特許 7359986 溶融炭酸塩電解槽電池を使用する燃焼タービンのためのエネルギー貯蔵

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-10-02

(45)【発行日】2023-10-11

(54)【発明の名称】溶融炭酸塩電解槽電池を使用する燃焼タービンのためのエネルギー貯蔵

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0612 20160101AFI20231003BHJP

   C25B 1/02 20060101ALI20231003BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20231003BHJP

   H01M 8/04111 20160101ALI20231003BHJP

   H01M 8/0662 20160101ALI20231003BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20231003BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0612

C25B1/02

C25B9/00 Z

H01M8/04111

H01M8/0662

H01M8/10 101

【請求項の数】 20

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023077994

(22)【出願日】2023-05-10

(62)【分割の表示】P 2021548170の分割

【原出願日】2020-02-06

(65)【公開番号】P2023103348

(43)【公開日】2023-07-26

【審査請求日】2023-05-25

(31)【優先権主張番号】62/806,995

(32)【優先日】2019-02-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】502197161

【氏名又は名称】フュエルセル エナジー， インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＦＵＥＬＣＥＬＬ ＥＮＥＲＧＹ， ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】110003281

【氏名又は名称】弁理士法人大塚国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ジャンキー， フレッド シー．

【審査官】大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１９－５０１８５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１９３６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５１１９５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５０１４８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－８／２４９５

Ｃ２５Ｂ １／０２，９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エネルギー貯蔵システムであって、
天然ガスおよび蒸気を受容し、かつ改質された天然ガスを出力するように構成された改質器と、
加熱されたスイープガスを出力するように構成された燃焼タービンと、
溶融炭酸塩電解槽電池（「ＭＣＥＣ」）であって、
ＭＣＥＣアノードと、
前記燃焼タービンから前記加熱されたスイープガスを受容するように構成されている、ＭＣＥＣカソードと、を備える前記ＭＣＥＣと、を備え、
前記エネルギー貯蔵システムは、
余剰電力が利用可能でないときに、前記燃焼タービンは、前記改質された天然ガスを前記改質器から受容するように構成され、
余剰電力が利用可能なときに、前記ＭＣＥＣが、前記ＭＣＥＣアノードが、前記改質された天然ガスを前記改質器から受容して、水素を含有するＭＣＥＣアノード排気を出力する水素生成モードで動作する、エネルギー貯蔵システム。

【請求項2】

電気化学的水素圧縮器（「ＥＨＣ」）をさらに備え、前記ＥＨＣが、
前記ＭＣＥＣアノード排気を受容するように構成されたＥＨＣアノードと、
精製された水素含有流を出力するように構成されたＥＨＣカソードと、を備える、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。

【請求項3】

前記精製された水素含有流を受容するように構成された貯蔵タンクをさらに備える、請求項２に記載のエネルギー貯蔵システム。

【請求項4】

前記精製された水素含有流を前記ＥＨＣカソードから受容して、電気を出力するように構成されたプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池をさらに備える、請求項２に記載のエネルギー貯蔵システム。

【請求項5】

前記ＥＨＣアノードは、余剰燃料を含有するＥＨＣアノード排気を出力するように構成される、請求項２に記載のエネルギー貯蔵システム。

【請求項6】

前記加熱されたスイープガスを前記燃焼タービンから受容して、かつ前記加熱されたスイープガスが前記ＭＣＥＣカソードによって受容される前に、前記ＥＨＣアノード排気からの熱を使用して前記加熱されたスイープガスをさらに加熱するように構成されたバーナをさらに備える、請求項５に記載のエネルギー貯蔵システム。

【請求項7】

前記ＭＣＥＣアノード排気を受容して、かつ前記ＭＣＥＣアノード排気中の一酸化炭素をメタンに変換するように構成されたメタン化触媒をさらに備える、請求項２に記載のエネルギー貯蔵システム。

【請求項8】

前記ＭＣＥＣアノード排気を前記ＭＣＥＣから受容して、電気を出力するように構成されたプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池をさらに備える、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。

【請求項9】

前記エネルギー貯蔵システムは、余剰電力が利用可能でないときに、前記ＭＣＥＣが、前記ＭＣＥＣが前記水素生成モードに対して逆方向に動作する発電モードで動作するように構成される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。

【請求項10】

前記蒸気を生成して、前記改質器に前記蒸気を供給するように構成された熱回収蒸気発生器をさらに備える、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。

【請求項11】

溶融炭酸塩電解槽電池（「ＭＣＥＣ」）を利用するエネルギー貯蔵方法であって、前記ＭＣＥＣが、ＭＣＥＣアノードおよびＭＣＥＣカソードを備え、前記方法が、
改質器で天然ガスおよび蒸気を受容して、かつ前記改質器から改質された天然ガスを出力することと、
燃焼タービンから加熱されたスイープガスを出力することと、
前記ＭＣＥＣカソードで前記燃焼タービンから前記加熱されたスイープガスを受容することと、
余剰電力が利用可能でないときに、前記燃焼タービンで、前記改質された天然ガスを前記改質器から受容することと、
余剰電力が利用可能なときに、水素生成モードで動作して、前記ＭＣＥＣアノードで、前記改質された天然ガスを前記改質器から受容して、かつ前記ＭＣＥＣアノードから、水素を含有するＭＣＥＣアノード排気を出力することと、を含む、エネルギー貯蔵方法。

【請求項12】

電気化学的水素圧縮器（「ＥＨＣ」）をさらに備え、前記方法が、
ＥＨＣアノードで、前記ＭＣＥＣアノード排気を受容することと、
ＥＨＣカソードから、精製された水素含有流を出力することと、を含む、請求項１１に記載のエネルギー貯蔵方法。

