組件910的陰極側914，和然後從REP組件910的陰極側914輸出的氧化劑氣體被輸送至DFC陰極側924。輸送熱的氧化劑氣體通過REP組件有助於保持REP組件910是熱的，無論REP組件是正基於過量功率運行的還是空轉的。
當過量功率是可利用的並需要被存儲時，控制器990控制以向REP組件910提供過量功率，使得由電源施加反向電壓至至少一個電解槽燃料電池，並且供給至REP組件910的DFC陽極排氣被轉化為氫。在該情況中，控制器990基於可利用的和提供至REP組件的過量功率的量控制圍繞REP組件910旁通(bapass)的DFC陽極排氣的量。通過這樣的控制，進料至REP組件910的部分DFC陽極排氣平衡提供至REP組件的過量功率以產生高純度(>97％)氫氣。在圖9B的系統中，控制器進一步控制提供至AGO 930的旁通DFC陽極排氣的量和循環至DFC 920並與從REP組件循環的含氫氣體混合的剩下的旁通DFC陽極排氣的量。具體而言，在圖9B中，控制器990基於循環氣體混合物中期望的H2/CO2比例，控制與氫混合併循環至DFC 920的旁通DFC陽極排氣的量。
基於REP組件910是正基於過量功率運行的還是空轉的，並且基於在AGO 930中需要被生成的熱的量，即，AGO的溫度，控制器990還控制從REP組件輸出提供至AGO 930的含氫氣體的量和輸出用於外部用途——如輸出的——的含氫氣體的量，如圖9A所示的，和/或循環返回至DFC 920的含氫氣體的量，如圖9B所示的。例如，當REP組件910正基於過量功率運行以及圍繞REP組件旁通的和提供至AGO的DFC陽極排氣的量不足以維持AGO溫度在預定溫度下時，控制器990控制以提供部分從REP組件輸出的含氫氣體至AGO，以便保持AGO中的預定溫度。當提供至REP組件的過量功率的量增加和圍繞REP組件旁通至AGO的DFC陽極排氣的量降低時，控制器990進一步控制以增加來自REP組件供給至AGO的含氫氣體的量。相反，當REP組件是空轉的，全部的DFC陽極排氣可以被提供至REP組件910以保持REP組件是熱的，和控制器990控制使得從REP組件的陽極側912輸出的全部或大部分的含氫氣體被輸送至AGO 930以便維持AGO中的預定溫度。
通過組合DFC與REP組件，和使用REP組件中的過量功率制氫，過量功率被以產生具有高功率存儲往返效率的氫的形式儲存。在圖9A的配置中，功率存儲往返效率如下估算：
儲存的功率
制氫-26kWh/kg
氫存儲-3kWh/kg
產生的功率
以55％效率的發電-18.5kWh/kg
往返效率＝18.5/(26+3)＝64％(或71％沒有高壓存儲)
儘管圖9A中系統的64％或71％的往返效率類似於利用常規蓄電池存儲可實現的70-80％往返效率，但是圖9A的系統具有產生氫的優勢，所產生的氫可以被以大體積存儲長的時間周期而沒有效率損失。而且，由圖9A的系統產生的氫可以被輸出以向基於氫運行的設備諸如PEM燃料電池和燃料電池車輛提供燃料或向化學和精煉操作提供氫。輸出氫，如在圖9A中的系統中，通常提供比轉化氫返回為功率(能量)更高的價值。
通過在基荷DFC 920中利用由REP組件910生成的低壓氫氣，圖9B中所示的系統提供避免存儲能量損失的另一個選擇。在圖9B的系統中，循環含氫氣體至DFC 920降低天然氣消耗，同時基荷功率產生未變化。當含氫氣體從REP組件循環至DFC 920時，一些未淨化的陽極排氣也可以被循環，如圖9B所示的。通過回收具有零功率消耗的額外的氫，這進一步增加了系統的效率。如上面所討論的，基於混合物中期望的H2/CO2比例，控制器990控制旁通DFC陽極排氣的量，該旁通DFC陽極排氣與來自REP組件的含氫氣體混合併被循環至DFC 920。優選地，控制器990控制旁通DFC陽極排氣，使得含氫氣體和DFC陽極排氣的混合物具有大約4的H2/CO2比例。利用該比例的氣體，在進入DFC以前，大部分的CO2和氫可以被轉化返回至甲烷，使得DFC中的熱平衡未從正常運行改變。在圖9B的系統中，低純度氫足以循環至DFC，其不需要蒸汽添加至DFC陽極排氣並且其簡化了過程。
使用圖9B的系統，在陽極排氣中的CO2被排出之前，可以存儲大約2倍的基荷功率產生。該計算是基於在功率產生期間相對於傳送的CO2，125％的CO2在陽極排氣中，和相對於DFC的電壓(-0.78)，REP組件所需的更高的電壓(1.25)。由此，2.8MW DFC淨輸出將範圍從沒有功率至REP組件的+2.8MW至最大功率至REP組件的-2.8MW。
雖然圖9A和9B中所示的說明性系統使用REP組件910，用於使用過量功率生成氫，但是考慮了除了產生氫用於能量存儲之外，REP組件還可以被以發電模式運行以生成額外的功率來增加系統900的效率。在高功率需求期間當過量功率可用於存儲或處於發電模式以生成額外功率時，圖9A和9B的系統可以被修改，使得控制REP組件910以作為高溫電解槽以制氫模式運行。在這樣的配置中，控制器990基於外部功率需求和/或過量功率進行存儲的可用性來控制REP組件的運行模式。圖9A和9B的系統可以被進一步修改以便包括兩個或更多個前置DFC和至少一個後置REP組件，該後置REP組件包括燃料電池組或DFC組，其中來自前置DFC的陽極排氣被供給至後置REP組件的陽極側，預加熱空氣和/或AGO中產生的熱的氧化劑氣體被供給至後置REP組件的陰極側和從後置REP組件輸出的陰極排氣(氧化劑氣體)被供給至前置DFC的各自的陰極側。美國申請號14/578,077的圖2中顯示了這樣的系統的說明性實施方式，其受讓給本文的相同的受讓人並通過引用併入本文。
在這樣包括具有高溫燃料電池諸如REP或DFC的負荷跟蹤的系統中，由於循環大大地降低了組壽命，系統必須接近熱中性，以便避免加熱或冷卻後置REP組的部件。熱平衡可以通過加入補充甲烷燃料至前置DFC的陽極排氣來調節，使得在以發電模式運行的後置REP組件中甲烷燃料的重整吸收由電池電阻和電流密度生成的熱。控制器控制以一定速率供給補充的甲烷燃料，該速率基於電流密度。在一些說明性實施方式中，在供給陽極排氣至以發電模式運行的後置REP組件之前，通過冷卻部分前置DFC的陽極排氣和使用催化劑通過下列反應將陽極排氣中的氫轉化為甲烷，從前置DFC輸出的陽極排氣中甲烷濃度可以增加：
4H2+CO2→CH4+2H2O (3)
而且，當後置REP組件以發電模式運行時，電流密度可以由REP組件的電池中生成的熱限制。
使用REP組件通過CO2移除轉化ADG燃料為天然氣
本發明的REP組件還可以被用於通過有效地從第一燃料移除CO2將一種具有較高CO2含量的燃料諸如可再生的厭氧消化池氣體(ADG)轉化為另一種具有較低CO2含量的燃料諸如管道天然氣。通常地，可再生的ADG包括大約60vol％的CH4和大約40vol％的CO2的混合物。常規地，通過使用PSA系統壓縮ADG至高壓和移除CO2，或通過添加氫將CO2轉化為CH4將ADG轉化為天然氣。前一技術導致移除具有CO2的部分CH4，其必須被燃燒以避免CH4排放，和由於CO2以及CH4必須被壓縮進一步具有高的壓縮成本。後一常規技術需要昂貴的氫和由於反應的放熱性質大約17％的氫被轉化為熱而不是CH4。
