JP2023157875A - 燃料電池と消化システムとの組合せ及びその動作方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】炭素質廃棄物を有用な水素富化合成ガスに変換することを目的とする。【解決手段】システムは、発酵残渣を燃料ガスに変換するように構成される消化システム６００と、燃料ガスを電力及び熱に変換し、熱を消化システムに提供するように構成される燃料電池電力システム２００とを備える。【選択図】図１１

Description

本発明の態様は、包括的には、発電システムに関し、特に、統合された燃料電池及び消化システムに関する。
世界中で発生する広範囲にわたる廃棄物の流れを破壊すると同時に、この炭素質廃棄物を有用な水素富化合成ガスに変換し、（１）再生可能Ｈ２燃料の生成、（２）フィッシャー－トロプシュモジュール等の発熱性炭化水素合成反応器に供給して、再生可能燃料を生成すること、又は（３）この合成ガスの一部を使用して燃料電池を駆動して、プラントに電力供給することのうちの１つ以上を達成することが非常に必要とされている。
蒸気／ＣＯ２改質は、ガス化技術としばしば混同される。いずれのプロセスも、吸熱化学反応を推進するのに熱を必要とするが、その熱源は著しく異なり、その結果もかなり異なる。重要な相違点として、ガス化は燃焼を使用するが、蒸気／ＣＯ２改質は燃焼を使用しない点がある。ガス化において、原料の一部の燃焼によって熱が生成され、これにより、効率、品質、プロセスの清浄性及び保守にいくつかの影響を与える。原料の一部を燃焼させるとＣＯ２が生じるが、これが、生成されるＨ２の量を低減させることによって、結果として生じる合成ガスが希釈される。その燃焼はまた、合成ガスの一部を消費し、Ｈ２の量を更に低減する。ほとんどの場合、この燃焼は、空気を添加することによって推進されるが、窒素の存在により、Ｈ２が更に希釈される。
ガス化とは対照的に、蒸気／ＣＯ２改質器（ＳＲ）において使用される蒸気／ＣＯ２改質の化学反応は、燃焼を伴わず、酸素を利用せず、システムに空気を添加する必要がない。化学的還元とみなすことができる理想的な主な化学反応は、炭化水素、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、及び熱を組み合わせて、ＣＯ及びＨ２を生成する。しかしながら、改質プロセス中、他の数多くの反応も起こる。特に、廃棄物の流れを蒸気改質して合成ガスを生成すると、所望の炭化水素とは別に大量の生成物が生成される。硫黄及びハロゲンを含有する生成物は、典型的に、汚染物質とみなされ、合成ガスによって駆動される高温燃料電池の電気化学触媒に損傷を与えるおそれがある。
米国特許出願公開第２０２２／００１７８２６号は、蒸気／ＣＯ２改質による水素及びフィッシャー－トロプシュ（ＦＴ）ガスの生成を開示しており、その全体を参照により本明細書に援用する。図１は、受け取ったままの８０％水分の発酵残渣（ｄｉｇｅｓｔａｔｅ）を供給するプロセスフロー図を示している（図１は、湿潤発酵残渣の乾燥重量に関してポンド／時での流量を参照する）。次いで、最大限の１５００ポンド／時のバイオガスを添加すると、主ＳＲは、５４．９％のＨ２を生成した。そして、凝縮した水を除去すると、Ｈ２レベルは６４．９％Ｈに増大した。このスキームは、ＦＴと同様にプロセスレイアウトが実現可能であることを示している。添加された水によってはるかに多くの流量が生じることから、５２５ｋＷｅのコンプレッサーの動作コストを利用することが有益である。水分が少ないと電力需要が低減する。
ＭＳＷに対して１／１０縮尺の試作ユニットを稼働させる準備として、Ｄ２Ｗプロセスシミュレーションを完了し、主要なプロセスの流れ及び動作条件の推定を行った（図２Ａを参照）。
原料は１／４インチ以下のサイズに細断され、８．３３ポンド／時で供給された。原料は、毎時２．３８ポンドの水分レベルの水、ガラス及び金属等の無機物１７％、塩素を含有するＰＶＣプラスチック２％、及びアンモニア８．１％を含有し、主ＳＲ反応器Ｒ－７は、華氏１５００度で稼働する。再循環流は、毎時２７．４ポンドになる。Ｄ２Ｗシミュレーションによれば、主反応器は、２５．７％の一酸化炭素、５４．４％の水素、１１．３％の水、１．３４％のＣＨ４、６．８７％のＣＯ２、０．３２％のＮＨ３、及び０．０７５％のＨＣｌを生成する。華氏１５００度及び華氏１６００度において、観察された最大のＨ２は６４％であった。しかしながら、４４－２以降の最新のランは、５０％のＨ２で実行された。
過去４回のＧＣ試験を平均したＦＴのＨ２／ＣＯ比は、２．１１±０．５であった。凝縮水は、３．１％のＮＨ３及び０．７２５％のＨＣｌを含有するものとなり、したがって、ほぼ中和されている。この化学反応に必要とされる主反応器の吸熱は、４．３ｋＷ又は反応器容量の約５２％となり、回転式改質器は、８．７５ｋＷを必要とするが、２３．６ｋＷが４つの熱回収熱交換器において回収可能であった。また、ＳＯＦＣが追加される場合、その熱は、最大７９ｋＷｔを提供することができる。再循環ブロワーは、０．６ｋＷｅしか必要としない。したがって、プロセス全体の蒸気改質のフロントエンドは、主反応器に必要な４．３ｋＷ及びブロワーのための０．６ｋＷのみと均衡する。
