(57)【要約】  燃料電池電力生産システムは、二酸化炭素および酸素を含む煙道ガスを発生するように構成された煙道ガス発生装置と、燃料供給部と、燃料電池アセンブリであって、前記煙道ガス発生器により発生された前記煙道ガスを受取り、且つカソード排気を出力するように構成されたカソード部と、前記燃料供給部から燃料を受け取り、水素および二酸化炭素を含むアノード排気を出力するように構成されたアノード部と、前記アノード排気を受け取り、該アノード排気中の水素の少なくとも一部をメタンに変換し、メタン化されたアノード排気を排出するように構成されたメタン化装置と、前記メタン化されたアノード排気を所定温度に冷却して、前記メタン化されたアノード排気中の二酸化炭素を液化させるように構成された冷却器アセンブリと、前記冷却された前記メタン化されたアノード排気を受け取り、前記液化した二酸化炭素を残留燃料ガスから分離するように構成されたガス分離アセンブリを含む燃料電池アセンブリとを含む。【選択図】図１Ｂ
2019515442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池電力生産システムにおいて、
二酸化炭素および酸素を含む煙道ガスを発生するように構成された煙道ガス発生装置と、
燃料供給部と、
燃料電池アセンブリであって、
前記煙道ガス発生器により発生された前記煙道ガスを受取り、且つカソード排気を出力するように構成されたカソード部と、
前記燃料供給部から燃料を受け取り、水素および二酸化炭素を含むアノード排気を出力するように構成されたアノード部と、
前記アノード排気を受け取り、該アノード排気中の水素の少なくとも一部をメタンに変換し、メタン化されたアノード排気を排出するように構成されたメタン化装置と、
前記メタン化されたアノード排気を所定温度に冷却して、前記メタン化されたアノード排気中の二酸化炭素を液化させるように構成された冷却器アセンブリと、
前記冷却された前記メタン化されたアノード排気を受け取り、前記液化した二酸化炭素を残留燃料ガスから分離するように構成されたガス分離アセンブリを含む前記燃料電池アセンブリとを具備する、前記燃料電池電力生産システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電力生産システムであって、前記煙道ガス発生器から生じた煙道ガスが、３〜１５％の二酸化炭素、１〜２０％の水、および３〜１５％の酸素を含み、残りは窒素である前記電力生産システム。
【請求項３】
請求項１に記載の電力生産システムであって、更に、前記煙道ガスが前記燃料電池アセンブリのカソード部に受け入れられる前に、前記煙道ガスに補助空気を供給するように構成された補助空気源を具備する、前記電力生産システム。
【請求項４】
請求項１に記載の電力生産システムであって、更に、前記カソード排気を受け取り、前記カソード排気から廃熱を回収し、該廃熱を供給して前記冷却器アセンブリを駆動するように構成された熱回収アセンブリを具備する、前記電力生産システム。
【請求項５】
請求項１に記載の電力生産システムであって、前記燃料電池アセンブリのカソード部は、専ら、前記生成された煙道ガスによって生成された煙道ガスの全部または一部を受け取るように構成される、前記電力生産システム。
【請求項６】
請求項１に記載の電力生産システムであって、更に、前記メタン化されたアノード排気を受け取り、水分離された前記メタン化されたアノード排気を前記冷却器アセンブリに提供するように構成された水除去アセンブリを具備する、前記電力生産システム。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の電力生産システムであって、更に、前記メタン化されたアノード排気が前記冷却器アセンブリに供給される前に、前記メタン化されたアノード排気を圧縮するように構成された圧縮機を具備する、前記電力生産システム。
【請求項８】
請求項７に記載の電力生産システムであって、前記圧縮機が、前記メタン化されたアノード排気を少なくとも２００pｓｉにまで圧縮するように構成される前記電力生産システム。
【請求項９】
請求項１に記載の電力生産システムであって、前記冷却器アセンブリが、前記メタン化されたアノード排気を−４０℃以下の温度に冷却するように構成される前記電力生産システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の電力生産システムであって、更に、
前記煙道ガス発生器から煙道ガスを受け取り、
前記ガス分離アセンブリから残留燃料ガスを受け取り、
前記残留燃料ガスを酸化して煙道ガスを加熱し、
前記加熱された煙道ガスを、前記燃料電池アセンブリのカソード部に供給するように構成された酸化器を具備する、前記電力生産システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電力生産システムであって、更に、前記カソード排気中の廃熱を使用して前記煙道ガス発生器からの煙道ガスを加熱し、前記加熱された煙道ガスを酸化器に供給するように構成された熱交換器を具備する、前記電力生産システム。
【請求項１２】
請求項１に記載の電力生産システムであって、更に、前記カソード排気中の廃熱を使用して煙道ガス発生器から煙道ガスを加熱し、この加熱された煙道ガスを、前記燃料電池アッセンブリのカソード部に供給するように構成された熱交換器を具備する、前記電力生産システム。
【請求項１３】
請求項１に記載の電力生産システムであって、更に、前記カソード排気中の廃熱を用いて前記燃料供給源からの燃料ガスを加熱し、この加熱された燃料ガスを、前記燃料電池アセンブリのアノード部に供給するように構成された熱交換器を具備する、前記電力生産システム。
【請求項１４】
