CN101919098A - 利用燃料电池产生电力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用固态氧化物燃料电池系统产生电的方法。将含有氢气的第一及第二气流以独立地选定的流量馈送至固态氧化物燃料电池的阳极。在该固态氧化物燃料电池的一个或多个阳极电极处将该第一气流及该第二气流与氧化剂混合以产生电。从该燃料电池的阳极分离包含氢气及水的阳极废气流，且从该阳极废气流分离包含氢气的所述第二气流且将其馈送回至燃料电池的阳极。将第一气流及第二气流馈送至该燃料电池的流量经选择以使得该燃料电池产生高电力密度。

Description

利用燃料电池产生电力的方法

技术领域

本发明涉及产生电力的燃料电池系统，且涉及一种用于产生电力的方法。具体地说，本发明涉及关于一种产生电力的固态氧化物燃料电池系统及一种使用该系统产生电力的方法。

背景技术

固态氧化物燃料电池为包含直接从电化学反应产生电力的固态组件的燃料电池。这种燃料电池为有用的，因为其提供高品质的可靠电力，操作时洁净，且为相对紧凑的发电机，从而使得其在市区的应用十分有吸引力。

固态氧化物燃料电池由阳极、阴极及夹在阳极与阴极之间的固态电解质形成。可氧化燃料气体或可在燃料电池中重整为可氧化燃料气体的气体被馈送至阳极，且含氧气体(通常为空气)被馈送送至阴极以提供化学反应物。馈送送至阳极的可氧化燃料气体通常为合成气(可氧化组份氢气与一氧化碳分子的混合物)。在通常为650℃至1000℃的高温下操作燃料电池，以将含氧气体中的氧气转化成氧离子，氧离子可越过电解质与来自阳极处的燃料气体的氢气和/或一氧化碳相互作用。电力由阴极处氧气至氧离子的转化及阳极处氧离子与氢气和/或一氧化碳的化学反应产生。以下反应描述电池中的产生电力的化学反应：

阴极电荷转移：O₂+4e^-→2O^＝

阳极电荷转移：H₂+O^＝→H₂O+2e^-及

CO+O^＝→CO₂+2e^-

电负载或储存设备可连接于阳极与阴极之间，以使得电流可在阳极与阴极之间流动，从而为电负载供电或将电力提供至储存设备。

燃料气体通常由蒸汽重整反应器供应至阳极，蒸汽重整反应器将低分子量烃及蒸汽重整成氢气及碳氧化物。甲烷(例如天然气中)为用于产生用于燃料电池的燃料气体的优选低分子量烃。或者，燃料电池阳极可经设计以在内部实现供应至燃料电池的阳极的诸如甲烷的低分子量烃与蒸汽的蒸汽重整反应。

甲烷蒸汽重整根据以下反应提供含有氢气及一氧化碳的燃料气体：

通常，蒸汽重整反应在可有效地将相当大量甲烷及蒸汽转化成氢气及一氧化碳的温度下进行。此外，可在蒸汽重整反应器中由在水煤气变换反应中将蒸汽及一氧化碳转化成氢气及二氧化碳来实现氢气产生。在水煤气变换反应中根据以下反应形成氢气及二氧化碳：然而，在用于将燃料气体供应至固态氧化物燃料电池的常规操作的蒸汽重整反应器中，由于蒸汽重整反应器在极为有利于由蒸汽重整反应产生一氧化碳及氢气且不利于由水煤气变换反应产生氢气及二氧化碳的温度下操作，故很少有氢气由水煤气变换反应产生。可在燃料电池中氧化一氧化碳以提供电能，而二氧化碳则不能被氧化，因此，在有利于将烃及蒸汽重整为氢气及一氧化碳且不利于将一氧化碳及蒸汽变换反应为更多氢气及二氧化碳的温度下进行重整反应通常被接受为提供用于燃料电池的燃料的优选方法。通常由外部或内部蒸汽重整而供应至阳极的燃料气体因此含有氢气、一氧化碳、少量二氧化碳、未反应的甲烷以及为蒸汽的水。

然而，与更纯净的氢气燃料气体流相比，含有诸如一氧化碳的非氢化合物的燃料气体对于在固态氧化物燃料电池中产生电力而言其效率较低。在给定温度下，可在固态氧化物燃料电池中产生的电力随着氢气浓度增加而增加。这归因于氢气分子相对于其它化合物的电化学氧化电位。例如，在0.7伏特下氢气分子可产生1.3W/cm²的电力密度，而在0.7伏特下一氧化碳仅可产生0.5W/cm²的电力密度。因此，含有相当大量非氢化合物的燃料气体流在固态氧化物燃料电池中的电力产生方面不如主要含有氢气的燃料气体有效。

然而，在商业上固态氧化物燃料电池通常以“贫氢”模式操作，其中例如由蒸汽重整产生燃料气体的条件经选定以限制燃料气体中退出燃料电池的氢气量。进行此操作以平衡燃料气体中氢气的电能电位与由离开电池的未转化成电能的氢气损失的电位能(电化学+热)。

已采取某些措施来再次捕获退出燃料电池的氢气的能量，然而，与氢气在燃料电池中电化学地反应的情况相比，这些措施是显著缺乏能量效率的。举例而言，已经将由在燃料电池中使燃料气体电化学地反应而产生的阳极废气燃烧以驱动涡轮膨胀机(turbine expander)产生电。然而，由于大量热能损失而非由膨胀机转化成电能，因此与在燃料电池中捕获氢气的电化学电位相比为效率显著较低的。退出燃料电池的燃料气体也已燃烧以提供热能以用于各种热交换应用。然而，在燃烧之后约50％的热能在这种热交换应用中损失。氢气非常昂贵，不应用作在低效率能量回收系统中利用的燃烧器的燃料，因此，传统上来说，用于固态氧化物燃料电池中的氢气的量经调整以利用提供至燃料电池的大部分氢气来产生电力，且最小化在燃料电池废气中退出燃料电池的氢气量。

美国专利申请公开第2007/0017369号(′369公开案)提供了一种操作燃料电池系统的方法，其中将进料提供至燃料电池的燃料入口。进料可包括从外部蒸汽重整器提供的氢气与一氧化碳的混合物，或者可包括在燃料电池堆栈中内部地重整成氢气及一氧化碳的烃进料。

燃料电池堆栈操作以产生电及含有氢气及一氧化碳的燃料废气流，其中将燃料废气流中的氢气及一氧化碳从燃料废气流分离且馈送回至燃料入口作为进料的一部分。因此，用于燃料电池的燃料气体为由重整烃燃料源而导出的氢气及一氧化碳与从燃料废气系统分离的氢气及一氧化碳的混合物。将来自燃料废气的氢气的至少一部分再循环经过燃料电池使得能够实现高操作效率。该系统进一步由在经由所述堆栈的每一道期间利用约75％的燃料而提供燃料电池中的高燃料利用率。

美国专利申请公开案第2005/0164051号提供了一种操作燃料电池系统的方法，其中将燃料提供至燃料电池的燃料入口。该燃料可为诸如甲烷的烃燃料；含有夹带氢气及其它气体的甲烷的天然气；丙烷；沼气；与来自重整器的氢气燃料混合的未经重整的烃燃料；或诸如一氧化碳、二氧化碳的非烃含碳气体、诸如甲醇的氧化含碳气体或其它含碳气体与诸如水蒸气或合成气的含氢气体的混合物。燃料电池堆栈操作以产生电及含有氢气的燃料废气流。利用氢气分离器以从燃料电池的燃料侧废气流分离出未经利用的氢气。由氢气分离器分离的氢气可再流通回至燃料电池，或可被导引至一子系统以用于需要氢气的其它用途。可根据电需求或氢气需求来选择再流通回至燃料电池的氢气量，其中当对电的需求较高时将更多氢气再流通回至燃料电池。视电需求而定，燃料电池堆栈能够以从0至100％的燃料利用率操作。当电需求较高时，燃料电池以高燃料利用率操作以增加电产量生，优选的燃料利用率为50至80％。

需要对用于产生电的固态氧化物燃料电池系统及用于产生电的固态氧化物燃料电池方法在效率及电力密度上做进一步改良。

发明内容

在一个方面中，本发明是针对一种用于产生电的方法，其包含：以选定流量将含有氢气的第一气流馈送送至固态氧化物燃料电池的阳极；以选定流量将含有氢气的第二气流馈送送至该固态氧化物燃料电池的所述阳极；在该阳极中，将第一气流及第二气流与在该固态氧化物燃料电池的一个或多个阳极电极处的氧化剂混合以按至少0.4W/cm²的电力密度产生电；从该固态氧化物燃料电池的所述阳极分离包含氢气及水的阳极废气流；及从该阳极废气流分离第二气流，该第二气流包含从阳极废气流分离的氢气，其中，将所述第一气流及所述第二气流馈送送至阳极的上述流量经独立地选择，以使得在该燃料电池中形成的水的量相对于阳极废气流中的氢气的量的比率为至多1.0。

在另一方面中，本发明是针对一种用于产生电的方法，其包含：以一选定流量将一含有氢气的第一气流馈送至一固态氧化物燃料电池的一阳极；以一选定流量将一含有氢气的第二气流馈送至该固态氧化物燃料电池的该阳极；在该阳极中，将该第一气流及该第二气流与在该固态氧化物燃料电池的一或多个阳极电极处的氧化剂混合以按至少0.4W/cm²的电力密度产生电；从该固态氧化物燃料电池的该阳极分离一包含氢气及水的阳极废气流；及从该阳极废气流分离该第二气流，该第二气流包含来自该阳极废气流的氢气，其中将该第一气流及该第二气流馈送至该阳极的这种流量经独立地选择，以使得该阳极废气流含有至少0.6克分子份数的氢气。

在另一方面中，本发明是针对一种用于产生电的方法，其包含：以一选定流量将一含有一氢气源的第一气流馈送至一固态氧化物燃料电池的一阳极；以一选定流量将一含有氢气的第二气流馈送至该固态氧化物燃料电池的该阳极；在该阳极中，重整该第一气流以提供氢气；在该阳极中，将该经重整的第一气流及该第二气流与在该固态氧化物燃料电池的一或多个阳极电极处的氧化剂混合以按至少0.4W/cm²的电力密度产生电；从该固态氧化物燃料电池的该阳极分离一包含氢气及水的阳极废气流；及从该阳极废气流分离该第二气流，该第二气流包含来自该阳极废气流的氢气，其中将该第一气流及该第二气流馈送至该阳极的这种流量经独立地选择，以使得在该燃料电池中形成的水的量相对于该阳极废气中的氢气的量的比率为至多1.0。

附图说明

图1为用于实践本发明的方法的本发明系统的示意图。

图2为用于实践本发明的方法的包括重整反应器的本发明系统的示意图。

图3为用于实践本发明的方法的包括预重整反应器及重整反应器的本发明系统的示意图。

图4为本发明的系统的一部分的示意图，其中氢气分离装置位于重整反应器的外部。

图5为用于根据本发明的方法产生电的本发明的基本系统的示意图。

图6为用于根据本发明的方法产生电的本发明的基本系统的示意图，其中氢气分离装置位于重整反应器的外部。

具体实施方式

本发明提供用于在利用固态氧化物燃料电池的系统中以高电力密度产生电的高效方法及用于执行该方法的系统。

本发明的方法由利用富氢燃料且最小化而非最大化燃料电池的每道燃料利用率而在固态氧化物燃料电池系统中产生比现有技术中揭示的系统高的电力密度，该方法由分离且再循环从燃料电池的燃料废气捕获的氢气且以选定流量馈送来自进料及再循环流的氢气以最小化每道燃料利用而完成。

在本发明的方法中，固态氧化物燃料电池的阳极在阳极的整个路径长度上充满氢气，以使得阳极电极处可用于电化学反应的氢气的浓度在整个阳极路径长度上维持在高水平，由此最大化燃料电池的电力密度。由于氢气具有比诸如一氧化碳的通常用于固态氧化物燃料电池系统中的其它可氧化化合物显著更大的电化学电位，故在该方法中使用主要为且优选几乎全部为氢气的富氢燃料则最大化了燃料电池系统的电力密度。

本发明的方法还通过最小化而非最大化固态氧化物燃料电池中燃料的每道燃料利用率而最大化燃料电池系统的电力密度。最小化每道燃料利用率以减少贯穿燃料电池的阳极路径长度的氧化产物(特别为水)的浓度，以使得贯穿阳极路径长度维持高氢气浓度。由于沿燃料电池的整个阳极路径长度在阳极电极处存在过量氢气用于电化学反应，因此，由燃料电池提供高电力密度。在旨在实现高的每道燃料利用率(例如，大于60％燃料利用)的方法中，在燃料在燃料电池中行进甚至一半长度之前，氧化产物的浓度可构成燃料流的大于30％，且可为燃料电池废气中氢气的浓度的若干倍，以使得随着提供至燃料电池的燃料经由阳极前进，沿阳极路径提供的电力可显著减少。

由于在燃料电池中未利用来产生电的氢气被从燃料电池的阳极废气分离且继续再循环回至燃料电池，故本发明的方法是高度有效的。由于消除了与由于氢气离开电池而不转化成电能而损失能量相关联的问题，这样则能够相对于燃料的最低加热值产生高电力密度。

本发明的系统经设计以允许用富氢燃料对固态氧化物燃料电池进行氢气充满以使固态氧化物燃料电池的阳极电极处的氢气的浓度在整个阳极路径长度上维持高水平，以最大化燃料电池的电力密度。该系统包括置于重整反应器与固态氧化物燃料电池的阳极之间的氢气分离装置，其中可利用氢气分离装置来从经重整的气体分离氢气且将该氢气提供至燃料电池的阳极。该系统还设计成用以将燃料电池的阳极废气再循环回至燃料电池的阳极中，优选地在将水从阳极废气移除之后进行此操作，这是由于当用于燃料电池的燃料为氢气时废气主要由氢气及水形成。通过将氢气再循环回至燃料电池的阳极中，氢气在整个阳极路径长度上可维持于高浓度，而不损失退出燃料电池的氢气的电化学电位。

如本文中所用，除非另外规定，否则术语“氢气”指代氢气分子。

如本文中所用，术语“氢气源”指代可从其产生游离氢的化合物(例如，诸如甲烷的烃)，或这种化合物的混合物(例如，诸如天然气的含烃混合物)。

如本文中所用，“每单位时间燃料电池中形成的水的量”计算如下：每单位时间燃料电池中形成的水的量＝[每单位量测时间所量测的在燃料电池的阳极废气中退出燃料电池的水量]-[每单位量测时间存在于馈送至燃料电池的阳极的燃料中的水量]。举例来说，若馈送至燃料电池的阳极的燃料中的水及在阳极废气中退出燃料电池的水的量的量测花费2分钟，其中馈送至阳极的燃料中水的量测量为6摩尔，且在阳极废气中退出燃料电池的水的量测量为24摩尔，则如本文计算的在燃料电池中形成的水的量为(24摩尔/2分钟)-(6摩尔/2分钟)＝12摩尔/分钟-3摩尔/分钟＝9摩尔/分钟。

如本文中所用，当两个或两个以上组件被描述为“操作性地连接”或“操作性地耦合”时，这种组件则被限定为直接或间接地连接以允许这种组件之间的直接或间接流体流动。如本文中所用，术语“流体流动”指代气体或流体的流动。当两个或两个以上组件被描述为“有选择地操作性地连接”或“有选择地操作性地耦合”时，所述组件则限定为直接或间接地连接或耦合以允许所述组件之间选定气体或流体的直接或间接流体流动。当用在“操作性地连接”或“操作性地耦合”的定义中时，术语“间接流体流动”意谓着当流体或气体在两个界定的组件之间流动时，两个界定的组件之间流体或气体的流动可被导引经过一个或多个额外组件以改变流体或气体的一个或多个方面。可在间接流体流动中改变的流体或气体的方面包括物理特征，诸如气体或流体的温度或压力，和/或气体或流体的组成，例如，通过分离气体或流体的组份，例如，通过从含有蒸汽的气流来冷凝水。如本文中限定的那样，“间接流体流动”不包括由化学反应(例如，流体或气体的一个或多个元素的氧化或还原)在两个界定的组件之间改变气体或流体的组成。

如本文中所用，术语“可选择性地透过氢气”界定为氢气分子或元素态氢可渗透且其它元素或化合物不可渗透，以使得至多10％、或至多5％，或至多1％的非氢元素或化合物可渗透分子态氢或元素态氢可渗透的物质。

如本文中所用，术语“高温氢气分离设备”界定为在至少250℃的温度下(通常在从300℃至650℃的温度下)从气流有效地分离分子态或元素态形式的氢的设备或装置。

如本文中所用，当指代在固态氧化物燃料电池中的燃料中利用氢气时，“每道氢气利用率”则界定为在经由固态氧化物燃料电池的一道中用以产生电的燃料中的氢气的量相对于就该道而言输入至燃料电池中的燃料中氢气的总量的比率。可通过量测馈送至燃料电池的阳极的燃料中氢气的量，量测燃料电池的阳极废气中氢气的量，从馈送至燃料电池的燃料中氢气的量测量减去燃料电池的阳极废气中的氢气的量测量以确定在燃料电池中使用的氢气的量，且使在燃料电池中使用的氢气的计算量除以馈送至燃料电池的燃料中氢气的量测量而计算每道氢气利用率。每道氢气利用率可由使经计算的每道氢气利用乘以100而表示为百分数。

现参看图1，下面将描述本发明的方法。在本发明的方法中，将含有氢气或氢气源的第一气流经由管线1馈送至固态氧化物燃料电池5的阳极入口3。计量阀7可用于选择并控制第一气流至固态氧化物燃料电池5的流量。在一实施例中，第一气流可含有至少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克分子份数(molefraction)的氢气。

在本发明的方法的一实施例中，利用含有烃的进料产生氢气的氢气产生器9可经由管线1操作性地连接至固态氧化物燃料电池5，其中氢气产生器9可产生待馈送至固态氧化物燃料电池5的第一气流或可产生含有氢气及一种或多种其它化合物的产物气体，含有氢气的第一气流可从所述产物气体分离且接着馈送至固态氧化物燃料电池5。为本发明的方法的目的，词组“从含有一种或多种烃的进料产生含有氢气的第一气流”是指包括(例如)由形成含有氢气及一种或多种其它化合物的产物气体而直接产生第一气流，以及由首先从进料产生产物气体(例如由对进料进行蒸汽重整或催化性部分氧化进料)且从产物气体分离第一气流而间接地产生第一气流。氢气产生器9可为烃重整反应器、操作性地耦合至或整合高温氢气分离设备的烃重整反应器、催化性部分氧化反应器或操作性地耦合至高温氢气分离设备的催化性部分氧化反应器。或者，直接式氢气供应部(诸如氢气储存槽)可操作性地连接至固态氧化物燃料电池5以经由管线1将第一气流提供至燃料电池5的阳极入口3。

