JP6212198B2 - 溶融炭酸塩形燃料電池を使用する集積化された発電 - Google Patents

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Description

様々な態様において、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池の使用と集積化（又は統合化）される電力生産プロセス（方法、工程又は過程）に関する。
溶融炭酸塩形燃料電池は、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、水素を含んでなる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溶融炭酸塩形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。
従来、溶融炭酸塩形燃料電池は、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、または別の発電システムとの組み合わせ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％〜７５％に維持される。
特許文献１には、アノードインレット流において実質的な水素含有量を有する燃料電池システムの作動のためのシステムおよび方法が記載される。刊行物特許文献１における技術は、燃料がアノード出口に接近する時に、酸化反応のために十分な燃料が残存するように、アノードインレットで十分な燃料を提供することに関連する。適切な燃料を確保するために、刊行物特許文献１は、高濃度のＨ２を有する燃料を提供する。酸化反応で利用されないＨ２は、次の通過のためにアノードにリサイクルされる。単回通過をベースとして、Ｈ２利用は、１０％〜３０％の範囲であってよい。参考文献特許文献１は、アノード内での有意な改質を記載しておらず、その代わりに、主として外部改質に依存する。
特許文献２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んでなる。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２で与えられる作動範囲は、固体酸化物形燃料電池をベースとしていると思われる。溶融炭酸塩形燃料電池は、代替物として記載される。
特許文献３には、水素および電力の共生産のためのシステムおよび方法が記載される。燃料電池は、炭化水素型燃料を酸素に変換するための一般的な種類の化学変換装置として記載される。この燃料電池システムは、外部改質装置および高温燃料電池も含む。約７０％のシステム共生産効率をもたらす、約４５％の電気効率および約２５％の化学生成率を有する燃料電池システムの実施形態が記載される。刊行物特許文献３は、システムからの単離における燃料電池の電気効率を記載しているとは思われない。
特許文献４には、石炭ガスを燃料電池のアノードのための燃料供給源として使用することができるように、ガス化装置に燃料電池を集積化するためのシステムが記載される。燃料電池によって発生した水素は、石炭ガス（または他の石炭）インプットからメタンを発生させるために使用されるガス化装置のためのインプットとして使用される。ガス化装置からのメタンは、次いで、燃料電池へのインプット燃料の少なくとも一部分として使用される。したがって、燃料電池によって発生した水素の少なくとも一部分は、ガス化装置で発生するメタンの形態で、燃料電池アノードインレットに間接的にリサイクルされる。
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙの論文（非特許文献１）には、燃焼発電機を溶融炭酸塩形燃料電池と組み合わせる発電システムが記載される。燃料電池および作動パラメーターの様々な組み合わせが記載されている。燃焼発電機からの燃焼アウトプットは、燃料電池のカソードのためのインプットとして部分的に使用される。論文非特許文献１のシミュレーションの１つの目標は、ＣＯ２を発電機の排出物から分離するためにＭＣＦＣを使用することである。論文非特許文献１で記載されるシミュレーションは、６６０℃の最大アウトレット温度を確立し、そしてインレット温度は、燃料電池全体での温度増加を抑制するために十分に冷却されなければならないことを示す。ＭＣＦＣ燃料電池のための電気効率（すなわち、発生した電気／燃料インプット）は、ベースモデルの場合、５０％である。ＣＯ２分離のために最適化された試験モデルの場合の電気効率も５０％である。
非特許文献２の論文には、ＣＯ２分離のために燃料電池を使用する発電システムの性能をモデル化する方法が記載される。アノードインレットへのアノード排出物およびカソードインレットへのカソード排出物の再流通は、燃料電池の性能を改善するために使用される。モデルパラメーターは、５０．３％のＭＣＦＣ電気効率を記載する。
米国特許出願公開第２０１１／０１１１３１５号明細書 米国特許出願公開第２００５／０１２３８１０号明細書 米国特許出願公開第２００３／０００８１８３号明細書 米国特許第５，０８４，３６２号明細書
Ｇ．Ｍａｎｚｏｌｉｎｉ ｅｔ． ａｌ．，Ｊ．Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｃｉ．ａｎｄ Ｔｅｃｈ．，Ｖｏｌ．９，Ｆｅｂ ２０１２ Ｄｅｓｉｄｅｒｉ ｅｔ． ａｌ．（Ｉｎｔｌ．Ｊ．ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｖｏｌ．３７，２０１２）
一態様において、電気を発生させる方法が提供される。この方法は、改質可能燃料を含んでなる燃料流を、溶融炭酸塩形燃料電池のアノード、アノードと関連する内部改質要素、またはそれらの組み合わせに導入するステップと；ＣＯ２およびＯ２を含んでなるカソードインレット流（又は入口流）を、燃料電池のカソードに導入するステップと；約６０％以下の燃料利用で作動（操作又は操業）された溶融炭酸塩形燃料電池内で電気を発生させるステップと；Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２を含んでなるアノード排出物を発生させるステップと；アノード排出物の少なくとも一部分から、少なくとも約８０体積％のＨ２を含んでなるガス流を分離するステップと；分離されたガス流の少なくとも一部分を燃焼させて、電気を発生させるステップとを含む。
本出願は、本出願と同日に出願された、以下の代理人整理番号および名称によって識別される２１件の他の同時係属ＰＣＴ出願と関連する：「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ１０４−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ１０７−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ１０８−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ１０９−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ２７２−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ａｔ ａ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」という名称の２０１３ＥＭ２７３−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ２７４−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ２７７−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ２７８−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ２７９−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ２８５−ＷＯ；「Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ＮＯｘ ｉｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ」という名称の２０１４ＥＭ０４７−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｉｎ Ｆｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃｈ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ」という名称の２０１４ＥＭ０４９−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｉｎ Ｆｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃｈ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ」という名称の２０１４ＥＭ０５０−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｉｎ Ｆｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃｈ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ」という名称の２０１４ＥＭ０５１−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｉｎ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ」という名称の２０１４ＥＭ０５２−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｉｎ Ｒｅｆｉｎｅｒｙ Ｓｅｔｔｉｎｇ」という名称の２０１４ＥＭ０５３−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｆｏｒ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ」という名称の２０１４ＥＭ０５４−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｗｉｔｈ Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ」という名称の２０１４ＥＭ０５５−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｉｎ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」という名称の２０１４ＥＭ０５６−ＷＯ；および「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｉｎ Ｃｅｍｅｎｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」という名称の２０１４ＥＭ０５７−ＷＯ。これらの同時係属ＰＣＴ出願のそれぞれは、参照によって本明細書に全体として組み込まれる。
溶融炭酸塩形燃料電池、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。 溶融炭酸塩形燃料電池、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。 溶融炭酸塩形燃料電池の作動の実施例を概略的に示す。 炭素をベースとする燃料の燃焼をベースとして電気を発生させるための複合サイクルシステムの実施例を概略的に示す。 炭素をベースとする燃料の燃焼をベースとして電気を発生させるための複合サイクルシステムの実施例を概略的に示す。 電気を発生させるための構成の実施例を概略的に示す。 電気を発生させるためのシステムのシミュレーションの結果を示す。
概要
様々な態様において、溶融炭酸塩形燃料電池の作動は、限定されないが、さらなる電力を発生させるために使用することができる化学的アウトプットを提供することを含む様々な化学および／または材料製造プロセスと集積化することができる。例えば、アノード排出物の少なくとも一部分は、水素の燃焼によって駆動されるタービンの燃料として使用することができる。水素タービンに水素を提供するためにＭＣＦＣを使用することによって、向上した動力発生が可能となり、一方、任意であるが、有利には、発生しおよび／または環境に排出される温室効果ガスの量を低下させるか、または最小化することも可能となる。
水素タービンとの集積化
いくつかの態様において、低炭素動力を発生させることの目的は、高いＣＯ２捕捉効率を維持しながら、かつ／または効率的に既存のシステムを利用しながら、全電力アウトプットを増加させるか、または最大にすることであり得る。従来のシステムにおいて、ガスタービンが、カソードに熱およびＣＯ２を提供するカソードインレットの成分として役割を果たすＣＯ２を含んでなる排出物流を生成するように、ガスタービンをＭＣＦＣシステムに接続することができる。この構成に関して、文献で既知であるように、ＣＯ２は従来の手段によって捕捉することができ、そしてＭＣＦＣシステムは、通常の作動条件でＭＣＦＣ内の熱バランスを維持するために、比較的高い燃料利用（典型的に約７０％〜約８０％、または約７５％より高い）で作動させることができる。
ＭＣＦＣの効率的な利用は、過剰量の燃料、例えば、メタンを処理するため、かつ排出物としての過剰量の合成ガスを生成するための燃料利用を低下させることによって改善することができる。この排出物／流出物は、様々な化学的および工業的目的のために有用であることができる合成ガス流を与えるために、様々な分離を受けることができる。しかしながら、合成ガスが供給源量として有用ではない場合、および／または発電が主な目標であることができる場合、合成ガス流の生成は追加的な低炭素動力を提供し得ない。
様々な態様において、任意であるが、好ましくは、一貫した高炭素捕捉を提供しながら、固定されたＭＣＦＣシステムからの電力の増加した、または最大化された量を発生させるためのシステムおよび方法が提供される。いくつかの態様において、そのようなシステムは、ＭＣＦＣカソードのためのＣＯ２供給源として従来のガスタービンの使用、合成ガスの大量生成のための低い燃料利用、ならびにＭＣＦＣアノード排出物から誘導される水素の増加する生成を可能にすることができる分離および／または変換システムの組み合わせを組み合わせることによって提供することができる。次いで、アノード排出物から誘導されるこの水素流は、第２の水素タービンに導入することができ、そこで、追加的な動力は、ＣＯ２の低下または最小化された排出とともに発生させることができる。第２のタービンは、アノード排出物から誘導される水素含有流によって駆動されることができるため、第２のタービンに動力を供給するために発生させた追加的なＣＯ２の量は、例えば、水素含有流における酸化炭素および炭素燃料残留成分に限定されることができる。追加的に、または代わりとして、アノード排出物からの水素は、他の方法において、例えば、電気を発生させるために次いで使用することができる蒸気を発生させるために水素を燃焼させることによって、電気を発生させるために使用されることができる。さらに追加的に、または代わりとして、アノード排出物から誘導される水素の一部分は、第１の（従来の）タービンのためのインプットとして使用することができる。これは例えば、第１のタービンのための炭素含有燃料が不活性物質、例えば、ＣＯ２および／またはＮ２の高い含有量を有する場合に有利となることができる。
精製装置内での使用に加えて、水素は燃焼時に水蒸気のみを生成するため、より一般に、広範囲の種々の生成物およびプロセスに有用であることができる。しかしながら、水素を生成するほとんどの従来のアプローチは、炭素の多量の排出を必要とすることができる。例えば、メタンの蒸気改質からの水素の発生は、ＣＯ２（メタン中の炭素から）および廃熱を発生させることができる。電気分解からの水素の生成は、化石燃料の混合物の燃焼をベースとする配電網に関して典型的に発生する電気を必要とすることができる。これらの製造システムは全て、典型的に、ＣＯ２を含んでなる流出物排出物をもたらすことができる。燃料電池自動車などの用途は、高純度水素を利用する低温燃料電池を必要とすることができる。この車両はそれほど多くの炭素排出を生成しないが、車両のための水素の生成は能率が悪くなることができ、より小さい規模に容易に適応されず、有意な炭素排出を生成することができる。
いくつかの追加的または他の態様において、本明細書のシステムおよび方法は、分離および水素精製ステップの必要不可欠な部分として、プロセスから効率的にＣＯ２の分離を促進することができる。次いで、ＣＯ２は、他の有用なプロセスのために捕捉および／または使用することができる。これは、正味の水素生成／送出を実施する従来の手段と比較して、特に小規模で、かつ可変性の負荷の下、高い全システム効率で生じることができる。
電力および／または熱を発生させ得るその後のプロセスに用いられる水素生成のためのＭＣＦＣシステムの使用は、高い効率で、かつ低下または最小化された炭素排出を伴って、低排出エネルギーの発生を可能にすることができる。ＭＣＦＣシステムは、化学エネルギー生成と電気エネルギー生成との比率を調節することによって、水素に関する可変的な要求に動的に応えることができ、過剰量の水素が少ないか、もしくは過剰量の水素がない高い電気生成から、高い水素生成まで変化する、負荷および需要が一定ではあり得ない使用のために適切であることができる。追加的に、集積化されたシステムは、メタン蒸気改質などのより大規模なシステムと比較して、高い効率で、広範囲にわたる用途において規模を設定することができる。これによって、例えば、他の使用、例えば、燃料電池自動車システムのため、および可変性の電力のため、あるいは単に電力アウトプットを変化させるための水素の共生産が可能となる。
例えば、いくつかの作動構成において、異なる電気および水素生成値が得られるようにＭＣＦＣシステムを可変的な燃料利用で動作しながら、ベースガスタービン（例えば、炭素含有燃料の燃焼によって駆動されるタービン）は一定の高効率条件で動作されることができ、それによって、全システムからの電気アウトプットを制御することができる。全体的な高いシステム効率を維持しながら、水素および電気の量は、全体的な需要次第で変更することができる。煮沸器および／または他の組み合わせられた熱および動力システムへの送出のための水素は、加熱器／煮沸器および／または同様のシステムにおけるその後の燃焼による水素の生成によって、炭素を含まない可変性の量の熱とともに、電気の一定の発生、例えば、独立型発生を可能にする。例えば、設置によって、夏季は、空調システムのための電気を主として発生させることができ、一方、冬季は、主として暖房作動のための化学エネルギーの混合に切り替えることができるであろう。高い電気需要の間、増加された水素は、最大化された電気発生のために水素タービンに送られることができる。他の用途には、電気エネルギーの必要性とともに、ある程度の水素が必要とされることができる実験室、ならびに他の技術的および製造施設などにおいて、その場で水素を提供するように設計されたシステムが含まれることができる。
