CN105579392B - 用于增强的燃料电池合成气制备的阴极燃烧 - Google Patents

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Abstract

熔融碳酸盐燃料电池利用包含部分可燃气体的阴极入口料流运行，所述可燃气体可为烃、氢气或与氧结合在阴极催化表面上形成热的其它气体。可燃气体可在阴极和/或与阴极热集成的段中反应。在阴极中通过燃烧反应产生的热可例如用于使其它吸热反应(例如重整)在燃料电池的阳极部分中发生，同时仍保持经过燃料电池的所需温度梯度。任选地，可改进燃料电池的阴极以进一步增强或控制阴极内的燃烧，例如通过在阴极中引入额外的催化表面。

Description

用于增强的燃料电池合成气制备的阴极燃烧
发明领域
在各种方面中，本发明涉及运行熔融碳酸盐燃料电池的方法。
发明背景
熔融碳酸盐燃料电池使用氢气和/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发热，燃料电池内的燃料利用率通常保持在70％至75％。
美国专利申请公开第2011/0111315号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程。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。
美国专利申请公开第2005/0123810号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分离单元，所述分离单元构造成接收阳极排气料流并分离氢气。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。
美国专利申请公开第2003/0008183号描述了一种用于氢气和电能联产的系统和方法。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。
美国专利第5,084,362号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。
Journal of Fuel Cell Science and Technology中的一篇文章(G.Manzolini等人,J.Fuel Cell Sci.and Tech.,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地用作燃料电池阴极的输入。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了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(即产生的电能/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.of Hydrogen Energy,第37卷,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。模型参数描述了50.3％的MCFC电效率。
发明概述
在一方面，提供了一种发电的方法。所述方法包括将包含可重整燃料的阳极燃料料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阳极、与熔融碳酸盐燃料电池的阳极相关的内部重整元件或其组合；将包含CO2、O2和一种或多种燃料化合物的阴极入口料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极，其中一种或多种燃料化合物包括H2、一种或多种烃质燃料化合物、CO或其组合，阴极入口料流中一种或多种燃料化合物的浓度为至少大约0.01体积％，阴极入口料流中一种或多种燃料化合物的浓度小于燃料电池阴极中运行条件的自燃浓度；在熔融碳酸盐燃料电池中产生电；产生包含H2、CO和CO2的阳极排气；和产生包含至少大约1体积％O2和大约100vppm或更少的一种或多种燃料化合物的阴极排气。
在另一方面，提供了一种发电的方法。所述方法包括将包含可重整燃料的阳极燃料料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阳极、与熔融碳酸盐燃料电池的阳极相关的内部重整元件或其组合；将包含CO2、O2和一种或多种燃料化合物的阴极入口料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极，其中一种或多种燃料化合物包括一种或多种芳族化合物、一种或多种具有至少5个碳的含碳燃料化合物或其组合，阴极入口料流中一种或多种燃料化合物的亚甲基当量体积百分数(在下文定义)为至少大约0.02体积％，阴极入口料流中一种或多种燃料化合物的浓度小于燃料电池阴极中运行条件的自燃浓度；在熔融碳酸盐燃料电池中产生电；产生包含H2、CO和CO2的阳极排气；和产生包含至少大约1体积％O2和亚甲基当量体积百分数为大约0.01体积％或更少的一种或多种燃料化合物的阴极排气，其中熔融碳酸盐燃料电池的阴极包括电极表面和第二催化表面，第二催化表面包含至少一种第VIII族金属，产生阴极排气包括在第二催化表面的存在下将至少部分一种或多种燃料化合物氧化。
在另一方面，提供了熔融碳酸盐燃料电池系统。熔融碳酸盐燃料电池系统包括具有阳极和阴极的熔融碳酸盐燃料电池，阴极包括电极表面和包含至少一种第VIII族金属的第二催化表面，第二催化表面第一区域中至少一种第VIII族金属在第二催化表面上的浓度小于至少一种第VIII族金属在第二催化表面第二区域中的浓度，第二催化表面第一区域比第二催化表面第二区域更靠近熔融碳酸盐燃料电池阴极的阴极入口。任选地，至少一种第VIII族金属包括Ni、Pt、Pd、Co、Rh、Ru、Re、Ir、Fe或其组合，优选至少包括Ni、Co、Fe、Pt、Pd或其组合。任选地，第二催化表面区域包括至少一种第VIII族金属的浓度的连续提高梯度。在一些方面，第二催化表面第一区域包含至少一种第VIII族金属，第二催化表面第二区域包含与第二催化表面第一区域的至少一种第VIII族金属不同的至少一种其它第VIII族金属。在其它方面，第二催化表面第二区域包含至少一种第VIII族金属，第二催化表面第一区域包含与第二催化表面第二区域的至少一种第VIII族金属不同的至少一种其它第VIII族金属。
附图简述
图1示意性显示熔融碳酸盐燃料电池及相关重整和分离段的配置的一个实例。
图2示意性显示熔融碳酸盐燃料电池及相关重整和分离段的配置的另一实例。
图3示意性显示熔融碳酸盐燃料电池的运行的一个实例。
实施方案详述
综述
在各种方面中，熔融碳酸盐燃料电池利用包含非零部分可燃气体的阴极入口料流运行，所述可燃气体可为烃、氢气或与氧结合在阴极催化表面上产生热的其它气体。可燃气体可在阴极和/或与阴极热集成的段中反应。在阴极中通过燃烧反应产生的热可例如用于使其它吸热反应(例如重整)在燃料电池阳极部分中发生，同时仍保持经过燃料电池的所需温度梯度。任选地，可改进燃料电池阴极以进一步增强或控制阴极内的燃烧，例如通过在阴极中引入额外的催化表面。
