阅读说明：本技术 生产氢气、电力和联产的方法和系统 (Method and system for hydrogen, power and co-production ) 是由 S·迪特黑尔姆 O·比舍利 于 2018-01-31 设计创作，主要内容包括：一种用于生产氢气(80)、电力(P)和联产的联合式氢气和电力供应系统(1),该系统包括可变电负载(6),其用于改变系统阻抗量；预重整器(3),其连接到含碳燃料流(20)、蒸汽流(40)并且连接到加热源(9),其中所述预重整器(3)生产至少包含氢气、一氧化碳的第一重整气体和未转化的含碳燃料,其中预重整器(3)对加热源提供的热量作出响应；固体氧化物燃料电池组(2),其耦合至可变电负载(6)并耦合至第一重整气体,其中电力(P)与生产的氢气的量(80)之间的比例至少取决于可变电负载(6)和热源(9)提供的热。(A combined hydrogen and power supply system (1) for the production of hydrogen (80), power (P) and co-production, the system comprising a variable electrical load (6) for varying the amount of system impedance; a pre-reformer (3) connected to a flow of carbonaceous fuel (20), a flow of steam (40) and to a heating source (9), wherein the pre-reformer (3) produces a first reformed gas comprising at least hydrogen, carbon monoxide and unconverted carbonaceous fuel, wherein the pre-reformer (3) is responsive to heat provided by the heating source; a solid oxide fuel cell stack (2) coupled to a variable electrical load (6) and to the first reformed gas, wherein a ratio between the electrical power (P) and the amount of hydrogen produced (80) is dependent on at least heat provided by the variable electrical load (6) and a heat source (9).)

生产氢气、电力和联产的方法和系统

技术领域

本发明的技术领域涉及一种使用固体氧化物燃料电池单元从重整处理气体供给中生产氢气和电的方法和系统。

背景技术

使用固体氧化物燃料电池单元的联合式氢气和电力供应系统允许同时生产电功率、氢气和热量。这种系统也被称为氢气、热量、电力多联产或联合系统，通常简称为CH2P系统。如果氢气、热量和电功率的生产可以被调制，即电功率和氢气之间的比例可以根据特定的需要进行调节，例如H₂加油站，这种CH2P系统特别令人感兴趣。

文件WO2005/041325A2公开了一种CH2P系统，该系统利用燃料电池来生产氢气、电功率或氢气和电功率的组合。在第一模式中，燃料电池通过使含氢燃料与氧反应以进行电化学反应从而生产电、水和热量。在第二种模式中，燃料电池利用燃料电池的电化学反应释放的热量来重整含碳燃料以生产富氢气体。在第三种模式下，氢气和电都是由燃料电池联产的。CH2P系统可以控制生产的氢气和/或电功率的量，并可以通过改变外部电负载和/或通过质量流调节器作用于燃料供给流在模式之间切换。文件WO2005/041325A2公开了一种仅进行内部重整的SOFC系统，该系统通过在现有技术的SOFC中存在镍(Ni)而成为可能。该公开的CH2P系统的一个缺点是，氢气和电功率生产之间的调制是非常有限的。进一步，在短路附近操作SOFC组的选择是不可行的，并将导致SOFC电极的严重退化。

文件US8071241B2公开了一种CH2P系统，其包括与燃料处理耦合的SOFC系统和用于生产氢气和电功率的H₂分离单元。该CH2P系统不允许氢气和电功率之间的调制。

解决的技术问题

因此，本发明的目的是改善联合式氢气和电力供应系统中氢气和电功率生产之间的调制。本发明的进一步目的是扩大联合式氢气和电力供应系统的用途。

发明内容

上述确定的目的通过包含权利要求1的特征的方法来解决，并且更具体地通过包含权利要求2到13的特征的方法来解决。上述确定的目的通过包含权利要求14的特征的联合式氢气和电力供应系统进一步来解决，并且更具体地通过包含权利要求15到16的特征的系统来解决。

该目的尤其通过在联合式氢气和电力供应系统中生产氢气和电功率的方法来解决，该方法包括以下步骤：

-将含碳燃料和蒸汽引入预重整器，并且在预重整器中通过蒸汽重整将部分含碳燃料重整为包含氢气和一氧化碳的第一重整气体，从而使未转化的含碳燃料保留下来；

-将未转化的含碳燃料和第一重整气体引入固体氧化物燃料电池组的阳极侧；

-在固体氧化物燃料电池组中，通过蒸汽重整将至少一部分未转化的含碳燃料和优选的全部未转化的含碳燃料重整为主要包括氢气和一氧化碳的第二重整气体，

-将空气或含氧气体引入固体氧化物燃料电池组的阴极侧，

-在固体氧化物燃料电池组中，将氧气以及第一和第二重整气体中的氢气和一氧化碳转化为电功率和阳极尾气；

-将阳极尾气引入H₂分离单元，

-在H₂分离单元中将阳极尾气转化为纯氢气和尾气，以及

-通过联合控制预重整器的重整率与固体氧化物燃料电池组的燃料利用率，调制生产的纯氢气和电功率的量，从而调整纯氢气与电功率之间的比例。

该目的进一步特别通过用于生产氢气、电功率和联产的联合式氢气和电力供应系统来解决，该系统包括：

-可变电负载，用于改变SOFC中的电流和生产的电功率，

-预重整器，与含碳燃料流、蒸汽流连接并且与热源连接，其中所述预重整器生产至少包含氢气、一氧化碳的第一重整气体和未转化含碳燃料，其中预重整器对热源提供的热量做出响应，

