JP6345233B2 - 溶融カーボネート燃料電池の集積化された作動 - Google Patents

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Description

（発明の分野）
様々な態様において、本発明は、溶融カーボネート燃料電池を使用して集積化される化学製造および／または発電プロセスに関する。
（発明の背景）
溶融カーボネート燃料電池（molten carbonate fuel cells）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カーボネート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、溶融カーボネート燃料電池は、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（又はシングルパス）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。溶融カーボネート燃料電池は、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、燃焼発電機を溶融カーボネート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。
特許文献５は、溶融カーボネート燃料電池を、アンモニア製造のためのシステムと集積化する方法を記載する。集積化されたシステムは、アンモニアの製造のためのインプット水素および窒素流を処理するために、溶融カーボネート燃料電池とは異なるフロントエンドを使用する。
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 米国特許第５，１６９，７１７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）
（発明の要旨）
溶融カーボネート燃料電池の作動（又は動作もしくは操作（operation））は、エネルギーの発生、水素、合成ガスもしくは他の燃料の製造および／または商業的に有用な化合物の製造のための様々なプロセスと集積化（又は統合もしくは統一）することができる。
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；「Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ＮＯｘ ｉｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ」という名称の２０１４ＥＭ０４７−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１４ＥＭ０４８−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 ａ 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。
溶融カーボネート燃料電池、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。 溶融カーボネート燃料電池、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。 溶融カーボネート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。 溶融カーボネート燃料電池を、炭化水素様化合物の製造のためのプロセスと集積化するための構成の実施例を概略的に示す。 溶融カーボネート燃料電池を、炭化水素様化合物の製造のためのプロセスと集積化するための構成の実施例を概略的に示す。 溶融カーボネート燃料電池を、炭化水素様化合物の製造のためのプロセスと集積化するための構成の実施例を概略的に示す。 集積化されたＭＣＦＣおよびフィッシャー−トロプシュシステムのシミュレーションからの結果を示す。 集積化されたＭＣＦＣおよびフィッシャー−トロプシュシステムのシミュレーションからの結果を示す。 溶融カーボネート燃料電池を、メタノールの合成のためのプロセスと集積化するための構成の実施例を概略的に示す。 溶融カーボネート燃料電池を、メタノールの合成のためのプロセスと集積化するための構成の実施例を概略的に示す。 集積化されたＭＣＦＣおよびメタノール合成プロセスに関する計算からのプロセスフロー値を示す。 溶融カーボネート燃料電池を、発酵プロセスと集積化するための構成の実施例を概略的に示す。 溶融カーボネート燃料電池を、発酵プロセスと集積化するための構成の実施例を概略的に示す。 溶融カーボネート燃料電池を、窒素含有化合物の合成のためのプロセスと集積化するための構成の実施例を概略的に示す。 溶融カーボネート燃料電池を、セメントの製造のためのプロセスと集積化するための構成の実施例を概略的に示す。 セメントの製造のためのプロセスとの溶融カーボネート燃料電池の集積化の実施例に関するプロセスフローを示す。 鉄または鉄鋼の製造のためのプロセスとの溶融カーボネート燃料電池の集積化の実施例を概略的に示す。 鉄または鉄鋼の製造のためのプロセスとの溶融カーボネート燃料電池の集積化の実施例のためのプロセスフローを示す。 精製装置環境において水素および電力を発生させるためのシステムの実施例を概略的に示す。 精製装置環境において水素および電力を発生させるためのシステムにおけるプロセスフローの実施例を示す。 精製装置環境において水素および電力を発生させるためのシステムの実施例を概略的に示す。 精製装置環境において水素および電力を発生させるためのシステムにおけるプロセスフローの実施例を示す。 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。
（実施形態の詳細な説明）
概要
様々な態様において、溶融カーボネート燃料電池の作動は、様々な化学および／または材料の製造プロセスと集積化（又は統合もしくは統一）することができる。製造プロセスは、溶融カーボネート燃料電池からのアウトプットの生成に対応（又は相当）することができ、あるいは製造プロセスは、１つ以上の燃料電池流（又は燃料電池ストリーム）を消費または提供することができる。
フィッシャー−トロプシュ合成との集積化
様々な態様において、ＭＣＦＣシステムから生じる合成ガスの反応をベースとするフィッシャー−トロプシュ合成から高品質の製品を製造するためのシステムおよび方法が提供される。このシステムおよび方法は、高平均分子量の主に飽和のパラフィンを製造するために、コバルトをベースとする触媒などの非シフト型フィッシャー−トロプシュ触媒を、任意であるが、時には好ましく使用することができる。これは、時には「低温」フィッシャー−トロプシュ合成と呼ばれることができる。あるいは、システムおよび方法は、鉄をベースとする触媒などのシフト型フィッシャー−トロプシュ触媒を、任意であるが、時には好ましく使用することができる。これは、時には「高温」フィッシャー−トロプシュ合成と呼ばれることができる。他の触媒システムおよびプロセス条件が利用されてもよいが、典型的な商業的な作動では、いずれかのコバルトまたは鉄をベースとする触媒を利用することができる。いくつかの好ましい態様において、フィッシャー−トロプシュ生成物流で典型的に形成される主に飽和のパラフィンは、ディーゼル燃料、ジェット燃料および潤滑剤などの価値の高い製品へと加工することができ、かつ／またはそれらの製品のためのブレンド資源として利用することができる。いくつかの態様において、このシステムおよび方法は、例えば、フィッシャートロプシュ法のため、および／または輸送のため、全プロセスへの炭素インプットを効率的に利用しながら、電力の実質的な量も発生させながら、これらの製品をより効率的に製造することができる。このシステムは、インプットに対する電気的および化学的アウトプットの合計に関して、高い全効率を提供することができる。追加的に、または代わりとして、このシステムは炭素捕捉／分離のために適切なＣＯ２流（または１種以上のＣＯ２流）を製造することができる。
合成ガスは、燃料、潤滑剤、化学製品および／または特産品の製造において有用な様々な製品および成分を製造するために利用することができる。合成ガスをこれらの製品に変換するための１つのプロセスには、合成ガスを高温および圧力において触媒と反応させて、長鎖炭化水素（または炭化水素様化合物）および酸素を製造することができるフィッシャートロプシュプロセスが含まれる。利用される最も共通の触媒は、鉄をベースとする触媒（いわゆる、高温−フィッシャー−トロプシュ合成用）およびコバルトをベースとする触媒（いわゆる、低温−フィッシャー−トロプシュ合成用）を典型的に含むことができる。鉄をベースとする触媒は、他の関連する触媒とともに、水性ガスシフト反応がこれらの触媒上で容易に平衡化する傾向があるため、シフト型触媒と呼ばれることもできる。コバルト含有触媒および他の関連する触媒は、標準作動条件において水性ガスシフト平衡反応を実質的に実行および／または触媒するように見えないため、非シフ触媒と呼ばれることができる。
適切なフィッシャー−トロプシュ触媒の例は、促進剤、例えば、ルテニウム、レニウムおよび／またはジルコニウムの有無にかかわらず、担持された、もしくは担持されていない第ＶＩＩＩ族、非貴金属、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｒｕおよび／またはＣｏを一般に含むことができる。これらのフィッシャートロプシュプロセスは、固定床、流体床および／またはスラリー炭化水素合成を典型的に含むことができる。いくつかの態様において、好ましいフィッシャートロプシュプロセスは、例えば、コバルトおよび／またはルテニウムをベースとし、好ましくは、少なくともコバルトおよび好ましくは促進されたコバルトを含んでなるものなどの、非シフト型触媒を利用するものであることができ、促進剤は、他の促進剤金属が使用されてもよいが、ジルコニウムおよび／またはレニウム、好ましくはレニウムを含んでなる。これらの触媒の活性は、任意に触媒担体の一部として、銅、セリウム、レニウム、マンガン、白金、イリジウム、ロジウム、モリブデン、タングステン、ルテニウムまたはジルコニウムを含む様々な金属の添加によって向上させることができる。そのような触媒は周知であり、かつ好ましい触媒は、米国特許第４，５６８，６６３号明細書および欧州特許第０２６６８９８号明細書に記載されている。典型的なフィッシャートロプシュプロセスで使用される合成ガス供給は、Ｈ２：ＣＯが少なくとも約１．７、好ましくは少なくとも約１．７５、より好ましくは１．７５〜２．５、例えば、少なくとも約２．１のおよび／または約２．１以下の比率で存在する、ＨおよびＣＯの混合物を含んでなることができる。
フィッシャートロプシュプロセスは、固定床、スラリー床および複数のチャネルデザインなどの様々なシステムで実施することができる。様々な態様において、フィッシャートロプシュプロセスは、小型反応器（例えば、１＋バレル／日）、または超大型反応器（例えば、１０，０００〜５０，０００バレル／日以上）などの広範囲の種々の反応器において利用することができる。製品は、典型的に、炭化水素ワックスであるが、そのままで使用することができ、かつ／または様々な周知の化学プロセスによって、他の（例えば、液体）成分に変換することができる。
一般に、フィッシャートロプシュプロセスは、約１５０℃〜約３２０℃（３０２°Ｆ〜６２６°Ｆ）の温度範囲および約１００ｋＰａａ〜約１０ＭＰａａの範囲の圧力で作動することができる。フィッシャートロプシュプロセス内の反応条件を変更することは、反応生成物の鎖長の少なくともいくらかの制御を含む、反応生成物の収率および／または組成に対する制御を提供することができる。典型的な反応生成物は、アルカン（主要な反応生成物）、ならびに１種以上の含酸素物、オレフィン、炭化水素と同様であるが、炭素および水素以外の１個以上のヘテロ原子を含有し得る他の炭化水素様化合物、ならびに様々な追加的な反応副生物および／または未反応供給成分を含むことができる。これらの追加的な反応生成物および供給成分は、特に、Ｈ２Ｏ、未反応の合成ガス（ＣＯおよび／またはＨ２）およびＣＯ２を含むことができる。これらの追加的な反応生成物および供給成分は、プロセスによって発生するより典型的な（所望の）液体および／または炭化水素様化合物などの非気体生成物とは対照的に、気体の形態でフィッシャートロプシュプロセスの主要な反応生成物から分離することができるテールガスを形成することができる。フィッシャートロプシュプロセスの目標が、ナフサ供給、ディーゼル供給、または他の蒸留物沸点範囲分子としての使用のために適切な化合物などのより長鎖の分子の合成である場合、いくつかの少量の（Ｃ１〜Ｃ４）アルカン、オレフィン、含酸素物および／または他の炭化水素様化合物が、テールガスに組み込まれてもよい。フィッシャー−トロプシュ合成からの主要な生成物は、直接使用することができ、かつ／または、所望により、さらなる処理を受けることができる。例えば、蒸留物沸騰範囲分子を形成するためのフィッシャー−トロプシュ合成プロセスは、例えば、所望の鎖長、粘度およびコールドフロー特性を有する最終生成物を発生させるために、その後、脱ワックス化され、そして／または水素化分解される、１つ以上の生成物流を発生させることができる。
溶融カーボネート燃料電池とのフィッシャートロプシュプロセスの集積化は、合成プロセスおよび燃料電池の間のプロセス流の集積化を可能にすることができる。フィッシャートロプシュプロセスのための初期の合成ガスインプットは、燃料電池と関連する改質段階によって発生させることができる。追加的に、または代わりとして、フィッシャートロプシュプロセスによって製造されるテールガスは、燃料電池のアノードのための補助燃料流を提供するため、および／または燃料電池カソードのためのＣＯ２の供給源を提供するためにリサイクルされることができる。ＭＣＦＣ／フィッシャー−トロプシュシステムは、さらに追加的に、または代わりとして、ガスタービン動力プラントおよび炭素捕捉の使用と集積化されることができ、より大量の電気および液体燃料を製造する全体的なプラントを提供する。
いくつかの態様において、フィッシャートロプシュプロセスによって製造されるテールガスは、ＣＯ２の少なくとも一部分をカソードインレット流（又はカソードインレットストリーム）に提供するための改善された方法で使用することができる。フィッシャー−トロプシュ合成反応からのテールガスは、一般に、比較的低価値の流として考えることができる。テールガスは、ＣＯ２の実質的な部分を含むことができ、かつＣＯ、Ｈ２、少量のアルカンおよび／または少量の含酸素物などの少なくともいくつかの燃料成分を潜在的に含むことができる。燃料成分の比較的低濃度および／またはＣＯ２の比較的高濃度のため、テールガスは、一般に、直接的に有用ではない燃料である。テールガスから燃料を分離することを試みるために分離を実行することができるが、そのような分離は、典型的に、分離から誘導される燃料の量に関して、非効率的である可能性がある。
テールガス流から燃料成分を分離することを試みる代わりに、様々な態様において、ＣＯ２の一部分をテールガス流から分離するための分離を実行することができる。これによって、ＣＯ２流、およびテールガス流の残留部分の形成をもたらすことができる。この分離戦略は、いくつかの潜在性利点を潜在的に提供することができる。分離がＣＯ２の一部分のみを単離させるために実行される場合、この分離は、比較的高純度のＣＯ２流を形成するために好ましくは使用されることができる。残留するテールガス流の燃料の濃度は、わずかに増加するのみであり得るが、テールガス流の全体積は低下することができ、このことによって、テールガス流の残留部分が、カソードインレット流の少なくとも一部分としての使用のためにより適切となり、またはおそらく、残留部分をカソードインレット流として使用することが可能となる。カソードインレット流としての使用の前に、任意に、テールガスの残留部分を所望のカソードインレット温度まで加熱しながら、テールガスの残留部分の燃料を燃焼して、ＣＯ２およびＨ２Ｏを形成することができる。なお、燃焼の後のテールガス流の残留部分の温度を制御するための１つの選択は、分離の間に除去されるＣＯ２の量を制御することを含むことができる。この種類の分離戦略は、燃料を単離させるための分離の実行を必要とすることなく、テールガス中の燃料を効率的に使用することを可能にすることができる。追加的に、テールガス中のＣＯ２において部分的分離のみが実行される場合、比較的より純粋なＣＯ２流が発生することができる。そのような比較的純粋なＣＯ２流は、分離のために、または高純度ＣＯ２が関与する他の使用のために適切となることができる。
いくつかの態様において、ＭＣＦＣとのフィッシャートロプシュプロセスの集積化は、例えば、蒸気改質装置または自動熱改質装置を利用する従来のプロセスとは異なる種類のプロセスフローを可能にすることができる。自動熱改質装置からの典型的な合成ガスアウトプットは、約２：１のＨ２：ＣＯ比を有することができる。その結果、従来のプロセスに関するＨ２対ＣＯの比率の変更が望ましい程度まで、変更は、例えば、約２：１まで、ＣＯの量に対するＨ２の量を増加させることに典型的に相当することができる。対照的に、様々な態様において、ＭＣＦＣからのアノード排出物の組成は、少なくとも約２．５；１、例えば、少なくとも約３：１のＨ２：ＣＯ比を有することができる。いくつかの態様において、約２：１のＨ２：ＣＯ比、例えば、少なくとも約１．７、または少なくとも約１．８、または少なくとも約１．９、および／または約２．３以下、または約２．２以下、または約２．１以下の比率を有する合成ガスを形成することが望ましくなり得る。そのような態様において、所望の比率を達成するために、Ｈ２の量は、ＣＯの量に対して低下させることができる。これは、逆水性ガスシフト反応を使用して、（高純度）Ｈ２流を分離するために膜を使用して、またはＨ２：ＣＯの比率を変更する他のいずれかの都合のよい方法によって達成することができる。
フィッシャー−トロプシュ合成は、ＭＣＦＣシステムの多くの特徴から利益を得ることができる。典型的に、メタンからフィッシャー−トロプシュによって製造される合成ガスは、蒸気改質、自動熱改質、または空気からの純粋な酸素と反応したメタンの使用が関与する部分的な酸化によって製造することができる。そのようなシステムは、実質的な量の資本装置（空気分離器）を必要とする可能性があり、また、正確なＨ２／ＣＯ比の合成ガスを製造するために、事前および事後のガスクリーンアップのための様々なステップを利用しなければならず、また望ましくない不純物が含まれないことも必要である。これは特に、より多くの生産的なＣｏ触媒ベースの（非シフト型）システムで真であり、それは硫黄などの毒物に感応性である。フィッシャー−トロプシュシステムは、実質的な熱管理および／または熱交換を必要とすることができ、比較的高温で生じることができる。
ＭＣＦＣシステムは、電気を発生させるプロセスにおいて、合成ガス製造を実行することができ、かつ、ほとんどのフィッシャー−トロプシュ毒を許容することができ、かつ／または除去することができるアノード（典型的にＮｉをベースとする）に位置する大量の触媒の結果として、クリーンな合成ガスを製造することができる。その結果、ガス処理、熱交換および／またはクリーンアップは、ＭＣＦＣで少なくとも部分的に実行されることができる。加えて、アノード流出物が４つ全ての水性ガスシフト成分の十分な量を有し、かつそして、水および／またはＣＯ２除去および／または追加的なＷＧＳ（または逆シフト）の組み合わせによって、単に調節することができるため、所望のＨ２／ＣＯ比を達成することが比較的容易にできる。
フィッシャー−トロプシュ反応器は、反応の発熱性性質のため、典型的に多量の蒸気を発生することができる。蒸気の使用は、プラントの位置次第で生産的に困難となる。電気を発生させるＭＣＦＣシステムと組み合わせる場合、このシステムは、熱集積化がフィッシャー−トロプシュの過剰量の蒸気／熱を使用することができる多くの面積を提供することができる。潜在的な集積化の例としては、（低温除去後などの）ＣＯ２の除去後の反応物の加熱、それが低温ＣＯ２供給源か生じる場合、入ってくるカソード酸化剤（空気）の加熱、および／またはＭＣＦＣからの複合サイクル発電のためにすでに存在する熱回収蒸気発生システムへの集積化を含むことができる。
フィッシャートロプシュプロセスは、通常、液体生成物に容易に組み込まれないＣ１〜Ｃ４炭化水素の量（おそらくＣ１〜Ｃ４含酸素物を含む）を製造することができない。そのようなＣ１〜Ｃ４炭化水素の量および／またはＣ１〜Ｃ４含酸素物は、直接、または事前の改質装置によってＭＣＦＣにリサイクルされることができ、かつ電力を製造するため、および／または合成ガスをリサイクルするために使用することができる。
ＣＯ２の使用が追加的な価値を有する装置に関して、アノード排出物からの捕捉されたＣＯ２の分離は、追加的な機会を集積化に提供することができる。そのようなＣＯ２は、例えば、二次的な石油回収のため、ウェル、または全システムを向上させながら、大気排出物に廃棄される代わりに、それを再利用することができる他のプロセスへの再注入のため、使用することができる。
複合フィッシャー−トロプシュ溶融カーボネート燃料電池（ＦＴ−ＭＣＦＣ）システムのためのアノードインプットは、新しいメタン供給、別の種類の炭化水素または炭化水素様化合物供給、フィッシャー−トロプシュ反応器および／またはその後の処理ステップからの１種以上のＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２および軽炭化水素を含有する１つ以上のリサイクル流をベースとする供給、またはそれらの組み合わせを含んでなることができるか、あるいはそれらであることができる。好ましくは、アノード供給は、天然ガスおよび／またはメタンを含んでなることができるか、またはそれであることができる。ＭＣＦＣシステムからのアノードアウトレットは、直接使用することができるか、またはより一般的に、フィッシャー−トロプシュ合成のために最適化するために、Ｈ２／ＣＯ比を調節し、かつ／または水およびＣＯ２含有量を低下させるために、様々なプロセスを受けることができる。そのような調節プロセスは、分離、水性ガスシフト反応、縮合および吸収など、ならびにそれらの組み合わせを含んでもよい。
カソードインレットは、ＣＯ２を含有することができ、そして存在する場合、（例えば、ガスタービンおよび／または他のＣＯ２流出物から）別々の燃焼プロセスから誘導されてもよい。追加的に、または代わりとして、カソードインレットは、追加的に、または代わりとして、少なくとも部分的に、（分離後）ＭＣＦＣアノードからの流れのリサイクルによって、および／またはフィッシャートロプシュプロセスからのリサイクルによって発生してもよい。さらに追加的に、または代わりとして、カソードインレット流は、フィッシャートロプシュプロセスからのテールガスから誘導されるＣＯ２を含有することができる。またさらに追加的に、または代わりとして、カソードインレットは、新しいメタンまたは炭化水素供給の燃焼から部分的に誘導されてもよい。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、他のプロセス流に、および／または組み合わせられたサイクル電気発生において熱を提供するための熱回収の後、雰囲気に排出されることができるが、カソード流出物は、任意であるが好ましくないが、所望であれば、さらなる処理のために送達されることができる。
ＭＣＦＣ燃料利用条件は、合成ガスアウトプットと比較して、電気エネルギーの所望の量を提供するために調節することができる。実質的な電気の必要性がある用途（例えば、非常に大型の沖合粗製石油採掘装置と一緒の少量のガス発生）に関して、ＦＴ−ＭＣＦＣシステムは、比例的により多くの電力を発生し得る。実質的なインフラが存在する大規模な変換をベースとする作動は、様々な電気的／化学的混合物を製造することができて、ローカルでの必要性をベースとして、アウトプットを変化させ得る。
図６は、フィッシャー−トロプシュ合成を実行するための反応システムとの溶融カーボネート燃料電池（例えば、溶融カーボネート燃料電池のアレイ）の集積化の実施例を概略的に示す。図６中、溶融カーボネート燃料電池６１０は、燃料電池のための関連する改質段階とともに、１つ以上の燃料電池（例えば、燃料電池積層または燃料電池アレイ）を概略的に表す。燃料電池６１０は、アノードインプット流６０５、例えば、改質可能燃料流（又はリフォーマブル燃料のストリーム）およびＣＯ２含有カソードインプット流６０９を受け取ることができる。燃料電池６１０からのカソードアウトプットは、図６に示されない。燃料電池６１０からのアノードアウトプット６１５は、次いで、任意であるが好ましくは、ＣＯ２、Ｈ２Ｏおよび／またはＨ２分離段階を含むことができる１つ以上である分離段階６２０、および／または１つ以上である水性ガスシフト反応段階を、以下に記載され、かつ図１および２にさらに例示されるような、いずれかの望ましい順番で通過することができる。分離段階は、ＣＯ２アウトプット流６２２、Ｈ２Ｏアウトプット流６２４および／またはＨ２アウトプット流６２６に相当する１つ以上の流れを製造することができる。分離段階は、フィッシャー−トロプシュ反応段階６３０のためのインプットとしての使用のために適切な合成ガスアウトプット６２５を製造することもできる。
図６に示されるスキームで、アノードアウトレットは、比較的多量の水およびＣＯ２を有し、ならびに好ましい２：１の比率より高いＨ２：ＣＯ比を示す合成ガスを製造することができる。一連のステップにおいて、流れは水を除去するために冷却され、次いで、大部分のＣＯ２を除去するためにＣＯ２分離段階を通過する。アノードアウトレット流および／または得られた流出物は、比較的高いＨ２：ＣＯ比（典型的に、約２．５〜約６：１、例えば約３：１〜約５：１）を有することができ、そして逆水性ガスシフト反応に反応物を提供するのに十分なＣＯ２を有することができる。アノードアウトレット流れおよび／または得られた流出物は、次いで、比較的高温（典型的に約４００℃〜約５５０℃）に加熱され、その時、ＣＯ２がＨ２と反応して、ＣＯ＋Ｈ２Ｏを生成することができる。結果として生じるガスは、従来の２：１により近いＨ２：ＣＯ比を示すことができる。このガスは、次いで、非シフト型フィッシャー−トロプシュ触媒を含有するフィッシャー−トロプシュ反応器に入れることができる。エネルギー管理の観点から、代わりとして、最初に逆水性ガスシフト反応を実行し、次いで、都合のよい順番でＣＯ２およびＨ２Ｏを分離することが望ましくなり得る。
フィッシャー−トロプシュ反応段階６３０は、直接に使用することができるか、または追加的な水素化などの処理をさらに受けることができるフィッシャー−トロプシュ生成物６３５を製造することができる。フィッシャー−トロプシュワックスの水素化は、必要に応じて、ディーゼルブレンドストックおよび／または潤滑油ベースストックなどの有用な製品であることができる材料（例えば、少なくとも１つの非気体製品）を製造するために、水素の存在下で、高温および圧力において典型的に達成することができる。フィッシャー−トロプシュ反応段階６３０は、例えば、燃料電池６１０のアノードおよび／またはカソード部分のためのリサイクルされた燃料６４５として使用するために任意にリサイクルされることができるテールガス６３７を追加的に、または、代わりとして発生させることができる。ほとんどの場合、この流れを、少なくとも、残留燃料成分（ＣＯ、Ｈ２および軽炭化水素）が混合されることができ、そして酸化剤（空気）によって燃焼されて、カソードインプットのために適切な温度を達成することができるカソードへリサイクルすることが好ましい。任意に、分離段階６２０からのＣＯ２アウトプット６２２は、燃料電池６１０のカソードのためのインプットの一部分（図示せず）として使用されることができるが、これは一般に好ましくない。
ほとんどの実施形態において、ＭＣＦＣシステムからの合成ガスアウトプットは、フィッシャートロプシュプロセスのために合成ガスの供給源として利用されることができる。シフト型ＦＴ触媒（例えば、Ｆｅをベースとする触媒）の場合、シフト型触媒は、フィッシャー−トロプシュ生成物を製造する反応条件下での水性ガスシフト反応（または逆水性ガスシフト反応）によって、従来の２：１とは異なる場合であっても、Ｈ２／ＣＯ比を調節することができる。特定の実施形態において、より低いＨ２：ＣＯ比率が所望であり得るが、個々のシステムは、シフト型触媒への曝露の前に、この比率を調節すること、または調節しないことを選択することができる。いくつかの態様において、シフト型触媒を使用する場合、導入より前のＣＯ２の除去は、低下することができるか、または最小化することができる。コバルトをベースとするフィッシャー−トロプシュ合成触媒（または別の種類の非シフト型触媒）を使用する場合、合成触媒は、典型的に、フィッシャー−トロプシュ反応条件で水性ガスシフト反応を実行するために意味がある活性を有しない。その結果、非シフト型フィッシャー−トロプシュ触媒に暴露された合成ガス流に存在するＣＯ２は、主に希釈剤として作用し、したがって、フィッシャー−トロプシュ反応に実質的に干渉し得ないが、希釈のため反応器生産性が低下する傾向がある。しかしながら、非シフト型触媒の性質のために、触媒は、フィッシャー−トロプシュ反応器に入る合成ガスのＨ２：ＣＯ比を容易に調節することができない。
図７は、フィッシャー−トロプシュ合成を実行するための反応システムと溶融カーボネート燃料電池（例えば、溶融カーボネート燃料電池のアレイ）の集積化の別の実施例を概略的に示す。図７に示される構成は、例えば、より大規模なシステムのために適切であることができる。図７中、溶融カーボネート燃料電池７１０は、燃料電池のための関連する改質段階とともに、１つ以上の燃料電池（例えば、燃料電池積層または燃料電池アレイ）を概略的に表す。燃料電池７１０は、アノードインプット流７０５、例えば、改質可能燃料流およびＣＯ２含有カソードインプット流７０９を受け取ることができる。カソードインプット流７０９は、燃焼を動力とするタービンからの排出物ガス、集積化されたフィッシャー−トロプシュ／ＭＣＦＣシステムの別のガス流からのリサイクル流、燃焼されて熱を発生させるメタン流、および／または燃料電池のために所望の温度でＣＯ２を提供することができる別の都合のよい流れに相当することができる。カソードインプット流７０９は、典型的に、酸素含有流の一部の分を含むことができる。燃料電池７１０からのアノードアウトプット７１５は、最初に、アノード排出物のＨ２：ＣＯの比率を変更するために逆水性ガスシフト段階７４０を通過することができる。変更されたアノード排出物７４５は、次いで、ＣＯ２およびＨ２Ｏ分離段階を含むことができる、１つ以上の分離段階７２０を通過することができる。分離段階は、ＣＯ２アウトプット流７２２および／またはＨ２Ｏアウトプット流７２４に相当する１つ以上の流れを製造することができる。任意であるが、好ましくは、フィッシャートロプシュプロセスに用いられる分離段階からのアウトプットは、アノード排出物のＣＯ２濃度の半分未満のＣＯ２濃度、アノード排出物のＨ２Ｏ濃度の半分未満のＨ２Ｏ濃度、またはそれらの組み合わせを有することができる。いくつかの、または全部のフィッシャー−トロプシュ反応プロセスの間の所望のインプット圧力を達成するため、分離段階７２０の後、圧縮器（図示せず）を使用することができる。任意に、Ｈ２アウトプット流（図示せず）は、追加的に、または代わりとして発生することができる。分離段階は、非シフト型フィッシャー−トロプシュ合成触媒などのフィッシャー−トロプシュ反応段階７３０のためのインプットとしての使用のために適切となることができる合成ガスアウトプット７２５を典型的に製造することができる。フィッシャー−トロプシュ反応段階７３０は、フィッシャー−トロプシュ液体生成物７３５、より低沸点のＣ２〜Ｃ４化合物７３２およびテールガス７３７を製造することができる。より低沸点のＣ２〜Ｃ４化合物は、液体生成物から分離することができ、次いで、製品および／またはさらなる反応の原材料として使用するために、さらに単離することができる。追加的に、または代わりとして、Ｃ２〜Ｃ４化合物は、テールガス７３７と一緒に残留することが可能であり、例えば、熱およびＣＯ２を燃料電池カソードに提供するための燃焼の後、カソードにリサイクルされることができる。
集積化の適用 − 分散処理の例
単離された領域におけるものなどのいくつかのフィッシャー−トロプシュの適用に関して、複合ＦＴ−ＭＣＦＣシステムは、この必要条件を越えて追加的なより高価値の製品に炭化水素インプットを変換しながら、システムを作動するためのローカルな電力の少なくとも一部分を提供するため、そして追加的に、または代わりとして、追加的な動力を他の設備または場所に提供するためのサイズに設定されるという長所を有することができる。提供される動力は、システムおよび／またはその場所のための一部の動力または必要な動力の全てであることができる。そのような装置は、単離された地上ガス供給源、船および／またはプラットホームに据え付けられた海上装置などを含むことができる。ＭＣＦＣシステムのサイズを調節することの容易さのため、燃料電池積層またはアレイのサイズおよび数をベースとして、超小型から世界規模までのいずれかの想像できる規模を集積化することができる。
フィッシャー−トロプシュ合成は、超大規模で実行する場合、従来から最も実際的だった。これは、主として、空気分離、メタンから合成ガスへの改質、（例えば、自動熱改質、触媒部分酸化など）、および炭化水素合成反応器を含むコアプロセスのいくつかの規模の経済によるものであった。従来は、単一プロセス「トレイン」は、１０，０００バレル製品／日より多くを製造することができ、そして３万〜１５万バレル／日からの全プラントサイズが商業的に実施されていた。このサイズの作動のために、超大型のガス鉱床が必要とされ、そして、これは技術の適用を、経済的に適切な意味でほんの少数のガス貯蔵器のみに制限した。
そのような従来の大規模作動と対照的に、いくつかの態様において、都合よくより小型のガス鉱床に適用することができる効率的なシステムにおいて、フィッシャー−トロプシュ合成を使用するための方法およびシステムが提供される。このプロセスおよびシステムは、フィッシャー−トロプシュ反応器に供給するための合成ガスを製造するために、ＭＣＦＣを利用することができ、そして必ずしも従来の大規模なプラントの多くの複雑さを含む必要がない。ＭＣＦＣシステムは、合成ガスから液体生成物への非常に高い炭素変換を生成しながら、圧縮器およびポンプなどの様々なサブシステムのための電力の少なくとも一部分（および潜在的に全て）を発生させることが可能である。それは、様々な構成において、シフト型または非シフト型触媒のいずれを用いても使用することができ、そして高温または低温フィッシャートロプシュプロセスのいずれにも適切であることができる。
上記の通り、適切なフィッシャー−トロプシュ触媒の例は、促進剤、例えば、ルテニウム、レニウムおよび／またはジルコニウムの有無にかかわらず、担持された、もしくは担持されていない第ＶＩＩＩ族、非貴金属、例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｒｕおよび／またはＣｏを一般に含むことができる。これらのフィッシャートロプシュプロセスは、固定床、流体床および／またはスラリー炭化水素合成などの反応器を使用して実施することができる。いくつかのフィッシャートロプシュプロセスは、例えば、コバルトおよび／またはルテニウムをベースとし、好ましくは、少なくともコバルトおよび好ましくは促進されたコバルトを含んでなるものなどの、非シフト型触媒を利用することができ、促進剤は、ジルコニウムおよび／またはレニウムを含んでなるか、またはそれらであり、好ましくはレニウムを含んでなるか、またはそれである。そのような触媒は周知であり、かつ好ましい触媒は、米国特許第４，５６８，６６３号明細書および欧州特許第０２６６８９８号明細書に記載されており、これらの特許は、そのような触媒およびその物理化学的特徴の記載に関して、参照によって本明細書に組み込まれる。フィッシャートロプシュプロセスで使用される合成ガス供給は、Ｈ２：ＣＯが少なくとも約１．７、好ましくは少なくとも約１．７５、より好ましくは１．７５〜２．５、例えば、少なくとも約２．１のおよび／または約２．１以下の比率で存在する、Ｈ２およびＣＯの混合物を含んでなることができる。非シフト型触媒に関して、ＭＣＦＣによって製造される合成ガスは、典型的に、約２：１より十分高いＨ２：ＣＯ比で開始することができ、そして追加的なプロセスを使用して、合成ガス混合物を約２：１の従来のＨ２：ＣＯ比の近くに「シフト」することができる。
代わりとして、シフトし型触媒（例えば、Ｆｅをベースとする触媒）を使用することができる。シフト型触媒の生成物分布および全体的生産性は、時には非シフト型システムより劣っていると考えられることができるが、シフト型触媒をベースとするシステムは、より広範囲の合成ガス混合物（より広範囲のＨ２：ＣＯ比を有する者）を利用することができるという異なった利点を有することができる。従来は、シフト型触媒は、主として、典型的に約０．７〜約１．５のＨ２：ＣＯ比を有する石炭を供給源とする合成ガスに適応するために使用されていた。対照的に、本明細書に利用される合成ガス混合物は、過剰量のＨ２を含有することができるが、また大部分のＣＯ２を含有することができる。シフト型触媒を組み込むシステムは、有利には、これらの混合物を「逆シフト」することができ、Ｈ２をＣＯ２と反応させ、フィッシャー−トロプシュ反応器のために追加的なＣＯを製造し、いくつかの実施形態においては、約２：１のＨ２：ＣＯ比まで反応物を予めシフトする必要がない。
分散処理環境において、フィッシャートロプシュプロセスは、約１５０℃〜約３３０℃（約３０２°Ｆ〜約６２６°Ｆ）の温度範囲および約１００ｋＰａａ〜約１０ＭＰａａ（約１ｂａｒａ〜約１００ｂａｒａ）の圧力範囲で作動することができる。フィッシャートロプシュプロセス内の反応条件を変更することは、反応生成物の鎖長の少なくともいくらかの制御を含む、反応生成物の収率および／または組成に対する制御を提供することができる。典型的な反応生成物は、アルカン（主要な反応生成物）、ならびに１種以上の含酸素物、オレフィン、炭化水素と同様であるが、炭素または水素以外の１個以上のヘテロ原子を含有し得る他の炭化水素様化合物、ならびに／あるいは様々な追加的な反応副生物および／または未反応供給成分を含むことができる。これらの追加的な反応生成物および供給成分は、存在する場合、Ｈ２Ｏ、未反応の合成ガス（ＣＯおよび／またはＨ２）、ＣＯ２およびＮ２の１種以上を含むことができる。これらの追加的な反応生成物および供給成分は、追加的に、または代わりとして、フィッシャートロプシュプロセスの主要な反応生成物から分離することができるテールガスを形成することができる。フィッシャートロプシュプロセスの目標が、ナフサ供給、ディーゼル供給、および／または他の蒸留物沸点範囲分子としての使用のために適切な化合物などのより長鎖の分子の合成である場合、いくつかの少量の（Ｃ１〜Ｃ４）アルカン、オレフィン、含酸素物および／または他の炭化水素様化合物が、テールガスに組み込まれてもよい。フィッシャー−トロプシュ合成からの主要な生成物は、直接使用することができ、かつ／または、さらなる処理を受けることができる。例えば、蒸留物沸騰範囲分子を形成するためのフィッシャー−トロプシュ合成プロセスは、所望の鎖長、粘度およびコールドフロー特性を有する最終生成物を発生させるために、その後、脱ワックス化され、そして／または水素化分解される、１つ以上の生成物流を発生させることができる。
典型的な作動条件で、ＭＣＦＣアノード排出物における代表的なガス組成物は、約２．５：１〜約１０：１の範囲であることができ、ほとんどの実施形態において、約３：１〜約５：１の範囲に包含されるＨ２：ＣＯ比を有することができる。このアノード排出物組成物は、水およびＣＯ２の有意な量を含有することもできる。
集積化されたＭＣＦＣ−ＦＴシステムは、従来のフィッシャー−トロプシュの典型的なプロセスを回避して、有利に使用されてもよいいくつかの別の構成の１つ以上のいずれかを可能にすることができる。従来の構成とのいくつかの類似点がある態様において、アノード排出物からの合成ガスは、２：１のＨ２：ＣＯ比（例えば、約２．５：１〜約１．５：１、約１．７：１〜約２．３：１、約１．９：１〜約２．１：１、約２．１：１〜約２．５：１、または約２．３：１〜約１．９：１）の付近までシフトされることができ、そしてほとんど（少なくとも半分）のＣＯ２およびＨ２Ｏは除去されることが可能である。代わりとして、別の構成において、アノード排出物からの合成ガスは、そのまま、組成におけるいずれの変更もないが、適切なフィッシャー−トロプシュ触媒条件に温度および圧力を単純に調節して使用されることができる。さらに別の構成において、アノード排出物からの合成ガスは、（水性ガス）シフトされることなく使用することが可能であるが、水を凝縮して、ほとんど除去することができ、Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２を含んでなり、少量（典型的に＜５％）の他のガスを有する合成ガスを製造する。さらに別の構成において、水は任意に除去することができ、次いで、アノード排出物からの合成ガスは、水性ガスシフト反応器で反応して、シフトプロセスを「逆転させる」ことができ、したがって、より多くのＣＯ２がＣＯに変換され、約２：１により近いＨ２：ＣＯ比（例えば、約２．５：１〜約１．５：１、約１．７：１〜約２．３：１、約１．９：１〜約２．１：１、約２．１：１〜約２．５：１、または約２．３：１〜約１．９：１）に再び釣り合う。別の構成において、シフトプロセスは、炭素捕捉のためのＣＯ２を提供するため、および／またはアノード排出物からの合成ガスにおけるＣＯ２希釈を低下させるために、いくつかのＣＯ２の分離が、その後実行されるか、またはそれに先行することができる。
従来のフィッシャートロプシュプロセスにおいて、未反応の合成ガスを含有するテールガスは、メタンおよび他のＣ１〜Ｃ４ガスとともに、未使用の反応物および低価値の生成物を表すことができる。非常に大規模な装置に関して、これらの軽質ガスは、追加的な処理（例えば、プラスチック用にＣ２およびＣ３分子からオレフィンへの分解、液化されたプロパンガスまたはブタンの回収など）を調整してもよい。未変換の合成ガスおよびメタンをフィッシャー−トロプシュ合成反応器にリサイクルすることができ、これは、効率損失および反応器スループットの損失を表す。分散処理システム環境において、液体を製造するために変換されていない、いくつかの、または全ての軽質ガスは、燃料電池のアノードのための供給として、より有利に使用されることができ、そして／または燃料電池カソードのためのＣＯ２の供給源を提供するために、より有利に使用されることができる。
分散環境におけるＭＣＦＣ−ＦＴシステムのためのプロセスフローの一例において、ＭＣＦＣからのアノード排出物は、低下または最小化された量の処理の後、フィッシャー−トロプシュ反応システムへのインプットとして使用することができる。フィッシャー−トロプシュ触媒がシフト型触媒である場合、アノード排出物は、フィッシャー−トロプシュ反応のために適切な圧力まで圧縮することができる。圧縮プロセスによって、偶然的に、および／または意図的に、水のいくらかの分離／除去がもたらされてもよい。フィッシャー−トロプシュ触媒が非シフト型触媒である場合、追加的な逆水性ガスシフト反応を、典型的に圧縮の前に、アノード排出物中の合成ガスＨ２：ＣＯ比を調節するために、実行することができる。任意に、逆水性ガスシフト反応に加えて、またはその代わりに、水素透過性膜、他のガス透過性膜または他の分離技術を使用して、アノード排出物中のＨ２：ＣＯ比を調節することの一部として（高純度）Ｈ２流を分離することができる。その他の場合、アノード排出物の追加的な分離および／または変更を回避して、アノード排出物を、最小限の処理でフィッシャー−トロプシュシステムで使用することが可能である。アノード排出物がＣＯ２の実質的な含有量を有することができるため、フィッシャートロプシュプロセスのためのンプットとしてアノード排出物の一部分を使用する前に、分離および／または変更の数を低下または最小化することによって、ＣＯ２の実質的な含有量も含有することができるフィッシャー−トロプシュインプット流を有する結果を得ることができる。例えば、フィッシャー−トロプシュインプット流のＣＯ２の濃度（体積パーセントなど）は、アノード排出物中少なくとも約６０％の濃度、または少なくとも約６５％、または少なくとも約７０％、または少なくとも約７５％、または少なくとも約８０％、または少なくとも約８５％、または少なくとも約９０％であることができる。ＭＣＦＣからのアノード排出物のＣＯ２含有量のため、ならびに、独立してＣＯ２の実質的な量を発生させるフィッシャー−トロプシュシステムの傾向のため、ＣＯ２の非常に考慮すべき濃度が、フィッシャー−トロプシュ生成物流出物にあることができる。このＣＯ２は、分離／捕捉、さらなる処理、および／または１種以上の他のプロセスでの使用のために、フィッシャー−トロプシュシステムの他の生成物から、少なくとも部分的に分離されることができる。
