(57)【要約】      （修正有）【課題】二酸化炭素を備える排ガスを発生させるように構成された発電装置を含むエネルギ貯蔵システムの提供。【解決手段】エネルギ貯蔵システムにおいて、発電装置から発生した二酸化炭素を含む排ガスは、電解装置として逆に運転するように構成された第１の燃料電池に供給される。第１の燃料電池は、発電装置からの排ガスの少なくとも一部を受け取るように構成され、第一の燃料電池のアノードは、排ガス中の二酸化炭素を受け取り、別の供給物からメタンを受け取るように構成され、水素含有ガス混合物を出力する。エネルギ貯蔵システムは更に、水素含有ガス混合物内の一酸化炭素のほぼ全てをメタンに変換するために、水素含有ガス混合物をメタン化するように構成された改質器を含む。エネルギ貯蔵システムは更に、水素ポンプとして逆に運転する第２の燃料電池を含み、第２の燃料電池は、改質器によって出力されたガス混合物から水素を分離するように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素を備える排ガスを発生させるように構成された発電装置と、
第１の燃料電池であって、
電解質マトリックスによって隔てられたアノードおよびカソードと、
前記第１の燃料電池を電解装置として逆に運転するために前記第１の燃料電池に逆電圧を印加するように構成された電源とを備え、
前記第１の燃料電池は、前記発電装置からの前記排ガスの少なくとも一部を受け取るように構成され、
前記アノードは、前記排ガスを介して二酸化炭素を受け取り、かつ別の供給物からメタンを受け取るように構成され、
前記アノードは、水素および一酸化炭素を備える水素含有ガス混合物を出力するように構成された、第１の燃料電池と、
前記第１の燃料電池の前記アノードから出力された前記水素含有ガス混合物をメタン化し、前記水素含有ガス混合物内の前記一酸化炭素のほぼ全てをメタンに変換するように構成され、ガス混合物を出力するように構成された改質器と、
前記改質器によって出力された前記ガス混合物から水素を分離するように構成された、水素ポンプとして逆に運転する第２の燃料電池と
を備えるエネルギ貯蔵システム。
【請求項２】
前記第１の燃料電池の前記カソードは、前記発電装置からの前記排ガスを受け取るように構成される、請求項１に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項３】
前記発電装置は内燃エンジンである、請求項１に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項４】
前記供給物を更に備え、前記供給物は、前記発電装置の前記排ガスとは別に前記第１の燃料電池の前記アノードへメタンを供給するように構成される、請求項１に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項５】
前記供給物は、メタンおよび二酸化炭素を備え、
前記第２の燃料電池によって出力される水素の量は、前記供給物によって供給される炭素の量に比例する、請求項４に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項６】
前記第１の燃料電池の前記カソードは、前記第２の燃料電池のアノードから出力されたガス混合物を受け取るように構成される、請求項１に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項７】
前記改質器は更に、前記第１の燃料電池によって出力された前記水素含有ガスに含まれる二酸化炭素をメタンに変換するように構成される、請求項１に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項８】
前記第２の燃料電池は、純化水素ガスを出力するために電気化学水素コンプレッサを用いて水素含有ガスを圧縮するように構成される、請求項１に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載のエネルギ貯蔵システムを用いて水素を発生させる方法であって、
前記発電装置へ燃料を供給し、前記発電装置を用いて前記排ガスを発生させることと、
前記第１の燃料電池において、前記発電装置からの前記排ガスおよび水蒸気を受け取ることと、
前記第１の燃料電池の前記アノードにおいて、前記排ガスを介して二酸化炭素を受け取り、前記別の供給物からのメタンを受け取ることと、
前記第１の燃料電池から、水素および一酸化炭素を備える前記水素含有ガス混合物を出力することと、
前記改質器を用いて、前記第１の燃料電池から受け取った前記一酸化炭素のほぼ全てをメタンに変換することと、
前記第２の燃料電池を用いて、前記改質器から出力された前記ガス混合物から水素を分離することと、
前記第２の燃料電池からの残りのガス混合物を前記第１の燃料電池の前記カソードへ供給することと
を備える方法。
【請求項１０】
前記電源が前記第１の燃料電池に逆電圧を印加すると、前記第１の燃料電池の前記アノードにおいて水素含有ガスを発生させることと、
前記第１の燃料電池の前記アノードにおける電解反応を用いて、前記水素含有ガスから二酸化炭素を分離することと
を更に備える、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の燃料電池は前記水素含有ガスを出力し、二酸化炭素および酸素を備える酸化剤ガスを別に出力する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第２の燃料電池における電気化学水素コンプレッサを少なくとも用いて、前記第１の燃料電池の前記アノードからの水素含有ガスを圧縮することを更に備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２の燃料電池のカソードから、純化水素ガスを出力することを更に備える、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の燃料電池からの前記残りのガス混合物は、前記第２の燃料電池のアノードから出力される、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記エネルギ貯蔵システムに貯蔵すべき電力がない場合、前記排ガスからの熱を前記第１の燃料電池の前記カソードのみに供給し、前記熱が前記第１の燃料電池を所望の運転温度に維持するようにすることを更に備える、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
ＲＥＰカソード供給ガスを出力するように構成された発電装置と、
燃料電池であって、
電解質マトリックスによって隔てられたアノードおよびカソードと、
前記燃料電池を電解装置として逆に運転するために第１の燃料電池に逆電圧を印加するように構成された電源とを備え、
前記アノードは、二酸化炭素を備えるＲＥＰアノード供給ガスを受け取るように構成され、
前記燃料電池は、水素および二酸化炭素を備える水素含有ガス混合物を出力するように構成された、燃料電池と、
前記二酸化炭素がメタンに変換されるように、前記燃料電池から出力された前記水素含有ガス混合物をメタン化するように構成され、変換後の水素含有ガス混合物を出力するように構成された改質器と、
前記改質器からの前記変換後の水素含有ガス混合物を圧縮するように構成されたコンプレッサと
を備えるエネルギ貯蔵システム。
【請求項１７】
前記ＲＥＰアノード供給ガスは炭化水素を更に備える、請求項１６に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項１８】
前記発電装置は内燃エンジンである、請求項１６に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項１９】