将从燃烧源如燃气轮机、内燃机、燃烧锅炉或其它燃烧源排出的碳量降低或最小化的一个策略是将燃烧源与熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)集成。熔融碳酸盐燃料电池可接收来自燃烧源的含CO2排气作为燃料电池的部分阴极入口流。作为阴极反应的一部分，CO2可从阴极经过燃料电池电解质传输至阳极。这可允许熔融碳酸盐燃料电池在燃料电池阳极输出中辅助浓缩CO2，这可促进捕集CO2/将CO2改作他用以避免排放CO2至大气中。
就传统熔融碳酸盐燃料电池配置而言，主要问题可能在于熔融碳酸盐燃料电池利用高电效率运行，同时保持经过燃料电池的温度梯度在所需范围内。在传统运行过程中的部分挑战可能是避免由于在燃料电池中产生的过量或废热引起的经过燃料电池的过分高的温度梯度。当为了高效率运行熔融碳酸盐燃料电池时，电池通常在燃料电池中可允许的最大温升附近运行，因为在高效率下的净运行(net operation)是放热的。
在熔融碳酸盐燃料电池传统运行的过程中，作为阴极输入料流存在进入阴极的可燃气体的量通常可小于大约100vppm，例如小于大约10vppm。此外，可燃气体通常可对应于每分子具有相对低燃料值的化合物，例如H2或CH4。与在整个燃料电池系统中产生的热相比，当在阴极上与氧反应时，这种量的可燃物产生不显著量的热。对来源于燃烧源排气的部分阴极输入料流而言，残余可燃材料可反映如下事实：在先将排气暴露于燃烧条件中，通常对其进行优化以实现输入燃料的基本完全燃烧。在一些传统配置中，部分阴极输入料流也可对应于阳极输出料流的再循环部分。在这种传统配置中，在进入阴极前通常可将阳极输出料流的再循环部分通过燃烧器，这也可导致部分阳极输出料流中的任何燃料基本完全燃烧。
与以传统方式运行熔融碳酸盐燃料电池相反，熔融碳酸盐燃料电池可利用包含可燃材料如一种或多种燃料化合物的阴极输入料流运行。燃料化合物可对应于CO、H2、CH4、其它烃和/或可燃烧的烃质化合物，或可燃烧(氧化)产生热的其它化合物。在一些方面中，阴极入口料流可包含对应于CO、H2和/或CH4的燃料化合物。在其它方面中，阴极入口料流可包含H2和/或具有四个或更少碳原子的含碳燃料化合物。在其它方面中，阴极入口料流中的部分燃料化合物可对应于芳族化合物或具有至少5个碳原子的含碳化合物或其组合。
阴极入口料流中可燃材料的量可以各种方式表征。一个选择可以是使用总可燃材料的体积百分数。另一选择可以是基于可燃材料中存在的碳数和/或重原子数衡量可燃材料的体积百分数。该后一选择可虑及化合物如氢气和馏出物沸程分子之间的燃料值差异。二者均可以在阴极入口处的温度下占据相近体积的气体存在，但馏出物沸程分子的燃料值显著更大。
例如，一个选择可以是使用包含(作为下限)至少大约0.01体积％一种或多种燃料化合物的阴极入口料流，或至少大约0.02体积％，或至少大约0.03体积％，或至少大约0.05体积％，或至少大约0.1体积％，或至少大约0.25体积％，或至少大约0.5体积％，或至少大约1.0体积％，或至少大约1.5体积％，或至少大约2.0体积％，或至少大约2.5体积％，或至少3.0体积％。另外或或者，阴极入口料流可包含(作为上限)大约5.0体积％或更少的一种或多种燃料化合物，或大约4.0体积％或更少，或大约3.5体积％或更少，或大约3.0体积％或更少，或大约2.5体积％或更少。明确地预期阴极入口料流中一种或多种燃料化合物的量的各下限与阴极入口料流中一种或多种燃料化合物的量的各上限组合。可燃材料的量的上限可变动，但应低于允许阴极入口料流在阴极中的条件下自燃的浓度，通常为大约几个体积％，取决于化合物的组成。
另外或或者，表征阴极入口料流中可燃材料的量的另一选择可为基于可燃材料中的碳数或或者重原子数衡量可燃材料的体积百分数。烃的燃料值与存在于烃中的碳原子数大致成比例。除氧外，存在于烃质材料中的任何其它杂原子(即非氢原子或重原子)也以大致成比例的方式作出贡献。为了虑及高级燃料组分的额外燃料值，可将燃料组分的体积百分数乘以组分中的碳原子数或或者组分中的非氧重原子数，以获得改进的体积百分数。当改进的体积百分数仅基于燃料组分中的碳原子时，在本文将改进的体积百分数定义为燃料组分的“亚甲基当量”体积百分数。当改进的体积百分数基于燃料组分中的非氧重原子时，在本文将改进的体积百分数定义为燃料组分的“重原子当量”体积百分数。为了定义亚甲基当量体积百分数和重原子当量体积百分数，将氢气分子定义为具有0.5的碳原子或重原子值。类似地将CO分子定义具有0.5的碳原子或重原子值。这反映了如下事实：这些化合物具有一些燃料值，但燃料值不如烃质化合物高。
在各种方面中，阴极入口料流中的亚甲基当量体积百分数可为至少大约0.01体积％一种或多种燃料化合物，或至少大约0.02体积％，或至少大约0.03体积％，或至少大约0.05体积％，或至少大约0.1体积％，或至少大约0.25体积％，或至少大约0.5体积％，或至少大约1.0体积％，或至少大约1.5体积％，或至少大约2.0体积％，或至少大约2.5体积％，或至少3.0体积％。另外或或者，阴极入口料流可包含大约5.0体积％或更少的一种或多种燃料化合物，或大约4.0体积％或更少，或大约3.5体积％或更少，或大约3.0体积％或更少，或大约2.5体积％或更少。明确地预期阴极入口料流中一种或多种燃料化合物的亚甲基当量体积百分数的各下限与阴极入口料流中一种或多种燃料化合物的亚甲基当量体积百分数的各上限组合。作为计算亚甲基当量体积百分数的实例，假定的阴极入口进料可包含对应于0.02体积％乙烯和0.01体积％H2的燃料化合物。在该假定的实例中，进料的亚甲基当量体积百分数为0.045体积％。乙烯每分子含有两个碳原子，因此乙烯对总亚甲基当量体积百分数的贡献是0.02x2＝0.04体积％。将H2定义为以每分子0.5个碳原子计算，因此H2对总亚甲基当量体积百分数的贡献是0.01x0.5＝0.005体积％。
另外或或者，表征阴极入口料流中可燃材料的量的另一选择可基于与输送至相应熔融碳酸盐燃料电池阳极入口的燃料的能量值相比的输送至阴极入口的燃料的相对能量值。阴极入口料流中燃料的量可为阳极入口料流能量值的大约12％或更少，或大约10％或更少，或大约8％或更少。例如，如果输送至阳极入口的燃料的速率对应于大约1MW的功率，则阴极入口料流中输入阴极的燃料的速率可为大约120kW或更少，或大约100kW或更少，或大约80kW或更少。阴极入口料流也可包含足够氧，从而阴极入口料流中的任何燃料燃烧后，剩余氧含量足以使燃料电池反应和仍产生氧含量为至少大约1体积％的阴极出口料流，例如2体积％。
在一些方面，包含一种或多种燃料化合物的阴极入口料流可具有降低或最小含量的硫。阴极入口料流的硫含量可为大约25wppm或更少，或大约15wppm或更少，或大约10wppm或更少。任选地，一些不同于C、H和O的杂原子可存在于包含在阴极入口料流中的可氧化化合物(即燃料化合物)中。例如阴极入口料流中的含碳燃料化合物可任选含有氮原子。应注意的是，N2在存在于阴极入口的条件下不是可氧化化合物，因此N2在阴极入口料流中的存在不构成存在于可氧化化合物中的杂原子。在其它方面，阴极入口料流可在燃料化合物中含有大约100wppm或更少不同于C、H和O的杂原子，或大约10wppm或更少。
