(57)【要約】  燃焼型発電所によって生成された煙道ガスから二酸化炭素を取り出すための二酸化炭素捕捉システム。システムは、二酸化炭素を含む煙道ガスを受け入れ、二酸化炭素を含む富化された煙道ガスを含む第１の排気ストリームを産出するように構成された電解装置セルを含む。システムはさらに、第１の排気ストリームを受け入れ、二酸化炭素を含む第２の排気ストリームを産出するように構成された燃料電池を含む。第２の排気ストリームは第１の排気ストリームよりも高濃度の二酸化炭素を含有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼型発電所によって生成された煙道ガスから二酸化炭素を取り出すための二酸化炭素捕捉システムであって、
二酸化炭素を含む煙道ガス受け入れ、二酸化炭素を含む富化された煙道ガスを含む第１の排気ストリームを産出するように構成された電解装置セルと、
前記第１の排気ストリームを受け入れ、二酸化炭素を含む第２の排気ストリームを産出するように構成された燃料電池と、を含み、
前記第２の排気ストリームは、前記第１の排気ストリームよりも高濃度の二酸化炭素を含有する、二酸化炭素捕捉システム。
【請求項２】
前記富化された煙道ガスが前記煙道ガスよりも高濃度の二酸化炭素を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記煙道ガスが酸素をさらに含み、前記富化された煙道ガスが酸素をさらに含み、前記富化された煙道ガスが前記煙道ガスよりも高濃度の酸素を含む、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記電解装置セルが溶融炭酸塩型電解セルである、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記電解装置セルが、水素を含む第３の排気ストリームを産出するように構成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
前記第３の排気ストリームが少なくとも９５％の水素を含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第３の排気ストリームが前記燃料電池に供給される、請求項６または７に記載のシステム。
【請求項９】
前記第３の排気ストリームが前記システムから移し出される、請求項６または７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記電解装置セルが第１のアノードと第１のカソードとを含み、前記第１のカソードが前記煙道ガスを受け入れ、前記第１の排気ストリームを産出するように構成される、請求項１〜９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１のアノードが前記第３の排気ストリームを産出するように構成される、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記燃料電池が第２のアノードと第２のカソードとを含み、前記第２のカソードが前記第１の排気ストリームを受け入れるように構成され、前記第２のアノードが前記第２の排気ストリームを出力産出するように構成される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第２の排気ストリームが約７０％の二酸化炭素を含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
液体二酸化炭素が生成されるように前記第２の排気ストリームを冷却して凝結させるように構成された隔離システムをさらに含む、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記燃料電池が第４の排気ストリームを産出するように構成され、前記第４の排気ストリームは二酸化炭素が実質的に枯渇している、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年１１月１７日に出願された米国特許出願第６２／２５６，４８４号に基づく優先権の利益を主張する。前記特許出願の全内容は完全な形で本明細書に参照により組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
本開示は、発電のための燃料電池システムに関する。特に本開示は、ＣＯ２捕捉を改善することができる燃料電池システムに関する。
【０００３】