図２Ｂは、Ｈ２のみを生成するプラントの第２の部分を示している。このプロセス構成に重要なのは、ＰＳＡ、Ｓ－２１、その後のＷＧＳユニット、Ｒ－１７の動作である。ＰＳＡは、５％のＣＯを許容し得るため、ＷＧＳユニットに添加される蒸気の量は、ＣＯを５％未満に降下させるのに十分多くなくてはならない。ＰＳＡは、典型的に、８５％のＨ２回収を達成することができる。ＰＳＡテールガスは、Ｈ２及びＣＯが、高レベルの性能を得るのに十分多く、又はテールガスは、ＣＣＵ、Ｒ－２５において熱を生成するために使用することができる。
図３は、これらのプロセスブロックの全てがどのように連携して、Ｈ２を精製するＰＳＡの必要性と、触媒コンバーターにおいてＰＳＡテールガスを使用して回収される大量の熱とに対処するかを詳細に示している。
商業規模、例えば、１日あたり７トン（ｔｐｄ）では、ＭＳＷ原料は、２インチ未満のサイズに細断され、５８３ポンド／時で供給される。原料は、典型的に、毎時約２．３８ポンドの水分レベルの水、ガラス及び金属等の無機物１７％、塩素を含有するＰＶＣプラスチック２％、及びアンモニア８．１％を含有し、主反応器は、華氏約１５００度（図３では華氏１４８４度）で稼働する。再循環流は、毎時１１６５ポンドである。商業規模では、流動流組成物の全てが上述したものと同様になる。化学反応に必要とされる主反応器の吸熱は、反応器容量の約５２％である最大３００ｋＷであり、回転式改質器は、３００ｋＷを必要としたが、６３４ｋＷを４つの熱回収熱交換器において回収可能であった。再循環ブロワーは、４０ｋＷしか必要としない。蒸気改質器のフロントエンドの商業プロセス全体は、動作するのに３００ｋＷしか必要としない。このエネルギーは、Ｈ２を生成する高発熱性のＦＴ又はＰＳＡによって供給される。
これらのプロセスシミュレーション結果により、手でカットしたサイズ（細断せず）のプラスチック、有機物、紙等を含む医療廃棄物の改質を、これと全く同じ機器で実証する別のプロジェクトの結果が確かめられた。このプロジェクトは、本プロセスシミュレーションとほぼ同一の５５％の水素レベルをもたらすものであった。いくつかの実施形態において、上述したこのプロセスは、ごみ処理のために７トン／日までスケールアップすることができ、ごみは、細断され、赤外線によって自動的に分類され、番号の付いた有用なプラスチックが回収される。
図５における図は、図４の詳細なフロー図を簡略化したものであり、２３１．４ガロン／乾燥トンのＭＳＷ供給割合でＦＴ液体が生成されることを示している。ＭＳＷは、乾燥基準に対し、ＭＳＷの分析において存在する水を加えたものとして示され、これは、３９４ポンド／時の蒸気としての含水量で示されるように、４０％のような相当な含水量を有する。回転式改質器の底部からは、ガラス及び土（ＳｉＯ２として）、金属、ＨＣｌとしての塩素、及びアンモニアに相当するもの等の無機固体が出る。合成ガスは、流れ８として８９４．１ポンド／時の合成ガスとして、華氏１０５６度で動作する回転式改質器を出て、華氏１８５０度で動作する主改質器への供給物として機能する。また、主改質器には、再循環流としてのＦＴモジュールからの軽質末端（ｌｉｇｈｔ ｅｎｄｓ）、また、Ｃ５＋再循環成分、及び４８１ポンド／時の過熱蒸気が添加される。フロー図のプロセス全体には約７７７ポンド／時又は１．５５ｇｐｍの過剰な水があるため、この蒸気は内部で生成される。固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、ＣＯを許容するが、一般的なＰＥＭ燃料電池は、ＣＯがその触媒にとって有毒であることから、ＣＯを許容しない。ＳＯＦＣは、蒸留水に非常によく似た優れた品質の水を電気化学的に生成する。
図５の「合成ガス浄化」モジュールにおいて示されているように、水は凝縮し、一部が高発熱性のＦＴモジュールを冷却するために使用される。したがって、最終的に浄化された合成ガスは、Ｈ２（６３．８％）及びＣＯ（３６．２％）が豊富であるが、理想的ではないものの、ＦＴ合成化学反応に使用するために機能するＣＨ４及びＣＯ２は少ない。Ｈ２／ＣＯ比は、１．７６であり、これは、２．１６という好ましい比よりも僅かに低い。
ＦＴモジュールは、ナフサ、Ｊｅｔ－Ａ、ディーゼル、及び一部のパラフィンワックスを含むＦＴ液体生成物のＦＴ合成を伴う。ナフサ及びワックス（生成される場合）も、図示のように、プロセスに再使用されるように主改質器に戻って再循環することができる。また、生成物を分離する３７トレイ蒸留塔Ｔ－３７からのオーバーヘッドガス（すなわち、少量の１３８ポンド／時）もＦＴモジュールへの供給流と同様に使用される。供給物の収量は、この前に行われたＦＴプロセスシミュレーションでは約１２５ガロン／乾燥トンであったのに対し、２３１ガロン／乾燥トンである。これらの２つの再循環流を良好に使用することができることが有益である。
強力な利点は、これらの２つのプロセス構成を組み合わせることができ、それにより、市場に適するように相対的な部分を変更してＨ２液体及びＦＴ液体の混合物を生成することができることである。そのような７ｔｐｄプラントの経済性には、１０ドル／ｋｇで再生可能Ｈ２を販売、１００ドル／トンの現在の廃棄物処理料の節約、及び市場価格よりも低いＦＴ液体という９年間の素晴らしい見返りがある。
図６は、本明細書において論じる装置及び方法を組み合わせた別の実施形態を示している。このシステムは、二重回転式改質器と、合成ガスを処理する低ＢＴＵガスタービンと、固体酸化物型燃料電池と、炭素を隔離する炭素又は炭素生成物を生成する電解槽とを示している。このシステムは、ゼロ炭素生成を達成する。
