JP2023552768A - 炭素捕捉及び効率化の増加を有する固体酸化物燃料電池システム - Google Patents

炭素捕捉及び効率化の増加を有する固体酸化物燃料電池システム Download PDF

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Abstract

燃料電池システムは、入口及び出口を有する燃料電池モジュールを含む。燃料電池モジュールは、ガス状燃料を含む燃料流を受容し、枯渇燃料流を排出する。システムはまた、燃料電池モジュールからの廃熱が排気処理モジュールによって使用可能であるように、燃料電池モジュールに対して配設された排気処理モジュールを含む。システムは、枯渇燃料流の第１の部分を排気処理モジュールに方向付けるように構成され、枯渇燃料流は、枯渇燃料並びに酸素及び二酸化炭素を含む少なくとも１つのガス状副生成物を含む。排気処理モジュールは、枯渇燃料流の第１の部分に、燃料電池モジュールからの廃熱を使用して共電解させて、燃料濃縮流を生成する。システムは、燃料濃縮流を燃料電池モジュールの入口に方向付けるように構成される。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年１２月４日に出願された米国仮特許出願第６３／１９９０６０号の利益及び優先権を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本出願は、概して、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムの分野に関し、より具体的には、炭素捕捉を促進するために、高純度の二酸化炭素（ＣＯ２）排気流を有するＳＯＦＣシステムに関する。
概して、燃料電池は、ともに化学反応を駆動して、電気を生成するアノード、カソード、及び電解質層を含む。具体的には、ＳＯＦＣは、多孔質アノードと多孔質カソードとの間に挟持された固体のガス不浸透電解質を含む固体電気化学電池である。酸素は、カソードを通してカソード／電解質界面に輸送され、そこで酸素イオンに還元され、電解質を通してアノードに移動する。アノードでは、イオン酸素は、水素又はメタンなどの燃料と反応し、電子を放出する。電子は、電力を生成するために外部回路を通ってカソードに戻って進行する。
蒸気、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素の混合物を含み得るアノード排気は、燃料電池のアノードからの副生成物として生成される。アノード排気は、水素及び一酸化炭素などの有用な副生成物ガスを含有し、燃料電池用の燃料又は他の化学反応用の供給物など、他の用途のための合成ガスとして輸出することができる。更に、上記排気中のＣＯ２及び水はまた、隔離又は更なる下流処理のために輸出され得る。しかしながら、かかる用途に好適なアノード排気を準備するためには、アノード排気中に存在するＣＯ２を、残りの副生成物ガスから分離しなければならない。
したがって、システム効率を損なうことなく、又は過剰な作動コストを負担することなく、容易な炭素捕捉を可能にする、ＣＯ２が豊富な排気流を送達するＳＯＦＣシステムを提供することが有利であろう。
本開示の一態様は、燃料電池システムに関する。システムは、入口及び出口を有する燃料電池モジュールを含み、燃料電池モジュールは、入口でガス状燃料を含む燃料流を受容し、枯渇燃料流を出口から排出するように構成されている。システムは、燃料電池モジュールと流体連通する排気処理モジュールを更に含む。排気処理モジュールは、燃料電池モジュールからの廃熱が、排気処理モジュールによって使用可能であるように、燃料電池モジュールに対して配設される。システムは、枯渇燃料流の第１の部分を排気処理モジュールに方向付けるように構成され、枯渇燃料流は、枯渇燃料並びに酸素及び二酸化炭素を含む少なくとも１つのガス状副生成物を含む。排気処理モジュールは、枯渇燃料流の第１の部分を、燃料電池モジュールからの廃熱を使用して共電解させて、燃料濃縮流を生成するように構成される。システムは、燃料濃縮流を燃料電池モジュールの入口に方向付けるように構成される。
様々な実施形態では、システムはまた、枯渇燃料流の組成に基づいて、燃料電池モジュール又は排気処理モジュールのうちの少なくとも１つを作動させるように構成されたコントローラを含む。いくつかの実施形態では、燃料電池モジュールは、少なくとも１つの固体酸化物燃料電池を含む。他の実施形態では、排気処理モジュールは、少なくとも１つの固体酸化物電解スタックを含む。更に他の実施形態では、排気処理モジュールは、燃料電池モジュール内に収容される。様々な実施形態では、燃料電池モジュールは、複数の燃料電池スタックを含み、複数の燃料電池スタックのうちの第１のサブセットは、固体酸化物燃料電池であり、複数の燃料電池スタックのうちの第２のサブセットは、固体酸化物電解スタックである。いくつかの実施形態では、排気処理モジュールは、燃料電池モジュールとは別個である。他の実施形態では、排気処理モジュールは、並列に電気的に接続された複数の分岐を含み、複数の分岐の各々は、少なくとも１つの固体酸化物電解スタックを有し、各固体酸化物電解スタックは、複数の固体酸化物電解電池を含む。
様々な実施形態では、システムは、燃料電池モジュールと流体連通し、かつ出口の下流に配設されたアフターバーナを更に含む。いくつかの実施形態では、アフターバーナは、枯渇燃料流の第２の部分を受容し、第２の部分内で未反応の燃料を反応させることによって第１の排気流を生成するように構成される。他の実施形態では、排気処理モジュールは、出口流内の第１の部分の共電解中に生成された酸素を排出するように構成される。更に他の実施形態では、システムは、出口流をアフターバーナに方向付けるように構成され、第１の出口流からの酸素は、第１の部分内に含まれる未反応の燃料の燃焼を促進する。様々な実施形態では、アフターバーナは、二酸化炭素からなる第２の排気流を排出するように構成される。いくつかの実施形態では、排気処理モジュールは、還元ガスを燃料電池モジュールに提供するように構成される。他の実施形態では、排気処理モジュールは、燃料電池システムの運転停止事象中に還元ガスを提供するように構成される。
本開示の別の態様は、燃料電池システムを作動させる方法に関する。方法は、燃料電池モジュールによって、出口から枯渇燃料流を排出することを含み、燃料電池モジュールは、入口でガス状燃料を受容するように構成されている。方法は、排気処理モジュールによって、枯渇燃料流の第１の部分を受容することを更に含み、第１の部分は、枯渇燃料並びに二酸化炭素及び酸素を含む少なくとも１つのガス状副生成物を含む。方法はまた、排気処理モジュールによって、燃料電池モジュールからの廃熱を使用して第１の部分を共電解させることによって、枯渇燃料流の第１の部分から燃料濃縮流を生成することも含む。方法は、燃料電池システムによって、排気処理モジュールによって生成された燃料濃縮流を燃料電池モジュールに方向付けることを更に含む。
いくつかの実施形態では、方法はまた、燃料電池モジュールと流体連通しているアフターバーナによって、枯渇燃料流の第２の部分を受容することと、アフターバーナによって、第２の部分内で未反応の燃料を反応させることによって第１の排気流を生成することと、を含む。様々な実施形態では、方法はまた、排気処理モジュールと流体連通する水ノックアウトユニットによって、燃料濃縮流の少なくとも一部分から水を除去することも含む。他の実施形態では、方法は、燃料電池システムと通信するコントローラによって、枯渇燃料流の組成に基づいて、燃料電池モジュール又は排気処理モジュールのうちの少なくとも１つを作動させることを更に含む。更に他の実施形態では、コントローラは、燃料電池システム内のガス状燃料の組成に基づいて、燃料電池システムの少なくとも１つの作動状態を調整するように構成される。
