利用燃料電池產(chǎn)生電力的方法

文檔序號：6925799閱讀：356來源：國知局

專利名稱：利用燃料電池產(chǎn)生電力的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)生電力的燃料電池系統(tǒng)，且涉及一種用于產(chǎn)生電力的方法。具體地說，本發(fā)明涉及關于一種產(chǎn)生電力的固態(tài)氧化物燃料電池系統(tǒng)及一種使用該系統(tǒng)產(chǎn)生電力的方法。
背景技術：
固態(tài)氧化物燃料電池為包含直接從電化學反應產(chǎn)生電力的固態(tài)組件的燃料電池。這種燃料電池為有用的，因為其提供高品質(zhì)的可靠電力，操作時潔凈，且為相對緊湊的發(fā)電機，從而使得其在市區(qū)的應用十分有吸引力。固態(tài)氧化物燃料電池由陽極、陰極及夾在陽極與陰極之間的固態(tài)電解質(zhì)形成?？?氧化燃料氣體或可在燃料電池中重整為可氧化燃料氣體的氣體被饋送至陽極，且含氧氣體 (通常為空氣)被饋送送至陰極以提供化學反應物。饋送送至陽極的可氧化燃料氣體通常為合成氣(可氧化組份氫氣與一氧化碳分子的混合物)。在通常為650°C至1000°C的高溫下操作燃料電池，以將含氧氣體中的氧氣轉化成氧離子，氧離子可越過電解質(zhì)與來自陽極處的燃料氣體的氫氣和/或一氧化碳相互作用。電力由陰極處氧氣至氧離子的轉化及陽極處氧離子與氫氣和/或一氧化碳的化學反應產(chǎn)生。以下反應描述電池中的產(chǎn)生電力的化學反應陰極電荷轉移02+4e- — 20 =陽極電荷轉移H2+0=— H20+2e_及C0+0=—C02+2e-電負載或儲存設備可連接于陽極與陰極之間，以使得電流可在陽極與陰極之間流動，從而為電負載供電或?qū)㈦娏μ峁┲羶Υ嬖O備。燃料氣體通常由蒸汽重整反應器供應至陽極，蒸汽重整反應器將低分子量烴及蒸汽重整成氫氣及碳氧化物。甲烷(例如天然氣中)為用于產(chǎn)生用于燃料電池的燃料氣體的優(yōu)選低分子量烴?；蛘?，燃料電池陽極可經(jīng)設計以在內(nèi)部實現(xiàn)供應至燃料電池的陽極的諸如甲烷的低分子量烴與蒸汽的蒸汽重整反應。甲烷蒸汽重整根據(jù)以下反應提供含有氫氣及一氧化碳的燃料氣體 CH4 + H2O^CO + 3H2。通常，蒸汽重整反應在可有效地將相當大量甲烷及蒸汽轉化成氫氣及一氧化碳的溫度下進行。此外，可在蒸汽重整反應器中由在水煤氣變換反應中將蒸汽及一氧化碳轉化成氫氣及二氧化碳來實現(xiàn)氫氣產(chǎn)生。在水煤氣變換反應中根據(jù)以下反應形成氫氣及二氧化碳=H2O + CO^CO2 + H2。然而，在用于將燃料氣體供應至固態(tài)氧化物燃料電池的常規(guī)操作的蒸汽重整反應器中，由于蒸汽重整反應器在極為有利于由蒸汽重整反應產(chǎn)生一氧化碳及氫氣且不利于由水煤氣變換反應產(chǎn)生氫氣及二氧化碳的溫度下操作，故很少有氫氣由水煤氣變換反應產(chǎn)生。可在燃料電池中氧化一氧化碳以提供電能，而二氧化碳則不能被氧化，因此，在有利于將烴及蒸汽重整為氫氣及一氧化碳且不利于將一氧化碳及蒸汽變換反應為更多氫氣及二氧化碳的溫度下進行重整反應通常被接受為
4提供用于燃料電池的燃料的優(yōu)選方法。通常由外部或內(nèi)部蒸汽重整而供應至陽極的燃料氣體因此含有氫氣、一氧化碳、少量二氧化碳、未反應的甲烷以及為蒸汽的水。然而，與更純凈的氫氣燃料氣體流相比，含有諸如一氧化碳的非氫化合物的燃料氣體對于在固態(tài)氧化物燃料電池中產(chǎn)生電力而言其效率較低。在給定溫度下，可在固態(tài)氧化物燃料電池中產(chǎn)生的電力隨著氫氣濃度增加而增加。這歸因于氫氣分子相對于其它化合物的電化學氧化電位。例如，在0. 7伏特下氫氣分子可產(chǎn)生1. 3ff/cm2的電力密度，而在0. 7 伏特下一氧化碳僅可產(chǎn)生0. 5ff/cm2的電力密度。因此，含有相當大量非氫化合物的燃料氣體流在固態(tài)氧化物燃料電池中的電力產(chǎn)生方面不如主要含有氫氣的燃料氣體有效。然而，在商業(yè)上固態(tài)氧化物燃料電池通常以“貧氫”模式操作，其中例如由蒸汽重整產(chǎn)生燃料氣體的條件經(jīng)選定以限制燃料氣體中退出燃料電池的氫氣量。進行此操作以平衡燃料氣體中氫氣的電能電位與由離開電池的未轉化成電能的氫氣損失的電位能(熱+電化學)。已采取某些措施來再次捕獲退出燃料電池的氫氣的能量，然而，與氫氣在燃料電池中電化學地反應的情況相比，這些措施是顯著缺乏能量效率的。舉例而言，已經(jīng)將由在燃料電池中使燃料氣體電化學地反應而產(chǎn)生的陽極廢氣燃燒以驅(qū)動渦輪膨脹機(turbine expander)產(chǎn)生電。然而，由于大量熱能損失而非由膨脹機轉化成電能，因此與在燃料電池中捕獲氫氣的電化學電位相比為效率顯著較低的。退出燃料電池的燃料氣體也已燃燒以提供熱能以用于各種熱交換應用。然而，在燃燒之后約50%的熱能在這種熱交換應用中損失。氫氣非常昂貴，不應用作在低效率能量回收系統(tǒng)中利用的燃燒器的燃料，因此，傳統(tǒng)上來說，用于固態(tài)氧化物燃料電池中的氫氣的量經(jīng)調(diào)整以利用提供至燃料電池的大部分氫氣來產(chǎn)生電力，且最小化在燃料電池廢氣中退出燃料電池的氫氣量。美國專利申請公開第2007/0017369號(‘369公開案)提供了一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其中將進料提供至燃料電池的燃料入口。進料可包括從外部蒸汽重整器提供的氫氣與一氧化碳的混合物，或者可包括在燃料電池堆棧中內(nèi)部地重整成氫氣及一氧化碳的烴進料。燃料電池堆棧操作以產(chǎn)生電及含有氫氣及一氧化碳的燃料廢氣流，其中將燃料廢氣流中的氫氣及一氧化碳從燃料廢氣流分離且饋送回至燃料入口作為進料的一部分。因此，用于燃料電池的燃料氣體為由重整烴燃料源而導出的氫氣及一氧化碳與從燃料廢氣系統(tǒng)分離的氫氣及一氧化碳的混合物。將來自燃料廢氣的氫氣的至少一部分再循環(huán)經(jīng)過燃料電池使得能夠?qū)崿F(xiàn)高操作效率。該系統(tǒng)進一步由在經(jīng)由所述堆棧的每一道期間利用約75% 的燃料而提供燃料電池中的高燃料利用率。美國專利申請公開案第2005/0164051號提供了一種操作燃料電池系統(tǒng)的方法，其中將燃料提供至燃料電池的燃料入口。該燃料可為諸如甲烷的烴燃料；含有夾帶氫氣及其它氣體的甲烷的天然氣；丙烷；沼氣；與來自重整器的氫氣燃料混合的未經(jīng)重整的烴燃料；或諸如一氧化碳、二氧化碳的非烴含碳氣體、諸如甲醇的氧化含碳氣體或其它含碳氣體與諸如水蒸氣或合成氣的含氫氣體的混合物。燃料電池堆棧操作以產(chǎn)生電及含有氫氣的燃料廢氣流。利用氫氣分離器以從燃料電池的燃料側廢氣流分離出未經(jīng)利用的氫氣。由氫氣分離器分離的氫氣可再流通回至燃料電池，或可被導引至一子系統(tǒng)以用于需要氫氣的其它用途?？筛鶕?jù)電需求或氫氣需求來選擇再流通回至燃料電池的氫氣量，其中當對電的需求較高時將更多氫氣再流通回至燃料電池。視電需求而定，燃料電池堆棧能夠以從0至100% 的燃料利用率操作。當電需求較高時，燃料電池以高燃料利用率操作以增加電產(chǎn)量生，優(yōu)選的燃料利用率為50至80%。需要對用于產(chǎn)生電的固態(tài)氧化物燃料電池系統(tǒng)及用于產(chǎn)生電的固態(tài)氧化物燃料電池方法在效率及電力密度上做進一步改良。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面中，本發(fā)明是針對一種用于產(chǎn)生電的系統(tǒng)，其包含a)固態(tài)氧化物燃料電池，包括1)陽極，該陽極具有⑴陽極入口(ii)陽極廢氣出口，其中，該陽極廢氣出口與陽極入口以氣態(tài)連通的形式操作性地連接；2)陰極；以及3)布置在陽極和陰極之間、與所述陽極和陰極相接觸并將所述陽極和陰極分開的電解質(zhì)；b)重整反應器，包括1)重整區(qū)域，該重整區(qū)域適用于對蒸汽和包括一種或更多種氣態(tài)烴的進料的經(jīng)汽化混合物進行重整，所述重整區(qū)域包含重整催化劑床，在該重整催化劑床中布置有重整催化劑而與所述重整區(qū)域中的蒸汽和進料的經(jīng)汽化混合物相接觸；以及2)與所述重整區(qū)域以氣態(tài)連通的形式進行耦合的一個或更多個重整區(qū)域入口，蒸汽、包括一種或更多種氣態(tài)烴的進料、或蒸汽與包括一種或更多種氣態(tài)烴的進料的經(jīng)汽化混合物通過所述一個或更多個重整區(qū)域入口而被引入到所述重整區(qū)域中；c)氫氣分離裝置，其具有1)可選擇性地透過氫氣的構件，該構件布置在重整反應器的重整區(qū)域中并與重整反應器的重整區(qū)域進行氣態(tài)連通，以及2)與上述構件進行氣態(tài)連通定位的氫氣出口，所述構件處于重整反應器的重整區(qū)域與氫氣出口之間以允許氫氣穿過所述構件從所述重整區(qū)域選擇性地流至氫氣出口，其中，所述氫氣出口與燃料電池的陽極入口以氣態(tài)連通的形式操作性地耦合。本發(fā)明的另一個方面涉及一種產(chǎn)生電的系統(tǒng)，包括a)固態(tài)氧化物燃料電池，包括1)陽極，該陽極具有⑴陽極入口(ii)陽極廢氣出口，其中，該陽極廢氣出口與陽極入口以氣態(tài)連通的形式操作性地連接；2)陰極；以及3)布置在陽極和陰極之間、與所述陽極和陰極相接觸并將所述陽極和陰極分開的電解質(zhì)；b)重整反應器，包括
1)重整區(qū)域，該重整區(qū)域適用于對蒸汽和包括一種或更多種氣態(tài)烴的進料的經(jīng)汽化混合物進行重整，所述重整區(qū)域包含重整催化劑床，在該重整催化劑床中布置有重整催化劑而與所述重整區(qū)域中的蒸汽和進料的經(jīng)汽化混合物相接觸；以及2)與所述重整區(qū)域以氣態(tài)連通的形式進行結合的一個或更多個重整區(qū)域入口，蒸汽、包括一種或更多種氣態(tài)烴的進料、或蒸汽與包括一種或更多種氣態(tài)烴的進料的經(jīng)汽化混合物通過所述一個或更多個重整區(qū)域入口而被引入到所述重整區(qū)域中；c)氫氣分離裝置，其具有1)可選擇性地透過氫氣的構件，該構件與重整反應器的重整區(qū)域以氣態(tài)連通的形式操作性地耦合，以及2)與上述構件以氣態(tài)連通的形式操作性地耦合的氫氣出口，所述構件處于重整反應器的重整區(qū)域與氫氣出口之間以允許氫氣穿過所述構件從所述重整區(qū)域選擇性地流至氫氣出口，其中，所述氫氣出口與燃料電池的陽極入口以氣態(tài)連通的形式操作性地耦合。

圖1為用于實踐本發(fā)明的方法的本發(fā)明系統(tǒng)的示意圖。圖2為用于實踐本發(fā)明的方法的包括重整反應器的本發(fā)明系統(tǒng)的示意圖。圖3為用于實踐本發(fā)明的方法的包括預重整反應器及重整反應器的本發(fā)明系統(tǒng) 的示意圖。圖4為本發(fā)明的系統(tǒng)的一部分的示意圖，其中氫氣分離裝置位于重整反應器的外部。圖5為用于根據(jù)本發(fā)明的方法產(chǎn)生電的本發(fā)明的基本系統(tǒng)的示意圖。圖6為用于根據(jù)本發(fā)明的方法產(chǎn)生電的本發(fā)明的基本系統(tǒng)的示意圖，其中氫氣分離裝置位于重整反應器的外部。
具體實施例方式本發(fā)明提供用于在利用固態(tài)氧化物燃料電池的系統(tǒng)中以高電力密度產(chǎn)生電的高效方法及用于執(zhí)行該方法的系統(tǒng)。本發(fā)明的方法由利用富氫燃料且最小化而非最大化燃料電池的每道燃料利用率而在固態(tài)氧化物燃料電池系統(tǒng)中產(chǎn)生比現(xiàn)有技術中揭示的系統(tǒng)高的電力密度，該方法由分離且再循環(huán)從燃料電池的燃料廢氣捕獲的氫氣且以選定流量饋送來自進料及再循環(huán)流的氫氣以最小化每道燃料利用而完成。在本發(fā)明的方法中，固態(tài)氧化物燃料電池的陽極在陽極的整個路徑長度上充滿氫氣，以使得陽極電極處可用于電化學反應的氫氣的濃度在整個陽極路徑長度上維持在高水平，由此最大化燃料電池的電力密度。由于氫氣具有比諸如一氧化碳的通常用于固態(tài)氧化物燃料電池系統(tǒng)中的其它可氧化化合物顯著更大的電化學電位，故在該方法中使用主要為且優(yōu)選幾乎全部為氫氣的富氫燃料則最大化了燃料電池系統(tǒng)的電力密度。本發(fā)明的方法還通過最小化而非最大化固態(tài)氧化物燃料電池中燃料的每道燃料利用率而最大化燃料電池系統(tǒng)的電力密度。最小化每道燃料利用率以減少貫穿燃料電池的陽極路徑長度的氧化產(chǎn)物(特別為水)的濃度，以使得貫穿陽極路徑長度維持高氫氣濃度。由于沿燃料電池的整個陽極路徑長度在陽極電極處存在過量氫氣用于電化學反應，因此，由燃料電池提供高電力密度。在旨在實現(xiàn)高的每道燃料利用率(例如，大于60%燃料利用)的方法中，在燃料在燃料電池中行進甚至一半長度之前，氧化產(chǎn)物的濃度可構成燃料流的大于30%，且可為燃料電池廢氣中氫氣的濃度的若干倍，以使得隨著提供至燃料電池的燃料經(jīng)由陽極前進，沿陽極路徑提供的電力可顯著減少。由于在燃料電池中未利用來產(chǎn)生電的氫氣被從燃料電池的陽極廢氣分離且繼續(xù) 再循環(huán)回至燃料電池，故本發(fā)明的方法是高度有效的。由于消除了與由于氫氣離開電池而不轉化成電能而損失能量相關聯(lián)的問題，這樣則能夠相對于燃料的最低加熱值產(chǎn)生高電力
也/又。本發(fā)明的系統(tǒng)經(jīng)設計以允許用富氫燃料對固態(tài)氧化物燃料電池進行氫氣充滿以使固態(tài)氧化物燃料電池的陽極電極處的氫氣的濃度在整個陽極路徑長度上維持高水平，以最大化燃料電池的電力密度。該系統(tǒng)包括置于重整反應器與固態(tài)氧化物燃料電池的陽極之間的氫氣分離裝置，其中可利用氫氣分離裝置來從經(jīng)重整的氣體分離氫氣且將該氫氣提供至燃料電池的陽極。該系統(tǒng)還設計成用以將燃料電池的陽極廢氣再循環(huán)回至燃料電池的陽極中，優(yōu)選地在將水從陽極廢氣移除之后進行此操作，這是由于當用于燃料電池的燃料為氫氣時廢氣主要由氫氣及水形成。通過將氫氣再循環(huán)回至燃料電池的陽極中，氫氣在整個陽極路徑長度上可維持于高濃度，而不損失退出燃料電池的氫氣的電化學電位。如本文中所用，除非另外規(guī)定，否則術語“氫氣”指代氫氣分子。如本文中所用，術語“氫氣源”指代可從其產(chǎn)生游離氫的化合物(例如，諸如甲烷的烴)，或這種化合物的混合物(例如，諸如天然氣的含烴混合物)。如本文中所用，“每單位時間燃料電池中形成的水的量”計算如下每單位時間燃料電池中形成的水的量=[每單位量測時間所量測的在燃料電池的陽極廢氣中退出燃料電池的水量]_[每單位量測時間存在于饋送至燃料電池的陽極的燃料中的水量]。舉例來說，若饋送至燃料電池的陽極的燃料中的水及在陽極廢氣中退出燃料電池的水的量的量測花費2分鐘，其中饋送至陽極的燃料中水的量測量為6摩爾，且在陽極廢氣中退出燃料電池的水的量測量為24摩爾，則如本文計算的在燃料電池中形成的水的量為(24摩爾/2分鐘)_(6摩爾/2分鐘)=12摩爾/分鐘-3摩爾/分鐘=9摩爾/分鐘。如本文中所用，當兩個或兩個以上組件被描述為“操作性地連接”或“操作性地耦合”時，這種組件則被限定為直接或間接地連接以允許這種組件之間的直接或間接流體流動。如本文中所用，術語“流體流動”指代氣體或流體的流動。當兩個或兩個以上組件被描述為“有選擇地操作性地連接”或“有選擇地操作性地耦合”時，所述組件則限定為直接或間接地連接或耦合以允許所述組件之間選定氣體或流體的直接或間接流體流動。當用在“操作性地連接”或“操作性地耦合”的定義中時，術語“間接流體流動”意味著當流體或氣體在兩個界定的組件之間流動時，兩個界定的組件之間流體或氣體的流動可被導引經(jīng)過一個或更多個額外組件以改變流體或氣體的一個或更多個方面?？稍陂g接流體流動中改變的流體或氣體的方面包括物理特征，諸如氣體或流體的溫度或壓力，和/或氣體或流體的組成，例如，通過分離氣體或流體的組份，例如，通過從含有蒸汽的氣流來冷凝水。如本文中限定的那樣，“間接流體流動”不包括由化學反應(例如，流體或氣體的一個或更多個元素的氧化或還原)在兩個界定的組件之間改變氣體或流體的組成。
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如本文中所用，術語“可選擇性地透過氫氣”界定為氫氣分子或元素態(tài)氫可滲透且其它元素或化合物不可滲透，以使得至多10%、或至多5%，或至多的非氫元素或化合物可滲透分子態(tài)氫或元素態(tài)氫可滲透的物質(zhì)。如本文中所用，術語“高溫氫氣分離設備”界定為在至少250°C的溫度下(通常在從300°C至650°C的溫度下)從氣流有效地分離分子態(tài)或元素態(tài)形式的氫的設備或裝置。如本文中所用，當指代在固態(tài)氧化物燃料電池中的燃料中利用氫氣時，“每道氫氣利用率”則界定為在經(jīng)由固態(tài)氧化物燃料電池的一道中用以產(chǎn)生電的燃料中的氫氣的量相對于就該道而言輸入至燃料電池中的燃料中氫氣的總量的比率?？赏ㄟ^量測饋送至燃料電池的陽極的燃料中氫氣的量，量測燃料電池的陽極廢氣中氫氣的量，從饋送至燃料電池的燃料中氫氣的量測量減去燃料電池的陽極廢氣中的氫氣的量測量以確定在燃料電池中使用的氫氣的量，且使在燃料電池中使用的氫氣的計算量除以饋送至燃料電池的燃料中氫氣的量測量而計算每道氫氣利用率。每道氫氣利用率可由使經(jīng)計算的每道氫氣利用乘以100 而表示為百分數(shù)?，F(xiàn)參看圖1，下面將描述本發(fā)明的方法。在本發(fā)明的方法中，將含有氫氣或氫氣源的第一氣流經(jīng)由管線1饋送至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽極入口 3。計量閥7可用于選擇并控制第一氣流至固態(tài)氧化物燃料電池5的流量。在一實施例中，第一氣流可含有至少0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8、或至少0. 9、或至少0. 95，或至少0. 98克分子份數(shù)(mole fraction)的氧氣。在本發(fā)明的方法的一實施例中，利用含有一種或更多種烴的進料產(chǎn)生氫氣的氫氣產(chǎn)生器9可經(jīng)由管線1操作性地連接至固態(tài)氧化物燃料電池5，其中氫氣產(chǎn)生器9可產(chǎn)生待饋送至固態(tài)氧化物燃料電池5的第一氣流或可產(chǎn)生含有氫氣及一種或更多種其它化合物的產(chǎn)物氣體，含有氫氣的第一氣流可從所述產(chǎn)物氣體分離且接著饋送至固態(tài)氧化物燃料電池5。為本發(fā)明的方法的目的，詞組“從含有一種或更多種烴的進料產(chǎn)生含有氫氣的第一氣流”是指包括(例如)由形成含有氫氣及一種或更多種其它化合物的產(chǎn)物氣體而直接產(chǎn)生第一氣流，以及由首先從進料產(chǎn)生產(chǎn)物氣體(例如由對進料進行蒸汽重整或催化性部分氧化進料)且從產(chǎn)物氣體分離第一氣流而間接地產(chǎn)生第一氣流。氫氣產(chǎn)生器9可為烴重整反應器、操作性地耦合至或整合高溫氫氣分離設備的烴重整反應器、催化性部分氧化反應器或操作性地耦合至高溫氫氣分離設備的催化性部分氧化反應器?；蛘?，直接式氫氣供應部 (諸如氫氣儲存槽)可操作性地連接至固態(tài)氧化物燃料電池5以經(jīng)由管線1將第一氣流提供至燃料電池5的陽極入口 3。若氫氣產(chǎn)生器9為烴重整反應器，則烴重整反應器可為將一種或更多種烴及蒸汽轉化成氫氣及碳氧化物(優(yōu)選包括常規(guī)的重整催化劑以降低實現(xiàn)該反應所需的能量)的任一適當設備。優(yōu)選地，在從烴進料洗滌硫以避免污染重整催化劑之后，將烴進料(優(yōu)選為低分子量烴或低分子量烴的混合物)及蒸汽饋送至烴重整反應器以用于反應。優(yōu)選地，烴進料為含有甲烷的氣流，且烴重整反應器為用于通過蒸汽重整反應將含有甲烷的氣流重整成氫氣及碳氧化物的蒸汽重整反應器。視蒸汽重整反應器的操作溫度而定，重整反應器亦可實現(xiàn)水煤氣變換反應以由作為重整反應的結果存在的蒸汽及一氧化碳生成更多氫氣。蒸汽重整反應器可在從650°C至1000°C的溫度下操作，或如下文描述，當結合高溫氫氣分離設備使用時，在從400°C至650°C的溫度下操作以實現(xiàn)重整反應，從而將甲烷或其它烴氣體轉化成氫氣及碳氧化物。用以產(chǎn)生氫氣及碳氧化物的甲烷/烴蒸汽重整反應為非常吸熱的，且使用較高溫度有利于氫氣的產(chǎn)生。在一實施例中，在2. 5MPa至3MPa的壓力下將天然氣饋送至重整反應器，且在其中與蒸汽在從800°C至1000°C的溫度下反應以產(chǎn)生含有氫氣及一氧化碳的經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體，產(chǎn)物氣體可作為第一氣流經(jīng)由管線1饋送至燃料電池5的陽極11。在一實施例中，氫氣產(chǎn)生器9可為與用于對包含液態(tài)烴的進料前驅(qū)物進行汽化、裂化和/或重整以形成進料的預重整反應器耦合的用于重整包含氣態(tài)烴的進料的烴重整反應器。包含在大氣壓下在從0°c至350°C的溫度下為液體的烴的進料前驅(qū)物可饋送至預重整反應器以用于與在從400°C至1000°C的溫度下的蒸汽反應。進料前驅(qū)物與蒸汽(其中蒸汽與進料前驅(qū)物的比率至少為2、或至少為3、或至少為4或至少為5)可在預重整反應器中混合(優(yōu)選接觸預重整催化劑)以汽化，且可選地裂化和/或重整進料前驅(qū)物，從而形成可饋送至重整反應器的氣態(tài)烴進料。在一實施例中，在預重整反應器中，從進料前驅(qū)物產(chǎn)生的氣態(tài)烴進料可包含至少50%或至少60%或至少70%的甲烷。在一優(yōu)選實施例中，烴重整反應器操作性地連接至高溫氫氣分離設備或?qū)⒏邷貧?氣分離設備包括于重整反應器內(nèi)。高溫氫氣分離設備可包含分子形式或元素態(tài)形式的氫可選擇性地滲透的部件。在一優(yōu)選實施例中，高溫氫氣分離設備包含可選擇性地透過氫氣的膜。在一實施例中，高溫氫氣分離設備包含可選擇性地透過氫氣的涂覆有鈀或鈀合金的管狀膜。