固体酸化物型燃料電池等の燃料電池は、燃料中に貯蔵されたエネルギーを電気エネルギーへと高効率で変換することができる電気化学的装置である。高温型燃料電池は、固体酸化物型燃料電池及び溶融炭酸塩型燃料電池を含む。これらの燃料電池は、水素燃料及び／又は炭化水素燃料を使用して動作することができる。固体酸化物型再生燃料電池等の燃料電池のクラスが存在し、これらの燃料電池は、電気エネルギーを入力として使用することで、酸化した燃料を酸化されていない燃料へと再還元することができるように、逆の動作も可能にする。
様々な実施形態によれば、システムは、発酵残渣を燃料ガスに変換するように構成される消化システム（ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）と、燃料ガスを電力及び熱に変換し、熱を消化システムに供給するように構成される燃料電池電力システムとを備える。
様々な実施形態によれば、方法は、発酵残渣を燃料ガスに変換することと、発酵残渣を燃料電池電力システムに供給することと、燃料ガスを燃料電池電力システムにおいて電力及び熱に変換することと、熱を燃料電池電力システムから消化システムに供給することとを含む。
本明細書に援用されるとともに、本明細書の一部をなす添付図面により、本発明の例示的な実施形態を示す。添付図面は、上述の全般的な説明及び後述の詳細な説明と併せて、本発明の特徴を説明する役目を果たす。
図１は、従来技術の湿潤乳製品発酵残渣＋バイオガスのプロセスフロー図である。 図２Ａは、従来技術のスケールアップした７トン／日の都市廃棄物（ＭＳＷ）／医療廃棄物（ＭｅｄＷａｓｔｅ）プラントの概略図である。 図２Ｂは、図２Ａのプラントの第２の部分の概略図である。 図３は、触媒コンバーターの熱回収を伴う従来技術のＭＳＷのフロー図である。 図４は、従来技術のスケールアップした７トン／日のＭＳＷ／ＭｅｄＷａｓｔｅプラントの概略図である。 図５は、ＳＯＦＣ燃料電池の熱回収を伴う従来技術の７トン／日のＭＳＷからＦＴ液体へのフロー図である。 図６は、従来技術の蒸気及び二酸化炭素改質システムの概略図である。 図７は、本開示の様々な実施形態に係る、水素燃料を利用するように構成される燃料電池パワーモジュールの概略図である。 図８は、本開示の様々な実施形態に係る、図７のパワーモジュールを含む燃料電池電力システムの簡略化された概略図である。 図９は、本開示の様々な実施形態に係る、炭化水素燃料を利用するように構成される燃料電池パワーモジュールの概略図である。 図１０は、本開示の様々な実施形態に係る、図９の複数のパワーモジュールを含む電力システムの概略図である。 図１１は、本開示の様々な実施形態に係る、統合されたシステムの概略図である。 図１２は、本開示の様々な実施形態に係る、統合されたシステムの概略図である。
本明細書に記載されるように、本開示の様々な態様が、例示的な実施形態及び／又は本発明の例示的な実施形態が示されている添付図面を参照して説明される。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化することができ、図面に示されている又は本明細書に記載される例示的な実施形態に限定されるものと解釈すべきではない。開示されている様々な実施形態は、その特定の実施形態に関連して記載される特定の特徴、要素、又はステップを伴うことができることが理解されよう。また、特定の特徴、要素、又はステップは、１つの特定の実施形態に関連して記載されているが、代替の実施形態と交換しても、代替の実施形態と様々な例示されていない組合せ又は順列で組み合わせてもよいことが理解されよう。
添付図面を参照して、種々の実施形態を詳細に説明する。可能な限り、同じ参照符号は、図面全体を通して同じ又は同様の部分を指すのに使用する。特定の例及び実施態様に対する参照は、例示目的でなされ、本発明又は特許請求の範囲の範囲を制限することは意図していない。
本明細書において、「約」１つの特定の値から及び／又は「約」別の特定の値までのように範囲が表現され得る。そのような範囲が表現される場合の例として、１つの特定の値から及び／又は他の特定の値までというのが挙げられる。同様に、頭に「約」又は「実質的に」を使用することによって値が近似として表現される場合、特定の値は別の様相を形成することが理解されよう。いくつかの実施形態において、「約Ｘ」という値は、＋／－１％Ｘという値を含み得る。範囲のそれぞれの端点は、他方の端点に関連しても、他方の端点とは無関係でも重要であることが更に理解されよう。
固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）システム等の燃料電池システムは、水素を使用して、若しくはプロパン若しくは天然ガス等の炭化水素燃料を改質することによって動作することができるか、又は水素ガスを使用して動作することができる。水素ガスを使用して動作するＳＯＦＣシステムは、燃料改質を必要としないことから、比較的簡略化された構造を有することができ、アノード排気を再循環させることによって非常に高い効率で動作することができる。特に、水素燃料を用いるＳＯＦＣシステムは、９５％以上の燃料利用効率を有することができる。