前記ＲＥＰカソード供給ガスは、前記発電装置からの排ガスである、請求項１６に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項２０】
前記改質器は、前記燃料電池によって出力された前記水素含有ガス混合物内の一酸化炭素および二酸化炭素をメタンに変換するように構成される、請求項１６に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項２１】
前記コンプレッサは、前記改質器からの前記変換後の水素含有ガス混合物内のメタンを圧縮するように構成される、請求項１６に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項２２】
前記コンプレッサからの圧縮メタンおよび前記変換後の水素含有ガス混合物は冷却され、それによって水が凝縮され、前記変換後の水素含有ガス混合物から分離される、請求項２１に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項２３】
前記エネルギ貯蔵システムにおいて生成されたメタンは、パイプラインへ入れ込まれるように構成される、請求項１６に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項２４】
前記メタン出力流から凝縮水を除去するように構成された水ノックアウトポットを更に備える、請求項２２に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項２５】
前記コンプレッサから出力された圧縮メタンは貯蔵されるように構成される、請求項２２に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項２６】
前記発電装置は、嫌気性消化ガスと、二酸化炭素およびメタンの混合物とを受け取るように構成される、請求項１６に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項２７】
請求項１６〜２６のいずれかに記載のエネルギ貯蔵システムを用いてメタンを発生させる方法であって、
前記燃料電池の前記アノードにおいて、前記アノードＲＥＰ供給ガスを介して二酸化炭素を受け取ることと、
前記燃料電池から、メタン、二酸化炭素、および水素を備える前記水素含有ガス混合物を出力することと、
前記改質器を用いて、前記燃料電池からの前記水素含有ガス混合物をメタン化することと、
前記コンプレッサを用いて、前記改質器からの前記変換後の水素含有ガス混合物から水を分離し、分離後のガス混合物を前記コンプレッサから出力することと
を備える方法。
【請求項２８】
水ノックアウトポットにおいて、前記コンプレッサによって出力された前記分離後のガス混合物から水を除去することと、
前記コンプレッサによって出力された前記分離後のガス混合物からのメタンをガスパイプラインへ送り込むことと
を更に備える、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記電源が前記燃料電池に逆電圧を印加すると、前記第１の燃料電池の前記アノードにおいて水素含有ガスを発生させることと、
前記燃料電池の前記アノードにおける電解反応を用いて、前記水素含有ガス混合物から二酸化炭素を分離することと
を更に備える、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記燃料電池は、前記水素含有ガス混合物を出力し、二酸化炭素および酸素を備える酸化剤ガスを別に出力する、請求項２９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、参照によって開示全体が本明細書に組み込まれる、２０１５年１１月１６日に出願された米国特許仮出願第６２／２５５，８６８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】
本出願は一般に、燃料電池を用いるエネルギ貯蔵の分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
エネルギ貯蔵は、水または炭化水素からＨ２を生成することによって実行され得る。改質器‐電解装置‐精製器（「ＲＥＰ」）は、Ｈ２を生成するために用いられ得る。ＲＥＰおよびＲＥＰを含むシステムの例は、本出願の譲受人に譲渡されるＰＣＴ公開ＷＯ２０１５／１１６９６４号において説明される。
【０００４】
ＲＥＰは、運転するために水蒸気およびＣＯ２を必要とする。そのような水蒸気およびＣＯ２は、高温燃料電池によって供給され得る。しかし、高温燃料電池へのアクセスは、場合によっては（たとえば発電の費用または規模によって）制限される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの実施形態において、エネルギ貯蔵システムは、二酸化炭素を備える排ガスを発生させるように構成された発電装置を含む。エネルギ貯蔵システムは第１の燃料電池を更に含み、第１の燃料電池は、電解質マトリックスによって隔てられたアノードおよびカソードと、第１の燃料電池を電解装置として逆に運転するために第１の燃料電池に逆電圧を印加するように構成された電源とを備える。第１の燃料電池は、発電装置からの排ガスの少なくとも一部を受け取るように構成される。アノードは、排ガスを介して二酸化炭素を受け取り、かつ別の供給物からメタンを受け取るように構成される。アノードは、水素および一酸化炭素を備える水素含有ガス混合物を出力するように構成される。エネルギ貯蔵システムは更に、第１の燃料電池のアノードから出力された水素含有ガス混合物をメタン化して水素含有ガス混合物内の一酸化炭素のほぼ全てをメタンに変換し、ガス混合物を出力するように構成された改質器を含む。エネルギ貯蔵システムは更に、水素ポンプとして逆に運転する第２の燃料電池を含み、第２の燃料電池は、改質器によって出力されたガス混合物から水素を分離するように構成される。
【０００６】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、第１の燃料電池のカソードは、発電装置からの排ガスを受け取るように構成される。
【０００７】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、発電装置は内燃エンジンである。
【０００８】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、供給物は、発電装置の排ガスとは別に第１の燃料電池のアノードへメタンを供給するように構成される。
【０００９】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、供給物は、メタンおよび二酸化炭素を備える。第２の燃料電池によって出力される水素の量は、供給物によって供給される炭素の量に比例する。
【００１０】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、第１の燃料電池のカソードは、第２の燃料電池のアノードから出力されたガス混合物を受け取るように構成される。
【００１１】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、改質器は更に、第１の燃料電池によって出力された水素含有ガスに含まれる二酸化炭素をメタンに変換するように構成される。
【００１２】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、第２の燃料電池は、純化水素ガスを出力するために電気化学水素コンプレッサを用いて水素含有ガスを圧縮するように構成される。
【００１３】