本發明通過使用上面描述的REP組件以通過在REP組件中電化學地移除大部分CO2和通過CO2與REP組件中產生的H2的甲烷化反應移除剩餘的CO2將ADG轉化為天然氣，克服了這些困難。
圖10A和10B顯示了說明性ADG轉化系統1000，其包括用於從ADG燃料電化學移除CO2的REP組件1010，和接收來自REP組件1010的氫氣混合物並通過使CO2與H2反應從氣體混合物移除剩餘的CO2和H2以輸出CH4或天然氣的甲烷化反應器1020。如所示的，REP組件1010的陽極側1012接收ADG燃料——其包括大約60％的CH4和大約40％的CO2——和蒸汽並使ADG燃料中的CO2與水反應以便生成包括氫、CH4和CO2的混合物的含氫氣體和從陽極側1012輸出該含氫氣體，以及從REP組件1010的陰極側1014輸出包括CO2和O2的混合物的氧化劑氣體。如上面所討論的，REP組件中的這些反應需要自電源1040供給DC功率，該電源1040向REP組件的至少一個電解槽燃料電池施加反向電壓。圖10A顯示了REP組件1010中發生的詳細反應，本文上面關於圖4討論了這些反應。如圖10所示的，REP組件不包括重整單元或重整燃料電池。同樣，REP電池中不需要重整催化劑。
REP組件1010從ADG燃料(大約80％)移除大部分CO2並同時向ADG燃料流加入轉化剩餘CO2為CH4所需的氫。由REP組件1010輸出的包括氫、CO2和CH4的含氫氣體被輸送至甲烷化反應器1020，在那裡氫與CO2反應以通過如下甲烷化反應(同樣參見，方程(3))形成CH4和水：
CO2+4H2→CH4+2H2O
在系統1000中發生的總反應如下：
5CO2+4H2O→CO2+4H2+4CO3＝↑→CH4+2H2O (4)
由系統1000的總反應(4)中可見的，由於在REP組件1010中80％的CO2在電解反應中被移除，所以需要僅20％的氫，其是轉化全部的CO2為甲烷所需要的。由於CO2+H2反應中使用的氫中大約17％的能量被轉化為熱，所以當與沒有通過REP組件事先移除CO2的氫淨化反應相比，由於使用REP組件1010移除大約80％的CO2，圖10A和10B的系統比更加有效得多。而且，圖10A和10B的系統1000還從在REP組件1010中的高溫電解的高效率獲益，其使用大約55％的通常低溫電解系統所需的功率每千克的氫。用於移除CO2的功率還產生氫，使得功率成本的大部分由氫與CO2的反應產生的額外的CH4抵消。
表2概括了使用REP組件CO2移除對CO含量、沃泊數和效率的影響：
表2
如表2中所示，移除ADG燃料中大於80％的CO2從而使CO的生成最小化和增加天然氣的沃泊數是可以期望的。氣體中的過量氫抑制甲烷化反應中CO的形成並對系統效率或沃泊數具有最小的影響。
圖10B顯示了圖10A的系統1000的說明性總配置。在圖10B中，包括CO2和CH4的ADG燃料與水混合併在第一熱交換器1002中使用廢熱預加熱，以便使水蒸發形成蒸汽。然後，將加熱的ADG燃料和蒸汽的混合物供給至REP組件1010的陽極側1012。在REP組件中經歷高溫電解反應之後，REP組件1010的陽極側1012輸出包括氫、CH4和減少的CO2含量(大約20％)的混合物的含氫氣體。在被供給至混合物中CO2與氫反應以產生CH4的甲烷化反應器1020之前，該混合物在第二熱交換器1004中被冷卻。甲烷化反應器1020輸出CH4和水的混合物，其在熱交換器1006中被冷卻並可以經歷水的冷凝。所得的由系統1000產生的氣體是具有大於93％的CH4含量和小於2％的CO2含量的相對純的甲烷(天然氣)。
從REP組件的陽極側1012輸出的氣體混合物中的廢熱和/或由反應器1020中甲烷化反應生成的廢熱可以被用於在第一熱交換器1002中預加熱ADG，以便生成REP組件中工藝所需的蒸汽。因此，第一、第二和第三熱交換器1002、1004、1006可以是相同的熱交換器，其適於從氫混合物和甲烷混合物回收廢熱並且適於使用該廢熱預加熱ADG和水混合物。
在圖10B的說明性系統中，系統1000中可以包括氧化器1030，用於生成額外的廢熱，其可以在熱交換器1002中使用，用於預加熱ADG燃料和水。氧化器1030接收並燃燒或氧化補充燃料以生成廢熱和氧化劑氣體，並且由氧化器輸出的氧化劑氣體被輸送至REP組件的陰極側1014。控制器(未示出)可以被用於基於對預加熱ADG燃料和水的加熱需要控制補充燃料至氧化器1030的供給。
上面描述的圖10A和10B的系統提供高效的且低成本的技術，用於將可再生的ADG氣體轉化為管道天然氣(CH4)。這允許可再生的燃料諸如可再生的ADG的較小成本的使用。同時，從ADG氣體移除的和從REP組件的陰極側輸出的二氧化碳可以被俘獲和螯合或用於其它目的，以便限制CO2排放物。
使用REP組件的CO2俘獲手段(Capture Leveraging)
本發明的REP組件還可以與鍋爐、煤發電設備和其它設備一起使用，以便有效地俘獲CO2，特別是自煤產生的CO2。常規系統使用氨吸收汽提塔系統，從而俘獲CO2，其通常是非常能量密集的。在受讓於本文中相同受讓人的美國專利號7,396,603中描述的另一個系統使用熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)，用於使用燃料和從煤發電設備輸出的煙道氣發電。然而，在這樣的MCFC中，由於陰極氣體被煙道氣中包含的大量氮稀釋，燃料電池受到電壓懲罰(penalty)，由此降低燃料電池的效率和功率輸出。
本發明的CO2俘獲系統接收來自鍋爐、煤發電設備或任何其它煙道氣生成組件的煙道氣，加工煙道氣以移除可以使REP組件中毒的雜質，並提供加工的煙道氣與蒸汽和小量的燃料——諸如甲烷或天然氣，其製造還原氣體混合物——一起至REP組件——其生成氫氣，分離CO2並輸出含氫氣體並單獨地輸出包含CO2和氧的混合物的氧化劑氣體。由REP組件輸出的包括CO2和O2的混合物的氧化劑氣體可以被用於煤發電系統代替空氣，以生產沒有氮的純CO2排氣，其然後可以被壓縮和俘獲。
圖11A-11C顯示了CO2俘獲系統1100的說明性配置，其接收來自燃煤發電設備1102(圖11A)、燃燒天然氣鍋爐1104(圖11B)、燃料電池組件1106如DFC組件(圖11C)或類似的燃料利用設備的煙道氣，並且其使用REP組件1110(也稱為CO2泵)，用於電化學反應煙道氣、甲烷或天然氣燃料和蒸汽以產生氫氣並分離CO2以便輸出CO2/O2混合物。如圖11A所示，當從煤燃燒設備1102接收煙道氣時，清潔組件1106被用於加工煙道氣以從其中移除可能使REP組件1110中毒的雜質，諸如硫和滷化物，並輸出加工的CO2、N2和小量未反應的氧(小於2％)的煙道氣混合物。由於MCFC燃料電池——包括REP組件——在反應物流中需要基本上零硫和零滷化物以避免中毒，所以清潔煙道氣可能是困難的。在圖11B和11C的系統1100中，由於煙道氣由燃燒天然氣鍋爐或DFC系統生成，清潔組件是不需要的。而且，由天然氣鍋爐生成的NOx不影響REP組件運行並且通常在REP組件的高溫還原氣氛中被消滅。