若高溫氫氣分離設備操作性地連接至重整反應器而非位于反應器內(nèi)，則高溫氫氣分離設備操作性地連接至重整反應器以使得來自重整反應器的含有氫氣及碳氧化物的經(jīng) 重整的產(chǎn)物氣體與高溫氫氣分離設備接觸，以分離氫氣與經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體中的其它化合物。由高溫氫氣分離設備從經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體分離的氫氣可作為第一氣流經(jīng)由管線1饋送至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽極11。若高溫氫氣分離設備位于重整反應器中，則其可位于一位置中以使得經(jīng)重整的產(chǎn) 物氣體在重整反應器的重整區(qū)域中接觸高溫氫氣分離設備的選擇性氫氣可滲透部件，且當實現(xiàn)重整反應時從重整區(qū)域分離氫氣。高溫氫氣分離設備可具有可經(jīng)由管線1操作性地耦合至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽極11的氫氣出口，以使得由重整反應器中的高溫氫氣分離設備分離的氫氣可作為第一氣流從重整反應器饋送至燃料電池5的陽極11。蒸汽重整反應器與操作性地連接至蒸汽重整反應器或位于反應器中的高溫氫氣分離設備的結合使用能夠?qū)崿F(xiàn)1)使得在從由常規(guī)蒸汽重整反應器產(chǎn)生的氫氣濃度至基本上僅含氫氣的范圍中選定第一氣流的氫氣濃度；2)能夠使蒸汽重整反應在較低溫度(例如，從400°C至650°C)進行；以及3)與常規(guī)蒸汽重整反應器中的可能產(chǎn)生量相比，每單位烴燃料產(chǎn)生更多氫氣，這是由于蒸汽重整及水煤氣變換反應都可在反應器中在反應器可運行的較低溫度下發(fā)生，且由從經(jīng)重整的產(chǎn)物移除氫氣而驅(qū)動這種平衡反應來完成。在該方法的一實施例中，氫氣產(chǎn)生器9為含有常規(guī)重整催化劑及高溫氫氣分離設備的蒸汽重整反應器，優(yōu)選地包含有選擇地可滲透氫氣的一個或更多個涂覆有鈀的管狀膜，其中送至蒸汽重整反應器的進料選定為蒸汽及甲烷或天然氣，且重整反應器的操作溫度選定為從400°C至650°C。在選定溫度下，重整反應器對進料進行將甲烷及水轉化成氫氣及一氧化碳的蒸汽重整反應，且進行將一氧化碳及蒸汽轉化成氫氣及二氧化碳的水煤氣變換反應。氫氣分離設備分離在重整反應器中產(chǎn)生的氫氣，將氫氣作為第一氣流經(jīng)由管線1 傳遞至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽極入口 3。氫氣從重整反應器的分離驅(qū)動重整反應及水煤氣變換反應，從而由進料及蒸汽產(chǎn)生更多氫氣?？蛇x地，如上文描述，氫氣分離設備可位于重整反應器的外部，且重整反應器可在從400°C至650°C的范圍選出的溫度下操作，其中由氫氣分離設備從經(jīng)重整的產(chǎn)物分離氫氣來驅(qū)動重整反應及水煤氣變換反應，從而從進料及蒸汽產(chǎn)生更多氫氣。在該方法的一實施例中，重整反應器可與高溫氫氣分離設備組合使用，其中重整反應器的操作溫度可選定為大于650°C且高達1000°C。在這種操作溫度下，由于這種高操作溫度可不利地影響高溫氫氣分離設備的效能，故高溫氫氣分離設備優(yōu)選位于重整反應器的外部。在一實施例中，當重整反應器的操作溫度選定為超過650°C時，熱交換器可操作性地連接于重整反應器的出口與氫氣分離設備之間以在退出重整反應器的經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體接觸氫氣分離設備之前將該退出重整反應器的經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體冷卻至650°C或更低的溫度。熱交換器可用于加熱進入重整反應器的蒸汽或進料，或者進入耦合至重整反應器的預重整反應器的進料前驅(qū)物。經(jīng)冷卻的重整產(chǎn)物氣流可接著與高溫氫氣分離設備接觸以從經(jīng)冷卻的重整產(chǎn)物氣流分離氫氣流，且經(jīng)分離的氫氣流可作為第一氣流傳遞至燃料電池5 的陽極11。在該方法的另一實施例中，氫氣產(chǎn)生器9可為催化性部分氧化重整反應器。若氫氣產(chǎn)生器為催化性部分氧化重整反應器，則部分氧化重整反應器可為將烴進料及氧氣源燃燒成氫氣及碳氧化物的任一適當設備，且該設備包括常規(guī)的部分氧化催化劑以降低實現(xiàn)該反應所需的能量。烴進料(優(yōu)選為天然氣或包括諸如甲烷、丙烷及丁烷的氣態(tài)低分子量烴及諸如石腦油、煤油及柴油的液態(tài)低分子量烴的低分子量烴)及氧氣源(優(yōu)選為空氣)饋送至催化性部分氧化反應器，以使得在進料中氧氣相對于烴以低于化學計量 (substoichimetric)的比率存在。進料必須相對無硫以防止污染催化劑，因此，必要時，烴進料可在饋送至催化性部分氧化反應器之前洗掉硫。烴進料及氧氣源可在催化性部分氧化重整反應器中在存在部分氧化催化劑時一起燃燒以形成含有氫氣及一氧化碳的部分氧化產(chǎn)物氣體。燃燒可在從800°C至1000°C或更高的溫度下進行。催化性部分氧化重整反應器可經(jīng)由管線1操作性地連接至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽極11，以使得部分氧化重整反應器中產(chǎn)生的氫氣及一氧化碳可作為第一氣流饋送至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽極11。在一實施例中，部分氧化產(chǎn)物氣體可在饋送至燃料電池5的陽極11之前通過熱交換加以冷卻。部分氧化產(chǎn)物氣體可在熱交換器中交換熱，其中，來自部分氧化產(chǎn)物氣體的熱可用于加熱進入重整反應器的蒸汽或進料，或者加熱進入耦合至重整反應器的預重整反應器的進料前驅(qū)物。經(jīng)冷卻的部分氧化產(chǎn)物氣體可接著作為第一氣流傳遞至燃料電池5的陽極11。在該方法的一實施例中，氫氣產(chǎn)生器9為操作性地連接至高溫氫氣分離設備的催化性部分氧化重整反應器。高溫氫氣分離設備(優(yōu)選地包含可選擇性地透過氫氣的涂覆有鈀的管狀膜)可操作性地連接至部分氧化重整反應器的出口，以使得可將氫氣與來自部分氧化重整反應器的部分氧化產(chǎn)物氣體中的碳氧化物及其它化合物分離。高溫氫氣分離設備可經(jīng)由管線1操作性地連接至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽極入口 3，因此從部分氧化產(chǎn)物氣體分離的氫氣可饋送至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽極11。在一實施例中，催化性部分氧化反應器及高溫氫氣分離設備經(jīng)由熱交換器操作性地連接，其中，熱交換器在來自催化性部分氧化反應器的輸出氣體接觸氫氣分離設備之前將輸出氣體冷卻至650°C或更低的溫度。在本發(fā)明的方法中，由諸如重整反應器或催化性部分氧化反應器的氫氣產(chǎn)生設備 9產(chǎn)生的第一氣流可含有至少0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8、或至少0. 9、或至少0. 95克分子份數(shù)的氫氣?？蓛?yōu)選使用如上文描述的高溫氫氣分離設備，而從重整反應器或催化性部分氧化反應器的反應產(chǎn)物氣體分離氫氣而將含有這種較高量氫氣的第一氣流提供至固態(tài) 氧化物燃料電池5。在一實施例中，當由氫氣產(chǎn)生器7產(chǎn)生的第一氣流被饋送至燃料電池5 的陽極11時，其可具有從350°C至600°C的溫度?；蛘撸谝粴饬骺蔀轲佀椭凉虘B(tài)氧化物燃料電池5的陽極11的蒸汽及含有可充當氫氣源的低分子量烴(優(yōu)選為甲烷或天然氣)的烴進料。烴進料及蒸汽可在固態(tài)氧化物燃料電池中內(nèi)部地重整成氫氣及碳氧化物以提供燃料從而在燃料電池中產(chǎn)生電。在一實施例中，饋送至燃料電池5的陽極11的包含含有氫氣源的烴進料的第一氣流可由與退出燃料電池5的陽極廢氣流的熱交換而加熱至至少300°C，或從350°C至650°C的溫度以提供熱，從而驅(qū)動燃料電池5中的吸熱重整反應。在本發(fā)明的一方法中，含有氫氣的第二氣流經(jīng)由管線10及管線1通過固態(tài)氧化物燃料電池5的陽極入口 3饋送至陽極11。如下文進一步詳細描述，自陽極廢氣流產(chǎn)生第二氣流。饋送至燃料電池5的第二氣流可含有至少0. 8、至少0. 9、至少0. 95或至少0. 98克分子份數(shù)的氫氣。計量閥12可用于選擇并控制饋送至燃料電池5的陽極11中的第二氣流的流量。饋送至燃料電池5的第二氣流可與第一氣流一樣饋送至陽極入口 3，或可通過連接管線10與管線1(如圖所示)在饋送至陽極入口 3之前與第一氣流混合，或可經(jīng)由與將第一氣流饋送至燃料電池5中的陽極入口 3不同的陽極入口 3饋送至燃料電池5的陽極11 中(圖上未示)。在本發(fā)明的方法中，固態(tài)氧化物燃料電池5可為常規(guī)固態(tài)氧化物燃料電池(優(yōu)選地具有管狀或平面結構)，且包含陽極11、陰極13及電解質(zhì)15，其中電解質(zhì)15插于陽極11 與陰極13之間且接觸陽極11及陰極13。固態(tài)氧化物燃料電池5可包含堆棧在一起(由互連件電接合且操作性地連接)的多個單獨的燃料電池，以使得第一及第二氣流可流過堆棧的燃料電池的陽極且含氧氣體可流過堆棧的燃料電池的陰極。如本文中所用，術語“固態(tài)氧化物燃料電池”界定為單一固態(tài)氧化物燃料電池或多個操作性地連接或堆棧的固態(tài)氧化物燃料電池。燃料電池構造成使得第一及第二氣流可從陽極入口 3流過燃料電池的陽極11至陽極排氣口 17，從而接觸從陽極入口 3至陽極排氣口 17的陽極路徑長度上的一個或更多個陽電極。燃料電池還構造成使得含氧氣體可自陰極入口 19流過陰極13至陰極排氣口 21，從而接觸自陰極入口 19至陰極排氣口 21的陰極路徑長度上的一個或更多個陰電極。電解質(zhì)15置于燃料電池中以防止第一及第二氣流進入陰極且防止含氧氣體進入陽極，且將氧離子從陰極引導至陽極以用于在一個或更多個陽極電極處與陽極氣流(諸如氫氣，及可選地，一氧化碳)中的可氧化化合物的電化學反應。氣流饋送至陽極及陰極以提供在燃料電池5中產(chǎn)生電所必要的反應物。如上文論述，含有氫氣或氫氣源的第一氣流以及含有氫氣的第二氣流經(jīng)由一個或更多個陽極入口 3 饋送至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽極11。含氧氣流經(jīng)由管線25從含氧氣源23饋送至燃料電池5的陰極入口 19。計量閥26可用于選擇并控制含氧氣流饋送至燃料電池5的陰極13的流量。含氧氣流可為空氣或純氧氣。在一實施例中，含氧氣流可為含至少21%的氧氣的富氧空氣?？稍陴佀椭寥剂想姵?的陰極13之前在熱交換器27中加熱含氧氣體，優(yōu)選由與退出燃料電池5的陰極排氣口 21且經(jīng)由管線28連接至熱交換器27的氧氣耗盡陰極廢氣流交換熱來加熱含氧氣體。在一實施例中，含氧氣體可在饋送至燃料電池5的陰極13之前被加熱至150°C至350°C的溫度。在一實施例中，含氧氣體通過經(jīng)由熱交換器27及陰極入口 19操作性地連接至燃料電池5的陰極13的空氣壓縮機23而提供至燃料電池5。在本發(fā)明的方法中，使第一氣流及第二氣流與在固態(tài)氧化物燃料電池5的陽電極中的一個或更多個處的氧化劑混合以產(chǎn)生電。氧化劑優(yōu)選為從流過燃料電池5的陰極13 的含氧氣流中的氧氣得到且被傳導越過燃料電池的電解質(zhì)的氧離子。如下文進一步詳細論述，通過將第一氣流、第二氣流及含氧氣流以選定的獨立流量饋送至燃料電池5而在燃料電池5的一個或更多個陽極電極處在陽極中混合第一氣流、第二氣流及氧化劑。優(yōu)選地，在燃料電池的一個或更多個陽極電極處混合第一氣流、第二氣流及氧化劑以按至少0. 4W/ cm2、或至少 0. 5W/cm2、或至少 0. 75W/cm2、或至少 lW/cm2、或至少 1. 25ff/cm2 或至少 1. 5ff/cm2 的電力密度產(chǎn)生電。固態(tài)氧化物燃料電池5在能夠有效地使氧離子從陰極13穿越電解質(zhì)15到達燃料電池5的陽極11的溫度下操作。固態(tài)氧化物燃料電池5可在從700°C至1100°C的溫度下、或從800°C至1000°C的溫度下操作。氫氣在一個或更多個陽極電極處與氧離子的氧化反應為發(fā)出大量熱的反應，且反應的熱產(chǎn)生了操作固態(tài)氧化物燃料電池5所需的熱。固態(tài)氧化物燃料電池被操作所處的溫度可通過獨立地控制第一氣流、第二氣流及含氧氣流的溫度及這些氣流饋送至燃料電池的流量而加以控制。在一實施例中，饋送至燃料電池的第二氣流的溫度被控制為至多100°c的溫度，含氧氣流的溫度被控制為至多300°C的溫度，且第一氣流的溫度被控制為至多550°C的溫度，以維持固態(tài)氧化物燃料電池的操作溫度在從700°C 至1000°C的范圍內(nèi)，且優(yōu)選地在從800°C至900°C的范圍內(nèi)。為起動燃料電池5的操作，將燃料電池5加熱至其操作溫度。在一優(yōu)選實施例中，可通過在催化性部分氧化重整反應器30中產(chǎn)生含氫氣流且將含氫氣流經(jīng)由管線31及管線 1饋送至固態(tài)氧化物燃料電池的陽極11來起動固態(tài)氧化物燃料電池5的操作?？赏ㄟ^在存在常用部分氧化重整催化劑的情況下在催化性部分氧化重整反應器30中燃燒烴進料及氧氣源而在催化性部分氧化重整反應器30中產(chǎn)生含氫氣流，其中將氧氣源以相對于烴進料低于化學計量的量饋送至催化性部分氧化重整反應器30。饋送至催化性部分氧化重整反應器30的烴進料可為液態(tài)或氣態(tài)烴或烴的混合物，且優(yōu)選為甲烷、天然氣或其它低分子量烴或低分子量烴的混合物。在一實施例中，若氫氣源9為烴重整反應器，則饋送至催化性部分氧化重整反應器30的烴進料可為與在氫氣源 9烴重整反應器中使用的類型相同類型的進料以減少進行該方法所需的烴進料的數(shù)目。在另一實施例中，當氫氣源9為催化性部分氧化重整反應器時，氫氣源9可充當用于起動燃料電池5的操作的催化性部分氧化重整反應器，以使得不需要額外的催化性部分氧化重整反應器30。饋送至催化性部分氧化重整反應器30的含氧進料可為純氧氣、空氣或富氧空氣。優(yōu)選地，含氧進料為空氣。含氧進料應以相對于烴進料低于化學計量的量饋送至催化性部分氧化重整反應器30以在催化性部分氧化重整反應器中與烴進料燃燒。由在催化性部分氧化重整反應器30中烴進料和含氧氣體的燃燒形成的含氫氣流含有可在燃料電池5的陽極11中通過接觸在陽電極的一個或更多個處的氧化劑而氧化的化合物，包括氫氣及一氧化碳，以及諸如二氧化碳的其它化合物。來自催化性部分氧化重整反應器30的含氫氣流優(yōu)選地不含有可氧化燃料電池5的陽極11中的一個或更多個陽電極的化合物。在催化性部分氧化重整反應器30中形成的含氫氣流為熱的，且可具有至少 700°C、或從700°C至1100°C或從800°C至1000°C的溫度。使用來自催化性部分氧化重整反應器30的熱氫氣氣流來觸發(fā)固態(tài)氧化物燃料電池5的啟動在本發(fā)明的方法中為優(yōu)選的，這是由于其使得燃料電池5的溫度能夠幾乎瞬時地上升至燃料電池5的操作溫度。在一實施例中(圖上未示)，當起動燃料電池5的操作時，可在熱交換器27中在來自催化性部分氧化重整反應器30的熱含氫氣體與饋送至燃料電池5的陰極13的含氧氣體之間進行交換熱。假設氫氣源9并非用于起動燃料電池5的操作的催化性部分氧化重整反應器，則一旦到達燃料電池5的操作溫度，則從催化性部分氧化重整反應器30至燃料電池5中的熱含氫氣流的流動可由閥33切斷，同時通過打開閥7而將來自氫氣源9的第一氣流饋送至陽極11中。然后，燃料電池的連續(xù)操作可根據(jù)本發(fā)明的方法進行。若氫氣源9為用于起動燃料電池5的操作的催化性部分氧化重整反應器，則在燃料電池5已達到其操作溫度后，來自催化性部分氧化重整反應器的熱含氫氣體可被作為第一氣流饋送至燃料電池5以用于連續(xù)操作。在一實施例中，來自催化性部分氧化反應器的熱含氫氣體可如上文描述在熱交換器中冷卻，和/或可在將氫氣作為第一氣流饋送至燃料電池5的陽極11以用于燃料電池5的連續(xù)操作之前使用高溫氫氣分離設備從所述熱含氫氣體分離該氫氣。在另一實施例中(未在圖1中顯示)，燃料電池的操作可使用來自氫氣儲存槽的氫氣啟動氣流而觸發(fā)，該氫氣啟動氣流可經(jīng)過啟動加熱器以在將第一氣流引入至燃料電池中之前使燃料電池升至其操作溫度。氫氣儲存槽可操作性地連接至燃料電池以允許將氫氣啟動氣流引入至固態(tài)氧化物燃料電池的陽極中。所述啟動加熱器可間接地將氫氣啟動氣流加熱至從750°C至1000°C的溫度。所述啟動加熱器可為電加熱器或可為燃燒加熱器。一旦達到燃料電池的操作溫度，可由一閥切斷氫氣啟動氣流至燃料電池中的流動，且可通過打開從氫氣產(chǎn)生器至燃料電池的陽極的閥而將第一氣流引入至燃料電池中以開始燃料電池的操作。再參看圖1，在燃料電池5的操作的起始期間，可將含氧氣流引入至燃料電池5的陰極13中。含氧氣流可為空氣、含有至少21%的氧氣的富氧空氣或純氧氣。優(yōu)選地，含氧氣流可為在開始燃料電池的操作之后在燃料電池5的操作期間饋送至陰極13的含氧氣流。在一優(yōu)選實施例中，在燃料電池的啟動期間饋送至燃料電池的陰極13的含氧氣流具有至少500°C、優(yōu)選地至少650°C，且更優(yōu)選地至少750°C的溫度。含氧氣流可在饋送至固態(tài)氧化物燃料電池5的陰極13之前由電加熱器加熱。在一優(yōu)選實施例中，用于起動燃料電池5的操作的含氧氣流可在饋送至燃料電池5的陰極13之前在熱交換器27中通過與來自燃料電池啟動催化性部分氧化重整反應的熱含氫氣流進行熱交換而受到加熱。在本發(fā)明的方法中，在燃料電池5的操作期間，在一個或更多個陽極電極處混合
14第一、第二氣流與氧化劑并通過利用氧化劑氧化存在于饋送至燃料電池的第一及第二氣流中的氫氣的一部分而產(chǎn)生水(為蒸汽)。由氧化劑對氫氣的氧化所產(chǎn)生的水被第一及第二氣流的未反應部分吹掃過燃料電池的陽極，作為陽極廢氣流的一部分退出陽極。在本發(fā)明的方法中，陽極廢氣流含有相當大量氫氣。在本發(fā)明的方法的一個方面中，陽極廢氣流可包含至少0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8，或至少0. 9克分子份數(shù)的氫氣。若氫氣產(chǎn)生器9為未耦合至高溫氫氣分離設備或未與高溫氫氣分離設備整合的蒸汽重整反應器或部分催化性氧化反應器，則陽極廢氣流亦含有水，且可含有碳氧化物，特別是二氧化碳及一氧化碳。在本發(fā)明的方法中，陽極廢氣流在其退出陽極排氣口 17時與燃料電池5分離。可從陽極廢氣流分離其中含有的氫氣以形成第二氣流。陽極廢氣流在高溫下(通常至少 SOO0C )退出固態(tài)氧化物燃料電池，且必須在分離陽極廢氣流中的氫氣以形成第二氣流之前加以冷卻?？赏ㄟ^將來自陽極排氣口 17的陽極廢氣流經(jīng)由管線35傳遞過一個或更多個熱交換器37而冷卻陽極廢氣流，以將陽極廢氣流冷卻至可從陽極廢氣流分離氫氣的溫度。在一實施例中，可在一個或更多個熱交換器37中在陽極廢氣流與蒸汽之間交換熱以產(chǎn)生高壓蒸汽。高壓蒸汽可在渦輪機(圖上未示)中膨脹以驅(qū)動一個或更多個壓縮機，其中的一個壓縮機可在將第二氣流饋送至燃料電池5之前壓縮第二氣流?？蛇x地，高壓蒸汽可在渦輪機(圖上未示)中膨脹以產(chǎn)生除了由燃料電池5產(chǎn)生的電力之外的電力。在另一實施例中，可在陽極廢氣流與一個或更多個水流之間交換熱以產(chǎn)生用于住宅建筑中的熱水。若利用燃料電池5產(chǎn)生用于住宅或小住宅群的電且燃料電池5位于住宅附近處，則此實施例是尤其有用的。在本發(fā)明的方法的一實施例中，可通過將冷卻的陽極廢氣流傳送經(jīng)過經(jīng)由管線 35,38操作性地連接至陽極排氣口 17的氫氣分離設備39及一個或更多個熱交換器37而從經(jīng)冷卻的陽極廢氣流分離氫氣，以形成第二氣流。在一實施例中，陽極廢氣流可冷卻至從 250°C至650°C的溫度，且氫氣分離設備39可為諸如可選擇性地透過氫氣的涂覆有鈀的膜的高溫氫氣分離設備。在另一實施例中，陽極廢氣流可冷卻至低于250°C的溫度，且氫氣分離設備39可為諸如壓力變化吸附器的低溫氫氣分離設備。在本發(fā)明的方法的一實施例中，陽極廢氣流可在高壓(例如，至少0. 2MPa、或至少 0. 5MPa、或至少IMPa，或至少2MPa的壓力)下提供至氫氣分離設備39以促進從陽極廢氣分離氫氣。在一實施例中，氫氣產(chǎn)生器9可在高壓下將第一氣流提供至燃料電池5，且隨后在高壓下將陽極廢氣流提供至氫氣分離設備39，使得可由可選擇性地透過氫氣的膜有效地從陽極廢氣流分離氫氣。舉例而言，若氫氣產(chǎn)生器9為未操作性地耦合至或未操作性地整合于含有可選擇性地透過氫氣的膜的高溫氫氣分離設備的蒸汽重整反應器或催化性部分氧化反應器，則第一氣流可在高壓下提供至燃料電池5。在另一實施例中，陽極廢氣流可如上文描述由與陽極廢氣流進行熱交換而驅(qū)動的壓縮機壓縮，以促進由高溫氫氣分離設備39 從陽極廢氣流分離氫氣。高溫氫氣分離設備39可從存在于陽極廢氣流中的烴及諸如一氧化碳及二氧化碳的碳氧化物分離氫氣。在本發(fā)明的方法的一實施例中，假設陽極廢氣流基本上由氫氣及水組成，則經(jīng)冷卻的陽極廢氣流可經(jīng)由管線38、41從一個或更多個熱交換器37饋送至冷凝器43以從陽極廢氣流分離第二氣流而不首先饋送至氫氣分離設備39。當氫氣產(chǎn)生器9為操作性地連接至高溫氫氣分離設備或與高溫氫氣分離設備整合的氫氣槽、或重整反應器或催化性部分氧化反應器時，陽極廢氣流可基本上由氫氣及水組成，以使得饋送至燃料電池5的第一氣流主要含有氫氣及很少或無碳氧化物。為在冷凝器中將第二氣流從陽極廢氣流分離，可由一個或更多個熱交換器37將陽極廢氣流冷卻至足夠低的溫度(例如，低于100°C、或低于90°C，或低于80°C )以使水在冷凝器43中從陽極廢氣流冷凝，以使得氫氣可與經(jīng)冷凝的水分離而作為第二氣流?？蓮睦淠?3移除在冷凝器43中冷凝的水，經(jīng)由管線47送至聚水器45。