專利名稱：用于產(chǎn)生電力的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)生電力的燃料電池系統(tǒng)，且涉及一種用于產(chǎn)生電力的方法。具體地 說(shuō)，本發(fā)明涉及關(guān)于一種產(chǎn)生電力的固態(tài)氧化物燃料電池系統(tǒng)及一種使用該系統(tǒng)產(chǎn)生電力 的方法。
背景技術(shù)：
固態(tài)氧化物燃料電池為包含直接從電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力的固態(tài)組件的燃料電池。 這種燃料電池為有用的，因?yàn)槠涮峁└咂焚|(zhì)的可靠電力，操作時(shí)潔凈，且為相對(duì)緊湊的發(fā)電 機(jī)，從而使得其在市區(qū)的應(yīng)用十分有吸引力。固態(tài)氧化物燃料電池由陽(yáng)極、陰極及夾在陽(yáng)極與陰極之間的固態(tài)電解質(zhì)形成。可 氧化燃料氣體或可在燃料電池中重整為可氧化燃料氣體的氣體被饋送至陽(yáng)極，且含氧氣體 (通常為空氣)被饋送送至陰極以提供化學(xué)反應(yīng)物。饋送送至陽(yáng)極的可氧化燃料氣體通常 為合成氣(可氧化組份氫氣與一氧化碳分子的混合物)。在通常為650°C至1000°C的高溫 下操作燃料電池，以將含氧氣體中的氧氣轉(zhuǎn)化成氧離子，氧離子可越過(guò)電解質(zhì)與來(lái)自陽(yáng)極 處的燃料氣體的氫氣和/或一氧化碳相互作用。電力由陰極處氧氣至氧離子的轉(zhuǎn)化及陽(yáng)極 處氧離子與氫氣和/或一氧化碳的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生。以下反應(yīng)描述電池中的產(chǎn)生電力的化學(xué) 反應(yīng)陰極電荷轉(zhuǎn)移02+4e- — 20 =陽(yáng)極電荷轉(zhuǎn)移H2+0=— H20+2e_及C0+0=—C02+2e-電負(fù)載或儲(chǔ)存設(shè)備可連接于陽(yáng)極與陰極之間，以使得電流可在陽(yáng)極與陰極之間流 動(dòng)，從而為電負(fù)載供電或?qū)㈦娏μ峁┲羶?chǔ)存設(shè)備。燃料氣體通常由蒸汽重整反應(yīng)器供應(yīng)至陽(yáng)極，蒸汽重整反應(yīng)器將低分子量烴及蒸 汽重整成氫氣及碳氧化物。甲烷(例如天然氣中)為用于產(chǎn)生用于燃料電池的燃料氣體的 優(yōu)選低分子量烴。或者，燃料電池陽(yáng)極可經(jīng)設(shè)計(jì)以在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)供應(yīng)至燃料電池的陽(yáng)極的諸 如甲烷的低分子量烴與蒸汽的蒸汽重整反應(yīng)。甲烷蒸汽重整根據(jù)以下反應(yīng)提供含有氫氣及一氧化碳的燃料氣體 CH4 + H2O弍CO + 3Η2。通常，蒸汽重整反應(yīng)在可有效地將相當(dāng)大量甲烷及蒸汽轉(zhuǎn) 化成氫氣及一氧化碳的溫度下進(jìn)行。此外，可在蒸汽重整反應(yīng)器中由在水煤氣變換反應(yīng)中 將蒸汽及一氧化碳轉(zhuǎn)化成氫氣及二氧化碳來(lái)實(shí)現(xiàn)氫氣產(chǎn)生。在水煤氣變換反應(yīng)中根據(jù)以下 反應(yīng)形成氫氣及二氧化碳=H2O + COgCO2 + Η2。然而，在用于將燃料氣體供應(yīng)至固 態(tài)氧化物燃料電池的常規(guī)操作的蒸汽重整反應(yīng)器中，由于蒸汽重整反應(yīng)器在極為有利于由 蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生一氧化碳及氫氣且不利于由水煤氣變換反應(yīng)產(chǎn)生氫氣及二氧化碳的溫 度下操作，故很少有氫氣由水煤氣變換反應(yīng)產(chǎn)生。可在燃料電池中氧化一氧化碳以提供電 能，而二氧化碳則不能被氧化，因此，在有利于將烴及蒸汽重整為氫氣及一氧化碳且不利于 將一氧化碳及蒸汽變換反應(yīng)為更多氫氣及二氧化碳的溫度下進(jìn)行重整反應(yīng)通常被接受為
3提供用于燃料電池的燃料的優(yōu)選方法。通常由外部或內(nèi)部蒸汽重整而供應(yīng)至陽(yáng)極的燃料氣 體因此含有氫氣、一氧化碳、少量二氧化碳、未反應(yīng)的甲烷以及為蒸汽的水。然而，與更純凈的氫氣燃料氣體流相比，含有諸如一氧化碳的非氫化合物的燃料 氣體對(duì)于在固態(tài)氧化物燃料電池中產(chǎn)生電力而言其效率較低。在給定溫度下，可在固態(tài)氧 化物燃料電池中產(chǎn)生的電力隨著氫氣濃度增加而增加。這歸因于氫氣分子相對(duì)于其它化合 物的電化學(xué)氧化電位。例如，在0. 7伏特下氫氣分子可產(chǎn)生1. 3ff/cm2的電力密度，而在0. 7 伏特下一氧化碳僅可產(chǎn)生0. 5ff/cm2的電力密度。因此，含有相當(dāng)大量非氫化合物的燃料氣 體流在固態(tài)氧化物燃料電池中的電力產(chǎn)生方面不如主要含有氫氣的燃料氣體有效。然而，在商業(yè)上固態(tài)氧化物燃料電池通常以“貧氫”模式操作，其中例如由蒸汽重 整產(chǎn)生燃料氣體的條件經(jīng)選定以限制燃料氣體中退出燃料電池的氫氣量。進(jìn)行此操作以平 衡燃料氣體中氫氣的電能電位與由離開電池的未轉(zhuǎn)化成電能的氫氣損失的電位能(電化 學(xué)+熱)。已采取某些措施來(lái)再次捕獲退出燃料電池的氫氣的能量，然而，與氫氣在燃料電 池中電化學(xué)地反應(yīng)的情況相比，這些措施是顯著缺乏能量效率的。舉例而言，已經(jīng)將由在 燃料電池中使燃料氣體電化學(xué)地反應(yīng)而產(chǎn)生的陽(yáng)極廢氣燃燒以驅(qū)動(dòng)渦輪膨脹機(jī)(turbine expander)產(chǎn)生電。然而，由于大量熱能損失而非由膨脹機(jī)轉(zhuǎn)化成電能，因此與在燃料電池 中捕獲氫氣的電化學(xué)電位相比為效率顯著較低的。退出燃料電池的燃料氣體也已燃燒以 提供熱能以用于各種熱交換應(yīng)用。然而，在燃燒之后約50%的熱能在這種熱交換應(yīng)用中損 失。氫氣非常昂貴，不應(yīng)用作在低效率能量回收系統(tǒng)中利用的燃燒器的燃料，因此，傳統(tǒng)上 來(lái)說(shuō)，用于固態(tài)氧化物燃料電池中的氫氣的量經(jīng)調(diào)整以利用提供至燃料電池的大部分氫氣 來(lái)產(chǎn)生電力，且最小化在燃料電池廢氣中退出燃料電池的氫氣量。此外，為產(chǎn)生所需量的電 力，能量的低效回復(fù)導(dǎo)致產(chǎn)生更多的二氧化碳。二氧化碳是固態(tài)氧化物燃料電池操作產(chǎn)生的副產(chǎn)品，在所述操作中，烴進(jìn)料被重 整或部分氧化而為燃料電池提供含氫氣的燃料。二氧化碳會(huì)在下述情況下產(chǎn)生(1)在產(chǎn) 生用于固態(tài)氧化物燃料電池的操作的燃料時(shí)；和/或(2)通過(guò)對(duì)燃料電池中的一氧化碳進(jìn) 行氧化時(shí)。在產(chǎn)生電力時(shí)所產(chǎn)生的二氧化碳的量是電池系統(tǒng)的相關(guān)電效率和熱效率的函 數(shù)，其中，由該系統(tǒng)產(chǎn)生的二氧化碳的量是燃料電池系統(tǒng)的電效率和/或熱效率的倒數(shù)。美國(guó)專利申請(qǐng)公開第2007/0017369號(hào)(‘369公開案)提供了一種操作燃料電池 系統(tǒng)的方法，其中將進(jìn)料提供至燃料電池的燃料入口。進(jìn)料可包括從外部蒸汽重整器提供 的氫氣與一氧化碳的混合物，或者可包括在燃料電池堆棧中內(nèi)部地重整成氫氣及一氧化碳 的烴進(jìn)料。燃料電池堆棧操作以產(chǎn)生電及含有氫氣及一氧化碳的燃料廢氣流，其中將燃料廢 氣流中的氫氣及一氧化碳從燃料廢氣流分離且饋送回至燃料入口作為進(jìn)料的一部分。因 此，用于燃料電池的燃料氣體為由重整烴燃料源而導(dǎo)出的氫氣及一氧化碳與從燃料廢氣系 統(tǒng)分離的氫氣及一氧化碳的混合物。將來(lái)自燃料廢氣的氫氣的至少一部分再循環(huán)經(jīng)過(guò)燃料 電池使得能夠?qū)崿F(xiàn)高操作效率。該系統(tǒng)進(jìn)一步由在經(jīng)由所述堆棧的每一道期間利用約75% 的燃料而提供燃料電池中的高燃料利用率。美國(guó)專利申請(qǐng)公開案第2005/0164051號(hào)提供了一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法， 其中將燃料提供至燃料電池的燃料入口。該燃料可為諸如甲烷的烴燃料；含有夾帶氫氣及其它氣體的甲烷的天然氣；丙烷；沼氣；與來(lái)自重整器的氫氣燃料混合的未經(jīng)重整的烴燃 料；或諸如一氧化碳、二氧化碳的非烴含碳?xì)怏w、諸如甲醇的氧化含碳?xì)怏w或其它含碳?xì)怏w 與諸如水蒸氣或合成氣的含氫氣體的混合物。燃料電池堆棧操作以產(chǎn)生電及含有氫氣的燃 料廢氣流。利用氫氣分離器以從燃料電池的燃料側(cè)廢氣流分離出未經(jīng)利用的氫氣。由氫氣 分離器分離的氫氣可再流通回至燃料電池，或可被導(dǎo)引至一子系統(tǒng)以用于需要?dú)錃獾钠渌?用途?？筛鶕?jù)電需求或氫氣需求來(lái)選擇再流通回至燃料電池的氫氣量，其中當(dāng)對(duì)電的需求 較高時(shí)將更多氫氣再流通回至燃料電池。視電需求而定，燃料電池堆棧能夠以從0至100% 的燃料利用率操作。當(dāng)電需求較高時(shí)，燃料電池以高燃料利用率操作以增加電產(chǎn)量生，優(yōu)選 的燃料利用率為50至80%。減少二氧化碳的排放已成為全球優(yōu)先考慮的問題。因此，能夠減少二氧化碳的排 放同時(shí)利用烴進(jìn)料而從固態(tài)氧化物燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生電力的方法是人們所需要的，因此， 所需要的是利用烴進(jìn)料而從固態(tài)氧化物燃料系統(tǒng)以更高的電效率和熱效率來(lái)產(chǎn)生電力的 方法。

發(fā)明內(nèi)容
在一個(gè)方面中，本發(fā)明是針對(duì)一種用于產(chǎn)生電的方法，其包含從含有一種或更多 種烴的進(jìn)料產(chǎn)生含氫氣的第一氣流；以選定流量將所述第一氣流饋送送至固態(tài)氧化物燃料 電池的陽(yáng)極；以選定流量將含有氫氣的第二氣流饋送至該固態(tài)氧化物燃料電池的所述陽(yáng) 極；在該陽(yáng)極中，將第一氣流及第二氣流與在該固態(tài)氧化物燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極 電極處的氧化劑混合以按至少0. 4ff/cm2的電力密度產(chǎn)生電；從該固態(tài)氧化物燃料電池的所 述陽(yáng)極分離包含氫氣及水的陽(yáng)極廢氣流；及從該陽(yáng)極廢氣流分離第二氣流，該第二氣流包 含從陽(yáng)極廢氣流分離的氫氣，其中，對(duì)于所產(chǎn)生的每千瓦小時(shí)(kWh)的電，以不超過(guò)400g的 量產(chǎn)生二氧化碳。


圖1為用于實(shí)踐本發(fā)明的方法的本發(fā)明系統(tǒng)的示意圖。圖2為用于實(shí)踐本發(fā)明的方法的包括重整反應(yīng)器的本發(fā)明系統(tǒng)的示意圖。圖3為用于實(shí)踐本發(fā)明的方法的包括預(yù)重整反應(yīng)器及重整反應(yīng)器的本發(fā)明系統(tǒng) 的示意圖。圖4為用于實(shí)踐本發(fā)明方法的系統(tǒng)的一部分的示意圖，其中氫氣分離裝置位于重 整反應(yīng)器的外部。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供用于在固態(tài)氧化物燃料中產(chǎn)生電的方法，其相對(duì)于利用烴進(jìn)料產(chǎn)生的 燃料的固態(tài)氧化物燃料電池系統(tǒng)所產(chǎn)生的電量來(lái)說(shuō)，二氧化碳排放量較低。對(duì)于由燃料電池產(chǎn)生的每單位電力而言，本發(fā)明的方法由一種固態(tài)氧化物燃料電 池系統(tǒng)(其利用由烴進(jìn)料產(chǎn)生的燃料)產(chǎn)生的二氧化碳排放比現(xiàn)有技術(shù)中披露的這種固態(tài) 氧化物燃料電池所產(chǎn)生的排放要低。這種方法通過(guò)以較高的電效率產(chǎn)生比現(xiàn)有技術(shù)中披露 的操縱固態(tài)氧化物燃料電池的系統(tǒng)的方法更低的二氧化碳排放。這種效果是通過(guò)利用富氫
5燃料和/或使燃料電池的每道的利用率最小化而非最大化來(lái)實(shí)現(xiàn)。所述富氫燃料是通過(guò)下 述方式提供的1)蒸汽重整或部分氧化烴進(jìn)料并將氫氣與所產(chǎn)生的產(chǎn)物氣體分離，然后將 分離的氫氣作為燃料而輸送至燃料電池；2)將未使用的氫氣從燃料電池廢氣分離并將其 作為燃料而循環(huán)回燃料電池。從重整的產(chǎn)物氣體分離的氫氣和/或循環(huán)回燃料電池的氫氣 以選定的流量被提供至燃料電池以使每道的燃料利用率最小化，這樣就增大了由燃料電池 產(chǎn)生的電力密度，并降低了產(chǎn)生每單位的電力所排放的二氧化碳的量。在本發(fā)明的方法中，固態(tài)氧化物燃料電池的陽(yáng)極在陽(yáng)極的整個(gè)路徑長(zhǎng)度上充滿氫 氣，以使得陽(yáng)極電極處可用于電化學(xué)反應(yīng)的氫氣的濃度在整個(gè)陽(yáng)極路徑長(zhǎng)度上維持在高水 平，由此最大化燃料電池的電力密度并降低生產(chǎn)電力所產(chǎn)生的二氧化碳的量。由于氫氣具 有比諸如一氧化碳的通常用于固態(tài)氧化物燃料電池系統(tǒng)中的其它可氧化化合物顯著更大 的電化學(xué)電位，故在該方法中使用主要為且優(yōu)選幾乎全部為氫氣的富氫燃料則最大化了燃 料電池系統(tǒng)的電力密度并使其二氧化碳產(chǎn)生量最小。本發(fā)明的方法還通過(guò)最小化而非最大化固態(tài)氧化物燃料電池中燃料的每道燃料 利用率而最大化燃料電池系統(tǒng)的電力密度并使該系統(tǒng)的二氧化碳產(chǎn)生量最小化。最小化每 道燃料利用率以減少貫穿燃料電池的陽(yáng)極路徑長(zhǎng)度的氧化產(chǎn)物(特別為水)的濃度，以使 得貫穿陽(yáng)極路徑長(zhǎng)度維持高氫氣濃度。由于沿燃料電池的整個(gè)陽(yáng)極路徑長(zhǎng)度在陽(yáng)極電極處 存在過(guò)量氫氣用于電化學(xué)反應(yīng)，因此，由燃料電池系統(tǒng)提供高電力密度和較低的二氧化碳 排放。在旨在實(shí)現(xiàn)高的每道燃料利用率(例如，大于60%燃料利用)的方法中，在燃料在燃 料電池中行進(jìn)甚至一半長(zhǎng)度之前，氧化產(chǎn)物的濃度可構(gòu)成燃料流的大于30%，且可為燃料 電池廢氣中氫氣的濃度的若干倍，以使得隨著提供至燃料電池的燃料經(jīng)由陽(yáng)極前進(jìn)，沿陽(yáng) 極路徑提供的電力可顯著減少，由此需要更多的氫氣燃料產(chǎn)物來(lái)使燃料電池運(yùn)行，其產(chǎn)生 了更多的二氧化碳副產(chǎn)物。由于在燃料電池中未利用來(lái)產(chǎn)生電的氫氣被從燃料電池的陽(yáng)極廢氣分離且繼續(xù) 再循環(huán)回至燃料電池，故本發(fā)明的方法是高度有效的。通過(guò)減少操作燃料電池所需的待產(chǎn) 生的氫氣的量，而減少了由燃料電池生產(chǎn)每單位電力所產(chǎn)生的二氧化碳的量，由此減少了 在氫氣的生產(chǎn)中所產(chǎn)生的二氧化碳副產(chǎn)物的量。如本文中所用，除非另外規(guī)定，否則術(shù)語(yǔ)“氫氣”指代氫氣分子。如本文中所用，術(shù)語(yǔ)“氫氣源”指代可從其產(chǎn)生游離氫的化合物(例如，諸如甲烷 的烴)，或這種化合物的混合物(例如，諸如天然氣的含烴混合物)。如本文中所用，“每單位時(shí)間燃料電池中形成的水的量”計(jì)算如下每單位時(shí)間燃 料電池中形成的水的量=[每單位量測(cè)時(shí)間所量測(cè)的在燃料電池的陽(yáng)極廢氣中退出燃料 電池的水量]_[每單位量測(cè)時(shí)間存在于饋送至燃料電池的陽(yáng)極的燃料中的水量]。舉例來(lái) 說(shuō)，若饋送至燃料電池的陽(yáng)極的燃料中的水及在陽(yáng)極廢氣中退出燃料電池的水的量的量測(cè) 花費(fèi)2分鐘，其中饋送至陽(yáng)極的燃料中水的量測(cè)量為6摩爾，且在陽(yáng)極廢氣中退出燃料電 池的水的量測(cè)量為24摩爾，則如本文計(jì)算的在燃料電池中形成的水的量為(24摩爾/2分 鐘)_(6摩爾/2分鐘)=12摩爾/分鐘-3摩爾/分鐘=9摩爾/分鐘。如本文中所用，當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上組件被描述為“操作性地連接”或“操作性地耦 合”時(shí)，這種組件則被限定為直接或間接地連接以允許這種組件之間的直接或間接流體流 動(dòng)。如本文中所用，術(shù)語(yǔ)“流體流動(dòng)”指代氣體或流體的流動(dòng)。當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上組件被描述為“有選擇地操作性地連接”或“有選擇地操作性地耦合”時(shí)，所述組件則限定為直接或 間接地連接或耦合以允許所述組件之間選定氣體或流體的直接或間接流體流動(dòng)。當(dāng)用在 “操作性地連接”或“操作性地耦合”的定義中時(shí)，術(shù)語(yǔ)“間接流體流動(dòng)”意謂著當(dāng)流體或氣 體在兩個(gè)界定的組件之間流動(dòng)時(shí)，兩個(gè)界定的組件之間流體或氣體的流動(dòng)可被導(dǎo)引經(jīng)過(guò)一 個(gè)或多個(gè)額外組件以改變流體或氣體的一個(gè)或多個(gè)方面?？稍陂g接流體流動(dòng)中改變的流體 或氣體的方面包括物理特征，諸如氣體或流體的溫度或壓力，和/或氣體或流體的組成，例 如，通過(guò)分離氣體或流體的組份，例如，通過(guò)從含有蒸汽的氣流來(lái)冷凝水。如本文中限定的 那樣，“間接流體流動(dòng)”不包括由化學(xué)反應(yīng)(例如，流體或氣體的一個(gè)或多個(gè)元素的氧化或還 原)在兩個(gè)界定的組件之間改變氣體或流體的組成。如本文中所用，術(shù)語(yǔ)“可選擇性地透過(guò)氫氣”界定為氫氣分子或元素態(tài)氫可滲透且 其它元素或化合物不可滲透，以使得至多10%、或至多5%，或至多的非氫元素或化合 物可滲透分子態(tài)氫或元素態(tài)氫可滲透的物質(zhì)。如本文中所用，術(shù)語(yǔ)“高溫氫氣分離設(shè)備”界定為在至少250°C的溫度下(通常在 從300°C至650°C的溫度下)從氣流有效地分離分子態(tài)或元素態(tài)形式的氫的設(shè)備或裝置。如本文中所用，當(dāng)指代在固態(tài)氧化物燃料電池中的燃料中利用氫氣時(shí)，“每道氫氣 利用率”則界定為在經(jīng)由固態(tài)氧化物燃料電池的一道中用以產(chǎn)生電的燃料中的氫氣的量相 對(duì)于就該道而言輸入至燃料電池中的燃料中氫氣的總量的比率?？赏ㄟ^(guò)量測(cè)饋送至燃料電 池的陽(yáng)極的燃料中氫氣的量，量測(cè)燃料電池的陽(yáng)極廢氣中氫氣的量，從饋送至燃料電池的 燃料中氫氣的量測(cè)量減去燃料電池的陽(yáng)極廢氣中的氫氣的量測(cè)量以確定在燃料電池中使 用的氫氣的量，且使在燃料電池中使用的氫氣的計(jì)算量除以饋送至燃料電池的燃料中氫氣 的量測(cè)量而計(jì)算每道氫氣利用率。每道氫氣利用率可由使經(jīng)計(jì)算的每道氫氣利用乘以100 而表示為百分?jǐn)?shù)?，F(xiàn)參看圖1，下面將描述本發(fā)明的方法。在本發(fā)明的方法中，將含有氫氣或氫氣 源的第一氣流經(jīng)由管線1饋送至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽(yáng)極入口 3。計(jì)量閥7可用于 選擇并控制第一氣流至固態(tài)氧化物燃料電池5的流量。在一實(shí)施例中，第一氣流可含有至 少0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8、或至少0. 9、或至少0. 95，或至少0. 98克分子份數(shù)(mole fraction)的氧氣。在本發(fā)明的方法的一實(shí)施例中，利用含有一種或更多種烴的進(jìn)料產(chǎn)生氫氣的氫氣 產(chǎn)生器9可經(jīng)由管線1操作性地連接至固態(tài)氧化物燃料電池5，其中氫氣產(chǎn)生器9可產(chǎn)生 待饋送至固態(tài)氧化物燃料電池5的第一氣流或可產(chǎn)生含有氫氣及一種或更多種碳氧化物 的產(chǎn)物氣體，含有氫氣的第一氣流可從所述產(chǎn)物氣體分離且接著饋送至固態(tài)氧化物燃料電 池5。為本發(fā)明的方法的目的，詞組“從含有一種或更多種烴的進(jìn)料產(chǎn)生含有氫氣的第一氣 流”是指包括(例如)由形成含有氫氣及一種或更多種其它化合物的產(chǎn)物氣體而直接產(chǎn)生 第一氣流，以及由首先從進(jìn)料產(chǎn)生產(chǎn)物氣體(例如由對(duì)進(jìn)料進(jìn)行蒸汽重整或催化性部分氧 化所述進(jìn)料)且從產(chǎn)物氣體分離第一氣流而間接地產(chǎn)生第一氣流。氫氣產(chǎn)生器9可為烴重 整反應(yīng)器、操作性地耦合至或整合高溫氫氣分離設(shè)備的烴重整反應(yīng)器、催化性部分氧化反 應(yīng)器或操作性地耦合至高溫氫氣分離設(shè)備的催化性部分氧化反應(yīng)器。若氫氣產(chǎn)生器9為烴重整反應(yīng)器，則烴重整反應(yīng)器可為將一種或更多種烴及蒸汽 轉(zhuǎn)化成氫氣及碳氧化物(優(yōu)選包括常規(guī)的重整催化劑以降低實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)所需的能量)的任一適當(dāng)設(shè)備。優(yōu)選地，在從烴進(jìn)料洗滌硫以避免污染重整催化劑之后，將烴進(jìn)料(優(yōu)選為低 分子量烴或低分子量烴的混合物)及蒸汽饋送至烴重整反應(yīng)器以用于反應(yīng)。優(yōu)選地，烴進(jìn) 料為含有甲烷的氣流，且烴重整反應(yīng)器為用于通過(guò)蒸汽重整反應(yīng)將含有甲烷的氣流重整成 氫氣及碳氧化物的蒸汽重整反應(yīng)器。視蒸汽重整反應(yīng)器的操作溫度而定，重整反應(yīng)器亦可 實(shí)現(xiàn)水煤氣變換反應(yīng)以由作為重整反應(yīng)的結(jié)果存在的蒸汽及一氧化碳生成更多氫氣。蒸汽 重整反應(yīng)器可在從650°C至1000°C的溫度下操作，或如下文描述，當(dāng)結(jié)合高溫氫氣分離設(shè) 備使用時(shí)，在從400°C至650°C的溫度下操作以實(shí)現(xiàn)重整反應(yīng)，從而將甲烷或其它烴氣體轉(zhuǎn) 化成氫氣及碳氧化物。用以產(chǎn)生氫氣及碳氧化物的甲烷/烴蒸汽重整反應(yīng)為非常吸熱的， 且使用較高溫度有利于氫氣的產(chǎn)生。在一實(shí)施例中，在2. 5MPa至3MPa的壓力下將天然氣 饋送至重整反應(yīng)器，且在其中與蒸汽在從800°C至1000°C的溫度下反應(yīng)以產(chǎn)生含有氫氣及 一氧化碳的經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體，產(chǎn)物氣體可作為第一氣流經(jīng)由管線1饋送至燃料電池5的 陽(yáng)極11。在一實(shí)施例中，氫氣產(chǎn)生器9可為與用于對(duì)包含液態(tài)烴的進(jìn)料前驅(qū)物進(jìn)行汽化、 裂化和/或重整以形成進(jìn)料的預(yù)重整反應(yīng)器耦合的用于重整包含氣態(tài)烴的進(jìn)料的烴重整 反應(yīng)器。包含在大氣壓下在從0°c至350°C的溫度下為液體的烴的進(jìn)料前驅(qū)物可饋送至預(yù) 重整反應(yīng)器以用于與在從400°C至1000°C的溫度下的蒸汽反應(yīng)。進(jìn)料前驅(qū)物與蒸汽(其中 蒸汽與進(jìn)料前驅(qū)物的比率至少為2、或至少為3、或至少為4或至少為5)可在預(yù)重整反應(yīng)器 中混合(優(yōu)選接觸預(yù)重整催化劑)以汽化，且可選地裂化和/或重整進(jìn)料前驅(qū)物，從而形成 可饋送至重整反應(yīng)器的氣態(tài)烴進(jìn)料。在一實(shí)施例中，在預(yù)重整反應(yīng)器中，從進(jìn)料前驅(qū)物產(chǎn)生 的氣態(tài)烴進(jìn)料可包含至少50%或至少60%或至少70%的甲烷。在一優(yōu)選實(shí)施例中，烴重整反應(yīng)器操作性地連接至高溫氫氣分離設(shè)備或?qū)⒏邷貧?氣分離設(shè)備包括于重整反應(yīng)器內(nèi)。高溫氫氣分離設(shè)備可包含分子形式或元素態(tài)形式的氫可 選擇性地滲透的部件。在一優(yōu)選實(shí)施例中，高溫氫氣分離設(shè)備包含可選擇性地透過(guò)氫氣的 膜。在一實(shí)施例中，高溫氫氣分離設(shè)備包含可選擇性地透過(guò)氫氣的涂覆有鈀或鈀合金的管 狀膜。若高溫氫氣分離設(shè)備操作性地連接至重整反應(yīng)器而非位于反應(yīng)器內(nèi)，則高溫氫氣 分離設(shè)備操作性地連接至重整反應(yīng)器以使得來(lái)自重整反應(yīng)器的含有氫氣及碳氧化物的經(jīng) 重整的產(chǎn)物氣體與高溫氫氣分離設(shè)備接觸，以分離氫氣與經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體中的其它化合 物。由高溫氫氣分離設(shè)備從經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體分離的氫氣可作為第一氣流經(jīng)由管線1饋送 至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽(yáng)極11。若高溫氫氣分離設(shè)備位于重整反應(yīng)器中，則其可位于一位置中以使得經(jīng)重整的產(chǎn) 物氣體在重整反應(yīng)器的重整區(qū)域中接觸高溫氫氣分離設(shè)備的選擇性氫氣可滲透部件，且當(dāng) 實(shí)現(xiàn)重整反應(yīng)時(shí)從重整區(qū)域分離氫氣。高溫氫氣分離設(shè)備可具有可經(jīng)由管線1操作性地耦 合至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽(yáng)極11的氫氣出口，以使得由重整反應(yīng)器中的高溫氫氣分離 設(shè)備分離的氫氣可作為第一氣流從重整反應(yīng)器饋送至燃料電池5的陽(yáng)極11。蒸汽重整反應(yīng)器與操作性地連接至蒸汽重整反應(yīng)器或位于反應(yīng)器中的高溫氫氣 分離設(shè)備的結(jié)合使用能夠?qū)崿F(xiàn)1)使得在從由常規(guī)蒸汽重整反應(yīng)器產(chǎn)生的氫氣濃度至基 本上僅含氫氣的范圍中選定第一氣流的氫氣濃度；2)能夠使蒸汽重整反應(yīng)在較低溫度(例 如，從400°C至650°C)進(jìn)行；以及3)與常規(guī)蒸汽重整反應(yīng)器中的可能產(chǎn)生量相比，每單位
