(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
煙道ガス発生デバイスから煙道ガスを受け取り、前記煙道ガスから二酸化炭素を捕捉するように適合した高効率燃料電池システムであって、前記高効率燃料電池システムは、
２つ以上のトッピング燃料電池モジュールを備え、各トッピング燃料電池モジュールがトッピングカソード部分およびトッピングアノード部分を備える、トッピング燃料電池アセンブリと、
ボトミングカソード部分およびボトミングアノード部分を備え、前記ボトミングアノード部分は、前記トッピングアノード部分から出力されたアノード排気を受け取る、ボトミング燃料電池アセンブリと、
二酸化炭素含有排気を受け取り、前記二酸化炭素含有排気から二酸化炭素を分離するように構成された分離アセンブリと
を備え、
前記二酸化炭素含有排気は、前記ボトミングアノード部分から出力されたアノード排気および前記ボトミングアノード部分から出力された前記アノード排気から得られたガスの１つであり、
前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分の少なくとも１つは、前記煙道ガス発生デバイスから出力された前記煙道ガスの少なくとも一部を受け取り、
前記トッピング燃料電池アセンブリが前記ボトミング燃料電池アセンブリよりも多くの燃料を利用するように、前記トッピング燃料電池アセンブリは前記ボトミング燃料電池アセンブリよりも多い数の燃料電池を有し、
前記システムは、前記トッピング燃料電池モジュールの前記トッピングアノード部分の各々からのアノード排気が各トッピングアノード部分から出た後に足し合わされ、前記足し合わされたアノード排気が前記ボトミングアノード部分によって受け取られるように構成されている、高効率燃料電池システム。
【請求項２】
前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分の各々は、前記煙道ガス発生デバイスから出力された前記煙道ガスの一部を同時に受け取る、請求項１に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項３】
前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分の一方が、前記煙道ガス発生デバイスから出力された前記煙道ガスの少なくとも一部を受け取り、カソード排気を発生し、
前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分の他方が、前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分の前記一方によって発生した前記カソード排気を受け取る、請求項１に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項４】
前記トッピングカソード部分は、前記煙道ガス発生デバイスから出力された前記煙道ガスの少なくとも一部を受け取り、カソード排気を発生し、
前記ボトミングカソード部分は、前記トッピングカソード部分によって発生した前記カソード排気を受け取る、請求項３に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項５】
前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分は、前記煙道ガスを同時または順番に受け取るように適合しており、
前記システムは、前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分への前記煙道ガスの流れを並列にするか直列にするかを制御するためのコントローラを更に備える、請求項１に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項６】
前記二酸化炭素含有排気は、前記ボトミングアノード部分から出力されたアノード排気であり、
前記分離アセンブリは、分離された二酸化炭素を出力し、二酸化炭素量が減少した分離後のアノード排気を別に出力し、
前記分離後のアノード排気は、燃料として使用するために前記トッピングアノード部分へ再循環される、請求項１に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項７】
前記分離後のアノード排気の残りを前記トッピングアノード部分へ再循環する前に不活性ガスを除去するために、前記分離後のアノード排気のうち少量をブリードオフするための導管および流量制御部材を更に備える、請求項６に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項８】
前記システムは、前記ボトミングアノード部分から出力されたアノード排気を空気および酸素の１または複数によって酸化し、前記二酸化炭素含有排気を発生し、かつ前記煙道ガスが前記トッピングおよびボトミングカソード部分の少なくとも１つへ供給される前に前記煙道ガスを加熱するための廃熱を発生するための酸化器アセンブリを更に備え、
前記分離アセンブリは、分離された二酸化炭素を出力し、二酸化炭素量が減少した分離後のガスを別に出力する、請求項１に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項９】
前記分離アセンブリは、
前記二酸化炭素含有排気を冷却して前記二酸化炭素含有排気から水を分離し、水分離後の二酸化炭素含有排気を出力するための凝縮器と、
前記水分離後の二酸化炭素含有排気から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素含有量が減少した分離後のガスを出力し、保管および外部使用の一方または両方のために適した二酸化炭素を別に出力するための二酸化炭素分離器と
を備える、請求項１記載の高効率燃料電池システム。
【請求項１０】
前記二酸化炭素分離器は、液体二酸化炭素を発生するための圧縮および極低温冷却、溶媒洗浄、および膜処理の１または複数を用いて前記二酸化炭素を分離する、請求項９に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項１１】
前記トッピングおよびボトミング燃料電池アセンブリの各々における燃料電池カソード側電気化学反応を支援し、５０％以上の全体ＣＯ２利用率を実現するために、前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分の１つ以上への前記煙道ガスの流速を制御するためのコントローラを更に備える、請求項１に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項１２】
前記トッピングアノード部分と前記トッピングカソード部分との間で圧力が均衡し、前記ボトミングアノード部分と前記ボトミングカソード部分との間で圧力が均衡するように、前記トッピング燃料電池アセンブリおよび前記ボトミング燃料電池アセンブリを通る煙道ガスおよび燃料の流速を制御するためのコントローラを更に備える、請求項１に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項１３】
前記高効率燃料電池システムによる全体燃料利用率は８０％以上である、請求項１に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項１４】
前記ボトミングアノード部分は更に補助燃料を受け取り、
前記高効率燃料電池システムは、前記ボトミングアノード部分へ搬送される補助燃料の量を制御するためのコントローラを更に備え、
前記コントローラは、前記ボトミングアノード部分へ搬送される補助燃料の量を制御することによって、前記ボトミング燃料電池アセンブリにおいて発生する電流の量を制御する、請求項１に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項１５】
コントローラを更に備え、前記コントローラは、
（ａ）前記高効率燃料電池システムの動作時間が増加するにつれ、前記トッピング燃料電池アセンブリによって発生する電流の量が減少し、前記ボトミング燃料電池アセンブリによって発生する電流の量が増加するように、前記トッピングおよびボトミング燃料電池アセンブリにおいて発生する電流の量、
（ｂ）電力需要が増加すると前記ボトミング燃料電池アセンブリにおいて発生する電流の量が増加するように、前記電力需要に基づいて、前記ボトミング燃料電池アセンブリにおいて発生する電流の量、
（ｃ）前記トッピング燃料電池アセンブリおよび前記ボトミング燃料電池アセンブリへ並列または直列に搬送されるように前記煙道ガスの流れ、
