(57)【要約】  加圧アノード排出蒸気を生成するために圧縮されたアノード排出ガスから二酸化炭素を除去するためのシステムは、アノード排出蒸気を第１の所定の温度まで冷却し、アノード排出蒸気内の二酸化炭素を部分的に凝縮するように構成された供給物／排出物熱交換器と、供給物／排出物熱交換器の出力を受け取り、不凝縮アノード排出蒸気から液体二酸化炭素を分離するように構成された第１の気液分離器と、第１の気液分離器から不凝縮アノード排出蒸気を受け取り、不凝縮アノード排出蒸気を第２の所定の温度まで冷却し、不凝縮アノード排出蒸気内の二酸化炭素を凝縮するように構成された供給物／冷媒熱交換器と、供給物／冷媒熱交換器の出力を受け取って液体二酸化炭素を分離し、水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気を生成するように構成された第２の気液分離器とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧アノード排出蒸気を生成するために圧縮されたアノード排出ガスから二酸化炭素を除去するためのシステムであって、
前記アノード排出蒸気を第１の所定の温度まで冷却し、前記加圧アノード排出蒸気内の二酸化炭素を部分的に凝縮するように構成された供給物／排出物熱交換器と、
前記供給物／排出物熱交換器の出力を受け取り、不凝縮アノード排出蒸気から液体二酸化炭素を分離するように構成された第１の気液分離器と、
前記第１の気液分離器から前記不凝縮アノード排出蒸気を受け取り、前記不凝縮アノード排出蒸気を第２の所定の温度まで冷却し、前記不凝縮アノード排出蒸気内の更なる二酸化炭素を凝縮するように構成された供給物／冷媒熱交換器と、
前記供給物／冷媒熱交換器の出力を受け取り、液体二酸化炭素を分離して水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気を生成するように構成された第２の気液分離器と
を備えるシステム。
【請求項２】
前記第１の気液分離器によって分離された前記液体二酸化炭素と、前記第２の気液分離器によって分離された前記液体二酸化炭素とを受け取り混合するように構成されたミクサを更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ミクサからの合計液体二酸化炭素を受け取るように構成された減圧弁を更に備え、前記合計液体二酸化炭素は、前記第１の気液分離器によって分離された前記液体二酸化炭素および前記第２の気液分離器によって分離された前記液体二酸化炭素を備え、
前記減圧弁は、前記合計液体二酸化炭素の圧力を第１の圧力から前記第１の圧力よりも低い第２の圧力まで低減するように更に構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第２の圧力を有する前記合計液体二酸化炭素は、前記供給物／排出物熱交換器へ供給され、前記供給物／排出物熱交換器において冷却媒体として使用される、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記供給物／排出物熱交換器において前記冷却媒体として使用された後、前記合計液体二酸化炭素は、再加熱二酸化炭素流として前記供給物／排出物熱交換器から出力され、
前記再加熱二酸化炭素流は更に加熱され、電力または機械エネルギのいずれかとして追加のエネルギを回収するためにエキスパンダへ送られる、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１の圧力は２００〜４００ｐｓｉｇであり、前記第２の圧力は６５〜１００ｐｓｉｇである、請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
前記アノード排出蒸気は、前記供給物／排出物熱交換器の入口において２００〜４００ｐｓｉｇの圧力を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記供給物／冷媒熱交換器は、前記不凝縮アノード排出蒸気を前記第２の所定の温度まで冷却し、外部冷凍を用いて前記不凝縮アノード排出蒸気内の二酸化炭素を凝縮する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１の所定の温度は約−３５°Ｆであり、前記第２の所定の温度は約−４５°Ｆである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記供給物／排出物熱交換器の上流で前記アノード排出蒸気を生成するために前記アノード排出ガスを圧縮するように構成されたシフトユニットまたは水分凝縮ユニットを更に備え、
前記アノード排出蒸気は、前記供給物／排出物熱交換器の入口において２００〜４００ｐｓｉｇの圧力を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記アノード排出蒸気から分離された前記二酸化炭素の一部を受け取り、前記アノード排出蒸気から分離された前記二酸化炭素の前記一部を隔離または他の使用のために搬出するように構成された流路を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
カソード、アノード、および前記カソードと前記アノードとの間に設けられた電解質マトリックスを備える燃料電池と、
水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気を生成するためにアノード排出ガスから二酸化炭素を除去するための請求項１に記載のシステムと、
前記アノード排出ガスから水素または合成ガスを精製するために、前記水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気から二酸化炭素および他の不純物を分離するように構成された圧力スイング吸着システムと
を備える燃料電池システム。
