JP2016533628A - Integrated power generation and chemical production using solid oxide fuel cells - Google Patents

Integrated power generation and chemical production using solid oxide fuel cells Download PDF

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Abstract

様々な態様において、燃料電池の組み合わせられた電気効率および化学効率を改善または最適化することができる条件で固体オキシド燃料電池を作動するためのシステムおよび方法が提供される。燃料電池の電気効率を最大化するための従来の条件を選択する代わりに、作動条件は、燃料電池のアノード排出物における過剰量の合成ガスおよび/または水素のアウトプットを可能にすることができる。合成ガスおよび/または水素は、次いで、化学合成プロセスおよび燃料としての使用のための水素の回収を含む様々な用途で使用することができる。In various aspects, systems and methods are provided for operating a solid oxide fuel cell at conditions that can improve or optimize the combined electrical and chemical efficiency of the fuel cell. Instead of selecting conventional conditions for maximizing the fuel cell electrical efficiency, the operating conditions can allow for the output of excess synthesis gas and / or hydrogen in the anode discharge of the fuel cell. . Syngas and / or hydrogen can then be used in a variety of applications including chemical synthesis processes and recovery of hydrogen for use as a fuel.

Description

(発明の分野)
様々な態様において、本発明は、固体オキシド燃料電池(solid oxide fuel cells)を使用する電力発生と集積化された化学生産および/または発電プロセスに関する。
(Field of Invention)
In various aspects, the present invention relates to chemical generation and / or power generation processes integrated with power generation using solid oxide fuel cells.

(発明の背景)
固体オキシド燃料電池は、水素および/または他の燃料を利用して電気を発生させる。水素は、燃料電池の上流にある蒸気改質装置において、または燃料電池内でメタンまたは他の改質可能燃料を改質することにより提供され得る。改質可能燃料は、水素を含むガス生成物を生じさせるために、高温および/または高圧で蒸気および/または酸素と反応可能な炭化水素材料を包含することができる。代わりとして、または追加的に、アノードにおいて燃料を改質するために適切な条件が生じるように作動することができる固体オキシド燃料電池のアノードセルにおいて燃料を改質することができる。代わりとして、または追加的に、改質は、燃料電池の外部および内部の両方で生じることができる。
(Background of the Invention)
Solid oxide fuel cells use hydrogen and / or other fuels to generate electricity. Hydrogen may be provided in a steam reformer upstream of the fuel cell or by reforming methane or other reformable fuel in the fuel cell. The reformable fuel can include a hydrocarbon material that can react with steam and / or oxygen at elevated temperatures and / or pressures to produce a gas product containing hydrogen. Alternatively or additionally, the fuel can be reformed in the anode cell of a solid oxide fuel cell that can be operated to produce the proper conditions for reforming the fuel at the anode. Alternatively or additionally, reforming can occur both outside and inside the fuel cell.

従来、固体オキシド燃料電池は、燃料電池の電気効率とも記載され得る燃料インプットの単位あたりの電気発生を最大にするように作動される。この最大化は、燃料電池単独、または組み合わされた熱および電力用途をベースとすることができる。電気発生の増加を達成し、発熱を管理するために、燃料電池内の燃料利用は、典型的に70%〜85%に維持される。   Traditionally, solid oxide fuel cells are operated to maximize electricity generation per unit of fuel input, which can also be described as the electrical efficiency of the fuel cell. This maximization can be based on fuel cells alone or combined heat and power applications. To achieve increased electricity generation and manage heat generation, fuel utilization within the fuel cell is typically maintained between 70% and 85%.

特許文献1には、水素および電気エネルギーの共生産のためのシステムおよび方法が記載される。この共生産システムは、燃料電池と、アノード排出流を受け取って水素を分離するように構成される分離ユニットとを含む。またアノード排出物の一部分は、アノードインレットにリサイクルされる。刊行物特許文献1で与えられる作動範囲は、溶融カーボネート燃料電池をベースとしていると思われる。固体オキシド燃料電池は、代替物として記載される。   In US Pat. No. 6,057,056, a system and method for co-production of hydrogen and electrical energy is described. The co-production system includes a fuel cell and a separation unit configured to receive an anode exhaust stream and separate hydrogen. A portion of the anode discharge is recycled to the anode inlet. The operating range given in the publication US Pat. Solid oxide fuel cells are described as an alternative.

米国特許出願公開第2005/0123810号明細書US Patent Application Publication No. 2005/0123810

(発明の要旨)
一態様において、アノードおよびカソードを有する固体オキシド燃料電池を使用して、電気および水素または合成ガスを製造する方法が提供される。この方法は、改質可能燃料(reformable fuel)を含む燃料流を、固体オキシド燃料電池のアノード、固体オキシド燃料電池のアノードと関連する内部改質要素(internal reforming element)、またはそれらの組み合わせに導入することと;Oを含むカソードインレット流を、固体オキシド燃料電池のカソードに導入することと;固体オキシド燃料電池内で電気を発生させることと;アノード排出物(anode exhaust)から、Hを含むガス流、HおよびCOを含むガス流、またはそれらの組み合わせを回収することとを含み、固体オキシド燃料電池の電気効率が約10%〜約50%であり、かつ固体オキシド燃料電池の全燃料電池生産性が少なくとも約150mW/cmである。
(Summary of the Invention)
In one aspect, a method is provided for producing electricity and hydrogen or synthesis gas using a solid oxide fuel cell having an anode and a cathode. This method introduces a fuel stream containing reformable fuel into a solid oxide fuel cell anode, an internal reforming element associated with a solid oxide fuel cell anode, or a combination thereof. Introducing a cathode inlet stream comprising O 2 into the cathode of the solid oxide fuel cell; generating electricity within the solid oxide fuel cell; and H 2 from the anode exhaust. Recovering a gas stream comprising H 2 , a gas stream comprising H 2 and CO, or a combination thereof, wherein the electrical efficiency of the solid oxide fuel cell is from about 10% to about 50%, and the total solid oxide fuel cell The fuel cell productivity is at least about 150 mW / cm 2 .

固体オキシド燃料電池、ならびに関連する改質および分離段階のための構成の実施例を概略的に示す。1 schematically illustrates an example of a configuration for a solid oxide fuel cell and associated reforming and separation stages. 固体オキシド燃料電池、ならびに関連する改質および分離段階のために構成の別の実施例を概略的に示す。Figure 7 schematically illustrates another example of a configuration for a solid oxide fuel cell and associated reforming and separation steps. 固体オキシド燃料電池の作動の実施例を概略的に示す。1 schematically illustrates an example of the operation of a solid oxide fuel cell.

(実施形態の詳細な説明)
概要
様々な態様において、高い全燃料電池効率において固体オキシド燃料電池(solid oxide fuel cell)(SOFC)から電気の発生に加えて、多量の水素または合成ガスの生成を実行するシステムおよび方法が提供される。本発明の態様は、いずれの平面電池または管状電池も使用することができる。全燃料電池効率は、一般に、燃料電池の組み合わせた電気効率および化学的効率を指す。全燃料電池効率のより完全な定義については、以下に提供される。
(Detailed description of embodiment)
SUMMARY In various aspects, systems and methods are provided that perform the generation of large amounts of hydrogen or syngas in addition to generating electricity from a solid oxide fuel cell (SOFC) at high total fuel cell efficiency. The Embodiments of the present invention can use any planar or tubular battery. Total fuel cell efficiency generally refers to the combined electrical and chemical efficiency of the fuel cell. A more complete definition of total fuel cell efficiency is provided below.

典型的な燃料電池システムは、他のいずれかのパラメーターの代価で最適化された電気効率のために設計および作動されることが可能である。発生した熱は、その場であっても、ならびに/またはオフガスおよびアノード生成物を燃焼させる結果であっても、安定条件で燃料電池作動を維持するために必要とされる範囲まで利用されることができる。ほとんどの発電方法と同様に、主として従来の燃料電池システムは、電気発生を見積もる。従来の燃料電池システムは、分散型電源またはバックアップ発生などにおける主な目的が効率的な電力の発生である用途で使用することができる。   A typical fuel cell system can be designed and operated for optimized electrical efficiency at the cost of any other parameter. The generated heat, whether in situ and / or as a result of burning off-gas and anode products, should be utilized to the extent required to maintain fuel cell operation at stable conditions. Can do. Like most power generation methods, primarily conventional fuel cell systems estimate electricity generation. Conventional fuel cell systems can be used in applications where the main purpose in distributed power generation or backup generation is efficient power generation.

本発明の態様は、全燃料電池効率が従来の燃料電池効率を上回るように燃料電池作動パラメーターを確立することができる。追加的に、または代わりとして、本発明は、非常に高い全システム効率を維持しながら、全燃料電池生産性を上昇させる方法を提供する。一態様において、生産性は、例えば、燃料電池の断面積で測定される、燃料電池能力の示された量に関する、単位時間あたり生成される有用な生成物(例えば、合成ガス、熱、電気)の総量である。燃料電池の電気効率を最大化するための従来の条件を選択する代わりに、電気効率が上記の典型的な燃料電池システムにおいて求められる最適な電気効率より低くなる場合、作動条件は、全体的なシステムのために、非常により高い全燃料電池効率および/または生産性を生じることができる。下記により詳細に記載されるように、全燃料電池効率は、燃料電池に送達されるエネルギー量と比較した、燃料電池で生じるエネルギー量の尺度であり、一方、生産性は、燃料電池のサイズ(例えば、アノード面積)と比較した、燃料電池によって生じたエネルギー(全化学、電気および熱エネルギー)の量の尺度である。高い全燃料電池効率および/または生産性を達成することが可能な条件によって、燃料電池のアノード排出物における過剰量の合成ガスおよび/または水素のアウトプットが可能となり、かつこれは、いくつかの生成物の過剰量の生成を可能にするために、インプットおよびアウトプットをアノードおよびカソードから完全に、または部分的に分離することによって達成可能である。この過剰量は、例えば、電池の電気効率を低下させることによって(例えば、より低い電圧で作動させることによって)、および/または化学エネルギー(例えば、合成ガスの形態)の効率的な生成のために、その場で生じる熱を使用することによって、可能にすることができる。その結果、燃料電池は、当該技術分野において既知であるものと同様であるか、またはそれより高い全アウトプット効率(化学、電気および有用な熱エネルギーの合計)を維持しながら、非常により多量のアノードへの全燃料インプットを処理することができる。生産性がより高いほど、組み合わせたシステム内での燃料電池のより効率的な利用が可能となる。   Aspects of the invention can establish fuel cell operating parameters such that total fuel cell efficiency exceeds conventional fuel cell efficiency. Additionally or alternatively, the present invention provides a method for increasing total fuel cell productivity while maintaining very high overall system efficiency. In one aspect, productivity is a useful product produced per unit time (eg, syngas, heat, electricity) for the indicated amount of fuel cell capacity, eg, measured in fuel cell cross-sectional area. Is the total amount. If, instead of selecting conventional conditions for maximizing the fuel cell's electrical efficiency, the electrical efficiency will be lower than the optimum electrical efficiency required in the above typical fuel cell system, the operating conditions are Because of the system, much higher overall fuel cell efficiency and / or productivity can be produced. As described in more detail below, total fuel cell efficiency is a measure of the amount of energy produced in a fuel cell compared to the amount of energy delivered to the fuel cell, while productivity is the size of the fuel cell ( For example, a measure of the amount of energy (total chemical, electrical and thermal energy) produced by a fuel cell compared to the anode area. Conditions that can achieve high overall fuel cell efficiency and / or productivity allow for the output of excess syngas and / or hydrogen in the fuel cell anode emissions, It can be achieved by completely or partially separating the input and output from the anode and cathode to allow the production of an excess of product. This excess may be due to, for example, reducing the electrical efficiency of the battery (eg, by operating at a lower voltage) and / or for efficient generation of chemical energy (eg, in the form of synthesis gas). This can be made possible by using heat generated in situ. As a result, fuel cells are much larger in quantity while maintaining a total output efficiency (sum of chemical, electrical and useful thermal energy) that is similar to or higher than that known in the art. All fuel input to the anode can be handled. The higher the productivity, the more efficient use of the fuel cell within the combined system is possible.

アノードで生じる電気化学的プロセスは、少なくともH、COおよびCOの組み合わせを含有する合成ガスのアノードアウトプット流をもたらし得る。水性ガスシフト反応を次いで使用し、合成ガスの所望の組成を発生させ、かつ/または他の合成ガス成分と比較してH生成を増加もしくは最大化をもたらすことができる。合成ガスおよび/または水素は、次いで、限定されないが、化学合成プロセスおよび/または「クリーン」燃料として使用するための水素の回収を含む様々な用途において使用することができる。 The electrochemical process occurring at the anode can result in an anode output stream of synthesis gas containing a combination of at least H 2 , CO, and CO 2 . Is then used to water gas shift reaction, the desired composition of the synthesis gas is generated, and as compared with / or other synthesis gas components can result in an increase or maximize and H 2 generation. Syngas and / or hydrogen can then be used in a variety of applications including, but not limited to, chemical synthesis processes and / or recovery of hydrogen for use as a “clean” fuel.

本明細書で使用される場合、「電気効率(electrical efficiency)」(「EE」)という用語は、燃料電池への燃料インプットの低位発熱量(「LHV」)の率で割られる、燃料電池で生じる電気化学的動力として定義される。燃料電池への燃料インプットには、アノードに送達される燃料、ならびに燃料電池の温度を維持するために使用されるいずれの燃料、例えば、燃料電池と関連するバーナーに送達される燃料の両方が含まれる。本記載において、燃料によって生じる動力は、LHV(el)燃料率に関して記載されてもよい。   As used herein, the term “electrical efficiency” (“EE”) is a fuel cell divided by the rate of the lower heating value (“LHV”) of the fuel input to the fuel cell. Defined as the resulting electrochemical power. Fuel input to the fuel cell includes both the fuel delivered to the anode and any fuel used to maintain the temperature of the fuel cell, for example, the fuel delivered to the burner associated with the fuel cell. It is. In this description, the power generated by the fuel may be described in terms of LHV (el) fuel rate.

本明細書で使用される場合、「電気化学的動力」またはLHV(el)という用語は、燃料電池でカソードをアノードに連結する回路および燃料電池の電解質を通る酸素イオンの移動によって発生する動力である。電気化学的動力は、燃料電池から生じるか、上流または下流装置で消費される動力を排除する。例えば、燃料電池廃棄物流における熱から生じる電気は、電気化学的動力の一部分として考えられない。同様に、燃料電池の上流のガスタービンまたは他の装置で発生する動力は、発生する電気化学的動力の一部分でない。「電気化学的動力」は、燃料電池の作動の間に消費される電力、または直流から交流への変換によって生じるいずれの損失も考慮しない。言い換えると、燃料電池作動を供給するため、または他に燃料電池を作動するために使用される電力は、燃料電池によって生じる直流動力から差し引かれない。本明細書で使用される場合、電力密度は電圧を乗算した電流密度である。本明細書で使用される場合、電流密度は、単位面積あたりの電流である。本明細書で使用される場合、全燃料電池動力は、燃料電池面積を乗算した電力密度である。   As used herein, the term “electrochemical power” or LHV (el) is the power generated by the movement of oxygen ions through the fuel cell electrolyte and the circuit connecting the cathode to the anode in the fuel cell. is there. Electrochemical power eliminates power generated from the fuel cell or consumed in upstream or downstream equipment. For example, electricity resulting from heat in a fuel cell waste stream is not considered part of the electrochemical power. Similarly, the power generated in a gas turbine or other device upstream of the fuel cell is not part of the generated electrochemical power. “Electrochemical power” does not take into account the power consumed during the operation of the fuel cell or any losses caused by the conversion from direct current to alternating current. In other words, the power used to provide fuel cell operation or otherwise to operate the fuel cell is not subtracted from the DC power generated by the fuel cell. As used herein, power density is current density multiplied by voltage. As used herein, current density is current per unit area. As used herein, total fuel cell power is the power density multiplied by the fuel cell area.

本明細書で使用される場合、LHV(anode_in)として示される「アノード燃料インプット」という用語は、アノードインレット流の中の燃料の量である。LHV(in)として示される「燃料インプット」という用語は、アノードインレット流内の燃料の量および燃料電池の温度を維持するために使用される燃料の量の両方を含む燃料電池に送達される燃料の全体の量である。燃料は、本明細書に提供される改質可能燃料の定義をベースとして、改質可能および非改質可能燃料を含んでもよい。燃料インプットは、燃料利用と同一ではない。   As used herein, the term “anode fuel input”, denoted as LHV (anode_in), is the amount of fuel in the anode inlet stream. The term “fuel input”, denoted as LHV (in), refers to fuel delivered to a fuel cell that includes both the amount of fuel in the anode inlet stream and the amount of fuel used to maintain the temperature of the fuel cell. Is the total amount of. Fuels may include reformable and non-reformable fuels based on the definition of reformable fuel provided herein. Fuel input is not the same as fuel use.

本明細書で使用される場合、「全燃料電池効率(total fuel cell efficiency)」(「TFCE」)という用語は、燃料電池によって発生する電気化学的動力に、燃料電池によって生じる合成ガスのLHVの率を足したものを、アノードへの燃料インプットのLHVの率で割ったものとして定義される。言い換えると、TFCE=(LHV(el)+LHV(sg net))/LHV(anode_in)であり、式中、LHV(anode_in)は、燃料成分(例えばH、CHおよび/またはCO)がアノードに送達される時のLHVを指し、かつLHV(sg net)は、合成ガス(H、CO)がアノードで生じる率を指し、これは、アノードへの合成ガスインプットとアノードからの合成ガスアウトプットとの間の差異である。LHV(el)は、燃料電池の電気化学的発電を記載する。全燃料電池効率は、燃料電池の外側で有利に使用される、燃料電池によって発生する熱を排除する。作動において、燃料電池によって発生する熱は、下流の装置において有利に使用されてもよい。例えば、熱は追加的な電気を発生させるか、または水を加熱するために使用されてもよい。これらの用途は、それらが燃料電池と離れて生じる場合、本出願で使用される用語のような全燃料電池効率の一部分でない。全燃料電池効率は、燃料電池作動のみに関し、動力発生または、上流もしくは下流での燃料電池の消費を含まない。 As used herein, the term “total fuel cell efficiency” (“TFCE”) refers to the electrochemical power generated by a fuel cell and the LHV of the syngas generated by the fuel cell. Defined as the sum of the rate divided by the rate of LHV of the fuel input to the anode. In other words, TFCE = (LHV (el) + LHV (sg net)) / LHV (anode_in), where LHV (anode_in) is the fuel component (eg, H 2 , CH 4 and / or CO) at the anode LHV as delivered and LHV (sg net) refers to the rate at which synthesis gas (H 2 , CO) is produced at the anode, which is the synthesis gas input to the anode and the synthesis gas output from the anode Is the difference between LHV (el) describes the electrochemical power generation of the fuel cell. Total fuel cell efficiency eliminates the heat generated by the fuel cell, which is advantageously used outside the fuel cell. In operation, the heat generated by the fuel cell may be advantageously used in downstream equipment. For example, heat may be used to generate additional electricity or to heat water. These applications are not part of the overall fuel cell efficiency as the terminology used in this application if they occur away from the fuel cell. Total fuel cell efficiency relates only to fuel cell operation and does not include power generation or fuel cell consumption upstream or downstream.

本明細書で使用される場合、「化学効率(chemical efficiency)」という用語は、燃料インプットまたはLHV(in)で割られる、燃料電池のアノード排出物におけるHおよびCOの低位発熱量、またはLHV(sg out)として定義される。 As used herein, the term “chemical efficiency” refers to the lower heating value of H 2 and CO in the fuel cell anode emissions divided by the fuel input or LHV (in), or LHV. Defined as (sg out).

本明細書で使用される場合、「全燃料電池生産性(total fuel cell productivity)」(「TFCP」)という用語は、インプット燃料の変換による単位時間あたりの燃料電池断面積の単位あたり生じる生成物の全エネルギー値として定義される。燃料は、酸化反応、改革反応および/または水性ガスシフト反応で変換されてもよい。生成物の全エネルギーは、1cmあたりのmWなどのいずれの都合のよい単位でも表されてもよい。燃料電池で生じる生成物としては、電気化学的動力、合成ガスおよび/または水素、ならびに熱を含むことができる。発生した熱は、アノードインレットとアノードアウトレットとの間の温度差を測定することによって決定されてもよい。一例として、燃料電池の生産性は、燃料電池アノードの断面積1cmあたりのmWとして表すことができる。燃料電池作動条件は、高い全燃料電池生産性および高い全燃料電池効率の両方を生じるように任意に選択することができる。 As used herein, the term “total fuel cell productivity” (“TFCP”) is the product produced per unit of fuel cell cross-sectional area per unit time due to conversion of input fuel. Is defined as the total energy value of. The fuel may be converted in an oxidation reaction, a reforming reaction and / or a water gas shift reaction. The total energy of the product may be expressed in any convenient unit, such as mW per cm 2 . Products produced in a fuel cell can include electrochemical power, synthesis gas and / or hydrogen, and heat. The generated heat may be determined by measuring the temperature difference between the anode inlet and the anode outlet. As an example, the productivity of a fuel cell can be expressed as mW per 1 cm 2 cross-sectional area of the fuel cell anode. The fuel cell operating conditions can be arbitrarily selected to produce both high total fuel cell productivity and high total fuel cell efficiency.

本明細書で使用される場合、「全改質可能燃料生産性(total reformable fuel productivity)」(「TRFP」)という用語は、燃料電池の断面積の単位あたりの、アノードへの改質可能燃料インプットのLHVと、アノードアウトレットから受け取られる改質可能燃料のLHVとの間の差異である。アノードインレットおよびアウトレットの改質可能燃料間の差異は、合成ガスおよび/または水素に変換された改質可能燃料の量から、最終的に電気を生じる酸化反応において消費される新規に生じる合成ガスおよび/または水素の量を差し引いたものにほぼ等しくなることが可能である。新規に生じる合成ガスおよび/または水素は、アノードで、または燃料電池と熱集積化された関連する改質段階で生じる。アノードインレットに提供される合成ガスおよび/または水素は新規に生じない。燃料電池作動条件は、高い全改質可能燃料生産性および高い全燃料電池効率の両方を生じるために任意に選択することができる。   As used herein, the term “total reformable fuel productivity” (“TRFP”) refers to reformable fuel to the anode per unit of fuel cell cross-sectional area. The difference between the LHV of the input and the LHV of the reformable fuel received from the anode outlet. The difference between the reformable fuel at the anode inlet and outlet is that the amount of the reformable fuel converted to syngas and / or hydrogen from the newly generated syngas consumed in the oxidation reaction that ultimately produces electricity and It can be approximately equal to the amount of hydrogen minus the amount. Newly generated syngas and / or hydrogen arises at the anode or in the associated reforming stage heat integrated with the fuel cell. Syngas and / or hydrogen provided to the anode inlet is not newly generated. The fuel cell operating conditions can be arbitrarily selected to produce both high total reformable fuel productivity and high total fuel cell efficiency.

いくつかの態様において、燃料電池の作動は、電気効率をベースとして特徴づけることができる。燃料電池を低い電気効率(EE)を有するように作動させる場合、固体オキシド燃料電池を、約50%以下の電気効率、例えば、約45%以下のEE、約40%以下のEE、約35%以下のEE、または約30%以下のEE、約25%以下のEE、約20%以下のEE、約15%以下のEE、または約10%以下のEEを有するように作動させることができる。追加的に、または代わりとして、EEは、少なくとも約5%、または少なくとも約10%、または少なくとも約15%、少なくとも約20%、少なくとも約25%、または少なくとも約30%であることができる。さらに追加的に、または代わりとして、燃料電池の作動は、燃料電池の組み合わせられた電気効率および化学効率などの全燃料電池効率(TFCE)をベースとして特徴づけることができる。燃料電池を高い全燃料電池効率を有するように作動させる場合、固体オキシド燃料電池は、約55%以上、例えば、約60%以上、または約65%以上、または約70%以上、または約75%以上、または約80%以上、または約85%以上のTFCE(および/または組み合わせられた電気効率および化学効率)を有するように作動させることができる。なお、全体燃料電池効率ならびに/または組み合わせられた電気効率および化学効率に関して、燃料電池によって発生する過剰量の熱の使用から発生するいずれの追加的な電気も効率計算から排除することができる。   In some embodiments, the operation of the fuel cell can be characterized on the basis of electrical efficiency. When operating a fuel cell to have a low electrical efficiency (EE), the solid oxide fuel cell may have an electrical efficiency of about 50% or less, for example, an EE of about 45% or less, an EE of about 40% or less, about 35% It can be operated to have the following EE, or about 30% or less EE, about 25% or less EE, about 20% or less EE, about 15% or less EE, or about 10% or less EE. Additionally or alternatively, the EE can be at least about 5%, or at least about 10%, or at least about 15%, at least about 20%, at least about 25%, or at least about 30%. Additionally or alternatively, fuel cell operation can be characterized on the basis of total fuel cell efficiency (TFCE), such as the combined electrical and chemical efficiency of the fuel cell. When the fuel cell is operated to have a high overall fuel cell efficiency, the solid oxide fuel cell is about 55% or more, such as about 60% or more, or about 65% or more, or about 70% or more, or about 75%. Or may be operated to have a TFCE (and / or combined electrical and chemical efficiency) of about 80% or more, or about 85% or more. It should be noted that with respect to overall fuel cell efficiency and / or combined electrical and chemical efficiency, any additional electricity generated from the use of excess heat generated by the fuel cell can be excluded from the efficiency calculation.

本発明の様々な態様において、燃料電池の作動は、約50%以下の所望の電気効率および55%以上の所望の全体燃料電池効率をベースとして特徴づけることができる。燃料電池が、所望の電気効率および所望の全体燃料電池効率を有するように作動される場合、固体オキシド燃料電池は、約55%以上のTFCEとともに50%以下の電気効率、例えば、約60%以上のTFCEとともに約40%以下のEE、約65%以上のTFCEとともに約35%以下のEE、約70%以上のTFCEとともに約30%以下のEE、あるいは約75%以上のTFCEとともに約20%以下のEE、または約80%以上のTFCEとともに約15%以下のEE、または約85%以上のTFCEとともに約10%以下のEEを有するように作動されることができる。   In various aspects of the invention, fuel cell operation can be characterized on the basis of a desired electrical efficiency of about 50% or less and a desired overall fuel cell efficiency of 55% or more. When the fuel cell is operated to have the desired electrical efficiency and the desired overall fuel cell efficiency, the solid oxide fuel cell has an electrical efficiency of 50% or less, for example, about 60% or more with about 55% or more TFCE. About 40% or less EE with about TFCE, about 35% or less EE with about 65% or more TFCE, about 30% or less EE with about 70% or more TFCE, or about 20% or less with about 75% or more TFCE EE, or about 15% or less EE with about 80% or more TFCE, or about 10% or less EE with about 85% or more TFCE.

本発明の様々な態様において、燃料電池の作動は、約150mW/cm以上の所望の全燃料電池生産性(「TFCP」)および55%以上の所望の全燃料電池効率に基づき特徴づけることができる。燃料電池が、150mW/cmより高い所望のTFCPおよび所望の全燃料電池効率を有するように作動される場合、固体オキシド燃料電池は、約55%以上、例えば、約60%以上、約65%以上、約70%以上、または約75%以上、または約80%以上、または約85%以上のTFCEを有するように作動されることができる。燃料電池が、55%以上の所望の全燃料電池効率を有するように作動される場合、固体オキシド燃料電池は、少なくとも約150mW/cm、または少なくとも約200mW/cm、または少なくとも約250mW/cm、または少なくとも約300mW/cm、または少なくとも約350mW/cmのTFCPを有するように作動されることができる。そのような態様において、TFCPは、約800mW/cm以下、または約700mW/cm以下、または約600mW/cm以下、または約500mW/cm以下、または約400mW/cm以下であることができる。 In various aspects of the invention, fuel cell operation may be characterized based on a desired total fuel cell productivity (“TFCP”) of about 150 mW / cm 2 or greater and a desired total fuel cell efficiency of 55% or greater. it can. When the fuel cell is operated to have a desired TFCP greater than 150 mW / cm 2 and the desired total fuel cell efficiency, the solid oxide fuel cell is greater than about 55%, eg, greater than about 60%, about 65% More than about 70%, or about 75%, or about 80%, or about 85% or more can be operated. When the fuel cell is operated to have a desired total fuel cell efficiency of 55% or higher, the solid oxide fuel cell is at least about 150 mW / cm 2 , or at least about 200 mW / cm 2 , or at least about 250 mW / cm. 2 , or at least about 300 mW / cm 2 , or at least about 350 mW / cm 2 TFCP. In such embodiments, it TFCP is about 800 mW / cm 2 or less, or about 700 mW / cm 2 or less, or about 600 mW / cm 2 or less, or about 500 mW / cm 2 or less, or about 400 mW / cm 2 or less Can do.

本発明の様々な態様において、燃料電池の作動は、約75mW/cm以上の所望の全改質可能燃料生産性および55%以上の所望の全燃料電池効率に基づき特徴づけることができる。燃料電池が、約75mW/cmより高い所望の改質可能燃料生産性および所望の全燃料電池効率を有するように作動される場合、固体オキシド燃料電池は、約55%以上、例えば、約60%以上、約65%以上、約70%以上、または約75%以上、または約80%以上、または約85%、または約90%以上のTFCEを有するように作動されることができる。燃料電池が、55%以上の所望の全燃料電池効率を有するように作動される場合、固体オキシド燃料電池は、少なくとも約75mW/cm、または少なくとも約100mW/cm、または少なくとも約125mW/cm、または少なくとも約150mW/cm、または少なくとも約175mW/cm、または少なくとも約200mW/cm、または少なくとも約300mW/cmの改質可能燃料生産性を有するように作動されることができる。そのような態様において、改質可能燃料生産性は、約600mW/cm以下、または約500mW/cm以下、または約400mW/cm以下、または約300mW/cm以下、または約200mW/cm以下であることができる。 In various aspects of the invention, fuel cell operation can be characterized based on a desired total reformable fuel productivity of about 75 mW / cm 2 or greater and a desired total fuel cell efficiency of 55% or greater. If the fuel cell is operated to have a desired reformable fuel productivity greater than about 75 mW / cm 2 and a desired total fuel cell efficiency, the solid oxide fuel cell is greater than about 55%, eg, about 60 % Or more, about 65% or more, about 70% or more, or about 75% or more, or about 80% or more, or about 85%, or about 90% or more. When the fuel cell is operated to have a desired total fuel cell efficiency of 55% or greater, the solid oxide fuel cell is at least about 75 mW / cm 2 , or at least about 100 mW / cm 2 , or at least about 125 mW / cm. 2, or may be operated to have at least about 150 mW / cm 2, or at least about 175mW / cm 2, or at least about 200 mW / cm 2, or at least modifiable fuel productivity of about 300 mW / cm 2,,, . In such embodiments, the reformable fuel productivity is about 600 mW / cm 2 or less, or about 500 mW / cm 2 or less, or about 400 mW / cm 2 or less, or about 300 mW / cm 2 or less, or about 200 mW / cm. It can be 2 or less.