如圖11A和11B所示的，煙道氣包含小量的未反應的氧，其通常小於2％。為了移除該未反應的氧，在圖11A和11B的系統中，(在圖11中的清潔之後)向煙道氣流添加小量的甲烷或天然氣，並且然後將該混合物輸送通過催化劑1130，以便使氧與甲烷反應和產生預加熱氣體所需的熱，之後輸送它們至REP組件1110。如圖11A和11B所示，由於需要水用於REP組件中的反應以產生CO3＝離子，蒸汽也被添加至煙道氣和甲烷的混合物。在圖11A和11B的系統中，然後將N2、CO2、H2O和CH4的脫氧混合物輸送至REP組件1110的陽極側1112，在那裡CO2與水反應以生成CO3＝和氫，如上面關於圖4所討論的。通過穿過薄膜至REP組件的陰極側1114電化學移除CO3＝離子使得生成具有一些CH4的主要包括氮和氫的含氫氣體並從陽極側1112輸出，驅動反應前進。REP組件1100還從陰極側1114輸出CO2和O2的混合物。
在圖11A和11B的系統1100中，從REP組件的陽極側輸出的含氫氣體在電化學H2分離器(EHS)1140中被淨化和壓縮。從EHS 1140輸出的淨化的氫可以在壓力下存儲和/或輸出應用，如上面描述的。如圖11A和11B所示，在EHS 1140中與氫分離的甲烷和氮可以被輸送用作鍋爐或氧化器1160中的燃料，所述鍋爐或氧化器1160燃燒CH4和空氣以輸出主要包括N2氣體的排氣。
還如圖11A和11B中所示，從REP組件的陰極側1114輸出的包括CO2/O2的氧化劑氣體可以被輸送至燃煤鍋爐或煤發電設備1150代替空氣使用，使得作為燃燒煤的結果產生包含CO2和水而沒有氮的排氣。然後可將該排氣冷卻以冷凝出水，並且所得的純CO2氣體可以被俘獲和螯合或用於其他目的。
在圖11C，發電燃料電池組件1106被用作燃煤鍋爐或煤發電設備1150的CO2和氧的來源。具體而言，燃料電池組件1106的陽極側1106a接收混合有蒸汽的燃料——例如甲烷或天然氣，而燃料電池組件1106的陰極側1106b接收空氣。由陰極側1106b輸出的陰極排氣被排出，而由陽極側1106a輸出的包含CO2、H2、CO、H2O和CH4的陽極排氣的一部分被輸送至REP組件1110的陽極側1112。如上面所討論的，在陽極排氣被輸送至REP組件1110之前，不需要清潔陽極排氣。
如圖11C所示，燃料電池組件1106可以是任何高溫燃料電池，諸如SOFC或MCFC。如果燃料電池組件1106是MCFC，一部分的陽極排氣可以與空氣混合，其被輸送至燃料電池組件1106的陰極側1106b以提供該類型的燃料電池的陰極所需的CO2。
在REP組件1110中，CO2與水反應以產生氫和CO3＝離子，並且CO3＝離子被輸送穿過基體。REP組件1110的陽極側1112輸出含氫氣體，該含氫氣體包括小量的水和CO2，並且該含氫氣體被循環返回至燃料電池組件1106的陽極側1106a。在該情況中，從REP組件輸出的含氫氣體包括從燃料電池組件輸出的任意剩餘的氫與陽極排氣，以及在REP組件中生成的氫。含氫氣體從REP組件至燃料電池組件1106的循環降低燃料電池組件1106的燃料需要並增加其效率。
REP組件1110的陰極側1114輸出包括CO2/O2混合物的氧化劑氣體，該氣體被輸送至燃煤鍋爐或燃煤發電設備1150，其在沒有任何額外的空氣輸入的情況下燃燒煤，並輸出包括CO2和水的混合物的排氣。燃煤鍋爐/發電設備排氣被冷卻以冷凝出水並產生高純度CO2氣體，其然後可以被俘獲和螯合或在其它設備中使用。對於天然氣或其它烴類進料鍋爐/發電設備，將發生相同的收益。
圖11A-11C的系統1100具有移除CO2的優勢，CO2可以被用於煤或其它烴類燃燒設備並隨後被俘獲，同時還產生氫，氫可以被儲存、輸出或用於功率產生設備。生成的氫的價值抵消REP組件1110所需的功率的大部分成本。具體地，在需要高氫價值的位置中，REP組件1110所需的功率可以完全由REP組件生成的氫償付。需要的額外功率一般與由於當進行7,396,603專利中描述的二氧化碳俘獲MCFC時較低效率損失的功率一致。而且，圖11A-11C的系統具有優勢，該優勢通過在燃煤鍋爐或煤發電設備中使用REP組件生成的CO2/O2混合物代替空氣以產生純CO2排氣創造。具體而言，這樣的應用俘獲氧以及CO2，並因此，當氧被用於代替通常的鍋爐中的空氣時，11/2倍的通過REP組件的CO2俘獲可用於螯合。
而且，當煤被用於功率產生時，由煤發電的憂慮之一是其不能有效地負荷跟蹤。圖11A-11C的系統還克服了這些憂慮，因為圖11A-C的系統1100中生成的氫可以被用於低溫燃料電池中以負荷跟蹤和產生峰功率，或可選地，氫可以被輸出用於燃料電池車輛和工業用途。
用於CO2俘獲的組合的氣化和REP組件
本發明的REP組件可以組合氣化組件使用，從而提供氣化含碳燃料的系統以產生氫而沒有CO2排放物，所述含碳燃料諸如生物質或煤。
常規氣化器組件被用於將含碳燃料轉化為含氫、CO和CO2的合成氣。然而，為了獲得高氫氣合成氣，CO和CO2必須從由氣化器輸出的合成氣移除。CO2從合成氣的常規分離是成本高的且使得有效俘獲CO2困難。
本發明的組合的氣化器和REP組件通過REP組件使用低成本CO2泵送以產生由氣化器組件輸出的合成氣分離的高氫(95％+)合成氣和純CO2煙道氣。本發明的REP系統產生低成本氧流，其當與間接汽化器組件整合時，產生純CO2流用於俘獲。在本系統中，REP組件消耗的用於泵送CO2的功率由電解反應中由水共同產生的氫的價值抵消和償付。由此，本發明的系統具有低的資本成本，低的運行成本和高的效率。本發明的系統的優勢在於其通過從合成氣移除CO和CO2淨化由氣化器組件輸出的合成氣，對於氣化器組件中的氣化過程產生低成本氧和CO2混合物，產生相當純的CO2煙道氣用於CO2俘獲，以及通過產生額外的氫作為副產物增加來自淨化的合成氣的氫。
圖12顯示了組合的氣化器和REP系統1200的說明性配置，其包括氣化器組件1220和本發明的REP組件1210。如圖12所示的，氣化器組件1220接收含碳燃料S110，諸如煤和生物質，並將其轉化為含氫、CO2、CO、H2O、烴類和諸如硫的雜質的合成氣。氣化器組件1220還接收由REP組件1210輸出的混合有蒸汽的包括CO2和O2的混合物的氧化劑氣體，並單獨地輸出包含CO2的煙道氣S125。
在圖12的系統1200中，由氣化器組件1220產生並輸出的合成氣S135被輸送至清潔組件1230，在那裡合成氣被清潔以移除諸如硫的雜質。然後清潔的包括CO2、H2、CO和烴類的合成氣與蒸汽混合以產生CO2、H2、CO、H2O和任意烴類的混合物S145，和將其輸送至REP組件1210的陽極側1212。如上面所討論的，在REP組件1210中，任意烴類——諸如CH4通過經由下面反應(參見，上面的反應(1))使其與水反應轉化為CO2和H2：
CH4+2H2O→4H2+CO2