【請求項１３】
アノード排出ガスから二酸化炭素を除去する方法であって、
アノード排出蒸気を生成するために前記アノード排出ガスを圧縮することと、
第１の熱交換器において、前記アノード排出蒸気を第１の所定の温度まで冷却し、前記アノード排出蒸気内の二酸化炭素を部分的に凝縮することと、
第１の気液分離器において、前記第１の熱交換器の出力を受け取ることと、
前記第１の気液分離器において、不凝縮アノード排出蒸気から液体二酸化炭素を分離することと、
第２の熱交換器において、前記第１の気液分離器からの前記不凝縮アノード排出蒸気を受け取ることと、
前記第２の熱交換器において、前記不凝縮アノード排出蒸気を第２の所定の温度まで冷却し、前記不凝縮アノード排出蒸気内の二酸化炭素を凝縮することと、
第２の気液分離器において、前記第２の熱交換器の出力を受け取ることと、
前記第２の気液分離器において、前記第２の熱交換器の前記出力から液体二酸化炭素を分離し、水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気を生成することと
を備える方法。
【請求項１４】
前記第１の気液分離器によって分離された前記液体二酸化炭素と、前記第２の気液分離器によって分離された前記液体二酸化炭素とを受け取り混合して、合計液体二酸化炭素を生成することと、
前記合計液体二酸化炭素を減圧弁を通過させることによって、前記合計液体二酸化炭素の圧力を第１の圧力から前記第１の圧力よりも低い第２の圧力まで低減することと
を更に備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第２の圧力を有する前記合計液体二酸化炭素を、前記第１の熱交換器へ供給することと、
前記合計液体二酸化炭素を用いて前記第１の熱交換器を冷却することと
を更に備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記冷却するステップは、再加熱二酸化炭素流が前記第１の熱交換器から出力されるように前記合計液体二酸化炭素を再加熱し、
前記再加熱二酸化炭素流を更に加熱することと、
エキスパンダを用いて前記更に加熱された再加熱二酸化炭素流から追加のエネルギを回収することと
を更に備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１の圧力は２００〜４００ｐｓｉｇであり、前記第２の圧力は６５〜１００ｐｓｉｇである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記アノード排出蒸気を生成するために前記アノード排出ガスを圧縮するステップは、前記アノード排出ガスを２００〜４００ｐｓｉｇの圧力に圧縮することを備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の熱交換器において前記不凝縮アノード排出蒸気を前記第２の所定の温度まで冷却し、前記不凝縮アノード排出蒸気内の二酸化炭素を凝縮するステップは、外部冷凍を用いて実行される、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の所定の温度は約−３５°Ｆであり、前記第２の所定の温度は約−４５°Ｆである、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
二酸化炭素および他の不純物を分離することによって前記水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気を精製することを更に備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項２２】
前記水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気を精製するステップは、前記第２の気液分離器から出力された前記水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気を圧力スイング吸着システムへ供給することを備える、請求項１３に記載の方法。
【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、参照によってその開示全体が本願に組み込まれる、２０１６年４月２１日に出願された米国特許仮出願第６２／３２５，７１９号の利益およびこれに対する優先権を主張するものである。
【０００２】
［技術分野］
本開示は、燃料電池に関する。特に本開示は、冷却／凝縮によって燃料電池のアノード排気から二酸化炭素を除去するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池は、たとえば炭化水素燃料などの燃料に蓄積された化学エネルギを、電気反応によって電気エネルギに変換するデバイスである。一般に燃料電池は、アノード、カソード、および電解質層を有し、これらは共に電力を生産する化学反応を起こす。燃料電池のアノードからの副産物として、水素、一酸化炭素、および二酸化炭素の混合物を備え得る排気が生成される。アノード排気は、水素および一酸化炭素などの有用な副産ガスを含み、これはたとえば燃料電池用の燃料または他の化学反応のための供給物など他の用途のための合成ガスとして搬出され得る。しかし、そのような使用に適したアノード排気を調製するために、アノード排気に存在する二酸化炭素は除去しなければならない。
【０００４】
高温アノード排気から水素または合成ガスを精製する場合、水素または合成ガスから二酸化炭素および他の不純物を分離するために多くの場合、圧力スイング吸着システム（ＰＳＡ）が用いられるが、たとえば電気化学水素分離器など他の精製プロセスが用いられてもよい。アノード排気は高い二酸化炭素含有量を有するので、ＰＳＡからの水素または合成ガス回収は通常よりも少なく、ＰＳＡのサイクル時間を調整しなければならない場合がある。また、大量のアノード排気は、ＰＳＡのサイズおよびコストを増加させる。従来、使用されるＰＳＡが大きいほど、受け入れられる水素または合成ガス回収は少ない。