所望の電気効率、化学効率および/または全燃料電池効率を有する固体オキシド燃料電池を作動させることは、様々な方法で達成することができる。いくつかの態様において、固体オキシド燃料電池の化学効率は、電気を発生させるためのアノード中の水素の酸化の量と比較して、燃料電池内(および/または燃料電池アセンブリの関連する改質段階内)で実行される改質の量を増加させることによって増加させることができる。従来は、固体オキシド燃料電池は、全システム温度を維持するために適切な熱バランスを維持しながら、消費される燃料の量と比較して、電力発生の効率を最大化するために作動されていた。この種類の作動条件において、電気アウトプットのために望ましい(すなわち、高い)電圧で電気効率を最大化し、燃料電池内で熱バランスを維持するために、約70%〜約85%のアノードにおける燃料利用が望ましい。高い燃料利用値において、わずかのみの量の水素(または合成ガス)が、合成ガスの形成のためにアノード排出物中に残る。例えば、約75%の燃料利用で、アノードに入る燃料の約25%は、合成ガスおよび/または未反応燃料の組み合わせとして出ることができる。わずかな量の水素または合成ガスは、典型的に、アノード酸化反応を促進するため、かつ適切な燃料電池動作温度まで反応物および/またはインレット流を加熱するために十分な燃料を提供するために、アノードにおいて十分な水素濃度を維持するために十分である。   Operating a solid oxide fuel cell having the desired electrical efficiency, chemical efficiency and / or total fuel cell efficiency can be accomplished in various ways. In some embodiments, the chemical efficiency of the solid oxide fuel cell is within the fuel cell (and / or the associated reforming stage of the fuel cell assembly) as compared to the amount of oxidation of hydrogen in the anode to generate electricity. Can be increased by increasing the amount of reforming performed. Traditionally, solid oxide fuel cells have been operated to maximize the efficiency of power generation compared to the amount of fuel consumed, while maintaining an appropriate heat balance to maintain the overall system temperature. It was. In this type of operating condition, about 70% to about 85% fuel at the anode to maximize electrical efficiency at the desired (ie high) voltage for electrical output and maintain thermal balance within the fuel cell. Use is desirable. At high fuel utilization values, only a small amount of hydrogen (or synthesis gas) remains in the anode exhaust due to the formation of synthesis gas. For example, with about 75% fuel utilization, about 25% of the fuel entering the anode can exit as a combination of synthesis gas and / or unreacted fuel. A small amount of hydrogen or synthesis gas typically provides sufficient fuel to promote the anodic oxidation reaction and to heat the reactant and / or inlet stream to the appropriate fuel cell operating temperature. , Sufficient to maintain a sufficient hydrogen concentration at the anode.

この従来の作動とは対照的に、固体オキシド燃料電池は、低燃料利用およびより高い燃料流速で、かつアノード排出物からアノードインレットへの燃料のリサイクルがほとんどないか、または全くない状態で作動されることができる。アノードインレットへの燃料のリサイクルを低下または最小化させながら、低燃料利用で作動させることによって、より多量のHおよび/またはCOをアノード排出物において入手可能となる。この過剰量のHおよびCOは、合成ガス生成物および/または水素生成物として回収することができる。様々な態様において、燃料電池における燃料利用は、少なくとも約5%、例えば、少なくとも約10%、または少なくとも約15%、または少なくとも約20%であることができる。追加的に、または代わりとして、低燃料利用の態様において、燃料利用は、約60%以下、または約50%以下、または約40%以下であることができる。 In contrast to this conventional operation, solid oxide fuel cells are operated at low fuel utilization and higher fuel flow rates with little or no fuel recycling from the anode exhaust to the anode inlet. Can be. By operating with low fuel utilization while reducing or minimizing fuel recycling to the anode inlet, higher amounts of H 2 and / or CO are available in the anode emissions. This excess of H 2 and CO can be recovered as a synthesis gas product and / or a hydrogen product. In various aspects, fuel utilization in a fuel cell can be at least about 5%, such as at least about 10%, or at least about 15%, or at least about 20%. Additionally or alternatively, in low fuel utilization embodiments, fuel utilization can be about 60% or less, or about 50% or less, or about 40% or less.

燃料電池の化学効率を増加させるための1つの選択肢は、燃料電池に送達される燃料の改質可能水素含有量を増加させることであることができる。例えば、アノードおよび/またはアノードに関連する改質段階に送達されるインプット流中の改質可能燃料の改質可能水素含有量は、アノードにおいて反応する水素の正味の量より少なくとも約50%多く、例えば、少なくとも約75%多く、または少なくとも約100%多くなることができる。追加的に、または代わりとして、アノードおよび/またはアノードに関連する改質段階に送達されるインプット流中の燃料の改質可能水素含有量は、アノードにおいて反応する水素の正味の量より少なくとも約50%多く、例えば、少なくとも約75%多く、または少なくとも約100%多くなることができる。様々な態様において、燃料流中の改質可能燃料の改質可能水素含有量対アノードにおいて反応する水素の量の比率は、少なくとも約1.5:1、または少なくとも約2.0:1、または少なくとも約2.5:1、または少なくとも約3.0:1であることができる。追加的に、または代わりとして、燃料流中の改質可能燃料の改質可能水素含有量対アノードにおいて反応する水素の量の比率は、約20:1以下、例えば、約15:1以下、または約10:1以下であることができる。一態様において、アノードインレット流の改質可能水素含有量の100%未満を水素に変換することができると考えられる。例えば、アノードインレット流の改質可能水素含有量の少なくとも約80%、例えば、少なくとも約85%、または少なくとも約90%を、アノードおよび/または関連する改質段階で水素に変換することができる。   One option for increasing the chemical efficiency of a fuel cell can be to increase the reformable hydrogen content of the fuel delivered to the fuel cell. For example, the reformable hydrogen content of the reformable fuel in the input stream delivered to the anode and / or the reforming stage associated with the anode is at least about 50% greater than the net amount of hydrogen reacted at the anode, For example, it can be at least about 75% more, or at least about 100% more. Additionally or alternatively, the reformable hydrogen content of the fuel in the input stream delivered to the anode and / or the reforming stage associated with the anode is at least about 50 greater than the net amount of hydrogen reacted at the anode. %, For example, at least about 75% more, or at least about 100% more. In various embodiments, the ratio of the reformable hydrogen content of the reformable fuel in the fuel stream to the amount of hydrogen reacted at the anode is at least about 1.5: 1, or at least about 2.0: 1, or It can be at least about 2.5: 1, or at least about 3.0: 1. Additionally or alternatively, the ratio of the reformable hydrogen content of the reformable fuel in the fuel stream to the amount of hydrogen reacted at the anode is about 20: 1 or less, such as about 15: 1 or less, or It can be about 10: 1 or less. In one aspect, it is believed that less than 100% of the reformable hydrogen content of the anode inlet stream can be converted to hydrogen. For example, at least about 80%, eg, at least about 85%, or at least about 90% of the reformable hydrogen content of the anode inlet stream can be converted to hydrogen at the anode and / or associated reforming stages.

水素または合成ガスのいずれも、化学エネルギーアウトプットとしてアノード排出物から回収することができる。水素は、燃焼時に温室効果ガスを生じることのないクリーンな燃料として使用することができる。追加的に、水素は、様々な精製装置プロセスおよび/または他の合成プロセスのための有益なインプットであることができる。合成ガスは、様々なプロセスの有益なインプットであることもできる。燃料価を有することに加えて、合成ガスは、例えば、フィッシャー−トロプシュ合成および/またはメタノール合成プロセスのためのインプットとして合成ガスを使用することにより、他のより高価値の製品を製造するための原料として使用することができる。   Either hydrogen or synthesis gas can be recovered from the anode exhaust as a chemical energy output. Hydrogen can be used as a clean fuel that does not produce greenhouse gases during combustion. Additionally, hydrogen can be a valuable input for various purifier processes and / or other synthetic processes. Syngas can also be a valuable input for various processes. In addition to having a fuel value, synthesis gas is used to produce other higher value products, for example, by using synthesis gas as an input for Fischer-Tropsch synthesis and / or methanol synthesis processes. Can be used as a raw material.

様々な態様において、アノード排出物は、約1.5:1〜約10:1、例えば、少なくとも約3.0:1、または少なくとも約4.0:1、または少なくとも約5.0:1、および/または約8.0:1以下または約6.0:1以下のH:COの比率を有することができる。合成ガス流は、アノード排出物から回収することができる。様々な態様において、アノード排出物から回収される合成ガス流は、少なくとも約0.9:1、例えば、少なくとも約1.0:1、または少なくとも約1.2:1、または少なくとも約1.5:1、または少なくとも約1.7:1、または少なくとも約1.8:1、または少なくとも約1.9:1のHのモル対COのモルの比率を有することができる。追加的に、または代わりとして、アノード排出物から回収される合成ガスのH:COのモル比は、約3.0:1以下、例えば、約2.7:1以下、または約2.5:1以下、または約2.3:1以下、または約2.2:1以下、または約2.1:1以下であることができる。しかしながら、合成ガス用途の多くの種類は、少なくとも約1.5:1〜約2.5:1以下のH:COのモル比を有する合成ガスから利益を得るため、例えば、約1.7:1〜約2.3:1H:CO含有量のモル比を有する合成ガスを形成することは、いくつかの用途関して望ましくなり得る。 In various embodiments, the anode emissions are from about 1.5: 1 to about 10: 1, such as at least about 3.0: 1, or at least about 4.0: 1, or at least about 5.0: 1. And / or have a ratio of H 2 : CO of about 8.0: 1 or less, or about 6.0: 1 or less. A synthesis gas stream can be recovered from the anode exhaust. In various embodiments, the synthesis gas stream recovered from the anode exhaust is at least about 0.9: 1, such as at least about 1.0: 1, or at least about 1.2: 1, or at least about 1.5. : 1 or at least about 1.7: 1 or at least about 1.8: 1 or at least about 1.9: can have a molar ratio of 1 of H 2 molar pairs CO. Additionally or alternatively, the H 2 : CO molar ratio of the synthesis gas recovered from the anode exhaust is about 3.0: 1 or less, such as about 2.7: 1 or less, or about 2.5 1 or less, or about 2.3: 1 or less, or about 2.2: 1 or less, or about 2.1: 1 or less. However, many types of synthesis gas applications benefit from synthesis gas having a H 2 : CO molar ratio of at least about 1.5: 1 to about 2.5: 1 or less, for example, about 1.7 It may be desirable for some applications to form a synthesis gas having a molar ratio of: 1 to about 2.3: 1 H 2 : CO content.

合成ガスは、いずれかの都合のよい方法によって、アノード排出物から回収することができる。いくつかの態様において、合成ガスは、HおよびCOとは異なるアノード排出物中の成分の少なくとも一部分を除去するために、アノード排出物において分離を実行することによって、アノード排出物から回収することができる。例えば、アノード排出物を、最初に、HおよびCOの相対的な量を調節するための任意の水性ガスシフト段階に通過させることができる。次いで、1つ以上の分離段階を、アノード排出物からHOおよび/またはCOを除去するために使用することができる。次いで、アノード排出物の残りの部分は、合成ガス流に相当することができ、これは次いで、いずれかの都合のよい方法で使用するために回収することができる。追加的に、または代わりとして、回収された合成ガス流を、1つ以上の水性ガスシフト段階に通過させることができ、かつ/あるいは1つ以上の分離段階に通過させることができる。 Syngas can be recovered from the anode exhaust by any convenient method. In some embodiments, synthesis gas is recovered from the anode exhaust by performing a separation in the anode exhaust to remove at least a portion of the components in the anode exhaust that are different from H 2 and CO. Can do. For example, the anode exhaust can be initially passed through an optional water gas shift stage to adjust the relative amounts of H 2 and CO. One or more separation stages can then be used to remove H 2 O and / or CO 2 from the anode exhaust. The remaining portion of the anode discharge can then correspond to a synthesis gas stream, which can then be recovered for use in any convenient manner. Additionally or alternatively, the recovered synthesis gas stream can be passed through one or more water gas shift stages and / or can be passed through one or more separation stages.

回収された合成ガスにおけるH:COのモル比を変性するための追加的または他の方法は、例えば、膜分離を実行することによって、アノード排出物および/または合成ガスからH流を分離することであることが可能であることに留意すべきである。別々のHアウトプット流を形成するためのそのような分離は、水性ガスシフト反応段階にアノード排出物を通過させる前および/または後、ならびにHおよびCOとは異なるアノード排出物中の成分を除去するための1つ以上の分離段階にアノード排出物を通過させる前および/または後などの、いずれかの都合のよい位置で実行可能である。任意に、アノード排出物からのH流の分離の前および後に、水性ガスシフト段階を使用することができる。追加的または他の実施形態において、Hは、回収された合成ガス流から任意に分離することができる。いくつかの態様において、分離されたH流は、少なくとも約90体積%のH、例えば、少なくとも約95体積%のH、または少なくとも約99体積%のHを含有するH流などの高純度H流に相当することができる。 An additional or other method for modifying the H 2 : CO molar ratio in the recovered synthesis gas is to separate the H 2 stream from the anode exhaust and / or synthesis gas, for example, by performing membrane separation. It should be noted that it is possible to be. Such separation to form a separate H 2 output stream may involve components in the anode exhaust before and / or after passing the anode exhaust through the water gas shift reaction stage and different from H 2 and CO. It can be performed at any convenient location, such as before and / or after passing the anode effluent through one or more separation stages for removal. Optionally, a water gas shift stage can be used before and after separation of the H 2 stream from the anode effluent. In additional or other embodiments, H 2 can optionally be separated from the recovered synthesis gas stream. In some embodiments, the separated H 2 stream is at least about 90% by volume H 2 , such as an H 2 stream containing at least about 95% by volume H 2 , or at least about 99% by volume H 2 , etc. High purity H 2 stream.

本明細書に記載される燃料電池作動戦略の追加、補足、および/または代替として、固体オキシド燃料電池(例えば、燃料電池アセンブリ)は、燃料電池のアノードで反応する水素の量と比較して過剰量の改質可能燃料を用いて作動させることができる。燃料電池の電気効率を改善または最大化するための燃料電池の作動条件を選択する代わりに、燃料電池の化学エネルギーアウトプットを増加させるために、過剰量の改質可能燃料を燃料電池のアノードに通過させることができる。任意であるが好ましくは、これによって、燃料電池の組み合わせられた電気効率および化学効率に基づき、燃料電池の全効率の増加を導くことができる。   As an addition, supplement, and / or alternative to the fuel cell operating strategy described herein, solid oxide fuel cells (eg, fuel cell assemblies) are in excess compared to the amount of hydrogen that reacts at the fuel cell anode. It can be operated with an amount of reformable fuel. Instead of selecting fuel cell operating conditions to improve or maximize fuel cell electrical efficiency, an excess amount of reformable fuel is fed to the fuel cell anode to increase the fuel cell chemical energy output. Can be passed. Optionally but preferably, this can lead to an increase in the overall efficiency of the fuel cell based on the combined electrical and chemical efficiency of the fuel cell.

いくつかの態様において、アノードおよび/またはアノードと関連する改質段階まで送達されるインプット流の改質可能燃料の改質可能水素含有量は、アノードにおいて酸化される水素の量より少なくとも約50%多く、例えば、少なくとも約75%多く、または少なくとも約100%多くなることができる。様々な態様において、燃料流中の改質可能燃料の改質可能水素含有量対アノードにおいて反応する水素の量の比率は、少なくとも約1.5:1、または少なくとも約2.0:1、または少なくとも約2.5:1、または少なくとも約3.0:1であることができる。追加的に、または代わりとして、燃料流中の改質可能燃料の改質可能水素含有量対アノードにおいて反応する水素の量の比率は、約20:1以下、例えば、約15:1以下、または約10:1以下であることができる。一態様において、アノードインレット流の改質可能水素含有量の100%未満を水素に変換することができると考えられる。例えば、アノードインレット流の改質可能水素含有量の少なくとも約80%、例えば、少なくとも約85%、または少なくとも約90%を、アノードおよび/または関連する改質段階で水素に変換することができる。   In some embodiments, the reformable hydrogen content of the reformable fuel in the input stream delivered to the anode and / or the reforming stage associated with the anode is at least about 50% greater than the amount of hydrogen oxidized at the anode. Many, for example, can be at least about 75% more, or at least about 100% more. In various embodiments, the ratio of the reformable hydrogen content of the reformable fuel in the fuel stream to the amount of hydrogen reacted at the anode is at least about 1.5: 1, or at least about 2.0: 1, or It can be at least about 2.5: 1, or at least about 3.0: 1. Additionally or alternatively, the ratio of the reformable hydrogen content of the reformable fuel in the fuel stream to the amount of hydrogen reacted at the anode is about 20: 1 or less, such as about 15: 1 or less, or It can be about 10: 1 or less. In one aspect, it is believed that less than 100% of the reformable hydrogen content of the anode inlet stream can be converted to hydrogen. For example, at least about 80%, eg, at least about 85%, or at least about 90% of the reformable hydrogen content of the anode inlet stream can be converted to hydrogen at the anode and / or associated reforming stages.

追加的に、または代わりとして、アノードに送達される改質可能燃料の量は、アノードで酸化された水素のLHVと比較して、改質可能燃料の低位発熱量(LHV)をベースとして特徴づけることができる。これを、改質可能燃料過剰比率(reformable fuel surplus ratio)と呼ぶことができる。そのような態様において、改質可能燃料過剰比率は、少なくとも約2.0、例えば、少なくとも約2.5、または少なくとも約3.0、または少なくとも約4.0であることができる。追加的に、または代わりとして、改質可能燃料過剰比率は、約25.0以下、例えば、約20.0以下、または約15.0以下、または約10.0以下であることができる。   Additionally or alternatively, the amount of reformable fuel delivered to the anode is characterized based on the lower calorific value (LHV) of the reformable fuel compared to the LHV of hydrogen oxidized at the anode. be able to. This can be referred to as a reformable fuel surplus ratio. In such embodiments, the reformable fuel excess ratio can be at least about 2.0, such as at least about 2.5, or at least about 3.0, or at least about 4.0. Additionally or alternatively, the reformable fuel excess ratio can be about 25.0 or less, such as about 20.0 or less, or about 15.0 or less, or about 10.0 or less.

本発明の様々な態様において、燃料電池の作動は、少なくとも約150mW/cmの所望の全燃料電池生産性(「TFCP」)および所望の改質可能燃料過剰比率に基づき特徴づけることができる。例えば、固体オキシド燃料電池は、少なくとも約150mW/cmのTFCP、および少なくとも約2.0、例えば少なくとも約2.5、または少なくとも約3.0、または少なくとも約4.0の改質可能燃料過剰比率を有するように作動させることができる。追加的に、または代わりとして、TFCPは約150mW/cmより高いことが可能であり、かつ改質可能燃料過剰比率は、約25.0以下、例えば、約20.0以下、または約15.0以下、または約10.0以下であることができる。燃料電池が、少なくとも約2.0の改質可能燃料過剰比率を有するように作動される場合、固体オキシド燃料電池は、少なくとも約150mW/cm、または少なくとも約200mW/cm、または少なくとも約250mW/cm、または少なくとも約300mW/cm、または少なくとも約350mW/cmのTFCPを有するように作動されることが可能である。そのような態様において、TFCPは、約800mW/cm以下、または約700mW/cm以下、または約600mW/cm以下、または約500mW/cm以下、または約400mW/cm以下であることができる。 In various aspects of the invention, fuel cell operation can be characterized based on a desired total fuel cell productivity (“TFCP”) of at least about 150 mW / cm 2 and a desired reformable fuel excess ratio. For example, the solid oxide fuel cell has a TFCP of at least about 150 mW / cm 2 and a reformable fuel excess of at least about 2.0, such as at least about 2.5, or at least about 3.0, or at least about 4.0. It can be operated to have a ratio. Additionally or alternatively, the TFCP can be greater than about 150 mW / cm 2 and the reformable fuel excess ratio is about 25.0 or less, such as about 20.0 or less, or about 15. It can be 0 or less, or about 10.0 or less. When the fuel cell is operated to have a reformable fuel excess ratio of at least about 2.0, the solid oxide fuel cell is at least about 150 mW / cm 2 , or at least about 200 mW / cm 2 , or at least about 250 mW. Can be actuated to have a TFCP of / cm 2 , or at least about 300 mW / cm 2 , or at least about 350 mW / cm 2 . In such embodiments, it TFCP is about 800 mW / cm 2 or less, or about 700 mW / cm 2 or less, or about 600 mW / cm 2 or less, or about 500 mW / cm 2 or less, or about 400 mW / cm 2 or less Can do.

本発明の様々な態様において、燃料電池の作動は、約75mW/cm以上の所望の全改質可能燃料生産性および所望の改質可能燃料過剰比率に基づき特徴づけることができる。いくつかの態様において、燃料電池は、約75mW/cmより高い所望の改質可能燃料生産性、および少なくとも約2.0、例えば、少なくとも約2.5、または少なくとも約3.0、または少なくとも約4.0の改質可能燃料過剰比率を有するように作動されることが可能である。追加的に、または代わりとして、全改質可能燃料生産性は約75mW/cmより高いことが可能であり、かつ改質可能燃料過剰比率は、約25.0以下、例えば、約20.0以下、または約15.0以下、または約10.0以下であることができる。燃料電池が、少なくとも約2.0の改質可能燃料過剰比率を有するように作動される場合、固体オキシド燃料電池は、少なくとも約75mW/cm、または少なくとも約100mW/cm、または少なくとも約125mW/cm、または少なくとも約150mW/cm、または少なくとも約175mW/cm、または少なくとも約200mW/cm、または少なくとも約300mW/cmの改質可能燃料生産性を有するように作動されることができる。そのような態様において、改質可能燃料生産性は、約600mW/cm以下、または約500mW/cm以下、または約400mW/cm以下、または約300mW/cm以下、または約200mW/cm以下であることができる。 In various aspects of the invention, fuel cell operation can be characterized based on a desired total reformable fuel productivity and a desired reformable fuel excess ratio of about 75 mW / cm 2 or greater. In some embodiments, the fuel cell has a desired reformable fuel productivity greater than about 75 mW / cm 2 and at least about 2.0, such as at least about 2.5, or at least about 3.0, or at least It can be operated to have a reformable fuel excess ratio of about 4.0. Additionally or alternatively, the total reformable fuel productivity can be greater than about 75 mW / cm 2 and the reformable fuel excess ratio is about 25.0 or less, such as about 20.0. Or about 15.0 or less, or about 10.0 or less. When the fuel cell is operated to have a reformable fuel excess ratio of at least about 2.0, the solid oxide fuel cell is at least about 75 mW / cm 2 , or at least about 100 mW / cm 2 , or at least about 125 mW. / cm 2, or at least about 150 mW / cm 2, or at least about 175MW / cm 2, or at least about 200 mW / cm 2 or actuated by it to have at least about 300 mW / cm 2 of reformable fuel productivity,,,, Can do. In such embodiments, the reformable fuel productivity is about 600 mW / cm 2 or less, or about 500 mW / cm 2 or less, or about 400 mW / cm 2 or less, or about 300 mW / cm 2 or less, or about 200 mW / cm. It can be 2 or less.

本明細書に記載される燃料電池作動戦略の追加、補足、および/または代替として、燃料電池のために所望の熱比率を達成するために、酸化の量と比較して改質の量を選択することができるように、固体オキシド燃料電池を作動させることができる。本明細書で使用される場合、「熱比率」は、燃料電池アセンブリで生じる改質反応の吸熱性熱需要で割られた燃料電池アセンブリでの発熱性反応によって発生した熱として定義される。数学的に表すと、熱比率(TH)=QEX/QENであり、QEXは発熱性反応によって発生する熱の合計であり、そしてQENは、燃料電池内で生じる吸熱性反応によって消費される熱の合計である。なお、発熱性反応によって発生する熱は、改質反応、水性ガスシフト反応および電池内での電気化学反応によるいずれかの熱に相当する。電気化学反応によって発生する熱は、燃料電池の実際の出力電圧を差し引いた、電解質全体での燃料電池反応の理想電気化学ポテンシャルをベースとして算出することができる。例えば、SOFCの反応の理想電気化学ポテンシャルは、電池で生じる正味の反応をベースとし、約1.04Vであると考えられている。SOFCの作動の間、電池は様々な損失のため、1.1V未満の出力電圧を典型的に有する。例えば、共通の出力/作動電圧は、約0.65V、または約0.7V、または約0.75V、または約0.8Vであることができる。発生する熱は、電池の電気化学ポテンシャル(例えば、約1.04V)から作動電圧を引いたものに等しい。例えば、電池において電気化学反応によって発生する熱は、約0.7Vの出力電圧の場合、約0.34Vである。したがって、このシナリオで、電気化学反応は、約0.7Vの電気および約0.34Vの熱エネルギーを生じる。そのような実施例において、約0.7Vの電気エネルギーは、QEXの一部として含まれない。言い換えると、熱エネルギーは電気エネルギーではない。 As an addition, supplement, and / or alternative to the fuel cell operating strategy described herein, the amount of reforming is selected relative to the amount of oxidation to achieve the desired heat ratio for the fuel cell. The solid oxide fuel cell can be operated so that it can. As used herein, “heat ratio” is defined as the heat generated by an exothermic reaction in the fuel cell assembly divided by the endothermic heat demand of the reforming reaction occurring in the fuel cell assembly. Mathematically expressed, the heat ratio (TH) = Q EX / Q EN , Q EX is the total heat generated by the exothermic reaction, and Q EN is consumed by the endothermic reaction occurring in the fuel cell. Is the sum of heat done. The heat generated by the exothermic reaction corresponds to any heat generated by the reforming reaction, the water gas shift reaction, and the electrochemical reaction in the battery. The heat generated by the electrochemical reaction can be calculated based on the ideal electrochemical potential of the fuel cell reaction across the electrolyte, minus the actual output voltage of the fuel cell. For example, the ideal electrochemical potential of the SOFC reaction is considered to be about 1.04 V, based on the net reaction that occurs in the battery. During operation of the SOFC, the battery typically has an output voltage of less than 1.1V due to various losses. For example, the common output / operating voltage can be about 0.65V, or about 0.7V, or about 0.75V, or about 0.8V. The heat generated is equal to the electrochemical potential of the battery (eg, about 1.04V) minus the operating voltage. For example, the heat generated by the electrochemical reaction in the battery is about 0.34V for an output voltage of about 0.7V. Thus, in this scenario, the electrochemical reaction produces about 0.7V electricity and about 0.34V thermal energy. In such an embodiment, the electrical energy of about 0.7V are not included as part of Q EX. In other words, thermal energy is not electrical energy.

様々な態様において、SOFCの作動パラメーターは、少なくとも0.7V未満、例えば少なくとも0.65V未満、または例えば少なくとも0.6V未満、または例えば少なくとも0.5V未満、または例えば少なくとも0.4V未満、または例えば少なくとも0.3V未満の作動電圧を達成するように設定することができる。   In various embodiments, the SOFC operating parameter is at least less than 0.7V, such as at least less than 0.65V, or such as at least less than 0.6V, or such as at least less than 0.5V, or such as at least less than 0.4V, or such as, for example. It can be set to achieve an operating voltage of at least less than 0.3V.

様々な態様において、熱比率は、燃料電池積層、燃料電池積層内の個々の燃料電池、集積化された改質段階(integrated reforming stage)を有する燃料電池積層、集積化された吸熱性反応段階(integrated endothermic reaction stage)を有する燃料電池積層、またはそれらの組み合わせなどのいずれの都合のよい燃料電池構造のためにでも決定することができる。熱比率は、燃料電池または燃料電池積層のアセンブリなどの燃料電池積層内で、異なるユニットに関して算出されてもよい。例えば、熱比率は、単一燃料電池内の単一アノード、燃料電池積層内のアノード部分、あるいは熱集積化の観点から集積化されるアノード部分に十分に近い、集積化された改質段階および/または集積化された吸熱性反応段階要素とともに燃料電池積層内のアノード部分に関して算出されてもよい。本明細書で使用される場合、「アノード部分」は、共通のインレットまたはアウトレットマニホールドを共有する燃料電池積層内でのアノードを含む。   In various embodiments, the heat ratio may be measured as a fuel cell stack, individual fuel cells within the fuel cell stack, a fuel cell stack with an integrated reforming stage, an integrated endothermic reaction stage ( It can be determined for any convenient fuel cell structure, such as a fuel cell stack with an integrated endothermic reaction stage), or a combination thereof. The heat ratio may be calculated for different units within a fuel cell stack, such as a fuel cell or an assembly of fuel cell stacks. For example, the heat ratio may be an integrated reforming stage that is sufficiently close to a single anode in a single fuel cell, an anode portion in a fuel cell stack, or an anode portion that is integrated in terms of thermal integration and It may also be calculated for the anode part in the fuel cell stack with integrated endothermic reaction stage elements. As used herein, an “anode portion” includes an anode within a fuel cell stack that shares a common inlet or outlet manifold.

本発明の様々な態様において、燃料電池の作動は、熱比率をベースとして特徴づけることができる。燃料電池が所望の熱比率を有するように作動される場合、固体オキシド燃料電池は、約1.5以下、例えば約1.3以下、または約1.15以下、または約1.0以下、または約0.95以下、または約0.90以下、または約0.85以下、または約0.80以下、または約0.75以下の熱比率を有するように作動させることができる。追加的に、または代わりとして、熱比率が、少なくとも約0.25、または少なくとも約0.35、または少なくとも約0.45、または少なくとも約0.50であることができる。   In various aspects of the invention, the operation of the fuel cell can be characterized on the basis of the heat ratio. When the fuel cell is operated to have a desired heat ratio, the solid oxide fuel cell is about 1.5 or less, such as about 1.3 or less, or about 1.15 or less, or about 1.0 or less, or It can be operated to have a heat ratio of about 0.95 or less, or about 0.90 or less, or about 0.85 or less, or about 0.80 or less, or about 0.75 or less. Additionally or alternatively, the heat ratio can be at least about 0.25, or at least about 0.35, or at least about 0.45, or at least about 0.50.

