特許 7485804 二酸化炭素回収のための溶融炭酸塩型燃料電池アノード排気の後処理

(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】2024-05-08

(45)【発行日】2024-05-16

(54)【発明の名称】二酸化炭素回収のための溶融炭酸塩型燃料電池アノード排気の後処理

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0662 20160101AFI20240509BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20240509BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20240509BHJP

   B01D 53/047 20060101ALI20240509BHJP

【ＦＩ】

H01M8/0662

H01M8/04 J

H01M8/04014

B01D53/047

【請求項の数】 8

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023011141

(22)【出願日】2023-01-27

(62)【分割の表示】P 2021043584の分割

【原出願日】2017-04-20

(65)【公開番号】P2023055803

(43)【公開日】2023-04-18

【審査請求日】2023-02-09

(31)【優先権主張番号】62/325,711

(32)【優先日】2016-04-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(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】100076428

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康徳

(74)【代理人】

【識別番号】100115071

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 康弘

(74)【代理人】

【識別番号】100112508

【弁理士】

【氏名又は名称】高柳 司郎

(74)【代理人】

【識別番号】100116894

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 秀二

(74)【代理人】

【識別番号】100130409

【弁理士】

【氏名又は名称】下山 治

(72)【発明者】

【氏名】チェゼル－アヤゴー， オッセン

【審査官】大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】特表２００９－５０３７８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００４／０１９７６１２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平１１－３１２５２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２５４９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２８５６９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－４５３７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－８／２４９５

Ｂ０１Ｄ ５３／０４７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池システムであって、
アノードとカソードとを備え、前記アノードはアノード排ガスを放出するように構成された燃料電池と、
前記アノード排ガスを受け取り、前記アノード排ガスに対して第１の温度で第１のＣＯシフト反応を実行し、第１のシフトガスを放出するように構成された第１のＣＯシフト反応器と、
前記第１のシフトガスを受け取って凝縮し、前記第１のシフトガスから水を分離して乾燥アノード排ガスを生成し、前記水と前記乾燥アノード排ガスとを別々に放出するように構成された凝縮器と、
前記乾燥アノード排ガスを受け取り、水素流および分離したＣＯ_２流を放出するように構成された圧力スウィング吸着ユニットと、
前記圧力スウィング吸着ユニットからの前記水素流の第１の部分と空気源からの空気とを受け取り、酸化水素流を放出するように構成された酸化装置と、
前記酸化水素流から熱を受け取り、前記カソードによって受け取られるカソード入口流に伝達するように構成された熱交換器と、
を備える、燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記圧力スウィング吸着ユニットから前記ＣＯ_２流を受け取って液化するように構成された圧縮機をさらに備える、燃料電池システム。

【請求項3】

請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記アノードは、前記水素流の第２の部分を受け取るように構成される、燃料電池システム。

【請求項4】

請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記熱交換器は、第三の熱交換器であり、前記燃料電池システムは、さらに、
前記アノード排ガスを受け取って冷却して、第１の部分冷却ガスを放出するように構成された第１の熱交換器と、
前記第１のシフトガスを受け取って冷却して、第２の部分冷却ガスを放出するように構成された第２の熱交換器と、
前記第２の部分冷却ガスを受け取り、前記第２の部分冷却ガスに対して第２の温度で第２のＣＯシフト反応を実行し、第２のシフトガスを放出するように構成された第２のＣＯシフト反応器と
を備え、
前記第１のＣＯシフト反応器で受け取られる前記アノード排ガスは、前記第１の部分冷却ガスであり、
前記凝縮器で受け取られる前記第１のシフトガスは、前記第２のＣＯシフト反応器から放出された前記第２のシフトガスであり、
前記第１の温度は、前記第２の温度より高い、燃料電池システム。

【請求項5】

燃料電池排気を処理する方法であって、
第１のＣＯシフト反応器において、燃料電池のアノードからアノード排ガスを受け取り、前記アノード排ガスに対して第１の温度で第１のＣＯシフト反応を実行し、第１のシフトガスを放出することと、
凝縮器において、前記第１のシフトガスを受け取り、乾燥アノード排ガス流を放出し、それとは別に水流を放出することと、
第１の圧縮機において、前記乾燥アノード排ガス流を圧縮して、圧縮アノード排ガス流を放出することと、
圧力スウィング吸着（「ＰＳＡ」）ユニットにおいて、前記圧縮アノード排ガス流を受け取り、水素流を放出し、それとは別にＣＯ_２流を放出することと、
酸化装置において、前記水素流の第１の部分と空気源からの空気とを受け取り、酸化水素流を放出することと、
熱交換器において、カソードによって受け取られるカソード入口流に前記酸化水素流からの熱を伝達することと
を含む、方法。