【０００５】
ＰＳＡまたは他の精製技術の上流で燃料電池のアノード排気から二酸化炭素を除去するためのシステムおよび方法に関連する技術を含む、進歩した技術へのニーズが存在する。そのような技術は、ＰＳＡのサイズを縮小することによってコストを低減することを可能にし、水素または合成ガス生産を最大化する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
いくつかの実施形態において、加圧アノード排出蒸気を生成するために圧縮されたアノード排出ガスから二酸化炭素を除去するためのシステムは、アノード排出蒸気を第１の所定の温度まで冷却し、加圧アノード排出蒸気内の二酸化炭素を部分的に凝縮するように構成された供給物／排出物熱交換器と、供給物／排出物熱交換器の出力を受け取り、不凝縮アノード排出蒸気から液体二酸化炭素を分離するように構成された第１の気液分離器と、第１の気液分離器から不凝縮アノード排出蒸気を受け取り、不凝縮アノード排出蒸気を第２の所定の温度まで冷却し、不凝縮アノード排出蒸気内の更なる二酸化炭素を凝縮するように構成された供給物／冷媒熱交換器と、供給物／冷媒熱交換器の出力を受け取り、液体二酸化炭素を分離して水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気を生成するように構成された第２の気液分離器とを含む。
【０００７】
いくつかの実施形態において、燃料電池システムは、カソード、アノード、および
カソードとアノードとの間に設けられた電解質マトリックスを備える燃料電池と、水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気を生成するためにアノード排出ガスから二酸化炭素を除去するためのシステムと、アノード排出ガスから水素または合成ガスを精製するために、水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気から二酸化炭素および他の不純物を分離するように構成された圧力スイング吸着システムとを含む。システムは、加圧アノード排出蒸気を第１の所定の温度まで冷却し、アノード排出蒸気内の二酸化炭素を部分的に凝縮するように構成された供給物／排出物熱交換器と、供給物／排出物熱交換器の出力を受け取り、不凝縮アノード排出蒸気から液体二酸化炭素を分離するように構成された第１の気液分離器と、第１の気液分離器から不凝縮アノード排出蒸気を受け取り、不凝縮アノード排出蒸気を第２の所定の温度まで冷却し、不凝縮アノード排出蒸気内の更なる二酸化炭素を凝縮するように構成された供給物／冷媒熱交換器と、供給物／冷媒熱交換器の出力を受け取り、液体二酸化炭素を分離して水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気を生成するように構成された第２の気液分離器とを含む。
【０００８】
いくつかの実施形態において、アノード排出ガスから二酸化炭素を除去する方法は、加圧アノード排出蒸気を生成するためにアノード排出ガスを圧縮することと、第１の熱交換器において、アノード排出蒸気を第１の所定の温度まで冷却し、アノード排出蒸気内の二酸化炭素を部分的に凝縮することと、第１の気液分離器において、第１の熱交換器の出力を受け取ることと、第１の気液分離器において、不凝縮アノード排出蒸気から液体二酸化炭素を分離することと、第２の熱交換器において、第１の気液分離器からの不凝縮アノード排出蒸気を受け取ることと、第２の熱交換器において、不凝縮アノード排出蒸気を第２の所定の温度まで冷却し、不凝縮アノード排出蒸気内の更なる二酸化炭素を凝縮することと、第２の気液分離器において、第２の熱交換器の出力を受け取ることと、第２の気液分離器において、第２の熱交換器の出力から液体二酸化炭素を分離し、水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気を生成することとを含む。
【０００９】
１つの態様において、第１の気液分離器は第１のノックアウトポットであり、第２の気液分離器は第２のノックアウトポットである。
【００１０】
１つの態様において、第１のノックアウトポットおよび第２のノックアウトポットにおいて分離された液体二酸化炭素は結合され、合計液体二酸化炭素は、合計液体二酸化炭素の圧力および温度を第１の圧力から第１の圧力よりも低い第２の圧力まで低減するために減圧弁を通って供給される。
【００１１】
１つの態様において、低減された圧力および温度を有する合計液体二酸化炭素は、第１の熱交換器において冷却媒体として使用され得る。第１の熱交換器から出力された再加熱二酸化炭素流は、高温燃料電池からの廃熱を用いて任意選択的に更に再加熱され、追加のエネルギを回収するためにエキスパンダへ送られ得る。エキスパンダエネルギは、電力または機械動力として回収され得る。機械動力は、アノード排気コンプレッサに接続され、それらの動力消費を低減してよい。
【００１２】
１つの態様において、二酸化炭素の一部は、隔離または他の使用のために搬出される。たとえば流路は、アノード排出蒸気から分離された二酸化炭素の一部を受け取り、アノード排出蒸気から分離された二酸化炭素の一部を隔離または他の使用のために搬出するように構成され得る。
【００１３】
１つの態様において、アノード排出蒸気は、第１の熱交換器に入る前に１００〜４００ｐｓｉｇの圧力に圧縮される。
【００１４】
１つの態様において、１００〜４００ｐｓｉｇのアノード排気圧力は、圧力スイング吸着システムが二酸化炭素および他の不純物を水素から分離するために必要な圧力レベルである。
【００１５】
１つの態様において、第１の熱交換器は、アノード排気を約−３５°Ｆまで冷却する。
【００１６】
１つの態様において、第２の熱交換器は、アノード排気を約−４５°Ｆまで冷却する。
