特表 2023-503473 高電解質充填レベルでの溶融炭酸塩型燃料電池の作動

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-01-30

(54)【発明の名称】高電解質充填レベルでの溶融炭酸塩型燃料電池の作動

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04694 20160101AFI20230123BHJP

   H01M 8/14 20060101ALI20230123BHJP

   H01M 8/04791 20160101ALI20230123BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20230123BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04694

H01M8/14

H01M8/04791

H01M8/04858

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022530718

(86)(22)【出願日】2019-11-26

(85)【翻訳文提出日】2022-07-22

(86)【国際出願番号】 US2019063345

(87)【国際公開番号】W WO2021107935

(87)【国際公開日】2021-06-03

(31)【優先権主張番号】16/695,356

(32)【優先日】2019-11-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】390023630

【氏名又は名称】エクソンモービル・テクノロジー・アンド・エンジニアリング・カンパニー

【氏名又は名称原語表記】ＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ

(71)【出願人】

【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】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100221501

【弁理士】

【氏名又は名称】式見 真行

(72)【発明者】

【氏名】ローゼン，ジョナサン

(72)【発明者】

【氏名】エルセン，ヘザー エイ

(72)【発明者】

【氏名】キス，ガボール

(72)【発明者】

【氏名】ランベルティ，ウィリアム エイ

(72)【発明者】

【氏名】ホーン，ウィリアム シー

(72)【発明者】

【氏名】ジャン，アンディン

(72)【発明者】

【氏名】ギアリー，ティモシー シー

(72)【発明者】

【氏名】フランコ，アダム

(72)【発明者】

【氏名】ヒルミ，アブデルカデル

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB05

5H127AA04

5H127BA02

5H127BA05

5H127BA12

5H127BA28

5H127BA33

5H127BB02

5H127DC05

5H127DC25

5H127DC44

(57)【要約】

炭素捕捉条件下で作動される溶融炭酸塩型燃料電池の初期充填には、目標電解質量が高められる。目標電解質充填レベルの増加は、運転開始前にカソード集電体に電解質を追加することで部分的に達成することができる。溶融炭酸塩型燃料電池を低ＣＯ_２含有カソード入力ストリーム、高電流密度で作動する場合、および／または溶融炭酸塩型燃料電池を高ＣＯ_２利用率で作動する場合、目標電解質充填レベルの増加により燃料電池性能および寿命が改善される可能性がある。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

リチウム含有電解質を含む溶融炭酸塩型燃料電池で電気を生成する方法であって、前記方法は、
平均電流密度１２０ｍＡ／ｃｍ^２以上およびＣＯ_２利用率６０％以上で、アノード、マトリックス、およびカソードを含む溶融炭酸塩型燃料電池を、１０体積％以下のＣＯ_２を含むカソード入力ストリームで作動することを含み、
前記溶融炭酸塩型燃料電池は、マトリックス細孔容積とカソード細孔容積との合計の７０体積％以上の合計目標電解質充填レベルをさらに含む、方法。

【請求項2】

前記溶融炭酸塩型燃料電池を作動することが、７５％以上の測定されたＣＯ_２利用率で作動することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

リチウム含有電解質を含む溶融炭酸塩型燃料電池で電気を生成する方法であって、前記方法は、
平均電流密度１２０ｍＡ／ｃｍ^２以上およびＣＯ_２使用率９０％以上で、アノード、マトリックス、およびカソードを含む溶融炭酸塩型燃料電池を、ＣＯ_２を含むカソード入力ストリームで作動することを含み、
前記溶融炭酸塩型燃料電池は、マトリックス細孔容積とカソード細孔容積との合計の７０体積％以上の合計目標電解質充填レベルをさらに含む、方法。

【請求項4】

ｉ）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、ｉｉ）前記カソード排気が２．０体積％以下のＣＯ_２を含む、ｉｉｉ）前記溶融炭酸塩型燃料電池が０．９５以下の輸率で作動する、またはｉｖ）ｉ），ｉｉ），ｉｉｉ）の二つ以上の組み合わせを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記電解質が非共晶混合物を含む、または前記電解質の前記炭酸リチウム含有量が対応する共晶組成物より１０質量％以上大きい、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記電流密度が、１５０ｍＡ／ｃｍ^２以上である、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記溶融炭酸塩型燃料電池を累積時間５０時間以上作動する、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

目標カソード電解質充填レベルが、カソード細孔容積の８５体積％～１４０体積％である、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

前記合計目標電解質充填レベルが、８５体積％～１２８体積％である、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項10】

前記合計目標電解質充填レベルの少なくとも一部を、前記カソード集電体に貯蔵する、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

カソード集電体、カソード、マトリックス、およびアノード、ならびにリチウム含有電解質を含み、マトリックス細孔容積とカソード細孔容積との合計の８５体積％以上に対応する前記リチウム含有電解質の合計目標電解質充填レベルを含む、溶融炭酸塩型燃料電池。

【請求項12】

前記電解質は、対応する共晶混合物中の対応するリチウム含有量より１０質量％以上大きい炭酸リチウム含有量を含む、請求項１１に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。

【請求項13】

前記合計目標電解質充填レベルの少なくとも一部が、前記カソード集電体に貯蔵されている、請求項１１または１２に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。

【請求項14】

前記合計目標電解質充填レベルが、９０体積％～１２７体積％である、請求項１１～１３のいずれか一項に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。

【請求項15】

前記燃料電池が、８５体積％～１４０体積％の目標カソード電解質充填レベルである、請求項１１～１４のいずれか一項に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

長い作動寿命を維持しながらＣＯ_２の利用率を高めるための溶融炭酸塩型燃料電池を作動する（または動作する、または運転する；operating）システムおよび方法が提供される。本システムおよび本方法は、燃料電池および／または関連構造物内の電解質の増加した充填レベルを用いることを含む。

【背景技術】

【0002】

本出願は、本出願の有効出願日以前に有効であったエクソンモービル・リサーチ・アンド・エンジニアリング社とフューエルセル・エナジー社との間の共同研究契約の範囲内の活動の結果として得られた主題を開示し主張するものである。
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発生させる。水素は、燃料電池の上流に位置づけられた水蒸気改質器または燃料電池内に組み込まれた水蒸気改質器等でメタンまたはその他の改質可能な燃料を改質することによって供給し得る。燃料は、溶融炭酸塩型燃料電池のアノードセルで改質することもでき、アノードで燃料を改質するのに適した条件を作り出すように作動することができる。さらに別の選択肢として、燃料電池の外部と内部の両方でいくつかの改質を行うこともできる。改質可能な燃料は、高温および／または高圧で蒸気および／または酸素と反応させて、水素からなるガス状生成物を生成することができる炭化水素材料を包含することができる。

【0003】

溶融炭酸塩型燃料電池の魅力の一つは、ＣＯ_２を低濃度ストリーム（カソード入力ストリームなど）から高濃度ストリーム（アノード出力フロー（または流れ；flow）など）へ輸送する能力である。作動中、ＭＣＦＣのカソードにあるＣＯ_２とＯ_２は炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２－）に変換され、炭酸イオンは電荷キャリアとして溶融炭酸塩電解質中に輸送される。この炭酸イオンは、燃料電池のアノードでＨ_２と反応し、Ｈ_２ＯとＣＯ_２を生成する。このように、ＭＣＦＣの作動の最終的な結果の一つは、電解質を介したＣＯ_２の輸送であり。この電解質を介したＣＯ_２の輸送により、ＭＣＦＣは、様々なＣＯ_ｘ含有ストリーム（または流れ；stream）から炭素酸化物を隔離するコストおよび／または課題を低減または最小化しながら、電力を生成することができる。ＭＣＦＣを天然ガス火力発電所などの燃焼源と組み合わせることで、発電に起因する全体的なＣＯ_２排出量を削減または最小化しながら、さらなる発電を可能にすることができる。

【0004】

米国特許出願公開２０１５／００９３６６５号は、燃料電池アノード内で追加の改質（及び／又は他の吸熱反応）を行うための補助熱を提供するために、カソードでいくつかの燃焼を伴う溶融炭酸塩型燃料電池を作動するための方法を記載している。本刊行物は、ＣＯ_２濃度が約１．０モル％未満になると、炭酸塩燃料電池によって生成される電圧および／または電力が急速に低下し始める可能性があると指摘している。本刊行物はさらに、ＣＯ_２濃度がさらに低下し、例えば約０．３モル％未満になると、ある時点で燃料電池全体の電圧が十分に低くなり、炭酸塩のさらなる輸送がほとんど発生しなくなり、燃料電池が機能しなくなる可能性があることを述べている。Ｍａｎｚｏｌｉｎｉらの論文（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｖｏｌ．９，２０１２）には、ＣＯ_２分離用の燃料電池を用いた発電システムの性能をモデル化するための方法が記載されている。天然ガス合計サイクルタービンからのＣＯ_２を含む排気を処理するために、様々な燃料電池の構成がモデル化されている。燃料電池は、追加の電力を生成するために使用され、燃料電池のアノード排気にＣＯ_２も濃縮する。燃料電池のカソード出口についてモデル化された最低ＣＯ_２濃度は、約１．４体積％であった。

【0005】

米国特許７，９３９，２１９は、溶融炭酸塩型燃料電池のための炭酸塩電解質のｉｎ－ｓｉｔｕ（その場での）遅延添加を記載している。炭酸塩電解質の遅延添加は、２０００時間以上の長期間固体のままである追加の電解質を燃料電池に含めることで達成される。長時間経過すると、追加の電解質が溶けて燃料電池内に補充される。これにより、燃料電池の寿命が長くなると説明されている。

【0006】

米国特許第８，５５７，４６８号は、複数の炭酸塩成分および／または追加のリチウム前駆体を含む電解質を有する溶融炭酸塩型燃料電池を記載している。電解質は、アルカリ炭酸塩の共晶および非共晶混合物、任意で他の金属炭酸塩および／または他のリチウム前駆体に相当する。

【0007】

「溶融炭酸塩型燃料電池の長期性能に基づく劣化メカニズム：ベンチスケールセルを用いた長期作動とセルの試験後分析」」と題された雑誌記事。（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ， ｖｏｌ．１９５， Ｉｓｓｕｅ ２０，１５ Ｏｃｔ ２０１８）には、作動開始後の様々な時点における炭酸塩電解質の添加が記載されている。

【発明の概要】

【0008】

一態様において、リチウム含有電解質を含む溶融炭酸塩型燃料電池で電気を生成するための方法が提供される。この方法は、平均電流密度１２０ｍＡ／ｃｍ^２以上およびＣＯ_２利用率６０％以上で、アノード、マトリックス、およびカソードを含む溶融炭酸塩型燃料電池を、１０体積％以下のＣＯ_２を含むカソード入力ストリームで作動することを含む。溶融炭酸塩型燃料電池は、マトリックス細孔容積とカソード細孔容積との合計（またはとを合わせた；combined）の７０体積％以上の合計目標電解質充填レベルをさらに含む。

【0009】

別の態様では、リチウム含有電解質を含む溶融炭酸塩型燃料電池で電気を生成するための方法が提供される。この方法は、平均電流密度１２０ｍＡ／ｃｍ^２以上およびＣＯ_２使用率９０％以上で、アノード、マトリックス、およびカソードを含む溶融炭酸塩型燃料電池を、ＣＯ_２を含むカソード入力ストリームで作動することを含む。溶融炭酸塩型燃料電池は、マトリックス細孔容積とカソード細孔容積との合計の７０体積％以上の合計目標電解質充填レベルをさらに含む。

【0010】

さらに別の態様では、溶融炭酸塩型燃料電池が提供される。燃料電池は、カソード集電体、カソード、マトリックス、およびアノードを含む。燃料は、さらに、リチウム含有電解質を含む。さらに、燃料電池は、マトリックス細孔容積とカソード細孔容積との合計の８５体積％以上に対応（または相当する；corresponding）するリチウム含有電解質の合計目標電解質充填レベルを含む。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、溶融炭酸塩型燃料電池の構成の一例と関連する改質・分離段階の構成の一例を示す図である。

