本發(fā)明的領(lǐng)域涉及用于使用SOFC單元從重整后的工藝氣體原料產(chǎn)生二氧化碳、凈化氫和電力的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

“提高的石油采收率(EOR)”是用于增加可以從油田提取的原油的量的技術(shù)的通用術(shù)語(yǔ)。術(shù)語(yǔ)“提高的氣體采收率(EGR)”是用于增加可以例如從接近枯竭的氣田提取的天然氣的量的技術(shù)的通用術(shù)語(yǔ)。當(dāng)前存在提高的石油采收率的幾種不同方法，包括蒸汽驅(qū)和水驅(qū)注入以及水力壓裂。提高的石油采收率提取方法消耗了大量的水、天然氣和能量。氣體注入或混相驅(qū)是目前在提高的石油采收率中最常用的方法。最常用于混相驅(qū)替(miscible displacement)的流體是二氧化碳，因?yàn)槠浣档土擞偷恼扯炔⑶冶纫夯蜌獗阋?。二氧化碳在?00m更深的儲(chǔ)層中是特別有效的，在那里二氧化碳將處于超臨界狀態(tài)。在利用較輕石油的高壓應(yīng)用中，二氧化碳與石油混相，產(chǎn)生石油的膨脹，以及粘度的降低。作為溶劑的二氧化碳具有比諸如丙烷和丁烷的其他類(lèi)似的混相流體更經(jīng)濟(jì)的好處。

文獻(xiàn)US2006/0115691A1公開(kāi)了利用二氧化碳捕獲的在固體氧化物燃料電池發(fā)電站中的廢氣處理的方法，其中，陽(yáng)極廢氣中未反應(yīng)的燃料被回收并循環(huán)利用，而所產(chǎn)生的廢氣流由高濃度的二氧化碳組成。該方法的一個(gè)缺點(diǎn)是該方法是更不節(jié)能的，從而需要另外的資源和產(chǎn)物來(lái)運(yùn)行該工藝。另外，該方法僅限于加壓SOFC系統(tǒng)。

文獻(xiàn)US2010/0266923A1公開(kāi)了一種燃料電池系統(tǒng)，包括具有質(zhì)子交換膜的電化學(xué)氫泵。水煤氣變換(water-gas shift,WGS)反應(yīng)催化劑包含在電化學(xué)氫泵內(nèi)。該實(shí)施例允許高的燃料再循環(huán)率，這意味著氫的再循環(huán)，以獲得高的整體燃料利用率，從而產(chǎn)生高系統(tǒng)效率。氫分離裝置用于通過(guò)從SOFC堆疊陽(yáng)極(stack anode)廢氣流中電化學(xué)地抽出氫來(lái)豐富具有氫的陽(yáng)極廢氣流的再循環(huán)部分。這種燃料電池系統(tǒng)的操作允許SOFC燃料利用率接近100％。為了實(shí)現(xiàn)這種高的SOFC燃料利用率，電化學(xué)氫泵必須以超過(guò)90％的利用率操作。這意味著SOFC堆疊陽(yáng)極廢氣流中的至少90％的氫必須被分離并回收利用。在這些情況下，SOFC系統(tǒng)可以以至少96％的燃料利用率以及最優(yōu)選地以約99％的燃料利用率操作。該系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是其針對(duì)高燃料利用率被優(yōu)化并且因此不適合作為利用二氧化碳捕獲的氫發(fā)生器。

要解決的技術(shù)問(wèn)題

因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于產(chǎn)生電力和二氧化碳的較便宜的方法和系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是還提供用于產(chǎn)生電能、二氧化碳和氫、特別是清潔的和優(yōu)選地加壓的二氧化碳的節(jié)能的方法和系統(tǒng)，其適合于從重整后的工藝氣體原料、最優(yōu)選地從烴原料的提高的石油采收率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

上述目的通過(guò)包括權(quán)利要求1的特征的方法以及更特別地通過(guò)包括權(quán)利要求2-10的特征的方法來(lái)解決。上述目的進(jìn)一步通過(guò)包括權(quán)利要求11的特征的系統(tǒng)以及更特別地通過(guò)包括權(quán)利要求12-20的特征的系統(tǒng)來(lái)解決。

該目的特別地通過(guò)一種用于使用固體氧化物燃料電池SOFC從重整后的工藝氣體原料產(chǎn)生二氧化碳、凈化氫和電力的方法來(lái)解決，該方法包括以下步驟：