【請求項13】

貯蔵タンクで、前記精製された水素含有流を受容すること、を含む、請求項１２に記載のエネルギー貯蔵方法。

【請求項14】

プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池で、前記精製された水素含有流を前記ＥＨＣカソードから受容することと、
電気を出力することと、を含む、請求項１２に記載のエネルギー貯蔵方法。

【請求項15】

前記ＥＨＣアノードから、余剰燃料を含有するＥＨＣアノード排気を出力すること、を含む、請求項１２に記載のエネルギー貯蔵方法。

【請求項16】

バーナで、前記加熱されたスイープガスを前記燃焼タービンから受容することと、
前記加熱されたスイープガスが前記ＭＣＥＣカソードによって受容される前に、前記ＥＨＣアノード排気からの熱を使用して前記加熱されたスイープガスをさらに加熱することと、を含む、請求項１５に記載のエネルギー貯蔵方法。

【請求項17】

メタン化触媒で、前記ＭＣＥＣアノード排気を受容することと、
前記ＭＣＥＣアノード排気中の一酸化炭素をメタンに変換することと、を含む、請求項１２に記載のエネルギー貯蔵方法。

【請求項18】

プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池で、前記ＭＣＥＣアノード排気を前記ＭＣＥＣから受容することと、
電気を出力することと、を含む、請求項１１に記載のエネルギー貯蔵方法。

【請求項19】

余剰電力が利用可能でないときに、前記ＭＣＥＣが前記水素生成モードに対して逆方向に動作する発電モードで動作することと、を含む、請求項１１に記載のエネルギー貯蔵方法。

【請求項20】

熱回収蒸気発生器で、前記蒸気を生成することと、
前記改質器に前記蒸気を供給することと、を含む、請求項１１に記載のエネルギー貯蔵方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年２月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／８０６，９９５号の利益および優先権を主張し、その全体は本明細書に参照により組み込まれる。

【背景技術】

【0002】

本出願は、概して、燃料電池を使用するエネルギー貯蔵の分野に関する。

【0003】

エネルギー貯蔵は、水または炭化水素からＨ_２（「水素」）を生成することによって実施され得る。従来の水電解槽を使用してエネルギーを貯蔵することは、非効率的であり得、燃焼タービンから利用可能な温度を上回る温度制御を必要とし得、エネルギー貯蔵のためのコストおよびエネルギー消費を増加させる。生成された水素１キログラムあたり約３０～６０ｋＷｈの電力レベルが、従来の高温および室温電解槽に必要とされ得る。

【発明の概要】

【0004】

本開示のシステムおよび方法は、余剰エネルギーを水素として貯蔵し、メタンから追加の水素を生成することができるエネルギー貯蔵システムに関する。溶融炭酸塩電解槽電池（「ＭＣＥＣ」）（改質器－電解槽－浄化器（「ＲＥＰ」）とも呼ばれる）が、Ｈ_２を生成するために使用され得る。ＲＥＰおよびそれらを含むシステムの例は、本出願の譲受人に譲渡されたＰＣＴ公開第ＷＯ２０１５／１１６９６４号に記載される。部分的に改質された天然ガスの供給および蒸気がＭＣＥＣに供給されるとき、生成された水素の１キログラムあたり８ｋＷｈを下回る電力レベルが、本技術で達成され得る。

【0005】

一実施形態は、加熱されたスイープガスを出力するように構成された燃焼タービンを含む、エネルギー貯蔵システムに関する。エネルギー貯蔵システムは、天然ガスおよび蒸気を受容し、部分的に改質された天然ガスを出力するように構成された改質器をさらに含む。エネルギー貯蔵システムは、ＭＣＥＣをさらに含む。ＭＣＥＣは、改質器から部分的に改質された天然ガスを受容するように構成されたＭＣＥＣアノードを含む。ＭＣＥＣアノードは、改質器から受容する部分的に改質された天然ガスよりも多い量の水素を含有するＭＣＥＣアノード排気を出力するように構成される。ＭＣＥＣは、燃焼タービンから加熱されたスイープガスを受容するように構成されたＭＣＥＣカソードを含む。ＭＣＥＣカソードは、ＭＣＥＣカソード排気を出力するように構成される。ＭＣＥＣは、水素生成モードで動作するように構成される。エネルギー貯蔵システムは、水素を含有するＭＣＥＣアノード排気を受容するように構成された貯蔵タンクをさらに含む。

【0006】

任意の組み合わせにおいて上記の実施形態および態様と組み合わせることができる、エネルギー貯蔵システムの一態様では、電気化学的水素圧縮器（「ＥＨＣ」）は、ＭＣＥＣアノード排気を受容するように構成されたＥＨＣアノードを含む。ＥＨＣは、精製され、加圧された水素含有流を貯蔵タンクに出力するように構成されたＥＨＣカソードを含む。

【0007】

任意の組み合わせにおいて上記の実施形態および態様と組み合わせることができる、エネルギー貯蔵システムの一態様では、ＥＨＣアノードは、未回収の水素および非水素燃料を含有するＥＨＣアノード排気を出力するように構成される。

【0008】

任意の組み合わせにおいて上記の実施形態および態様と組み合わせることができる、エネルギー貯蔵システムの一態様では、バーナは、ＭＣＥＣカソード排気およびＥＨＣアノード排気を受容し、かつ改質器の温度を増加させるように構成される。

