CN101946357A - 用于产生电力的基于燃料电池的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于在固体氧化物燃料电池系统中产生电力的方法。使蒸汽和含烃进料的混合物进行重整以产生含有氢的重整产物气体。将含有至少0.6摩尔分数的氢的第一气流从重整产物气体分离并且供应给固体氧化物燃料电池的阳极。第一气流与氧化剂在燃料电池中的一或多个阳极电极处混合以产生电力。将包括氢和水的阳极排气流从燃料电池分离。将来自燃料电池的阳极排气流和/或阴极排气流供应到重整反应器中，其中，在热的阳极和/或阴极排气流与重整反应器中的反应物之间进行热交换。

Description

用于产生电力的基于燃料电池的方法
技术领域
本发明涉及产生电力的燃料电池系统，并且涉及用于产生电力的方法。特别地，本发明涉及产生电力的固体氧化物燃料电池系统和使用该系统产生电力的方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池是由直接从电化学反应产生电力的固态元件组成的燃料电池。这种燃料电池的是有用的，因为其供给高质量的可靠的电力，操作清洁，并且是相对紧凑的发电装置，从而使其在城市地区的应用十分有吸引力。
固体氧化物燃料电池由阳极、阴极和夹在阳极与阴极之间的固体电解质形成。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供应至阳极，含氧气体(通常为空气)被供应至阴极以提供化学反应物。供应至阳极的可氧化燃料气体通常为合成气(氢与一氧化碳的混合物)。燃料电池在通常为800℃至1100℃的高温下操作，以将含氧气体中的氧转化成氧离子，氧离子可以穿过电解质在阳极处与来自燃料气体的氢和/或一氧化碳相互作用。电力通过在阴极处氧转化为氧离子以及在阳极处氧离子与氢和/或一氧化碳的化学反应产生。以下反应描述了电池中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-
电负载或储存装置可以连接在阳极与阴极之间，以使得电流可以在阳极与阴极之间流动，从而为电负载供电或将电力提供给储存装置。
燃料气体通常由蒸汽重整反应器供应给阳极，蒸汽重整反应器将低分子量烃和蒸汽重整成氢和碳氧化物。甲烷(例如为天然气)是用来产生用于燃料电池的燃料气体的优选低分子量烃。替代地，燃料电池阳极可以设计为在内部使供应给燃料电池阳极的蒸汽与低分子量烃(诸如甲烷)实现蒸汽重整反应。
甲烷蒸汽重整根据以下反应提供含有氢和一氧化碳的燃料气体：
Figure BPA00001204545800021
由于形成氢和一氧化碳的反应是相当吸热的反应，因此必须供应热量以进行蒸汽重整反应。该反应通常在750℃至1100℃的温度下进行以将大量甲烷或其它烃和蒸汽转化成氢和一氧化碳。
用于在蒸汽重整反应器中引起甲烷蒸气重整反应的热量通常由燃烧器提供，所述燃烧器使含氧气体与燃料(通常为诸如天然气的烃类燃料)燃烧以提供所需热量。还利用无焰燃烧提供用于驱动蒸汽重整反应的热量，其中，还通过将烃燃料和含氧气体以避免引起有焰(flammable)燃烧的相对数量提供给无焰燃烧室来驱动无焰燃烧。由于由燃烧提供的大量热能未被捕获并且发生损失，因此这些用于提供驱动蒸汽重整反应所必需热量的方法在能量方面效率较低。
美国专利No.4,128,700公开了使蒸汽重整反应器和燃料电池热整合的系统和方法，其中，燃料电池提供热量以驱动重整反应器，重整反应器提供用于燃料电池的燃料气体。蒸汽重整反应器通过使来自燃料电池阳极的排气、大部分未反应氢和水燃烧进行加热，从而驱动重整反应和产生包括氢和一氧化碳的重整产物。重整产物被供应给燃料电池以用于该燃料电池中的电化学反应。通过使燃料电池阳极排气燃烧产生的热燃烧器气体具有足够高的温度以提供驱动重整反应器中的750℃-1100℃蒸汽重整反应的热量。该系统使重整反应器和燃料电池的操作热整合，然而，热整合的效率较低，因为1)大量由使燃料电池排气燃烧提供的热能未被捕获并且发生损失；和2)氢是用于驱动燃烧器的非常昂贵的燃料。
美国专利申请No.2005/0164051公开了一种系统和方法，其中重整反应器可以与燃料电池热整合，其中使用由燃料电池产生的热量提供驱动重整反应器的吸热反应的热量。通过将重整反应器放置在与燃料电池相同的热箱(hot box)中和/或通过将燃料电池和重整器以彼此热接触的方式放置而使重整反应器与燃料电池热整合。可通过将重整器紧靠燃料电池放置而将燃料电池和重整器放置成彼此热接触，其中燃料电池的阴极排气管道可以与重整器直接接触(例如，通过在重整器周围缠绕阴极排气管道来实现，或者通过一个或多个重整器壁包括阴极排气管道的壁来实现)，以使得来自燃料电池的阴极排气向重整器提供传导热传递。补充热量从燃烧室提供给重整器，其中燃料电池与重整器的热接触降低了重整器实现重整反应的燃烧热要求(参见，例如本申请的第0085段)。尽管比捕获由燃烧提供的热能更有效，但该方法的热效率仍然相对较低，这是由于1)因为来自燃料电池的排气的热的温度等于或接近驱动重整反应所需的温度(750℃至1100℃)，所以来自燃料电池的热量不足以完全驱动重整反应，并且，除非发生近乎完全的热交换，否则在没有来自另一热源(诸如燃烧室)的额外热量的情况下，来自燃料电池的热量将不足以驱动重整反应；和2)大量来自燃料电池排气的热量将远离重整反应器以及朝向反应器对流地传递。
此外，与重整反应器联接的固体氧化物燃料电池通常以电化学效率低并且不产生高电力密度的方式工作。固体氧化物燃料电池通常在商业上以“贫氢”模式操作，其中选择例如通过蒸汽重整产生燃料气体的条件以限制在燃料气体中离开燃料电池的氢的量。这样做是为了使燃料气体中氢的电势能与离开电池的未转化成电能的氢所损失的势能(热+电化学)平衡。
然而，对于在固体氧化物燃料电池中产生电力而言，与更纯净的氢燃料气体流相比，含有非氢化合物(诸如一氧化碳或二氧化碳)的燃料气体的效率较低。在给定温度下，可以在固体氧化物燃料电池中产生的电力随着氢浓度增大而增加。这归因于氢分子相对于其它化合物的电化学氧化势(oxidation potential)。举例来说，氢分子在0.7伏特下可以产生1.3W/cm2的电力密度，而一氧化碳在0.7伏特下仅可以产生0.5W/cm2的电力密度。因此，针对在固体氧化物燃料电池中产生电力而言，含有大量非氢化合物的燃料气体流不如主要含有氢的燃料气体有效。
已经采取某些措施来重新捕获离开燃料电池的过多氢的能量，然而，这些措施在能效方面显著低于如果氢在燃料电池中进行电化学反应的情况。举例来说，已经使得通过使燃料气体在燃料电池中发生电化学反应而产生的阳极排气进行燃烧来驱动涡轮膨胀机(turbine expander)以产生电力。然而，由于大量热能发生损失而未由膨胀机转化成电能，因此这在效率方面显著低于在燃料电池中捕获氢的电化学势。离开燃料电池的燃料气体也已经燃烧以提供用于各种热交换应用的热能，包括如上文提及的驱动重整反应器。然而，由燃烧提供的几乎50％的热能未被捕获并且发生损失。对于用于点燃燃烧器而言，氢是非常昂贵的气体，因此，通常地，调节固体氧化物燃料电池中所用的氢量以利用提供给燃料电池的绝大部分氢产生电力，并且使燃料电池排气中离开燃料电池的氢量尽量减少。
美国专利申请公开No.2007/0017369(′369公开案)提供了一种操作燃料电池系统的方法，其中将进料提供给燃料电池的燃料入口。进料可以包括从外部蒸汽重整器提供的氢与一氧化碳的混合物，或者替代地，可以包括在燃料电池堆中内部地重整成氢和一氧化碳的烃进料。使燃料电池堆操作以产生电力以及含有氢和一氧化碳的燃料排气流，其中将燃料排气流中的氢和一氧化碳从燃料排气流分离并且作为进料的一部分供应回燃料入口。因此，用于燃料电池的燃料气体是通过使烃燃料源重整得到的氢和一氧化碳以及从燃料排气系统分离的氢和一氧化碳的混合物。使来自燃料排气的氢中的至少一部分再循环通过燃料电池使得能够获得高操作效率。该系统进一步通过在每穿过电堆一次期间利用大约75％的燃料而在燃料电池中提供高燃料利用率。
美国专利申请公开No.2005/0164051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。该燃料可以是诸如甲烷的烃燃料；含有甲烷和氢以及其它气体的天然气；丙烷；沼气；与来自重整器的氢燃料混合的未重整的烃燃料；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。操作燃料电池堆以产生电和含有氢的燃料排气流。利用氢分离器使未利用的氢与燃料电池的燃料侧排气流分离。由氢分离器分离的氢可以再循环回燃料电池，或可以引导至用于具有氢需求的其它用途的子系统。可以根据电需求或氢需求选择再循环回燃料电池的氢量，其中当电需求较高时使更多氢再循环回燃料电池。燃料电池堆可根据电需求以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生-优选利用率为50％至80％。
需要在重整反应器-固体氧化物燃料电池系统及用于操作这类系统的方法中进行热效率和电效率方面的进一步改进以增加其电力密度。
发明内容
在一个方面，本发明涉及一种用于产生电力的方法，包括：
在重整反应器中，使蒸汽和含有一或多种气态烃的进料的混合物与重整催化剂在至少400℃的温度下接触以产生包含氢和至少一种碳氧化物的重整产物气体；
使含有至少0.6、至少0.7、至少0.8、至少0.9或至少0.95摩尔分数的氢的第一气流从重整产物气体分离；
将第一气流供应给固体氧化物燃料电池的阳极；
在固体氧化物燃料电池的阳极中的一或多个阳极电极处使第一气流与氧化剂混合以按照至少0.4W/cm2的电力密度产生电力；
使包括氢和水的阳极排气流从固体氧化物燃料电池分离；和
在重整反应器中，在蒸汽和进料的混合物与热源之间进行热交换，所述热源选自由阳极排气流、从燃料电池分离的阴极排气流、以及阳极排气流和阴极排气流两者组成的组。
在另一个方面，本发明涉及一种用于产生电力的方法，包括：
在预重整反应器中，使蒸汽和进料前体的混合物与预重整催化剂在至少600℃的温度下接触以产生包括一或多种气态烃的进料，所述进料前体包含在大气压下在20℃时为液态并且在大气压下在高达400℃的温度时能汽化的可汽化烃；
在重整反应器中，使进料和蒸汽的混合物与重整催化剂在至少400℃的温度下接触以产生包含氢和至少一种碳氧化物的重整产物气体；
使含有至少0.6、至少0.7、至少0.8、至少0.9或至少0.95摩尔分数的氢的第一气流从重整产物气体分离；
将第一气流供应给固体氧化物燃料电池的阳极；
在固体氧化物燃料电池的阳极中的一或多个阳极电极处使第一气流与氧化剂混合以按照至少0.4W/cm2的电力密度产生电力；和
使包括氢和水的阳极排气流从固体氧化物燃料电池分离；和
在预重整反应器中，在蒸汽和进料前体的混合物与热源之间进行热交换，所述热源选自由阳极排气流、从燃料电池分离的阴极排气流、以及阳极排气流和阴极排气流两者组成的组。
附图说明
图1是一种用于进行本发明方法的系统的示意图，其中，重整反应器操作连接到固体氧化物燃料电池并与其热整合。
图2是一种用于进行本发明方法的系统的示意图，其中，预重整反应器和重整反应器操作连接到固体氧化物燃料电池并与其热整合。
图3是一种用于进行本发明方法的系统的一部分的示意图，其中，氢分离装置操作连接到重整反应器。
图4是一种基本系统的示意图，用于根据本发明的方法产生电力。
图5是一种基本系统的示意图，用于根据本发明的方法产生电力，其中，氢分离设备位于重整反应器外面。
具体实施方式
本发明提供了用于在利用固体氧化物燃料电池的系统中以高电力密度产生电力的高效系统和方法。首先，本发明的系统和方法与现有技术中公开的方法相比热能效率更高，将来自燃料电池排气的热能直接转移到重整反应器中，其中重整反应器设计成在比典型重整反应器低得多的温度下产生氢，因此来自燃料电池阳极排气的热量足够热以在无外界热源的情况下驱动较低温度的重整反应。其次，通过利用富氢燃料和使燃料电池的每次穿越燃料利用率(per pass fuel utilization rate)最小化而非最大化，本发明的方法与现有技术公开的方法相比在固体氧化物燃料电池系统中产生更高的电力密度，这通过将从燃料电池的燃料排气中捕获的氢分离和再循环并且以选定速率供应来自进料和再循环流的氢而使每次穿越燃料利用率最小化来实现。
在本发明的方法中，来自燃料电池的阳极排气和可选择地来自阴极排气的热量分别通过位于重整反应器内部的阳极排气管道和可选择地通过阴极排气管道导入重整反应器中。来自阳极排气和可选择地来自阴极排气的热量可以通过热交换传递给重整反应器内的烃和蒸汽反应物以及重整催化剂，从而驱动反应物进行反应以产生氢。在重整反应器内热量从来自燃料电池的排气流传递给重整反应器允许进行有效热交换，而反应器外面发生热能损失极小。
在本发明的方法中，重整反应可以在比典型重整反应更低的温度下进行，这是因为氢被从反应产物中移除，朝向形成氢的方向驱动重整平衡并且允许重整反应温度下降。因此，与重整器反应物交换热量的燃料电池排气的温度显著高于进行重整反应所需的温度，因此，由燃料电池排气提供的热量足以在没有任何附加热源的情况下驱动重整反应。此外，可以在更低的重整反应器温度下产生更多氢，这是由于水煤气变换反应(water gas shift reaction)
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的平衡促进了在更低的重整反应器温度下产生氢，而在传统的重整反应温度下并不得到促进。
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，以使得阳极电极处可用于电化学反应的氢浓度在整个阳极路径长度上维持高水平，从而使燃料电池的电力密度最大化。由于氢与在固态氧化物燃料电池系统中通常使用的其它可氧化化合物(诸如一氧化碳)相比具有显著更高的电化学势，因此在该方法中使用主要(优选地，几乎全部)为氢的富氢燃料使燃料电池系统的电力密度最大化。
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次穿越燃料利用率而使燃料电池系统的电力密度最大化。使每次穿越燃料利用率最小化以减少燃料电池的整个阳极路径长度上氧化产物(特别是水)的浓度，从而使得在整个阳极路径长度上维持高氢浓度。由于沿燃料电池的整个阳极路径长度在阳极电极处存在对于电化学反应而言过量的氢，因此燃料电池提供了高电力密度。在旨在获得高的每次穿越燃料利用率(例如，大于60％的燃料利用率)的方法中，在燃料已通过燃料电池行进甚至一半路程以前，氧化产物的浓度可构成燃料流的30％以上，并且可以是燃料电池排气中氢浓度的若干倍，使得随着提供给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。
本发明的方法也是高效的，这是由于燃料电池中未用于产生电力的氢从燃料电池的阳极排气分离并连续地再循环回燃料电池。这通过消除与由于氢离开电池而未转化成电能因而损失热能相关的问题，使得能够相对于燃料的最低加热值产生高电力密度。
在本发明的系统中，阳极排气管道和/或阴极排气管道位于重整反应器中，热量可以通过所述排气管道传送给重整反应器以驱动反应器中的重整反应。阳极排气管道可以联接到燃料电池的阳极排气，以使得来自燃料电池的热阳极排气气体可以被引导通过重整反应器中的阳极排气管道以提供驱动重整反应器中的重整反应的热能。同样地，阴极排气管道可以联接到燃料电池的阴极排气，以使得来自燃料电池的热阴极排气气体可以被引导通过重整反应器中的阴极排气管道以驱动重整反应器中的重整反应。
在本发明的系统中，氢分离设备可以使氢从由重整反应器产生的重整产物气体分离。氢分离设备联接到燃料电池的阳极入口，使得富氢燃料可以被提供给燃料电池。阳极排气可以再循环回阳极入口以提供更多的氢，以使系统在电化学效率方面非常高。
当在本文中使用时，术语“氢”是指氢分子，除非另有说明。
当在本文中使用时，“每单位测量时间内燃料电池中形成的水量”计算如下：每单位测量时间内燃料电池中形成的水量＝[每单位测量时间内在燃料电池的阳极排气中离开燃料电池的所测量水量]-[每单位测量时间内存在于供应给燃料电池阳极的燃料中的水量]。举例来说，如果测量供应给燃料电池阳极的燃料中和在阳极排气中离开燃料电池的水量花费2分钟，其中供应给阳极的燃料中水的测量值为6摩尔，并且在阳极排气中离开燃料电池的水的测量值为24摩尔，则此处计算的在燃料电池中形成的水量为(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。
当在本文中使用时，当两个或更多个元件被描述为“操作连接”或“操作联接”之类时，这些元件被限定为直接或间接地连接以允许所述元件之间的直接或间接流体流动。当在本文中使用时，术语“流体流动”是指气体或流体的流动。当两个或更多个元件被描述为“选择性地操作连接”或“选择性地操作联接”之类时，这些元件被限定为直接或间接地连接或联接以允许选定气体或流体在所述元件之间直接或间接流体流动。当用于定义“操作连接”或“操作联接”中时，术语“间接流体流动”是指当流体或气体在两个所限定元件之间流动时，两个所限定元件之间的流体或气体的流动可被引导通过一或多个额外元件以改变流体或气体的一或多个方面。可以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中冷凝出水来改变。如本文中所限定的，“间接流体流动”不包括通过化学反应(例如，流体或气体中的一或多种元素的氧化或还原)在两个所限定元件之间改变气体或流体的组成。
当在本文中使用时，术语“能选择性地使氢透过”之类定义为氢分子或氢元素可透过且其它元素或化合物不可透过，以使得只有至多10％、至多5％或至多1％的非氢元素或化合物可透过氢分子或氢元素所可透过的物质。
当在本文中使用时，术语“高温氢分离装置”定义为在至少250℃的温度下(通常在300℃至650℃的温度下)使分子或元素态形式的氢从气流有效分离的装置或设备。