若氢气产生器9为烃重整反应器，则烃重整反应器可为将一种或多种烃及蒸汽转化成氢气及碳氧化物(优选包括常规的重整催化剂以降低实现该反应所需的能量)的任一适当设备。优选地，在从烃进料洗涤硫以避免污染重整催化剂之后，将烃进料(优选为低分子量烃或低分子量烃的混合物)及蒸汽馈送至烃重整反应器以用于反应。优选地，烃进料为含有甲烷的气流，且烃重整反应器为用于通过蒸汽重整反应将含有甲烷的气流重整成氢气及碳氧化物的蒸汽重整反应器。视蒸汽重整反应器的操作温度而定，重整反应器亦可实现水煤气变换反应以由作为重整反应的结果存在的蒸汽及一氧化碳生成更多氢气。蒸汽重整反应器可在从650℃至1000℃的温度下操作，或如下文描述，当结合高温氢气分离设备使用时，在从400℃至650℃的温度下操作以实现重整反应，从而将甲烷或其它烃气体转化成氢气及碳氧化物。用以产生氢气及碳氧化物的甲烷/烃蒸汽重整反应为非常吸热的，且使用较高温度有利于氢气的产生。在一实施例中，在2.5MPa至3MPa的压力下将天然气馈送至重整反应器，且在其中与蒸汽在从800℃至1000℃的温度下反应以产生含有氢气及一氧化碳的经重整的产物气体，产物气体可作为第一气流经由管线1馈送至燃料电池5的阳极11。

在一实施例中，氢气产生器9可为与用于对包含液态烃的进料前驱物进行汽化、裂化和/或重整以形成进料的预重整反应器耦合的用于重整包含气态烃的进料的烃重整反应器。包含在大气压下在从0℃至350℃的温度下为液体的烃的进料前驱物可馈送至预重整反应器以用于与在从400℃至1000℃的温度下的蒸汽反应。进料前驱物与蒸汽(其中蒸汽与进料前驱物的比率至少为2、或至少为3、或至少为4或至少为5)可在预重整反应器中混合(优选接触预重整催化剂)以汽化，且可选地裂化和/或重整进料前驱物，从而形成可馈送至重整反应器的气态烃进料。在一实施例中，在预重整反应器中，从进料前驱物产生的气态烃进料可包含至少50％或至少60％或至少70％的甲烷。

在一优选实施例中，烃重整反应器操作性地连接至高温氢气分离设备或将高温氢气分离设备包括于重整反应器内。高温氢气分离设备可包含分子形式或元素态形式的氢可选择性地渗透的部件。在一优选实施例中，高温氢气分离设备包含可选择性地透过氢气的膜。在一实施例中，高温氢气分离设备包含可选择性地透过氢气的涂覆有钯或钯合金的管状膜。

若高温氢气分离设备操作性地连接至重整反应器而非位于反应器内，则高温氢气分离设备操作性地连接至重整反应器以使得来自重整反应器的含有氢气及碳氧化物的经重整的产物气体与高温氢气分离设备接触，以分离氢气与经重整的产物气体中的其它化合物。由高温氢气分离设备从经重整的产物气体分离的氢气可作为第一气流经由管线1馈送至固态氧化物燃料电池5的阳极11。

若高温氢气分离设备位于重整反应器中，则其可位于一位置中以使得经重整的产物气体在重整反应器的重整区域中接触高温氢气分离设备的选择性氢气可渗透部件，且当实现重整反应时从重整区域分离氢气。高温氢气分离设备可具有可经由管线1操作性地耦合至固态氧化物燃料电池5的阳极11的氢气出口，以使得由重整反应器中的高温氢气分离设备分离的氢气可作为第一气流从重整反应器馈送至燃料电池5的阳极11。

蒸汽重整反应器与操作性地连接至蒸汽重整反应器或位于反应器中的高温氢气分离设备的结合使用能够实现：1)使得在从由常规蒸汽重整反应器产生的氢气浓度至基本上仅含氢气的范围中选定第一气流的氢气浓度；2)能够使蒸汽重整反应在较低温度(例如，从400℃至650℃)进行；以及3)与常规蒸汽重整反应器中的可能产生量相比，每单位烃燃料产生更多氢气，这是由于蒸汽重整及水煤气变换反应都可在反应器中在反应器可运行的较低温度下发生，且由从经重整的产物移除氢气而驱动这种平衡反应来完成。

在该方法的一实施例中，氢气产生器9为含有常规重整催化剂及高温氢气分离设备的蒸汽重整反应器，优选地包含有选择地可渗透氢气的一个或多个涂覆有钯的管状膜，其中送至蒸汽重整反应器的进料选定为蒸汽及甲烷或天然气，且重整反应器的操作温度选定为从400℃至650℃。在选定温度下，重整反应器对进料进行将甲烷及水转化成氢气及一氧化碳的蒸汽重整反应，且进行将一氧化碳及蒸汽转化成氢气及二氧化碳的水煤气变换反应。氢气分离设备分离在重整反应器中产生的氢气，将氢气作为第一气流经由管线1传递至固态氧化物燃料电池5的阳极入口3。氢气从重整反应器的分离驱动重整反应及水煤气变换反应，从而由进料及蒸汽产生更多氢气。可选地，如上文描述，氢气分离设备可位于重整反应器的外部，且重整反应器可在从400℃至650℃的范围选出的温度下操作，其中由氢气分离设备从经重整的产物分离氢气来驱动重整反应及水煤气变换反应，从而从进料及蒸汽产生更多氢气。

在该方法的一实施例中，重整反应器可与高温氢气分离设备组合使用，其中重整反应器的操作温度可选定为大于650℃且高达1000℃。在这种操作温度下，由于这种高操作温度可不利地影响高温氢气分离设备的效能，故高温氢气分离设备优选位于重整反应器的外部。在一实施例中，当重整反应器的操作温度选定为超过650℃时，热交换器可操作性地连接于重整反应器的出口与氢气分离设备之间以在退出重整反应器的经重整的产物气体接触氢气分离设备之前将该退出重整反应器的经重整的产物气体冷却至650℃或更低的温度。热交换器可用于加热进入重整反应器的蒸汽或进料，或者进入耦合至重整反应器的预重整反应器的进料前驱物。经冷却的重整产物气流可接着与高温氢气分离设备接触以从经冷却的重整产物气流分离氢气流，且经分离的氢气流可作为第一气流传递至燃料电池5的阳极11。

在该方法的另一实施例中，氢气产生器9可为催化性部分氧化重整反应器。若氢气产生器为催化性部分氧化重整反应器，则部分氧化重整反应器可为将烃进料及氧气源燃烧成氢气及碳氧化物的任一适当设备，且该设备包括常规的部分氧化催化剂以降低实现该反应所需的能量。烃进料(优选为天然气或包括诸如甲烷、丙烷及丁烷的气态低分子量烃及诸如石脑油、煤油及柴油的液态低分子量烃的低分子量烃)及氧气源(优选为空气)馈送至催化性部分氧化反应器，以使得在进料中氧气相对于烃以低于化学计量的比率存在。进料必须相对无硫以防止污染催化剂，因此，必要时，烃进料可在馈送至催化性部分氧化反应器之前洗掉硫。烃进料及氧气源可在催化性部分氧化重整反应器中在存在部分氧化催化剂时一起燃烧以形成含有氢气及一氧化碳的部分氧化产物气体。燃烧可在从800℃至1000℃或更高的温度下进行。催化性部分氧化重整反应器可经由管线1操作性地连接至固态氧化物燃料电池5的阳极11，以使得部分氧化重整反应器中产生的氢气及一氧化碳可作为第一气流馈送至固态氧化物燃料电池5的阳极11。

在一实施例中，部分氧化产物气体可在馈送至燃料电池5的阳极11之前通过热交换加以冷却。部分氧化产物气体可在热交换器中交换热，其中，来自部分氧化产物气体的热可用于加热进入重整反应器的蒸汽或进料，或者加热进入耦合至重整反应器的预重整反应器的进料前驱物。经冷却的部分氧化产物气体可接着作为第一气流传递至燃料电池5的阳极11。

在该方法的一实施例中，氢气产生器9为操作性地连接至高温氢气分离设备的催化性部分氧化重整反应器。高温氢气分离设备(优选地包含可选择性地透过氢气的涂覆有钯的管状膜)可操作性地连接至部分氧化重整反应器的出口，以使得可将氢气与来自部分氧化重整反应器的部分氧化产物气体中的碳氧化物及其它化合物分离。高温氢气分离设备可经由管线1操作性地连接至固态氧化物燃料电池5的阳极入口3，因此从部分氧化产物气体分离的氢气可馈送至固态氧化物燃料电池5的阳极11。在一实施例中，催化性部分氧化反应器及高温氢气分离设备经由热交换器操作性地连接，其中，热交换器在来自催化性部分氧化反应器的输出气体接触氢气分离设备之前将输出气体冷却至650℃或更低的温度。

在本发明的方法中，由诸如重整反应器或催化性部分氧化反应器的氢气产生设备9产生的第一气流可含有至少0.6、或至少0.7、或至少0.8、或至少0.9、或至少0.95克分子份数的氢气。可优选使用如上文描述的高温氢气分离设备，而从重整反应器或催化性部分氧化反应器的反应产物气体分离氢气而将含有这种较高量氢气的第一气流提供至固态氧化物燃料电池5。在一实施例中，当由氢气产生器7产生的第一气流被馈送至燃料电池5的阳极11时，其可具有从350℃至600℃的温度。

或者，第一气流可为馈送至固态氧化物燃料电池5的阳极11的蒸汽及含有可充当氢气源的低分子量烃(优选为甲烷或天然气)的烃进料。烃进料及蒸汽可在固态氧化物燃料电池中内部地重整成氢气及碳氧化物以提供燃料从而在燃料电池中产生电。在一实施例中，馈送至燃料电池5的阳极11的包含含有氢气源的烃进料的第一气流可由与退出燃料电池5的阳极废气流的热交换而加热至至少300℃，或从350℃至650℃的温度以提供热，从而驱动燃料电池5中的吸热重整反应。

在本发明的一方法中，含有氢气的第二气流经由管线10及管线1通过固态氧化物燃料电池5的阳极入口3馈送至阳极11。如下文进一步详细描述，自阳极废气流产生第二气流。馈送至燃料电池5的第二气流可含有至少0.8、至少0.9、至少0.95或至少0.98克分子份数的氢气。计量阀12可用于选择并控制馈送至燃料电池5的阳极11中的第二气流的流量。馈送至燃料电池5的第二气流可与第一气流一样馈送至阳极入口3，或可通过连接管线10与管线1(如图所示)在馈送至阳极入口3之前与第一气流混合，或可经由与将第一气流馈送至燃料电池5中的阳极入口3不同的阳极入口3馈送至燃料电池5的阳极11中(图上未示)。

在本发明的方法中，固态氧化物燃料电池5可为常规固态氧化物燃料电池(优选地具有管状或平面结构)，且包含阳极11、阴极13及电解质15，其中电解质15插于阳极11与阴极13之间且接触阳极11及阴极13。固态氧化物燃料电池5可包含堆栈在一起(由互连件电接合且操作性地连接)的多个单独的燃料电池，以使得第一及第二气流可流过堆栈的燃料电池的阳极且含氧气体可流过堆栈的燃料电池的阴极。如本文中所用，术语“固态氧化物燃料电池”界定为单一固态氧化物燃料电池或多个操作性地连接或堆栈的固态氧化物燃料电池。燃料电池构造成使得第一及第二气流可从阳极入口3流过燃料电池的阳极11至阳极排气口17，从而接触从阳极入口3至阳极排气口17的阳极路径长度上的一个或多个阳电极。燃料电池还构造成使得含氧气体可自阴极入口19流过阴极13至阴极排气口21，从而接触自阴极入口19至阴极排气口21的阴极路径长度上的一个或多个阴电极。电解质15置于燃料电池中以防止第一及第二气流进入阴极且防止含氧气体进入阳极，且将氧离子从阴极引导至阳极以用于在一个或多个阳极电极处与阳极气流中的可氧化化合物(诸如氢气，及可选地，一氧化碳)的电化学反应。

气流馈送至阳极及阴极以提供在燃料电池5中产生电所必要的反应物。如上文论述，含有氢气或氢气源的第一气流以及含有氢气的第二气流经由一个或多个阳极入口3馈送至固态氧化物燃料电池5的阳极11。含氧气流经由管线25从含氧气源23馈送至燃料电池5的阴极入口19。计量阀26可用于选择并控制含氧气流馈送至燃料电池5的阴极13的流量。

含氧气流可为空气或纯氧气。在一实施例中，含氧气流可为含至少21％的氧气的富氧空气。可在馈送至燃料电池5的阴极13之前在热交换器27中加热含氧气体，优选由与退出燃料电池5的阴极排气口21且经由管线28连接至热交换器27的氧气耗尽阴极废气流交换热来加热含氧气体。在一实施例中，含氧气体可在馈送至燃料电池5的阴极13之前被加热至150℃至350℃的温度。在一实施例中，含氧气体通过经由热交换器27及阴极入口19操作性地连接至燃料电池5的阴极13的空气压缩机23而提供至燃料电池5。

在本发明的方法中，使第一气流及第二气流与在固态氧化物燃料电池5的阳电极中的一个或多个处的氧化剂混合以产生电。氧化剂优选为从流过燃料电池5的阴极13的含氧气流中的氧气得到且被传导越过燃料电池的电解质的氧离子。如下文进一步详细论述，通过将第一气流、第二气流及含氧气流以选定的独立流量馈送至燃料电池5而在燃料电池5的一个或多个阳极电极处在阳极中混合第一气流、第二气流及氧化剂。优选地，在燃料电池的一个或多个阳极电极处混合第一气流、第二气流及氧化剂以按至少0.4W/cm²、或至少0.5W/cm²、或至少0.75W/cm²、或至少1W/cm²、或至少1.25W/cm²或至少1.5W/cm²的电力密度产生电。

固态氧化物燃料电池5在能够有效地使氧离子从阴极13穿越电解质15到达燃料电池5的阳极11的温度下操作。固态氧化物燃料电池5可在从700℃至1100℃的温度下、或从800℃至1000℃的温度下操作。氢气在一个或多个阳极电极处与氧离子的氧化反应为发出大量热的反应，且反应的热产生了操作固态氧化物燃料电池5所需的热。固态氧化物燃料电池被操作所处的温度可通过独立地控制第一气流、第二气流及含氧气流的温度及这些气流馈送至燃料电池的流量而加以控制。在一实施例中，馈送至燃料电池的第二气流的温度被控制为至多100℃的温度，含氧气流的温度被控制为至多300℃的温度，且第一气流的温度被控制为至多550℃的温度，以维持固态氧化物燃料电池的操作温度在从700℃至1000℃的范围内，且优选地在从800℃至900℃的范围内。

为起动燃料电池5的操作，将燃料电池5加热至其操作温度。在一优选实施例中，可通过在催化性部分氧化重整反应器30中产生含氢气流且将含氢气流经由管线31及管线1馈送至固态氧化物燃料电池的阳极11来起动固态氧化物燃料电池5的操作。可通过在存在常用部分氧化重整催化剂的情况下在催化性部分氧化重整反应器30中燃烧烃进料及氧气源而在催化性部分氧化重整反应器30中产生含氢气流，其中将氧气源以相对于烃进料低于化学计量的量馈送至催化性部分氧化重整反应器30。

馈送至催化性部分氧化重整反应器30的烃进料可为液态或气态烃或烃的混合物，且优选为甲烷、天然气或其它低分子量烃或低分子量烃的混合物。在一实施例中，若氢气源9为烃重整反应器，则馈送至催化性部分氧化重整反应器30的烃进料可为与在氢气源9烃重整反应器中使用的类型相同类型的进料以减少进行该方法所需的烃进料的数目。在另一实施例中，当氢气源9为催化性部分氧化重整反应器时，氢气源9可充当用于起动燃料电池5的操作的催化性部分氧化重整反应器，以使得不需要额外的催化性部分氧化重整反应器30。

馈送至催化性部分氧化重整反应器30的含氧进料可为纯氧气、空气或富氧空气。优选地，含氧进料为空气。含氧进料应以相对于烃进料低于化学计量的量馈送至催化性部分氧化重整反应器30以在催化性部分氧化重整反应器中与烃进料燃烧。

由在催化性部分氧化重整反应器30中烃进料和含氧气体的燃烧形成的含氢气流含有可在燃料电池5的阳极11中通过接触在阳电极的一个或多个处的氧化剂而氧化的化合物，包括氢气及一氧化碳，以及诸如二氧化碳的其它化合物。来自催化性部分氧化重整反应器30的含氢气流优选地不含有可氧化燃料电池5的阳极11中的一个或多个阳电极的化合物。

在催化性部分氧化重整反应器30中形成的含氢气流为热的，且可具有至少700℃、或从700℃至1100℃或从800℃至1000℃的温度。使用来自催化性部分氧化重整反应器30的热氢气气流来触发固态氧化物燃料电池5的启动在本发明的方法中为优选的，这是由于其使得燃料电池5的温度能够几乎瞬时地上升至燃料电池5的操作温度。在一实施例中(图上未示)，当起动燃料电池5的操作时，可在热交换器27中在来自催化性部分氧化重整反应器30的热含氢气体与馈送至燃料电池5的阴极13的含氧气体之间进行交换热。

假设氢气源9并非用于起动燃料电池5的操作的催化性部分氧化重整反应器，则一旦到达燃料电池5的操作温度，则从催化性部分氧化重整反应器30至燃料电池5中的热含氢气流的流动可由阀33切断，同时通过打开阀7而将来自氢气源9的第一气流馈送至阳极11中。然后，燃料电池的连续操作可根据本发明的方法进行。

若氢气源9为用于起动燃料电池5的操作的催化性部分氧化重整反应器，则在燃料电池5已达到其操作温度后，来自催化性部分氧化重整反应器的热含氢气体可被作为第一气流馈送至燃料电池5以用于连续操作。在一实施例中，来自催化性部分氧化反应器的热含氢气体可如上文描述在热交换器中冷却，和/或可在将氢气作为第一气流馈送至燃料电池5的阳极11以用于燃料电池5的连续操作之前使用高温氢气分离设备从所述热含氢气体分离该氢气。

在另一实施例中(未在图1中显示)，燃料电池的操作可使用来自氢气储存槽的氢气启动气流而触发，该氢气启动气流可经过启动加热器以在将第一气流引入至燃料电池中之前使燃料电池升至其操作温度。氢气储存槽可操作性地连接至燃料电池以允许将氢气启动气流引入至固态氧化物燃料电池的阳极中。所述启动加热器可间接地将氢气启动气流加热至从750℃至1000℃的温度。所述启动加热器可为电加热器或可为燃烧加热器。一旦达到燃料电池的操作温度，可由一阀切断氢气启动气流至燃料电池中的流动，且可通过打开从氢气产生器至燃料电池的阳极的阀而将第一气流引入至燃料电池中以开始燃料电池的操作。

再参看图1，在燃料电池5的操作的起始期间，可将含氧气流引入至燃料电池5的阴极13中。含氧气流可为空气、含有至少21％的氧气的富氧空气或纯氧气。优选地，含氧气流可为在开始燃料电池的操作之后在燃料电池5的操作期间馈送至阴极13的含氧气流。

在一优选实施例中，在燃料电池的启动期间馈送至燃料电池的阴极13的含氧气流具有至少500℃、优选地至少650℃，且更优选地至少750℃的温度。含氧气流可在馈送至固态氧化物燃料电池5的阴极13之前由电加热器加热。在一优选实施例中，用于起动燃料电池5的操作的含氧气流可在馈送至燃料电池5的阴极13之前在热交换器27中通过与来自燃料电池启动催化性部分氧化重整反应的热含氢气流进行热交换而受到加热。

在本发明的方法中，在燃料电池5的操作期间，在一个或多个阳极电极处混合第一、第二气流与氧化剂并通过利用氧化剂氧化存在于馈送至燃料电池的第一及第二气流中的氢气的一部分而产生水(为蒸汽)。由氧化剂对氢气的氧化所产生的水被第一及第二气流的未反应部分吹扫过燃料电池的阳极，作为阳极废气流的一部分退出阳极。