本開示を構成する利点及び特徴、並びに本開示に提供される典型的な機構の構築及び作動の明確な概念は、本明細書に添付され、本明細書の一部を形成する図面内に例解される例示的な、したがって非限定的な実施形態を参照することによって、より容易に明らかになるであろう、ここで、同様の参照番号は、いくつかの図において同じ要素を指定する。
例示的な実施形態による、燃料電池システムの概略表現である。 例示的な実施形態による、炭素捕捉のための排気処理モジュールを含む燃料電池システムの概略表現である。 別の例示的な実施形態による、燃料電池システムの概略表現である。 別の例示的な実施形態による、炭素捕捉のための排気処理モジュールを含む燃料電池システムの概略表現である。
本開示の前述の特徴及び他の特徴は、添付の図面と併せて、以下の説明及び添付の特許請求の範囲から明らかになる。これらの図面は、本開示に従っていくつかの実施形態のみを描写しており、したがって、その範囲を限定するものと見なされるべきではないことを理解して、本開示は、添付の図面を使用することによって、更なる具体性及び詳細をもって説明されるであろう。
以下の詳細な説明では、本明細書の一部を形成する、添付の図面を参照する。図面では、文脈が別途指示しない限り、同様の記号は、典型的には、同様の構成要素を識別する。詳細な説明、図面、及び特許請求の範囲内に記載される例示的な実施形態は、限定することを意図するものではない。ここで提示される主題の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用され得、他の変更が行われ得る。本開示の態様は、本明細書に概して記載され、図内に例解されるように、多種多様な異なる構成で配置、置換、組み合わせ、及び設計することができ、それらの全てが明示的に企図され、本開示の一部となることが容易に理解されるであろう。
本開示は、効率ペナルティを誘発することなく、効果的なＣＯ２処理及びその後の炭素捕捉を可能にする燃料電池システムを提供する。更に、本燃料電池システムは、炭素捕捉を可能にするためのＣＯ２が豊富な排気流の生成を促進するだけでなく、従来のシステムと比較して、作動効率の増加を提供する排気処理モジュールを含む。本燃料電池システムは、アノード排気流をリサイクルするように構成された従来の燃料電池システムに関連する既知の制限（例えば、希釈効果）を回避する。
本開示の一実施形態は、燃料供給、空気供給、及び可変負荷に結合された燃料電池モジュールを含む燃料電池システムに関する。燃料電池モジュールは、燃料入口を介して燃料供給から燃料電極（例えば、アノード）において燃料を受容し、空気入口を介して空気供給から空気電極（例えば、カソード）において空気を受容するように構成され得る。燃料電池システムは、排気処理モジュール及び／又は燃焼構成要素（例えば、アフターバーナ）を更に含み得、これは、燃料電池モジュールの出口に流体的に結合され得る。排気処理モジュールは、燃料電池モジュールの出口から排出された燃料排気の少なくとも一部分をリサイクル流として受容するように構成され得る。排気処理モジュールは、受容した燃料排気を処理して、リサイクル流を燃料入口に戻す前に、リサイクル流内の燃料含有量を濃縮するように更に構成され得る。
様々な実施形態では、排気処理モジュールは、固体酸化物電解スタック（ＳＯＥＣ）モジュールとして構成され得る。したがって、ＳＯＥＣモジュールは、燃料電池排気の一部分を受容し、共電解プロセスを介して内部の燃料含有量を濃縮し、それによって、燃料電池システムへの正味の燃料供給要件を低下させ得る。様々な実施形態では、ＳＯＥＣモジュールは、燃料電池からの廃熱を使用して、吸熱領域内での作動を促進し、それによって、ＳＯＥＣモジュールの効率を増加させるように構成され得る。
第２の実施形態は、燃焼構成要素（例えば、アフターバーナ）の酸化剤として（例えば、ＳＯＥＣモジュールによって生成される）電解生成酸素の使用に関する。様々な実施形態では、電解生成物を酸化剤として使用することは、排気生成物が（例えば、空気から）窒素を導入することなく燃焼することを可能にし、そのため最終出口は、ほぼＣＯ２とＨ２Ｏとの純粋な配合物である。様々な実施形態では、Ｈ２Ｏは、凝縮を通して配合物から除去され得、高純度のＣＯ２流は、隔離又は下流プロセスにおける使用の準備ができた状態になる。
図１を参照すると、従来の燃料電池システム１０の概略表現が示される。燃料電池システム１０は、ＳＯＦＣモジュール１５を有する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムであり得、これは、空気供給２０及び燃料供給２５に流体的に結合され、そこから電気の形態で電力を生成するように構成される。ＳＯＦＣモジュール１５は、多孔質アノード（例えば、多孔質セラミック）と多孔質カソード（例えば、多孔質セラミック）との間に挟持された固体のガス不浸透電解質（例えば、高密度セラミック）を含む、固体電気化学電池を含み得る。空気供給２０を介してＳＯＦＣモジュール１５に提供される酸素は、カソードを通してＳＯＦＣモジュール１５内のカソード／電解質インターフェースに輸送され得、そこで酸素イオンに還元される。次いで、酸素イオンは、ＳＯＦＣモジュール１５内の電解質を通ってアノードに移動し得る。アノードにおいて、イオン酸素は、入口マニホールド３５を介して燃料供給２５から受容した投入燃料３０と反応し得る。様々な実施形態では、燃料は、イオン酸素と反応したときに電子を放出するために、当技術分野で既知の炭化水素、合成ガス、又は任意の好適な燃料であり得る。電力は、電子が外部回路を通ってカソードに戻るように進行するときに生成される。
イオン酸素（すなわち、受容した空気供給２０から生成される）を投入燃料３０と反応させると、ＳＯＦＣモジュール１５は、酸素枯渇空気４０流及び枯渇燃料４５流を産出し得る。示されるように、枯渇燃料流４５は、出力マニホールド５０に送られ得、枯渇燃料４５の第１の部分５５は、流体的に結合した燃焼構成要素（「アフターバーナ」）６０に送られてもよく、枯渇燃料４５の第２の部分又はリサイクル流７０は、燃料入口マニホールド３５に戻ってリサイクル流を形成してもよい。枯渇空気４０を受容し得るアフターバーナ６０は、枯渇空気４０及び枯渇燃料４５の第１の部分５５からの残りの酸化剤の燃焼を促進して、ＣＯ２、亜酸化窒素（ＮＯｘ）、窒素（Ｎ２）、及びＨ２Ｏを含む、排気流６５を生成するように構成される。排気流６５は、システム１０が過剰な空気で作動するとき、酸素（Ｏ２）を更に含み得る。
様々な実施形態では、ＳＯＦＣモジュール１５は、単一のＳＯＦＣ電池を含み得る。他の実施形態では、ＳＯＦＣモジュール１５は、燃料電池スタックを形成するために複数の組み立てられた燃料電池を含み得る。他の実施形態では、ＳＯＦＣモジュール１５は、複数の燃料電池スタックを含み得る。様々な実施形態では、ＳＯＦＣモジュール１５は、１つ以上の可変負荷からの需要に基づいて、電気を出力するように構成され得る。様々な実施形態では、燃料電池システム１０内のＳＯＦＣモジュール１５及び／又は結合された構成要素は、その作動を促進するために、１つ以上のコントローラに通信可能に結合され得る。