（ｄ）所定の全体ＣＯ２利用率を実現するために前記トッピング燃料電池アセンブリおよび前記ボトミング燃料電池アセンブリへの煙道ガスの流速、
（ｅ）圧力が均衡するように、前記トッピング燃料電池モジュールおよび前記ボトミング燃料電池アセンブリにおけるアノード部分とカソード部分との間の圧力、
（ｆ）前記２つ以上のトッピング燃料電池モジュールにおける第１および第２のトッピング燃料電池モジュールの各々へ供給される燃料フィードの量、
（ｇ）前記ボトミング燃料電池アセンブリへ供給される補助燃料の量、
（ｈ）前記分離アセンブリから前記トッピングアノード部分へ出力される、二酸化炭素濃度が減少した残りの排気の再循環、および
（ｉ）前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分の１または複数へ搬送されるカソード入口ガスにおける二酸化炭素および酸素濃度および温度を制御するために、前記トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分の１または複数へ供給される補助空気の量
の１または複数を制御する、請求項１に記載の高効率燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、その開示全体が参照によって本願に組み込まれる、２０１５年６月５日に出願された米国特許出願第１４／７３２，０３２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】
本願は、燃料電池電力生産システムに関し、特に、二酸化炭素捕捉能力を有するマルチスタック高効率燃料電池システムおよびその動作方法に関する。本願のシステムは、任意の種類の燃料電池とともに使用されてよく、特に、溶融炭酸塩燃料電池および固体酸化物燃料電池とともに使用され得る。
【背景技術】
【０００３】
ＩＥＡ（国際エネルギー機関）によると、世界のエネルギー消費量は、２０４０年まで、毎年約１．１％の割合で増えている平均エネルギー使用量とともに増加し続ける。現在、エネルギーの８５％以上は、化石燃料によって供給される。電力、輸送、および暖房のために使用される化石燃料は燃焼を必要とし、その結果、二酸化炭素が地球大気に排出される。大気中の二酸化炭素濃度は、人間が化石燃料を使用し始めた時から約２倍になっており、大気中の二酸化炭素濃度の増加は、地球温暖化の主な要因であると考えられている。実際、２０４０年までに世界で大気中の二酸化炭素総量が２０％増加し、その結果、推定される地球の温度上昇は３．６Ｃになると見られている。環境に優しく効率的な化石燃料の使用、ならびに排出される二酸化炭素の捕捉は、地球大気中の二酸化炭素濃度の増加を緩やかにする助けとなる。従来の化石燃料ベースの燃焼発電プラントに対する熱および電力生産の代替方法として、より低い排出レベルを出力する燃料電池の開発が進行中である。
【０００４】
燃料電池は、炭化水素燃料に蓄積された化学エネルギーを電気反応によって電気エネルギーに直接変換するデバイスである。一般に、燃料電池は、電解質マトリックスによって分離されたアノードおよびカソードを備え、これが荷電イオンを電導する。有用な電力レベルを生産するために、複数の個々の燃料電池が直列に積み重ねられ、各電池の間に導電性セパレータ板がある。
【０００５】
燃料電池システムの形成において、個々の燃料電池が互いに積み重ねられ、燃料電池スタックを形成する。燃料電池の数は、燃料電池スタックの電力定格を決定する。より高い電力定格をシステムにもたらすために、複数の燃料電池スタックが利用され、燃料電池スタックの出力が結合されて所望の電力出力を供給する。特定の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック（複数も可）は、１または複数の燃料電池スタックモジュールに組織化されてよく、その各々がエンクロージャまたは格納構造に収容された１または複数の燃料電池を含む。
【０００６】
マルチスタック燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックが共通エンクロージャ内に収容された燃料電池スタックモジュールを含んでよい。高温燃料電池スタック、特に溶融炭酸塩燃料電池スタックのために開発されたこの設計のシステムにおいて、箱状の格納構造がエンクロージャとして利用され、燃料電池スタックは、格納構造の長さに沿って配置され得る。燃料電池モジュール内の各燃料電池スタックは、燃料電池スタックを作動するために必要な燃料および酸化剤ガスを受け取るための入口マニホルド、および燃料電池スタックからアノードおよびカソード排気として使用済み燃料および酸化剤ガスを搬送するための出口マニホルドを有してよい。燃料電池モジュールの格納構造は、燃料電池スタックのそれぞれの燃料および酸化剤ガス入口マニホルドとダクトを介して連通する燃料および酸化剤ガス入口孔、および酸化剤および燃料ガス出口マニホルドとダクトを介して連通する燃料および酸化剤ガス出口孔を含む。入口および出口マニホルドを必要としない格納構造における燃料電池スタックの代替構成は、本願における同譲受人に譲渡される米国特許第８，９６２，２１０号において説明される。
【０００７】
内部改質燃料電池において、高費用かつ複雑な外部改質装置を必要とせずに、たとえばパイプライン天然ガス、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）、バイオガス、石炭ガス含有メタンなどの炭化水素燃料の直接使用を可能にするために、燃料電池スタック内に改質触媒が設けられる。内部改質器において、燃料電池によって生成される水および熱は改質反応によって用いられ、改質反応によって生成される水素は燃料電池内で用いられる。燃料電池反応によって生成される熱は、吸熱改質反応のための熱を供給する。したがって、燃料電池スタックを冷却するために内部改質が用いられる。
【０００８】
２つの異なる種類の内部改質燃料電池設計が開発および使用されてきた。第１の種類の内部改質燃料電池は、燃料電池の活性アノード室内に改質触媒を配置することによって直接内部改質が実現される直接内部改質（ＤＩＲ）燃料電池である。第２の種類の内部改質燃料電池は、燃料電池スタック内の隔離室内に改質触媒を配置し、隔離室から燃料電池のアノード室内へ改質ガスを送ることによって実現される、間接内部改質（ＩＩＲ）を利用する。ＤＩＲおよびＩＩＲの両方を組み入れた直接型燃料電池（ＤＦＣ）とも呼ばれる内部改質溶融炭酸塩燃料電池システムは、環境に優しい発電のための選択として発展し、グリーン電力に関する最先端の商業的選択肢である。炭酸塩発電プラントは、従来の燃焼ベースの発電プラントよりも低い温室効果ガスおよび粒子状物質の排出量を有する。炭酸塩発電プラントは、ＮＯｘガス、ＳＯｘガス、または粒子状物質をほとんど排出しない。炭酸塩発電プラントは、カリフォルニア大気資源委員会（ＣＡＲＢ）によって「超清浄」と指定されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本願の目的は、煙道ガス発生システムから出力された煙道ガスを利用し、排気ガスを出力し、そこから二酸化炭素が容易に分離および捕捉され得る燃料電池を含む高効率システムを提供することである。具体的には、本願は、煙道ガス発生システムから出力された煙道ガスを利用する燃料電池システムを提供し、これは、乾燥ベースで９０％近いＣＯ２濃度を有するＣＯ２リッチガス流を生成するために煙道ガスからＣＯ２を分離および移送することを提供する。
【００１０】
また、８０％以上の全体燃料利用率および５５％以上の電気および変換システム効率が燃料電池における熱平衡を維持しながら実現される、費用効果の高いモジュール式燃料電池システムを提供することも本願の目的である。
【００１１】
また、システムに供給される燃料の約８０％〜１００％を利用する燃料電池システムを提供することも本願の更なる目的である。
【００１２】
また、トッピング燃料電池モジュール（複数も可）の排気における一部使用済み燃料がボトミング燃料電池モジュール（複数も可）へ供給される燃料電池システムを供給することも本願の更なる目的である。
【００１３】
また、アノード圧力ブースタおよび／またはカソード圧力ブースタの必要性を排除するために、燃料電池モジュール（複数も可）のカソード部分とアノード部分との間で圧力を均衡化するコントローラを燃料電池システムに設けることも本願の更なる目的である。
【００１４】
また、トッピング燃料電池モジュール（複数も可）およびボトミング燃料電池モジュール（複数も可）における高い電気出力を維持しながら、二酸化炭素利用率を９０％より上に調整するコントローラを燃料電池システムに設けることも本願の更なる目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
