专利名称：联合固体氧化物燃料电池和离子传递反应器的方法
技术领域：
本发明涉及一种联产动力和至少一种产品气的方法。更具体地说，本方法将固体氧化物燃料电池和离子传递反应器联合起来。
传统的电力生产用热力学方法。例如，可以用在锅炉中烧油的办法将高压水过热。让过热水膨胀为使透平机发生机械转动的高压蒸汽。与透平机连接的发电机转子的转子绕组穿过适当磁场的转动产生电力。
传统的发电使用热/机械方法，其效率受卡诺循环的限制。卡诺循环限定，即使在理想的条件下，热引擎也不能将供给它的全部热能转化为机械能，因此，一大部分热能被废弃。在卡诺循环中，引擎由高温源接收热能，将部分热能转化为机械功，并将其余的热能丢弃给低温受热器。被丢弃的热能造成效率损失。
一种产生电力的不同方法是使用固体氧化物燃料电池。电力的产生是通过将化学反应释放的能量直接转化为电力而不是用热/机械方法。因此，固体氧化物燃料电池的效率不受卡诺循环的限制而且高效率发电在理论上是可能的。
Domeracki et al.，U.S.Patent No.5,413,879中公开了一种固体氧化物燃料电池，在此全面引入作为参考。该专利公开了一种固体氧化物燃料电池，它有把空气室与燃料室隔离的气密性陶瓷膜。典型的陶瓷膜是一种三层复合物，有由一种陶瓷膜材料，例如氧化钇稳定的氧化锆形成的气密性芯部，通过扩散选择性地传递氧离子。该陶瓷膜与空气接触的表面的一部分涂复以电极，该电极可由添加锶的亚锰酸镧制成。该陶瓷膜与燃料接触的反面的一部分是燃料电极，可以是镍-氧化锆金属陶瓷。将两个电极连接起来，可以将几个电池串联或并联以便取出离子流动所产生的电流。适用的固体燃料电池公开于U.S.Patent Nos.4,490,444(Isenberg)和4,728,584(Isenberg)中，在此全面引入每个专利作为参考。
热空气与空气电极接触而氧通过穿越陶瓷膜的离子传递由空气分离而到达燃料电极表面。一种气体燃料，典型地是轻质烃例如甲烷或一氧化碳，与燃料电极表面接触并与氧离子发生放热反应而产生电力和内部损失导致的热量。热的消耗了部分氧的气体由阴极或滞留侧离开燃料电池，而反应或燃烧产物由阳极或渗透侧离开燃料电池。
限制使用固体氧化物燃料电池的发电系统效率的几个因素包括(1)主要在电极中的内部电损失；(2)空气必须加热到大约700℃至大约1000℃范围的高温；和(3)热空气中所含氧的仅仅一部分，典型地大约在可用氧的20％至30％(体积)之间，可穿越陶瓷膜发生传递并与气体燃料发生反应这一事实。其余的氧在离开空气室的滞留物流中被排放。加给滞留物流和渗透物流的部分能量由于压力降和任选的同流换热器的效率限制而受到损失。
U.S.Patent No.5,413,879(Domeracki)公开，将燃料室中由化学反应得到的反应产物与来自空气室的热滞留气混合并在燃烧室与附加燃料反应以进一步提高混合物的温度。热混合物将用来驱动透平机的压缩气体加热。
U.S.Patent No.5,733,435(Prassad et al.)公开了几种类型的离子传递膜。对于只呈现离子传导性的膜，将外电极置于膜的表面，电子流通过外接回路返回。在混合传导膜中，电子由内部传递到阴极侧面，从而完成了回路，省去了对压力驱动方式操作的外电极的需要。离子导体与电子导体混合的双相导体也可作为同样用途。。
在此全部引入作为参考的Mazanec et al.，U.S.Patent No.4,793,904公开了一种两面涂以导电层的离子传递膜。含氧气体与膜的一面接触。氧离子穿过膜被传递到另一面，离子与甲烷或类似的烃在这里反应生成合成气。氧离子释放出的电子由传导层流到外部导线并可用以产生电力。
在混合导体型膜中，膜具有选择性传递氧离子和电子的能力。没有必要提供外部电场来除去氧离子释放的电子。在此全部引入作为参考的Mazanec et al.，U.S.Patent No.5,306,411公开了混合导体和双相导体膜的应用。该膜含具有离子和电子传导性质的钙钛矿结构的“单相”混合金属氧化物或电子传导相和离子传导相的多相混合物。据该公开，氧离子的传递对形成合成气和避免烟道气如NOX和SOX是有用的。
Kang et al.，U.S.Patent No.5,516,359公开了一种与高温方法联合的陶瓷离子传递膜，其中热量被用来有效地操作膜和高温方法。热压缩空气与氧选择性离子传递膜接触，空气中所含氧气的一部分穿过膜传递并作为产品气被除去。耗去氧的残余气与气体燃料混合并反应产生可用于驱动透平机的高温气体，典型的是驱动压缩机和产生电力的发电机。