移除由REP組件1210中的反應產生的CO2，這通過向REP組件施加反向電壓進行，使得由電解反應生成的CO3＝離子從REP組件的陽極側1212穿過薄膜至REP組件的陰極側1214。CO2的該移除驅動反應朝向完成並淨化H2。而且，當CO2被移除時，輸入合成氣混合物中的CO被變換至氫，由此從合成氣移除全部的碳。因此，在REP組件1210中產生包括幾乎純氫的合成氣的含氫氣體，同時通過電解共同產生額外的H2和CO2/O2混合物。REP組件的高溫降低了電壓需要，使得消耗的功率由通過電解由REP組件產生的相關的額外的氫的價值償付。REP組件1210中產生的含氫氣體從REP組件的陽極側1212輸出並隨後通過在第一冷卻組件1240中冷卻和冷凝出任何水含量而淨化。輸出所得的高純度(95％+)氫氣在氫設備中使用，諸如燃料電池車輛和工業用途，或可以壓縮或儲存得到的高純度(95％+)氫用於未來使用和/或運輸。
如圖12所示的，REP組件的陰極側1214輸出包括CO2和O2的混合物的氧化劑氣體。如上面所顯示和討論的，該CO2/O2混合物可以與蒸汽混合併輸入至氣化器組件1220中。通過從REP組件提供CO2/O2混合物至氣化器組件1220，正常用於氣化器組件中的蒸汽的一些可以被混合物中存在的額外的CO2抵消。任選地，當期望較高純度氧時，諸如用於其它類型的氣化器或輸出時，CO2和氧可以被分離。來自該分離的CO2可以被俘獲用於螯合或其它用途。
在圖12中所示的系統1200中，採用間接氣化器，其產生準備用於俘獲的包含純CO2+H2O煙道氣流的煙道氣。如所示的，在第二冷卻組件1250中冷卻煙道氣以使水冷凝出，和純的CO2被輸出用於俘獲。
通過從REP組件供給CO2/O2混合物至氣化器組件1220，在由氣化器組件產生的合成氣中帶有的任何CO2被循環返回至具有氧的氣化器。因此，進料中接近100％的碳作為CO2俘獲，並且大約1％的碳作為氫氣中的甲烷雜質離開系統1200。
本發明的系統1200實質上是模塊化的並且可以為給定位置中的最佳可獲得的生物質定製尺寸。通過將CO2從氣化器中生成的合成氣分離和淨化氫氣同時在REP組件中產生額外的氫，該系統使得廢物和生物質氣化具有商業利益。而且，當基於可再生的原料時，系統產生氫而沒有任何淨CO2排放物，即使沒有俘獲從氣化器組件輸出的CO2。
上面描述的系統使用REP組件用於許多不同的用途，其產生高純度氫同時允許CO2的容易和有效的俘獲。對於不同要求的大小和需要，上面描述的系統是規模可調的，使得安裝和運行這樣的系統具有商業利益。REP組件的配置和用途不限於上面描述的具體系統配置和用途。
在所有情況中，應當理解上面描述的布置僅僅說明許多可能的具體實施方式，其代表本發明的應用。根據本發明的原理，眾多和改變的其它布置可以容易地想出，而不背離本發明的精神和範圍。
權利要求書(按照條約第19條的修改)
1.一種高溫重整器-電解槽-淨化器(REP)組件，其包括：
至少一個燃料電池，其包括由電解質基體分離的陽極和陰極；和
電源，其用於向所述至少一個燃料電池施加反向電壓，
其中包括蒸汽以及包括CO2、H2、CO和烴類燃料中的一種或多種的含碳氣體的氣體進料被進料至所述至少一個電解槽燃料電池的所述陽極，和
其中，當所述電源向所述至少一個燃料電池施加所述反向電壓時，在所述至少一個燃料電池的所述陽極中生成含氫氣體，和在所述至少一個燃料電池的所述陽極中使用電解反應從所述含氫氣體分離二氧化碳，使得所述至少一個燃料電池輸出所述含氫氣體和單獨地輸出包括二氧化碳和氧的氧化劑氣體，其中通過從所述含氫氣體分離和移除所述二氧化碳驅動氫生成反應接近完成。
2.根據權利要求1所述的高溫REP組件，其中控制通過所述電源施加的所述反向電壓，使得從所述至少一個燃料電池輸出的所述含氫氣體包括95％或更高的氫。
3.根據權利要求1所述的高溫REP組件，其中所述高溫REP組件包括串聯且形成燃料電池組的多個燃料電池。
4.根據權利要求1所述的高溫REP組件，其中每個燃料電池是熔融碳酸鹽燃料電池。
5.根據權利要求1所述的高溫REP組件，進一步包括一個或多個重整器，其用於重整烴類燃料和輸出重整的燃料作為所述氣體進料至所述至少一個燃料電池，其中所述至少一個燃料電池進一步適於下述一項或多項：
使甲烷與水反應以產生氫和二氧化碳；和
使一氧化碳與水變換以產生氫和二氧化碳。
6.根據權利要求5所述的高溫REP組件，其中：
所述一個或多個重整器包括一個或多個內部重整電池，所述一個或多個內部重整電池包括重整催化劑；
所述高溫REP組件包括多個燃料電池，和
所述一個或多個重整電池和所述多個燃料電池形成燃料電池組。
7.根據權利要求2的高溫REP組件，進一步包括控制器，其用於控制所述電源向所述至少一個燃料電池施加預定量的所述反向電壓。
8.根據權利要求7的高溫REP組件，其中所述預定量的反向電壓大於1.0伏特。
9.根據權利要求1所述的高溫REP組件，其中：
高溫REP組件配置為以制氫模式和發電模式中的一種運行，和
當所述高溫REP組件以所述制氫模式運行時，所述控制器控制所述電源向所述至少一個燃料電池施加所述反向電壓，使得所述至少一個燃料電池生成所述含氫氣體，和當所述高溫REP組件以所述發電模式運行時，所述控制器控制所述電源不向所述至少一個燃料電池施加所述反向電壓，使得所述至少一個燃料電池由燃料發電。
10.一種重整器-電解槽-淨化器(REP)系統，其包括
根據前述權利要求中任一項所述的高溫REP組件，其中所述至少一個燃料電池適於接收所述氣體進料並適於生成所述含氫氣體；和
加熱器，其用於加熱所述氣體進料，以便在輸送所述氣體進料至所述至少一個燃料電池之前使水蒸發為蒸汽。
11.根據權利要求10所述的REP系統，其中所述高溫REP組件包括用於重整烴類燃料的一個或多個重整器，和其中所述氣體進料包括從一個或多個重整器輸出至所述至少一個燃料電池的重整的燃料和蒸汽。
12.根據權利要求10所述的REP系統，進一步包括氧化器，其適於氧化補充燃料和空氣並生成廢熱用於所述加熱器，其中所述氧化器輸出所述氧化劑氣體至所述至少一個燃料電池的所述陰極。
13.根據權利要求10所述的REP系統，進一步包括控制器，其用於下述中一項或多項：
控制所述電源向所述至少一個燃料電池施加預定量的反向電壓；和
控制能夠以制氫模式和發電模式中的一種運行的所述高溫REP組件的運行，使得當所述高溫REP組件以所述制氫模式運行時，所述電源向所述至少一個燃料電池施加所述反向電壓，和當所述高溫REP組件以所述發電模式運行時，所述電源不向所述至少一個燃料電池施加所述反向電壓。
14.根據權利要求10所述的REP系統，進一步包括氫淨化組件，其適於接收從所述高溫REP組件輸出的所述含氫氣體並進一步淨化所述含氫氣體中的氫。
15.根據權利要求14所述的REP系統，其中所述氫淨化組件包括電化學氫壓縮機，用於壓縮所述含氫氣體至至少2000psig和輸出具有至少99％純度的淨化的氫氣。
16.根據權利要求10所述的REP系統，其中高溫REP組件包括用於重整烴類燃料的一個或多個重整器，和所述氣體進料包括從所述一個或多個重整器輸出至所述至少一個燃料電池的重整的燃料和蒸汽的混合物，和其中所述REP系統進一步包括甲烷轉化器，用於將從所述高溫REP組件輸出的所述含氫氣體中的任何一氧化碳轉化為甲烷。
17.根據權利要求16所述的REP系統，其中：
所述氫淨化組件接收從所述甲烷轉化器輸出的轉化的含氫氣體並將氫與甲烷分離，和
通過所述氫淨化組件分離的所述甲烷被循環至下述至少一個：(a)所述一個或多個重整器，和(b)所述至少一個燃料電池。