図８は、フィッシャー−トロプシュ合成を実行するための反応システムとの溶融カーボネート燃料電池（例えば、溶融カーボネート燃料電池のアレイ（array））の集積化の実施例を概略的に示す。図８の構成は、小規模または他の分散環境セッティングのために適切であることができる。図８中、溶融カーボネート燃料電池８１０は、燃料電池のための関連する改質段階とともに、１つ以上の燃料電池（例えば、燃料電池積層または燃料電池アレイ）を概略的に表す。燃料電池８１０は、アノードインプット流８０５、例えば、改質可能燃料流およびＣＯ２含有カソードインプット流８０９を受け取ることができる。アノードアウトプット８１５は、任意の逆水性ガスシフト段階８４０を通過することができる。例えば、フィッシャー−トロプシュ反応段階８３０がシフト型触媒を含む場合、水性ガスシフト段階８４０を省略することができる。次いで、フィッシャー−トロプシュ反応段階８３０に望ましいインプット圧力を達成するために、任意にシフトされたアノード排出物８４５は圧縮器８６０を通過することができる。任意に、圧縮８６０の前、間および／または後に、任意にシフトされたアノード排出物８４５に存在する水の一部分は除去８６４されることができる。フィッシャー−トロプシュ反応段階８３０は、直接に使用することができるか、または追加的な水素化などの処理をさらに受けることができるフィッシャー−トロプシュ生成物８３５を製造することができる。フィッシャー−トロプシュ反応段階８３０は、燃料電池８１０のカソード部分のためのリサイクルされた燃料８４５として使用するためにリサイクルされることができるテールガス８３７も発生させることができる。リサイクルの前に、テールガス８３７に存在するＣＯ２の少なくとも一部分８６２は、テールガスから分離することができる。あるいは、ＣＯ２の分離は、テールガス８３７からフィッシャー−トロプシュ生成物８３５の分離の前、間および／または後に実行することができる。
例１ − 小規模ＦＴ処理システムとのＭＣＦＣの集積化
本実施例は、フィッシャートロプシュプロセスのための合成ガスインプットを提供するためのＭＣＦＣの作動と集積化される、小規模フィッシャートロプシュプロセスの作動を記載する。本実施例のフィッシャートロプシュプロセスは、１日あたり約６０００バレルのフィッシャー−トロプシュ液体生成物を発生させることができる。本実施例のフィッシャートロプシュプロセスとのＭＣＦＣの集積化のための構成は、図８に示される構成の変形であった。したがって、本実施例において、低下または最小化された量の分離または変更は、フィッシャートロプシュプロセスにアノード排出物を導入する前に、アノード排出物において実行することができる。本実施例において、シミュレーション結果は、ＣＯ２が捕捉のためにフィッシャー−トロプシュテールガスから分離された事例、および捕捉が実行されなかった事例に関して示される。本実施例において、アノードインプットは、新しいメタン（例えば、小規模なローカル供給源からのメタン）を含んでなった。本実施例のカソードインプットは、任意に、ＣＯ２の分離の後、カソードインプットを形成するためのテールガスの燃焼の使用ベースとした。しかしながら、カソードインプットは、いずれかの都合のよい供給源によって提供されることができる。
図９は、いくつかの異なるセットの条件で実行されるシミュレーションからの結果を示す。図９中、最初の２つの欄は、フィッシャー−トロプシュ反応のためのＣｏをベースとする（非シフト型）触媒の使用からのシミュレーション結果を示すが、第３および第４の欄は、Ｆｅをベースとする（シフト型）触媒の使用からの結果を示す。Ｃｏをベースとする触媒に関して、追加的な「逆」水性ガスシフトをアノードアウトプット流において実行し、所望の２：１比により近い値までＨ２：ＣＯ比を低下させた。この追加的なシフト反応は、Ｆｅをベースとする触媒を使用する場合、アノードアウトプット流の一部分をフィッシャー−トロプシュシステムに導入する前に、アノードアウトプットにおいて実行されなかった。第１および第３の欄は、ＣＯ２捕捉のないシステムからのシミュレーション結果を示すが、第２および第４の欄は、ＣＯ２がフィッシャー−トロプシュテールガスから分離されたシステムからのシミュレーション結果を示す。除去されるＣＯ２の量は、第２および第４の欄に関して比較できるが、カソード排出物において少なくとも約１％のＣＯ２含有量を維持するために、カソードにおいてなお十分なＣＯ２を提供するように選択された。これらのシミュレーションの全てにおいて、アノードにおける燃料利用は約３５％であった。メタンの約４０％が燃料電池で改質され、メタンの残りの部分は、より初期の集積化された改質段階において改質された。アノード供給における蒸気対炭素比は約２であった。蒸気タービンからの動力に相当する列は、カソード排出物からの熱回収によって発生する追加的な動力を表す。
蒸気改質装置とは異なり、ＭＣＦＣは電気動力を発生させることができるが、また燃料を改質し、そしてカソードインプット流からのＣＯ２の分離を促進することができる。その結果、小規模フィッシャートロプシュシステムに関してさえも、集積化されたＭＣＦＣ−ＦＴシステムは、インプット炭素量と比較して適切な正味の効率を提供することができる。図９に示すように、システムおよび燃料電池アノードを加熱するためのバーナーへの正味の炭素インプットに対して、フィッシャー−トロプシュ液体の製造の全プラント効率は、約６０％〜約７０％、例えば、少なくとも約６３％であった。全プラント効率は、全インプットに対するプラントの組み合わされた電気的および化学的（フィッシャー−トロプシュ液体生成物）アウトプットをベースとする効率を表す。
例２ − ＦＴ処理システムとのＭＣＦＣの集積化
本実施例は、フィッシャートロプシュプロセスのための合成ガスインプット提供するためのＭＣＦＣの作動と集積化されたフィッシャートロプシュプロセスの作動を記載する。燃焼タービンも、ＭＣＦＣのカソードへのインプットとしてタービンからの排出物を使用することによって、本プロセスと集積化された。ＭＣＦＣをフィッシャートロプシュプロセスと集積化するための構成は、図７に示される構成の変形であった。本実施例において、結果は、ＣＯ２が、フィッシャートロプシュプロセスへのインプットより前にアノード排出物から分離された第１の構成に関して、およびＣＯ２が、その代わりにフィッシャー−トロプシュテールガスから分離された第２の構成に関して示された。両構成は非シフト型触媒を使用し、逆水性ガスシフトは両シミュレーションにおいて、Ｈ２：ＣＯ比を調節するために実行された。本実施例において、アノードインプットは、新しいメタンを含んでなった。
図１０は、実行されたシミュレーションからの結果を示す。図１０に示されるシミュレーションにおいて、約３０％の燃料利用が燃料電池のために使用された。組み合わされた電力発生およびフィッシャー−トロプシュ生成物の生成に関する全効率は約６１％であり、これは、例１からのシミュレーションに関する効率と同様であった。しかしながら、全効率の約４０％は、本実施例において、電力発生に相当した。
メタノール中間体および最終生成物の製造との集積化
メタノールは、高圧力および温度で合成ガス混合物、例えば、ＣＯ、Ｈ２および任意にＣＯ２を含む混合物から典型的に製造することができる。従来では、メタノールプラントの大部分は、原料として天然ガスを利用することができ、蒸気改質、自動熱改質または部分的酸化などの一般的なプロセスによって合成ガスを発生させることができる。最も一般的な構成は、１回の通過あたり比較的低い変換を生じることができ、かつ様々なオフガスおよびパージ流れの製造とともに、実質的なリサイクルが関与することができる触媒を利用する。
溶融カーボネート燃料電池とのメタノール合成の集積化によって、より高い効率および／またはより低い排出のために設計される新規の構成を可能にすることができる。メタノール合成の間、一酸化炭素および水素を触媒上で再反応させ、メタノールを製造することができる。商業的なメタノール合成触媒は高度に選択的であることができ、最適化された反応条件下で９９．８％より高い選択性が可能である。典型的な反応条件は、約５ＭＰａ〜約１０ＭＰａの圧力および約２５０℃〜約３００℃の温度を含むことができる。メタノール合成のための合成ガスインプットに関して、Ｈ２対ＣＯの好ましい比率（約２：１のＨ２：ＣＯ）は、蒸気改質によって発生する典型的な比率とは適合しない。しかしながら、合成ガスからメタノール形成を促進する触媒は、時には、水性ガスシフト反応を追加的に促進することができる。その結果、下記の反応スキームは、メタノールを形成するためにＣＯ２を使用することもできることを示す。
２Ｈ２＋ＣＯ＝＞ＣＨ３ＯＨ
３Ｈ２＋ＣＯ２＝＞ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ
メタノール合成反応に関して、合成ガスインプットの組成物は、モジュール値Ｍによって特徴づけることができる。
Ｍ＝［Ｈ２−ＣＯ２］／［ＣＯ＋ＣＯ２］
２付近のモジュール値、例えば、少なくとも約１．７、または少なくとも約１．８、または少なくとも約１．９、および／または約２．３未満、または約２．２未満、または約２．１未満であるＭの値は、メタノールの製造のために一般に適切である。Ｈ２対ＣＯの比率に加えて、上記のモジュール値方程式で示されることができるように、合成ガスのＣＯ対ＣＯ２の比率は、メタノール合成反応の反応速度に影響を与えることができる。
作動の間、溶融カーボネート燃料電池は、発電を可能にする内部反応の一部として、燃料電池のカソード側からアノード側へＣＯ２を移送することができる。したがって、溶融カーボネート燃料電池は、電気エネルギーの形態の追加的な動力を提供することができ、ならびにメタノール合成のための合成ガスインプットとしての使用のために調節することができるアノード排出物を提供することができる。電力は、高い効率で、圧縮器、ポンプおよび／または他のシステムに動力を供給するために典型的に使用することができる。いくつかの態様において、ＭＣＦＣシステムの全サイズは、必要とされるその場所での動力の少なくとも一部分の（または潜在的に全て）を提供するように構成されることができるか、あるいは任意に追加的な動力は配管網のために発生することができる。その場所での動力の発生は、送電損を低下させるか、最小化することのために、より効率的であることができる。追加的に、または代わりとして、電力は、ＡＣ、ＤＣまたは２つの混合物として、任意に複数の電圧および電流において、容易に提供されることができる。これは、変換器、および／または電気効率をさらに低下することができる他の動力電子機器の必要性を排除することができる。さらに追加的に、または代わりとして、異なるサイト外の動力源からの動力の発生とは対照的に、ＭＣＦＣ電力は、ＣＯ２を捕捉することができるインプット燃料材料から発生することができる。この動力は、合成ガス製造および様々なパージまたはオフガス流の処理と集積化することができる方法で発生することができる。
ＭＣＦＣアノードからのアウトプット流は、ＣＯの比較的低い濃度とともに、比較的高いＨ２、ＣＯ２および水の濃度を含有することができる。分離、（逆）水性ガスシフト反応、および／または他の都合のよい機構の組み合わせを通して、アノード排出物、および／またはアノード排出物から誘導／回収される流れの組成を調節することができる。組成の調節には、過剰量の水および／またはＣＯ２の除去、Ｈ２：ＣＯの比率の調節、モジュール値Ｍの調節、またはそれらの組み合わせが含まれる。例えば、典型的なＭＣＦＣアノードアウトプットは、全燃料利用が約３０％〜約５０％の範囲にある場合、約４：１のＨ２：ＣＯ比を有してもよい。アノード排出物が、いくらかのＣＯ２を除去する段階（例えば、単純な低温分離）を通過する場合、ＣＯ２濃度は、「Ｍ」価値が約２に近くなるまで、下方向に調節されることができる。利点として、この種類のプロセスは、精製されたＣＯ２流を製造することができ、これは他のプロセスに使用することができ、かつ／またはプラントの全体的なＣＯ２排出を低下するために除去することができる。
溶融カーボネート燃料電池をメタノール合成と集積化するための様々な構成および戦略を使用することができる。１つの構成において、Ｈ２Ｏおよび／またはＣＯ２の分離、および／または水性ガスシフト反応を使用して、アノード排出物のＭ値を変更することができ、そして／またはガス流などのアノード排出物の一部分をアノード排出物から、例えば、所望のＭ値に近づくように、回収することができる。追加的に、または代わりとして、燃料電池によるＨ２製造は、例えば、燃料利用を低下させることによって、増加／最大化することができ、例えば、追加的なＨ２流は、アノード排出物から、および／または回収された合成ガス流から分離することもできる。
典型的なメタノールプラントにおいて、大部分の反応器排出物は、１回の通過あたりの低い変換のため、メタノール液体の回収後、リサイクルすることができる。高リサイクル量を特徴とするほとんどの構成と同様に、プロセスへの不活性物質（例えば、メタン）の蓄積は、非反応性成分が豊富であることが可能な有意なパージ流を必要とすることができる。良くても、従来の構成は熱集積化のためにパージ流を燃焼させ得るか、あるいは、よりおそらく、パージ流は単に環境に排出されることができる。なお、この種類の従来の構成において、メタノールに組み込まれない炭素は、典型的に環境に排出されることが可能であり、潜在的に高ＣＯ２排出をもたらす。
図１１は、ＭＣＦＣをメタノール合成プロセスと集積化することができる構成の実施例を概略的に示す。図１１に示される構成は、従来のシステムの不備の１つ以上を改善することができる。例えば、いくつかの構成において、ＭＣＦＣからのホットアウトプットは、ＭＣＦＣからの電気アウトプットに加えて、電気を発生させる熱回収蒸気発生プロセス（ＨＲＳＧ）に供給されることができる。追加的に、または代わりとして、合成ガスのＭ値を調節するプロセスは、ＣＯ２が豊富な分離された生成物を生じることができ、これは、燃料電池カソードへの部分的リサイクルのために使用されることができ、そして／または別々の純度が増加したＣＯ２生成物に精製されることができる。
いくつかの構成において、メタノール合成反応からのアウトプットは、液体アルコール生成物、リサイクル合成ガス流れと排出されたパージに分離されることができる。排出されたパージは、合成ガス成分、燃料成分（例えば、メタン）および活性物質を含有することができる。排出されたパージの少なくとも一部は、アノードおよび／またはカソード供給成分として使用することができる。液体アルコール生成物に関して、典型的に、収集された液体生成物は、蒸留カラムなどの分離システムに配置することができ、ここで、精製されたメタノールを回収することができ、そして底部生成物（例えば、高級アルコールから構成される）は、廃棄流として製造されることができる。従来のシステムでは、排出されたパージおよび／または廃棄物流は、合成ガス製造を加熱するための蒸気を生じるために使用することができる。従来のシステムにおけるこのような使用は、蒸気がメタノール合成プロセスにリサクルされる場合、一部では、潜在的な不活性物質の蓄積に関する懸念に基づく可能性がある。対照的に、様々な態様において、メタノール合成プロセスのいずれの副産物（例えば、排出されたパージ、および／または重質アルコール、例えば、２個以上の炭素を含有するもの）をＭＣＦＣシステムで使用して、より多くの合成ガスを製造することができ、かつ／または炭素供給源として（燃焼後）、例えば、カソードのためのＣＯ２を製造することができる。改質可能ではないカソードに導入される不活性物質（例えば窒素）を排出することができるが、過剰量の燃料分子は、熱に、およびカソード内で容易に使用できるＣＯ２に変換することができる。その結果、メタノール合成プロセスとのＭＣＦＣの集積化によって、ＭＣＦＣが不活性物質の過度の蓄積を回避することができるため、メタノール合成からの二次的な生成物の改善された集積化が可能となり、同時に燃料成分の使用を可能にし、同様に、アノード排出物などのより高濃度のアウトプット流へのＣＯ２の分離を可能にする。
任意であるが、好ましくは、メタノール合成との溶融カーボネート燃料電池の集積化は、ガスタービンなどのタービンとの集積化を含むことができる。メタノール合成が、（Ｍ値で示すように）少なくともいくつかのＣＯ２から利益を得ることができるため、燃料電池のカソードインレットのためのＣＯ２の外部供給源を有することは、追加的な利点を提供することができる。メタノール合成は、高い電力量を必要とすることができ、そのうちの少なくとも一部分（またはおそらく全て）は、ＭＣＦＣおよび／またはガスタービンによって提供することができる。電力がＭＣＦＣによって提供される場合、装置の少なくとも一部分（ポンプおよび圧縮器）はＤＣ動力上で動作することができる。追加的に、または代わりとして、ガスタービンが使用される場合、ガスタービンは蒸気発生を可能にすることができ、そして、タービンからの蒸気を、圧縮器およびメタノールリサイクルのための駆動体として使用することができる。集積化されたシステムの一例として、アノードインレットのためのインプット流は、メタン改質によって（および／または別の改質可能な燃料の改質によって）発生させることができる。カソードインレットのためのＣＯ２は、同じ位置に配置されたタービンから、アノード排出物からのＣＯ２分離から、および／または別の供給源から発生させることができる。なお、ガスタービンなどの供給源からカソードインレットのためのＣＯ２を提供することは、アノード排出物からＣＯ２をリサイクルすることと対照的に、加圧／圧縮サイクルの必要性を回避することができる。さらに追加的に、または代わりとして、メタノール合成反応器からの低レベルの熱を、例えば、加湿のためにＭＣＦＣの前面末端で使用することができるように、熱集積化を使用されることができる。
図１２は、メタノール合成を実行するための反応システムとの溶融カーボネート燃料電池（例えば、溶融カーボネート燃料電池のアレイ）の集積化の実施例を概略的に示す。図１２中、溶融カーボネート燃料電池１２１０は、燃料電池のための関連する改質段階とともに、１つ以上の燃料電池（例えば、燃料電池積層または燃料電池アレイ）を概略的に表す。燃料電池１２１０からのアノードアウトプット１２１５は、次いで、ＣＯ２、Ｈ２Ｏおよび／またはＨ２分離段階を含むことができる１つ以上である分離段階１２２０、ならびに水性ガスシフト反応段階を、以下に記載され、かつ図１および２にさらに例示されるような、いずれかの望ましい順番で通過することができる。分離段階は、ＣＯ２アウトプット流１２２２、Ｈ２Ｏアウトプット流１２２４および／またはＨ２アウトプット流１２２６に相当する１つ以上の流れを製造することができる。なお、いくつかの態様において、ＣＯ２アウトプット流１２２２およびＨ２アウトプット流１２２６は、合成ガスアウトプットにおけるＭの所望の値を達成するための燃料電池作動パラメーターの調節のために存在しなくてもよい。分離段階はメタノール合成反応段階１２３０のためのインプットとしての使用のために適切な合成ガスアウトプット１２２５を製造することができる。メタノール合成段階１２３０は、直接使用することができ、かつ／またはさらなる処理を受けることができるメタノール生成物１２３５を製造することができ、例えば、メタノール−オレフィンおよび／またはメタノール−ガソリン反応システムなどのさらなるプロセスにおける供給としての使用が含まれる。任意に、分離段階１２２０からのＣＯ２アウトプット１２２２は、燃料電池１２１０のカソードのためのインプット少なくとも一部分として使用することができる（図示せず）。
アノード排出物からの合成ガス流の製造および／または回収の一例として、一態様において、アノードからの流出物または排出物を最初に冷却して、次いで、ＭｅＯＨ合成圧力、例えば、約７００ｐｓｉｇ（約４．８ＭＰａｇ）〜約１４００ｐｓｉｇ（約９．７ＭＰａｇ）の圧力まで加圧することができる。合成ガス流のための所望のＭ値を達成するための、例えば、低温分離によるＣＯ２の分離は、合成そのような圧力においてより容易であることができる。追加的に、または代わりとして、Ｍの比率が所望の値から逸脱する場合、Ｍ値は、例えば、アノードインプットループを通しての過剰量の合成ガスのリサイクル（パージ）によって調節することができる。場合によっては、ＣＯ２はループをリサイクルにおいて蓄積されることができ、そして、これは同様に（低温）分離ループでリサイクルされることができる。
図１１は、ＭＣＦＣおよびメタノール合成プロセスを含む集積化されたシステムの別の実施例を示す。図１１中、一例として、構成は集積化されたＭＣＦＣ−触媒反応器システムとの、天然ガス／メタンからメタノールへの変換のために適切であることができる。この種類の構成において、ＭＣＦＣはメタノール製造のための触媒反応器に供給することができる中間体合成ガスを製造することができる。典型的なメタノール型天然ガスプロセスにおいて、合成ガスは自動熱反応器（ＡＴＲ）におけるメタン蒸気改質によって発生することができる。ＡＴＲからの熱は、残りのプロセスのための電気および蒸気を製造するために回収することができる。ＳＲＩ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ Ｐｒｏｇｒａｍ Ｒｅｐｏｒｔ ４９Ｃ ｏｎ Ｍｅｔｈａｎｏｌ（Ａｐａｎｅｌ，Ｇｅｏｒｇｅ Ｊ．，Ｍｅｔｈａｎｏｌ−Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ．３９Ｃ．ＳＲＩ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ，Ｍａｒｃｈ ２０００を参照のこと）には３つの商業的なプロセスが記載されている。この報告書からの２段階プロセスは、メタノール合成プロセスの代表的な例として使用することができる。この２段階プロセスは、本明細書に記載されるシミュレーションのための比較基準として使用された。
図１１は、集積化されたプロセスの図を示す。ベントガス１１０１および変換反応器からの重質（Ｃ２＋）アルコール副産物１１０２およびカソード排出物からのフラクション１１０３を、ＭＣＦＣカソード供給バーナー１１９０に戻すことができる。空気１１０４、メタン１１０５、ベントガス１１０１、アルコール副産物１１０２およびカソード排出物１１０３を燃焼して、ホットカソード供給１１０６を製造することができる。アノードメタン供給１１０７を予熱することによって、カソード供給１１０６はインレット動作温度まで冷却することができて、次いで、カソードに供給されることができる。アノード（メタン）供給１１０７および蒸気１１０８は、アノードに供給されることができる。ＭＣＦＣ１１３０は、ＣＯ２が欠乏したホットカソード排出物１１０９、および主にＨ２／ＣＯ２／ＣＯと水を含有することができるホットアノード排出物１１１０を製造することができる。ＭＣＦＣ１１３０は、低下した燃料利用、例えば約５０％以下の燃料利用による条件を含む、様々な条件で動作することができる。カソード排出物１１０９は、アノードメタンおよび／または他の燃料供給１１０７を部分的に予熱することによって冷却することができ、次いで、プロセス間により多くの熱を回収し、かつ／または蒸気を発生させるため、熱回収蒸気発生システム（ＨＲＳＧ）１１６２に送達することができる。冷却されたカソード排出物１１２４は、カソード供給バーナーにリサイクルすることができる流れ１１０３、および雰囲気に排出されることができ、かつ／または、所望であれば（示されない）、さらに処理されることができる流れ１１２１に分離することができる。１１２１の残りの熱は、ＨＲＳＧ１１６４で回収することができる。アノード排出物１１１０は、ＨＲＳＧ１１６２などのＨＲＳＧに送達することができる。冷却されたアノード排出物は、流れ１１１１および１１１２に分離または分割することができ、流れ１１１１は、水性ガスシフト反応器１１４０に供給されて、シフトされた分割された流れ１１１３を製造することができる。シフトされた分割された流れ１１１３を、第２の分割された流れ１１１２と組み合わせて、分離器１１５０に送達することができ、ここで、脱水され１１１４、合成ガス流に分離され１１１５、ここでＭ＝約２である。残りの流れ１１１６は主にＣＯ２を含有することができる。ＣＯ２含有流１１１６を圧縮することができ、使用のために販売することができ、かつ／または分離設備に送達されることができる。流れ１１１１および１１１２の間での分離は、合成ガス１１１５がメタノール変換反応器供給のために所望のＭ値を有することができるように決定することができる。合成ガス１１１５は、反応器リサイクル流１１１７と組み合わせることができる。組み合わせた流れを圧縮することができ、加熱することができ、変換反応器１１７０に供給して、流出物１１１８を製造することができる。流出物１１１８は、例えば、反応器リサイクル流１１１７および生成物流１１１９を回収するためにフラッシュすることができる。メタノール１１２３を生成物流１１１９から回収することができるが、副産物として、ベントガス１１０１および重質アルコール副産物（２個以上の炭素を含有する）１１０２を製造することもできる。
ＭＣＦＣプロセスは、メタノール変換反応器のために必要な合成ガス供給を製造するためにサイズ設定されることができる。本実施例で提供される計算において、ＭＣＦＣは、選択された代表的なプロセスをベースとして、１日あたり約２５００トン（ｔｐｄ）のメタノール変換反応器のための合成ガスを製造するようにサイズ設定された。質量および熱バランスを考慮して実行される計算をベースとして、ＭＣＦＣは約１７６ＭＷを製造することが算出された。プロセスフローについての追加的な詳細は図１３に示され、それは図１１の構成内のフローの組成を示す。それぞれの欄の見出しの数は、図１１における識別子に相当する。ＭＣＦＣによって発生する動力の一部分を合成ガスの分離および圧縮のために使用することができるが、残りの部分は、プロセスの他の部分で使用され、および／または輸送されることができる。追加的に、計算をベースとして、ＭＣＦＣアノードおよびカソード流出物流から回収される熱は、少なくとも約３１４６ｔｐｄの高圧蒸気を発生し、これは、計算でモデル化された代表的なメタノール合成プロセスの蒸気および熱需要に応ずるのに十分であった。なお、ＭＣＦＣが関与する計算に関して、自動熱改質に関連するいずれの利用も、ＭＣＦＣが合成プロセスのためのインプットを提供することができる場合、決定において考慮されなかった。分離されたＣＯ２含有流１１１６が、使用のために販売および／または分離することができるという仮定において、図１１に示される集積化されたプロセスは、従来のプロセスと比較して低下したＣＯ２排出を伴って、天然ガス（メタン）からメタノールを製造する方法提供することができる。表Ｂは、図１１の構成をベースとして算出された低下したＣＯ２排出とともに、選択された文献の比較構成から排出されるものとして算出されたＣＯ２の量を示す。表Ａのベース事例の計算に関して、自動熱改質装置からのベントおよび天然ガス煮沸器からの排出物が最大の排出供給源であったことが仮定された。
Figure 0006345233
なお、メタノール合成プロセスの間に、いくらかのジメチルエーテル（ＤＭＥ）およびブタノール（Ｃ４Ｈ９ＯＨ）が発生することができる。ジメチルエーテルは、メタノール合成プロセスにおいて発生したメタノールを使用して製造することができる、その後の生成物の一例であることができる。より一般に、メタノールは、様々な追加的な生成物、例えば、ジメチルエーテル、オレフィン、燃料、例えば、ナフサおよび／またはディーゼル、香料および他の産業的に有用な生成物、ならびにそれらの組み合わせを発生させるために使用することができる。ＭＣＦＣは、追加的に、または代わりとして、メタノール合成プラントからのアウトプットを別の生成物の製造のための追加的な反応システムに通過させる合成プロセスに集積化することができる。そのような集積化は、メタノール合成プロセスとの集積化に関して上記された通り、合成ガスインプットを提供すること、電気をシステムに提供すること、より低価値のアウトプット流を処理すること、および／またはＣＯ２の増加した濃度を有するアウト流を分離することを含むことができる。
窒素含有中間体および最終生成物の製造との集積化
アンモニアは、典型的に、高温および圧力において、ハーバー−ボッシュプロセスによって、Ｈ２およびＮ２から製造することができる。従来、インプットは、ａ）蒸気メタン改質、水性ガスシフト、水の除去、およびメタン化による微量酸化炭素のメタンへの変換を典型的に必要とすることができるマルチステッププロセスから製造することができる精製されたＨ２；ならびにｂ）圧力スイング吸着によって空気から典型的に誘導されることができる精製されたＮ２であることができる。このプロセスは、複雑で、エネルギー消費型である可能性があり、そしてプロセス装置は、規模の経済から強く利益を得ることができる。溶融カーボネート燃料電池を利用するアンモニア合成プロセスは、従来のプロセスと比較して、限定されないが、追加的な動力発生、複雑さの低下および／またはより良好なスケーラビリティを含む、１つ以上の利点を提供することができる。追加的に、または代わりとして、溶融カーボネート燃料電池を利用するアンモニア合成プロセスは、ＣＯ２生成を低下させ、かつ／または他のプロセスでの使用のためにＣＯ２を発生させる機構を提供することができる。
様々な態様において、ＭＣＦＣシステムは、アウトプットとして合成ガスを発生させることができる。この合成ガスは、除去を必要とする硫黄などのいずれの不純物もほとんど含まず、そして合成ガスは、アンモニア合成のためのＨ２の供給源を提供することができる。アノード排出物は、ＣＯと比較して、Ｈ２の量を最大化するために、水性ガスシフト反応器で最初に反応させることができる。水性ガスシフトは周知の反応であり、そして典型的に、「高」温（約３００℃〜約５００℃）および「低」温（約１００℃〜約３００℃）で実行することができ、より高温の触媒は、より急速な反応速度を与えるが、より高い出口ＣＯ含有量を有し、より高いＨ２濃度までさらに合成ガスをシフトするために、低温反応器がその後、存在する。これに従って、ガスは、Ｈ２を精製するために、１種以上のプロセスによって分離を受けることができる。これには、例えば、水の凝縮、ＣＯ２の除去、Ｈ２の精製、次いで、酸化炭素を可能な限り排除することができることを確実にするために、高圧での最終的なメタン化ステップ（典型的に、約１５ｂａｒｇ〜約３０ｂａｒｇ、または約１．５ＭＰａｇ〜約３ＭＰａｇ）が関与することができる。従来のアンモニアプロセスにおいて、Ｈ２流の精製の間に発生する水、ＣＯ２およびメタン流、ならびにアンモニア合成プロセスからの追加的なオフガスは、非常に低価値の廃棄物流を表すことができる。対照的に、いくつかの態様において、様々な「廃棄物」ガスは、さらなるプロセスにおいて有用であることができる、さらに他の流れを潜在的に発生させながら、ＭＣＦＣ−アンモニアシステムの他の部分で使用することができる流れを作成することができる。最後に、Ｈ２流を、約６０ｂａｒｇ（約６ＭＰａｇ）〜約１８０ｂａｒｇ（約１８ＭＰａｇ）のアンモニア合成条件まで圧縮することができる。典型的なアンモニアプロセスは、約３５０℃〜約５００℃、例えば、約４５０℃未満で実行することができ、かつ１回の通過あたり低い変換（典型的に約２０％未満）および大きいリサイクル流をもたらすことができる。
アンモニア合成との溶融カーボネート燃料電池の集積化の一例として、アノードインレットへの燃料流は、Ｈ２、ＣＨ４（または他の改質可能炭化水素）および／またはＣＯを含有することが可能な（任意であるが、好ましくは）アンモニア合成プロセスからのリサイクルオフガスとともに、改質可能燃料および／またはＨ２の新しい供給源に相当することができる。アンモニアプロセスは、大きいリサイクル比および希釈剤（例えば、全ての酸化炭素を除去するためのメタン化によって製造されるメタン）の存在のために、有意なパージおよび廃棄物流を生成することができる。これらの流れの大部分は、それらが酸素などの反応性酸化剤を含有しない限り、燃料電池アノードインレットと適合性であることができる。アノードインレットは、水素精製からの分離ガスを追加的に、または代わりとして含んでなることができ、これらのガスは、典型的に、Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、およびアノードと適合性のある潜在的な他のガスを含んでなる混合物を含有することができる。次いで、アノード排出物は、水性ガスシフト反応およびＨ２分離を使用して処理され、高純度Ｈ２流を形成することができる。そのようなＨ２流の少なくとも一部分は、次いで、アンモニア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。任意に、高純度Ｈ２流において分離を実行することに加えて、アンモニア合成のために使用する前に、Ｈ２流はメタン化装置（ｍｅｔｈａｎａｔｏｒ）を通過することができる。分離および／または精製の１つ以上の目標は、高められた純度を有するＨ２流の少なくとも一部分をアンモニア合成のためのインプットとして使用することができるように、Ｈ２流の純度を増加させることであることができる。
カソードインレット流のため、ＣＯ２およびＯ２は、いずれかの都合のよい供給源、例えば、同一位置に配置された外部ＣＯ２供給源（例えば、ガスタービンおよび／または煮沸器排出物流）、アノード排出物から分離されるリサイクルされたＣＯ２、カソード排出物からのリサイクルされたＣＯ２および／またはＯ２、水素精製の一部として分離される炭素含有流、および／またはアンモニア合成プラントのアウトプットから分離されるＣＯ２から提供されることができる。典型的に、これらの流れの混合物は、有利に使用されてもよく、そして流れのいずれの残留燃料価も、例えば、カソードインレット流温度をＭＣＦＣインレット温度まで高めるために熱を提供するために使用されることができる。例えば、分離および／またはアンモニアプロセスからのオフガスである燃料流は、カソードでＣＯ２と反応させてカーボネートイオンを形成するために十分な酸素を提供しながらも、実質的に全ての残留燃料成分を燃焼させるために十分な酸化剤（空気）と混合することができる。カソード排出物流は、これらのガスが反応してカーボネートを形成することができ、それはアノード流に輸送されることができるため、ＣＯ２およびＯ２の低下した濃度を有することができる。ＭＣＦＣがカソードインレット流のＣＯ２およびＯ２含有量を低下させることができるため、カソード排出物は、乾燥基準で空気と比較して、向上した窒素濃度を有することができる。ＣＯ２を効果的に分離するように設計されたシステムに関して、カソード排出物は、乾燥基準で、約１０％未満、または約５％未満、または約１％未満のＣＯ２濃度を有してもよい。酸素含有量は、追加的に、または代わりとして、乾燥基準で、約１５％未満、または約１０％未満、または約５％未満であってもよい。Ｎ２濃度は、典型的に、乾燥基準で約８０％または約８５％より高いことが可能であるか、あるいは約９０％より高いことが可能である。この流れの熱値の捕捉後（例えば、熱のための蒸気発生、他のプロセス流との熱交換、および／または追加的な電気による）、カソード排出物は、アンモニア合成での使用のための高純度Ｎ２流を形成するために、任意であるが有利に使用されることができる。純粋な窒素を発生させるための典型的な分離方法のいずれも、この流れにおいてより効率的に実施することができる。任意に、増加した純度のＮ２流を発生させるために、１つ以上の分離プロセスまたは精製プロセスをＮ２流において実行することができる。増加した純度を有するＮ２の少なくとも一部分は、次いで任意であるが有利には、アンモニア合成のためにインプットとして使用することができる。作動の間、燃料電池は、水素（および／または合成ガス）製造と比較して、電気製造の選択されたより低い、またはより高い量などのアンモニア合成の必要性に適合させるために作動させることができる。
従来のシステム（例えば、米国特許第５，１６９，７１７号明細書に記載されるもの）と比較して、上記集積化方法は、精製されたＨ２およびＮ２インプット流を発生させるために、別々のフロントエンドシステムの必要性を低下させることができるか、または排除することができる。例えば、専用の蒸気改質装置およびその後のクリーンアップ段階を有する代わりに、ＭＣＦＣは、電気動力も発生させながら、精製されたＨ２を提供するために改質可能燃料の十分な量を改質するために作動させることができる。典型的に、これは典型よりも低い燃料利用で燃料電池を作動することによって実行することができる。例えば、燃料利用は、約７０％以下、例えば、約６０％以下、または約５０％以下、または約４０％以下であることができる。従来のＭＣＦＣ作動において、約７０〜８０％の燃料利用が典型的であることができ、そしてアノードによって製造される残留合成ガスは、カソードおよび／またはアノードに入る流れを加熱する燃料として使用することができる。従来の作動において、空気と反応した後にＣＯ２をカソードに提供するためにアノード排出物流を使用することが必要となる可能性もある。対照的に、いくつかの態様において、単純な燃焼およびリサイクルのために、アノード排出物からの合成ガスを使用することは必要とされない。アンモニア合成プロセスは、利用されてもよい多くの廃棄物またはパージ流を提供することができ、アンモニア合成のために利用可能な合成ガスの量を最大化する。同様に、上記したように、ＭＣＦＣからのカソード排出物は、より高純度の初期の流れを、精製されたＮ２流を形成するために提供することができる。ＭＣＦＣおよび関連する分離段階においてアンモニア合成のためにインプット流の発生を集中することによって、装置フットプリントを減少することができ、ならびに様々なプロセスのための改善された熱集積化を提供することができる。
尿素は、アンモニアとＣＯ２との反応によって製造されることができる別の大きい化学生成物である。１９２２年に開発された基本プロセスは、その発見者にちなんで、ボッシュ−マイヤー尿素プロセスとも呼ばれる。様々な尿素プロセスは、尿素形成が生じる条件および未変換の反応物がさらに加工される方法によって特徴づけることができる。このプロセスは、反応物の不完全な変換による、２つの主要な平衡反応からなることができる。反応のための正味の熱バランスは、発熱性であることができる。第１の平衡反応は、液体アンモニアとドライアイス（固体ＣＯ２）との発熱反応であることができ、アンモニウムカルバメート（Ｈ２Ｎ−ＣＯＯＮＨ４）を形成する。
Figure 0006345233
第２の平衡反応は、尿素および水へのアンモニウムカルバメートの吸熱性分解であることができる。
Figure 0006345233
尿素プロセスは、プロセスインプットとして高圧で液化されたアンモニアおよびＣＯ２を使用することができる。従来技術のプロセスでは、二酸化炭素は、それが高圧まで圧縮されなければならない外的供給源から典型的に提供される。対照的に、本プロセスは、図６に示すように、液体アンモニア生成物との反応のために適切な高圧液化二酸化炭素流をアンモニア合成反応から製造することができる。
様々な態様において、尿素製造は、多数の別々のシステムの必要性を排除しながら、１種以上のインプット（例えば、電気、熱、ＣＯ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｏ）を提供すること、および／またはＭＣＦＣから１種以上のアウトプット（例えばＨ２Ｏ、熱）を受け取ることによって改善することができる。追加的に、実質的な生成物除去およびリサイクルが関与するほとんどの平衡プロセスと同様に、パージまたは廃棄物流が発生することができる。これらのパージまたは廃棄物流は、副反応およびリサイクルループ内の不純物の蓄積の結果であることができる。典型的な独立型プラントにおいては、これらの流れは、しばしば、低価値であることができて、潜在的に、リサイクルのために、追加的なプロセスおよび装置によるさらなる精製を必要とすることができる。対照的に、様々な態様において、パージまたは廃棄物流は、有利には、そして非常により単純な方法で使用されることができる。アノードインレットは、いずれの改質可能燃料および／または合成ガス組成物を消費することができる。燃焼することができる材料、例えば、アンモニアなどの窒素化合物で希釈される流れは、空気と反応してＮ２、水および熱を生成することができ、これは、残留するＣＯ２、ＣＯおよびＨ２を含有するいずれかの流れと一緒に、カソードインレットの一部として使用することができる。ＭＣＦＣシステムは、低圧力（約１０ｂａｒｇまたは約１ＭＰａｇ未満、しばしば近大気条件）で典型的に作動されることができるため、パージまたは廃棄物流のいずれも、これらのプロセス流はＭＣＦＣ使用のために十分に加圧されることができるため、再圧縮する必要性を低下または最小化することができる。
追加的に、尿素プロセスは、アンモニア合成プロセスとの複合システムに集積化することができる。この集積化されたアプローチは、アンモニアプラント（蒸気改質装置、水性ガスシフト、Ｈ２＋空気分離プラントを製造する圧力スイング吸着）および典型的に離れて製造されて、次いでプラントへ輸送される冷ＣＯ２（ドライアイス）の別々の供給を必要とする従来のアプローチから多くのプロセスを低下および／または排除することができる。本システムは、これらのプロセスの多くを排除することができ、そしてそれは高圧のＣＯ２流を分離することができるため、有利な条件で必要な反応物を提供することができる。具体的には、遠く離れた尿素プラントで使用するためのドライアイスとしてＣＯ２を輸送するよりも、二酸化炭素は、液化された形態でＭＣＦＣアノード排出物から誘導される流れの分離から提供することができ、したがって、適切な反応圧力に容易に圧縮することができる。これは、ＣＯ２の冷却、輸送および再圧縮における実質的なエネルギー非効率性を回避することができる。
上記の通り、ＭＣＦＣは、追加的な装置の量を低下または最小化しながら、アンモニア製造のためのアンモニアプラントと集積化することができる。追加的に、または代わりとして、ＣＯ２の供給源を提供するために、ＭＣＦＣシステムからのアノード排出物において分離を実行することができる。ＣＯ２のこのような供給源は、次いでさらに分離さおよび／または精製することができ、ＣＯ２の少なくとも一部分を尿素合成プロセスのために使用することができる。例えば、ＣＯ２分離は、低温分離を含んでなるプロセスを使用して実行することができる。これは、冷ＣＯ２の別々の製造および／または輸送の必要性を低下させることができるか、または排除することができる。さらに追加的に、または代わりとして、ＭＣＦＣシステムは電力を提供することができ、かつ／またはＭＣＦＣインプット／アウトプット流との熱交換によって、および／または分離システムによる熱交換によって、熱を提供することができるか、または消費することができる。
図１６は、アンモニア合成および／または尿素合成を実行するための反応システムとの溶融カーボネート燃料電池（例えば、溶融カーボネート燃料電池のアレイ）の集積化の実施例を概略的に示す。図１６中、溶融カーボネート燃料電池１６１０は、燃料電池のための関連する改質段階とともに、１つ以上の燃料電池（例えば、燃料電池積層または燃料電池アレイ）を概略的に表すことができる。燃料電池１６１０は、アノードインプット流１６０５、例えば、改質可能燃料流およびＣＯ２含有カソードインプット流１６０９を受け取ることができる。図１６中、アノードインプット流１６０５は、アンモニア合成プロセス１６４０によって製造されるオフガス１６４７の任意のリサイクルされた部分を含むことができる。図１６中、カソードインプット流１６０９は、分離段階１６２０において燃料電池１６１０のアノードおよび／またはカソードアウトプットから分離されたＣＯ２の任意のリサイクルされた部分１６２９を含むことができる。燃料電池１６１０からのアノードアウトプット１６１５は、次いで、ＣＯ２、Ｈ２Ｏおよび／またはＨ２分離段階を含むことができる１つ以上の分離段階１６２０、ならびに任意に水性ガスシフト反応段階を、以下に記載され、かつ図１および２にさらに例示されるような、いずれかの望ましい順番で通過することができる。分離段階は、ＣＯ２アウトプット流１６２２、Ｈ２Ｏアウトプット流１６２４および高純度Ｈ２アウトプット流１６２６に相当する１つ以上の流れを製造することができる。分離段階は、任意の合成ガスアウトプット１６２５を製造することもできる。カソードアウトプット８１６は、１つ以上の分離段階１６２０を通過することができる。典型的に、カソードアウトプットのために使用される分離段階は、アノードアウトプットのための分離段階とは異なることができるが、図１６に示すように、分離から得られた流れは、任意に組み合わせることができる。例えば、ＣＯ２はカソードアウトプット１６１６から分離されることができ、１つ以上のＣＯ２アウトプット流１６２２に添加されることができる。カソードアウトプット１６１６から分離される最大の生成物は、高純度Ｎ２流１６４１であることができる。高純度Ｈ２アウトプット流６２６および高純度Ｎ２流１６４１は、アンモニアアウトプット流１６４５を発生させるためのアンモニア合成段階１６４０のための反応物として使用することができる。任意に、アンモニアアウトプット流の一部分を、分離段階６２０からのＣＯ２流６２２とともに、尿素製造１６５０のためにインプット１６５１として使用して、尿素アウトプット１６５５を発生させることができる。任意に、尿素製造１６５０のためのインプットアンモニア流１６５１は、異なる供給源からであることができる。任意に、アンモニア製造段階１６４０または尿素製造段階１６５０を構成から省略することができる。
発酵による生物燃料および化学製品の製造との集積化
生物燃料または生物化学製品は、作物、例えば、トウモロコシ、糖またはリグノセルロース物質様エネルギーグラスから誘導される炭水化物の発酵のプロセスによって、しばしば製造することができる。このプロセスの最も一般的な例は、トウモロコシなどからのエタノール製造を含む。このプロセスは、典型的に、（蒸留のための）熱のインプット、（一般的なプラント作動のための）電気、および（処理原材料、クリーニングおよび他のプロセスのための）水を必要とし、かつ標準生成物に加えてＣＯ２を製造することができる。ＣＯ２は、糖（Ｃ６Ｈ１２Ｏ６）が２Ｃ２Ｈ５ＯＨ（エタノール）＋２ＣＯ２に変換されることができる発酵反応によって製造されることができる。他の生成物、例えば、ブタノール、高級アルコール、他の含酸素物などへの発酵によって、同様の生成物を製造することができ、同様のインプットを必要とすることができる。プラントの温室効果ガス排出および全体的経済の側面は全て、これらのインプットおよびアウトプットを製造および／または提供する際の効率によって影響されることができる。炭水化物または糖の他の供給源は、所望のバイオ生成物を得るための同様のプロセスを通過することができ、かつ最初の炭水化物から糖へのいくらかの変換をもたらすことができる。
