CN105050946A - 使用燃料电池的综合发电和碳捕集 - Google Patents

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Abstract

提供了使用熔融碳酸盐燃料电池(MCFCs)捕集来自燃烧源的CO2的系统和方法。至少一部分阳极排气可以再循环用作阳极输入料流的一部分。这可以降低从燃烧源排气中分离CO2所需的燃料电池面积量和/或改变可如何运行燃料电池。

Description

使用燃料电池的综合发电和碳捕集
发明领域
在各种方面中，本发明涉及通过熔融碳酸盐燃料电池与燃烧电源的集成分离和/或捕集所产生的排放物的低排放发电。
发明背景
发电厂排放的气体的捕集是越来越受关注的领域。基于化石燃料(例如石油、天然气或煤)的燃烧的发电厂生成二氧化碳作为反应副产物。历史上，在燃烧后将这种二氧化碳释放到大气中。但是，越来越希望指出为燃烧过程中生成的二氧化碳找到替代用途的方式。
管理由燃烧反应生成的二氧化碳的一个选项是使用捕集法将CO2与燃烧排气中的其它气体分离。用于捕集碳的传统方法的一个实例是使该排气料流经过胺洗涤器。尽管胺洗涤器可有效从排气料流中分离CO2，但有几个缺点。特别地，需要能量运行胺洗涤器和/或改变排气料流的温度和压力以适合经过胺洗涤器。CO2分离所需的能量降低发电工艺的总体效率。
为了补偿CO2捕集所需的动力，一个选项是使用熔融碳酸盐燃料电池辅助CO2分离。导致CO2从燃料电池的阴极部分传输到燃料电池的阳极部分的燃料电池反应也可导致电力生成。但是，燃烧供能涡轮机或发电机与用于碳分离的燃料电池的传统组合导致每单位消耗燃料的发电效率净降低。
JournalofFuelCellScienceandTechnology中的一篇文章(G.Manzolini等人,J.FuelCellSci.andTech.,第9卷，2012年2月)描述了一种将燃烧发电机与熔融碳酸盐燃料电池组合的发电系统。描述了燃料电池的各种布置和运行参数。来自燃烧发电机的燃烧输出部分用作燃料电池阴极的输入。在使阳极输出经过深冷CO2分离器后用该阳极输出的再循环部分补充这种进料。
Manzolini文章中的模拟的一个目标是使用MCFC从发电机的废气中分离CO2。Manzolini文章中描述的模拟确立660℃的最大出口温度并指出入口温度必须足够更冷以虑及经过燃料电池的升温。基础模型实例中MCFC燃料电池的电效率(即发电量/燃料输入)为50％。针对CO2捕捉优化的试验模型实例中的电效率也是50％。
Desideri等人的文章(Intl.J.ofHydrogenEnergy,Vol.37,2012)描述了使用燃料电池分离CO2的发电系统的性能的建模方法。利用阳极排气再循环到阳极入口和阴极排气再循环到阴极入口来改进燃料电池的性能。基于该文章中显示的模型和配置，提高燃料电池内的CO2利用率据显示适用于改进CO2的分离。模型参数描述了50.3％的MCFC电效率。
美国专利No.7,396,603描述了减少CO2排放的集成化石燃料发电厂和燃料电池系统。至少一部分阳极输出在从该阳极输出中除去一部分CO2后再循环到阳极输入。
熔融碳酸盐燃料电池利用氢气和/或其它燃料发电。可通过在燃料电池上游或燃料电池内的蒸汽重整器中重整甲烷或其它可重整燃料来提供氢气。可重整燃料可包括可以在升高的温度和/或压力下与蒸汽和/或氧反应产生含氢气的气态产物的烃质材料。或者或另外，燃料可以在熔融碳酸盐燃料电池的阳极池中重整，可运行所述燃料电池以创造适合在阳极中重整燃料的条件。或者或另外，可以在燃料电池的外部和内部进行重整。
传统上，运行熔融碳酸盐燃料电池以使每单位燃料输入的发电量最大化，这可以被称作燃料电池的电效率。这种最大化可基于独自或与另一发电系统结合的燃料电池。为了实现提高的发电量和管理热的产生，燃料电池内的燃料利用率通常保持在70％至75％。
美国公开专利申请2011/0111315描述了一种在阳极入口料流中存在显著氢气含量的运行燃料电池系统的系统和方法。’315公开中的技术涉及在阳极入口提供足够的燃料以在燃料接近阳极出口时仍有足够的燃料用于氧化反应。为了确保足够的燃料，’315公开提供了具有高H2浓度的燃料。氧化反应中未用到的H2再循环到阳极以用于下一循环。按单程计，H2利用率可以为10％至30％。文献’315没有描述阳极内的显著重整，而是主要依靠外部重整。
美国公开专利申请2005/0123810描述了一种用于氢气和电能联产的系统和方法。该联产系统包含燃料电池和构造成接收阳极排气料流并分离氢气的分离单元。一部分阳极排气也再循环到阳极入口。’810公开中给出的运行范围看起来基于固体氧化物燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池被描述为替代物。
美国公开专利申请2003/0008183描述了一种用于氢气和电力联产的系统和方法。作为用于将烃型燃料转化成氢气的化学转化器的通用类型提到燃料电池。该燃料电池系统还包括外部重整器和高温燃料电池。描述了该燃料电池系统的一个实施方案，其具有大约45％的电效率和大约25％的化学生产率，导致系统联产效率为大约70％。‘183公开看起来没有描述独立于该系统的燃料电池的电效率。
美国专利5,084,362描述了一种将燃料电池与气化系统集成以便可使用煤气作为燃料电池阳极的燃料源的系统。使用燃料电池生成的氢气作为用于由煤气(或其它煤)进料生成甲烷的气化器的进料。然后使用来自气化器的甲烷作为燃料电池的至少一部分输入燃料。由此，燃料电池生成的至少一部分氢气以气化器生成的甲烷的形式间接再循环到燃料电池阳极入口。
发明概述
一方面，提供了一种捕集来自燃烧源的二氧化碳的方法。该方法可包括捕集来自燃烧源的输出料流，所述捕集的输出料流包含氧气和二氧化碳；用一个或多个熔融碳酸盐燃料电池的燃料电池阵列加工所述捕集的输出料流，所述一个或多个燃料电池各自具有阳极和阴极，所述熔融碳酸盐燃料电池经所述燃料电池阵列中的熔融碳酸盐燃料电池的一个或多个阴极入口在操作上连向所述二氧化碳料流；使燃料与来自所述一个或多个燃料电池阴极的碳酸盐在所述一个或多个燃料电池阳极内反应以产生电力，来自所述燃料电池阵列的至少一个阳极出口的阳极排气料流包含二氧化碳和氢气，与碳酸盐反应的至少一部分燃料包含从阳极排气料流再循环来的氢气；在一个或多个分离阶段中从所述阳极排气料流中分离二氧化碳；和在从所述阳极排气料流中分离二氧化碳后将至少一部分阳极排气料流再循环到阳极。任选地，燃料电池的燃料利用率为大约60％或更低和/或在从阳极排气中分离二氧化碳之前该阳极排气料流可经过水煤气变换反应阶段。
本申请与另外21个共同待审的PCT申请有关，它们在同一日期与其一起提交并通过下列代理人案号和名称标识：名称为“IntegratedPowerGenerationandCarbonCaptureusingFuelCells”的2013EM104-WO；名称为“IntegratedPowerGenerationandCarbonCaptureusingFuelCells”的2013EM107-WO；名称为“IntegratedPowerGenerationandCarbonCaptureusingFuelCells”的2013EM108-WO；名称为“IntegratedPowerGenerationandChemicalProductionusingFuelCells”的2013EM272-WO；名称为“IntegratedPowerGenerationandChemicalProductionusingFuelCellsataReducedElectricalEfficiency”的2013EM273-WO；名称为“IntegratedPowerGenerationandChemicalProductionusingFuelCells”的2013EM274-WO；名为“IntegratedPowerGenerationandChemicalProductionusingFuelCells”的2013EM277-WO；名称为“IntegratedCarbonCaptureandChemicalProductionusingFuelCells”的2013EM278-WO；名称为“IntegratedPowerGenerationandChemicalProductionusingFuelCells”的2013EM279-WO；名称为“IntegratedOperationofMoltenCarbonateFuelCells”的2013EM285-WO；名称为“MitigationofNOxinIntegratedPowerProduction”的2014EM047-WO；名称为“IntegratedPowerGenerationusingMoltenCarbonateFuelCells”的2014EM048-WO；名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsinFischer-TropschSynthesis”的2014EM049-WO；名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsinFischer-TropschSynthesis”的2014EM050-WO；名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsinFischer-TropschSynthesis”的2014EM051-WO；名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsinMethanolSynthesis”的2014EM052-WO；名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsinaRefinerySetting”的2014EM053-WO；名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsforSynthesisofNitrogenCompounds”的2014EM054-WO；名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellswithFermentationProcesses”的2014EM055-WO；名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsinIronandSteelProcessing”的2014EM056-WO；和名称为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsinCementProcessing”的2014EM057-WO。这些共同待审的PCT申请中的每一个全文经引用并入本文。
附图简述
图1示意性显示基于碳基燃料的燃烧发电的联合循环系统的一个实例。
图2示意性显示熔融碳酸盐燃料电池的运行的一个实例。
图3显示熔融碳酸盐燃料电池的阳极燃料利用率与电压之间的关系的一个实例。
图4示意性显示阳极再循环回路的配置的一个实例。
图5显示熔融碳酸盐燃料电池的CO2利用率、电压和功率之间的关系的一个实例。
图6示意性显示熔融碳酸盐燃料电池和相关重整和分离阶段的构造的一个实例。
图7示意性显示熔融碳酸盐燃料电池和相关重整和分离阶段的构造的另一实例。
图8示意性显示基于碳基燃料的燃烧发电的联合循环系统的另一实例。
图9示意性显示基于碳基燃料的燃烧发电的联合循环系统的一个实例。
图10-11显示来自包括燃烧供能涡轮机和用于分离二氧化碳的熔融碳酸盐燃料电池的发电系统的各种配置的模拟的结果。
图12和13显示在不同燃料电池工作电压VA下的CH4转化率的实例。详述
在各种方面中，提供了使用熔融碳酸盐燃料电池(MCFCs)捕集来自燃烧源的CO2的系统和方法。该系统和方法可解决与来自燃烧排气料流的碳捕集和/或使用熔融碳酸盐燃料电池进行碳捕集有关的一个或多个问题。
使用熔融碳酸盐燃料电池从排气料流中分离CO2的一个困难可包括处理来自商业规模涡轮机或其它电/热发生器的排气通常需要的燃料电池的大面积。使用熔融碳酸盐燃料电池接收商业规模排气流通常可涉及使用多个燃料电池而非构造具有足够面积的单燃料电池。为了向该多个燃料电池输送排气料流，需要附加的连接以在各燃料电池之间分割排气。因此，降低捕集所需量的二氧化碳所需的燃料电池面积可提供所需流程连接数和/或复杂性的相应降低。
在本发明的一些方面中，可通过使至少一部分阳极排气料流再循环回阳极入口来降低或将加工含CO2的排气料流所需的燃料电池面积减至最低。另外或或者，可以在较低燃料利用率下运行燃料电池。可以将排气料流送入熔融碳酸盐燃料电池的阴极。在该燃料电池的运行过程中，阳极排气可经过一个或多个分离阶段。这可包括用于除去H2O和/或CO2的分离阶段。然后可以将剩余阳极排气的至少一部分再循环到阳极入口。在一个优选实施方案中，可避免阳极排气直接或间接到阴极的任何再循环。通过使阳极排气再循环到阳极入口，在第一次经过阳极时未使用的任何燃料可用于下一程。
有助于降低燃料电池面积的另一特征可包括避免来自阳极排气的CO2传送回阴极入口。避免这种传送可包括避免直接传送或间接传送。在传统燃料电池运行过程中，使用至少一部分阳极排气作为阴极输入。这代表CO2从阳极直接送往阴极。间接传送可相当于将一部分阳极排气再循环到阴极上游的位置，如位于阴极入口上游的燃烧器。在任一情况下，提供用于将阳极排气送回阴极入口的路径意味着有在分离出来并传送到燃料电池的阳极侧后将CO2送回阴极入口的路径可用。再循环到阴极入口的任何CO2可以有利地再传送到阳极以避免损失到环境中。单个CO2分子从阴极到阳极的这些多次传送可能意味着也许需要附加的燃料电池面积捕集相同的CO2净量。
使用熔融碳酸盐燃料电池时的另一挑战可归因于适当运行的燃气轮机的排气的相对较低CO2含量。例如，由低CO2含量的天然气燃料源供能的燃气轮机可生成例如含有大约4体积％的CO2的排气。如果使用一定类型的排气再循环，这一值可提高到例如大约6体积％。相反，熔融碳酸盐燃料电池的阴极进料的典型所需CO2含量可为大约10％或更大。在本发明的一些方面中，在本文中提供了能在仍有效运行燃气轮机或其它燃烧供能发电机的同时提高排气中的CO2含量的系统和方法。在本发明的一些方面中，提供了在用具有低CO2含量的阴极排气运行时改进和/或优化燃料电池的碳捕集效率的系统和方法。
另一挑战可包括降低或减轻由碳捕集造成的发电效率损失。如上所述，传统的碳捕集方法会造成每单位消耗燃料的发电净效率的损失。在本发明的一些方面中，提供了改进总发电效率的系统和方法。另外或或者，在本发明的一些方面中，提供了以降低和/或将生成有商业价值的CO2料流所需的能量减至最低的方式分离CO2的方法。
在本发明的大多数方面中，可以至少部分通过与联合循环发电系统，如燃烧天然气的联合循环电厂结合使用熔融碳酸盐燃料电池实现一个或多个上述优点，其中来自燃烧反应的烟气和/或热也可用于向蒸汽轮机供能。更通常，该熔融碳酸盐燃料电池可以与各种类型的电或热发生系统，如锅炉、燃烧器、催化氧化器和/或其它类型的燃烧供能发电机联合使用。在本发明的一些方面中，来自MCFCs的至少一部分阳极排气可以(在分离CO2后)再循环到MCFC阳极的输入流中。在阳极排气后的水煤气变换反应区可任选用于进一步提高阳极排气中存在的H2量，同时也能将CO转化成更易分离的CO2。
在本发明的一些方面中，使至少一部分阳极排气再循环到阳极入口能够降低重整量和/或消除在阳极入口前的重整阶段。代替在进入阳极前重整燃料料流，再循环的阳极排气可以为阳极的燃料进料提供足够的氢气。这可允许阳极输入料流不经过单独的预重整阶段就送入阳极。在降低的氢燃料利用率水平下运行阳极可通过提供具有提高的氢气含量的阳极排气而进一步有利于减少和/或消除预重整阶段。
在本发明的各种方面中，可以提供使用熔融碳酸盐燃料电池捕集来自燃烧源的CO2的改进的方法。这可包括例如在降低和/或减轻发电过程中的排放的同时使用涡轮机(或基于燃烧的其它电或热发生方法，如锅炉、燃烧器和/或催化氧化器)发电的系统和方法。这任选至少部分通过使用联合循环发电系统实现，其中来自燃烧反应的烟气和/或热也可用于向蒸汽轮机供能。另外或或者，这可至少部分通过使用一个或多个熔融碳酸盐燃料电池(MCFCs)作为碳捕集装置以及附加电力源实现。在本发明的一些方面中，该MCFCs可以在低燃料利用率条件下运行，这可以改进燃料电池中的碳捕集，同时也降低和/或将损失或浪费的燃料量减至最低。另外或或者，可以运行该MCFCs以降低和/或最大限度减少将燃烧烟气料流的CO2含量降至所需水平，例如1.5体积％或更低或1.0体积％或更低所需的MCFCs总数和/或体积。在这样的方面中，对于来自阵列序列(通常至少包括串联布置，或最后阴极和最初阴极相同)中的最后阴极的阴极输出，输出组合物可包括大约2.0体积％或更少的CO2(例如，大约1.5体积％或更少或大约1.2体积％或更少)和/或至少大约1.0体积％的CO2，如至少大约1.2体积％或至少大约1.5体积％。可至少部分通过将阳极排气送回阳极入口并在将阳极排气送回阳极入口之前除去阳极排气中的至少一部分CO2来实现这些方面。可以例如使用深冷CO2分离器实现从阳极排气中如此除去CO2。在本发明的一些任选方面中，可以将阳极排气再循环到阳极入口以致不提供将阳极排气再循环到阴极入口的路径。通过避免阳极排气再循环到阴极入口，经MCFCs传输到阳极再循环回路的任何CO2可以留在阳极再循环回路中直至从该回路中的其它气体中分离出CO2。
熔融碳酸盐燃料电池传统上以独立模式使用以发电。在独立模式中，可以将燃料，如甲烷的输入料流送入熔融碳酸盐燃料电池的阳极侧。可以重整(外部或内部)甲烷以形成H2和其它气体。H2然后可以在燃料电池中与从阴极穿过电解质的碳酸根离子反应形成CO2和H2O。对于燃料电池阳极中的反应，燃料利用率通常为大约70％或75％或甚至更高。在传统配置中，考虑到重整反应的吸热性质，可以将阳极排气中的剩余燃料氧化(燃烧)以生成用于保持燃料电池和/或外部重整器的温度的热。在这种氧化过程中可以添加空气和/或另一氧源以便更完全燃烧。然后可以将阳极排气(在氧化后)送入阴极。由此，进入阳极的单一燃料料流可用于为阳极和阴极提供所有能量和几乎所有反应物。这种配置也可以使进入阳极的所有燃料耗尽，同时在阳极中只需要～70％或～75％或略高的燃料利用率。
在传统系统可能典型的上述独立方法中，运行熔融碳酸盐燃料电池的目标可能通常是基于输入燃料料流有效生成电力。相反，与燃烧供能涡轮机、发动机或其它发电机集成的熔融碳酸盐燃料电池可用于提供不同用途。尽管该燃料电池的发电仍然合意，但该燃料电池可运行例如以改进和/或使在给定的燃料电池体积下从排气料流中捕集的CO2量最大化。这可以在仍由燃料电池发电的同时改进CO2捕集。
图1提供本发明的一些方面的概念的示意性概览。提供图1以助于理解一般概念，因此可以在图1中并入附加的进料、工艺和/或配置而不背离整体概念的精神。在图1所示的概览实例中，可以使用天然气涡轮机110(或另一燃烧供能涡轮机)基于燃料112的燃烧生成电力。对于图1中所示的天然气涡轮机110，这可包括压缩空气料流或其它气相料流111以形成压缩气料流113。然后可将压缩气料流113与燃料112一起引入燃烧区115。然后可以将所产生的热烟气或排气117送入涡轮机110的膨胀机部分以生成电力。
在膨胀(和任选净化和/或其它加工步骤)后，可以将膨胀的烟气送入熔融碳酸盐燃料电池的阴极部分120。该烟气可包括足够用于阴极处的反应的氧气，或如果必要，可以提供追加的氧气。为了促进燃料电池反应，可以将燃料132与至少一部分阳极排气一起送入燃料电池的阳极部分130。在再循环前，阳极排气可经过二氧化碳分离系统140，如深冷二氧化碳分离器。这可以从阳极排气中除去至少一部分CO2147，通常也还有一部分水149。在除去至少一部分CO2和水后，再循环的阳极排气仍含有一些CO2和水以及H2和/或可能烃，如甲烷形式的未反应燃料。燃料132可代表含氢气料流和/或含有甲烷和/或可重整(内部或外部)形成H2的另一烃的料流。要指出，在图1中，没有使CO2再进入燃料电池的阴极部分的路径可用。相反，CO2可以留在阳极再循环回路中直至通过二氧化碳分离装置140除去CO2。
然后可以将来自燃料电池的阴极部分120的排气送入热回收区150，以便可回收来自阴极排气的热，以例如向蒸汽发生器160供能。在回收热后，阴极排气可作为排气料流156离开该系统。排气料流156可以排放到环境中，或可以使用任选附加净化工艺，如使用胺洗涤器进行料流156上的附加CO2捕集。
表征燃料电池运行的一种方法可以是表征燃料电池接收的各种进料的“利用率”。例如，表征燃料电池运行的一种常见方法可以是指定燃料电池的(阳极)燃料利用率。
除燃料利用率外，可以表征燃料电池中的其它反应物的利用率。例如，另外或或者，可以就“CO2利用率”和/或“氧化剂”利用率表征燃料电池的运行。可以以类似方式规定CO2利用率和/或氧化剂利用率的值。对于CO2利用率，如果CO2是阴极输入料流或流中存在的唯一燃料组分，可以使用(CO2-速率-入-CO2-速率-出)/CO2-速率-入的简化计算，唯一反应因此是CO3 2-的形成。类似地，对于氧化剂利用率，如果O2是阴极输入料流或流中存在的唯一氧化剂，可以使用该简化形式，唯一反应因此是CO3 2-的形成。
使用多个燃料电池的另一原因可能是在将燃烧排气的CO2含量降至所需水平的同时实现有效的燃料电池运行。可以在将燃烧降至所需水平的同时在较低燃料利用率下运行两个(或更多个)燃料电池，而非运行燃料电池以具有高(或最佳)CO2利用率。
在燃料电池的传统运行，如独立运行过程中，运行燃料电池的目标可以是在有效利用提供给电池的“燃料”的同时生成电力。该“燃料”可相当于氢气(H2)、含氢气气体料流和/或包含可重整提供氢气的物质(如甲烷、另一链烷或烃和/或一种或多种其它类型的含碳和氢的化合物，它们在反应时可提供氢气)的气体料流。这些重整反应通常是吸热的，因此通常在制氢气中消耗一些热能。也可以使用可直接和/或在反应时提供CO的碳源，因为通常在燃料电池阳极催化剂表面存在下可发生水煤气变换反应(CO+H2O＝H2+CO2)。这能由CO源产生氢气。对于这样的传统运行，运行燃料电池的一个潜在目标可以是耗尽提供给电池的所有燃料，同时保持燃料电池的合意输出电压，这传统上可通过在大约70％至大约75％的燃料利用率下运行燃料电池阳极，接着燃烧其余燃料以生成保持燃料电池的温度的热来实现。