【図2】図２は、溶融炭酸塩型燃料電池および関連する改質・分離段階の構成の他の一例を示す図である。

【図3】図３は、溶融炭酸塩型燃料電池の一例を示す図である。

【図4】図４は、カソードにおける目標電解質充填のレベルを変化させた炭素捕捉条件下で作動させた溶融炭酸塩型燃料電池の時間の関数としての相対作動電圧を示す図である。

【図5】図５は、カソード入力ストリーム中のＣＯ_２のレベルを変化させて作動された溶融炭酸塩型燃料電池からのカソードのカソードリチウム含有量を示す図である。

【図6】図６は、様々な条件下で、カソードの目標電解質充填レベルを変化させて作動された溶融炭酸塩型燃料電池の相対的オーム抵抗を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

様々な態様において、炭素捕捉（または捕獲；capture）条件下で作動される溶融炭酸塩型燃料電池を初期充填するために、高められた量の（または高濃度、多量の；elevated amount）電解質が使用される。増加した初期電解質充填レベルは、部分的には、作動開始前にカソード集電体に追加の電解質を加えることによって達成することができる。増加した初期電解質充填レベルは、低ＣＯ_２含有量のカソード入力ストリームを用いて溶融炭酸塩型燃料電池を高電流密度で作動させる際、及び／又は溶融炭酸塩型燃料電池を高いＣＯ_２利用率で作動させる際に、燃料電池の性能及び寿命を改善することができる。これは、初期の電解質充填レベルが高くなると作動電圧が低下する、従来の燃料電池の作動とは対照的である。

【0013】

初期の電解質充填レベルは、いくつかの方法で評価することができる。１つ目の選択肢は、マトリックスとカソードとの合計細孔容積に対する合計目標電解質充填量を特徴づけることである。合計目標電解質充填レベルまたは合計目標電解質充填量は、本明細書では、初期電解質充填量の全てが溶融状態であり及び初期電解質充填量の全てがマトリックス又はカソードに位置する場合、電解質によって占有されるであろうマトリックス孔容積及びカソード孔容積の合計量として定義される。目標電解質充填レベルは、溶融炭酸塩型燃料電池に最初に添加される全電解質の特徴付けであることが理解される。したがって、実際には、電解質によって実際に占有されることになるマトリックス細孔容積およびカソード細孔容積の合計量は、より低くなるであろう。これは、例えば、燃料電池の起動時に電解質のすべてがすぐに溶融するわけではないので、溶融していない（固体の）電解質の一部がカソード集電体にまだ存在する可能性が高いためである。燃料電池が作動すると、さらに電解質が溶けるが、カソードによる電解質の消費および／または他の電解質損失によって、実際の合計充填レベルが「目標」合計充填レベルに達することを妨げる。

【0014】

２つ目の選択肢は、マトリックス細孔容積の目標充填レベルとカソード細孔容積の目標充填レベルを別々に特性評価することである。カソード細孔容積は、通常、マトリックス細孔容積の１．５～２．０倍であることに留意されたい。したがって、マトリックス細孔容積とカソード細孔容積の個別の目標充填レベルに基づいて合計目標充填レベルを決定する場合、合計目標充填レベルは加重平均に対応する。例えば、カソード細孔容積がマトリックス細孔容積の２．０倍である場合、合計目標充填量は、（＜マトリックス細孔容積＞＋＜２．０＊カソード細孔容積＞）／３として計算することができる。同様に、カソード細孔容積がマトリックス細孔容積の１．５倍である場合、合計目標充填量は、（＜マトリックス細孔容積＞＋＜１．５＊カソード細孔容積＞）／２．５として計算することができる。

【0015】

従来、燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する方法として利用されてきた。従来は、電流を効率よく発生させながら、適度に高い作動電圧を維持できるような作動条件が選ばれていた。そのため、カソードの作動条件は、実質的に過剰なＣＯ_２が利用できるように選択されるのが一般的であった。例えば、カソード投入フローのＣＯ_２濃度が１７％以上、ＣＯ_２利用率が７５％以下となるような条件である。

【0016】

従来の溶融炭酸塩型燃料電池で使用される電解質の量も、高い作動電圧を維持したいという要望に基づいて選択されていた。従来の溶融炭酸塩型燃料電池の電解質充填（または負荷；loading）は、（マトリックスの細孔容積に対して）マトリックスが９０体積％以上、（カソードの細孔容積に対して）カソードが５０体積％～６０体積％程度を目標充填レベルとするのが一般的であった。カソードの細孔容積がマトリックス容積の２．０倍である燃料電池では、合計目標充填レベルは約６３体積％～７３体積％（加重平均で決定）に相当する。カソードの細孔容積がマトリックス容積の１．５倍である燃料電池では、これはおよそ６６体積％～７６体積％の合計目標充填レベルに相当する。ＣＯ_２利用率が７５％以下、カソード入力のＣＯ_２濃度が１２体積％以上で作動するような、非炭素捕捉条件下では、カソードの目標電解質充填レベルを増やすと、作動電圧が大幅に低下することが分かっている。電解質によって占有されるアノードの細孔容積の量は、カソードの細孔容積に対して、および／またはマトリックスとカソードとの合計細孔容積に対して小さいことが留意されたい。

【0017】

米国特許第７，９３９，２１９号は、電池の作動が終わるまで固体のままの電解質として、燃料電池に存在する追加の目標電解質体積の１０％を有することを記載していることに注目されたい。上述の従来の合計目標充填レベルに基づくと、追加の目標電解質体積の１０％は、最大でも追加の７．６体積％に相当し、結果として合計目標充填レベルは８４体積％以下となる。

【0018】

溶融炭酸塩型燃料電池の電解質は、通常、炭酸リチウムと１つ以上の他のアルカリ金属炭酸塩との混合物である。従来、炭酸塩の共晶混合物は、固体状態の電解質の組成が、カソード集電体に蓄えられた電解質が溶融して液体となり、燃料電池内に溶け込む組成と同じであるため、使用に便利である。

【0019】

炭素捕捉条件下で作動し、高い電流密度を発生させる場合、合計目標電解質充填レベルを７０体積％以上、または８５体積％以上、または９０体積％以上に増加することで、予想外の作動電圧の上昇が得られることが発見された。例えば、合計目標電解質充填レベルは、７０体積％～１２８体積％、または８５体積％～１２８体積％、または９０体積％～１２８体積％、または１００体積％～１２８体積％、または７０体積％～１１５体積％、または８５体積％～１１５体積％、または９０体積％～１１５体積％、または７０体積％～１００体積％、または８５体積％～１００体積％、または９０体積％～１００体積％であることが可能である。高められた合計目標電解質充填レベルで作動する際のこの予期せぬ電圧上昇は、溶融炭酸塩型燃料電池を、高電流密度の炭素捕捉条件で、５０時間以上、または１００時間以上、または２００時間以上の累積時間作動した後に観察することができる。

【0020】

個々の目標充填レベルに関して、作動電圧の予期せぬ増加は、ａ）マトリックス細孔容積に対して９０体積％から１００体積％の目標マトリックス電解質充填レベル、およびｂ）カソード細孔容積に対して６５体積％から１４０体積％、または６５体積％～１２０体積％、または６５体積％～１００体積％、または７５体積％～１４０体積％、または７５体積％～１２０体積％、または７５体積％～１００体積％、または８５体積％～１４０体積％、または８５体積％～１２０体積％、または８５体積％～１００体積％、または９５体積％～１４０体積％、または９５体積％～１２０体積％の目標カソード電解質充填レベルを用いることによって達成することができる。

【0021】

従来の作動では、合計目標電解質の充填量を従来のマトリックス細孔容積の９０体積％以上およびカソード細孔容積の５０体積％～６０体積％より増やすと、作動電圧の大幅な低下がもたらされる。しかしながら、高電流密度の炭素捕捉条件下で燃料電池を作動する場合、高い合計目標電解質充填レベルを使用すると、時間とともに予想外の作動電圧の利点が得られることが発見された。さらに、高電流密度の炭素捕捉条件下で燃料電池を作動する場合、高い合計目標電解質充填レベルを使用すると、燃料電池作動寿命の予想外の増加を提供することができる。本明細書で定義される炭素捕捉条件とは、カソード入力ストリーム中のＣＯ_２含有量が１０体積％以下で燃料電池を作動させる場合、及び／又はＣＯ_２利用率が９０体積％以上で燃料電池を作動させる場合の条件を意味する。いくつかの態様では、１０体積％以下のＣＯ_２を含むカソード入力ストリームで作動する場合、ＣＯ_２利用率は７０体積％以上、または７５体積％以上、または８０体積％以上、例えば９５体積％まで、あるいはさらに高い可能性もある。燃料電池を炭素捕捉条件下で高電流密度で作動するとは、炭素捕捉条件下で作動中に１２０ｍＡ／ｃｍ^２以上、１３０ｍＡ／ｃｍ^２以上、１４０ｍＡ／ｃｍ^２以上、１５０ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度、例えば３００ｍＡ／ｃｍ^２までまたはさらに高い可能性を発生するように燃料電池を作動する条件をいう。

【0022】

特定の理論に縛られることなく、炭素捕捉条件下で作動すると、燃料電池内のリチウムの消耗速度が速くなると考えられている。リチウムの消耗の一部は、セル外での蒸発または他の損失によるものと考えられる。このような損失は、炭素捕捉条件下でしばしば使用され得るような高い空間速度によって加速されると考えられている。他のリチウムの枯渇は、燃料電池のカソード及び／又はマトリックスへのリチウムの取り込みに起因すると考えられている。このような燃料電池内の構造物へのリチウムの取り込みは、ＣＯ_２濃度が十分に低い場合に熱力学的に有利になり得る。このような炭素捕捉条件下での電解質の枯渇により、燃料電池内の電解質充填レベルは、従来の作動で予想されるよりも作動終了時に約２０体積％～３０体積％低くなることがある。従来の電解質充填では、リチウムの枯渇が進むと、燃料電池の作動電圧と寿命が低下する。

【0023】

電解質の損失現象は、融液のイオン伝導度とカソードの活性領域を低下させ、マトリックスネットワークに未充填の孔を生じさせる可能性がある。その結果、炭素捕捉条件下で燃料電池を長時間試験した後、より高いオーム抵抗とガスクロスオーバーが観察された。これにより、適度な電流密度（＜１００ｍＡ／ｃｍ^２）でも燃料電池電圧が低下する。さらに、ガスクロスオーバーが非常に大量に発生している場合、燃料電池の電圧が急速に低下する可能性がある。ガスクロスオーバーは、電気化学的酸化ではなく燃料の直接燃焼につながり、アノードとアノード集電体に蓄えられた改質触媒が酸化する危険性があり、スタック温度と熱プロファイルに直接影響を与える。これは、高い電圧減衰率と相まって、燃料電池の作動効率を低下させ、腐食などの減衰メカニズムをさらに加速させる過剰な熱の発生につながる。サイトの不活性化の影響はより緩やかであるが、燃料電池の長期的な健全性と性能にとって依然有害である。初期の電解質充填レベルを増やすことで、炭素捕捉条件下で燃料電池を作動させた場合のリチウムの追加的な消耗を相殺することができる。

【0024】

さらに、または代替的に、リチウムの量が増加した電解質を使用することも、炭素捕捉条件下で燃料電池を作動させる際に有益である。従来は、炭酸塩電解質の共晶混合物を使用するのが便利であった。しかしながら、電解質の枯渇の増加は、リチウムの枯渇に対して選択的であるため、共晶混合物よりも多量のリチウムを含む電解質を使用することは、潜在的に有益である。

【0025】

いくつかの態様において、炭素捕捉条件は、電解質を横切る電荷キャリアとして代替イオンの実質的な輸送が起こる条件に対応し得る。水酸化物イオンは、燃料電池の局所的な領域でＣＯ_２濃度が十分に低い場合に電解質を横切って輸送され得る代替イオンの一例である。溶融炭酸塩型燃料電池の従来の作動条件は、代替イオンの輸送量が減少、最小化、または存在しない状態に相当する。対照的に、炭素捕捉条件下では、燃料電池の電解質を横切って輸送される電荷の一部は、炭酸イオン以外のイオンの輸送に基づくことが可能である。