水素生成および電力発生が関与する態様において、アノードインレットは、新しいメタン、別の適切な炭化水素燃料、ならびに／あるいは新しい燃料と、様々なプロセスからリサイクルされたＣＯおよび／またはＨ２との組み合わせによって供給することができる。Ｈ２および／またはＣＯを含んでなるアノードアウトレット流（又は出口流）は、水素を生成する成分を提供することができる。これは、反応、分離および精製ステップのいくつかの組み合わせを通して、典型的に実行される。一例は、反応Ｈ２Ｏ＋ＣＯ＝Ｈ２＋ＣＯ２によって可能な限り多く（ほぼ全て）のＣＯをＨ２へシフトするための水性ガスシフトを利用する第１の段階、それに続く、Ｈ２からＨ２Ｏおよび／またはＣＯ２を除去して、適切な純度の生成物を提供することができる、第２の（潜在的にその後の）段階であることができる。そのような段階は、個々に、または組み合わせで、ＰＳＡ、低温分離、膜、および／または他の既知の分離方法を含むことができる。これらのステップからのオフガスは、リサイクルすることができ、および／またはインレット流のための熱を提供するために使用することができる。分離されたＣＯ２は、リサイクル流として使用することができ、および／または他のプロセスのために捕捉および使用することができる。カソードインレットは、全体的なプロセスからリサイクルされたＣＯ２、および／またはインレット流に熱を提供するために使用される新しい（またはリサイクルされる）燃料の燃焼によって生成されたＣＯ２から構成されることができる。いくつかの好ましい態様において、カソードインレットは、第１の従来の燃焼タービンからの燃焼排出物の少なくとも一部分を含むことができる。カソード流出物は、典型的に、任意であるが好ましくは、例えば、他のプロセス流のための熱を提供するため、および／または組み合わせられた循環電気発生において熱回収の後、雰囲気に排出されることができるが、所望であれば、カソード流出物は、さらなる処理のために、任意であるが、好ましくはないが、送達されることができるであろう。
炭素を含まない熱および動力用途に集積化されたＭＣＦＣシステムを、低い水素生成による高い燃料利用（例えば、約６０〜約７０％）から、増加した水素生成による低い燃料利用（例えば、約２０〜約６０％）を含んでなる作動条件の範囲において使用することができる。低い燃料利用の例には、少なくとも約２０％、例えば、少なくとも約３０％、および／または約６０％以下、例えば、約５０％以下を含むことができる。個々の用途の正確な作動範囲は、用途によって、および時間とともに広範囲に変更することができる。この動作範囲に適応させる能力は、望ましい利点であることができる。分離段階の数および達成された純度は、最終的な用途次第であることができる。低排出熱のための水素の単純な生成は、水素中の適度の不純物に耐性であることができ、排出された流れにおける数パーセントのＣＯ２および／またはＣＯさえも非常に低い全炭素排出をもたらすことができる。燃料電池自動車および／または実験室用水素などの高精製用途は、純度スペックを達成するために、複数のステップ（例えば、ＰＳＡがその後に続く低温分離）を必要とし得る。
他の構成において、熱および／または動力を提供するために過剰量のアノードアウトレット燃料を使用して、燃料利用下でＭＣＦＣを作動させることができる。両方の場合において、固定されたガスタービンおよびＭＣＦＣシステムの「ベース負荷」動力アウトプットは、ほぼ一定のままであることができるが、全体的なプロセス、水素タービンの小さいサブセクションは、可変的負荷のために使用することができるということが利点であることができる。可変的燃料利用および可変的水素タービン供給の組み合わせによって、明確に一貫した作動条件でプラントの主要サブシステムを作動しながら、全体的なプラントが、熱、電気および／または水素需要の多種多様な必要に対処することを可能にすることができる。
図６は、都合のよい炭素含有燃料、例えば、天然ガスおよび／またはメタンから低ＣＯ２排出動力を発生させることができる集積化された発電ＭＣＦＣプロセスの実施例のフローシートを示す。このスキームにおいて、天然ガス燃焼タービン６４０は、酸化剤（空気）６０１およびメタン／天然ガス６０２を燃焼させることができ、動力および排出物ガス流６０３を発生させる。排出物６０３は、ＭＣＦＣ６３０のカソードに供給されることができる。ＭＣＦＣ６３０のアノードには、追加的燃料（メタン／天然ガス）６０５および蒸気６０６を供給することができる。電気化学的反応を通して、ＭＣＦＣ６３０は動力を発生させることができ、ＣＯ２欠乏カソード排出物６０４を生成することができ、Ｈ２／ＣＯ２／ＣＯを含有するアノード排出物６０７を生成することができる。熱はカソード排出物６０４から回収されることができ、次いで、所望であれば、カソード排出物６０４を雰囲気に排出し、および／またはさらなる処理を受けることができる。アノード排出物６０７は、Ｈ２濃度を増加させるために、水性ガスシフト反応器６６０でシフトされることができる。シフト反応器流出物は、水６０８を除去するために分離６７０を受けることができ、ＣＯ２ ６０９を回収することができ、Ｈ２を含有する分離された流れ６１０を形成することができる。ＣＯ２含有流６０９はパイプライン条件に圧縮されることができ、次いで、使用のために販売されることができ、異なるプロセスのために使用されることができ、および／または分離されることができる。分離された流れ６１０は、酸化剤（空気）６１１と組み合わせることができ、そして追加的な動力を発生させるために、水素タービン６５０に送ることができる。水素タービン６５０からの排出物６１２は、主に水およびＮ２であることができ、所望であれば、雰囲気に排出されることができ、および／またはさらなる処理を受けることができる。
一例として、図６に示されるシステムと同様の構成を使用して、シミュレーションを実行した。水素タービンが含まれないシステムに関して、比較のシミュレーションも実行した。比較のシミュレーションにおいて、アノード排出物からの燃料（水素を含んでなる）は、代わりに従来のタービンの燃焼領域にリサイクルされた。なお、従来のタービンのサイズは、シミュレーションにおいて一定に保持され、アノード排出物からの燃料のリサイクルは、従来のタービンに送達される新しい天然ガスの量の低下をもたらした。
シミュレーションの結果を図７に示す。図７の結果は、従来の燃料利用、例えば約７５％の燃料利用において、第２の水素タービンの使用が有利となり得ないことを示すように思われた。約７５％の燃料利用において、この結果は、第２の水素タービンの使用は、発生される正味の動力を低下させながら、電力の発生の全体的な効率を低下させることができることを示すように思われた。
約５０％の燃料利用に関して、図７のシミュレーション結果は、第２の水素タービンで作動することの利点を示すように思われた。第２の水素タービンを有するシステムの全体的な効率は、全体的な効率が、比較例に関してシミュレーションされた約５５％に対して約５０％であったため、なお、低いように思われた。しかしながら、このシミュレーションは、約５０％の燃料利用で作動することによって、比較例のいずれよりも大きい量の動力発生（約６２４ＭＷ）がもたらされることを示すように思われ、一方、比較例のいずれと比較しても、ＭＷｈｒあたりのＣＯ２のより低い排出（約１４４ ｌｂ／ＭＷｈｒ）を有するようにも思われた。約３０％の燃料利用におけるシミュレーションは、より低い燃料利用で作動させることによって、より大きい水素体積を生じることのなお大きい利点さえも示すように思われた。このシミュレーションは、有意にＣＯ２排出の量（約１１３ ｌｂ／ＭＷｈｒ）を低下させながら、有意に増加した動力発生（約７９０ＭＷ）を示すように思われた。増加した動力および低下したＣＯ２排出の組み合わせは、シミュレーションにおいて、一部は、捕捉されるＣＯ２の増加した量（約５０％燃料利用において、約１．９２Ｍトン／年、約３０％燃料利用において、約２．５６Ｍトン／年）のため、達成されるように思われた。その結果、このシミュレーションは、増加した電気エネルギー発生を提供しながら、水素タービンの使用は、約６０％以下、例えば、約５０％以下の燃料利用と組み合わせて、発生するエネルギーの単位あたりで予想外に低いＣＯ２排出を提供することができることを示すように思われた。
追加的な燃料電池作動戦略
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、溶融炭酸塩形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、ＭＣＦＣ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。ＭＣＦＣの作動の間、電池は様々な損失のため、１．０４Ｖ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０．７Ｖ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（すなわち約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。
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を有する燃料電池積層、集積化された吸熱性反応段階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んでなる。
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、溶融炭酸塩形燃料電池は、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。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での温度上昇を有するように作動させることができる。さらに追加的に、または代わりとして、燃料電池は、アノードインレットの温度より約１０℃低温から約１０℃高温までのアノードアウトレット温度を有するように作動させることができる。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℃高いか、または少なくとも約１０℃高いか、または少なくとも約２０℃高いか、または少なくとも約２５℃高いアノードアウトレット温度を有するように作動させることができる。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℃以下まで、例えば、約８０℃以下まで、または約６０℃以下まで、または約５０℃以下まで、または約４０℃以下まで、または約３０℃以下まで、または約２０℃以下まで高いアノードアウトレット温度を有するように作動させることができる。
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、カソード排出流において燃料電池を出るＣＯ２の量を減少または最小化させながらも、合成ガス（または水素）の生成を増加させて、溶融炭酸塩形燃料電池（例えば、燃料電池アセンブリ）を作動させることができる。合成ガスは、様々なプロセスの間の有用なインプットであることができる。燃料価を有することに加えて、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、他のより高い値の生成物を形成するための原材料として、合成ガスを使用することができる。合成ガスを製造するための１つの選択肢は、炭化水素または炭化水素様燃料、例えば、メタンまたは天然ガスを改質することであることが可能である。工業プロセスの多くの種類に関して、２：１に近い（またはより低い）Ｈ２とＣＯとの比率を有する合成ガスは、しばしば望ましくなることが可能である。水性ガスシフト反応は、アノードで生じるものなどの追加的なＣＯ２が利用可能である場合、合成ガス中のＨ２とＣＯとの比率を低下させるために使用されることができる。
溶融炭酸塩形燃料電池を使用して合成ガス発生を集積化することによって提供される全体的な利点を特徴づけることの１つの方法は、カソード排出物中で燃料電池から出るＣＯ２の量に関する、アノード排出物中で燃料電池から出る合成ガスの正味の量の比率をベースとすることができる。この特徴は、低排出および高効率（電気および化学の両方）を有する動力発生の有効性を測定する。本記載において、アノードインレットにおいて存在するＨ２およびＣＯの量が差し引かれた、アノード排出物中の合成ガスの正味の量は、アノード排出物において存在する組み合わせられたＨ２のモル数およびＣＯのモル数として定義される。比率はアノード排出物における合成ガスの正味の量をベースとするため、単なるアノード中への過剰量のＨ２の通過では比率の値は変化しない。しかしながら、アノードおよび／またはアノードと関連する内部改質段階における改質によって発生するＨ２および／またはＣＯは、比率のより高い値を導くことができる。アノードで酸化される水素は、比率を下げることができる。なお、水性ガスシフト反応は、ＣＯに関してＨ２を交換することができるため、合成ガス中のＨ２とＣＯとの最終的な所望の比率に関係なく、Ｈ２およびＣＯの組み合わせられたモルは、アノード排出物における全体の潜在的合成ガスを表す。次いで、アノード排出物（Ｈ２＋ＣＯ）の合成ガス含有量を、カソード排出物のＣＯ２含有量と比較することができる。これによって、炭素捕捉の量を説明することができる一種の効率価値を提供することができる。これは、以下の等式と同等に表されることができる。
アノード排出物中の正味の合成ガスとカソードＣＯ２との比率＝（Ｈ２＋ＣＯ）ＡＮＯＤＥの正味のモル／（ＣＯ２）ＣＡＴＨＯＤＥのモル
様々な態様において、アノード排出物中の正味の合成ガスのモルとカソード排出物中のＣＯ２のモルとの比率は、少なくとも約２．０、例えば、少なくとも約３．０、または少なくとも約４．０、または少なくとも約５．０であることができる。いくつかの態様において、アノード排出物中の正味の合成ガスとカソード排出物中のＣＯ２の量との比率は、なお高く、例えば、少なくとも約１０．０、または少なくとも約１５．０、または少なくとも約２０．０であることができる。約４０．０以下、例えば約３０．０以下、または約２０．０以下の比率値を、追加的に、または代わりとして達成することができる。カソードインレットにおけるＣＯ２の量が約６．０体積％以下、例えば、約５．０体積％以下である態様において、少なくとも約１．５の比率値は十分／現実的であり得る。アノード排出物中の正味の合成ガスとカソード排出物中のＣＯ２の量とのそのようなモル比値は、従来の作動された燃料電池に関する値より大きくなることができる。
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、高いＣＯ２利用値、例えば、少なくとも約６０％を有しながらも、減少された燃料利用値、例えば、約５０％以下の燃料利用で、溶融炭酸塩形燃料電池（例えば、燃料電池アセンブリ）を作動させることができる。この種類の構成において、溶融炭酸塩形燃料電池は、ＣＯ２利用が有利に十分に高いことが可能であるため、炭素捕捉のために有効であることが可能である。電気効率を最大にすることを試みるよりはむしろ、この種類の構成においては、燃料電池の全体の効率を、組み合わせられた電気および化学効率をベースとして改善することができるか、または増加させることができる。化学効率は、他のプロセスで使用されるためのアウトプットとしてのアノード排出物から水素および／または合成ガス流を引き抜くことをベースとすることができる。電気効率が、いくつかの従来の構成と比較して低下し得るとしても、アノード排出物における化学エネルギーアウトプットを利用することは、燃料電池に関して望ましい全体効率を可能にすることができる。
様々な態様において、燃料電池アノードにおける燃料利用は、約５０％以下、例えば、約４０％以下、または約３０％以下、または約２５％以下、または約２０％以下であることができる。様々な態様において、少なくともいくらかの電力を発生させるため、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％、または少なくとも約２５％、または少なくとも約３０％であることができる。追加的に、または代わりに、ＣＯ２利用は、少なくとも約６０％、例えば、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％であることができる。
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、おそらく電気生成および電気効率を損失して、合成ガス生成を増加させるか、または最大にする条件で溶融炭酸塩形燃料電池を作動させることができる。燃料電池の電気効率を改善するか、または最大にするために燃料電池の作動条件を選択する代わりに、おそらくアノードに通過される改質可能燃料の量を含む動作条件を、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確立することができる。これらの作動条件は、燃料電池のより低い電気効率をもたらす可能性がある。電気効率の低下にもかかわらず、任意ではあるが、好ましくは、作動条件は、燃料電池の組み合わせられた電気効率および化学効率をベースとして、燃料電池の全効率の増加を導くことができる。アノード中に導入される改質可能燃料と実際にアノードにおいて電気化学的に酸化される燃料との比率を増加させることによって、アノードアウトプットにおける化学エネルギー含有量を増加させることができる。
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とアノードにおいて反応する水素の量との比率は、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とアノードにおいて反応する水素の量との比率は、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。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と呼ぶことができる。様々な態様において、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。
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、燃料電池の組み合わせられた電気効率および化学効率を改善することができるか、または最適化することができる条件でも溶融炭酸塩形燃料電池（例えば、燃料電池アセンブリ）を作動させることができる。燃料電池の電気効率を最大に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、化学合成プロセスおよび「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で使用することができる。本発明の態様において、燃料電池のための燃料インプットのエネルギー値と比較して、生成される合成ガスおよび／または水素の化学エネルギー値をベースとする化学効率を含む高い全体効率を達成するために、電気効率を低下させることができる。
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、溶融炭酸塩形燃料電池を、約４０％以下の電気効率、例えば、約３５％以下のＥＥ、約３０％以下のＥＥ、約２５％以下のＥＥ、または約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％、または少なくとも約２０％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、溶融炭酸塩形燃料電池は、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。
本発明の様々な態様において、燃料電池の作動は、約４０％以下の所望の電気効率および約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、溶融炭酸塩形燃料電池は、約５５％以上のＴＦＣＥとともに約４０％以下の電気効率、例えば、６０％以上のＴＦＣＥとともに約３５％以下のＥＥ、約６５％以上のＴＦＣＥとともに約３０％以下のＥＥ、約７０％以上のＴＦＣＥとともに約２５％以下のＥＥ、あるいは７５％以上のＴＦＣＥとともに約２０％以下のＥＥ、８０％以上のＴＦＣＥとともに約１５％以下のＥＥ、あるいは約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。
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、増加した電力密度を提供することができる条件で溶融炭酸塩形燃料電池（例えば、燃料電池アセンブリ）を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ＶＡに電流密度Ｉを乗算した値に相当する。電圧ＶＡで作動される溶融炭酸塩燃料電池に関して、燃料電池は、電流密度Ｉを提供する燃料電池に関するＶＡと理想電圧Ｖ０との間の差異をベースとして（Ｖ０−ＶＡ）＊Ｉ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。
