JP7478883B2 - 溶融炭酸塩型燃料電池のカソード集電体構造 - Google Patents

Description

(発明の分野）
溶融炭酸塩型燃料電池（molten carbonate fuel cell）のカソードとカソード集電体（cathode collector）との間の界面（または、インターフェース；interface）を改善するための構造が、かかる燃料電池を作動する方法と共に提供される。

（発明の背景）
本出願は、ExxonMobil Research and Engineering CompanyとFuelCellEnergy, Inc.との間の共同研究契約の範囲内で、本出願の有効出願日以前に有効であった活動の結果としてなされた主題を開示し、特許請求する。

溶融炭酸塩型燃料電池は、水素および／または他の燃料を利用して電気を生成する。水素は、燃料電池の上流に位置するかまたは燃料電池内に統合された水蒸気改質器のごとき水蒸気改質器中でメタンまたは他の改質可能燃料を改質することによって提供し得る。また、燃料は、溶融炭酸塩型燃料電池中のアノードセル（または電池、または電池セル；cell）において改質することができ、これを作動させて、アノード中で燃料を改質するのに適した条件を創成できる。さらにもう一つのオプションは、燃料電池に外部的および内部的にの双方でいくらかの改質を行うことであることができる。改質可能燃料は、高温および／または高圧で蒸気および／または酸素と反応して水素を含むガス状生成物を生成できる炭化水素質材料を包含できる。

溶融炭酸塩型燃料電池の基本構造は、カソード、アノード、および電解質として働く１つ以上の溶融炭酸塩を含むカソードとアノードとの間のマトリックスを含む。溶融炭酸塩型燃料電池の通常の作動中に、溶融炭酸塩は部分的にカソードの孔（または、細孔；pore）に拡散する。溶融炭酸塩のカソードの孔へのこの拡散は、電解質を横切ってアノードに輸送するために、ＣＯ_２をＣＯ_３ ^２－に変換できる界面領域を提供する。

これらの基本構造に加えて、アノードとカソードに隣接する体積部（volume）は、典型的には、燃料電池に含まれる。これは、アノードガスフローとカソードガスフローをそれぞれアノードとカソードに送達することを可能にする。カソードと燃料電池の外側境界を規定するセパレータプレート（または、セパレータ板；separator plate）との間に電気的接触を依然として提供しつつ、カソードガスフローの体積を提供するために、カソード集電体構造を用いることができる。アノード集電体を用いて、同様にアノードガスフローの体積を提供できる。

特許文献１および特許文献２は、溶融炭酸塩型燃料電池用集電体の例を記載している。集電体は波形構造に対応する。

米国特許第６，４９２，０４５号明細書 米国特許第８，８０２，３３２号明細書

一態様において、溶融炭酸塩型燃料電池における電気を生成するための方法が提供される。この方法は、Ｈ_２、改質可能燃料、またはそれらの組み合わせを含むアノード入力ストリームをアノードガス収集域（または、収集体積部；collection zone）に導入することを含むことができる。アノードガス収集域は、アノード表面、第１のセパレータプレート、およびアノード表面とセパレータプレートとの間に支持を提供するアノード集電体によって規定できる。さらに、この方法は、Ｏ_２、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２を含むカソード入力ストリームをカソードガス収集域に導入することを含むことができる。カソードガス収集域は、カソード表面、第２のセパレータプレート、およびカソード表面と第２のセパレータプレートとの間に支持を提供するカソード集電体によって規定できる。溶融炭酸塩型燃料電池は、輸率（transference）０．９７以下、平均電流密度６０ｍＡ／ｃｍ^２以上で作動して、電気、Ｈ_２、ＣＯ、ＣＯ_２を含むアノード排出、および２．０体積％以下のＣＯ_２、１．０体積％以上のＯ_２、および１．０体積％以上のＨ_２Ｏを含むカソード排出を生成できる。加えてまたは別法として、平均カソードガス側面（または、横方向；lateral）拡散長は、０．４０ｍｍ以下であることができる。加えてまたは別法として、カソード表面の開口率（または、開口領域：open area）は、カソード表面の総表面積の４５％以上に対応できる。

もう一つの態様において、溶融炭酸塩型燃料電池が提供される。溶融炭酸塩型燃料電池は、アノード、第１のセパレータプレート、およびアノードと第１のセパレータプレートと接触するアノード集電体を含むことができ、アノードと第１のセパレータプレートとの間にアノードガス収集域を規定することができる。さらに、溶融炭酸塩型燃料電池は、カソード、第２のセパレータプレート、ならびにカソードおよび第２のセパレータプレートと接触してカソードと第２のセパレータプレートとの間にカソードガス収集域を規定するカソード集電体を含むことができる。さらに、溶融炭酸塩型燃料電池は、アノードとカソードとの間に電解質を含む電解質マトリックスを含むことができる。さらに、溶融炭酸塩型燃料電池は、０．４０ｍｍ以下の平均カソードガス側面拡散長、および／またはカソード表面の総表面積の４５％を超えるカソード表面の開口率を含むことができる。

図１は、カソード集電体構造の例を示す。 図２は、図１に示されるカソード集電体構造を表すために用いることができる繰り返しパターンユニットの例を示す。 図３は、カソード集電体のループ構造がカソード表面と接触する場合に、図１に示すカソード集電体構造を表すために用いることができる繰り返しパターンユニットの例を示す。 図４は、カソード集電体構造の例を示す。 図５は、図４に示したカソード集電体構造を表すために用いることができる繰り返しパターンユニットの例を示す。 図６は、図５の繰り返しパターンユニットのもう一つの例を示す。 図７は、ループ構造がカソード表面と接触するカソード集電体構成の例を示す。 図８は、溝付き（grooved）カソード構造の例を示す。 図９は、溶融炭酸塩型燃料電池の例を示す。 図１０は、カソードのフロー方向（flow direction）におよそ垂直に整列したアノードのフロー方向を有する溶融炭酸塩型燃料電池のフローパターンの例を示す。 図１１は、種々のカソード開口率の溶融炭酸塩燃料電池の実際のＣＯ_２利用率－対－見掛けのＣＯ_２利用率についての結果を示す。 図１２は、種々のカソード開口率の溶融炭酸塩燃料電池の作動電圧－対－実際のＣＯ_２利用率を示す。 図１３は、実質的な代替イオン輸送を生じる条件下で作動するカソード表面にて異なる開口率を有する燃料電池についての経時的な平均電流密度の例を示す。 図１４は、圧力降下と入口カソードガス速度との関係の例を示す。 図１５は、カソード集電体構造のもう一つの例を示す。

(発明の詳細な説明）
種々の態様において、高めたＣＯ_２利用率の条件下で作動する場合に溶融炭酸塩燃料電池の作動の改善を可能にできるカソード集電体構造および／または対応するカソード構造が提供される。実質的な輸率（例えば、０．９７以下または０．９５以下）を生じる条件にて溶融炭酸塩型燃料電池を作動する場合、カソード集電体構造は輸率を増加させることができ、その結果、燃料電池内で生じる代替イオン輸送が低下または最小化する。これは、代替イオンの輸送により燃料電池の劣化を低下または最小化しつつ、ＣＯ_２の高めた輸率が、カソードからアノードに生じることを可能にさせることができる。

カソード集電体構造および／またはカソード構造は、構造の１つ以上の特性に基づいてこの利点を提供できる。いくつかの態様において、カソード集電体は、カソードを介した実質的な拡散を必要とすることなくＣＯ_２が効果的に到達できるカソード表面のパーセンテージに基づいて特徴付けることができる。１つのタイプの特徴付けは、カソードの開口率に基づくことができる。これは、カソード集電体と接触していないカソード表面の部分に対応する。例えば、本明細書で定義されるように、カソード表面の開口率は、４５％以上、または５０％以上、または５５％以上、または６０％以上、例えば、開口率に対応するカソード表面の実質的にすべてまで（およそ９９％まで）であることができる。これは、４０％以下または３５％以下のカソード表面の開口率を有することができる通常のカソード集電体構造とは対照的である。加えてまたは別法として、特徴付けは、カソード表面に到達するための平均カソードガス側面拡散長に基づくことができる。例えば、本明細書で定義されるように、平均カソードガス側面拡散長は、０．４ｍｍ以下、または０．３ｍｍ以下、または０．２ｍｍ以下であることができる。加えてまたは別法として、開口率を増加させるための１つのオプションは、カソード表面での隣接する閉鎖またはブロックされた面積量を低下または最小化することであることができる。これは、例えば、カソード表面上のいずれかの点から開口領域位置までの距離がいずれかの方向で１ｍｍ未満であるカソード集電体構造を使用することによって達成できる。

４５％以上の開口率または０．４ｍｍの平均カソードガス側面拡散長の少なくとも一方を提供するカソード集電体構造の結果、高めたＣＯ_２利用率条件で燃料電池を作動させる場合、燃料電池性能を改善できることが予期せぬことに発見された。種々の態様において、改善された燃料電池性能は、燃料電池電圧の予期されない増加および／または輸率の予期されない低下（測定されたＣＯ_２利用率と平均電流密度に基づいて計算されたＣＯ_２利用率量との間の差の低下）に対応し得る。

通常の溶融炭酸塩型燃料のカソード表面の開口率の典型値は約３３％である。図１は、通常の構成で用いられるならば、３３％の開口率を生じるカソード集電体構成の例を示す。図１において、集電体の表面１１０は、開口部１１５の規則的なパターンを含む板状表面に対応する。表面１１０の開口部１１５は、表面を打ち抜いて、表面１１０の平面下に延在するループ構造１２０を形成することによって形成された。通常の構成（または、配置；configuration）において、表面１１０はカソード表面と接触して位置し、一方、ループ構造１２０は、カソード入力ガスを受け入れるための体積を規定するために用いられるバイポーラプレート、セパレータプレート、または他のプレート構造を支持するために上方に延在する。プレート構造は、ループ構造の下縁部（bottom edge）１２２でループ構造１２０と接触するであろう。図１において、開口部１２０間の間隔１４０は、開口部１２０の長さ１２４とおよそ同じ距離である。図１において、開口部間の間隔１６０は、開口部１２０の幅１２６のおよそ半分である。これらの相対的な距離の関係に基づいて、このタイプの繰り返しパターンは、約３３％の開口率を生じる。長さ１２４の典型値は約２．０ｍｍであることができるが、幅１２６の典型値はおよそ６．０ｍｍであることが留意される。

図４は、種々のタイプのカソード集電体構成の例を示す。図４において、開口部間の距離の関係と開口部間の間隔が変更されている。図４の構成が、カソード表面と接触した表面４１０で配置された場合、得られる開口率はおよそ６４％になる。これは、長さ４２４と幅４２６がおよそ同じ（すなわち、およそ矩形の開口部）であり、間隔４４０および間隔４６０がそれぞれ長さおよび幅の約０．１２５倍（すなわち、およそ８分の１）であるという関係に基づく。長さ４２４および幅４２６の適切な値の例はおよそ５．１ｍｍであり、一方、間隔４４０および４６０の適切な値はおよそ０．６３５ｍｍである。図１の矩形パターンおよび図４の正方形（または、矩形；square）パターンは、説明のための便利なパターンを表し、いずれかの他の便利なタイプのパターンおよび／または開口部の不規則な配置も用いることもできることが留意される。

いくつかの態様において、増加した開口率および／または低下したカソードガス拡散長は、図４と同様のカソード集電体を用いることによって提供でき、ここで、カソード表面と接触した表面４１０での構成は、４５％以上の開口率を生じる。他の態様において、増加した開口率および／または低下したカソードガス拡散長は、集電体のループ構造がカソード表面に近接し、板状構造（もしあれば）がセパレータプレートと接触するカソード構成を用いることによって提供することができる。かかる構成において、カソード表面の開口率を実質的に増加させることができ、典型的には５０％を超えることができる。

加えてまたは別法として、いくつかの態様において、カソード集電体は、カソードとカソード集電体との間の接触率（contact area）に基づいて特徴付けることができる。通常、典型的なカソード集電体構造は、カソード入力ガスがカソード表面にアクセスするのを可能にする開口部を有する板状構造を有することに基づいて、カソード表面と相互作用できる。通常の構成において、板状構造がカソード表面と接触する。所望により、板状構造の開口部は、ループが板状表面から上方に突出するようにプレート内にループ構造を形成することによって形成できる。次いで、ループ構造は、燃料電池の境界を規定するセパレータプレートとの支持と電気的接触の双方を提供できる。かかる通常の構成において、十分な電気的接触の提供はほとんど問題にならない。しかしながら、カソード表面と接触する板状構造がないカソード集電体構造については、炭酸イオンの形成は、必要な電子を提供できる導電性表面への近接性の欠如のために制限され得る。１つのタイプの特徴付けは、カソードとカソード集電体との間の接触率のパーセンテージに基づくことができる。本明細書で定義されるように、カソード表面とカソード集電体との間の接触率のパーセンテージは、開口率に基づいて決定でき、接触率は、１００％から開口率を減算することによって計算される。いくつかの態様において、接触率は、１０％以上、または１５％以上、または１８％以上、例えば、６５％までまたは場合によってはさらにより高いことができる。加えてまたは別法として、特徴付けは、カソード表面上の点と、カソード集電体とカソード表面との間の接触点との間の平均距離に対応する平均側面（または、横方向；lateral）接触長に基づくことができる。例えば、本明細書で定義されるように、平均接触領域拡散長は、１．０ｍｍ以下、または０．９ｍｍ以下、または０．７ｍｍ以下であることができる。

