特表 2016-512809 セメント加工における溶融炭酸塩形燃料電池の集積化

(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】特表2016-512809(P2016-512809A)

(43)【公表日】2016年5月9日

(54)【発明の名称】セメント加工における溶融炭酸塩形燃料電池の集積化

(51)【国際特許分類】

   C04B 7/36 20060101AFI20160404BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALI20160404BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20160404BHJP

   H01M 8/14 20060101ALI20160404BHJP

   H01M 8/0662 20160101ALI20160404BHJP

   C04B 7/44 20060101ALI20160404BHJP

【ＦＩ】

   C04B7/36

   H01M8/06 R

   H01M8/00 Z

   H01M8/06 K

   H01M8/14

   H01M8/06 S

   C04B7/44

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

【全頁数】54

(21)【出願番号】特願2016-501793(P2016-501793)

(86)(22)【出願日】2014年3月13日

(85)【翻訳文提出日】2015年10月13日

(86)【国際出願番号】US2014025237

(87)【国際公開番号】WO2014151224

(87)【国際公開日】20140925

(31)【優先権主張番号】61/787,587

(32)【優先日】2013年3月15日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/788,628

(32)【優先日】2013年3月15日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/884,586

(32)【優先日】2013年9月30日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/884,545

(32)【優先日】2013年9月30日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/884,635

(32)【優先日】2013年9月30日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/884,565

(32)【優先日】2013年9月30日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/787,697

(32)【優先日】2013年3月15日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/884,376

(32)【優先日】2013年9月30日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/884,605

(32)【優先日】2013年9月30日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/889,757

(32)【優先日】2013年10月11日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/787,879

(32)【優先日】2013年3月15日

(33)【優先権主張国】US

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JP,KE,KG,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US

(71)【出願人】

【識別番号】390023630

【氏名又は名称】エクソンモービル リサーチ 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】ＥＸＸＯＮ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＣＯＭＰＡＮＹ

(74)【代理人】

【識別番号】100100158

【弁理士】

【氏名又は名称】鮫島 睦

(74)【代理人】

【識別番号】100156085

【弁理士】

【氏名又は名称】新免 勝利

(74)【代理人】

【識別番号】100138885

【弁理士】

【氏名又は名称】福政 充睦

(72)【発明者】

【氏名】ポール・ジェイ・バーロウィッツ

(72)【発明者】

【氏名】ティモシー・アンドリュー・バークホルツ

(72)【発明者】

【氏名】アニタ・エス・リー

【テーマコード（参考）】

4G112

5H026

5H127

【Ｆターム（参考）】

4G112KA02

5H026AA05

5H127AA04

5H127AB07

5H127AB21

5H127BA05

5H127BA12

5H127BA13

5H127BA20

5H127BA33

5H127BA37

5H127BA40

5H127BA47

5H127BB02

5H127BB04

5H127BB07

5H127BB20

5H127BB23

5H127BB27

5H127BB37

5H127BB47

(57)【要約】

様々な態様において、セメント製造のためのプロセスとともに溶融炭酸塩形燃料電池を作動するためのシステムおよび方法が提供される。このシステムおよび方法は、効率の増加、製造される生成物のトンあたりの炭素排出の減少、および集積化されたシステムの一部分として炭素排出の単純化された捕捉を含むプロセス改善を提供することができる。燃料供給資源における適応性、ならびにプロセスに動力を与えるために必要とされる様々な化学、熱および電気アウトプットを提供しながら、別々のプロセスの数および全体的な製造システムの複雑さを減少させることができる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

改質可能燃料を含む燃料流を、溶融炭酸塩形燃料電池のアノード、アノードと関連する内部改質要素、またはそれらの組み合わせに導入するステップ；セメント製造のためのプロセスにおいて、セメント窯を加熱して、セメント生成物およびセメント窯排出物を形成するステップ；前記セメント窯排出物の少なくとも一部分を含み、ＣＯ_２およびＯ_２を含むカソードインレット流を、前記燃料電池のカソードに導入するステップ；及び前記溶融炭酸塩形燃料電池内で電気を発生させるステップを含む、セメントの製造方法。

【請求項2】

ａ）前記セメント窯および前記セメント窯排出物の少なくとも１つから前記燃料流に熱を伝えるステップ、ｂ）前記溶融炭酸塩形燃料電池、燃料電池アノード排出物および燃料電池カソード排出物の少なくとも１つから前記セメント窯に熱を伝えるステップ、またはｃ）ａ）およびｂ）の両方をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

燃料電池アノード排出物から、Ｈ_２を含むガス流を取り出すステップをさらに含み、前記取り出されたガス流の少なくとも一部分は、前記セメント窯を加熱するための燃料として使用される、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記セメント生成物がセメントクリンカー生成物を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。

【請求項5】

前記溶融炭酸塩形燃料電池が、約０．２５〜約１．５（例えば、約０．２５〜約１．３、約０．２５〜約１．１５、約０．２５〜約１．０、約０．２５〜約０．８５、約０．２５〜約０．８、または約０．２５〜約０．７５）の熱比率で電気を発生させるように作動される、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。

【請求項6】

前記セメント製造のためのプロセスから前記溶融炭酸塩燃料電池に熱を伝えるステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。

【請求項7】

１つ以上の混合機、グラインダーまたはそれらの組み合わせで少なくとも１つの鉱物インプットを処理するステップ；前記処理された少なくとも１つの鉱物インプットを、前記セメント生成物の少なくとも一部分を形成するために、加熱するための前記セメント窯に導入して、それによって、前記セメント排出物の少なくとも一部分を生成するステップをさらに含む、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。

【請求項8】

前記溶融炭酸塩形燃料電池内で電気を発生させるステップが、前記発生された電気を使用して、前記セメント製造プロセスに関連する前記１つ以上の混合機、グラインダーまたはそれらの組み合わせを作動させるステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

燃料電池アノード排出物の少なくとも一部分からＨ_２Ｏを分離するステップ；前記セメント製造プロセスに関連する前記１つ以上の混合機、グラインダーまたはそれらの組み合わせで前記分離されたＨ_２Ｏを使用するステップをさらに含む、請求項７または８に記載の方法。

【請求項10】

１つ以上の分離段階において、前記燃料電池アノード排出物および前記取り出されたガス流の少なくとも１つからＣＯ_２およびＨ_２Ｏの少なくとも１つを分離するステップをさらに含む、請求項３〜９のいずれかに記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

様々な態様において、本発明は、セメントの加工および／または製造における溶融炭酸塩形燃料電池の使用に関する。

【背景技術】

【0002】

コンクリートおよび鉄鋼は、主要なインフラプロジェクトの建設において、質量、費用および二酸化炭素排出の大部分を占める可能性のある重要なインフラ建設材料である。例えば、コンクリートは現在、世界のＣＯ_２排出の約５％の原因である。全排出のうち、セメント、例えば、ポートランドセメントの製造は、最終生成物からの全排出の約９５％を示す。ＣＯ_２は、２つの供給源：炭酸カルシウムから酸化カルシウムおよびＣＯ_２への分解、ならびに燃料としての石炭とともに典型的に行われる約１８００℃程度の高温までのセメント窯の加熱から主として発生することが可能である。セメントは、何百ものプラント（米国で約１５０〜２００）で、典型的には、成分の岩が発見される採石場の付近で製造される。

【0003】

溶融炭酸塩形燃料電池は、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。溶融炭酸塩形燃料電池で使用する水素を発生させるための選択肢として、燃料電池のアノード内でのメタンまたは他の改質可能燃料の改質、あるいは関連する改質ゾーン、すなわち、燃料電池の内部または外部のいずれかでの燃料の改質が含まれる。改質可能燃料は、水素を含んでなるガス生成物を生じさせるために、高温および／または高圧で蒸気および／または酸素と反応可能な炭化水素材料を包含することができる。

【0004】

従来、溶融炭酸塩形燃料電池は、燃料電池の電気効率とも記載され得る燃料インプットの単位あたりの電気発生を最大にするように作動される。この最大化は、燃料電池単独、または別の発電システムとの組み合わせをベースとすることができる。電気発生の増加を達成し、発熱を管理するために、燃料電池内の燃料利用は、典型的に７０％〜７５％に維持される。

【0005】

特許文献１には、アノードインレット流において実質的な水素含有量を有する燃料電池システムの作動のためのシステムおよび方法が記載される。刊行物特許文献１における技術は、燃料がアノード出口に接近する時に、酸化反応のために十分な燃料が残存するように、アノードインレットで十分な燃料を提供することに関連する。適切な燃料を確保するために、刊行物特許文献１は、高濃度のＨ_２を有する燃料を提供する。酸化反応で利用されないＨ_２は、次の通過のためにアノードにリサイクルされる。単回通過をベースとして、Ｈ_２利用は、１０％〜３０％の範囲であってよい。参考文献特許文献１は、アノード内での有意な改質を記載しておらず、その代わりに、主として外部改質に依存する。

【0006】

特許文献２には、水素および電気エネルギーの共生産のためのシステムおよび方法が記載される。この共生産システムは、燃料電池と、アノード排出流を受け取って水素を分離するように構成される分離ユニットとを含んでなる。またアノード排出物の一部分は、アノードインレットにリサイクルされる。刊行物特許文献２で与えられる作動範囲は、固体酸化物形燃料電池をベースとしていると思われる。溶融炭酸塩形燃料電池は、代替物として記載される。

【0007】

特許文献３には、水素および電力の共生産のためのシステムおよび方法が記載される。燃料電池は、炭化水素型燃料を酸素に変換するための一般的な種類の化学変換装置として記載される。この燃料電池システムは、外部改質装置および高温燃料電池も含む。約７０％のシステム共生産効率をもたらす、約４５％の電気効率および約２５％の化学生成率を有する燃料電池システムの実施形態が記載される。刊行物特許文献３は、システムからの単離における燃料電池の電気効率を記載しているとは思われない。

【0008】

特許文献４には、石炭ガスを燃料電池のアノードのための燃料供給源として使用することができるように、ガス化装置に燃料電池を集積化するためのシステムが記載される。燃料電池によって発生した水素は、石炭ガス（または他の石炭）インプットからメタンを発生させるために使用されるガス化装置のためのインプットとして使用される。ガス化装置からのメタンは、次いで、燃料電池へのインプット燃料の少なくとも一部分として使用される。したがって、燃料電池によって発生した水素の少なくとも一部分は、ガス化装置で発生するメタンの形態で、燃料電池アノードインレットに間接的にリサイクルされる。

【0009】

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙの論文（非特許文献１）には、燃焼発電機を溶融炭酸塩形燃料電池と組み合わせる発電システムが記載される。燃料電池および作動パラメーターの様々な組み合わせが記載されている。燃焼発電機からの燃焼アウトプットは、燃料電池のカソードのためのインプットとして部分的に使用される。論文非特許文献１のシミュレーションの１つの目標は、ＣＯ_２を発電機の排出物から分離するためにＭＣＦＣを使用することである。論文非特許文献１で記載されるシミュレーションは、６６０℃の最大アウトレット温度を確立し、そしてインレット温度は、燃料電池全体での温度増加を抑制するために十分に冷却されなければならないことを示す。ＭＣＦＣ燃料電池のための電気効率（すなわち、発生した電気／燃料インプット）は、ベースモデルの場合、５０％である。ＣＯ_２分離のために最適化された試験モデルの場合の電気効率も５０％である。

【0010】

非特許文献２の論文には、ＣＯ_２分離のために燃料電池を使用する発電システムの性能をモデル化する方法が記載される。アノードインレットへのアノード排出物およびカソードインレットへのカソード排出物の再流通は、燃料電池の性能を改善するために使用される。モデルパラメーターは、５０．３％のＭＣＦＣ電気効率を記載する。

【0011】

特許文献５には、ペレット化またはブリケット化することなく、鉱石から鉄スラブおよびナゲットを直接製造するための方法が記載される。この方法には、鉄鉱石の微粒子と、バイオマス、コークまたは石炭などの炭素源の微粒子との混合物を形成することが関与する。微粒子の混合物は直線炉を通過して、遊離鉄を形成する。炉の気相環境から合成ガスとして回収することのできる過剰量のＣＯおよびＨ_２の生成を可能にするように、過剰量のバイオマス、コークまたは石炭を使用することができる。

【0012】

特許文献６には、合成ガスの供給源として改質されたメタンを使用して、シャフト炉での直接的な鉄還元を実行する方法が記載される。この方法は、さらに、鉄への組み込みのための炭素の供給源として、シャフト炉への追加的な天然ガスの導入を記載する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１１／０１１１３１５号明細書

【特許文献2】米国特許出願公開第２００５／０１２３８１０号明細書

【特許文献3】米国特許出願公開第２００３／０００８１８３号明細書

【特許文献4】米国特許第５，０８４，３６２号明細書

【特許文献5】米国特許出願公開第２０１３／００８１５１６号明細書

【特許文献6】米国特許第６，５２４，３５６号明細書

【非特許文献】

【0014】

【非特許文献1】Ｇ．Ｍａｎｚｏｌｉｎｉ ｅｔ．ａｌ．，Ｊ．Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｃｉ．ａｎｄ Ｔｅｃｈ．，Ｖｏｌ．９，Ｆｅｂ ２０１２

【非特許文献2】Ｄｅｓｉｄｅｒｉ ｅｔ ａｌ．（Ｉｎｔｌ．Ｊ．ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｖｏｌ．３７，２０１２）

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0015】

一態様において、セメントの製造方法が提供される。この方法は、改質可能燃料を含んでなる燃料流を、溶融炭酸塩形燃料電池のアノード、アノードと関連する内部改質要素、またはそれらの組み合わせに導入するステップと；セメント窯（又はキルン）を加熱して、セメント生成物およびセメント窯排出物を形成するステップと；セメント窯排出物の少なくとも一部分を含んでなる、ＣＯ_２およびＯ_２を含んでなるカソードインレット流（又は入口流）を、燃料電池のカソードに導入するステップと；溶融炭酸塩形燃料電池内で電気を発生させるステップとを含む。

【0016】

本出願は、本出願と同日に出願された、以下の代理人整理番号および名称によって識別される２１件の他の同時係属ＰＣＴ出願と関連する：「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ１０４−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ１０７−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ１０８−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ１０９−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ２７２−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ａｔ ａ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」という名称の２０１３ＥＭ２７３−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ２７４−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ２７７−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ２７８−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ２７９−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１３ＥＭ２８５−ＷＯ；「Ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ＮＯｘ ｉｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ」という名称の２０１４ＥＭ０４７−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ」という名称の２０１４ＥＭ０４８−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｉｎ Ｆｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃｈ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ」という名称の２０１４ＥＭ０４９−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｉｎ Ｆｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃｈ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ」という名称の２０１４ＥＭ０５０−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｉｎ Ｆｉｓｃｈｅｒ−Ｔｒｏｐｓｃｈ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ」という名称の２０１４ＥＭ０５１−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｉｎ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ」という名称の２０１４ＥＭ０５２−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｉｎ ａ Ｒｅｆｉｎｅｒｙ Ｓｅｔｔｉｎｇ」という名称の２０１４ＥＭ０５３−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｆｏｒ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ」という名称の２０１４ＥＭ０５４−ＷＯ；「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｗｉｔｈ Ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ」という名称の２０１４ＥＭ０５５−ＷＯ；および「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｆ Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ ｉｎ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」という名称の２０１４ＥＭ０５６−ＷＯ。これらの同時係属ＰＣＴ出願のそれぞれは、参照によって本明細書に全体として組み込まれる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】溶融炭酸塩形燃料電池、ならびに関連する改質および分離段階のための構成の実施例を概略的に示す。

【図2】溶融炭酸塩形燃料電池、ならびに関連する改質および分離段階のために構成の別の実施例を概略的に示す。

【図3】溶融炭酸塩形燃料電池の作動の実施例を概略的に示す。

【図4】鉄または鉄鋼を製造するプロセスとの溶融炭酸塩形燃料電池の集積化の実施例を概略的に示す。

【図5】鉄または鉄鋼を製造するプロセスとの溶融炭酸塩形燃料電池の集積化の実施例のためのプロセスフローを示す。

【発明を実施するための形態】

【0018】

概要
様々な態様において、溶融炭酸塩形燃料電池の作動は、限定されないが、セメントの製造のためのプロセスを含む様々な化学および／または材料製造プロセスと集積化することができる。製造プロセスは、溶融炭酸塩形燃料電池からのアウトプットの生成に相当することができ、および／あるいは製造プロセスは、１つ以上の燃料電池流を消費および／または提供することができる。

【0019】

セメント製造との集積化
コンクリートおよび鉄鋼は、主要なインフラ建設プロジェクトにおいて、質量、費用および二酸化炭素排出の大部分を占める可能性のある重要なインフラ建設材料である。例えば、コンクリートは現在、世界のＣＯ_２排出の約５％の原因である。全排出のうち、セメント、例えば、ポートランドセメントの製造は、最終生成物からの全排出の約９５％を示す。ＣＯ_２は、２つの供給源：炭酸カルシウムから酸化カルシウムおよびＣＯ_２への分解、ならびに燃料としての石炭とともに典型的に行われる約１８００℃程度の高温までのセメント窯（又はキルン）の加熱から主として発生することが可能である。セメントは、何百ものプラント（米国で約１５０〜２００）で、典型的には、成分の岩が発見される採石場の付近で製造される。

【0020】

セメントの製造には、典型的に、材料の混合物を非常に高い温度まで加熱するステップが関与する。主要成分としては、１種以上のシリカ（砂）、鉄鉱石、アルミナ（頁岩、ボーキサイト、他の鉱石）および／または他の材料に加えて、石灰石（ＣａＣＯ_３）を含むことができる。成分を破砕および混合し、その後、それらを、非常に高い温度で、そして典型的に少なくとも約１４００℃の温度で、例えば少なくとも約１８００℃、そして時には約２０００℃以上までの温度で、典型的に空気中で、窯に導入することができる。これらの条件で、クリンカーと呼ばれる生成物を製造することができる。クリンカーは、商業的なセメントを形成するために典型的に粉砕された安定性のある生成物であることができる。本考察において、クリンカーをセメント生成物と呼ぶことができる。セメント生成物を形成するプロセスは、１つの有意な化学変化：ＣａＯおよびＣＯ_２への石灰石の分解を典型的にもたらすことができる。酸化物として出発した他の鉱石は、典型的に化学的に変化しない。いくらかの冷却の後、セメント生成物を石膏などの他の成分と典型的に混合して、そして任意に粉砕して、セメント用途および／またはコンクリートの製造のために適切な最終的な所望の特徴を達成することができる。

【0021】

一般には、カソードのためのインプットとして、セメント製造プロセスからのＣＯ_２を使用することによって、ＣＯ_２の管理のための資源としてＭＣＦＣを使用することができる。従来のセメント製造によって排出されるＣＯ_２の量は、典型的に、ＣａＣＯ_３の分解からの少なくとも約５０％、および炭素含有燃料の燃焼をベースとする加熱のための約５０％以下であることができ、この量は潜在的に個々の製造作業の特徴次第で変化する。追加的に、または代わりとして、コンクリートおよびセメント製造は、全体的なプロセスの間、電気および機械的エネルギーを必要とする可能性がある。鉱物産出のための採石場などのローカル資源と典型的に同じ位置に配置されるか、もしくは密接に配置される場合、輸送、粉砕、セメント製造工程と関連する様々な機械プロセスは、大量の電気を消費する可能性がある。これらのエネルギーの必要性は、セメントプラントと集積化されるＭＣＦＣによって発生する電気によって少なくとも部分的に満たすことができる。さらに追加的に、または代わりとして、アノード排出物に関して実行される分離ステップでは水を生じることができ、そしてこの水は、典型的なセメントプラントの水の必要性を軽減および／または満たすために使用することができる。任意に、ＭＣＦＣは、燃料としての水素を提供するために、低燃料利用で作動することができ、そしてこれは燃料燃焼によるＣＯ_２排出をまたさらに追加的に、または代わりとして除去することができるか、または軽減することができる。

【0022】

一態様において、ＭＣＦＣシステムは、生産プラントに動力を供給するためにＭＣＦＣ熱および電気を使用しながら、ＣＯ_２供給源としてのセメント流出物を使用するために、セメント生産プラントと集積化することができる。この第１の構成は、ＣＯ_２の主要供給源を消費することができ、かつ熱および電気需要によるＣＯ_２の第２の供給源のいくつかを軽減することもできる。正味の結果は、炭素捕捉の可能性を有する、より低い炭素排出セメント製造プロセスであることができる。

【0023】

追加的または代わりの構成において、ＭＣＦＣインレット流（又は入口流）の全てなどのＭＣＦＣインレット流の１つ以上を予熱するために、減少された量の追加的な燃料が必要とされるか、または追加的な燃料が必要とされないように、ＭＣＦＣシステムは、セメント製造作業と熱集積化することができる。例えば、窯からのいくらかのＣＯ_２含有流出物と、十分な酸素を提供するための追加的な（冷）酸化剤（空気）とを含んでなってもよいカソードインレットは、窯アウトプットとの熱交換によって約５００℃〜約７００℃の典型的なカソードインレット温度まで完全に予熱することができる。追加的に、または代わりとして、典型的に石炭を燃焼させることによって提供される窯のための熱は、その代わりに、ＭＣＦＣシステムからのアノード排出流出物を燃焼させることによって、部分的に、または完全に提供することができ、これは、石炭より低い炭素強度の供給源から誘導される場合、全体的なＣＯ_２排出を低下させることができる。

【0024】

別の追加的または代わりの構成において、ＭＣＦＣシステムは、全体的なプラント炭素排出の実質的な大部分を回避するように構成することができる。この構成において、ＭＣＦＣシステムアノードアウトレットは、典型的にＣＯ_２、ＣＯ、Ｈ_２および水を含有する流れであって、これは、分離／捕捉のためにＣＯ_２を分離するため、同一または異なる分離プロセスにおいて水を除去するため、および／または水性ガスシフトガスを「シフトして」、水素が高度に濃縮された流れを生じるために設計された一連のプロセスを受けることができる。次いで、この水素流を窯の加熱インプット（燃焼時）として使用して、減少されたか、または最小化された炭素排出を生じることができる。任意に、燃料価を含有するいずれのオフガスも、アノードにリサイクルすることができる（例えば、オフガスを含有するＣＯ）。さらに追加的に、または代わりとして、アノード排出物からの水は、粉砕、混合またはローカル供給源から得られ得るであろう他のセメントプロセスに使用されるいずれの水を補うためにも使用することができる。セメント、コンクリートおよび／または採石場作業の少なくとも部分的または全体に必要とされる電気は、ＭＣＦＣによってその場で提供されることができる。これは、送電損を低下させることができるか、または最小化することができ、また電気配管網を経由して電気を提供するために使用される燃料からの相当するＣＯ_２排出を低下させることができる。次いで、全体的なプロセスは、従来の鉱業および製造作業と比較して、より高い全体的な熱効率で作動しながら、実質的に低下することが可能である「ライフサイクル」ＣＯ_２排出を示すことができる。