【請求項6】

請求項５に記載の方法であって、第２の圧縮機において、前記ＰＳＡユニットから前記ＣＯ_２流を受け取り、液化ＣＯ_２を放出することをさらに含む、方法。

【請求項7】

請求項５に記載の方法であって、前記熱交換器は、第三の熱交換器であり、前記方法は、さらに、
第１の熱交換器において、前記アノード排ガスを冷却して、第１の部分冷却ガスを放出することと、
第２の熱交換器において、前記第１のシフトガスを冷却して、第２の部分冷却ガスを放出することと、
第２のＣＯシフト反応器において、前記第２の部分冷却ガスに対して第２の温度で第２のＣＯシフト反応を実行し、第２のシフトガスを放出することと
を含み、
前記第１のＣＯシフト反応器で受け取られる前記アノード排ガスは、前記第１の部分冷却ガスであり、
前記凝縮器で受け取られる前記第１のシフトガスは、前記第２のＣＯシフト反応器から放出された前記第２のシフトガスであり、
前記第１の温度は、前記第２の温度より高い、方法。

【請求項8】

請求項５に記載の方法であって、熱交換器内で前記乾燥アノード排ガス流または前記圧縮アノード排ガス流の少なくとも一方を冷却することをさらに含む、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、直接溶融炭酸塩型燃料電池（「ＤＦＣ」）内の二酸化炭素（ＣＯ_２）分離に関する。特に、本開示は、ＤＦＣからＣＯ_２リッチアノード排気流を受け取り、隔離のためにＣＯ_２を濃縮する電気化学水素分離装置（「ＥＨＳ」）に関する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0002】

ＤＦＣ用のＣＯ_２分離システムでは、ＣＯ_２リッチアノード排気流はさらに、水蒸気と、主に水素および一酸化炭素（ＣＯ）を含む未使用燃料とを含む。排気流を隔離または使用のためにＣＯ_２回収（すなわち、分離）できる状態にするために、いくつかの処理または後処理が必要である。

【課題を解決するための手段】

【0003】

特定の実施形態では、燃料電池システムは、第１のアノードと第１のカソードとを有する第１の燃料電池を含み、第１のアノードは、第１のアノード排ガスを放出するように構成される。該システムはさらに、第１のアノード排ガスと第１の空気源からの空気とを受け取り、第１のアノード排ガスと空気とを選択的酸化反応で反応させて、酸化ガスを放出するように構成された第１の酸化装置を含む。該システムはさらに、電気化学水素分離装置（「ＥＨＳ」）として機能するように構成された第２の燃料電池を含む。第２の燃料電池は、第１の酸化装置から酸化ガスを受け取り、第２のアノード排ガスを放出するように構成された第２のアノードと、水素流を放出するように構成された第２のカソードとを含む。該システムはさらに、第２のアノード排ガスを受け取り、水とＣＯ_２とを分離するように構成された凝縮器を含む。

【0004】

他の実施形態では、燃料電池排気を処理する方法は、第１の酸化装置において、第１の燃料電池の第１のアノードからの第１のアノード排ガスと第１の空気源からの空気とを受け取り、第１の酸化装置から酸化ガスを放出するステップを含む。該方法はさらに、第２のアノードと第２のカソードとを有する第２の燃料電池において、第２のアノードで酸化ガスを受け取り、酸化ガス中の水素を電気化学的に分離し、第２のカソードから水素流を放出し、第２のアノードから第２のアノード排ガスを放出するステップをさらに含む。

【0005】

他の実施形態では、燃料電池システムは、アノードとカソードとを有する燃料電池を含み、アノードは、アノード排ガスを放出するように構成される。該システムはさらに、アノード排ガスを受け取って凝縮し、アノード排ガスから水を分離して乾燥アノード排ガスを生成し、水と乾燥アノード排ガスとを別々に放出するように構成された凝縮器を含む。該システムはさらに、乾燥アノード排ガスを受け取り、水素流および分離したＣＯ_２流を放出するように構成された圧力スウィング吸着ユニットを含む。

