(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼排ガス発生アセンブリから出力される燃焼排ガスを利用するように構成された発電システムであって、前記燃焼排ガスは二酸化炭素と酸素とを含み、前記発電システムは、
アノード部と、前記燃焼排ガス発生アセンブリから出力される前記燃焼排ガスを含む注入酸化剤ガスを受け取るように構成されたカソード部とを含む燃料電池と、
前記燃料電池の前記アノード部から出力されるアノード排ガスを受け取るように構成されたガス分離アセンブリであって、
前記アノード排ガス中の二酸化炭素を液化するように前記アノード排ガスを所定の温度に冷却するように構成された冷却器アセンブリと、
前記冷却器アセンブリによって冷却された前記アノード排ガスを受け取り、残留燃料ガスから液化二酸化炭素を分離するように構成されたガス分離装置とを含むガス分離アセンブリと、
前記燃焼排ガス発生アセンブリによって出力された燃焼排ガスと、前記ガス分離装置によって分離された残留燃料ガスとを受け取り、前記燃焼排ガスを加熱するために前記残留燃料ガスを酸化するように構成された酸化装置と、を含み、前記酸化装置は、加熱された燃焼排ガスを前記燃料電池のカソード部に出力するように構成されており、
前記燃料電池および前記冷却器アセンブリは、前記燃料電池によって発生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ように構成された、発電システム。
【請求項２】
前記燃料電池の前記カソード部は、前記燃焼排ガス発生アセンブリによって出力された前記燃焼排ガスの全部または一部からなる注入酸化剤ガスを受け取るように構成された、請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記冷却器アセンブリは１つまたは複数の吸収式冷却器を含む、請求項１に記載の発電システム。
【請求項４】
前記ガス分離アセンブリは、前記燃料電池の前記カソード部によって出力されるカソード排ガスから廃熱を回収し、前記冷却器アセンブリを駆動するために前記回収された廃熱の少なくとも一部を利用するように構成された、請求項１に記載の発電システム。
【請求項５】
前記ガス分離アセンブリは、前記アノード排ガスから水を分離し、水分離されたアノード排ガスを出力するように構成された水除去アセンブリをさらに含み、前記冷却器アセンブリは、前記水分離されたアノード排ガスを受け取るように構成された、請求項１に記載の発電システム。
【請求項６】
前記ガス分離アセンブリは、前記水分離されたアノード排ガス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出力された前記水分離されたアノード排ガスを圧縮するように構成されたコンプレッサをさらに含む、請求項５に記載の発電システム。
【請求項７】
前記ガス分離アセンブリは、前記アノード排ガスが前記水除去アセンブリに搬送される前に前記アノード排ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換するように構成されたシフト反応器をさらに含む、請求項５または６に記載の発電システム。
【請求項８】
前記アノード部に入力する燃料ガスを加熱するために、カソード排ガス中の廃熱を利用するように構成された熱交換器をさらに含む、請求項１に記載の発電システム。
【請求項９】
前記ガス分離装置はフラッシュドラムを含む、請求項１に記載の発電システム。
【請求項１０】
前記コンプレッサは、前記アノード排ガスを少なくとも２００ｐｓｉに圧縮するように構成され、前記冷却器アセンブリは、前記コンプレッサの排出圧力に基づいて前記アノード排ガスを−４０℃またはそれより高温に冷却するように構成された、請求項６に記載の発電システム。
【請求項１１】
前記燃焼排ガス発生アセンブリは、（ｉ）化石燃料燃焼排ガス発生アセンブリと、（ｉｉ）ボイラーと、（ｉｉｉ）燃焼器と、（ｉｖ）セメント工場の加熱炉およびキルンとからなるグループから選択される、請求項１に記載の発電システム。
【請求項１２】
前記燃料電池は内部改質溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）である、請求項１から１１のいずれかに記載の発電システム。
【請求項１３】
前記燃焼排ガス発生アセンブリから出力される前記燃焼排ガスを受け取り、前記燃焼排ガスを５００℃から６５０℃の範囲の温度に調整するように構成された熱交換器をさらに含み、
前記燃料電池は前記熱交換器を介して前記注入酸化剤ガスを受け取るように構成されており、
前記酸化装置は前記ガス分離装置によって分離された残留燃料ガスを受け取り、温度調整された燃焼排ガスを前記熱交換器から直接的に受け取り、前記燃焼排ガスを加熱するために前記残留燃料ガスを酸化し、加熱された燃焼排ガスを直接的に前記燃料電池の前記カソード部に出力するように構成されている、請求項１に記載の発電システム。
【請求項１４】
前記ガス分離アセンブリは、さらに、前記燃料電池の前記カソード部から出力されるカソード排ガスから廃熱を回収するように構成された熱回収アセンブリを含み、