当在本文中使用时，指固体氧化物燃料电池中燃料中的氢的利用率的术语“每次穿越氢利用率”定义为在穿过固体氧化物燃料电池的一次穿越中用以产生电力的燃料中的氢量相对于就该次穿越而言输入到燃料电池中的燃料中的氢总量。可以通过测量供应给燃料电池阳极的燃料中的氢量，测量燃料电池的阳极排气中的氢量，用供应给燃料电池的燃料中的氢测量值减去燃料电池的阳极排气中的氢测量值以确定燃料电池中所用氢量，并且用燃料电池中所用氢的计算量除以供应给燃料电池的燃料中的氢测量值来计算每次穿越氢利用率。每次穿越氢利用率可通过使计算出的每次穿越氢利用率乘以100表示为百分数。
当在本文中使用时，术语“重整反应器”是指在其中可发生烃重整反应和可选择地发生诸如水煤气变换反应的其它反应的反应器。当在本文中使用时，在重整反应器中发生的反应可以主要是烃重整反应，但无需主要是烃重整反应。举例来说，在某些情况下，在“重整反应器”中发生的大多数反应实际上可以是变换反应而非烃重整反应。
在一个实施例中，本发明的方法利用包括热整合的氢分离蒸汽重整反应器和固体氧化物燃料电池的系统产生电力。参考图1，包括一或多个高温氢分离膜103的蒸汽重整反应器101操作联接到固体氧化物燃料电池105以给燃料电池105的阳极107提供主要包含氢的第一气流，而来自燃料电池105的排气给重整反应器101提供驱动反应器101中的重整和变换反应所需的热量。
在本发明的方法的一个实施例中，包括氢源的进料可以经由管线109供应给重整器101，所述进料可为处于至多300℃的温度下的气态烃。可在至多300℃的温度下、高达5MPa的压力下汽化的任何(可选择地氧化的)烃可以在本方法的该实施例中用作进料。这种进料可以包括但不限于甲烷、甲醇、乙烷、乙醇、丙烷、丁烷和每个分子中具有1-4个碳原子的轻烃。在一优选实施例中，进料可以是甲烷或天然气。蒸汽可以经由管线111供应给重整器101以与重整器101的重整区域115中的进料混合。
进料和蒸汽可以在300℃到650℃的温度下供应给重整器101，其中，进料和蒸汽可以在热交换器113中加热到希望的温度，如下所述。进料可以在其于热交换器113中加热之前或可选择地在热交换器113中加热之后，但是在供应给重整反应器101之前在脱硫塔121中脱硫以从进料中移除硫，从而使得进料不会污染重整反应器101中的任何催化剂。进料可以通过与传统的加氢脱硫催化剂接触而在脱硫塔121中脱硫。
进料和蒸汽供应到重整反应器101中的重整区域115中。重整区域115中可以且优选地就是包含重整催化剂。重整催化剂可以是传统的蒸汽重整催化剂，并且可以为现有技术中已知的任意重整催化剂。可以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(特别地，镍)。通常希望将重整催化剂支撑在耐火基体(或支撑物)上。支撑物(如果使用的话)优选地是惰性化合物。用作支撑物的适用惰性化合物包含元素周期表的第三和第四族元素，例如Al、Si、Ti、Mg、Ce和Zr的氧化物或碳化物。
进料和蒸汽在有效形成包含氢和碳氧化物的重整产物气体的温度下在重整区域115中混合并接触重整催化剂。重整产物气体可以包括通过使进料中的烃进行蒸汽重整而形成的化合物。重整产物气体也可以包括通过使蒸汽重整产生的一氧化碳与附加蒸汽发生变换反应而形成的化合物。重整产物气体可以包含氢和至少一种碳氧化物。可存在于重整产物气体中的碳氧化物包括一氧化碳和二氧化碳。
一或多个高温管状氢分离膜103可以位于重整反应器101的重整区域115中，其定位成使重整产物气体可以与氢分离膜103接触，并且氢可以穿过膜壁构件123传至位于管状膜103内的氢管道125。膜壁构件123使氢管道125不与重整区域115中的重整产物气体的非氢化合物、进料及蒸汽处于气体连通，并且能选择性地使氢(氢元素和/或氢分子)透过，以使得重整产物气体中的氢可以穿过膜壁构件123传递至氢管道125，同时通过膜壁构件123防止重整区域中的其它气体传至氢管道125。
重整区域中的高温管状氢分离膜103可以包括涂覆有金属或合金薄层的支撑物，所述层能选择性地使氢透过。支撑物可以由能使氢穿过的陶瓷或金属材料形成。多孔不锈钢或多孔氧化铝是用于膜103的支撑物的优选材料。涂覆于支撑物上的氢选择性金属或合金可以选自第八族的金属，包括但不限于Pd、Pt、Ni、Ag、Ta、V、Y、Nb、Ce、In、Ho、La、Au及Ru，特别是为合金形式。钯及铂合金是优选的。在本方法中使用的尤其优选的膜103具有非常薄的钯合金膜，其具有涂覆多孔不锈钢支撑物的大表面积。可以使用美国专利No.6,152,987中公开的方法制备这类膜。具有大表面积的铂或铂合金薄膜也适于用作氢选择性材料。
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的氢管道125内的压力的水平，以迫使氢从重整反应器的重整区域115穿过膜壁构件123进入氢管道125中。在一个实施例中，氢管道125维持在大气压下或接近大气压，并且重整区域维持在至少0.5MPa、至少1.0MPa、至少2MPa或至少3MPa的压力下。可以通过将高压下的进料和/或蒸汽注入重整区域115中而将重整区域115维持在这种高压下。例如，进料可以包括注入重整区域115中的高压天然气，其具有至少0.5MPa、至少1.0MPa、至少2.0MPa或至少3.0MPa的压力。替代地，在离开热交换器113之后，进料和/或蒸汽可以利用压缩机124压缩到至少0.5MPa、至少1.0MPa、至少2.0MPa或至少3.0MPa的压力，随后注入重整反应器101中。
进料和蒸汽在重整反应器101的重整区域115中混合并接触重整催化剂时的温度为至少400℃，并且优选地可以处于400℃至650℃的范围内，最优选地处于450℃至550℃的范围内。与在超过750℃的温度下产生氢的典型蒸汽重整反应不同，本方法的重整反应的平衡被朝向在400℃至650℃的操作温度范围内在重整反应器101中产生氢而驱动，这是由于从重整区域115将氢移除至氢分离膜103的氢管道125中。400℃至650℃的操作温度也有利于变换反应，从而将一氧化碳及蒸汽转化成更多氢，随后将该氢从重整区域115通过膜103的膜壁构件123移除至氢分离膜103的氢管道125中。燃料电池105的排气可以用于通过排气管道117和119提供在重整反应器101的重整区域115中进行重整和转换反应所需的热量，如下文进一步详细描述的那样。
非氢流可以经由管线127从重整区域115移除，其中，非氢流可以包括重整产物气体中的未反应进料和气态非氢重整产物。非氢重整产物和未反应进料可以包括二氧化碳、水(作为蒸汽形式)和少量一氧化碳以及未反应烃。
在一个实施例中，与重整区域115分离的非氢流可以是在干燥的基础上含有至少0.9、至少0.95或至少0.98摩尔分数的二氧化碳的二氧化碳气流。二氧化碳气流可以是具有至少1MPa、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离开重整反应器101时可以包含大量蒸汽形式的水。可以通过使气流经由管线127流过热交换器113以与正供应给重整反应器101的蒸汽和进料进行热交换，冷却高压二氧化碳气流，而将水从高压二氧化碳气流中移除。冷却的高压二氧化碳气流可以进一步冷却以在热交换器129中使水从气流中冷凝出来，其中，冷却的高压二氧化碳气流可以从热交换器113经由管线131流到热交换器129。干燥高压二氧化碳气流可以经由管线133从热交换器129中移除。冷凝水可以通过管线155供应给冷凝器151。
干燥高压二氧化碳气流可以通过涡轮机135膨胀以驱动涡轮机135和产生低压二氧化碳气流。除了通过燃料电池105产生的电力之外，还可以使用干燥高压二氧化碳气流通过涡轮机135的膨胀产生电力。替代地，涡轮机135可以用于驱动压缩机161(其可用于压缩包含供应给燃料电池105的氢的气流，如下所述)，和/或驱动压缩机124以压缩正供应给重整反应器101的蒸汽和/或进料。低压二氧化碳气流可以离析或用于饮料的碳酸化作用。
替代地，高压二氧化碳气流可以不被转换为低压二氧化碳气流，并且可以通过将高压二氧化碳气流注入油层来增强从油层采油。
包含氢的第一气流可以通过能选择性地使氢通过氢分离膜103的膜壁构件123流入氢分离膜103的氢管道125而从重整反应器101中的重整产物气体分离。第一气流可以包含极高浓度的氢，并且可以包含至少0.6、至少0.7、至少0.8、至少0.9至少0.95或至少0.98摩尔分数的氢。
包括蒸汽的吹扫气体可以经由管线137被注入到氢管道125中以将氢从膜壁构件123的内部吹扫到氢管道125中，由此增加氢可以通过氢分离膜103从重整区域115分离的速率。第一气流和蒸汽吹扫气体可以通过氢出口管线139从氢分离膜103和重整反应器101移除。
第一气流和蒸汽吹扫气体可以经由氢出口管线139供应给热交换器141以冷却第一气流和蒸汽吹扫气体。组合第一气流和蒸汽吹扫气体在离开重整反应器101时可以具有400℃到650℃的温度，典型地为450℃到550℃的温度。组合第一气流和蒸汽吹扫气体可以在热交换器141中与初始进料和水/蒸汽进行热交换。初始进料可以经由管线143提供给热交换器141，水/蒸汽可以经由管线145提供给热交换器141，其中，分别通过计量阀142和144调节进料和水的流速。加热的进料和蒸汽可以分别通过管线147和149供应给热交换器113，以便在供应给重整反应器101之前进一步加热，如上所述。冷却的组合第一气流和蒸汽吹扫气体可以通过管线152供应给冷凝器151，通过与经由管线153供应到冷凝器151中的水进行热交换而从组合气流中冷凝出水，并且冷凝水经由管线155与高压二氧化碳气流分开。
在冷凝器151中冷凝的水和通过管线153和155供应给冷凝器151的水可以通过存水管线(water trap line)157流到泵159，所述泵将水泵送至热交换器129以与冷却的高压二氧化碳气流进行热交换，从而在使冷却的高压二氧化碳气流进一步冷却时对水进行加热。加热的水/蒸汽可以经由管线145流到热交换器141，如上所述，用于进一步加热从而在热交换器113中进一步加热之后产生要供应给重整反应器101的蒸汽。
包含氢和水(几乎没有水或没有水)的冷却的第一气流可以通过管线163从冷凝器151供应给压缩机161。第一气流在离开重整反应器并且通过热交换器141和冷凝器151供应给压缩机161时可具有等于或接近大气压力的压力。第一气流可以在压缩机161中压缩以在供应给燃料电池105之前增大第一气流的压力。在一个实施例中，第一气流可以被压缩到0.15MPa到0.5MPa，优选地0.2MPa到0.3MPa的压力。可以通过高压二氧化碳气流经涡轮机135的膨胀而提供驱动压缩机161的能量，所述涡轮机操作联接成驱动压缩机161。
第一气流随后可以通过通入阳极入口165中的管线167供应给固体氧化物燃料电池105的阳极107。第一气流将氢提供给阳极以用于在燃料电池中沿阳极路径长度在一或多个阳极电极处与氧化剂进行电化学反应。可以通过选择可受到计量阀142和144控制的将进料和蒸汽供应给重整反应器101的速率而选择第一气流供应给燃料电池105的阳极107的速率。
包含氢的第二气流也可以供应给燃料电池105的阳极107。第二气流可以从包含氢和水的阳极排气流分离。可以通过使阳极排气流冷却到足以从阳极排气流中冷凝出水以产生包含氢的第二气流，使第二气流从阳极排气流分离。
阳极排气流通过阳极排气出口169离开阳极107。阳极排气流可以通过与重整反应器中的蒸汽和进料进行热交换而最初冷却。在一个实施例中，阳极排气流可以通过经由管线173供应给一或多个重整器阳极排气管道119而最初冷却，所述阳极排气管道延伸到重整反应器105的重整区域115内并位于其中。当阳极排气流在重整器阳极排气管道119中流过重整区域115时，热量可以在阳极排气流与重整反应器101的重整区域115中的进料和蒸汽之间交换，如下文更详细描述的那样，使阳极排气流冷却并且加热反应器101中的蒸汽和进料。
在与重整反应器101的重整区域115中的进料和蒸汽进行热交换之后，冷却的阳极排气流可以离开阳极排气管道119并且可以进一步冷却以使包含氢的第二气流从阳极排气流中的水分离。在一个实施例中，为了控制第二气流到燃料电池105的流速，阳极排气流的至少一部分可以经由管线174流到热交换器141以通过与来自管线143的进料和来自管线145的蒸汽进行热交换而进一步冷却阳极排气流的选定部分，随后供应给冷凝器175以进一步冷却阳极排气流的选定部分。通过在冷凝器175中从阳极排气流冷凝出水，氢可以从阳极排气流的选定部分分离。分离的氢可以通过管线179供应给氢储罐177。从冷凝器175冷凝出的水可以通过管线180供应给泵159。
未供应给冷凝器175以分离到氢罐中的冷却的阳极排气流用于给燃料电池105提供第二气流。冷却的阳极排气流可以经由管线174流向热交换器141以通过与来自管线143的进料和来自管线145的蒸汽进行热交换使阳极排气流进一步冷却，随后通过将阳极排气流经由管线181供应给管线152而与第一气流和蒸汽吹扫气体混合。阳极排气流、第一气流和蒸汽吹扫气体的混合物随后可以供应给冷凝器151以使阳极排气流进一步冷却。通过使水从阳极排气流冷凝出而获得的第二气流可以经由管线163从冷凝器151中分离，其与第一气流混合在一起。第二气流可以包含至少0.6、至少0.7、至少0.8、至少0.9、至少0.95或至少0.98摩尔分数的氢，其中，第二气流的氢含量可以通过在干燥的基础上确定冷却的阳极排气流的氢含量而确定。来自阳极排气流的水可以在冷凝器151中连同来自第一气流和蒸汽吹扫气体的水一起冷凝，并且通过管线157从冷凝器151移除以供应给泵159。
可以使用计量阀183和185选择第二气流到固体氧化物燃料电池105的流动速率。为了阻止第二气流流向燃料电池并且将氢储存在氢罐中，阀185可以完全关闭，阻止阳极排气流流向冷凝器151以及第二气流流向固体氧化物燃料电池，同时阀183可以完全打开以允许阳极排气流流向冷凝器175且氢流向氢罐177。替代地，阀183可以完全关闭，阻止阳极排气流流向冷凝器175和氢流向氢罐177，并且阀185可以完全打开以允许全部阳极排气流流向冷凝器151且第二气流以最大流动速率流向固体氧化物燃料电池105。可以通过协调地调节阀183和185从而计量阳极排气流到冷凝器151的流动速率和第二气流到固体氧化物燃料电池105的速率，来选择第二气流到固体氧化物燃料电池的流动速率。在一优选实施例中，可以通过响应于阳极排气流的水和/或氢含量自动调节计量阀183和185，而将第二气流到燃料电池105的流动速率自动控制到选定速率。
在一个实施例中，当第一和第二气流通过如上所述对阀183和185进行调节而组合时，组合第一和第二气流的一小部分可以作为排出流流过氢分离装置187以移除任何的少量的碳氧化物，该碳氧化物由于在产生第一气流以及其随后于第二气流中的再循环时通过重整反应器101中的氢分离膜103进行的氢与碳氧化物分离不完全的原因而存在于组合第一和第二气流中。可以利用阀189和191控制排出流到氢分离装置187的流动，其中优选地，阀189和191可以允许组合第一和第二气流同时经过管线193和195或者替代地分别经过管线193或195的经计量的流动。氢分离装置187优选地是有效使氢与碳氧化物分离的压力摆动吸附设备，或者可以是能选择性地使氢透过的膜，诸如如上文所述的那些。管线195和197中的第一和第二气流可以汇合以通过管线167供应给固体氧化物燃料电池105。
在本发明方法的一个实施例中，为了使固体氧化物燃料电池105有效工作，可以选择第一气流或组合第一和第二气流的温度以及第一气流或组合第一和第二气流的压力，并且特别地，温度不应过低因而抑制燃料电池的电化学反应并且不应过高因而在燃料电池105引起不受控制的放热反应。在一个实施例中，第一气流或组合第一和第二气流的温度可以为25℃到300℃、50℃到200℃或者75℃到150℃。可以通过由压缩机161提供给组合第一和第二气流的压缩来控制第一气流或组合第一和第二气流的压力，并且该压力可以为0.15MPa到0.5MPa或者0.2MPa到0.3MPa。
含氧气流可以经由管线203通过阴极入口201供应给燃料电池的阴极199。含氧气流可以由空气压缩机或氧气罐(未显示)提供。在一个实施例中，含氧气流可以是空气或纯氧。在另一实施例中，含氧气流可以是含有至少21％氧的富氧空气流，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，故富氧空气流与空气相比在固体氧化物燃料电池中提供更高的电效率。
含氧气流可以在供应给燃料电池105的阴极199以前进行加热。在一个实施例中，含氧气流可以通过与从阴极排气出口207经由管线209提供给热交换器的阴极排气的一部分进行热交换而在供应给燃料电池105的阴极199以前在热交换器205中加热至150℃至350℃的温度。可以利用计量阀211控制阴极排气流到热交换器205的流动速率。可选地，含氧气流可以通过电热器(未显示)进行加热，或者含氧气流可以在不加热的情况下提供给燃料电池105的阴极199。
在本发明的方法的这个实施例中使用的固体氧化物燃料电池105可以是传统的固体氧化物燃料电池(优选地具有平面或管状构造)，并且包括阳极107、阴极199和电解质213，其中电解质213介于阳极107与阴极199之间。固体氧化物燃料电池可以包括堆叠在一起的多个单个燃料电池组成，所述多个单个燃料电池通过互连件电气接合并且操作连接以使得燃料可以流过堆叠的燃料电池的阳极并且含氧气体可以流过堆叠的燃料电池的阴极。当在此使用时，术语“固体氧化物燃料电池”定义为单一固体氧化物燃料电池或多个操作连接或堆叠的固体氧化物燃料电池。在一个实施例中，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的掺杂锰酸镧或稳定化ZrO2形成，并且电解质213由氧化钇稳定的ZrO2(大致8mol％Y2O3)形成。堆叠的各单个燃料电池或管状燃料电池之间的互连件可以是掺杂铬酸镧。
固体氧化物燃料电池105构造成使第一气流或组合第一和第二气流可以从阳极入口165通过燃料电池105的阳极107流到阳极排气出口169，从而接触从阳极入口165到阳极排气出口169的阳极路径长度上的一或多个阳极电极。燃料电池105还构造成使含氧气体可以从阴极入口201通过阴极199流向阴极排气出口207，从而接触从阴极入口201到阴极排气出口207的阴极路径长度上的一或多个阴极电极。电解质213定位于燃料电池105中以防止第一气流或组合第一和第二气流进入阴极并且防止含氧气体进入阳极，并且将氧离子从阴极传导至阳极以用于在一或多个阳极电极处与第一气流或组合第一和第二气流中的氢进行电化学反应。