18.一種發電和制氫系統，其包括：
根據權利要求1-9中任一項所述的高溫REP組件；和
高溫燃料電池系統，其包括至少一個高溫燃料電池組；
其中所述高溫燃料電池系統接收燃料和空氣與從所述高溫REP組件輸出的氧化劑氣體中的一種或多種，並生成電力輸出，和
其中從所述高溫燃料電池系統的陽極側輸出的陽極排氣被輸送至所述高溫REP組件的所述陽極用作所述氣體進料，用於生成所述含氫氣體。
19.根據權利要求18所述的發電和制氫系統，其中所述高溫燃料電池系統的陰極側接收從所述高溫REP組件輸出的所述氧化劑氣體並輸出陰極排氣至所述高溫REP組件的陰極。
20.根據權利要求18所述的發電和制氫系統，其中所述高溫燃料電池系統是熔融碳酸鹽直接燃料電池系統和固體氧化物燃料電池系統中的一種。
21.根據權利要求18所述的發電和制氫系統，其中所述高溫REP組件包括一個或多個間接內部重整和外部重整，用於重整來自所述高溫燃料電池系統的所述陽極的陽極排氣。
22.根據權利要求18所述的發電和制氫系統，其中由所述高溫燃料電池系統生成的所述電力輸出的全部或部分被所述高溫REP組件的所述電源使用以向所述至少一個燃料電池施加所述反向電壓。
23.一種生成二氧化碳氣體用於俘獲的重整系統，所述系統包括：
根據權利要求1-9中任一項所述的高溫REP組件；
重整器組件，其適於重整燃料和輸出重整的燃料至所述高溫REP組件用作所述氣體進料；和
氧化器，其適於利用從所述高溫REP組件輸出的所述氧化劑氣體氧化補充燃料，同時生成廢熱用於所述重整器組件，和輸出包括二氧化碳和水的煙道氣，
其中所述煙道氣被輸出用於二氧化碳俘獲。
24.根據權利要求23所述的重整系統，進一步包括：
甲烷化組件，其用於將從所述高溫REP組件輸出的所述含氫氣體中的任意一氧化碳和二氧化碳轉化為甲烷並輸出轉化的含氫氣體；和
氫淨化組件，其用於將所述轉化的含氫氣體中的氫與甲烷分離並單獨地輸出淨化的氫氣和甲烷，
其中從所述氫淨化組件輸出的甲烷被輸送至所述氧化器用作所述補充燃料。
25.根據權利要求24所述的重整系統，其中所述氫淨化組件包括電化學氫壓縮機，其用於壓縮和淨化所述轉化的含氫氣體中的氫至至少2,000psig的壓力和至少99％的純度。
26.根據權利要求23所述的重整系統，進一步包括PSA基磨光組件，其用於淨化從所述高溫REP組件輸出的所述含氫氣體中的氫至至少99％的純度。
27.根據權利要求23所述的重整系統，其中在所述重整器組件中被接收之前，提供至所述重整器組件的所述燃料與蒸汽混合，和其中所述系統進一步包括熱回收組件，用於回收來自從所述氧化器輸出的煙道氣和從所述高溫REP組件輸出的含氫氣體中的至少一個的廢熱，並使用所述廢熱從水生成所述氣體進料中的所述蒸汽。
28.根據權利要求23所述的重整系統，進一步包括二氧化碳俘獲組件，其用於冷卻從所述氧化器輸出的所述煙道氣以通過冷凝移除水和用於壓縮水分離的包括的二氧化碳的煙道氣用於螯合。
29.一種用於生成氫和電力的制氫系統，所述系統包括：
根據權利要求1-9中任一項所述的高溫REP組件；和
低溫燃料電池系統，其適於接收從所述高溫REP輸出的所述含氫氣體並生成所述電力。
30.根據權利要求29所述的制氫系統，其中所述低溫燃料電池系統包括PEM燃料電池系統。
31.根據權利要求29所述的制氫系統，進一步包括：
重整器組件，其用於重整燃料和輸出重整的燃料至所述高溫REP組件用作所述氣體進料；和
氧化器，其適於利用空氣和從所述高溫REP組件輸出的所述氧化劑氣體中的一種或多種氧化補充燃料，同時生成廢熱用於所述重整器組件。
32.根據權利要求31所述的制氫系統，其中所述氧化器適於利用空氣氧化補充燃料和從所述高溫REP組件輸出的所述氧化劑氣體被供給至所述低溫燃料電池系統的陰極側。
33.根據權利要求29所述的制氫系統，其中從所述低溫燃料電池系統輸出的陽極排氣被循環用於下述之一：(a)用作所述重整組件中的燃料，和(b)用作所述高溫REP組件的所述至少一個燃料電池的所述陽極中的所述氣體進料。
34.根據權利要求31所述的制氫系統，進一步包括控制器，用於控制下述的一項或多項：(a)供給至所述氧化器組件的補充燃料和空氣的量，和(b)供給至所述低溫燃料電池系統的陰極側的空氣的量。
35.根據權利要求29所述的制氫系統，進一步包括氫存儲組件，其適於儲存由所述高溫REP組件生成的所述含氫氣體的全部或部分，並向所述低溫燃料電池系統供給額外的氫燃料。
36.根據權利要求35所述的制氫系統，進一步包括氫淨化組件，其適於淨化從所述高溫REP組件輸出的所述含氫氣體的全部或部分中的氫和輸出全部或部分的淨化的氫至所述氫存儲組件。
37.根據權利要求36所述的制氫系統，其中所述氫淨化組件包括壓縮機，用於壓縮全部或部分的所述含氫氣體；和淨化設備，用於淨化所述壓縮的含氫氣體中的氫。
38.根據權利要求36所述的制氫系統，其中所述氫淨化組件進一步適於將所述含氫氣體中雜質與氫分離並循環全部的分離的雜質用於所述高溫REP組件。
39.根據權利要求35所述的制氫系統，進一步包括控制器，用於控制下述的一項或多項：
(a)從所述高溫REP組件輸送至所述氫淨化組件的含氫氣體的量；
(b)基於所述低溫燃料電池系統的燃料需求輸送至所述氫存儲組件的含氫氣體的量；和
(c)基於所述低溫燃料電池系統的燃料需求從所述氫存儲組件輸送至所述低溫燃料電池系統的額外的氫燃料的量。
40.根據權利要求29所述的制氫系統，其中：
所述低溫燃料電池系統包括第一低溫燃料電池組件和第二低溫燃料電池組件，
所述第一低溫燃料電池組件和所述第二低溫燃料電池組件中的每個接收各自部分的從所述高溫REP組件輸出的所述含氫氣體，和
所述第一低溫燃料電池組件接收從所述高溫REP組件輸出的所述氧化劑氣體和輸出包括二氧化碳和水的第一陰極排氣。
41.根據權利要求40所述的制氫組件，進一步包括二氧化碳俘獲組件，其用於通過從所述第一陰極排氣冷凝出水俘獲所述第一陰極排氣中的二氧化碳。
42.根據權利要求31所述的制氫系統，其中所述氧化器適於利用空氣氧化補充燃料並輸出煙道氣至所述高溫REP組件。
43.一種用於儲存過量功率的能量存儲系統，所述系統包括：
根據權利要求1-9中任一項所述的高溫REP組件；和
燃料電池發電組件，用於發電，
其中從所述燃料電池發電組件的陽極側輸出的陽極排氣的第一部分被輸送至所述高溫REP組件用作所述氣體進料，和
其中當過量功率是可用的時，所述電源向所述高溫REP組件的所述至少一個燃料電池施加所述反向電壓，以便從所述陽極排氣的所述第一部分生成氫。
44.根據權利要求43所述的能量存儲系統，其中當過量功率是可用的和所述高溫REP組件從所述陽極排氣的所述第一部分生成氫時，從所述高溫REP組件輸出的所述含氫氣體經歷下述一個或多個：(a)從所述能量存儲系統輸出或(b)循環至所述燃料電池發電組件的所述陽極。
45.根據權利要求43所述的能量存儲系統，進一步包括陽極排氣氧化器，其適於氧化下述中的一種或多種：(a)從所述燃料電池發電組件輸出的所述陽極排氣的第二部分，和(b)從所述高溫REP組件輸出的所述含氫氣體的至少部分，其中從所述陽極排氣氧化器輸出的煙道氣被輸送至所述高溫REP組件。