但是，仍然还需要一种方法将离子传递反应器与更有效的固体氧化物燃料电池联合以生产一种或多种产品气和电力来实现效率的改善。
因此，本发明的一个目的是提供一种既能生产电力又能单产或联产一种或多种产品气包括氧、氮和二氧化碳的方法。
本发明一个进一步的目的是该方法将固体氧化物燃料电池与离子传递反应器有效地联合起来。固体氧化物燃料电池和氧离子传递膜具有相近的操作温度这一事实有助于实现这一目的。
本发明的再一目的是利用出自固体氧化物燃料电池的物流作为离子传递反应器原料物流并利用氧选择离子传递膜滞留侧的出口物流和任选地渗透侧的出口物流来驱动透平机。
本发明的另一目的是利用由于化学能不能有效地转化为电能而在阳极侧面上产生的热量来将送到氧传递分离器阴极的原料气加热至膜的操作温度。
本发明的再另一个目的是将燃料电池的阴极侧面与进行反应性清洗的离子传递膜的阳极侧面串联放置，并将过剩的燃料加进燃料电池阳极燃料作为清洗物流中的反应物从而提高燃料电池的能量转化效率。
本发明包含一种由含氧气体和气体燃料生产电力和一种或多种产品气体的方法。提供一固体氧化物燃料电池，它有一个第一阴极或滞留侧和一个第一阳极或渗透侧。提供一第一离子传递反应器，其中装有氧选择离子传递膜，该膜有一个第二阴极或滞留侧和一个第二阳极或渗透侧。含氧气体与第一阴极侧面接触而气体燃料与第一阳极侧面接触从而使第一部分氧以氧离子形式由第一阴极侧面传递到第一阳极侧面。氧离子与气体燃料反应并产生热量和被作为电力而回收的电子流。含剩余氧的滞留气由固体氧化物燃料电池第一阴极侧面被送到第一离子传递反应器的第二阴极侧面使得第二部分氧穿过陶瓷膜传递到第二阳极侧面。至少一种产品气由一个或多个各自的第一和第二阳极和阴极侧面加以回收。
在一个优选的实施方案中，含氧气体是空气，它在与第一阴极侧面接触前被压缩。氧由第二阳极侧面回收。一个同流换热器在所说固体氧化物燃料电池上游将热量由放热反应输出传送给所说含氧气体和所说第一气体燃料。
在另一个优选的实施方案中，燃料电池中由于阳极侧面反应的化学能向电能的非有效转化而产生热量作为被用来将空气物流加热到氧传递膜的操作温度所需能量的至少一部分。蒸汽被用作第二阳极侧面的吹扫气，第二阳极侧面的渗透物含有蒸汽和氧气的混合物，该混合物被用于煤的气化。一种清洗气与第二阳极侧接触并且一种低氧含量的氮气作为产品气被回收。
在再一优选实施方案中，在燃料电池阳极侧产生的反应产物被用来清洗氧传递分离器的阳极。第二反应性清洗离子传输反应器安置在固体氧化物燃料电池和第一离子传输反应器之间。
在一个优选的实施方案中，反应性清洗氧传递反应器中需要的燃料被加到燃料电池的燃料原料中而且燃料电池的阳极侧和所说离子传递反应器串联放置，借以提高燃料电池的效率。由固体氧化物燃料电池产生的加压氮产品气或电力被用来驱动压缩含氧气体的压缩机。
通过以下对优选实施方案和相关附图的说明，本领域技术人员会领会到其它目的、特性和优点，图中
图1示意说明根据本发明的一种与陶瓷膜离子传递反应器联合的固体氧化物燃料电池；图2示意说明一种联产动力和氧气的联合系统；图3示意说明一种联产动力和适用于煤气化炉的氧气和蒸汽混合物的联合系统；图4示意说明一种联产动力和氮气的联合系统；图5示意说明一种联产动力、氧气和氮气的联合系统；图6示意说明另一种联产电力、氧气和氮气的联合系统；和图7示意说明一种生产基本上不含氧的氮气的联合系统；本发明可以通过将一固体氧化物燃料电池与一陶瓷膜离子传递反应器联合起来而实现。最好用出自联合系统的一种或多种物流来操作透平机。压缩空气被送往固体氧化物燃料电池，空气中所含氧气的第一部分在这里通过陶瓷膜传递并与燃料气发生放热反应产生燃烧产物和电力。一种含氧量下降的滞留物流由固体氧化物燃料电池阴极排出并去往有氧选择性离子传递膜的离子传递反应器阴极。空气中所含氧气的第二部分通过氧选择性离子传递膜传递并在下游反应中作为一种产品气被回收或利用。离子传递膜的滞留物，虽然消耗了不少氧气，但仍然含有足够的氧气以至在某些实施方案中与气体燃料混合并燃烧以产生高温气体来驱动透平机。或者也可以由耗氧物流中回收氮气。
图1示意说明一种根据本发明的将一固体氧化物燃料电池10和一第一离子传递反应器11联合的方法。固体氧化物燃料电池10有一陶瓷膜12将固体氧化物燃料电池分隔为第一阴极侧面14和第一阳极侧面16。