-固体氧化物燃料电池组，耦合至可变电负载并耦合至第一重整气体；

-其中，生产的电功率与氢气量的比例至少取决于可变电负载和热源所提供的热量。

这一目的进一步特别地通过用于生产氢气、电功率和联产的联合式氢气和电力供应系统来解决，该系统包括固体氧化物燃料电池组、预重整器、消耗电功率的电负载、氢气分离单元、控制单元、含碳燃料源和蒸汽源，所述预重整器连接到含碳燃料源流和蒸汽源流，其中所述预重整器生产至少包含氢气、一氧化碳的第一重整气体和未转化含碳燃料，固体氧化物燃料电池组与电负载耦合，与预重整器耦合以接收第一重整气体和未转化的含碳燃料，并与氢气分离单元耦合，其中预重整器位于固体氧化物燃料电池组外侧以进行外部重整，其中电负载是可控的可变电负载，其中预重整器热耦合到可控热源，并且其中控制单元适于至少控制可变电负载和热源提供的热量，从而控制生产的电功率和氢气量之间的比例。

本发明提供了一种高效、经济和灵活的氢气和电力联产系统。

根据本发明的方法和联合式氢气和电力供应系统，从含碳燃料中生产电功率和氢气。其分别包括燃料处理器和预重整器，该预重整器在向SOFC组供给之前将含碳燃料部分地转化为氢气和一氧化碳。在本文中提及SOFC组时，此类SOFC组可以由一个SOFC组或多个SOFC组组成。转化的含碳燃料也称为重整物或重整气。根据本发明的方法和系统在预重整器中使用吸热反应。因此，进入预重整器的蒸汽和含碳燃料不包括添加的空气或氧气。优选的燃料处理技术是蒸汽重整，因为作为吸热反应，在重整反应中废热可以被再利用(valorized)，由此提高整个过程的效率。在根据本发明的方法和系统中，燃料的部分重整通过外部重整在预重整器中进行，部分重整通过内部重整直接在SOFC组中进行，从而利用在重整气体电化学转化为电功率期间在SOFC组内生产的热量。因此，SOFC组中的电功率生产为内部蒸汽重整反应提供热量。用于外部重整以及内部重整的优选燃料处理技术是蒸汽重整。

本文中，术语“内部重整”和“外部重整”具有以下含义：这里使用的术语“内部重整”是指发生在SOFC电池主体内、SOFC组内或燃料电池组件内的燃料重整。外部重整(通常与燃料电池一起使用)发生在位于SOFC组外部的单独设备中。换言之，在上一段中称为“预重整器”的外部重整器的主体与SOFC的主体或SOFC组没有直接的物理接触。预重整器和SOFC组的这种热分离允许对预重整器和SOFC组进行独立的热控制，这对于在广泛范围内控制电功率和氢气的生成是重要的。因此，根据本发明的方法和系统允许在较宽的范围内调制氢气和电功率的生产，即纯氢气和电功率的比例可以根据需要进行调整。因此，剩余的未转化氢气离开SOFC组并且可以回收，因为SOFC组与氢气分离系统耦合。在电功率和氢气生产之间进行调制的现有技术SOFC系统仅在SOFC组内使用内部重整。根据本发明的方法和系统的优点是，利用预重整器中的外部重整以及SOFC组中的内部重整对含碳燃料进行重整。现有技术公开的方法的一个缺点是，由于系统热平衡要求，电功率和氢气生产之间的控制强烈限制了操作点的范围。现有技术中SOFC组在SOFC组的阳极侧含有Ni，这意味着燃料电极(其是蒸汽重整反应的良好催化剂)也有利于甲烷裂解。因此，蒸汽应该与含碳燃料同时供给。因此，现有技术中SOFC组使用内部重整，即在燃料电极内转化含碳燃料和蒸汽。如果局部生产的热量不足以补偿热需求，这种吸热反应往往会冷却SOFC组。因此，在现有技术中SOFC组中，必须满足最小的电功率与氢气比例，以提供足够的局部热平衡，例如，在内部蒸汽重整的情况下，燃料转化率>68％。因此，根据本发明的方法和系统的优点是，可以降低SOFC中的燃料转化，从而降低电功率和氢气之间的比例。在一个示例性方法中，大部分或全部燃料在预重整器中通过外部重整使用蒸汽重整进行处理，以便将最小或没有未转化的含碳燃料送入SOFC组，从而使SOFC组中存在最小或没有内部重整。例如，可以通过用电加热预重整器来实现这一点。根据本发明的方法和系统扩大了控制选项，并且因此通过调整燃料流率、燃料利用和对预重整器的供热来增加一个自由度，以在氢气和电功率生产的调制范围内在任何条件下管理系统的热可持续性。

在一种有利的方法中，例如通过使用电加热元件(例如电阻)将外部热量(最优选电加热)提供给SOFC组，以便在SOFC组中局部有可用的足够热量，即使在SOFC组中有很少或没有电功率产生，因此允许所有电加热用于内部重整，这导致氢气的高产量。