図７は、本開示の様々な実施形態に係る、水素ガス（Ｈ２）を使用して動作するように構成されるＳＯＦＣシステムのパワーモジュール１０の概略図である。図７を参照すると、パワーモジュール１０は、ホットボックス１００と、ホットボックス１００内又はホットボックス１００に隣接して配置される様々な構成要素とを備える。ホットボックス１００は、インターコネクトによって分離される固体酸化物型燃料電池等の燃料電池のスタック１１０を含むことができる。スタック１１０の固体酸化物型燃料電池は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、スカンジア及びセリア安定化ジルコニア、又はスカンジア、イットリア、及びセリア安定化ジルコニア等のセラミック電解質と、ニッケル－ＹＳＺ、ニッケル－ＳＳＺ、又はニッケルドープセリアサーメット等のアノード電極と、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）等のカソード電極とを含むことができる。インターコネクトは、クロム－鉄合金インターコネクト等の金属合金インターコネクトとすることができる。スタック１１０は、燃料のために内部又は外部でマニホールド化することができる。
モジュール１０は、アノード復熱器１２０熱交換器と、カソード復熱器１３０熱交換器と、始動加熱器１５０とを含むこともできる。いくつかの実施形態において、パワーモジュール１０は、任意選択で、アノード排気冷却器１４０及び／又は再循環ブロワー１６２を含むことができる。モジュール１０は、主空気ブロワー１６０（例えば、システムブロワー）を含むこともでき、主空気ブロワー１６０は、ホットボックス１００の外部に配置することができる。しかしながら、本開示は、モジュール構成要素のそれぞれをホットボックス１００に対する特定の場所に限定しない。
アノード復熱器１２０は、ホットボックス１００の主燃料入口１０２から燃料導管１１２Ａを通して燃料（例えば、Ｈ２）を受け取る。燃料は、アノード復熱器１２０において、スタック１１０から排出された燃料排気（例えば、アノード排気）によって加熱され、その後、燃料導管１１２Ｂによってスタック１１０に供給される。始動加熱器１５０は、ホットボックス１００の点火燃料入口１５２Ａ及び／又は加熱燃料入口１５２Ｂに供給された燃料を、それぞれの燃料導管１１２Ｃ及び１１２Ｄを通して受け取ることができる。始動加熱器１５０は、スタックから排出された空気排気（すなわち、カソード排気）を、排気導管２０４Ａを通して受け取ることもできる。始動加熱器１５０から排出された排気は、排気導管２０４Ｂを通してカソード復熱器１３０に供給することができる。カソード復熱器１３０から排出された排気は、排気導管２０４Ｃを通してホットボックス１００から排気することができる。
主空気ブロワー１６０は、空気導管１６２Ａを通してアノード排気冷却器１４０に空気（例えば、空気入口蒸気）を供給するように構成することができる。空気は、アノード排気冷却器１４０から空気導管１６２Ｂを通してカソード復熱器１３０に流れる。空気は、カソード復熱器１３０において、スタック１１０から排出された空気排気によって（又は、燃料が加熱器１５０にも供給され、そこで、燃料が空気排気によって酸化されて、酸化燃料加熱器排気排出物を形成する場合、酸化燃料加熱器１５０排気排出物によって）加熱される。加熱された空気は、カソード復熱器１３０から空気導管１６２Ｃを通してスタック１１０に流れる。
燃料排気（例えば、スタック１１０内で発生するアノード排気流）は、燃料排気導管１１４Ａを通してアノード復熱器１２０に供給される。燃料排気は、未反応の水素燃料及び水を含むことができる。アノード復熱器１２０から排出された燃料排気は、燃料排気導管１１４Ｂによってホットボックス１００の燃料排気出口１０４に供給することができる。いくつかの実施形態において、任意選択のアノード排気冷却器１４０は、燃料排気導管１１４Ｂを通って流れる燃料排気を、燃料排気が燃料排気出口１０４に到達する前に、空気導管１６２Ａからの入口空気流によって冷却するように構成することができる。
パワーモジュール１０は、モジュール１０の様々な要素を制御するように構成されるシステムコントローラー１２５を更に備えることができる。コントローラー１２５は、記憶された命令を実行するように構成される中央処理装置を含むことができる。例えば、コントローラー１２５は、パワーモジュール１０を通る燃料及び／又は空気流を制御するように構成することができる。
いくつかの実施形態において、燃料電池スタック１１０は、アノード復熱器１２０、始動加熱器１５０、及び任意選択のアノード排気冷却器１４０を含む中央カラムの周りのホットボックス１００内に配置することができる。特に、アノード復熱器１２０は、始動加熱器１５０の径方向内方に配置することができ、アノード排気冷却器１４０は、アノード復熱器１２０及び始動加熱器１５０の上に取り付けることができる。
図８は、本開示の様々な実施形態に係る、図７のパワーモジュール１０を含む燃料電池電力システム２００の簡略化された概略図である。
図７及び図８を参照すると、電力システム２００は、複数のパワーモジュール１０を含む少なくとも１つのモジュールシステム筐体２１０を備えることができる。例えば、図８に示されているように、パワーモジュール１０は、システム筐体２１０内で１つ以上の列にして配置することができる。しかしながら、本開示は、特定の数のパワーモジュール１０及び／又はシステム筐体２１０に限定されない。
システム筐体２１０は、電力調整モジュール１２と、任意選択の燃料処理モジュール１４とを備えることもできる。電力調整モジュール１２は、燃料電池によって発生したＤＣ電力をＡＣ電力に変換する構成要素（例えば、その全体を参照により本明細書に援用する米国特許第７，７０５，４９０号に記載されたＤＣ／ＡＣインバーター及び任意選択でＤＣ／ＤＣコンバーター）と、ＡＣ電力出力をグリッドに接続する電気コネクタと、電気的過渡現象を管理する回路と、システムコントローラー（例えば、コンピューター又は専用制御ロジックデバイス若しくは回路）とを備えることができる。電力調整モジュール１２は、燃料電池モジュールからのＤＣ電力を異なるＡＣ電圧及び周波数に変換するように設計することができる。２００Ｖ、６０Ｈｚ；４８０Ｖ、６０Ｈｚ；４１５Ｖ、５０Ｈｚ、及び他の一般的な電圧及び周波数のための設計を提供することができる。