阴极入口料流中的额外燃料含量可在阴极中基于阴极中的条件和阴极中催化表面的存在燃烧。一个合适的催化表面可为镍表面，例如通常用作与熔融碳酸盐电解质相邻的电极的镍表面，然而，可使用可催化氧化燃料组分的任何其它常规催化剂如第VIII族金属、负载型催化剂或其它燃烧催化剂。阴极电极表面可催化氧化H2和/或含碳燃料(包括CO)，从而使存在于阴极入口料流中的燃料可转化为典型的燃烧产物，例如H2O和CO2。
在其中阴极入口料流中的燃料为H2、CO和/或CH4的方面，电极表面(通常为Ni)可足以催化阴极入口料流中的燃料的燃烧。电极表面也可适于催化更少量其它烃的反应。例如，电极表面可适于催化大约几十ppm或更多芳族化合物的氧化，例如大约10vppm至大约10,000vppm，或大约10vppm至大约1000vppm，或大约10vppm至大约200vppm，或大约10vppm至大约100vppm，或大约50vppm至大约10,000vppm，或大约50vppm至大约1000vppm，或大约50vppm至大约200vppm，或大约100vppm至大约10,000vppm，或大约100vppm至大约1000vppm。对脂族烃或其它非芳族烃质化合物而言，电极表面可适于催化至多大约1体积％化合物。
在一些方面，用于氧化阴极中燃料的催化活性可通过提供额外催化表面增强。例如，传统熔融碳酸盐燃料电池的一个配置可具有通过平行板限定的燃料电池阴极部分。一个平行板可对应于与熔融碳酸盐电解质相邻的电极表面。按常规，相对表面(没有临近熔融碳酸盐电解质的表面)可为钢表面或对应于合适结构材料的另一表面。与在电极对面具有钢表面(或其它低反应性表面)相反，相对表面可涂布催化材料以增强催化阴极入口料流中燃料的燃烧的能力。一个选择可以是提供类似于电解质表面的表面，例如Ni表面。另一选择可以是使用具有催化芳族化合物和/或C2+烃质化合物燃烧的更高活性的表面。合适催化材料的实例可包括但不限于第VIII族金属，例如Ni、Fe、Co、Pt和/或Pd。可使用任何合适的金属或金属合金，直接在钢表面上，或负载在典型的催化剂载体上。用作燃烧催化剂的催化剂配制剂为本领域所熟知，且可使用适于燃料电池运行温度范围(例如大约400℃至大约800℃)的任何配制剂。第VIII族金属的合金也可能是合适的，例如多种第VIII族金属的合金和/或第VIII族金属与其它过渡金属的合金。催化剂材料可直接涂布在阴极的平板表面上，或催化剂材料可负载在例如氧化物载体上。
基于电极(Ni)表面和/或其它催化表面的存在，阴极入口料流中的H2、CO和烃/烃质化合物可在阴极中燃烧。这将在阴极中产生额外的热。在传统运行中，该额外的热将造成困难，因为针对电效率优化的运行通常在可允许温升的极限下运行。然而，在各种方面中，在阴极中产生的额外热可用于为吸热反应提供额外的热。吸热反应可对应于阳极中的重整，或发生在与阴极热集成的反应段中的另一吸热反应。例如，当为了制备氢气和/或合成气，运行熔融碳酸盐燃料电池的阳极部分以具有低单程燃料利用率时，在阴极中产生的额外热可用于将燃料电池内的温度梯度保持在所需范围内。
虽然在阴极中产生的额外热可能是有益的，但是可能理想的是将阴极入口料流中燃料的燃烧经过阴极长度的更大部分分布。将阴极入口料流中燃料的燃烧经过阴极的更大部分分布的一个方法可以是使用具有催化材料梯度的额外催化表面。例如，催化材料在额外催化表面上的浓度可低于阴极入口附近(在那里可燃材料和氧的浓度最高)，然后随着阴极的长度连续提高。可使用提高浓度的任何常规策略，例如连续梯度、一系列逐步提高或允许在远离阴极入口的位置存在更高催化材料浓度的其它方法。催化材料在阴极入口处额外表面上的初始浓度可为任何常规值，包括在阴极入口后的位置开始的额外表面上具有催化材料的选择。可对催化剂模式或梯度和随后的热释放进行优化，从而将全部热生成经过阴极面积散开和防止可损害整个燃料电池运行的热区。
作为运行熔融碳酸盐燃料电池以利用在阴极中产生的额外热的方法的实例，熔融碳酸盐燃料电池可利用合成气和/或氢气的提高生成运行。这可通过相对于在阳极中氧化的氢气的量提高在燃料电池中(和/或在相关内部重整段中，例如燃料电池组件中的重整段)进行的重整的量以发电而实现。如上所定义，这可利用关于a)在阳极内通过电化学反应产生的热和b)在阴极内通过燃料燃烧产生的热之和与c)燃料电池堆(或其它燃料电池组件)内通过吸热反应消耗的热的燃料电池热比率运行燃料电池而实现。例如，阳极和/或内部重整段内的重整反应通常可为吸热反应。因此，吸热重整反应可通过用于电生成的放热电化学反应与放热阴极燃烧反应平衡。与尝试从燃料电池将放热燃料电池反应产生的热转移出去相反，该过量热可原地用作重整和/或另一吸热反应的热源。这可导致更有效地利用热能和/或对附加外部或内部热交换的降低需求。该基本原地有效生成和利用热能可降低系统复杂度和组件，同时保持有利运行条件。在一些方面中，可对重整或其它吸热反应的量进行选择以具有与放热反应产生的过量热量相当或甚至更大的吸热热需求，而非显著小于现有技术通常描述的热需求。
另外或或者，可运行燃料电池从而使阳极入口和阳极出口之间的温差可为负而非正。因此，与在阳极入口和阳极出口之间具有温升相反，可进行足够量重整和/或其它吸热反应以导致阳极出口输出料流比阳极入口温度更冷。还另外或或者，可将额外燃料供应至燃料电池的加热器和/或内部重整段(或其它内部吸热反应段)，从而使阳极输入和阳极输出之间的温差可小于预期差异，基于吸热反应以及阴极燃烧反应和阳极反应产生电能的合并放热热生成的相对需求。在其中重整可用作吸热反应的方面，相对于传统燃料电池运行，运行燃料电池以重整过量燃料可允许制备提高的合成气体和/或提高的氢气，同时将热交换和重整的系统复杂度最小化。额外合成气体和/或额外氢气然后可用于各种应用，包括化学合成工艺和/或收集/将氢气改用作“清洁”燃料。
在阳极通过放热反应氧化的每摩尔氢气产生的热量可基本大于通过重整反应产生的每摩尔氢气消耗的热量。氢气在熔融碳酸盐燃料电池中的净反应(H2+1/2O2＝>H2O)可具有大约-285KJ/mol氢气分子的反应焓。在燃料电池内可将至少部分该能量转换为电能。然而，反应焓和燃料电池产生的电能之间的差值(大约)可在燃料电池内变成热。该能量的量或者可以电池的电流密度(每单位面积的电流)乘以燃料电池理论最大电压和实际电压之间的差值表示，或<电流密度>*(V最大–V实际)。将该能量的量定义为燃料电池的“废热”。作为重整的实例，重整甲烷的焓(CH4+2H2O＝>4H2+CO2)可为大约250kJ/mol甲烷，或大约62kJ/mol氢气分子。从热平衡角度看，电化学氧化的各氢气分子可产生足够热，以通过重整产生大于一个氢气分子。在传统配置中，该过量热可导致从阳极入口到阳极出口的实质温差。与允许将该过量热用于提高燃料电池中的温度相反，可通过进行匹配量的重整反应将过量热消耗。在阳极中产生的过量热可用在燃料电池中通过燃烧反应产生的过量热补充。更一般地，可通过在燃料电池阳极和/或与燃料电池热集成的吸热反应段中进行吸热反应将过量热消耗。