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Ｈ２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。
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（Ｖ０−ＶＡ）＊Ｉは、少なくとも約３０ｍＷ／ｃｍ２、例えば、少なくとも約４０ｍＷ／ｃｍ２、または少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ２、または少なくとも約６０ｍＷ／ｃｍ２、または少なくとも約７０ｍＷ／ｃｍ２、または少なくとも約８０ｍＷ／ｃｍ２、または少なくとも約１００ｍＷ／ｃｍ２、または少なくとも約１２０ｍＷ／ｃｍ２、または少なくとも約１４０ｍＷ／ｃｍ２、または少なくとも約１６０ｍＷ／ｃｍ２、または少なくとも約１８０ｍＷ／ｃｍ２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２５０ｍＷ／ｃｍ２未満、例えば、約２００ｍＷ／ｃｍ２未満、または約１８０ｍＷ／ｃｍ２未満、または約１６５ｍＷ／ｃｍ２未満、または約１５０ｍＷ／ｃｍ２未満であることができる。
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／ｃｍ２、例えば、少なくとも約１６０ｍＡ／ｃｍ２、または少なくとも約１７０ｍＡ／ｃｍ２、または少なくとも約１８０ｍＡ／ｃｍ２、または少なくとも約１９０ｍＡ／ｃｍ２、または少なくとも約２００ｍＡ／ｃｍ２、または少なくとも約２２５ｍＡ／ｃｍ２、または少なくとも約２５０ｍＡ／ｃｍ２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５００ｍＡ／ｃｍ２以下、例えば４５０ｍＡ／ｃｍ２以下、または４００ｍＡ／ｃｍ２以下、または３５０ｍＡ／ｃｍ２以下、または３００ｍＡ／ｃｍ２以下であることができる。
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、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。
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、減少された作動電圧および低い燃料利用に相当する条件で溶融炭酸塩形燃料電池（例えば、燃料電池アセンブリ）を作動させることができる。様々な態様において、燃料電池を、約０．７ボルト未満、例えば、約０．６８Ｖ未満、約０．６７Ｖ未満、約０．６６Ｖ未満または約０．６５Ｖ以下の電圧ＶＡで作動させることができる。追加的に、または代わりに、燃料電池を、少なくとも約０．６０、例えば、少なくとも約０．６１、少なくとも約０．６２、または少なくとも約０．６３の電圧ＶＡで作動させることができる。そのような場合、その他の場合には高電圧において電気エネルギーとして燃料電池から出るエネルギーは、電圧が低下されるため、熱として電池に残存することができる。この追加的な熱によって、吸熱性反応の増加が生じることが可能となり、例えば、合成ガスへのＣＨ４変換を増加させる。
定義
合成ガス：本記載において、合成ガスは、いずれかの比率でのＨ２とＣＯとの混合物として定義される。任意に、Ｈ２Ｏおよび／またはＣＯ２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。Ｈ２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Ｈ２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Ｈ２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。
改質可能燃料：改質可能燃料は、Ｈ２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Ｈ２Ｏ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。
改質可能水素含有量：燃料の改質可能水素含有量は、燃料を改質して、次いで、Ｈ２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Ｈ２分子の数として定義される。なお、本明細書においては、Ｈ２自体は改質可能燃料として定義されないが、定義によるＨ２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、Ｈ２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４Ｈ２分子であり、エタンの改質可能水素含有量は７Ｈ２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（Ｈ２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（Ｈ２ｏｘ）／ｎ（Ｈ２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。
酸化反応：本考察において、燃料電池のアノード内の酸化反応は、ＣＯ３ ２−との反応によってＨ２ＯおよびＣＯ２を形成する、Ｈ２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、Ｈ２およびＣＯまたはＣＯ２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、Ｈ２または炭素−水素結合を含有する化合物がＯ２と反応して、Ｈ２Ｏ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。
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。
燃料利用：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、Ｈ２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Ｈ２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４Ｈ２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Ｈ２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、４Ｈ２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７Ｈ２分子の改質可能水素含有量を有する。
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、Ｈ２、ＣＨ４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。
低位発熱量：低位発熱量は、気相の完全に酸化された生成物（すなわち、気相のＣＯ２およびＨ２Ｏ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ＣＯ２も、ＣＯ２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Ｈ２の酸化として定義される。
なお、アノードインプットフローにおける唯一の燃料がＨ２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、Ｈ２からＨ２Ｏへの変換を表す。このような特別な場合、燃料利用は、（Ｈ２−レート−イン（ｒａｔｅ−ｉｎ）−Ｈ２−レート−アウト（ｒａｔｅ−ｏｕｔ））／Ｈ２−レート−インとして単純化される。そのような場合、Ｈ２は唯一の燃料成分であり、そしてＨ２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ＣＨ４、Ｈ２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。
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、「ＣＯ２利用」および／または「酸化剤」利用に関して特徴づけることができる。ＣＯ２利用および／または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。
燃料過剰比率：溶融炭酸塩形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、Ｈ２、ＣＨ４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、溶融炭酸塩形燃料電池を、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。
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。
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。
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、Ｈ２、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。
改質可能燃料過剰比率：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Ｈ２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、Ｈ２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、溶融炭酸塩形燃料電池は、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とアノード反応において酸化される水素と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。
改質可能水素過剰比率：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、Ｈ２、ＣＨ４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。アノードの酸化の量に対してアノード改質段階に送達される改質可能燃料のより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。Ｈ２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炭酸塩形成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／炭酸塩形成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、溶融炭酸塩形燃料電池は約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、炭酸塩イオンと反応して、Ｈ２ＯおよびＣＯ２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Ｈ２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Ｈ２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、Ｈ２ＯおよびＣＯ２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。
電気効率：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。
電気化学的動力：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炭酸塩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。
燃料インプット：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。
全燃料電池効率：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Ｈ２、ＣＨ４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（Ｈ２、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。
化学効率：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Ｈ２およびＣＯの低位発熱量、またはＬＨＶ（ｓｇ ｏｕｔ）として定義される。
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ＣＯ２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。
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。
蒸気（又はスチーム）と炭素（又はカーボン）との比率（Ｓ／Ｃ）：本明細書で使用される場合、蒸気と炭素との比率（Ｓ／Ｃ）は、フロー中の蒸気とフロー中の改質可能炭素とのモル比である。ＣＯおよびＣＯ２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。蒸気と炭素との比率は、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、Ｈ２Ｏ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。
ＥＧＲ比率：本発明の態様は、燃料電池と協力してタービンを使用することができる。組み合わせられた燃料電池およびタービンシステムは、排出物ガスリサイクル（「ＥＧＲ」）を含んでもよい。ＥＧＲシステムでは、タービンで発生する少なくとも一部分の排出物ガスは、熱回収発電機に送られることができる。排出物ガスの別の部分は、燃料電池に送られることができる。ＥＧＲ比率は、燃料電池または熱回収発電機に送られる全排出物ガスに対する燃料電池に送られる排出物ガスの量を記載する。本明細書で使用される場合、「ＥＧＲ比率」は、燃料電池結合部分および熱回収発電機に送られる回収結合部分に関する組み合わせられたフローレートで割られた、排出物ガスの燃料電池結合部分のためのフローレートである。
本発明の様々な態様において、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）を使用して、追加的な電力を発生させながら、ＣＯ２含有流からのＣＯ２の分離を促進することができる。ＣＯ２分離は、燃料電池のカソード部分にインプット供給の少なくとも一部分を提供することができる燃焼ベース発電機との相乗効果を利用することによって、さらに向上させることができる。
燃料電池および燃料電池構成要素：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。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。
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」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）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排出物フロー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溶融炭酸塩形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。
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（すなわち単一積層）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。
「内部改質」および「外部改質」：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。
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。
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ことができる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ことができる、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。
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、別々の改質段階および／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吸熱性反応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および／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。
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を燃料電池へのインプットとして使用しないことを決定することができる。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、および／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を決定することができる。
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コンジットの他の配列は、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コンジットの他の配列は、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、追加的に、または代わりとして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ことができる。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、限定されないが、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ことができる。
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ＣＯ２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、Ｈ２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。
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、ＭＣＦＣ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）を含んでなる、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、ＣＯ２含有流をカソードインプットに提供するために燃料供給源の一部分を使用する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Ｈ２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、水と燃料とのモル比は、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。Ｈ２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Ｈ２の酸化が、燃料を改質するために使用することができるＨ２Ｏ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ＣＯ２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、ＣＯ２、Ｎ２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。