燃料処理モジュール１４は、炭化水素燃料を精製する脱硫床等の燃料処理構成要素を含むことができる。燃料処理モジュール１４は、流量計、流量調整器等の燃料流量制御及び検出要素を含むことができる。システム筐体２１０に水素が供給される場合、脱硫床は、燃料処理モジュール１４から省くことができる。代替形態において、燃料処理モジュール１４は、省いても、他のシステム構成要素のために利用してもよい。
電力システム２００は、主再循環導管（例えば、主再循環マニホールド）２２０と、第１の再循環導管２２２と、第２の再循環導管２２４と、凝縮器２３０と、再循環ブロワー２３２と、第１の燃料供給導管２４０と、第２の燃料供給導管（例えば、燃料供給マニホールド）２４２とを備えることができる。主再循環導管２２０は、各パワーモジュール１０の燃料排気出口１０４を第１の再循環導管２２２に流体接続することができる。第１の再循環導管２２２は、主再循環導管２２０を凝縮器２３０の入口に流体接続することができる。第２の再循環導管２２４は、凝縮器２３０の出口を燃料供給導管２４０に流体接続することができる。
第２の燃料供給導管２４２は、燃料供給導管２４０を各パワーモジュール１０の燃料入口１０２、１５２Ａ、１５２Ｂに流体接続することができる。主再循環導管２２０及び第１の再循環導管２２２は、パワーモジュール１０から排出された燃料排気を凝縮器２３０に供給するように構成することができる。
凝縮器２３０は、燃料排気中に含まれる水蒸気を凝縮して、再循環燃料（例えば、脱水水素）を排出するように構成される空冷凝縮器又は水冷凝縮器とすることができる。凝縮器２３０は、燃料排気から凝縮した液体の水を排出することもできる。
いくつかの実施形態において、熱交換器３５０は、第１の再循環導管２２２内のアノード排気から熱を取り出すように構成することができる。熱交換器は、アノード排気の温度を低下させることができ、それにより、凝縮器２３０内の水の凝縮を促進することができる。
再循環ブロワー２３２は、第２の再循環導管２２４内の再循環燃料を加圧するように構成されるブロワー又はコンプレッサーとすることができる。いくつかの実施形態において、再循環燃料は、燃料源３０、例えば、水素（Ｈ２）供給導管、タンク、又は発電機（例えば、電解槽又は化学反応水素発電機）から燃料供給導管２４０に供給される新たな燃料と略同じ圧力に加圧することができる。例えば、再循環ブロワー２３２は、約０．５ポンド平方インチゲージ圧～５ポンド平方インチゲージ圧（ｐｓｉｇ）、例えば、約１ｐｓｉｇ～約２ｐｓｉｇの範囲の圧力で再循環燃料を排出することができる。
燃料供給導管２４０は、燃料源３０から供給される水素等の新たな燃料を受け取るように構成することができる。燃料供給導管２４０は、第２の再循環導管２２４から再循環燃料を受け取ることもできる。燃料供給導管は、新たな燃料、再循環燃料、又は双方の混合物を第２の燃料供給導管２４２に供給することができる。第２の燃料供給導管２４２は、燃料供給導管２４０から受け取った燃料を、各パワーモジュール１０の燃料入口１０２、１５２Ａ、１５２Ｂのうちの１つ以上に選択的に供給するように構成することができる。
電力システム２００は、パワーモジュール１０への及びパワーモジュール１０からの流体流を制御するために、１つ以上のガスメーター（例えば、流量計及び／又はガス組成センサー）２６０、圧力センサー２６２、流量制御弁２６４、ガス流量調整器２６６、及び／又は逆止弁を備えることもできる。特に、電力システム２００は、水素源３０からのガス流量を測定するように構成される第１のガスメーター２６０と、燃料供給導管２４０内のガス圧力を検出するように構成される第１の圧力センサー２６２とを備えることができる。電力システム２００は、第２の再循環導管２２４内のガス流を測定するように構成される第２のガスメーター２６０と、第２の再循環導管２２４内のガス圧力を検出するように構成される第２の圧力センサー２６２とを備えることもできる。流量制御弁（複数の場合もある）２６４は、例えば、マスフローコントローラー（ＭＦＣ）弁、比例ソレノイド弁等とすることができる。ガス流量調整器２６６は、マスフローコントローラー（ＭＦＣ）等とすることができる。
様々な実施形態において、電力システム２００は、電力システム２００の様々な要素を制御するように構成される上述のシステムコントローラー２２５を更に備えることができる。コントローラー２２５は、記憶された命令を実行するように構成される中央処理装置を含むことができる。例えば、コントローラー２２５は、電力システム２００を通る燃料の流れを制御するために、弁２６４、ガス調整器２６６、及び／又は再循環ブロワー２３２を制御するように構成することができる。
いくつかの実施形態において、凝縮器２３０、再循環ブロワー２３２、及び任意の対応するガスメーター２６０、調整器２６６、及び／又は圧力センサー２６２は、再循環モジュール１６として構成し、モジュール式ハウジング２１０とは別個のキャビネット、筐体、室、又は構造内に配置することができる。他の実施形態において、再循環モジュール１６は、システム筐体２１０内の別個のモジュールとして配置してもよく、燃料処理モジュール１４の代わりに又は燃料処理モジュール１４内に含まれてもよい。様々な実施形態において、複数のシステム筐体２１０を、同じ再循環モジュール１６に接続することができる。