【0006】

他の実施形態では、燃料電池排気を処理する方法は、凝縮器において、燃料電池のアノードからアノード排ガスを受け取り、乾燥アノード排ガス流を放出し、それとは別に水流を放出するステップを含む。該方法はさらに、第１の圧縮機において、乾燥アノード排ガス流を圧縮して、圧縮アノード排ガス流を放出するステップを含む。該方法はさらに、圧力スウィング吸着（「ＰＳＡ」）ユニットにおいて、圧縮アノード排ガス流を受け取り、水素流を放出し、それとは別にＣＯ_２流を放出するステップを含む。

【0007】

上記の利点および他の利点は、本開示および図面を精査すれば明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】例示的な一実施形態に係る、電気化学水素分離装置を使用するＣＯ_２隔離サブシステムを含む燃料電池システムの概略図である。

【図2】別の例示的な実施形態に係る、電気化学水素分離装置を使用するＣＯ_２隔離サブシステムを含む燃料電池システムの概略図である。

【図3】例示的な一実施形態に係る、圧力スウィング吸着ユニットを使用するＣＯ_２隔離サブシステムを含む燃料電池システムの概略図である。

【図4】別の例示的な実施形態に係る、圧力スウィング吸着ユニットを使用するＣＯ_２隔離サブシステムを含む燃料電池システムの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

全般的に図面を参照すると、本明細書に開示されているのは、燃料電池アノード排ガスを後処理してＣＯ_２隔離を行うための燃料電池サブシステムである。

【0010】

通常、アノード排ガス中の可燃性物質は、酸化装置内で反応し得る。空気中の窒素はアノード排ガス中のＣＯ_２を希釈し得るので、空気ではなく酸素が酸化装置に供給される。酸化装置に必要な酸素を供給するために、空気分離サブシステムが組み込まれなければならない。しかしながら、酸素を使用するときに、酸化装置を所望の温度レベルで維持するために（例えば、触媒の過熱を避けるために）、冷却剤として水が酸化装置内に注入される。酸化装置は、少なくとも水とＣＯ_２とを含む酸化装置排気を発生させる。酸化装置内で生成された熱は、その後、カソードの入口流を予熱するのに使用される。復熱交換の後、アノード排気／酸化装置排気流は、水を除去するために凝縮器内で冷却される。酸化装置の下流側にある凝縮器は、注入された水と排気流中に存在する任意の他の水とを分離して除去し、隔離可能なより高濃度のＣＯ_２を含む酸化装置排気を発生させる。一実施例では、微粉炭（「ＰＣ」）ボイラ蒸気サイクル発電所からの温室効果ガス（「ＧＨＧ」）を使用して燃料電池システム内の酸化装置に酸素を供給する場合、隔離のためのＣＯ_２流は、燃料利用率７４％で、およそ８９％のＣＯ_２と１０％の水とを含む。酸素でなく空気が酸化装置に供給された場合、ＣＯ_２含有量はおよそ５８％まで減少する。

【0011】

図１を参照すると、例示的な実施形態に係る後処理システムが示されている。該プロセスは、必要な熱をカソード入口流に供給した後に過剰水素が副産物として分離されるように、水素を回収するステップを含む。別の例示的な実施形態によれば、過剰水素は、補助燃料としてＤＦＣアノードへと再循環される。