8烴燃料產(chǎn)生更多氫氣，這是由于蒸汽重整及水煤氣變換反應(yīng)都可在反應(yīng)器中在反應(yīng)器可運(yùn) 行的較低溫度下發(fā)生，且由從經(jīng)重整的產(chǎn)物移除氫氣而驅(qū)動(dòng)這種平衡反應(yīng)來(lái)完成。在該方法的一實(shí)施例中，氫氣產(chǎn)生器9為含有常規(guī)重整催化劑及高溫氫氣分離設(shè) 備的蒸汽重整反應(yīng)器，優(yōu)選地包含有選擇地可滲透氫氣的一個(gè)或更多個(gè)涂覆有鈀的管狀 膜，其中送至蒸汽重整反應(yīng)器的進(jìn)料選定為蒸汽及甲烷或天然氣，且重整反應(yīng)器的操作溫 度選定為從400°C至650°C。在選定溫度下，重整反應(yīng)器對(duì)進(jìn)料進(jìn)行將甲烷及水轉(zhuǎn)化成氫氣 及一氧化碳的蒸汽重整反應(yīng)，且進(jìn)行將一氧化碳及蒸汽轉(zhuǎn)化成氫氣及二氧化碳的水煤氣變 換反應(yīng)。氫氣分離設(shè)備分離在重整反應(yīng)器中產(chǎn)生的氫氣，將氫氣作為第一氣流經(jīng)由管線1 傳遞至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽(yáng)極入口 3。氫氣從重整反應(yīng)器的分離驅(qū)動(dòng)重整反應(yīng)及水 煤氣變換反應(yīng)，從而由進(jìn)料及蒸汽產(chǎn)生更多氫氣。可選地，如上文描述，氫氣分離設(shè)備可位 于重整反應(yīng)器的外部，且重整反應(yīng)器可在從400°C至650°C的范圍選出的溫度下操作，其中 由氫氣分離設(shè)備從經(jīng)重整的產(chǎn)物分離氫氣來(lái)驅(qū)動(dòng)重整反應(yīng)及水煤氣變換反應(yīng)，從而從進(jìn)料 及蒸汽產(chǎn)生更多氫氣。在該方法的一實(shí)施例中，重整反應(yīng)器可與高溫氫氣分離設(shè)備組合使用，其中重整 反應(yīng)器的操作溫度可選定為大于650°C且高達(dá)1000°C。在這種操作溫度下，由于這種高操 作溫度可不利地影響高溫氫氣分離設(shè)備的效能，故高溫氫氣分離設(shè)備優(yōu)選位于重整反應(yīng)器 的外部。在一實(shí)施例中，當(dāng)重整反應(yīng)器的操作溫度選定為超過(guò)650°C時(shí)，熱交換器可操作性 地連接于重整反應(yīng)器的出口與氫氣分離設(shè)備之間以在退出重整反應(yīng)器的經(jīng)重整的產(chǎn)物氣 體接觸氫氣分離設(shè)備之前將該退出重整反應(yīng)器的經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體冷卻至650°C或更低的 溫度。熱交換器可用于加熱進(jìn)入重整反應(yīng)器的蒸汽或進(jìn)料，或者進(jìn)入耦合至重整反應(yīng)器的 預(yù)重整反應(yīng)器的進(jìn)料前驅(qū)物。經(jīng)冷卻的重整產(chǎn)物氣流可接著與高溫氫氣分離設(shè)備接觸以從 經(jīng)冷卻的重整產(chǎn)物氣流分離氫氣流，且經(jīng)分離的氫氣流可作為第一氣流傳遞至燃料電池5 的陽(yáng)極11。在該方法的另一實(shí)施例中，氫氣產(chǎn)生器9可為催化性部分氧化重整反應(yīng)器。若 氫氣產(chǎn)生器為催化性部分氧化重整反應(yīng)器，則部分氧化重整反應(yīng)器可為將烴進(jìn)料及氧氣 源燃燒成氫氣及碳氧化物的任一適當(dāng)設(shè)備，且該設(shè)備包括常規(guī)的部分氧化催化劑以降低 實(shí)現(xiàn)該反應(yīng)所需的能量。烴進(jìn)料(優(yōu)選為天然氣或包括諸如甲烷、丙烷及丁烷的氣態(tài)低 分子量烴及諸如石腦油、煤油及柴油的液態(tài)低分子量烴的低分子量烴)及氧氣源(優(yōu)選 為空氣)饋送至催化性部分氧化反應(yīng)器，以使得在進(jìn)料中氧氣相對(duì)于烴以低于化學(xué)計(jì)量 (substoichiometric)的比率存在。進(jìn)料必須相對(duì)無(wú)硫以防止污染催化劑，因此，必要時(shí)，烴 進(jìn)料可在饋送至催化性部分氧化反應(yīng)器之前洗掉硫。烴進(jìn)料及氧氣源可在催化性部分氧化 重整反應(yīng)器中在存在部分氧化催化劑時(shí)一起燃燒以形成含有氫氣及一氧化碳的部分氧化 產(chǎn)物氣體。燃燒可在從800°C至1000°C或更高的溫度下進(jìn)行。催化性部分氧化重整反應(yīng)器 可經(jīng)由管線1操作性地連接至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽(yáng)極11，以使得部分氧化重整反應(yīng) 器中產(chǎn)生的氫氣及一氧化碳可作為第一氣流饋送至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽(yáng)極11。在一實(shí)施例中，部分氧化產(chǎn)物氣體可在饋送至燃料電池5的陽(yáng)極11之前通過(guò)熱交 換加以冷卻。部分氧化產(chǎn)物氣體可在熱交換器中交換熱，其中，來(lái)自部分氧化產(chǎn)物氣體的熱 可用于加熱進(jìn)入重整反應(yīng)器的蒸汽或進(jìn)料，或者加熱進(jìn)入耦合至重整反應(yīng)器的預(yù)重整反應(yīng) 器的進(jìn)料前驅(qū)物。經(jīng)冷卻的部分氧化產(chǎn)物氣體可接著作為第一氣流傳遞至燃料電池5的陽(yáng)極11。在該方法的一實(shí)施例中，氫氣產(chǎn)生器9為操作性地連接至高溫氫氣分離設(shè)備的催 化性部分氧化重整反應(yīng)器。高溫氫氣分離設(shè)備(優(yōu)選地包含可選擇性地透過(guò)氫氣的涂覆有 鈀的管狀膜)可操作性地連接至部分氧化重整反應(yīng)器的出口，以使得可將氫氣與來(lái)自部分 氧化重整反應(yīng)器的部分氧化產(chǎn)物氣體中的碳氧化物及其它化合物分離。高溫氫氣分離設(shè)備 可經(jīng)由管線1操作性地連接至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽(yáng)極入口 3，因此從部分氧化產(chǎn)物氣 體分離的氫氣可饋送至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽(yáng)極11。在一實(shí)施例中，催化性部分氧化 反應(yīng)器及高溫氫氣分離設(shè)備經(jīng)由熱交換器操作性地連接，其中，熱交換器在來(lái)自催化性部 分氧化反應(yīng)器的輸出氣體接觸氫氣分離設(shè)備之前將輸出氣體冷卻至650°C或更低的溫度。在本發(fā)明的方法中，由諸如重整反應(yīng)器或催化性部分氧化反應(yīng)器的氫氣產(chǎn)生設(shè)備 9產(chǎn)生的第一氣流可含有至少0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8、或至少0. 9、或至少0. 95克分 子份數(shù)的氫氣?？蓛?yōu)選使用如上文描述的高溫氫氣分離設(shè)備，而從重整反應(yīng)器或催化性部 分氧化反應(yīng)器的反應(yīng)產(chǎn)物氣體分離氫氣而將含有這種較高量氫氣的第一氣流提供至固態(tài) 氧化物燃料電池5。在一實(shí)施例中，當(dāng)由氫氣產(chǎn)生器7產(chǎn)生的第一氣流被饋送至燃料電池5 的陽(yáng)極11時(shí)，其可具有從350°C至600°C的溫度?；蛘撸谝粴饬骺蔀轲佀椭凉虘B(tài)氧化物燃料電池5的陽(yáng)極11的蒸汽及含有可充當(dāng) 氫氣源的低分子量烴(優(yōu)選為甲烷或天然氣)的烴進(jìn)料。烴進(jìn)料及蒸汽可在固態(tài)氧化物燃 料電池中內(nèi)部地重整成氫氣及碳氧化物以提供燃料從而在燃料電池中產(chǎn)生電。在一實(shí)施例 中，饋送至燃料電池5的陽(yáng)極11的包含含有氫氣源的烴進(jìn)料的第一氣流可由與退出燃料電 池5的陽(yáng)極廢氣流的熱交換而加熱至至少300°C，或從350°C至650°C的溫度以提供熱，從而 驅(qū)動(dòng)燃料電池5中的吸熱重整反應(yīng)。在本發(fā)明的一方法中，含有氫氣的第二氣流經(jīng)由管線10及管線1通過(guò)固態(tài)氧化物 燃料電池5的陽(yáng)極入口 3饋送至陽(yáng)極11。如下文進(jìn)一步詳細(xì)描述，自陽(yáng)極廢氣流產(chǎn)生第二 氣流。饋送至燃料電池5的第二氣流可含有至少0. 8、至少0. 9、至少0. 95或至少0. 98克 分子份數(shù)的氫氣。計(jì)量閥12可用于選擇并控制饋送至燃料電池5的陽(yáng)極11中的第二氣流 的流量。饋送至燃料電池5的第二氣流可與第一氣流一樣饋送至陽(yáng)極入口 3，或可通過(guò)連接 管線10與管線1(如圖所示)在饋送至陽(yáng)極入口 3之前與第一氣流混合，或可經(jīng)由與將第 一氣流饋送至燃料電池5中的陽(yáng)極入口 3不同的陽(yáng)極入口 3饋送至燃料電池5的陽(yáng)極11 中(圖上未示)。在本發(fā)明的方法中，固態(tài)氧化物燃料電池5可為常規(guī)固態(tài)氧化物燃料電池(優(yōu)選 地具有管狀或平面結(jié)構(gòu))，且包含陽(yáng)極11、陰極13及電解質(zhì)15，其中電解質(zhì)15插于陽(yáng)極11 與陰極13之間且接觸陽(yáng)極11及陰極13。固態(tài)氧化物燃料電池5可包含堆棧在一起(由 互連件電接合且操作性地連接)的多個(gè)單獨(dú)的燃料電池，以使得第一及第二氣流可流過(guò)堆 棧的燃料電池的陽(yáng)極且含氧氣體可流過(guò)堆棧的燃料電池的陰極。如本文中所用，術(shù)語(yǔ)“固 態(tài)氧化物燃料電池”界定為單一固態(tài)氧化物燃料電池或多個(gè)操作性地連接或堆棧的固態(tài)氧 化物燃料電池。燃料電池構(gòu)造成使得第一及第二氣流可從陽(yáng)極入口 3流過(guò)燃料電池的陽(yáng) 極11至陽(yáng)極排氣口 17，從而接觸從陽(yáng)極入口 3至陽(yáng)極排氣口 17的陽(yáng)極路徑長(zhǎng)度上的一個(gè) 或更多個(gè)陽(yáng)電極。燃料電池還構(gòu)造成使得含氧氣體可自陰極入口 19流過(guò)陰極13至陰極排 氣口 21，從而接觸自陰極入口 19至陰極排氣口 21的陰極路徑長(zhǎng)度上的一個(gè)或更多個(gè)陰電極。電解質(zhì)15置于燃料電池中以防止第一及第二氣流進(jìn)入陰極且防止含氧氣體進(jìn)入陽(yáng)極， 且將氧離子從陰極引導(dǎo)至陽(yáng)極以用于在一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處與陽(yáng)極氣流中的可氧化 化合物(諸如氫氣，及可選地，一氧化碳)的電化學(xué)反應(yīng)。氣流饋送至陽(yáng)極及陰極以提供在燃料電池5中產(chǎn)生電所必要的反應(yīng)物。如上文論 述，含有氫氣或氫氣源的第一氣流以及含有氫氣的第二氣流經(jīng)由一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極入口 3 饋送至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽(yáng)極11。含氧氣流經(jīng)由管線25從含氧氣源23饋送至燃料 電池5的陰極入口 19。計(jì)量閥26可用于選擇并控制含氧氣流饋送至燃料電池5的陰極13 的流量。含氧氣流可為空氣或純氧氣。在一實(shí)施例中，含氧氣流可為含至少21%的氧氣的 富氧空氣?？稍陴佀椭寥剂想姵?的陰極13之前在熱交換器27中加熱含氧氣體，優(yōu)選由 與退出燃料電池5的陰極排氣口 21且經(jīng)由管線28連接至熱交換器27的氧氣耗盡陰極廢 氣流交換熱來(lái)加熱含氧氣體。在一實(shí)施例中，含氧氣體可在饋送至燃料電池5的陰極13之 前被加熱至150°C至350°C的溫度。在一實(shí)施例中，含氧氣體通過(guò)經(jīng)由熱交換器27及陰極 入口 19操作性地連接至燃料電池5的陰極13的空氣壓縮機(jī)23而提供至燃料電池5。在本發(fā)明的方法中，使第一氣流及第二氣流與在固態(tài)氧化物燃料電池5的陽(yáng)電極 中的一個(gè)或更多個(gè)處的氧化劑混合以產(chǎn)生電。氧化劑優(yōu)選為從流過(guò)燃料電池5的陰極13 的含氧氣流中的氧氣得到且被傳導(dǎo)越過(guò)燃料電池的電解質(zhì)的氧離子。如下文進(jìn)一步詳細(xì) 論述，通過(guò)將第一氣流、第二氣流及含氧氣流以選定的獨(dú)立流量饋送至燃料電池5而在燃 料電池5的一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處在陽(yáng)極中混合第一氣流、第二氣流及氧化劑。優(yōu)選地， 在燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處混合第一氣流、第二氣流及氧化劑以按至少0. 4W/ cm2、或至少 0. 5W/cm2、或至少 0. 75W/cm2、或至少 lW/cm2、或至少 1. 25ff/cm2 或至少 1. 5ff/cm2 的電力密度產(chǎn)生電。固態(tài)氧化物燃料電池5在能夠有效地使氧離子從陰極13穿越電解質(zhì)15到達(dá)燃料 電池5的陽(yáng)極11的溫度下操作。固態(tài)氧化物燃料電池5可在從700°C至1100°C的溫度下、 或從800°C至1000°C的溫度下操作。氫氣在一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處與氧離子的氧化反應(yīng) 為發(fā)出大量熱的反應(yīng)，且反應(yīng)的熱產(chǎn)生了操作固態(tài)氧化物燃料電池5所需的熱。固態(tài)氧化 物燃料電池被操作所處的溫度可通過(guò)獨(dú)立地控制第一氣流、第二氣流及含氧氣流的溫度及 這些氣流饋送至燃料電池的流量而加以控制。在一實(shí)施例中，饋送至燃料電池的第二氣流 的溫度被控制為至多100°c的溫度，含氧氣流的溫度被控制為至多300°C的溫度，且第一氣 流的溫度被控制為至多550°C的溫度，以維持固態(tài)氧化物燃料電池的操作溫度在從700°C 至1000°C的范圍內(nèi)，且優(yōu)選地在從800°C至900°C的范圍內(nèi)。為起動(dòng)燃料電池5的操作，將燃料電池5加熱至其操作溫度。在一優(yōu)選實(shí)施例中， 可通過(guò)在催化性部分氧化重整反應(yīng)器30中產(chǎn)生含氫氣流且將含氫氣流經(jīng)由管線31及管線 1饋送至固態(tài)氧化物燃料電池的陽(yáng)極11來(lái)起動(dòng)固態(tài)氧化物燃料電池5的操作。可通過(guò)在存 在常用部分氧化重整催化劑的情況下在催化性部分氧化重整反應(yīng)器30中燃燒烴進(jìn)料及氧 氣源而在催化性部分氧化重整反應(yīng)器30中產(chǎn)生含氫氣流，其中將氧氣源以相對(duì)于烴進(jìn)料 低于化學(xué)計(jì)量的量饋送至催化性部分氧化重整反應(yīng)器30。饋送至催化性部分氧化重整反應(yīng)器30的烴進(jìn)料可為液態(tài)或氣態(tài)烴或烴的混合 物，且優(yōu)選為甲烷、天然氣或其它低分子量烴或低分子量烴的混合物。在一實(shí)施例中，若氫氣源9為烴重整反應(yīng)器，則饋送至催化性部分氧化重整反應(yīng)器30的烴進(jìn)料可為與在氫氣源 9烴重整反應(yīng)器中使用的類型相同類型的進(jìn)料以減少進(jìn)行該方法所需的烴進(jìn)料的數(shù)目。在 另一實(shí)施例中，當(dāng)氫氣源9為催化性部分氧化重整反應(yīng)器時(shí)，氫氣源9可充當(dāng)用于起動(dòng)燃料 電池5的操作的催化性部分氧化重整反應(yīng)器，以使得不需要額外的催化性部分氧化重整反 應(yīng)器30。饋送至催化性部分氧化重整反應(yīng)器30的含氧進(jìn)料可為純氧氣、空氣或富氧空氣。 優(yōu)選地，含氧進(jìn)料為空氣。含氧進(jìn)料應(yīng)以相對(duì)于烴進(jìn)料低于化學(xué)計(jì)量的量饋送至催化性部 分氧化重整反應(yīng)器30以在催化性部分氧化重整反應(yīng)器中與烴進(jìn)料燃燒。由在催化性部分氧化重整反應(yīng)器30中烴進(jìn)料和含氧氣體的燃燒形成的含氫氣流 含有可在燃料電池5的陽(yáng)極11中通過(guò)接觸在陽(yáng)電極的一個(gè)或更多個(gè)處的氧化劑而氧化的 化合物，包括氫氣及一氧化碳，以及諸如二氧化碳的其它化合物。來(lái)自催化性部分氧化重整 反應(yīng)器30的含氫氣流優(yōu)選地不含有可氧化燃料電池5的陽(yáng)極11中的一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)電極 的化合物。在催化性部分氧化重整反應(yīng)器30中形成的含氫氣流為熱的，且可具有至少 700°C、或從700°C至1100°C或從800°C至1000°C的溫度。使用來(lái)自催化性部分氧化重整反 應(yīng)器30的熱氫氣氣流來(lái)觸發(fā)固態(tài)氧化物燃料電池5的啟動(dòng)在本發(fā)明的方法中為優(yōu)選的，這 是由于其使得燃料電池5的溫度能夠幾乎瞬時(shí)地上升至燃料電池5的操作溫度。在一實(shí)施 例中(圖上未示)，當(dāng)起動(dòng)燃料電池5的操作時(shí)，可在熱交換器27中在來(lái)自催化性部分氧化 重整反應(yīng)器30的熱含氫氣體與饋送至燃料電池5的陰極13的含氧氣體之間進(jìn)行交換熱。假設(shè)氫氣源9并非用于起動(dòng)燃料電池5的操作的催化性部分氧化重整反應(yīng)器，則 一旦到達(dá)燃料電池5的操作溫度，則從催化性部分氧化重整反應(yīng)器30至燃料電池5中的熱 含氫氣流的流動(dòng)可由閥33切斷，同時(shí)通過(guò)打開閥7而將來(lái)自氫氣源9的第一氣流饋送至陽(yáng) 極11中。然后，燃料電池的連續(xù)操作可根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行。若氫氣源9為用于起動(dòng)燃料電池5的操作的催化性部分氧化重整反應(yīng)器，則在燃 料電池5已達(dá)到其操作溫度后，來(lái)自催化性部分氧化重整反應(yīng)器的熱含氫氣體可被作為第 一氣流饋送至燃料電池5以用于連續(xù)操作。在一實(shí)施例中，來(lái)自催化性部分氧化反應(yīng)器的 熱含氫氣體可如上文描述在熱交換器中冷卻，和/或可在將氫氣作為第一氣流饋送至燃料 電池5的陽(yáng)極11以用于燃料電池5的連續(xù)操作之前使用高溫氫氣分離設(shè)備從所述熱含氫 氣體分離該氫氣。在另一實(shí)施例中(未在圖1中顯示)，燃料電池的操作可使用來(lái)自氫氣儲(chǔ)存槽的氫 氣啟動(dòng)氣流而觸發(fā)，該氫氣啟動(dòng)氣流可經(jīng)過(guò)啟動(dòng)加熱器以在將第一氣流引入至燃料電池中 之前使燃料電池升至其操作溫度。氫氣儲(chǔ)存槽可操作性地連接至燃料電池以允許將氫氣啟 動(dòng)氣流引入至固態(tài)氧化物燃料電池的陽(yáng)極中。所述啟動(dòng)加熱器可間接地將氫氣啟動(dòng)氣流加 熱至從750°C至1000°C的溫度。所述啟動(dòng)加熱器可為電加熱器或可為燃燒加熱器。一旦達(dá) 到燃料電池的操作溫度，可由一閥切斷氫氣啟動(dòng)氣流至燃料電池中的流動(dòng)，且可通過(guò)打開 從氫氣產(chǎn)生器至燃料電池的陽(yáng)極的閥而將第一氣流引入至燃料電池中以開始燃料電池的 操作。再參看圖1，在燃料電池5的操作的起始期間，可將含氧氣流引入至燃料電池5的 陰極13中。含氧氣流可為空氣、含有至少21%的氧氣的富氧空氣或純氧氣。優(yōu)選地，含氧氣流可為在開始燃料電池的操作之后在燃料電池5的操作期間饋送至陰極13的含氧氣流。在一優(yōu)選實(shí)施例中，在燃料電池的啟動(dòng)期間饋送至燃料電池的陰極13的含氧氣 流具有至少500°C、優(yōu)選地至少650°C，且更優(yōu)選地至少750°C的溫度。含氧氣流可在饋送至 固態(tài)氧化物燃料電池5的陰極13之前由電加熱器加熱。在一優(yōu)選實(shí)施例中，用于起動(dòng)燃料 電池5的操作的含氧氣流可在饋送至燃料電池5的陰極13之前在熱交換器27中通過(guò)與來(lái) 自燃料電池啟動(dòng)催化性部分氧化重整反應(yīng)的熱含氫氣流進(jìn)行熱交換而受到加熱。在本發(fā)明的方法中，在燃料電池5的操作期間，在一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處混合 第一、第二氣流與氧化劑并通過(guò)利用氧化劑氧化存在于饋送至燃料電池的第一及第二氣流 中的氫氣的一部分而產(chǎn)生水(為蒸汽)。由氧化劑對(duì)氫氣的氧化所產(chǎn)生的水被第一及第二 氣流的未反應(yīng)部分吹掃過(guò)燃料電池的陽(yáng)極，作為陽(yáng)極廢氣流的一部分退出陽(yáng)極。在本發(fā)明的方法中，陽(yáng)極廢氣流含有相當(dāng)大量氫氣。在本發(fā)明的方法的一個(gè)方面 中，陽(yáng)極廢氣流可包含至少0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8，或至少0. 9克分子份數(shù)的氫氣。若 氫氣產(chǎn)生器9為未耦合至高溫氫氣分離設(shè)備或未與高溫氫氣分離設(shè)備整合的蒸汽重整反 應(yīng)器或部分催化性氧化反應(yīng)器，則陽(yáng)極廢氣流亦含有水，且可含有碳氧化物，特別是二氧化 碳及一氧化碳。在本發(fā)明的方法中，陽(yáng)極廢氣流在其退出陽(yáng)極排氣口 17時(shí)與燃料電池5分離。 可從陽(yáng)極廢氣流分離其中含有的氫氣以形成第二氣流。陽(yáng)極廢氣流在高溫下(通常至少 SOO0C )退出固態(tài)氧化物燃料電池，且必須在分離陽(yáng)極廢氣流中的氫氣以形成第二氣流之 前加以冷卻。可通過(guò)將來(lái)自陽(yáng)極排氣口 17的陽(yáng)極廢氣流經(jīng)由管線35傳遞過(guò)一個(gè)或更多個(gè) 熱交換器37而冷卻陽(yáng)極廢氣流，以將陽(yáng)極廢氣流冷卻至可從陽(yáng)極廢氣流分離氫氣的溫度。在一實(shí)施例中，可在一個(gè)或更多個(gè)熱交換器37中在陽(yáng)極廢氣流與蒸汽之間交換 熱以產(chǎn)生高壓蒸汽。高壓蒸汽可在渦輪機(jī)(圖上未示)中膨脹以驅(qū)動(dòng)一個(gè)或更多個(gè)壓縮機(jī)， 其中的一個(gè)壓縮機(jī)可在將第二氣流饋送至燃料電池5之前壓縮第二氣流。可選地，高壓蒸 汽可在渦輪機(jī)(圖上未示)中膨脹以產(chǎn)生除了由燃料電池5產(chǎn)生的電力之外的電力。在另一實(shí)施例中，可在陽(yáng)極廢氣流與一個(gè)或更多個(gè)水流之間交換熱以產(chǎn)生用于住 宅建筑中的熱水。若利用燃料電池5產(chǎn)生用于住宅或小住宅群的電且燃料電池5位于住宅 附近處，則此實(shí)施例是尤其有用的。在本發(fā)明的方法的一實(shí)施例中，可通過(guò)將冷卻的陽(yáng)極廢氣流傳送經(jīng)過(guò)經(jīng)由管線 35、38操作性地連接至陽(yáng)極排氣口 17的氫氣分離設(shè)備39及一個(gè)或更多個(gè)熱交換器37而 從經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流分離氫氣，以形成第二氣流。在一實(shí)施例中，陽(yáng)極廢氣流可冷卻至從 250°C至650°C的溫度，且氫氣分離設(shè)備39可為諸如可選擇性地透過(guò)氫氣的涂覆有鈀的膜 的高溫氫氣分離設(shè)備。在另一實(shí)施例中，陽(yáng)極廢氣流可冷卻至低于250°C的溫度，且氫氣分 離設(shè)備39可為諸如壓力變化吸附器的低溫氫氣分離設(shè)備。在本發(fā)明的方法的一實(shí)施例中，陽(yáng)極廢氣流可在高壓(例如，至少0. 2MPa、或至少 0. 5MPa、或至少IMPa，或至少2MPa的壓力)下提供至氫氣分離設(shè)備39以促進(jìn)從陽(yáng)極廢氣 分離氫氣。在一實(shí)施例中，氫氣產(chǎn)生器9可在高壓下將第一氣流提供至燃料電池5，且隨后 在高壓下將陽(yáng)極廢氣流提供至氫氣分離設(shè)備39，使得可由可選擇性地透過(guò)氫氣的膜有效地 從陽(yáng)極廢氣流分離氫氣。舉例而言，若氫氣產(chǎn)生器9為未操作性地耦合至或未操作性地整 合于含有可選擇性地透過(guò)氫氣的膜的高溫氫氣分離設(shè)備的蒸汽重整反應(yīng)器或催化性部分