【0009】

任意の組み合わせにおいて上記の実施形態および態様と組み合わせることができる、エネルギー貯蔵システムの一態様では、バーナは、燃焼タービンおよびＥＨＣアノード排気から加熱されたスイープガスを受容するように構成される。バーナは、加熱されたスイープガスがＭＣＥＣカソードによって受容される前に、加熱されたスイープガスをさらに加熱するように構成される。

【0010】

任意の組み合わせにおいて上記の実施形態および態様と組み合わせることができる、エネルギー貯蔵システムの一態様では、メタン化触媒は、ＭＣＥＣアノード排気を受容し、ＭＣＥＣアノード排気中の一酸化炭素をメタンに変換するように構成される。

【0011】

任意の組み合わせにおいて上記の実施形態および態様と組み合わせることができる、エネルギー貯蔵システムの一態様では、燃焼タービンは、余剰電力が貯蔵に利用可能でないときと同様に、改質された天然ガスの一部を改質器から受容するように構成される。

【0012】

任意の組み合わせにおいて上記の実施形態および態様と組み合わせることができる、エネルギー貯蔵システムの一態様では、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、ＭＣＥＣからのＭＣＥＣアノード排気および／または貯蔵タンクからの水素含有流を受容し、かつ電気を出力するように構成される。

【0013】

任意の組み合わせにおいて上記の実施形態および態様と組み合わせることができる、エネルギー貯蔵システムの一態様では、ＰＥＭ燃料電池は、未反応燃料を出力するように構成される。バーナは、ＭＣＥＣカソード排気、ＥＨＣアノード排気（ＥＨＣがシステムに含まれている場合）、およびＰＥＭ燃料電池からの未反応燃料を受容し、かつ改質器の温度を増加させるように構成される。

【0014】

任意の組み合わせにおいて上記の実施形態および態様と組み合わせることができる、エネルギー貯蔵システムの一態様では、圧縮器は、ＭＣＥＣアノード排気からの水素を加圧および貯蔵するように構成される。

【0015】

任意の組み合わせにおいて上記の実施形態および態様と組み合わせることができる、エネルギー貯蔵システムの一態様では、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池は、ＥＨＣカソードおよび／または貯蔵タンクから精製された水素含有流を受容し、かつ電気を出力するように構成される。ＭＣＥＣは、ＭＣＥＣが水素生成モードに対して逆方向に動作する、発電モードで動作するように構成される。

【0016】

任意の組み合わせにおいて上記の実施形態および態様と組み合わせることができる、エネルギー貯蔵システムの一態様では、改質器は、改質器および熱回収蒸気発生器であり、熱回収蒸気発生器からの蒸気は、改質器に供給される。

【0017】

任意の組み合わせにおいて上記の実施形態および態様と組み合わせることができる、エネルギー貯蔵システムの一態様では、蒸気は、低圧蒸気である。

【0018】

任意の組み合わせにおいて上記の実施形態および態様と組み合わせることができる、エネルギー貯蔵システムの一態様では、蒸気は、中圧蒸気である。

【0019】

別の実施形態は、ＭＣＥＣアノードおよびＭＣＥＣカソードを備える溶融炭酸塩電解槽電池（「ＭＣＥＣ」）を利用するエネルギー貯蔵方法に関し、ＭＣＥＣは、水素生成モードで動作するように構成され、この方法は、燃焼タービンから加熱されたスイープガスを出力することと、天然ガスおよび蒸気を改質器で受容し、改質された天然ガスを出力することと、ＭＣＥＣアノードで改質器からの改質された天然ガスを受容し、水素を含有するＭＣＥＣアノード排気を出力することと、ＭＣＥＣカソードで燃焼タービンから加熱されたスイープガスを受容し、ＭＣＥＣカソード排気を出力することと、貯蔵タンクで水素を含有するＭＣＥＣアノード排気を受容することと、を含む。

【0020】

任意の組み合わせにおいて上記実施形態および態様と組み合わせることができる、エネルギー貯蔵方法の一態様では、本方法は、ＥＨＣアノードでＭＣＥＣアノード排気を受容することと、精製された水素含有流をＥＨＣカソードから貯蔵タンクに出力することと、をさらに含む。

【0021】

任意の組み合わせにおいて上記実施形態および態様と組み合わせることができる、エネルギー貯蔵方法の一態様では、本方法は、メタン化触媒でＭＣＥＣアノード排気を受容することと、ＭＣＥＣアノード排気中の一酸化炭素をメタンに変換することと、をさらに含む。

【0022】

任意の組み合わせにおいて上記実施形態および態様と組み合わせることができる、エネルギー貯蔵方法の一態様では、本方法は、ＥＨＣカソードおよび／または貯蔵タンクから精製された水素含有流を受容することと、電気を出力することと、をさらに含む。

【0023】

任意の組み合わせにおいて上記実施形態および態様と組み合わせることができる、エネルギー貯蔵方法の一態様では、本方法は、ＰＥＭ燃料電池から余剰燃料を出力することと、ＭＣＥＣカソード排気、ＥＨＣアノード排気、およびＰＥＭ燃料電池からの余剰燃料をバーナで受容することと、改質器の温度を増加させることと、をさらに含む。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】例示的な実施形態による、燃焼タービン複合サイクルシステムと一体化した、エネルギー貯蔵システムの概略図である。

【図2】例示的な実施形態による、改質器からの改質された天然ガスの一部分を燃焼タービンに方向付けるエネルギー貯蔵システムの別の実施形態の概略図である。

【図3】例示的な実施形態による、水素貯蔵のために圧縮器を使用するエネルギー貯蔵システムの別の実施形態の概略図である。

【図4】エネルギー貯蔵を伴わない燃焼タービン複合サイクル設備を示す、先行技術の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