取决于所述方面，可相对于在阳极中反应的氢气量对重整和/或其它吸热反应的量进行选择，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(包括在阳极和阴极中的放热反应)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。注意放热反应产生的热可对应于由重整反应、水煤气变换反应、阴极中的燃烧反应(例如燃料化合物的氧化)和/或电池中的电化学反应引起的任何热。可基于经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，该电池通常可具有小于1.04V的输出电压。例如，常见输出/工作电压可以为大约0.7V。产生的热可等于该电池的电化学势(即～1.04V)减去工作电压。例如，当在燃料电池中获得～0.7V的输出电压时，由电池中的电化学反应生成的热可为～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件计算热比率。例如，可从热集成角度就燃料电池堆中的燃料电池(或多个燃料电池)与足够靠近待集成燃料电池的集成重整段和/或集成吸热反应段元件一起计算热比率。
从热集成角度看，燃料电池堆中的特征宽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。在这一论述中，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重整的热源。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燃料电池相距小于堆元件高度的10倍。例如，集成的吸热反应段(例如重整段)可与热集成的任何燃料电池相距小于堆元件高度的10倍，或小于堆元件高度的8倍，或小于堆元件高度的5倍，或小于堆元件高度的3倍。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。
大约1.3或更少的热比率，或大约1.15或更少，或大约1.0或更少，或大约0.95或更少，或大约0.90或更少，或大约0.85或更少，或大约0.80或更少，或大约0.75更少，可低于在MCFC燃料电池的使用中通常寻求的热比率。在本发明的方面中，可降低热比率以提高和/或优化合成气生成、氢气生成、通过吸热反应产生另一种产物或其组合。
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。还另外或或者，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。仍另外或或者，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，或大约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。
可操控几个运行参数以产生所需热比率。一些参数类似于目前对燃料电池运行推荐的参数。以不同于传统运行的方式操控的参数可包括提供给阳极的燃料的量；提供给阳极的燃料的组成；包括在阴极入口料流中的燃料化合物的量；和/或分离和捕集阳极输出中的合成气而不明显再循环至阳极输入，例如不将合成气或氢气从阳极输出再循环至阳极输入。
重整烃形成氢气和碳氧化物是吸热反应的实例。重整也是可在阳极和/或集成的反应段内进行的反应的实例。在本发明的一些方面中，至阳极的燃料输入的量可包括比在传统燃料电池运行过程中使用的可重整燃料的量更多的可重整燃料。在这些方面中，目标可为通过重整在阳极和/或包括阳极的燃料电池组件中的相关重整段中生成过量合成气。在一个方面，可基于燃料电池能够重整的量、特定燃料电池的给定物理限制和其它所选运行参数对引入阳极(或相关重整段或其组合)中的可重整燃料的量进行选择。例如，阳极催化剂可有助于重整工艺。阳极催化剂上的表面积的量可以是可发生的重整的量的限制。类似地，重整的量可通过阳极内可用热的量和经过阳极发生的温度变化限制。
利用小于1的热比率运行燃料电池可导致经过燃料电池的温度降低。在一些方面中，可限制重整和/或其它吸热反应的量，从而使从阳极入口到阳极出口的温度降低可为大约100℃或更少，例如大约80℃或更少，或大约60℃或更少，或大约50℃或更少，或大约40℃或更少，或大约30℃或更少，或大约20℃或更少。限制从阳极入口到阳极出口的温度降低可能有益于例如保持足够温度，以允许燃料(通过重整)在阳极中完全或基本完全转化。在其它方面中，可将额外热供给燃料电池(例如通过热交换或额外燃料的燃烧)，从而使阳极入口温度由于平衡通过吸热反应消耗的热和供给燃料电池的额外外部热而比阳极出口温度高小于大约100℃或更少，例如大约80℃或更少，或大约60℃或更少，或大约50℃或更少，或大约40℃或更少，或大约30℃或更少，或大约20℃或更少。
另外或或者，重整和/或其它吸热反应的量可通过燃料电池的运行温度限制。例如，一般而言，燃料的重整可在较高温度下更迅速地发生。此外，当更多热可用于重整工艺时，可发生更多重整。如所提及，本发明的方面可在燃料电池温度的典型范围内运行。可因为与本发明方面相关的考虑独立的各种理由而对温度范围进行选择。例如，阴极或阳极入口料流因为所述料流的来源而可已经加热至高温。这种阴极入口料流可基于阴极入口料流中的燃料在阴极中的燃烧而允许产生额外热。另外或或者，可将燃料电池电解质温度保持在足以使碳酸盐电解质保持在熔融状态的温度。选择任何温度均可影响可在阳极中发生的重整的量，并可能需要相应地调整至阳极的可重整燃料输入的量。
另外或或者，重整的量可依赖于可重整燃料的可用度。例如，如果燃料仅包含H2，将不会发生重整，因为H2已经重整且不可进一步重整。可将燃料电池“生成的合成气”的量定义为合成气在阳极输入中的LVH值对合成气在阳极输出中的LVH值的差值。生成的合成气LHV(sg net)＝(LHV(sg out)-LHV(sg in))，其中LHV(sg in)和LHV(sg out)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。提供包含大量H2的燃料的燃料电池可在潜在合成气生成量上受到限制，因为与包含其它可重整燃料相反，燃料包含大量已重整的H2。
如上所述利用降低的热比率运行燃料电池的方法的实例可为如下方法，其中进行燃料的过量重整以在燃料电池中平衡热的生成和消耗和/或消耗比生成更多的热。重整可重整燃料形成H2和/或CO可为吸热工艺，同时阳极电化学氧化反应和阴极燃烧反应可为放热的。在传统燃料电池运行的过程中，向燃料电池运行供应进料组分所需的重整的量通常可比通过阳极氧化反应生成的热量消耗更少热。例如，在大约70％或大约75％的燃料利用率下的传统运行产生基本大于1的热比率，例如至少大约1.4或更大的热比率，或1.5或更大。结果，燃料电池的输出料流可比输入料流热。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，可将其它燃料重整，从而使通过放热燃料电池反应生成的热可通过在重整中消耗的热(大致)平衡和/或消耗比生成更多的热。这可导致相对于在阳极中为了生成电能氧化的量大量过量的氢气，并导致大约1.0或更少的热比率，例如大约0.95或更少，或大约0.90或更少，或大约0.85或更少，或大约0.80或更少，或大约0.75或更少。