さらにもう一つのタイプの特徴付けは、カソード集電体によって引き起こされる圧力降下に基づくことができる。一般的に、カソードガス収集体積部についての非ブロック化（または、ブロックされていない；unblocked）フロー断面積の低下の結果、カソードを横切る圧力降下を増加させることができる。溶融炭酸塩型燃料電池は周囲圧力に近い圧力でしばしば作動するため、カソードガス収集体積部を横切るわずか数ｋＰａの圧力降下が、燃料電池の適切な作動に対して潜在的に重要になることができる。かくして、カソード表面での開口率を増加させるためにカソード集電体構造を選択する場合、カソードガス集電体体積部のブロックされたフロー断面積の量を低下または最小化するカソード集電体構造を選択することも有益であることができる。たとえば、図１４は、カソード入力ガスの速度に対するカソードガス収集体積部を横切る圧力降下の例を示す。図１４に示される例において、カソードガス収集体積部の高さは、０．５８インチ（約１．５ｃｍ）である。カソードガス収集体積部の長さは２７インチ（６８．５ｃｍ）である。かくして、示される圧力降下は、カソードの長さ（すなわち、カソードガス収集体積部の長さ）６８．５ｃｍを通過した後のガスの圧力降下に対応する。図１４に示されるごとく、圧力降下は、低速度で１ｋＰａ未満であるが、カソード入力ガスの速度増加と共に放物線状の増加を有する。なお、発電用の通常の溶融炭酸塩型燃料電池の作動について、カソード入力ガス流速の典型値はおよそ５ｍ／秒以下であることが留意される。対照的に、炭素捕捉のために燃料電池を作動させる場合、カソード入力ガス流速は、５ｍ／秒～１５ｍ／秒であることができ、またはそれ以上である可能性がある。カソード入力ガス流速についてのかかるより高値にて、図１４の圧力降下は、２ｋＰａ～５ｋＰａのオーダーにあることができ、フローチャネルの１０％のみがブロックされる。

溶融炭酸塩型燃料電池の通常の作動条件は、典型的に、代替イオン輸送量の低下、最小化、または非存在である条件に対応する。代替イオン輸送量は、燃料電池の輸率に基づいて定量化できる。輸率は、水酸化物イオンおよび／または他のイオンとは対照的に、炭酸イオンに対応する溶融炭酸塩電解質を横切って輸送されるイオンの割合（fraction）として定義される。輸率を決定するための都合よい方法は、ａ）カソード入口－対－カソード出口で測定されたＣＯ_２濃度の変化と、ｂ）燃料電池によって生成される電流密度を達成するために必要な炭酸イオン輸送の量とを比較することに基づくことができる。輸率のこの定義は、アノードからカソードへのＣＯ_２の逆輸送が最小であることを前提としていることが留意される。かかる逆輸送は、本明細書に記載の作動条件では最小であると考えられる。ＣＯ_２濃度については、カソード入力ストリームおよび／またはカソード出力ストリームをサンプリングでき、サンプルは、ＣＯ_２含有量を決定するためにガスクロマトグラフに転送される。燃料電池の平均電流密度は、いずれかの都合よい方法で測定できる。

通常の作動条件下において、輸率は、０．９８以上のごとき、および／または代替イオン輸送を実質的に有さないのごとき、１．０に比較的近くできる。０．９８以上の輸率は、電解質を横切って輸送されるイオン電荷の９８％以上が炭酸イオンに対応することを意味する。水酸化物イオンは－１の電荷を有するが、炭酸イオンは－２の電荷を有し、したがって、１つの炭酸イオンの輸送と同じ電荷輸率を生じるには、２つの水酸化物イオンを電解質を横切って輸送する必要がある。

通常の作動条件とは対照的に、燃料電池によって生成される電流密度の一部は、炭酸イオン以外のイオンの輸送によるものであるが、０．９５以下（または増加した開口率を提供するカソード集電体で作動する場合は０．９７以下）の輸率での溶融炭酸塩燃料電池の作動は、達成される炭酸イオン輸送の有効量を増加することができる。０．９７以下の輸率を有する燃料電池を作動させるために、ＣＯ_２の枯渇（depletion）は、燃料電池のカソード内で生じる必要がある。カソード内のＣＯ_２のかかる枯渇は、局所化される傾向があることが発見された。その結果、燃料電池のカソード内の多数の領域は、通常の作動に十分なＣＯ_２を依然として有することができる。これらの領域は、炭素捕捉（capture）のごとき電解質を横切って輸送するのに望ましいさらなるＣＯ_２を含む。しかしながら、かかる領域のＣＯ_２は、通常の条件下で作動する場合、典型的には電解質を横切って輸送されない。輸率が０．９７以下または０．９５以下の作動条件を選択すると、十分なＣＯ_２を有する領域を用いて、さらなるＣＯ_２を輸送でき、一方、枯渇した領域は代替イオン輸送に基づいて作動できる。これは、カソード入力ストリームから捕捉されるＣＯ_２量についての実際的な限界を増大させることができる。

ＣＯ_２利用率を高めるためにＭＣＦＣを作動させる場合、本明細書に記載された構造は、さらなる利点を提供できる。高めたＣＯ_２捕捉のためにＭＣＦＣを用いることの１つの困難性は、燃料電池の作動に必要な１つ以上の反応物が少量存在するならば、燃料電池の作動が潜在的に動力学的に制限されかねないことである。例えば、４．０体積％以下のＣＯ_２含有量のカソード入力ストリームを用いる場合、７５％以上のＣＯ_２利用率の達成は、１．０体積％以下のカソード出口濃度に対応する。しかしながら、１．０体積％以下のカソード出口濃度は、ＣＯ_２がカソード全体に均一に分散されていることを必ずしも意味しない。代わりに、濃度は典型的には、アノードとカソードのフローパターンのごとき種々の要因により、カソード内で変動するであろう。ＣＯ_２濃度の変動は、実質的に１．０体積％未満のＣＯ_２濃度が存在するカソードの部分を生じることができる。

従来、カソード内のＣＯ_２の枯渇は、電圧の低下と電流密度の低下に導くと予想されていた。しかしながら、ＣＯ_３ ^２－以外のイオンが電解質を横切って輸送されるために、ＣＯ_２が枯渇しても、電流密度を維持できることが発見された。例えば、電解質を横切って輸送されるイオンの一部は水酸化物イオン（ＯＨ^－）に対応できる。電解質を横切る代替イオンの輸送は、電解質を横切って輸送されるＣＯ_２量が不十分であっても、燃料電池が目標電流密度を維持することを可能にできる。

通常の作動条件とは対照的に、０．９５以下（または高めた圧力で作動させる場合は０．９７以下）の輸率での溶融炭酸塩燃料電池の作動は、たとえ、燃料電池によって生成される密度の一部が、炭酸イオン以外のイオンの輸送によるものであったとしても、達成される炭酸イオン輸送の有効量を増大させることができる。輸率が０．９７以下または０．９５以下の燃料電池を作動させるためには、燃料電池のカソード内でＣＯ_２の枯渇を生じる必要がある。カソード内のＣＯ_２のかかる枯渇は局所化される傾向があることが発見された。その結果、燃料電池のカソード内の多数の領域は、通常の作動に十分なＣＯ_２を依然として有することができる。これらの領域は、炭素捕捉についてのごとき電解質を横切って輸送するのに望ましいさらなるＣＯ_２を含む。しかしながら、かかる領域のＣＯ_２は、通常の条件下で作動する場合に、典型的には電解質を横切って輸送されない。０．９７以下または０．９５以下の輸率の作動条件を選択すると、十分なＣＯ_２を含む領域を用いて、さらなるＣＯ_２を輸送でき、一方、枯渇した領域は代替イオン輸送に基づいて作動できる。これは、カソード入力ストリームから捕捉されるＣＯ_２量の実際的な限界を増大させることができる。

電解質を横切る代替イオンの輸送の利点の１つは、たとえ、十分な数のＣＯ_２分子が速度論的に利用できないとしても、燃料電池が作動し続けることができることである。これは、たとえ、カソードに存在するＣＯ_２量が通常の燃料電池の作動には不十分であると通常考えられていたとしても、さらなるＣＯ_２をカソードからアノードに移動させることができる。これにより、燃料電池は、測定されたＣＯ_２利用率（utilization）が１００％に近くなり、計算されたＣＯ_２利用率（電流密度に基づく）が測定されたＣＯ_２利用率よりも少なくとも３％より大きく、または少なくとも５％より大きく、少なくとも１０％より大きく、または少なくとも２０％より大きくなることができる。代替イオン輸送は、燃料電池が１００％を超える計算されたＣＯ_２利用率に対応するであろう電流密度で作動することを可能にできることが留意される。

代替イオンの輸送は、燃料電池が目標電流密度を維持することを可能にできるが、電解質を横切る代替イオンの輸送も、溶融炭酸塩燃料電池の寿命を低下または最小化しかねないことがさらに発見された。かくして、燃料電池の寿命におけるこの損失の軽減が望ましい。カソード表面の開口率の増加、および／または平均カソードガス側面拡散長の減少は、ＣＯ_２捕捉を高めつつ、代替イオン輸送量を低下または最小化することができることが予期せぬことに発見された。

いくつかの態様において、高めたＣＯ_２捕捉は、０．９７以下、または０．９５以下、または０．９３以下、または０．９０以下の輸率のごとき輸率の量に基づいて定義できる。輸率が０．９７以下の作動条件の維持の結果、典型的には、２．０体積％以下、または１．５体積％以下、または１．０体積％以下のカソード出力ストリーム中のＣＯ_２濃度を生じる。カソード出力ストリーム内の高ＣＯ_２濃度では、典型的には、ＣＯ_２の不十分な局所的枯渇は存在せず、より低い輸率値を生じる。

また、高めたＣＯ_２捕捉の存在は、他の要因によっても示されるが、かかる他の要因自体は、典型的には、高めたＣＯ_２捕捉を示すのに十分な条件ではない。例えば、より低いＣＯ_２濃度のカソード入力ストリームを用いる場合、高めたＣＯ_２捕捉は、いくつかの態様において、７０％以上、または７５％以上、または８０％以上、例えば、９５％までまたは場合によってはさらにより高いＣＯ_２利用率に対応することができる。より低濃度のＣＯ_２源の例は、５．０体積％以下または４．０体積％以下、例えば、１．５体積％以下または場合によってはより低いＣＯ_２を含むカソード入力ストリームを生じるＣＯ_２源に対応できる。天然（natural）ガスタービンからの排出は、５．０体積％以下または４．０体積％以下のＣＯ_２含有量をしばしば有するＣＯ_２含有ストリームの例である。加えてまたは別法として、高めたＣＯ_２捕捉は、溶融炭酸塩型燃料電池を用いて、６０ｍＡ／ｃｍ^２以上、または８０ｍＡ／ｃｍ^２以上、または１００ｍＡ／ｃｍ^２以上、または１２０ｍＡ／ｃｍ^２以上、または１５０ｍＡ／ｃｍ^２以上、または２００ｍＡ／ｃｍ^２以上、例えば、３００ｍＡ／ｃｍ^２までまたは場合によってはさらに高くのごとき、実質的な量の電流密度を生成する作動条件に対応することができる。代替イオン輸送の反応経路は、炭酸イオンを用いる反応経路よりも低い理論電圧を有するので、代替イオン輸送は、燃料電池の作動電圧の低下によっても示すこともできることが留意される。

通常、溶融炭酸塩型燃料電池のカソード排出中のＣＯ_２濃度は、５体積％以上のＣＯ_２、１０体積％以上のＣＯ_２、または場合によってはさらに高くごとき比較的高い値に維持される。加えて、溶融炭酸塩型燃料電池は、典型的には、７０％以下のＣＯ_２利用率値で作動される。これらの条件のいずれかが存在する場合、溶融炭酸塩電解質を横切る電荷の輸送の主要メカニズムは、炭酸イオンの輸送である。かかる通常条件下において、電解質を横切る代替イオン（例えば、水酸化物イオン）の輸送が生じるということが可能であるが、代替イオン輸送量は最小限であり、２％以下の電流密度（または同等に０．９８以上の輸率）に対応する。

輸率の観点から作動条件を説明する代わりに、測定されたＣＯ_２利用率と、平均電流密度に基づいて「計算された」ＣＯ_２利用率に基づいて作動条件を説明できる。この説明において、測定されたＣＯ_２利用率は、カソード入力ストリームから除去されるＣＯ_２量に対応する。これは、例えば、ガスクロマトグラフィーを用いて、カソード入力ストリームおよびカソード出力ストリーム中のＣＯ_２濃度を測定することによって決定できる。また、これは、実際のＣＯ_２利用率、または単にＣＯ_２利用率ということができる。この説明において、計算されたＣＯ_２利用率は、燃料電池によって生成されるすべての電流密度が電解質を横切るＣＯ_３ ^２－イオンの輸送（すなわち、ＣＯ_２に基づくイオンの輸送）に基づいて生成されるならば生じるＣＯ_２利用率として定義される。測定されたＣＯ_２利用率と計算されたＣＯ_２利用率の差を個別に用いて、代替イオン輸送量を特徴付けることができ、および／またはこれらの値を用いて、前記のごとく輸率を計算できる。

いくつかの態様において、溶融炭酸塩型燃料電池の作動に適したいずれの便利なタイプの電解質も用いることができる。多数の通常のＭＣＦＣは、６２モル％の炭酸リチウムと３８モル％の炭酸カリウムの共融（eutectic）混合物（６２％Ｌｉ_２ＣＯ_３／３８％Ｋ_２ＣＯ_３）、または５２モル％の炭酸リチウムと４８モル％炭酸ナトリウムの共融混合物（５２％Ｌｉ_２ＣＯ_３／４８％Ｎａ_２ＣＯ_３）のごとき共融炭酸混合物を炭酸塩電解質として用いる。また、４０モル％の炭酸リチウムと６０モル％の炭酸カリウムの共融混合物（４０％Ｌｉ_２ＣＯ_３／６０％Ｋ_２ＣＯ_３）のごとき他の共融混合物も利用できる。複数の炭酸塩の共融混合物は、種々の理由で電解質として便利であることができるが、炭酸塩の非共融混合物も適当であることもできる。一般的に、かかる非共融混合物は、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、および／または炭酸カリウムの種々の組合せを含むことができる。所望により、他のアルカリ炭酸塩（炭酸ルビジウム、炭酸セシウム）のごとき、または炭酸バリウム、炭酸ビスマス、炭酸ランタン、または炭酸タンタルのごとき他のタイプの金属炭酸塩のごとき、他の金属炭酸塩のより少量を添加剤として電解質に含めることができる。

定義
開口率および接触率：カソード表面（カソード集電体に隣接する）の開口率は、カソード集電体と接触していないカソード表面のパーセンテージとして定義される。図２および図５は、カソード集電体の板状表面と接触するカソード表面について接触率および開口率を表すために用いることができる繰り返し単位（すなわち、ユニットセル）の２つの例を示す。図２および図５の繰り返し単位の例は、各々、図１および図４に示される構造を表すために用いることができる繰り返しパターン（ユニットセル）に対応する。図２および図５において、濃い領域は、集電体がカソード表面と接触する領域に対応し、一方、薄い領域は、ガスがカソードと集電体との間を通過できる領域に対応する。