13氧化反應(yīng)器，則第一氣流可在高壓下提供至燃料電池5。在另一實(shí)施例中，陽(yáng)極廢氣流可如 上文描述由與陽(yáng)極廢氣流進(jìn)行熱交換而驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)壓縮，以促進(jìn)由高溫氫氣分離設(shè)備39 從陽(yáng)極廢氣流分離氫氣。高溫氫氣分離設(shè)備39可從存在于陽(yáng)極廢氣流中的烴及諸如一氧 化碳及二氧化碳的碳氧化物分離氫氣。在本發(fā)明的方法的一實(shí)施例中，假設(shè)陽(yáng)極廢氣流基本上由氫氣及水組成，則經(jīng)冷 卻的陽(yáng)極廢氣流可經(jīng)由管線38、41從一個(gè)或更多個(gè)熱交換器37饋送至冷凝器43以從陽(yáng)極 廢氣流分離第二氣流而不首先饋送至氫氣分離設(shè)備39。當(dāng)氫氣產(chǎn)生器9為操作性地連接 至高溫氫氣分離設(shè)備或與高溫氫氣分離設(shè)備整合的重整反應(yīng)器或催化性部分氧化反應(yīng)器 時(shí)，陽(yáng)極廢氣流可基本上由氫氣及水組成，以使得饋送至燃料電池5的第一氣流主要含有 氫氣及很少或無(wú)碳氧化物。為在冷凝器中將第二氣流從陽(yáng)極廢氣流分離，可由一個(gè)或更多 個(gè)熱交換器37將陽(yáng)極廢氣流冷卻至足夠低的溫度(例如，低于100°C、或低于90°C，或低于 80°C )以使水在冷凝器43中從陽(yáng)極廢氣流冷凝，以使得氫氣可與經(jīng)冷凝的水分離而作為第 二氣流?？蓮睦淠?3移除在冷凝器43中冷凝的水，經(jīng)由管線47送至聚水器45。在此實(shí)施例中，可將由氫氣與水分離所形成的小部分第二氣流作為瀉放流傳送過(guò) 氫氣分離設(shè)備49，以移除可存在于第二氣流中的任何少量碳氧化物，這種碳氧化物是由于 在產(chǎn)生第一氣流時(shí)與重整反應(yīng)器或部分氧化反應(yīng)器相結(jié)合利用的高溫氫氣分離設(shè)備對(duì)氫 氣與碳氧化物的不完全分離造成的?？衫脼a放閥51及閥50控制瀉放流至氫氣分離設(shè)備 49的流動(dòng)。在一實(shí)施例中，在將瀉放流饋送至氫氣分離設(shè)備49之前可利用壓縮機(jī)53壓縮 瀉放流。壓縮機(jī)53可通過(guò)由在一個(gè)或更多個(gè)熱交換器37中與陽(yáng)極廢氣流的熱交換產(chǎn)生的 高溫蒸汽或在熱交換器27中與陰極廢氣流的熱交換產(chǎn)生的高溫蒸汽驅(qū)動(dòng)。氫氣分離設(shè)備 可為壓力變化吸附裝置或可選擇性地透過(guò)氫氣的膜?？山?jīng)由管線55饋送回由氫氣分離設(shè) 備49從瀉放流分離的氫氣以在管線10中與第二氣流重結(jié)合。在本發(fā)明的方法的另一實(shí)施例中，由氫氣分離設(shè)備39分離的第二氣流可經(jīng)由管 線41饋送至冷凝器43以將第二氣流中的氫氣與用于從經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流分離氫氣的蒸 汽相分離。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)氫氣分離設(shè)備39利用可選擇性地透過(guò)氫氣的膜分離氫氣與陽(yáng)極廢 氣中的其它化合物時(shí)，蒸汽吹掃氣體可被用于通過(guò)將由膜分離的氫氣吹掃離開膜并離開氫 氣分離設(shè)備39而促進(jìn)氫氣的分離。可通過(guò)在冷凝器39中由組合的第二氣流及吹掃氣體來(lái) 冷凝水而將第二氣流中的氫氣與吹掃氣體中的蒸汽分離。在必要時(shí)，可通過(guò)在組合的第二 氣流及吹掃氣體退出氫氣分離設(shè)備39之后及將組合的第二氣流及吹掃氣體饋送至冷凝器 43之前將所述組合的第二氣流及吹掃氣體進(jìn)給經(jīng)過(guò)一個(gè)或更多個(gè)熱交換器(圖上未示)， 而將組合的第二氣流及蒸汽吹掃氣體冷卻至足夠低的溫度以使水在冷凝器43中冷凝?？?從冷凝器43移除在冷凝器中冷凝的水，并將其經(jīng)由管線47送至聚水器45。在本發(fā)明的方法的一實(shí)施例中，不從陽(yáng)極廢氣流或不從第二氣流冷凝水，且在該 方法中未利用冷凝器43。通過(guò)將經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流傳送過(guò)可有效地將氫氣與水以及諸如 碳氧化物的其它化合物分離的壓力變化吸附設(shè)備39，當(dāng)從經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流分離第二氣 流時(shí)，無(wú)需從陽(yáng)極廢氣流或第二氣流冷凝水。在本發(fā)明的方法的一實(shí)施例中，從陽(yáng)極廢氣流分離的氫氣的一部分可從第二氣流 分離且饋送至氫氣槽57。氫氣可經(jīng)由計(jì)量閥59饋送至氫氣槽57?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整閥59選擇 并控制第二氣流至燃料電池5的流量以調(diào)節(jié)氫氣至氫氣槽57的流動(dòng)以及第二氣流至燃料電池5的流動(dòng)。第二氣流(無(wú)論是由與冷凝器43組合的氫氣分離設(shè)備39、單獨(dú)的氫氣分離設(shè)備 39還是單獨(dú)的冷凝器43從經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流產(chǎn)生)經(jīng)由管線10及管線1饋送回至固態(tài) 氧化物燃料電池5的陽(yáng)極11，其中饋送至陽(yáng)極的第二氣流的流量可由閥59及閥12控制。 第二氣流可含有至少0. 8、至少0. 9、至少0. 95或至少0. 98克分子份數(shù)的氫氣。在一實(shí)施 例中，可使用壓縮機(jī)47壓縮第二氣流以增加饋送至陽(yáng)極11的第二氣流的壓力。饋送至燃 料電池5的陽(yáng)極11的第二氣流的壓力可增加至至少0. 15MPa、或至少0. 5MPa、或至少IMPa、 或至少2MPa，或至少2. 5MPa。用以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)47壓縮饋送至燃料電池5的陽(yáng)極11的能量 可通過(guò)由在一個(gè)或更多個(gè)熱交換器37中與陽(yáng)極廢氣流的熱交換產(chǎn)生的高壓蒸汽或通過(guò)由 在熱交換器27中與陰極廢氣流的熱交換產(chǎn)生的高壓蒸汽提供。在本發(fā)明的方法中，在含氧氣流的流量經(jīng)選定以足以提供足夠氧化劑至陽(yáng)極而與 第一及第二氣流中的燃料反應(yīng)的情況下，可獨(dú)立地選擇第一氣流饋送至陽(yáng)極的流量及第 二氣流饋送至陽(yáng)極11的流量，以使得每單位時(shí)間燃料電池中形成的水的量與陽(yáng)極廢氣中 氫氣的量的比率為至多1. 0、或至多0. 75、或至多0. 67、或至多0. 43、或至多0. 25，或至多 0. 11。在一實(shí)施例中，可以摩爾為單位量測(cè)燃料電池中形成的水的量與陽(yáng)極廢氣中氫氣的 量，以使得每單位時(shí)間以摩爾計(jì)的燃料電池中形成的水的量與陽(yáng)極廢氣中氫氣的量的比率 為至多1. 0、或至多0. 75、或至多0. 67、或至多0. 43、或至多0. 25，或至多0. 11。在本發(fā)明 的方法中，可獨(dú)立地選擇第一氣流饋送至陽(yáng)極的流量及第二氣流饋送至陽(yáng)極的流量，以使 得陽(yáng)極廢氣流含有至少0. 6克分子份數(shù)氫氣、至少0. 7克分子份數(shù)氫氣、或至少0. 8克分 子份數(shù)氫氣，或至少0.9克分子份數(shù)氫氣。在本發(fā)明的方法中，可獨(dú)立地選擇第一氣流饋 送至陽(yáng)極的流量及第二氣流饋送至陽(yáng)極的流量，以使得陽(yáng)極廢氣流含有饋送至陽(yáng)極的組合 的第一氣流及第二氣流中的氫氣的至少50 %、或至少60 %、或至少70 %、或至少80 %，或 至少90%。在本發(fā)明的方法中，可獨(dú)立地選擇第一氣流饋送至陽(yáng)極的流量及第二氣流饋送 至陽(yáng)極的流量，以使得每道氫氣燃料利用率為至多50%、或至多40%、或至多30%、或至多 20%，或至多10%?？捎煽刂崎y12及59選擇第二氣流饋送至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽(yáng)極11的流 量，以使得第二氣流以選定流量定量供給至陽(yáng)極11?？捎煽刂朴?jì)量閥7而選擇第一氣流饋 送至陽(yáng)極11的流量，以使得第一氣流以選定流量定量供給至陽(yáng)極11。可選地，當(dāng)在該方法 中使用氫氣產(chǎn)生器時(shí)，可通過(guò)對(duì)饋送至氫氣產(chǎn)生器9的進(jìn)料的量進(jìn)行計(jì)量而選擇第一氣流 饋送至陽(yáng)極11的流量。在一實(shí)施例中，陽(yáng)極廢氣分析器(圖上未示)可連續(xù)地調(diào)整并獨(dú)立 地控制閥12、閥7和/或閥59，以使得基于如通過(guò)陽(yáng)極廢氣分析器量測(cè)的陽(yáng)極廢氣的氫氣 和/或水含量以所要的流量將第一氣流及第二氣流饋送至陽(yáng)極11。在本發(fā)明的方法中，饋送至陽(yáng)極11的組合的第一氣流及第二氣流中氫氣的量應(yīng) 足以當(dāng)在燃料電池5的一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處與氧化劑組合時(shí)在整個(gè)陽(yáng)極路徑長(zhǎng)度上 以至少0. 4W/cm2、或至少0. 5W/cm2、或至少0. 75W/cm2、或至少lW/cm2、或至少1. 25ff/cm2的 電力密度產(chǎn)生電。在一實(shí)施例中，該第一氣流可經(jīng)選定以含有至少0. 7、或至少0. 8、或至少 0. 9，或至少0. 95克分子份數(shù)的氫氣，及至多0. 15、或至多0. 10，或至多0. 05克分子份數(shù)的 碳氧化物。在一實(shí)施例中，第二氣流可經(jīng)選定以含有至少0. 85、或至少0. 9，或至少0. 95克 分子份數(shù)的氫氣。在一實(shí)施例中，饋送至陽(yáng)極11的組合的第一氣流及第二氣流可經(jīng)選定以含有至少0. 8、或至少0. 85、或至少0. 9，或至少0. 95克分子份數(shù)的氫氣。在本發(fā)明的方法中，對(duì)于產(chǎn)生的每單位電而言，由于在燃料電池中從烴進(jìn)料產(chǎn)生 第一氣流以及氧化一氧化碳為二氧化碳，從而產(chǎn)生相對(duì)少的二氧化碳。在第二氣流中將來(lái) 自陽(yáng)極廢氣流的氫氣再循環(huán)至燃料電池減少了需要由氫氣產(chǎn)生器產(chǎn)生的氫氣的量，由此減 少伴隨的二氧化碳副產(chǎn)物產(chǎn)生，且減少饋送至燃料電池的一氧化碳的量(若存在的話)，從 而潛在地減少燃料電池自身中產(chǎn)生的二氧化碳的量。在本發(fā)明的方法中，以每千瓦時(shí)所產(chǎn) 生的電不超過(guò)400克(400g/kWh)的速率產(chǎn)生二氧化碳。在一優(yōu)選實(shí)施例中，在本發(fā)明的方 法中以不超過(guò)350g/kWh的速率產(chǎn)生二氧化碳，且在一更優(yōu)選實(shí)施例中，在本發(fā)明的方法中 以不超過(guò)300g/kWh的速率產(chǎn)生二氧化碳。參看圖2，在一實(shí)施例中，本發(fā)明的方法利用包括經(jīng)熱學(xué)整合的氫氣分離蒸汽重整 反應(yīng)器及固態(tài)氧化物燃料電池的系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生電力。包括一個(gè)或更多個(gè)高溫氫氣分離膜103 的蒸汽重整反應(yīng)器101可操作性地耦合至固態(tài)氧化物燃料電池105以將主要含有氫氣的第 一氣流提供至燃料電池105的陽(yáng)極107，而來(lái)自燃料電池105的廢氣將驅(qū)動(dòng)所述重整反應(yīng)器 101中的重整及變換反應(yīng)所必要的熱提供至重整反應(yīng)器101?？蓮年?yáng)極廢氣分離主要包含 氫氣的第二氣流且將其饋送回至陽(yáng)極107中。第一及第二氣流饋送至燃料電池105的流量 可經(jīng)選擇以通過(guò)使用氫氣充滿燃料電池105以掃除來(lái)自燃料電池中的電化學(xué)反應(yīng)的氧化 產(chǎn)物，從而在燃料電池105中以高電力密度產(chǎn)生電。在該方法的一實(shí)施例中，包含有在高達(dá)5MPa、或高達(dá)4MPa，或高達(dá)3Mpa的壓力下 至多300°C的溫度下為氣態(tài)的烴(例如，在高壓下至少300°C的溫度下的氣態(tài)烴)的氫氣源 的進(jìn)料可經(jīng)由管線109饋送至重整反應(yīng)器101。在該方法的此實(shí)施例中，在高達(dá)5MPa的壓 力下至多300°C的溫度下汽化的任何(可選地氧化)烴可用作進(jìn)料。這些進(jìn)料可包括(但 不限于)甲烷、甲醇、乙烷、乙醇、丙烷、丁烷及在每一分子中具有1至4個(gè)碳原子的輕烴。在 一優(yōu)選實(shí)施例中，進(jìn)料可為甲烷或天然氣。蒸汽可經(jīng)由管線111饋送至重整反應(yīng)器101以 與重整器101的重整區(qū)域115中的進(jìn)料混合?？稍趶?00°C至650°C的溫度下將進(jìn)料及蒸汽饋送至重整器101，其中如下文描述 進(jìn)料及蒸汽可在熱交換器113中加熱至所需溫度?？稍谶M(jìn)料于熱交換器113中加熱之前， 或可選地在于熱交換器113中加熱之后但在饋送至重整反應(yīng)器101之前在脫硫器121中將 進(jìn)料脫硫，以從進(jìn)料移除硫，使得進(jìn)料不污染重整反應(yīng)器101中的任何催化劑。進(jìn)料可在脫 硫器121中通過(guò)接觸常規(guī)加氫脫硫催化劑而脫硫。將進(jìn)料及蒸汽饋送至重整反應(yīng)器101中的重整區(qū)域115中。重整區(qū)域115可在其 中含有重整催化劑，及優(yōu)選地確實(shí)在其中含有重整催化劑。重整催化劑可為常規(guī)蒸汽重整 催化劑，且可為此項(xiàng)技術(shù)中任何已知的蒸汽重整催化劑。可使用的典型蒸汽重整催化劑包 括(但不限于)第八族過(guò)渡金屬，尤其是鎳。常常需要將重整催化劑支撐在耐火基板(或 支撐物)上。支撐物(若使用)優(yōu)選為惰性化合物。適用作支撐物的惰性化合物含有周期 表中的第三族及第四族元素，諸如Al、Si、Ti、Mg、Ce及ττ的氧化物或碳化物。在可有效地形成含有氫氣及碳氧化物的重整產(chǎn)物氣體的溫度下在重整反應(yīng)器101 的重整區(qū)域115中混合進(jìn)料及蒸汽并與重整催化劑接觸。經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體可包括由蒸汽 重整所述進(jìn)料中的烴而形成的化合物。經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體亦可包括由對(duì)通過(guò)使用額外蒸汽 進(jìn)行蒸汽重整而產(chǎn)生的一氧化碳進(jìn)行變換反應(yīng)所形成的化合物。經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體可含有氫氣及至少一種碳氧化物?？稍诮?jīng)重整的產(chǎn)物氣體中的碳氧化物包括一氧化碳及二氧化碳。一個(gè)或更多個(gè)高溫管狀氫氣分離膜103可位于重整反應(yīng)器101的重整區(qū)域115 中，其定位成使得經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體可接觸氫氣分離膜103，且氫氣可穿過(guò)膜壁123至位于 管狀膜103內(nèi)的氫氣管道125。膜壁123使氫氣管道125不與重整區(qū)域115中的經(jīng)重整的 產(chǎn)物氣體、進(jìn)料及蒸汽的非氫化合物氣態(tài)連通，且可選擇性地透過(guò)氫氣(元素態(tài)和/或分 子)，以使得經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體中的氫氣可經(jīng)過(guò)膜壁123傳遞至氫氣管道125，同時(shí)由膜壁 123防止重整區(qū)域中的其它氣體傳遞至氫氣管道125。重整區(qū)域中的高溫管狀氫氣分離膜103可包含涂覆有可選擇性地透過(guò)氫氣的金 屬薄層或合金薄層的支撐物。支撐物可由氫氣能穿過(guò)的陶瓷或金屬材料形成。多孔不銹鋼 或多孔氧化鋁為用于膜103的支撐物的優(yōu)選材料。涂覆于支撐物上的氫氣選擇性金屬或合 金可選自第八族金屬，包括(但不限于)Pd、Pt、Ni、Ag、Ta、V、Y、Nb、Ce、In、Ho、La、Au及 Ru，特別為合金的形式。鈀及鉬合金為優(yōu)選的。用于該方法中的特定優(yōu)選膜103具有涂覆 多孔不銹鋼支撐物的具有高表面積的非常薄的鈀合金膜?？墒褂妹绹?guó)專利第6152987號(hào)中 揭示的方法制備此類型膜。具有高表面積的鈀合金或鉬合金薄膜亦將適合用作氫氣選擇性 材料。重整反應(yīng)器101的重整區(qū)域115內(nèi)的壓力維持在顯著高于管狀膜103的氫氣管道 125內(nèi)的壓力的水準(zhǔn)，以使得強(qiáng)制氫氣從重整反應(yīng)器的重整區(qū)域115經(jīng)過(guò)膜壁123至氫氣 管道125中。在一實(shí)施例中，氫氣管道125維持在大氣壓下或接近大氣壓，且重整區(qū)域維持 在至少0. 5MPa、或至少1. OMPa、或至少2MPa，或至少3MPa的壓力下?？赏ㄟ^(guò)以高壓將進(jìn)料 和/或蒸汽注入至重整區(qū)域115中而將重整區(qū)域115維持在這種高壓下。舉例來(lái)說(shuō)，進(jìn)料 可包含注入至重整區(qū)域115中的具有至少0. 5MPa、或至少1. OMPa、或至少2. OMPa，或至少 3. OMPa的壓力的高壓天然氣。可選擇地，在退出熱交換器113之后，可使用壓縮機(jī)124將進(jìn) 料和/或蒸汽壓縮至至少0. 5MPa、或至少1. OMPa、或至少2. OMPa，或至少3. OMPa的壓力，接 著注入至重整反應(yīng)器101中。在重整反應(yīng)器101的重整區(qū)域115中混合進(jìn)料及蒸汽并使其接觸重整催化劑的溫 度為至少400°C，且優(yōu)選地可在從400°C至650°C的范圍內(nèi)，且最佳地在從450°C至550°C的 范圍內(nèi)。與在超過(guò)750°C的溫度下產(chǎn)生氫氣的典型蒸汽重整反應(yīng)不同，本方法的重整反應(yīng) 的平衡被驅(qū)動(dòng)至在400°C至650°C的重整反應(yīng)器101操作溫度范圍中產(chǎn)生氫氣，這是由于氫 氣被從重整區(qū)域115移除至氫氣分離膜103的氫氣管道125中。400°C至650°C的操作溫 度亦有利于變換反應(yīng)，從而將一氧化碳及蒸汽轉(zhuǎn)化成更多氫氣，氫氣接著被從重整區(qū)域115 經(jīng)過(guò)膜103的膜壁部件123移除至氫氣分離膜103的氫氣管道125中。如下文進(jìn)一步詳細(xì) 描述的那樣，燃料電池105廢氣可用于經(jīng)由廢氣管道117及119而提供引起重整反應(yīng)器101 的重整區(qū)域115中的重整反應(yīng)及變換反應(yīng)所需的熱?？山?jīng)由管線127而從重整區(qū)域115移除非氫氣態(tài)流，其中非氫氣態(tài)流可包括未反 應(yīng)進(jìn)料、未從經(jīng)重整產(chǎn)物氣體分離的少量氫氣及經(jīng)重整產(chǎn)物氣體中的氣態(tài)非氫重整產(chǎn)物。 非氫重整產(chǎn)物及未反應(yīng)進(jìn)料可包括二氧化碳、水(為蒸汽)及少量一氧化碳及未反應(yīng)烴。在一實(shí)施例中，從重整區(qū)域115分離的非氫氣態(tài)流可為含有以折干計(jì)算至少0. 9， 或至少0. 95，或至少0. 98克分子份數(shù)二氧化碳的二氧化碳?xì)饬?。二氧化碳?xì)饬骺蔀榫哂兄辽買MPa、或至少2MPa，或至少2. 5MPa的壓力的高壓氣流。高壓二氧化碳?xì)饬髟谄渫顺鲋卣?反應(yīng)器101時(shí)可含有相當(dāng)大量的為蒸汽的水?？赏ㄟ^(guò)將氣流經(jīng)由管線127傳送過(guò)熱交換器 113以與饋送至重整反應(yīng)器101的蒸汽及進(jìn)料進(jìn)行交換熱而從高壓二氧化碳?xì)饬饕瞥?從而冷卻高壓二氧化碳?xì)饬?。?jīng)冷卻的高壓二氧化碳?xì)饬骺蛇M(jìn)一步冷卻以在一個(gè)或更多個(gè) 熱交換器129(圖中顯示了一個(gè)熱交換器)中從氣流來(lái)冷凝水，其中經(jīng)冷卻的高壓二氧化碳 流可經(jīng)由管線131從熱交換器113傳遞至熱交換器129。若存在一個(gè)以上熱交換器129，則 熱交換器129可串行地配置以順序地冷卻高壓二氧化碳流。可經(jīng)由管線133從(最終)熱 交換器129移除干燥高壓二氧化碳流。可經(jīng)由管線155將經(jīng)冷凝的水饋送至冷凝器151。干燥高壓二氧化碳流可在渦輪機(jī)135中膨脹以驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)135且產(chǎn)生低壓二氧化 碳流。干燥高壓二氧化碳流在渦輪機(jī)135中的膨脹可用于產(chǎn)生除了由燃料電池105產(chǎn)生的 電之外的電。或者，渦輪機(jī)135可用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)161，其可用于如下文描述壓縮饋送至燃 料電池105的含有氫氣的氣流，和/或驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)124以壓縮饋送至重整反應(yīng)器101的蒸 汽和/或進(jìn)料。低壓二氧化碳流可被“螯合”(sequestered)或用以使飲料碳酸化?；蛘?，高壓二氧化碳流可不轉(zhuǎn)化成低壓二氧化碳流，且可用于由將高壓二氧化碳 流注入至油層中而增強(qiáng)從油層的采油。可通過(guò)選擇性地傳遞氫氣經(jīng)過(guò)氫氣分離膜103的膜壁123至氫氣分離膜103的氫 氣管道125中而從重整反應(yīng)器101中的經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體分離含有氫氣的第一氣流。第一 氣流可含有非常高的氫氣濃度，且可含有至少0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8、或至少0. 9，或 至少0. 95，或至少0. 98克分子份數(shù)的氫氣。包含蒸汽的吹掃氣體可經(jīng)由管線137注入至氫氣管道125中以將氫氣從膜壁123 的內(nèi)部部分吹掃至氫氣管道125中，由此增加可借助于氫氣分離膜103從重整區(qū)域115分 離氫氣的速率。可經(jīng)由氫氣出口管線139從氫氣分離膜103及重整反應(yīng)器101移除第一氣 流及蒸汽吹掃氣體?？山?jīng)由氫氣出口管線139將第一氣流及蒸汽吹掃氣體饋送至熱交換器141以冷卻 第一氣流及蒸汽吹掃氣體。經(jīng)組合的第一氣流及蒸汽吹掃氣體在退出重整反應(yīng)器101后可 具有從400°C至650°C的溫度，通常為從450°C至550°C的溫度。組合的第一氣流及蒸汽吹 掃氣體可在熱交換器141中與初始進(jìn)料及水/蒸汽交換熱。初始進(jìn)料可經(jīng)由管線143提供 至熱交換器141，且水/蒸汽可經(jīng)由管線145提供至熱交換器141，其中進(jìn)料及水的流量可 分別由計(jì)量閥142及144調(diào)節(jié)。經(jīng)加熱的進(jìn)料及蒸汽可分別經(jīng)由管線147及149饋送至熱 交換器113，以用于如上文描述在饋送至重整反應(yīng)器101之前進(jìn)一步加熱。經(jīng)冷卻的組合的 第一氣流及蒸汽吹掃氣體可經(jīng)由管線152饋送至冷凝器151，以通過(guò)與經(jīng)由管線153饋送至 冷凝器151中的水及經(jīng)由管線155從高壓二氧化碳?xì)饬鞣蛛x的經(jīng)冷凝的水交換熱而從組合 的氣流冷凝水。可使在冷凝器151中冷凝的水及經(jīng)由管線153及155饋送至冷凝器151的水經(jīng)過(guò) 聚水管線157傳遞至泵159，該泵159將水抽汲至一個(gè)或更多個(gè)熱交換器129以用于與經(jīng) 冷卻的高壓二氧化碳?xì)饬鬟M(jìn)行熱交換以加熱水，同時(shí)進(jìn)一步冷卻經(jīng)冷卻的高壓二氧化碳?xì)?流。如上文描述，經(jīng)加熱的水/蒸汽可經(jīng)由管線145傳遞至熱交換器141，以用于在熱交換 器113中進(jìn)一步加熱之后進(jìn)一步加熱以產(chǎn)生待饋送至重整反應(yīng)器101的蒸汽。含有氫氣及極少水或無(wú)水的經(jīng)冷卻的第一氣流可經(jīng)由管線163從冷凝器151饋送