在本发明的方面中，可基于经过燃料电池的所需温度降低对热比率进行选择。一些燃料电池可具有当大于在入口和出口之间存在的阈值温差时可被损坏的物理方面。温度降低可通过测量经由批量料流(例如阳极入口、阳极出口、阴极入口和阴极出口)的热转移计算。温度降低可以是吸热反应中消耗的总热、放热反应中释放的热、通过燃料电池硬件的热损失以及除批量料流外直接加入燃料电池中的任何热的函数。通过燃料电池硬件的热损失可为估计值。
与上文就最大电生成所述的运行条件相反，利用低于大约1.3或更少的热比率运行燃料电池，例如大约1.0或更少，或大约0.95或更少，或大约0.90或更少，或大约0.85或更少，或大约0.80或更少，或大约0.75或更少可允许生成额外的合成气。这意味着可任选从燃料电池输出中取出提高量的化学能产物。通过在低于大约1.3或更少的热比率下运行产生的过量氢气可例如从阳极输出流中分离出来并用作没有温室气体排放的燃料。或者，水煤气变换反应可用于平衡存在于阳极输出中用作具有所需合成气组成的合成气的氢气和CO的量，例如H2与CO的所需比率。
可将氢气或合成气从阳极排气中作为化学能输出取出。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。
其它燃料电池运行策略
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，熔融碳酸盐燃料电池(如燃料电池组件)可以在降低的燃料利用率值如大约50％或更低的燃料利用率下运行，同时还具有高CO2利用率值，如至少大约60％。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取出的氢气和/或合成气料流以用于其它工艺。尽管与一些传统配置相比电效率可能被降低，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％。
在一些方面中，送往阳极和/或送往与阳极相关的重整阶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处反应的氢气的净量高至少大约50％，如高至少大约75％或高至少大约100％。另外或或者，送往阳极和/或送往与阳极相关的重整段的输入料流中的燃料的可重整氢含量可以比在阳极处反应的氢气的净量高至少大约50％，如高至少大约75％或高至少大约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％。另外或或者，送往阳极的可重整燃料量可基于可重整燃料的低热值(LHV)与在阳极中氧化的氢的LHV的相对值表征。这可被称作可重整燃料剩余率。在各种方面中，可重整燃料剩余率可以为至少大约2.0，如至少大约2.5，或至少大约3.0，或至少大约4.0。另外或或者，可重整燃料剩余率可以为大约25.0或更低，如大约20.0或更低，或大约15.0或更低，或大约10.0或更低。
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，该运行条件可以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用途，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，这包括化学效率，其基于生成的合成气和/或氢气的化学能量值与燃料电池的燃料输入的能量值的相对值。
在一些方面，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。
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，对燃烧反应的提及被定义是对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和碳氧化物的反应的提及。
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)与阳极输入(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(anode_in)–LHV(anode_out))/LHV(anode_in)计算，其中LHV(anode_in)和LHV(anode_out)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(例如气相CO2和H2O产物)的焓。例如，阳极输入料流中存在的任何CO2不构成阳极输入的燃料含量，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(anode_in)/(LHV(anode_in)-LHV(anode_out))计算，其中LHV(anode_in)和LHV(anode_out)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的量的一种方法。
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的燃料。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，因此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相对值。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。可重整燃料的这种LHV仍可通过表征进入燃料电池阳极的实际组合物测量，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(anode_in)-LHV(anode_out))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，因为即使在单程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(reformable_anode_in)/(RFC(reformable_anode_in)-RFC(anode_out))计算，其中RFC(reformable_anode_in)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(anode_out)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，以致经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(或可以对于燃料中的任何CO或H2而言未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、送往阴极的燃料和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(fuel rate)描述。
