JP6758407B2 - 燃料電池システム用の排ガス汚染物質のインサイチュ・モニタリング - Google Patents

燃料電池システム用の排ガス汚染物質のインサイチュ・モニタリング Download PDF

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Description

本願は、２０１６年４月２２日に出願された米国仮特許出願第６２／３２６５０５号の国際特許出願であり、その内容全体を参照によって本願明細書に引用したものとする。
本開示は、燃料電池発電システムに関する。より詳細には、本開示は、燃料電池システム用の排ガス汚染物質のインサイチュ・モニタリングに関する。
燃料電池は、燃料に蓄えられた化学エネルギーを電気化学反応によって電気エネルギーに直接変換する装置である。通常、燃料電池は、帯電イオンを導通するのに役立つ電解質により分離された陽極と陰極を備える。燃料電池は、二酸化炭素および酸素等の酸化性ガスが陰極を通過する一方で、反応燃料ガスを陽極に通すことによって作動する溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）を含むことができる。燃焼ベースの発電所は、石炭、天然ガス、バイオマス、生物ガス、および合成ガスを含む可燃性の炭化水素系燃料を燃焼させることによってエネルギーを発生する。
燃焼プロセスの結果、燃焼ベースの発電所は、大気放出によってしばしば処分される排ガスを発生する。この種の放出は、しかしながら、それらが世界的な気候変動の原因となる二酸化炭素（ＣＯ２）を含むので、環境に有害である。増加している国家的および国際的な法規は、この種の発電システムによって環境に放出されることがありえるＣＯ２の量に厳しい法規を設定している。
したがって、多くの方法が、燃焼ベースの発電所からの二酸化炭素の放出を制御するかまたは制限するために用いられてきた。しかしながら、二酸化炭素を燃焼した後の排ガスから分離することは、二酸化炭素捕獲システムの使用の結果として、エネルギー（電力および／または熱）の著しい損失のため、費用効果的でないことがありえる。二酸化炭素を含む排ガスは、排気ガスに含まれる二酸化炭素を濃縮するために、陰極、陽極、および電解質を含むことができる電気化学的燃料電池へ供給することができる。
ある場合には、燃料電池、例えばＭＣＦＣへ供給される排ガスは、燃料電池に損害を与えることがありえる汚染物質を含むことがありえる。例えば、石炭由来の排ガスで見つかる特定の汚染物質は、ＭＣＦＣに最も大きな危険をもたらす。石炭由来の排ガスは、通常、これらの汚染物質を除去するために強いポリッシング、すなわち、クリーニングを受ける。関連する汚染物質は、硫黄酸化物、セレニウム含有種（および類似のベリリウム種）、粒子状物質、水銀種（例えば、Ｈｇ、ＨｇＯ、ＨｇＣｌ２）、およびハロゲン（例えば、Ｃｌ、Ｆｌ、Ｂｒ、Ｉ）種を含む。天然ガス由来の排ガスは、石炭より著しく低い濃度の汚染物質を含むことがありえるが、下流の燃料電池に損害を与えるのに十分なかなりの量のＳＯＸ種（例えば、ＳＯ２およびＳＯ３）をまだ含むことがありえる。
前述の課題を解決する燃料電池システムのために排ガス中の汚染物質の濃度をモニターする改良されたシステムおよび方法を提供することは有利である。これらの有利な特徴および他の有利な特徴は、本開示を検討している人々にとって明らかである。
本願明細書に記載されている実施形態は、一般に、燃料電池へ供給される排ガス中の汚染物質の濃度をモニターするシステムおよび方法、詳細には、排ガス中の汚染物質の量を測定して、汚染物質の量に基づいて排ガス・ポリッシング・システムおよび／または燃料電池の動作パラメータを調整するシステムおよび方法に関する。
いくつかの実施形態では、発電システムは、排ガスを受けて、そこから電力を発生するように構成される燃料電池分離システムを備える。燃料電池分離システムは、陽極部および陰極部から成る燃料電池を含む。二酸化炭素を含む排ガスは、燃料電池の陰極部に伝えられる。陽極部は、二酸化炭素、水素、一酸化炭素、および他のガスを含む陽極排出ガスを生じる。排ガス・ポリッシング・システムは、燃料電池アセンブリの上流に配置されて、排ガスに含まれる汚染物質を除去するように構成される。排ガスアナライザーは、排ガス・ポリッシング・システムの下流およびその上流の少なくとも一つで排ガスに含まれる汚染物質の量をリアルタイムに測定するように構成される。プラント制御システムは、排ガス・ポリッシング・システム、排ガスアナライザー、および燃料電池に作動的に連結する。プラント制御システムは、排ガスアナライザーにより測定されるポリッシュされた排ガスに含まれる汚染物質の量に基づいて、排ガス・ポリッシング・システムおよび任意に燃料電池の動作パラメータを調整するように構成される。
いくつかの実施形態では、所定の閾値を超える排ガス中の汚染物質の濃度に応じて、プラント制御システムは、排ガスを受ける燃料電池分離システムに含まれる燃料電池を保護するように、少なくとも一つの是正措置をとるように構成される。
いくつかの実施形態では、燃料電池は内部改質ＭＣＦＣである。その一方で、他の実施形態では、燃料電池は外部改質ＭＣＦＣである。