在本发明的方法中，阳极废气流含有相当大量氢气。在本发明的方法的一个方面中，阳极废气流可包含至少0.6、或至少0.7、或至少0.8，或至少0.9克分子份数的氢气。若氢气产生器9为未耦合至高温氢气分离设备或未与高温氢气分离设备整合的蒸汽重整反应器或部分催化性氧化反应器，则阳极废气流亦含有水，且可含有碳氧化物，特别是二氧化碳及一氧化碳。

在本发明的方法中，阳极废气流在其退出阳极排气口17时与燃料电池5分离。可从阳极废气流分离其中含有的氢气以形成第二气流。阳极废气流在高温下(通常至少800℃)退出固态氧化物燃料电池，且必须在分离阳极废气流中的氢气以形成第二气流之前加以冷却。可通过将来自阳极排气口17的阳极废气流经由管线35传递过一个或多个热交换器37而冷却阳极废气流，以将阳极废气流冷却至可从阳极废气流分离氢气的温度。

在一实施例中，可在一个或多个热交换器37中在阳极废气流与蒸汽之间交换热以产生高压蒸汽。高压蒸汽可在涡轮机(图上未示)中膨胀以驱动一个或多个压缩机，其中的一个压缩机可在将第二气流馈送至燃料电池5之前压缩第二气流。可选地，高压蒸汽可在涡轮机(图上未示)中膨胀以产生除了由燃料电池5产生的电力之外的电力。

在另一实施例中，可在阳极废气流与一个或多个水流之间交换热以产生用于住宅建筑中的热水。若利用燃料电池5产生用于住宅或小住宅群的电且燃料电池5位于住宅附近处，则此实施例是尤其有用的。

在本发明的方法的一实施例中，可通过将冷却的阳极废气流传送经过经由管线35、38操作性地连接至阳极排气口17的氢气分离设备39及一个或多个热交换器37而从经冷却的阳极废气流分离氢气，以形成第二气流。在一实施例中，阳极废气流可冷却至从250℃至650℃的温度，且氢气分离设备39可为诸如可选择性地透过氢气的涂覆有钯的膜的高温氢气分离设备。在另一实施例中，阳极废气流可冷却至低于250℃的温度，且氢气分离设备39可为诸如压力变化吸附器的低温氢气分离设备。

在本发明的方法的一实施例中，阳极废气流可在高压(例如，至少0.2MPa、或至少0.5MPa、或至少1MPa，或至少2MPa的压力)下提供至氢气分离设备39以促进从阳极废气分离氢气。在一实施例中，氢气产生器9可在高压下将第一气流提供至燃料电池5，且随后在高压下将阳极废气流提供至氢气分离设备39，使得可由可选择性地透过氢气的膜有效地从阳极废气流分离氢气。举例而言，若氢气产生器9为未操作性地耦合至或未操作性地整合于含有可选择性地透过氢气的膜的高温氢气分离设备的蒸汽重整反应器或催化性部分氧化反应器，则第一气流可在高压下提供至燃料电池5。在另一实施例中，阳极废气流可如上文描述由与阳极废气流进行热交换而驱动的压缩机压缩，以促进由高温氢气分离设备39从阳极废气流分离氢气。高温氢气分离设备39可从存在于阳极废气流中的烃及诸如一氧化碳及二氧化碳的碳氧化物分离氢气。

在本发明的方法的一实施例中，假设阳极废气流基本上由氢气及水组成，则经冷却的阳极废气流可经由管线38、41从一个或多个热交换器37馈送至冷凝器43以从阳极废气流分离第二气流而不首先馈送至氢气分离设备39。当氢气产生器9为操作性地连接至高温氢气分离设备或与高温氢气分离设备整合的氢气槽、或重整反应器或催化性部分氧化反应器时，阳极废气流可基本上由氢气及水组成，以使得馈送至燃料电池5的第一气流主要含有氢气及很少或无碳氧化物。为在冷凝器中将第二气流从阳极废气流分离，可由一个或多个热交换器37将阳极废气流冷却至足够低的温度(例如，低于100℃、或低于90℃，或低于80℃)以使水在冷凝器43中从阳极废气流冷凝，以使得氢气可与经冷凝的水分离而作为第二气流。可从冷凝器43移除在冷凝器43中冷凝的水，经由管线47送至聚水器45。

在此实施例中，可将由氢气与水分离所形成的小部分第二气流作为泻放流传送过氢气分离设备49，以移除可存在于第二气流中的任何少量碳氧化物，这种碳氧化物是由于在产生第一气流时与重整反应器或部分氧化反应器相结合利用的高温氢气分离设备对氢气与碳氧化物的不完全分离造成的。可利用泻放阀51及阀50控制泻放流至氢气分离设备49的流动。在一实施例中，在将泻放流馈送至氢气分离设备49之前可利用压缩机53压缩泻放流。压缩机53可通过由在一个或多个热交换器37中与阳极废气流的热交换产生的高温蒸汽或在热交换器27中与阴极废气流的热交换产生的高温蒸汽驱动。氢气分离设备可为压力变化吸附装置或可选择性地透过氢气的膜。可经由管线55馈送回由氢气分离设备49从泻放流分离的氢气以在管线10中与第二气流重结合。

在本发明的方法的另一实施例中，由氢气分离设备39分离的第二气流可经由管线41馈送至冷凝器43以将第二气流中的氢气与用于从经冷却的阳极废气流分离氢气的蒸汽相分离。举例来说，当氢气分离设备39利用可选择性地透过氢气的膜分离氢气与阳极废气中的其它化合物时，蒸汽吹扫气体可被用于通过将由膜分离的氢气吹扫离开膜并离开氢气分离设备39而促进氢气的分离。可通过在冷凝器39中由组合的第二气流及吹扫气体来冷凝水而将第二气流中的氢气与吹扫气体中的蒸汽分离。在必要时，可通过在组合的第二气流及吹扫气体退出氢气分离设备39之后及将组合的第二气流及吹扫气体馈送至冷凝器43之前将所述组合的第二气流及吹扫气体进给经过一个或多个热交换器(图上未示)，而将组合的第二气流及蒸汽吹扫气体冷却至足够低的温度以使水在冷凝器43中冷凝。可从冷凝器43移除在冷凝器中冷凝的水，并将其经由管线47送至聚水器45。

在本发明的方法的一实施例中，不从阳极废气流或不从第二气流冷凝水，且在该方法中未利用冷凝器43。通过将经冷却的阳极废气流传送过可有效地将氢气与水以及诸如碳氧化物的其它化合物分离的压力变化吸附设备39，当从经冷却的阳极废气流分离第二气流时，无需从阳极废气流或第二气流冷凝水。

在本发明的方法的一实施例中，从阳极废气流分离的氢气的一部分可从第二气流分离且馈送至氢气槽57。氢气可经由计量阀59馈送至氢气槽57。可通过调整阀59选择并控制第二气流至燃料电池5的流量以调节氢气至氢气槽57的流动以及第二气流至燃料电池5的流动。

第二气流(无论是由与冷凝器43组合的氢气分离设备39、单独的氢气分离设备39还是单独的冷凝器43从经冷却的阳极废气流产生)经由管线10及管线1馈送回至固态氧化物燃料电池5的阳极11，其中馈送至阳极的第二气流的流量可由阀59及阀12控制。第二气流可含有至少0.8、至少0.9、至少0.95或至少0.98克分子份数的氢气。在一实施例中，可使用压缩机47压缩第二气流以增加馈送至阳极11的第二气流的压力。馈送至燃料电池5的阳极11的第二气流的压力可增加至至少0.15MPa、或至少0.5MPa、或至少1MPa、或至少2MPa，或至少2.5MPa。用以驱动压缩机47压缩馈送至燃料电池5的阳极11的能量可通过由在一个或多个热交换器37中与阳极废气流的热交换产生的高压蒸汽或通过由在热交换器27中与阴极废气流的热交换产生的高压蒸汽提供。

在本发明的方法中，在含氧气流的流量经选定以足以提供足够氧化剂至阳极而与第一及第二气流中的燃料反应的情况下，可独立地选择第一气流馈送至阳极的流量及第二气流馈送至阳极11的流量，以使得每单位时间燃料电池中形成的水的量与阳极废气中氢气的量的比率为至多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。在一实施例中，可以摩尔为单位量测燃料电池中形成的水的量与阳极废气中氢气的量，以使得每单位时间以摩尔计的燃料电池中形成的水的量与阳极废气中氢气的量的比率为至多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。在本发明的方法中，可独立地选择第一气流馈送至阳极的流量及第二气流馈送至阳极的流量，以使得阳极废气流含有至少0.6克分子份数氢气、至少0.7克分子份数氢气、或至少0.8克分子份数氢气，或至少0.9克分子份数氢气。在本发明的方法中，可独立地选择第一气流馈送至阳极的流量及第二气流馈送至阳极的流量，以使得阳极废气流含有馈送至阳极的组合的第一气流及第二气流中的氢气的至少50％、或至少60％、或至少70％、或至少80％，或至少90％。在本发明的方法中，可独立地选择第一气流馈送至阳极的流量及第二气流馈送至阳极的流量，以使得每道氢气燃料利用率为至多50％、或至多40％、或至多30％、或至多20％，或至多10％。

可由控制阀12及59选择第二气流馈送至固态氧化物燃料电池5的阳极11的流量，以使得第二气流以选定流量定量供给至阳极11。可由控制计量阀7而选择第一气流馈送至阳极11的流量，以使得第一气流以选定流量定量供给至阳极11。可选地，当在该方法中使用氢气产生器时，可通过对馈送至氢气产生器9的进料的量进行计量而选择第一气流馈送至阳极11的流量。在一实施例中，阳极废气分析器(图上未示)可连续地调整并独立地控制阀12、阀7和/或阀59，以使得基于如通过阳极废气分析器量测的阳极废气的氢气和/或水含量以所要的流量将第一气流及第二气流馈送至阳极11。

在本发明的方法中，馈送至阳极11的组合的第一气流及第二气流中氢气的量应足以当在燃料电池5的一个或多个阳极电极处与氧化剂组合时在整个阳极路径长度上以至少0.4W/cm²、或至少0.5W/cm²、或至少0.75W/cm²、或至少1W/cm²、或至少1.25W/cm²的电力密度产生电。在一实施例中，该第一气流可经选定以含有至少0.7、或至少0.8、或至少0.9，或至少0.95克分子份数的氢气，及至多0.15、或至多0.10，或至多0.05克分子份数的碳氧化物。在一实施例中，第二气流可经选定以含有至少0.85、或至少0.9，或至少0.95克分子份数的氢气。在一实施例中，馈送至阳极11的组合的第一气流及第二气流可经选定以含有至少0.8、或至少0.85、或至少0.9，或至少0.95克分子份数的氢气。

在本发明的方法中，对于产生的每单位电而言，由于在燃料电池中从烃进料产生第一气流以及氧化一氧化碳为二氧化碳，从而产生相对少的二氧化碳。在第二气流中将来自阳极废气流的氢气再循环至燃料电池减少了需要由氢气产生器产生的氢气的量，由此减少伴随的二氧化碳副产物产生，且减少馈送至燃料电池的一氧化碳的量(若存在的话)，从而潜在地减少燃料电池自身中产生的二氧化碳的量。在本发明的方法中，以每千瓦时所产生的电不超过400克(400g/kWh)的速率产生二氧化碳。在一优选实施例中，在本发明的方法中以不超过350g/kWh的速率产生二氧化碳，且在一更优选实施例中，在本发明的方法中以不超过300g/kWh的速率产生二氧化碳。

参看图2，在一实施例中，本发明的方法利用包括经热学整合的氢气分离蒸汽重整反应器及固态氧化物燃料电池的系统来产生电力。包括一个或多个高温氢气分离膜103的蒸汽重整反应器101可操作性地耦合至固态氧化物燃料电池105以将主要含有氢气的第一气流提供至燃料电池105的阳极107，而来自燃料电池105的废气将驱动所述重整反应器101中的重整及变换反应所必要的热提供至重整反应器101。可从阳极废气分离主要包含氢气的第二气流且将其馈送回至阳极107中。第一及第二气流馈送至燃料电池105的流量可经选择以通过使用氢气充满燃料电池105以扫除来自燃料电池中的电化学反应的氧化产物，从而在燃料电池105中以高电力密度产生电。

在该方法的一实施例中，包含有在高达5MPa、或高达4MPa，或高达3Mpa的压力下至多300℃的温度下为气态的烃(例如，在高压下至少300℃的温度下的气态烃)的氢气源的进料可经由管线109馈送至重整反应器101。在该方法的此实施例中，在高达5MPa的压力下至多300℃的温度下汽化的任何(可选地氧化)烃可用作进料。这些进料可包括(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个碳原子的轻烃。在一优选实施例中，进料可为甲烷或天然气。蒸汽可经由管线111馈送至重整反应器101以与重整器101的重整区域115中的进料混合。

可在从300℃至650℃的温度下将进料及蒸汽馈送至重整器101，其中如下文描述进料及蒸汽可在热交换器113中加热至所需温度。可在进料于热交换器113中加热之前，或可选地在于热交换器113中加热之后但在馈送至重整反应器101之前在脱硫器121中将进料脱硫，以从进料移除硫，使得进料不污染重整反应器101中的任何催化剂。进料可在脱硫器121中通过接触常规加氢脱硫催化剂而脱硫。

将进料及蒸汽馈送至重整反应器101中的重整区域115中。重整区域115可在其中含有重整催化剂，及优选地确实在其中含有重整催化剂。重整催化剂可为常规蒸汽重整催化剂，且可为此项技术中任何已知的蒸汽重整催化剂。可使用的典型蒸汽重整催化剂包括(但不限于)第八族过渡金属，尤其是镍。常常需要将重整催化剂支撑在耐火基板(或支撑物)上。支撑物(若使用)优选为惰性化合物。适用作支撑物的惰性化合物含有周期表中的第三族及第四族元素，诸如Al、Si、Ti、Mg、Ce及Zr的氧化物或碳化物。

在可有效地形成含有氢气及碳氧化物的重整产物气体的温度下在重整反应器101的重整区域115中混合进料及蒸汽并与重整催化剂接触。经重整的产物气体可包括由蒸汽重整所述进料中的烃而形成的化合物。经重整的产物气体亦可包括由对通过使用额外蒸汽进行蒸汽重整而产生的一氧化碳进行变换反应所形成的化合物。

经重整的产物气体可含有氢气及至少一种碳氧化物。可在经重整的产物气体中的碳氧化物包括一氧化碳及二氧化碳。

一个或多个高温管状氢气分离膜103可位于重整反应器101的重整区域115中，其定位成使得经重整的产物气体可接触氢气分离膜103，且氢气可穿过膜壁123至位于管状膜103内的氢气管道125。膜壁123使氢气管道125不与重整区域115中的经重整的产物气体、进料及蒸汽的非氢化合物气态连通，且可选择性地透过氢气(元素态和/或分子)，以使得经重整的产物气体中的氢气可经过膜壁123传递至氢气管道125，同时由膜壁123防止重整区域中的其它气体传递至氢气管道125。

重整区域中的高温管状氢气分离膜103可包含涂覆有可选择性地透过氢气的金属薄层或合金薄层的支撑物。支撑物可由氢气能穿过的陶瓷或金属材料形成。多孔不锈钢或多孔氧化铝为用于膜103的支撑物的优选材料。涂覆于支撑物上的氢气选择性金属或合金可选自第八族金属，包括(但不限于)Pd、Pt、Ni、Ag、Ta、V、Y、Nb、Ce、In、Ho、La、Au及Ru，特别为合金的形式。钯及铂合金为优选的。用于该方法中的特定优选膜103具有涂覆多孔不锈钢支撑物的具有高表面积的非常薄的钯合金膜。可使用美国专利第6,152,987号中揭示的方法制备此类型膜。具有高表面积的钯合金或铂合金薄膜亦将适合用作氢气选择性材料。

重整反应器101的重整区域115内的压力维持在显著高于管状膜103的氢气管道125内的压力的水准，以使得强制氢气从重整反应器的重整区域115经过膜壁123至氢气管道125中。在一实施例中，氢气管道125维持在大气压下或接近大气压，且重整区域维持在至少0.5MPa、或至少1.0MPa、或至少2MPa，或至少3MPa的压力下。可通过以高压将进料和/或蒸汽注入至重整区域115中而将重整区域115维持在这种高压下。举例来说，进料可包含注入至重整区域115中的具有至少0.5MPa、或至少1.0MPa、或至少2.0MPa，或至少3.0MPa的压力的高压天然气。可选择地，在退出热交换器113之后，可使用压缩机124将进料和/或蒸汽压缩至至少0.5MPa、或至少1.0MPa、或至少2.0MPa，或至少3.0MPa的压力，接着注入至重整反应器101中。

在重整反应器101的重整区域115中混合进料及蒸汽并使其接触重整催化剂的温度为至少400℃，且优选地可在从400℃至650℃的范围内，且最佳地在从450℃至550℃的范围内。与在超过750℃的温度下产生氢气的典型蒸汽重整反应不同，本方法的重整反应的平衡被驱动至在400℃至650℃的重整反应器101操作温度范围中产生氢气，这是由于氢气被从重整区域115移除至氢气分离膜103的氢气管道125中。400℃至650℃的操作温度亦有利于变换反应，从而将一氧化碳及蒸汽转化成更多氢气，氢气接着被从重整区域115经过膜103的膜壁部件123移除至氢气分离膜103的氢气管道125中。如下文进一步详细描述的那样，燃料电池105废气可用于经由废气管道117及119而提供引起重整反应器101的重整区域115中的重整反应及变换反应所需的热。

可经由管线127而从重整区域115移除非氢气态流，其中非氢气态流可包括未反应进料、未从经重整产物气体分离的少量氢气及经重整产物气体中的气态非氢重整产物。非氢重整产物及未反应进料可包括二氧化碳、水(为蒸汽)及少量一氧化碳及未反应烃。

在一实施例中，从重整区域115分离的非氢气态流可为含有以折干计算至少0.9，或至少0.95，或至少0.98克分子份数二氧化碳的二氧化碳气流。二氧化碳气流可为具有至少1MPa、或至少2MPa，或至少2.5MPa的压力的高压气流。高压二氧化碳气流在其退出重整反应器101时可含有相当大量的为蒸汽的水。可通过将气流经由管线127传送过热交换器113以与馈送至重整反应器101的蒸汽及进料进行交换热而从高压二氧化碳气流移除水，从而冷却高压二氧化碳气流。经冷却的高压二氧化碳气流可进一步冷却以在一个或多个热交换器129(图中显示了一个热交换器)中从气流来冷凝水，其中经冷却的高压二氧化碳流可经由管线131从热交换器113传递至热交换器129。若存在一个以上热交换器129，则热交换器129可串行地配置以顺序地冷却高压二氧化碳流。可经由管线133从(最终)热交换器129移除干燥高压二氧化碳流。可经由管线155将经冷凝的水馈送至冷凝器151。

干燥高压二氧化碳流可在涡轮机135中膨胀以驱动涡轮机135且产生低压二氧化碳流。干燥高压二氧化碳流在涡轮机135中的膨胀可用于产生除了由燃料电池105产生的电之外的电。或者，涡轮机135可用于驱动压缩机161，其可用于如下文描述压缩馈送至燃料电池105的含有氢气的气流，和/或驱动压缩机124以压缩馈送至重整反应器101的蒸汽和/或进料。低压二氧化碳流可被“螯合”(sequestered)或用以使饮料碳酸化。