根据本发明的方法和系统提出了一种实施用于氢气和电功率生产之间的调制的热管理的替代方法，特别是通过单独控制外部重整和内部重整。本发明的一个方面是认为预重整器和SOFC单元一起形成完整的蒸汽重整单元。预重整器和SOFC单元中的蒸汽重整可以独立控制。因此，完成含碳燃料蒸汽重整反应所需的热量从外部提供给预重整器，以便将部分含碳燃料转化为合成气体，并且部分地由SOFC组通过电损耗产生的内部热量或通过外部热量提供，优选通过使用外部电力生产的热量，以及最优选使用外部多余电力生产的热量。在SOFC组的发电模式中，SOFC组中产生大量的热量。热平衡是通过允许在SOFC组中进行高达90％的内部重整来管理的。这是通过向预重整器提供少量热量来实现的，或者换句话说，将预重整器出口温度保持在450℃以下。如果需要，也可以通过增加流向SOFC组阴极侧的空气，从SOFC组除去多余的热量。另一方面，在制氢气模式下，电功率生产保持很低，即足以满足系统的功率需求，因此SOFC中产生的热量很小。因此，碳燃料蒸汽重整所需的大部分热量将提供给预重整器，该预重整器将在高达700℃的较高温度下运行。预重整器优选在可变温度下运行，并且对温度进行控制，以使预重整器的预重整率由其出口温度决定，优选是给定的出口温度。在进一步的有利实施例中，预重整率也可以通过其他方式控制，例如通过绕过具有部分含碳燃料和蒸汽的预重整器。

在一个有利的实施例中，预重整器所需的热量通过燃烧从H₂分离单元排出的尾气提供，该尾气由剩余的H₂、CO和CO₂构成。尾气的热值可以通过改变H₂分离单元中H₂分离的程度或将额外的含碳燃料作为补充气体供给到燃烧器温度来控制。

本发明的方法和系统的一个优点是，操作策略能够以最有效的方式涵盖氢气和电功率生产的全范围，即仅生产氢气到仅生产电功率。

在进一步的有利实施例中，蒸汽发生器和预重整器中的至少一个可以电加热，从而允许通过消耗多余的电功率(特别是来自电网的电功率)来生产氢气。

在SOFC电池的运行期间，电化学反应在电极间产生电压，并且电流通过外部电负载从氧化剂电极流向燃料电极。其还根据电化学定律产生热量。

当SOFC组进行燃料-电转化时，可以调整SOFC运行参数以实现高电效率，例如通过提高燃料利用率。

根据本发明实施例中使用的预重整器将碳氢燃料重整为富氢重整产品。优选使用蒸汽甲烷重整器来生产氢气。对于蒸汽重整，富氢气体根据以下吸热反应生产：

CH₄+H₂O<→CO+3H₂ ΔH＝-206.16kJ/mol CH₄

因此，需要提供热量来驱动反应。热量通过热传递间接提供，优选通过热交换器提供。通过热传递间接提供的热量可以通过燃尽一部分输入的天然气原料或通过燃烧废气(例如来自氢气净化系统的净化气)或通过使用电功率提供。

本文中的“重整处理气体供给”一词是指使用重整反应(优选蒸汽重整)将燃料(例如碳氢气化合物或酒精)转化为另一种燃料(通常具有较高的热值)的输出。

蒸汽重整是用含碳燃料(例如碳氢燃料，如天然气)生产氢气或其他有用产品的方法。这是在称为重整器的处理装置中实现的，该装置在高温下使蒸汽与燃料反应，从而生产重整处理气体供给。

任何碳氢气化合物的重整如下：

C_nH_2n+2+nH₂O→nCO+(2n+1)H₂

这种蒸汽重整可以用于各类燃料，但在所有情况下，该处理本身都是相似的。

本发明提供了一种氢气和电力联产系统，用于生产氢气、电力或氢气和电力两者的联合。具体地说，本发明提供了使用包括SOFC组的SOFC系统来执行多种功能，例如重整燃料以生产氢气、消耗反应物以生产电力，并根据电负载(例如连接到SOFC组的可变的电负载)的条件执行这两种功能的组合。

在典型的发电模式下，SOCF组通过使含氢燃料与氧气反应生产电力、水和热量来进行电化学反应。在替代的重整器模式下，SOFC组可以适合于利用热量(优选通过SOFC组的电化学反应释放的)，以重整碳氢燃料以生产氢气。进一步，在联产模式下，氢气和电力都是由燃料电池联产的。根据本发明的系统可以控制生产的氢气和/或电力的量，并且可以通过特别是改变、调整或控制系统上的电负载在模式之间切换。

根据本发明的教导，设想了一种能够生产氢气和电力的联产能源供应系统。该系统包括热控预重整器和用于改变系统上阻抗量的可变电负载，以及与可变电负载耦合的SOFC组。在使用期间，预重整器生产氢气，并且SOFC组响应于提供给预重整器的热量和由可变负载引入系统的阻抗量生产氢气、电力或两者。

根据另一个方面，可变电负载的阻抗可以改变，以改变SOFC组产生的电力和氢气的相对量或比例。

根据另一方面，系统可以包括用于改变可变负载阻抗的结构或方法，以控制SOFC组生产的氢气和电力的相对量。改变的方式可以包括与可变负载耦合的控制器。该控制器改变可变负载的阻抗量，以控制SOCF组生产的氢气和电的相对量。此外，控制器通过控制提供给预重整器的热量或通过控制预重整器的出口温度来控制预重整器的预重整率。可选地，控制器可以操作一个或多个流体调节装置，以调节到预重整器和SOFC组的一个或多个输入反应物的流量，以控制由此生产的氢气和/或电力的总量。

本发明还考虑了一种氢气和电力的联产方法，包括如下步骤：提供可变负载以改变系统上的阻抗量，提供能够生产重整气体的预重整器，提供能够生产氢气和电力两者的SOFC组，以及改变可变负载的阻抗以改变SOFC组产生的氢气和电力的相对量。

根据一个方面，该方法可以包括配置可变负载以能够在重整器操作模式中引入至少最小阻抗量的附加步骤，其中SOFC组适于在可变负载设置为最小阻抗量时将任何未使用的输入燃料反应物重整为氢气。最小阻抗量可以是大约零，并且这相当于短路电气布置。