18至壓縮機(jī)161中。第一氣流在退出重整反應(yīng)器及經(jīng)由熱交換器141及冷凝器151饋送至 壓縮機(jī)161之后可具有大氣壓力或接近大氣壓的壓力?？稍陴佀椭寥剂想姵?05之前在 壓縮機(jī)161中壓縮第一氣流以增加第一氣流的壓力。在一實(shí)施例中，第一氣流可壓縮至從 0. 15MPa至0. 5MPa，且優(yōu)選地從0. 2MPa至0. 3MPa的壓力。用以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)161的能量可 通過(guò)高壓二氧化碳流在操作性地耦合以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)161的渦輪機(jī)135中的膨脹而提供?？山又?jīng)由至陽(yáng)極入口 165中的管線167而將第一氣流饋送至固態(tài)氧化物燃料電 池105的陽(yáng)極107。第一氣流將氫氣提供至陽(yáng)極以用于在燃料電池中沿陽(yáng)極路徑長(zhǎng)度與在 一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處的氧化劑進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。第一氣流饋送至燃料電池105的陽(yáng)極 107的流量可通過(guò)選擇進(jìn)料及蒸汽饋送至重整反應(yīng)器101的流量而選擇，該流量可由計(jì)量 閥142及144控制。含有氫氣的第二氣流亦可被饋送至燃料電池105的陽(yáng)極107。從含有氫氣及水的 陽(yáng)極廢氣流分離第二氣流?？赏ㄟ^(guò)將陽(yáng)極廢氣流冷卻至足以從陽(yáng)極廢氣流冷凝水而從陽(yáng)極 廢氣流分離第二氣流以產(chǎn)生含有氫氣的第二氣流。陽(yáng)極廢氣流經(jīng)由陽(yáng)極廢氣出口 169退出陽(yáng)極107。陽(yáng)極廢氣流最初可通過(guò)在重整 反應(yīng)器中與蒸汽及進(jìn)料進(jìn)行熱交換而冷卻。在一實(shí)施例中，陽(yáng)極廢氣流最初可通過(guò)被饋送 通過(guò)管線173至延伸入重整反應(yīng)器105的重整區(qū)域115中且位于重整反應(yīng)器105的重整區(qū) 域115內(nèi)的一個(gè)或更多個(gè)重整器陽(yáng)極廢氣管道119而冷卻。如下文進(jìn)一步詳細(xì)描述，當(dāng)陽(yáng) 極廢氣流在重整器陽(yáng)極廢氣管道119中經(jīng)過(guò)重整區(qū)域115時(shí)，可在陽(yáng)極廢氣流與重整反應(yīng) 器101的重整區(qū)域115中的進(jìn)料及蒸汽之間交換熱，從而冷卻陽(yáng)極廢氣流且加熱在反應(yīng)器 101中的蒸汽及進(jìn)料。在與重整反應(yīng)器101的重整區(qū)域115中的進(jìn)料及蒸汽交換熱之后，經(jīng)冷卻的陽(yáng)極 廢氣流可經(jīng)由管線174退出陽(yáng)極廢氣管道119至熱交換器141，在熱交換器141中經(jīng)冷卻的 陽(yáng)極廢氣可進(jìn)一步冷卻。在一實(shí)施例中，為控制第二氣流至燃料電池105的流量，陽(yáng)極廢氣 流的至少一部分可經(jīng)由管線179從熱交換器141傳遞至冷凝器175，以在陽(yáng)極廢氣流的選定 部分中使氫氣與水分離?？赏ㄟ^(guò)在冷凝器175中從陽(yáng)極廢氣流冷凝水而從陽(yáng)極廢氣流的選 定部分分離氫氣。經(jīng)分離的氫氣可經(jīng)由管線176饋送至氫氣儲(chǔ)存槽177。從冷凝器175冷 凝的水可經(jīng)由管線180饋送至泵159。未饋送至冷凝器175的用于分離入氫氣槽177中的經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流用于在傳 遞過(guò)熱交換器141之后將第二氣流提供至燃料電池105?？赏ㄟ^(guò)經(jīng)由管線181將冷卻的陽(yáng)極 廢氣流饋送至管線152而將退出熱交換器141的經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流與第一氣流及蒸汽吹 掃氣體混合。陽(yáng)極廢氣流、第一氣流及蒸汽吹掃氣體的混合物可接著饋送至冷凝器151以 進(jìn)一步冷卻陽(yáng)極廢氣流。經(jīng)由自陽(yáng)極廢氣流冷凝水后得到的第二氣流可經(jīng)由管線163從冷 凝器151分離，與第一氣流混合在一起。第二氣流可含有至少0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8、 或至少0. 9，或至少0. 95，或至少0. 98克分子份數(shù)克分子份數(shù)的氫氣，其中可通過(guò)以折干計(jì) 算地測(cè)定經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流的氫氣含量而測(cè)定第二氣流的氫氣含量。來(lái)自陽(yáng)極廢氣流的 水可與來(lái)自第一氣流及蒸汽吹掃氣體的水一起在冷凝器151中冷凝，且經(jīng)由管線157自冷 凝器151移除以饋送至泵159。計(jì)量閥183及185可用于選擇第二氣流至固態(tài)氧化物燃料電池105的流量?？赏?過(guò)與計(jì)量陽(yáng)極廢氣流至冷凝器151的流量協(xié)調(diào)地調(diào)整閥183及185 (這種調(diào)整調(diào)節(jié)第二氣流至固態(tài)氧化物燃料電池105的流量)而選擇第二氣流至固態(tài)氧化物燃料電池的流量。閥 183可完全關(guān)閉，從而阻斷陽(yáng)極廢氣流至冷凝器175的流動(dòng)及氫氣至氫氣槽177的流動(dòng)，且 閥185可完全打開以允許全部陽(yáng)極廢氣流流動(dòng)至冷凝器151且第二氣流以最大流量流動(dòng)至 固態(tài)氧化物燃料電池105。在一優(yōu)選實(shí)施例中，可通過(guò)相應(yīng)于陽(yáng)極廢氣流的水和/或氫氣含 量自動(dòng)地調(diào)整計(jì)量閥183及185而將第二氣流至燃料電池105的流量自動(dòng)地控制為一選定 流量。在一實(shí)施例中，小部分的組合的第一及第二氣流可作為瀉放流傳遞過(guò)氫氣分離設(shè) 備187，以移除在產(chǎn)生第一氣流及第二氣流中的其后續(xù)再循環(huán)時(shí)，由于由重整反應(yīng)器101中 的氫氣分離膜103對(duì)氫氣與碳氧化物的不完全分離而可存在于第一及第二氣流中的任何 少量碳氧化物?？衫瞄y189及191控制瀉放流至氫氣分離設(shè)備187的流動(dòng)，其中優(yōu)選地， 閥189及191可允許組合的第一及第二氣流同時(shí)經(jīng)由管線193及195或者分別經(jīng)由管線 193或管線195的定量流動(dòng)。氫氣分離設(shè)備187優(yōu)選地為可有效地用于分離氫氣與碳氧化 物的壓力變化吸附裝置，或可為諸如上文描述的可選擇性地透過(guò)氫氣的膜。管線195及197 中的第一及第二氣流可被組合以經(jīng)由管線167饋送至固態(tài)氧化物燃料電池105。在該方法的一實(shí)施例中，可為了固態(tài)氧化物燃料電池105的有效操作而選擇組合 的第一及第二氣流的溫度及壓力，具體地說(shuō)，該溫度不應(yīng)太低以致抑制燃料電池的電化學(xué) 反應(yīng)性，且不應(yīng)太高以致引起燃料電池105中的不受控制的發(fā)熱反應(yīng)。在一實(shí)施例中，經(jīng)組 合的第一及第二氣流的溫度可在自25°C至300°C、或自50°C至200°C，或自75°C至150°C的 范圍內(nèi)。組合的第一及第二流的壓力可通過(guò)由壓縮機(jī)161提供至組合的第一及第二氣流的 壓縮而控制，且可為自0. 15MPa至0. 5MPa，或自0. 2MPa至0. 3MPa。含氧氣流可經(jīng)由管線203經(jīng)過(guò)陰極入口 201饋送至燃料電池的陰極199。含氧氣 流可由空氣壓縮機(jī)或氧氣槽(圖上未顯示)提供。在一實(shí)施例中，含氧氣流可為空氣或純 氧氣。在另一實(shí)施例中，含氧氣流可為含有至少21%氧氣的富氧空氣流，其中由于富氧空氣 流含有用于在燃料電池中轉(zhuǎn)化成氧離子的更多氧氣，故富氧空氣流在固態(tài)氧化物燃料電池 中提供比空氣高的電效率?？稍陴佀秃鯕饬髦寥剂想姵?05的陰極199之前加熱含氧氣流。在一實(shí)施例中， 含氧氣流可在饋送至燃料電池105的陰極199之前在熱交換器205中通過(guò)與從陰極廢氣出 口 207經(jīng)由管線209提供至熱交換器205的陰極廢氣的一部分交換熱而被加熱至150°C至 350°C的溫度?？墒褂糜?jì)量閥211控制陰極廢氣流至熱交換器205的流量。或者，可由電加 熱器(圖上未顯示)加熱含氧氣流，或含氧氣流可在不加熱的情況下提供至燃料電池105 的陰極199。在本發(fā)明方法的此實(shí)施例中使用的固態(tài)氧化物燃料電池105可為常規(guī)固態(tài)氧化 物燃料電池(優(yōu)選地具有平面或管狀結(jié)構(gòu))，且包含陽(yáng)極107、陰極199及電解質(zhì)213，其中 電解質(zhì)213插于陽(yáng)極107與陰極199之間。固態(tài)氧化物燃料電池可包含堆棧在一起(由互 連件電接合且操作性地連接)的復(fù)數(shù)個(gè)單獨(dú)燃料電池，以使得燃料可流過(guò)經(jīng)堆棧的燃料電 池的陽(yáng)極且含氧氣體可流過(guò)經(jīng)堆棧的燃料電池的陰極。如本文中所用，術(shù)語(yǔ)“固態(tài)氧化物燃 料電池”界定為單一固態(tài)氧化物燃料電池或復(fù)數(shù)個(gè)經(jīng)操作性地連接或堆棧的固態(tài)氧化物燃 料電池。在一實(shí)施例中，陽(yáng)極107由NiArO2金屬陶瓷形成，陰極199由浸漬有氧化鐠且覆 蓋有摻雜SnO的In2O3的經(jīng)摻雜的錳酸鑭或穩(wěn)定化&02形成，且電解質(zhì)213由氧化釔穩(wěn)定的(大致8mol% Y2O3)形成。經(jīng)堆棧的單獨(dú)燃料電池或管狀燃料電池之間的互連件可 為經(jīng)摻雜的鉻酸鑭。固態(tài)氧化物燃料電池105構(gòu)造成使得第一及第二氣流可自陽(yáng)極入口 165流過(guò)燃料 電池105的陽(yáng)極107至陽(yáng)極廢氣出口 169，從而接觸自陽(yáng)極入口 165至陽(yáng)極廢氣出口 169的 陽(yáng)極路徑長(zhǎng)度上的一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)電極。燃料電池105亦構(gòu)造為使得含氧氣體可自陰極入 口 201流過(guò)陰極199至陰極廢氣出口 207，從而接觸自陰極入口 201至陰極廢氣出口 207的 陰極路徑長(zhǎng)度上的一個(gè)或更多個(gè)陰電極。電解質(zhì)213定位于燃料電池105中以防止第一及 第二氣流進(jìn)入陰極且防止含氧氣體進(jìn)入陽(yáng)極，且將氧離子自陰極傳導(dǎo)至陽(yáng)極以用于與所述 一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處的第一及第二氣流中的氫氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。固態(tài)氧化物燃料電池105在可有效地使氧離子能夠自陰極199穿過(guò)電解質(zhì)213至 燃料電池105的陽(yáng)極107的溫度下操作。固態(tài)氧化物燃料電池105可在自700°C至1100°C 的溫度下、或自800°C至1000°C的溫度下操作。氫氣在一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處與氧離子 的氧化反應(yīng)為大量發(fā)熱的反應(yīng)，且反應(yīng)的熱產(chǎn)生操作固態(tài)氧化物燃料電池105所需的熱。 可通過(guò)獨(dú)立地控制第一氣流的溫度、第二氣流的溫度及含氧氣流的溫度及這些氣流饋送至 燃料電池105的流量而控制固態(tài)氧化物燃料電池的操作溫度。在一實(shí)施例中，饋送至燃料 電池的第二氣流的溫度經(jīng)控制為至多100°C的溫度，含氧氣流的溫度經(jīng)控制為至多300°C 的溫度，且第一氣流的溫度經(jīng)控制為至多550°C的溫度，以維持固態(tài)氧化物燃料電池的操作 溫度在自700°C至1100°C的范圍內(nèi)，且優(yōu)選地在自800°C至900°C的范圍內(nèi)。為了起動(dòng)燃料電池105的操作，將燃料電池105加熱至其操作溫度。在一優(yōu)選實(shí) 施例中，可通過(guò)在催化性部分氧化重整反應(yīng)器221中產(chǎn)生含氫氣流且將含氫氣流經(jīng)由管線 223饋送至固態(tài)氧化物燃料電池的陽(yáng)極107來(lái)起動(dòng)固態(tài)氧化物燃料電池105的操作?？赏?過(guò)在存在常規(guī)的部分氧化重整催化劑的情況下在催化性部分氧化重整反應(yīng)器221中燃燒 烴進(jìn)料及氧氣源而在催化性部分氧化重整反應(yīng)器中產(chǎn)生含氫氣流，其中將氧氣源以相對(duì)于 烴進(jìn)料低于化學(xué)計(jì)量的量饋送至催化性部分氧化重整反應(yīng)器。饋送至催化性部分氧化重整反應(yīng)器221的烴進(jìn)料可為液態(tài)或氣態(tài)烴或烴的混合 物，且優(yōu)選為甲烷、天然氣或其它低分子量烴或低分子量烴的混合物。在本發(fā)明的方法的 具體優(yōu)選實(shí)施例中，饋送至催化性部分氧化重整反應(yīng)器221的烴進(jìn)料可為與在重整反應(yīng)器 101中使用的類型相同類型的進(jìn)料以減少進(jìn)行該方法所需的烴進(jìn)料的數(shù)目。饋送至催化性部分氧化重整反應(yīng)器221的含氧進(jìn)料可為純氧氣、空氣或富氧空 氣。含氧進(jìn)料應(yīng)以相對(duì)于烴進(jìn)料低于化學(xué)計(jì)量的量饋送至催化性部分氧化重整反應(yīng)器221 以在催化性部分氧化重整反應(yīng)器221中與烴進(jìn)料燃燒。通過(guò)在催化性部分氧化重整反應(yīng)器221中烴進(jìn)料及含氧氣體的燃燒形成的含氫 氣流含有可在燃料電池105的陽(yáng)極107中借助于接觸陽(yáng)電極中的一個(gè)或更多個(gè)處的氧化劑 而氧化的化合物，包括氫氣及一氧化碳，以及諸如二氧化碳的其它化合物。來(lái)自催化性部分 氧化重整反應(yīng)器221的含氫氣流優(yōu)選地不含有可對(duì)所述燃料電池105的陽(yáng)極107中的一個(gè) 或更多個(gè)陽(yáng)電極進(jìn)行氧化的化合物。在催化性部分氧化重整反應(yīng)器221中形成的含氫氣流為熱的，且可具有至少 700°C、或自700°C至1100°C或自800°C至1000°C的溫度。使用來(lái)自催化性部分氧化重整反 應(yīng)器221的熱含氫氣流以觸發(fā)固態(tài)氧化物燃料電池105的啟動(dòng)在本發(fā)明的方法中為優(yōu)選
21的，這是由于其使得燃料電池105的溫度能夠幾乎瞬時(shí)地上升至燃料電池105的操作溫度。 在一實(shí)施例中，當(dāng)啟動(dòng)燃料電池105的操作以加熱含氧氣體時(shí)，可在熱交換器205中在來(lái)自 催化性部分氧化重整反應(yīng)器的熱含氫氣體與饋送至燃料電池105的陰極199的含氧氣體之 間交換熱。一旦達(dá)到燃料電池105的操作溫度，自催化性部分氧化重整反應(yīng)器221至燃料電 池105中的熱含氫氣流的流動(dòng)可由閥225切斷，同時(shí)通過(guò)打開閥227而將來(lái)自重整反應(yīng)器 101的第一氣流饋送至陽(yáng)極107中?？山又鶕?jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行燃料電池的連續(xù)操作。在另一實(shí)施例中(未在圖2中顯示)，可使用來(lái)自氫氣儲(chǔ)存槽177的氫氣啟動(dòng)氣流 來(lái)開始燃料電池的操作，其中，在將第一氣流引入至燃料電池中之前使氫氣啟動(dòng)氣流經(jīng)過(guò) 啟動(dòng)加熱器以使燃料電池升至其操作溫度。氫氣儲(chǔ)存槽177可操作性地連接至燃料電池以 允許將氫氣啟動(dòng)氣流引入至固態(tài)氧化物燃料電池的陽(yáng)極中。所述啟動(dòng)加熱器可間接地將氫 氣啟動(dòng)氣流加熱至自750°C至1000°C的溫度。所述啟動(dòng)加熱器可為電加熱器或可為燃燒加 熱器。一旦達(dá)到燃料電池的操作溫度，可通過(guò)一閥切斷氫氣啟動(dòng)氣流至燃料電池中的流動(dòng)， 且可將第一氣流及含氧氣流引入至燃料電池中以開始燃料電池的操作。再參看圖2，在燃料電池105的操作的啟動(dòng)期間，可將含氧氣流引入至燃料電池 105的陰極199中。含氧氣流可為空氣、含有至少21%的氧氣的富氧空氣，或純氧氣。優(yōu)選 地，含氧氣流為在啟動(dòng)燃料電池的操作之后在燃料電池105操作期間將被饋送至陰極199 的含氧氣流。在一優(yōu)選實(shí)施例中，在燃料電池的啟動(dòng)期間饋送至燃料電池的陰極199的含氧氣 流具有至少500°C、優(yōu)選至少650°C，且更優(yōu)選至少750°C的溫度?？稍趯⒑鯕饬黟佀椭凉?態(tài)氧化物燃料電池105的陰極199之前利用電加熱器加熱含氧氣流。在一優(yōu)選實(shí)施例中， 用于啟動(dòng)燃料電池105的操作的含氧氣流可在饋送至燃料電池105的陰極199之前在熱交 換器205中通過(guò)與來(lái)自催化性部分氧化重整反應(yīng)的熱含氫氣流進(jìn)行熱交換而受到加熱。一旦燃料電池105的操作已開始，第一及第二氣流可在燃料電池105中的一個(gè)或 更多個(gè)陽(yáng)極電極處與氧離子氧化劑混合以產(chǎn)生電。氧離子氧化劑從流過(guò)燃料電池105的陰 極199的含氧氣流中的氧氣得到且被傳導(dǎo)越過(guò)燃料電池的電解質(zhì)213。通過(guò)將第一氣流、第 二氣流及含氧氣流以選定的獨(dú)立流量饋送至燃料電池105同時(shí)在自750°C至1100°C的溫度 下操作燃料電池而在燃料電池105的一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處在陽(yáng)極107中混合饋送至燃 料電池105的陽(yáng)極107的第一及第二氣流及氧化劑。優(yōu)選地，在燃料電池105的一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處混合第一、第二氣流及氧化 劑以按至少0. 4W/cm2、優(yōu)選至少0. 5W/cm2、或至少0. 75W/cm2、或至少lW/cm2、或至少1. 25W/ cm2或至少1. 5ff/cm2的電力密度產(chǎn)生電?？赏ㄟ^(guò)獨(dú)立地選擇并控制第一氣流及第二氣流至 燃料電池105的陽(yáng)極107的流量而以這種電力密度產(chǎn)生電?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整計(jì)量閥142及142 來(lái)選擇并控制進(jìn)料及蒸汽饋送至重整反應(yīng)器的流量而選擇并控制第一氣流至燃料電池105 的陽(yáng)極107的流量。可通過(guò)如上文描述調(diào)整計(jì)量閥183及185來(lái)選擇并控制陽(yáng)極廢氣流至 冷凝器151的流量而選擇并控制第二氣流至燃料電池105的陽(yáng)極107的流量。在一實(shí)施例 中，計(jì)量閥183及185可由反饋電路(圖上未顯示)自動(dòng)地調(diào)整，反饋電路量測(cè)陽(yáng)極廢氣流 中的水和/或氫氣含量以選擇第二氣流饋送至燃料電池105的流量，且調(diào)整計(jì)量閥183、185 以通過(guò)調(diào)整第二氣流饋送至燃料電池105的流量而維持陽(yáng)極廢氣流中的選定水和/或氫氣含量。在本發(fā)明的方法中，在一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處混合第一、第二氣流與氧化劑，通 過(guò)氧化劑氧化存在于饋送至燃料電池105的第一及第二氣流中的氫氣的一部分而產(chǎn)生水 (為蒸汽)。利用氧化劑氧化氫氣所產(chǎn)生的水被第一及第二氣流的未反應(yīng)部分掃過(guò)燃料電 池105的陽(yáng)極107以作為陽(yáng)極廢氣流的一部分而退出陽(yáng)極107。在本發(fā)明方法的實(shí)施例中，可獨(dú)立地選擇第一氣流饋送至陽(yáng)極107的流量及第二 氣流饋送至陽(yáng)極107的流量，以使得每單位時(shí)間在燃料電池中形成的水的量相對(duì)于每單位 時(shí)間陽(yáng)極廢氣中的氫氣的量的比率為至多1. 0、或至多0. 75、或至多0. 67、或至多0. 43、或 至多0.25，或至多0. 11。在一實(shí)施例中，可以摩爾為單位量測(cè)燃料電池中形成的水的量與 陽(yáng)極廢氣中氫氣的量，以使得每單位時(shí)間以摩爾計(jì)的每單位時(shí)間燃料電池中形成的水的量 與每單位時(shí)間陽(yáng)極廢氣中氫氣的量的比率為至多1. 0、或至多0. 75、或至多0. 67、或至多 0.43、或至多0.25，或至多0. 11。在本發(fā)明的方法的另一實(shí)施例中，可獨(dú)立地選擇第一氣 流饋送至陽(yáng)極107的流量及第二氣流饋送至陽(yáng)極107的流量，以使得陽(yáng)極廢氣流含有至少 0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8，或至少0. 9克分子份數(shù)的氫氣。在一實(shí)施例中，可獨(dú)立地選 擇第一氣流饋送至陽(yáng)極107的流量及第二氣流饋送至陽(yáng)極107的流量，以使得陽(yáng)極廢氣流 含有饋送至陽(yáng)極107的組合的第一及第二氣流中的氫氣的至少50%、或至少60%、或至少 70%、或至少80%，或至少90%。在一實(shí)施例中，可獨(dú)立地選擇第一氣流饋送至陽(yáng)極107的 流量及第二氣流饋送至陽(yáng)極107的流量，以使得燃料電池的每道氫氣利用率為至多50%、 或至多40%、或至多30%、或至多20%，或至多10%。提供至固態(tài)氧化物燃料電池105的陰極199的含氧氣流的流量應(yīng)經(jīng)選擇以提供足 夠氧化劑至陽(yáng)極，從而當(dāng)在一個(gè)或多個(gè)陽(yáng)極電極處與來(lái)自第一及第二氣流的燃料組合時(shí)按 至少0. 4W/cm2、或至少0. 5W/cm2、或至少0. 75W/cm2、或至少lW/cm2、或至少1. 25W/cm2，或至 少1. 5ff/cm2的電力密度產(chǎn)生電?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整計(jì)量閥215而選擇并控制含氧氣流至陰極199
的流量。重整反應(yīng)器101及固態(tài)氧化物燃料電池105可熱學(xué)整合，以使得來(lái)自燃料電池105 中的發(fā)熱電化學(xué)反應(yīng)的熱提供至重整反應(yīng)器101的重整區(qū)域115以驅(qū)動(dòng)重整反應(yīng)器101中 的吸熱重整反應(yīng)。如上文描述，一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極廢氣管道119及一個(gè)或更多個(gè)陰極廢氣 管道117可延伸至且定位于重整反應(yīng)器101的重整區(qū)域115中。熱陽(yáng)極廢氣流可從陽(yáng)極廢 氣出口 169退出燃料電池105的陽(yáng)極107，且經(jīng)由管線173進(jìn)入重整區(qū)域115中的陽(yáng)極廢 氣管道119，和/或熱陰極廢氣流可自陰極廢氣出口 207退出燃料電池105的陰極199，且 經(jīng)由管線217進(jìn)入重整區(qū)域115中的陰極廢氣管道117。當(dāng)陽(yáng)極廢氣流經(jīng)過(guò)陽(yáng)極廢氣管道 119時(shí)，來(lái)自熱陽(yáng)極廢氣流的熱可在陽(yáng)極廢氣流與重整區(qū)域115中的蒸汽與進(jìn)料的混合物 之間交換。類似地，當(dāng)陰極廢氣流經(jīng)過(guò)陰極廢氣管道117時(shí)，來(lái)自熱陰極廢氣流的熱可在陰 極廢氣流與重整區(qū)域115中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間交換。自發(fā)熱固態(tài)氧化物燃料電池105至吸熱重整反應(yīng)器101的熱交換為高度有效的。 陽(yáng)極廢氣管道119和/或陰極廢氣管道117在重整反應(yīng)器101的重整區(qū)域115內(nèi)的定位允 許熱陽(yáng)極廢氣流和/或陰極廢氣流與反應(yīng)器101內(nèi)的進(jìn)料和蒸汽的混合物之間的熱交換， 從而在發(fā)生重整反應(yīng)的位置處將熱轉(zhuǎn)移至進(jìn)料及蒸汽。此外，由于管道117及119在催化 劑床附近，重整區(qū)域115內(nèi)陽(yáng)極和/或陰極廢氣管道119及117的位置允許熱陽(yáng)極廢氣流和/或陰極廢氣流加熱重整區(qū)域115中的重整催化劑。此外，除了由1)陽(yáng)極廢氣流；或2)陰極廢氣流；或3)陽(yáng)極廢氣流組合陰極廢氣 流提供的熱之外不需要提供額外的熱至重整反應(yīng)器101來(lái)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器101中的重整反應(yīng)及 變換反應(yīng)以產(chǎn)生經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體及第一氣流。如上文提出，在重整反應(yīng)器101內(nèi)進(jìn)行重 整及變換反應(yīng)所需的溫度為自40(TC至650°C，其遠(yuǎn)低于常規(guī)重整反應(yīng)器溫度(其為至少 750°C，且通常為800°C至900°C )。歸因于通過(guò)由高溫氫氣分離膜103分離來(lái)自重整反應(yīng) 器101的氫氣造成的重整反應(yīng)中的平衡變換，重整反應(yīng)器可在這種低溫下運(yùn)行。陽(yáng)極廢氣 流及陰極廢氣流可分別具有自800°C至1000°C的溫度，其在進(jìn)料及蒸汽的混合物與陽(yáng)極廢 氣流、或陰極廢氣流，或陽(yáng)極及陰極廢氣流兩者之間熱交換后足以驅(qū)動(dòng)重整反應(yīng)器101中 的較低溫重整及變換反應(yīng)。在本發(fā)明方法的實(shí)施例中，當(dāng)陽(yáng)極廢氣流經(jīng)過(guò)陽(yáng)極廢氣管道119時(shí)，陽(yáng)極廢氣流 與重整區(qū)域115中的蒸汽及進(jìn)料的混合物之間的熱交換可提供供給反應(yīng)器101中的蒸汽及 進(jìn)料的混合物的相當(dāng)大量的熱以驅(qū)動(dòng)重整及變換反應(yīng)。在本發(fā)明方法的實(shí)施例中，陽(yáng)極廢 氣流與反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間的熱交換可提供供給反應(yīng)器101中的蒸汽 和進(jìn)料的混合物的熱的至少40%、或至少50%、或至少70%，或至少90%。在一實(shí)施例中， 供應(yīng)至重整反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱基本上由在經(jīng)過(guò)陽(yáng)極廢氣管道119的 陽(yáng)極廢氣流與重整反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間交換的熱組成。在該方法的實(shí) 施例中，陽(yáng)極廢氣流與反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間的熱交換可受到控制以維 持蒸汽和進(jìn)料的混合物的溫度在400°C至650°C的范圍內(nèi)。在本發(fā)明方法的實(shí)施例中，當(dāng)陰極廢氣流經(jīng)過(guò)陰極廢氣管道117時(shí)，陰極廢氣流 與重整區(qū)域115中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間的熱交換可提供供給至反應(yīng)器101中的蒸汽 和進(jìn)料的混合物的相當(dāng)大量的熱以驅(qū)動(dòng)重整和變換反應(yīng)。在本發(fā)明的方法的實(shí)施例中，陰 極廢氣流與反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間的熱交換可提供供給至反應(yīng)器101中 的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱的至少40%、或至少50%、或至少70%，或至少90%。在一實(shí) 施例中，供應(yīng)至重整反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱基本上由在經(jīng)過(guò)陰極廢氣管 道117的陰極廢氣流與重整反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間交換的熱組成。