在此實施例中，可將由氫氣與水分離所形成的小部分第二氣流作為瀉放流傳送過氫氣分離設備49，以移除可存在于第二氣流中的任何少量碳氧化物，這種碳氧化物是由于在產(chǎn)生第一氣流時與重整反應器或部分氧化反應器相結合利用的高溫氫氣分離設備對氫氣與碳氧化物的不完全分離造成的?？衫脼a放閥51及閥50控制瀉放流至氫氣分離設備 49的流動。在一實施例中，在將瀉放流饋送至氫氣分離設備49之前可利用壓縮機53壓縮瀉放流。壓縮機53可通過由在一個或更多個熱交換器37中與陽極廢氣流的熱交換產(chǎn)生的高溫蒸汽或在熱交換器27中與陰極廢氣流的熱交換產(chǎn)生的高溫蒸汽驅(qū)動。氫氣分離設備可為壓力變化吸附裝置或可選擇性地透過氫氣的膜?？山?jīng)由管線55饋送回由氫氣分離設備49從瀉放流分離的氫氣以在管線10中與第二氣流重結合。在本發(fā)明的方法的另一實施例中，由氫氣分離設備39分離的第二氣流可經(jīng)由管線41饋送至冷凝器43以將第二氣流中的氫氣與用于從經(jīng)冷卻的陽極廢氣流分離氫氣的蒸汽相分離。舉例來說，當氫氣分離設備39利用可選擇性地透過氫氣的膜分離氫氣與陽極廢氣中的其它化合物時，蒸汽吹掃氣體可被用于通過將由膜分離的氫氣吹掃離開膜并離開氫氣分離設備39而促進氫氣的分離?？赏ㄟ^在冷凝器39中由組合的第二氣流及吹掃氣體來冷凝水而將第二氣流中的氫氣與吹掃氣體中的蒸汽分離。在必要時，可通過在組合的第二氣流及吹掃氣體退出氫氣分離設備39之后及將組合的第二氣流及吹掃氣體饋送至冷凝器 43之前將所述組合的第二氣流及吹掃氣體進給經(jīng)過一個或更多個熱交換器(圖上未示)，而將組合的第二氣流及蒸汽吹掃氣體冷卻至足夠低的溫度以使水在冷凝器43中冷凝。可從冷凝器43移除在冷凝器中冷凝的水，并將其經(jīng)由管線47送至聚水器45。在本發(fā)明的方法的一實施例中，不從陽極廢氣流或不從第二氣流冷凝水，且在該方法中未利用冷凝器43。通過將經(jīng)冷卻的陽極廢氣流傳送過可有效地將氫氣與水以及諸如碳氧化物的其它化合物分離的壓力變化吸附設備39，當從經(jīng)冷卻的陽極廢氣流分離第二氣流時，無需從陽極廢氣流或第二氣流冷凝水。在本發(fā)明的方法的一實施例中，從陽極廢氣流分離的氫氣的一部分可從第二氣流分離且饋送至氫氣槽57。氫氣可經(jīng)由計量閥59饋送至氫氣槽57?？赏ㄟ^調(diào)整閥59選擇并控制第二氣流至燃料電池5的流量以調(diào)節(jié)氫氣至氫氣槽57的流動以及第二氣流至燃料電池5的流動。第二氣流(無論是由與冷凝器43組合的氫氣分離設備39、單獨的氫氣分離設備 39還是單獨的冷凝器43從經(jīng)冷卻的陽極廢氣流產(chǎn)生)經(jīng)由管線10及管線1饋送回至固態(tài) 氧化物燃料電池5的陽極11，其中饋送至陽極的第二氣流的流量可由閥59及閥12控制。第二氣流可含有至少0. 8、至少0. 9、至少0. 95或至少0. 98克分子份數(shù)的氫氣。在一實施例中，可使用壓縮機47壓縮第二氣流以增加饋送至陽極11的第二氣流的壓力。饋送至燃料電池5的陽極11的第二氣流的壓力可增加至至少0. 15MPa、或至少0. 5MPa、或至少IMPa、或至少2MPa，或至少2. 5MPa。用以驅(qū)動壓縮機47壓縮饋送至燃料電池5的陽極11的能量可通過由在一個或更多個熱交換器37中與陽極廢氣流的熱交換產(chǎn)生的高壓蒸汽或通過由在熱交換器27中與陰極廢氣流的熱交換產(chǎn)生的高壓蒸汽提供。在本發(fā)明的方法中，在含氧氣流的流量經(jīng)選定以足以提供足夠氧化劑至陽極而與第一及第二氣流中的燃料反應的情況下，可獨立地選擇第一氣流饋送至陽極的流量及第二氣流饋送至陽極11的流量，以使得每單位時間燃料電池中形成的水的量與陽極廢氣中氫氣的量的比率為至多1. 0、或至多0. 75、或至多0. 67、或至多0. 43、或至多0. 25，或至多 0. 11。在一實施例中，可以摩爾為單位量測燃料電池中形成的水的量與陽極廢氣中氫氣的量，以使得每單位時間以摩爾計的燃料電池中形成的水的量與陽極廢氣中氫氣的量的比率為至多1. 0、或至多0. 75、或至多0. 67、或至多0. 43、或至多0. 25，或至多0. 11。在本發(fā)明的方法中，可獨立地選擇第一氣流饋送至陽極的流量及第二氣流饋送至陽極的流量，以使得陽極廢氣流含有至少0. 6克分子份數(shù)氫氣、至少0. 7克分子份數(shù)氫氣、或至少0. 8克分子份數(shù)氫氣，或至少0. 9克分子份數(shù)氫氣。在本發(fā)明的方法中，可獨立地選擇第一氣流饋送至陽極的流量及第二氣流饋送至陽極的流量，以使得陽極廢氣流含有饋送至陽極的組合的第一氣流及第二氣流中的氫氣的至少50 %、或至少60 %、或至少70 %、或至少80 %，或至少90%。在本發(fā)明的方法中，可獨立地選擇第一氣流饋送至陽極的流量及第二氣流饋送至陽極的流量，以使得每道氫氣燃料利用率為至多50%、或至多40%、或至多30%、或至多 20%，或至多10%?？捎煽刂崎y12及59選擇第二氣流饋送至固態(tài)氧化物燃料電池5的陽極11的流量，以使得第二氣流以選定流量定量供給至陽極11。可由控制計量閥7而選擇第一氣流饋送至陽極11的流量，以使得第一氣流以選定流量定量供給至陽極11?？蛇x地，當在該方法中使用氫氣產(chǎn)生器時，可通過對饋送至氫氣產(chǎn)生器9的進料的量進行計量而選擇第一氣流饋送至陽極11的流量。在一實施例中，陽極廢氣分析器(圖上未示)可連續(xù)地調(diào)整并獨立地控制閥12、閥7和/或閥59，以使得基于如通過陽極廢氣分析器量測的陽極廢氣的氫氣和/或水含量以所要的流量將第一氣流及第二氣流饋送至陽極11。在本發(fā)明的方法中，饋送至陽極11的組合的第一氣流及第二氣流中氫氣的量應足以當在燃料電池5的一個或更多個陽極電極處與氧化劑組合時在整個陽極路徑長度上以至少0. 4W/cm2、或至少0. 5W/cm2、或至少0. 75W/cm2、或至少lW/cm2、或至少1. 25ff/cm2的電力密度產(chǎn)生電。在一實施例中，該第一氣流可經(jīng)選定以含有至少0. 7、或至少0. 8、或至少 0. 9，或至少0. 95克分子份數(shù)的氫氣，及至多0. 15、或至多0. 10，或至多0. 05克分子份數(shù)的碳氧化物。在一實施例中，第二氣流可經(jīng)選定以含有至少0. 85、或至少0. 9，或至少0. 95克分子份數(shù)的氫氣。在一實施例中，饋送至陽極11的組合的第一氣流及第二氣流可經(jīng)選定以含有至少0. 8、或至少0. 85、或至少0. 9，或至少0. 95克分子份數(shù)的氫氣。在本發(fā)明的方法中，對于產(chǎn)生的每單位電而言，由于在燃料電池中從烴進料產(chǎn)生第一氣流以及氧化一氧化碳為二氧化碳，從而產(chǎn)生相對少的二氧化碳。在第二氣流中將來自陽極廢氣流的氫氣再循環(huán)至燃料電池減少了需要由氫氣產(chǎn)生器產(chǎn)生的氫氣的量，由此減少伴隨的二氧化碳副產(chǎn)物產(chǎn)生，且減少饋送至燃料電池的一氧化碳的量(若存在的話)，從而潛在地減少燃料電池自身中產(chǎn)生的二氧化碳的量。在本發(fā)明的方法中，以產(chǎn)生每千瓦時的電不超過400克(400g/kWh)的速率產(chǎn)生二氧化碳。在一優(yōu)選實施例中，在本發(fā)明的方法中以不超過350g/kWh的速率產(chǎn)生二氧化碳，且在一更優(yōu)選實施例中，在本發(fā)明的方法中以不超過300g/kWh的速率產(chǎn)生二氧化碳。參看圖2，在一實施例中，本發(fā)明的方法利用包括經(jīng)熱學整合的氫氣分離蒸汽重整反應器及固態(tài)氧化物燃料電池的系統(tǒng)來產(chǎn)生電力。包括一個或更多個高溫氫氣分離膜103 的蒸汽重整反應器101可操作性地耦合至固態(tài)氧化物燃料電池105以將主要含有氫氣的第一氣流提供至燃料電池105的陽極107，而來自燃料電池105的廢氣將驅(qū)動所述重整反應器 101中的重整及變換反應所必要的熱提供至重整反應器101?？蓮年枠O廢氣分離主要包含氫氣的第二氣流且將其饋送回至陽極107中。第一及第二氣流饋送至燃料電池105的流量可經(jīng)選擇以通過使用氫氣充滿燃料電池105以掃除來自燃料電池中的電化學反應的氧化產(chǎn)物，從而在燃料電池105中以高電力密度產(chǎn)生電。在該方法的一實施例中，包含有在高達5MPa、或高達4MPa，或高達3Mpa的壓力下至多300°C的溫度下為氣態(tài)的烴(例如，在高壓下至少300°C的溫度下的氣態(tài)烴)的氫氣源的進料可經(jīng)由管線109饋送至重整反應器101。在該方法的此實施例中，在高達5MPa的壓力下至多300°C的溫度下汽化的任何(可選地氧化)烴可用作進料。這些進料可包括(但不限于)甲烷、甲醇、乙烷、乙醇、丙烷、丁烷及在每一分子中具有1至4個碳原子的輕烴。在一優(yōu)選實施例中，進料可為甲烷或天然氣。蒸汽可經(jīng)由管線111饋送至重整反應器101以與重整器101的重整區(qū)域115中的進料混合?？稍趶?00°C至650°C的溫度下將進料及蒸汽饋送至重整器101，其中如下文描述進料及蒸汽可在熱交換器113中加熱至所需溫度?？稍谶M料于熱交換器113中加熱之前，或可選地在于熱交換器113中加熱之后但在饋送至重整反應器101之前在脫硫器121中將進料脫硫，以從進料移除硫，使得進料不污染重整反應器101中的任何催化劑。進料可在脫硫器121中通過接觸常規(guī)加氫脫硫催化劑而脫硫。將進料及蒸汽饋送至重整反應器101中的重整區(qū)域115中。重整區(qū)域115可在其中含有重整催化劑，及優(yōu)選地確實在其中含有重整催化劑。重整催化劑可為常規(guī)蒸汽重整催化劑，且可為此項技術中任何已知的蒸汽重整催化劑?？墒褂玫牡湫驼羝卣呋瘎┌?括(但不限于)第八族過渡金屬，尤其是鎳。常常需要將重整催化劑支撐在耐火基板(或支撐物)上。支撐物(若使用)優(yōu)選為惰性化合物。適用作支撐物的惰性化合物含有周期表中的第三族及第四族元素，諸如Al、Si、Ti、Mg、Ce及ττ的氧化物或碳化物。在可有效地形成含有氫氣及碳氧化物的重整產(chǎn)物氣體的溫度下在重整反應器101 的重整區(qū)域115中混合進料及蒸汽并與重整催化劑接觸。經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體可包括由蒸汽重整所述進料中的烴而形成的化合物。經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體亦可包括由對通過使用額外蒸汽進行蒸汽重整而產(chǎn)生的一氧化碳進行變換反應所形成的化合物。經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體可含有氫氣及至少一種碳氧化物。可在經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體中的碳氧化物包括一氧化碳及二氧化碳。一個或更多個高溫管狀氫氣分離膜103可位于重整反應器101的重整區(qū)域115 中，其定位成使得經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體可接觸氫氣分離膜103，且氫氣可穿過膜壁123至位于管狀膜103內(nèi)的氫氣管道125。膜壁123使氫氣管道125不與重整區(qū)域115中的經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體、進料及蒸汽的非氫化合物氣態(tài)連通，且可選擇性地透過氫氣(元素態(tài)和/或分子)，以使得經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體中的氫氣可經(jīng)過膜壁123傳遞至氫氣管道125，同時由膜壁123防止重整區(qū)域中的其它氣體傳遞至氫氣管道125。重整區(qū)域中的高溫管狀氫氣分離膜103可包含涂覆有可選擇性地透過氫氣的金屬薄層或合金薄層的支撐物。支撐物可由氫氣能穿過的陶瓷或金屬材料形成。多孔不銹鋼或多孔氧化鋁為用于膜103的支撐物的優(yōu)選材料。涂覆于支撐物上的氫氣選擇性金屬或合金可選自第八族金屬，包括(但不限于)Pd、Pt、Ni、Ag、Ta、V、Y、Nb、Ce、In、Ho、La、Au及 Ru，特別為合金的形式。鈀及鉬合金為優(yōu)選的。用于該方法中的特定優(yōu)選膜103具有涂覆多孔不銹鋼支撐物的具有高表面積的非常薄的鈀合金膜?？墒褂妹绹鴮＠?152987號中揭示的方法制備此類型膜。具有高表面積的鈀合金或鉬合金薄膜亦將適合用作氫氣選擇性材料。重整反應器101的重整區(qū)域115內(nèi)的壓力維持在顯著高于管狀膜103的氫氣管道 125內(nèi)的壓力的水準，以使得強制氫氣從重整反應器的重整區(qū)域115經(jīng)過膜壁123至氫氣管道125中。在一實施例中，氫氣管道125維持在大氣壓下或接近大氣壓，且重整區(qū)域維持在至少0. 5MPa、或至少1. OMPa、或至少2MPa，或至少3MPa的壓力下。可通過以高壓將進料和/或蒸汽注入至重整區(qū)域115中而將重整區(qū)域115維持在這種高壓下。舉例來說，進料可包含注入至重整區(qū)域115中的具有至少0. 5MPa、或至少1. OMPa、或至少2. OMPa，或至少 3. OMPa的壓力的高壓天然氣?？蛇x擇地，在退出熱交換器113之后，可使用壓縮機124將進料和/或蒸汽壓縮至至少0. 5MPa、或至少1. OMPa、或至少2. OMPa，或至少3. OMPa的壓力，接著注入至重整反應器101中。在重整反應器101的重整區(qū)域115中混合進料及蒸汽并使其接觸重整催化劑的溫度為至少400°C，且優(yōu)選地可在從400°C至650°C的范圍內(nèi)，且最佳地在從450°C至550°C的范圍內(nèi)。與在超過750°C的溫度下產(chǎn)生氫氣的典型蒸汽重整反應不同，本方法的重整反應的平衡被驅(qū)動至在400°C至650°C的重整反應器101操作溫度范圍中產(chǎn)生氫氣，這是由于氫氣被從重整區(qū)域115移除至氫氣分離膜103的氫氣管道125中。400°C至650°C的操作溫度亦有利于變換反應，從而將一氧化碳及蒸汽轉化成更多氫氣，氫氣接著被從重整區(qū)域115 經(jīng)過膜103的膜壁部件123移除至氫氣分離膜103的氫氣管道125中。如下文進一步詳細描述的那樣，燃料電池105廢氣可用經(jīng)由廢氣管道117及119而提供引起重整反應器101 的重整區(qū)域115中的重整反應及變換反應所需的熱?？山?jīng)由管線127而從重整區(qū)域115移除非氫氣態(tài)流，其中非氫氣態(tài)流可包括未反應進料、未從經(jīng)重整產(chǎn)物氣體分離的少量氫氣及經(jīng)重整產(chǎn)物氣體中的氣態(tài)非氫重整產(chǎn)物。非氫重整產(chǎn)物及未反應進料可包括二氧化碳、水(為蒸汽)及少量一氧化碳及未反應烴。在一實施例中，從重整區(qū)域115分離的非氫氣態(tài)流可為含有以折干計算至少0. 9，或至少0. 95，或至少0. 98克分子份數(shù)二氧化碳的二氧化碳氣流。二氧化碳氣流可為具有至少IMPa、或至少2MPa，或至少2. 5MPa的壓力的高壓氣流。高壓二氧化碳氣流在其退出重整反應器101時可含有相當大量的為蒸汽的水?？赏ㄟ^將氣流經(jīng)由管線127傳送過熱交換器 113以與饋送至重整反應器101的蒸汽及進料進行交換熱而從高壓二氧化碳氣流移除水，從而冷卻高壓二氧化碳氣流。經(jīng)冷卻的高壓二氧化碳氣流可進一步冷卻以在一個或更多個熱交換器129(圖中顯示了一個熱交換器)中從氣流來冷凝水，其中經(jīng)冷卻的高壓二氧化碳流可經(jīng)由管線131從熱交換器113傳遞至熱交換器129。若存在一個以上熱交換器129，則熱交換器129可串行地配置以順序地冷卻高壓二氧化碳流?？山?jīng)由管線133從(最終)熱交換器129移除干燥高壓二氧化碳流?？山?jīng)由管線155將經(jīng)冷凝的水饋送至冷凝器151。干燥高壓二氧化碳流可在渦輪機135中膨脹以驅(qū)動渦輪機135且產(chǎn)生低壓二氧化碳流。干燥高壓二氧化碳流在渦輪機135中的膨脹可用于產(chǎn)生除了由燃料電池105產(chǎn)生的電之外的電?；蛘?，渦輪機135可用于驅(qū)動壓縮機161，其可用于如下文描述壓縮饋送至燃料電池105的含有氫氣的氣流，和/或驅(qū)動壓縮機124以壓縮饋送至重整反應器101的蒸汽和/或進料。低壓二氧化碳流可被“螯合”(sequestered)或用以使飲料碳酸化?；蛘?，高壓二氧化碳流可不轉化成低壓二氧化碳流，且可用于由將高壓二氧化碳流注入至油層中而增強從油層的采油。可通過選擇性地傳遞氫氣經(jīng)過氫氣分離膜103的膜壁123至氫氣分離膜103的氫氣管道125中而從重整反應器101中的經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體分離含有氫氣的第一氣流。第一氣流可含有非常高的氫氣濃度，且可含有至少0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8、或至少0. 9，或至少0. 95，或至少0. 98克分子份數(shù)的氫氣。包含蒸汽的吹掃氣體可經(jīng)由管線137注入至氫氣管道125中以將氫氣從膜壁123 的內(nèi)部部分吹掃至氫氣管道125中，由此增加可借助于氫氣分離膜103從重整區(qū)域115分離氫氣的速率。可經(jīng)由氫氣出口管線139從氫氣分離膜103及重整反應器101移除第一氣流及蒸汽吹掃氣體。可經(jīng)由氫氣出口管線139將第一氣流及蒸汽吹掃氣體饋送至熱交換器141以冷卻第一氣流及蒸汽吹掃氣體。經(jīng)組合的第一氣流及蒸汽吹掃氣體在退出重整反應器101后可具有從400°C至650°C的溫度，通常為從450°C至550°C的溫度。組合的第一氣流及蒸汽吹掃氣體可在熱交換器141中與初始進料及水/蒸汽交換熱。初始進料可經(jīng)由管線143提供至熱交換器141，且水/蒸汽可經(jīng)由管線145提供至熱交換器141，其中進料及水的流量可分別由計量閥142及144調(diào)節(jié)。經(jīng)加熱的進料及蒸汽可分別經(jīng)由管線147及149饋送至熱交換器113，以用于如上文描述在饋送至重整反應器101之前進一步加熱。經(jīng)冷卻的組合的第一氣流及蒸汽吹掃氣體可經(jīng)由管線152饋送至冷凝器151，以通過與經(jīng)由管線153饋送至冷凝器151中的水及經(jīng)由管線155從高壓二氧化碳氣流分離的經(jīng)冷凝的水交換熱而從組合的氣流冷凝水。可使在冷凝器151中冷凝的水及經(jīng)由管線153及155饋送至冷凝器151的水經(jīng)過聚水管線157傳遞至泵159，該泵159將水抽汲至一個或更多個熱交換器129以用于與經(jīng) 冷卻的高壓二氧化碳氣流進行熱交換以加熱水，同時進一步冷卻經(jīng)冷卻的高壓二氧化碳氣流。如上文描述，經(jīng)加熱的水/蒸汽可經(jīng)由管線145傳遞至熱交換器141，以用于在熱交換器113中進一步加熱之后進一步加熱以產(chǎn)生待饋送至重整反應器101的蒸汽。含有氫氣及極少水或無水的經(jīng)冷卻的第一氣流可經(jīng)由管線163從冷凝器151饋送至壓縮機161中。第一氣流在退出重整反應器及經(jīng)由熱交換器141及冷凝器151饋送至壓縮機161之后可具有大氣壓力或接近大氣壓的壓力。可在饋送至燃料電池105之前在壓縮機161中壓縮第一氣流以增加第一氣流的壓力。在一實施例中，第一氣流可壓縮至從 0. 15MPa至0. 5MPa，且優(yōu)選地從0. 2MPa至0. 3MPa的壓力。用以驅(qū)動壓縮機161的能量可通過高壓二氧化碳流在操作性地耦合以驅(qū)動壓縮機161的渦輪機135中的膨脹而提供?？山又?jīng)由至陽極入口 165中的管線167而將第一氣流饋送至固態(tài)氧化物燃料電池105的陽極107。第一氣流將氫氣提供至陽極以用于在燃料電池中沿陽極路徑長度與在一個或更多個陽極電極處的氧化劑進行電化學反應。第一氣流饋送至燃料電池105的陽極 107的流量可通過選擇進料及蒸汽饋送至重整反應器101的流量而選擇，該流量可由計量閥142及144控制。含有氫氣的第二氣流亦可被饋送至燃料電池105的陽極107。從含有氫氣及水的陽極廢氣流分離第二氣流?？赏ㄟ^將陽極廢氣流冷卻至足以從陽極廢氣流冷凝水而從陽極廢氣流分離第二氣流以產(chǎn)生含有氫氣的第二氣流。陽極廢氣流經(jīng)由陽極廢氣出口 169退出陽極107。陽極廢氣流最初可通過在重整反應器中與蒸汽及進料進行熱交換而冷卻。在一實施例中，陽極廢氣流最初可通過被饋送通過管線173至延伸入重整反應器105的重整區(qū)域115中且位于重整反應器105的重整區(qū) 域115內(nèi)的一個或更多個重整器陽極廢氣管道119而冷卻。如下文進一步詳細描述，當陽極廢氣流在重整器陽極廢氣管道119中經(jīng)過重整區(qū)域115時，可在陽極廢氣流與重整反應器101的重整區(qū)域115中的進料及蒸汽之間交換熱，從而冷卻陽極廢氣流且加熱在反應器 101中的蒸汽及進料。在與重整反應器101的重整區(qū)域115中的進料及蒸汽交換熱之后，經(jīng)冷卻的陽極廢氣流可經(jīng)由管線174退出陽極廢氣管道119至熱交換器141，在熱交換器141中經(jīng)冷卻的陽極廢氣可進一步冷卻。在一實施例中，為控制第二氣流至燃料電池105的流量，陽極廢氣流的至少一部分可經(jīng)由管線179從熱交換器141傳遞至冷凝器175，以在陽極廢氣流的選定部分中使氫氣與水分離?？赏ㄟ^在冷凝器175中從陽極廢氣流冷凝水而從陽極廢氣流的選定部分分離氫氣。經(jīng)分離的氫氣可經(jīng)由管線176饋送至氫氣儲存槽177。從冷凝器175冷凝的水可經(jīng)由管線180饋送至泵159。未饋送至冷凝器175的用于分離入氫氣槽177中的經(jīng)冷卻的陽極廢氣流用于在傳遞過熱交換器141之后將第二氣流提供至燃料電池105?？赏ㄟ^經(jīng)由管線181將冷卻的陽極廢氣流饋送至管線152而將退出熱交換器141的經(jīng)冷卻的陽極廢氣流與第一氣流及蒸汽吹掃氣體混合。陽極廢氣流、第一氣流及蒸汽吹掃氣體的混合物可接著饋送至冷凝器151 以進一步冷卻陽極廢氣流。經(jīng)由自陽極廢氣流冷凝水后得到的第二氣流可經(jīng)由管線163從冷凝器151分離，與第一氣流混合在一起。第二氣流可含有至少0. 6、或至少0. 7、或至少 0. 8、或至少0. 9，或至少0. 95，或至少0. 98克分子份數(shù)的氫氣，其中可通過以折干計算地測定經(jīng)冷卻的陽極廢氣流的氫氣含量而測定第二氣流的氫氣含量。來自陽極廢氣流的水可與來自第一氣流及蒸汽吹掃氣體的水一起在冷凝器151中冷凝，且經(jīng)由管線157自冷凝器151 移除以饋送至泵159。計量閥183及185可用于選擇第二氣流至固態(tài)氧化物燃料電池105的流量?？赏?過與計量陽極廢氣流至冷凝器151的流量協(xié)調(diào)地調(diào)整閥183及185 (這種調(diào)整調(diào)節(jié)第二氣流至固態(tài)氧化物燃料電池105的流量)而選擇第二氣流至固態(tài)氧化物燃料電池的流量。閥 183可完全關閉，從而阻斷陽極廢氣流至冷凝器175的流動及氫氣至氫氣槽177的流動，且閥185可完全打開以允許全部陽極廢氣流流動至冷凝器151且第二氣流以最大流量流動至固態(tài)氧化物燃料電池105。在一優(yōu)選實施例中，可通過相應于陽極廢氣流的水和/或氫氣含量自動地調(diào)整計量閥183及185而將第二氣流至燃料電池105的流量自動地控制為一選定流量。在一實施例中，小部分的組合的第一及第二氣流可作為瀉放流傳遞過氫氣分離設