これらおよび他の目的は、トッピング燃料電池スタック（複数も可）およびボトミング燃料電池スタック（複数も可）を含み、動作中の高い燃料利用率を有し、ボトミング燃料電池スタック（複数も可）のアノード排気からＣＯ２を効率的に濃縮および分離することを提供する高効率燃料電池システムによって実現される。本願は、高効率燃料電池システムの排気からの効率的なＣＯ２濃縮および分離のための少なくとも２つの可能な構成を有する。システムの１つの構成において、たとえば化石燃料発電プラントまたは化学処理プラントなどの煙道ガス発生デバイスからの煙道ガスは、追加の補助空気を伴いまたは伴わず、入口酸化剤ガスとしてシステムのカソードへ一部または全部が供給される。このシステムの燃料電池は、溶融炭酸塩燃料電池であり、煙道ガスに存在するＣＯ２の大部分が電気化学燃料電池反応によってアノード側へ搬送され、燃料に元々存在するＣＯ２と結合される。ボトミング燃料電池スタックから出力されるアノード排気に存在する高濃度ＣＯ２は、分離アセンブリにおいて分離され、保管または他のプロセスでの使用のために出力される。ＣＯ２が減少した残りのアノード排気は、燃料として燃料電池へ再循環され、あるいは熱生成または他の化学プロセスに用いられ得る。
【００１６】
システムの他の構成において、外部からの空気または乾燥された空気が入口酸化剤ガスとしてシステムのカソードへ供給される。このシステム構成の燃料電池は、固体酸化物燃料電池であってよい。あるいは、リン酸燃料電池または任意の他の種類の燃料電池がこのシステム構成において用いられてもよい。この構成において、高い燃料利用率（約８０％以上）によって、ボトミング燃料電池スタック（複数も可）のアノード排気におけるＣＯ２濃度は非常に高く、アノード排気に存在するＣＯ２は分離アセンブリによって分離され、保管または他のプロセスでの使用のために出力される。ＣＯ２が減少した残りの排気は、燃料として燃料電池へ再循環され、あるいは熱生成または他の化学プロセスに用いられ得る。
【００１７】
本願のいくつかの実施形態は、煙道ガス発生デバイスから煙道ガスを受け取り、煙道ガスから二酸化炭素を捕捉するように適合された高効率燃料電池システムを特徴とし、この高効率燃料電池システムは、トッピングカソード部分およびトッピングアノード部分を備えるトッピング燃料電池アセンブリと、ボトミングカソード部分、およびトッピングアノード部分から出力されたアノード排気を受け取るボトミングアノード部分を備えるボトミング燃料電池アセンブリと、二酸化炭素含有排気を受け取り、二酸化炭素含有排気から二酸化炭素を分離するように構成された分離アセンブリとを備える。システムにおいて、二酸化炭素含有排気は、ボトミングアノード部分から出力されたアノード排気およびボトミングアノード部分から出力されたアノード排気から得られたガスの１つであり、トッピングカソード部分およびボトミングカソード部分の少なくとも１つは、煙道ガス発生デバイスから出力された煙道ガスの少なくとも一部を受け取る。
【００１８】
本願のシステムにおいて、トッピングカソード部分およびボトミングカソード部分の各々は、煙道ガス発生デバイスから出力された煙道ガスの一部を同時に受け取る。あるいは、トッピングカソード部分および前記ボトミングカソード部分の一方が、煙道ガス発生デバイスから出力された煙道ガスの少なくとも一部を受け取り、カソード排気を発生し、トッピングカソード部分およびボトミングカソード部分の他方が、トッピングカソード部分およびボトミングカソード部分の一方によって発生したカソード排気を受け取る。たとえば、トッピングカソード部分は、煙道ガス発生デバイスから出力された煙道ガスの少なくとも一部を受け取り、カソード排気を発生し、ボトミングカソード部分は、トッピングカソード部分によって発生したカソード排気を受け取る。いくつかの実施形態において、トッピングカソード部分およびボトミングカソード部分は、煙道ガスを同時または順番に受け取るように適合され、システムは、トッピングカソード部分およびボトミングカソード部分への煙道ガスの流れを並列にするか直列にするかを制御するためのコントローラを更に備える。
【００１９】
いくつかの実施形態において、二酸化炭素含有排気は、ボトミングアノード部分から出力されたアノード排気であり、分離アセンブリは、分離された二酸化炭素を出力し、二酸化炭素量が減少した分離後のアノード排気を別に出力し、分離後のアノード排気は、燃料として使用するためにトッピングアノード部分へ再循環される。システムは、残りの分離後のアノード排気をトッピングアノード部分へ再循環する前に不活性ガスを除去するために、分離後のアノード排気のうち少量をブリードオフするための導管および流量制御部材も含んでよい。
【００２０】
いくつかの実施形態において、システムは、ボトミングアノード部分から出力されたアノード排気を空気および酸素の１または複数によって酸化し、二酸化炭素含有排気を発生し、かつ煙道ガスがトッピングおよびボトミングカソード部分の少なくとも１つへ供給される前に煙道ガスを加熱するための廃熱を発生するための酸化器アセンブリを更に備え、分離アセンブリは、分離された二酸化炭素を出力し、二酸化炭素量が減少した分離後のガスを別に出力する。
【００２１】
特定の実施形態において、分離アセンブリは、二酸化炭素含有排気を冷却して二酸化炭素含有排気から水を分離し、水分離後の二酸化炭素含有排気を出力するための凝縮器と、水分離後の二酸化炭素含有排気から二酸化炭素を分離し、二酸化炭素含有量が減少した分離後のガスを出力し、保管および外部使用の一方または両方のために適した二酸化炭素を別に出力するための二酸化炭素分離器とを備える。二酸化炭素分離器は、液体二酸化炭素を発生するための圧縮および極低温冷却、溶媒洗浄、および膜処理の１または複数を用いて二酸化炭素を分離する。
【００２２】
システムは、コントローラを更に備える。いくつかの実施形態において、コントローラは、トッピングおよびボトミング燃料電池アセンブリの各々における燃料電池カソード側電気化学反応を支援し、所定の全体ＣＯ２利用率を実現するために、トッピングカソード部分およびボトミングカソード部分の１または複数への煙道ガスの流速を制御する。所定の全体ＣＯ２利用率は５０％以上であり、いくつかの実施形態において８５％以上である。いくつかの実施形態において、コントローラは、トッピングアノード部分とトッピングカソード部分との間で圧力が均衡し、ボトミングアノード部分とボトミングカソード部分との間で圧力が均衡するように、トッピング燃料電池アセンブリおよびボトミング燃料電池アセンブリを通る煙道ガスおよび燃料の流速を制御する。いくつかの実施形態において、ボトミングアノード部分は補助燃料を受け取り、コントローラは、ボトミングアノード部分へ搬送される補助燃料の量を制御し、ボトミングアノード部分へ搬送される補助燃料の量を制御することによって、ボトミング燃料電池アセンブリにおいて発生する電流の量を制御する。特定の実施形態において、コントローラは、
（ａ）高効率燃料電池システムの動作時間が増加するにつれ、トッピング燃料電池アセンブリによって発生する電流の量が減少し、ボトミング燃料電池アセンブリによって発生する電流の量が増加するように、トッピングおよびボトミング燃料電池アセンブリにおいて発生する電流の量、
（ｂ）電力需要が増加するとボトミング燃料電池アセンブリにおいて発生する電流の量が増加するように、電力需要に基づいて、ボトミング燃料電池アセンブリにおいて発生する電流の量、
（ｃ）トッピング燃料電池アセンブリおよびボトミング燃料電池アセンブリへ並列または直列に搬送されるように煙道ガスの流れ、
（ｄ）所定の全体ＣＯ２利用率を実現するためにトッピング燃料電池アセンブリおよびボトミング燃料電池アセンブリへの煙道ガスの流速、
（ｅ）圧力が均衡するように、トッピング燃料電池モジュールおよびボトミング燃料電池モジュールの間の圧力、
（ｆ）第１および第２のトッピング燃料電池モジュールの各々へ供給される燃料フィードの量、
（ｇ）ボトミング燃料電池アセンブリへ供給される補助燃料の量、
（ｈ）分離アセンブリからトッピングアノード部分へ出力される、分離後の排気の再循環、および
（ｉ）トッピングカソード部分およびボトミングカソード部分の１または複数へ搬送されるカソード入口ガスにおける二酸化炭素濃度および温度を制御するために、トッピングカソード部分およびボトミングカソード部分の１または複数へ供給される補助空気の量
の１または複数を制御する。
【００２３】
特定の実施形態において、トッピング燃料電池アセンブリは、ボトミング燃料電池アセンブリよりも多くの燃料を利用するように、ボトミング燃料電池アセンブリよりも多い数の燃料電池を有し、高燃料電池システムによる全体燃料利用率は８０％以上である。