在熔融碳酸盐燃料电池中，跨过燃料电池中的电解质的碳酸根离子传输可提供从第一流路向第二流路传输CO2的方法，其中该传输方法可允许从较低浓度(阴极)向较高浓度(阳极)传输，这因此有利于捕集CO2。该燃料电池对CO2分离的部分选择性可基于能使该电池生成电力的电化学反应。对于有效地不参与燃料电池内的电化学反应的非反应性物类(如N2)，可以存在微不足道的反应量和从阴极到阳极的传输。相反，阴极和阳极之间的电位(电压)差可提供跨过燃料电池传输碳酸根离子的强驱动力。因此，熔融碳酸盐燃料电池中的碳酸根离子传输可允许以相对较高的选择性从阴极(较低CO2浓度)向阳极(较高CO2浓度)传输CO2。但是，使用熔融碳酸盐燃料电池脱除二氧化碳的一个挑战在于，该燃料电池具有有限的从相对较稀的阴极进料中除去二氧化碳的能力。随着CO2浓度下降到大约2.0体积％以下，由碳酸盐燃料电池生成的电压和/或功率开始快速降低。随着CO2浓度进一步降低，例如降到大约1.0体积％以下，在某一点，跨过燃料电池的电压变得足够低以致几乎或完全不发生碳酸盐的进一步传输且燃料电池停止工作。因此，在商业可行的运行条件下来自燃料电池的阴极阶段的排气中可能存在至少一些CO2。
可基于阴极进料源的CO2含量确定送往燃料电池阴极的二氧化碳量。适合用作阴极输入流的含CO2料流的一个实例可以是来自燃烧源的输出或排出流。燃烧源的实例包括，但不限于，基于天然气的燃烧、煤的燃烧和/或其它烃型燃料(包括生物衍生燃料)的燃烧的来源。另外或替代的来源可包括其它类型的锅炉、火焰加热器、炉和/或燃烧含碳燃料以加热另一物质(如水或空气)的其它类型的装置。大致上，来自燃烧源的输出流的CO2含量可以为该流的次要部分。即使对较高CO2含量的排气流，如来自燃煤燃烧源的输出而言，来自大多数商业燃煤发电厂的CO2含量可以为大约15体积％或更低。更通常，来自燃烧源的输出或排出流的CO2含量可以为至少大约1.5体积％，或至少大约1.6体积％，或至少大约1.7体积％，或至少大约1.8体积％，或至少大约1.9体积％，或至少大于2体积％，或至少大约4体积％，或至少大约5体积％，或至少大约6体积％，或至少大约8体积％。另外或或者，来自燃烧源的输出或排出流的CO2含量可以为大约20体积％或更低，如大约15体积％或更低，或大约12体积％或更低，或大约10体积％或更低，或大约9体积％或更低，或大约8体积％或更低，或大约7体积％或更低，或大约6.5体积％或更低，或大约6体积％或更低，或大约5.5体积％或更低，或大约5体积％或更低，或大约4.5体积％或更低。上文给出的浓度基于干基础。要指出，在来自一些天然气或甲烷燃烧源(例如是可能包括或不包括排气再循环回路的发电系统的一部分的发电机)的排气中可存在更低的CO2含量值。
阳极部分和阳极再循环回路的运行
在本发明的各种方面中，可以在允许燃料电池的阳极部分中的较低燃料利用率的条件下运行熔融碳酸盐燃料电池。这可不同于燃料电池的传统运行，其中通常选择燃料利用率以使送往燃料电池的燃料的70％或更多作为燃料电池运行的一部分消耗。在传统运行中，几乎所有燃料可通常在燃料电池的阳极内消耗或燃烧以向燃料电池的进料料流提供明显的热。
图3显示在传统(独立)条件下运行的燃料电池的燃料利用率和输出功率之间的关系的一个实例。图3中所示的图显示燃料电池运行的两种极限情况。一种极限情况包括运行燃料电池以消耗送往燃料电池的燃料的接近100％的燃料(如H2或重整成H2的甲烷)量的极限。从效率角度看，送往燃料电池的燃料的～100％消耗是合意的，以在燃料电池的运行过程中不浪费燃料。但是，运行燃料电池以消耗送往电池的燃料的大于大约80％有两个可能的缺点。首先，随着燃料消耗量接近100％，由该燃料电池提供的电压急剧降低。为了消耗接近100％的燃料量，燃料电池(或至少在阳极附近)中的燃料浓度必须在燃料电池的至少一部分运行过程中按定义几乎接近0。以渐趋0的燃料浓度运行燃料电池的阳极可导致用于跨过燃料电池的电解质传输碳酸根的驱动力渐低。这会造成电压的相应降低，在消耗供给阳极的所有燃料的真实极限情况中电压可能也接近0。
第二个缺点也与相对较高的燃料利用值(大于大约80％)有关。如图3中所示，在大约75％或更低的燃料利用值下，由燃料电池生成的电压与燃料利用率具有大致线性关系。在图3中，在大约75％燃料利用率下，产生的电压可以为大约0.7伏特。在图3中，在大约80％或更高的燃料利用值下，电压对利用率曲线看起来呈指数或幂型关系。从工艺稳定性的角度看，可优选在其中该关系呈线性的电压对利用率曲线部分中运行燃料电池。
在图3中所示的另一极限情况中，随着燃料利用率降低，由熔融碳酸盐燃料电池产生的电压表现出轻微提高。但是，在传统运行中，在降低的利用率下运行燃料电池会造成各种困难。例如，可能需要降低送往以较低燃料利用率运行的传统运行的燃料电池的总燃料量，以使留在阳极排气/输出料流中的任何燃料仍可提供适于保持燃料电池温度的热量(在进一步燃烧时)。如果降低燃料利用率而不调节送往燃料电池的燃料量，未使用的燃料的氧化可能造成燃料电池的高于期望的温度。至少基于这些极限情况考量，传统燃料电池通常在大约70％至大约75％的燃料利用率下运行以实现与燃料完全利用的热平衡。
一个备选配置可以是将至少一部分来自燃料电池阳极的排气再循环到燃料电池阳极的输入。来自MCFC阳极的输出料流可包括H2O、CO2、任选的CO和任选但通常未反应的燃料(如H2或CH4)作为主要输出组分。代替使用这种输出料流作为燃料源以向重整反应供热，可以对阳极输出料流进行一次或多次分离以将CO2与具有潜在燃料价值的组分，如H2或CO分离。然后可以将具有燃料价值的组分再循环到阳极的输入。
这种类型的配置可提供一个或多个益处。首先，可以从阳极输出中分离出CO2，如通过使用深冷CO2分离器。阳极输出的几种组分(H2、CO、CH4)不是易冷凝组分，而CO2和H2O可独立地作为冷凝相分离。根据该实施方案，可以分离出阳极输出中至少大约90体积％的CO2以形成相对高纯的CO2输出料流。在分离后，阳极输出的剩余部分可主要相当于具有燃料价值的组分以及降低量的CO2和/或H2O。分离后的这部分阳极输出可再循环以与附加燃料一起用作阳极输入的一部分。在这种类型的配置中，即使在经过MCFC的单程中的燃料利用率可能低，但未使用的燃料可有利地再循环另一程经过阳极。因此，单程燃料利用率可处于降低的水平，同时避免未燃烧的燃料损失(排放)到环境中。
可以例如通过使用水煤气变换反应器将阳极输出中存在的H2O和CO转化成H2和CO2来提高阳极输出中存在的H2量。水是在阳极处发生的反应的预期输出，因此该阳极输出通常可具有与阳极输出中存在的CO量相比过量的H2O。由于在重整过程中的不完全碳燃烧和/或由于在重整条件或在阳极反应过程中存在的条件下H2O、CO、H2和CO2之间的平衡反应(即水煤气变换平衡)，在阳极输出中可存在CO。水煤气变换反应器可以在以CO和H2O为代价进一步朝形成CO2和H2的方向驱动该平衡的条件下运行。较高温度可能趋向于有利于形成CO和H2O。因此，运行水煤气变换反应器的一个选项可以是在合适的温度，例如大约190℃至大约210℃下使阳极输出料流暴露在合适的催化剂，如包括氧化铁、氧化锌、在氧化锌上的铜等的催化剂下。该水煤气变换反应器任选可包括用于降低阳极输出料流中的CO浓度的两个阶段，其中第一较高温阶段在至少大约300℃至大约375℃的温度下运行，第二较低温阶段在大约225℃或更低，如大约180℃至大约210℃的温度下运行。除提高阳极输出中存在的H2量外，该水煤气变换反应还可以以CO为代价提高CO2量。这可以将难除去的一氧化碳(CO)换成可更容易通过冷凝(例如低温脱除)、化学反应(如胺脱除)和/或其它CO2脱除法除去的二氧化碳。
尽管该阳极再循环回路允许较低燃料利用率而没有燃料伴随损失到环境中，再循环回路中的过量燃料可造成其它后果。例如，如果使用深冷法从阳极排气中分离CO2，通常可作为该分离法的一部分压缩阳极排气料流。如果燃料利用率相对较高，阳极排气可以主要由典型燃烧产物，如CO2、CO和H2O构成。但是，任何未使用的燃料，如H2也在排气中。这种额外的H2也要求在CO2分离过程中压缩。任何额外气体的压缩需要额外能量。由于H2压缩中的已知困难，当H2是该额外气体时，可提高这种额外能量的量。在大约75％的传统燃料利用值下，阳极排气中的CO2含量可以至少与该排气中的H2量一样高，且CO2含量优选可为H2含量的至少两倍。相反，在大约50％或更低的燃料利用值下，大约一半或更多的阳极排气可相当于H2。未分离出的这种额外气体的压缩可能需要显著的额外能量。
在本发明的一些方面中，分离部分CO2(和H2O)后留下的所有或基本所有阳极输出料流可以再循环以用作阳极输入。或者，分离后的阳极输出料流可用于多于一个目的，但可有利地避免任何部分的阳极输出料流再循环用作阴极的直接输入和/或作为用于加热燃料电池的氧化器的输入。控制阳极输出料流的用途可提供几个优点。例如，通过避免阳极输出再循环用作阴极输入，可以将该系统内的CO2传输限于从燃料电池阴极传输到燃料电池阳极。换言之，一旦可将CO2“捕集”在该系统的阳极回路部分中，该CO2不可回到该系统的阴极部分，例如其中CO2可能排放到大气中和/或可能必须通过辅助碳捕集装置捕集。反之，“捕集”在阳极回路中的任何CO2可以留在阳极回路中直至可以分离出CO2，例如以形成高纯CO2料流。
除过量燃料的压缩外，特别在其中所有或基本所有阳极输出料流再循环到阳极输入的配置中，阳极再循环回路中的惰性或非反应性气体的压缩会造成显著的能量消耗。在阳极再循环回路中，可以在经过阳极再循环回路的各循环过程中除去大部分(如高达90％或更多)的可冷凝组分，如CO2和H2O。在经过阳极再循环回路的各循环过程中也可至少部分消耗能参与重整器和/或阳极中的反应的组分，如CH4、H2和CO。但是，阳极再循环回路的输入燃料可通常是含有其它非反应性物类的燃料。例如，如果使用天然气料流作为燃料，典型的天然气料流可含有大约1％至5％(或更多)的N2。这种N2在阳极中通常不反应并在分离阶段中仅可少量除去。因此，相当大量的N2可积聚在阳极再循环回路中。尽管在各再循环过程中可以使用放气料流(bleedstream)除去一部分N2，但这样的放气料流也可造成阳极再循环回路中存在的燃料气体的损失。阳极再循环回路中的过量非反应性气体可进一步有助于再循环回路中用于压缩的能量成本。用于再循环回路中的气体压缩的额外成本可通过降低该系统的总体电效率降低和/或减轻阳极中的低燃料利用率的益处。
图4显示根据本发明的发电机/燃料电池系统的阳极流路部分的一个实例。在图4中，初始燃料料流405可任选重整410以将甲烷(或另一类型的燃料)和水转化成H2和CO2。或者，可以在是包括重整阶段和燃料电池阳极420的组件的一部分的重整阶段中进行重整反应。另外或或者，至少一部分燃料料流405可相当于氢气，以便可降低和/或最大限度减少向阳极420提供燃料所需的重整量。然后可以将该任选重整的燃料415送入阳极420。来自阳极排气425的包括燃料组分的再循环料流455也可充当阳极420的输入。来自燃料电池的阴极部分(未显示)的碳酸根离子流422可提供阳极燃料电池反应所需的其余反应物。基于阳极420中的反应，所得阳极排气425可包括H2O、CO2、相当于未反应燃料的一种或多种组分(H2、CO、CH4或其它)和任选一种或多种附加非反应性组分，如N2和/或为燃料料流405的一部分的其它污染物。然后可以将阳极排气425送入一个或多个分离阶段430以除去CO2(以及任选的H2O)。深冷CO2脱除系统可以是分离阶段的合适类型的一个实例。任选地，阳极排气可以首先经过水煤气变换反应器440以将阳极排气中存在的任何CO(与一些H2O一起)转化成任选水煤气变换的阳极排气445中的CO2和H2。
分离阶段430的初始部分可用于作为H2O输出料流432除去阳极排气425中存在的大部分H2O。深冷CO2脱除系统然后可作为高纯CO2料流434除去大部分CO2。如果需要，也可存在吹扫料流(未显示)以防止惰性气体积聚在阳极再循环回路内。然后可以将阳极排气料流的剩余部分455送回阳极420的入口。
如图4中所示，可以在燃料电池外和/或在燃料电池内进行燃料的重整。另一选项可以是降低、最大限度减少或甚至消除在燃料进入燃料电池阳极前进行的重整。
当在阳极进料中存在足量的H2，如送往阳极的燃料的至少大约10体积％为H2形式时，阳极中的反应条件可允许在阳极本身内发生额外重整。因此，惯常地，送入阳极的燃料在进入阳极前可进行重整以例如提供充足的初始H2量。如果阳极进料不含足量的氢气，阳极反应可能失速，并可能降低、最大限度减少或完全停止阳极中的重整活性。
在传统运行中，可以重整送往MCFC阳极的至少一部分燃料以提供用于维持阳极反应的H2。但是，当阳极排气再循环到阳极入口时，无需任何重整，在阳极输入料流中存在足够的H2。取而代之地，来自再循环料流的H2能够维持阳极反应以致在阳极本身内可发生额外重整。
由于重整通常是吸热过程，保持用于阳极前的重整阶段中的重整的温度可能通常需要额外的热和因此燃料。在阳极输入前不需要重整阶段可通过消除重整阶段的热需求改进该发电系统的总效率。因此，除能够降低燃料电池面积外，使阳极输出再循环到阳极输入和以低燃料利用率运行燃料电池的组合可以改进发电效率。
阴极部分的运行
在根据本发明的各种方面中，可以运行用于碳捕集的熔融碳酸盐燃料电池以改进或增强该燃料电池的碳捕集方面，而非(或甚至牺牲)增强发电能力。传统上，可基于在消耗送往阳极的燃料料流中的所有燃料的同时提供合意电压来运行熔融碳酸盐燃料电池。这可在传统上部分通过使用阳极排气作为至少一部分阴极输入料流实现。相反，本发明对阳极输入和阴极输入使用分开/不同的来源。通过消除阳极输入流和阴极输入流的组成之间的联系，用于运行燃料电池的附加选项变得可用，以改进二氧化碳的捕集。
使用熔融碳酸盐燃料电池除去二氧化碳中的一个初始挑战在于该燃料电池具有有限的从相对较稀的阴极进料中除去二氧化碳的能力。图5基于阴极输入气体中的CO2浓度显示1)电压和CO2浓度以及2)功率和CO2浓度之间的关系的一个实例。如图5中所示，随着CO2浓度下降到大约2.0体积％以下，由碳酸盐燃料电池产生的电压和/或功率开始快速降低。随着CO2浓度进一步降低，例如降到大约1.0体积％以下，在某一点，跨过燃料电池的电压变得足够低以致几乎或完全不能发生碳酸根的进一步传输。因此，在来自燃料电池的阴极阶段的排气中可能存在至少一些CO2，几乎与运行条件无关。
燃料电池运行条件的一个修改可以是利用在阳极处的过量可用反应物运行燃料电池，如通过如上所述以阳极处的低燃料利用率运行。通过为燃料电池中的阳极反应提供过量的反应物，用于阴极反应的CO2的可得性可用作该反应的限速变量。
当运行MCFCs以增强碳捕集量时，平衡因素可不同于尝试改进燃料利用率时。特别地，可基于来自提供含CO2料流的燃烧发电机的输出流确定送往燃料电池的二氧化碳量。大致上，来自燃烧发电机的输出流的CO2含量可以为该流的次要部分。即使对较高CO2含量的排气流，如来自燃煤燃烧发电机的输出而言，来自大多数商业燃煤发电厂的CO2含量可以为大约15体积％或更低。为了进行阴极反应，这可能潜在地包括大约5％至大约15％，通常大约7％至大约9％的用于与CO2反应形成碳酸根离子的氧气。因此，阴极反应通常可消耗阴极输入料流的不到大约25体积％。阴极流的其余至少大约75％的部分可由惰性/非反应性物类，如N2、H2O和其它典型的氧化剂(空气)组分以及任何未反应的CO2和O2构成。
相对于阴极反应，基于阴极输入流的性质，对于基于较清洁燃料源，如天然气源的燃烧的输入流，在阴极消耗和除去的阴极输入部分可以为大约25体积％或更低，例如大约10体积％或更低。确切量可基于所用燃料、输入燃料中的稀释剂含量(例如，在天然气中通常以小百分比存在N2)和运行燃烧器的氧化剂(空气)/燃料比(所有这些都可变但通常对商业运行而言是熟知的)而变。因此，在用于碳捕集的总燃料电池阵列上，进入燃料电池的阴极部分的总气流相对可预测(恒定)。可以使用几种可能的配置以提供用于增强/改进/优化碳捕集的燃料电池阵列。下列配置选项可以独自或组合用作改进碳捕集的策略的一部分。
一个典型配置选项可以是在多个燃料电池之间分割含CO2料流。相对于尺寸合理的单MCFC的合意运行条件，来自工业发电机的含CO2的输出料流通常相当于大流量体积。代替在单MCFC中加工整个流，可以在多个MCFC单元之间将该流分割，其中至少一些通常可以并联，以使各单元中的流速在所需流速范围内。
另外或或者，可以串联使用燃料电池以从流动料流中相继除去CO2。无论含CO2料流可并联分配到的初始燃料电池数是多少，各初始燃料电池后可串联接着一个或多个附加电池以进一步除去额外的CO2。类似于图3中对阳极的H2输入例示的情况，尝试在单燃料电池中除去料流内的CO2会导致低和/或不可预测的电压输出。不同于尝试在单燃料电池中除去CO2至所需水平，可以在连续的电池中除去CO2直至可实现所需水平。例如，一连串燃料电池中的各电池可用于除去燃料料流中存在的一定百分比(例如大约50％)的CO2。在这种实例中，如果串联使用三个燃料电池，可以降低CO2浓度(例如至原始存在量的大约15％或更低，这可相当于经串联的三个燃料电池的进程将CO2浓度从大约6％降至大约1％或更低)。
再另外或或者，在可选择阶段阵列以实现所需碳捕集水平的同时，可以在串联的早期燃料阶段中选择运行条件以提供所需输出电压。例如，可以使用具有串联的三个燃料电池的燃料电池阵列。串联的前两个燃料电池可用于在保持所需输出电压的同时除去CO2。然后可以运行最后一个燃料电池以除去CO2至所需浓度。
再另外或或者，燃料电池阵列中的阳极和阴极可单独连接。例如，如果燃料电池阵列包括串联的燃料阴极，相应的阳极可以以任何方便的方式连接，不必与它们的相应阴极相同的布置匹配。这可包括，例如，并联连接阳极，以使各阳极接收相同类型的燃料进料，和/或反向串联连接阳极，以使阳极中的最高燃料浓度对应于具有最低CO2浓度的那些阴极。
氢气或合成气捕集
可作为化学能量输出从阳极排气中提取氢气或合成气。氢气可用作在燃烧时不生成温室气体的清洁燃料。反之，对于通过烃(或烃质化合物)的重整生成的氢气，已将CO2“捕集”在阳极回路中。另外，氢气可以是用于各种炼油厂工艺和/或其它合成工艺的有价值的进料。合成气也可是用于各种工艺的有价值的进料。除具有燃料价值外，合成气还可用作用于生产其它更高价值产品的原材料，例如通过使用合成气作为费托合成和/或甲醇合成工艺的进料。
在各种方面中，阳极排气可具有大约1.5:1至大约10:1，如至少大约3.0:1，或至少大约4.0:1，或至少大约5.0:1，和/或大约8.0:1或更低或大约6.0:1或更低的H2/CO比。可以从阳极排气中提取合成气料流。在各种方面中，从阳极排气中取出的合成气料流可具有至少大约0.9:1，如至少大约1.0:1，或至少大约1.2:1，或至少大约1.5:1，或至少大约1.7:1，或至少大约1.8:1，或至少大约1.9:1的H2摩尔数与CO摩尔数的比率。另外或或者，从阳极排气中取出的合成气中的H2/CO摩尔比可以为大约3.0:1或更低，如大约2.7:1或更低，或大约2.5:1或更低，或大约2.3:1或更低，或大约2.2:1或更低，或大约2.1:1或更低。要指出，取出的合成气料流中较高的H2/CO比可倾向于相对于阴极排气中的CO2量降低CO量。但是，许多类型的合成气应用获益于具有至少大约1.5:1至大约2.5:1或更低的H2/CO摩尔比的合成气，因此形成具有例如大约1.7:1至大约2.3:1的H2/CO含量摩尔比的合成气料流对一些应用而言是合意的。
可以通过任何方便的方法从阳极排气中提取合成气。在一些方面中，可以通过对阳极排气进行分离以除去阳极排气中的至少一部分不同于H2和CO的组分而从阳极排气中提取合成气。例如，可以首先使阳极排气经过任选的水煤气变换阶段以调节H2和CO的相对量。然后可以使用一个或多个分离阶段从阳极排气中除去H2O和/或CO2。阳极排气的剩余部分随后相当于合成气料流，其随后可以任何方便的方式取出以供使用。另外或或者，可以使取出的合成气料流经过一个或多个水煤气变换阶段和/或经过一个或多个分离阶段。
要指出，改变取出的合成气中的H2/CO摩尔比的附加或替代性的方式可以是例如通过进行膜分离从阳极排气和/或合成气中分离H2料流。形成单独的H2输出料流的这种分离可以在任何方便的位置进行，如在使阳极排气经过水煤气变换反应阶段之前和/或之后，和在使阳极排气经过一个或多个分离阶段以除去阳极排气中的不同于H2和CO的组分之前和/或之后。任选地，可以在从阳极排气中分离H2料流之前和之后使用水煤气变换阶段。在一个附加或替代性的实施方案中，可任选从取出的合成气料流中分离H2。在一些方面中，分离的H2料流相当于高纯H2料流，如含有至少大约90体积％的H2，如至少大约95体积％的H2或至少大约99体积％的H2的H2料流。
在一些方面中，可以使用具有中等或低CO2含量的阴极输入进料运行熔融碳酸盐燃料电池。适用于碳分离和捕集的各种料流可包括具有中等至低CO2含量的料流。例如，阴极入口的可能的输入料流可具有大约20体积％或更低，如大约15体积％或更低，或大约12体积％或更低，或大约10体积％或更低的CO2含量。这种含CO2料流可以由燃烧发电机，如燃煤或燃烧天然气的涡轮机生成。在具有中等或低CO2含量的阴极输入料流上实现所需CO2利用水平可允许使用较低含量的CO2料流，而非需要在使用该料流作为阴极输入料流之前使该料流富集CO2。在各种方面中，燃料电池的CO2利用率可以为至少大约50％，如至少大约55％或至少大约60％。另外或或者，CO2利用率可以为大约98％或更低，如大约97％或更低，或大约95％或更低，或大约90％或更低，或可以刚好高到足以使足够的CO2留在阴极排气中以允许燃料电池有效或按需运行。本文所用的CO2利用率可以是阴极出口料流中的CO2摩尔数和阴极入口料流中的CO2摩尔数之差除以阴极入口中的CO2摩尔数。以数学方式表达，CO2利用率＝(CO2(阴极输入)-CO2(阴极输出))/CO2(阴极输入)。
运行策略
作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，可以在也降低或将在阴极排气料流中离开燃料电池的CO2量减至最低的同时以提高的合成气(或氢气)产量运行熔融碳酸盐燃料电池(如燃料电池组件)。合成气可以是用于各种工艺的有价值的进料。除具有燃料价值外，合成气还可用作用于形成其它更高价值产品的原材料，例如通过使用合成气作为费托合成和/或甲醇合成工艺的进料。用于制造合成气的一个选项可以是重整烃或烃类燃料，如甲烷或天然气。对于许多类型的工业工艺，具有接近2:1(或甚至更低)的H2/CO比的合成气可能通常是合意的。如果额外的CO2(如在阳极中生成)可用，可以利用水煤气变换反应降低合成气中的H2/CO比。