21備187，以移除在產(chǎn)生第一氣流及第二氣流中的其后續(xù)再循環(huán)時，由于由重整反應器101中的氫氣分離膜103對氫氣與碳氧化物的不完全分離而可存在于第一及第二氣流中的任何少量碳氧化物?？衫瞄y189及191控制瀉放流至氫氣分離設備187的流動，其中優(yōu)選地，閥189及191可允許組合的第一及第二氣流同時經(jīng)由管線193及195或者分別經(jīng)由管線 193或管線195的定量流動。氫氣分離設備187優(yōu)選地為可有效地用于分離氫氣與碳氧化物的壓力變化吸附裝置，或可為諸如上文描述的可選擇性地透過氫氣的膜。管線195及197 中的第一及第二氣流可被組合以經(jīng)由管線167饋送至固態(tài)氧化物燃料電池105。在該方法的一實施例中，可為了固態(tài)氧化物燃料電池105的有效操作而選擇組合的第一及第二氣流的溫度及壓力，具體地說，該溫度不應太低以致抑制燃料電池的電化學反應性，且不應太高以致引起燃料電池105中的不受控制的發(fā)熱反應。在一實施例中，經(jīng)組合的第一及第二氣流的溫度可在自25°C至300°C、或自50°C至200°C，或自75°C至150°C的范圍內(nèi)。組合的第一及第二流的壓力可通過由壓縮機161提供至組合的第一及第二氣流的壓縮而控制，且可為自0. 15MPa至0. 5MPa，或自0. 2MPa至0. 3MPa。含氧氣流可經(jīng)由管線203經(jīng)過陰極入口 201饋送至燃料電池的陰極199。含氧氣流可由空氣壓縮機或氧氣槽(圖上未顯示)提供。在一實施例中，含氧氣流可為空氣或純氧氣。在另一實施例中，含氧氣流可為含有至少21%氧氣的富氧空氣流，其中由于富氧空氣流含有用于在燃料電池中轉化成氧離子的更多氧氣，故富氧空氣流在固態(tài)氧化物燃料電池中提供比空氣高的電效率。可在饋送含氧氣流至燃料電池105的陰極199之前加熱含氧氣流。在一實施例中，含氧氣流可在饋送至燃料電池105的陰極199之前在熱交換器205中通過與從陰極廢氣出口 207經(jīng)由管線209提供至熱交換器205的陰極廢氣的一部分交換熱而被加熱至150°C至 350°C的溫度?？墒褂糜嬃块y211控制陰極廢氣流至熱交換器205的流量?；蛘?，可由電加熱器(圖上未顯示)加熱含氧氣流，或含氧氣流可在不加熱的情況下提供至燃料電池105 的陰極199。在本發(fā)明方法的此實施例中使用的固態(tài)氧化物燃料電池105可為常規(guī)固態(tài)氧化物燃料電池(優(yōu)選地具有平面或管狀結構)，且包含陽極107、陰極199及電解質(zhì)213，其中電解質(zhì)213插于陽極107與陰極199之間。固態(tài)氧化物燃料電池可包含堆棧在一起(由互連件電接合且操作性地連接)的復數(shù)個單獨燃料電池，以使得燃料可流過經(jīng)堆棧的燃料電池的陽極且含氧氣體可流過經(jīng)堆棧的燃料電池的陰極。如本文中所用，術語“固態(tài)氧化物燃料電池”界定為單一固態(tài)氧化物燃料電池或復數(shù)個經(jīng)操作性地連接或堆棧的固態(tài)氧化物燃料電池。在一實施例中，陽極107由NiArO2金屬陶瓷形成，陰極199由浸漬有氧化鐠且覆蓋有摻雜SnO的In2O3的經(jīng)摻雜的錳酸鑭或穩(wěn)定化&02形成，且電解質(zhì)213由氧化釔穩(wěn)定的(大致8% Y203(摩爾比))形成。經(jīng)堆棧的單獨燃料電池或管狀燃料電池之間的互連件可為經(jīng)摻雜的鉻酸鑭。固態(tài)氧化物燃料電池105構造成使得第一及第二氣流可自陽極入口 165流過燃料電池105的陽極107至陽極廢氣出口 169，從而接觸自陽極入口 165至陽極廢氣出口 169的陽極路徑長度上的一個或更多個陽電極。燃料電池105亦構造為使得含氧氣體可自陰極入口 201流過陰極199至陰極廢氣出口 207，從而接觸自陰極入口 201至陰極廢氣出口 207的陰極路徑長度上的一個或更多個陰電極。電解質(zhì)213定位于燃料電池105中以防止第一及第二氣流進入陰極且防止含氧氣體進入陽極，且將氧離子自陰極傳導至陽極以用于與所述一個或更多個陽極電極處的第一及第二氣流中的氫氣進行電化學反應。固態(tài)氧化物燃料電池105在可有效地使氧離子能夠自陰極199穿過電解質(zhì)213至燃料電池105的陽極107的溫度下操作。固態(tài)氧化物燃料電池105可在自700°C至1100°C 的溫度下、或自800°C至1000°C的溫度下操作。氫氣在一個或更多個陽極電極處與氧離子的氧化反應為大量發(fā)熱的反應，且反應的熱產(chǎn)生操作固態(tài)氧化物燃料電池105所需的熱。可通過獨立地控制第一氣流的溫度、第二氣流的溫度及含氧氣流的溫度及這些氣流饋送至燃料電池105的流量而控制固態(tài)氧化物燃料電池的操作溫度。在一實施例中，饋送至燃料電池的第二氣流的溫度經(jīng)控制為至多100°C的溫度，含氧氣流的溫度經(jīng)控制為至多300°C 的溫度，且第一氣流的溫度經(jīng)控制為至多550°C的溫度，以維持固態(tài)氧化物燃料電池的操作溫度在自700°C至1100°C的范圍內(nèi)，且優(yōu)選地在自800°C至900°C的范圍內(nèi)。為了起動燃料電池105的操作，將燃料電池105加熱至其操作溫度。在一優(yōu)選實施例中，可通過在催化性部分氧化重整反應器221中產(chǎn)生含氫氣流且將含氫氣流經(jīng)由管線 223饋送至固態(tài)氧化物燃料電池的陽極107來起動固態(tài)氧化物燃料電池105的操作?？赏?過在存在常規(guī)的部分氧化重整催化劑的情況下在催化性部分氧化重整反應器221中燃燒烴進料及氧氣源而在催化性部分氧化重整反應器中產(chǎn)生含氫氣流，其中將氧氣源以相對于烴進料低于化學計量的量饋送至催化性部分氧化重整反應器。饋送至催化性部分氧化重整反應器221的烴進料可為液態(tài)烴或氣態(tài)烴或烴的混合物，且優(yōu)選為甲烷、天然氣或其它低分子量烴或低分子量烴的混合物。在本發(fā)明的方法的具體優(yōu)選實施例中，饋送至催化性部分氧化重整反應器221的烴進料可為與在重整反應器 101中使用的類型相同類型的進料以減少進行該方法所需的烴進料的數(shù)目。饋送至催化性部分氧化重整反應器221的含氧進料可為純氧氣、空氣或富氧空氣。含氧進料應以相對于烴進料低于化學計量的量饋送至催化性部分氧化重整反應器221 以在催化性部分氧化重整反應器221中與烴進料燃燒。通過在催化性部分氧化重整反應器221中烴進料及含氧氣體的燃燒形成的含氫氣流含有可在燃料電池105的陽極107中借助于接觸陽電極中的一個或更多個處的氧化劑而氧化的化合物，包括氫氣及一氧化碳，以及諸如二氧化碳的其它化合物。來自催化性部分氧化重整反應器221的含氫氣流優(yōu)選地不含有可對所述燃料電池105的陽極107中的一個或更多個陽電極進行氧化的化合物。在催化性部分氧化重整反應器221中形成的含氫氣流為熱的，且可具有至少 700°C、或自700°C至1100°C或自800°C至1000°C的溫度。使用來自催化性部分氧化重整反應器221的熱含氫氣流以觸發(fā)固態(tài)氧化物燃料電池105的啟動在本發(fā)明的方法中為優(yōu)選的，這是由于其使得燃料電池105的溫度能夠幾乎瞬時地上升至燃料電池105的操作溫度。在一實施例中，當啟動燃料電池105的操作以加熱含氧氣體時，可在熱交換器205中在來自催化性部分氧化重整反應器的熱含氫氣體與饋送至燃料電池105的陰極199的含氧氣體之間交換熱。一旦達到燃料電池105的操作溫度，自催化性部分氧化重整反應器221至燃料電池105中的熱含氫氣流的流動可由閥225切斷，同時通過打開閥227而將來自重整反應器 101的第一氣流饋送至陽極107中?？山又鶕?jù)本發(fā)明的方法進行燃料電池的連續(xù)操作。
在另一實施例中(未在圖2中顯示)，可使用來自氫氣儲存槽177的氫氣啟動氣流來開始燃料電池的操作，其中，在將第一氣流引入至燃料電池中之前使氫氣啟動氣流經(jīng)過啟動加熱器以使燃料電池升至其操作溫度。氫氣儲存槽177可操作性地連接至燃料電池以允許將氫氣啟動氣流引入至固態(tài)氧化物燃料電池的陽極中。所述啟動加熱器可間接地將氫氣啟動氣流加熱至自750°C至1000°C的溫度。所述啟動加熱器可為電加熱器或可為燃燒加熱器。一旦達到燃料電池的操作溫度，可通過一閥切斷氫氣啟動氣流至燃料電池中的流動，且可將第一氣流及含氧氣流引入至燃料電池中以開始燃料電池的操作再參看圖2，在燃料電池105的操作的啟動期間，可將含氧氣流引入至燃料電池 105的陰極199中。含氧氣流可為空氣、含有至少21%的氧氣的富氧空氣，或純氧氣。優(yōu)選地，含氧氣流為在啟動燃料電池的操作之后在燃料電池105操作期間將被饋送至陰極199 的含氧氣流。在一優(yōu)選實施例中，在燃料電池的啟動期間饋送至燃料電池的陰極199的含氧氣流具有至少500°C、優(yōu)選至少650°C，且更優(yōu)選至少750°C的溫度。可在將含氧氣流饋送至固態(tài)氧化物燃料電池105的陰極199之前利用電加熱器加熱含氧氣流。在一優(yōu)選實施例中，用于啟動燃料電池105的操作的含氧氣流可在饋送至燃料電池105的陰極199之前在熱交換器205中通過與來自催化性部分氧化重整反應的熱含氫氣流進行熱交換而受到加熱。一旦燃料電池105的操作已開始，第一及第二氣流可在燃料電池105中的一個或更多個陽極電極處與氧離子氧化劑混合以產(chǎn)生電。氧離子氧化劑從流過燃料電池105的陰極199的含氧氣流中的氧氣得到且被傳導越過燃料電池的電解質(zhì)213。通過將第一氣流、第二氣流及含氧氣流以選定的獨立流量饋送至燃料電池105同時在自750°C至1100°C的溫度下操作燃料電池而在燃料電池105的一個或更多個陽極電極處在陽極107中混合饋送至燃料電池105的陽極107的第一及第二氣流及氧化劑。優(yōu)選地，在燃料電池105的一個或更多個陽極電極處混合第一、第二氣流及氧化劑以按至少0. 4W/cm2、優(yōu)選至少0. 5W/cm2、或至少0. 75W/cm2、或至少lW/cm2、或至少1. 25W/ cm2或至少1. 5ff/cm2的電力密度產(chǎn)生電。可通過獨立地選擇并控制第一氣流及第二氣流至燃料電池105的陽極107的流量而以這種電力密度產(chǎn)生電。可通過調(diào)整計量閥142及142 來選擇并控制進料及蒸汽饋送至重整反應器的流量而選擇并控制第一氣流至燃料電池105 的陽極107的流量。可通過如上文描述調(diào)整計量閥183及185來選擇并控制陽極廢氣流至冷凝器151的流量而選擇并控制第二氣流至燃料電池105的陽極107的流量。在一實施例中，計量閥183及185可由反饋電路(圖上未顯示)自動地調(diào)整，反饋電路量測陽極廢氣流中的水和/或氫氣含量以選擇第二氣流饋送至燃料電池105的流量，且調(diào)整計量閥183、185 以通過調(diào)整第二氣流饋送至燃料電池105的流量而維持陽極廢氣流中的選定水和/或氫氣含量。在本發(fā)明的方法中，在一個或更多個陽極電極處混合第一、第二氣流與氧化劑，通過氧化劑氧化存在于饋送至燃料電池105的第一及第二氣流中的氫氣的一部分而產(chǎn)生水 (為蒸汽)。利用氧化劑氧化氫氣所產(chǎn)生的水被第一及第二氣流的未反應部分掃過燃料電池105的陽極107以作為陽極廢氣流的一部分而退出陽極107。在本發(fā)明方法的實施例中，可獨立地選擇第一氣流饋送至陽極107的流量及第二氣流饋送至陽極107的流量，以使得每單位時間在燃料電池中形成的水的量相對于每單位時間陽極廢氣中的氫氣的量的比率為至多1. O、或至多0. 75、或至多0. 67、或至多0. 43、或至多0. 25，或至多0. 11。在一實施例中，可以摩爾為單位量測燃料電池中形成的水的量與陽極廢氣中氫氣的量，以使得每單位時間以摩爾計的每單位時間燃料電池中形成的水的量與每單位時間陽極廢氣中氫氣的量的比率為至多1.0、或至多0. 75、或至多0. 67、或至多 0.43、或至多0.25，或至多0. 11。在本發(fā)明的方法的另一實施例中，可獨立地選擇第一氣流饋送至陽極107的流量及第二氣流饋送至陽極107的流量，以使得陽極廢氣流含有至少 0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8，或至少0. 9克分子份數(shù)的氫氣。在一實施例中，可獨立地選擇第一氣流饋送至陽極107的流量及第二氣流饋送至陽極107的流量，以使得陽極廢氣流含有饋送至陽極107的組合的第一及第二氣流中的氫氣的至少50%、或至少60%、或至少 70%、或至少80%，或至少90%。在一實施例中，可獨立地選擇第一氣流饋送至陽極107的流量及第二氣流饋送至陽極107的流量，以使得燃料電池的每道氫氣利用率為至多50%、或至多40%、或至多30%、或至多20%，或至多10%。提供至固態(tài)氧化物燃料電池105的陰極199的含氧氣流的流量應經(jīng)選擇以提供足夠氧化劑至陽極，從而當在一個或更多個陽極電極處與來自第一及第二氣流的燃料組合時按至少o. 4W/cm2、或至少0. 5W/cm2、或至少0. 75W/cm2、或至少lW/cm2、或至少1. 25W/cm2，或至少1. 5ff/cm2的電力密度產(chǎn)生電。可通過調(diào)整計量閥215而選擇并控制含氧氣流至陰極 199的流量。重整反應器101及固態(tài)氧化物燃料電池105可熱學整合，以使得來自燃料電池105 中的發(fā)熱電化學反應的熱提供至重整反應器101的重整區(qū)域115以驅(qū)動重整反應器101中的吸熱重整反應。如上文描述，一個或更多個陽極廢氣管道119及一個或更多個陰極廢氣管道117可延伸至且定位于重整反應器101的重整區(qū)域115中。熱陽極廢氣流可從陽極廢氣出口 169退出燃料電池105的陽極107，且經(jīng)由管線173進入重整區(qū)域115中的陽極廢氣管道119，和/或熱陰極廢氣流可自陰極廢氣出口 207退出燃料電池105的陰極199，且經(jīng)由管線217進入重整區(qū)域115中的陰極廢氣管道117。當陽極廢氣流經(jīng)過陽極廢氣管道 119時，來自熱陽極廢氣流的熱可在陽極廢氣流與重整區(qū)域115中的蒸汽與進料的混合物之間交換。類似地，當陰極廢氣流經(jīng)過陰極廢氣管道117時，來自熱陰極廢氣流的熱可在陰極廢氣流與重整反應器101的重整區(qū)域115中的蒸汽和進料的混合物之間交換。自發(fā)熱固態(tài)氧化物燃料電池105至吸熱重整反應器101的熱交換為高度有效的。陽極廢氣管道119和/或陰極廢氣管道117在重整反應器101的重整區(qū)域115內(nèi)的定位允許熱陽極廢氣流和/或陰極廢氣流與反應器101內(nèi)的進料和蒸汽的混合物之間的熱交換，從而在發(fā)生重整反應的位置處將熱轉移至進料及蒸汽。此外，由于管道117及119在催化劑床附近，重整區(qū)域115內(nèi)陽極和/或陰極廢氣管道119及117的位置允許熱陽極廢氣流和/或陰極廢氣流加熱重整區(qū)域115中的重整催化劑。此外，除了由1) 陽極廢氣流；或2)陰極廢氣流；或3)陽極廢氣流組合陰極廢氣流提供的熱之外不需要提供額外的熱至重整反應器101來驅(qū)動反應器101中的重整反應及變換反應以產(chǎn)生經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體及第一氣流。如上文提出，在重整反應器101內(nèi)進行重整及變換反應所需的溫度為自40(TC至650°C，其遠低于常規(guī)重整反應器溫度(其為至少 750°C，且通常為800°C至900°C )。歸因于通過由高溫氫氣分離膜103分離來自重整反應器101的氫氣造成的重整反應中的平衡變換，重整反應器可在這種低溫下運行。陽極廢氣流及陰極廢氣流可分別具有自800°C至1000°C的溫度，其在進料及蒸汽的混合物與陽極廢氣流、或陰極廢氣流，或陽極及陰極廢氣流兩者之間熱交換后足以驅(qū)動重整反應器101中的較低溫重整及變換反應。在本發(fā)明方法的實施例中，當陽極廢氣流經(jīng)過陽極廢氣管道119時，陽極廢氣流與重整區(qū)域115中的蒸汽及進料的混合物之間的熱交換可提供供給反應器101中的蒸汽及進料的混合物的相當大量的熱以驅(qū)動重整及變換反應。在本發(fā)明方法的實施例中，陽極廢氣流與反應器101中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可提供供給反應器101中的蒸汽和進料的混合物的熱的至少40%、或至少50%、或至少70%，或至少90%。在一實施例中，供應至重整反應器101中的蒸汽和進料的混合物的熱基本上由在經(jīng)過陽極廢氣管道119的陽極廢氣流與重整反應器101中的蒸汽和進料的混合物之間交換的熱組成。在該方法的實施例中，陽極廢氣流與反應器101中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可受到控制以維持蒸汽和進料的混合物的溫度在400°C至650°C的范圍內(nèi)。在本發(fā)明方法的實施例中，當陰極廢氣流經(jīng)過陰極廢氣管道117時，陰極廢氣流與重整區(qū)域115中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可提供供給至反應器101中的蒸汽和進料的混合物的相當大量的熱以驅(qū)動重整和變換反應。在本發(fā)明的方法的實施例中，陰極廢氣流與反應器101中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可提供供給至反應器101中的蒸汽和進料的混合物的熱的至少40%、或至少50%、或至少70%，或至少90%。在一實施例中，供應至重整反應器101中的蒸汽和進料的混合物的熱基本上由在經(jīng)過陰極廢氣管道117的陰極廢氣流與重整反應器101中的蒸汽和進料的混合物之間交換的熱組成。在該方法的實施例中，陰極廢氣流與反應器101中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可受到控制以維持蒸汽和進料的混合物的溫度在400°C至650°C的范圍內(nèi)。在一實施例中，當陽極廢氣流經(jīng)過陽極廢氣管道119且陰極廢氣流經(jīng)過重整器陰極廢氣管道117時，陽極廢氣流、陰極廢氣流與重整區(qū)域115中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可提供供給至反應器101中的蒸汽和進料的混合物的相當大量的熱以驅(qū)動重整及變換反應。在本發(fā)明的方法的實施例中，陰極廢氣流與反應器101中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可提供供給至反應器101中的蒸汽和進料的混合物的熱的高達60%、或高達50 %、或高達40 %、或高達30 %，或高達20 %，同時陽極廢氣流可提供供給至反應器 101中的蒸汽和進料的混合物的熱的至少40%、或至少50%、或至少60%、或至少70%，或至少80%。在一實施例中，供應至重整反應器101中的蒸汽和進料的混合物的熱可基本上由在陽極廢氣流及陰極廢氣流與反應器101中的蒸汽和進料的混合物之間交換的熱組成。在該方法的實施例中，陽極廢氣流及陰極廢氣流與反應器101中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可受到控制以維持蒸汽和進料的混合物的溫度在400°C至650°C的范圍內(nèi)。在一優(yōu)選實施例中，由陽極廢氣流、或陰極廢氣流，或陽極廢氣流和陰極廢氣流提供至重整反應器101中的蒸汽和進料的混合物的熱足以驅(qū)動重整反應器101中的重整及變換反應，使得不需要其它熱源來驅(qū)動重整反應器101中的反應。優(yōu)選地，不通過燃燒或電加熱將熱提供至反應器101中的蒸汽和進料的混合物。在一實施例中，當陽極廢氣流在陽極廢氣管道119中經(jīng)過重整區(qū)域115時，陽極廢氣流提供大部分，或?qū)嵸|(zhì)上全部熱至重整反應器101中的蒸汽和進料的混合物以驅(qū)動反應器101中的重整及變換反應。在此實施例中，僅需要一些陰極廢氣流或不需要陰極廢氣流與重整反應器101中的蒸汽和進料的混合物交換熱以驅(qū)動重整及變換反應。陰極廢氣流經(jīng) 過重整反應器中的陰極廢氣管道117的流動可受到控制以控制自陰極廢氣流提供至重整反應器101中的蒸汽和進料的混合物的熱的量。計量閥211及220可經(jīng)調(diào)整以控制陰極廢氣流至陰極廢氣管道117的流動，使得陰極廢氣流提供所需要量的熱(若存在)至反應器 101中的蒸汽和進料的混合物。無需用來加熱反應器101中的蒸汽和進料的混合物的陰極廢氣流可經(jīng)由管線209分流至熱交換器205以加熱饋送至陰極的含氧氣體。在一實施例中，陰極廢氣流提供大部分或全部熱至重整反應器101中的蒸汽和進料的混合物以驅(qū)動反應器中的重整及變換反應。在此實施例中，僅需要一些陽極廢氣流或不需要陽極廢氣流與重整反應器101中的蒸汽和進料的混合物交換熱以驅(qū)動重整及變換反應。