46.根據權利要求43所述的能量存儲系統，其中從所述高溫REP組件輸出的所述氧化劑氣體被輸送至所述燃料電池發電組件的陰極側。
46a.根據權利要求43所述的能量存儲系統，其中當過量功率是不可用的時，所述電源不向所述至少一個燃料電池施加反向電壓，和來自所述燃料電池發電組件的所述陽極排氣的所述第一部分被未變化地輸送通過所述高溫REP組件，而在所述高溫REP組件中沒有生成氫。
47.根據權利要求43所述的能量存儲系統，
進一步包括控制器，用於控制下述中的一項或多項：
(a)基於過量功率的可用性，所述電源向所述至少一個燃料電池施加反向電壓；
(b)基於過量功率的可用性和所述陽極排氣氧化器中的溫度中的至少一個，輸送至所述陽極排氣氧化器的所述陽極排氣的所述第二部分的量和從所述高溫REP組件輸送至所述陽極排氣氧化器的至少部分的所述含氫氣體的量。
48.根據權利要求43所述的能量存儲系統，其中從所述燃料電池發電組件輸出的所述陽極排氣的第三部分被循環至所述燃料電池發電組件的所述陽極側，和其中所述控制器基於循環的氣體混合物中H2/CO2比例控制所述陽極排氣的所述第三部分的量。
49.根據權利要求43所述的能量存儲系統，其中：
所述燃料電池發電組件包括第一燃料電池組組件和第二燃料電池組組件，
從所述第一燃料電池組組件和所述第二燃料電池組組件輸出的陽極排氣被輸送至所述高溫REP組件作為所述氣體進料，和
從所述高溫REP組件輸出的所述氧化劑氣體的各自部分被輸送至所述第一燃料電池組組件和所述第二燃料電池組組件的各自的陰極側。
50.根據權利要求49所述的能量存儲系統，其中：
當過量功率是可用的且反向電壓被施加至所述至少一個燃料電池時，所述高溫REP組件適於以制氫模式運行，和當過量功率是不可用的時，所述高溫REP組件適於以發電模式運行，
當所述高溫REP組件在高電流下以所述發電模式或所述制氫模式中的任一種運行時，控制補充甲烷供給至所述高溫REP組件以冷卻所述高溫REP組件，和所述控制器基於所述高溫REP組件中電流密度和溫度控制供給所述補充甲烷的速率。
51.一種用於將具有第一二氧化碳含量的第一烴類燃料轉化為具有第二二氧化碳含量的第二烴類燃料的氣體轉化系統，所述第二二氧化碳含量小於所述第一二氧化碳含量，所述氣體轉化系統包括：
根據權利要求1-9中任一項所述的高溫REP組件，其中所述高溫REP組件接收作為所述氣體進料的所述第一燃料和蒸汽的混合物，並輸出所述含氫氣體；和
甲烷化反應器，其適於接收所述含氫氣體和使所述含氫氣體中的二氧化碳和氫反應以形成甲烷並輸出混合有蒸汽的所述第二烴類燃料。
52.根據權利要求51所述的氣體轉化系統，其中所述第一烴類燃料是厭氧消化池氣體和所述第二烴類燃料是天然氣。
53.根據權利要求51所述的氣體轉化系統，進一步包括加熱器，用於使用廢熱加熱所述第一烴類燃料和水以便使所述水蒸發。
54.根據權利要求51所述的氣體轉化系統，其中在被輸送至所述甲烷化反應器之前，從所述高溫REP組件輸出的所述含氫氣體被冷卻。
55.根據權利要求51所述的氣體轉化系統，進一步包括氧化器，其用於氧化補充燃料以生成廢熱用於所述加熱器，用來加熱所述第一烴類燃料和水，其中所述氧化器輸出煙道氣至所述高溫REP組件。
56.一種用於生成高純度二氧化碳用於俘獲的二氧化碳俘獲系統，所述系統包括：
根據權利要求1-9中任一項所述的高溫REP組件；和
燃料發電組件，其適於接收來自所述高溫REP組件的所述氧化劑氣體和利用所述氧化劑氣體燃燒煤和烴類中的一種或多種，
其中所述燃料發電組件輸出包括二氧化碳的排氣用於二氧化碳俘獲。
57.根據權利要求56所述的二氧化碳俘獲系統，其中所述燃料發電組件不接收任何空氣用於燃燒煤和烴類中的一種或多種。
58.根據權利要求56所述的二氧化碳俘獲系統，其中所述燃料發電組件包括燃煤鍋爐、烴類鍋爐、煤發電設備和烴類發電設備中的一種。
59.根據權利要求56所述的二氧化碳俘獲系統，進一步包括煙道氣生成組件，其中所述高溫REP組件接收包括下述中一個的氣體進料：(a)從所述煙道氣生成組件輸出的煙道氣、甲烷和蒸汽的混合物，和(b)源於煙道氣、甲烷和蒸汽的混合物的氣體。
60.根據權利要求59所述的二氧化碳俘獲系統，進一步包括催化劑組件，用於使氧和所述煙道氣、甲烷和蒸汽的混合物中的甲烷反應並生成熱以產生用於所述高溫REP組件的所述氣體進料。
61.根據權利要求59所述的二氧化碳俘獲系統，其中所述煙道氣生成組件是下述中的一個：燃煤發電設備、燃煤鍋爐、燃烴鍋爐和燃天然氣鍋爐。
62.根據權利要求56所述的二氧化碳俘獲系統，進一步包括電化學分離器，用於淨化從所述高溫REP組件輸出的所述含氫氣體中的氫。
63.根據權利要求56所述的二氧化碳俘獲系統，進一步包括高溫燃料電池，其中從所述高溫燃料電池的陽極側輸出的陽極排氣被作為所述氣體進料的部分提供至所述高溫REP組件，和其中從所述高溫REP組件輸出的所述含氫氣體被循環至所述高溫燃料電池的所述陽極側。
64.一種組合的氣化器和制氫系統，其包括：
根據權利要求1-9中任一項所述的高溫REP組件；和
氣化器組件，其適於從含碳燃料生成合成氣，
其中所述高溫REP組件接收包括所述合成氣和源自所述合成氣的氣體之一的所述氣體進料並淨化所述氣體進料以輸出所述含氫氣體並單獨地輸出所述氧化劑氣體。
65.根據權利要求64所述的組合的氣化器和制氫系統，其中從所述高溫REP組件輸出的所述氧化劑氣體被輸入至所述氣化器組件。
66.根據權利要求64所述的組合的氣化器和制氫組件，其中所述氣化器組件輸出包括二氧化碳和水的煙道氣用於二氧化碳俘獲。
67.根據權利要求64所述的組合的氣化器和制氫組件，進一步包括清潔組件，用於在所述合成氣被提供至輸入所述高溫REP組件的進料氣體之前使所述合成氣脫硫。
68.一種使用高溫重整器-電解槽-淨化器(REP)組件生成高純度氫的方法，所述高溫REP組件包括至少一個燃料電池，所述至少一個燃料電池包括由電解質基體分離的陽極和陰極，所述方法包括：
在所述至少一個燃料電池的所述陽極中接收包括蒸汽以及包括CO2、H2、CO和烴類燃料中的一種或多種的含碳氣體的氣體進料；
向所述至少一個燃料電池施加反向電壓，其中當所述反向電壓被施加至所述至少一個燃料電池時，在所述至少一個燃料電池的所述陽極中生成含氫氣體，和在所述至少一個燃料電池的所述陽極中使用電解反應將二氧化碳從所述含氫氣體分離；和
單獨地輸出所述含氫氣體和包括二氧化碳和氧的氧化劑氣體，
其中通過從所述含氫氣體分離和移除所述二氧化碳驅動制氫反應接近完成。
69.根據權利要求68所述的方法，其中控制在所述施加步驟中施加的反向電壓，使得在所述輸出步驟中，所述含氫氣體包括95％或更高純度的氫。
70.根據權利要求68所述的方法，其中每個燃料電池是熔融碳酸鹽燃料電池，和其中，當所述反向電壓被施加至所述至少一個燃料電池時，通過使得CO3＝離子輸送穿過所述燃料電池的所述電解質基體至所述陰極使二氧化碳與所述含氫氣體分離，其中使所述陰極中的所述CO3＝離子反應以產生包括CO2和氧的所述氧化劑排氣。
71.根據權利要求68所述的方法，進一步包括：
重整烴類燃料，其中在所述接收步驟中接收的所述氣體進料包括重整的燃料，和