-將重整后的工藝氣體引入至固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極側(cè)；

-在固體氧化物燃料電池中，將空氣引入至固體氧化物燃料電池的陰極側(cè)，并且在陽(yáng)極側(cè)中，將重整后的工藝氣體的氫和一氧化碳與氧結(jié)合轉(zhuǎn)化成包括蒸汽、二氧化碳和未轉(zhuǎn)化的工藝氣體的陽(yáng)極廢氣；

-將陽(yáng)極廢氣引入至高溫水煤氣變換反應(yīng)器中；

-在高溫水煤氣變換反應(yīng)器中，將一氧化碳和蒸汽轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫，

-將離開(kāi)高溫水煤氣變換反應(yīng)器的氣體引入至低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器中，

-在低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器中，將一氧化碳和蒸汽轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫，其中低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器包括氫泵，其在從原料側(cè)移除氫的同時(shí)在滲透?jìng)?cè)產(chǎn)生凈化氫，以使得陽(yáng)極廢氣被耗盡氫和一氧化碳以產(chǎn)生主要包括二氧化碳和蒸汽的富含二氧化碳的氣體流。

該目的進(jìn)一步特別地通過(guò)一種用于從重整后的工藝氣體原料產(chǎn)生二氧化碳、凈化氫和電力的系統(tǒng)來(lái)解決，該系統(tǒng)包括：

-固體氧化物燃料電池SOFC，

-高溫水煤氣變換反應(yīng)器，

-以及低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器，包括滲透?jìng)?cè)、原料側(cè)和它們之間的電化學(xué)泵，

-其中，固體氧化物燃料電池與重整后的工藝氣體原料流體連接，以用于將重整后的工藝氣體與氧結(jié)合轉(zhuǎn)化成包括蒸汽、二氧化碳和未轉(zhuǎn)化的工藝氣體的陽(yáng)極廢氣；

-其中，高溫水煤氣變換反應(yīng)器與固體氧化物燃料電池流體連接，用于接收陽(yáng)極廢氣并且用于將一氧化碳和蒸汽轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫，

-其中，低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器的原料側(cè)與高溫水煤氣變換反應(yīng)器流體連接，用于接收離開(kāi)高溫水煤氣變換反應(yīng)器的氣體，以及用于將一氧化碳和蒸汽轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫，以及用于通過(guò)電化學(xué)泵分離氫以在滲透?jìng)?cè)上產(chǎn)生凈化氫，以使得陽(yáng)極廢氣被耗盡氫和一氧化碳以產(chǎn)生主要包括二氧化碳和蒸汽的富含二氧化碳的氣體流。

表述“重整后的工藝氣體原料”在這里指使用重整反應(yīng)、優(yōu)選地使用蒸汽重整將燃料、例如烴或乙醇轉(zhuǎn)化至通常具有較高加熱值的另一燃料的輸出。蒸汽重整，有時(shí)也稱(chēng)為化石燃料重整，是從諸如例如天然氣的烴燃料的含碳燃料產(chǎn)生氫或其他有用產(chǎn)物的方法。這在稱(chēng)為重整器的處理裝置中實(shí)現(xiàn)，重整器使高溫下的蒸汽與燃料反應(yīng)，以使得產(chǎn)生重整后的工藝氣體原料。