通过将合成气生成和熔融碳酸盐燃料电池的使用集成而提供的整体效益的一种表征方式可基于在阳极排气中离开燃料电池的合成气的净量相对于在阴极排气中离开燃料电池的CO2量的比率。这种表征衡量以低排放和高效率(电和化学)发电的效力。在本说明书中，阳极排气中的合成气的净量被定义为阳极排气中存在的H2摩尔数和CO摩尔数的总和抵消阳极入口存在的H2和CO量。由于该比率基于阳极排气中的合成气的净量，简单地将过量H2送入阳极不会改变该比率的值。但是，由于在阳极中和/或在与阳极相关的内部重整段中重整而生成的H2和/或CO可造成该比率的更高值。在阳极中氧化的氢可降低该比率。要指出，水煤气变换反应可以用H2交换CO，因此H2和CO的总摩尔数代表阳极排气中的总潜在合成气，无论合成气中最终所需的H2/CO比如何。然后可以将阳极排气的合成气含量(H2+CO)与阴极排气的CO2含量相比较。这可提供一种类型的效率值，其也可说明碳捕集量。这可同等地表示为如下方程
阳极排气中的净合成气与阴极CO2的比率＝
(H2+CO)阳极的净摩尔数/(CO2)阴极的摩尔数
在各种方面中，阳极排气中的合成气的净摩尔数与阴极排气中的CO2摩尔数的比率可以为至少大约2.0，如至少大约3.0，或至少大约4.0，或至少大约5.0。在一些方面中，阳极排气中的净合成气与阴极排气中的CO2量的比率可以更高，如至少大约10.0，或至少大约15.0，或至少大约20.0。另外或或者，可以实现大约40.0或更低，如大约30.0或更低，或大约20.0或更低的比率值。在阴极入口处的CO2量为大约6.0体积％或更低，如大约5.0体积％或更低的方面中，至少大约1.5的比率值可能足够/现实的。阳极排气中的净合成气与阴极排气中的CO2量的这种摩尔比率值可高于照常规运行的燃料电池的值。
作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，可以在也具有如至少大约60％的高CO2利用值的同时在降低的燃料利用值，如大约50％或更低的燃料利用率下运行熔融碳酸盐燃料电池(如燃料电池组件)。在这种类型的配置中，该熔融碳酸盐燃料电池可有效用于碳捕集，因为CO2利用率可有利地足够高。不同于试图使电效率最大化，在这种类型的配置中可基于综合电和化学效率改进或提高该燃料电池的总效率。化学效率可基于作为输出从阳极排气中提取氢气和/或合成气料流以用于其它工艺。尽管与一些传统配置相比可能降低电效率，但利用阳极排气中的化学能量输出可实现燃料电池的合意的总效率。
在各种方面中，燃料电池阳极中的燃料利用率可以为大约50％或更低，如大约40％或更低，或大约30％或更低，或大约25％或更低，或大约20％或更低。在各种方面中，为了生成至少一些电力，该燃料电池中的燃料利用率可以为至少大约5％，如至少大约10％，或至少大约15％，或至少大约20％，或至少大约25％，或至少大约30％。另外或或者，CO2利用率可以为至少大约60％，如至少大约65％，或至少大约70％，或至少大约75％。
作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，可以运行熔融碳酸盐燃料电池以便可相对于氧化量选择重整量以实现燃料电池的所需热比率。本文所用的“热比率”被定义为由燃料电池组件中的放热反应生成的热除以在燃料电池组件内发生的重整反应的吸热需求。以数学方式表达，热比率(TH)＝QEX/QEN，其中QEX是由放热反应生成的热量总和且QEN是在燃料电池内发生的吸热反应消耗的热量总和。要指出，由放热反应生成的热相当于归因于该电池中的重整反应、水煤气变换反应和电化学反应的任何热。可基于跨过电解质的燃料电池反应的理想电化学势减去燃料电池的实际输出电压计算由电化学反应生成的热。例如，基于在电池中发生的净反应，认为MCFC中的反应的理想电化学势为大约1.04V。在MCFC的运行过程中，由于各种损失，该电池通常具有小于1.04V的输出电压。例如，常见输出/工作电压可以为大约0.7V。生成的热等于该电池的电化学势(即～1.04V)减去工作电压。例如，当输出电压为～0.7V时，由电池中的电化学反应生成的热为～0.34V。因此，在这种情况中，电化学反应产生～0.7V的电和～0.34V的热能。在这种实例中，～0.7V的电能不作为QEX的一部分。换言之，热能不是电能。
在各种方面中，可以对任何方便的燃料电池结构，如燃料电池堆、燃料电池堆内的独立燃料电池、具有集成的重整段的燃料电池堆、具有集成的吸热反应段的燃料电池堆或其组合测定热比率。也可以对燃料电池堆内的不同单元，如燃料电池或燃料电池堆的组装件计算热比率。例如，可以对单一燃料电池内的单一阳极、燃料电池堆内的阳极段或与集成的重整段和/或集成的吸热反应段元件(从热集成角度看足够紧密靠近要集成的阳极段)一起的燃料电池堆内的阳极段计算热比率。本文所用的“阳极段”包括在燃料电池堆内的共用共同入口或出口歧管的多个阳极。
在本发明的各种方面中，可以基于热比率表征燃料电池的运行。如果运行燃料电池以具有所需热比率，则可以运行熔融碳酸盐燃料电池以具有大约1.5或更低，例如大约1.3或更低，或大约1.15或更低，或大约1.0或更低，或大约0.95或更低，或大约0.90或更低，或大约0.85或更低，或大约0.80或更低，或大约0.75或更低的热比率。另外或或者，热比率可以为至少大约0.25，或至少大约0.35，或至少大约0.45，或至少大约0.50。另外或或者，在一些方面中，可以运行燃料电池以具有大约40℃或更小，如大约20℃或更小，或大约10℃或更小的在阳极输入与阳极输出之间的升温。再另外或或者，可以运行燃料电池以具有比阳极入口温度低大约10℃至高大约10℃的阳极出口温度。再另外或或者，可以运行燃料电池以具有比阳极出口温度高的阳极入口温度，如高至少大约5℃，或高至少大约10℃，或高至少大约20℃，或高至少大约25℃。再另外或或者，可以运行燃料电池以具有比阳极出口温度高大约100℃或更低，如高大约80℃或更低，或大约60℃或更低，或大约50℃或更低，或大约40℃或更低，或大约30℃或更低，或大约20℃或更低的阳极入口温度。
作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，可以用相对于在燃料电池的阳极中反应的氢量过量的可重整燃料运行熔融碳酸盐燃料电池(如燃料电池组件)。代替选择燃料电池的运行条件来改进或使燃料电池的电效率最大化，可以将过量的可重整燃料送入燃料电池的阳极以提高燃料电池的化学能量输出。任选但优选地，这可导致基于燃料电池的综合电效率和化学效率的燃料电池总效率提高。
在一些方面中，送往阳极和/或送往与阳极相关的重整段的输入料流中的可重整燃料的可重整氢含量可以比在阳极中氧化的氢量高至少大约50％，如高至少大约75％至少大约100％。在各种方面中，燃料料流中的可重整燃料的可重整氢含量与在阳极中反应的氢量的比率可以为至少大约1.5:1，或至少大约2.0:1，或至少大约2.5:1，或至少大约3.0:1。另外或或者，燃料料流中的可重整燃料的可重整氢含量与在阳极中反应的氢量的比率可以为大约20:1或更低，如大约15:1或更低或大约10:1或更低。一方面，预计阳极入口料流中的可重整氢含量的少于100％可转化成氢气。例如，阳极入口料流中的可重整氢含量的至少大约80％可以在阳极中和/或在相关重整段中转化成氢气，如至少大约85％，或至少大约90％。
作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，也可以在可改进或优化燃料电池的综合电效率和化学效率的条件下运行熔融碳酸盐燃料电池(如燃料电池组件)。代替选择用于使燃料电池的电效率最大化的传统条件，该运行条件可允许在燃料电池的阳极排气中输出过量合成气和/或氢气。该合成气和/或氢气然后可用于各种应用，包括化学合成工艺和收集氢气以用作“清洁”燃料。在本发明的方面中，可以降低电效率以实现高的总效率，这包括基于相对于燃料电池的燃料输入的能量值生成的合成气和/或氢气的化学能量值的化学效率。
在一些方面中，可基于电效率表征燃料电池的运行。如果运行燃料电池以具有低的电效率(EE)，可以运行熔融碳酸盐燃料电池以具有大约40％或更低的电效率，例如大约35％EE或更低，大约30％EE或更低，大约25％EE或更低，或大约20％EE或更低，大约15％EE或更低，或大约10％EE或更低。另外或或者，EE可以为至少大约5％，或至少大约10％，或至少大约15％，或至少大约20％。再另外或或者，可基于总燃料电池效率(TFCE)，如燃料电池的综合电效率和化学效率表征燃料电池的运行。如果运行燃料电池以具有高的总燃料电池效率，可以运行熔融碳酸盐燃料电池以具有大约55％或更大，例如大约60％或更大，或大约65％或更大，或大约70％或更大，或大约75％或更大，或大约80％或更大，或大约85％或更大的TFCE(和/或综合电效率和化学效率)。要指出，对于总燃料电池效率和/或综合电效率和化学效率，在效率计算中可不包括利用燃料电池生成的过量热生成的任何额外电力。
在本发明的各种方面中，可基于大约40％或更低的所需电效率和大约55％或更大的所需总燃料电池效率表征燃料电池的运行。如果运行燃料电池以具有所需电效率和所需总燃料电池效率，可以运行熔融碳酸盐燃料电池以具有大约40％或更低的电效率及大约55％或更大的TFCE，例如大约35％EE或更低及大约60％或更大的TFCE，大约30％EE或更低及大约65％或更大的TFCE，大约25％EE或更低及大约70％TFCE或更大，或大约20％EE或更低及大约75％或更大的TFCE，大约15％EE或更低及大约80％或更大的TFCE，或大约10％EE或更低及大约85％或更大的TFCE。
作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，可以在可提供提高的功率密度的条件下运行熔融碳酸盐燃料电池(如燃料电池组件)。燃料电池的功率密度相当于实际工作电压VA乘以电流密度I。对于在电压VA下运行的熔融碳酸盐燃料电池，该燃料电池还倾向于生成废热，废热被定义为(V0–VA)*I，其基于VA与提供电流密度I的燃料电池的理想电压V0之差。可重整燃料在燃料电池的阳极内的重整可消耗一部分这种废热。剩余部分的这种废热可以被周围的燃料电池结构和气流吸收，导致跨燃料电池的温度差。在传统运行条件下，燃料电池的功率密度可基于燃料电池在不损害燃料电池完整性的情况下可容许的废热量受到限制。
在各种方面中，通过在燃料电池内进行有效量的吸热反应，可以提高燃料电池可容许的废热量。吸热反应的一个实例包括可重整燃料在燃料电池阳极内和/或在相关重整段，如燃料电池堆中的集成重整段中的蒸汽重整。通过向燃料电池的阳极(或向集成/相关重整段)提供额外的可重整燃料，可以进行额外的重整以便可消耗额外的废热。这可降低跨燃料电池的温度差的量，由此允许燃料电池在具有提高的废热量的运行条件下运行。电效率的损失可通过产生可用于各种用途(包括额外的发电)的额外产物料流抵消，所述额外产物料流例如为合成气和/或H2，以进一步扩大该系统的功率范围。
在各种方面中，燃料电池生成的废热量，如上定义的(V0–VA)*I可以为至少大约30mW/cm2，如至少大约40mW/cm2，或至少大约50mW/cm2，或至少大约60mW/cm2，或至少大约70mW/cm2，或至少大约80mW/cm2，或至少大约100mW/cm2，或至少大约120mW/cm2，或至少大约140mW/cm2，或至少大约160mW/cm2，或至少大约180mW/cm2。另外或或者，燃料电池生成的废热量可以小于大约250mW/cm2，如小于大约200mW/cm2，或小于大约180mW/cm2，或小于大约165mW/cm2，或小于大约150mW/cm2。
尽管生成的废热量可能相对较高，但这样的废热不一定代表燃料电池以差效率运行。相反，可能由于在提高的功率密度下运行燃料电池而生成废热。改进燃料电池的功率密度的部分可包括在足够高的电流密度下运行燃料电池。在各种方面中，燃料电池生成的电流密度可以为至少大约150mA/cm2，如至少大约160mA/cm2，或至少大约170mA/cm2，或至少大约180mA/cm2，或至少大约190mA/cm2，或至少大约200mA/cm2，或至少大约225mA/cm2，或至少大约250mA/cm2。另外或或者，燃料电池生成的电流密度可以为大约500mA/cm2或更低，如450mA/cm2或更低，或400mA/cm2或更低，或350mA/cm2或更低，或300mA/cm2或更低。
在各种方面中，为了能在提高的发电和提高的废热生成下运行燃料电池，可以进行有效量的吸热反应(如重整反应)。或者，可通过在燃料电池阵列中布置与阳极或阴极热连通但不流体连通的“板”或段而使用与阳极运行无关的其它吸热反应来利用废热。有效量的吸热反应可以在相关重整段、集成重整段、用于进行吸热反应的集成堆叠元件或其组合中进行。有效量的吸热反应可相当于足以将从燃料电池入口到燃料电池出口的升温减小至大约100℃或更低，如大约90℃或更低，或大约80℃或更低，或大约70℃或更低，或大约60℃或更低，或大约50℃或更低，或大约40℃或更低，或大约30℃或更低的量。另外或或者，有效量的吸热反应可相当于足以使从燃料电池入口到燃料电池出口的降温为大约100℃或更低，如大约90℃或更低，或大约80℃或更低，或大约70℃或更低，或大约60℃或更低，或大约50℃或更低，或大约40℃或更低，或大约30℃或更低，或大约20℃或更低，或大约10℃或更低的量。当有效量的吸热反应超过生成的废热时，可发生从燃料电池入口到燃料电池出口的降温。另外或或者，这可相当于吸热反应(如重整和另一吸热反应的组合)消耗燃料电池生成的废热的至少大约40％，如消耗至少大约50％的废热，或至少大约60％的废热，或至少大约75％的废热。再另外或或者，吸热反应可消耗大约95％或更少的废热，如大约90％或更少的废热，或大约85％或更少的废热。
定义
合成气:在本说明书中，合成气被定义为H2和CO的任何比率的混合物。任选地，H2O和/或CO2可存在于合成气中。任选地，惰性化合物(如氮)和残留可重整燃料化合物可存在于合成气中。如果H2和CO以外的组分存在于合成气中，合成气中H2和CO的总体积百分比可以为合成气总体积的至少25体积％，如至少40体积％，或至少50体积％，或至少60体积％。另外或或者，合成气中H2和CO的总体积百分比可以为100体积％或更低，如95体积％或更低或90体积％或更低。
可重整燃料:可重整燃料被定义为含有可重整生成H2的碳-氢键的燃料。烃是可重整燃料的实例，其它烃质化合物，如醇也是。尽管CO和H2O可参与水煤气变换反应以形成氢气，CO不被视为这一定义下的可重整燃料。
可重整氢含量:燃料的可重整氢含量被定义为可由燃料通过重整该燃料然后驱使水煤气变换反应完全以使H2生成最大化而形成的H2分子数。要指出，H2按定义具有1的可重整氢含量，尽管H2本身不被定义为本文中的可重整燃料。类似地，CO具有1的可重整氢含量。尽管CO严格来讲不是可重整的，但驱使水煤气变换反应完全会导致CO交换成H2。作为可重整燃料的可重整氢含量的实例，甲烷的可重整氢含量为4个H2分子，而乙烷的可重整氢含量为7个H2分子。更概括地，如果燃料的组成为CxHyOz，则该燃料在100％重整和水煤气变换下的可重整氢含量为n(H2最大重整)＝2x+y/2–z。基于这一定义，电池内的燃料利用率可随之表示为n(H2ox)/n(H2最大重整)。当然，可基于各组分的可重整氢含量确定组分混合物的可重整氢含量。也可以以类似方式计算含有其它杂原子，如氧、硫或氮的化合物的可重整氢含量。
氧化反应:在这一论述中，燃料电池的阳极内的氧化反应被定义为是相当于通过与CO3 2-反应而将H2氧化以形成H2O和CO2的反应。要指出，在阳极中的氧化反应的这一定义中不包括阳极内的重整反应，在重整反应中含碳-氢键的化合物被转化成H2和CO或CO2。水煤气变换反应类似地在氧化反应的这一定义之外。进一步指出，提到燃烧反应被定义是提到H2或含碳-氢键的化合物在非电化学燃烧器，如燃烧供能发电机的燃烧区中与O2反应形成H2O和碳氧化物的反应。
本发明的方面可调节阳极燃料参数以实现燃料电池的所需运行范围。阳极燃料参数可以直接地和/或与其它燃料电池工艺相关地，以一种或多种比率的形式表征。例如，可以控制阳极燃料参数以实现一种或多种比率，包括燃料利用率、燃料电池热值利用率、燃料过剩率、可重整燃料过剩率、可重整氢含量燃料比及其组合。
燃料利用率:燃料利用率是用于表征阳极运行的一个选项，其基于相对于输入料流的可重整氢含量的氧化的燃料量，可用于确定燃料电池的燃料利用率。在这一论述中，“燃料利用率”被定义为是为发电而在阳极中氧化的氢量(如上所述)与阳极进料(包括任何相关重整段)的可重整氢含量的比率。可重整氢含量已在上文定义为可由燃料通过重整该燃料然后驱使水煤气变换反应完全以使H2生成最大化而形成的H2分子数。例如，引入阳极并暴露在蒸汽重整条件下的各甲烷导致在最大产量下生成4H2分子当量。(取决于重整和/或阳极条件，重整产物可相当于非水煤气变换产物，其中一个或多个H2分子取而代之地以CO分子的形式存在)。因此，甲烷被定义为具有4个H2分子的可重整氢含量。作为另一实例，在这一定义下乙烷具有7个H2分子的可重整氢含量。
阳极中的燃料利用率也可以通过基于由于燃料电池阳极反应而在阳极中氧化的氢气的低位发热值与送往阳极和/或与阳极相关的重整段的所有燃料的低位发热值的比率定义热值利用率来表征。可以使用进入和离开燃料电池阳极的燃料组分的流速和低位发热值(LHV)计算本文所用的“燃料电池热值利用率”。因此，燃料电池热值利用率可作为(LHV(阳极_入)–LHV(阳极_出))/LHV(阳极_入)计算，其中LHV(阳极_入)和LHV(阳极_出)分别是指阳极入口和出口料流或流中燃料组分(如H2、CH4和/或CO)的LHV。在这一定义中，可作为输入和/或输出料流中各燃料组分的数值总和计算料流或流的LHV。各燃料组分在该总和中的份额可相当于燃料组分的流速(例如摩尔/小时)乘以燃料组分的LHV(例如焦耳/摩尔)。
低位发热值:低位发热值被定义为燃料组分燃烧成气相完全氧化产物(即气相CO2和H2O产物)的焓。例如，阳极输入料流中存在的任何CO2不构成阳极进料的燃料含量，因为CO2已完全氧化。对于这一定义，由于阳极燃料电池反应而在阳极中发生的氧化量被定义为作为如上定义的阳极中的电化学反应的一部分的阳极中的H2氧化。
要指出，对于阳极输入流中的唯一燃料是H2的特殊情况，在阳极中可发生的涉及燃料组分的唯一反应是H2转化成H2O。在这种特殊情况中，燃料利用率简化成(H2-速率-入—H2-速率-出)/H2-速率-入。在这种情况下，H2是唯一的燃料组分，因此H2LHV会从该方程中消去。在更常见的情况下，阳极进料可能含有例如各种量的CH4、H2和CO。由于这些物类通常可以不同量存在于阳极出口中，可能需要如上所述求和以测定燃料利用率。
作为对燃料利用率的替代或补充，可以表征燃料电池中的其它反应物的利用率。例如，另外或或者，可以就“CO2利用率”和/或“氧化剂”利用率表征燃料电池的运行。可以以类似方式规定CO2利用率和/或氧化剂利用率的值。
燃料过剩率:表征熔融碳酸盐燃料电池中的反应的另一方式是通过基于送往阳极和/或与阳极相关的重整段的所有燃料的低位发热值与由于燃料电池阳极反应而在阳极中氧化的氢气的低位发热值的比率来定义利用率。这种量被称作燃料过剩率。因此，燃料过剩率可作为(LHV(阳极_入)/(LHV(阳极_入)-LHV(阳极_出))计算，其中LHV(阳极_入)和LHV(阳极_出)分别是指阳极入口和出口料流或流中燃料组分(如H2、CH4和/或CO)的LHV。在本发明的各种方面中，可以运行熔融碳酸盐燃料电池以具有至少大约1.0，如至少大约1.5，或至少大约2.0，或至少大约2.5，或至少大约3.0，或至少大约4.0的燃料过剩率。另外或或者，燃料过剩率可以为大约25.0或更低。
要指出，并非阳极输入料流中的所有可重整燃料都可被重整。优选地，进入阳极(和/或进入相关重整段)的输入料流中至少大约90％的可重整燃料在离开阳极之前可重整，如至少大约95％或至少大约98％。在另一些方面中，可重整燃料的重整量可以为大约75％至大约90％，如至少大约80％。
对燃料过剩率的上述定义提供了相对于在燃料电池阳极中发电所消耗的燃料量表征在阳极和/或与燃料电池相关的重整段内发生的重整量的一种方法。
任选地，可以改变燃料过剩率以虑及燃料从阳极输出再循环到阳极输入的情况。当燃料(如H2、CO和/或未重整或部分重整的烃)从阳极输出再循环到阳极输入时，这样的再循环燃料组分不代表可用于其它用途的过剩量的可重整或重整燃料。相反，这样的再循环燃料组分仅指示降低燃料电池中的燃料利用率的需求。
可重整燃料过剩率:计算可重整燃料过剩率是虑及这样的再循环燃料组分的一个选项，其缩窄了过剩燃料的定义，以在阳极输入料流中仅包括可重整燃料的LHV。本文所用的“可重整燃料过剩率”被定义为相对于由于燃料电池阳极反应而在阳极中氧化的氢气的低位发热值的送往阳极和/或与阳极相关的重整段的可重整燃料的低位发热值。在可重整燃料过剩率的定义下，不包括阳极进料中的任何H2或CO的LHV。仍可通过表征进入燃料电池阳极的实际组合物测量可重整燃料的这种LHV，因此不需要区分再循环组分和新鲜组分。尽管一些未重整或部分重整燃料也可再循环，但在大多数方面中再循环到阳极的大部分燃料可相当于重整产物，如H2或CO。以数学方式表达，可重整燃料过剩率(RRFS)＝LHVRF/LHVOH，其中LHVRF是可重整燃料的低位发热值(LHV)且LHVOH是在阳极中氧化的氢气的低位发热值(LHV)。可通过从阳极入口料流的LHV中减去阳极出口料流的LHV(例如，LHV(阳极_入)-LHV(阳极_出))来计算在阳极中氧化的氢气的LHV。在本发明的各种方面中，可以运行熔融碳酸盐燃料电池以具有至少大约0.25，如至少大约0.5，或至少大约1.0，或至少大约1.5，或至少大约2.0，或至少大约2.5，或至少大约3.0，或至少大约4.0的可重整燃料过剩率。另外或或者，可重整燃料过剩率可以为大约25.0或更低。要指出，基于相对于阳极中的氧化量的送往阳极的可重整燃料量的这一较窄定义可区分具有低燃料利用率的两种类型的燃料电池运行方法。一些燃料电池通过将相当一部分的阳极输出物再循环回阳极输入而实现低燃料利用率。这种再循环能使阳极输入中的任何氢气再用作阳极的输入。这可降低重整量，因为即使在单次经过燃料电池时的燃料利用率低，至少一部分未用的燃料也可再循环用于稍后的流程。因此，具有多种多样的燃料利用值的燃料电池可具有相同的送往阳极重整段的可重整燃料与在阳极反应中氧化的氢气的比率。为了改变送往阳极重整段的可重整燃料与阳极中的氧化量的比率，需要识别具有原有含量的不可重整燃料的阳极进料，或需要取出阳极输出物中的未用燃料以用于其它用途，或两者。