他の実施形態において、エネルギ貯蔵システムを用いて水素を発生させる方法は、発電装置へ燃料を供給し、発電装置を用いて排ガスを発生させることと、第１の燃料電池において、発電装置からの排ガスおよび水蒸気を受け取ることとを含む。方法は更に、第１の燃料電池のアノードにおいて、排ガスを介して二酸化炭素を受け取り、別の供給物からのメタンを受け取ることを含む。方法は更に、第１の燃料電池から、水素および一酸化炭素を備える水素含有ガス混合物を出力することを含む。方法は更に、改質器を用いて、第１の燃料電池から受け取った一酸化炭素のほぼ全てをメタンに変換することを含む。方法は更に、第２の燃料電池を用いて、改質器から出力されたガス混合物から水素を分離することを含む。方法は更に、第２の燃料電池からの残りのガス混合物を第１の燃料電池のカソードへ供給することを含む。
【００１４】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、方法は更に、電源が第１の燃料電池に逆電圧を印加すると、第１の燃料電池のアノードにおいて水素含有ガスを発生させることと、第１の燃料電池のアノードにおける電解反応を用いて、水素含有ガスから二酸化炭素を分離することとを含む。
【００１５】
方法の１つの態様において、第１の燃料電池は水素含有ガスを出力し、二酸化炭素および酸素を備える酸化剤ガスを別に出力する。
【００１６】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、方法は更に、第２の燃料電池における電気化学水素コンプレッサを少なくとも用いて、第１の燃料電池のアノードからの水素含有ガスを圧縮することを含む。
【００１７】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、方法は更に、第２の燃料電池のカソードから、純化水素ガスを出力することを含む。
【００１８】
方法の１つの態様において、第２の燃料電池からの残りのガス混合物は、第２の燃料電池のアノードから出力される。
【００１９】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、方法は更に、エネルギ貯蔵システムに貯蔵すべき電力がない場合、排ガスからの熱を第１の燃料電池のカソードのみに供給し、その熱が第１の燃料電池を所望の運転温度に維持するようにすることを含む。
【００２０】
他の実施形態において、エネルギ貯蔵システムは、ＲＥＰカソード供給ガスを出力するように構成された発電装置と、電解質マトリックスによって隔てられたアノードおよびカソードを含む燃料電池とを含む。燃料電池は更に、燃料電池を電解装置として逆に運転するために第１の燃料電池に逆電圧を印加するように構成された電源を含む。アノードは、二酸化炭素を備えるＲＥＰアノード供給ガスを受け取るように構成される。燃料電池は、水素および二酸化炭素を備える水素含有ガス混合物を出力するように構成される。エネルギ貯蔵システムは更に、二酸化炭素がメタンに変換されるように、燃料電池から出力された水素含有ガス混合物をメタン化するように構成され、変換後の水素含有ガス混合物を出力するように構成された改質器を含む。エネルギ貯蔵システムは更に、改質器からの変換後の水素含有ガス混合物を圧縮するように構成されたコンプレッサを含む。
【００２１】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、ＲＥＰアノード供給ガスは炭化水素を更に備える。
【００２２】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、発電装置は内燃エンジンである。
【００２３】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、ＲＥＰカソード供給ガスは、発電装置からの排ガスである。
【００２４】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、改質器は、燃料電池によって出力された水素含有ガス混合物内の一酸化炭素および二酸化炭素をメタンに変換するように構成される。
【００２５】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、コンプレッサは、改質器からの変換後の水素含有ガス混合物内のメタンを圧縮するように構成される。
【００２６】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、コンプレッサからの圧縮メタンおよび変換後の水素含有ガス混合物は冷却され、それによって水が凝縮され、変換後の水素含有ガス混合物から分離される。
【００２７】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、エネルギ貯蔵システムにおいて生成されたメタンは、パイプラインへ入れ込まれるように構成される。
【００２８】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、エネルギ貯蔵システムは更に、メタン出力流から凝縮水を除去するように構成された水ノックアウトポットを含む。
【００２９】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、コンプレッサから出力された圧縮メタンは貯蔵されるように構成される。
【００３０】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、発電装置は、嫌気性消化ガスと、二酸化炭素およびメタンの混合物とを受け取るように構成される。
【００３１】
他の実施形態において、エネルギ貯蔵システムを用いて水素を発生させる方法は、燃料電池のアノードにおいて、アノードＲＥＰ供給ガスを介して二酸化炭素を受け取ることを含む。方法は更に、燃料電池から、メタン、二酸化炭素、および水素を備える水素含有ガス混合物を出力することを含む。方法は更に、改質器を用いて、燃料電池からの水素含有ガス混合物をメタン化することを含む。方法は更に、コンプレッサを用いて、改質器からの変換後の水素含有ガス混合物から水を分離し、分離後のガス混合物をコンプレッサから出力することを含む。
【００３２】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、方法は更に、水ノックアウトポットにおいて、コンプレッサによって出力された分離後のガス混合物から水を除去することと、コンプレッサによって出力された分離後のガス混合物からのメタンをガスパイプラインへ送り込むこととを含む。
【００３３】
エネルギ貯蔵システムの１つの態様において、方法は更に、電源が燃料電池に逆電圧を印加すると、第１の燃料電池のアノードにおいて水素含有ガスを発生させることと、燃料電池のアノードにおける電解反応を用いて、水素含有ガス混合物から二酸化炭素を分離することとを含む。
【００３４】
方法の１つの態様において、燃料電池は、水素含有ガス混合物を出力し、二酸化炭素および酸素を備える酸化剤ガスを別に出力する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本発明のＲＥＰアセンブリを含む改質器‐電解装置‐精製器（ＲＥＰ）システムの概略図を示す。
【図２】ＲＥＰアセンブリを組み込むエネルギ貯蔵システムの例示的な構成を示す。
【図３】ＲＥＰアセンブリの概略構成およびその内部で生じる反応を示す。
【図４】高効率エネルギ貯蔵およびＮＯＸ低減システムを示す。
【図５】ＡＤＧ原料に基づく電力メタン変換システムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