燃料電池システム１０は、枯渇燃料４５をＳＯＦＣモジュール入口３０に戻して再循環させるためのリサイクル流を含む。燃料リサイクル流７０などの燃料リサイクル流は、２つの利点を提供するために使用され得る。炭化水素燃料の場合、枯渇燃料流４５内の生成物水は、燃料２５の蒸気改質を支持することができ、別個の水の供給の必要性を排除することによってシステム全体を簡素化する。更に、燃料リサイクル流７０は、燃料投入３０において燃料濃度を逆に減少させながら、総燃料含有量を有益に増加させ得る。最先端技術により、システム全体の寿命及び効率を最良にするためには、過剰な燃料が、典型的に必要であることが認識される。特に、ＳＯＦＣモジュール１５などのＳＯＦＣモジュールを、燃料供給２５によって提供される過剰な燃料なしで作動させることは実用的ではないことが認識される。例えば、ＳＯＦＣモジュール１５が燃料供給２５からの化学量論的燃料投入のみで作動した場合、結果は、完全に枯渇出口燃料（例えば、枯渇燃料流４５）となるであろう、これは、炭素捕捉のために潜在的に有利であるが、ＳＯＦＣモジュール１５を不安定にし、その寿命及び効率の両方に悪影響を与えるであろう。したがって、燃料供給２５によって供給された必要な燃料の量は、典型的には、ＳＯＦＣモジュール１５内で電気化学的に反応した燃料の量を少なくとも１０％超え得る。更に、燃料電池システム１０は、様々な温室効果ガス及び任意の未反応の燃料を含む、多数の副生成物を有する排気流６５を生成するので、かかる排気流６５は、様々な使用用途に関する分配前に、又は排気流６５内の上記ガスの無害化除去前に、下流処理のために輸出されなければならない。かかる追加の処理は、燃料電池システム１０の有効性を更に低減させる。
図２は、例示的な実施形態による燃料電池システム１００の概略表現を示す。様々な実施形態では、燃料電池システム１００の要素１１５～１７０は、燃料電池システム１０の対応する要素１５～７０と同じか又は同等である。図２に示されるように、燃料電池システム１００は、枯渇燃料１４５の第２の部分１７０に流体的に結合される排気処理モジュール１７５を更に含み得る。様々な実施形態では、排気処理モジュール１７５は、ＳＯＥＣモジュールであり得る。ＳＯＥＣモジュール１７５は、並列に電気的に接続された複数の分岐を含み得、各分岐は、少なくとも１つの固体酸化物電解電池スタックを含み、各固体酸化物電解電池スタックは、複数の固体酸化物電解電池を含む。様々な実施形態では、ＳＯＥＣモジュール１７５は、アノード、電解質層、及びカソードを含み、電解質層は、電気を生成するための電子を生成する反応を促進するために、アノードとカソードとの間でイオンを伝達する役割を果たす。
示されるように、ＳＯＥＣモジュール１７５は、ＳＯＦＣモジュール１１５からの廃熱１８０が、その作動を支持するためにＳＯＥＣモジュール１７５によって使用され得るように、ＳＯＦＣモジュール１１５に対して配設され得る。ＳＯＥＣモジュール１７５は、枯渇燃料１４５の第２の部分１７０を受容し得、これは、限定されるものではないが、ＣＯ２及びＨ２Ｏなどの様々なガス状副生成物に加えて、ＳＯＦＣモジュール１１５からの未反応のままである燃料を含有するであろう。ＳＯＥＣモジュール１７５は、受容された第２の部分１７０を受けることができ、廃熱１８０によって促進される、共電解プロセス（すなわち、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２の両方の電解）を経ることができ、ガス状副生成物が、反応して、燃料及び酸素を形成し得る。したがって、ＳＯＥＣモジュール１７５は、燃料濃縮リサイクル流１８５を産出し得、これは次いで、ＳＯＦＣモジュール１１５を通る再循環のために投入マニホールド１３５に送られ得る。ＳＯＥＣモジュール１７５によって生成された酸素は、出口流１９０においてＳＯＥＣモジュール１７５から除去され得、これは枯渇燃料１４５の第１の部分１５５内に残る未反応の燃料の燃焼を促進するために、アフターバーナ１６０に酸化剤として供給され得る。示されるように、ＳＯＥＣモジュール１７５からの出口流１９０をアフターバーナ１６０の酸化剤として実装することは、アフターバーナからの最終的な排気流１６５がほぼ排他的にＣＯ２及びＨ２Ｏからなるように、第１の部分１５５内の燃料の完全な燃焼を可能にし得る。
燃料電池システム１００は、ＳＯＦＣモジュール１１５からの枯渇燃料１４５の第２の部分１７０から濃縮されたリサイクル流１８５を生成するために、ＳＯＥＣモジュール１７５内で燃料を再生するので、燃料電池システム１００は、（例えば、燃料電池システム１０と比較して）燃料電池システム１００を作動させるために必要な正味の燃料供給１２５を低減させ得る。ＳＯＥＣモジュール１７５の作動に起因する効率損失は、入口１３０で入口燃料要件１２５の低下、廃熱１８０の使用、及び／又は改善されたガス組成に起因する効率の向上（すなわち、濃縮されたリサイクル流１８５に起因するより高い燃料含有量）に対して補償されてもよく、後者は、（例えば、燃料電池システム１０のそれと比較して）燃料電池システム１００内のより低い相対寄生及び／又はＳＯＦＣモジュール１１５のより高い作動電圧を可能にし得る。
様々な実施形態では、ＳＯＥＣモジュール１７５は、ＳＯＦＣモジュール１１５から別個のモジュールとして構成され得、１つ以上のガス流を介して熱を交換し得る。他の実施形態では、ＳＯＦＣモジュール１１５は、複数のスタックを含み得、各スタックは、複数の電池を含み、スタックの各々内の電池の一部分は、ＳＯＥＣ電池であり得る。更に他の実施形態では、ＳＯＦＣモジュール１１５及びＳＯＥＣモジュール１７５は、複数のスタックを集合的に形成し得、ＳＯＥＣモジュール１７５は、複数のスタックのうちの１つ内に含有される。
様々な実施形態では、ＳＯＥＣモジュール１７５は、負荷吸収及び／又は電力放出を支援することによって、燃料電池システム１００の作動に続くプラント及び／又は負荷のバランスに寄与するように構成され得る。様々な実施形態では、ＳＯＥＣモジュール１７５は、運転停止事象中に燃料電池システム１００の構成要素の保護を促進するように構成され得る。様々な実施形態では、ＳＯＥＣモジュール１７５は、ＳＯＦＣモジュール１１５のアノードを防護するための還元ガス源として機能するように構成され得る。様々な実施形態では、ＳＯＥＣモジュール１７５は、運転停止事象中又は運転停止事象の直後の期間にわたって還元ガスを導入するように構成され得る。
様々な実施形態では、燃料電池システム１００は、１つ以上のコントローラに作動可能に結合され得、一つ以上のコントローラは、ＳＯＦＣモジュール１１５、ＳＯＥＣモジュール１７５、及び／又は燃料電池システム１００内に含まれる他の構成要素の作動を制御するように構成される。したがって、様々な実施形態では、燃料電池システム１００は、ＳＯＦＣモジュール１１５（例えば、投入燃料１３０）及び／又はＳＯＥＣモジュール１７５（例えば、枯渇燃料部分１７０）内に投入された燃料ガスの組成を監視するように構成され得る。様々な実施形態では、燃料電池システム１００は、ＳＯＦＣモジュール１１５（例えば、枯渇燃料１４５）及び／又はＳＯＥＣモジュール１７５（例えば、濃縮リサイクル流１８５）から産出される燃料ガスの組成を監視するように構成され得る。したがって、コントローラは、システム１００内の監視された燃料ガス組成に基づいて、燃料電池システム１００の１つ以上の作動状態を設定及び／又は調整するように構成され得る。様々な実施形態では、燃料電池システム１００は、プロトコルに従って燃料ガス組成を実装するように構成され得、（例えば、コントローラによって）燃料ガス組成が、１つ以上の所定の閾値を満たさないと判定すると、ＳＯＦＣモジュール１１５及び／又はＳＯＥＣモジュール１７５は、作動を協調的又は相補的に調整して、燃料ガス組成を（すなわち、システム１００内の入口及び／又は出口で）条件を満たすレベルに戻すことができる。様々な実施形態では、燃料電池システム１００は、（例えば、コントローラによる）燃料ガスの判定に基づいて、燃料供給１２５によって提供される燃料ガスの量を調整するように構成され得る。