既知の燃焼タービン複合サイクルシステムの概略図が、図４に示される。システム４００は、燃焼タービン４２０（例えば、ガスタービン）を含む。空気４１０は、タービン圧縮器４１６を介して燃焼タービン４２０に供給されて、圧縮空気４１８を生成する。天然ガス、脱硫天然ガス、または他の好適な燃料などの燃料４１４は、燃焼タービンバーナ４１２に供給される。圧縮空気４１８は、燃料４１４と混合され、燃焼を受け、高温ガス４２４を生成し、これは発電するためにタービン拡張器４２２に供給される。加熱されたガス４２６は、燃焼タービン４２０から出力され、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）４５０に送られる。ＨＲＳＧでは、ボイラ給水４４２は、高圧蒸気４４４に変換される。高圧蒸気４４４は、ＨＲＳＧ４５０から出力され、蒸気タービン４６０に供給される。高圧蒸気４４４よりも低い圧力での蒸気４４６は、蒸気タービン４６０から出力され、蒸気タービン４７０に供給される。蒸気タービン４６０および蒸気タービン４７０では、高圧蒸気４４４の圧力は、蒸気タービン４６０および蒸気タービン４７０が、システム４００の効率を増加させるための電力を生成する際に低減される。蒸気４４６よりも低い圧力（例えば、大気圧を下回る）における蒸気４４７は、蒸気タービン４７０から出力され、凝縮器４７１に供給され、蒸気は真空下で凝縮され、凝縮物は高圧に戻され、ボイラ給水４４２で使用することができる。多くの場合、蒸気は、電力出力および全体的なシステム効率をさらに増加させるために、蒸気タービン（図示せず）間で再加熱される。

【0026】

このシステム４００は、ベース負荷発電のための費用効果が高く、効率的であり得るが、システム４００は、効率の損失なしに、負荷追従能力がほとんどなく、グリッドからの余剰電力を貯蔵する能力を有しない。したがって、本開示に記載されるＭＣＥＣプロセスは、効率的なエネルギー貯蔵および効率的なピーク発電を提供するために、燃焼タービン複合サイクルシステムに追加することができる。

【0027】

様々な例示的な実施形態によるエネルギー貯蔵システムが、以下に記載される。システムは、燃焼タービン（例えば、ガスタービン）を含む。ガスタービンによって生成される加熱されたスイープガスは、天然ガスおよび蒸気を改質して、改質された天然ガスを出力するために使用される。改質された天然ガスは、水素含有流を生成する溶融炭酸塩電解槽電池（「ＭＣＥＣ」）（改質器－電解槽－浄化器（「ＲＥＰ」）とも呼ばれる）に供給される。水素含有流は、水素含有流をさらに精製および加圧するために、電気化学的水素圧縮器（「ＥＨＣ」）と併せて使用されてもよい。水素含有流は、ピーク発電のためのＰＥＭ燃料電池などの様々な用途で使用するための貯蔵タンク内に貯蔵することができる。

【0028】

エネルギー貯蔵システムは、加熱されたスイープガスを改質器に方向付けることによって、燃焼タービンから回収された熱を有利に使用する。電気分解水素に加えてメタンから水素を生成することにより、従来の電気分解システムと比較して、必要な電力がより少なくなる。電力消費は、ＥＨＣを伴わないシステムでは生成された水素１キログラムあたり約８ｋＷｈであり、ＥＨＣを含むシステムでは生成された水素１キログラムあたり追加で５～１５ｋＷｈであり、水素として余剰電力を貯蔵し、水電気分解を使用し、生成された水素１キログラムあたり４５～６０ｋＷｈの電力入力を必要とする典型的なシステムをはるかに下回る。

【0029】

図１を参照すると、例示的な実施形態によるエネルギー貯蔵システム１００が、示される。システム１００は、燃焼タービン１２０（例えば、ガスタービン）を含む。空気１１０は、燃焼タービン１２０に供給される。天然ガス、脱硫天然ガス、または他の好適な燃料などの燃料１１４は、燃焼タービンバーナ１１２に供給される。空気１１０は、燃料１１４と混合され、燃焼を受け、加熱されたスイープガス１１８を生成する。加熱されたスイープガス１１８は、燃焼タービン１２０から出力される。

【0030】

システム１００は、蒸気メタン改質器、または他の好適な炭化水素改質器を含み得る、改質器およびＨＲＳＧ１５０をさらに含む。ボイラ給水１４２は、改質器およびＨＲＳＧ１５０に供給される。蒸気１４４は、改質器およびＨＲＳＧ１５０から出力される。蒸気１４４は、追加の電力を生成するために蒸気タービン１６０に供給される。蒸気タービン１６０は、低圧蒸気１４６を出力する。低圧蒸気１４６は、１５ｐｓｉａにおける蒸気であり得る。低圧蒸気１４８の一部分は、脱硫天然ガスなどの天然ガス１５２、または他の好適な燃料と混合されて、低圧蒸気および天然ガス混合物１５４を生成する。低圧蒸気および天然ガス混合物１５４は、改質器およびＨＲＳＧ１５０に供給される。燃焼タービン１２０から発生する加熱されたスイープガス１１８は、低圧蒸気および天然ガス混合物１５４を改質して、改質された天然ガス１２２を出力するために使用される。天然ガス１５２と混合されない低圧蒸気１４６の一部分は、第２の蒸気タービン１７０に供給される。蒸気タービン１７０は、凝縮器１７１内の冷却によって真空下で凝縮される非常に低圧の蒸気１４７（例えば、大気圧未満）を出力する。