燃焼型発電所は、石炭、石油、または天然ガスなどの化石燃料の燃焼によってエネルギーを生成する。燃焼プロセスの間、煙道ガスの形態の排気が生成され、しばしば大気中に排出される。しかしながら、燃焼プロセス中に生成された煙道ガスは、二酸化炭素などの多くの汚染物質を含む。これらの汚染物質は、全体の気候変動に寄与することによって環境に悪影響を及ぼすことが知られている。そのため、近年、多くの政府規制機関は、これらの汚染物質、特に二酸化炭素の大気中への排出量の削減を要求してきた。
【０００４】
二酸化炭素放出の有害な影響とその排出に関する近年の制限を前提として、燃焼型発電所によって生成された煙道ガスから清浄化された形態の二酸化炭素を効率的に取り出す努力がなされてきた。煙道ガスから二酸化炭素を取り出すことによって、二酸化炭素は、地下貯蔵または石油生産の必要性など、他のより安全な目的のために代替的に使用され得る。
【０００５】
しかしながら、煙道ガスからＣＯ２を捕捉するための現行の方法は、極めて非効率的である。これは、煙道ガス中に存在する二酸化炭素の希薄な濃度に部分的に起因し、その濃度は時にわずか５％である。このように、ＣＯ２を取り出すために設計された従来のシステムは、非常に高価であり、ＣＯ２を十分に取り出すまたは低減するために高いエネルギー入力を必要とし、これは発電所自体の生産能力を著しく低下させる。
【０００６】
煙道ガスから二酸化炭素を取り出すための入力エネルギーが相殺され得る１つの知られている方法は、燃料電池の使用によるものである。燃料電池は、炭化水素燃料などの燃料中に貯蔵された化学エネルギーを電気化学反応によって電気エネルギーに変換することができる装置である。具体的には、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ：ｍｏｌｔｅｎ  ｃａｒｂｏｎａｔｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）などの燃料電池は、煙道ガスの入力供給源から電気エネルギーを生成し、副生成物として煙道ガス中に含有される二酸化炭素を選択的に取り出すことができる。したがって、約７０％もの高さである場合もある、より凝縮された形態で二酸化炭素を含有する排気が燃料電池から生成される。この濃縮された排気ストリームは、従来方法のように高い入力エネルギーを必要とすることなく二酸化炭素が容易に取り出されることを可能にする。さらに、燃料電池は、その内部電気化学反応の副生成物として電気を発生させるので、濃縮された二酸化炭素ストリームを生成するプロセスは、燃焼型発電所の全体的なエネルギー出力の増大をもたらす。
【０００７】
しかしながら、煙道ガスは希薄な形態の二酸化炭素を含有するので、煙道ガスを入力供給源として燃料電池へ供給することは、より低い電気出力をもたらす。
【発明の概要】
【０００８】
本発明の特定の実施形態は、より高い出力値が実現され得、さらに煙道ガスからＣＯ２を捕捉する費用を相殺し、発電所の全体効率を高めるように、燃料電池への入力前にＯ２で富化された煙道ガスを生成するＣＯ２回収システムを提供する。
【０００９】
特定の実施形態において、ＣＯ２捕捉システムは、濃縮されたＣＯ２ストリームを圧縮および冷却し、液体ＣＯ２を生成することを含む。ＣＯ２は非凝縮性ガス（例えばＨ２、ＣＯ）を含有するので、Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２のオフガス（または排気）ストリームが生成され、燃料電池に燃料として循環されてもよい、またはＨ２またはＨ２およびＣＯに清浄化されてもよい。
【００１０】
特定の実施形態において、燃焼型発電所によって生成された煙道ガスから二酸化炭素を取り出すための二酸化炭素捕捉システムは、二酸化炭素、水素、一酸化炭素および水を含むオフガスを受け入れ、酸素および二酸化炭素を含む煙道ガスを含む第１の排気ストリームと、価値のある副生成物として移し出すことができる高濃度水素（例えば９５％超）を含有する第２の排気ストリームとを産出するように構成された電解装置セルを含む。
【００１１】
特定の実施形態において、燃焼型発電所によって生成された煙道ガスから二酸化炭素を取り出すための二酸化炭素捕捉システムは、二酸化炭素を含む煙道ガス受け入れ、二酸化炭素を含む富化された煙道ガスを含む第１の排気ストリームを産出するように構成された電解装置セルを含む。二酸化炭素捕捉システムはさらに、第１の排気ストリームを受け入れ、第２の排気ストリームを産出するように構成された燃料電池を含む。第２の排気ストリームは、第１の排気ストリームよりも高濃度の二酸化炭素を含有する。
【００１２】
上記の実施形態および態様と組合せ可能な一態様において、富化された煙道ガスは、煙道ガスよりも高濃度の酸素をさらに含む。
【００１３】
上記の実施形態と組合せ可能な一態様において、富化された煙道ガスは、煙道ガスよりも高濃度の二酸化炭素を含む。