【0026】

高ＣＯ_２捕捉用ＭＣＦＣを使用する際の１つの難点は、燃料電池の作動に必要な反応物の１つ以上が低量で存在する場合、燃料電池の作動が動的に制限される可能性があることである。例えば、ＣＯ_２含有量が４．０体積％以下のカソード入力ストリームを使用する場合、７５％以上のＣＯ_２利用率を達成することは、カソード出口濃度が１．０体積％以下であることに相当する。しかしながら、カソード出口濃度が１．０体積％以下であっても、ＣＯ_２がカソード全体に均一に分布しているとは限らない。むしろ、アノードとカソードのフローパターンなどの様々な要因によって、カソード内で濃度が変化するのが一般的である。ＣＯ_２濃度の変動により、１．０体積％を大幅に下回るＣＯ_２濃度が存在するカソードの部分が発生する可能性がある。

【0027】

従来、カソード内のＣＯ_２が減少すると、電圧の低下や電流密度の減少が起こると予想されていた。しかしながら、ＣＯ_３ ^２－以外のイオンが電解質中を移動することにより、ＣＯ_２が減少しても電流密度を維持できることが発見された。例えば、電解質を介して輸送されるイオンの一部は、水酸化物イオン（ＯＨ^－）に対応することができる。電解質を介した代替イオンの輸送は、電解質を介して輸送されるＣＯ_２の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し得る。

【0028】

電解質を介した代替イオンの輸送の利点の１つは、十分な数のＣＯ_２分子が動力学的に利用できない場合でも、燃料電池が作動し続けることができることである。これにより、カソードに存在するＣＯ_２の量が通常の燃料電池の作動には不十分であると従来考えられていたとしても、追加の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利用率が１００％に近い状態で作動し、計算されたＣＯ_２利用率（電流密度に基づく）は、測定されたＣＯ_２利用率よりも少なくとも３％、または少なくとも５％、または少なくとも１０％、または少なくとも２０％大きくなることが可能である。代替イオン輸送は、燃料電池が１００％以上の計算されたＣＯ_２利用率に対応する電流密度で作動することを可能にすることができることに留意されたい。

【0029】

代替イオン輸送の量は、燃料電池の輸率に基づいて定量化することができる。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、炭酸塩イオンに対応する溶融炭酸塩電解質を介して輸送されるイオンの割合として定義される。輸率を決定する便利な方法は、ａ）カソード入口対カソード出口におけるＣＯ_２濃度の測定変化と、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の比較に基づくことが可能である。この輸率の定義は、アノードからカソードへのＣＯ_２の逆輸送が最小限であると仮定していることに留意されたい。このような逆輸送は、本明細書に記載された作動条件では最小であると考えられている。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し、サンプルをガスクロマトグラフに流用し、ＣＯ_２含有量を決定することができる。燃料電池の平均電流密度は、任意の便利な方法で測定することができる。

【0030】

従来の作動条件下では、輸率は、０．９８以上など、比較的１．０に近く、および／または実質的に代替イオン輸送を有しないなどである可能性がある。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相当することを意味する。水酸化物イオンは－１の電荷を有し、炭酸イオンは－２の電荷を有するので、１つの炭酸イオンの輸送と同じ電荷移動をもたらすには、２つの水酸化物イオンが電解質を横切って輸送される必要があることに留意されたい。

【0031】

従来の作動条件とは異なり、溶融炭酸塩型燃料電池を０．９５以下（高酸性電解質で作動する場合は０．９７以下）の輸率で作動すると、燃料電池が生成する電流密度の一部が炭酸イオン以外のイオンの輸送に起因していても、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。燃料電池を０．９７以下、または０．９５以下の輸率で作動させるために、燃料電池のカソード内でＣＯ_２の枯渇が起こる必要がある。このようなカソード内のＣＯ_２枯渇は、局所的に発生する傾向があることが判明している。
その結果、燃料電池のカソード内の多くの領域は、通常の作動に十分なＣＯ_２を保持できる。このような領域には、炭素の捕捉など、電解質を介して輸送されることが望ましい追加のＣＯ_２がさらに含まれている。しかしながら、このような領域に含まれるＣＯ_２は、従来の作動条件下で作動している場合、電解質（または電解液；electrolyte）を介して輸送されないのが一般的である。輸率が０．９７以下または０．９５以下の作動条件を選択することにより、ＣＯ_２が十分にある領域は追加のＣＯ_２輸送に利用し、枯渇した領域は代替のイオン輸送に基づく作動が可能になる。これにより、カソード入力ストリームから捕捉されるＣＯ_２量の実用的な上限を増やすことができる。

【0032】

電解質充填レベルと組成
溶融炭酸塩型燃料電池内の電解質充填は、燃料電池の初期形成時に燃料電池内に含まれる電解質の量に基づいて制御することができる。実用上の理由から、燃料電池構造物を形成した後に電解質を燃料電池に添加しようとすることは、経済的に魅力的ではない。その代わりに、燃料電池は通常、所望の寿命まで使用され、その後、将来の燃料電池構造物で使用するために使用可能なあらゆる構成要素を回収して解体される。その結果、燃料電池内の電解質充填レベルは、燃料電池のマトリックスおよびカソードの利用可能な細孔容積に対する、構築時に燃料電池に含まれる電解質の量に基づいて特徴付けることができる。この構築時の電解質充填レベルは、目標電解質充填レベルと呼ばれることがある。目標電解質充填レベルは、初期作動前に燃料電池に添加される電解質を指すことに留意されたい。したがって、燃料電池の作動開始後に添加される電解質は、目標電解質充填レベルから除外されると定義される。

【0033】

溶融炭酸塩型燃料電池に含まれる電解質は、周囲条件では固体である。従って、燃料電池の構築時に、電解質の目標充填レベルを固体として燃料電池に含有させることができる。この固体電解質は、マトリックスおよびカソード以外の構造物に少なくとも部分的に含まれることができる。例えば、固体電解質の少なくとも一部は、燃料電池のカソード集電体に組み込むことができる。燃料電池が所望の作動温度に達するように加熱されると、電解質が溶融し、燃料電池内のマトリックスおよびカソードの方向に電解質が流れるようになることがある。

【0034】

一般的に、完全に充填されたマトリックス（マトリックスの細孔容積の９０体積％を超える）での寿命の初めにおよそ５０体積％～６０体積％のカソード充填レベルが目標とされる。上記のように、この従来の充填は、カソードとマトリックスの相対的な細孔容積に応じて、およそ７６体積％以下の合計目標充填レベルに相当する。固体電解質が溶融すると、毛細管力と表面張力によって電解質が細孔ネットワーク全体に分散し、電気化学的に活性な部位が高密度に形成される。完全に充填されたマトリックスでは、ガスのクロスオーバーは最小限に抑えられ、膜層の導電性は最大になる。代替的に、カソードのフラッディングを避けるために、カソードの充填レベルを高くすることは一般的に行われていない。これは、過剰な電解質がカソード層に存在し、多孔質電極を通る気相の物質移動抵抗を増加させる場合に起こる。従来の条件下では、カソードのフラッディングは燃料電池の性能に悪影響を及ぼすことが知られている。

【0035】

燃料電池における電解質の充填レベルは、燃料電池のマトリックスおよびカソードの細孔容積に対する電解質の容積（燃料電池の作動温度において液体であることに基づく）の比較に基づいて特徴付けることができる。電解質については、作動温度における液体電解質の体積は、燃料電池の形成中に燃料電池に含まれる固体電解質の対応する体積（または重量）に基づいて算出することができる。利用可能な細孔容積に関して、燃料電池のマトリックス及びカソードの両方は、多孔質構造に対応する。例えば、マトリックスは、溶融炭酸塩電解質を保持するのに適した多孔質構造に対応することができる。好適なマトリックス材料の一例は、酸化アルミニウムとアルミン酸リチウムとから構成されるマトリックスである。好適なカソード材料の例は、酸化ニッケルである。これらの構造物の細孔容積は、簡便なポロシメトリー法を用いて特徴付けることができる。この議論では、層（マトリックス、カソード、アノード）の細孔容積は、ＡＳＴＭＤ４２８４によるような水銀ポロシメトリーによって決定することができる。

【0036】

従来、燃料電池内の目標電解質充填レベルは、良好な電気伝導性を提供するためにカソード内に十分な電解質を有する一方で、ＣＯ_２及びＯ_２ガスが炭酸イオンに変換するために多孔質カソードに入ることができるようにカソード内に十分な空隙空間を有することのバランスを提供するために選択される。従来、これは、電解質マトリックス中の利用可能な細孔容積の実質的全て（９０体積％以上）を充填するとともに、カソードの利用可能な細孔容積の５０体積％～６０体積％に相当する７６体積％以下の合計目標電解質充填レベルを有することに相当する。これらの充填レベルは、燃料電池の作動を開始する前に、マトリックス、カソード、および／またはカソード集電体に十分な量の固体電解質を含むことによって達成することができる。

【0037】

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任意の便利なタイプの電解質を使用することができる。多くの従来のＭＣＦＣは、炭酸塩電解質として、炭酸リチウム６２ｍｏｌ％と炭酸カリウム３８ｍｏｌ％との共晶混合物（６２％Ｌｉ_２ＣＯ_３／３８％Ｋ_２ＣＯ_３）、または炭酸リチウム５２ｍｏｌ％と炭酸ナトリウム４８ｍｏｌ％との共晶混合物（５２％ＬＣ／４８％ＮＣ）など、共晶の炭酸塩混合物を使用する。その他の共晶混合物も利用可能である。例えば、４０ｍｏｌ％の炭酸リチウムと６０ｍｏｌ％の炭酸カリウムの共晶混合物（４０ｍｏｌ％Ｌｉ_２ＣＯ_３／６０ｍｏｌ％Ｋ_２ＣＯ_３）、または三元共晶Ｌｉ／Ｎａ／Ｋ（４４ｍｏｌ％Ｌｉ_２ＣＯ_３／３０ｍｏｌ％Ｎａ_２ＣＯ_３／２６ｍｏｌ％Ｋ_２ＣＯ_３）、またはＫ_２ＣＯ_３および／またはＣｓ_２ＣＯ_３および／またはＲｂ_２ＣＯ_３でドープした任意の二元共晶Ｌｉ／Ｎａ（５２ｍｏｌ％Ｌｉ_２ＣＯ_３／４８ｍｏｌ％Ｎａ_２ＣＯ_３）等である。

【0038】

さらに他の共晶混合物は、３つ以上のアルカリ金属炭酸塩を含む共晶混合物を含む、３つ以上の炭酸塩の組み合わせに基づくことができる。さらに他の混合物は、混合物が共晶混合物とは異なるように、３つ以上の炭酸塩の組み合わせに基づくことができる。さらにまたは代替で、さらに他の混合物は、炭酸リチウムとは異なる１つ以上のリチウム前駆体を含むことができる。

【0039】

３つ以上の炭酸塩が電解質に含まれる態様では、電解質は、Ｌｉ_２ＣＯ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３、Ｋ_２ＣＯ_３、Ｒｂ_２ＣＯ_３、Ｃｓ_２ＣＯ_３、ＢａＣＯ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、およびそれらの混合物の３以上の混合物を含むことができる。いくつかの態様において、電解質中のアルカリ金属炭酸塩の７０質量％以上、または８０質量％以上、または９０質量％以上、例えば実質的に全てまでが、Ｌｉ_２ＣＯ_３、Ｎａ_２ＣＯ_３、およびＫ_２ＣＯ_３の２以上の混合物に相当し得る。好ましくは、電解質の６５質量％以上、または８０質量％以上、または９０質量％以上、例えば実質的に全てまでが、アルカリ金属炭酸塩に相当し得る。リチウム前駆体材料が含まれる態様では、リチウム前駆体材料は、任意であるが好ましくは、水酸化リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、シュウ酸リチウムおよびそれらの混合物の１つ以上であり得る。