【0012】

燃料電池システム１は、カソード１２（すなわち、第１のカソード）とアノード１４（すなわち、第１のアノード）とを有する第１の燃料電池１０を含む。例示的な一実施形態によれば、第１の燃料電池１０は、ＤＦＣであり得る。アノード１４は、少なくともＣＯ_２と水素とＣＯとを含むアノード排ガスを放出する。第１の熱交換器２０は、ＤＦＣからアノード排ガスを受け取り、アノード排ガスを部分的に冷却する。第１の熱交換器２０は、その後、第１の部分冷却ガスを放出する。第１の部分冷却ガスは、第１のシフト反応器２１内の高温（「ＨＴ」）ＣＯシフト反応（例えば、水ーガスシフト反応）によって変換されて、第２の熱交換器２２によって受け取られる第１のシフトガスが生成される。第１のシフト反応器２１は、およそ３１０℃～４５０℃の第１の温度で動作するように構成される。第１のシフト反応器２１は、第１のシフトガスが第１の部分冷却ガスより高濃度のＣＯ_２と水素とを有するように、ＣＯと水をＣＯ_２と水素に変換するように構成され得る。第２の熱交換器２２は、第１のシフトガスを部分的に冷却し、第２の部分冷却ガスを放出する。第２の部分冷却ガスは、第２のシフト反応器２３内の低温（「ＬＴ」）ＣＯシフト反応によって変換されて、第３の熱交換器２４によって受け取られる第２のシフトガスが生成される。第２のシフト反応器２３は、第１の温度が第２の温度より高くなるように、およそ２００℃～２５０℃の第２の温度で動作するように構成される。第２のシフト反応器２３は、第２のシフトガスが第２の部分冷却ガスより高濃度のＣＯ_２と水素とを有するように、ＣＯと水をＣＯ_２と水素に変換するように構成され得る。第３の熱交換器２４は、第２のシフトガスを所望の温度まで冷却して、冷却ガスを放出する。例示的な一実施形態によれば、冷却ガスの温度は、第３の熱交換器２４の下流側にある酸化装置３０によって受け入れ可能な温度範囲に基づいている。

【0013】

冷却ガスは、酸素ではなく、空気源２６（すなわち、第１の空気源、制御空気源など）によって供給される（すなわち、注入される）空気と混合されて、混合ガスが生成される。例示的な一実施形態によれば、空気源２６は、冷却ガスを構成するＣＯ_２、水素、水、および／またはＣＯのいずれか１つに対する空気の好適な比率を確立するように制御され得る。この好適な比率は、酸化装置の要件に基づき得る。混合ガスは、その後、ＣＯをＣＯ_２に変換するために、選択的酸化反応を実行するように構成された酸化装置３０に供給される。選択的酸化は、ＣＯを除去するための化学プロセスである。このプロセスは、低温シフト反応器（例えば、第２のシフト反応器２３と同様のシフト反応器）を使用した後に、貴金属触媒（例えば、白金、パラジウムーコバルト、パラジウムー銅、金など）の存在下で酸素を使用してＣＯを酸化するために段階的な選択的酸化装置を使用する。酸化装置３０は、隔離のためのＣＯ_２を含む酸化ガスを放出し、反応により熱を発生させる。第４の熱交換器３２は、酸化装置３０から酸化ガスを受け取り、酸化ガスを冷却して少なくとも部分的にアノード入口流３４を生成する。例示的な一実施形態によれば、酸化装置３０は、ＣＯ_２を含む酸化ガスから分離した排気を生成する。酸化装置３０からの排気は放出される酸化ガス部分を構成しないので、酸化装置のために空気が使用され得、空気分離ユニットおよび／または水注入（例えば、酸化装置の温度制御のため）の必要がなくなる。

【0014】

図１に示されているように、システム１はさらに、ＥＨＳ４０（第２の燃料電池とも呼ばれる）を含む。ＥＨＳ４０は、カソード４２（すなわち、第２のカソード）、アノード４４（すなわち、第２のアノード）、およびカソード４２とアノード４４との間に配置されたプロトン交換膜（「ＰＥＭ」）４６を含む。アノード４４は、第４の熱交換器３２から冷却アノード入口流３４を受け取る。アノード４４において、アノード入口流３４中に存在する水素の少なくとも一部が、正電荷を持つ水素イオン（Ｈ^＋）になるように選択的に酸化され、その後、これがＰＥＭ４６を通ってカソード４２へと移動される。例示的な一実施形態によれば、酸化装置３０、空気源２６、および熱交換器３２は、ＰＥＭとして１５０℃を超えて動作する高温膜（「ＨＴＭ」）（例えば、ＰＢＩまたは固体酸膜）を組み込むことによって、図１に示すシステム１から除外され得る。さらに図１を参照すると、カソード４２では、酸化剤が存在しないことにより、Ｈ^＋は気体水素に還元される。したがって、ＥＨＳ４０は、アノード入口流３４から選択的に水素流５０を生成し、放出する。水素流５０は、副産物として生成され、システム１内で使用され得るか、または排出され得る。例示的な一実施形態によれば、シフト反応器２１、２３の各々は、対応する高温シフト反応器および低温シフト反応器内での水素回収を最大化して、ＥＨＳ触媒の一酸化炭素中毒を防止するように構成される。別の例示的な実施形態によれば、水素流５０は、比較的小さいエネルギー入力によって（電気化学的に）圧縮され得る。有利には、ＰＥＭ４６を介する移動は、最小エネルギー入力を利用し、可動部品は全く必要でない。例示的な一実施形態によれば、ＥＨＳ４０は、第１の燃料電池１０からのアノード排ガスから、およそ９５％の水素を回収し得る。

