(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を含むガス流れと、第１のガス状燃料流れとから、電力と、生成物ガス流れとを発生させるための方法であって、
（ａ）第１の陰極側及び第１の陽極側を有する固体酸化物燃料電池を提供すること、
（ｂ）第２の陰極側及び第２の陽極側を有する酸素選択性のイオン輸送膜を内部に配置した第１のイオン輸送反応器を提供すること、
（ｃ）前記酸素を含むガス流れを前記第１の陰極側と接触させ且つ前記第１のガス状燃料流れを前記第１の陽極側と接触させること、
（ｄ）前記酸素を含むガス流れの第１の酸素部分を前記第１の陰極側から前記第１の陽極側に輸送すること、
（ｅ）前記酸素を含むガス流れの第１の酸素部分を前記第１の陽極側で前記第１のガス状燃料流れと反応させそれにより、前記第１の陽極側から前記第１の陰極側への電子の流れを生じさせること、
（ｆ）該電子の流れを電力として回収すること、
（ｇ）前記酸素を含むガス流れの残余部分を第１の残留側流れとして前記第１の陰極側から前記第２の陰極側に送ること、
（ｈ）前記第１の残留側流れを第２の陰極側と接触させ、該第２の陰極側から第２の酸素部分を前記第２の陽極側に輸送すること、
（ｉ）第１の陰極側、第１の陽極側、第２の陰極側、第２の陽極側の少なくとも１つから前記生成物ガス流れとしてガス流れを回収すること、
を含む酸素を含むガス流れと、第１のガス状燃料流れとから、電力と、生成物ガス流れとを発生させるための方法。
【請求項２】
酸素を含むガス流れが空気を含むようにする請求項１の方法。
【請求項３】
酸素を含むガス流れとしての空気を、第１の陰極側と接触させる以前に圧縮することを含んでいる請求項２の方法。
【請求項４】
第２の陽極側から生成物ガス流れとして酸素を回収することを含んでいる請求項３の方法。
【請求項５】
第２の陰極側を出る残留物ガス流れを第２のガス状燃料流れと反応させることにより、燃焼生成物を発生させることを含んでいる請求項４の方法。
【請求項６】
燃焼生成物がタービンを駆動させるために利用されるようにした請求項５の方法。
【請求項７】
復熱式熱交換器が、少なくとも１つの流れを第１の陰極側、第１の陽極側、第２の陰極側、第２の陽極側の少なくとも１つと接触させた後、該少なくとも１つの流れの熱を、酸素を含むガス流れとしての空気に移行させ且つ固体酸化物燃料電池の上流側での第１のガス状燃料流れに移行させる請求項２の方法。
【請求項８】
第２の陽極側を、加圧下の流れを使用して掃引しそれにより、該第２の陽極側を出る透過物ガス流れが蒸気及び酸素の混合物を含むようにする請求項２の方法。
【請求項９】
第２の陽極側を出る透過物ガス流れ中の蒸気対酸素の割合を、石炭ガス化のために有効なモル比に調節することを含んでいる請求項８の方法。
【請求項１０】
第２の陽極側を出る透過物ガス流れを第１の部分及び第２の部分に分割し、前記第２の部分を冷却し、該第２の部分から水を凝縮し且つ排出し、前記第２の部分からの残留ガスを圧縮して前記透過物ガス流れの圧力に戻し、次いで、前記第１の部分及び該第２の部分を再結合することを含む請求項９の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力と、少なくとも１つの生成物ガスとを共発生させるためのプロセスに関し、詳しくは、固体酸化物燃料電池とイオン輸送反応器とを一体化するためのプロセスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力は伝統的に熱動力学的プロセスにより発生される。熱は、例えばボイラ内で油を燃焼させ、加圧水を過熱（ｓｕｐｅｒｈｅａｔ）することにより発生され得る。過熱された加圧水は膨張して加圧蒸気となり、タービンを機械的に回転させる。発電機ロータのロータ巻き線の回転が適宜の磁界を介してタービンに結合されることで電力が発生される。
熱／機械的プロセスを使用する従来からの発電器ではカルノーサイクルに基づく効率限界がある。カルノーサイクルでは熱機関は、例え理想的条件下においても、入力熱エネルギーの全てを機械エネルギーに変換することは出来ず、従って熱エネルギーのかなりの部分はむだになる。カルノーサイクルではエンジンは高温源からの熱エネルギーを受け、受けた熱エネルギーの一部を機械的仕事に変換し、残りの熱エネルギーは変換せずに低温ヒートシンクに送る。この、変換されなかった熱エネルギー分が効率損失をもたらす。
【０００３】
発電のための別のプロセスでは固体酸化物燃料電池が使用される。電力は、熱／機械的プロセスではなく、化学反応により釈放されたエネルギーを電力に直接変換することで発生される。従って、固体酸化物燃料電池にはカルノーサイクルによる効率限界が無く、理論的には極めて効率的な発電をすることが可能である。
固体酸化物燃料電池の一例が、Ｄｏｍｅｒａｃｋｉ他の米国特許第５，４１３，８７９号に記載される。この電池では、ガス漏れのないセラミック部材が燃料チャンバから空気チャンバを分離する。セラミック部材は代表的には、酸素イオンを拡散によって選択的に輸送するセラミック膜材料、例えば、イットリア安定化ジルコニアから形成した、ガス漏れのないコア部分を有する三層複合体である。セラミック膜材料の表面の空気と接する一部分には、ストロンチウムを添加したランタンマンガナイトから作成することのできる電極がコーティングされる。セラミック膜材料の反対側の、燃料と接する表面の一部分は、ニッケル−ジルコニアサーメットとすることのできる燃料電極である。両電極には相互連結部が設けられ、この相互連結部が幾つかの電池を直列あるいは並列に接続し、イオンフラックスにより発生した電流を取り出し可能とする。好適な固体酸化物燃料電池は米国特許第４，４９０，４４４号及び第４，７２８，５８４号に記載される。
【０００４】
高温の空気が空気電極と接触し、空気がセラミック膜を通して燃料電極の表面に送られ、酸素が分離される。ガス状燃料、代表的には、天然ガスあるいは一酸化炭素のような軽い炭化水素が燃料電極の表面と接触し、酸素イオンと発熱反応し、内部損失の結果としての電気及び熱を発生する。燃料電池からは高温の、部分的に酸素減損されたガスが陰極あるいは残留側から残留物流れとして放出され、反応生成物あるいは燃焼生成物が陽極あるいは透過側から透過物流れとして排出される。