改質器‐電解装置‐精製器（「ＲＥＰ」）アセンブリは、少なくとも１つの電解装置溶融炭酸塩形燃料電池を含み、ＲＥＰスタックとも称される燃料電池スタックに形成された複数の電解装置燃料電池を含んでよい。少なくとも1つの電解装置燃料電池は、ＣＯ２および水を電気分解して水素を生成し、ＣＯ３＝を電気化学的に除去することによって水素を清浄化するように、逆に運転される燃料電池である。ＣＯ２は、たとえばメタンなどの炭化水素によって供給されてよく、ＣＯ３＝の除去は、改質反応を完了に導く。以下で説明し、添付図面に示すように、少なくとも１つの電解装置燃料電池において他の反応が生じてもよい。
【００３７】
ＲＥＰスタックは、溶融炭酸塩形燃料電池（「ＭＣＦＣ」）スタックを備え、ＲＥＰアセンブリは、電解反応を完了に導くためにＲＥＰスタックに電力を供給するための電源を含む。コントローラは、電源を制御し、ＲＥＰアセンブリおよび／またはＲＥＰシステムの他の動作および部品を制御するために、ＲＥＰアセンブリおよび／またはＲＥＰシステムに含まれ得る。制御動作は、以下で更に詳しく説明される。本明細書はＲＥＰアセンブリ、ＲＥＰスタック、およびＲＥＰシステムが、たとえば内部改質または外部改質などの改質を含むものとして説明するが、ＲＥＰアセンブリ、ＲＥＰスタック、および／またはＲＥＰシステムは、内部および／または外部改質を省き、ＣＯ２および水を含有する供給ガスを電気分解し、改質せずに水素を清浄化するために用いられ得ることも考えられる。
【００３８】
図１は、ＲＥＰシステム１００の例の概略図を示す。図１に示すように、たとえば天然ガス、嫌気性消化ガス（「ＡＤＧ」）、または他の適切な燃料などの燃料は、予熱器１０２において低いレベルの廃熱を用いて予熱され、その後、ＲＥＰシステム１００に供給される。燃料は、予熱される前または後に、加湿または水と混合され得る。ＲＥＰシステム１００において、燃料は、蒸気と反応することによって改質され、水素、ＣＯ、および二酸化炭素を生成し、水素は、Ｈ２を他の反応生成物から分離し、改質反応を完了に導くために、Ｈ２からＣＯ２を除去することによって高温（改質温度）で清浄化される。ＲＥＰシステム１００は、水素を出力し、酸素および二酸化炭素を含む他の反応生成物を別に出力する。図示するように、吸熱改質反応を導くためにＲＥＰシステム１００に高いレベルの廃熱が供給され、その結果、燃料の全てが水素に変換されることによって、メタンから水素への不完全な変換によって生じるＣＯ２排気を低減する。
【００３９】
ＲＥＰアセンブリは、グリッドからの余剰電力を高い往復効率で貯蔵するために、ベース負荷直接形燃料電池（「ＤＦＣ」（登録商標））または固体酸化物燃料電池（「ＳＯＦＣ」）と組み合わせて使用され得る。一般に、正味発電量と需要の平衡を保つために、たとえば電力グリッドなどの電源システムは、再生可能発電装置による高電力発電期間中に余剰電力を貯蔵し、これを、ディスパッチすることができない再生可能電源による低電力発電期間中にグリッドに返還する必要がある。余剰電力の貯蔵のための従来の解決策は、バッテリ、低効率電解装置、圧縮空気エネルギ貯蔵、およびポンプ式水力発電システムを用いてきたが、これらは全て費用が高く、限られた貯蔵容量しかなく、または高い往復エネルギ損失を有する。
【００４０】
ＰＣＴ公開ＷＯ２０１５／１１６９６４号に記載されるエネルギ貯蔵システムの一例において、グリッドからの余剰電力の貯蔵に関する高い往復効率は、水素出力を生成するために余剰電力を消費するＲＥＰアセンブリと、ベース負荷電力を供給するように動作するＤＦＣまたはＳＯＦＣとを組み合わせることによって提供される。たとえば図２は、そのようなエネルギ貯蔵システム９００の例示的な構成を示す。図２において、システム９００は、電解質マトリックスによって隔てられたアノード側９１２およびカソード側９１４を有するＲＥＰアセンブリ９１０と、マトリックスによって隔てられたアノード側９２２およびカソード側９２４を有するＤＦＣ９２０と、アノード排ガス酸化器（「ＡＧＯ」）９３０とを備える。ＤＦＣ９２０は、たとえばＳＯＦＣまたは溶融炭酸塩形燃料電池（「ＭＣＦＣ」）など、炭化水素供給物を用いる任意の燃料電池であってよい。
【００４１】
図２に示すように、たとえば天然ガスなどの燃料および水は、システム９００へ供給され、水を蒸発させて蒸気を生成するために熱交換器９５０において予熱される。燃料および蒸気の混合物は、その後、ＤＦＣ９２０のアノード側９２２へ供給され、ここで燃料は、直接改質触媒を用いて内部改質され、ＤＦＣ９２０のカソード側９２４へ供給された酸化剤ガスと電気化学反応し、ベース負荷電力を発生させる。ベース負荷電力（ＤＣ電力）は、ＤＦＣ９２０から出力され、グリッドへ、あるいは外部デバイスに給電するために供給され得る。ＣＯ２、Ｈ２、ＣＯ、および水を備えるアノード排気は、ＤＦＣのアノード側９２２から出力され、ＲＥＰアセンブリ９１０のアノード側９１２および／またはＡＧＯ９３０へ供給される。
【００４２】
図２において、ＲＥＰアセンブリ９１０のアノード側は、ＤＦＣのアノード側９２２から出力されたアノード排気の一部または全てを受け取る。図２には示されないが、アノード排気がＲＥＰアセンブリ９１０へ供給される前に、ＤＦＣのアノード側９２２から出力されたアノード排気に蒸気が足され得る。これは、システム全体の熱収支および物質収支が、ＤＦＣからのアノード排気が高純度水素生成のための含水量において僅かに不足することを示すためである。ＲＥＰアセンブリ９１０は、アノード排ガス内のＣＯおよびＣＯ２と水とを反応させ、水素を生成する。アノード排ガスＲＥＰ供給物内の水素は、ＲＥＰアセンブリにおける反応によって発生した水素に足される。一般に、アノード排気は、乾燥ベースで２０〜３０％のＨ２＋ＣＯを含有し、ＣＯは、ＲＥＰアセンブリ９１０における内部水性ガスシフト反応中に水素に変換される。またアノード排気内の水およびＣＯ２は、Ｈ２およびＣＯ３＝イオンを生成するために電気化学反応し、ＣＯ３＝イオンは、電解質膜を通って搬送され、カソード側９１４においてＣＯ２およびＯ２に変換され、その後、酸化剤ガスとしてＲＥＰアセンブリのカソード側９１４から出力される。運転中のＲＥＰアセンブリにおいてＤＦＣからのアノード排気に生じるこれらの反応は、図３に詳しく示される。
【００４３】
図３において分かるように、ＤＣ電力は、ＲＥＰアセンブリの少なくとも１つの電解装置燃料電池に逆電圧を印加するために、電源９７５からＲＥＰアセンブリへ供給される。アノード排気は既に水素を含有しているので、アノード排気を伴う水素入力を含むＲＥＰアセンブリ９００からの水素出力の１キログラム当たりの電力消費は、高温電解装置に関して一般的な３５ｋＷｈ／ｋｇの電力消費の約７５％、すなわち約２６ｋＷｈ／ｋｇである。ＲＥＰアセンブリ９００による水素出力の１キログラム当たりの電力消費が低減されるので、電力の貯蔵に関する往復効率は、約４５〜６０ｋＷｈ／ｋｇＨ２を要し得る標準的な低温電解装置と比較して概ね２倍である。
【００４４】
再び図２を参照すると、送風器９４０またはより小型のデバイスを用いて、ＡＧＯ９３０へ空気が供給される。ＡＧＯ９３０は、ＤＦＣ９２０のアノード側９２２からのアノード排気の一部も受け取り、ＲＥＰアセンブリ内で発生し、ＲＥＰアセンブリ９００のアノード側９１２から出力された水素含有ガスの一部も受け取ってよい。これによってＡＧＯの温度は、ＲＥＰの運転とは無関係に制御されることが可能である。ＡＧ０９３０は、ＤＦＣアノード排気および／または水素含有ガス内の燃料を酸化させ、加熱酸化剤ガスを生成および出力し、これは、ＲＥＰアセンブリ９１０のカソード側９１４へ搬送される。ＲＥＰアセンブリ９００への加熱酸化剤ガスの供給は、ＲＥＰアセンブリの電力要件を低減し、効率を高める。図２に示すように、ＲＥＰアセンブリ９００内で生成されたＣＯ２およびＯ２の混合物を備える酸化剤ガスは、ＲＥＰアセンブリ９００のカソード側９１４からＤＦＣ９２０のカソード側９２４へ搬送される。ＤＦＣ９２０のカソード側９２４からのカソード排気出力は、システム９００内に入力された燃料および水の混合物をシステム外へ排出する前に加熱するために、熱交換器９５０へ送られる。
【００４５】