【0040】

炭酸塩の共晶混合物は、様々な理由から電解質として便利であり得るが、いくつかの態様では、炭酸塩の非共晶混合物が有利であり得る。特に、リチウムは炭素捕捉条件下で選択的に失われるため、共晶点よりも多くの炭酸リチウムを有する炭酸塩の非共晶混合物を使用することが有益であると考えられている。この議論において、炭酸塩の混合物の組成と共晶組成との間の差は、混合物中の炭酸リチウムの重量百分率と対応する共晶混合物中の炭酸リチウムの重量百分率との差に基づいて特徴付けることができる。対応する共晶混合物を決定するために、すべてのアルカリ金属炭酸塩が含まれるが、２質量％以下の量で存在する非アルカリ金属炭酸塩は考慮されない。例えば、炭酸リチウム８０質量％と炭酸ナトリウム２０質量％との混合物を使用した場合、当該混合物は、炭酸リチウムの含有量が対応する共晶混合物と２８質量％異なるという特徴を持つことができる。一般に、非共晶混合物は、本明細書に記載される炭酸塩及び／又はリチウム前駆体材料のいずれかの様々な組み合わせを含むことができる。

【0041】

いくつかの態様において、目標電解質充填レベルは、燃料電池に複数の種類の炭酸塩混合物を含むことに基づいて決定され得る。例えば、非共晶混合物は、共晶混合物よりも燃料電池の作動条件下でよりゆっくりと溶融することが知られている。したがって、一戦略は、共晶混合物に対応する電解質の第１の部分（マトリックスおよび／またはカソードに位置する）と、共晶混合物に対してリチウムの量が増加した非共晶混合物に対応する電解質の第２の部分（カソード集電体に位置する）とを有することが可能である。この種の戦略を用いると、融解の遅い非共晶混合物は、最初の電解質よりもリチウム含有量が多くなり、したがって、炭素捕捉条件下での作動中のリチウムの選択的損失を補償することができる。あるいは、第１の混合物よりも炭酸リチウム含有量が高い第２の混合物を有する、２つの非共晶混合物を使用することができる。態様によっては、第１の電解質混合物（すなわち、共晶混合物などの炭酸リチウム含有量の低い電解質混合物）の量は、初期電解質充填レベルにおける電解質の総量の２０質量％～８０質量％、または２０質量％～５０質量％、または５５質量％～８０質量％に対応することができる。

【0042】

この議論において、燃料電池は、電解質によって分離されたアノード及びカソードを有する単セルに対応し得る。アノード及びカソードは、電解質を横切って電荷を輸送し、電気を生成するためのそれぞれのアノード及びカソードの反応を促進するための入力ガスフローを受け取ることができる。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、燃料電池は通常、並列に接続することができ、それらが集合的に大きなサイズの単一の燃料電池を表すかのように（ほぼ）機能することができる。入力フローが燃料電池スタックのアノード又はカソードに供給されるとき、燃料スタックは、スタック内の各セルの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結合するためのフローチャネル（または流路；flow channel）とを含むことができる。この議論において、燃料電池アレイは、直列、並列、又は任意の他の便利な方法（例えば、直列及び並列の組み合わせ）で配置される複数の燃料電池（複数の燃料電池スタックなど）を指すのに使用することができる。燃料電池アレイは、燃料電池及び／又は燃料電池スタックの１つ以上の段階を含むことができ、第１段階からのアノード／カソード出力は、第２段階のためのアノード／カソード入力として機能し得る。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される必要はないことに留意されたい。便宜上、燃料電池アレイの第１アノード段階への入力は、アレイのアノード入力と称され得て、燃料電池アレイの第１カソード段階への入力は、アレイのカソード入力と称され得る。同様に、最終的なアノード／カソード段階からの出力は、アレイからのアノード／カソード出力と称され得る。

【0043】

本明細書における燃料電池の使用という言及は、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、流体連通している１つ以上の燃料電池スタックの使用を指すことを理解されたい。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」と呼ばれる長方形のアレイに一緒に「積み重ね」られることができる。この燃料電池スタックは、通常、供給ストリームを取り込み、個々の燃料電池要素のすべてに反応物を分配し、次にこれらの要素のそれぞれから生成物を収集することができる。ユニットとして見た場合、作動中の燃料電池スタックは、多数の（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ても、全体としてとらえることができる。これらの個々の燃料電池要素は、通常、同様の電圧を有し（反応物および生成物の濃度が同様であるため）、要素が電気的に直列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すべての電流の合計から生じることができる。スタックは、高電圧を発生させるために直列に配置することもできる。並列に配置すれば、電流を高めることができる。所定の排気フローを処理するために十分に大きな体積の燃料電池スタックが利用可能である場合、本明細書に記載の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を用いて使用することができる。本発明の他の態様では、様々な理由で複数の燃料電池スタックが望ましいか、または必要とされる場合がある。

【0044】

本発明の目的のために、特に指定しない限り、用語「燃料電池」は、燃料電池が実際に典型的に採用される方法であるように、単一の入力及び出力がある１つ以上の個々の燃料電池要素のセットからなる燃料電池スタックへの言及を含むと理解されるべきであり、及び／又は定義されるものである。同様に、燃料電池（複数）という用語は、他に指定がない限り、複数の個別の燃料電池スタックを含むと定義され、及び／又は指すと理解されるべきである。換言すると、本明細書の全ての参照は、特に断りのない限り、燃料電池スタックの作動を「燃料電池」として互換的に参照することができる。例えば、商業規模の燃焼発電機によって発生する排気の体積は、従来のサイズの燃料電池（すなわち、単一のスタック）によって処理するには大きすぎる場合がある。排気を完全に処理するためには、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、各燃料電池が燃焼排気の（ほぼ）等しい部分を処理できるようにすることが可能である。複数の燃料電池を使用することができるが、各燃料電池は、燃焼排気の（ほぼ）等しい部分を考慮して、一般的に同様の方法で作動させることができる。

【0045】

溶融炭酸塩型燃料電池の構造例
図３は、溶融炭酸塩型燃料電池の一般的な構成例を示す図である。図３に表される燃料電池は、燃料電池スタックの一部である燃料電池に相当する。燃料電池をスタック内の隣接する燃料電池から分離するために、燃料電池は、セパレータプレート３１０及び３１１を含む。図３において、燃料電池は、電解質３４２を含む電解質マトリックス３４０によって分離されているアノード３３０及びカソード３５０を含む。アノード集電体３２０は、アノード３３０とスタック内の他のアノードとの間の電気的接触を提供し、カソード集電体３６０は、カソード３５０と燃料電池スタック内の他のカソードとの間の同様の電気的接触を提供する。さらに、アノード集電体３２０は、アノード３３０からのガスの導入と排気を可能にし、カソード集電体３６０は、カソード３５０からのガスの導入と排気を可能にする。

【0046】

最初の電解質充填のために、固体電解質は、可能な限り、マトリックス、カソード、及びカソード集電体内部に組み込むことができる。初期充填の間は電解質が固体であるため、固体電解質をマトリックス及びカソードに添加するだけでは、所望の充填量を達成することが困難である場合がある。所望の充填を達成するために、カソード集電体にも固体電解質を添加してもよい。カソード集電体に添加した電解質は、燃料電池の作動に伴い溶融し、カソードに流れ込むことができる。同様に、カソードの電解質が溶融すると、溶融した電解質の一部がカソードからマトリックスに流れ込み、マトリックス体積の追加部分を満たすことができる。

【0047】

実用的な考慮により、カソード集電体に添加される固体電解質の量も制限され得ることに留意されたい。固体電解質は時間とともに溶けるので、カソード集電体への固体電解質の充填量が多すぎると、カソード集電体を通ってカソードに到達するガスの能力が制限され得る。カソード集電体に非共晶組成を用いることで、ガス移動への影響を最小限に抑えつつ、カソード細孔容積の１４０体積％までの電解質の目標電解質充填を使用できることが発見された。しかしながら、電解質のさらなる添加は、望ましくない形でガス移動が制限される可能性がある。燃料電池の利用可能な表面積と比較して、これは、燃料電池面積２５０ｃｍ^２当たり６６グラム以下の電解質の目標充填に相当し得る。いくつかの態様において、目標充填は、燃料電池面積２５０ｃｍ^２あたり４０グラム～６６グラムまたは４５グラム～６６グラム、または５０グラム～６６グラムの電解質とすることができる。目標電解質充填の一部は、カソード集電体に含まれることができることに留意されたい。カソード集電体に含まれる目標電解質充填の一部は、燃料電池面積２５０ｃｍ^２あたり３８グラム以下の電解質に対応し得る。いくつかの態様において、カソード集電体に含まれる目標電解質充填の一部は、燃料電池の面積２５０ｃｍ^２あたり１８グラム～３８グラム、または２４グラム～３８グラム、または２８グラム～３８グラムの電解質に相当し得る。

【0048】

作動中、ＣＯ_２はＯ_２とともにカソード集電体３６０に通される。ＣＯ_２及びＯ_２は、多孔質カソード３５０に拡散し、カソード３５０と電解質マトリックス３４０との境界付近のカソード界面領域まで移動する。カソード界面領域では、電解質３４２の一部がカソード３５０の細孔に存在し得る。ＣＯ_２及びＯ_２は、カソード界面領域の近くで／内で炭酸イオン（ＣＯ_３ ^２－）に変換され得、次いで、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）輸送されて電流の生成を促進することができる。代替イオン輸送が起こっている態様では、Ｏ_２の一部は、電解質３４２中での輸送のために、水酸化物イオン又は過酸化物イオンなどの代替イオンに変換され得る。電解質３４２を横切って輸送された後、炭酸イオン（又は代替イオン）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することができる。炭酸イオンは、Ｈ_２の存在下でＣＯ_２とＨ_２Ｏに戻され、燃料電池によって生成される電流を形成するために使用される電子を放出し得る。Ｈ_２及び／又は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。

【0049】

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任意の都合の良い方向にすることができる。一つの選択肢は、アノード内のフロー方向がカソード内のフロー方向に対してほぼ９０°の角度になるように、クロスフロー構成を使用することである。クロスフロー型にすることで、アノード入口・出口のマニホールドおよび／または配管を、カソード入口・出口のマニホールドおよび／または配管とは燃料電池スタックの異なる側に配置できるため、この種のフロー構成は実用上有利である。

【0050】

溶融炭酸塩燃料の作動条件
炭素捕捉を行うために溶融炭酸塩型燃料電池を、任意選択で１２０ｍＡ／ｃｍ^２以上の電流密度で、作動する場合、アノードの適切な条件には、アノードにＨ_２、改質可能な燃料、またはそれらの組み合わせを供給すること、および２０％～８０％の範囲の燃料利用率を含む、所望の電流密度を生成する任意の都合のよい燃料利用率で作動することが含まれ得る。いくつかの態様では、これは、６０％以上、または７０％以上、例えば８５％までの、または場合によってはさらに高い燃料利用率などの、従来の燃料利用量に対応することができる。他の態様では、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など、高いＨ_２含有量および／または高いＨ_２およびＣＯの合計含有量（すなわち、合成ガス）を有するアノード出力ストリームを提供するために選択される燃料利用率に対応し得る。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およびＣＯの合計含有量は、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。いくつかの態様では、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くすることができる。追加または代替で、アノード出力ストリーム中のＨ_２およびＣＯの合計量は、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、またはさらに高い可能性がある。任意選択で、燃料電池が低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含有量など、より高い範囲にすることができる。このような態様では、アノード出力ストリームの合成ガス含有量は、Ｈ_２およびＣＯ含有量の合計が１５体積％～３５体積％であるように、対応して高くすることができる。態様によっては、アノードは、生成される電気エネルギーの量を増やすために、生成される化学エネルギーの量を増やすために（すなわち、アノード出力ストリームで利用できる改質によって生成されるＨ_２）、または代替イオン輸送を引き起こすために燃料電池を作動させることと互換性がある任意の他の便利な戦略を用いて作動させることができる。

【0051】

様々な態様において、ＭＣＦＣのためのアノード入力ストリームは、水素、メタンなどの炭化水素、ＣおよびＨとは異なるヘテロ原子を含む得る炭化水素または炭化水素様化合物、また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供給源は、燃料源と称することができる。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り得る。本明細書において、新鮮なメタンのような新鮮な燃料とは、別の燃料電池プロセスからリサイクル（または再利用；recycle）されない燃料を指す。例えば、アノード出口ストリームからアノード入口にリサイクルされたメタンは、「新鮮な」メタンとはみなされず、代わりに再生されたメタンと表現することができる。