前記熱回収アセンブリと前記冷却器アセンブリは、前記熱回収アセンブリにより回収された前記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ように構成されている、請求項１３に記載の発電システム。
【請求項１５】
燃焼排ガス発生アセンブリから出力される燃焼排ガスを利用する発電システムにおいて使用されるためのガス分離方法であって、前記燃焼排ガスは二酸化炭素と酸素とを含み、前記方法は、
前記燃焼排ガス発生アセンブリから出力される前記燃焼排ガスを第一熱交換器で受け取ることと、
前記第一熱交換器を使用して前記燃焼排ガスの温度を５００℃から６５０℃の範囲に調整することと、
温度調整された燃焼排ガスを前記第一熱交換器から直接的に酸化装置へ出力することと、
アノード部とカソード部とを有する燃料電池を動作させることであって、前記燃料電池の動作中に前記燃料電池の前記アノード部からアノード排ガスが出力される、ことと、
前記燃料電池の前記カソード部から出力されるカソード排ガスから廃熱を回収し、冷却器アセンブリを駆動するために前記カソード排ガスからの前記廃熱を利用しながら、前記アノード排ガス中の前記二酸化炭素を液化するように前記冷却器アセンブリにおいて前記アノード排ガスを所定の温度に冷却することと、
前記冷却器アセンブリにおける前記アノード排ガスの冷却後に、ガス分離装置において残留燃料ガスから前記液化された二酸化炭素を分離することとを含み、
前記酸化装置は、前記分離の工程において分離された残留燃料ガスと、前記第一熱交換器から前記温度調整された燃焼排ガスとを受け取り、前記燃焼排ガスを加熱するために前記残留燃料ガスを酸化し、加熱された燃焼排ガスを前記燃料電池の前記カソード部に直接的に出力するように構成されている、ガス分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連特許出願の相互参照］
本願は、２０１５年２月２５日出願の米国特許出願第１４／６３１，２３９号の優先権および恩典を主張し、特許明細書、図面、特許請求の範囲および要約書を含むその開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、特に、燃料電池発電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、燃料に蓄積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直接変換する装置である。一般に、燃料電池は、帯電したイオンを伝導する役割を果たす電解質によって分離されたアノードとカソードとを含む。溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）は、反応燃料ガスをアノードに通し、二酸化炭素および酸素などの酸化剤ガスをカソードに通すことによって動作する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃焼式パワープラントは、石炭、天然ガス、バイオガス、および合成ガスを含む、可燃性の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発生させる。燃焼プロセスの結果として、燃焼式パワープラントは燃焼排ガスを発生し、これは大気放出物によって廃棄されることが多い。しかし、このような大気放出物は、地球気候変化の一因となる二酸化炭素を含んでいるため、環境にとって有害である。
【０００５】
したがって、燃焼式パワープラントからの二酸化炭素排出物を制御または制限するために、多くの手法が使用されてきた。しかし、燃焼後の燃焼排ガスから二酸化炭素を分離することは、二酸化炭素捕捉システムの適用の結果としてのエネルギー（電力および／または熱）損失が大きいため、費用効果が低い。
【０００６】
米国特許第５，２３２，７９３号には、パワープラントと並行して炭酸塩燃料電池を使用することにより、化石燃料パワープラントの燃焼排ガス中の二酸化炭素排出物が低減されるシステムが開示されている。このシステムでは、燃焼排ガスは供給酸化剤に付加され、その複合ガスが、溶融炭酸型燃料電池のカソードのための供給ガスとして使用される。次に、燃料電池内の電気化学反応の結果、供給ガス中の二酸化炭素が燃料電池のカソードからアノードに移送される。したがって、アノード排ガスは二酸化炭素ガスとともに凝縮される。これにより、二酸化炭素を燃焼排ガスから分離することができる。米国特許第５，２３２，７９３号のシステムは、外部改質燃料電池システムを使用する。このシステムでは、アノード排ガスは、多量の一酸化炭素、メタンおよび水に加えて、相当量の水素を依然として有する。しかし、水の多くの部分は凝縮され得るが、米国特許第５，２３２，７９３号では残留水素、メタンおよび一酸化炭素をアノード排ガスから分離するための費用効果の高い方法を提供しない。二酸化炭素の隔離または有用な形態への変換の前に、水素、一酸化炭素およびメタンを除去することによるアノード排ガス流中の二酸化炭素の浄化が必要である。
【０００７】