电化学动力：本文所用的术语“电化学动力”或LHV(el)是通过燃料电池中连接阴极与阳极的电路和碳酸根离子经燃料电池电解质的转移而生成的动力。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供给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(anode_in)，是阳极入口料流内的燃料量。术语“燃料输入”，被称作LHV(in)，是送往燃料电池的燃料总量，包括a)阳极入口料流内的燃料量，b)阴极入口料流内的燃料量，和c)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(rate of LHV)，除以阳极的燃料输入的LHV的速率。换言之，TFCE＝(LHV(el)+LHV(sg net))/LHV(anode_in)，其中LHV(anode_in)是指送往阳极的燃料组分(如H2、CH4和/或CO)的LHV的速率，且LHV(sg net)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用于该燃料电池外的有益利用的热。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(sg out)除以燃料输入或LHV(in)。
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。
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。S/C可以作为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。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。
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。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，但燃料电池通常可并联并可(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个燃料电池构成的“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。通常可以将单独的燃料电池元件(板)一起以矩形阵列“堆叠”，被称作“燃料电池堆”。这种燃料电池堆通常可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，然后可从各元件收集产物。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(例如单电池堆)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，该端不与电解质接触而是仅充当重整催化剂。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，其中可以将来自集成重整段的输出物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，使得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堆元件高度的10倍。例如，集成的吸热反应段(例如重整段)可与热集成的任何燃料电池相距小于堆元件高度的10倍，或小于堆元件高度的8倍，或小于堆元件高度的5倍，或小于堆元件高度的3倍。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单独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阶段提供至少一部分热，且相关重整阶段可以将至少一部分重整阶段输出物作为燃料料流供往集成的燃料电池。在另一些方面中，单独重整阶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，该单独重整段可以从燃料电池接收热，但可以决定不使用重整段的输出作为燃料电池的输入。相反，可以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料流。
更通常，燃料电池堆中的独立堆元件可用于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。燃料电池堆中的歧管或入口导管的其它布置可用于向各堆元件提供适当的输入料流。另外或或者，类似的歧管或出口导管的其它布置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，放热反应的产物可因此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，乙醇脱水以形成乙烯，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)通常可以是新鲜甲烷。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可能是典型的。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可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。
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1和2中。
图1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1中，向与燃料电池120(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127相关的一个(或多个)重整段110提供燃料料流105。与燃料电池120相关的重整段110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105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105还可任选含有H2和/或CO，如由任选的阳极再循环流185提供的H2和/或CO。要指出，阳极再循环流185是任选的，并且在许多方面中，没有直接或通过与燃料料流105或重整燃料料流115结合而间接地从阳极排气125回到阳极127的再循环流。在重整后，可以将重整燃料料流115送入燃料电池120的阳极127。也可以将含CO2和O2的料流119送入阴极129。来自燃料电池的阴极部分129的碳酸根离子流122(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127中的反应，所得阳极排气125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105的一部分的其它污染物。然后可以将阳极排气125送入一个或多个分离段。