【0015】

ＥＨＳ４０のアノード４４は、第２のアノード排ガスを生成する。第２のアノード排ガスは、凝縮器６０に供給され得、凝縮器６０は、第２のアノード排ガスをＣＯ_２流６１と水流（すなわち、凝縮水）６６とに分離する。凝縮器６０からのＣＯ_２流６１は、その後、ＣＯ_２流６１の少なくとも一部を液化するためにＣＯ_２圧縮機６２を通り、隔離および／または使用場所（例えば、食品加工用）への排出（すなわち、輸送）に適した高濃度のＣＯ_２供給６４を生成する。例示的な一実施形態によれば、凝縮器６０内の水を水流６６へと移した後、ＣＯ_２流６１は、およそ８９％のＣＯ_２とおよそ９％の水とを含む。

【0016】

図２に示されているように、別の例示的な実施形態によれば、水素流５０の少なくとも一部は、空気を使用して酸化され、熱を発生させ得る。ＥＨＳ４０のカソード４２によって生成された水素流５０の第１の部分５１は、酸化装置５２（すなわち、第２の酸化装置）に供給され、空気源５４（すなわち、第２の空気源）からの空気によって酸化される。酸化は、少なくとも熱と水とを含む酸化水素流５３を生成し、第５の熱交換器５６を通して供給される。第５の熱交換器５６は、酸化水素流５３からの熱を移送して、第１の燃料電池１０の第１のカソード１２によって受け取られるカソード入口流３６（例えば、石炭燃料発電所からの脱硫ＧＨＧ）を予熱する。別の例示的な実施形態によれば、酸化水素流５３は、ＥＨＳ４０のカソード４２または任意の他のカソードによって受け取られるカソード入口流を予熱するのに使用され得る。酸化水素流５３は、その後、システム１から排出され得る。

【0017】

図２に示されている実施形態では、カソード入口流３６を加熱するのに使用される水素流５０の第１の部分５１は、カソード４２によって生成された水素のおよそ４５％を含む。残りの第２の部分５５（例えば、水素流５０のおよそ５５％）は、副産物として生成され、システム１内で使用され得るか、または排出され得る。各々の部分５１、５５を形成する水素流５０の割合は、他の例示的な実施形態に応じて異なり得る。例示的な一実施形態によれば、水素流５０の第１の部分５１は、カソード入口流３６の所望レベルの予熱を行うのに必要な量に限定され得る。別の例示的な実施形態によれば、水素流５０の第２の部分５５（例えば、カソード入口流３６を予熱するために第２の酸化装置５２に供給されない水素）は、第１の燃料電池１０の第１のアノード１４に再循環（例えば、供給）され得、その結果、第１の燃料電池１０を作動させるのに必要な天然ガス燃料投入量を低減することができる。

【0018】

図３を参照すると、別の例示的な実施形態に係る後処理システムが示されている。このシステムにおいて、先の例示的な実施形態と同様に、アノード排ガス中に存在する水素が分離されて回収される。