米国特許第７，３９６，６０３号では、化石由来燃料を処理するための化石燃料パワープラントが、アノードとカソードとを有する炭酸塩燃料電池と一列に配置された統合発電システムが開示されている。米国特許第７，３９６，６０３号のシステムでは、パワープラントの燃焼排ガスが燃料電池のカソード部のための注入ガスの役割を果たす。さらに、米国特許第７，３９６，６０３号のシステムは、アノード排ガス内のメタンの量を無視できる量まで削減する内部改質炭酸塩燃料電池を使用する。しかし、燃料電池のアノード部から出るアノード排ガスは、相当量の水素、一酸化炭素、および水中不純物を含む。アノード排ガスは、二酸化炭素分離器を使用した排出ガス中の二酸化炭素の浄化と捕捉とを含む処理にかけられる。しかし、米国特許第７，３９６，６０３号の統合発電システムは、燃焼排ガス中に存在する熱または有用なガスを回収せず、アノード排ガスからのＣＯ２分離の詳細を開示していない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
例示の一実施形態によると、発電システムが、燃焼排ガス発生アセンブリから出力される燃焼排ガスを利用するように構成される。燃焼排ガスは二酸化炭素と酸素とを含み、前記発電システムは、アノード部と前記燃焼排ガス発生アセンブリから出力される前記燃焼排ガスを含む注入酸化剤ガスを受け取るように構成されたカソード部とを含む燃料電池と、前記燃料電池の前記アノード部から出力されるアノード排ガスを受け取るように構成され、前記アノード排ガス中の二酸化炭素を液化するように前記アノード排ガスを所定の温度に冷却するように構成された冷却器アセンブリを含むガス分離アセンブリとを含む。前記燃料電池および前記冷却器アセンブリは、前記冷却器アセンブリを駆動するために前記燃料電池によって発生された廃熱が利用されるように構成される。
【０００９】
別の例示の一実施形態によると、発電システムにおいて使用するためのガス分離方法が、燃焼排ガス発生アセンブリから出力される燃焼排ガスを利用する。前記燃焼排ガスは二酸化炭素と酸素とを含み、前記方法は、前記燃焼排ガス発生アセンブリから出力される前記燃焼排ガスを受け取り、前記燃焼排ガスを注入酸化剤ガスとして燃料電池のカソード部に供給することと、燃料電池の動作中に前記燃料電池のアノード部からアノード排ガスが出力される、前記アノード部と前記カソード部とを有する前記燃料電池を動作させることと、前記アノード排ガス中の二酸化炭素を液化するように冷却器アセンブリにおいて前記アノード排ガスを所定の温度に冷却することによって、前記アノード排ガス中の前記二酸化炭素と残留燃料とを分離することと、前記冷却器アセンブリを駆動するために、前記燃料電池を動作させることによって発生された廃熱を利用することとを含む。
【００１０】
別の例示の一実施形態によると、ガス分離アセンブリが、燃焼排ガス発生アセンブリと統合された燃料電池システムで使用されるように構成される。前記燃料電池システムはアノード部とカソード部とを含み、前記カソード部は、前記燃焼排ガス発生アセンブリから出力される燃焼排ガスを含む注入ガスを受け取るように構成され、前記燃焼排ガスは二酸化炭素と酸素とを含む。前記ガス分離アセンブリは、アノード排ガスを受け取り、前記アノード排ガス中の二酸化炭素を液化するように前記アノード排ガスを所定の温度に冷却するように構成された冷却器アセンブリと、前記燃料電池によって発生された廃熱を回収するように構成された熱回収アセンブリとを含む。前記熱回収アセンブリと前記冷却器アセンブリとは、前記熱回収アセンブリによって回収された前記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ように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】燃料電池を示す概略図である。
【図１Ｂ】一実施形態による統合発電システムを示す図である。
【図２】発電ガス分離および隔離システムを示す図である。
【図３】発電システムのためのガス分離方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本願は、統合発電システム、または、パワープラント、ボイラー、または、セメント工場のキルンや鉄鋼産業におけるコークス炉などの任意の種類の燃焼器を含む化石燃料装置、施設または設備と統合可能であって、ガス、特に燃料電池排出ガス中の二酸化炭素の効率的な分離を含む、燃料電池システムに関する。本願は、分離された二酸化炭素を他の産業で利用することができるように、燃料電池排出ガスから高純度二酸化炭素を分離することも開示する。
【００１３】
例示の一実施形態によると、発電システムが提供され、化石燃料設備、施設または装置と統合され、化石燃料設備、施設または装置によって出力される二酸化炭素と酸素とを含む燃焼排ガスを利用するようになされる。発電システムは、アノード部とカソード部とを含む燃料電池であって、燃料電池のカソード部への注入酸化剤ガスが化石燃料設備、施設または装置によって放出される燃焼排ガスを含む燃料電池と、燃料電池のアノード部からアノード排ガスを受け取り、アノード排ガス中の二酸化炭素を液化するようにアノード排ガス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ガス分離アセンブリとを含み、燃料電池によって発生される廃熱が冷却器アセンブリを駆動するために利用されるガス分離アセンブリとを含む。一部の実施形態では、燃料電池のカソード部に供給される注入酸化剤ガスは、化石燃料設備、施設または装置によって出力される燃焼排ガスの全部または一部のみを含む。一部の実施形態では、冷却器アセンブリは、１つまたは複数の吸収式冷却器を含み、他の実施形態では、冷却器アセンブリは１つまたは複数の吸着式冷却器を含む。ガス分離アセンブリは、燃料電池のカソード部によって放出されるカソード排ガスから廃熱を回収し、回収された廃熱の少なくとも一部を利用して冷却器アセンブリを駆動する。