【0025】

これらの構成において、アノードへのインレットの燃料は、任意に、いくらかの軽燃料成分を含有するオフガスおよび／または他の廃棄流とともに、および／または水性ガスシフト成分とともに、天然ガス、メタンおよび／または他の軽炭化水素の供給源によって典型的に提供されることができる。アノードへの燃料は、容認できる量で窒素などの他の不活性ガスを含有してもよいが、好ましくは酸素の実質的な量を含有せず、例えば、故意に添加された酸素を含有しない。アノードインレットは、追加的に、または代わりとして、これらの材料が最初に改質可能燃料に変換される場合、石炭を含む他の炭化水素材料を含んでもよく、かつ／またはそれから誘導されてもよい。これらの変換のために、そして任意にアノードインレットを予熱するために必要とされる少なくとも一部分の熱（おそらく全ての熱）は、窯排出ガスまたは生成物との接触からの熱交換によって有利に提供することができる。熱交換は直接であることが可能であり、および／または蒸気などの熱伝達媒体を通して間接的であることが可能である。そのような熱交換プロセスのための水（蒸気）、および／またはセメント製造と関連する他のプロセスに使用される水は、アノード排出物流からの分離の後にアノード化学および電気化学反応によって生じた水を使用して少なくとも部分的に提供することができる。

【0026】

カソードインレット流は、ＣＯ_２が豊富であることが可能な窯排出物から少なくとも部分的に誘導することができる。この流れは、ＭＣＦＣへの導入のために適切ではない、ほこり、泥、鉱物および／または他の固体物質を含有してもよい。そのような不適当な物質は、例えば、フィルターによって除去することができる。追加的に、または代わりとして、典型的に、セメントプラントは、窯からの粒状排出を低下、最小化および／または実質的に排除するためのシステムを含有することができ、そして同様のシステムは、ＭＣＦＣと集積化されるシステムで利用することができる。窯排出物および／または窯排出物の少なくとも一部分を含有するカソードインレット流は、カソードに対して無害ないくらかの残留ガスを含有してもよい。そのような残留ガスの例には、窒素、酸素および／または他の空気成分、ならびに容認できる濃度（例えば、不純物汚染物質次第で、約１００ｖｐｐｍ未満、または約５０ｖｐｐｍ未満、または約２５ｖｐｐｍ未満）で存在する場合、酸化窒素などの任意の少量の不純物汚染物質が含まれることができる。カソードは、十分な酸素濃度を得るために、新たな空気の使用を追加的に、または代わりとして必要とすることができる。好ましくは、カソードアウトレットの酸素濃度は、少なくともカソードアウトレットにおけるＣＯ_２濃度であることができるが、ＣＯ_２濃度の少なくとも約半分の酸素濃度が容認可能である。任意に、カソードインレットの酸素濃度は、少なくともカソードインレットにおけるＣＯ_２濃度であることができる。多くのＭＣＦＣシステムにおいて、カソードインレット流を加熱するために、いくらかの燃料を燃焼させることが必要となる可能性がある。しかしながら、上記の構成に関して、窯ガスの排出物および／または固体生成物との熱交換によって、カソードインレット流の１つ以上を加熱するために必要とされる熱の少なくとも一部分、または熱の実質的に全てを提供することができる。これは、カソードインレット流に追加的な熱を提供するための燃料の燃焼の必要性を低下、最小化、またはおそらく排除することができる。

【0027】

アノードアウトレット流は、ほとんどの従来の発電ＭＣＦＣシステムにおいて、ＣＯ_２および熱を提供するために、カソードに典型的に部分的に、または完全にリサイクルすることができる。本発明によるこれらの構成において、このアノード排出物は、それらの目的のために必要とされず、その代わりに、任意に、しかし好ましくは、熱を窯に提供するためなどの別の目的のために使用される。有利には、アノード排出物が、シフトおよび／または分離ステップとともに、あるいはそれらがなく使用される場合、作動温度まで窯を昇温するために必要な熱の少なくとも一部分（または全て）を提供することができるように、ＭＣＦＣは減少された燃料利用で作動することができる。有利には、全電力アウトプットが、直接的なセメント製造、ならびに関連するコンクリート、採石場および他の作動を含み得るローカル動力の必要性の少なくとも一部分（または全て）に十分であることが可能であるように、条件を追加的に、または代わりとして選択することができる。燃料利用を変化することによって、システムが両方の必要条件を満たすことができるようにＭＣＦＣシステムを設計することができ、そして燃料利用、槽電圧および電流、ならびに／または他のパラメーターを調節することによって、それらの必要条件の可変性に対応することができる。

【0028】

カソードインレット流と比較して減少されたＣＯ_２およびＯ_２濃度を典型的に含んでなるカソード排出物流は、窒素などの不活性（空気）成分とともに、典型的に雰囲気に排出されることができるが、代わりとして排出前に１つ以上の後処置に最初に暴露されることができる。

【0029】

図４は、より低いＣＯ_２排出セメントを生じるために、セメント製造プラントと集積化されたＭＣＦＣシステムの実施例を示す。セメントプラントの２つの最大ＣＯ_２供給源は、典型的に、ロータリー式窯などの窯の加熱のための化石燃料の燃焼、および窯におけるＣａＣＯ_３からＣａＯへの分解からである。図４に示される構成において、集積化されたプロセスは、その代わりに、窯においてＭＣＦＣから生じるＨ_２を燃焼させることができる。分解ＣＯ_２オフガスを、カソード供給として、追加的に、または代わりとして使用することができる。

【0030】

図４に示される構成において、メタン４０１および蒸気４０２のガスフローを、ＭＣＦＣ４２０のアノードに供給することができる。Ｈ_２、ＣＯ、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏの混合物を含んでなることができるアノード排出物４０３は、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）４２２で冷却することができ、そして水性ガスシフト反応器（図示せず）でシフトされ、主にＨ_２およびＣＯ_２の混合物４０４が生じる。この場合、流れ４０４を脱水４６０および分離４５０することができ、Ｈ_２含有流４０６およびＣＯ_２含有流４０７となる。流れ４０７を圧縮することができて（そして使用のために販売、および遠位使用のために輸送することができ）、および／または分離設備に送ることができる。流れ４０６は、ロータリー式窯４４０において裸火の燃料として（酸化剤／空気４４１とともに）使用することができる。窯４４０で形成される「クリンカー」生成物を、クリンカー冷却器４７０に通過させることができる。システムにおける他のプロセスに熱を提供するために、さまざまな熱交換を、窯４４０、クリンカー生成物および／またはクリンカー冷却器４７０によって実行することができる。窯４４０において、ＣａＣＯ_３が分解すると、ＣＯ_２が排出することができる。ＣＯ_２を火炎排出ガスと組み合わせて、窯オフガス４０８として窯４４０の上部から排出させることができる。窯オフガス４０８をクリーン化および／または脱水４３０して、水および／または不純物流４０９ならびにＣＯ_２含有流４１０を形成することができ、これをＭＣＦＣ４２０のカソードの前に戻すことができる。流れ４１０を空気４１１および任意にカソード排出物４１２の一部分と混合することができ、カソードへのＣＯ_２供給需要を満たすことを補助することができる。ＣＯ_２が欠乏したカソード排出物は、任意にリサイクルされるフラクション４１２およびＨＲＳＧに送られる別のフラクション４２４によって分離することができ、そして雰囲気４１３に排出される（さらなる加工のために送られない場合、図示されない）。

【0031】

ロータリー式窯からの熱必要条件およびＣＯ_２生成の一例として、値はＥｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｃｅｍｅｎｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ（Ｃｈｏａｔｅ，Ｗｉｌｌｉａｍ Ｔ．Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｃｅｍｅｎｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００３）から採用された。これらの代表的な値をベースとして、ロータリー式窯においてクリンカーを約３００トン／時間で処理できるような大きさで集積化されたプロセスの実施例のための計算が実行された。図４と同様の構成のための質量およびエネルギーバランス計算をベースとするフロー値を図５の表に示す。図５において、それぞれの欄の上部の数は、図４の構成からの相当する要素を示す。全てのＭＣＦＣインレット流を作動温度まで予熱するために図４に示されるクリンカー冷却器４７０の大きい熱量を使用することができることを示すために、計算を使用することができる。窯のためのＨ_２燃料に加えて、ＭＣＦＣは約１７６ＭＷの動力を生じることもでき、これを窯供給のための原材料の粉砕など他のエネルギー消費型プロセスに使用することができる。表Ａは、図５に示される計算をベースとして算出された追加的な発電および減少されたＣＯ_２排出の概要を示す。表Ａに示すように、ロータリー式窯のための代表的な値を使用する図４と同様の構成のための計算は、セメントプロセスとのＭＣＦＣの集積化によって、ＣＯ_２排出を約９０％減少させながら、追加的な電力を提供することができることを示す。

【0032】

【表1】

【0033】

上記したように、典型的なセメントプロセスからのＣＯ_２排出の約半分は、熱を窯に提供するための燃料の燃焼による。そのような燃焼プロセスは、通常、酸素の供給源を提供するために空気を使用し、一部では、空気中に存在する大量のＮ_２のため、ＣＯ_２濃度が比較的希薄である燃焼からのオフガスが生じる。希薄なＣＯ_２（例えば１０体積％以下のＣＯ_２）を含有する流れからＣＯ_２を分離するための従来の選択肢は、モノエタノールアミンをベースとするアミン洗浄などのアミン洗浄の使用である。比較のために、希薄なＣＯ_２流（例えば約１０体積％以下のＣＯ_２を有する流れ）からのＣＯ_２の捕捉のためにモノエタノールアミン（ＭＥＡ）をベースとするアミン洗浄を使用するための典型的な予想されるエネルギー費用は、約３ＧＪ／トンＣＯ_２であることが推定された。この予想されるエネルギー費用をベースとして、ＭＣＦＣを使用する代わりに、ＣＯ_２捕捉のためにアミン洗浄を使用することは、実質的なエネルギー費用も負いながら、ＭＣＦＣによって発生する追加的な電気エネルギーを排除することができる。

【0034】

追加的な燃料電池作動戦略
本明細書に記載される燃料電池作動戦略の追加、補足、および／または代替として、燃料電池のために所望の熱比率を達成するために、酸化の量と比較して改質の量を選択することができるように、溶融炭酸塩形燃料電池を作動させることができる。本明細書で使用される場合、「熱比率」は、燃料電池アセンブリで生じる改質反応の吸熱性熱需要で割られた燃料電池アセンブリでの発熱性反応によって発生した熱として定義される。数学的に表すと、熱比率（ＴＨ）＝Ｑ_ＥＸ／Ｑ_ＥＮであり、Ｑ_ＥＸは発熱性反応によって発生する熱の合計であり、そしてＱ_ＥＮは、燃料電池内で生じる吸熱性反応によって消費される熱の合計である。なお、発熱性反応によって発生する熱は、改質反応、水性ガスシフト反応および電池内での電気化学反応によるいずれかの熱に相当する。電気化学反応によって発生する熱は、燃料電池の実際の出力電圧を差し引いた、電解質全体での燃料電池反応の理想電気化学ポテンシャルをベースとして算出することができる。例えば、ＭＣＦＣの反応の理想電気化学ポテンシャルは、電池で生じる正味の反応をベースとし、約１．０４Ｖであると考えられている。ＭＣＦＣの作動の間、電池は様々な損失のため、１．０４Ｖ未満の出力電圧を典型的に有する。例えば、共通の出力／作動電圧は、約０．７Ｖであることができる。発生する熱は、電池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い。例えば、電池において電気化学反応によって発生する熱は、約０．７Ｖの出力電圧の場合、約０．３４Ｖである。したがって、このシナリオで、電気化学反応は、約０．７Ｖの電気および約０．３４Ｖの熱エネルギーを生じる。そのような実施例において、約０．７Ｖの電気エネルギーは、Ｑ_ＥＸの一部として含まれない。言い換えると、熱エネルギーは電気エネルギーではない。

【0035】

様々な態様において、熱比率は、燃料電池積層、燃料電池積層内の個々の燃料電池、集積化された改質段階を有する燃料電池積層、集積化された吸熱性反応段階を有する燃料電池積層、またはそれらの組み合わせなどのいずれの都合のよい燃料電池構造のためにでも決定することができる。熱比率は、燃料電池または燃料電池積層のアセンブリなどの燃料電池積層内で、異なるユニットに関して算出されてもよい。例えば、熱比率は、単一燃料電池内の単一アノード、燃料電池積層内のアノード部分、あるいは熱集積化の観点から集積化されるアノード部分に十分に近い、集積化された改質段階および／または集積化された吸熱性反応段階要素とともに燃料電池積層内のアノード部分に関して算出されてもよい。本明細書で使用される場合、「アノード部分」は、共通のインレットまたはアウトレットマニホールドを共有する燃料電池積層内でのアノードを含んでなる。

【0036】

本発明の様々な態様において、燃料電池の作動は、熱比率をベースとして特徴づけることができる。燃料電池が所望の熱比率を有するように作動される場合、溶融炭酸塩形燃料電池は、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以下の熱比率を有するように作動させることができる。追加的に、または代わりとして、熱比率が、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。追加的に、または、代わりとして、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℃以下のアノードインプットとアノードアウトプットとの間での温度上昇を有するように作動させることができる。さらに追加的に、または代わりとして、燃料電池は、アノードインレットの温度より約１０℃低温から約１０℃高温までのアノードアウトレット温度を有するように作動させることができる。なおさらに追加的に、または代わりとして、燃料電池は、アノードアウトレット温度より高い、例えば、少なくとも約５℃高いか、または少なくとも約１０℃高いか、または少なくとも約２０℃高いか、または少なくとも約２５℃高いアノードアウトレット温度を有するように作動させることができる。なおさらに追加的に、または代わりとして、燃料電池は、アノードアウトレット温度より約１００℃以下まで、例えば、約８０℃以下まで、または約６０℃以下まで、または約５０℃以下まで、または約４０℃以下まで、または約３０℃以下まで、または約２０℃以下まで高いアノードアウトレット温度を有するように作動させることができる。

【0037】

本明細書に記載される燃料電池作動戦略の追加、補足、および／または代替として、カソード排出流において燃料電池を出るＣＯ_２の量を減少または最小化させながらも、合成ガス（または水素）の生成を増加させて、溶融炭酸塩形燃料電池（例えば、燃料電池アセンブリ）を作動させることができる。合成ガスは、様々なプロセスの間の有用なインプットであることができる。燃料価を有することに加えて、例えば、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ためのインプットとして合成ガスを使用することにより、他のより高い値の生成物を形成するための原材料として、合成ガスを使用することができる。合成ガスを製造するための１つの選択肢は、炭化水素または炭化水素様燃料、例えば、メタンまたは天然ガスを改質することであることが可能である。工業プロセスの多くの種類に関して、２：１に近い（またはより低い）Ｈ_２対ＣＯの比率を有する合成ガスは、しばしば望ましくなることが可能である。水性ガスシフト反応は、アノードで生じるものなどの追加的なＣＯ_２が利用可能である場合、合成ガス中のＨ_２対ＣＯの比率を低下させるために使用されることができる。

【0038】

溶融炭酸塩形燃料電池を使用して合成ガス発生を集積化することによって提供される全体的な利点を特徴づけることの１つの方法は、カソード排出物中で燃料電池から出るＣＯ_２の量に関する、アノード排出物中で燃料電池から出る合成ガスの正味の量の比率をベースとすることができる。この特徴は、低排出および高効率（電気および化学の両方）を有する動力発生の有効性を測定する。本記載において、アノードインレットにおいて存在するＨ_２およびＣＯの量が差し引かれた、アノード排出物中の合成ガスの正味の量は、アノード排出物において存在する組み合わせられたＨ_２のモル数およびＣＯのモル数として定義される。比率はアノード排出物における合成ガスの正味の量をベースとするため、単なるアノード中への過剰量のＨ_２の通過では比率の値は変化しない。しかしながら、アノードおよび／またはアノードと関連する内部改質段階における改質によって発生するＨ_２および／またはＣＯは、比率のより高い値を導くことができる。アノードで酸化される水素は、比率を下げることができる。なお、水性ガスシフト反応は、ＣＯに関してＨ_２を交換することができるため、合成ガス中のＨ_２対ＣＯの最終的な所望の比率に関係なく、Ｈ_２およびＣＯの組み合わせられたモルは、アノード排出物における全体の潜在的合成ガスを表す。次いで、アノード排出物（Ｈ_２＋ＣＯ）の合成ガス含有量を、カソード排出物のＣＯ_２含有量と比較することができる。これによって、炭素捕捉の量を説明することができる一種の効率価値を提供することができる。これは、以下の等式と同等に表されることができる。
アノード排出物中の正味の合成ガス対カソードＣＯ_２の比率＝（Ｈ_２＋ＣＯ）_{ＡＮＯＤＥ}の正味のモル／（ＣＯ_２）_{ＣＡＴＨＯＤＥ}のモル

【0039】

様々な態様において、アノード排出物中の正味の合成ガスのモル対カソード排出物中のＣＯ_２のモルの比率は、少なくとも約２．０、例えば、少なくとも約３．０、または少なくとも約４．０、または少なくとも約５．０であることができる。いくつかの態様において、アノード排出物中の正味の合成ガス対カソード排出物中のＣＯ_２の量の比率は、なお高く、例えば、少なくとも約１０．０、または少なくとも約１５．０、または少なくとも約２０．０であることができる。約４０．０以下、例えば約３０．０以下、または約２０．０以下の比率値を、追加的に、または代わりとして達成することができる。カソードインレットにおけるＣＯ_２の量が約６．０体積％以下、例えば、約５．０体積％以下である態様において、少なくとも約１．５の比率値は十分／現実的であり得る。アノード排出物中の正味の合成ガス対カソード排出物中のＣＯ_２の量のそのようなモル比値は、従来の作動された燃料電池に関する値より大きくなることができる。

【0040】

本明細書に記載される燃料電池作動戦略の追加、補足、および／または代替として、高いＣＯ_２利用値、例えば、少なくとも約６０％を有しながらも、減少された燃料利用値、例えば、約５０％以下の燃料利用で、溶融炭酸塩形燃料電池（例えば、燃料電池アセンブリ）を作動させることができる。この種類の構成において、溶融炭酸塩形燃料電池は、ＣＯ_２利用が有利に十分に高いことが可能であるため、炭素捕捉のために有効であることが可能である。電気効率を最大にすることを試みるよりはむしろ、この種類の構成においては、燃料電池の全体の効率を、組み合わせられた電気および化学効率をベースとして改善することができるか、または増加させることができる。化学効率は、他のプロセスで使用されるためのアウトプットとしてのアノード排出物から水素および／または合成ガス流を引き抜くことをベースとすることができる。電気効率が、いくつかの従来の構成と比較して低下し得るとしても、アノード排出物における化学エネルギーアウトプットを利用することは、燃料電池に関して望ましい全体効率を可能にすることができる。

【0041】

様々な態様において、燃料電池アノードにおける燃料利用は、約５０％以下、例えば、約４０％以下、または約３０％以下、または約２５％以下、または約２０％以下であることができる。様々な態様において、少なくともいくらかの電力を発生させるため、燃料電池における燃料利用は、少なくとも約５％、例えば、少なくとも約１０％、または少なくとも約１５％、または少なくとも約２０％、または少なくとも約２５％、または少なくとも約３０％であることができる。追加的に、または代わりに、ＣＯ_２利用は、少なくとも約６０％、例えば、少なくとも約６５％、または少なくとも約７０％、または少なくとも約７５％であることができる。

【0042】

本明細書に記載される燃料電池作動戦略の追加、補足、および／または代替として、おそらく電気生成および電気効率を損失して、合成ガス生成を増加させるか、または最大にする条件で溶融炭酸塩形燃料電池を作動させることができる。燃料電池の電気効率を改善するか、または最大にするために燃料電池の作動条件を選択する代わりに、おそらくアノードに通過される改質可能燃料の量を含む動作条件を、燃料電池の化学エネルギーアウトプットを増加させるために確立することができる。これらの作動条件は、燃料電池のより低い電気効率をもたらす可能性がある。電気効率の低下にもかかわらず、任意ではあるが、好ましくは、作動条件は、燃料電池の組み合わせられた電気効率および化学効率をベースとして、燃料電池の全効率の増加を導くことができる。アノード中に導入される改質可能燃料対実際にアノードにおいて電気化学的に酸化される燃料の比率を増加させることによって、アノードアウトプットにおける化学エネルギー含有量を増加させることができる。

【0043】

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段階に送達されるインプット流中の改質可能燃料の改質可能水素含有量は、アノードにおいて反応する水素の正味の量より少なくとも約５０％多く、例えば、少なくとも約７５％多く、または少なくとも約１００％多くなることができる。追加的に、または代わりとして、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達されるインプット流中の燃料の改質可能水素含有量は、アノードにおいて反応する水素の正味の量より少なくとも約５０％多く、例えば、少なくとも約７５％多く、または少なくとも約１００％多くなることができる。様々な態様において、燃料流中の改質可能燃料の改質可能水素含有量対アノードにおいて反応する水素の量の比率は、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、または代わりとして、燃料流中の改質可能燃料の改質可能水素含有量対アノードにおいて反応する水素の量の比率は、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、アノードインレット流の改質可能水素含有量の１００％未満を水素に変換することができると考えられる。例えば、アノードインレット流の改質可能水素含有量の少なくとも約８０％、例えば、少なくとも約８５％、または少なくとも約９０％を、アノードおよび／または関連する改質段階で水素に変換することができる。追加的に、または代わりとして、アノードに送達される改質可能燃料の量は、アノードで酸化された水素のＬＨＶと比較して、改質可能燃料の低位発熱量（ＬＨＶ）をベースとして特徴づけることができる。これを、改質可能燃料過剰比率と呼ぶことができる。様々な態様において、改質可能燃料過剰比率は、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。追加的に、または代わりとして、改質可能燃料過剰比率は、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。