例如，CO2脱除段140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143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130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135中的CO2和H2。取决于CO2脱除段的性质，水冷凝或脱除段150可能是合意的以从阳极排气中除去水输出料流153。尽管在图1中显示的是在CO2分离段140之后，但其可任选位于CO2分离段140之前。另外，可使用的任选的用于分离H2的膜分离段160以生成H2的高纯渗透物料流163。所得渗余物料流166可随后用作化学合成工艺的输入。另外或或者，料流166可以在第二水煤气变换反应器131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168。在图1中，显示的是从渗余物料流166中取出阳极再循环料流185，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185。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129的输出生成具有降低的CO2含量的料流139。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2显示对阳极排气进行分离的另一顺序的实例。在图2中，可以首先将阳极排气125送入分离段260以从阳极排气125中除去一部分263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266。然后可以在水煤气变换段230中进一步调节H2/CO比以实现所需值。水煤气变换的输出235然后可经过CO2分离段240和除水段250以产生适合用作所需化学合成工艺的进料的输出料流275。任选可以对输出料流275施以附加水煤气变换段(未显示)。一部分输出料流275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。通过消除阳极输入流和阴极输入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，经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，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1.0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0.3体积％以下，在某一时刻，经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含量和/或阴极入口料流中的含碳燃料的量确定送往燃料电池阴极的二氧化碳量。对包含含碳燃料的阴极入口料流而言，可在阴极中原地生成一定量CO2，其与阴极入口料流中燃料的体积％乘以燃料化合物中的平均碳数成比例。例如，H2具有零个碳，CO和CH4具有一个碳，乙烷具有两个碳等等。结果，通过燃料燃烧提供给阴极的CO2量可从没有CO2(如果阴极中的所有燃料均为H2)至大约0.25-大约10体积％的范围。来源于燃烧的燃料的CO2范围的上端代表其中大部分燃料对应于芳族化合物和/或具有多个碳原子的其它燃料的情形。除存在于阴极入口料流中的任何CO2外，来源于燃料燃烧的阴极入口料流的CO2含量可作为进入阴极的料流。
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％，如含仅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。在排气再循环下，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。无任何排气再循环的用低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体洗涤器后，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。
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3显示用于发电的MCFC的运行的一个示意性实例。在图3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。阴极部分也可接收一种或多种燃料化合物作为可燃烧生成热、CO2和H2O的部分入口料流。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3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，其中目标可以是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(sg out))/LHV(in)，其中LHV(in)和LHV(sgout)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。
集成实施例：与燃烧轮机集成的应用
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。
在一些方面中，可改进燃烧源的运行以利用阴极燃烧阴极入口料流中的燃料的能力。对传统燃烧反应而言，典型目标可以是燃烧送至燃烧反应区的基本所有燃料。这可简化排气的处理，因为很少或没有燃料保持在燃烧排气中。然而，运行燃烧反应区以实现基本完全燃烧并不必然对应于运行燃烧区的最有效方式。相反，可能理想的是运行燃烧区以在燃烧后具有残留燃料含量，从而提高燃烧反应的总体效率。通常可能浪费该残留燃料，因为燃料在燃烧排气中的低浓度。此外，废弃燃料将变为污染物，或需要污染控制装置消除。然而，当将熔融碳酸盐燃料电池用于处理该排气时，可将残留燃料用于生成额外CO2、为燃料电池生成额外热或其组合，同时起到污染控制装置的作用。保留在然后至少部分用作燃料电池的部分阴极入口料流的燃烧排气中的燃料量可为至少大约0.5体积％，或至少大约1.0体积％，和至多大约5.0体积％或更少，如之前就阴极入口料流的燃料含量所述。
对与燃烧源集成而言，加工燃料电池阳极的一些备选配置可能是理想的。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比率。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。
其它实施方案
另外或或者，本发明可包括一种或多种以下所列实施方案。