固体氧化物燃料电池105在可有效地使氧离子能够从阴极199穿过电解质213到达燃料电池105的阳极107的温度下操作。固体氧化物燃料电池105可以在700℃至1100℃、或800℃至1000℃的温度下操作。在一或多个阳极电极处氧离子对氢的氧化反应是大量放热的反应，并且反应热产生操作固体氧化物燃料电池105所需的热量。可以通过独立地控制第一气流的温度、供应给燃料电池的第二气流(如果有的话)和含氧气流的温度以及这些流供应给燃料电池105的流动速率来控制固体氧化物燃料电池操作的温度。在一个实施例中，可以将供应给燃料电池的第二气流的温度控制在至多100℃的温度，将含氧气流的温度控制在至多300℃的温度，将第一气流的温度控制在至多550℃的温度以将固体氧化物燃料电池的操作温度维持在700℃至1000℃的范围内，优选地在800℃至900℃的范围内。
为了起始燃料电池105的操作，将燃料电池105加热到其操作温度。在一优选实施例中，可以通过在催化性部分氧化重整反应器221中产生含氢气流，并且将含氢气流通过管线223供应给固体氧化物燃料电池的阳极107来起始固体氧化物燃料电池105的操作。可以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221中燃烧烃进料和氧气源而在催化性部分氧化重整反应器中产生含氢气流，其中氧气源以相对于烃进料为低于化学计量的数量供应给催化性部分氧化重整反应器。
供应给催化性部分氧化重整反应器221的烃进料可以是液态或气态烃或烃的混合物，并且优选地是甲烷、天然气或其它低分子量烃或低分子量烃的混合物。在本发明方法的一个特别优选实施例中，供应给催化性部分氧化重整反应器221的烃进料可以是与在重整反应器101中使用的进料类型相同的进料，以减少进行该方法所需烃进料的数目。
供应给催化性部分氧化重整反应器221的含氧进料可以是纯氧、空气或富氧空气。含氧进料应当以相对于烃进料为低于化学计量的数量供应给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中烃进料和含氧气体的燃烧而形成的含氢气流包含可在燃料电池105的阳极107中通过在阳极电极的一或多个处接触氧化剂而氧化的化合物，包括氢和一氧化碳，以及诸如二氧化碳的其它化合物。优选地，来自催化性部分氧化重整反应器221的含氢气流不包含可使燃料电池105的阳极107中的一或多个阳极电极氧化的化合物。
在催化性部分氧化重整反应器221中形成的含氢气流是热的，并且可以具有至少700℃、700℃至1100℃或800℃至1000℃的温度。使用来自催化性部分氧化重整反应器221的热含氢气流来起始固体氧化物燃料电池105的启动在本发明的方法中是优选的，这是由于其使燃料电池105的温度能够几乎瞬时地上升至燃料电池105的操作温度。在一个实施例中，当起始燃料电池105的操作以加热含氧气体时，可以在热交换器205中使来自催化性部分氧化重整反应器的热含氢气体与供应给燃料电池105的阴极199的含氧气体之间进行热交换。
一旦达到燃料电池105的操作温度，从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以由阀225切断，同时通过打开阀227将来自重整反应器101的第一气流供应给阳极107中。燃料电池的连续操作随后可以根据本发明的方法进行。
在另一实施例(图1中未显示)中，使用来自氢储罐177的氢启动气流使燃料电池的操作起始，其中，氢启动气流流过启动加热器以在将第一气流引入燃料电池中以前使燃料电池升高至其操作温度。氢储罐177可以操作连接至燃料电池以允许将氢启动气流引入固体氧化物燃料电池的阳极中。启动加热器可间接地将氢启动气流加热至750℃至1000℃的温度。启动加热器255可以是电加热器或可以是燃烧加热器。一旦达到燃料电池的操作温度，可以通过阀切断氢启动气流到燃料电池中的流动，并且可以将第一气流和含氧气流引入燃料电池中以开始燃料电池的操作。
再次参考图1，在燃料电池105的操作起始期间，可以将含氧气流引入燃料电池105的阴极199中。含氧气流可以是空气、含有至少21％的氧的富氧空气，或纯氧。优选地，含氧气流是将在起始燃料电池的操作以后在燃料电池105的操作期间供应给阴极199的含氧气流。
在一优选实施例中，在燃料电池的启动期间供应给燃料电池的阴极199的含氧气流具有至少500℃、优选地至少650℃，更优选地至少750℃的温度。含氧气流可以在供应给固体氧化物燃料电池105的阴极199以前由电加热器加热。在一优选实施例中，用于起始燃料电池105的操作的含氧气流可以在供应给燃料电池105的阴极199以前在热交换器205中通过与来自催化性部分氧化重整反应的热含氢气流的热交换来进行加热。
一旦燃料电池105的操作已经开始，第一气流或组合第一和第二气流可以在燃料电池105中的一或多个阳极电极处与氧离子氧化剂混合以产生电力。氧离子氧化剂由流过燃料电池105的阴极199的含氧气流中的氧得到并且被引导穿过燃料电池的电解质213。当在750℃至1100℃的温度下操作燃料电池的同时，通过将第一气流、第二气流(如果有的话)和含氧气流以选定独立速率供应给燃料电池105，使供应给燃料电池105的阳极107的第一气流或组合第一和第二气流和氧化剂在燃料电池105的一或多个阳极电极处在阳极107中混合。
优选地，第一气流或组合第一和第二气流和氧化剂在燃料电池105的一或多个阳极电极处混合以按至少0.4W/cm2、更优选地至少0.5W/cm2、至少0.75W/cm2、至少1W/cm2、至少1.25W/cm2或至少1.5W/cm2的电力密度产生电力。可以通过选择并控制第一气流供应给燃料电池105的阳极107的速率或者独立地选择并控制第一气流和第二气流到燃料电池105的阳极109的流动速率而以这些电力密度产生电力。可以通过调节计量阀142和144而选择和控制进料和蒸汽供应给重整反应器的速率来选择和控制第一气流到燃料电池105的阳极107的流动速率。可以通过如上所述调节计量阀183和185而选择和控制阳极排气流到冷凝器151的流动速率来选择和控制第二气流到燃料电池105的阳极107的流动速率。在一个实施例中，可以通过反馈电路(未显示)自动地调节计量阀183和185，所述反馈电路测量阳极排气流中的水和/或氢含量以选择第二气流供应给燃料电池105的速率，并且调节计量阀183和185以通过调节第二气流供应给燃料电池105的速率来维持阳极排气流中的选定水和/或氢含量。
在本发明的方法中，第一气流或组合第一和第二气流与氧化剂在一或多个阳极电极处混合可以通过氧化剂使存在于供应给燃料电池105的第一气流或组合第一和第二气流中的氢的一部分氧化而产生水(为蒸汽形式)。以氧化剂氧化氢所产生的水被第一气流或组合第一和第二气流的未反应部分吹扫通过燃料电池105的阳极107，作为阳极排气流的一部分离开阳极107。
在本发明方法的一个实施例中，可以独立地选择第一气流供应给阳极107的流动速率和(在第二气流提供给阳极107的情况下)第二气流供应给阳极107的流动速率，以使得每单位时间在燃料电池中形成的水量与每单位时间阳极排气中的氢量的比率为至多1.0、至多0.75、至多0.67、至多0.43、至多0.25或至多0.11。在一个实施例中，燃料电池中形成的水量与阳极排气中的氢量可以摩尔为单位测量，使得以每单位时间摩尔计的每单位时间燃料电池中形成的水量与每单位时间阳极排气中氢量的比率为至多1.0、至多0.75、至多0.67、至多0.43、至多0.25或至多0.11。在本发明方法的另一实施例中，可以独立地选择第一气流供应给阳极107的流动速率和(在第二气流提供给阳极107的情况下)第二气流供应给阳极107的流动速率，以使得阳极排气流包含至少0.6、至少0.7、至少0.8或至少0.9摩尔分数的氢。在一个实施例中，可以独立地选择第一气流供应给阳极107的流动速率和(在第二气流提供给阳极的情况下)第二气流供应给阳极107的流动速率，以使得阳极排气流包含供应给阳极107的组合第一和第二气流中的氢的至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％，或者如果只有第一气流提供给阳极107的话，阳极排气流包含提供给阳极107的第一气流中的氢的至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％。在一个实施例中，可以独立地选择第一气流供应给阳极107的流动速率和(在第二气流提供给阳极107的情况下)第二气流提供给阳极107的流动速率，以使得燃料电池中每次穿越氢利用率为至多50％、至多40％、至多30％、至多20％或至多10％。
应该选择提供至固体氧化物燃料电池105的阴极199的含氧气流的流动速率以给阳极提供足够氧化剂，以便当在一或多个阳极电极处与来自第一气流或组合第一和第二气流的燃料组合时以至少0.4W/cm2、至少0.5W/cm2、至少0.75W/cm2、至少1W/cm2、至少1.25W/cm2或至少1.5W/cm2的电力密度产生电力。可以通过调节计量阀215选择和控制含氧气流到阴极199的流动速率。
重整反应器101和固体氧化物燃料电池105可以热整合，以使得来自燃料电池105中的放热电化学反应的热量提供给重整反应器101的重整区域115从而驱动重整反应器101中的吸热重整反应。如上所述，一或多个阳极排气管道119和/或一或多个阴极排气管道117延伸入并定位在重整反应器101的重整区域115中。热阳极排气流可以从阳极排气出口169离开燃料电池105的阳极107并且经由管线173进入重整区域115中的阳极排气管道119，和/或热阴极排气流可以从阴极排气出口207离开燃料电池105的阴极199并且经由管线217进入重整区域115中的阴极排气管道117。当阳极排气流流过阳极排气管道119时，来自热阳极排气流的热量可以在阳极排气流与重整区域115中的蒸汽和进料的混合物之间进行热交换。同样地，当阴极排气流流过阴极排气管道117时，来自热阴极排气流的热量可以在阴极排气流与重整反应器101的重整区域115中的蒸汽和进料的混合物之间进行热交换。
从放热固体氧化物燃料电池105到吸热重整反应器101的热交换是高效的。阳极排气管道119和/或阴极排气管道117在重整反应器101的重整区域115中的位置允许在热阳极和/或阴极排气流与反应器101的进料和蒸汽的混合物之间进行热交换，在发生重整反应的位置将热量传递给进料和蒸汽。此外，由于管道117和119紧靠催化剂床，阳极和/或阴极排气管道119和117在重整区域115中的位置允许热阳极和/或阴极排气流加热重整区域115中的重整催化剂。
此外，除了由1)阳极排气流；或2)阴极排气流；或3)阳极排气流与阴极排气流的组合提供的热量之外，不需要给重整反应器101提供额外热量来驱动反应器101中的重整和变换反应以产生重整产物气体和第一气流。如上文所指出，在重整反应器101内进行重整和变换反应所需的温度为400℃到650℃，该温度远低于传统的重整反应器温度(其至少为750℃，典型地为800℃-900℃)。因为通过由高温氢分离膜103从重整反应器101分离氢所引起的重整反应的平衡变动，重整反应器可以在这样的低温下进行。阳极排气流和阴极排气流可以具有800℃到1000℃的温度，其在阳极排气流和/或阴极排气流与进料和蒸汽的混合物之间进行热交换时足以驱动重整反应器101中的低温重整和变换反应。
在本发明的方法的一个实施例中，当阳极排气流流过阳极排气管道119时，阳极排气流与重整区域115中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可以提供被提供给反应器101中的蒸汽和进料的混合物以驱动重整和变换反应的热量的相当大部分。在本发明的方法的一个实施例中，阳极排气流与反应器101中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可以提供被提供给反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热量的至少40％、至少50％、至少70％或至少90％。在一个实施例中，被提供给重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热量基本上由流过阳极排气管道119的阳极排气流与重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物之间交换的热量组成。在本发明的方法的一个实施例中，可以控制阳极排气流与反应器101中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换以将蒸汽和进料的混合物的温度保持在400℃到650℃的范围内。
在本发明方法的一个实施例中，当阴极排气流流过阴极排气管道119时，阴极排气流与重整区域115中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可以提供被提供给反应器101中的蒸汽和进料的混合物以驱动重整和变换反应的热量的相当大部分。在本发明方法的一个实施例中，阴极排气流与反应器101中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可以提供被提供给反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热量的至少40％、至少50％、至少70％或至少90％。在一个实施例中，被提供给重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热量基本上由流过阴极排气管道119的阴极排气流与重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物之间交换的热量组成。在本发明的方法的一个实施例中，可以控制阴极排气流与反应器101中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换以将蒸汽和进料的混合物的温度保持在400℃到650℃的范围内。
在一个实施例中，当阳极排气流流过阳极排气管道119并且阴极排气流流过阴极排气管道117时，阳极排气流、阴极排气流与重整区域115中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可以提供被提供给反应器101中的蒸汽和进料的混合物以驱动重整和变换反应的热量的相当大部分。在本发明方法的一个实施例中，阴极排气流与反应器101的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可以提供被提供给反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热量的高达60％、高达50％、高达40％、高达30％或高达20％，而阳极排气流与蒸汽和进料的混合物之间的热交换可以提供被提供给反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热量的至少40％、至少50％、至少60％、至少70％或至少80％。在一个实施例中，被提供给重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热量可以基本上由阳极和阴极排气流与反应器101中的蒸汽和进料的混合物之间交换的热量组成。在本发明的方法的一个实施例中，可以控制阳极和阴极排气流与反应器101中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换以将蒸汽和进料的混合物的温度保持在400℃到650℃的范围内。
在一优选实施例中，由阳极排气流或者阳极和阴极排气流提供给重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热量足以驱动重整反应器101中的重整和变换反应，因而使得不需要其它热源来驱动重整反应器101中的反应。最优选地，不通过燃烧给反应器101中的蒸汽和进料的混合物提供热量。
在一个实施例中，阳极排气流给重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物提供大部分或者全部热量以驱动反应器中的重整和变换反应。在本实施例中，只需要一部分或不需要阴极排气流与重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物进行热交换以驱动重整和变换反应。可以控制阴极排气流流过重整反应器中的阴极排气管道117的流动以控制由阴极排气流提供给重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热量的量。可以调节计量阀211和220以控制阴极排气流到阴极排气管道117的流动，从而使得阴极排气流给反应器101中的蒸汽和进料的混合物提供所需量的热量(如果有的话)。加热反应器101中的蒸汽和进料的混合物并不需要的阴极排气流可以通过管线209旁通至热交换器205以加热供应给阴极的含氧气体。
在一个实施例中，阴极排气流给重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物提供大部分或者全部热量以驱动反应器中的重整和变换反应。在本实施例中，只需要一部分或不需要阳极排气流与重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物进行热交换以驱动重整和变换反应。可以控制阳极排气流流过重整反应器中的阳极排气管道119的流动以控制由阳极排气流提供给重整反应器101中的蒸汽和进料的混合物的热量的量。阳极排气流未用于给重整反应器101提供热量的部分可以被供应通过热交换器113以在与第一气流和蒸汽吹扫气体汇合以在热交换器141中进一步冷却之前加热进入重整反应器101的进料和蒸汽和冷却阳极排气流。