【００１４】
一部の実施形態では、ガス分離アセンブリは、アノード排ガスから水を分離するためと、水分離されたアノード排ガスを出力するための水除去アセンブリをさらに含み、冷却器アセンブリは、水分離されたアノード排ガスを受け取る。ガス分離アセンブリは、水分離されたアノード排ガスが冷却器アセンブリに搬送される前に、水除去アセンブリから出力される水分離されたアノード排ガスを圧縮するためのコンプレッサをさらに含む。一部の実施形態では、コンプレッサは、アノード排ガスを少なくとも２００ｐｓｉに圧縮し、冷却器アセンブリは、アノード排ガスを約−４０℃またはそれより高い温度まで冷却する。コンプレッサの圧力が高いほど、使用される冷却器の温度が高い。これらの設計点は、負荷がより大きいより低温の冷却器と、より寄生電力消費が大きいより大型のコンプレッサとのトレードオフの研究の結果である。また、ガス分離アセンブリは、冷却されたアノード排ガスを冷却器アセンブリから受け取り、冷却されたアノード排ガス中の残留燃料ガスから液化二酸化炭素を分離するためのガス分離装置をさらに含む。一部の実施形態では、ガス分離アセンブリは、アノード排ガスが水除去アセンブリに搬送される前に、アノード排ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変換するためのシフト反応器をさらに含む。
【００１５】
一部の実施形態では、発電システムは、化石燃料設備、施設または装置によって排出される燃焼排ガスと、ガス分離装置によって分離された残留燃料ガスとを受け取り、残留燃料を酸化させて燃焼排ガスを加熱する酸化装置も含み、酸化装置は加熱された燃焼排ガスを燃料電池のカソード部に排出する。発電システムは、アノード部に入力される燃料ガスと化石燃料設備、施設または装置によって排出される燃焼排ガスとのうちの少なくとも1つを加熱するために、カソード排ガス中の廃熱を利用する、少なくとも1つの熱交換器も含む。一部の実施形態では、燃料電池は、内部改質溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）であり、他の実施形態では、燃料電池は外部改質ＭＣＦＣである。  
発電システムで使用するための、化石燃料設備、施設または装置から排出される二酸化炭素と酸素とを含む燃焼排ガスを利用するガス分離方法についても説明する。また、化石燃料設備、施設または装置と上記の発電システムとを含む統合発電システムも提供される。また、化石燃料設備、施設または装置と統合された燃料電池システムで使用するためのガス分離アセンブリについても説明する。
【００１６】
図１Ａは、燃料電池１の略図を示す。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とを含む。アノード３とカソード４とは、マトリックス２によって互いに分離されている。燃焼排ガス供給ユニットからの燃焼排ガスが、酸化剤ガスとしてカソード４に供給される。燃料電池１では、電解質マトリックス２の孔隙に存在する炭酸塩電解質の存在下で燃料ガスと酸化剤ガスとに電気化学反応が起こる。以下で開示される例示のシステムでは、燃料電池１は、複数の個別の燃料電池１が重なり合わさ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。
【００１７】
図１Ｂに、化石燃料設備、施設または装置と、ボイラーと、燃焼器と、セメント工場における加熱炉およびキルンとのうちの１つまたは複数（以下「化石燃料設備、施設または装置」と呼ぶ）を含む燃焼排ガス生成アセンブリ６と、例示の一実施形態による炭酸塩燃料電池アセンブリ１０およびガス分離アセンブリ２５を含む発電ガス分離および隔離用二酸化炭素捕捉システム２００とからなる、統合発電システム１を示す。図のように、炭酸塩燃料電池アセンブリ１０は、カソード部１２とアノード部１４とを含み、本例示の実施形態では、燃料電池アセンブリ１０は，アノード用の燃料がアセンブリ内で内部改質される内部改質または直接溶融炭酸塩燃料電池アセンブリである。他の例示の実施形態では、外部改質炭酸塩燃料電池アセンブリも使用可能であり、その場合、燃料電池アノード部に配送する前に燃料を改質するために、改質装置が使用される。
【００１８】
図のように、化石燃料設備、施設または装置６と、発電ガス分離および隔離システム２００の燃料電池アセンブリ１０とは、アセンブリのカソード部１２に化石燃料設備、施設または装置から燃焼排ガスが供給されるように一列に配置されている。図１Ｂに示す実施形態では、カソード部１２には、化石燃料設備、施設または装置からの燃焼排ガスのみが供給される。具体的には、化石燃料供給部２から石炭、天然ガスまたはその他の炭化水素燃料などの化石燃料が、給気部４から配送される空気とともに、化石燃料設備、施設または装置６に配送される。化石燃料と空気とは、化石燃料設備、施設または装置６において燃焼反応を起こし、電力を発生し、出力燃焼排出ガス排気を生じさせる。燃料ガス排気は、典型的には二酸化炭素約３〜１５％と、水１０〜２０％と、酸素５〜１５％を含み、残りは窒素である。これらの成分の厳密な含有量は、化石燃料の種類と給気部４からの空気の量とに依存する。酸素含有量は、給気部４を調節することによって、または燃料電池カソード部１２に入る前に燃焼排ガス８に補助空気７を追加することによって変更することができる。補助空気の目的は、燃料電池動作に必要な燃焼排ガス８中の酸素が十分でない場合に、複合流９の酸素部分を増加させることである。