【００１４】
上記の実施形態および態様と組合せ可能な一態様において、電解装置セルは溶融炭酸塩型電解セルである。
【００１５】
上記の実施形態および態様と組合せ可能な一態様において、燃料電池は溶融炭酸塩型燃料電池である。
【００１６】
上記の実施形態および態様と組合せ可能な一態様において、電解装置セルは、水素を含む第３の排気ストリームを生成するように構成される。
【００１７】
上記の実施形態および態様と組合せ可能な一態様において、二酸化炭素捕捉システムは、液体二酸化炭素が生成されるように第２の排気ストリームを冷却かつ凝結させるように構成された隔離システムをさらに含む。
【００１８】
上記の実施形態および態様と組合せ可能な一態様において、第２の排気ストリームは、約７０％の二酸化炭素を含む。
【００１９】
上記の実施形態および態様と組合せ可能な一態様において、燃料電池は、二酸化炭素が実質的に枯渇した第４の排気ストリームを産出するように構成される。
【００２０】
特定の実施形態において、燃焼型発電所によって生成された煙道ガスから二酸化炭素を取り出すための二酸化炭素捕捉システムは、第１のアノードと第１のカソードとを有する燃料電池を含む。第１のカソードは、二酸化炭素および酸素を含む煙道ガスを受け入れ、主に窒素といくらかの二酸化炭素および酸素とを含むＣＯ２枯渇煙道ガスを産出するように構成される。二酸化炭素捕捉システムはさらに、第２のアノードと第２のカソードとを有する電解セルを含む。第２のアノードは、ＣＯ２液化からオフガスを受け入れ、水素のベントガスを産出するように構成される。第２のカソードはＣＯ２およびＯ２を産出し、燃料電池への煙道ガスを富化する。
【００２１】
上記の実施形態と組合せ可能な一態様において、電解装置セルは溶融炭酸塩型電解セルであり、燃料電池は溶融炭酸塩型燃料電池である。
【００２２】
上記の実施形態および態様と組合せ可能な一態様において、富化された煙道ガスは、煙道ガスよりも高濃度の酸素および二酸化炭素を含む。
【００２３】
上記の実施形態および態様と組合せ可能な一態様において、第２のアノードは、水素を主に含み、少量の二酸化炭素および一酸化炭素をともなう排気ガスを産出するように構成される。
【００２４】
上記の実施形態および態様と組合せ可能な一態様において、第２のアノードは、オフガスを受け入れ、水素ガスを産出するように構成される。
【００２５】
上記の実施形態および態様と組合せ可能な一態様において、第２のアノードは、高純度の水素ガスを産出するように構成される。
【００２６】
上記の実施形態および態様のいずれかと組合せ可能な一態様において、第２のアノードは、炭化水素燃料と水とを含む燃料供給ストリームを受け入れるように構成される。
【００２７】
上記の実施形態および態様のいずれかと組合せ可能な一態様において、第２のアノードは、燃料供給ストリームを内部改質するように構成される。
【００２８】
特定の実施形態において、燃焼型発電所によって生成された煙道ガスから二酸化炭素を取り出すための二酸化炭素捕捉システムは、第１のアノードと第１のカソードとを有する電解装置セルを含む。第１のカソードは、二酸化炭素と酸素とを含む煙道ガスを受け入れ、二酸化炭素と酸素とを含む富化された煙道ガスを産出するように構成される。二酸化炭素捕捉システムはさらに、第２のアノードと第２のカソードとを有する燃料電池を含む。第２のカソードは、富化された煙道ガスを受け入れ、二酸化炭素が枯渇したベントガスを産出するように構成される。
【００２９】
特定の実施形態において、燃焼型発電所によって生成された煙道ガスから二酸化炭素を捕捉するための方法は、二酸化炭素を含む煙道ガスを電解装置セルに供給すること、および二酸化炭素を有する富化された煙道ガスを含む第１の排気ストリームを産出することを含む。方法はさらに、第１の排気ストリームを燃料電池に供給すること、および二酸化炭素、水、水素および一酸化炭素を含む第２の排気ストリームを産出することを含む。第２の排気ストリームは、第１の排気ストリームよりも高濃度の二酸化炭素を含む。
【００３０】
上記の実施形態と組合せ可能な一態様において、二酸化炭素を捕捉する方法はさらに、第２の排気ストリームから実質的に全ての二酸化炭素を隔離することを含む。
【００３１】
上記の実施形態および態様と組合せ可能な一態様において、二酸化炭素を捕捉する方法はさらに、炭化水素燃料および水を燃料電池に供給することを含む。
【００３２】
上記の実施形態および態様と組合せ可能な一態様において、二酸化炭素を捕捉する方法はさらに、水素ガスストリームを電解装置セルから産出することを含む。
【００３３】