【００２４】
特定の実施形態において、高効率燃料電池システムは、煙道ガス発生デバイスからの煙道ガスを受け取り使用するのではなく、トッピングおよびボトミングカソードにおいて新鮮空気または乾燥された新鮮空気を使用する。この動作モードにおいて、ボトミング燃料電池のアノードからの排気は、ガス分離アセンブリへ搬送され、ここで、二酸化炭素および水が未使用燃料から分離される。分離された二酸化炭素は隔離または他の用途に使用され得る。二酸化炭素および水が減少した分離後の未使用燃料は、加圧およびトッピングモジュールへの燃料フィードと結合され得る。このシステムにおける燃料電池は、固体酸化物燃料電池であってよい。ただし、このシステムは、リン酸燃料電池を含む他の種類の燃料電池とともに用いられてもよい。
【００２５】
本願の上記および他の特徴および態様は、添付図面と共に以下の詳細な説明を読むことによってより明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１のトッピング燃料電池モジュール、第２のトッピング燃料電池モジュール、ボトミング燃料電池モジュール、および炭素捕捉アセンブリを含む高効率燃料電池システムを示す。
【図２】図１の高効率燃料電池システムの代替実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に提示および説明されるように、本願は、高い全体燃料利用率、高い電力出力、および改善された変換システム効率を維持するとともに余分な二酸化炭素の捕捉が実現される、費用効果の高いモジュール式燃料電池システムを提供するものである。本願によると、燃料電池システムは、１または複数のトッピングスタック（複数も可）またはトッピングスタックモジュール（複数も可）および１または複数のボトミングスタック（複数も可）またはボトミングスタックモジュール（複数も可）を含む複数の燃料電池スタックまたは複数の燃料電池スタックモジュールを含み、１または複数のトッピングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）は新鮮な燃料を受け取り、１または複数のトッピング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）の排気からの一部使用済み燃料は、１または複数のボトミング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）へ供給される。また燃料電池システムは、１または複数の煙道ガス発生デバイスから出力された煙道ガスを含む二酸化炭素を受け取り、入口酸化剤ガスとして利用し、これが、１または複数のトッピングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）および／または１または複数のボトミングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）のカソードへ同時または順番に供給され得る。システムの燃料電池スタックにおける電気化学反応の間、煙道ガスに含まれる二酸化炭素の大部分が抽出され、ボトミング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）からのアノード排気とともに出力される。本願において、ボトミング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）からのアノード排気は、二酸化炭素捕捉アセンブリへ搬送され、そこで二酸化炭素は分離および捕捉され、未使用燃料を備える残りのガス流は新鮮な燃料と混合され、１または複数のトッピング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）へ供給される。特定の代替実施形態において、ボトミング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）からのアノード排気は、アノード排気酸化器（ＡＧＯ）で酸化され、その後、二酸化炭素捕捉アセンブリへ搬送され、そこで二酸化炭素はＡＧＯ排気から分離され、保管または外部で使用される。本願の両方の実施形態において、システムに供給される二酸化炭素の最大９０％がアノード排気において分離および濃縮されてよく、二酸化炭素は、捕捉および隔離するためにアノード排気から分離される。また、トッピングおよびボトミング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）における二酸化炭素利用率は、トッピングおよびボトミング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）における高い電圧を維持しながら、全体二酸化炭素利用率を５０％以上、いくつかの実施形態においては８５％以上、あるいは９０％近くに維持するように制御および調整される。
【００２８】
本願のシステムの構成において、トッピングおよびボトミング燃料電池スタック／モジュールにおける燃料利用率は、システムの全体燃料利用率および電力効率を増加させつつ、所望の範囲内で制御される。特に、トッピング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）のサイズおよび利用される燃料は、ボトミング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）のサイズよりも大きくされる。特定の典型的な実施形態において、システムは、２つ以上のスタックを有するトッピング燃料電池スタックまたはモジュールおよび２つ以上のスタックを有するボトミング燃料電池スタックまたはモジュールを含み、トッピングスタックがボトミングスタックよりも燃料フィードのうちの多くの燃料を利用するように、トッピング燃料電池スタックはボトミング燃料電池スタックよりも多い数の直列にスタックされた燃料電池を有する。他の典型的な実施形態において、システムは複数のトッピング燃料電池モジュールおよび１または複数のボトミング燃料電池モジュールを含み、各燃料電池モジュールは１または複数の燃料電池スタックを備え、トッピング燃料電池モジュールの数はボトミング燃料電池モジュールの数よりも多い。いくつかの実施形態において、トッピング燃料電池スタック／モジュールは燃料の約３分の２を消費し、ボトミング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）は、燃料フィードにおける燃料の残りの約３分の１を消費する。ボトミング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）は追加の新鮮な燃料を受け取ってよく、これは乾燥燃料であってよく、または水蒸気と予混合されてもよい。また、ボトミング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）における電流密度は、トッピング燃料電池スタック／モジュールにおける電流密度よりも低い。
【００２９】
本願において、トッピングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）およびボトミングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）において発生する電流は、システムの運転時間にわたって制御され得る。特に、時間とともに、トッピングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）において発生する電流は減少し得るが、ボトミングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）において発生する電流は増加する。ボトミングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）において、発生する電流は、ボトミングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）へ供給されるメタンまたは他の新鮮な燃料の量に基づいて変更される。また、ボトミングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）において発生する電流は、熱および電力に関する顧客需要に適合するように調整され得る。たとえば、電力に関する顧客需要がより大きい場合、ボトミングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）の出力は増加され得る。また、ボトミングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）から搬送されたアノード排気を酸化する酸化器は、ボトミングモジュールの様々な出力レベルにおけるボトミングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）からのアノード排気の処理を可能にする設計特徴を含んでよい。たとえば、ボトミングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）がより少ない電力を生成する場合、アノード排気酸化器へのアノード排気に供給される余剰燃料が多くなるので、アノード排気酸化器は、大量の未使用燃料を扱うことが可能であるように設計される。特定の実施形態において、システムは、タービンを通して圧力が下げられる前に、エネルギー回収発電システムにおけるガス分配システムからの高圧天然ガスを加熱するために高効率燃料電池システムのプラント排気における熱を使用するように適合され得る。ガス分配システムからの高圧天然ガスを加熱するために燃料電池発電プラントからの熱を使用することは、本明細書において同譲受人に譲渡された米国特許第８，０８０，３４４号において論述される。