請求項１に記載の電力生産システムであって、前記メタン化前のアノード排気は、乾燥基準で２０〜２５モル％の水素および６５〜７５モル％の二酸化炭素を含み、前記メタン化されたアノード排気は、乾燥基準で５〜１０モル％の水素および７５〜８５モル％の二酸化炭素を含む前記電力生産システム。
【請求項１５】
請求項１に記載の電力生産システムであって、前記燃料電池アセンブリのアノード部は、前記ガス分離アセンブリからの残留燃料ガスの一部を受取るように構成される、前記電力生産システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願に対する相互参照
本出願は、２０１６年４月２９日に出願された米国仮出願第６２／３２９６６３号に対する優先権を主張するものであり、その全体を本明細書の一部として援用する。
【０００２】
本開示は、燃料電池電力生産システムに関し、特に、燃料電池電力生産ガス分離システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池は、燃料中に蓄えら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直接変換する装置である。一般に、燃料電池は、電解質によって分離されたアノードおよびカソードを含み、電解質は、電気的に帯電したイオンを伝導する働きをする。溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）は、二酸化炭素および酸素などの酸化性ガスがカソードを通過する間に、反応体燃料ガスをアノードに通すことによって動作する。燃焼式発電プラントは、石炭、天然ガス、バイオガス、および合成ガスを含む可燃性炭化水素ベースの燃料を燃焼させることによってエネルギーを生成する。
【０００４】
燃焼プロセスの結果として、燃焼式発電プラントは煙道ガスを生じ、これは大気中への排出によって処分されることが多い。しかし、そのような排出は、地球規模の気候変動に寄与する二酸化炭素（ＣＯ２）を含んでいるため、環境に有害である。国内および国際的な規制の強化により、そのような電力生産システムにより環境中に放出される可能性があるＣＯ２の量に関しては、厳しい規制が設けられている。
【０００５】
従って、燃焼式発電プラントからの二酸化炭素排出を制御または制限するために、多くのアプローチが用いられてきた。しかしながら、燃焼後の煙道ガスから二酸化炭素を分離することは、ＣＯ２を含有する煙道ガスを希釈するために二酸化炭素捕捉システムを適用する結果として、エネルギー（電力および／または熱）の著しい損失のため、非常に高価である。二酸化炭素を含む煙道ガスは、アノード排ガス中に二酸化炭素を濃縮するために、カソード、アノードおよび電解質を含み得る電気化学的燃料電池に提供され得る。煙道ガスからの二酸化炭素を含むアノード排ガスは、アノード排ガスに含まれる他のガスから二酸化炭素を液化分離するために、圧縮機、凝縮器および／または冷却器に送られてよい。しかしながら、アノード排ガスに含まれる水素ガスおよび他の非凝縮性ガスは、二酸化炭素の捕捉を妨げ、冷凍による圧縮および／または凝縮のコストを増加させ（例えば、圧縮および／または凝縮に使用されるエネルギーを増加させる）、または捕獲されるＣＯ２の量を減少させる。
【発明の概要】
【０００６】
本明細書に記載の実施形態は、一般に、燃料電池システムの使用によって二酸化炭素を捕捉するためのシステムおよび方法に関し、特に、化石燃料装置、設備または施設（例えば、電力プラント、ボイラ、またはセメント工場の窯、および鉄鋼産業のコークス炉のような他の燃焼器）と共に組み込まれて、煙道ガスに含まれる様々なガス、特に二酸化炭素を効率的に分離するように構成される。燃料電池のアノード排ガスに含まれる水素はメタン化されて、アノード排ガス中の二酸化炭素の相対濃度を増加させ、アノード排ガスから分離される水の容積を減少させる。
【０００７】
幾つかの実施形態において、燃料電池電力生産システムは、化石燃料設備によって生成された煙道ガスを利用するように、化石燃料設備と一体化して構成される。煙道ガスは、化石燃料供給設備からの二酸化炭素および酸素出力を含む。前記電力生産システムは、アノード部とカソード部とを含む。二酸化炭素を含む煙道ガスは、燃料電池のカソード部に送られる。アノード部は、二酸化炭素、水、水素、一酸化炭素および他のガスを含むアノード排ガスを生成する。アノード排ガスは、ガス分離アセンブリに送られる。ガス分離アセンブリは、アノード排ガスに含まれる水素の少なくとも一部をメタンに変換して、メタン化アノード排ガスを生成するように構成されたメタン化装置を含む。メタン化されたアノード排ガスは、メタン化されていない排ガスに比較して、非凝縮性ガスに対する二酸化炭素の比が高い。
【０００８】
幾つかの実施形態において、前記ガス分離アセンブリは、前記メタン化されたアノード排気中の二酸化炭素を液化するために、前記アノード排気を所定の温度に冷却するための冷却器アセンブリを含むことができる。幾つかの実施形態では、燃料電池によって生成された廃熱が、前記冷却器アセンブリを駆動するために利用される。幾つかの実施形態において、前記燃料電池のカソード部に供給される入口煙道ガスは、化石燃料設備、施設または装置によって出力される煙道ガスの全部または一部のみを含む。一定の実施形態において、冷却器アセンブリは、１以上の冷却器または水切りポットを含むことができる。幾つかの実施形態において、前記ガス分離アセンブリは、前記燃料電池のカソード部によるカソード排気出力から廃熱を回収し、回収された廃熱の少なくとも一部を利用して前記冷却器アセンブリを駆動する。
【０００９】
幾つかの実施形態において、前記ガス分離アセンブリは更に、前記アノード排気から水を分離するため、および水分離された前記アノード排気を出力するための水除去アセンブリを含み、前記冷却器アセンブリはこの水分離されたアノード排気を受け取る。前記ガス分離アセンブリは更に、水分離されたアノード排気が前記冷却器アセンブリに搬送される前に、前記水除去アセンブリからの水分離されたアノード排気出力を圧縮するための圧縮機を含む。