下述中至少一個：(a)使所述氣體進料中的任意甲烷與蒸汽反應以產生氫和二氧化碳，和(b)變換所述氣體進料中任意一氧化碳與水以產生氫和CO2。
72.根據權利要求69所述的方法，進一步包括控制施加所述反向電壓的步驟，以向所述至少一個燃料電池施加預定量的所述反向電壓。
73.根據權利要求72所述的方法，其中施加至所述至少一個燃料電池的所述預定量的反向電壓大於1.0伏特。
74.根據權利要求68所述的方法，進一步包括：控制所述高溫REP組件以制氫模式和發電模式之一運行，
其中當控制所述高溫REP組件以所述制氫模式運行時，在所述施加步驟中，向所述至少一個燃料電池施加所述反向電壓，和當控制所述高溫REP組件以所述發電模式運行時，在所述施加步驟中不向所述至少一個燃料電池施加所述反向電壓。
75.根據權利要求68-74中任一項所述的方法，進一步包括：
在所述至少一個燃料電池中接收所述氣體進料的步驟之前，提供廢熱以使水蒸發為蒸汽。
76.根據權利要求75所述的方法，其中在所述接收步驟中接收的所述氣體進料包括重整的烴類燃料，和所述方法進一步包括：
重整烴類燃料和蒸汽的混合物以生成所述氣體進料用於所述接收步驟。
77.根據權利要求75所述的方法，進一步包括在提供廢熱的步驟中氧化補充燃料和空氣以生成廢熱和輸出氧化劑氣體用於所述至少一個燃料電池的所述陰極。
78.根據權利要求75所述的方法，進一步包括下述中一項或多項：
控制向所述至少一個燃料電池施加預定量的反向電壓的步驟；和
控制所述高溫REP組件以制氫模式和發電模式之一運行，其中當控制所述高溫REP組件以所述制氫模式運行時，在所述施加步驟中向所述至少一個燃料電池施加所述反向電壓，和當控制所述高溫REP組件以所述發電模式運行時，在所述施加步驟中不向所述至少一個燃料電池施加所述反向電壓。
79.根據權利要求75所述的方法，進一步包括淨化所述含氫氣體中的氫。
80.根據權利要求79所述的方法，其中所述淨化步驟包括使用電化學氫壓縮機將所述含氫氣體壓縮至至少2000psig的壓力以輸出具有至少99％純度的淨化的氫氣。
81.根據權利要求75所述的方法，其中在所述接收步驟中接收的所述氣體進料包括重整的烴類燃料，和所述方法進一步包括：
將所述輸出步驟中輸出的所述含氫氣體中的任意一氧化碳轉化為甲烷。
82.根據權利要求81所述的方法，進一步包括通過使氫與所述甲烷分離淨化在轉化步驟中生成的轉化的含氫氣體中的氫，和循環所述甲烷用於所述高溫REP組件。
83.根據權利要求68-74中任一項所述的方法，進一步包括：
向所述高溫燃料電池系統提供燃料和空氣與在所述輸出步驟中單獨輸出的所述氧化劑氣體之一；
使用所述高溫燃料電池系統生成電力輸出和陽極排氣；
提供在所述生成步驟中生成的所述陽極排氣用作所述高溫REP組件中的所述氣體進料。
84.根據權利要求83所述的方法，其中所述生成步驟進一步包括使用所述高溫燃料電池系統生成陰極排氣，和其中在所述生成步驟中生成的所述陰極排氣被輸送至所述高溫REP組件的所述至少一個燃料電池的所述陰極。
85.根據權利要求83所述的方法，其中所述高溫燃料電池是熔融碳酸鹽直接燃料電池系統和固體氧化物燃料電池系統之一。
86.根據權利要求83所述的方法，進一步包括在提供所述陽極排氣用作所述高溫REP組件中的所述氣體進料之前，重整在所述生成步驟中生成的所述陽極排氣。
87.根據權利要求83所述的方法，其中在所述生成步驟中生成的所述電力的全部或部分被用於向所述至少一個燃料電池施加所述反向電壓的步驟。
88.根據權利要求68-74中任一項所述的方法，進一步包括：
重整燃料以生成重整的燃料，其中在所述接收步驟中接收的所述氣體進料包括所述重整的燃料；
利用在所述輸出步驟中單獨輸出的所述氧化劑氣體氧化補充燃料以生成廢熱和包括二氧化碳和水的煙道氣；和
提供在所述氧化步驟中生成的所述廢熱用於在所述重整步驟中重整所述燃料，
其中在所述氧化步驟中生成的所述煙道氣被輸出用於二氧化碳俘獲。
89.根據權利要求88所述的方法，進一步包括：將在所述輸出步驟中單獨輸出的所述含氫氣體中的任意一氧化碳和二氧化碳轉化為甲烷以生成轉化的含氫氣體；
使所述轉化的含氫氣體中的氫與甲烷分離；和
提供在所述分離步驟中分離的所述甲烷用作所述氧化步驟中的所述補充燃料。
90.根據權利要求89所述的方法，其中所述分離步驟包括使用電化學氫壓縮機壓縮和淨化所述轉化的含氫氣體中的氫至至少2,000psig的壓力和至少99％的純度。
91.根據權利要求88所述的方法，進一步包括在PSA基磨光組件中淨化在所述輸出步驟中單獨輸出的所述含氫氣體中的氫至至少99％的純度。
92.根據權利要求88所述的方法，進一步包括從在所述氧化步驟中生成的所述煙道氣和在所述輸出步驟中單獨輸出的所述含氫氣體中的至少一個回收廢熱，並提供所述廢熱用於生成蒸汽用於形成在所述接收步驟中接收的所述氣體進料。
93.根據權利要求88所述的方法，進一步包括通過冷卻在所述氧化步驟中生成的所述煙道氣以通過冷凝移除水和壓縮包括二氧化碳的水分離的煙道氣來俘獲二氧化碳的步驟。
94.根據權利要求68-74中任一項所述的方法，進一步包括提供在所述輸出步驟中單獨輸出的所述含氫氣體至低溫燃料電池系統和使用所述低溫燃料電池系統生成電力。
95.根據權利要求94所述的方法，其中所述低溫燃料電池系統包括PEM燃料電池系統。
96.根據權利要求94所述的方法，進一步包括：
重整燃料以生成重整的燃料，其中在所述接收步驟中接收的所述氣體進料包括所述重整的燃料；和
利用空氣和在所述輸出步驟中單獨輸出的所述氧化劑氣體中的一種或多種氧化補充燃料，同時生成廢熱用於所述重整步驟。
97.根據權利要求96所述的方法，其中所述氧化步驟包括利用空氣氧化補充燃料和進一步包括向所述低溫燃料電池系統的陰極側提供在所述輸出步驟中單獨輸出的所述氧化劑氣體。
98.根據權利要求94所述的方法，進一步包括循環從所述低溫燃料電池系統輸出的陽極排氣用作下述之一：(a)用作所述重整步驟中的燃料和(b)用作所述接收步驟中接收的所述氣體進料的一部分。
99.根據權利要求96所述的方法，進一步包括控制下述中一個或多個：(a)在所述氧化步驟中使用的補充燃料和空氣的量，和(b)供給至所述低溫燃料電池系統的陰極側的空氣的量。
100.根據權利要求94所述的方法，進一步包括：
在氫存儲組件中儲存在所述輸出步驟中單獨輸出的所述含氫氣體的至少部分，和
從所述氫存儲組件向所述低溫燃料電池組件供給額外的氫燃料。
101.根據權利要求100所述的方法，進一步包括淨化所述含氫氣體的所述至少部分中的氫並在所述氫存儲組件中儲存至少部分的淨化的氫。
102.根據權利要求101所述的方法，其中所述淨化步驟包括壓縮所述含氫氣體的所述至少部分和淨化所述壓縮的含氫氣體中的所述氫。
103.根據權利要求101所述的方法，進一步包括使所述含氫氣體中的雜質與氫分離和循環全部分離的雜質用於所述高溫REP組件中。
104.根據權利要求100所述的方法，進一步包括控制下述一項或多項：
(a)在所述淨化步驟中淨化的含氫氣體的所述至少部分的量；
(b)基於所述低溫燃料電池系統的燃料需求儲存在所述氫存儲組件中的至少部分的淨化的氫的量；和