已经流过阴极排气管道117的冷却的阴极排气流中仍然可以具有大量热量，并且可具有最多650℃的温度。冷却的阴极排气流可以通过出口218流出阴极排气管道以连同通过阀211计量至热交换器205的任何阴极排气流一起通过管线219供应给含氧气体热交换器205。
在本发明方法的该实施例中，通过本发明方法产生的每单位电力产生相对较少的二氧化碳。重整反应器101和燃料电池105的热整合(其中，燃料电池105中产生的热量通过阳极和/或阴极排气从燃料电池105传递到重整反应器101中)减少了驱动吸热重整反应需要提供的能量，减少了例如通过燃烧提供这种能量的需要，从而减少提供驱动重整反应所需能量时产生的二氧化碳量。另外，在第二气流从阳极排气流分离并且作为燃料再循环回燃料电池105时，从第二气流中的阳极排气流到燃料电池105的氢减少了需要由重整反应器301产生的氢量，从而减少了伴随的二氧化碳副产物的产生。
在本发明方法的该实施例中，以生成电力的每千瓦时不超过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，并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2所示，本发明的方法可以使用液态烃进料前体，其可在预重整反应器314中加氢裂化(且在一实施例中部分重整)成气态烃进料，气态烃进料随后可以在氢分离蒸汽重整反应器301中重整以产生可用于在固体氧化物燃料电池305中产生电力的氢。该方法为热整合的，其中驱动吸热预重整反应器314和重整反应器301的热量可以从放热固体氧化物燃料电池305直接提供给预重整反应器314和/或重整反应器301内。
包括一或多个高温氢分离膜303的蒸汽重整反应器301操作联接到固体氧化物燃料电池305，以给燃料电池305的阳极307提供主要包含氢的第一气流，从而使得电力可以在燃料电池305中产生。预重整反应器314操作联接到蒸汽重整反应器301，以由液态烃进料给重整反应器301提供气态烃进料。燃料电池305操作联接到重整反应器301和预重整反应器314以使得燃料电池305可以给重整反应器301提供驱动反应器301中的重整和变换反应所必需的热量，并且可以给预重整反应器314提供将液态烃进料前体转化为可在重整反应器301中重整的气态烃进料所必需的热量。
在本方法中，包括含液态烃的氢源的进料前体可以经由管线308供应给预重整反应器314。进料前体可以包含一或多种任意的可汽化烃，其在大气压力下在20℃时为液态(可选择地，氧化)，在大气压力下在高达400℃的温度时可汽化。该进料前体可以包括但不限于沸点范围为50℃至205℃的轻质石油馏分，诸如石脑油、柴油和煤油。可选择地，进料前体可以含有在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，进料前体可以是柴油燃料。蒸汽可以经由管线312供应给预重整器314以在预重整器314的预重整区域316中与进料前体混合。
进料前体和蒸汽可以在250℃到650℃的温度下供应给预重整器314，其中，进料前体和蒸汽可以在热交换器313中加热到希望的温度，如下所述。进料前体可以在预重整反应器314中加氢裂化和汽化以形成气态烃进料，如下面更充分描述的那样。在一个实施例中，进料前体可以在其加氢裂化和汽化以形成进料时部分地重整。来自预重整反应器314的进料和蒸汽可以在300℃到650℃的温度下供应给重整反应器301。
进料前体可以在其于热交换器313中加热之前或可选择地在其于热交换器313中加热之后，但是在供应给预重整反应器314之前在脱硫塔321中脱硫以从进料前体中移除硫，从而使得进料前体不会污染预重整反应器314中的任何催化剂。进料前体可以在传统的脱硫条件下通过与传统的加氢脱硫催化剂接触而在脱硫塔321中脱硫。
进料前体和蒸汽被供应到预重整反应器314的预重整区域316中。预重整区域316可以且优选地就是在其中包含预重整催化剂。预重整催化剂可以是传统的预重整催化剂，并且可以是在现有技术中已知的任意预重整催化剂。可以使用的典型预重整催化剂包括但不限于第八族过渡金属(特别地，镍)和在高温反应条件下为惰性的支撑物或基体。适于用作高温预重整/加氢裂化催化剂的支撑物的适当惰性化合物包括但不限于α-氧化铝和氧化锆。
进料前体和蒸汽在使进料前体有效汽化以形成进料的温度下在预重整反应器314的预重整区域316中混合并接触预重整催化剂。进料前体和蒸汽在预重整反应器314中在使进料前体有效汽化的温度下混合并接触预重整催化剂可以使进料前体中的烃裂化以减少烃的碳链长度，使得裂化烃可以在重整反应器301中容易地进行蒸汽重整。在一个实施例中，进料前体和蒸汽在至少600℃、700℃到1000℃或700℃到900℃的温度下，并且在0.1MPa到3MPa，优选地0.1MPa到1MPa或0.2MPa到0.5MPa的压力下，混合并接触预重整催化剂(正确的温度范围？)。如下所述，通过分别延伸到预重整反应器314的预重整区域316中的一或多个预重整器阳极排气管道320和/或一或多个预重整器阴极排气管道322由燃料电池305的阳极排气流和/或阴极排气流提供热量以驱动吸热预重整反应。
在一个实施例中，相对于进料前体中供应给预重整反应器314的烃量，可以给预重整反应器314提供过量蒸汽。过量蒸汽可以防止预重整催化剂在预重整反应期间形成焦炭。过量蒸汽还可以连同在预重整反应器中产生的进料一起从预重整反应器314供应给蒸汽重整反应器301，其中，可以在重整反应器301中的重整反应和变换反应中在重整反应器301中使用供应给重整反应器301的蒸汽。供应给预重整反应器的蒸汽量与进料前体量之比(按体积或摩尔计)可以为至少2∶1、至少3∶1、至少4∶1或至少5∶1。
在预重整反应器314中汽化、可选择地裂化以及可选择地部分重整的进料前体形成可以供应给重整反应器301的进料。可以选择预重整反应器314的预重整区域316中的温度和压力条件，以使得预重整反应器314中形成的进料主要包含轻烃，其在25℃下为气态，每个分子中典型地包含一到四个碳。在预重整反应器中形成的进料可以包括但不限于甲烷、甲醇、乙烷、乙醇、丙烷和丁烷。优选地，控制预重整反应器的温度和压力以产生包含至少50vol.％、至少60vol.％或至少80vol.％甲烷的进料。在一个实施例中，当预重整反应器314使进料前体至少部分地重整时，从预重整反应器314供应给重整反应器301的进料可以包含氢和一氧化碳。
当在预重整反应器314中形成进料时，进料和剩余蒸汽可以从预重整反应器314经由管线309在350℃到650℃的温度下供应给重整反应器301，其中，进料和蒸汽将热量从预重整反应器314带入重整反应器301中。来自预重整反应器314的进料和蒸汽的混合物可以在供应给重整反应器301之前利用压缩机324进行压缩，从而使重整反应器301内具有的压力使得重整反应器301中产生的氢可以通过位于重整反应器301中的高温氢分离膜303从重整反应器301分离。进料和蒸汽的混合物可以压缩到至少0.5MPa、至少1MPa、至少2MPa或至少3MPa的压力。
如果有必要，可以从在热交换器313中加热的蒸汽将额外蒸汽供应到重整反应器301的重整区域315中。额外蒸汽可以通过管线311从热交换器313供应给重整反应器301。可以使用计量阀310调节从热交换器313供应给重整反应器301的蒸汽量。可以使用压缩机330将蒸汽压缩到使进料和蒸汽的混合物供应给重整反应器301的压力。
来自预重整反应器314的进料和蒸汽的混合物以及可选择地来自热交换器313的额外蒸汽可以供应到重整反应器301的重整区域315中。重整区域315中可以且优选地就是包含重整催化剂。重整催化剂可以是传统的蒸汽重整催化剂，并且可以是在现有技术中已知的任意重整催化剂。可以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(特别地，镍)。通常希望将重整催化剂支撑在耐火基体(或支撑物)上。支撑物(如果使用的话)优选地是惰性化合物。用作支撑物的适用惰性化合物包含元素周期表的第三和第四族元素，例如Al、Si、Ti、Mg、Ce和Zr的氧化物或碳化物。
进料和蒸汽在有效形成包含氢和碳氧化物的重整产物气体的温度下在重整区域315中混合并接触重整催化剂。重整产物气体可以通过使进料中的烃蒸汽重整形成。重整产物气体也可以通过使进料中的一氧化碳发生变换反应形成和/或通过利用额外蒸汽进行蒸汽重整产生。重整产物气体可以包含氢和至少一种碳氧化物。可存在于重整产物气体中的碳氧化物包括一氧化碳和二氧化碳。
一或多个高温管状氢分离膜303可以位于重整反应器301的重整区域315中，其定位成使重整产物气体可以与氢分离膜303接触并且氢可以穿过膜壁构件323传至位于管状膜303内的氢管道325。膜壁构件323使氢管道325不与重整区域315中的重整产物气体的非氢化合物、进料及蒸汽气体连通，并且能选择性地使氢(氢元素和/或氢分子)透过，从而使得重整产物气体中的氢可以穿过膜壁构件323传至氢管道325，同时通过膜壁构件323防止重整区域中的其它气体传至氢管道325。
重整区域中的高温管状氢分离膜303可以包括涂覆有金属或合金薄层的支撑物，所述层能选择性地使氢透过。支撑物可以由能使氢穿过的陶瓷或金属材料形成。多孔不锈钢或多孔氧化铝是用于膜303的支撑物的优选材料。涂覆于支撑物上的氢选择性金属或合金可以选自第八族的金属，包括但不限于Pd、Pt、Ni、Ag、Ta、V、Y、Nb、Ce、In、Ho、La、Au及Ru，特别地，为合金形式。钯及铂合金是优选的。在本方法中使用的尤其优选的膜303具有非常薄的钯合金膜，其具有涂覆多孔不锈钢支撑物的大表面积。可以使用美国专利No.6,152,987中公开的方法制备这类膜。具有大表面积的铂或铂合金薄膜也适用于氢选择性材料。
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的氢管道325内的压力的水平，以迫使氢从重整反应器的重整区域315穿过膜壁构件323进入氢管道325中。在一个实施例中，氢管道325维持在大气压下或接近大气压，并且重整区域维持在至少0.5MPa、至少1.0MPa、至少2MPa或至少3MPa的压力下。如上所述，通过利用压缩机324将来自预重整反应器的蒸汽和进料的混合物压缩以及将进料和蒸汽的混合物在高压下注入重整区域315中，重整区域315可以保持在这样的高压下。可选地，通过利用压缩机330压缩来自热交换器313的额外蒸汽以及将高压蒸汽注入重整反应器301的重整区域315中，重整区域315可以保持在这样的高压下。重整反应器301的重整区域315可以保持在至少0.5MPa、至少1.0MPa、至少2.0MPa或至少3.0MPa的压力下。
进料和蒸汽在重整反应器301的重整区域315中混合并接触重整催化剂时的温度为至少400℃，并且优选地可以处于400℃至650℃的范围内，最优选地处于450℃至550℃的范围内。如上所述，与在超过750℃的温度下产生氢的典型蒸汽重整反应不同，本方法的重整反应的平衡被朝向在400℃至650℃的操作温度范围内在重整反应器301产生氢的方向驱动，这是由于从重整区域315将氢移除至氢分离膜303的氢管道325中。400℃至650℃的操作温度也促进了变换反应，从而将一氧化碳及蒸汽转化成更多氢，随后将该氢从重整区域315通过膜303的膜壁构件323移除至氢分离膜303的氢管道325中。燃料电池305的排气可以用于通过排气管道317和319提供在重整反应器301的重整区域315中进行重整和变换反应所需的热量，如下文进一步详细描述的那样。
非氢流可以经由管线327从重整区域315移除，其中，非氢流可以包括未反应进料和重整产物气体中的气态非氢重整产物。非氢重整产物和未反应进料可以包括二氧化碳、水(作为蒸汽)和少量一氧化碳以及未反应烃。
在一个实施例中，与重整区域315分离的非氢气流可以是在干燥的基础上含有至少0.9、至少0.95或至少0.98摩尔分数的二氧化碳的二氧化碳气流。二氧化碳气流是具有至少1MPa、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离开重整反应器301时可以包含大量蒸汽形式的水。可以通过使气流经由管线327流过热交换器313以与正供应给预重整反应器314的蒸汽和进料前体进行热交换，从而冷却高压二氧化碳气流而将水从高压二氧化碳气流中移除。冷却的高压二氧化碳气流可以在热交换器329中进一步冷却以使水从气流中冷凝出来，其中，冷却的高压二氧化碳气流可以从热交换器313经由管线331流到热交换器329。干燥高压二氧化碳气流可以经由管线333从热交换器329中移除。冷凝水可以通过管线355供应给冷凝器351。
干燥高压二氧化碳气流可以通过涡轮机335膨胀以驱动涡轮机335和产生低压二氧化碳气流。除了由燃料电池305产生电力之外，可以使用涡轮机335来产生电力。替代地，可以使用涡轮机335驱动一或多个压缩机，诸如压缩机324、330和361。低压二氧化碳气流可以离析或用于饮料的碳酸化作用。
替代地，高压二氧化碳气流可以不被转换为低压二氧化碳气流，并且可以通过将高压二氧化碳气流注入油层来增强从油层采油。
包含氢的第一气流可以通过能选择性地使氢通过氢分离膜303的膜壁构件323流入氢分离膜303的氢管道325而从重整反应器301中的重整产物气体分离。第一气流可以包含极高浓度的氢，并且可以包含至少0.6、至少0.7、至少0.8、至少0.9至少0.95或至少0.98摩尔分数的氢。
包括蒸汽的吹扫气体可以经由管线337被注入到氢管道325中以从膜壁构件323的内部吹扫氢，由此增加氢可以通过氢分离膜303从重整区域315分离的速率。第一气流和蒸汽吹扫气体可以通过氢出口管线339从氢分离膜303和重整反应器301移除。
第一气流和蒸汽吹扫气体可以经由氢出口管线339供应给热交换器341以冷却第一气流和蒸汽吹扫气体。组合第一气流和蒸汽吹扫气体在离开重整反应器301时可以具有400℃到650℃的温度，典型地为450℃到550℃的温度。组合第一气流和蒸汽吹扫气体可以在热交换器341中与初始进料前体和水/蒸汽进行热交换。初始进料前体可以经由管线343提供给热交换器341，水/蒸汽可以经由管线345提供给热交换器341，其中，可分别通过阀342和344调节进料前体和水的流动速率。加热的进料前体和蒸汽可以分别通过管线347和349供应给热交换器313，以便在供应给预重整反应器314之前进一步加热，如上所述。冷却的组合第一气流和蒸汽吹扫气体可以通过管线352供应给冷凝器351，通过与经由管线353供应到冷凝器351中的水进行热交换而从组合气流中冷凝出水，并且冷凝水经由管线355与高压二氧化碳气流分离。
在冷凝器351中冷凝的水和通过管线353和355供应给冷凝器351的水可以通过存水管线357流到泵359，所述泵将水泵送至热交换器329以与冷却的高压二氧化碳气流进行热交换，从而在使冷却的高压二氧化碳气流进一步冷却时对水进行加热。加热的水/蒸汽可以经由管线345流到热交换器341，如上所述，用于进一步加热从而在热交换器313中进一步加热之后产生要供应给预重整反应器314的蒸汽。
包含氢和水(几乎没有水或没有水)的冷却的第一气流可以通过管线363从冷凝器351供应给压缩机361。第一气流在离开重整反应器并且通过热交换器341和冷凝器351供应给压缩机361时可具有等于或接近大气压力的压力。第一气流可以在压缩机361中压缩以在供应给燃料电池305之前增大第一气流的压力。在一个实施例中，第一气流可以压缩到0.15MPa到0.5MPa，优选地0.2MPa到0.3MPa的压力。可以通过高压二氧化碳气流经涡轮机335的膨胀而提供驱动压缩机361能量，所述涡轮机操作联接成驱动压缩机361。
第一气流随后可以通过通入阳极入口365中的管线367供应给固体氧化物燃料电池305的阳极307。第一气流将氢提供给阳极以用于在燃料电池中沿阳极路径长度在一或多个阳极电极处与氧化剂进行电化学反应。通过选择进料和蒸汽供应给重整反应器101的速率可以选择第一气流供应给燃料电池305的阳极307的速率，而又可以通过进料前体和水供应给预重整反应器314的速率来选择进料和蒸汽供应给重整反应器101的速率，进料前体和水供应给预重整反应器314的速率可以通过分别调节计量阀342和344进行控制。
包含氢的第二气流也可以供应给燃料电池305的阳极307。第二气流可以从包含氢和水的阳极排气流分离。可以通过使阳极排气流冷却到足以从阳极排气流中冷凝出水以产生包含氢的第二气流，使第二气流从阳极排气流分离。
阳极排气流可以通过与预重整反应器314中的蒸汽和进料前体进行热交换，和/或与重整反应器301中的蒸汽和进料进行热交换，而最初冷却。阳极排气流通过阳极排气出口369离开阳极307。
在一个实施例中，阳极排气流可以通过管线373供应给延伸到重整反应器305的重整区域315中并位于其内的一或多个重整器阳极排气管道319。当阳极排气流在重整器阳极排气管道319中流过重整区域315时，可以在阳极排气流和重整反应器301的重整区域315中的进料和蒸汽之间交换热量，如下文更详细描述的那样，从而使阳极排气流冷却并且加热反应器301中的蒸汽和进料。
在一个实施例中，阳极排气流可以通过经由管线372被供应给一或多个预重整器阳极排气管道320而最初冷却，所述预重整器阳极排气管道延伸到预重整反应器314的预重整区域316中并位于其内。当阳极排气流在预重整器阳极排气管道320中流过预重整区域316时，可以在阳极排气流和预重整反应器314的预重整区域316中的进料和蒸汽之间交换热量，如下文更详细描述的那样，从而使阳极排气流冷却并且加热预重整反应器中的蒸汽和进料。
在一个实施例中，阳极排气流可以通过分别经由重整器阳极排气管道319和经由预重整器阳极排气管道320既被供应给重整反应器301又被供应给预重整反应器314而进行最初冷却，如上所述。当阳极排气在重整器阳极排气管道319中流过重整区域315时，阳极排气流的一部分可以通过与重整反应器301的重整区域315中的进料和蒸汽进行热交换而在重整反应器301中冷却。当阳极排气在预重整器阳极排气管道320中流过预重整区域时，阳极排气流的其余部分可以通过与预重整反应器314的预重整区域316中的进料前体和蒸汽进行热交换而在预重整反应器314中冷却。