本発明の様々な態様において、燃料電池の作動は、約75mW/cm以上の所望の全改質可能燃料生産性および所望の熱比率に基づき特徴づけることができる。いくつかの態様において、燃料電池は、約75mW/cmより高い所望の改質可能燃料生産性、および約1.5以下、例えば、約1.3以下、または約1.15以下、または約1.0以下、または約0.95以下、または約0.90以下、または約0.85以下、または約0.80以下、または約0.75以下の熱比率を有するように作動されることができる。追加的に、または代わりとして、全改質可能燃料生産性は約75mW/cmより高いことが可能であり、かつ熱比率は、少なくとも約0.25、または少なくとも約0.35、または少なくとも約0.45、または少なくとも約0.50であることが可能である。燃料電池が約0.25〜約1.3の熱比率を有するように作動される場合、固体オキシド燃料電池は、少なくとも約75mW/cm、または少なくとも約100mW/cm、または少なくとも約125mW/cm、または少なくとも約150mW/cm、または少なくとも約175mW/cm、または少なくとも約200mW/cm、または少なくとも約300mW/cmの改質可能燃料生産性を有するように作動されることが可能である。そのような態様において、改質可能燃料生産性は、約600mW/cm以下、または約500mW/cm以下、または約400mW/cm以下、または約300mW/cm以下、または約200mW/cm以下であることができる。 In various aspects of the invention, fuel cell operation can be characterized based on a desired total reformable fuel productivity and a desired heat ratio of about 75 mW / cm 2 or greater. In some embodiments, the fuel cell has a desired reformable fuel productivity greater than about 75 mW / cm 2 and about 1.5 or less, such as about 1.3 or less, or about 1.15 or less, or about Operated to have a heat ratio of 1.0 or less, or about 0.95 or less, or about 0.90 or less, or about 0.85 or less, or about 0.80 or less, or about 0.75 or less Can do. Additionally or alternatively, the total reformable fuel productivity can be greater than about 75 mW / cm 2 and the heat ratio is at least about 0.25, or at least about 0.35, or at least about It can be 0.45, or at least about 0.50. When the fuel cell is operated to have a heat ratio of about 0.25 to about 1.3, the solid oxide fuel cell is at least about 75 mW / cm 2 , or at least about 100 mW / cm 2 , or at least about 125 mW / cm 2, or at least about 150 mW / cm 2, or at least about 175mW / cm 2, or at least about 200 mW / cm 2, or at least about 300 mW / cm 2 of be actuated to have a reformable fuel productivity, Is possible. In such embodiments, the reformable fuel productivity is about 600 mW / cm 2 or less, or about 500 mW / cm 2 or less, or about 400 mW / cm 2 or less, or about 300 mW / cm 2 or less, or about 200 mW / cm. It can be 2 or less.

本発明の様々な態様において、燃料電池の作動は、約150mW/cm以上の所望の全燃料電池生産性および所望の熱比率に基づき特徴づけることが可能である。一態様において、燃料電池は、約150mW/cmより高い所望の全燃料電池生産性、および約1.5以下、例えば、約1.3以下、または約1.15以下、または約1.0以下、または約0.95以下、または約0.90以下、または約0.85以下、または約0.80以下、または約0.75以下の熱比率を有するように作動される。追加的に、または代わりとして、全燃料電池生産性は約150mW/cmより高いことが可能であり、かつ熱比率は、少なくとも約0.25、または少なくとも約0.35、または少なくとも約0.45、または少なくとも約0.50であることが可能である。燃料電池が約0.25〜約1.3の熱比率を有するように作動される場合、固体オキシド燃料電池は、少なくとも約150mW/cm、または少なくとも約200mW/cm、または少なくとも約250mW/cm、または少なくとも約300mW/cm、または少なくとも約350mW/cmのTFCPを有するように作動されることが可能である。そのような態様において、TFCPは、約800mW/cm以下、または約700mW/cm以下、または約600mW/cm以下、または約500mW/cm以下、または約400mW/cm以下であることができる。 In various aspects of the invention, fuel cell operation can be characterized based on a desired total fuel cell productivity and a desired heat ratio of about 150 mW / cm 2 or greater. In one aspect, the fuel cell has a desired total fuel cell productivity greater than about 150 mW / cm 2 and about 1.5 or less, such as about 1.3 or less, or about 1.15 or less, or about 1.0. Or less than about 0.95, or about 0.90 or less, or about 0.85 or less, or about 0.80 or less, or about 0.75 or less. Additionally or alternatively, the total fuel cell productivity can be greater than about 150 mW / cm 2 and the heat ratio is at least about 0.25, or at least about 0.35, or at least about 0.00. 45, or at least about 0.50. When the fuel cell is operated to have a heat ratio of about 0.25 to about 1.3, the solid oxide fuel cell is at least about 150 mW / cm 2 , or at least about 200 mW / cm 2 , or at least about 250 mW / It can be operated to have a TFCP of cm 2 , or at least about 300 mW / cm 2 , or at least about 350 mW / cm 2 . In such embodiments, it TFCP is about 800 mW / cm 2 or less, or about 700 mW / cm 2 or less, or about 600 mW / cm 2 or less, or about 500 mW / cm 2 or less, or about 400 mW / cm 2 or less Can do.

追加的に、または代わりとして、いくつかの態様において、燃料電池は、約40℃以下、例えば約20℃以下、または約10℃以下のアノードインプットとアノードアウトプットとの間の温度上昇を有するように作動されることが可能である。さらに追加的に、または代わりとして、燃料電池は、アノードインレットの温度より約10℃低い温度から約10℃高い温度までであるアノードアウトレット温度を有するように作動されることが可能である。なおさらに追加的に、または代わりとして、燃料電池は、アノードアウトレット温度より高い、例えば、少なくとも約5℃高い、または少なくとも約10℃高い、または少なくとも約20℃高い、または少なくとも約25℃高いアノードインレット温度を有するように作動されることが可能である。なおさらに追加的に、または代わりとして、燃料電池は、アノードアウトレット温度より約100℃以下、例えば、約80℃以下、または約60℃以下、または約50℃以下、または約40℃以下、または約30℃以下、または約20℃以下、または約10℃以下の温度で高いアノードインレット温度を有するように作動されることが可能である。アノードインレット温度とアウトレット温度との間の差異を最小化することは、固体オキシド燃料電池におけるセラミック成分の機械的完全性を維持することに有益となり得る。   Additionally or alternatively, in some embodiments, the fuel cell has a temperature increase between the anode input and anode output of about 40 ° C. or less, such as about 20 ° C. or less, or about 10 ° C. or less. It can be activated. Additionally or alternatively, the fuel cell can be operated to have an anode outlet temperature that is from about 10 ° C. to about 10 ° C. higher than the temperature of the anode inlet. Still further or alternatively, the fuel cell has an anode inlet that is above the anode outlet temperature, eg, at least about 5 ° C., or at least about 10 ° C., or at least about 20 ° C., or at least about 25 ° C. higher. It can be actuated to have a temperature. Still further, or alternatively, the fuel cell is about 100 ° C. or less from the anode outlet temperature, such as about 80 ° C. or less, or about 60 ° C. or less, or about 50 ° C. or less, or about 40 ° C. or less, or about It can be operated to have a high anode inlet temperature at a temperature of 30 ° C. or lower, or about 20 ° C. or lower, or about 10 ° C. or lower. Minimizing the difference between the anode inlet temperature and the outlet temperature can be beneficial in maintaining the mechanical integrity of the ceramic components in the solid oxide fuel cell.

本明細書に記載される燃料電池作動戦略の追加、補足、および/または代替として、固体オキシド燃料電池(例えば、燃料電池アセンブリ)は、電力密度の増加を提供することができる条件で作動させることができる。燃料電池の電力密度は、実際の作動電圧Vに電流密度Iを乗算した値に相当する。電圧Vで作動される固体オキシド燃料電池に関して、燃料電池は、電流密度Iを提供する燃料電池に関するVと理想電圧Vとの間の差異をベースとして(V−VIとして定義される廃熱も発生させる傾向があることができる。この廃熱の一部分は、燃料電池のアノード内での改質可能燃料の改質によって消費されることができる。この廃熱の残りの部分は、包囲する燃料電池構造およびガスフローによって吸収されることができ、燃料電池全体で温度差がもたらされる。従来の作動条件で、燃料電池の電力密度は、燃料電池が燃料電池の完全性を悪化させることなく耐えることができる廃熱の量をベースとして、制限される可能性がある。 As an addition, supplement, and / or alternative to the fuel cell operating strategy described herein, the solid oxide fuel cell (eg, fuel cell assembly) is operated at conditions that can provide an increase in power density. Can do. The power density of the fuel cell corresponds to a value obtained by multiplying the actual operating voltage VA by the current density I. Respect Solid oxide fuel cell operated at a voltage V A, a fuel cell, the difference between V A and the ideal voltage V 0 to a fuel cell to provide a current density I as a base (V 0 -V A) * I The waste heat defined as can also tend to generate. A portion of this waste heat can be consumed by reforming the reformable fuel within the anode of the fuel cell. The rest of this waste heat can be absorbed by the surrounding fuel cell structure and gas flow, resulting in a temperature difference across the fuel cell. Under conventional operating conditions, the power density of a fuel cell can be limited based on the amount of waste heat that the fuel cell can withstand without degrading the integrity of the fuel cell.

様々な態様において、燃料電池が耐えることができる廃熱の量は、燃料電池内で吸熱性反応の有効な量を実行することによって増加させることができる。吸熱性反応の一例には、燃料電池アノード内および/または関連する改質段階、例えば、燃料電池積層における集積化された改質段階において改質可能燃料の蒸気改質が含まれる。追加的な改質可能燃料を燃料電池のアノード(または集積化された/関連する改質段階)に提供することによって、追加的な廃熱を消費することができるように、追加的な改質を実行することができる。これによって、燃料電池全体での温度差の量を低下させることができ、したがって、廃熱の量を増加させた作動条件で燃料電池を作動させることが可能となる。電気効率の損失は、合成ガスおよび/またはHなどの追加的な生成物流の生成によって相殺されることが可能であり、これを、システムの動力範囲をさらに延在させる追加的な発電を含む様々な目的のために使用することができる。 In various aspects, the amount of waste heat that a fuel cell can withstand can be increased by performing an effective amount of endothermic reaction within the fuel cell. An example of an endothermic reaction includes steam reforming of a reformable fuel within the fuel cell anode and / or associated reforming stages, such as an integrated reforming stage in a fuel cell stack. Additional reforming so that additional waste heat can be consumed by providing additional reformable fuel to the anode (or integrated / associated reforming stage) of the fuel cell Can be executed. As a result, the amount of temperature difference in the entire fuel cell can be reduced, and therefore the fuel cell can be operated under operating conditions in which the amount of waste heat is increased. Loss of electrical efficiency is capable of being canceled by the generation of additional product streams, such as syngas, and / or H 2, which comprises an additional power generating to Zaisa further extend the power range of the system Can be used for various purposes.

様々な態様において、燃料電池によって発生する廃熱の量、上記で定義された(V−VIは、少なくとも約30mW/cm、例えば、少なくとも約40mW/cm、または少なくとも約50mW/cm、または少なくとも約60mW/cm、または少なくとも約70mW/cm、または少なくとも約80mW/cm、または少なくとも約100mW/cm、または少なくとも約120mW/cm、または少なくとも約140mW/cm、または少なくとも約160mW/cm、または少なくとも約180mW/cm、または少なくとも約200mW/cm、または少なくとも約220mW/cm、または少なくとも約250mW/cm、または少なくとも約300mW/cmであることができる。追加的に、または代わりとして、燃料電池によって発生する廃熱の量は、約400mW/cm未満、例えば、約300mW/cm未満、約200mW/cm未満、または約175mW/cm未満、または約150mW/cm未満であることができる。 In various embodiments, the amount of waste heat generated by the fuel cell, as defined above (V 0 -V A ) * I, is at least about 30 mW / cm 2 , eg, at least about 40 mW / cm 2 , or at least about 50 mW / cm 2, or at least about 60 mW / cm 2, or at least about 70 mW / cm 2, or at least about 80 mW / cm 2, or at least about 100 mW / cm 2, or at least about 120 mW / cm 2, or at least about 140 mW, / cm 2, or at least about 160 mW / cm 2, or at least about 180 mW / cm 2, or at least about 200 mW / cm 2, or at least about 220 mW / cm 2, or at least about 250 mW / cm 2, or at least about 300mW / cm,,,, It can be. Additionally or alternatively, the amount of waste heat generated by the fuel cell is less than about 400 mW / cm 2, for example, less than about 300 mW / cm 2, less than about 200 mW / cm 2, or less than about 175mW / cm 2, Or less than about 150 mW / cm 2 .

発生する廃熱の量が比較的高くなることができるが、そのような廃熱が、低い効率で燃料電池を作動することを必ずしも表し得るというわけではない。その代わりに、廃熱は、増加した電力密度で燃料電池を作動することによって発生することができる。燃料電池の電力密度を改善することの一部分は、十分に高い電流密度で燃料電池を作動することを含むことができる。様々な態様において、燃料電池によって発生する電流密度は、少なくとも約150mA/cm、例えば、少なくとも約160mA/cm、または少なくとも約170mA/cm、または少なくとも約180mA/cm、または少なくとも約190mA/cm、または少なくとも約200mA/cm、または少なくとも約300mA/cm、または少なくとも約400mA/cm、または少なくとも約800mA/cmであることができる。追加的に、または代わりとして、燃料電池によって発生する電流密度は、約800mA/cm以下、例えば450mA/cm以下、または300mA/cm以下、または250mA/cm以下、または200mA/cm以下であることができる。 Although the amount of waste heat generated can be relatively high, such waste heat may not necessarily represent operating the fuel cell with low efficiency. Instead, waste heat can be generated by operating the fuel cell with increased power density. Part of improving the power density of the fuel cell can include operating the fuel cell at a sufficiently high current density. In various embodiments, the current density generated by the fuel cell is at least about 150 mA / cm 2, for example, at least about 160 mA / cm 2, or at least about 170 mA / cm 2, or at least about 180 mA / cm 2,, or at least about 190 mA, / cm 2, or can be at least about 200 mA / cm 2, or at least about 300 mA / cm 2, or at least about 400mA / cm 2,,, or at least about 800 mA / cm 2. Additionally or alternatively, the current density generated by the fuel cell is about 800 mA / cm 2 or less, for example 450 mA / cm 2 or less, or 300 mA / cm 2 or less, or 250 mA / cm 2 or less, or 200 mA / cm 2 Can be:

様々な態様において、発電を増加させ、廃熱の発生を増加させて、燃料電池を作動させることを可能にするために、吸熱性反応(例えば、改質反応)の有効な量を実行することができる。あるいは、アノード作動とは無関係な他の吸熱性反応を使用して、アノードまたはカソードのいずれかと流体連絡ではなく熱連絡にある燃料電池配列に「プレート」または段階を散在させることによって、廃熱を利用することができる。吸熱性反応の有効な量は、吸熱性反応を実行するための関連する改質段階、集積化された改質段階、集積化された積層要素、またはそれらの組み合わせにおいて実行することができる。吸熱性反応の有効な量は、燃料電池インレットから燃料電池アウトレットへの温度上昇を、約100℃以下、例えば、約90℃以下、または約80℃以下、または約70℃以下、または約60℃以下、または約50℃以下、または約40℃以下、または約30℃以下まで低下させるために十分な量に相当することができる。追加的に、または代わりとして、吸熱性反応の有効な量は、約100℃以下、例えば、約90℃以下、または約80℃以下、または約70℃以下、または約60℃以下、または約50℃以下、または約40℃以下、または約30℃以下、または約20℃以下、または約10℃以下の燃料電池インレットから燃料電池アウトレットまでの温度減少を生じるのに十分な量に相当することができる。燃料電池インレットから燃料電池アウトレットへの温度減少は、吸熱性反応の有効な量が、発生する廃熱より多い場合に生じることができる。追加的に、または代わりとして、これは、吸熱性反応(例えば、改質および別の吸熱性反応の組み合わせ)が、燃料電池によって発生する廃熱の少なくとも約40%を消費すること、例えば、廃熱の少なくとも約50%、または廃熱の少なくとも約60%、または廃熱の少なくとも約75%を消費することに相当することができる。さらに追加的に、または代わりとして、吸熱性反応は、約95%以下の廃熱、例えば、約90%以下の廃熱、または約85%以下の廃熱を消費することができる。   In various aspects, performing an effective amount of an endothermic reaction (eg, a reforming reaction) to increase power generation, increase the generation of waste heat, and allow the fuel cell to operate. Can do. Alternatively, other endothermic reactions unrelated to anode operation may be used to dissipate waste heat by interspersing “plates” or stages in fuel cell arrays that are in thermal communication rather than fluid communication with either the anode or cathode. Can be used. An effective amount of endothermic reaction can be performed in the associated reforming stage, integrated reforming stage, integrated stacking element, or combinations thereof for performing the endothermic reaction. An effective amount of endothermic reaction is that the temperature rise from the fuel cell inlet to the fuel cell outlet is less than about 100 ° C., such as less than about 90 ° C., or less than about 80 ° C. Or less than about 50 ° C., or about 40 ° C. or less, or an amount sufficient to reduce to about 30 ° C. or less. Additionally or alternatively, an effective amount of endothermic reaction is about 100 ° C. or lower, such as about 90 ° C. or lower, or about 80 ° C. or lower, or about 70 ° C. or lower, or about 60 ° C. or lower, or about 50 Or less than about 40 ° C, or less than about 30 ° C, or less than about 20 ° C, or equivalent to an amount sufficient to cause a temperature decrease from the fuel cell inlet to the fuel cell outlet below about 10 ° C. it can. A temperature decrease from the fuel cell inlet to the fuel cell outlet can occur when the effective amount of endothermic reaction is greater than the generated waste heat. Additionally or alternatively, this may be an endothermic reaction (eg, a combination of reforming and another endothermic reaction) that consumes at least about 40% of the waste heat generated by the fuel cell, eg, waste It may correspond to consuming at least about 50% of heat, or at least about 60% of waste heat, or at least about 75% of waste heat. Additionally or alternatively, the endothermic reaction can consume less than about 95% waste heat, such as less than about 90% waste heat, or less than about 85% waste heat.

追加的な定義
合成ガス(syngas):本記載において、合成ガスは、いずれかの比率でのHとCOとの混合物として定義される。任意に、HOおよび/またはCOが合成ガスに存在してもよい。任意に、不活性化合物(例えば、窒素)および残留する改質可能燃料化合物が合成ガスに存在してもよい。HおよびCO以外の成分が合成ガスに存在する場合、合成ガス中のHおよびCOの組み合わせられた体積パーセントは、合成ガスの全体積と比較して、少なくとも25体積%、例えば、少なくとも40体積%、または少なくとも50体積%、または少なくとも60体積%であることができる。追加的に、または代わりとして、合成ガス中のHおよびCOの組み合わせられた体積パーセントは、100体積%以下、例えば、95体積%以下、または90体積%以下であることができる。
Additional Definitions Syngas: In the present description, synthesis gas is defined as a mixture of H 2 and CO in any ratio. Optionally, H 2 O and / or CO 2 may be present in the synthesis gas. Optionally, inert compounds (eg, nitrogen) and residual reformable fuel compounds may be present in the syngas. When components other than H 2 and CO are present in the synthesis gas, the combined volume percent of H 2 and CO in the synthesis gas is at least 25% by volume, eg, at least 40% compared to the total volume of the synthesis gas. It can be vol%, or at least 50 vol%, or at least 60 vol%. Additionally or alternatively, the combined volume percent of H 2 and CO in the syngas can be 100% or less, such as 95% or less, or 90% or less.

改質可能燃料(reformable fuel):改質可能燃料は、Hを発生させるために改質可能炭素−水素結合を含有する燃料として定義される。アルコールなどの他の炭化水素化合物のように、炭化水素は改質可能燃料の例である。COおよびHOは、水素を形成するための水性ガスシフト反応に関与することができるが、COはこの定義での改質可能燃料とは考えられない。 Reformable fuel (reformable fuel): reformable fuel is reformable carbon in order to generate the H 2 - is defined as a fuel containing hydrogen bonds. Like other hydrocarbon compounds such as alcohol, hydrocarbons are examples of reformable fuels. CO and H 2 O can participate in the water gas shift reaction to form hydrogen, but CO is not considered a reformable fuel in this definition.

改質可能水素含有量(reformable hydrogen content):燃料の改質可能水素含有量は、燃料を改質して、次いで、H生成を最大にするために水性ガスシフト反応を完了させることによって、燃料から誘導することができるH分子の数として定義される。なお、本明細書においては、H自体は改質可能燃料として定義されないが、定義によるHは1の改質可能水素含有量を有する。同様に、COは1の改質可能水素含有量を有する。COは厳密には改質可能ではないが、水性ガスシフト反応を完了させることによって、Hに対するCOの交換がもたらされる。改質可能燃料に関する改質可能水素含有量の例として、メタンの改質可能水素含有量は4H分子であり、エタンの改質可能水素含有量は7H分子である。より一般に、燃料が組成CxHyOzを有する場合、100%の改質および水性ガスシフトにおける燃料の改質可能水素含有量は、n(H最大改質)=2x+y/2−zである。この定義をベースとして、電池内の燃料利用は、次いで、n(Hox)/n(H最大改質)として表することができる。もちろん、成分の混合物の改質可能水素含有量は、個々の成分の改質可能水素含有量をベースとして決定することができる。酸素、硫黄または窒素などの他のヘテロ原子を含有する化合物の改質可能水素含有量も同様の方法で算出することができる。 Reformable hydrogen content (reformable hydrogen content): reformable hydrogen content of fuel, the fuel reforming, followed by completing the water gas shift reaction to maximize of H 2 generation, fuel Defined as the number of H 2 molecules that can be derived from In the present specification, H 2 itself is not defined as a reformable fuel, but H 2 by definition has a reformable hydrogen content of 1. Similarly, CO has a reformable hydrogen content of 1. CO is not possible reforming strictly, but by completing the water gas shift reaction, exchange of CO is brought against H 2. As an example of the reformable hydrogen content for a reformable fuel, the reformable hydrogen content of methane is 4H 2 molecules and the reformable hydrogen content of ethane is 7H 2 molecules. More generally, when the fuel has the composition CxHyOz, the reformable hydrogen content of the fuel at 100% reforming and water gas shift is n (H 2 maximum reforming) = 2x + y / 2−z. Based on this definition, the fuel utilization in the cell can then be expressed as n (H 2 ox) / n (H 2 maximum reforming). Of course, the reformable hydrogen content of a mixture of components can be determined based on the reformable hydrogen content of the individual components. The reformable hydrogen content of compounds containing other heteroatoms such as oxygen, sulfur or nitrogen can be calculated in a similar manner.

酸化反応(oxidation reaction):本考察において、燃料電池のアノード内の酸化反応は、O2−との反応によってHOを形成する、Hの酸化に相当する反応として定義される。なお、炭素−水素結合を含有する化合物が、HおよびCOまたはCOへと変換されるアノード内での改質反応は、アノードにおける酸化反応のこの定義から排除される。水性ガスシフト反応は、酸化反応のこの定義の他は同様である。さらになお、燃焼反応への参照は、燃焼発電機の燃焼領域などの非電気化学的バーナーにおいて、Hまたは炭素−水素結合を含有する化合物がOと反応して、HOおよび酸化炭素を形成する反応への参照として定義される。 Oxidation reaction: In this discussion, the oxidation reaction in the anode of the fuel cell is defined as the reaction corresponding to the oxidation of H 2 that forms H 2 O by reaction with O 2− . It should be noted that the reforming reaction in the anode where the compound containing carbon-hydrogen bonds is converted to H 2 and CO or CO 2 is excluded from this definition of oxidation reaction at the anode. The water gas shift reaction is similar except for this definition of oxidation reaction. Still further, reference to a combustion reaction is that H 2 or a compound containing a carbon-hydrogen bond reacts with O 2 in a non-electrochemical burner such as a combustion region of a combustion generator to produce H 2 O and carbon oxide. Is defined as a reference to the reaction that forms

本発明の態様は、燃料電池のための所望の作動範囲を達成するために、アノード燃料パラメーターを調節することができる。アノード燃料パラメーターは、直接、および/または1つ以上の比率の形態で他の燃料電池プロセスに関して、特徴づけることができる。例えば、アノード燃料パラメーターは、燃料利用、燃料電池発熱量利用、燃料過剰比率、改質可能燃料過剰比率、改質可能水素含有量燃料比率、およびそれらの組み合わせを含む1つ以上の比率を達成するために、制御することができる。   Embodiments of the invention can adjust anode fuel parameters to achieve a desired operating range for a fuel cell. The anode fuel parameters can be characterized directly and / or with respect to other fuel cell processes in the form of one or more ratios. For example, the anode fuel parameter achieves one or more ratios including fuel utilization, fuel cell heating value, fuel excess ratio, reformable fuel excess ratio, reformable hydrogen content fuel ratio, and combinations thereof. In order to be able to control.

燃料利用(fuel utilization):燃料利用は、燃料電池に関する燃料利用を定義するために使用することができるインプット流の改質可能水素含有量と比較して、酸化された燃料の量をベースとするアノードの作動を特徴づけるための選択肢である。本考察において、「燃料利用」は、(上記の通り)電気の発生のためにアノードで酸化された水素の量と、アノードインプットの改質可能水素含有量(いずれかの関連する改質段階も含む)との比率として定義される。改質可能水素含有量は、上記の通り、燃料を改質して、次いで、H生成を最大にするために水性ガスシフト反応を完了させることによって、燃料から誘導することができるH分子の数として定義される。例えば、アノードに導入され、そして蒸気改質条件に暴露されるそれぞれのメタンによって、最大生成で4H分子当量の発生をもたらされる(改質および/またはアノード条件次第で、改質生成物は、その代わりにH分子の1つ以上がCO分子の形態で存在する非水性ガスシフト生成物に相当することが可能である)。したがって、メタンは、4H分子の改質可能水素含有量を有するものとして定義される。他の例として、この定義において、エタンは7H分子の改質可能水素含有量を有する。 Fuel utilization: Fuel utilization is based on the amount of fuel oxidized compared to the reformable hydrogen content of the input stream that can be used to define fuel utilization for the fuel cell. An option to characterize the operation of the anode. In this discussion, “fuel utilization” refers to the amount of hydrogen oxidized at the anode for electricity generation (as described above) and the reformable hydrogen content of the anode input (any associated reforming stage also Defined as a ratio. The reformable hydrogen content is the amount of H 2 molecules that can be derived from the fuel, as described above, by reforming the fuel and then completing the water gas shift reaction to maximize H 2 production. Defined as a number. For example, each methane introduced into the anode and exposed to steam reforming conditions results in the generation of 4H 2 molecular equivalents at maximum production (depending on reforming and / or anode conditions, Instead, it can correspond to a non-aqueous gas shift product in which one or more of the H 2 molecules are present in the form of CO molecules). Thus, methane is defined as having a reforming possible hydrogen content 4H 2 molecule. As another example, in this definition, ethane has a reforming possible hydrogen content 7H 2 molecule.

アノードにおける燃料の利用は、アノードおよび/またはアノードと関連する改質段階まで送達される全ての燃料の低位発熱量と比較して、燃料電池アノード反応によってアノードで酸化された水素の低位発熱量の比率をベースとする発熱量利用を定義することによっても特徴づけることができる。本明細書において使用される場合、「燃料電池発熱量利用」は、燃料電池アノードに出入りする燃料成分のフローレートおよび低位発熱量(LHV)を使用して計算することができる。そのようなものとして、(LHV(anode_in)−LHV(anode_out))/LHV(anode_in)として燃料電池発熱量利用を計算することができる。式中、LHV(anode_in)およびLHV(anode_out)は、それぞれ、アノードインレットおよびアウトレット流またはフローにおける燃料成分(例えば、H、CHおよび/またはCO)のLHVを指す。この定義において、流れまたはフローのLHVは、インプットおよび/またはアウトプット流の各燃料成分の値の合計として計算されてもよい。合計に対する各燃料成分の寄与は、燃料成分のLHV(例えば、ジュール/モル)を乗算した燃料成分のフローレート(例えば、モル/時間)に相当することができる。 The use of fuel at the anode is associated with the lower calorific value of the hydrogen oxidized at the anode by the fuel cell anode reaction compared to the lower calorific value of all fuel delivered to the anode and / or the reforming stage associated with the anode. It can also be characterized by defining the heating value utilization based on the ratio. As used herein, “fuel cell heating value utilization” can be calculated using the flow rate and lower heating value (LHV) of the fuel components entering and leaving the fuel cell anode. As such, the fuel cell heating value utilization can be calculated as (LHV (anode_in) −LHV (anode_out)) / LHV (anode_in). Where LHV (anode_in) and LHV (anode_out) refer to the LHV of the fuel components (eg, H 2 , CH 4 and / or CO) in the anode inlet and outlet streams or flows, respectively. In this definition, the flow or flow LHV may be calculated as the sum of the values of each fuel component of the input and / or output flow. The contribution of each fuel component to the sum can correspond to the fuel component flow rate (eg, mol / hour) multiplied by the fuel component's LHV (eg, joule / mol).

低位発熱量(lower heating value):低位発熱量は、気相の完全に酸化された生成物(例えば、気相のCOおよびHO生成物)への燃料成分の燃焼のエンタルピーとして定義される。例えば、アノードインプット流に存在するいずれのCOも、COはすでに完全に酸化されるため、アノードインプットの燃料含有量に寄付しない。この定義に関して、アノード燃料電池反応によってアノードにおいて生じる酸化の量は、上記で定義されるように、アノードの電気化学的反応の一部としてのアノードにおけるHの酸化として定義される。 Lower heating value: Lower heating value is defined as the enthalpy of combustion of fuel components into gas phase fully oxidized products (eg, gas phase CO 2 and H 2 O products). The For example, any CO 2 present in the anode input stream does not contribute to the fuel content of the anode input because CO 2 is already fully oxidized. With respect to this definition, the amount of oxidation that occurs at the anode by the anode fuel cell reaction is defined as the oxidation of H 2 at the anode as part of the electrochemical reaction of the anode, as defined above.