【００１９】
図のように、カソード吸気口への酸化剤ガス供給が燃焼排ガス排気を含むように、配管９が燃焼排ガスの一部または全部をカソード部１２の吸気口１２Ａに結合する。図の実施形態では、補助空気流と合わさった燃焼排ガスは、吸気口１２Ａへの唯一の酸化剤ガス供給物である。同時に、石炭ガス、天然ガスまたはその他の水素含有燃料などの供給部１６からの燃料が、配管１５を介してアノード部１４の吸気口１４Ａに配送される。燃料電池アセンブリ１０では、燃焼排ガス排気を含むカソード部１２における酸化剤ガスとアノード部１４における改質水素が電気化学反応を起こして電力出力を発生する。また、この電気化学反応の結果、燃焼排ガス中の二酸化炭素のかなりの部分（約６５％から８５％以上）が、電池のカソード部からアノード部に移送される。より具体的には、燃焼排ガス中の二酸化炭素と酸素とが燃料電池のカソード部１２において反応して炭酸イオンを発生し、この炭酸イオンが燃料電池の電解質を介して電池のアノード部１４に搬送される。アノード部１４では、炭酸イオンは燃料からの水素で還元され、水と二酸化炭素とを発生する。最終結果は、上述の、カソード部からアノード部への燃焼排ガス中の二酸化炭素の相当部分の移送である。したがって、燃料電池１０のアノード部の排気口１４Ｂにおけるアノード排ガスは、二酸化炭素濃度が高く、それによってＣＯ２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し、隔離することが可能になる。
【００２０】
図１Ｂに示す実施形態では、二酸化炭素を減損させた燃焼排ガスが、カソード排出口１２Ｂを通って配管１８を介してカソード部１２から出て、二酸化炭素を主に含むとともに未反応水素と一酸化炭素と水蒸気と微量のその他のガスとを含むアノード排ガスが、アノード排出口１４Ｂから出て、配管２０によりガス分離アセンブリ２５まで搬送される。図１Ｂに示し、以下で詳述し、図２にも示すように、ガス分離アセンブリ２５は、アノード排ガスから水を回収するための水除去アセンブリ２１と、残留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とを少なくとも含む。二酸化炭素分離アセンブリ２２については、図２を参照しながら以下により詳細に述べる。また、カソードガスは高温で燃料電池から出るため、このカソードガス流からの顕熱の全部または一部が１つまたは複数の熱回収ユニット１７によって回収され、燃料電池アセンブリ１０内に注入するガスを予熱するために使用することができる。一部の実施形態では、燃料電池アノード部から出るアノード排ガスから、ガス分離アセンブリ２５に搬送される前に熱を回収してもよい。
【００２１】
図２に、例示の一実施形態による発電ガス分離および隔離システム２００をより詳細に示す。システム２００は、燃焼排ガス供給部２０５から、二酸化炭素と水と酸素と窒素とを主に含み、燃焼式パワープラント、化石燃料設備、施設または装置などにおいて例えば石炭、天然ガス、バイオガス、合成ガス、および、エタノールなどのその他の炭化水素燃料を含む可燃炭化水素の燃焼により発生する燃焼排ガスを受け取る。燃焼排ガス供給部２０５は、この燃焼排ガス排気をガス流導管２１０ａを介して微量汚染物質／汚染ガス除去装置２１５に供給する。微量汚染物質／汚染ガス除去装置２１５は、ＳＯ２などの硫黄酸化物ガス、水銀、微粒子、および窒素酸化物ガス（ＮＯｘ）を含む燃焼副産物を除去する。図２に示す例示の実施形態では、副産物ガス除去装置２１５は、浄化された燃焼排ガスをガス流導管２１０ｂを介して燃焼排ガスブロワ２２０に出力する。燃焼排ガスブロワ２２０は、燃焼排ガスが押圧されてシステム２００を通過するように、浄化された燃焼排ガスの圧力を上昇させる。
【００２２】
図示されている例示の実施形態では、燃焼排ガスブロワ２２０は、燃焼排ガスを約５００℃から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に燃焼排ガスを出力する。必要であれば、燃焼排ガスが高温の場合、第１の熱交換器２２５は燃焼排ガスから熱を除去し、その熱を熱回収に転用してもよい。図２に示すように、第１の熱交換器２２５は、浄化された燃焼排ガスを燃焼排ガス供給部２０５からガス流導管２１０ｂを介して受け取るとともに、燃料電池２３５のカソード側２３６から出力されたカソード排ガスも受け取る。第１の熱交換器２２５で燃焼排ガスが所望の温度まで加熱された後、加熱された燃焼排ガスは酸化装置２３０を含む酸化装置アセンブリに出力される。酸化装置２３０は、アノード排ガスの一部、または以下に述べるガス分離装置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または一部など、ガス含有燃料も受け取る。酸化装置２３０では、ガスを含有する燃料が燃焼排ガスの存在下で酸化され、それによって燃焼排ガスがさらに加熱される。酸化装置２３０は、そのさらに加熱された燃焼排ガスをガス流導管２１０ｃを介して燃料電池２３５に出力する。