様々な実施形態では、燃料電池システム１００は、ＳＯＦＣモジュール１１５において電気化学的に消費される燃料とおよそ一致するように設定され得る作動状態（すなわち、１００％の燃料利用状態として当該技術分野で既知の状態）において、又はその周辺で作動され得る。したがって、実質的に全ての入口燃料が、ＳＯＦＣモジュール１１５内で電気化学的に消費されるように入口燃料流１２５が制御されるとき、枯渇燃料流１４５の第１の部分１５５における未反応の燃料の量は、主にＳＯＥＣモジュール１７５の作動状態によって判定され得る。純粋な反応物（例えば、純粋なメタン）の場合、かかる制御は、作動電流に比例して入口燃料流量１２５をスケーリングすることを必要とし得る。様々な組成物（例えば、天然ガス）を有する燃料の場合、入口燃料流量１２５の直接的なスケーリングは、最良のＣＯ２捕捉を促進するために、組成測定を伴う入口燃料及び／又は排気の組成を考慮することによってのみ可能であり得る。例示的な組成測定は、ガスクロマトグラフィー又は同様の分析を使用して、入口燃料流１２５又は排気（例えば、枯渇燃料流１４５、排気流１６５）の特性評価を含み得る。追加的又は代替的に、排気流（例えば、枯渇燃料流１４５、排気流１６５）中の酸素濃度の測定は、例えば、１つ以上の酸素センサを使用して行うことができる。したがって、ＳＯＥＣモジュール１７５が化学量論的状態において作動するとき、出口流１９０内の酸素の量は、枯渇燃料流１４５の第１の部分１５５内の過剰な燃料とおよそ一致し得、そのため実質的に完全な反応の場合、アフターバーナ１６０は、残りの未反応の燃料をＨ２Ｏ及び／又はＣＯ２に変換し得る。このため、例えば、燃料供給部１２５によって供給された燃料のＳＯＦＣモジュール１１５出力に対する比を１．０の上下に変化させることによって、アフターバーナ１６０における化学量論は、それぞれ対応して、リーンからリッチに変化し得る。燃料供給２５からの過剰な燃料が常に必要とされる燃料電池システム１０などの従来のシステムとは異なり、燃料電池システム２００内のＳＯＥＣモジュール１７５によって提供される燃料濃縮は、代わりに、ＳＯＦＣモジュール１１５の電気化学的電力生成を支持するために必要なレベル以下で、燃料供給１２５からの入口燃料を伴い、安定した作動を可能にし得る。
様々な実施形態では、燃料電池システムは、内部の空気及び／又は燃料ガスの流量を増加及び／又は調節するための１つ以上の構成要素を含み得る。図３は、従来の燃料電池システム２００の概略表現を示す。燃料電池システム２００は、空気供給２２０及び燃料供給２２５に流体的に結合され、可変負荷２１７を支持するために電力を生成するように構成されたＳＯＦＣモジュール２１５を有するＳＯＦＣシステムであり得る。ＳＯＦＣモジュール２１５によって生成された熱は、廃熱２１９として排出され得る。示されるように、空気供給２２０からの空気は、空気入口マニホールド２２１を介して燃料電池システム２００に入り、空気入口ライン２２７に流体的に結合された１つ以上のブロワ２２４を介してＳＯＦＣモジュール２１５に循環され得る。同様に、燃料供給２２４からの燃料は、燃料ガス入口マニホールド２３５を介して燃料電池システム２００に入り、燃料ガス入口ライン２３０に流体的に結合された１つ以上のブロワ２３７を介してＳＯＦＣモジュール２１５に循環され得る。示されるように、酸素の枯渇空気は、枯渇空気流２４０を介してＳＯＦＣモジュール２１５から離れて流れ得る。同様に、燃料の枯渇燃料ガスは、枯渇燃料ガス流２４５を介してＳＯＦＣモジュール２１５から離れて流れ得る。枯渇燃料ガス流２４５は、燃料出力マニホールド２５０に流体的に結合され得、枯渇燃料ガス流２４５は、第１の枯渇流２５５及び第２の枯渇流２７０に分割され得る。示されるように、第１の枯渇流２５５は、枯渇空気流２４０とともに、アフターバーナ２６０に送られ得、これは枯渇空気流２４０からの酸素で、第１の枯渇流２５５からの残りの燃料を燃焼させるように構成される。様々な実施形態では、アフターバーナ２６０は、複数のガス状副生成物及び水を含有する排気流２６５として燃焼生成物を処理及び産出し得る、１つ以上の処理ユニット２６３に流体的に結合され得る。
図３に示されるように、第２の枯渇燃料流２７０は、枯渇燃料が再びブロア２３７を介して、燃料ガス入口ライン２３０を通ってＳＯＦＣモジュール２１５に循環され得るように、リサイクル流として、燃料出口マニホールド２５０から燃料入口マニホールド２３５に向かって流れ得る。様々な実施形態では、枯渇燃料流２７０は、蒸気（Ｈ２Ｏ）などの生成物に加えて、（より低い濃度で）ＳＯＦＣモジュール２１５に追加の燃料を同時に提供して、別個の給水を必要とせずに蒸気改質を支持し得る。
したがって、燃料供給２２５は、ＳＯＦＣモジュール２１５の作動を促進するために、燃料ガス入口ライン２３０にある量の燃料ガスを供給し続けなければならない。例解されるように、燃料電池システム２００は、空気入口ライン２２７、燃料ガス入口ライン２３０、枯渇空気流２４０、並びにそれぞれ第１の枯渇燃料ガス流２５５及び第２の枯渇燃料ガス流２７０の各々内に配設された、複数の制御可能なバルブ構成要素２６７及び２６８（例えば、電磁弁、ポペットバルブなど）を含み得る。様々な実施形態では、燃料電池システム２００は、空気入口ライン２２７、燃料ガス入口ライン２３０、及び第２の枯渇燃料ガス流２７０に流体的に結合されて、（例えば、運転停止事象中に）内部の圧力の放出を促進し得る、複数の放出流量ライン２６９を含み得る。説明されるように、排気流２６５は、限定されるものではないがＣＯ２、ＮＯｘ、Ｎ２、及びＨ２Ｏを含み得る、複数のガス状副生成物を含有し得る。
様々な実施形態では、ＳＯＦＣモジュール２１５は、単一のＳＯＦＣ電池を含み得る。他の実施形態では、ＳＯＦＣモジュール２１５は、燃料電池スタックを形成するために複数の組み立てられた燃料電池を含み得る。様々な実施形態では、燃料電池システム２００内のＳＯＦＣモジュール２１５及び／又は結合された構成要素は、その作動を促進するために、１つ以上のコントローラに通信可能に結合され得る。
前述のように、主にＣＯ２及びＨ２０からなる統合された最終排気流を有利に生成し、全体的なシステムの効率システムを増加させ、燃料供給から必要とされる燃料の量を低減させるために、燃料電池システムは、枯渇空気及び／又は燃料ガスをリサイクルのために処理し、炭素捕捉を促進するための１つ以上の構成要素を含み得る。図４は、例示的な実施形態による、排気処理モジュール３７５を含む、燃料電池システム３００の概略表現を示す。様々な実施形態では、燃料電池システム２００の要素２１５～２７０は、燃料電池システム３００の対応する要素３１５～３７０と同じか、又は同等である。したがって、燃料電池システム３００は、第２の枯渇燃料ガス流３７０及び燃料ガス入口マニホールド３３５の両方に流体的に結合された、排気処理モジュール３７５を更に含む。
図４に示されるように、排気処理モジュール３７５は、枯渇燃料ガス流３７０から枯渇燃料ガスを受容するように構成され、これは、燃料ガス出口マニホールド３５０（例えば、アノード排気）を介してＳＯＦＣモジュール３１５から排気される。枯渇燃料ガス流３７０から受容された枯渇燃料ガスは、ＳＯＥＣモジュール３９５に投入される。様々な実施形態では、排気処理モジュール３７５は、ＳＯＥＣモジュールであり得る。ＳＯＥＣモジュール３９５は、並列に電気的に接続された複数の分岐を含み得、各分岐は、少なくとも１つの固体酸化物電解電池スタックを含み、各固体酸化物電解電池スタックは、複数の固体酸化物電解電池を含む。様々な実施形態では、ＳＯＥＣモジュール３９５は、アノード、電解質層、及びカソードを含み、電解質層は、電気を生成するための電子を生成する反応を促進するために、アノードとカソードとの間でイオンを伝達する役割を果たす。