【0031】

システム１００は、ＭＣＥＣ１３０をさらに含む。改質された天然ガス１２２は、水素生成モードで動作するＭＣＥＣ１３０に供給される。ＭＣＥＣ１３０は、燃料電池スタック内に形成された複数の電解槽燃料電池を含む、ＭＣＥＣアセンブリであってもよい。ＭＣＥＣ１３０は、ＭＣＥＣアノード１３０ＡおよびＭＣＥＣカソード１３０Ｂを含む。ＭＣＥＣアノード１３０Ａは、改質された天然ガス１２２を改質器およびＨＲＳＧ１５０から受容し、水素を含有するＭＣＥＣアノード排気１２４を出力する。ＭＣＥＣカソード１３０Ｂは、燃焼タービン１２０から加熱されたスイープガス１１８を受容し、ＭＣＥＣカソード排気１２６を出力する。

【0032】

燃焼タービン１２０からの加熱されたスイープガス１１８は、ＭＣＥＣカソード１３０Ｂに導入され、ＭＣＥＣカソード１３０Ｂ内のＣＯ_２およびＯ_２の濃度を低減させる。このプロセスは、ＭＣＥＣ１３０にわたる低い電圧および低い電力消費をもたらす。ＣＯ_２およびＯ_２が副産物として所望される場合、システム１００はまた、加熱されたスイープガス１１８の一部分を伴わずに動作し得る。しかしながら、加熱されたスイープガス１１８の使用は、ＭＣＥＣカソード１３０Ｂ内の均一な温度を維持するのに役立ち、それによってＭＣＥＣ１３０の寿命を最大化する。ＭＣＥＣカソード１３０Ｂは、改質器およびＨＲＳＧ１５０に供給することができる、ＭＣＥＣカソード排気１２６を出力する。

【0033】

水素を含有するＭＣＥＣアノード排気１２４は、ＭＣＥＣアノード１３０Ａから出力される。水素を含有するＭＣＥＣアノード排気１２４は、９５～９８％のＨ_２を含んでもよい。ＭＣＥＣアノード排気１２４はまた、余剰燃料を含有し得る。例えば、ＭＣＥＣアノード排気は、乾燥ベースで２～５％のＣＯ_２、メタン、およびＣＯを含んでもよい。ＭＣＥＣアノード排気１２４は、任意のメタン化触媒１２５を横切って通過してもよい。メタン化触媒１２５は、ＣＯをメタンに変換し、それによってＭＣＥＣアノード排気１２４中の実質的に全てのＣＯを除去し、ＥＨＣ１４０またはＰＥＭ燃料電池１８０における使用に好適なガスを作製するメタン化触媒排気１２７を出力し得る。メタン化が組み込まれていない場合、ＣＯは、ＰＥＭピーク発電機内で使用され得る前に、別の精製プロセスによって除去されなければならない。１つの代替的な精製システムは、圧力スイング吸着システム（ＰＳＡ）である。メタン化触媒の後、ＭＣＥＣアノード排気は、電解槽モードで動作するＰＥＭ燃料電池などのＥＨＣ１４０に渡され、水素を貯蔵に適した高圧に電気化学的にポンプ送りし、メタン化触媒排気１２７（例えば、９９．９９％Ｈ_２以上）を精製する。ＥＨＣ１４０は、ＭＣＥＣアノード排気１２４またはメタン化触媒排気１２７を受容し、かつＥＨＣアノード排気１２９を出力するように構成されたＥＨＣアノード１４０Ａを含む。ＥＨＣアノード排気１２９は、余剰燃料を含有してもよく、バーナ１８２に供給されてもよい。バーナ１８２は、改質器およびＨＲＳＧ１５０の温度を増加させるために使用され得る。ＥＨＣ１４０は、加圧され、精製された水素含有流１２８を出力するように構成されたＥＨＣカソード１４０Ｂを含む。

【0034】

精製された水素含有流１２８は、水素を必要とする用途において直接貯蔵または使用することができる。例えば、水素含有流１２８の一部分１３２は、貯蔵タンク１３３内に貯蔵されてもよく、水素含有流の一部分１３４は、ピーク発電中に電力を出力するように構成されたＰＥＭ燃料電池１８０内で使用されてもよい。精製された水素含有流は、現在の電力需要に応じて、貯蔵タンク１３３内に制御可能に貯蔵されてもよく、またはＰＥＭ燃料電池１８０に直ちに送られてもよい。

【0035】

ここで図２を参照すると、エネルギー貯蔵システム２００は、第２の例示的な実施形態により示される。エネルギー貯蔵システム２００では、部分的に改質された天然ガス２１３は、余剰電力が利用できないとき、図１に示されるように、改質された天然ガス１２２をＭＣＥＣ１３０に供給するのではなく、燃焼タービン２２０に送られる。部分的に改質された天然ガス２１３は、燃焼タービン２２０の効率に対する増加を提供する。さらに、ＭＣＥＣは、加熱されたスイープガス２１８によって加熱され、必要とされるとき水素を生成し、電力を貯蔵する準備ができている。システム２００は、燃焼タービン２２０（例えば、ガスタービン）を含む。空気２１０は、燃焼タービン２２０に供給される。天然ガス、脱硫天然ガス、または他の好適な燃料などの燃料２１４は、燃焼タービンバーナ２１２に供給される。空気２１０は、燃料２１４と混合され、燃焼を受け、加熱されたスイープガス２１８を生成する。加熱されたスイープガス２１８は、燃焼タービン２２０から出力される。