陶瓷膜12是氧选择性的并将氧离子由第一阴极侧面14传递到第一阳极侧面16。一种适合用作陶瓷膜12的材料是氧化钇稳定的氧化锆。一种多孔空气电极18基本上将第一阴极侧面14全部覆盖。一种适合用作空气膜电极18的材料是添加锶的亚锰酸镧。第一连接部分22没有涂覆空气电极18并与负载24发生电连接。氧离子通过陶瓷膜12传递到第一阳极侧面16，该侧面除了进行电连接的部分外都涂覆以多孔燃料电极26。燃料电极26可以用任何有效减少极化损失并在还原气氛中稳定存在的材料如一种镍-氧化锆金属合金制作。
含氧气体原料28被送至往第一阴极侧面14而气体燃料30被送至第一阳极侧面16。
含氧气体原料28，典型地是空气，被送往燃料电池的第一阴极侧面，其温度比燃料电池的操作温度低一些(典型地低200至700℃)以便作为燃料电池反应产生热量的受体。固体氧化物燃料电池10的典型操作温度高于500℃，最好在大约700℃至大约1000℃范围内。原料空气中的氧分子在与空气电极18接触时解离为元素氧。“元素氧”是指未与周期表中其它元素化合的氧。虽然典型的是双原子形式，这里所用术语元素氧意欲包括单个氧原子、三原子臭氧和其它未与其它元素化合的其它形式。作为含氧气体原料28，空气是优选的。
含氧气体原料28典型地被压缩机32压缩到30和300psia之间是优选的，100和230psia之间更优选。压缩的含氧气体原料然后优选地被加热至大约300℃和大约800℃之间的中间温度，更优选地至大约500℃到大约700℃的温度，然后被送至第一阴极侧面14。最后在燃料电池中将原料空气加热至燃料电池和氧传递膜的操作温度靠的是一部分不转化为电能而以热量释放的阳极侧面反应的化学能，该能量又转来传递将原料物流的温度提高到需要的水平。
气体燃料30是含有能与元素氧发生放热反应的成分的任何气体或气体组合。反应成分可以是天然气或轻烃混合物、甲烷、一氧化碳、或合成气体(“合成气”)。合成气是H2/CO摩尔比由大约0.6至大约6的氢和一氧化碳混合物。在某些实施方案中燃料气体的另一成分是一种非反应性稀释气例如氮气、二氧化碳或蒸汽，它们可能是燃料电池中所不希望有的。
气体燃料30被预热至大约300℃至大约900℃的温度，然后加到第一阳极侧面16。气体燃料30的活性成分与元素氧发生放热反应。由氧离子释放的电子34向负载24提供电力。
含氧气体原料28中所含氧气的一部分在第一阳极侧面16被反应所消耗。氧含量降低的滞留物流38然后被送到作为第一离子传递反应器11一部分的第二阴极侧面40。
第一离子传递反应器11有一个将第一离子传递反应器分割为第二阴极侧面40和第二阳极侧面50的氧选择性离子传递膜44。所谓“氧选择性”是指氧离子比其它元素和它们的离子更优先地穿过氧选择性离子传递膜44由第二阴极侧面40传递到第二阳极侧面50。氧选择性离子传递膜44由无机氧化物制成，典型的是钙-或钇-稳定的氧化锆。在高温下，一般在400℃以上，氧选择性离子传递膜44含有可移动氧离子空位，它为氧离子提供穿过膜进行选择性传递的传导位。穿过膜的传递受膜两边分压比(PO2)的驱动O-离子由高PO2侧流向低PO2侧。O2在第二阴极侧面40被离子化为O-，然后该种离子被传递到第二阳极侧面50，O2在这里作为产品气被回收。
氧选择性离子传递膜44做成致密的片状固体氧化物混合或两相导体，或负载在多孔基质上的薄膜固体氧化物混合或两相导体。氧选择性离子传递膜44的标准厚度在5,000微米以下，最好小于1,000微米。
在普遍使用的氧分压和大约450℃至大约1200℃温度范围内，当离子传递膜两边的氧分压差使离子传递膜两边的表面保持化学位差时，氧选择性离子传递膜44传递离子和电子。氧离子传导率典型地在0.01和100S/cm之间的范围内，其中S(Siemens)是欧姆的倒数(1/Ω)。适于用作氧选择性离子传递膜的材料包括U.S.Patent No.5,733,435的表2中列举的钙钛矿和两相金属-金属氧化物组合物，该专利也在此完全引入作为参考。还可参见U.S.Patent Nos.5,702,999(Mazanec)和5,712,220(Carolan et al.)中公开的材料。对膜44来说，在900℃下至少具有0.5，最好为1S/cm的高离子传导率的材料是理想的，因为典型的氧传递推动力很小(＜10°)。一种适宜的材料是镧、锶和钴的氧化物的混合物。