様々な実施形態では、ＳＯＥＣモジュール３９５は、ＳＯＦＣモジュール３１５からの廃熱がその作動を支持するためにＳＯＥＣモジュール３９５によって使用され得るように、ＳＯＦＣモジュール３９５に対して配設され得る。ＳＯＥＣモジュール３９５は、枯渇燃料３４５の第２の部分３７０を受容し得、これは、限定されるものではないが、ＣＯ２及びＨ２Ｏなどの様々なガス状副生成物に加えて、ＳＯＦＣモジュール３１５からの未反応のままである燃料を含有するであろう。ＳＯＥＣモジュール３９５は、受容された第２の部分３７０を受けることができ、廃熱によって促進される共電解プロセス（例えば、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２の両方の電解）を経ることができ、ガス状副生成物が、反応して、燃料及び酸素を形成し得る。したがって、ＳＯＥＣモジュール３９５は、燃料濃縮流３８５を産出し得、これは、最終的にＳＯＦＣモジュール３１５を通して再循環され得る。ＳＯＥＣモジュール３９５によって生成された酸素は、出口流３９０においてＳＯＥＣモジュール３９５から除去され得、これは枯渇燃料３４５の第１の部分３５５内に残る未反応の燃料の燃焼を促進するために、アフターバーナ３６０に酸化剤として供給され得る。示されるように、ＳＯＥＣモジュール３９５からの出口流３９０をアフターバーナ３６０の酸化剤として実装することは、アフターバーナからの最終的な排気流３６５がほぼ排他的にＣＯ２及びＨ２Ｏからなるように、第１の部分３５５内の燃料の完全な燃焼を可能にし得る。
図４に示されるように、燃料電池システム３００は、それぞれ第１のマニホールド４００及び第２のマニホールド４０５に流体的に結合されたコンデンサ４１０を含む、水ノックアウトユニット４０３を更に含み得る。示されるように、水ノックアウトユニット４０３は、ＳＯＥＣモジュール３９５から産出される濃縮流３８５を受容するように構成され得る。濃縮流３８５は、第１のマニホールド４００によって受容され得、第１の部分４１３が分割され、コンデンサ４１０に循環されるように流れを分割し、過剰な水は、濃縮流３８５の第１の部分４１３から除去され得る。かかるプロセスは、最終的なリサイクル流の組成を改善するだけでなく、燃料入口ライン３３０内で燃料ガスをＳＯＦＣモジュール３１５に循環させるように構成されたブロワ３３７のための冷却機構としても機能し得る。様々な実施形態では、第１の部分４１３は、濃縮された流れ３８５内の総ガスの２０％未満を含み得る。過剰な水が第１の部分４１３から除去されると、それは、第２のマニホールド４０５に循環されて、燃料ガス入口マニホールド３３５へのリサイクルされた流れ４２０として再循環され得る。濃縮流３８５内に残りのガスを含む濃縮流３８５の第２の部分４１５は、第２のマニホールド４０５に直接循環され、第２の部分４１５中のガスは、リサイクル流４２０を介して燃料ガス入口マニホールド３３５に再循環される際、乾燥した第１の部分４１３と混合され得る。様々な実施形態では、水ノックアウトユニット４０３は、（例えば、ＳＯＥＣモジュール３９５において）減少した入口燃料流量と結合されたリサイクル流４２０の実装から生じる過剰な蒸気の供給を通して、スタック電圧の抑制を防止するために、燃料電池システム３００内に含まれ得る。したがって、ＳＯＥＣモジュール３９５を出る濃縮流３８５の少なくとも一部分から水を除去することは、ＳＯＥＣモジュール３９５スタックの効率の維持を促進し得る。燃料電池システム２００などの従来のシステムと同様に、燃料電池システム３００（例えば、流れ３７０）のリサイクル流は、ガス入口ライン３３０において燃料を増加させ、蒸気改質を支持するために必要な水（例えば、蒸気の形態）を提供しながら、入口燃料（例えば、ガス入口ライン３３０）の改質を支持し得る生成物（主に蒸気、Ｈ２Ｏ）を提供し得る。しかしながら、従来のシステム（例えば、燃料電池システム２００）とは異なり、燃料ガス入口マニホールド３３５における入口燃料は、著しく減少し得、したがって、改質及び炭素堆積に対する防護のために必要とされるのはより少ない蒸気（Ｈ２Ｏ）である。
燃料電池システム３００は、ＳＯＦＣモジュール３１５からの枯渇燃料３４５の第２の部分３７０から濃縮されたリサイクル流３８５を生成するために、ＳＯＥＣモジュール３９５内で燃料を再生するので、燃料電池システム３００は、（例えば、燃料電池システム２００と比較して）燃料電池システム３００を作動させるために必要な正味の燃料供給３２５を低減させ得る。更に、ＳＯＥＣモジュール３７５の作動に起因する効率損失は、入口マニホールド３３５での廃熱の使用及び改善されたガス組成に起因する効率の向上（すなわち、濃縮及び乾燥されたリサイクル流４２０に起因するより高い燃料含有量）に対して補償され得、後者は、（例えば、燃料電池システム２００のそれと比較して）燃料電池システム３００内のより低い相対寄生及び／又はＳＯＦＣモジュール３１５のより高い作動電圧を可能にし得る。
様々な実施形態では、ＳＯＥＣモジュール３９５は、ＳＯＦＣモジュール３１５から別個のモジュールとして構成され得、１つ以上のガス流を介して熱を交換し得る。他の実施形態では、ＳＯＦＣモジュール３１５は、複数のスタックを含み得、各スタックは、複数の電池を含み、スタックの各々内の電池の一部分は、ＳＯＥＣ電池であり得る。更に他の実施形態では、ＳＯＦＣモジュール３１５及びＳＯＥＣモジュール３９５は、複数のスタックを集合的に形成し得、ＳＯＥＣモジュール３９５は、複数のスタックのうちの１つ内に含有される。
図４に示されるように、燃料電池システム３００は、空気入口ライン３２７、燃料ガス入口ライン３３０、枯渇空気流３４０、及びそれぞれの第１の枯渇燃料ガス流３５５及び第２の枯渇燃料ガス流３７０の各々の中に配設された複数の熱交換構成要素４２７及び４２８を含み得る。様々な実施形態では、燃料電池システム３００は、システム３００内の熱管理及び熱防護を促進するために、空気入口ライン３２７、燃料ガス入口ライン３３０、及び第２の枯渇燃料ガス流３７０に熱的に結合され得る複数の熱結合経路４２９を含み得る。
様々な実施形態では、ＳＯＥＣモジュール３９５は、負荷吸収及び／又は電力放出を支援することによって、燃料電池システム３００の作動に続くプラント及び／又は負荷のバランスに寄与するように構成され得る。様々な実施形態では、ＳＯＥＣモジュール３９５は、概して、電解槽システム（ＳＯＥＣモジュール３９５など）は、相対的に大きい電力投入量を安全に吸収して、負荷をオン及びオフに迅速に切り替えることができるため、運転停止事象中に燃料電池システム３００の構成要素の保護を促進するように構成され得る。概して、固体酸化物電解槽（例えば、ＳＯＥＣモジュール３９５など）は、広い電流密度範囲にわたって吸熱的に作動する傾向がある。したがって、かかるシステムの電気化学的効率は、それらの作動ウィンドウの大部分に対して１００％を超過し得、これは、システムの持続的な作動のために外部熱を必要とし得る。その結果として、ＳＯＥＣモジュール（例えば、ＳＯＥＣモジュール３９５）は、典型的には、安定作動中にＳＯＦＣモジュール（例えば、ＳＯＦＣモジュール３１５）から抽出され得る最大熱によって規定される熱制限に達する前に、等価ＳＯＦＣモジュール（例えば、ＳＯＦＣモジュール３１５）と比較してより高い反応速度で作動し得る。したがって、ＳＯＥＣモジュール（例えば、ＳＯＥＣモジュール３９５）が熱的に制限される電解電力定格は、同等のＳＯＦＣモジュール（例えば、ＳＯＦＣモジュール３１５）の電解電力定格と比較して５倍又はそれ以上であり得る。したがって、制御及び安定性の観点から、同等のＳＯＦＣモジュール（例えば、ＳＯＦＣモジュール３１５）よりも、ＳＯＥＣモジュール（例えば、ＳＯＥＣモジュール３９５）の電力レベルを急速に変更することは、概して、容易である。
例えば、ＳＯＥＣモジュール３９５などの電解槽は、放熱的に作動している間に、およそ０．２５Ｗ／ｃｍ２を生成し得るＳＯＦＣモジュール３１５などの標準燃料電池と比較して、熱中性状態の近くで作動している間に、およそ１．３Ｗ／ｃｍ２（すなわち、ＳＯＥＣモジュール３９５内の電池の単位有効面積当たりの電力）又はそれ以上を吸収するように構成され得る。したがって、排気処理モジュール３７５内にＳＯＥＣ３９５を組み込むことは、燃料電池システム３００が、従来のシステム（例えば、燃料電池システム２００）と比較してより速い速度でグリッド安定化に寄与することを可能にし得る。様々な実施形態では、ＳＯＦＣモジュール３１５は、時間平均負荷条件又は要件に従って作動され得、一方、ＳＯＥＣモジュール３９５は、平均条件を上回るか、又は下回る高速変調（例えば、＋／－１０％）を提供し得る。