【００３０】
いくつかの実施形態において、ボトミング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）へ供給されるトッピング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）からのアノード排気の圧力は、アノード圧力ブースタを用いて制御され、トッピング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）へ供給されるボトミング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）からのカソード排気の圧力は、カソード圧力ブースタを用いて制御され得る。このように、トッピングモジュールにおけるアノード流とカソード流との間の圧力差は、アノード圧力ブースタおよび／またはカソード圧力ブースタを用いて制御され得る。しかし、他の実施形態において、トッピングおよびボトミング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）におけるアノードとカソードとの間で圧力は均衡し、アノード圧力ブースタおよびカソード圧力ブースタの１または複数がシステムから除外される。
【００３１】
本願は更に、システムの燃料電池、特にボトミングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）の燃料電池における改善された熱均一性を提供する。いくつかの実施形態において、ボトミングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）における電池の熱均一性を改善するために、ボトミングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）における電池は、トッピングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）における電池とは異なる量および異なる分布の直接内部改質（ＤＩＲ）触媒を用いる。特に、ボトミングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）における電池は、アノード入口領域からアノード出口領域まで漸進的に増加する直接内部改質触媒の充填を有する。対照的に、トッピングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）における電池は、アノード入口から出口領域まで均一に分配されたＤＩＲ触媒を有する。
【００３２】
以下で詳述される本願のシステムは、特に、溶融炭酸塩燃料電池スタックとともに使用するために適している。しかしこれらのシステムは、固体酸化物燃料電池スタックおよび他の種類の燃料電池との使用にも適合され得る。たとえば本願のシステムは、固体酸化物燃料電池および／またはリン酸燃料電池との使用に適合されてよく、そのため、システムは、入口酸化剤ガスとして新鮮空気または乾燥された新鮮空気を受け取り、それが、１または複数のトッピングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）および／または１または複数のボトミングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）のカソードへ同時または順番に供給される。システムの燃料電池スタックの電気化学反応の間、燃料電池が炭酸塩燃料電池である場合、燃料および入口酸化剤ガスに含まれる二酸化炭素の大部分はアノード排気としてボトミングスタック（複数も可）／モジュール（複数も可）から出力され、これは二酸化炭素捕捉アセンブリ（ガス分離アセンブリ）へ搬送され、そこで二酸化炭素は分離および捕捉され、未使用燃料を備える残りのガス流は新鮮な燃料と混合され、１または複数のトッピング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）へ供給され得る。いくつかの代替実施形態において、ボトミング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）からのアノード排気は、アノード排気酸化器（ＡＧＯ）において酸素によって酸化され、その後、二酸化炭素捕捉アセンブリへ搬送され、そこで二酸化炭素はＡＧＯ排気から分離され、保管または外部で使用される。これらのシステムは、トッピングおよびボトミング燃料電池スタック（複数も可）／モジュール（複数も可）における固体酸化物燃料電池との使用に適しており、システム排気から二酸化炭素を分離および捕捉するとともに高効率燃料利用率をもたらす。また、これらのシステムは、リン酸燃料電池または他の種類の燃料電池を代わりに利用してもよい。
【００３３】
図１は、本願のモジュール式燃料電池システム１００の例示的な実施形態を示す。図１に示す燃料電池システム１００は、改善された性能効率、特に、従来の燃料電池システムと比べて高い燃料利用率および電力出力を有し、また、従来技術で説明された従来の燃料電池システムと比べて製造および運転の省コスト性ももたらす。システム１００は、システムによって発生した排気から二酸化炭素を捕捉し、システム１００の全体二酸化炭素排出量を低減する。燃料電池システム１００の改善された性能、省コスト性、および炭素捕捉性能は、以下でより詳しく説明される。
【００３４】
図１の燃料電池システム１００は、トッピング燃料電池アセンブリおよびボトミング燃料電池アセンブリを含む。図１において、トッピング燃料電池アセンブリは、第１および第２のトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２を含み、ボトミング燃料電池アセンブリは、ボトミング燃料電池モジュール１２２を含む。第１のトッピング燃料電池モジュール１０２は、１または複数の第１の燃料電池スタック１０２Ａを備え、各燃料電池スタックは、２つ以上の電池と第１のトッピングカソード部分１０４および第１のトッピングアノード部分１０６とを有する。図１には、第１のトッピング燃料電池モジュール１０２は１つの燃料電池スタックを有するものとして示されるが、理解されるように、いくつかの実施形態において、第１の燃料電池トッピングモジュール１０２は、類似の構成を有し共通格納構造内に配置された２つ以上の燃料電池スタックを含む。第１のトッピング燃料電池モジュール１０２における燃料電池スタックは、高温溶融炭酸塩燃料電池スタックを含んでよい。各スタック１０２Ａの各電池において、第１のトッピングカソード部分１０４および第１のトッピングアノード部分１０６は、電解質マトリックス内に格納された溶融炭酸塩電解質（不図示）によって分離される。
【００３５】
図１において、第１のトッピング燃料電池スタック１０２Ａは、内部改質燃料電池スタックであり、直接内部改質、間接内部改質、または直接内部改質および間接内部改質両方の組み合わせのいずれかを含む。この例示的な実施形態において、第１のトッピング燃料電池スタック１０２Ａは、燃料フィードの一部を受け取り、水素および一酸化炭素を含む改質燃料または部分的改質燃料を燃料ターンマニホルド１０６Ａへ搬送する１または複数の内部改質ユニット１４８を含み、燃料ターンマニホルド１０６Ａは燃料をスタックの電池の第１のトッピングアノード部分１０６へ導き、ここで燃料は第１のトッピングカソード部分１０４を通過する酸化剤ガスと電気化学反応する。図１の例示的な実施形態において、第１のトッピングカソード部分１０４は、たとえば開口スタック面を通って共通格納構造へ供給される、たとえば煙道ガス発生デバイスによって発生した煙道ガスなどの酸化剤ガスを受け取る。ただし、他の実施形態において、酸化剤ガスは、カソード入口マニホルド（不図示）を通って第１のトッピングカソード部分１０４へ供給されてもよい。