可重整氢过剩率:用于表征燃料电池运行的另一选项基于“可重整氢过剩率”。上文定义的可重整燃料过剩率是基于可重整燃料组分的低位发热值定义的。可重整氢过剩率被定义为送往阳极和/或与阳极相关的重整阶段的可重整燃料的可重整氢含量与由于燃料电池阳极反应而在阳极中反应的氢的比率。因此，“可重整氢过剩率”可作为(RFC(可重整_阳极_入)/(RFC(可重整_阳极_入)-RFC(阳极_出))计算，其中RFC(可重整_阳极_入)是指阳极入口料流或流中的可重整燃料的可重整氢含量，而RFC(阳极_出)是指阳极入口和出口料流或流中的燃料组分(如H2、CH4和/或CO)的可重整氢含量。RFC可以以摩尔/秒、摩尔/小时或类似单位表示。在送往阳极重整段的可重整燃料与阳极中的氧化量的大比率下运行燃料电池的方法的一个实例可以是进行过量重整以平衡燃料电池中的热发生和消耗的方法。将可重整燃料重整以形成H2和CO是一个吸热过程。可通过燃料电池中的电流生成对抗这种吸热反应，所述电流生成也可产生过量热，其(大致)对应于由阳极氧化反应和碳酸盐形成反应生成的热量和以电流形式离开燃料电池的能量之差。阳极氧化反应/碳酸盐形成反应中涉及的每摩尔氢的过量热可大于通过重整生成1摩尔氢而吸收的热。因此，在传统条件下运行的燃料电池可表现出从入口到出口的升温。代替这种类型的传统运行，可以提高在与阳极相关的重整段中重整的燃料量。例如，可以重整额外的燃料以便可通过重整中消耗的热(大致)平衡放热燃料电池反应生成的热，或重整消耗的热甚至可超过燃料氧化生成的过量热，以致跨过燃料电池的温度下降。这可导致与电力生成所需的量相比氢显著过量。作为一个实例，送入燃料电池的阳极入口或相关重整段的进料可以基本由可重整燃料，如基本纯的甲烷进料构成。在使用这种燃料发电的传统运行过程中，可以以大约75％的燃料利用率运行熔融碳酸盐燃料电池。这意味着送往阳极的燃料含量的大约75％(或3/4)用于形成氢气，其随后在阳极中与碳酸根离子反应形成H2O和CO2。在传统运行中，剩余大约25％的燃料含量可以在燃料电池内重整成H2(或对燃料中的任何CO或H2而言可以不反应地穿过燃料电池)，然后在燃料电池外燃烧以形成H2O和CO2以向燃料电池的阴极入口供热。可重整氢过剩率在这种情形下可以为4/(4-1)＝4/3。
电效率:本文所用的术语“电效率”(“EE”)被定义为由燃料电池产生的电化学动力除以燃料电池的燃料输入的低位发热值(“LHV”)率。燃料电池的燃料输入包括送往阳极的燃料以及用于保持燃料电池的温度的任何燃料，如送往与燃料电池相关的燃烧器的燃料。在本说明书中，由该燃料产生的动力可以以LHV(el)燃料率(fuelrate)描述。
电化学动力:本文所用的术语“电化学动力”或LHV(el)是由燃料电池中连接阴极与阳极的电路和跨过燃料电池电解质的碳酸根离子转移生成的动力。电化学动力不包括燃料电池上游或下游的设备产生或消耗的动力。例如，由燃料电池排气料流中的热产生的电不被视为电化学动力的一部分。类似地，由燃料电池上游的燃气轮机或其它设备生成的动力不是生成的电化学动力的一部分。“电化学动力”不考虑燃料电池运行过程中消耗的电力或由直流电转化成交流电引起的任何损失。换言之，不从燃料电池产生的直流电力中减去用于维持燃料电池运行或以其它方式运行燃料电池的电力。本文所用的功率密度是电流密度乘以电压。本文所用的总燃料电池功率是功率密度乘以燃料电池面积。
燃料输入:本文所用的术语“阳极燃料输入”，被称作LHV(阳极_入)，是阳极入口料流内的燃料量。术语“燃料输入”，被称作LHV(入)，是送往燃料电池的燃料总量，包括阳极入口料流内的燃料量和用于保持燃料电池的温度的燃料量。基于本文提供的可重整燃料的定义，该燃料可包括可重整和不可重整的燃料。燃料输入不同于燃料利用率。
总燃料电池效率:本文所用的术语“总燃料电池效率”(“TFCE”)被定义为：由燃料电池生成的电化学动力加上由燃料电池生成的合成气的LHV的速率(rateofLHV)，除以阳极的燃料输入的LHV的速率。换言之，TFCE＝(LHV(el)+LHV(净合成气))/LHV(阳极_入)，其中LHV(阳极_入)是指送往阳极的燃料组分(如H2、CH4和/或CO)的LHV的速率，且LHV(净合成气)是指在阳极中产生合成气(H2、CO)的速率，其是阳极的合成气输入与阳极的合成气输出之差。LHV(el)描述燃料电池的电化学动力生成。总燃料电池效率不包括由该燃料电池生成的热，其用于燃料电池外的有益利用。在运行中，由燃料电池生成的热可能被下游设备有益利用。例如，该热可用于生成额外的电力或用于加热水。当在本申请中使用该术语时，在燃料电池外实施的这些用途不是总燃料电池效率的一部分。总燃料电池效率仅针对燃料电池运行，并且不包括燃料电池上游或下游的动力生成或消耗。
化学效率:本文所用的术语“化学效率”被定义为燃料电池的阳极排气中的H2和CO的低位发热值或LHV(合成气出)除以燃料输入或LHV(入)。
电效率和总系统效率都不考虑上游或下游工艺的效率。例如，可以有利地使用涡轮机排气作为燃料电池阴极的CO2源。在这种布置中，涡轮机的效率不被视为电效率或总燃料电池效率计算的一部分。类似地，来自燃料电池的输出物可作为输入物再循环到燃料电池。当以单程模式计算电效率或总燃料电池效率时不考虑再循环回路。
生成的合成气:本文所用的术语“生成的合成气”是阳极的合成气输入与阳极的合成气输出之差。合成气可以至少部分用作阳极的输入或燃料。例如，系统可包括阳极再循环回路，其将来自阳极排气的合成气送回阳极入口，在此对其补充天然气或其它合适的燃料。生成的合成气LHV(净合成气)＝(LHV(合成气出)-LHV(合成气入))，其中LHV(合成气入)和LHV(合成气出)分别是指阳极入口中的合成气和阳极出口料流或流中的合成气的LHV。要指出，通过阳极内的重整反应生成的至少一部分合成气通常可以在阳极中用于发电。用于发电的氢气不包括在“生成的合成气”的定义中，因为其不离开阳极。本文所用的术语“合成气比率”是生成的净合成气的LHV除以阳极的燃料输入的LHV或LHV(净合成气)/LHV(阳极入)。可以使用合成气和燃料的摩尔流速代替LHV以表示摩尔基合成气比率和摩尔基生成的合成气。
汽碳比(S/C):本文所用的汽碳比(S/C)是料流中的蒸汽与料流中的可重整碳的摩尔比。CO和CO2形式的碳不计为这一定义中的可重整碳。可以在该系统中的不同点测量和/或控制汽碳比。例如，可以控制阳极入口料流的组成以实现适合阳极中的重整的S/C。可作为H2O的摩尔流速除以(燃料的摩尔流速乘以燃料中的碳原子数(例如甲烷为1)的乘积)给出S/C。因此，S/C＝fH20/(fCH4X#C)，其中fH20是水的摩尔流速，其中fCH4是甲烷(或其它燃料)的摩尔流速且#C是燃料中的碳数。
EGR比:本发明的各方面可以使用与燃料电池协作的涡轮机。综合燃料电池和涡轮机系统可包括排气再循环(“EGR”)。在EGR系统中，可以将涡轮机生成的至少一部分排气送往热回收发生器。可以将另一部分排气送往燃料电池。EGR比描述了送往燃料电池的排气量vs送往燃料电池或热回收发生器的总排气。本文所用的“EGR比”是排气的燃料电池相关部分的流速除以燃料电池相关部分和送往热回收发生器的回收相关部分的总流速。
在本发明的各种方面中，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)可用于促进从含CO2料流中分离CO2，同时也生成额外的电力。可以利用与燃烧基发电机(其可以向燃料电池的阴极部分提供至少一部分输入进料)的协同作用进一步增强CO2分离。
燃料电池和燃料电池部件:在这一论述中，燃料电池可相当于单电池，其中阳极和阴极被电解质隔开。阳极和阴极可接收输入气流以促进各自的阳极和阴极反应，以将电荷传输过电解质和生成电力。燃料电池堆可代表集成单元中的多个电池。尽管燃料电池堆可包括多个燃料电池，但燃料电池通常并联并可(大致)表现得像它们集体代表尺寸更大的单燃料电池。当向燃料电池堆的阳极或阴极输送输入流时，该燃料堆可包括用于在该堆中的各电池之间分配输入流的流动通道和用于合并来自各电池的输出流的流动通道。在这一论述中，燃料电池阵列可用于表示串联、并联或以任何其它方便的方式(例如串联和并联的组合)布置的多个燃料电池(如多个燃料电池堆)。燃料电池阵列可包括燃料电池和/或燃料电池堆的一个或多个段，其中来自第一段的阳极/阴极输出可充当第二段的阳极/阴极输入。要指出，燃料电池阵列中的阳极不必以与该阵列中的阴极相同的方式连接。为方便起见，燃料电池阵列的第一阳极段的输入可以被称作该阵列的阳极输入，且燃料电池阵列的第一阴极段的输入可以被称作该阵列的阴极输入。类似地，最终阳极/阴极段的输出可以被称作该阵列的阳极/阴极输出。
应该理解的是，在本文中提到使用燃料电池通常是指由单燃料电池构成的“燃料电池堆”，更通常是指使用流体连通的一个或多个燃料电池堆。通常可以将独立燃料电池元件(板)一起“堆叠”在被称作“燃料电池堆”的矩形阵列中。这种燃料电池堆通常获取进料流并将反应物分配在所有单独的燃料电池元件之间，然后从各元件收集产物。当被视为一个单元时，燃料电池堆在运行中可以被当作整体，尽管由许多(通常数十或数百)单独燃料电池元件构成。这些单独燃料电池元件通常可具有类似电压(因为反应物和产物浓度类似)，当这些元件电串联时，总电输出可来自所有电池元件中的所有电流的总和。电池堆也可以串联布置以产生高电压。并联布置可提升电流。如果可提供足够大体积的燃料电池堆以加工给定排气料流，本文描述的系统和方法可以与单个熔融碳酸盐燃料电池堆一起使用。在本发明的另一些方面中，由于多种原因可能合意或需要的是多个燃料电池堆。
对本发明而言，除非另行规定，术语“燃料电池”应被理解为也是指和/或被定义为包括涉及具有单输入和输出的由一个或多个单独燃料电池元件的组合构成的燃料电池堆，因为这是燃料电池在实践中的通常使用方式。类似地，除非另行规定，术语燃料电池(复数)应被理解为也是指和/或被定义为包括多个独立的燃料电池堆。换言之，除非特别说明，本文内的所有提及可互换地是指燃料电池堆作为“燃料电池”运行。例如，商业规模的燃烧发电机生成的排气体积可能太大以致无法通过常规尺寸的燃料电池(即单电池堆)加工。为了加工整个排气，可以并联布置多个燃料电池(即两个或更多个独立的燃料电池或燃料电池堆)，以使各燃料电池可加工(大致)相等部分的燃烧排气。尽管可以使用多个燃料电池，但考虑到其(大致)相等部分的燃烧排气，各燃料电池通常可以大致类似的方式运行。
“内部重整”和“外部重整”:燃料电池或燃料电池堆可包括一个或多个内部重整段。本文所用的术语“内部重整”是指在燃料电池、燃料电池堆的主体内或以其它方式在燃料电池组件内发生的燃料重整。通常与燃料电池联合使用的外部重整在位于燃料电池堆外的独立设备件中进行。换言之，外部重整器的主体不与燃料电池或燃料电池堆的主体直接物理接触。在典型的布置中，可以将来自外部重整器的输出送入燃料电池的阳极入口。除非特别另行说明，本申请内描述的重整是内部重整。
内部重整可以在燃料电池阳极内进行。另外或或者，内部重整可以在集成在燃料电池组件内的内部重整元件内进行。集成的重整元件可位于燃料电池堆内的燃料电池元件之间。换言之，电池堆中的板之一可以是重整段而非燃料电池元件。一方面，燃料电池堆内的流动布置将燃料导向内部重整元件，然后导入燃料电池的阳极部分。因此，从流动角度看，内部重整元件和燃料电池元件可串联布置在燃料电池堆内。本文所用的术语“阳极重整”是在阳极内发生的燃料重整。本文所用的术语“内部重整”是在集成的重整元件内而非在阳极段中发生的重整。
在一些方面中，在燃料电池组件内的重整段可以被认为与燃料电池组件中的阳极相关。在另一些方面中，对于可与阳极相关(如与多个阳极相关)的燃料电池堆中的重整段，可提供将来自重整段的输出流送入至少一个阳极的流动路径。这可相当于具有燃料电池板的初始段，该段不与电解质接触而是可仅充当重整催化剂。相关重整段的另一选项可以是具有单独的集成重整段作为燃料电池堆中的元件之一，其中可将来自集成重整段的输出送回燃料电池堆中的一个或多个燃料电池的输入侧。
从热集成角度看，燃料电池堆中的特征高度可以是单独燃料电池堆元件的高度。要指出，独立的重整段和/或独立的吸热反应段在该堆中可具有与燃料电池不同的高度。在这种情况下，可以使用燃料电池元件的高度作为特征高度。在一些方面中，集成的吸热反应段可以被定义为与一个或多个燃料电池热集成的段，以使该集成的吸热反应段可利用来自燃料电池的热作为吸热反应的热源。这种集成的吸热反应段可以被定义为与向该集成段供热的任何燃料电池相距小于一个堆元件高度的5倍处。例如，集成的吸热反应段(如重整段)可以与热集成的任何燃料电池相距小于一个堆元件高度的5倍，如小于一个堆元件高度的3倍处。在这一论述中，代表燃料电池元件的相邻堆元件的集成重整段和/或集成吸热反应段可以被定义为与相邻燃料电池元件相距大约一个堆元件高度或更少。
在一些方面中，与燃料电池元件热集成的独立重整段可相当于与燃料电池元件相关的重整段。在这样的方面中，集成的燃料电池元件可以向相关重整段提供至少一部分热，且相关重整段可以将至少一部分重整段输出作为燃料料流供往集成的燃料电池。在另一些方面中，独立重整段可以与燃料电池集成以传热，但不与燃料电池相关。在这种类型的情况中，该独立重整段可以从燃料电池接收热，但可决定不将重整段的输出用作燃料电池的输入。相反，可决定将这种重整段的输出用于另一用途，如将该输出直接添加到阳极排气料流中和/或形成来自燃料电池组件的单独输出流。
更通常，可使用燃料电池堆中的单独堆元件进行可利用集成的燃料电池堆元件提供的废热的任何方便类型的吸热反应。代替适用于对烃燃料料流进行重整反应的板，单独堆元件可具有适用于催化另一类型的吸热反应的板。可在燃料电池堆中使用歧管或入口导管的其它布置向各堆元件提供适当的输入流。类似的歧管或出口导管的其它布置另外或或者可用于从各堆元件中取出输出流。任选地，可以从燃料电池堆中取出来自堆中的吸热反应段的输出流而不使该输出流经过燃料电池阳极。在这样的任选方面中，放热反应的产物因此可在不经过燃料电池阳极的情况下离开燃料电池堆。可以在燃料电池堆中的堆元件中进行的其它类型的吸热反应的实例可包括但不限于乙醇脱水形成乙烯和乙烷裂化。
再循环:如本文定义，一部分燃料电池输出(如阳极排气或从阳极排气中分离或取出的料流)再循环到燃料电池入口，这可相当于直接或间接再循环料流。料流直接再循环到燃料电池入口被定义为不经过中间过程的料流再循环，而间接再循环涉及使料流经过一个或多个中间过程后的再循环。例如，如果阳极排气在再循环之前经过CO2分离段，这被视为阳极排气的间接再循环。如果将阳极排气的一部分，如从阳极排气中取出的H2料流送入用于将煤转化成适合引入燃料电池的燃料的气化器，这也被视为间接再循环。
阳极输入和输出
在本发明的各种方面中，可以向MCFC阵列供入在阳极入口接收的燃料，其包含例如氢气和烃，如甲烷(或者，可能含有不同于C和H的杂原子的烃质或类烃化合物)。送入阳极的大部分甲烷(或其它烃质或类烃化合物)通常是新鲜甲烷。在本说明书中，新鲜燃料，如新鲜甲烷是指不是从另一燃料电池工艺再循环而来的燃料。例如，从阳极出口料流再循环到阳极入口的甲烷不可被视为“新鲜”甲烷，而是可以被描述为再生甲烷。所用燃料源可以与其它部件分享，如涡轮机，涡轮机利用一部分燃料源向阴极输入提供含CO2料流。该燃料源输入可包括与该燃料成一定比例的水，所述比例适于重整段中重整烃(或类烃)化合物生成氢气。例如，如果甲烷是用于重整以生成H2的燃料输入，水与燃料的摩尔比可以为大约1比1至大约10比1，如至少大约2比1。4比1或更大的比率对外部重整是典型的，但更低的值对内部重整是典型的。在H2作为燃料源的一部分的程度上，在一些任选方面中，在燃料中可能不需要额外的水，因为阳极处的H2氧化可倾向于产生可用于重整该燃料的H2O。燃料源还可任选含有该燃料源附带的组分(例如，天然气进料可含有一定含量的CO2作为附加组分)。例如，天然气进料可含有CO2、N2和/或其它惰性(稀有)气体作为附加组分。任选地，在一些方面中，该燃料源还可含有CO，如来自阳极排气的再循环部分的CO。进入燃料电池组件的燃料中的CO的附加或替代的可能来源可以是由进入燃料电池组件之前对燃料进行的烃燃料蒸汽重整生成的CO。
更通常，各种类型的燃料料流可适合用作熔融碳酸盐燃料电池的阳极的输入料流。一些燃料料流可相当于含有烃和/或还可包括不同于C和H的杂原子的类烃化合物的料流。在这一论述中，除非另行规定，用于MCFC阳极的含烃燃料料流的提及被定义为包括含有这样的类烃化合物的燃料料流。烃(包括类烃)燃料料流的实例包括天然气、含C1-C4碳化合物(如甲烷或乙烷)的料流和含有更重的C5+烃(包括类烃化合物)的料流以及它们的组合。用于阳极输入中的可能的燃料料流的另一些附加或替代的实例可包括生物气类型的料流，如由有机材料的天然(生物)分解产生的甲烷。
在一些方面中，熔融碳酸盐燃料电池可用于加工由于存在稀释剂化合物而具有低能量含量的输入燃料料流，如天然气和/或烃流。例如，甲烷和/或天然气的一些来源是可包括显著量的CO2或其它惰性分子，如氮、氩或氦的来源。由于存在提高量的CO2和/或惰性物，可降低基于该来源的燃料料流的能量含量。低能量含量的燃料用于燃烧反应(如用于为燃烧供能的涡轮机供能)会造成困难。但是，熔融碳酸盐燃料电池可基于低能量含量的燃料源发电并对燃料电池的效率具有降低的或最小的影响。附加气体体积的存在可需要附加的热将燃料温度升至用于重整和/或阳极反应的温度。另外，由于燃料电池阳极内的水煤气变换反应的平衡性质，附加CO2的存在可影响阳极输出中存在的H2和CO的相对量。但是，另外，惰性化合物对重整和阳极反应可只具有极小的直接影响。熔融碳酸盐燃料电池的燃料料流中CO2和/或惰性化合物(当存在时)的量可以为至少大约1体积％，如至少大约2体积％，或至少大约5体积％，或至少大约10体积％，或至少大约15体积％，或至少大约20体积％，或至少大约25体积％，或至少大约30体积％，或至少大约35体积％，或至少大约40体积％，或至少大约45体积％，或至少大约50体积％，或至少大约75体积％。另外或或者，熔融碳酸盐燃料电池的燃料料流中CO2和/或惰性化合物的量可以为大约90体积％或更低，如大约75体积％或更低，或大约60体积％或更低，或大约50体积％或更低，或大约40体积％或更低，或大约35体积％或更低。
阳极输入料流的可能来源的另一些实例可相当于炼油和/或其它工业工艺的输出料流。例如，炼焦是在许多炼油厂中用于将重质化合物转化成较低沸程的常见工艺。炼焦通常产生含有在室温下为气体的多种化合物，包括CO和各种C1-C4烃的废气。这种废气可用作阳极输入料流的至少一部分。另外或或者，另一些炼油厂废气料流可适合包含在阳极输入料流中，如在裂化或其它炼油厂工艺过程中生成的轻馏分(C1-C4)。另外或或者，另一些合适的炼油厂料流可包括含CO或CO2的炼油厂料流，其还含有H2和/或可重整燃料化合物。
另外或或者，阳极输入的另一些可能的来源包括具有提高的水含量的料流。例如，来自乙醇厂(或另一类型的发酵工艺)的乙醇输出料流在最终蒸馏之前可包括相当一部分的H2O。这样的H2O通常可对燃料电池的运行仅造成极小的影响。因此，醇(或其它发酵产物)和水的发酵混合物可用作阳极输入料流的至少一部分。
生物气或沼气是阳极输入的另一附加或替代的可能来源。生物气可能主要包含甲烷和CO2并通常通过有机物的分解或消化产生。厌氧菌可用于消化有机物并产生生物气。可以在用作阳极输入之前从生物气中除去杂质，如含硫化合物。
来自MCFC阳极的输出料流可包括H2O、CO2、CO和H2。任选地，该阳极输出料流还可具有进料中的未反应燃料(如H2或CH4)或惰性化合物作为附加输出组分。代替使用这种输出料流作为向重整反应供热的燃料源或作为用于加热电池的燃烧燃料，可以对阳极输出料流进行一次或多次分离以将CO2与具有作为另一工艺输入的潜在价值的组分，如H2或CO分离。H2和/或CO可用作用于化学合成的合成气、用作用于化学反应的氢源和/或用作具有降低的温室气体排放的燃料。
在各种方面中，阳极的输出料流的组成可受若干因素影响。可影响阳极输出组成的因素可包括阳极的输入料流的组成、由燃料电池生成的电流量和/或阳极出口的温度。由于水煤气变换反应的平衡性质，阳极出口的温度是有关联的。在典型阳极中，构成阳极壁的至少一个板可适用于催化水煤气变换反应。因此，如果a)阳极输入料流的组成已知，b)阳极输入料流中的可重整燃料的重整程度已知，和c)从阴极传输到阳极的碳酸根的量(对应于生成的电流量)已知，则可基于水煤气变换反应的平衡常数确定阳极输出的组成。
Keq＝[CO2][H2]/[CO][H2O]
在上述方程中，Keq是该反应在给定温度和压力下的平衡常数，且[X]是组分X的分压。基于水煤气变换反应，可以指出，阳极输入中提高的CO2浓度可倾向于导致额外的CO形成(以H2为代价)，而提高的H2O浓度可倾向于导致额外的H2形成(以CO为代价)。
为了测定阳极输出的组成，可以使用阳极输入的组成作为起点。然后可以改变这种组成以反映在阳极内可能发生的任何可重整燃料的重整程度。这种重整可降低阳极输入的烃含量，变换成增加的氢气和CO2。接着，基于生成的电流量，可以降低阳极输入中的H2量，变换成额外的H2O和CO2。然后可以基于水煤气变换反应的平衡常数调节这种组成以测定H2、CO、CO2和H2O的出口浓度。
表1显示对于典型类型的燃料在不同燃料利用率下的阳极排气组成。阳极排气组成可反映阳极重整反应、水煤气变换反应和阳极氧化反应的综合结果。表1中的输出组成值通过假设阳极输入组成具有大约2比1的汽(H2O)/碳(可重整燃料)比而计算。假设可重整燃料是甲烷，假设其100％重整成氢气。假设阳极输入中的初始CO2和H2浓度可忽略不计，而输入N2浓度为大约0.5％。如该表中所示使燃料利用率Uf(如本文中定义)从大约35％到大约70％改变。为了测定平衡常数的准确值，假设燃料电池阳极的出口温度为大约650℃。
表1-阳极排气组成
表1显示在条件和阳极输入组成的特定设置下的阳极输出组成。更通常，在各种方面中，阳极输出可包括大约10体积％至大约50体积％H2O。H2O的量可在很大程度上变化，因为阳极中的H2O可由阳极氧化反应产生。如果将超过重整所需量的过量H2O引入阳极，则除由于燃料重整和水煤气变换反应消耗(或生成)的H2O外，该过量H2O通常大多未反应地通过。阳极输出中的CO2浓度也可很大程度上变化，如大约20体积％至大约50体积％CO2。生成的电流量以及阳极输入流中的CO2量都可影响CO2量。另外或或者，取决于阳极中的燃料利用率，阳极输出中的H2量可以为大约10体积％H2至大约50体积％H2。在阳极输出中，CO量可以为大约5体积％至大约20体积％。要指出，对于给定燃料电池，阳极输出中的相对于H2量的CO量可部分取决于在燃料电池中存在的温度和压力下的水煤气变换反应的平衡常数。另外或或者，阳极输出还可包括5体积％或更少的各种其它组分，如N2、CH4(或其它未反应的含碳燃料)和/或其它组分。