任何烴的重整如下：

C_nH_2n+2+nH₂O→nCO+(2n+1)H₂

這種蒸汽重整可以針對(duì)寬范圍的燃料執(zhí)行，但是工藝本身在所有情況下是類(lèi)似的。

根據(jù)本發(fā)明的方法使用兩個(gè)連續(xù)的水煤氣變換反應(yīng)器，高溫水煤氣變換反應(yīng)器和低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器。高溫水煤氣變換反應(yīng)器的目的是將陽(yáng)極廢氣中包含的一氧化碳和蒸汽轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫。SOFC工藝的實(shí)施例包括操作高溫水煤氣變換(HTS)反應(yīng)器以使得其維持約300℃的溫度。低溫水煤氣變換(LTS)膜反應(yīng)器的目的是進(jìn)一步將離開(kāi)高溫水煤氣變換反應(yīng)器的氣體中包含的剩余一氧化碳和蒸汽轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫并分離氫。低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器包括電化學(xué)泵，其被設(shè)計(jì)為抑制原料側(cè)上的氫，并在滲透?jìng)?cè)上產(chǎn)生凈化氫。這種優(yōu)選地基于PEM的電化學(xué)氫泵能夠從原料側(cè)分離氫，只要原料側(cè)上的氣體溫度和一氧化碳濃度不太高即可。在優(yōu)選實(shí)施例中，進(jìn)入低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器的原料側(cè)的氣體包含少于2％的一氧化碳并具有小于200℃的溫度。在低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器的原料側(cè)上的氫的移除允許在滲透?jìng)?cè)上產(chǎn)生凈化氫，并且氫的移除改善了原料側(cè)上的一氧化碳至二氧化碳的轉(zhuǎn)化，以使得原料側(cè)上的輸出主要由蒸汽和二氧化碳組成。因此，根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠使用固體氧化物燃料電池從重整后的工藝氣體原料產(chǎn)生二氧化碳、凈化氫和電力。

優(yōu)選地，固體氧化物燃料電池SOFC被控制為根據(jù)待產(chǎn)生的凈化氫和二氧化碳的所需量來(lái)以0％-90％的范圍的燃料利用率(FU)操作。燃料利用率表示在SOFC燃料電池中反應(yīng)的燃料的百分?jǐn)?shù)。例如，50％的燃料利用率表示氫H₂的一半被氧化成H₂O。最優(yōu)選地，固體氧化物燃料電池SOFC被控制來(lái)以25％-80％的范圍的燃料利用率(FU)操作。根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是燃料利用率(FU)可以在寬范圍中變化，以使得可以控制來(lái)自三個(gè)產(chǎn)物流，電力、氫和二氧化碳的每一個(gè)的潛在收入。因此，電力或氫(二次燃料)和二氧化碳的量可以根據(jù)需要、例如通過(guò)所需的二氧化碳的量來(lái)控制。

如例如在文獻(xiàn)US2010/0266923A1中所公開(kāi)的，針對(duì)高系統(tǒng)效率和爭(zhēng)取接近100％的SOFC燃料利用率的燃料電池系統(tǒng)的缺點(diǎn)是以下事實(shí)：SOFC的燃料利用率(FU)可以?xún)H在例如96％至100％的非常窄的范圍內(nèi)變化。降低燃料利用率是不可能的，因?yàn)橛捎谝谎趸嫉脑黾?，其將增加低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器的膜催化劑的中毒效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，一氧化碳將導(dǎo)致膜的快速劣化。

在優(yōu)選方法中，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)用于從烴燃料自給自足地產(chǎn)生電能、凈化氫和二氧化碳。因此，系統(tǒng)可以通過(guò)僅使用一個(gè)烴燃料源來(lái)自給自足地操作。在這種應(yīng)用中，固體氧化物燃料電池SOFC生成運(yùn)行系統(tǒng)所需的電能，并由此產(chǎn)生至少凈化的氫和二氧化碳。優(yōu)選地，系統(tǒng)可以自給自足地操作，并且可以以大于25％的燃料利用率(FU)產(chǎn)生額外的電能。

存在用于產(chǎn)生適于供給至固體氧化物燃料電池的重整后的工藝氣體原料的各種方式。最優(yōu)選地，氣態(tài)烴原料和蒸汽被引入至重整器中，其中，在重整器中，通過(guò)至少部分地將甲烷和蒸汽轉(zhuǎn)化成一氧化碳和氫來(lái)生成重整后的工藝氣體。在另一優(yōu)選方法中，液態(tài)烴原料被引入至蒸發(fā)器中，以生成供給至重整器的氣態(tài)烴原料。代替氣態(tài)烴原料，任何氣態(tài)含碳燃料適于被供給至重整器。在這種氣態(tài)或液態(tài)烴原料被供給至重整器之前，化石燃料，例如天然氣，優(yōu)選地在燃料預(yù)處理單元中被預(yù)處理以移除諸如硫化合物的毒物。

包含碳的材料在這里也被稱(chēng)為含碳材料或含碳燃料。含碳燃料包括各種燃料，諸如烴(C_mH_n)、天然氣、原油、生物質(zhì)、沼氣、乙醇、木材或煤炭。在另一有利的方法中，含碳燃料，諸如固體含碳燃料，例如木材，被引入至氣化器中，與蒸汽結(jié)合以生成產(chǎn)物氣體，其中，產(chǎn)物氣體被引入氣體清潔單元中以生成重整后的工藝氣體。含碳燃料也可以是液態(tài)或氣態(tài)燃料，例如乙醇或沼氣。