いくつかの実施形態では、排ガスは、化石燃料装置により出力される二酸化炭素および酸素を含む。いくつかの実施形態では、燃料電池分離システムは、ガス分離アセンブリを更に含む。燃料電池によって生じる陽極排出ガスは、ガス分離アセンブリに伝えられることが可能である。ガス分離アセンブリは、陽極排出ガスから二酸化炭素を分離して、隔離するように構成される水除去システム、圧縮器、および／または冷却装置を含むことができる。
一実施形態において、発電システムは、排ガスを受けて、そこから電力を発生するように構成される燃料電池分離システムと、燃料電池分離システムの上流に配置されて、排ガス中の汚染物質を除去するように構成される排ガス・ポリッシング・システムと、排ガス中の汚染物質の量をリアルタイムに測定するように構成される排ガスアナライザーと、排ガス・ポリッシング・システム、排ガスアナライザー、および燃料電池分離システムに作動的に連結して、排ガス・ポリッシング・システムの動作パラメータを調整するように構成されるプラント制御システムとを備える。
この実施形態の一態様において、排ガスアナライザーは、排ガス・ポリッシング・システムの上流の位置で汚染物質の量を測定するように構成される。
この実施形態の一態様において、排ガスアナライザーは、排ガス・ポリッシング・システムの下流の位置で汚染物質の量を測定するように構成される。
この実施形態の一態様において、排ガスアナライザーは、排ガス・ポリッシング・システムの上流および下流の位置で汚染物質の量を測定するように構成される。
この実施形態の一態様において、燃料電池分離システムは、陽極部および陰極部を有する燃料電池を含み、そして排ガスは二酸化炭素を含んで、陰極部によって受け取られる。
この実施形態の一態様において、陽極部は、二酸化炭素、水素、および一酸化炭素を含む陽極排出ガスを生じる。
この実施形態の一態様において、プラント制御システムは、排ガス・ポリッシング・システムにおける処理の後に排ガス中の汚染物質の量に基づいて燃料電池分離システムの動作パラメータを調整するように構成される。
この実施形態の一態様において、プラント制御システムは、排ガスに含まれる汚染物質の量が所定の閾値を超えるときに、少なくとも一つの是正措置をとるように構成される。
この実施形態の一態様において、是正措置は、視覚警告、可聴警告、排ガスから捕獲される二酸化炭素の量を下げること、または燃料電池分離システムを停止することの少なくとも１つを含む。
この実施形態の一態様において、燃料電池は内部改質ＭＣＦＣである。
この実施形態の一態様において、燃料電池は外部改質ＭＣＦＣである。
この実施形態の一態様において、発電システムは、陽極排出ガスを受けるように構成されるガス分離アセンブリを更に備える。
この実施形態の一態様において、ガス分離アセンブリは、水除去システム、圧縮器、または冷却装置の少なくとも一つを備える。
この実施形態の一態様において、ガス分離アセンブリは、二酸化炭素を陽極排出ガスから分離するように構成される冷却装置を備える。
これらの有利な特徴および他の有利な特徴は、本開示および図面を検討する人々にとって明らかになる。
実施形態による燃料電池の略図である。 実施形態による発電システムの略図である。 実施形態による発電システムの略図である。 実施形態による、排ガス中の汚染物質の濃度をモニターして、発電システムの動作を制御する例示的方法の略フロー図である。 実施形態による、図２のプラント制御システムとして用いることができるコンピュータの略ブロック図である。
本願明細書に記載されている実施形態は、一般に、燃料電池へ供給される排ガス中の汚染物質の濃度をモニターするシステムおよび方法、詳細には、排ガス中の汚染物質の量を測定して、汚染物質の量に基づいて排ガス・ポリッシング・システムおよび／または燃料電池の動作パラメータを調整するシステムおよび方法に関する。
本明細書において用いるように、用語「ポリッシング」は、活性炭処理、湿潤スクラブ、濾過、脱硫等の排ガスから汚染物質を除去するために用いることができるあらゆるクリーニングまたは汚染物質除去処理を指す。
図１Ａは燃料電池１の略図である。燃料電池１は、電解質マトリックス２、陽極３、および陰極４から成る。陽極３および陰極４は、電解質マトリックス２によって互いから分離される。排ガス発生システム（例えば、燃焼排気供給ユニット）からの排ガスは、オキシダントガスとして陰極４へ供給することができる。燃料電池１において、燃料ガスおよびオキシダントガスは、電解質マトリックス２の孔に存在する電解質（例えば、炭酸電解質）がある場合には、電気化学反応を受ける。いくつかの実施形態では、燃料電池１は、複数の個々の燃料電池１が積み重なって直列に接続される一つ以上の燃料電池スタックアセンブリから成ることができる。
図１Ｂは、実施形態による集積発電システム１００の略図である。発電システム１００は、排ガス発生アセンブリ６を備え、それは、化石燃料設備、施設または装置、ボイラー、燃焼室、および／またはセメント工場の炉および窯（以下、「化石燃料設備、施設または装置」）の一つ以上を含むことができる。排ガス発生アセンブリは、化石燃料（例えば、石炭、天然ガス、ガソリン、ディーゼルなど）を燃焼させて、二酸化炭素を含む排ガスを生じるように構成することができる。