【００１０】
幾つかの実施形態において、前記ガス分離アセンブリは、前記電力生産システムから、メタン化されたアノード排ガスを受け取るように構成される。前記圧縮機は、このメタン化されたたアノード排ガスを少なくとも２５０ｐｓｉ（約１．７２ＭＰａ）に圧縮し、前記冷却器アセンブリはこのメタン化されたアノード排ガスを−４０℃未満に冷却する。メタン化されたアノード排ガスは、ガス分離アセンブリが、二酸化炭素捕捉における１０〜２０％の増加、およびメタン化されないアノード排ガスに対して動作する圧縮機電力に対して、圧縮機電力（前記圧縮機センブリを動作させるために必要な電力を含む）における２０％超の減少を提供するようにする。
【００１１】
幾つかの実施形態において、当該電力生産システムはまた、化石燃料設備、施設または装置、およびガス分離装置によって分離された残留燃料ガスの少なくとも一部を排出する煙道ガスを受け取る酸化装置を含む。この酸化装置は、残留燃料を酸化して煙道ガスを加熱し、ここで前記酸化装置は加熱された煙道ガスを燃料電池のカソード部へ出力する。幾つかの実施形態では、残留燃料の一部がアノードにリサイクルされる。前記電力生産システムはまた、カソード部に入力される煙道ガス、および化石燃料供給施設、設備または装置によって排出される煙道ガスの少なくとも１つを加熱するために、カソード排気中の廃熱を利用するための少なくとも1つの熱交換器を含む。幾つかの実施形態において、前記燃料電池は内部改質型溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）であり、他の実施形態では前記燃料電池は外部改質型ＭＣＦＣである。
【００１２】
幾つかの実施形態において、メタン化されないアノード排ガスは、２０〜２５モル％の水素および他の非凝縮性ガスならびに６５〜７５モル％の二酸化炭素を含み、メタン化されたアノード排ガスは、約５〜１０モル％の水素および他の非凝縮性ガスと、７５〜８５モル％の二酸化炭素とを含む。
【００１３】
これらおよび他の有利な特徴は、本開示および図面を検討する者には明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】一実施形態による燃料電池の概略図である。
【図１Ｂ】一実施形態による電力生産システムの概略図である。
【図２】電力生産システム、および電力生産システムに流体連結された、メタン化装置を含むガス分離アセンブリの一実施形態を示す概略図である。
【図３】ガス分離アセンブリの別の実施形態の概略図である。
【図４】図１のガス分離アセンブリに含まれる熱交換器の熱曲線を示すプロットである。
【図５】排ガス中に含まれる水素の少なくとも一部をメタン化することによって、アノード排ガス中の二酸化炭素の濃度を増加させる例示的な方法の概略流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本明細書に記載される実施形態は、一般に、燃料電池システムにより生成された二酸化炭素を捕捉するためのシステムおよび方法に関し、特に、化石燃料装置、設備または施設（例えば、発電所、ボイラ、またはセメント工場の窯や鉄鋼業のコークス炉のような他の燃焼器）に一体化され得る、一体型電力生産システムまたは燃料電池システムに関する。本明細書に記載のシステムおよび方法は、アノード排ガスに含まれる様々なガス、特に二酸化炭素を効率的に分離するように構成される。アノード排ガスに含まれる水素は、アノード排ガス中の二酸化炭素の相対濃度を増加させるようにメタン化される。
【００１６】
本明細書で使用する「メタン化」または「メタン化された」との用語は、アノード排ガスに含まれる水素およびＣＯ２の少なくとも一部をメタンに変換することを指す。
【００１７】
図１Ａは、燃料電池１の概略図である。燃料電池１は、電解質マトリックス２と、アノード３と、カソード４とを備えている。アノード３およびカソード４は、電解質マトリックス２によって互いに分離されている。燃焼排ガス供給部からの煙道ガスを酸化剤ガスとしてカソード４に供給してもよい。燃焼排ガス供給部からの排ガスを、酸化剤ガスとしてカソード４に供給してもよい。燃料電池１では、カソードにおいて、ＣＯ３＝イオンの形態のＣＯ２およびＯ２がカソードからアノードへと移動し、アノードにおいて、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、電解質マトリックス２の細孔内に存在する電解質（例えば、炭酸塩電解質）の存在下で電気化学反応を受ける。
【００１８】
幾つかの実施形態において、燃料電池１は、複数の個別燃料電池１が積み重ねられて直列に接続された燃料電池スタックアセンブリを含むことができる。図１Ｂは、一実施形態による統合発電生産システム１００の概略図である。電力生産システム１００は、セメント工場内の化石燃料設備、施設または装置、ボイラ、燃焼器、炉および窯のうちの１以上を含む煙道ガス発生アセンブリ６（以下、「化石燃料設備、施設または装置」）を備えている。この煙道ガス生成アセンブリは、化石燃料（例えば、石炭、天然ガス、ガソリン、ディーゼルなど）を燃焼させて、二酸化炭素を含む煙道ガスを生成するように構成されてよい。
【００１９】
電力生産システム１００は、煙道ガス発生アセンブリ６に流体連結され、そこから煙道ガスを受け取るように構成された燃料電池アセンブリ１０（例えば、炭酸塩燃料電池アセンブリ）を含む。電力生産システム１００はまた、例示的な実施形態による炭酸ガス燃料電池アセンブリ１０およびガス分離アセンブリ２５を含む電力生成ガス分離および隔離システムを含む。図１Ｂに示すように、燃料電池１０は、カソード部１２とアノード部１４とを備えている。幾つかの実施形態において、燃料電池アセンブリ１０は、内部改質型または直接溶融炭酸塩型の燃料電池アセンブリを含むことができ、そこでは、アノード用の燃料がアセンブリ内で内部改質される。他の実施形態において、燃料電池アセンブリ１０は、外部改質炭酸塩型燃料電池アセンブリを含むことができ、この場合、燃料電池のアノード部に供給される前の燃料を改質するために、改質器が使用されるであろう。