任选地，如果需要，可在阳极输出后包括一个或多个水煤气变换反应段以将阳极输出中的CO和H2O转化成CO2和H2。可以例如通过在较低温度下使用水煤气变换反应器将阳极输出中存在的H2O和CO转化成H2和CO2来提高阳极输出中存在的H2量。或者，可以提高温度并可以逆转水煤气变换反应，以由H2和CO2产生更多CO和H2O。水是在阳极处发生的反应的预期输出，因此该阳极输出通常可具有与阳极输出中存在的CO量相比过量的H2O。或者，可以在阳极出口后但在水煤气变换反应前将H2O添加到料流中。由于在重整过程中的不完全碳转化和/或由于在重整条件或在阳极反应过程中存在的条件下H2O、CO、H2和CO2之间的平衡反应(即水煤气变换平衡)，在阳极输出中可存在CO。水煤气变换反应器可以在以CO和H2O为代价进一步朝形成CO2和H2的方向驱动该平衡的条件下运行。较高温度往往有利于形成CO和H2O。因此，运行水煤气变换反应器的一个选项可以是在合适的温度，例如大约190℃至大约210℃下使阳极输出料流暴露在合适的催化剂，如包括氧化铁、氧化锌、铜/氧化锌等的催化剂下。该水煤气变换反应器任选可包括用于降低阳极输出料流中的CO浓度的两个段，其中第一较高温段在至少大约300℃至大约375℃的温度下运行，第二较低温段在大约225℃或更低，如大约180℃至大约210℃的温度下运行。除提高阳极输出中存在的H2量外，另外或或者，水煤气变换反应可以以CO为代价提高CO2量。这可以将难除去的一氧化碳(CO)变换成二氧化碳，二氧化碳更容易地通过冷凝(例如低温脱除)、化学反应(如胺脱除)和/或其它CO2脱除法除去。另外或或者，可能合意的是提高阳极排气中存在的CO含量以实现所需H2/CO比。
在经过任选水煤气变换反应段后，可以使阳极输出经过一个或多个分离段以从阳极输出料流中除去水和/或CO2。例如，可通过独立或组合使用一种或多种方法对阳极输出进行CO2分离来形成一个或多个CO2输出料流。这些方法可用于生成具有90体积％或更高，如至少95％体积％CO2或至少98体积％CO2的CO2含量的CO2输出料流。这些方法可回收阳极输出的CO2含量的大约至少70％，如阳极输出的CO2含量的至少大约80％，或至少大约90％。或者，在一些方面中可能合意的是回收阳极输出料流内的仅一部分CO2，回收的CO2部分为阳极输出中的CO2的大约33％至大约90％，如至少大约40％，或至少大约50％。例如，可能合意的是使一些CO2留在阳极输出流中以在随后的水煤气变换段中实现所需组成。合适的分离方法可包括使用物理溶剂(例如，SelexolTM或RectisolTM)；胺或其它碱(例如，MEA或MDEA)；制冷(例如，深冷分离)；变压吸附；真空变压吸附；和它们的组合。深冷CO2分离器可以是合适的分离器的一个实例。随着将阳极输出冷却，阳极输出中的大部分水可作为冷凝(液)相分离出。贫水阳极输出流的进一步冷却和/或加压可随后分离高纯CO2，因为阳极输出流中的其它剩余组分(如H2、N2、CH4)不容易形成冷凝相。取决于运行条件，深冷CO2分离器可回收料流中存在的CO2的大约33％至大约90％。
从阳极排气中除水以形成一个或多个水输出流料也是有益的，无论这是在进行CO2分离之前、之中还是之后。阳极输出中的水量可随所选运行条件而变。例如，在阳极入口建立的汽/碳比可影响阳极排气中的水含量，高汽/碳比通常导致大量的水，其可以未反应地通过阳极和/或仅由于阳极中的水煤气变换平衡而反应。根据该方面，阳极排气中的水含量可相当于阳极排气中的体积的多达大约30％或更大。另外或或者，水含量可以为阳极排气体积的大约80％或更小。尽管可通过压缩和/或冷却及随之冷凝除去这样的水，但这种水的脱除可需要额外的压缩机功率和/或热交换表面积和大量的冷却水。除去一部分这种过量水的一种有益方式可基于使用吸附剂床，其可从湿阳极流出物中捕获水分，然后可利用干燥的阳极进料气“再生”，以向阳极进料提供额外的水。HVAC-型(加热、通风和空气调节)吸附轮设计是适用的，因为阳极排气和入口可在压力上类似，且从一个料流到另一料流的轻微泄漏对整个工艺的影响极小。在使用深冷法进行CO2脱除的实施方案中，在CO2脱除之前或之中除水可能是合意的，包括通过三乙二醇(TEG)系统和/或干燥剂除水。相反，如果使用胺洗除去CO2，则可以在CO2脱除段下游从阳极排气中除水。
代替或除了CO2输出料流和/或水输出料流外，阳极输出可用于形成一个或多个含有所需化学或燃料产物的产物料流。这样的产物料流可相当于合成气料流、氢气料流或合成气产物和氢气产物料流。例如，可形成含有至少大约70体积％H2，如至少大约90体积％H2或至少大约95体积％H2的氢气产物料流。另外或或者，可形成含有总共至少大约70体积％的H2和CO，如至少大约90体积％的H2和CO的合成气料流。所述一个或多个产物料流可具有相当于阳极输出中的总H2和CO气体体积的至少大约75％，如总H2和CO气体体积的至少大约85％或至少大约90％的气体体积。要指出，基于利用水煤气变换反应段在产物之间进行转化，产物料流中H2和CO的相对量可能不同于阳极输出中的H2/CO比。
在一些方面中，可能合意的是除去或分离阳极输出中存在的一部分H2。例如，在一些方面中阳极排气中的H2/CO比可以为至少大约3.0:1。相反，利用合成气的工艺，如费托合成可以以不同比率，如接近2:1的比率消耗H2和CO。一个备选方案可以是利用水煤气变换反应改变阳极输出的含量以具有更接近所需合成气组成的H2/CO比。另一备选方案可以是利用膜分离除去阳极输出中存在的一部分H2以实现所需H2/CO比，或使用膜分离和水煤气变换反应的组合。利用膜分离除去阳极输出中的仅一部分H2的一个优点可以使在相对温和条件下进行所需分离。由于一个目标可以是产生仍具有显著H2含量的渗余物，可通过膜分离生成高纯氢的渗透物而不需要苛刻的条件。例如，渗透物侧可以在比环境压力高的压力下，同时仍具有足以进行膜分离的驱动力，而非在膜渗透物侧上具有大约100kPaa或更低(如环境压力)的压力。另外或或者，可以使用吹扫气体如甲烷提供膜分离的驱动力。这可降低H2渗透物料流的纯度，但取决于该渗透物料流的所需用途，可能是有利的。
在本发明的各种方面中，至少一部分阳极排气料流(优选在分离CO2和/或H2O后)可用作燃料电池和相关重整段外的工艺的进料。在各种方面中，阳极排气可具有大约1.5:1至大约10:1，如至少大约3.0:1，或至少大约4.0:1，或至少大约5.0:1的H2/CO比。可以由阳极排气生成或取出合成气料流。阳极排气，任选在分离CO2和/或H2O之后和任选在进行水煤气变换反应和/或膜分离以除去过量氢气之后，可相当于含有相当一部分H2和/或CO的料流。对于具有相对较低CO含量的料流，如H2/CO比为至少大约3:1的料流，该阳极排气适合用作H2进料。可获益于H2进料的工艺的实例可包括，但不限于，炼油厂工艺、氨合成装置或(不同)发电系统中的涡轮机或其组合。根据用途，更低的CO2含量可能是合意的。对于具有小于大约2.2比1和大于大约1.9比1的H2/CO比的料流，该料流可适合用作合成气进料。可获益于合成气进料的工艺的实例可包括，但不限于，气至液装置(如使用借助非变换催化剂的费托法的装置)和/或甲醇合成装置。用作外部工艺的进料的阳极排气的量可以是任何方便的量。任选地，当使用一部分阳极排气作为外部工艺的进料时，第二部分的阳极排气可再循环到阳极输入和/或再循环到燃烧供能发电机的燃烧区。
可用于不同类型的费托合成工艺的输入料流可提供适合由阳极输出生成的不同类型的产物料流的一个实例。对于使用变换催化剂，如铁基催化剂的费托合成反应系统，该反应系统的所需输入料流除H2和CO外还可包括CO2。如果在输入料流中不存在足量的CO2，具有水煤气变换活性的费托催化剂可消耗CO以生成额外的CO2，导致可能CO不足的合成气。为了将这种费托工艺与MCFC燃料电池集成，可以运行阳极输出的分离段以保持合成气产物中的所需CO2(和任选H2O)量。相反，对基于非变换催化剂的费托催化剂，产物料流中存在的任何CO2可充当费托反应系统中的惰性组分。
在用吹扫气体，如甲烷吹扫气体吹扫膜的方面中，甲烷吹扫气体可相当于用作阳极燃料或用于不同的低压工艺，如锅炉、炉、燃气轮机或其它燃料消耗装置的甲烷料流。在这一方面中，跨过该膜的低水平CO2渗透可具有极小后果。可能渗透过膜的这种CO2对阳极内的反应具有极小影响，并且这种CO2可保留在阳极产物中。因此，由于渗透而跨膜损失的CO2(如果有的话)不需要再转移通过MCFC电解质。这可以显著降低对透氢膜的分离选择性要求。这可允许例如使用具有较低选择性的较高渗透率膜，其可以使使用较低压力和/或降低的膜表面积成为可能。在本发明的这一方面中，吹扫气体的体积可以为阳极排气中的氢气体积的大倍数，这能使渗透物侧上的有效氢气浓度保持接近0。由此分离的氢气可并入涡轮机的进料甲烷中，在此其可以如上所述增强涡轮机燃烧特征。
要指出，在阳极中生成的过量H2可代表已分离出温室气体的燃料。阳极输出中的任何CO2可容易地从阳极输出中分离，如通过使用胺洗、深冷CO2分离器和/或变压或真空变压吸附法。阳极输出的几种组分(H2、CO、CH4)不容易除去，而CO2和H2O通常容易除去。根据该实施方案，可以分离出阳极输出中的CO2的至少大约90体积％，形成相对高纯的CO2输出料流。因此，可以有效分离出在阳极中生成的任何CO2以形成高纯CO2输出流。在分离后，阳极输出的剩余部分可主要相当于具有化学和/或燃料价值的组分以及降低量的CO2和/或H2O。由于由原始燃料(在重整前)生成的相当一部分CO2可已被分离出，可以降低由剩余部分的阳极输出的随后燃烧生成的CO2量。特别地，在剩余部分的阳极输出中的燃料是H2的程度上，通常不能由这种燃料的燃烧形成额外的温室气体。
可以对阳极排气施以各种气体加工选择，包括水煤气变换和组分的互相分离。两种一般的阳极加工方案显示在图6和7中。
图6示意性显示与化学合成工艺联合运行熔融碳酸盐燃料电池的燃料电池阵列的反应系统的一个实例。在图6中，向与燃料电池620(如作为燃料电池阵列中的燃料电池堆的一部分的燃料电池)的阳极627相关的一个(或多个)重整段610提供燃料料流605。与燃料电池620相关的重整段610可以在燃料电池组件内。在一些任选方面中，也可以使用外部重整段(未显示)在将输入料流送入燃料电池组件之前重整输入料流中的一部分可重整燃料。燃料料流605可优选包括可重整燃料，如甲烷、其它烃和/或其它类烃化合物，如含有碳-氢键的有机化合物。燃料料流605还可任选含有H2和/或CO，如由任选的阳极再循环流685提供的H2和/或CO。要指出，阳极再循环流685是任选的，并且在许多方面中，没有直接或通过与燃料料流605或重整燃料料流615结合而间接地从阳极排气625回到阳极627的再循环流。在重整后，可以将重整燃料料流615送入燃料电池620的阳极627。也可以将含CO2和O2的料流619送入阴极629。来自燃料电池的阴极部分629的碳酸根离子流622,CO3 2-可提供阳极燃料电池反应所需的其余反应物。基于阳极627中的反应，所得阳极排气625可包括H2O、CO2、相当于不完全反应的燃料的一种或多种组分(H2、CO、CH4或与可重整燃料对应的其它组分)和任选一种或多种额外非反应性组分，如N2和/或作为燃料料流605的一部分的其它污染物。然后可以将阳极排气625送入一个或多个分离段。例如，CO2脱除段640可相当于深冷CO2脱除系统、用于除去酸性气体，如CO2的胺洗段或用于从阳极排气中分离CO2输出流643的另一合适类型的CO2分离段。任选地，阳极排气可首先经过水煤气变换反应器630以将阳极排气中存在的任何CO(与一些H2O一起)转化成任选水煤气变换的阳极排气635中的CO2和H2。取决于CO2脱除段的性质，水冷凝或脱除段650可能是合意的以从阳极排气中除去水输出料流653。尽管在图6中显示的是在CO2分离段640之后，但其可任选位于CO2分离段640之前。另外，可使用的任选的用于分离H2的膜分离段660以生成H2的高纯渗透物料流663。所得渗余物料流666可随后用作化学合成工艺的进料。另外或或者，料流666可以在第二水煤气变换反应器631中变换以将H2、CO和CO2含量调节至不同比率，产生进一步用于化学合成工艺的输出料流668。在图6中，显示的是从渗余物料流666中取出阳极再循环料流685，但另外或或者，可以从各种分离段内或之间的其它方便的位置取出阳极再循环料流685。另外或或者，分离段和变换反应器可以以不同次序和/或以并联构造配置。最后，可作为阴极629的输出生成具有降低的CO2含量的料流639。为简单起见，没有显示在该方法中可能有用的各种压缩和供热/除热段以及蒸汽添加或脱除段。
如上所述，对阳极排气进行的各种类型的分离可以以任何方便的顺序进行。图7显示对阳极排气进行分离的另一顺序的实例。在图7中，可以首先将阳极排气625送入分离段760以从阳极排气625中除去一部分763氢气含量。这能够例如降低阳极排气的H2含量以提供具有接近2:1的H2/CO比的渗余物766。然后可以在水煤气变换段730中进一步调节H2/CO比以实现所需值。水煤气变换的输出735然后可经过CO2分离段740和除水段750以产生适合用作所需化学合成工艺的进料的输出料流775。任选可以对输出料流775施以附加水煤气变换段(未显示)。一部分输出料流775可任选再循环(未显示)到阳极输入。当然，基于具有所需组成的阳极输出，可以利用分离段的其它组合和排序来生成料流。为简单起见，没有显示在该方法中可能有用的各种压缩和供热/除热段以及蒸汽添加或脱除段。
阴极输入和输出
传统上，可基于在消耗送往阳极的燃料料流中的一部分燃料的同时提取所需荷载来运行熔融碳酸盐燃料电池。然后可通过该荷载、阳极的燃料输入、向阴极提供的空气和CO2和燃料电池的内电阻确定燃料电池的电压。送往阴极的CO2传统上可部分地使用阳极排气作为至少一部分阴极输入料流来提供。相反，本发明可以对阳极输入和阴极输入使用分开/不同的来源。通过消除阳极输入料流和阴极输入料流的组成之间的任何直接联系，可提供用于运行燃料电池的附加选项，以例如生成过量合成气、以改进二氧化碳捕集和/或改进燃料电池的总效率(电+化学动力)等。
在熔融碳酸盐燃料电池中，跨过燃料电池中的电解质的碳酸根离子传输可提供从第一流动路径向第二流动路径传输CO2的方法，其中该传输方法可允许从较低浓度(阴极)向较高浓度(阳极)传输，这可因此有利于捕集CO2。该燃料电池对CO2分离的选择性部分可基于能使该电池生成电力的电化学反应。对于有效地不参与燃料电池内的电化学反应的非反应性物类(如N2)，可以存在不明显的反应量和从阴极到阳极的传输。相反，阴极和阳极之间的电位(电压)差可提供跨燃料电池传输碳酸根离子的强驱动力。因此，熔融碳酸盐燃料电池中的碳酸根离子传输可允许以相对较高的选择性从阴极(较低CO2浓度)向阳极(较高CO2浓度)传输CO2。但是，使用熔融碳酸盐燃料电池脱除二氧化碳的一个挑战可能在于，该燃料电池具有有限的从相对较稀的阴极进料中除去二氧化碳的能力。随着CO2浓度下降到大约2.0体积％以下，由碳酸盐燃料电池生成的电压和/或功率开始快速降低。随着CO2浓度进一步降低，例如降到大约1.0体积％以下，在某一时刻，跨过燃料电池的电压变得足够低以致几乎或完全不能发生碳酸根的进一步传输且燃料电池停止工作。因此，在商业可行的运行条件下来自燃料电池的阴极段的排气中可能存在至少一些CO2。
可基于阴极入口源的CO2含量确定送往燃料电池阴极的二氧化碳量。适合用作阴极输入流的含CO2料流的一个实例可以是来自燃烧源的输出或排气流。燃烧源的实例包括，但不限于，基于天然气的燃烧、煤的燃烧和/或其它烃型燃料(包括生物衍生燃料)的燃烧的来源。另外或替代的来源可包括其它类型的锅炉、火焰加热器、炉和/或燃烧含碳燃料以加热另一物质(如水或空气)的其它类型的装置。大致上，来自燃烧源的输出流的CO2含量可以为该流的次要部分。甚至对较高CO2含量的排气流，如来自燃煤燃烧源的输出而言，来自大多数商业燃煤发电厂的CO2含量可以为大约15体积％或更低。更通常，来自燃烧源的输出或排气流的CO2含量可以为至少大约1.5体积％，或至少大约1.6体积％，或至少大约1.7体积％，或至少大约1.8体积％，或至少大约1.9体积％，或至少大于2体积％，或至少大约4体积％，或至少大约5体积％，或至少大约6体积％，或至少大约8体积％。另外或或者，来自燃烧源的输出或排气流的CO2含量可以为大约20体积％或更低，如大约15体积％或更低，或大约12体积％或更低，或大约10体积％或更低，或大约9体积％或更低，或大约8体积％或更低，或大约7体积％或更低，或大约6.5体积％或更低，或大约6体积％或更低，或大约5.5体积％或更低，或大约5体积％或更低，或大约4.5体积％或更低。上文给出的浓度是基于干燥基础。要指出，在来自一些天然气或甲烷燃烧源(如作为可能包括或不包括排气再循环回路的发电系统的一部分的发电机)的排气中可存在更低的CO2含量值。
另外或或者，阴极输入料流的其它可能的来源包括生物制CO2来源。这可包括例如，在生物衍生化合物的加工过程中生成的CO2，如在乙醇生产过程中生成的CO2。一个附加或替代的实例可包括通过生物制燃料的燃烧，如木质纤维素的燃烧生成的CO2。另一些附加或替代的可能CO2来源可相当于来自各种工业工艺的输出或排气流，如由钢、水泥和/或纸的制造装置生成的含CO2料流。
另一附加或替代的可能CO2来源可以是来自燃料电池的含CO2料流。来自燃料电池的含CO2料流可相当于来自不同燃料电池的阴极输出料流、来自不同燃料电池的阳极输出料流、从燃料电池的阴极输出到阴极输入的再循环料流和/或从燃料电池的阳极输出到阴极输入的再循环料流。例如，在传统条件下以独立模式运行的MCFC可生成具有至少大约5体积％的CO2浓度的阴极排气。这样的含CO2的阴极排气可用作根据本发明的一个方面运行的MCFC的阴极输入。更通常，可以另外或替代性地使用产生来自阴极排气的CO2输出的其它类型的燃料电池，以及不是由“燃烧”反应和/或燃烧供能发电机生成的其它类型的含CO2料流。任选但优选地，来自另一燃料电池的含CO2料流可来自另一熔融碳酸盐燃料电池。例如，对于就阴极而言串联的熔融碳酸盐燃料电池，来自第一熔融碳酸盐燃料电池的阴极的输出可用作第二熔融碳酸盐燃料电池的阴极的输入。
对于来自燃烧源以外的来源的各种类型的含CO2料流，该料流的CO2含量可在很大程度上变化。阴极输入料流的CO2含量可含有至少大约2体积％的CO2，如至少大约4体积％，或至少大约5体积％，或至少大约6体积％，或至少大约8体积％。另外或或者，阴极输入料流的CO2含量可以为大约30体积％或更低，如大约25体积％或更低，或大约20体积％或更低，或大约15体积％或更低，或大约10体积％或更低，或大约8体积％或更低，或大约6体积％或更低，或大约4体积％或更低。对于一些更高CO2含量的料流，CO2含量可高于大约30体积％，如仅含附带量的其它化合物的基本由CO2构成的料流。例如，无排气再循环的燃气轮机可产生具有大约4.2体积％的CO2含量的排气料流。在EGR下，燃气轮机可产生具有大约6-8体积％的CO2含量的排气料流。甲烷的化学计量燃烧可产生具有大约11体积％的CO2含量的排气料流。煤的燃烧可产生具有大约15–20体积％的CO2含量的排气料流。使用炼油厂废气的火焰加热器可产生具有大约12–15体积％的CO2含量的排气料流。无任何EGR的用低BTU气体运行的燃气轮机可产生具有～12体积％的CO2含量的排气料流。
除CO2外，阴极输入料流还必须包括O2以提供阴极反应所必需的组分。一些阴极输入料流可基于以空气作为组分。例如，可通过在空气存在下燃烧烃燃料形成燃烧排气料流。这种燃烧排气料流或由于包括空气而具有氧含量的另一类型的阴极输入料流可具有大约20体积％或更低，如大约15体积％或更低，或大约10体积％或更低的氧含量。另外或或者，阴极输入料流的氧含量可以为至少大约4体积％，如至少大约6体积％，或至少大约8体积％。更通常，阴极输入料流可具有适用于进行阴极反应的氧含量。在一些方面中，这可相当于大约5体积％至大约15体积％，如大约7体积％至大约9体积％的氧含量。对于许多类型的阴极输入料流，CO2和O2的总量可相当于该输入料流的小于大约21体积％，如该料流的小于大约15体积％或该料流的小于大约10体积％。可以将含氧空气流与具有低氧含量的CO2源合并。例如，通过煤燃烧生成的排气料流可包括低氧含量，其可以与空气混合形成阴极入口料流。
除CO2和O2外，阴极输入料流还可以由惰性/非反应性物类，如N2、H2O和其它典型的氧化剂(空气)组分构成。例如，对于衍生自燃烧反应排气的阴极输入，如果使用空气作为用于燃烧反应的氧化剂来源的一部分，则该排气可包括空气的典型组分，如N2、H2O和存在于空气中的次要量的其它化合物。取决于用于燃烧反应的燃料源的性质，基于燃料源的燃烧之后存在的附加物类可包括H2O、氮氧化物(NOx)和/或硫氧化物(SOx)和存在于燃料中和/或作为燃料中存在的化合物的部分或完全燃烧产物的其它化合物，如CO中的一种或多种。这些物类可以以不毒化阴极催化剂表面的量存在，尽管它们可能降低总阴极活性。这样的性能降低可能是可接受的，或可通过已知的污染物去除技术将与阴极催化剂相互作用的物类减至可接受的水平。
阴极输入料流(如基于燃烧排气的阴极输入料流)中存在的O2量可有利地足以提供燃料电池中的阴极反应所需的氧。因此，O2的体积百分比可以有利地为该排气中的CO2量的至少0.5倍。任选地，如果必要，可以向阴极输入中加入额外空气以向阴极反应提供足够的氧化剂。当使用某种形式的空气作为氧化剂时，阴极排气中的N2量可以为至少大约78体积％，例如至少大约88体积％，和/或大约95体积％或更低。在一些方面中，阴极输入料流可另外或替代性地含有通常被视为污染物的化合物，如H2S或NH3。在另一些方面中，可以净化阴极输入料流以降低或将此类污染物的含量减至最低。
除用于形成跨电解质传输的碳酸根离子的反应外，阴极中的条件也可适用于将氮氧化物转化成硝酸盐和/或硝酸根离子。为方便起见，下面仅提到硝酸根离子。所得硝酸根离子也可跨电解质传输以用于阳极中的反应。阴极输入料流中的NOx浓度通常可以为ppm级，因此这种硝酸根传输反应对跨电解质传输的碳酸根的量可具有极小影响。但是，这种NOx脱除法可对基于来自燃气轮机的燃烧排气的阴极输入料流是有益的，因为这可提供降低NOx排放的机制。另外或或者，阴极中的条件可适用于将未燃烃(与阴极输入料流中的O2结合)转化成典型燃烧产物，如CO2和H2O。
适用于运行MCFC的温度可以为大约450℃至大约750℃，如至少大约500℃，例如具有大约550℃的入口温度和大约625℃的出口温度。在进入阴极之前，可以向燃烧排气引入热，或如果需要，从燃烧排气中除热以例如向其它工艺(如阳极的燃料输入的重整)供热。例如，如果阴极输入料流的来源是燃烧排气料流，该燃烧排气料流的温度可大于阴极入口的所需温度。在这一方面中，可以在用作阴极输入料流之前从燃烧排气中除热。或者，该燃烧排气可以在极低温度下，例如在燃煤锅炉上的湿气洗涤器后，在这种情况下该燃烧排气可低于大约100℃。或者，该燃烧排气可来自以联合循环模式运行的燃气轮机的排气，其中该气体可通过生成蒸汽以运行蒸汽轮机以额外发电来冷却。在这种情况下，该气体可低于大约50℃。可以向比预期冷的燃烧排气引入热。