固体酸化物燃料電池を使用する発電システムを使用して達成し得る効率には幾つかの要因に基づく限界がある。それらの要因には、（１）主に各電極における電気的内部損失、（２）空気を過熱させるための、約７００℃から約１０００℃の範囲の高温、（３）高温の空気中に含まれる酸素の一部分、代表的には、入手し得る酸素の体積の２０〜３０％のオーダーの部分のみが、ガス状燃料と反応するためにセラミック膜を通して輸送されるという事実、が含まれる。残留酸素は空気チャンバを出る残留物流れ中に排出される。残留物流れ及び透過物流れに付加されたエネルギー部分は、圧力降下によって、また、随意的な復熱式熱交換器の効率的限界とによって失われる。
【０００５】
米国特許第５４１３，８７９号には、燃料チャンバ内での化学反応で生じた反応生成物を空気チャンバからの高温の残留物ガス流れと混合し、この混合物を燃焼器内で追加の燃料と反応させ、この混合物の温度を更に上昇させることが記載される。高温の混合物は、タービンを駆動するために使用する加圧ガスを加熱する。
幾つかの形式のイオン輸送膜が米国特許第５，７３３，４３５号に記載される。イオン伝導性のみを持つ膜に対しては、この膜の表面に外部電極が配置され、電子電流は外部回路により復帰される。混合伝導性の膜では電子は膜の内側を通して陰極側に送られ、かくして回路が完結されるので、圧力駆動モードでの外部電極の必要性は排除される。イオン伝導体を電子伝導体と混成した復相伝導体も同じ用途のために使用することができる。
米国特許第４，７９３，９０４号には、両側を導伝層でコーティングしたイオン輸送膜が記載される。酸素を含むガスが膜の一方側と接触される。酸素イオンが膜を通して膜の他方側に送られそこで、メタンあるいは類似の炭化水素とイオン反応して合成ガスを形成する。酸素イオンにより釈放された電子は伝導層から外部ワイヤに流れ、電気を発生させるために使用することができる。
【０００６】
混合伝導性の膜の場合、膜には酸素イオン及び電子の両方のための選択的輸送能力がある。酸素イオンにより釈放される電子を除去するための外部電界を設ける必要性は必ずしも無い。米国特許第５，３０６，４１１号には、混合伝導性の膜及び復相伝導性の膜の用途が記載される。この膜は、イオン及び電子伝導性を共に有するペロブスカイト構造を持つ“単相”の混合金属酸化物化あるいは、電子伝導相及びイオン伝導相を混成した復相体を含んでいる。酸素イオンの輸送は、合成ガス形成のため及び、ＮＯｘやＳＯｘといった煙道ガスを改善する上で有益なものとして記載される。
米国特許第５，５１６，３５９号には、膜プロセス及び高温プロセスの実施に際して熱が有効利用される高温プロセスを使用して一体化した、セラミックイオン輸送膜が記載される。高温の加圧空気が酸素選択性のイオン輸送膜と接触し、空気中に含まれる酸素の一部分が膜を通して輸送され、生成物ガスとして除去される。酸素減損された残留ガスがガス状の燃料と結合し且つ反応し、タービンを駆動するために有益な高温ガスを発生する。前記タービンは代表的には空気圧縮器と、発電用ゼネレータとを駆動する。
しかしながら、１つ以上の生成物ガスと電力とを発生させ、効率の改善を実現するための、イオン輸送反応器をもっと有効な固体酸化物燃料電池と一体化するプロセスに対する要望が尚、存在する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
発電と、酸素、窒素、二酸化炭素を単独であるいは組み合わせて含む１つ以上の生成物ガスの発生とを共に実施するための方法を提供することである。
解決しようとする他の課題は、固体酸化物燃料電池をイオン輸送反応器と効率的に一体化するようなプロセスを提供することである。この課題は、固体酸化物燃料電池と酸素イオン輸送膜とが類似の運転温度を有しているという事実により援助される。
解決しようとする他の課題は、固体酸化物燃料電池を出る流れをイオン輸送反応器に対する供給流れとして利用し、また、イオン輸送反応器の残留側から出る流れ及び随意的には酸素選択性のイオン輸送膜の透過側からの流れを、タービンを駆動するために利用するようにすることである。
解決しようとする他の課題は、化学的エネルギーから電気的エネルギーへの変換が非効率的であることにより燃料電池の陽極側に発生する熱を利用して、酸素輸送分離器の陰極側に向かう供給ガスを膜運転温度に加熱することである。
解決しようとする他の課題は、燃料電池の陽極側を、反応パージされるイオン輸送膜の陽極側と直列に配置し、燃料電池の陽極側への送給物に、パージ流れにおける反応物として入手されるべき余剰の燃料を追加しそれにより、燃料電池のエネルギー変換効率を向上させることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、酸素を含むガス及びガス状燃料から電力を発生させると共に、１つ以上の生成物ガスを発生させるためのプロセスを含んでいる。第１の陰極側あるいは残留側と、第１の陽極側あるいは透過側とを有する固体酸化物燃料電池が提供される。酸素を含むガスが第１の陰極側と接触され、ガス状燃料が第１の陽極側と接触されそれにより、第１の酸素部分が、第１の陰極側から第１の陽極側へと酸素イオンとして送られる。この酸素イオンがガス状燃料と反応し、熱と、電力として回収される電子流れとを発生する。残留酸素を含む残留側ガスが、個体酸化物燃料電池の第１の陰極側から第１のイオン輸送反応器の第２の陰極側に送られそれにより、第２の酸素部分がセラミック膜部材を通して第２の陽極側に送られる。少なくとも１つの生成物ガスが、第１及び第２の各陽極側及び陰極側から回収される。
好ましい実施例では酸素を含むガスは空気であり、固体酸化物燃料電池の第１の陰極側と接触される以前に加圧される。酸素は第１のイオン輸送反応器の第２の陽極側から回収される。復熱式の熱交換器が、発熱性の反応生成物からの熱を前記酸素を含むガスに移行し、また、個体酸化物燃料電池の上流側で前記第１のガス状燃料に移行させる。
【０００９】
別の好ましい実施例では、固体酸化物燃料電池の陽極側での反応における化学的エネルギーから電気エネルギーへの変換が非効率的であることにより発生する熱が、空気流れを酸素輸送膜の運転温度に加熱するために必要なエネルギーの少なくとも一部分を供給する。第２の陽極側のためのパージガスとして蒸気が使用され、第２の陽極側の透過物が、石炭ガス化のために利用される蒸気と酸素との混合物を含んでいる。パージガスが第２の陽極側と接触され、酸素含有量の少ない窒素ガスが生成物ガスとして回収される。
更に別の好ましい実施例では、固体酸化物燃料電池の陽極側に発生する反応生成物が、三層式の反応分離器の陽極側をパージするために使用される。反応パージされる第２のイオン輸送反応器が、個体酸化物燃料電池と第１のイオン輸送反応器との間に配置される。