【００２０】
発電ガス分離および隔離システムの煙道ガス発生アセンブリ６および燃料電池アセンブリ１０は、図１Ｂに示すように縦列に配置されてよく、ここでは燃料電池アセンブリ１０の陰極セクション１２に、煙道ガス発生アセンブリ６からの煙道ガスが供給されるようになっている。幾つかの実施形態において、煙道ガス発生アセンブリからの煙道ガスは、陰極セクション１２に専ら供給される。例えば、化石燃料供給源２から、石炭、天然ガスまたは他の炭化水素燃料などの化石燃料が、空気供給源４から供給される空気と共に、化石燃料設備、施設または装置６へと供給される。化石燃料および空気は、煙道ガス発生装置６において燃焼反応を起こして電力を生成し、出力煙道ガス排気を生じることができる。煙道ガス排気は、約３〜１５％の二酸化炭素、１〜２０％の水（好ましくは１０〜２０％）、および３〜１５％の酸素（好ましくは５〜１５％）を含み、残りは窒素である。これら成分の正確な量は、化石燃料の種類および空気供給源４からの空気量に依存する。酸素含有量は、空気供給源４を調整することによって、または燃料電池用カソード部１２に供給される前の煙道ガス８に補給空気７を添加することによって変化させることができる。補助空気は、煙道ガス８の中に燃料電池の運転に必要な十分な酸素がない場合に、混合流９の酸素部分を増加させるために使用されてよい。
【００２１】
図１Ｂに示すように、ライン９は、煙道排ガスの一部または全部をカソード部１２の入口１２Ａに流体的に連結させ、カソード入口１２Ａへの煙道ガスまたは酸化剤ガスの供給が煙道ガス排気を含むようにする。幾つかの実施形態において、可能な補助空気流と組み合わせた煙道ガスは、カソード入口１２Ａへの排他的な酸化剤ガス供給源である。同時に、石炭ガス、天然ガスまたは他の水素含有燃料のような供給源１６からの燃料が、ライン１５を介してアノード部１４の入口１４Ａに供給される。燃料電池アセンブリ１０では、アノード部１４内の燃焼排ガスを含む酸化剤ガスと、カソード部１２内の改質水素とが電気化学反応を起こして電力出力を生成する。この電気化学的反応はまた、煙道ガス中の二酸化炭素のかなりの部分（約６５〜８５％またはそれ以上）が、燃料電池１０のカソード部１２からアノード部１４へと移送される結果をもたらす。
【００２２】
更に言えば、煙道ガス中の二酸化炭素および酸素は、燃料電池アセンブリ１０のカソード部１２で反応して炭酸イオンを生成し、該イオンは、燃料電池電解質を通って燃料電池１０のアノード部１４に運ばれる。アノード部１４では、炭酸イオンが燃料からの水素で還元されて、水および二酸化炭素が生成する。正味の結果は、上記で述べた煙道ガス中の二酸化炭素のかなりの部分の、カソード部１２からアノード部１４への移動である。従って、燃料電池１０のアノード部１４の出口１４Ｂにおけるアノード排ガスは二酸化炭素の濃度が高く、これにより、ここに記載されたＣＯ２分離および隔離システムを使用して、二酸化炭素ガスをより容易かつ効率的に捕捉および隔離することができる。幾つかの実施形態において、アノード排ガス中の二酸化炭素の濃度は、それらの間の全ての範囲および値を含めて６０〜７５モル％（乾燥基準）の範囲である。別の実施形態では、より高い濃度を達成することができる。
【００２３】
図１Ｂに示すように、二酸化炭素が枯渇した煙道ガスは、ライン１８を介して、カソード出口１２Ｂを通ってカソード部１２を出て行き、また主に二酸化炭素、ならびに未反応述べた水素、一酸化炭素、水蒸気および痕跡量の他のガスを含むアノード排ガスはアノード出口１４Ｂを出て、ライン２０によりガス分離アセンブリ２５へと運ばれる。幾つかの実施形態において、ガス分離アセンブリ２５は、アノード排気から水を回収するための少なくとも水除去アセンブリ２１と、残りのアノード排ガスから二酸化炭素を分離するための二酸化炭素分離アセンブリ２２とを含むことができる。更に、カソードガスは高温で燃料電池アセンブリ１０を出て行くので、この流れからの検出可能な熱の全部または一部を１以上の熱回収ユニット１７によって回収し、燃料電池アセンブリ１０に流入するガスを予熱するために使用できる。幾つかの実施形態では、ガス分離アセンブリ２５に輸送される前に、燃料電池アノード部１４を出るアノード排ガスから熱を回収することができる。
【００２４】
図２は、一実施形態による、電力生成ガス分離および隔離システム２００のより詳細な概略図である。システム２００は、燃焼排ガス供給装置２０５（例えば、煙道ガス発生アセンブリ６）から煙道ガスを受け取る。この煙道ガスは主に二酸化炭素、水、酸素および窒素を含み、燃焼に基づく電力プラント、化石燃料施設、設備または装置等においては、例えば石炭、天然ガス、バイオガス、合成ガス、および他の炭化水素燃料（例えばエタノール）を含む可燃性炭化水素の燃焼から製造される。燃焼排ガス供給装置２０５は、ガス流導管２１０ａを通る煙道ガス排気を、微量汚染物／汚染ガス除去装置２１５に供給する。微量汚染物／汚染ガス除去装置２１５は、ＳＯ２などの酸化硫黄ガス、水銀、および微粒子を含む燃焼副生成物を除去する。窒素酸化物ガス（ＮＯｘ）は、燃料電池の性能に影響を及ぼさず、また燃料電池カソードでは殆どのＮＯｘが破壊されるので、除去する必要はない。図２に示すように、微量汚染物／汚染ガス除去装置２１５は、清浄化された煙道ガスを、ガス流導管２１０ｂを介して煙道ガスブロワ２２０へと出力する。煙道ガスブロワ２２０は、浄化された煙道ガスの圧力を上昇させて、煙道ガスがシステム２００を通って押し出されるようにする。
【００２５】