(c)基於所述低溫燃料電池系統的燃料需求在所述供給步驟中從所述氫存儲組件供給至所述低溫燃料電池系統的額外的氫燃料的量。
105.根據權利要求94所述的方法，其中：
所述低溫燃料電池系統包括第一低溫燃料電池組件和第二低溫燃料電池組件，和
在所述提供步驟中，各自部分的所述含氫氣體被提供至所述第一燃料電池組件和所述第二燃料電池組件的每個，和
進一步包括向所述第一低溫燃料電池組件提供在所述輸出步驟中單獨輸出的所述氧化劑氣體，其中所述第一低溫燃料電池組件生成包括二氧化碳和水的第一陰極排氣。
106.根據權利要求105所述的方法，進一步包括通過從所述第一陰極排氣冷凝出水俘獲所述第一陰極排氣中的二氧化碳。
107.根據權利要求96所述的方法，其中在所述氧化步驟中，作為利用空氣氧化所述補充燃料的結果，生成煙道氣，和其中供給所述煙道氣至所述高溫REP組件。
108.根據權利要求68-74中任一項所述的方法，進一步包括：
使用燃料電池發電組件發電；
其中通過所述高溫REP組件接收所述燃料電池發電組件的陽極側中生成的陽極排氣的第一部分作為所述接收步驟中的所述氣體進料的部分，
其中當過量功率是可用的時，執行向所述至少一個燃料電池施加所述反向電壓的步驟。
109.根據權利要求108所述的方法，其中當過量功率是可用的並且在所述施加步驟中向所述至少一個燃料電池施加所述反向電壓使得含氫氣體從所述陽極排氣的所述第一部分生成時，所述方法進一步包括下述中的一項或多項：(a)輸出在所述輸出步驟中單獨輸出的所述含氫氣體；和(b)循環所述含氫氣體至所述燃料電池發電系統的所述陽極側。
110.根據權利要求108所述的方法，進一步包括：
氧化下述中一項或多項：(a)從所述燃料電池發電組件輸出的所述陽極排氣的第二部分，和(b)在所述輸出步驟中單獨輸出的所述含氫氣體的至少部分；和
提供在所述氧化步驟中生成的煙道氣至所述高溫REP組件。
111.根據權利要求108所述的方法，進一步包括提供在所述輸出步驟中單獨輸出的所述氧化劑氣體至所述燃料電池發電組件的陰極側。
112.根據權利要求108所述的方法，其中當過量功率是不可用的時，不執行施加所述反向電壓的步驟和在所述接收步驟中通過高溫REP組件接收作為所述氣體進料的部分的來自所述燃料電池發電組件的所述陽極排氣的所述第一部分被未變化地輸送通過所述高溫REP組件，而沒有生成氫。
113.根據權利要求108所述的方法，進一步包括控制下述中的一項或多項：
(a)基於過量功率的可用性，向所述至少一個燃料電池施加所述反向電壓的步驟；
(b)基於過量功率的可用性和在所述氧化步驟期間的反應溫度的至少一個，在所述氧化步驟中使用的所述陽極排氣的所述第二部分的量和在所述氧化步驟中使用的所述含氫氣體的所述至少部分的量。
114.根據權利要求108所述的方法，進一步包括循環在所述燃料電池發電組件中生成的所述陽極排氣的第三部分至所述燃料電池發電組件的所述陽極側，和基於循環的氣體混合物中的H2/CO2比例控制所述陽極排氣的所述第三部分的量。
115.根據權利要求108所述的方法，其中所述燃料電池發電組件包括第一燃料電池組組件和第二燃料電池組組件，在所述接收步驟中接收從所述第一燃料電池組組件和所述第二燃料電池組組件輸出的所述陽極排氣的至少所述第一部分作為在所述高溫REP組件中接收的所述氣體進料的部分，和進一步包括：
供給從所述高溫REP組件單獨輸出的所述氧化劑排氣的各自部分至所述第一燃料電池組組件和所述第二燃料電池組組件的各自陰極側。
116.根據權利要求115所述的方法，其中所述高溫REP組件適於以制氫模式和發電模式之一運行，其中所述方法包括：
當過量功率是可用的時，控制所述高溫REP組件以所述制氫模式運行，和
控制所述高溫REP組件以所述發電模式運行，
其中當所述高溫REP組件在高電流下以所述發電模式或所述制氫模式中任一項運行時，所述方法進一步包括基於所述高溫燃料電解槽組件中電流密度和溫度以一定速率控制補充甲烷至所述高溫REP組件的供給以冷卻所述高溫REP組件。
117.根據權利要求68-74中任一項所述的方法，其中所述氣體進料包括蒸汽和具有第一二氧化碳含量的第一烴類燃料，所述方法進一步包括：
使在所述輸出步驟中單獨輸出的所述含氫氣體中的任意二氧化碳和氫反應以形成甲烷並輸出混合有蒸汽的第二烴類燃料，
其中所述第二烴類燃料具有低於所述第一二氧化碳含量的第二二氧化碳含量。
118.根據權利要求117所述的方法，其中所述第一烴類燃料是厭氧消化池氣體和所述第二烴類燃料是天然氣。
119.根據權利要求117所述的方法，進一步包括使用廢熱加熱所述第一烴類燃料和水以形成包括所述第一烴類燃料和蒸汽的混合物的進料氣體。
120.根據權利要求117所述的方法，進一步包括在所述反應步驟之前，冷卻在所述輸出步驟中單獨輸出的所述含氫氣體。
121.根據權利要求117所述的方法，進一步包括氧化補充燃料以生成廢熱用於所述加熱步驟和生成煙道氣，其中在所述氧化步驟中生成的所述煙道氣被提供至所述高溫REP組件。
122.根據權利要求68-74中任一項所述的方法，進一步包括：
在燃料發電組件中利用在所述輸出步驟中單獨輸出的所述氧化劑氣體燃燒煤和烴類中的一種或多種；和
從所述燃料發電組件輸出包括二氧化碳的排氣用於二氧化碳俘獲。
123.根據權利要求122所述的方法，其中所述燃料發電組件不使用任何空氣用於所述燃燒步驟。
124.根據權利要求122所述的方法，其中所述燃料發電組件包括燃煤鍋爐、烴類鍋爐、煤發電設備和烴類發電設備之一。
125.根據權利要求122所述的方法，其中在所述接收步驟中接收的所述氣體進料包括下述之一：(a)從煙道氣生成組件輸出的煙道氣、甲烷和蒸汽的混合物，和(b)源自所述煙道氣、甲烷和蒸汽的混合物的氣體。
126.根據權利要求125所述的方法，進一步包括使氧與煙道氣和甲烷的混合物中的甲烷反應並生成熱以產生所述接收步驟中接收的所述氣體進料。
127.根據權利要求125所述的方法，其中所述煙道氣生成組件是下述之一：燃煤發電設備、燃煤鍋爐、燃烴鍋爐和燃天然氣鍋爐。
128.根據權利要求122所述的方法，進一步包括：
淨化在所述輸出步驟中單獨輸出的所述含氫氣體中的氫。
129.根據權利要求122所述的方法，進一步包括：
運行高溫燃料電池，其中在所述接收步驟中接收的所述氣體進料包括從所述高溫燃料電池輸出的陽極排氣，和
循環在所述輸出步驟中單獨輸出的所述含氫氣體至所述高溫燃料電池的陽極側。
130.根據權利要求68-74中任一項所述的方法，進一步包括：
在氣化器組件中從含碳燃料生成合成氣；
其中在所述接收步驟中接收的所述氣體進料包括在所述生成步驟中生成的所述合成氣和源自所述合成氣的氣體之一。
131.根據權利要求130所述的方法，進一步包括提供在所述輸出步驟中單獨輸出的所述氧化劑氣體至所述氣化器組件。
132.根據權利要求130所述的方法，其中所述氣化器輸出包括二氧化碳和水的煙道氣，並且進一步包括俘獲所述煙道氣中的所述二氧化碳。
133.根據權利要求130所述的方法，進一步包括使在所述生成步驟中生成的所述合成氣脫硫，然後在所述接收步驟中接收包括脫硫的合成氣和蒸汽的氣體進料。