【００３６】
図１に示すように、第１のトッピングカソード部分１０４は、カソード排気をカソード出口マニホルド１０８へ搬送する。カソード排気はその後、カソード出口マニホルド１０８から適切なダクトを介して、第１のトッピング燃料電池モジュール１０２の内側または外側のいずれかに設けられ得る熱交換器１３６へ搬送される。第１のトッピングアノード部分１０６は、アノード排気をアノード出口マニホルド１１０へ搬送する。アノード排気はその後、アノード出口マニホルド１１０から、ボトミング燃料電池モジュール１２２において使用するために第１のトッピング燃料電池スタック１０２の外側へ搬送される。
【００３７】
上述したように、第１のトッピングスタック１０２Ａは、１または複数の内部改質ユニット１４８を含む。１または複数の内部改質ユニット１４８を通過する燃料から、水素、二酸化炭素、および一酸化炭素が生成される。改質燃料または部分的改質燃料はその後、燃料ターンマニホルド１０６Ａを介してスタックの第１のトッピングアノード部分１０６へ供給される。スタックの第１のトッピングアノード部分１０６において、水素は電気化学的に反応して水を生成し、一酸化炭素は電気化学的に反応して二酸化炭素を生成するか、あるいは水と化学反応して水素および二酸化炭素を生成する。直接内部改質（ＤＩＲ）はまた、第１のトッピングアノード部分１０６のアノード室（複数も可）内に改質触媒を配置すること、特に、スタック内の各電池のアノード室（複数も可）のアノード集電器の起伏に改質触媒を配置することによって、第１のトッピングスタック１０２Ａの各電池に提供されてもよい。
【００３８】
上述したように、第１のトッピング燃料電池モジュール１０２は、複数の第１のトッピング燃料電池スタックを含んでよい。各燃料電池モジュールにおける燃料電池スタックの数は、所望の電力出力を供給するために必要な数に基づいて決定される。各燃料電池スタックにおける燃料電池の数は、必要な出力、スタックのサイズおよび重量、および輸送の容易性によって決定され得る。
【００３９】
燃料電池システム１００のトッピング燃料電池アセンブリはまた、１または複数の第２の燃料電池スタックを含む第２のトッピング燃料電池モジュール１１２も含む。第１のトッピング燃料電池モジュール１０２と同様、図１は、第２の燃料電池モジュール１１２に単一の燃料電池スタック１１２Ａが含まれるものとして示すが、２つ以上の第２のトッピング燃料電池スタック１１２Ａが第２の燃料電池モジュール１１２に含まれ、同じ格納構造内に収容され得ることが考えられる。第２のトッピング燃料電池モジュール１１２における第２のトッピング燃料電池スタックは、高温溶融炭素塩燃料電池を備えてよい。
【００４０】
図１に示すように、第２のトッピング燃料電池スタック１１２Ａは、第２のトッピングカソード部分１１４および第２のトッピングアノード部分１１６を含み、これらはスタックの各電池内で、溶融炭素塩電解質（不図示）を内部に格納する電解質マトリックスによって分離される。第２のトッピングアノード部分１１６に入る燃料は、水素および一酸化炭素を含む部分改質または完全改質燃料を生成するために内部改質され、これはその後、第２のトッピングカソード部分１１４を通過する酸化剤ガスと電気化学反応する。スタックの第２のトッピングアノード部分１１６において、水素は電気化学的に反応して水を生成し、一酸化炭素は、電気化学的に反応して二酸化炭素を生成するか、あるいは水と化学反応して水素および二酸化炭素を生成する。第２のトッピング燃料電池スタック１１２Ａは、間接内部改質、直接内部改質、または直接内部改質および間接内部改質両方の組み合わせを含む。この例示的な実施形態において、第２のトッピング燃料電池スタック１１２Ａは、燃料フィードの一部を受け取り、水素および一酸化炭素を含む改質または部分改質燃料を燃料ターンマニホルド１１６Ａへ搬送する１または複数の改質ユニット１５０を含み、燃料ターンマニホルド１１６Ａは燃料をスタックの第２のトッピングアノード部分１１６へ導き、ここで燃料は酸化剤ガスと電気化学反応する。図１において、第２のトッピングカソード部分１１４は、開口カソード入口スタック面を通して共通格納構造へ供給される、たとえば煙道ガス発生デバイスによって発生した煙道ガスなどの酸化剤ガスを受け取る。ただし、他の実施形態において、酸化剤ガスは、カソード入口マニホルド（不図示）を通して第２のトッピングカソード部分１１４へ供給されてもよい。
【００４１】
図１に示すように、第２のトッピングカソード部分１１４は、カソード排気をカソード出口マニホルド１１８へ搬送する。カソード排気はその後、カソード出口マニホルド１１８から適切なダクトを介して、第２のトッピング燃料電池モジュール１１２の内部または外部のいずれかに設けられ得る熱交換器１３８へ搬送される。第２のトッピングアノード部分１１６は、アノード排気をアノード出口マニホルド１２０へ搬送する。アノード排気はその後、アノード出口マニホルド１２０から、ボトミング燃料電池モジュール１２２において使用するために第２のトッピング燃料電池モジュール１１２の外側へ搬送される。
【００４２】
上述したように、第２のトッピング燃料電池スタック１１２Ａは、１または複数の内部改質ユニット１５０を含む。１または複数の内部改質ユニット１５０を通過する燃料から、水素、二酸化炭素、および一酸化炭素が生成される。改質または部分改質燃料はその後、ターンマニホルド１１６Ａを介してスタックの第２のトッピングアノード部分１１６へ供給される。直接内部改質（ＤＩＲ）はまた、第２のトッピングアノード部分１１６のアノード室（複数も可）に改質触媒を配置すること、特に、第２のトッピングスタック１１２Ａの各電池内のアノード室（複数も可）のアノード集電器の起伏に改質触媒を配置することによって、第２のトッピングスタック１１２Ａに提供されてもよい。
【００４３】
第１のトッピング燃料電池モジュール１０２に関して上述したのと同様、第２のトッピング燃料電池モジュール１１２は、類似した構造を有する複数の第２のトッピング燃料電池スタックを含んでよい。モジュールごとの燃料電池スタックの数は、所望の電力出力を供給するために必要な数に基づいて決定される。各燃料電池スタックにおける燃料電池の数は、必要な出力、スタックのサイズおよび重量、および輸送の容易性によって決定され得る。
【００４４】
図１に示すように、燃料電池システム１００は、図１において共通格納構造に収容された１または複数の燃料電池スタック１２２Ａを含むボトミング燃料電池モジュール１２２を備えるボトミング燃料電池アセンブリを含む。ボトミング燃料電池スタック１２２Ａにおける各燃料電池は、ボトミングカソード部分１２４およびボトミングアノード部分１２６を含み、これらはスタックの各電池内で、溶融炭素塩電解質（不図示）を内部に格納する電解質マトリックスによって分離される。
【００４５】
ボトミング燃料電池スタック１２２Ａは内部改質燃料電池スタックであり、直接内部改質、間接内部改質、または直接内部改質および間接内部改質両方の組み合わせを含む。図１の実施形態において、ボトミング燃料電池スタック１２２Ａは、ボトミングアノード部分１２６のアノード室（複数も可）内、特に、ボトミング燃料電池スタック１２２Ａの各電池内のアノード室（複数も可）のアノード集電器の起伏に配置された直接内部改質触媒を含む。図１に示す実施形態において、ボトミング燃料電池スタック１２２Ａは間接内部改質を含まないが、他の実施形態において、ボトミング燃料電池スタックは、改質されたアノード排気がボトミングアノード部分１２６へ搬送される前に第１および第２のトッピングモジュールから受け取ったアノード排気を更に改質するための１または複数の改質ユニットを含んでもよい。
【００４６】
図１において、ボトミングカソード部分１２４は、開口カソード入口スタック面を通って共通格納構造へ供給される、たとえば煙道ガス発生デバイスによって発生した煙道ガスなどの酸化剤ガスを受け取る。ただし、他の実施形態において、酸化剤ガスは、カソード入口マニホルドを通ってボトミングカソード部分１２４へ供給されてもよい。ボトミングカソード部分１２４は、カソード出口マニホルド１２８内にカソード排気を搬送する。図１に示すように、カソード出口マニホルド１２８内に集められたカソード排気は、その後、ボトミング燃料電池モジュール１２２から、カソード入口酸化剤ガスとしてシステム内に注入される煙道ガスを予熱するために適切なダクトを介して煙道ガス加熱器１６６へ搬送される。
【００４７】