より一般に、様々な種類の燃料流は、溶融炭酸塩形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、ＭＣＦＣ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。
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、溶融炭酸塩形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、Ｏ２、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。ＣＯ２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、溶融炭酸塩形燃料電池は、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ＣＯ２の存在は、アノードアウトプットに存在するＨ２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。溶融炭酸塩形燃料電池のための燃料流におけるＣＯ２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、溶融炭酸塩形燃料電池のための燃料流におけるＣＯ２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。
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、Ｈ２および／または改質可能燃料化合物も含有するＣＯまたはＣＯ２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。
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Ｈ２Ｏの実質的な部分を含む。そのようなＨ２Ｏ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。
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ＣＯ２を主として含んでなってもよく、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。
ＭＣＦＣアノードからのアウトプット流は、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、ＣＯおよびＨ２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、Ｈ２もしくはＣＨ４）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Ｈ２またはＣＯ）からＣＯ２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。Ｈ２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。
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炭酸塩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。
Ｋｅｑ＝［ＣＯ２］［Ｈ２］／［ＣＯ］［Ｈ２Ｏ］
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ＣＯ２濃度の増加は、追加的なＣＯ形成（Ｈ２を犠牲にして）をもたらす傾向があることができ、そしてＨ２Ｏ濃度の増加は、追加的なＨ２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。
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ＣＯ２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Ｈ２の量は、追加的なＨ２ＯおよびＣＯ２と引きかえに低下することができる。この組成は、次いで、Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２およびＨ２Ｏ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。
表１は、典型的な種類の燃料に関する異なる燃料利用におけるアノード排出物組成を示す。アノード排出物組成は、アノード改質反応、水性ガスシフト反応およびアノード酸化反応の組み合わせられた結果を反映することができる。表１のアウトプット組成値は、蒸気（Ｈ２Ｏ）と炭素（改質可能燃料）との約２：１の比率のアノードインプット組成を仮定することによって算出された。改質可能燃料は、水素に１００％改質されることが仮定されたメタンであると仮定された。アノードインプットの初期のＣＯ２およびＨ２濃度は無視することができると仮定され、インプットＮ２濃度は約０．５％であった。燃料利用Ｕｆ（本明細書に定義される通り）は、表に示すように、約３５％〜約７０％の間で変動可能であった。燃料電池アノードのための出口温度は、平衡定数のための正確な値を決定する目的のため、約６５０℃であることが仮定された。
Figure 0006212198
表１は、特定の組み合わせの条件およびアノードインプット組成のためのアノードアウトプット組成を示す。より一般に、様々な態様において、アノードアウトプットは、約１０体積％〜約５０体積％のＨ２Ｏを含むことができる。アノードのＨ２Ｏはアノード酸化反応によって生じることができるため、Ｈ２Ｏの量は非常に変動することができる。改質のために必要とされるよりも多いＨ２Ｏの過剰量がアノードに導入される場合、過剰量のＨ２Ｏは、燃料改質および水性ガスシフト反応のために、消費される（または発生する）Ｈ２Ｏを除き、主に未反応のまま典型的に通過することができる。アノードアウトプットにおけるＣＯ２濃度も広範囲に変動することができ、例えば、約２０体積％〜約５０体積％のＣＯ２であることができる。ＣＯ２の量は、発生する電流の量、ならびにアノードインプットフローのＣＯ２の量の両方によって影響を受けることができる。アノードアウトプットのＨ２の量は、追加的に、または代わりとして、アノードの燃料利用次第で、約１０体積％のＨ２〜約５０体積％のＨ２であることができる。アノードアウトプットにおいて、ＣＯの量は、約５体積％〜約２０体積％であることができる。なお、所与の燃料電池のためのアノードアウトプットのＨ２の量と比較してのＣＯの量は、燃料電池に存在する温度および圧力における水性ガスシフト反応のための平衡定数によって、部分的に決定可能である。アノードアウトプットは、さらに追加的に、または代わりとして、５体積％以下の様々な他の成分、例えば、Ｎ２、ＣＨ４（または他の未反応炭素含有燃料）、および／または他の成分を含むことができる。
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Ｈ２ＯをＣＯ２およびＨ２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Ｈ２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Ｈ２ＯおよびＣＯをＨ２およびＣＯ２へと変換して、増加させることができる。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、Ｈ２およびＣＯ２からより多くのＣＯおよびＨ２Ｏ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Ｈ２Ｏを有することができる。あるいはＨ２Ｏ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Ｈ２Ｏ、ＣＯ、Ｈ２およびＣＯ２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Ｈ２Ｏを犠牲にして、ＣＯ２およびＨ２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Ｈ２Ｏ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Ｈ２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、ＣＯ２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ＣＯ２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、Ｈ２とＣＯと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。
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ＣＯ２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ＣＯ２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ＣＯ２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ＣＯ２含有量、例えば、少なくとも９５％体積％のＣＯ２、または少なくとも９８体積％のＣＯ２を有するＣＯ２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ＣＯ２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ＣＯ２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ＣＯ２の一部分のみを回収することが望ましくあり得、ＣＯ２の回収された部分は、アノードアウトプットのＣＯ２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ＣＯ２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なってもよい。低温ＣＯ２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、Ｈ２、Ｎ２、ＣＨ４）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ＣＯ２を分離することができる。低温ＣＯ２分離器は、作動条件次第で、フローに存在するＣＯ２の約３３％〜約９０％を回収することができる。
ＣＯ２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と炭素との比率は、アノード排出物の含水量に影響を及ぼすことができ、高い蒸気と炭素と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。ＣＯ２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、ＣＯ２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、ＣＯ２除去のためにアミン洗浄が使用される場合、水は、ＣＯ２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。
ＣＯ２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Ｈ２、例えば、少なくとも約９０体積％のＨ２、または少なくとも約９５体積％のＨ２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Ｈ２およびＣＯの少なくとも約７０体積％、例えば、Ｈ２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Ｈ２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Ｈ２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Ｈ２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Ｈ２とＣＯとの比率とは異なってもよい。
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Ｈ２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Ｈ２とＣＯとの比率は、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、Ｈ２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Ｈ２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、Ｈ２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Ｈ２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Ｈ２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Ｈ２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Ｈ２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。
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、ＣＯ２および／またはＨ２Ｏ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Ｈ２とＣＯと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ＣＯ２および／またはＨ２Ｏ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、Ｈ２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、Ｈ２とＣＯと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、Ｈ２供給として使用するために適切であることができる。Ｈ２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ＣＯ２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Ｈ２とＣＯと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。
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、Ｈ２およびＣＯに加えてＣＯ２を含むことができる。ＣＯ２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ＣＯ２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。ＭＣＦＣ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ＣＯ２（および任意にＨ２Ｏ）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ＣＯ２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。
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ＣＯ２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ＣＯ２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ＣＯ２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ＣＯ２は（存在する場合）、ＭＣＦＣ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。
なお、アノードで生じる過剰量のＨ２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ＣＯ２も、アミン洗浄、低温ＣＯ２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（Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４）は容易に除去されないが、ＣＯ２およびＨ２Ｏ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ＣＯ２の少なくとも約９０体積％を分離して、比較的高純度のＣＯ２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ＣＯ２も効率的に分離することができ、高純度ＣＯ２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、ＣＯ２および／またはＨ２Ｏ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ＣＯ２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ＣＯ２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Ｈ２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。
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。
図１は、化学合成プロセスに関連して溶融炭酸塩形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、Ｈ２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Ｈ２および／またはＨ２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。ＣＯ２およびＯ２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からの炭酸塩イオン１２２、ＣＯ３ 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、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、１つ以上の不完全に反応した燃料に相当する成分（Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４、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、Ｎ２、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、ＣＯ２除去段階１４０は、低温ＣＯ２除去システム、ＣＯ２などの酸性ガスの除去のためのアミン洗浄段階、またはＣＯ２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ＣＯ２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Ｈ２Ｏ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、ＣＯ２およびＨ２に変換することができる。ＣＯ２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。ＣＯ２分離段階１４０後の図１に示されるが、それは、その代わりにＣＯ２分離段階１４０前に任意に位置してもよい。追加的に、Ｈ２の高純度透過流１６３を発生させるために、Ｈ２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、Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２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、ＣＯ２ 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。