或者，高压二氧化碳流可不转化成低压二氧化碳流，且可用于由将高压二氧化碳流注入至油层中而增强从油层的采油。

可通过选择性地传递氢气经过氢气分离膜103的膜壁123至氢气分离膜103的氢气管道125中而从重整反应器101中的经重整的产物气体分离含有氢气的第一气流。第一气流可含有非常高的氢气浓度，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克分子份数的氢气。

包含蒸汽的吹扫气体可经由管线137注入至氢气管道125中以将氢气从膜壁123的内部部分吹扫至氢气管道125中，由此增加可借助于氢气分离膜103从重整区域115分离氢气的速率。可经由氢气出口管线139从氢气分离膜103及重整反应器101移除第一气流及蒸汽吹扫气体。

可经由氢气出口管线139将第一气流及蒸汽吹扫气体馈送至热交换器141以冷却第一气流及蒸汽吹扫气体。经组合的第一气流及蒸汽吹扫气体在退出重整反应器101后可具有从400℃至650℃的温度，通常为从450℃至550℃的温度。组合的第一气流及蒸汽吹扫气体可在热交换器141中与初始进料及水/蒸汽交换热。初始进料可经由管线143提供至热交换器141，且水/蒸汽可经由管线145提供至热交换器141，其中进料及水的流量可分别由计量阀142及144调节。经加热的进料及蒸汽可分别经由管线147及149馈送至热交换器113，以用于如上文描述在馈送至重整反应器101之前进一步加热。经冷却的组合的第一气流及蒸汽吹扫气体可经由管线152馈送至冷凝器151，以通过与经由管线153馈送至冷凝器151中的水及经由管线155从高压二氧化碳气流分离的经冷凝的水交换热而从组合的气流冷凝水。

可使在冷凝器151中冷凝的水及经由管线153及155馈送至冷凝器151的水经过聚水管线157传递至泵159，该泵159将水抽汲至一个或多个热交换器129以用于与经冷却的高压二氧化碳气流进行热交换以加热水，同时进一步冷却经冷却的高压二氧化碳气流。如上文描述，经加热的水/蒸汽可经由管线145传递至热交换器141，以用于在热交换器113中进一步加热之后进一步加热以产生待馈送至重整反应器101的蒸汽。

含有氢气及极少水或无水的经冷却的第一气流可经由管线163从冷凝器151馈送至压缩机161中。第一气流在退出重整反应器及经由热交换器141及冷凝器151馈送至压缩机161之后可具有大气压力或接近大气压的压力。可在馈送至燃料电池105之前在压缩机161中压缩第一气流以增加第一气流的压力。在一实施例中，第一气流可压缩至从0.15MPa至0.5MPa，且优选地从0.2MPa至0.3MPa的压力。用以驱动压缩机161的能量可通过高压二氧化碳流在操作性地耦合以驱动压缩机161的涡轮机135中的膨胀而提供。

可接着经由至阳极入口165中的管线167而将第一气流馈送至固态氧化物燃料电池105的阳极107。第一气流将氢气提供至阳极以用于在燃料电池中沿阳极路径长度与在一个或多个阳极电极处的氧化剂进行电化学反应。第一气流馈送至燃料电池105的阳极107的流量可通过选择进料及蒸汽馈送至重整反应器101的流量而选择，该流量可由计量阀142及144控制。

含有氢气的第二气流亦可被馈送至燃料电池105的阳极107。从含有氢气及水的阳极废气流分离第二气流。可通过将阳极废气流冷却至足以从阳极废气流冷凝水而从阳极废气流分离第二气流以产生含有氢气的第二气流。

阳极废气流经由阳极废气出口169退出阳极107。阳极废气流最初可通过在重整反应器中与蒸汽及进料进行热交换而冷却。在一实施例中，阳极废气流最初可通过被馈送通过管线173至延伸入重整反应器105的重整区域115中且位于重整反应器105的重整区域115内的一个或多个重整器阳极废气管道119而冷却。如下文进一步详细描述，当阳极废气流在重整器阳极废气管道119中经过重整区域115时，可在阳极废气流与重整反应器101的重整区域115中的进料及蒸汽之间交换热，从而冷却阳极废气流且加热在反应器101中的蒸汽及进料。

在与重整反应器101的重整区域115中的进料及蒸汽交换热之后，经冷却的阳极废气流可经由管线174退出阳极废气管道119至热交换器141，在热交换器141中经冷却的阳极废气可进一步冷却。在一实施例中，为控制第二气流至燃料电池105的流量，阳极废气流的至少一部分可经由管线179从热交换器141传递至冷凝器175，以在阳极废气流的选定部分中使氢气与水分离。可通过在冷凝器175中从阳极废气流冷凝水而从阳极废气流的选定部分分离氢气。经分离的氢气可经由管线176馈送至氢气储存槽177。从冷凝器175冷凝的水可经由管线180馈送至泵159。

未馈送至冷凝器175的用于分离入氢气槽177中的经冷却的阳极废气流用于在传递过热交换器141之后将第二气流提供至燃料电池105。可通过经由管线181将冷却的阳极废气流馈送至管线152而将退出热交换器141的经冷却的阳极废气流与第一气流及蒸汽吹扫气体混合。阳极废气流、第一气流及蒸汽吹扫气体的混合物可接着馈送至冷凝器151以进一步冷却阳极废气流。经由自阳极废气流冷凝水后得到的第二气流可经由管线163从冷凝器151分离，与第一气流混合在一起。第二气流可含有至少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克分子份数克分子份数的氢气，其中可通过以折干计算地测定经冷却的阳极废气流的氢气含量而测定第二气流的氢气含量。来自阳极废气流的水可与来自第一气流及蒸汽吹扫气体的水一起在冷凝器151中冷凝，且经由管线157自冷凝器151移除以馈送至泵159。

计量阀183及185可用于选择第二气流至固态氧化物燃料电池105的流量。可通过与计量阳极废气流至冷凝器151的流量协调地调整阀183及185(这种调整调节第二气流至固态氧化物燃料电池105的流量)而选择第二气流至固态氧化物燃料电池的流量。阀183可完全关闭，从而阻断阳极废气流至冷凝器175的流动及氢气至氢气槽177的流动，且阀185可完全打开以允许全部阳极废气流流动至冷凝器151且第二气流以最大流量流动至固态氧化物燃料电池105。在一优选实施例中，可通过相应于阳极废气流的水和/或氢气含量自动地调整计量阀183及185而将第二气流至燃料电池105的流量自动地控制为一选定流量。

在一实施例中，小部分的组合的第一及第二气流可作为泻放流传递过氢气分离设备187，以移除在产生第一气流及第二气流中的其后续再循环时，由于由重整反应器101中的氢气分离膜103对氢气与碳氧化物的不完全分离而可存在于第一及第二气流中的任何少量碳氧化物。可利用阀189及191控制泻放流至氢气分离设备187的流动，其中优选地，阀189及191可允许组合的第一及第二气流同时经由管线193及195或者分别经由管线193或管线195的定量流动。氢气分离设备187优选地为可有效地用于分离氢气与碳氧化物的压力变化吸附装置，或可为诸如上文描述的可选择性地透过氢气的膜。管线195及197中的第一及第二气流可被组合以经由管线167馈送至固态氧化物燃料电池105。

在该方法的一实施例中，可为了固态氧化物燃料电池105的有效操作而选择组合的第一及第二气流的温度及压力，具体地说，该温度不应太低以致抑制燃料电池的电化学反应性，且不应太高以致引起燃料电池105中的不受控制的发热反应。在一实施例中，经组合的第一及第二气流的温度可在自25℃至300℃、或自50℃至200℃，或自75℃至150℃的范围内。组合的第一及第二流的压力可通过由压缩机161提供至组合的第一及第二气流的压缩而控制，且可为自0.15MPa至0.5MPa，或自0.2MPa至0.3MPa。

含氧气流可经由管线203经过阴极入口201馈送至燃料电池的阴极199。含氧气流可由空气压缩机或氧气槽(图上未显示)提供。在一实施例中，含氧气流可为空气或纯氧气。在另一实施例中，含氧气流可为含有至少21％氧气的富氧空气流，其中由于富氧空气流含有用于在燃料电池中转化成氧离子的更多氧气，故富氧空气流在固态氧化物燃料电池中提供比空气高的电效率。

可在馈送含氧气流至燃料电池105的阴极199之前加热含氧气流。在一实施例中，含氧气流可在馈送至燃料电池105的阴极199之前在热交换器205中通过与从阴极废气出口207经由管线209提供至热交换器205的阴极废气的一部分交换热而被加热至150℃至350℃的温度。可使用计量阀211控制阴极废气流至热交换器205的流量。或者，可由电加热器(图上未显示)加热含氧气流，或含氧气流可在不加热的情况下提供至燃料电池105的阴极199。

在本发明方法的此实施例中使用的固态氧化物燃料电池105可为常规固态氧化物燃料电池(优选地具有平面或管状结构)，且包含阳极107、阴极199及电解质213，其中电解质213插于阳极107与阴极199之间。固态氧化物燃料电池可包含堆栈在一起(由互连件电接合且操作性地连接)的复数个单独燃料电池，以使得燃料可流过经堆栈的燃料电池的阳极且含氧气体可流过经堆栈的燃料电池的阴极。如本文中所用，术语“固态氧化物燃料电池”界定为单一固态氧化物燃料电池或复数个经操作性地连接或堆栈的固态氧化物燃料电池。在一实施例中，阳极107由Ni/ZrO₂金属陶瓷形成，阴极199由浸渍有氧化镨且覆盖有掺杂SnO的In₂O₃的经掺杂的锰酸镧或稳定化ZrO₂形成，且电解质213由氧化钇稳定的ZrO₂(大致8mol％Y₂O₃)形成。经堆栈的单独燃料电池或管状燃料电池之间的互连件可为经掺杂的铬酸镧。

固态氧化物燃料电池105构造成使得第一及第二气流可自阳极入口165流过燃料电池105的阳极107至阳极废气出口169，从而接触自阳极入口165至阳极废气出口169的阳极路径长度上的一个或多个阳电极。燃料电池105亦构造为使得含氧气体可自阴极入口201流过阴极199至阴极废气出口207，从而接触自阴极入口201至阴极废气出口207的阴极路径长度上的一个或多个阴电极。电解质213定位于燃料电池105中以防止第一及第二气流进入阴极且防止含氧气体进入阳极，且将氧离子自阴极传导至阳极以用于与所述一个或多个阳极电极处的第一及第二气流中的氢气进行电化学反应。

固态氧化物燃料电池105在可有效地使氧离子能够自阴极199穿过电解质213至燃料电池105的阳极107的温度下操作。固态氧化物燃料电池105可在自700℃至1100℃的温度下、或自800℃至1000℃的温度下操作。氢气在一个或多个阳极电极处与氧离子的氧化反应为大量发热的反应，且反应的热产生操作固态氧化物燃料电池105所需的热。可通过独立地控制第一气流的温度、第二气流的温度及含氧气流的温度及这些气流馈送至燃料电池105的流量而控制固态氧化物燃料电池的操作温度。在一实施例中，馈送至燃料电池的第二气流的温度经控制为至多100℃的温度，含氧气流的温度经控制为至多300℃的温度，且第一气流的温度经控制为至多550℃的温度，以维持固态氧化物燃料电池的操作温度在自700℃至1100℃的范围内，且优选地在自800℃至900℃的范围内。

为了起动燃料电池105的操作，将燃料电池105加热至其操作温度。在一优选实施例中，可通过在催化性部分氧化重整反应器221中产生含氢气流且将含氢气流经由管线223馈送至固态氧化物燃料电池的阳极107来起动固态氧化物燃料电池105的操作。可通过在存在常规的部分氧化重整催化剂的情况下在催化性部分氧化重整反应器221中燃烧烃进料及氧气源而在催化性部分氧化重整反应器中产生含氢气流，其中将氧气源以相对于烃进料低于化学计量的量馈送至催化性部分氧化重整反应器。

馈送至催化性部分氧化重整反应器221的烃进料可为液态或气态烃或烃的混合物，且优选为甲烷、天然气或其它低分子量烃或低分子量烃的混合物。在本发明的方法的具体优选实施例中，馈送至催化性部分氧化重整反应器221的烃进料可为与在重整反应器101中使用的类型相同类型的进料以减少进行该方法所需的烃进料的数目。

馈送至催化性部分氧化重整反应器221的含氧进料可为纯氧气、空气或富氧空气。含氧进料应以相对于烃进料低于化学计量的量馈送至催化性部分氧化重整反应器221以在催化性部分氧化重整反应器221中与烃进料燃烧。

通过在催化性部分氧化重整反应器221中烃进料及含氧气体的燃烧形成的含氢气流含有可在燃料电池105的阳极107中借助于接触阳电极中的一个或多个处的氧化剂而氧化的化合物，包括氢气及一氧化碳，以及诸如二氧化碳的其它化合物。来自催化性部分氧化重整反应器221的含氢气流优选地不含有可对所述燃料电池105的阳极107中的一个或多个阳电极进行氧化的化合物。

在催化性部分氧化重整反应器221中形成的含氢气流为热的，且可具有至少700℃、或自700℃至1100℃或自800℃至1000℃的温度。使用来自催化性部分氧化重整反应器221的热含氢气流以触发固态氧化物燃料电池105的启动在本发明的方法中为优选的，这是由于其使得燃料电池105的温度能够几乎瞬时地上升至燃料电池105的操作温度。在一实施例中，当启动燃料电池105的操作以加热含氧气体时，可在热交换器205中在来自催化性部分氧化重整反应器的热含氢气体与馈送至燃料电池105的阴极199的含氧气体之间交换热。

一旦达到燃料电池105的操作温度，自催化性部分氧化重整反应器221至燃料电池105中的热含氢气流的流动可由阀225切断，同时通过打开阀227而将来自重整反应器101的第一气流馈送至阳极107中。可接着根据本发明的方法进行燃料电池的连续操作。

在另一实施例中(未在图2中显示)，可使用来自氢气储存槽177的氢气启动气流来开始燃料电池的操作，其中，在将第一气流引入至燃料电池中之前使氢气启动气流经过启动加热器以使燃料电池升至其操作温度。氢气储存槽177可操作性地连接至燃料电池以允许将氢气启动气流引入至固态氧化物燃料电池的阳极中。所述启动加热器可间接地将氢气启动气流加热至自750℃至1000℃的温度。所述启动加热器可为电加热器或可为燃烧加热器。一旦达到燃料电池的操作温度，可通过一阀切断氢气启动气流至燃料电池中的流动，且可将第一气流及含氧气流引入至燃料电池中以开始燃料电池的操作。

再参看图2，在燃料电池105的操作的启动期间，可将含氧气流引入至燃料电池105的阴极199中。含氧气流可为空气、含有至少21％的氧气的富氧空气，或纯氧气。优选地，含氧气流为在启动燃料电池的操作之后在燃料电池105操作期间将被馈送至阴极199的含氧气流。

在一优选实施例中，在燃料电池的启动期间馈送至燃料电池的阴极199的含氧气流具有至少500℃、优选至少650℃，且更优选至少750℃的温度。可在将含氧气流馈送至固态氧化物燃料电池105的阴极199之前利用电加热器加热含氧气流。在一优选实施例中，用于启动燃料电池105的操作的含氧气流可在馈送至燃料电池105的阴极199之前在热交换器205中通过与来自催化性部分氧化重整反应的热含氢气流进行热交换而受到加热。

一旦燃料电池105的操作已开始，第一及第二气流可在燃料电池105中的一个或多个阳极电极处与氧离子氧化剂混合以产生电。氧离子氧化剂从流过燃料电池105的阴极199的含氧气流中的氧气得到且被传导越过燃料电池的电解质213。通过将第一气流、第二气流及含氧气流以选定的独立流量馈送至燃料电池105同时在自750℃至1100℃的温度下操作燃料电池而在燃料电池105的一个或多个阳极电极处在阳极107中混合馈送至燃料电池105的阳极107的第一及第二气流及氧化剂。

优选地，在燃料电池105的一个或多个阳极电极处混合第一、第二气流及氧化剂以按至少0.4W/cm²、优选至少0.5W/cm²、或至少0.75W/cm²、或至少1W/cm²、或至少1.25W/cm²或至少1.5W/cm²的电力密度产生电。可通过独立地选择并控制第一气流及第二气流至燃料电池105的阳极107的流量而以这种电力密度产生电。可通过调整计量阀142及142来选择并控制进料及蒸汽馈送至重整反应器的流量而选择并控制第一气流至燃料电池105的阳极107的流量。可通过如上文描述调整计量阀183及185来选择并控制阳极废气流至冷凝器151的流量而选择并控制第二气流至燃料电池105的阳极107的流量。在一实施例中，计量阀183及185可由反馈电路(图上未显示)自动地调整，反馈电路量测阳极废气流中的水和/或氢气含量以选择第二气流馈送至燃料电池105的流量，且调整计量阀183、185以通过调整第二气流馈送至燃料电池105的流量而维持阳极废气流中的选定水和/或氢气含量。

在本发明的方法中，在一个或多个阳极电极处混合第一、第二气流与氧化剂，通过氧化剂氧化存在于馈送至燃料电池105的第一及第二气流中的氢气的一部分而产生水(为蒸汽)。利用氧化剂氧化氢气所产生的水被第一及第二气流的未反应部分扫过燃料电池105的阳极107以作为阳极废气流的以部分而退出阳极107。

在本发明方法的实施例中，可独立地选择第一气流馈送至阳极107的流量及第二气流馈送至阳极107的流量，以使得每单位时间在燃料电池中形成的水的量相对于每单位时间阳极废气中的氢气的量的比率为至多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。在一实施例中，可以摩尔为单位量测燃料电池中形成的水的量与阳极废气中氢气的量，以使得每单位时间以摩尔计的每单位时间燃料电池中形成的水的量与每单位时间阳极废气中氢气的量的比率为至多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。在本发明的方法的另一实施例中，可独立地选择第一气流馈送至阳极107的流量及第二气流馈送至阳极107的流量，以使得阳极废气流含有至少0.6、或至少0.7、或至少0.8，或至少0.9克分子份数的氢气。在一实施例中，可独立地选择第一气流馈送至阳极107的流量及第二气流馈送至阳极107的流量，以使得阳极废气流含有馈送至阳极107的组合的第一及第二气流中的氢气的至少50％、或至少60％、或至少70％、或至少80％，或至少90％。在一实施例中，可独立地选择第一气流馈送至阳极107的流量及第二气流馈送至阳极107的流量，以使得燃料电池的每道氢气利用率为至多50％、或至多40％、或至多30％、或至多20％，或至多10％。

提供至固态氧化物燃料电池105的阴极199的含氧气流的流量应经选择以提供足够氧化剂至阳极，从而当在一个或多个阳极电极处与来自第一及第二气流的燃料组合时按至少0.4W/cm²、或至少0.5W/cm²、或至少0.75W/cm²、或至少1W/cm²、或至少1.25W/cm²，或至少1.5W/cm²的电力密度产生电。可通过调整计量阀215而选择并控制含氧气流至阴极199的流量。

重整反应器101及固态氧化物燃料电池105可热学整合，以使得来自燃料电池105中的发热电化学反应的热提供至重整反应器101的重整区域115以驱动重整反应器101中的吸热重整反应。如上文描述，一个或多个阳极废气管道119及一个或多个阴极废气管道117可延伸至且定位于重整反应器101的重整区域115中。热阳极废气流可从阳极废气出口169退出燃料电池105的阳极107，且经由管线173进入重整区域115中的阳极废气管道119，和/或热阴极废气流可自阴极废气出口207退出燃料电池105的阴极199，且经由管线217进入重整区域115中的阴极废气管道117。当阳极废气流经过阳极废气管道119时，来自热阳极废气流的热可在阳极废气流与重整区域115中的蒸汽与进料的混合物之间交换。类似地，当阴极废气流经过阴极废气管道117时，来自热阴极废气流的热可在阴极废气流与重整区域115中的蒸汽和进料的混合物之间交换。