好ましい実施例では、反応パージされる酸素輸送反応器で必要とされる燃料が燃料電池のための供給燃料に追加され、燃料電池及び前記イオン輸送反応器の各陽極側が直列に配置されそれにより、燃料電池の効率が増長される。加圧下の窒素生成物ガスかあるいは、個体酸化物燃料電池により発生した電力の何れかが、酸素を含むガスを圧縮するための圧縮器を駆動するために使用される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、個体酸化物燃料電池をセラミック膜イオン輸送反応器と一体化することにより実現され得る。タービンは、既存の一体化システムを出る１つ以上の流れを使用して作動されるのが好ましい。圧縮空気が個体酸化物燃料電池に送られ、この空気中に含まれる酸素の第１部分がセラミック膜を通して輸送され、燃料ガスと発熱反応して燃焼生成物及び電気を発生する。個体酸化物燃料電池の陰極側から、酸素選択性のイオン輸送膜を有するイオン輸送反応器の陰極側に、酸素減損流れが排出される。前記空気中に含まれる酸素の第２部分が酸素選択性のイオン輸送膜を通して輸送され、生成物ガスとして回収され、あるいは下流側の反応器内で使用され得る。イオン輸送膜を出る残留物は、実質的に酸素が減損されているものの、尚、充分な量の酸素を含有し、幾つかの実施例ではガス状燃料と混合されて燃焼され、タービンを駆動するための高温ガスを発生する。別の実施例では酸素減損流れから窒素が回収され得る。
【００１１】
図１には、個体酸化物燃料電池１０と、第１のイオン輸送反応器１１とを一体化した、本発明に従うプロセスが概略例示される。個体酸化物燃料電池１０は、この個体酸化物燃料電池１０を第１の陰極側１４と、第１の陽極側１６とに分けるセラミック膜１２を有する。
セラミック膜１２は酸素選択性を有し、酸素イオンを第１の陰極側１４から第１の陽極側１６へと輸送する。セラミック膜１２のための好適な材料はイットリア安定化ジルコニアである。多孔質の空気電極１８が第１の陰極側１４の実質的に全てをカバーする。空気電極１８のための好適な材料はストロンチウムを添加したマンガナイトランタンである。第１の相互連結部分２２には空気電極１８はコーティングされず、この第１の相互連結部分２２は負荷２４に電気的に接続される。酸素イオンはセラミック膜１２を通して第１の陽極側１６に輸送される。第１の陽極側１６は、電気的な相互連結部分を除き多孔質の燃料電極２６でコーティングされる。燃料電極２６は、分極損失を有効に最小化し且つニッケル−ジルコニアサーメットのような還元性雰囲気中で安定な任意の材料から作製することができる。
酸素を含むガス送給物２８が第１の陰極側１４に送られ、ガス状燃料３０が第１の陽極側１６に送られる。
【００１２】
酸素を含むガス送給物２８は代表的には空気であり、個体酸化物燃料電池１０（以下、単に燃料電池１０とも称する）の陰極側に送られる。この時の空気温度は、燃料電池反応により生じる熱のためのヒートシンクとして作用するよう燃料電池の作動温度よりもやや低い（代表的には２００〜７００℃）。個体酸化物燃料電池１０の作動温度は代表的には５００℃以上であり、約７００℃から約１０００℃の範囲であるのが好ましい。送給空気中の酸素分子は空気電極１８と接触すると元素酸素に解離される。“元素酸素”とは、周期表のその他の元素と結合していない酸素に対して参照される。ここで、元素酸素とは代表的には２価の形態を有するが、酸素原子単体、３価のオゾン及び、他の元素と未結合のその他の形態をも含むものとする。酸素を含むガス送給物２８としては空気が好ましい。
【００１３】
酸素を含むガス送給物２８は圧縮器３２により、代表的には、好ましくは３０及び３００ｐｓｉａ（絶対値での約２．１０及び２１．１ｋｇ／ｃｍ２）の間の、更に好ましくは１００〜２３０ｐｓｉａ（絶対値での約７．０３〜１６．１７ｋｇ／ｃｍ２）の間の圧力に圧縮される。圧縮された、酸素を含むガス送給物２８は、次いで、好ましくは約３００℃及び約８００℃、更に好ましくは約５００℃から約７００℃の温度に加温された後、第１の陰極側１４に送られる。酸素を含むガス送給物の、燃料電池及び酸素輸送部材の運転温度への最終的な加熱は、陰極側反応おける化学的エネルギー部分によって燃料電池内で実施される。前記化学的エネルギー部分とは、電気エネルギーに変換はされなかったものの熱として釈放され、結局、送給物流れを必要温度に上昇させるために移行されたものである。
【００１４】
ガス状燃料３０は、元素酸素と発熱反応する成分を有する任意のガスあるいはガス組み合わせ体である。反応成分は、天然ガスあるいは軽質の炭化水素、メタン、一酸化炭素あるいは合成ガスであり得る。合成ガスは、水素と一酸化炭素とをＨ２／ＣＯモル比で約０．６から約６の状態で混合したものである。煙道ガス中の、燃料電池において所望されざるものであり得るところのそれ以外の成分は、幾つかの実施例では窒素、二酸化炭素あるいは蒸気のような非反応性の希釈ガスである。
【００１５】
ガス状燃料３０は約３００℃から約９００℃の温度に予熱された後、第１の陽極側１６に導入される。ガス状燃料３０の反応成分は元素酸素と発熱反応する。酸素イオンにより釈放された電子３４が負荷２４に電力を提供する。
酸素を含むガス送給物２８中に含まれる酸素の一部分が第１の陽極側１６での反応により消費される。次いで、酸素減損された残留物流れ３８が、第１のイオン輸送反応器１１の一部であるところの第２の陰極側４０に送られる。
【００１６】
第１のイオン輸送反応器１１は、この第１のイオン輸送反応器１１を第２の陰極側４０と第２の陽極側５０とに分割する酸素選択性のイオン輸送膜４４を有する。ここで“酸素選択性の”とは、酸素イオンがその他の元素並びにそのイオンよりも先に、酸素選択性のイオン輸送膜４４を横断して第２の陰極側４０から第２の陽極側５０に優先的に輸送されることを意味する。酸素選択性のイオン輸送膜４４は無機酸化物から作製され、代表的にはカルシウム−安定化ジルコニア、あるいはイットリウム−安定化ジルコニアである。一般には４００℃を越える高温下では、酸素選択性のイオン輸送膜４４は可動の酸素−イオン空間を含み、この空間が、酸素選択性のイオン輸送膜４４を通しての酸素イオンの選択的輸送のための伝導部位を提供する。酸素選択性のイオン輸送膜４４を通しての輸送は、膜を横断しての酸素分圧（Ｐ０２）により駆動（Ｐ０２の高い側からＰ０２の低い側への酸素（Ｏ−−）イオン流れ）される。第２の陰極側４０位置でＯ２からＯ−−へのイオン化が生じ、生じたイオンは次いで第２の陽極側５０に送られそこで、Ｏ２が生成物ガスとして回収され得る。