第１のトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２に関して上述したのと同様、ボトミング燃料電池モジュール１２２は、各々がカソード部分およびアノード部分を有する複数のボトミング燃料電池スタックを含んでよい。モジュールごとの燃料電池スタックの数は、所望の電力出力および効率性をもたらすために必要な数に基づいて決定される。ボトミング燃料電池モジュール１２２内の燃料電池スタック１２２Ａは、高温溶融炭素塩燃料電池を含んでよい。
【００４８】
各スタックにおける燃料電池の数、およびその場合の各スタックの高さは、輸送可能性制約によって制御される。トッピングモジュール（複数も可）における標準的なトッピング燃料電池スタックは、約４００の燃料電池を含み、間接内部改質ユニットを含む。ただし、ボトミングモジュール（複数も可）におけるボトミング燃料電池スタックは、改質ユニットを有さないか、またはトッピング燃料電池スタックよりも著しく少ない数の改質ユニットしか有さない。その結果、ボトミング燃料電池スタックには追加の燃料電池を含むためにより多くのスペースが利用可能である。たとえば、ボトミング燃料電池スタック内で改質ユニットが用いられない場合、スタックに３２の燃料電池を追加するための室が存在する。したがって、いくつかの実施形態において、トッピングモジュール（複数も可）は、ボトミングモジュール（複数も可）よりも多い燃料電池スタックの総数を含んでよいが、各ボトミング燃料電池スタックに含まれる燃料電池の数は、各トッピング燃料電池スタックに含まれる燃料電池の数よりも多くなり得る。このスタック設計は、システムの電力出力を最大にするために役立つ。
【００４９】
本願および図１の実施形態において、トッピングおよびボトミングカソード部分１０４、１１４、１２４は、カソード入口酸化剤ガスとして、外部煙道ガス発生システムによって発生し出力された煙道ガスを受け取る。煙道ガス発生システムは、たとえば化石燃料燃焼発電プラント、鉄鋼処理プラント、セメント製造プラント、および／またはアンモニア製品プラントなど、エネルギーおよび／または熱生成の副産物として二酸化炭素を生成する発電プラントであってよく、典型的な実施形態において、システム１００は、そのような煙道ガス発生システムの敷地内または付近に所在してよい。煙道ガス発生システムから出力される、二酸化炭素および酸素を含む煙道ガスは、カソード入口酸化剤ガスとしてシステム１００に供給され、送風器１４５を用いて煙道ガス入力１６８を介して煙道ガス加熱器１６６内に受け取られる。送風器１４５は、煙道ガスの圧力を増加し、煙道ガスを煙道ガス加熱器１６６へ搬送する。いくつかの実施形態において、酸化剤ガス内に所望の量の酸素を得、カソードへ供給される酸化剤ガス内のＣＯ２濃度を制御するために、煙道ガスに空気または酸素が追加される。煙道ガス加熱器１６６は、トッピングおよび／またはボトミング燃料電池モジュールからのカソード排気における熱を用いて受け取った煙道ガスを加熱し、その後、トッピングおよび／またはボトミング燃料電池モジュールにおいて使用するために、加熱された煙道ガスを出力する。図１に示す実施形態において、煙道ガス加熱器は熱交換器として動作し、煙道ガスを加熱するためにカソード排気内の廃熱を用いる。図示するように、煙道ガス加熱器１６６を通過した後、冷却されたカソード排気が出力され、排気出口１９２を介してシステム外へ排出される。
【００５０】
典型的な実施形態において、加熱された煙道ガスは、適切なダクトによって、トッピングおよびボトミング燃料電池モジュールへ同時に搬送され得る。あるいは、加熱された煙道ガスは、トッピングおよびボトミング燃料電池モジュールへ順番に搬送されてもよく、この場合、加熱された煙道ガスは最初にトッピングおよびボトミング燃料電池モジュールの一方へ搬送され、その後、トッピングおよびボトミング燃料電池モジュールの一方からのカソード排気がトッピングおよびボトミング燃料電池モジュールの他方へ搬送される。図１に示す実施形態において、システム１００は、トッピングおよびボトミング燃料電池モジュール間の煙道ガスの並流または直流のいずれかによって動作してよく、選択された動作モードならびに煙道ガスの流速に従って煙道ガス流を制御するためにプログラマブルコントローラ１５２または同様のデバイスが用いられ得る。また、コントローラ１５２は、トッピングおよびボトミング燃料電池モジュールの所望の動作および全体ＣＯ２利用率、およびトッピングおよびボトミング燃料電池モジュールにおける所望の動作電池電圧に基づいて、並列または直列運転からの変更を制御する。たとえば、ＣＯ２除去目標、システム熱保存、圧力均衡、ボトミングモジュール熱管理、および燃料電池性能を満たすために、並列運転または並列構成よりもシステムの直列運転または直列構成が選択され得る。
【００５１】
トッピング燃料電池モジュール１０２、１１２とボトミング燃料電池モジュール１２２との間の並列構成において、コントローラ１５２は、流量制御部材または弁１７０、１７２、１７４、および１７５を開き、流量制御部材または弁１７６を閉じるように制御する。そのような動作において、弁１７５を開くことは、トッピング燃料電池モジュール１０２、１１２のカソードとボトミング燃料電池モジュール１２２のカソードとの間での圧力均衡のために、コントローラ１５２によって制御される。また、コントローラ１５２は、流量制御部材１７０、１７２、１７４、および１７５を介して、トッピングおよびボトミング燃料電池モジュールの各々へ搬送される加熱された煙道ガスの量、すなわちトッピングおよびボトミング燃料電池モジュール間での加熱された煙道ガスの分配を制御する。加熱された煙道ガスが最初に第１および第２のトッピング燃料電池モジュールへ搬送され、トッピング燃料電池モジュール１０２、１１２からのカソード排気がその後ボトミング燃料電池モジュール１２２へ搬送される、トッピング燃料電池モジュール（複数も可）１０２、１１２とボトミング燃料電池モジュール１２２との間の直列構成において、コントローラ１５２は、弁１７４および１７５を閉じ、弁１７６を開くように制御する。そのような構成において、ボトミング燃料電池モジュールから出力されたカソード排気における熱は、トッピング燃料電池モジュールへ供給される煙道ガスを加熱するために使用され得る（図１には不図示の熱交換器）。この直流構成を用いると、アノードまたはカソードブースタ送風器の必要性を排除することによって高効率燃料電池システムを単純化することができ、また、トッピング燃料電池モジュールにおける合理的なＣＯ２利用を可能にすることによってトッピング燃料電池モジュールが高電圧および高効率で動作することも可能である。
ボトミング燃料電池モジュール１２２とトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２との間の他の直列構成（不図示）は、加熱された煙道ガスが最初にボトミング燃料電池モジュールへ搬送され、ボトミング燃料電池モジュールから出力されたカソード排気がトッピング燃料電池モジュールへ搬送されることを含んでよい。図１に示すシステムは、ボトミング燃料電池モジュール１２２のカソード排気とトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２のカソード入口との間の適切なダクトを有するそのような構成、およびコントローラ１５２によって制御される適切な流量制御部材を設けるために適切に調整され得る。
【００５２】
並列または直列の構成および運転のいずれにおいても、コントローラ１５２は、ボトミング燃料電池モジュール１２２およびトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２の１または複数へ供給される煙道ガスの流速および流量を制御する。具体的には、コントローラ１５２は、トッピングおよびボトミング燃料電池モジュール１０２、１１２、１２２の各々における炭素塩燃料電池カソード側電気化学反応を支援するように、かつ好適には８５％にもなるトッピングおよびボトミング燃料電池モジュール１０２、１１２、１２２における所定の全体ＣＯ２利用率を実現するように、煙道ガスの流速を制御する。２つのトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２および１つのボトミング燃料電池モジュール１２２を含む図１の例示的な構成において、燃料電池スタックへのカソードガス流もまた、炭素塩燃料電池カソード側電気化学反応を支援するために、ＣＯ２対酸素利用比が２：１以上に制御されるように制御される。
【００５３】