自发热固态氧化物燃料电池105至吸热重整反应器101的热交换为高度有效的。阳极废气管道119和/或阴极废气管道117在重整反应器101的重整区域115内的定位允许热阳极废气流和/或阴极废气流与反应器101内的进料和蒸汽的混合物之间的热交换，从而在发生重整反应的位置处将热转移至进料及蒸汽。此外，由于管道117及119在催化剂床附近，重整区域115内阳极和/或阴极废气管道119及117的位置允许热阳极废气流和/或阴极废气流加热重整区域115中的重整催化剂。

此外，除了由1)阳极废气流；或2)阴极废气流；或3)阳极废气流组合阴极废气流提供的热之外不需要提供额外的热至重整反应器101来驱动反应器101中的重整反应及变换反应以产生经重整的产物气体及第一气流。如上文提出，在重整反应器101内进行重整及变换反应所需的温度为自400℃至650℃，其远低于常规重整反应器温度(其为至少750℃，且通常为800℃至900℃)。归因于通过由高温氢气分离膜103分离来自重整反应器101的氢气造成的重整反应中的平衡变换，重整反应器可在这种低温下运行。阳极废气流及阴极废气流可分别具有自800℃至1000℃的温度，其在进料及蒸汽的混合物与阳极废气流、或阴极废气流，或阳极及阴极废气流两者之间热交换后足以驱动重整反应器101中的较低温重整及变换反应。

在本发明方法的实施例中，当阳极废气流经过阳极废气管道119时，阳极废气流与重整区域115中的蒸汽及进料的混合物之间的热交换可提供供给反应器101中的蒸汽及进料的混合物的相当大量的热以驱动重整及变换反应。在本发明方法的实施例中，阳极废气流与反应器101中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可提供供给反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热的至少40％、或至少50％、或至少70％，或至少90％。在一实施例中，供应至重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热基本上由在经过阳极废气管道119的阳极废气流与重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物之间交换的热组成。在该方法的实施例中，阳极废气流与反应器101中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可受到控制以维持蒸汽和进料的混合物的温度在400℃至650℃的范围内。

在本发明方法的实施例中，当阴极废气流经过阴极废气管道117时，阴极废气流与重整区域115中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可提供供给至反应器101中的蒸汽和进料的混合物的相当大量的热以驱动重整和变换反应。在本发明的方法的实施例中，阴极废气流与反应器101中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可提供供给至反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热的至少40％、或至少50％、或至少70％，或至少90％。在一实施例中，供应至重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热基本上由在经过阴极废气管道117的阴极废气流与重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物之间交换的热组成。在该方法的实施例中，阴极废气流与反应器101中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可受到控制以维持蒸汽和进料的混合物的温度在400℃至650℃的范围内。

在一实施例中，当阳极废气流经过阳极废气管道119且阴极废气流经过重整器阴极废气管道117时，阳极废气流、阴极废气流与重整区域115中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可提供供给至反应器101中的蒸汽和进料的混合物的相当大量的热以驱动重整及变换反应。在本发明的方法的实施例中，阴极废气流与反应器101中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可提供供给至反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热的高达60％、或高达50％、或高达40％、或高达30％，或高达20％，同时阳极废气流可提供供给至反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热的至少40％、或至少50％、或至少60％、或至少70％，或至少80％。在一实施例中，供应至重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热可基本上由在阳极废气流及阴极废气流与反应器101中的蒸汽和进料的混合物之间交换的热组成。在该方法的实施例中，阳极废气流及阴极废气流与反应器101中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可受到控制以维持蒸汽和进料的混合物的温度在400℃至650℃的范围内。

在一优选实施例中，由阳极废气流、或阴极废气流，或阳极废气流和阴极废气流提供至重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热足以驱动重整反应器101中的重整及变换反应，使得不需要其它热源来驱动重整反应器101中的反应。优选地，不通过燃烧或电加热将热提供至反应器101中的蒸汽和进料的混合物。

在一实施例中，当阳极废气流在阳极废气管道119中经过重整区域115时，阳极废气流提供大部分，或实质上全部热至重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物以驱动反应器101中的重整及变换反应。在此实施例中，仅需要一些阴极废气流或不需要阴极废气流与重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物交换热以驱动重整及变换反应。阴极废气流经过重整反应器中的阴极废气管道117的流动可受到控制以控制自阴极废气流提供至重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热的量。计量阀211及220可经调整以控制阴极废气流至阴极废气管道117的流动，使得阴极废气流提供所需要量的热(若存在)至反应器101中的蒸汽和进料的混合物。无需用来加热反应器101中的蒸汽和进料的混合物的阴极废气流可经由管线209分流至热交换器205以加热馈送至阴极的含氧气体。

在一实施例中，阴极废气流提供大部分或全部热至重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物以驱动反应器中的重整及变换反应。在此实施例中，仅需要一些阳极废气流或不需要阳极废气流与重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物交换热以驱动重整及变换反应。阳极废气流经过重整反应器中的阳极废气管道119的流动可受到控制以控制自阳极废气流提供至重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热的量。未用于提供热至重整反应器101的阳极废气流的部分可经由管线172馈送通过热交换器113以加热进入重整反应器101的进料及蒸汽，且在阳极废气流经由管线168与管线174中的第一气流及蒸汽吹扫气体组合前冷却阳极废气流以用于在热交换器141中的进一步冷却。阳极废气流经过热交换器113的流动可由计量阀170控制。

已经过阴极废气管道117的经冷却的阴极废气流在其中可仍具有相当大量的热，且可具有高达650℃的温度。经冷却的阴极废气流可经由出口218传递出阴极废气管道，以经由管线219与经由阀211定量供给至热交换器205的任何阴极废气流一起馈送至含氧气体热交换器205。

在本发明方法的此实施例中，对于由该方法(特别地，自烃进料105产生第一气流)产生的每单位电而言，可产生相对少的二氧化碳。首先，在第二气流中将来自阳极废气流的氢气再循环至燃料电池105则减少了需要由重整反应器101产生的氢气的量，由此减少伴随的二氧化碳副产物产生。其次，重整反应器101与燃料电池105的热学整合(其中在燃料电池105中产生的热由来自燃料电池105的阳极和/或阴极废气在重整反应器101内转移)减少了需要提供以驱动吸热重整反应的能量，从而减少例如由燃烧提供该能量的需要，由此减少在提供能量以驱动重整反应中产生的二氧化碳的量。

在本发明方法的此实施例中，二氧化碳可以每千瓦时所产生的电不超过400克(400g/kWh)的速率产生。在一优选实施例中，在本发明的方法中以不超过350g/kWh的速率产生二氧化碳，且在一更优选实施例中，在本发明的方法中以不超过300g/kWh的速率产生二氧化碳。

在另一实施例中，如图3中展示，本发明的方法可使用液态烃进料前驱物，液态烃进料前驱物可在预重整反应器314中加氢裂化，且在一实施例中部分重整成气态烃进料，气态烃进料可接着在氢气分离蒸汽重整反应器301中被重整以产生可用以在固态氧化物燃料电池305中产生电的氢气。该方法为热学整合的，其中用以驱动吸热预重整反应器314及重整反应器301的热可自发热固态氧化物燃料电池305直接提供于预重整反应器314和/或重整反应器301内。

包括一个或多个高温氢气分离膜303的蒸汽重整反应器301操作性地耦合至固态氧化物燃料电池305以将主要含有氢气的第一气流提供至燃料电池305的阳极307，以使得可在燃料电池305中产生电。预重整反应器314操作性地耦合至蒸汽重整反应器301以自液态烃进料提供气态烃进料至重整反应器301。燃料电池305操作性地耦合至重整反应器301及预重整反应器314，使得燃料电池305可提供驱动所述反应器301中的重整及变换反应所必要的热至重整反应器301，且可将液态烃进料前驱物转化成可在重整反应器301中重整的气态烃进料所必要的热提供至预重整反应器314。

在此方法中，包含液态烃的含有氢气源的进料前驱物可经由管线308馈送至预重整反应器314。进料前驱物可含有任何可汽化烃中的一种或多种，其在大气压下在20℃下为液态的(可选地，是氧化的)，且在大气压下在高达400℃的温度下为可汽化的。这种进料前驱物可包括(但不限于)轻质石油馏分，诸如具有沸点范围为50℃至205℃的石脑油、柴油及煤油。进料前驱物可可选地含有在25℃下为气态的一些烃，诸如甲烷、乙烷、丙烷，或在25℃下为气态的含有一至四个碳原子的其它化合物。在一优选实施例中，进料前驱物可为柴油燃料。蒸汽可经由管线312馈送至预重整反应器314以与预重整反应器314的预重整区域316中的进料前驱物混合。

进料前驱物及蒸汽可在自250℃至650℃的温度下馈送至预重整反应器314，其中如下文描述，进料前驱物及蒸汽可在热交换器313中加热至所要温度。如下文更全面地描述的那样，进料前驱物可在预重整反应器314中加氢裂化且汽化以形成气态烃进料。在一实施例中，当进料前驱物加氢裂化且汽化以形成气态烃进料时，进料前驱物可部分地重整。来自预重整反应器314的进料及蒸汽可在自300℃至650℃的温度下馈送至重整反应器301。

进料前驱物可在于热交换器313中被加热之前，或可选地在于热交换器313中被加热之后但在馈送至预重整反应器314之前在脱硫器321中脱硫，以移除来自进料前驱物的硫，使得进料前驱物不污染预重整反应器314中的任何催化剂。进料前驱物可在脱硫器321中通过在常规脱硫条件下接触常规加氢脱硫催化剂而脱硫。

将进料前驱物及蒸汽馈送至预重整反应器314中的预重整区域316中。预重整区域316可在其中含有预重整催化剂，及优选地确实在其中含有预重整催化剂。预重整催化剂可为常规预重整催化剂，且可为现有技术中任何已知的催化剂。可使用的典型预重整催化剂包括(但不限于)第八族过渡金属，特别为镍，及在高温反应条件下为惰性的支撑物或基板。适用作高温预重整/加氢裂化催化剂的支撑物的惰性化合物包括(但不限于)α-氧化铝及氧化锆。

在可有效地汽化进料前驱物以形成进料的温度下，在预重整反应器314的预重整区域316中混合进料前驱物及蒸汽并使其接触预重整催化剂。在预重整反应器314中，在可有效地汽化进料前驱物的温度下混合进料前驱物及蒸汽并使其与预重整催化剂接触而可裂化进料前驱物中的烃，从而减少烃的碳链长度，使得经裂化的烃可在重整反应器301中容易地蒸汽重整。在一实施例中，进料前驱物及蒸汽在至少600℃、或自700℃至1000℃，或自700℃至900℃的温度下，及在自0.1MPa至3MPa、优选地自0.1MPa至1MPa，或自0.2MPa至0.5MPa的压力下混合并与预重整催化剂接触。如下文论述，分别经由延伸至且定位于预重整反应器314的预重整区域316中的一个或多个预重整器阳极废气管道320和/或一个或多个预重整器阴极废气管道322从燃料电池305的阳极废气流和/或阴极废气流供应热以驱动吸热预重整反应。

在一实施例中，可将相对于在进料前驱物中馈送至预重整反应器314的烃的量的过量蒸汽馈送至预重整反应器314。过量蒸汽可防止预重整催化剂在预重整反应期间焦化。过量蒸汽亦可与在预重整反应器中产生的进料一起从预重整反应器314馈送至蒸汽重整反应器301，其中馈送至重整反应器301的蒸汽可在重整反应器301中用于重整反应器301中的重整反应及变换反应。馈送至预重整反应器的蒸汽的量相对于进料前驱物的量的比率以体积计或以摩尔计可为至少2∶1、或至少3∶1、或至少4∶1，或至少5∶1。

在预重整反应器314中蒸发的可选地裂化，及可选地部分重整的进料前驱物形成可馈送至重整反应器301的进料。预重整反应器314的预重整区域316中的温度及压力条件可经选择以使得在预重整反应器314中形成的进料主要含有在25℃下为气态，通常在每一分子中含有一至四个碳的轻烃。在预重整反应器中形成的进料可包括(但不限于)甲烷、甲醇、乙烷、乙醇、丙烷及丁烷。优选地，预重整反应器的温度及压力经控制以产生含有以折干计算至少50％(体积比)、或至少60％(体积比)、或至少80％(体积比)甲烷的进料。在一实施例中，当预重整反应器314至少部分地重整进料前驱物时，自预重整反应器314馈送至重整反应器301的进料可含有氢气及一氧化碳。

一旦在预重整反应器314中形成进料，进料及剩余蒸汽可在自350℃至650℃的温度下经由管线309自预重整反应器314馈送至重整反应器301，其中进料及蒸汽将热从预重整反应器314带入至重整反应器301中。来自预重整反应器314的进料和蒸汽的混合物可在馈送至重整反应器301之前使用压缩机324加以压缩，因而重整反应器301内的压力使得在重整反应器301中产生的氢气可经由位于重整反应器301中的高温氢气分离膜303从重整反应器301分离。进料和蒸汽的混合物可压缩为至少0.5MPa、或至少1MPa、或至少2MPa，或至少3MPa的压力。

必要时，来自在热交换器313中加热的蒸汽的额外蒸汽可馈送至重整反应器301的重整区域315中。所述额外蒸汽可经由管线311自热交换器313馈送至重整反应器301。计量阀310可用于调节自热交换器313馈送至重整反应器301的蒸汽的量。压缩机330可用于将蒸汽压缩至进料和蒸汽的混合物从预重整反应器314及压缩机324馈送至重整反应器301的压力。

来自预重整反应器314的进料和蒸汽的混合物及来自热交换器313的可选额外蒸汽可馈送至重整反应器301中的重整区域315中。重整区域315可在其中含有重整催化剂，且优选地确实在其中含有重整催化剂。重整催化剂可为常规蒸汽重整催化剂，且可为本领域中任何已知的催化剂。可使用的典型蒸汽重整催化剂包括(但不限于)第八族过渡金属，特别为镍。常常需要将重整催化剂支撑在耐火基板(或支撑物)上。支撑物(若使用)优选为惰性化合物。用作支撑物的适合惰性化合物含有周期表中的第三族及第四族元素，诸如Al、Si、Ti、Mg、Ce及Zr的氧化物或碳化物。

在可有效地形成含有氢气及碳氧化物的经重整的产物气体的温度下，在重整区域315中混合进料及蒸汽并使其接触重整催化剂。经重整的产物气体可由蒸汽重整进料中的烃而形成。经重整的产物气体亦可通过变换反应进料中的一氧化碳而形成，和/或由使用额外蒸汽的蒸汽重整而产生。经重整的产物气体可含有氢气及至少一种碳氧化物。可在经重整的产物气体中的碳氧化物包括一氧化碳及二氧化碳。

在本发明方法的一实施例中，一个或多个高温管状氢气分离膜303可位于重整反应器301的重整区域315中，其定位成使得经重整的产物气体可接触氢气分离膜303，且氢气可经过膜壁323传递至位于管状膜303内的氢气管道325。膜壁323使氢气管道325不与重整区域315中的经重整的产物气体、进料及蒸汽的非氢化合物气态连通，且使氢气(元素态和/或分子)可选择性地透过，以使得经重整的产物气体中的氢气可经过膜壁323传递至氢气管道325，同时由膜壁323防止重整区域中的其它气体传递至氢气管道325。

重整区域中的高温管状氢气分离膜303可包含可选择性地透过氢气的、涂覆有金属或合金薄层的支撑物。支撑物可由氢气能穿过的陶瓷或金属材料形成。多孔不锈钢或多孔氧化铝为用于膜303的支撑物的优选材料。涂覆于支撑物上的氢气选择性金属或合金可选自第八族金属，包括(但不限于)Pd、Pt、Ni、Ag、Ta、V、Y、Nb、Ce、In、Ho、La、Au及Ru，特别为合金的形式。钯合金及铂合金为优选的。用于该方法中的特别优选的膜303具有涂覆多孔不锈钢支撑物的具有高表面积的非常薄的钯合金膜。可使用美国专利No.6152987中披露的方法制备此类型膜。具有高表面积的钯合金膜或铂合金薄膜亦将适合用作氢气选择性材料。

重整反应器301的重整区域315内的压力维持在显著高于管状膜303的氢气管道325内的压力的水准，以使得强制氢气自重整反应器301的重整区域315通过膜壁323进入氢气管道325中。在一实施例中，氢气管道325维持为大气压或接近大气压，且重整区域维持在至少0.5MPa、或至少1.0MPa、或至少2MPa，或至少3MPa的压力下。如上文提及，可通过使用压缩机324压缩来自预重整反应器的蒸汽和进料的混合物且以高压将进料和蒸汽的混合物注入至重整区域315中而将重整区域315维持在这种高压下。或者，可通过使用压缩机330压缩来自热交换器313的额外蒸汽且将高压蒸汽注入至重整反应器301的重整区域315中而将重整区域315维持在这种高压下。重整反应器301的重整区域315可维持在至少0.5MPa、或至少1.0MPa、或至少2.0MPa，或至少3.0MPa的压力下。

进料及蒸汽在重整反应器301的重整区域315中混合并接触重整催化剂的温度为至少400℃，且优选地可在自400℃至650℃的范围内，且最优选地在自450℃至550℃的范围内。如上文提及，与在超过750℃的温度下产生氢气的典型蒸汽重整反应不同，本方法的重整反应的平衡被驱动至在400℃至650℃的操作温度范围内在重整反应器301中产生氢气，这是由于氢气被从重整区域315移除至氢气分离膜303的氢气管道325中。400℃至650℃的操作温度亦有利于变换反应，从而将一氧化碳及蒸汽转化成更多氢气，接着经过膜303的膜壁323将氢气自重整区域315移除至氢气分离膜303的氢气管道325中。如下文进一步详细描述的那样，燃料电池305废气可用于经由废气管道317及319提供引起重整反应器301的重整区域315中的重整及变换反应所需的热。

可经由管线327自重整区域315移除非氢气态流，其中非氢气态流可包括未反应进料、未分离到氢气管道325中的少量氢气，及经重整的产物气体中的气态非氢重整产物。非氢重整产物及未反应进料可包括二氧化碳、水(为蒸汽)及少量一氧化碳及未反应烃。

在一实施例中，自重整区域315分离的非氢气态流可为含有以折干计算至少0.9，或至少0.95，或至少0.98克分子份数的二氧化碳的二氧化碳气流。二氧化碳气流可为具有至少1MPa、或至少2MPa，或至少2.5MPa的压力的高压气流。高压二氧化碳气流在其退出重整反应器301时可含有相当大量为蒸汽的水。可通过首先使气流经由管线327传送过热交换器313以与馈送至预重整反应器314的蒸汽及进料前驱物交换热而从高压二氧化碳气流移除水，从而冷却高压二氧化碳气流。接着，经冷却的高压二氧化碳气流可进一步冷却以在一个或多个热交换器329(图中显示了一个)中从气流来冷凝水，其中经冷却的高压二氧化碳流可经由管线331自热交换器313传送至热交换器329。可经由管线333从热交换器329、或一连串热交换器329中的最终热交换器329移除干燥高压二氧化碳流。在热交换器329中从高压二氧化碳流冷凝的水可经由管线355馈送至冷凝器351。