陽極廢氣流經(jīng)過重整反應器中的陽極廢氣管道119的流動可受到控制以控制自陽極廢氣流提供至重整反應器101中的蒸汽和進料的混合物的熱的量。未用于提供熱至重整反應器101的陽極廢氣流的部分可經(jīng)由管線172饋送通過熱交換器113以加熱進入重整反應器101的進料及蒸汽，且在陽極廢氣流經(jīng)由管線168與管線174中的第一氣流及蒸汽吹掃氣體組合前冷卻陽極廢氣流以用于在熱交換器141中的進一步冷卻。陽極廢氣流經(jīng)過熱交換器113的流動可由計量閥170控制。已經(jīng)過陰極廢氣管道117的經(jīng)冷卻的陰極廢氣流在其中可仍具有相當大量的熱，且可具有高達650°C的溫度。經(jīng)冷卻的陰極廢氣流可經(jīng)由出口 218傳遞出陰極廢氣管道，以經(jīng)由管線219與經(jīng)由閥211定量供給至熱交換器205的任何陰極廢氣流一起饋送至含氧氣體熱交換器205。在本發(fā)明方法的此實施例中，對于由該方法(特別地，自烴進料105產(chǎn)生第一氣流)產(chǎn)生的每單位電而言，可產(chǎn)生相對少的二氧化碳。首先，在第二氣流中將來自陽極廢氣流的氫氣再循環(huán)至燃料電池105則減少了需要由重整反應器101產(chǎn)生的氫氣的量，由此減少伴隨的二氧化碳副產(chǎn)物產(chǎn)生。其次，重整反應器101與燃料電池105的熱學整合(其中在燃料電池105中產(chǎn)生的熱由來自燃料電池105的陽極和/或陰極廢氣在重整反應器101 內(nèi)轉移)減少了需要提供以驅(qū)動吸熱重整反應的能量，從而減少例如由燃燒提供該能量的需要，由此減少在提供能量以驅(qū)動重整反應中產(chǎn)生的二氧化碳的量。在本發(fā)明方法的此實施例中，二氧化碳可以產(chǎn)生每千瓦時的電不超過400克 (400g/kffh)的速率產(chǎn)生。在一優(yōu)選實施例中，在本發(fā)明的方法中以不超過350g/kWh的速率產(chǎn)生二氧化碳，且在一更優(yōu)選實施例中，在本發(fā)明的方法中以不超過300g/kWh的速率產(chǎn)生二氧化碳。在另一實施例中，如圖3中展示，本發(fā)明的方法可使用液態(tài)烴進料前驅(qū)物，液態(tài)烴進料前驅(qū)物可在預重整反應器314中加氫裂化，且在一實施例中部分重整成氣態(tài)烴進料，氣態(tài)烴進料可接著在氫氣分離蒸汽重整反應器301中被重整以產(chǎn)生可用以在固態(tài)氧化物燃料電池305中產(chǎn)生電的氫氣。該方法為熱學整合的，其中用以驅(qū)動吸熱預重整反應器314 及重整反應器301的熱可自發(fā)熱固態(tài)氧化物燃料電池305直接提供于預重整反應器314和 /或重整反應器301內(nèi)。包括一個或更多個高溫氫氣分離膜303的蒸汽重整反應器301操作性地耦合至固態(tài)氧化物燃料電池305以將主要含有氫氣的第一氣流提供至燃料電池305的陽極307，以使得可在燃料電池305中產(chǎn)生電。預重整反應器314操作性地耦合至蒸汽重整反應器301以自液態(tài)烴進料提供氣態(tài)烴進料至重整反應器301。燃料電池305操作性地耦合至重整反應器301及預重整反應器314，使得燃料電池305可提供驅(qū)動所述反應器301中的重整及變換反應所必要的熱至重整反應器301，且可將液態(tài)烴進料前驅(qū)物轉化成可在重整反應器 301中重整的氣態(tài)烴進料所必要的熱提供至預重整反應器314。在此方法中，包含液態(tài)烴的含有氫氣源的進料前驅(qū)物可經(jīng)由管線308饋送至預重整反應器314。進料前驅(qū)物可含有任何可汽化烴中的一種或更多種，其在大氣壓下在20°C 下為液態(tài)的(可選地，是氧化的)，且在大氣壓下在高達400°C的溫度下為可汽化的。這種進料前驅(qū)物可包括(但不限于)輕質(zhì)石油餾分，諸如具有沸點范圍為50°C至205°C的石腦油、柴油及煤油。進料前驅(qū)物可可選地含有在25°C下為氣態(tài)的一些烴，諸如甲烷、乙烷、丙烷，或在25°C下為氣態(tài)的含有一至四個碳原子的其它化合物。在一優(yōu)選實施例中，進料前驅(qū) 物可為柴油燃料。蒸汽可經(jīng)由管線312饋送至預重整反應器314以與預重整反應器314的預重整區(qū)域316中的進料前驅(qū)物混合。進料前驅(qū)物及蒸汽可在自250°C至650°C的溫度下饋送至預重整反應器314，其中如下文描述，進料前驅(qū)物及蒸汽可在熱交換器313中加熱至所要溫度。如下文更全面地描述的那樣，進料前驅(qū)物可在預重整反應器314中加氫裂化且汽化以形成氣態(tài)烴進料。在一實施例中，當進料前驅(qū)物加氫裂化且汽化以形成氣態(tài)烴進料時，進料前驅(qū)物可部分地重整。來自預重整反應器314的進料及蒸汽可在自300°C至650°C的溫度下饋送至重整反應器 301。進料前驅(qū)物可在于熱交換器313中被加熱之前，或可選地在于熱交換器313中被加熱之后但在饋送至預重整反應器314之前在脫硫器321中脫硫，以移除來自進料前驅(qū)物的硫，使得進料前驅(qū)物不污染預重整反應器314中的任何催化劑。進料前驅(qū)物可在脫硫器 321中通過在常規(guī)脫硫條件下接觸常規(guī)加氫脫硫催化劑而脫硫。將進料前驅(qū)物及蒸汽饋送至預重整反應器314中的預重整區(qū)域316中。預重整區(qū) 域316可在其中含有預重整催化劑，及優(yōu)選地確實在其中含有預重整催化劑。預重整催化劑可為常規(guī)預重整催化劑，且可為現(xiàn)有技術中任何已知的催化劑?？墒褂玫牡湫皖A重整催化劑包括(但不限于)第八族過渡金屬，特別為鎳，及在高溫反應條件下為惰性的支撐物或基板。適用作高溫預重整/加氫裂化催化劑的支撐物的惰性化合物包括(但不限于)α -氧化鋁及氧化鋯。在可有效地汽化進料前驅(qū)物以形成進料的溫度下，在預重整反應器314的預重整區(qū)域316中混合進料前驅(qū)物及蒸汽并使其接觸預重整催化劑。在預重整反應器314中，在可有效地汽化進料前驅(qū)物的溫度下混合進料前驅(qū)物及蒸汽并使其與預重整催化劑接觸而可裂化進料前驅(qū)物中的烴，從而減少烴的碳鏈長度，使得經(jīng)裂化的烴可在重整反應器301中容易地蒸汽重整。在一實施例中，進料前驅(qū)物及蒸汽在至少600°C、或自700°C至1000°C，或自700°C至900°C的溫度下，及在自0. IMPa至3MPa、優(yōu)選地自0. IMPa至IMPa，或自0. 2MPa 至0. 5MPa的壓力下混合并與預重整催化劑接觸。如下文論述，分別經(jīng)由延伸至且定位于預重整反應器314的預重整區(qū)域316中的一個或更多個預重整器陽極廢氣管道320和/或一個或更多個預重整器陰極廢氣管道322從燃料電池305的陽極廢氣流和/或陰極廢氣流供應熱以驅(qū)動吸熱預重整反應。在一實施例中，可將相對于在進料前驅(qū)物中饋送至預重整反應器314的烴的量的過量蒸汽饋送至預重整反應器314。過量蒸汽可防止預重整催化劑在預重整反應期間焦化。過量蒸汽亦可與在預重整反應器中產(chǎn)生的進料一起從預重整反應器314饋送至蒸汽重整反應器301，其中饋送至重整反應器301的蒸汽可在重整反應器301中用于重整反應器301 中的重整反應及變換反應。饋送至預重整反應器的蒸汽的量相對于進料前驅(qū)物的量的比率以體積計或以摩爾計可為至少2 1、或至少3 1、或至少4 1，或至少5 1。在預重整反應器314中蒸發(fā)的可選地裂化，及可選地部分重整的進料前驅(qū)物形成可饋送至重整反應器301的進料。預重整反應器314的預重整區(qū)域316中的溫度及壓力條件可經(jīng)選擇以使得在預重整反應器314中形成的進料主要含有在25°C下為氣態(tài)，通常在每一分子中含有一至四個碳的輕烴。在預重整反應器中形成的進料可包括(但不限于)甲烷、甲醇、乙烷、乙醇、丙烷及丁烷。優(yōu)選地，預重整反應器的溫度及壓力經(jīng)控制以產(chǎn)生含有以折干計算至少50% (體積比)、或至少60% (體積比)、或至少80% (體積比)甲烷的進料。在一實施例中，當預重整反應器314至少部分地重整進料前驅(qū)物時，自預重整反應器314饋送至重整反應器301的進料可含有氫氣及一氧化碳。
一旦在預重整反應器314中形成進料，進料及剩余蒸汽可在自350°C至650°C的溫度下經(jīng)由管線309自預重整反應器314饋送至重整反應器301，其中進料及蒸汽將熱從預重整反應器314帶入至重整反應器301中。來自預重整反應器314的進料和蒸汽的混合物可在饋送至重整反應器301之前使用壓縮機324加以壓縮，因而重整反應器301內(nèi)的壓力使得在重整反應器301中產(chǎn)生的氫氣可經(jīng)由位于重整反應器301中的高溫氫氣分離膜303 從重整反應器301分離。進料和蒸汽的混合物可壓縮為至少0. 5MPa、或至少IMPa、或至少 2MPa，或至少3MPa的壓力。必要時，來自在熱交換器313中加熱的蒸汽的額外蒸汽可饋送至重整反應器301 的重整區(qū)域315中。所述額外蒸汽可經(jīng)由管線311自熱交換器313饋送至重整反應器301。計量閥310可用于調(diào)節(jié)自熱交換器313饋送至重整反應器301的蒸汽的量。壓縮機330可用于將蒸汽壓縮至進料和蒸汽的混合物從預重整反應器314及壓縮機324饋送至重整反應器301的壓力。來自預重整反應器314的進料和蒸汽的混合物及來自熱交換器313的可選額外蒸汽可饋送至重整反應器301中的重整區(qū)域315中。重整區(qū)域315可在其中含有重整催化齊IJ，且優(yōu)選地確實在其中含有重整催化劑。重整催化劑可為常規(guī)蒸汽重整催化劑，且可為本領域中任何已知的催化劑?？墒褂玫牡湫驼羝卣呋瘎┌?但不限于)第八族過渡金屬，特別為鎳。常常需要將重整催化劑支撐在耐火基板(或支撐物)上。支撐物(若使用) 優(yōu)選為惰性化合物。用作支撐物的適合惰性化合物含有周期表中的第三族及第四族元素，諸如Al、Si、Ti、Mg、Ce及ττ的氧化物或碳化物。在可有效地形成含有氫氣及碳氧化物的經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體的溫度下，在重整區(qū)域 315中混合進料及蒸汽并使其接觸重整催化劑。經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體可由蒸汽重整進料中的烴而形成。經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體亦可通過變換反應進料中的一氧化碳而形成，和/或由使用額外蒸汽的蒸汽重整而產(chǎn)生。經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體可含有氫氣及至少一種碳氧化物?？稍诮?jīng) 重整的產(chǎn)物氣體中的碳氧化物包括一氧化碳及二氧化碳。在本發(fā)明方法的一實施例中，一個或更多個高溫管狀氫氣分離膜303可位于重整反應器301的重整區(qū)域315中，其定位成使得經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體可接觸氫氣分離膜303，且氫氣可經(jīng)過膜壁323傳遞至位于管狀膜303內(nèi)的氫氣管道325。膜壁323使氫氣管道325 不與重整區(qū)域315中的經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體、進料及蒸汽的非氫化合物氣態(tài)連通，且使氫氣 (元素態(tài)和/或分子 )可選擇性地透過，以使得經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體中的氫氣可經(jīng)過膜壁323 傳遞至氫氣管道325，同時由膜壁323防止重整區(qū)域中的其它氣體傳遞至氫氣管道325。重整區(qū)域中的高溫管狀氫氣分離膜303可包含可選擇性地透過氫氣的、涂覆有金屬或合金薄層的支撐物。支撐物可由氫氣能穿過的陶瓷或金屬材料形成。多孔不銹鋼或多孔氧化鋁為用于膜303的支撐物的優(yōu)選材料。涂覆于支撐物上的氫氣選擇性金屬或合金可選自第八族金屬，包括(但不限于)Pd、Pt、Ni、Ag、Ta、V、Y、Nb、Ce、In、Ho、La、Au及Ru，特別為合金的形式。鈀合金及鉬合金為優(yōu)選的。用于該方法中的特別優(yōu)選的膜303具有涂覆多孔不銹鋼支撐物的具有高表面積的非常薄的鈀合金膜。可使用美國專利No. 6152987中披露的方法制備此類型膜。具有高表面積的鈀合金膜或鉬合金薄膜亦將適合用作氫氣選擇性材料。重整反應器301的重整區(qū)域315內(nèi)的壓力維持在顯著高于管狀膜303的氫氣管道 325內(nèi)的壓力的水準，以使得強制氫氣自重整反應器301的重整區(qū)域315通過膜壁323進入氫氣管道325中。在一實施例中，氫氣管道325維持為大氣壓或接近大氣壓，且重整區(qū)域維持在至少0. 5MPa、或至少1. OMPa、或至少2MPa，或至少3MPa的壓力下。如上文提及，可通過使用壓縮機324壓縮來自預重整反應器的蒸汽和進料的混合物且以高壓將進料和蒸汽的混合物注入至重整區(qū)域315中而將重整區(qū)域315維持在這種高壓下?；蛘?，可通過使用壓縮機330壓縮來自熱交換器313的額外蒸汽且將高壓蒸汽注入至重整反應器301的重整區(qū) 域315中而將重整區(qū)域315維持在這種高壓下。重整反應器301的重整區(qū)域315可維持在至少0. 5MPa、或至少1. OMPa、或至少2. OMPa，或至少3. OMPa的壓力下。進料及蒸汽在重整反應器301的重整區(qū)域315中混合并接觸重整催化劑的溫度為至少400°C，且優(yōu)選地可在自400°C至650°C的范圍內(nèi)，且最優(yōu)選地在自450°C至550°C的范圍內(nèi)。如上文提及，與在超過750°C的溫度下產(chǎn)生氫氣的典型蒸汽重整反應不同，本方法的重整反應的平衡被驅(qū)動至在400°C至650°C的操作溫度范圍內(nèi)在重整反應器301中產(chǎn)生氫氣，這是由于氫氣被從重整區(qū)域315移除至氫氣分離膜303的氫氣管道325中。400°C至 650°C的操作溫度亦有利于變換反應，從而將一氧化碳及蒸汽轉化成更多氫氣，接著經(jīng)過膜 303的膜壁323將氫氣自重整區(qū)域315移除至氫氣分離膜303的氫氣管道325中。如下文進一步詳細描述的那樣，燃料電池305廢氣可用于經(jīng)由廢氣管道317及319提供引起重整反應器301的重整區(qū)域315中的重整及變換反應所需的熱。可經(jīng)由管線327自重整區(qū)域315移除非氫氣態(tài)流，其中非氫氣態(tài)流可包括未反應進料、未分離到氫氣管道325中的少量氫氣，及經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體中的氣態(tài)非氫重整產(chǎn)物。非氫重整產(chǎn)物及未反應進料可包括二氧化碳、水(為蒸汽)及少量一氧化碳及未反應烴。在一實施例中，自重整區(qū)域315分離的非氫氣態(tài)流可為含有以折干計算至少0. 9，或至少0. 95，或至少0. 98克分子份數(shù)的二氧化碳的二氧化碳氣流。二氧化碳氣流可為具有至少IMPa、或至少2MPa，或至少2. 5MPa的壓力的高壓氣流。高壓二氧化碳氣流在其退出重整反應器301時可含有相當大量為蒸汽的水?？赏ㄟ^首先使氣流經(jīng)由管線327傳送過熱交換器313以與饋送至預重整反應器314的蒸汽及進料前驅(qū)物交換熱而從高壓二氧化碳氣流移除水，從而冷卻高壓二氧化碳氣流。接著，經(jīng)冷卻的高壓二氧化碳氣流可進一步冷卻以在一個或更多個熱交換器329 (圖中顯示了一個)中從氣流來冷凝水，其中經(jīng)冷卻的高壓二氧化碳流可經(jīng)由管線331自熱交換器313傳送至熱交換器329?？山?jīng)由管線333從熱交換器 329、或一連串熱交換器329中的最終熱交換器329移除干燥高壓二氧化碳流。在熱交換器 329中從高壓二氧化碳流冷凝的水可經(jīng)由管線355饋送至冷凝器351干燥高壓二氧化碳流可在渦輪機335中膨脹以驅(qū)動渦輪機335且產(chǎn)生低壓二氧化碳流。渦輪機335可用于產(chǎn)生除了由燃料電池305產(chǎn)生的電之外的電?；蛘撸瑴u輪機335可用于驅(qū)動一個或更多個壓縮機，諸如壓縮機324、330及361。低壓二氧化碳流可被“螯合” 或用以使飲料碳酸化。可選地，高壓二氧化碳流可不轉化成低壓二氧化碳流，且可用于通過將高壓二氧化碳流注入至油層中而增強從油層的采油?？赏ㄟ^選擇性地傳送氫氣經(jīng)過氫氣分離膜303的膜壁323至氫氣分離膜303的氫氣管道325中而從重整反應器301中的經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體分離含有氫氣的第一氣流。第一氣流可含有非常高的氫氣濃度，且可含有至少0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8、或至少0. 9、或至少0. 95，或至少0. 98克分子份數(shù)的氫氣。包含蒸汽的吹掃氣體可經(jīng)由管線337注入至氫氣管道325中以從膜壁323的內(nèi)部部分吹掃氫氣，由此增加可通過氫氣分離膜303從重整區(qū)域315分離氫氣的速率?？山?jīng)由氫氣出口管線339從氫氣分離膜303及重整反應器301移除第一氣流及蒸汽吹掃氣體。第一氣流及蒸汽吹掃氣體可經(jīng)由氫氣出口管線339饋送至熱交換器341以冷卻第一氣流及蒸汽吹掃氣體。組合的第一氣流及蒸汽吹掃氣體在退出重整反應器301之后可具有自400°C至650°C的溫度，通常為自450°C至550°C的溫度。組合的第一氣流及蒸汽吹掃氣體可在熱交換器341中與初始進料前驅(qū)物及水/蒸汽交換熱。初始進料前驅(qū)物可經(jīng)由管線343提供至熱交換器341，且水/蒸汽可經(jīng)由管線345提供至熱交換器341，其中進料前驅(qū)物及水的流量可分別由閥342及344調(diào)節(jié)。經(jīng)加熱的進料前驅(qū)物及蒸汽可分別經(jīng)由管線 347及349饋送至熱交換器313，以用于如上文描述在饋送至預重整反應器314之前進一步加熱。經(jīng)冷卻的組合的第一氣流及蒸汽吹掃氣體可經(jīng)由管線352饋送至冷凝器351，以通過與經(jīng)由管線353饋送至冷凝器351中的水及經(jīng)由管線355從高壓二氧化碳氣流分離且饋送至冷凝器351的經(jīng)冷凝的水交換熱而從組合氣流冷凝水。在冷凝器351中冷凝的水及經(jīng)由管線353及355饋送至冷凝器351的水可經(jīng)過聚水管線357傳遞至泵359，該泵359將水抽汲至熱交換器329以用于與經(jīng)冷卻的高壓二氧化碳氣流進行熱交換以加熱水，同時進一步冷卻所述經(jīng)冷卻的高壓二氧化碳氣流。如上文描述，經(jīng)加熱的水/蒸汽可經(jīng)由管線345傳遞至熱交換器341，以用于在熱交換器313中進一步加熱之后進一步加熱以產(chǎn)生待饋送至預重整反應器314的蒸汽。含有氫氣及極少水或無水的經(jīng)冷卻的第一氣流可經(jīng)由管線363自冷凝器351饋送至壓縮機361中。第一氣流在退出重整反應器及經(jīng)由熱交換器341和冷凝器351饋送至壓縮機361之后可具有大氣壓壓力或接近大氣壓的壓力。第一氣流可在饋送至燃料電池305 之前在壓縮機361中受到壓縮以增加第一氣流的壓力。在一實施例中，第一氣流可壓縮至自0. 15MPa至0. 5MPa，且優(yōu)選地自0. 2MPa至0. 3MPa的壓力?？赏ㄟ^高壓二氧化碳流在經(jīng) 耦合以驅(qū)動壓縮機361的渦輪機335中的膨脹而提供用以驅(qū)動壓縮機361的能量。第一氣流可接著經(jīng)由至陽極入口 365中的管線367而饋送至固態(tài)氧化物燃料電池305的陽極307。第一氣流將氫氣提供至陽極307以用于在燃料電池305中沿陽極路徑長度與一個或更多個陽極電極處的氧化劑進行電化學反應?？赏ㄟ^選擇所述進料及蒸汽饋送至重整反應器301的流量而選擇第一氣流饋送至燃料電池305的陽極307的流量，進料及蒸汽饋送至重整反應器301的流量又可通過進料前驅(qū)物及水饋送至預重整反應器314的流量而加以選擇，進料前驅(qū)物及水饋送至預重整反應器314的流量可分別通過調(diào)整計量閥 342及344來控制。含有氫氣的第二氣流亦饋送至燃料電池305的陽極307。可從含有氫氣及水的陽極廢氣流分離第二氣流?？赏ㄟ^將陽極廢氣流冷卻至足以從陽極氣體廢氣流冷凝水以產(chǎn)生含有氫氣的第二氣流而從陽極廢氣流分離第二氣流。陽極廢氣流經(jīng)由陽極廢氣出口 369退出陽極307?？赏ㄟ^在預重整反應器314中與蒸汽及進料前驅(qū)物交換熱，和/或通過在重整反應器301中與蒸汽及進料交換熱而初始地冷卻陽極廢氣流。在一實施例中，陽極廢氣流可經(jīng)由管線373饋送至延伸至重整反應器301的重整區(qū)域315中且位于重整反應器301的重整區(qū)域315內(nèi)的一個或更多個重整器陽極廢氣管道 319。如下文進一步詳細描述的那樣，當陽極廢氣流在重整器陽極廢氣管道319中經(jīng)過重整區(qū)域315時，可在陽極廢氣流與重整反應器301的重整區(qū)域315中的進料及蒸汽之間交換熱，從而冷卻陽極廢氣流且加熱反應器301中的蒸汽及進料。在一實施例中，最初可通過將陽極廢氣流經(jīng)由管線372饋送至延伸至預重整反應器314的預重整區(qū)域316中且位于預重整反應器314的預重整區(qū)域316內(nèi)的一個或更多個預重整器陽極廢氣管道320而冷卻陽極廢氣流。如下文進一步詳細描述，當陽極廢氣流在預重整器陽極廢氣管道320中經(jīng)過預重整區(qū)域316時，可在陽極廢氣流與預重整反應器314 的預重整區(qū)域316中的進料前驅(qū)物及蒸汽之間交換熱，從而冷卻陽極廢氣流且加熱預重整反應器314中的蒸汽及進料前驅(qū)物。在一實施例中，如上文描述，陽極廢氣流可分別通過經(jīng)由重整器陽極廢氣管道319 及經(jīng)由預重整器陽極廢氣管道320饋送至重整反應器301及預重整反應器314而被初始地冷卻。