様々な実施形態では、ＳＯＥＣモジュール３９５は、ＳＯＦＣモジュール３１５のアノードを防護するための還元ガス源として機能するように構成され得る。様々な実施形態では、ＳＯＥＣモジュール３９５は、運転停止事象中に、若しくは運転停止事象の直後に、又はスタートアップ中に、ある期間にわたって還元ガスを導入するように構成され得る。様々な実施形態では、ＳＯＥＣモジュール３９５は、ＳＯＦＣモジュール３１５内の電池電圧を監視することによって、ＳＯＥＣモジュール３９５内の還元ガスの生成を制御するように構成され得、これはＳＯＦＣモジュール３１５が電力を生成していないとき、（例えば、Ｎｅｒｎｓｔ式によって定義されるように）燃料含有量に比例した電圧を生成する。
様々な実施形態では、燃料電池システム３００は、１つ以上のコントローラに作動可能に結合され得、一つ以上のコントローラは、ＳＯＦＣモジュール３１５、ＳＯＥＣモジュール３９５、及び／又は燃料電池システム３００内に含まれる他の構成要素の作動を制御するように構成される。したがって、様々な実施形態では、燃料電池システム３００は、ＳＯＦＣモジュール３１５（例えば、投入燃料ライン３３０内）及び／又はＳＯＥＣモジュール３９５（例えば、枯渇燃料流部分３７０）内に投入された燃料ガスの組成を監視するように構成され得る。様々な実施形態では、燃料電池システム３００は、ＳＯＦＣモジュール３１５（例えば、枯渇燃料ガス流３４５内）及び／又はＳＯＥＣモジュール３９５（例えば、濃縮流３８５及び／又はリサイクル流４２０）から産出される燃料ガスの組成を監視するように構成され得る。したがって、コントローラは、システム３００内の監視された燃料ガス組成に基づいて、燃料電池システム３００の１つ以上の作動状態を設定及び／又は調整するように構成され得る。様々な実施形態では、燃料電池システム３００は、プロトコルに従って燃料ガス組成を実装するように構成され得、（例えば、コントローラによって）燃料ガス組成が、１つ以上の所定の閾値を満たさないと判定すると、ＳＯＦＣモジュール３１５及び／又はＳＯＥＣモジュール３９５は、作動を協調的又は相補的に調整して、燃料ガス組成を（すなわち、システム３００内の入口及び／又は出口で）条件を満たすレベルに戻すことができる。様々な実施形態では、燃料電池システム３００は、（例えば、コントローラによる）燃料ガスの判定に基づいて、燃料供給３２５によって提供される燃料ガスの量を調整するように構成され得る。
様々な実施形態では、燃料電池システム３００は、燃料ガスの量を、過渡事象中にＳＯＦＣモジュール３１５内のスタック上のモジュール及び改質の量に調整するように構成され得る。様々な実施形態では、燃料電池システム３００が、システム応答速度を超過し得る負荷遷移に従うために、燃料電池システム３００は、これらの過渡状態中に一部のＣＯ２を環境に放出し得る。例えば、燃料電池プラントが急速な搬出を受けなければならない場合、従来のシステム（燃料電池システム２００など）は、燃料電池システムがスタックにおいてガス流量を低減させるための時間を有する前に、未改質燃料ガスが部分的に又は完全に搬出されたスタックに流入する可能性があるため、ＳＯＦＣスタック（例えば、ＳＯＦＣモジュール２１５内）を著しい吸熱に曝露し得る。対照的に、燃料電池システム３００は、ＳＯＥＣモジュール３９５において需要を迅速に増加させて、ＳＯＦＣモジュール３１５を搬出することなく、正味プラント搬出プロセスを開始するように構成され得る。したがって、燃料電池システム３００のプロセス制御が、（例えば、供給３２５から）燃料ガスの供給を低減させるように（例えば、コントローラを介して）調整する際、ＳＯＥＣ３９５は、リサイクル流４２０に水素を追加し続ける間、ＳＯＦＣモジュール３１５搬出プロファイルに従い得る。かかる水素のリサイクル流４２０への追加は、燃料電池システム３００に対する電力需要が急速に増加した場合に、燃料濃縮環境を維持することに加えて、より長い搬出事象の場合に、ＳＯＦＣモジュール３１５を低減させ続けることを支援し得る。様々な実施形態では、電力需要が急速に増加する場合、ＳＯＥＣモジュール３９５の電力は、低減させることができ、同時に、燃料電池システム３００の正味電力出力を増加させ、ＳＯＦＣモジュール３１５の負荷速度を低減させる。
従来の燃料電池システム２００に対するＣＯ２捕捉可能な燃料電池システム３００の計算モデリングデータは、作動の実行可能性を示し、排気処理モジュール３７５内のＳＯＥＣモジュール３９５及び水ノックアウトユニット３０３の実装に起因する性能の改善を示した。要約として、以下の表１は、従来の燃料電池システム２００と比較した燃料電池システム３００の相対的な性能パラメータを例解する。
表１から理解されるように、ＳＯＥＣモジュール３９５とＳＯＦＣモジュールとの組み込みは、排気流３６５中の排気ＣＯ２濃度を、５乾燥％をわずかに超えるところから１００乾燥％に任意に近いところまで増加させながら、効率の正味の増加を可能にする。
更に、ＳＯＦＣモジュール３１５による生成とＳＯＥＣモジュール３９５による消費の両方を含む燃料電池システム３００の所与の正味力出力について、燃料電池システム３００は、（すなわち、ベースライン量より１６％高いなど、ＳＯＦＣモジュール３１５によるより高い寄与を促進するために）より大きいＳＯＦＣモジュール１５を必要とし得る。様々な実施形態では、ＳＯＥＣモジュール３９５は、従来の燃料電池システム（例えば、燃料電池システム２００）と比較してより高い電流で稼働するように構成され得、これは、炭素捕捉機能を提供するために燃料電池システム３００に含まれなければならない電池における正味の増加（又は総電池有効面積）（例えば、全体的に２０～２５％の増加）を低減させ得る。様々な実施形態では、システム３００の燃料供給は、ＳＯＥＣモジュール３９５によるＳＯＦＣモジュール３１５の寄与が１４％大きく、電池が２０～２５％増加しているにもかかわらず、従来のシステム（例えば、燃料電池システム２００）と比較しておよそ３～５％大きくなり得る。
更に、炭素捕捉を可能にするための競合するアプローチの存在にもかかわらず、燃料電池システム３００などの燃料電池システムは、比較において優れた作動特性を提供する。要約として、以下の表２は、従来のベースラインシステム（例えば、燃料電池システム２００）及びＣＯ２分離に方向付けられた代替的な競合システムと比較した、燃料電池システム３００の作動パラメータを例解する。
表２から理解されるように、データは、計算モデリング法（すなわち、ＨＹＳＹＳ化学プロセスシミュレーション）を使用して収集され、単一電池試験によって支持され、ＳＯＥＣモジュール３９５とＳＯＦＣモジュール３１５とを組み込むことは、ＳＯＦＣモジュール３１５によってより高い総電力出力を必要とし、より高いシステム燃料利用及びＳＯＦＣスタック（ＳＯＦＣモジュール３１５内）燃料利用を有する。更に、燃料電池システム３００は、より高い効率で作動し、微量の不純物のみの状態のより高い純度を有するＣＯ２産出（すなわち、排気流３６５内で）を同程度に生成することができる。更に、酸素燃焼に基づく最先端の競合システムと比較して、燃料電池システム３００は、追加の処理なしで下流使用用途のために容易に再方向付けされ得る、ほぼ純粋なＣＯ２産出排気を生成しながら、適度な電池数の増加（例えば、＋２０％）、及び他のプロセス機器（例えば、空気ブロワ、燃料ブロワ）の適度な増加を必要とする。競合する最先端の酸素燃焼ベースのシステムは、全体的な効率を低下させ、純度の低い排気ＣＯ２を提供し、商業的適用性を制限する一方で、より高い資本コストを有し、作動の柔軟性の低減を提供する。更に、競合するアミン吸収ＣＯ２捕捉技術は、相対的によく理解され得るが、これらの技術は、高い資本及び作動コストの課題を提示する。