干燥高压二氧化碳流可在涡轮机335中膨胀以驱动涡轮机335且产生低压二氧化碳流。涡轮机335可用于产生除了由燃料电池305产生的电之外的电。或者，涡轮机335可用于驱动一个或多个压缩机，诸如压缩机324、330及361。低压二氧化碳流可被“螯合”或用以使饮料碳酸化。

可选地，高压二氧化碳流可不转化成低压二氧化碳流，且可用于通过将高压二氧化碳流注入至油层中而增强从油层的采油。

可通过选择性地传送氢气经过氢气分离膜303的膜壁323至氢气分离膜303的氢气管道325中而从重整反应器301中的经重整的产物气体分离含有氢气的第一气流。第一气流可含有非常高的氢气浓度，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克分子份数的氢气。

包含蒸汽的吹扫气体可经由管线337注入至氢气管道325中以从膜壁323的内部部分吹扫氢气，由此增加可通过氢气分离膜303从重整区域315分离氢气的速率。可经由氢气出口管线339从氢气分离膜303及重整反应器301移除第一气流及蒸汽吹扫气体。

第一气流及蒸汽吹扫气体可经由氢气出口管线339馈送至热交换器341以冷却第一气流及蒸汽吹扫气体。组合的第一气流及蒸汽吹扫气体在退出重整反应器301之后可具有自400℃至650℃的温度，通常为自450℃至550℃的温度。组合的第一气流及蒸汽吹扫气体可在热交换器341中与初始进料前驱物及水/蒸汽交换热。初始进料前驱物可经由管线343提供至热交换器341，且水/蒸汽可经由管线345提供至热交换器341，其中进料前驱物及水的流量可分别由阀342及344调节。经加热的进料前驱物及蒸汽可分别经由管线347及349馈送至热交换器313，以用于如上文描述在馈送至预重整反应器314之前进一步加热。经冷却的组合的第一气流及蒸汽吹扫气体可经由管线352馈送至冷凝器351，以通过与经由管线353馈送至冷凝器351中的水及经由管线355从高压二氧化碳气流分离且馈送至冷凝器351的经冷凝的水交换热而从组合气流冷凝水。

在冷凝器351中冷凝的水及经由管线353及355馈送至冷凝器351的水可经过聚水管线357传递至泵359，该泵359将水抽汲至热交换器329以用于与经冷却的高压二氧化碳气流进行热交换以加热水，同时进一步冷却所述经冷却的高压二氧化碳气流。如上文描述，经加热的水/蒸汽可经由管线345传递至热交换器341，以用于在热交换器313中进一步加热之后进一步加热以产生待馈送至预重整反应器314的蒸汽。

含有氢气及极少水或无水的经冷却的第一气流可经由管线363自冷凝器351馈送至压缩机361中。第一气流在退出重整反应器及经由热交换器341和冷凝器351馈送至压缩机361之后可具有大气压压力或接近大气压的压力。第一气流可在馈送至燃料电池305之前在压缩机361中受到压缩以增加第一气流的压力。在一实施例中，第一气流可压缩至自0.15MPa至0.5MPa，且优选地自0.2MPa至0.3MPa的压力。可通过高压二氧化碳流在经耦合以驱动压缩机361的涡轮机335中的膨胀而提供用以驱动压缩机361的能量。

第一气流可接着经由至阳极入口365中的管线367而馈送至固态氧化物燃料电池305的阳极307。第一气流将氢气提供至阳极307以用于在燃料电池305中沿阳极路径长度与一个或多个阳极电极处的氧化剂进行电化学反应。可通过选择所述进料及蒸汽馈送至重整反应器301的流量而选择第一气流馈送至燃料电池305的阳极307的流量，进料及蒸汽馈送至重整反应器301的流量又可通过进料前驱物及水馈送至预重整反应器314的流量而加以选择，进料前驱物及水馈送至预重整反应器314的流量可分别通过调整计量阀342及344来控制。

含有氢气的第二气流亦馈送至燃料电池305的阳极307。可从含有氢气及水的阳极废气流分离第二气流。可通过将阳极废气流冷却至足以从阳极气体废气流冷凝水以产生含有氢气的第二气流而从阳极废气流分离第二气流。

阳极废气流经由阳极废气出口369退出阳极307。可通过在预重整反应器314中与蒸汽及进料前驱物交换热，和/或通过在重整反应器301中与蒸汽及进料交换热而初始地冷却阳极废气流。

在一实施例中，阳极废气流可经由管线373馈送至延伸至重整反应器301的重整区域315中且位于重整反应器301的重整区域315内的一个或多个重整器阳极废气管道319。如下文进一步详细描述的那样，当阳极废气流在重整器阳极废气管道319中经过重整区域315时，可在阳极废气流与重整反应器301的重整区域315中的进料及蒸汽之间交换热，从而冷却阳极废气流且加热反应器301中的蒸汽及进料。

在一实施例中，最初可通过将阳极废气流经由管线372馈送至延伸至预重整反应器314的预重整区域316中且位于预重整反应器314的预重整区域316内的一个或多个预重整器阳极废气管道320而冷却阳极废气流。如下文进一步详细描述，当阳极废气流在预重整器阳极废气管道320中经过预重整区域316时，可在阳极废气流与预重整反应器314的预重整区域316中的进料前驱物及蒸汽之间交换热，从而冷却阳极废气流且加热预重整反应器314中的蒸汽及进料前驱物。

在一实施例中，如上文描述，阳极废气流可分别通过经由重整器阳极废气管道319及经由预重整器阳极废气管道320馈送至重整反应器301及预重整反应器314而被初始地冷却。当阳极废气在重整器阳极废气管道319中经过重整区域315时，阳极废气流的一部分可通过在重整反应器301中与重整反应器301的重整区域315中的进料及蒸汽交换热而冷却。当阳极废气在预重整器阳极废气管道320中经过预重整区域316时，剩余阳极废气可通过在预重整反应器314中与预重整反应器314的预重整区域316中的进料前驱物及蒸汽交换热而冷却。

在另一实施例中，最初可通过将阳极废气流首先馈送至预重整反应器314，接着从预重整反应器314馈送至重整反应器301而冷却阳极废气流。阳极废气流可经由管线372从阳极废气出口369馈送至预重整器阳极废气管道320，以通过与预重整反应器314的预重整区域316中的进料前驱物及蒸汽交换热而冷却。阳极废气流可接着经由管线374从预重整器阳极废气管道320馈送至重整反应器301，其中阳极废气流可馈送至重整器阳极废气管道319，以用于当阳极废气流经过重整器阳极废气管道319时，通过与重整反应器301的重整区域315中的进料及蒸汽交换热而进一步冷却。首先通过在预重整反应器314中与进料前驱物及蒸汽交换热，且随后通过在重整反应器301中与进料及蒸汽交换热而冷却阳极废气流，这样对于驱动相应的预重整反应及重整反应可为尤其有效的，这是由于预重整反应需要比重整反应更多的热，且重整反应可在比预重整反应低的温度下进行以避免对位于重整反应器301的重整区域315中的高温氢气分离膜303造成热损伤。

计量阀370及371可用于控制导引至重整反应器301和/或预重整反应器314的阳极废气流的量。计量阀370及371可经调整以选择至重整反应器301或至预重整反应器314的阳极废气流的流动。阀368可用于控制阳极废气流自预重整器阳极废气管道320至重整器阳极废气管道319或如下文描述自预重整器阳极废气管道320与退出重整器阳极废气管道319的经冷却的阳极废气流组合的流动。

经冷却的阳极废气流退出重整器阳极废气管道319和/或预重整器阳极废气管道320，且可进一步冷却以分离阳极废气流中含有氢气的第二气流与水。若退出预重整反应器314的任何经冷却的阳极废气流未传递至重整器阳极废气管道319以用于在重整反应器301中进行进一步热交换，则来自预重整反应器314的经冷却的阳极废气流可经由管线378及382传递至热交换器341以用于进一步冷却。若任何经冷却的阳极废气流退出重整反应器301，则经冷却的阳极废气流可经由管线382传递至热交换器341以用于进一步冷却。退出重整反应器301及预重整反应器314的经冷却的阳极废气流可在管线382中组合，且传递至热交换器341以用于进一步冷却。退出重整器阳极废气管道319、预重整器阳极废气管道320或两者的经冷却的阳极废气流在热交换器341中通过与来自管线343的进料前驱物及来自管线345的蒸汽交换热而进一步冷却。

在一实施例中，为了控制第二气流至燃料电池305的流量，可经由管线376将阳极废气流的至少一部分从热交换器341传递至冷凝器375，以在阳极废气流的选定部分中使氢气与水分离。可通过在冷凝器375中从阳极废气流冷凝水而从阳极废气流的选定部分分离氢气。经分离的氢气可经由管线379馈送至氢气储存槽377。自冷凝器375冷凝的水可经由管线380馈送至泵359。

未馈送至冷凝器375(用于分离至氢气槽377中)的经冷却的阳极废气流用于将第二气流提供至燃料电池305。可通过经由管线381将阳极废气流馈送至管线352而将退出热交换器341的阳极废气流与第一气流及蒸汽吹扫气体混合。阳极废气流、第一气流及蒸汽吹扫气体的混合物可接着馈送至冷凝器351以进一步冷却阳极废气流。通过自阳极废气流冷凝水而得到的第二气流可经由管线363与第一气流混合在一起而从冷凝器351分离。第二气流可含有至少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克分子份数的氢气，其中可通过确定以折干计算(dry basis)的经冷却的阳极废气流的氢气含量而确定第二气流的氢气含量。来自阳极废气流的水可与来自第一气流及蒸汽吹扫气体的水一起在冷凝器351中冷凝，且被经由管线357自冷凝器351移除以馈送至泵359。

计量阀383及385可用于选择第二气流至固态氧化物燃料电池305的流量。可通过与计量阳极废气流至冷凝器351的流量(调节第二气流至固态氧化物燃料电池305的流量)协调地调整阀383及385而选择第二气流至固态氧化物燃料电池305的流量。阀383可完全关闭，从而阻断阳极废气流至冷凝器375及氢气至氢气槽377的流动，且阀385可完全打开以允许全部阳极废气流流动至冷凝器351且第二气流以最大流量流动至固态氧化物燃料电池305。在一优选实施例中，可通过相应于阳极废气流的水和/或氢气含量自动地调整计量阀383及385而将第二气流至燃料电池305的流量自动地控制为一选定流量。

在一实施例中，可将小部分的组合的第一及第二气流作为泻放流传递过氢气分离设备387，以移除由于在产生第一气流时及在第二气流中的其后续再循环时由于重整反应器301中的氢气分离膜303对氢气与碳氧化物的不完全分离而可存在于第一及第二气流中的任何少量碳氧化物。可利用阀389及391控制泻放流至氢气分离设备387的流动，其中优选地阀389及391可允许第一及第二气流同时经由管线393及395或者分别经由管线393或管线395的定量流动。氢气分离设备387优选地为可有效地用于分离氢气与碳氧化物的压力变化吸附装置，或可为诸如上文描述的可选择性地透过氢气的膜。管线395及397中的第一及第二气流可经组合以经由管线367馈送至固态氧化物燃料电池305。

在该方法的一实施例中，可选择第一及第二气流的温度及压力以实现固态氧化物燃料电池305的有效操作。特别地，该温度不应太低以致抑制燃料电池的电化学反应性，且不应太高以致引起燃料电池305中的不受控制的发热反应。在一实施例中，馈送至燃料电池305的组合的第一及第二气流的温度可在自25℃至300℃、或自50℃至200℃，或自75℃至150℃的范围内。组合的第一及第二气流的压力可由压缩机361控制，且可为自0.15MPa至0.5MPa，或自0.2MPa至0.3MPa。

含氧气流可经由管线403通过阴极入口401馈送至燃料电池的阴极399。含氧气流可由空气压缩机或氧气槽(图上未显示)提供。在一实施例中，含氧气流可为空气或纯氧气。在另一实施例中，含氧气流可为含有至少21％氧气的富氧空气流，其中，由于富氧空气流含有用于在燃料电池中转化成氧离子的更多氧气，故富氧空气流在固态氧化物燃料电池中提供比空气高的电效率。

可在将含氧气流馈送至燃料电池305的阴极399之前加热含氧气流。在一实施例中，可在将含氧气流馈送至燃料电池305的阴极399之前在热交换器405中通过与从阴极废气出口407经由管线409提供至热交换器405的阴极废气的一部分交换热而将含氧气流加热至自150℃至350℃的温度。可使用计量阀411控制阴极废气流至热交换器405的流量。或者，可由电加热器(图上未示)加热含氧气流，或含氧气流可在不加热的情况下提供至燃料电池305的阴极399。

在本发明方法的该实施例中使用的固态氧化物燃料电池305可为常规固态氧化物燃料电池(优选地具有平面或管状结构)，且包含阳极307、阴极399及电解质413，其中电解质413插于阳极307与阴极399之间。固态氧化物燃料电池可包含堆栈在一起(由互连件电接合且操作性地连接)的多个单独的燃料电池，以使得燃料可流过经堆栈的燃料电池的阳极且含氧气体可流过经堆栈的燃料电池的阴极。固态氧化物燃料电池可为单一固态氧化物燃料电池或复数个经操作性地连接或堆栈的固态氧化物燃料电池。在一实施例中，阳极307由Ni/ZrO₂金属陶瓷形成，阴极399由浸渍有氧化镨且覆盖有掺杂SnO的In₂O₃的经掺杂的锰酸镧或稳定ZrO₂形成，且电解质413由氧化钇稳定的ZrO₂(大致8％Y₂O₃(摩尔比))形成。经堆栈的各个燃料电池或管状燃料电池之间的互连件可为经掺杂的铬酸镧。

固态燃料电池305构造成使得第一及第二气流可从阳极入口365流过燃料电池305的阳极307至阳极废气出口369，从而接触从阳极入口365至阳极废气出口369的阳极路径长度上的一个或多个阳电极。燃料电池305还构造成使得含氧气体可从阴极入口401流过阴极399至阴极废气出口407，从而接触自阴极入口401至阴极废气出口407的阴极路径长度上的一个或多个阴电极。电解质413位于燃料电池305中以防止第一及第二气流进入阴极且防止含氧气体进入阳极，且将氧离子从阴极传导至阳极以用于与一个或多个阳极电极处的第一及第二气流中的氢气进行电化学反应。

固态氧化物燃料电池305在可有效地使氧离子从阴极399穿过电解质413至燃料电池305的阳极307的温度下操作。固态氧化物燃料电池305可在自700℃至1100℃的温度下、或自800℃至1000℃的温度下操作。在一个或多个阳极电极处，氢气与氧离子的氧化反应为大量发热反应，且反应的热产生操作固态氧化物燃料电池305所需的热。可通过独立地控制第一气流的温度、第二气流的温度及含氧气流的温度及这些气流至燃料电池305的流量而控制固态氧化物燃料电池305操作的温度。在一实施例中，第二气流的温度被控制为至多150℃的温度，含氧气流的温度被控制为至多300℃的温度，且第一气流的温度被控制为至多150℃的温度，以维持固态氧化物燃料电池的操作温度在自700℃至1000℃的范围内，且优选地在自800℃至900℃的范围内。

为了启动燃料电池305的操作，将燃料电池305加热至其操作温度。在一优选实施例中，可通过在催化性部分氧化重整反应器433中产生含氢气流且将含氢气流经由管线435馈送至固态氧化物燃料电池的阳极307来启动固态氧化物燃料电池305的操作。可通过在存在常规部分氧化重整催化剂的情况下在催化性部分氧化重整反应器433中燃烧烃进料及氧气源而在催化性部分氧化重整反应器433中产生含氢气流，其中氧气源是以相对于烃进料的低于化学计量的量馈送至催化性部分氧化重整反应器433。

馈送至催化性部分氧化重整反应器433的烃进料可为液态或气态烃或烃的混合物，且优选为甲烷、天然气或其它低分子量烃或低分子量烃的混合物。在本发明的方法的特别优选实施例中，馈送至催化性部分氧化重整反应器433的烃进料可为与在预重整反应器314中使用的进料前驱物的类型相同类型的进料以减少进行该方法所需的烃进料的数目。

馈送至催化性部分氧化重整反应器433的含氧进料可为纯氧气、空气或富氧空气。含氧进料应以相对于烃进料的低于化学计量的量馈送至催化性部分氧化重整反应器433以在催化性部分氧化重整反应器433中与烃进料燃烧。

由在催化性部分氧化重整反应器433中烃进料及含氧气体的燃烧形成的含氢气流含有可在燃料电池305的阳极307中通过接触阳电极中的一个或多个处的氧化剂而氧化的化合物，包括氢气及一氧化碳，以及诸如二氧化碳的其它化合物。来自催化性部分氧化重整反应器433的含氢气流优选地不含有可对燃料电池305的阳极307中的一个或多个阳电极进行氧化的化合物。

在催化性部分氧化重整反应器433中形成的含氢气流为热的，且可具有至少700℃、或自700℃至1100℃或自800℃至1000℃的温度。使用来自催化性部分氧化重整反应器433的热含氢气流以触发固态氧化物燃料电池305的启动在本发明的方法中为优选的，这是由于其使得燃料电池305的温度能够几乎瞬时地上升至燃料电池305的操作温度。在一实施例中，当开始燃料电池305的操作时，可在热交换器405中在来自催化性部分氧化重整反应器433的热含氢气体与馈送至燃料电池305的阴极399的含氧气体之间交换热。

一旦达到燃料电池305的操作温度，从催化性部分氧化重整反应器433至燃料电池305中的热含氢气流的流动可由阀439切断，同时通过打开阀441而将来自重整反应器301的第一气流馈送至阳极307中且将含氧气流馈送至燃料电池305的阴极399中。燃料电池的连续操作可接着根据本发明的方法进行。

在另一实施例中(未在图3中显示)，燃料电池305的操作可使用来自氢气储存槽377的氢气启动气流而起动，可在将第一气流引入至燃料电池中之前使氢气启动气流经过启动加热器以使燃料电池升至其操作温度。氢气储存槽可操作性地连接至燃料电池以允许将氢气启动气流引入至固态氧化物燃料电池的阳极中。所述启动加热器可间接地将氢气启动气流加热至自750℃至1000℃的温度。所述启动加热器可为电加热器或可为燃烧加热器。一旦达到燃料电池的操作温度，氢气启动气流至燃料电池中的流动可由一阀切断，且第一气流可引入至燃料电池中以开始燃料电池的连续操作。

在燃料电池305的操作的起动期间，含氧气流可引入至燃料电池305的阴极399中。含氧气流可为空气、含有至少21％的氧气的富氧空气或纯氧气。优选地，含氧气流为在起动燃料电池的操作之后在燃料电池305的操作期间将馈送至阴极399的含氧气流。

在一优选实施例中，在燃料电池的启动期间馈送至燃料电池的阴极399的含氧气流具有至少500℃、优选至少650℃，且更优选至少750℃的温度。可在将含氧气流馈送至固态氧化物燃料电池305的阴极399之前由电加热器加热含氧气流。在一优选实施例中，用于起动燃料电池305的操作的含氧气流可在馈送至燃料电池305的阴极399之前在热交换器405中通过与来自催化性部分氧化重整反应的热含氢气流进行热交换来加热。

一旦燃料电池的操作已开始，第一及第二气流可与在燃料电池305中的一个或多个阳极电极处的氧离子氧化剂混合以产生电。从流过燃料电池305的阴极399的含氧气流中的氧气得到氧离子氧化剂且将其传导穿过燃料电池的电解质413。通过将第一气流、第二气流及含氧气流以选定的独立流量馈送至燃料电池305同时在自750℃至1100℃的温度下操作燃料电池而在燃料电池305的一个或多个阳极电极处在阳极307中混合馈送至燃料电池305的阳极307的第一及第二气流及氧化剂。