根据另一方面，可将可变负载配置为设置到最大阻抗量，该阻抗量对应于SOFC组上的开路电气布置。

根据另一方面，该方法包括配置可变负载的步骤，以便能够在联产操作模式中引入最大阻抗量和最小阻抗量之间的阻抗量，以便预重整器生产重整气体，并且SOFC组同时生产氢气和电力，其中SOFC组生产的氢气和电力的量与可变负载的阻抗量相对应。

在一个有利的实施例中，电力用于加热根据本发明需要热量进行反应以提供氢气和电力的系统中的至少一些部分及优选全部部分。有利的是，电加热预重整器、蒸汽发生器、SOFC组、以及流体流(例如含碳供给或氧化剂流)中的至少一个。最有利地是，这种系统和方法允许利用电力生产氢气。最有利的是，使用无CO₂电力(例如太阳能或风能)向根据本发明的系统供电。这样就允许生产低碳排放量的氢气。当电网中的电功率剩余时，最有利的是在系统中使用剩余的无CO₂电力。这种剩余的电功率可能出现在夏季的非常晴朗的日子，或是在风力发电时的非常大风的日子。根据本发明的系统允许使用这种剩余能量来生产氢气。因此，氢气的生产成本非常低廉，事实上，甚至有可能提供使用来自电网多余电力的服务。此外，氢气可以短时间储存，也可以长时间储存。根据本发明的系统允许生产氢气、电力和联产。因此，所生产并随后储存的氢气随后可以用于发电，并且最优选地将电功率送回电网。在优选实施方案中，根据本发明的系统可以用于稳定电网，其中来自电网的电力在剩余电力期间使用，并且在电功率不足期间向电网供电。

本发明的各种目的、特征、方面和优点将从以下对本发明的优选实施例的详细描述以及附图(其中相似的数字表示相似的组件)中变得更加明显。

附图说明

图1示出了本发明第一实施例的联合式氢气和电力供应系统的示意图；

图2示出了本发明第二实施例的联合式氢气和电力供应系统，包括用于系统热管理的控制单元和换热网络；

图3示出了根据图2的联合式氢气和电力供应系统的控制策略；

图4示出了根据图2的联合式氢气和电力供应系统的H₂/(H₂+P)比、预重整率和燃料利用率(FU)之间的关系，以实现热平衡；

图5示出了天然气(CH₄)蒸汽重整作为温度函数的热力学平衡计算；

图6示出了为了实现热平衡的在联合式氢气和电力供应系统中预重整率与燃料利用率之间的关系的进一步示例；

图7示出了根据图6的关系以及另外改变燃料量的影响；

图8示出了联合式氢气和电力供应系统的进一步实施例；

图9示出了联合式氢气和电力供应系统的进一步实施例；

图10示出了控制预重整程度的选项；

图11示出了控制预重整程度的第二个选项。

具体实施方式

本发明提供一种氢气、电力和联产系统。本发明将在下文相对于说明性实施例进行描述。本领域技术人员应当理解，本发明可以在许多不同的应用和实施例中实施，并且没有特别限制于其对本文描述的特定实施例的应用。

图1示出了适合生产输出氢气80、电功率P或氢气80和电功率P的联合的联合式氢气和电力供应系统1的示意性实施例。系统1包括鼓风机101、固体氧化物燃料电池组2、预重整器3、电负载6、氢气分离单元8和燃烧器9。预重整器3与SOFC组2分离，并且不与SOFC组2的主体直接物理接触，因此预重整器3与SOFC组2之间不存在通过物理接触进行的直接热传递，从而允许对预重整器3和SOFC组2进行独立的热控制。固体氧化物燃料电池组2包括阴极侧21、电解质22和阳极侧23。固体氧化物燃料电池组2与消耗电功率P的可变电负载6耦合。固体氧化物燃料电池组2适于接收输入反应物，例如含碳燃料20(最优选天然气)和氧化剂100(最优选空气)。空气100被送入鼓风机101，并通过导管102进入固体氧化物燃料电池组2的阴极侧21。燃料20和水40被送入蒸汽发生器11，并且然后被送入预重整器3，以通过外部重整生产包括氢气和一氧化碳的第一重整气体S1，从而保留未转化的含碳燃料20a。第一重整气体S1、未转化的含碳燃料20a和蒸汽通过导管205输送至固体氧化物燃料电池2的阳极侧23。在固体氧化物燃料电池组2中，至少部分未转化的含碳燃料20a和蒸汽通过内部重整重整为主要包括氢气和一氧化碳的第二重整气体S2。在特殊的方法步骤中，整个含碳燃料20可以通过外部重整在预重整器3中转化，因此没有可从预重整器3供给固体氧化物燃料电池组2的未转化的含碳燃料20a残留。这种外部重整可以通过向预重整器3提供足够的热量来实现，例如通过电加热预重整器3，优选使用剩余的电力(例如风能或太阳能生产的电力)。

耗尽氧气的空气流105从阴极侧21送入燃烧器9。阳极尾气208从阳极侧23输送至氢气分离单元8。氢气分离单元8适于从阳极尾气208中分离至少一部分氢气，并且适于生成纯氢气80和尾气215，所述尾气215被送入燃烧室9中燃烧。在图2中公开的有利实施例中，也可以将补充气体19引入燃烧器9。补充气体19可由控制器17通过命令线17f和阀18控制。在优选实施例中，通过燃烧尾气215和/或补充气体19在燃烧器9中生成的热量9b被转移到预重整器3，例如通过热交换器9a和3a，热交换器9a和3a可以如图2披露地连接，或者例如如图9披露地仅通过热交换器3a。在优选实施例中，可以通过控制至少尾气215和补充气体19中的一种来控制热量，例如在燃烧器9中生成的热量或在热交换器9a出口处测量的热量T3。提供给预重整器3的尾气215和/或补充气体19的热量可以由控制器17控制，以提供热量管理并控制预重整器3中的预重整率。