當陽極廢氣在重整器陽極廢氣管道319中經(jīng)過重整區(qū)域315時，陽極廢氣流的一部分可通過在重整反應器301中與重整反應器301的重整區(qū)域315中的進料及蒸汽交換熱而冷卻。當陽極廢氣在預重整器陽極廢氣管道320中經(jīng)過預重整區(qū)域316時，剩余陽極廢氣可通過在預重整反應器314中與預重整反應器314的預重整區(qū)域316中的進料前驅(qū)物及蒸汽交換熱而冷卻。在另一實施例中，最初可通過將陽極廢氣流首先饋送至預重整反應器314，接著從預重整反應器314饋送至重整反應器301而冷卻陽極廢氣流。陽極廢氣流可經(jīng)由管線372 從陽極廢氣出口 369饋送至預重整器陽極廢氣管道320，以通過與預重整反應器314的預重整區(qū)域316中的進料前驅(qū)物及蒸汽交換熱而冷卻。陽極廢氣流可接著經(jīng)由管線374從預重整器陽極廢氣管道320饋送至重整反應器301，其中陽極廢氣流可饋送至重整器陽極廢氣管道319，以用于當陽極廢氣流經(jīng)過重整器陽極廢氣管道319時，通過與重整反應器301的重整區(qū)域315中的進料及蒸汽交換熱而進一步冷卻。首先通過在預重整反應器314中與進料前驅(qū)物及蒸汽交換熱，且隨后通過在重整反應器301中與進料及蒸汽交換熱而冷卻陽極廢氣流，這樣對于驅(qū)動相應的預重整反應及重整反應可為尤其有效的，這是由于預重整反應需要比重整反應更多的熱，且重整反應可在比預重整反應低的溫度下進行以避免對位于重整反應器301的重整區(qū)域315中的高溫氫氣分離膜303造成熱損傷。計量閥370及371可用于控制導引至重整反應器301和/或預重整反應器314的陽極廢氣流的量。計量閥370及371可經(jīng)調(diào)整以選擇至重整反應器301或至預重整反應器 314的陽極廢氣流的流動。閥368可用于控制陽極廢氣流自預重整器陽極廢氣管道320至重整器陽極廢氣管道319或如下文描述自預重整器陽極廢氣管道320與退出重整器陽極廢氣管道319的經(jīng)冷卻的陽極廢氣流組合的流動。經(jīng)冷卻的陽極廢氣流退出重整器陽極廢氣管道319和/或預重整器陽極廢氣管道 320，且可進一步冷卻以分離陽極廢氣流中含有氫氣的第二氣流與水。若退出預重整反應器314的任何經(jīng)冷卻的陽極廢氣流未傳遞至重整器陽極廢氣管道319以用于在重整反應器 301中進行進一步熱交換，則來自預重整反應器314的經(jīng)冷卻的陽極廢氣流可經(jīng)由管線378 及382傳遞至熱交換器341以用于進一步冷卻。若任何經(jīng)冷卻的陽極廢氣流退出重整反應器301，則經(jīng)冷卻的陽極廢氣流可經(jīng)由管線382傳遞至熱交換器341以用于進一步冷卻。退出重整反應器301及預重整反應器314的經(jīng)冷卻的陽極廢氣流可在管線382中組合，且傳遞至熱交換器341以用于進一步冷卻。退出重整器陽極廢氣管道319、預重整器陽極廢氣管道320或兩者的經(jīng)冷卻的陽極廢氣流在熱交換器341中通過與來自管線343的進料前驅(qū)物及來自管線345的蒸汽交換熱而進一步冷卻。在一實施例中，為了控制第二氣流至燃料電池305的流量，可經(jīng)由管線376將陽極廢氣流的至少一部分從熱交換器341傳遞至冷凝器375，以在陽極廢氣流的選定部分中使氫氣與水分離?？赏ㄟ^在冷凝器375中從陽極廢氣流冷凝水而從陽極廢氣流的選定部分分離氫氣。經(jīng)分離的氫氣可經(jīng)由管線379饋送至氫氣儲存槽377。自冷凝器375冷凝的水可經(jīng)由管線380饋送至泵359。未饋送至冷凝器375 (用于分離至氫氣槽377中)的經(jīng)冷卻的陽極廢氣流用于將第二氣流提供至燃料電池305?？赏ㄟ^經(jīng)由管線381將陽極廢氣流饋送至管線352而將退出熱交換器341的陽極廢氣流與第一氣流及蒸汽吹掃氣體混合。陽極廢氣流、第一氣流及蒸汽吹掃氣體的混合物可接著饋送至冷凝器351以進一步冷卻陽極廢氣流。通過自陽極廢氣流冷凝水而得到的第二氣流可經(jīng)由管線363與第一氣流混合在一起而從冷凝器351分離。第二氣流可含有至少0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8、或至少0. 9、或至少0. 95，或至少0. 98克分子份數(shù)的氫氣，其中可通過確定以折干計算(dry basis)的經(jīng)冷卻的陽極廢氣流的氫氣含量而確定第二氣流的氫氣含量。來自陽極廢氣流的水可與來自第一氣流及蒸汽吹掃氣體的水一起在冷凝器351中冷凝，且被經(jīng)由管線357自冷凝器351移除以饋送至泵359。計量閥383及385可用于選擇第二氣流至固態(tài)氧化物燃料電池305的流量?？赏?過與計量陽極廢氣流至冷凝器351的流量(調(diào)節(jié)第二氣流至固態(tài)氧化物燃料電池305的流量)協(xié)調(diào)地調(diào)整閥383及385而選擇第二氣流至固態(tài)氧化物燃料電池305的流量。閥383 可完全關閉，從而阻斷陽極廢氣流至冷凝器375及氫氣至氫氣槽377的流動，且閥385可完全打開以允許全部陽極廢氣流流動至冷凝器351且第二氣流以最大流量流動至固態(tài)氧化物燃料電池305。在一優(yōu)選實施例中，可通過相應于陽極廢氣流的水和/或氫氣含量自動地調(diào)整計量閥383及385而將第二氣流至燃料電池305的流量自動地控制為一選定流量。在一實施例中，可將小部分的組合的第一及第二氣流作為瀉放流傳遞過氫氣分離設備387，以移除由于在產(chǎn)生第一氣流時及在第二氣流中的其后續(xù)再循環(huán)時由于重整反應器301中的氫氣分離膜303對氫氣與碳氧化物的不完全分離而可存在于第一及第二氣流中的任何少量碳氧化物?？衫瞄y389及391控制瀉放流至氫氣分離設備387的流動，其中優(yōu) 選地閥389及391可允許第一及第二氣流同時經(jīng)由管線393及395或者分別經(jīng)由管線393 或管線395的定量流動。氫氣分離設備387優(yōu)選地為可有效地用于分離氫氣與碳氧化物的壓力變化吸附裝置，或可為諸如上文描述的可選擇性地透過氫氣的膜。管線395及397中的第一及第二氣流可經(jīng)組合以經(jīng)由管線367饋送至固態(tài)氧化物燃料電池305。在該方法的一實施例中，可選擇第一及第二氣流的溫度及壓力以實現(xiàn)固態(tài)氧化物燃料電池305的有效操作。特別地，該溫度不應太低以致抑制燃料電池的電化學反應性，且不應太高以致引起燃料電池305中的不受控制的發(fā)熱反應。在一實施例中，饋送至燃料電池305的組合的第一及第二氣流的溫度可在自25°C至300°C、或自50°C至200°C，或自75°C 至150°C的范圍內(nèi)。組合的第一及第二氣流的壓力可由壓縮機361控制，且可為自0. 15MPa 至 0. 5MPa,或自 0. 2MPa 至 0. 3MPa。含氧氣流可經(jīng)由管線403通過陰極入口 401饋送至燃料電池的陰極399。含氧氣流可由空氣壓縮機或氧氣槽(圖上未顯示)提供。在一實施例中，含氧氣流可為空氣或純氧氣。在另一實施例中，含氧氣流可為含有至少21%氧氣的富氧空氣流，其中，由于富氧空氣流含有用于在燃料電池中轉化成氧離子的更多氧氣，故富氧空氣流在固態(tài)氧化物燃料電池中提供比空氣高的電效率?？稍趯⒑鯕饬黟佀椭寥剂想姵?05的陰極399之前加熱含氧氣流。在一實施例中，可在將含氧氣流饋送至燃料電池305的陰極399之前在熱交換器405中通過與從陰極廢氣出口 407經(jīng)由管線409提供至熱交換器405的陰極廢氣的一部分交換熱而將含氧氣流加熱至自150°C至350°C的溫度?？墒褂糜嬃块y411控制陰極廢氣流至熱交換器405的流量?；蛘撸捎呻娂訜崞?圖上未示)加熱含氧氣流，或含氧氣流可在不加熱的情況下提供至燃料電池305的陰極399。在本發(fā)明方法的該實施例中使用的固態(tài)氧化物燃料電池305可為常規(guī)固態(tài)氧化物燃料電池(優(yōu)選地具有平面或管狀結構)，且包含陽極307、陰極399及電解質(zhì)413，其中電解質(zhì)413插于陽極307與陰極399之間。固態(tài)氧化物燃料電池可包含堆棧在一起(由互連件電接合且操作性地連接)的多個單獨的燃料電池，以使得燃料可流過經(jīng)堆棧的燃料電池的陽極且含氧氣體可流過經(jīng)堆棧的燃料電池的陰極。固態(tài)氧化物燃料電池可為單一固態(tài) 氧化物燃料電池或復數(shù)個經(jīng)操作性地連接或堆棧的固態(tài)氧化物燃料電池。在一實施例中，陽極307由NiArO2金屬陶瓷形成，陰極399由浸漬有氧化鐠且覆蓋有摻雜SnO的In2O3的經(jīng)摻雜的錳酸鑭或穩(wěn)定形成，且電解質(zhì)413由氧化釔穩(wěn)定的&02 (大致8% Y2O3 (摩爾比))形成。經(jīng)堆棧的各個燃料電池或管狀燃料電池之間的互連件可為經(jīng)摻雜的鉻酸鑭。固態(tài)燃料電池305構造成使得第一及第二氣流可從陽極入口 365流過燃料電池 305的陽極307至陽極廢氣出口 369，從而接觸從陽極入口 365至陽極廢氣出口 369的陽極路徑長度上的一個或更多個陽電極。燃料電池305還構造成使得含氧氣體可從陰極入口 401流過陰極399至陰極廢氣出口 407，從而接觸自陰極入口 401至陰極廢氣出口 407的陰極路徑長度上的一個或更多個陰電極。電解質(zhì)413位于燃料電池305中以防止第一及第二氣流進入陰極且防止含氧氣體進入陽極，且將氧離子從陰極傳導至陽極以用于與一個或更多個陽極電極處的第一及第二氣流中的氫氣進行電化學反應。固態(tài)氧化物燃料電池305在可有效地使氧離子從陰極399穿過電解質(zhì)413至燃料電池305的陽極307的溫度下操作。固態(tài)氧化物燃料電池305可在自700°C至1100°C的溫度下、或自800°C至1000°C的溫度下操作。在一個或更多個陽極電極處，氫氣與氧離子的氧化反應為大量發(fā)熱反應，且反應的熱產(chǎn)生操作固態(tài)氧化物燃料電池305所需的熱?？赏?過獨立地控制第一氣流的溫度、第二氣流的溫度及含氧氣流的溫度及這些氣流至燃料電池 305的流量而控制固態(tài)氧化物燃料電池305操作的溫度。在一實施例中，第二氣流的溫度被控制為至多150°C的溫度，含氧氣流的溫度被控制為至多300°C的溫度，且第一氣流的溫度被控制為至多150°C的溫度，以維持固態(tài)氧化物燃料電池的操作溫度在自700°C至1000°C 的范圍內(nèi)，且優(yōu)選地在自800°C至900°C的范圍內(nèi)。為了啟動燃料電池305的操作，將燃料電池305加熱至其操作溫度。在一優(yōu)選實施例中，可通過在催化性部分氧化重整反應器433中產(chǎn)生含氫氣流且將含氫氣流經(jīng)由管線 435饋送至固態(tài)氧化物燃料電池的陽極307來啟動固態(tài)氧化物燃料電池305的操作?？赏?過在存在常規(guī)部分氧化重整催化劑的情況下在催化性部分氧化重整反應器433中燃燒烴進料及氧氣源而在催化性部分氧化重整反應器433中產(chǎn)生含氫氣流，其中氧氣源以相對于烴進料的低于化學計量的量饋送至催化性部分氧化重整反應器433。饋送至催化性部分氧化重整反應器433的烴進料可為液態(tài)或氣態(tài)烴或烴的混合物，且優(yōu)選為甲烷、天然氣或其它低分子量烴或低分子量烴的混合物。在本發(fā)明的方法的特別優(yōu)選實施例中，饋送至催化性部分氧化重整反應器433的烴進料可為與在預重整反應器 314中使用的進料前驅(qū)物的類型相同類型的進料以減少進行該方法所需的烴進料的數(shù)目。饋送至催化性部分氧化重整反應器433的含氧進料可為純氧氣、空氣或富氧空氣。含氧進料應以相對于烴進料的低于化學計量的量饋送至催化性部分氧化重整反應器 433以在催化性部分氧化重整反應器433中與烴進料燃燒。由在催化性部分氧化重整反應器433中烴進料及含氧氣體的燃燒形成的含氫氣流含有可在燃料電池305的陽極307中通過接觸陽電極中的一個或更多個處的氧化劑而氧化的化合物，包括氫氣及一氧化碳，以及諸如二氧化碳的其它化合物。來自催化性部分氧化重整反應器433的含氫氣流優(yōu)選地不含有可對燃料電池305的陽極307中的一個或更多個陽電極進行氧化的化合物。在催化性部分氧化重整反應器433中形成的含氫氣流為熱的，且可具有至少 700°C、或自700°C至1100°C或自800°C至1000°C的溫度。使用來自催化性部分氧化重整反應器433的熱含氫氣流以觸發(fā)固態(tài)氧化物燃料電池305的啟動在本發(fā)明的方法中為優(yōu)選的，這是由于其使得燃料電池305的溫度能夠幾乎瞬時地上升至燃料電池305的操作溫度。在一實施例中，當開始燃料電池305的操作時，可在熱交換器405中在來自催化性部分氧化重整反應器433的熱含氫氣體與饋送至燃料電池305的陰極399的含氧氣體之間交換熱。一旦達到燃料電池305的操作溫度，從催化性部分氧化重整反應器433至燃料電池305中的熱含氫氣流的流動可由閥439切斷，同時通過打開閥441而將來自重整反應器 301的第一氣流饋送至陽極307中且將含氧氣流饋送至燃料電池305的陰極399中。燃料電池的連續(xù)操作可接著根據(jù)本發(fā)明的方法進行。在另一實施例中(未在圖3中顯示)，燃料電池305的操作可使用來自氫氣儲存槽377的氫氣啟動氣流而起動，可在將第一氣流引入至燃料電池中之前使氫氣啟動氣流經(jīng) 過啟動加熱器以使燃料電池升至其操作溫度。氫氣儲存槽可操作性地連接至燃料電池以允許將氫氣啟動氣流引入至固態(tài)氧化物燃料電池的陽極中。所述啟動加熱器可間接地將氫氣啟動氣流加熱至自750°C至1000°C的溫度。所述啟動加熱器可為電加熱器或可為燃燒加熱器。一旦達到燃料電池的操作溫度，氫氣啟動氣流至燃料電池中的流動可由一閥切斷，且第一氣流可弓I入至燃料電池中以開始燃料電池的連續(xù)操作。在燃料電池305的操作的起動期間，含氧氣流可引入至燃料電池305的陰極399 中。含氧氣流可為空氣、含有至少21%的氧氣的富氧空氣或純氧氣。優(yōu)選地，含氧氣流為在起動燃料電池的操作之后在燃料電池305的操作期間將饋送至陰極399的含氧氣流。在一優(yōu)選實施例中，在燃料電池的啟動期間饋送至燃料電池的陰極399的含氧氣流具有至少500°C、優(yōu)選至少650°C，且更優(yōu)選至少750°C的溫度?？稍趯⒑鯕饬黟佀椭凉?態(tài)氧化物燃料電池305的陰極399之前由電加熱器加熱含氧氣流。在一優(yōu)選實施例中，用于起動燃料電池305的操作的含氧氣流可在饋送至燃料電池305的陰極399之前在熱交換器405中通過與來自催化性部分氧化重整反應的熱含氫氣流進行熱交換來加熱。一旦燃料電池的操作已開始，第一及第二氣流可與在燃料電池305中的一個或更多個陽極電極處的氧離子氧化劑混合以產(chǎn)生電。從流過燃料電池305的陰極399的含氧氣流中的氧氣得到氧離子氧化劑且將其傳導穿過燃料電池的電解質(zhì)413。通過將第一氣流、第二氣流及含氧氣流以選定的獨立流量饋送至燃料電池305同時在自750°C至1100°C的溫度下操作燃料電池而在燃料電池305的一個或更多個陽極電極處在陽極307中混合饋送至燃料電池305的陽極307的第一及第二氣流及氧化劑。優(yōu)選地，在燃料電池305的一個或更多個陽極電極處混合第一及第二氣流及氧化劑以按至少0. 4W/cm2、更優(yōu)選至少0. 5W/cm2、或至少0. 75W/cm2、或至少lW/cm2、或至少 1. 25ff/cm2或至少1. 5ff/cm2的電力密度產(chǎn)生電?？赏ㄟ^選擇并控制第一及第二氣流饋送至燃料電池305的陽極307的流量而以這種電力密度產(chǎn)生電?？赏ㄟ^選擇并控制進料及蒸汽饋送至重整反應器301的流量而選擇第一氣流至燃料電池305的陽極307的流量，進料及蒸汽饋送至重整反應器301的流量又可由進料前驅(qū)物及蒸汽饋送至預重整反應器314的流量控制，分別通過調(diào)整計量閥342及344而控制進料前驅(qū)物及蒸汽饋送至預重整反應器314 的流量。如上文所述，可通過調(diào)整計量閥383及385而選擇并控制陽極廢氣流至冷凝器351 的流量而選擇并控制第二氣流至燃料電池305的陽極307的流量。在一實施例中，可通過反饋電路(圖上未顯示)自動地調(diào)整計量閥383及385，該反饋電路量測陽極廢氣流中的水和/或氫氣含量，且調(diào)整所述計量閥383及385以維持陽極廢氣流中的選定水和/或氫氣含量。在本發(fā)明的方法中，在一個或更多個陽極電極處混合第一及第二氣流與氧化劑，通過由氧化劑氧化存在于饋送至燃料電池305的第一及第二氣流中的氫氣的一部分而產(chǎn) 生水(為蒸汽)。利用氧化劑氧化氫氣所產(chǎn)生的水由第一及第二氣流的未反應部分吹掃過燃料電池305的陽極307而作為陽極廢氣流的一部分退出陽極307。在本發(fā)明的方法的實施例中，可獨立地選擇第一及第二氣流饋送至陽極307的流量，以使得每單位時間在燃料電池305中形成的水的量相對于每單位時間陽極廢氣中的氫氣的量的比率為至多1. 0、或至多0. 75、或至多0. 67、或至多0. 43、或至多0. 25，或至多0. 11。在一實施例中，燃料電池305中形成的水的量與陽極廢氣中氫氣的量可以摩爾為單位量測，以使得每單位時間以摩爾計的每單位時間燃料電池中形成的水的量與每單位時間陽極廢氣中氫氣的量的比率為至多1. 0、或至多0. 75、或至多0. 67、或至多0. 43、或至多 0. 25，或至多0. 11。在本發(fā)明的方法的另一實施例中，可獨立地選擇第一及第二氣流饋送至陽極307的流量，以使得陽極廢氣流含有至少0. 6、或至少0. 7、或至少0. 8，或至少0. 9克分子份數(shù)的氫氣。在一實施例中，可獨立地選擇第一及第二氣流饋送至陽極307的流量，以使得陽極廢氣流含有饋送至陽極307的組合的第一及第二氣流中的氫氣的至少50%、或至少60%、或至少70%、或至少80%，或至少90%。在一實施例中，可獨立地選擇第一及第二氣流饋送至陽極307的流量，以使得燃料電池305的每道氫氣利用率為至多50%、或至多 40%、或至多30%、或至多20%，或至多10%。提供至固態(tài)氧化物燃料電池305的陰極399的含氧氣流的流量應經(jīng)選擇以提供足夠氧化劑至陽極，以當在一個或更多個陽極電極處與來自第一及第二氣流的燃料組合時按至少0. 4W/cm2、或至少0. 5W/cm2、或至少0. 75W/cm2、或至少lW/cm2、或至少1. 25W/cm2，或至少1. 5ff/cm2的電力密度產(chǎn)生電?？赏ㄟ^調(diào)整計量閥415來選擇并控制含氧氣流至陰極399 的流量。在本發(fā)明的方法的一實施例中，重整反應器301及固態(tài)氧化物燃料電池305可被熱學整合，以使得將來自燃料電池305中的發(fā)熱電化學反應的熱提供至重整反應器301的重整區(qū)域315，從而驅(qū)動重整反應器301中的吸熱重整反應。如上文描述，一個或更多個重整器陽極廢氣管道319和/或一個或更多個重整器陰極廢氣管道317延伸至重整反應器 301的重整區(qū)域315中且位于重整反應器301的重整區(qū)域315內(nèi)。熱陽極廢氣流可自陽極廢氣出口 369退出燃料電池305的陽極307，且經(jīng)由管線373進入重整區(qū)域315中的重整器陽極廢氣管道319，且熱陰極廢氣流可自陰極廢氣出口 407退出燃料電池305的陰極399，且經(jīng)由管線417進入重整區(qū)域315中的重整器陰極廢氣管道317。當陽極廢氣流經(jīng)過重整器陽極廢氣管道319時，可在陽極廢氣流與重整區(qū)域315中的蒸汽和進料的混合物之間交換來自熱陽極廢氣流的熱。類似地，當陰極廢氣流經(jīng)過重整器陰極廢氣管道317時，可在陰極廢氣流與重整反應器301的重整區(qū)域315中的蒸汽和進料的混合物之間交換來自熱陰極廢氣流的熱。從發(fā)熱的固態(tài)氧化物燃料電池305至吸熱的重整反應器301的熱交換為高度有效的。在重整反應器301的重整區(qū)域315內(nèi)重整器陽極廢氣管道319和/或重整器陰極廢氣管道317的位置允許熱陽極廢氣流和/或熱陰極廢氣流與反應器301內(nèi)的進料和蒸汽的混合物之間的熱交換，從而在發(fā)生重整反應的位置處將熱轉移至進料及蒸汽。此外，由于管道 317及319在催化劑床附近，在重整區(qū)域315內(nèi)重整器陽極廢氣管道和/或陰極廢氣管道 319及317的位置允許熱陽極廢氣流和/或熱陰極廢氣流加熱重整區(qū)域315中的重整催化劑。此外，除了由陽極廢氣流和/或陰極廢氣流提供的熱之外，不需要將額外的熱提供至重整反應器301來驅(qū)動反應器301中的重整及變換反應以產(chǎn)生經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體及第一氣流。如上文提出，在重整反應器301內(nèi)進行重整及變換反應所需的溫度為自400°C至 650°C，其遠低于常規(guī)重整反應器溫度(其為至少750°C，且通常為800°C至900°C)。由于通過高溫氫氣分離膜303將氫氣從重整反應器301分離所造成的重整反應中的平衡變換，重整反應器可在這種低溫下進行。陽極廢氣流及陰極廢氣流可具有自800°C至1000°C的溫度，其在陽極廢氣流和/或陰極廢氣流與進料和蒸汽的混合物之間熱交換之后足以驅(qū)動重整反應器301中的低溫的重整及變換反應。在本發(fā)明的方法的實施例中，當陽極廢氣流經(jīng)過重整器陽極廢氣管道319時，陽極廢氣流與重整區(qū)域315中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可提供供給反應器301中的蒸汽和進料的混合物的相當大量的熱以驅(qū)動重整及變換反應。在本發(fā)明的方法的實施例中，陽極廢氣流與反應器301中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可提供供給反應器 301中的蒸汽和進料的混合物的熱的至少40%、或至少50%、或至少70%，或至少90%。在一實施例中，供應至重整反應器301中的蒸汽和進料的混合物的熱基本上由在經(jīng)過重整器陽極廢氣管道319的陽極廢氣流與重整反應器301中的蒸汽和進料的混合物之間交換的熱組成。