【0036】

システム２００は、蒸気メタン改質器、または他の好適な炭化水素改質器を含み得る改質器およびＨＲＳＧ２５０をさらに含む。ボイラ給水２４２は、改質器およびＨＲＳＧ２５０に供給される。蒸気２４４は、改質器およびＨＲＳＧ２５０から出力される。蒸気２４４は、蒸気タービン２６０に供給される。蒸気タービン２６０は、中圧蒸気２４６（例えば、２００ｐｓｉａ、これは改質された天然ガス２１３が加圧燃焼タービンバーナ２１２に供給されるのに十分高い）を出力する。中圧蒸気２４８の一部分は、脱硫天然ガスなどの天然ガス２５２、または他の適切な燃料と混合され、中圧蒸気および天然ガス混合物２５４を生成する。中圧蒸気および天然ガス混合物２５４は、燃焼タービン２２０に供給するのに十分なより高い圧力で動作する改質器およびＨＲＳＧ２５０に供給される。改質器およびＨＲＳＧ２５０から燃焼タービンバーナ２１２に供給される部分的に改質された燃料２１３は、バーナ２１２内の燃料によって放出される熱の量を増加させ、それゆえ、必要な燃料がより少なくなり、効率を増加させる。改質器およびＨＲＳＧ２５０内の余剰蒸気はまた、それが燃焼タービン膨張器２２１内で膨張されるとき、電力出力を増加させる。燃焼タービン２２０から生じる加熱されたスイープガス２１８は、中圧蒸気および天然ガス混合物２５４を改質するために熱を提供して、改質された天然ガス２２２を出力するために使用される。天然ガス２５２と混合されない中圧蒸気２４６の一部分は、蒸気タービン２７０に供給される。蒸気タービン２７０は、追加の電力を出力し、低圧蒸気２４７を生成する。低圧蒸気２４７は、凝縮器２７１に送られ、凝縮物は、ボイラ給水２４２としてポンプを通してシステム２００にリサイクルされる。改質された天然ガス２１３は、部分的に改質された天然ガスの全て、または改質された天然ガス２２２の任意の部分であり得る。

【0037】

システム２００は、ＭＣＥＣ２３０をさらに含む。改質された天然ガス２２２は、水素生成モードで動作するＭＣＥＣ２３０に供給される。ＭＣＥＣ２３０は、燃料電池スタック内に形成された複数の電解槽燃料電池を含む、ＭＣＥＣアセンブリであり得る。ＭＣＥＣ２３０は、ＭＣＥＣアノード２３０ＡおよびＭＣＥＣカソード２３０Ｂを含む。ＭＣＥＣアノード２３０Ａは、改質器およびＨＲＳＧ２５０から部分的に改質された天然ガス２２２を受容し、水素を含有するＭＣＥＣアノード排気２２４を出力する。ＭＣＥＣカソード２３０Ｂは、燃焼タービン２２０から加熱されたスイープガス２１８を受容し、ＭＣＥＣカソード排気２２６を出力する。

【0038】

燃焼タービン２２０からの加熱されたスイープガス２１８は、ＭＣＥＣカソード２３０Ｂに導入され得、ＭＣＥＣカソード２３０Ｂ内のＣＯ_２およびＯ_２の濃度を低減させる。このプロセスは、ＭＣＥＣ２３０にわたる低い電圧および低い電力消費をもたらす。ＣＯ_２およびＯ_２が副産物として所望される場合、システム２００はまた、加熱されたスイープガス２１８の一部分を伴わずに動作し得る。しかしながら、加熱されたスイープガス２１８の使用は、ＭＣＥＣカソード２３０Ｂ内の均一な温度を維持するのに役立ち、それによってＭＣＥＣ２３０の寿命を最大化する。ＭＣＥＣカソード２３０Ｂは、改質器およびＨＲＳＧ２５０に供給することができる、ＭＣＥＣカソード排気２２６を出力する。

【0039】

水素を含有するＭＣＥＣアノード排気２２４は、ＭＣＥＣアノード２３０Ａから出力される。水素を含有するＭＣＥＣアノード排気２２４は、９５～９８％のＨ_２を含むことができる。ＭＣＥＣアノード排気２２４はまた、余剰燃料を含有し得る。例えば、ＭＣＥＣアノード排気２２４は、乾燥ベースで２～５％のＣＯ_２、メタン、およびＣＯを含んでもよい。ＭＣＥＣアノード排気２２４は、任意のメタン化触媒２２５を横切って通過してもよい。メタン化触媒２２５は、ＣＯをメタンに変換し、それによってＭＣＥＣアノード排気２２４中の実質的に全てのＣＯを除去し、ＥＨＣ２４０またはＰＥＭ燃料電池２８０における使用に好適なガスを作製するメタン化触媒排気２２７を出力し得る。メタン化触媒は、電解槽モードで動作するＰＥＭ燃料電池などのＥＨＣ２４０に渡されるＣＯを含まないＭＣＥＣアノード排気を生成し、水素を高圧に電気化学的にポンプ送りし、メタン化触媒排気２２７（例えば、９９．９９％Ｈ_２以上）を一工程で精製する。ＥＨＣ２４０は、ＭＣＥＣアノード排気２２４またはメタン化触媒排気２２７を受容し、かつＥＨＣアノード排気２２９を出力するように構成されたＥＨＣアノード２４０Ａを含む。ＥＨＣアノード排気２２９は、余剰燃料を含有してもよく、バーナ２８２に供給されてもよい。バーナ２８２は、燃焼タービン２２０およびＥＨＣアノード排気２２９から加熱されたスイープガス２１８を受容し、加熱されたスイープガス２１８がＭＣＥＣカソード２３０Ｂによって受容される前に、加熱されたスイープガス２１８をさらに加熱するように構成され得る。バーナ２８２は、図１に示されるように、改質器およびＨＲＳＧ１５０の代わりに、ＭＣＥＣ２３０の温度を増加させるために使用され得る。ＥＨＣ２４０は、加圧され、精製された水素含有流２２８を出力するように構成されたＥＨＣカソード２４０Ｂを含む。