因此，根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)允許從重整后的工藝氣體原料產(chǎn)生二氧化碳、氫和電力。

在另一方法步驟中，凈化氫被添加至重整后的工藝氣體。最優(yōu)選地，凈化的氫被添加至氣態(tài)含碳燃料原料，優(yōu)選地氣態(tài)烴原料，其被供給至重整器，其在重整器中通過(guò)蒸汽重整被轉(zhuǎn)化成H₂,CO,CO₂和H₂O的混合物。該混合物在陽(yáng)極側(cè)進(jìn)入固體氧化物燃料電池?？諝庵械难醣粋鬟f通過(guò)固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)并電化學(xué)地與H₂和CO反應(yīng)，由此生成電力和熱量。陽(yáng)極廢氣被供給至高溫水煤氣變換反應(yīng)器，其中，水煤氣變換反應(yīng)將CO和H₂O轉(zhuǎn)化成CO₂和H₂。離開(kāi)高溫水煤氣變換反應(yīng)器的氣體被供給至低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器，在其中水煤氣變換反應(yīng)將CO和H₂O轉(zhuǎn)化成CO₂和H₂，由此，H₂通過(guò)氫泵被傳遞通過(guò)膜，以使得低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器的原料側(cè)上的氣體被耗盡氫，并且在滲透?jìng)?cè)上產(chǎn)生凈化的氫。陽(yáng)極廢氣因此被凈化，以使得離開(kāi)低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器的原料側(cè)的氣體主要包含CO₂和蒸汽。

根據(jù)本發(fā)明的方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從固體氧化物燃料電池的陽(yáng)極廢氣移除氫，以使得陽(yáng)極廢氣中包含的CO被全部轉(zhuǎn)化成CO₂。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，氫被由此傳遞至燃料并在固體氧化物燃料電池中被回收利用，這增加了固體氧化物燃料電池的燃料轉(zhuǎn)化率和效率。

在根據(jù)本發(fā)明的SOFC系統(tǒng)的最基礎(chǔ)的實(shí)施例中，除了重整后的工藝氣體原料、空氣和蒸汽以外，不需要額外的輸入來(lái)運(yùn)行該方法。重整后的工藝氣體原料例如基于烴原料。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)非常容易處理并且非常便于運(yùn)行，因?yàn)椴恍枰嘿F的設(shè)施和額外的供給。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的以下詳細(xì)描述以及附圖，本發(fā)明的各種目的、特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的組件。

附圖說(shuō)明

圖1示出本發(fā)明的第一實(shí)施例的工藝流程圖；

圖2示出本發(fā)明的第二實(shí)施例的工藝流程圖；

圖3示出低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器；

圖4示意性示出電化學(xué)泵；

圖5示出本發(fā)明的第三實(shí)施例的工藝流程圖；

圖6示出分離二氧化碳的分離系統(tǒng)；

圖7示出根據(jù)燃料利用率FU的所生成的電力和氫的量的示例。

具體實(shí)施方式

圖1示出本系統(tǒng)1的主要原理以及用于從重整后的工藝氣體原料205產(chǎn)生二氧化碳435、凈化氫213和電力的方法。包含碳或烴的無(wú)毒燃料，典型地沼氣或天然氣215，被作為含碳燃料原料200或作為氣態(tài)烴原料200供給至重整器3以產(chǎn)生重整后的工藝氣體原料205。沼氣或天然氣215優(yōu)選地進(jìn)入燃料預(yù)處理單元13，其包含所有必要的毒物移除步驟以產(chǎn)生燃料，該燃料足夠干凈以適合于重整器3、固體氧化物燃料電池2以及水煤氣變換反應(yīng)器8和4。通常，預(yù)處理單元13將至少包括利用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的傳統(tǒng)方法之一的脫硫，以產(chǎn)生氣態(tài)含碳燃料200或氣態(tài)烴原料200。