在該方法的實施例中，陽極廢氣流與反應器301中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可受到控制以維持蒸汽和進料的混合物的溫度在400°C至650°C的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的方法的實施例中，當陰極廢氣流經(jīng)過重整器陰極廢氣管道317時，陰極廢氣流與重整區(qū)域315中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可提供供給反應器301中的蒸汽和進料的混合物的相當大量的熱以驅(qū)動重整及變換反應。在本發(fā)明的方法的實施例中，陰極廢氣流與反應器301中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可提供供給反應器 301中的蒸汽和進料的混合物的熱的至少40%、或至少50%、或至少70%，或至少90%。在一實施例中，供應至重整反應器301中的蒸汽和進料的混合物的熱基本上由在經(jīng)過重整器陰極廢氣管道317的陰極廢氣流與重整反應器301中的蒸汽和進料的混合物之間交換的熱組成。在該方法的實施例中，陰極廢氣流與反應器301中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可受到控制以維持蒸汽和進料的混合物的溫度在400°C至650°C的范圍內(nèi)。在一實施例中，當陽極廢氣流經(jīng)過重整器陽極廢氣管道319且陰極廢氣流經(jīng)過重整器陰極廢氣管道317時，陽極廢氣流、陰極廢氣流與重整區(qū)域315中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可提供供給反應器301中的蒸汽和進料的混合物的相當大量的熱以驅(qū)動重整及變換反應。在本發(fā)明的方法的實施例中，陽極廢氣流、陰極廢氣流與反應器301中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可提供供給反應器301中的蒸汽和進料的混合物的熱的至少40 %、或至少50 %、或至少70 %、或至少90 %、或至少95 %，或至少99 %。在本發(fā)明的方法的實施例中，陰極廢氣流與反應器301中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可提供供給反應器301中的蒸汽和進料的混合物的熱的高達60%、或高達50%、或高達40%、或高達30%，或高達20%，同時陽極廢氣流與反應器301中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可提供供給反應器301中的蒸汽和進料的混合物的熱的至少40%、或至少50%、或至少60%、或至少70%，或至少80%。在一實施例中，供應至重整反應器301中的蒸汽和進料的混合物的熱可基本上由在陽極廢氣流及陰極廢氣流與反應器301中的蒸汽和進料的混合物之間交換的熱組成。在該方法的實施例中，陽極廢氣流及陰極廢氣流與反應器301 中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可受到控制以維持蒸汽和進料的混合物的溫度在 400°C至650°C的范圍內(nèi)。在一優(yōu)選實施例中，由陽極廢氣流、或陰極廢氣流或陽極廢氣流及陰極廢氣流提供至重整反應器301中的蒸汽和進料的混合物的熱足以驅(qū)動重整反應器301中的重整及變換反應，使得不需要其它熱源來驅(qū)動重整反應器301中的反應。最佳地，不通過電加熱或燃燒將熱提供至重整反應器301中的蒸汽和進料的混合物。在一實施例中，陽極廢氣流提供大部分或全部熱至重整反應器301中的蒸汽和進料的混合物以驅(qū)動反應器中的重整及變換反應。可調(diào)整計量閥371及370以控制陽極廢氣流從燃料電池至重整器陽極廢氣管道319的流動，其中可增加陽極廢氣流經(jīng)過閥371的流動且可減少其經(jīng)過閥370的流動，以增加陽極廢氣流至重整器陽極廢氣管道319的流動，從而提供驅(qū)動重整反應器301中的重整及變換反應所需的熱。在此實施例中，僅需要一些陰極廢氣流或不需要陰極廢氣流與重整反應器301中的蒸汽和進料的混合物交換熱以驅(qū)動重整及變換反應。陰極廢氣流經(jīng)過重整反應器301中的重整陰極廢氣管道317的流動可受到控制以控制從陰極廢氣流提供至重整反應器301中的蒸汽和進料的混合物的熱的量。計量閥411、412、429及431可經(jīng)調(diào)整以控制陰極廢氣流至重整器陰極廢氣管道317的流動，使得陰極廢氣流提供所要量的熱(若存在)至反應器 301中的蒸汽和進料的混合物。為了減少陰極廢氣經(jīng)由重整器陰極廢氣管道317至重整反應器301的流動，閥412及431可經(jīng)調(diào)整以減少陰極廢氣經(jīng)由閥412及431的流動，且閥 411及429可經(jīng)調(diào)整以增加陰極廢氣經(jīng)由閥411及429的流動。在一實施例中，陰極廢氣流提供大部分或全部熱至重整反應器301中的蒸汽和進料的混合物以驅(qū)動反應器中的重整及變換反應。計量閥411、412、429及431可經(jīng)調(diào)整以控制陰極廢氣流至重整器陰極廢氣管道317的流動，使得陰極廢氣流提供所要量的熱至反應器301中的蒸汽和進料的混合物。為了增加陰極廢氣經(jīng)由重整器陰極廢氣管道317至重整反應器301的流動，閥412及431可經(jīng)調(diào)整以增加陰極廢氣經(jīng)由閥412及431的流動，且閥 411及429可經(jīng)調(diào)整以減少陰極廢氣經(jīng)由閥411及429的流動。在此實施例中，僅需要一些陽極廢氣流或不需要陽極廢氣流與重整反應器301中的蒸汽和進料的混合物交換熱以驅(qū)動重整及變換反應。陽極廢氣流經(jīng)過重整反應器301中的重整陽極廢氣管道319的流動可受到控制以控制自陽極廢氣流提供至重整反應器301中的蒸汽和進料的混合物的熱的量?？烧{(diào)整計量閥371及370以控制陽極廢氣流從燃料電池 305至重整器陽極廢氣管道319的流動，其中可減少流過閥371的陽極廢氣流且可增加其經(jīng) 過閥370的流動，以減少陽極廢氣流至重整器陽極廢氣管道319中的流動。已經(jīng)過重整器陰極廢氣管道317的經(jīng)冷卻的陰極廢氣流在其中可仍具有相當大量的熱，且可具有高達650°C的溫度。經(jīng)冷卻的陰極廢氣流可經(jīng)由出口 418傳遞出陰極廢氣管道，以經(jīng)由管線419與經(jīng)由閥411定量供給至熱交換器405的任何陰極廢氣流一起饋送至含氧氣體熱交換器405。如上文描述處理已經(jīng)過重整器陽極廢氣管道319的經(jīng)冷卻的陽極廢氣流以將第二氣流提供至燃料電池305。在本發(fā)明的方法的一實施例中，預重整反應器314及固態(tài)氧化物燃料電池305可被熱學整合，以使得將來自燃料電池305中的發(fā)熱電化學反應的熱提供至預重整反應器 314的預重整區(qū)域316以驅(qū)動預重整反應器314中的吸熱汽化及裂化/重整反應。如上文描述，一個或更多個預重整器陽極廢氣管道320和/或一個或更多個預重整器陰極廢氣管道322延伸至預重整反應器314的預重整區(qū)域316中且位于預重整反應器314的預重整區(qū) 域316內(nèi)。熱陽極廢氣流可自陽極廢氣出口 369退出燃料電池305的陽極307，且經(jīng)由管線 372進入預重整區(qū)域316中的預重整器陽極廢氣管道320，且熱陰極廢氣流可自陰極廢氣出口 407退出燃料電池305的陰極399，且經(jīng)由管線421進入預重整區(qū)域316中的預重整器陰
39極廢氣管道322。當陽極廢氣流經(jīng)過預重整器陽極廢氣管道320時，可在陽極廢氣流與預重整區(qū)域316中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物之間交換來自熱陽極廢氣流的熱。類似地，當陰極廢氣流經(jīng)過預重整器陰極廢氣管道322時，可在陰極廢氣流與預重整反應器314的預重整區(qū)域316中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物之間交換來自熱陰極廢氣流的熱。從發(fā)熱固態(tài)氧化物燃料電池305至吸熱預重整反應器314的熱交換為高度有效的。在預重整反應器314的預重整區(qū)域316內(nèi)預重整器陽極廢氣管道320和/或預重整器陰極廢氣管道322的位置允許熱陽極廢氣流和/或陰極廢氣流與反應器314內(nèi)的進料前驅(qū) 物和蒸汽的混合物之間的熱交換，從而在發(fā)生汽化/裂化/重整反應的位置處將熱轉移至進料前驅(qū)物及蒸汽。此外，由于管道320及322在催化劑床附近，在預重整區(qū)域316內(nèi)預重整器陽極廢氣管道和/或陰極廢氣管道320及322的位置允許熱陽極廢氣流和/或陰極廢氣流加熱預重整區(qū)域316中的預重整催化劑。此外，除了由陽極廢氣流和/或陰極廢氣流提供的熱之外不需要將額外熱提供至預重整反應器314以驅(qū)動預重整反應器314中的汽化/裂化/重整反應以產(chǎn)生用于重整反應器301的進料。裂化或重整進料前驅(qū)物烴至適用作重整反應器的進料的烴所需的溫度可為自400°C至850°C，或自500°C至800°C，且可高于在重整反應器301中重整進料所需的溫度。陽極廢氣流及陰極廢氣流可具有自800°C至1000°C的溫度，其在陽極廢氣流和/或陰極廢氣流與進料前驅(qū)物和蒸汽的混合物之間熱交換之后足以驅(qū)動在預重整反應器314中進料前驅(qū)物至進料的轉化。在本發(fā)明的方法的實施例中，當陽極廢氣流經(jīng)過預重整器陽極廢氣管道320時，陽極廢氣流與預重整區(qū)域316中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可提供供給預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物的相當大量的熱以驅(qū)動汽化/裂化/重整反應。在本發(fā)明的方法的實施例中，陽極廢氣流與預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可提供供給預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物的熱的至少40 %、或至少50 %、或至少70 %，或至少90 %。在一實施例中，供應至預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物的熱基本上由在經(jīng)過預重整器陽極廢氣管道320的陽極廢氣流與預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物之間交換的熱組成。在該方法的實施例中，陽極廢氣流與預重整反應器314中的蒸汽和進料的混合物之間的熱交換可經(jīng)控制以維持蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物的溫度在500°C至800°C的范圍內(nèi)。在本發(fā)明的方法的實施例中，當陰極廢氣流經(jīng)過預重整器陰極廢氣管道322時，陰極廢氣流與預重整區(qū)域316中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可提供供給預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物的相當大量的熱以驅(qū)動汽化/裂化/重整反應。在本發(fā)明的方法的實施例中，陰極廢氣流與預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可提供供給預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物的熱的至少40 %、或至少50 %、或至少70 %，或至少90 %。在一實施例中，供應至預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物的熱基本上由在經(jīng)過預重整器陰極廢氣管道322的陰極廢氣流與預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物之間交換的熱組成。在該方法的實施例中，陰極廢氣流與預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可經(jīng)控制以維持蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物的溫度在500°C至800°C的范圍內(nèi)。
在一實施例中，當陽極廢氣流經(jīng)過預重整器陽極廢氣管道320且陰極廢氣流經(jīng)過預重整器陰極廢氣管道322時，陽極廢氣流、陰極廢氣流與預重整區(qū)域316中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可提供供給預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物的相當大量的熱以驅(qū)動汽化/裂化/重整反應。在本發(fā)明的方法的實施例中，陽極廢氣流、陰極廢氣流與預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可提供供給反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物的熱的至少40%、或至少50%、或至少 70 %、或至少80 %、或至少90 %、或至少95 %，或至少99 %。在本發(fā)明的方法的實施例中，陰極廢氣流與反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可提供供給反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物的熱的高達60%、或高達50%、或高達40%、或高達 30%，或高達20%，同時陽極廢氣流與蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可提供供給反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物的熱的至少40 %、或至少50 %、或至少60 %、或至少70 %，或至少80 %。在一實施例中，供應至預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物的熱可基本上由在陽極廢氣流及陰極廢氣流與反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū) 物的混合物之間交換的熱組成。在該方法的實施例中，陽極廢氣流及陰極廢氣流與反應器 314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物之間的熱交換可經(jīng)控制以維持蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物的溫度在500°C至800°C的范圍內(nèi)。在一優(yōu)選實施例中，由陽極廢氣流、或陰極廢氣流或陽極廢氣流和陰極廢氣流提供至預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物的熱足以驅(qū)動重整反應器314中的預重整/裂化反應，使得不需要其它熱源來驅(qū)動預重整反應器314中的反應。最優(yōu)選地，不通過電加熱或燃燒將熱提供至反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物。在一實施例中，陽極廢氣流提供大部分或全部熱至預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物以驅(qū)動預重整反應器314中的汽化/裂化/重整反應?？烧{(diào)整計量閥 371及370以控制陽極廢氣流從燃料電池305至預重整器陽極廢氣管道320的流動，其中可增加陽極廢氣流經(jīng)過閥370的流動且可減少其經(jīng)過閥371的流動，以增加陽極廢氣流至預重整器陽極廢氣管道320中的流動，從而提供驅(qū)動預重整反應器314中的汽化/裂化/重整反應所需的熱。在此實施例中，僅需要一些陰極廢氣流或不需要陰極廢氣流與預重整反應器314 中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物交換熱以驅(qū)動汽化/裂化/重整反應。陰極廢氣流經(jīng)過預重整反應器314中的預重整陰極廢氣管道322的流動可受到控制以控制從陰極廢氣流提供至預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物的熱的量。計量閥411、412、429及431 可經(jīng)調(diào)整以控制陰極廢氣流至預重整器陰極廢氣管道322的流動，使得陰極廢氣流提供所要量的熱(若存在)至預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物。為了減少陰極廢氣流經(jīng)由預重整器陰極廢氣管道322至預重整反應器314的流動，閥412及429可經(jīng)調(diào) 整以減少陰極廢氣經(jīng)由閥412及429的流動，且閥411及431可經(jīng)調(diào)整以增加陰極廢氣經(jīng) 由閥411及431的流動。無需用來加熱重整反應器301或預重整反應器314中的蒸汽和進料的混合物的陰極廢氣流則可經(jīng)由管線409分流至熱交換器405以加熱饋送至陰極399的含氧氣體。在一實施例中，陰極廢氣流提供大部分或全部熱至預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物以驅(qū)動反應器314中的汽化/裂化/重整反應。計量閥411、412、429及431可經(jīng)調(diào)整以控制陰極廢氣流至預重整器陰極廢氣管道322的流動，使得陰極廢氣流提供所要量的熱至反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物。為了增加陰極廢氣流經(jīng)由預重整器陰極廢氣管道322至預重整反應器314的流動，閥412及429可經(jīng)調(diào)整以增加陰極廢氣流經(jīng)由閥412及429的流動，且閥411及431可經(jīng)調(diào)整以減少陰極廢氣流經(jīng)由閥411 及431的流動。在此實施例中，僅需要一些陽極廢氣流或不需要陽極廢氣流與預重整反應器314 中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物交換熱以驅(qū)動汽化/裂化/重整反應。陽極廢氣流經(jīng)過預重整反應器314中的重整陽極廢氣管道320的流動可受到控制以控制自陽極廢氣流提供至預重整反應器314中的蒸汽和進料前驅(qū)物的混合物的熱的量?？烧{(diào)整計量閥371及370以控制陽極廢氣流從燃料電池305至預重整器陽極廢氣管道320的流動，其中可減少流過閥 370的陽極廢氣流且可增加其經(jīng)過閥371的流動，以減少陽極廢氣流至預重整器陽極廢氣管道320中的流動。已經(jīng)過預重整器陰極廢氣管道322的經(jīng)冷卻的陰極廢氣流在其中可仍具有相當大量的熱，且可具有高達800°C的溫度。經(jīng)冷卻的陰極廢氣流可經(jīng)由出口 423傳送出陰極廢氣管道，以經(jīng)由管線419與經(jīng)由閥411定量供給至熱交換器405的任何陰極廢氣流一起饋送至含氧氣體熱交換器405。在一優(yōu)選實施例中，重整反應器301、預重整反應器314及固態(tài)氧化物燃料電池 305可被熱學整合，以使得來自燃料電池305中的發(fā)熱電化學反應的熱提供至重整反應器 301的重整區(qū)域315以驅(qū)動重整反應器301中的吸熱重整反應，且提供至預重整反應器314 的預重整區(qū)域316以驅(qū)動吸熱汽化/裂化/重整反應。如上文描述，燃料電池305可操作性地連接至重整反應器301及預重整反應器314。在一實施例中，預重整陽極廢氣管道320可與重整陽極廢氣管道319操作性地串行連接，使得陽極廢氣流可從燃料電池305的陽極廢氣出口 369流過預重整反應器314，接著流過重整反應器301。陽極廢氣流從預重整器陽極廢氣管道320至重整器陽極廢氣管道 319的流動可通過調(diào)整閥368控制。在一實施例中，預重整反應器314的預重整陰極廢氣管道322可與重整反應器301 的重整陰極廢氣管道317操作性地串行連接，使得陰極廢氣流可從陰極廢氣出口 407流過預重整反應器314，接著經(jīng)由管線425流入重整反應器301的重整器陰極廢氣管道317中。陰極廢氣流從預重整反應器314經(jīng)由管線425至重整反應器301的流動可通過調(diào)整閥427 控制。在另一實施例中，預重整器陽極廢氣管道320與重整器陽極廢氣管道319可操作性地并列連接，使得陽極廢氣流可從陽極廢氣出口 365同時流過預重整器陽極廢氣管道 320及重整器陽極廢氣管道319。計量閥371及370可經(jīng)調(diào)整以使得陽極廢氣流分別以所需流量流入重整器陽極廢氣管道319及預重整器陽極廢氣管道320中。在另一實施例中，預重整器陰極廢氣管道322可與重整器陰極廢氣管道317操作性地并列連接，使得陰極廢氣流可從陰極廢氣出口 407同時流過預重整器陰極廢氣管道 422及重整器陰極廢氣管道417。計量閥431及429可經(jīng)調(diào)整以使得陰極廢氣流分別以所需流量流入重整器陰極廢氣管道317及預重整器陰極廢氣管道322中。可由計量閥370、371及368控制陽極廢氣流經(jīng)過預重整反應器314及重整反應器301以向反應器301及314提供熱的流動。計量閥370可用于控制陽極廢氣流從陽極廢氣出口 365至預重整器陽極廢氣管道320的流動。計量閥371可用于控制陽極廢氣流從陽極廢氣出口 365至重整器陽極廢氣管道319的流動。計量閥368可用于控制陽極廢氣流從預重整器陽極廢氣管道320的流動，使得陽極廢氣流可被導入至重整器陽極廢氣管道319中?？捎捎嬃块y412、427、429及431控制陰極廢氣流經(jīng)過預重整反應器314及重整反應器301以提供熱至反應器301及314的流動。