[发明专利]以可再生方式使用生物甲烷生产可再生天然气

说明书

提供了用于生产可再生天然气的系统、方法和装置。

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求2018年7月20日提交的美国临时专利申请号62/700,965的优先权，所述专利的内容特此整体并入。

合同起源

根据美国能源部(the United States Department of Energy)与国家可再生能源实验室(the National Renewable Energy Laboratory)的管理和运营商Alliance forSustainable Energy,LLC之间的合同编号DE-AC36-08GO28308，美国政府在本发明中具有权利。

本发明是根据代表国家可再生能源实验室的Alliance for SustainableEnergy,LLC与Southern California Gas Company之间的CRADA#CRD-14-567的合作研发协议(CRADA)工作成果。

发明背景

在过去十年内风能和太阳能发电成本已明显降低，生产成本接近每千瓦-小时(kWh)2美分的水平。在这些能源价格下降的同时，可再生能源的容量以指数方式迅速发展。因此，世界上某些国家和地区正在缩减或必须关闭这些可再生电力生产商以维持稳定的供电网。随着这些趋势继续，由于低成本电力的丰度和对长持续时间储能的需要，氢气和其他可再生燃料如可再生甲烷(也恰巧使二氧化碳再循环)将变得越来越有经济性。

在当今市售可得的水电解器系统中，氢气通常在高于环境的压力下产生。这些系统的氢气产物的该压力可为大气压至超过350巴。然而，当今出售的最低温水电解器系统为10-50巴氢气输出压力。电解器中的加压氢气将被称为氢气、阴极或系统压力。

去离子水(DIW)通常在阳极侧上被进料到电解器堆组，并且直流(DC)电源将水分子分解成氢和氧原子。在聚合物电解质膜(PEM)或质子交换膜(也是PEM)的情况下，受施加电压的影响，来自分解的质子从阳极被牵拉到电解器单元(cell)的阴极侧，同时也电渗拖动水分子到阴极。电解器系统然后去除在电解器单元的阴极侧上积累的水。两相氢气/水混合物在阴极侧上流动，然后到达相分离器，从而分开液态水和加压气相。在相分离器顶部空间中的压力下，氢气周期性推动相分离器中积累的水回到进料电解器单元阳极侧的更大水槽中。接收单元阳极侧的水和氧气的容器通常处于比氢气(阴极)侧更低的压力下。一旦氢气侧的水达到氧气水侧中的较低大气压，溶解于水中的氢气就从溶液析出并被清除，与氧气一起离开系统。这种现象对本专利申请是重要的。通常，电解器制造商监测氧气中氢气的存在作为安全措施。

在高温(40-80℃)下水蒸气饱和的氢气离开加压氢气/水相分离器，并且进入变压吸附(PSA)干燥系统以从产物氢气中去除残留的水蒸气。PSA干燥系统通常由填充有干燥剂的两个并联床组成，以吸附产物氢气流中所含的水蒸气。两个床中的一者是有效的，而相对的床使用干氢气正在再生，从而导致电解器系统的效率损耗。效率损耗和使用干氢气再生电解器干燥系统对本专利申请中所含革新是重要的。

SAE J2719(用于燃料电池车辆的氢燃料质量)是详述了对于用来填充燃料电池电动车辆的氢气的纯度要求的标准。通常，电解器的PSA系统足以将氢气干燥至低于以体积计百万分之5份(ppm)，这是SAE J2719的要求。在许多电解器系统中，有价值的产物氢气作为PSA干燥过程的部分被排放(即，废弃)以使并联的干燥剂干燥床再生。大多数市售可得的电解器系统的干燥过程可概括为全部的产物氢气进入有效的干燥床。离开有效床的氢气随后被用来干燥(即，再生)相对的床。因为用来干燥非有效床的氢气现已拾取了水蒸气，该氢气不符合从系统排放的质量标准，代表了3-10％的电解器系统效率损耗。

发明内容