如圖1中公開(kāi)的，氣態(tài)含碳燃料原料200或氣態(tài)烴原料200在熱交換器203中被加熱，并通過(guò)管道204供給至重整器3，以生成重整后的工藝氣體205，由此，在根據(jù)圖1的實(shí)施例中，在蒸汽生成單元220a中生成的蒸汽220也供給至重整器3。重整器3中的反應(yīng)優(yōu)選地在500至800℃的溫度范圍內(nèi)在重整催化劑存在的情況下發(fā)生。重整后的工藝氣體205在熱交換器206中被加熱并供給至固體氧化物燃料電池SOFC 2的陽(yáng)極側(cè)23。離開(kāi)固體氧化物燃料電池2的陽(yáng)極廢氣208在熱交換器209中被冷卻至例如大約300℃，并且首先被供給至高溫水煤氣變換反應(yīng)器8，之后在熱交換器214中被冷卻，以及之后被供給至低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器4。進(jìn)入低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器4的氣體被耗盡氫213以產(chǎn)生富含二氧化碳的氣體流211。離開(kāi)低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器4的富含二氧化碳的氣體流211在熱交換器212中被冷卻并供給至CO₂調(diào)節(jié)單元5，其至少?gòu)母缓趸嫉臍怏w流211分離水411并優(yōu)選地壓縮氣體流以產(chǎn)生壓縮二氧化碳435。

固體氧化物燃料電池2還包括陰極側(cè)21以及電解質(zhì)22。固體氧化物燃料電池2保持空氣流100和重整后的工藝氣體205分離，以使得它們不混合。未示出固體氧化物燃料電池2的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)?？諝?00在鼓風(fēng)機(jī)101中被輕微壓縮成壓縮冷空氣102，在熱交換器103中被加熱成預(yù)熱的空氣104，并且之后被供給至固體氧化物燃料電池2的陰極側(cè)21。離開(kāi)固體氧化物燃料電池2的陰極側(cè)21的熱耗盡空氣流114在熱交換器106中被冷卻，并且被作為耗盡的空氣107排出。由固體氧化物燃料電池2產(chǎn)生的電力在逆變器6中從DC轉(zhuǎn)變成AC。

圖1中公開(kāi)的實(shí)施例優(yōu)選地適合于平面型固體氧化物燃料電池SOFC 2。最優(yōu)選地，空氣100或重整產(chǎn)品205都不被壓縮，以使得陰極側(cè)21上的預(yù)熱的空氣104和陽(yáng)極側(cè)23上的重整產(chǎn)品205具有大氣壓力或接近大氣壓力。

代替天然氣215或沼氣，也可以使用液態(tài)含碳燃料原料，其可以被引入熱交換器203，優(yōu)選地蒸發(fā)器，以使得氣態(tài)含碳燃料原料離開(kāi)蒸發(fā)器并供給至重整器3。

圖3示意性示出低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器4，如在根據(jù)圖1、2和5的實(shí)施例中所使用的。低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器4包括具有出口44b的進(jìn)料側(cè)44以及滲透?jìng)?cè)41。兩側(cè)被包括膜42的氫泵9分離。進(jìn)料側(cè)44包括催化劑43，相應(yīng)地催化劑床，以使得水煤氣變換反應(yīng)45可以發(fā)生，如圖3中所示。陽(yáng)極廢氣208，相應(yīng)地離開(kāi)高溫水煤氣變換反應(yīng)器8、通常由CO、CO₂、H₂O和H₂組成的氣體216進(jìn)入水煤氣變換膜反應(yīng)器4的進(jìn)料側(cè)44，其中發(fā)生分離過(guò)程，其中主要目的是將CO轉(zhuǎn)化成CO₂，并從未用完的燃料中分離CO₂和H₂O。H₂穿過(guò)膜42并進(jìn)入滲透?jìng)?cè)41。CO₂和H₂O作為富含二氧化碳的氣流211離開(kāi)水煤氣變換膜反應(yīng)器4的進(jìn)料側(cè)44，該富含二氧化碳的氣流211主要包括二氧化碳435和蒸汽。氫作為凈化氫的流213離開(kāi)滲透?jìng)?cè)41。