なお、アノードインプットフローにおける唯一の燃料がHである特別な場合に関して、アノードにおいて生じることができる燃料成分が関与する唯一の反応は、HからHOへの変換を表す。このような特別な場合、燃料利用は、(H−レート−イン(rate−in)−H−レート−アウト(rate−out))/H−レート−インとして単純化される。そのような場合、Hは唯一の燃料成分であり、そしてHのLHVは方程式から相殺される。より一般的な場合では、アノード供給は、例えば、様々な量でCH、HおよびCOを含有してもよい。これらの種がアノードアウトレットにおいて異なる量で典型的に存在することができるため、要約は上記の通り、燃料利用を決定するために必要である。 Note that for the case only the fuel at the anode input flow is a special and H 2, the only reaction that fuel component can occur at the anode are involved, represents the conversion of H 2 to H 2 O. In such cases special, fuel utilization, (H 2 - Rate - In (rate-in) -H 2 - Rate - out (rate-out)) / H 2 - Rate - is simplified as in. In such a case, H 2 is the only fuel component, and the H 2 LHV is offset from the equation. In the more general case, the anode feed may contain, for example, CH 4 , H 2 and CO in various amounts. Since these species can typically be present in different amounts in the anode outlet, a summary is necessary to determine fuel utilization, as described above.

燃料利用の他に、または加えて、燃料電池内の他の反応物の利用を特徴づけることができる。例えば、燃料電池の作動は、追加的に、または代わりとして、「酸化剤」利用に関して特徴づけることができる。酸化剤利用のための値は、同様の方法で明示することができる。   In addition to or in addition to fuel utilization, the utilization of other reactants in the fuel cell can be characterized. For example, fuel cell operation can additionally or alternatively be characterized with respect to “oxidant” utilization. Values for oxidant utilization can be specified in a similar manner.

燃料過剰比率(fuel surplus ratio):固体オキシド燃料電池における反応を特徴づけるさらに別の方法は、燃料電池アノード反応によってアノードにおいて酸化された水素の低位発熱量と比較して、アノードおよび/またはアノードと関連する改質段階まで送達される全ての燃料の低位発熱量の比率をベースとする利用を定義することによる。この量は、燃料過剰比率と呼ばれる。そのようなものとして、燃料過剰比率を、(LHV(anode_in)/(LHV(anode_in)−LHV(anode_out))として計算することができる。式中、LHV(anode_in)およびLHV(anode_out)は、それぞれ、アノードインレットおよびアウトレット流またはフローにおける燃料成分(例えば、H、CHおよび/またはCO)のLHVを指す。本発明の様々な態様において、固体オキシド燃料電池を、少なくとも約1.0、例えば少なくとも約1.5、または少なくとも約2.0、または少なくとも約2.5、または少なくとも約3.0、または少なくとも約4.0の燃料過剰比率を有するように作動させることができる。追加的に、または代わりとして、燃料過剰比率は、約25.0の以下であることができる。 Fuel surplus ratio: Yet another way to characterize the reaction in a solid oxide fuel cell is to compare the anode and / or anode with the lower heating value of hydrogen oxidized at the anode by the fuel cell anode reaction. By defining utilization based on the ratio of the lower heating value of all fuels delivered to the relevant reforming stage. This amount is called the fuel excess ratio. As such, the fuel excess ratio can be calculated as (LHV (anode_in) / (LHV (anode_in) −LHV (anode_out)), where LHV (anode_in) and LHV (anode_out) are respectively , Refers to the LHV of the fuel component (eg, H 2 , CH 4 and / or CO) in the anode inlet and outlet streams or flows In various embodiments of the invention, the solid oxide fuel cell is at least about 1.0, eg It can be operated to have a fuel excess ratio of at least about 1.5, or at least about 2.0, or at least about 2.5, or at least about 3.0, or at least about 4.0. Or alternatively, the fuel excess ratio is about 25 Can be 0 is less than or equal to the.

なお、アノードのためのインプット流の改質可能燃料の全てが改質され得るというわけではない。好ましくは、アノード(および/または関連する改質段階)へのインプット流の改質可能燃料の少なくとも約90%、例えば、少なくとも約95%、または少なくとも約98%がアノードを出る前に改質可能である。いくつかの別の態様において、改質される改質可能燃料の量は、約75%〜約90%、例えば、少なくとも約80%であることができる。   Note that not all of the reformable fuel in the input stream for the anode can be reformed. Preferably, at least about 90%, such as at least about 95%, or at least about 98% of the reformable fuel in the input stream to the anode (and / or associated reforming stage) can be reformed before leaving the anode. It is. In some other embodiments, the amount of reformable fuel that is reformed can be from about 75% to about 90%, such as at least about 80%.

燃料過剰比率に関する上記の定義は、電力の発生のために燃料電池アノードにおいて消費される燃料の量と比較して、アノードおよび/または燃料電池と関連する改質段階の範囲内で生じる改質の量を特徴づける方法を提供する。   The above definition for the excess fuel ratio indicates that the reforming that occurs within the reforming stage associated with the anode and / or the fuel cell as compared to the amount of fuel consumed at the fuel cell anode for power generation. Provides a way to characterize quantities.

任意に、燃料過剰比率は、燃料がアノードアウトプットからアノードインプットまでリサイクルされる状態を占めるように変更することができる。燃料(例えば、H、COおよび/または未改質もしくは部分的に改質された炭化水素)がアノードアウトプットからアノードインプットまでリサイクルされる場合、そのようなリサイクルされた燃料成分は、他の目的のために使用することができる改質可能または改質された燃料の過剰量を表さない。その代わりに、そのようなリサイクルされた燃料成分は、燃料電池における燃料利用を低下させることの希望を単に示すのみである。 Optionally, the fuel excess ratio can be varied to account for the condition where fuel is recycled from the anode output to the anode input. When fuel (eg, H 2 , CO and / or unreformed or partially reformed hydrocarbons) is recycled from the anode output to the anode input, such recycled fuel components It does not represent an excess of reformable or reformed fuel that can be used for the purpose. Instead, such recycled fuel components merely indicate a desire to reduce fuel utilization in the fuel cell.

改質可能燃料過剰比率(reformable fuel surplus ratio):改質可能燃料過剰比率を算出することは、そのようなリサイクルされた燃料成分が、改質可能燃料のLHVのみがアノードへのインプット流に含まれるように過剰燃料の定義を限定することを示す1つの選択肢である。本明細書で使用される場合、「改質可能燃料過剰比率」は、燃料電池アノード反応によってアノードにおいて酸化された水素の低位発熱量と比較して、アノードと関連するアノードおよび/またはアノードと関連する改質段階まで送達される改質可能燃料の低位発熱量として定義される。改質可能燃料過剰比率のための定義において、アノードインプットのいずれのHまたはCOのLHVも排除される。改質可能燃料のそのようなLHVは、燃料電池アノードに入る実際の組成物を特徴づけることによって、なお測定することができ、リサイクルされた成分と新たな成分との間での区別は必要とされない。いくつかの未改質または部分的に改質された燃料もリサイクルされてもよいが、ほとんどの態様において、アノードにリサイクルされる大部分の燃料は改質された生成物(例えば、HまたはCO)に相当することができる。数学的に表すと、改質可能燃料過剰比率(RRFS)=LHVRF/LHVOHであり、式中、LHVRFは、改質可能燃料の低位発熱量(LHV)であり、そしてLHVOHは、アノードで酸化される水素の低位発熱量(LHV)である。アノードで酸化される水素のLHVは、アノードインレット流のLHVからアノードアウトレット流のLHVを差し引くことによって算出されてもよい(例えば、LHV(anode_in)−LHV(anode_out))。本発明の様々な態様において、固体オキシド燃料電池は、少なくとも約0.25、例えば、少なくとも約0.5、または少なくとも約1.0、または少なくとも約1.5、または少なくとも約2.0、または少なくとも約2.5、または少なくとも約3.0、または少なくとも約4.0の改質可能燃料過剰比率を有するように作動させることができる。追加的に、または代わりとして、改質可能燃料過剰比率は約25.0以下であることができる。なお、アノードにおける酸化の量と比較してのアノードに送達される改質可能燃料の量をベースとするこのようなより狭い定義によって、低燃料利用を有する燃料電池作動方法の2つの種類を識別することができる。いくつかの燃料電池は、アノードアウトプットからアノードインプットへの実質的な部分をリサイクルすることによって、低燃料利用を達成する。このリサイクルによって、アノードインプットにおけるいずれかの水素を、アノードにインプットとして再び使用することが可能である。これによって改質の量を低下させることができ、燃料利用が燃料電池の単回通過に関して低い場合でさえも、その後の通過において、未使用の燃料の少なくとも一部分はリサイクルされる。したがって、広範囲の種々の燃料利用値を有する燃料電池は、アノード改質段階に送達される改質可能燃料対アノード反応において酸化される水素の同一比率を有してもよい。アノードにおける酸化の量に関するアノード改質段階に送達される改質可能燃料の比率を変化させるため、非改質可能燃料の本来の含有量を有するアノード供給が識別される必要があるか、またはアノードアウトプットにおける未使用の燃料が、他の用途のために回収される必要があるか、あるいは両方である。 Reformable fuel surplus ratio: Calculating the reformable fuel surplus ratio means that such recycled fuel components contain only the LHV of reformable fuel in the input stream to the anode. This is one option that indicates limiting the definition of excess fuel. As used herein, “reformable fuel excess ratio” refers to the anode and / or anode associated with the anode as compared to the lower heating value of hydrogen oxidized at the anode by the fuel cell anode reaction. Defined as the lower heating value of the reformable fuel delivered to the reforming stage. In the definition for reformable fuel excess ratio, any H 2 or CO LHV at the anode input is excluded. Such LHV for reformable fuels can still be measured by characterizing the actual composition entering the fuel cell anode, and a distinction between recycled and new components is necessary. Not. Although some unreformed or partially reformed fuels may also be recycled, in most embodiments, the majority of the fuel recycled to the anode is the reformed product (eg, H 2 or CO). Expressed mathematically, the reformable fuel excess ratio (R RFS ) = LHV RF / LHV OH , where LHV RF is the lower calorific value (LHV) of the reformable fuel, and LHV OH is The lower heating value (LHV) of hydrogen oxidized at the anode. The LHV of hydrogen oxidized at the anode may be calculated by subtracting the LHV of the anode outlet stream from the LHV of the anode inlet stream (eg, LHV (anode_in) −LHV (anode_out)). In various aspects of the invention, the solid oxide fuel cell is at least about 0.25, such as at least about 0.5, or at least about 1.0, or at least about 1.5, or at least about 2.0, or It can be operated to have a reformable fuel excess ratio of at least about 2.5, or at least about 3.0, or at least about 4.0. Additionally or alternatively, the reformable fuel excess ratio can be about 25.0 or less. Note that this narrower definition based on the amount of reformable fuel delivered to the anode compared to the amount of oxidation at the anode distinguishes two types of fuel cell operating methods with low fuel utilization. can do. Some fuel cells achieve low fuel utilization by recycling a substantial portion from the anode output to the anode input. This recycling allows any hydrogen at the anode input to be used again as input to the anode. This can reduce the amount of reforming and at least a portion of the unused fuel is recycled in subsequent passes even if the fuel utilization is low for a single pass of the fuel cell. Thus, fuel cells with a wide variety of fuel utilization values may have the same ratio of reformable fuel delivered to the anode reforming stage to hydrogen oxidized in the anode reaction. In order to change the ratio of reformable fuel delivered to the anode reforming stage with respect to the amount of oxidation at the anode, an anode feed with the original content of non-reformable fuel needs to be identified or the anode Unused fuel at the output needs to be recovered for other uses, or both.

改質可能水素過剰比率(reformable hydrogen surplus ratio):燃料電池の作動を特徴づけるためのさらにもう1つの選択肢は、「改質可能水素過剰比率」をベースとする。上記で定義される改質可能燃料過剰比率は、改質可能燃料成分の低位発熱量をベースとして定義される。改質可能水素過剰比率は、燃料電池アノード反応によってアノードで反応する水素と比較した、アノードおよび/またはアノードと関連する改質段階に送達される改質可能燃料の改質可能水素含有量として定義される。そのようなものとして、「改質可能水素過剰比率」は、(RFC(reformable_anode_in)/(RFC(reformable_anode_in)−RFC(anode_out))として計算することができ、式中、(RFC(reformable_anode_in)は、アノードインレット流またはフローの改質可能燃料の改質可能水素含有量を指し、RFC(anode_out)は、アノードインレットおよびアウトレット流またはフローの燃料成分(例えば、H、CHおよび/またはCO)の改質可能水素含有量を指す。RFCは、モル/秒、モル/時間などで表すことができる。アノード改質段階に送達される改質可能燃料対アノードの酸化の量の大きい比率を有する燃料電池を作動させる方法の例は、燃料電池における熱の発生および消費を釣り合わせるために、過剰の改質が実行される方法であることができる。HおよびCOを形成するために改質可能燃料を改質することは、吸熱性プロセスである。この吸熱性反応は、燃料電池における電流の発生によって対抗することができ、これは、アノード酸化反応およびカソード反応によって発生する熱量と流の形態で燃料電池を出るエネルギーとの差異に(おおよそ)相当する過剰量の熱を生じることもできる。アノード酸化反応/カソード反応に関与する水素のモルあたりの過剰量の熱は、改質によって水素のモルを発生されるために吸収した熱よりも大きくなることが可能である。その結果、従来条件で作動される燃料電池は、インレットからアウトレットまでの温度増加を示すことができる。この種類の従来の作動の代わりに、アノードと関連する改質段階において改質される燃料の量を増加させることができる。例えば、発熱性燃料電池反応によって発生する熱が、改質において消費される熱によって(おおよそ)釣り合うことができるように、あるいは改質によって消費される熱が、燃料酸化によって発生する過剰量の熱より大きくなることができ、燃料電池全体での温度低下がもたらされるように、追加的な燃料を改質することができる。これによって、電力発生のために必要とされる量と比較して、水素の実質的な過剰をもたらすことができる。一例として、燃料電池のアノードインレットまたは関連する改質段階への供給は、実質的に純粋なメタン供給などの改質可能燃料から実質的に構成されることができる。そのような燃料を使用する発電のための従来の作動の間、固体オキシド燃料電池は約75%の燃料利用で作動することができる。これは、次いで、アノードにおいて、酸素イオンと反応して、HOを形成する水素を形成するために、アノードに送達される燃料含有量の約75%(または3/4)が使用されることを意味する。従来の作動において、燃料含有量の残りの約25%は、燃料電池でHに改質されることができ(または、燃料のいずれのCOまたはHに関して未反応の燃料電池を通過することができ)、次いで、燃料電池の外側で燃焼され、HOを形成し、燃料電池へとカソードインレットのための熱を提供する。この状態における改質可能水素過剰比率は、4/(4−1)=4/3であることができる。 Reformable hydrogen surplus ratio: Yet another option for characterizing the operation of a fuel cell is based on the “reformable hydrogen surplus ratio”. The reformable fuel excess ratio defined above is defined based on the lower heating value of the reformable fuel component. Reformable hydrogen excess ratio is defined as the reformable hydrogen content of the reformable fuel delivered to the anode and / or the reforming stage associated with the anode as compared to the hydrogen reacted at the anode by the fuel cell anode reaction. Is done. As such, the “reformable hydrogen excess ratio” can be calculated as (RFC (reformable_anode_in) / (RFC (reformable_anode_in) −RFC (anode_out)), where (RFC (reformable_anode_in) is: Refers to the reformable hydrogen content of the reformable fuel in the anode inlet stream or flow, and RFC (anode_out) is the fuel component of the anode inlet and outlet stream or flow (eg, H 2 , CH 4 and / or CO) Reformable hydrogen content refers to RFC, which can be expressed in moles / second, moles / hour, etc. Fuel with a large ratio of reformable fuel to anode oxidation delivered to the anode reforming stage How to activate the battery Examples are to balance the generation and consumption of heat in the fuel cell, to reform the reformable fuel to form a can .H 2 and CO that is excessive way modification is performed Is an endothermic process, which can be countered by the generation of current in the fuel cell, which is the energy that exits the fuel cell in the form of heat and flow generated by the anodic oxidation and cathodic reactions. The excess heat per mole of hydrogen involved in the anodic oxidation / cathode reaction can be generated by the reforming to generate a mole of hydrogen. As a result, fuel cells operated under conventional conditions show an increase in temperature from the inlet to the outlet. As an alternative to this type of conventional operation, the amount of fuel reformed in the reforming stage associated with the anode can be increased, for example, the heat generated by the exothermic fuel cell reaction is modified. The heat consumed by the quality can be (approximately) balanced, or the heat consumed by reforming can be greater than the excess heat generated by fuel oxidation, resulting in a temperature drop across the fuel cell. The additional fuel can be reformed to provide a substantial excess of hydrogen compared to the amount required for power generation, as an example. The feed to the fuel cell anode inlet or associated reforming stage may consist essentially of a reformable fuel, such as a substantially pure methane feed. Kill. During conventional operation for power generation using such fuels, solid oxide fuel cells can operate at about 75% fuel utilization. This then uses about 75% (or 3/4) of the fuel content delivered to the anode to form hydrogen that reacts with oxygen ions to form H 2 O at the anode. Means that. In conventional operation, the remaining approximately 25% of the fuel content can be reformed to H 2 in the fuel cell (or passing through an unreacted fuel cell for any CO or H 2 in the fuel). Can then be combusted outside the fuel cell to form H 2 O and provide heat to the fuel cell for the cathode inlet. The reformable hydrogen excess ratio in this state can be 4 / (4-1) = 4/3.

電気効率(electrical efficiency):本明細書で使用される場合、「電気効率」(EE」)という用語は、燃料電池への燃料インプットの低位発熱量(「LHV」)の率で割られる、燃料電池で生じる電気化学的動力として定義される。燃料電池への燃料インプットには、アノードに送達される燃料、ならびに燃料電池の温度を維持するために使用されるいずれの燃料、例えば、燃料電池と関連するバーナーに送達される燃料の両方が含まれる。本記載において、燃料によって生じる動力は、LHV(el)燃料率に関して記載されてもよい。   Electrical efficiency: As used herein, the term “electric efficiency” (EE) is the fuel divided by the rate of the lower heating value (“LHV”) of the fuel input to the fuel cell. Defined as the electrochemical power generated in the battery. Fuel input to the fuel cell includes both the fuel delivered to the anode and any fuel used to maintain the temperature of the fuel cell, for example, the fuel delivered to the burner associated with the fuel cell. It is. In this description, the power generated by the fuel may be described in terms of LHV (el) fuel rate.

電気化学的動力(electrochemical power):本明細書で使用される場合、「電気化学的動力」またはLHV(el)という用語は、燃料電池でカソードをアノードに連結する回路および燃料電池の電解質を通る酸素イオンの移動によって発生する動力である。電気化学的動力は、燃料電池から生じるか、上流または下流装置で消費される動力を排除する。例えば、燃料電池廃棄物流における熱から生じる電気は、電気化学的動力の一部分として考えられない。同様に、燃料電池の上流のガスタービンまたは他の装置で発生する動力は、発生する電気化学的動力の一部分でない。「電気化学的動力」は、燃料電池の作動の間に消費される電力、または直流から交流への変換によって生じるいずれの損失も考慮しない。言い換えると、燃料電池作動を供給するため、または他に燃料電池を作動するために使用される電力は、燃料電池によって生じる直流動力から差し引かれない。本明細書で使用される場合、電力密度は電圧を乗算した電流密度である。本明細書で使用される場合、全燃料電池動力は、燃料電池面積を乗算した電力密度である。   Electrochemical power: As used herein, the term “electrochemical power” or LHV (el) passes through the circuit that connects the cathode to the anode in the fuel cell and the electrolyte of the fuel cell. This is the power generated by the movement of oxygen ions. Electrochemical power eliminates power generated from the fuel cell or consumed in upstream or downstream equipment. For example, electricity resulting from heat in a fuel cell waste stream is not considered part of the electrochemical power. Similarly, the power generated in a gas turbine or other device upstream of the fuel cell is not part of the generated electrochemical power. “Electrochemical power” does not take into account the power consumed during the operation of the fuel cell or any losses caused by the conversion from direct current to alternating current. In other words, the power used to provide fuel cell operation or otherwise to operate the fuel cell is not subtracted from the DC power generated by the fuel cell. As used herein, power density is current density multiplied by voltage. As used herein, total fuel cell power is the power density multiplied by the fuel cell area.

燃料インプット(fuel input):本明細書で使用される場合、LHV(anode_in)として示される「アノード燃料インプット」という用語は、アノードインレット流の中の燃料の量である。LHV(in)として示される「燃料インプット」という用語は、アノードインレット流内の燃料の量および燃料電池の温度を維持するために使用される燃料の量の両方を含む燃料電池に送達される燃料の全体の量である。燃料は、本明細書に提供される改質可能燃料の定義をベースとして、改質可能および非改質可能燃料を含んでもよい。燃料インプットは、燃料利用と同一ではない。   Fuel input: As used herein, the term “anode fuel input”, denoted as LHV (anode_in), is the amount of fuel in the anode inlet stream. The term “fuel input”, denoted as LHV (in), refers to fuel delivered to a fuel cell that includes both the amount of fuel in the anode inlet stream and the amount of fuel used to maintain the temperature of the fuel cell. Is the total amount of. Fuels may include reformable and non-reformable fuels based on the definition of reformable fuel provided herein. Fuel input is not the same as fuel use.

全燃料電池効率(total fuel cell efficiency):本明細書で使用される場合、「全燃料電池効率」(「TFCE」)という用語は、燃料電池によって発生する電気化学的動力に、燃料電池によって生じる合成ガスのLHVの率を足したものを、アノードへの燃料インプットのLHVの率で割ったものとして定義される。言い換えると、TFCE=(LHV(el)+LHV(sg net))/LHV(anode_in)であり、式中、LHV(anode_in)は、燃料成分(例えばH、CHおよび/またはCO)がアノードに送達される時のLHVを指し、かつLHV(sg net)は、合成ガス(H、CO)がアノードで生じる率を指し、これは、アノードへの合成ガスインプットとアノードからの合成ガスアウトプットとの間の差異である。LHV(el)は、燃料電池の電気化学的発電を記載する。全燃料電池効率は、燃料電池の外側で有利に使用される、燃料電池によって発生する熱を排除する。作動において、燃料電池によって発生する熱は、下流の装置において有利に使用されてもよい。例えば、熱は追加的な電気を発生させるか、または水を加熱するために使用されてもよい。これらの用途は、それらが燃料電池と離れて生じる場合、本出願で使用される用語のような全燃料電池効率の一部分でない。全燃料電池効率は、燃料電池作動のみに関し、動力発生または、上流もしくは下流での燃料電池の消費を含まない。 Total fuel cell efficiency: As used herein, the term “total fuel cell efficiency” (“TFCE”) is generated by a fuel cell to the electrochemical power generated by the fuel cell. It is defined as the sum of the LHV rate of synthesis gas divided by the LHV rate of the fuel input to the anode. In other words, TFCE = (LHV (el) + LHV (sg net)) / LHV (anode_in), where LHV (anode_in) is the fuel component (eg, H 2 , CH 4 and / or CO) at the anode LHV as delivered and LHV (sg net) refers to the rate at which synthesis gas (H 2 , CO) is produced at the anode, which is the synthesis gas input to the anode and the synthesis gas output from the anode Is the difference between LHV (el) describes the electrochemical power generation of the fuel cell. Total fuel cell efficiency eliminates the heat generated by the fuel cell, which is advantageously used outside the fuel cell. In operation, the heat generated by the fuel cell may be advantageously used in downstream equipment. For example, heat may be used to generate additional electricity or to heat water. These applications are not part of the overall fuel cell efficiency as the terminology used in this application if they occur away from the fuel cell. Total fuel cell efficiency relates only to fuel cell operation and does not include power generation or fuel cell consumption upstream or downstream.

化学効率(chemical efficiency):本明細書で使用される場合、「化学効率」という用語は、燃料インプットまたはLHV(in)で割られる、燃料電池のアノード排出物におけるHおよびCOの低位発熱量、またはLHV(sg out)として定義される。 Chemical efficiency: As used herein, the term “chemical efficiency” refers to the lower heating value of H 2 and CO in the fuel cell anode emissions divided by the fuel input or LHV (in). Or LHV (sg out).

電気効率も全システム効率も、上流または下流のプロセスの効率を考慮に入れない。例えば、燃料電池カソードのためのOの供給源としてタービン排出物を使用することは有利であり得る。この配置では、タービンの効率は、電気効率または全燃料電池効率の計算の一部分として考慮されない。同様に、燃料電池からのアウトプットは、燃料電池へのインプットとしてリサイクルされてもよい。単回通過モードで電気効率または全燃料電池効率を算出する場合、リサイクルループは考慮されない。 Neither electrical efficiency nor overall system efficiency takes into account the efficiency of upstream or downstream processes. For example, it may be advantageous to use turbine emissions as a source of O 2 for the fuel cell cathode. In this arrangement, turbine efficiency is not considered as part of the calculation of electrical efficiency or total fuel cell efficiency. Similarly, the output from the fuel cell may be recycled as input to the fuel cell. When calculating electrical efficiency or total fuel cell efficiency in single pass mode, the recycle loop is not considered.

生成した合成ガス:本明細書で使用される場合、「生成した合成ガス」という用語は、アノードへの合成ガスインプットとアノードからの合成ガスアウトプットとの間の差異である。合成ガスは、少なくとも部分的に、アノードのためのインプットまたは燃料として使用されてもよい。例えば、システムは、天然ガスまたは他の適切な燃料で補足されて、アノード排出物からアノードインレットまで合成ガスを戻すアノードリサイクルループを含んでもよい。生成した合成ガスLHV(sg net)=(LHV(sg out)−LHV(sg in))であり、LHV(sg in)およびLHV(sg out)は、アノードインレットの合成ガスのLHVおよびアノードアウトレット流またはフローの合成ガスのLHVをそれぞれ指す。なお、アノード内での改質反応によって生じた合成ガスの少なくとも一部分は、典型的に、電気を生じるためにアノードで利用されることができる。電気を生じるために利用される水素は、アノードから出ないため、「生成した合成ガス」の定義に含まれない。本明細書で使用される場合、「合成ガス比率」という用語は、アノードへの燃料インプットのLHVで割られた、生成した正味の合成ガスのLHV、またはLHV(sg net)/LHV(anode in)である。合成ガスおよび燃料のモルフローレートは、LHVの代わりに、モルベースの合成ガス比率およびモルベースの生成した合成ガスを表すために使用することができる。   Syngas produced: As used herein, the term “produced syngas” is the difference between the syngas input to the anode and the syngas output from the anode. Syngas may be used, at least in part, as an input or fuel for the anode. For example, the system may include an anode recycle loop that is supplemented with natural gas or other suitable fuel to return synthesis gas from the anode exhaust to the anode inlet. The generated synthesis gas LHV (sg net) = (LHV (sg out) −LHV (sg in)), where LHV (sg in) and LHV (sg out) are the syngas LHV and anode outlet flow of the anode inlet. Or, it refers to the LHV of the synthesis gas in the flow. It should be noted that at least a portion of the synthesis gas produced by the reforming reaction within the anode can typically be utilized at the anode to generate electricity. The hydrogen used to generate electricity does not exit the anode and is therefore not included in the definition of “generated synthesis gas”. As used herein, the term “synthesis gas ratio” refers to the LHV of the generated net synthesis gas divided by the LHV of the fuel input to the anode, or LHV (sg net) / LHV (anode in). ). Syngas and fuel molar flow rates can be used to represent mole-based syngas ratios and mole-based produced syngas instead of LHV.

蒸気対炭素比率(steam to carbon ratio)(S/C):本明細書で使用される場合、蒸気対炭素比率(S/C)は、フロー中の蒸気対フロー中の改質可能炭素モル比である。COおよびCOの形の炭素は、この定義における改質可能炭素として含まれない。蒸気対炭素比率は、システムの異なる点で測定および/または制御することができる。例えば、アノードインレット流の組成は、アノードにおいて改質するために適切なS/Cを達成するように修正することができる。S/Cは、燃料、例えば、メタン中の炭素原子の数を乗算した燃料のモルフローレートの積で割られる、HOのモルフローレートとして与えられることができる。したがって、S/C=fH2O/(fCH4×#C)であり、式中、fH2Oは水のモルフローレートであり、fCH4は、メタン(または他の燃料)のモルフローレートであり、かつ#Cは燃料中の炭素の数である。様々な態様において、S/Cは、約2、または約1対3、または約0.5対5であることが可能である。過剰量の蒸気はアノード反応物を希釈し、生じるエネルギーを犠牲にするため、改質反応の化学量論を満たし、ファウリングを防ぐために十分な蒸気のみを提供することが望ましい可能性がある。 Steam to carbon ratio (S / C): As used herein, the steam to carbon ratio (S / C) is the steam to carbon reformable carbon mole ratio in the flow. It is. Carbon in the form of CO and CO 2 is not included as modifiable carbon in this definition. The steam to carbon ratio can be measured and / or controlled at different points in the system. For example, the composition of the anode inlet stream can be modified to achieve the appropriate S / C for modification at the anode. S / C can be given as the molar flow rate of H 2 O divided by the product of the molar flow rate of the fuel, eg, the fuel multiplied by the number of carbon atoms in the methane. Thus, S / C = f H2O / (f CH4 x # C) where f H2O is the molar flow rate of water and f CH4 is the molar flow rate of methane (or other fuel). And #C is the number of carbons in the fuel. In various embodiments, the S / C can be about 2, or about 1: 3, or about 0.5: 5. Because excess steam dilutes the anode reactant and sacrifices the resulting energy, it may be desirable to provide only enough steam to meet the stoichiometry of the reforming reaction and prevent fouling.