発電システム１００は、排ガス発生アセンブリ６に流動的に連結して、そこから排ガスを受けるように構成される燃料電池アセンブリ１０（例えば、炭酸燃料電池アセンブリ）を含む。発電システム１００は、本開示に従って炭酸燃料電池アセンブリ１０およびガス分離アセンブリ２５を含む発電ガス分離および隔離システム２００も含む。図１Ｂに示すように、燃料電池アセンブリ１０は、陰極部１２および陽極部１４を含む。いくつかの実施形態では、燃料電池アセンブリ１０は、陽極の燃料がアセンブリにおいて内部的に改質される内部改質または直接のＭＣＦＣアセンブリを含むことができる。他の実施形態において、燃料電池アセンブリ１０は、外部改質炭酸燃料電池アセンブリを含むことができる。その場合には、改質装置が、燃料電池陽極部に供給する前に燃料を改質するために用いられる。
燃料電池アセンブリ１０の陰極部１２が、排ガス発生アセンブリ６から排ガスを供給されるように、発電ガス分離および隔離システム２００の排ガス発生アセンブリ６および燃料電池アセンブリ１０は、図１Ｂに示すように相前後して配置できる。いくつかの実施形態では、排ガス発生アセンブリからの排ガスは、陰極部１２だけに供給される。例えば、石炭、天然ガス、または他の炭化水素燃料等の化石燃料は、給気源４から供給される空気とともに化石燃料供給源２から化石燃料設備、施設、または装置６へ供給される。化石燃料および空気は、排ガス発生装置６において燃焼反応を受けることができて、電力を発生して、出力排ガス排気に結果としてなる。排ガス排気は、おおよそ、３〜２０％の二酸化炭素、１０〜２０％の水、および２〜１５％の酸素から成ることができて、残りは窒素である。これらの成分の正確な量は、化石燃料の種類および給気源４からの空気量に依存する。酸素含有量は、給気源４を調整することによって、または燃料電池陰極部１２に入る前に補充空気７を排ガス８へ追加することによって変化できる。排ガス８中に燃料電池動作のために必要とされる充分な酸素がない場合に、補充空気は、複合流れ９の酸素部分を増加させるために用いることができる。
図１Ｂに示すように、陰極入口１２Ａへの排ガスまたはオキシダントガスの供給が排ガス排気を含むように、ライン９は、排気ガスの一部または全体を陰極部１２の入口１２Ａに流動的に連結する。いくつかの実施形態では、使用可能な補充空気の流れと結合する排ガスは、陰極入口１２Ａに対する排他的なオキシダントガス供給である。同時に、石炭由来の合成ガス、天然ガス、または他の水素含有燃料等の供給源１６からの燃料は、ライン１５を通じて陽極部１４の入口１４Ａに供給される。燃料電池アセンブリ１０において、陽極部１４で、燃料改質から生じる排ガス排気および水素から成る陰極部１２のオキシダントガスは、電気化学反応を受けて、電力を発生する。また、この電気化学反応は、燃料電池１０の陰極部１２から陽極部１４へ移っている排ガスの中で二酸化炭素のかなりの部分（約６５％以上）に結果としてなる。
更に拡大して、排ガス中の二酸化炭素および酸素は、燃料電池アセンブリ１０の陰極部１２において反応して、燃料電池電解質を通して燃料電池１０の陽極部１４へ担送される炭酸イオンを発生する。陽極部１４で、炭酸イオンは、燃料から水素により還元されて、水および二酸化炭素を生じる。最終結果は、排ガス中の二酸化炭素のかなりの部分の陰極部１２から陽極部１４への上述の転送である。燃料電池１０の陽極部１４の出口１４Ｂの陽極排出ガスは、このように二酸化炭素の濃度が高い。それによって、二酸化炭素ガスが、ＣＯ２分離および隔離システムを用いてより容易に且つ効率的に捕獲されて、隔離されることができる。いくつかの実施形態では、陽極排出ガス中の二酸化炭素の濃度は、すべての範囲およびその間の値を含む６０〜８０モル百分率（無水ベース）の範囲にある。
図１Ｂに示す実施形態では、二酸化炭素が減少した排ガスは、ライン１８を介して陰極出口１２Ｂを通って陰極部１２を出る。加えて、二酸化炭素ならびに未反応水素、一酸化炭素、水蒸気、および微量の他のガスを主に含む陽極排出ガスは、陽極出口１４Ｂを出て、ライン２０によってガス分離アセンブリ２５に送られる。いくつかの実施形態では、ガス分離アセンブリ２５は、陽極排出ガスから水を回収するための水除去アセンブリ２１および残りの陽極排出ガスから二酸化炭素を分離するための二酸化炭素分離アセンブリ２２を含む。ＣＯ２分離アセンブリ２２を通過した後に陽極排出ガス中に残る残留燃料は、燃料電池陽極１４に再利用されるか、または使用場所へ輸送されることができる。さらに、陰極ガスが高温で燃料電池アセンブリ１０を出るので、この流れからの熱の全部または一部は、一つ以上の熱回収ユニット１７により回収することができて、燃料電池アセンブリ１０に入って来るガスを予熱するために使うことができる。いくつかの実施形態では、熱は、ガス分離アセンブリ２５に送られる前に燃料電池陽極部１４を出る陽極排出ガスから回収できる。
ある場合には、燃料電池、例えばＭＣＦＣへ供給される排ガスは、燃料電池に損害を与えることがありえる汚染物質を含むことがありえる。例えば、石炭由来の排ガスで見つかる特定の汚染物質は、燃料電池に最も大きな危険をもたらす。石炭由来の排ガスは、強いポリッシング（すなわち、これらの汚染物質を除去するクリーニング）を受けることができる。関連する汚染物質は、二酸化硫黄、三酸化硫黄（ＳＯＸガス）セレニウム含有種（および類似のベリリウム種）、粒子状物質、水銀種（例えば、Ｈｇ、ＨｇＯ、ＨｇＣｌ２）、およびハロゲン（例えば、Ｃｌ、Ｆｌ、Ｂｒ、Ｉ）種を含む。天然ガス由来の排ガスは、石炭より著しく低い濃度の汚染物質を含むことがありえるが、低い濃度の汚染物質は、まだ下流の燃料電池に損害を与えるのに十分でありえる。さらに、天然ガスは、燃料電池に損害を与えるのに十分なかなりの量のＳＯＸガスを含むことがありえる。いくつかの実施形態では、燃料電池を備える発電システムは、排ガスに含まれる汚染物質を除去するように構成される排ガスクリーニングまたはポリッシングシステムを含む。