様々な態様において、改質可能燃料として天然ガスを使用するＭＣＦＣシステムなどのＭＣＦＣシステムと、エタノール製造との組み合わせは、様々な利点を提供することができる。これは部分的に、ＭＣＦＣシステムは、エタノールプラントからのＣＯ２アウトプットを消費しながらも、本質的に全ての必要とされたインプットを提供することができるという事実によることができる。これは、温室効果ガス排出を低下することができ、水の必要条件を低下させることができ、かつ／または全体的な効率を増加させることができる。
エタノールプラントは、作動に動力を供給するためにＭＣＦＣからの電気、および蒸留などのプロセスに熱を提供するためにＭＣＦＣからの余熱を使用することができる。プラントの正確な必要条件（電気への熱の混合）は、ＭＣＦＣプラントの全体的な燃料利用を調節することによって、例えば、電気アウトプットと比較して多少の熱を提供するための媒体として追加の水素／合成ガスを製造することによって、管理することができる。代わりとして、または加えて、例えば、アノード供給として発酵生成物のいくつかを使用することによって、および／またはインプットとして非発酵性バイオマスなどの関連するインプットからの熱および／または生成物を使用することによって、ＭＣＦＣへの燃料供給源を調節して、所与のプラント構成および所与のインプットのセットのためのインプットおよびアウトプットの釣合いをとることができる。電気化学的プロセスは、典型的にカーボネートイオンと水素との反応によって水を生成することができ、この水は、アノードアウトレットから凝縮されることができる。追加的な水は、過剰な合成ガスの製造において、例えば、水性ガスシフト反応を通して、製造されてもよい。次いで、水は非常に純粋で、不純物を含まない傾向があるため、プラントでのプロセス用の水として水を使用することができる。水が使用する例には、限定されないが、水が粉砕されたトウモロコシに添加される乾燥ミリングプロセス、および／またはトウモロコシが酸および水の溶液に浸漬される湿潤ミリングプロセスが含まれる。発酵ＣＯ２アウトプットをカソードインプットとして使用することができ、かつ必要であれば、アノードアウトレットＣＯ２のリサイクルによって、および／または追加的な熱を発生させるための新しい燃料（メタンおよび／または天然ガス）の燃焼を通して補足される。エタノールプラントの全ての熱プロセスが典型的に比較的低温（例えば、１００℃未満の蒸留）であることができため、ＭＣＦＣシステムのほぼ全ての廃熱を効率的に消費することができる。
異なる構成のセットは、特定のプラント構成および供給ストック次第で、ＭＣＦＣインプットおよびアウトプットのために使用されてもよい。いくつかの構成に関して、このプロセスは、アノードインプット燃料として水と混合されたエタノール生成物を使用することができ、したがって、必要とされる天然ガスの量を回避するか、低下させることができる。発酵で製造されたエタノールは、例えば、約１Ｈ２Ｏ：１ＥｔＯＨ〜約４：１、例えば、約１．５：１〜約３：１、または約２：１のモル比まで、部分的に蒸留され、分離され、または抽出されることができる。この混合物は、燃料電池内および／または外の熱によって次いで改質されることができ、次いでアノードへのインプットであることができる水素ガスを含んでなる混合物を製造する。エタノールの全体的なプラントアウトプットは低下する可能性があるが、非生物学をベースとするインプットの量を低下またはプロセスから排除することができ、より低いライフサイクルＣＯ２排出をもたらすことができる。
いくつかの構成に関して、リグニン供給源、例えば、トウモロコシストーバー、木材および／またはシュガーバガスを燃焼させることによって、メタンなどの従来の炭化水素燃料のインプットを捕捉および／または置き換えることができる。これによって、プラントは、エネルギーを自給自足できるようになり、かつライフサイクル排出の欠点を被るサプライチェーンに集積化する必要性を低下させることができる。これらの構成に関して、リグニン供給源は熱を発生することができ、そして、部分的に合成ガスを含んでなる気体の混合物に酸化される場合、合成ガスをＭＣＦＣシステムへのインプットとして使用することができる。リグニン供給源を燃焼および使用して、（蒸気発生および蒸気タービンによって）いくらかの電気を提供することができるが、一方、プロセスからの排出物ガスは、ＣＯ２インプットをＭＣＦＣシステムに提供することができる。
いくつかの構成に関して、カソードインレットのためのインプットＣＯ２は、アノードアウトプット合成ガス混合物からのＣＯ２の分離から誘導することができる。この分離は、様々なプロセスのための熱を製造するために流れを使用することができる前または後に（蒸気発生による追加的な発電を含む）、および／またはプロセスに水素を提供するため、および／または熱を提供するために流れが使用される前または後に生じてもよい。典型的に、この種類のアプローチは、それがＣＯ２を捕捉するために望ましなり得る場合に使用されることができる。例えば、アノードアウトレットをＣＯ２分離段階に通過させ、そこで大部分のＣＯ２が捕捉され、かつ残留する合成ガスは、次いで、熱、電気、および／または化学的プロセスのために使用されることができる。これらのプロセスからのアウトプットは、次いで、潜在的に添加されたメタンおよび／または酸化剤（空気）とともにカソードに戻されて、適当な温度およびガス組成を有するカソードインレットを提供することができる。
あるいは、ＣＯ２捕捉が望まれなくてもよいいくつかの構成に関して、発酵システムからのＣＯ２アウトプットを、酸化剤（空気）と混合して、適当なインレット温度まで高めた場合、カソードのための（全体ではないが）ＣＯ２供給源の少なくとも一部として使用することができる。これらの構成に関して、アノードアウトプットは、熱、電気、および／または化学的目的のために使用されてもよく、そして燃焼した合成ガスを含有する得られる最終的な流れは排気され、そし／またはカソードインレットへの供給として部分的に戻されてもよい。プラント構成およびＣＯ２排出の必要条件次第で、これらの構成のいずれか１つまたは組み合わせが望ましなり得る。例えば、発酵からのいくらかのＣＯ２は、様々な熱、電気、および／または化学的プロセスのための使用後の残留合成ガス流と組み合わせることができ、そして組み合わせた流れを酸化剤（空気）と反応させ、カソードへの酸素を提供することができ、かつカソードインレット流の温度を高めることができる。
ＭＣＦＣからのアノードアウトレット流を、様々な異なるプロセスのために使用することができる。１つの構成において、この流れは、熱を蒸留に提供するために使用されることができ、かつ蒸留プロセスのための追加的な熱を発生させるために、アノードアウトレットにおいて残留合成ガスの燃焼が関与してもよい。この構成に関して、酸化剤（空気）をアウトレット流に添加することができ、そして熱の著しい流れおよび燃焼の熱を典型的に使用して、次いで蒸留のためのエネルギーを提供するために使用することができる蒸気を発生させることができる。任意に、このプロセスからの排出物は、発酵プロセスの追加の有無にかかわらず、ＣＯ２のいくつかの任意の分離の前および／または後にカソードインレットとして使用することができる。
いくつかの構成に関して、シフト反応の後、および／または水素供給源としてのいくらかのＣＯ２の分離の後に、アノードアウトレットガスを、さらなる処理をせずに、水素の供給源として使用することができる。様々なプロセスに水素を使用することができる。これらのプロセスには、限定されないが、追加的なほとんど炭素を含まない、水素タービンにおける燃焼による電気の製造が含まれてよい。追加的に、または代わりに、水素を他の生物燃料生成物を処理することなどの化学的プロセスのために使用することができる。例えば、発酵に適さないリグノセルロース物質（例えば、コーンストーバーおよび／またはシュガーバガス）に熱分解などの熱化学的処理を行って、燃料のために適さない不安定な高酸素生成物を製造することができる。熱分解、急速熱分解および／または水素化熱分解などの様々なプロセスが使用されてもよく、それらのいずれか／全ては触媒の有無にかかわらず完成され得る。典型的に、これらの生成物は、生成物熱値を低下することができる残留酸素を含有することができ、しばしば、貯蔵、輸送および使用時にそれらの安定性を非常に低下させる可能性がある。これらの種類の生成物は水素によって有利に処理されて、生物燃料の全体的な製造を増加させるために、発酵生成物と任意にブレンドすることができる燃料適合性ブレンドストック（熱分解油）を製造することができる。
水素の別の用途は、バイオディーゼル材料の共生産にあることができる。典型的に、デンプン供給源（例えば、トウモロコシ、糖）を使用して、ガソリン燃料で使用するためのエタノールを製造することができるが、大豆またはパームなどの他の作物重質「油」（例えばトリアシルグリセリド）を使用して、そのまま、および／または改良後に、ディーゼル燃料および／またはジェット燃料のために適切であり得る長鎖分子を製造することができる。他の再生可能な資源は、そのまま、および／または改良後に、潤滑剤および／または重質燃料、例えば、バンカー／マリン燃料、および／または家庭用暖房オイルのために適切であり得る、なお長鎖の分子を含有することができる。これらの材料は、典型的に、特に、所望の生成物がほとんど酸素を含まない場合、例えば、脂肪酸メチルエステル（ＦＡＭＥ）生成物の代わりに水素処理された植物油の場合、水素が関与するいくつかの処理を必要とすることができる。生物燃料生成物および作物はほぼ同一位置に配置されてもよくて、水素の利用可能性は様々な処理スキームにおいて補助し得る。
いくつかの態様において、集積化されたＭＣＦＣおよび発酵システムの目標は、発酵プラントからの全体的なＣＯ２製造を低下させること、または最小化することであることができる。そのようなシステムの例において、バイオマス供給は発酵プラントに入ることができて、発酵のための材料の調製（例えば、粉砕、水処置）のために、任意のプロセスを受けることができる。プロセスのための電気エネルギーおよび水は、燃料電池アウトプットによって少なくとも部分的に（全体でない場合）提供されることができる。発酵プロセスは、生物燃料および二次生成物（例えば、蒸留酒製造業者の乾燥グレイン）、およびＣＯ２の比較的高い量を含んでなるガス流を製造することができる。適切な量の水と混合された発酵プラントからの生物燃料生成物は、ＭＣＦＣへのアノードインプット燃料として使用することができる。態様次第で、生物燃料生成物は、発酵生成物の少なくとも一部、発酵の残留または二次生成物から誘導された生物ガスまたは他の燃料の少なくとも一部、またはそれらの組み合わせに相当することができる。ＭＣＦＣアノードアウトレットからの合成ガスは、少なくともいくらかの（全てではないにしても必要とされる）熱を、蒸留を含む全てのプラントプロセスに提供するために燃焼することができる。アノードアウトレット生成物を、ＣＯ２分離プロセスの前および／または後に使用することができる。あるいは、アノードアウトプット流のいくつかを使用して、発酵プラントプロセスのための少なくともいくらかの熱を提供するが、第２の流れを使用して、カソードインプット流の予熱などの異なる目的のために熱を提供することができるように、アノードアウトレットを分離することができる。得られたＣＯ２含有流のいくつかを空気と組み合わせて、カソードインレット流として使用することができる。全体的なプロセスは、外部エネルギー源を有利に使用することなく、典型的に、生物学的プロセスから誘導されるＣＯ２のみ排出することができる。あるいは、ＣＯ２分離スキームを、アノードの後、および／または全てのＣＯ２流が組み合わせられた後などの様々な時点のいずれか１つ以上において添加することができる。この段階は、分離のため、および／またはいくつかの他の使用のための実質的に純粋なＣＯ２アウトプット流を提供することができる。この構成において、生物学的に誘導されたＣＯ２は、比例して少しの（無しの）外部炭素をベースとする燃料インプットによる分離のために除去されることができるため、ライフサイクル基準からの全体的なプラントＣＯ２排出はマイナスであることができる（生成した正味のＣＯ２が０未満である）。
図１５は、エタノール合成などのアルコール合成を実行するための反応システムとの溶融カーボネート燃料電池（例えば、溶融カーボネート燃料電池のアレイ）の集積化の実施例を概略的に示す。図１５中、溶融カーボネート燃料電池１５１０は、燃料電池のための関連する改質段階とともに、１つ以上の燃料電池（例えば、燃料電池積層または燃料電池アレイ）を概略的に表すことができる。燃料電池１５１０は、アノードインプット流１５０５、例えば、改質可能燃料流およびＣＯ２含有カソードインプット流１５０９を受け取ることができる。任意に、アノードインプット流は、追加的な供給源１５４５からの燃料、例えば、燃焼およびその後のメタン化によるリグニンおよび／またはコーンストーバーから誘導されるメタンを含むことができる。任意に、カソードインプット流１５０９は、エタノール（または別の発酵生成物）を製造するための発酵の間に発生するＣＯ２から誘導される追加的なＣＯ２含有流１５３９を含むことができる。燃料電池１５１０からのカソードアウトプットは、図１５に示されない。燃料電池１５１０からのアノードアウトプット１５１５は、次いで、ＣＯ２、Ｈ２Ｏおよび／またはＨ２の１種以上の分離段階を含むことができる１つ以上の分離段階１５２０、および／または１つ以上の水性ガスシフト反応段階を、以下に記載され、かつ図１および２にさらに例示されるような、いずれかの望ましい順番で通過することができる。分離段階は、ＣＯ２アウトプット流１５２２、Ｈ２Ｏアウトプット流１５２４および／またはＨ２（および／または合成ガス）アウトプット流１５２６に相当する１つ以上の流れを製造することができる。Ｈ２および／または合成ガスアウトプット流（集合的に１５２６）は、存在する場合、例えば、エタノール処理プラント１５６０によるエタノールの蒸留のための燃料を提供するために使用することができる。Ｈ２Ｏアウトプット流１５２４は、存在する場合、エタノール処理プラント１５６０のための水を提供することができる。追加的に、または代わりとして、ＭＣＦＣ１５１０はエタノール処理プラント１５６０により用いられる電力１５０２を発生させることができる。エタノール処理プラント１５６０は、エタノール（および／または他のアルコール）アウトプット１５６５を発生させることができ、これは、好ましくは少なくとも部分的に蒸留されて、生成物のアルコール濃度を高めることができる。なお、図１５の構成または上記の他の構成のいずれも、リグニン供給源の使用または他の生物燃料の共生産などのいずれかの他の構成と組み合わせることができる。
集積化されたＭＣＦＣおよび発酵システムの実施例
本実施例は、低ＣＯ２排出で、エタノール、水素および電気を発生させるための、集積化されたＭＣＦＣおよびセルロースエタノール発酵プロセスを実証する。本実施例の１つの焦点は、ＭＣＦＣシステムとの集積化の態様にあることができる。エタノール発酵などの発酵プロセスは、従来の発酵方法に相当することができる。実施例を提供する目的のため、エタノール発酵法を詳細することがある程度必要となるため、代表的な発酵プロセスを提供するために文献参照が使用された（Ｈｕｍｂｉｒｄ，ｅｔ ａｌ．，Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｅｃｏｎｏｍｉｃｓ ｆｏｒ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｇｎｏｃｅｌｌｕｌｏｓｉｃ Ｂｉｏｍａｓｓ ｔｏ Ｅｔｈａｎｏｌ，ＮＲＥＬ．Ｍａｙ ２０１１を参照のこと）。この参照文献に記載されるベースのエタノール発酵プロセスは、約５２０トン／日の発酵プラントに相当する。しかしながら、他のいずれかの都合のよい発酵プロセスも、蒸気実施例と置き換えることができた。本実施例においては、エタノールは、ストーバー原料の発酵から製造することができる。発酵プロセスから排出された生物ガスおよびバイオマスは、プロセスのための流れおよび動力を発生させるために燃焼することができるが、過剰量の動力は配管網へ販売されることができる。本集積化されたＭＣＦＣ−発酵プロセスにおいて、ＭＣＦＣは、アノード供給としてメタン流混合物を使用することができ、かつカソード供給として発酵システムからのＣＯ２ガスの混合物を使用することができる。ホットＭＣＦＣアノード排出物は、蒸留カラム加熱需要を提供するのに十分低い圧力蒸気を発生するために、蒸気システムと集積化することができる。なお、これは既存の蒸気タービン／ＨＲＳＧシステムによって、蒸気速度を増加させることもできる。アノード排出物は、Ｈ２およびＣＯ２生成物流にシフトおよび分離されることができる。ＭＣＦＣは、アノード排出物ガス分離およびパイプライン条件へのガスの圧縮のために少なくとも十分な動力を発生させることができる。
図１４は、構成のＭＣＦＣ部分の実施例を示す。図１４中、蒸気１４０１および予熱されたメタン１４０２を、ＭＣＦＣ１４５０のアノードに供給することができる。ＭＣＦＣ１４５０は、高温で主にＨ２／ＣＯ／ＣＯ２の混合物１４０３を製造することができる。態様次第で、ＭＣＦＣは、約２５％〜約６０％の低燃料利用、例えば、少なくとも約３０％、または少なくとも約４０％、または約５０％以下、または約４０％以下の燃料利用で作動することができる。追加的に、または代わりとして、ＭＣＦＣは、約７０％以上の従来の燃料利用で作動することができるが、アノード排出物から回収することができる潜在的なＨ２の量が、より高い燃料利用において減少するため、これは好ましくない。熱は混合物１４０３から、例えば、インプット水流１４０７から低圧蒸気１４０８を生成するために、熱交換器１４６０において回収することができる。インプット水流１４０７は、いずれかの都合のよい供給源、例えば、カソードアウトレット流１４１４および／またはアノードアウトレット流１４０３から回収される水からでも誘導することができる。低圧蒸気は、例えば、図１４の示されるビアカラム１４４２のための熱などの蒸留のための熱を提供するために使用することができる。冷却されたアノード排出物１４０４はシフトされ、水性ガスシフト反応器１４７０で主にＨ２／ＣＯ２の混合物を製造することができる。これらのガスは、１つ以上の分離段階１４８０において、Ｈ２流１４０５およびＣＯ２流１４０６に分離することができる。Ｈ２流１４０５およびＣＯ２流１４０６は、使用のために圧縮および販売することができる。追加的に、または代わりとして、ＣＯ２流の少なくとも一部分を分離に向けることができる。低ＣＯ２排出が必要とされない別の好ましくない構成において、ＣＯ２流１４０６を雰囲気に排出することができる。カソード供給１４０９は、発酵プロセスのオフガス流の混合物から構成されることができる。図１４に示される実施例において、カソード供給１４０９は、ベントスクラバーオフガス１４３１および生物ガス燃焼室オフガス１４３３から構成されることができ、これは、発酵プロセスから排出されるＣＯ２の約９４％を占めることができる。追加的に、または代わりとして、カソード供給１４０９は、セルロースシード発酵体オフガス１４３５、セルロース発酵体オフガス１４３７、好気性ダイジェスターオフガス１４３９、および／または他のいずれかの発酵体および／またはダイジェスターオフガスを含むことができる。カソード供給を前処理するために、オフガスをガスクリーンアップシステム１４４８に通過させてもよい。オフガス混合物１４０９は、バーナー１４９０で燃料（ＣＨ４）１４１０および酸化剤（空気）１４１１と組み合わせて、そしてカソード供給をＭＣＦＣ動作温度まで加熱するために燃焼することができる。バーナーアウトプット１４１２の追加的な熱は、メタンアノード供給１４０２を予熱するために使用することができる。カソード排出物１４１４は、いずれかの熱を回収するためにＨＲＳＧに送達することができて、次いで雰囲気に排出され、かつ／または所望であれば、さらなる処理のために送達されることができる。
表２は、集積化されたＭＣＦＣシステムを使用することのない同一の従来の発酵プロセスを実行することとの比較において、図１４と同様の構成に関するＣＯ２排出の減少量の実施例を示す。表２に示される計算のために、システムで使用される全ての炭素が、最初に生体供給源から誘導される炭素に相当したことが仮定された。表２に示すように、ＭＣＦＣシステムとの発酵プロセスの集積化は、エタノール発酵から実質的にＣＯ２排出を低下させるための潜在性を有することができる。発酵プロセスによって発生するＣＯ２が雰囲気に脱出することを可能にする代わりに、カソードインレット流のいくつかまたは全てを形成するために、そのようなＣＯ２の少なくとも一部分を使用することは、そのようなＣＯ２の大部分が、比較的純粋なアノードアウトレット流に分離されることを可能にする。次いで、ＣＯ２を効率的な方法でアノードアウトレット流から分離することができ（例えば、少なくとも約９０％、例えば、少なくとも約９５％のＣＯ２を分離する）、ＣＯ２の分離がもたらされる。特に、炭素の最初の供給源が考慮され、最初に生体供給源から誘導される炭素がシステムへの炭素インプットに考慮されなくてもよい場合、集積化されたシステムからの正味のＣＯ２排出は、実際にマイナスであることができる。これは、植物によって雰囲気から最初に消費された炭素（生体炭素）が、ＣＯ２として捕捉され、そのようなプロセスにおいて分離され、環境からの炭素の正味の除去がもたらされるという事実を反映することができる。
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藻類成長およびプロセスとの集積化
バイオディーゼルを製造するために提案された藻類ファーム（光合成藻類）は、いくつかのインプット：水、ＣＯ２、日光、養分、主として窒素、おそらく熱を必要とする。一態様において、溶融カーボネート燃料電池を、藻類ファームの要求（および潜在的に他のプロセス）と集積化して、費用が低減し、ＣＯ２排出が低下した、より効率的な全体的なプロセスを提供することができる。
一態様において、藻類ファームのためのＣＯ２供給源として、ＭＣＦＣによって製造されるＣＯ２を使用することができる。追加的に、または代わりとして、ＭＣＦＣからインプットおよびアウトプットは、１つ以上の以下を実行するために、藻類ファームと集積化することができる：１）藻類のための構成水として、ＭＣＦＣアノード排出物から生成した水を使用すること；２）夕方／低温期の間に池を暖めるために発生した熱を使用すること；３）循環デバイスおよび他のプロセスを動作するためにＭＣＦＣによって発生した電気を使用すること；４）ＭＣＦＣのための燃料／メタンの供給源としてバイオマスオフガス（例えば、嫌気性ダイジェスター）を使用すること；５）アノードのためのＨ２／ＣＯの供給源としてガス化の後の異なるバイオマス（藻類バイオマス、リグニン）を使用すること；６）アノードにおける分離によってＣＯ２を捕捉し、次いで、ＣＯ２を分離後に藻類に移送するため、カソードのためのＣＯ２供給源として、ＣＯ２を発生するバイオプロセス（例えば、発酵）を使用すること（例えば、トウモロコシから発生したＣＯをエタノールと一緒にして、これを他の生成物を製造するための藻類成長のために使用する）；ならびに７）窒素含有化合物（例えば、ＮＨ３、尿素）を製造するためにＭＣＦＣによって生成したＨ２および／またはＮ２を、藻類製造のための必須養分としての使用のために使用すること。
上記態様の他の利点は、ＭＣＦＣプロセスおよびその後の分離は、発電所流出物などの排出物流または他のＣＯ２供給源に典型的な汚染物質を実質的に含まない非常に「クリーンな」ＣＯ２を製造することができるということであることができる。上記の集積化の利点は、追加的に、または代わりとして、構成次第で、多数の集積化された部分が適合することを可能にする。例えば、ＭＣＦＣの使用は、ＣＯ２生成プロセスおよびＣＯ２消費プロセスの間での相乗効果的を形成することができる。そのような相乗効果的なプロセスでは、ＭＣＦＣは、効率的な方法でＣＯ２を濃縮、分離および使用する中間体として作用することができる。ＭＣＦＣは、さらに追加的に、または代わりとして、ＭＣＦＣが、使用が容易な形態で、藻類成長環境へのＣＯ２のａ）濃縮、ｂ）精製、およびｃ）送達のために使用可能であるように、典型的な外部ＣＯ２供給源（例えば、動力プラント、タービン）とともに構成されることができる。これは、単に藻類に汚染物質とともに希薄なＣＯ２を通過させること以上の注目に値する改善であることができる。
セメント製造との集積化
コンクリートおよび鉄鋼は、主要なインフラ建設プロジェクトにおいて、質量、費用および二酸化炭素排出の大部分を占める可能性のある重要なインフラ建設材料である。例えば、コンクリートは現在、世界のＣＯ２排出の約５％の原因である。全排出のうち、セメント、例えば、ポートランドセメントの製造は、最終生成物からの全排出の約９５％を示す。ＣＯ２は、２つの供給源：炭酸カルシウムから酸化カルシウムおよびＣＯ２への分解、ならびに燃料としての石炭とともに典型的に行われる約１８００℃程度の高温までのセメント窯の加熱から主として発生することが可能である。セメントは、何百ものプラント（米国で約１５０〜２００）で、成分の岩が発見される採石場の典型的に付近で製造される。
セメントの製造には、典型的に、材料の混合物を非常に高い温度まで加熱するステップが関与する。主要成分としては、１種以上のシリカ（砂）、鉄鉱石、アルミナ（頁岩、ボーキサイト、他の鉱石）および／または他の材料に加えて、石灰石（ＣａＣＯ３）を含むことができる。成分を破砕および混合し、その後、それらを、非常に高い温度で、そして典型的に少なくとも約１４００℃の温度で、例えば少なくとも約１８００℃、そして時には約２０００℃以上までの温度で、典型的に空気中で、窯に導入することができる。これらの条件で、クリンカーと呼ばれる生成物を製造することができる。クリンカーは、商業的なセメントを形成するために典型的に粉砕された安定性ある生成物であることができる。この説明において、クリンカーをセメント生成物と呼ぶことができる。セメント生成物を形成するプロセスは、１つの有意な化学変化：ＣａＯおよびＣＯ２への石灰石の分解を典型的にもたらすことができる。酸化物として出発した他の鉱石は、典型的に化学的に変化しない。いくらかの冷却の後、セメント生成物を石膏などの他の成分と典型的に混合して、そして任意に粉砕して、セメント用途および／またはコンクリートの製造のために適切な最終的な所望の特徴を達成することができる。
一般には、カソードのためのインプットとして、セメント製造プロセスからのＣＯ２を使用することによって、ＣＯ２の管理のための資源としてＭＣＦＣを使用することができる。従来のセメント製造によって排出されるＣＯ２の量は、典型的に、ＣａＣＯ３の分解からの少なくとも約５０％、および炭素含有燃料の燃焼をベースとする加熱のための約５０％以下であることができるが、この量は潜在的に個々の製造作業の特徴次第で変化する。追加的に、または代わりとして、コンクリートおよびセメント製造は、全体的なプロセスの間、電気および機械的エネルギーを必要とする可能性がある。鉱物産出のための採石場などのローカル資源と典型的に同じ位置に配置されるか、もしくは密接に配置される場合、輸送、粉砕、セメント製造工程と関連する様々な機械プロセスは、大量の電気を消費する可能性がある。これらのエネルギーの必要性は、セメントプラントと集積化されるＭＣＦＣによって発生する電気によって少なくとも部分的に満たすことができる。さらに追加的に、または代わりとして、アノード排出物に関して実行される分離ステップでは水を生じることができ、そしてこの水は、典型的なセメントプラントの水の必要性を軽減および／または満たすために使用することができる。任意に、ＭＣＦＣは、燃料としての水素を提供するために、低燃料利用で作動することができ、そしてこれは燃料燃焼によるＣＯ２排出をまたさらに追加的に、または代わりとして除去することができるか、または軽減することができる。
一態様において、ＭＣＦＣシステムは、生産プラントに動力を供給するためにＭＣＦＣ熱および電気を使用しながら、ＣＯ２供給源としてのセメント流出物を使用するために、セメント生産プラントと集積化することができる。この第１の構成は、ＣＯ２の主要供給源を消費することができ、かつ熱および電気需要によるＣＯ２の第２の供給源のいくつかを軽減することもできる。正味の結果は、炭素捕捉の可能性を有する、より低い炭素排出セメント製造プロセスであることができる。
追加的または代わりの構成において、ＭＣＦＣインレット流の全てなどのＭＣＦＣインレット流の１つ以上を予熱するために、減少された量の追加的な燃料が必要とされるか、または追加的な燃料が必要とされないように、ＭＣＦＣシステムは、セメント製造作業と熱集積化することができる。例えば、窯からのいくらかのＣＯ２含有流出物と、十分な酸素を提供するための追加的な（冷）酸化剤（空気）とを含んでなってもよいカソードインレットは、窯アウトプットとの熱交換によって約５００℃〜約７００℃の典型的なカソードインレット温度まで完全に予熱することができる。追加的に、または代わりとして、典型的に石炭を燃焼させることによって提供される窯のための熱は、その代わりに、ＭＣＦＣシステムからのアノード排出流出物を燃焼させることによって、部分的に、または完全に提供することができ、これは、石炭より低い炭素強度の供給源から誘導される場合、全体的なＣＯ２排出を低下させることができる。
別の追加的または代わりの構成において、ＭＣＦＣシステムは、全体的なプラント炭素排出の実質的な大多数を回避するように構成することができる。この構成において、ＭＣＦＣシステムアノードアウトレットは、典型的にＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２および水を含有する流れであって、これは、分離／捕捉のためにＣＯ２を分離するため、同一または異なる分離プロセスにおいて水を除去するため、そして／あるいは水性ガスシフトガスを「シフトして」、水素が高度に濃縮された流れを生じるために設計された一連のプロセスを受けることができる。次いで、この水素流を窯の加熱インプット（燃焼時）として使用して、減少されたか、または最小化された炭素排出を生じることができる。任意に、燃料価を含有するいずれのオフガスも、アノードにリサイクルすることができる（例えば、オフガスを含有するＣＯ）。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の水は、粉砕、混合またはローカル供給源から得ることができる他のセメントプロセスに使用されるいずれの水を補うためにも使用することができる。セメント、コンクリートおよび／または採石場作業の少なくとも部分的または全体に必要とされる電気は、ＭＣＦＣによってその場で提供されることができる。これは、送電損を低下させることができるか、または最小化することができ、また電気配管網を経由して電気を提供するために使用される燃料からの相当するＣＯ２排出を低下させることができる。次いで、全体的なプロセスは、従来の鉱業および製造作業と比較して、より高い全体的な熱効率で作動しながら、実質的に低下することが可能である「ライフサイクル」ＣＯ２排出を示すことができる。
これらの構成において、アノードへのインレットの燃料は、任意に、いくらかの軽燃料成分を含有するオフガスおよび／または他の廃棄流とともに、そして／あるいは水性ガスシフト成分とともに、天然ガス、メタンおよび／または他の軽炭化水素の供給源によって典型的に提供されることができる。アノードへの燃料は、容認できる量で窒素などの他の不活性ガスを含有してもよいが、好ましくは酸素の実質的な量を含有せず、例えば、故意に添加された酸素を含有しない。アノードインレットは、追加的に、または代わりとして、これらの材料が最初に改質可能燃料に変換される場合、石炭を含む他の炭化水素材料を含んでもよく、かつ／またはそれから誘導されてもよい。これらの変換のために、そして任意にアノードインレットを予熱するために必要とされる少なくとも一部分の熱（おそらく全ての熱）は、窯排出ガスまたは生成物との接触からの熱交換によって有利に提供することができる。熱交換は直接であることが可能であり、そして／または蒸気などの熱伝達媒体を通して間接的であることが可能である。そのような熱交換プロセスのための水（蒸気）、および／またはセメント製造と関連する他のプロセスに使用される水は、アノード排出物流からの分離の後にアノード化学および電気化学反応によって生じた水を使用して少なくとも部分的に提供することができる。
カソードインレット流は、ＣＯ２が豊富であることが可能な窯排出物から少なくとも部分的に誘導することができる。この流れは、ＭＣＦＣへの導入のために適切ではない、ほこり、泥、鉱物および／または他の固体物質を含有してもよい。そのような不適当な物質は、例えば、フィルターによって除去することができる。追加的に、または代わりとして、典型的に、セメントプラントは、窯からの粒状排出を低下、最小化および／または実質的に排除するためのシステムを含有することができ、そして同様のシステムは、ＭＣＦＣと集積化されるシステムで利用することができる。窯排出物および／または窯排出物の少なくとも一部を分含有するカソードインレット流は、カソードに対して無害ないくらかの残留ガスを含有してもよい。そのような残留ガスの例には、窒素、酸素および／または他の空気成分、ならびに容認できる濃度（例えば、不純物汚染物質次第で、約１００ｖｐｐｍ未満、または約５０ｖｐｐｍ未満、または約２５ｖｐｐｍ未満）で存在する場合、酸化窒素などの不純物汚染物質の任意の少量が含まれることができる。カソードは、十分な酸素濃度を得るために、新たな空気の使用を追加的に、または代わりとして必要とすることができる。好ましくは、カソードアウトレットの酸素濃度は、少なくともカソードアウトレットにおけるＣＯ２濃度であることができるが、ＣＯ２濃度の少なくとも約半分の酸素濃度が容認可能である。任意に、カソードインレットの酸素濃度は、少なくともカソードインレットにおけるＣＯ２濃度であることができる。多くのＭＣＦＣシステムにおいて、カソードインレット流を加熱するために、いくらかの燃料を燃焼させることが必要となる可能性がある。しかしながら、上記の構成に関して、窯ガスの排出物および／または固体生成物との熱交換によって、カソードインレット流の１つ以上を加熱するために必要とされる熱の少なくとも一部分、または熱の実質的に全てを提供することができる。これは、カソードインレット流に追加的な熱を提供するための燃料の燃焼の必要性を低下、最小化、またはおそらく排除することができる。
アノードアウトレット流は、ほとんどの従来の発電ＭＣＦＣシステムにおいて、ＣＯ２および熱を提供するために、カソードに典型的に部分的に、または完全にリサイクルすることができる。本発明によるこれらの構成において、このアノード排出物は、それらの目的のために必要とされず、その代わりに、任意に、しかし好ましくは、熱を窯に提供するためなどの別の目的のために使用される。有利には、アノード排出物が、シフトおよび／または分離ステップとともに、あるいはそれらがなく使用される場合、作動温度まで窯を上げるために必要な熱の少なくとも一部分（または全て）を提供することができるように、ＭＣＦＣは減少された燃料利用で作動することができる。有利には、全電力アウトプットが、直接的なセメント製造、ならびに関連するコンクリート、採石場および他の作動を含み得るローカル動力の必要性の少なくとも一部分（または全て）に十分であることが可能であるように、条件を追加的に、または代わりとして選択することができる。燃料利用を変化することによって、システムが両必要条件を満たすことができるようにＭＣＦＣシステムを設計することができ、そして燃料利用、槽電圧および電流、ならびに／または他のパラメーターを調節することによって、それらの必要条件の可変性に対応することができる。
カソードインレット流と比較して減少されたＣＯ２およびＯ２濃度を典型的に含んでなるカソード排出物流は、窒素などの不活性（空気）成分とともに、典型的に雰囲気に排出されることができるが、代わりとして排出前に１つ以上の後処置に最初に暴露されることができる。
図１７は、より低いＣＯ２排出セメントを生じるために、セメント製造プラントと集積化されたＭＣＦＣシステムの実施例を示す。セメントプラントの２つの最大ＣＯ２供給源は、典型的に、ロータリー式窯などの窯の加熱のための化石燃料の燃焼、および窯におけるＣａＣＯ３からＣａＯへの分解からである。図１７に示される構成において、集積化されたプロセスは、その代わりに、窯においてＭＣＦＣから生じるＨ２を燃焼させることができる。分解ＣＯ２オフガスを、カソード供給として、追加的に、または代わりとして使用することができる。
図１７に示される構成において、メタン１７０１および蒸気１７０２のガスフローを、ＭＣＦＣ１７２０のアノードに供給することができる。Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２およびＨ２Ｏの混合物を含んでなることができるアノード排出物１７０３は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１７２２で冷却することができ、そして水性ガスシフト反応器（図示せず）でシフトされ、主にＨ２およびＣＯ２の混合物１７０４が生じる。この場合、流れ１７０４を脱水１７６０および分離１７５０することができ、Ｈ２含有流１７０６およびＣＯ２含有流１７０７となる。流れ１７０７を圧縮することができて（そして使用のために販売、および遠位使用のために輸送することができ）、そして／または分離設備に送ることができる。流れ１７０６は、ロータリー式窯１７４０において裸火の燃料として（酸化剤／空気１７４１とともに）使用することができる。窯１７４０で形成される「クリンカー」生成物を、クリンカー冷却器１７７０に通過させることができる。システムにおける他のプロセスに熱を提供するために、さまざまな熱交換を、窯１７４０、クリンカー生成物および／またはクリンカー冷却器１７７０によって実行することができる。窯１７４０において、ＣａＣＯ３が分解すると、ＣＯ２が排出することができる。ＣＯ２を火炎排出ガスと組み合わせて、窯オフガス１７０８として窯１７４０の上部から排出させることができる。窯オフガス１７０８をクリーン化および／または脱水１７３０して、水および／または不純物流１７０９ならびにＣＯ２含有流１７１０を形成することができ、これをＭＣＦＣ１７２０のカソードの前に戻すことができる。流れ１７１０を空気１７１１および任意にカソード排出物１７１２の一部分と混合することができ、カソードへのＣＯ２供給需要を満たすことを補助することができる。ＣＯ２が欠乏したカソード排出物は、任意にリサイクルされるフラクション１７１２およびＨＲＳＧに送られる別のフラクション１７２４によって分離することができ、そして雰囲気１７１３に排出される（さらなる加工のために送られない場合、図示されない）。
ロータリー式窯からの熱必要条件およびＣＯ２生成の一例として、値はＥｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｃｅｍｅｎｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ（Ｃｈｏａｔｅ，Ｗｉｌｌｉａｍ Ｔ．Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｃｅｍｅｎｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００３）から採用された。これらの代表的な値をベースとして、ロータリー式窯においてクリンカーを約３００トン／時間で処理できるような大きさで集積化されたプロセスの実施例のための計算が実行された。図１７と同様の構成のための質量およびエネルギーバランス計算をベースとするフロー値を図１８の表に示す。図１８において、それぞれの欄の上部の数は、図１７の構成からの相当する要素を示す。全てのＭＣＦＣインレット流を作動温度まで予熱するために図１７に示されるクリンカー冷却器１７７０の大きい熱量を使用することができることを示すために、計算を使用することができる。窯のためのＨ２燃料に加えて、ＭＣＦＣは約１７６ＭＷの動力を生じることもでき、これを窯供給のための原材料の粉砕など他のエネルギー消費型プロセスに使用することができる。表Ａは、図１８に示される計算をベースとして算出された追加的な発電および減少されたＣＯ２排出の概要を示す。表Ａに示すように、ロータリー式窯のための代表的な値を使用する図１７と同様の構成のための計算は、セメントプロセスとのＭＣＦＣの集積化によって、ＣＯ２排出を約９０％減少させながら、追加的な電力を提供することができることを示す。
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上記したように、典型的なセメントプロセスからのＣＯ２排出の約半分は、熱を窯に提供するための燃料の燃焼による。そのような燃焼プロセスは、通常、酸素の供給源を提供するために空気を使用し、一部では、空気中に存在する大量のＮ２のため、ＣＯ２濃度が比較的希薄である燃焼からのオフガスが生じる。希薄なＣＯ２（例えば１０体積％以下のＣＯ２）を含有する流れからＣＯ２を分離するための従来の選択肢は、モノエタノールアミンをベースとするアミン洗浄などのアミン洗浄の使用である。比較のために、希薄なＣＯ２流（例えば約１０体積％以下のＣＯ２を有する流れ）からのＣＯ２の捕捉のためにモノエタノールアミン（ＭＥＡ）をベースとするアミン洗浄を使用するための典型的な予想されるエネルギー費用は、約３ＧＪ／トンＣＯ２であることが推定された。この予想されるエネルギー費用をベースとして、ＭＣＦＣを使用する代わりに、ＣＯ２捕捉のためにアミン洗浄を使用することは、実質的なエネルギー費用も受けながら、ＭＣＦＣによって発生する追加的な電気エネルギーを排除することができる。
鉄または鉄鋼製造との集積化
様々な態様において、鉄および／または鉄鋼の製造をＭＣＦＣシステムの使用と集積化するプロセスが提供される。鉄は、鉄鉱石に存在する酸化鉄の還元から製造することができる。反応は、高温、例えば、２０００℃まで、より典型的に約８００℃〜約１６００℃、および鉄金属を製造するために溶鉱炉で使用することができる、強く結合した酸素を酸化鉄から除去することができる還元剤を必要とする可能性がある。最も広範囲に使用される方法には、コークを製造し、その後、主要な化学還元剤としてＣＯを含んでなる溶鉱炉ガスを製造するための石炭の加工が関与する。このプロセスは、その基本的プロセス自体、および鉄鋼製造プロセスの両方において、実質的な熱量およびしばしば電気の有意な量を典型的に必要とする可能性もある。電気必要条件は、ポンプ、バルブおよび他の機械を作動するための典型的なプラント要求、ならびに直接還元鉄処理、電気炉製鋼および同様のプロセスのためなどの大きい直接的な電気インプットを含み得る。水の実質的な量は、単に冷却するために使用される水の他に、石炭を処理するため、鉄鋼からスケールを直接除去するため、蒸気発生、水力学および他のシステムのために水を使用することができるため、製鋼において必要となる可能性がある。
従来の鉄製造プロセスにおいて、炉ガスは、有意な量のＣＯ、ならびにいくらかの量のＨ２、Ｈ２Ｏ、Ｎ２、任意であるが、典型的に硫黄（例えば、Ｈ２Ｓ）、および任意であるが、典型的に、石炭から誘導される１種以上の他の様々なガスを含んでなることができる。鉄は有効な水性ガスシフト触媒であることができるため、水性ガスシフト分子（ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｈ２）は、典型的に、このプロセスにおいて平衡にあるか、またはそれに近くなることが可能である。ＣＯは酸化鉄と反応し、ＣＯ２および還元鉄を製造することができるが、いくつかの炭素を還元鉄に組み込む。この炭素は、次いで、例えば、様々なグレードの鉄および鉄鋼製品を製造するために望ましいレベルまで制御された酸化によって、部分的に除去されることができる。従来の鉄製造プロセスにおける石炭およびコークの役割は、２つであることができる。第１に、石炭またはコークは、酸化鉄から鉄への変換のための還元剤を提供することができる。第２に、石炭またはコークは、非常に高い炉温度を維持するために熱を提供するために燃焼することができる。このプロセスは、典型的に、気圧下またはその付近で生じることができる。従来のプロセスにおいて、流出物溶鉱炉ガスは、なお、追加的な熱のために次いで燃焼することができる可燃性材料のいくらかの量を典型的に含有することができる。
従来のプロセスの不都合は、製造される鉄または鉄鋼の１トンあたりの大量のＣＯ２の製造を含む可能性がある。プロセスに使用される石炭およびコークに加えて、フラックス（典型的に、カーボネート、例えば、ＣａＣＯ３またはカーボネートと他の材料の混合物）は、追加的なＣＯ２を排出するプロセスにおいて分解される可能性がある。炉から排出するＣＯ２の量を捕捉するか、または低下させることは、様々な排出物システムからのＣＯ２の分離を必要とする可能性があるが、これは困難である可能性があり、かつ多数の回収、濃縮およびクリーンアップステップが関与する可能性がある。
様々な態様において、溶融カーボネート燃料電池の作動を、鉄および／または鉄鋼製造のためのプロセスと集積化することは、限定されないが、効率の増加、製造される生成物の１トンあたりの炭素排出の減少、および／または集積化されたシステムの一部分として炭素排出の単純化された捕捉を含むプロセス改善を提供することができる。燃料供給資源における適応性、ならびにプロセスに動力を与えるために必要とされる様々な化学、熱および電気アウトプットを提供しながら、別々のプロセスの数および全体的な製造システムの複雑さを減少させることができる。
追加的でまたは代わりの態様において、組み合わせられたＭＣＦＣおよび鉄製造システムは、加熱における適応性を提供しながらも、より単純なシステムによる炭素の効率的な回収を可能にすることができる。追加的に、または代わりとして、組み合わせられたＭＣＦＣおよび鉄製造システムは、プラントへの全電気インプットの一部分として利用することができる電気の直接発生を組み込むことができる。電気がその場で発生すると、送電損を低下または最小化することができる、そしてＡＣをＤＣ動力に変換する時に生じるポテンシャル損失は、追加的に、または代わりとして回避さすることができる。さらにまた、電気を発生するために利用される燃料中の炭素は、溶鉱炉排出物（または鉄もしくは鉄鋼製造のために使用される別の種類の炉からの排出物）から二酸化炭素の捕捉のために使用されるものと同一炭素捕捉システムに組み込まれることができる。提案されたシステムは、還元剤（ＣＯ）、熱および電気アウトプットの様々な製造のために設計することができ、同一コア成分を使用する、より広範囲の鉄および製鋼プロセスおよび技術に適応させることが可能となる。