燃料電池(fuel cell)および燃料電池構成要素(fuel cell components):本考察において、燃料電池は、電解質によって分離されるアノードおよびカソードを有する単電池に相当することができる。固体オキシド燃料電池は、平面形または管状形のいずれかであることが可能である。本明細書で使用される場合、燃料電池は、一方または両方の形態を指すことが可能である。アノードおよびカソードは、電解質全体で電荷を輸送して、電気を発生させるために、それぞれのアノードおよびカソード反応を促進するためのインプットガスフローを受け取ることができる。燃料電池積層は、集積化されたユニットで複数の電池を表すことができる。燃料電池積層は複数の燃料電池を含むことができ、燃料電池は典型的に並列に連結されることができ、そして、それらが集合的により大きい径の単一燃料電池を表すように(ほぼ)機能することができる。インプットフローが燃料電池積層のアノードまたはカソードに送達される場合、燃料積層は、積層中のそれぞれの電池間のインプットフローを割るためのフローチャネルおよび個々の電池からのアウトプットフローを組み合わせるためのフローチャネルを含むことができる。本考察において、燃料電池アレイは、直列、並列、または他のいずれかの都合のよい方法(例えば、直列および並列の組み合わせで)で配置される複数の燃料電池(例えば、複数の燃料電池積層)を指すために使用することができる。燃料電池アレイは、第1の段階からのアノード/カソードアウトプットは、第2の段階のためのアノード/カソードインプットとして役立ち得る、燃料電池および/または燃料電池積層の1つ以上の段階を含むことができる。なお、燃料電池アレイのアノードは、アレイのカソードと同一の方法で連結されなくてもよい。便宜のために、燃料電池アレイの第1のアノード段階へのインプットは、アレイのためのアノードインプットと呼ばれてもよく、そして燃料電池アレイの第1のカソード段階へのインプットは、アレイへのカソードインプットと呼ばれてもよい。同様に、最終アノード/カソード段階からのアウトプットは、アレイからのアノード/カソードアウトプットと呼ばれてもよい。   Fuel cell and fuel cell components: In this discussion, a fuel cell can correspond to a cell having an anode and a cathode separated by an electrolyte. Solid oxide fuel cells can be either planar or tubular. As used herein, a fuel cell can refer to one or both forms. The anode and cathode can receive an input gas flow to facilitate their respective anode and cathode reactions to transport charge across the electrolyte and generate electricity. A fuel cell stack can represent multiple cells in an integrated unit. A fuel cell stack can include multiple fuel cells, which can typically be connected in parallel, and so that they collectively represent a single fuel cell of larger diameter (approximately) Can function. When the input flow is delivered to the anode or cathode of the fuel cell stack, the fuel stack is a flow channel for splitting the input flow between each cell in the stack and the flow for combining the output flows from the individual cells. Channels can be included. In this discussion, the fuel cell array is a plurality of fuel cells (eg, a plurality of fuel cell stacks) arranged in series, parallel, or any other convenient manner (eg, in a combination of series and parallel). Can be used to refer to. The fuel cell array includes one or more stages of fuel cells and / or fuel cell stacks, where the anode / cathode output from the first stage can serve as the anode / cathode input for the second stage. Can do. Note that the anodes of the fuel cell array need not be connected in the same manner as the cathodes of the array. For convenience, the input to the first anode stage of the fuel cell array may be referred to as the anode input for the array, and the input to the first cathode stage of the fuel cell array is the input to the array. It may be called the cathode input. Similarly, the output from the final anode / cathode stage may be referred to as the anode / cathode output from the array.

本明細書における燃料電池の使用の言及は、典型的に、個々の燃料電池から構成される「燃料電池積層(fuel cell stack)」を示し、そしてより一般に、流体連絡における1つ以上の燃料電池積層の使用を指すことは理解されるべきである。個々の燃料電池要素(プレートまたはシリンダー)は、「燃料電池積層」と呼ばれる長方形アレイで一緒に典型的に「積層」されることができる。この燃料電池積層は、典型的に、全ての個々の燃料電池の間で流れを供給することができ、かつ反応物を分配することができ、次いで、これらの要素のそれぞれから生成物を収集することができる。ユニットとして見ると、作動中の燃料電池積層は、多くの(しばしば、十または何百)の個々の燃料電池要素から構成されるとしても、一体としてみなすことができる。これらの個々の燃料電池要素は、同様の電圧(反応物および生成物濃度が同様)を典型的に有することができ、そして全動力アウトプットは、要素が直列に電気的に連結される場合、電池要素の全部の電流の合計から生じることができる。積層は、高電圧を生じるために、直列で配置されることもできる。並列の配列は、電流を高めることができる。十分に大きい体積燃料電池積層が所与の流れを処理するために利用可能であるならば、本明細書に記載されるステムおよび方法は単一の固体オキシド燃料電池積層で使用することができる。本発明の他の態様において、様々な理由のために、複数の燃料電池積層は望ましくあり得るか、または必要とされ得る。   References herein to the use of fuel cells typically indicate a “fuel cell stack” comprised of individual fuel cells and, more generally, one or more fuel cells in fluid communication. It should be understood that it refers to the use of lamination. Individual fuel cell elements (plates or cylinders) can typically be “stacked” together in a rectangular array called a “fuel cell stack”. This fuel cell stack typically can provide a flow between all individual fuel cells and can distribute reactants, and then collect products from each of these elements. be able to. When viewed as a unit, an active fuel cell stack can be considered as a unity, even if it is composed of many (often ten or hundreds) individual fuel cell elements. These individual fuel cell elements can typically have similar voltages (similar reactant and product concentrations), and the total power output is when the elements are electrically connected in series, It can result from the sum of all currents of the battery element. The stacks can also be arranged in series to produce a high voltage. A parallel arrangement can increase the current. If a sufficiently large volume fuel cell stack is available to handle a given stream, the stems and methods described herein can be used in a single solid oxide fuel cell stack. In other aspects of the invention, multiple fuel cell stacks may be desirable or required for various reasons.

本発明の目的のために、他に明記しない限り、「燃料電池」という用語は、燃料電池が実際に典型的に利用される方法として単一のインプットおよびアウトプットがある、1つ以上の個々の燃料電池要素から構成される燃料電池積層を指すものとしても理解されるべきであり、および/またはそれを参照することを含むものとして定義される。同様に、燃料電池(複数)という用語は、特に明記しない限り、複数の個々の燃料電池積層を指すものとしても理解されるべきであり、および/またはそれを含むものとして定義される。言い換えると、本明細書の範囲内の全ての参照は、具体的に示されない限り、「燃料電池」としての燃料電池積層の作動に交換可能に適用することができる。例えば、商業的なスケールの燃焼発電機で発生する排出物の体積は、従来の径の燃料電池(例えば、単一積層)による処理に関して大きくなり得る。完全に排出物を処理するために、それぞれの燃料電池が燃焼排出物の同等の部分を処理することが(ほぼ)できるように、複数の燃料電池(すなわち、2以上の個々の燃料電池または燃料電池積層)を並列に配置することができる。複数の燃料電池を使用することができるが、燃料電池は典型的に、一般に同様の方法で、燃焼排出物の所与のその(ほぼ)同等の部分で作動されることができる。   For the purposes of the present invention, unless otherwise specified, the term “fuel cell” refers to one or more individual, where there is a single input and output as the manner in which the fuel cell is typically utilized in practice. Should be understood as referring to and / or including reference to it. Similarly, the term fuel cell (s) should also be understood to refer to and / or include a plurality of individual fuel cell stacks unless specifically stated otherwise. In other words, all references within the scope of this specification are interchangeably applicable to the operation of a fuel cell stack as a “fuel cell” unless specifically indicated. For example, the volume of emissions generated in commercial scale combustion generators can be large for processing with conventional diameter fuel cells (eg, single stack). Multiple fuel cells (ie, two or more individual fuel cells or fuels) so that each fuel cell can (almost) treat an equivalent portion of the combustion emissions in order to fully process the emissions. Battery stacks) can be arranged in parallel. Although multiple fuel cells can be used, the fuel cells typically can be operated on a given (approximately) equivalent portion of the combustion emissions in a generally similar manner.

「内部改質(internal reforming)」および「外部改質(external reforming)」:燃料電池または燃料電池積層は、1つ以上の内部改質部分を含んでもよい。本明細書で使用される場合、「内部改質」という用語は、燃料電池(燃料電池積層)の本体の範囲内で、または、その他の場合で燃料電池アセンブリ内で生じる燃料改質を指す。外部改質は、燃料電池とともにしばしば使用されるが、燃料電池積層の外側に位置する装置の個々において生じる。言い換えると、外部改質装置の本体は、燃料電池または燃料電池積層の本体との直接的な物理的接触がない。典型的な構成において、外部改質装置からのアウトプットを、燃料電池のアノードインレットに供給することができる。特に具体的に明記されない限り、本出願で記載される改質は内部改質である。   “Internal reforming” and “external reforming”: A fuel cell or fuel cell stack may include one or more internal reforming portions. As used herein, the term “internal reforming” refers to fuel reforming that occurs within the body of the fuel cell (fuel cell stack) or otherwise within the fuel cell assembly. External reforming is often used with fuel cells, but occurs in each of the devices located outside the fuel cell stack. In other words, the body of the external reformer is not in direct physical contact with the body of the fuel cell or fuel cell stack. In a typical configuration, the output from the external reformer can be fed to the anode inlet of the fuel cell. Unless specifically stated otherwise, the modification described in this application is an internal modification.

内部改質は、燃料電池アノード内で生じてもよい。内部改質は、燃料電池アセンブリ内で集積化される内部改質要素内で、追加的に、または代わりとして生じることができる。集積化された改質要素は、燃料電池積層内の燃料電池要素の間に位置してもよい。言い換えると、積層のトレイの1つは、燃料電池要素の代わりに改質部分であることができる。一態様において、燃料電池積層内のフロー配列は、内部改質要素に、次いで、燃料電池のアノード部分に燃料を向ける。したがって、フローの観点から、内部改質要素および燃料電池要素は、燃料電池積層内で直列に配置されることができる。本明細書で使用される場合、「アノード改質」は、アノード内で生じる燃料改質である。本明細書で使用される場合、「内部改質」という用語は、アノード部分ではなくて、集積化された改質要素内で生じる改質である。   Internal reforming may occur within the fuel cell anode. Internal reforming can occur additionally or alternatively within an internal reforming element that is integrated within the fuel cell assembly. Integrated reforming elements may be located between fuel cell elements in the fuel cell stack. In other words, one of the stacked trays can be a reforming part instead of a fuel cell element. In one aspect, the flow arrangement within the fuel cell stack directs fuel to the internal reforming element and then to the anode portion of the fuel cell. Thus, from a flow point of view, the internal reforming element and the fuel cell element can be arranged in series within the fuel cell stack. As used herein, “anode reforming” is fuel reforming that occurs within the anode. As used herein, the term “internal reforming” is the reforming that occurs within an integrated reforming element, not the anode portion.

いくつかの態様において、燃料電池アセンブリに対して内部である改質段階は、燃料電池アセンブリのアノードと関連するものとして考慮することができる。いくつかの別の態様において、アノードと関連する(例えば複数のアノードと関連する)ことができる燃料電池積層の改質段階に関して、改質段階からのアウトプットフローが少なくとも1つのアノードに通過されるように、フローパスは利用可能でありえる。これは、電解質と接触しておらず、代わりに改質触媒として役立つ燃料電池プレートの初期部分を有することに相当することができる。関連する改質段階の別の選択肢は、燃料電池積層の要素の1つとして、集積化された改質段階からのアウトプットを燃料電池積層の燃料電池の1つ以上のインプットサイドに戻す、別々の集積化された改質段階を有することであることができる。   In some embodiments, the reforming stage that is internal to the fuel cell assembly can be considered as associated with the anode of the fuel cell assembly. In some alternative embodiments, for a reforming stage of a fuel cell stack that can be associated with an anode (eg, associated with multiple anodes), the output flow from the reforming stage is passed to at least one anode. As such, a flow path can be available. This can correspond to having an initial portion of the fuel cell plate that is not in contact with the electrolyte and instead serves as a reforming catalyst. Another option for the associated reforming stage is as one of the elements of the fuel cell stack, which separates the output from the integrated reforming stage back to one or more input sides of the fuel cell stack fuel cell. Having an integrated reforming stage.

熱集積化の観点から、燃料電池積層の特徴的な高さは、個々の燃料電池積層要素の高さであることができる。なお、別々の改質段階または別々の吸熱性反応段階は、燃料電池とは異なる積層の高さを有することができるであろう。そのようなシナリオでは、燃料電池要素の高さは、特徴的な高さとして使用されることができる。いくつかの態様において、集積化された吸熱性反応段階は、集積化された吸熱性反応段階が改質のための熱供給源として燃料電池から熱を使用することができるように、1つ以上の燃料電池と熱集積化される段階として定義されることができる。そのような集積化された吸熱性反応段階は、集積化された段階に熱を提供するいずれの燃料電池からの積層要素の高さの5倍未満の高さで配置されるものとして定義されることができる。例えば、集積化された吸熱性反応段階(例えば改質段階)は、熱集積されたいずれの燃料電池からの積層要素の高さの5倍未満、例えば、積層要素の高さの3倍未満の高さで配置されることができる。本考察において、燃料電池要素に隣接する積層要素を表す集積化された改質段階または集積化された吸熱性反応段階は、隣接する燃料電池要素から約1つ分の積層要素高さ以下であるものとして定義することができる。   From the viewpoint of thermal integration, the characteristic height of the fuel cell stack can be the height of the individual fuel cell stack elements. It should be noted that separate reforming stages or separate endothermic reaction stages could have a different stack height than the fuel cell. In such a scenario, the height of the fuel cell element can be used as a characteristic height. In some embodiments, the integrated endothermic reaction stage includes one or more such that the integrated endothermic reaction stage can use heat from the fuel cell as a heat source for reforming. It can be defined as a stage that is thermally integrated with the fuel cell. Such an integrated endothermic reaction stage is defined as being placed at a height that is less than 5 times the height of the laminated element from any fuel cell that provides heat to the integrated stage. be able to. For example, an integrated endothermic reaction stage (eg, reforming stage) is less than 5 times the height of the stack element from any thermally integrated fuel cell, eg, less than 3 times the height of the stack element. Can be arranged in height. In the present discussion, an integrated reforming stage or integrated endothermic reaction stage representing a stack element adjacent to a fuel cell element is no more than about one stack element height from the adjacent fuel cell element. Can be defined as

いくつかの態様において、燃料電池要素と熱集積化される別々の改質段階は、燃料電池要素と関連する改質段階にも相当することができる。そのような態様において、集積化された燃料電池要素は、熱の少なくとも一部分を関連する改質段階に提供することができ、そして関連する改質段階は、改質段階アウトプットの少なくとも一部分を燃料流として集積化された燃料電池に提供することができる。他の態様において、別々の改質段階は、燃料電池と関連することなく、熱伝達のために燃料電池と集積化することができる。この種類の状態において、別々の改質段階は、燃料電池から熱を受け取ることができるが、改質段階のアウトプットは、燃料電池へのインプットとして使用されない。その代わりに、アノード排出物流へのアウトプットの直接添加などの別の目的のため、または燃料電池アセンブリから別々のアウトプット流を形成するために、そのような改質段階のアウトプットを使用することができる。   In some embodiments, the separate reforming stage that is heat integrated with the fuel cell element can also correspond to the reforming stage associated with the fuel cell element. In such embodiments, the integrated fuel cell element can provide at least a portion of the heat to the associated reforming stage, and the associated reforming stage fuels at least a portion of the reforming stage output. The fuel cell can be provided as a stream. In other embodiments, the separate reforming stages can be integrated with the fuel cell for heat transfer without being associated with the fuel cell. In this type of situation, a separate reforming stage can receive heat from the fuel cell, but the output of the reforming stage is not used as an input to the fuel cell. Instead, the output of such reforming stages is used for other purposes, such as adding the output directly to the anode exhaust stream, or to form a separate output stream from the fuel cell assembly. be able to.

より一般に、集積化された燃料電池積層要素によって提供される廃熱を利用することができる吸熱性反応のいずれかの都合のよい種類を実行するために、燃料電池積層の別々の積層要素を使用することができる。炭化水素流において改質反応を実行するために適切なプレートの代わりに、別々の積層要素は、別の種類の吸熱性反応に触媒作用を及ぼすために適切なプレートを有することができる。マニホールドまたは燃料電池積層におけるインレット導管の他の配列は、適切なインプットフローをそれぞれの積層要素に提供するために使用することができる。同様のマニホールドまたはアウトレット導管の他の配列も、アウトプットフローをそれぞれの積層要素から回収するために使用することができる。任意に、積層の吸熱性反応段階からのアウトプットフローは、アウトプットフローを燃料電池アノードに通過させることなく、燃料電池積層から回収することができる。そのような任意の態様において、発熱性反応の生成物は、したがって、燃料電池アノードに通過させることなく、燃料電池積層から出る。燃料電池積層の積層要素において実行することができる他の種類の吸熱性反応の例には、エチレンおよびエタンクラッキングを形成するエタノール脱水が含まれる。   More generally, separate stack elements of the fuel cell stack are used to perform any convenient type of endothermic reaction that can take advantage of the waste heat provided by the integrated fuel cell stack elements. can do. Instead of a suitable plate for carrying out the reforming reaction in the hydrocarbon stream, a separate lamination element can have a suitable plate to catalyze another type of endothermic reaction. Other arrangements of inlet conduits in the manifold or fuel cell stack can be used to provide appropriate input flow to the respective stack elements. Other arrangements of similar manifolds or outlet conduits can be used to recover the output flow from the respective stack elements. Optionally, the output flow from the endothermic reaction stage of the stack can be recovered from the fuel cell stack without passing the output flow through the fuel cell anode. In any such embodiment, the product of the exothermic reaction thus exits the fuel cell stack without passing through the fuel cell anode. Examples of other types of endothermic reactions that can be performed in the stack elements of a fuel cell stack include ethylene and ethanol dehydration to form an ethane crack.

リサイクル:本明細書に定義されるように、燃料電池インレットへの燃料電池アウトプットの一部分(例えば、アノード排出物または、アノード排出物から分離されるか、もしくは回収される流れ)のリサイクルは、直接的または間接的なリサイクル流に相当することができる。燃料電池インレットへの流れの直接的なリサイクルは、中間プロセスを通過することのない流れのリサイクルとして定義され、間接的なリサイクルには、1つ以上の中間プロセスに流れを通過させた後のリサイクルが関与する。例えば、アノード排出物がリサイクルの前にCO分離段階を通過する場合、これはアノード排出物の間接的なリサイクルと考えられる。アノード排出物から回収されるアノード排出物の一部分、例えば、H流が、燃料電池への導入のために適切な燃料へと石炭を変換するためのガス化装置を通過する場合、これもまた間接的なリサイクルと考えられる。 Recycling: As defined herein, recycling of a portion of a fuel cell output to a fuel cell inlet (eg, an anode exhaust or a stream that is separated or recovered from an anode exhaust) is It can correspond to a direct or indirect recycling stream. Direct recycling of the flow to the fuel cell inlet is defined as recycling of the flow without passing through the intermediate process, and for indirect recycling, the recycling after passing the flow through one or more intermediate processes Is involved. For example, if the anode effluent passes through a CO 2 separation stage prior to recycling, this is considered an indirect recycling of the anode effluent. If a portion of the anode exhaust recovered from the anode exhaust, for example a H 2 stream, passes through a gasifier to convert coal into a suitable fuel for introduction into the fuel cell, this is also It is considered indirect recycling.

アノードインプットおよびアウトプット
本発明の様々な態様において、SOFCアレイには、例えば、水素および炭化水素、例えば、メタン(または代わりに、CおよびHとは異なるヘテロ原子を含有してもよい炭化水素もしくは炭化水素様化合物)を含む、アノードインレットで受け取られる燃料が供給されることができる。アノードに供給される大部分のメタン(または他の炭化水素もしくは炭化水素様化合物)は、典型的に新しいメタンであることができる。本記載において、新しいメタンなどの新しい燃料は、別の燃料電池プロセスからリサイクルされない燃料を指す。例えば、アノードアウトレット流からアノードインレットにリサイクルされるメタンは、「新しい」メタンとは考えられず、その代わりに、回収されたメタンと記載することができる。使用された燃料供給源は、タービンなどの他の構成要素と共有されることができる。燃料供給源インプットは、水素を発生させる改質部分において炭化水素(または炭化水素様)化合物を改質するために、燃料に対して適切な割合で、水を含むことができる。例えば、メタンがHを発生させるために改質するための燃料インプットである場合、水対燃料のモル比は、約1:1〜約10:1、例えば少なくとも約2:1であることができる。4:1以上の比率は外部改質に関して典型的であるが、内部改質に関してはより低い値が典型的であることができる。Hが燃料供給源の一部分である範囲まで、いくつかの任意の態様において、アノードにおけるHの酸化が、燃料を改質するために使用することができるHOを生じる傾向があることが可能であるため、追加的な水は燃料に必要とされなくてもよい。燃料供給源は、燃料供給源に重要ではない成分を任意に含有することもできる(例えば、天然ガス供給は、追加的な成分としてCOのいくらかの含有量を含有することができる)。例えば、天然ガス供給は、追加的な成分として、CO、Nおよび/または他の不活性(不活性)ガスを含有することができる。任意に、いくつかの態様において、燃料供給源は、アノード排出物のリサイクルされた部分からのCOなどのCOを含有してもよい。燃料電池アセンブリへの燃料におけるCOのための追加的、または代わりの潜在的供給源は、燃料電池アセンブリに入る前に燃料において実行される炭化水素燃料の蒸気改質によって発生するCOであることができる。
Anode Input and Output In various embodiments of the present invention, the SOFC array includes, for example, hydrogen and hydrocarbons, such as methane (or alternatively, hydrocarbons or hydrocarbons that may contain heteroatoms different from C and H or Fuel received at the anode inlet can be provided, including hydrocarbon-like compounds). Most methane (or other hydrocarbons or hydrocarbon-like compounds) fed to the anode can typically be fresh methane. In this description, new fuel, such as new methane, refers to fuel that is not recycled from another fuel cell process. For example, methane recycled from the anode outlet stream to the anode inlet is not considered “fresh” methane and can instead be described as recovered methane. The fuel source used can be shared with other components such as a turbine. The fuel source input can include water in an appropriate proportion to the fuel to reform the hydrocarbon (or hydrocarbon-like) compound in the reforming section that generates hydrogen. For example, when methane is the fuel inputs for reforming to generate the H 2, the molar ratio of water to fuel is about 1: to be 1: 1 to about 10: 1, such as at least about 2 it can. A ratio of 4: 1 or higher is typical for external reforming, but lower values can be typical for internal reforming. To the extent that H 2 is part of the fuel source, in some optional embodiments, oxidation of H 2 at the anode tends to yield H 2 O that can be used to reform the fuel. Is possible, no additional water may be required for the fuel. The fuel source may optionally contain components that are not important to the fuel source (eg, a natural gas supply may contain some content of CO 2 as an additional component). For example, the natural gas supply can contain CO 2 , N 2 and / or other inert (inert) gases as additional components. Optionally, in some embodiments, the fuel source may contain CO, such as CO from the recycled portion of the anode exhaust. An additional or alternative potential source for CO in the fuel to the fuel cell assembly may be CO generated by steam reforming of hydrocarbon fuel performed on the fuel prior to entering the fuel cell assembly. it can.

より一般に、様々な種類の燃料流は、固体オキシド燃料電池のアノードのためのインプット流としての使用のために適切であり得る。いくつかの燃料流は、CおよびHとは異なるヘテロ原子を含んでもよい炭化水素および/または炭化水素様化合物を含有する流れに相当することができる。本考察において、特に明記されない限り、SOFCアノードのための炭化水素を含有する燃料流の参照は、そのような炭化水素様化合物を含有する燃料流を含むように定義される。炭化水素(炭化水素様を含む)燃料流の例としては、天然ガス、C1〜C4炭素化合物(例えば、メタンまたはエタン)を含有する流れ、およびより重質のC5+炭化水素(炭化水素様化合物を含む)を含有する流れ、ならびにそれらの組み合わせを含むことができる。アノードインプットに用いられる潜在的燃料流のさらに他の追加的または代わりの例としては、生物ガス型の流れ、例えば、有機材料の天然(生物学的)分解から生じるメタンを含むことができる。   More generally, various types of fuel streams may be suitable for use as an input stream for the anode of a solid oxide fuel cell. Some fuel streams may correspond to streams containing hydrocarbons and / or hydrocarbon-like compounds that may contain heteroatoms different from C and H. In this discussion, unless otherwise stated, references to fuel streams containing hydrocarbons for SOFC anodes are defined to include fuel streams containing such hydrocarbon-like compounds. Examples of hydrocarbon (including hydrocarbon-like) fuel streams include natural gas, streams containing C1-C4 carbon compounds (eg, methane or ethane), and heavier C5 + hydrocarbons (hydrocarbon-like compounds). Stream), as well as combinations thereof. Still other additional or alternative examples of potential fuel streams used for anode input may include biogas type streams, such as methane resulting from natural (biological) decomposition of organic materials.

いくつかの態様において、希釈剤化合物の存在のため、低エネルギー含有量で、天然ガスおよび/または炭化水素流などのインプット流を処理するために、固体オキシド燃料電池を使用することができる。例えば、メタンおよび/または天然ガスのいくつかの供給源は、O、または窒素、アルゴンもしくはヘリウムなどの他の不活性分子の実質的な量を含むことができる供給源である。COおよび/または不活性物質の高められた量の存在のために、供給源をベースとする燃料流のエネルギー含有量を低下させることができる。(燃焼動力タービンに動力を供給するためなどの)燃焼反応に、低いエネルギー含有量燃料を使用することは、問題点を提起する可能性がある。しかしながら、固体オキシド燃料電池は、燃料電池の効率に対する影響が少ないか、または影響を及ぼすことなく、低エネルギー含有量燃料供給源をベースとする動力を発生させることができる。追加的なガス体積の存在は、改質および/またはアノード反応のための温度まで燃料温度を高めるために追加的な熱を必要とすることができる。追加的に、燃料電池アノード内の水性ガスシフト反応の平衡性質のために、追加的なCOの存在は、アノードアウトプットに存在するHおよびCOの相対量に影響を有することができる。しかしながら、不活性化合物は、その他の場合には、改質およびアノード反応に対して最小限の直接的な影響のみを有することができる。固体オキシド燃料電池のための燃料流におけるCOおよび/または不活性化合物の量は、存在する場合、少なくとも約1体積%、例えば、少なくとも約2体積%、または少なくとも約5体積%、または少なくとも約10体積%、または少なくとも約15体積%、または少なくとも約20体積%、または少なくとも約25体積%、または少なくとも約30体積%、または少なくとも約35体積%、または少なくとも約40体積%、または少なくとも約45体積%、または少なくとも約50体積%、または少なくとも約75体積%であることができる。追加的に、または代わりとして、固体オキシド燃料電池のための燃料流におけるCOおよび/または不活性化合物の量は、約90体積%以下、例えば約75体積%以下、または約60体積%以下、または約50体積%以下、または約40体積%以下、または約35体積%以下であることができる。 In some embodiments, solid oxide fuel cells can be used to process input streams such as natural gas and / or hydrocarbon streams with low energy content due to the presence of diluent compounds. For example, some sources of methane and / or natural gas are sources that can include substantial amounts of O 2 or other inert molecules such as nitrogen, argon or helium. Due to the presence of increased amounts of CO 2 and / or inerts, the energy content of the source-based fuel stream can be reduced. The use of low energy content fuels in combustion reactions (such as for powering combustion power turbines) can present problems. However, solid oxide fuel cells can generate power based on low energy content fuel sources with little or no impact on fuel cell efficiency. The presence of an additional gas volume may require additional heat to raise the fuel temperature to the temperature for reforming and / or anodic reaction. Additionally, due to the equilibrium nature of the water gas shift reaction within the fuel cell anode, the presence of additional CO 2 can have an effect on the relative amounts of H 2 and CO present in the anode output. However, inert compounds can have only minimal direct impact on reforming and anodic reactions in other cases. The amount of CO 2 and / or inert compounds in the fuel stream for a solid oxide fuel cell, if present, is at least about 1% by volume, such as at least about 2% by volume, or at least about 5% by volume, or at least about 10 vol%, or at least about 15 vol%, or at least about 20 vol%, or at least about 25 vol%, or at least about 30 vol%, or at least about 35 vol%, or at least about 40 vol%, or at least about 45 It can be vol%, or at least about 50 vol%, or at least about 75 vol%. Additionally or alternatively, the amount of CO 2 and / or inert compounds in the fuel stream for the solid oxide fuel cell is about 90% or less, such as about 75% or less, or about 60% or less, Or about 50% or less, or about 40% or less, or about 35% or less.

アノードインプット流のための潜在的供給源のなお別の例は、精製装置および/または他の工業プロセスアウトプット流に相当することができる。例えば、コーキングは、より重質の化合物を、より低沸騰範囲に変換するための多くの精製装置の共通プロセスである。コーキングは、典型的に、COおよび様々なC1〜C4炭化水素を含む室温でガスである様々な化合物を含有するオフガスを生じる。このオフガスは、アノードインプット流の少なくとも一部分として使用することができる。他の精製装置オフガス流は、アノードインプット流での含有のために、追加的に、または代わりとして適切であることができ、例えば、クラッキングまたは他の精製装置プロセスの間に発生する軽質留分(C1〜C4)である。さらに他の適切な精製装置流は、Hおよび/または改質可能燃料化合物も含有するCOまたはCOを含有する精製装置流を追加的に、または代わりとして含むことができる。 Yet another example of a potential source for the anode input stream may correspond to a refiner and / or other industrial process output stream. For example, coking is a common process in many refiners to convert heavier compounds to a lower boiling range. Coking typically produces off-gas containing various compounds that are gases at room temperature, including CO and various C1-C4 hydrocarbons. This off-gas can be used as at least part of the anode input stream. Other refiner off-gas streams can be additionally or alternatively suitable for inclusion in the anode input stream, e.g., light fractions generated during cracking or other refiner processes ( C1-C4). Still other suitable refiner streams can additionally or alternatively include a refiner stream containing CO or CO 2 that also contains H 2 and / or reformable fuel compounds.