用于氢气分离单元8的适宜技术可以是基于吸附(例如变压吸附)的，或者基于膜(例如基于钯)的，或者质子的，或者基于电化学(例如基于质子导体的电化学泵)的。

图1还示出了处理过程的示意图。水40进入蒸发器11，也称为蒸汽发生器。蒸汽在蒸发器11中生成，并且在进入预重整器3之前混合到含碳燃料40(最好是天然气NG)中。在预重整器3中，天然气NG部分重整为氢气H₂和一氧化碳CO，其余为甲烷、蒸汽和二氧化碳CO₂。预重整率由离开预重整器3的预重整气体的出口温度T2决定。优选地出口温度保持为固定值。预重整气体进入SOFC组2的阳极侧23，在那里对剩余的甲烷进行重整。在优选方法中，得到的合成气体在SOFC组2中通过在SOFC组2中生产的电功率P部分转化为水H₂O和CO₂。阳极尾气208含有H₂、CO、CO₂和H₂O。阳极尾气208被送入氢气分离单元8，其中阳极尾气208中的至少一部分H₂被分离以生产氢气流80。然后，氢气分离单元8的尾气215或尾气215与从SOFC组2的阴极侧21排出的热耗尽空气105在燃烧器9中燃烧。燃烧器9产生的热量9b最有利地用于蒸汽生成和预重整反应。

输入燃料反应物20可以是本领域技术人员已知的任何合适的碳氢燃料。输入氧化反应物100可以包含任何合适的含氧流体。

系统1可以在多种选择模式下操作以生产和调制电功率P、纯氢气80及其组合。根据本发明的方法和系统的主要目的是从含碳燃料供应中生产电功率P、纯氢气80形式的氢气及其组合。本说明书区分了系统内生产的氢气和系统的输出，即电功率P和/或纯氢气80形式的氢气。

图示系统1是多功能系统。除了传统的发电功能外，SOFC组2还可用于执行氢气生产的重整或氢气和电力的联产。在传统的运行方式下，SOFC组2通过将输入的燃料反应物与输入的氧化反应物进行电化学反应来产生电力，以产生电力、废热和废气，该废气包括二氧化碳和水。在重整器操作的替代模式中，SOFC组2对输入燃料反应物进行重整，以在不同时产生电力的情况下产生氢气废气。另外，废气中可以包括的反应物副产物包括一氧化碳、二氧化碳和水。在联合或联产模式下，SOFC组2同时产生氢气废气和电力。废气可以包括另外的反应种类，例如一氧化碳、二氧化碳和水或者蒸汽。

如本文所用的，术语“重整”等是指预重整器3或SOFC组2在高温下(例如高于250℃，并且优选在约400℃到约1000℃之间)，在存在蒸汽而没有氧气的情况下执行碳氢燃料反应的化学处理来生成重组物。在本发明中，预重整器3和SOFC组2通过使碳氢燃料与水反应，重整碳氢燃料来生成氢气。

图1公开的联合式氢气和电力供应系统1允许基于含碳燃料200的输入供给，生产纯氢气80形式的氢气和电功率P作为输出。系统1可以在不同的操作模式之间切换以产生作为输出的电力(即电功率P)或氢气或在联合模式下通过用负载的量控制SOFC组2的燃料利用率改变生产的氢气与电力的比例，并且优选地同时控制预重整器3中的预重整率，其中用通过电连接器22a施加到SOFC组2上的可变电阻6的方式控制上述负载的量。

图2更详细地示出了联合式氢气和电力供应系统1的第二个实施例。图2示出了包含流体调节装置14、18、101、404和控制装置17的系统1，所述控制装置17提供控制信号17a-17f，用于控制送入重整器3的燃料20、引入固体氧化物燃料电池2的氧化反应物100、引入重整器3的水40或者说蒸汽40a和引入燃烧器9的补充气体19中的至少一个或多个。此外，提供例如热交换器103、203、206、209、212、3a、9a、11a、传感器和连接线(未详细示出)的手段，用于控制固体氧化物燃料电池系统1内的热交换。

图2中公开的联合式氢气和电力供应系统1允许从含碳燃料供给200转化为重整处理气体供给205中生产纯氢气80和电功率P，并且特别允许按单位时间和生产的电功率输出P来控制生产的纯氢气80的量。系统1的优点是单位时间生产的纯氢气80的量和生产的电功率输出P可以根据需要在较大范围内变化。

如图2所示，电功率P和输出氢气生产之间的调制由控制单元17管理。例如，控制单元17可以作用于天然气阀14、补偿气阀18、空气鼓风机101、水再循环泵404、氢气分离单元8、SOFC组2和电负载6。控制单元17监测预重整器出口温度T2、空气侧SOFC组出口温度Tl和燃烧器温度T3。为了改变操作点或者H₂/电功率P比例，将通过向预重整器提供热量和通过控制出口温度T2来控制用于分离的阳极尾气208中可用的H₂的量，从而使预重整器3中的预重整率相适应。此外，为了改变操作点，SOFC组中的燃料利用率FU由电负载6进行调整，并相应地如图4所示。优选地也使用由空气鼓风机101控制的空气流来微调SOFC组出口温度T1。对于每个操作点(例如固定的H₂/(H₂+P))，另外可以通过同时改变燃料20和水40供给来调整生产，以保持相同的汽碳比例。