在另一实施例中，阳极排气流可以通过首先供应给预重整反应器314，随后从预重整反应器供应给重整反应器301进行最初冷却。阳极排气流可以从阳极排气出口369供应给预重整器阳极排气管道320，以通过与预重整反应器314的预重整区域316中的进料前体和蒸汽进行热交换而冷却。阳极排气流随后从预重整器阳极排气管道320经由管线374供应给重整反应器301，其中，阳极排气流可以供应给重整器阳极排气管道319以在阳极排气流流过重整器阳极排气管道319时通过与重整反应器301的重整区域315中的进料和蒸汽进行热交换而进一步冷却。首先通过在预重整反应器314中与进料前体和蒸汽进行热交换并随后通过在重整反应器301中与进料和蒸汽进行热交换来冷却阳极排气流，可以尤为有效地驱动相应的预重整和重整反应，因为预重整反应比重整反应需要更多热量，重整反应可以在比预重整反应更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中的高温氢分离膜303造成热损坏。
可以使用计量阀370和371控制朝向重整反应器301和/或预重整反应器314的阳极排气流的数量。可以调节计量阀370和371以选择通向重整反应器301或通向预重整反应器314的阳极排气流的流量。可以使用阀368控制阳极排气流从预重整器阳极排气管道320到重整器阳极排气管道319的流动或者离开预重整器阳极排气管道320以与离开重整器阳极排气管道319的冷却的阳极排气流混合的流动，如下所述。
冷却的阳极排气流离开重整器阳极排气管道319和/或预重整器阳极排气管道320，并且可以进一步冷却以使含有氢的第二气流与阳极排气流中的水分离。如果离开预重整反应器314的任何冷却的阳极排气流不送到重整器阳极排气管道319以在重整反应器301进一步进行热交换的话，来自预重整反应器314的冷却的阳极排气流可以送到热交换器341以通过管线378进一步冷却。如果任何冷却的阳极排气流离开重整反应器301的话，冷却的阳极排气流可以通过管线382流到热交换器341以进一步冷却。离开重整反应器301和预重整反应器314的冷却的阳极排气流可以在管线382中汇合并且送到热交换器341以进一步冷却。
在一个实施例中，为了控制第二气流到燃料电池305的流动速率，阳极排气流的一部分可以经由管线382送到热交换器341以通过与来自管线343的进料前体和来自管线345的蒸汽进行热交换而进一步冷却阳极排气流的选定部分，随后经由管线376供应给冷凝器375以进一步冷却阳极排气流的选定部分。通过在冷凝器375中从阳极排气流冷凝出水，氢可以从阳极排气流的选定部分分离。分离的氢可以通过管线379供应给氢储罐377。冷凝器375冷凝出的水可以通过管线380供应给泵359。
未供应给冷凝器375以分离到氢罐中的冷却的阳极排气流用于给燃料电池305提供第二气流。冷却的阳极排气流可以经由管线382送至热交换器341以通过与来自管线343的进料前体和来自管线345的蒸汽进行热交换来使阳极排气流进一步冷却，随后通过将阳极排气流经由管线381供应给管线352而与第一气流和蒸汽吹扫气体混合。阳极排气流、第一气流和蒸汽吹扫气体的混合物随后可以供应给冷凝器351以使阳极排气流进一步冷却。与第一气流混合在一起的第二气流(通过使阳极排气流中的水冷凝而获得)可以经由管线363从冷凝器351中分离。第二气流可以包含至少0.6、至少0.7、至少0.8、至少0.9、至少0.95或至少0.98摩尔分数的氢，其中，第二气流的氢含量可以通过在干燥的基础上确定冷却的阳极排气流的氢含量而确定。来自阳极排气流的水可以在冷凝器351中连同来自第一气流和蒸汽吹扫气体的水一起冷凝，并且通过管线357从冷凝器351排出以供应给泵359。
可以使用计量阀383和385来选择第二气流到固体氧化物燃料电池305的流动速率。为了阻止第二气流流向燃料电池并且将氢储存在氢罐377中，阀385可以完全关闭，阻止阳极排气流流向冷凝器351以及第二气流流向固体氧化物燃料电池，同时阀383可以完全打开以允许阳极排气流流向冷凝器375，氢流向氢罐377。可选地，阀383可以完全关闭，阻止阳极排气流流向冷凝器375和氢流向氢罐377，并且阀385可以完全打开以允许全部阳极排气流流向冷凝器351而第二气流以最大流动速率流向固体氧化物燃料电池305。可以通过协调地调节阀383和385从而计量阳极排气流到冷凝器351的流动速率和第二气流到固体氧化物燃料电池305的速率，来选择第二气流到固体氧化物燃料电池的流动速率。在一优选实施例中，通过响应于阳极排气流的水和/或氢含量自动调节计量阀383和385可以将第二气流到燃料电池305的流动速率自动控制到选定速率。
在一个实施例中，当第一和第二气流通过如上所述对阀383和385进行调节而混合时，组合第一和第二气流的一小部分可以作为排出流流过氢分离装置387以移除任何少量的碳氧化物，该碳氧化物可能由于在产生第一气流及其随后于第二气流中再循环时通过重整反应器301中的氢分离膜303从碳氧化物分离氢进行得不完全而存在于组合第一和第二气流中。可以利用阀389和391控制排出流到氢分离装置387的流动，其中优选地，阀389和391可以允许组合第一和第二气流同时通过管线393和395，或者可选地，分别通过管线393或395进行经计量的流动。氢分离装置387优选地是有效使氢与碳氧化物分离的压力摆动吸附设备，或者可以是能选择性地使氢透过的膜，如上文所述的那些。管线395和397中的第一和第二气流可以汇合以通过管线367供应给固体氧化物燃料电池305。
在本方法的一个实施例中，可以选择第一气流或组合第一和第二气流的温度和第一气流或组合第一和第二气流的压力以使固体氧化物燃料电池305有效地工作。特别地，温度不应当过低因而抑制燃料电池的电化学反应，并且不应当过高因而在燃料电池305引起不受控制的放热反应。在一个实施例中，第一气流或组合第一和第二气流的温度可以为25℃到300℃、50℃到200℃或者75℃到150℃。可以通过由压缩机361提供给组合第一和第二气流的压缩来控制第一气流或组合第一和第二气流的压力，并且该压力可以为0.15MPa到0.5MPa或者0.2MPa到0.3MPa。
含氧气流可以经由管线403通过阴极入口401供应给燃料电池的阴极399。含氧气流可以由空气压缩机或氧气罐(未显示)提供。在一个实施例中，含氧气流可以是空气或纯氧。在另一实施例中，含氧气流可以是含有至少21％氧的富氧空气流，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，故富氧空气流与空气相比在固体氧化物燃料电池中提供更高的电效率。
含氧气流可以在供应给燃料电池305的阴极399以前进行加热。在一个实施例中，含氧气流可以在供应给燃料电池305的阴极399以前在热交换器405中通过与从阴极排气出口407经由管线409提供给热交换器的阴极排气的一部分进行热交换而加热至150℃至350℃的温度。可以利用计量阀411控制阴极排气流到热交换器405的流动速率。可选地，含氧气流可以通过电热器(未显示)进行加热，或者含氧气流可以在不加热的情况下提供给燃料电池305的阴极399。
在本发明的方法中使用的固体氧化物燃料电池305可以是传统的固体氧化物燃料电池(优选地具有平面或管状构造)，并且由阳极307、阴极399和电解质413组成，其中电解质413介于阳极307与阴极399之间。固体氧化物燃料电池可以由堆叠在一起(通过互连件电气接合并且操作连接)的多个单个燃料电池组成，使得燃料可以流过堆叠的燃料电池的阳极并且含氧气体可以流过堆叠的燃料电池的阴极。固体氧化物燃料电池305可能是单一固体氧化物燃料电池或多个操作连接或堆叠的固体氧化物燃料电池。在一个实施例中，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的掺杂锰酸镧或稳定化ZrO2形成，并且电解质413由氧化钇稳定的ZrO2(大致8mol％Y2O3)形成。堆叠的单个燃料电池或管状燃料电池之间的互连件可以是掺杂铬酸镧。
固体氧化物燃料电池305构造成使第一气流或组合第一和第二气流可以从阳极入口365通过燃料电池305的阳极307流到阳极排气出口369，从而接触从阳极入口365到阳极排气出口369的阳极路径长度上的一或多个阳极电极。燃料电池305构造成使含氧气体可以从阴极入口401通过阴极399流向阴极排气出口407，从而接触从阴极入口401到阴极排气出口407的阴极路径长度上的一或多个阴极电极。电解质413定位于燃料电池305中以防止第一气流或组合第一和第二气流进入阴极并且防止含氧气体进入阳极，并且将氧离子从阴极传导至阳极以用于在一或多个阳极电极处与第一气流或组合第一和第二气流中的氢进行电化学反应。
固体氧化物燃料电池305在可有效地使氧离子能够从阴极399穿过电解质413到达燃料电池305的阳极307的温度下操作。固体氧化物燃料电池305可以在700℃至1100℃、或800℃至1000℃的温度下操作。在一或多个阳极电极处利用氧离子对氢进行氧化是大量放热的反应，并且反应热产生操作固体氧化物燃料电池305所需的热量。可以通过独立地控制第一气流的温度、供应给燃料电池的第二气流(如果有的话)和含氧气流的温度以及这些流供应给燃料电池305的流动速率来控制固体氧化物燃料电池操作的温度。在一个实施例中，可以将供应给燃料电池的第二气流的温度控制在至多100℃的温度，将含氧气流的温度控制在至多300℃的温度，将第一气流的温度控制在至多550℃的温度以将固体氧化物燃料电池的操作温度维持在700℃至1000℃的范围内，优选地在800℃至900℃的范围内。
为了起始燃料电池305的操作，将燃料电池305加热到其操作温度。在一优选实施例中，可以通过在催化性部分氧化重整反应器433中产生含氢气流，并且将含氢气流通过管线435供应给固体氧化物燃料电池的阳极307来起始固体氧化物燃料电池305的操作。可以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中燃烧烃进料和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，其中氧气源以相对于烃进料为低于化学计量的数量供应给催化性部分氧化重整反应器433。
供应给催化性部分氧化重整反应器433的烃进料可以是液态或气态烃或烃的混合物，并且优选地是甲烷、天然气或其它低分子量烃或低分子量烃的混合物。在本发明方法的一个特别优选实施例中，供应给催化性部分氧化重整反应器433的烃进料可以是与在预重整反应器314中使用的进料前体类型相同的进料，以减少进行该方法所需烃进料的数目。
供应给催化性部分氧化重整反应器433的含氧进料可以是纯氧、空气或富氧空气。含氧进料应当以相对于烃进料为低于化学计量的数量供应给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。
通过在催化性部分氧化重整反应器433中烃进料和含氧气体的燃烧而形成的含氢气流包含可在燃料电池305的阳极307中通过在阳极电极的一或多个阳极电极处接触氧化剂而氧化的化合物，包括氢和一氧化碳，以及诸如二氧化碳的其它化合物。优选地，来自催化性部分氧化重整反应器433的含氢气流不包含可使燃料电池305的阳极107中的一或多个阳极电极氧化的化合物。
在催化性部分氧化重整反应器433中形成的含氢气流是热的，并且可以具有至少700℃、700℃至1100℃或800℃至1000℃的温度。使用来自催化性部分氧化重整反应器433的热含氢气流来起始固体氧化物燃料电池305的启动在本发明的方法中是优选的，这是由于其使燃料电池305的温度能够几乎瞬时地上升至燃料电池305的操作温度。在一个实施例中，当起始燃料电池305的操作时，可以在热交换器405中在来自催化性部分氧化重整反应器433的热含氢气体与供应给燃料电池305的阴极399的含氧气体之间进行热交换。
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以由阀439切断，同时通过打开阀441将来自重整反应器301的第一气流供应给阳极307中，并且将含氧气流供应到燃料电池305的阴极399中。燃料电池的连续操作随后可以根据本发明的方法进行。
在另一实施例中，可以使用来自氢储罐(未显示)的氢启动气流使燃料电池的操作起始，其中，氢启动气流可经过启动加热器(未显示)以在将第一气流引入燃料电池305中以前使燃料电池305升至其操作温度。氢储罐可以操作连接至燃料电池305以允许将氢启动气流引入固体氧化物燃料电池305的阳极307中。启动加热器可间接地将氢启动气流加热至750℃至1000℃的温度。启动加热器可以是电加热器或可以是燃烧加热器。一旦达到燃料电池305的操作温度，可以通过阀(未显示)切断氢启动气流到燃料电池305中的流动，并且可以将第一气流和含氧气流引入燃料电池305中以开始燃料电池的操作。
在燃料电池305的操作启动期间，可以将含氧气流引入燃料电池305的阴极399中。含氧气流可以是空气、含有至少21％的氧的富氧空气，或纯氧。优选地，含氧气流可以是将在起始燃料电池的操作以后在燃料电池305的操作期间供应给阴极399的含氧气流。
在一优选实施例中，在燃料电池的启动期间供应给燃料电池的阴极399的含氧气流具有至少500℃、优选地至少650℃、更优选地至少750℃的温度。含氧气流可以在供应给固体氧化物燃料电池305的阴极399以前由电加热器加热。在一优选实施例中，用于起始燃料电池305的操作的含氧气流可以在供应给燃料电池305的阴极399以前在热交换器405中通过与来自催化性部分氧化重整反应的热含氢气流的热交换来进行加热。
一旦燃料电池305的操作已经开始，第一气流或组合第一和第二气流可以在燃料电池305中的一或多个阳极电极处与氧离子氧化剂混合以产生电力。氧离子氧化剂由流过燃料电池305的阴极399的含氧气流中的氧得到并且被引导穿过燃料电池的电解质413。在于750℃至1100℃的温度下操作燃料电池的同时，通过将第一气流、第二气流(如果有的话)和含氧气流以选定独立速率供应给燃料电池305，使供应给燃料电池305的阳极307的第一气流或组合第一和第二气流和氧化剂在燃料电池305的一或多个阳极电极处在阳极307中混合。
优选地，第一气流或组合第一和第二气流和氧化剂在燃料电池305的一或多个阳极电极处混合以按至少0.4W/cm2、更优选地至少0.5W/cm2、至少0.75W/cm2、至少1W/cm2、至少1.25W/cm2或至少1.5W/cm2的电力密度产生电力。可以通过选择并控制第一气流供应给燃料电池305的阳极307的速率或者独立地选择并控制第一气流和第二气流到燃料电池305的阳极307的流动速率而以这种电力密度产生电力。通过选择和控制进料和蒸汽供应给重整反应器301的速率可以选择和控制第一气流供应给燃料电池305的阳极307的速率，又可以通过进料前体和蒸汽供应给预重整反应器314的速率来选择进料和蒸汽供应给重整反应器301的速率，进料前体和蒸汽供应给预重整反应器314的速率又可以通过分别调节计量阀342和344进行控制。可以通过如上所述调节计量阀383和385来选择和控制阳极排气流到冷凝器351的流动速率来选择和控制第二气流到燃料电池305的阳极307的流动速率。在一个实施例中，可以通过反馈电路(未显示)自动调节计量阀383和385，所述反馈电路测量阳极排气流中的水和/或氢含量，并且调节阀383和385以维持阳极排气流中的选定水和/或氢含量。
在本发明的方法中，第一气流或组合第一和第二气流与氧化剂在一或多个阳极电极处混合可以通过氧化剂使存在于供应给燃料电池305的第一气流或组合第一和第二气流中的氢的一部分氧化而产生水(为蒸汽)。通过以氧化剂氧化氢所产生的水被第一气流或组合第一和第二气流的未反应部分吹扫通过燃料电池305的阳极307，作为阳极排气流的一部分离开阳极307。
在本发明方法的一个实施例中，可以独立地选择第一气流供应给阳极307的流动速率和(如果第二气流提供给阳极307)第二气流供应给阳极307的流动速率，以使得每单位时间在燃料电池305中形成的水量相对于每单位时间阳极排气中的氢量的比率为至多1.0、至多0.75、至多0.67、至多0.43、至多0.25或至多0.11。在一个实施例中，燃料电池305中形成的水量与阳极排气中的氢量可以摩尔为单位测量，使得以每单位时间摩尔计的每单位时间燃料电池中形成的水量与每单位时间阳极排气中氢量的比率为至多1.0、至多0.75、至多0.67、至多0.43、至多0.25或至多0.11。在本发明方法的另一实施例中，可以独立地选择第一气流供应给阳极307的流动速率和(如果第二气流提供给阳极307)第二气流供应给阳极307的流动速率，以使得阳极排气流包含至少0.6、至少0.7、至少0.8或至少0.9摩尔分数的氢。在一个实施例中，可以独立地选择第一气流供应给阳极307的流动速率和(如果第二气流提供给阳极)第二气流供应给阳极307的流动速率，以使得阳极排气流包含供应给阳极307的组合第一和第二气流中的至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％的氢，或者如果只有第一气流提供给阳极307的话，阳极排气流包含提供给阳极307的第一气流中的至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％的氢。在一个实施例中，可以独立地选择第一气流供应给阳极307的流动速率和(如果第二气流提供给阳极)第二气流提供给阳极307的流动速率，以使得燃料电池305中每次穿越氢利用率为至多50％、至多40％、至多30％、至多20％或至多10％。
提供至固体氧化物燃料电池305的阴极399的含氧气流的流动速率应当选择成给阳极提供足够氧化剂，以便当在一或多个阳极电极处与来自第一气流或组合第一和第二气流的燃料组合时以至少0.4W/cm2、至少0.5W/cm2、至少0.75W/cm2、至少1W/cm2、至少1.25W/cm2或至少1.5W/cm2的电力密度产生电力。可以通过调节计量阀415选择和控制含氧气流到阴极399的流动速率。