開口率を決定するための計算例として、図２の距離１２６は、３．０に設定でき、距離２６６は０．７５に設定でき、距離１２４は１．０に設定でき、距離２４４は０．５に設定できる。双方の距離２４４を加算すると、図１からの距離１４０（１．５）の値が得られることが留意される。同様に、双方の距離２６６を一緒に加算すると、図１からの距離１６０（１．０）の値が得られる。図２の距離に基づき、図２に示される構成の開口率２１０は、３３％である。これは、例えば、開口率２１０の面積が３．０×１．０＝３．０であり、全繰り返し単位の面積が（０．７５＋３．０＋０．７５）×（０．５＋１．０＋０．５）＝９．０であることに注目することによって決定できる。かくして、開口率のパーセンテージは３．０／９．０、すなわち、３３％である。図２の距離は標準化され、したがって、任意の長さの単位になることが留意される。

同様の計算を用いて、図５に示される繰り返しパターンについての開口領域５１０を計算できる。図５において、距離４２４を８．０に、距離５４４を１．０に、距離４２６を８．０に、距離５６６を１．０に設定できる。この結果、６４／１００、つまり６４％の開口率を生じる。

接触率は、開口率に対応しないカソード表面の残りの部分に対応する。かくして、接触率を計算するための１つのオプションは、１００％から開口率を減算することである。

平均カソードガス側面拡散長：平均カソードガス側面拡散長は、カソード表面の開口領域位置からカソード表面の各点までの平均側面距離として定義される。この定義の目的のために、開口領域の位置に対応するいずれの点の側面拡散長もゼロとして定義される。

平均カソードガス側面拡散長は、各々、図２および図５に示す繰り返しパターンを有するカソード表面についても計算できる。図２および図５に示される同じ標準化された距離を用いることができ、最終結果は、適切なスケーリング係数（または、倍率；scaling factor）を掛けて、所与の構成を表す。

平均カソードガス側面拡散長を決定するための１つのオプションは、市販ソフトウェアパッケージを用いることによってのごとき、繰り返しパターン要素に基づいて値を直接的に計算することであることができる。加えて、比較的良好な近似値を簡単な方法で決定できる。図６は、図５に示される繰り返しパターン要素のもう一つの例を示す。（図６において、開口領域－対－接触領域を示すための濃淡を用いていない。）図６において、開口領域５１０の周囲の領域をいくつかの部分に分割できる。側面領域（lateral areas）６７２および６７４について、開口領域からの平均距離は、単に側面領域長の半分、すなわち、０．５である。同様に、垂直領域６８２および６８４について、開口領域からの平均距離は、垂直領域の幅の半分、すなわち、０．５である。コーナー領域６９２、６９４、６９６および６９８について、平均距離の上限は、最大距離、または開口領域から矩形の上部コーナーまでの距離に基づいて決定できる。その最大距離の半分はおよそ０．７であり、これはコーナー領域６９２、６９４、６９６および６９６内の平均距離の境界上限を提供する。

次いで、前記平均距離を用いて、平均距離に各距離に対応する総面積のパーセンテージを掛けることにより、平均カソードガス側面拡散長を決定できる。領域６７２、６７４、６８２、および６８４は、図６に示す繰り返しパターンユニットの総面積の３２％に対応する。コーナー領域は総面積の４％に対応する。領域の残りの６４％は、定義上、ゼロの距離を有する開口領域５１０に対応する。これらの値を用いて、（０．６４×０ ＋０．３２×０．５＋０．０４×０．７）＝０．１８８の平均カソードガス側面拡散長の上限を決定できる。次いで、０．１８８の値は、実際のシステムを表すスケーリング係数を掛けることができる。この例において、上記の０．６３５ｍｍの図４のスケーリング係数を用いることができる。０．１８８に０．６３５ｍｍのスケーリング係数を掛けると、平均カソードガス側面拡散長は０．１２ｍｍになる。コーナー領域６９２、６９４、６９６および６９８の平均距離値を計算する場合に用いられる仮定に基づいて、０．１２ｍｍの値は、実際の平均カソードガス側面拡散長の上限を表すことが留意される。

また、前記計算は、図２に示す繰り返しパターンについても行うことができる。しかしながら、上限を決定する代えて、コーナーの見積りを用いて下限を提供できる。図２における値に基づき、平均カソードガス側面拡散長の下限（標準化された単位において、スケーリング係数なし）は０．２１である。図１の構成で記載のごとく、スケーリング係数の代表的な値は０．０８インチ、または２．０ｍｍである。２．０ｍｍのスケーリング係数に基づき、平均カソードガス側面拡散長は０．４２ｍｍになる。

平均接触領域拡散長：平均接触領域拡散長は、カソード表面の接触領域位置からカソード表面の各点までの平均側面距離として定義される。この定義の目的のために、接触領域位置に対応するいずれの点の接触領域拡散長もゼロとして定義される。さらに、この計算例を後記に示す。

非ブロック化フロー断面積：種々の態様において、カソード集電体構造は、カソードの表面と燃料電池の端部に対応するセパレータプレート（例えば、バイポーラプレート）との間の距離またはギャップを維持するための構造的支持を提供できる。カソードとセパレータプレートの間のこのギャップは、カソード入力ガスを受け入れることができるカソードガス収集体積部に対応する。非ブロック化フロー断面積は、カソードガス収集体積部内のカソード入力ガスのフロー方向に基づいて定義できる。

この説明において、フロー方向は、カソードガス入口とカソードガス出口との間の平均経路に対応する。カソードガス収集体積部の中心軸は、フロー方向におよそ平行なカソードガス収集体積部の幾何学的中心を通る線として定義される。フローの断面積は、中心軸に垂直な断面積に基づくフロー方向に沿ったカソードガス収集体積部の平均断面積に対応する。カソードガス収集体積部は、典型的には、平行六面体に対応するため、中心軸は直線に対応することが留意される。しかしながら、もう一つのタイプの形状を有するカソードガス収集体積部について、中心軸は潜在的に曲線に対応できる。

フローの断面積は、ブロック化フローの断面積と非ブロック化フロー断面積の双方を潜在的に含むことができる。潜在的なブロッキング構造の例として、限定されるものではないが、バッフル構造および／またはカソード集電体構造が挙げることができる。ブロック化フローの断面積は、中心軸に平行な線がカソードガス収集体積部内の固体構造と交差するフロー断面積の部分（パーセンテージ）として定義される。非ブロック化フロー断面積は、かかる平行線がカソードガス収集体積部内の固体構造と交差しないフローの断面積の部分として定義される。

増加した開口率のカソード集電体構成
通常、図１に示す構造のごときカソード集電体構造は、板状表面１１０がカソード表面と接触するように配向されるであろう。種々の態様において、通常の構成を用いる代わりに、カソード集電体（例えば、図１または図４に示される構造）は、ループ構造１２０の下縁部１２２がカソード表面と接触し、一方、板状表面１１０がセパレータプレートと接触するように配向できる。

図７は、このタイプの構成の例を示し、ループ構造１２０の下縁部１２２は、カソード表面７３０と接触する。図７に示すごとく、カソード表面との接触点としてループ構造１２０の下縁部１２２を有することは、カソード表面上の開口率を実質的に増加させることができる。同様に、平均カソードガス側面拡散長は、図７と同様の構成によって低下または最小化できる。しかしながら、カソード表面と集電体との間の電気的接触のより限定された性質のために、平均接触領域拡散長を増加させることができる。

一例として、図１に示されるカソード集電体は、ループ構造１２０の下縁部１２２がカソード表面７３０と接触する構成に用いることができる。このタイプの構成において、集電体とのカソード表面の接触領域の繰り返しパターンを図３により表すことができる。図３は、矩形３０１により表されるように、図２に示されるパターンと同じ繰り返しセルサイズを有する。しかしながら、繰り返しパターンのほとんどは開口領域に対応している。矩形３０１の中央部分３０３は濃色で示され、集電体の表面とのループ構造の下縁部の接触を示す。

図３において、中央部分３０３の高さ３２４は１．０、または図２の開口領域１２０の高さ１２４と同じである。中央部分３０３の幅３２６は１．５、または図２の開口領域１２０の幅１２６の半分である。ユニットセル３０1の全長および幅は、図２に示されるパターンと同じである。これは、１．５／９．０、すなわち、およそ１６％の接触率を生じる。

図３に示すパターンに基づいて、平均炭酸塩側面拡散長は、図６により示す平均カソードガス側面拡散長の計算と同様の方法で決定できる。接触領域（領域３０３に対応する）は、ゼロの拡散長を有するように定義されることが留意される。図３に示すパターンに基づき、平均接触領域拡散長の下限は、任意の単位で０．５４に対応する。２．０ｍｍのスケーリング係数を掛ける場合、これは、平均接触領域拡散長の下限は１．０８ｍｍを生じる。

ループ構造の下縁部がカソード表面と接触する構成における図４のカソード集電体を用いることに基づいて、同様の計算を行うことができる。接触領域の幅が図５または図６の開口領域の半分であり、接触領域の長さが図５または図６の開口領域と同じであるように、同様のセットの仮定をなすことができる。これらの値に基づいて、図７の構成における図４の集電体の使用は、３２％の接触率、および０．４７（標準化）の平均接触領域拡散長の上限を生じる。図４に用いた１．２７ｍｍのスケーリング係数を掛けると、平均接触領域拡散長はおよそ０．６ｍｍになる。

所望により、カソード集電体が７０％を超える開口率および／または増加した平均接触領域拡散長で用いられる場合、平均接触領域拡散長を低下させるためにさらなる構造を含めることができる。例えば、小メッシュサイズ（およそ１．０ｍｍ以下の平均セル幅および／または長さ）を有するオープンメッシュスクリーン７５０を、カソード表面７３０とループ構造１２０の下縁部１２２との間に位置できる。スクリーン７５０は、カソード表面７３０および／またはループ構造１２０によって支持されているために、スクリーン７５０は、構造的支持を提供する必要がなく、したがって、メッシュ構造材料によって覆われる表面のパーセンテージを比較的低くできる。加えて、小メッシュサイズを用いることにより、平均接触領域拡散長を大きく低下できる。例えば、メッシュサイズが１．０ｍｍ以下で、対応する平均接触領域拡散長を０．３ｍｍ以下に低下させることができる。

潜在的なカソード集電体構造のさらにもう一つの例を図１５に示す。図１５に示す構造において、カソード集電体構造のパターンは、固体プレートの使用よりむしろ方形波（または、矩形波；square wave）におよそ対応し、方形波構造は、メッシュスクリーンから形成される。このタイプの構成は、カソード表面での開口表面積の増加（平均カソードガス側面拡散長の低下）を提供し、カソード集電体とカソード表面との間の接触点間の距離の低下または最小化（平均接触領域拡散長の低下）を提供するのに有益であることができる。方形波パターン自体の結果、５０％以下のブロック領域を生じることができる。また、オープンメッシュ構造自体は、５０％以下のブロック領域を生じることができる。かかるオープンメッシュ構造を用いて方形波を構築することにより、２５％以下のブロック率（または、ブロック面積：blocked area）（したがって、７５％以上の開口率）を容易に達成できる。一例として、図１５に示す方形波パターンとメッシュ構造を用いるカソード集電体を形成でき、ここで、距離「Ｐ」（方形波の周期）は０．２０５インチ（約０．５２ｃｍ）に対応し、一方、距離「Ａ」（方形波の振幅）は、０．０８１インチ（約０．２１ｃｍ）に対応する。かるカソード集電体構造は、０．０１０インチ（約０．０２５ｃｍ）のカソード表面で最長のブロック寸法を生じることができる。

テクスチャード（textured）カソード表面
いくつかの態様において、カソード表面の開口率を増加させるためのもう一つのオプションは、カソード表面への溝の導入に基づくことができる。図８は、溝付きカソード表面の例を示す。図８に示すごとく、平面のカソード表面を有する代わりに、カソード表面８１０の上部は、一連の溝またはチャネル８１５を含むことができる。カソードガスは、開口領域を通ってこれらの溝に入り、次いで、溝を通って移動して、そうでなければカソード集電体８２０によって覆われるであろう位置に到達できる。次いで、溝８１５内および／またはカソード表面８１０上のカソードガスは、カソードのバルク部分８３０内に拡散して、溶融炭酸塩燃料電池反応を促進できる。かかる溝またはチャネルがカソード表面上に存在する場合、溝またはチャネルは、本明細書で提供される定義下で開口領域と考えることができる。溝がカソード集電体の接触面に対して１０μｍ以上の深さを有するならば、溝は開口領域に対応するのに十分に深いと考えられる。いくつかの態様において、溝またはチャネルの存在は、同じ集電体と接触する平面カソード表面の開口率に対し、カソード表面の開口率を５％以上、または１０％以上、または１５％以上（例えば、４０％の増加または場合によってはさらに高く）増加させることができる。

いくつかの態様において、溝を相互接続できるので、一つの位置で溝に入るカソードガスは、溝内のいずれの他の位置にも潜在的に移動することができる。別法として、溝は、１０未満または５未満のごとき少ない複数のネットワークに相互接続でき、その結果、孤立した（isolated）溝の数が低下または最小化される。相互接続された表面テクスチャの幾何学は、物質移動を高めるのに十分な深さであることができるが、十分な電気化学反応部位につき最小２５０μｍの通常のカソード厚を可能にするであろう。シャドウイング（shadowing）効果を低下させるために、溝／チャネルの間隔は最大２５０μｍにできる。溝／チャネルの幅は、カソード集電体と接触する表面で１００μｍにできるが、溝／チャネルの底部に達するゼロまで減少させることができる。溝／チャネルについての相互接続点間の距離は、１０００μｍ未満にでき、カソード集電体によって影が付けられている領域下でガス混合を可能にできる。

カソード表面のチャネルまたは溝は、いずれの都合よい方法でも形成できる。チャネルまたは溝を形成するための適切なプロセスの例には、限定されるものではないが、チャネルまたは溝を形成するための完成（finished）カソード表面の機械加工、テクスチャードロールを用いるパターンのピンチローリング、および／またはテクスチャード鋳型を用いる溝またはチャネルを含む焼結カソード構造の製造が含まれる。