様々な実施形態において、アノード排気冷却器、燃料流を制御するマスフローコントローラー、及び／又は燃料排気流を制御する燃料排気ブロワーは、パワーモジュール１０から省くことができる。いくつかの実施形態において、燃料処理モジュール１４もパワーモジュールから省くことができる。したがって、システムの全体コストは、１つの凝縮器２３０及び１つの再循環ブロワー２３２を利用してパワーモジュール１０からの燃料排気を処理することによって、低減することができる。
凝縮器２３０及び再循環ブロワー２３２の利用により、システム効率を増大させ、約１００％の燃料利用率を提供することができる。例えば、定常状態モード動作中、燃料排気中の水素のほぼ１００％を再循環させることができ、燃料流が点火燃料入口１５２Ａを通して始動加熱器に供給されるシステム始動モード動作後に、始動加熱器１５０への燃料流が遮断されるため、始動加熱器１５０によって水素は消費されない。燃料電池スタック１１０の温度が所望の閾値よりも低いと判断された場合、定常状態モード動作中に加熱燃料入口１５２Ｂを通して燃料を加熱器１５０に一時的に供給することができる。加熱器１５０内の燃料は、スタック空気排気によって酸化されて熱を発生し、それにより、燃料電池スタック１１０を所望の温度に加熱する。
図９は、本開示の様々な実施形態に係る、炭化水素燃料動作用に構成される燃料電池システム２０の概略図である。燃料電池システム２０及び電力システム４００は、燃料電池システム１０及び電力システム２００と同様であり得る。したがって、これらとの相違点のみを詳細に論じる。
図９を参照すると、燃料電池システム２０は、触媒部分酸化（ＣＰＯｘ）反応器２０１と、ＣＰＯｘブロワー２０３（例えば、空気ブロワー）と、アノード排気再循環ブロワー１６２と、混合器２１１と、水インジェクター２１３と、ボルテックスジェネレーター２２７と、アノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）２５０と、ＡＴＯ導管３１２と、バイパス導管３１６と、バイパス弁３２０と、ＡＴＯ弁３２４と、排気マニホールド３２８と、排気ブロワー３２９と、排気酸化器３３０とを備えることができる。ＣＰＯｘ反応器２０１は、ＣＰＯｘブロワー２０３によって供給される酸素を使用して、燃料入口導管又はマニホールド２０３を介して燃料源３０から受け取った合成ガス、天然ガス、プロパン等の炭化水素燃料を部分的に酸化させるように構成することができる。ＣＰＯｘ反応器２０１から排出された部分的に酸化された燃料は、燃料導管２０５によって混合器２１１に供給することができる。部分的に酸化された燃料は、アノード排気冷却器１４０から混合器２１１に供給されるアノード排気と混合することができる。
混合器２１１から排出された燃料混合物は、燃料導管１１２Ａによってアノード復熱器１２０に供給することができる。アノード復熱器１２０は、燃料混合物を改質するように構成される１つ以上の改質触媒１２２を備えることができる。水インジェクター２１３は、水源から受け取った水をアノード復熱器１２０から排出されたアノード排気に注入し、アノード排気冷却器１４０に供給することができる。
アノード排気導管１１４Ｂは、バイパス導管３１６を介して排気導管／マニホールド３２８に流体接続することができる。バイパス導管３１６は、ＡＴＯ導管３１２によってボルテックスジェネレーター２２７に流体接続することができる。バイパス弁３２０は、バイパス導管３１６を通るアノード排気流を制御することができ、ＡＴＯ弁３２４は、ＡＴＯ導管３１２を通るアノード排気流を制御することができる。アノード排気の一部は、アノード排気導管１１４Ｂからバイパス導管３１６に転向することができる。
システム始動中、バイパス弁３２０を閉鎖するとともに、ＡＴＯ弁３２４を開放することによって、バイパス導管からＡＴＯ導管３１２を介してボルテックスジェネレーター２２７にアノード排気を供給することができる。ボルテックスジェネレーター２２７は、スタック１１０から排出されたカソード排気をアノード排気と混合するように構成することができる。ボルテックスジェネレーター２２７から排出された排気混合物は、ＡＴＯ２５０において酸化させ、排気導管２０４Ｂを介してカソード復熱器１３０に供給することができる。例えば、ＡＴＯ２５０は、一酸化炭素等のスタック１１０において生成される副生成物を酸化させるように構成することができる。
定常状態動作中、アノード排気の一部を排気マニホールド３２８に供給し、カソード復熱器１３０から供給されるカソード排気と混合することができる。結果として生じる混合物は、排気マニホールド３２８を介してホットボックス１００の外部に位置する排気酸化器３３０に供給することができる。排気ブロワー３２９は、排気の酸化を促進するように、排気酸化器に空気を供給することができる。排気酸化器において発生した高温の排気は、排気導管３３２を介して熱交換器３５０に排出することができる。
図１０は、本開示の様々な実施形態に係る、複数の燃料電池システム２０を含む電力システム４００の概略図である。図１０に示されているように、電力システム４００は、システム筐体２１０内に配置された複数の燃料電池システム２０を備えることができる。燃料電池システム２０から排出されたカソード排気及びアノード排気は、排気マニホールド３２８によって排気酸化器３３０に供給することができる。排気酸化器３３０から排出された高温の酸化された排気は、排気導管３３２を介して熱交換器３５０に供給することができる。