任选地，在某个实施方案中用与致密膜层相同的钙钛矿材料做成的多孔催化剂层被加到氧选择性离子传递膜44的一面或两面以加强表面上化学反应中氧的表面交换。另外，氧选择性离子传递膜44的表面层也可以添加例如钴以强化表面交换动力学。
第一离子传递反应器11在足以能促进氧穿过氧选择性离子传递膜44进行传递的高温下操作。操作温度至少是400℃，优选范围在大约400℃至大约1200℃，最优选范围是大约400℃至大约1000℃。
耗氧气体原料输出中保留的氧中大约30％至60％(体积)穿过氧选择性离子传递膜44进行传递并作为氧产品气52加以回收。能够回收的氧的百分比取决于第二阴极侧面40处和第二阳极侧面50处各自的氧分压。回收氧的百分比可以增加，办法是在第二阳极侧面使用吹扫气或抽真空来降低第二阳极侧面50处的分压。
清洗气是去除氧的气体例如天然气、甲烷、甲醇、乙醇和氢气。吹扫气是降低氧分压的非反应性气体。适宜的吹扫气包括二氧化碳和蒸汽。
任选地，耗氧滞留物流54直接在透平机62中进行膨胀以产生透平机动力64或可先送到燃烧器56并与第二气体燃料58反应。燃烧产物60是低氧含量的高温气体，可用来驱动透平机62以产生透平机轴动力64。
按图2中示意说明的安排可以提高图1中所示方法的效率。同流换热器66回收高温气体例如产品气52、固体氧化物燃料电池10的燃烧产物68和燃烧器58的燃烧产物60放出的热量。任选地，耗氧输出54绕过燃烧器56并将热量放给同流换热器66。该热量被用来提高含氧气体原料28和气体燃料30的温度。
如图2中所示，燃烧产物68可在回收废热后被排放。或者，将燃烧产物68送到第二阳极侧面用作吹扫气以促进氧的传递和回收，用虚线以箭头68a表示。在该替换实施方案中，产品气52含有氧气、水和二氧化碳。将水冷凝出来后，被二氧化碳稀释的低纯度氧物流被回收。如果需要，氧和二氧化碳产品气可用下游方法例如变温吸附或高聚物膜进行分离。
在“固体电解质膜气体分离的反应性清洗”，U.S.Serial No.08/567,699，filed December 5,1995，E.P.Publ.No.778,069中公开了反应性清洗的安排，这里引入作为参考。使用反应性清洗的离子传递模式的优选结构公开于“固体电解质离子导体反应器设计”，U.S.Serial No.08/848,204，filed April 29，1997，这里也引入作为参考。两份申请与本申请被共同拥有。
图2，耗氧滞留物54含6％至12％(体积)的残余氧并在将热量传给同流换热器66后可以排放70，或让耗氧滞留物的一部分70’或全部在透平机62中膨胀以回收动力。
由于耗氧滞留物54含一些残余氧，在透平机62上游可插入燃烧器56，耗氧滞留物与第二气体燃料58反应以便将透平机入口温度提高到1100℃和1500℃之间从而增加所产生的动力并提高系统的热效率。
如果没有燃烧器56或膨胀物流60的温度太低，维持图2中所示联合体系操作所需的能量由固体氧化物燃料电池10中产生的热量来提供。产生热量的多少取决于固体氧化物燃料电池10将化学能转化为电能的效率。该效率反转来又决定耗氧滞留物流54中可在透平机62中膨胀的70’的份额，因为如果固体氧化物燃料电池10产生的热量不够，物流54中含有的热量的大部分必须用于同流换热器66以预热含氧气体原料28和气体燃料30。
在一替代实施方案中，同流换热器被一燃烧器所取代(未表示)，该燃烧器放在固体氧化物燃料电池10的上游以预热含氧气体原料28和气体燃料30。
图3示意地说明一份关于向煤气化炉提供氧和蒸汽的联合体系的应用。正如在1997年11月18日申请的共同未决、共同拥有的U.S.PatentApplication Serial No.08/972,412(D-20,365)中所公开的，煤气化炉需要高压下的典型摩尔比为大约1∶2的蒸汽和氧气。
在该实施方案中，空气物流28、燃料物流30和来自燃料电池10的燃烧产物物流68和图2的相似。图3组件11的滞留物流54直接通过换热器66和/或通过燃烧器56’和透平机62’。组件11的第二阳极侧面50用物流72进行吹扫以便通过降低第二阳极侧面50上的氧分压来促进通过氧选择性离子传递膜44的传递。在1997年11月18日申请的共同未决、共同拥有的U.S.Patent Application Serial No.08/972,020(Attorney’s DocketNo.D-20,345)中讨论了蒸汽吹扫的优点，该专利申请在这里也被全部引入作为参考。