一態様において、ＭＣＦＣシステムは、過剰量のＨ２および／またはＣＯ（合成ガス）を含有するアノード排出物流を形成するために使用することができる。ＭＣＦＣアノード排出物からの過剰量の合成ガスを回収することができて、コークの使用を低下、最小化、または排除して、鉄または鉄鋼製造を実行することができる。ＭＣＦＣからのアノード排出物は、約５００ｋＰａｇ以下、例えば約４００ｋＰａｇ以下、または約２５０ｋＰａｇ以下の圧力で排出することができる。例えば、合アノード排出物から成ガスを製造または回収することができ、ＣＯからＨ２の少なくとも一部分を分離することができ、Ｈ２を用いて炉を燃焼することができ、ＣＯを用いて鉄の還元を実行することができ、次いで、鉄製造プロセスから得られたＣＯ２をＭＣＦＣにおいて消費し、それを捕捉することができ、プロセスからのＣＯ２排出の実質的な減少を導くことができる。そのような態様において、ＭＣＦＣは、酸化炭素の管理システム（ＣＯの供給源、ＣＯ２の吸収）として、鉄または鉄鋼製造プロセスへの補足的なインプットの供給源として、例えば、加熱、効率のためにインプットおよび排出物流による熱交換、炭素捕捉および／またはクリーンなプロセス水の生成のためにＨ２を提供することによって、機能することができる。なお、様々な鉄鋼プロセスは、ＭＣＦＣシステムによって提供されることができる電気エネルギーを追加的に、または代わりとして使用することができる。例えば、鉄鋼製造には、アーク炉の使用が関与することができ、そして鉄の直接的還元を電流によって実行することができる。様々な態様において、ＭＣＦＣを含む集積化されたシステムにおいて使用される炉は、電気的加熱されることができるか、または回避される炉内での合成ガスの燃焼を一般に可能にすることができる他の間接的な方法によって加熱されることができる。
鉄または鉄鋼を製造するための反応システムにおける溶融カーボネート燃料電池の集積化の一例として、溶鉱炉への還元剤ガスは、最初にメタンまたは他の改質可能燃料をＭＣＦＣアノードに導入することによって提供することができ、ＭＣＦＣは、アノードアウトプットから電気（例えば、プラントによる使用のため）および合成ガスを製造するために使用することができる。ＭＣＦＣシステムのサイズは、好ましくは、製造される合成ガスの量が、鉄または鉄鋼製造プロセスのために必要とされるＣＯ還元剤の全て、または実質的に全てを提供するために十分であることができるように設定することができる。任意に、鉄または鉄鋼製造プロセスのためのＣＯの一部分は、追加的に、または代わりとして、炉への鉄鉱石または他の酸化鉄供給の一部分として導入されることができる。より大きい量の電気（例えば、直接還元製鋼プロセスに関して）、またはより小さい量の電気を必要とし得る、関与するプロセスの種類次第で、プラントからのエネルギーインプットの釣合いをとるために、電気は配管網に戻されてもよいか、または配管網から得られてもよい。あるいは、ＭＣＦＣのサイズは、必要とされる全ての電気エネルギーおよび還元剤を製造することができるように設定されることができ、ＭＣＦＣは、プラント必要条件に適するように２つの主要なアウトプットの釣合いをとる燃料利用で作動される。システムの適応性によって、所与のプラント内でのプロセス条件の変化に適応させるために、この比率を調節することが可能である（他の変更の中でも、燃料利用、電圧および／またはインプット／アウトプット温度を調節することによって）。
任意に、しかし好ましくは、鉄または鉄鋼製造と集積化されたＭＣＦＣシステムは、アノード排出物から製造／回収するために利用可能な合成ガスの量を増加させるため、低燃料利用で作動させることができる。これは必要でなくてもよいが、ほとんどのＭＣＦＣ作動は、典型的に、合成ガスを含んでなるアノード流出物を製造することができるため、時にはアノード合成ガスの製造を最大にすることが好ましくなることができる。例えば、燃料利用は、少なくとも約２５％、例えば、少なくとも約３０％、または少なくとも約３５％、あるいは少なくとも約４０％であることができる。追加的に、または代わりとして、燃料利用は、約６０％以下、例えば、約５５％以下、または約５０％以下、または約４５％以下、または約４０％以下であることができる。低燃料利用値の使用によって、アノードアウトプットにおけるＨ２およびＣＯ含有量の増加を可能にすることができる。アノードアウトプットは次いで、溶鉱炉のための還元性ガスの供給源として使用することができる。所望であれば、合成ガスアウトプットが全体的なプラントの電気必要条件と平衡状態であることができるように、燃料利用を調節することができる。これによって、別々の配管網動力の必要を潜在的に回避することができ、そして単一動力発生システムに供給する単一燃料供給源のみによるプラントへのエネルギー自足を提供することができ、そのような状態でのＭＣＦＣは、プラント作動のために必要とされる電気および化学的構成要素を提供することができるであろう。あるいはプラントは、いくつかの電力を両システムによって発生することができるように、そしてＭＣＦＣシステムが合成ガス製造のために最適化されることができるように、ＭＣＦＣシステムとともにタービンなどの別々の電気発生システムを利用してもよい。サイズ、利用可能な燃料供給源、固有の電気需要および他の因子は、（最も）効率的および／または経済的に有利な取り合わせであるこれらの組み合わせのいずれかをもたらし得る。
様々な態様において、集積化された鉄または鉄鋼製造システムにおけるＭＣＦＣのための燃料インプットは、好ましくはメタンまたは天然ガスを含んでなるか、あるいはメタンまたは天然ガスであるが、実際に、ＭＣＦＣと適合性であるいずれの炭化水素材料も可能である。ＭＣＦＣで直接に改質されることができない炭化水素材料（例えば、Ｃ２〜Ｃ５軽質ガス）に関して、インプット燃料をメタンさらに合成ガス混合物に変換するために予備改質装置を利用することができる。そのような状態では、好ましくは、アノードインプットガスは改質可能なガスの大きい、または支配的パーセントを含有することができ、合成ガス成分および不活性物質の量を含有し得る。アノードインプットは、好ましくは、除去される硫黄などの不純物を有することができ、これは、従来のシステムによって達成され得、そしてインプット燃料の供給源および純度次第で変動することが可能である。最初に、不純物が除去される改質可能な燃料を含んでなる混合物に変換される場合、石炭および／または他の固形燃料のようなインプット燃料を使用することができる。カソードへのインプットは、鉄還元プロセス排出物から主として誘導されることができ、１種以上のＣＯ２、Ｈ２Ｏ、Ｏ２および不活性物質を含有する他の流れを含有してもよい。空気／酸素を含有する流れは、カソードに十分な酸素を提供するために添加されてもよくて、全体的なカソード排出物中の酸素量が全ＣＯ２量より多いことを典型的に必要とすることができる。
アノードアウトレットからの合成ガス流出物を、ＣＯ２およびおそらくいくらかの水が流れから除去されることができる分離プロセスに送達することができる。分離システムは、溶鉱炉で鉄還元プロセス条件で平衡時に、他のガス成分と比較して適切な量のＣＯを有することができる合成ガス組成物を製造するために十分なＨ２ＯおよびＣＯ２を除去するように設計されることができる。従来のプロセスと対照的に、製造されるＣＯは、硫黄などの不純物をほとんど含まないことが可能であり、石炭および／またはコークを利用する時に通常必要とされる全体的な鉄または鉄鉱製造プラントの周囲での汚染物質制御システムの必要性を単純化する。鉄還元プロセスにおけるＣＯの消費の後、ＣＯ２はプロセスからの流出物中に製造されることができる。このＣＯ２濃縮流出物流は次いで、所望であれば適切な熱交換の後、ＭＣＦＣカソードへのインプットとして使用することができる。これには、典型的に、蒸気発生が関与することができ、次いで、蒸気タービンからの第２の電気発生を供給することができる。例えば、排出物ガスは、空気または酸素の添加によってさらなる熱を発生するために次いで燃焼することができる可燃性材料を含有してもよい。発生した熱は、様々なプラントプロセスにおいて使用することができるが、燃焼によって発生したＣＯ２は燃焼ガスに残存することができ、その後、カソードに導入される時に、ＭＣＦＣシステムによって効果的に濃縮／捕捉することができる。
ＭＣＦＣシステムを加熱するための燃料の別々の燃焼は、熱交換のための十分な廃熱が鉄または鉄鋼製造プロセスから典型的に利用可能でなければならないため、上記システムのいずれかにおいて低下、または最小化することができる。好ましくは、そのような条件で作動させることによって、利用される燃料電池アレイあたりのより高いＣＯ発生および利用されるＭＣＦＣアレイあたりのより大きい炭素捕捉をもたらすことができるため、より低い燃料利用を利用することができる。溶鉱炉オフガスは、追加的に、または代わりとして、ＭＣＦＣインレット／アウトレットと熱集積化されることができる。溶鉱炉オフガスの一部分は、カソード供給の少なくとも一部分（または潜在的に全て）として使用することができ、溶鉱炉オフガスの残部は、雰囲気に排出され、そして／または低ＣＯ２排出鉄または鉄鋼製造スキームにおけるＣＯ２分離のために圧縮されることができる。
別の実施形態において、Ｈ２およびＣＯは、アノードにおける発生後、分離することができ、そしてＨ２は、任意であるが、好ましくは、様々なプラントプロセスに炭素を含まない加熱を提供するために使用することができ、ＣＯは、任意であるが、好ましくは、鉄還元において使用することができる。これは全プラントにおけるより少ないＣＯ２供給源を可能にし、ＣＯ２回収を、カソード供給ガスとしての導入のために単純化し得る。
アミン捕捉などの従来の炭素捕捉システム以上のＭＣＦＣシステムの利点には、アノードから比較的高いパーセント（例えば、少なくとも約９０体積％、または少なくとも約９５体積％）のＣＯ２を捕捉するためのＣＯ２分離システムのための臨界の欠如を含むことができる。従来の捕捉技術とは対照的に、捕捉されないいずれの炭素（ＣＯまたはＣＯ２として）もＣＯ２に変換することができ、鉄還元プロセスからカソードインレットにリサイクルすることができ、次いで（典型的に）ＭＣＦＣ膜を通ってアノードへと輸送され、そこでＣＯ２分離プロセスを受けるカーボネートイオンにほとんど変換することができる。そのような構成のシステムからの唯一のＣＯ２排出は、カソード排出物から生じることができる。プラントの全体的なＣＯ２捕捉効率は、カソードインプットＣＯ２濃度と比較した、カソードを出るＣＯ２濃度の比率をベースとして調節することができ、これは、例えば、ＭＣＦＣアレイの作動段階の数を調節すること、および／または利用可能な燃料電池面積を増加させるためにＭＣＦＣ電池の数を調節することによって容易に変更することができる。
図１９は、鉄還元プロセスとともに作動される溶融カーボネート燃料電池（ＭＣＦＣ）のために適切な構成の実施例を示す。図１９の構成は、酸化鉄、例えば、様々な種類の鉄鉱石において見出されるＦｅ２Ｏ３および／または他の酸化鉄を銑鉄（約９５％Ｆｅ）へと還元するために適切であることができる。図１９中、蒸気１９０１および予熱されたメタン１９０２をＭＣＦＣ１９４０のアノードに供給することができる。任意であるが、好ましくは、メタン１９０２を、溶鉱炉オフガスから誘導される流れ１９０７から熱を回収することによって、熱交換器１９９１によって予熱することができる。ＭＣＦＣ１９４０、例えば、約３０％の燃料利用で作動されるＭＣＦＣは、アノード排出物１９０３において還元性ガス（例えば、ＣＯおよびＨ２）を生じることができ、これは、溶鉱炉に送られることができる。アノード排出物１９０３は、例えば、熱交換器１９９２において溶鉱炉オフガス１９０６からの熱のいくらかを回収することによって、任意であるが、好ましくは加熱されることができる。加熱されたアノード排出物１９０４は、予熱器１９９３において溶鉱炉インレットガス温度（例えば、約１２００℃）まで加熱することができ、インレットガス流１９０５が得られる。溶鉱炉１９５０の上部への酸化鉄の固体粒子の導入１９５２のために、従来方法を使用することができる。任意に、酸化鉄の粒子のインプットフロー１９５２は、鉄生成物から容易に分離することができるスラグの形成を促進することができるフラックス剤、例えばＣａＣＯ３とともに導入することが可能である。酸化鉄の粒子のインプットフロー１９５２は、溶鉱炉１９５０の逆流を通って還元性ガス１９０５まで流動することができ、これは、典型的により底部の方への位置で溶鉱炉１９５０に入ることができる。還元されたＦｅは底部フロー１９５６として炉を出ることができ、ＣＯ２およびＨ２Ｏを含んでなる炉オフガスは、１９０６として炉を出ることができる。炉オフガス１９０６は、熱交換器１９９２においてアノード排出物１９０３を加熱するため、そして／または熱交換器１９９１においてアノードインプットフロー１９０２を予熱するためのプロセスと集積化することができる。これらの熱回収プロセスによって、冷却された炉オフガス流１９０８をもたらすことができる。任意に、さらなる熱は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を使用して、炉オフガス流１９０８から除去することができる。冷却されたオフガス流１９０８から冷却器１９９４において水を凝縮することができ、プロセス水１９０９および比較的高濃度ＣＯ２を有するガス１９１０が生じる。ガス１９１０は、任意にいくらかのメタンを含有することもできる。ガス流１９１０のフラクションをバーナーへの供給流１９１２として分離することができ、そして酸化供給源（空気）１９１３および燃料（メタン）１９１４を使用して燃焼させ、カソード供給１９１５のために適切な温度で十分なＣＯ２を生じることができる。残りのガス１９１０は、例えば、使用および／または分離のためのパイプライン品質ＣＯ２を製造するために、あるいは雰囲気に排出するために、ＣＯ２分離器／圧縮システムに送達１９１１することができる。流れ１９１２、１９１３および１９１４の燃焼からのいくらかの熱は、流れ１９０４を加熱するために、追加的に、または代わりとして使用することができる。熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）は、カソードに送達される前に１９１５におけるいずれの追加的な熱も除去するために、そして顆粒の鉄鋼製造プロセスのための蒸気を発生させるために、使用することができる。ＭＣＦＣは、ＣＯ２の都合のよい、または所望の部分、例えば、１９１５におけるＣＯ２の少なくとも約５０％または少なくとも約７０％を除去することができ、ＣＯ２低下排出物流１９１６を生じることができる。排出物流１９１６を雰囲気に排出することができ、そして／またはカソードインプット流１９１５の一部分としてリサイクルすることができる。
溶鉱炉とのＭＣＦＣの集積化のための構成の例
本実施例は、Ｆｅ２Ｏ３を銑鉄（９５％Ｆｅ）に還元させる鉄溶鉱炉と集積化されたＭＣＦＣシステムを実証する。この実施例のための反応システム構成は、図１９に示される構成と同様であった。本実施例の場合、ＭＣＦＣシステムは、溶鉱炉のための還元性ガスを生じるために、アノードへのメタン蒸気供給によって３０％の燃料利用で作動された。溶鉱炉オフガスは、ＭＣＦＣインレット／アウトレットと熱集積化され、そしてそのフラクションをカソード供給として使用することができ、一方、残りは雰囲気に排出することができるか、または低ＣＯ２排出鉄／鉄鋼製造スキームにおけるＣＯ２分離のために圧縮することができる。
集積化されたＭＣＦＣプロセスのサイズは、約２．８Ｍトン／年の鉄鋼プラントの溶鉱炉を作動するために十分な還元性ガスを生じるように設定された。アノード排出物をベースとする溶鉱炉のための還元性ガス供給を発生させることに加えて、ＭＣＦＣは、鉄鋼プラントの動力他の部分に動力を供給するために、パイプライン輸送（例えば、図１９に示すＣＯ２流１９１１）のためのＣＯ２の分離および圧縮に動力を供給するため、および／または配管網へ戻すために使用することができる約２３３ＭＷの動力を発生した。図２０は、図１９に示される構成と同様の構成を有するシステムにおける様々な位置のフロー組成物の代表的な値を示す。便宜上、図１９に示される流れの名称を図２０中の流れを示すためにも使用した。なお、アノードアウトプット流１９０３の組成物は、約３０％のアノードでの燃料利用をベースとした。流れ１９０４および１９０５の相対的な組成の変化は、水性ガスシフト反応を通しての平衡によるものであった。なお、溶鉱炉オフガス１９０６の組成物は、溶鉱炉における約１００％の還元性ガスのシミュレーションされた消費をベースとし、メタンは炉で消費されなかった。実際的なシステムでは、おそらく、過剰量の還元性ガスがプロセス安定性を提供するために使用されるであろう。追加的に、少量のメタンは、以前に還元された鉄との反応を通して溶鉱炉で消費され、潜在的に、鉄への少数の追加的な炭素の導入、ならびに追加的なＨ２の生成を導くであろう。しかしながら、溶鉱炉オフガス１９０６の組成物のこの理想的な計算は、エネルギー含有量および組成物に関する代表的な値を提供する。
なお、同様のサイズの鉄鋼プラントのための従来の構成は、Ａｒａｓｔｏらによる雑誌の論文（題名：Ｐｏｓｔ−ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｃａｐｔｕｒｅ ｏｆ ＣＯ２ ａｔ ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｔｅｅｌ ｍｉｌｌ−Ｐａｒｔ Ｉ：Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｃｏｎｃｅｐｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；Ａｎｔｔｉ Ａｒａｓｔｏａ，Ｅｅｍｅｌｉ Ｔｓｕｐａｒｉａ，Ｊａｎｎｅ Ｋａｒｋｉａ，Ｅｒｋｋｉ Ｐｉｓｉｌａ，Ｌｏｔｔａ Ｓｏｒｓａｍａｋｉａ，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ Ｇａｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ，１６（２０１３），ｐ．２７１−２７７）で報告された。Ａｒａｓｔｏらの構成では、従来の石炭バーナーおよび溶鉱炉から熱を回収するＨＲＳＧ−タービンシステムによって１３５ＭＷが発生した。これは、約２．８Ｍトン／年の鉄鋼プラントを作動するために、電気をローカルコミュニティに提供するために、そして配管網にいくらかを輸送するために十分な動力であった。対照的に、メタン供給における発電のためにＭＣＦＣを使用することにより、鉄鋼プラントの過剰量の熱から動力を発生させることとは対照的に、ＭＣＦＣは、本実施例において、約２３３ＭＷの動力を発生させた。Ａｒａｓｔｏらにおいて報告される従来の鉄鋼プラント構成と比較して、集積化されたＭＣＦＣ−溶鉱炉システムは、より多くの動力を発生させることができて、ＣＯ２排出を少なくとも６５％低下させることもできる。
精製装置の水素使用および「炭素を含まない」水素とのＭＣＦＣの集積化
水素は、様々なプロセスの精製装置内で使用することができる。ほとんどの精製装置は、いくつかのプロセス（例えば、芳香族化合物を製造するためのガソリン改質）において水素を発生し、かつ他のプロセス（例えば、ガソリンおよびディーゼルブレンド流からの硫黄除去）のために水素を使用する。追加的に、精製装置はエネルギーを必要とする反応器を加熱するために、多数の煮沸器、炉および／または他のシステムを有することができる。水素は典型的に、他の燃料供給源よりも有用である可能性があるため、かつほとんどの精製装置が、全体的な基準で、水素の正味の導入物であるため、これらの加熱および／またはエネルギー発生システムは一般に水素を利用しない。一般に、水素導入は、その場で構築することによって、および／または全体的な精製装置に釣り合いをもたらすために、水素の付近の供給源／パイプライン供給源に接近することによって実行されることができる。
ほとんどの精製装置プロセスは典型的に高温で実行され、通常、様々な種類の煮沸器（ならびにプロセス蒸気）によって提供される熱を必要とするため、精製装置は一般に多数の加熱システムを含む。これは、サイズが広範囲に渡ることができるＣＯ２の多数の点源をもたらすことができる。接触分解などのいくつかは多量のＣＯ２を発生させることができる一方、その他は適度の量を発生させることができる。ＣＯ２のこれらの点源のそれぞれは、全体的な精製装置ＣＯ２生成に寄付することができる。ほとんどの集積化された精製装置は、粗製油を生成物に変換することに関して、全体的な基準で、典型的に約７０〜９５％熱的に効率的であり、典型的に、粗製油または他のインプットにおける精製装置に入った炭素の約５〜３０％は、ＣＯ２として（空気に）排出されることができる。これらの排出の低下は、製造される生成物の単位あたりの精製装置温室効果ガス排出を改善することができる。
様々な態様において、精製装置水素供給とのＭＣＦＣシステムの集積化によって、全体的な精製装置作動における水素の制約を低減、最小化、または排除することができる。追加的に、または代わりとして、それらを「クリーンな」軽質ガスおよび合成ガス混合物に変換することができる限り、このＭＣＦＣシステムは、インプットとして、広範囲の種々のオフガスおよび／または他の流れのいずれも使用することができる。なお、軽質ガスおよび／または合成ガス混合物は、存在する不活性物質（例えば、Ｎ２、ＣＯ２など、およびそれらの組み合わせ）の量に対する制限がそれほどなく、使用することができる。この「インプット集積化」は、追加的に、または代わりとして、精製装置作動において全体的効率を合理化する特徴であることができる。より一般に、ＭＣＦＣシステムは、精製装置作動の４つまでの（または潜在的により多くの）態様に、単一の集積化された解決案を提供することができる：プロセスユニットのための熱の生成、反応物としての水素の生成、炭素の回収および分離、ならびに様々なプロセスからのオフガスおよびパージ流の効率的な利用。
いくつかの態様において、Ｈ２は、ＣＯ２排出点源を低減、最小化または排除するため、精製装置のバーナーにおいて燃料として使用することができる。Ｈ２の集中化した供給は、両目的のため、燃料および反応物の数および種類を減少させることによって全体的な精製装置作動を単純化することができ、１つのみの材料がこれらの目的のために分配されることができる。例えば、水素は様々な温度および圧力で使用することができる。ＭＣＦＣシステムは、水およびＣＯ２の（任意の）分離、および圧力スイング吸着などのいずれかの従来の方法を通してのさらなる（任意の）精製の後、アノード排出物流から水素を生成することができる。典型的な精製装置必要条件、例えば、少なくとも約８０体積％、または少なくとも約９０体積％、または少なくとも９５体積％または少なくとも９８体積％のＨ２の純度（乾燥基準）まで精製すると、水素含有流は、プロセス使用のために適切な圧力まで加圧することができ、任意のプロセスにパイプ輸送／輸送することができる。水素含有流は複数の流れに分離されてもよく、ここで、より低い純度および／またはより低い圧力の流れをいくつかのプロセスまたはバーナーに送達することができ、一方、より高い純度および／またはより高い圧力の流れを他のプロセスに送達することができる。
集積化されたシステムは、追加的に、または代わりとしてであるが、典型的に有利に電気を発生することができる。電気発生は、ＭＣＦＣ関連のシステム、例えば、分離システムまたは圧縮器に少なくとも部分的に動力を供給するために、ならびに精製装置の電気需要の少なくとも一部分（例えば、全てまで）に動力を供給するために使用されてもよい。この電気は、送電損がほとんどないか、または送電損がなく、比較的高い効率で発生させることができる。追加的に、電気のいくらかまたは全ては、任意に直流（ＤＣ）電気であることができ、例えば、ＤＣ動力は、変圧器／変換器における通常の損失がなく、いくつかのシステムの作動のために好ましいであろう。いくつかの態様において、ＭＣＦＣシステムのサイズは、精製装置で必要な動力の一部分（または全て）を提供することができるように、またはさらには、過剰な動力が提供されることができるように設定することができる。追加的に、または代わりとして、ＭＣＦＣシステムのサイズは、所望のＨ２／熱負荷に、および／または電気的負荷に対して設定することができる。さらにまた、システムは、条件範囲を超えて作動されることができ、電気および水素需要の両方の可変量を許容する。
ＣＯ２を発生する精製装置プロセスの少なくとも一部分、例えば、ＣＯ２発生プロセスの大部分またはＣＯ２発生プロセスの全てから回収して、カソードインレットのためのガスのいくつか、または全てとして使用することができる。必要に応じて、これらのガスは、カソードインレットに適切なＣＯ２および酸素の両方とのガス混合物を含んでなるように、空気または他の酸素含有流と混合することができる。これらの流れに存在する燃料成分は、カソードインレットの予熱を提供するために、過剰量の酸素／空気によって典型的に燃焼することができる。全体的なカソードインレットのＣＯ２濃度は、広範囲に変動可能であり、典型的に少なくとも約４体積％、例えば、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。回収された流れが、ＭＣＦＣ作動のために十分なＣＯ２濃度を含有しない場合（または含有する場合でも）、次いで、アノード排出物の分離において、および／または分離プロセスからの１つ以上のオフガスまたはパージ流れから発生するＣＯ２を、カソードインレットにリサイクルすることができる。カソードインレット流のための加熱は、これらの流れのオフガスの燃焼、熱交換および／または可燃性燃料成分の添加から生じてもよい。例えば、いくつかの態様において、ＭＣＦＣシステムは、コークまたはペットコークなどの高炭素材料、および／または石油プロセスからの他の「底部材料」を使用して、インレット流に熱を提供することができ、それらの材料からの燃焼生成物をカソードのためのＣＯ２供給源として使用することができる。
追加的に、または代わりとして、カソードインレット流のためのＣＯ２の少なくとも一部分は、燃焼タービン、例えば、燃料として、メタン／天然ガスを使用することができるタービンによって提供されることができる。この種類の構成において、触媒クラッキングなどのプロセスによって発生するＣＯ２は軽減されなくてもよいが、加熱器、煮沸器および／または他のバーナーで発生するＣＯ２は、ＭＣＦＣによって発生するＨ２を使用することによって、低下させることができるか、または最小化させることができる。
アノードアウトレット流は、高濃度の二酸化炭素、ならびに他の合成ガス成分を含有することができる。典型的に、ＣＯ２を効率的にこの流れから除去することができ、様々な他のプロセスのために使用することができるＣＯ２生成物を生成することができる。精製装置から生成される二酸化炭素の有意なフラクションを、ＭＣＦＣアノードから出すことができるため、ＣＯ２の回収は効率的であることができ、かつ非常に単純化することができる。単一点源としてのＣＯ２の回収は、次いで、他の作動（例えば、油田付近の場合のＥＯＲ、ガス井への再圧入）のために使用することができ、および／または捕捉／分離することができる。Ｈ２生成および電気使用のために、全ＣＯ２負荷の大部分、例えば、少なくとも約７０％、または少なくとも約８０％の除去は、精製装置の作動の温室効果ガスの影響を実質的により低くすることができ、そして単一プロセス内での電気、水素および熱の効率の高い供給源を追加することによって、全体的な精製装置効率（粗製物から生成物への変換）を改善することができる。
ＭＣＦＣシステムが精製装置において水素送達システムと集積化される態様において、ＭＣＦＣシステムのためのアノードインプットは、Ｃ２＋を低下させるために予め改質された軽質ガス、メタン、ガス化コークまたはビチューメンなどのガス化重質材料、合成ガス、ならびに／または硫黄および他の有害な不純物をクリーニングすることができる他のいずれかの炭化水素材料、ならびにそれらの組み合わせなどの様々な精製装置プロセスから利用可能な多種多様な材料から選択することができる。したがって、ＭＣＦＣシステムは、適当な事前のクリーンアップによって、各種のインプットのための「処理」として機能することができ、そしてそれは、その他の場合には、精製装置における効率的および有効な使用を有し得る。任意に燃料として燃焼された後、最終的に雰囲気に排出される代わりに、これらの「廃棄物」、「パージ」または他の望ましくない流れにおける炭素の支配的量を、システムによって分離されたＣＯ２として効果的に濃縮／捕捉することができる。カソードインプットは、ＣＯ２オフガスを含有するいずれかの精製装置流と、熱交換のために使用され得るアノード排出物または燃焼された新しいメタンからのいずれかのリサイクルであることができるか、またはそれらを含んでなることができる。ほとんどの精製装置は、様々な温度で作動する広範囲の種々のプロセスを有し、適切な精製装置プロセスは、例えば、クリーンアップ冷却および加熱を管理するために、いくつかの熱集積化に関して選択されることができる。カソード排出物は、一般に雰囲気に排出されることができる。アノード排出物は、そのままで、任意に、いくつかの成分を分離した後、使用することができ、および／またはほとんど全てＨ２である流れを生成するために、分離および水性ガスシフトを実行することができる。そのような流れの燃焼は、炭化水素燃料の燃焼と比較して、酸化炭素の排出の低下をなおもたらすことができるため、高Ｈ２含有量流は、様々な反応プロセスのために望ましい濃度まで精製することができ、一方、燃焼Ｈ２は、残留ＣＯ、ＣＯ２などのより高い濃度を含有することができる。アノード排出物から分離されたＣＯ２は、任意に、例えば、カソード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。追加的に、または代わりとして、アノードへの供給は、高ＣＯ２含有量を有する天然ガスなどの、高ＣＯ２不純物を有するものを含むことができる。通常の精製装置作動に関して、この種類の流れは、熱または水素発生のいずれかのために使用される場合、精製装置からのＣＯ２排出を増加させることができる。しかしながら、ＭＣＦＣシステムのアノードに供給する場合、分離段階によって、アノード排出物の他のＣＯ２の除去の一部分として、この追加的なＣＯ２を効果的に除去することができる。
精製装置において異なるＣＯ２供給源から炭素を捕捉することの追加的な問題点は、精製装置流にしばしば存在する低濃度ＣＯ２であることができる。一般には、ガス流からのＣＯ２の分離のために必要とされるエネルギーは、流れのＣＯ２の濃度に高度に依存する。低ＣＯ２濃度、例えば、約１０体積％以下のＣＯ２濃度のガス流を発生させるプロセスに関して、高純度ＣＯ２流を形成するために、流れからＣＯ２を分離するために実質的なエネルギーが必要となる可能性がある。対照的に、いくつかの態様において、ＭＣＦＣ含有システムの特徴は、比較的低濃度の流れ（例えばカソードインレット流）から、比較的高濃度の流れ（例えば、アノード排出物）までＣＯ２を伝達することができることであり得る。これは、高純度ＣＯ２ガス流を形成するためのエネルギー必要量を低下させることができる。その結果、ＭＣＦＣは、例えば、分離のためにＣＯ２含有流を形成することを試みる場合に、実質的なエネルギー節減を提供することができる。
ＭＣＦＣによって直接的に発生するアウトプット電気は、典型的に、ＤＣ動力としてであることができるが、様々な電流および電圧の組み合わせにおいて、ＤＣおよび／またはＡＣ電源のいずれの都合のよい混成も作成するように構成することができる。典型的に、精製装置のための発電所／インプット電気は、共通の高電圧ＡＣ電流（例えば約９６０Ｖ）であることができる。溶融カーボネート燃料電池が構成される方法のために、いずれのＤＣ電流／電圧および逆に様々なＡＣ電圧を本質的に生成することができる。局所的に生成されたＤＣは、長距離送電線で典型的な送電損を負う必要はなく、そして、考慮すべき費用およびいくらの効率損失とともに、変換器を必要としない。これによって、圧縮器、ポンプおよび他の構成要素を設計する際に、いくらかの適応性を提供することができ、かつ／あるいは送電網および／または局所的電気非効率性を排除することができる。
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、広範囲の種々の生成物およびプロセスのためにより一般に有用であることができる。しかしながら、水素を生成するためのほとんどの従来のアプローチは、大量の炭素排出を必要とする。例えば、メタンの蒸気改質からの水素の生成は、典型的に、ＣＯ２（メタンの炭素から）および廃熱を生成することができる。電気分解からの水素の生成は、化石燃料製造の混合物から電気送電網まで典型的に誘導されることができ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、ＣＯ２を含んでなる流出排出物を全てもたらすことができる。この流出物は、炭素捕捉が必要な場合、より広範囲にわたる精製装置作動へのいずれの都合のよい集積化を用いずに、典型的に、それらの様々な供給源における別々の炭素捕捉システムを伴う。典型的に、これらの供給源は実際に精製装置ゲートの外側にあることができ、様々な化学、電気および熱インプットおよびアウトプットの相乗効果的な生成／消費がほとんどないか、またはない。
追加的に、または代わりとして、本発明によるＭＣＦＣ含有システムは、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を分離するための手段を提供することができる。次いで、ＣＯ２を捕捉することができ、および／または他の有用なプロセスのために使用することができる。これによって、特に小規模で、そして可変負荷の下、正味の水素送出を生成する従来の手段よりはるかに高い全システム効率をもたらすことができる。
電力または熱を発生させ得るその後のプロセスに使用するための水素の生成のためのＭＣＦＣシステムの使用によって、比較的高効率で、かつ低い（最小値）炭素排出による比較的低排出の生成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対電気エネルギー生成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、そして過剰量の水素のない純粋な電気生成から、高い水素生成まで変化する、負荷および需要がほぼ一定ではあり得ない使用のために理想的であることができる。さらにまた集積化されたＭＣＦＣシステムは、メタン蒸気改質装置などのより大規模なシステムよりも、比較的高い効率で、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。
ＭＣＦＣ−水素生成システムは、燃料価のために水素を再利用することによって、炭素捕捉をせずに、従来のシステムよりも低い正味のＣＯ２排出を生成することができるという長所を有することができ、そして固有のシステムＣＯ２分離の使用によって、さらにより低い排出を生成することができる。これは、様々な用途で有用となることができる。水素は、低温／低圧水素を使用することができる燃料電池自動車のために生成することができる。水素および電気の量は、全体的に高いシステム効率を維持する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主として電気を発生することができ、一方、冬季は、暖房作動のための主として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。他の用途には、電気エネルギーの必要性とともに、ある程度の水素が有利であ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、典型的に実行することができる。一例は、反応Ｈ２Ｏ＋ＣＯ＝Ｈ２＋ＣＯ２によって可能な限り多くの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ＣＯ２を除去して、適切な純度の生成物を提供する、第２の（その後の）段階であろう。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／または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。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、任意であるが、より好ましくはないが、さらなる処理のために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、より低い水素生成による燃料利用（例えば、６０〜７０％）から、高い水素生成のためのより低い燃料利用（例えば、２０〜３０％）までの範囲の作動条件の範囲において使用することができる。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されてもよい。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／または達成された純度は、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、数パーセントのＣＯ２および／またはＣＯさえも非常に低い全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、純度仕様を達成するために、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。
水素を複数の精製装置プロセスに提供することの一例として、ＭＣＦＣは、電気、ならびにＨ２、ＣＯ２およびＨ２Ｏを含有するアノード排出物を発生させるために作動させることができる。アノード排出物から（または代わりに、アノード排出物から誘導されるガス流から）ＣＯ２および／またはＨ２Ｏを分離するために、１つ以上の分離を使用することができる。これは、アノード排出物と比較して、増加したＨ２の体積パーセントを有する第１のガス流をもたらすことができる。次いで、分離は、第１のガス流より高いＨ２の体積パーセントを有する第２のガス流を形成するために、第１のガス流において実行することができる。第１のガス流の残りの部分は、次いで、水素に関してより厳しくない必要条件のプロセスで使用するために、第１の圧力まで圧縮することができ、一方、第２のガス流は、より高い圧力および／またはより高い純度の水素インプットを必要とするプロセスにおいて使用するために、第２の圧力まで圧縮することができる。
例 − 精製装置水素供給とのＭＣＦＣの集積化
下記の実施例では、エネルギー供給源として燃料の燃焼を使用する、様々なバーナー、煮沸器および／または他のユニットに供給するための水素供給源としてＭＣＦＣシステムが使用された構成に関して、計算を実行した。以下の実施例は、燃焼反応に水素を供給することに焦点を合わせたが、ＭＣＦＣによって発生する水素は、追加的に、または代わりとして、燃焼以外の目的のために水素を使用することができる１つ以上のプロセス（例えば、複数のプロセス）に供給するために使用されることができるであろう。例えば、ＭＣＦＣによって発生する水素は、精製装置内の１つ以上の水素化反応器において使用することができる。
以下の実施例では、カソードに関するＣＯ２は、ＣＯ２の外部供給源を使用することに基づいて算出された。便宜のため、炭素の潜在的な点源のそれぞれに対して従来のアミン洗浄を使用することなどの別の方法によってＣＯ２の捕捉を試みることと比較して、ＣＯ２排出の低下のためにＭＣＦＣを使用するエネルギー利点を実証する際に選択を実行した。比較のために、比較的希薄なＣＯ２流（例えば、約１０体積％以下のＣＯ２を有する流れ）からＣＯ２を捕捉するためにモノエタノールアミン（ＭＥＡ）を使用することをベースとするアミン洗浄を使用するための典型的な予想されるエネルギー費用は、約３ＧＪ／トンＣＯ２であった。このエネルギー費用の実質的な部分は、アノード排出物流におけるＣＯ２を濃縮するためにＭＣＦＣを使用することによって回避することができる。なお、ＣＯ２が、カソードインプットの一部分として使用するために、精製装置内の様々な点源から回収される実施形態において、いくつかの追加的なエネルギー費用は、ＭＣＦＣにＣＯ２流を送達するために必要とされてもよい。しかしながら、それらの費用は、別々のアミン洗浄が中心アミン洗浄へのＣＯ２の供給のために同様の費用を受ける必要がある従来の構成のために必要とされる追加的なエネルギー非効率性によって、および／またはＣＯ２の点源のそれぞれに別々のアミン洗浄を有することによって受けられる追加的なエネルギー非効率性によって、少なくともほとんど、またはほぼ相殺されるもの（超過しない場合）であることができる。
以下の構成実施例は、精製装置における消費のために水素を提供するためにＭＣＦＣを作動するための２つの代替案を提供する。第１の構成のための計算において、ガスタービンは電気を発生させて、カソードインプットのためのＣＯ２の供給源を提供するために使用された。第２の構成のための計算において、追加的なメタンは、燃料電池を作動するために熱およびＣＯ２を提供するために燃焼された。両構成において、アノード排出物は、ＣＯ２（例えば、分離のため）をＨ２（精製装置において燃料のために使用される）から分離する１つ以上の分離段階において処理された。
これらの実施例では、計算は、約５００ｋｂｄの原油を処理することができる典型的な精製装置の熱必要条件を供給するために実行された。捕獲／分離機構が使用されないならば、約５００ｋｂｄの精製能力を有する精製装置は、加熱システムに約１１８Ｍｓｃｆ／日の天然ガス（または１日あたり約３．３４×１０６ｍ３）を使用することができ、これによって、捕捉／分離機構が使用されない場合、燃焼からほぼ１１８Ｍｓｃｆ／日のＣＯ２排出を生成することができる。以下の実施例は、ＭＣＦＣプロセスを、低ＣＯ２排出による分配された加熱を提供するために約５００ｋｂｄシステムで精製装置ガス燃焼加熱器システムと集積化する。
図２１は、燃焼ガスタービン、ＭＣＦＣシステム、およびＨ２を燃焼させる精製装置広範囲燃焼加熱器と集積化された処理のためのシステムの実施例を概略的に示す。図２１のシステムは、タービンが、精製装置加熱システムを動作するためにＭＣＦＣシステムにおいて十分なＨ２を生成するために、カソードにおいて必要とされるＣＯ２供給を発生させることができるように構成される。空気２１０１およびメタン２１０２は、燃焼ガスタービン２１５０に供給されて、燃焼され、ホットカソード供給２１０３を生成した。ホットカソード供給２１０３の過剰量の熱は、アノードメタン供給２１０４を予熱するために使用され、これは次いでＭＣＦＣ２１４０のカソードに供給２１０５されることができる。アノードメタン供給２１０４および蒸気２１０６は、ＭＣＦＣ２１４０のアノードに供給された。ＭＣＦＣは、高温で低ＣＯ２含有量カソード排出物２１０７を生成することができる。態様に従って、ＭＣＦＣは、低燃料利用（例えば、約２５％〜約６０％、例えば、少なくとも約３０％、または少なくとも約４０％、または約５０％以下、または約４０％以下の燃料利用）で作動することができる。追加的に、または代わりとして、ＭＣＦＣは、より従来の燃料利用で作動されることができる（例えば、約７０％以上であるが、従来の燃料利用は、典型的に７０％〜７５％であることができる）が、アノード排出物から回収されることができる潜在的なＨ２の量が低下する可能性があるため、これは好ましくない。熱は、カソード排出物が雰囲気に排出される（またはさらに処理される）前に、ＨＲＳＧ（Ｈｅａｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｔｅａｍ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎシステム）においてカソード排出物２１０７から回収することができる。アノード排出物２１０８をＨＲＳＧにおいて冷却することができ、そして／または水性ガスシフト反応段階２１６０においてシフトすることができる。シフトされたガス２１０９は、主にＨ２およびＣＯ２であって、分離ユニット２１７０を通過させることができ、ＣＯ２流２１１０およびＨ２流２１１１を生成することができる。ＣＯ２流２１１０を圧縮することができ、使用のために販売および／または分離することができる。Ｈ２流２１１１は、加熱燃料として精製装置加熱器に分配されることができる。Ｈ２流２１１１のそれぞれの部分的流れは、精製装置の１つ以上の位置に配置することができるバーナー２１８０において酸化剤（空気）２１１２によって燃焼することができ、それによって実質的にＣＯ２排出のない熱を提供することができる。図２１と同様の構成に関して、図２２は、構成内のフロー体積に関する代表的な値を示す。