煙道ガスブロワ２２０は、煙道ガスを約５００℃〜６５０℃の温度に加熱するように構成された第１の熱交換器２２５へと、煙道ガスを出力する。幾つかの実施形態において、第１の熱交換器２２５はまた、煙道ガスから熱を除去し、熱回収のためにこの熱を迂回させることができる。図２に示すように、第１の熱交換器２２５は、ガス流導管２１０ｂを介して燃焼排ガス供給装置２０５から洗浄された煙道ガスを受け取り、また燃料電池２３５のカソード側２３６からカソード排気出力を受け取る。煙道ガスは第１の熱交換器２２５の中で所望の温度に加熱され、その後、この加熱された煙道ガスは酸化器２３０を含む酸化器アセンブリへと出力される。酸化器２３０はまた、燃料を含有するガス、例えばアノード排気、または以下に記載するガス分離装置２７５においてアノード排ガスから分離された残留燃料の全部もしくは一部を受取る。幾つかの実施形態において、それは天然ガス供給物２４１の一部をも受ける。酸化器２３０では、燃料含有ガスが煙道ガスの存在下で酸化され、それにより煙道ガスを更に加熱する。酸化器２３０は、この更に加熱された煙道ガスを、ガス流導管２１０ｃを介して燃料電池２３５へと出力する。
【００２６】
燃料電池２３５は、カソード部２３６およびアノード部２３７を備える。燃料電池２３５は、燃料がアノード部２３７に搬送される前にこれを改質するために、内部改質溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）、外部改質燃料電池、又はそれらの組み合わせを含むことができる。カソード部２３６は、ガス流導管２１０ａ−ｃを介して燃焼排ガス供給装置２０５に連結されており、煙道ガスが微量汚染物／汚染ガス除去装置２１５で処理され、また第１の熱交換器２２５および酸化器２３０内で加熱された後に、ガス流導管２１０ｂ−ｃを介して燃焼排ガス供給装置２０５から排ガスを受け取る。図２に示すように、カソード部２３６は専ら、燃焼排ガス供給装置２０５から供給される排ガスまたは処理された排ガスを受け取る。しかし、他の実施形態において、燃料ガスまたは処理された燃料ガスは、他の供給源からの空気または酸化剤ガスと混合される。
【００２７】
燃料電池２３５で電気化学反応を受けた後、カソード部２３６は、ガス流導管２１２を介してカソード流を第２の熱交換器２４０に出力し、第２の熱交換器２４０はまた、燃料供給源２４１から天然ガスなどの燃料を、また燃料供給管２４２を通して水２５２を受取る。任意の適切な燃料を使用することができ、これには天然ガス、石炭由来の合成ガス、嫌気性消化ガス、およびエタノールまたは水素などの再生可能な燃料を含まれるが、これらに限定されない。幾つかの実施形態において、硫黄含有種のような有害な燃料電池汚染物は、燃料電池２３５で使用される前に燃料ガスから除去することができる。第二の熱交換器では、受け取られた燃料がカソード排気からの廃熱を用いて約４５０〜６５０℃の温度にまで加熱され、また加熱された燃料および蒸気は、第二の熱交換器２４０から燃料電池２３５のアノード部２３７へと搬送される。第２の熱交換器２４０はまた、冷却されたカソード排気を出力し、これは次いで第１の熱交換器２２５を通って搬送され、前記洗浄された煙道ガスを予熱する。
【００２８】
図２に示すように、アノード部２３７は予熱された燃料を受け取り、これは導管２５２を介して水を加えることにより加湿されてよく、また当該ガスが燃料電池２３５において電気化学反応を受けた後に、アノード部２３７は、導管２１４を介してアノード排ガスをガス分離アセンブリ２５へと出力する。ガス分離アセンブリ２５は、メタン化装置２４５、水除去アセンブリ２５０、圧縮機２６０、ならびに燃料電池２３５、およびフラッシュドラム２７５の廃熱により駆動される冷却器アセンブリ２６５、または他の適切なガス−液体分離装置を含んだ二酸化炭素分離アセンブリ２２を含む。図示してはいないが、低温はメタンの平衡形成に有利なので、メタン化装置に入る前にアノード排ガスを部分的に冷却することが必要である。メタン化反応は発熱性であるため、段階の間での冷却を伴って、複数のメタン化装置を使用することができる。
【００２９】
メタン化装置２４５は、アノード排ガスに含まれる水素の少なくとも一部を、以下の反応によってメタンに変換するように構成されている。
４Ｈ２＋ＣＯ２  →  ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ    …（１）
２Ｈ２＋ＣＯ  →  ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ    …（２）
これにより、メタン化されたアノード排ガス、即ち、より高いパーセンテージのメタンと、より低いパーセンテージの水素を有するアノード排ガスを生じる。これは、特に水が凝縮して除去された後には、より低い総容積と、前記アノード排ガス中の非凝縮性物質に比較してより高濃度の二酸化炭素を有する排ガスを導く。
【００３０】
更に言えば、アノード排ガス中に存在する水素および他の非凝縮性ガスは、燃料電池のアノード排気による二酸化炭素の濃縮を妨害し、これは燃料電池の下流での二酸化炭素の圧縮および冷却のコスト上昇を招く可能性がある。アノード排ガスに含まれる水素をメタン化することにより、不活性水素４モルが不活性メタン１モルに減少される。アノード排ガスは、一般に、乾燥基準で約２５％〜約７５％の範囲の水素＋一酸化炭素を含むので、これによりアノード排ガス中の二酸化炭素の濃度は約７５％〜約８５％まで増加し、アノード排ガスの容積は約１５％減少する。幾つかの実施形態において、アノード排ガスのメタン化は、アノード排ガス中の二酸化炭素の濃度を、１０〜２０％の範囲（それらの間の全ての範囲および値を含む）で増加させることができる。
【００３１】
