本申请要求于2015年11月17日提交的美国临时专利申请no.62/256,515的权益以及优先权，其全部内容通过引用p整体并入本文。
背景技术：
本申请总体上涉及使用燃料电池利用部分氧化生成h2(“氢气”)和/或co(“一氧化碳”)的领域。
重整器-电解器-净化器(“rep”)可用于产生氢气和/或一氧化碳。rep的示例和包括rep的系统在pct公开号wo2015/116964中描述，该公开已转让给本申请的受让人。
技术实现要素：
在一个实施方式中，用于产生氢气和一氧化碳中的至少一者的系统包括至少一个燃料电池，至少一个燃料电池包括由电解质基质分开的阳极和阴极。至少一个燃料电池还包括电源，电源用于向至少一个燃料电池施加反向电压以使燃料电池反向运行作为电解器。阳极被配置为接收被部分重整的燃料并输出包括氢气的气体。阴极被配置为输出包括二氧化碳和氧气的气体。系统还包括至少一个氧化器，至少一个氧化器被配置为接收来自阴极的二氧化碳和氧气以及来自燃料源的燃料，至少一个氧化器被配置为输出包括一氧化碳、二氧化碳和氢气的部分氧化的燃料。
在该系统的一个方面中，系统还包括被配置为产生热和排气的热源。
在该系统的一个方面中，热源是火焰加热器。
在该系统的一个方面中，系统还包括重整器，重整器被配置为接收来自燃料源的燃料、以及蒸汽和水中的至少一者。
在该系统的一个方面中，重整器被配置为将热从热源传递至燃料、以及蒸汽和水中的至少一者，并且重整器被配置为至少部分地重整燃料、以及蒸汽和水中的至少一者。
在该系统的一个方面中，系统还包括预热器，预热器被配置为预热燃料，然后燃料在重整器中被接收。
在该系统的一个方面中，预热器被配置为利用废热预热燃料。
在该系统的一个方面中，系统还包括空气源热交换器，空气源热交换器被配置为将由热源产生的热传递至由热源接收的空气。
在该系统的一个方面中，热源被配置为将排气排出系统。
在另一个实施方式中，使用系统产生氢气和一氧化碳中的至少一者的方法包括在燃料电池的阳极处接收被部分重整的燃料、以及蒸汽和水中的至少一者，并从燃料电池的阳极输出氢气。该方法还包括从燃料电池的阴极输出二氧化碳和氧气。该方法还包括在至少一个氧化器处接收来自阴极的二氧化碳和氧气以及来自燃料源的燃料。该方法还包括输出来自至少一个氧化器的一氧化碳。
在该方法的一个方面中，该方法还包括在通过重整器和热交换器中的至少一者从排气传热之后排放由热源产生的排气。
在该方法的一个方面中，该方法还包括将来自由热源产生的排气的热传递至重整器和热交换器中的至少一者中的燃料。
在该方法的一个方面中，该方法还包括将来自由热源产生的排气的热传递至重整器和热交换器中的至少一者中的蒸汽和水中的至少一者。
在该方法的一个方面中，该方法还包括混合从燃料电池的阳极输出的氢气和从至少一个氧化器输出的一氧化碳以形成合成气。
在该方法的一个方面中，该方法还包括将燃料脱硫，然后将燃料进料至重整器。
在另一个实施方式中，用于产生氢气和一氧化碳中的至少一者的系统包括至少一个燃料电池，至少一个燃料电池包括由电解质基质分开的阳极和阴极以及电源，电源用于向至少一个燃料电池施加反向电压以使燃料电池反向运行作为电解器。至少一个燃料电池还包括重整单元，重整单元被配置为接收来自燃料源的燃料、以及蒸汽和水中的至少一者，重整单元被配置为输出被部分重整的燃料。重整单元被配置为将部分重整的燃料进料至阳极和阴极。阳极被配置为接收被部分重整的燃料并输出包括氢气的气体。阴极被配置为接收并至少部分地氧化来自燃料源的燃料或部分重整的燃料中的至少一者。阴极被配置为输出一氧化碳、氢气和二氧化碳。
在该系统的一个方面中，阴极还包括配置为将部分重整的燃料部分氧化的催化剂。
在该系统的一个方面中，阴极被配置为主要输出一氧化碳。
在该系统的一个方面中，该系统还包括被配置为产生热和排气的热源。
在该系统的一个方面中，该系统还包括第一热交换器，第一热交换器被配置为将来自热源的热传递至来自燃料源的燃料、以及蒸汽和水中的至少一者。