図２３は、ＭＣＦＣシステム、ならびにメタンおよび水素バーナーを有する精製装置燃焼加熱器と集積化された処理のためのシステムの別の実施例を概略的に示す。このシステムは、メタンバーナーが、残りの水素バーナーを動作するためにＭＣＦＣシステムにおいて十分なＨ２を生成するためにカソードにおいて必要とされるＣＯ２供給を発生させることができるように構成された。メタン２３０１および酸化剤（空気）２３０２は、メタンバーナー２３９０に分配することができる。オフガス２３０３をメタンバーナーから回収することができて、供給予熱器２３４５に送ることができる。メタン２３０４、酸化剤（空気）２３０５およびオフガス２３０３を予熱器２３４５で燃焼し、ホットカソード供給２３０６を生成することができる。２３０６の過剰量の熱は、アノード（メタン）供給２３０７を予熱するために使用することができて、２３０８においてカソードに供給されることができる。予熱されたメタン２３０９および蒸気２３１０は、アノードに供給された。ＭＣＦＣ２３５０は、比較的高温で、低ＣＯ２含有量カソード排出物２３１１を生成することができる。熱は、雰囲気に排出されるか、またはさらなる処理（図示せず）のために送達される前に、ＨＲＳＧにおいてカソード排出物２３１１から回収することができる。アノード排出物２３１２は、ＨＲＳＧにおいて冷却することができて、２３６０においてシフトされることができる。シフトされたガス２３１３は、主にＨ２およびＣＯ２であって、分離ユニット２３７０を通過させることができ、ＣＯ２流２３１４およびＨ２流２３１５を生成することができる。Ｈ２流２３１５は、水素バーナー２３８０に分配されることができる。それぞれの部分的流れは、精製装置の１つ以上の位置に配置することができるバーナー２３８０において酸化剤（空気）２３１６によって燃焼することができ、それによって実質的にＣＯ２排出のない熱を提供することができる。図２３と同様の構成に関して、図２４は、構成内のフロー体積に関する代表的な値を示す。
図２１および２３と同様の構成をベースとして、そして図２２および２４と同様のプロセスフローをベースとして、相対的な正味の動力発生は、ＭＣＦＣと集積化された精製装置に関して、炭素を分離するために算出された。これは、アミン洗浄システムがそれぞれの点源に関する炭素捕捉のために使用される従来の精製装置システムのための正味の動力発生に関する計算と比較された。上記の通り、典型的な希薄な精製装置流（例えば、約２体積％〜約８体積％のＣＯ２を含有する流れ）からＣＯ２を捕捉するために代表的なアミン洗浄（例えば、ＭＥＡによる）を使用することによって、約３ＧＪ／トンのＣＯ２を捕捉することができる。表２は、従来のアミン洗浄法と比較して、図２１および２３と同様の本発明の構成（流れ２１１０または流れ２３１４などのＣＯ２流をもたらすことができる）に関する比較を示す。表２の比較に関して、％ＣＯ２排出低下は、ＭＣＦＣのアノードを通過する炭素のパーセントを表す。表２に示される算出された値をベースとし、精製装置バーナーのためのＨ２を提供し、ＣＯ２を中央に分離するＭＣＦＣの使用は、追加的な利用可能な動力の発生をもたらすことができる。これは特に、従来の構成を使用してＣＯ２を分離するための実質的な動力必要条件とは対照的であることができる。
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ＭＣＦＣシステムと集積化された低温燃焼排出物供給源
低温燃焼排出物供給源は、燃料電池における使用の前に冷却することを必要とする、ＣＯ２およびＯ２（またはおそらく、空気の添加とともにＣＯ２のみ）を含有するいずれの流れも含んでなることができる。一般に、これは、カソードにおいてＮｉ触媒を汚染するいくつかの汚染物質（例えば、硫黄、金属）を有する直接的な結果であることができる。これらの目的のために、少量のＮＯｘまたはＳＯｘは、典型的にカソードＮｉ触媒に対して有害であるとは考えられない。高濃度の汚染物質を含有する燃焼排出物供給源に関して、最初の燃焼流出物は、不純物を除去することができる温度まで冷却される必要があり、次いで、例えば、カソード流出物との熱交換によって、ＭＣＦＣ作動温度まで再加熱することができる。
低温燃焼排出物供給源の例には、石炭発電所などの石炭燃焼供給源、ならびに木材および他のバイオマス燃焼からなどのリグニン燃焼を含むことができる。他の「汚染した」燃料としては、石油様バンカー燃料、またはクリーンアップが必要とされるには十分な不純物が存在する他の重質マリン燃料から誘導される重質燃料を含んでもよい。
複合システムは、その他の場合で可能であるよりもクリーンに複数の作動を実行する能力を提供することができる。例えば、リグニン（例えば、セルロースエタノール製造から）を燃焼して、ＣＯ２を生成し、不純物が除去されるように十分冷却するように熱交換して、次いで、ＣＯ２流をカソードインレットとして発酵からのＣＯ２オフガスと組み合わせることができる。このＣＯ２は、次いで（アノードのメタンとともに）プラントの作動に動力を供給するための電力、および生物燃料用のより低温における他の反応器に動力を供給するための余熱を発生する。残留ＣＯ２を分離／捕捉することができ、次いで、これによって、プラントからの全体的な排出が改善される。重質燃料油を使用する船上システムに関して、船用の必須電力は、熱とともに、そしてデフォルトで、非常によりクリーンな全排出物とともに（たとえＣＯ２が排出されるとしても）提供されることができる。石炭燃焼に関して、利点は、ＣＯ２排出の低下への潜在性をベースとすることができるが、これ（および他の事例）のための過剰量の合成ガスを発生する能力も、「汚染した」材料の主要な燃焼における燃焼補助として使用することもできる。そのような態様において、燃焼補助として使用されたＨ２またはＨ２／ＣＯは、より低品質燃料の燃焼特徴を改善することができ、第１によりクリーンで／より効率的な燃焼を可能にする。追加的に、Ｈ２などの過剰量の合成ガスを、実際にいずれかの追加的な装置を構築することなく必要な構成要素を提供する事前の材料のクリーンアップ操作（例えば、水素化脱硫）において使用することができる。
カソードインプットは、冷却、汚染物質除去および熱交換による再加熱の後、燃焼供給源であることができる。燃焼する材料の事前のクリーンアップいくつかは、Ｈ２がＭＣＦＣから誘導される水素処理によって実行されてもよい。カソードインプットは、リーンな条件での新しいメタン燃焼、または、より多くのＯ２が必要である場合、空気で補足されることができる。カソードアウトプットは、雰囲気に排出されることができる。アノードインプットは、メタン、天然ガスまたは他の改質可能燃料であることができるが、存在する場合、部分的にガス化された材料（ガス化されたバイオマスまたは石炭）および事前に改質された軽質炭化水素によって増加されることもできる。アノード排出物のＨ２は、分離および／またはリサイクルされることができる。
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ることができる。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に立つ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、そして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、合成ガスの高い量の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電気配管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、そして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、そして可変性の負荷の下、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、そして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対電気エネルギー生成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、そして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、燃例えば、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主として電気を発生させることができ、一方、冬季は、暖房作動のための主として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、いくら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、そして／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、そして／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２５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２５４０は、酸化剤（空気）２５０１およびメタン／天然ガス２５０２を燃焼させることができ、動力および排出物ガス流２５０３を発生させる。排出物２５０３は、ＭＣＦＣ２５３０のカソードに供給されることができる。ＭＣＦＣ２５３０のアノードには、追加的燃料（メタン／天然ガス）２５０５および蒸気２５０６を供給することができる。電気化学的反応を通して、ＭＣＦＣ２５３０は動力を発生させることができ、ＣＯ２欠乏カソード排出物２５０４を生成することができ、そしてＨ２／ＣＯ２／ＣＯを含有するアノード排出物２５０７を生成することができる。熱はカソード排出物２５０４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２５０４を雰囲気に排出し、そして／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２５０７は、Ｈ２濃度を増加させるために、水性ガスシフト反応器２５６０でシフトされることができる。シフト反応器流出物は、水２５０８を除去するために分離２５７０を受けることができ、ＣＯ２ ２５０９を回収することができ、Ｈ２を含有する分離された流れ２５１０を形成することができる。ＣＯ２含有流２５０９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、そして／または分離されることができる。分離された流れ２５１０は、酸化剤（空気）２５１１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２５５０に送ることができる。水素タービン２５５０からの排出物２５１２は、主に水およびＮ２であることができて、所望であれば、雰囲気に排出されることができ、そして／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２５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２６に示す。図２６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見えた。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見えた。
約５０％の燃料利用に関して、図２６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見えた。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、低いように見えた。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見え、比較例のいずれと比較しても、１ＭＷｈｒあたりのＣＯ２のより低い排出（約１４４ｌｂｓ／ＭＷｈｒ）を有するようにも見える。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見えた。このシミュレーションは、有意にＣＯ２排出の量（約１１３ｌｂｓ／ＭＷｈｒ）を低下させながら、有意に増加した動力発生（約７９０ＭＷ）を示すように見えた。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、達成されるように見えた。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見えた。
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、溶融カーボネート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」（thermal ratio）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反応によって消費される熱の合計である。なお、発熱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、溶融カーボネート燃料電池は、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、溶融カーボネート燃料電池（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対ＣＯ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対ＣＯの比率を低下させるために使用されることができる。
溶融カーボネート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対ＣＯ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対カソードＣＯ２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対カソード排出物中のＣＯ２のモルの比率は、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対カソード排出物中のＣＯ２の量の比率は、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対カソード排出物中のＣＯ２の量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、溶融カーボネート燃料電池（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、溶融カーボネート燃料電池は、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カーボネート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対実際にアノードにおいて電気化学的に酸化される燃料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対アノードにおいて反応する水素の量の比率は、少なくとも約１．５：１、または少なくとも約２．０：１、または少なくとも約２．５：１、または少なくとも約３．０：１であることができる。追加的に、または代わりとして、燃料流中の改質可能燃料の改質可能水素含有量対アノードにおいて反応する水素の量の比率は、約２０：１以下、例えば、約１５：１以下、または約１０：１以下であることができる。一態様において、アノードインレット流の改質可能水素含有量の１００％未満を水素に変換することができると考えられる。例えば、アノードインレット流の改質可能水素含有量の少なくとも約８０％、例えば、少なくとも約８５％、または少なくとも約９０％を、アノードおよび／または関連する改質段階で水素に変換することができる。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カーボネート燃料電池（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、溶融カーボネート燃料電池を、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（total fuel cell efficiency）（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、溶融カーボネート燃料電池は、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、溶融カーボネート燃料電池は、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カーボネート燃料電池（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で作動される溶融カーボネート燃料電池に関して、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、燃料電池内で有効量の吸熱反応を実行することによって増加させることができる。吸熱反応の一例には、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。有効量の吸熱反応は、吸熱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。有効量の吸熱反応は、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、有効量の吸熱反応は、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、有効量の吸熱反応が、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、吸熱反応（例えば、改質および別の吸熱反応の組み合わせ）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カーボネート燃料電池（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（又はリフォーマブル燃料）：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（又はリフォーマブル水素コンテント）：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（又は燃料ユーティライゼーション）：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：溶融カーボネート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、溶融カーボネート燃料電池を、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、溶融カーボネート燃料電池は、少なくとも約０．２５、例えば、少なくとも約０．５、または少なくとも約１．０、または少なくとも約１．５、または少なくとも約２．０、または少なくとも約２．５、または少なくとも約３．０、または少なくとも約４．０の改質可能燃料過剰比率を有するように作動させることができる。追加的に、または代わりとして、改質可能燃料過剰比率は約２５．０以下であることができる。なお、アノードにおける酸化の量と比較してのアノードに送達される改質可能燃料の量をベースとするこのようなより狭い定義によって、低燃料利用を有する燃料電池作動方法の２つの種類を識別することができる。いくつかの燃料電池は、アノードアウトプットからアノードインプットへの実質的な部分をリサイクルすることによって、低燃料利用を達成する。このリサイクルによって、アノードインプットにおけるいずれかの水素を、アノードにインプットとして再び使用することが可能である。これによって改質の量を低下させることができ、燃料利用が燃料電池の単回通過に関して低い場合でさえも、その後の通過において、未使用の燃料の少なくとも一部分はリサイクルされる。したがって、広範囲の種々の燃料利用値を有する燃料電池は、アノード改質段階に送達される改質可能燃料対アノード反応において酸化される水素の同一比率を有してもよい。アノードにおける酸化の量に関するアノード改質段階に送達される改質可能燃料の比率を変化させるため、非改質可能燃料の本来の含有量を有するアノード供給が識別される必要があるか、またはアノードアウトプットにおける未使用の燃料が、他の用途のために回収される必要があるか、あるいは両方である。
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。アノード改質段階に送達される改質可能燃料対アノードの酸化の量の大きい比率を有する燃料電池を作動させる方法の例は、燃料電池における熱の発生および消費を釣り合わせるために、過剰の改質が実行される方法であることができる。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。この吸熱反応は、燃料電池における電流の発生によって対抗することができ、これは、アノード酸化反応およびカーボネート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／カーボネート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、溶融カーボネート燃料電池は約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、カーボネートイオンと反応して、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」（electrical efficiency）（「ＥＥ」）という用語は、燃料電池への燃料インプットの低位発熱量（「ＬＨＶ」）の率で割られる、燃料電池で生じる電気化学的動力として定義される。燃料電池への燃料インプットには、アノードに送達される燃料、ならびに燃料電池の温度を維持するために使用されるいずれの燃料、例えば、燃料電池と関連するバーナーに送達される燃料の両方が含まれる。本記載において、燃料によって生じる動力は、ＬＨＶ（ｅｌ）燃料率に関して記載されてもよい。
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カーボネート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」（total fuel cell efficiency）（「ＴＦＣＥ」）という用語は、燃料電池によって発生する電気化学的動力に、燃料電池によって生じる合成ガスのＬＨＶの率を足したものを、アノードへの燃料インプットのＬＨＶの率で割ったものとして定義される。言い換えると、ＴＦＣＥ＝（ＬＨＶ（ｅｌ）＋ＬＨＶ（ｓｇ ｎｅｔ））／ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）であり、式中、ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）は、燃料成分（例えば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。
蒸気対炭素比率（Ｓ／Ｃ）：本明細書で使用される場合、蒸気対炭素比率（Ｓ／Ｃ）は、フロー中の蒸気対フロー中の改質可能炭素モル比である。ＣＯおよび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。蒸気対炭素比率は、システムの異なる点で測定および／または制御することができる。例えば、アノードインレット流の組成は、アノードにおいて改質するために適切なＳ／Ｃを達成するように修正することができる。Ｓ／Ｃは、燃料、例えば、メタン中の炭素原子の数を乗算した燃料のモルフローレートの積で割られる、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、燃料電池に送られる排出物ガス対燃料電池または熱回収発電機に送られる全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、溶融カーボネート燃料電池（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カーボネート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」（fuel cell）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」（又はインターナルリフォーミング）および「外部改質」（又はエクスターナルリフォーミング）：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（又はインターナルリフォーミングエレメント）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、集積化された吸熱反応段階は、集積化された吸熱反応段階が吸熱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（又は循環）：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（anode inputs）およびアノードアウトプット（anode outputs）
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、水対燃料のモル比は、約１：１〜約１０：１、例えば少なくとも約２：１であることができる。４：１以上の比率は外部改質に関して典型的であるが、内部改質に関してはより低い値が典型的であることができる。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、溶融カーボネート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、溶融カーボネート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、溶融カーボネート燃料電池は、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。溶融カーボネート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、溶融カーボネート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カーボネート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）対炭素（改質可能燃料）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 0006345233
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対ＣＯの所望の比率を達成するために、アノード排出物において存在するＣＯ含有量を増加させることが望ましくてもよい。
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対炭素の比率は、アノード排出物の含水量に影響を及ぼすことができ、高い蒸気対炭素の比率では典型的に大量の水が生じ、これは未反応のまま、および／またはアノードにおける水性ガスシフト平衡によってのみ反応して、アノードを通過することができる。態様次第で、アノード排出物の含水量は、アノード排出物の体積の約３０％以上までに相当することができる。追加的に、または代わりとして、含水量はアノード排出物の体積の約８０％以下であることができる。そのような水は圧縮および／または冷却することによって除去されて、凝縮が得られることができるが、このような水の除去は、追加の圧縮器動力および／または熱交換表面面積および過度の冷却水を必要とすることができる。この過剰量の水の一部分を除去する１つの有利な方法は、湿潤したアノード流出物から湿度をとることができる吸着剤ベッドの使用をベースとすることができ、次いで、追加的な水をアノード供給に提供するために、乾燥アノード供給ガスを使用して、「再生」することができる。ＨＶＡＣスタイル（加熱、換気および空気調節）吸着ホイールデザインは、アノード排出物およびインレットが圧力で同様であることができ、そして１つの流れから他への軽度の漏れが、全体的なプロセスに対して最小限の影響を有することができるため、適用可能であることができる。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対ＣＯ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対ＣＯの比率は、少なくとも約３．０：１であることができる。対照的に、フィッシャー−トロプシュ合成などの合成ガスを利用するプロセスは、異なる比率（例えば２：１により近い比率）で、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対ＣＯの比率を有することができる。合成ガス流は、アノード排出物から発生することができるか、または回収されることができる。アノード排出物ガスは、任意に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対ＣＯの比率が少なくとも約３：１である流れにおいて、アノード排出物は、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対ＣＯの比率を有する流れに関して、流れは合成ガス供給として使用するために適切であることができる。合成ガス供給から利益を得ることができるプロセスの例としては、限定されないが、ガストゥーリキッド（ｇａｓ−ｔｏ−ｌｉｑｕｉｄ）プラント（例えば、非シフティング触媒を用いるフィッシャートロプシュプロセスを使用するプラント）および／またはメタノール合成プラントを含むことができる。外部プロセスのための供給として使用されるアノード排出物の量は、いずれかの都合のよい量であることもできる。任意に、アノード排出物の一部分が外部プロセスのための供給として使用される場合、アノード排出物の第２の部分は、アノードインプットにリサイクルされることができ、および／または燃焼動力発電機のための燃焼領域にリサイクルされることができる。
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カーボネート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からのカーボネートイオン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対ＣＯの比率は、水性ガスシフト段階２３０において所望の値を達成するために調節することができる。水性ガスシフトされたアウトプット２３５を、次いで、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。
カソードインプット（cathode inputs）およびカソードアウトプット（cathode outputs）
従来、溶融カーボネート燃料電池は、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。
溶融カーボネート燃料電池において、燃料電池における電解質を通るカーボネートイオンの輸送は、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カーボネートイオンの輸送に提供することができる。その結果、溶融カーボネート燃料電池中のカーボネートイオンの輸送は、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カーボネート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、カーボネート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、カーボネート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、別の溶融カーボネート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カーボネート燃料電池に関して、第１の溶融カーボネート燃料電池のカソードからのアウトプットを、第２の溶融カーボネート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カーボネート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カーボネート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、溶融カーボネート燃料電池使用時の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、溶融カーボネート燃料電池は、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。
溶融カーボネート燃料電池の作動
いくつかの態様において、燃料電池は、単回通過（又はシングルパス）モードまたは貫流（又はワンス・スルー）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カーボネート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カーボネート燃料電池内で、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 0006345233
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をカーボネート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、カーボネートイオンを形成する。反応（５）によって発生するカーボネートイオンは、反応（４）のために必要とされるカーボネート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。電解質を通るカーボネート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、溶融カーボネート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。
集積化の例：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、溶融カーボネート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対ＣＨ４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、溶融カーボネート燃料電池アレイ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
本群の実施形態はグループＡである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味する。
実施形態１
アノードおよびカソードを含む溶融カーボネート燃料電池を使用して、電気および水素または合成ガスを発生させる方法であって、
改質可能燃料を含む燃料流を、前記溶融カーボネート燃料電池の前記アノード、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ことと；
ＣＯ２およびＯ２を含むカソードインレット流を、前記溶融カーボネート燃料電池の前記カソードに導入することと；
約６５％以下（例えば、約６０％以下、約５５％以下、約５０％以下、約４５％以下、約４０％以下、約３５％以下、約３０％以下、約２５％以下または約２０％以下）の燃料利用において、電池作動電圧（cell operating voltage）：電池最大電圧（cell maximum voltage）の比率が、約０．６５以下（例えば、約０．６４以下、約０．６３以下、約０．６２以下または約０．６１以下）である電池作動電圧において、前記溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させることと；
前記溶融カーボネート燃料電池のアノードアウトレットからアノード排出物（又はアノードエグゾースト）を発生させることと；
前記アノード排出物から、Ｈ２含有流、合成ガス含有流またはそれらの組み合わせを分離することと
を含む、方法。
実施形態２
前記改質可能燃料を改質することをさらに含み、前記溶融カーボネート燃料電池の前記アノード、前記溶融カーボネート燃料電池の前記アノードと関連する前記内部改質要素またはそれらの組み合わせに導入される前記改質可能燃料の少なくとも約９０％が、前記溶融カーボネート燃料電池の前記アノードを通る単回通過において改質される、実施形態１の方法。
実施形態３
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それらの組み合わせに導入される前記改質可能燃料の改質可能水素含有量が、電気を発生させるために酸化される水素の量よりも少なくとも約７５％多い（例えば、少なくとも約１００％多い）、実施形態１または２の方法。
実施形態４
前記カソードのＣＯ２利用が少なくとも約５０％（例えば、少なくとも約６０％）である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態５
前記アノード燃料流が、少なくとも約１０体積％の不活性化合物、少なくとも約１０体積％のＣＯ２またはそれらの組み合わせを含む、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態６
前記アノード排出物が、約１．５：１〜約１０．０：１（例えば、約３．０：１〜約１０：１）のＨ２：ＣＯのモル比を有するＨ２およびＣＯを含む、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態７
前記Ｈ２含有流が、少なくとも約９０％のＨ２（例えば、約９５体積％のＨ２または約９８体積％のＨ２）を含む、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態８
前記カソードインレット流が、約２０体積％以下のＣＯ２（例えば、約１５体積％以下のＣＯ２または約１２体積％以下のＣＯ２）を含む、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態９
前記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ことをさらに含む、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１０
前記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
前記溶融カーボネート燃料電池を、約０．２５〜約１．５（例えば、約０．２５〜約１．２５、約０．２５〜約１．０、約０．２５〜約０．９または約０．２５〜約０．８５）の熱比率で作動させる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１２
前記アノード排出物における合成ガスの正味のモル数：カソード排出物（又はカソードエグゾースト）におけるＣＯ２のモル数の比率が、少なくとも約２．０：１（例えば、少なくとも約２．５：１または少なくとも約３：１）である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３
前記アノードにおける燃料利用が、約５０％以下（例えば、約４５％以下、約４０％以下、約３５％以下、約３０％以下、約２５％以下または約２０％以下）であり、前記カソードにおける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１４
前記溶融カーボネート燃料電池を作動させて、少なくとも約１５０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において電力を発生させ、少なくとも約４０ｍＷ／ｃｍ２（例えば、少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ２、少なくとも約６０ｍＷ／ｃｍ２、少なくとも約８０ｍＷ／ｃｍ２または少なくとも約１００ｍＷ／ｃｍ２）の廃熱を発生させ、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前記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有効量の吸熱反応を実行することをさらに含み、任意に前記吸熱反応を実行することによって、前記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７０％）が消費される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１５
前記溶融カーボネート燃料電池の電気効率が、約１０％〜約４０％であり、前記溶融カーボネート燃料電池の全燃料電池効率が、少なくとも約５５％である、上記実施形態のいずれかの方法。
本群の実施形態はグループＢである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、電気を発生させる方法であって、Ｈ２を含んでなるリサイクルされたアノード排出物燃料流、少なくとも約３０体積％の１種以上の不活性ガスを含んでなる低エネルギー含有量燃料流、およびＯ２含有流を、燃料領域に導入するステップと；燃焼領域において燃焼反応を実行し、燃焼排出物を発生させるステップと；改質可能燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融カーボネート燃料電池のアノード、溶融カーボネート燃料電池の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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードに導入するステップと；溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させるステップと；溶融カーボネート燃料電池のアノードアウトレットから、Ｈ２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を分離して、リサイクルされたアノード排出物燃料流れを形成するステップとを含んでなる方法。
実施形態２
低エネルギー含有量燃料流が、少なくとも約３５体積％を含んでなる、実施形態１の方法。
実施形態３
低エネルギー含有量燃料流中の１種以上の不活性ガスが、ＣＯ２、Ｎ２またはそれらの組み合わせである、実施形態１または２の方法。
実施形態４
溶融カーボネート燃料電池のアノードの燃料利用が、約６５％以下（例えば、約６０％以下）である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態５
溶融カーボネート燃料電池のアノードの燃料利用が約３０％〜約５０％である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態６
アノード排出物流のアノード−リサイクル部分を、１種以上の燃料電池アノードにリサイクルするステップ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７
改質可能燃料がＣＨ４を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態８
カソードインレット流が、燃焼排出物の少なくとも一部分を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態９
燃焼排出物が、約１０体積％以下のＣＯ２（例えば、約８体積％以下のＣＯ２）を含んでなり、かつ燃焼排出物が、少なくとも約４体積％のＣＯ２を任意に含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１０
アノード排出物流が、少なくとも約５．０体積％（例えば、少なくとも約１０体積％または少なくとも約１５体積％）のＨ２を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１１
アノード排出物流の少なくとも一部分を分離するステップの前に、アノード排出物流を水性ガスシフト触媒に暴露し、リサイクルされたアノード排出物燃料流を形成するステップをさらに含んでなり、シフトされたアノード排出物流のＨ２含有量が、曝露前のアノード排出物流のＨ２含有量より高い、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１２
リサイクルされたアノード排出物燃料流を燃焼領域に通過させる前に、リサイクルされたアノード排出物燃料流を、低エネルギー含有量燃料流と組み合わせる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３
カソード排出物流が、約２．０体積％以下（例えば、約１．５体積％以下または約１．２体積％以下）のＣＯ２含有量を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
本群の実施形態はグループＣである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、燃焼供給源から二酸化炭素を捕捉する方法であって、燃料流およびＯ２含有流を燃焼領域に導入するステップと；燃焼領域において燃焼反応を実行して、ＣＯ２を含んでなる燃焼排出物を発生させるステップと；１つ以上の溶融カーボネート燃料電池の燃料電池アレイによって、燃焼排出物の少なくとも第１の部分を含んでなるカソードインレット流を処理して、燃料電池アレイの少なくとも１つのカソードアウトレットからカソード排出物流を形成するが、１つ以上の溶融カーボネート燃料電池が１つ以上の燃料電池アノードおよび１つ以上の燃料電池カソードを含んでなり、１つ以上の溶融カーボネート燃料電池が、少なくとも１つのカソードインレットを介して燃焼領域に有効に接続されているステップと；１つ以上の燃料電池アノード内で、１つ以上の燃料電池カソードからのカーボネートをＨ２と反応させ、電気と、燃料電池アレイの少なくとも１つのアノードアウトレットからのＣＯ２およびＨ２を含んでなるアノード排出物流とを発生させるステップと；１つ以上の分離段階においてＣＯ２をアノード排出物流から分離して、ＣＯ２欠乏アノード排出物流を形成するステップと；ＣＯ２欠乏アノード排出物流の少なくとも燃焼リサイクル部分を燃焼領域に通過させるステップと；ＣＯ２欠乏アノード排出物流の少なくともアノードリサイクル部分を、１つ以上の燃料電池アノードへとリサイクルするステップとを含んでなる方法。