在本发明方法的一个实施例中，重整反应器301和固体氧化物燃料电池305可以是热整合的，以使得来自燃料电池305中的放热电化学反应的热量提供给重整反应器301的重整区域315以驱动重整反应器301中的吸热重整反应。如上所述，一或多个重整器阳极排气管道319和/或一或多个重整器阴极排气管道317延伸并定位在重整反应器301的重整区域315中。热阳极排气流可以从阳极排气出口369离开燃料电池305的阳极307并且经由管线373进入重整区域315中的重整器阳极排气管道319，和/或热阴极排气流可以从阴极排气出口407离开燃料电池305的阴极399并且经由管线417进入重整区域315中的重整器阴极排气管道317。当阳极排气流流过重整器阳极排气管道319时，来自热阳极排气流的热量可以在阳极排气流和重整区域315中的蒸汽和进料的混合物之间进行热交换。同样地，当阴极排气流流过重整器阴极排气管道317时，来自热阴极排气流的热量可以在阴极排气流和重整反应器301的重整区域315中的蒸汽和进料的混合物之间进行热交换。
从放热固体氧化物燃料电池305到吸热重整反应器301的热交换是高效的。重整器阳极排气管道319和/或重整器阴极排气管道317在重整反应器301的重整区域315中的位置允许在热阳极和阴极排气流与反应器301内的进料和蒸汽的混合物之间进行热交换，在发生重整反应的位置将热量传递给进料和蒸汽。此外，重整器阳极和/或阴极排气管道319和317在重整区域315中的位置允许由于使管道317和319紧靠催化剂床，使得热阳极和/或阴极排气流加热重整区域315中的重整催化剂。
另外，除了由阳极排气流和/或阴极排气流提供的之外，不需要给重整反应器301提供额外热量以驱动反应器301中的重整和变换反应以产生重整产物气体和第一气流。如上所述，在重整反应器301内进行重整和变换反应所需的温度为400℃到650℃，该温度远低于传统的重整反应器温度-其至少为750℃，典型地为800℃-900℃。由于由高温氢分离膜303从重整反应器301中分离氢所引起的重整反应中的平衡变动，重整反应器可以在这样的低温下进行。阳极排气流和阴极排气流可以具有800℃到1000℃的温度，其在阳极排气流和/或阴极排气流与进料和蒸汽的混合物之间进行热交换时足以驱动重整反应器301中的低温重整和变换反应。
在本发明方法的一个实施例中，当阳极排气流流过重整器阳极排气管道319时，阳极排气流和重整区域315中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可以提供被提供给反应器301中的蒸汽和进料的混合物以驱动重整和变换反应的热量的相当大部分。在本发明方法的一个实施例中，阳极排气流和反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可以提供被提供给反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热量的至少40％、至少50％、至少70％或至少90％。在一个实施例中，提供给重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热量基本上由流过重整器阳极排气管道319的阳极排气流和重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间交换的热量组成。在本发明的方法的一个实施例中，可以控制阳极排气流和反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换以将蒸汽和进料的混合物的温度保持在400℃到650℃的范围内。
在本发明方法的一个实施例中，当阴极排气流流过重整器阴极排气管道317时，阴极排气流和重整区域315中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可以提供被提供给反应器301中的蒸汽和进料的混合物以驱动重整和变换反应的热量的相当大部分。在本发明方法的一个实施例中，阴极排气流和反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可以提供被提供给反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热量的至少40％、至少50％、至少70％或至少90％。在一个实施例中，提供给重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热量基本上由流过重整器阴极排气管道317的阴极排气流和重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间交换的热量组成。在本发明方法的一个实施例中，可以控制阴极排气流和反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换以将蒸汽和进料的混合物的温度保持在400℃到650℃的范围内。
在一个实施例中，当阳极排气流流过重整器阳极排气管道319并且阴极排气流流过重整器阴极排气管道317时，阳极排气流、阴极排气流和重整区域315中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可以提供被提供给反应器301中的蒸汽和进料的混合物以驱动重整和变换反应的热量的相当大部分。在本发明方法的一个实施例中，阴极排气流和反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可以提供被提供给反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热量的高达60％、高达50％、高达40％、高达30％或高达20％，而阳极排气流和反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换可以提供被提供给反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热量的至少40％、至少50％、至少60％、至少70％或至少80％。在一个实施例中，提供给重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热量基本上由阳极和阴极排气流与反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间交换的热量组成。在本发明方法的一个实施例中，可以控制阳极和阴极排气流与反应器301中的蒸汽和进料的混合物之间的热交换以将蒸汽和进料的混合物的温度保持在400℃到650℃的范围内。
在一优选实施例中，由阳极排气流、阴极排气流或者阳极和阴极排气流提供给重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热量足以驱动重整反应器301中的重整和变换反应，使得不需要其它热源来驱动重整反应器301中的这些反应。最优选地，不通过电加热或燃烧给重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物提供热量。
在一个实施例中，阳极排气流给重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物提供大部分或者全部热量以驱动反应器中的重整和变换反应。可以调节计量阀371和370以控制阳极排气流从燃料电池到重整器阳极排气管道319的流量，其中，阳极排气流通过阀371的流量可以增大，其通过阀370的流量可以减少以增加阳极排气流到重整器阳极排气管道319中的流量，从而提供驱动重整反应器301中的重整和变换反应所需的热量。
在本实施例中，不需要或只需要一部分阴极排气流与重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物进行热交换以驱动重整和变换反应。可以控制阴极排气流流过重整反应器301中的重整阴极排气管道317的流量以控制由阴极排气流提供给重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热量。可以调节计量阀411、412、429和431以控制阴极排气流到重整器阴极排气管道317的流动，使得阴极排气流给反应器301中的蒸汽和进料的混合物提供所需量的热量(如果有的话)。为了减少阴极排气通过重整器阴极排气管道317到重整反应器301的流量，可以调节阀412和431以减少阴极排气通过阀412和431的流量，可以调节阀411和429以增大阴极排气通过阀411和429的流量。
在一个实施例中，阴极排气流给重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物提供大部分或者全部热量以驱动反应器中的重整和变换反应。可以调节计量阀411、412、429和431以控制阴极排气流到重整器阴极排气管道317的流动，使得阴极排气流给反应器301中的蒸汽和进料的混合物提供所需量的热量。为了增大阴极排气通过重整器阴极排气管道317到重整反应器301的流量，可以调节阀412和431以增大阴极排气通过阀412和431的流量，可以调节阀411和429以减少阴极排气通过阀411和429的流量。
在本实施例中，不需要或只需要一部分阳极排气流以与重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物进行热交换以驱动重整和变换反应。可以控制阳极排气流流过重整反应器301中的重整阳极排气管道319的流量以控制由阳极排气流提供给重整反应器301中的蒸汽和进料的混合物的热量。可以调节计量阀371和370以控制阳极排气流从燃料电池305到重整器阳极排气管道319的流量，其中，阳极排气流通过阀371的流量可以减少，其通过阀370的流量可以增大以减少阳极排气流到重整器阳极排气管道319中的流量。
已经流过重整器阴极排气管道317的冷却的阴极排气流中仍然可以具有大量热量，并且具有高达650℃的温度。冷却的阴极排气流可以通过出口418流出阴极排气管道以连同通过阀411计量到热交换器405的任何阴极排气流通过管线419供应给含氧气体热交换器405。已经流过重整器阳极排气管道319的冷却的阳极排气流按照如上所述的方式处理以给燃料电池305提供第二气流。
在本发明方法的一个实施例中，预重整反应器314和固体氧化物燃料电池305可以是热整合的，使得来自燃料电池305中的放热电化学反应的热量提供给预重整反应器314的预重整区域316以驱动预重整反应器314中的吸热汽化和裂化/重整反应。如上所述，一或多个预重整器阳极排气管道320和/或一或多个预重整器阴极排气管道322延伸并定位在预重整反应器314的预重整区域316中。热阳极排气流可以从阳极排气出口369离开燃料电池305的阳极307并且经由管线372进入预重整区域316中的预重整器阳极排气管道320，热阴极排气流可以从阴极排气出口407离开燃料电池305的阴极399并且经由管线421进入预重整区域316中的预重整器阴极排气管道322。当阳极排气流流过预重整器阳极排气管道320时，来自热阳极排气流的热量可以在阳极排气流和预重整区域316中的蒸汽和进料前体的混合物之间进行热交换。同样地，当阴极排气流流过预重整器阴极排气管道322时，来自热阴极排气流的热量可以在阴极排气流和预重整反应器314的预重整区域316中的蒸汽和进料前体的混合物之间进行热交换。
从放热固体氧化物燃料电池305到吸热预重整反应器314的热交换是高效的。预重整器阳极排气管道320和/或预重整器阴极排气管道322在重整反应器314的预重整区域316中的位置允许在热阳极和/或阴极排气流与反应器314中的进料前体和蒸汽的混合物之间进行热交换，在发生汽化/裂化/重整反应的位置将热量传递给进料前体和蒸汽。此外，预重整器阳极和/或阴极排气管道320和322在预重整区域316中的位置允许由于使管道320和322紧靠催化剂床，使得热阳极和/或阴极排气流加热预重整区域316中的预重整催化剂。
另外，除了由阳极排气流和/或阴极排气流提供的之外，不需要给预重整反应器314提供额外热量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。使进料前体烃裂化或重整为用作重整反应器的进料的烃所需温度可以为400℃到850℃，或者500℃到800℃，并且可以高于使重整反应器301中的进料重整所需温度。阳极排气流和阴极排气流可以具有800℃到1000℃的温度，其在阳极排气流和/或阴极排气流与进料前体和蒸汽的混合物之间进行热交换时足以驱动预重整反应器314中的进料前体转化为进料。
在本发明方法的一个实施例中，当阳极排气流流过预重整器阳极排气管道320时，阳极排气流和预重整区域316中的蒸汽和进料前体的混合物之间的热交换可以提供被提供给预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物以驱动预重整/裂化反应的热量的相当大部分。在本发明方法的一个实施例中，阳极排气流和预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物之间的热交换可以提供被提供给预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物的热量的至少40％、至少50％、至少70％或至少90％。在一个实施例中，提供给预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物的热量基本上由流过预重整器阳极排气管道320的阳极排气流和预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物之间交换的热量组成。在本发明方法的一个实施例中，可以控制阳极排气流和预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物之间的热交换以将蒸汽和进料前体的混合物的温度保持在500℃到800℃的范围内。
在本发明方法的一个实施例中，当阴极排气流流过预重整器阴极排气管道322时，阴极排气流和预重整区域316中的蒸汽和进料前体的混合物之间的热交换可以提供被提供给预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物以提供驱动汽化/裂化/重整反应的热量的相当大部分。在本发明方法的一个实施例中，阴极排气流和预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物之间的热交换可以提供被提供给预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物的热量的至少40％、至少50％、至少70％或至少90％。在一个实施例中，提供给预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物的热量基本上由流过预重整器阳极排气管道322的阴极排气流和预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物之间交换的热量组成。在本发明方法的一个实施例中，可以控制阴极排气流和预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物之间的热交换以将蒸汽和进料前体的混合物的温度保持在500℃到800℃的范围内。
在一个实施例中，当阳极排气流流过预重整器阳极排气管道320并且阴极排气流流过预重整器阴极排气管道322时，阳极排气流、阴极排气流和预重整区域316中的蒸汽和进料前体的混合物之间的热交换可以提供被提供给预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物以提供驱动汽化/裂化/重整反应的热量的相当大部分。在本发明方法的一个实施例中，阴极排气流和反应器314的蒸汽和进料前体的混合物之间的热交换可以提供被提供给反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物的热量的高达60％、高达50％、高达40％、高达30％或高达20％，而阳极排气流和蒸汽和进料前体的混合物之间的热交换可以提供被提供给反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物的热量的至少40％、至少50％、至少60％、至少70％或至少80％。在一个实施例中，提供给预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物的热量基本上由阳极和阴极排气流与反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物之间交换的热量组成。在本发明的方法的一个实施例中，可以控制阳极和阴极排气流与反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物之间的热交换以将蒸汽和进料前体的混合物的温度保持在500℃到800℃的范围内。
在一优选实施例中，由阳极排气流、阴极排气流或者阳极和阴极排气流提供给预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物的热量足以驱动预重整反应器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中的这些反应。最优选地，不通过电加热或燃烧给反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物提供热量。
在一个实施例中，阳极排气流给预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物提供大部分或者全部热量以驱动反应器314中的汽化/裂化/重整反应。可以调节计量阀371和370以控制阳极排气流从燃料电池305到预重整器阳极排气管道320的流量，其中，阳极排气流通过阀370的流量可以增大，其通过阀371的流量可以减少以增大阳极排气流到预重整器阳极排气管道320中的流量，从而提供驱动预重整反应器314中的汽化/裂化/重整反应所需的热量。