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Ｈ２：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Ｈ２含有量の減少を可能にすることができる。次いで、Ｈ２とＣＯとの比率は、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、ＣＯ２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。
カソードインレットおよびアウトプット
従来、溶融炭酸塩形燃料電池は、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ＣＯ２、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。カソードへのＣＯ２は、従来、カソードインプット流の少なくとも一部分としてアノード排出物を使用することによって、部分的に提供されることができる。対照的に、本発明はアノードインプットおよびカソードインプットのための別々の／異なる供給源を使用することができる。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、二酸化炭素の捕捉を改善し、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。
溶融炭酸塩形燃料電池において、燃料電池における電解質を通る炭酸塩イオンの輸送は、第１のフローパスから第２のフローパスへＣＯ２を輸送し、より低い濃度（カソード）からより高い濃度（アノード）への輸送を可能にし、したがって、ＣＯ２の捕捉を促進することができる方法を提供することができる。ＣＯ２分離のための燃料電池の選択性の一部分は、電池が電力を発生させることを可能にする電気化学的反応をベースとすることができる。燃料電池内での電気化学的反応に効果的に関与しない非反応性種（例えば、Ｎ２）に関して、反応およびカソードからアノードまでの輸送に重要ではない量が存在することができる。対照的に、カソードとアノードとの間のポテンシャル（電圧）差は、燃料電池を通って強い推進力を炭酸塩イオンの輸送に提供することができる。その結果、溶融炭酸塩形燃料電池中の炭酸塩イオンの輸送は、比較的高選択性で、ＣＯ２が、カソード（より低いＣＯ２濃度）からアノード（より高いＣＯ２濃度）まで輸送されることを可能にする。しかしながら、二酸化炭素除去のために溶融炭酸塩形燃料電池を使用することにおける課題は、燃料電池が比較的希薄なカソード供給から二酸化炭素を除去するために限られた能力を有するということであることができる。約２．０体積％未満までＣＯ２濃度が低下すると、炭酸塩形燃料電池によって発生する電圧および／または動力は急速に低下を開始することができる。さらにＣＯ２濃度が、例えば、約１．０体積％未満まで低下すると、ある点で、燃料電池の電圧は、炭酸塩の輸送がほとんど生じないか、またはもはや生じず、燃料電池が機能を停止するほど十分に低くなることができる。したがって、少なくともいくらかのＣＯ２は、おそらく、商業的に実行可能な作動条件で燃料電池のカソード段階からの排出物ガスに存在する。
燃料電池カソードに送達される二酸化炭素の量は、カソードインレットのための供給源のＣＯ２含有量をベースとして決定することができる。カソードインプットフローとしての使用のために適切なＣＯ２含有流の一例は、燃焼供給源からのアウトプットまたは排出物フローであることができる。燃焼供給源の例には、限定されないが、天然ガスの燃焼、石炭の燃焼、および／または他の炭化水素型燃料（生物学的に誘導された燃料を含む）の燃焼をベースとする供給源が含まれる。追加的、または代わりの供給源には、他の種類の煮沸器、燃焼された加熱器、炉、および／または別の物質（例えば、水または空気）を加熱するために炭素含有燃料を燃焼させる他の種類のデバイスを含むことができる。第１の概算に対して、燃焼供給源からのアウトプットフローのＣＯ２含有量は、フローの少数部分であることができる。より高いＣＯ２含有量排出物フロー、例えば、石炭燃焼供給源からのアウトプットに関して、ほとんどの商業的な石炭燃焼発電所からのＣＯ２含有量は、約１５体積％以下であることができる。より一般に、燃焼供給源からのアウトプットまたは排出物フローのＣＯ２含有量は、少なくとも約１．５体積％、または少なくとも約１．６体積％、または少なくとも約１．７体積％、または少なくとも約１．８体積％、または少なくとも約１．９体積％、または少なくとも約２体積％、または少なくとも約４体積％、または少なくとも約５体積％、または少なくとも約６体積％、または少なくとも約８体積％であることができる。追加的に、または代わりとして、燃焼供給源からのアウトプットまたは排出物フローのＣＯ２含有量は、約２０体積％以下、例えば、約１５体積％以下、または約１２体積％以下、または約１０体積％以下、または約９体積％以下、または約８体積％以下、または約７体積％以下、または約６．５体積％以下、または約６体積％以下、または約５．５体積％以下、または約５体積％以下、または約４．５体積％以下であることができる。上記で示される濃度は、乾燥基準である。なお、より低いＣＯ２含有量値は、いくつかの天然ガスまたはメタン燃焼供給源、例えば、排出物ガスリサイクルループを含んでもよいか、または含まなくてもよい発電システムの一部分である発電機からの排出物において存在することができる。
カソードインプット流のための他の潜在的な供給源は、生物的に生じたＣＯ２の供給源を追加的に、または代わりとして含むことができる。これは、例えば、バイオ誘導化合物の処理の間に発生するＣＯ２、例えば、エタノール生成の間に発生するＣＯ２を含むことができる。追加的または代わりの例は、生物的に生じた燃料の燃焼、例えば、リグノセルロースの燃焼によって発生するＣＯ２を含むことができる。さらに他の追加的または代わりの潜在的なＣＯ２供給源は、様々な工業プロセスからのアウトプットまたは排気物流、例えば、鉄鋼、セメントおよび／または紙の製造のためにプラントによって発生するＣＯ２含有流に相当することができる。
ＣＯ２のさらに別の追加的または代わりの潜在的な供給源は、燃料電池からのＣＯ２含有流であることができる。燃料電池からのＣＯ２含有流は、異なる燃料電池からのカソードアウトプット流、異なる燃料電池からのアノードアウトプット流、カソードアウトプットから燃料電池のカソードインプットへのリサイクル流、および／またはアノードアウトプットから燃料電池のカソードインプットへのリサイクル流に相当することができる。例えば、従来の条件で独立モードで作動されたＭＣＦＣは、少なくとも約５体積％のＣＯ２濃度を有するカソード排出物を発生させることができる。そのようなＣＯ２含有カソード排出物は、本発明の態様によって作動されるＭＣＦＣのためのカソードインプットとして使用することができる。より一般に、カソード排出物からＣＯ２アウトプットを発生させる他の種類の燃料電池を、追加的に、または代わりとして使用することができ、ならびに他の種類のＣＯ２含有流が、「燃焼」反応によって、および／または燃焼発電機によって発生しない。任意に、しかし好ましくは、別の燃料電池からのＣＯ２含有流は、別の溶融炭酸塩形燃料電池からであることができる。例えば、カソードに関して直列に連結される溶融炭酸塩形燃料電池に関して、第１の溶融炭酸塩形燃料電池のカソードからのアウトプットを、第２の溶融炭酸塩形燃料電池のカソードへのインプットとして使用することができる。
燃焼供給源以外の供給源からの様々な種類のＣＯ２含有流に関して、流れのＣＯ２含有量は広範囲に変動することができる。カソードへのインプット流のＣＯ２含有量は、少なくとも約２体積％、例えば、少なくとも約４体積％、または少なくとも約５体積％、または少なくとも約６体積％、または少なくとも約８体積％のＣＯ２を含有することができる。追加的に、または代わりとして、カソードへのインプット流のＣＯ２含有量は、約３０体積％以下、例えば、約２５体積％以下、または約２０体積％以下、または約１５体積％以下、または約１０体積％以下、または約８体積％以下、または約６体積％以下、または約４体積％以下であることができる。いくつかのさらにより高いＣＯ２含有量流に関して、ＣＯ２含有量は、約３０体積％より高いことができ、例えば、流れは、ＣＯ２と、他の化合物の重要ではない量のみから実質的に構成される。一例として、排出物ガスリサイクルのないガス燃焼タービンは、約４．２体積％のＣＯ２含有量を有する排出物流を生じることができる。ＥＧＲによって、ガス燃焼タービンは、約６〜８体積％のＣＯ２含有量を有する排出物流を生じることができる。メタンの化学量論的な燃焼は、約１１体積％のＣＯ２含有量を有する排出物流を生じることができる。石炭の燃焼は、約１５〜２０体積％のＣＯ２含有量を有する排出物流を生じることができる。精製装置オフガスを使用する燃焼加熱器は、約１２〜１５体積％のＣＯ２含有量を有する排出物流を生じることができる。いずれのＥＧＲも用いない、低ＢＴＵガスにおいて作動されるガスタービンは、約１２体積％のＣＯ２含有量を有する排出物流を生じることができる。
ＣＯ２に加えて、カソードインプット流は、カソード反応のために必要な成分を提供するために、Ｏ２を含まなければならない。いくつかのカソードインプット流は、成分として空気を有することをベースとすることができる。例えば、燃焼排出物流は、空気の存在下で、炭化水素燃料を燃焼させることによって形成することができる。そのような燃焼排出物流、または別の種類の空気の含有をベースとする酸素含有量を有するカソードインプット流は、約２０体積％以下、例えば約１５体積％以下、または約１０体積％以下の酸素含有量を有することができる。追加的に、または代わりとして、カソードインプット流の酸素含有量は、少なくとも約４体積％、例えば少なくとも約６体積％、または少なくとも約８体積％であることができる。より一般に、カソードインプット流は、カソード反応を実行するために適切な酸素の含有量を有することができる。いくつかの態様において、これは、約５体積％〜約１５体積％、例えば、約７体積％〜約９体積％の酸素含有量に相当することができる。多くの種類のカソードインプット流に関して、ＣＯ２およびＯ２の組み合わせられた量は、インプット流の約２１体積％未満、例えば、流れの約１５体積％未満または流れの約１０体積％未満に相当することができる。酸素を含有する空気流を、低酸素含有量を有するＣＯ２供給源と組み合わせることができる。例えば、石炭を燃焼させることによって発生する排出物流は、カソードインレット流を形成するために空気と混合することができる低酸素含有量を含んでもよい。
ＣＯ２およびＯ２に加えて、カソードインプット流は、Ｎ２、Ｈ２Ｏおよび他の典型的な酸化剤（空気）成分などの不活性／非反応性な種から構成されることもできる。例えば、燃焼反応からの排出物から誘導されるカソードインプットに関して、燃焼反応のために酸化剤供給源の一部として空気が使用される場合、排出物ガスは、空気の典型的な成分、例えば、Ｎ２、Ｈ２Ｏおよび空気に存在する少量の他の化合物を含むことができる。燃焼反応のための燃料供給源の性質次第で、燃料供給源をベースとする燃焼の後に存在する追加的な種としては、Ｈ２Ｏ、窒素（ＮＯｘ）および／または硫黄（ＳＯｘ）の酸化物、ならびに燃料に存在し、および／または燃料に存在する部分的もしくは完全燃焼生成物、例えば、ＣＯである他の化合物の１つ以上が含まれ得る。これらの種は、全体的なカソード活性を低下させ得るが、カソード触媒表面を損なわない量で存在し得る。そのような性能の低下は容認可能であり得、またはカソード触媒と相互作用する種は、既知の汚染物質除去技術によって容認可能な濃度まで低下され得る。
カソードインプット流（例えば、燃焼排出物をベースとするインプットカソード流）に存在するＯ２の量は、有利には、燃料電池において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であることができる。したがって、Ｏ２の体積パーセントは、有利には、排出物のＣＯ２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Ｎ２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、Ｈ２ＳまたはＮＨ３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。
電解質を通る輸送のために炭酸塩イオンを形成する反応に加えて、カソードにおける条件は、酸化窒素から硝酸塩および／または硝酸塩イオンへの変換のために適切であることもできる。以下、便宜のために硝酸塩イオンのみが記載される。得られる硝酸塩イオンも、アノードにおける反応のために電解質を通って輸送されることができる。カソードインプット流のＮＯｘ濃度は、典型的にｐｐｍの規模であることができるため、この硝酸塩輸送反応は、電解質を通って輸送される炭酸塩の量に対して最小限の影響を有することができる。しかしながら、ＮＯｘ除去のこの方法は、ＮＯｘ排出を低下させる機構を提供することができるため、ガスタービンからの燃焼排出物をベースとするカソードインプット流に関して有利であることができる。カソードにおける条件は、（カソードインプット流のＯ２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、ＣＯ２およびＨ２Ｏ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。
ＭＣＦＣの作動のための適切な温度は、約４５０℃〜約７５０℃、例えば、少なくとも約５００℃、例えば、約５５０℃のインレット温度および約６２５℃のアウトレット温度であることができる。カソードに入る前に、所望であれば、例えば、他のプロセス、例えば、アノードのために燃料インプットを改質するプロセスに熱を提供するため、熱を燃焼排出物に添加、または除去することができる。例えば、カソードインプット流のための供給源が燃焼排出物流である場合、燃焼排出物流は、カソードインレットのための所望の温度より高い温度を有してもよい。そのような態様において、カソードインプット流としての使用の前に、熱を燃焼排出物から除去することができる。あるいは、燃焼排出物は、例えば、石炭燃焼煮沸器の湿式ガススクラバーの後、非常に低温である可能性があり、そのような場合、燃焼排出物は約１００℃未満であることができる。あるいは、燃焼排出物は、複合サイクルモードで作動されたガスタービンの排出物からであることが可能であり、その場合、追加的な発電のために蒸気を生じさせて、蒸気タービンを動作することによってガスを冷却することができる。この場合、ガスは約５０℃未満であることができる。所望よりも冷たい燃焼排出物に熱を添加することができる。
燃料電池配列
様々な態様において、燃料電池（例えば、複数の燃料電池積層を含有する燃料電池アレイ）のための構成選択肢は、複数の燃料電池間でＣＯ２含有流を分割することであることができる。ＣＯ２含有流のいくつかの種類の供給源は、個々の燃料電池の能力と比較して、大きい体積フローレートを発生させることができる。例えば、工業用の燃焼供給源からのＣＯ２含有アウトプット流は、典型的に、適切な径の単一ＭＣＦＣのために望ましい作動条件と比較して大きいフロー体積に相当することができる。単一ＭＣＦＣで全フローを処理する代わりに、それぞれのユニットのフローレートが所望のフロー範囲内にあることができるように、通常そのなかの少なくともいくつかが並列であることができる複数のＭＣＦＣユニットの間にフローを分割することができる。
第２の構成の選択肢は、フロー流からＣＯ２を連続的に除去するために、直列に燃料電池を利用することであることができる。ＣＯ２含有流を並列に分配することができる初期の燃料電池の数に関係なく、それぞれの初期の燃料電池は、さらに追加的なＣＯ２を除去するために、直列の１つ以上の追加的な電池が続くことができる。カソードアウトプットにおけるＣＯ２の所望の量が十分に低い場合、単一燃料電池または燃料電池段階において所望の濃度までカソードインプット流からＣＯ２を除去することを試みることによって、燃料電池のための低いおよび／または予測不可能な電圧アウトプットが導かれることができるであろう。単一燃料電池または燃料電池段階において所望の濃度までＣＯ２を除去することを試みるよりも、ＣＯ２は所望の濃度を達成することができるまで、連続した電池において除去されることができる。例えば、燃料電池の直列のそれぞれの電池を使用して、燃料流に存在するＣＯ２のいくらかのパーセント（例えば、約５０％）を除去することができる。そのような例において、３つの燃料電池が直列に使用される場合、ＣＯ２濃度を低下させることができる（例えば、存在する最初の量の約１５％未満まで、これは、直列の３つの燃料電池のコース上で約６％から約１％未満までＣＯ２濃度を低下させることに相当することができる）。
別の構成において、作動条件は、所望のアウトプット電圧を提供するために、直列のより早い燃料段階において選択されることができるが、段階のアレイは、炭素分離の所望の濃度を達成するために選択されることができる。一例として、燃料電池のアレイは、直列に３つの燃料電池で使用されることができる。直列の最初の２つの燃料電池は、所望のアウトプット電圧を維持しながら、ＣＯ２を除去するために使用されることができる。次いで、最終的な燃料電池は、所望の濃度までであるが、より低い電圧で、ＣＯ２を除去するために作動されることができる。
なお別の構成において、燃料電池アレイにおいてアノードおよびカソードに関して別々の接続性があることができる。例えば、燃料電池アレイが直列に連結される燃料カソードを含む場合、相当するアノードは、いずれかの都合のよい方法で連結されることができ、例えば、それらの相当するカソードと同一の配列に必ずしも適合しない。これには、例えば、それぞれのアノードが同種類の燃料供給を受け取るように、並列にアノードを連結すること、および／またはアノードの最高燃料濃度が最低ＣＯ２濃度を有するそれらのカソードに相当することができるように逆直列でアノードを連結することが含まれることができる。
さらに別の構成において、１つ以上のアノード段階まで送達される燃料の量および／または１つ以上のカソード段階まで送達されるＣＯ２の量は、燃料電池アレイの性能を改善するために制御することができる。例えば、燃料電池アレイは、直列に連結される複数のカソード段階を有することができる。直列に３つのカソード段階を含むアレイにおいて、これは、第１のカソード段階からのアウトプットは、第２のカソード段階のためのインプットに相当することができ、そして第２のカソード段階からのアウトプットは、第３のカソード段階のためのインプットに相当することができることを意味する。この種類の構成において、ＣＯ２濃度は、それぞれの連続したカソード段階で減少することができる。この低下したＣＯ２濃度の埋め合わせをするために、追加的な水素および／またはメタンを、その後のカソード段階に相当するアノード段階まで送達することができる。その後のカソード段階に相当するアノードの追加的な水素および／またはメタンは、低下したＣＯ２濃度によって生じる電圧および／または電流の損失を少なくとも部分的に相殺することができ、これによって燃料電池によって生じる電圧、したがって正味の動力を増加させることができる。別の実施例において、燃料電池アレイのカソードは、部分的に直列かつ部分的に並列に連結させることができる。この種類の実施例において、第１のカソード段階においてカソード中に全燃焼アウトプットを通過させる代わりに、燃焼排出物の少なくとも一部分は、その後のカソード段階中に通過させることができる。これによって、その後のカソード段階においてＣＯ２含有量の増加を提供することができる。アノード段階またはカソード段階のいずれかまで可変的な供給を使用するためのさらに他の選択肢は、所望であれば使用することができる。