図２において、コントローラ９９０は、ＤＦＣ９２０からのアノード排気の分配を制御すること、ＲＥＰアセンブリ９１０のアノード側から出力された水素含有ガスの分配を制御すること、および外部電力需要および余剰電力の利用可能量に依存してＲＥＰアセンブリ９１０へ余剰電力を供給することを含む、システム９００の運転を制御するために用いられる。具体的には、ＤＦＣは、たとえばグリッドなど、外部電力需要のために使用されるベース負荷電力を発生させるために作動し、ＤＦＣ９１０からのアノード排気の一部または全ては、ＲＥＰアセンブリ９１０へ直接出力される。貯蔵される余剰電力がグリッドにない場合、ＤＦＣアノード排気は、ＲＥＰアセンブリ９１０を通って搬送され、変化しないままＲＥＰアセンブリ９１０のアノード側９１２から出力され、たとえば水素含有ガスは未変化のアノード排気である。このように、ＲＥＰアセンブリ９１０は高温に保たれ、グリッドに余剰電力が出現すればいつでも需要に応じて運転する準備ができている。そのような場合、コントローラ９９０は、ＲＥＰアセンブリ９１０からの水素含有ガスがＡＧＯ９３０へ搬送されるように制御し、ＡＧＯ９３０は空気も受け取り、Ｎ２、Ｏ２、およびＣＯを含有する高温酸化剤ガスを生成するためにアノード排気を燃焼または酸化させる。この高温酸化剤ガスはその後、ＲＥＰアセンブリ９１０のカソード側９１４へ搬送され、ＲＥＰアセンブリ９１０のカソード側９１４から出力された酸化剤ガスはその後、ＤＦＣカソード側９２４へ搬送される。ＲＥＰアセンブリを通って高温酸化剤ガスを搬送することは、ＲＥＰアセンブリが余剰電力で運転しているかアイドル状態であるかにかかわらずＲＥＰアセンブリ９１０を高温に保つために役立つ。
【００４６】
余剰電力が利用可能であり貯蔵する必要がある場合、コントローラ９９０は、電源によって少なくとも１つの電解装置燃料電池に逆電圧が印加されるようにＲＥＰアセンブリ９１０に余剰電力を供給するように制御し、ＲＥＰアセンブリ９１０へ供給されたＤＦＣアノード排気は水素に変換される。この場合、コントローラ９９０は、利用可能かつＲＥＯアセンブリに供給される余剰電力量に基づいて、ＲＥＰアセンブリ９１０をバイパスするＤＦＣアノード排気の量を制御する。そのような制御によって、ＲＥＰアセンブリ９１０へ供給されるＤＦＣアノード排気の一部は、高純度（＞９７％）水素ガスを生成するためにＲＥＰアセンブリへ供給される余剰電力と釣り合う。
【００４７】
またコントローラ９９０は、ＲＥＰアセンブリ９１０が余剰電力で運転しているかアイドル状態であるかに基づいて、およびＡＧＯ９３０内で発生させる必要がある熱量、たとえばＡＧＯの温度に基づいて、ＲＥＰアセンブリから出力されＡＧＯ９３０へ供給される水素含有ガスの量、および図２に示すように、外部利用のために出力、たとえばエクスポートされる水素含有ガスの量も制御する。たとえば、ＲＥＰアセンブリ９１０が余剰電力で運転しており、ＲＥＰアセンブリをバイパスしＡＧＯへ供給されるＤＦＣ排気量が、ＡＧＯ温度を所定の温度に維持するために不十分である場合、コントローラ９９０は、ＡＧＯにおける所定の温度を維持するために、ＲＥＰアセンブリから出力された水素含有ガスの一部をＡＧＯへ供給するように制御する。コントローラ９９０は更に、ＲＥＰアセンブリへ供給される余剰電力量が増加し、ＲＥＰアセンブリからＡＧＯへバイパスするＤＦＣアノード排気量が減少すると、ＲＥＰアセンブリからＡＧＯへ供給される水素含有ガスの量を増加させるように制御する。対照的に、ＲＥＰアセンブリ９１０がアイドル状態である場合、ＤＦＣアノード排気は全て、ＲＥＰアセンブリを高温に保つためにＲＥＰアセンブリ９１０へ供給されてよく、コントローラ９９０は、ＲＥＰアセンブリのアノード側９１２から出力された水素含有ガスの大部分または全てが、ＡＧＯにおける所定の温度を維持するためにＡＧＯ９３０へ搬送されるように制御する。またＡＧＯへの空気も温度制御のために調整される。
【００４８】
ＤＦＣとＲＥＰアセンブリとを組み合わせ、水素生成のためにＲＥＰアセンブリにおいて余剰電力を使用することによって、余剰電力は、高い電力貯蔵往復効率で生成される水素の形式で貯蔵される。図２の構成において、電力貯蔵往復効率は、以下のように概算される。
貯蔵される電力
水素生成−２６ｋＷｈ／ｋｇ
水素貯蔵−３ｋＷｈ／ｋｇ
生成される電力
５５％の効率における電力生成‐１８．５ｋＷｈ／ｋｇ
往復効率＝１８．５／（２６＋３）＝６４％（または高圧貯蔵がない場合７１％）
【００４９】
図２のシステムの６４％または７１％の往復効率は、従来のバッテリ貯蔵によって実現可能な７０〜８０％の往復効率と同様であるが、図２のシステムは、効率を損なうことなく長期間にわたって大容量で貯蔵することができる水素を生成するという利点を有する。また、図２のシステムによって生成される水素は、たとえばオフサイトのＰＥＭ燃料電池および燃料電池車両などの水素で運転するデバイスへ燃料を供給、または化学操作および精製工程に水素を供給するためにエクスポートすることができる。図２のシステムにおけるような水素のエクスポートは、一般に水素を電力に再変換するよりも高い値を提供する。
【００５０】
図２に示す例示的なシステムは、余剰電力を用いて水素を発生させるためにＲＥＰアセンブリ９１０を用いるが、エネルギ貯蔵のために水素を生成することに加えて、ＲＥＰアセンブリは、システム９００の効率を高めるために追加の電力を発生させるための電力生成モードで運転してもよいことが考慮される。図２のシステムは、ＲＥＰアセンブリ９１０が、余剰電力が貯蔵のために利用可能な場合に水素生成モードで、または高い電力需要の際に追加の電力を発生させるために電力生成モードで、高温電解装置として運転するように制御されるように修正され得る。そのような構成において、コントローラ９９０は、外部電力需要および／または貯蔵のための余剰電力の利用可能量に基づいて、ＲＥＰアセンブリの運転モードを制御する。図２のシステムは、２つ以上のトッピングＤＦＣと、燃料電池スタックまたはＤＦＣスタックを備える少なくとも１つのボトミングＲＥＰアセンブリとを含むように更に修正されてよく、この場合、トッピングＤＦＣからのアノード排気は、ボトミングＲＥＰアセンブリのアノード側へ供給され、ＡＧＯにおいて生成された予熱空気および／または高温酸化剤ガスは、ボトミングＲＥＰアセンブリのカソード側へ供給され、ボトミングＲＥＰアセンブリから出力されたカソード排気（酸化剤ガス）は、トッピングＤＦＣの各カソード側へ供給される。そのようなシステムの例示的実施形態は、本出願の譲受人に譲渡され参照によって本願に組み込まれる米国特許出願第１４／５７８，０７７号の図２に示される。
【００５１】
たとえばＲＥＰまたはＤＦＣなどの高温燃料電池に伴う負荷を含むそのようなシステムにおいて、熱サイクリングはスタック寿命を大幅に低減するため、システムは、ボトミングＲＥＰスタックの部品を加熱および冷却することを防ぐために熱的に中立に近くなければならない。熱平衡は、電力生成モードで運転しているボトミングＲＥＰアセンブリ内のメタン燃料の改質が、セル抵抗および電流密度によって生じる熱を吸収するように、トッピングＤＦＣのアノード排気に追加のメタン燃料を足すことによって調整され得る。コントローラは、電流密度に基づく速度で追加のメタン燃料の供給を制御する。いくつかの例示的な実施形態において、電力生成モードで運転しているボトミングＲＥＰアセンブリにアノード排気を供給する前に、トッピングＤＦＣから出力されたアノード排気内のメタン濃度は、トッピングＤＦＣのアノード排ガスの一部を冷却し、以下の反応によってアノード排気内の水素およびＣＯ２をメタンに変換するための触媒を用いることによって増加され得る。
４Ｈ２＋ＣＯ２→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ  （１）