优选地，在燃料电池305的一个或多个阳极电极处混合第一及第二气流及氧化剂以按至少0.4W/cm²、更优选至少0.5W/cm²、或至少0.75W/cm²、或至少1W/cm²、或至少1.25W/cm²或至少1.5W/cm²的电力密度产生电。可通过选择并控制第一及第二气流馈送至燃料电池305的阳极307的流量而以这种电力密度产生电。可通过选择并控制进料及蒸汽馈送至重整反应器301的流量而选择第一气流至燃料电池305的阳极307的流量，进料及蒸汽馈送至重整反应器301的流量又可由进料前驱物及蒸汽馈送至预重整反应器314的流量控制，分别通过调整计量阀342及344而控制进料前驱物及蒸汽馈送至预重整反应器314的流量。如上文所述，可通过调整计量阀383及385而选择并控制阳极废气流至冷凝器351的流量而选择并控制第二气流至燃料电池305的阳极307的流量。在一实施例中，可通过反馈电路(图上未显示)自动地调整计量阀383及385，该反馈电路量测阳极废气流中的水和/或氢气含量，且调整所述计量阀383及385以维持阳极废气流中的选定水和/或氢气含量。

在本发明的方法中，在一个或多个阳极电极处混合第一及第二气流与氧化剂，通过由氧化剂氧化存在于馈送至燃料电池305的第一及第二气流中的氢气的一部分而产生水(为蒸汽)。利用氧化剂氧化氢气所产生的水由第一及第二气流的未反应部分吹扫过燃料电池305的阳极307而作为阳极废气流的一部分退出阳极307。

在本发明的方法的实施例中，可独立地选择第一及第二气流馈送至阳极307的流量，以使得每单位时间在燃料电池305中形成的水的量相对于每单位时间阳极废气中的氢气的量的比率为至多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。在一实施例中，燃料电池305中形成的水的量与阳极废气中氢气的量可以摩尔为单位量测，以使得每单位时间以摩尔计的每单位时间燃料电池中形成的水的量与每单位时间阳极废气中氢气的量的比率为至多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。在本发明的方法的另一实施例中，可独立地选择第一及第二气流馈送至阳极307的流量，以使得阳极废气流含有至少0.6、或至少0.7、或至少0.8，或至少0.9克分子份数的氢气。在一实施例中，可独立地选择第一及第二气流馈送至阳极307的流量，以使得阳极废气流含有馈送至阳极307的组合的第一及第二气流中的氢气的至少50％、或至少60％、或至少70％、或至少80％，或至少90％。在一实施例中，可独立地选择第一及第二气流馈送至阳极307的流量，以使得燃料电池305的每道氢气利用率为至多50％、或至多40％、或至多30％、或至多20％，或至多10％。

提供至固态氧化物燃料电池305的阴极399的含氧气流的流量应经选择以提供足够氧化剂至阳极，以当在一个或多个阳极电极处与来自第一及第二气流的燃料组合时按至少0.4W/cm²、或至少0.5W/cm²、或至少0.75W/cm²、或至少1W/cm²、或至少1.25W/cm²，或至少1.5W/cm²的电力密度产生电。可通过调整计量阀415来选择并控制含氧气流至阴极399的流量。

在本发明的方法的一实施例中，重整反应器301及固态氧化物燃料电池305可被热学整合，以使得将来自燃料电池305中的发热电化学反应的热提供至重整反应器301的重整区域315，从而驱动重整反应器301中的吸热重整反应。如上文描述，一个或多个重整器阳极废气管道319和/或一个或多个重整器阴极废气管道317延伸至重整反应器301的重整区域315中且位于重整反应器301的重整区域315内。热阳极废气流可自阳极废气出口369退出燃料电池305的阳极307，且经由管线373进入重整区域315中的重整器阳极废气管道319，且热阴极废气流可自阴极废气出口407退出燃料电池305的阴极399，且经由管线417进入重整区域315中的重整器阴极废气管道317。当阳极废气流经过重整器阳极废气管道319时，可在阳极废气流与重整区域315中的蒸汽和进料的混合物之间交换来自热阳极废气流的热。类似地，当阴极废气流经过重整器阴极废气管道317时，可在阴极废气流与重整反应器301的重整区域315中的蒸汽和进料的混合物之间交换来自热阴极废气流的热。

从发热的固态氧化物燃料电池305至吸热的重整反应器301的热交换为高度有效的。在重整反应器301的重整区域315内重整器阳极废气管道319和/或重整器阴极废气管道317的位置允许热阳极废气流和/或热阴极废气流与反应器301内的进料和蒸汽的混合物之间的热交换，从而在发生重整反应的位置处将热转移至进料及蒸汽。此外，由于管道317及319在催化剂床附近，在重整区域315内重整器阳极废气管道和/或阴极废气管道319及317的位置允许热阳极废气流和/或热阴极废气流加热重整区域315中的重整催化剂。

此外，除了由阳极废气流和/或阴极废气流提供的热之外，不需要将额外的热提供至重整反应器301来驱动反应器301中的重整及变换反应以产生经重整的产物气体及第一气流。如上文提出，在重整反应器301内进行重整及变换反应所需的温度为自400℃至650℃，其远低于常规重整反应器温度(其为至少750℃，且通常为800℃至900℃)。由于通过高温氢气分离膜303将氢气从重整反应器301分离所造成的重整反应中的平衡变换，重整反应器可在这种低温下进行。阳极废气流及阴极废气流可具有自800℃至1000℃的温度，其在阳极废气流和/或阴极废气流与进料和蒸汽的混合物之间热交换之后足以驱动重整反应器301中的低温的重整及变换反应。

在本发明的方法的实施例中，当阳极废气流经过重整器阳极废气管道319时，阳极废气流与重整区域315中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可提供供给反应器301中的蒸汽和进料的混合物的相当大量的热以驱动重整及变换反应。在本发明的方法的实施例中，阳极废气流与反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可提供供给反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热的至少40％、或至少50％、或至少70％，或至少90％。在一实施例中，供应至重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热基本上由在经过重整器阳极废气管道319的阳极废气流与重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间交换的热组成。在该方法的实施例中，阳极废气流与反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可受到控制以维持蒸汽和进料的混合物的温度在400℃至650℃的范围内。

在本发明的方法的实施例中，当阴极废气流经过重整器阴极废气管道317时，阴极废气流与重整区域315中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可提供供给反应器301中的蒸汽和进料的混合物的相当大量的热以驱动重整及变换反应。在本发明的方法的实施例中，阴极废气流与反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可提供供给反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热的至少40％、或至少50％、或至少70％，或至少90％。在一实施例中，供应至重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热基本上由在经过重整器阴极废气管道317的阴极废气流与重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间交换的热组成。在该方法的实施例中，阴极废气流与反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可受到控制以维持蒸汽和进料的混合物的温度在400℃至650℃的范围内。

在一实施例中，当阳极废气流经过重整器阳极废气管道319且阴极废气流经过重整器阴极废气管道317时，阳极废气流、阴极废气流与重整区域315中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可提供供给反应器301中的蒸汽和进料的混合物的相当大量的热以驱动重整及变换反应。在本发明的方法的实施例中，阳极废气流、阴极废气流与反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可提供供给反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热的至少40％、或至少50％、或至少70％、或至少90％、或至少95％，或至少99％。在本发明的方法的实施例中，阴极废气流与反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可提供供给反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热的高达60％、或高达50％、或高达40％、或高达30％，或高达20％，同时阳极废气流与反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可提供供给反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热的至少40％、或至少50％、或至少60％、或至少70％，或至少80％。在一实施例中，供应至重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热可基本上由在阳极废气流及阴极废气流与反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间交换的热组成。在该方法的实施例中，阳极废气流及阴极废气流与反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可受到控制以维持蒸汽和进料的混合物的温度在400℃至650℃的范围内。

在一优选实施例中，由阳极废气流、或阴极废气流或阳极废气流及阴极废气流提供至重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热足以驱动重整反应器301中的重整及变换反应，使得不需要其它热源来驱动重整反应器301中的反应。最佳地，不通过电加热或燃烧将热提供至重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物。

在一实施例中，阳极废气流提供大部分或全部热至重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物以驱动反应器中的重整及变换反应。可调整计量阀371及370以控制阳极废气流从燃料电池至重整器阳极废气管道319的流动，其中可增加阳极废气流经过阀371的流动且可减少其经过阀370的流动，以增加阳极废气流至重整器阳极废气管道319的流动，从而提供驱动重整反应器301中的重整及变换反应所需的热。

在此实施例中，仅需要一些阴极废气流或不需要阴极废气流与重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物交换热以驱动重整及变换反应。阴极废气流经过重整反应器301中的重整阴极废气管道317的流动可受到控制以控制从阴极废气流提供至重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热的量。计量阀411、412、429及431可经调整以控制阴极废气流至重整器阴极废气管道317的流动，使得阴极废气流提供所要量的热(若存在)至反应器301中的蒸汽和进料的混合物。为了减少阴极废气经由重整器阴极废气管道317至重整反应器301的流动，阀412及431可经调整以减少阴极废气经由阀412及431的流动，且阀411及429可经调整以增加阴极废气经由阀411及429的流动。

在一实施例中，阴极废气流提供大部分或全部热至重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物以驱动反应器中的重整及变换反应。计量阀411、412、429及431可经调整以控制阴极废气流至重整器阴极废气管道317的流动，使得阴极废气流提供所要量的热至反应器301中的蒸汽和进料的混合物。为了增加阴极废气经由重整器阴极废气管道317至重整反应器301的流动，阀412及431可经调整以增加阴极废气经由阀412及431的流动，且阀411及429可经调整以减少阴极废气经由阀411及429的流动。

在此实施例中，仅需要一些阳极废气流或不需要阳极废气流与重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物交换热以驱动重整及变换反应。阳极废气流经过重整反应器301中的重整阳极废气管道319的流动可受到控制以控制自阳极废气流提供至重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热的量。可调整计量阀371及370以控制阳极废气流从燃料电池305至重整器阳极废气管道319的流动，其中可减少流过阀371的阳极废气流且可增加其经过阀370的流动，以减少阳极废气流至重整器阳极废气管道319中的流动。

已经过重整器阴极废气管道317的经冷却的阴极废气流在其中可仍具有相当大量的热，且可具有高达650℃的温度。经冷却的阴极废气流可经由出口418传递出阴极废气管道，以经由管线419与经由阀411定量供给至热交换器405的任何阴极废气流一起馈送至含氧气体热交换器405。如上文描述处理已经过重整器阳极废气管道319的经冷却的阳极废气流以将第二气流提供至燃料电池305。

在本发明的方法的一实施例中，预重整反应器314及固态氧化物燃料电池305可被热学整合，以使得将来自燃料电池305中的发热电化学反应的热提供至预重整反应器314的预重整区域316以驱动预重整反应器314中的吸热汽化及裂化/重整反应。如上文描述，一个或多个预重整器阳极废气管道320和/或一个或多个预重整器阴极废气管道322延伸至预重整反应器314的预重整区域316中且位于预重整反应器314的预重整区域316内。热阳极废气流可自阳极废气出口369退出燃料电池305的阳极307，且经由管线372进入预重整区域316中的预重整器阳极废气管道320，且热阴极废气流可自阴极废气出口407退出燃料电池305的阴极399，且经由管线421进入预重整区域316中的预重整器阴极废气管道322。当阳极废气流经过预重整器阳极废气管道320时，可在阳极废气流与预重整区域316中的蒸汽和进料前驱物的混合物之间交换来自热阳极废气流的热。类似地，当阴极废气流经过预重整器阴极废气管道322时，可在阴极废气流与预重整反应器314的预重整区域316中的蒸汽和进料前驱物的混合物之间交换来自热阴极废气流的热。

从发热固态氧化物燃料电池305至吸热预重整反应器314的热交换为高度有效的。在预重整反应器314的预重整区域316内预重整器阳极废气管道320和/或预重整器阴极废气管道322的位置允许热阳极废气流和/或阴极废气流与反应器314内的进料前驱物和蒸汽的混合物之间的热交换，从而在发生汽化/裂化/重整反应的位置处将热转移至进料前驱物及蒸汽。此外，由于管道320及322在催化剂床附近，在预重整区域316内预重整器阳极废气管道和/或阴极废气管道320及322的位置允许热阳极废气流和/或阴极废气流加热预重整区域316中的预重整催化剂。

此外，除了由阳极废气流和/或阴极废气流提供的热之外不需要将额外热提供至预重整反应器314以驱动预重整反应器314中的汽化/裂化/重整反应以产生用于重整反应器301的进料。裂化或重整进料前驱物烃至适用作重整反应器的进料的烃所需的温度可为自400℃至850℃，或自500℃至800℃，且可高于在重整反应器301中重整进料所需的温度。阳极废气流及阴极废气流可具有自800℃至1000℃的温度，其在阳极废气流和/或阴极废气流与进料前驱物和蒸汽的混合物之间热交换之后足以驱动在预重整反应器314中进料前驱物至进料的转化。

在本发明的方法的实施例中，当阳极废气流经过预重整器阳极废气管道320时，阳极废气流与预重整区域316中的蒸汽和进料前驱物的混合物之间的热交换可提供供给预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物的相当大量的热以驱动汽化/裂化/重整反应。在本发明的方法的实施例中，阳极废气流与预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物之间的热交换可提供供给预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物的热的至少40％、或至少50％、或至少70％，或至少90％。在一实施例中，供应至预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物的热基本上由在经过预重整器阳极废气管道320的阳极废气流与预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物之间交换的热组成。在该方法的实施例中，阳极废气流与预重整反应器314中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可经控制以维持蒸汽和进料前驱物的混合物的温度在500℃至800℃的范围内。

在本发明的方法的实施例中，当阴极废气流经过预重整器阴极废气管道322时，阴极废气流与预重整区域316中的蒸汽和进料前驱物的混合物之间的热交换可提供供给预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物的相当大量的热以驱动汽化/裂化/重整反应。在本发明的方法的实施例中，阴极废气流与预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物之间的热交换可提供供给预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物的热的至少40％、或至少50％、或至少70％，或至少90％。在一实施例中，供应至预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物的热基本上由在经过预重整器阴极废气管道322的阴极废气流与预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物之间交换的热组成。在该方法的实施例中，阴极废气流与预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物之间的热交换可经控制以维持蒸汽和进料前驱物的混合物的温度在500℃至800℃的范围内。

在一实施例中，当阳极废气流经过预重整器阳极废气管道320且阴极废气流经过预重整器阴极废气管道322时，阳极废气流、阴极废气流与预重整区域316中的蒸汽和进料前驱物的混合物之间的热交换可提供供给预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物的相当大量的热以驱动汽化/裂化/重整反应。在本发明的方法的实施例中，阳极废气流、阴极废气流与预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物之间的热交换可提供供给反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物的热的至少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％。在本发明的方法的实施例中，阴极废气流与反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物之间的热交换可提供供给反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物的热的高达60％、或高达50％、或高达40％、或高达30％，或高达20％，同时阳极废气流与蒸汽和进料前驱物的混合物之间的热交换可提供供给反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物的热的至少40％、或至少50％、或至少60％、或至少70％，或至少80％。在一实施例中，供应至预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物的热可基本上由在阳极废气流及阴极废气流与反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物之间交换的热组成。在该方法的实施例中，阳极废气流及阴极废气流与反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物之间的热交换可经控制以维持蒸汽和进料前驱物的混合物的温度在500℃至800℃的范围内。

在一优选实施例中，由阳极废气流、或阴极废气流或阳极废气流和阴极废气流提供至预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物的热足以驱动重整反应器314中的预重整/裂化反应，使得不需要其它热源来驱动预重整反应器314中的反应。最优选地，不通过电加热或燃烧将热提供至反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物。

在一实施例中，阳极废气流提供大部分或全部热至预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物以驱动反应器314中的汽化/裂化/重整反应。可调整计量阀371及370以控制阳极废气流从燃料电池305至预重整器阳极废气管道320的流动，其中可增加阳极废气流经过阀370的流动且可减少其经过阀371的流动，以增加阳极废气流至预重整器阳极废气管道320中的流动，从而提供驱动预重整反应器314中的汽化/裂化/重整反应所需的热。

在此实施例中，仅需要一些阴极废气流或不需要阴极废气流与预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物交换热以驱动汽化/裂化/重整反应。阴极废气流经过预重整反应器314中的预重整阴极废气管道322的流动可受到控制以控制从阴极废气流提供至预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物的热的量。计量阀411、412、429及431可经调整以控制阴极废气流至预重整器阴极废气管道322的流动，使得阴极废气流提供所要量的热(若存在)至预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物。为了减少阴极废气流经由预重整器阴极废气管道322至预重整反应器314的流动，阀412及429可经调整以减少阴极废气经由阀412及429的流动，且阀411及431可经调整以增加阴极废气经由阀411及431的流动。

无需用来加热重整反应器301或预重整反应器314中的蒸汽和进料的混合物的阴极废气流则可经由管线409分流至热交换器405以加热馈送至阴极399的含氧气体。

在一实施例中，阴极废气流提供大部分或全部热至预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物以驱动反应器314中的汽化/裂化/重整反应。计量阀411、412、429及431可经调整以控制阴极废气流至预重整器阴极废气管道322的流动，使得阴极废气流提供所要量的热至反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物。为了增加阴极废气流经由预重整器阴极废气管道322至预重整反应器314的流动，阀412及429可经调整以增加阴极废气流经由阀412及429的流动，且阀411及431可经调整以减少阴极废气流经由阀411及431的流动。

在此实施例中，仅需要一些阳极废气流或不需要阳极废气流与预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物交换热以驱动汽化/裂化/重整反应。阳极废气流经过预重整反应器314中的重整阳极废气管道320的流动可受到控制以控制自阳极废气流提供至预重整反应器314中的蒸汽和进料前驱物的混合物的热的量。可调整计量阀371及370以控制阳极废气流从燃料电池305至预重整器阳极废气管道320的流动，其中可减少流过阀370的阳极废气流且可增加其经过阀371的流动，以减少阳极废气流至预重整器阳极废气管道320中的流动。

已经过预重整器阴极废气管道322的经冷却的阴极废气流在其中可仍具有相当大量的热，且可具有高达800℃的温度。经冷却的阴极废气流可经由出口423传送出阴极废气管道，以经由管线419与经由阀411定量供给至热交换器405的任何阴极废气流一起馈送至含氧气体热交换器405。

在一优选实施例中，重整反应器301、预重整反应器314及固态氧化物燃料电池305可被热学整合，以使得来自燃料电池305中的发热电化学反应的热提供至重整反应器301的重整区域315以驱动重整反应器301中的吸热重整反应，且提供至预重整反应器314的预重整区域316以驱动吸热汽化/裂化/重整反应。如上文描述，燃料电池305可操作性地连接至重整反应器301及预重整反应器314。

在一实施例中，预重整阳极废气管道320可与重整阳极废气管道319操作性地串行连接，使得阳极废气流可从燃料电池305的阳极废气出口369流过预重整反应器314，接着流过重整反应器301。阳极废气流从预重整器阳极废气管道320至重整器阳极废气管道319的流动可通过调整阀368控制。

在一实施例中，预重整反应器314的预重整阴极废气管道322可与重整反应器301的重整阴极废气管道317操作性地串行连接，使得阴极废气流可从阴极废气出口407流过预重整反应器314，接着经由管线425流入重整反应器301的重整器阴极废气管道317中。阴极废气流从预重整反应器314经由管线425至重整反应器301的流动可通过调整阀427控制。