【００１７】
酸素選択性のイオン輸送膜４４は、稠密壁型の固体酸化物混合伝導体かあるいは、２相伝導体、あるいはまた、多孔質基材上に支持した薄フィルム型の、固体酸化物混合伝導体あるいは２相伝導体として形成される。酸素選択性のイオン輸送膜４４は５０００ミクロン以下、好ましくは１０００ミクロン未満の公称厚を有する。
酸素選択性のイオン輸送膜４４は、この酸素選択性のイオン輸送膜４４上に、膜を横断する酸素分圧比による電位差が維持されている場合に、約４５０℃から約１２００℃の範囲の温度におけるその時の酸素分圧下に酸素イオン及び電子を輸送する。酸素イオン伝導性は代表的には、記号Ｓ（“Ｓｉｅｍｅｎｓ”）が逆オーム（１／Ω）を表すものとした場合、０．０１及び１００Ｓ／ｃｍの間の範囲である。酸素選択性のイオン輸送膜として好適な材料には、ペロブスカイト及び、米国特許第５，７３３，４３５号の表２に列挙される２相の金属−金属酸化物組合せ体が含まれる。米国特許第５，７０２，９９９号及び第５，７１２，２２０号にもそうした材料が記載される。酸素輸送のための駆動力は代表的には小さい（＜１００）ので、酸素選択性のイオン輸送膜のための材料としては９００℃で少なくとも０．５の、そして好ましくは少なくとも１Ｓ／ｃｍの高いイオン伝導性を有するものが望ましい。好適な材料は、ランタン、ストロンチウム及びコバルト酸化物の混合物である。
【００１８】
随意的には、幾つかの実施例では稠密膜層の材料と同じペロブスカイト材料から作製される多孔質の触媒層を、酸素選択性のイオン輸送膜４４の一方あるいは両側に付加し、膜表面上での化学反応における膜表面での酸素交換を助長させる。あるいは、酸素選択性のイオン輸送膜４４の表面層に、例えばコバルトを添加して表面交換の速度論を助長させる。
第１のイオン輸送反応器１１は、酸素選択性のイオン輸送膜４４を通しての酸素輸送を容易化するに充分な高温下に作動される。前記作動温度は少なくとも４００℃、好ましくは約４００℃から約１２００℃の間、最も好ましくは約４００℃から約１０００℃の範囲である。
【００１９】
酸素減損された残留物流れ中に維持される酸素の約３０〜６０％の体積部分が酸素選択性のイオン輸送膜４４を通して輸送され、酸素生成物ガス５２として回収される。回収することのできる酸素の割合は、第２の陰極側４０及び第２の陽極側５０位置での各酸素分圧に基づく。酸素回収の割合は、第２の陽極側５０位置でパージガスを使用すること、あるいは真空ポンプを使用することにより、この第２の陽極側５０位置での酸素分圧を低下させることで増長させることができる。
パージガスは、酸素掃引用ガス、例えば、メタン、メタノール、エタノール、水素である。パージガスは、酸素分圧を低下させる非反応性ガスであり、好適なパージガスには二酸化炭素及び蒸気が含まれる。
【００２０】
随意的には、酸素減損された残留物流れ５４をタービン６２内で直接膨張させることによりタービン軸動力６４を発生させ、あるいは、前記残留物流れ５４を先ず燃焼器５６に送り、第２のガス状燃料５８と反応させることができる。燃焼生成物６０は酸素含有量の少ない高温のガスであり、このガスを使用してタービン６２を駆動し、タービン軸動力６４を発生させることができる。
図１に示すプロセスの効率は、図２に概略示す配列構成により増長される。復熱式の熱交換器６６が、高温のガス、例えば酸素生成物ガス５２、固体酸化物燃料電池１０の燃焼生成物６８、燃焼器５８の燃焼生成物６０からの排熱を回収する。随意的には、酸素減損された残留物流れ５４は燃焼器５６をバイパスし、復熱式熱交換器６６に熱を放出する。この熱は、酸素を含むガス送給物２８及びガス状燃料３０の温度を上昇させるために使用される。
【００２１】
燃焼生成物６８は、図２に例示される如く、廃熱回収後に排出される。あるいはまた燃焼生成物６８は、酸素の輸送及び回収を助長させるための、燃焼生成物６８パージガスとして、矢印６８ａで示す仮想線の如く第２の陽極側５０へと伝導される。この別態様では、酸素生成物ガス５２には酸素と、水と、二酸化炭素とが含まれる。水を凝縮及び排出すると、二酸化炭素で希釈された低純度の酸素流れが回収される。所望であれば、酸素及び二酸化炭素の各生成物ガスを、熱スィング吸着あるいは高分子膜のような下流側プロセスを使用して分離させることができる。
反応性のパージの配列構成は、１９９５年１２月５日に提出された米国特許出願番号第０８／５６７，６９号及び欧州特許発行第７７８．０６９号の、“Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｐｕｒｇｅ  ｆｏｒ  Ｓｏｌｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｇａｓ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ”に記載される。反応性パージを利用するイオン輸送モジュールのための好ましい構成は、１９９７年４月２９日に提出された米国特許出願番号第０８／８４８，２０４号の“Ｓｏｌｉｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｉｏｎｉｃ  Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｒｅａｃｔｏｒ  Ｄｅｓｉｇｎ”中に記載される。
【００２２】
図２の、酸素減損された残留物流れ５４には、体積％で６〜１２％の間の残留酸素が含まれ、復熱式熱交換器６６に熱を排出した後に番号７０の如く排出され、あるいはまた、酸素減損された残留物流れ５４の一部分７０’あるいは全てが、動力を回収するべくタービン６２内で膨張される。
酸素減損された残留物流れ５４に幾分かの残留酸素が含まれることから、燃焼器５６をタービン６２の上流側に介設し、酸素減損された残留物流れ５４を第２のガス状燃料５８と反応させ、タービン入口温度を１１００℃及び１５００℃の間の温度に上昇させ、かくして、発生する動力並びにシステムの熱効率を共に増大させることができる。
【００２３】
