[发明专利]使用REP和PEM技术进行负荷跟踪发电和蓄电

说明书

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。

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。