【００２３】
燃料電池２３５は、カソード部２３６とアノード部２３７とを含む。上述のように、図２の例示の実施形態では、燃料電池２３５は内部改質溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）である。しかし、他の実施形態では、燃料電池は外部改質燃料電池であってもよく、または外部改質と内部改質の両方を使用してもよく、その場合、燃料がアノード部２３７に搬送される前に燃料を改質するために外部改質装置も備えられる。カソード部２３６は、ガス流導管２１０ａ〜２１０ｃを介して燃焼排ガス供給部２０５結合されており、燃料ガスが副産物ガス除去装置２１５で処理されて第１の熱交換器２２５および酸化装置２３０で加熱された後で、ガス流導管２１０ｂ〜２１０ｃを介して燃焼排ガス供給部２０５から燃焼排ガスを受け取る。本例示の実施形態では、カソード部２３６は、燃焼排ガス供給部２０５から供給される燃焼排ガスまたは処理済み燃焼排ガスのみを受け取る。しかし、他の実施形態では、燃焼排ガスまたは処理済み燃焼排ガスは、他の供給源からの空気または酸化剤ガスと混合されてもよい。
【００２４】
燃料電池での電気化学反応の後、カソード部２３６はガス流導管２１２を介してカソード排ガスを第２の熱交換器２４０に出力し、第２の熱交換器２４０は、燃料供給部２４１から燃料供給導管２４２を介して天然ガスなどの燃料も受け取る。図２の例示の実施形態では、天然ガスが燃料として使用される。しかし、燃料の供給源は、石炭由来の合成ガス、嫌気性消化ガス、およびエタノールや水素などの再生可能燃料を含むがこれらには限定されない他の種類の燃料であってもよい。また、他の実施形態では、燃焼排ガスは、燃料電池で使用される前に、硫黄含有化学種などの燃料電池有害汚染物質から浄化される必要がある場合がある。第２の熱交換器２４０では、受け取った燃料がカソード排ガスからの廃熱を使用して約４５０℃から６５０℃の温度に加熱され、加熱された燃料は次に第２の熱交換器２４０から燃料電池２３５のアノード部２３７に搬送される。第２の熱交換器は、冷却されたカソード排ガスも出力し、カソード排ガスは次に、浄化された燃焼排ガスを予熱するために第１の熱交換器２２５を通して搬送される。
【００２５】
図２に示すように、アノード部２３７は、典型的には、導管２５２を介して水を加えることにより加湿された予熱済み燃料を受け取り、燃料電池２３５においてガス同士が電気化学反応を起こした後、アノード部２３７はアノード排ガスを導管２１４を介してガス分離アセンブリ２５に出力する。図２の実施形態では、ガス分離アセンブリ２５は、シフト反応器２４５と、水除去アセンブリ２５０と、コンプレッサ２６０と、燃料電池２３５の廃熱によって駆動される冷却器アセンブリ２６５およびフラッシュドラム２７５またはその他の適合するガス−液体分離装置を含む二酸化炭素分離アセンブリ２２とを含む。
【００２６】
図２のシステムでは、シフト反応器２４５は、以下の反応
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
により、アノード排ガス中に存在する一酸化炭素を実質的にすべて二酸化炭素に変換して、シフト反応器２４５から出力されるアノード排ガスが実質的に二酸化炭素と、水素と水とを含むようにする。シフト反応器２４５から出力されるアノード排ガスは、次に、コンデンサなどを含む水除去アセンブリ２５０に搬送され、アノード排ガス中に存在する水が、凝縮により二酸化炭素および水素などの残留ガスから分離される。水除去アセンブリ２５０は、復水を水除去導管２５１を介して出力し、水除去導管２５１から復水がシステム２００に再循環されるか、またはシステム２００外部での使用のため、および／またはシステムに再循環させるために、生産水収集器２５５に出力される。図２に示すように、水再循環導管２５２を介して水を燃料供給導管２４２に送ることにより、復水の全部または一部が燃料加湿のために再循環されてもよい。また、図のように、復水の残留部分をシステム２００から出力するか、または生産水収集器２５５に収集し、必要に応じてシステム２００に再循環させてもよい。
【００２７】
コンデンサアセンブリ２５０は、水分離されたアノード排ガスをガス流導管２１６を介してコンプレッサ２６０に出力し、コンプレッサ２６０はアノード排ガスを約２００ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）以上に圧縮する。コンプレッサの圧力が高いほど、冷却器により冷却され得る温度が高くなる。これらの設計点は、より大型でより冷却力のある冷却器とより高い圧縮電力消費とのトレードオフである。コンプレッサ２６０は、圧縮されたアノード排ガスを冷却器アセンブリ２６５に出力する。冷却器アセンブリ２６５は、アノード排ガス中の個別のガスの分離を引き起こすように圧縮水分離アノード排ガスの冷却を駆動するために熱を使用する、１つまたは複数の装置を含む。図２に示すように、冷却器アセンブリ２６５は、１つまたは複数の吸収式冷却器、すなわち１つまたは複数の吸収式冷凍機を含む。一部の実施形態では、直列に接続された複数の吸収式冷却器からなるアセンブリを使用してもよく、吸収式冷却器のそれぞれが圧縮水分離アノード排ガスの全部または一部をコンプレッサ２６０から受け取る。他の実施形態では、吸収式冷却器の代わりに１つまたは複数の吸着式冷却器を使用してもよい。