在該 方法的實(shí)施例中，陰極廢氣流與反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間的熱交換可受到 控制以維持蒸汽和進(jìn)料的混合物的溫度在400°C至650°C的范圍內(nèi)。在一實(shí)施例中，當(dāng)陽(yáng)極廢氣流經(jīng)過(guò)陽(yáng)極廢氣管道119且陰極廢氣流經(jīng)過(guò)重整器陰 極廢氣管道117時(shí)，陽(yáng)極廢氣流、陰極廢氣流與重整區(qū)域115中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間 的熱交換可提供供給至反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的相當(dāng)大量的熱以驅(qū)動(dòng)重整 及變換反應(yīng)。在本發(fā)明的方法的實(shí)施例中，陰極廢氣流與反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混 合物之間的熱交換可提供供給至反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱的高達(dá)60%、或 高達(dá)50 %、或高達(dá)40 %、或高達(dá)30 %，或高達(dá)20 %，同時(shí)陽(yáng)極廢氣流可提供供給至反應(yīng)器 101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱的至少40%、或至少50%、或至少60%、或至少70%，或 至少80%。在一實(shí)施例中，供應(yīng)至重整反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱可基本上 由在陽(yáng)極廢氣流及陰極廢氣流與反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間交換的熱組成。 在該方法的實(shí)施例中，陽(yáng)極廢氣流及陰極廢氣流與反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之 間的熱交換可受到控制以維持蒸汽和進(jìn)料的混合物的溫度在400°C至650°C的范圍內(nèi)。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，由陽(yáng)極廢氣流、或陰極廢氣流，或陽(yáng)極廢氣流和陰極廢氣流提 供至重整反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱足以驅(qū)動(dòng)重整反應(yīng)器101中的重整及變 換反應(yīng)，使得不需要其它熱源來(lái)驅(qū)動(dòng)重整反應(yīng)器101中的反應(yīng)。優(yōu)選地，不通過(guò)燃燒或電加 熱將熱提供至反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物。在一實(shí)施例中，當(dāng)陽(yáng)極廢氣流在陽(yáng)極廢氣管道119中經(jīng)過(guò)重整區(qū)域115時(shí)，陽(yáng)極廢 氣流提供大部分，或?qū)嵸|(zhì)上全部熱至重整反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物以驅(qū)動(dòng)反應(yīng) 器101中的重整及變換反應(yīng)。在此實(shí)施例中，僅需要一些陰極廢氣流或不需要陰極廢氣流 與重整反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物交換熱以驅(qū)動(dòng)重整及變換反應(yīng)。陰極廢氣流經(jīng) 過(guò)重整反應(yīng)器中的陰極廢氣管道117的流動(dòng)可受到控制以控制自陰極廢氣流提供至重整 反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱的量。計(jì)量閥211及220可經(jīng)調(diào)整以控制陰極廢 氣流至陰極廢氣管道117的流動(dòng)，使得陰極廢氣流提供所需要量的熱(若存在)至反應(yīng)器 101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物。無(wú)需用來(lái)加熱反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的陰極 廢氣流可經(jīng)由管線209分流至熱交換器205以加熱饋送至陰極的含氧氣體。在一實(shí)施例中，陰極廢氣流提供大部分或全部熱至重整反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn) 料的混合物以驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器中的重整及變換反應(yīng)。在此實(shí)施例中，僅需要一些陽(yáng)極廢氣流或 不需要陽(yáng)極廢氣流與重整反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物交換熱以驅(qū)動(dòng)重整及變換 反應(yīng)。陽(yáng)極廢氣流經(jīng)過(guò)重整反應(yīng)器中的陽(yáng)極廢氣管道119的流動(dòng)可受到控制以控制自陽(yáng)極 廢氣流提供至重整反應(yīng)器101中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱的量。未用于提供熱至重整反 應(yīng)器101的陽(yáng)極廢氣流的部分可經(jīng)由管線172饋送通過(guò)熱交換器113以加熱進(jìn)入重整反應(yīng) 器101的進(jìn)料及蒸汽，且在陽(yáng)極廢氣流經(jīng)由管線168與管線174中的第一氣流及蒸汽吹掃 氣體組合前冷卻陽(yáng)極廢氣流以用于在熱交換器141中的進(jìn)一步冷卻。陽(yáng)極廢氣流經(jīng)過(guò)熱交 換器113的流動(dòng)可由計(jì)量閥170控制。已經(jīng)過(guò)陰極廢氣管道117的經(jīng)冷卻的陰極廢氣流在其中可仍具有相當(dāng)大量的熱， 且可具有高達(dá)650°C的溫度。經(jīng)冷卻的陰極廢氣流可經(jīng)由出口 218傳遞出陰極廢氣管道，以 經(jīng)由管線219與經(jīng)由閥211定量供給至熱交換器205的任何陰極廢氣流一起饋送至含氧氣 體熱交換器205。在本發(fā)明方法的此實(shí)施例中，對(duì)于由該方法(特別地，自烴進(jìn)料105產(chǎn)生第一氣 流)產(chǎn)生的每單位電而言，可產(chǎn)生相對(duì)少的二氧化碳。首先，在第二氣流中將來(lái)自陽(yáng)極廢氣 流的氫氣再循環(huán)至燃料電池105則減少了需要由重整反應(yīng)器101產(chǎn)生的氫氣的量，由此減 少伴隨的二氧化碳副產(chǎn)物產(chǎn)生。其次，重整反應(yīng)器101與燃料電池105的熱學(xué)整合(其中 在燃料電池105中產(chǎn)生的熱由來(lái)自燃料電池105的陽(yáng)極和/或陰極廢氣在重整反應(yīng)器101 內(nèi)轉(zhuǎn)移)減少了需要提供以驅(qū)動(dòng)吸熱重整反應(yīng)的能量，從而減少例如由燃燒提供該能量的 需要，由此減少在提供能量以驅(qū)動(dòng)重整反應(yīng)中產(chǎn)生的二氧化碳的量。在本發(fā)明方法的此實(shí)施例中，二氧化碳可以每千瓦時(shí)所產(chǎn)生的電不超過(guò)400克 (400g/kffh)的速率產(chǎn)生。在一優(yōu)選實(shí)施例中，在本發(fā)明的方法中以不超過(guò)350g/kWh的速率 產(chǎn)生二氧化碳，且在一更優(yōu)選實(shí)施例中，在本發(fā)明的方法中以不超過(guò)300g/kWh的速率產(chǎn)生 二氧化碳。在另一實(shí)施例中，如圖3中展示，本發(fā)明的方法可使用液態(tài)烴進(jìn)料前驅(qū)物，液態(tài)烴 進(jìn)料前驅(qū)物可在預(yù)重整反應(yīng)器314中加氫裂化，且在一實(shí)施例中部分重整成氣態(tài)烴進(jìn)料，氣態(tài)烴進(jìn)料可接著在氫氣分離蒸汽重整反應(yīng)器301中被重整以產(chǎn)生可用以在固態(tài)氧化物 燃料電池305中產(chǎn)生電的氫氣。該方法為熱學(xué)整合的，其中用以驅(qū)動(dòng)吸熱預(yù)重整反應(yīng)器314 及重整反應(yīng)器301的熱可自發(fā)熱固態(tài)氧化物燃料電池305直接提供于預(yù)重整反應(yīng)器314和 /或重整反應(yīng)器301內(nèi)。包括一個(gè)或更多個(gè)高溫氫氣分離膜303的蒸汽重整反應(yīng)器301操作性地耦合至固 態(tài)氧化物燃料電池305以將主要含有氫氣的第一氣流提供至燃料電池305的陽(yáng)極307，以 使得可在燃料電池305中產(chǎn)生電。預(yù)重整反應(yīng)器314操作性地耦合至蒸汽重整反應(yīng)器301 以自液態(tài)烴進(jìn)料提供氣態(tài)烴進(jìn)料至重整反應(yīng)器301。燃料電池305操作性地耦合至重整反 應(yīng)器301及預(yù)重整反應(yīng)器314，使得燃料電池305可提供驅(qū)動(dòng)所述反應(yīng)器301中的重整及 變換反應(yīng)所必要的熱至重整反應(yīng)器301，且可將液態(tài)烴進(jìn)料前驅(qū)物轉(zhuǎn)化成可在重整反應(yīng)器 301中重整的氣態(tài)烴進(jìn)料所必要的熱提供至預(yù)重整反應(yīng)器314。在此方法中，包含液態(tài)烴的含有氫氣源的進(jìn)料前驅(qū)物可經(jīng)由管線308饋送至預(yù)重 整反應(yīng)器314。進(jìn)料前驅(qū)物可含有任何可汽化烴中的一種或更多種，其在大氣壓下在20°C 下為液態(tài)的(可選地，是氧化的)，且在大氣壓下在高達(dá)400°C的溫度下為可汽化的。這種 進(jìn)料前驅(qū)物可包括(但不限于)輕質(zhì)石油餾分，諸如具有沸點(diǎn)范圍為50°C至205°C的石腦 油、柴油及煤油。進(jìn)料前驅(qū)物可可選地含有在25°C下為氣態(tài)的一些烴，諸如甲烷、乙烷、丙 烷，或在25°C下為氣態(tài)的含有一至四個(gè)碳原子的其它化合物。在一優(yōu)選實(shí)施例中，進(jìn)料前驅(qū) 物可為柴油燃料。蒸汽可經(jīng)由管線312饋送至預(yù)重整反應(yīng)器314以與預(yù)重整反應(yīng)器314的 預(yù)重整區(qū)域316中的進(jìn)料前驅(qū)物混合。進(jìn)料前驅(qū)物及蒸汽可在自250°C至650°C的溫度下饋送至預(yù)重整反應(yīng)器314，其 中如下文描述，進(jìn)料前驅(qū)物及蒸汽可在熱交換器313中加熱至所要溫度。如下文更全面地 描述的那樣，進(jìn)料前驅(qū)物可在預(yù)重整反應(yīng)器314中加氫裂化且汽化以形成氣態(tài)烴進(jìn)料。在 一實(shí)施例中，當(dāng)進(jìn)料前驅(qū)物加氫裂化且汽化以形成氣態(tài)烴進(jìn)料時(shí)，進(jìn)料前驅(qū)物可部分地重 整。來(lái)自預(yù)重整反應(yīng)器314的進(jìn)料及蒸汽可在自300°C至650°C的溫度下饋送至重整反應(yīng) 器 301。進(jìn)料前驅(qū)物可在于熱交換器313中被加熱之前，或可選地在于熱交換器313中被 加熱之后但在饋送至預(yù)重整反應(yīng)器314之前在脫硫器321中脫硫，以移除來(lái)自進(jìn)料前驅(qū)物 的硫，使得進(jìn)料前驅(qū)物不污染預(yù)重整反應(yīng)器314中的任何催化劑。進(jìn)料前驅(qū)物可在脫硫器 321中通過(guò)在常規(guī)脫硫條件下接觸常規(guī)加氫脫硫催化劑而脫硫。將進(jìn)料前驅(qū)物及蒸汽饋送至預(yù)重整反應(yīng)器314中的預(yù)重整區(qū)域316中。預(yù)重整區(qū) 域316可在其中含有預(yù)重整催化劑，及優(yōu)選地確實(shí)在其中含有預(yù)重整催化劑。預(yù)重整催化 劑可為常規(guī)預(yù)重整催化劑，且可為現(xiàn)有技術(shù)中任何已知的催化劑?？墒褂玫牡湫皖A(yù)重整催 化劑包括(但不限于)第八族過(guò)渡金屬，特別為鎳，及在高溫反應(yīng)條件下為惰性的支撐物或 基板。適用作高溫預(yù)重整/加氫裂化催化劑的支撐物的惰性化合物包括(但不限于)α -氧 化鋁及氧化鋯。在可有效地汽化進(jìn)料前驅(qū)物以形成進(jìn)料的溫度下，在預(yù)重整反應(yīng)器314的預(yù)重整 區(qū)域316中混合進(jìn)料前驅(qū)物及蒸汽并使其接觸預(yù)重整催化劑。在預(yù)重整反應(yīng)器314中，在可 有效地汽化進(jìn)料前驅(qū)物的溫度下混合進(jìn)料前驅(qū)物及蒸汽并使其與預(yù)重整催化劑接觸而可 裂化進(jìn)料前驅(qū)物中的烴，從而減少烴的碳鏈長(zhǎng)度，使得經(jīng)裂化的烴可在重整反應(yīng)器301中容易地蒸汽重整。在一實(shí)施例中，進(jìn)料前驅(qū)物及蒸汽在至少600°C、或自700°C至1000°C，或 自700°C至900°C的溫度下，及在自0. IMPa至3MPa、優(yōu)選地自0. IMPa至IMPa，或自0. 2MPa 至0. 5MPa的壓力下混合并與預(yù)重整催化劑接觸。如下文論述，分別經(jīng)由延伸至且定位于預(yù) 重整反應(yīng)器314的預(yù)重整區(qū)域316中的一個(gè)或更多個(gè)預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320和/或一 個(gè)或更多個(gè)預(yù)重整器陰極廢氣管道322從燃料電池305的陽(yáng)極廢氣流和/或陰極廢氣流供 應(yīng)熱以驅(qū)動(dòng)吸熱預(yù)重整反應(yīng)。在一實(shí)施例中，可將相對(duì)于在進(jìn)料前驅(qū)物中饋送至預(yù)重整反應(yīng)器314的烴的量的 過(guò)量蒸汽饋送至預(yù)重整反應(yīng)器314。過(guò)量蒸汽可防止預(yù)重整催化劑在預(yù)重整反應(yīng)期間焦化。 過(guò)量蒸汽亦可與在預(yù)重整反應(yīng)器中產(chǎn)生的進(jìn)料一起從預(yù)重整反應(yīng)器314饋送至蒸汽重整 反應(yīng)器301，其中饋送至重整反應(yīng)器301的蒸汽可在重整反應(yīng)器301中用于重整反應(yīng)器301 中的重整反應(yīng)及變換反應(yīng)。饋送至預(yù)重整反應(yīng)器的蒸汽的量相對(duì)于進(jìn)料前驅(qū)物的量的比率 以體積計(jì)或以摩爾計(jì)可為至少2 1、或至少3 1、或至少4 1，或至少5 1。在預(yù)重整反應(yīng)器314中蒸發(fā)的可選地裂化，及可選地部分重整的進(jìn)料前驅(qū)物形成 可饋送至重整反應(yīng)器301的進(jìn)料。預(yù)重整反應(yīng)器314的預(yù)重整區(qū)域316中的溫度及壓力條 件可經(jīng)選擇以使得在預(yù)重整反應(yīng)器314中形成的進(jìn)料主要含有在25°C下為氣態(tài)，通常在每 一分子中含有一至四個(gè)碳的輕烴。在預(yù)重整反應(yīng)器中形成的進(jìn)料可包括(但不限于)甲烷、 甲醇、乙烷、乙醇、丙烷及丁烷。優(yōu)選地，預(yù)重整反應(yīng)器的溫度及壓力經(jīng)控制以產(chǎn)生含有以折 干計(jì)算至少50% (體積比)、或至少60% (體積比)、或至少80% (體積比)甲烷的進(jìn)料。 在一實(shí)施例中，當(dāng)預(yù)重整反應(yīng)器314至少部分地重整進(jìn)料前驅(qū)物時(shí)，自預(yù)重整反應(yīng)器314饋 送至重整反應(yīng)器301的進(jìn)料可含有氫氣及一氧化碳。一旦在預(yù)重整反應(yīng)器314中形成進(jìn)料，進(jìn)料及剩余蒸汽可在自350°C至650°C的溫 度下經(jīng)由管線309自預(yù)重整反應(yīng)器314饋送至重整反應(yīng)器301，其中進(jìn)料及蒸汽將熱從預(yù) 重整反應(yīng)器314帶入至重整反應(yīng)器301中。來(lái)自預(yù)重整反應(yīng)器314的進(jìn)料和蒸汽的混合物 可在饋送至重整反應(yīng)器301之前使用壓縮機(jī)324加以壓縮，因而重整反應(yīng)器301內(nèi)的壓力 使得在重整反應(yīng)器301中產(chǎn)生的氫氣可經(jīng)由位于重整反應(yīng)器301中的高溫氫氣分離膜303 從重整反應(yīng)器301分離。進(jìn)料和蒸汽的混合物可壓縮為至少0. 5MPa、或至少IMPa、或至少 2MPa，或至少3MPa的壓力。必要時(shí)，來(lái)自在熱交換器313中加熱的蒸汽的額外蒸汽可饋送至重整反應(yīng)器301 的重整區(qū)域315中。所述額外蒸汽可經(jīng)由管線311自熱交換器313饋送至重整反應(yīng)器301。 計(jì)量閥310可用于調(diào)節(jié)自熱交換器313饋送至重整反應(yīng)器301的蒸汽的量。壓縮機(jī)330可 用于將蒸汽壓縮至進(jìn)料和蒸汽的混合物從預(yù)重整反應(yīng)器314及壓縮機(jī)324饋送至重整反應(yīng) 器301的壓力。來(lái)自預(yù)重整反應(yīng)器314的進(jìn)料和蒸汽的混合物及來(lái)自熱交換器313的可選額外蒸 汽可饋送至重整反應(yīng)器301中的重整區(qū)域315中。重整區(qū)域315可在其中含有重整催化 劑，且優(yōu)選地確實(shí)在其中含有重整催化劑。重整催化劑可為常規(guī)蒸汽重整催化劑，且可為本 領(lǐng)域中任何已知的催化劑?？墒褂玫牡湫驼羝卣呋瘎┌?但不限于)第八族過(guò)渡金 屬，特別為鎳。常常需要將重整催化劑支撐在耐火基板(或支撐物)上。支撐物(若使用) 優(yōu)選為惰性化合物。用作支撐物的適合惰性化合物含有周期表中的第三族及第四族元素， 諸如Al、Si、Ti、Mg、Ce及Zr的氧化物或碳化物。
在可有效地形成含有氫氣及碳氧化物的經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體的溫度下，在重整區(qū)域 315中混合進(jìn)料及蒸汽并使其接觸重整催化劑。經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體可由蒸汽重整進(jìn)料中的 烴而形成。經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體亦可通過(guò)變換反應(yīng)進(jìn)料中的一氧化碳而形成，和/或由使用 額外蒸汽的蒸汽重整而產(chǎn)生。經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體可含有氫氣及至少一種碳氧化物。可在經(jīng) 重整的產(chǎn)物氣體中的碳氧化物包括一氧化碳及二氧化碳。在本發(fā)明方法的一實(shí)施例中，一個(gè)或更多個(gè)高溫管狀氫氣分離膜303可位于重整 反應(yīng)器301的重整區(qū)域315中，其定位成使得經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體可接觸氫氣分離膜303，且 氫氣可經(jīng)過(guò)膜壁323傳遞至位于管狀膜303內(nèi)的氫氣管道325。膜壁323使氫氣管道325 不與重整區(qū)域315中的經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體、進(jìn)料及蒸汽的非氫化合物氣態(tài)連通，且使氫氣 (元素態(tài)和/或分子)可選擇性地透過(guò)，以使得經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體中的氫氣可經(jīng)過(guò)膜壁323 傳遞至氫氣管道325，同時(shí)由膜壁323防止重整區(qū)域中的其它氣體傳遞至氫氣管道325。重整區(qū)域中的高溫管狀氫氣分離膜303可包含可選擇性地透過(guò)氫氣的、涂覆有金 屬或合金薄層的支撐物。支撐物可由氫氣能穿過(guò)的陶瓷或金屬材料形成。多孔不銹鋼或多 孔氧化鋁為用于膜303的支撐物的優(yōu)選材料。涂覆于支撐物上的氫氣選擇性金屬或合金可 選自第八族金屬，包括(但不限于)Pd、Pt、Ni、Ag、Ta、V、Y、Nb、Ce、In、Ho、La、Au及Ru，特 別為合金的形式。鈀合金及鉬合金為優(yōu)選的。用于該方法中的特別優(yōu)選的膜303具有涂覆 多孔不銹鋼支撐物的具有高表面積的非常薄的鈀合金膜?？墒褂妹绹?guó)專利No. 6152987中 披露的方法制備此類型膜。具有高表面積的鈀合金膜或鉬合金薄膜亦將適合用作氫氣選擇 性材料。重整反應(yīng)器301的重整區(qū)域315內(nèi)的壓力維持在顯著高于管狀膜303的氫氣管道 325內(nèi)的壓力的水準(zhǔn)，以使得強(qiáng)制氫氣自重整反應(yīng)器301的重整區(qū)域315通過(guò)膜壁323進(jìn)入 氫氣管道325中。在一實(shí)施例中，氫氣管道325維持為大氣壓或接近大氣壓，且重整區(qū)域維 持在至少0. 5MPa、或至少1. OMPa、或至少2MPa，或至少3MPa的壓力下。如上文提及，可通過(guò) 使用壓縮機(jī)324壓縮來(lái)自預(yù)重整反應(yīng)器的蒸汽和進(jìn)料的混合物且以高壓將進(jìn)料和蒸汽的 混合物注入至重整區(qū)域315中而將重整區(qū)域315維持在這種高壓下。或者，可通過(guò)使用壓 縮機(jī)330壓縮來(lái)自熱交換器313的額外蒸汽且將高壓蒸汽注入至重整反應(yīng)器301的重整區(qū) 域315中而將重整區(qū)域315維持在這種高壓下。重整反應(yīng)器301的重整區(qū)域315可維持在 至少0. 5MPa、或至少1. OMPa、或至少2. OMPa，或至少3. OMPa的壓力下。進(jìn)料及蒸汽在重整反應(yīng)器301的重整區(qū)域315中混合并接觸重整催化劑的溫度為 至少400°C，且優(yōu)選地可在自400°C至650°C的范圍內(nèi)，且最優(yōu)選地在自450°C至550°C的范 圍內(nèi)。如上文提及，與在超過(guò)750°C的溫度下產(chǎn)生氫氣的典型蒸汽重整反應(yīng)不同，本方法的 重整反應(yīng)的平衡被驅(qū)動(dòng)至在400°C至650°C的操作溫度范圍內(nèi)在重整反應(yīng)器301中產(chǎn)生氫 氣，這是由于氫氣被從重整區(qū)域315移除至氫氣分離膜303的氫氣管道325中。400°C至 650°C的操作溫度亦有利于變換反應(yīng)，從而將一氧化碳及蒸汽轉(zhuǎn)化成更多氫氣，接著經(jīng)過(guò)膜 303的膜壁323將氫氣自重整區(qū)域315移除至氫氣分離膜303的氫氣管道325中。如下文 進(jìn)一步詳細(xì)描述的那樣，燃料電池305廢氣可用于經(jīng)由廢氣管道317及319提供引起重整 反應(yīng)器301的重整區(qū)域315中的重整及變換反應(yīng)所需的熱。可經(jīng)由管線327自重整區(qū)域315移除非氫氣態(tài)流，其中非氫氣態(tài)流可包括未反應(yīng) 進(jìn)料、未分離到氫氣管道325中的少量氫氣，及經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體中的氣態(tài)非氫重整產(chǎn)物。
28非氫重整產(chǎn)物及未反應(yīng)進(jìn)料可包括二氧化碳、水(為蒸汽)及少量一氧化碳及未反應(yīng)烴。在一實(shí)施例中，自重整區(qū)域315分離的非氫氣態(tài)流可為含有以折干計(jì)算至少0. 9， 或至少0. 95，或至少0. 98克分子份數(shù)的二氧化碳的二氧化碳?xì)饬?。二氧化碳?xì)饬骺蔀榫哂?至少IMPa、或至少2MPa，或至少2. 5MPa的壓力的高壓氣流。高壓二氧化碳?xì)饬髟谄渫顺鲋?整反應(yīng)器301時(shí)可含有相當(dāng)大量為蒸汽的水?？赏ㄟ^(guò)首先使氣流經(jīng)由管線327傳送過(guò)熱交 換器313以與饋送至預(yù)重整反應(yīng)器314的蒸汽及進(jìn)料前驅(qū)物交換熱而從高壓二氧化碳?xì)饬?移除水，從而冷卻高壓二氧化碳?xì)饬?。接著，?jīng)冷卻的高壓二氧化碳?xì)饬骺蛇M(jìn)一步冷卻以在 一個(gè)或更多個(gè)熱交換器329(圖中顯示了一個(gè))中從氣流來(lái)冷凝水，其中經(jīng)冷卻的高壓二氧 化碳流可經(jīng)由管線331自熱交換器313傳送至熱交換器329?？山?jīng)由管線333從熱交換器 329、或一連串熱交換器329中的最終熱交換器329移除干燥高壓二氧化碳流。在熱交換器 329中從高壓二氧化碳流冷凝的水可經(jīng)由管線355饋送至冷凝器351。干燥高壓二氧化碳流可在渦輪機(jī)335中膨脹以驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)335且產(chǎn)生低壓二氧化 碳流。渦輪機(jī)335可用于產(chǎn)生除了由燃料電池305產(chǎn)生的電之外的電?；蛘?，渦輪機(jī)335可 用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)或更多個(gè)壓縮機(jī)，諸如壓縮機(jī)324、330及361。低壓二氧化碳流可被“螯合” 或用以使飲料碳酸化。可選地，高壓二氧化碳流可不轉(zhuǎn)化成低壓二氧化碳流，且可用于通過(guò)將高壓二氧 化碳流注入至油層中而增強(qiáng)從油層的采油?？赏ㄟ^(guò)選擇性地傳送氫氣經(jīng)過(guò)氫氣分離膜303的膜壁323至氫氣分離膜303的氫 氣管道325中而從重整反應(yīng)器301中的經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體分離含有氫氣的第一氣流。第一 氣流可含有非常高的氫氣濃度，且可含有至少0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8、或至少0. 9、或 至少0. 95，或至少0. 98克分子份數(shù)的氫氣。包含蒸汽的吹掃氣體可經(jīng)由管線337注入至氫氣管道325中以從膜壁323的內(nèi)部 部分吹掃氫氣，由此增加可通過(guò)氫氣分離膜303從重整區(qū)域315分離氫氣的速率?？山?jīng)由 氫氣出口管線339從氫氣分離膜303及重整反應(yīng)器301移除第一氣流及蒸汽吹掃氣體。第一氣流及蒸汽吹掃氣體可經(jīng)由氫氣出口管線339饋送至熱交換器341以冷卻第 一氣流及蒸汽吹掃氣體。組合的第一氣流及蒸汽吹掃氣體在退出重整反應(yīng)器301之后可具 有自400°C至650°C的溫度，通常為自450°C至550°C的溫度。組合的第一氣流及蒸汽吹掃 氣體可在熱交換器341中與初始進(jìn)料前驅(qū)物及水/蒸汽交換熱。初始進(jìn)料前驅(qū)物可經(jīng)由管 線343提供至熱交換器341，且水/蒸汽可經(jīng)由管線345提供至熱交換器341，其中進(jìn)料前 驅(qū)物及水的流量可分別由閥342及344調(diào)節(jié)。經(jīng)加熱的進(jìn)料前驅(qū)物及蒸汽可分別經(jīng)由管線 347及349饋送至熱交換器313，以用于如上文描述在饋送至預(yù)重整反應(yīng)器314之前進(jìn)一步 加熱。經(jīng)冷卻的組合的第一氣流及蒸汽吹掃氣體可經(jīng)由管線352饋送至冷凝器351，以通過(guò) 與經(jīng)由管線353饋送至冷凝器351中的水及經(jīng)由管線355從高壓二氧化碳?xì)饬鞣蛛x且饋送 至冷凝器351的經(jīng)冷凝的水交換熱而從組合氣流冷凝水。在冷凝器351中冷凝的水及經(jīng)由管線353及355饋送至冷凝器351的水可經(jīng)過(guò)聚 水管線357傳遞至泵359，該泵359將水抽汲至熱交換器329以用于與經(jīng)冷卻的高壓二氧化 碳?xì)饬鬟M(jìn)行熱交換以加熱水，同時(shí)進(jìn)一步冷卻所述經(jīng)冷卻的高壓二氧化碳?xì)饬?。如上文?述，經(jīng)加熱的水/蒸汽可經(jīng)由管線345傳遞至熱交換器341，以用于在熱交換器313中進(jìn)一 步加熱之后進(jìn)一步加熱以產(chǎn)生待饋送至預(yù)重整反應(yīng)器314的蒸汽。