【0044】

本明細書に記載される燃料電池作動戦略の追加、補足、および／または代替として、燃料電池の組み合わせられた電気効率および化学効率を改善することができるか、または最適化することができる条件でも溶融炭酸塩形燃料電池（例えば、燃料電池アセンブリ）を作動させることができる。燃料電池の電気効率を最大にするための従来の条件を選択する代わりに、作動条件は、燃料電池のアノード排出物における過剰量の合成ガスおよび／または水素のアウトプットを可能にすることができる。合成ガスおよび／または水素は、化学合成プロセスおよび「クリーン」燃料として使用するための水素の収集（又は回収）を含む様々な用途で使用することができる。本発明の態様において、燃料電池のための燃料インプットのエネルギー値と比較して、生成される合成ガスおよび／または水素の化学エネルギー値をベースとする化学効率を含む高い全体効率を達成するために、電気効率を低下させることができる。

【0045】

いくつかの態様において、燃料電池の作動は、電気効率をベースとして特徴づけることができる。燃料電池を低い電気効率（ＥＥ）を有するように作動させる場合、溶融炭酸塩形燃料電池を、約４０％以下の電気効率、例えば、約３５％以下のＥＥ、約３０％以下のＥＥ、約２５％以下のＥＥ、または約２０％以下のＥＥ、約１５％以下のＥＥ、または約１０％以下のＥＥを有するように作動させることができる。追加的に、または代わりとして、ＥＥは、少なくとも約５％、または少なくとも約１０％、または少なくとも約１５％、または少なくとも約２０％であることができる。さらに追加的に、または代わりとして、燃料電池の作動は、燃料電池の組み合わせられた電気効率および化学効率などの全燃料電池効率（ＴＦＣＥ）をベースとして特徴づけることができる。燃料電池を高い全燃料電池効率を有するように作動させる場合、溶融炭酸塩形燃料電池は、約５５％以上、例えば、約６０％以上、または約６５％以上、または約７０％以上、または約７５％以上、または約８０％以上、または約８５％以上のＴＦＣＥ（および／または組み合わせられた電気効率および化学効率）を有するように作動させることができる。なお、全体燃料電池効率ならびに／または組み合わせられた電気効率および化学効率に関して、燃料電池によって発生する過剰量の熱の使用から発生するいずれの追加的な電気も効率計算から排除することができる。

【0046】

本発明の様々な態様において、燃料電池の作動は、約４０％以下の所望の電気効率および約５５％以上の所望の全体燃料電池効率をベースとして特徴づけることができる。燃料電池が、所望の電気効率および所望の全体燃料電池効率を有するように作動される場合、溶融炭酸塩形燃料電池は、約５５％以上のＴＦＣＥとともに約４０％以下の電気効率、例えば、６０％以上のＴＦＣＥとともに約３５％以下のＥＥ、約６５％以上のＴＦＣＥとともに約３０％以下のＥＥ、約７０％以上のＴＦＣＥとともに約２５％以下のＥＥ、あるいは７５％以上のＴＦＣＥとともに約２０％以下のＥＥ、８０％以上のＴＦＣＥとともに約１５％以下のＥＥ、あるいは約８５％以上のＴＦＣＥとともに約１０％以下のＥＥを有するように作動されることができる。

【0047】

本明細書に記載される燃料電池作動戦略の追加、補足、および／または代替として、増加した電力密度を提供することができる条件で溶融炭酸塩形燃料電池（例えば、燃料電池アセンブリ）を作動させることができる。燃料電池の電力密度は、実際の作動電圧Ｖ_Ａに電流密度Ｉを乗算した値に相当する。電圧Ｖ_Ａで作動される溶融炭酸塩燃料電池に関して、燃料電池は、電流密度Ｉを提供する燃料電池に関するＶ_Ａと理想電圧Ｖ_０との間の差異をベースとして（Ｖ_０−Ｖ_Ａ）^＊Ｉとして定義される廃熱も発生させる傾向があることができる。この廃熱の一部分は、燃料電池のアノード内での改質可能燃料の改質によって消費されることができる。この廃熱の残りの部分は、包囲する燃料電池構造およびガスフローによって吸収されることができ、燃料電池全体で温度差がもたらされる。従来の作動条件で、燃料電池の電力密度は、燃料電池が燃料電池の完全性を悪化させることなく耐えることができる廃熱の量をベースとして、制限される可能性がある。

【0048】

様々な態様において、燃料電池が耐えることができる廃熱の量は、燃料電池内で吸熱性反応の有効な量を実行することによって増加させることができる。吸熱性反応の一例には、燃料電池アノード内および／または関連する改質段階、例えば、燃料電池積層における集積化された改質段階において改質可能燃料の蒸気改質が含まれる。追加的な改質可能燃料を燃料電池のアノード（または集積化された／関連する改質段階）に提供することによって、追加的な廃熱を消費することができるように、追加的な改質を実行することができる。これによって、燃料電池全体での温度差の量を低下させることができ、したがって、廃熱の量を増加させた作動条件で燃料電池を作動させることが可能となる。電気効率の損失は、合成ガスおよび／またはＨ_２などの追加的な生成物流の生成によって相殺されることが可能であり、これを、システムの動力範囲をさらに延在させる追加的な発電を含む様々な目的のために使用することができる。

【0049】

様々な態様において、燃料電池によって発生する廃熱の量、上記で定義された（Ｖ_０−Ｖ_Ａ）^＊Ｉは、少なくとも約３０ｍＷ／ｃｍ^２、例えば、少なくとも約４０ｍＷ／ｃｍ^２、または少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ^２、または少なくとも約６０ｍＷ／ｃｍ^２、または少なくとも約７０ｍＷ／ｃｍ^２、または少なくとも約８０ｍＷ／ｃｍ^２、または少なくとも約１００ｍＷ／ｃｍ^２、または少なくとも約１２０ｍＷ／ｃｍ^２、または少なくとも約１４０ｍＷ／ｃｍ^２、または少なくとも約１６０ｍＷ／ｃｍ^２、または少なくとも約１８０ｍＷ／ｃｍ^２であることができる。追加的に、または代わりとして、燃料電池によって発生する廃熱の量は、約２５０ｍＷ／ｃｍ^２未満、例えば、約２００ｍＷ／ｃｍ^２未満、または約１８０ｍＷ／ｃｍ^２未満、または約１６５ｍＷ／ｃｍ^２未満、または約１５０ｍＷ／ｃｍ^２未満であることができる。

【0050】

発生する廃熱の量が比較的高くなることができるが、そのような廃熱が、低い効率で燃料電池を作動することを必ずしも表し得るというわけではない。その代わりに、廃熱は、増加した電力密度で燃料電池を作動することによって発生することができる。燃料電池の電力密度を改善することの一部分は、十分に高い電流密度で燃料電池を作動することを含むことができる。様々な態様において、燃料電池によって発生する電流密度は、少なくとも約１５０ｍＡ／ｃｍ^２、例えば、少なくとも約１６０ｍＡ／ｃｍ^２、または少なくとも約１７０ｍＡ／ｃｍ^２、または少なくとも約１８０ｍＡ／ｃｍ^２、または少なくとも約１９０ｍＡ／ｃｍ^２、または少なくとも約２００ｍＡ／ｃｍ^２、または少なくとも約２２５ｍＡ／ｃｍ^２、または少なくとも約２５０ｍＡ／ｃｍ^２であることができる。追加的に、または代わりとして、燃料電池によって発生する電流密度は、約５００ｍＡ／ｃｍ^２以下、例えば４５０ｍＡ／ｃｍ^２以下、または４００ｍＡ／ｃｍ^２以下、または３５０ｍＡ／ｃｍ^２以下、または３００ｍＡ／ｃｍ^２以下であることができる。

【0051】

様々な態様において、発電を増加させ、廃熱の発生を増加させて、燃料電池を作動させることを可能にするために、吸熱性反応（例えば、改質反応）の有効な量を実行することができる。あるいは、アノード作動とは無関係な他の吸熱性反応を使用して、流体連絡ではなく熱連絡にある燃料電池配列に「プレート」または段階を散在させることによって、廃熱を利用することができる。吸熱性反応の有効な量は、吸熱性反応を実行するための関連する改質段階、集積化された改質段階、集積化された積層要素、またはそれらの組み合わせにおいて実行することができる。吸熱性反応の有効な量は、燃料電池インレットから燃料電池アウトレットへの温度上昇を、約１００℃以下、例えば、約９０℃以下、または約８０℃以下、または約７０℃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℃以下まで低下させるために十分な量に相当することができる。追加的に、または代わりとして、吸熱性反応の有効な量は、約１００℃以下、例えば、約９０℃以下、または約８０℃以下、または約７０℃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、または約１０℃以下の燃料電池インレットから燃料電池アウトレットまでの温度減少を生じるのに十分な量に相当することができる。燃料電池インレットから燃料電池アウトレットへの温度減少は、吸熱性反応の有効な量が、発生する廃熱より多い場合に生じることができる。追加的に、または代わりとして、これは、吸熱性反応（例えば、改質および別の吸熱性反応の組み合わせ）が、燃料電池によって発生する廃熱の少なくとも約４０％を消費すること、例えば、廃熱の少なくとも約５０％、または廃熱の少なくとも約６０％、または廃熱の少なくとも約７５％を消費することに相当することができる。さらに追加的に、または代わりとして、吸熱性反応は、約９５％以下の廃熱、例えば、約９０％以下の廃熱、または約８５％以下の廃熱を消費することができる。

【0052】

本明細書に記載される燃料電池作動戦略の追加、補足、および／または代替として、減少された作動電圧および低い燃料利用に相当する条件で溶融炭酸塩形燃料電池（例えば、燃料電池アセンブリ）を作動させることができる。様々な態様において、燃料電池を、約０．７ボルト未満、例えば、約０．６８Ｖ未満、約０．６７Ｖ未満、約０．６６Ｖ未満または約０．６５Ｖ以下の電圧Ｖ_Ａで作動させることができる。追加的に、または代わりに、燃料電池を、少なくとも約０．６０Ｖ、例えば、少なくとも約０．６１Ｖ、少なくとも約０．６２Ｖ、または少なくとも約０．６３Ｖの電圧Ｖ_Ａで作動させることができる。そのような場合、その他の場合には高電圧において電気エネルギーとして燃料電池から出るエネルギーは、電圧が低下されるため、熱として電池に残存することができる。この追加的な熱によって、吸熱性反応の増加が生じることが可能となり、例えば、合成ガスへのＣＨ_４変換を増加させる。

【0053】

定義
合成ガス：本記載において、合成ガスは、いずれかの比率でのＨ_２とＣＯとの混合物として定義される。任意に、Ｈ_２Ｏおよび／またはＣＯ_２が合成ガスに存在してもよい。任意に、不活性化合物（例えば、窒素）および残留する改質可能燃料化合物が合成ガスに存在してもよい。Ｈ_２およびＣＯ以外の成分が合成ガスに存在する場合、合成ガス中のＨ_２およびＣＯの組み合わせられた体積パーセントは、合成ガスの全体積と比較して、少なくとも２５体積％、例えば、少なくとも４０体積％、または少なくとも５０体積％、または少なくとも６０体積％であることができる。追加的に、または代わりとして、合成ガス中のＨ_２およびＣＯの組み合わせられた体積パーセントは、１００体積％以下、例えば、９５体積％以下、または９０体積％以下であることができる。

【0054】

改質可能燃料：改質可能燃料は、Ｈ_２を発生させるために改質可能炭素−水素結合を含有する燃料として定義される。アルコールなどの他の炭化水素化合物のように、炭化水素は改質可能燃料の例である。ＣＯおよびＨ_２Ｏは、水素を形成するための水性ガスシフト反応に関与することができるが、ＣＯはこの定義での改質可能燃料とは考えられない。

【0055】

改質可能水素含有量：燃料の改質可能水素含有量は、燃料を改質して、次いで、Ｈ_２生成を最大にするために水性ガスシフト反応を完了させることによって、燃料から誘導することができるＨ_２分子の数として定義される。なお、本明細書においては、Ｈ_２自体は改質可能燃料として定義されないが、定義によるＨ_２は１の改質可能水素含有量を有する。同様に、ＣＯは１の改質可能水素含有量を有する。ＣＯは厳密には改質可能ではないが、水性ガスシフト反応を完了させることによって、Ｈ_２に対するＣＯの交換がもたらされる。改質可能燃料に関する改質可能水素含有量の例として、メタンの改質可能水素含有量は４Ｈ_２分子であり、エタンの改質可能水素含有量は７Ｈ_２分子である。より一般に、燃料が組成ＣｘＨｙＯｚを有する場合、１００％の改質および水性ガスシフトにおける燃料の改質可能水素含有量は、ｎ（Ｈ_２最大改質）＝２ｘ＋ｙ／２−ｚである。この定義をベースとして、電池内の燃料利用は、次いで、ｎ（Ｈ_２ｏｘ）／ｎ（Ｈ_２最大改質）として表することができる。もちろん、成分の混合物の改質可能水素含有量は、個々の成分の改質可能水素含有量をベースとして決定することができる。酸素、硫黄または窒素などの他のヘテロ原子を含有する化合物の改質可能水素含有量も同様の方法で算出することができる。

【0056】

酸化反応：本考察において、燃料電池のアノード内の酸化反応は、ＣＯ_３^２−との反応によってＨ_２ＯおよびＣＯ_２を形成する、Ｈ_２の酸化に相当する反応として定義される。なお、炭素−水素結合を含有する化合物が、Ｈ_２およびＣＯまたはＣＯ_２へと変換されるアノード内での改質反応は、アノードにおける酸化反応のこの定義から排除される。水性ガスシフト反応は、酸化反応のこの定義の他は同様である。さらになお、燃焼反応への参照は、燃焼発電機の燃焼領域などの非電気化学的バーナーにおいて、Ｈ_２または炭素−水素結合を含有する化合物がＯ_２と反応して、Ｈ_２Ｏおよび酸化炭素を形成する反応への参照として定義される。

【0057】

本発明の態様は、燃料電池のための所望の作動範囲を達成するために、アノード燃料パラメーターを調節することができる。アノード燃料パラメーターは、直接、および／または１つ以上の比率の形態で他の燃料電池プロセスに関して、特徴づけることができる。例えば、アノード燃料パラメーターは、燃料利用、燃料電池発熱量利用、燃料過剰比率、改質可能燃料過剰比率、改質可能水素含有量燃料比率、およびそれらの組み合わせを含む１つ以上の比率を達成するために、制御することができる。

【0058】

燃料利用：燃料利用は、燃料電池に関する燃料利用を定義するために使用することができるインプット流の改質可能水素含有量と比較して、酸化された燃料の量をベースとするアノードの作動を特徴づけるための選択である。本考察において、「燃料利用」は、（上記の通り）電気の発生のためにアノードで酸化された水素の量と、アノードインプットの改質可能水素含有量（いずれかの関連する改質段階も含む）との比率として定義される。改質可能水素含有量は、上記の通り、燃料を改質して、次いで、Ｈ_２生成を最大にするために水性ガスシフト反応を完了させることによって、燃料から誘導することができるＨ_２分子の数として定義される。例えば、アノードに導入され、そして蒸気改質条件に暴露されるそれぞれのメタンによって、最大生成で４Ｈ_２分子当量の発生をもたらされる（改質および／またはアノード条件次第で、改質生成物は、その代わりにＨ_２分子の１つ以上がＣＯ分子の形態で存在する非水性ガスシフト生成物に相当することが可能である）。したがって、メタンは、４Ｈ_２分子の改質可能水素含有量を有するものとして定義される。他の例として、この定義において、エタンは７Ｈ_２分子の改質可能水素含有量を有する。

【0059】

アノードにおける燃料の利用は、アノードおよび／またはアノードと関連する改質段階まで送達される全ての燃料の低位発熱量と比較して、燃料電池アノード反応によってアノードで酸化された水素の低位発熱量の比率をベースとする発熱量利用を定義することによっても特徴づけることができる。本明細書において使用される場合、「燃料電池発熱量利用」は、燃料電池アノードに出入りする燃料成分のフローレートおよび低位発熱量（ＬＨＶ）を使用して計算することができる。そのようなものとして、（ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）−ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｏｕｔ））／ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）として燃料電池発熱量利用を計算することができる。式中、ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）およびＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｏｕｔ）は、それぞれ、アノードインレットおよびアウトレット流またはフローにおける燃料成分（例えば、Ｈ_２、ＣＨ_４および／またはＣＯ）のＬＨＶを指す。この定義において、流れまたはフローのＬＨＶは、インプットおよび／またはアウトプット流の各燃料成分の値の合計として計算されてもよい。合計に対する各燃料成分の寄与は、燃料成分のＬＨＶ（例えば、ジュール／モル）を乗算した燃料成分のフローレート（例えば、モル／時間）に相当することができる。

【0060】

低位発熱量：低位発熱量は、気相の完全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）への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、アノードインプット流に存在するいずれのＣＯ_２も、ＣＯ_２はすでに完全に酸化されるため、アノードインプットの燃料含有量に寄付しない。この定義に関して、アノード燃料電池反応によってアノードにおいて生じる酸化の量は、上記で定義されるように、アノードの電気化学的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。

【0061】

なお、アノードインプットフローにおける唯一の燃料がＨ_２である特別な場合に関して、アノードにおいて生じることができる燃料成分が関与する唯一の反応は、Ｈ_２からＨ_２Ｏへの変換を表す。このような特別な場合、燃料利用は、（Ｈ_２−レート−イン（ｒａｔｅ−ｉｎ）−Ｈ_２−レート−アウト（ｒａｔｅ−ｏｕｔ））／Ｈ_２−レート−インとして単純化される。そのような場合、Ｈ_２は唯一の燃料成分であり、そしてＨ_２のＬＨＶは方程式から相殺される。より一般的な場合では、アノード供給は、例えば、様々な量でＣＨ_４、Ｈ_２およびＣＯを含有してもよい。これらの種がアノードアウトレットにおいて異なる量で典型的に存在することができるため、要約は上記の通り、燃料利用を決定するために必要である。

【0062】

燃料利用の他に、または加えて、燃料電池内の他の反応物の利用を特徴づけることができる。例えば、燃料電池の作動は、追加的に、または代わりとして、「ＣＯ_２利用」および／または「酸化剤」利用に関して特徴づけることができる。ＣＯ_２利用および／または酸化剤利用のための値は、同様の方法で明示することができる。

【0063】

燃料過剰比率：溶融炭酸塩形燃料電池における反応を特徴づけるさらに別の方法は、燃料電池アノード反応によってアノードにおいて酸化された水素の低位発熱量と比較して、アノードおよび／またはアノードと関連する改質段階まで送達される全ての燃料の低位発熱量の比率をベースとする利用を定義することによる。この量は、燃料過剰比率と呼ばれる。そのようなものとして、燃料過剰比率を、（ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）／（ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）−ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｏｕｔ））として計算することができる。式中、ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）およびＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｏｕｔ）は、それぞれ、アノードインレットおよびアウトレット流またはフローにおける燃料成分（例えば、Ｈ_２、ＣＨ_４および／またはＣＯ）のＬＨＶを指す。本発明の様々な態様において、溶融炭酸塩形燃料電池を、少なくとも約１．０、例えば少なくとも約１．５、または少なくとも約２．０、または少なくとも約２．５、または少なくとも約３．０、または少なくとも約４．０の燃料過剰比率を有するように作動させることができる。追加的に、または代わりとして、燃料過剰比率は、約２５．０の以下であることができる。

【0064】

なお、アノードのためのインプット流の改質可能燃料の全てが改質され得るというわけではない。好ましくは、アノード（および／または関連する改質段階）へのインプット流の改質可能燃料の少なくとも約９０％、例えば、少なくとも約９５％、または少なくとも約９８％がアノードを出る前に改質可能である。いくつかの別の態様において、改質される改質可能燃料の量は、約７５％〜約９０％、例えば、少なくとも約８０％であることができる。

【0065】

燃料過剰比率に関する上記の定義は、電力の発生のために燃料電池アノードにおいて消費される燃料の量と比較して、アノードおよび／または燃料電池と関連する改質段階の範囲内で生じる改質の量を特徴づける方法を提供する。

【0066】

任意に、燃料過剰比率は、燃料がアノードアウトプットからアノードインプットまでリサイクルされる状態を占めるように変更することができる。燃料（例えば、Ｈ_２、ＣＯおよび／または未改質もしくは部分的に改質された炭化水素）がアノードアウトプットからアノードインプットまでリサイクルされる場合、そのようなリサイクルされた燃料成分は、他の目的のために使用することができる改質可能または改質された燃料の過剰量を表さない。その代わりに、そのようなリサイクルされた燃料成分は、燃料電池における燃料利用を低下させることの希望を単に示すのみである。