メタン化装置２４５は、任意の適切な構成および／または構造を有してよく、水素のメタンへの変換を促進するように配合された触媒を含んでよい。適切な触媒には、ルテニウム、コバルト、ニッケル、鉄、他の適切な触媒、またはそれらの組み合わせが含まれ得るが、これらに限定されない。メタン化装置２４５は、単段または多段のメタン化装置であってよい。メタン化装置２４５からのメタン化されたアノード排ガスは、その後、凝縮器などを含む水除去装置２５０に運ばれ、そこでは、メタン化されたアノード排ガス中に存在する水が凝縮により残留ガスから分離される。
【００３２】
水除去アセンブリ２５０は、水除去導管２５１を通して凝縮水を出力し、そこから凝縮水をシステム２００に戻してリサイクルさせるか、またはシステム２００の外部で使用するため、および／または前記システムにリサイクルさせるために、生成水コレクタ２５５へと出力する。図２に示すように、凝縮水の全部または一部は、水リサイクル導管２５２を介して燃料供給導管２４２へ向けることにより、この水を燃料加湿のためにリサイクルされてよい。また、示されているように、前記凝縮水の残りの部分は、システム２００から出力されるか、或いは生成水コレクタ２５５で収集され、必要に応じてシステム２００へリサイクルされてもよい。
【００３３】
凝縮器アセンブリ２５０は、水分離されたアノード排気を、ガス流導管２１６を通して圧縮機２６０へと出力し、該圧縮機は前記アノード排ガスを適切な圧力、例えば約２００ｐｓｉ（または１．３８ＭＰａ）以上の圧力に圧縮する。圧縮機２６０の圧力が高くなればなるほど、冷却器によって提供され得る温度は高くなる。設計ポイントは、より大きく且つ冷却力がより強い冷却器と、より高い圧縮用電力消費との間のトレードオフである。圧縮機２６０は、圧縮されたアノード排気を冷却器アセンブリ２６５へと出力する。幾つかの実施形態において、圧縮機２６０は多段圧縮機であり、段の間での冷却を伴う。冷却器アセンブリ２６５は、アノード排気内の個々のガスを分離させるように、熱を使用して圧縮および水分離されたアノード排気の冷却を駆動する１以上の装置を含むことができる。図２に示すように、冷却器アセンブリ２６５は、１以上の吸収冷却器、即ち、１以上の吸収式冷凍機を備えている。幾つかの実施形態では、直列に接続された複数の吸収式冷凍機のアセンブリが使用されてよく、ここでの吸収式冷却装置の各々は、圧縮され且つ水分離されたアノード排気の全部または一部を圧縮機２６０から受け取る。
【００３４】
冷却器アセンブリ２６５において、水分離され圧縮されたアノード排ガスは、その圧縮状態を維持しながら所定の温度にまで冷却される。特に、アノード排ガスはガスの高圧を維持しながら、即ち、約２００ｐｓｉ（約１．３８ＭＰａ）以上で約−４０℃以下の温度にまで冷却される。この温度および圧力は、アノード排気中に存在する二酸化炭素の殆どを液化させる、アノード排ガス中に存在する残留水素およびメタン燃料等の他のガスから二酸化炭素を分離させる。メタン化によるＣＯ２濃度の上昇は、液化されるＣＯ２の量を増加させる。冷却器アセンブリ２６５は、燃料電池２３７によって生成されて、熱回収アセンブリ２７０内で燃料電池排気から回収された廃熱を利用する。詳細に言えば、カソード排気は、第２の熱交換器２４０および第１の熱交換器２２５を通過した後、導管２６６を介して熱回収アセンブリ２７０に運ばれる。熱回収アセンブリ２７０は、残留廃熱をカソード排気から回収し、この回収された廃熱を利用して冷却器アセンブリ２６５を駆動する。
【００３５】
熱回収アセンブリ２７０を通って搬送された後、カソード排気はシステム２００から除去され、排気導管２７１を通ってシステム排気ダクト２８０により大気に放出される。幾つかの実施形態では、熱交換器２２５の前で煙道ガス供給物を予熱することによって、更なる熱が回収される。冷却器アセンブリ２６５は、冷却されたアノード排気（その中では二酸化炭素が液化されている一方、残った燃料はガス状態である）をガス分離装置２７５へと出力する。フラッシュドラムとも呼ばれるガス分離装置２７５は、液化二酸化炭素を残留燃料ガスから分離し、分離されたほぼ純粋の液化された二酸化炭素を、地下貯蔵ユニットのような隔離アセンブリ２８０へと出力するタンクである。ガス分離装置２７５から分離され且つ液化された純粋な二酸化炭素の流れを容易にするために、ポンプ２８１等を使用することができる。例えば、二酸化炭素を超臨界状態に変換して隔離サイトへの長距離輸送を容易にするために、ポンプ２８１を利用して、液化二酸化炭素の圧力を＞２２００ｐｓｉ（約１５．１７ＭＰａ）まで上昇させてよい。
【００３６】
幾つかの実施形態において、分離された二酸化炭素は、ＥＯＲ（Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｏｉｌ  Ｒｅｃｏｖｅｒｙ；向上した油回収）、化学物質の生産、および食品産業における食品生産のような、他のプロセスおよび用途に利用される。ガス分離アセンブリ２７５はまた、分離された残留燃料ガス、例えば水素およびメタンを、燃料ガスリサイクル導管２７６を通して出力する。図２の例示的実施形態に示すように、燃料ガスリサイクル用の導管２７６は酸化器ユニット２３０に連結され、分離された残留燃料出力が、燃焼ガスを予熱するためにガス分離装置２７５から酸化器ユニット２３０へと出力されるようになっている。他の実施形態において、前記分離された残留燃料ガスは、他のプロセス（精錬所、燃焼タービン、およびシステム２００に含まれない他の燃料電池が含まれるが、これに限定されない）において合成ガス副生成物として利用されてよく、またはアノード供給部へとリサイクルされてもよい。
【００３７】
圧縮および冷却の前の、前記ガス分離アセンブリによるアノード排ガスのメタン化は、当該排ガス中のＣＯ２濃度を増加させ（例えば、１０％〜２０％の範囲内）、ならびに電力を低減し、それによってアノード排ガスを圧縮および／または冷却（または凝縮）して、そこから二酸化炭素を抽出するためのコストを低減する（例えば、約１５％）。例えば、表１はメタン化されてないアノード排ガス、１段階メタン化および２段階メタン化を受けたアノード排ガスの様々なパラメータを要約している。