燃焼器５６がない場合、あるいは膨張流れ６０があまりに低温である場合、図２に示す一体化システムの運転を維持するために必要なエネルギーは固体酸化物燃料電池１０内で発生する熱により提供される。発生する熱量は、固体酸化物燃料電池１０における化学エネルギーの電気エネルギーへの変換効率に基づく。この効率により、結局、酸素減損された残留物流れ５４の、タービン６２内で膨張される部分７０’が決定される。なぜなら、固体酸化物燃料電池１０により発生される熱が仮に不十分であると、酸素減損された残留物流れ５４に含まれる熱の大部分を復熱式熱交換器６６内で、酸素を含むガス送給物２８及びガス状燃料３０を予熱するために使用せざるを得ないからである。
【００２４】
別態様の実施例では、固体酸化物燃料電池１０の上流側に復熱式熱交換器６６が位置決めされ、酸素を含むガス送給物２８及びガス状燃料３０を予熱するために使用する燃焼器（図示せず）により代替されている。
図３には、石炭ガス化装置に酸素及び蒸気を提供する一体化システムの用途が概略例示される。１９９７年１１月１８日に提出され、現在継続中の米国特許出願番号第０８／９７２，４１２号に記載するように、石炭ガス化装置には、代表的にはモル比で約１：２の蒸気及び酸素と高い圧力とが必要とされる。
この実施例では、酸素を含むガス送給物２８及びガス状燃料３０、そして、固体酸化物燃料電池１０からの燃焼生成物流れ６８は図２に示すそれらと類似のものである。図３のモジュール１１における酸素減損された残留物流れ５４は、熱交換器６６及び或は燃焼器５６’及びタービン６２’を通して直接送られる。モジュール１１の第２の陽極側５０は、この第２の陽極側５０における平均酸素分圧を低下させることにより、酸素選択性のイオン輸送膜４４を通しての酸素の輸送を助長させるべく、蒸気７２を使用して掃引される。蒸気によるパージの利益は、１９９７年１１月１８日に提出した現在継続中の米国特許出願番号第０８／９７２，０２０号中で議論されている。
【００２５】
蒸気７２は、燃料電池／イオン輸送モジュールシステム中に一体化したプロセスループ７３の一部分を構成する。送給水７４がポンプ７６により必要圧力、代表的には１５０〜６００ｐｓｉａ（絶対値での約１０．５〜４２．１８ｋｇ／ｃｍ２）の圧力に加圧され、次いで、例えば復熱式熱交換器６６内で蒸発され、過熱され、蒸気７２を生じる。透過物流れ７８は残留酸素及び蒸気の混合物を含み、第１の実施例では石炭ガス化装置８０中に直接射出される（流れ１０２として示されるが、以下に説明する流れ１００’は追加されない）。
第２の実施例ではこの透過物流れ７８は、石炭ガス化装置８０中に射出される第１部分８２と、タービン６３内で膨張され、冷却され凝縮器８６に送られる第２部分８４とに分割される。凝縮器８６に送られた第２部分の大半は凝縮される。凝縮器生成物８８は、液体水及び水飽和酸素との混合物である。分離器９０内でこの混合物から水が再循環水９２として分離され、この再循環水９２が送給水７４と混合される。
【００２６】
分離器９０から除去される水飽和酸素９４が冷却器９６内で冷却され、圧縮器９８内で圧縮される。圧縮流れ１００が、例えば復熱式熱交換器６６を通過することにより前加熱されて混合流れ１００’となり、次いで、透過物流れ７８の前記第１部分８２と混合されて混合流れ１０２を形成する。第１流れ８２及び圧縮流れ１００の、混合流れ１０２に対する比率を制御することにより石炭ガス化装置８０のために望ましい蒸気対酸素比を得ることができる。
【００２７】
蒸気及び酸素を別個に発生させた上でこれら蒸気及び酸素を石炭ガス化装置に射出させる場合に勝る、図３に例示すシステムの利益には、イオン輸送膜の必要面積の減少と、酸素圧縮のための必要動力の削減とが含まれる。蒸気及び酸素を含む流れを第２の、酸素含有量の大きい流れと混合することにより、蒸気対酸素比をより良好に制御することが出来るようになる。蒸気をパージガスとして使用することにより、燃料電池によるイオン輸送反応器の陰極側を、酸素圧縮のための動力を削減しつつも、石炭ガス化装置における圧力以下の圧力で運転することが可能となる。
【００２８】
あるいはまた、凝縮器（図示せず）を使用して透過物流れ７８から水を除去することで蒸気対酸素比を低下させることも可能である。しかしながらこの場合には、透過物流れ７８の凝縮部分内に含まれるエネルギーの大半が無駄になり、システム効率は低下する。
【００２９】
図４には、固体酸化物燃料電池１０と、第１のイオン輸送反応器１１とを有する、電力及び窒素を共発生させるために有益な一体化システムが概略例示される。代表的には空気である、酸素を含む送給物ガス２８が圧縮器３２により約４５〜１６５ｐｓｉａ（絶対値での約３．１６〜１１．５９ｋｇ／ｃｍ２）の圧力に圧縮される。次いで、圧縮された前記酸素を含む送給物ガス２８が、例えば、復熱式熱交換器６６により約２００℃及び７００℃の間の温度に加熱され、固体酸化物燃料電池１０の第１の陰極側１４に導入される。酸素を含む送給物ガス２８中の、体積％で約６０〜７０％の酸素がセラミック膜１２を通して送られ、ガス状燃料３０と発熱反応する。第１の陰極側１４における比較的高い圧力を維持することにより、比較的高い酸素分圧が維持されこれが、酸素のかなりの体積部分をセラミック膜１２を通して輸送可能とし、かくして妥当な変換効率を得ることができるようになる。第１の陽極側１６位置でかなりの発熱反応が生じることから、過剰の温度上昇を回避するための追加的な冷却が必要となり得る。
【００３０】
酸素減損された残留物流れ３８は陰極側流れからの酸素除去を完了させるべく第１のイオン輸送反応器１１に送られる。酸素は、酸素選択性のイオン輸送膜４４を通して送られ、第２の陽極側５０の位置でガス状燃料３０’と発熱反応する。この発熱反応により生じた熱は陰極側の送給物流れ３８’の温度上昇という形でヒータセクション３９内で吸収される。陰極側の送給物流れ３８’は、復熱式熱交換器６６内で、あるいは随意的な復熱式熱交換器６６’内で冷却される。酸素減損された残留物流れ５４には約１０ｐｐｍ未満の酸素が残留する。この残留酸素は、復熱式熱交換器６６により有益な熱を除去された後、高圧の窒素生成物１０４として加圧下に送達され得る。あるいは、酸素減損された生成物５４の少なくとも一部分をタービン６２内で膨張させ、低圧の窒素生成物１０６として回収する。
【００３１】
ガス状燃料３０の第１部分は、固体酸化物燃料電池１０の第１の陽極側１６に送られる。ガス状燃料３０の第２部分３０’は、第１のイオン輸送反応器１１の第２の陽極側５０に直接送ることができる。燃焼生成物６８が希釈剤として作用すると共に、交叉部１０８の位置でガス状燃料３０の第２部分３０’と混合し、この第２の陽極側５０をパージするガスを構成するのが好ましい。ガス状燃料３０の全てを第１の陽極側１６を通して送り、固体酸化物燃料電池１０の陽極位置での平均燃料分圧を高め、燃料電池の効率を最大化するのが最も好ましい。なぜなら、燃料分圧が高いと燃料電池の陽極位置での反応速度論が増長され、分極損失が最小化されるからである。