【0067】

改質可能燃料過剰比率：改質可能燃料過剰比率を算出することは、そのようなリサイクルされた燃料成分が、改質可能燃料のＬＨＶのみがアノードへのインプット流に含まれるように過剰燃料の定義を限定することを示す１つの選択である。本明細書で使用される場合、「改質可能燃料過剰比率」は、燃料電池アノード反応によってアノードにおいて酸化された水素の低位発熱量と比較して、アノードと関連するアノードおよび／またはアノードと関連する改質段階まで送達される改質可能燃料の低位発熱量として定義される。改質可能燃料過剰比率のための定義において、アノードインプットのいずれのＨ_２またはＣＯのＬＨＶも排除される。改質可能燃料のそのようなＬＨＶは、燃料電池アノードに入る実際の組成物を特徴づけることによって、なお測定することができ、リサイクルされた成分と新たな成分との間での区別は必要とされない。いくつかの未改質または部分的に改質された燃料もリサイクルされてもよいが、ほとんどの態様において、アノードにリサイクルされる大部分の燃料は改質された生成物（例えば、Ｈ_２またはＣＯ）に相当することができる。数学的に表すと、改質可能燃料過剰比率（Ｒ_ＲＦＳ）＝ＬＨＶ_ＲＦ／ＬＨＶ_ＯＨであり、式中、ＬＨＶ_ＲＦは、改質可能燃料の低位発熱量（ＬＨＶ）であり、そしてＬＨＶ_ＯＨは、アノードで酸化される水素の低位発熱量（ＬＨＶ）である。アノードで酸化される水素のＬＨＶは、アノードインレット流のＬＨＶからアノードアウトレット流のＬＨＶを差し引くことによって算出されてもよい（例えば、ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）−ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｏｕｔ））。本発明の様々な態様において、溶融炭酸塩形燃料電池は、少なくとも約０．２５、例えば、少なくとも約０．５、または少なくとも約１．０、または少なくとも約１．５、または少なくとも約２．０、または少なくとも約２．５、または少なくとも約３．０、または少なくとも約４．０の改質可能燃料過剰比率を有するように作動させることができる。追加的に、または代わりとして、改質可能燃料過剰比率は約２５．０以下であることができる。なお、アノードにおける酸化の量と比較してのアノードに送達される改質可能燃料の量をベースとするこのようなより狭い定義によって、低燃料利用を有する燃料電池作動方法の２つの種類を識別することができる。いくつかの燃料電池は、アノードアウトプットからアノードインプットへの実質的な部分をリサイクルすることによって、低燃料利用を達成する。このリサイクルによって、アノードインプットにおけるいずれかの水素を、アノードにインプットとして再び使用することが可能である。これによって改質の量を低下させることができ、燃料利用が燃料電池の単回通過に関して低い場合でさえも、その後の通過において、未使用の燃料の少なくとも一部分はリサイクルされる。したがって、広範囲の種々の燃料利用値を有する燃料電池は、アノード改質段階に送達される改質可能燃料対アノード反応において酸化される水素の同一比率を有してもよい。アノードにおける酸化の量に関するアノード改質段階に送達される改質可能燃料の比率を変化させるため、非改質可能燃料の本来の含有量を有するアノード供給が識別される必要があるか、またはアノードアウトプットにおける未使用の燃料が、他の用途のために取り出される（又は回収される）必要があるか、あるいは両方である。

【0068】

改質可能水素過剰比率：燃料電池の作動を特徴づけるためのさらにもう１つの選択肢は、「改質可能水素過剰比率」をベースとする。上記で定義される改質可能燃料過剰比率は、改質可能燃料成分の低位発熱量をベースとして定義される。改質可能水素過剰比率は、燃料電池アノード反応によってアノードで反応する水素と比較した、アノードおよび／またはアノードと関連する改質段階に送達される改質可能燃料の改質可能水素含有量として定義される。そのようなものとして、「改質可能水素過剰比率」は、（ＲＦＣ（ｒｅｆｏｒｍａｂｌｅ＿ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）／（ＲＦＣ（ｒｅｆｏｒｍａｂｌｅ＿ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）−ＲＦＣ（ａｎｏｄｅ＿ｏｕｔ））として計算することができ、式中、（ＲＦＣ（ｒｅｆｏｒｍａｂｌｅ＿ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）は、アノードインレット流またはフローの改質可能燃料の改質可能水素含有量を指し、ＲＦＣ（ａｎｏｄｅ＿ｏｕｔ）は、アノードインレットおよびアウトレット流またはフローの燃料成分（例えば、Ｈ_２、ＣＨ_４および／またはＣＯ）の改質可能水素含有量を指す。ＲＦＣは、モル／秒、モル／時間などで表すことができる。アノード改質段階に送達される改質可能燃料対アノードの酸化の量の大きい比率を有する燃料電池を作動させる方法の例は、燃料電池における熱の発生および消費を釣り合わせるために、過剰の改質が実行される方法であることができる。Ｈ_２およびＣＯを形成するために改質可能燃料を改質することは、吸熱性プロセスである。この吸熱性反応は、燃料電池における電流の発生によって対抗することができ、これは、アノード酸化反応および炭酸塩形成反応によって発生する熱量と流の形態で燃料電池を出るエネルギーとの差異に（おおよそ）相当する過剰量の熱を生じることもできる。アノード酸化反応／炭酸塩形成反応に関与する水素のモルあたりの過剰量の熱は、改質によって水素のモルを発生されるために吸収した熱よりも大きくなることが可能である。その結果、従来条件で作動される燃料電池は、インレットからアウトレットまでの温度増加を示すことができる。この種類の従来の作動の代わりに、アノードと関連する改質段階において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発生する熱が、改質において消費される熱によって（おおよそ）釣り合うことができるように、あるいは改質によって消費される熱が、燃料酸化によって発生する過剰量の熱より大きくなることができ、燃料電池全体での温度低下がもたらされるように、追加的な燃料を改質することができる。これによって、電力発生のために必要とされる量と比較して、水素の実質的な過剰をもたらすことができる。一例として、燃料電池のアノードインレットまたは関連する改質段階への供給は、実質的に純粋なメタン供給などの改質可能燃料から実質的に構成されることができる。そのような燃料を使用する発電のための従来の作動の間、溶融炭酸塩形燃料電池は約７５％の燃料利用で作動することができる。これは、次いで、アノードにおいて、炭酸塩イオンと反応して、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２を形成する水素を形成するために、アノードに送達される燃料含有量の約７５％（または３／４）が使用されることを意味する。従来の作動において、燃料含有量の残りの約２５％は、燃料電池でＨ_２に改質されることができ（または、燃料のいずれのＣＯまたはＨ_２に関して未反応の燃料電池を通過することができ）、次いで、燃料電池の外側で燃焼され、Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２を形成し、燃料電池へとカソードインレットのための熱を提供する。この状態における改質可能水素過剰比率は、４／（４−１）＝４／３であることができる。

【0069】

電気効率：本明細書で使用される場合、「電気効率」（ＥＥ」）という用語は、燃料電池への燃料インプットの低位発熱量（「ＬＨＶ」）の率で割られる、燃料電池で生じる電気化学的動力として定義される。燃料電池への燃料インプットには、アノードに送達される燃料、ならびに燃料電池の温度を維持するために使用されるいずれの燃料、例えば、燃料電池と関連するバーナーに送達される燃料の両方が含まれる。本記載において、燃料によって生じる動力は、ＬＨＶ（ｅｌ）燃料率に関して記載されてもよい。

【0070】

電気化学的動力：本明細書で使用される場合、「電気化学的動力」またはＬＨＶ（ｅｌ）という用語は、燃料電池でカソードをアノードに連結する回路および燃料電池の電解質を通る炭酸塩イオンの移動によって発生する動力である。電気化学的動力は、燃料電池から生じるか、上流または下流装置で消費される動力を排除する。例えば、燃料電池廃棄物流における熱から生じる電気は、電気化学的動力の一部分として考えられない。同様に、燃料電池の上流のガスタービンまたは他の装置で発生する動力は、発生する電気化学的動力の一部分でない。「電気化学的動力」は、燃料電池の作動の間に消費される電力、または直流から交流への変換によって生じるいずれの損失も考慮しない。言い換えると、燃料電池作動を供給するため、または他に燃料電池を作動するために使用される電力は、燃料電池によって生じる直流動力から差し引かれない。本明細書で使用される場合、電力密度は電圧を乗算した電流密度である。本明細書で使用される場合、全燃料電池動力は、燃料電池面積を乗算した電力密度である。

【0071】

燃料インプット：本明細書で使用される場合、ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）として示される「アノード燃料インプット」という用語は、アノードインレット流の中の燃料の量である。ＬＨＶ（ｉｎ）として示される「燃料インプット」という用語は、アノードインレット流内の燃料の量および燃料電池の温度を維持するために使用される燃料の量の両方を含む燃料電池に送達される燃料の全体の量である。燃料は、本明細書に提供される改質可能燃料の定義をベースとして、改質可能および非改質可能燃料を含んでもよい。燃料インプットは、燃料利用と同一ではない。

【0072】

全燃料電池効率：本明細書で使用される場合、「全燃料電池効率」（「ＴＦＣＥ」）という用語は、燃料電池によって発生する電気化学的動力に、燃料電池によって生じる合成ガスのＬＨＶの率を足したものを、アノードへの燃料インプットのＬＨＶの率で割ったものとして定義される。言い換えると、ＴＦＣＥ＝（ＬＨＶ（ｅｌ）＋ＬＨＶ（ｓｇ ｎｅｔ））／ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）であり、式中、ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）は、燃料成分（例えばＨ_２、ＣＨ_４および／またはＣＯ）がアノードに送達される時のＬＨＶを指し、かつＬＨＶ（ｓｇ ｎｅｔ）は、合成ガス（Ｈ_２、ＣＯ）がアノードで生じる率を指し、これは、アノードへの合成ガスインプットとアノードからの合成ガスアウトプットとの間の差異である。ＬＨＶ（ｅｌ）は、燃料電池の電気化学的発電を記載する。全燃料電池効率は、燃料電池の外側で有利に使用される、燃料電池によって発生する熱を排除する。作動において、燃料電池によって発生する熱は、下流の装置において有利に使用されてもよい。例えば、熱は追加的な電気を発生させるか、または水を加熱するために使用されてもよい。これらの用途は、それらが燃料電池と離れて生じる場合、本出願で使用される用語のような全燃料電池効率の一部分でない。全燃料電池効率は、燃料電池作動のみに関し、動力発生または、上流もしくは下流での燃料電池の消費を含まない。

【0073】

化学効率：本明細書で使用される場合、「化学効率」という用語は、燃料インプットまたはＬＨＶ（ｉｎ）で割られる、燃料電池のアノード排出物におけるＨ_２およびＣＯの低位発熱量、またはＬＨＶ（ｓｇ ｏｕｔ）として定義される。

【0074】

電気効率も全システム効率も、上流または下流のプロセスの効率を考慮に入れない。例えば、燃料電池カソードのためのＣＯ_２の供給源としてタービン排出物を使用することは有利であり得る。この配置では、タービンの効率は、電気効率または全燃料電池効率の計算の一部分として考慮されない。同様に、燃料電池からのアウトプットは、燃料電池へのインプットとしてリサイクルされてもよい。単回通過モードで電気効率または全燃料電池効率を算出する場合、リサイクルループは考慮されない。

【0075】

生成した合成ガス：本明細書で使用される場合、「生成した合成ガス」という用語は、アノードへの合成ガスインプットとアノードからの合成ガスアウトプットとの間の差異である。合成ガスは、少なくとも部分的に、アノードのためのインプットまたは燃料として使用されてもよい。例えば、システムは、天然ガスまたは他の適切な燃料で補足されて、アノード排出物からアノードインレットまで合成ガスを戻すアノードリサイクルループを含んでもよい。生成した合成ガスＬＨＶ（ｓｇ ｎｅｔ）＝（ＬＨＶ（ｓｇ ｏｕｔ）−ＬＨＶ（ｓｇ ｉｎ））であり、ＬＨＶ（ｓｇ ｉｎ）およびＬＨＶ（ｓｇ ｏｕｔ）は、アノードインレットの合成ガスのＬＨＶおよびアノードアウトレット流またはフローの合成ガスのＬＨＶをそれぞれ指す。なお、アノード内での改質反応によって生じた合成ガスの少なくとも一部分は、典型的に、電気を生じるためにアノードで利用されることができる。電気を生じるために利用される水素は、アノードから出ないため、「生成した合成ガス」の定義に含まれない。本明細書で使用される場合、「合成ガス比率」という用語は、アノードへの燃料インプットのＬＨＶで割られた、生成した正味の合成ガスのＬＨＶ、またはＬＨＶ（ｓｇ ｎｅｔ）／ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ ｉｎ）である。合成ガスおよび燃料のモルフローレートは、ＬＨＶの代わりに、モルベースの合成ガス比率およびモルベースの生成した合成ガスを表すために使用することができる。

【0076】

蒸気対炭素比率（Ｓ／Ｃ）：本明細書で使用される場合、蒸気対炭素比率（Ｓ／Ｃ）は、フロー中の蒸気対フロー中の改質可能炭素モル比である。ＣＯおよびＣＯ_２の形の炭素は、この定義における改質可能炭素として含まれない。蒸気対炭素比率は、システムの異なる点で測定および／または制御することができる。例えば、アノードインレット流の組成は、アノードにおいて改質するために適切なＳ／Ｃを達成するように修正することができる。Ｓ／Ｃは、燃料、例えば、メタン中の炭素原子の数を乗算した燃料のモルフローレートの積で割られる、Ｈ_２Ｏのモルフローレートとして与えられることができる。したがって、Ｓ／Ｃ＝ｆ_Ｈ２Ｏ／（ｆ_ＣＨ４×＃Ｃ）であり、式中、ｆ_Ｈ２Ｏは水のモルフローレートであり、ｆ_ＣＨ４は、メタン（または他の燃料）のモルフローレートであり、かつ＃Ｃは燃料中の炭素の数である。

【0077】

ＥＧＲ比率：本発明の態様は、燃料電池と協力してタービンを使用することができる。組み合わせられた燃料電池およびタービンシステムは、排出物ガスリサイクル（「ＥＧＲ」）を含んでもよい。ＥＧＲシステムでは、タービンで発生する少なくとも一部分の排出物ガスは、熱回収発電機に送られることができる。排出物ガスの別の部分は、燃料電池に送られることができる。ＥＧＲ比率は、燃料電池に送られる排出物ガス対燃料電池または熱回収発電機に送られる全排出物ガスの量を記載する。本明細書で使用される場合、「ＥＧＲ比率」は、燃料電池結合部分および熱回収発電機に送られる回収結合部分に関する組み合わせられたフローレートで割られた、排出物ガスの燃料電池結合部分のためのフローレートである。

【0078】

本発明の様々な態様において、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）を使用して、追加的な電力を発生させながら、ＣＯ_２含有流からのＣＯ_２の分離を促進することができる。ＣＯ_２分離は、燃料電池のカソード部分にインプット供給の少なくとも一部分を提供することができる燃焼ベース発電機との相乗効果を利用することによって、さらに向上させることができる。

【0079】

燃料電池および燃料電池構成要素：本考察において、燃料電池は、電解質によって分離されるアノードおよびカソードを有する単電池に相当することができる。アノードおよびカソードは、電解質全体で電荷を輸送して、電気を発生させるために、それぞれのアノードおよびカソード反応を促進するためのインプットガスフローを受け取ることができる。燃料電池積層は、集積化されたユニットで複数の電池を表すことができる。燃料電池積層は複数の燃料電池を含むことができ、燃料電池は典型的に並列に連結されることができ、そして、それらが集合的により大きい径の単一燃料電池を表すように（ほぼ）機能することができる。インプットフローが燃料電池積層のアノードまたはカソードに送達される場合、燃料積層は、積層中のそれぞれの電池間のインプットフローを割るためのフローチャネルおよび個々の電池からのアウトプットフローを組み合わせるためのフローチャネルを含むことができる。本考察において、燃料電池アレイは、直列、並列、または他のいずれかの都合のよい方法（例えば、直列および並列の組み合わせで）で配置される複数の燃料電池（例えば、複数の燃料電池積層）を指すために使用することができる。燃料電池アレイは、第１の段階からのアノード／カソードアウトプットは、第２の段階のためのアノード／カソードインプットとして役立ち得る、燃料電池および／または燃料電池積層の１つ以上の段階を含むことができる。なお、燃料電池アレイのアノードは、アレイのカソードと同一の方法で連結されなくてもよい。便宜のために、燃料電池アレイの第１のアノード段階へのインプットは、アレイのためのアノードインプットと呼ばれてもよく、そして燃料電池アレイの第１のカソード段階へのインプットは、アレイへのカソードインプットと呼ばれてもよい。同様に、最終アノード／カソード段階からのアウトプットは、アレイからのアノード／カソードアウトプットと呼ばれてもよい。

【0080】

本明細書における燃料電池の使用の言及は、典型的に、個々の燃料電池から構成される「燃料電池積層」を示し、そしてより一般に、流体連絡における１つ以上の燃料電池積層の使用を指すことは理解されるべきである。個々の燃料電池要素（プレート）は、「燃料電池積層」と呼ばれる長方形アレイで一緒に典型的に「積層」されることができる。この燃料電池積層は、典型的に、全ての個々の燃料電池の間で流れを供給することができ、かつ反応物を分配することができ、次いで、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。ユニットとして見ると、作動中の燃料電池積層は、多くの（しばしば、十または何百）の個々の燃料電池要素から構成されるとしても、一体としてみなすことができる。これらの個々の燃料電池要素は、同様の電圧（反応物および生成物濃度が同様）を典型的に有することができ、そして全動力アウトプットは、要素が直列に電気的に連結される場合、電池要素の全部の電流の合計から生じることができる。積層は、高電圧を生じるために、直列で配置されることもできる。並列の配列は、電流を高めることができる。十分に大きい体積燃料電池積層が所与の排出物フローを処理するために利用可能であるならば、本明細書に記載されるステムおよび方法は単一の溶融炭酸塩形燃料電池積層で使用することができる。本発明の他の態様において、様々な理由のために、複数の燃料電池積層は望ましくあり得るか、または必要とされ得る。

【0081】

本発明の目的のために、他に明記しない限り、「燃料電池」という用語は、燃料電池が実際に典型的に利用される方法として単一のインプットおよびアウトプットがある、１つ以上の個々の燃料電池要素から構成される燃料電池積層を指すものとしても理解されるべきであり、および／またはそれを参照することを含むものとして定義される。同様に、燃料電池（複数）という用語は、特に明記しない限り、複数の個々の燃料電池積層を指すものとしても理解されるべきであり、および／またはそれを含むものとして定義される。言い換えると、本明細書の範囲内の全ての参照は、具体的に示されない限り、「燃料電池」としての燃料電池積層の作動に交換可能に適用することができる。例えば、商業的なスケールの燃焼発電機で発生する排出物の体積は、従来の径の燃料電池（すなわち単一積層）による処理に関して大きくなり得る。完全に排出物を処理するために、それぞれの燃料電池が燃焼排出物の同等の部分を処理することが（ほぼ）できるように、複数の燃料電池（すなわち、２以上の個々の燃料電池または燃料電池積層）を並列に配置することができる。複数の燃料電池を使用することができるが、燃料電池は典型的に、一般に同様の方法で、燃焼排出物の所与のその（ほぼ）同等の部分で作動されることができる。

【0082】

「内部改質」および「外部改質」：燃料電池または燃料電池積層は、１つ以上の内部改質部分を含んでもよい。本明細書で使用される場合、「内部改質」という用語は、燃料電池（燃料電池積層）の本体の範囲内で、または、その他の場合で燃料電池アセンブリ内で生じる燃料改質を指す。外部改質は、燃料電池とともにしばしば使用されるが、燃料電池積層の外側に位置する装置の個々において生じる。言い換えると、外部改質装置の本体は、燃料電池または燃料電池積層の本体との直接的な物理的接触がない。典型的な構成において、外部改質装置からのアウトプットを、燃料電池のアノードインレットに供給することができる。特に具体的に明記されない限り、本出願で記載される改質は内部改質である。

【0083】

内部改質は、燃料電池アノード内で生じてもよい。内部改質は、燃料電池アセンブリ内で集積化される内部改質要素内で、追加的に、または代わりとして生じることができる。集積化された改質要素は、燃料電池積層内の燃料電池要素の間に位置してもよい。言い換えると、積層のトレイの１つは、燃料電池要素の代わりに改質部分であることができる。一態様において、燃料電池積層内のフロー配列は、内部改質要素に、次いで、燃料電池のアノード部分に燃料を向ける。したがって、フローの観点から、内部改質要素および燃料電池要素は、燃料電池積層内で直列に配置されることができる。本明細書で使用される場合、「アノード改質」は、アノード内で生じる燃料改質である。本明細書で使用される場合、「内部改質」という用語は、アノード部分ではなくて、集積化された改質要素内で生じる改質である。

【0084】

いくつかの態様において、燃料電池アセンブリに対して内部である改質段階は、燃料電池アセンブリのアノードと関連するものとして考慮することができる。いくつかの別の態様において、アノードと関連する（例えば複数のアノードと関連する）ことができる燃料電池積層の改質段階に関して、改質段階からのアウトプットフローが少なくとも１つのアノードに通過されるように、フローパスは利用可能でありえる。これは、電解質と接触しておらず、代わりに改質触媒として役立つことができる燃料電池プレートの初期部分を有することに相当することができる。関連する改質段階の別の選択肢は、燃料電池積層の要素の１つとして、集積化された改質段階からのアウトプットを燃料電池積層の燃料電池の１つ以上のインプットサイドに戻すことができる、別々の集積化された改質段階を有することであることができる。

【0085】

熱集積化の観点から、燃料電池積層の特徴的な高さは、個々の燃料電池積層要素の高さであることができる。なお、別々の改質段階および／または別々の吸熱性反応段階は、燃料電池とは異なる積層の高さを有することができるであろう。そのようなシナリオでは、燃料電池要素の高さは、特徴的な高さとして使用されることができる。いくつかの態様において、集積化された吸熱性反応段階は、集積化された吸熱性反応段階が吸熱性反応のための熱供給源として燃料電池から熱を使用することができるように、１つ以上の燃料電池と熱集積化される段階として定義されることができる。そのような集積化された吸熱性反応段階は、集積化された段階に熱を提供するいずれの燃料電池からの積層要素の高さの５倍未満の高さで配置されるものとして定義されることができる。例えば、集積化された吸熱性反応段階（例えば改質段階）は、熱集積されたいずれの燃料電池からの積層要素の高さの５倍未満、例えば、積層要素の高さの３倍未満の高さで配置されることができる。本考察において、燃料電池要素に隣接する積層要素を表す集積化された改質段階および／または集積化された吸熱性反応段階は、隣接する燃料電池要素から約１つ分の積層要素高さ以下であるものとして定義することができる。

【0086】

いくつかの態様において、燃料電池要素と熱集積化される別々の改質段階は、燃料電池要素と関連する改質段階に相当することができる。そのような態様において、集積化された燃料電池要素は、熱の少なくとも一部分を関連する改質段階に提供することができ、そして関連する改質段階は、改質段階アウトプットの少なくとも一部分を燃料流として集積化された燃料電池に提供することができる。他の態様において、別々の改質段階は、燃料電池と関連することなく、熱伝達のために燃料電池と集積化することができる。この種類の状態において、別々の改質段階は、燃料電池から熱を受け取ることができるが、改質段階のアウトプットを燃料電池へのインプットとして使用しないことを決定することができる。その代わりに、アノード排出物流へのアウトプットの直接添加などの別の目的のため、および／または燃料電池アセンブリから別々のアウトプット流を形成するために、そのような改質段階のアウトプットを使用することを決定することができる。