代替イオン輸送での溶融炭酸塩型燃料の作動条件
種々の態様において、溶融炭酸塩燃料電池（例えば、燃料電池スタックの一部としてのセル）の作動条件は、０．９７以下の輸率に対応するように選択でき、それにより、セルに炭酸イオンと電解質を横切る少なくとも１つのタイプの代替イオンの双方を輸送させる。輸率に加えて、溶融炭酸塩型燃料電池が代替イオンの輸送で作動していることを示すことができる作動条件には、限定されるものではないが、カソード入力ストリームのＣＯ_２濃度、カソードにおけるＣＯ_２利用率、燃料電池の電流密度、カソードを横切る電圧降下、アノードを横切る電圧降下、およびカソード入力ストリーム中のＯ_２濃度が含まれる。加えて、アノード入力ストリームおよびアノードにおける燃料利用率は、一般的に所望の電流密度を提供するように選択できる。

一般的には、代替イオン輸送を引き起こすために、十分に高い電流密度を提供するために燃料電池を作動しつつ、カソードの少なくとも一部のＣＯ_２濃度は十分に低いことが必要である。カソード内の十分に低いＣＯ_２濃度は、典型的には、カソード入力フロー中の低ＣＯ_２濃度、高ＣＯ_２利用率、および／または高平均電流密度のいくつかの組合せに対応する。しかしながら、かかる条件だけでは、０．９７以下または０．９５以下の輸率を示すのに十分ではない。

例えば、カソード開口率がおよそ３３％の溶融炭酸塩型燃料電池は、ＣＯ_２カソード入口濃度が１９体積％、ＣＯ_２利用率が７５％、平均電流密度が１６０ｍＡ／ｃｍ^２で作動された。これらの条件は、計算されたＣＯ_２利用率と測定されたＣＯ_２利用率との１％未満の差に対応していた。かくして、実質的な代替イオン輸送／輸率の０．９７以下または０．９５以下の存在は、高ＣＯ_２利用率および高平均電流密度の存在から単純に推測することはできない。

もう一つの例として、カソード開口率が５０％～６０％の溶融炭酸塩型燃料電池を、ＣＯ_２カソード入口濃度４．０体積％、ＣＯ_２利用率８９％、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ^２で作動させた。これらの条件は、少なくとも０．９７の輸率に対応した。かくして、０．９５以下の輸率／実質的な代替イオン輸送の存在は、カソード入力ストリーム中の低ＣＯ_２濃度と組み合わせた高ＣＯ_２利用率の存在から単純に推測することはできない。

さらにもう一つの例として、カソード開口率が５０％～６０％の間の溶融炭酸塩型燃料電池を、ＣＯ_２カソード入口濃度１３体積％、ＣＯ_２利用率６８％、および電流密度１００ｍＡ／ｃｍ^２で作動させた。これらの条件は、少なくとも０．９８の輸率に対応した。

この説明において、電解質を横切って代替イオンを輸送するためのＭＣＦＣの作動は、最小量を超える代替イオンが輸送されるようにＭＣＦＣを作動させることとして定義される。少量の代替イオンが、種々の通常の条件下でＭＣＦＣ電解質を横切って輸送されることが可能である。通常の条件下でのかかる代替イオン輸送は、０．９８以上の輸率に対応でき、これは、燃料電池の電流密度の２．０％未満に対応する代替イオンの輸送に対応する。

この説明において、代替イオン輸送を引き起こすためのＭＣＦＣの作動は、０．９５以下の輸率でＭＣＦＣを作動させることとして定義され、５．０％以上の電流密度（または５．０％以上の計算されたＣＯ_２利用率）は、代替イオンの輸送に基づく電流密度、あるいは１０％以上、または２０％以上、例えば、３５％までまたは場合によってはさらに高いものに対応する。いくつかの態様において、増加した開口率および／または低下した平均カソードガス側面拡散長での作動は、さもなければ０．９５以下の輸率を生じるであろう条件下で代替イオン輸送量を低下または最小化できることが留意される。かくして、増加した開口率および／または低下した平均カソードガス側面拡散長での作動により、ＣＯ_２捕捉／実質的な代替イオン輸送を高めたいくつかの作動条件は、０．９７以下の輸率に対応し得る。

この説明において、実質的な代替イオン輸送を引き起こすためのＭＣＦＣの作動（すなわち、０．９５以下または０．９７以下の輸率で、開口率の増加および／または平均カソードガス側面拡散長の低下での作動）を発電に適したアノードとカソードと間の電圧降下でＭＣＦＣを作動することに対応するように、さらに定義する。溶融炭酸塩型燃料電池における反応の電気化学的電位差の合計は約１．０４Ｖである。実際的な考慮により、ＭＣＦＣは典型的には、０．７Ｖ付近または約０．８Ｖの電圧で電流を生成するように作動する。これは、およそ０．３４Ｖのカソード、電解質、およびアノードを横切る複合（combined）電圧降下に対応する。安定な作動を維持するために、カソード、電解質およびアノードを横切る複合電圧降下を約０．５Ｖ未満にでき、その結果、燃料電池によって生成される電流は、０．５５Ｖ以上、または０．６Ｖ以上の電圧である。

アノードに関して、実質的な代替イオン輸送で作動するための１つの条件は、実質的な代替イオン輸送が発生する領域において、８．０体積％以上または１０体積％以上のＨ_２濃度を有することであることができる。その態様に依存して、これは、アノード入口付近の領域、カソード出口付近の領域、またはそれらの組合せに対応できる。一般的に、アノードの領域のＨ_２濃度が低すぎると、実質的な代替イオン輸送を生成するための不十分な駆動力になるであろう。

また、アノードの適切な条件は、アノードにＨ_２、改質可能燃料、またはそれらの組合せを提供すること、および２０％～８０％の範囲にある燃料利用率を含めた、所望の電流密度を生成するいずれかの便利な燃料利用率で作動することを含むことができる。いくつかの態様において、これは、６０％以上または７０％以上、例えば、８５％までまたは場合によってはさらに高い燃料利用率のごとき、通常の燃料利用量に対応できる。他の態様において、これは、５５％以下、または５０％以下、または４０％以下、例えば、２０％以下または場合によってはさらに低い燃料利用率のごとき、Ｈ_２の高めた含有量および／またはＨ_２とＣＯ（すなわち、合成ガス）の高めた組合せ含有量をアノード出力ストリームに提供するように選択された燃料利用率に対応できる。アノード出力ストリーム中のＨ_２含有量、および／またはアノード出力ストリーム中のＨ_２とＣＯの組合せ含有量は、所望の電流密度の生成を可能にするのに十分であることができる。いくつかの態様において、アノード出力ストリーム中のＨ_２含有量は、３．０体積％以上、または５．０体積％以上、または８．０体積％以上、例えば、最大１５体積％または場合によってはさらに高いことができる。加えてまたは別法として、アノード出力ストリーム中のＨ_２とＣＯの組合せ（combined）量は、４．０体積％以上、または６．０体積％以上、または１０体積％以上、例えば、２０体積％までまたは場合によってはさらに高いことができる。所望により、燃料電池が低い燃料利用率で作動される場合、アノード出力ストリーム中のＨ_２含有量は、１０体積％～２５体積％のＨ_２含有量のごとき、より高範囲にあることができる。かかる態様において、アノード出力ストリームの合成ガス含有量は、対応してより高くなることができ、例えば、１５体積％～３５体積％のＨ_２とＣＯの組合せ含有量である。態様に依存して、アノードを作動して、生成される電気エネルギーの量を増加でき、生成される化学エネルギーの量を増加でき（すなわち、Ｈ_２をアノード出力ストリーム中の利用可能な改質によって生成できる）、または代替イオン輸送を引き起こすための燃料電池の作動と互換性のあるいずれかの他の便利な戦略を用いて作動できる。

アノード中の十分なＨ_２濃度を有することに加えて、カソード内の１つ以上の位置は、炭酸イオン輸送のより好ましい経路が容易に利用できないように、十分に低いＣＯ_２濃度を有する必要がある。いくつかの態様において、これは、２．０体積％以下、または１．０体積％以下、または０．８体積％以下のカソード出口ストリーム（すなわち、カソード排出）中のＣＯ_２濃度を有することに対応できる。カソード内の変動により、カソード排出中の２．０体積％以下（または１．０体積％以下、または０．８体積％以下）の平均濃度が、カソードの局所領域におけるさらにより低いＣＯ_２濃度に対応できることが留意される。例えば、クロスフロー構成において、アノード入口およびカソード出口に隣接する燃料電池のコーナーにおいて、ＣＯ_２濃度は、アノード出口とカソード出口に隣接する同じ燃料電池のコーナーよりも低くなりかねない。ＣＯ_２濃度の同様の局所的な変動は、並流（co-current）または向流構成（counter-current configuration）を有する燃料電池において生じることができる。

また、低濃度のＣＯ_２を有することに加えて、カソードの局所領域は、１．０体積％以上、または２．０体積％以上のＯ_２を有することもできる。燃料電池において、Ｏ_２を用いて、代替イオン輸送を可能にする水酸化物イオンを形成する。十分なＯ_２が存在しないならば、炭酸イオン輸送と代替イオン輸送メカニズムの双方がＯ_２の利用可能性（availability）に依存するため、燃料電池は作動しない。カソード入力ストリーム中のＯ_２に関して、いくつかの態様において、これは、４．０体積％～１５体積％、または６．０体積％～１０体積％の酸素含有量に対応できる。

また、１．０体積％以上または２．０体積％以上のごとき、代替イオン輸送が生じるのに十分な量の水が存在すべきであることが観察されている。いずれの特定の理論に拘束されることなく、実質的な代替イオン輸送で作動させることを試みる場合にカソード中で水が利用可能でないならば、燃料電池は、十分な水が利用可能である代替イオン輸送によって観察される非活性化速度よりも非常に速い速度で劣化するようである。空気は一般的にＯ_２源として用いられ、Ｈ_２Ｏが燃焼中に生成される生成物の１つであるため、典型的には、カソード内で十分な量の水が利用可能であることが留意される。

高めたＣＯ_２捕捉のための溶融炭酸塩型燃料電池の作動中のカソードガスおよび／またはアノードガスの不均一な分布のために、溶融炭酸塩型燃料電池の１つ以上のコーナーおよび／または縁は、典型的には、代替イオン輸送の実質的により高い密度を有するであろうと考えられている。１つ以上のコーナーは、カソードのＣＯ_２濃度が平均よりも低い位置、またはアノードのＨ_２濃度が平均よりも高い位置、またはそれらの組合せに対応できる。

この説明において、燃料電池は、電解質によって分離されたアノードとカソードを備えた単一のセルに対応できる。アノードとカソードは、入力ガスのフローを受け取り、電解質を横切る電荷を輸送して電気を生成するための各々のアノードとカソードの反応を促進できる。燃料電池スタックは、統合されたユニット内の複数のセルを表すことができる。燃料電池スタックは複数の燃料電池を含むことができるが、燃料電池は典型的には、並列に接続でき、それらが集合してより大きなサイズの単一の燃料電池を表すかのように（およそ）機能できる。入力フローが燃料電池スタックのアノードまたはカソードに送達される場合、燃料スタックは、スタック内の各セル間で入力フローを分割するためのフローチャネルと、個々のセルからの出力フローを組み合わせるためのフローチャネルとを含むことができる。この説明において、燃料電池アレイを用いて、直列、並列、または他のいずれかの都合よい方法（例えば、直列および並列の組合せにて）に配置された複数の燃料電池（例えば、複数の燃料電池スタック）をいうことができる。燃料電池アレイは、燃料電池および／または燃料電池スタックの１つ以上のステージを含むことができ、第１のステージからのアノード／カソード出力は、第２のステージのアノード／カソード入力として働き得る。燃料電池アレイのアノードは、アレイのカソードと同じ方法で接続する必要がないことが留意される。便宜上、燃料電池アレイの第１のアノードステージへの入力は、アレイのアノード入力といってもよく、燃料電池アレイの第１のカソードステージへの入力は、アレイのカソード入力といってもよい。同様に、最終的なアノード／カソードステージからの出力は、アレイからのアノード／カソード出力といってもよい。

本明細書における燃料電池の使用への参照は、典型的には、個々の燃料電池から構成される「燃料電池スタック」を意味し、より一般的には、流体連通における１つ以上の燃料電池スタックの使用をいうことが理解されるであろう。個々の燃料電池要素（プレート）は、典型的には、「燃料電池スタック」と呼ばれる矩形配列に「積み重ね（stacked）」ることができる。この燃料電池スタックは、典型的には、原料供給ストリーム（feed stream）を受け取り、個々の燃料電池要素のすべてに反応物を分配し、次いでこれらの各要素から生成物を収集できる。ユニットとして見る場合、作動中の燃料電池スタックは、多数（しばしば、数十または数百）の個々の燃料電池要素で構成されていたとしても、全体として捉えることができる。これらの個々の燃料電池要素は、典型的には、（反応物と生成物の濃度が同様であるため）同様の電圧を有することができ、要素が電気的に直列に接続されている場合、総電力出力は、すべてのセル要素における全電流の合計から生じることができる。また、スタックを直列配置（series arrangement）に配置して、高電圧を生成することができる。並列配置は電流を増大（boost）させることができる。所与の排出フローを処理するのに十分に大容量の燃料電池スタックが利用可能であるならば、本明細書に記載されたシステムおよび方法は、単一の溶融炭酸塩型燃料電池スタックで用いることができる。本発明の他の態様において、複数の燃料電池スタックが、種々の理由のために望ましいか、または必要とされ得る。