蒸汽72是被联合进燃料电池/离子传递组件系统来的方法回路73的一部分。原料水74被泵76泵压至需要的压力，典型地大约为150至600psi，然后例如在同流换热器66中被蒸发和过热以产生蒸汽72。渗透物流78含残余氧和蒸汽的混合物。在第一实施方案中，物流78被直接注入煤气化炉80(表示为物流102，但不加入后面描述的物流100’，)。
在第二实施方案中，物流78被分为注入煤气化炉80的第一部分82和在透平机63中膨胀、冷却并被送往冷凝器86的第二部分84。大部分蒸汽在冷凝器86中冷凝，冷凝器的输出88是液体水和被水饱和的氧的混合物。水在分离器90中由混合物中分离，循环水92与补充水74混合。
由分离器90除去的被水饱和的氧94在冷却器96中被冷却并在压缩机98中被压缩。用例如让压缩物流100流过同流换热器66的方法将其再加热成为加热物流100’然后与第一渗透物流部分82混合以产生物流102。通过控制组成物流102的第一部分82对压缩物流100的比例，可以得到煤气化炉理想的蒸汽对氧的比例。
与分别产生和将蒸汽和氧注入煤气化炉比较，图3中示意说明的体系的优点包括减小了所需离子传递膜的面积并节省了压缩氧气所需的能量。通过将含有蒸汽和氧气的物流与第二种高含氧量物流混合，蒸汽对氧气的比例得到更好地控制。使用蒸汽作为吹扫气可以在节省氧气压缩动力的同时，允许燃料电池离子传递反应器的阴极在低于气化炉压力的压力下操作。
另外，也可以用冷凝器(未表示)由输出78中除去水以得到较低的蒸汽对氧气的比例。但是，这种改换会浪费输出78被冷凝的这一这部分所含的许多能量，从而较低了系统的效率。
图4示意说明一种具有适用于联产动力及氮气的固体氧化物燃料电池10和第一离子传递反应器11的联合系统。含氧原料气28，典型地是空气，被压缩机32压缩至大约45至大约165psia之间的压力。然后该压缩空气被例如同流换热器66加热至大约200℃和大约700℃之间的温度并被送至燃料电池10的第一阴极侧面14。含氧气体原料28中所含氧气的大约60％至70％(体积)穿过陶瓷膜12并与气体燃料30发生放热反应。通过保持第一阴极侧面14上较高的压力以保持较高的氧分压从而使较大体积分数的氧能穿过陶瓷膜12进行传递并因此得到合理的转化效率。由于在第一阳极侧面16发生强烈的放热反应，需要附加的冷却以避免温度升的过高。
氧含量降低的滞留物38被送往第一离子传递反应器11以便从阴极侧面物流中完全除去氧气。氧气穿过氧选择性离子传递膜44传递并与气体燃料30’在第二阳极侧面50发生放热反应。由这一放热反应产生的热量在加热器段39被阴极侧面原料物流38’的温升所吸收，物流38’作为物流38在换热器66中或在任选的冷却器66’中被冷却。滞留物物流54含低于大约10ppm的氧并可在被同流换热器66除去有用热量后在压力下作为高压氮气产品104进行送出。另外，也可以让至少一部分耗氧气流54在透平机62中膨胀并作为低压氮气产品106而回收。
气体燃料30的第一部分被送往固体氧化物燃料电池10的第一阳极侧面16。气体燃料30的第二部分30’可直接送往第一离子传递反应器11的第二阳极侧面50。优选地，将燃烧产物68用作稀释剂并在结点108处与气体燃料30的第二部分30’合并以清洗第二阳极侧面50。最优选地，让所有气体燃料30流过第一阳极侧面16以提高固体氧化物燃料电池10阳极处的平均燃料分压并借以使燃料电池的效率达到最大，因为高燃料分压会促进燃料电池阳极上的反应动力学从而使极化损失最小。
渗透气体52主要是水蒸汽和二氧化碳，因为除了燃料中含有微量氮气外，氮气已由阳极侧面反应除去。如果需要，在将水冷凝后可回收二氧化碳产品。
图4中示意说明的系统产生大量的过剩热量，因为含氧气体原料28中所含的氧全部与气体燃料30发生放热反应。在小体系中，这一热量可用来产生由体系外输的蒸汽。在较大的体系中，过剩的热可用来通过用虚线表示的Rankine循环110产生动力。在Rankine循环中，过剩的热量被送往锅炉，在这里，该热量将水转变为过热蒸汽。蒸汽膨胀为较低压力的蒸汽驱动透平机产生轴的动力。然后当蒸汽转化回低压饱和液体时热量在冷凝器中被除去。然后用泵将压力回复到锅炉的压力。供给Rankine循环110的热量最好由物流38和/或54中除去。