含有氫氣及極少水或無(wú)水的經(jīng)冷卻的第一氣流可經(jīng)由管線363自冷凝器351饋送 至壓縮機(jī)361中。第一氣流在退出重整反應(yīng)器及經(jīng)由熱交換器341和冷凝器351饋送至壓 縮機(jī)361之后可具有大氣壓壓力或接近大氣壓的壓力。第一氣流可在饋送至燃料電池305 之前在壓縮機(jī)361中受到壓縮以增加第一氣流的壓力。在一實(shí)施例中，第一氣流可壓縮至 自0. 15MPa至0. 5MPa，且優(yōu)選地自0. 2MPa至0. 3MPa的壓力?？赏ㄟ^(guò)高壓二氧化碳流在經(jīng) 耦合以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)361的渦輪機(jī)335中的膨脹而提供用以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)361的能量。第一氣流可接著經(jīng)由至陽(yáng)極入口 365中的管線367而饋送至固態(tài)氧化物燃料電 池305的陽(yáng)極307。第一氣流將氫氣提供至陽(yáng)極307以用于在燃料電池305中沿陽(yáng)極路徑 長(zhǎng)度與一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處的氧化劑進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)?？赏ㄟ^(guò)選擇所述進(jìn)料及蒸汽饋 送至重整反應(yīng)器301的流量而選擇第一氣流饋送至燃料電池305的陽(yáng)極307的流量，進(jìn)料 及蒸汽饋送至重整反應(yīng)器301的流量又可通過(guò)進(jìn)料前驅(qū)物及水饋送至預(yù)重整反應(yīng)器314的 流量而加以選擇，進(jìn)料前驅(qū)物及水饋送至預(yù)重整反應(yīng)器314的流量可分別通過(guò)調(diào)整計(jì)量閥 342及344來(lái)控制。含有氫氣的第二氣流亦饋送至燃料電池305的陽(yáng)極307?？蓮暮袣錃饧八年?yáng) 極廢氣流分離第二氣流。可通過(guò)將陽(yáng)極廢氣流冷卻至足以從陽(yáng)極氣體廢氣流冷凝水以產(chǎn)生 含有氫氣的第二氣流而從陽(yáng)極廢氣流分離第二氣流。陽(yáng)極廢氣流經(jīng)由陽(yáng)極廢氣出口 369退出陽(yáng)極307?？赏ㄟ^(guò)在預(yù)重整反應(yīng)器314中 與蒸汽及進(jìn)料前驅(qū)物交換熱，和/或通過(guò)在重整反應(yīng)器301中與蒸汽及進(jìn)料交換熱而初始 地冷卻陽(yáng)極廢氣流。在一實(shí)施例中，陽(yáng)極廢氣流可經(jīng)由管線373饋送至延伸至重整反應(yīng)器301的重整 區(qū)域315中且位于重整反應(yīng)器301的重整區(qū)域315內(nèi)的一個(gè)或更多個(gè)重整器陽(yáng)極廢氣管道 319。如下文進(jìn)一步詳細(xì)描述的那樣，當(dāng)陽(yáng)極廢氣流在重整器陽(yáng)極廢氣管道319中經(jīng)過(guò)重整 區(qū)域315時(shí)，可在陽(yáng)極廢氣流與重整反應(yīng)器301的重整區(qū)域315中的進(jìn)料及蒸汽之間交換 熱，從而冷卻陽(yáng)極廢氣流且加熱反應(yīng)器301中的蒸汽及進(jìn)料。在一實(shí)施例中，最初可通過(guò)將陽(yáng)極廢氣流經(jīng)由管線372饋送至延伸至預(yù)重整反應(yīng) 器314的預(yù)重整區(qū)域316中且位于預(yù)重整反應(yīng)器314的預(yù)重整區(qū)域316內(nèi)的一個(gè)或更多個(gè) 預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320而冷卻陽(yáng)極廢氣流。如下文進(jìn)一步詳細(xì)描述，當(dāng)陽(yáng)極廢氣流在 預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320中經(jīng)過(guò)預(yù)重整區(qū)域316時(shí)，可在陽(yáng)極廢氣流與預(yù)重整反應(yīng)器314 的預(yù)重整區(qū)域316中的進(jìn)料前驅(qū)物及蒸汽之間交換熱，從而冷卻陽(yáng)極廢氣流且加熱預(yù)重整 反應(yīng)器314中的蒸汽及進(jìn)料前驅(qū)物。在一實(shí)施例中，如上文描述，陽(yáng)極廢氣流可分別通過(guò)經(jīng)由重整器陽(yáng)極廢氣管道319 及經(jīng)由預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320饋送至重整反應(yīng)器301及預(yù)重整反應(yīng)器314而被初始地 冷卻。當(dāng)陽(yáng)極廢氣在重整器陽(yáng)極廢氣管道319中經(jīng)過(guò)重整區(qū)域315時(shí)，陽(yáng)極廢氣流的一部 分可通過(guò)在重整反應(yīng)器301中與重整反應(yīng)器301的重整區(qū)域315中的進(jìn)料及蒸汽交換熱而 冷卻。當(dāng)陽(yáng)極廢氣在預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320中經(jīng)過(guò)預(yù)重整區(qū)域316時(shí)，剩余陽(yáng)極廢氣 可通過(guò)在預(yù)重整反應(yīng)器314中與預(yù)重整反應(yīng)器314的預(yù)重整區(qū)域316中的進(jìn)料前驅(qū)物及蒸 汽交換熱而冷卻。在另一實(shí)施例中，最初可通過(guò)將陽(yáng)極廢氣流首先饋送至預(yù)重整反應(yīng)器314，接著從 預(yù)重整反應(yīng)器314饋送至重整反應(yīng)器301而冷卻陽(yáng)極廢氣流。陽(yáng)極廢氣流可經(jīng)由管線372從陽(yáng)極廢氣出口 369饋送至預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320，以通過(guò)與預(yù)重整反應(yīng)器314的預(yù)重 整區(qū)域316中的進(jìn)料前驅(qū)物及蒸汽交換熱而冷卻。陽(yáng)極廢氣流可接著經(jīng)由管線374從預(yù)重 整器陽(yáng)極廢氣管道320饋送至重整反應(yīng)器301，其中陽(yáng)極廢氣流可饋送至重整器陽(yáng)極廢氣 管道319，以用于當(dāng)陽(yáng)極廢氣流經(jīng)過(guò)重整器陽(yáng)極廢氣管道319時(shí)，通過(guò)與重整反應(yīng)器301的 重整區(qū)域315中的進(jìn)料及蒸汽交換熱而進(jìn)一步冷卻。首先通過(guò)在預(yù)重整反應(yīng)器314中與進(jìn) 料前驅(qū)物及蒸汽交換熱，且隨后通過(guò)在重整反應(yīng)器301中與進(jìn)料及蒸汽交換熱而冷卻陽(yáng)極 廢氣流，這樣對(duì)于驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的預(yù)重整反應(yīng)及重整反應(yīng)可為尤其有效的，這是由于預(yù)重整反 應(yīng)需要比重整反應(yīng)更多的熱，且重整反應(yīng)可在比預(yù)重整反應(yīng)低的溫度下進(jìn)行以避免對(duì)位于 重整反應(yīng)器301的重整區(qū)域315中的高溫氫氣分離膜303造成熱損傷。計(jì)量閥370及371可用于控制導(dǎo)引至重整反應(yīng)器301和/或預(yù)重整反應(yīng)器314的 陽(yáng)極廢氣流的量。計(jì)量閥370及371可經(jīng)調(diào)整以選擇至重整反應(yīng)器301或至預(yù)重整反應(yīng)器 314的陽(yáng)極廢氣流的流動(dòng)。閥368可用于控制陽(yáng)極廢氣流自預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320至 重整器陽(yáng)極廢氣管道319或如下文描述自預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320與退出重整器陽(yáng)極廢 氣管道319的經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流組合的流動(dòng)。經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流退出重整器陽(yáng)極廢氣管道319和/或預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道 320，且可進(jìn)一步冷卻以分離陽(yáng)極廢氣流中含有氫氣的第二氣流與水。若退出預(yù)重整反應(yīng) 器314的任何經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流未傳遞至重整器陽(yáng)極廢氣管道319以用于在重整反應(yīng)器 301中進(jìn)行進(jìn)一步熱交換，則來(lái)自預(yù)重整反應(yīng)器314的經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流可經(jīng)由管線378 及382傳遞至熱交換器341以用于進(jìn)一步冷卻。若任何經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流退出重整反應(yīng) 器301，則經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流可經(jīng)由管線382傳遞至熱交換器341以用于進(jìn)一步冷卻。退 出重整反應(yīng)器301及預(yù)重整反應(yīng)器314的經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流可在管線382中組合，且傳 遞至熱交換器341以用于進(jìn)一步冷卻。退出重整器陽(yáng)極廢氣管道319、預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管 道320或兩者的經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流在熱交換器341中通過(guò)與來(lái)自管線343的進(jìn)料前驅(qū)物 及來(lái)自管線345的蒸汽交換熱而進(jìn)一步冷卻。在一實(shí)施例中，為了控制第二氣流至燃料電池305的流量，可經(jīng)由管線376將陽(yáng)極 廢氣流的至少一部分從熱交換器341傳遞至冷凝器375，以在陽(yáng)極廢氣流的選定部分中使 氫氣與水分離?？赏ㄟ^(guò)在冷凝器375中從陽(yáng)極廢氣流冷凝水而從陽(yáng)極廢氣流的選定部分分 離氫氣。經(jīng)分離的氫氣可經(jīng)由管線379饋送至氫氣儲(chǔ)存槽377。自冷凝器375冷凝的水可 經(jīng)由管線380饋送至泵359。未饋送至冷凝器375(用于分離至氫氣槽377中)的經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流用于將 第二氣流提供至燃料電池305。可通過(guò)經(jīng)由管線381將陽(yáng)極廢氣流饋送至管線352而將退出 熱交換器341的陽(yáng)極廢氣流與第一氣流及蒸汽吹掃氣體混合。陽(yáng)極廢氣流、第一氣流及蒸 汽吹掃氣體的混合物可接著饋送至冷凝器351以進(jìn)一步冷卻陽(yáng)極廢氣流。通過(guò)自陽(yáng)極廢氣 流冷凝水而得到的第二氣流可經(jīng)由管線363與第一氣流混合在一起而從冷凝器351分離。 第二氣流可含有至少0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8、或至少0. 9、或至少0. 95，或至少0. 98克 分子份數(shù)的氫氣，其中可通過(guò)確定以折干計(jì)算(dry basis)的經(jīng)冷卻的陽(yáng)極廢氣流的氫氣 含量而確定第二氣流的氫氣含量。來(lái)自陽(yáng)極廢氣流的水可與來(lái)自第一氣流及蒸汽吹掃氣體 的水一起在冷凝器351中冷凝，且被經(jīng)由管線357自冷凝器351移除以饋送至泵359。計(jì)量閥383及385可用于選擇第二氣流至固態(tài)氧化物燃料電池305的流量。可通過(guò)與計(jì)量陽(yáng)極廢氣流至冷凝器351的流量(調(diào)節(jié)第二氣流至固態(tài)氧化物燃料電池305的流 量)協(xié)調(diào)地調(diào)整閥383及385而選擇第二氣流至固態(tài)氧化物燃料電池305的流量。閥383 可完全關(guān)閉，從而阻斷陽(yáng)極廢氣流至冷凝器375及氫氣至氫氣槽377的流動(dòng)，且閥385可完 全打開以允許全部陽(yáng)極廢氣流流動(dòng)至冷凝器351且第二氣流以最大流量流動(dòng)至固態(tài)氧化 物燃料電池305。在一優(yōu)選實(shí)施例中，可通過(guò)相應(yīng)于陽(yáng)極廢氣流的水和/或氫氣含量自動(dòng)地 調(diào)整計(jì)量閥383及385而將第二氣流至燃料電池305的流量自動(dòng)地控制為一選定流量。在一實(shí)施例中，可將小部分的組合的第一及第二氣流作為瀉放流傳遞過(guò)氫氣分離 設(shè)備387，以移除由于在產(chǎn)生第一氣流時(shí)及在第二氣流中的其后續(xù)再循環(huán)時(shí)由于重整反應(yīng) 器301中的氫氣分離膜303對(duì)氫氣與碳氧化物的不完全分離而可存在于第一及第二氣流中 的任何少量碳氧化物。可利用閥389及391控制瀉放流至氫氣分離設(shè)備387的流動(dòng)，其中優(yōu) 選地閥389及391可允許第一及第二氣流同時(shí)經(jīng)由管線393及395或者分別經(jīng)由管線393 或管線395的定量流動(dòng)。氫氣分離設(shè)備387優(yōu)選地為可有效地用于分離氫氣與碳氧化物的 壓力變化吸附裝置，或可為諸如上文描述的可選擇性地透過(guò)氫氣的膜。管線395及397中 的第一及第二氣流可經(jīng)組合以經(jīng)由管線367饋送至固態(tài)氧化物燃料電池305。在該方法的一實(shí)施例中，可選擇第一及第二氣流的溫度及壓力以實(shí)現(xiàn)固態(tài)氧化物 燃料電池305的有效操作。特別地，該溫度不應(yīng)太低以致抑制燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)性，且 不應(yīng)太高以致引起燃料電池305中的不受控制的發(fā)熱反應(yīng)。在一實(shí)施例中，饋送至燃料電 池305的組合的第一及第二氣流的溫度可在自25°C至300°C、或自50°C至200°C，或自75°C 至150°C的范圍內(nèi)。組合的第一及第二氣流的壓力可由壓縮機(jī)361控制，且可為自0. 15MPa 至 0. 5MPa,或自 0. 2MPa 至 0. 3MPa。含氧氣流可經(jīng)由管線403通過(guò)陰極入口 401饋送至燃料電池的陰極399。含氧氣 流可由空氣壓縮機(jī)或氧氣槽(圖上未顯示)提供。在一實(shí)施例中，含氧氣流可為空氣或純 氧氣。在另一實(shí)施例中，含氧氣流可為含有至少21%氧氣的富氧空氣流，其中，由于富氧空 氣流含有用于在燃料電池中轉(zhuǎn)化成氧離子的更多氧氣，故富氧空氣流在固態(tài)氧化物燃料電 池中提供比空氣高的電效率?？稍趯⒑鯕饬黟佀椭寥剂想姵?05的陰極399之前加熱含氧氣流。在一實(shí)施例 中，可在將含氧氣流饋送至燃料電池305的陰極399之前在熱交換器405中通過(guò)與從陰極 廢氣出口 407經(jīng)由管線409提供至熱交換器405的陰極廢氣的一部分交換熱而將含氧氣流 加熱至自150°C至350°C的溫度?？墒褂糜?jì)量閥411控制陰極廢氣流至熱交換器405的流 量?；蛘?，可由電加熱器(圖上未示)加熱含氧氣流，或含氧氣流可在不加熱的情況下提供 至燃料電池305的陰極399。在本發(fā)明方法的該實(shí)施例中使用的固態(tài)氧化物燃料電池305可為常規(guī)固態(tài)氧化 物燃料電池(優(yōu)選地具有平面或管狀結(jié)構(gòu))，且包含陽(yáng)極307、陰極399及電解質(zhì)413，其中 電解質(zhì)413插于陽(yáng)極307與陰極399之間。固態(tài)氧化物燃料電池可包含堆棧在一起(由互 連件電接合且操作性地連接)的多個(gè)單獨(dú)的燃料電池，以使得燃料可流過(guò)經(jīng)堆棧的燃料電 池的陽(yáng)極且含氧氣體可流過(guò)經(jīng)堆棧的燃料電池的陰極。固態(tài)氧化物燃料電池可為單一固態(tài) 氧化物燃料電池或復(fù)數(shù)個(gè)經(jīng)操作性地連接或堆棧的固態(tài)氧化物燃料電池。在一實(shí)施例中， 陽(yáng)極307由NiArO2金屬陶瓷形成，陰極399由浸漬有氧化鐠且覆蓋有摻雜SnO的In2O3的 經(jīng)摻雜的錳酸鑭或穩(wěn)定形成，且電解質(zhì)413由氧化釔穩(wěn)定的&02 (大致8% Y2O3 (摩爾比))形成。經(jīng)堆棧的各個(gè)燃料電池或管狀燃料電池之間的互連件可為經(jīng)摻雜的鉻酸鑭。固態(tài)燃料電池305構(gòu)造成使得第一及第二氣流可從陽(yáng)極入口 365流過(guò)燃料電池 305的陽(yáng)極307至陽(yáng)極廢氣出口 369，從而接觸從陽(yáng)極入口 365至陽(yáng)極廢氣出口 369的陽(yáng)極 路徑長(zhǎng)度上的一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)電極。燃料電池305還構(gòu)造成使得含氧氣體可從陰極入口 401流過(guò)陰極399至陰極廢氣出口 407，從而接觸自陰極入口 401至陰極廢氣出口 407的陰 極路徑長(zhǎng)度上的一個(gè)或更多個(gè)陰電極。電解質(zhì)413位于燃料電池305中以防止第一及第二 氣流進(jìn)入陰極且防止含氧氣體進(jìn)入陽(yáng)極，且將氧離子從陰極傳導(dǎo)至陽(yáng)極以用于與一個(gè)或更 多個(gè)陽(yáng)極電極處的第一及第二氣流中的氫氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。固態(tài)氧化物燃料電池305在可有效地使氧離子從陰極399穿過(guò)電解質(zhì)413至燃料 電池305的陽(yáng)極307的溫度下操作。固態(tài)氧化物燃料電池305可在自700°C至1100°C的溫 度下、或自800°C至1000°C的溫度下操作。在一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處，氫氣與氧離子的 氧化反應(yīng)為大量發(fā)熱反應(yīng)，且反應(yīng)的熱產(chǎn)生操作固態(tài)氧化物燃料電池305所需的熱?？赏?過(guò)獨(dú)立地控制第一氣流的溫度、第二氣流的溫度及含氧氣流的溫度及這些氣流至燃料電池 305的流量而控制固態(tài)氧化物燃料電池305操作的溫度。在一實(shí)施例中，第二氣流的溫度被 控制為至多150°C的溫度，含氧氣流的溫度被控制為至多300°C的溫度，且第一氣流的溫度 被控制為至多150°C的溫度，以維持固態(tài)氧化物燃料電池的操作溫度在自700°C至1000°C 的范圍內(nèi)，且優(yōu)選地在自800°C至900°C的范圍內(nèi)。為了啟動(dòng)燃料電池305的操作，將燃料電池305加熱至其操作溫度。在一優(yōu)選實(shí) 施例中，可通過(guò)在催化性部分氧化重整反應(yīng)器433中產(chǎn)生含氫氣流且將含氫氣流經(jīng)由管線 435饋送至固態(tài)氧化物燃料電池的陽(yáng)極307來(lái)啟動(dòng)固態(tài)氧化物燃料電池305的操作?？赏?過(guò)在存在常規(guī)部分氧化重整催化劑的情況下在催化性部分氧化重整反應(yīng)器433中燃燒烴 進(jìn)料及氧氣源而在催化性部分氧化重整反應(yīng)器433中產(chǎn)生含氫氣流，其中氧氣源是以相對(duì) 于烴進(jìn)料的低于化學(xué)計(jì)量的量饋送至催化性部分氧化重整反應(yīng)器433。饋送至催化性部分氧化重整反應(yīng)器433的烴進(jìn)料可為液態(tài)或氣態(tài)烴或烴的混合 物，且優(yōu)選為甲烷、天然氣或其它低分子量烴或低分子量烴的混合物。在本發(fā)明的方法的特 別優(yōu)選實(shí)施例中，饋送至催化性部分氧化重整反應(yīng)器433的烴進(jìn)料可為與在預(yù)重整反應(yīng)器 314中使用的進(jìn)料前驅(qū)物的類型相同類型的進(jìn)料以減少進(jìn)行該方法所需的烴進(jìn)料的數(shù)目。饋送至催化性部分氧化重整反應(yīng)器433的含氧進(jìn)料可為純氧氣、空氣或富氧空 氣。含氧進(jìn)料應(yīng)以相對(duì)于烴進(jìn)料的低于化學(xué)計(jì)量的量饋送至催化性部分氧化重整反應(yīng)器 433以在催化性部分氧化重整反應(yīng)器433中與烴進(jìn)料燃燒。由在催化性部分氧化重整反應(yīng)器433中烴進(jìn)料及含氧氣體的燃燒形成的含氫氣 流含有可在燃料電池305的陽(yáng)極307中通過(guò)接觸陽(yáng)電極中的一個(gè)或更多個(gè)處的氧化劑而氧 化的化合物，包括氫氣及一氧化碳，以及諸如二氧化碳的其它化合物。來(lái)自催化性部分氧化 重整反應(yīng)器433的含氫氣流優(yōu)選地不含有可對(duì)燃料電池305的陽(yáng)極307中的一個(gè)或更多個(gè) 陽(yáng)電極進(jìn)行氧化的化合物。在催化性部分氧化重整反應(yīng)器433中形成的含氫氣流為熱的，且可具有至少 700°C、或自700°C至1100°C或自800°C至1000°C的溫度。使用來(lái)自催化性部分氧化重整反 應(yīng)器433的熱含氫氣流以觸發(fā)固態(tài)氧化物燃料電池305的啟動(dòng)在本發(fā)明的方法中為優(yōu)選 的，這是由于其使得燃料電池305的溫度能夠幾乎瞬時(shí)地上升至燃料電池305的操作溫度。在一實(shí)施例中，當(dāng)開始燃料電池305的操作時(shí)，可在熱交換器405中在來(lái)自催化性部分氧化 重整反應(yīng)器433的熱含氫氣體與饋送至燃料電池305的陰極399的含氧氣體之間交換熱。一旦達(dá)到燃料電池305的操作溫度，從催化性部分氧化重整反應(yīng)器433至燃料電 池305中的熱含氫氣流的流動(dòng)可由閥439切斷，同時(shí)通過(guò)打開閥441而將來(lái)自重整反應(yīng)器 301的第一氣流饋送至陽(yáng)極307中且將含氧氣流饋送至燃料電池305的陰極399中。燃料 電池的連續(xù)操作可接著根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行。在另一實(shí)施例中(未在圖3中顯示)，燃料電池305的操作可使用來(lái)自氫氣儲(chǔ)存 槽377的氫氣啟動(dòng)氣流而起動(dòng)，可在將第一氣流引入至燃料電池中之前使氫氣啟動(dòng)氣流經(jīng) 過(guò)啟動(dòng)加熱器以使燃料電池升至其操作溫度。氫氣儲(chǔ)存槽可操作性地連接至燃料電池以允 許將氫氣啟動(dòng)氣流引入至固態(tài)氧化物燃料電池的陽(yáng)極中。所述啟動(dòng)加熱器可間接地將氫氣 啟動(dòng)氣流加熱至自750°C至1000°C的溫度。所述啟動(dòng)加熱器可為電加熱器或可為燃燒加熱 器。一旦達(dá)到燃料電池的操作溫度，氫氣啟動(dòng)氣流至燃料電池中的流動(dòng)可由一閥切斷，且第 一氣流可弓I入至燃料電池中以開始燃料電池的連續(xù)操作。在燃料電池305的操作的起動(dòng)期間，含氧氣流可引入至燃料電池305的陰極399 中。含氧氣流可為空氣、含有至少21%的氧氣的富氧空氣或純氧氣。優(yōu)選地，含氧氣流為在 起動(dòng)燃料電池的操作之后在燃料電池305的操作期間將饋送至陰極399的含氧氣流。在一優(yōu)選實(shí)施例中，在燃料電池的啟動(dòng)期間饋送至燃料電池的陰極399的含氧氣 流具有至少500°C、優(yōu)選至少650°C，且更優(yōu)選至少750°C的溫度?？稍趯⒑鯕饬黟佀椭凉?態(tài)氧化物燃料電池305的陰極399之前由電加熱器加熱含氧氣流。在一優(yōu)選實(shí)施例中，用 于起動(dòng)燃料電池305的操作的含氧氣流可在饋送至燃料電池305的陰極399之前在熱交換 器405中通過(guò)與來(lái)自催化性部分氧化重整反應(yīng)的熱含氫氣流進(jìn)行熱交換來(lái)加熱。一旦燃料電池的操作已開始，第一及第二氣流可與在燃料電池305中的一個(gè)或更 多個(gè)陽(yáng)極電極處的氧離子氧化劑混合以產(chǎn)生電。從流過(guò)燃料電池305的陰極399的含氧氣 流中的氧氣得到氧離子氧化劑且將其傳導(dǎo)穿過(guò)燃料電池的電解質(zhì)413。通過(guò)將第一氣流、第 二氣流及含氧氣流以選定的獨(dú)立流量饋送至燃料電池305同時(shí)在自750°C至1100°C的溫度 下操作燃料電池而在燃料電池305的一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處在陽(yáng)極307中混合饋送至燃 料電池305的陽(yáng)極307的第一及第二氣流及氧化劑。優(yōu)選地，在燃料電池305的一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處混合第一及第二氣流及氧 化劑以按至少0. 4W/cm2、更優(yōu)選至少0. 5W/cm2、或至少0. 75W/cm2、或至少lW/cm2、或至少 1. 25ff/cm2或至少1. 5ff/cm2的電力密度產(chǎn)生電?？赏ㄟ^(guò)選擇并控制第一及第二氣流饋送至 燃料電池305的陽(yáng)極307的流量而以這種電力密度產(chǎn)生電?？赏ㄟ^(guò)選擇并控制進(jìn)料及蒸汽 饋送至重整反應(yīng)器301的流量而選擇第一氣流至燃料電池305的陽(yáng)極307的流量，進(jìn)料及 蒸汽饋送至重整反應(yīng)器301的流量又可由進(jìn)料前驅(qū)物及蒸汽饋送至預(yù)重整反應(yīng)器314的流 量控制，分別通過(guò)調(diào)整計(jì)量閥342及344而控制進(jìn)料前驅(qū)物及蒸汽饋送至預(yù)重整反應(yīng)器314 的流量。如上文所述，可通過(guò)調(diào)整計(jì)量閥383及385而選擇并控制陽(yáng)極廢氣流至冷凝器351 的流量而選擇并控制第二氣流至燃料電池305的陽(yáng)極307的流量。在一實(shí)施例中，可通過(guò) 反饋電路(圖上未顯示)自動(dòng)地調(diào)整計(jì)量閥383及385，該反饋電路量測(cè)陽(yáng)極廢氣流中的水 和/或氫氣含量，且調(diào)整所述計(jì)量閥383及385以維持陽(yáng)極廢氣流中的選定水和/或氫氣 含量。