実施形態２
１つ以上の燃料電池アノードにおける燃料利用が約６５％以下（例えば、約６０％以下）である、実施形態１の方法。
実施形態３
１つ以上の燃料電池アノードの燃料利用が約３０％〜約５０％である、実施形態２の方法。
実施形態４
１つ以上の燃料電池アノードが複数のアノード段階を含んでなり、かつ１つ以上の燃料電池カソードが複数のカソード段階を含んでなり、複数のアノード段階における低利用アノード段階が、６５％以下（例えば、約６０％以下）のアノード燃料利用を有し、低利用アノード段階が、複数のカソード段階の高利用カソード段階に相当し、高利用カソード段階が、複数のカソード段階のいずれかの他のカソード段階のカソードインレットにおけるＣＯ２と同程度またはそれより高いカソードインレットにおけるＣＯ２含有量を有する、実施形態２の方法。
実施形態５
低利用アノード段階の燃料利用が、少なくとも約４０％（例えば、少なくとも約４５％または少なくとも約５０％）である、実施形態４の方法。
実施形態６
複数のアノード段階のそれぞれのアノード段階の燃料利用が、約６５％以下（例えば、約６０％以下）である、実施形態４の方法。
実施形態７
ＣＯ２欠乏アノード排出物流の燃焼リサイクル部分が、ＣＯ２欠乏アノード排出物流の少なくとも約２５％を構成し、かつＣＯ２欠乏アノード排出物流のアノードリサイクル部分が、ＣＯ２欠乏アノード排出物流の少なくとも約２５％を構成する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態８
１つ以上の燃料電池アノードに、ＣＨ４を任意に含んでなる炭素含有燃料を通過させるステップをさらに含んでなる、実施形態７の方法。
実施形態９
炭素含有燃料の少なくとも一部分を改質して、Ｈ２を発生させるステップと；１つ以上の燃料電池アノードに、発生したＨ２の少なくとも一部分を通過させるステップとをさらに含んでなる、実施形態８の方法。
実施形態１０
１つ以上の燃料電池アノードに入る前に、炭素含有燃料を改質段階に通過させることなく、炭素含有燃料を１つ以上の燃料電池アノードに通過させる、実施形態８の方法。
実施形態１１
燃焼排出物が、約１０体積％以下のＣＯ２（例えば、８体積％以下のＣＯ２）を含んでなり、少なくとも約４体積％のＣＯ２を任意に含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１２
少なくとも約６体積％のＣＯ２を任意に含んでなる燃焼排出物の第２の部分を、燃焼領域にリサイクルするステップ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１３
燃焼排出物の第２の部分を燃焼領域にリサイクルするステップが、燃焼排出物の第２の部分およびＨ２Ｏ含有流の間で熱を交換して、蒸気を形成するステップと；燃焼排出物の第２の部分から水を分離して、Ｈ２Ｏ欠乏燃焼排出物流を形成するステップと；Ｈ２Ｏ欠乏燃焼排出物の少なくとも一部分を燃焼領域に通過させるステップとを含んでなる、実施形態１２の方法。
実施形態１４
アノード排出物流が、１つ以上の分離段階においてアノード排出物流からのＣＯ２の分離ステップの前に、少なくとも約５．０体積％のＨ２（例えば、少なくとも約１０体積％または少なくとも約１５体積％）を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１５
アノード排出物流を、水性ガスシフト触媒に暴露して、１つ以上の分離段階におけるアノード排出物流からのＣＯ２の分離ステップ前に、シフトされたアノード排出物流を形成するステップをさらに含んでなり、水性ガスシフト触媒への曝露後のシフトされたアノード排出物流のＨ２含有量が水性ガスシフト触媒への曝露より前のアノード排出物流のＨ２含有量より高い、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１６
ＣＯ２欠乏アノード排出物流の燃焼リサイクル部分を燃焼領域に通過させる前に、ＣＯ２欠乏アノード排出物流の燃焼リサイクル部分を燃料流と組み合わせる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１７
カソード排出物流が約２．０体積％以下（例えば、約１．５体積％以下または約１．２体積％以下）のＣＯ２含有量を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１８
１つ以上の分離段階におけるアノード排出物流からのＣＯ２の分離ステップが、アノード排出物流から水を任意に分離して、Ｈ２Ｏ欠乏アノード排出物流を任意に形成するステップと；任意のＨ２Ｏ欠乏アノード排出物流を冷却して、凝縮されたＣＯ２の相を形成す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。
本群の実施形態はグループＤである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、燃焼供給源から二酸化炭素を捕捉する方法であって、燃焼燃料流およびＯ２含有流を燃焼領域に導入するステップと；燃焼領域において燃焼反応を実行して、ＣＯ２を含んでなる燃焼排出物を発生させるステップと；１つ以上の溶融カーボネート燃料電池の燃料電池アレイによって、燃焼排出物の少なくとも第１の部分を含んでなるカソードインレット流を処理して、燃料電池アレイの少なくとも１つのカソードアウトレットからカソード排出物流を形成するが、１つ以上の溶融カーボネート燃料電池が１つ以上の燃料電池アノードおよび１つ以上の燃料電池カソードを含んでなり、１つ以上の溶融カーボネート燃料電池が、少なくとも１つのカソードインレットを介して燃焼領域に有効に接続されているステップと；１つ以上の燃料電池アノード内で、１つ以上の燃料電池カソードからのカーボネートをＨ２と反応させ、電気と、燃料電池アレイの少なくとも１つのアノードアウトレットからのＣＯ２およびＨ２を含んでなるアノード排出物流とを発生させるステップと；１つ以上の分離段階においてＣＯ２をアノード排出物流から分離して、ＣＯ２欠乏アノード排出物流を形成するステップと；ＣＯ２欠乏アノード排出物流の少なくとも燃焼リサイクル部分を燃焼領域に通過させるステップとを含んでなる方法。
実施形態２
ＣＯ２欠乏アノード排出物流のアノードリサイクル部分を１つ以上の燃料電池アノードにリサイクルするステップをさらに含んでなる、実施形態１の方法。
実施形態３
１つ以上の燃料電池アノードに、ＣＨ４を任意に含んでなる炭素含有燃料を通過させるステップをさらに含んでなる、実施形態２の方法。
実施形態４
１つ以上の燃料電池アノードに、炭素含有燃料を通過させるステップが、炭素含有燃料の少なくとも一部分を改質して、Ｈ２を発生させるステップと；１つ以上の燃料電池アノードに、発生したＨ２の少なくとも一部分を通過させるステップとをさらに含んでなる、実施形態３の方法。
実施形態５
１つ以上の燃料電池アノードに入る前に、炭素含有燃料を改質段階に通過させることなく、炭素含有燃料を１つ以上の燃料電池アノードに通過させる、実施形態３の方法。
実施形態６
燃焼排出物が、約１０体積％以下のＣＯ２（例えば、８体積％のＣＯ２）を含んでなり、少なくとも約４体積％のＣＯ２を任意に含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態７
少なくとも約６体積％のＣＯ２を任意に含んでなる燃焼排出物の第２の部分を、燃焼領域にリサイクルするステップ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８
燃焼排出物の第２の部分を燃焼領域にリサイクルするステップが、燃焼排出物の第２の部分およびＨ２Ｏ含有流の間で熱を交換して、蒸気を形成するステップと；燃焼排出物の第２の部分から水を分離して、Ｈ２Ｏ欠乏燃焼排出物流を形成するステップと；Ｈ２Ｏ欠乏燃焼排出物の少なくとも一部分を燃焼領域に通過させるステップとを含んでなる、実施形態７の方法。
実施形態９
アノード排出物流が、１つ以上の分離段階においてアノード排出物流からのＣＯ２の分離ステップの前に、少なくとも約５．０体積％の水素（例えば、少なくとも約１０体積％または少なくとも約１５体積％）を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１０
アノード排出物流を、水性ガスシフト触媒に暴露して、１つ以上の分離段階におけるアノード排出物流からのＣＯ２の分離ステップ前に、シフトされたアノード排出物流を形成するステップをさらに含んでなり、シフトされたアノード排出物流のＨ２含有量が水性ガスシフト触媒への曝露より前のアノード排出物流のＨ２含有量より高い、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１１
１つ以上の燃料電池アノードの燃料利用が、約４５％〜約６５％以例えば、約６０％以下）である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１２
ＣＯ２欠乏アノード排出物流の燃焼リサイクル部分を燃焼領域に通過させる前に、ＣＯ２欠乏アノード排出物流の燃焼リサイクル部分を燃焼燃料流と組み合わせる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３
カソード排出物流が約２．０体積％以下（例えば、約１．５体積％以下または約１．２体積％以下）のＣＯ２含有量を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１４
１つ以上の分離段階におけるアノード排出物流からのＣＯ２の分離ステップが、アノード排出物流を冷却して、凝縮されたＣＯ２の相を形成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１５
１つ以上の分離段階におけるアノード排出物流からのＣＯ２の分離ステップが、凝縮されたＣＯ２の相を形成するステップの前に、アノード排出物流から水を分離するステップをさら含んでなる、実施形態１４の方法。
実施形態１６
圧縮器を含む燃焼タービンであって、圧縮器が酸化剤インプットを受け取り、かつ燃焼領域と流体連絡にあり、燃焼領域が、少なくとも１つの燃焼燃料インプットをさらに受け取り、燃焼領域が、排出物アウトプットを有する膨張器と流体連絡にある燃焼タービンと；膨張器排出物アウトプットの第１の部分と燃焼領域との間で流体連絡を提供する排出物ガス再循環システムと；１つ以上の燃料電池アノードおよび１つ以上の燃料電池カソードを含んでなる溶融カーボネート燃料電池アレイであって、溶融カーボネート燃料電池アレイが、少なくとも１つのカソードインプット、少なくとも１つのカソードアウトプット、少なくとも１つのアノードインプットおよび少なくとも１つのアノードアウトプットを有し、膨張器排出物アウトプットの第２の部分が、少なくとも１つのカソードインプットと流体連絡にある燃料電池アレイと；アノードリサイクルループアウトプットを形成するためにアノード排出物流を分離するための１つ以上の二酸化炭素分離段階を含んでなるアノードリサイクルループであって、アノードリサイクルループアウトプットの第１の部分が、燃焼燃料インプットとして燃焼領域に提供されるアノードリサイクルループとを含んでなる、発電のためのシステム。
実施形態１７
アノードリサイクルループアウトプットの第２の部分が、少なくとも１つのアノードインプットに提供される、実施形態１６のシステム。
実施形態１８
アノードリサイクルループが、水性ガスシフト反応段階をさらに含んでなり、アノード排出物流が、１つ以上の二酸化炭素分離段階の少なくとも１段階より前に水性ガスシフト反応段階を通過する、実施形態１６または１７のシステム。
実施形態１９
排出物ガス再循環システムが、熱回収蒸気発生システムをさらに含んでなる、実施形態１６〜１８のいずれかのシステム。
実施形態２０
排出物ガス再循環システムが、膨張器排出物アウトプットの第１の部分を圧縮器に通過させることによって、膨張器排出物アウトプットの第１の部分と燃焼領域との間で流体連絡を提供する、実施形態１６〜１９のいずれかのシステム。
本群の実施形態はグループＥである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、燃焼供給源から二酸化炭素を捕捉するための方法であって、燃焼供給源から、酸素および二酸化炭素を含んでなるアウトプット流を捕捉するステップと；１つ以上の溶融カーボネート燃料電池の燃料電池アレイによって、捕捉されたアウトプット流を処理して、燃料電池アレイの少なくとも１つのカソードアウトレットからカソード排出物流を形成するが、１つ以上の燃料電池が１つ以上の燃料電池アノードおよび１つ以上の燃料電池カソードを有し、１つ以上の溶融カーボネート燃料電池が、少なくとも１つのカソードインレットを通して燃焼供給源から捕捉されたアウトプット流に有効に連結されるステップと；１つ以上の燃料電池アノード内で、１つ以上の燃料電池カソードからのカーボネートをＨ２と反応させ、電気、ならびに燃料電池アレイの少なくとも１つのアノードアウトプットからＣＯ２およびＨ２を含んでなるアノード排出物流を発生させるステップと；任意に、アノード排出物流を水性ガスシフト反応段階に通過させ、任意に、シフトされたアノード排出物流を形成するステップと；１つ以上の分離段階において任意にシフトされたアノード排出物流から二酸化炭素を分離して、ＣＯ２欠乏アノード排出物流を形成するステップと；ＣＯ２欠乏アノード排出物流の少なくとも一部分を、１つ以上の燃料電池アノードにリサイクルして、カーボネートと反応させるＨ２の少なくとも一部分が、ＣＯ２欠乏アノード排出物流のリサイクルされた少なくとも一部分からのＨ２を含んでなるステップとを含んでなる方法。
実施形態２
アノード排出物流のＨ２含有量が少なくとも約１０体積％（例えば、少なくとも約２０体積％）である、実施形態１の方法。
実施形態３
１つ以上の燃料電池アノードの燃料利用が約６０％以下（例えば、約５０％以下）ある、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態４
１つ以上の燃料電池アノードの燃料利用が少なくとも約３０％（例えば、少なくとも約４０％）ある、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態５
カソード排出物が約２．０体積％以下（例えば、約１．５体積％以下）のＣＯ２含有量を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態６
１つ以上の燃料電池アノードに炭素含有燃料を通過させるステップ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７
炭素含有燃料が、少なくとも１つの改質段階および燃料電池アレイを含んでなるアセンブリの内部の少なくとも１つの改質段階において改質される、実施形態６の方法。
実施形態８
ＣＯ２欠乏アノード排出物流のリサイクルされた少なくとも一部分からのＨ２が、アノードインプット流の少なくとも約５体積％を構成する、実施形態６または７の方法。
実施形態９
１つ以上の燃料電池アノードに入る前に改質段階に炭素含有燃料を通過させることなく、炭素含有燃料が１つ以上の燃料電池アノードを通過する、実施形態８の方法。
実施形態１０
炭素含有燃料がメタンを含んでなる、実施形態６〜９のいずれかの方法。
実施形態１１
アノード排出物流の少なくとも一部分を、１つ以上のアノードに直接的または間接的にリサイクルすることなく、ＣＯ２欠乏アノード排出物流の少なくとも一部分が１つ以上のカソードにリサイクルされる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１２
捕捉されたアウトプット流が少なくとも約４体積％のＣＯ２を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３
捕捉されたアウトプット流が約８体積％以下のＣＯ２を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
本群の実施形態はグループＦである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、アノードおよびカソードを含んでなる溶融カーボネート燃料電池を使用して、電気、および水素または合成ガスを発生させる方法であって、改質可能燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融カーボネート燃料電池のアノード、溶融カーボネート燃料電池の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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードに導入するステップと；溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させるステップと；溶融カーボネート燃料電池のアノードアウトレットからアノード排出物を発生させるステップと；アノード排出物から、Ｈ２含有流、合成ガス含有流、またはそれらの組み合わせを分離するステップとを含んでなり、溶融カーボネート燃料電池のアノード、溶融カーボネート燃料電池の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る改質可能な燃料の量が、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）の改質可能燃料過剰比率を提供する方法。
実施形態２
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、アノードおよびカソードを含んでなる溶融カーボネート燃料電池を使用して、電気、および水素または合成ガスを発生させる方法であって、改質可能燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融カーボネート燃料電池のアノード、溶融カーボネート燃料電池の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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードに導入するステップと；溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させるステップと；溶融カーボネート燃料電池のアノードアウトレットからアノード排出物を発生させるステップと；アノード排出物から、Ｈ２含有流、合成ガス含有流、またはそれらの組み合わせを分離するステップとを含んでなり、アノード燃料流が、電気を発生させるために溶融カーボネート燃料電池のアノードにおいて酸化されたＨ２の量より少なくとも５０％多い改質可能水素含有量を有する方法。
実施形態３
溶融カーボネート燃料電池のアノード、溶融カーボネート燃料電池の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改質可能水素含有量が、電気を発生させるために溶融カーボネート燃料電池のアノードにおいて酸化されたＨ２の量より少なくとも約７５％多い（例えば、少なくとも約１００％多い）、実施形態１または２の方法。
実施形態４
改質可能燃料を改質するステップをさらに含んでなり、溶融カーボネート燃料電池のアノード、溶融カーボネート燃料電池の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る改質可能燃料の少なくとも約９０％が、溶融カーボネート燃料電池のアノードを通る単回通過において改質される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態５
カソードのＣＯ２利用が少なくとも約５０％である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態６
アノード燃料流が、少なくとも約１０体積％の不活性化合物、少なくとも約１０体積％のＣＯ２、またはそれらの組み合わせを含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態７
合成ガス含有流が、約３．０：１〜約１．０：１（例えば、約２．５：１〜約１．０：１、約３．０：１〜約１．５：１、または約２．５：１〜約１．５：１）のＨ２：ＣＯのモル比を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態８
アノード排出物が、約１．５：１〜約１０：１（例えば、約３．０：１〜約１０：１）のＨ２：ＣＯのモル比を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態９
ａ）アノード排出物の１０体積％未満、ｂ）単回通過において溶融カーボネート燃料電池のアノードで生じるＨ２の１０体積％未満、またはｃ）合成ガス含有流の１０体積％未満が、溶融カーボネート燃料電池のアノード、または溶融カーボネート燃料電池のカソードに直接的に、または間接的にリサイクルされる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１０
アノード排出物のいずれの部分も溶融カーボネート燃料電池のアノードに直接的に、または間接的にリサイクルされず、溶融カーボネート燃料電池のカソードに直接的に、または間接的にリサイクルされず、あるいはそれらの組み合わせである、実施形態１〜８のいずれかの方法。
実施形態１１
ｉ）アノード排出物、ｉｉ）水素含有流、およびｉｉｉ）合成ガス含有流の１つまたは組み合わせから、ＣＯ２およびＨ２Ｏの少なくとも１つを分離するステップ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１２
水素含有流が、少なくとも約９０体積％のＨ２（例えば、約９５体積％のＨ２、または約９８体積％のＨ２）を含有する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３
カソードインレット流が、約２０体積％以下のＣＯ２（例えば、約１５体積％以下のＣＯ２、または約１２体積％以下のＣＯ２）を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１４
溶融カーボネート燃料電池が、約０．６７ボルト以下（例えば、約０．６５ボルト以下）の電圧ＶＡで作動される、上記実施形態のいずれかの方法。
本群の実施形態はグループＧである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、アノードおよびカソードを有する溶融カーボネート燃料電池を使用して、電気、および水素または合成ガスを発生させる方法であって、改質可能燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融カーボネート燃料電池のアノード、溶融カーボネート燃料電池の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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードに導入するステップと；溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させるステップと；溶融カーボネート燃料電池のアノードアウトレットからアノード排出物を発生させるステップと；アノード排出物から、水素含有流、合成ガス含有流、またはそれらの組み合わせを分離するステップとを含んでなり、溶融カーボネート燃料電池の電気効率が約１０％〜約４０％であり、かつ燃料電池の全燃料電池効率の少なくとも約５５％である方法。
実施形態２
合成ガス含有流が、約３．０：１〜約１．０：１（例えば、約２．５：１〜約１．０：１、約３．０：１〜約１．５：１または約２．５：１〜約１．５：１）のＨ２対ＣＯのモル比を有する、実施形態１の方法。
実施形態３
溶融カーボネート燃料電池の電気効率が約３５％以下（例えば、約３０％以下、約２５％以下または約２０％以下）である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態４
溶融カーボネート燃料電池の全燃料電池効率が、少なくとも約６５％（例えば、少なくとも約７０％、少なくとも約７５％または少なくとも約８０％）である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態５
改質可能燃料を改質するステップをさらに含んでなり、溶融カーボネート燃料電池のアノード、溶融カーボネート燃料電池の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る改質可能燃料の少なくとも約９０％が、溶融カーボネート燃料電池のアノードを通る単回通過において改質される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態６
溶融カーボネート燃料電池のアノード、溶融カーボネート燃料電池の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改質可能水素含有量が、電気を発生させるために溶融カーボネート燃料電池のアノードにおいて酸化されたＨ２の量より少なくとも約７５％多い（例えば、少なくとも約１００％多い）、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態７
アノード燃料流が、少なくとも約１０体積％の不活性化合物、少なくとも約１０体積％のＣＯ２、またはそれらの組み合わせを含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態８
ａ）アノード排出物の１０体積％未満、ｂ）単回通過において溶融カーボネート燃料電池のアノードで生じるＨ２の１０体積％未満、またはｃ）合成ガス含有流の１０体積％未満が、溶融カーボネート燃料電池のアノード、または溶融カーボネート燃料電池のカソードに直接的に、または間接的にリサイクルされる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態９
アノード排出物のいずれの部分も溶融カーボネート燃料電池のアノードに直接的に、または間接的にリサイクルされず、溶融カーボネート燃料電池のカソードに直接的に、または間接的にリサイクルされず、あるいはそれらの組み合わせである、実施形態１〜７のいずれかの方法。
実施形態１０
ｉ）アノード排出物、ｉｉ）水素含有流、およびｉｉｉ）合成ガス含有流の１つまたは組み合わせから、ＣＯ２およびＨ２Ｏの少なくとも１つを分離するステップ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１１
カソードインレット流が、約２０体積％以下のＣＯ２（例えば、約１５体積％以下、約１２体積％以下、または約１０体積％以下）を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１２
溶融カーボネート燃料電池が、約０．６７ボルト以下（例えば、約０．６５ボルト以下）の電圧ＶＡで作動される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３
アノード排出物が、約１．５：１〜約１０：１（例えば、約３．０：１〜約１０：１）のＨ２対ＣＯのモル比を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
本群の実施形態はグループＨである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、溶融カーボネート燃料電池を使用して、電気、および水素または合成ガスを発生させる方法であって、改質可能燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融カーボネート燃料電池のアノードのアノードインレット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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードのカソードインレットに導入するステップと；約１．３以下（例えば、約１．１５以下、または約１．０以下）の熱比率で電気を発生させるように溶融カーボネート燃料電池を作動するステップと；溶融カーボネート燃料電池のアノードアウトレットからアノード排出物を生成するステップと；アノード排出物から、水素含有流、合成ガス含有流またはそれらの組み合わせを分離するステップとを含んでなる方法。
実施形態２
カソードのＣＯ２利用が少なくとも約５０％である、実施形態１の方法。
実施形態３
溶融カーボネート燃料電池が、１つ以上の集積化された吸熱反応段階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４
１つ以上の集積化された吸熱反応段階の少なくとも１つの集積化された吸熱反応段階が、集積化された改質段階を含んでなり、アノードインレットに導入されるアノード燃料流が、アノードインレットに入る前に、集積化された改質段階を通過する、実施形態３の方法。
実施形態５
溶融カーボネート燃料電池が、約０．６７ボルト以下（例えば、約０．６５ボルト以下）の電圧ＶＡで作動される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態６
ｉ）アノード排出物、ｉｉ）水素含有流、およびｉｉｉ）合成ガス含有流の１つまたは組み合わせから、ＣＯ２およびＨ２Ｏの少なくとも１つを分離するステップ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７
熱比率が約０．８５以下であり、アノードインレットの温度より約５℃〜約５０℃低いアノードアウトレットの温度を維持するために溶融カーボネート燃料電池に熱を供給するステップ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８
熱比率が少なくとも約０．２５である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態９
アノードアウトレットの温度が、アノードインレットの温度より約４０℃以下で高い、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１０
アノードインレットの温度が、アノードアウトレットの温度とは約２０℃以下で異なる、実施形態１〜８のいずれかの方法。
実施形態１１
アノードアウトレットの温度が、アノードインレットの温度より約１０℃〜約８０℃低い、実施形態１〜８のいずれかの方法。
実施形態１２
ａ）アノード排出物の１０体積％未満、ｂ）単回通過において溶融カーボネート燃料電池のアノードで生じるＨ２の１０体積％未満、またはｃ）合成ガス含有流の１０体積％未満が、溶融カーボネート燃料電池のアノード、または溶融カーボネート燃料電池のカソードに直接的に、または間接的にリサイクルされる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３
アノード排出物のいずれの部分も溶融カーボネート燃料電池のアノードに直接的に、または間接的にリサイクルされず、溶融カーボネート燃料電池のカソードに直接的に、または間接的にリサイクルされず、あるいはそれらの組み合わせである、実施形態１〜１１のいずれかの方法。
実施形態１４
合成ガス含有流が、約３．０：１〜約１．０：１（例えば、約２．５：１〜約１．０：１、約３．０：１〜約１．５：１、または約２．５：１〜約１．５：１）のＨ２対ＣＯのモル比を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１５
アノード排出物が、約１．５：１〜約１０：１（例えば、約３．０：１〜約１０：１）のＨ２対ＣＯのモル比を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
本群の実施形態はグループＪである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、アノードおよびカソードを含んでなる溶融カーボネート燃料電池を使用して、電気を発生させる方法であって、改質可能燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融カーボネート燃料電池のアノード、溶融カーボネート燃料電池の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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードに導入するステップと；溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させるステップと；溶融カーボネート燃料電池のアノードアウトレットからアノード排出物を発生させるステップとを含んでなり、アノード排出物の合成ガスの正味のモル対カソード排出物のＣＯ２のモルの比率が少なくとも約２．０である方法。
実施形態２
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、アノードおよびカソードを含んでなる溶融カーボネート燃料電池を使用して、電気を発生させる方法であって、改質可能燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融カーボネート燃料電池のアノード、溶融カーボネート燃料電池の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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードに導入するが、カソードインレット流におけるＣＯ２濃度が約６体積％以下であるステップと；溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させるステップと；溶融カーボネート燃料電池のアノードアウトレットからアノード排出物を発生させるステップとを含んでなり、アノード排出物の合成ガスの正味のモル対カソード排出物のＣＯ２のモルの比率が少なくとも約１．５である方法。
実施形態３
カソードインレット流のＣＯ２濃度が約５体積％以下である、実施形態２の方法。
実施形態４
アノード排出物の合成ガスの正味のモル対カソード排出物のＣＯ２のモルの比率が少なくとも約３．０（例えば、少なくとも４．０）である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態５
アノード排出物から、Ｈ２含有流、合成ガス含有流またはそれらの組み合わせを分離するステップ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６
アノード排出物から合成ガス含有流を分離する前に、アノード排出物から、少なくとも約９０体積％のＨ２（例えば、少なくとも約９５体積％のＨ２、または少なくとも約９８の体積％のＨ２）を含有するＨ２含有流を分離するステップをさらに含んでなる、実施形態５の方法。
実施形態７
合成ガス含有流が、約３．０：１（例えば、約２．５：１以下）〜約１．０：１（例えば、少なくとも約１．５：１）のＨ２対ＣＯのモル比を有する、実施形態５または６の方法。
実施形態８
ｉ）アノード排出物、ｉｉ）Ｈ２含有流、およびｉｉｉ）合成ガス含有流の１つまたは組み合わせからＣＯ２およびＨ２Ｏの少なくとも１つを分離するステップをさらに含んでなる、実施形態５〜７のいずれかの方法。
実施形態９
合成ガス含有流から、少なくとも約９０体積％のＨ２を含有する流れを分離するステップをさらに含んでなる、実施形態５〜８のいずれかの方法。
実施形態１０
アノード排出物が、約１．５：１（例えば、少なくとも約３．０：１）〜約１０：１のＨ２対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１１
アノード燃料流が、少なくとも約１０体積％の不活性化合物、少なくとも約１０体積％のＣＯ２またはそれらの組み合わせを含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１２
ａ）アノード排出物の１０体積％未満、ｂ）単回通過において溶融カーボネート燃料電池のアノードで生成するＨ２の１０体積％未満、またはｃ）合成ガス含有流の１０体積％未満が、溶融カーボネート燃料電池のアノードまたは溶融カーボネート燃料電池のカソードへ直接的または間接的にリサイクルされる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３
アノード排出物のいずれの部分も、溶融カーボネート燃料電池のアノードに、直接的または間接的にリサイクルされず、溶融カーボネート燃料電池のカソードに直接的または間接的にリサイクルされず、あるいはそれらの組み合わせである、実施形態１〜１１のいずれかの方法。
実施形態１４
カソードインレット流が、燃焼によって動力が供給される発電機からの燃焼排出物流を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１５
溶融カーボネート燃料電池が、約０．６７ボルト以下の電圧ＶＡで作動される、上記実施形態のいずれかの方法。
本群の実施形態はグループＫである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、アノードおよびカソードを含んでなる溶融カーボネート燃料電池を使用して、電気、および水素または合成ガスを発生させる方法であって、改質可能燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融カーボネート燃料電池のアノード、溶融カーボネート燃料電池の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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードに導入するステップと；溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させるステップと；溶融カーボネート燃料電池のアノードアウトレットからアノード排出物を発生させるステップと、Ｈ２含有流、合成ガス含有流またはそれらの組み合わせを分離するステップとを含んでなり、アノードの燃料利用が約５０％以下であり、かつカソードのＣＯ２利用が少なくとも約６０％である方法。
実施形態２
溶融カーボネート燃料電池のアノード、溶融カーボネート燃料電池の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改質可能水素含有量が、電気を発生させるために溶融カーボネート燃料電池のアノードにおいて酸化されたＨ２の量より少なくとも約７５％多い、実施形態１の方法。
実施形態３
カソードインレット流が、約２０体積％以下のＣＯ２（例えば、約１５体積％以下のＣＯ２、または約１２体積％以下のＣＯ２）を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態４
溶融カーボネート燃料電池のアノードの燃料利用が、約４０％以下（例えば、約３０％以下）である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態５
溶融カーボネート燃料電池のカソードのＣＯ２利用が、少なくとも約６５％（例えば、少なくとも約７０％）である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態６
アノード燃料流が、少なくとも約１０体積％の不活性化合物、少なくとも約１０体積％のＣＯ２またはそれらの組み合わせを含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態７
合成ガス含有流が、約３．０：１（例えば、約２．５：１以下）〜約１．０：１（例えば、少なくとも約１．５：１）のＨ２対ＣＯのモル比を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態８
アノード排出物が、約１．５：１（例えば、少なくとも約３．０：１）〜約１０：１のＨ２対ＣＯのモル比を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態９
ａ）アノード排出物の１０体積％未満、ｂ）単回通過において溶融カーボネート燃料電池のアノードで生成するＨ２の１０体積％未満、またはｃ）合成ガス含有流の１０体積％未満が、溶融カーボネート燃料電池のアノードまたは溶融カーボネート燃料電池のカソードへ直接的または間接的にリサイクルされる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１０
アノード排出物のいずれの部分も、溶融カーボネート燃料電池のアノードに、直接的または間接的にリサイクルされず、溶融カーボネート燃料電池のカソードに直接的または間接的にリサイクルされず、あるいはそれらの組み合わせである、実施形態１〜８のいずれかの方法。
実施形態１１
ｉ）アノード排出物、ｉｉ）Ｈ２含有流、およびｉｉｉ）合成ガス含有流の１つまたは組み合わせからＣＯ２およびＨ２Ｏの少なくとも１つを分離するステップ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１２
Ｈ２含有流が、少なくとも約９０体積％のＨ２（例えば、少なくとも約９５体積％、または少なくとも約９８の体積％）を含有する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３
カソードインレット流が、燃焼によって動力が供給される発電機からの燃焼排出物流を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１４
溶融カーボネート燃料電池が、約０．６７ボルト以下（例えば、約０．６５ボルト以下）の電圧ＶＡで作動される、上記実施形態のいずれかの方法。
本群の実施形態はグループＬである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、溶融カーボネート燃料電池を作動させる方法であって、改質可能燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融カーボネート燃料電池のアノードのアノードインレット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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードのカソードインレットに導入するステップと；少なくとも約１５０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を提供する第１の作動条件で溶融カーボネート燃料電池を作動させ、電力および少なくとも３０ｍＷ／ｃｍ２の廃熱を発生させるステップと；溶融カーボネート燃料電池のアノードアウトレットからアノード排出物を生成させるステップと；約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有効な量の吸熱反応を実行するステップとを含んでなる方法。
実施形態２
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、溶融カーボネート燃料電池を作動させる方法であって、改質可能燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融カーボネート燃料電池のアノードのアノードインレット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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードのカソードインレットに導入するステップと；少なくとも約１５０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を提供し、相当するベースライン作動条件を有する第１の作動条件で溶融カーボネート燃料電池を作動させ、電力を発生させるステップと；溶融カーボネート燃料電池のアノードアウトレットからアノード排出物を生成させるステップと；約８０℃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有効な量の吸熱反応を実行するステップとを含んでなり、ベースライン作動条件で溶融カーボネート燃料電池を作動することによって、アノードインレットとアノードアウトレットとの間で少なくとも約１００℃の温度増加が生じ、溶融カーボネート燃料電池のためのベースライン作動条件が、ベースライン作動条件が、約７５％の溶融カーボネート燃料電池のアノードの燃料利用を含んでなり、かつベースライン作動条件のアノード燃料流が、少なくとも約８０体積％のメタンを含んでなることを除き、第１の作動条件と同一の作動条件と定義される方法。
実施形態３