【0052】

使用される燃料源は、カソード入力にＣＯ_２含有ストリームを提供するために燃料源の一部を使用するタービンなど、他の構成要素と共有することができる。燃料源の入力は、水素を生成する改質部において炭化水素（または炭化水素類似）化合物を改質するのに適した燃料に対する割合で水を含むことができる。例えば、メタンがＨ_２を生成するために改質するための燃料入力である場合、燃料に対する水のモル比は、約１対１～約１０対１、例えば少なくとも約２対１とすることができる。４対１以上の比率は外部改質で典型的であるが、より低い値は内部改質で典型的となり得る。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使用できるＨ_２Ｏを生成する傾向があり得るので、いくつかの任意の態様では、燃料に追加の水は必要ない場合がある。燃料源はまた、任意に、燃料源に付随する成分を含むことができる（例えば、天然ガスフィードは、追加の成分としてＣＯ_２のある含有量を含むことができる）。例えば、天然ガスフィードは、ＣＯ_２、Ｎ_２、及び／又は他の不活性（希）ガスを追加的な成分として含むことができる。任意に、いくつかの態様において、燃料源はまた、アノード排気のリサイクルされた部分からのＣＯ等の、ＣＯを含むことができる。燃料電池アセンブリへの燃料中のＣＯの追加または代替の潜在的供給源は、燃料電池アセンブリに入る前に燃料上で行われる炭化水素燃料の水蒸気改質によって生成されたＣＯであり得る。

【0053】

より一般的には、様々な種類の燃料ストリームが、溶融炭酸塩型燃料電池のアノードのためのアノード入力ストリームとして使用するのに適している場合がある。いくつかの燃料ストリームは、Ｃ及びＨとは異なるヘテロ原子も含み得る炭化水素及び／又は炭化水素様化合物を含むストリームに対応し得る。この議論において、特に指定しない限り、ＭＣＦＣアノード用の炭化水素を含む燃料ストリームへの言及は、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（メタン又はエタン等）を含むストリーム、及びより重いＣ５＋炭化水素（炭化水素様化合物を含む）を含むストリーム、及びそれらの組み合わせが含まれる。アノード入力に使用するための潜在的な燃料ストリームのさらに他の追加または代替例としては、有機物の自然（生物）分解から生成されるメタンなどのバイオガスタイプのストリームを挙げることができる。

【0054】

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によりエネルギー含有量が低い天然ガスおよび／または炭化水素ストリームなどの入力燃料ストリームを処理するために使用することができる。例えば、メタン及び／又は天然ガスのいくつかの供給源は、相当量のＣＯ_２又は窒素、アルゴン、若しくはヘリウムのような他の不活性分子のいずれかを含むことができる供給源である。高められた量のＣＯ_２および／または不活性成分の存在のために、供給源に基づく燃料ストリームのエネルギー含有量は減少し得る。エネルギー含有量の低い燃料を燃焼反応（燃焼式タービンの駆動など）に使用すると、困難が生じることがある。しかしながら、溶融炭酸塩型燃料電池は、燃料電池の効率への影響を低減または最小化しながら、低エネルギー含有量の燃料源に基づいて電力を生成することができる。ガス量が増えると、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まで上昇させるために、追加の熱が必要になることがある。さらに、燃料電池アノード内の水ガスシフト反応の平衡の性質により、追加のＣＯ_２の存在は、アノード出力に存在するＨ_２およびＣＯの相対量に影響を与える可能性がある。しかしながら、不活性化合物は、改質反応とアノード反応に直接影響を与えることはほとんどない。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、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４５体積％、または少なくとも５０体積％、または少なくとも約７５体積％になり得る。さらに、または代替的に、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、または約５０体積％以下、または約４０体積％以下、または約３５体積％以下とすることができる。

【0055】

アノード入力ストリームの潜在的な供給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の出力ストリームに対応することができる。例えば、コーキングは、多くの製油所において、より重い化合物をより低い沸点範囲に変換するための一般的なプロセスである。コーキングは通常、ＣＯおよび様々なＣ_１～Ｃ_４炭化水素など、室温で気体である様々な化合物を含むオフガスを生成する。このオフガスは、アノード投入ストリームの少なくとも一部として使用することができる。他の精製オフガスストリームは、追加的または代替的に、分解または他の精製プロセス中に生成されるライトエンド（Ｃ_１～Ｃ_４）など、アノード入力ストリームに含めるのに適していることがある。さらに他の適切な精製ストリームには、Ｈ_２および／または改質可能な燃料化合物をも含むＣＯまたはＣＯ_２を含む精製ストリームを追加的または代替的に含めることができる。

【0056】

アノード入力のためのさらに他の潜在的な供給源は、追加的にまたは代替的に、水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（または別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、最終蒸留の前にＨ_２Ｏのかなりの部分を含むことができる。このようなＨ_２Ｏは、典型的には、燃料電池の作動に最小限の影響しか与えないことができる。したがって、アルコール（または他の発酵生成物）と水との発酵混合物は、アノード入力ストリームの少なくとも一部として使用することができる。

【0057】

バイオガス、または消化器ガスは、アノード入力のための別の追加的または代替的な潜在的供給源である。バイオガスは、主にメタン及びＣＯ_２から構成され、典型的には、有機物の分解又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、バイオガスを生成するために使用されることがある。硫黄含有化合物などの不純物は、アノードとして使用する前にバイオガスから除去してもよい。

【0058】

ＭＣＦＣアノードからの出力ストリームは、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２、ＣＯ、及びＨ_２を含み得る。任意選択で、アノード出力ストリームは、追加の出力成分として、フィード中の未反応燃料（Ｈ_２またはＣＨ_４など）または不活性化合物を有することもできる。この出力ストリームを改質反応に熱を供給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使用する代わりに、１つ以上の分離をアノード出力ストリームに対して行い、Ｈ_２またはＣＯなどの別のプロセスへの入力としての潜在的価値を有する成分からＣＯ_２を分離することが可能である。Ｈ_２および／またはＣＯは、化学合成のための合成ガスとして、化学反応のための水素源として、および／または温室効果ガス排出を低減した燃料として使用することができる。

【0059】

アノード排気は、水－ガスシフトおよび成分の相互分離等、さまざまなガス処理オプションに付すができる。２つの一般的なアノード処理スキームを図１及び図２に示す。

【0060】

図１は、溶融炭酸塩型燃料電池アレイを化学合成プロセスと連動して作動させるための反応システムの一例を概略的に示している。図１において、燃料ストリーム１０５は、燃料電池アレイの燃料電池スタックの一部である燃料電池などの燃料電池１２０のアノード１２７に関連する改質段階（または複数の改質段階）１１０に提供される。燃料電池１２０に関連する改質段階（またはステージ、または段；stage））１１０は、燃料電池アセンブリの内部にあり得る。いくつかの任意の態様において、外部改質段階（図示せず）も、入力ストリームを燃料電池アセンブリに通す前に、入力ストリーム中の改質可能な燃料の一部を改質するために使用することができる。燃料ストリーム１０５は、メタン、他の炭化水素、及び／又は炭素－水素結合を含む有機化合物などの他の炭化水素様化合物などの改質可能な燃料を好ましくは含み得る。燃料ストリーム１０５は、任意選択でアノードリサイクルストリーム１８５によって提供されるＨ_２及び／又はＣＯなど、Ｈ_２及び／又はＣＯも任意選択で含み得る。アノードリサイクルストリーム１８５は任意であり、多くの態様において、燃料ストリーム１０５または改質燃料ストリーム１１５との組み合わせを介して直接的または間接的に、アノード排気１２５からアノード１２７に戻るリサイクルストリームが提供されないことに留意されたい。改質後、改質燃料ストリーム１１５は、燃料電池１２０のアノード１２７に通すことができる。ＣＯ_２およびＯ_２を含むストリーム１１９も、カソード１２９に通すことができる。燃料電池のカソード部分１２９からの炭酸イオン１２２、ＣＯ_３ ^２－のフローは、アノード燃料電池反応に必要な残りの反応物を提供することができる。アノード１２７における反応に基づいて、得られるアノード排気１２５は、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２、不完全に反応した燃料に対応する１つ以上の成分（Ｈ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、又は改質可能燃料に対応する他の成分）、及び任意に燃料ストリーム１０５の一部であるＮ_２及び／又は他の混入物質等の１つ以上の追加の非反応成分を含むことができる。次いで、アノード排気１２５は、１つ以上の分離段階に通され得る。例えば、ＣＯ_２除去段階１４０は、低温ＣＯ_２除去システム、ＣＯ_２などの酸性ガスを除去するためのアミン洗浄段階、又はアノード排気からＣＯ_２出力ストリーム１４３を分離するための別の適切なタイプのＣＯ_２分離段階に対応することができる。任意選択的に、アノード排気は、最初に水ガスシフト反応器１３０を通過させて、アノード排気中に存在する任意のＣＯを（いくつかのＨ_２Ｏと共に）任意選択的に水ガスシフトされたアノード排気１３５中のＣＯ_２とＨ_２に変換することが可能である。ＣＯ_２除去段階の性質に応じて、水凝縮または除去段階１５０が、アノード排気から水出力ストリーム１５３を除去するために望ましい場合がある。図１ではＣＯ_２分離段階１４０の後に示されているが、任意選択で、代わりにＣＯ_２分離段階１４０の前に配置されてもよい。さらに、Ｈ_２の分離のためのオプションの膜分離段階１６０は、Ｈ_２の高純度透過物ストリーム１６３を生成するために使用され得る。得られた残余分の（またはリテンテート、または保持物；retentate）ストリーム１６６は、その後、化学合成プロセスへの入力として使用され得る。ストリーム１６６は、Ｈ_２、ＣＯ、およびＣＯ_２含有量を異なる比率に調整するために、第２の水－ガスシフト反応器１３１において追加的または代替的にシフトされ、化学合成プロセスにおけるさらなる使用のために出力ストリーム１６８を生成し得る。図１において、アノードリサイクルストリーム１８５は、残余分のストリーム１６６から取り出されるように示されているが、アノードリサイクルストリーム１８５は、追加的に又は代替的に、様々な分離段階の中又は間の他の都合の良い場所から取り出され得る。分離段階及びシフト反応器（複数可）は、追加的に又は代替的に、異なる順序で、及び／又は並列構成で構成され得る。最後に、ＣＯ_２１３９の含有量が低減されたストリームが、カソード１２９からの出力として生成され得る。簡略化のために、プロセスにおいて有用である可能性のある圧縮及び熱の付加／除去の様々な段階、並びに蒸気の付加又は除去は、示されていない。

【0061】

上述したように、アノード排気に対して行われる様々な種類の分離は、任意の便利な順序で行うことができる。図２は、アノード排気に対して分離を実行するための代替的な順序の一例を示す。図２において、アノード排気１２５は、アノード排気１２５から水素含有量の一部２６３を除去するための分離段階２６０に最初に通され得る。これは、例えば、Ｈ_２対ＣＯの比が２：１に近い残余分２６６を提供するために、アノード排気のＨ_２含有量を減少させることを可能にし得る。次いで、Ｈ_２対ＣＯの比は、水ガスシフト段階２３０において所望の値を達成するようにさらに調整することができる。水ガスシフト出力２３５は、その後、ＣＯ_２分離段階２４０及び水除去段階２５０を通過して、所望の化学合成プロセスへの入力としての使用に適した出力ストリーム２７５を生成することができる。任意選択で、出力ストリーム２７５は、追加の水ガスシフト段階（図示せず）に曝され得る。出力ストリーム２７５の一部は、任意選択で、アノード入力にリサイクルされ得る（図示せず）。もちろん、分離段階のさらに他の組み合わせ及び順序付けを使用して、所望の組成を有するアノード出力に基づくストリームを生成することができる。簡略化のために、プロセスにおいて有用である可能性のある圧縮および熱の付加／除去の様々な段階、ならびに蒸気の付加／除去は、示されていない。

【0062】

カソードの入力と出力
炭素捕捉条件下で作動する場合、カソードの好適な条件は、ＣＯ_２およびＯ_２を含むカソード入力フローをカソードに提供することを含むことができる。炭素捕捉条件が代替イオン輸送が起こる条件に対応する態様では、カソード入力フローは、十分な量の水をさらに含むことができる。