【００３２】
燃料電池の陽極側での反応により、燃料中に含まれる極微量分を除く窒素が除去されていることから、酸素生成物ガス５２は実質的には水蒸気と二酸化炭素である。所望であれば、水を凝縮及び排除した後、二酸化炭素生成物１０９を回収することができる。
図４に示すシステムでは、酸素を含むガス送給物２８に含まれる酸素の全てがガス燃料３０と発熱反応することから、かなりの余分な熱が発生する。小型システムではこの熱はシステムから排出される蒸気を発生させるために使用することができる。大型システムではこうした余熱は、仮想線で示すランキンサイクル１１０を介して追加の電力を創出させるために利用することができる。ランキンサイクルでは余熱はボイラに送られ、ボイラ内で、水を過熱された蒸気に変化させる。蒸気が膨張して低圧蒸気になることでタービンが駆動され軸動力が発生する。次いで熱は、蒸気が低圧の飽和液体に戻ることで凝縮器内で除去される。次いでポンプが、この低圧をボイラ圧力に復帰させる。ランキンサイクル１１０のための熱は、酸素減損された残留物流れ３８及び或は５４から除去するのが好ましい。
【００３３】
図５には、窒素及び酸素を共発生させるためのシステムが例示される。第２のイオン輸送反応器１１２が、固体酸化物燃料電池１０と、第１のイオン輸送反応器１１との間に配置される。酸素を含むガス送給物２８は代表的には空気であるが、圧縮器３２により１００〜３００ｐｓｉａ（絶対値での約７．０３〜１．０９ｋｇ／ｃｍ２）の間の圧力に加圧され、また、例えば復熱式熱交換器６６により約３００〜８００℃の間の温度に加熱される。酸素を含むガス送給物２８内に含まれる、体積％で約２０〜２５％の酸素がセラミック膜１２を通して送られ、ガス状燃料３０と発熱反応し、負荷２４に送る電力と熱とを発生する。熱は、部分的に酸素減損された残留物流れ３８の温度を約９００℃から約１０００℃の範囲の温度に上昇させるために有効である。
【００３４】
酸素減損された残留物流れ３８は第２のイオン輸送反応器１１２内での酸素分離のための有効温度に達し、４０〜６０％の残留酸素部分が酸素選択性のイオン輸送膜１１４を通して輸送され、酸素生成物１１６として回収される。第２のイオン輸送反応器１１２から排出される酸素含有量の小さい残留物流れ１１８が熱交換器１２０に熱を放出する。放出された熱は、電力用の外部ランキンサイクルのために使用し、システムのその他の部分における熱的不足を補うために復熱式熱交換器６６に送り、あるいは廃熱として排出することができる。代表的には３００℃から７００℃のオーダーである低い温度下に、酸素含有量の少ない流れ１２２が第１のイオン輸送反応器１１の第２の陰極側４０に導入される。第１のイオン輸送反応器１１の第２の陰極側４０に送られる送給物ガスの体積％での酸素含有量は、第３の陽極側１２４での酸素分圧を低下させることで酸素選択性のイオン輸送膜１１４を通して酸素を輸送するための駆動力を増大させるために、第２のイオン輸送反応器１１２の第３の陽極側１２４にパージガス（好適な供給源は、燃焼生成物から成る生成物ガス流れ５２である）が導入されたか否かに依存して、代表的には２％及び７％の間である。低い方の値（２％）はパージガスを使用した場合に達成される。この場合、残留酸素は酸素選択性のイオン輸送膜４４を通して輸送され、ガス状燃料３０かあるいは燃料と燃焼生成物６０との混合物と発熱反応し、全ての燃料は第１のイオン輸送反応器１１の第１の陽極側５０の位置で、固体酸化物燃料電池１０の陽極に導入される。第１の陰極側４０からの残留物流れ、即ち酸素減損された残留物流れ５４は、代表的には、百万分の１０部未満の酸素濃度を有する。
【００３５】
先に説明したように、酸素減損された残留物流れ５４は高圧の窒素生成物１０４として回収され、流れ５４’が電力発生用のガスタービン６２内で膨張された後には、低圧の窒素生成物１０６のように回収され、あるいはそれらの組合せ体として回収され得る。
第２の陽極側５０からの生成物ガス流れ５２は、二酸化炭素１０９及び水蒸気を回収するために冷却することができる。あるいは、生成物ガス流れ５２を第２のイオン輸送反応器１１２の陽極側１２４に送ることもできる。この場合、透過物流れ１１６には、二酸化炭素、酸素、水蒸気の混合物が含まれる。凝縮などによって仮に水蒸気を除去すると、ガス中に含まれる酸素体積％は約７５〜９２％となる。二酸化炭素を分離及び回収し、追加的に乾燥させた後、純酸素が入手される。
ここに説明する本発明の利益は、以下に記載する例からより明らかである。
【００３６】
［例１］
図６には、固体酸化物燃料電池１０と、第１のイオン輸送反応器１１及び第２のイオン輸送反応器１１２とを一体化した、負荷２４のための電力と、生成物ガス５２としての酸素、高圧窒素１０４及び低圧窒素１０６とを共発生させるためのシステムが概略例示される。窒素生成物流れは、ガスタービン１３８により発生する電力が空気圧縮器３２を駆動するためにちょうど充分であるような割合とした。
酸素を含むガス送給物２８、つまり空気が空気圧縮器３２により約１５５ｐｓｉａ（絶対値での約１０．８９ｋｇ／ｃｍ２）の圧力に圧縮され、復熱式熱交換器６６内で前加熱された後、第１の陰極側１４に送られて更に加熱され、第１の陽極側１６位置での発熱反応により生ずる熱に依存して約９５０℃に加熱された。固体酸化物燃料電池１０が電力を発生し、発生した電力が取り出され、調整された後、外部の電力グリッドのような負荷２４に送られた。部分的に酸素減損された残留物流れ３８の、体積％での酸素含有量は約１５％であった。
【００３７】
残留物流れ３８が第２のイオン輸送反応器１１２の第３の陰極側１２６に送られた。送給空気中に含まれる酸素の１２％に相当する酸素部分が第２の酸素選択性のイオン輸送膜１１４を通して送られ、残留物流れ１１８中の体積％での酸素含有量が約６％となった。残留物流れ１１８は、第１の過熱器１２８内では高温であり、熱を蒸気流れ１３０中に放出した。低温流れ１２２が第２の陰極側４０に導入されそこで、代表的には燃料と、第１のイオン輸送反応器１１の第１の陽極側１６から来る燃焼生成物とから成る反応性のパージガス流れ６８により、残留酸素が除去された。
【００３８】