图5说明一个联产氮气和氧气的系统。第二离子传递反应器112安装在固体氧化物燃料电池10和第一离子传递反应器11之间。含氧气体原料28，典型地是空气，被压缩机32压缩至100psia和300psia之间的压力并被例如同流换热器66加热至大约300℃和大约800℃之间的温度。加热的含氧气体原料28被送至第一阴极侧面14。含氧气体原料28中所含氧气的大约20％至25％(体积)穿过陶瓷膜12传递并与气体燃料30发生放热反应，产生输送至负载24的电力和热量。该热量可有效地将部分耗氧的滞留物流38的温度提高到大约900℃至大约1000℃范围内。
部分耗氧的气体物流38现在处于第二离子传递反应器112中氧分离的有效温度，剩余氧的大约40％至60％穿过氧选择性离子传递膜114传递并作为氧气产品加以回收。由第二离子传递反应器112排出的低氧含量滞留物流118将热量放给换热器120。放出的热量可用于外部Rankine动力循环，送往同流换热器66以补充系统其它部分的热量不足，或作为废热排放。降低了温度的，典型地大约300℃至700℃的低氧含量物流122被送往第一离子传递反应器11的第二阴极侧面40。典型地，加到第一离子传递反应器11阴极侧面的原料气中的氧含量在2％和7％之间(体积)，取决于是否将吹扫气(一种适宜来源可以是由燃烧产物组成的物流52)加到第二离子传递反应器112的第三阳极侧面124以降低第三阳极侧面处的氧分压，从而增加氧穿过氧选择性离子传递膜114进行传递的推动力。剩余的氧气穿过氧选择性离子传递膜44进行传递并与气体燃料30或燃料与燃烧产物60的混合物在第一离子传递反应器11的阳极侧面发生放热反应。来自阴极侧面40的滞留物，耗氧气体物流54，典型地具有低于10ppm的氧含量。
如上所述，耗氧气体物流54可作为高压氮气产品104，当物流54’在产生动力的透平机62中膨胀后作为低压氮气产品106，或以其混合方式加以回收。
来自第二阳极侧面50的产品气52可加以冷却以回收二氧化碳和水蒸气。另外，也可以将产品气52送往第二离子传递反应器112的阳极侧面124，在这种情况下渗透物流116含二氧化碳、氧气和水蒸气的混合物。如果例如用冷凝的方法除去水蒸气，该气体会含有大约75％至92％的氧气(体积)。在分离和回收二氧化碳并进行附加干燥后，可以得到纯氧。
由以下实施例，以上所述的本发明的优点会变得更明显实施例1图6示意说明将一个固体氧化物燃料电池10、一个第一离子传递反应器11和一个第二离子传递反应器112联合起来以联产供给负载24的电力、作为产品气52的氧和高压氮104和低压氮106的系统。高低压氮产品物流成一定比例以便使气体透平机138产生的动力刚好够驱动空气压缩机32。
含氧气体原料28，空气，被压缩机32压缩至大约155psia的压力，在同流换热器66中预热后被送往第一阴极侧面14，由于在第一阳极侧面16发生的放热反应产生热量，它在这里被进一步被加热至大约950℃。固体氧化物燃料电池10产生电力，该电力被取出，正常以后被送往负载24，例如外电网。部分耗氧气体物流38的氧含量大约是15％(体积)。
物流38被送至第二离子传递反应器的112的第三阴极侧面。相当于原料空气中所含氧12％的氧穿过第二氧选择性离子传递膜114传递，结果使滞留物流118的氧含量是大约6％(体积)。物流118处于升温下并在第一过热器128中将热量传给蒸汽物流130。现降低了温度的物流122被送往第二阴极侧面40，所含残余氧在这里被一反应性清洗气物流68除去，该物流典型地由来自第一离子传递反应器11的第一阳极侧面16的燃料和燃烧产物组成。
耗氧物流54，现在是高纯氮物流，在结点132处被分为作为高压氮产品104回收的第一物流134和在透平机138中膨胀以驱动压缩机32的第二物流136。物流136和134之间的分割成一定比例，在透平机与压缩机发生机械耦合时可以使汽轮机138传送的动力能满足压缩机32的需要。多于这一需要的物流作为高压氮产品104加以回收。膨胀的第二物流的废热在作为低压氮物流106由系统排放之前被Rankine循环所回收。
气体燃料30在同流换热器66中被加热并送往第一阳极侧面16。气体燃料30在第一阳极侧面16与传递的氧发生放热反应产生电力和热量。出自第一阳极侧面16的渗透物流68含有过量未燃烧的燃料和燃烧产物并被送往第一离子传递反应器11的第二阳极侧面50作为反应性清洗物流用于由部分耗氧气体原料122中除去残余氧。来自第二阳极侧面的渗透物144主要含燃烧产物(二氧化碳和水蒸气)，在同流换热器66中将有用的热量回收后排出。