例えば、図２は、排ガス発生システム３０２（例えば、石炭火力発電所、天然ガス火力発電所、ディーゼル火力発電所、ボイラー、燃焼室、セメント工場の炉および窯など）によって生じる排ガスを受けるように構成される発電システム３００の略図である。発電システム３００は、燃料電池分離システム３３０を含む。本願明細書に記載されているように、燃料電池分離システム３３０は、燃料電池、例えば、排ガス発生システム３０２からの排ガスならびに燃料を受けるように構成される燃料電池１／１０を含むことができる。
排ガスは、本願明細書に前述したように、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、および／または水を含むことがありえる陽極排出ガスを生じるように、燃料電池分離システム３３０の陰極部分で電気化学反応を受ける。燃料電池分離システム３００は、陽極排出ガスから二酸化炭素を分離して、隔離するように構成されるガス分離アセンブリを含むこともできる。ガス分離アセンブリは、本願明細書に前述したように、水除去システム、圧縮器、冷却装置（例えば、吸収冷却装置）、熱交換器、および／または燃料電池によって生じる陽極排出ガスから二酸化炭素を効率的に分離して隔離するように構成される他のいかなる構成要素も含むことができる。二酸化炭素が減少した陽極排出ガスは、それから、スタック３５０を介して環境に排出できる。陽極排出ガスから分離される残留燃料は、燃料電池分離システム３３０内で内部的に再利用するかまたは使用場所へ輸送できる。
排ガス・ポリッシング・システム３１０は、燃料電池分離システム３３０の上流に配置される。排ガス・ポリッシング・システム３１０は、燃料電池分離システム３３０に含まれる燃料電池に損害を与えることがありえる汚染物質（例えば、ハロゲン、セレニウム、ベリリウム、ＳＯＸガス、粒子状物質（ＰＭ）、水銀種など）をそこから除去するように排ガスをポリッシュするように構成される。排ガス・ポリッシング・システム３１０は、湿式スクラッバー（例えば、石灰岩ベースおよび腐食剤ベースの）、固体吸着剤（例えば、濾過媒体、活性炭などで支えられる、固定床、乾燥注入、移動床）、および濾過法（ベンチュリ管、静電集塵器、バグハウス、フィルターなど）を含むがこれに限らず、排ガスをポリッシュするためのあらゆる適切な構成要素またはアセンブリを含むことができる。
排ガス・ポリッシング・システム３１０の性能（例えば、汚染物質除去効率）は、排気ガスに含まれる汚染物質の種類および量に依存する。例えば、石炭排ガスは、ハロゲン、セレニウム、ベリリウム、および／またはＳＯＸガスを含むことがありえるが、天然ガスの排ガスは、主にＳＯＸガスを含むことがありえる。本願明細書に記載されているように、排ガス・ポリッシング・システム３１０の動作パラメータは、排ガス・ポリッシング・システム３１０の性能を最適化するように変化できる。
発電システム３００は、排ガス・ポリッシング・システム３１０の下流および上流の少なくとも一つで排ガスに含まれる汚染物質の量を測定するように構成される排ガスアナライザー３２０も含む。一実施形態において、弁３２２（例えば、三方弁）は、排ガス・ポリッシング・システム３１０の上流および下流に位置する排ガス連通導管に流動的に連結できる。弁３２２は、排ガス・ポリッシング・システム３１０の下流、そして任意に上流からの排ガスのサンプルを排ガスアナライザー３２０に選択的に給送するように構成することができる。排ガスの上流のサンプルは、排ガス発生システム３０２により放出される排ガス中の汚染物質の濃度に関する情報を提供し、そして排ガスの下流のサンプルは、排ガス・ポリッシング・システム３１０を通過した後の排ガス中の汚染物質の濃度の減少に関する情報を提供する。下流および上流の排ガスサンプル中の汚染物質の濃度は、排ガス・ポリッシング・システム３１０の性能（例えば、汚染物質除去効率）を決定するために用いることができる。
排ガスアナライザー３２０は、重要な排ガス汚染物質、例えばＳＯＸガス、ハロゲン、セレニウム、ベリリウムなどの量を測定するように構成される高精度インサイチュ分析器具（例えば、プロセス質量分析計／ガスクロマトグラフ、紫外蛍光検出器、リアルタイム塵モニターなど）を含むことができる。排ガス・ポリッシング・システム３１０の性能は、このことにより排ガスアナライザー３２０によって、ほぼリアルタイムにモニターされる。排ガスアナライザー３２０は、発電システム３００に伝えられる排ガスの種類に基づいて排ガスに含まれる関連の汚染物質を検出するように構成される。例えば、天然ガス由来の排ガスのアプリケーションで、排ガスアナライザー３２０は、ＳＯＸガスだけの量を測定するために動作できる。これに反して、石炭由来の排ガスのアプリケーションの場合は、排ガスアナライザー３２０は、ハロゲン（Ｃｌ、Ｆｌ、Ｉ、Ｂｒ）および関連する他の汚染物質（例えば、Ｓｅ、Ｂｅ、ＰＭなど）に加えてＳＯＸガスの量を測定するために動作できる。
排ガスアナライザー３２０は、排ガス・ポリッシング・システム３１０の下流および／または上流で排気ガスに含まれる汚染物質の量を表すフィードバック信号を発生できる。フィードバック信号は、発電システム１００の動作を制御するように構成されるプラント制御システム３４０に伝えられることができる。プラント制御システム３４０は、あらゆる適切なコントローラ、例えばコンピュータ６３０を含むことができる。