高純度の窒素流れとなった酸素減損された残留物流れ５４が、交叉部１３２で、高圧の窒素生成物１０４として回収される第１の流れ１３４と、タービン１３８内で膨張され圧縮器３２を駆動する第２の流れ１３６とに分割された。第１の流れ１３４及び第２の流れ１３６への分割は、タービン１３８により送られる電力が、タービン及び圧縮器が機械的に連結された場合の圧縮器３２の条件を満たすような割合とされた。必要量を超える流れ部分は高圧の窒素精製物１０４として回収された。膨張する第２の流れ１４０からの廃熱は、システムから排出される以前に、低圧の窒素流れ１０６としてランキンサイクル１１０により回収された。
【００３９】
ガス状燃料３０が復熱式熱交換器６６内で加熱され、第１の陽極側１６に送られた。送られたガス状燃料３０は、第１の陽極側１６で輸送された酸素と発熱反応し、電力及び熱を発生した。第１の陽極側１６を出る透過物流れ６８は余剰のみ燃焼燃料及び燃焼生成物を含み、第１のイオン輸送反応器１１の第２の陽極側５０に導入されそこで、酸素が部分的に減損されたガス送給物１２２から残留酸素を除去するための反応性のパージ流れとして作用した。第２の陽極側からの透過物流れ１４４は主に燃料生成物（二酸化炭素及び水蒸気）を含み、復熱式熱交換器６６内で有益な熱が回収された後排出された。
【００４０】
あるいは、ガス状燃料３０が図示しない従来要素により圧縮され、第１の陽極側１６と第２の陽極側５０とが、第１の陰極側１４及び第２の陰極側４０と同じ程度の圧力下に運転される。これにより、下流側での二酸化炭素の回収のために陽極側での燃焼生成物を圧力下に送達しあるいは、二酸化炭素の共発生が所望されない場合には、第２の高圧の窒素流れ１３６に追加し且つ膨張させることができる。これにより、生成物１０４としての高圧の窒素の追加的回収と、あるいは追加的な電力の発生が可能となる。
第３の陽極側１２４が、ポンプ７６を使用して送給水７４を約１０００ｐｓｉａ（絶対値での約７０．３ｋｇ／ｃｍ２）に昇圧して発生させたパージガス（この構成では蒸気）を、蒸気１３０に変換するボイラ／ヒータ１４６に送ることによりパージされた。この蒸気は次いで第２の過熱器１４８内で、引き続く高圧タービン１５０内での約１５０ｐｓｉａ（絶対値での約１０．５４ｋｇ／ｃｍ２）への膨張に際し、水分の凝縮を回避するに充分な温度に過熱された。
【００４１】
膨張した蒸気１３０は第１の過熱器１２８内で予熱され、第３の陽極側１２４をパージするために使用された。これにより酸素回収が改善され、酸素輸送のための駆動力が増大した。蒸気回路のためのそうした用途は、現在継続中の米国特許出願番号第０８／９７２，０２０号にもっと完全に記載される。
流れ７８は、約２０ｐｓｉａ（絶対値での約１．４０ｋｇ／ｃｍ２）である酸素分圧を有し、約１５０ｐｓｉａ（絶対値での約１０．５４ｋｇ／ｃｍ２）の圧力下に低圧蒸気タービン１５２に送られた。膨張され、圧力が１６ｐｓｉａ（絶対値での約１．１２ｋｇ／ｃｍ２）となった生成物１５４は、次いで第２の過熱器１４８内で冷却され、蒸気１３０を過熱するために必要な熱を提供した。冷却され、膨張された生成物流れ１５６が凝縮器１５８に入りそこで、含有された水の殆どが凝縮されることで、分離器９０から酸素を生成物ガス５２として回収することができるようになる。再循環水９２を送給水と混合してポンプ７６に戻し、１０００ｐｓｉａ（絶対値での約７０．３ｋｇ／ｃｍ２）の圧力を回復させ、蒸気回路を完結させた。
以下の表１には、図６に例示するシステムをモデル化するために使用した入力値が示される。
【００４２】
【表１】
0003592581.tif 000002
【００４３】
表２には、システムのための算出結果が示される。
【００４４】
【表２】
0003592581.tif 000003
【００４５】
表２によれば、従来のシステムと比較して遜色無い酸素回収が入手される一方で、発熱率に関する潜在能力は、サイクルにおいて比較的中庸のピーク温度を採用したにもかかわらず非常に魅力的なものであることが示される。更なる利益として、空気中に含まれる窒素のかなりの部分が加圧下に送られることがある。
【００４６】
図７には、本発明に従う別の一体化システムが概略例示される。このシステムは、本来酸素を含まない窒素を、酸素及び二酸化炭素の共発生させるためのオプション品として製造するために部分的に有益である。以下に示す表３に示すパラメータを使用して説明するに、固体酸化物燃料電池１０は、空気圧縮器１６２を駆動するための充分な電力を送達するための寸法形状とされる。
【００４７】
酸素を含むガス送給物２８、好ましくは空気が空気圧縮器１６２により約１５５ｐｓｉａ（絶対値での約１０．８９ｋｇ／ｃｍ２）の圧力に圧縮される。圧縮された空気は次いで、復熱式熱交換器６６によるなどして約８００℃の温度に予熱され、固体酸化物燃料電池の第１の陰極側１４に導入される。ガス状燃料３０が第１の陽極側１６に導入され、セラミック膜１２を通して輸送された酸素イオンと発熱反応し、熱と電気と、燃焼生成物とガス状燃料との混合物である陽極側流れ、即ち、ガス状燃料／燃焼生成物の混合物６８とを発生する。発生した電力は空気圧縮器１６２を駆動する電気モータ１６４を駆動するために利用される。
【００４８】
固体酸化物燃料電池１０を出る、部分的に酸素減損された残留物流れ３８は約９５０℃の温度を有する。空気中に含まれる酸素の、体積％で約１２％の酸素部分が第１の陽極側１６でのガス状燃料３０との反応により消費される。残留物流れ３８は第２のイオン輸送反応器１１２の第３の陰極側１２６に送られそこで、体積％で約６０％の残留酸素が第２の酸素選択性のイオン輸送膜１１４を通して輸送される。残留物流れ３８に含まれる酸素のかなりの部分を除去し且つ酸素の潜在回収量を増大させるために、第３の陽極側１２４が、第１の陽極側１６の燃焼生成物、第２の陽極側５０の燃焼生成物、あるいはそれらの組み合わせ体を使用して掃引される。掃引ガスは、第３の陽極側１２４位置での酸素分圧を低下させそれにより、酸素回収量及びあるいは酸素輸送のための駆動ポテンシャルを増大させる。
【００４９】
第３の陰極側１２６からの残留物流れ１１８は体積％で約６％の酸素を含む。残留物流れ１１８は熱交換器１６６内で冷却され、低温流れ１２２を創出する。低温流れ１２２はヒートシンク１６８として機能し、第１のイオン輸送反応器１１内の下流側に発生する反応熱を吸収する。熱交換器１６６内で酸素含有量の小さい残留物流れ１１８から排出される熱は、エクスポートその他のために使用する蒸気を発生させるために使用することができる。