【００１７】
１つの態様において、第１の圧力は２００〜４００ｐｓｉｇであり、第２の圧力は６５〜１００ｐｓｉｇである。
【００１８】
１つの態様において、低減された圧力（たとえば６５ｐｓｉｇ）を有する合計液体二酸化炭素は、低温で蒸発するように構成される。６５ｐｓｉｇ未満の圧力で、場合によって液体二酸化炭素は凍結し得る。６５ｐｓｉｇの圧力において、液体二酸化炭素は約−６０°Ｆで蒸発する。
【００１９】
１つの態様において、冷凍能力の大部分は、二酸化炭素を蒸発させることによって実現され、外部冷凍能力は、必要な冷凍能力全体の２０％未満まで低減される。
【００２０】
１つの態様において、コントローラは、本明細書で説明された方法ステップのいずれかを実行するようにプログラムされる。
【００２１】
これらのおよび他の有利な特徴は、本開示および図面を閲覧する者に対し明らかになる。
【００２２】
本明細書で説明される主題事項の１または複数の実装の細部は、添付図面および以下の発明を実施するための形態に示される。主題事項の他の特徴および態様は、本明細書に提示される発明を実施するための形態、図面、および特許請求の範囲から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】冷却／凝縮によって二酸化炭素を分離する燃料電池用二酸化炭素除去システムの概略図を示す。
【図２】図１の二酸化炭素除去システムの供給物／排出物熱交換器に関する典型的な熱曲線を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
典型的な実施形態を詳細に示す図面を参照する前に、本出願は、本説明に記載され図面に示された細部または方法論に限定されるものではないことを理解すべきである。また、用語は説明を目的としたものにすぎず、限定的なものとみなしてはならないことも理解すべきである。
【００２５】
図面を一般に参照すると、たとえば溶融炭酸塩形燃料電池または他の種類の高温燃料電池などの燃料電池のアノードによって生成された排気流から二酸化炭素を除去するためのシステムが本明細書に開示される。所望の産物がＨ２である場合、アノード排気をたとえばＰＳＡへ供給する前に、アノード排気を冷却しガス内のＣＯをＨ２にシフトすることが望ましく、ＣＯからＨ２への変換には平衡シフト組成物が好都合である。ガスのシフトは必須ではないが、これによって、搬出され得る水素の量および除去されるＣＯ２の量が増加する。所望の産物が化学品生産のためのＨ２＋ＣＯ合成ガス混合物である場合、ガスは、余分な水分を除去するために冷却されるが、シフトされない。
【００２６】
図１は、二酸化炭素除去システム１００を示す。二酸化炭素除去システム１００は、燃料電池アノード排気からの合成ガスの回収および高温燃料電池を備えるＨ２または合成ガス同時生産を伴う燃料電池電力生産システムの一部である。高温燃料電池は、燃料供給路から燃料を受け取り、アノード排気を出力するように構成されたアノード、酸化剤ガスを受け取り、カソード排気を出力するように構成されたカソード、およびアノードとカソードとを分離するように構成された電解質マトリックスを含む。高温燃料電池は、溶融炭酸塩形燃料電池または他の任意の既知の燃料電池類であってよい。
【００２７】
アノード排気は、未反応水素、一酸化炭素、水蒸気、二酸化炭素、および微量の他のガスを備える。図１のステージ１に示すように、圧縮アノード排出蒸気（すなわち加圧アノード排気）が供給物／排出物熱交換器１３２へ入力される。供給物／排出物熱交換器１３２へ入る前に、アノード排気は、ステージ１の上流かつアノードの出力の下流にあるシフトユニットおよび／または水分凝縮（不図示）の後、たとえば２００〜４００ｐｓｉｇの圧力に圧縮される。たとえば米国特許第８，８１５，４６２号に記載されるように、ステージ１の前に、アノード排気は、アノード排気を部分的に冷却するためにアノード排気に水を加えることによって、および／または圧縮前にアノード排気内のＣＯをＨ２に変換するためにアノード排気にシフトリアクタ（すなわちシフトユニット）を通過させることによって冷却され得る。米国特許第８，８１５，４６２号の全内容は、アノード排気から水素燃料を抽出および搬出するための燃料電池電力生産システムおよび構成要素に関するその開示の全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【００２８】
供給物／排出物熱交換器１３２は、アノード排出蒸気を約−３５°Ｆまで冷却し、ＣＯ２を部分的に凝縮する。求められる温度は、使用される圧力に依存して変わるが、低圧力の液体ＣＯ２が蒸発するとともにアノード排気内のＣＯ２が凝縮するために十分なほど低くなくてはならない。
【００２９】
ステージ２において、供給物／排出物熱交換器１３２から出力された混相アノード排気８００が第１の気液分離器（たとえばノックアウトポット）１３３へ入力される。第１のノックアウトポット１３３は、不凝縮アノード排出蒸気８０５から液体ＣＯ２８５０を分離するように構成される。
【００３０】
ステージ５において、液体ＣＯ２８５０は、第１のノックアウトポット１３３の第１の出口路を介して第１のノックアウトポット１３３から出力され、ミクサ１３５へ入力される。ミクサ１３５は、以下で詳述される。
【００３１】
ステージ３において、不凝縮アノード排出蒸気８０５は、第１のノックアウトポット１３３の第２の出口路を介して第１のノックアウトポット１３３から出力され、供給物／冷媒熱交換器１３４へ入力される。供給物／冷媒熱交換器１３４は、妥当な最低温度（約−４５°Ｆ）まで不凝縮アノード排出蒸気８０５を更に冷却し、外部冷凍を用いて更なるＣＯ２を凝縮する。ステージ４において、混相アノード排気５１０は、供給物／冷媒熱交換器１３４から出力され、第２の気液分離器（たとえばノックアウトポット）１３６へ入力される。第２のノックアウトポット１３６は、Ｈ２が豊富な不凝縮アノード排出蒸気８１５から液体ＣＯ２８５５を分離するように構成される。第２のノックアウトポット１３６は、任意の既知の気液分離器であってよい。Ｈ２が豊富な不凝縮アノード排出蒸気８１５は、第２のノックアウトポット１３６の第１の出口路を介して第２のノックアウトポット１３６から出力され、二酸化炭素および他の不純物を水素から分離するように構成された圧力スイング吸着システム（ＰＳＡ）へ入力される。液体ＣＯ２８５５は、第２のノックアウトポット１３６の第２の出口路を介して第２のノックアウトポット１３６から出力され、ミクサ１３５へ入力される。