燃料电池布置
在各种方面中，燃料电池(如含有多个燃料电池堆的燃料电池阵列)的一个配置选项可以是在多个燃料电池之间分配含CO2料流。相对于单个燃料电池的容量，含CO2料流的一些类型的来源可生成大体积流速。例如，相对于尺寸合理的单MCFC的合意运行条件，来自工业燃烧源的含CO2的输出料流通常可相当于大流量体积。代替在单MCFC中加工整个流，可以将该流在多个MCFC单元之间分配，其中至少一些通常可以并联，以使各单元中的流速在所需流速范围内。
第二配置选项可以是利用串联的燃料电池以从流动料流中相继除去CO2。无论含CO2料流可并联分配到的初始燃料电池数是多少，各初始燃料电池之后可以是串联的一个或多个附加电池以进一步除去额外的CO2。如果阴极输出中的CO2所需量足够低，尝试在单燃料电池或燃料电池段中从阴极输入料流中除去CO2至所需水平会造成燃料电池的低和/或不可预测的电压输出。不同于尝试在单燃料电池或燃料电池段中除去CO2至所需水平，可以在连续的电池中除去CO2直至可实现所需水平。例如，一连串燃料电池中的各电池可用于除去燃料料流中存在的一定百分比(例如大约50％)的CO2。在这种实例中，如果串联使用三个燃料电池，可以降低CO2浓度(例如降至原始存在量的大约15％或更低，这相当于经串联的三个燃料电池的进程将CO2浓度从大约6％降至大约1％或更低)。
在另一配置中，可以在串联的较早燃料段中选择运行条件以提供所需输出电压，同时可选择段阵列以实现所需碳分离水平。例如，可以使用具有串联的三个燃料电池的燃料电池阵列。串联的前两个燃料电池可用于在保持所需输出电压的同时除去CO2。然后可以运行最后一个燃料电池以除去CO2至所需浓度，但在较低电压下。
在再一配置中，燃料电池阵列中的阳极和阴极可单独连接。例如，如果燃料电池阵列包括串联的燃料阴极，相应的阳极可以以任何方便的方式连接，不必与它们的相应阴极相同的布置相匹配。这可包括，例如，并联连接阳极，以使各阳极接收相同类型的燃料进料，和/或反向串联连接阳极，以使阳极中的最高燃料浓度对应于具有最低CO2浓度的那些阴极。
在又一配置中，可以控制送往一个或多个阳极段的燃料量和/或送往一个或多个阴极段的CO2量以改进燃料电池阵列的性能。例如，燃料电池阵列可具有串联的多个阴极段。在包括串联的三个阴极段的阵列中，这可意味着来自第一阴极段的输出可相当于第二阴极段的输入，来自第二阴极段的输出可相当于第三阴极段的输入。在这种类型的配置中，CO2浓度可随各相继阴极段降低。为了补偿这种降低的CO2浓度，可以向与后继阴极段对应的阳极段送入附加的氢气和/或甲烷。与后继阴极段对应的阳极中的附加的氢气和/或甲烷可至少部分补偿由降低的CO2浓度造成的电压和/或电流损失，这可提高由该燃料电池产生的电压和因此提高净功率。在另一实例中，燃料电池阵列中的阴极可以部分串联和部分并联。在这种类型的实例中，代替将整个燃烧输出送入第一阴极段中的阴极，可以将至少一部分燃烧排气送入后继阴极段。这可以在后继阴极段中提供提高的CO2含量。如果需要，可以使用向阳极段或阴极段送入可变进料的其它选项。
如上所述，燃料电池的阴极可相当于来自燃料电池阵列的多个阴极。在一些方面中，可以运行燃料电池阵列以改进或使从阴极向阳极转移的碳量最大化。在这样的方面中，对于来自阵列序列(通常至少包括串联布置，或最后阴极和最初阴极相同)中的最后阴极的阴极输出，输出组成可包括大约2.0体积％或更少的CO2(例如，大约1.5体积％或更少或大约1.2体积％或更少)和/或至少大约1.0体积％的CO2，如至少大约1.2体积％或至少大约1.5体积％。由于这种限制，使用熔融碳酸盐燃料电池时CO2脱除的净效率可取决于阴极输入中的CO2量。对于CO2含量大于大约6体积％，如至少大约8％的阴极输入料流，对可除去的CO2量的限制不严格。但是，对于如燃气轮机中常见的那样使用天然气作为燃料和使用过量空气的燃烧反应，燃烧排气中的CO2量可能仅相当于阴极输入处的CO2浓度小于大约5体积％。排气再循环的使用可以使阴极输入处的CO2量提高到至少大约5体积％，例如至少大约6体积％。如果使用天然气作为燃料时提高EGR以产生超过大约6体积％的CO2浓度，则燃烧器中的可燃性可降低且燃气轮机变得不稳定。但是，在将H2添加到燃料中时，可以显著提高可燃性窗口，以致能进一步提高排气再循环的量，从而可实现阴极输入处的CO2浓度为至少大约7.5体积％或至少大约8体积％。例如，基于阴极排气处大约1.5体积％的脱除限，将阴极输入处的CO2含量从大约5.5体积％提高到大约7.5体积％相当于可用燃料电池捕集并传输到阳极回路以最终分离CO2的CO2量增加～10％。另外或或者，可以降低阴极输出中的O2量，其通常为与除去的CO2量成比例的量，这可导致阴极出口处其它(非阴极反应性)物类的量的小幅相应提高。
在另一些方面中，可以运行燃料电池阵列以改进或使燃料电池的能量输出，如总能量输出、电能输出、合成气化学能量输出或其组合最大化。例如，可以在各种情况中用过量的可重整燃料运行熔融碳酸盐燃料电池，如用于生成用于化学合成装置的合成气料流和/或用于生成高纯氢气料流。该合成气料流和/或氢气料流可用作合成气来源、氢气来源、清洁燃料源和/或用于任何其它方便的用途。在这样的方面中，阴极排气中的CO2量可以与阴极输入料流中的CO2量和在所需运行条件下的CO2利用率相关联以改进或使燃料电池能量输出最大化。
另外或或者，取决于运行条件，MCFC可以将阴极排气料流的CO2含量降至大约5.0体积％或更低，例如大约4.0体积％或更低，或大约2.0体积％或更低，或大约1.5体积％或更低，或大约1.2体积％或更低。另外或或者，阴极排气料流的CO2含量可以为至少大约0.9体积％，如至少大约1.0体积％，或至少大约1.2体积％，或至少大约1.5体积％。
熔融碳酸盐燃料电池运行
在一些方面中，可以以单程或一次通过模式运行燃料电池。在单程模式中，不将阳极排气中的重整产物送回阳极入口。因此，在单程运行中不将合成气、氢气或一些其它产物从阳极输出直接再循环到阳极入口。更通常，在单程运行中，阳极排气中的重整产物也不间接送回阳极入口，如通过利用重整产物加工随后引入阳极入口的燃料料流。任选地，来自阳极出口的CO2可以在MCFC以单程模式运行的过程中再循环到阴极入口。更通常，在另一些方面中，对于以单程模式运行的MCFC，可能发生从阳极出口到阴极入口的再循环。另外或或者，来自阳极排气或输出的热可以在单程模式中再循环。例如，阳极输出流可经过热交换器，热交换器将阳极输出冷却并将另一料流，如阳极和/或阴极的输入料流加温。将来自阳极的热再循环到燃料电池与在单程或一次通过运行中的使用是一致的。任选但不优选地，在单程模式中可以燃烧阳极输出的成分以向燃料电池供热。
图2显示用于发电的MCFC的运行的一个示意性实例。在图2中，燃料电池的阳极部分可接收燃料和蒸汽(H2O)作为输入，并输出水、CO2和任选过量H2、CH4(或其它烃)和/或CO。燃料电池的阴极部分可接收CO2和一些氧化剂(例如空气/O2)作为输入，输出相当于在贫氧的氧化剂(空气)中的降低量的CO2。在燃料电池内，在阴极侧形成的CO3 2-离子可跨电解质传输以提供在阳极处发生的反应所需的碳酸根离子。
在熔融碳酸盐燃料电池，如图2中所示的示例性燃料电池内可发生若干反应。重整反应可以是任选的并且如果直接向阳极提供足够的H2，则可以减少或省掉重整反应。下列反应基于CH4，但在燃料电池中使用其它燃料时，可发生类似反应。
(1)<阳极重整>CH4+H2O＝>3H2+CO
(2)<水煤气变换>CO+H2O＝>H2+CO2
(3)<重整和水煤气变换的组合>CH4+2H2O＝>4H2+CO2
(4)<阳极H2氧化>H2+CO3 2-＝>H2O+CO2+2e-
(5)<阴极>1/2O2+CO2+2e-＝>CO3 2-
反应(1)代表基本的烃重整反应以生成用于燃料电池的阳极的H2。反应(1)中形成的CO可通过水煤气变换反应(2)转化成H2。反应(1)和(2)的组合显示为反应(3)。反应(1)和(2)可以在燃料电池外进行，和/或重整可以在阳极内进行。
分别在阳极和阴极处的反应(4)和(5)代表造成燃料电池内的电力发生的反应。反应(4)将存在于进料中或任选由反应(1)和/或(2)生成的H2与碳酸根离子合并以形成H2O、CO2和送往该电路的电子。反应(5)使O2、CO2和来自该电路的电子合并形成碳酸根离子。由反应(5)生成的碳酸根离子可跨燃料电池的电解质传输以提供反应(4)所需的碳酸根离子。与碳酸根离子跨电解质的传输相结合，然后可通过在阳极和阴极之间提供电连接形成闭合电流回路。
在各种实施方案中，运行燃料电池的目标可以是改进燃料电池的总效率和/或燃料电池+集成化学合成工艺的总效率。这通常不同于燃料电池的传统运行，其中目标可以对于利用供给电池的燃料发电以高电效率运行燃料电池。如上定义，可通过将燃料电池的电输出加上燃料电池输出的低位发热值再除以燃料电池的输入组分的低位发热值来确定总燃料电池效率。换言之，TFCE＝(LHV(el)+LHV(合成气出))/LHV(入)，其中LHV(入)和LHV(合成气出)分别是指送往燃料电池的燃料组分(如H2、CH4和/或CO)和阳极出口料流或流中的合成气(H2、CO和/或CO2)的LHV。这可提供燃料电池和/或集成化学工艺生成的电能+化学能的量度。要指出，在总效率的这一定义下，燃料电池内使用的和/或集成的燃料电池/化学合成系统内使用的热能可对总效率有贡献。但是，该定义不包括从燃料电池或集成的燃料电池/化学合成系统中交换或以其它方式取出的任何过量热。因此，如果来自燃料电池的过量热例如用于生成蒸汽以通过蒸汽轮机发电，则总效率的定义中不包括这样的过量热。
可以控制一些运行参数以用过量可重整燃料运行燃料电池。一些参数可类似于目前对燃料电池运行推荐的参数。在一些方面中，燃料电池的阴极条件和温度输入可类似于文献中推荐的那些。例如，可以在熔融碳酸盐燃料电池典型的燃料电池运行温度范围内实现所需电效率和所需总燃料电池效率。在典型运行中，温度可跨燃料电池提高。
在另一些方面中，燃料电池的运行参数可背离典型条件从而运行燃料电池以使温度从阳极入口到阳极出口和/或从阴极入口到阴极出口降低。例如，将烃转化成H2和CO的重整反应是吸热反应。如果相对于用于产生电流的氢的氧化量，在燃料电池阳极中进行足量重整，则该燃料电池中的净热平衡可以是吸热的。这可导致燃料电池的入口与出口之间的降温。在吸热运行过程中，可以控制燃料电池中的温度降低以使燃料电池中的电解质保持熔融态。
可以以不同于目前推荐的方式控制的参数可包括向阳极提供的燃料量、向阳极提供的燃料的组成、和/或没有合成气从阳极排气显著再循环到阳极输入或阴极输入的情况下阳极输出中的合成气的分离和捕集。在一些方面中，没有或不可有合成气或氢气从阳极排气直接或间接再循环到阳极输入或阴极输入。在附加或替代性的方面中，可发生有限量的再循环。在这样的方面中，从阳极排气到阳极输入和/或阴极输入的再循环量可小于阳极排气的大约10体积％，如小于大约5体积％或小于大约1体积％。
另外或或者，运行燃料电池的目标可以是除发电外还从燃烧反应或产生CO2输出料流的另一工艺的输出料流中分离CO2。在这样的方面中，燃烧反应可用于向一个或多个发电机或涡轮机供能，这可提供由综合发电机/燃料电池系统生成的大部分动力。不同于运行燃料电池以优化通过燃料电池发电，可运行该系统以在降低或将捕集二氧化碳所需的燃料电池数减至最低的同时改进来自燃烧供能发电机的二氧化碳的捕集。选择燃料电池的输入和输出流的适当配置以及选择燃料电池的适当运行条件可实现总效率和碳捕集的合意组合。
在一些实施方案中，可以布置燃料电池阵列中的燃料电池以便可仅存在单一段的燃料电池(如燃料电池堆)。在这种类型的实施方案中，该单一段的阳极燃料利用率可代表该阵列的阳极燃料利用率。另一选项可以是燃料电池阵列可含有多个阳极段和多个阴极段，其中各阳极段具有在相同范围内的燃料利用率，如各阳极段具有在规定值的10％以内，例如在规定值的5％以内的燃料利用率。再一选项可以是各阳极段可具有等于规定值或比规定值低一定量以下的燃料利用率，如各阳极段小于或等于规定值10％或更低，例如5％或更低。作为一个示例性实例，具有多个阳极段的燃料电池阵列可以使各阳极段在50％燃料利用率的大约10％以内，这相当于各阳极段具有大约40％至大约60％的燃料利用率。作为另一实例，具有多个段的燃料电池阵列可以使各阳极段为不大于60％阳极燃料利用率，最大偏差为小大约5％，这相当于各阳极段具有大约55％至大约60％的燃料利用率。在再一实例中，燃料电池阵列中的一个或多个燃料电池段可以以大约30％至大约50％的燃料利用率运行，如以大约30％至大约50％的燃料利用率运行该阵列中的多个燃料电池段。更通常，任何上述类型的范围可以与本文中规定的任何阳极阳极燃料利用值配对。
另一附加或替代的选项可包括对并非所有阳极段规定燃料利用率。例如，在本发明的一些方面中，可以至少部分在一个或多个串联布置中布置燃料电池/堆以对串联中的第一阳极段、串联中的第二阳极段、串联中的最后一个阳极段或串联中的任何其它方便的阳极段规定阳极燃料利用率。本文所用的串联中的“第一”段相当于向其从燃料源直接进料输入的段(或如果该布置也含有并联段，则为段组)，后继(“第二”、“第三”、“最后”等)段代表以向其进料来自一个或多个在先段的输出而非直接来自各自的燃料源的段。在来自在先段的输出和直接来自燃料源的输入二者共同供入一个段的情况下，可以有“第一个”(组)段和“最后一个”(组)段，但更难在其它段(“第二”、“第三”等)之间建立顺序(例如，在这样的情况下，可通过复合输入进料组合物中的一种或多种组分，例如CO2的浓度水平确定序号顺序，从最高浓度“第一”到最低浓度“最后”，以大致类似的组成差异代表相同的定序水平)。
再一附加或替代的选项可以是规定与特定阴极段对应的阳极燃料利用率(再次，其中燃料电池/堆仍可以至少部分在一个或多个串联布置中布置)。如上所述，基于阳极和阴极内的流向，第一阴极段可不对应于第一阳极段(可不与第一阳极段跨过相同的燃料电池膜)。因此，在本发明的一些方面中，可以对串联中的第一阴极段、串联中的第二阴极段、串联中的最后一个阴极段或串联中的任何其它方便的阴极段规定阳极燃料利用率。
又一附加或替代的选项可以是规定燃料电池阵列中的所有燃料电池的燃料利用率的总平均值。在各种方面中，燃料电池阵列的燃料利用率的总平均值可以为大约65％或更低，例如大约60％或更低，大约55％或更低，大约50％或更低，或大约45％或更低(另外或或者，燃料电池阵列的总平均燃料利用率可以为至少大约25％，例如至少大约30％，至少大约35％，或至少大约40％)。这种平均燃料利用率不需要必须限制任一单段中的燃料利用率，只要该燃料电池阵列符合所需燃料利用率。
捕集后的CO2输出的用途
在本发明的各种方面中，上述系统和方法可允许作为加压流体产生二氧化碳。例如，由深冷分离段生成的CO2最初可相当于具有至少大约90％，例如至少大约95％、至少大约97％、至少大约98％或至少大约99％纯度的加压CO2液体。这种加压CO2料流可例如用于注入井中以进一步增强采油或采气，如在二次采油中。当在包含燃气轮机的设施附近实施时，整个系统可获益于电力/机械动力应用中的额外协同作用和/或与整个系统的热集成。
或者，对专用于强化采油(EOR)用途的系统而言(即未合并在具有严格组成标准的管道系统中)，可以明显放松CO2分离要求。EOR用途可对O2的存在敏感，因此在一些实施方案中在要用于EOR的CO2料流可不存在O2。但是，EOR用途可往往对溶解的CO、H2和/或CH4具有低敏感性。输送CO2的管道也可能对这些杂质敏感。这些溶解的气体通常可对用于EOR的CO2的增溶能力只有微小影响。作为EOR气体注入CO、H2和/或CH4之类的气体可导致燃料回收值(fuelvaluerecovery)的一定损失，但这些气体可能在其它方面与EOR用途相容。
另外或或者，CO2作为加压液体的一个可能的用途是可作为生物工艺，如藻类生长/收获中的营养素。MCFCs用于CO2分离可确保大多数生物学上重要的污染物可被降至可接受的低水平，以产生只有少量不可能明显不利地影响光合自养生物生长的其它“污染”气体(如CO、H2、N2等和它们的组合)的含CO2料流。这与大多数工业来源生成的输出料流形成鲜明对比，大多数工业来源生成的输出料流通常可含有可能高毒材料，如重金属。
在本发明的这一类型的方面中，在阳极回路中通过CO2的分离生成的CO2料流可用于生产生物燃料和/或化学品以及它们的前体。再另外或或者，CO2可作为稠密流体生成，以便容易得多地跨距离泵送和运输，例如运往光合自养生物的大田(largefields)。传统排放源可排放含有与其它气体和污染物混合的适量CO2(例如大约4-15％)的热气。这些材料通常需要作为稀薄气体泵往藻塘或生物燃料“农场”。相反，本发明的MCFC系统可产生浓缩CO2料流(基于干燥基础，～60-70体积％)，其可以进一步浓缩至95％+(例如96％+、97％+、98％+或99％+)并容易地液化。这种料流然后可以以相对较低的成本容易并有效地长距离运输并有效地大面积分配。在这些实施方案中，来自燃烧源/MCFC的余热也可集成到整个系统中。
可采用另一实施方案，其中CO2源/MCFC和生物/化学生产现场同处一地。在这种情况下，可能只需要最小压缩(即提供足以用于生物生产的CO2压力，例如大约15psig至大约150psig)。在这种情况下可能有几种新型布置。可任选对阳极排气施加二次重整以降低CH4含量，并可另外或替代性地任选存在水煤气变换以驱使任何剩余CO成为CO2和H2。
来自阳极输出料流和/或阴极输出料流的组分可用于各种用途。一个选项可以是如上所述使用阳极输出作为氢源。对于与炼油厂集成或同处一地的MCFC，该氢气可用作各种炼油厂工艺，如加氢处理的氢源。另一选项可以是另外或替代性地使用氢气作为燃料源，其中已“捕集”来自燃烧的CO2。这样的氢气可以在炼油厂或其它工业设施中用作锅炉、炉和/或火焰加热器的燃料，和/或该氢气可用作发电机，如涡轮机的进料。来自MCFC燃料电池的氢气还可另外或替代性地用作需要氢气作为输入的其它类型的燃料电池(可能包括燃料电池供能的车辆)的输入料流。又一选项可以是另外或替代性地使用作为MCFC燃料电池的输出生成的合成气作为发酵输入。
另一选项可以是另外或替代性地使用由阳极输出生成的合成气。当然，可以使用合成气作为燃料，尽管合成气基燃料在作为燃料燃烧时仍可导致生成一些CO2。在另一些方面中，合成气输出料流可用作化学合成工艺的输入。一个选项可以是另外或替代性地将合成气用于费托型工艺和/或由合成气输入形成更大烃分子的另一工艺。另一选项可以是另外或替代性地使用合成气形成中间产物，如甲醇。甲醇可用作最终产物，但在另一些方面中由合成气生成的甲醇可用于生成更大化合物，如汽油、烯烃、芳烃和/或其它产物。要指出，在甲醇合成工艺和/或使用变换催化剂的费托工艺的合成气进料中，少量CO2是可接受的。加氢甲酰化是可利用合成气输入的又一合成工艺的一个附加或替代的实例。
要指出，对使用MCFC生成合成气的一个改变可以是使用MCFC燃料电池作为用于加工海上石油平台取出的甲烷和/或天然气的系统或距其最终市场相当远的其它生产系统的一部分。不是尝试运输来自井的气相输出或长期储存该气相产物，而是可使用来自井的气相输出作为MCFC燃料电池阵列的输入。这可带来各种益处。首先，由该燃料电池阵列生成的电力可用作该平台的电源。另外，来自该燃料电池阵列的合成气输出可用作生产现场的费托工艺的输入。这可形成更容易通过管道、船舶或轨道车从生产现场运往例如岸上设施或更大终端的液烃产物。
另一些集成选项可以另外或替代性地包括使用阴极输出作为更高纯度的加热氮气的来源。阴极输入通常可包括一大部分空气，这意味着在阴极输入中可包括相当一部分氮气。燃料电池可以从阴极跨电解质向阳极输送CO2和O2，且阴极出口可具有比空气中低的CO2和O2浓度和因此更高的N2浓度。在随后除去残留O2和CO2的情况下，这种氮气输出可用作用于生产氨或其它含氮化学品，如尿素、硝酸铵和/或硝酸的进料。要指出，脲合成可另外或替代性地使用从阳极输出中分离的CO2作为输入进料。
集成实施例:与燃烧轮机集成的用途
在本发明的一些方面中，用于发电并排出含CO2的排气的燃烧源可以与熔融碳酸盐燃料电池的运行集成。合适的燃烧源的一个实例是燃气轮机。优选，燃气轮机可以与蒸汽发生和热回收集成的联合循环模式燃烧天然气、甲烷气体或另一烃气体以获得额外效率。对于最大最新的设计，现代天然气联合循环效率为大约60％。所得含CO2的排气料流可以在与MCFC运行相容的升高的温度，如300℃-700℃，优选500℃-650℃下产生。可任选但优选的是，在气体源进入涡轮机前从其中清除可使MCFC中毒的污染物，如硫。或者，该气体源可以是燃煤发电机，其中由于排气中较高的污染物水平，通常在燃烧后净化该排气。在这一备选方案中，可能必须向/从该气体进行一定的热交换以便能在较低温度下净化。在附加或替代性的实施方案中，含CO2的排气的来源可以是来自锅炉、燃烧器或燃烧富碳燃料的其它热源的输出。在另一些附加或替代性的实施方案中，含CO2的排气的来源可以是与其它来源结合的生物制CO2。
为了与燃烧源集成，用于加工燃料电池阳极的一些备选配置可以是合意的。例如，一个备选配置可以是将至少一部分来自燃料电池阳极的排气再循环到燃料电池阳极的输入。来自MCFC阳极的输出料流可包括H2O、CO2、任选CO和任选但通常是未反应的燃料(如H2或CH4)作为主要输出组分。代替使用这种输出料流作为外部燃料料流和/或与另一工艺集成的输入料流，可以对阳极输出料流进行一次或多次分离以将CO2与具有潜在燃料价值的组分，如H2或CO分离。然后可以将具有燃料价值的组分再循环到阳极的输入。
这种类型的配置可提供一个或多个益处。首先，可以从阳极输出中分离CO2，如通过使用深冷CO2分离器。阳极输出的几种组分(H2、CO、CH4)不是易冷凝组分，而CO2和H2O可独立地作为冷凝相分离。根据该实施方案，可以分离出阳极输出中至少大约90体积％的CO2以形成相对高纯的CO2输出料流。或者，在一些方面中可以从阳极输出中除去较少CO2，因此可分离出阳极输出中大约50体积％至大约90体积％的CO2，如大约80体积％或更少或大约70体积％或更少。在分离后，阳极输出的剩余部分可主要相当于具有燃料价值的组分以及降低量的CO2和/或H2O。分离后的这部分阳极输出可再循环以与附加燃料一起用作阳极输入的一部分。在这种类型的配置中，即使在经过MCFC的单程中的燃料利用率可能是低的，但未用的燃料可有利地再循环以再次经过阳极。因此，单程燃料利用率可在降低的水平，同时避免了未燃的燃料损失(排放)到环境中。