【0040】

精製された水素含有流２２８は、水素を必要とする用途において直接貯蔵または使用することができる。例えば、水素含有流２２８の一部分２３２は、貯蔵タンク２３３内に貯蔵されてもよく、水素含有流の一部分２３４は、ピーク発電中に電力を出力するように構成されたＰＥＭ燃料電池２８０内で使用されてもよい。精製された水素含有流は、現在の電力需要に応じて、貯蔵タンク２３３内に制御可能に貯蔵されてもよく、またはＰＥＭ燃料電池２８０に直ちに送られてもよい。

【0041】

ここで図３を参照すると、エネルギー貯蔵システム３００が、第３の例示的な実施形態により示される。エネルギー貯蔵システム３００では、ＥＨＣではなく、圧縮器３４０が、水素貯蔵の前に使用される。この構成では、ＭＣＥＣアノード（例えば、９５～９８％Ｈ_２）からの水素含有流は、貯蔵タンク３３３および／またはＰＥＭ３８０に送られる。システム３００は、燃焼タービン３２０（例えば、ガスタービン）を含む。空気３１０は、燃焼タービン３２０に供給される。天然ガス、脱硫天然ガス、または他の好適な燃料などの燃料３１４は、燃焼タービンバーナ３１２に供給される。空気３１０は、燃料３１４と混合され、燃焼を受け、加熱されたスイープガス３１８を生成する。加熱されたスイープガス３１８は、燃焼タービン３２０から出力される。

【0042】

システム３００は、蒸気メタン改質器、または他の好適な炭化水素改質器を含み得る、改質器およびＨＲＳＧ３５０をさらに含む。ボイラ給水３４２は、改質器およびＨＲＳＧ３５０に供給される。蒸気３４４は、改質器およびＨＲＳＧ３５０から出力される。蒸気３４４は、蒸気タービン３６０に供給される。蒸気タービン３６０は、低圧蒸気３４６を出力する。低圧蒸気３４６は、１５ｐｓｉａにおける蒸気であり得る。低圧蒸気３４８の一部分は、脱硫天然ガスなどの天然ガス３５２、または他の好適な燃料と混合されて、低圧蒸気および天然ガス混合物３５４を生成する。低圧蒸気および天然ガス混合物３５４は、改質器およびＨＲＳＧ３５０に供給される。燃焼タービン３２０から生じる加熱されたスイープガス３１８は、低圧蒸気および天然ガス混合物３５４を改質するために必要な熱を提供して、改質された天然ガス３２２を出力するために使用される。天然ガス３５２と混合されない低圧蒸気３４６の一部分は、第２の蒸気タービン３７０に供給される。蒸気タービン３７０は、凝縮器３７１内の冷却によって真空下で凝縮される、非常に低圧の蒸気３４７（例えば、大気圧未満）を出力する。

【0043】

システム３００は、ＭＣＥＣ３３０をさらに含む。改質された天然ガス３２２は、水素生成モードで動作するＭＣＥＣ３３０に供給される。ＭＣＥＣ３３０は、燃料電池スタック内に形成された複数の電解槽燃料電池を含む、ＭＣＥＣアセンブリであってもよい。ＭＣＥＣ３３０は、ＭＣＥＣアノード３３０ＡおよびＭＣＥＣカソード３３０Ｂを含む。ＭＣＥＣアノード３３０Ａは、改質された天然ガス３２２を改質器およびＨＲＳＧ３５０から受容し、水素を含有するＭＣＥＣアノード排気３２４を出力する。ＭＣＥＣカソード３３０Ｂは、燃焼タービン３２０から加熱されたスイープガス３１８を受容し、ＭＣＥＣカソード排気３２６を出力する。

【0044】

燃焼タービン３２０からの加熱されたスイープガス３１８は、ＭＣＥＣカソード３３０Ｂに導入され、ＭＣＥＣカソード３３０Ｂ内のＣＯ_２およびＯ_２の濃度を低減させる。このプロセスは、ＭＣＥＣ３３０にわたる低い電圧および低い電力消費をもたらす。ＣＯ_２およびＯ_２が副産物として所望される場合、システム３００はまた、加熱されたスイープガス３１８の一部分を伴わずに動作し得る。しかしながら、加熱されたスイープガス３１８の使用は、ＭＣＥＣカソード３３０Ｂ内の均一な温度を維持するのに役立ち、それによってＭＣＥＣ３３０の寿命を最大化する。ＭＣＥＣカソード３３０Ｂは、改質器およびＨＲＳＧ３５０に供給することができる、ＭＣＥＣカソード排気３２６を出力する。