本発明の目的のために、特記されない限りは、「燃料電池」なる用語は、１つ以上の個々の燃料電池要素のセットから構成される燃料電池スタックへの参照も含むと理解されるべきであり、および／またはそのように定義され、個々の燃料電池要素について、燃料電池が実際に典型的に使用される方法であるため、単一の入力と出力が存在する。同様に、燃料電池（複数）なる用語は、特記しない限りは、複数の別々の燃料電池スタックを含むこともいい、および／またはそのように定義されると理解されるべきである。換言すれば、この文書内のすべての参照は、特記しない限りは、「燃料電池」としての燃料電池スタックの作動を互換的にいうことができる。例えば、商業規模の燃焼発電機によって生成される排出の体積（または、量）は、通常サイズの燃料電池（すなわち、単一スタック）によって処理するには余りにも大きすぎるかもしれない。全排出を処理するために、複数の燃料電池（すなわち、２つ以上の別々の燃料電池または燃料電池スタック）を並列に配置して、各燃料電池が燃焼排出の（およそ）等しい部分を処理できるようにできる。複数の燃料電池を用いることができるが、各燃料電池は、燃焼排出のその（およそ）等しい部分が与えられると、典型的には、一般的に同様の方法で作動できる。

溶融炭酸塩型燃料電池の作動例：カソードとアノードのクロスフロー配向
図９は、溶融炭酸塩型燃料電池スタックの一部の一般的な例を示す。図９に示されたスタックの部分は、燃料電池３０１に対応する。スタック内の隣接する燃料電池からおよび／またはスタック内の他の要素から燃料電池を隔離するために、燃料電池は、セパレータプレート３１０および３１１を含む。図９において、燃料電池３０１は、電解質３４２を含む電解質マトリックス３４０によって分離されたアノード３３０およびカソード３５０を含む。種々の態様において、カソード３５０は、二層（または多層）カソードに対応できる。アノード集電体３２０は、スタック内のアノード３３０と他のアノードとの間の電気的接触を提供し、一方、カソード集電体３６０は、燃料電池スタック内のカソード３５０と他のカソードとの間の同様の電気的接触を提供する。加えて、アノード集電体３２０は、アノード３３０からのガスの導入および排出を可能にし、一方、カソード集電体３６０は、カソード３５０からのガスの導入および排出を可能にする。

作動中、ＣＯ_２は、Ｏ_２と共にカソード集電体３６０に移る。ＣＯ_２およびＯ_２は、多孔質カソード３５０に拡散し、カソード３５０および電解質マトリックス３４０の境界付近のカソード界面領域（または、カソードインターフェース領域；cathode interface region）に移動する。カソード界面領域において、電解質３４２の一部がカソード３５０の孔に存在できる。ＣＯ_２およびＯ_２は、カソード界面領域付近／内で炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２－）に変換でき、次いで、これは、電流の生成を促進するために、電解質３４２を横切って（したがって、電解質マトリックス３４０を横切って）輸送できる。代替イオン輸送が生じている態様において、Ｏ_２の一部は、電解質３４２での輸送のために、水酸化物イオンまたは過酸化物イオンのごとき代替イオンに変換できる。電解質３４２を横切って輸送された後、炭酸イオン（または代替イオン）は、電解質マトリックス３４０とアノード３３０の境界付近のアノード界面領域に到達できる。炭酸イオンは、Ｈ_２の存在下でＣＯ_２とＨ_２Ｏに戻し変換され、燃料電池によって生成される電流を形成するために用いられる電子を放出する。Ｈ_２および／またはＨ_２を形成するのに適した炭化水素は、アノード集電体３２０を介してアノード３３０に導入される。

溶融炭酸塩型燃料電池のアノード内のフロー方向は、カソード内のフロー方向に対していずれかの都合のよい方向を有することができる。１つのオプションは、クロスフロー構成を使用することであり得、その結果、アノード内のフロー方向は、カソード内のフロー方向に対しておよそ９０°の角度になる。クロスフロー構成を用いると、アノード入口／出口のマニホールドおよび／または配管（piping）を、カソードの入口／出口のマニホールドおよび／または配管とは異なる側の燃料電池スタックに配置できるため、このタイプのフロー構成には実用的な利点がある。

図１０は、燃料電池カソードおよび対応する燃料電池アノード内のフロー方向を示す矢印と共に燃料電池カソードの上面図の例を模式的に示している。図１０において、矢印４０５は、カソード４５０内のフロー方向を示し、一方、矢印４２５は、アノード（図示せず）でのフロー方向を示す。

アノードとカソードのフローが相互におよそ９０°にて方向付けされるため、アノードとカソードのフローのパターンは、カソードの種々の部分で異なる反応条件を有することに寄与できる。カソードの四隅の反応条件を考慮することにより、種々の条件を説明できる。図１０の図において、本明細書に記載の反応条件は、７５％以上（または８０％以上）のＣＯ_２利用率で作動する燃料電池の反応条件と定性的に同様である。

コーナー４８２は、カソード入力フローとアノード入力フローの双方の入口点に近い燃料電池の部分に対応する。結果として、ＣＯ_２（カソード内）およびＨ_２（アノード内）の双方の濃度は、コーナー４８２において比較的高い。その高濃度に基づいて、コーナー４８２付近の燃料電池の部分は、電解質を横切る炭酸イオン以外のイオンの輸送が実質的になく、予想される条件下で作動できると期待される。

コーナー４８４は、カソード入力フローの入口点に近く、アノード出力フローの出口点に近い燃料電池の部分に対応する。コーナー４８４付近の位置において、燃料利用率に応じて、アノード中のＨ_２の濃度低下のため、電流密度の量を制限し得る。しかしながら、電解質を横切って輸送されるいずれのイオンも実質的に炭酸イオンに対応するように、十分なＣＯ_２が存在するであろう。

コーナー４８６は、アノード出力フローの出口点に近く、カソード出力フローの出口点に近い燃料電池の部分に対応する。コーナー４８６付近の位置において、Ｈ_２（アノードでの）とＣＯ_２（カソードでの）の双方の濃度低下のため、燃料電池反応についての低い駆動力により、電流はほとんどまたは全く期待されない。

コーナー４８８は、アノード入力フローの入口点に近く、カソード出力フローの出口点に近い燃料電池の部分に対応する。コーナー４８８付近の位置での水素の比較的高い利用可能性は、実質的電流密度を生じると予想される。しかしながら、比較的低い濃度のＣＯ_２のため、水酸化物イオンおよび／または他の代替イオンの実質的な量の輸送が生じることができる。その態様に依存して、実質的な量の代替イオン輸送は、計算されたＣＯ_２利用率を５％以上、１０％以上、１５％以上、または２０％以上増加させることができる。加えてまたは別法として、輸率は、０．９７以下、または０．９５以下、または０．９０以下、または０．８５以下、または０．８０以下であることができる。電解質を横切る実質的な量の代替イオンの輸送は、コーナー４８８付近の位置にてより高い電流密度を一時的に維持することを可能にできる。しかしながら、代替イオンの輸送も、カソードおよび／またはアノード構造を劣化させかねなく、その結果、コーナー４８８付近の位置にて経時的に電流密度が低くなる（場合によっては全くなくなる）。低い代替イオン輸送量（例えば、０．９６以上、または０．９８以上の輸率）にて、寿命劣化の量はそれほど深刻ではないことが留意される。

燃料電池内の１つ以上の位置で代替イオン輸送が重要になる場合、燃料電池が急速に劣化し始めることが発見された。これは、１つ以上の位置が劣化し、いずれのさらなる電流密度も得られないためであると考えられる。領域（群）が所望の電流密度に寄与しなくなると、燃料電池の残りの位置は、燃料電池の全体的な（平均）電流密度を一定に維持するために、より高い電流密度で作動しなければならない。これにより、代替イオンの輸送領域が増大し、その結果、劣化し、最終的には稼働を停止しかねない。あるいは、燃料電池の一部の劣化の結果、セルからの総電流密度が低下しかねなく、これも望ましくない。増加させた開口率および／または低下した平均カソードガス側面拡散長を持つ燃料電池の作動は、高めたＣＯ_２捕捉中に生じる代替イオン輸送量を低下させ、燃料電池のより長寿命を可能にできる。

アノードの入力と出力
種々の態様において、ＭＣＦＣのアノード入力ストリームは、水素、メタンのごとき炭化水素、ＣおよびＨとは異なるヘテロ原子を含み得る炭化水素化合物または炭化水素様化合物、あるいはそれらの組合せを含むことができる。水素／炭化水素／炭化水素様化合物の源は、燃料源ということができる。いくつかの態様において、アノードに供給されるメタン（または他の炭化水素、炭化水素または炭化水素様化合物）の大部分は、典型的には新鮮なメタンであることができる。本明細書において、新鮮なメタンのごとき新鮮な燃料は、もう一つの燃料電池プロセスからリサイクルされない燃料をいう。例えば、アノード出口ストリームからアノード入口に戻るリサイクルされたメタンは、「新鮮な」メタンとは考えられない場合があり、代わりに再生メタンとして記載できる。

用いられる燃料源は、燃料源の一部を用いてカソード入力にＣＯ_２含有ストリームを提供するタービンのごとき他の構成要素と共有できる。燃料源投入物（または、入力；input）は、水素を生成する改質セクションにおいて炭化水素（または炭化水素様）化合物を改質するのに適切な燃料に比例した水を含むことができる。例えば、メタンがＨ_２を生成するための改質用の燃料投入物であるならば、水－対－燃料のモル比は、約１－対－１から約１０－対－１、例えば、少なくとも約２－対－１であることができる。外部改質については４－対－１以上の比率が典型的であるが、内部改質についてはより低値が典型的である。Ｈ_２が燃料源の一部である程度まで、アノードでのＨ_２の酸化が、燃料の改質に用いることができるＨ_２Ｏを生成する傾向があることができるため、いくつかの所望の態様において、燃料にさらなる水は必要とし得ない。また、燃料源は、所望により、燃料源に付随する成分を含むことができる（例えば、天然ガス供給物は、さらなる成分としていくらかの含有量のＣＯ_２を含むことができる）。例えば、天然ガス供給物は、さらなる成分として、ＣＯ_２、Ｎ_２、および／または他の不活性（貴）ガスを含むことができる。また、所望により、いくつかの態様において、燃料源はアノード排出のリサイクルされた部分からのＣＯのごときＣＯを含み得る。燃料電池構造体（または、アセンブリ；assembly）への燃料中のＣＯの追加的または代替的な潜在的な源は、燃料電池構造体に入ることに先立ち、燃料に対して行われる炭化水素燃料の水蒸気改質によって生成されるＣＯであることができる。

より一般的には、種々のタイプの燃料ストリームが、溶融炭酸塩型燃料電池のアノード用のアノード入力ストリームとして用いるのに適し得る。いくらかの燃料ストリームは、炭化水素および／またはＣおよびＨとは異なるヘテロ原子も含み得る炭化水素様化合物を含むストリームに対応できる。この説明において、特記しない限りは、ＭＣＦＣアノードについての炭化水素を含む燃料ストリームへの参照は、かかる炭化水素様化合物を含む燃料ストリームを含むと定義される。炭化水素（炭化水素様化合物を含む）燃料ストリームの例には、天然ガス、Ｃ１～Ｃ４炭素化合物（例えば、メタンまたはエタン）を含むストリーム、および重質Ｃ５＋炭化水素（炭化水素様化合物を含む）を含むストリーム、ならびにそれらの組合せが含まれる。アノード入力に用いるための潜在的な燃料ストリームのさらに他の追加的または代替的な例は、有機材料の自然（生物学的）分解から生成されるメタンのごときバイオガスタイプのストリームを含むことができる。

いくつかの態様において、溶融炭酸塩型燃料電池は、希釈剤化合物の存在のために低エネルギー含量で、天然ガスおよび／または炭化水素ストリームのごとき入力燃料ストリームを処理するために用いることができる。例えば、メタンおよび／または天然ガスのいくらかの源は、実質的な量のＣＯ_２または、窒素、アルゴン、ヘリウムのごとき他の不活性分子のいずれかを含むことができる源である。高めた量のＣＯ_２および／または不活性物質の存在により、源に基づく燃料ストリームのエネルギー含量を低下させることができる。燃焼反応（例えば、燃焼動力タービンへの動力供給）についての低エネルギー含量の燃料の使用は、困難性をもたらしかねない。しかしながら、溶融炭酸塩型燃料電池は、燃料電池の効率に関して衝撃の低下または最小化で低エネルギー含量の燃料源に基づいて電力を生成できる。さらなるガス量の存在は、燃料の温度を改質および／またはアノード反応のための温度に上げるためにさらなる熱を必要とすることができる。加えて、燃料電池アノード内の水性ガスシフト反応の平衡性により、さらなるＣＯ_２の存在は、アノード出力に存在するＨ_２とＣＯの相対的な量に影響を与えかねない。しかしながら、そうでなければ、不活性化合物は、改質およびアノード反応に最小限の直接的な衝撃だけを有することができる。溶融炭酸塩型燃料電池の燃料ストリーム中のＣＯ_２および／または不活性化合物の量は、存在する場合に、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。加えてまたは別法として、溶融炭酸塩型燃料電池の燃料ストリーム中のＣＯ_２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、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。

アノード入力ストリームの潜在的な源のさらに他の例は、精製所および／または他の工業プロセス出力ストリームに対応できる。例えば、コークス化（または、コーキング、coking）は、重質化合物をより低沸点範囲に変換するための多数の精製所における一般的なプロセスである。コークス化は典型的には、ＣＯおよび種々のＣ_１～Ｃ_４炭化水素を含めた、室温でガスとなる種々の化合物を含むオフガスを生成する。このオフガスは、アノード入力ストリームの少なくとも一部として用いることができる。他の精製所のオフガスストリームは、クラッキングまたは他の精製所プロセス中に生成されるライトエンド（Ｃ_１～Ｃ_４）のごとき、アノード入力ストリームに含めるのに追加的または代替的に適することができる。さらに他の適切な精製ストリームは、Ｈ_２および／または改質可能燃料化合物も含むＣＯまたはＣＯ_２を含有する精製ストリームを追加的または代替的に含むことができる。

アノード入力のさらに他の潜在的な源は、加えてまたは別法として、水分含有量が増加したストリームを含むことができる。例えば、エタノールプラント（またはもう一つのタイプの発酵プロセス）からのエタノール出力ストリームは、最終蒸留に先立ち実質的な部分のＨ_２Ｏを含むことができる。かかるＨ_２Ｏは典型的には、燃料電池の作動に最小限の衝撃だけを引き起こす。かくして、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、アノード入力ストリームの少なくとも一部として用いることができる。