プラント制御システム３４０は、プロセッサ、例えばマイクロプロセッサ、プログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）、ＡＳＩＣチップ、またはその他の適切なプロセッサを備えることができる。プロセッサは、メモリ、例えば、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、ハードディスク、またはその他の記憶装置等の非一時的コンピュータ可読媒体と通信できる。プロセッサは、命令、アルゴリズム、コマンド、またはメモリに格納された他のプログラムを実行するように構成されることができる。プラント制御システム３４０は、一つ以上の信号、例えば排ガスアナライザー３２０からのフィードバック信号を検出するように構成されるセンサー、および排ガス・ポリッシング・システム３１０および燃料電池分離システム３３０の少なくとも一つに操作信号を送信するように構成されるトランシーバを含むこともできる。
プラント制御システム３４０は、排ガス・ポリッシング・システム３１０および燃料電池分離システム３３０に作動的に連結して、フィードバック信号により提供される情報に基づいてその性能を強化するように、排ガス・ポリッシング・システム３２０の少なくとも一つの動作パラメータを調整するように構成される。例えば、排ガス・ポリッシング・システム３１０が湿式スクラブシステムを含む実施形態で、プラント制御システム３４０は、排ガス・ポリッシング・システム３１０を出る排ガス中の汚染物質の量の増加に応じて、スクラブ流体および／またはブローダウン頻度の循環速度を上昇させることができる。
いくつかの実施形態では、プラント制御システム３４０は、排ガス・ポリッシング・システム３２０を出る排ガスまたはポリッシュされた排ガス中の汚染物質の量または汚染物質濃度が所定の閾値を超えるかどうか決定するように構成することもできる。所定の閾値を超えるポリッシュされた排ガスに応じて、プラント制御システム３４０は、排ガスを受ける燃料電池を保護するように、少なくとも一つの是正措置をとることができる。例えば、ポリッシュされた排ガス中の汚染物質の量が、第１の所定の閾値を超える場合、プラント制御システム３４０は、通知をユーザに提供する、例えば、警告灯を点灯する、可聴または視覚的な警告を発する、および／または警報を起動させる、あるいは燃料電池分離システム３３０に含まれる燃料電池の燃料電池電流密度を調整することによって排ガスから捕獲されるＣＯ２の量を下げることができる。さらにまた、排気ガス中の汚染物質の量が、第１の所定の閾値より高い第２の所定の閾値を超える場合、プラント制御システム３４０は、燃料電池分離システム３３０（例えば、燃料電池分離システム３３０に含まれるＭＣＦＣ燃料電池のような燃料電池）を終了できる。
図３は、発電システム（例えば、発電システム３００）を作動するための例示的方法４００の略フロー図である。方法４００は、排ガス発生システム４０２、例えば、排ガス発生システム６／３０２から排ガスを受け取ることを含む。いくつかの実施形態では、排ガスに含まれる汚染物質は、４０４で排ガスの種類に基づいて識別される。例えば、本願明細書に前述したように、排ガスアナライザー３２０は、排ガスが石炭排ガスか天然ガス排ガスであるかどうかに基づいて排ガスに含まれると思われる汚染物質の種類を識別できる。
排ガスに含まれる汚染物質の量は、４０６で測定される。例えば、排ガスアナライザー３２０は、排ガス・ポリッシング・システム３１０の下流で、そして任意にその上流で排ガスに含まれる汚染物質の量を測定する。
排ガス・ポリッシング・システムの動作パラメータは、４０８でポリッシュされた排ガスに含まれる汚染物質の量に基づいて調整される。例えば、プラント制御システム３４０は、排ガスアナライザー３２０のフィードバック信号により示されるポリッシュされた排ガスに含まれる汚染物質の量に基づいて排ガス・ポリッシング・システム３１０の一つ以上の動作パラメータを調整できる。いくつかの実施形態では、プラント制御システム３４０は、排ガス・ポリッシング・システム３１０の性能測定基準（例えば、汚染物質除去の効率または非効率）に基づいて、排ガス・ポリッシング・システム３２０の一つ以上の動作パラメータを調整できる。性能測定基準は、排ガス・ポリッシング・システム３１０の下流と上流で排ガス中の汚染物質の量から、例えばその比率によって決定できる。
汚染物質の量が、所定の閾値を超えるかどうかが４１０で決定される。所定の閾値は、変化しない（すなわち、絶対数）か、または変動する（例えば、排ガス発生システム３０２および／または発電システム３００の動作状態と対応して変化する）ことがありえる。所定の閾値を超える汚染物質の量に応じて、少なくとも一つの是正措置が、排ガスを受ける燃料電池を保護するように４１２でとられる。例えば、ポリッシュされた排ガス中の汚染物質の量が、第１の所定の閾値を超える場合、プラント制御システム３４０は、通知をユーザに提供する、例えば、警告灯を点灯する、可聴または視覚的な警告を発する、および／または警報を起動させる、あるいは燃料電池分離システム３３０に含まれる燃料電池の燃料電池電流密度を調整することによって、排ガスから捕獲されるＣＯ２の量を下げることができる。さらにまた、排気ガス中の汚染物質の量が、第１の所定の閾値より高い第２の所定の閾値（例えば、１ｐｐｍのＳＯＸ、１０ｐｐｂのＳｅまたはＢｅ、２００ｐｐｖのＨＣｌ、２５０ｐｐｂのＨｇ）を超える場合、プラント制御システム３４０は、燃料電池分離システム３３０（例えば、燃料電池分離システム３３０に含まれるＭＣＦＣ等の燃料電池）を終了できる。