アノードインプットのためのさらに他の潜在的供給源は、増加した含水量を有する流れを追加的に、または代わりとして含むことができる。例えば、エタノールプラント(または別の種類の発酵プロセス)からのエタノールアウトプット流は、最終的な蒸留の前にHOの実質的な部分を含む。そのようなHOは、典型的に、燃料電池の作動に対して最小限の影響のみを生じることができる。したがって、アルコール(または他の発酵生成物)と水との発酵混合物を、アノードインプット流の少なくとも一部分として使用することができる。 Still other potential sources for anode input can additionally or alternatively include streams having increased water content. For example, an ethanol output stream from an ethanol plant (or another type of fermentation process) contains a substantial portion of H 2 O prior to final distillation. Such H 2 O can typically have only minimal impact on the operation of the fuel cell. Thus, a fermentation mixture of alcohol (or other fermentation product) and water can be used as at least a portion of the anode input stream.

生物ガスまたはダイジェスターガスは、アノードインプットのための別の追加的または代わりの潜在的供給源である。生物ガスは、メタンおよびCOを主として含んでもよく、典型的に有機物質の分解または消化によって生じる。有機物質を消化し、生物ガスを生じるために、嫌気性菌が使用されてもよい。アノードインプットとしての使用の前に、不純物(例えば硫黄含有化合物)は生物ガスから除去されてもよい。 Biogas or digester gas is another additional or alternative potential source for the anode input. Biogas may contain mainly methane and CO 2 and is typically generated by decomposition or digestion of organic substances. Anaerobic bacteria may be used to digest organic material and produce biogas. Prior to use as an anode input, impurities (eg, sulfur-containing compounds) may be removed from the biogas.

SOFCアノードからのアウトプット流は、HO、CO、COおよびHを含むことができる。任意に、アノードアウトプット流は、追加的なアウトプット成分として、供給に未反応燃料(例えば、HもしくはCH)または不活性化合物を有することもできるであろう。改質反応のための熱を提供するための燃料供給源として、または電池を加熱するための燃焼燃料として、このアウトプット流を使用する代わりに、別のプロセスへのインプットとして潜在的値を有する成分(例えばHまたはCO)からCOを分離するために、1つ以上の分離をアノードアウトプット流において実行することができる。Hおよび/またはCOは、化学合成のために合成ガスとして、化学反応のための水素の供給源として、および/または減少された温室効果ガス排出を有する燃料として使用することができる。 The output stream from the SOFC anode can include H 2 O, CO 2 , CO, and H 2 . Optionally, the anode output stream could have unreacted fuel (eg, H 2 or CH 4 ) or inert compounds in the feed as an additional output component. Instead of using this output stream as a fuel source to provide heat for the reforming reaction or as a combustion fuel to heat the cell, it has a potential value as an input to another process One or more separations can be performed in the anode output stream to separate CO 2 from the components (eg, H 2 or CO). H 2 and / or CO can be used as a synthesis gas for chemical synthesis, as a source of hydrogen for chemical reactions, and / or as a fuel with reduced greenhouse gas emissions.

様々な態様において、アノードからのアウトプット流の組成は、いくつかの因子によって影響されることができる。アノードアウトプット組成に影響することができる因子には、アノードへのインプット流の組成、燃料電池で発生する電流の量、および/またはアノードの出口の温度を含むことができる。アノード出口の温度は、水性ガスシフト反応の平衡性質のため、関連することができる。典型的なアノードにおいて、アノードの壁を形成するプレートの少なくとも1つは、水性ガスシフト反応に触媒作用を及ぼすために適切であることができる。その結果、a)アノードインプット流の組成は既知であり、b)アノードインプット流の改質可能燃料の改質の範囲は既知であり、かつc)(発生する電流の量に相当する)カソードからアノードまで輸送される酸素イオンの量は既知である場合、アノードアウトプットの組成は、水性ガスシフト反応に関する平衡定数をベースとして決定することができる。
eq=[CO][H]/[CO][HO]
In various embodiments, the composition of the output stream from the anode can be influenced by several factors. Factors that can affect the anode output composition can include the composition of the input stream to the anode, the amount of current generated in the fuel cell, and / or the temperature at the outlet of the anode. The temperature at the anode outlet can be related due to the equilibrium nature of the water gas shift reaction. In a typical anode, at least one of the plates forming the anode wall can be suitable for catalyzing the water gas shift reaction. As a result, a) the composition of the anode input stream is known, b) the reformable range of reformable fuel in the anode input stream is known, and c) from the cathode (corresponding to the amount of current generated). If the amount of oxygen ions transported to the anode is known, the composition of the anode output can be determined based on the equilibrium constant for the water gas shift reaction.
K eq = [CO 2 ] [H 2 ] / [CO] [H 2 O]

上記の方程式で、Keqは、所与の温度および圧力における反応のための平衡定数であり、そして[X]は成分Xの分圧である。水性ガスシフト反応をベースとして、アノードインプットにおけるCO濃度の増加は、追加的なCO形成(Hを犠牲にして)をもたらす傾向があることができ、そしてHO濃度の増加は、追加的なH形成(COを犠牲にして)をもたらす傾向があることができる。 In the above equation, K eq is the equilibrium constant for the reaction at a given temperature and pressure, and [X] is the partial pressure of component X. Based on the water gas shift reaction, an increase in CO 2 concentration at the anode input can tend to result in additional CO formation (at the expense of H 2 ), and an increase in H 2 O concentration is an additional There may be a tendency to result in high H 2 formation (at the expense of CO).

アノードアウトプットにおける組成を決定するために、アノードインプットの組成を出発点として使用することができる。この組成は、アノード内で生じることができるいずれの改質可能燃料の改質の範囲も反映するように、次いで変性することができる。そのような改質によって、水素およびCOの増加と引きかえに、アノードインプットの炭化水素含有量を低下させることができる。次に、発生する電流量をベースとして、アノードインプットにおけるHの量は、追加的なHOおよびCOと引きかえに低下することができる。この組成は、次いで、H、CO、COおよびHOの出口濃度を決定するために、水性ガスシフト反応のための平衡定数をベースとして調節することができる。 To determine the composition at the anode output, the composition of the anode input can be used as a starting point. This composition can then be modified to reflect the extent of any reformable fuel reforming that can occur in the anode. Such reforming can reduce the hydrocarbon content of the anode input in exchange for increased hydrogen and CO 2 . Next, based on the amount of current generated, the amount of H 2 at the anode input can be reduced in exchange for additional H 2 O and CO 2 . This composition can then be adjusted based on the equilibrium constant for the water gas shift reaction to determine the outlet concentrations of H 2 , CO, CO 2 and H 2 O.

様々な態様において、SOFCの作動温度は、合成ガスアウトプット内のH、COおよびCOの所望の比率を達成するために選択することができる。作動温度は、意図されたプロセスに使用するために適切な比率の合成ガスアウトプットを生じるように選択されてもよい。一態様において、作動温度は、約700℃〜1200℃の範囲であることが可能であり、例えば、作動温度は、約800℃、約900℃、約1000℃または約1100℃であることができる。 In various aspects, the operating temperature of the SOFC can be selected to achieve a desired ratio of H 2 , CO and CO 2 in the syngas output. The operating temperature may be selected to produce a suitable ratio of syngas output for use in the intended process. In one aspect, the operating temperature can range from about 700 ° C. to 1200 ° C., for example, the operating temperature can be about 800 ° C., about 900 ° C., about 1000 ° C. or about 1100 ° C. .

任意に、1つ以上の水性ガスシフト反応段階が、所望であれば、アノードアウトプットにおいてCOおよびHOをCOおよびHへと変換するために、アノードアウトプットの後に含まれることができる。アノードアウトプットに存在するHの量は、例えば、より低い温度で水性ガスシフト反応器を使用することによって、アノードアウトプットに存在するHOおよびCOをHおよびCOへと変換して、増加させることができる。SOFCは約700℃〜1200℃で作動されることが可能であるため、アノードアウトプットがその後のプロセスに使用するために冷却される場合、水性ガスシフト反応を促進することが特に望ましくなり得る。あるいは、温度を増加させて、水性ガスシフト反応を逆にし、HおよびCOからより多くのCOおよびHOを生じることができる。水は、アノードで生じる反応のアウトプットであることが予想され、アノードアウトプットは、典型的に、アノードアウトプットに存在するCOの量と比較して、過剰量のHOを有することができる。あるいはHOを、アノード出口の後であるが、水性ガスシフト反応の前に、流れに添加されることができる。COは、改質条件またはアノード反応の間に存在するいずれかの条件下で、改質の間の不完全な炭素変換のため、および/またはHO、CO、HおよびCOの間での反応の釣合いをとる平衡(すなわち、水性ガスシフト平衡)のために、アノードアウトプットに存在することができる。水性ガスシフト反応器は、COおよびHOを犠牲にして、COおよびHを形成する方向に、さらに平衡を進める条件下で作動されることができる。より高い温度は、COおよびHOの形成をもたらす傾向があることができる。したがって、水性ガスシフト反応器を作動するための1つの選択肢は、適切な温度、例えば、約190℃〜約210℃で、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化亜鉛上の銅などの適切な触媒にアノードアウトプット流を曝露させることであることができる。任意に、水性ガスシフト反応器は、アノードアウトプット流におけるCO濃度を低下させるために、2つの段階を含むことができ、第1の高温段階は、少なくとも約300℃〜約375℃の温度で作動され、そして第2の低温段階は、約225℃以下、例えば、約180℃〜約210℃の温度で作動される。アノードアウトプットに存在するHの量を増加させることに加えて、水性ガスシフト反応は、COを犠牲にして、COの量を追加的に、または代わりとして増加させることができる。これによって、除去が困難な一酸化炭素(CO)を、縮合(例えば、低温除去)、化学反応(例えば、アミン除去)および/または他のCO除去方法によってより容易に除去することができる二酸化炭素と交換することができる。追加的に、または代わりとして、H:COの所望の比率を達成するために、アノード排出物において存在するCO含有量を増加させることが望ましくてもよい。 Optionally, one or more water gas shift reaction stages can be included after the anode output, if desired, to convert CO and H 2 O to CO 2 and H 2 at the anode output. . The amount of H 2 present in the anode output is obtained by converting H 2 O and CO present in the anode output to H 2 and CO 2 , for example, by using a water gas shift reactor at a lower temperature. Can be increased. Since SOFCs can be operated at about 700 ° C. to 1200 ° C., it may be particularly desirable to promote the water gas shift reaction when the anode output is cooled for use in subsequent processes. Alternatively, the temperature can be increased to reverse the water gas shift reaction and produce more CO and H 2 O from H 2 and CO 2 . Water is expected to be the output of the reaction that occurs at the anode, and the anode output typically has an excess of H 2 O compared to the amount of CO present in the anode output. it can. Alternatively, H 2 O can be added to the stream after the anode outlet but before the water gas shift reaction. CO may be due to incomplete carbon conversion during reforming and / or between H 2 O, CO, H 2 and CO 2 under any conditions present during reforming conditions or anodic reactions. Can be present at the anode output for equilibrium balancing the reaction at (ie, water gas shift equilibrium). The water gas shift reactor can be operated under conditions that further promote equilibrium in the direction of forming CO 2 and H 2 at the expense of CO and H 2 O. Higher temperatures can tend to result in the formation of CO and H 2 O. Thus, one option for operating the water gas shift reactor is to anode output to a suitable catalyst, such as iron oxide, zinc oxide, copper on zinc oxide, at a suitable temperature, eg, about 190 ° C. to about 210 ° C. Can be exposed to the stream. Optionally, the water gas shift reactor can include two stages to reduce the CO concentration in the anode output stream, with the first high temperature stage operating at a temperature of at least about 300 ° C to about 375 ° C. And the second low temperature stage is operated at a temperature of about 225 ° C. or less, eg, about 180 ° C. to about 210 ° C. In addition to increasing the amount of H 2 present at the anode output, the water gas shift reaction can increase the amount of CO 2 additionally or alternatively at the expense of CO. This allows carbon monoxide (CO), which is difficult to remove, to be more easily removed by condensation (eg, low temperature removal), chemical reaction (eg, amine removal) and / or other CO 2 removal methods. Can be exchanged for carbon. Additionally or alternatively, it may be desirable to increase the CO content present in the anode exhaust to achieve the desired ratio of H 2 : CO.

任意の水性ガスシフト反応段階を通過した後、アノードアウトプットは、アノードアウトプット流からの水および/またはCOの除去のために、1つ以上の分離段階を通過することができる。例えば、1つ以上のCOアウトプット流は、個々に、または組み合わせで1つ以上の方法を使用して、アノードアウトプットにおいてCO分離を実行することによって形成されることができる。そのような方法を使用して、90体積%以上のCO含有量、例えば、少なくとも95%体積%のCO、または少なくとも98体積%のCOを有するCOアウトプット流を発生させることができる。そのような方法は、アノードアウトプットのCO含有量の少なくとも約70%、例えば、アノードアウトプットのCO含有量の少なくとも約80%、または少なくとも約90%を回収することができる。あるいは、いくつかの態様において、アノードアウトプット流のCOの一部分のみを回収することが望ましくあり得、COの回収された部分は、アノードアウトプットのCOの約33%〜約90%、例えば、少なくとも約40%、または少なくとも約50%であり得る。例えば、所望の組成がその後の水性ガスシフト段階において達成されることができるように、アノードアウトプットフローにいくらかのCOを保持することが望ましくあり得る。適切な分離方法は、物理的溶媒(例えば、Selexol(商標)またはRectisol(商標))、アミンまたは他の塩基(例えば、MEAまたはMDEA)、冷凍(例えば、低温分離)、圧力スイング吸着、真空スイング吸着、およびそれらの組み合わせの使用を含んでもよい。低温CO分離器は、適切な分離器の一例であることができる。アノードアウトプットが冷却されて、アノードアウトプットの水の大部分は、凝縮された(液)相として分離することができる。アノードアウトプットフローの他の残りの成分(例えば、H、N、CH)は、容易に凝縮された相を形成する傾向がないため、次いで、水欠乏アノードアウトプットフローのさらなる冷却および/または圧力負荷によって、高純度COを分離することができる。低温CO分離器は、作動条件次第で、フローに存在するCOの約33%〜約90%を回収することができる。 After passing through any water gas shift reaction stage, the anode output can pass through one or more separation stages for removal of water and / or CO 2 from the anode output stream. For example, one or more CO 2 output streams can be formed by performing CO 2 separation at the anode output using one or more methods, individually or in combination. Such a method may be used to generate a CO 2 output stream having a CO 2 content of 90% or more by volume, eg, at least 95% by volume CO 2 , or at least 98% by volume CO 2. it can. Such methods are at least about 70% of the CO 2 content of the anode outputs, for example, can be at least about 80% of the CO 2 content of the anode outputs, or at least about 90% recovered. Alternatively, in some embodiments, be desirable to recover only a portion of the CO 2 in the anode output stream obtained, recovered part of the CO 2 is about 33% of the anode output of CO 2 ~ about 90% For example, at least about 40%, or at least about 50%. For example, it may be desirable to maintain some CO 2 in the anode output flow so that the desired composition can be achieved in a subsequent water gas shift stage. Suitable separation methods include physical solvents (eg Selexol ™ or Rectisol ™), amines or other bases (eg MEA or MDEA), refrigeration (eg cryogenic separation), pressure swing adsorption, vacuum swing It may also include the use of adsorption, and combinations thereof. A low temperature CO 2 separator can be an example of a suitable separator. As the anode output is cooled, most of the water in the anode output can be separated as a condensed (liquid) phase. Since the remaining remaining components of the anode output flow (eg, H 2 , N 2 , CH 4 ) do not tend to form easily condensed phases, then further cooling of the water depleted anode output flow and High purity CO 2 can be separated by pressure loading. The low temperature CO 2 separator can recover from about 33% to about 90% of the CO 2 present in the flow, depending on the operating conditions.

CO分離実行の前、間または後の1つ以上の水のアウトプット流を形成するアノード排出物からの水の除去は、有利であることができる。アノードアウトプットの水量は、選択される作動条件次第で変動することができる。例えば、アノードインレットで確立される蒸気対炭素の比率は、アノード排出物の含水量に影響を及ぼすことができ、高い蒸気対炭素の比率では典型的に大量の水が生じ、これは未反応のまま、および/またはアノードにおける水性ガスシフト平衡によってのみ反応して、アノードを通過することができる。態様次第で、アノード排出物の含水量は、アノード排出物の体積の約30%以上までに相当することができる。追加的に、または代わりとして、含水量はアノード排出物の体積の約80%以下であることができる。そのような水は圧縮および/または冷却することによって除去されて、凝縮が得られることができるが、このような水の除去は、追加の圧縮器動力および/または熱交換表面面積および過度の冷却水を必要とすることができる。この過剰量の水の一部分を除去する1つの有利な方法は、湿潤したアノード流出物から湿度をとることができる吸着剤ベッドの使用をベースとすることができ、次いで、追加的な水をアノード供給に提供するために、乾燥アノード供給ガスを使用して、「再生」することができる。HVACスタイル(加熱、換気および空気調節)吸着ホイールデザインは、アノード排出物およびインレットが圧力で同様であることができ、そして1つの流れから他への軽度の漏れが、全体的なプロセスに対して最小限の影響を有することができるため、適用可能であることができる。CO除去が低温プロセスを使用して実行される実施形態において、CO除去の間または前の、トリエチレングリコール(TEG)系および/または乾燥剤による除去を含む水の除去は望ましくあり得る。対照的に、CO除去のためにアミン洗浄が使用される場合、水は、CO除去段階の下流でアノード排出物から除去されることができる。 Removal of water from the anode effluent forming one or more water output streams before, during or after the CO 2 separation run can be advantageous. The amount of water in the anode output can vary depending on the operating conditions selected. For example, the steam to carbon ratio established at the anode inlet can affect the water content of the anode exhaust, with a high steam to carbon ratio typically resulting in a large amount of water, which is unreacted. It can pass through the anode as is and / or reacting only by water gas shift equilibrium at the anode. Depending on the embodiment, the water content of the anode discharge can correspond to up to about 30% or more of the volume of the anode discharge. Additionally or alternatively, the moisture content can be about 80% or less of the volume of the anode discharge. Such water can be removed by compression and / or cooling and condensation can be obtained, but such removal of water can result in additional compressor power and / or heat exchange surface area and excessive cooling. Can need water. One advantageous method of removing a portion of this excess water can be based on the use of an adsorbent bed that can be dehumidified from the wet anode effluent, and then additional water is added to the anode. The dry anode feed gas can be used to “regenerate” to provide for supply. HVAC style (heating, ventilation and air conditioning) adsorption wheel design allows anode emissions and inlets to be similar in pressure, and a mild leak from one stream to the other for the overall process It can be applicable because it can have minimal impact. In embodiments where CO 2 removal is performed using a low temperature process, water removal, including removal with a triethylene glycol (TEG) system and / or desiccant, during or prior to CO 2 removal may be desirable. In contrast, if the amine wash for removing CO 2 is used, water can be removed from the anode effluent downstream of the CO 2 removal stage.

COアウトプット流および/または水アウトプット流の代わりとして、またはそれに加えて、アノードアウトプットは、所望の化学または燃料生成物を含有する1つ以上の生成物流を形成するために使用することができる。そのような生成物流は、合成ガス流、水素流または合成ガス生成物および水素生成物流の両方に相当することができる。例えば、少なくとも約70体積%のH、例えば、少なくとも約90体積%のH、または少なくとも約95体積%のHを含有する水素生成物流を形成することができる。追加的に、または代わりとして、組み合わせたHおよびCOの少なくとも約70体積%、例えば、HおよびCOの少なくとも約90体積%を含有する合成ガス流を形成することができる。1つ以上の生成物流は、アノードアウトプットにおいて組み合わせられたHおよびCOガス体積の少なくとも約75%、例えば、組み合わせられたHおよびCOガス体積の少なくとも約85%または少なくとも約90%に相当するガス体積を有することができる。なお、生成物流のHおよびCOの相対的な量は、生成物間で変換する水性ガスシフト反応段階の使用をベースとするアノードアウトプットのH:COの比率とは異なってもよい。 As an alternative to or in addition to the CO 2 output stream and / or water output stream, the anode output is used to form one or more product streams containing the desired chemical or fuel product. Can do. Such a product stream can correspond to a synthesis gas stream, a hydrogen stream or both a synthesis gas product and a hydrogen product stream. For example, a hydrogen product stream can be formed that contains at least about 70 volume% H 2 , such as at least about 90 volume% H 2 , or at least about 95 volume% H 2 . Additionally or alternatively, a synthesis gas stream can be formed that contains at least about 70% by volume of the combined H 2 and CO, such as at least about 90% by volume of H 2 and CO. One or more product streams is at least about 75% of H 2 and CO gas volume which is combined at the anode output, for example, corresponds to at least about 85% of the combined H 2 and CO gas volume or at least about 90% Can have a gas volume. It should be noted that the relative amounts of H 2 and CO in the product stream may be different from the H 2 : CO ratio in the anode output based on the use of a water gas shift reaction stage that converts between products.

いくつかの態様において、アノードアウトプットに存在するHの一部分を除去するか、または分離することが望ましいことができる。例えば、いくつかの態様において、アノード排出物のH:COの比率は、少なくとも約3.0:1であることができる。対照的に、フィッシャー−トロプシュ合成などの合成ガスを利用するプロセスは、異なる比率(例えば2:1により近い比率)で、HおよびCOを消費してもよい。1つの代替案は、アノードアウトプットの含有量を所望の合成ガス組成により近いCO比率にHを有するように変性するために、水性ガスシフト反応を使用することであることができる。別の代替案は、HおよびCOの所望の比率を達成するために、アノードアウトプットに存在するHの一部分を除去するために膜分離を使用すること、またはなお代わりとして、膜分離および水性ガスシフト反応の組み合わせを使用することであることができる。アノードアウトプットのHの一部分のみを除去するために膜分離を使用する1つの利点は、所望の分離を比較的穏やかな条件で実行することができるということであることができる。1つの目標は、なお実質的なH含有量を有する残留物を生じることであることができるため、高純度の水素の透過が、過酷な条件を必要とすることなく、膜分離によって発生することができる。例えば、膜の透過サイドにおいて約100kPaa以下(例えば、周囲の圧力)の圧力を有することよりも、透過サイドが周囲と比較して、なお膜分離を実行するために十分な推進力を有しながら、高い圧力であることができる。追加的に、または代わりとして、メタンなどの掃去ガスを、推進力を膜分離に提供するために使用することができる。これによってH透過流の純度を低下させることができるが、透過流の所望の使用次第で有利であり得る。 In some embodiments, it may be desirable to remove or separate a portion of H 2 present at the anode output. For example, in some embodiments, the anode exhaust H 2 : CO ratio can be at least about 3.0: 1. In contrast, processes utilizing synthesis gas, such as Fischer-Tropsch synthesis, may consume H 2 and CO at different ratios (eg, a ratio closer to 2: 1). One alternative can be to use a water gas shift reaction to modify the anode output content to have H 2 at a CO ratio closer to the desired synthesis gas composition. Another alternative is to use membrane separation to remove a portion of H 2 present in the anode output, or still as an alternative, to achieve the desired ratio of H 2 and CO. It can be to use a combination of water gas shift reactions. One advantage of using membrane separation to remove only a portion of the anode output H 2 can be that the desired separation can be performed at relatively mild conditions. One goal can be to produce a residue that still has substantial H 2 content, so that high purity hydrogen permeation occurs by membrane separation without requiring harsh conditions. be able to. For example, the permeate side still has sufficient driving force to perform membrane separation compared to the surrounding, rather than having a pressure of about 100 kPaa or less (eg, ambient pressure) on the permeate side of the membrane. Can be high pressure. Additionally or alternatively, a scavenging gas such as methane can be used to provide driving force to the membrane separation. This can reduce the purity of the H 2 permeate, but can be advantageous depending on the desired use of the permeate.

本発明の様々な態様において、アノード排出物流の少なくとも一部分(好ましくは、COおよび/またはHOの分離の後)を、燃料電池および関連する改質段階の外部のプロセスのための供給として使用することができる。様々な態様において、アノード排出物は、約1.5:1〜約10:1、例えば、少なくとも約3.0:1、または少なくとも約4.0:1、または少なくとも約5.0:1のH:COの比率を有することができる。合成ガス流は、アノード排出物から発生することができるか、または回収されることができる。アノード排出物ガスは、任意にCOおよび/またはHOの分離の後、そして任意に、過剰量の水素を除去するために、水性ガスシフト反応および/または膜分離を実行した後、Hおよび/またはCOの実質的な部分を含有している流れに相当することができる。COの比較的低い含有量を有する流れに関して、例えば、H:COの比率が少なくとも約3:1である流れにおいて、アノード排出物は、H供給として使用するために適切であることができる。H供給から利益を得ることができるプロセスの例としては、限定されないが、精製装置プロセス、アンモニア合成プラント、または(異なる)発電システムのタービン、あるいはそれらの組み合わせを含むことができる。用途次第で、なおより低いCO含有量が望ましくなることができる。約2.2対1未満の、および約1.9:1を超えるH:COの比率を有する流れに関して、流れは合成ガス供給として使用するために適切であることができる。合成ガス供給から利益を得ることができるプロセスの例としては、限定されないが、ガストゥーリキッド(gas−to−liquid)プラント(例えば、非シフティング触媒を用いるフィッシャートロプシュプロセスを使用するプラント)および/またはメタノール合成プラントを含むことができる。外部プロセスのための供給として使用されるアノード排出物の量は、いずれかの都合のよい量であることもできる。任意に、アノード排出物の一部分が外部プロセスのための供給として使用される場合、アノード排出物の第2の部分は、アノードインプットにリサイクルされることができ、および/または燃焼動力発電機のための燃焼領域にリサイクルされることができる。 In various aspects of the invention, at least a portion of the anode exhaust stream (preferably after the separation of CO 2 and / or H 2 O) is provided as a feed for processes external to the fuel cell and associated reforming stage. Can be used. In various embodiments, the anode emissions are from about 1.5: 1 to about 10: 1, such as at least about 3.0: 1, or at least about 4.0: 1, or at least about 5.0: 1. It can have a ratio of H 2 : CO. A syngas stream can be generated from the anode exhaust or can be recovered. The anode effluent gas, optionally after CO 2 and / or H 2 O separation, and optionally, to remove excess hydrogen, after performing the water gas shift reaction and / or membrane separation, H 2 And / or can correspond to a stream containing a substantial portion of CO. For streams with a relatively low content of CO, for example, in streams where the ratio of H 2 : CO is at least about 3: 1, the anode exhaust can be suitable for use as an H 2 feed. . Examples of processes that can benefit from the H 2 supply, without limitation, may include purification unit processes, ammonia synthesis plant or (different) turbine power generation system, or combinations thereof. Depending on the application, still lower CO 2 content can be desirable. For streams having a ratio of H 2 : CO of less than about 2.2 to 1 and greater than about 1.9: 1, the stream can be suitable for use as a syngas feed. Examples of processes that can benefit from a syngas supply include, but are not limited to, a gas-to-liquid plant (eg, a plant using a Fischer-Tropsch process with a non-shifting catalyst) and / or Or a methanol synthesis plant can be included. The amount of anode effluent used as a feed for the external process can be any convenient amount. Optionally, if a portion of the anode exhaust is used as a feed for an external process, the second portion of the anode exhaust can be recycled to the anode input and / or for a combustion power generator Can be recycled to the combustion area.

異なる種類のフィッシャー−トロプシュ合成プロセスのために有用なインプット流は、アノードアウトプットから発生させるために望ましくあり得る異なる種類の生成物流の例を提供することができる。鉄をベースとする触媒などのシフティング触媒を使用するフィッシャー−トロプシュ合成反応に関して、反応系への所望のインプット流は、HおよびCOに加えてCOを含むことができる。COの十分な量がインプット流に存在しない場合、水性ガスシフト活性を有するフィッシャー−トロプシュ触媒は、追加的なCOを発生させるためにCOを消費することができ、COのない合成ガスが生じる。SOFC燃料電池によるそのようなフィッシャートロプシュ法の集積化のために、アノードアウトプットのための分離段階は、合成ガス生成物におけるCO(および任意にHO)の所望の量を保持するように作動させることができる。対照的に、非シフティング触媒をベースとするフィッシャー−トロプシュ触媒に関して、生成物流に存在するいずれのCOも、フィッシャー−トロプシュ反応系において不活性成分として役立つことができる。 Input streams useful for different types of Fischer-Tropsch synthesis processes can provide examples of different types of product streams that may be desirable to generate from the anode output. For a Fischer-Tropsch synthesis reaction using a shifting catalyst such as an iron-based catalyst, the desired input stream to the reaction system can include CO 2 in addition to H 2 and CO. If there is not enough CO 2 in the input stream, a Fischer-Tropsch catalyst with water gas shift activity can consume CO to generate additional CO 2 , resulting in CO-free syngas. . Due to the integration of such Fischer-Tropsch processes with SOFC fuel cells, the separation stage for the anode output will retain the desired amount of CO 2 (and optionally H 2 O) in the syngas product. Can be operated. In contrast, for a Fischer-Tropsch catalyst based on a non-shifting catalyst, any CO 2 present in the product stream can serve as an inert component in the Fischer-Tropsch reaction system.

メタン掃去ガスなどの掃去ガスによって膜が掃去される態様において、メタン掃去ガスは、アノード燃料として、または異なる低圧プロセス、例えば、煮沸器、炉、ガスタービン、もしくは他の燃料消費デバイスにおいて使用されるメタン流に相当することができる。そのような態様において、膜を通しての低濃度のCO透過は、最小限の結果を有することができる。膜を透過し得るそのようなCOは、アノード内での反応に対して最小限の影響を有することができ、そしてそのようなCOは、アノード生成物に含有されて残ることができる。したがって、透過によって膜を通して損失したCOは(存在する場合)、SOFC電解質を通って再び転送される必要はない。これは、水素透過膜の分離選択性必要条件を有意に低下させることができる。これによって、例えば、より低い選択性を有する、より高い透過性の膜の使用が可能となり、そしてこれによって、より低い圧力および/または減少した膜表面面積の使用が可能となる。本発明のそのような態様において、掃去ガスの体積は、アノード排出物の水素の体積の何倍も大きいことが可能であり、これによって、透過サイドにおける有効な水素濃度をゼロ付近に維持することが可能となる。そのようにして分離された水素は、タービン供給メタンに組み込まれることができ、それによって、上記の通り、タービン燃焼特徴を向上させることができる。 In embodiments where the membrane is scavenged by a scavenging gas, such as methane scavenging gas, the methane scavenging gas may be used as an anode fuel or in a different low pressure process, such as a boiler, furnace, gas turbine, or other fuel consuming device. Can correspond to the methane stream used in In such embodiments, low concentrations of CO 2 permeation through the membrane can have minimal consequences. Such CO 2 that can permeate the membrane can have a minimal impact on the reaction in the anode, and such CO 2 can remain contained in the anode product. Thus, the CO 2 lost through the membrane by permeation (if present) does not need to be transferred again through the SOFC electrolyte. This can significantly reduce the separation selectivity requirement of the hydrogen permeable membrane. This allows, for example, the use of higher permeability membranes with lower selectivity, and this allows the use of lower pressure and / or reduced membrane surface area. In such embodiments of the present invention, the volume of scavenging gas can be many times greater than the volume of hydrogen in the anode exhaust, thereby maintaining an effective hydrogen concentration on the permeate side near zero. It becomes possible. The hydrogen so separated can be incorporated into the turbine feed methane, thereby improving the turbine combustion characteristics as described above.