上記の通り、燃料電池のカソードは、燃料電池のアレイからの複数のカソードに相当することができる。いくつかの態様において、燃料電池アレイは、カソードからアノードまで転送される炭素の量を改善するか、または最大にするために作動させることができる。そのような態様において、（典型的に直列配列を少なくとも含むか、または最終的なカソードおよび初期のカソードが同一である）アレイ配列における最終的なカソードからのカソードアウトプットに関して、アウトプット組成物は、約２．０体積％以下のＣＯ２（例えば、約１．５体積％以下または約１．２体積％以下）、および／または少なくとも約０．５体積％のＣＯ２、または少なくとも約１．０体積％、または少なくとも約１．２体積％、または少なくとも約１．５体積％を含むことができる。この限定のために、溶融炭酸塩形燃料電池使用時のＣＯ２除去の正味の効率は、カソードインプットにおけるＣＯ２の量に依存することができる。約６体積％より高く、例えば、少なくとも約８体積％のＣＯ２含有量を有するカソードインプット流に関しては、除去することができるＣＯ２の量の限定は厳しくない。しかしながら、典型的にガスタービンで見られるような、過剰量の空気とともに燃料として天然ガスを使用する燃焼反応に関して、燃焼排出物のＣＯ２の量は、約５体積％未満のカソードインプットにおけるＣＯ２濃度に相当するのみであり得る。排出物ガスリサイクルの使用によって、カソードインプットにおけるＣＯ２の量を少なくとも約５体積％、例えば少なくとも約６体積％まで増加させることができる。約６体積％より高いＣＯ２濃度を生じるために燃料として天然ガスを使用する時にＥＧＲが増加する場合、次いで、燃焼室における可燃性を減少させることができ、そしてガスタービンは不安定化し得る。しかしながら、Ｈ２が燃料に添加される場合、可燃性ウィンドウは有意に増加することが可能であり、少なくとも約７．５体積％または少なくとも約８体積％のカソードインプットにおけるＣＯ２の濃度が達成可能となるように、排出物ガスリサイクルの量をさらに増加させることができる。一例として、カソード排出物における約１．５体積％の除去限界をベースとして、約５．５体積％から約７．５体積％までカソードインプットにおけるＣＯ２含有量を増加させることは、最終的なＣＯ２分離のために燃料電池を使用して捕捉することができ、かつアノードループへ輸送することができるＣＯ２の量の約１０％増加に相当することができる。カソードアウトプットにおけるＯ２の量は、典型的に除去されるＣＯ２の量と比例した量で、追加的に、または代わりとして低下させることができ、それによって、カソード出口におけるその他の（非カソード反応性）種の量の小さい相当する増加をもたらすことができる。
他の態様において、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、溶融炭酸塩形燃料電池は、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ＣＯ２の量は、カソードインプット流におけるＣＯ２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ＣＯ２利用に関連することができる。
追加的に、または代わりとして、作動条件次第で、ＭＣＦＣは、約５．０体積％以下、例えば、約４．０体積％以下、または約２．０体積％以下、または約１．５体積％以下、または約１．２体積％以下までカソード排出物流のＣＯ２含有量を低下させることができる。追加的に、または代わりとして、カソード排出物流のＣＯ２含有量は、少なくとも約０．９体積％、例えば、少なくとも約１．０体積％、または少なくとも約１．２体積％、または少なくとも約１．５体積％であることができる。
溶融炭酸塩形燃料電池の作動
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。任意に、アノードアウトレットからのＣＯ２は、単回通過モードのＭＣＦＣの作動の間、カソードインレットにリサイクルされることができる。より一般に、いくつかの別の態様において、アノードアウトレットからカソードインレットへのリサイクルは、単回通過モードで作動するＭＣＦＣに関して生じてもよい。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。
図３は、電力の発生のためのＭＣＦＣ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（Ｈ２Ｏ）を受け取ることができ、水、ＣＯ２、ならびに任意に過剰量のＨ２、ＣＨ４（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ＣＯ２およびいくつかの酸化剤（例えば、空気／Ｏ２）を受け取ることができ、アウトプットはＯ２欠乏酸化剤（空気）における減少した量のＣＯ２に相当する。燃料電池内で、カソードサイドで形成されるＣＯ３ 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炭酸塩イオンを提供することができる。
図３に示される実施例の燃料電池などの溶融炭酸塩形燃料電池内で、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Ｈ２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ＣＨ４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。
Figure 0006212198
反応（１）は、燃料電池のアノードにおける使用のためにＨ２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、Ｈ２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。
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Ｈ２を炭酸塩イオンと組み合わせ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２および回路への電子を形成する。反応（５）は、Ｏ２、ＣＯ２および回路からの電子を組み合わせ、炭酸塩イオンを形成する。反応（５）によって発生する炭酸塩イオンは、反応（４）のために必要とされる炭酸塩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。電解質を通る炭酸塩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。
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、Ｈ２、ＣＨ４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（Ｈ２、ＣＯおよび／またはＣＯ２）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。
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、溶融炭酸塩形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。
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Ｈ２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。
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。
追加的に、または代わりとして、燃料電池を作動する目標は、電力の発生を可能にすることに加えて、燃焼反応またはＣＯ２アウトプット流を生じる別のプロセスのアウトプット流からＣＯ２を分離することであることができる。そのような態様において、組み合わせられた発電機／燃料電池システムによって発生する大部分の動力を提供することができる、１つ以上の発電機またはタービンに動力を供給するために、燃焼反応を使用することができる。燃料電池による発電を最適化するために燃料電池を作動するよりも、このシステムはその代わりに、二酸化炭素を捕捉するために必要とされる燃料電池の数を減少させるか、または最小化しながら、燃焼動力発電機からの二酸化炭素の捕捉を改善するために作動されることができる。燃料電池のインプットおよびアウトプット動力フローのために適切な構成を選択すること、ならびに燃料電池のために適切な作動条件を選択することによって、全効率および炭素捕捉の望ましい組み合わせを可能にすることができる。
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。
さらに別の追加的または代わりの選択肢は、全てではないアノード段階に関する燃料利用を明示することを含むことができる。例えば、本発明のいくつかの態様において、燃料電池／積層は、１つ以上の直列配列で少なくとも部分的に配置されることができ、アノード燃料利用は、直列の第１のアノード段階、直列の第２のアノード段階、直列の最終的なアノード段階、または直列の他のいずれかの都合のよいアノード段階のために明示されることができる。本明細書で使用される場合、直列の「第１の」段階は、インプットが燃料供給源から直接供給される段階（または配列が同様に並列の段階を含有する場合、段階の組み合わせ）に相当し、その後の（「第２の」、「第３の」、「最終的な」など）段階は、それぞれの燃料供給源から直接の代わりに、１つ以上の前の段階からのアウトプットが供給される段階を表す。前の段階からのアウトプットおよび燃料供給源からの直接インプットの両方が段階に同時供給される状況において、「第１の」（組み合わせの）段階および「最後の」（組み合わせの）段階が存在することができるが、他の段階（「第２の」、「第３の」など）は、その中で順番を確立するために、より慎重を要することができる（例えば、そのような場合、順番は、複合インプット供給組成物における１つ以上の成分、例えばＣＯ２の濃度によって、最も高い濃度「第１」から最も低い濃度「最後」まで決定されることができ、ほぼ同様の組成差が同様の順番を表す。）
さらに別の追加的または代わりの選択肢は、特定のカソード段階に相当するアノード燃料利用を明示することであることができる（再び、燃料電池／積層が１つ以上の直列配列で少なくとも部分的に配置されることができる）。上記の通り、アノードおよびカソード内のフローの方向をベースとして、第１のカソード段階は、（同一燃料電池膜を通って）第１のアノード段階に相当しなくてもよい。したがって、本発明のいくつかの態様において、アノード燃料利用は、直列の第１のカソード段階、直列の第２のカソード段階、直列の最終的なカソード段階、または直列の他のいずれかの都合のよいカソード段階のために明示されることができる。
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。
捕捉後のＣＯ２アウトプットのための用途
本発明の様々な態様において、上記のシステムおよび方法によって、加圧流体としての二酸化炭素の生成を可能にすることができる。例えば、低温分離段階から発生するＣＯ２は、最初、少なくとも約９０％、例えば、少なくとも約９５％、少なくとも約９７％、少なくとも約９８％、または少なくとも約９９％の純度を有する加圧されたＣＯ２液体に相当することができる。この加圧されたＣＯ２流は、例えば、二次石油採集においてなど、さらに油またはガス回収を向上させるためのウェルへの注入に使用されることができる。ガスタービンを包含する設備の付近で実行される場合、全体的なシステムは、電気／機械的動力の使用における追加的な相乗効果から、および／または全体システムとの熱集積化を通して利益を得てもよい。
あるいは、強制石油回収（ＥＯＲ）用途のためのシステムに関して（すなわち、厳密な成基準を有するパイプラインシステムにおいて混合されない）、ＣＯ２分離必要条件は実質的に緩和されてもよい。ＥＯＲ用途はＯ２の存在に感応性である可能性があるため、いくつかの実施形態において、ＥＯＲに関して意図されたＣＯ２流からＯ２は不在であることができる。しかしながら、ＥＯＲ用途は、溶解されたＣＯ、Ｈ２および／またはＣＨ４に対して低い感応性を有する傾向あることができる。また、ＣＯ２を輸送するパイプラインは、これらの不純物に感応性である可能性がある。それらの溶性ガスは、典型的に、ＥＯＲに使用されるＣＯ２の可溶化能力に対してわずかな影響のみを有することができる。ＣＯ、Ｈ２および／またはＣＨ４などの注入ガスは、ＥＯＲガスとして、燃料価回復のいくらかの損失をもたらすことができるが、そのようなガスは、その他の場合には、ＥＯＲ用途と適合性であることができる。
追加的に、または代わりとして、加圧された液体としてのＣＯ２の潜在的な用途は、藻類成長／収穫などの生物学的プロセスにおける養分としてであることができる。ＣＯ２分離のためのＭＣＦＣの使用によって、確実に、生物学的に有意な汚染物質を容認できる低濃度まで低下させることができ、光合成有機体の成長に実質的に悪影響を及ぼさないような少量の他の「汚染物質」ガス（ＣＯ、Ｈ２、Ｎ２などおよびそれらの組み合わせ）のみを有するＣＯ２含有流をもたらす。これは、重金属などの潜在的に高度に毒性の材料をしばしば含有することができるほとんどの工業用供給源によって発生するアウトプット流とは際立った対比であることができる。
本発明のこの種類の態様において、アノードループにおけるＣＯ２の分離によって発生するＣＯ２流は、生物燃料および／または化学製品、ならびにそれらの前駆体を製造するために使用することができる。さらに追加的に、または代わりとして、ＣＯ２は高密度流体として生じられてもよく、例えば、光合成有機体の大きい領域への距離を通したより容易なポンプ輸送および輸送が可能となる。従来の排出供給源は、他のガスおよび汚染物質と混合された適度の量のＣＯ２（例えば、約４〜１５％）を含有するホットガスを排出することができる。これらの材料は通常、藻類の池または生物燃料「ファーム」に希薄なガスとしてポンプ輸送される必要がある。対照的に、本発明によるＭＣＦＣシステムは、濃縮ＣＯ２流（乾燥基準で約６０〜７０体積％）を生じることができ、これは、さらに９５％＋（例えば、９６％＋、９７％＋、９８％＋または９９％＋）まで濃縮可能であり、かつ容易に液化可能である。次いで、この流れを比較的低コストで長距離上で容易に、かつ効率的に輸送することができて、広い領域上で効果的に分配することができる。これらの実施形態において、燃焼供給源／ＭＣＦＣから余熱は、同様に全システムに集積化されてもよい。
ＣＯ２供給源／ＭＣＦＣおよび生物学的／化学的製造サイトが同位置に配置される別の実施形態は適用し得る。その場合、最小限の圧縮のみが必要とされてもよい（すなわち、生物学的生成において使用される十分なＣＯ２圧力、例えば、約１５ｐｓｉｇ〜約１５０ｐｓｉｇを提供する）。いくつかの新しい配列は、そのような場合、可能であることができる。二次改質は、任意に、ＣＨ４含有量を低下させるためにアノード排出物に適用されてもよく、そして水性ガスシフトは、任意に、追加的に、または代わりとして、いずれかの残りのＣＯをＣＯ２およびＨ２にするために存在してもよい。
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ＭＣＦＣ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。別の選択肢は、追加的に、または代わりとして、燃焼からのＣＯ２が既に「捕捉」された燃料供給減として水素を使用することであることができる。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。ＭＣＦＣ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、ＭＣＦＣ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。
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ＣＯ２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ＣＯ２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。
なお、合成ガスを発生させるＭＣＦＣ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ＭＣＦＣ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、ＭＣＦＣ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。
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ＣＯ２およびＯ２を輸送することができ、そしてカソードアウトレットは、ＣＯ２およびＯ２のより低い濃度、したがって、空気に見られるよりも高いＮ２の濃度を有することができる。残留するＯ２およびＣＯ２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ＣＯ２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。
集積化実施例：燃焼タービンとの集積化のための用途
本発明のいくつかの態様において、動力を発生させるため、およびＣＯ２含有排気物を排気するための燃焼供給源は、溶融炭酸塩形燃料電池の作動と集積化させることができる。適切な燃焼供給源の一例は、ガスタービンである。好ましくは、ガスタービンは、追加的な効率のために蒸気発生および熱回収と集積化された複合サイクルモードにおいて、天然ガス、メタンガスまたは他の炭化水素ガスを燃焼させることができる。現代の天然ガス複合サイクル効率は、最大および最新のデザインに関して、約６０％である。得られるＣＯ２含有排出物ガス流は、ＭＣＦＣ作動との適合性を有する高温、例えば、３００℃〜７００℃、好ましくは５００℃〜６５０℃で生成することができる。ガス供給源は、任意であるが、好ましくは、タービンに入る前に、ＭＣＦＣに悪影響を及ぼす可能性のある硫黄などの汚染物質をクリーニングすることができる。あるいは、ガス供給源は、排出物ガスが典型的に、排出物ガスの汚染物質のより高い濃度のため、燃焼後にクリーニングされる発電機であることができる。そのような代替案において、ガスへの／ガスからのいくらかの熱交換は、より低い温度でのクリーンアップを可能にするために必要とされてもよい。追加的または代わりの実施形態において、ＣＯ２含有排出物ガスの供給源は、煮沸器、燃焼室、または炭素の豊富な燃料を燃焼させる熱供給源からのアウトプットであることができる。他の追加的または代わりの実施形態において、ＣＯ２含有排出物ガスの供給源は、他の供給源と組み合わせた生物学的に生成されたＣＯ２であることができる。
燃焼供給源との集積化のために、燃料電池アノードの処理のためのいくつかの他の構成が望ましくなることができる。例えば、他の構成が、燃料電池アノードからの排出物の少なくとも一部分を燃料電池アノードのインプットにリサイクルすることであることができる。ＭＣＦＣアノードからのアウトプット流には、主なアウトプット成分として、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、任意にＣＯ、そして任意であるが、典型的に未反応の燃料（例えば、Ｈ２またはＣＨ４）が含まれることができる。別のプロセスとの集積化のための外部燃料流および／またはインプット流として、このアウトプット流を使用する代わりに、１つ以上の分離を、潜在的燃料価を有する成分、例えば、Ｈ２またはＣＯからＣＯ２を分離するために、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。次いで、燃料価を有する成分は、アノードのインプットへとリサイクルすることができる。