上記の実施形態および態様と組合せ可能な一態様において、二酸化炭素を捕捉する方法はさらに、第３の排気ストリームを燃料電池から産出することを含み、第３の排気ストリームは二酸化炭素が実質的に枯渇している。
【００３４】
これらのおよび他の有利な特徴は、本開示および図面を検討する人々に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】燃料電池を使用する炭素捕捉システムの概略図を示す。
【図２】本発明の一実施形態による改質器−電解装置−清浄装置を組み込む炭素捕捉システムの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
図面を全体的に参照すると、本明細書に開示されているのは、ＣＯ２捕捉プロセスからのより高いエネルギー出力が実現され得るように、二酸化炭素を有する煙道ガスを燃料電池への導入前に富化するために改質器−電解装置−清浄装置を使用する改善されたＣＯ２捕捉システムである。
【００３７】
図１は、燃焼型発電所によって生成される煙道ガスストリーム中に含有される二酸化炭素を捕捉するために、燃料電池を使用するＣＯ２捕捉システム１０を示す。そのようなシステムは、例えば米国特許第７，３９６，６０３号明細書に記載されており、この特許は完全な形で本明細書に参照により組み込まれる。燃焼型発電所において、化石燃料ライン１１が、石炭、石油、天然ガス、または他の種類の炭化水素燃料などの化石燃料ストリームを、ボイラまたはガスタービンなどの燃焼室５０へ供給する。加えて、空気供給ライン１３が、空気ストリームを燃焼室５０へ供給する。燃焼室５０内の化石燃料および空気の燃焼反応により、エネルギー出力と、排気として煙道ガスストリームとが生成される。煙道ガスストリームは水と、酸素と、二酸化炭素を含む有害排出物とを含有する。特に、煙道ガスストリームは、低濃度の二酸化炭素を含み得、その濃度は使用される化石燃料および燃焼プロセスの種類に依存して、約３％〜約１５％の範囲であり得る。
【００３８】
煙道ガスストリームは、燃焼室５０を出、煙道ガスライン５２を通り、第１のガス浄化ステーション２４に供給される。第１のガス浄化ステーション２４は、燃料電池システムに有害であり得る煙道ガス中に含有された不純物を除去するように構成される。次いで第１の送風機２６が、浄化された煙道ガスストリームを第１の熱交換器２５を通るように方向付け、そこで煙道ガスは燃料電池３０のカソード３２に導入される前に廃熱によって加熱される。図に示される実施形態において燃料電池３０は、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）を含む。いくつかの実施形態において、燃料電池３０は、フィードガス１２を内部改質することができるように構成されてもよい。あるいは、燃料電池３０は、改質された燃料を外部改質器から受け取ってもよい。加えて、燃料電池３０は、燃料電池スタックを形成するために接続された複数の個別セルをさらに含んでもよい。
【００３９】
図１にさらに示すように、燃料供給ライン１２は、燃料電池３０に燃料ストリームを供給する。天然ガスまたはバイオガスなど、燃料ストリームは、炭化水素を含み得る。燃料ストリームは、第２のガス浄化ステーション２２に供給され、そこで燃料ストリームは、燃料電池システムに有害であり得る不純物を取り除かれる。浄化された燃料ストリームは、次いで、水供給ライン１４によって供給された水ストリームと、および以下でより詳細に記載される戻りライン４４によって搬送される燃料電池３０のアノード３４からの水素ガス、一酸化炭素、および二酸化炭素の循環ストリームと混合される。混合されたガスストリーム（天然ガス、水、水素ガス、一酸化炭素および二酸化炭素を含有する）は、混合燃料ライン１６を経由して第２の熱交換器２３を通して供給され、そこで燃料電池３０のアノード３４に導入される前に廃熱によって加熱される。
【００４０】
ＭＣＦＣユニットとしての燃料電池３０の動作中、混合燃料ライン１６によってアノード３４に供給されるメタンおよび水は、触媒によって促進される内部改質反応を経験して、水素および二酸化炭素を生成してもよい。追加的な水素および二酸化炭素は、水が一酸化炭素と反応するガスシフト反応において生成されてもよい。次いで水素は炭酸イオン（ＣＯ３＝）と反応する。炭酸イオンはカソード３２で起こる電気化学反応によって生成され、カソード３２とアノード３４との間に配置された電解層（不図示）を横切って移送される。その反応の結果、アノード排気ストリームを形成する水および二酸化炭素と、発電を引き起こす電子とが生成される。
【００４１】