在圖4中更詳細(xì)地公開(kāi)了氫泵9，其包括第一電極層9a、第二電極層9b、它們之間的膜42，并包括電源9c。

圖4示意性示出包括質(zhì)子交換膜(PEM)42的氫泵9。電化學(xué)泵9被設(shè)計(jì)為分別以電解模式氧化和還原陽(yáng)極和陰極處的氫。如圖3和4中所公開(kāi)的，包含氫的流216在氫泵9的陽(yáng)極室進(jìn)入進(jìn)料側(cè)44，并且在催化劑、電解質(zhì)和氣體的三相界面處，分子氫在陽(yáng)極9a處被氧化成質(zhì)子和電子。接著，由于兩個(gè)電極9a、9b之間的施加的電勢(shì)差，質(zhì)子被驅(qū)動(dòng)通過(guò)膜42，而電子被驅(qū)動(dòng)通過(guò)電池的導(dǎo)電元件經(jīng)由外部電路9c到達(dá)陰極9b。質(zhì)子和電子結(jié)合以在滲透?jìng)?cè)41形成分子氫，以使得純凈的氫在滲透?jìng)?cè)41釋放。氫泵9以電解模式操作。由此，電化學(xué)泵9需要電源9c來(lái)完成化學(xué)反應(yīng)。

優(yōu)選地，使用鉑作為氫泵9中的催化劑。這種氫泵9能夠分離氫，只要輸入氣體216的氣體組分不污染催化劑或通過(guò)膜42擴(kuò)散。一種這樣的不期望的雜質(zhì)是一氧化碳，因?yàn)槠湮皆诖呋瘎┍砻嫔喜⒁种破潆娀瘜W(xué)活性。因此，重要的是保持低于2％的CO水平。因此，重要的是，在從高溫水煤氣變換反應(yīng)器8離開(kāi)的氣體216被供給至低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器4之前，將在高溫水煤氣變換反應(yīng)器中的陽(yáng)極廢氣208中包含的一氧化碳和蒸汽轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫。兩個(gè)連續(xù)的水煤氣變換反應(yīng)器4、8的該組合允許將低溫水煤氣變換反應(yīng)器4中的CO水平保持在低水平，并且因此允許使用在低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器4中的氫泵9。

在優(yōu)選實(shí)施例中，氫泵9的膜42是摻雜有磷酸(PA)的聚苯并咪唑(PBI)。這樣的膜被示出為在高達(dá)200℃的溫度下操作。因此，包括這種膜42的氫泵9特別優(yōu)選地與低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器4組合。

低溫水煤氣變換膜反應(yīng)器4包括與氫泵9組合的水煤氣變換反應(yīng)器，所述氫泵9包括PA摻雜的PBI膜42，從而水煤氣變換膜反應(yīng)器4將水煤氣變換催化劑與H₂分離膜相組合。氫泵9的功能是從進(jìn)料側(cè)44移除H₂，并由此朝向反應(yīng)產(chǎn)物移動(dòng)反應(yīng)(CO+H₂O＝CO₂+H₂)的平衡。這使得能夠在進(jìn)料側(cè)44的出口處獲得主要包括蒸汽和CO₂的氣體混合物。剩余物由微量的CH₄,CO和H₂組成。分離膜42應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地在與水煤氣變換反應(yīng)器相同的溫度下操作。

一氧化碳至二氧化碳的轉(zhuǎn)化優(yōu)選地達(dá)到大于95％。這可以通過(guò)控制水煤氣變換膜反應(yīng)器4的溫度和/或電力9c、或者更確切地說(shuō)H₂泵送率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2示出另一實(shí)施例。與圖1公開(kāi)的實(shí)施例相比，固體含碳燃料201，例如木材，與蒸汽220一起被供給至氣化器11，以生成產(chǎn)物氣體。產(chǎn)物氣體之后在熱交換器203中被冷卻并作為氣體流204供給至氣體清潔單元12，以使得產(chǎn)生重整后的工藝氣體205，其適于供給至固體氧化物燃料電池2。熱交換器221可以在氣化器11中使用。各種固體含碳燃料可以在系統(tǒng)1中使用，例如木材、生物質(zhì)或煤炭。根據(jù)燃料的類(lèi)型，氣化器11必須適配，以生成合適的產(chǎn)物氣體，其在通過(guò)氣體清潔單元12之后可以用作重整后的工藝氣體原料205，其適于供給至固體氧化物燃料電池2。如果使用液態(tài)或氣態(tài)含碳燃料，則不需要?dú)饣?1，以使得在圖2公開(kāi)的實(shí)施例中，這種含碳燃料可以被直接供給至氣體清潔單元12，或在根據(jù)圖1的實(shí)施例中，含碳燃料可以被供給至燃料預(yù)處理單元13。如果使用從廢物得到的燃料，這種清潔單元12或預(yù)處理單元13是最重要的，因?yàn)閺膹U物得到的燃料包含各種微量污染物。這種微量污染物的量和種類(lèi)取決于各種因素，諸如廢物的類(lèi)型和年限、溫度和壓力、以及分解工藝的階段。盡管許多污染物種類(lèi)在沼氣中存在，但在燃料電池系統(tǒng)中使用時(shí)特別關(guān)注以下三種雜質(zhì)：硫、硅氧烷、以及VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)。至少這些雜質(zhì)應(yīng)當(dāng)在預(yù)處理單元13或氣體清潔單元12中被移除。SOFC系統(tǒng)特別地需要非常嚴(yán)格的酸性氣體移除，因?yàn)樗鼈兛梢詢(xún)H在燃料氣體中容忍約1ppm H₂S和約1ppm鹵化物。