この種類の構成は、１つ以上の利点を提供することができる。第１に、低温ＣＯ２分離器を使用することなどにより、ＣＯ２をアノードアウトプットから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（Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４）は容易に凝縮可能な成分ではないが、ＣＯ２およびＨ２Ｏは、凝縮された相として個々に分離することができる。実施形態次第で、アノードアウトプットのＣＯ２の少なくとも約９０体積％を分離することができ、比較的高純度のＣＯ２アウトプット流を形成することができる。あるいは、いくつかの態様において、より少ないＣＯ２をアノードアウトプットから除去することができ、アノードアウトプットのＣＯ２の約５０体積％〜約９０体積％、例えば約８０体積％以下、または約７０体積％以下を分離することができる。分離後、アノードアウトプットの残りの部分は、主として燃料価を有する成分、ならびにＣＯ２および／またはＨ２Ｏの減少した量に相当することができる。分離後のアノードアウトプットのこの部分は、追加的な燃料に加えて、アノードインプットの一部分として使用するためにリサイクルすることができる。この種類の構成において、ＭＣＦＣを通る単回通過の燃料利用が低いとしても、未使用の燃料は、アノードを通る別の通過のために有利にリサイクルされることができる。その結果、単回通過燃料利用は減少されたレベルであることができるが、一方、環境への未燃焼燃料の損失（排出）を回避することができる。
アノード排出物の一部分をアノードインプットへリサイクルすることの追加的に、または代わりに、別の構成の選択肢は、タービン、あるいは煮沸器、炉および／または燃焼加熱器などの他の燃焼デバイスの燃焼反応のためのインプットとして、アノード排出物の一部分を使用することであることができる。アノードインプットにリサイクルされ、および／または燃焼デバイスへのインプットとしてのアノード排出物の相対的な量は、いずれかの都合のよい、または望ましい量であることができる。アノード排出物がアノードインプットおよび燃焼デバイスの１つのみにリサイクルされる場合、リサイクルの量は、いずれかの都合のよい量であることもでき、例えば、ＣＯ２および／またはＨ２Ｏを除去するためのいずれかの分離の後に残留するアノード排出物の１００％までの部分であることができる。アノード排出物の一部分が、アノードインプットおよび燃焼デバイスにリサイクルされる場合、定義による全体のリサイクルされた量は、アノード排出物の残留部分の１００％以下であることができる。その他の場合はノード排出物のいずれの都合のよい分割も使用することができる。本発明の様々な実施形態において、アノードインプットへのリサイクルの量は、分離後に残留するアノード排出物の少なくとも約１０％、例えば、少なくとも約２５％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７５％、または少なくとも約９０％であることができる。追加的に、または代わりとして、それらの実施形態において、アノードインプットへのリサイクルの量は、分離後に残留するアノード排出物の約９０％以下、例えば、約７５％以下、約６０％以下、約５０％以下、約４０％以下、約２５％以下または約１０％以下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、本発明の様々な実施形態において、燃焼デバイスへのリサイクルの量は、分離後に残留するアノード排出物の少なくとも約１０％、例えば、少なくとも約２５％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７５％、または少なくとも約９０％であることができる。追加的に、または代わりとして、それらの実施形態において、燃焼デバイスへのリサイクルの量は、分離後に残留するアノード排出物の約９０％以下、例えば、約７５％以下、約６０％以下、約５０％以下、約４０％以下、約２５％以下、または約１０％以下であることができる。
本発明のさらに他の態様において、燃焼デバイスのための燃料は、追加的に、または代わりとして、不活性であり、かつ／またはその他の場合には、燃料中で希釈剤として作用する成分の高められた量を有する燃料であることができる。ＣＯ２およびＮ２は、燃焼反応の間、比較的不活性であることができる天然ガス供給の成分の一例である。燃料供給における不活性成分の量が十分なレベルに達する場合、タービンまたは他の燃焼供給源の性能に影響を与えることができる。この影響は、部分的に、燃焼反応をクエンチする傾向のある可能性がある熱を吸収する不活性成分の能力によるものであることができる。十分なレベルの不活性成分を有する燃料供給の例には、少なくとも約２０体積％のＣＯ２を含有する燃料供給、または少なくとも約４０体積％のＮ２を含有する燃料供給、または同様のクエンチ能力を提供するために十分な不活性熱容量を有するＣＯ２およびＮ２の組み合わせを含有する燃料供給を含むことができる。（なお、ＣＯ２はＮ２より大きい熱容量を有し、したがって、より低濃度のＣＯ２は、より高濃度のＮ２と同様の影響を有することができる。ＣＯ２は、Ｎ２より容易に燃焼反応に関与することもでき、その際、燃焼からＨ２を除去する。Ｈ２のこのような消費は、火炎速度を低下させて、空気と燃料混合物の可燃性範囲を限定することによって、燃料の燃焼への大きい影響を有することができる）。より一般に、燃料供給の可燃性に影響を与える不活性成分を含有する燃料供給に関して、燃料供給の不活性成分は、少なくとも約２０体積％、例えば、少なくとも約４０体積％、または少なくとも約５０体積％、または少なくとも約６０体積％であることができる。好ましくは、燃料供給の不活性成分の量は、約８０体積％以下であることができる。
不活性成分の十分な量が燃料供給に存在する場合、得られる燃料供給は、供給の燃料成分に関する可燃性領域の外にあることができる。この種類の状態において、アノード排出物のリサイクルされた部分から発電機のための燃焼領域へのＨ２の添加は、燃料供給およびＨ２の組み合わせに関する可燃性領域を拡張することができ、これによって、例えば、少なくとも約２０体積％のＣＯ２または少なくとも約４０体積％のＮ２（またはＣＯ２およびＮ２の他の組み合わせ）を含有する燃料供給が首尾よく燃焼されることが可能となる。
燃焼領域に送達される燃料供給およびＨ２の全容量と比較して、可燃性領域を拡張するためのＨ２の量は、燃料供給およびＨ２の全容量の少なくとも約５体積％、例えば、少なくとも約１０体積％、および／または約２５体積％以下であることができる。可燃性領域を拡張するために添加するＨ２の量を特徴づけるための別の選択肢は、Ｈ２添加前に燃料供給に存在する燃料成分の量をベースとすることができる。燃料成分は、メタン、天然ガス、他の炭化水素および／または従来から燃焼動力タービンもしくは他の発電機の燃料として見なされる他の成分に相当することができる。燃料供給に添加されるＨ２の量は、燃料供給における燃料成分（１：３のＨ２：燃料成分の比率）の体積の少なくとも約３分の１、例えば、燃料成分の体積の少なくとも約半分（１：２の比率）に相当することができる。追加的に、または代わりとして、燃料供給に添加されるＨ２の量は、燃料供給における燃料成分の体積とほぼ同等（１：１の比率）以下である。例えば、約３０体積％のＣＨ４、約１０体積％のＮ２および約６０体積％のＣＯ２を含有する供給に関して、約１：２のＨ２とＣＨ４との比率を達成するために、アノード排出物の十分な量を燃料供給に添加することができる。Ｈ２のみを含有する理想的なアノード排出物に関して、１：２の比率を達成するためのＨ２の添加によって、約２６体積％のＣＨ４、１３体積％のＨ２、９体積％のＮ２および５２体積％のＣＯ２を含有する供給をもたらすことができる。
排出物ガスリサイクル
ＣＯ２の捕獲および最終的な分離のために燃料電池アレイに排出物ガスを提供することを除き、排出物ガスの追加的または代わりの潜在的用途は、ＣＯ２含有量を増加させるための燃焼反応へのリサイクルを含むことができる。燃焼電池アレイのアノード排出物からの水素などの水素が燃焼反応への添加のために利用可能である場合、燃焼反応の範囲内でＣＯ２含有量を増加させるためにリサイクルされた排出物ガスを使用することから、さらなる利点を得ることができる。
本発明の様々な態様において、発電システムの排出物ガスリサイクルループは、燃焼から排出物ガスの第１の部分を受け取ることができ、燃料電池アレイは第２の部分を受け取ることができる。発電システムの燃焼領域にリサイクルされる、燃焼からの排出物ガスの量は、いずれかの都合のよい量、少なくとも約１５体積％、例えば、少なくとも約２５体積％、少なくとも約３５体積％、少なくとも約４５体積％、または少なくとも約５０体積％などであることもできる。追加的に、または代わりとして、燃焼領域に再循環される燃焼排出物ガスの量は、約６５体積％以下、例えば約６０体積％以下、約５５体積％以下、約５０体積％以下、または約４５体積％以下であることができる。
本発明の１つ以上の態様において、酸化剤（例えば、空気および／または酸素富化空気）と燃料との混合物を燃焼し、そして（同時に）リサイクルされた排出物ガスの流れと混合することができる。ＣＯ２などの燃焼の生成物を一般に含むことができるリサイクルされた排出物ガスの流れを、燃焼の温度、および後続する膨張器に入ることができる排出物の温度を制御、調節または他の方法で変更するための希釈剤として使用することができる。酸素富化空気を使用することの結果として、リサイクルされた排出物ガスは、増加したＣＯ２含有量を有することができ、それによって、同じインレットおよび排出温度に関してより高い膨張比さえも膨張器を作動することが可能となり、それによって、動力発生を有意に増加させることが可能となる。
ガスタービンシステムは、システムの性能を向上させるためにリサイクルされた排出物ガスを使用することができる発電システムの一例を表すことができる。ガスタービンシステムは、シャフトを介して膨張器に連結された第１の／主要な圧縮器を有することができる。シャフトは、いずれの機械的、電気的、または他の動力カップリングであることもでき、それによって、膨張器によって発生する機械的エネルギーの一部分によって主要な圧縮器を駆動することが可能となる。ガスタービンシステムは、燃料および酸化剤の混合物を燃焼させるように構成される燃焼室を含むこともできる。本発明の様々な態様において、燃料は、合成ガス、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ナフサディーゼル、ケロシン、航空燃料、石炭誘導燃料、生物燃料、酸素化炭化水素原料またはそれらのいずれかの組み合わせなどのいずれの適切な炭化水素ガス／液体も含むことができる。酸化剤は、いくつかの実施形態において、燃焼室に流動的に連結され、かつ、供給酸化剤を圧縮するために適応された第２のまたはインレット圧縮器から誘導されることができる。本発明の１種以上の実施形態において、供給酸化剤は、大気空気および／または富化空気を含むことができる。酸化剤が富化空気のみ、または大気空気と富化空気との混合物を含む場合、富化空気は、インレット圧縮器（混合物の場合、大気空気と混合される前または後）によって圧縮されることができる。富化空気および／または空気富化空気混合物は、少なくとも約２５体積％、例えば、少なくとも約３０体積％、少なくとも約３５体積％、少なくとも約４０体積％、少なくとも約４５体積％、または少なくとも約５０体積％の全酸素濃度を有することができる。追加的に、または代わりとして、富化空気および／または空気富化空気混合物は、約８０体積％以下、例えば、約７０体積％以下の全酸素濃度を有することができる。
富化空気は、いくつかの供給源のいずれか１つ以上から誘導することができる。例えば、富化空気は、膜分離、圧力スイング吸着、温度スイング吸着、窒素プラント副産物流および／またはそれらの組み合わせなどの分離技術から誘導することができる。富化空気は、追加的に、または代わりとして、圧力維持または他の目的のために窒素を生成するために、空気分離ユニット（ＡＳＵ）、例えば、低温ＡＳＵから誘導することができる。本発明の特定の実施形態において、そのようなＡＳＵからのレジェクト流は、酸素が豊富であることができ、約５０体積％〜約７０体積％の全酸素含有量を有し、富化空気の少なくとも一部分として使用することができ、必要であれば、その後、所望の酸素濃度を得るために未処理の大気空気によって希釈されることができる。
燃料および酸化剤に加えて、燃焼室は、主としてＣＯ２および窒素成分を有する排出物ガス再循環などの圧縮リサイクル排出物ガスを任意に受け取ることもできる。圧縮リサイクル排出物ガスは、例えば、主要な圧縮器から誘導されることができ、そして例えば、燃焼生成物の温度を緩和することによって、酸化剤および燃料の燃焼を促進するために適応されることができる。認識されることができるように、排出物ガスを再循環させることは、ＣＯ２濃度を増加させるために役に立つことができる。
膨張器のインレットに向けられる排出物ガスは、燃焼反応の生成物として発生することができる。排出物ガスは、リサイクルされた排出物ガスの燃焼反応への導入を少なくとも一部分でベースとする高ＣＯ２含有量を有することができる。排出物ガスはで膨張器を通って膨張するため、それは主要な圧縮器を駆動するため、発電機を駆動するため、および／または他の設備に動力を供給するための機械的動力を発生させることができる。
発電システムは、多くの実施形態において、排出物ガス再循環（ＥＧＲ）システムを含むこともできる。本発明の１つ以上の態様において、ＥＧＲシステムは、蒸気ガスタービンに流動的に連結された熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）および／または別の同様のデバイスを含むことができる。少なくとも１つの実施形態において、ＨＲＳＧおよび蒸気ガスタービンの組み合わせは、動力発生閉鎖ランキンサイクルとして特徴づけることができる。ガスタービンシステムと組み合わせて、ＨＲＳＧおよび蒸気ガスタービンは、天然ガス複合サイクル（ＮＧＣＣ）プラントなどの複合サイクル動力発生プラントの一部分を形成することができる。ガス排出物は、蒸気および冷却された排出物ガスを発生させるため、ＨＲＳＧに導入することができる。ＨＲＳＧは、排出物流から水を分離および／または凝縮するための、蒸気を形成するために熱を伝達するための、および／または流れの圧力を所望のレベルまで変更するための様々なユニットを含むことができる。特定の実施形態において、蒸気は、追加的な電力を発生させるために、蒸気ガスタービンに送られることができる。
ＨＲＳＧの通過および少なくともいくらかのＨ２Ｏの任意の除去の後、ＣＯ２含有排出物流は、いくつかの実施形態において、燃焼反応へのインプットとしての使用のためにリサイクルすることができる。上記の通り、排出物流は、燃焼反応のために容器内で所望の反応圧力に適合させるために、圧縮（または減圧）することができる。
集積化されたシステムの実施例
図４は、タービンに動力を供給するために、ＣＯ２を含有するリサイクルされた排出物ガスおよび燃料電池アノード排出物からのＨ２またはＣＯの両方の燃焼反応への導入を含む、集積化されたシステムの実施例を概略的に示す。図４中、タービンは、圧縮器４０２、シャフト４０４、膨張器４０６および燃焼領域４１５を含むことができる。酸素供給源４１１（例えば、空気および／または酸素富化空気）を、リサイクルされた排出物ガス４９８と組み合わせ、そして燃焼領域４１５に入る前に圧縮器４０２において圧縮することができる。ＣＨ４などの燃料４１２、および任意にＨ２またはＣＯ１８７を含有する流れを、燃焼領域まで送達することができる。燃料および酸化剤は、領域４１５において反応することができ、そして任意であるが、好ましくは、電力を発生させるために、膨張器４０６に通過させることができる。膨張器１０６からの排出物ガスは、２つの流れ、例えば、ＣＯ２含有流４２２（燃料電池アレイ４２５のためのインプット供給として使用することができる）および別のＣＯ２含有流４９２（例えば、蒸気タービン４９４を使用して、追加的な電気の発生を可能にすることができる、熱回収および蒸気発生器システム４９０のためのインプットとして使用することができる）を形成するために使用することができる。ＣＯ２含有流からのＨ２Ｏの一部分の任意の除去を含む、熱回収システム４９０を通過した後、アウトプット流４９８は、圧縮器４０２または図示されない第２の圧縮器における圧縮のためにリサイクルすることができる。ＣＯ２含有流４９２のために使用される膨張器４０６からの排出物の割合は、燃焼領域４１５への添加のためのＣＯ２の所望の量をベースとして決定することができる。
本明細書で使用される場合、ＥＧＲ比率は、燃料電池結合部分および熱回収発電機に送られる回収結合部分に関する組み合わせられたフローレートで割られた、排出物ガスの燃料電池結合部分のフローレートである。例えば、図４に示されるフローのためのＥＧＲ比率は、流れ４２２および４９２の組み合わせられたフローレートで割られた流れ４２２のフローレートである。
ＣＯ２含有流４２２は、溶融炭酸塩形燃料電池アレイ４２５のカソード部分（図示せず）を通過させることができる。燃料電池アレイ４２５内の反応をベースとして、ＣＯ２を流れ４２２から分離することができて、燃料電池アレイ４２５のアノード部分（図示せず）に輸送することができる。これによって、ＣＯ２の欠乏したカソードアウトプット流４２４をもたらすことができる。カソードアウトプット流４２４は、次いで、蒸気タービン４５４（前記の蒸気タービン４９４と任意に同一でもよい）を使用して、熱交換の発生および／または追加的な発電のために、熱回収（および任意の蒸気発生器）システム４５０を通過させることができる。熱回収および蒸気発生器システム４５０を通過した後、得られた燃焼ガス流４５６を周囲に排出することができ、および／またはアミンスクラバーなどの他の種類の炭素捕捉技術を通過させることができる。
燃料電池アレイ４２５のカソードサイドからアノードサイドへのＣＯ２輸送の後、アノードアウトプット４３５を水性ガスシフト反応器４７０に任意に通過させることができる。水性ガスシフト反応器４７０を使用して、アノードアウトプット４３５に存在するＣＯ（およびＨ２Ｏ）を消費して、追加的なＨ２およびＣＯ２を発生させることができる。任意の水性ガスシフト反応器４７０からのアウトプットを、次いで、１つ以上の分離段階４４０、例えば、コールドボックスまたは低温分離器に通過させることができる。これによって、アノードアウトプットの残りの部分から、Ｈ２Ｏ流４４７およびＣＯ２流４４９を分離することができる。アノードアウトプット４８５の残りの部分は、改質によって発生するが、燃料電池アレイ４２５で消費されない未反応のＨ２を含むことができる。Ｈ２含有流４８５の第１の部分４４５は、燃料電池アレイ４２５においてアノードのためのインプットにリサイクルされることができる。流れ４８５の第２の部分４８７は、燃焼領域４１５のためのインプットとして使用することができる。第３の部分４６５は、別の目的のためにそのままで使用されることができ、かつ／またはその後のさらなる使用のために処理されることができる。図４および本明細書の記載には最大で３つの部分が概略的に記載されているが、本発明に従って、これらの３つの部分の１つのみを利用することができること、２のみを利用することができること、または３つ全てを利用することができることが考えられる。
図４中、排出物ガスリサイクルループのための排出物は、第１の熱回収および蒸気発生器システム４９０によって提供されるが、第２の熱回収および蒸気発生器システム４５０を使用して、燃料電池アレイ４２５のカソードアウトプットからの過剰量の熱を捕捉することができる。図５は、排出物ガスリサイクルループが、燃料電池アレイアウトプットを処理するために使用される同一の熱回収蒸気発生器によって提供される別の実施形態を示す。図５中、リサイクルされた排出物ガス５９８は、燃焼ガス流５５６の一部分として、熱回収および蒸気発生器システム５５０によって提供される。これによって、タービンと関連する別々の熱回収および蒸気発電機システムを排除することができる。