なお、アノードで生じる過剰量のHは、温室効果ガスがすでに分離された燃料を表すことができる。アノードアウトプットにおけるいずれのCOも、アミン洗浄、低温CO分離器、および/または圧力もしくは真空スイング吸収プロセスなどによって、アノードアウトプットから容易に分離することができる。アノードアウトプットの成分のいくつか(H、CO、CH)は容易に除去されないが、COおよびHOは通常容易に除去することができる。実施形態次第で、アノードアウトプットのCOの少なくとも約90体積%を分離して、比較的高純度のCOアウトプット流を形成することができる。したがって、アノードで発生するいずれのCOも効率的に分離することができ、高純度COアウトプット流が形成される。分離後、アノードアウトプットの残りの部分は、主として、COおよび/またはHOの量が低下して、化学および/または燃料値を有する成分に相当することができる。最初の燃料(改質前)によって発生するCOの実質的な部分を分離することができるため、アノードアウトプットの残りの部分のその後の燃焼によって発生するCOの量を低下させることができる。特に、アノードアウトプットの残りの部分の燃料がHである範囲まで、追加的な温室効果ガスは、この燃料の燃焼によって、典型的に形成されることができない。 It should be noted that the excess amount of H 2 generated at the anode can represent fuel from which greenhouse gases have already been separated. Any CO 2 at the anode output can be easily separated from the anode output, such as by an amine wash, a low temperature CO 2 separator, and / or a pressure or vacuum swing absorption process. Some of the components of the anode output (H 2 , CO, CH 4 ) are not easily removed, but CO 2 and H 2 O can usually be easily removed. Depending on the embodiment, at least about 90% by volume of the CO 2 of the anode output can be separated to form a relatively pure CO 2 output stream. Therefore, any CO 2 generated at the anode can be efficiently separated and a high purity CO 2 output stream is formed. After separation, the remaining portion of the anode output can correspond primarily to components having chemical and / or fuel values with a reduced amount of CO 2 and / or H 2 O. Since a substantial portion of the CO 2 generated by the initial fuel (before reforming) can be separated, the amount of CO 2 generated by subsequent combustion of the remaining portion of the anode output can be reduced. . In particular, the fuel of the remainder of the anode output is to the extent it is H 2, additional greenhouse gases, the combustion of the fuel, can not be typically formed.

アノード排出物は、水性ガスシフトおよび互いからの成分の分離を含む、様々なガス処理の選択肢を受けることができる。2つの一般的なアノード処理スキームを図1および2に示す。   Anode emissions can be subject to various gas treatment options, including water gas shift and separation of components from each other. Two general anodization schemes are shown in FIGS.

図1は、化学合成プロセスに関連して固体オキシド燃料電池の燃料電池アレイを作動するための反応系の実施例を概略的に示す。図1中、燃料流105は、燃料電池120、例えば、燃料電池アレイの燃料電池積層の一部分である燃料電池のアノード127と関連する改質段階110に提供される。燃料電池120と関連する改質段階110は、燃料電池アセンブリの内部であることができる。いくつかの任意の態様において、外部改質段階(図示せず)を、燃料電池アセンブリにインプット流を通過させる前に、インプット流において改質可能燃料の一部分を改質するために使用することもできる。燃料流105は、好ましくは、改質可能燃料、例えば、メタン、他の炭化水素、および/または他の炭化水素様化合物、例えば、炭素−水素結合を含有する有機化合物を含むことができる。燃料流105は、任意に、Hおよび/またはCO、例えば、任意のアノードリサイクル流185によって提供されるHおよび/またはHを含有することもできる。なお、アノードリサイクル流185は任意であり、多くの態様において、リサイクル流は、直接的に、または燃料流105もしくは改質された燃料流115との組み合わせを通して間接的に、アノード排出物125からアノード127に提供されない。改質後、改質された燃料流115を、燃料電池120のアノード127に通過させることができる。O含有流119をカソード129に通過させることもできる。燃料電池のカソード部分129からの酸素イオン122、O 2−のフローは、アノード燃料電池反応のために必要とされる残りの反応物を提供する。アノード127における反応をベースとして、得られるアノード排出物125は、HO、1つ以上の不完全に反応した燃料に相当する成分(H、CO、CH、または改質可能燃料に相当する他の成分)、ならびに任意に1つ以上の追加的な非反応性成分、例えば、CO、N、および/または燃料流105の一部分である他の汚染物質を含むことができる。アノード排出物125を、次いで、1つ以上の分離段階に通過させることができる。例えば、CO除去段階140は、低温CO除去システム、COなどの酸性ガスの除去のためのアミン洗浄段階、またはCOアウトプット流143をアノード排出物から分離するためのCO分離段階の別の適切な種類に相当することができる。任意に、アノード排出物を水性ガスシフト反応器130に最初に通過させて、(いくらかのHOに加えて)アノード排出物に存在するいずれのCOも、任意に水性ガスシフトされたアノード排出物13において、COおよびHに変換することができる。CO除去段階の性質次第で、水縮合または除去段階150は、アノード排出物からの水アウトプット流153を除去するために望ましくてもよい。CO分離段階140後の図1に示されるが、それは、その代わりにCO分離段階140前に任意に位置してもよい。追加的に、Hの高純度透過流163を発生させるために、H分離のための任意の膜分離段階160を使用することができる。得られた保留物流166は次いで、化学合成プロセスへのインプットとして使用することができる。流れ166は、H、COおよびCO含有量を異なる比率に調節するために、第2の水性ガスシフト反応器131において、追加的に、または代わりとしてシフトされることができ、化学合成プロセスにおけるさらなる使用のためのアウトプット流168を生じる。図1中、アノードリサイクル流185は、保留物流166から回収されるように示されるが、アノードリサイクル流185は、追加的に、または代わりとして、様々な分離段階またはその間の他の有利な位置から回収されることができる。分離段階およびシフト反応器は、異なる順番で、および/または並列構成で、追加的に、または、代わりとして構成されることができる。最終的に、カソード129からのアウトプットとして、O 139の低下した含有量を有する流れが発生することができる。単純さのために、本プロセスにおいて有用であり得る圧縮および熱添加/除去の様々な段階、ならびに蒸気添加または除去は示されない。 FIG. 1 schematically illustrates an example of a reaction system for operating a fuel cell array of solid oxide fuel cells in connection with a chemical synthesis process. In FIG. 1, a fuel stream 105 is provided to a reforming stage 110 associated with a fuel cell 120, eg, a fuel cell anode 127 that is part of a fuel cell stack of a fuel cell array. The reforming stage 110 associated with the fuel cell 120 can be internal to the fuel cell assembly. In some optional embodiments, an external reforming stage (not shown) may also be used to reform a portion of the reformable fuel in the input stream before passing the input stream through the fuel cell assembly. it can. The fuel stream 105 can preferably include a reformable fuel, such as methane, other hydrocarbons, and / or other hydrocarbon-like compounds, such as organic compounds containing carbon-hydrogen bonds. The fuel stream 105 may optionally contain H 2 and / or CO, eg, H 2 and / or H 2 provided by the optional anode recycle stream 185. Note that the anode recycle stream 185 is optional, and in many embodiments, the recycle stream is directly from the anode exhaust 125 through the anode stream 125 or in combination with the fuel stream 105 or the modified fuel stream 115. 127 is not provided. After reforming, the reformed fuel stream 115 can be passed through the anode 127 of the fuel cell 120. An O 2 containing stream 119 can also be passed through the cathode 129. The flow of oxygen ions 122, O 2 2− from the cathode portion 129 of the fuel cell provides the remaining reactants required for the anode fuel cell reaction. Based on the reaction at the anode 127, the resulting anode exhaust 125 is equivalent to H 2 O, one or more incompletely reacted fuel components (H 2 , CO, CH 4 , or reformable fuel). As well as optionally one or more additional non-reactive components, such as CO 2 , N 2 , and / or other contaminants that are part of the fuel stream 105. The anode exhaust 125 can then be passed through one or more separation stages. For example, CO 2 removal stage 140, the low-temperature CO 2 removal system, the acidic amine washing step for the removal of gas or CO 2 output stream 143 for separating from the anode effluent CO 2 separation stage, such as CO 2 Can correspond to another appropriate kind of. Optionally, anode discharge is first passed through water gas shift reactor 130 so that any CO present in the anode discharge (in addition to any H 2 O) is optionally water gas shifted anode discharge 13. Can be converted to CO 2 and H 2 . Depending on the nature of the CO 2 removal stage, the water condensation or removal stage 150 may be desirable to remove the water output stream 153 from the anode effluent. Although shown in FIG. 1 after the CO 2 separation stage 140, it may instead be optionally located before the CO 2 separation stage 140. Additionally, in order to generate the high purity permeate stream 163 of H 2, can use any membrane separation stage 160 for H 2 separation. The resulting retained stream 166 can then be used as an input to the chemical synthesis process. Stream 166 can be additionally or alternatively shifted in the second water gas shift reactor 131 to adjust the H 2 , CO and CO 2 content to different ratios, in a chemical synthesis process This produces an output stream 168 for further use. In FIG. 1, the anode recycle stream 185 is shown as being recovered from the retentate stream 166, but the anode recycle stream 185 is additionally or alternatively from various separation stages or other advantageous locations therebetween. Can be recovered. The separation stages and shift reactors can be configured additionally or alternatively in different orders and / or in a parallel configuration. Eventually, a stream with a reduced content of O 2 139 can be generated as output from the cathode 129. For simplicity, the various stages of compression and heat addition / removal and steam addition or removal that may be useful in the process are not shown.

上記の通り、アノード排出物において実行される様々な種類の分離は、いずれの都合のよい順番でも実行することができる。図2は、アノード排出物において分離を実行するための別の順番の実施例を示す。図2中、アノード排出物125を、最初に、アノード排出物125から水素含有量の一部分263を除去するための分離段階260に通過させることができる。これによって、例えば、2:1により近いH:COの比率で保留物266を提供するように、アノード排出物のH含有量の減少を可能にすることができる。次いで、H:COの比率は、水性ガスシフト段階230において所望の値を達成するために調節することができる。水性ガスシフトされたアウトプット235を、次いで、CO分離段階240および水除去段階250に通過させ、所望の化学合成プロセスへのインプットとしての使用のために適切な流れ275を生じることができる。任意に、アウトプット流275を、追加的な水性ガスシフト段階(図示せず)に暴露させることができる。アウトプット流275の一部分は、任意にアノードインプットへリサイクルされることができる(図示せず)。もちろん、分離段階のさらに他の組み合わせおよび配列は、所望の組成を有するアノードアウトプットをベースとする流れを発生させるために使用することができる。単純さのために、プロセスにおいて有用であり得る様々な段階の圧縮および熱添加/除去、ならびに蒸気添加または除去は示されない。 As described above, the various types of separations performed in the anode discharge can be performed in any convenient order. FIG. 2 shows another sequence of examples for performing separation in the anode discharge. In FIG. 2, the anode effluent 125 can first pass through a separation stage 260 to remove a portion 263 of the hydrogen content from the anode effluent 125. This can allow for a reduction in the H 2 content of the anode effluent, for example, to provide retentate 266 at a H 2 : CO ratio closer to 2: 1. The H 2 : CO ratio can then be adjusted to achieve the desired value in the water gas shift stage 230. The water gas shifted output 235 can then be passed through a CO 2 separation stage 240 and a water removal stage 250 to produce a stream 275 suitable for use as an input to the desired chemical synthesis process. Optionally, the output stream 275 can be exposed to an additional water gas shift stage (not shown). A portion of the output stream 275 can optionally be recycled to the anode input (not shown). Of course, still other combinations and arrangements of separation steps can be used to generate a stream based on the anode output having the desired composition. For simplicity, the various stages of compression and heat addition / removal, and steam addition or removal that may be useful in the process are not shown.

カソードインレットおよびアウトプット
従来、固体オキシド燃料電池は、アノードに送達される燃料流における燃料のいくらかの部分を消費しながら、所望の負荷を引き出すことをベースとして作動されることができる。次いで、燃料電池の電圧は、負荷、アノードへの燃料インプット、カソードに提供される空気およびO、ならびに燃料電池の内部抵抗によって決定することができる。アノードインプットフローおよびカソードインプットフローの組成物のいずれの直接的な関連も除去することによって、追加的な選択肢は、燃料電池を作動するために利用可能になり、例えば、過剰量の合成ガスを発生させ、および/または特に、燃料電池の全体効率(電気および化学動力)を改善する。
Cathode Inlet and Output Conventionally, solid oxide fuel cells can be operated on the basis of drawing a desired load while consuming some portion of the fuel in the fuel stream delivered to the anode. The fuel cell voltage can then be determined by the load, the fuel input to the anode, the air and O 2 provided to the cathode, and the internal resistance of the fuel cell. By removing any direct association between the anode input flow and cathode input flow compositions, additional options become available to operate the fuel cell, for example, generating excess amounts of synthesis gas. And / or particularly improve the overall efficiency (electrical and chemical power) of the fuel cell.

カソードインプット流に存在するOの量は、燃料電池におけるカソード反応のために必要とされる酸素を提供するために十分となることが有利に可能である。したがって、Oの体積パーセントは、有利には、カソード排出物のOの量の少なくとも0.5倍であることができる。任意に、必要に応じて、追加的な空気は、カソード反応のために十分な酸化剤を提供するために、カソードインプットに添加されることができる。いくつかの形態の空気が酸化剤として使用される場合、カソード排出物中のNの量は、少なくとも約78体積%、例えば少なくとも約88体積%、および/または約95体積%以下であることができる。いくつかの態様において、カソードインプット流は、汚染物質として一般に見られる化合物、例えば、HSまたはNHを追加的に、または代わりとして含有することができる。他の態様において、カソードインプット流は、そのような汚染物質の含有量を低下させるか、または最小化するためにクリーン化されることができる。 The amount of O 2 present in the cathode input stream can advantageously be sufficient to provide the oxygen required for the cathode reaction in the fuel cell. Thus, the volume percentage of O 2 can advantageously be at least 0.5 times the amount of O 2 in the cathode exhaust. Optionally, if necessary, additional air can be added to the cathode input to provide sufficient oxidant for the cathode reaction. If some form of air is used as the oxidant, the amount of N 2 in the cathode exhaust should be at least about 78% by volume, such as at least about 88% by volume, and / or not more than about 95% by volume. Can do. In some embodiments, the cathode input stream can additionally or alternatively contain compounds commonly found as contaminants, such as H 2 S or NH 3 . In other embodiments, the cathode input stream can be cleaned to reduce or minimize the content of such contaminants.

カソードにおける条件は、(カソードインプット流のOと組み合わせて)未燃焼炭化水素から典型的な燃焼生成物、例えば、COおよびHOへの変換のために、追加的に、または代わりとして適切であることができる。 Conditions at the cathode are additionally or alternatively for the conversion of unburned hydrocarbons (in combination with cathode input stream O 2 ) to typical combustion products such as CO 2 and H 2 O. Can be appropriate.

燃料電池配置(fuel cell arrangement)
様々な態様において、燃料電池アレイは、燃料電池のエネルギーアウトプット、例えば、全エネルギーアウトプット、電気エネルギーアウトプット、合成ガス化学エネルギーアウトプットまたはそれらの組み合わせを改善するか、または最大にするために作動させることができる。例えば、固体オキシド燃料電池は、例えば、化学合成プラントに用いられる合成ガス流の発生のため、および/または高純度水素流の発生のために、様々な状態において過剰量の改質可能燃料を用いて作動させることができる。合成ガス流および/または水素流は、合成ガス供給源、水素供給源として、クリーンな燃料供給源として、および/または他のいずれかの都合のよい用途のために使用することができる。そのような態様において、カソード排出物のOの量は、カソードインプット流におけるOの量、および燃料電池エネルギーアウトプットを改善するか、または最大にするための所望の作動条件でのO利用に関連することができる。
Fuel cell arrangement
In various aspects, the fuel cell array is used to improve or maximize the energy output of the fuel cell, eg, total energy output, electrical energy output, syngas chemical energy output, or combinations thereof. Can be operated. For example, solid oxide fuel cells use an excessive amount of reformable fuel in various states, for example, for the generation of synthesis gas streams used in chemical synthesis plants and / or for the generation of high purity hydrogen streams. Can be activated. The syngas stream and / or the hydrogen stream can be used as a syngas source, a hydrogen source, a clean fuel source, and / or for any other convenient application. In such embodiments, the amount of O 2 in the cathode effluent, the amount of O 2 in the cathode input flow, and fuel cell energy output improves or O 2 at the desired operating conditions for maximizing, Can be related to usage.

固体オキシド燃料電池の作動
一態様において、SOFCの作動温度は、約700℃〜1200℃の範囲であることが可能であり、例えば、作動温度は、約800℃、約900℃、約1000℃または約1100℃であることが可能である。一態様において、作動温度は、所望の比率までアノード内のWGS反応を促進するために選択されてもよい。
Operation of Solid Oxide Fuel Cells In one aspect, the operating temperature of the SOFC can range from about 700 ° C. to 1200 ° C., for example, the operating temperature is about 800 ° C., about 900 ° C., about 1000 ° C. or It can be about 1100 ° C. In one aspect, the operating temperature may be selected to promote the WGS reaction in the anode to a desired ratio.

いくつかの態様において、燃料電池は、単回通過または貫流モードで作動されてよい。単回通過モードにおいては、アノード排出物の改質された生成物はアノードインレットに戻されない。したがって、アノードアウトプットから直接、アノードインレットに合成ガス、水素またはいくつかの他の生成物をリサイクルすることは、単回通過作動では行われない。より一般に、単回通過作動において、アノード排出物の改質された生成物は、例えば、その後アノードインレットに導入された燃料流を処理するために改質された生成物を用いることによって、アノードインレットに間接的にも戻されない。アノード排出物またはアウトプットからの熱は、単回通過モードにおいて追加的に、または代わりとしてリサイクルされてもよい。例えば、アノードアウトプットフローは熱交換器を通過してもよく、そこでは、アノードアウトプットは冷却されて、そして別の流れ、例えばアノードおよび/またはカソードのためのインプット流が加温される。アノードから燃料電池まで熱をリサイクルすることは、単回通過または貫流モード作動における使用と調和する。任意に、しかし好ましくはないが、アノードアウトプットの成分は、単回通過モードの間、燃料電池に熱を提供するために燃焼されてもよい。   In some embodiments, the fuel cell may be operated in a single pass or once-through mode. In single pass mode, the modified product of the anode exhaust is not returned to the anode inlet. Thus, recycling syngas, hydrogen or some other product directly from the anode output to the anode inlet is not done in a single pass operation. More generally, in single-pass operation, the modified product of the anode exhaust is, for example, by using the modified product to treat the fuel stream subsequently introduced into the anode inlet. Is not returned indirectly. Heat from the anode exhaust or output may be recycled additionally or alternatively in a single pass mode. For example, the anode output flow may pass through a heat exchanger where the anode output is cooled and the input stream for another stream, such as the anode and / or cathode, is warmed. Recycling heat from the anode to the fuel cell is consistent with use in single pass or once-through mode operation. Optionally, but not preferred, the components of the anode output may be combusted to provide heat to the fuel cell during the single pass mode.

図3は、電力の発生のためのSOFCの作動の概略的実施例を示す。図3中、燃料電池のアノード部分は、インプットとして燃料および蒸気(HO)を受け取ることができ、水、ならびに任意に過剰量のH、CH(または他の炭化水素)および/またはCOがアウトプットである。燃料電池のカソード部分は、インプットとしてO(例えば、空気)を受け取ることができ、アウトプットはO欠乏酸化剤(空気)に相当する。燃料電池内で、カソードサイドで形成されるO 2−イオンは電解質を通って輸送されることができ、アノードで生じる反応のために必要とされる酸素イオンを提供することができる。 FIG. 3 shows a schematic embodiment of the operation of the SOFC for power generation. In FIG. 3, the anode portion of the fuel cell can receive fuel and steam (H 2 O) as inputs, water, and optionally excess H 2 , CH 4 (or other hydrocarbons) and / or CO is the output. The cathode portion of the fuel cell can receive O 2 (eg, air) as an input, and the output corresponds to an O 2 deficient oxidant (air). Within the fuel cell, the O 2 2− ions formed on the cathode side can be transported through the electrolyte and provide the oxygen ions required for the reaction occurring at the anode.

図3に示される実施例の燃料電池などの固体オキシド燃料電池内で、いくつかの反応が生じることができる。改質反応は任意であることができ、十分なHがアノードに直接提供される場合、減少させるか、または排除することができる。以下の反応はCHをベースとするが、他の燃料が燃料電池で使用される場合、同様の反応が生じることができる。
(1)<アノード改質> CH+HO=>3H+CO
(2)<水性ガスシフト> CO+HO=>H+CO
(3)<組み合わせられた改質および水性ガスシフト> CH+2HO=>4H+CO
(4)<アノードH酸化> H+O 2−=>HO+2e
(5)<カソード> 1/2O+2e=>O 2−
Several reactions can occur within a solid oxide fuel cell, such as the example fuel cell shown in FIG. Reforming reaction can be any, if sufficient H 2 is provided directly to the anode, it is possible to reduce or, or eliminated. The following reactions are based on CH 4 , but similar reactions can occur when other fuels are used in the fuel cell.
(1) <Anode reforming> CH 4 + H 2 O => 3H 2 + CO
(2) <Water gas shift> CO + H 2 O => H 2 + CO 2
(3) <Combined reforming and water gas shift> CH 4 + 2H 2 O => 4H 2 + CO 2
(4) <Anode H 2 oxidation> H 2 + O 2 2− => H 2 O + 2e
(5) <Cathode> 1 / 2O 2 + 2e => O 2 2−

反応(1)は、燃料電池のアノードにおける使用のためにHを発生させるための基本的な炭化水素改質反応を表す。反応(1)で形成されるCOは、水性ガスシフト反応(2)によって、Hに変換されることができる。反応(1)および(2)の組み合わせは、反応(3)として示される。反応(1)および(2)は、燃料電池の外部で生じることができ、および/または改質はアノードの内部で実行することができる。 Reaction (1) represents a basic hydrocarbon reforming reaction to generate H 2 for use in a fuel cell anode. The CO formed in reaction (1) can be converted to H 2 by the water gas shift reaction (2). The combination of reactions (1) and (2) is shown as reaction (3). Reactions (1) and (2) can occur outside the fuel cell and / or reforming can be carried out inside the anode.

反応(4)および(5)は、それぞれアノードおよびカソードにおいて、燃料電池内で電力発生をもたらすことができる反応を表す。反応(4)は、供給に存在するか、または反応(1)および/もしくは(2)によって任意に発生するHを酸素イオンと組み合わせ、HOおよび回路への電子を形成する。反応(5)は、Oおよび回路からの電子を組み合わせ、酸素イオンを形成する。反応(5)によって発生する酸素イオンは、反応(4)のために必要とされる酸素イオンを提供するために、燃料電池の電解質を通って輸送されることができる。電解質を通る酸素イオンの輸送と組み合わせて、閉じた電流ループが、アノードとカソードとの間の電気接続を提供することによって、次いで形成されることができる。 Reactions (4) and (5) represent reactions that can cause power generation in the fuel cell at the anode and cathode, respectively. Reaction (4) is either present in the feed, or oxygen ions combined with H 2 generated arbitrarily by the reaction (1) and / or (2), forming an electron to H 2 O and circuits. Reaction (5) combines O 2 and electrons from the circuit to form oxygen ions. The oxygen ions generated by reaction (5) can be transported through the fuel cell electrolyte to provide the oxygen ions required for reaction (4). In combination with the transport of oxygen ions through the electrolyte, a closed current loop can then be formed by providing an electrical connection between the anode and the cathode.

様々な実施形態において、燃料電池を作動する目標は、燃料電池の全体の効率、および/または燃料電池と、集積化された化学合成プロセスの全体の効率を改善することであることができる。これは、目標が、電力の発生のために電池に提供される燃料を使用するための高電気効率を有する燃料電池を作動することであることができる、従来の燃料電池の作動とは典型的に対照的である。上記で定義されるように、全体の燃料電池効率は、燃料電池の電気アウトプットおよび燃料電池アウトプットの低位発熱量を、燃料電池のためのインプット成分の低位発熱量によって割ることによって決定され得る。言い換えると、TFCE=(LHV(el)+LHV(sg out))/LHV(in)であり、式中、LHV(in)およびLHV(sg out)は、燃料電池に送達された燃料成分(例えば、H、CHおよび/またはCO)、ならびにアノードアウトレット流またはフローの合成ガス(H、COおよび/またはCO)のLHVを指す。これは、燃料電池および/または集積化された化学プロセスによって発生する電気エネルギーおよび化学エネルギーの尺度を提供することができる。なお、全効率のこの定義の下、燃料電池内で使用され、かつ/または集積化された燃料電池/化学合成システム内で使用される熱エネルギーは、全効率に寄付することができる。しかしながら、交換されるか、あるいはその他の場合には燃料電池または集積化された燃料電池/化学合成システムから回収されるいずれの過剰量の熱も、この定義から排除される。したがって、燃料電池からの過剰量の熱が、例えば、蒸気タービンによる発電のために蒸気を発生させるために使用される場合、そのような過剰量の熱は全効率の定義から排除される。 In various embodiments, the goal of operating the fuel cell can be to improve the overall efficiency of the fuel cell and / or the overall efficiency of the fuel cell and the integrated chemical synthesis process. This is typical of conventional fuel cell operation, where the goal can be to operate a fuel cell with high electrical efficiency for using the fuel provided to the cell for power generation. In contrast. As defined above, overall fuel cell efficiency may be determined by dividing the fuel cell electrical output and the lower heating value of the fuel cell output by the lower heating value of the input component for the fuel cell. . In other words, TFCE = (LHV (el) + LHV (sg out)) / LHV (in), where LHV (in) and LHV (sg out) are the fuel components delivered to the fuel cell (eg, H 2 , CH 4 and / or CO) and the LHV of the synthesis gas (H 2 , CO and / or CO 2 ) in the anode outlet stream or flow. This can provide a measure of the electrical and chemical energy generated by the fuel cell and / or the integrated chemical process. It should be noted that under this definition of total efficiency, the thermal energy used in the fuel cell and / or used in the integrated fuel cell / chemical synthesis system can be donated to the total efficiency. However, any excess heat that is exchanged or otherwise recovered from the fuel cell or integrated fuel cell / chemical synthesis system is excluded from this definition. Thus, if an excessive amount of heat from the fuel cell is used, for example, to generate steam for power generation by a steam turbine, such excessive amount of heat is excluded from the definition of total efficiency.

いくつかの操作パラメーターは、過剰量の改質可能燃料によって燃料電池を作動するために修正されてもよい。いくつかのパラメーターは、燃料電池作動に現在推奨されるものと同様であることができる。いくつかの態様において、燃料電池へのカソード条件および温度インプットは、文献で推奨されるものと同様であることができる。例えば、所望の電気効率および所望の全燃料電池効率は、固体オキシド燃料電池のために典型的な燃料電池動作温度の範囲で達成され得る。典型的な作動において、燃料電池を通って温度を増加させることができる。   Some operating parameters may be modified to operate the fuel cell with an excess amount of reformable fuel. Some parameters can be similar to those currently recommended for fuel cell operation. In some embodiments, the cathode conditions and temperature input to the fuel cell can be similar to those recommended in the literature. For example, the desired electrical efficiency and the desired total fuel cell efficiency can be achieved in the range of fuel cell operating temperatures typical for solid oxide fuel cells. In typical operation, the temperature can be increased through the fuel cell.

他の態様において、燃料電池が、アノードインレットからアノードアウトレットへ、および/またはカソードインレットからカソードアウトレットへの温度低下を可能にするように作動されるように、燃料電池の操作パラメーターは、典型的な条件から逸脱することができる。例えば、炭化水素をHおよびCOに変換する改質反応は、吸熱性反応である。電流を発生させる水素の酸化の量と比較して、十分な量の改質が燃料電池アノードで実行される場合、燃料電池における正味の熱バランスは吸熱性であることができる。これは、燃料電池のインレットとアウトレットとの間での温度低下を生じることができる。吸熱性作動の間、燃料電池において電解質が溶融状態で残存するように、燃料電池の温度低下は制御されることができる。 In other embodiments, the operating parameters of the fuel cell are typical so that the fuel cell is operated to allow temperature reduction from the anode inlet to the anode outlet and / or from the cathode inlet to the cathode outlet. You can deviate from the conditions. For example, the reforming reaction that converts hydrocarbons to H 2 and CO is an endothermic reaction. The net heat balance in the fuel cell can be endothermic if a sufficient amount of reforming is performed at the fuel cell anode as compared to the amount of hydrogen oxidation that generates current. This can cause a temperature drop between the inlet and outlet of the fuel cell. During endothermic operation, the temperature drop of the fuel cell can be controlled so that the electrolyte remains in the molten state in the fuel cell.