【００３８】
表Ｉ：メタン化されないアノード排気（ＡＥ）ガス、１段階メタン化されたＡＥガス、および２段階メタン化されたＡＥガスの種々のパラメータ
【表１】
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【００３９】
ＣＯ２のモル％は、メタン化されないアノード排ガス中の約７４％から、１段メタン化された排ガス中の約８５％へ、そして２段メタン化されたアノード排ガス中の約９０％へと増加する。更に、ｌｂモル／ｈｒでの流速は、１段メタン化では９２％に減少し、２段メタン化では８６％に減少する。より低い流速は、アノード排ガスの下流での圧縮および／または冷却に必要な電力を低減し、それによって圧縮および／または冷却のコストを低減する。
【００４０】
図３は、メタン化された、またはメタン化されないアノード排ガス（例えば、燃料電池アセンブリ１／１０／２３５によって生成されたアノード排ガス）から、二酸化炭素を分離するために使用され得るガス分離アセンブリ３００の別の実施形態の概略ブロック図である。ガス分離アセンブリ３００は、圧縮ループ３００ａおよび冷却ループ３００ｂを備えている。
【００４１】
メタン化された、またはメタン化されないアノード排ガス流５３５は、第１の冷却器３０２に提供され、次いで、流れ７０６として低圧（ＬＰ）圧縮機３０４に供給される。アノード排ガス流に含まれる水は、第１の水分離器３０６を介して分離され、第１の水流３０として抜取られる。
【００４２】
ＬＰ圧縮機３０４から出るアノード排ガス流７０８は、第２の冷却器３０８を介して、ストリーム７０９として高圧（ＨＰ）圧縮機３１０に送られる。第２の水分離器３１２は、ＨＰ排ガス流に含まれる水を第２の水流３５として収集する。
【００４３】
ＨＰ圧縮機３１０によって放出された高圧アノード排ガス流７１１は、第３の冷却器３１６を介して、また第３の水分離器３１８を通って、流れ７１５として冷却ループ３００ｂに送られる。第３の水分離器３１８は、第３の水流３７として抜取られる高圧流から、残留水の実質的に全てを除去する。様々な分離器からの水流は、混合器３３０および３１４で一緒に混合され、液体水流３９としてガス分離アセンブリ３００から排出される。
【００４４】
図示された実施形態において、華氏約１００度の温度を有する高圧アノード排ガス流７１５は、高圧アノード排ガスを冷却する熱交換器３２０を介して移送される。華氏−３０度未満の温度を有する冷却された高圧アノード排ガス流８００は、第１の分離装置（水切りポット）３２２に送られる。冷却器３２０は、この高圧アノード排ガスを冷却して、第１の液体ＣＯ２流８５０を生じさせる。
【００４５】
第１の分離装置（水切りポット）３２２から出るアノード排ガス流８０５は、次いで、第４の冷却器／冷却器３２６を介して、流れ５１０として第２の分離装置（水切りポット）３２８へと移動される。第２の冷却器３２６は、アノード排ガス中の追加の二酸化炭素を液化して、第２の液体ＣＯ２流８５５を生成する。これ以上は容易に凝縮できない残りのアノード排ガス流８１５は、ガス冷却ループ３００ｂから除去され、燃料電池（例えば、燃料電池１０または２３５）へとリサイクルすることができる。
【００４６】
第１の液体ＣＯ２流８５０および第２の液体ＣＯ２流は、合体されて総液体ＣＯ２流８５７を生成する。この総液体ＣＯ２は、フラッシュ冷却器３２４へと回収または移動され得る。フラッシュ冷却器３２４が液体ＣＯ２の圧力を更に低下させるので、ＣＯ２の一部は気化し、液体ＣＯ２流の温度を低下させて低温液体ＣＯ２流８６０を生成し、これは熱交換器３２０へと移動される。この液体ＣＯ２は、圧縮ループ３００ａから受け取った高圧アノード排ガスを冷却するための、熱交換器３２０内の冷却剤として働くことができる。液体ＣＯ２は、熱交換器３２０中で気化して気化ＣＯ２流８６５を生成し得るが、これは気化ループ３００ｂから抜取られて回収され得る。図４は、高圧アノード排ガス流７１５および液体二酸化炭素流８６０の熱曲線を示すプロットであり、各流れのエンタルピーおよび温度の変化を示している。
【００４７】
液体ＣＯ２が所望の回収方法であるならば、液体ＣＯ２流８５７をより高い圧力にポンピングし、搬出すればよい。この実施形態では、冷却器３２０および分離装置（水切りポット）３２２が省略され、冷凍冷却器３２６のデューティは増加する。
【００４８】
表ＩＩは、メタン化されないアノード排ガスの様々な流れのパラメータを纏めたものであり、表ＩＩＩは、ガス分離器３００を流れるメタン化されないアノード排ガスから分離された種々の液体ＣＯ２流および水流のパラメータを纏めたものである。メタン化されたアノード排ガスの性能は、メタン化装置からの減少した体積流量が必要な圧縮力を減少させ、より少ない量の非凝縮性アノード排ガス流が生成され、捕捉されるＣＯ２量を増加させる点を除いて同様である。表ＩＶは、メタン化されないアノード排ガス（基本ケース）およびメタン化されたアノード排ガス（メタン化されたケース）に対して動作するガス分離アセンブリ３００について、アノード排ガス流５３５、非凝縮性アノード排ガス流８１５、および搬出されるＣＯ２流８６５のパラメータを比較している。メタン化されないアノード排ガスは約６６モル％の二酸化炭素を含み、メタン化されたアノード排ガスは約７７モル％の二酸化炭素を含むことが分かる。更に、メタン化されないアノード排ガスの体積流量は約３２２ｌｂ−モル／ｈｒであり、メタン化されたアノード排ガスの体積流量は２６０．０５ｌｂ−モル／ｈｒである。従って、メタン化されたアノード排ガスを圧縮するのに必要な圧縮力はより低くなり、その結果、より低い電力消費およびより低いコストがもたらされる。非凝縮性アノード排ガス流は、メタン化されない場合の１５３．４９ｌｂモル／時間から、メタン化された場合には４８．２４ポンドモル／時間へと減少し、残留燃料中のＣＯ２は減少し、搬出されるＣＯ２は増加する。