【0019】

燃料電池システム１００は、カソード１１２とアノード１１４とを有する燃料電池１１０を含む。例示的な一実施形態によれば、燃料電池１１０は、第１の燃料電池１０と実質的に同じＤＦＣであり得る。アノード１１４は、少なくともＣＯ_２と水素とＣＯとを含むアノード排ガスを放出する。第１の熱交換器１２０は、ＤＦＣからアノード排ガスを受け取り、アノード排ガスを部分的に冷却する。第１の熱交換器１２０は、その後、第１の部分冷却ガスを放出する。第１の部分冷却ガスは、第１のシフト反応器１２１内の高温ＣＯシフト反応によって変換されて、第２の熱交換器１２２によって受け取られる第１のシフトガスが生成される。第１のシフト反応器１２１は、およそ３１０℃～４５０℃の第１の温度で動作するように構成される。第１のシフト反応器１２１は、第１のシフトガスが第１の部分冷却ガスより高濃度のＣＯ_２と水素とを有するように、ＣＯと水をＣＯ_２と水素に変換するように構成され得る。第２の熱交換器１２２は、第１のシフトガスを部分的に冷却し、第２の部分冷却ガスを放出する。第２の部分冷却ガスは、第２のシフト反応器１２３内の低温ＣＯシフト反応によって変換されて、凝縮器１６０によって受け取られる第２のシフトガスが生成される。第２のシフト反応器１２３は、第１の温度が第２の温度より高くなるように、およそ２００℃～２５０℃の第２の温度で動作するように構成される。第２のシフト反応器１２３は、第２のシフトガスが第２の部分冷却ガスより高濃度のＣＯ_２と水素とを有するように、ＣＯと水をＣＯ_２と水素に変換するように構成され得る。凝縮器１６０は、第２のシフトガスを、少なくともＣＯ_２と水素とを含む乾燥（例えば、脱水）アノード排ガス流１６１と、分離した水流（すなわち、凝縮水）１６６とに分離する。例えば、乾燥アノード排ガス流１６１を形成する際に、水の実質的に全てがアノード排ガス流から除去される。凝縮器１６０からの乾燥アノード排ガス流１６１は、その後、圧縮機１６２に供給されて、圧縮アノード排ガス流を形成し、その後、圧縮アノード排ガス流をさらに冷却するために第３の熱交換器１６３に供給される。別の例示的な実施形態によれば、第３の熱交換器１６３は、圧縮機１６２の上流側（例えば、凝縮器１６０と圧縮機１６２との間）に配置され、乾燥アノード排ガス流１６１を冷却するように構成される。

【0020】

システム１００は、圧力スウィング吸着（「ＰＳＡ」）ユニット１７０を含む。ＰＳＡユニット１７０は、第３の熱交換器１６３からの圧縮アノード排ガス流を受け取り、圧縮アノード排ガス流を水素流１５０とＣＯ_２流１６５とに分離するように構成される。ＰＳＡユニット１７０において、水素以外のガス（例えば、主としてＣＯ_２といくらかの水）は、高圧下で吸着床媒体によって吸着され、純粋な水素流１５０は、ＰＳＡユニット１７０で受け取られる圧縮アノード排ガス流の入口圧力に近い（例えば、実質的に同じ）圧力で、ＰＳＡユニット１７０から放出される。水素流１５０は、副産物として生成され、システム１００内で使用され得るか、または排出され得る。ＰＳＡユニット１７０内の吸着床媒体は、最大吸着容量に達した後、ＣＯ_２流１６５を生成する吸着ガスを除去するようにパージされる。このパージは、およそ２０ｐｓｉａの大気圧近くまで圧力を下げることによって行われる脱着によって生じる。ＣＯ_２流１６５は、その後、ＣＯ_２流１６５の少なくとも一部を液化するためにＣＯ_２圧縮機１６７に供給されて、隔離ＣＯ_２供給１６４を生成する。

【0021】

例示的な一実施形態によれば、システム１００は、図２に示されている水素流５０と同じ方法で、水素流１５０の一部を変換し得る。例えば、図４に示されているように、ＰＳＡユニット１７０によって生成された水素流１５０の第１の部分１５１は、酸化装置１５２に供給されて、空気源１５４からの空気によって酸化される。酸化は、少なくとも熱と水とを含む酸化水素流１５３を生成し、第４の熱交換器１５６を通して供給される。第４の熱交換器１５６は、酸化水素流１５３からの熱を移送して、第１の燃料電池１１０の第１のカソード１１２によって受け取られるカソード入口流１３６（例えば、石炭燃料発電所からの脱硫ＧＨＧ）を予熱する。酸化水素流１５３は、その後、システム１００から排出され得る。図２と同様に、水素流５０の第１の部分１５１は、カソード入口流１３６の所望レベルの予熱を行うのに必要な量に限定され得る。別の例示的な実施形態によれば、水素流１５０の残りの第２の部分１５５（例えば、カソード入口流１３６を予熱するために酸化装置１５２に供給されない水素）は、燃料電池１１０のアノード１１４に再循環（例えば、供給）され得、その結果、燃料電池１１０を作動させるのに必要な天然ガス燃料投入量を低減することができる。