【0087】

より一般に、集積化された燃料電池積層要素によって提供される廃熱を利用することができる吸熱性反応のいずれかの都合のよい種類を実行するために、燃料電池積層の別々の積層要素を使用することができる。炭化水素流において改質反応を実行するために適切なプレートの代わりに、別々の積層要素は、別の種類の吸熱性反応に触媒作用を及ぼすために適切なプレートを有することができる。マニホールドまたは燃料電池積層におけるインレットコンジットの他の配列は、適切なインプットフローをそれぞれの積層要素に提供するために使用することができる。同様のマニホールドまたはアウトレットコンジットの他の配列は、アウトプットフローをそれぞれの積層要素から取り出す（又は回収する）ために、追加的に、または代わりとして使用することができる。任意に、積層の吸熱性反応段階からのアウトプットフローは、アウトプットフローを燃料電池アノードに通過させることなく、燃料電池積層から取り出す（又は回収する）ことができる。そのような任意の態様において、発熱性反応の生成物は、したがって、燃料電池アノードに通過させることなく、燃料電池積層から出ることができる。燃料電池積層の積層要素において実行することができる他の種類の吸熱性反応の例には、限定されないが、エチレンおよびエタンクラッキングを形成するエタノール脱水が含まれることができる。

【0088】

リサイクル：本明細書に定義されるように、燃料電池インレットへの燃料電池アウトプットの一部分（例えば、アノード排出物または、アノード排出物から分離されるか、もしくは取り出される（又は回収される）流れ）のリサイクルは、直接的または間接的なリサイクル流に相当することができる。燃料電池インレットへの流れの直接的なリサイクルは、中間プロセスを通過することのない流れのリサイクルとして定義され、間接的なリサイクルには、１つ以上の中間プロセスに流れを通過させた後のリサイクルが関与する。例えば、アノード排出物がリサイクルの前にＣＯ_２分離段階を通過する場合、これはアノード排出物の間接的なリサイクルと考えられる。アノード排出物から取り出される（又は回収される）アノード排出物の一部分、例えば、Ｈ_２流が、燃料電池への導入のために適切な燃料へと石炭を変換するためのガス化装置を通過する場合、これもまた間接的なリサイクルと考えられる。

【0089】

アノードインプットおよびアウトプット
本発明の様々な態様において、ＭＣＦＣアレイには、例えば、水素および炭化水素、例えば、メタン（または代わりに、ＣおよびＨとは異なるヘテロ原子を含有してもよい炭化水素もしくは炭化水素様化合物）を含んでなる、アノードインレットで受け取られる燃料が供給されることができる。アノードに供給される大部分のメタン（または他の炭化水素もしくは炭化水素様化合物）は、典型的に新しいメタンであることができる。本記載において、新しいメタンなどの新しい燃料は、別の燃料電池プロセスからリサイクルされない燃料を指す。例えば、アノードアウトレット流からアノードインレットにリサイクルされるメタンは、「新しい」メタンとは考えられず、その代わりに、再利用される（又は回収される）メタンと記載することができる。使用された燃料供給源は、ＣＯ_２含有流をカソードインプットに提供するために燃料供給源の一部分を使用するタービンなどの他の構成要素と共有されることができる。燃料供給源インプットは、水素を発生させる改質部分において炭化水素（または炭化水素様）化合物を改質するために、燃料に対して適切な割合で、水を含むことができる。例えば、メタンがＨ_２を発生させるために改質するための燃料インプットである場合、水対燃料のモル比は、約１：１〜約１０：１、例えば少なくとも約２：１であることができる。４：１以上の比率は外部改質に関して典型的であるが、内部改質に関してはより低い値が典型的であることができる。Ｈ_２が燃料供給源の一部分である範囲まで、いくつかの任意の態様において、アノードにおけるＨ_２の酸化が、燃料を改質するために使用することができるＨ_２Ｏを生じる傾向があることが可能であるため、追加的な水は燃料に必要とされなくてもよい。燃料供給源は、燃料供給源に重要ではない成分を任意に含有することもできる（例えば、天然ガス供給は、追加的な成分としてＣＯ_２のいくらかの含有量を含有することができる）。例えば、天然ガス供給は、追加的な成分として、ＣＯ_２、Ｎ_２および／または他の不活性（不活性）ガスを含有することができる。任意に、いくつかの態様において、燃料供給源は、アノード排出物のリサイクルされた部分からのＣＯなどのＣＯを含有してもよい。燃料電池アセンブリへの燃料におけるＣＯのための追加的、または代わりの潜在的供給源は、燃料電池アセンブリに入る前に燃料において実行される炭化水素燃料の蒸気改質によって発生するＣＯであることができる。

【0090】

より一般に、様々な種類の燃料流は、溶融炭酸塩形燃料電池のアノードのためのインプット流としての使用のために適切であり得る。いくつかの燃料流は、ＣおよびＨとは異なるヘテロ原子を含んでもよい炭化水素および／または炭化水素様化合物を含有する流れに相当することができる。本考察において、特に明記されない限り、ＭＣＦＣアノードのための炭化水素を含有する燃料流の参照は、そのような炭化水素様化合物を含有する燃料流を含むように定義される。炭化水素（炭化水素様を含む）燃料流の例としては、天然ガス、Ｃ１〜Ｃ４炭素化合物（例えば、メタンまたはエタン）を含有する流れ、およびより重質のＣ５＋炭化水素（炭化水素様化合物を含む）を含有する流れ、ならびにそれらの組み合わせを含むことができる。アノードインプットに用いられる潜在的燃料流のさらに他の追加的または代わりの例としては、生物ガス型の流れ、例えば、有機材料の天然（生物学的）分解から生じるメタンを含むことができる。

【0091】

いくつかの態様において、希釈剤化合物の存在のため、低エネルギー含有量で、天然ガスおよび／または炭化水素流などのインプット流を処理するために、溶融炭酸塩形燃料電池を使用することができる。例えば、メタンおよび／または天然ガスのいくつかの供給源は、Ｏ_２、または窒素、アルゴンもしくはヘリウムなどの他の不活性分子の実質的な量を含むことができる供給源である。ＣＯ_２および／または不活性物質の高められた量の存在のために、供給源をベースとする燃料流のエネルギー含有量を低下させることができる。（燃焼動力タービンに動力を供給するためなどの）燃焼反応に、低いエネルギー含有量燃料を使用することは、問題点を提起する可能性がある。しかしながら、溶融炭酸塩形燃料電池は、燃料電池の効率に対する影響が少ないか、または影響を及ぼすことなく、低エネルギー含有量燃料供給源をベースとする動力を発生させることができる。追加的なガス体積の存在は、改質および／またはアノード反応のための温度まで燃料温度を高めるために追加的な熱を必要とすることができる。追加的に、燃料電池アノード内の水性ガスシフト反応の平衡性質のために、追加的なＣＯ_２の存在は、アノードアウトプットに存在するＨ_２およびＣＯの相対量に影響を有することができる。しかしながら、不活性化合物は、その他の場合には、改質およびアノード反応に対して最小限の直接的な影響のみを有することができる。溶融炭酸塩形燃料電池のための燃料流における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。追加的に、または代わりとして、溶融炭酸塩形燃料電池のための燃料流における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％以下であることができる。

【0092】

アノードインプット流のための潜在的供給源のなお別の例は、精製装置および／または他の工業プロセスアウトプット流に相当することができる。例えば、コーキングは、より重質の化合物を、より低沸騰範囲に変換するための多くの精製装置の共通プロセスである。コーキングは、典型的に、ＣＯおよび様々なＣ１〜Ｃ４炭化水素を含む室温でガスである様々な化合物を含有するオフガスを生じる。このオフガスは、アノードインプット流の少なくとも一部分として使用することができる。他の精製装置オフガス流は、アノードインプット流での含有のために、追加的に、または代わりとして適切であることができ、例えば、クラッキングまたは他の精製装置プロセスの間に発生する軽質留分（Ｃ１〜Ｃ４）である。さらに他の適切な精製装置流は、Ｈ_２および／または改質可能燃料化合物も含有するＣＯまたはＣＯ_２を含有する精製装置流を追加的に、または代わりとして含むことができる。

【0093】

アノードインプットのためのさらに他の潜在的供給源は、増加した含水量を有する流れを追加的に、または代わりとして含むことができる。例えば、エタノールプラント（または別の種類の発酵プロセス）からのエタノールアウトプット流は、最終的な蒸留の前にＨ_２Ｏの実質的な部分を含む。そのようなＨ_２Ｏは、典型的に、燃料電池の作動に対して最小限の影響のみを生じることができる。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を、アノードインプット流の少なくとも一部分として使用することができる。

【0094】

生物ガスまたはダイジェスターガスは、アノードインプットのための別の追加的または代わりの潜在的供給源である。生物ガスは、メタンおよびＣＯ_２を主として含んでなってもよく、典型的に有機物質の分解または消化によって生じる。有機物質を消化し、生物ガスを生じるために、嫌気性菌が使用されてもよい。アノードインプットとしての使用の前に、不純物（例えば硫黄含有化合物）は生物ガスから除去されてもよい。

【0095】

ＭＣＦＣアノードからのアウトプット流は、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２、ＣＯおよびＨ_２を含むことができる。任意に、アノードアウトプット流は、追加的なアウトプット成分として、供給に未反応燃料（例えば、Ｈ_２もしくはＣＨ_４）または不活性化合物を有することもできるであろう。改質反応のための熱を提供するための燃料供給源として、または電池を加熱するための燃焼燃料として、このアウトプット流を使用する代わりに、別のプロセスへのインプットとして潜在的値を有する成分（例えばＨ_２またはＣＯ）からＣＯ_２を分離するために、１つ以上の分離をアノードアウトプット流において実行することができる。Ｈ_２および／またはＣＯは、化学合成のために合成ガスとして、化学反応のための水素の供給源として、および／または減少された温室効果ガス排出を有する燃料として使用することができる。

【0096】

様々な態様において、アノードからのアウトプット流の組成は、いくつかの因子によって影響されることができる。アノードアウトプット組成に影響することができる因子には、アノードへのインプット流の組成、燃料電池で発生する電流の量、および／またはアノードの出口の温度を含むことができる。アノード出口の温度は、水性ガスシフト反応の平衡性質のため、関連することができる。典型的なアノードにおいて、アノードの壁を形成するプレートの少なくとも１つは、水性ガスシフト反応に触媒作用を及ぼすために適切であることができる。その結果、ａ）アノードインプット流の組成は既知であり、ｂ）アノードインプット流の改質可能燃料の改質の範囲は既知であり、かつｃ）（発生する電流の量に相当する）カソードからアノードまで輸送される炭酸塩の量は既知である場合、アノードアウトプットの組成は、水性ガスシフト反応に関する平衡定数をベースとして決定することができる。
Ｋ_ｅｑ＝［ＣＯ_２］［Ｈ_２］／［ＣＯ］［Ｈ_２Ｏ］

【0097】

上記の方程式で、Ｋ_ｅｑは、所与の温度および圧力における反応のための平衡定数であり、そして［Ｘ］は成分Ｘの分圧である。水性ガスシフト反応をベースとして、アノードインプットにおけるＣＯ_２濃度の増加は、追加的なＣＯ形成（Ｈ_２を犠牲にして）をもたらす傾向があることができ、そしてＨ_２Ｏ濃度の増加は、追加的なＨ_２形成（ＣＯを犠牲にして）をもたらす傾向があることができる。

【0098】

アノードアウトプットにおける組成を決定するために、アノードインプットの組成を出発点として使用することができる。この組成は、アノード内で生じることができるいずれの改質可能燃料の改質の範囲も反映するように、次いで変性することができる。そのような改質によって、水素およびＣＯ_２の増加と引きかえに、アノードインプットの炭化水素含有量を低下させることができる。次に、発生する電流量をベースとして、アノードインプットにおけるＨ_２の量は、追加的なＨ_２ＯおよびＣＯ_２と引きかえに低下することができる。この組成は、次いで、Ｈ_２、ＣＯ、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏの出口濃度を決定するために、水性ガスシフト反応のための平衡定数をベースとして調節することができる。

【0099】

表１は、典型的な種類の燃料に関する異なる燃料利用におけるアノード排出物組成を示す。アノード排出物組成は、アノード改質反応、水性ガスシフト反応およびアノード酸化反応の組み合わせられた結果を反映することができる。表１のアウトプット組成値は、蒸気（Ｈ_２Ｏ）対炭素（改質可能燃料）の約２：１の比率のアノードインプット組成を仮定することによって算出された。改質可能燃料は、水素に１００％改質されることが仮定されたメタンであると仮定された。アノードインプットの初期のＣＯ_２およびＨ_２濃度は無視することができると仮定され、インプットＮ_２濃度は約０．５％であった。燃料利用Ｕ_ｆ（本明細書に定義される通り）は、表に示すように、約３５％〜約７０％の間で変動可能であった。燃料電池アノードのための出口温度は、平衡定数のための正確な値を決定する目的のため、約６５０℃であることが仮定された。

【0100】

【表2】

【0101】

表１は、特定の組み合わせの条件およびアノードインプット組成のためのアノードアウトプット組成を示す。より一般に、様々な態様において、アノードアウトプットは、約１０体積％〜約５０体積％のＨ_２Ｏを含むことができる。アノードのＨ_２Ｏはアノード酸化反応によって生じることができるため、Ｈ_２Ｏの量は非常に変動することができる。改質のために必要とされるよりも多いＨ_２Ｏの過剰量がアノードに導入される場合、過剰量のＨ_２Ｏは、燃料改質および水性ガスシフト反応のために、消費される（または発生する）Ｈ_２Ｏを除き、主に未反応のまま典型的に通過することができる。アノードアウトプットにおけるＣＯ_２濃度も広範囲に変動することができ、例えば、約２０体積％〜約５０体積％のＣＯ_２であることができる。ＣＯ_２の量は、発生する電流の量、ならびにアノードインプットフローのＣＯ_２の量の両方によって影響を受けることができる。アノードアウトプットのＨ_２の量は、追加的に、または代わりとして、アノードの燃料利用次第で、約１０体積％のＨ_２〜約５０体積％のＨ_２であることができる。アノードアウトプットにおいて、ＣＯの量は、約５体積％〜約２０体積％であることができる。なお、所与の燃料電池のためのアノードアウトプットのＨ_２の量と比較してのＣＯの量は、燃料電池に存在する温度および圧力における水性ガスシフト反応のための平衡定数によって、部分的に決定可能である。アノードアウトプットは、さらに追加的に、または代わりとして、５体積％以下の様々な他の成分、例えば、Ｎ_２、ＣＨ_４（または他の未反応炭素含有燃料）、および／または他の成分を含むことができる。

【0102】

任意に、１つ以上の水性ガスシフト反応段階が、所望であれば、アノードアウトプットにおいてＣＯおよびＨ_２ＯをＣＯ_２およびＨ_２へと変換するために、アノードアウトプットの後に含まれることができる。アノードアウトプットに存在するＨ_２の量は、例えば、より低い温度で水性ガスシフト反応器を使用することによって、アノードアウトプットに存在するＨ_２ＯおよびＣＯをＨ_２およびＣＯ_２へと変換して、増加させることができる。あるいは、温度を増加させて、水性ガスシフト反応を逆にし、Ｈ_２およびＣＯ_２からより多くのＣＯおよびＨ_２Ｏを生じることができる。水は、アノードで生じる反応のアウトプットであることが予想され、アノードアウトプットは、典型的に、アノードアウトプットに存在するＣＯの量と比較して、過剰量のＨ_２Ｏを有することができる。あるいはＨ_２Ｏを、アノード出口の後であるが、水性ガスシフト反応の前に、流れに添加されることができる。ＣＯは、改質条件またはアノード反応の間に存在するいずれかの条件下で、改質の間の不完全な炭素変換のため、および／またはＨ_２Ｏ、ＣＯ、Ｈ_２およびＣＯ_２の間での反応の釣合いをとる平衡（すなわち、水性ガスシフト平衡）のために、アノードアウトプットに存在することができる。水性ガスシフト反応器は、ＣＯおよびＨ_２Ｏを犠牲にして、ＣＯ_２およびＨ_２を形成する方向に、さらに平衡を進める条件下で作動されることができる。より高い温度は、ＣＯおよびＨ_２Ｏの形成をもたらす傾向があることができる。したがって、水性ガスシフト反応器を作動するための１つの選択肢は、適切な温度、例えば、約１９０℃〜約２１０℃で、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化亜鉛上の銅などの適切な触媒にアノードアウトプット流を曝露させることであることができる。任意に、水性ガスシフト反応器は、アノードアウトプット流におけるＣＯ濃度を低下させるために、２つの段階を含むことができ、第１の高温段階は、少なくとも約３００℃〜約３７５℃の温度で作動され、そして第２の低温段階は、約２２５℃以下、例えば、約１８０℃〜約２１０℃の温度で作動される。アノードアウトプットに存在するＨ_２の量を増加させることに加えて、水性ガスシフト反応は、ＣＯを犠牲にして、ＣＯ_２の量を追加的に、または代わりとして増加させることができる。これによって、除去が困難な一酸化炭素（ＣＯ）を、縮合（例えば、低温除去）、化学反応（例えば、アミン除去）および／または他のＣＯ_２除去方法によってより容易に除去することができる二酸化炭素と交換することができる。追加的に、または代わりとして、Ｈ_２対ＣＯの所望の比率を達成するために、アノード排出物において存在するＣＯ含有量を増加させることが望ましくてもよい。

【0103】

任意の水性ガスシフト反応段階を通過した後、アノードアウトプットは、アノードアウトプット流からの水および／またはＣＯ_２の除去のために、１つ以上の分離段階を通過することができる。例えば、１つ以上のＣＯ_２アウトプット流は、個々に、または組み合わせで１つ以上の方法を使用して、アノードアウトプットにおいてＣＯ_２分離を実行することによって形成されることができる。そのような方法を使用して、９０体積％以上のＣＯ_２含有量、例えば、少なくとも９５％体積％のＣＯ_２、または少なくとも９８体積％のＣＯ_２を有するＣＯ_２アウトプット流を発生させることができる。そのような方法は、アノードアウトプットのＣＯ_２含有量の少なくとも約７０％、例えば、アノードアウトプットのＣＯ_２含有量の少なくとも約８０％、または少なくとも約９０％を回収することができる。あるいは、いくつかの態様において、アノードアウトプット流のＣＯ_２の一部分のみを回収することが望ましくあり得、ＣＯ_２の回収された部分は、アノードアウトプットのＣＯ_２の約３３％〜約９０％、例えば、少なくとも約４０％、または少なくとも約５０％であり得る。例えば、所望の組成がその後の水性ガスシフト段階において達成されることができるように、アノードアウトプットフローにいくらかのＣＯ_２を保持することが望ましくあり得る。適切な分離方法は、物理的溶媒（例えば、Ｓｅｌｅｘｏｌ（商標）またはＲｅｃｔｉｓｏｌ（商標））、アミンまたは他の塩基（例えば、ＭＥＡまたはＭＤＥＡ）、冷凍（例えば、低温分離）、圧力スイング吸着、真空スイング吸着、およびそれらの組み合わせの使用を含んでなってもよい。低温ＣＯ_２分離器は、適切な分離器の一例であることができる。アノードアウトプットが冷却されて、アノードアウトプットの水の大部分は、凝縮された（液）相として分離することができる。アノードアウトプットフローの他の残りの成分（例えば、Ｈ_２、Ｎ_２、ＣＨ_４）は、容易に凝縮された相を形成する傾向がないため、次いで、水欠乏アノードアウトプットフローのさらなる冷却および／または圧力負荷によって、高純度ＣＯ_２を分離することができる。低温ＣＯ_２分離器は、作動条件次第で、フローに存在するＣＯ_２の約３３％〜約９０％を回収することができる。

【0104】

ＣＯ_２分離実行の前、間または後の１つ以上の水のアウトプット流を形成するアノード排出物からの水の除去は、有利であることができる。アノードアウトプットの水量は、選択される作動条件次第で変動することができる。例えば、アノードインレットで確立される蒸気対炭素の比率は、アノード排出物の含水量に影響を及ぼすことができ、高い蒸気対炭素の比率では典型的に大量の水が生じ、これは未反応のまま、および／またはアノードにおける水性ガスシフト平衡によってのみ反応して、アノードを通過することができる。態様次第で、アノード排出物の含水量は、アノード排出物の体積の約３０％以上までに相当することができる。追加的に、または代わりとして、含水量はアノード排出物の体積の約８０％以下であることができる。そのような水は圧縮および／または冷却することによって除去されて、凝縮が得られることができるが、このような水の除去は、追加の圧縮器動力および／または熱交換表面面積および過度の冷却水を必要とすることができる。この過剰量の水の一部分を除去する１つの有利な方法は、湿潤したアノード流出物から湿度をとることができる吸着剤ベッドの使用をベースとすることができ、次いで、追加的な水をアノード供給に提供するために、乾燥アノード供給ガスを使用して、「再生」することができる。ＨＶＡＣスタイル（加熱、換気および空気調節）吸着ホイールデザインは、アノード排出物およびインレットが圧力で同様であることができ、そして１つの流れから他への軽度の漏れが、全体的なプロセスに対して最小限の影響を有することができるため、適用可能であることができる。ＣＯ_２除去が低温プロセスを使用して実行される実施形態において、ＣＯ_２除去の間または前の、トリエチレングリコール（ＴＥＧ）系および／または乾燥剤による除去を含む水の除去は望ましくあり得る。対照的に、ＣＯ_２除去のためにアミン洗浄が使用される場合、水は、ＣＯ_２除去段階の下流でアノード排出物から除去されることができる。

【0105】

ＣＯ_２アウトプット流および／または水アウトプット流の代わりとして、またはそれに加えて、アノードアウトプットは、所望の化学または燃料生成物を含有する１つ以上の生成物流を形成するために使用することができる。そのような生成物流は、合成ガス流、水素流または合成ガス生成物および水素生成物流の両方に相当することができる。例えば、少なくとも約７０体積％のＨ_２、例えば、少なくとも約９０体積％のＨ_２、または少なくとも約９５体積％のＨ_２を含有する水素生成物流を形成することができる。追加的に、または代わりとして、組み合わせたＨ_２およびＣＯの少なくとも約７０体積％、例えば、Ｈ_２およびＣＯの少なくとも約９０体積％を含有する合成ガス流を形成することができる。１つ以上の生成物流は、アノードアウトプットにおいて組み合わせられたＨ_２およびＣＯガス体積の少なくとも約７５％、例えば、組み合わせられたＨ_２およびＣＯガス体積の少なくとも約８５％または少なくとも約９０％に相当するガス体積を有することができる。なお、生成物流のＨ_２およびＣＯの相対的な量は、生成物間で変換する水性ガスシフト反応段階の使用をベースとするアノードアウトプットのＨ_２対ＣＯの比率とは異なってもよい。