計量閥412可用于控制陰極廢氣流從燃料電池陰極廢氣出口至預重整反應器314及重整反應器301的流動。計量閥429可用于控制陰極廢氣流從陰極廢氣出口 407至預重整器陰極廢氣管道322的流動。計量閥431可用于控制陰極廢氣流從陰極廢氣出口 407至重整器陰極廢氣管道317的流動。計量閥427可用于控制陰極廢氣流從預重整器陰極廢氣管道322的流動，使得陰極廢氣流可被導入至重整器陰極廢氣管道317中。在本發(fā)明的方法的此實施例中，對于由該方法(特別地，從烴進料產(chǎn)生第一氣流及在燃料電池305中將一氧化碳氧化為二氧化碳)產(chǎn)生的每單位電而言，可產(chǎn)生相對極少二氧化碳。首先，在第二氣流中將來自陽極廢氣流的氫氣再循環(huán)至燃料電池305減少了需要由重整反應器301產(chǎn)生的氫氣的量，由此減少伴隨的二氧化碳副產(chǎn)物產(chǎn)生。其次，重整反應器301及可選的預重整反應器314與燃料電池305的熱學整合(其中在燃料電池105中產(chǎn)生的熱由來自燃料電池305的陽極廢氣和/或陰極廢氣轉移到重整反應器301內(nèi)及可選擇的預重整反應器314內(nèi))減少了需要提供以驅(qū)動吸熱重整反應及預重整反應的能量，從而減少例如由燃燒提供該能量的需要，由此減少在提供能量以驅(qū)動重整反應及預重整反應中產(chǎn)生的二氧化碳的量。在本發(fā)明的方法的此實施例中，可以產(chǎn)生每千瓦時的電不超過400克(400g/kWh) 的速率產(chǎn)生二氧化碳。在一優(yōu)選實施例中，在本發(fā)明的方法中以不超過350g/kWh的速率產(chǎn) 生二氧化碳，且在一更優(yōu)選實施例中，在本發(fā)明的方法中以不超過300g/kWh的速率產(chǎn)生二氧化碳。在另一實施例中，本發(fā)明的方法利用包括經(jīng)熱學整合的蒸汽重整器、位于蒸汽重整器外部的氫氣分離設備，及固態(tài)氧化物燃料電池的系統(tǒng)?，F(xiàn)參看圖4，用于實踐此實施例的方法的系統(tǒng)類似于圖2中或圖3中所顯示的系統(tǒng)，不同之處在于高溫氫氣分離設備503 未位于重整反應器501中，而是操作性地耦合至重整反應器501，使得含有在重整反應器 501中形成的氫氣及碳氧化物的經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體及未反應的烴及蒸汽經(jīng)過管線505至高溫氫氣分離設備503。如上文描述，高溫氫氣分離設備503優(yōu)選地為管狀氫氣可滲透膜裝置。由氫氣分離設備503將含有氫氣的第一氣流與經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體及未反應的蒸汽及烴分離。可將蒸汽吹掃氣體經(jīng)由管線507注入于氫氣分離設備503中以促進第一氣流的分離。如上文描述，第一氣流可從氫氣分離設備饋送至熱交換器，且隨后至冷凝器，且接著至固態(tài)氧化物燃料電池。如上文描述，將包含氫氣的第二氣流從燃料電池的陽極廢氣分離且饋送回至燃料電池中。可將氣態(tài)非氫經(jīng)重整產(chǎn)物及未反應進料作為氣態(tài)流經(jīng)由管線509從氫氣分離設備503分離。非氫經(jīng)重整產(chǎn)物及未反應進料可包括二氧化碳、水(為蒸汽)及少量一氧化碳、氫氣及未反應烴。
從氫氣分離設備503分離的非氫氣態(tài)流可為含有以折干計算至少0. 9、或至少 0. 95，或至少0. 98克分子份數(shù)的二氧化碳且具有為至少IMPa、或至少2MPa，或至少2. 5MPa 的壓力的高壓二氧化碳氣流?？扇缟衔年P于使用在重整反應器中的氫氣分離膜從重整反應器分離的高壓二氧化碳流所描述的方式處理高壓二氧化碳流。利用位于重整反應器501外部的氫氣分離設備503的方法的其余部分可以與上文關于固態(tài)氧化物燃料電池及在其中含有氫氣分離膜的重整反應器(有或無預重整反應器) 所描述相同的方式加以實踐。現(xiàn)參看圖5，顯示了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)600。系統(tǒng)600包括固態(tài)氧化物燃料電池 601、重整反應器603及氫氣分離裝置605。固態(tài)氧化物燃料電池601包含陽極607、陰極609 及電解質(zhì)611，其中電解質(zhì)611定位于陽極607與陰極609之間、接觸并分離陽極607與陰極609。在本發(fā)明的系統(tǒng)中有用的固態(tài)氧化物燃料電池、其陽極、陰極及電解質(zhì)描述于上文中。固態(tài)氧化物燃料電池601的陽極607具有陽極入口 613 (可經(jīng)由其將燃料饋送至陽極607)及陽極廢氣出口 615 (經(jīng)由其將消耗的燃料從陽極607排出)。陽極廢氣出口 615 與陽極入口 613氣態(tài)連通地操作性連接，使得陽極廢氣中的氫氣可再循環(huán)回至陽極607中以避免浪費陽極廢氣中的氫氣的電化學電位。在一優(yōu)選實施例中，系統(tǒng)600包括一個或更多個熱交換器617，以在將陽極廢氣經(jīng) 由陽極入口 613饋送回至陽極607之前冷卻陽極廢氣。熱交換器617可使用任何冷卻介質(zhì) 冷卻陽極廢氣，然而，如上文描述，優(yōu)選地，通過與將在重整反應器603中用以產(chǎn)生待饋送至燃料電池601的氫氣的進料或進料前驅(qū)物和/或蒸汽交換熱而冷卻陽極廢氣?；蛘?，可首先如上文描述使陽極廢氣在陽極廢氣管道(圖上未示)中經(jīng)過重整反應器603以在于熱交換器617中冷卻之前初始地冷卻陽極廢氣且提供熱至重整反應器603。若系統(tǒng)600包括一個或更多個熱交換器617，則熱交換器617在系統(tǒng)600中操作性地連接以當陽極廢氣流從陽極廢氣出口 615流動至陽極入口 613時冷卻陽極廢氣流。熱交換器617的入口 619與燃料電池601的陽極廢氣出口 615氣態(tài)連通地操作性耦合，且熱交換器617的出口 621與陽極入口 613氣態(tài)連通地操作性耦合。若一個以上熱交換器617 存在于系統(tǒng)600中，則熱交換器617可串行地配置，其中第一熱交換器617的熱交換器入口 619與燃料電池601的陽極廢氣出口 615氣態(tài)連通地操作性連接，且熱交換器617中的最后一個的熱交換器出口 621與燃料電池601的陽極入口 613氣態(tài)連通地操作性連接，其中串行地連接的熱交換器617中的每一個的熱交換器出口 621(除了串行中的最后一個熱交換器617)可與串行中的下一熱交換器617的熱交換器入口 619氣態(tài)連通地連接。在一實施例中，第二氫氣分離裝置623可氣態(tài)連通地操作性連接于熱交換器出口 621與陽極入口 613之間，以在將氫氣饋送至燃料電池601的陽極入口 613之前從退出熱交換器617的陽極廢氣分離氫氣。第二氫氣分離裝置623可具有與熱交換器出口 621 (或一個以上熱交換器的串行中的最后一個熱交換器的熱交換器出口)氣態(tài)連通地耦合的入口 625，經(jīng)冷卻的陽極廢氣可經(jīng)由該入口 625進入第二氫氣分離裝置623。第二氫氣分離裝置623亦可具有可選擇性地透過氫氣的第二部件627，其中第二部件627與第二氫氣分離裝置623的入口 625氣態(tài)連通地耦合。第二氫氣分離裝置亦可具有與第二氫氣分離裝置623 的第二部件627氣態(tài)連通且與燃料電池601的陽極入口 613氣態(tài)連通地耦合的第二氫氣出口 629。第二氫氣分離裝置623的第二部件627可處于第二氫氣分離裝置入口 625與第二氫氣出口 629之間，以允許氫氣從入口 625至出口 629，且因此至燃料電池601的陽極入口 613的選擇性流動。在一實施例中，第二部件627為可選擇性地透過氫氣的膜，諸如上文描述的可選擇性地透過氫氣的膜。在另一實施例中，第二氫氣分離裝置為具有入口 625及出口 629的常規(guī)壓力變化吸附裝置。在一實施例中，冷凝器631可氣態(tài)連通地操作性連接于熱交換器出口 621或第二氫氣出口 629與陽極入口 613之間，以在將氫氣饋送至燃料電池601的陽極入口 613之前分離退出熱交換器617或第二氫氣分離裝置623的陽極廢氣中的氫氣與水/蒸汽。如上文提及，當氫氣作為燃料供應至燃料電池601時，陽極廢氣含有未反應的氫氣及由燃料電池中的氫氣的氧化反應產(chǎn)生的水。退出熱交換器617的經(jīng)冷卻的陽極廢氣可在冷凝器631中冷卻至足以從陽極廢氣流冷凝及移除水，且由此經(jīng)由陽極入口 613將高氫氣含量氣流提供至燃料電池的陽極607。此外，可使用蒸汽吹掃氣體幫助從第二氫氣分離裝置623的第二部件627分離氫氣，且來自第二氫氣分離裝置623的氫氣氣流及蒸汽吹掃氣體可在冷凝器 631中冷卻至足以從待提供至燃料電池601的陽極607的氫氣氣流來冷凝及分離蒸汽吹掃氣體。在不存在第二氫氣分離裝置623，或計量閥635及637經(jīng)調(diào)整以導引經(jīng)冷卻的陽極廢氣從熱交換器617流動至冷凝器631的實施例中，冷凝器631的入口 633可連接至熱交換器617的出口 621，或在存在一個以上熱交換器617的情況下，冷凝器631的入口 633可連接至一連串熱交換器617中的最后一個熱交換器617的出口 621，因此經(jīng)冷卻的陽極廢氣可從熱交換器617流動至冷凝器631。冷凝器631的出口 639可氣態(tài)連通地連接至陽極入口 613，使得可將大致無水的富氫氣體從冷凝器631傳遞至燃料電池601的陽極607。在使用蒸汽吹掃氣體幫助從第二氫氣分離裝置623分離氫氣氣流的另一實施例中，冷凝器631的入口 633可氣態(tài)連通地連接至第二氫氣分離裝置623的氫氣出口 629，使得可在冷凝器631中從氫氣氣流分離蒸氣吹掃氣體。冷凝器631的出口 639可連接至陽極入口 613，使得可將大致無吹掃氣體的富氫氣體從冷凝器631傳遞至燃料電池601的陽極 607。系統(tǒng)600包括將氫氣燃料提供至燃料電池601的陽極607的重整反應器603。重整反應器603包括適用于對蒸汽和包含一種或更多種烴的進料的經(jīng)汽化混合物進行重整以產(chǎn)生氫氣的重整區(qū)域641。重整區(qū)域641包括在其中具有重整催化劑645的重整催化劑床643，其中重整催化劑可用于輔助在重整區(qū)域641中蒸汽與進料的經(jīng)汽化混合物的重整。在上文描述了可用于重整催化劑床643中的重整催化劑645。重整反應器603包括與重整區(qū)域641氣態(tài)連通地耦合的一個或更多個重整入口 647，且經(jīng)由所述重整入口 647，蒸汽、包含一種或更多種氣態(tài)烴的進料，或蒸汽與包含一種或更多種烴的進料的混合物可被引入至重整區(qū)域641中?？蛇x地，系統(tǒng)600可包括用于將進料前驅(qū)物轉化成在重整反應器603中有用的進料的預重整反應器649。預重整反應器649可包括預重整區(qū)域651，該預重整區(qū)域651適用于接收蒸汽及包含一種或更多種烴的進料前驅(qū)物的液態(tài)或經(jīng)汽化混合物以產(chǎn)生待提供至重整反應器603的進料。預重整區(qū)域包括在其中具有預重整催化劑655的預重整催化劑床 653，其中預重整催化劑可用于輔助對蒸汽及進料前驅(qū)物的經(jīng)汽化混合物的預重整以形成進料。在上文中描述了可用于預重整催化劑床653中的預重整催化劑。預重整反應器649 包括一個或更多個預重整流入口 657，所述一個或更多個預重整流入口 657與預重整區(qū)域 651氣態(tài)/液態(tài)連通地耦合，且適用于接收包含一種或更多種烴的進料前驅(qū)物、蒸汽或其混合物，且將蒸汽、進料前驅(qū)物或其混合物傳送至預重整區(qū)域651。預重整反應器649可包括有出口 659，該出口 659與重整反應器603的重整區(qū)域入口 647氣態(tài)連通地操作性耦合以將形成于預重整反應器649中的進料供應至重整反應器603。在一實施例中，壓縮機661可包括于系統(tǒng)600中，其中壓縮機661氣態(tài)連通地操作性連接于預重整反應器出口 659與重整反應器603的重整區(qū)域入口 647之間。系統(tǒng)600還包括用于分離重整反應器603中產(chǎn)生的氫氣的氫氣分離裝置605，其中將在氫氣分離裝置605中分離的氫氣提供至燃料電池601的陽極607。氫氣分離裝置605 包括可選擇性地透過氫氣的部件663及氫氣出口 665。在一實施例中，可選擇性地透過氫氣的部件663位于重整反應器603的重整區(qū)域641中，與重整區(qū)域641氣態(tài)連通，使得可經(jīng)由部件663將在重整區(qū)域641中通過重整區(qū)域641中的重整和/或水煤氣變換反應產(chǎn)生的氫氣與重整區(qū)域641中的其它氣態(tài)化合物分離。在一優(yōu)選實施例中，如上文描述，氫氣分離裝置為高溫氫氣分離膜，其中部件663為該膜的具有氫氣選擇性的氫氣可滲透壁。氫氣分離裝置605的氫氣出口 665定位成優(yōu)選地經(jīng)由氫氣管道667與氫氣分離裝置605的氫氣可滲透部件663氣態(tài)地連通。氫氣可滲透部件663置于重整反應器603的重整區(qū)域641與氫氣出口 665與氫氣管道667之間，以允許氫氣從重整區(qū)域641經(jīng)過氫氣可滲透部件663選擇性流動至氫氣管道667，及經(jīng)由氫氣出口 665流出氫氣分離裝置605及重整反應器603。氫氣出口 665與燃料電池601的陽極入口 613氣態(tài)連通地操作性耦合，使得在重整反應器603中產(chǎn)生且由氫氣分離裝置605從重整反應器603分離的氫氣可饋送至燃料電池601的陽極607。在一實施例中，一個或更多個熱交換器可氣態(tài)連通地耦合于氫氣出口 665與陽極入口 613之間，以在氫氣氣流進入燃料電池601的陽極607之前冷卻退出氫氣出口 665的氫氣氣流。在另一實施例中，如圖6中所示，氫氣分離裝置705可位于重整反應器603的外部。氫氣可滲透的、具有氫氣選擇性的部件763可與重整反應器603的重整區(qū)域641氣態(tài) 連通地操作性耦合，使得經(jīng)重整的氣體產(chǎn)物可從重整反應器603的重整區(qū)域641傳遞至部件763，因此可通過部件763從經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體分離氫氣。在一實施例中，如上文描述，部件763可為高溫氫氣可滲透的、具有氫氣選擇性的膜。在另一實施例中，部件763可為壓力變化吸附器。在一實施例中，特別地，若部件763為壓力變化吸附器，則一個或更多個熱交換器可氣態(tài)連通地耦合于重整反應器603的重整區(qū)域641與部件763之間，以在使用部件 763從經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體分離氫氣之前冷卻經(jīng)重整的產(chǎn)物氣體。氫氣分離裝置705的氫氣出口 765定位成優(yōu)選地經(jīng)由氫氣管道767與氫氣分離裝置705的氫氣可滲透部件763氣態(tài)地連通。氫氣可滲透部件763插于重整反應器603的重整區(qū)域641與氫氣出口 765與氫氣管道767之間，以允許氫氣從重整區(qū)域641經(jīng)過氫氣可滲透部件763選擇性流動至氫氣管道767，及經(jīng)由氫氣出口 765流出氫氣分離裝置705。氫氣出口 765與燃料電池601的陽極入口 613氣態(tài)連通地操作性耦合，使得在重整反應器603中產(chǎn)生且由氫氣分離裝置705從重整反應器603分離的氫氣可饋送至燃料電池601的陽極607。在一實施例中，一個或更多個熱交換器可氣態(tài)連通地耦合于氫氣出口 765與陽極入口 613之間，以在氫氣氣流進入燃料電池601的陽極607之前冷卻退出氫氣出口 765的氫氣氣流。在一實施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)可為如圖1中描繪及上文描述的系統(tǒng)。在一實施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)可為如圖2中描繪及上文描述的系統(tǒng)。在一實施例中，本發(fā)明的系統(tǒng)可為如圖3中描繪及上文描述的系統(tǒng)。
權利要求
一種用于產(chǎn)生電的系統(tǒng)，其包括a)固態(tài)氧化物燃料電池，包括1)陽極，該陽極具有(i)陽極入口(ii)陽極廢氣出口，其中，該陽極廢氣出口與陽極入口以氣態(tài)連通的形式操作性地連接；2)陰極；以及3)布置在陽極和陰極之間、與所述陽極和陰極相接觸并將所述陽極和陰極分開的電解質(zhì)；b)重整反應器，包括1)重整區(qū)域，該重整區(qū)域適用于對蒸汽和包括一種或更多種氣態(tài)烴的進料的經(jīng)汽化混合物進行重整，所述重整區(qū)域包含重整催化劑床，在該重整催化劑床中布置有重整催化劑而與所述重整區(qū)域中的蒸汽和進料的經(jīng)汽化混合物相接觸；以及2)與所述重整區(qū)域以氣態(tài)連通的形式進行耦合的一個或更多個重整區(qū)域入口，蒸汽、包括一種或更多種氣態(tài)烴的進料、或蒸汽與包括一種或更多種氣態(tài)烴的進料的經(jīng)汽化混合物通過所述一個或更多個重整區(qū)域入口而被引入到所述重整區(qū)域中；c)氫氣分離裝置，其具有1)可選擇性地透過氫氣的構件，該構件布置在重整反應器的重整區(qū)域中并與重整反應器的重整區(qū)域進行氣態(tài)連通，以及2)與上述構件進行氣態(tài)連通定位的氫氣出口，所述構件處于重整反應器的重整區(qū)域與氫氣出口之間以允許氫氣穿過所述構件從所述重整區(qū)域選擇性地流至氫氣出口，其中，所述氫氣出口與燃料電池的陽極入口以氣態(tài)連通的形式操作性地耦合。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，氫氣分離裝置的所述構件為能夠選擇性地透過氫氣的膜。
3.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述膜在從300°C至650°C的溫度下操作。
4.根據(jù)權利要求1或權利要求2-3之一所述的系統(tǒng)，還包括熱交換器，該熱交換器具有與燃料電池的陽極廢氣出口操作性地耦合的入口和與燃料電池的陽極廢氣入口操作性地耦合的出口。
5.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，還包括第二氫氣分離裝置，其具有1)以氣態(tài)連通的形式與所述熱交換器出口操作性地耦合的第二氫氣分離裝置入口；2)以氣態(tài)連通的形式與所述第二氫氣分離裝置入口操作性地耦合的第二構件，該第二構件能夠選擇性地透過氫氣；3)以氣態(tài)連通的形式與所述第二構件操作性地耦合的第二氫氣出口，所述第二構件處于所述第二氫氣分離裝置入口和所述第二氫氣出口之間以允許氫氣通過所述第二構件從所述第二氫氣分離裝置入口選擇性地流至所述第二氫氣出口，其中，所述第二氫氣出口以氣態(tài)連通的形式與燃料電池的陽極入口操作性地耦合。
6.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其中，第二氫氣分離裝置的第二構件為能夠選擇性地透過氫氣的膜。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的系統(tǒng)，還包括有冷凝器，該冷凝器的入口以氣態(tài)連通的形式與第二氫氣分離裝置的第二氫氣出口操作性地耦合，該冷凝器的出口與燃料電池的陽極入口以氣態(tài)連通的形式操作性地耦合。
8.根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述第二氫氣分離裝置的第二構件為壓力變化吸附器。
9.根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，還包括有冷凝器，該冷凝器的入口以氣態(tài)連通的形式與熱交換器的出口操作性地連接，該冷凝器的出口與燃料電池的陽極入口以氣態(tài)連通的形式操作性地連接。
10.根據(jù)權利要求1或權利要求2-9之一所述的系統(tǒng)，還包括有預重整反應器，所述預重整反應器包括預重整區(qū)域，該預重整區(qū)域適于接收蒸汽與包含一種或更多種烴的進料前驅(qū)物的液態(tài)或經(jīng)汽化混合物，所述預重整區(qū)域包含其中布置有一種或更多種預重整催化劑的催化劑床，所述預重整區(qū)域具有預重整流出口和至少一個預重整流入口，所述至少一個預重整流入口以流體連通的形式與所述預重整區(qū)域操作性地耦合并適于接收包括一種或更多種烴、蒸汽或它們的混合物在內(nèi)的進料前驅(qū)物，所述預重整流出口以氣態(tài)連通的方式與所述重整反應器的重整區(qū)域入口操作性地耦合。
11.根據(jù)權利要求10所述的系統(tǒng)，還包括有壓縮機，該壓縮機具有與所述預重整流出口操作性地相連的入口以及與所述重整反應器的重整區(qū)域入口操作性地相連的出口。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生電的固態(tài)氧化物燃料電池系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括固態(tài)氧化物燃料電池、重整反應器和氫氣分離裝置。所述重整反應器包括重整區(qū)域，在所述重整區(qū)域中，包含有一種或更多種烴的進料被蒸汽重整以產(chǎn)生含有氫氣的重整產(chǎn)物氣體。氫氣分離裝置布置在重整反應器中以從重整反應器所產(chǎn)生的重整產(chǎn)物氣體中分離氫氣。所述氫氣分離裝置與固態(tài)氧化物燃料電池的陽極操作性地連接以向燃料電池提供氫氣，該氫氣作為待氧化而產(chǎn)生電力的燃料。
文檔編號H01M8/06GK101946354SQ200880126739
公開日2011年1月12日申請日期2008年12月15日優(yōu)先權日2007年12月17日
發(fā)明者E·E·恩沃爾, M·L·喬希, S·L·韋林頓, 崔晶瑜申請人:國際殼牌研究有限公司

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