【0063】

カソード入力フロー中のＣＯ_２濃度は、１０体積％以下、８．０体積％以下、６．０体積％以下、４．０体積％以下、例えば１．５体積％以下、またはさらに低い可能性がある。追加的にまたは代替的に、カソードは、６０％以上、または７０％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高いＣＯ_２利用率で作動させることができる。ＣＯ_２利用率が８０％未満である場合、カソード入力フロー中のＣＯ_２濃度は１０体積％以下とすることができることに留意されたい。いくつかの態様において、カソード入力ストリーム中のＯ_２濃度は、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することができる。

【0064】

炭素捕捉条件が代替イオン輸送が起こる条件に対応する態様では、代替イオン輸送が起こるために十分な量の水も存在すべきことが観察されている。これは、カソード入力フロー中に１．０体積％以上、または２．０体積％以上の水が存在することに相当し得る。空気は一般的にＯ_２源として使用され、Ｈ_２Ｏは燃焼中に生成される生成物（ＣＯ_２の一般的な供給源）の１つであるため、十分な量の水がカソード内で通常利用可能であることが留意される。

【0065】

従来、溶融炭酸塩型燃料電池は、アノードに供給される燃料ストリーム中の燃料の一部を消費しながら、所望の充填を引き出すことに基づいて作動させることができる。燃料電池の電圧は、充填、アノードへの燃料投入量、カソードに供給される空気とＣＯ_２、燃料電池の内部抵抗によって決定することができる。カソードに供給されるＣＯ_２は、従来、アノードの排気をカソード入力ストリームの少なくとも一部として使用することにより、その一部を供給することが可能であった。これに対して、本発明では、アノード入力とカソード入力に別々の／異なるソース（または源；source）を使用することができる。アノード入力フローの組成とカソード入力フローとの間のいかなる直接的な関連も取り除くことによって、過剰な合成ガスの生成、二酸化炭素の捕捉の改善、及び／又は燃料電池の総効率（電気＋化学出力）の改善など、燃料電池の操作に追加の選択肢が利用可能となる。

【0066】

カソード入力フローとして使用するための適切な二酸化炭素含有ストリームの一例は、燃焼源からの出力フロー又は排気フローであり得る。燃焼源の例としては、天然ガスの燃焼、石炭の燃焼、及び／又は他の炭化水素タイプの燃料（生物学的由来の燃料を含む）の燃焼に基づく源が挙げられるが、これらに限定されるものではない。追加または代替のソースは、他の物質（水または空気など）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ボイラー、焼成ヒーター、炉、および／または他のタイプのデバイスを含むことができる。

【0067】

カソード入力ストリームの他の潜在的な供給源は、追加的または代替的に、生物学的に生成されたＣＯ_２の供給源を含むことができる。これは、例えば、エタノール生産中に発生するＣＯ_２など、バイオ由来化合物の処理中に発生するＣＯ_２を含むことができる。追加的または代替的な例としては、リグノセルロースの燃焼など、バイオ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／または紙の製造工場から発生するＣＯ_２含有ストリーム体など、様々な工業プロセスからの出力または排気ストリームに対応することができる。

【0068】

さらに別の追加または代替の潜在的なＣＯ_２源は、燃料電池からのＣＯ_２含有ストリームとすることができる。燃料電池からのＣＯ_２含有ストリームは、別の燃料電池からのカソード出力ストリーム、別の燃料電池からのアノード出力ストリーム、カソード出力から燃料電池のカソード入力へのリサイクルストリーム、および／またはアノード出力から燃料電池のカソード入力へのリサイクルストリームに対応し得る。例えば、従来の条件下でスタンドアローンモードで作動されるＭＣＦＣは、少なくとも約５体積％のＣＯ_２濃度を有するカソード排気を発生させることができる。このようなＣＯ_２含有カソード排気は、本発明の一態様に従って作動するＭＣＦＣのカソード入力として使用され得る。より一般的には、カソード排気からＣＯ_２出力を生成する他のタイプの燃料電池を追加的または代替的に使用することができ、また、「燃焼」反応によっておよび／または燃焼式発電機によって生成されない他のタイプのＣＯ_２含有ストリームを使用することができる。任意選択であるが、好ましくは、別の燃料電池からのＣＯ_２含有ストリームは、別の溶融炭酸塩型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の場合、第１の溶融炭酸塩型燃料電池用のカソードからの出力は、第２の溶融炭酸塩型燃料電池用のカソードへの入力として使用することが可能である。

【0069】

カソード反応に必要な成分を供給するために、ＣＯ_２に加えてＯ_２をカソード入力ストリームに含めることができる。いくつかのカソード入力ストリームは、空気を成分として有することに基づくことができる。例えば、燃焼排気ストリームは、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することができる。このような燃焼排気ストリーム、または空気の含有に基づく酸素含有量を有する別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。さらに、または代替的に、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％とすることができる。より一般的には、カソード入力ストリームは、カソード反応の実行に適した酸素含有量を有することができる。いくつかの態様では、これは約５体積％～約１５体積％、例えば約７体積％～約９体積％の酸素含有量に相当することができる。多くのタイプのカソード入力ストリームでは、ＣＯ_２とＯ_２の合計量は、入力ストリームの約２１体積％未満、例えばストリームの約１５体積％未満、またはストリームの約１０体積％未満に対応することが可能である。酸素を含む空気ストリームは、酸素含有量の少ないＣＯ_２源と組み合わせることができる。例えば、石炭を燃焼させて生成された排気ストリームは、酸素含有量が低く、空気と混合してカソード入口ストリームを形成することが可能である。

【0070】

ＣＯ_２やＯ_２の他に、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏなどの不活性／非反応種、および他の典型的な酸化剤（空気）成分でカソード入力ストリームを構成することもできる。例えば、燃焼反応からの排気から得られるカソード入力の場合、燃焼反応のための酸化剤源の一部として空気が使用されるなら、排気ガスは、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏ、および空気中に存在する微量の他の化合物などの空気の典型的な構成要素を含むことが可能である。燃焼反応のための燃料源の性質に応じて、燃料源に基づく燃焼後に存在する追加の種は、Ｈ_２Ｏ、窒素酸化物（ＮＯｘ）および／または硫黄（ＳＯｘ）、ならびに燃料に存在するおよび／またはＣＯなどの燃料に存在する化合物の部分または完全燃焼生成物のいずれかである他の化合物の一つ以上を含んでもよい。これらの化合物は、カソード触媒の活性を低下させるが、カソード触媒表面を汚染しない程度の量で存在してもよい。このような性能低下は許容範囲内であるか、またはカソード触媒と相互作用する種は、既知の汚染物質除去技術によって許容レベルまで減少させることが可能である。

【0071】

カソード入力ストリーム（燃焼排気に基づく入力カソードストリームなど）中に存在するＯ_２の量は、有利には、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十分であることが可能である。したがって、Ｏ_２の体積割合は、有利には、排気中のＣＯ_２の量の少なくとも０．５倍とすることができる。任意に、必要に応じて、カソード反応に十分な酸化剤を提供するために、カソード入力に追加の空気を添加することができる。ある種の空気が酸化剤として使用される場合、カソード排気中のＮ_２の量は、少なくとも約７８体積％、例えば、少なくとも約８８体積％、および／または約９５体積％以下とすることができる。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などの一般に汚染物質とみなされる化合物を追加的または代替に含むことができる。他の態様では、カソード入力ストリームは、そのような汚染物質の含有量を低減または最小化するために浄化することができる。

【0072】

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℃、例えば約５５０℃の入口温度と約６２５℃の出口温度であり得る。カソードに入る前に、必要に応じて、例えば、アノードのために入力された燃料を改質するなどの他のプロセスに熱を提供するために、カソード入力ストリームに熱を加えるかまたはカソード入力ストリームから熱を除去することが可能である。例えば、カソード入力ストリームのソースが燃焼排気ストリームである場合、燃焼排気ストリームは、カソード入口の所望の温度より高い温度を有し得る。このような場合、カソード入力ストリームとして使用する前に、燃焼排気から熱を除去することができる。あるいは、燃焼排気は、例えば石炭火力ボイラーの湿式ガススクラバー後のように非常に低い温度である可能性があり、この場合、燃焼排気は約１００℃以下である可能性がある。あるいは、燃焼排気は、合計サイクルモードで作動されるガスタービンの排気である可能性もあり、この場合、ガスは、追加の発電のために蒸気タービンを作動するために蒸気を上げることによって冷却されることができる。この場合、ガスは約５０℃未満であることが可能である。所望より低温の燃焼排気に熱を加えることができる。

【0073】

追加の溶融炭酸塩型燃料電池の作動戦略
いくつかの態様では、代替イオン輸送を引き起こすためにＭＣＦＣを作動させる場合、燃料電池のアノードは、およそ６０％から８０％の従来の燃料利用値で作動させることができる。電力を生成しようとする場合、燃料電池のアノードを比較的高い燃料利用率で作動させると、電気効率（すなわち、燃料電池で消費される化学エネルギーの単位あたり生成される電気エネルギー）を向上させるのに有益である。

【0074】

いくつかの態様において、アノード出力フロー中に提供されるＨ_２の量の増加などの他の利点を提供するために、燃料電池の電気効率を低下させることが有益である場合がある。これは、例えば、追加の改質を行うこと及び／又は別の吸熱反応を行うことによって、燃料電池（又は燃料電池スタック）において発生する過剰な熱を消費することが望ましい場合に、有益であり得る。例えば、溶融炭酸塩型燃料電池は、合成ガス及び／又は水素の生産量を増加させるように作動させることができる。吸熱改質反応に必要な熱は、発電のためのアノードにおける発熱性電気化学反応によって供給されることが可能である。発熱性燃料電池反応によって発生した熱を燃料電池から輸送しようとするのではなく、この余剰熱を改質反応及び／又は別の吸熱反応のための熱源としてその場で使用することができる。これにより、熱エネルギーをより効率的に利用することができ、外部または内部の熱交換を追加する必要性を低減することができる。熱エネルギーのこの効率的な生産と使用は、基本的に原位置で、有利な作動条件を維持しながら、システムの複雑さと構成要素を減らすことができる。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、従来技術において典型的に記載される熱要件よりも著しく小さいのではなく、発熱反応（複数可）によって生成される余剰熱の量に匹敵する、またはそれよりもさらに大きい吸熱要件を有するように選択することが可能である。

【0075】

追加的にまたは代替的に、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ではなく負になるように作動させることができる。したがって、アノード入口とアノード出口との間の温度上昇の代わりに、十分な量の改質および／または他の吸熱反応を行い、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温にすることができる。さらに追加的または代替的に、アノード入力とアノード出力との間の温度差が、電力を生成するための吸熱反応（複数可）とカソード燃焼反応およびアノード反応の合計発熱の相対的需要に基づく予想差よりも小さくなるように、燃料電池用ヒーターおよび／または内部改質段階（または他の内部吸熱反応段階）に追加の燃料を供給することができる。改質が吸熱反応として使用される態様では、余剰燃料を改質するために燃料電池を作動させると、熱交換および改質のためのシステムの複雑さを最小限に抑えながら、従来の燃料電池作動と比較して合成ガスの増加および／または水素の増加をもたらすことができる。追加の合成ガスおよび／または追加の水素は、その後、化学合成プロセスおよび／または「クリーン」燃料として使用するための水素の収集／再利用を含む様々な用途で使用することができる。