バイオガスまたは消化ガスは、アノード入力についてのもう一つの追加的または代替的な潜在的な源である。バイオガスは主にメタンとＣＯ_２を含み、典型的には有機物の分解または消化によって生成される。嫌気性細菌は、有機物を消化してバイオガスを生成するために用い得る。硫黄含有化合物のごとき不純物は、アノード入力として用いるのに先立ちバイオガスから除去し得る。

ＭＣＦＣアノードからの出力ストリームは、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２、ＣＯ、およびＨ_２を含むことができる。また、所望により、アノード出力ストリームは、さらなる出力成分として、未反応の燃料（例えば、Ｈ_２またはＣＨ_４）または不活性化合物を供給原料（feed）に有することもできる。この出力ストリームを改質反応用の熱を提供するための燃料源として、またはセルを加熱するための燃焼燃料として用いる代わりに、アノード出力ストリームに対して１つ以上の分離を行って、ＣＯ_２をＨ_２またはＣＯのごときもう一つのプロセスへの入力として、潜在的な値を持つ成分から分離できる。Ｈ_２および／またはＣＯは、化学合成用の合成ガス、化学反応用の水素源、および／または低下した温室効果ガス排出量を持つ燃料として用いることができる。

カソードの入力と出力
通常、溶融炭酸塩型燃料電池は、アノードに送達される燃料ストリーム中の燃料のいくらかの部分を消費しつつ、所望の負荷を引き出すことに基づいて作動できる。次いで、燃料電池の電圧は、負荷、アノードへの燃料入力、カソードに供給される空気とＣＯ_２、および燃料電池の内部抵抗によって決定できる。カソードへのＣＯ_２は、従来、アノード排出をカソード入力ストリームの少なくとも一部として用いることによって部分的に提供できる。対照的に、本発明は、アノード入力およびカソード入力のための別々の／異なる源を用いることができる。アノード入力フローとカソード入力フローとの組成の間のいずれかの直接的リンクを取り除くことにより、とりわけ、過剰な合成ガスを生成する、二酸化炭素の捕捉を改善する、および／または燃料電池の総効率（電気と化学力）を改善するためのごとき、燃料電池を作動するためのさらなるオプションが利用可能になる。

種々の態様において、ＭＣＦＣを作動して、燃料電池の電解質を横切る代替イオン輸送を引き起こすことができる。代替イオン輸送を引き起こすために、カソード入力ストリームのＣＯ_２含有量は、５．０体積％以下、または４．０体積％以下、例えば、１．５体積％～５．０体積％、または１．５体積％～４．０体積％、または２．０体積％～５．０体積％、または２．０体積％～４．０体積％であることができる。

カソード入力フローとして用いるのに適したＣＯ_２含有ストリームの一例は、燃焼源からの出力または排出フローであることができる。燃焼源の例には、限定されるものではないが、天然ガスの燃焼、石炭の燃焼、および／または他の炭化水素タイプの燃料（生物由来燃料を含む）の燃焼に基づく源が含まれる。追加的または代替的な源には、他のタイプのボイラー、燃焼ヒーター、炉、および／またはもう一つの物質（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タイプの装置が含まれる。

カソード入力ストリームの他の潜在的な源は、加えてまたは別法として、生物生成されたＣＯ_２の源を含むことができる。これには、例えば、エタノール生成中に生成されるＣＯ_２のごとき、生物由来化合物の処理中に生成されるＣＯ_２が含まれる。追加的または代替的な例は、リグノセルロースの燃焼のごとき生物生成燃料の燃焼によって生成されるＣＯ_２を含むことができる。さらに他の追加的または代替的な潜在的ＣＯ_２源は、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生成されるＣＯ_２含有ストリームのごとき、種々の工業プロセスからの出力または排出ストリームに対応できる。

さらにもう一つの追加的または代替的な潜在的ＣＯ_２源は、燃料電池からのＣＯ_２含有ストリームであることができる。燃料電池からのＣＯ_２含有ストリームは、異なる燃料電池からのカソード出力ストリーム、異なる燃料電池からのアノード出力ストリーム、燃料電池のカソード出力からカソード入力へのリサイクルストリーム、および／または、燃料電池のアノード出力からカソード入力へのリサイクルストリームに対応できる。例えば、通常の条件下でスタンドアロンモードで作動するＭＣＦＣは、少なくとも約５体積％のＣＯ_２濃度でカソード排出を生成できる。かかるＣＯ_２含有カソード排出は、本発明の一態様により作動するＭＣＦＣについてのカソード入力として用いることができる。より一般的には、カソード排出からＣＯ_２出力を生成する他のタイプの燃料電池、ならびに「燃焼」反応および／または燃焼発電機によって生成されない他のタイプのＣＯ_２含有ストリームを加えてまたは別法として用いることができる。所望により、好ましくは、もう一つの燃料電池からのＣＯ_２含有ストリームは、もう一つの溶融炭酸塩燃料電池からのものであることができる。例えば、カソードに関して直列に接続された溶融炭酸塩型燃料電池について、第１の溶融炭酸塩型燃料電池のカソードからの出力を、第２の溶融炭酸塩型燃料電池のカソードへの入力として用いることができる。

ＣＯ_２に加えて、カソード入力ストリームは、カソード反応に必要な成分を提供するためにＯ_２を含むことができる。いくらかのカソード入力ストリームは、成分として空気を有することに基づくことができる。例えば、燃焼排出ストリームは、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できる。かかる燃焼排出ストリーム、または空気の含有に基づく酸素含有量を有するもう一つのタイプのカソード入力ストリームは、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。加えてまたは別法として、カソード入力ストリームの酸素含有量は、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。より一般的には、カソード入力ストリームは、カソード反応を行うための適切な酸素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％の酸素含有量に対応できる。多数のタイプのカソード入力ストリームについて、ＣＯ_２とＯ_２の組合せ量は、入力ストリームの約２１体積％未満、例えば、入力ストリームの約１５体積％未満または入力ストリームの約１０体積％未満に対応できる。酸素を含む気流は、低酸素含有量を有するＣＯ_２源と組み合わせることができる。例えば、石炭の燃焼によって生成される排出ストリームは、空気と混合してカソード入口ストリームを形成できる低酸素含有量を含み得る。

また、ＣＯ_２とＯ_２に加えて、カソード入力ストリームは、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ、および他の一般的な酸化剤（空気）成分のごとき不活性／非反応性種を含むこともできる。例えば、燃焼反応からの排出に由来するカソード入力について、空気が燃焼反応の酸化剤源の一部として用いられるならば、排出ガスは、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ、および空気中に存在する少量の他の化合物のごとき空気の典型的な成分を含むことができる。燃焼反応のための燃料源の性質に依存して、燃料源に基づいた燃焼後に存在するさらなる種は、１つ以上のＨ_２Ｏ、窒素酸化物（ＮＯｘ）および／または硫黄（ＳＯｘ）、および燃料中に存在するおよび／または燃料中に存在する化合物の部分的または完全な燃焼生成物である他の化合物、例えば、ＣＯを含み得る。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汚染しない量で存在し得る。かかる性能の低下は許容でき得るし、またはカソード触媒と相互作用する種は公知の汚染物質除去技術により許容できるレベルまで低下し得る。

カソード入力ストリーム（例えば、燃焼排出に基づく入力カソードストリーム）に存在するＯ_２量は、燃料電池におけるカソード反応に必要な酸素を提供するのに有利に十分であることができる。かくして、Ｏ_２の体積パーセントは、有利には、排出中のＣＯ_２量の少なくとも０．５倍であることができる。所望により、要すれば、さらなる空気をカソード入力に加えて、カソード反応に十分な酸化剤を提供できる。いくつかの形態の空気が酸化剤として用いられる場合、カソード排出中のＮ_２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、カソード入力ストリームは、Ｈ_２ＳまたはＮＨ_３のごとき一般的に汚染物質とみなされる化合物を追加的または代替的に含むことができる。他の態様において、カソード入力ストリームを清浄化して、かかる汚染物質の含有量を低下または最小化できる。

ＭＣＦＣの作動に適した温度は、約４５０℃～約７５０℃、例えば、少なくとも約５００℃であり得、例えば、入口温度は約５５０℃、出口温度は約６２５℃であり得る。カソードに入るのに先立ち、所望により、カソード入力ストリームに熱を加えるまたは熱を除去して、例えば、アノードについての燃料入力の再形成のごとき他のプロセスに熱を提供できる。例えば、カソード入力ストリームの源が燃焼排出ストリームであるならば、燃焼排出ストリームは、カソード入口の所望の温度よりも高い温度を有し得る。かかる態様において、カソード入力フローとして用いるのに先立ち、燃焼排出から熱を除去できる。あるいは、燃焼排出は、例えば、石炭焚きボイラーの湿式ガススクラバーの後に、非常に低温であることができ、その場合、燃焼排出は約１００℃未満であることができる。あるいは、燃焼排出は、複合サイクルモードで作動されるガスタービンの排出からのものであることができ、このモードにおいて、蒸気を上昇させて、さらなる発電のための蒸気タービンを作動することによってガスを冷却できる。この場合、ガスは約５０℃未満であることができる。所望より低温である燃焼排出に熱を加えることができる。

さらなる溶融炭酸塩型燃料電池の作動戦略
いくつかの態様において、代替イオン輸送を引き起こすためにＭＣＦＣを作動する場合、燃料電池のアノードは、およそ６０％～８０％の通常の燃料利用率値で作動できる。電力を生成することを試みる場合、比較的高い燃料利用率で燃料電池のアノードを作動することは、電気効率（すなわち、燃料電池によって消費される化学エネルギーの単位当たりの生成される電気エネルギー）を改善するために有益であることができる。

いくつかの態様において、アノード出力フロー中で提供されるＨ_２量の増加のごとき他の利益を提供するために、燃料電池の電気効率を低下させることが有益であり得る。これは、例えば、さらなる改質を行う、および／またはもう一つの吸熱反応を行うことによって、燃料電池（または燃料電池スタック）で生成される過剰熱を消費することが望ましいならば有益であることができる。例えば、溶融炭酸塩型燃料電池は、合成ガスおよび／または水素の生成の増加を提供するように作動できる。吸熱改質反応を行うために必要な熱は、発電用のアノードにおける発熱電気化学反応によって提供できる。発熱燃料電池反応によって生成された熱を燃料電池から離れて輸送することを試みるよりむしろ、この過剰熱を、改質および／またはもう一つの吸熱反応のための熱源として原位置（in situ）で用いることができる。この結果、熱エネルギーをより効率的に用いることができる、および／またはさらなる外部または内部熱交換の必要性を低下させることができる。本質的に原位置でのこの効率的な熱エネルギーの生成および使用は、有利な作動条件を維持しつつ、システムの複雑さおよび構成要素を低減させることができる。いくつかの態様において、改質または他の吸熱反応の量は、典型的には先行技術に記載されている熱要件よりも有意に少ないよりむしろ、発熱反応によって生成される過剰熱の量に匹敵するか、またはそれよりも多い吸熱熱要件を有するように選択できる。

加えてまたは別法として、燃料電池は、アノード入口とアノード出口との間の温度差が正よりむしろ負になるように作動できる。かくして、アノード入口とアノード出口との間の温度上昇を有する代わりに、十分な量の改質および／または他の吸熱反応を行って、アノード出口からの出力ストリームをアノード入口温度よりも低くできる。さらに加えてまたは別法として、さらなる燃料を燃料電池および／または内部改質ステージ（または他の内部吸熱反応ステージ）のヒーターに供給して、アノード入力とアノード出力との間の温度差を、吸熱反応の相対的な需要と、電力を生成するためのカソード燃焼反応とアノード反応との組み合わせた発熱熱生成に基づき予想される差異より小さくできる。改質が吸熱反応として用いられる態様において、過剰燃料を改質するように燃料電池を作動することにより、熱交換および改質のためのシステムの複雑さを最小化しつつ、通常の燃料電池作動に対し増加した合成ガスおよび／または増加した水素の生成を可能にできる。次いで、さらなる合成ガスおよび／またはさらなる水素は、化学合成プロセスおよび／または「クリーン」燃料として用いるための水素の収集／再利用を含めた、種々の適用で用いることができる。

アノードでの発熱反応によって酸化された水素１モル当たりの生成される熱量は、改質反応によって生成される水素１モル当たりの消費される熱量よりも実質的に大きくなることができる。溶融炭酸塩型燃料電池における水素の正味の反応（Ｈ_２＋１／２Ｏ_２＝＞Ｈ_２Ｏ）は、水素分子の約－２８５ｋＪ／モルの反応エンタルピーを有することができる。このエネルギーの少なくとも一部は、燃料電池内で電気エネルギーに変換できる。しかしながら、反応エンタルピーと燃料電池によって生成される電気エネルギーとの（およその）差は、燃料電池内で熱になることができる。あるいは、このエネルギー量は、燃料電池の理論的最大電圧と実際の電圧との差を掛けたセルの電流密度（単位面積当たりの電流）、または＜電流密度＞×（Ｖ_ｍａｘ－Ｖ_ａｃｔ）として表すことができる。このエネルギー量は、燃料電池の「廃熱（waste heat）」として定義される。改質の例として、メタン（ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ＝＞４Ｈ_２＋ＣＯ_２）の改質エンタルピーは、メタンの約２５０ｋＪ／モルまたは水素分子の約６２ｋＪ／モルであることができる。熱平衡の見地から、電気化学的に酸化された各水素分子は、改質によって１を超える水素分子を生成するのに十分な熱を生成できる。通常の構成において、この過剰熱の結果、アノード入口からアノード出口までの実質的な温度差を生じることができる。この過剰熱を燃料電池の温度を上げるために用いる代わりに、適合する量の改質反応を行うことによって過剰熱を消費できる。アノードで生成される過剰熱は、燃料電池での燃焼反応によって生成される過剰熱で補足することができる。より一般的には、過剰熱は、燃料電池のアノードで吸熱反応を行うことによって、および／または燃料電池と統合された吸熱反応ステージにおいて消費できる。