【００３２】
ミクサ１３５において、第１のノックアウトポット１３３から出力された液体ＣＯ２８５０は、第２のノックアウトポット１３６から出力された液体ＣＯ２８５５と結合される。合計液体ＣＯ２８５７（すなわち、第２のノックアウトポット１３６から出力された液体ＣＯ２８５５と混合された第１のノックアウトポット１３３から出力された液体ＣＯ２８５０）は、約２００〜４００ｐｓｉｇの圧力を有する。
【００３３】
ステージ６において、合計液体ＣＯ２８５７は、減圧弁１３７を通過する。減圧弁１３７は、合計液体ＣＯ２８５７の圧力を低減するように構成される。圧力が低減されると、液体ＣＯ２の一部が蒸発（またはフラッシュ）し、ＣＯ２が冷却される。フラッシュした液体ＣＯ２８６０は、減圧弁１３７から出力される。液体ＣＯ２８６０は、合計液体ＣＯ２８５７の圧力よりも低い圧力を有する。たとえば、液体ＣＯ２８６０は約６５ｐｓｉｇの圧力を有する。フラッシュ圧力は、温度がＣＯ２の凝固点よりも上に保たれ、システム内の固体ＣＯ２を防ぐほどに高くなくてはならない。
【００３４】
液体ＣＯ２８６０は、供給物／排出物熱交換器１３２における冷却をもたらすために低温で蒸発するように構成される。約６５ｐｓｉｇの圧力未満で、液体ＣＯ２８６０は凝固する可能性がある。６５ｐｓｉｇの圧力において、液体ＣＯ２８６０は、約−６０°Ｆで蒸発する。液体ＣＯ２８６０から蒸発したＣＯ２は、供給物／排出物熱交換器１３２においてアノード排出蒸気に用いられる冷却媒体として機能する。この構成の場合、冷凍能力の大部分はＣＯ２を蒸発させることによって実現され、外部冷凍能力は、必要な冷却全体の２０％未満まで低減される。
【００３５】
任意選択的なステージ７において、供給物／排出物熱交換器１３２においてアノード排出蒸気を冷却／凝縮するために用いられた後、再加熱されたＣＯ２流８６５（すなわち蒸発したＣＯ２）は、供給物／排出物熱交換器１３２から出力される。再加熱されたＣＯ２流８６５は、たとえば約６５ｐｓｉｇの圧力を有する。再加熱されたＣＯ２流８６５は、可能性のある再加熱および膨張のための要素（不図示）へ供給され得る。たとえば再加熱されたＣＯ２流８６５は、高温燃料電池からの廃熱を用いて加熱され、追加のエネルギを回収するためにエキスパンダへ送られる。エキスパンダは、選択される圧力レベルに依存して、ガスを圧縮するために必要な動力の１５〜２０％を提供することができる。圧力が高いほど、より多くのＣＯ２が凝縮し、より小さなＰＳＡを使用することが可能である。ただし、高い圧力を提供するためには、より多くの動力がコンプレッサに必要である。二酸化炭素除去システム１００の性能に対する圧力の影響の概要が以下の表１に示される。最適な圧縮動力は、発明者によって実行されたシミュレーションに基づいて、約３００ｐｓｉｇであると思われる。
【００３６】
【表１】
2019521468.tif 000003
【００３７】
表１の計算は、以下の表２にまとめられたアノード排気率および特性を仮定したものである。
【００３８】
【表２】
2019521468.tif 000004
【００３９】
供給物／排出物熱交換器１３２に関する典型的な熱曲線は、逆流熱交換器に関して図２に示される。具体的には、供給ガスの入口および加熱ＣＯ２の出口は、ＣＯ２が蒸発する温度よりも大幅に高いため、供給物／排出物熱交換器１３２における熱回収を最適化するために、複数のシェルが用いられる。
【００４０】
上述した二酸化炭素除去システムは、サイズの縮小を可能にすることによってＰＳＡまたは他の精製システムのコストを低減し、ＰＳＡにおける回収を増加させる二酸化炭素を除去することによって水素／合成ガス生産量を最大化する。冷却／凝縮を用いることにより、二酸化炭素除去システム１００は、たとえばＳｅｌｅｘｏｌなどの物理溶媒を加えることなくアノード排気から二酸化炭素を除去する。
【００４１】
他の実施形態において、二酸化炭素除去システム１００は、ＣＯ２の除去を増進するために、たとえばＳＥＬＥＸＯＬ（登録商法）などの物理溶媒とともに用いられ得る。多くの場合、合成ガス内のある程度の少量のＣＯ２が許容可能である合成ガス生産に関して、たとえばＳＥＬＥＸＯＬ（登録商標）などの溶媒除去システムがＰＳＡの代わりに用いられてよい。
【００４２】
二酸化炭素除去システム１００は、２つの熱交換器および２つのノックアウトポットを有するものとして説明されたが、本発明はこの点に関して限定されない。適切なレベルの凝縮および分離が実現されるという条件の下、任意の数の熱交換器およびノックアウトポットが用いられてよい。特定の実施形態において、熱交換器の数とノックアウトポットの数とは等しい。特定の実施形態において、熱交換器の数とノックアウトポットの数とは異なる。一般に、液体二酸化炭素と不凝縮アノード排気との分離は、熱交換器の下流のノックアウトポットにおいて生じる。
【００４３】
本明細書で用いられる場合、「およそ」、「約」、「実質的に」という用語および同様の用語は、本開示の主題事項が関与する当業者に共通かつ受け入れられた使用法と一致する広い意味を有することが意図される。本開示を閲読する当業者は、これらの用語が、請求項に係る説明された特定の特徴の説明を可能にすることが意図されており、これらの特徴の範囲を記載されたとおりの数的範囲に限定するものではないことを理解すべきである。したがってこれらの用語は、請求項に係る説明された主題事項の非実質的かつ非重要な修正または変更が、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内であるとみなされることを示すものとして解釈すべきである。