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、溶融カーボネート燃料電池を作動させる方法であって、改質可能燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融カーボネート燃料電池のアノードのアノードインレット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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードのカソードインレットに導入するステップと；第１のアノードインレット温度、第１のアノードインレット流速、第１のアノード燃料分圧、第１のアノード水分圧、第１のカソードインレット流速、第１のカソードインレットＣＯ２分圧および第１のカソードインレットＯ２分圧を含んでなり、相当する最大動力作動条件を有する第１の作動条件で溶融カーボネート燃料電池を作動させ、第１の電力密度で電力および廃熱を発生させるステップと；溶融カーボネート燃料電池のアノードアウトレットからアノード排出物を生成させるステップと；約８０℃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有効な量の吸熱反応を実行するステップとを含んでなり、第１のアノードインレット温度、第１のアノードインレット流速、第１のアノード燃料分圧、第１のアノード水分圧、第１のカソードインレット流速、第１のカソードインレットＣＯ２分圧および第１のカソードインレットＯ２分圧を含んでなる作動条件のための最大動力密度を発生させる作動条件に相当する最大動力作動条件で燃料電池アセンブリを作動することによって、第１の電力密度とは約２０％未満異なる電力密度が生じる方法。
実施形態４
最大動力作動条件の電力密度が第１の電力密度とは約１５％未満異なる、実施形態３の方法。
実施形態５
有効量の吸熱反応を実行することによって発生する１つ以上の反応生成物を含んでなる生成物流を溶融カーボネート燃料電池から回収するステップ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６
生成物流を溶融カーボネート燃料電池のアノードに通過させることなく溶融カーボネート燃料電池から回収される、実施形態５の方法。
実施形態７
溶融カーボネート燃料電池が１つ以上の集積化された吸熱反応段階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８
１つ以上の集積化された吸熱反応段階の少なくとも１つの集積化された吸熱反応段階が、集積化された改質段階を含んでなり、アノード燃料流が、溶融カーボネート燃料電池のアノードのアノードインレットに導入される前に、集積化された改質段階を通過する、実施形態７の方法。
実施形態９
有効量の吸熱反応を実行するステップが改質可能燃料を改質するステップを含んでなる、実施形態７または８の方法。
実施形態１０
有効量の吸熱反応を実行するステップが、第１の作動条件で溶融カーボネート燃料電池を作動することによって発生する廃熱の少なくとも約４０％を消費する吸熱反応を実行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１１
アノードアウトレットの温度がアノードインレットの温度より５０℃未満高い、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１２
溶融カーボネート燃料電池が、少なくとも約４０ｍＷ／ｃｍ２（例えば、少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ２または少なくとも約６０ｍＷ／ｃｍ２）の廃熱を発生させるように作動される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３
第１の作動条件が少なくとも約２００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を提供する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１４
溶融カーボネート燃料電池が、約０．７ボルト未満（例えば、約０．６７ボルト以下または約０．６５ボルト以下）の電圧ＶＡで作動される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１５
アノード排出物のいずれの部分もアノードに直接的に、または間接的にリサイクルされず、カソードに直接的に、または間接的にリサイクルされず、あるいはそれらの組み合わせである、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１６
アノード排出物の１０体積％未満が、溶融カーボネート燃料電池のアノードまたは溶融カーボネート燃料電池のカソードへ直接的または間接的にリサイクルされる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１７
アノード排出物から、Ｈ２含有流、合成ガス含有流、またはそれらの組み合わせを分離するステップ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１８
単回通過において溶融カーボネート燃料電池のアノードで生じるＨ２の１０体積％未満が、溶融カーボネート燃料電池のアノード、または溶融カーボネート燃料電池のカソードに直接的に、または間接的にリサイクルされる、実施形態１７の方法。
実施形態１９
合成ガス含有流の１０体積％未満が、溶融カーボネート燃料電池のアノード、または溶融カーボネート燃料電池のカソードに直接的に、または間接的にリサイクルされる、実施形態１７の方法。
本群の実施形態はグループＭである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、アノードおよびカソードを有する溶融カーボネート燃料を使用して、電気を発生させる方法であって、燃焼燃料流およびＯ２含有流を燃焼領域に導入するステップと；燃焼領域において燃焼反応を実行し、少なくとも約２０ｖｐｐｍのＮＯｘを含んでなる燃焼排出物を発生させるステップと；改質可能燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融カーボネート燃料電池のアノード、溶融カーボネート燃料電池の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；燃焼排出物の少なくとも一部分を含んでなり、ＣＯ２、Ｏ２および少なくとも約２０ｖｐｐｍの酸化窒素を含んでなるカソードインレット流を、溶融カーボネート燃料電池のカソードに導入するステップと；ａ）溶融カーボネート燃料電池において電気を発生させ、ｂ）Ｈ２およびＣＯ２を含んでなるアノード排出物を発生させ、かつｃ）カソードインレット流のＮＯｘ含有量の約半分未満を含んでなるカソ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を分離して、アノード排出物より高いＣＯ２含有量を有するＣＯ２富化アノード排出物流、およびアノード排出物より低いＣＯ２含有量を有するＣＯ２欠乏アノード排出物流を形成するステップとを含んでなる方法。
実施形態２
カソード排出物が、約１５ｖｐｐｍ以下のＮＯｘを含んでなる、実施形態１の方法。
実施形態３
カソードインレット流が、約５００ｖｐｐｍ以下のＮＯｘを含んでなる、実施形態１または２の方法。
実施形態４
燃焼排出物が、約１０体積％以下（例えば約８つの体積％以下）のＣＯ２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
燃焼領域が、少なくとも約１２００°Ｆの温度で作動される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態６
ＣＯ２欠乏アノード排出物流の少なくとも一部分を、燃焼領域に、溶融カーボネート燃料電池のアノードに、またはそれらの組み合わせにリサイクルするステップ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７
アノード排出物流からＣＯ２を分離する前に、アノード排出物流を水性ガスシフト触媒に暴露するステップをさらに含んでなり、シフトされたアノード排出物流のＨ２含有量が、曝露前のアノード排出物流のＨ２含有量未満である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態８
燃焼排出物からの燃焼排出物リサイクル部分を燃焼領域にリサイクルするステップ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９
カソード排出物流が、約２．０体積％以下（例えば、約１．５体積％以下、または約１．２の体積％以下）のＣＯ２含有量を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１０
アノード燃料流が、少なくとも約１０体積％の不活性化合物、少なくとも約１０体積％のＣＯ２、またはそれらの組み合わせを含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１１
アノード排出物流が、約３．０：１〜約１０．０：１のモル比でＨ２およびＣＯを含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１２
燃焼領域への燃焼燃料流が炭化水素であり、カソードインレット流のＮＯｘに対するカソードインレット流のＣＯ２の比率が約１００〜約１０，０００である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、電気を発生させる方法であって、１種以上の燃料流およびＯ２含有流を反応領域に導入するステップと；燃焼領域において燃焼反応を実行し、少なくとも約２０ｖｐｐｍのＮＯｘを含んでなる燃焼排出物を発生させるステップと；改質可能燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融カーボネート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；燃焼排出物の少なくとも一部分を含んでなり、約２０ｖｐｐｍ〜約５００ｖｐｐｍの酸化窒素含有量の酸化窒素を含んでなるカソードインレット流を、溶融カーボネート燃料電池のカソードに導入するステップと；溶融カーボネート燃料電池において電気を発生させるステップと；カソードインレット流の酸化窒素含有量の半分未満の酸化窒素含有量を有するアノード排出物を発生させるステップとを含んでなる方法。
実施形態１４
燃焼領域への燃料流が炭化水素であり、カソードインレット流のＮＯｘに対するカソードインレット流のＣＯ２の比率が約１００〜約１０，０００である、実施形態１３の方法。
本群の実施形態はグループＮである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、電気を発生させる方法であって、改質可能燃料を含んでなる燃料流を、溶融カーボネート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を、溶融カーボネート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カーボネート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て、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
溶融カーボネート燃料電池が、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）の熱比率で電気を発生させるように作動される、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カーボネート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対カソード排出物におけるＣＯ２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
溶融カーボネート燃料電池を作動させて、少なくとも約１５０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において電力および少なくとも約４０ｍＷ／ｃｍ２（例えば、少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ２、少なくとも約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、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との間の温度差を維持するために有効量の吸熱反応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、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１６
溶融カーボネート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。
本群の実施形態はグループＰである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、炭化水素化合物を合成する方法であって、改質可能燃料を含んでなる燃料流を、溶融カーボネート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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードインレットに導入するステップと；溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させるステップと；Ｈ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏおよび少なくとも約２０体積％の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；シフト型フィッシャー−トロプシュ触媒（例えば、Ｆｅを含んでなるもの）の存在下、有効なフィッシャー−トロプシュ条件でアノード排出物の少なくとも一部を反応させ、少なくとも１つの気体生成物および少なくとも１つの非気体生成物を生成するが、アノード排出物の少なくとも一部分におけるＣＯ２濃度が、アノード排出物のＣＯ２濃度の少なくとも８０％であるステップと；少なくとも１つの気体生成物の少なくとも一部分をカソードインレットにリサイクルするステップとを含んでなる方法。
実施形態２
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、炭化水素化合物を合成する方法であって、改質可能燃料を含んでなる燃料流を、溶融カーボネート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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードインレットに導入するステップと；溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させるステップと；Ｈ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏおよび少なくとも約２０体積％の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；シフト型フィッシャー−トロプシュ触媒（例えば、Ｆｅを含んでなるもの）の存在下、有効なフィッシャー−トロプシュ条件でアノード排出物の少なくとも一部を反応させ、少なくとも１つの気体生成物および少なくとも１つの非気体生成物を生成するが、アノード排出物の少なくとも一部分におけるＣＯ２濃度が、アノード排出物のＣＯ２濃度の少なくとも８０％であるステップとを含んでなり、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る改質可能燃料の量が、少なくとも約１．５の改質可能燃料過剰比率を提供する方法。
実施形態３
気体生成物の少なくとも一部分を、アノードインレット、カソードインレット、またはそれらの組み合わせにリサイクルするステップをさらに含んでなる、実施形態２の方法。
実施形態４
アノード排出物のＨ２：ＣＯの比率が、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）である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態５
リサイクルするステップが、少なくとも１つの気体生成物からＣＯ２を除去し、ＣＯ２含有流と、ＣＯ２含有流が少なくとも１つの気体生成物のＣＯ２含有量より高いＣＯ２含有量を有するように、ＣＯ２、ＣＯおよびＨ２を含んでなる分離された合成ガス流出物とを製造するステップと；任意に、分離された合成ガス流出物の少なくとも一部分を酸化させるステップと；次いで、分離され、任意に酸化された合成ガス流出物の少なくとも一部分をカソードインレットにリサイクルするステップとを含んでなる、実施形態１および３〜４のいずれかの方法。
実施形態６
有効なフィッシャー−トロプシュ条件でアノード排出物の少なくとも一部分を反応させる前に、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を圧縮するステップ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７
アノード排出物流の少なくとも一部分を水性ガスシフト触媒に暴露して、シフトされたアノード排出物を形成するステップと、次いで、シフトされたアノード排出物の少なくとも一部分から水およびＣＯ２を除去するステップ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８
カソードインレット流が、燃焼タービン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９
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る改質可能燃料の量が、電気を発生させるために溶融カーボネート燃料電池で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１０
アノード排出物の合成ガスの正味のモル対カソード排出物のＣＯ２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）、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１１
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１２
溶融カーボネート燃料電池を作動させて、少なくとも約１５０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において電力および少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ２（例えば、少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ２、少なくとも約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、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との間の温度差を維持するために有効量の吸熱反応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、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３
溶融カーボネート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。
実施形態１４
溶融カーボネート燃料電池が、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１５
少なくとも１つの気体生成物が、（ｉ）未反応のＨ２、（ｉｉ）未反応のＣＯ、ならびに（ｉｉｉ）Ｃ４−炭化水素および／またはＣ４−酸素化化合物の１つ以上を含んでなるテールガス流を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
本群の実施形態はグループＱである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、炭化水素化合物を合成する方法であって、改質可能燃料を含んでなる燃料流を、溶融カーボネート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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードインレットに導入するステップと；溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させるステップと；Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２およびＨ２Ｏを含んでなり、かつ少なくとも約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対ＣＯ比率を有す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のＨ２対ＣＯの比率を、約１．７：１〜約２．３：１の比率に低下させ、アノード排出物のＣＯ２濃度の少なくとも６０％であるＣＯ２濃度を有する古典的な合成ガス流を形成するステップと；非シフト型フィッシャー−トロプシュ触媒（例えば、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｚｒまたはそれらの組み合わせを含んでなるもの）の存在下、有効なフィッシャー−トロプシュ条件で古典的な合成ガス流を反応させ、少なくとも１つの気体生成物および少なくとも１つの非気体生成物を生成するステップと；少なくとも１つの気体生成物の少なくとも一部分をカソードインレットにリサイクルするステップとを含んでなる方法。
実施形態２
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、炭化水素化合物を合成する方法であって、改質可能燃料を含んでなる燃料流を、溶融カーボネート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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードインレットに導入するステップと；溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させるステップと；Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２およびＨ２Ｏを含んでなり、かつ少なくとも約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対ＣＯ比率を有す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のＨ２対ＣＯの比率を、約１．７：１〜約２．３：１の比率に低下させ、アノード排出物のＣＯ２濃度の少なくとも６０％であるＣＯ２濃度を有する古典的な合成ガス流を形成するステップと；非シフト型フィッシャー−トロプシュ触媒（例えば、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｚｒまたはそれらの組み合わせを含んでなるもの）の存在下、有効なフィッシャー−トロプシュ条件で古典的な合成ガス流を反応させ、少なくとも１つの気体生成物および少なくとも１つの非気体生成物を生成するステップとを含んでなり、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る改質可能燃料の量が、少なくとも約１．５の改質可能燃料過剰比率を提供する方法。
実施形態３
少なくとも１つの気体生成物の少なくとも一部分を、カソードインレットにリサイクルするステップをさらに含んでなる、実施形態２の方法。
実施形態４
古典的な合成ガス流のＨ２対ＣＯの比率を低下させるステップが、（ｉ）古典的な合成ガス流において逆水性ガスシフトを実行するステップ、（ｉｉ）アノード排出物から、古典的な合成ガス流から、またはそれらの組み合わせから、Ｈ２を含んでなるガス流を回収するステップ、あるいは（ｉｉｉ）（ｉ）および（ｉｉ）の両方を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態５
リサイクルするステップが、少なくとも１つの気体生成物からＣＯ２を除去し、ＣＯ２含有流と、ＣＯ２、ＣＯおよびＨ２を含んでなる分離された合成ガス流出物とを製造するステップと；任意に、分離された合成ガス流出物の少なくとも一部分を酸化させるステップと；次いで、分離され、任意に酸化された合成ガス流出物の少なくとも一部分をカソードインレットにリサイクルするステップとを含んでなる、実施形態１および３〜４のいずれかの方法。
実施形態６
有効なフィッシャー−トロプシュ条件で古典的な合成ガス流を反応させる前に、アノード排出物、古典的な合成ガス流、またはそれらの組み合わせを圧縮するステップ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７
カソードインレット流が、燃焼タービン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８
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る改質可能燃料の量が、電気を発生させるために溶融カーボネート燃料電池で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９
アノード排出物の合成ガスの正味のモル対カソード排出物のＣＯ２のモルの比率が、少なくとも約２．０（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）、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１０
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１１
溶融カーボネート燃料電池を作動させて、少なくとも約１５０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において電力および少なくとも約４０ｍＷ／ｃｍ２（例えば、少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ２、少なくとも約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、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との間の温度差を維持するために有効量の吸熱反応を実行するステップ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１２
吸熱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、実施形態１１の方法。
実施形態１３
溶融カーボネート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。
実施形態１４
溶融カーボネート燃料電池が、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１５
少なくとも１つの気体生成物が、（ｉ）未反応のＨ２、（ｉｉ）未反応のＣＯ、ならびに（ｉｉｉ）Ｃ４−炭化水素および／またはＣ４−酸素化化合物の１つ以上を含んでなるテールガス流を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
本群の実施形態はグループＲである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、炭化水素化合物を合成する方法であって、改質可能燃料を含んでなる燃料流を、溶融カーボネート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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードに導入するステップと；溶融カーボネート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を含んでなり、かつ少なくとも約２．５：１のＨ２対ＣＯ比率を有し、かつ少なくとも約２０体積％のＣＯ２含有量を有す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水およびＣＯ２を除去し、アノード排出物の水の濃度の半分未満の水の濃度を有するか、アノード排出物のＣＯ２の濃度の半分未満のＣＯ２の濃度を有するか、またはそれらの組み合わせであり、かつ約２．３：１以下のＨ２対ＣＯの比率を有するアノード流出物ガス流を生成するステップと；非シフト型フィッシャー−トロプシュ触媒（例えば、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｎｉ、Ｚｒまたはそれらの組み合わせを含んでなるもの）上でアノード流出物ガス流の少なくとも一部分を反応させて、少なくとも１つの気体生成物および少なくとも１つの非気体生成物を生成するステップと；任意に、気体生成物の少なくとも一部分をアノードインレット、カソードインレットまたはそれらの組み合わせにリサイクルするステップとを含んでなる方法。
実施形態２
リサイクルするステップが、気体生成物からＣＯ２を除去し、ＣＯ２濃縮流と、ＣＯ２、ＣＯおよびＨ２を含んでなる分離された合成ガス生成物とを製造するステップと；任意に、分離された合成ガス生成物の少なくとも一部分を酸化させるステップと；次いで、分離された合成ガス生成物の少なくとも一部分をアノードインレット、カソードインレットまたはそれらの組み合わせにリサイクルするステップとを含んでなる、実施形態１の方法。
実施形態３
気体生成物が、（ｉ）未反応のＨ２、（ｉｉ）未反応のＣＯ、ならびに（ｉｉｉ）Ｃ４−炭化水素および／またはＣ４−酸素化化合物の１つ以上を含んでなるテールガス流を含んでなる、実施形態１または２の方法。
実施形態４
アノード排出物流の少なくとも一部分を水性ガスシフト触媒に暴露して、シフトされたアノード排出物（これは、アノード排出物におけるＨ２対ＣＯのモル比より低いＨ２対ＣＯのモル比を任意に有することができる）を形成するステップと、次いで、シフトされたアノード排出物の少なくとも一部分から水およびＣＯ２を除去して、精製されたＨ２流を生成するステップ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５
アノード流出物ガス流の少なくとも一部分を水性ガスシフト触媒に暴露して、シフトされたアノード流出物（これは、アノード流出物ガス流におけるＨ２対ＣＯのモル比より低いＨ２対ＣＯのモル比を任意に有することができる）を形成するステップ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６
カソードインレット流が燃焼タービン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
アノード排出物が、少なくとも約３．０：１（例えば、少なくとも約４．０：１、約３．０：１〜約１０：１、または約４．０：１〜約１０：１）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８
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る改質可能燃料の量が、電気を発生させるために溶融カーボネート燃料電池で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９
アノード排出物の合成ガスの正味のモル対カソード排出物のＣＯ２のモルの比率が、少なくとも約２．０（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）、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１０
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１１
溶融カーボネート燃料電池を作動させて、少なくとも約１５０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において電力および少なくとも約４０ｍＷ／ｃｍ２（例えば、少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ２、少なくとも約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、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との間の温度差を維持するために有効量の吸熱反応を実行するステップ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１２
吸熱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、実施形態１１の方法。
実施形態１３
溶融カーボネート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。
実施形態１４
溶融カーボネート燃料電池が、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１５
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る改質可能燃料の量が、少なくとも約１．５（例えば、少なくとも約２．０、少なくとも約２．５、または少なくとも約３．０）の改質可能燃料過剰比率を提供する、上記実施形態のいずれかの方法。
本群の実施形態はグループＳである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、炭化水素化合物を合成する方法であって、改質可能燃料を含んでなる燃料流を、溶融カーボネート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を含んでなり、任意に燃焼タービンからの排出物を含んでなるカソードインレット流を、燃料電池のカソードに導入するステップと；溶融カーボネート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ＣＯ２を分離して、アノード流出物ガス流を生成するステップと；メタノール合成触媒の存在下、メタノールを形成し、少なくとも１つのメタノール含有流、および気体または液体生成物を含んでなる１つ以上の流れを生成するために有効な条件で、アノード流出物ガス流の少なくとも一部分を反応させるステップと；気体または液体生成物を含んでなる１つ以上の流れの少なくとも一部分をリサイクルして、カソードインレット流の少なくとも一部分を形成するステップとを含んでなる方法。
実施形態２
約１．７〜約２．３（例えば、約１．８〜約２．３、約１．９〜約２．３、約１．７〜約２．２、約１．８〜約２．２、約１．９〜約２．２、約１．７〜約２．１、約１．８〜約２．１、または約１．９〜約２．１）の、Ｍ＝［Ｈ２−ＣＯ２］／［ＣＯ＋ＣＯ２］として定義されるアノード流出物ガス流のモジュール値Ｍを達成するために、（例えば、それからＣＯ２を除去することによって、逆水性ガスシフトプロセスを実行することによって、またはそれらの組み合わせによって、）アノード排出物、アノード流出物ガス流体またはそれらの組み合わせの組成を調節するステップをさらに含んでなる、実施形態１の方法。
実施形態３
調節するステップが、アノード排出物またはアノード流出物ガス流を分割して、第１の分割された流れおよび第２の分割された流れを形成するステップと；第１の分割された流れにおいて逆水性ガスシフトを実行して、第１のシフトされた流れを形成するステップと；第１のシフトされた流れの少なくとも一部分を、第２のシフトされた流れの少なくとも一部分と組み合わせて、調節されたアノード排出物または調節されたアノード流出物ガス流体を形成するステップとを含んでなる、実施形態２の方法。
実施形態４
アノード排出物が、少なくとも約３．０：１（例えば、少なくとも約４．０：１、または少なくとも約５．０：１）、かつ任意に約１０：１以下のモル比を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態５
メタノール合成触媒の存在下で反応させる前に、アノード流出物ガス流の少なくとも一部分を圧縮するステップ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６
気体または液体生成物を含んでなる１つ以上の流れが、（ｉ）Ｃ２＋アルコールを含んでなる少なくとも１つの流れ、（ｉｉ）Ｈ２、ＣＯ、改質可能燃料またはそれらの組み合わせを含んでなる少なくとも１つの流れ、あるいは（ｉｉｉ）（ｉ）および（ｉｉ）の両方を含む、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態７
反応させるステップが、メタノール合成触媒の存在下で反応させるためにリサイクルされる合成ガスを含んでなる少なくとも１つの流れをさらに生成する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態８
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９
燃料流が、少なくとも５体積％（例えば、少なくとも約１０体積％、少なくとも約２０体積％、少なくとも約３０体積％、少なくとも約３５体積％または少なくとも約４０体積％）の（例えば、ＣＯ２および／またはＮ２を含んでなる）不活性ガスを含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１０
有効なメタノール合成条件が、約５ＭＰａｇ〜約１０ＭＰａｇの圧力および約２５０℃〜約３００℃の温度を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１１
アノード排出物、アノード流出物ガス流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んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１２
溶融カーボネート燃料電池が、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１３
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る改質可能燃料の量が、少なくとも約１．５（例えば、少なくとも約２．０、少なくとも約２．５、または少なくとも約３．０）の改質可能燃料過剰比率を提供する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１４
アノード排出物の合成ガスの正味のモル対カソード排出物のＣＯ２のモルの比率が、少なくとも約２．０（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）、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１５
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１６
溶融カーボネート燃料電池を作動させて、少なくとも約１５０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において電力および少なくとも約４０ｍＷ／ｃｍ２（例えば、少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ２、少なくとも約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、約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有効量の吸熱反応を実行するステップをさらに含んでなり、吸熱反応を実行することによって、廃熱の少なくとも約４０％が任意に消費される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１７
溶融カーボネート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。
本群の実施形態はグループＴである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、改質可能燃料を含んでなる燃料流を、溶融カーボネート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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードに導入するステップと；溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させるステップと；Ｈ２およびＣＯ２を含んでなるアノード排出物を生成させるステップと；アノード排出物において分離（例えば、膜を使用して）を実行し、アノード排出物のＣＯ２含有量より高いＣＯ２含有量を有するＣＯ２豊富ガス流、ならびにアノード排出物のＣＯ２含有量より低いＣＯ２含有量を有し、任意にＨ２豊富ガス流および合成ガス流を含んでなるＣＯ２欠乏ガス流を形成するステップと；ＣＯ２欠乏ガス流を、１つ以上の第２の精製装置プロセスに送達するステップとを含んでなる、精製装置において水素を発生させる方法。
実施形態２
カソードインレット流が、１つ以上の第１の精製装置プロセスから直接または間接的に誘導される１つ以上のＣＯ２含有流を含んでなる、実施形態１の方法。
実施形態３
溶融カーボネート燃料電池が、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、または約０．２５〜約０．７５）の熱比率で作動される、実施形態１または２の方法。
実施形態４
１つ以上の分離段階において、アノード排出物、ＣＯ２欠乏流、およびＣＯ２豊富流の少なくとも１つからＨ２Ｏを分離するステップ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５
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る改質可能燃料の量が、少なくとも約１．５（例えば、少なくとも約２．０、少なくとも約２．５、または少なくとも約３．０）の改質可能燃料過剰比率を提供する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態６
アノード排出物における合成ガスの正味のモル対カソード排出物におけるＣＯ２のモルの比率が、少なくとも約２．０（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７
アノードにおける燃料利用が、約５０％以下（例えば、約４５％以下、約４０％以下、約３５％以下、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８
少なくとも約１５０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を提供する第１の作動条件で溶融カーボネート燃料電池が作動されて、電力および少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ２（例えば、少なくとも約８０ｍＷ／ｃｍ２、または少なくとも１００ｍＷ／ｃｍ２）の廃熱が発生し、かつ有効量の吸熱反応が、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との間の温度差を維持するために実行される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態９
吸熱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、実施形態８の方法。
実施形態１０
溶融カーボネート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％、または約１０％〜約２０％）であり、かつ溶融カーボネート燃料電池の全燃料電池効率が、少なくとも約５５％（例えば、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。
実施形態１１
１つ以上の第１の精製装置プロセスの少なくとも１つのプロセスが、１つ以上の第２の精製装置プロセスのプロセスであること；燃料流が、１つ以上の第３の精製装置プロセスから誘導されること；およびアノード排出物が、少なくとも約３．０：１のＨ２対ＣＯのモル比を有し、かつ少なくとも約１０体積％のＣＯ２含有量を有することの１つ以上が満たされる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１２