【００２８】
冷却器アセンブリ２６５において、水分離圧縮アノード排ガスは、その圧縮状態を維持したまま所定の温度に冷却される。具体的には、アノード排ガスは、ガスの高圧、すなわち約２００ｐｓｉ以上の圧力を維持したまま、約−４０℃またはそれより高い温度まで冷却される。この温度および圧力で、アノード排ガス中に存在する二酸化炭素が液化され、それによって二酸化炭素がアノード排ガス中に存在する残留水素燃料などの他のガスから分離される。冷却器アセンブリ２６５は、燃料電池２３７によって発生され、熱回収アセンブリ２７０において燃料電池排ガスから回収される廃熱を利用する。具体的には、カソード排ガスが第２の熱交換器２４０を通され、第１の熱交換器２２５を通された後、導管２６６を介して熱回収アセンブリ２７０に搬送される。熱回収アセンブリ２７０は、カソード排ガスから残留廃熱を回収し、回収された廃熱を、冷却器アセンブリ２６５を駆動するために利用する。カソード排ガスは、熱回収アセンブリ２７０を通って搬送された後、システム２００から除去され、排ガス導管２７１を介してシステム排気管２８０によって大気中に放出される。
【００２９】
冷却器アセンブリ２６５は、アノード排ガス中の二酸化炭素が液化され、残留燃料が気体状態である冷却されたアノード排ガスを、ガス―液体分離装置２７５に出力する。ガス分離装置２７５は、フラッシュドラムとも呼ばれ、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な液化二酸化炭素を、地下貯蔵室などの隔離アセンブリ２８０に出力するタンクである。分離され、液化された純二酸化炭素のガス分離装置２７５からの流出を促進するために、ポンプ２８１などを使用してもよい。例えば、隔離場所２８０までの長距離輸送を容易にするように二酸化炭素を超臨界状態に変換するために、ポンプ２８１を利用して液化二酸化炭素圧を＞２２００ｐｓｉに上昇させてもよい。一部の実施形態では、分離された二酸化炭素は、石油増進回収（ＥＯＲ）、化学薬品の製造などの他の処理および用途に利用され、食品産業に使用される。ガス分離アセンブリ２７５は、燃料ガスリサイクル導管２７６を介して、水素などの分離された残留燃料ガスも出力する。図２の例示の実施形態では、燃料ガスの予熱のために、分離された残留燃料出力がガス分離装置２７５から酸化装置ユニット２３０に出力されるように、燃料ガスリサイクル導管２７６が酸化装置ユニット２３０に結合される。他の実施形態では、分離された残留燃料ガスは、システム２００内に含まれない、精製機、燃焼タービン、およびその他の燃料電池を含むがこれらには限定されない他の処理において、合成ガス副産物として利用されてもよい。
【００３０】
図２に示すシステムの動作を図３に示す。図３は、図２の発電ガス分離および隔離システムを使用するガス分離方法のフローチャートを示す。図３のステップ３０５で、燃焼式パワープラントによって生成された、二酸化炭素と水と酸素と窒素とを含む燃料ガスがシステムに供給されるとともに、硫黄酸化物およびその他の微量化学種を除去するために処理されてもよい。ステップ３１０で、ステップ３０５で供給され、処理された燃料ガスが、燃料電池カソード排ガスからの廃熱を使用し、および／または、酸化装置において燃料を酸化させることによって、加熱される。図２に関して上述したように、酸化装置に供給される燃料は、燃料電池アノード排ガスからの分離水素燃料であってもよい。ステップ３１５で、予熱された燃焼排ガスが燃料電池のカソード部に供給され、そこで燃料ガスが水素燃料との電気化学反応に使用され、電力を発生して出力する。ステップ３２０で、使用済み燃料と二酸化炭素と水と一酸化炭素とを含むアノード排ガスが、燃料電池のアノード部から出力され、シフト反応器において処理されて一酸化炭素を二酸化炭素に変換し、水除去アセンブリを使用してアノード排ガスから水を除去する。ステップ３２５で、ステップ３２０で生成された水分離されたアノード排ガスが、二酸化炭素分離アセンブリに供給され、アノード排ガスが２００ｐｓｉ以上などの所定の圧力に圧縮される。次のステップ３３０で、残留燃料（水素）を気体状態に維持したまま二酸化炭素を液化するように、圧縮アノード排ガスが冷却器アセンブリで所定の温度まで冷却または低温下される。上述のように、所定の温度は、コンプレッサ吐出圧力に応じて、−４０℃またはそれより高い温度である。ステップ３３０で、燃料電池によって発生された廃熱が、カソード排ガスから回収され、冷却器アセンブリで冷却／低温化動作を駆動するために利用される。ステップ３３５で、ガス分離装置で液化二酸化炭素が残留燃料ガスから分離される。ステップ３３５におけるガス分離によって分離された二酸化炭素は、実質的に純粋であり、少なくとも９０％、好ましくは９９％以上の純度を有する。分離された高純度の二酸化炭素は、輸送、隔離および／または、石油増進回収（ＥＯＲ）などの他の産業による使用に適している。最後に、ステップ３３５でアノード排ガスから分離された残留燃料が、ステップ３４０で酸化装置に供給され、酸化されて入ってくる燃焼排ガスを予熱するために使用される。残留燃料またはその一部は、ボイラー、燃焼タービンまたは精製機など、ガス分離システム外部の他の処理で合成ガスとして使用されてもよい。