例えば、ＵＳ ＤＯＥは、燃焼後の二酸化炭素捕捉が、電気コストを８０％上昇させ、２０％～３０％の効率ペナルティを課すことを示唆する。米国エネルギー省のウェブサイト、ページタイトル「Ｐｏｓｔ－Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｃａｒｂｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ」のページを参照されたい、最終アクセスは２０２０年１１月３０日で、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｅｎｅｒｇｙ．ｇｏｖ－／ｆｅ／ｓｃｉｅｎｃｅ－ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ／ｃａｒｂｏｎ－ｃａｐｔｕｒｅ－ａｎｄ－ｓｔｏｒａｇｅ－ｒｅｓｅａｒｃｈ／ｃａｒｂｏｎ－ｃａｐｔｕｒｅ－ｒｄ／ｐｏｓｔ－ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ－ｃａｒｂｏｎから入手可能である。競合するどの炭素捕捉アプローチも、燃料電池システム３００のような、高効率、相対的に低い資本コスト、及び高いＣＯ２純度の組み合わせを提供しない。
図１～４において上で説明した実施形態にもかかわらず、これらの実施形態に対する様々な修正及び包含物が、本開示の範囲内で企図され、考慮される。
代表的な実施形態に示されるようなシステム及び方法の要素の構成及び配置が、単に例示であることも理解されたい。本開示のいくつかの実施形態のみが詳細に説明されているが、本開示を検討する当業者は、開示される主題の新規の教示及び利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状及び比率の変更、パラメータの値、取り付け配置、使用する材料、色、配向など）が可能であることを容易に理解するであろう。
したがって、かかる修正は全て、本開示の範囲内に含まれることが意図される。任意の手段プラス機能項は、列挙された機能を実施するとして本明細書において説明される構造、及び構造的等価物だけでなく、同等の構造もまた対象にすることが意図される。他の置換、修正、変更、及び省略は、本開示の範囲又は添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、好ましい実施形態及び他の例示的な実施形態の設計、作動状態、及び配置において行われ得る。
更に、上で説明された機能及び手順は、特定の機能及び手順を実施するように設計された特殊な機器によって実施され得る。機能はまた、機能及び手順に関連するコマンドを実行する汎用機器によって実施され得るか、又は各機能及び手順は、１つの機器が制御として機能するか若しくは別個の制御デバイスを有する、異なる１つの機器によって実施され得る。
本明細書で説明される主題は、異なる他の構成要素内に含有されるか、又は異なる他の構成要素に接続された異なる構成要素を例解することがある。かかる描写されたアーキテクチャは、単なる例示であり、実際には、同じ機能を達成する他の多くのアーキテクチャを実装することができることを理解されたい。概念的な意味で、同じ機能を達成するための構成要素の任意の配置は、所望の機能が達成されるように効果的に「関連付けられる」。したがって、特定の機能を達成するために本明細書において組み合わされた任意の２つの構成要素は、アーキテクチャ又は中間構成要素に関係なく、所望の機能が達成されるように、互いに「関連付けられている」と見ることができる。同様に、そのように関連付けられた任意の２つの構成要素はまた、所望の機能を達成するために互いに「作動可能に接続された」又は「作動可能に結合された」と見なすことができ、そのように関連付けられることが可能な任意の２つの構成要素もまた、所望の機能を達成するために互いに「作動可能に結合可能である」と見なすことができる。作動可能に結合可能な特定の例としては、限定されるものではないが、物理的に接合可能及び／若しくは物理的に相互作用する構成要素、並びに／又は無線で相互作用可能及び／若しくは無線で相互作用する構成要素、並びに／又は論理的に相互作用し、及び／若しくは論理的に相互作用可能な構成要素が挙げられる。
本明細書における実質的に任意の複数及び／又は単数の用語の使用に関して、当業者は、文脈及び／又は用途に適切であるように、複数から単数へ、かつ／又は単数から複数へ変換することができる。様々な単数／複数の置換は、明確にするために本明細書において明示的に記載され得る。
概して、本明細書において使用される用語、特に、添付の特許請求の範囲において使用される用語（例えば、添付の特許請求の範囲の本文）は、概して、「開いた」用語として意図されることが当業者によって理解されるであろう（例えば、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、「を含んでいるが、これに限定されない」と解釈されるべきであり、「有する」という用語は、「少なくとも有する」と解釈されるべきであり、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」という用語は、「含むが、これに限定されない」と解釈されるべきであるなど。）。特定の数の導入された特許請求の範囲の列挙が意図されている場合、かかる意図は、特許請求の範囲に明示的に列挙され、かかる列挙がない場合、かかる意図は存在しないことが当業者によって更に理解されよう。例えば、理解の支援として、以下の添付の特許請求の範囲は、特許請求の範囲の記載を導入するための導入語句「少なくとも１つ」及び「１つ以上」の使用を含み得る。しかしながら、かかる語句の使用は、同じ特許請求の範囲が導入語句「１つ以上」又は「少なくとも１つ」、及び「ａ」又は「ａｎ」などの不定冠詞を含むときでさえ（例えば、「ａ」及び／又は「ａｎ」は、典型的には、「少なくとも１つ」又は「１つ以上」を意味すると解釈されるべきである）、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」による特許請求の範囲の記載の導入が、かかる導入された特許請求の範囲の列挙を含む任意の特定の特許請求の範囲を、１つのかかる列挙のみを含む発明に限定することを意図していると解釈されるべきではなく、同じことは、特許請求の範囲の列挙を導入するために使用される定冠詞の使用についても当てはまる。加えて、導入された特許請求の範囲の列挙の特定の数が、明示的に列挙されている場合でも、かかる列挙が、典型的には、少なくとも列挙された数を意味すると解釈されるべきであるということを当業者は認識するであろう（例えば、他の修飾語を含まない「２つの列挙」の無冠詞の列挙は、典型的には、少なくとも２つの列挙、又は２つ以上の列挙を意味する）。同様に、特に指定されない限り、「に基づく」という語句は、限定的な様式で解釈されるべきではなく、それゆえ、「少なくとも一部に基づく」として理解されるべきである。更に、「Ａ、Ｂ、及びＣ等のうちの少なくとも１つ」に類似する表現法が使用される場合、概して、かかる構成は、当業者が表現法を理解するであろうという意味で意図される（例えば、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」は、限定されるものではないが、Ａ単独、Ｂ単独、Ｃ単独、Ａ及びＢをともに、Ａ及びＣをともに、Ｂ及びＣをともに、並びに／又はＡ、Ｂ、及びＣをともに有する等のシステムを含むであろう）。「Ａ、Ｂ、又はＣ等のうちの少なくとも１つ」に類似する表現法が使用される場合、概して、かかる構成は、当業者が表現法を理解するであろうという意味で意図される（例えば、「Ａ、Ｂ、又はＣのうちの少なくとも１つを有するシステム」は、限定されるものではないが、Ａ単独、Ｂ単独、Ｃ単独、Ａ及びＢをともに、Ａ及びＣをともに、Ｂ及びＣをともに、並びに／又はＡ、Ｂ、及びＣをともに有する等のシステムを含むであろう）。