燃料流の少なくとも一部分が、アノードに導入される前に予備改質段階を通過する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３
燃料流の少なくとも一部分が、アノードに導入される前に脱硫段階を通過する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１４
水性ガスシフトプロセスを使用して、アノード排出物、ＣＯ２豊富ガス流、およびＣＯ２欠乏ガス流の１つ以上のＨ２含有量を変更するステップ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１５
ＣＯ２欠乏ガス流が、第１のＨ２純度を有する第１のＨ２豊富流および第２のＨ２純度を有する第２のＨ２豊富流にさらに分離され、第２のＨ２豊富流が、第１のＨ２豊富流より高い圧力まで圧縮される、上記実施形態のいずれかの方法。
本群の実施形態はグループＵである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、窒素含有化合物を合成する方法であって、改質可能燃料を含んでなる燃料流を、溶融カーボネート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を、燃料電池のカソードに導入するステップと；溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させるステップと；Ｈ２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ＣＯ２を分離して、アノード排出物のＣＯ２含有量より高いＣＯ２含有量を有するＣＯ２富化流と、アノード排出物のＨ２含有量より高いＨ２含有量を有するＣＯ２欠乏ガス流を生成するステップと；アンモニア合成プロセスにおいて、ＣＯ２欠乏ガス流の少なくとも一部分を使用するステップおよび／または有機窒素含有化合物（例えば尿素）を形成するための第２の合成プロセスにおいて、ＣＯ２富化流の少なくとも一部分を使用するステップとを含んでなる方法。
実施形態２
ＣＯ２欠乏ガス流の少なくとも一部分を使用するステップが、少なくとも１つのアンモニア含有流および気体または液体生成物を含んでなる１つ以上の流れ（これは、Ｈ２および／またはＣＨ４を含んでなる少なくとも１つの流れを含む気体または液体生成物を含んでなる１つ以上の流れを含むことができる）を形成するように、有効なアンモニア合成条件で、ＣＯ２欠乏ガス流の少なくとも一部分を触媒に暴露するステップと、任意に、少なくとも気体または液体生成物を含んでなる１つ以上の流れの少なくとも一部分をリサイクルし、カソードインレット流の少なくとも一部分を形成するステップとを含んでなる、実施形態１の方法。
実施形態３
ＣＯ２が分離される前のアノード排出物、アノード排出物の少なくとも一部分、アンモニア合成プロセスに使用される前のＣＯ２欠乏ガス流、ＣＯ２欠乏ガス流の少なくとも一部分、またはそれらの組み合わせの組成を調節するステップ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４
組成を調節するステップが、（ｉ）水性ガスシフトプロセスを実行するステップ、（ｉｉ）逆水性ガスシフトプロセスを実行するステップ、（ｉｉｉ）組成物の含水量を低下させるために分離を実行するステップ、および（ｉｖ）組成物のＣＯ２含有量を低下させるために分離を実行するステップの１つ以上を含んでなる、実施形態３の方法。
実施形態５
ＣＯ２欠乏ガス流の少なくとも一部分が、ＣＯ２欠乏ガス流からＨ２濃縮流を分離することによって形成され、分離されたＨ２濃縮流が、少なくとも約９０体積％のＨ２（例えば、少なくとも約９５体積％のＨ２、少なくとも約９８体積％のＨ２または少なくとも約９９体積％のＨ２）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
アノード排出物が、少なくとも約３．０：１（例えば、少なくとも約４．０：１）、また任意に約１０：１以下のモル比を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態７
カソード排出物から、Ｎ２を含んでなるガス流を回収するステップと；アンモニア合成プロセスにおいてＮ２の供給源として、Ｎ２を含んでなる回収されたガス流の少なくとも一部分を使用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８
第２の合成プロセスが、アンモニア合成プロセスからのアンモニアを使用して、有機窒素含有化合物を形成するステップ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９
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１０
有効なアンモニア合成条件が、約６ＭＰａｇ〜約１８ＭＰａｇの圧力および約３５０℃〜約５００℃の温度を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１１
カソードインレット流が燃焼タービン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１２
酸素富化オフガス流の少なくとも一部分がカソードインレットに送達されるように、かつ窒素富化生成物流の少なくとも一部分がアンモニア合成プロセスに送達されるように、空気をＰＳＡ装置に通過させ、窒素富化生成物流および酸素富化オフガス流を発生させる空気分離ステップから、カソードインレット流中のＯ２の少なくとも一部分が誘導される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３
カソード排出物から、Ｎ２を含んでなるＮ２富化ガス流を回収するステップと；（例えば、Ｎ２富化ガス流の少なくとも一部分を、有効な合成条件で合成触媒に曝露することによって、）アンモニア合成プロセスにおけるＮ２の供給源としてＮ２富化ガス流の少なくとも一部分を使用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１４
アンモニア合成プロセスにおけるＮ２の供給源としてカソード排出物流の少なくとも一部分を使用するステップが、Ｎ２の濃度を増加させるためにＮ２富化ガス流における分離プロセスおよび精製プロセスの少なくとも１つを実行するステップと、次いで、増加したＮ２濃度を有するＮ２富化ガス流の少なくとも一部分をアンモニア合成プロセスに通過させるステップとを含んでなる、実施形態１３の方法。
実施形態１５
アノード排出物、ＣＯ２富化ガス流、ＣＯ２欠乏ガス流およびカソード排出物の少なくとも１つからＨ２Ｏを分離するステップ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１６
ＣＯ２富化ガス流、ＣＯ２欠乏ガス流およびアノード排出物流の少なくとも一部分の１つ以上を水性ガスシフト触媒に曝露するステップ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１７
カソードインレット流が燃焼タービン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１８
アノード排出物の１０体積％未満が、アノードまたはカソードに直接的または間接的にリサイクルされる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１９
アノード排出物のいずれの部分もアノードに直接的または間接的にリサイクルされない、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態２０
アノード排出物のいずれの部分もカソードに直接的または間接的にリサイクルされない、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態２１
単回通過でアノードにおいて生成したＨ２の１０体積％未満が、アノードまたはカソードに直接的または間接的にリサイクルされる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態２２
改質可能燃料を改質するステップをさらに含んでなり、アノード、アノードと関連する改質段階、またはそれらの組み合わせに導入される改質可能燃料の少なくとも約９０％がアノードの単回通過によって改質される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態２３
アノード、アノードと関連する改質段階、またはそれらの組み合わせに導入される改質可能燃料の改質可能水素含有量が、電気を発生させるために反応する水素の量より少なくとも約５０％（例えば、少なくとも約７５％、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２４
改質可能燃料過剰比率が、少なくとも約２．０（例えば、少なくとも約２．５、または少なくとも約３．０）である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態２５
カソードのＣＯ２利用が少なくとも約５０％（例えば、少なくとも約６０％）である、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態２６
溶融カーボネート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％、または約１０％〜約２０％）であり、かつ溶融カーボネート燃料電池の全燃料電池効率が、少なくとも約５５％（例えば、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。
実施形態２７
溶融カーボネート燃料電池が、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、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２８
アノード排出物の合成ガスの正味のモル対カソード排出物のＣＯ２のモルの比率が、少なくとも約２．０（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）、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２９
アノードにおける燃料利用が、約５０％以下（例えば、約４５％以下、約４０％以下、約３５％以下、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３０
溶融カーボネート燃料電池が、少なくとも約１５０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を提供する第１の作動条件で作動されて、電力および少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ２（例えば、少なくとも１００ｍＷ／ｃｍ２）の廃熱を発生させ、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との間の温度差を維持するために有効量の吸熱反応が実行される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態３１
吸熱反応を実行するによって、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、実施形態３０の方法。
本群の実施形態はグループＶである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、改質可能燃料を含んでなる燃料流を、溶融カーボネート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を、溶融カーボネート燃料電池のカソードに導入するステップと；溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させるステップと；約５００ｋＰａｇ以下の圧力を有するアノード排出物から、ＣＯを含んでなる第１のガス流を回収するステップと；アノード排出物から回収された第１のガス流を、鉄および／または鉄鋼の製造のためのプロセスに導入するステップとを含んでなる、鉄および／または鉄鋼の製造方法。
実施形態２
鉄および／または鉄鋼の製造プロセスに熱を提供するために、発生した電気を使用するステップをさらに含んでなる、実施形態１の方法。
実施形態３
アノード排出物からＨ２を含んでなる第２のガス流を回収するステップと、鉄および／または鉄鋼の製造プロセスを加熱するための燃料として、第２のガス流を使用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４
アノード排出物、アノード排出物から回収された第１のガス流、またはそれらの組み合わせから水を分離するステップと、分離された水を使用してプロセススラグを洗浄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５
カソードインレット流が、鉄および／または鉄鋼の製造プロセスによって生成されたＣＯ２含有排出物の少なくとも一部分を含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態６
鉄および／または鉄鋼の製造プロセスによって生成されたＣＯ２含有排出物からＣＯ２を分離するステップをさらに含んでなる、実施形態５の方法。
実施形態７
鉄および／または鉄鋼の製造プロセスに回収された第１のガス流を導入する前に、第１の回収されたガス流を、有効な水性ガスシフト条件下で、水性ガスシフト触媒に暴露するステップ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８
溶融カーボネート燃料電池が、約１．０以下の熱比率で電気を発生させるように作動され、鉄および／または鉄鋼の製造プロセスから（例えば、炉から）の熱を溶融カーボネート燃料電池に、熱を伝達するステップをさらに含んでなり、アノード排出物の温度が、アノードインレットの温度より高い、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態９
熱を伝達するステップが、アノードインレット流と、鉄および／または鋼鉄製造プロセス炉、ならびに鉄および／または鋼鉄製造プロセス排出物の少なくとも１つとの間で熱交換を実行するステップを含んでなり、熱交換を実行するステップが、任意に、アノードインレット流の温度を少なくとも約１００℃（例えば、少なくとも約１５０℃）増加させるステップを含んでなる、実施形態８の方法。
実施形態１０
鉄および／または鉄鋼の製造プロセスにガス流を導入する前に、回収されたガス流を、有効な水性ガスシフト条件下で、水性ガスシフト触媒に暴露するステップ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１１
アノード排出物、回収された第１のガス流、またはそれらの組み合わせから水を分離するステップと、分離された水を使用してプロセススラグを洗浄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１２
アノードに、アノードと関連する内部改質要素に、またはそれらの組み合わせに導入される改質可能燃料の量が、少なくとも約１．５（例えば、少なくとも約２．０、少なくとも約２．５、または少なくとも約３．０）の改質可能燃料過剰比率を提供する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３
改質可能燃料を改質するステップをさらに含んでなり、アノードに、アノードと関連する内部改質要素に、またはそれらの組み合わせに導入される改質可能燃料の少なくとも約９０％が、アノードを通して単回通過で改質される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１４
燃料電池アノード排出物における合成ガスの正味のモル対燃料電池カソード排出物におけるＣＯ２のモルの比率が、少なくとも約２．０（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）、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１５
アノードにおける燃料利用が、約６５％以下（例えば、約６０％以下、約５０％以下、約４０％以下、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５０％（例えば、少なくとも６０％、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１６
溶融カーボネート燃料電池の電気効率が、約１０％〜約４０％（例えば、約１０％〜約２０％、約１０％〜約２５％、約１０％〜約３０％、約１０％〜約３５％）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。
実施形態１７
アノード排出物が、少なくとも約３．０：１（例えば、少なくとも約４．０：１、約３．０：１〜約１０：１、または約４．０：１〜約１０：１）のＨ２：ＣＯのモル比を有する、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１８
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１９
単回通過においてアノードで生成するＨ２の１０体積％未満が、アノードまたはカソードに、直接的に、または間接的にリサイクルされる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態２０
アノード、アノードと関連する改質段階、またはそれらの組み合わせに導入される改質可能燃料の改質可能水素含有量が、電気を発生させるために反応する水素の量よりも、少なくとも約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２１
溶融カーボネート燃料電池が、１つ以上の集積化された吸熱反応段階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２２
集積化された吸熱反応段階の少なくとも１つが、集積化された改質段階を含んでなり、アノードに導入される燃料流が、アノードに入る前に、任意に、集積化された改質段階の少なくとも１つを通過する、実施形態２１の方法。
実施形態２３
少なくとも約１５０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を提供する第１の作動条件で溶融カーボネート燃料電池を作動させて、電力および少なくとも約３０ｍＷ／ｃｍ２（例えば、少なくとも約４０ｍＷ／ｃｍ２、少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ２、または少なくとも１００ｍＷ／ｃｍ２）の廃熱が発生し、かつ有効量の吸熱反応が、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との間の温度差を維持するために実行される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態２４
吸熱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、実施形態２３の方法。
実施形態２５
溶融カーボネート燃料電池を、約０．６８Ｖ未満（例えば、約０．６７Ｖ未満、約０．６６Ｖ未満、または約０．６５Ｖ以下）、かつ任意に少なくとも約０．６０Ｖ（例えば、少なくとも約０．６１Ｖ、少なくとも約０．６２Ｖ、または少なくとも約０．６３Ｖ）の電圧ＶＡで作動させる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態２６
改質可能燃料を改質するステップをさらに含んでなり、アノード、アノードと関連する改質段階、またはそれの組み合わせに導入される改質可能燃料の少なくとも約９０％が、アノードを通して単回通過で改質される、上記実施形態のいずれかの方法。
本群の実施形態はグループＷである。「上記実施形態のいずれか」という指示は、本群の中の他の実施形態のみを参照することを意味するのに対して、「上記実施形態の群のいずれか」という指示は、１つ以上の他の群からの実施形態のいずれかの個々または組み合わせを参照することを意味する。
実施形態１
上記実施形態の群のいずれかに加えて、または代わりとして、発酵生成物を製造する方法であって、改質可能燃料を含んでなる燃料流を、溶融カーボネート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を、燃料電池のカソードに導入するステップと；溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させるステップと；アノード排出物からＨ２含有流、合成ガス含有流またはそれらの組み合わせを分離するステップと；バイオマスを処理して、少なくとも１つの発酵生成物および発酵排出物を生成するステップと；少なくとも１つの発酵生成物を蒸留するが、蒸留のための熱の少なくいくつかが、アノード排出物との熱交換、合成ガス含有流の燃焼、Ｈ２含有流の燃焼、溶融カーボネート燃料電池内で発生する電気を使用する電気的加熱、またはそれらの組み合わせによって提供されるステップとを含んでなり、以下の１つ以上をさらに含んでなる方法：ａ）カソードインレット流は、発酵排出物の少なくとも一部分を含んでなる；ｂ）処理ステップは、アノード排出物から分離されたＨ２Ｏ、合成ガス含有流から分離されたＨ２Ｏ、Ｈ２含有流から分離されたＨ２Ｏ、またはそれらの組み合わせの存在下で実行される；ｃ）改質可能燃料は、発酵生成物の一部分を含んでなり、改質可能燃料は、任意に、発酵生成物の少なくとも５０体積％（例えば、少なくとも６０体積％または少なくとも７０体積％）を含有し、発酵生成物の一部分は、任意に、約１．５：１〜約３．０：１（例えば、約１．５：１〜約２．５：１）の水対炭素比を有する発酵生成物の蒸留部分である；ｄ）処理ステップは、実質的に発酵性バイオマス部分を実質的に非発酵性バイオマス部分から分離するステップを含んでなり、実質的に非発酵性バイオマス部分は、Ｈ２含有ガス流の少なくとも一部分、合成ガス含有流の少なくとも一部分、またはそれらの組み合わせの存在下で、１つ以上の熱的、化学的および／または熱化学的プロセスで処理される；ｅ）溶融カーボネート燃料電池のアノード、溶融カーボネート燃料電池の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る改質可能な燃料の量は、少なくとも約２．０の改質可能燃料過剰比率を提供する；ｆ）溶融カーボネート燃料電池のアノード、溶融カーボネート燃料電池の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る改質可能燃料の改質可能水素含有量は、電気を発生させるために酸化された水素の量よりも少なくとも約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）；ｇ）溶融カーボネート燃料電池の電気効率は、約１０％〜約４０％（例えば、約１０％〜約３５％、約１０％〜約３０％、または約１０％〜約２５％）であり、かつ燃料電池の全燃料電池効率は、少なくとも約５５％（例えば、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；ｈ）溶融カーボネート燃料電池は、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、または約０．２５〜約０．７５）の熱比率で作動される；ｉ）アノード排出物の合成ガスの正味のモル対カソード排出物のＣＯ２のモルの比率は、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）、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；ｊ）溶融カーボネート燃料電池のアノードにおける燃料利用は、約５０％以下（例えば、約４０％以下、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；ｋ）溶融カーボネート燃料電池は、少なくとも約１５０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を提供する第１の作動条件で作動されて、電力および少なくとも約１００ｍＷ／ｃｍ２の廃熱を発生させ、約８０℃以下（例えば、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との間の温度差を維持するために有効量の吸熱反応が実行される；ｌ）溶融カーボネート燃料電池は、約０．６０ボルト〜約０．６７ボルト（例えば、約０．６０ボルト〜約０．６５ボルト、約０．６２ボルト〜約０．６７ボルト、または約０．６２ボルト〜約０．６５ボルト）の電圧ＶＡで作動される溶融カーボネート燃料電池は、任意に約６５％以下の燃料利用で作動される；ｍ）カソードインレット流は、燃焼タービン排出物の少なくとも一部分を含んでなり、アノード排出物の少なくとも一部分はアノードにリサイクルされる；ｎ）カソードインレット流は、燃焼タービン排出物の少なくとも一部分を含んでなり、アノード排出物の少なくとも一部分は、アノードリサイクル燃焼タービンの燃焼領域の燃料として使用され、燃焼タービンの燃焼領域のための任意の第２の燃料流は、任意に、少なくとも約３０体積％のＣＯ２および／または少なくとも約３５体積％のＣＯ２と不活性物質との組み合わせ（例えば、少なくとも約４０体積％のＣＯ２と不活性物質との組み合わせ、少なくとも約４５体積％のＣＯ２と不活性物質との組み合わせ、または少なくとも約５０体積％のＣＯ２と不活性物質との組み合わせ）を含んでなる；ｏ）カソードインレット流は、燃焼タービン排出物の少なくとも一部分を含んでなり、アノード排出物の少なくとも第１の部分は、アノードリサイクル燃焼タービンの燃焼領域の燃料として使用され、かつアノード排出物の少なくとも第２の部分は、溶融カーボネート燃料電池のアノードにリサイクルされる；ｐ）カソードインレット流は、燃焼タービン排出物の少なくとも一部分を含んでなり、カソードインレット流は、少なくとも約２０ｖｐｐｍのＮＯｘを含んでなり、かつカソード排出物は、カソードインレット流のＮＯｘ含有量の約半分未満を含んでなる；ｑ）上記方法は、Ｈ２含有ガス流の少なくとも一部分を燃焼して、電気を発生させるステップをさらに含んでなり、燃焼するステップが、任意に、第２のタービンの燃焼領域において実行され、かつカソードインレット流が、任意に、炭素含有燃料の燃焼によって生成する燃焼タービン排出物の少なくとも一部分を含んでなる；ｒ）上記方法は、メタノール合成触媒の存在下、メタノールを形成し、少なくとも１つのメタノール含有流、および気体または液体生成物を含んでなる１つ以上の流れを生成するために有効な条件で、合成ガス含有流の少なくとも一部分を反応させるステップと；任意に、気体または液体生成物を含んでなる１つ以上の流れの少なくとも一部分をリサイクルして、カソードインレット流の少なくとも一部分を形成するステップをさらに含んでなる；ｓ）上記方法は、１つ以上の第１の精製装置プロセスから誘導される１つ以上のＣＯ２含有流をカソードインレットに任意に送達するステップと、アノード排出物の少なくとも一部分からＣＯ２を分離して、アノード排出物のＣＯ２含有量より高いＣＯ２含有量を有するＣＯ２富化ガス流と、アノード排出物のＣＯ２含有量より低いＣＯ２含有量を有するＣＯ２欠乏ガス流とを形成し、ＣＯ２欠乏ガス流を１つ以上の第２の精製装置プロセスに送達するステップとをさらに含んでなる；ｔ）上記方法は、アノード排出物の少なくとも一部分からＣＯ２を分離して、アノード排出物のＣＯ２含有量より高いＣＯ２含有量を有するＣＯ２富化流と、アノード排出物のＨ２含有量より高いＨ２含有量を有するＣＯ２欠乏ガス流を生成するステップと、アンモニア合成プロセス、有機窒素含有化合物合成プロセス、または両方において、ＣＯ２欠乏ガス流の少なくとも一部分を使用するステップとをさらに含んでなる；ｕ）上記方法は、約５００ｋＰａｇ以下の圧力を有するアノード排出物から、ＣＯを含んでなる第１のガス流を回収するステップと、アノード排出物から回収された第１のガス流を、鉄および／または鉄鋼の製造のためのプロセスに導入するステップと、任意に、アノード排出物からＨ２を含んでなる第２のガス流を回収するステップと、回収された場合、鉄および／または鉄鋼の製造プロセスを加熱するための燃料として、第２のガス流を使用するステップとをさらに含んでなる；ｖ）上記方法は、Ｈ２，ＣＯ、Ｈ２Ｏ，および少なくとも２０体積％のＣＯ２を含んでなるアノード排出物を生成するステップと、シフト型フィッシャー−トロプシュ触媒の存在下、有効なフィッシャー−トロプシュ条件でアノード排出物の少なくとも一部を反応させ、少なくとも１つの気体生成物および少なくとも１つの非気体生成物を生成し、アノード排出物の少なくとも一部分におけるＣＯ２濃度が、アノード排出物のＣＯ２濃度の少なくとも８０％であるステップと、少なくとも１つの気体生成物の少なくとも一部分をカソードインレットにリサイクルするステップをさらに含んでなる；ｗ）上記方法は、Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２およびＨ２Ｏを含んでなり、かつ少なくとも約２．５：１のＨ２対ＣＯ比率を有す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のＨ２対ＣＯの比率を、約１．７：１〜約２．３：１の比率に低下させ、アノード排出物のＣＯ２濃度の少なくとも６０％であるＣＯ２濃度を有する古典的な合成ガス流を形成するステップと；非シフト型フィッシャー−トロプシュ触媒の存在下、有効なフィッシャー−トロプシュ条件で古典的な合成ガス流を反応させ、少なくとも１つの気体生成物および少なくとも１つの非気体生成物を生成するステップと、任意に少なくとも１つの気体生成物の少なくとも一部分をカソードインレットにリサイクルするステップとをさらに含んでなる；ｘ）上記方法は、Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２を含んでなり、かつ少なくとも約２．５：１のＨ２対ＣＯ比率を有し、かつ少なくとも約２０体積％のＣＯ２含有量を有す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水およびＣＯ２を除去し、アノード排出物の水の濃度の半分未満の水の濃度を有するか、アノード排出物のＣＯ２の濃度の半分未満のＣＯ２の濃度を有するか、またはそれらの組み合わせであり、かつ約２．３：１以下のＨ２対ＣＯの比率を有するアノード流出物ガス流を生成するステップと、非シフト型フィッシャー−トロプシュ触媒上でアノード流出物ガス流の少なくとも一部分を反応させて、少なくとも１つの気体生成物および少なくとも１つの非気体生成物を生成するステップとをさらに含んでなる。
実施形態２
カソードインレット流が、アノード排出物、アノード排出物から回収されるどんなガス流体の少なくとも一部分でもまたはそれらの組み合わせの少なくとも一部分を含んでなる、実施形態１の方法。
実施形態３
カソードインレット流が、燃焼反応からの排出物の少なくとも一部分、燃焼タービンからの排出物またはそれらの組み合わせを含んでなる、実施形態１または２の方法。
実施形態４
ＣＯ２が、アノード排出物から、アノード排出物から回収されたいずれかガス流から、またはそれらの組み合わせから分離され、分離されたＣＯ２の少なくとも一部分が、任意に、発酵排出物の少なくとも一部分と組み合わされる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態５
Ｈ２Ｏが、アノード排出物から、アノード排出物から回収されたいずれかのガス流から、またはそれらの組み合わせから分離される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態６
Ｈ２Ｏをアノード排出物から分離するステップと、バイオマスの処理の間に分離されたＨ２Ｏを使用して、少なくとも１つの発酵生成物を生成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７
溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させるステップが、バイオマスの処理の電気需要、バイオマスの処理の熱需要、および発酵生成物の蒸留の熱需要の少なくとも１つをベースとして選択される燃料利用において燃料電池を作動させ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８
改質可能燃料が、バイオマスの処理によって生成されるバイオマス残渣の嫌気性消化によって、バイオマスから誘導される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態９
改質可能燃料の少なくともいくつかが、バイオマスの処理によって生成したバイオマス残渣の部分的酸化および／またはガス化によってバイオマスから誘導される、実施形態８の方法。
実施形態１０
少なくとも１つの発酵生成物がエタノールを含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１１
ＣＯ２富化流をアノード排出物から分離するステップと、光合成藻類成長プロセスの一部としてＣＯ２富化流を使用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１２
改質可能燃料が、藻類成長池で発生する藻類バイオマスから誘導される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１３
ＣＯ２富化流をアノード排出物から分離するステップと、カソードインレットにＣＯ２富化流れの少なくとも一部分を送達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１４
蒸留のための熱の少なくともいくらかが、発酵生成物の燃焼をベースとして提供される、上記実施形態のいずれかの方法。
実施形態１５
アノード排出物が、少なくとも約３．０：１のＨ２：ＣＯのモル比を有する、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、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。
本明細書の開示内容は、以下の態様を含み得る。
（態様１）
アノードおよびカソードを含む溶融カーボネート燃料電池を使用して、電気および水素または合成ガスを発生させる方法であって、
改質可能燃料を含む燃料流を、前記溶融カーボネート燃料電池の前記アノード、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ことと；
ＣＯ ２ およびＯ ２ を含むカソードインレット流を、前記溶融カーボネート燃料電池の前記カソードに導入することと；
約６５％以下（例えば、約６０％以下、約５５％以下、約５０％以下、約４５％以下、約４０％以下、約３５％以下、約３０％以下、約２５％以下または約２０％以下）の燃料利用において、電池作動電圧：電池最大電圧の比率が、約０．６５以下（例えば、約０．６４以下、約０．６３以下、約０．６２以下または約０．６１以下）である電池作動電圧において、前記溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させることと；
前記溶融カーボネート燃料電池のアノードアウトレットからアノード排出物を発生させることと；
前記アノード排出物から、Ｈ ２ 含有流、合成ガス含有流またはそれらの組み合わせを分離することと
を含む、方法。
（態様２）
前記改質可能燃料を改質することをさらに含み、前記溶融カーボネート燃料電池の前記アノード、前記溶融カーボネート燃料電池の前記アノードと関連する前記内部改質要素またはそれらの組み合わせに導入される前記改質可能燃料の少なくとも約９０％が、前記溶融カーボネート燃料電池の前記アノードを通る単回通過において改質される、態様１に記載の方法。
（態様３）
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それらの組み合わせに導入される前記改質可能燃料の改質可能水素含有量が、電気を発生させるために酸化される水素の量よりも少なくとも約７５％多い（例えば、少なくとも約１００％多い）、態様１または２に記載の方法。
（態様４）
前記カソードのＣＯ ２ 利用が少なくとも約５０％（例えば、少なくとも約６０％）である、態様１〜３のいずれか１項に記載の方法。
（態様５）
前記アノード燃料流が、少なくとも約１０体積％の不活性化合物、少なくとも約１０体積％のＣＯ ２ またはそれらの組み合わせを含む、態様１〜４のいずれか１項に記載の方法。
（態様６）
前記アノード排出物が、約１．５：１〜約１０．０：１（例えば、約３．０：１〜約１０：１）のＨ ２ ：ＣＯのモル比を有するＨ ２ およびＣＯを含む、態様１〜５のいずれか１項に記載の方法。
（態様７）
前記Ｈ ２ 含有流が、少なくとも約９０％のＨ ２ （例えば、約９５体積％のＨ ２ または約９８体積％のＨ ２ ）を含む、態様１〜６のいずれか１項に記載の方法。
（態様８）
前記カソードインレット流が、約２０体積％以下のＣＯ ２ （例えば、約１５体積％以下のＣＯ ２ または約１２体積％以下のＣＯ ２ ）を含む、態様１〜７のいずれか１項に記載の方法。
（態様９）
前記Ｈ ２ 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ことをさらに含む、態様１〜８のいずれか１項に記載の方法。
（態様１０）
前記改質可能燃料の少なくとも約９０体積％がメタンである、態様１〜９のいずれか１項に記載の方法。
（態様１１）
前記溶融カーボネート燃料電池を、約０．２５〜約１．５（例えば、約０．２５〜約１．２５、約０．２５〜約１．０、約０．２５〜約０．９または約０．２５〜約０．８５）の熱比率で作動させる、態様１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
（態様１２）
前記アノード排出物における合成ガスの正味のモル数：カソード排出物におけるＣＯ ２ のモル数の比率が、少なくとも約２．０：１（例えば、少なくとも約２．５：１または少なくとも約３：１）である、態様１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
（態様１３）
前記アノードにおける燃料利用が、約５０％以下（例えば、約４５％以下、約４０％以下、約３５％以下、約３０％以下、約２５％以下または約２０％以下）であり、前記カソードにおけるＣＯ ２ 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、態様１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
（態様１４）
前記溶融カーボネート燃料電池を作動させて、少なくとも約１５０ｍＡ／ｃｍ ２ の電流密度において電力を発生させ、少なくとも約４０ｍＷ／ｃｍ ２ （例えば、少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ ２ 、少なくとも約６０ｍＷ／ｃｍ ２ 、少なくとも約８０ｍＷ／ｃｍ ２ または少なくとも約１００ｍＷ／ｃｍ ２ ）の廃熱を発生させ、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前記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有効量の吸熱反応を実行することをさらに含み、任意に前記吸熱反応を実行することによって、前記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７０％）が消費される、態様１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
（態様１５）
前記溶融カーボネート燃料電池の電気効率が、約１０％〜約４０％であり、前記溶融カーボネート燃料電池の全燃料電池効率が、少なくとも約５５％である、態様１〜１４のいずれか１項に記載の方法。

Claims (15)

  1. アノードおよびカソードを含む溶融カーボネート燃料電池を使用して、電気および水素または合成ガスを発生させる方法であって、
    改質可能燃料を含む燃料流を、前記溶融カーボネート燃料電池の前記アノード、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ことと；
    ＣＯ２およびＯ２を含むカソードインレット流を、前記溶融カーボネート燃料電池の前記カソードに導入することと；
    ６５％以下の燃料利用において、電池作動電圧：電池最大電圧の比率が０．６５以下である電池作動電圧において、前記溶融カーボネート燃料電池内で電気を発生させることと；
    前記溶融カーボネート燃料電池のアノードアウトレットからアノード排出物を発生させることと；
    前記アノード排出物から、Ｈ２含有流、合成ガス含有流またはそれらの組み合わせを分離することと
    を含む、方法。
  2. 前記改質可能燃料を改質することをさらに含み、前記溶融カーボネート燃料電池の前記アノード、前記溶融カーボネート燃料電池の前記アノードと関連する前記内部改質要素またはそれらの組み合わせに導入される前記改質可能燃料の少なくとも９０％が、前記溶融カーボネート燃料電池の前記アノードを通る単回通過において改質される、請求項１に記載の方法。
  3. 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それらの組み合わせに導入される前記改質可能燃料の改質可能水素含有量が、電気を発生させるために酸化される水素の量よりも少なくとも７５％多い、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記カソードのＣＯ２利用が少なくとも５０％である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 前記アノードへの前記燃料流が、少なくとも１０体積％の不活性化合物、少なくとも１０体積％のＣＯ２またはそれらの組み合わせを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
  6. 前記アノード排出物が、１．５：１〜１０．０：１のＨ２：ＣＯのモル比を有するＨ２およびＣＯを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 前記Ｈ２含有流が、少なくとも９０％のＨ ２ を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
  8. 前記カソードインレット流が、２０体積％以下のＣＯ ２ を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
  9. 前記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ことをさらに含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
  10. 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１〜９のいずれか１項に記載の方法。
  11. 前記溶融カーボネート燃料電池を、０．２５〜１．５の熱比率で作動させる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. 前記アノード排出物における合成ガスの正味のモル数：カソード排出物におけるＣＯ２のモル数の比率が、少なくとも２．０：１である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
  13. 前記アノードにおける燃料利用が、５０％以下であり、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１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
  14. 前記溶融カーボネート燃料電池を作動させて、少なくとも１５０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において電力を発生させ、少なくとも４０ｍＷ／ｃｍ ２ の廃熱を発生させ、１００℃以下のアノードインレットと前記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有効量の吸熱反応を実行することをさらに含み、任意に前記吸熱反応を実行することによって、前記廃熱の少なくとも４０％が消費される、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
  15. 前記溶融カーボネート燃料電池の電気効率が、１０％〜４０％であり、前記溶融カーボネート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１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
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