態様に依存して、改質および／または他の吸熱反応の量は、燃料電池の所望の熱比を達成するために、アノードで反応した水素量に対して選択できる。本明細書で用いた「熱比（thermal ratio）」は、燃料電池構造体内の発熱反応（アノードおよびカソードの双方での発熱反応を含む）によって生成される熱を、燃料電池構造体内で生じる改質反応の吸熱需要で割ったものとして定義される。数学的に表現すると、熱比（ＴＨ）＝Ｑ_ＥＸ／Ｑ_ＥＮ（式中、Ｑ_ＥＸは発熱反応によって生成された熱の総和であり、Ｑ_ＥＮは燃料電池内で生じる吸熱反応によって消費された熱の総和である）である。発熱反応によって生成される熱は、改質反応、水性ガスシフト反応、カソードでの燃焼反応（すなわち、燃料化合物の酸化）、および／またはセルでの電気化学反応によるいずれかの熱に対応できることが留意される。電気化学反応によって生成される熱は、電解質を横切る燃料電池反応の理想的電気化学ポテンシャルから燃料電池の実際の出力電圧を引いたものに基づいて計算できる。例えば、ＭＣＦＣでの反応の理想的電気化学ポテンシャルは、セルで生じる正味の反応に基づいて約１．０４Ｖであると考えられる。ＭＣＦＣの作動中、セルは、典型的には、種々の損失のために１．０４Ｖ未満の出力電圧を有することができる。例えば、一般的な出力／作動電圧は約０．７Ｖであることができる。生成熱は、セル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くなることができる。例えば、セル内の電気化学反応によって生成される熱は、燃料電池で約０．７Ｖの出力電圧が達成される場合、約０．３４Ｖになることができる。かくして、このシナリオにおいて、電気化学反応は、約０．７Ｖの電気と約０．３４Ｖの熱エネルギーが生成される。かかる例において、約０．７Ｖの電気エネルギーはＱ_ＥＸの一部として含まれていない。換言すれば、熱エネルギーは電気エネルギーではない。

種々の態様において、熱比は、燃料電池スタック、燃料電池スタック内の個々の燃料電池、統合された改質ステージを備えた燃料電池スタック、統合された吸熱反応ステージを備えた燃料電池スタック、またはそれらの組合せのごときいずれかの便利な燃料電池構造について決定できる。また、熱比は、燃料電池または燃料電池スタック構造体のごとき、燃料電池スタック内の異なるユニットについて計算し得る。例えば、熱比は、燃料電池スタック内の燃料電池（または複数の燃料電池）について、熱統合の見地から統合される燃料電池（複数）に十分に近接して統合された改質ステージおよび／または統合された吸熱反応ステージ要素と共に燃料電池内で計算し得る。

熱統合の見地から、燃料電池スタックの特徴的な幅は、個々の燃料電池スタック要素の高さであることができる。別々の改質ステージおよび／または別々の吸熱反応ステージは、燃料電池とは異なるスタック内の高さを有することができることが留意される。かかるシナリオにおいて、燃料電池要素の高さを特徴的な高さとして用いることができる。この説明において、統合された吸熱反応ステージは、１つ以上の燃料電池と統合されたステージ熱（stage heat）として定義でき、そのため、統合された吸熱反応ステージは、燃料電池からの熱を改質のための熱源として用いることができる。かかる統合された吸熱反応ステージは、統合されたステージに熱を提供する燃料電池からのスタック要素の高さの１０倍未満で配置されると定義できる。例えば、統合された吸熱反応ステージ（例えば、改質ステージ）は、熱統合されたいずれかの燃料電池からのスタック要素の高さの１０倍未満、またはスタック要素の高さの８倍未満、スタック要素の高さの５倍未満、またはスタック要素の高さの３倍未満で配置できる。この説明において、燃料電池要素に隣接するスタック要素を表す統合された改質ステージおよび／または統合された吸熱反応ステージは、隣接する燃料電池要素から離れて約１スタック要素の高さ以下であると定義される。

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以下の熱比は、ＭＣＦＣ燃料電池の使用において典型的に求められる熱比よりも低くなることができる。本発明の態様において、合成ガスの生成、水素の生成、吸熱反応によるもう一つの生成物の生成、またはそれらの組合せを増加および／または最適化するために、熱比を低減できる。

本発明の種々の態様において、燃料電池の作動は、熱比に基づいて特徴付けることができる。燃料電池が所望の熱比を有するように作動される場合、溶融炭酸塩燃料電池は、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以下の熱比を有するように作動できる。加えてまたは別法として、熱比は、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。さらに加えてまたは別法として、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℃以下のアノード入力とアノード出力との間の温度上昇を有するように作動させることができる。依然としてさらに加えてまたは別法として、燃料電池は、アノード入口の温度よりも約１０℃低くから約１０℃高いアノード出口温度を有するように作動できる。まださらに加えてまたは別法として、燃料電池は、アノード出口温度よりも高い、例えば、少なくとも約５℃高い、または少なくとも約１０℃高い、または少なくとも約２０℃高い、または少なくとも約２５℃高いアノード入口温度を有するように作動できる。依然としてさらに加えてまたは別法として、燃料電池は、アノード出口温度よりも約１００℃以下、または約８０℃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℃以下だけ高いアノード入口温度を有するように作動できる。

１未満の熱比を持つ燃料電池の作動は、燃料電池を横切る温度降下を引き起こすことができる。いくつかの態様において、改質および／または他の吸熱反応の量は、アノード入口からアノード出口への温度降下が約１００℃以下、例えば、約８０℃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℃以下であることができるように制限し得る。アノード入口からアノード出口への温度降下の制限は、例えば、アノード内の燃料の完全または実質的に完全な変換を可能にするのに十分な温度を維持するために有益であることができる。他の態様において、さらなる熱を（さらなる燃料の熱交換または燃焼によってのごとき）燃料電池に供給でき、吸熱反応により消費された熱と燃料電池に供給されるさらなる外部熱のバランスにより、アノード入口温度が、約１００℃以下未満、例えば、約８０℃以下、約６０℃以下、約５０℃以下、約４０℃以下、約３０℃以下、約２０℃以下未満だけアノード出口温度よりも高くなることができる。

改質量は、加えてまたは別法として、改質可能燃料の利用可能性に依存できる。例えば、燃料がＨ_２のみで構成されているならば、Ｈ_２はすでに改質されており、さらに改質できないため、改質は生じない。燃料電池による「合成ガス」の量は、アノード入力の合成ガスの低位発熱量（ＬＨＶ）－対－アノード出力の合成ガスのＬＨＶにおける差として定義できる。合成ガスで生成されたＬＨＶ（ｓｇ ｎｅｔ）＝（ＬＨＶ（ｓｇ ｏｕｔ）－ＬＨＶ（ｓｇ ｉｎ）） （式中、ＬＨＶ（ｓｇ ｉｎ）とＬＨＶ（ｓｇ ｏｕｔ）は、各々、アノード入口における合成ガスとアノード出口ストリームまたはフローにおける合成ガスのＬＨＶをいう）。実質的な量のＨ_２を含む燃料を提供された燃料電池は、さらなる改質可能燃料を含むこととは対照的に、実質的な量のすでに改質されたＨ_２を含むので、潜在的な合成ガス生成の量において制限できる。より低発熱量は、燃料成分の気相、十分に酸化された生成物（すなわち、気相のＣＯ_２およびＨ_２Ｏ生成物）に対する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、ＣＯ_２はすでに十分に酸化されているため、アノード入力ストリームに存在するいずれのＣＯ_２もアノード入力の燃料含有量に寄与しない。この定義について、アノード燃料電池反応によりアノードにおいて生じる酸化量は、アノードにおける電気化学反応の一部としてのアノードにおけるＨ_２の酸化として定義される。

低下した熱比を持つ燃料電池を作動させる方法の例は、燃料電池内の熱の発生と消費をバランスさせるため、および／または生成するよりも多い熱を消費するために、燃料の過剰改質を行う方法であることができる。改質可能燃料を改質してＨ_２および／またはＣＯを形成することは吸熱プロセスであることができ、一方、アノードの電気化学的酸化反応およびカソードの燃焼反応は発熱であることができる。通常の燃料電池作動中、燃料電池作動のための供給成分を供給するために必要な改質量は、典型的には、アノード酸化反応によって生成される熱量よりも少ない熱を消費することができる。例えば、約７０％または約７５％の燃料利用率での通常の作動は、少なくとも約１．４以上、または１．５以上の熱比のごとき、実質的に１より大きい熱比を生成する。結果として、燃料電池についての出力ストリームは入力ストリームよりも高温になることができる。このタイプの通常の作動に代えて、アノードに関連する改質ステージで改質される燃料の量を増加することができる。例えば、さらなる燃料は、発熱燃料電池反応によって生成される熱が、改質で消費される熱と（およそ）バランスすることができ、および／または生成されるよりも多くの熱を消費できるように改質できる。この結果、発電のためにアノードで酸化される量に対して実質的に過剰な水素を生じることができ、約１．０以下、例えば、約０．９５以下、または約０．９０以下、または約０．８５または以下、または約０．８０以下、または約０．７５以下の熱比を生じることができる。

水素または合成ガスのいずれかを、化学エネルギー出力としてアノード排出から回収することができる。水素は、燃やすまたは燃焼させる場合に温室効果ガスを生成させることなく、クリーン燃料として用いることができる。代わりに、炭化水素（または炭化水素化合物）の改質によって生成された水素について、ＣＯ_２はすでにアノードループに「捕捉」されている。加えて、水素は、種々の精製プロセスおよび／または他の合成プロセスにについて価値がある入力になることができる。また、合成ガスは、種々のプロセスの価値がある入力になることができる。燃料価値を有することに加えて、合成ガスは、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入力として合成ガスを用いることによってのごとく、他のより高価値の製品を生成するための原料として用いることができる。

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ステージに送達される入力ストリーム中の改質可能燃料の改質可能な水素含有量は、アノードで反応する水素の正味量よりも少なくとも約５０％大きく、例えば、少なくとも約７５％大きく、または少なくとも約１００％大きくなることができる。加えてまたは別法として、アノードおよび／またはアノードに関連する改質ステージに送達される入力ストリーム中の燃料の改質可能な水素含有量は、アノードで反応する水素の正味量よりも少なくとも約５０％大きく、例えば、少なくとも約７５％大きく、または少なくとも約１００％大きくなることができる。種々の態様において、燃料ストリーム中の改質可能燃料の改質可能な水素含有量－対－アノードにおいて反応した水素量の比は、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。加えてまたは別法として、燃料ストリーム中の改質可能燃料の改質可能水素含有量－対－アノードで反応する水素の量の比は、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、アノード入口ストリーム中の改質可能な水素含有量の１００％未満が水素に変換できることが考えられる。例えば、アノード入口ストリーム中の改質可能な水素含有量の少なくとも約８０％は、アノード中および／または関連する改質ステージにおいて、例えば、少なくとも約８５％、または少なくとも約９０％で水素に変換できる。加えてまたは別法として、アノードに送達される改質可能燃料量は、アノードで酸化された水素のＬＨＶに対して、改質可能燃料のより低発熱量（ＬＨＶ）に基づいて特徴付けることができる。これは、改質可能燃料余剰率（surplus ratio）ということができる。種々の態様において、改質可能燃料余剰率は、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。加えてまたは別法として、改質可能燃料余剰率は、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。

実施例１
２つ溶融炭酸塩燃料電池を用いて、通常の作動条件下および高めたＣＯ_２利用率条件下で燃料電池の性能に対する開口率の増加の影響を決定した。第１の溶融炭酸塩型燃料電池は、およそ３３％の開口率を有するカソード表面を備えた通常の構成に対応した。第２の溶融炭酸塩型燃料電池は、４５％を超える開口率を有した。

２つの電池は、２セットの作動条件下で作動した。第１の条件下で、燃料電池は、３０モル％のＣＯ_２を含むカソード入力供給物（feed）での４０％のＣＯ_２利用率に対応する条件下で作動した。第２の条件下、燃料電池は、９０％の見掛けのＣＯ_２利用率（電流密度に基づいて決定された）および４％のＣＯ_２を含むカソード入力供給物で作動された。

第１の作動条件では、開口率が３３％の燃料電池と開口率が４５％の燃料電池との電圧差は比較的小さく、およそ７ｍＶの差に対応した。対照的に、高めたＣＯ_２利用率に対応する第２の作動条件では、４５％を超える開口率の燃料電池は、３３％の開口率の燃料電池よりも８０ｍＶ高い作動電圧を有していた。加えて、実際のＣＯ_２利用率は、４５％を超える開口率の燃料電池について実質的により高かった。

実施例２
図１１は、種々の量のカソード開口率での燃料電池についての実際のＣＯ_２利用率－対－見掛けのＣＯ_２利用率を示す。図１１中の線は、３３％（Ａ線）から少なくとも６５％（Ｉ線）の範囲にある開口率を持つ燃料電池に対応している。図１１のデータは、同様のカソードガス入力ストリームと平均電流密度の同様の目標（target）値を用いて生成した。（平均電流密度の目標値を維持するために、他の作動条件を変更させた。） 同様の平均電流密度とカソードガス入力ストリームにおける同様のＣＯ_２濃度とを有することに基づいて、図１１のデータは、見掛けのＣＯ_２利用率の同レベルのデータ点に大部分は対応する。しかしながら、カソード表面の開口率の変動により、実際のＣＯ_２利用率は、目標電流密度と利用可能な開口率に依存して、各燃料電池について７０％近くから９５％以上まで変化した。

図１１に示すごとく、開口率の増加は、代替イオン輸送量を減少しつつ、実際のＣＯ_２利用率を増加させる傾向がある。かくして、所与のレベルの見掛けのＣＯ_２利用率にて、開口率の増加に伴って実際のＣＯ_２利用率が増加する。一例として、図１１の底部の３つのデータセットは、カソード表面の開口率が通常の値に対応する３３％～４０％の間にあるカソード集電体構成に対応する。カソード表面の開口率のかかる通常の値にて、８０％だけの実際のＣＯ_２利用率を達成するために、１３０％以上の見掛けのＣＯ_２利用率が必要であった。これは、燃料電池によって生成された電流密度の３分の１を超えるものが、代替イオン輸送に基づいていたことを意味する。対照的に、およそ６０％以上の開口率を有する上位３つのデータセットについて、実際のＣＯ_２利用率は、見掛けのＣＯ_２利用率値が１３０％近くでは、９５％近くあった。これは、カソード表面での開口率の増加に基づいてＣＯ_２捕捉量の実質的な増加を表す。より一般的には、カソード表面の開口率の増加によって平均電流密度に対し実際のＣＯ_２利用率を増加する傾向は、図１１に示すすべてのプロセス条件で維持されている。