また、ボトミングＲＥＰアセンブリが電力生成モードで運転する場合、電流密度は、ＲＥＰアセンブリのセルにおいて生じる熱によって制限され得る。
【００５２】
図４を参照すると、水を水素に変換することによってエネルギを貯蔵する別のエネルギ貯蔵システムが提供される。従来、水は、風力および太陽電力からの余剰電力を貯蔵するために電気分解によって水および酸素に変換され得る。しかし、低温水電解は、電解装置の低効率に起因する低い往復効率を有する。低い効率は、既存のエネルギ貯蔵用電解装置の技術および応用の費用効果を低下させる。
【００５３】
本発明の特定の実施形態は、水または水蒸気から水素を発生させるためにエネルギ貯蔵システム４００を用いることによって、これらの欠点を克服する。ＲＥＰアセンブリは、水蒸気およびＣＯ２を必要とするので、ＲＥＰアセンブリは、ＣＯ２を含む排気を供給し、エネルギ貯蔵システム４００を熱平衡に保つための熱を供給する発電装置と関連して使用され得る。発電装置は、蒸気ボイラ、燃焼タービン、または内燃エンジン（ＩＣＥ」）４１０であってよい。
【００５４】
エネルギ貯蔵システム４００は、ＩＣＥ４１０、ＲＥＰアセンブリ４２０、改質器４３０、および電気化学水素コンプレッサ（「ＥＨＣ」）４４０を含む。
【００５５】
図４において、燃料が供給され、内燃のために空気とともにＩＣＥ４１０へ送り込まれる。一般に、燃料電池は硫黄に耐性がないので、燃料は最初に脱硫され得る。好適には、燃料は、天然ガス、ＡＤＧ、または最小限の硫黄しか有さず、あるいは硫黄を有さない他の適切な燃料である。ＩＣＥにおける燃料の内燃は排気を発生させる。典型的な実施形態において、排気は更に脱硫され得る。排気は主にＣＯ２およびＮ２を含む。具体的には、排気は約８０％のＮ２を含有し得る。ＩＣＥは、連続的に運転するように構成され得るが、余剰電力を貯蔵する必要がない場合、排気からの熱は、ＲＥＰアセンブリ４２０を通常運転温度に維持するためにＲＥＰカソード４２４のみに供給され得る。
【００５６】
水は脱イオン化され、その後、蒸気発生器４５０へ送り込まれる。排気またはＲＥＰカソード４２４からの出力ガスによる熱は、蒸気発生器４５０内に供給された脱イオン水を蒸気に変換するために使用され得る。
【００５７】
図４に示すように、ＲＥＰアノード４２２は、約８０％のＮ２および約２０％のＣＯ２を含む排気を受け取る。典型的な実施形態によると、還元雰囲気を伴うガスがＲＥＰアノード４２２へ供給され、それによって少量のＣＨ４、Ｈ２、または他の炭化水素が、排気内のＯ２と反応して除去するために排ガスに足され得る。また、ＩＣＥ４１０は、ＩＣＥ４１０からの排気におけるＯ２含有量を最小限にするために、燃料リッチ状態（すなわち低い酸素含有量）で運転してよい。蒸気（Ｈ２Ｏ）に伴うＣＯ２およびＮ２、および原料におけるＣＨ４は、電気分解中に反応し、主にＨ２およびＮ２を含有し少量のＣＯ２、ＣＨ４、およびＣＯを伴う出力ガスを生成する。ＲＥＰアノード４２２は、原料から直接燃料を受け取ってもよい。ＲＥＰアノード４２２への排気によって供給されるＣＯ２の供給量は、ＲＥＰアセンブリ４２０へ送られる電流の量（エネルギ貯蔵システム４００において利用可能な余剰電力）に基づいて制御される。好適には、ＣＯ２の供給量は、ＲＥＰアノード４２２からの出口ガスにおける未反応ＣＯ２を最小限にするように制御される。
【００５８】
ＲＥＰアノード４２２にわたるメタン改質反応は吸熱性であり、システムから熱を除去する。したがって、ＲＥＰアセンブリ４２０の温度および温度プロファイルは、システム内に供給されるＣＨ４の量に少なくとも部分的に基づいて制御され得る。また、Ｈ２はメタン改質反応の副産物であり、ＲＥＰアセンブリ４２０から出力されたＨ２は、ＲＥＰアセンブリ４２０へ送り込まれるＣＨ４の量によって少なくとも部分的に制御され得る。典型的な実施形態によると、Ｈ２副産物は、炭素入力に実質的に比例してよい。たとえば、Ｈ２副産物は、ＲＥＰアセンブリ４２０内に供給されるＣＨ４および／またはＣＯ２の量に実質的に比例してよい。
【００５９】
排気はＲＥＰカソード４２４にも供給され、ＲＥＰアセンブリ４２０に追加の熱を供給する。貯蔵する必要のあるエネルギがない場合、排気は、ＲＥＰカソード４２４のみに供給され、ＲＥＰアノード４２２には供給されない。ＲＥＰアセンブリ４２０における反応は更に、ＲＥＰカソード４２４においてＣＯ２およびＯ２を発生させる。
【００６０】
燃料および水の混合物は、蒸気発生器４５０内の蒸気熱交換器４５２において加熱され、ここで水は蒸気に変換され、燃料および蒸気の混合物が生じる。熱は、ＲＥＰカソード４２４からの出口ガスによって蒸気熱交換器４５２へ供給される。典型的な実施形態において、熱は、ＩＣＥ４１０からの排気によっても部分的に供給される。水蒸気発生器４５０によって出力された燃料および水蒸気の混合物は、水ドロップアウト４５４を通って供給され、ここで、蒸気に変換されなかった余分な水は、加熱蒸気および燃料混合物から除去される。余分な水は、水蒸気熱交換器４５２へ送り戻される。燃料および水蒸気混合物は、改質器出力ガス混合物からの熱を伝達する第１の改質器熱交換器４３２において更に加熱される。
【００６１】
第２の改質器熱交換器４３４は、ＲＥＰアセンブリ４２０へ供給される燃料および水蒸気混合物を予熱するために使用される。ＲＥＰアノード４２２からの出力ガスは、燃料および水蒸気混合物がＲＥＰアノード４２２へ供給される前に水蒸気および燃料混合物に熱を伝達する第２の改質器熱交換器４３４において冷却される。
【００６２】
ＥＨＣ４４０において、Ｈ２を含有する蒸気は膜に電気化学的に押し当てられ、その結果、ＥＨＣカソード４４４から解放された高圧下で純化Ｈ２の蒸気が生じる。具体的には、Ｈ２およびＣＨ４混合物およびこの構成では窒素を備える、改質器からの変換された水素含有ガスは、水素を圧縮するために電気化学水素圧縮を用いる水素ポンプへ搬送される。Ｈ２およびＣＨ４混合物は、ＥＨＣアノード４４２において受け取られ、Ｈ２は、メタンおよびＮ２からＨ２を分離するために膜を介してＥＨＣカソード４４４へ吸い上げられる。純化圧縮Ｈ２がＥＨＣカソード４４４から出力され、ＣＨ４およびＮ２はＥＨＣアノード４４２から別に出力される。ＥＨＣ４４０とともに水素ポンプを使用することによって、水素は、９９％を上回る純度まで純化され、２０００ｐｓｉｇ以上の高圧力で出力されることができ、高純度の水素で運転するデバイスでの使用または貯蔵に適したものになる。残りのガス混合物は、ＣＨ４、Ｎ２および純化されずに残ったＨ２を含み、ＲＥＰカソード４２４に送り戻される。  
【００６３】
ＥＨＣ４４０は一般に、ＣＯに耐性がないので、改質器４３０は、ＲＥＰアノード４２２からの出力ガスがＥＨＣ４４０へ供給される前に、ＣＯのほぼ全てをＣＨ４に変換するために利用され得る。また改質器４３０における反応は、ＣＯ２のほぼ全てをＣＨ４に変換する。反応中、Ｈ２はＣＯ２およびＣＯと反応し、メタン化反応によってＣＨ４および水を生成する（式（２）および（３）を参照）。
ＣＯ２＋４Ｈ２→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ  （２）
ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ  （３）
好適には、改質器４３０は、少なくともＨ２Ｎ２、ＣＨ４の混合物を備える変換後の水素含有ガスを出力する。改質器出力ガスは更に、第１の改質器熱交換器４３２において冷却され、ＥＨＣアノード４４２へ供給される。
【００６４】
ＲＥＰアセンブリ４２０における電気分解中、ＣＯ２およびＯ２がＲＥＰカソード４２４へ追加される。ＥＨＣ４４０からの残りのガス混合物のＨ２およびＣＨ４はその後、ＣＯ２およびＯ２によって酸化し、ＣＯ２およびＨ２Ｏを生成する。酸化プロセスは、追加の熱を発生させる。ＲＥＰカソード４２４からの出力ガスはその後、水を水蒸気に変換するための熱を供給するために水蒸気熱交換器４５２を通って供給され、その後、エネルギ貯蔵システム４００外へ排出される。ＭＦＣが電力を生成するために運転している場合、システムに供給されるＮＯＸの量は一般に低減されるので、ＭＣＦＣがＲＥＰモードで運転している場合、ＲＥＰシステムに供給されるＮＯＸも低減され得る。