在该系统的一个方面中，热源是火焰加热器。
在该系统的一个方面中，热源被配置为将排气排出系统。
在该系统的一个方面中，该系统还包括预重整器，预重整器被配置为接收来自燃料源的燃料、以及蒸汽和水中的至少一者。
在该系统的一个方面中，该系统还包括预热器，预热器被配置为在燃料被接收到重整单元中之前预热燃料。
在该系统的一个方面中，预热器被配置为使用废热预热燃料。
在该系统的一个方面中，来自燃料源的燃料是甲烷。
在另一个实施方式中，用该系统产生氢气和一氧化碳中的至少一者的方法包括：在重整单元处接收甲烷和蒸汽，并从重整单元输出被部分重整的燃料。该方法进一步包括在阳极接收来自重整单元的部分重整的燃料，并从阳极输出氢气。该方法还包括在阴极接收来自重整单元的部分重整的燃料，并从阴极至少输出一氧化碳。该方法进一步包括在阴极接收来自燃料源的燃料、以及蒸汽和水中的至少一者。
在该方法的一个方面中，该方法还包括利用重整单元中的重整反应以去除在阴极中的氧化反应中产生的热中的至少一部分。
在该方法的一个方面中，该方法还包括将来自燃料源的燃料脱硫，然后将燃料进料至重整单元。
在该方法的一个方面中，该方法还包括混合从燃料电池的阳极输出的氢气和从燃料电池的阴极输出的一氧化碳以形成合成气。
在另一个实施方式中，用于产生氢气的系统包括至少一个燃料电池，至少一个燃料电池包括由电解质基质分开的阳极和阴极、以及电源，电源用于向至少一个燃料电池施加反向电压以使燃料电池反向运行作为电解器。该系统还包括氧化器，氧化器被配置为接收来自燃料源的燃料、以及蒸汽和水中的至少一者，氧化器被配置为输出被部分重整的燃料。阳极被配置为接收来自氧化器的部分重整的燃料并输出氢气。阴极被配置为将二氧化碳和氧气输出至氧化器。
在该系统的一个方面中，该系统还包括加热器，加热器被配置为加热燃料、以及蒸汽和水中的至少一者。
在该系统的一个方面中，加热器被配置为接收由氧化器输出的部分重整的燃料的一部分。
在该系统的一个方面中，加热器被配置为燃烧部分重整的燃料以产生热。
在该系统的一个方面中，加热器被配置为将排气排出系统。
在该系统的一个方面中，燃料是柴油燃料或jp8。
在该系统的一个方面中，系统还包括预热器，预热器被配置为预热燃料、以及蒸汽和水中的至少一者，然后燃料、以及蒸汽和水中的至少一者被接收到加热器中。
在该系统的一个方面中，预热器被配置为利用废热预热燃料。
在另一个实施方式中，使用该系统产生氢气的方法包括在氧化器处接收燃料和蒸汽，并从氧化器输出部分氧化的燃料。该方法还包括在阳极处接收部分氧化的燃料，并从阳极输出氢气。该方法还包括从阴极输出二氧化碳和氧气。该方法还包括在氧化器处接收来自阴极的二氧化碳和氧气。
在该方法的一个方面中，该方法还包括利用从阴极输出的二氧化碳和氧气氧化来自加热器的燃料和蒸汽。
在该方法的一个方面中，该方法还包括将部分氧化的燃料脱硫，然后将部分氧化的燃料进料至阳极。
在该方法的一个方面中，该方法还包括将来自氧化器的部分氧化的燃料的一部分进料至加热器，加热器被配置为加热燃料、以及蒸汽和水中的至少一者。
在该方法的一个方面中，该方法还包括将部分氧化的燃料的一部分脱硫，然后其被加热器接收。
在该方法的一个方面中，该方法还包括在加热器中燃烧部分氧化的燃料的一部分以产生热量。
在该方法的一个方面中，该方法还包括将由加热器产生的排气排出系统。
附图说明
图1示出了包括本发明的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示出了在rep组件中发生的反应；
图4示出了与rep系统分离的气化/部分氧化；
图5示出了与rep系统集成的部分氧化；以及
图6示出了用于利用低成本含硫液体燃料生成氢气的系统。
具体实施方式
重整器-电解器-净化器(“rep”)组件包括至少一个电解器熔融碳酸盐燃料电池，并且可以包括形成在燃料电池堆(也被称为rep堆)中的多个电解器燃料电池。至少一个电解器燃料电池是反向运行的燃料电池，以便电解co2和水以产生h2(“氢气”)，并且通过电化学去除