【0106】

いくつかの態様において、アノードアウトプットに存在するＨ_２の一部分を除去するか、または分離することが望ましいことができる。例えば、いくつかの態様において、アノード排出物のＨ_２対ＣＯの比率は、少なくとも約３．０：１であることができる。対照的に、フィッシャー−トロプシュ合成などの合成ガスを利用するプロセスは、異なる比率（例えば２：１により近い比率）で、Ｈ_２およびＣＯを消費してもよい。１つの代替案は、アノードアウトプットの含有量を所望の合成ガス組成により近いＣＯ比率にＨ_２を有するように変性するために、水性ガスシフト反応を使用することであることができる。別の代替案は、Ｈ_２およびＣＯの所望の比率を達成するために、アノードアウトプットに存在するＨ_２の一部分を除去するために膜分離を使用すること、またはなお代わりとして、膜分離および水性ガスシフト反応の組み合わせを使用することであることができる。アノードアウトプットのＨ_２の一部分のみを除去するために膜分離を使用する１つの利点は、所望の分離を比較的穏やかな条件で実行することができるということであることができる。１つの目標は、なお実質的なＨ_２含有量を有する残留物を生じることであることができるため、高純度の水素の透過が、過酷な条件を必要とすることなく、膜分離によって発生することができる。例えば、膜の透過サイドにおいて約１００ｋＰａａ以下（例えば、周囲の圧力）の圧力を有することよりも、透過サイドが周囲と比較して、なお膜分離を実行するために十分な推進力を有しながら、高い圧力であることができる。追加的に、または代わりとして、メタンなどの掃去ガスを、推進力を膜分離に提供するために使用することができる。これによってＨ_２透過流の純度を低下させることができるが、透過流の所望の使用次第で有利であり得る。

【0107】

本発明の様々な態様において、アノード排出物流の少なくとも一部分（好ましくは、ＣＯ_２および／またはＨ_２Ｏの分離の後）を、燃料電池および関連する改質段階の外部のプロセスのための供給として使用することができる。様々な態様において、アノード排出物は、約１．５：１〜約１０：１、例えば、少なくとも約３．０：１、または少なくとも約４．０：１、または少なくとも約５．０：１のＨ_２対ＣＯの比率を有することができる。合成ガス流は、アノード排出物から発生することができるか、または取り出される（又は回収される）ことができる。アノード排出物ガスは、任意にＣＯ_２および／またはＨ_２Ｏの分離の後、そして任意に、過剰量の水素を除去するために、水性ガスシフト反応および／または膜分離を実行した後、Ｈ_２および／またはＣＯの実質的な部分を含有している流れに相当することができる。ＣＯの比較的低い含有量を有する流れに関して、例えば、Ｈ_２対ＣＯの比率が少なくとも約３：１である流れにおいて、アノード排出物は、Ｈ_２供給として使用するために適切であることができる。Ｈ_２供給から利益を得ることができるプロセスの例としては、限定されないが、精製装置プロセス、アンモニア合成プラント、または（異なる）発電システムのタービン、あるいはそれらの組み合わせを含むことができる。用途次第で、なおより低いＣＯ_２含有量が望ましくなることができる。約２．２対１未満の、および約１．９：１を超えるＨ_２対ＣＯの比率を有する流れに関して、流れは合成ガス供給として使用するために適切であることができる。合成ガス供給から利益を得ることができるプロセスの例としては、限定されないが、ガストゥーリキッド（ｇａｓ−ｔｏ−ｌｉｑｕｉｄ）プラント（例えば、非シフティング触媒を用いるフィッシャートロプシュプロセスを使用するプラント）および／またはメタノール合成プラントを含むことができる。外部プロセスのための供給として使用されるアノード排出物の量は、いずれかの都合のよい量であることもできる。任意に、アノード排出物の一部分が外部プロセスのための供給として使用される場合、アノード排出物の第２の部分は、アノードインプットにリサイクルされることができ、および／または燃焼動力発電機のための燃焼領域にリサイクルされることができる。

【0108】

異なる種類のフィッシャー−トロプシュ合成プロセスのために有用なインプット流は、アノードアウトプットから発生させるために望ましくあり得る異なる種類の生成物流の例を提供することができる。鉄をベースとする触媒などのシフティング触媒を使用するフィッシャー−トロプシュ合成反応に関して、反応系への所望のインプット流は、Ｈ_２およびＣＯに加えてＣＯ_２を含むことができる。ＣＯ_２の十分な量がインプット流に存在しない場合、水性ガスシフト活性を有するフィッシャー−トロプシュ触媒は、追加的なＣＯ_２を発生させるためにＣＯを消費することができ、ＣＯのない合成ガスが生じる。ＭＣＦＣ燃料電池によるそのようなフィッシャートロプシュ法の集積化のために、アノードアウトプットのための分離段階は、合成ガス生成物におけるＣＯ_２（および任意にＨ_２Ｏ）の所望の量を保持するように作動させることができる。対照的に、非シフティング触媒をベースとするフィッシャー−トロプシュ触媒に関して、生成物流に存在するいずれのＣＯ_２も、フィッシャー−トロプシュ反応系において不活性成分として役立つことができる。

【0109】

メタン掃去ガスなどの掃去ガスによって膜が掃去される態様において、メタン掃去ガスは、アノード燃料として、または異なる低圧プロセス、例えば、煮沸器、炉、ガスタービン、もしくは他の燃料消費デバイスにおいて使用されるメタン流に相当することができる。そのような態様において、膜を通しての低濃度のＣＯ_２透過は、最小限の結果を有することができる。膜を透過し得るそのようなＣＯ_２は、アノード内での反応に対して最小限の影響を有することができ、そしてそのようなＣＯ_２は、アノード生成物に含有されて残ることができる。したがって、透過によって膜を通して損失したＣＯ_２は（存在する場合）、ＭＣＦＣ電解質を通って再び転送される必要はない。これは、水素透過膜の分離選択性必要条件を有意に低下させることができる。これによって、例えば、より低い選択性を有する、より高い透過性の膜の使用が可能となり、そしてこれによって、より低い圧力および／または減少した膜表面面積の使用が可能となる。本発明のそのような態様において、掃去ガスの体積は、アノード排出物の水素の体積の何倍も大きいことが可能であり、これによって、透過サイドにおける有効な水素濃度をゼロ付近に維持することが可能となる。そのようにして分離された水素は、タービン供給メタンに組み込まれることができ、それによって、上記の通り、タービン燃焼特徴を向上させることができる。

【0110】

なお、アノードで生じる過剰量のＨ_２は、温室効果ガスがすでに分離された燃料を表すことができる。アノードアウトプットにおけるいずれのＣＯ_２も、アミン洗浄、低温ＣＯ_２分離器、および／または圧力もしくは真空スイング吸収プロセスなどによって、アノードアウトプットから容易に分離することができる。アノードアウトプットの成分のいくつか（Ｈ_２、ＣＯ、ＣＨ_４）は容易に除去されないが、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏは通常容易に除去することができる。実施形態次第で、アノードアウトプットのＣＯ_２の少なくとも約９０体積％を分離して、比較的高純度のＣＯ_２アウトプット流を形成することができる。したがって、アノードで発生するいずれのＣＯ_２も効率的に分離することができ、高純度ＣＯ_２アウトプット流が形成される。分離後、アノードアウトプットの残りの部分は、主として、ＣＯ_２および／またはＨ_２Ｏの量が低下して、化学および／または燃料値を有する成分に相当することができる。最初の燃料（改質前）によって発生するＣＯ_２の実質的な部分を分離することができるため、アノードアウトプットの残りの部分のその後の燃焼によって発生するＣＯ_２の量を低下させることができる。特に、アノードアウトプットの残りの部分の燃料がＨ_２である範囲まで、追加的な温室効果ガスは、この燃料の燃焼によって、典型的に形成されることができない。

【0111】

アノード排出物は、水性ガスシフトおよび互いからの成分の分離を含む、様々なガス処理の選択肢を受けることができる。２つの一般的なアノード処理スキームを図１および２に示す。

【0112】

図１は、化学合成プロセスに関連して溶融炭酸塩形燃料電池の燃料電池アレイを作動するための反応系の実施例を概略的に示す。図１中、燃料流１０５は、燃料電池１２０、例えば、燃料電池アレイの燃料電池積層の一部分である燃料電池のアノード１２７と関連する改質段階１１０に提供される。燃料電池１２０と関連する改質段階１１０は、燃料電池アセンブリの内部であることができる。いくつかの任意の態様において、外部改質段階（図示せず）を、燃料電池アセンブリにインプット流を通過させる前に、インプット流において改質可能燃料の一部分を改質するために使用することもできる。燃料流１０５は、好ましくは、改質可能燃料、例えば、メタン、他の炭化水素、および／または他の炭化水素様化合物、例えば、炭素−水素結合を含有する有機化合物を含むことができる。燃料流１０５は、任意に、Ｈ_２および／またはＣＯ、例えば、任意のアノードリサイクル流１８５によって提供されるＨ_２および／またはＨ_２を含有することもできる。なお、アノードリサイクル流１８５は任意であり、多くの態様において、リサイクル流は、直接的に、または燃料流１０５もしくは改質された燃料流１１５との組み合わせを通して間接的に、アノード排出物１２５からアノード１２７に提供されない。改質後、改質された燃料流１１５を、燃料電池１２０のアノード１２７に通過させることができる。ＣＯ_２およびＯ_２含有流１１９をカソード１２９に通過させることもできる。燃料電池のカソード部分１２９からの炭酸塩イオン１２２、ＣＯ_３^２−のフローは、アノード燃料電池反応のために必要とされる残りの反応物を提供する。アノード１２７における反応をベースとして、得られるアノード排出物１２５は、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２、１つ以上の不完全に反応した燃料に相当する成分（Ｈ_２、ＣＯ、ＣＨ_４、または改質可能燃料に相当する他の成分）、ならびに任意に１つ以上の追加的な非反応性成分、例えば、Ｎ_２、および／または燃料流１０５の一部分である他の汚染物質を含むことができる。アノード排出物１２５を、次いで、１つ以上の分離段階に通過させることができる。例えば、ＣＯ_２除去段階１４０は、低温ＣＯ_２除去システム、ＣＯ_２などの酸性ガスの除去のためのアミン洗浄段階、またはＣＯ_２アウトプット流１４３をアノード排出物から分離するためのＣＯ_２分離段階の別の適切な種類に相当することができる。任意に、アノード排出物を水性ガスシフト反応器１３０に最初に通過させて、（いくらかのＨ_２Ｏに加えて）アノード排出物に存在するいずれのＣＯも、任意に水性ガスシフトされたアノード排出物１３において、ＣＯ_２およびＨ_２に変換することができる。ＣＯ_２除去段階の性質次第で、水縮合または除去段階１５０は、アノード排出物からの水アウトプット流１５３を除去するために望ましくてもよい。ＣＯ_２分離段階１４０後の図１に示されるが、それは、その代わりにＣＯ_２分離段階１４０前に任意に位置してもよい。追加的に、Ｈ_２の高純度透過流１６３を発生させるために、Ｈ_２分離のための任意の膜分離段階１６０を使用することができる。得られた保留物流１６６は次いで、化学合成プロセスへのインプットとして使用することができる。流れ１６６は、Ｈ_２、ＣＯおよびＣＯ_２含有量を異なる比率に調節するために、第２の水性ガスシフト反応器１３１において、追加的に、または代わりとしてシフトされることができ、化学合成プロセスにおけるさらなる使用のためのアウトプット流１６８を生じる。図１中、アノードリサイクル流１８５は、保留物流１６６から取り出される（又は回収される）ように示されるが、アノードリサイクル流１８５は、追加的に、または代わりとして、様々な分離段階またはその間の他の有利な位置から取り出される（又は回収される）ことができる。分離段階およびシフト反応器は、異なる順番で、および／または並列構成で、追加的に、または、代わりとして構成されることができる。最終的に、カソード１２９からのアウトプットとして、ＣＯ_２ １３９の低下した含有量を有する流れが発生することができる。単純さのために、本プロセスにおいて有用であり得る圧縮および熱添加／除去の様々な段階、ならびに蒸気添加または除去は示されない。

【0113】

上記の通り、アノード排出物において実行される様々な種類の分離は、いずれの都合のよい順番でも実行することができる。図２は、アノード排出物において分離を実行するための別の順番の実施例を示す。図２中、アノード排出物１２５を、最初に、アノード排出物１２５から水素含有量の一部分２６３を除去するための分離段階２６０に通過させることができる。これによって、例えば、２：１により近いＨ_２：ＣＯの比率で保留物２６６を提供するように、アノード排出物のＨ_２含有量の減少を可能にすることができる。次いで、Ｈ_２対ＣＯの比率は、水性ガスシフト段階２３０において所望の値を達成するために調節することができる。水性ガスシフトされたアウトプット２３５を、次いで、ＣＯ_２分離段階２４０および水除去段階２５０に通過させ、所望の化学合成プロセスへのインプットとしての使用のために適切な流れ２７５を生じることができる。任意に、アウトプット流２７５を、追加的な水性ガスシフト段階（図示せず）に暴露させることができる。アウトプット流２７５の一部分は、任意にアノードインプットへリサイクルされることができる（図示せず）。もちろん、分離段階のさらに他の組み合わせおよび配列は、所望の組成を有するアノードアウトプットをベースとする流れを発生させるために使用することができる。単純さのために、プロセスにおいて有用であり得る様々な段階の圧縮および熱添加／除去、ならびに蒸気添加または除去は示されない。

【0114】

カソードインレットおよびアウトプット
従来、溶融炭酸塩形燃料電池は、アノードに送達される燃料流における燃料のいくらかの部分を消費しながら、所望の負荷を引き出すことをベースとして作動されることができる。次いで、燃料電池の電圧は、負荷、アノードへの燃料インプット、カソードに提供される空気およびＣＯ_２、ならびに燃料電池の内部抵抗によって決定することができる。カソードへのＣＯ_２は、従来、カソードインプット流の少なくとも一部分としてアノード排出物を使用することによって、部分的に提供されることができる。対照的に、本発明はアノードインプットおよびカソードインプットのための別々の／異なる供給源を使用することができる。アノードインプットフローおよびカソードインプットフローの組成物のいずれの直接的な関連も除去することによって、追加的な選択肢は、燃料電池を作動するために利用可能になり、例えば、過剰量の合成ガスを発生させ、二酸化炭素の捕捉を改善し、および／または特に、燃料電池の全体効率（電気および化学動力）を改善する。

【0115】

溶融炭酸塩形燃料電池において、燃料電池における電解質を通る炭酸塩イオンの輸送は、第１のフローパスから第２のフローパスへＣＯ_２を輸送し、より低い濃度（カソード）からより高い濃度（アノード）への輸送を可能にし、したがって、ＣＯ_２の捕捉を促進することができる方法を提供することができる。ＣＯ_２分離のための燃料電池の選択性の一部分は、電池が電力を発生させることを可能にする電気化学的反応をベースとすることができる。燃料電池内での電気化学的反応に効果的に関与しない非反応性種（例えば、Ｎ_２）に関して、反応およびカソードからアノードまでの輸送に重要ではない量が存在することができる。対照的に、カソードとアノードとの間のポテンシャル（電圧）差は、燃料電池を通って強い推進力を炭酸塩イオンの輸送に提供することができる。その結果、溶融炭酸塩形燃料電池中の炭酸塩イオンの輸送は、比較的高選択性で、ＣＯ_２が、カソード（より低いＣＯ_２濃度）からアノード（より高いＣＯ_２濃度）まで輸送されることを可能にする。しかしながら、二酸化炭素除去のために溶融炭酸塩形燃料電池を使用することにおける課題は、燃料電池が比較的希薄なカソード供給から二酸化炭素を除去するために限られた能力を有するということであることができる。約２．０体積％未満までＣＯ_２濃度が低下すると、炭酸塩形燃料電池によって発生する電圧および／または動力は急速に低下を開始することができる。さらにＣＯ_２濃度が、例えば、約１．０体積％未満まで低下すると、ある点で、燃料電池の電圧は、炭酸塩の輸送がほとんど生じないか、またはもはや生じず、燃料電池が機能を停止するほど十分に低くなることができる。したがって、少なくともいくらかのＣＯ_２は、おそらく、商業的に実行可能な作動条件で燃料電池のカソード段階からの排出物ガスに存在する。

【0116】

燃料電池カソードに送達される二酸化炭素の量は、カソードインレットのための供給源のＣＯ_２含有量をベースとして決定することができる。カソードインプットフローとしての使用のために適切なＣＯ_２含有流の一例は、燃焼供給源からのアウトプットまたは排出物フローであることができる。燃焼供給源の例には、限定されないが、天然ガスの燃焼、石炭の燃焼、および／または他の炭化水素型燃料（生物学的に誘導された燃料を含む）の燃焼をベースとする供給源が含まれる。追加的、または代わりの供給源には、他の種類の煮沸器、燃焼された加熱器、炉、および／または別の物質（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種類のデバイスを含むことができる。第１の概算に対して、燃焼供給源からのアウトプットフローのＣＯ_２含有量は、フローの少数部分であることができる。より高いＣＯ_２含有量排出物フロー、例えば、石炭燃焼供給源からのアウトプットに関して、ほとんどの商業的な石炭燃焼発電所からのＣＯ_２含有量は、約１５体積％以下であることができる。より一般に、燃焼供給源からのアウトプットまたは排出物フローのＣＯ_２含有量は、少なくとも約１．５体積％、または少なくとも約１．６体積％、または少なくとも約１．７体積％、または少なくとも約１．８体積％、または少なくとも約１．９体積％、または少なくとも約２体積％、または少なくとも約４体積％、または少なくとも約５体積％、または少なくとも約６体積％、または少なくとも約８体積％であることができる。追加的に、または代わりとして、燃焼供給源からのアウトプットまたは排出物フローのＣＯ_２含有量は、約２０体積％以下、例えば、約１５体積％以下、または約１２体積％以下、または約１０体積％以下、または約９体積％以下、または約８体積％以下、または約７体積％以下、または約６．５体積％以下、または約６体積％以下、または約５．５体積％以下、または約５体積％以下、または約４．５体積％以下であることができる。上記で示される濃度は、乾燥基準である。なお、より低いＣＯ_２含有量値は、いくつかの天然ガスまたはメタン燃焼供給源、例えば、排出物ガスリサイクルループを含んでもよいか、または含まなくてもよい発電システムの一部分である発電機からの排出物において存在することができる。

【0117】

カソードインプット流のための他の潜在的な供給源は、生物的に生じたＣＯ_２の供給源を追加的に、または代わりとして含むことができる。これは、例えば、バイオ誘導化合物の処理の間に発生するＣＯ_２、例えば、エタノール生成の間に発生するＣＯ_２を含むことができる。追加的または代わりの例は、生物的に生じた燃料の燃焼、例えば、リグノセルロースの燃焼によって発生するＣＯ_２を含むことができる。さらに他の追加的または代わりの潜在的なＣＯ_２供給源は、様々な工業プロセスからのアウトプットまたは排気物流、例えば、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発生するＣＯ_２含有流に相当することができる。

【0118】

ＣＯ_２のさらに別の追加的または代わりの潜在的な供給源は、燃料電池からのＣＯ_２含有流であることができる。燃料電池からのＣＯ_２含有流は、異なる燃料電池からのカソードアウトプット流、異なる燃料電池からのアノードアウトプット流、カソードアウトプットから燃料電池のカソードインプットへのリサイクル流、および／またはアノードアウトプットから燃料電池のカソードインプットへのリサイクル流に相当することができる。例えば、従来の条件で独立モードで作動された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出物を発生させることができる。そのようなＣＯ_２含有カソード排出物は、本発明の態様によって作動されるＭＣＦＣのためのカソードインプットとして使用することができる。より一般に、カソード排出物からＣＯ_２アウトプットを発生させる他の種類の燃料電池を、追加的に、または代わりとして使用することができ、ならびに他の種類のＣＯ_２含有流が、「燃焼」反応によって、および／または燃焼発電機によって発生しない。任意に、しかし好ましくは、別の燃料電池からのＣＯ_２含有流は、別の溶融炭酸塩形燃料電池からであることができる。例えば、カソードに関して直列に連結される溶融炭酸塩形燃料電池に関して、第１の溶融炭酸塩形燃料電池のカソードからのアウトプットを、第２の溶融炭酸塩形燃料電池のカソードへのインプットとして使用することができる。

【0119】

燃焼供給源以外の供給源からの様々な種類のＣＯ_２含有流に関して、流れのＣＯ_２含有量は広範囲に変動することができる。カソードへのインプット流のＣＯ_２含有量は、少なくとも約２体積％、例えば、少なくとも約４体積％、または少なくとも約５体積％、または少なくとも約６体積％、または少なくとも約８体積％のＣＯ_２を含有することができる。追加的に、または代わりとして、カソードへのインプット流のＣＯ_２含有量は、約３０体積％以下、例えば、約２５体積％以下、または約２０体積％以下、または約１５体積％以下、または約１０体積％以下、または約８体積％以下、または約６体積％以下、または約４体積％以下であることができる。いくつかのさらにより高いＣＯ_２含有量流に関して、ＣＯ_２含有量は、約３０体積％より高いことができ、例えば、流れは、ＣＯ_２と、他の化合物の重要ではない量のみから実質的に構成される。一例として、排出物ガスリサイクルのないガス燃焼タービンは、約４．２体積％のＣＯ_２含有量を有する排出物流を生じることができる。ＥＧＲによって、ガス燃焼タービンは、約６〜８体積％のＣＯ_２含有量を有する排出物流を生じることができる。メタンの化学量論的な燃焼は、約１１体積％のＣＯ_２含有量を有する排出物流を生じることができる。石炭の燃焼は、約１５〜２０体積％のＣＯ_２含有量を有する排出物流を生じることができる。精製装置オフガスを使用する燃焼加熱器は、約１２〜１５体積％のＣＯ_２含有量を有する排出物流を生じることができる。いずれのＥＧＲも用いない、低ＢＴＵガスにおいて作動されるガスタービンは、約１２体積％のＣＯ_２含有量を有する排出物流を生じることができる。