在本实施例中，不需要或只需要一部分阴极排气流与预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物进行热交换以驱动汽化/裂化/重整反应。可以控制阴极排气流流过预重整反应器314中的预重整阴极排气管道322的流动以控制由阴极排气流提供给预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物的热量。可以调节计量阀411、412、429和431以控制阴极排气流到预重整器阴极排气管道322的流量，使得阴极排气流给预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物提供所需量的热量(如果有的话)。为了减少阴极排气通过预重整器阴极排气管道322到预重整反应器314的流量，可以调节阀412和429以减小阴极排气通过阀412和429的流量，可以调节阀411和431以增大阴极排气通过阀411和431的流量。
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所不需要的阴极排气流可以通过管线409旁通至热交换器405以加热供应给阴极399的含氧气体。
在一个实施例中，阴极排气流给预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物提供大部分或者全部热量以驱动反应器314中的汽化/裂化/重整反应。可以调节计量阀411、412、429和431以控制阴极排气流到预重整器阴极排气管道322的流量，使得阴极排气流给反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物提供所需热量。为了增大阴极排气流通过预重整器阴极排气管道322到预重整反应器314的流量，可以调节阀412和429以增大阴极排气流通过阀412和429的流量，可以调节阀411和431以减少阴极排气流通过阀411和431的流量。
在本实施例中，不需要或只需要一部分阳极排气流以与预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物进行热交换以驱动汽化/裂化/重整反应。可以控制阳极排气流流过预重整反应器314中的重整阳极排气管道320的流量以控制由阳极排气流提供给预重整反应器314中的蒸汽和进料前体的混合物的热量。可以调节计量阀371和370以控制阳极排气流从燃料电池305到预重整器阳极排气管道320的流量，其中，阳极排气流通过阀370的流量可以减少，其通过阀371的流量可以增大以减少阳极排气流到预重整器阳极排气管道320中的流量。
已经流过预重整器阴极排气管道322的冷却的阴极排气流内仍然可以具有大量热量，并且具有高达800℃的温度。冷却的阴极排气流可以通过出口423流出阴极排气管道，以连同通过阀411计量到热交换器405的任何阴极排气流通过管线419供应给含氧气体热交换器405。
在一个优选实施例中，重整反应器301、预重整反应器314和固体氧化物燃料电池305可以是热整合的，使得来自燃料电池305中的放热电化学反应的热量既被提供给重整反应器301的重整区域315以驱动重整反应器301中的吸热重整反应，又被提供给预重整反应器314的预重整区域316以驱动吸热汽化/裂化/重整反应。如上所述，燃料电池305可以操作连接至重整反应器301和预重整反应器314。
在一个实施例中，预重整阳极排气管道320可以与重整阳极排气管道319以串联方式操作连接，使得阳极排气流可以从燃料电池305的阳极排气出口369流过预重整反应器314，随后流过重整反应器301。可以通过调节阀368控制阳极排气流从预重整器阳极排气管道320到重整器阳极排气管道319的流量。
在一个实施例中，预重整反应器314的预重整阴极排气管道322可以与重整反应器301的重整阴极排气管道317以串联方式操作连接，使得阴极排气流可以从阴极排气出口407流过预重整反应器314，随后通过管线425流入重整反应器301的重整器阴极排气管道317。通过调节阀427可以控制阴极排气流从预重整反应器314通过管线425到重整反应器301中的流动。
在另一实施例中，预重整器阳极排气管道320可以与重整器阳极排气管道319以并联方式操作联接，使得阳极排气流可以从阳极排气出口365同时流过预重整器阳极排气管道320和重整器阳极排气管道319。可以调节计量阀371和370，使得阳极排气流分别以希望的速率流入重整器阳极排气管道319和预重整器阳极排气管道320。
在另一实施例中，预重整器阴极排气管道322可以与重整器阴极排气管道317以并联方式操作联接，使得阴极排气流可以从阴极排气出口407同时流过预重整器阴极排气管道422和重整器阴极排气管道417。可以调节计量阀431和429，使得阴极排气流分别以希望的速率流入重整器阴极排气管道317和预重整器阴极排气管道322。
可以通过计量阀370、371和376控制阳极排气流通过预重整反应器314和重整反应器301的流量以给反应器301和314提供热量。可以使用计量阀370控制阳极排气流从阳极排气出口365到预重整器阳极排气管道320的流量。可以使用计量阀371控制阳极排气流从阳极排气出口365到重整器阳极排气管道319的流量。可以使用计量阀376控制阳极排气流从预重整器阳极排气管道320的流量，使得阳极排气流可被引入到重整器阳极排气管道319中。
可以通过计量阀412、427、429和431控制阴极排气流通过预重整反应器314和重整反应器301的流动以给反应器301和314提供热量。可以使用计量阀412控制阴极排气流从燃料电池阴极排气出口到预重整反应器314和重整反应器301的流量。可以使用计量阀429控制阴极排气流从阴极排气出口407到预重整器阴极排气管道322的流量。可以使用计量阀431控制阴极排气流从阴极排气出口407到重整器阴极排气管道317的流量。可以使用计量阀427控制来自于预重整器阴极排气管道322的阴极排气流的流量，使得阴极排气流可以被引入到重整器阴极排气管道317中。
在本发明方法的该实施例中，本发明的方法产生的每单位电力产生相对较少的二氧化碳。重整反应器301和(可选择地，预重整反应器314)与燃料电池305的热整合(其中，燃料电池305中产生的热量通过阳极和/或阴极排气从燃料电池305传递到重整反应器301内并可选择地传递到预重整反应器314中)减少了驱动吸热重整和预重整反应所需的能量，减少了例如通过燃烧提供这种能量的需要，从而减少了在提供驱动重整反应所需能量的过程中产生的二氧化碳量。另外，在第二气流与阳极排气流分离并且作为燃料再循环回燃料电池305时，从第二气流中的阳极排气流到燃料电池305的氢减少了需要由重整反应器301产生的氢量，从而减少了伴随的二氧化碳副产物的产生。
在本发明方法的该实施例中，以生成电力的每千瓦时不超过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，并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热整合的蒸汽重整器、位于蒸汽重整器外部的氢分离装置和固体氧化物燃料电池在内的系统产生电力。现在参考图3，用于实施本实施例方法的系统与图1或图2所示类似，只是高温氢分离装置503不位于重整反应器501中，而是与重整反应器501操作联接，使得含有在重整反应器501中形成的氢和碳氧化物的重整产物气体与未反应的烃和蒸汽通过管线505流到高温氢分离装置503。高温氢分离装置503优选地为如上所述的氢可透过的管状膜设备。
含有氢的第一气流可以通过氢分离装置503与重整产物气体和未反应的蒸汽和烃分离。蒸汽吹扫气体可以通过管线507注入氢分离装置503中以方便第一气流的分离。第一气流可以从氢分离装置供应给热交换器，随后供应给冷凝器，之后供应给固体氧化物燃料电池，如上所述。
气态非氢重整产物和未反应进料可以经由管线509从氢分离装置503作为气态流而被分离。非氢重整产物和未反应的进料可以包括二氧化碳、水(作为蒸汽)和少量一氧化碳以及未反应的烃。
与氢分离装置503分离的非氢流可以是高压二氧化碳气流，其含有以干物质计的至少0.9、至少0.95或至少0.98摩尔分数的二氧化碳，并且具有至少1MPa、至少2MPa或至少2.5MPa的压力。高压二氧化碳气流可以如上文针对利用位于重整反应器中的氢分离膜从重整反应器分离的高压二氧化碳气流所述的那样进行处理。
利用位于重整反应器501外的氢分离装置503进行的方法的其余部分可以按照与如上文针对固体氧化物燃料电池和内部包含氢分离膜的重整反应器(有或没有预重整反应器)所述情况相同的方式实施。
现在参考图4，显示了根据本发明的系统600。系统600包括固体氧化物燃料电池601、重整反应器603、氢分离设备605以及阳极排气管道607和/或阴极排气管道637。固体氧化物燃料电池601包括具有适于接收含氢燃料气体的阳极入口611和阳极排气出口613的阳极609，具有适于接收含氧气体的阴极入口617和阴极排气出口619的阴极615，和电解质621，其中，电解质621定位在阳极609和阴极615之间，接触阳极609和阴极615和并分开阳极609和阴极615。用于本发明系统中的固体氧化物燃料电池以及其阳极、阴极和电解质如上所述。
系统600还包括给燃料电池601的阳极609提供氢燃料的重整反应器603。重整反应器603包括重整区域623，其适于使蒸汽和包括一或多种气态烃的进料的汽化混合物重整，以产生含有氢的重整产物气体。重整区域623可以包括其中具有重整催化剂627的重整催化剂床625，其中，重整催化剂627可以定位在重整催化剂床625中以与重整区域623中的蒸汽和进料的汽化混合物接触，从而有助于使重整区域623中的蒸汽和进料的汽化混合物重整以产生重整产物气体。可在重整催化剂床625中使用的重整催化剂627如上所述。重整反应器603包括与重整区域623以气体连通方式联接的一或多个重整区域入口629，蒸汽、包括一或多种气态烃的进料、或者蒸汽和包括一或多种气态烃的进料的混合物可以通过所述重整区域入口被引入到重整区域623中。
系统600还包括用于使重整反应器603中产生的氢分离的氢分离设备605，其中，由氢分离设备605分离的氢被提供给燃料电池601的阳极609。氢分离设备605包括能选择性地使氢透过的构件631和氢气出口633。在一个实施例中，能选择性地使氢透过的构件631位于重整反应器603的重整区域623中并与重整区域623气体连通，使得由重整区域623中的重整和/或水煤气变换反应产生和/或存在于重整区域623中的氢可以通过构件631与重整区域623中的其它气体化合物分离。在一优选实施例中，氢分离设备605是高温氢分离膜，如上所述，其中，构件631是膜的氢选择性、氢可透过的壁。
氢分离设备605的氢气出口633定位成优选地通过氢管道635与氢分离设备605的氢可透过的构件631气体连通。氢可透过的构件631介于重整反应器603的重整区域623与氢气出口633和氢管道635之间，以允许氢选择性地从重整区域623通过氢可透过的构件631流到氢管道635并通过氢气出口633从氢分离设备605和重整反应器603流出。
氢气出口633与阳极609的阳极入口611(氢燃料可以通过其供应给阳极609)以气体连通方式操作联接，使得在重整反应器603中产生并通过氢分离设备605由此分离的氢可被供应给燃料电池601的阳极609。在一个实施例中，一或多个热交换器(未显示)可以按照气体连通方式联接于氢气出口633和阳极入口611之间，以冷却在氢气流进入燃料电池601的阳极609之前离开氢气出口633的氢气流。
系统600还可以包括至少一个阳极排气管道607。每个阳极排气管道607的至少一部分定位在重整反应器603的重整区域623中，以与重整区域623热连通的方式位于重整区域623内。每个阳极排气管道607与燃料电池601的阳极609的阳极排气出口613以气体连通方式操作联接，使得通过阳极排气出口613离开燃料电池601的阳极609的热气体可被输送至重整反应器603的重整区域623中的阳极排气管道607，以与重整区域623中的催化剂627和存在于重整区域623中的任何蒸汽或进料进行热交换。
系统600还可以包括至少一个阴极排气管道637。每个阴极排气管道637的至少一部分定位在重整反应器603的重整区域623中，以与重整区域623热连通的方式位于重整区域623内。每个阴极排气管道637与燃料电池601的阴极615的阴极排气出口619以气体连通方式操作联接，使得通过阴极排气出口619离开燃料电池601的阴极615的热气体可被输送至重整反应器603的重整区域623中的阴极排气管道637，以与重整区域623中的催化剂627和存在于重整区域623中的任何蒸汽或进料进行热交换。
本发明的系统600包括至少部分地定位在重整反应器603的重整区域623中的如上所述的至少一个阳极排气管道609、如上所述的至少一个阴极排气管道637或者两者，使得来自燃料电池601的热量可以通过使阳极排气流和/或阴极排气流从燃料电池601分别流过阳极排气管道609和/或阴极排气管道637被提供给重整反应器603的重整区域623。
在系统600的一个优选实施例中，阳极排气管道607与阳极609的阳极入口611以气体连通方式操作连接，使得阳极排气中的氢可以再循环回燃料电池601的阳极609中。阳极排气管道607可以具有与阳极入口611以气体连通方式操作联接的出口639，阳极排气流可以通过所述出口离开阳极排气管道607以供应给阳极入口611。
系统600可以包括一或多个热交换器641以进一步冷却在将阳极排气通过阳极入口611供应回阳极609之前离开阳极排气管道607的阳极排气。热交换器641可以利用各种冷却介质冷却阳极排气；然而，如上所述，优选地，阳极排气通过与进料或进料前体和/或蒸汽(其将在重整反应器603中用于产生氢以供应给燃料电池601)进行热交换而进行冷却。
如果系统600包括一或多个热交换器641的话，热交换器641在系统600中操作联接于阳极排气管道607和阳极入口611之间，以在阳极排气流从阳极排气管道607流到阳极入口611时冷却阳极排气流。热交换器641的入口643与阳极排气管道出口639以气体连通方式操作连接，热交换器641的出口645与阳极入口611以气体连通方式操作连接。如果一或多个热交换器641存在于系统600中，热交换器641可以串联布置，其中，第一热交换器641的热交换器入口643与阳极排气管道出口639以气体连通方式操作连接，最后一个热交换器641的热交换器出口645与燃料电池601的阳极609的阳极入口611以气体连通方式操作连接，其中，每个串联连接的热交换器641的热交换器出口645(除了串联热交换器641中的最后一个之外)与串联热交换器641中的下一个热交换器入口643以气体连通方式连接。
在一个实施例中，冷凝器647以气体连通方式操作连接在热交换器出口645或阳极排气管道出口639与燃料电池601的阳极609的阳极入口611之间，从而使氢与在将氢供应给阳极入口611之前离开热交换器641或阳极排气管道609的阳极排气中的水/蒸汽分离。如上所述，当氢作为燃料供应给燃料电池601时，阳极排气包含未反应的氢和由燃料电池601中的氢氧化产生的水。离开热交换器641或阳极排气管道609的冷却的阳极排气流可以在冷凝器647中冷却到足以使水从冷却阳极排气流中冷凝和移除的程度，从而将高氢含量气流提供给燃料电池601的阳极609。
可选择地，系统600可以包括用于使进料前体(例如如上所述的进料前体)转化为在重整反应器603中使用的进料的预重整反应器649。预重整反应器649可以包括预重整区域651，其适于接收蒸汽和包括一或多种烃的进料前体的液体或汽化混合物以产生待提供给重整反应器603的进料。预重整反应器649可以包括其中具有预重整催化剂655的预重整催化剂床653，其定位成与预重整反应器649的预重整区域651中的汽化物接触。可在预重整催化剂床653中使用的预重整催化剂如上所述。预重整反应器649可以包括一或多个预重整蒸汽入口657，其以气体/流体连通方式与预重整区域651联接，适于接收包括一或多种烃的进料前体、蒸汽或其混合物并且将蒸汽、进料前体或其混合物输送给预重整区域651。预重整反应器649可以包括与重整反应器603的重整区域入口629以气体连通方式操作联接的出口659，从而将形成在预重整反应器649中的进料供应给重整反应器603。在一个实施例中，系统600中可以包括压缩机661，其中，压缩机661以气体连通方式操作连接在预重整反应器出口659和重整区域入口625之间，使得压缩机661可以使由预重整反应器649产生的进料在其被供应给重整反应器603之前被压缩。
包括预重整反应器649的系统600还可以包括至少一个预重整器阳极排气管道663。每个预重整器阳极排气管道663的至少一部分位于预重整反应器649的预重整区域651中，其在预重整区域651内定位成与预重整区域651热连通。每个预重整器阳极排气管道665与燃料电池601的阳极609的阳极排气出口613以气体连通方式操作联接，使得通过阳极排气出口613离开燃料电池601的阳极609的热气体可被输送至预重整反应器649的预重整区域651中的预重整器阳极排气管道665，以与预重整区域651中的预重整催化剂655和存在于预重整区域651中的任何蒸汽或进料前体进行热交换。
包括预重整反应器649的系统600还可以包括至少一个预重整器阴极排气管道665。每个预重整器阴极排气管道665的至少一部分位于预重整反应器649的预重整区域651中，其在预重整区域651内定位成与预重整区域651热连通。每个预重整器阴极排气管道665与燃料电池601的阴极615的阴极排气出口619以气体连通方式操作联接，使得通过阴极排气出口619离开燃料电池601的阴极615的热气体可被输送至预重整反应器649的预重整区域651中的预重整器阴极排气管道665，以与预重整区域651中的预重整器催化剂655和存在于预重整区域651中的任何蒸汽或进料前体进行热交换。