【００３１】
図２および図３に示すシステムおよび方法は、燃料電池システムにおける燃焼排ガスの効率的使用と、アノード排ガスからの高純度二酸化炭素および残留燃料の分離とを実現する。具体的には、アノード排ガス中の残留燃料からの二酸化炭素の分離は、吸収式冷却器を使用して、二酸化炭素が液化して残留燃料から容易に分離することができる温度までアノード排ガスを冷却することによって達成される。吸収式冷却器は、燃料電池システムとともに利用するように適応化することができる市販の装置であり、その結果、製造効率化が実現される。さらに、上述したように、吸収式冷却器は、燃料電池システムが発生した廃熱を利用するため、システム全体の動作効率が向上すると同時に、隔離および他の産業での使用に適した高純度二酸化炭素が得られる。
【００３２】
本明細書で使用される「約」、「およそ」、「実質的に」および同様の用語は、一般的かつ本開示の主題が属する技術分野の当業者により受け入れられている用法と一致する広い意味を有することを意図されている。本開示を綿密に読む当業者は、これらの用語が、記載され特許請求されている特定の特徴の記述を、これらの特徴の範囲を記載されている厳密な数値範囲に限定することなく許容することを意図していることがわかるはずである。したがって、これらの用語は、開示され特許請求されている主題のわずかなまたは些末な修正または変更が、添付の特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲に含まれるものとみなされることを示していると解釈すべきである。
【００３３】
本明細書で使用されている「結合される」、「接続される」などの用語は、２つの部材を直接または間接的に互いに連結することを意味する。このような連結は、固定的（例えば永続的）または可動的（例えば取り外し可能または解除可能）であってもよい。このような連結は、２つの部材、または２つの部材と任意の追加の介在部材とが互いに単一の単体として一体に形成されることによって、または２つの部材または２つの部材と追加の介在部材とが互いに対して取り付けられることによって達成され得る。
【００３４】
本明細書において、要素の位置（例えば「上部」、「下部」、「上方」、「下」など）への言及は、単に図中の様々な要素の配置を説明しているに過ぎない。様々な要素の配置は、他の例示の実施形態によって異なっていてもよく、そのような変形は本開示に包含されるものと意図されることに留意されたい。
【００３５】
様々な例示の実施形態の要素の構造および構成は、例示に過ぎない。本開示のわずかな実施形態のみについて詳細に説明したが、本開示を綿密に読む当業者は、記載されている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（例えば、様々な要素の大きさ、寸法、構造、形状および比率、パラメータの値、取り付け方法、材料の使用、色、配置などの変形態様）が可能であることが容易にわかるであろう。例えば、一体的に形成されているものとして示されている要素は、複数の部分または要素で構成されてもよく、要素の位置は逆にするかまたはその他の方法で変更されてもよく、個別の要素の性質または数は改変または変更されてもよい。
【００３６】
また、「例示の」という語は、例、事例または例示となることを意味するために使用されている。本明細書で「例示の」と記載されている任意の実施形態または設計は、必ずしも他の実施形態または設計より好ましいかまたは有利であるものと解釈されるべきではない（さらに、そのような用語は、そのような実施形態が必ずしも並外れた、または最高の例であることを暗に示すことを意図していない）。そうではなく、「例示の」という語の使用は、概念を具体的に示すことを意図している。したがって、そのような修正はすべて本開示の範囲に含まれるものと意図される。添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、好ましい実施形態およびその他の例示の実施形態の設計、動作状態、構成において他の代替、修正、変更および省略も可能である。
【００３７】
本発明の範囲から逸脱することなく、様々な例示の実施形態の設計、動作状態および構成においてその他の代替、修正、変更および省略も可能である。例えば、一実施形態で開示されている任意の要素を、本明細書で開示されている他の任意の実施形態に組み込んでもよく、または共に使用してもよい。また、例えば、処理ステップまたは方法ステップの順序または順番は、代替実施形態に応じて変更または並び替えてもよい。添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、好ましい実施形態およびその他の例示の実施形態の設計、動作状態、構成において他の代替、修正、変更および省略も可能である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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