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的电源。控制器可以被包括在rep组件和/或rep系统中，以用于控制电源并控制rep组件和/或rep系统的其他操作和部分。下文中将更详细地描述控制操作。尽管说明书将rep组件、rep堆和rep系统描述为包括重整(诸如内部或外部重整)，但也可以设想rep组件、rep堆和/或rep系统可以省略内部和/或外部重整，并且可以用于电解包含co2和水的供应气体并净化氢气而不需重整。
图1示出了rep系统100的示例的示意图。如图1中所示，在预热器102(例如，分别在图4-6中示出的主要、一级或废热交换器416、516、616)中利用废热(例如较低水平的热)预热燃料(诸如天然气、厌氧消化器气体(“adg”)或其他合适的燃料)，然后将燃料供应到rep系统100。燃料可以在被预热之前或之后加湿或与水混合。在rep系统100中，燃料通过与蒸汽反应生成氢气、co和二氧化碳而被重整，并且通过在高温(重整温度)下从氢气中分离出几乎所有的碳而净化氢气，这驱使重整反应完成。rep系统100输出氢气并分离地输出其他反应产物，包括氧气和二氧化碳。如图所示，高水平废热被供应到rep系统100以为吸热重整反应提供热量，使得基本上所有的燃料都被转化为氢气，由此减少由甲烷不完全转化为氢气所导致的co2排放。
在pct公开号wo2015/116964中描述的氢气和/或一氧化碳生产系统的一个示例中，氢气和/或一氧化碳生产系统包括rep组件，rep组件包括rep堆200和电源230。例如，图2示出了这种氢气和/或一氧化碳生产系统的说明性配置。rep堆200包括燃料电池部件并且可以包括一个或多个仅重整的单元或重整单元202以及一个或多个rep燃料电池204，每个rep燃料电池204包括由电解质基质分开的阳极204a和阴极204b。rep燃料电池可以与常规mcfc燃料电池相同配置，但是通过施加大于1.0伏特(通常在1.15至1.35伏特范围内)的反向电压而进行反向运行。仅重整单元202和rep燃料电池204被组装在堆中并串联连接，使得燃料首先通过仅重整单元202运送并随后通过rep燃料电池204的阳极204a运送。阴极204b可以接收供应到系统的热气体(诸如空气)以及在来自rep燃料电池的阳极204a的净化操作中产生的co2和o2气体混合物。在一个说明性实施方式中，rep系统100的燃料电池堆200结合为商业熔融碳酸盐燃料电池技术开发的部件，诸如由fuelcellenergy,inc.开发的
同样如图2中所示，rep系统100可以包括一个或多个预热器，预热器利用来自rep系统100的单元204的废热和/或由rep系统100外部和/或与rep系统100集成在一起的其他设备产生的废热。预热器102利用来自燃料电池204和仅重整电池202的废热以预热燃料，燃料可以与水混合或被加湿，然后将燃料供应到仅重整单元202。其他预热器104可用于利用来自其他设备(诸如用于发电的高温燃料电池)的废热来预热供应至系统的气体。此外，如图2中所示，可以提供氧化器106以用于利用补充燃料增加传递到rep系统100的热，这是通过利用空气氧化补充燃料并产生热的氧化气体而进行的，热的氧化气体随后被供应到rep燃料电池的阴极204b。
rep燃料电池堆200可以在净化模式或产氢模式下作为净化-重整-电解器运行，并且在这样的操作期间，从系统中将