另外也可用常规单元(未表示)压缩气体燃料30，然后第一阳极侧面16和第二阳极侧面50在与第一和第二阴极侧面14和40大致相同的压力下操作。如果这样做，可将阳极侧面的燃烧产物在压力下输送以提高下游二氧化碳的回收率，或者如果不需要联产品二氧化碳，可将该燃烧产物加到第二高压氮物流136中并进行膨胀。这样做可作为产品104回收额外的高压氮或输出额外的动力。
用吹扫气(在本结构中是蒸汽)吹扫第三阳极侧面124，吹扫气产生过程是用泵76将原料水74加压至大约1,000psia并送往锅炉/加热器146将其转化为蒸汽130。然后将该蒸汽在第二过热器148中过热至足够高的温度以防止后来在高压透平机150中膨胀至大约150psia压力时发生湿气冷凝。
将膨胀的蒸汽130在第一过热器128中再加热并用于吹扫第三阳极侧面124。这样做可改善氧回收并增加氧传递的推动力。在共同未决、共同拥有的U.S.Application Serial No.08/972,020(Attorney’s Docket No.D-20,345)中更充分地公开了蒸汽循环的这种应用，上面引入该专利申请作为参考。
物流78中氧的分压大约是20psia，并在大约150psia压力下被送往低压蒸汽透平机152。然后将现处于16psia压力的膨胀输出154在第二过热器148中冷却以提供将蒸汽130过热所需的热量。冷却的膨胀输出物流156进入冷凝器158，大部分所含水分在这里冷凝，使氧作为产品气52由分离器90加以回收。循环水92可与原料水合并回到泵76，从而回复至1,000psia压力以完成蒸汽循环。
表1说明用于展示图6所示系统的输入特性。
表1
该体系的计算结果列于表2表2
表2的结果显示，与传统系统比较，尽管在循环中使用的峰值温度不太高，也得到了颇高的氧回收率，在所达到的热比率方面有可能得到非常诱人的性能。再一个好处是空气中大部分氮在高压下输送。
实施例2图7示意表示根据本发明的另一个联合系统。该系统对于生产基本上不含氧的氮特别有效，并且可任选地联产氧和二氧化碳。使用下面表3中给出的参数，固体氧化物燃料电池10的大小足以向空气压缩机162输送足够的动力。
含氧气体原料28，最好是空气，被压缩机162压缩至大约155psia的压力。然后该压缩空气被例如同流换热器66预热至大约800℃的温度并送往固体氧化物燃料电池的第一阴极侧面14。气体燃料30被送往第一阳极侧面16并与穿过陶瓷膜12的传递的氧离子发生放热反应而产生热、电和阳极侧面物流68，该物流是燃烧产物和气体燃料的混合物。产生的电力被用来驱动空气压缩机162的电动机164。
出自固体氧化物燃料电池10的部分耗氧的滞留物流38处于大约950℃温度。原料空气中所含氧的大约12％(体积)消耗于在第一阳极侧面16与燃料气体30的反应。耗去部分氧的物流38被送往第二离子传递反应器112的第三阴极侧面126，在这里，剩余氧的大约60％(体积)穿过第二氧选择性离子传递膜114进行传递。为了更好地除去及尽可能回收物流38中所含大部分氧，用第一阳极侧面16、第二阳极侧面50的燃烧产物或两者的混合物吹扫第三阳极侧面124。吹扫气降低了第三阳极侧面124处的氧分压从而提高了氧的回收率或氧传递的推动势能。
出自第三阴极侧面126的滞留物流含大约6％(体积)的氧。物流118在换热器166中被冷却而产生降温物流122以用作热阱168来吸收下游第一离子传递反应器11中产生的反应热。在换热器166中由低氧含量滞留物流118放出的热量可用来产生蒸汽170供输出或其它用途。
降温物流122被送往第二阴极侧面40，所含其余的氧穿过氧选择性离子传递膜44并在第二阳极侧面50与气体原料/燃烧产物混合物68中所含气体燃料反应。由第二阴极侧面40除去的耗氧气体物流54含低于10ppm的氧，在回收有用热量后，可作为高压氮产品104输出。气体燃料30在同流换热器66中被预热并送往第一阳极侧面16与由第一阴极侧面14穿过陶瓷膜12传递的氧发生反应。由于气体燃料30也含有第一氧传递反应器11所需要的燃料，固体氧化物燃料电池10中气体燃料的平均分压得以提高从而改善了效率。出口渗透物流68含有被燃烧产物稀释的气体燃料，并且被加到第一离子传递反应器11第二阳极侧面50以便用反应性清洗除去由第二阴极侧面40穿过陶瓷膜44传递的氧。出口渗透物流144含有燃烧产物，水蒸气和二氧化碳的混合物，并可用作吹扫第二离子传递反应器112的第三阳极侧面124的吹扫气。出自第二离子传递反应器112的渗透物流78含有燃烧产物和氧的混合物。在同流换热器66中回收有用废热后，用冷凝器158和分离器160回收低纯度氧产品气52，其中含大约75％(体积)的氧，大部分杂质是二氧化碳。如果需要，可以用下游的方法除去二氧化碳并回收氧气。用适当的方法排除循环水92。如果不需要二氧化碳，可以在同流换热器66中回收有用热量后将物流78丢弃。