図１１は、本開示の様々な実施形態に係る燃料処理システム１０００の概略図である。図１１を参照すると、燃料処理システム１０００は、電力システム２００と、消化システム６００とを備えることができる。消化システム６００は、図１～図６のうちの１つ以上に関して上述したように、回転式改質器５００と、主改質器５１０と、合成ガス浄化モジュール５２０と、水性ガスシフト及び圧力スイング吸着モジュール５３０とを備えることができる。電力システム２００は、図７及び図８に示されているように、システム筐体２１０内に配置されたパワーモジュール１０と、再循環モジュール１６と、熱交換器３５０とを備えることができる。
電力システム２００は、モジュール５３０から排出された水素を使用して動作することができる。電力システム２００によって発生した電力は、回転式改質器５００（例えば、電力が改質器５００を回転させるように使用される）及び／又は主改質器５１０等の、システム１０００の他の要素を動作させるように供給することができる。
電力システム２００によって発生した熱は、加圧水又は熱油システムを加熱するのに使用され、回転式改質器５００及び／又は主改質器を加熱するのに使用される電力のうちのいくらかに取って代わることができる。例えば、熱交換器３５０は、回転式改質器５００に供給される水及び／又は蒸気を加熱するように構成することができる。例えば、熱交換器３５０は、パワーモジュール１０から排出されたアノード排気から熱を取り出すことによって蒸気を発生させることができる。いくつかの実施形態において、熱交換器３５０は、加圧水又は熱油熱交換システムを含むことができる。例えば、熱交換器３５０は、高温の液体で満たされたスクリューコンベヤ、高温の液体で満たされた環状体を通って延在するスクリューコンベヤ、又はシェルアンドチューブ式熱交換器と同様のヒートパイプのグリッドを含むことができ、ここでは、水が、燃料電池スタック１１０のアノード排気によって加熱された管を介して供給され、又は管を通って落下する。代替的に、回転式改質器５００の周りの最初のいくつかの電気ラップ（ｗｒａｐｓ）の代わりに、燃料電池スタック１１０のアノード排気によって加熱される熱油／加圧水ラップを用いることができる。
いくつかの実施形態において、再循環モジュール１６内でアノード排気から凝縮した水を、任意選択で、システム１０００の他の要素の水要件を補うように使用することができる。例えば、凝縮水を水源からの追加の水と任意選択で混合し、その後、混合した水を熱交換器３５０に供給して蒸気に変換し、次いで、回転式改質器５００に供給することができる。
図１２は、本開示の様々な実施形態に係る燃料処理システム１００２の概略図である。図１２を参照すると、燃料処理システム１００２は、上述した電力システム４００及び消化システム６０２を備えることができる。消化システム６０２は、図１～図６のうちの１つ以上に関して上述したように、回転式改質器５００と、主改質器５１０と、合成ガス浄化モジュール５２０と、水性ガスシフトモジュール５３２と、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）モジュール５３４とを備えることができる。図９及び図１０に示されている電力システム４００は、システム筐体２１０内に配置されたパワーモジュール２０と、排気酸化器３３０と、熱交換器３５０とを備えることができる。
電力システム４００は、浄化モジュール５２０、シフトモジュール５３２、及び／又はＰＳＡモジュール５３４から排出された合成ガスを受け取ることができる。いくつかの実施形態において、合成ガスは、所望の場合、ユーティリティによって供給される天然ガス等の追加の燃料と混合することができる。
様々な実施形態において、燃料電池スタック１１０のアノード排気は、回転式改質器５００及び／又は主改質器５１０における補給水として使用することができる水生成物、隔離される若しくは販売可能な製品（例えば、飲料の炭酸）として使用されるＣＯ２生成物、及び／又は合成ガス生成物（例えば、ＣＯ、Ｈ２、ＣＯ２、及び／又はＮ２）に、任意選択で分離することができる。合成ガス生成物は、回転式改質器５００、主改質器５１０、浄化モジュール５２０、シフトモジュール５３２、又はＰＳＡモジュール５３４に供給することができる。他の実施形態において、シフトモジュール５３２及びＰＳＡモジュール５３４の代わりに、上述したフィッシャー－トロプシュ法モジュールを用いることができ、合成ガス生成物は、フィッシャー－トロプシュ法モジュールに供給することができる。
いくつかの実施形態において、消化装置６０２は、任意選択で、合成ガスのうちのいくらかをメタンに変換するように構成されるメタン化モジュール５３６を備えることができる。メタン化モジュールは、合成ガスをメタンに変換するのに好適な触媒を含むことができる。例えば、メタン化モジュール５３６は、水性ガスシフトモジュール５３２の上流かつ合成ガス浄化モジュール５２０の下流に配置することができる。メタン化モジュール５３６は、電力システム４００への燃料供給物中のメタン濃度を増大させるように使用することができる。したがって、電力システム４００に供給される燃料供給物は、メタン化モジュール５３６の下流で供給することができる。