圖6示出CO₂調(diào)節(jié)單元5的實(shí)施例。富含二氧化碳的氣體流211被送至調(diào)節(jié)單元5，其包括一系列壓縮和冷卻步驟以分離至少水和二氧化碳和剩余氣體。富含二氧化碳的氣體流211在熱交換器212中被冷卻并且之后進(jìn)入具有輔助冷卻402的水分離器401，其中水冷凝物408被分離。剩余的冷卻的富含二氧化碳的氣體流211之后在壓縮器403中被壓縮，在具有輔助冷卻405的熱交換器404中被冷卻，并且之后被引入另一水分離器406中，在其中，水冷凝物407被分離。分離的水407、408被收集在水箱409中，并且水411可以在出水口410處可得。剩余的冷卻的富含二氧化碳的氣體流211在壓縮器415中被壓縮，在具有輔助冷卻417的熱交換器416中被冷卻，并且在可選的分離器418中流動(dòng)，在其中，流體被分離成剩余氣體420和分離成超臨界二氧化碳430，剩余氣體420可以在壓縮剩余氣體出口419處可得，超臨界二氧化碳430通過(guò)泵431和管道432被泵入二氧化碳存儲(chǔ)箱433。壓縮的二氧化碳435可以在二氧化碳出口434處可得。通過(guò)示例，冷卻的富含二氧化碳的氣體流211可以在離開(kāi)壓縮器403時(shí)具有10巴(bar)的壓力，并且可以在離開(kāi)壓縮機(jī)415時(shí)具有80巴的壓力，以使得剩余氣體420具有80巴的壓力，由此，二氧化碳進(jìn)一步由泵431壓縮，以使得壓縮的二氧化碳435可以具有150巴的壓力。圖6也示出用以控制系統(tǒng)1和或調(diào)節(jié)單元5的控制單元7。在圖1、2、5和6中公開(kāi)的所有系統(tǒng)都包括控制單元7，其允許控制固體氧化物燃料電池SOFC 2以使得實(shí)現(xiàn)0％-90％的范圍、特別地25％-80％的范圍的燃料利用率(FU)。對(duì)于功率平衡，其意味著對(duì)于在電能方面的自給自足，最小的燃料利用率(FU)將優(yōu)選為25％?？刂茊卧?允許控制由系統(tǒng)1產(chǎn)生的凈化氫213和二氧化碳435的量，特別地通過(guò)控制固體氧化物燃料電池SOFC 2的燃料利用率(FU)來(lái)進(jìn)行。

圖7通過(guò)示例示出根據(jù)燃料利用率FU所生成的功率和氫的量。假定重整后的工藝氣體原料205持續(xù)地輸送X kW的能量。所產(chǎn)生的二氧化碳的量是Y kg/天的恒定量。之后，由固體氧化物燃料電池SOFC 2產(chǎn)生并在圖7中在功率P1和P2之間由線“功率”指示的功率的調(diào)節(jié)導(dǎo)致如在圖7中由線“H2”公開(kāi)的氫的產(chǎn)生[kg/天]。因此，圖7在示例中示出燃料利用率(FU)的量對(duì)氫的產(chǎn)生的影響。如圖7所公開(kāi)的，燃料利用率(FU)可以最優(yōu)選地在約25％至80％的范圍內(nèi)被調(diào)節(jié)。