表3给出在图7中示意说明的系统的输入特性。
表3
利用表3输入的计算结果列于表4。
表4
图7所示系统的一个优点是通过以固体氧化物燃料电池10，和第一离子传递反应器11燃烧产物的形式得到的燃料稀释剂来吹扫第二离子传递反应器112，使效率得以提高。这样可以得到氮和氧的高回收率。一个非联合(分离的为压缩机提供动力的燃料电池或独立的离子传递膜)分离系统遇到的麻烦是因分开的空气和燃料回路而增加的投资费用；由于需要较大的燃料电池供给两个系统的空气压缩动力以及冷端温差损失造成的较大能耗而造成的对投资和能量的不利影响，较大能耗会使燃料利用效率下降。
一个或多个附图中所表示的本发明具体特点只是为了方便，因为每个特点可以根据本发明和其它特点结合起来。替代方案会被本领域技术人员清楚地认识到并打算包括在权利要求的范围内。
权利要求
1.一种由含氧物流气体和第一气体燃料物流的混合物生产电力和产品气物流的方法，它包括(a)提供一具有第一阴极侧面和第一阳极侧面的固体氧化物燃料电池；(b)提供一第一离子传递反应器，其中装有氧选择性离子传递膜，所说氧选择性离子传递膜有一第二阴极侧面和一第二阳极侧面；(c)让所说含氧气体物流与所说第一阴极侧面接触并让所说第一气体燃料物流与所说第一阳极侧面接触；(d)将所说含氧气体物流的第一部分氧由所说第一阴极侧面传递到所说第一阳极侧面；(e)让所说第一部分氧与所说第一气体燃料物流在所说第一阳极侧面反应并产生由第一阳极侧面至所说第一阴极侧面的电子流动；(f)以电力形式回收所说电子流动；(g)将所说含氧气体物流的其余部分作为第一滞留物流由所说第一阴极侧面送往所说第二阴极侧面；(h)让所说第一滞留物流与所说第二阴极侧面接触并将第二部分氧由所说第二阴极侧面传递到所说第二阳极侧面；和(i)由所说第一阴极侧面、所说第一阳极侧面、所说第二阴极侧面和第二阳极侧面中的至少一个中以所说产品气物流回收一种气体物流。
2.权利要求1的方法，其中所说含氧气体物流包括空气。
3.权利要求2的方法，还包括在空气与所说第一阴极侧面接触之前将其压缩。
4.权利要求3的方法，还包括由所说第二阳极侧面作为所说产品气物流回收氧气。
5.权利要求4的方法，还包括让出自所说第二阴极侧面的滞留气体物流与第二气体燃料物流反应以产生燃烧产物。
6.权利要求5的方法，其中所说燃烧产物被用来驱动汽轮机。
7.权利要求2的方法，其中一个同流换热器由至少一种物流在所说物流与所说第一和第二阴极和阳极侧面中的至少一个接触后，将热量传给所说空气和所说固体氧化物燃料电池上游的所说第一气体燃料物流。
8.权利要求2的方法，还包括用加压蒸汽吹扫所说第二阳极侧面从而使出自所说第二阳极侧面的渗透气物流含有蒸汽和氧气的混合物。
9.权利要求8的方法，还包括将所说出自所说第二阳极侧面的渗透气物流中蒸汽与氧气的比例调整到有效进行煤气化的摩尔比。
10.权利要求9的方法，其中所说调整步骤包括将所说出自所说第二阳极侧面的渗透气物流分为第一部分和第二部分，冷却所说第二部分，由所说第二部分中将水冷却出来，将所说第二部分的剩余气体压缩回复至所说渗透气物流的压力，然后将所说第一部分和所说第二部分再合并。
全文摘要
通过将含氧气体，典型地是空气，送往固体氧化物燃料电池的第一阴极侧面并将气体燃料送往第一阳极侧面，利用一个固体氧化物燃料电池和至少一个离子传输反应器来生产电力和一种产品气的联合系统。氧离子穿过燃料电池中的膜传递到第一阳极侧面并且与气体燃料发生放热反应以产生电力和热量。热量和氧的传递产生出自固体氧化物燃料电池阴极侧面的较高温度、降低氧含量的气体滞留物流，该物流被送往第一离子传输反应器，大部分剩余氧在这里穿过一个氧选择性离子传输膜进行传输，然后回收一种产品气物流。
文档编号H01M8/12GK1239333SQ99106970
公开日1999年12月22日 申请日期1999年6月2日 优先权日1998年6月3日
发明者R·普拉萨德, C·F·戈特茨曼, N·R·克斯卡 申请人:普拉塞尔技术有限公司