説明、特許請求の範囲、又は図面のいずれにおいても、２つ以上の代替用語を提示する実質的に任意の分離的な単語及び／又は語句は、用語のうちの１つ、いずれかの用語、又は両方の用語を含む可能性を考慮するように理解されるべきであるということが、当業者によって更に理解されるであろう。例えば、「Ａ又はＢ」という語句は、「Ａ」若しくは「Ｂ」又は「Ａ及びＢ」の可能性を含むと理解されるであろう。更に、特に記載のない限り、「およそ」、「約」、「周り」、「実質的に」等の単語の使用は、プラス又はマイナス十パーセントを意味する。その上、図は、方法作動の特定の順序を示すが、作動の順序は、描写されるものとは異なる場合がある。また、２つ以上の作動は、同時に又は部分的に同時に実施され得る。かかる変更は、選択されたソフトウェア及びハードウェアシステム、及びデザイナーの選択に依存するであろう。かかる全ての変更は、本開示の範囲内である。同様に、ソフトウェア実装は、様々な接続作動、処理作動、比較作動、及び決定作動を達成するために、ルールベースのロジック及び他のロジックを有する標準的なプログラミング技術で達成することができる。

Claims (20)

  1. 燃料電池システムであって、
    入口及び出口を有する燃料電池モジュールであって、前記燃料電池モジュールが、前記入口でガス状燃料を含む燃料流を受容し、前記出口から枯渇燃料流を排出するように構成されている、燃料電池モジュールと、
    前記燃料電池モジュールと流体連通する排気処理モジュールと、を備え、
    前記排気処理モジュールが、前記燃料電池モジュールからの廃熱が、前記排気処理モジュールによって使用可能であるように、前記燃料電池モジュールに対して配設され、
    前記燃料電池システムが、前記枯渇燃料流の第１の部分を前記排気処理モジュールに方向付けるように構成されており、前記枯渇燃料流が、枯渇燃料並びに酸素及び二酸化炭素を含む少なくとも１つのガス状副生成物を含み、
    前記排気処理モジュールが、前記枯渇燃料流の前記第１の部分を、前記燃料電池モジュールからの前記廃熱を使用して共電解させて、燃料濃縮流を生成するように構成されており、
    前記燃料電池システムが、前記燃料濃縮流を前記燃料電池モジュールの前記入口に方向付けるように構成されている、燃料電池システム。
  2. コントローラを更に備え、前記コントローラが、前記枯渇燃料流の組成に基づいて、前記燃料電池モジュール又は前記排気処理モジュールのうちの少なくとも１つを作動させるように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池モジュールが、少なくとも１つの固体酸化物燃料電池を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記排気処理モジュールが、少なくとも１つの固体酸化物電解スタックを備える、請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記排気処理モジュールが、前記燃料電池モジュール内に収容されている、請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池モジュールが、複数の燃料電池スタックを備え、前記複数の燃料電池スタックの第１のサブセットが、固体酸化物燃料電池であり、前記複数の燃料電池スタックの第２のサブセットが、固体酸化物電解スタックである、請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記排気処理モジュールが、前記燃料電池モジュールとは別個である、請求項４に記載の燃料電池システム。
  8. 前記排気処理モジュールが、並列に電気的に接続された複数の分岐を備え、前記複数の分岐の各々が、少なくとも１つの固体酸化物電解スタックを備え、各固体酸化物電解スタックが、複数の固体酸化物電解電池を備える、請求項４に記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃料電池モジュールと流体連通し、かつ前記出口の下流に配設されたアフターバーナを更に備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  10. 前記アフターバーナが、前記枯渇燃料流の第２の部分を受容し、前記第２の部分内で未反応の燃料を反応させることによって第１の排気流を生成するように構成されている、請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記排気処理モジュールが、出口流において前記第１の部分の共電解中に生成された酸素を排出するように構成されている、請求項１０に記載の燃料電池システム。
  12. 前記燃料電池システムが、前記出口流を前記アフターバーナに方向付けるように構成されており、前記第１の出口流からの酸素が、前記第１の部分内に含まれている未反応の燃料の燃焼を促進する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記アフターバーナが、二酸化炭素からなる第２の排気流を排出するように構成されている、請求項１２に記載の燃料電池システム。
  14. 前記排気処理モジュールが、前記燃料電池モジュールに還元ガスを提供するように構成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
  15. 前記排気処理モジュールが、前記燃料電池システムの運転停止事象中に前記還元ガスを提供するように構成されている、請求項１４に記載の燃料電池システム。
  16. 燃料電池システムを作動させる方法であって、
    燃料電池モジュールによって、枯渇燃料流を出口から排出することであって、前記燃料電池モジュールが、入口でガス状燃料を受容するように構成されている、排出することと、
    排気処理モジュールによって、前記枯渇燃料流の第１の部分を受容することであって、前記第１の部分が、枯渇燃料、並びに二酸化炭素及び酸素を含む少なくとも１つのガス状副生成物を含む、受容することと、
    前記排気処理モジュールによって、前記燃料電池モジュールからの前記を使用して前記第１の部分を共電解させることによって、前記枯渇燃料流の前記第１の部分から燃料濃縮流を生成することと、
    前記燃料電池システムによって、前記排気処理モジュールによって生成された前記燃料濃縮流を前記燃料電池モジュールに方向付けることと、を含む、方法。
  17. 前記燃料電池モジュールと流体連通するアフターバーナによって、前記枯渇燃料流の第２の部分を受容することと、
    前記アフターバーナによって、前記第２の部分内で未反応の燃料を反応させることによって、第１の排気流を生成することと、を更に含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記排気処理モジュールと流体連通する水ノックアウトユニットによって、前記燃料濃縮流の少なくとも一部分から水を除去することを更に含む、請求項１６に記載の方法。
  19. 前記燃料電池システムと通信するコントローラによって、前記枯渇燃料流の組成に基づいて、前記燃料電池モジュール又は前記排気処理モジュールのうちの少なくとも１つを作動させることを更に含む、請求項１６に記載の方法。
  20. 前記コントローラが、前記燃料電池システム内のガス状燃料の組成に基づいて、前記燃料電池システムの少なくとも１つの作動状態を調整するように構成される、請求項１９に記載の方法。
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