【００５０】
低温流れ１２２は第２の陰極側４０に送られ、残留酸素が酸素選択性のイオン輸送膜４４を通して送られ、第２の陽極側５０の位置でガス状燃料／燃焼生成物の混合物６８と反応する。第２の陰極側４０から除去された酸素減損された生成物ガス流れ５４は１０ｐｐｍ未満の酸素を含み、有益な熱が回収された後、高圧の窒素生成物１０４として送られる。ガス状燃料３０は復熱式熱交換器６６内で予熱された後、第１の陽極側１６に送られそこで、第１の陰極側１４からの、セラミック膜１２を通して輸送された酸素と反応する。ガス状燃料３０は、第１の酸素輸送反応器１１内で必要とされる燃料をも含んでいることから、固体酸化物燃料電池１０内のガス状燃料の平均分圧は効率向上のために増圧される。固体酸化物燃料電池１０を出た混合物６８は燃焼生成物で希釈されたガス状燃料を含み、第１のイオン輸送反応器１１の第２の陽極側５０に入り、第２の陰極側４０からセラミック膜４４を通して輸送された酸素を、反応性パージにより透過物流れ１４４として除去する。第１の酸素輸送反応器１１を出る透過物流れ１４４は、燃焼生成物と、水蒸気及び二酸化炭素の混合物とを含み、第２のイオン輸送反応器１１２の第３の陽極側１２４をパージする掃引ガスとして有益である。第２のイオン輸送反応器１１２を出る透過物流れ７８は燃焼生成物と酸素との混合物を含んでいる。復熱式熱交換器６６内で有益廃熱を回収した後、凝縮器１５８及び分離器１６０を使用して、二酸化炭素であるところの大量の不純物と共に、体積％で約７５％の酸素を含む低純度の酸素生成物ガス５２を回収するために利用される。必要であれば二酸化炭素を下流側プロセスにより除去し、酸素を回収することができる。酸素あるいは二酸化炭素が所望されない場合には、復熱式熱交換器６６内で有益廃熱を回収した後、流れ７８をも廃棄して良い。
表３は、図７に概略例示されるシステムのための入力パラメータが示される。
【００５１】
【表３】
0003592581.tif 000004
【００５２】
表３の値を使用した計算結果が表４に示される。
【００５３】
【表４】
0003592581.tif 000005
【００５４】
図７に例示されるシステムの利益は、固体酸化物燃料電池１０及び第１のイオン輸送反応器１１からの燃焼生成物の形態での燃料希釈材を、第２のイオン輸送反応器１１２をパージするために入手し得ることである。これにより、窒素及び酸素の回収率を高めることが可能となる。非一体化分離システム（圧縮器あるいは別個のイオン輸送膜に電力を供給する燃料電池を別個に設けた）には、別個の空気回路及び燃料回路のための追加資本コストを要し、各システムに空気圧縮用電力を供給するために必要とされるずっと大型の燃料電池に基づくエネルギー損失や、燃料効率の低下を招きやすい、冷間端部側での温度差損失による更に大きなエネルギー損失による不利益がある。
以上、本発明を実施例を参照して説明したが、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解されたい。
【００５５】
【発明の効果】
発電と、酸素、窒素、二酸化炭素を単独であるいは組み合わせて含む１つ以上の生成物ガスの発生とを共に実施するための方法が提供される。
固体酸化物燃料電池をイオン輸送反応器と効率的に一体化するプロセスが提供される。
固体酸化物燃料電池を出る流れをイオン輸送反応器に対する供給流れとして利用し、また、イオン輸送反応器の残留側を出る流れ及び随意的には酸素選択性のイオン輸送膜の透過側を出る流れをタービンを駆動するために利用可能となる。
化学的エネルギーから電気的エネルギーへの変換が非効率的であることにより燃料電池の陽極側に発生する熱を利用して、酸素輸送分離器の陰極側に向かう供給ガスを膜運転温度に加熱することが可能となる。
燃料電池の陽極側を、反応パージされるイオン輸送膜の陽極側と直列に配置し、燃料電池の陽極側への送給物に、パージ流れの反応物として入手されるべき余剰の燃料を追加しそれにより、燃料電池のエネルギー変換効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】セラミック膜イオン輸送反応器と一体化した、本発明に従う個体酸化物燃料電池の概略図である。
【図２】電力及び酸素を共発生させるための一体化システムの概略図である。
【図３】電力と、石炭をガス化する上で有益な酸素及び蒸気の混合物とを共発生させるための一体化システムの概略図である。
【図４】電力及び窒素を共発生させるための一体化システムの概略図である。
【図５】電力、酸素及び窒素を共発生させるための一体化システムの概略図である。
【図６】別態様での、電力、酸素及び窒素を共発生させるための一体化システムの概略図である。
【図７】本来酸素を含まない窒素を製造するための一体化システムの概略図である。
【符号の説明】
１０  個体酸化物燃料電池
１１  イオン輸送反応器
１２  セラミック膜
１４  第１の陰極側
１６  第１の陽極側
１８  空気電極
２２  相互連結部分
２６  燃料電極
２８  酸素を含むガス送給物
３０  ガス状燃料
３２  空気圧縮器
３９  ヒータセクション
４０  第２の陰極側
４４  酸素選択性のイオン輸送膜
５０  第２の陽極側
５２  酸素生成物ガス
５４  酸素減損された残留物流れ
５６  燃焼器
６０  燃焼生成物
６２  ガスタービン
６６  復熱式熱交換器
７２  蒸気
７３  プロセスループ
７４  送給水
７６  ポンプ
８０  石炭ガス化装置
８６  凝縮器
９０  分離器
９２  再循環水
９６  冷却器
９８  圧縮器
１０４  高圧窒素
１０６  低圧窒素
１０８  交叉部
１１０  ランキンサイクル
１１２  第２のイオン輸送反応器
１２４  第３の陽極側
１２６  第３の陰極側
１２８  第１の過熱器
１３２  交叉部
１３８  ガスタービン
１４６  ヒータ
１５０  高圧タービン
１５２  低圧蒸気タービン
１６０  分離器
１６２  空気圧縮器
１６４  電気モータ
１６６  熱交換器
１６８  ヒートシンク
【図１】
0003592581.tif 000006
【図２】
0003592581.tif 000007
【図３】
0003592581.tif 000008
【図４】
0003592581.tif 000009
【図５】
0003592581.tif 000010
【図６】
0003592581.tif 000011
【図７】
0003592581.tif 000012