【００４４】
様々な典型的実施形態の構造および構成は例示にすぎないことに留意すべきである。本開示においていくつかの実施形態のみが詳細に説明されたが、本開示を閲読する当業者は、本明細書で説明された主題事項の新規教示および利点から実質的に逸脱することなく、数多くの修正（たとえばサイズ、寸法、構造、様々な要素の形状および特性、パラメータの値、取付け構成、材料の用途、色、向きなどにおける変化）が可能であることを容易に理解する。たとえば、一体形成されるものとして示された要素は、複数の部品または要素で構成されてもよく、要素の位置は逆であるか、または他のように変更されてよく、個別の要素または位置の性質または数は、入れ替えられ、または変更されてよい。任意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は、代替実施形態に従って変更され、または並べ替えられてよい。他の代替、修正、変更、および省略もまた、本発明の範囲から逸脱することなく様々な典型的実施形態の設計、動作条件、および構成においてなされてよい。たとえば、熱回収熱交換器が更に最適化されてよい。
【００４５】
本明細書で説明された動作および主題事項の実施形態は、デジタル電子回路において、または本明細書に開示された構造およびそれらの構造的均等物を含む、有形媒体上で具体化されたコンピュータソフトウェア、ファームウェア、またはハードウェアにおいて、またはそれらの１または複数の組み合わせにおいて実装され得る。本明細書で説明された主題事項の実施形態は、データ処理装置による実行のため、またはデータ処理装置の動作を制御するために、１または複数のコンピュータ記憶媒体上で符号化された、１または複数のコンピュータプログラム、すなわちコンピュータプログラム命令の１または複数のモジュールとして実装され得る。代替または追加として、プログラム命令は、データ処理装置による実行のために適切な受信器装置へ送信するための情報を符号化するために生成された、人工的に発生した伝搬信号、たとえば機械生成された電気、光、または電磁信号において符号化され得る。コンピュータ記憶媒体は、コンピュータ可読記憶デバイス、コンピュータ可読記憶担体、ランダムまたはシリアルアクセスメモリアレイまたはデバイス、またはそれらの１または複数の組み合わせであってよく、またはそれらに含まれてよい。またコンピュータ記憶媒体は伝搬信号ではなく、人工的に発生した伝搬信号において符号化されたコンピュータプログラム命令の発信源または宛先であってよい。コンピュータ記憶媒体は、１または複数の個別部品または媒体（たとえば複数のＣＤ、ディスク、または他の記憶デバイス）であってもよく、またはこれに含まれてもよい。したがってコンピュータ記憶媒体は、有形かつ非一時的であってよい。
【００４６】
本明細書で説明された動作は、１または複数のコンピュータ可読記憶デバイスに格納され、または他の発信源から受信したデータに、データ処理装置または処理回路によって実行される動作として実装され得る。
【００４７】
装置は、専用論理回路、たとえばＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）またはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）を含んでよい。また装置は、ハードウェアに加えて、件のコンピュータプログラムのための実行環境をもたらすコード、たとえばプロセッサファームウェア、プロトコルスタック、データベース管理システム、オペレーティングシステム、クロスプラットフォームランタイム環境、仮想機械、またはそれらの１または複数の組み合わせを構成するコードも含んでよい。装置および実行環境は、たとえばウェブサービス、分散型コンピューティングおよびグリッドコンピューティングインフラストラクチャなどの様々なコンピューティングモデルインフラストラクチャを実現することができる。
【００４８】
コンピュータプログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、スクリプト、またはコードとしても知られる）は、コンパイル形式またはインタプリタ形式の言語、宣言型または手続き型言語を含む任意の形式のプログラミング言語で書かれてよく、スタンドアロンプログラムまたはモジュール、コンポーネント、サブルーチン、オブジェクト、またはコンピューティング環境での使用に適した他のユニットを含む任意の形式で展開され得る。コンピュータプログラムは、ファイルシステム内のファイルに対応してよいが、必須ではない。プログラムは、件のプログラム専用の単一ファイルに、または複数の連携ファイル（たとえば１または複数のモジュール、サブプログラム、またはコードの一部を格納するファイル）に、プログラムまたはデータ（たとえばマークアップ言語文書に格納された１または複数のスクリプト）を保持するファイルの一部に格納され得る。コンピュータプログラムは、１つのサイトに存在する、または通信ネットワークによって相互接続される複数のサイトに分散された複数のコンピュータ、または１つのコンピュータにおいて実行されるように展開され得る。
【００４９】
本明細書で説明されたプロセスおよび論理フローは、入力データを操作し出力を生成することによってアクションを実行するために１または複数のコンピュータプログラムを実行する１または複数のプログラマブルプロセッサまたは処理回路によって実行され得る。プロセスおよび論理フローは、専用論理回路、たとえばＦＰＧＡまたはＡＳＩＣによって実行されてもよく、装置は専用論理回路、たとえばＦＰＧＡまたはＡＳＩＣとして実装されてもよい。
【００５０】