いくつかの実施形態では、プラント制御システム３４０あるいは本願明細書に記載されているコントローラまたは制御回路のいずれかは、発電システム３００（例えば、燃料電池ベースの発電システム）のシステムコンピュータを備えることができる。例えば、図４は、例証となる実施形態によるコンピュータ６３０のブロック図である。コンピュータ６３０は、本願明細書に記載されている方法またはプロセス、例えば方法４００のいずれかを実行するために用いることができる。いくつかの実施形態では、プラント制御システム３４０は、コンピュータ６３０を含むことができる。コンピュータ６３０は、情報を伝達するためのバス６３２または他の通信構成要素を含む。コンピュータ６３０は、情報処理用のバス６３２に連結する一つ以上のプロセッサ６３４または処理回路を含むこともできる。
コンピュータ６３０は、情報を格納するためにバス６３２に連結する、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）または他の動的記憶装置等の主記憶装置６３６、およびプロセッサ６３４により実行される命令も含む。主記憶装置６３６は、プロセッサ６３４による命令の実行の間に、位置情報、一時的な変数、または他の中間情報を格納するために用いることもできる。コンピュータ６３０は、プロセッサ６３４のための静的情報および命令を格納するためにバス６３２に連結するＲＯＭ６３８または他の静的記憶装置を更に含むことができる。固体素子、磁気ディスク、または光ディスク等の記憶装置６４０は、情報および命令を持続的に格納するためにバス６３２に連結する。例えば、方法４００の動作に対応する命令は、記憶装置６４０に格納できる。
コンピュータ６３０は、情報をユーザに表示するために、液晶ディスプレイまたはアクティブ・マトリクス駆動のディスプレイ等のディスプレイ６４４にバス６３２を介して連結できる。キーボードまたは英数字パッド等の入力装置６４２は、情報およびコマンドの選択をプロセッサ６３４に伝えるためにバス６３２に連結できる。他の実施形態において、入力装置６４２は、タッチスクリーンディスプレイ６４４を備えている。
さまざまな実施形態によれば、本願明細書に記載されているプロセスおよび方法は、主記憶装置６３６に含まれる命令（例えば、方法４００の動作）の配列を実行するプロセッサ６３４に応じて、コンピュータ６３０によって実施できる。この種の命令は、記憶装置６４０等の別の非一時的コンピュータ可読媒体から主記憶装置６３６に読み込むことができる。主記憶装置６３６に含まれる命令の配列の実行によって、コンピュータ６３０が本願明細書に記載されている例証となるプロセスを実行する。多重処理配置の一つ以上のプロセッサは、主記憶装置６３６に含まれる命令を実行するために使用することもできる。代わりの実施形態において、配線による回路は、例証となる実施形態を遂行するために、ソフトウェア命令の代わりに、またはそれと組み合わせて用いることができる。このように、実施形態は、ハードウェアおよびソフトウェアのいかなる特定の組み合わせにも限られていない。
例示のコンピュータが図４に記載されているけれども、本明細書に記載されている実施形態は、他の種類のデジタル電子装置において、または本明細書に開示される構造およびそれらの構造的な等価物を含むコンピュータ・ソフトウェア、ファームウェア、またはハードウェアにおいて、またはそれらの一つ以上の組み合わせにおいて実施できる。
本明細書に記載されている実施形態は、デジタル電子装置において、または本明細書に開示される構造およびそれらの構造的な等価物を含むコンピュータ・ソフトウェア、ファームウェア、またはハードウェアにおいて、またはそれらの一つ以上の組み合わせにおいて実施できる。本明細書に記載されている実施形態は、データ処理装置による実行のために、またはデータ処理装置の動作を制御するために、一つ以上のコンピュータ記憶媒体にコード化される、一つ以上のコンピュータプログラム、すなわち、コンピュータプログラム命令の一つ以上の回路として実施できる。コンピュータ記憶媒体は、非一時的コンピュータ可読媒体を含み、そしてコンピュータ可読の記憶装置、コンピュータ可読記憶基板、ランダムまたはシリアル・アクセス・メモリ・アレイまたは装置、あるいはそれらの一つ以上の組み合わせであるか、またはそれらに含まれることができる。さらに、コンピュータ記憶媒体が、伝播された信号でないのに対して、コンピュータ記憶媒体は、人為的に生成されて伝播された信号にコード化されるコンピュータプログラム命令のソースまたは宛先でありえる。コンピュータ記憶媒体は、一つ以上の別の構成要素または媒体（例えば、複数のＣＤ、ディスク、または他の記憶装置）であるか、またはそれらに含まれることもできる。したがって、コンピュータ記憶媒体は、実体があり、且つ非一時的である。