如图2中所示，燃料(诸如天然气和/或可再生燃料)与水被进料到rep系统200中。该燃料进料在预热器102中被加热并且然后被引导到重整单元202和rep燃料电池204，在重整单元202和rep燃料电池204中几乎所有的气体都被重整为氢气和co。用于该吸热重整反应的热可以至少部分地通过外部废热104提供，外部废热104由其它废热产生设备提供。在某些实施方式中，补充的或额外的燃料可用作备用或用于提高废热水平，特别是当可中断的可再生废热(诸如风力或太阳热)被用作废热源时。例如，在图2中，在系统中提供氧化器106，氧化器106接收补充燃料和空气并氧化补充燃料以产生用于阴极的加热的气体。通过这种方式，氧化反应提高了rep电池中利用的废热水平。
在图2中所示的说明性实施方式中，首先燃料气体在仅重整单元(重整器)202中被部分重整。在重整器202中水和甲烷之间发生的反应在图3中示出。如图2和3中所示，来自重整器202的部分重整的气体随后被进料到mcfc燃料电池204的阳极侧204a，mcfc燃料电池204作为电解器(rep电池)在净化模式(产氢模式)下操作。在燃料电池204中，水被分解为氢气和氧气，氧气与重整气体中的二氧化碳结合产生
如图2中所示，作为电解器的rep燃料电池204的操作可以由控制器控制。控制器250被编程以控制到rep燃料电池204的反应物气体的供应或流量。控制器250还控制施加到燃料电池的电压和电流，电压和电流从电源(例如，dc电源)230供应，使得离子转移处于正常燃料电池操作的相反方向。在图3中示出了在rep系统100的燃料电池中发生的反应。当包含co2和氧气的气体用作阴极侧气体时，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操作和正常发电操作之间的切换。
此外，虽然图2中的重整单元202被示出为rep燃料电池堆的一部分使得堆是间接内部重整堆，但是在其他实施方式中，外部重整器可以代替内部重整单元或与内部重整单元一起使用以重整燃料。
在某些说明性实施方式中，图2的rep系统200中使用的部件与由fuelcellenergy,inc.开发的
参考图4，提供了替代性的氢气和/或一氧化碳生产系统，该系统用于将天然气和水转化为纯净的氢气和一氧化碳，可以从纯净的氢气和一氧化碳形成合成气。常规地，合成气通过蒸汽甲烷重整或通过利用来自空气分离单元的纯o2对烃进行部分氧化来生产。来自蒸汽甲烷重整的合成气的h2与co比例一般比希望的更高，并且来自部分氧化的合成气成本效益不好，除非规模非常大。
本发明的某些实施方式通过使用利用部分氧化的氢气和/或一氧化碳生产系统400以生成氢气和/或一氧化碳来克服这些困难。此后，可以混合氢气和一氧化碳以形成具有希望的h2/co比率的合成气。氢气和/或一氧化碳生产系统400包括热源410、rep组件420、用于重整燃料供给的重整器412和部分氧化器430。rep组件420包括rep阳极422和rep阴极424。
如图4中所示，燃料从燃料源供应、脱硫并预热。在预热之前(未示出)或预热之后可以将水添加到燃料中。优选地，燃料是天然气或其他合适的燃料。至少一些燃料被进料到部分氧化器(即氧化器)430中。水被转化成蒸汽并与剩余的脱硫燃料混合以形成燃料和蒸汽混合物。燃料和蒸汽混合物通过二级热交换器414和重整器412进料。至少一些燃料和蒸汽混合物被进料到rep阳极422，并且剩余的燃料和蒸汽混合物被进料到部分氧化器430。
rep阳极422接收燃料和蒸汽混合物，燃料和蒸汽混合物在电解期间进行反应以产生来自rep阳极的输出气体，输出气体主要包含h2。来自rep阳极422的输出气体可被捕获并存储或输出。在电解期间，至少co2和o2的气流从rep阴极424输出并且进料到部分氧化器430。
部分氧化器430接收燃料以及燃料和蒸汽混合物并利用co2和o2部分氧化燃料以及燃料和蒸汽混合物。co2和o2部分氧化来自燃料源的燃料中的ch4以及燃料和蒸汽混合物以产生co、h2和co2的混合物(“合成气”)。优选地，合成气具有高含量的co。在部分氧化器430中进行的部分氧化反应如下示出：
2ch4+o2→2co+2h2(1)
二级反应包括蒸汽重整反应(参见式(2))、co2重整反应(参见式(3))和水煤气变换反应(参见式(4))。