【0045】

水素を含有するＭＣＥＣアノード排気３２４は、ＭＣＥＣアノード３３０Ａから出力される。ＭＣＥＣアノード排気３２４は、９５～９８％のＨ_２を含むことができる。ＭＣＥＣアノード排気３２４はまた、余剰燃料を含有し得る。例えば、ＭＣＥＣアノード排気３２４は、乾燥ベースで２～５％のＣＯ_２、メタン、およびＣＯを含むことができる。ＭＣＥＣアノード排気３２４は、任意のメタン化触媒３２５Ａを横切って通過してもよい。メタン化触媒３２５Ａは、ＣＯをメタンに変換し、それによってＭＣＥＣアノード排気３２４中の実質的に全てのＣＯを除去し、ＰＥＭ燃料電池３８０における使用に好適なガスを作製するメタン化触媒排気３２７を出力し得る。ＭＣＥＣアノード排気３２４は、ＭＣＥＣアノード排気２３４が冷却されて、実質的に全てのＣＯを除去し、ＭＣＥＣアノード排気３２４をＰＥＭ発電機で燃料として使用するのに好適にするようにメタン化されてもよい。代替的に、ＣＯは、排気ガス圧縮器３４０の下流のＰＳＡ３２５Ｂによって除去されてもよい。

【0046】

ＭＣＥＣアノード排気３２４は、圧縮器３４０に供給されてもよい。圧縮器３４０は、加圧された水素含有流３２８を出力する。水素含有流３２８は、水素を必要とする用途で直接貯蔵または使用することができる。例えば、水素含有流３２８の一部分３３２は、貯蔵タンク３３３内に貯蔵されてもよく、水素含有流の一部分３３４は、ピーク発電中に電力を出力するように構成されたＰＥＭ燃料電池３８０内で使用されてもよい。水素含有流は、現在の電力需要に応じて、貯蔵タンク３３３内に制御可能に貯蔵されてもよく、またはＰＥＭ燃料電池３８０に直ちに送られてもよい。概して、ピーク電力需要の間、電力を使用するＭＣＥＣ３３０は、オフになり、ＰＥＭ燃料電池は、生成される正味の電力を最大化するために、貯蔵タンク３３３から供給される。いくつかの場合では、ＭＣＥＣ３３０は、ピーク発電をさらに増加させるために電力を生成するような様式で動作する。

【0047】

貯蔵タンク３３３および／またはＰＥＭ燃料電池３８０内で受容される水素の純度は、上述した最初の２つの実施形態よりも低いが、ＥＨＣの排除は、低コストの選択肢を用意する。貯蔵タンク３３３内に貯蔵された水素は、およそ９５～９８％Ｈ_２であるため、ＰＥＭ燃料電池３８０は、余剰燃料３３５（例えば、水素燃料および非水素燃料）を出力することができる。余剰燃料３３５は、バーナ３８２に供給され得、これは、改質器およびＨＲＳＧ３５０を加熱するために使用され得る。

【0048】

ある実施形態によれば、ＭＣＥＣ１３０、２３０、３３０は、ＭＣＥＣ１３０、２３０、３３０が水素生成モードに対して逆に動作する発電モードで動作することができる。ＭＣＥＣ１３０、２３０、３３０の逆方向の動作は、ＭＣＥＣ１３０、２３０、３３０が従来の燃料電池として動作して、燃料として水素を受容し、発電することを可能にする。

【0049】

本明細書で利用される際、「およそ」、「約」、「実質的に」という用語、および類似の用語は、本開示の主題が属する技術分野の当業者によって一般的かつ許容される用法と調和する広範な意味を有することが意図される。これらの用語は、これらの特徴の範囲を提供される正確な数値範囲に限定することなく、記載され、特許請求される特定の特徴の説明を可能にすることが意図されることを、本開示を見る当業者によって理解されるべきである。したがって、これらの用語は、記載され、特許請求される主題の実質的または重要でない修正または変更が、添付の特許請求の範囲に記載される本開示の範囲内であると見なされることを示すものとして解釈されるべきである。

【0050】

様々な実施形態を説明するために本明細書で使用される場合、「例示的な」という用語は、そのような実施形態が、可能性のある実施形態の可能性のある例、表現、および／または例解であることを示すことを意図し、（かつ、そのような用語は、そのような実施形態が必ずしも特別なまたは上位の例であることを含意することを意図しない）ことに留意されたい。

【0051】

本明細書で使用される際、「結合された」、「接続された」などの用語は、２つの部材が互いに直接的または間接的に接合されることを意味する。そのような接合は、静止していてもよく（例えば、永続的）、または移動可能（例えば、取り外し可能または解放可能）であってもよい。そのような接合は、２つの部材または２つの部材および任意の追加の中間部材が、互いに単一の単一体として一体的に形成されているか、または２つの部材または２つの部材および任意の追加の中間部材が互いに取り付けられている状態で達成され得る。

【0052】

本明細書における要素の位置（例えば、「上部」、「下部」、「上方」、「下方」など）への言及は、図中の様々な要素の配向を説明するためにのみ使用される。様々な要素の配向は、他の例示的な実施形態により異なり得、そのような変形は、本開示によって包含されることが意図されることに留意されたい。

【0053】

本発明は、その好ましい実施形態に関して説明されてきたが、様々な他の実施形態および変形例が、本発明の範囲および趣旨内で、当業者に生じ得、そのような他の実施形態および変形例は、対応する特許請求の範囲によって対象にされることが意図されることを理解されたい。当業者は、本明細書に記載される主題の新規の教示および利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正（例えば、サイズ、構造、パラメータの値、取り付け配置、材料の使用、配向、製造プロセスなどの変形）が可能であることを容易に理解するであろう。例えば、任意のプロセスまたは方法工程の順序または配列は、代替の実施形態に従って変更または再配列されてもよい。他の置換、修正、変更、および省略もまた、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な例示的な実施形態の設計、動作条件、および配置において行われ得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】