図１２は、図１１に示されるデータについての燃料電池の作動電圧－対－実際のＣＯ_２利用率の比較を示す。図１２に示すごとく、開口率の増加の結果、燃料電池の作動電圧が増大する。これは、図１１の結果と一致し、この結果は、開口率が増加するにつれて代替イオン輸送が減少することを示す。電解質を横切る水酸化物イオン輸送に関与する反応は、より低い電気化学ポテンシャルに対応することが留意される。図１２は、かかる代替イオン輸送量の低下（図１１に示すごとき）が、溶融炭酸塩燃料電池内の作動電圧の増加に導くことができることを示しているようである。

図１３は、高めたＣＯ_２捕捉のための条件下で作動されたさらなる燃料電池についての電圧の経時的データを示す。図１３のより下部のデータセットは、カソード表面にて３３％の開口率を生じる通常のカソード集電体／カソード表面構造を備えたもう一つの燃料電池に対応する。図１３の上部のデータセットは、５０％以上のカソード表面の開口率を生じる代替カソード集電体構成を備えた燃料電池に対応する。通常の条件（すなわち、最小限の代替イオン輸送）下、５０％以上の開口率の燃料電池は、８３０ｍＶ以上の作動電圧を有していた。下部のデータセットは、３３％の通常の開口率を生じる通常のカソード集電体を用いる燃料電池からのデータに対応する。通常の条件下、３３％の開口率の燃料電池は、７５０ｍＶ～７８０ｍＶの作動電圧を有した。

図１３の燃料電池の作動条件は、およそ４．５体積％のカソード入力ストリーム中のＣＯ_２濃度を含んだ。燃料電池は、およそ１００ｍＡ／ｃｍ^２の平均電流密度を維持するように作動した。実際のＣＯ_２の利用率は９０％であったが、実質的な代替イオン輸送も生じた。３３％の開口率の燃料電池について、見掛けのＣＯ_２利用率は１３０％であった。これらの条件下で、およそ７３０ｍＶへの燃料電池の作動電圧の降下が、およそ直ちに観察され、さらに急激に減少した。作動電圧の低下は、およそ２０日間続き、その時点で燃料電池は完全に機能しなくなった。対照的に、カソード表面にて５０％以上の開口率の燃料電池について、見掛けのＣＯ_２利用率は実際のＣＯ_２利用率よりも１０％～２０％高かった。また、５０％以上のカソード表面での開口率の燃料電池について、実質的な代替イオン輸送での作動の結果、作動電圧が約８１０ｍＶに低下した。しかしながら、経時的なさらなる劣化量はそれほど深刻ではなく、燃料電池は１５０日間の作動後に７５０ｍＶを超える作動電圧を維持していた。

図１３の燃料電池は、カソード表面での開口率の増加を提供するカソード集電体を用いることのさらなる利点を示す。図１３に示す条件において、３３％の開口率の燃料電池は、燃料電池が作動不能になる点まで急速に劣化した。対照的に、５０％以上のカソード表面の開口率の燃料電池は、より緩やかな電圧損失を示し、燃料電池が１５０日を超えて作動を維持するのを可能にした。

さらなる実施形態
実施形態１
溶融炭酸塩型燃料電池で電気を生成する方法であって、
Ｈ_２、改質可能燃料、またはそれらの組合せを含むアノード入力ストリームをアノードガス収集域に導入すること、アノードガス収集域は、アノード表面、第１のセパレータプレートおよびアノード表面とセパレータプレートとの間の支持を提供するアノード集電体によって規定され；Ｏ_２、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２を含むカソード入力ストリームをカソードガス収集域に導入すること、カソードガス収集域は、カソード表面、第２のセパレータプレートおよびカソード表面と第２のセパレータプレートとの間に支持を提供するカソード集電体によって規定され；溶融炭酸塩型燃料電池を０．９７以下の輸率および６０ｍＡ／ｃｍ^２以上の平均電流密度で作動させて、電気、Ｈ_２、ＣＯおよびＣＯ_２を含むアノード排出、および２．０体積％以下のＣＯ_２、１．０体積％以上のＯ_２および１．０体積％以上のＨ_２Ｏを含むカソード排出を生成すること、ここで、平均カソードガス側面拡散長が０．４０ミリメートル以下である、またはカソード表面の開口率がカソード表面の総表面積の４５％以上を含む、あるいはそれらの組合せである、を含む、前記方法。

実施形態２
カソード入力ストリームが５．０体積％以下のＣＯ_２（または、４．０体積％以下）を含む、またはカソード排出が１．０体積％以下のＣＯ_２を含む、またはそれらの組合せを含む、実施形態１に記載の方法。

実施形態３
輸率が０．９５以下（または０．９３以下、または０．９０以下）である、前記実施形態のいずれかに記載の方法。

実施形態４
平均接触領域拡散長が１．０ｍｍ以下（または０．９ｍｍ以下、または０．７ｍｍ以下）である、またはカソード集電体とカソード表面との接触率がカソード表面の総表面積の１０％より大きい、またはそれらの組合せである前記実施形態のいずれかに記載の方法。

実施形態５
平均カソードガス側面拡散長が０．４ｍｍ以下（または０．３ｍｍ以下、または０．２ｍｍ以下）である、またはカソード集電体とカソード表面との接触率が、カソード表面の総表面積の１０％より大きい、またはそれらの組合せである前記実施形態のいずれかに記載の方法。

実施形態６
カソード表面が１つ以上の溝を含み、所望により、開口表面積の２％以上が１つ以上の溝に対応する、前記実施形態のいずれかに記載の方法。

実施形態７
カソード集電体が、カソード表面と接触する０．１ｍｍ以下の格子サイズを有する開口格子構造と、開口格子構造と第２のセパレータプレートとの間に支持を提供する間隔構造とをさらに含む、前記実施形態のいずれかに記載の方法。

実施形態８
カソードを横切る電圧降下が０．４Ｖ以下である、または電気が０．５５Ｖ以上の電圧で生成される、またはそれらの組合せである、前記実施形態のいずれかに記載の方法。

実施形態９
カソード表面の開口率が５０％以上（または６０％以上、または７５％以上）である、または平均カソードガス側面拡散長が０．３５ｍｍ以下である、またはそれらの組合せである、前記実施形態のいずれかに記載の方法。

実施形態１０
アノード排出中のＨ_２濃度が５．０体積％以上である、またはアノード排出中のＨ_２とＣＯの組合せ濃度が６．０体積％以上である、またはそれらの組合せである前記実施形態のいずれかに記載の方法。

実施形態１１
カソード表面上のいずれかの点からカソード表面上の開口領域までの距離が１．０ｍｍ以下である、前記実施形態のいずれかに記載の方法。

実施形態１２
アノード；第１のセパレータプレート；アノードと第１のセパレータプレートとの間にアノードガス収集域を規定するアノードおよび第１のセパレータプレートと接触するアノード集電体；カソード；第２のセパレータプレート；カソードと第２のセパレータプレートとの間にカソードガス収集域を規定するカソードおよび第２のセパレータプレートと接触するカソード集電体;およびアノードとカソードとの間に電解質を含む電解質マトリックスを含み、
平均カソードガス側面拡散長が０．４０ｍｍ以下である、またはカソード表面の開口率がカソード表面の総表面積の４５％（または６０％以上、または７５％以上）より大きい、またはそれらの組合せである、溶融炭酸塩型燃料電池。

実施形態１３
平均接触領域拡散長が１．０ｍｍ以下である、またはカソード集電体とカソード表面との接触率がカソード表面の総表面積の１０％より大きい、またはカソード表面上のいずれかの点からカソード表面上の開口領域までの距離が、１．０ｍｍ以下である、またはそれらの組合せである、実施形態１２に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。

実施形態１４
カソード表面が１つ以上の溝を含み、所望により、開口表面積の少なくとも２％が１つ以上の溝に対応する、実施形態１２または１３に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。

実施形態１５
カソード集電体が、カソード表面と接触して０．１ｍｍ以下の格子サイズを有する開口格子構造、および開口格子構造と第２のセパレータプレートとの間に支持を提供する間隔構造を含む、実施形態１２～１４のいずれかに記載の溶融炭酸塩型燃料電池。

本明細書の詳細な説明および特許請求の範囲内のすべての数値は、示された値につき「約」または「およそ」により修飾され、当業者によって予想される実験誤差および変動を考慮する。

本発明は特定の実施形態に関して説明したが、必ずしもそのように限定されるわけではない。特定の条件下での作動のための適切な変更／修飾は、当業者には明らかであろう。したがって、以下の特許請求の範囲は、本発明の真の精神／範囲内にあるかかるすべての変更／修飾をカバーするものとして解釈されることが意図される。

Claims (17)

1. 溶融炭酸塩型燃料電池で電気を生成する方法であって、
   Ｈ_２、改質可能燃料、またはそれらの組合せを含むアノード入力ストリームをアノードガス収集域に導入すること、前記アノードガス収集域は、アノード表面、第１のセパレータプレートおよび前記アノード表面と前記第１のセパレータプレートとの間に支持を提供するアノード集電体によって規定され；Ｏ_２、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２を含むカソード入力ストリームをカソードガス収集域に導入すること、前記カソードガス収集域は、カソード表面、第２のセパレータプレートおよび前記カソード表面と前記第２のセパレータプレートとの間に支持を提供するカソード集電体によって規定され；前記溶融炭酸塩型燃料電池を０．９７以下の輸率および６０ｍＡ／ｃｍ^２以上の平均電流密度で作動させて、電気、Ｈ_２、ＣＯおよびＣＯ_２を含むアノード排出、および２．０体積％以下のＣＯ_２、１．０体積％以上のＯ_２および１．０体積％以上のＨ_２Ｏを含むカソード排出を生成すること、ここで、前記カソード表面の総表面積の４５％以上が開口率であり、かつ前記開口率が前記カソード集電体と接触していない前記カソード表面の部分になる、を含むことを特徴とする、前記方法。
2. 前記カソード入力ストリームが５．０体積％以下のＣＯ_２を含む、または前記カソード排出が１．０体積％以下のＣＯ_２を含む、またはそれらの組合せを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記輸率が０．９５以下である、請求項１または２に記載の方法。
4. 平均接触領域拡散長が１．０ｍｍ以下である、または前記カソード集電体と前記カソード表面との接触率がカソード表面の総表面積の１０％より大きい、またはそれらの組合せであり、
   前記平均接触領域拡散長が、カソード表面の接触領域位置からカソード表面の各点までの平均側面距離として定義される、請求項１～３のいずれか１記載の方法。
5. 平均カソードガス側面拡散長が０．４ｍｍ以下である、または前記カソード集電体と前記カソード表面との接触率が、カソード表面の総表面積の１０％より大きい、またはそれらの組合せである請求項１～４のいずれか１記載の方法。
6. 前記カソード表面が１つ以上の溝を含む、請求項１～５のいずれか１記載の方法。
7. 開口表面積の２％以上が１つ以上の溝に対応する、請求項６に記載の方法。
8. 前記カソード集電体が、前記カソード表面と接触する０．１ｍｍ以下の格子サイズを有する開口格子構造と、前記開口格子構造と前記第２のセパレータプレートとの間に支持を提供する間隔構造とをさらに含む、請求項１～７のいずれか１記載の方法。
9. 前記カソードを横切る電圧降下が０．４Ｖ以下である、または前記電気が０．５５Ｖ以上の電圧で生成される、またはそれらの組合せである、請求項１～８のいずれか１記載の方法。
10. 前記カソード表面の開口率が５０％以上である、または平均カソードガス側面拡散長が０．３５ｍｍ以下である、またはそれらの組合せである、請求項１～９のいずれか１記載の方法。
11. 前記アノード排出中のＨ_２濃度が５．０体積％以上である、または前記アノード排出中のＨ_２とＣＯの組合せ濃度が６．０体積％以上である、またはそれらの組合せである、請求項１～１０のいずれか１記載の方法。
12. 前記カソード表面上のいずれかの点から前記カソード表面上の開口領域までの距離が１．０ｍｍ以下である、請求項１～１１のいずれか１記載の方法。
13. アノード；第１のセパレータプレート；前記アノードと前記第１のセパレータプレートとの間にアノードガス収集域を規定する前記アノードおよび前記第１のセパレータプレートと接触するアノード集電体；カソード；第２のセパレータプレート；前記カソードと前記第２のセパレータプレートとの間にカソードガス収集域を規定する前記カソードおよび前記第２のセパレータプレートと接触するカソード集電体;および前記アノードと前記カソードとの間に電解質を含む電解質マトリックスを含み、
    前記カソードの表面の総表面積の４５％以上が開口率であり、かつ前記開口率が前記カソード集電体と接触していない前記カソードの表面の部分になる、溶融炭酸塩型燃料電池であって、
    前記溶融炭酸塩型燃料電池において、１．０ｍｍ以下の平均セル幅および／または長さを有するオープンメッシュスクリーンが、前記カソード表面と前記カソード集電体との間に位置し、少なくとも１体積％のＣＯ_２量を有する燃料ストリームを前記アノードに供給し、前記溶融炭酸塩型燃料電池の作動により、２．０体積％以下のＣＯ_２を含むカソード排出を生成する、前記溶融炭酸塩型燃料電池。
14. 平均接触領域拡散長が１．０ｍｍ以下である、または前記カソード集電体と前記カソード表面との接触率がカソード表面の総表面積の１０％より大きい、または前記カソード表面上のいずれかの点から前記カソード表面上の開口領域までの距離が、１．０ｍｍ以下である、またはそれらの組合せであり、
    前記平均接触領域拡散長が、カソード表面の接触領域位置からカソード表面の各点までの平均側面距離として定義される、請求項１３に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。
15. 前記カソード表面が１つ以上の溝を含む、請求項１３または１４に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。
16. 開口表面積の少なくとも２％が１つ以上の溝に対応する、請求項１５に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。
17. 前記カソード集電体が、前記カソード表面と接触して０．１ｍｍ以下の格子サイズを有する開口格子構造、および前記開口格子構造と前記第２のセパレータプレートとの間に支持を提供する間隔構造を含む、請求項１３～１６のいずれか１記載の溶融炭酸塩型燃料電池。