【0076】

アノードでの発熱反応によって酸化された水素１モルあたりに発生する熱量は、改質反応によって発生した水素１モルあたりに消費される熱量より実質的に大きくすることができる。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、水素分子の反応エンタルピーが約－２８５ｋＪ／ｍｏｌとなることがある。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することができる。しかし、反応の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差（約）は、燃料電池内で熱となり得る。このエネルギー量は、代わりに、セルの電流密度（単位面積当たりの電流）に、燃料電池の理論上の最大電圧と実際の電圧との差を乗じたもの、または＜電流密度＞＊（Ｖｍａｘ－Ｖａｃｔ）で表すことができる。このエネルギー量を、燃料電池の「廃熱」と定義している。改質の例として、メタンの改質エンタルピー（ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ_２＋ＣＯ_２）は、メタンで約２５０ｋＪ／ｍｏｌ、水素分子で約６２ｋＪ／ｍｏｌとすることができる。熱バランスの観点から、電気化学的に酸化された各水素分子は、改質によって１つ以上の水素分子を生成するのに十分な熱を発生させることができる。従来の構成では、この過剰な熱により、アノード入口からアノード出口までかなりの温度差が生じることがある。この余分な熱を燃料電池内の温度上昇に利用させるのではなく、それに見合った量の改質反応を行うことで余分な熱を消費させることができる。アノードで発生した余剰熱は、燃料電池内の燃焼反応によって発生した余剰熱で補うことができる。より一般的には、燃料電池のアノードで吸熱反応を行うこと、および／または燃料電池と一体化した吸熱反応段階で吸熱反応を行うことにより、余分な熱を消費することができる。

【0077】

態様によっては、燃料電池の所望の熱比を達成するために、改質反応及び／又は他の吸熱反応の量を、アノードで反応した水素の量に対して選択することができる。本明細書で使用される場合、「熱比」は、燃料電池アセンブリ内の発熱反応（アノード及びカソードの両方における発熱反応を含む）によって生じる熱を、燃料電池アセンブリ内で生じる改質反応の吸熱要求量で除したものと定義される。数学的に表現すると、熱比（ＴＨ）＝Ｑ_ＥＸ／Ｑ_ＥＮであり、Ｑ_ＥＸは発熱反応によって生じた熱の総和であり、Ｑ_ＥＮは燃料電池内で生じる吸熱反応によって消費される熱の総和である。発熱反応によって生じる熱は、改質反応、水ガスシフト反応、カソードにおける燃焼反応（すなわち、燃料化合物の酸化）、及び／又はセル内の電気化学反応による任意の熱に対応し得ることに留意されたい。電気化学反応によって発生する熱は、電解質にわたる燃料電池反応の理想的な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することができる。例えば、ＭＣＦＣの反応の理想的な電気化学ポテンシャルは、セル内で起こる正味の反応に基づいて、約１．０４Ｖであると考えられている。ＭＣＦＣの作動中、セルは、様々な損失により、典型的には１．０４Ｖ未満の出力電圧を有し得る。例えば、一般的な出力／作動電圧は約０．７Ｖとすることができる。発生する熱は、セルの電気化学的電位（すなわち、～１．０４Ｖ）から作動電圧を引いたものに等しくすることができる。例えば、燃料電池で～０．７Ｖの出力電圧を達成するとき、セル内の電気化学反応によって生成される熱は～０．３４Ｖとすることができる。したがって、このシナリオでは、電気化学反応によって、～０．７Ｖの電気と～０．３４Ｖの熱エネルギーが生成されることになる。このような例では、～０．７Ｖの電気エネルギーはＱ_ＥＸに含まれない。言い換えれば、熱エネルギーは電気エネルギーではない。

【0078】

様々な態様において、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、統合改質段階を有する燃料電池スタック、統合型吸熱反応段階を有する燃料電池スタック、またはそれらの組み合わせなどの任意の都合の良い燃料電池構造について決定することができる。熱比はまた、燃料電池のアセンブリ又は燃料電池スタックなどの燃料電池スタック内の異なる単位について計算されてもよい。例えば、熱比は、熱統合の観点から統合されるように燃料電池（または複数の燃料電池）に十分に近接した統合改質段階及び／又は統合型吸熱反応段階要素と共に燃料電池スタック内の燃料電池（または複数の燃料電池）に対して計算されてもよい。

【0079】

熱統合の観点から、燃料電池スタックにおける特徴的な幅は、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。別個の改質段階及び／又は別個の吸熱反応段階は、燃料電池とは異なるスタック内の高さを有し得ることに留意されたい。そのようなシナリオでは、燃料電池要素の高さを特徴的な高さとして使用することができる。この議論において、統合型吸熱反応段階は、統合型吸熱反応段階が改質のための熱源として燃料電池からの熱を使用できるように、１つ以上の燃料電池と統合された段階の熱と定義されることが可能である。このような統合型吸熱反応段階は、統合型段階に熱を供給する燃料電池からスタック要素の高さの１０倍未満に配置されると定義することができる。例えば、統合型吸熱反応段階（改質段階など）は、熱統合された任意の燃料電池から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、または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倍未満の位置に配置することが可能である。この議論において、燃料電池要素に隣接するスタック要素を表す統合改質段階及び／又は統合型吸熱反応段階は、隣接する燃料電池要素から約１スタック要素の高さ以下離れているものとして定義される。

【0080】

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通常求められる熱比より低くすることが可能である。本発明の態様において、熱比は、合成ガス生成、水素生成、吸熱反応を介した別の生成物の生成、またはそれらの組み合わせを増加および／または最適化するために低減させることができる。

【0081】

本発明の様々な態様において、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、溶融炭酸塩型燃料電池は、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作動されることができる。さらに、または代替的に、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とすることができる。さらに追加的または代替的に、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。さらに追加的または代替的に、燃料電池は、アノード入口の温度より約１０℃低いから約１０℃高いアノード出口温度を有するように作動させることができる。さらに追加的または代替的に、燃料電池は、少なくとも約５℃より大きい、または少なくとも約１０℃より大きい、または少なくとも約２０℃より大きい、または少なくとも約２５℃より大きいなど、アノード入口温度がアノード出口温度より大きいように作動させることができる。さらに追加的にまたは代替的に、燃料電池は、アノード入口温度が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℃以下大きいように作動させることができる。

【0082】

熱比が１未満である燃料電池を作動すると、燃料電池全体の温度低下を引き起こす可能性がある。いくつかの態様において、アノード入口からアノード出口への温度低下が約１００℃以下、例えば約８０℃以下、又は約６０℃以下、又は約５０℃以下、又は約４０℃以下、又は約３０℃以下、又は約２０℃以下となり得るように、改質及び／又は他の吸熱反応の量を制限することも可能である。アノード入口からアノード出口までの温度低下を制限することは、例えば、アノードにおける（改質による）燃料の完全または実質的に完全な変換を可能にするために十分な温度を維持するために有益であり得る。他の態様では、吸熱反応によって消費される熱と燃料電池に供給される追加の外部熱とのバランスにより、アノード入口温度がアノード出口温度よりも約１００℃以下、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℃以下だけ大きくなるように（熱交換または追加燃料の燃焼などにより）追加の熱が燃料電池に供給され得る。

【0083】

改質量は、追加的または代替的に、改質可能な燃料の利用可能性に依存することができる。例えば、燃料がＨ_２のみを含む場合、Ｈ_２は既に改質されており、それ以上改質できないため、改質は行われない。燃料電池によって生成される「合成ガス」の量は、アノード入力における合成ガスの低位発熱量（ＬＨＶ）値対アノード出力における合成ガスのＬＶＨ値の差として定義することができる。
合成ガス（ｓｇ）生産量ＬＨＶ（ｓｇ ｎｅｔ）＝（ＬＨＶ（ｓｇ ｏｕｔ）－ＬＨＶ（ｓｇ ｉｎ））
ここで、ＬＨＶ（ｓｇ ｉｎ）およびＬＨＶ（ｓｇ ｏｕｔ）は、それぞれ、アノード入口ストリームまたはフローにおける合成ガスおよび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を指す。Ｈ_２を相当量含む燃料を備える燃料電池は、追加の改質可能な燃料を含むのとは対照的に、燃料が既に改質されたＨ_２を相当量含むので、潜在的な合成ガスの生成量を制限することができる。より低い（または低位；lower）熱量は、気相の完全酸化生成物（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、アノード入力ストリームに存在するＣＯ_２は、ＣＯ_２が既に完全に酸化されているため、アノード入力の燃料含有量に寄与しない。この定義では、アノード燃料電池反応によりアノードで生じる酸化の量は、アノードにおける電気化学反応の一部としてアノードにおけるＨ_２の酸化と定義される。

【0084】

燃料電池を熱比を低下させて作動する方法の例としては、燃料電池における熱の発生と消費のバランスをとるため、および／または発生した熱よりも多く消費するために、燃料の過剰改質を行う方法を挙げることができる。改質可能な燃料を改質してＨ_２及び／又はＣＯを形成することは吸熱プロセスであり得るが、アノード電気化学酸化反応及びカソード燃焼反応（複数可）は発熱性であり得る。従来の燃料電池作動中、燃料電池作動用の供給成分を供給するために必要な改質量は、通常、アノード酸化反応によって発生する熱量よりも少ない熱量を消費することができる。例えば、約７０％又は約７５％の燃料利用率での従来の作動は、少なくとも約１．４以上、又は１．５以上の熱比など、実質的に１より大きい熱比を生じさせる。その結果、燃料電池の出力ストリームは、入力ストリームよりも高温になる可能性がある。このような従来の作動の代わりに、アノードに関連する改質段階で改質される燃料の量を増加させることができる。例えば、発熱性燃料電池反応によって生成される熱が改質において消費される熱と（ほぼ）釣り合うように、及び／又は生成される熱よりも多くの熱を消費するように、追加の燃料を改質することが可能である。これにより、発電用アノードで酸化される量に対して水素が大幅に過剰となり、約１．０以下、例えば約０．９５以下、約０．９０以下、約０．８５以下、約０．８０以下、約０．７５以下の熱比となることが可能である。

【0085】

アノード排気からは、化学エネルギー出力として、水素または合成ガスのいずれかを取り出すことができる。水素は、燃えた時または燃焼時に温室効果ガスを発生させないクリーンな燃料として利用することができる。代わりに、炭化水素（または炭化水素系化合物）の改質によって生成された水素の場合、ＣＯ_２はすでにアノードループで「捕捉」されている。さらに、水素は、様々な精製プロセスおよび／または他の合成プロセスへの貴重な投入物となり得る。合成ガスもまた、さまざまなプロセスにとって価値ある投入物となり得る。燃料としての価値に加えて、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使用するなど、他の高価値製品を製造するための原料として使用することができる。

【0086】

いくつかの態様において、アノードに送られる、および／またはアノードに関連する改質段階に送られる入力ストリーム中の改質可能燃料の改質可能水素含有量は、アノードで反応した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％または少なくとも約１００％大きくすることができる。追加的にまたは代替的に、アノードおよび／またはアノードに関連する改質段階に送ら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、アノードで反応した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％または少なくとも約１００％大きいことが可能である。様々な態様において、アノードで反応した水素の量に対する燃料ストリーム中の改質可能な燃料の改質可能な水素含有量の比は、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。追加的にまたは代替的に、アノードで反応した水素量に対する燃料ストリーム中の改質可能な燃料の改質可能な水素量の比は、約２０：１以下、例えば約１５：１以下または約１０：１以下とすることができる。一態様では、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％未満が水素に変換され得ることが企図される。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、アノードおよび／または関連する改質段階（複数可）で水素に変換することができ、例えば、少なくとも約８５％、または少なくとも約９０％である。追加的にまたは代替的に、アノードに供給される改質可能な燃料の量は、アノードで酸化された水素のＬＨＶに対する改質可能な燃料の低位発熱量（ＬＨＶ）に基づいて特徴付けられることが可能である。これは、改質可能な燃料の余剰比率と呼ばれ得る。様々な態様において、改質可能な燃料の余剰比は、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とすることができる。さらに、または代替的に、改質可能な燃料の余剰比は、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以下とすることができる。

【0087】

実施例
様々な態様において、燃料電池のために高められた目標電解質充填レベルを使用することは、標準的な目標充填レベルを使用することと比較して、作動電圧の予期せぬ上昇及び作動寿命の利点を提供することができる。

【0088】

作動電圧の予期せぬ増加は、標準条件下での溶融炭酸塩型燃料電池の電圧挙動との比較で説明することができる。表１は、さまざまな条件で作動された燃料電池の作動開始時の電圧値を示している。燃料電池の大きさは２５０ｃｍ^２であった。燃料電池の目標電解質充填レベルは、カソード細孔容積の５６体積％またはカソード細孔容積の８０体積％のいずれかに相当する。カソード電解質の目標充填レベル８０体積％は、合計目標電解質充填レベル約８７体積％に対応することに留意されたい。作動条件は、従来の条件（カソード入力フローに１７体積％のＣＯ_２、７５％のＣＯ_２利用率）または炭素捕捉条件（カソード入力フローに４体積％のＣＯ_２、９０％のＣＯ_２利用率）に相当する。