【0120】

ＣＯ_２に加えて、カソードインプット流は、カソード反応のために必要な成分を提供するために、Ｏ_２を含まなければならない。いくつかのカソードインプット流は、成分として空気を有することをベースとすることができる。例えば、燃焼排出物流は、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。そのような燃焼排出物流、または別の種類の空気の含有をベースとする酸素含有量を有するカソードインプット流は、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。追加的に、または代わりとして、カソードインプット流の酸素含有量は、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。より一般に、カソードインプット流は、カソード反応を実行するために適切な酸素の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％の酸素含有量に相当することができる。多くの種類のカソードインプット流に関して、ＣＯ_２およびＯ_２の組み合わせられた量は、インプット流の約２１体積％未満、例えば、流れの約１５体積％未満または流れの約１０体積％未満に相当することができる。酸素を含有する空気流を、低酸素含有量を有するＣＯ_２供給源と組み合わせることができる。例えば、石炭を燃焼させることによって発生する排出物流は、カソードインレット流を形成するために空気と混合することができる低酸素含有量を含んでもよい。

【0121】

ＣＯ_２およびＯ_２に加えて、カソードインプット流は、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏおよび他の典型的な酸化剤（空気）成分などの不活性／非反応性な種から構成されることもできる。例えば、燃焼反応からの排出物から誘導されるカソードインプットに関して、燃焼反応のために酸化剤供給源の一部として空気が使用される場合、排出物ガスは、空気の典型的な成分、例えば、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏおよび空気に存在する少量の他の化合物を含むことができる。燃焼反応のための燃料供給源の性質次第で、燃料供給源をベースとする燃焼の後に存在する追加的な種としては、Ｈ_２Ｏ、窒素（ＮＯｘ）および／または硫黄（ＳＯｘ）の酸化物、ならびに燃料に存在し、および／または燃料に存在する部分的もしくは完全燃焼生成物、例えば、ＣＯである他の化合物の１つ以上が含まれ得る。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損なわない量で存在し得る。そのような性能の低下は容認可能であり得、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容認可能な濃度まで低下され得る。

【0122】

カソードインプット流（例えば、燃焼排出物をベースとするインプットカソード流）に存在するＯ_２の量は、有利には、燃料電池においてカソード反応のために必要とされる酸素を提供するために十分であることができる。したがって、Ｏ_２の体積パーセントは、有利には、排出物のＣＯ_２の量の少なくとも０．５倍であることができる。任意に、必要に応じて、追加的な空気は、カソード反応のために十分な酸化剤を提供するために、カソードインプットに添加されることができる。いくつかの形態の空気が酸化剤として使用される場合、カソード排出物中の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％以下であることができる。いくつかの態様において、カソードインプット流は、汚染物質として一般に見られる化合物、例えば、Ｈ_２ＳまたはＮＨ_３を追加的に、または代わりとして含有することができる。他の態様において、カソードインプット流は、そのような汚染物質の含有量を低下させるか、または最小化するためにクリーン化されることができる。

【0123】

電解質を通る輸送のために炭酸塩イオンを形成する反応に加えて、カソードにおける条件は、酸化窒素から硝酸塩および／または硝酸塩イオンへの変換のために適切であることもできる。以下、便宜のために硝酸塩イオンのみが記載される。得られる硝酸塩イオンも、アノードにおける反応のために電解質を通って輸送されることができる。カソードインプット流のＮＯｘ濃度は、典型的にｐｐｍの規模であることができるため、この硝酸塩輸送反応は、電解質を通って輸送される炭酸塩の量に対して最小限の影響を有することができる。しかしながら、ＮＯｘ除去のこの方法は、ＮＯｘ排出を低下させる機構を提供することができるため、ガスタービンからの燃焼排出物をベースとするカソードインプット流に関して有利であることができる。カソードにおける条件は、（カソードインプット流のＯ_２と組み合わせて）未燃焼炭化水素から典型的な燃焼生成物、例えば、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏへの変換のために、追加的に、または代わりとして適切であることができる。

【0124】

ＭＣＦＣの作動のための適切な温度は、約４５０℃〜約７５０℃、例えば、少なくとも約５００℃、例えば、約５５０℃のインレット温度および約６２５℃のアウトレット温度であることができる。カソードに入る前に、所望であれば、例えば、他のプロセス、例えば、アノードのために燃料インプットを改質するプロセスに熱を提供するため、熱を燃焼排出物に添加、または除去することができる。例えば、カソードインプット流のための供給源が燃焼排出物流である場合、燃焼排出物流は、カソードインレットのための所望の温度より高い温度を有してもよい。そのような態様において、カソードインプット流としての使用の前に、熱を燃焼排出物から除去することができる。あるいは、燃焼排出物は、例えば、石炭燃焼煮沸器の湿式ガススクラバーの後、非常に低温である可能性があり、そのような場合、燃焼排出物は約１００℃未満であることができる。あるいは、燃焼排出物は、複合サイクルモードで作動されたガスタービンの排出物からであることが可能であり、その場合、追加的な発電のために蒸気を生じさせて、蒸気タービンを動作することによってガスを冷却することができる。この場合、ガスは約５０℃未満であることができる。所望よりも冷たい燃焼排出物に熱を添加することができる。

【0125】

燃料電池配列
様々な態様において、燃料電池（例えば、複数の燃料電池積層を含有する燃料電池アレイ）のための構成選択肢は、複数の燃料電池間でＣＯ_２含有流を分割することであることができる。ＣＯ_２含有流のいくつかの種類の供給源は、個々の燃料電池の能力と比較して、大きい体積フローレートを発生させることができる。例えば、工業用の燃焼供給源からのＣＯ_２含有アウトプット流は、典型的に、適切な径の単一ＭＣＦＣのために望ましい作動条件と比較して大きいフロー体積に相当することができる。単一ＭＣＦＣで全フローを処理する代わりに、それぞれのユニットのフローレートが所望のフロー範囲内にあることができるように、通常そのなかの少なくともいくつかが並列であることができる複数のＭＣＦＣユニットの間にフローを分割することができる。

【0126】

第２の構成の選択肢は、フロー流からＣＯ_２を連続的に除去するために、直列に燃料電池を利用することであることができる。ＣＯ_２含有流を並列に分配することができる初期の燃料電池の数に関係なく、それぞれの初期の燃料電池は、さらに追加的なＣＯ_２を除去するために、直列の１つ以上の追加的な電池が続くことができる。カソードアウトプットにおけるＣＯ_２の所望の量が十分に低い場合、単一燃料電池または燃料電池段階において所望の濃度までカソードインプット流からＣＯ_２を除去することを試みることによって、燃料電池のための低いおよび／または予測不可能な電圧アウトプットが導かれることができるであろう。単一燃料電池または燃料電池段階において所望の濃度までＣＯ_２を除去することを試みるよりも、ＣＯ_２は所望の濃度を達成することができるまで、連続した電池において除去されることができる。例えば、燃料電池の直列のそれぞれの電池を使用して、燃料流に存在するＣＯ_２のいくらかのパーセント（例えば、約５０％）を除去することができる。そのような例において、３つの燃料電池が直列に使用される場合、ＣＯ_２濃度を低下させることができる（例えば、存在する最初の量の約１５％未満まで、これは、直列の３つの燃料電池のコース上で約６％から約１％未満までＣＯ_２濃度を低下させることに相当することができる）。

【0127】

別の構成において、作動条件は、所望のアウトプット電圧を提供するために、直列のより早い燃料段階において選択されることができるが、段階のアレイは、炭素分離の所望の濃度を達成するために選択されることができる。一例として、燃料電池のアレイは、直列に３つの燃料電池で使用されることができる。直列の最初の２つの燃料電池は、所望のアウトプット電圧を維持しながら、ＣＯ_２を除去するために使用されることができる。次いで、最終的な燃料電池は、所望の濃度までであるが、より低い電圧で、ＣＯ_２を除去するために作動されることができる。

【0128】

なお別の構成において、燃料電池アレイにおいてアノードおよびカソードに関して別々の接続性があることができる。例えば、燃料電池アレイが直列に連結される燃料カソードを含む場合、相当するアノードは、いずれかの都合のよい方法で連結されることができ、例えば、それらの相当するカソードと同一の配列に必ずしも適合しない。これには、例えば、それぞれのアノードが同種類の燃料供給を受け取るように、並列にアノードを連結すること、および／またはアノードの最高燃料濃度が最低ＣＯ_２濃度を有するそれらのカソードに相当することができるように逆直列でアノードを連結することが含まれることができる。

【0129】

さらに別の構成において、１つ以上のアノード段階まで送達される燃料の量および／または１つ以上のカソード段階まで送達されるＣＯ_２の量は、燃料電池アレイの性能を改善するために制御することができる。例えば、燃料電池アレイは、直列に連結される複数のカソード段階を有することができる。直列に３つのカソード段階を含むアレイにおいて、これは、第１のカソード段階からのアウトプットは、第２のカソード段階のためのインプットに相当することができ、そして第２のカソード段階からのアウトプットは、第３のカソード段階のためのインプットに相当することができることを意味する。この種類の構成において、ＣＯ_２濃度は、それぞれの連続したカソード段階で減少することができる。この低下したＣＯ_２濃度の埋め合わせをするために、追加的な水素および／またはメタンを、その後のカソード段階に相当するアノード段階まで送達することができる。その後のカソード段階に相当するアノードの追加的な水素および／またはメタンは、低下したＣＯ_２濃度によって生じる電圧および／または電流の損失を少なくとも部分的に相殺することができ、これによって燃料電池によって生じる電圧、したがって正味の動力を増加させることができる。別の実施例において、燃料電池アレイのカソードは、部分的に直列かつ部分的に並列に連結させることができる。この種類の実施例において、第１のカソード段階においてカソード中に全燃焼アウトプットを通過させる代わりに、燃焼排出物の少なくとも一部分は、その後のカソード段階中に通過させることができる。これによって、その後のカソード段階においてＣＯ_２含有量の増加を提供することができる。アノード段階またはカソード段階のいずれかまで可変的な供給を使用するためのさらに他の選択肢は、所望であれば使用することができる。

【0130】

上記の通り、燃料電池のカソードは、燃料電池のアレイからの複数のカソードに相当することができる。いくつかの態様において、燃料電池アレイは、カソードからアノードまで転送される炭素の量を改善するか、または最大にするために作動させることができる。そのような態様において、（典型的に直列配列を少なくとも含むか、または最終的なカソードおよび初期のカソードが同一である）アレイ配列における最終的なカソードからのカソードアウトプットに関して、アウトプット組成物は、約２．０体積％以下のＣＯ_２（例えば、約１．５体積％以下または約１．２体積％以下）、および／または少なくとも約０．５体積％のＣＯ_２、または少なくとも約１．０体積％、または少なくとも約１．２体積％、または少なくとも約１．５体積％を含むことができる。この限定のために、溶融炭酸塩形燃料電池使用時のＣＯ_２除去の正味の効率は、カソードインプットにおけるＣＯ_２の量に依存することができる。約６体積％より高く、例えば、少なくとも約８体積％のＣＯ_２含有量を有するカソードインプット流に関しては、除去することができるＣＯ_２の量の限定は厳しくない。しかしながら、典型的にガスタービンで見られるような、過剰量の空気とともに燃料として天然ガスを使用する燃焼反応に関して、燃焼排出物のＣＯ_２の量は、約５体積％未満のカソードインプットにおけるＣＯ_２濃度に相当するのみであり得る。排出物ガスリサイクルの使用によって、カソードインプットにおけるＣＯ_２の量を少なくとも約５体積％、例えば少なくとも約６体積％まで増加させることができる。約６体積％より高いＣＯ_２濃度を生じるために燃料として天然ガスを使用する時にＥＧＲが増加する場合、次いで、燃焼室における可燃性を減少させることができ、そしてガスタービンは不安定化し得る。しかしながら、Ｈ_２が燃料に添加される場合、可燃性ウィンドウは有意に増加することが可能であり、少なくとも約７．５体積％または少なくとも約８体積％のカソードインプットにおけるＣＯ_２の濃度が達成可能となるように、排出物ガスリサイクルの量をさらに増加させることができる。一例として、カソード排出物における約１．５体積％の除去限界をベースとして、約５．５体積％から約７．５体積％までカソードインプットにおけるＣＯ_２含有量を増加させることは、最終的なＣＯ_２分離のために燃料電池を使用して捕捉することができ、かつアノードループへ輸送することができるＣＯ_２の量の約１０％増加に相当することができる。カソードアウトプットにおけるＯ_２の量は、典型的に除去されるＣＯ_２の量と比例した量で、追加的に、または代わりとして低下させることができ、それによって、カソード出口におけるその他の（非カソード反応性）種の量の小さい相当する増加をもたらすことができる。

【0131】

他の態様において、燃料電池アレイは、燃料電池のエネルギーアウトプット、例えば、全エネルギーアウトプット、電気エネルギーアウトプット、合成ガス化学エネルギーアウトプットまたはそれらの組み合わせを改善するか、または最大にするために作動させることができる。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池は、例えば、化学合成プラントに用いられる合成ガス流の発生のため、および／または高純度水素流の発生のために、様々な状態において過剰量の改質可能燃料を用いて作動させることができる。合成ガス流および／または水素流は、合成ガス供給源、水素供給源として、クリーンな燃料供給源として、および／または他のいずれかの都合のよい用途のために使用することができる。そのような態様において、カソード排出物のＣＯ_２の量は、カソードインプット流におけるＣＯ_２の量、および燃料電池エネルギーアウトプットを改善するか、または最大にするための所望の作動条件でのＣＯ_２利用に関連することができる。

【0132】

追加的に、または代わりとして、作動条件次第で、ＭＣＦＣは、約５．０体積％以下、例えば、約４．０体積％以下、または約２．０体積％以下、または約１．５体積％以下、または約１．２体積％以下までカソード排出物流のＣＯ_２含有量を低下させることができる。追加的に、または代わりとして、カソード排出物流のＣＯ_２含有量は、少なくとも約０．９体積％、例えば、少なくとも約１．０体積％、または少なくとも約１．２体積％、または少なくとも約１．５体積％であることができる。

【0133】

溶融炭酸塩形燃料電池の作動
いくつかの態様において、燃料電池は、単回通過または貫流モードで作動されてよい。単回通過モードにおいては、アノード排出物の改質された生成物はアノードインレットに戻されない。したがって、アノードアウトプットから直接、アノードインレットに合成ガス、水素またはいくつかの他の生成物をリサイクルすることは、単回通過作動では行われない。より一般に、単回通過作動において、アノード排出物の改質された生成物は、例えば、その後アノードインレットに導入された燃料流を処理するために改質された生成物を用いることによって、アノードインレットに間接的にも戻されない。任意に、アノードアウトレットからのＣＯ_２は、単回通過モードのＭＣＦＣの作動の間、カソードインレットにリサイクルされることができる。より一般に、いくつかの別の態様において、アノードアウトレットからカソードインレットへのリサイクルは、単回通過モードで作動するＭＣＦＣに関して生じてもよい。アノード排出物またはアウトプットからの熱は、単回通過モードにおいて追加的に、または代わりとしてリサイクルされてもよい。例えば、アノードアウトプットフローは熱交換器を通過してもよく、そこでは、アノードアウトプットは冷却されて、そして別の流れ、例えばアノードおよび／またはカソードのためのインプット流が加温される。アノードから燃料電池まで熱をリサイクルすることは、単回通過または貫流モード作動における使用と調和する。任意に、しかし好ましくはないが、アノードアウトプットの成分は、単回通過モードの間、燃料電池に熱を提供するために燃焼されてもよい。

【0134】

図３は、電力の発生のためのＭＣＦＣの作動の概略的実施例を示す。図３中、燃料電池のアノード部分は、インプットとして燃料および蒸気（Ｈ_２Ｏ）を受け取ることができ、水、ＣＯ_２、ならびに任意に過剰量のＨ_２、ＣＨ_４（または他の炭化水素）および／またはＣＯがアウトプットである。燃料電池のカソード部分は、インプットとしてＣＯ_２およびいくつかの酸化剤（例えば、空気／Ｏ_２）を受け取ることができ、アウトプットはＯ_２欠乏酸化剤（空気）における減少した量のＣＯ_２に相当する。燃料電池内で、カソードサイドで形成されるＣＯ_３^２−イオンは電解質を通って輸送されることができ、アノードで生じる反応のために必要とされる炭酸塩イオンを提供することができる。

【0135】

図３に示される実施例の燃料電池などの溶融炭酸塩形燃料電池内で、いくつかの反応が生じることができる。改質反応は任意であることができ、十分なＨ_２がアノードに直接提供される場合、減少させるか、または排除することができる。以下の反応はＣＨ_４をベースとするが、他の燃料が燃料電池で使用される場合、同様の反応が生じることができる。

【化1】

【0136】

反応（１）は、燃料電池のアノードにおける使用のためにＨ_２を発生させるための基本的な炭化水素改質反応を表す。反応（１）で形成されるＣＯは、水性ガスシフト反応（２）によって、Ｈ_２に変換されることができる。反応（１）および（２）の組み合わせは、反応（３）として示される。反応（１）および（２）は、燃料電池の外部で生じることができ、および／または改質はアノードの内部で実行することができる。

【0137】

反応（４）および（５）は、それぞれアノードおよびカソードにおいて、燃料電池内で電力発生をもたらすことができる反応を表す。反応（４）は、供給に存在するか、または反応（１）および／もしくは（２）によって任意に発生するＨ_２を炭酸塩イオンと組み合わせ、Ｈ_２Ｏ、ＣＯ_２および回路への電子を形成する。反応（５）は、Ｏ_２、ＣＯ_２および回路からの電子を組み合わせ、炭酸塩イオンを形成する。反応（５）によって発生する炭酸塩イオンは、反応（４）のために必要とされる炭酸塩イオンを提供するために、燃料電池の電解質を通って輸送されることができる。電解質を通る炭酸塩イオンの輸送と組み合わせて、閉じた電流ループが、アノードとカソードとの間の電気接続を提供することによって、次いで形成されることができる。

【0138】

様々な実施形態において、燃料電池を作動する目標は、燃料電池の全体の効率、および／または燃料電池と、集積化された化学合成プロセスの全体の効率を改善することであることができる。これは、目標が、電力の発生のために電池に提供される燃料を使用するための高電気効率を有する燃料電池を作動することであることができる、従来の燃料電池の作動とは典型的に対照的である。上記で定義されるように、全体の燃料電池効率は、燃料電池の電気アウトプットおよび燃料電池アウトプットの低位発熱量を、燃料電池のためのインプット成分の低位発熱量によって割ることによって決定され得る。言い換えると、ＴＦＣＥ＝（ＬＨＶ（ｅｌ）＋ＬＨＶ（ｓｇ ｏｕｔ））／ＬＨＶ（ｉｎ）であり、式中、ＬＨＶ（ｉｎ）およびＬＨＶ（ｓｇ ｏｕｔ）は、燃料電池に送達された燃料成分（例えば、Ｈ_２、ＣＨ_４および／またはＣＯ）、ならびにアノードアウトレット流またはフローの合成ガス（Ｈ_２、ＣＯおよび／またはＣＯ_２）のＬＨＶを指す。これは、燃料電池および／または集積化された化学プロセスによって発生する電気エネルギーおよび化学エネルギーの尺度を提供することができる。なお、全効率のこの定義の下、燃料電池内で使用され、かつ／または集積化された燃料電池／化学合成システム内で使用される熱エネルギーは、全効率に寄付することができる。しかしながら、交換されるか、あるいはその他の場合には燃料電池または集積化された燃料電池／化学合成システムから取り出される（又は回収される）いずれの過剰量の熱も、この定義から排除される。したがって、燃料電池からの過剰量の熱が、例えば、蒸気タービンによる発電のために蒸気を発生させるために使用される場合、そのような過剰量の熱は全効率の定義から排除される。

【0139】

いくつかの操作パラメーターは、過剰量の改質可能燃料によって燃料電池を作動するために修正されてもよい。いくつかのパラメーターは、燃料電池作動に現在推奨されるものと同様であることができる。いくつかの態様において、燃料電池へのカソード条件および温度インプットは、文献で推奨されるものと同様であることができる。例えば、所望の電気効率および所望の全燃料電池効率は、溶融炭酸塩形燃料電池のために典型的な燃料電池動作温度の範囲で達成され得る。典型的な作動において、燃料電池を通って温度を増加させることができる。

【0140】

他の態様において、燃料電池が、アノードインレットからアノードアウトレットへ、および／またはカソードインレットからカソードアウトレットへの温度低下を可能にするように作動されるように、燃料電池の操作パラメーターは、典型的な条件から逸脱することができる。例えば、炭化水素をＨ_２およびＣＯに変換する改質反応は、吸熱性反応である。電流を発生させる水素の酸化の量と比較して、十分な量の改質が燃料電池アノードで実行される場合、燃料電池における正味の熱バランスは吸熱性であることができる。これは、燃料電池のインレットとアウトレットとの間での温度低下を生じることができる。吸熱性作動の間、燃料電池において電解質が溶融状態で残存するように、燃料電池の温度低下は制御されることができる。

【0141】

現在推奨されるものとは異なるようにする方法で修正することができるパラメーターには、アノードに提供される燃料の量、アノードに提供される燃料の組成、ならびに／あるいはアノード排出物からアノードインプットまたはカソードインプットのいずれかへの合成ガスの有意なリサイクルを伴わないアノードアウトプットの合成ガスの分離および捕捉を含むことができる。いくつかの態様において、アノード排出物からのアノードインプットまたはカソードインプットのいずれかへの合成ガスまたは水素のリサイクルは、直接的に、または間接的に生じさせないことが可能である。追加的または別の態様において、リサイクルの限定的な量を生じることができる。そのような態様において、アノード排出物からアノードインプットおよび／またはカソードインプットへのリサイクルの量は、アノード排出物の約１０体積％未満、例えば、約５体積％未満、または約１体積％未満であることができる。