燃料利用率(FU)与总电流(I)和每个电池的燃料流量(f)之间的关系：

FU＝I/(nF*f)

其中n是1个燃料分子氧化过程中所涉及的电子数(例如，CH₄为8)，F是法拉第常数(＝96485C/mol)。因此，其可以通过改变外部电负载6来改变SOFC中的总电流或者改变燃料流而改变。

碳氢燃料20(通常是沼气或天然气)被送入可控阀门14，并任选地被送入燃料预处理单元13，通常是脱硫单元，以获得无毒的含碳燃料。含碳燃料供给200与蒸汽40a混合，在热交换器203中预热，并且通过导管204送入预重整器3，以生产重整处理气体供给205。蒸汽40a由蒸汽发生器11产生。预重整器3由热交换器3a提供热量。预重整器3中的反应优选在500到800℃的温度范围内的在有重整催化剂存在下进行。在热交换器206中加热重整的处理气体205，并将其送入SOFC组2的阳极侧23。离开SOFC组2的阳极尾气208在热交换器209中冷却至例如约300℃，并首先送入水气变换反应器4，然后在热交换器212中冷却，并送入水分离器15(冷凝器)，该水分离器15至少将水40与气流213分离，这样就生产了耗尽水的气流214。水40储存在水箱402中，并且然后可以通过导管403和405和水泵404输送至蒸汽发生器11。耗尽水的气流214被送入氢气分离单元8，以产生纯氢气80和富含二氧化碳的气流215，该气流215还包括未分离的H₂和一些CO，它们被送入燃烧器9。

SOFC组2还包括阴极侧21以及电解质22。SOFC组2分别将氧化剂气流、空气气流100和重整处理气体205分开，使它们不混合。没有显示出固体氧化物燃料组2的进一步细节。空气100在鼓风机101中稍微压缩为压缩冷空气102，在热交换器103中加热至预热空气104，并且然后送入固体氧化物燃料组2的阴极侧21。压缩冷空气102的小超压(例如约50mbar)用以克服热交换器和SOFC组2中的压力降。离开SOFC组2的阴极侧21的热耗尽空气流105被送入燃烧器9。SOFC组2生产的电力从直流电转换为交流电，并传递到未详细示出的可变电负载6。电负载6消耗电功率P。

控制单元17优选通过控制线17a至17g控制鼓风机101、H₂分离单元8、SOFC组2、阀14、阀18、水泵404和电负载6中的至少一个。此外，在优选实施例中，控制单元17测量离开SOFC组2的耗尽空气105的出口温度Tl、离开预重整器3的重整物205的出口温度T2和离开热交换器9a的热的出口温度T3。

出口温度Tl的控制具有以下优点：在预重整率和FU定义的任何操作条件下，可以使用传感器Tl监测SOFC组2的温度，该传感器T1测量出离开SOFC的热耗尽空气流105的温度。温度T1可以经由鼓风机101通过改变空气流来调节或进行微调。增加空气供给流将增加SOFC组冷却，并且从而降低SOFC组温度。

根据所需的热量9b，补充气体19可以供给燃烧器9，以向热交换器9a提供热量9b，该热交换器9a向热交换器3a提供热量。

图3示出了图2中公开的系统1的控制策略的一个方面。图3示出了系统1可以实现的一组可能的操作条件。系统1可以在氢气产量(即单位时间生产的纯的H₂ 80的量)和电功率P输出定义的特定条件下运行。H₂产量和电功率P以任意单位[a.u.]表示。系统1可以以这样的方式控制：系统1在单位时间内提供给定的、预定量的H₂和给定的电功率P。根据外部需求，所需的H₂的量和电功率P可以在系统1运行期间发生变化。控制单元17能够控制系统1，使其达到所需的H₂的量和功率P。这是通过同时改变预重整器3的预重整率和SOFC组2的燃料利用率FU来实现的。

除了预重整率和燃料利用率FU外，还可以控制燃料供给流。图3中不同的管线LD1、LD2、LD3、LD4、MDl、MD2、MD3、MD4对应不同的燃料供给流量，LD1和MDl对应100％燃料供给，LD2和MD2对应75％燃料供给，LD3和MD3对应50％燃料供给，LD4和MD4对应25％燃料供给。系统1可以在不同的操作点运行，其中每个操作点由H₂产量和电功率P定义，或由比例H₂/(H₂+P)和燃料供给流定义。

在比例H₂/(H₂+P)中，H₂是指系统1按单位时间生产的H₂，即单位时间的纯氢气80。P是指生产的电功率，即单位时间的电能量。图中以任意单位表示H₂和P。电功率的单位是瓦特。对于H₂，可使用基于LHV(低热值)的等效功率，即H₂＝摩尔流量(mol/s)*LHV(J/mol)＝瓦特。

在图3中公开的示例中，示出了任意单位的H₂和P，三个操作点L1、L2、L3表示为对应于相同的H₂产量(0.33)但具有不同的电功率输出。点LI的电功率为0.3，点L2的电功率为0.17，并且点L3的电功率为0。点L1可以在满燃料供给(100％)和H₂/(H₂+P)比例为0.52时实现。点L2可以在部分燃料供给(75％)和H₂/(H₂+P)＝0.68时实现。点L3可以在50％燃料供给和H₂/(H₂+P)＝1时实现。