ＭＣＦＣシステムの従来の使用では、アノード排気ストリームは循環されてカソード３２に戻され、そこでアノード排気ストリーム中に含有される二酸化炭素は、カソード３２で起こる電気化学反応を支持するために使用される。しかしながら、図１に示すように、煙道ガスストリームが、必要な二酸化炭素を供給するために代わりに使用される。具体的には、煙道ガスストリーム中に含有される酸素および二酸化炭素が電子と反応し、アノード３４に移送される炭酸イオンを生成し、電気回路を完成し、発電のためにアノード３４で起こる反応を引き起こす。煙道ガスは、ここで二酸化炭素を実質的に奪われ、カソード排気ライン３８を介してカソード排気ストリームとしてシステム１０から排出される。有利には、煙道ガスストリーム中に存在する酸化窒素が、煙道ガスストリームが燃料電池３０を通過する際に大量に分解され、窒素ガスとしてカソード排気ストリーム中に放出される。図１に示すように、カソード排気ストリーム中に含有される廃熱が、上に記載したように、燃料電池３０に供給される流入ガスストリームを加熱するために第１熱交換器２５および第２熱交換器２３によって使用される。
【００４２】
図１にさらに示すように、アノード排気ストリームは、未反応水素および一酸化炭素の残留量とともに水および二酸化炭素を実質的に含有し、燃料電池３０から取り出され、アノード排気ライン３６を通り、第２の送風機２８によって隔離システム４０に入る。この地点で、燃料電池３０の電気化学反応により、アノード排気ストリームは、煙道ガスストリームよりも高い濃度の二酸化炭素を含有する。具体的には、アノード排気ストリームは、約７０％の二酸化炭素を含み得る。このより高いＣＯ２濃度により二酸化炭素のより効率的な取出しプロセスがもたらされる。ＣＯ２を取り出すために、隔離システム４０において、アノード排気ストリームは冷却され、ストリーム内に存在する水が凝結される。その後ガスはさらに冷却され、その結果ＣＯ２の大部分が凝結される。凝結された二酸化炭素はその後残りのガスから分離され、取出しライン４２を経由してシステム１０から取り出され、そこで液体ＣＯ２は他の目的のために貯蔵されてもよい。その一方で、アノード排気ストリーム中に含有されていた残留水素、一酸化炭素、および残留二酸化炭素は、戻り供給ライン４４を通るオフガスとしてシステムに戻され、戻り供給ライン４４でオフガスは天然ガスおよび水ストリームと混合され、予加熱され、その後アノード３４に再導入される。
【００４３】
上述したように、燃焼型発電所によって生成された煙道ガスは、低濃度の二酸化炭素を含み、それは３％の低さから１５％の高さまでの範囲である。より低い濃度の酸素および二酸化炭素を燃料電池３０のカソード３２に供給することによって、燃料電池３０のより低い全エネルギー出力がもたらされる。図２を参照して以下でより詳細に記載するように、改質器−電解装置−清浄装置（ＲＥＰ：ｒｅｆｏｒｍｅｒ−ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ−ｐｕｒｉｆｉｅｒ）セルを利用することにより、煙道ガスストリームからのより高いＣＯ２の捕捉と、燃料電池３０のより高いエネルギー生成とを実現することができる。
【００４４】
図２は、本発明による増大したＣＯ２捕捉のためのＲＥＰセルを組み込んだ改善されたＣＯ２捕捉システム１００の一実施形態を示す。ＲＥＰシステムの例は、参照により完全な形で本明細書に組み込まれる国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１５／０１３８３７号により詳細に記載されている。図１に示すＣＯ２捕捉システムと同様に、石炭、石油、天然ガス、または他の種類の炭化水素燃料など、化石燃料ライン１１によって供給される化石燃料ストリームと、空気供給ライン１３によって供給される空気ストリームとが、ボイラまたはガスタービンなどの燃焼室５０に導入される。燃焼室５０内の化石燃料と空気との燃焼反応によりエネルギー出力および煙道ガスストリームが生成される。煙道ガスストリームは、燃焼室５０を出て、煙道ガスライン５２を通り、煙道ガスストリームから不純物を除去するために第１のガス浄化ステーション２４に供給される。浄化された煙道ガスは、電解装置セルであってもよいＲＥＰセル１６０のカソード１６２に導入される前に、廃熱によって加熱される第１の熱交換器２５を通るように第１の送風機２６によって方向付けられる。図面に示される実施形態では、ＲＥＰセル１６０は、溶融炭酸塩型電解セル（ＭＣＥＣ：ｍｏｌｔｅｎ  ｃａｒｂｏｎａｔｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ  ｃｅｌｌ）として構成され、これについては以下でより詳細に記載する。ＲＥＰセル１６０は、内部的に改質してもよく、ＲＥＰスタックを形成するために複数の個別セルをさらに含んでもよい。
【００４５】