在另一实施例中，预重整器阳极废气管道320与重整器阳极废气管道319可操作性地并列连接，使得阳极废气流可从阳极废气出口365同时流过预重整器阳极废气管道320及重整器阳极废气管道319。计量阀371及370可经调整以使得阳极废气流分别以所需流量流入重整器阳极废气管道319及预重整器阳极废气管道320中。

在另一实施例中，预重整器阴极废气管道322可与重整器阴极废气管道317操作性地并列连接，使得阴极废气流可从阴极废气出口407同时流过预重整器阴极废气管道422及重整器阴极废气管道417。计量阀431及429可经调整以使得阴极废气流分别以所需流量流入重整器阴极废气管道317及预重整器阴极废气管道322中。

可由计量阀370、371及368控制阳极废气流经过预重整反应器314及重整反应器301以向反应器301及314提供热的流动。计量阀370可用于控制阳极废气流从阳极废气出口365至预重整器阳极废气管道320的流动。计量阀371可用于控制阳极废气流从阳极废气出口365至重整器阳极废气管道319的流动。计量阀368可用于控制阳极废气流从预重整器阳极废气管道320的流动，使得阳极废气流可被导入至重整器阳极废气管道319中。

可由计量阀412、427、429及431控制阴极废气流经过预重整反应器314及重整反应器301以提供热至反应器301及314的流动。计量阀412可用于控制阴极废气流从燃料电池阴极废气出口至预重整反应器314及重整反应器301的流动。计量阀429可用于控制阴极废气流从阴极废气出口407至预重整器阴极废气管道322的流动。计量阀431可用于控制阴极废气流从阴极废气出口407至重整器阴极废气管道317的流动。计量阀427可用于控制阴极废气流从预重整器阴极废气管道322的流动，使得阴极废气流可被导入至重整器阴极废气管道317中。

在本发明的方法的此实施例中，对于由该方法(特别地，从烃进料产生第一气流及在燃料电池305中将一氧化碳氧化为二氧化碳)产生的每单位电而言，可产生相对极少二氧化碳。首先，在第二气流中将来自阳极废气流的氢气再循环至燃料电池305减少了需要由重整反应器301产生的氢气的量，由此减少伴随的二氧化碳副产物产生。其次，重整反应器301及可选的预重整反应器314与燃料电池305的热学整合(其中在燃料电池105中产生的热由来自燃料电池305的阳极废气和/或阴极废气转移到重整反应器301内及可选择的预重整反应器314内)减少了需要提供以驱动吸热重整反应及预重整反应的能量，从而减少例如由燃烧提供该能量的需要，由此减少在提供能量以驱动重整反应及预重整反应中产生的二氧化碳的量。

在本发明的方法的此实施例中，可以每千瓦时所产生的电不超过400克(400g/kWh)的速率产生二氧化碳。在一优选实施例中，在本发明的方法中以不超过350g/kWh的速率产生二氧化碳，且在一更优选实施例中，在本发明的方法中以不超过300g/kWh的速率产生二氧化碳。

在另一实施例中，本发明的方法利用包括经热学整合的蒸汽重整器、位于蒸汽重整器外部的氢气分离设备，及固态氧化物燃料电池的系统。现参看图4，用于实践此实施例的方法的系统类似于图2中或图3中所显示的系统，不同之处在于高温氢气分离设备503未位于重整反应器501中，而是操作性地耦合至重整反应器501，使得含有在重整反应器501中形成的氢气及碳氧化物的经重整的产物气体及未反应的烃及蒸汽经过管线505至高温氢气分离设备503。如上文描述，高温氢气分离设备503优选地为管状氢气可渗透膜装置。

由氢气分离设备503将含有氢气的第一气流与经重整的产物气体及未反应的蒸汽及烃分离。可将蒸汽吹扫气体经由管线507注入于氢气分离设备503中以促进第一气流的分离。如上文描述，第一气流可从氢气分离设备馈送至热交换器，且随后至冷凝器，且接着至固态氧化物燃料电池。如上文描述，将包含氢气的第二气流从燃料电池的阳极废气分离且馈送回至燃料电池中。

可将气态非氢经重整产物及未反应进料作为气态流经由管线509从氢气分离设备503分离。非氢经重整产物及未反应进料可包括二氧化碳、水(为蒸汽)及少量一氧化碳、氢气及未反应烃。

从氢气分离设备503分离的非氢气态流可为含有以折干计算至少0.9、或至少0.95，或至少0.98克分子份数的二氧化碳且具有为至少1MPa、或至少2MPa，或至少2.5MPa的压力的高压二氧化碳气流。可如上文关于使用在重整反应器中的氢气分离膜从重整反应器分离的高压二氧化碳流所描述的方式处理高压二氧化碳流。

利用位于重整反应器501外部的氢气分离设备503的方法的其余部分可以与上文关于固态氧化物燃料电池及在其中含有氢气分离膜的重整反应器(有或无预重整反应器)所描述相同的方式加以实践。

现参看图5，显示了根据本发明的系统600。系统600包括固态氧化物燃料电池601、重整反应器603及氢气分离装置605。固态氧化物燃料电池601包含阳极607、阴极609及电解质611，其中电解质611定位于阳极607与阴极609之间、接触并分离阳极607与阴极609。在本发明的系统中有用的固态氧化物燃料电池、其阳极、阴极及电解质描述于上文中。

固态氧化物燃料电池601的阳极607具有阳极入口613(可经由其将燃料馈送至阳极607)及阳极废气出口615(经由其将消耗的燃料从阳极607排出)。阳极废气出口615与阳极入口613气态连通地操作性连接，使得阳极废气中的氢气可再循环回至阳极607中以避免浪费阳极废气中的氢气的电化学电位。

在一优选实施例中，系统600包括一个或多个热交换器617，以在将阳极废气经由阳极入口613馈送回至阳极607之前冷却阳极废气。热交换器617可使用任何冷却介质冷却阳极废气，然而，如上文描述，优选地，通过与将在重整反应器603中用以产生待馈送至燃料电池601的氢气的进料或进料前驱物和/或蒸汽交换热而冷却阳极废气。或者，可首先如上文描述使阳极废气在阳极废气管道(图上未示)中经过重整反应器603以在于热交换器617中冷却之前初始地冷却阳极废气且提供热至重整反应器603。

若系统600包括一个或多个热交换器617，则热交换器617在系统600中操作性地连接以当阳极废气流从阳极废气出口615流动至阳极入口613时冷却阳极废气流。热交换器617的入口619与燃料电池601的阳极废气出口615气态连通地操作性耦合，且热交换器617的出口621与阳极入口613气态连通地操作性耦合。若一个以上热交换器617存在于系统600中，则热交换器617可串行地配置，其中第一热交换器617的热交换器入口619与燃料电池601的阳极废气出口615气态连通地操作性连接，且热交换器617中的最后一个的热交换器出口621与燃料电池601的阳极入口613气态连通地操作性连接，其中串行地连接的热交换器617中的每一个的热交换器出口621(除了串行中的最后一个热交换器617)可与串行中的下一热交换器617的热交换器入口619气态连通地连接。

在一实施例中，第二氢气分离装置623可气态连通地操作性连接于热交换器出口621与阳极入口613之间，以在将氢气馈送至燃料电池601的阳极入口613之前从退出热交换器617的阳极废气分离氢气。第二氢气分离装置623可具有与热交换器出口621(或一个以上热交换器的串行中的最后一个热交换器的热交换器出口)气态连通地耦合的入口625，经冷却的阳极废气可经由该入口625进入第二氢气分离装置623。第二氢气分离装置623亦可具有可选择性地透过氢气的第二部件627，其中第二部件627与第二氢气分离装置623的入口625气态连通地耦合。第二氢气分离装置亦可具有与第二氢气分离装置623的第二部件627气态连通且与燃料电池601的阳极入口613气态连通地耦合的第二氢气出口629。第二氢气分离装置623的第二部件627可处于第二氢气分离装置入口625与第二氢气出口629之间，以允许氢气从入口625至出口629，且因此至燃料电池601的阳极入口613的选择性流动。在一实施例中，第二部件627为可选择性地透过氢气的膜，诸如上文描述的可选择性地透过氢气的膜。在另一实施例中，第二氢气分离装置为具有入口625及出口629的常规压力变化吸附装置。

在一实施例中，冷凝器631可气态连通地操作性连接于热交换器出口621或第二氢气出口629与阳极入口613之间，以在将氢气馈送至燃料电池601的阳极入口613之前分离退出热交换器617或第二氢气分离装置623的阳极废气中的氢气与水/蒸汽。如上文提及，当氢气作为燃料供应至燃料电池601时，阳极废气含有未反应的氢气及由燃料电池中的氢气的氧化反应产生的水。退出热交换器617的经冷却的阳极废气可在冷凝器631中冷却至足以从阳极废气流冷凝及移除水，且由此经由阳极入口613将高氢气含量气流提供至燃料电池的阳极607。此外，可使用蒸汽吹扫气体帮助从第二氢气分离装置623的第二部件627分离氢气，且来自第二氢气分离装置623的氢气气流及蒸汽吹扫气体可在冷凝器631中冷却至足以从待提供至燃料电池601的阳极607的氢气气流来冷凝及分离蒸汽吹扫气体。

在不存在第二氢气分离装置623，或计量阀635及637经调整以导引经冷却的阳极废气从热交换器617流动至冷凝器631的实施例中，冷凝器631的入口633可连接至热交换器617的出口621，或在存在一个以上热交换器617的情况下，冷凝器631的入口633可连接至一连串热交换器617中的最后一个热交换器617的出口621，因此经冷却的阳极废气可从热交换器617流动至冷凝器631。冷凝器631的出口639可气态连通地连接至阳极入口613，使得可将大致无水的富氢气体从冷凝器631传递至燃料电池601的阳极607。

在使用蒸汽吹扫气体帮助从第二氢气分离装置623分离氢气气流的另一实施例中，冷凝器631的入口633可气态连通地连接至第二氢气分离装置623的氢气出口629，使得可在冷凝器631中从氢气气流分离蒸气吹扫气体。冷凝器631的出口639可连接至阳极入口613，使得可将大致无吹扫气体的富氢气体从冷凝器631传递至燃料电池601的阳极607。

系统600包括将氢气燃料提供至燃料电池601的阳极607的重整反应器603。重整反应器603包括适用于对蒸汽和包含一种或多种烃的进料的经汽化混合物进行重整以产生氢气的重整区域641。重整区域641包括在其中具有重整催化剂645的重整催化剂床643，其中重整催化剂可用于辅助在重整区域641中蒸汽与进料的经汽化混合物的重整。在上文描述了可用于重整催化剂床643中的重整催化剂645。重整反应器603包括与重整区域641气态连通地耦合的一个或多个重整入口647，且经由所述重整入口647，蒸汽、包含一种或多种气态烃的进料，或蒸汽与包含一种或多种烃的进料的混合物可被引入至重整区域641中。

可选地，系统600可包括用于将进料前驱物转化成在重整反应器603中有用的进料的预重整反应器649。预重整反应器649可包括预重整区域651，该预重整区域651适用于接收蒸汽及包含一种或多种烃的进料前驱物的液态或经汽化混合物以产生待提供至重整反应器603的进料。预重整区域包括在其中具有预重整催化剂655的预重整催化剂床653，其中预重整催化剂可用于辅助对蒸汽及进料前驱物的经汽化混合物的预重整以形成进料。在上文中描述了可用于预重整催化剂床653中的预重整催化剂。预重整反应器649包括一个或多个预重整流入口657，所述一个或多个预重整流入口657与预重整区域651气态/液态连通地耦合，且适用于接收包含一种或多种烃的进料前驱物、蒸汽或其混合物，且将蒸汽、进料前驱物或其混合物传送至预重整区域651。预重整反应器649可包括有出口659，该出口659与重整反应器603的重整区域入口647气态连通地操作性耦合以将形成于预重整反应器649中的进料供应至重整反应器603。在一实施例中，压缩机661可包括于系统600中，其中压缩机661气态连通地操作性连接于预重整反应器出口659与重整反应器603的重整区域入口647之间。

系统600还包括用于分离重整反应器603中产生的氢气的氢气分离装置605，其中将在氢气分离装置605中分离的氢气提供至燃料电池601的阳极607。氢气分离装置605包括可选择性地透过氢气的部件663及氢气出口665。在一实施例中，可选择性地透过氢气的部件663位于重整反应器603的重整区域641中，与重整区域641气态连通，使得可经由部件663将在重整区域641中通过重整区域641中的重整和/或水煤气变换反应产生的氢气与重整区域641中的其它气态化合物分离。在一优选实施例中，如上文描述，氢气分离装置为高温氢气分离膜，其中部件663为该膜的具有氢气选择性的氢气可渗透壁。

氢气分离装置605的氢气出口665定位成优选地经由氢气管道667与氢气分离装置605的氢气可渗透部件663气态地连通。氢气可渗透部件663置于重整反应器603的重整区域641与氢气出口665与氢气管道667之间，以允许氢气从重整区域641经过氢气可渗透部件663选择性流动至氢气管道667，及经由氢气出口665流出氢气分离装置605及重整反应器603。

氢气出口665与燃料电池601的阳极入口613气态连通地操作性耦合，使得在重整反应器603中产生且由氢气分离装置605从重整反应器603分离的氢气可馈送至燃料电池601的阳极607。在一实施例中，一个或多个热交换器可气态连通地耦合于氢气出口665与阳极入口613之间，以在氢气气流进入燃料电池601的阳极607之前冷却退出氢气出口665的氢气气流。

在另一实施例中，如图6中所示，氢气分离装置705可位于重整反应器603的外部。氢气可渗透的、具有氢气选择性的部件763可与重整反应器603的重整区域641气态连通地操作性耦合，使得经重整的气体产物可从重整反应器603的重整区域641传递至部件763，因此可通过部件763从经重整的产物气体分离氢气。在一实施例中，如上文描述，部件763可为高温氢气可渗透的、具有氢气选择性的膜。在另一实施例中，部件763可为压力变化吸附器。在一实施例中，特别地，若部件763为压力变化吸附器，则一个或多个热交换器可气态连通地耦合于重整反应器603的重整区域641与部件763之间，以在使用部件763从经重整的产物气体分离氢气之前冷却经重整的产物气体。

氢气分离装置705的氢气出口765定位成优选地经由氢气管道767与氢气分离装置705的氢气可渗透部件763气态地连通。氢气可渗透部件763插于重整反应器603的重整区域641与氢气出口765与氢气管道767之间，以允许氢气从重整区域641经过氢气可渗透部件763选择性流动至氢气管道767，及经由氢气出口765流出氢气分离装置705。

氢气出口765与燃料电池601的阳极入口613气态连通地操作性耦合，使得在重整反应器603中产生且由氢气分离装置705从重整反应器603分离的氢气可馈送至燃料电池601的阳极607。在一实施例中，一个或多个热交换器可气态连通地耦合于氢气出口765与阳极入口613之间，以在氢气气流进入燃料电池601的阳极607之前冷却退出氢气出口765的氢气气流。

在一实施例中，本发明的系统可为如图1中描绘及上文描述的系统。

在一实施例中，本发明的系统可为如图2中描绘及上文描述的系统。

在一实施例中，本发明的系统可为如图3中描绘及上文描述的系统。

Claims (15)

1.一种用于产生电的方法，其包含：

以选定流量将含有氢气的第一气流馈送至固态氧化物燃料电池的阳极；

以选定流量将含有氢气的第二气流馈送至所述固态氧化物燃料电池的所述阳极；

在所述阳极中，将第一气流及第二气流与在固态氧化物燃料电池的一个或多个阳极电极处的氧化剂混合以按至少0.4W/cm²的电力密度产生电；

从固态氧化物燃料电池的所述阳极分离包含氢气和水的阳极废气流；及

从所述阳极废气流分离所述第二气流，所述第二气流包含从阳极废气流分离的氢气；

其中，将第一气流及第二气流馈送至所述阳极的流量经独立地选择，以使得在燃料电池中形成的水的量相对于阳极废气流中的氢气的量的比率为至多1.0。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，将第一气流及第二气流馈送至阳极的所述流量经独立地选择，以使得在燃料电池中形成的水的量相对于阳极废气流中的氢气的量的比率为至多0.75、或至多0.67、或至多0.43、或至多0.25，或至多0.11。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，第一气流经选定以含有至少0.7、或至少0.8、或至少0.9，或至少0.95克分子份数的氢气。

4.根据权利要求2-3之一所述的方法，其中，第一气流经选定以含有至多0.15、或至多0.10，或至多0.05克分子份数的碳氧化物。

5.根据权利要求2-4之一所述的方法，其中，馈送至所述阳极的第二气流包含至少0.9或至少0.95克分子份数的氢气。

6.一种用于产生电的方法，其包含：

以选定流量将含有氢气的第一气流馈送至固态氧化物燃料电池的阳极；

以选定流量将含有氢气的第二气流馈送至固态氧化物燃料电池的所述阳极；

在该阳极中，将第一气流及第二气流与在固态氧化物燃料电池的一个或多个阳极电极处的氧化剂混合以按至少0.4W/cm²的电力密度产生电；

从所述固态氧化物燃料电池的阳极分离包含氢气和水的阳极废气流；及

从所述阳极废气流分离所述第二气流，该第二气流包含来自阳极废气流的氢气；

其中，将第一气流及第二气流馈送至所述阳极的流量经独立地选择，以使得所述阳极废气流含有至少0.6克分子份数的氢气。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，将第一气流及第二气流馈送至所述阳极的所述流量经独立地选择，以使得所述阳极废气流含有至少0.7、或至少0.8，或至少0.9克分子份数的氢气。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述第一气流经选定以含有至少0.7、或至少0.8、或至少0.9，或至少0.95克分子份数的氢气。

9.根据权利要求6或权利要求7-8之一所述的方法，其中，所述第一气流经选定以含有至多0.15、或至多0.10，或至多0.05克分子份数的碳氧化物。

10.根据权利要求6或权利要求7-9之一所述的方法，其中，馈送至所述阳极的所述第二气流包含至少0.9或至少0.95克分子份数的氢气。

11.一种用于产生电的方法，其包含：

以选定流量将含有氢气源的第一气流馈送至固态氧化物燃料电池的阳极；

以选定流量将含有氢气的第二气流馈送至该固态氧化物燃料电池的所述阳极；

在该阳极中，重整第一气流以提供氢气；

在该阳极中，将第二气流及经重整的第一气流与在该固态氧化物燃料电池的一个或多个阳极电极处的氧化剂混合以按至少0.4W/cm²的电力密度产生电；

从该固态氧化物燃料电池的阳极分离包含氢气及水的阳极废气流；及

从阳极废气流分离所述第二气流，该第二气流包含来自阳极废气流的氢气；

其中，将第一气流及第二气流馈送至所述阳极的流量经独立地选择，以使得在该燃料电池中形成的水的量相对于阳极废气流中的氢气的量的比率为至多1.0。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，将所述第一气流及第二气流馈送至阳极的流量经独立地选择，以使得在该燃料电池中形成的水的量相对于阳极废气流中的氢气的量的比率为至多0.75、或至多0.67、或至多0.43、或至多0.25或至多0.11。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其中，所述第一气流的氢气源包含烃。

14.根据权利要求11或权利要求12-13之一所述的方法，其中，所述第一气流进一步包含蒸汽。

15.根据权利要求11或权利要求12-14之一所述的方法，其中，馈送至阳极的所述第二气流包含至少0.8、至少0.9，或至少0.95克分子份数的氢气。

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