本発明の様々な実施形態において、本プロセスは、燃焼反応によって発生する熱および／または圧力を、力の別の形態に変換することができる、タービン、内燃機関または別のシステムに動力を供給するための燃焼反応によって始動するものとしてアプローチされる。燃焼反応のための燃料は、水素、炭化水素および／またはエネルギーを放出するために酸化（燃焼）されることができる炭素を含有する他のいずれかの化合物を含んでなることができるか、またはそれらであることができる。燃料が水素のみを含有する場合を除いて、燃焼反応からの排出物ガスの組成物は、反応の性質次第でＣＯ２含有量の範囲（例えば、少なくとも約２体積％〜約２５体積％以下）を有することができる。したがって、燃料が炭素質である特定の実施形態において、排出物ガスのＣＯ２含有量は、少なくとも約２体積％、例えば、少なくとも約４体積％、少なくとも約５体積％、少なくとも約６体積％、少なくとも約８体積％、または少なくとも約１０体積％であることができる。追加的に、または代わりとして、そのような炭素質の燃料実施形態において、ＣＯ２含有量は、約２５体積％以下、例えば、約２０体積％以下、約１５体積％以下、約１０体積％以下、約７体積％以下、または約５体積％以下であることができる。（炭素質燃料に関して）より低い相対的なＣＯ２含有量を有する排出物ガスは、リーン（ｌｅａｎ）な（過剰空気）燃焼による天然ガスなどの燃料における燃焼反応からの排出物ガスに相当することができる。（炭素質燃料に関して）より高い相対的なＣＯ２含有量排出物ガスは、最適化された天然ガス燃焼反応、例えば、排出物ガスリサイクルを有するもの、および／または石炭などの燃料の燃焼に相当することができる。
本発明のいくつかの態様において、燃焼反応のための燃料は、少なくとも約９０体積％、例えば、少なくとも約９５体積％の５個以下の炭素を含有する化合物を含有することができる。そのような態様において、排出物ガスのＣＯ２含有量は、少なくとも約４体積％、例えば、少なくとも約５体積％、少なくとも約６体積％、少なくとも約７体積％、または少なくとも約７．５体積％であることができる。追加的に、または代わりとして、排出物ガスのＣＯ２含有量は、約１３体積％以下、例えば、約１２体積％以下、約１０体積％以下、約９体積％以下、約８体積％以下、約７体積％以下、または約６体積％以下であることができる。排出物ガスのＣＯ２含有量は、燃焼発電機の構成次第で、値の範囲を表すことができる。排出物ガスのリサイクルは、少なくとも約６体積％のＣＯ２含有量を達成するために有利であることができるが、燃焼反応への水素の添加によって、少なくとも約７．５体積％のＣＯ２含有量を達成するために、ＣＯ２含有量のさらなる増加を可能にすることができる。
他の構成 − 高過酷度ＮＯｘタービン
ガスタービンは、いくつかの因子によってそれらの作動で制限されることができる。１つの典型的な制限は、規制排出限界を満たすために、酸化窒素（ＮＯｘ）の十分に低い濃度を達成するため、燃焼領域における最大温度が特定の限界より低く制御されることができるということであることができる。規制排出限界は、燃焼排出物を環境に出す時に、燃焼排出物が約２０ｖｐｐｍ以下、可能であれば１０ｖｐｐｍ以下のＮＯｘ含有量を有することを必要とすることができる。
天然ガス燃料燃焼タービンにおけるＮＯｘ生成は、温度および残留時間の関数であることができる。ＮＯｘの形成をもたらす反応は、約１５００°Ｆの火炎温度以下では重要性が低く、および／または最小限であることができるが、温度がこの点を超えて増加すると、ＮＯｘ生成が迅速に増加することができる。ガスタービンにおいて、初期の燃焼生成物は、約１２００°Ｆ付近の温度まで混合物を冷却するために、追加の空気と混合することができ、そして温度は、膨張器ブレードの冶金学によって制限されることができる。初期のガスタービンは、典型的に、約１５００°Ｆより十分高い温度で化学量論的領域を有した拡散火炎において燃焼を実行し、より高いＮＯｘ濃度をもたらす。最近では、「乾燥低ＮＯｘ」（ＤＬＮ）バーナーの電流発生は、より冷たいリーンな（化学量論より燃料の少ない）条件で天然ガスを燃焼させるために、特別な予混合されたバーナーを使用することができる。例えば、より多くの希釈空気を初期の火炎に混合することができて、後期はより少ない量を混合することができ、約１２００°Ｆのタービン−膨張器インレット温度まで温度を低下させることができる。ＤＬＮバーナーの不都合は、ターンダウン、より高い維持、狭い作動範囲、および低い燃料適応性における低い性能を含むことができる。ＤＬＮバーナーを様々な品質の燃料に適用させることがより困難である（または少しでも液体燃料に適用することが困難である）ことができるため、後者は懸念となることができる。ＣＯ２の高含有量を含有する燃料などの低ＢＴＵ燃料に関して、ＤＬＮバーナーは典型的に使用されず、その代わりに、拡散バーナーを使用することができる。加えて、ガスタービン効率は、より高いタービン−膨張器インレット温度を使用することによって、増加させることができる。しかしながら、希釈空気の量の制限があることができるため、またこの量は、タービン−膨張器インレット温度の増加によって減少することができるため、ＤＬＮバーナーは、ガスタービンの効率が改善しても、低ＮＯｘを維持することに関して、あまり有効になることができない。
本発明の様々な態様において、炭素捕捉のためにガスタービンを燃料電池と集積化するシステムは、追加的なＮＯｘ排出を低下および／または最小化し、ＤＬＮバーナーとは現在適合性ではないタービン燃料の使用によるＤＬＮと同様のＮＯｘ節減を可能にしながら、より高い燃焼領域温度の使用を可能にすることができる。そのような態様において、タービンは、より高い動力（すなわち、より高い温度）で動作することができ、より高いＮＯｘ排出がもたらされるが、より高い電力出力および潜在的により高い効率ももたらされる。本発明のいくつかの態様において、燃焼排出物のＮＯｘの量は、少なくとも約２０ｖｐｐｍ、例えば、少なくとも約３０ｖｐｐｍ、または少なくとも約４０ｖｐｐｍであることができる。追加的に、または代わりとして、燃焼排出物のＮＯｘの量は、約１０００ｖｐｐｍ以下、例えば、約５００ｖｐｐｍ以下、または約２５０ｖｐｐｍ以下、または約１５０ｖｐｐｍ以下、または約１００ｖｐｐｍ以下であることができる。規制によって要求される濃度までＮＯｘ濃度を低下させるために、得られるＮＯｘは、気相における単純な熱分解、燃料電池アレイにおけるニッケルカソード触媒からの触媒作用による分解、および／または少量のアンモニア、尿素もしくは他の還元剤の注入による燃料電池より前の促進された熱分解などのいくつかの機構の１つを通して、熱ＮＯｘ分解を介して平衡化されることができる（排出物流における平衡濃度までのＮＯｘ濃度の低下）。これは、アノード排出物から誘導される水素の導入によって促進することができる。燃料電池のカソードにおけるＮＯｘのさらなる低下は、ＮＯｘをカソード表面で反応させることができて、分解することができる電気化学的分解を介して達成することができる。これは、膜電解質を通って、アノードへのいくらかの窒素輸送をもたらすことができ、そこでアンモニアまたは他の還元窒素化合物が形成され得る。ＭＣＦＣが関与するＮＯｘ低下法に関して、燃料電池／燃料電池アレイからの予想されるＮＯｘ低下は、燃料電池カソードへのインプットにおけるＮＯｘの約８０％以下、例えば、約７０％以下、および／または少なくとも約５％であることができる。なお、硫化物腐食作用も温度を制限することができ、従来のシステムではタービンブレード冶金学に影響を及ぼすこともできる。しかしながら、ＭＣＦＣシステムの硫黄制限は、典型的に、硫化物腐食作用と関連する懸念を低下または最小化する、低下された燃料硫黄濃度を必要とすることができる。低燃料利用でＭＣＦＣアレイを作動することは、例えば、燃焼反応のための燃料の一部分がアノード排出物からの水素に相当する態様において、そのような懸念をさらに軽減することができる。
追加的な実施形態
実施形態１．改質可能燃料を含んでなる燃料流を、溶融炭酸塩形燃料電池のアノード、アノードと関連する内部改質要素、またはそれらの組み合わせに導入するステップと；ＣＯ２およびＯ２を含んでなるカソードインレット流（又は入口流）を、溶融炭酸塩形燃料電池のカソードに導入するステップと；約６０％以下の燃料利用で作動された溶融炭酸塩形燃料電池内で電気を発生させるステップと；Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２を含んでなるアノード排出物を発生させるステップと；アノード排出物の少なくとも一部分から、少なくとも約８０体積％（例えば、少なくとも約９０体積％）のＨ２を含んでなる第１のＨ２豊富ガス流を分離するステップと；第１のＨ２豊富ガス流の少なくとも一部分を燃焼させて、電気を発生させるステップとを含んでなる電気を発生させる方法。
実施形態２．（ｉ）アノード排出物、アノード排出物の少なくとも一部分またはそれらの組み合わせにおいて水性ガスシフトプロセスを実行するステップ；（ｉｉ）アノード排出物、アノード排出物の少なくとも一部分またはそれらの組み合わせからＣＯ２および／またはＨ２Ｏを分離するステップ；あるいは（ｉｉｉ）（ｉ）および（ｉｉ）の両方をさらに含んでなる、実施形態１の方法。
実施形態３．分離ステップが、アノード排出物またはアノード排出物の少なくとも一部分において水性ガスシフトプロセスを実行して、シフトされたアノード排出物部分を形成するステップと、シフトされたアノード排出物部分からＨ２ＯおよびＣＯ２を分離して、第１のＨ２豊富ガス流を形成するステップとを含んでなる、実施形態１または２の方法。
実施形態４．燃焼ステップが、燃焼によって発生する熱から蒸気を発生させるステップと、発生した蒸気の少なくとも一部分から電気を発生させるステップとを含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態５．燃焼ステップが、タービンにおいて第１のＨ２豊富ガス流の少なくとも一部分を燃焼するステップを含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態６．カソードインレット流が、燃焼タービンにける炭素含有燃料の燃焼からの排出物を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態７．炭素含有燃料が、少なくとも５体積％の不活性ガス、少なくとも約１０体積％のＣＯ２、および少なくとも約１０体積％のＮ２の１つ以上を含んでなる、実施形態６の方法。
実施形態８．アノード排出物が、少なくとも約２．５：１（例えば、少なくとも約３．０：１、少なくとも約４．０：１、または少なくとも約５．０：１）のＨ２：ＣＯの比率を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態９．アノード排出物、アノード排出物の少なくとも一部分、第１のＨ２豊富ガス流またはそれらの組み合わせから第２のＨ２含有流を形成するステップと、第２のＨ２含有流の少なくとも一部分を燃焼タービンにリサイクルするステップとをさらに含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１０．改質可能燃料の少なくとも約９０体積％がメタンである、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１１．溶融炭酸塩形燃料電池が、約０．２５〜約１．５（例えば、約０．２５〜約１．３、約０．２５〜約１．１５、約０．２５〜約１．０、約０．２５〜約０．８５、約０．２５〜約０．８、または約０．２５〜約０．７５）の熱比率で作動される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１２．アノード、アノードと関連する内部改質要素またはそれらの組み合わせに導入された改質可能燃料の量が、電気を発生させるために溶融炭酸塩形燃料電池において反応する水素の量より少なくとも約５０％多い（例えば、少なくとも約７５％多い、または少なくとも約１００％多い）、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３．アノード排出物における合成ガスの正味のモルとカソード排出物におけるＣＯ２とのモルの比率（又はカソード排出物におけるＣＯ２のモルに対するアノード排出物における合成ガスの正味のモルの比率）が、少なくとも約２．０：１（例えば、少なくとも約３．０、少なくとも約４．０、少なくとも約５．０、少なくとも約１０．０、または少なくとも約２０．０）であり、かつ任意に約４０．０以下（例えば、約３０．０以下、または約２０．０以下）である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１４．アノードにおける燃料利用が、約５０％以下（例えば、約３０％以下、約２５％以下、または約２０％以下）であり、かつカソードにおけるＣＯ２利用が、少なくとも約６０％（例えば、少なくとも約６５％、少なくとも約７０％、または少なくとも約７５％）である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１５．溶融炭酸塩形燃料電池を作動させて、少なくとも約１５０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度における電力および少なくとも約４０ｍＷ／ｃｍ２（例えば、少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ２、少なくとも６０ｍＷ／ｃｍ２、少なくとも約８０ｍＷ／ｃｍ２、または少なくとも１００ｍＷ／ｃｍ２）の廃熱を発生させる、上記実施形態のいずれかの方法であって、約１００℃以下（例えば、約８０℃以下または約６０℃以下）のアノードインレットとアノードアウトレット（又は出口）との間の温度差を維持するために吸熱性反応の有効な量を実行するステップをさらに含んでなり、かつ任意に吸熱性反応を実行することによって、廃熱の少なくとも約４０％（例えば、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、または少なくとも約７５％）が消費される、方法。
実施形態１６．溶融炭酸塩形燃料電池の電気効率が、約１０％〜約４０％（例えば、約１０％〜約３５％、約１０％〜約３０％、約１０％〜約２５％、約１０％〜約２０％）であり、かつ燃料電池の全燃料電池効率が、少なくとも約５０％（例えば、少なくとも約５５％、少なくとも約６０％、少なくとも約６５％、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、上記実施形態のいずれかの方法。
本発明を特定の実施形態に関して記載したが、必ずしも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。

Claims (22)

  1. 改質可能燃料を含む燃料流を、溶融炭酸塩形燃料電池のアノード、前記アノードと関連する内部改質要素、またはそれらの組み合わせに導入するステップ；
    ＣＯ２およびＯ２を含むカソードインレット流を、前記溶融炭酸塩形燃料電池のカソードに導入するステップ；
    ５０％以下の燃料利用で作動された前記溶融炭酸塩形燃料電池内で電気を発生させるステップ；
    Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２を含むアノード排出物を発生させるステップ；
    前記アノード排出物の少なくとも一部分から、少なくとも８０体積％のＨ２を含む第１のＨ２豊富ガス流を分離するステップ；及び
    前記第１のＨ２豊富ガス流の少なくとも一部分を燃焼させて、電気を発生させるステップを含み、
    前記アノードにおける燃料利用が、５０％以下である、
    電気を発生させる方法。
  2. 前記アノード排出物、前記アノード排出物の前記少なくとも一部分またはそれらの組み合わせにおいて水性ガスシフトプロセスを行うステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記アノード排出物、前記アノード排出物の前記少なくとも一部分またはそれらの組み合わせからＣＯ２を分離するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記アノード排出物、前記アノード排出物の前記少なくとも一部分またはそれらの組み合わせからＨ２Ｏを分離するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記分離ステップが、
    前記アノード排出物または前記アノード排出物の前記少なくとも一部分において水性ガスシフトプロセスを行い、シフトされたアノード排出物部分を形成するステップ；及び
    前記シフトされたアノード排出物部分からＨ２ＯおよびＣＯ２を分離して、前記第１のＨ２豊富ガス流を形成するステップ
    を含む、請求項１に記載の方法。
  6. 第１のＨ２豊富ガス流は、少なくとも９０体積％のＨ２を含む、請求項１に記載の方法。
  7. 燃焼ステップが、前記燃焼によって発生する熱から蒸気を発生させるステップ、及び前記発生した蒸気の少なくとも一部分から電気を発生させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記燃焼ステップが、タービンにおいて前記第１のＨ２豊富ガス流の前記少なくとも一部分を燃焼するステップを含む、請求項１に記載の方法。
  9. 前記カソードインレット流が、燃焼タービンにおける炭素含有燃料の燃焼からの排出物を含む、請求項１に記載の方法。
  10. 前記炭素含有燃料が、少なくとも５体積％の不活性ガスを含む、請求項９に記載の方法。
  11. 前記炭素含有燃料が、少なくとも１０体積％のＣＯ２を含む、請求項９に記載の方法。
  12. 前記炭素含有燃料が、少なくとも１０体積％のＮ２を含む、請求項９に記載の方法。
  13. 前記アノード排出物が、少なくとも３．０：１のＨ２：ＣＯの比率を有する、請求項１に記載の方法。
  14. 前記アノード排出物、前記アノード排出物の前記少なくとも一部分、前記第１のＨ２豊富ガス流またはそれらの組み合わせから第２のＨ２含有流を形成するステップ、及び前記第２のＨ２含有流の少なくとも一部分を前記燃焼タービンにリサイクルするステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
  15. 前記改質可能燃料の少なくとも９０体積％がメタンである、請求項１に記載の方法。
  16. 前記溶融炭酸塩形燃料電池が、０．２５〜１．０の熱比率で作動される、請求項１に記載の方法。
  17. 前記アノード、前記アノードと関連する前記内部改質要素または前記それらの組み合わせに導入された前記改質可能燃料の量が、電気を発生させるために前記溶融炭酸塩形燃料電池において反応する水素の量より少なくとも７５％多い、請求項１に記載の方法。
  18. 前記アノード排出物における合成ガスの正味のモルとカソード排出物におけるＣＯ２のモルとの比率が、少なくとも２．０：１である、請求項１に記載の方法。
  19. 前記カソードにおけるＣＯ２利用が、少なくとも６０％である、請求項１に記載の方法。
  20. 前記溶融炭酸塩形燃料電池を作動させて、少なくとも１５０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度での電力および少なくとも４０ｍＷ／ｃｍ２の廃熱を発生させる、請求項１に記載の方法であって、１００℃以下の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維持するために吸熱性反応を行うステップをさらに含む、方法。
  21. 前記吸熱性反応を行うことによって、前記廃熱の少なくとも４０％を消費する、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記溶融炭酸塩形燃料電池の電気効率が、１０％〜４０％であり、かつ前記燃料電池の全燃料電池効率が、少なくとも５５％である、請求項１に記載の方法。
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