ch4+2h2o→co2+4h2(2)
ch4+co2→2co+2h2+co2(3)
合成气从部分氧化器430通过重整器412进料以向该系统提供热并冷却合成气。然后合成气可以进一步冷却(未示出)、捕获、并存储或输出。
热源410燃烧空气和燃料以产生高温排气。优选地，热源是火焰加热器、燃气轮机、内燃机或其他合适的热源。高温排气通过重整器412进料。热在重整器412中从高温排气传递到进料气体(ch4+h2o)以部分重整进料气体。高温排气进一步通过二级热交换器414进料并将氢气和/或一氧化碳从生产系统400排出。热在二级热交换器414中从高温排气传递到燃料和蒸汽混合物以预热燃料和蒸汽混合物，然后将燃料和蒸汽混合物引入重整器412和rep阳极422。
参考图5，提供了替代的氢气和/或一氧化碳生产系统500，以用于将天然气和水转化为净化的氢气和一氧化碳。氢气和/或一氧化碳生产系统500包括热源510和rep组件520。rep组件520包括rep阳极522、rep阴极524和至少一个重整单元526。
如图5中所示，首先将燃料脱硫并预热。在预热之前(未示出)或预热之后，水可以添加到燃料中。优选地，燃料是天然气或其他合适的燃料。燃料的至少一部分可以与重整的燃料一起直接进料到rep阴极524。水转化为蒸汽并与剩余的脱硫燃料混合以形成燃料和蒸汽混合物。燃料和蒸汽混合物通过热交换器514和预重整器515进料，在预重整器515中进料气体发生轻微的重整，然后燃料和蒸汽混合物进料到重整单元526。
重整单元526接收燃料和蒸汽混合物。来自rep阴极524的氧化反应的热由重整单元526去除并用于重整反应(包括蒸汽重整反应(参见式(5)、co2重整反应(参见式(6))和水煤气变换反应(见式(7)))。
ch4+2h2o→co2+4h2(5)
ch4+co2→2co+2h2+co2(6)
来自重整单元526的输出流的至少一部分被进料到rep阳极522，并且剩余的输出流被进料到rep阴极524。在rep阳极522中，来自重整单元526的输出流在电解期间进行反应以产生主要包含h2的输出气体。可以捕获并存储或输出来自rep阳极522的输出气体。在电解期间，从rep阴极524输出至少co2和o2的气流。rep阴极524包括部分氧化催化剂。rep阴极524接收并部分氧化来自这样配置的重整单元526的输出流，其中co2和o2生成合成气。优选地，合成气具有高含量的co(即主要是co)。在rep阴极524中进行的部分氧化反应如下示出：
2ch4+o2→2co+2h2(8)
二级反应包括蒸汽重整反应(参见式(9))、重整反应(参见式(10))和水煤气变换反应(参见式(11))。
ch4+2h2o→co2+4h2(9)
ch4+co2→2co+2h2+co2(10)
然后合成气可以被捕获并存储或输出。图5中所示的配置具有不需要独立的部分氧化反应的优点，但是由于该部分氧化反应在较低的温度下操作，所以将产生的合成气将比图4中示出的示意性实施方式中生产的合成气的co对h2比率更低。
热源510燃烧空气和燃料以生成高温排气。优选地，热源是火焰加热器、燃气轮机、内燃机或其他合适的热源。排气通过热交换器514进料。热量在热交换器514中从排气传递到燃料和蒸汽混合物，以在预热燃料和蒸汽混合物，然后将燃料和蒸汽混合物引入重整单元526。进一步地，空气源热交换器(未示出)可以从热源传递热量以预热空气然后将空气引入热源。
参考图6，提供了用于将高硫液体燃料和水转化为净化的氢气的替代性氢气生产系统600。获取用于操作燃料电池的天然气可能在偏远地区受到限制，但是在操作不耐硫的燃料电池时，更广泛可用的燃料(诸如硫含量高的燃料，例如柴油)可能不总是能够代替天然气使用。
本发明的某些实施方式通过使用具有部分氧化的氢气生产系统600来克服这些困难以生成合成气，在部分氧化之后但在将燃料引入燃料电池之前去除硫。然后在rep组件620中将不含硫的合成气转化为氢气。氢气生产系统600包括高水平加热器(即加热器)610、rep组件620和部分氧化器(即氧化器)630。rep组件620包括rep阳极622和rep阴极624。