コンピュータプログラムの実行に適したプロセッサまたは処理回路は、一例として、汎用および専用マイクロプロセッサの両方、および任意の種類のデジタルコンピュータの任意の１または複数のプロセッサを含む。一般に、プロセッサは、読取専用メモリまたはランダムアクセスメモリまたはその両方から命令およびデータを受信する。コンピュータの必須要素は、命令に従ってアクションを実行するためのプロセッサ、および命令およびデータを格納するための１または複数のメモリデバイスである。一般にコンピュータは、データを格納するための１または複数のマスストレージデバイス、たとえば磁気ディスク、光磁気ディスク、または光ディスクも含み、あるいはデータの受信または送信、またはその両方のためにそれらに動作可能に結合される。ただし、コンピュータはそのようなデバイスを有さなくてもよい。またコンピュータは、他のデバイス、たとえば携帯電話、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、モバイルオーディオまたはビデオプレーヤ、ゲーム機、グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）受信機、またはポータブルストレージデバイス（たとえばユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）フラッシュドライブ）などに埋め込まれてよい。コンピュータプログラム命令およびデータの格納に適したデバイスは、一例として半導体メモリデバイス、たとえばＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、およびフラッシュメモリデバイス、磁気ディスク、たとえば内蔵ハードディスクまたは取外し可能ディスク、光磁気ディスク、およびＣＤ‐ＲＯＭおよびＤＶＤ‐ＲＯＭディスクを含む、あらゆる形式の不揮発性メモリ、媒体、およびメモリデバイスを含む。プロセッサおよびメモリは、専用論理回路によって補われ、またはこれに組み込まれてよい。
【００５１】
ユーザとのインタラクションを提供するために、本明細書で説明された主題事項の実施形態は、ユーザに情報を表示するためのディスプレイデバイス、たとえばＣＲＴ（陰極線管）またはＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）、ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）、プラズマ、他の可撓構成、または他の任意のモニタ、およびユーザがコンピュータへ入力を提供することができるキーボード、ポインティングデバイス、たとえばマウストラックボールなど、またはタッチスクリーン、タッチパッドなどを有するコンピュータに実装され得る。ユーザとのインタラクションを提供するために他の種類のデバイスが用いられてもよく、たとえばユーザに提供されるフィードバックは、任意の形式の知覚フィードバック、たとえば視覚フィードバック、聴覚フィードバック、または触覚フィードバックであってよく、ユーザからの入力は、音響、音声、または触覚入力を含む任意の形式で受信されてよい。また、コンピュータは、ユーザによって使用されるデバイスと文書を送受信することによって、たとえばウェブブラウザから受信した要求に応答してユーザのクライアントデバイス上でウェブブラウザへウェブページを送信することによって、ユーザとインタラクトすることができる。
【図１】
2019521468.tif 000005
【図２】
2019521468.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成30年11月15日(2018.11.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧アノード排出蒸気を生成するために圧縮されたアノード排出ガスから二酸化炭素を除去するためのシステムであって、
前記アノード排出蒸気を第１の所定の温度まで冷却し、前記加圧アノード排出蒸気内の二酸化炭素を部分的に凝縮するように構成された供給物／排出物熱交換器と、
前記供給物／排出物熱交換器の出力を受け取り、不凝縮アノード排出蒸気から液体二酸化炭素を分離するように構成された第１の気液分離器と、
前記第１の気液分離器から前記不凝縮アノード排出蒸気を受け取り、前記不凝縮アノード排出蒸気を第２の所定の温度まで冷却し、前記不凝縮アノード排出蒸気内の更なる二酸化炭素を凝縮するように構成された供給物／冷媒熱交換器と、
前記供給物／冷媒熱交換器の出力を受け取り、液体二酸化炭素を分離して水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気を生成するように構成された第２の気液分離器と
を備えるシステム。
【請求項２】
前記第１の気液分離器によって分離された前記液体二酸化炭素と、前記第２の気液分離器によって分離された前記液体二酸化炭素とを受け取り混合するように構成されたミクサを更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ミクサからの合計液体二酸化炭素を受け取るように構成された減圧弁を更に備え、前記合計液体二酸化炭素は、前記第１の気液分離器によって分離された前記液体二酸化炭素および前記第２の気液分離器によって分離された前記液体二酸化炭素を備え、
前記減圧弁は、前記合計液体二酸化炭素の圧力を第１の圧力から前記第１の圧力よりも低い第２の圧力まで低減するように更に構成され、および／または
前記第２の圧力を有する前記合計液体二酸化炭素は、前記供給物／排出物熱交換器へ供給され、前記供給物／排出物熱交換器において冷却媒体として使用され、および／または