【0142】

追加的に、または代わりとして、燃料電池を作動する目標は、電力の発生を可能にすることに加えて、燃焼反応またはＣＯ_２アウトプット流を生じる別のプロセスのアウトプット流からＣＯ_２を分離することであることができる。そのような態様において、組み合わせられた発電機／燃料電池システムによって発生する大部分の動力を提供することができる、１つ以上の発電機またはタービンに動力を供給するために、燃焼反応を使用することができる。燃料電池による発電を最適化するために燃料電池を作動するよりも、このシステムはその代わりに、二酸化炭素を捕捉するために必要とされる燃料電池の数を減少させるか、または最小化しながら、燃焼動力発電機からの二酸化炭素の捕捉を改善するために作動されることができる。燃料電池のインプットおよびアウトプット動力フローのために適切な構成を選択すること、ならびに燃料電池のために適切な作動条件を選択することによって、全効率および炭素捕捉の望ましい組み合わせを可能にすることができる。

【0143】

いくつかの実施形態において、燃料電池アレイの燃料電池は、燃料電池（例えば、燃料電池積層）の単一段階のみが存在することができるように配置することができる。この種類の実施形態において、単一段階の間のアノード燃料利用は、アレイのアノード燃料利用を表すことができる。別の選択肢は、燃料電池アレイが、アノードの複数段階およびカソードの複数段階を含有することができることであり、それぞれのアノード段階は同範囲内の燃料利用を有し、例えば、それぞれのアノード段階は、明示された値の１０％以内、例えば、明示された値の５％以内の燃料利用を有する。さらに別の選択肢は、それぞれのアノード段階が、明示された値と同等または明示された値未満の燃料利用を有することができることであり、例えば、それぞれのアノード段階は、５％以下、例えば、１０％以下、明示された値より大きくない。実例となる実施例として、複数のアノード段階を有する燃料電池アレイは、５０％燃料利用の約１０％の範囲内であるそれぞれのアノード段階を有することができ、これは、約４０％〜約６０％の燃料利用を有するそれぞれのアノード段階に相当する。他の例として、複数の段階を有する燃料電池アレイは、最大偏差が約５％未満で、６０％アノード燃料利用より高くないそれぞれのアノード段階を有することができ、これは、約５５％〜約６０％の燃料利用を有するそれぞれのアノード段階に相当する。さらに別の実施例において、燃料電池アレイの燃料電池の１つ以上の段階は、約３０％〜約５０％の燃料利用で作動されることができ、例えば、約３０％〜約５０％の燃料利用でアレイにおいて複数の燃料電池段階が作動される。より一般に、上記の種類の範囲のいずれも、本明細書に明示されるアノード燃料利用値のいずれとも組み合わせることができる。

【0144】

さらに別の追加的または代わりの選択肢は、全てではないアノード段階に関する燃料利用を明示することを含むことができる。例えば、本発明のいくつかの態様において、燃料電池／積層は、１つ以上の直列配列で少なくとも部分的に配置されることができ、アノード燃料利用は、直列の第１のアノード段階、直列の第２のアノード段階、直列の最終的なアノード段階、または直列の他のいずれかの都合のよいアノード段階のために明示されることができる。本明細書で使用される場合、直列の「第１の」段階は、インプットが燃料供給源から直接供給される段階（または配列が同様に並列の段階を含有する場合、段階の組み合わせ）に相当し、その後の（「第２の」、「第３の」、「最終的な」など）段階は、それぞれの燃料供給源から直接の代わりに、１つ以上の前の段階からのアウトプットが供給される段階を表す。前の段階からのアウトプットおよび燃料供給源からの直接インプットの両方が段階に同時供給される状況において、「第１の」（組み合わせの）段階および「最後の」（組み合わせの）段階が存在することができるが、他の段階（「第２の」、「第３の」など）は、その中で順番を確立するために、より慎重を要することができる（例えば、そのような場合、順番は、複合インプット供給組成物における１つ以上の成分、例えばＣＯ_２の濃度によって、最も高い濃度「第１」から最も低い濃度「最後」まで決定されることができ、ほぼ同様の組成差が同様の順番を表す。）

【0145】

さらに別の追加的または代わりの選択肢は、特定のカソード段階に相当するアノード燃料利用を明示することであることができる（再び、燃料電池／積層が１つ以上の直列配列で少なくとも部分的に配置されることができる）。上記の通り、アノードおよびカソード内のフローの方向をベースとして、第１のカソード段階は、（同一燃料電池膜を通って）第１のアノード段階に相当しなくてもよい。したがって、本発明のいくつかの態様において、アノード燃料利用は、直列の第１のカソード段階、直列の第２のカソード段階、直列の最終的なカソード段階、または直列の他のいずれかの都合のよいカソード段階のために明示されることができる。

【0146】

なおさらに別の追加的または代わりの選択肢は、燃料電池アレイの全燃料電池における燃料利用の全平均を明示することであることができる。様々な態様において、燃料電池アレイのための燃料利用の全平均は、約６５％以下、例えば、約６０％以下、約５５％以下、約５０％以下または約４５％の以下であることができる（追加的に、または代わりとして、燃料電池アレイのための全平均燃料利用は、少なくとも約２５％、例えば、少なくとも約３０％、少なくとも約３５％または少なくとも約４０％であることができる）。そのような平均燃料利用は、燃料電池のアレイが所望の燃料利用を満たす限り、いずれかの単一段階における燃料利用を必ずしも限定する必要はない。

【0147】

捕捉後のＣＯ_２アウトプットのための用途
本発明の様々な態様において、上記のシステムおよび方法によって、加圧流体としての二酸化炭素の生成を可能にすることができる。例えば、低温分離段階から発生するＣＯ_２は、最初、少なくとも約９０％、例えば、少なくとも約９５％、少なくとも約９７％、少なくとも約９８％、または少なくとも約９９％の純度を有する加圧されたＣＯ_２液体に相当することができる。この加圧されたＣＯ_２流は、例えば、二次石油採集においてなど、さらに油またはガス回収を向上させるためのウェルへの注入に使用されることができる。ガスタービンを包含する設備の付近で実行される場合、全体的なシステムは、電気／機械的動力の使用における追加的な相乗効果から、および／または全体システムとの熱集積化を通して利益を得てもよい。

【0148】

あるいは、強制石油回収（ＥＯＲ）用途のためのシステムに関して（すなわち、厳密な成基準を有するパイプラインシステムにおいて混合されない）、ＣＯ_２分離必要条件は実質的に緩和されてもよい。ＥＯＲ用途はＯ_２の存在に感応性である可能性があるため、いくつかの実施形態において、ＥＯＲに関して意図されたＣＯ_２流からＯ_２は不在であることができる。しかしながら、ＥＯＲ用途は、溶解されたＣＯ、Ｈ_２および／またはＣＨ_４に対して低い感応性を有する傾向あることができる。また、ＣＯ_２を輸送するパイプラインは、これらの不純物に感応性である可能性がある。それらの溶性ガスは、典型的に、ＥＯＲに使用されるＣＯ_２の可溶化能力に対してわずかな影響のみを有することができる。ＣＯ、Ｈ_２および／またはＣＨ_４などの注入ガスは、ＥＯＲガスとして、燃料価回復のいくらかの損失をもたらすことができるが、そのようなガスは、その他の場合には、ＥＯＲ用途と適合性であることができる。

【0149】

追加的に、または代わりとして、加圧された液体としてのＣＯ_２の潜在的な用途は、藻類成長／収穫などの生物学的プロセスにおける養分としてであることができる。ＣＯ_２分離のためのＭＣＦＣの使用によって、確実に、生物学的に有意な汚染物質を容認できる低濃度まで低下させることができ、光合成有機体の成長に実質的に悪影響を及ぼさないような少量の他の「汚染物質」ガス（ＣＯ、Ｈ_２、Ｎ_２などおよびそれらの組み合わせ）のみを有するＣＯ_２含有流をもたらす。これは、重金属などの潜在的に高度に毒性の材料をしばしば含有することができるほとんどの工業用供給源によって発生するアウトプット流とは際立った対比であることができる。

【0150】

本発明のこの種類の態様において、アノードループにおけるＣＯ_２の分離によって発生するＣＯ_２流は、生物燃料および／または化学製品、ならびにそれらの前駆体を製造するために使用することができる。さらに追加的に、または代わりとして、ＣＯ_２は高密度流体として生じられてもよく、例えば、光合成有機体の大きい領域への距離を通したより容易なポンプ輸送および輸送が可能となる。従来の排出供給源は、他のガスおよび汚染物質と混合された適度の量のＣＯ_２（例えば、約４〜１５％）を含有するホットガスを排出することができる。これらの材料は通常、藻類の池または生物燃料「ファーム」に希薄なガスとしてポンプ輸送される必要がある。対照的に、本発明によるＭＣＦＣシステムは、濃縮ＣＯ_２流（乾燥基準で約６０〜７０体積％）を生じることができ、これは、さらに９５％＋（例えば、９６％＋、９７％＋、９８％＋または９９％＋）まで濃縮可能であり、かつ容易に液化可能である。次いで、この流れを比較的低コストで長距離上で容易に、かつ効率的に輸送することができて、広い領域上で効果的に分配することができる。これらの実施形態において、燃焼供給源／ＭＣＦＣから余熱は、同様に全システムに集積化されてもよい。

【0151】

ＣＯ_２供給源／ＭＣＦＣおよび生物学的／化学的製造サイトが同位置に配置される別の実施形態は適用し得る。その場合、最小限の圧縮のみが必要とされてもよい（すなわち、生物学的生成において使用される十分なＣＯ_２圧力、例えば、約１５ｐｓｉｇ〜約１５０ｐｓｉｇを提供する）。いくつかの新しい配列は、そのような場合、可能であることができる。二次改質は、任意に、ＣＨ_４含有量を低下させるためにアノード排出物に適用されてもよく、そして水性ガスシフトは、任意に、追加的に、または代わりとして、いずれかの残りのＣＯをＣＯ_２およびＨ_２にするために存在してもよい。

【0152】

アノードアウトプット流および／またはカソードアウトプット流からの成分は、様々な目的のために使用することができる。１つの選択肢は、上記の通り、水素の供給源としてアノードアウトプットを使用することであることができる。精製装置と集積化されるか、または同位置に配置されるＭＣＦＣに関して、水素化などの様々な精製装置プロセスのための水素供給源として水素を使用することができる。別の選択肢は、追加的に、または代わりとして、燃焼からのＣＯ_２が既に「捕捉」された燃料供給減として水素を使用することであることができる。そのような水素は、精製装置または他の工業用装置において、煮沸器、炉、および／または燃焼された加熱器用の燃料として使用されることができ、および／またはタービンなどの発電機のための供給として水素を使用することができる。ＭＣＦＣ燃料電池からの水素は、さらに追加的に、または代わりとして、おそらく、燃料電池によって動力を供給される車両を含む、インプットとして水素を必要とする他の種類の燃料電池のためにインプット流として使用することができる。なお別の選択肢は、追加的に、または代わりとして、ＭＣＦＣ燃料電池からのアウトプットとして発生する合成ガスを、発酵インプットとして使用することであることができる。

【0153】

別の選択肢は、追加的に、または代わりとして、アノードアウトプットから発生する合成ガスを使用することであることができる。もちろん、燃料として燃焼させた時に合成ガスをベースとする燃料がいくらかのＣＯ_２に生成をなお導くことができるが、合成ガスは燃料として使用することができる。他の態様において、合成ガスアウトプット流を、化学合成プロセスのためのインプットとして使用することができる。１つの選択肢は、追加的に、または代わりとして、フィッシャー−トロプシュ型プロセスおよび／またはより大きい炭化水素分子が合成ガスインプットから形成される別のプロセスのために合成ガスを使用することであることができる。別の選択肢は、追加的に、または代わりとして、メタノールなどの中間生成物を形成するために合成ガスを使用することであることができる。メタノールは、最終生成物として使用することができるが、他の態様において、合成ガスから発生するメタノールは、より大きい化合物、例えば、ガソリン、オレフィン、芳香族化合物および／または他の生成物を発生させるために使用することができる。なお、少量のＣＯ_２は、メタノール合成プロセス、および／またはシフティング触媒を利用するフィッシャートロプシュプロセスへの合成ガス供給において容認可能とすることができる。ヒドロホルミル化は、合成ガスインプットを利用することができるさらに別の合成プロセスの追加的または代わりの例である。

【0154】

なお、合成ガスを発生させるＭＣＦＣの使用に関する１つの変形形態は、最終的な市場からかなりの距離にある、沖合石油採掘装置または他の製造システムによって取り出された（又は回収された）メタンおよび／または天然ガスの処理のためのシステムの一部としてＭＣＦＣ燃料電池を使用することであることができる。ウェルから気相アウトプットを輸送することを試みる代わりに、または長期間、気相生成物を貯蔵することを試みる代わりに、ウェルからの気相アウトプットを、ＭＣＦＣ燃料電池アレイへのインプットとして使用することができる。これは、様々な利点を導くことができる。第１に、燃料電池アレイによって発生する電力を、プラットホームのための動力供給源として使用することができる。追加的に、燃料電池アレイからの合成ガスアウトプットを、製造サイトにおいてフィッシャートロプシュプロセスのためのインプットとして使用することができる。これによって、製造サイトから、例えば、陸上設備まで、またはより大きいターミナルまで、パイプライン、船または鉄道車両によって、より容易に輸送される液体炭化水素生成物の形成が可能となる。

【0155】

さらに他の集積化の選択肢は、追加的に、または代わりとして、高純度の加熱された窒素の供給源としてカソードアウトプットを使用することを含むことができる。カソードインプットは空気の大部分をしばしば含むことができ、このことは、窒素の実質的な部分がカソードインプットに含まれる可能性があることを意味する。燃料電池は、電解質を通ってカソードからアノードまでＣＯ_２およびＯ_２を輸送することができ、そしてカソードアウトレットは、ＣＯ_２およびＯ_２のより低い濃度、したがって、空気に見られるよりも高いＮ_２の濃度を有することができる。残留するＯ_２およびＣＯ_２のその後の除去によって、この窒素アウトプットを、アンモニアまたは他の窒素含有化学製品、例えば、尿素、硝酸アンモニウムおよび／または硝酸の製造のためのインプットとして使用することができる。なお、尿素合成は、追加的に、または代わりとして、アノードアウトプットとは別のＣＯ_２をインプット供給として使用することができるであろう。

【0156】

追加的な実施形態
実施形態１．改質可能燃料を含んでなる燃料流を、溶融炭酸塩形燃料電池のアノードに、アノードと関連する内部改質要素に、またはそれらの組み合わせに導入するステップと；セメント製造のためのプロセスにおいて、セメント窯（又はキルン）を加熱して、セメント生成物およびセメント窯排出物を形成するステップと；セメント窯排出物の少なくとも一部分を含んでなる、ＣＯ_２およびＯ_２を含んでなるカソードインレット流（又は入口流）を、燃料電池のカソードに導入するステップと；溶融炭酸塩形燃料電池内で電気を発生させるステップとを含んでなる、セメントの製造方法。

【0157】

実施形態２．ａ）セメント窯およびセメント窯排出物の少なくとも１つから燃料流に熱を伝えるステップ、ｂ）溶融炭酸塩形燃料電池、燃料電池アノード排出物および燃料電池カソード排出物の少なくとも１つからセメント窯に熱を伝えるステップ、またはｃ）ａ）およびｂ）の両方をさらに含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。

【0158】

実施形態３．燃料電池アノード排出物から、Ｈ_２を含んでなるガス流を取り出す（又は回収する）ステップをさらに含んでなり、取り出された（又は回収された）ガス流の少なくとも一部分は、セメント窯を加熱するための燃料として使用される、上記実施形態のいずれかの方法。

【0159】

実施形態４．セメント生成物がセメントクリンカー生成物を含んでなる、上記実施形態のいずれの方法。

【0160】

実施形態５．溶融炭酸塩形燃料電池が、約０．２５〜約１．５（例えば、約０．２５〜約１．３、約０．２５〜約１．１５、約０．２５〜約１．０、約０．２５〜約０．８５、約０．２５〜約０．８、または約０．２５〜約０．７５）の熱比率で電気を発生させるように作動される、上記実施形態のいずれかの方法。

【0161】

実施形態６．セメント製造のためのプロセスから溶融炭酸塩燃料電池に熱を伝えるステップをさらに含んでなる、実施形態５の方法。

【0162】

実施形態７．１つ以上の混合機、グラインダーまたはそれらの組み合わせにおいて少なくとも１つの鉱物インプットを処理するステップと；処理された少なくとも１つの鉱物インプットを、セメント生成物の少なくとも一部分を形成するために加熱するためのセメント窯に導入して、それによって、セメント排出物の少なくとも一部分を生成するステップとをさらに含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。

【0163】

実施形態８．溶融炭酸塩形燃料電池内で電気を発生させるステップが、発生された電気を使用して、セメント製造プロセスに関連する１つ以上の混合機、グラインダーまたはそれらの組み合わせを作動させるステップをさらに含んでなる、実施形態７の方法。

【0164】

実施形態９．燃料電池アノード排出物の少なくとも一部分からＨ_２Ｏを分離するステップと；セメント製造プロセスに関連する１つ以上の混合機、グラインダーまたはそれらの組み合わせで分離されたＨ_２Ｏを使用するステップとをさらに含んでなる、実施形態７または８の方法。

【0165】

実施形態１０．１つ以上の分離段階において、燃料電池アノード排出物および取り出された（又は回収された）ガス流の少なくとも１つからＣＯ_２およびＨ_２Ｏの少なくとも１つを分離するステップをさらに含んでなる、実施形態３〜９のいずれかの方法。

【0166】

実施形態１１．アノードに、アノードと関連する内部改質要素に、またはそれらの組み合わせに導入される改質可能燃料の量が、少なくとも約１．５（例えば、少なくとも約２．０、少なくとも約２．５、または少なくとも約３．０）の改質可能燃料過剰比率を提供する、上記実施形態のいずれかの方法。

【0167】

実施形態１２．改質可能燃料を改質するステップをさらに含んでなり、アノード、アノードと関連する内部改質要素、またはそれらの組み合わせに導入される改質可能燃料の少なくとも約９０％が、アノードを通して単回通過で改質される、上記実施形態のいずれかの方法。

【0168】

実施形態１３．燃料電池アノード排出物における合成ガスの正味のモル対燃料電池カソード排出物におけるＣＯ_２のモルの比率が、少なくとも約２．０（例えば、少なくとも約３．０、少なくとも約４．０、少なくとも約５．０、少なくとも約１０．０、または少なくとも約２０．０）、かつ任意に約４０．０以下（例えば、約３０．０以下、または約２０．０以下）である、上記実施形態のいずれかの方法。

【0169】

実施形態１４．アノードにおける燃料利用が、約５０％以下（例えば、約３０％以下、約２５％以下、または約２０％以下）であり、かつカソードにおけるＣＯ_２利用が、少なくとも約６０％（例えば、少なくとも約６５％、少なくとも約７０％、または少なくとも約７５％）である、上記実施形態のいずれかの方法。

【0170】

実施形態１５．溶融炭酸塩形燃料電池の電気効率が、約１０％〜約４０％（例えば、約１０％〜約２０％、約１０％〜約２５％、約１０％〜約３０％、約１０％〜約３５％）であり、かつ燃料電池の全燃料電池効率が、少なくとも約５０％（例えば、少なくとも約５５％、少なくとも約６０％、少なくとも約６５％、少なくとも約７０％、少なくとも約７５％、または少なくとも約８０％）である、上記実施形態のいずれかの方法。

【0171】

実施形態１６．燃料電池アノード排出物が、少なくとも約３．０：１（例えば、少なくとも約４．０：１、約３．０：１〜約１０：１、または約４．０：１〜約１０：１）のＨ_２：ＣＯのモル比を有する、上記実施形態のいずれかの方法。

【0172】

実施形態１７．改質可能燃料の少なくとも約９０体積％がメタンである、上記実施形態のいずれかの方法。

【0173】

実施形態１８．単回通過においてアノードで生成するＨ_２の１０体積％未満が、アノードまたはカソードに、直接的に、または間接的にリサイクルされる、上記実施形態のいずれかの方法。

【0174】

実施形態１９．Ｈ_２およびＣＯを含んでなるアノード排出物から取り出された（又は回収された）ガス流の１０体積％未満が、アノードまたはカソードに、直接的に、または間接的にリサイクルされる、実施形態３〜１８のいずれかの方法。

【0175】

実施形態２０．燃料電池アノード排出物の１０体積％未満が、アノードまたはカソードに、直接的に、または間接的にリサイクルされる、実施形態１〜１８のいずれかの方法。

【0176】

実施形態２１．燃料電池アノード排出物のいずれの部分も、アノードに、直接的に、または間接的にリサイクルされない、実施形態１〜１８のいずれかの方法。

【0177】

実施形態２２．アノード、アノードと関連する改質段階、またはそれらの組み合わせに導入される改質可能燃料の改質可能水素含有量が、電気を発生させるために反応する水素の量よりも、少なくとも約５０％多い（例えば、少なくとも約７５％多い、または少なくとも約１００％多い）、上記実施形態のいずれかの方法。

【0178】

実施形態２３．溶融炭酸塩形燃料電池が、１つ以上の集積化された吸熱性反応段階をさらに含んでなる、上記実施形態のいずれかの方法。

【0179】

実施形態２４．少なくとも約１５０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度を提供する第１の作動条件で溶融炭酸塩形燃料電池を作動させて、電力および少なくとも約５０ｍＷ／ｃｍ^２（例えば、少なくとも１００ｍＷ／ｃｍ^２）の廃熱が発生し、かつ吸熱性反応の有効な量が、約１００℃以下（例えば、約８０℃以下または約６０℃以下）のアノードインレットとアノードアウトレットとの間の温度差を維持するために実行される、上記実施形態のいずれかの方法。

【0180】

実施形態２５．吸熱性反応を実行することによって、廃熱の少なくとも約４０％（例えば、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、または少なくとも約７５％）が消費される、実施形態２４の方法。

【0181】

実施形態２６．溶融炭酸塩形燃料電池を、約０．６８Ｖ未満（例えば、約０．６７Ｖ未満、約０．６６Ｖ未満、または約０．６５Ｖ以下）、かつ任意に少なくとも約０．６０Ｖ（例えば、少なくとも約０．６１Ｖ、少なくとも約０．６２Ｖ、または少なくとも約０．６３Ｖ）の電圧Ｖ_Ａで作動させる、上記実施形態のいずれかの方法。

【0182】

本発明を特定の実施形態に関して記載したが、そのように限定されることはない。特定の条件下での作動のための適切な変更形態／修正形態は、当業者に明白であろう。したがって、以下の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨／範囲内に含まれる全てのそのような変更形態／修正形態を包括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】

【国際調査報告】