在本發(fā)明的方法中，在一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處混合第一及第二氣流與氧化劑， 通過(guò)由氧化劑氧化存在于饋送至燃料電池305的第一及第二氣流中的氫氣的一部分而產(chǎn) 生水(為蒸汽)。利用氧化劑氧化氫氣所產(chǎn)生的水由第一及第二氣流的未反應(yīng)部分吹掃過(guò) 燃料電池305的陽(yáng)極307而作為陽(yáng)極廢氣流的一部分退出陽(yáng)極307。在本發(fā)明的方法的實(shí)施例中，可獨(dú)立地選擇第一及第二氣流饋送至陽(yáng)極307的 流量，以使得每單位時(shí)間在燃料電池305中形成的水的量相對(duì)于每單位時(shí)間陽(yáng)極廢氣中 的氫氣的量的比率為至多1. 0、或至多0. 75、或至多0. 67、或至多0. 43、或至多0. 25，或至 多0. 11。在一實(shí)施例中，燃料電池305中形成的水的量與陽(yáng)極廢氣中氫氣的量可以摩爾為 單位量測(cè)，以使得每單位時(shí)間以摩爾計(jì)的每單位時(shí)間燃料電池中形成的水的量與每單位時(shí) 間陽(yáng)極廢氣中氫氣的量的比率為至多1. 0、或至多0. 75、或至多0. 67、或至多0. 43、或至多 0. 25，或至多0. 11。在本發(fā)明的方法的另一實(shí)施例中，可獨(dú)立地選擇第一及第二氣流饋送至 陽(yáng)極307的流量，以使得陽(yáng)極廢氣流含有至少0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8，或至少0. 9克 分子份數(shù)的氫氣。在一實(shí)施例中，可獨(dú)立地選擇第一及第二氣流饋送至陽(yáng)極307的流量，以 使得陽(yáng)極廢氣流含有饋送至陽(yáng)極307的組合的第一及第二氣流中的氫氣的至少50%、或至 少60%、或至少70%、或至少80%，或至少90%。在一實(shí)施例中，可獨(dú)立地選擇第一及第二 氣流饋送至陽(yáng)極307的流量，以使得燃料電池305的每道氫氣利用率為至多50%、或至多 40%、或至多30%、或至多20%，或至多10%。提供至固態(tài)氧化物燃料電池305的陰極399的含氧氣流的流量應(yīng)經(jīng)選擇以提供足 夠氧化劑至陽(yáng)極，以當(dāng)在一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處與來(lái)自第一及第二氣流的燃料組合時(shí)按 至少0. 4W/cm2、或至少0. 5W/cm2、或至少0. 75W/cm2、或至少lW/cm2、或至少1. 25W/cm2，或至 少1. 5ff/cm2的電力密度產(chǎn)生電?？赏ㄟ^(guò)調(diào)整計(jì)量閥415來(lái)選擇并控制含氧氣流至陰極399 的流量。在本發(fā)明的方法的一實(shí)施例中，重整反應(yīng)器301及固態(tài)氧化物燃料電池305可被 熱學(xué)整合，以使得將來(lái)自燃料電池305中的發(fā)熱電化學(xué)反應(yīng)的熱提供至重整反應(yīng)器301的 重整區(qū)域315，從而驅(qū)動(dòng)重整反應(yīng)器301中的吸熱重整反應(yīng)。如上文描述，一個(gè)或更多個(gè)重 整器陽(yáng)極廢氣管道319和/或一個(gè)或更多個(gè)重整器陰極廢氣管道317延伸至重整反應(yīng)器 301的重整區(qū)域315中且位于重整反應(yīng)器301的重整區(qū)域315內(nèi)。熱陽(yáng)極廢氣流可自陽(yáng)極 廢氣出口 369退出燃料電池305的陽(yáng)極307，且經(jīng)由管線373進(jìn)入重整區(qū)域315中的重整器 陽(yáng)極廢氣管道319，且熱陰極廢氣流可自陰極廢氣出口 407退出燃料電池305的陰極399， 且經(jīng)由管線417進(jìn)入重整區(qū)域315中的重整器陰極廢氣管道317。當(dāng)陽(yáng)極廢氣流經(jīng)過(guò)重整 器陽(yáng)極廢氣管道319時(shí)，可在陽(yáng)極廢氣流與重整區(qū)域315中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間交 換來(lái)自熱陽(yáng)極廢氣流的熱。類似地，當(dāng)陰極廢氣流經(jīng)過(guò)重整器陰極廢氣管道317時(shí)，可在陰 極廢氣流與重整反應(yīng)器301的重整區(qū)域315中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間交換來(lái)自熱陰極 廢氣流的熱。從發(fā)熱的固態(tài)氧化物燃料電池305至吸熱的重整反應(yīng)器301的熱交換為高度有效 的。在重整反應(yīng)器301的重整區(qū)域315內(nèi)重整器陽(yáng)極廢氣管道319和/或重整器陰極廢氣 管道317的位置允許熱陽(yáng)極廢氣流和/或熱陰極廢氣流與反應(yīng)器301內(nèi)的進(jìn)料和蒸汽的混 合物之間的熱交換，從而在發(fā)生重整反應(yīng)的位置處將熱轉(zhuǎn)移至進(jìn)料及蒸汽。此外，由于管道 317及319在催化劑床附近，在重整區(qū)域315內(nèi)重整器陽(yáng)極廢氣管道和/或陰極廢氣管道
35319及317的位置允許熱陽(yáng)極廢氣流和/或熱陰極廢氣流加熱重整區(qū)域315中的重整催化 劑。此外，除了由陽(yáng)極廢氣流和/或陰極廢氣流提供的熱之外，不需要將額外的熱提 供至重整反應(yīng)器301來(lái)驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器301中的重整及變換反應(yīng)以產(chǎn)生經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體及第 一氣流。如上文提出，在重整反應(yīng)器301內(nèi)進(jìn)行重整及變換反應(yīng)所需的溫度為自400°C至 650°C，其遠(yuǎn)低于常規(guī)重整反應(yīng)器溫度(其為至少750°C，且通常為800°C至900°C)。由于 通過(guò)高溫氫氣分離膜303將氫氣從重整反應(yīng)器301分離所造成的重整反應(yīng)中的平衡變換， 重整反應(yīng)器可在這種低溫下進(jìn)行。陽(yáng)極廢氣流及陰極廢氣流可具有自800°C至1000°C的溫 度，其在陽(yáng)極廢氣流和/或陰極廢氣流與進(jìn)料和蒸汽的混合物之間熱交換之后足以驅(qū)動(dòng)重 整反應(yīng)器301中的低溫的重整及變換反應(yīng)。在本發(fā)明的方法的實(shí)施例中，當(dāng)陽(yáng)極廢氣流經(jīng)過(guò)重整器陽(yáng)極廢氣管道319時(shí)，陽(yáng) 極廢氣流與重整區(qū)域315中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間的熱交換可提供供給反應(yīng)器301中 的蒸汽和進(jìn)料的混合物的相當(dāng)大量的熱以驅(qū)動(dòng)重整及變換反應(yīng)。在本發(fā)明的方法的實(shí)施 例中，陽(yáng)極廢氣流與反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間的熱交換可提供供給反應(yīng)器 301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱的至少40%、或至少50%、或至少70%，或至少90%。在 一實(shí)施例中，供應(yīng)至重整反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱基本上由在經(jīng)過(guò)重整器 陽(yáng)極廢氣管道319的陽(yáng)極廢氣流與重整反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間交換的熱 組成。在該方法的實(shí)施例中，陽(yáng)極廢氣流與反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間的熱 交換可受到控制以維持蒸汽和進(jìn)料的混合物的溫度在400°C至650°C的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的方法的實(shí)施例中，當(dāng)陰極廢氣流經(jīng)過(guò)重整器陰極廢氣管道317時(shí)，陰 極廢氣流與重整區(qū)域315中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間的熱交換可提供供給反應(yīng)器301中 的蒸汽和進(jìn)料的混合物的相當(dāng)大量的熱以驅(qū)動(dòng)重整及變換反應(yīng)。在本發(fā)明的方法的實(shí)施 例中，陰極廢氣流與反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間的熱交換可提供供給反應(yīng)器 301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱的至少40%、或至少50%、或至少70%，或至少90%。在 一實(shí)施例中，供應(yīng)至重整反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱基本上由在經(jīng)過(guò)重整器 陰極廢氣管道317的陰極廢氣流與重整反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間交換的熱 組成。在該方法的實(shí)施例中，陰極廢氣流與反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間的熱 交換可受到控制以維持蒸汽和進(jìn)料的混合物的溫度在400°C至650°C的范圍內(nèi)。在一實(shí)施例中，當(dāng)陽(yáng)極廢氣流經(jīng)過(guò)重整器陽(yáng)極廢氣管道319且陰極廢氣流經(jīng)過(guò)重 整器陰極廢氣管道317時(shí)，陽(yáng)極廢氣流、陰極廢氣流與重整區(qū)域315中的蒸汽和進(jìn)料的混合 物之間的熱交換可提供供給反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的相當(dāng)大量的熱以驅(qū)動(dòng) 重整及變換反應(yīng)。在本發(fā)明的方法的實(shí)施例中，陽(yáng)極廢氣流、陰極廢氣流與反應(yīng)器301中的 蒸汽和進(jìn)料的混合物之間的熱交換可提供供給反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱 的至少40 %、或至少50 %、或至少70 %、或至少90 %、或至少95 %，或至少99 %。在本發(fā)明 的方法的實(shí)施例中，陰極廢氣流與反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間的熱交換可提 供供給反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱的高達(dá)60%、或高達(dá)50%、或高達(dá)40%、或 高達(dá)30%，或高達(dá)20%，同時(shí)陽(yáng)極廢氣流與反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間的熱 交換可提供供給反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱的至少40%、或至少50%、或至 少60%、或至少70%，或至少80%。在一實(shí)施例中，供應(yīng)至重整反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱可基本上由在陽(yáng)極廢氣流及陰極廢氣流與反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的 混合物之間交換的熱組成。在該方法的實(shí)施例中，陽(yáng)極廢氣流及陰極廢氣流與反應(yīng)器301 中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間的熱交換可受到控制以維持蒸汽和進(jìn)料的混合物的溫度在 400°C至650°C的范圍內(nèi)。在一優(yōu)選實(shí)施例中，由陽(yáng)極廢氣流、或陰極廢氣流或陽(yáng)極廢氣流及陰極廢氣流提 供至重整反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱足以驅(qū)動(dòng)重整反應(yīng)器301中的重整及變 換反應(yīng)，使得不需要其它熱源來(lái)驅(qū)動(dòng)重整反應(yīng)器301中的反應(yīng)。最佳地，不通過(guò)電加熱或燃 燒將熱提供至重整反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物。在一實(shí)施例中，陽(yáng)極廢氣流提供大部分或全部熱至重整反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn) 料的混合物以驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器中的重整及變換反應(yīng)?？烧{(diào)整計(jì)量閥371及370以控制陽(yáng)極廢氣 流從燃料電池至重整器陽(yáng)極廢氣管道319的流動(dòng)，其中可增加陽(yáng)極廢氣流經(jīng)過(guò)閥371的流 動(dòng)且可減少其經(jīng)過(guò)閥370的流動(dòng)，以增加陽(yáng)極廢氣流至重整器陽(yáng)極廢氣管道319的流動(dòng)，從 而提供驅(qū)動(dòng)重整反應(yīng)器301中的重整及變換反應(yīng)所需的熱。在此實(shí)施例中，僅需要一些陰極廢氣流或不需要陰極廢氣流與重整反應(yīng)器301中 的蒸汽和進(jìn)料的混合物交換熱以驅(qū)動(dòng)重整及變換反應(yīng)。陰極廢氣流經(jīng)過(guò)重整反應(yīng)器301中 的重整陰極廢氣管道317的流動(dòng)可受到控制以控制從陰極廢氣流提供至重整反應(yīng)器301中 的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱的量。計(jì)量閥411、412、429及431可經(jīng)調(diào)整以控制陰極廢氣流 至重整器陰極廢氣管道317的流動(dòng)，使得陰極廢氣流提供所要量的熱(若存在)至反應(yīng)器 301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物。為了減少陰極廢氣經(jīng)由重整器陰極廢氣管道317至重整反 應(yīng)器301的流動(dòng)，閥412及431可經(jīng)調(diào)整以減少陰極廢氣經(jīng)由閥412及431的流動(dòng)，且閥 411及429可經(jīng)調(diào)整以增加陰極廢氣經(jīng)由閥411及429的流動(dòng)。在一實(shí)施例中，陰極廢氣流提供大部分或全部熱至重整反應(yīng)器301中的蒸汽和進(jìn) 料的混合物以驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器中的重整及變換反應(yīng)。計(jì)量閥411、412、429及431可經(jīng)調(diào)整以控 制陰極廢氣流至重整器陰極廢氣管道317的流動(dòng)，使得陰極廢氣流提供所要量的熱至反應(yīng) 器301中的蒸汽和進(jìn)料的混合物。為了增加陰極廢氣經(jīng)由重整器陰極廢氣管道317至重整 反應(yīng)器301的流動(dòng)，閥412及431可經(jīng)調(diào)整以增加陰極廢氣經(jīng)由閥412及431的流動(dòng)，且閥 411及429可經(jīng)調(diào)整以減少陰極廢氣經(jīng)由閥411及429的流動(dòng)。在此實(shí)施例中，僅需要一些陽(yáng)極廢氣流或不需要陽(yáng)極廢氣流與重整反應(yīng)器301中 的蒸汽和進(jìn)料的混合物交換熱以驅(qū)動(dòng)重整及變換反應(yīng)。陽(yáng)極廢氣流經(jīng)過(guò)重整反應(yīng)器301中 的重整陽(yáng)極廢氣管道319的流動(dòng)可受到控制以控制自陽(yáng)極廢氣流提供至重整反應(yīng)器301中 的蒸汽和進(jìn)料的混合物的熱的量?？烧{(diào)整計(jì)量閥371及370以控制陽(yáng)極廢氣流從燃料電池 305至重整器陽(yáng)極廢氣管道319的流動(dòng)，其中可減少流過(guò)閥371的陽(yáng)極廢氣流且可增加其經(jīng) 過(guò)閥370的流動(dòng)，以減少陽(yáng)極廢氣流至重整器陽(yáng)極廢氣管道319中的流動(dòng)。已經(jīng)過(guò)重整器陰極廢氣管道317的經(jīng)冷卻的陰極廢氣流在其中可仍具有相當(dāng)大 量的熱，且可具有高達(dá)650°C的溫度。經(jīng)冷卻的陰極廢氣流可經(jīng)由出口 418傳遞出陰極廢氣 管道，以經(jīng)由管線419與經(jīng)由閥411定量供給至熱交換器405的任何陰極廢氣流一起饋送 至含氧氣體熱交換器405。如上文描述處理已經(jīng)過(guò)重整器陽(yáng)極廢氣管道319的經(jīng)冷卻的陽(yáng) 極廢氣流以將第二氣流提供至燃料電池305。在本發(fā)明的方法的一實(shí)施例中，預(yù)重整反應(yīng)器314及固態(tài)氧化物燃料電池305可被熱學(xué)整合，以使得將來(lái)自燃料電池305中的發(fā)熱電化學(xué)反應(yīng)的熱提供至預(yù)重整反應(yīng)器 314的預(yù)重整區(qū)域316以驅(qū)動(dòng)預(yù)重整反應(yīng)器314中的吸熱汽化及裂化/重整反應(yīng)。如上文 描述，一個(gè)或更多個(gè)預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320和/或一個(gè)或更多個(gè)預(yù)重整器陰極廢氣管 道322延伸至預(yù)重整反應(yīng)器314的預(yù)重整區(qū)域316中且位于預(yù)重整反應(yīng)器314的預(yù)重整區(qū) 域316內(nèi)。熱陽(yáng)極廢氣流可自陽(yáng)極廢氣出口 369退出燃料電池305的陽(yáng)極307，且經(jīng)由管線 372進(jìn)入預(yù)重整區(qū)域316中的預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320，且熱陰極廢氣流可自陰極廢氣出 口 407退出燃料電池305的陰極399，且經(jīng)由管線421進(jìn)入預(yù)重整區(qū)域316中的預(yù)重整器陰 極廢氣管道322。當(dāng)陽(yáng)極廢氣流經(jīng)過(guò)預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320時(shí)，可在陽(yáng)極廢氣流與預(yù)重 整區(qū)域316中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物之間交換來(lái)自熱陽(yáng)極廢氣流的熱。類似地，當(dāng) 陰極廢氣流經(jīng)過(guò)預(yù)重整器陰極廢氣管道322時(shí)，可在陰極廢氣流與預(yù)重整反應(yīng)器314的預(yù) 重整區(qū)域316中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物之間交換來(lái)自熱陰極廢氣流的熱。從發(fā)熱固態(tài)氧化物燃料電池305至吸熱預(yù)重整反應(yīng)器314的熱交換為高度有效 的。在預(yù)重整反應(yīng)器314的預(yù)重整區(qū)域316內(nèi)預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320和/或預(yù)重整器 陰極廢氣管道322的位置允許熱陽(yáng)極廢氣流和/或陰極廢氣流與反應(yīng)器314內(nèi)的進(jìn)料前驅(qū) 物和蒸汽的混合物之間的熱交換，從而在發(fā)生汽化/裂化/重整反應(yīng)的位置處將熱轉(zhuǎn)移至 進(jìn)料前驅(qū)物及蒸汽。此外，由于管道320及322在催化劑床附近，在預(yù)重整區(qū)域316內(nèi)預(yù)重 整器陽(yáng)極廢氣管道和/或陰極廢氣管道320及322的位置允許熱陽(yáng)極廢氣流和/或陰極廢 氣流加熱預(yù)重整區(qū)域316中的預(yù)重整催化劑。此外，除了由陽(yáng)極廢氣流和/或陰極廢氣流提供的熱之外不需要將額外熱提供至 預(yù)重整反應(yīng)器314以驅(qū)動(dòng)預(yù)重整反應(yīng)器314中的汽化/裂化/重整反應(yīng)以產(chǎn)生用于重整反 應(yīng)器301的進(jìn)料。裂化或重整進(jìn)料前驅(qū)物烴至適用作重整反應(yīng)器的進(jìn)料的烴所需的溫度可 為自400°C至850°C，或自500°C至800°C，且可高于在重整反應(yīng)器301中重整進(jìn)料所需的溫 度。陽(yáng)極廢氣流及陰極廢氣流可具有自800°C至1000°C的溫度，其在陽(yáng)極廢氣流和/或陰 極廢氣流與進(jìn)料前驅(qū)物和蒸汽的混合物之間熱交換之后足以驅(qū)動(dòng)在預(yù)重整反應(yīng)器314中 進(jìn)料前驅(qū)物至進(jìn)料的轉(zhuǎn)化。在本發(fā)明的方法的實(shí)施例中，當(dāng)陽(yáng)極廢氣流經(jīng)過(guò)預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320時(shí)， 陽(yáng)極廢氣流與預(yù)重整區(qū)域316中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可提供供給 預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物的相當(dāng)大量的熱以驅(qū)動(dòng)汽化/裂化/重 整反應(yīng)。在本發(fā)明的方法的實(shí)施例中，陽(yáng)極廢氣流與預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前 驅(qū)物的混合物之間的熱交換可提供供給預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合 物的熱的至少40%、或至少50%、或至少70%，或至少90%。在一實(shí)施例中，供應(yīng)至預(yù)重 整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物的熱基本上由在經(jīng)過(guò)預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管 道320的陽(yáng)極廢氣流與預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物之間交換的熱組 成。