【００６５】
一般に、ＣＯ２から生成されるＨ２は、約３６ｋＷｈ／ｋｇを必要とするが、ＲＥＰアセンブリ４２０へのＣＨ４原料から生成されるＨ２は、８ｋＷｈ／ｋｇ未満しか必要としない。ＲＥＰアセンブリ４２０へのＣＨ４原料は、Ｈ２を発生させるために要するエネルギを低減するものであり、これは、ＣＨ４が供給されたＲＥＰアセンブリ４２０において、Ｈ２の約８０％は改質器４３０におけるＣＨ４の改質によって発生し、Ｈ２の残りの約２０％はＲＥＰアセンブリ４２０における電気分解中に発生するためである。
【００６６】
図５を参照すると、たとえばＡＤＧなどＣＯ２含有量が高い燃料を、この燃料からＣＯ２を効率的に除去することによって、たとえばパイプライン天然ガスなどＣＯ２含有量が低い別の燃料に変換することによってエネルギを貯蔵するためのエネルギ貯蔵システムが提供される。従来、ＡＤＧは、ＡＤＧを高圧力に圧縮し、圧力スイング吸着（「ＰＳＡ」）システムを用いてＣＯ２を除去することによって、あるいは、水素を加えることによってＣＯ２をＣＨ４に変換することによって、天然ガスに変換される。前者の技術は、ＣＯ２とともにＣＨ４の一部の除去をもたらすが、ＣＨ４放出を防ぐためにフレア型でなくてはならず、ＣＯ２とともにＣＨ４を圧縮しなければならないため、高い圧縮費用がかかる。後者の従来技術は、高価な水素を必要とし、反応の発熱性によって水素エネルギの約１７％がＣＨ４ではなく熱に変換される。
【００６７】
本発明の特定の実施形態は、ＲＥＰアセンブリ５２０において電気化学的にＣＯ２の大半を除去し、改質器５３０におけるメタン化反応によって残りのＣＯ２を除去することによってＡＤＧを天然ガスに変換するエネルギ貯蔵システム５００を用い、同時に、エネルギ貯蔵システム５００を熱平衡に保つための熱を供給する発電装置を使用することによって、これらの欠点を克服するものである。発電装置は、燃焼タービンまたはＩＣＥ５１０であってよく、ＲＥＰカソード供給ガスをＲＥＰカソード５２４へ供給するように構成され得る。典型的な実施形態によると、ＲＥＰカソード供給ガスは、炭化水素を含む。エネルギ貯蔵システム５００は、天然ガスパイプライン内に射出され得るＣＨ４の供給を生じる。具体的には、エネルギ貯蔵システム５００は、ＣＨ４の生成に関して有利であってよく、燃料はＡＤＧまたは他の適切な燃料である。
【００６８】
エネルギ貯蔵システム５００は、ＩＣＥ５１０、ＲＥＰアセンブリ５２０、および改質器５３０を含む。
【００６９】
図５において、ＣＯ２含有燃料は脱硫され、燃焼のための空気とともにＩＣＥ５１０へ送り込まれる。好適には、燃料はＡＤＧであり、または他の適切な燃料である。典型的な実施形態によると、ＲＥＰ５２０への供給は、ほぼ全てＣＯ２であってよい。ＩＣＥにおける燃料の燃焼は、排気を発生させる。排気は主にＣＯ２およびＮ２を含む。具体的には、排気は約８０％のＮ２を含有してよい。排気は、ＲＥＰカソード５２４を通って供給され、水蒸気熱交換器５５２を通り、エネルギ貯蔵システム５００外へ排出される。典型的な実施形態によると、排気は、ＲＥＰカソード供給ガスである。エネルギ貯蔵システム５００のために必要な熱の大半はメタン化反応によって発生するが、ＲＥＰアセンブリ５２０を通常運転温度に維持するための補助として、排気からの熱が用いられる。
【００７０】
水は脱イオン化され、その後、水蒸気発生器５５０へ送り込まれる。排気またはＲＥＰカソード５２４から出力されたガスからの熱は、水蒸気発生器５５０内に供給された脱イオン水を水蒸気に変換するために用いられ得る。燃料および水の混合物は、水蒸気発生器５５０内の水蒸気熱交換器５５２において加熱され、ここで水は水蒸気に変換され、燃料および水蒸気の混合物が生じる。熱は、ＲＥＰカソード５２４からの出口ガスによって、水蒸気熱交換器５５２へ供給される。水蒸気発生器５５０によって出力された燃料および水蒸気の混合物は、第１の水ノックアウトポット５５４を通って供給され、ここで、加熱後の水蒸気および燃料の混合物から、水蒸気に変換されなかった余分な水が除去される。余分な水は、水蒸気熱交換器５５２内へ再び供給される。燃料および水蒸気の混合物は、改質器出力ガス混合物からの熱を伝達する第１の改質器熱交換器５３２において更に加熱される。改質器出口ガスの更なる冷却が望ましい場合があるが、この熱交換器は図示されない。
【００７１】
第２の改質器熱交換器５３４は、ＲＥＰアセンブリ５２０へ供給される燃料および水蒸気の混合物を予熱するために使用される。ＲＥＰアノード５２２からの出力ガスは、水蒸気および燃料の混合物がＲＥＰアノード５２２へ送り込まれる前に、燃料および水蒸気の混合物に熱を伝達する第２の改質器熱交換器５３４において冷却される。
【００７２】
図５に示すように、ＲＥＰアノード５２２は、ＲＥＰアノード供給ガスを受け取る。たとえば、ＲＥＰアノード供給ガスは、約６０％のＣＨ４および約４０％のＣＯ２を含むＡＤＧと、水蒸気（Ｈ２Ｏ）とを含んでよい。ＲＥＰアセンブリ５２０において、ＣＯ２はその後、混合物から吸い出され、Ｈ２対ＣＯ２比が４：１になるまでＨ２が混合物に足される。ＡＤＧからＣＯ２の約８０％が吸い出されるが、約２０％はメタン化のために残される。この比は、改質器５３０においてガスがメタン化され、少量の未変換Ｈ２およびＣＯ２しか有さない実質的に完全なＣＨ４流れを生成することを可能にする（式（４）を参照）。
６０ＣＨ４＋８ＣＯ２＋３２Ｈ２→６８ＣＨ４＋１６Ｈ２Ｏ  （４）
【００７３】
改質器出力ガス混合物は、第１の改質器熱交換器５３２において加熱され、コンプレッサ５４０へ供給される。改質器５３０において生成された水は凝縮され、第２の水ノックアウトポット５４２においてＣＨ４から分離される。残りのＣＨ４はその後、天然ガスパイプライン内に射出される。典型的な実施形態によると、電解反応によって生成されたＨ２副産物をメタンとして貯蔵することによって、コンプレッサ費用およびエネルギの大幅な節減が実現され得る。たとえばＣＨ４は、Ｈ２として貯蔵される同等量のエネルギの約１／３の体積を有する。また、ＲＥＰ５２０から出力された、より低純度のＨ２は、ＲＥＰ５２０の運転に必要な電圧を（約１０％）低減し、電力貯蔵効率を高める。
【００７４】
本発明は好適な実施形態に関して説明されたが、当業者には他の様々な実施形態および変化例が想起され、これらは本発明の範囲および主旨の範囲内であり、そのような他の実施形態および変化例は、対応する特許請求の範囲によってカバーされるものとして意図されることを理解すべきである。
【００７５】
本明細書で用いられる場合、「およそ」、「約」、「ほぼ」という用語およびその類義語は、本開示の主題事項に関与する当業者に一般的に認められる用法と一致した幅広い意味を有することが意図される。本開示を閲覧する当業者は、これらの用語が、説明され特許請求対象となる特定の特徴の範囲を記載されたものどおりの数的範囲に限定することなく、これらの特徴の説明を可能にするものとして意図されていることを理解すべきである。したがって、これらの用語は、説明され特許請求対象となる主題事項の非実質的かつ非重要な修正または変更が、以下の特許請求の範囲に記載されるような本開示の範囲内として見なされることを示すものとして解釈すべきである。
【００７６】
本明細書で様々な実施形態を説明するために用いられる「典型的な」という用語は、そのような実施形態が、可能な実施形態の想定例、代表例、および／または実例であることを示すものとして意図される（そのような用語は、そのような実施形態が、必ずしも特別または最上級の例であることを暗示するものとして意図されない）。
【００７７】