【0022】

システム１およびシステム１００のいずれに関しても、別の例示的な実施形態によれば、ＣＯ_２を隔離するプロセスは、酸化装置内で全ての水素および他の可燃性物質を消費するステップと、カソード入口流を予熱するためにエネルギー容量を利用するステップとを含み得る。

【0023】

特定の実施形態では、燃料電池システムは、アノードとカソードとを有する燃料電池、酸化装置、および電気化学水素分離装置を含む。酸化装置は、アノードからのアノード排ガスと制御された空気源からの空気とを受け取り、アノード排ガスと空気とを選択的酸化反応で反応させるように構成される。分離装置は、酸化装置から酸化ガスを受け取り、残りのガスから分離した水素流とＣＯ_２流とを形成するように構成される。凝縮器は、酸化装置からＣＯ_２流を受け取り、ＣＯ_２流を凝縮して水を分離し、ＣＯ_２を液化するように構成される。

【0024】

他の実施形態では、燃料電池システムは、アノードとカソードとを有する燃料電池、凝縮器、および圧力スウィング吸着ユニットを含む。凝縮器は、アノードからアノード排ガスを受け取り、凝縮して、残りの凝縮ガスから水流を分離するように構成される。圧縮機は、残りの凝縮ガスを受け取って圧縮し、圧縮ガスを圧力スウィング吸着ユニットに供給する。圧力スウィング吸着ユニットは、水素流とＣＯ_２流とを分離する。ＣＯ_２流は、ＣＯ_２を液化するように構成された第２の圧縮機によって受け取られる。

【0025】

用語「およそ」、「約」、「実質的に」および同様の用語は、本明細書で使用される場合、本開示の主題に関連する当業者に一般的に認められた語法に即した広い意味を有するものとする。本開示を考察する当業者であれば、これらの用語は、記載され請求される特定の特徴を設定された正確な数値範囲に制限せずに説明できるように意図されていることを理解されたい。したがって、これらの用語は、記載され請求される主題の非実質的または重要でない修正または変更は、添付の請求項に記載されているように本発明の範囲内にあるものと見なされると解釈すべきである。

【0026】

用語「結合される」、「接続される」などは、本明細書で使用される場合、２つの部材を互いに直接または間接的に接合することを意味する。このような接合は、固定式（例えば、永久的）または可動式（例えば、取り外し可能または解除可能）であり得る。このような接合は、２つの部材または２つの部材と任意の追加の中間部材とを互いに単一本体として一体形成することによって、または２つの部材または２つの部材と任意の追加の中間部材とが互いに取り付けられることによって実現され得る。

【0027】

本明細書において、要素の位置（例えば、「上部」、「底部」、「～の上」、「～の下」など）の参照は、図面内の様々な要素の配向を説明するためにのみ使用されている。様々な要素の配向は他の例示的な実施形態に応じて異なり得ること、およびこのような差異は本開示の範囲内にあることが意図されていることに留意されたい。

【0028】

様々な例示的な実施形態の構造および配置は例示に過ぎないことに留意することが重要である。本開示では少しの実施形態しか詳細に説明されていないが、本開示を考察する当業者であれば、本明細書に記載されている主題の新奇な技術および利点から著しく逸脱せずに、多くの修正（例えば、サイズ、寸法、構造、様々な要素の形状および比率、パラメータ値、取付方法、材料の使用、色、配向などの変化）が可能であることを容易に理解するであろう。例えば、一体形成された要素として示されている要素は複数の部品または要素から構成され得、要素の位置は逆の位置またはそれ以外の異なる位置であり得、個々の要素もしくは位置の性質または数は変更され得る、または異なり得る。任意のプロセスもしくは方法ステップの順序またはシーケンスは、代替の実施形態に応じて異なり得る、または並べ替えられ得る。本発明の範囲から逸脱せずに、様々な実施形態の設計、動作条件、および設備において、他の置換、修正、変更および省略がなされてもよい。例えば、熱回収式熱交換器は、さらに最適化されてよい。

【0029】

[関連出願の相互参照]
本願は、２０１６年４月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／３２５，７１１号の優先権を主張するものであり、これにより、この特許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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】