如图6中所示，水被转化成蒸汽并与燃料混合以形成燃料和蒸汽混合物。优选地，燃料是柴油、jp8或其他低成本合适的燃料。燃料和蒸汽混合物通过高水平加热器610进料到低水平预热器616，然后进料到部分氧化器630。
部分氧化器630接收并利用在rep阴极624中生成的co2和o2部分氧化燃料和蒸汽混合物。燃料和蒸汽混合物的部分氧化将进料中的硫化合物转化为合成气中的h2s和cos。h2s和cos能够从合成气中去除。在部分氧化器630中进行的部分氧化反应如下示出：
2ch4+o2→2co+2h2(12)
二级反应包括蒸汽重整反应(参见式(13))和重整反应(参见式(14))。
ch4+2h2o→co2+4h2(13)
ch4+co2→2co+2h2+co2(14)
合成气混合物中的至少一些被脱硫，其中从混合物中除去h2s和cos，并且将混合物进料到rep阳极622。未脱硫的剩余h2s、cos和合成气混合物被进料到高水平加热器610。根据一个示例性实施方式，脱硫的合成气也可以被输送到加热器610。在任一配置中，输送到高水平加热器610的流也防止co2在氢气生产系统600中累积。
rep阳极622接收合成气，合成气在电解期间进行反应以产生主要包含h2的输出气体。然后可以捕获并存储或输出来自rep阳极622的输出气体。在电解期间，从rep阴极624输出至少co2和o2的流并将至少co2和o2的流进料到部分氧化器630。
未进料到rep阳极622的剩余h2s、cos和合成气混合物被进料到高水平加热器610。高水平加热器610利用h2s、cos和合成气混合物燃烧空气以产生热。由高水平加热器610中的燃烧产生的热被传递到燃料和蒸汽混合物。由高水平加热器610产生的排气从氢气生产系统600中排出，这防止了co2在氢气生产系统600内的累积。
如本文所使用的，术语“大致”、“大约”、“基本上”和类似的术语意图具有广泛的含义，与本公开的主题涉及领域的通常用法和普通技术人员接受的用法相一致。本领域普通技术人员在阅读本公开时应该理解，这些术语旨在允许描述本文所描述的和要求保护的某些特征，而不将这些特征的范围限制到所提供的精确数值范围。因此，这些术语应该被解释为表明对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所附权利要求书中记载的本发明的范围内。
应当理解，本文所用以描述多种实施方式的术语“示例性”意图表示这样的实施方式是可能的实施方式的可能的示例、表示、和/或示意(并且这样的术语不意图表示这样的实施方式必然是特别的或最佳的示例)。
本文使用的术语“联接”、“连接”等意味着两个构件直接或间接地彼此相连。这样的相连可以是静止的(例如永久的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。这种相连可以通过两个构件或两个构件和任何另外的中间构件与彼此或者与两个构件或者与两个构件和任何另外中间构件彼此附接而一体地形成为单一整体来实现。
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应当理解，尽管对于本发明关于其优选的实施方式进行了描述，本领域普通技术人员将想到多种其他实施方式，而这些其他实施方式落入本发明的范围和精神内，并且这些其他实施方式和变型意图被相应的权利要求所涵盖。本领域普通技术人员将容易地认识到许多修改是可能的(例如，结构、参数值、安装布置、方向等)而实质上不背离本文所述主题的新颖教导和优点。例如，根据替代的实施方式，任何过程或方法步骤的的时序或顺序可以变化或重新排序。在不背离本发明的范围的情况下，还可以在各种示例性实施方式的设计、操作条件和布置中进行其他替代、修改、改变和省略。