JP2018521464A - 二酸化炭素捕捉アセンブリを有する高効率燃料電池システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
(a)高効率燃料電池システムの動作時間が増加するにつれ、トッピング燃料電池アセンブリによって発生する電流の量が減少し、ボトミング燃料電池アセンブリによって発生する電流の量が増加するように、トッピングおよびボトミング燃料電池アセンブリにおいて発生する電流の量、
(b)電力需要が増加するとボトミング燃料電池アセンブリにおいて発生する電流の量が増加するように、電力需要に基づいて、ボトミング燃料電池アセンブリにおいて発生する電流の量、
(c)トッピング燃料電池アセンブリおよびボトミング燃料電池アセンブリへ並列または直列に搬送されるように煙道ガスの流れ、
(d)所定の全体CO2利用率を実現するためにトッピング燃料電池アセンブリおよびボトミング燃料電池アセンブリへの煙道ガスの流速、
(e)圧力が均衡するように、トッピング燃料電池モジュールおよびボトミング燃料電池モジュールの間の圧力、
(f)第1および第2のトッピング燃料電池モジュールの各々へ供給される燃料フィードの量、
(g)ボトミング燃料電池アセンブリへ供給される補助燃料の量、
(h)分離アセンブリからトッピングアノード部分へ出力される、分離後の排気の再循環、および
(i)トッピングカソード部分およびボトミングカソード部分の1または複数へ搬送されるカソード入口ガスにおける二酸化炭素濃度および温度を制御するために、トッピングカソード部分およびボトミングカソード部分の1または複数へ供給される補助空気の量
の1または複数を制御する。
ボトミング燃料電池モジュール122とトッピング燃料電池モジュール102、112との間の他の直列構成(不図示)は、加熱された煙道ガスが最初にボトミング燃料電池モジュールへ搬送され、ボトミング燃料電池モジュールから出力されたカソード排気がトッピング燃料電池モジュールへ搬送されることを含んでよい。図1に示すシステムは、ボトミング燃料電池モジュール122のカソード排気とトッピング燃料電池モジュール102、112のカソード入口との間の適切なダクトを有するそのような構成、およびコントローラ152によって制御される適切な流量制御部材を設けるために適切に調整され得る。
(2)第1および第2のトッピング燃料電池モジュール102、112およびボトミングモジュール122のアノード部分とカソード部分との間の差圧を制御し、低い差圧を維持するために、アノードブースタ送風器132の動作、
(3)ボトミング燃料電池モジュールにおける所望の燃料利用率および電流発生を実現するために、ボトミング燃料電池モジュールへ供給される補助燃料の量および流速、
(4)トッピング燃料電池アセンブリおよびボトミング燃料電池アセンブリへ同時または順番に搬送される煙道ガスの流れ、
(5)好適には50%以上、かついくつかの実施形態においては85%以上である所定の全体CO2利用率を実現し、トッピングおよびボトミング燃料電池アセンブリの各々における燃料電池カソード側電気化学反応を支援するために、1または複数のトッピング燃料電池アセンブリおよびボトミング燃料電池アセンブリへ供給される煙道ガスの流速、
(6)圧力が均衡するように、トッピング燃料電池モジュールおよびボトミング燃料電池モジュールのアノード側とカソード側との間の圧力、
(7)第1および第2のトッピング燃料電池モジュールの各々へ供給される燃料フィードの量、
(8)ボトムスタックから補助燃料を徐々に引き下げ、トッピングスタックへ燃料を供給し、スタックが古くなるにつれトッピングモジュールからボトミングモジュールへ出力をシフトすること、
(9)新鮮な燃料と混合される再循環された乾燥分離後のアノード排気の量およびプレコンバータをバイパスする再循環された分離後の乾燥アノード排気の量。
Claims (15)
- 煙道ガス発生デバイスから煙道ガスを受け取り、前記煙道ガスから二酸化炭素を捕捉するように構成された高効率燃料電池システムであって、
トッピングカソード部分およびトッピングアノード部分を備えるトッピング燃料電池アセンブリと、
ボトミングカソード部分、および前記トッピングアノード部分から出力されたアノード排気を受け取るボトミングアノード部分を備えるボトミング燃料電池アセンブリと、
二酸化炭素含有排気を受け取り、前記二酸化炭素含有排気から二酸化炭素を分離するように構成された分離アセンブリと
を備え、
前記二酸化炭素含有排気は、前記ボトミングアノード部分から出力されたアノード排気および前記ボトミングアノード部分から出力された前記アノード排気から得られたガスの1つであり、
前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分の少なくとも1つは、前記煙道ガス発生デバイスから出力された前記煙道ガスの少なくとも一部を受け取り、
前記トッピング燃料電池アセンブリは、前記ボトミング燃料電池アセンブリよりも多くの燃料を利用するように、前記ボトミング燃料電池アセンブリよりも多い数の燃料電池を有する、高効率燃料電池システム。 - 前記トッピング燃料電池アセンブリは2つ以上のトッピング燃料電池モジュールを備え、
前記トッピング燃料電池モジュールの各々がトッピングアノード部分を備え、
前記システムは、前記トッピング燃料電池モジュールの前記トッピングアノード部分の各々からのアノード排気が各トッピングアノード部分から出た後に足し合わされ、前記足し合わされたアノード排気が前記ボトミングアノード部分によって受け取られる、請求項1に記載の高効率燃料電池システム。 - 前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分の各々は、前記煙道ガス発生デバイスから出力された前記煙道ガスの一部を同時に受け取る、請求項1または2に記載の高効率燃料電池システム。
- 前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分の一方が、前記煙道ガス発生デバイスから出力された前記煙道ガスの少なくとも一部を受け取り、カソード排気を発生し、