实施方案1.一种发电的方法，所述方法包括将包含可重整燃料的阳极燃料料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阳极、与熔融碳酸盐燃料电池的阳极相关的内部重整元件或其组合；将包含CO2、O2和一种或多种燃料化合物的阴极入口料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极，其中一种或多种燃料化合物包括H2、一种或多种含碳燃料化合物或其组合，阴极入口料流中一种或多种燃料化合物的浓度为至少大约0.01体积％，阴极入口料流中一种或多种燃料化合物的浓度小于燃料电池阴极中运行条件的自燃浓度；在熔融碳酸盐燃料电池中产生电；产生包含H2、CO和CO2的阳极排气；和产生包含至少大约1体积％O2和大约100vppm或更少的一种或多种燃料化合物的阴极排气。
实施方案2.实施方案1的方法，其中一种或多种燃料化合物的亚甲基当量体积百分数为至少大约0.02体积％。
实施方案3.实施方案1或2的方法，其中熔融碳酸盐燃料电池的阴极包括电极表面和第二催化表面，第二催化表面包含至少一种第VIII族金属，产生阴极排气包括在第二催化表面存在下将至少部分一种或多种燃料化合物氧化。
实施方案4.一种发电的方法，所述方法包括将包含可重整燃料的阳极燃料料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阳极、与熔融碳酸盐燃料电池的阳极相关的内部重整元件或其组合；将包含CO2、O2和一种或多种燃料化合物的阴极入口料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阴极，其中一种或多种燃料化合物包括一种或多种芳族化合物、一种或多种具有至少5个碳的含碳燃料化合物或其组合，阴极入口料流中一种或多种燃料化合物的亚甲基当量体积百分数为至少大约0.02体积％，阴极入口料流中一种或多种燃料化合物的浓度小于燃料电池阴极中运行条件的自燃浓度；在熔融碳酸盐燃料电池中产生电；产生包含H2、CO和CO2的阳极排气；和产生包含至少大约1体积％O2的阴极排气，其中一种或多种燃料化合物的亚甲基当量体积百分数比阴极入口料流的亚甲基当量体积百分数小至少大约50％，阴极排气的亚甲基当量体积百分数任选为大约0.01体积％或更少，其中熔融碳酸盐燃料电池的阴极包括电极表面和第二催化表面，第二催化表面包含至少一种第VIII族金属，产生阴极排气包括在第二催化表面存在下将至少部分一种或多种燃料化合物氧化。
实施方案5.实施方案3或4的方法，其中至少一种第VIII族金属包括Ni、Pt、Pd、Co、Rh、Ru、Re、Ir、Fe或其组合，例如至少包括Ni、Co、Fe、Pt、Pd或其组合。
实施方案6.在先实施方案中任一项的方法，其中阴极入口料流的硫含量为大约25wppm或更少，例如大约15wppm或更少。
实施方案7.在先实施方案中任一项的方法，其中阴极入口料流中的一种或多种燃料化合物含有不同于C、H和O的杂原子，相对于一种或多种燃料化合物的重量，不同于C、H和O的杂原子的浓度为大约100wppm或更少。
实施方案8.在先实施方案中任一项的方法，其中阴极入口料流包含至少部分燃烧排气，至少部分燃烧排气任选包含亚甲基当量体积百分数为至少大约0.02体积％的一种或多种含碳燃料化合物，至少部分燃烧排气任选为至少部分来自燃气轮机的排气。
实施方案9.在先实施方案中任一项的方法，其中熔融碳酸盐燃料电池在大约0.25-大约1.3的热比率下运行，例如大约0.25-大约1.0或大约0.4-大约1.0。
实施方案10.在先实施方案中任一项的方法，其中引入熔融碳酸盐燃料电池的阳极、与熔融碳酸盐燃料电池的阳极相关的重整段(任选内部重整元件)或其组合的可重整燃料的量比在熔融碳酸盐燃料电池中反应产生电的氢气量大至少大约75％。
实施方案11.在先实施方案中任一项的方法，其中熔融碳酸盐燃料电池的阳极中的燃料利用率为大约50％或更少，熔融碳酸盐燃料电池的阴极中的CO2利用率为至少大约60％。
实施方案12.在先实施方案中任一项的方法，其中熔融碳酸盐燃料电池的电效率为大约10％至大约40％，熔融碳酸盐燃料电池的总燃料电池效率为至少大约55％。
实施方案13.熔融碳酸盐燃料电池系统，包括具有阳极和阴极的熔融碳酸盐燃料电池，阴极包括电极表面和包含至少一种第VIII族金属的第二催化表面，第二催化表面第一区域中至少一种第VIII族金属在第二催化表面上的浓度小于至少一种第VIII族金属在第二催化表面第二区域中的浓度，第二催化表面第一区域比第二催化表面第二区域更靠近熔融碳酸盐燃料电池的阴极的阴极入口。
实施方案14.实施方案13的系统，其中至少一种第VIII族金属包括Ni、Pt、Pd、Co、Rh、Ru、Re、Ir、Fe或其组合，例如至少包括Ni、Co、Fe、Pt、Pd或其组合。
实施方案15.实施方案13或14的系统，其中第二催化表面区域包括至少一种第VIII族金属的浓度的连续提高梯度。
实施方案16.实施方案13-15中任一项的系统，其中第二催化表面第一区域包含至少一种第VIII族金属，第二催化表面第二区域包含与第二催化表面第一区域的至少一种第VIII族金属不同的至少一种其它第VIII族金属。
实施方案17.实施方案13-15中任一项的系统，其中第二催化表面第二区域包含至少一种第VIII族金属，第二催化表面第一区域包含与第二催化表面第二区域的至少一种第VIII族金属不同的至少一种其它第VIII族金属。
尽管已就具体实施方案描述了本发明，但本发明不必然地限于此。在具体条件下运行的合适变更/修改对本领域技术人员而言应该是明显的。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 (8)

1.熔融碳酸盐燃料电池系统，包括：
具有阳极和阴极的熔融碳酸盐燃料电池，阴极包括电极表面和包含至少一种第VIII族金属的第二催化表面，第二催化表面第一区域中至少一种第VIII族金属在第二催化表面上的浓度小于至少一种第VIII族金属在第二催化表面第二区域中的浓度，第二催化表面第一区域比第二催化表面第二区域更靠近熔融碳酸盐燃料电池阴极的阴极入口。
2.权利要求1的系统，其中至少一种第VIII族金属包括Ni、Pt、Pd、Co、Rh、Ru、Ir、Fe或其组合。
3.权利要求2的系统，其中至少一种第VIII族金属至少包括Ni、Co、Fe、Pt、Pd或其组合。
4.权利要求1-3中任一项的系统，其中第二催化表面区域包括至少一种第VIII族金属的浓度的连续提高梯度。
5.权利要求1-3中任一项的系统，其中第二催化表面第一区域包含至少一种第VIII族金属，第二催化表面第二区域包含与第二催化表面第一区域的至少一种第VIII族金属不同的至少一种其它第VIII族金属。
6.权利要求4的系统，其中第二催化表面第一区域包含至少一种第VIII族金属，第二催化表面第二区域包含与第二催化表面第一区域的至少一种第VIII族金属不同的至少一种其它第VIII族金属。
7.权利要求1-3中任一项的系统，其中第二催化表面第二区域包含至少一种第VIII族金属，第二催化表面第一区域包含与第二催化表面第二区域的至少一种第VIII族金属不同的至少一种其它第VIII族金属。
8.权利要求4的系统，其中第二催化表面第二区域包含至少一种第VIII族金属，第二催化表面第一区域包含与第二催化表面第二区域的至少一种第VIII族金属不同的至少一种其它第VIII族金属。
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