本明細書に記載されている動作は、一つ以上のコンピュータ可読の記憶装置に格納されるかまたは他のソースから受信されるデータについてデータ処理装置によって実行できる。「データ処理装置」または「コンピュータ」という用語は、例えば、プログラマブルプロセッサ、コンピュータ、システムオンチップ、または複数のもの、または前述のものの組み合わせを含む、データを処理するためのいろいろな器具、装置、および機械を含む。器具は、専用ロジック、例えば、ＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）またはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）を含むことができる。器具は、ハードウェアに加えて、問題のコンピュータプログラムのための実行環境を生成するコード、例えば、プロセッサファームウェア、プロトコルスタック、データベース管理システム、オペレーティングシステム、クロスプラットフォームランタイム環境、バーチャルマシン、またはそれらの一つ以上の組み合わせを構成するコードを含むこともできる。器具および実行環境は、ウェブサービス、分散コンピューティングおよびグリッド・コンピューティング基盤等のさまざまな異なるコンピューティングモデル基盤を実現できる。
コンピュータプログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、スクリプト、またはコードとしても知られている）は、コンパイルされたか解釈された言語、宣言または手続き形言語を含む、いかなる形のプログラミング言語でも記述することができて、それは、スタンドアロン・プログラムとして、あるいは回路、構成要素、サブルーチン、オブジェクト、またはコンピューティング環境での使用に適している他のユニットとして含む、いかなる形でも配備できる。コンピュータプログラムは、ファイルシステムのファイルに対応できるが、対応しなくてもよい。プログラムは、問題のプログラム専用の単一のファイルで、または複数の調整ファイル（例えば、一つ以上の回路、サブプログラム、またはコードの部分を格納するファイル）で、他のプログラムまたはデータ（例えば、マークアップ言語ドキュメントに格納される一つ以上のスクリプト）を保持するファイルの一部に格納できる。コンピュータプログラムは、１台のコンピュータで、または１つのサイトにあるかまたは複数のサイトにわたって分散する複数のコンピュータで実行されて、通信回路網によって、相互接続するように展開できる。
コンピュータプログラムの実行に適しているプロセッサは、例えば、汎用および専用マイクロプロセッサ、およびあらゆる種類のデジタルコンピュータの一つ以上のいかなるプロセッサも含む。通常、プロセッサは、読み出し専用メモリまたはランダム・アクセス・メモリまたは両方から命令およびデータを受信する。コンピュータの必須の要素は、命令に従って動作を実行するためのプロセッサ、および、命令およびデータを格納するための一つ以上のメモリデバイスである。通常、コンピュータは、データを格納するための一つ以上の大量記憶装置、例えば、磁気、光磁気ディスク、または光ディスクを含むか、あるいはそれらからデータを受信するかそれらへデータを転送するか、または送受信するように作動的に連結する。しかしながら、コンピュータは、この種の装置を備える必要はない。コンピュータプログラム命令およびデータを格納するのに適している装置は、例証として、半導体記憶装置（例えば、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、およびフラッシュメモリ装置）、磁気ディスク（例えば、内蔵ハードディスクまたはリムーバブルディスク）、光磁気ディスク、ならびにＣＤＲＯＭおよびＤＶＤ−ＲＯＭディスクを含む、すべての形の不揮発性メモリ、媒体、および記憶装置を含む。プロセッサおよびメモリは、専用ロジックにより補足されるか、またはそれに組み込むことができる。
本願明細書において利用されるように、用語「ほぼ」、「約」、「実質的に」、および類似の用語は、この開示の主題が関係する当業者による一般的な容認された使用と調和して幅広い意味を有することを意図する。これらの用語が、記載されて請求される特定の特徴を、これらの特徴の範囲を提供される正確な数値的な範囲に制限せずに説明可能にすることを目的とすることは、この開示を検討する当業者により理解されなければならない。したがって、これらの用語は、記載されて請求される内容の実体がないか重要でない変更態様または改変が、添付の請求の範囲に記載の本発明の範囲内であるとみなされることを示すと解釈しなければならない。
本明細書で用いられる用語「連結される」、「接続される」などは、２つの部材を互いに直接または間接に結合することを意味する。この種の結合は、固定（例えば、永続的）か、可動（例えば、着脱可能）でありえる。この種の結合は、２つの部材が、または、２つの部材と何か追加中間部材とが、単一の単体構造物として互いに一体的に形成されるか、もしくは、２つの部材が、または、２つの部材と何か追加中間部材とが、互いに取り付けられて達成できる。