前記供給物／排出物熱交換器において前記冷却媒体として使用された後、前記合計液体二酸化炭素は、再加熱二酸化炭素流として前記供給物／排出物熱交換器から出力され、前記再加熱二酸化炭素流は更に加熱され、電力または機械エネルギのいずれかとして追加のエネルギを回収するためにエキスパンダへ送られる、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記供給物／冷媒熱交換器は、前記不凝縮アノード排出蒸気を前記第２の所定の温度まで冷却し、外部冷凍を用いて前記不凝縮アノード排出蒸気内の二酸化炭素を凝縮する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記供給物／排出物熱交換器の上流で前記アノード排出蒸気を生成するために前記アノード排出ガスを圧縮するように構成されたシフトユニットまたは水分凝縮ユニットを更に備え、および／または
前記アノード排出蒸気は、前記供給物／排出物熱交換器の入口において２００〜４００ｐｓｉｇの圧力を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記アノード排出蒸気から分離された前記二酸化炭素の一部を受け取り、前記アノード排出蒸気から分離された前記二酸化炭素の前記一部を隔離または他の使用のために搬出するように構成された流路を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
カソード、アノード、および前記カソードと前記アノードとの間に設けられた電解質マトリックスを備える燃料電池と、
水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気を生成するためにアノード排出ガスから二酸化炭素を除去するための請求項１に記載のシステムと、
前記アノード排出ガスから水素または合成ガスを精製するために、前記水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気から二酸化炭素および他の不純物を分離するように構成された圧力スイング吸着システムと
を備える燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか一項に記載のシステムを使用してアノード排出ガスから二酸化炭素を除去する方法であって、
アノード排出蒸気を生成するために前記アノード排出ガスを圧縮することと、
前記供給物／排出物熱交換器において、前記アノード排出蒸気を前記第１の所定の温度まで冷却し、前記アノード排出蒸気内の二酸化炭素を部分的に凝縮することと、
前記第１の気液分離器において、前記供給物／排出物熱交換器の前記出力を受け取ることと、
前記第１の気液分離器において、不凝縮アノード排出蒸気から液体二酸化炭素を分離することと、
前記供給物／冷媒熱交換器において、前記第１の気液分離器からの前記不凝縮アノード排出蒸気を受け取ることと、
前記供給物／冷媒熱交換器において、前記不凝縮アノード排出蒸気を前記第２の所定の温度まで冷却し、前記不凝縮アノード排出蒸気内の二酸化炭素を凝縮することと、
前記第２の気液分離器において、前記供給物／冷媒熱交換器の前記出力を受け取ることと、
前記第２の気液分離器において、前記供給物／冷媒熱交換器の前記出力から液体二酸化炭素を分離し、水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気を生成することと
を備える方法。
【請求項９】
前記第１の気液分離器によって分離された前記液体二酸化炭素と、前記第２の気液分離器によって分離された前記液体二酸化炭素とを受け取り混合して、合計液体二酸化炭素を生成することと、
前記合計液体二酸化炭素を減圧弁を通過させることによって、前記合計液体二酸化炭素の圧力を第１の圧力から前記第１の圧力よりも低い第２の圧力まで低減することと
を更に備える、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の圧力を有する前記合計液体二酸化炭素を、前記供給物／排出物熱交換器へ供給することと、
前記合計液体二酸化炭素を用いて前記供給物／排出物熱交換器を冷却することと
を更に備える、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記冷却するステップは、再加熱二酸化炭素流が前記供給物／排出物熱交換器から出力されるように前記合計液体二酸化炭素を再加熱し、
前記再加熱二酸化炭素流を更に加熱することと、
エキスパンダを用いて前記更に加熱された再加熱二酸化炭素流から追加のエネルギを回収することと
を更に備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の圧力は２００〜４００ｐｓｉｇであり、前記第２の圧力は６５〜１００ｐｓｉｇである、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記アノード排出蒸気を生成するために前記アノード排出ガスを圧縮するステップは、前記アノード排出ガスを２００〜４００ｐｓｉｇの圧力に圧縮することを備える、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記供給物／冷媒熱交換器において前記不凝縮アノード排出蒸気を前記第２の所定の温度まで冷却し、前記不凝縮アノード排出蒸気内の二酸化炭素を凝縮するステップは、外部冷凍を用いて実行される、請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
二酸化炭素および他の不純物を分離することによって前記水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気を精製することを更に備え、
前記水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気を精製するステップは、前記第２の気液分離器から出力された前記水素が豊富な不凝縮アノード排出蒸気を圧力スイング吸着システムへ供給することを備える、請求項８に記載の方法。
【国際調査報告】
2019521468.tif 000007