【0089】

【表1】

【0090】

表１に示すように、従来条件では、目標カソード電解質充填レベルをカソード細孔容積の８０体積％に増加させると、作動開始時の作動電圧が１０ｍＶを超えて低下する。炭素捕捉条件では、従来の目標電解質充填量と高められた電解質充填量との間の電圧差は小さくなるが、炭素捕捉条件での燃料電池の作動開始時の作動電圧は、従来の目標電解質充填量の方が依然高い。表１より、標準的な作動条件では、カソード細孔容積の５０体積％～６０体積％の標準的な目標電解質充填レベルで作動することに明らかな利点があることがわかる。このことは、従来の溶融炭酸塩型燃料電池の理解では、標準的な目標充填レベルを使用することに落ち着いていた理由を示している。また、炭素捕捉条件であっても、寿命開始時の作動電圧のみを考慮すれば、標準的な目標充填レベルで作動することが有利であるように思われる。

【0091】

表１とは対照的に、図４は、ある期間にわたって炭素捕捉条件で作動された溶融炭酸塩型燃料電池の電圧挙動を示す。図４に示すデータを作成するために、溶融炭酸塩型燃料電池は、４．０体積％～５．０体積％のＣＯ_２を含むカソード入力フローで、１２０ｍＡ／ｃｍ^２または１５０ｍＡ／ｃｍ^２のいずれかの電流密度を生成し、ＣＯ_２利用率が約９０％となるように作動された。燃料電池は、標準的な目標電解質充填レベル（カソード細孔容積の５０体積％～５６体積％、合計目標電解質充填レベルは約６３体積％～７０体積％）または高められた目標電解質充填レベル（カソード細孔容積の８０体積％以上、合計目標電解質充填レベルは約８７体積％）を有していた。

【0092】

図４に示すように、初期の短い期間の後、高められた目標電解質充填レベルを有する燃料電池の作動電圧は、標準的な目標電解質充填レベルを有する燃料電池の作動電圧より高かった。（１２０ｍＡ／ｃｍ^２の標準的な目標充填レベルに対する最初の数時間のデータ点群は図４に示されていないが、寿命の始まりの電圧は対応する高められた目標充填レベルより短時間高かったと考えられる）。このことは、時間の経過とともに、より高い目標充填レベルの電解質で作動することにより、予期しない作動電圧の上昇がもたらされたことを示している。この予期せぬ作動電圧の上昇は、１５０ｍＡ／ｃｍ^２という高い電流密度でより顕著になった。

【0093】

炭素捕捉条件下で高められた目標電解質充填レベルを使用したときに作動電圧が向上したのは、燃料電池内のリチウムの損失が増加したことが一因であると考えられる。リチウムの損失の増大は、いくつかの方法で観察することができる。リチウムの損失増加の１つの指標は、炭素捕捉条件での長期作動後に溶融炭酸塩型燃料電池に存在する電解質の量が全体的に減少していることである。

【0094】

表２は、溶融炭酸塩型燃料電池を炭素捕捉条件（カソード入力ストリーム中のＣＯ_２が～４．０体積％、ＣＯ_２利用率が～９０％）で２５００時間作動した後の、溶融炭酸塩型燃料電池の様々な部分の電解質の相対充填レベルを示している。目標電解質充填レベルは、カソード細孔容積の約５６体積％、マトリックス容積の９０体積％以上という標準的な充填レベルであった。これは、約７０体積％の合計目標電解質充填レベルに相当する。表２に示す結果は，従来の条件で２５００時間作動した燃料電池のベースラインとの比較である．充填レベルの変化は、燃料電池の各部分で利用可能な細孔容積に基づいている。

【0095】

【表2】

【0096】

リチウムの損失が増加したのは、カソード自体へのリチウムの取り込みが増加したことが一因であると考えられる。このカソードへのリチウムの取り込みの増加について、図５を用いて説明する。図５は、様々な条件下でリチウムに試験環境中で暴露した後のカソード構造物の誘導結合プラズマ質量分析（ＩＣＰ－ＭＳ）を示す図である。カソード構造体は、酸化ニッケルから構成されていた。カソード構造物は、カソード構造物、電解質、カソード集電体をセル外試験装置で酸化環境を模擬した環境に暴露して試験された。酸化環境は数種類用意した。第１の酸化環境は、０．５体積％のＣＯ_２、９体積％のＯ_２、および１０体積％のＨ_２Ｏに相当し、残りはＮ_２である。第２の酸化環境は、４．１体積％のＣＯ_２、９体積％のＯ_２、および１０体積％のＨ_２Ｏに対応し、残りはＮ_２である。第３の酸化環境は、１８．５体積％のＣＯ_２、１１．３体積％のＯ_２、および３．０体積％のＨ_２Ｏに対応し、残りはＮ_２である。第３の酸化環境は従来の溶融炭酸塩型燃料電池の条件に対応し、第１および第２の酸化環境は炭素捕捉条件に対応することに留意されたい。

【0097】

セル外試験装置内のモデル燃料電池構造体を様々な酸化環境に暴露した後、ＩＣＰ－ＭＳを用いてカソードの組成を分析し、リチウム含有量を決定した。図５に示すように、燃料電池を従来の作動条件に曝すと、リチウム含有量が３．０質量％未満のカソードが得られた。一方、燃料電池を約４．０体積％のＣＯ_２を含む酸化環境に曝したところ、カソードのリチウム含有量は４．０質量％を超える結果となった。また、燃料を約０．５体積％のＣＯ_２で酸化させた場合、９．０質量％～１０質量％のリチウムを含むカソードが得られた。図５の結果から、炭素捕捉条件を用いることで、セル外試験装置のカソードに取り込まれるリチウムの量が大幅に増加したことがわかる。燃料電池の作動中にも、カソードへのリチウムの取り込みが同様に増加すると考えられる。

【0098】

燃料電池の挙動の変化は、様々な条件下で作動されたときに燃料電池が示すオーム抵抗にも見ることができる。図６は、３種類の条件で作動した燃料電池のオーム抵抗を経時的に測定した結果である。燃料電池のサイズは６．２４ｉｎｘ６．２４ｉｎ（１５．８５ｃｍｘ１５．８５ｃｍ）である。第１の条件は、標準的な電解質充填レベル（カソード孔容積の約５６体積％）で、従来の作動条件（カソード入力ストリームの～１８体積％のＣＯ_２、～７５％のＣＯ_２利用率）で作動したものである。これは、ベースライン条件とみなされた。図６に示される全てのデータは、このベースライン条件におけるオーム（またはオーミック；ohmic）抵抗に正規化された。したがって、ベースライン条件のオーム抵抗は、正規化された単位で「１．０」として示される。第２の条件は、標準的な目標電解質充填レベルを有する炭素捕捉条件（カソード入力ストリーム中の～４．０体積％ＣＯ_２、～９０％ＣＯ_２利用率）に相当する。第３の条件は、高くめられた目標電解質充填レベルを有する炭素捕捉条件（カソード細孔容積の～８０体積％）に相当する。図６に示すように、炭素捕捉条件では、高められた初期電解質充填レベルを用いることで、炭素捕捉条件における燃料電池のオーム抵抗が大幅に低減された。

【0099】

追加実施形態
実施形態１．リチウム含有電解質を含む溶融炭酸塩型燃料電池で電気を生成する方法であって、方法は、平均電流密度１２０ｍＡ／ｃｍ^２以上およびＣＯ_２利用率６０％以上で、アノード、マトリックス、およびカソードを含む溶融炭酸塩型燃料電池を、１０体積％以下のＣＯ_２を含むカソード入力ストリームで作動することを含み、
溶融炭酸塩型燃料電池は、マトリックス細孔容積とカソード細孔容積との合計の７０体積％以上の合計目標電解質充填レベルをさらに含む、方法。

【0100】

実施形態２．溶融炭酸塩型燃料電池を作動することが、７５％以上の測定されたＣＯ_２利用率で作動することを含む、実施形態１に記載の方法。

【0101】

実施形態３．リチウム含有電解質を含む溶融炭酸塩型燃料電池で電気を生成するための方法であって、方法は、平均電流密度１２０ｍＡ／ｃｍ^２以上およびＣＯ_２使用率９０％以上で、アノード、マトリックス、およびカソードを含む溶融炭酸塩型燃料電池を、ＣＯ_２を含むカソード入力ストリームで作動することを含み、溶融炭酸塩型燃料電池は、マトリックス細孔容積とカソード細孔容積との合計の７０体積％以上の合計目標電解質充填レベルをさらに含む、方法。

【0102】

実施形態４． ｉ）カソード入力ストリームが、５．０体積％以下のＣＯ_２を含む、ｉｉ）カソード排気が２．０体積％以下のＣＯ_２を含む、ｉｉｉ）溶融炭酸塩型燃料電池が０．９５以下の輸率で作動する、またはｉｖ）ｉ），ｉｉ），ｉｉｉ）の二つ以上の組み合わせを含む、実施形態１～３のいずれかに記載の方法。

【0103】

実施形態５．電解質が非共晶混合物を含む、または電解質の炭酸リチウム含有量が対応する共晶組成物より１０質量％以上大きい、実施形態１～４のいずれかに記載の方法。

【0104】

実施形態６．電流密度が、１５０ｍＡ／ｃｍ^２以上である、実施形態１～５の実施形態に記載の方法。

【0105】

実施形態７．溶融炭酸塩型燃料電池を累積時間５０時間以上作動する、実施形態１～６のいずれかに記載の方法。

【0106】

実施形態８．目標カソード電解質充填レベルが、カソード細孔容積の８５体積％～１４０体積％である、実施形態１～７のいずれかに記載の方法。

【0107】

実施形態９．合計目標電解質充填レベルが、８５体積％～１２８体積％である、実施形態１～８のいずれかに記載の方法。

【0108】

実施形態１０．合計目標電解質充填レベルの少なくとも一部を、カソード集電体に貯蔵する、実施形態１～９のいずれかに記載の方法。

【0109】

実施形態１１．カソード集電体、カソード、マトリックス、およびアノード、ならびに
リチウム含有電解質を含み、マトリックス細孔容積とカソード細孔容積との合計の８５体積％以上に対応するリチウム含有電解質の合計目標電解質充填レベルを含む、溶融炭酸塩型燃料電池。

【0110】

実施形態１２．電解質は、対応する共晶混合物中の対応するリチウム含有量より１０質量％以上大きい炭酸リチウム含有量を含む、実施形態１１に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。

【0111】

実施形態１３．合計目標電解質充填レベルの少なくとも一部が、カソード集電体に貯蔵されている、実施形態１１又は１２に記載の溶融炭酸塩型燃料電池。

【0112】

実施形態１４．合計目標電解質充填レベルが、９０体積％～１２７体積％である、実施形態１１～１３のいずれかに記載の溶融炭酸塩型燃料電池。

【0113】

実施形態１５．燃料電池が、８５体積％～１４０体積％の目標カソード電解質充填レベルである、実施形態１１～１４のいずれかに記載の溶融炭酸塩型燃料電池。

【0114】

追加の実施形態Ａ．カソード細孔容積がマトリックス細孔容積の１．５倍～２．０倍である、実施形態１～１０のいずれかの方法または実施形態１１～１５のいずれかの燃料電池。

【0115】

本明細書の詳細な説明及び特許請求の範囲内の全ての数値は、示された値を「約」又は「約」で修正し、当業者であれば予想される実験誤差及びばらつきを考慮に入れている。

【0116】

本発明は、特定の実施形態の観点から説明されてきたが、必ずしもそのように限定されるものではない。特定の条件下での作動のための適切な変更／修正は、当業者には明らかであるはずである。したがって、以下の特許請求の範囲は、本発明の真の精神／範囲に該当するすべてのそのような変更／修正をカバーするものとして解釈されることが意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】