本明細書で用いられる「結合」、「連結」などの用語は、２つの部材を互いに直接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、固定（たとえば永久的）または可動（たとえば取外し可能または解除可能）であってよい。そのような接合は、互いに単一体として一体形成された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によって、あるいは互いに取り付けられた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によって実現され得る。
【００７８】
本明細書における要素の位置への言及（たとえば「上部」、「底部」、「上」、「下」など）は単に図面内の様々な要素の向きを説明するために用いられる。様々な要素の向きは、他の典型的な実施形態に従って異なってよく、そのような変化は本開示に包含されるものとして意図されることに留意すべきである。本発明は好適な実施形態に関して説明されたが、当業者には他の様々な実施形態および変化例が想起され、そのような他の実施形態および変化例は、以下の特許請求の範囲によってカバーされるものとして意図されることを理解すべきである。当業者は、本明細書で説明された主題事項の新規の教示および利点から実質的に逸脱することなく、多数の変更が可能であること（たとえば構造、パラメータ値、取付け構成などにおける変化例）を容易に理解する。たとえば、任意のプロセスまたは方法ステップの順序または流れは、別の実施形態に従って変化し、あるいは並べ替えられてよい。本開示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代替、修正、変更、および省略が行われてもよい。
【図１】
2018193612.tif 000003
【図２】
2018193612.tif 000004
【図３】
2018193612.tif 000005
【図４】
2018193612.tif 000006
【図５】
2018193612.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月19日(2018.7.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照によって開示全体が本明細書に組み込まれる、２０１５年１１月１６日に出願された米国特許仮出願第６２／２５５，８６８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。
政府権利の陳述
本発明は、アメリカ合衆国エネルギー省によって認められた共同合意ＤＥ−ＥＥ０００６６６９の下、政府支援でなされた。政府は発明に一定の権利を有する。
【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】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＲＥＰカソード供給ガスを出力するように構成された発電装置と、
燃料電池であって、
電解質マトリックスによって隔てられたアノードおよびカソードと、
前記燃料電池を電解装置として逆に運転するために第１の燃料電池に逆電圧を印加するように構成された電源とを備え、
前記アノードは、二酸化炭素を備えるＲＥＰアノード供給ガスを受け取るように構成され、
前記燃料電池は、水素および二酸化炭素を備える水素含有ガス混合物を出力するように構成された、燃料電池と、
前記二酸化炭素がメタンに変換されるように、前記燃料電池から出力された前記水素含有ガス混合物をメタン化するように構成され、変換後の水素含有ガス混合物を出力するように構成された改質器と、
前記改質器からの前記変換後の水素含有ガス混合物を圧縮するように構成されたコンプレッサと
を備えるエネルギ貯蔵システム。
【請求項２】
前記ＲＥＰアノード供給ガスは炭化水素を更に備える、請求項１に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項３】
前記発電装置は内燃エンジンである、請求項１に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項４】
前記ＲＥＰカソード供給ガスは、前記発電装置からの排ガスである、請求項１に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項５】
前記改質器は、前記燃料電池によって出力された前記水素含有ガス混合物内の一酸化炭素および二酸化炭素をメタンに変換するように構成される、請求項１に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項６】
前記コンプレッサは、前記改質器からの前記変換後の水素含有ガス混合物内のメタンを圧縮するように構成される、請求項１に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項７】
前記コンプレッサからの圧縮メタンおよび前記変換後の水素含有ガス混合物は冷却され、それによって水が凝縮され、前記変換後の水素含有ガス混合物から分離される、請求項６に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項８】
前記エネルギ貯蔵システムにおいて生成されたメタンは、パイプラインへ入れ込まれるように構成される、請求項１に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項９】
前記メタン出力流から凝縮水を除去するように構成された水ノックアウトポットを更に備える、請求項７に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項１０】
前記コンプレッサから出力された圧縮メタンは貯蔵されるように構成される、請求項７に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項１１】
前記発電装置は、嫌気性消化ガスと、二酸化炭素およびメタンの混合物とを受け取るように構成される、請求項１に記載のエネルギ貯蔵システム。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載のエネルギ貯蔵システムを用いてメタンを発生させる方法であって、
前記燃料電池の前記アノードにおいて、前記アノードＲＥＰ供給ガスを介して二酸化炭素を受け取ることと、
前記燃料電池から、メタン、二酸化炭素、および水素を備える前記水素含有ガス混合物を出力することと、
前記改質器を用いて、前記燃料電池からの前記水素含有ガス混合物をメタン化することと、
前記コンプレッサを用いて、前記改質器からの前記変換後の水素含有ガス混合物から水を分離し、分離後のガス混合物を前記コンプレッサから出力することと
を備える方法。
【請求項１３】
水ノックアウトポットにおいて、前記コンプレッサによって出力された前記分離後のガス混合物から水を除去することと、
前記コンプレッサによって出力された前記分離後のガス混合物からのメタンをガスパイプラインへ送り込むことと
を更に備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記電源が前記燃料電池に逆電圧を印加すると、前記第１の燃料電池の前記アノードにおいて水素含有ガスを発生させることと、
前記燃料電池の前記アノードにおける電解反応を用いて、前記水素含有ガス混合物から二酸化炭素を分離することと
を更に備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記燃料電池は、前記水素含有ガス混合物を出力し、二酸化炭素および酸素を備える酸化剤ガスを別に出力する、請求項１４に記載の方法。
【外国語明細書】
2018193612000001.pdf