图3中任何可能的特定操作点LI、L2、L3、…、LI00(由燃料供给流和H₂/(H₂+P)比例定义)可以通过以下三种措施实现：

1)用阀门14控制燃料供给流，并且同时用水泵404控制水流，以保持供给流204中的正确汽碳比例，并且保持正确的燃料供给流；

2)通过控制提供给预重整器3的热来调整预重整器3中的预重整率，以及

3)通过控制生产的电功率P，调整固体氧化物燃料电池2中的燃料利用率FU，如图4所示。

特别值得关注的是系统1的操作，比例H₂/(H₂+P)＝0，意味着不生产纯的H₂，而是只生产电功率P。还特别值得关注的是系统1的操作，比例H₂/(H₂+P)＝1，意味着只生产纯H₂，而不生产电功率P。如图3所示，通过管线LDl、LD2、LD3、LD4、MDl、MD2、MD3、MD4，可以根据燃料供给流分别控制生产没有纯H₂的电功率P的量和生产没有电功率P的纯H₂的量。

图4公开了图2中所公开的系统1的H₂/(H₂+P)比例与预重整率R和燃料利用率FU之间的关系。例如，在图3公开的示例中，操作点LI的H₂/(H₂+P)比例为0.52。操作点LI可以通过将燃料供给流设置为满刻度(100％)来实现，并且如图4所示，将预重整率设置为0.37，并且燃料利用率FU设置为0.57。类似的，根据图3，操作点I2的H₂/(H₂+P)比例为0.68。根据图3，操作点L2可以通过将燃料供给流减少到75％来实现，而根据图4，将预重整率R更改为0.52并且燃料利用率FU更改为0.45。

图5公开了平衡预重整器3的预重整率R与预重整器出口温度T2有关。在汽碳比例为2的甲烷蒸汽重整的情况下，这种关系如图5所示。为了达到0.37的预重整率，预重整器3的出口温度T2应平衡在510℃下。类似的，0.52的预重整率R对应于565℃的平衡温度。出口温度T2是可控的，例如，可以通过从燃烧器9(通过热交换器9a)转移到预重整器3(通过热交换器3a)的热量，通过燃烧氢气分离尾气215和(如果需要)补充气体19，和/或通过电功率提供的热量(例如通过使用布置在前重整器3内或处的电阻加热元件)来控制出口温度T2。

图6示出了在SOFC系统1中的预重整率R、燃料利用率FU、H₂产量、电功率P和H₂/(H₂+P)比例之间实现热平衡的关系的示例。图7示出了，除了图6的图表外，不同的管线LD1、LD2、LD3、LD4、MD1、MD2、MD3、MD4对应不同的燃料供给流，LD1和MD1对应100％燃料供给，LD2和MD2对应75％燃料供给，LD3和MD3对应50％燃料供给，并且LD4和MD4对应25％燃料供给。

图6特别示出了用于热管理的SOFC组2中的预重整率R和燃料利用率FU与各操作点发生的电功率P和H₂生产之间的关系。

调制策略如下。根据图6中给出的关系，通过改变SOFC组2中的预重整程度和调整燃料利用率FU，实现氢气生产和电力生产之间的调制。预重整程度可以通过控制预重整出口温度T2来实现。例如，使用热电偶测量预重整器出口温度T2，并且通过改变为重整反应向预重整器3提供的热量来进行调整。例如，这种热量是通过燃烧氢气分离单元尾气215和/或补充气体19产生的。在某些情况下，它也可以由电热装置生产。在进一步的控制选项中，按照前述方式控制和调整预重整器的出口温度T2，以保持恒定，并且此外，根据所需预重整程度，使用例如如图11所示的调节阀3b、3c，将包含含碳燃料和蒸汽的供给流分成两个流。

预重整率R与FU一起是关键控制参数。图6和图7公开了联合式氢气和电力供应系统1的运行图。起点是根据电功率P和氢气H₂的需要选择H₂/(H₂+P)操作点。从而也调整燃料供给流。然后根据图7同时调整预重整率R和FU。例如，如果决定在H₂/(H₂+P)＝0.7下运行系统1，相当于生产200kW当量的H₂(LHV＝低热值)和80kW电功率P。根据图6或图7，预重整率应该调整为0.55并且FU应该调整为0.45。在第一个示例中，可以通过将预重整器出口温度T2更改为570℃，通过燃烧氢气分离单元尾气和/或额外的补充气体19来控制提供给预重整器3的热量来调整预重整率R。在第二个示例中，如图11所示，可以通过调整旁路来调整预重整率R。燃料利用率FU可以通过改变固体氧化物燃料电池组2上的电负载P或改变固定电负载P下的供应流来调节为固定供给20流。举例来说，操作点现在应改为50kW当量的H₂同时将电功率P保持在80kW，即H₂/(H₂+P)变为0.385。如图6或7所公开的，相应的预重整率R为0.25，并且燃料利用率FU为0.66。由于电功率输出P保持不变，后者可以这样实现：将供给流20和40同时从100％降低到50％(如图7所示)，同时将预重整器出口温度T2降低到460℃或增加旁路(如图11所示)。

图8示出了进一步的联合式氢气和电力供应系统1，其区别于图2中公开的联合式氢气和电力供应系统1，特别是预重整器3和蒸汽发生器11中的至少一个是用电力500加热的。图7更详细地示出了这种操作模式。在图7中，由EL-SRM所示的两个操作点指的是“电加热蒸汽甲烷重整”，并且对应于可以获得多余电功率的情况，优选是低成本，例如来自电网或来自太阳能电池板，使其在经济上有利于用于氢气生产。在这种情况下，上EL-SRM点表示100％的氢气产量，并且下EL-SRM点表示电功率P。在处理中消耗的电功率为负(-0.55)。电功率用于生产热量，尤其是通过电阻加热元件，用于蒸发器11中蒸汽的产生和过热、预重整器3中的重整反应以及重整气体205的加热。图8描绘了一个有利的实施例。在进一步的优选实施例中，例如，也可以用电力500加热SOFC组2。该实施例的一个优点是，通过仅使用或大部分使用电力生产的热量，可以在SOFC组2中生产氢气。进一步的优点是，当对SOFC组2进行电加热时，大部分含碳燃料在SOFC组2中进行重整，这允许减小预重整器3的尺寸。