図２にさらに示すように、燃料供給ライン１２は、天然ガスまたはバイオガスなど、炭化水素燃料の形態の燃料ストリームを燃料電池３０に供給する。燃料ストリームは最初に第２のガス浄化ステーション２２に導かれ、そこで燃料ストリームは、燃料電池システムに有害であり得る不純物を除去される。次に、浄化された燃料ストリームは、水供給ライン１４によって供給される水ストリームと混合され、燃料および水を含有する混合ガスストリームは、混合燃料ライン１１６を経由して第２の熱交換器２３を介して供給され、第２の熱交換機２３で混合ガスストリームは燃料電池３０のアノード３４に導入される前に廃熱によって加熱される。
【００４６】
上で詳細に記載したように、燃料電池３０内で生じた電気化学反応により、アノード排気ストリーム（第２排気ストリーム）は、高濃度のＣＯ２（例えば約７０％以上）を含み、アノード３４から放出される。アノード排気ストリームは、アノード排気ライン１３２を介して第２の送風機２８に供給され、第２の送風機２８はアノード排気ストリームを隔離システム４０に供給する。図１を参照して上に記載した炭素捕捉システムと同様に、隔離システム４０は、アノード排気ストリームを冷却して凝結させ、液体ＣＯ２をストリームから隔離する。液体ＣＯ２は取出しライン１４２を経由してシステム１００から取り出され、そこで他の目的のために貯蔵または利用される。図２に示すように、水素ガス、一酸化炭素および残留二酸化炭素は、戻りライン１４４を介してシステム１００に戻され、ＲＥＰセル１６０のアノード１６４へ導入される。
【００４７】
ＲＥＰセル１６０は概して、触媒層を有するアノード１６４と、触媒層を有するカソード１６２と、アノード１６４およびカソード１６２の間でイオンを移送する電解層（不図示）とを含有する。加えて、ＲＥＰセル１６０は、電源（不図示）に接続され、電源は内部電気化学反応を引き起こすために、ＲＥＰセル１６０に電圧を印加するように構成される。ＭＣＥＣユニットとしてのＲＥＰセル１６０の動作の間、戻りライン１４４からの水素、一酸化炭素および残留二酸化炭素を含有するガスストリームが、アノード１６４に導入される。同じく水が水供給ライン１４６を介して戻りライン１４４のガスストリームに添加され、ストリームはその後、アノード１６４に入る前に第３の熱交換器１２７によって加熱される。続いて、電解質／ＣＯ２ポンプ反応が二酸化炭素と水との間で起こり、電源によって印加された電圧により電子がアノード１６４に流れ、これにより水素および炭酸イオンの生成がもたらされる。アノード１６４で生成された炭酸イオンガス（ＣＯ３＝）は、電解層を介してＲＥＰセル１６０から圧送される。フィードガスからのおよび高純度での電解反応からのＨ２は大部分が水素ライン１５６（第３の排気ストリーム）を経由して出て、そこで燃料電池３０のエネルギー必要性を相殺するために使用されるか、他の目的のために移し出される。特定の実施形態において、ＲＥＰセル１６０から出るＨ２の純度は、９５％以上のレベルである。その一方で、炭酸イオンは、電解層を横切ってカソード１６２へ移送され、そこでイオンは酸素、二酸化炭素および電子に転換する。電子はカソードから電源へ流れ、電気回路を完成させる。従って、炭酸イオン（ＣＯ３＝）の移送は、後続するカソード１６２での反応と共に、戻りラインガスストリームから酸素および二酸化炭素を圧送する効果を有する。煙道ガスストリームはカソード１６２を通って流れるので、電解反応によって圧送された二酸化炭素および酸素は、煙道ガスストリームに導入され、その結果、より高い濃度の酸素および二酸化炭素で富化された煙道ガスストリームがもたらされる。
【００４８】
図２に示すように、富化された煙道ガスストリーム（第１の排気ストリーム）は、燃料電池供給ライン１５４を介してＲＥＰセル１６０から排出され、燃料電池３０のカソード３２に必要な二酸化炭素および酸素を供給し、カソード３２で、富化されたストリーム中に存在する酸素および二酸化炭素は、上で詳細に記載したように、発電のための内部反応を引き起こすために使用される。しかしながら、富化された煙道ガスストリームは、この時、より高い濃度のＯ２およびＣＯ２を含有しているので、燃料電池３０からより高いエネルギーの出力を実現することができる。図２にさらに示すように、燃料電池３０のカソード３２は、ベントガス１３８（第４の排気ストリーム）を排出し、このベントガス１３８は、第１の熱交換器２５および第２の熱交換器２３を通過して、システムから排出される前に燃料電池３０に供給される煙道ガスおよび燃料ストリームを加熱する。このベントガスは、燃焼室５０から排出される煙道ガスと比較して、二酸化炭素が実質的に枯渇している。
【００４９】