作为将一部分阳极排气再循环到阳极输入的补充或替代，另一配置选项可以是使用一部分阳极排气作为涡轮机或其它燃烧装置，如锅炉、炉和/或火焰加热器的燃烧反应的输入。再循环到阳极输入和/或作为输入再循环到燃烧装置的阳极排气的相对量可以是任何方便或合意的量。如果阳极排气再循环到阳极输入和燃烧装置的仅一种中，则再循环量可以是任何方便的量，如用于除去CO2和/或H2O的任何分离后留下的那部分阳极排气的最多100％。当一部分阳极排气既再循环到阳极输入又再循环到燃烧装置时，总再循环量按定义可以为阳极排气的剩余部分的100％或更低。或者，可以使用阳极排气的任何方便的分流。在本发明的各种实施方案中，再循环到阳极输入的量可以为分离后留下的阳极排气的至少大约10％，例如至少大约25％、至少大约40％、至少大约50％、至少大约60％、至少大约75％或至少大约90％。在这些实施方案中另外或或者，再循环到阳极输入的量可以为分离后留下的阳极排气的大约90％或更少，例如大约75％或更少、大约60％或更少、大约50％或更少、大约40％或更少、大约25％或更少、或大约10％或更少。再另外或或者，在本发明的各种实施方案中，再循环到燃烧装置的量可以为分离后留下的阳极排气的至少大约10％，例如至少大约25％、至少大约40％、至少大约50％、至少大约60％、至少大约75％或至少大约90％。在这些实施方案中另外或或者，再循环到燃烧装置的量可以为分离后留下的阳极排气的大约90％或更少，例如大约75％或更少、大约60％或更少、大约50％或更少、大约40％或更少、大约25％或更少、或大约10％或更少。
在本发明的另一些方面中，另外或或者，燃烧装置的燃料可以是具有提高量的惰性和/或在燃料中充当稀释剂的组分的燃料。CO2和N2是天然气进料中在燃烧反应过程中相对惰性的组分的实例。当燃料进料中的惰性组分量达到足够水平时，可影响涡轮机或其它燃烧源的性能。这种影响可部分归因于惰性组分的吸热能力，这倾向于猝熄燃烧反应。具有足够的惰性组分水平的燃料进料的实例可包括含有至少大约20体积％CO2的燃料进料或含有至少大约40体积％N2的燃料进料或含有具有足够惰性的热容以提供类似猝熄能力的CO2和N2的组合的燃料进料。(要指出，CO2的热容高于N2，因此较低浓度的CO2可具有与较高浓度的N2类似的影响。CO2也可比N2更容易地参与燃烧反应并在此时从该燃烧中除H2。H2的这种消耗可通过降低火焰速度和缩窄空气和燃料混合物的可燃范围而对燃料的燃烧具有极大影响。)更通常，对于含有影响燃料进料的可燃性的惰性组分的燃料进料，该燃料进料中的惰性组分可以为至少大约20体积％，如至少大约40体积％，或至少大约50体积％，或至少大约60体积％。优选地，该燃料进料中的惰性组分的量可以为大约80体积％或更少。
当在燃料进料中存在足量惰性组分时，所得燃料进料可能在进料的燃料组分的可燃窗口外。在这种类型的情况中，来自阳极排气的再循环部分的H2添加到发电机的燃烧区中可扩大燃料进料和H2的组合的可燃窗口，这能使例如含有至少大约20体积％CO2或至少大约40％N2(或CO2和N2的其它组合)的燃料进料成功燃烧。
相对于送往燃烧区的燃料进料和H2的总体积，用于扩大可燃窗口的H2量可以为燃料进料+H2的总体积的至少大约5体积％，如至少大约10体积％和/或大约25体积％或更低。表征为扩大可燃窗口而添加的H2量的另一选项可基于添加H2前的燃料进料中存在的燃料组分的量。燃料组分可相当于甲烷、天然气、其它烃和/或传统上被视为燃烧供能的涡轮机或其它发电机的燃料的其它组分。添加到燃料进料中的H2量可相当于燃料进料中的燃料组分的体积的至少大约1/3(1:3的H2:燃料组分)，如燃料组分的体积的至少大约一半(1:2)。另外或或者，添加到燃料进料中的H2量可大致等于燃料进料中的燃料组分的体积(1:1)或更低。例如，对于含有大约30体积％CH4、大约10％N2和大约60％CO2的进料，可以将足量阳极排气添加到燃料进料中以实现大约1:2的H2:CH4比。对仅含H2的理想化阳极排气，添加H2以实现1:2的比率会产生含有大约26体积％CH4、13体积％H2、9体积％N2和52体积％CO2的进料。
排气再循环
除向燃料电池阵列提供排气以捕集和最终分离CO2外，排气的另外或替代性的潜在用途可包括再循环回燃烧反应以提高CO2含量。当有氢气可用于添加到燃烧反应中，如来自燃料电池阵列的阳极排气的氢气时，可以由使用再循环的排气提高燃烧反应内的CO2含量获得进一步的益处。
在本发明的各种方面中，发电系统的排气再循环回路可接收第一部分燃烧排气，而燃料电池阵列可接收第二部分。再循环到发电系统的燃烧区的燃烧排气的量可以是任何方便的量，如至少大约15％(按体积计)，例如至少大约25％、至少大约35％、至少大约45％或至少大约50％。另外或或者，再循环到燃烧区的燃烧排气的量可以为大约65％(按体积计)或更低，例如大约60％或更低，大约55％或更低，大约50％或更低，或大约45％或更低。
在本发明的一个或多个方面中，氧化剂(如空气和/或富氧空气)和燃料的混合物可以燃烧并(同时)与再循环排气的料流混合。通常可包括燃烧产物如CO2的再循环排气的料流可用作稀释剂以控制、调节或以其它方式缓和燃烧温度和可进入后续膨胀机的排气的温度。由于使用富氧空气，再循环的排气可具有提高的CO2含量，由此能使膨胀机在相同的入口和排放温度下以更高膨胀比运行，由此能显著提高功率产生。
燃气轮机系统可代表可利用再循环排气增强该系统的性能的发电系统的一个实例。燃气轮机系统可具有经轴与膨胀机连接的第一/主压缩机。该轴可以是任何机械、电或其它动力联接器，由此能使膨胀机生成的一部分机械能驱动主压缩机。燃气轮机系统还可包括构造成燃烧燃料和氧化剂的混合物的燃烧室。在本发明的各种方面中，燃料可包括任何合适的烃气体/液体，如合成气、天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油柴油、煤油、航空燃料、煤衍生燃料、生物燃料、氧化烃原料或它们的任何组合。氧化剂在一些实施方案中可源自流体联接到燃烧室并适合压缩进料氧化剂的第二或入口压缩机。在本发明的一个或多个实施方案中，进料氧化剂可包括大气空气和/或富氧空气。当氧化剂包括仅富氧空气或包括大气空气和富氧空气的混合物时，可通过入口压缩机压缩富氧空气(在混合物的情况下，在与大气空气混合之前或之后)。富氧空气和/或空气-富氧空气混合物可具有至少大约25体积％，例如至少大约30体积％、至少大约35体积％、至少大约40体积％、至少大约45体积％或至少大约50体积％的总氧浓度。另外或或者，富氧空气和/或空气-富氧空气混合物可具有大约80体积％或更低，如大约70体积％或更低的总氧浓度。
富氧空气可衍生自若干来源中的任何一个或多个。例如，富氧空气可衍生自如膜分离、变压吸附、变温吸附、制氮装置副产物料流和/或它们的组合之类的分离技术。另外或或者，富氧空气可衍生自用于生产用于保持压力或其它用途的氮气的空气分离单元(ASU)，如深冷ASU。在本发明的某些实施方案中，来自这种ASU的废料流可以是富氧的，具有大约50体积％至大约70体积％的总氧含量，可用作富氧空气的至少一部分并且如果需要，随后用未加工的大气空气稀释以获得所需氧浓度。
除燃料和氧化剂外，燃烧室任选还可接收压缩的再循环排气，如主要具有CO2和氮组分的排气再循环。压缩的再循环排气可衍生自例如主压缩机并适合促进氧化剂和燃料的燃烧，例如通过温和燃烧产物的温度。可以认识到，该排气的再循环可用于提高CO2浓度。
导向膨胀机入口的排气可作为燃烧反应的产物生成。至少部分基于将再循环的排气引入燃烧反应，排气可具有提高的CO2含量。随着排气经膨胀机膨胀，其可生成机械动力以驱动主压缩机、驱动发电机和/或向其它设施供能。
该发电系统在许多实施方案中还可包括排气再循环(EGR)系统。在本发明的一个或多个方面中，EGR系统可包括热回收蒸汽发生器(HRSG)和/或与蒸汽轮机流体联接的另一类似装置。在至少一个实施方案中，HRSG和蒸汽轮机的组合可表征为发电的闭合兰金循环。与燃气轮机系统结合，HRSG和蒸汽轮机可构成联合循环发电厂，如天然气联合循环(NGCC)电厂的一部分。可以将气态排放物引入HRSG以生成蒸汽和冷却的排气。HRSG可包括用于从排气料流中分离和/或冷凝出水、传热以形成蒸汽和/或将料流压力调节至所需水平的各种单元。在某些实施方案中，可以将蒸汽送往蒸汽轮机以生成额外的电力。
在经过HRSG和任选除去至少一些H2O后，含CO2的排气料流在一些实施方案中可以再循环用作燃烧反应的输入。如上所述，排气料流可以压缩(或解压)以匹配燃烧反应容器内的所需反应压力。
集成系统的实例
图8示意性显示集成系统的一个实例，其包括将含CO2的再循环排气和来自燃料电池阳极排气的H2或CO都引入向涡轮机供能的燃烧反应。在图8中，该涡轮机可包括压缩机802、轴804、膨胀机806和燃烧区815。可以将氧源811(如空气和/或富氧空气)与再循环排气898合并，并在进入燃烧区815之前在压缩机802中压缩。可以将燃料812，如CH4，和任选含H2或CO的料流187送往燃烧区。燃料和氧化剂可以在区域815中反应并任选但优选通过膨胀机806以生成电力。来自膨胀机806的排气可用于形成两个料流，例如含CO2料流822(其可用作燃料电池阵列825的输入进料)和另一含CO2料流892(其可用作热回收和蒸汽发生器系统890的输入，这可以例如使得利用蒸汽轮机894生成额外电力成为可能)。在通过热回收系统890，包括从含CO2料流中任选除去一部分H2O后，输出料流898可以再循环以在压缩机802或未显示的第二压缩机中压缩。可基于用于添加到燃烧区815中的所需CO2量来确定膨胀机806的排气的用于含CO2料流892的比例。
本文所用的EGR比是排气的燃料电池相关部分的流速除以燃料电池相关部分和送往热回收发生器的回收相关部分的总流速。例如，图8中所示的料流的EGR比是料流822的流速除以料流822和892的总流速。
可以将含CO2料流822送入熔融碳酸盐燃料电池阵列825的阴极部分(未显示)。基于燃料电池阵列825内的反应，可以从料流822中分离CO2并送往燃料电池阵列825的阳极部分(未显示)。这可产生贫CO2的阴极输出料流824。然后可以将阴极输出料流824送入热回收(和任选蒸汽发生器)系统850以利用蒸汽轮机854(其可任选与上述蒸汽轮机894相同)生成热交换和/或额外发电。在通过热回收和蒸汽发生器系统850后，可以将所得废气流856排放到环境中和/或通过另一类型的碳捕集技术，如胺洗涤器。
在CO2从燃料电池阵列825的阴极侧传输到阳极侧后，可任选将阳极输出835送入水煤气变换反应器870。水煤气变换反应器870可用于以阳极输出835中存在的CO(和H2O)为代价生成额外的H2和CO2。然后可以将来自任选水煤气变换反应器870的输出送入一个或多个分离段840，如冷箱或深冷分离器。这可以将H2O料流847和CO2料流849与阳极输出的其余部分分离。阳极输出的其余部分885可包括通过重整生成但在燃料电池阵列825中未消耗的未反应H2。含H2料流885的第一部分845可以再循环到燃料电池阵列825中的阳极的输入。料流885的第二部分887可用作燃烧区815的输入。第三部分865可以原样用于另一用途和/或经处理以随后进一步使用。尽管图8和本文中的描述示意性详述达多三个部分，但预计根据本发明可以利用这三个部分的仅一个，可以仅利用其中两个，或可以利用所有这三个。
在图8中，用于排气再循环回路的排气由第一热回收和蒸汽发生器系统890提供，而第二热回收和蒸汽发生器系统850可用于捕集来自燃料电池阵列825的阴极输出的过量热。
图9显示一个备选实施方案，其中由用于加工燃料电池阵列输出的相同热回收蒸汽发生器提供排气再循环回路。在图9中，由热回收和蒸汽发生器系统950作为烟气流956的一部分提供再循环的排气998。这可省掉与涡轮机相关的单独热回收和蒸汽发生器系统。
在本发明的各种实施方案中，该方法可以以燃烧反应开始，该燃烧反应用于向涡轮机、内燃机或可将由燃烧反应生成的热和/或压力转化成另一形式的动力的另一系统供能。用于燃烧反应的燃料可包含或是氢气、烃和/或可氧化(燃烧)以释放能量的任何其它含碳化合物。除燃料仅含氢气时外，来自燃烧反应的排气的组成可具有取决于反应性质的一定范围的CO2含量(例如至少大约2体积％至大约25体积％或更低)。因此，在燃料为碳质燃料的某些实施方案中，排气的CO2含量可以为至少大约2体积％，例如至少大约4体积％、至少大约5体积％、至少大约6体积％、至少大约8体积％或至少大约10体积％。在这样的碳质燃料实施方案中另外或或者，CO2含量可以为大约25体积％或更低，例如大约20体积％或更低、大约15体积％或更低、大约10体积％或更低、大约7体积％或更低、或大约5体积％或更低。具有较低相对CO2含量的排气(对于碳质燃料)可相当于使用天然气之类的燃料在稀燃(过量空气)下的燃烧反应的排气。相对CO2含量较高的排气(对于碳质燃料)可对应于优化的天然气燃烧反应，如在排气再循环下的那些，和/或煤之类燃料的燃烧。
在本发明的一些方面中，用于燃烧反应的燃料可含有至少大约90体积％的含5个或更少碳的化合物，例如至少大约95体积％。在这样的方面中，该排气的CO2含量可以为至少大约4体积％，例如至少大约5体积％、至少大约6体积％、至少大约7体积％或至少大约7.5体积％。另外或或者，该排气的CO2含量可以为大约13体积％或更低，例如大约12体积％或更低，大约10体积％或更低，大约9体积％或更低，大约8体积％或更低，大约7体积％或更低，或大约6体积％或更低。该排气的CO2含量可代表取决于燃烧供能发电机的配置的数值范围。排气的再循环可有益于实现至少大约6体积％的CO2含量，而将氢气添加到燃烧反应中能使CO2含量进一步提高以实现至少大约7.5体积％的CO2含量。
备选配置–高强度NOx涡轮机
燃气轮机的运行可受若干因素限制。一个典型限制可以说是可以将燃烧区中的最大温度控制在一定界限以下以实现足够低的氮氧化物(NOx)浓度，从而满足监管排放限值。当使燃烧排气排放到环境中时，监管排放限值可要求燃烧排气具有大约20vppm或更低，可能10vppm或更低的NOx含量。
燃烧天然气的燃烧轮机中的NOx形成可以随温度和停留时间而不同。导致形成NOx的反应在大约1500℉的火焰温度以下具有降低的和/或极小的重要性，但随着温度提高到超过这一点，NOx产生可快速增加。在燃气轮机中，可以将初始燃料产物与额外空气混合以将该混合物冷却到大约1200℉的温度并可通过膨胀机叶片的冶金学限制温度。早期的燃气轮机通常在具有温度远超过1500℉的化学计量区的扩散火焰中实施燃烧，导致较高的NOx浓度。最近，目前这一代“干式低NOx”(DLN)燃烧器可以使用特殊的预混燃烧器在更冷的稀燃(比化学计算量少的燃料)条件下燃烧天然气。例如，可以将较多稀释空气混入初始火焰中，稍后可混入较少以使温度降到～1200℉透平膨胀机入口温度。DLN燃烧器的缺点可包括降燃(turndown)时的不良性能、较高维护、窄运行范围和差燃料灵活性。后者可能是要关注的，因为DLN燃烧器可更难用于品质各异的燃料(或根本很难用于液体燃料)。对于低BTU燃料，如含有高CO2含量的燃料，通常不使用DLN燃烧器而是可使用扩散燃烧器。此外，可以使用更高的透平膨胀机入口温度提高燃气轮机效率。但是，由于稀释空气的量有限并且这种量可随透平膨胀机入口温度提高而降低，随着燃气轮机的效率改进，DLN燃烧器可变得更不太有效地保持低NOx。
在本发明的各种方面中，将燃气轮机与用于碳捕集的燃料电池集成的系统允许使用更高的燃烧区温度，同时降低和/或将额外NOx排放减至最低，以及能通过使用目前与DLN燃烧器不相容的涡轮机燃料实现类似DLN的NOx节约。在这样的方面中，涡轮机可以在造成较高NOx排放的较高功率(即较高温度)以及较高功率输出和可能较高效率下运行。在本发明的一些方面中，燃烧排气中的NOx量可以为至少大约20vppm，如至少大约30vppm，或至少大约40vppm。另外或或者，燃烧排气中的NOx量可以为大约1000vppm或更低，如大约500vppm或更低，或大约250vppm或更低，或大约150vppm或更低，或大约100vppm或更低。为了将NOx水平降至规章要求的水平，所产生的NOx可通过经几种机制之一的热NOx破坏(将NOx水平降至排气料流中的平衡水平)来平衡，所述机制例如为气相中的简单热破坏；由燃料电池阵列中的镍阴极催化剂催化的破坏；和/或通过注入少量氨、脲或其它还原剂而在燃料电池前的辅助热破坏。这可通过引入衍生自阳极排气的氢气辅助。可通过电化学破坏实现燃料电池的阴极中的NOx的进一步降低，其中NOx可以在阴极表面反应并可被破坏。这造成一些氮穿过膜电解质传输到阳极，在此其可形成氨或其它还原的氮化合物。就涉及MCFC的NOx减少方法而言，来自燃料电池/燃料电池阵列的预期NOx减少可以为燃料电池阴极的输入中的NOx的大约80％或更低，如大约70％或更低，和/或至少大约5％。要指出，在传统系统中硫化物腐蚀也可限制温度并影响涡轮机叶片冶金学。但是，MCFC系统的硫限制可通常要求降低的燃料硫含量，这降低或最大限度减少与硫化物腐蚀有关的问题。在低燃料利用率下运行MCFC阵列可进一步缓解这些问题，如在用于燃烧反应的一部分燃料相当于来自阳极排气的氢气的方面中。
在低电压下运行燃料电池
传统燃料电池实践教导了熔融碳酸盐和固体氧化物燃料电池应运行至使功率密度最大化。使功率密度最大化的能力可受到满足其它运行约束条件(如跨过燃料电池的温差)的需求限制。通常，选择燃料电池参数以在考虑到其它约束条件的前提下尽可能大地优化功率密度。例如，NETL燃料电池手册的图6-13和围绕图6-13的论述教导了在燃料利用率降低时发生的燃料转化率降低阻碍了在低燃料利用率下运行燃料电池。通常，需要较高工作电压VA以提高功率密度。
本发明的一个方面可以是在低燃料利用率下运行燃料电池和通过降低电压克服CH4转化率降低的问题。降低的电压可提高可供用于转化反应的热量。在各种方面中，燃料电池可以在小于大约0.7伏特，例如小于大约0.68V、小于大约0.67V、小于大约0.66V、或大约0.65V或更低的电压VA下运行。另外或或者，燃料电池可以在至少大约0.60，例如至少大约0.61、至少大约0.62或至少大约0.63的电压VA下运行。在这种情况下，随着电压降低，原本在高电压下会作为电能离开燃料电池的能量可作为热留在电池内。这种额外的热能够允许增加的吸热反应，例如提高CH4转化成合成气的转化率。
进行一系列模拟以举例说明根据本发明运行熔融碳酸盐燃料电池的益处。具体而言，进行模拟以举例说明经不同的燃料利用率在较低电压下运行燃料电池的益处。在较低电压和低燃料利用率下运行燃料电池的影响显示在图12和13中。图12以与NETL燃料电池手册的图6-13类似的表示法图示了燃料电池的一个模型。用于产生图12中所示结果的模拟在恒定CH4流速下运行。图12显示可在不同工作电压下在不同燃料利用率1210百分比下发生的转化率1220。在高电压(0.8V)1250下，随着燃料利用率降低，CH4转化率也看起来降至低水平。随着电压降低(至0.7V,1240和0.6V,1230)，在建模的各燃料利用率点下的CH4转化率看起来高于在0.8V下的相应转化率。尽管图12显示CH4转化率仅提高数个百分比，但如图13中所示，该影响实际上可相当显著。
用于产生图13中所示结果的模拟不是在CH4的恒定流速下进行，而是在恒定燃料电池面积下进行。在图13中，不以CH4转化百分比为基础而是以固定燃料电池面积下的CH4绝对流速为基础图示说明燃料电池的相同运行。X轴1310显示燃料利用率且y轴1320显示标准化CH4转化率。曲线1330显示在0.6V下产生的模拟结果。曲线1340显示在0.7V下产生的模拟结果。曲线1350显示在0.8V下产生的模拟结果。对于图12和13中所示的数据，随着燃料利用率降低，尤其是随着电压降低，电流密度看起来提高大于5倍。因此，在与本发明的方面一致的运行条件下可通过降低工作电压来提高功率密度。提高的功率密度和较低电压看起来不同于在传统运行过程中实现的影响，其中较低工作电压通常造成较低功率密度。如图13中所示，对总CH4转化率的影响看起来是显著：在降低电压时，在较低燃料利用率下实现高得多的CH4转化率，其作为绝对流速测得。
附加实施方案
实施方案1.一种捕集来自燃烧源的二氧化碳的方法，所述方法包括：捕集来自燃烧源的输出料流，所述捕集的输出料流包含氧气和二氧化碳；用一个或多个熔融碳酸盐燃料电池的燃料电池阵列加工所述捕集的输出料流以形成来自所述燃料电池阵列的至少一个阴极出口的阴极排气料流，所述一个或多个熔融碳酸盐燃料电池包含一个或多个燃料电池阳极和一个或多个燃料电池阴极，所述一个或多个熔融碳酸盐燃料电池经至少一个阴极入口在操作上连向来自燃烧源的捕集的输出料流；使来自所述一个或多个燃料电池阴极的碳酸盐与H2在所述一个或多个燃料电池阳极内反应以产生电力和来自所述燃料电池阵列的至少一个阳极出口的阳极排气料流，所述阳极排气料流包含CO2和H2；任选使所述阳极排气料流经过水煤气变换反应阶段以形成任选变换的阳极排气料流；在一个或多个分离阶段中从任选变换的阳极排气料流中分离二氧化碳以形成脱CO2的阳极排气料流；和将至少一部分脱CO2的阳极排气料流再循环到所述一个或多个燃料电池阳极，与碳酸盐反应的至少一部分H2包含来自所述再循环的至少一部分脱CO2的阳极排气料流的H2。
实施方案2.实施方案1的方法，其中阳极排气料流的H2含量为至少大约10体积％(例如至少大约20体积％)。
实施方案3.上述实施方案任一项的方法，其中所述一个或多个燃料电池阳极的燃料利用率为大约60％或更低(例如大约50％或更低)。
实施方案4.上述实施方案任一项的方法，其中所述一个或多个燃料电池阳极的燃料利用率为至少大约30％(例如至少大约40％)。
实施方案5.上述实施方案任一项的方法，其中阴极排气具有大约2.0体积％或更低(例如大约1.5体积％或更低)的CO2含量。
实施方案6.上述实施方案任一项的方法，其进一步包括将含碳燃料送入所述一个或多个燃料电池阳极。
实施方案7.实施方案6的方法，其中所述含碳燃料在组件内的至少一个重整阶段中重整，所述组件包含所述至少一个重整阶段和所述燃料电池阵列。
实施方案8.实施方案6或7的方法，其中来自所述再循环的至少一部分脱CO2的阳极排气料流的H2构成阳极输入料流的至少大约5体积％。
实施方案9.实施方案8的方法，其中在进入所述一个或多个燃料电池阳极之前，将所述含碳燃料送入所述一个或多个燃料电池阳极，而不将所述含碳燃料送入重整阶段。
实施方案10.实施方案6-9任一项的方法，其中所述含碳燃料包含甲烷。