在該方法的實(shí)施例中，陽(yáng)極廢氣流與預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料的混合物之間 的熱交換可經(jīng)控制以維持蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物的溫度在500°C至800°C的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的方法的實(shí)施例中，當(dāng)陰極廢氣流經(jīng)過(guò)預(yù)重整器陰極廢氣管道322時(shí)， 陰極廢氣流與預(yù)重整區(qū)域316中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可提供供給 預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物的相當(dāng)大量的熱以驅(qū)動(dòng)汽化/裂化/重 整反應(yīng)。在本發(fā)明的方法的實(shí)施例中，陰極廢氣流與預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可提供供給預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合 物的熱的至少40 %、或至少50 %、或至少70 %，或至少90 %。在一實(shí)施例中，供應(yīng)至預(yù)重 整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物的熱基本上由在經(jīng)過(guò)預(yù)重整器陰極廢氣管 道322的陰極廢氣流與預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物之間交換的熱組 成。在該方法的實(shí)施例中，陰極廢氣流與預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合 物之間的熱交換可經(jīng)控制以維持蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物的溫度在500°C至800°C的范 圍內(nèi)。在一實(shí)施例中，當(dāng)陽(yáng)極廢氣流經(jīng)過(guò)預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320且陰極廢氣流經(jīng)過(guò) 預(yù)重整器陰極廢氣管道322時(shí)，陽(yáng)極廢氣流、陰極廢氣流與預(yù)重整區(qū)域316中的蒸汽和進(jìn)料 前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可提供供給預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混 合物的相當(dāng)大量的熱以驅(qū)動(dòng)汽化/裂化/重整反應(yīng)。在本發(fā)明的方法的實(shí)施例中，陽(yáng)極廢 氣流、陰極廢氣流與預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可提 供供給反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物的熱的至少40%、或至少50%、或至少 70 %、或至少80 %、或至少90 %、或至少95 %，或至少99 %。在本發(fā)明的方法的實(shí)施例中， 陰極廢氣流與反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可提供供給反應(yīng) 器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物的熱的高達(dá)60%、或高達(dá)50%、或高達(dá)40%、或高達(dá) 30%，或高達(dá)20%，同時(shí)陽(yáng)極廢氣流與蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可提供供 給反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物的熱的至少40 %、或至少50 %、或至少60 %、 或至少70 %，或至少80 %。在一實(shí)施例中，供應(yīng)至預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物 的混合物的熱可基本上由在陽(yáng)極廢氣流及陰極廢氣流與反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū) 物的混合物之間交換的熱組成。在該方法的實(shí)施例中，陽(yáng)極廢氣流及陰極廢氣流與反應(yīng)器 314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可經(jīng)控制以維持蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混 合物的溫度在500°C至800°C的范圍內(nèi)。在一優(yōu)選實(shí)施例中，由陽(yáng)極廢氣流、或陰極廢氣流或陽(yáng)極廢氣流和陰極廢氣流提 供至預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物的熱足以驅(qū)動(dòng)重整反應(yīng)器314中的 預(yù)重整/裂化反應(yīng)，使得不需要其它熱源來(lái)驅(qū)動(dòng)預(yù)重整反應(yīng)器314中的反應(yīng)。最優(yōu)選地，不 通過(guò)電加熱或燃燒將熱提供至反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物。在一實(shí)施例中，陽(yáng)極廢氣流提供大部分或全部熱至預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和 進(jìn)料前驅(qū)物的混合物以驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器314中的汽化/裂化/重整反應(yīng)。可調(diào)整計(jì)量閥371及 370以控制陽(yáng)極廢氣流從燃料電池305至預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320的流動(dòng)，其中可增加陽(yáng) 極廢氣流經(jīng)過(guò)閥370的流動(dòng)且可減少其經(jīng)過(guò)閥371的流動(dòng)，以增加陽(yáng)極廢氣流至預(yù)重整器 陽(yáng)極廢氣管道320中的流動(dòng)，從而提供驅(qū)動(dòng)預(yù)重整反應(yīng)器314中的汽化/裂化/重整反應(yīng) 所需的熱。在此實(shí)施例中，僅需要一些陰極廢氣流或不需要陰極廢氣流與預(yù)重整反應(yīng)器314 中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物交換熱以驅(qū)動(dòng)汽化/裂化/重整反應(yīng)。陰極廢氣流經(jīng)過(guò)預(yù) 重整反應(yīng)器314中的預(yù)重整陰極廢氣管道322的流動(dòng)可受到控制以控制從陰極廢氣流提供 至預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物的熱的量。計(jì)量閥411、412、429及431 可經(jīng)調(diào)整以控制陰極廢氣流至預(yù)重整器陰極廢氣管道322的流動(dòng)，使得陰極廢氣流提供所 要量的熱(若存在)至預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物。為了減少陰極廢氣流經(jīng)由預(yù)重整器陰極廢氣管道322至預(yù)重整反應(yīng)器314的流動(dòng)，閥412及429可經(jīng)調(diào) 整以減少陰極廢氣經(jīng)由閥412及429的流動(dòng)，且閥411及431可經(jīng)調(diào)整以增加陰極廢氣經(jīng) 由閥411及431的流動(dòng)。無(wú)需用來(lái)加熱重整反應(yīng)器301或預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料的混合物的陰 極廢氣流則可經(jīng)由管線409分流至熱交換器405以加熱饋送至陰極399的含氧氣體。在一實(shí)施例中，陰極廢氣流提供大部分或全部熱至預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和 進(jìn)料前驅(qū)物的混合物以驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器314中的汽化/裂化/重整反應(yīng)。計(jì)量閥411、412、429 及431可經(jīng)調(diào)整以控制陰極廢氣流至預(yù)重整器陰極廢氣管道322的流動(dòng)，使得陰極廢氣流 提供所要量的熱至反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物。為了增加陰極廢氣流經(jīng)由 預(yù)重整器陰極廢氣管道322至預(yù)重整反應(yīng)器314的流動(dòng)，閥412及429可經(jīng)調(diào)整以增加陰 極廢氣流經(jīng)由閥412及429的流動(dòng)，且閥411及431可經(jīng)調(diào)整以減少陰極廢氣流經(jīng)由閥411 及431的流動(dòng)。在此實(shí)施例中，僅需要一些陽(yáng)極廢氣流或不需要陽(yáng)極廢氣流與預(yù)重整反應(yīng)器314 中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物交換熱以驅(qū)動(dòng)汽化/裂化/重整反應(yīng)。陽(yáng)極廢氣流經(jīng)過(guò)預(yù) 重整反應(yīng)器314中的重整陽(yáng)極廢氣管道320的流動(dòng)可受到控制以控制自陽(yáng)極廢氣流提供至 預(yù)重整反應(yīng)器314中的蒸汽和進(jìn)料前驅(qū)物的混合物的熱的量?？烧{(diào)整計(jì)量閥371及370以 控制陽(yáng)極廢氣流從燃料電池305至預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320的流動(dòng)，其中可減少流過(guò)閥 370的陽(yáng)極廢氣流且可增加其經(jīng)過(guò)閥371的流動(dòng)，以減少陽(yáng)極廢氣流至預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣 管道320中的流動(dòng)。已經(jīng)過(guò)預(yù)重整器陰極廢氣管道322的經(jīng)冷卻的陰極廢氣流在其中可仍具有相當(dāng) 大量的熱，且可具有高達(dá)800°C的溫度。經(jīng)冷卻的陰極廢氣流可經(jīng)由出口 423傳送出陰極廢 氣管道，以經(jīng)由管線419與經(jīng)由閥411定量供給至熱交換器405的任何陰極廢氣流一起饋 送至含氧氣體熱交換器405。在一優(yōu)選實(shí)施例中，重整反應(yīng)器301、預(yù)重整反應(yīng)器314及固態(tài)氧化物燃料電池 305可被熱學(xué)整合，以使得來(lái)自燃料電池305中的發(fā)熱電化學(xué)反應(yīng)的熱提供至重整反應(yīng)器 301的重整區(qū)域315以驅(qū)動(dòng)重整反應(yīng)器301中的吸熱重整反應(yīng)，且提供至預(yù)重整反應(yīng)器314 的預(yù)重整區(qū)域316以驅(qū)動(dòng)吸熱汽化/裂化/重整反應(yīng)。如上文描述，燃料電池305可操作 性地連接至重整反應(yīng)器301及預(yù)重整反應(yīng)器314。在一實(shí)施例中，預(yù)重整陽(yáng)極廢氣管道320可與重整陽(yáng)極廢氣管道319操作性地串 行連接，使得陽(yáng)極廢氣流可從燃料電池305的陽(yáng)極廢氣出口 369流過(guò)預(yù)重整反應(yīng)器314，接 著流過(guò)重整反應(yīng)器301。陽(yáng)極廢氣流從預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320至重整器陽(yáng)極廢氣管道 319的流動(dòng)可通過(guò)調(diào)整閥368控制。在一實(shí)施例中，預(yù)重整反應(yīng)器314的預(yù)重整陰極廢氣管道322可與重整反應(yīng)器301 的重整陰極廢氣管道317操作性地串行連接，使得陰極廢氣流可從陰極廢氣出口 407流過(guò) 預(yù)重整反應(yīng)器314，接著經(jīng)由管線425流入重整反應(yīng)器301的重整器陰極廢氣管道317中。 陰極廢氣流從預(yù)重整反應(yīng)器314經(jīng)由管線425至重整反應(yīng)器301的流動(dòng)可通過(guò)調(diào)整閥427 控制。在另一實(shí)施例中，預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320與重整器陽(yáng)極廢氣管道319可操作 性地并列連接，使得陽(yáng)極廢氣流可從陽(yáng)極廢氣出口 365同時(shí)流過(guò)預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320及重整器陽(yáng)極廢氣管道319。計(jì)量閥371及370可經(jīng)調(diào)整以使得陽(yáng)極廢氣流分別以所 需流量流入重整器陽(yáng)極廢氣管道319及預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320中。在另一實(shí)施例中，預(yù)重整器陰極廢氣管道322可與重整器陰極廢氣管道317操作 性地并列連接，使得陰極廢氣流可從陰極廢氣出口 407同時(shí)流過(guò)預(yù)重整器陰極廢氣管道 422及重整器陰極廢氣管道417。計(jì)量閥431及429可經(jīng)調(diào)整以使得陰極廢氣流分別以所 需流量流入重整器陰極廢氣管道317及預(yù)重整器陰極廢氣管道322中?？捎捎?jì)量閥370、371及368控制陽(yáng)極廢氣流經(jīng)過(guò)預(yù)重整反應(yīng)器314及重整反應(yīng)器 301以向反應(yīng)器301及314提供熱的流動(dòng)。計(jì)量閥370可用于控制陽(yáng)極廢氣流從陽(yáng)極廢氣 出口 365至預(yù)重整器陽(yáng)極廢氣管道320的流動(dòng)。計(jì)量閥371可用于控制陽(yáng)極廢氣流從陽(yáng)極 廢氣出口 365至重整器陽(yáng)極廢氣管道319的流動(dòng)。計(jì)量閥368可用于控制陽(yáng)極廢氣流從預(yù) 重整器陽(yáng)極廢氣管道320的流動(dòng)，使得陽(yáng)極廢氣流可被導(dǎo)入至重整器陽(yáng)極廢氣管道319中?？捎捎?jì)量閥412、427、429及431控制陰極廢氣流經(jīng)過(guò)預(yù)重整反應(yīng)器314及重整反 應(yīng)器301以提供熱至反應(yīng)器301及314的流動(dòng)。計(jì)量閥412可用于控制陰極廢氣流從燃料 電池陰極廢氣出口至預(yù)重整反應(yīng)器314及重整反應(yīng)器301的流動(dòng)。計(jì)量閥429可用于控制 陰極廢氣流從陰極廢氣出口 407至預(yù)重整器陰極廢氣管道322的流動(dòng)。計(jì)量閥431可用于 控制陰極廢氣流從陰極廢氣出口 407至重整器陰極廢氣管道317的流動(dòng)。計(jì)量閥427可用 于控制陰極廢氣流從預(yù)重整器陰極廢氣管道322的流動(dòng)，使得陰極廢氣流可被導(dǎo)入至重整 器陰極廢氣管道317中。在本發(fā)明的方法的此實(shí)施例中，對(duì)于由該方法(特別地，從烴進(jìn)料產(chǎn)生第一氣流 及在燃料電池305中將一氧化碳氧化為二氧化碳)產(chǎn)生的每單位電而言，可產(chǎn)生相對(duì)極少 二氧化碳。首先，在第二氣流中將來(lái)自陽(yáng)極廢氣流的氫氣再循環(huán)至燃料電池305減少了需 要由重整反應(yīng)器301產(chǎn)生的氫氣的量，由此減少伴隨的二氧化碳副產(chǎn)物產(chǎn)生。其次，重整反 應(yīng)器301及可選的預(yù)重整反應(yīng)器314與燃料電池305的熱學(xué)整合(其中在燃料電池105中 產(chǎn)生的熱由來(lái)自燃料電池305的陽(yáng)極廢氣和/或陰極廢氣轉(zhuǎn)移到重整反應(yīng)器301內(nèi)及可選 擇的預(yù)重整反應(yīng)器314內(nèi))減少了需要提供以驅(qū)動(dòng)吸熱重整反應(yīng)及預(yù)重整反應(yīng)的能量，從 而減少例如由燃燒提供該能量的需要，由此減少在提供能量以驅(qū)動(dòng)重整反應(yīng)及預(yù)重整反應(yīng) 中產(chǎn)生的二氧化碳的量。在本發(fā)明的方法的此實(shí)施例中，可以每千瓦時(shí)所產(chǎn)生的電不超過(guò)400克(400g/ kffh)的速率產(chǎn)生二氧化碳。在一優(yōu)選實(shí)施例中，在本發(fā)明的方法中以不超過(guò)350g/kWh的速 率產(chǎn)生二氧化碳，且在一更優(yōu)選實(shí)施例中，在本發(fā)明的方法中以不超過(guò)300g/kWh的速率產(chǎn)
生二氧化碳。在另一實(shí)施例中，本發(fā)明的方法利用包括經(jīng)熱學(xué)整合的蒸汽重整器、位于蒸汽重 整器外部的氫氣分離設(shè)備，及固態(tài)氧化物燃料電池的系統(tǒng)。現(xiàn)參看圖4，用于實(shí)踐此實(shí)施例 的方法的系統(tǒng)類似于圖2中或圖3中所顯示的系統(tǒng)，不同之處在于高溫氫氣分離設(shè)備503 未位于重整反應(yīng)器501中，而是操作性地耦合至重整反應(yīng)器501，使得含有在重整反應(yīng)器 501中形成的氫氣及碳氧化物的經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體及未反應(yīng)的烴及蒸汽經(jīng)過(guò)管線505至高 溫氫氣分離設(shè)備503。如上文描述，高溫氫氣分離設(shè)備503優(yōu)選地為管狀氫氣可滲透膜裝 置。由氫氣分離設(shè)備503將含有氫氣的第一氣流與經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體及未反應(yīng)的蒸汽及烴分離?？蓪⒄羝祾邭怏w經(jīng)由管線507注入于氫氣分離設(shè)備503中以促進(jìn)第一氣流 的分離。如上文描述，第一氣流可從氫氣分離設(shè)備饋送至熱交換器，且隨后至冷凝器，且接 著至固態(tài)氧化物燃料電池。如上文描述，將包含氫氣的第二氣流從燃料電池的陽(yáng)極廢氣分 離且饋送回至燃料電池中。可將氣態(tài)非氫經(jīng)重整產(chǎn)物及未反應(yīng)進(jìn)料作為氣態(tài)流經(jīng)由管線509從氫氣分離設(shè) 備503分離。非氫經(jīng)重整產(chǎn)物及未反應(yīng)進(jìn)料可包括二氧化碳、水(為蒸汽)及少量一氧化 碳、氫氣及未反應(yīng)烴。從氫氣分離設(shè)備503分離的非氫氣態(tài)流可為含有以折干計(jì)算至少0. 9、或至少 0. 95，或至少0. 98克分子份數(shù)的二氧化碳且具有為至少IMPa、或至少2MPa，或至少2. 5MPa 的壓力的高壓二氧化碳?xì)饬鳌？扇缟衔年P(guān)于使用在重整反應(yīng)器中的氫氣分離膜從重整反應(yīng) 器分離的高壓二氧化碳流所描述的方式處理高壓二氧化碳流。利用位于重整反應(yīng)器501外部的氫氣分離設(shè)備503的方法的其余部分可以與上文 關(guān)于固態(tài)氧化物燃料電池及在其中含有氫氣分離膜的重整反應(yīng)器(有或無(wú)預(yù)重整反應(yīng)器) 所描述相同的方式加以實(shí)踐。
權(quán)利要求
一種用于產(chǎn)生電的方法，其包含從含有一種或更多種烴的進(jìn)料產(chǎn)生含氫氣的第一氣流；以選定流量將所述第一氣流饋送送至固態(tài)氧化物燃料電池的陽(yáng)極；以選定流量將含有氫氣的第二氣流饋送至該固態(tài)氧化物燃料電池的所述陽(yáng)極；在該陽(yáng)極中，將第一氣流及第二氣流與在該固態(tài)氧化物燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處的氧化劑混合以按至少0.4W/cm2的電力密度產(chǎn)生電；從該固態(tài)氧化物燃料電池的所述陽(yáng)極分離包含氫氣及水的陽(yáng)極廢氣流；以及從該陽(yáng)極廢氣流分離第二氣流，該第二氣流包含從陽(yáng)極廢氣流分離的氫氣，其中，以產(chǎn)生每千瓦小時(shí)的電而不超過(guò)400g的速率產(chǎn)生二氧化碳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，以選定的流量將所述第一氣流及第二氣流饋送 至陽(yáng)極，從而有效地以至少0. 5W/cm2、或至少0. 75W/cm2、或至少lW/cm2、或至少1. 25ff/cm2 或至少1. 5ff/cm2的電力密度來(lái)產(chǎn)生電。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，對(duì)于所產(chǎn)生的每千瓦小時(shí)的電力而言，二氧 化碳的產(chǎn)生率至多為350g，或至多為300g。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2-3之一所述的方法，其中，選定分離條件從重整的產(chǎn)物氣體中分 離第一氣流，從而提供含有至少0. 7克分子份數(shù)，或至少0. 8克分子份數(shù)，或至少0. 9克分 子份數(shù)，或至少0. 95克分子份數(shù)的氫氣的第一氣流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2-4之一所述的方法，其中，選定分離條件從重整的產(chǎn)物氣體中 分離第一氣流，從而提供含有至多0. 15克分子份數(shù)，或至多0. 10克分子份數(shù)，或至多0. 05 克分子份數(shù)的碳氧化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2-6之一所述的方法，其中，選定分離條件從陽(yáng)極廢氣流中分離第 二氣流，從而提供含有至少0. 9克分子份數(shù)或至少0. 95克分子份數(shù)的氫氣的第二氣流。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一氣流和第二氣流饋送至所述陽(yáng)極的流 量經(jīng)獨(dú)立選擇而使得在燃料電池中形成的水的量與陽(yáng)極廢氣流中的氫氣的量的比率至多 為1，或至多為0. 75，或至多為0. 67，或至多為0. 43，或至多為0. 25，或至多為0. 11。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2-7之一所述的方法，其中，所述第一氣流和第二氣流饋 送至所述陽(yáng)極的流量經(jīng)獨(dú)立選擇而使得所述陽(yáng)極廢氣流含有至少0. 6克分子份數(shù)的氫氣， 或至少0. 7克分子份數(shù)的氫氣，或至少0. 8克分子份數(shù)的氫氣，或至少0. 9克分子份數(shù)的氫 氣。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2-8之一所述的用于產(chǎn)生電的方法，其中，所述第一氣流是通過(guò)對(duì) 包含一種或更多種烴的進(jìn)料進(jìn)行蒸汽重整而產(chǎn)生的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2-8之一所述的用于產(chǎn)生電的方法，其中，所述第一氣流是通過(guò) 對(duì)包含一種或更多種烴的進(jìn)料進(jìn)行部分氧化而產(chǎn)生的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2-8之一所述的用于產(chǎn)生電的方法，其中，所述第一氣流通過(guò)下 述方式產(chǎn)生，即，通過(guò)對(duì)包含一種或更多種烴的進(jìn)料進(jìn)行蒸汽重整來(lái)形成重整產(chǎn)物氣體并 從所述重整產(chǎn)物氣體中分離第一氣流。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或2-8之一所述的用于產(chǎn)生電的方法，其中，所述第一氣流通過(guò)下 述方式產(chǎn)生，即，通過(guò)對(duì)包含一種或更多種烴的進(jìn)料進(jìn)行部分氧化來(lái)形成產(chǎn)物氣體并從該 產(chǎn)物氣體中分離第一氣流。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用固態(tài)氧化物燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)生電的方法，其產(chǎn)生較少量的二氧化碳。將含有氫氣的第一及第二氣流以獨(dú)立地選定的流量饋送至固態(tài)氧化物燃料電池的陽(yáng)極。在該固態(tài)氧化物燃料電池的一個(gè)或更多個(gè)陽(yáng)極電極處將該第一氣流及該第二氣流與氧化劑混合以產(chǎn)生電。從該燃料電池的陽(yáng)極分離包含氫氣及水的陽(yáng)極廢氣流，且從該陽(yáng)極廢氣流分離包含氫氣的所述第二氣流且將其饋送回至燃料電池的陽(yáng)極。將第一氣流及第二氣流饋送至該燃料電池的流量經(jīng)選擇以使得該燃料電池產(chǎn)生高電力密度。來(lái)自所述陽(yáng)極廢氣流的氫氣的循環(huán)減少了操縱所述燃料電池所需的待產(chǎn)生的氫氣的量，由此減少了在生產(chǎn)操作燃料電池所需的氫氣的生產(chǎn)中產(chǎn)生的二氧化碳的量。
文檔編號(hào)H01M8/06GK101946353SQ200880126738
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2008年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月17日
發(fā)明者E·E·恩沃爾, M·L·喬希, S·L·韋林頓, 崔晶瑜 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司