加えて、追加のエネルギー出力が、高純度の水素ガスの生成を介してＲＥＰセル１６０を介して実現され、高純度水素ガスは、燃料電池３０への燃料として使用されてもよく、および／または他のエネルギー用途のためにシステムから移し出されてもよい。さらに、隔離システムから戻された残留二酸化炭素は、ＲＥＰセル１６０に導入され、煙道ガスストリームに再循環され、その後、燃料電池によって取り出される。このようにして、ＣＯ２捕捉率を高め、取出しプロセスからのエネルギー出力（水素）を実現することができ、それによって発電所の生産能力を向上させる一方で有害なＣＯ２排出量を削減する、改善された効率的なＣＯ２捕捉システムを実現することができる。
【００５０】
本明細書で使用される際、用語「およそ」、「約」、「実質的に」および類似の用語は、本開示の主題が属する技術分野の通常技術を有する人々による共通の公認されている使用法と調和した広い意味を有することが意図されている。本開示を検討する当業者であれば、これらの用語は、記載され特許請求された特定の特徴の記載を、これらの特徴の範囲を提供された正確な数値範囲に限定することなく可能にするように意図されていることを理解するはずである。従って、これらの用語は、記載され特許請求された主題の非実質的または重要でない修正または変更が、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内にあるとみなされることを示していると解釈されるべきである。
【００５１】
本明細書で使用される際、用語「結合された」、「接続された」およびそれらに類似する用語は、２つの部材の直接的または間接的な接合を意味する。そのような接合は、静止していてもよく（例えば、永久的）、または可動であってもよい（例えば、取り外し可能または解放可能）。このような接合は、２つの部材または２つの部材といずれかの追加の中間部材とが互いに単一の一体構造体として一体的に形成されている状態で、または２つの部材または２つの部材といずれかの追加の中間部材とが互いに取り付けられている状態で達成され得る。
【００５２】
本明細書における要素の位置（例えば、「頂」、「底」、「上」、「下」等）への言及は、図面における様々な要素の向きを記載するために単に使用される。様々な要素の向きは、他の例示的な実施形態によれば異なる場合があること、およびそのような変化は本開示に包含されることが意図されていることに留意されたい。
【００５３】
種々の例示的な実施形態の構成および配置は、例示に過ぎないことに留意することが重要である。ほんのいくつかの実施形態のみが本開示内で詳細に説明されているが、本開示を検討する当業者は、本明細書に記載された主題の新規な教示および利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正が可能である（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状および比率、パラメータの値、取付け構造、材料、色、向きの使用等の変更）ことを容易に認識するであろう。例えば、一体的に形成されたものとして示されている要素が、複数の部品または要素から構成されてもよく、要素の位置は逆であっても他の方法で変更されてもよく、離散した要素または位置の性質または数が変化または変更されてもよい。いずれのプロセスまたは方法ステップの順序またはシーケンスも、代替実施形態に従って変更または再配列されてよい。本発明の範囲から逸脱することなく、他の置換、修正、変更および省略が、様々な例示的な実施形態の設計、動作条件および配置において行われてもよい。
【図１】
2019501486.tif 000003
【図２】
2019501486.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成30年6月21日(2018.6.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
政府の権利の説明
本発明は、協力協定ＤＥ−ＥＥ０００６６６９の下でアメリカ合衆国エネルギー省により授与された政府支援によってなされたものです。政府は本発明についてある種の権利を有している。
本開示は、発電のための燃料電池システムに関する。特に本開示は、ＣＯ２捕捉を改善することができる燃料電池システムに関する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１０】
前記電解装置セルが第１のアノードと第１のカソードとを含み、前記第１のカソードが前記煙道ガスを受け入れ、前記第１の排気ストリームを産出するように構成される、請求項６〜９のいずれか一項に記載のシステム。
【国際調査報告】
2019501486.tif 000005
2019501486.tif 000006