さまざまな例示的実施形態の構造および配置が例証を示すに過ぎない点に留意することは重要である。ほんの少数の実施形態だけが本開示に詳述されたけれども、多くの変更態様（例えば、さまざまな要素のサイズ、寸法、構造、形状および比率、パラメータの値、取付配置、材料の使用、色、配向などにおける変化）が、本願明細書に記載されている内容の新しい教示および利点から実質的に逸脱せずに可能であることを、本開示を検討する当業者は直ちに認めるだろう。例えば、一体的に形成されるように示される要素は複数の部品または要素から造ることができ、要素の位置は逆にするかまたは別の方法で変えることができ、そして別々の要素または位置の性質または数は変更するかまたは改変できる。いかなるプロセスまたは方法のステップの順序またはシーケンスも、代替の実施形態に従って変更または再配列されることがありえる。他の置換、変更態様、変化、および省略は、本発明の範囲を逸脱せずにさまざまな例示的実施形態の設計、動作条件、および配置においてなされることもできる。例えば、熱回収熱交換器は更に最適化できる。

Claims (13)

  1. 溶融炭酸塩形燃料電池を含み、排ガスを受けて、そこから電力を発生するように構成される燃料電池分離システムと、
    前記燃料電池分離システムの上流に配置されて、前記排ガス中の汚染物質を除去するように構成される排ガス・ポリッシング・システムと、
    前記排ガスの第１サンプルを前記排ガス・ポリッシング・システムの上流の位置から受けて、前記排ガスの第２サンプルを前記排ガス・ポリッシング・システムの下流の位置から受けて、前記排ガス・ポリッシング・システムの上流の前記位置と、前記排ガス・ポリッシング・システムの下流の前記位置で前記排ガス中の前記汚染物質の量を測定するように構成される排ガスアナライザーと、
    前記排ガス・ポリッシング・システム、前記排ガスアナライザー、および前記燃料電池分離システムに作動的に連結し、かつ前記排ガスアナライザーから送信されるフィードバック信号に基づいて、前記排ガス・ポリッシング・システムと、前記燃料電池分離システム中の燃料電池アセンブリと、の動作パラメータを調整するように構成されるプラント制御システムと、
    を備える発電システム。
  2. 前記燃料電池分離システム中の前記燃料電池アセンブリは陽極部および陰極部を備え、
    前記陰極部は二酸化炭素を含む前記排ガスを受け取るように構成される請求項１に記載の発電システム。
  3. 前記陽極部は、二酸化炭素、水素、および一酸化炭素を含む陽極排出ガスを生じる請求項２に記載の発電システム。
  4. 前記プラント制御システムは、前記排ガス・ポリッシング・システムの下流の前記位置で前記排ガス中の汚染物質の量に基づいて、前記燃料電池分離システムの動作パラメータを調整するように構成される請求項１に記載の発電システム。
  5. 前記排ガス・ポリッシング・システムの下流の前記位置で前記排ガス中の汚染物質の量が所定の閾値を超えるときに、前記プラント制御システムは、少なくとも一つの是正措置をとるように構成される請求項１に記載の発電システム。
  6. 前記是正措置は、視覚警告、可聴警告、前記排ガスから捕獲される二酸化炭素の量を下げること、または前記燃料電池分離システムを停止することの少なくとも一つを含む請求項５に記載の発電システム。
  7. 前記溶融炭酸塩形燃料電池は、内部改質ＭＣＦＣ、または外部改質ＭＣＦＣの少なくとも一つである請求項３に記載の発電システム。
  8. 前記陽極排出ガスを受けるように構成されるガス分離アセンブリを更に備える請求項３に記載の発電システム。
  9. 前記ガス分離アセンブリは、水除去システム、圧縮器、または冷却装置の少なくとも一つを備える請求項８に記載の発電システム。
  10. 前記ガス分離アセンブリは、二酸化炭素を前記陽極排出ガスから分離するように構成される冷却装置を備える請求項８または９に記載の発電システム。
  11. 前記排ガス・ポリッシング・システムで排ガスを受けること、
    前記排ガス・ポリッシング・システム中の前記排ガスから汚染物質を除去し、前記排ガス・ポリッシング・システムからポリッシュされた排ガスを出力すること、
    前記燃料電池アセンブリ中の陰極入口で前記ポリッシュされた排ガスを受け取ること、
    前記排ガスアナライザーにおいて、前記排ガス・ポリッシング・システムの上流の前記位置と、前記排ガス・ポリッシング・システムの下流の前記位置で前記排ガス中の前記汚染物質の量を測定し、前記汚染物質の測定された量に基づいて、フィードバック信号を前記プラント制御システムに送信すること、および
    前記プラント制御システムで、前記汚染物質の前記測定された量に基づいて、前記排ガス・ポリッシング・システムと、前記燃料電池アセンブリと、を制御すること、
    を備える請求項１に記載の前記発電システム中の排ガス汚染物質をモニタリングする方法。
  12. 前記排ガス・ポリッシング・システムの下流の前記位置で前記排ガス中の前記汚染物質の量が第１の所定の閾値超に増加するときに、前記プラント制御システムは前記溶融炭酸塩形燃料電池における電流密度を減少させ、前記ポリッシュされた排ガスから捕獲されるＣＯ２の量を下げ、
    前記排ガス・ポリッシング・システムの下流の前記位置で前記排ガス中の前記汚染物質の量が前記第１の所定の閾値より高い第２の所定の閾値超に増加するときに、前記プラント制御システムは前記燃料電池アセンブリを停止する請求項１１に記載の方法。
  13. 前記発電システム中の排ガス発生システムの種類を決定すること、および
    前記排ガス発生システムの種類に基づいて測定される汚染物質を識別すること、をさらに備える請求項１１に記載の方法。
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