此外，系统1的任何其他需要热量的部分，例如流体流动，例如含碳原料、氧化剂流、蒸发器11、蒸汽过热、补充气体，都可以进行电加热。在进一步的有利实施例中，氢气80可以储存于氢气储存容器81中。在进一步的有利实施例中，储存于容器81中之氢气80可供给至SOFC组2以生产电功率。因此，根据本发明的系统可以用于从电网中抽出电力，并随后向电网供电。在有利的实施例中，根据本发明的系统可以用于电网控制，以控制电能的供应和需求。

图9示出了联合式氢气和电力供应系统1的进一步实施例。用于控制各种流体调节装置14、18、101、404和用于测量各种状态变量(例如温度或供给流)的控制装置17未详细披露。它们与图2中公开的相似。

提供控制信号17a-17g的控制装置17，用于控制下列中的至少一个或多个：被送入重整器3的燃料20，被引入固体氧化物燃料电池2的氧化反应物100，被引入重整器3的水40或者蒸汽40a，被引入燃烧器9的补充气体19，以及受控的电负载6。此外，提供诸如热交换器103、203、206、209、212、3a、11a、传感器和连接线(未详细示出)等的手段，用于控制系统1内的热交换。

图9中公开的系统1允许从重整处理气体供给205生产纯氢气80和电功率P，并且特别允许控制单位时间生产的纯氢气80和生产的电功率P的量。

控制单元17可作用于燃料阀14、空气鼓风机101、水再循环泵404、氢气分离单元8、电负载6和SOFC电池2。其监测预重整器出口温度T2、空气侧SOFC出口温度Tl和燃烧器温度T3。为了改变操作点或者H₂/功率比例，将改变H₂分离率，以达到所需的预重整器出口温度T2。SOFC组2中的燃料利用率(FU)将根据图6进行相应调整，并且空气流将用于微调SOFC组出口温度Tl。对于每个操作点(例如固定的H₂/(H₂+P))，生产还可以通过同时改变燃料和水供给进行按比例调整。

碳氢燃料20(通常是沼气或天然气)被送入可控阀14和燃料预处理单元13，以得到无毒含碳燃料。含碳燃料供给200与蒸汽40a混合，并通过导管204送入预重整器3，以生产转化处理气体供给205。蒸汽40a在蒸汽发生器11中生产。通过热交换器3a向预重整器3供应热量9a。在热交换器206中加热重整处理气体205，并将其送入固体氧化物燃料电池组2的阳极侧23。离开固体氧化物燃料电池组2的阳极尾气208在热交换器206中冷却，并首先送入蒸汽发生器11，并且然后送入水气变换反应器4，然后在热交换器212中冷却，并且送入水分离器15(冷凝器)，水分离器15至少从气流213分离出水40，因此产生耗尽水的气流214。水40储存在水箱402中，并且然后通过导管403和405和水泵404输送至蒸汽发生器11。耗尽水的气流214被送入氢气分离单元8，以生产净化的氢气80和富含二氧化碳的气流215，该气流被送入燃烧器9。

固体氧化物燃料电池组2还包括阴极侧21以及电解质22。固体氧化物燃料电池组2保持空气流100和重整处理气体205分离，以便它们不混合。空气100在鼓风机101中稍微压缩至压缩冷却空气102，在热交换器103中加热至预热空气104，并且然后送入固体氧化物燃料电池2的阴极侧21。离开固体氧化物燃料电池组2的阴极侧21的热耗尽空气流105被送入热交换器103，并且然后进入燃烧器9。固体氧化物燃料电池组2生产的电力从直流电转换为交流电，并被输送至可变的电负载6。电负载6消耗电功率P。

控制单元17优选地通过控制线17a到17g控制鼓风机101、H₂分离单元8、固体氧化物燃料电池组2、阀14、阀18和水泵404中的至少一个。此外，在优选实施例中，控制单元17测量离开固体氧化物燃料电池组2的耗尽空气105的出口温度Tl、离开预重整器3的重整物205的出口温度T2和离开热交换器9a的热量的出口温度T3。

根据所需的热量9b，补充气体19可输送至燃烧器9。

根据本发明的联合式氢气和电力供应系统1还具有可以提供热量供外部使用的优点。例如在图9中，可以从热交换器212中回收多余的热量。一个优点是热量可以被定值，从而提高了系统的整体效率。温度水平和热量取决于操作点。例如，在400℃到250℃之间可获得热量。其可以用于生产蒸汽或热水，例如在35到55℃的水平上，例如生活或卫生用水，用于汽车清洁，或者甚至使用吸附式制冷机进行冷却。

图10示出了控制预重整器3中预重整程度的第一个实施例，即通过控制出口温度T2。预重整器3可由电源500和热交换器3a或任何其他热源加热。在图10和11中，元件3a是加热元件。然而，在图9中，元件3a是热交换器。控制单元17控制出口温度T2并控制电源500，使出口温度T2对应于预定的温度以控制预重整率。

图11示出了控制预重整程度的第二个实施例。预重整器3由电源500或任何其他热源加热，使出口温度T2保持恒定。然后通过改变流经控制阀3b和3c的流3d和3e来调整预重整率，以便部分燃料供给/蒸汽流204绕过预重整器3。