上述したシステム統合は、生成される合成ガス及び／又は生成される水素が硫黄／シロキサン／他の有害種を含まないことができることを前提に、埋立地ガスを使用して実行することができる。システム統合は、取り残された／所有者のいない天然ガス井の使用に関して実行することもできる。例えば、消化装置は、電力システムの燃料供給物中の高級炭化水素の量を低減するように使用することができる。
水素の正味生成量を有する全てのシステムでは、水素パイプラインが利用可能でない場合、輸送コストを低減するために、水素生成物を液化してもよい。
開示の態様の上述の記載は、当業者が本発明を実施又は使用することを可能にするために提供される。これらの態様に対する種々の変更形態が、当業者には容易に明らかになるであろう。また、本明細書において定義される一般的な原則を、本発明の範囲から逸脱することなく、他の態様に適用することができる。したがって、本発明は、本明細書に示されている態様に限定されることを意図せず、本明細書に開示されている原則及び新規の特徴と一貫して最も広い範囲を与えられるものとする。

Claims (15)

  1. 発酵残渣を燃料ガスに変換するように構成される消化システムと、
    前記燃料ガスを電力及び熱に変換し、前記熱を前記消化システムに供給するように構成される燃料電池電力システムと、
    を備える、システム。
  2. 前記燃料ガスは、水素（Ｈ２）を含む、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記燃料電池電力システムは、
    燃料電池と、
    前記燃料電池から排出された燃料排気から水を除去し、再循環燃料を生成するように構成される凝縮器と、
    前記燃料電池から前記燃料排気を受け取り、前記燃料排気を前記凝縮器に移送するように構成される再循環導管と、
    前記凝縮器から排出された前記再循環燃料を加圧するように構成される再循環ブロワーと、
    を備える、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記燃料電池電力システムは、前記燃料排気からの熱を前記消化システムに供給される流体に伝達するように構成される熱交換器を更に備える、請求項３に記載のシステム。
  5. 前記流体は、加圧水又は油を含む、請求項４に記載のシステム。
  6. 前記消化システムは、少なくとも１つの改質器を備え、前記流体は、前記少なくとも１つの改質器を加熱するように構成される、請求項４に記載のシステム。
  7. 前記消化システムは、合成ガス浄化モジュール及び水性ガスシフトモジュールを更に備える、請求項６に記載のシステム。
  8. 前記消化システムは、圧力スイング吸着モジュールを更に備える、請求項７に記載のシステム。
  9. 発酵残渣を燃料ガスに変換することと、
    前記発酵残渣を燃料電池電力システムに供給することと、
    前記燃料ガスを前記燃料電池電力システムにおいて電力及び熱に変換することと、
    前記熱を前記燃料電池電力システムから消化システムに供給することと、
    を含む、方法。
  10. 前記燃料ガスは、水素（Ｈ２）を含み、前記燃料電池電力システムは、燃料電池を備える、請求項９に記載の方法。
  11. 燃料電池から排出された燃料排気から水を除去し、再循環燃料を生成することと、
    前記再循環燃料を加圧することと、
    を更に含む、請求項９に記載の方法。
  12. 前記燃料排気からの熱を前記消化システムに供給される流体に伝達することを更に含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記流体は、加圧水又は油を含む、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記消化システムは、少なくとも１つの改質器を備え、前記流体は、前記少なくとも１つの改質器を加熱する、請求項１２に記載の方法。
  15. 前記消化システムは、合成ガス浄化モジュール、水性ガスシフトモジュール、及び圧力スイング吸着モジュールを更に備える、請求項１２に記載の方法。

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ATE315835T1 (de) * 2000-03-02 2006-02-15 Ebara Corp Brennstoffzellen-energiegewinnungsverfahren und - system
US7705490B2 (en) 2007-05-07 2010-04-27 Bloom Energy Corporation Integral stack columns
US9847543B2 (en) * 2013-03-06 2017-12-19 Fuelcell Energy, Inc. Fuel cell system having biogas desulfurizer assembly with manganese oxide desulfurizer material
US11508981B2 (en) * 2016-04-29 2022-11-22 Fuelcell Energy, Inc. Methanation of anode exhaust gas to enhance carbon dioxide capture
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