前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分の他方が、前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分の前記一方によって発生した前記カソード排気を受け取る、請求項1または2に記載の高効率燃料電池システム。 - 前記トッピングカソード部分は、前記煙道ガス発生デバイスから出力された前記煙道ガスの少なくとも一部を受け取り、カソード排気を発生し、
前記ボトミングカソード部分は、前記トッピングカソード部分によって発生した前記カソード排気を受け取る、請求項4に記載の高効率燃料電池システム。 - 前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分は、前記煙道ガスを同時または順番に受け取るように構成され、
前記システムは、前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分への前記煙道ガスの流れを並列にするか直列にするかを制御するためのコントローラを更に備える、請求項1または2に記載の高効率燃料電池システム。 - 前記二酸化炭素含有排気は、前記ボトミングアノード部分から出力されたアノード排気であり、
前記分離アセンブリは、分離された二酸化炭素を出力し、二酸化炭素量が減少した分離後のアノード排気を別に出力し、
前記分離後のアノード排気は、燃料として使用するために前記トッピングアノード部分へ再循環される、請求項1または2に記載の高効率燃料電池システム。 - 前記分離後のアノード排気の残りを前記トッピングアノード部分へ再循環する前に不活性ガスを除去するために、前記分離後のアノード排気のうち少量をブリードオフするための導管および流量制御部材を更に備える、請求項7に記載の高効率燃料電池システム。
- 前記ボトミングアノード部分から出力されたアノード排気を空気および酸素の1または複数によって酸化し、前記二酸化炭素含有排気を発生し、かつ前記煙道ガスが前記トッピングおよびボトミングカソード部分の少なくとも1つへ供給される前に前記煙道ガスを加熱するための廃熱を発生するための酸化器アセンブリを更に備え、
前記分離アセンブリは、分離された二酸化炭素を出力し、二酸化炭素量が減少した分離後のガスを別に出力する、請求項1または2に記載の高効率燃料電池システム。 - 前記分離アセンブリは、
前記二酸化炭素含有排気を冷却して前記二酸化炭素含有排気から水を分離し、水分離後の二酸化炭素含有排気を出力するための凝縮器と、
前記水分離後の二酸化炭素含有排気から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素含有量が減少した分離後のガスを出力し、保管および外部使用の一方または両方のために適した二酸化炭素を別に出力するための二酸化炭素分離器と
を備える、請求項1または2に記載の高効率燃料電池システム。 - 前記二酸化炭素分離器は、液体二酸化炭素を発生するための圧縮および極低温冷却、溶媒洗浄、および膜処理の1または複数を用いて前記二酸化炭素を分離する、請求項10に記載の高効率燃料電池システム。
- 前記トッピングおよびボトミング燃料電池アセンブリの各々における燃料電池カソード側電気化学反応を支援し、50%以上の全体CO2利用率を実現するために、前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分の少なくとも1つへの前記煙道ガスの流速を制御するためのコントローラを更に備える、請求項1または2に記載の高効率燃料電池システム。
- 前記トッピングアノード部分と前記トッピングカソード部分との間で圧力が均衡し、前記ボトミングアノード部分と前記ボトミングカソード部分との間で圧力が均衡するように、前記トッピング燃料電池アセンブリおよび前記ボトミング燃料電池アセンブリを通る煙道ガスおよび燃料の流速を制御するためのコントローラを更に備える、請求項1または2に記載の高効率燃料電池システム。
- 前記ボトミングアノード部分は更に補助燃料を受け取り、
前記高効率燃料電池システムは、前記ボトミングアノード部分へ搬送される補助燃料の量を制御するためのコントローラを更に備え、
前記コントローラは、前記ボトミングアノード部分へ搬送される補助燃料の量を制御することによって、前記ボトミング燃料電池アセンブリにおいて発生する電流の量を制御する、請求項1または2に記載の高効率燃料電池システム。 - コントローラを更に備え、前記コントローラは、
(a)前記高効率燃料電池システムの動作時間が増加するにつれ、前記トッピング燃料電池アセンブリによって発生する電流の量が減少し、前記ボトミング燃料電池アセンブリによって発生する電流の量が増加するように、前記トッピングおよびボトミング燃料電池アセンブリにおいて発生する電流の量、
(b)電力需要が増加すると前記ボトミング燃料電池アセンブリにおいて発生する電流の量が増加するように、前記電力需要に基づいて、前記ボトミング燃料電池アセンブリにおいて発生する電流の量、
(c)前記トッピング燃料電池アセンブリおよび前記ボトミング燃料電池アセンブリへ並列または直列に搬送されるように前記煙道ガスの流れ、
(d)所定の全体CO2利用率を実現するために前記トッピング燃料電池アセンブリおよび前記ボトミング燃料電池アセンブリへの煙道ガスの流速、
(e)圧力が均衡するように、前記トッピング燃料電池モジュールおよび前記ボトミング燃料電池モジュールにおける前記アノード部分とカソード部分との間の圧力、
(f)前記第1および第2のトッピング燃料電池モジュールの各々へ供給される燃料フィードの量、
(g)前記ボトミング燃料電池アセンブリへ供給される補助燃料の量、
(h)前記分離アセンブリから前記トッピングアノード部分へ出力される、二酸化炭素濃度が減少した残りの排気の再循環、および
(i)前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分の1または複数へ搬送されるカソード入口ガスにおける二酸化炭素および酸素濃度および温度を制御するために、前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分の1または複数へ供給される補助空気の量
の1または複数を制御する、請求項1または2に記載の高効率燃料電池システム。
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