在包括预重整反应器649、至少一个预重整器阳极排气管道663和至少一个阳极排气管道607的系统600中，预重整器阳极排气管道663的出口667可以操作连接至阳极排气管道607，使得阳极排气流可以从预重整器阳极排气管道663供应给阳极排气管道607。在包括预重整反应器649、至少一个预重整器阴极排气管道665和至少一个阴极排气管道637的系统600中，预重整器阴极排气管道665的出口669可以操作连接至阴极排气管道637，使得阴极排气流可以从预重整器阴极排气管道665供应给阴极排气管道637。
在另一实施例中，如图5所示，氢分离设备705可以位于重整反应器703外。氢可透过的、氢选择性构件731与重整反应器703的重整区域723能以气体连通方式操作联接，使得重整区域723中产生的重整气体产物可以从重整区域723流到构件731，使得氢可以通过构件731与重整产物气体分离。在一个实施例中，构件731可以是高温氢可透过的、氢选择性膜，如上所述。在另一实施例中，构件731可以是压力摆动吸附器。在一个实施例中，特别是如果构件731为压力摆动吸附器的话，一或多个热交换器(未显示)能以气体连通方式联接于重整反应器703的重整区域723和构件731之间，以在利用构件731将氢与重整产物气体分离之前冷却重整产物气体。
氢分离设备705的氢气出口733定位成优选地通过氢管道735与氢分离设备705的能选择性地使氢透过的构件731气体连通。能选择性地使氢透过的构件731介于重整反应器703的重整区域723与氢气出口733(和氢管道735)之间，以允许氢选择性地从重整区域723通过氢可透过的构件731流到氢管道735并通过氢气出口733从氢分离设备705流出。
氢气出口733与燃料电池701的阳极入口711以气体连通方式操作联接，使得重整反应器703中产生的并通过氢分离设备705与重整产物气体分离的氢可被供应给燃料电池701的阳极709。在一个实施例中，一或多个热交换器(未显示)可以按照气体连通方式联接于氢气出口733和阳极入口711之间，以冷却在氢气流进入燃料电池701的阳极709之前离开氢气出口733的氢气流。
在一个实施例中，本发明的系统可以是如图1所示和如上文对本发明方法的描述中所述的系统。
在一个实施例中，本发明的系统可以是如图2所示和如上文对本发明方法的描述中所述的系统。

Claims (16)

1.一种用于产生电力的方法，包括：
在重整反应器中，使蒸汽和含有一或多种气态烃的进料的混合物与重整催化剂在至少400℃的温度下接触以产生包含氢和至少一种碳氧化物的重整产物气体；
使含有至少0.6、至少0.7、至少0.8、至少0.9或至少0.95摩尔分数的氢的第一气流从重整产物气体分离；
将第一气流供应给固体氧化物燃料电池的阳极；
在固体氧化物燃料电池的阳极中的一或多个阳极电极处使第一气流与氧化剂混合以按照至少0.4W/cm2的电力密度产生电力；
使包括氢和水的阳极排气流从固体氧化物燃料电池分离；和
在重整反应器中，在蒸汽和进料的混合物与热源之间进行热交换，所述热源选自由阳极排气流、从燃料电池分离的阴极排气流、以及阳极排气流和阴极排气流两者组成的组。
2.如权利要求1所述的方法，其中，阳极排气流与重整反应器中蒸汽和进料的混合物之间的热交换提供被提供给重整反应器中蒸汽和进料的混合物的热量的至少40％、至少50％、至少70％或至少90％。
3.如权利要求2所述的方法，其中，阴极排气流与重整反应器中蒸汽和进料的混合物之间的热交换提供被提供给重整反应器中蒸汽和进料的混合物的热量的高达60％、高达50％、高达40％、高达30％或高达20％。
4.如权利要求1或2所述的方法，还包括以下步骤：控制阳极排气流与重整反应器中蒸汽和进料的混合物之间的热交换以将该混合物的温度保持在400℃到650℃的范围内的温度下，其中阳极排气流在与蒸汽和进料的混合物进行热交换之前具有大于至少750℃的温度。
5.如权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：在处于重整反应器中蒸汽和进料的混合物的温度50℃内或25℃内的温度下从重整产物气体分离第一气流。
6.如权利要求1所述的方法，其中，阴极排气流与重整反应器中蒸汽和进料的混合物之间的热交换提供被提供给重整反应器中蒸汽和进料的混合物的热量的至少40％、至少50％、至少60％、至少70％或至少90％。
7.如权利要求6所述的方法，还包括以下步骤：控制阴极排气流与重整反应器中蒸汽和进料的混合物之间的热交换以将该混合物的温度保持在400℃到650℃的范围内的温度下，其中阴极排气流在与蒸汽和进料的混合物进行热交换之前具有大于至少750℃的温度。
8.如权利要求7所述的方法，还包括以下步骤：在处于重整反应器中蒸汽和进料的混合物的温度50℃内或25℃内的温度下从重整产物气体分离第一气流。
9.如权利要求1所述的方法，其中供给重整反应器中蒸汽和进料的混合物的热量基本上由蒸汽和进料的混合物与阳极排气流及阴极排气流之间交换的热量组成。
10.如权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：控制蒸汽和进料的混合物与阳极排气流及阴极排气流之间的热交换以将蒸汽和进料的混合物的温度保持在400℃到650℃的范围内的温度下，其中阳极排气流及阴极排气流分别各具有至少750℃的温度。
11.如权利要求1或权利要求2-10中任一项所述的方法，其中，所述第一气流以第一速率供应给阳极，其中所述第一速率选择成使得阳极排气流含有至少0.6、至少0.7、至少0.8或至少0.9摩尔分数的氢。
12.如权利要求1或权利要求2-11中任一项所述的方法，其中，所述第一气流以第一速率供应给阳极，其中所述第一速率选择成使得在燃料电池中形成的水量相对于阳极排气中的氢量的比率为至多1.0、至多0.75、至多0.67、至多0.43、至多0.25或至多0.11。
13.如权利要求1或权利要求2-12中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
使氢从阳极排气流分离以形成含有氢的第二气流；和
将第二气流供应给固体氧化物燃料电池的阳极；及
在固体氧化物燃料电池的阳极中的一或多个阳极电极处使第二气流与氧化剂混合以产生电力。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一气流以第一速率供应给阳极而所述第二气流以第二速率供应给阳极，其中所述第一速率和第二速率选择成使得阳极排气流含有至少0.6、至少0.7、至少0.8或至少0.9摩尔分数的氢。
15.如权利要求13所述的方法，其中，所述第一气流以第一速率供应给阳极而所述第二气流以第二速率供应给阳极，其中所述第一速率和第二速率选择成使得在燃料电池中形成的水量相对于阳极排气中的氢量的比率为至多1.0、至多0.75、至多0.67、至多0.43、至多0.25或至多0.11。
16.如权利要求1或权利要求2-15中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
从重整产物气体分离含有至少0.9、至少0.95或至少0.98摩尔分数的二氧化碳并具有至少2MPa压力的二氧化碳气流；和
通过涡轮机膨胀二氧化碳气流。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109923717A (zh) * 2016-11-02 2019-06-21 Lg燃料电池系统有限公司 用于整体式重整燃料电池的修正燃料电池循环
CN109950577A (zh) * 2019-03-18 2019-06-28 东莞众创新能源科技有限公司 燃料电池阴极供氧系统、其应用方法及计算方法
CN109964351A (zh) * 2016-11-02 2019-07-02 Lg燃料电池系统有限公司 具有用于整体式重整燃料电池的修正燃料电池循环的整合燃料电池块
CN112840490A (zh) * 2018-11-19 2021-05-25 Avl李斯特有限公司 加热燃料电池系统的方法以及燃料电池系统
CN115039261A (zh) * 2020-02-06 2022-09-09 Avl李斯特有限公司 用于对燃料电池堆的阳极部进行保护的保护重整器装置

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011063326A1 (en) * 2009-11-20 2011-05-26 Egt Enterprises, Inc. Carbon capture with power generation
US20120034539A1 (en) * 2010-08-04 2012-02-09 Raymond George High efficiency and reliable fuel cell system operating at near 100% fuel utilization
JP2014124940A (ja) * 2012-12-27 2014-07-07 3M Innovative Properties Co 装飾積層シート、装飾積層シートを含む構造体およびその製造方法
FR3021646B1 (fr) * 2014-05-30 2018-01-26 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Procede et installation pour la production d'hydrogene par vaporeformage
KR102212137B1 (ko) 2016-04-21 2021-02-03 퓨얼 셀 에너지, 인크 이산화탄소 포획을 위해 용융 탄산염 연료 전지 애노드 배기를 후가공처리하는 방법
JP6799078B2 (ja) 2016-04-29 2020-12-09 フュエルセル エナジー， インコーポレイテッドＦｕｅｌｃｅｌｌ Ｅｎｅｒｇｙ， Ｉｎｃ． 二酸化炭素捕捉を高めるためのアノード排ガスのメタン化
KR102610181B1 (ko) 2018-11-30 2023-12-04 퓨얼셀 에너지, 인크 향상된 co2 이용률로 작동되는 연료 전지를 위한 촉매 패턴의 개질
EP4118029A1 (en) 2020-03-11 2023-01-18 Fuelcell Energy, Inc. Steam methane reforming unit for carbon capture

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1394368A (zh) * 2000-10-30 2003-01-29 探索空气技术公司 用于燃料电池的能量有效气体分离
WO2004025767A2 (en) * 2002-09-13 2004-03-25 Prototech As Power generation apparatus
US20050106429A1 (en) * 2003-11-19 2005-05-19 Questair Technologies Inc. High efficiency load-following solid oxide fuel cell systems
CN1685552A (zh) * 2002-09-27 2005-10-19 探索空气技术公司 固体氧化物燃料电池系统
CN1753978A (zh) * 2003-02-24 2006-03-29 德士古发展公司 同时固定co2的柴油蒸汽重整
US20060275633A1 (en) * 2005-02-09 2006-12-07 Agnew Gerard D Fuel processor
US20070017369A1 (en) * 2005-07-25 2007-01-25 Ion America Corporation Fuel cell anode exhaust fuel recovery by adsorption

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4128700A (en) * 1977-11-26 1978-12-05 United Technologies Corp. Fuel cell power plant and method for operating the same
US4729931A (en) * 1986-11-03 1988-03-08 Westinghouse Electric Corp. Reforming of fuel inside fuel cell generator
US5938800A (en) * 1997-11-13 1999-08-17 Mcdermott Technology, Inc. Compact multi-fuel steam reformer
US7097925B2 (en) * 2000-10-30 2006-08-29 Questair Technologies Inc. High temperature fuel cell power plant
US20030054215A1 (en) * 2001-09-20 2003-03-20 Honeywell International, Inc. Compact integrated solid oxide fuel cell system
US7128769B2 (en) * 2002-06-27 2006-10-31 Idatech, Llc Methanol steam reforming catalysts, steam reformers, and fuel cell systems incorporating the same
US7217303B2 (en) * 2003-02-28 2007-05-15 Exxonmobil Research And Engineering Company Pressure swing reforming for fuel cell systems
CA2522774A1 (en) * 2003-05-06 2004-11-25 E. I. Du Pont De Nemours And Company Hydrogenation of biochemically derived 1,3-propanediol
US7422810B2 (en) * 2004-01-22 2008-09-09 Bloom Energy Corporation High temperature fuel cell system and method of operating same
US7713642B2 (en) * 2005-09-30 2010-05-11 General Electric Company System and method for fuel cell operation with in-situ reformer regeneration
KR100762685B1 (ko) * 2005-11-10 2007-10-04 삼성에스디아이 주식회사 개질기 및 이를 채용한 연료전지 시스템

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1394368A (zh) * 2000-10-30 2003-01-29 探索空气技术公司 用于燃料电池的能量有效气体分离
WO2004025767A2 (en) * 2002-09-13 2004-03-25 Prototech As Power generation apparatus
CN1685552A (zh) * 2002-09-27 2005-10-19 探索空气技术公司 固体氧化物燃料电池系统
CN1753978A (zh) * 2003-02-24 2006-03-29 德士古发展公司 同时固定co2的柴油蒸汽重整
US20050106429A1 (en) * 2003-11-19 2005-05-19 Questair Technologies Inc. High efficiency load-following solid oxide fuel cell systems
US20060275633A1 (en) * 2005-02-09 2006-12-07 Agnew Gerard D Fuel processor
US20070017369A1 (en) * 2005-07-25 2007-01-25 Ion America Corporation Fuel cell anode exhaust fuel recovery by adsorption

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109923717A (zh) * 2016-11-02 2019-06-21 Lg燃料电池系统有限公司 用于整体式重整燃料电池的修正燃料电池循环
CN109964351A (zh) * 2016-11-02 2019-07-02 Lg燃料电池系统有限公司 具有用于整体式重整燃料电池的修正燃料电池循环的整合燃料电池块
CN109964351B (zh) * 2016-11-02 2022-10-25 Lg燃料电池系统有限公司 具有用于整体式重整燃料电池的修正燃料电池循环的整合燃料电池块
CN112840490A (zh) * 2018-11-19 2021-05-25 Avl李斯特有限公司 加热燃料电池系统的方法以及燃料电池系统
CN109950577A (zh) * 2019-03-18 2019-06-28 东莞众创新能源科技有限公司 燃料电池阴极供氧系统、其应用方法及计算方法
CN115039261A (zh) * 2020-02-06 2022-09-09 Avl李斯特有限公司 用于对燃料电池堆的阳极部进行保护的保护重整器装置

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