【００４９】
【表２】
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【００５０】
表ＩＩＩ：ガス分離アセンブリ３００内のメタン化されないアノード排ガスから分離された種々の二酸化炭素流および水流のパラメータ
【表３】
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【００５１】
表ＩＶ：アノード排ガス流５３５、ガス分離アセンブリ３００から排出される非凝縮性アノード排ガス８１５、および基本ケースおよびメタン化されたケースでの回収された二酸化炭素流８６５のパラメー比較。
【表４】
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【００５２】
図５は、二酸化炭素を煙道ガス、例えば発電生産システム１００または発電ガス分離および隔離システム２００によって生成された煙道ガスから、二酸化炭素を濃縮および分離するための例示的方法４００を示す概略フロー図である。
【００５３】
方法４００は、電力生産システム４０２、例えば化石燃料装置、設備または施設（例えば、発電所、ボイラ、またはセメント工場の窯のような他の燃焼器、および鉄鋼業におけるコークス炉）からの煙道ガスを、供給および処理することを含む。煙道ガスは、二酸化炭素、水、酸素、窒素および他の不活性ガスを含み得る。煙道ガスは、例えば、微量汚染物／汚染ガス除去装置２１５を介して、硫黄酸化物および他の痕跡種を除去するために処理されてよい
【００５４】
煙道ガスは、例えば燃料電池のカソード排気からの廃熱を使用して、および／または発電装置のガス分離および隔離システム２００に関して本明細書で説明するように、酸化装置内で燃料を酸化することによって、４０２において加熱される。予熱された煙道ガスは、燃料電池のカソード部に搬送される。例えば、予熱された煙道ガスは、図１Ａ、１Ｂおよび図２の燃料電池１／１０／２３５におけるカソード部４／１２／２３６へとそれぞれ搬送される。カソード部４／１４／２３６は、煙道ガスに対して、水素燃料との電気化学反応を受けさせ、電力を生成および出力して、二酸化炭素をアノードへと移動させることができる。
【００５５】
アノード排ガスは、４０８において、アノード排ガスに含まれる水素をメタンに変換するように処理される。例えば、使用済燃料、水素、二酸化炭素、水および一酸化炭素を含むアノード排ガスは、燃料電池１／１０／２３５のアノード部３／１４／２３７から出力され、アノード排ガスに含まれる水素をメタンに変換するように処理されて、メタン化アノード排ガスを生成する。本明細書に記載するように、メタン化されたアノード排ガスは、メタン化されないアノード排ガスに対して、より高い濃度の二酸化炭素を含むことができる。
【００５６】
メタン化されたアノード排ガスは、４１０において、ガス分離アセンブリへと送られる。例えば、メタン化されたアノード排ガスは、本明細書に記載されるように、メタン化されたアノード排ガスから二酸化炭素および場合により水を分離するために、ガス分離アセンブリ２５／３００へと供給される。
【００５７】
本明細書で使用するとき、「概ね」、「約」、「実質的に」および類似の用語は、本発明の主題が、本開示の属する当業者による一般的かつ許容される使用法と調和して、広範な意味を有することを意図している。この開示を検討する当業者であれば、これらの用語によって、一定の特徴の記述を、与えられた正確な数値範囲にこれら特徴を限定することなく、説明および特許請求の範囲への記載を可能にすることを意図するものである旨を理解するはずである。従って、これらの用語は、説明され且つ特許請求の範囲に記載された主題の非実質的または重要でない改変または変更が、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べきことを意味すると解釈されるべきである。
【００５８】
本明細書で使用される「結合された」、「連結された」などの用語は、２つの部材を互いに直接的または間接的に接合することを意味する。そのような接合は、静的（例えば、永久的）、または可動的（例えば、取り外し可能または解放可能）であってよい。このような接合は、２つの部材、または２つの部材および任意の追加の中間部材が互いに単一の一元体として一体的に形成され、或いは２つの部材、または２つの部材および任意の追加の中間部材が相互に取り付けられて一体的に形成されることによって達成され得る。
【００５９】
種々の例示的な実施形態の構成および配置は、例示にすぎないことに留意することが重要である。本開示では幾つかの実施形態のみが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、多くの変更が可能であること（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、取り付け配置、材料の使用、色、向き等の変化）を容易に認識するであろう。例えば、一体的に形成された要素は、複数の部品または要素から構成されてもよく、要素の位置が逆であっても異なっていてもよく、個別の要素または位置の性質または数が改変または変更されてもよい。任意のプロセスまたは方法工程の順序またはシーケンスは、別の実施形態に従って変更または再配列されてもよい。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、本発明の範囲から逸脱することなく、他の置換、修正、変更および省略を行うこともできる。例えば、熱回収熱熱交換器は更に最適化されてよい。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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