实施方案11.上述实施方案任一项的方法，其中将所述至少一部分脱CO2的阳极排气料流再循环到所述一个或多个阳极，而不将一部分阳极排气料流直接或间接再循环到所述一个或多个阴极。
实施方案12.上述实施方案任一项的方法，其中所述捕集的输出料流包含至少大约4体积％CO2。
实施方案13.上述实施方案任一项的方法，其中所述捕集的输出料流包含大约8体积％CO2或更低。
实施例
进行一系列模拟以证实对于用燃料电池分离CO2使用改进的配置的益处。这些模拟基于发电系统中的各种部件的经验模型。这些模拟基于根据质量平衡和能量平衡考虑测定系统内的稳态条件。
对于涡轮机的燃烧反应，该模型包括对燃烧区进料中的各燃料组分(如C1-C4烃、H2和/或CO)的预期燃烧能量值和预期燃烧产物。这用于测定燃烧排气组成。阳极前的初始重整区使用“理想化”重整反应运行以将CH4转化成H2。将阳极反应建模以在阳极运行过程中进一步重整。要指出，该阳极的经验模型不要求阳极中的初始H2浓度以在阳极中发生重整。阳极和阴极反应都建模成在作为模型输入选择的利用率下将预期输入转化成预期输出。初始重整区和阳极/阴极反应的模型包括进行该反应所需的预期热能量。该模型还基于在燃料电池中消耗的反应物的量和反应物的利用率根据能斯特方程测定产生的电流。对于输入燃烧区或阳极/阴极燃料电池的不直接参与模型部件内的反应的物类，这些物类作为排气或输出的一部分经过模型区。
除化学反应外，该系统的部件还具有预期的热输入/输出值和效率。例如，深冷分离器具有基于分离出的CO2和H2O体积而需要的能量，以及基于压缩和留在阳极输出流中的气体体积而需要的能量。还测定用于水煤气变换反应区(如果存在)和用于再循环排气的压缩的预期能量消耗。在该模型中还使用基于由热交换生成的蒸汽的预期发电效率。
用于模拟的基础配置包括燃气轮机组合，其包括压缩机、燃烧区和膨胀机，类似于图8中的配置。在该基础配置中，向燃烧区815提供天然气燃料输入812。该天然气输入包括～93％CH4、～2％C2H6、～2％CO2和～3％N2。压缩机802的氧化剂进料811具有空气的代表性组成，包括大约70％N2和大约18％O2。在经过膨胀机806后，使一部分燃烧排气892经过热回收蒸汽发生系统890，然后再循环到压缩机802。将其余燃烧排气822送入燃料电池阴极。在经过燃料电池阴极后，阴极排气824离开该系统。除非另行规定，再循环回燃烧区的燃烧排气部分892为～35％。燃烧排气的这一再循环部分有助于提高燃烧区输出物的CO2含量。由于选择燃料电池面积以将阴极输出中的CO2浓度降至～1.45％的固定值，发现燃烧排气的再循环改进CO2捕集效率。
在本发明的各种方面中，发电系统的排气再循环回路可接收第一部分燃烧排气，而燃料电池阵列可接收第二部分。由于可以运行燃料电池阵列以从排气中除去CO2，来自燃料电池阵列的阴极排气的CO2含量可相对较低，因此不益于添加到燃烧反应中。再循环到发电系统的燃烧区的燃烧排气的量可以是任何方便的量，如至少大约15％(按体积计)，例如至少大约25％、至少大约35％，或至少大约45％。另外或或者，再循环到燃烧区的排气量可以为大约65％(按体积计)或更低，例如大约55％或更低，或大约45％或更低。
在该基础配置中，燃料电池作为具有适合加工燃烧排气的尺寸的单一燃料电池建模。进行这种建模以代表使用具有与模型电池相同的活性面积的相应多个并联布置的燃料电池(燃料电池堆)。除非另行规定，将燃料电池的阳极中的燃料利用率设定为～75％。燃料电池面积可变，以致所选燃料利用率导致燃料电池在～0.7伏特的恒定燃料电池电压和～1.45体积％的恒定CO2阴极输出/排气浓度下运行。
在该基础配置中，阳极燃料输入流832提供上述天然气组合物作为阳极进料。也存在蒸汽以提供～2:1的输入燃料中的汽碳比。任选地，该天然气输入在进入阳极之前可经过重整以将天然气中的一部分CH4转化成H2。当存在预先重整阶段时，可以在进入阳极之前重整～20％的CH4以生成H2。使阳极输出825经过深冷分离器840以除去H2O和CO2。分离后剩余的阳极输出部分根据各实施例的配置进行加工。
对于给定配置，可以在稳态下计算各种值。对于燃料电池，测定阳极排气中的CO2量和阴极排气中的O2量。在各计算内将燃料电池的电压固定为～0.7V。对于可造成较高最大电压的条件，以额外电流为交换，逐步降低电压以利于模拟之间的比较。也测定实现～1.45体积％的最终阴极排气CO2浓度所需的燃料电池面积以便测定每燃料电池面积的电流密度。
另一组值与CO2排放有关。基于生成的总CO2对经深冷分离器捕集和除去的CO2量(兆吨/年)测定通过该系统捕集的CO2百分比。未捕集的CO2相当于作为阴极排气的一部分“损失”的CO2。基于捕集的CO2量，也可测定捕集每吨CO2所需的燃料电池面积。
该模拟中测定的其它值包括相对于阳极进料中的碳量和N2量，阳极进料中的H2量。要指出，如对典型的真实天然气进料所预期，用于燃烧区和阳极进料的天然气包括一部分N2。因此，N2存在于阳极进料中。也测定为重整而加热阳极进料所需的热(或等效地，蒸汽)量。基于深冷分离阶段中的压缩和分离所需的功率测定类似的功率代价。对于其中将一部分阳极排气再循环到燃烧涡轮机的配置，也测定对应于H2的涡轮机燃料百分比。基于该涡轮机、燃料电池的运行和生成的过量蒸汽以及为了加热重整区、压缩和/或分离而消耗的任何功率，测定该系统的总净功率以便基于用作该涡轮机和阳极的进料的天然气(或其它燃料)的量测定净电效率。
图10显示来自基于几种配置变体进行的模拟的结果。图10显示与基础配置对应的配置以及其中将一部分阳极输出835再循环到阳极输入845的几种配置。在图10中，第一配置(1a)基于将二氧化碳和水分离阶段后剩余的阳极输出送入位于涡轮机燃烧区后的燃烧器。这提供用于重整反应的热，还为阴极输入提供额外的二氧化碳。配置1a代表传统系统，如上文提到的Manzolini参考文献，只是Manzolini参考文献没有描述排气的再循环。使用阳极输出835作为燃烧器的进料导致为了将阴极输出的CO2含量降至～1.45体积％的预测燃料电池面积为～208km2。作为阴极排气的一部分损失的CO2量为～111lbsCO2/MWhr。由于捕集CO2所需的大燃料电池面积，产生的净功率为～724MW/小时。基于这些值，可以计算捕集固定量的CO2所需的燃料电池面积量，如在一年运行期间捕集一兆吨CO2所需的燃料电池面积。对于配置1a，所需燃料电池面积为～101.4km2*年/兆吨-CO2。相对于发电系统中使用的所有燃料的能量含量的电力发生效率为～58.9％。通过比较，无任何形式的碳捕集的涡轮机的电效率为～61.1％。
在第二组配置(2a–2e)中，将阳极输出835再循环到阳极输入845。配置2a代表阳极输出在分离后到阳极输入的基础再循环。配置2b包括在二氧化碳分离阶段前的水煤气变换反应区870。配置2c不包括在阳极输入前的重整阶段。配置2d包括重整阶段，但以～50％而非～75％的燃料利用率运行。配置2e以～50％的燃料利用率运行并且没有在阳极前的重整阶段。
如配置2a中所示，将阳极输出再循环回阳极输入导致所需燃料电池面积降至～161km2。但是，来自阴极排气的CO2损失增加到～123lbsCO2/MWhr。这归因于通过阳极排气在涡轮机后的燃烧器中的燃烧而不向阴极输入中加入额外的CO2这一事实。相反，阴极输入的CO2含量仅基于燃烧区的CO2输出。配置2a中的净结果是～87.5km2*年/兆吨-CO2的捕集每吨CO2的较低燃料电池面积，但稍高的CO2排放量。由于降低的燃料电池面积，生成的总功率为～661MW。尽管在配置2a中产生的净功率比配置1a中的净功率低大约10％，但燃料电池面积降低大于20％。电效率为～58.9％。
在配置2b中，附加的水煤气变换反应区提高送往阳极的氢气含量，这降低阳极反应所需的燃料量。在配置2b中包括水煤气变换反应区导致所需燃料电池面积降至～152km2。来自阴极排气的CO2损失为～123lbsCO2/MWhr。捕集每兆吨CO2的燃料电池面积为～82.4km2*年/兆吨-CO2。产生的总功率为～664MW。电效率为～59.1％。
配置2c可通过消除在进入阳极前发生的燃料重整而进一步利用阳极再循环中的氢气含量。在配置2c中，在阳极本身内仍可发生重整。但是，不同于在进入燃料电池阳极前结合单独重整阶段的传统系统，配置2c依赖再循环阳极气体的氢气含量提供用于维持阳极反应的最低氢气含量。由于不需要单独重整阶段，不消耗热能来保持重整阶段的温度。配置2c导致所需燃料电池面积降至～149km2。来自阴极排气的CO2损失为～122lbsCO2/MWhr。捕获每吨CO2的燃料电池面积为～80.8km2*年/兆吨-CO2。产生的总功率为～676MW。电效率为～60.2％。基于模拟结果，消除重整步骤看起来对所需燃料电池面积只有轻微影响，但电效率看起来与配置2b相比改进大约1％。对于工业规模的发电厂，甚至仅1％的效率改进也被认为代表在一年期间巨大的发电优势。
在配置2d中，在进入阳极前仍进行重整以将输入阳极的甲烷的～20％转化成H2。但是，将阳极内的燃料利用率从～75％降至～50％。这导致所需燃料电池面积显著降至～113km2。来自阴极排气的CO2损失为～123lbsCO2/MWhr。捕获每吨CO2的燃料电池面积为～61.3km2*年/兆吨-CO2。产生的总功率为～660MW。电效率为～58.8％。基于模拟结果，降低燃料利用率提供了燃料电池面积的显著降低。另外，与配置2b和2e相比，配置2d出乎意料地提供用于实现所需CO2脱除水平的最低燃料电池面积。
配置2e结合了～50％的降低的燃料利用率以及消除阳极入口前的重整阶段。这一配置提供改进的电效率和降低的燃料电池面积的组合。但是，燃料电池面积略大于配置2d中所需的燃料电池面积。这是令人惊讶的，因为在配置2c中消除阳极入口前的重整阶段与配置2b相比降低了燃料电池面积。基于此，原本预计配置2e会提供与配置2d相比燃料电池面积的进一步降低。在配置2e中，来自阴极排气的CO2损失为～124lbsCO2/MWhr。捕获每吨CO2的燃料电池面积为～65.0km2*年/兆吨-CO2。产生的总功率为～672MW。电效率为～59.8％。要指出，配置2d产生仅比配置2e低2％的功率，而配置2d的燃料电池面积比配置2e低至少6％。
图11显示来自基于几种配置变体和备选运行条件进行的模拟的结果。图11的模拟考虑比上文参考图10解释的模拟多的因素。在其它方面，图11中所示的模拟类似于图10中所示的模拟，其中加入少数变动。例如，除图10模拟中所用的大约0.7伏特外，各情形还在大约0.65伏特下模拟。此外，在各配置中还加入具有0％EGR的情形。图11显示与基础配置对应的配置以及其中将一部分阳极输出再循环到阳极输入的几种配置。除非注明，对于图10中所示的模拟结果，排气再循环为大约35％。在图11中，各配置如所示在～35％或0％EGR下运行。
除不同的配置和备选运行条件外，图11显示图10中未显示的另一些参数。例如，图11包括近似燃料利用率、近似汽碳比、EGR再循环％，无论在该配置中是否存在水煤气变换反应器以加工阳极排气、近似内部重整％、阴极入口中的近似CO2浓度和阴极排气中的近似O2含量。
在图11中，列1104中所示的第一配置(0)基于将二氧化碳和水分离阶段后剩余的阳极输出送入位于涡轮机燃烧区后的燃烧器。这提供用于重整反应的热，还为阴极输入提供额外的二氧化碳。配置0不包括EGR。配置0提供用于与不包括EGR的其它模拟比较的有用的基础情形。配置0代表传统系统，如上文提到的Manzolini参考文献。使用阳极输出作为燃烧器的进料导致用于将阴极输出的CO2含量降至～1.5体积％的预测燃料电池面积为～185km2。作为阴极排气的一部分损失的CO2量为～212lbsCO2/MWhr。由于捕集CO2所需的大燃料电池面积，产生的净功率为～679MW/小时。基于这些值，可以计算捕集固定量的CO2所需的燃料电池面积量，如在一年运行期间捕集一兆吨CO2所需的燃料电池面积。对于配置0，捕集一兆吨所需的燃料电池面积为～113.9km2*年/兆吨-CO2。相对于发电系统中使用的所有燃料的能量含量的电力发生效率为～57.6％。
在图11中，列1106中所示的第二基础配置(1a)基于将二氧化碳和水分离阶段后剩余的阳极输出送入位于涡轮机燃烧区后的燃烧器。这提供用于重整反应的热，还为阴极输入提供额外的二氧化碳。配置1a代表传统系统，如上文提到的Manzolini参考文献，只是Manzolini参考文献没有描述排气的再循环。使用阳极输出作为燃烧器的进料导致用于将阴极输出的CO2含量降至～1.5体积％的预测燃料电池面积为～215km2。作为阴极排气的一部分损失的CO2量为～148lbsCO2/MWhr。由于捕集CO2所需的大燃料电池面积，产生的净功率为～611MW/小时。基于这些值，可以计算捕集固定量的CO2所需的燃料电池面积量，如在一年运行期间捕集兆吨CO2所需的燃料电池面积。对于配置1a，捕集一兆吨所需的燃料电池面积为～114.2km2*年/兆吨-CO2。相对于发电系统中使用的所有燃料的能量含量的电力发生效率为～51.2％。可以将基础情形1a与基础情形0相比较以显示增加～35％的排气再循环的结果。
在图11中，列1108中所示的第三基础配置(1b)基于将二氧化碳和水分离阶段后剩余的阳极输出送入位于涡轮机燃烧区后的燃烧器。这提供用于重整反应的热，还为阴极输入提供额外的二氧化碳。基础情形1b包括在二氧化碳和水分离阶段前的水煤气变换反应器以加工阳极排气。配置1b代表传统系统，如上文提到的Manzolini参考文献，只是Manzolini参考文献没有描述排气的再循环或水煤气变换反应器。使用阳极输出作为燃烧器的进料导致用于将阴极输出的CO2含量降至～1.5体积％的预测燃料电池面积为～197km2。作为阴极排气的一部分损失的CO2量为～147.5lbsCO2/MWhr。由于捕集CO2所需的大燃料电池面积，产生的净功率为～609MW/小时。基于这些值，可以计算捕集固定量的CO2所需的燃料电池面积量，如在一年运行期间捕集兆吨CO2所需的燃料电池面积。对于配置1b，捕集一兆吨所需的燃料电池面积为～107.6km2*年/兆吨-CO2。相对于发电系统中使用的所有燃料的能量含量的电力发生效率为～52.1％。可以将基础情形1b与基础情形1a相比较以显示增加水煤气变换反应器的结果。可以将基础情形1b与基础情形0相比较以显示增加水煤气变换反应器和～35％的排气再循环的结果。
在第二组配置(2a–2e)中，将阳极输出再循环到阳极输入。配置2a代表阳极输出在水和二氧化碳分离后到阳极输入的基础再循环。配置2b包括在二氧化碳分离阶段前的水煤气变换反应区。配置2c不包括在阳极输入前的重整阶段。配置2d包括重整阶段，但以～50％而非～75％的燃料利用率运行。配置2e以～50％的燃料利用率运行并且没有在阳极前的重整阶段。配置2g包括重整阶段并类似于配置2b和2d，但以～30％的燃料利用率运行。
模拟对2a配置的三种变化。列1110中所示的2a模拟结果基于包括EGR的配置，而列1112中所示的模拟结果基于不包括EGR的配置。列1112中所示的模拟结果基于不包括EGR并保持大约0.65的工作电压的配置。在列1110和1112的模拟中，保持大约0.65的工作电压。
如配置2a中所示将阳极输出再循环回阳极输入导致与相关基础情形相比所需燃料电池面积降低。在列1110中所需燃料电池面积为～174km2，在列1112中所需燃料电池面积为～169km2，且在列1110中所需燃料电池面积为～131km2。可以看出，降低的电压导致较低的燃料电池面积。
2a配置改变来自阴极排气的CO2排放。在列1110中CO2排放为～141lbsCO2/MWhr，在列1112中CO2排放为～217.9lbsCO2/MWhr，在列1114中，CO2排放为～141lbsCO2/MWhr。
在配置2b中，在除去水和二氧化碳之前包括水煤气变换反应区以加工阳极出口流。模拟对2b配置的三种变化。列1116中所示的2b模拟结果基于包括EGR的配置，而列1118中所示的模拟结果基于不包括EGR的配置。列1120中所示的模拟结果基于不包括EGR并保持大约0.65的工作电压的配置。在列1116和1118的模拟中，保持大约0.65的工作电压。
在配置2b中，附加的水煤气变换反应区提高送往阳极的氢气含量，这降低阳极反应所需的燃料量。在配置2b中包括水煤气变换反应区导致所需燃料电池面积在列1116中为～168km2、在列1118中为～164km2和在列1120中为～129km2。来自阴极排气的CO2损失在列1116中为～143lbsCO2/MWhr、在列1118中为～217.5lbsCO2/MWhr和在列1120中为～218.7lbsCO2/MWhr。捕集每兆吨CO2的燃料电池面积在列1116中为～101.1km2*年/兆吨-CO2、在列1118中为～114.9km2*年/兆吨-CO2和在列1120中为～90.1km2*年/兆吨-CO2。
配置2c可通过消除在进入阳极前发生的燃料重整而进一步利用阳极再循环中的氢气含量。在配置2c中，在阳极本身内仍可发生重整。但是，不同于在进入燃料电池阳极前结合单独重整阶段的传统系统，配置2c依赖再循环阳极气体的氢气含量提供用于维持阳极反应的最低氢含气量。由于不需要单独重整阶段，不消耗热能来保持重整阶段的温度。
模拟对2c配置的四种变化。列1122和1124中所示的2c模拟结果基于包括EGR的配置，而列1126和1128中所示的模拟结果基于不包括EGR的配置。列1122和1126中所示的模拟结果基于其中保持大约0.70的工作电压的模拟。列1124和1128中所示的模拟结果基于其中保持大约0.65的工作电压的模拟。
配置2c导致所需燃料电池面积对列1122而言为～161km2、对列1124而言为～126km2、对列1126而言为～157km2和对列1128而言为～126km2。来自阴极排气的CO2损失对列1122而言为～142.5lbsCO2/MWhr、对列1124而言为～143.5lbsCO2/MWhr、对列1126而言为～223.7lbsCO2/MWhr和对列1128而言为～225.5lbsCO2/MWhr。
在配置2d中，在与配置2b类似的布置中在进入阳极前仍进行重整以将输入阳极的甲烷的～20％转化成H2。不同于2b，将阳极内的燃料利用率从～75％降至～50％。
模拟对2d配置的四种变化。列1130和1132中所示的2d模拟结果基于包括EGR的配置，而列1134和1136中所示的模拟结果基于不包括EGR的配置。列1130和1134中所示的模拟结果基于其中保持大约0.70的工作电压的模拟。列1132和1136中所示的模拟结果基于其中保持大约0.65的工作电压的模拟。
配置2e结合了2d的～50％的降低的燃料利用率以及2c的消除阳极入口前的重整阶段。模拟对2e配置的四种变化。列1138和1140中所示的2e模拟结果基于包括EGR的配置，而列1142和1144中所示的模拟结果基于不包括EGR的配置。列1138和1142中所示的模拟结果基于其中保持大约0.70的工作电压的模拟。列1140和1144中所示的模拟结果基于其中保持大约0.65的工作电压的模拟。
在配置2g中，在与配置2b和2d类似的布置中在进入阳极前仍进行重整以将输入阳极的甲烷的～20％转化成H2。不同于2b和2d，将阳极内的燃料利用率从～75％或～50％降至～30％。
列1150描述了用与图9中所示的配置类似的配置进行的模拟的结果。在图9中，EGR998首先经过阴极，然后经过HRSG854。进行对这种配置的基础情形模拟。来自基础情形的模拟结果显示在列1109中。不同于基础情形，列1150的模拟结果基于～50％而非～75％的燃料利用率。此外，列1150的模拟结果基于其中在与配置2b和2d类似的布置中在进入阳极前仍进行重整以将输入阳极的甲烷的～20％转化成H2的配置。
尽管已就具体实施方案描述了本发明，但其不限于此。适用于在具体条件下的运行的变更/修改对本领域技术人员是显而易见的。因此下列权利要求意在被解释为涵盖落在本发明的真实精神/范围内的所有这样的变更/修改。

Claims (13)

1.一种捕集来自燃烧源的二氧化碳的方法，所述方法包括：
捕集来自燃烧源的输出料流，所述捕集的输出料流包含氧气和二氧化碳；
用一个或多个熔融碳酸盐燃料电池的燃料电池阵列加工所述捕集的输出料流以形成来自所述燃料电池阵列的至少一个阴极出口的阴极排气料流，所述一个或多个熔融碳酸盐燃料电池包含一个或多个燃料电池阳极和一个或多个燃料电池阴极，所述一个或多个熔融碳酸盐燃料电池经至少一个阴极入口在操作上连向来自燃烧源的捕集的输出料流；
使来自所述一个或多个燃料电池阴极的碳酸盐与H2在所述一个或多个燃料电池阳极内反应以产生电力和来自所述燃料电池阵列的至少一个阳极出口的阳极排气料流，所述阳极排气料流包含CO2和H2；
任选使所述阳极排气料流经过水煤气变换反应阶段以形成任选变换的阳极排气料流；
在一个或多个分离阶段中从任选变换的阳极排气料流中分离二氧化碳以形成脱CO2的阳极排气料流；和
将至少一部分脱CO2的阳极排气料流再循环到所述一个或多个燃料电池阳极，与碳酸盐反应的至少一部分H2包含来自所述再循环的至少一部分脱CO2的阳极排气料流的H2。
2.权利要求1的方法，其中阳极排气料流的H2含量为至少大约10体积％(例如至少大约20体积％)。
3.上述权利要求任一项的方法，其中所述一个或多个燃料电池阳极的燃料利用率为大约60％或更低(例如大约50％或更低)。
4.上述权利要求任一项的方法，其中所述一个或多个燃料电池阳极的燃料利用率为至少大约30％(例如至少大约40％)。
5.上述权利要求任一项的方法，其中阴极排气具有大约2.0体积％或更低(例如大约1.5体积％或更低)的CO2含量。
6.上述权利要求任一项的方法，其进一步包括将含碳燃料送入所述一个或多个燃料电池阳极。
7.权利要求6的方法，其中所述含碳燃料在组件内的至少一个重整阶段中重整，所述组件包含所述至少一个重整阶段和所述燃料电池阵列。
8.权利要求6或7的方法，其中来自所述再循环的至少一部分脱CO2的阳极排气料流的H2构成阳极输入料流的至少大约5体积％。
9.权利要求8的方法，其中在进入所述一个或多个燃料电池阳极之前，将所述含碳燃料送入所述一个或多个燃料电池阳极，而不将所述含碳燃料送入重整阶段。
10.权利要求6-9任一项的方法，其中所述含碳燃料包含甲烷。
11.上述权利要求任一项的方法，其中将所述至少一部分脱CO2的阳极排气料流再循环到所述一个或多个阳极，而不将一部分阳极排气料流直接或间接再循环到所述一个或多个阴极。
12.上述权利要求任一项的方法，其中所述捕集的输出料流包含至少大约4体积％CO2。
13.上述权利要求任一项的方法，其中所述捕集的输出料流包含大约8体积％CO2或更低。
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