現在推奨されるものとは異なるようにする方法で修正することができるパラメーターには、アノードに提供される燃料の量、アノードに提供される燃料の組成、ならびに/あるいはアノード排出物からアノードインプットまたはカソードインプットのいずれかへの合成ガスの有意なリサイクルを伴わないアノードアウトプットの合成ガスの分離および捕捉を含むことができる。いくつかの態様において、アノード排出物からのアノードインプットまたはカソードインプットのいずれかへの合成ガスまたは水素のリサイクルは、直接的に、または間接的に生じさせないことが可能である。追加的または別の態様において、リサイクルの限定的な量を生じることができる。そのような態様において、アノード排出物からアノードインプットおよび/またはカソードインプットへのリサイクルの量は、アノード排出物の約10体積%未満、例えば、約5体積%未満、または約1体積%未満であることができる。   Parameters that can be modified in ways that differ from those currently recommended include the amount of fuel provided to the anode, the composition of the fuel provided to the anode, and / or the anode input or Separation and capture of the syngas at the anode output without significant recycling of the syngas to any of the cathode inputs can be included. In some embodiments, the recycle of synthesis gas or hydrogen from the anode exhaust to either the anode input or the cathode input may not occur directly or indirectly. In additional or alternative embodiments, a limited amount of recycling can occur. In such embodiments, the amount of recycling from the anode exhaust to the anode input and / or cathode input is less than about 10% by volume of the anode exhaust, such as less than about 5% by volume, or less than about 1% by volume. be able to.

いくつかの実施形態において、燃料電池アレイの燃料電池は、燃料電池(例えば、燃料電池積層)の単一段階のみが存在することができるように配置することができる。この種類の実施形態において、単一段階の間のアノード燃料利用は、アレイのアノード燃料利用を表すことができる。別の選択肢は、燃料電池アレイが、アノードの複数段階およびカソードの複数段階を含有することができることであり、それぞれのアノード段階は同範囲内の燃料利用を有し、例えば、それぞれのアノード段階は、明示された値の10%以内、例えば、明示された値の5%以内の燃料利用を有する。さらに別の選択肢は、それぞれのアノード段階が、明示された値と同等または明示された値未満の燃料利用を有することができることであり、例えば、それぞれのアノード段階は、5%以下、例えば、10%以下、明示された値より大きくない。実例となる実施例として、複数のアノード段階を有する燃料電池アレイは、50%燃料利用の約10%の範囲内であるそれぞれのアノード段階を有することができ、これは、約40%〜約60%の燃料利用を有するそれぞれのアノード段階に相当する。他の例として、複数の段階を有する燃料電池アレイは、最大偏差が約5%未満で、60%アノード燃料利用より高くないそれぞれのアノード段階を有することができ、これは、約55%〜約60%の燃料利用を有するそれぞれのアノード段階に相当する。さらに別の実施例において、燃料電池アレイの燃料電池の1つ以上の段階は、約30%〜約50%の燃料利用で作動されることができ、例えば、約30%〜約50%の燃料利用でアレイにおいて複数の燃料電池段階が作動される。より一般に、上記の種類の範囲のいずれも、本明細書に明示されるアノード燃料利用値のいずれとも組み合わせることができる。   In some embodiments, the fuel cells of the fuel cell array can be arranged such that only a single stage of fuel cells (eg, fuel cell stack) can exist. In this type of embodiment, the anode fuel utilization during a single stage can represent the anode fuel utilization of the array. Another option is that the fuel cell array can contain multiple stages of anodes and multiple stages of cathodes, each anode stage having fuel utilization within the same range, for example, each anode stage is Have a fuel utilization within 10% of the stated value, for example within 5% of the stated value. Yet another option is that each anode stage can have a fuel utilization that is equal to or less than the stated value, eg, each anode stage is 5% or less, eg, 10 % Or less, not greater than the specified value. As an illustrative example, a fuel cell array having a plurality of anode stages can have each anode stage in a range of about 10% of 50% fuel utilization, which is about 40% to about 60%. % Corresponding to each anode stage with fuel utilization. As another example, a fuel cell array having multiple stages can have each anode stage having a maximum deviation of less than about 5% and no higher than 60% anode fuel utilization, which is from about 55% to about Corresponds to each anode stage with 60% fuel utilization. In yet another embodiment, one or more stages of the fuel cells of the fuel cell array can be operated with about 30% to about 50% fuel utilization, such as about 30% to about 50% fuel. Utilization activates multiple fuel cell stages in the array. More generally, any of the above types of ranges can be combined with any of the anode fuel utilization values specified herein.

なおさらに別の追加的または代わりの選択肢は、燃料電池アレイの全燃料電池における燃料利用の全平均を明示することであることができる。様々な態様において、燃料電池アレイのための燃料利用の全平均は、約65%以下、例えば、約60%以下、約55%以下、約50%以下または約45%の以下であることができる(追加的に、または代わりとして、燃料電池アレイのための全平均燃料利用は、少なくとも約25%、例えば、少なくとも約30%、少なくとも約35%または少なくとも約40%であることができる)。そのような平均燃料利用は、燃料電池のアレイが所望の燃料利用を満たす限り、いずれかの単一段階における燃料利用を必ずしも限定する必要はない。   Yet still another additional or alternative option may be to specify the overall average fuel usage in all fuel cells of the fuel cell array. In various aspects, the overall average fuel utilization for a fuel cell array can be about 65% or less, such as about 60% or less, about 55% or less, about 50% or less, or about 45% or less. (Additionally or alternatively, the total average fuel utilization for the fuel cell array can be at least about 25%, such as at least about 30%, at least about 35%, or at least about 40%). Such average fuel utilization need not necessarily limit fuel utilization in any single stage as long as the array of fuel cells meets the desired fuel utilization.

捕捉後の合成ガスアウトプットの用途
アノードアウトプット流および/またはカソードアウトプット流からの成分は、様々な目的のために使用することができる。1つの選択肢は、上記の通り、水素の供給源としてアノードアウトプットを使用することであることができる。精製装置と集積化されるか、または同位置に配置されるSOFCに関して、水素化などの様々な精製装置プロセスのための水素供給源として水素を使用することができる。そのような水素は、精製装置または他の工業用装置において、煮沸器、炉、および/または燃焼された加熱器用の燃料として使用されることができ、および/またはタービンなどの発電機のための供給として水素を使用することができる。SOFC燃料電池からの水素は、さらに追加的に、または代わりとして、おそらく、燃料電池によって動力を供給される車両を含む、インプットとして水素を必要とする他の種類の燃料電池のためにインプット流として使用することができる。なお別の選択肢は、追加的に、または代わりとして、SOFC燃料電池からのアウトプットとして発生する合成ガスを、発酵インプットとして使用することであることができる。
Use of Syngas Output After Capture The components from the anode output stream and / or the cathode output stream can be used for a variety of purposes. One option can be to use the anode output as a source of hydrogen as described above. With respect to SOFCs integrated with or co-located with the refiner, hydrogen can be used as a hydrogen source for various refiner processes such as hydrogenation. Such hydrogen can be used as fuel for boilers, furnaces, and / or burned heaters in refineries or other industrial equipment, and / or for generators such as turbines Hydrogen can be used as a feed. Hydrogen from SOFC fuel cells may additionally or alternatively be used as an input stream for other types of fuel cells that require hydrogen as an input, possibly including vehicles powered by fuel cells. Can be used. Yet another option may additionally or alternatively be to use synthesis gas generated as output from the SOFC fuel cell as fermentation input.

別の選択肢は、追加的に、または代わりとして、アノードアウトプットから発生する合成ガスを使用することであることができる。もちろん、燃料として燃焼させた時に合成ガスをベースとする燃料がいくらかのCOに生成をなお導くことができるが、合成ガスは燃料として使用することができる。他の態様において、合成ガスアウトプット流を、化学合成プロセスのためのインプットとして使用することができる。1つの選択肢は、追加的に、または代わりとして、フィッシャー−トロプシュ型プロセスおよび/またはより大きい炭化水素分子が合成ガスインプットから形成される別のプロセスのために合成ガスを使用することであることができる。別の選択肢は、追加的に、または代わりとして、メタノールなどの中間生成物を形成するために合成ガスを使用することであることができる。メタノールは、最終生成物として使用することができるが、他の態様において、合成ガスから発生するメタノールは、より大きい化合物、例えば、ガソリン、オレフィン、芳香族化合物および/または他の生成物を発生させるために使用することができる。なお、少量のCOは、メタノール合成プロセス、および/またはシフティング触媒を利用するフィッシャートロプシュプロセスへの合成ガス供給において容認可能とすることができる。ヒドロホルミル化は、合成ガスインプットを利用することができるさらに別の合成プロセスの追加的または代わりの例である。 Another option may additionally or alternatively be to use synthesis gas generated from the anode output. Of course, the synthesis gas can still guide the generated CO 2 some of the fuel based on when burned as fuel, synthesis gas can be used as fuel. In other embodiments, the syngas output stream can be used as an input for a chemical synthesis process. One option may additionally or alternatively be to use synthesis gas for a Fischer-Tropsch type process and / or another process in which larger hydrocarbon molecules are formed from the synthesis gas input. it can. Another option may additionally or alternatively be to use synthesis gas to form an intermediate product such as methanol. Although methanol can be used as the final product, in other embodiments, methanol generated from synthesis gas generates larger compounds, such as gasoline, olefins, aromatics and / or other products. Can be used for. Note that small amounts of CO 2 can be acceptable in the synthesis gas supply to the methanol synthesis process and / or to the Fischer-Tropsch process utilizing a shifting catalyst. Hydroformylation is an additional or alternative example of yet another synthesis process that can utilize a syngas input.

なお、合成ガスを発生させるSOFCの使用に関する1つの変形形態は、沖合石油採掘装置または最終的な市場からかなりの距離である他の製造システムによって回収されたメタンおよび/または天然ガスの処理のためのシステムの一部としてSOFC燃料電池を使用することであることができる。ウェルから気相アウトプットを輸送することを試みる代わりに、または長期間、気相生成物を貯蔵することを試みる代わりに、ウェルからの気相アウトプットを、SOFC燃料電池アレイへのインプットとして使用することができる。これは、様々な利点を導くことができる。第1に、燃料電池アレイによって発生する電力を、プラットホームのための動力供給源として使用することができる。追加的に、燃料電池アレイからの合成ガスアウトプットを、製造サイトにおいてフィッシャートロプシュプロセスのためのインプットとして使用することができる。これによって、製造サイトから、例えば、陸上設備まで、またはより大きいターミナルまで、パイプライン、船または鉄道車両によって、より容易に輸送される液体炭化水素生成物の形成が可能となる。   It should be noted that one variation regarding the use of SOFC to generate synthesis gas is for the treatment of methane and / or natural gas recovered by offshore oil mining equipment or other manufacturing systems that are a significant distance from the final market. It is possible to use SOFC fuel cells as part of the system. Instead of trying to transport the gas phase output from the well, or trying to store the gas phase product for a long time, use the gas phase output from the well as an input to the SOFC fuel cell array can do. This can lead to various advantages. First, the power generated by the fuel cell array can be used as a power source for the platform. Additionally, the syngas output from the fuel cell array can be used as an input for the Fischer-Tropsch process at the manufacturing site. This allows the formation of liquid hydrocarbon products that are more easily transported by pipeline, ship or rail vehicle from the production site to, for example, land equipment or larger terminals.

さらに他の集積化の選択肢は、追加的に、または代わりとして、高純度の加熱された窒素の供給源としてカソードアウトプットを使用することを含むことができる。カソードインプットは空気の大部分をしばしば含むことができ、このことは、窒素の実質的な部分がカソードインプットに含まれる可能性があることを意味する。燃料電池は、電解質を通ってカソードからアノードまでOを輸送することができ、そしてカソードアウトレットは、Oのより低い濃度、したがって、空気に見られるよりも高いNの濃度を有することができる。残留するOのその後の除去によって、この窒素アウトプットを、アンモニアまたは他の窒素含有化学製品、例えば、尿素、硝酸アンモニウムおよび/または硝酸の製造のためのインプットとして使用することができる。なお、尿素合成は、追加的に、または代わりとして、アノードアウトプットとは別のCOをインプット供給として使用することができるであろう。 Still other integration options may additionally or alternatively include using the cathode output as a source of high purity heated nitrogen. The cathode input can often contain the majority of air, which means that a substantial portion of nitrogen can be included in the cathode input. The fuel cell can transport O 2 through the electrolyte from the cathode to the anode, and the cathode outlet can have a lower concentration of O 2 and therefore a higher concentration of N 2 than is found in air. it can. By subsequent removal of residual O 2 , this nitrogen output can be used as an input for the production of ammonia or other nitrogen-containing chemicals such as urea, ammonium nitrate and / or nitric acid. Incidentally, urea synthesis, additionally or alternatively, the anode output could be to use another CO 2 as an input feed.

追加的な実施形態
実施形態1
アノードおよびカソードを有する固体オキシド燃料電池を使用して、電気および水素または合成ガスを製造する方法であって、改質可能燃料を含む燃料流を、前記固体オキシド燃料電池の前記アノード、前記固体オキシド燃料電池の前記アノードと関連する改質段階(内部改質要素を含む)、またはそれらの組み合わせに導入することと;Oを含むカソードインレット流を、前記固体オキシド燃料電池の前記カソードに導入することと;前記固体オキシド燃料電池内で電気を発生させることと;アノード排出物から、Hを含むガス流、HおよびCOを含むガス流、またはそれらの組み合わせを回収することとを含み、前記固体オキシド燃料電池の電気効率が約10%〜約50%であり、かつ前記固体オキシド燃料電池の全燃料電池生産性が少なくとも約150mW/cmである、方法。
Additional Embodiments Embodiment 1
A method of producing electricity and hydrogen or synthesis gas using a solid oxide fuel cell having an anode and a cathode, wherein a fuel stream comprising a reformable fuel is passed through the anode, the solid oxide of the solid oxide fuel cell. Introducing into a reforming step (including internal reforming elements) associated with the anode of the fuel cell, or a combination thereof; introducing a cathode inlet stream comprising O 2 into the cathode of the solid oxide fuel cell; Generating electricity within the solid oxide fuel cell; recovering a gas stream comprising H 2 , a gas stream comprising H 2 and CO, or a combination thereof from the anode exhaust; The solid oxide fuel cell has an electrical efficiency of about 10% to about 50%, and the total fuel cell life of the solid oxide fuel cell Sex is at least about 150 mW / cm 2, method.

実施形態2
前記固体オキシド燃料電池が、約0.25〜約1.3、あるいは、約1.15以下、約1.0以下、または約0.75以下の熱比率で電気を発生させるように作動される、実施形態1の方法。
Embodiment 2
The solid oxide fuel cell is operated to generate electricity at a heat ratio of about 0.25 to about 1.3, alternatively about 1.15 or less, about 1.0 or less, or about 0.75 or less. The method of embodiment 1.

実施形態3
前記改質可能燃料を含む前記燃料流の改質可能燃料過剰比率が、少なくとも約2.0、または少なくとも約2.5である、上記実施形態のいずれかの方法。
Embodiment 3
The method of any of the preceding embodiments, wherein the reformable fuel excess ratio of the fuel stream comprising the reformable fuel is at least about 2.0, or at least about 2.5.

実施形態4
前記固体オキシド燃料電池の前記電気効率が、約45%以下、または約35%以下である、上記実施形態のいずれかの方法。
Embodiment 4
The method of any of the preceding embodiments, wherein the electrical efficiency of the solid oxide fuel cell is about 45% or less, or about 35% or less.

実施形態5
前記固体オキシド燃料電池の全燃料電池効率が、少なくとも約65%、または少なくとも約70%、または少なくとも約75%、または少なくとも約80%である、上記実施形態のいずれかの方法。
Embodiment 5
The method of any of the preceding embodiments, wherein the solid oxide fuel cell has a total fuel cell efficiency of at least about 65%, or at least about 70%, or at least about 75%, or at least about 80%.

実施形態6
前記固体オキシド燃料電池の前記全燃料電池生産性が、少なくとも約150mW/cm、または少なくとも約300mW/cm、または少なくとも約350mW/cm、または約800mW/cm以下である、上記実施形態のいずれかの方法。
Embodiment 6
The solid the entire fuel cell productivity oxide fuel cell is at least about 150 mW / cm 2, or at least about 300 mW / cm 2, or at least about 350 mW / cm 2, or about 800 mW / cm 2 or less, the above embodiments Either way.

実施形態7
前記固体オキシド燃料電池の全改質可能燃料生産性が、少なくとも約75mW/cm、または少なくとも約100mW/cm、または少なくとも約150mW/cm、または少なくとも約200mW/cm、または約600mW/cm以下である、上記実施形態のいずれかの方法。
Embodiment 7
The total reformable fuel productivity of the solid oxide fuel cell is at least about 75 mW / cm 2 , or at least about 100 mW / cm 2 , or at least about 150 mW / cm 2 , or at least about 200 mW / cm 2 , or about 600 mW / The method of any of the preceding embodiments, wherein the method is cm 2 or less.

実施形態8
前記固体オキシド燃料電池の前記アノード、前記固体オキシド燃料電池の前記アノードと関連する改質段階(内部改質要素を含む)、またはそれらの組み合わせに導入される改質可能燃料の改質可能水素含有量が、電気を発生させるために反応する水素の量よりも少なくとも約75%多い、例えば、少なくとも約100%多い、上記実施形態のいずれかの方法。
Embodiment 8
Reformable hydrogen content of a reformable fuel introduced into the anode of the solid oxide fuel cell, a reforming stage (including internal reforming elements) associated with the anode of the solid oxide fuel cell, or a combination thereof The method of any of the preceding embodiments, wherein the amount is at least about 75% greater than the amount of hydrogen reacted to generate electricity, for example at least about 100% greater.

実施形態9
前記燃料流が、少なくとも約10体積%の不活性化合物、少なくとも約10体積%のCO、またはそれらの組み合わせを含む、上記実施形態のいずれかの方法。
Embodiment 9
The method of any of the preceding embodiments, wherein the fuel stream comprises at least about 10% by volume inert compound, at least about 10% by volume CO 2 , or combinations thereof.

実施形態10
前記燃料電池が、約0.67ボルト以下、または約0.5ボルト以下の電圧Vで作動される、上記実施形態のいずれかの方法。
Embodiment 10
The method of any of the preceding embodiments, wherein the fuel cell is operated at a voltage VA of about 0.67 volts or less, or about 0.5 volts or less.

実施形態11
前記アノード排出物が、約1.5:1〜約10:1のH:COの比率を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
Embodiment 11
The method of any of the preceding embodiments, wherein the anode exhaust has a ratio of H 2 : CO of about 1.5: 1 to about 10: 1.

実施形態12
前記アノード排出物が少なくとも約3.0:1のH:COの比率を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
Embodiment 12
The method of any of the preceding embodiments, wherein the anode exhaust has a ratio of H 2 : CO of at least about 3.0: 1.

実施形態13
前記固体オキシド燃料電池が管状の固体オキシド燃料電池(tubular solid oxide fuel cell)である、上記実施形態のいずれかの方法。
Embodiment 13
The method of any of the preceding embodiments, wherein the solid oxide fuel cell is a tubular solid oxide fuel cell.

実施形態14
前記固体オキシド燃料電池が、1つ以上の集積化された吸熱性反応段階をさらに含む、上記実施形態のいずれかの方法。
Embodiment 14
The method of any of the preceding embodiments, wherein the solid oxide fuel cell further comprises one or more integrated endothermic reaction stages.

実施形態15
少なくとも1つの集積化された吸熱性反応段階が、集積化された改質段階を含み、前記固体オキシド燃料電池の前記アノードに導入される前記燃料流が、前記固体オキシド燃料電池の前記アノードに入る前に、前記集積化された改質段階を通過する、実施形態14の方法。
Embodiment 15
At least one integrated endothermic reaction stage includes an integrated reforming stage, and the fuel stream introduced into the anode of the solid oxide fuel cell enters the anode of the solid oxide fuel cell Embodiment 15. The method of embodiment 14 before passing through the integrated reforming stage.

実施形態16
前記アノードアウトレットの温度が、前記アノードインレットの温度よりも約40℃以下だけ高い、実施形態1〜15のいずれかの方法。
Embodiment 16
The method of any of embodiments 1-15, wherein the temperature of the anode outlet is higher by about 40 ° C. or less than the temperature of the anode inlet.

実施形態17
前記アノードインレットの温度が、前記アノードアウトレットの温度とは約20℃以下だけ異なる、実施形態1〜15のいずれかの方法。
Embodiment 17
The method of any of embodiments 1-15, wherein the temperature of the anode inlet differs from the temperature of the anode outlet by no more than about 20 ° C.

実施形態18
前記アノードアウトレットの温度が、前記アノードインレットの温度よりも約10℃〜約80℃だけ低い、実施形態1〜15のいずれかの方法。
Embodiment 18
The method of any of embodiments 1-15, wherein the temperature of the anode outlet is lower by about 10 ° C. to about 80 ° C. than the temperature of the anode inlet.

実施形態19
熱比率が約0.85以下であり、前記方法が、前記アノードインレットの温度よりも約5℃〜約50℃だけ低い前記アノードアウトレットの温度を維持するために前記燃料電池に熱を供給することをさらに含む、実施形態1〜15のいずれかの方法。
Embodiment 19
The heat ratio is about 0.85 or less, and the method supplies heat to the fuel cell to maintain the anode outlet temperature at about 5 ° C. to about 50 ° C. lower than the anode inlet temperature. The method of any of embodiments 1-15, further comprising:

実施形態20
前記改質可能燃料を改質することをさらに含み、前記固体オキシド燃料電池の前記アノード、前記固体オキシド燃料電池の前記アノードと関連する改質段階(内部改質要素を含む)、またはそれらの組み合わせに導入される前記改質可能燃料の少なくとも約90%が、前記固体オキシド燃料電池の前記アノードを単回通過して改質される、上記実施形態のいずれかの方法。
Embodiment 20.
Further comprising reforming the reformable fuel, the reforming step (including internal reforming elements) associated with the anode of the solid oxide fuel cell, the anode of the solid oxide fuel cell, or a combination thereof The method of any of the preceding embodiments, wherein at least about 90% of the reformable fuel introduced into the is reformed once through the anode of the solid oxide fuel cell.

本発明を特定の実施形態に関して記載したが、そのように限定されることはない。特定の条件下での作動のための適切な変更形態/修正形態は、当業者に明白であろう。したがって、以下の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨/範囲内に含まれる全てのそのような変更形態/修正形態を包括するものとして解釈されることが意図される。   Although the present invention has been described in terms of particular embodiments, it is not so limited. Appropriate variations / modifications for operation under specific conditions will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, it is intended that the following claims be interpreted as encompassing all such variations / modifications falling within the true spirit / range of the present invention.

Claims (19)

アノードおよびカソードを有する固体オキシド燃料電池を使用して、電気および水素または合成ガスを製造する方法であって、
改質可能燃料を含む燃料流を、前記固体オキシド燃料電池の前記アノード、前記固体オキシド燃料電池の前記アノードと関連する改質段階(内部改質要素を含む)、またはそれらの組み合わせに導入することと;
を含むカソードインレット流を、前記固体オキシド燃料電池の前記カソードに導入することと;
前記固体オキシド燃料電池内で電気を発生させることと;
アノード排出物から、Hを含むガス流、HおよびCOを含むガス流、またはそれらの組み合わせを回収することと
を含み、
前記固体オキシド燃料電池の電気効率が約10%〜約50%であり、かつ前記固体オキシド燃料電池の全燃料電池生産性が少なくとも約150mW/cmである、
方法。
A method for producing electricity and hydrogen or synthesis gas using a solid oxide fuel cell having an anode and a cathode, comprising:
Introducing a fuel stream comprising a reformable fuel into the anode of the solid oxide fuel cell, a reforming stage (including internal reforming elements) associated with the anode of the solid oxide fuel cell, or a combination thereof; When;
Introducing a cathode inlet stream comprising O 2 into the cathode of the solid oxide fuel cell;
Generating electricity in the solid oxide fuel cell;
Recovering a gas stream comprising H 2 , a gas stream comprising H 2 and CO, or a combination thereof from the anode exhaust;
The solid oxide fuel cell has an electrical efficiency of about 10% to about 50%, and the total fuel cell productivity of the solid oxide fuel cell is at least about 150 mW / cm 2 ;
Method.
前記固体オキシド燃料電池が、約0.25〜約1.3、例えば、約1.15以下、約1.0以下、または約0.75以下の熱比率で電気を発生させるように作動される、請求項1に記載の方法。   The solid oxide fuel cell is operated to generate electricity at a heat ratio of about 0.25 to about 1.3, such as about 1.15 or less, about 1.0 or less, or about 0.75 or less. The method of claim 1. 前記改質可能燃料を含む前記燃料流の改質可能燃料過剰比率が、少なくとも約2.0、例えば少なくとも約2.5である、請求項1または2に記載の方法。   The method of claim 1 or 2, wherein the reformable fuel excess ratio of the fuel stream comprising the reformable fuel is at least about 2.0, such as at least about 2.5. 前記固体オキシド燃料電池の前記電気効率が、約45%以下、例えば、約35%以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。   4. The method of any one of claims 1-3, wherein the electrical efficiency of the solid oxide fuel cell is about 45% or less, such as about 35% or less. 前記固体オキシド燃料電池の全燃料電池効率が、少なくとも約65%、例えば、少なくとも約70%、少なくとも約75%、または少なくとも約80%である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。   The total fuel cell efficiency of the solid oxide fuel cell is at least about 65%, such as at least about 70%, at least about 75%, or at least about 80%. Method. 前記固体オキシド燃料電池の前記全燃料電池生産性が、少なくとも約150mW/cm、例えば、少なくとも約300mW/cm、少なくとも約350mW/cm、または約800mW/cm以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。 The total fuel cell productivity of the solid oxide fuel cell is at least about 150 mW / cm 2, for example, at least about 300 mW / cm 2, at least about 350 mW / cm 2, or about 800 mW / cm 2 or less, according to claim 1 The method of any one of -5. 前記固体オキシド燃料電池の全改質可能燃料生産性が、少なくとも約75mW/cm、例えば、少なくとも約100mW/cm、少なくとも約150mW/cm、少なくとも約200mW/cm、または約600mW/cm以下である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。 The total reformable fuel productivity of the solid oxide fuel cell is at least about 75 mW / cm 2 , such as at least about 100 mW / cm 2 , at least about 150 mW / cm 2 , at least about 200 mW / cm 2 , or about 600 mW / cm. The method according to claim 1, which is 2 or less. 前記固体オキシド燃料電池の前記アノード、前記固体オキシド燃料電池の前記アノードと関連する改質段階(内部改質要素を含む)、またはそれらの組み合わせに導入される改質可能燃料の改質可能水素含有量が、電気を発生させるために反応する水素の量よりも少なくとも約75%多い、例えば、少なくとも約100%多い、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。   Reformable hydrogen content of a reformable fuel introduced into the anode of the solid oxide fuel cell, a reforming stage (including internal reforming elements) associated with the anode of the solid oxide fuel cell, or a combination thereof 8. The method of any one of claims 1-7, wherein the amount is at least about 75% greater than the amount of hydrogen reacted to generate electricity, for example at least about 100% greater. 前記燃料流が、少なくとも約10体積%の不活性化合物、少なくとも約10体積%のCO、またはそれらの組み合わせを含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。 The fuel stream is at least about 10 volume percent inert compound comprises at least about 10% by volume of CO 2 or a combination thereof, The method according to any one of claims 1-8. 前記燃料電池が、約0.67ボルト以下、例えば、約0.5ボルト以下の電圧Vで作動される、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。 10. A method according to any one of the preceding claims, wherein the fuel cell is operated at a voltage VA of about 0.67 volts or less, such as about 0.5 volts or less. 前記アノード排出物が、約1.5:1〜約10:1、例えば、少なくとも約3.0:1のH:COの比率を有する、請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。 The anode effluent is from about 1.5: 1 to about 10: 1, e.g., at least about 3.0: 1 H 2: having a ratio of CO, according to any one of claims 1 to 10 Method. 前記固体オキシド燃料電池が管状の固体オキシド燃料電池である、請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the solid oxide fuel cell is a tubular solid oxide fuel cell. 前記固体オキシド燃料電池が、1つ以上の集積化された吸熱性反応段階をさらに含む、請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。   13. A method according to any one of the preceding claims, wherein the solid oxide fuel cell further comprises one or more integrated endothermic reaction stages. 少なくとも1つの集積化された吸熱性反応段階が、集積化された改質段階を含み、前記固体オキシド燃料電池の前記アノードに導入される前記燃料流が、前記固体オキシド燃料電池の前記アノードに入る前に、前記集積化された改質段階を通過する、請求項13に記載の方法。   At least one integrated endothermic reaction stage includes an integrated reforming stage, and the fuel stream introduced into the anode of the solid oxide fuel cell enters the anode of the solid oxide fuel cell The method of claim 13, wherein the method passes through the integrated reforming stage before. 前記アノードアウトレットの温度が、前記アノードインレットの温度よりも約40℃以下だけ高い、請求項1〜14のいずれか1項に記載の方法。   15. A method according to any one of the preceding claims, wherein the temperature of the anode outlet is higher than the temperature of the anode inlet by about 40C or less. 前記アノードインレットの温度が、前記アノードアウトレットの温度とは約20℃以下だけ異なる、請求項1〜14のいずれか1項に記載の方法。   15. A method according to any one of the preceding claims, wherein the temperature of the anode inlet differs from the temperature of the anode outlet by no more than about 20C. 前記アノードアウトレットの温度が、前記アノードインレットの温度よりも約10℃〜約80℃だけ低い、請求項1〜14のいずれか1項に記載の方法。   15. The method of any one of claims 1-14, wherein the anode outlet temperature is about 10C to about 80C lower than the anode inlet temperature. 熱比率が約0.85以下であり、前記方法が、前記アノードインレットの温度よりも約5℃〜約50℃だけ低い前記アノードアウトレットの温度を維持するために前記燃料電池に熱を供給することをさらに含む、請求項1〜14のいずれか1項に記載の方法。   The heat ratio is about 0.85 or less, and the method supplies heat to the fuel cell to maintain the anode outlet temperature at about 5 ° C. to about 50 ° C. lower than the anode inlet temperature. 15. The method according to any one of claims 1 to 14, further comprising: 前記改質可能燃料を改質することをさらに含み、前記固体オキシド燃料電池の前記アノード、前記固体オキシド燃料電池の前記アノードと関連する改質段階(内部改質要素を含む)、またはそれらの組み合わせに導入される前記改質可能燃料の少なくとも約90%が、前記固体オキシド燃料電池の前記アノードを単回通過して改質される、請求項1〜18のいずれか1項に記載の方法。   Further comprising reforming the reformable fuel, the reforming step (including internal reforming elements) associated with the anode of the solid oxide fuel cell, the anode of the solid oxide fuel cell, or a combination thereof 19. The method of any one of claims 1-18, wherein at least about 90% of the reformable fuel introduced into the is reformed through a single pass through the anode of the solid oxide fuel cell.
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