本願において、入口酸化剤ガスにおける二酸化炭素または酸素の濃度および温度を制御するために、トッピングモジュールおよび／またはボトミングモジュールへ供給される入口酸化剤ガスに補助空気（新鮮空気）が追加され得る（不図示）。補助空気の追加および補助空気の流速は、モジュールの各々における所望の熱プロファイルを制御および維持するために、コントローラ１５２によって調整および調節される（補助空気源、すなわち送風器および制御デバイス、すなわち流量制御弁は不図示）。たとえば、補助空気は、カソード入口ガスの温度を下げ、カソード入口ガスにおける二酸化炭素または酸素の濃度を制御するために、トッピングおよび／またはボトミング燃料電池モジュールへ供給される煙道ガスを希釈するために追加され得る。トッピングモジュールおよび／またはボトミングモジュールにおけるカソード入口温度が所望の値よりも高い場合、コントローラ１５２は、トッピングモジュールおよび／またはボトミングモジュールへの補助空気供給をそれぞれ増加させ、カソード入口温度を下げる。トッピングモジュールおよび／またはボトミングモジュールにおける二酸化炭素の濃度が高すぎる、すなわち酸素濃度が低すぎる場合、コントローラ１５２は、二酸化炭素濃度を下げ、または酸素濃度を高めるために、トッピングモジュールおよび／またはボトミングモジュールへの補助空気供給を増加する。
【００５４】
図１に示すように、ボトミング燃料電池モジュール１２２のボトミングアノード部分１２６は、第１のトッピングアノード部分１０６および第２のトッピングアノード部分１１６の各々に動作可能に連結され、それによってボトミングアノード部分１２６は、第１および第２のトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２の第１および第２のトッピングアノード部分１０６および１１６の両方から搬送されるアノード排気を受け取る。図１の例示的な実施形態において、第１のトッピングアノード部分１０６および第２のトッピングアノード部分１１６は、ボトミングアノード部分１２６と２対１の比で構成され、第１および第２のトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２の燃料電池スタックの総数は、ボトミング燃料電池モジュール１２２の燃料電池スタックの数と２対１の比で構成される。他の実施形態において、トッピングモジュールおよびボトミングモジュールの数は変化してよく、トッピング燃料電池スタックおよびボトミング燃料電池スタックの総数も変化してよい。効率性を高めるために、特定の実施形態において、トッピングモジュールの数はボトミングモジュールの数よりも多く、および／またはトッピング燃料電池スタックの総数はボトミング燃料電池スタックの総数よりも多い。トッピングモジュールまたはスタックは、ボトミングモジュールまたはスタックよりも（より良い燃料品質により）高い電流密度および燃料利用率を有する。
【００５５】
図示するように、トッピング燃料電池モジュール１０２、１１２のアノード部分から出力される、未使用燃料を備えるアノード排気は、ボトミング燃料電池モジュール１２２において使用するために搬送される。具体的には、図１において、トッピング燃料電池モジュール（複数も可）からボトミング燃料電池モジュール１２２内に受け取ったアノード排気は、アノード側入力ガスとして使用するためにボトミング燃料電池モジュール１２２の各スタックの燃料ターンマニホルド１２６Ａへ供給される。燃料ターンマニホルド１２６Ａは、アノード側入力ガスをスタックのボトミングアノード部分１２６へ導き、ここで、アノード側入力ガスにおける未使用燃料は、ボトミングカソード部分１２４へ供給される酸化剤ガス（たとえば加熱された煙道ガス）と電気化学反応する。いくつかの実施形態において、たとえばトッピング燃料電池モジュールからのアノード排気がボトミング燃料電池モジュールへ搬送される時、これに補助燃料を追加することによって、ボトミングアノード部分１２６へ補助燃料１５１が供給されてもよい。ボトミングアノード部分１２６へ供給される補助燃料１５１の量は、ボトミング燃料電池モジュールにおける所望の燃料利用率および電流発生を実現するように、コントローラ１５２によって制御される。
【００５６】
ボトミングアノード部分１２６において発生したアノード排気は、アノード出口マニホルド１３０を介してボトミング燃料電池モジュールから出力され、その後、ボトミング燃料電池モジュール１２２のアノード排気からＣＯ２を分離するための分離アセンブリ１７７へ搬送される。ボトミングアノード部分１２６からのアノード排気は、トッピングアノード部分１０６および１１６へ供給されるアノード側入力ガスおよびボトミングアノード部分１２６へ供給されるアノード側入力ガスにおけるＣＯ２全て、およびトッピングおよびボトミング燃料電池モジュールのカソード酸化剤ガス流から抽出されたＣＯ２全てを含む。ボトミングアノード部分１２６から出力されるアノード排気に存在するＣＯ２の量は、システム１００へ供給されるＣＯ２全体の９０％にもなり得る。たとえば、ボトミングアノード部分から出力されるアノード排気は、約５３％の二酸化炭素、４２％の水蒸気、および約５％の水素および一酸化炭素の混合物、たとえば合成ガスを含有し得る。分離アセンブリ１７７はアノード排気の様々な成分を分離し、図１の例示的な構成において、凝縮器１７８およびＣＯ２捕捉アセンブリ１８０を備える。
【００５７】
凝縮器１７８は、ボトミング燃料電池モジュール１２２からのアノード排気から水を分離するために、これを冷却および凝縮する。凝縮器１７８は、乾燥アノード排気（水分離後のアノード排気）をＣＯ２捕捉アセンブリ１８０へ出力する。たとえば乾燥アノード排気は、約９０％の二酸化炭素および９％の水蒸気とともに追加の不活性ガスを含有する。ＣＯ２捕捉アセンブリ１８０は、乾燥アノード排気から二酸化炭素を除去し、その結果、分離後の乾燥アノード排気は、大幅に減少した量の二酸化炭素を有し、第１および第２のトッピングアノード部分１０６、１１６へ入力される改質燃料と同様の成分を有する。ＣＯ２捕捉アセンブリ１８０は、たとえば低温二酸化炭素への圧縮および冷却、溶媒洗浄、または膜処理など１または複数の分離プロセスを用いて乾燥アノード排気から二酸化炭素を除去する。分離後の乾燥アノード排気は、ＣＯ２捕捉アセンブリ１８０から再循環流としてアノード圧力ブースタ１８２へ搬送され、アノード圧力ブースタ１８２は、再循環流が制御弁１８８を介して搬送され、燃料供給源１８６からシステム１００内への新鮮な燃料と混合される前に、再循環流の圧力を増加する。いくつかの実施形態において、再循環流の一部または全部は、バイパス弁１９０を介して搬送され、プレコンバータ１３４から出力される部分改質燃料と混合されてもよい。コントローラ１５２は、新鮮な燃料に追加される再循環流の量および部分改質燃料に追加される再循環流の量を調整するために、弁１８８および１９０を調整してよい。これらの実施形態において、再循環燃料流を用いることにより、システム１００は非常に高い燃料利用率および燃料効率を実現し得る。
【００５８】
図１の実施形態において、ＣＯ２捕捉アセンブリ１８０とアノード圧力ブースタ１８２との間のダクトに弁１８４または同様のデバイスが設けられ得る。コントローラ１５２は、たとえば窒素などの不活性ガスの一部が再循環流から排出され、これらの不活性ガスの蓄積が防がれるように、再循環流の一部をブリードオフするように弁１８４を調整してよい。
【００５９】
図１に示すシステムの動作が以下で説明される。運転中、煙道ガス発生システムによって発生し出力される煙道ガスは、煙道ガス入力１６８を介してシステム１００へ供給される。煙道ガスは、煙道ガス加熱器１６６において、トッピングおよびボトミング燃料電池モジュールから出力されたカソード排気からの廃熱を用いて加熱される。加熱された煙道ガスはその後、カソード酸化剤ガスとして使用するために、トッピングおよびボトミング燃料電池モジュール１０２、１１２、１２２へ同時または順番に供給される。本明細書において以下で説明するように、システム１００の運転中、カソード酸化剤ガスとして使用される煙道ガス中の二酸化炭素は、二酸化炭素が分離および捕捉され得るように、トッピングおよびボトミング燃料電池モジュール内で抽出され、ボトミング燃料電池モジュールからのアノード排気とともに出力される。
【００６０】
また図１のシステムの運転中、第１および第２のトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２の各々は、たとえばメタン、天然ガス、または他の適切な燃料などの燃料フィードの一部を燃料供給源１８６から受け取る。トッピング燃料電池モジュール１０２、１１２へ搬送される前に、燃料フィードは、予熱および／または処理され得る。たとえば、加湿器は燃料フィードを湿らせるために使用され、プレコンバータ１３４は、トッピング燃料電池モジュールの外部で燃料フィードの一部を部分的に改質するために使用され得る。また、燃料フィードは、脱酸器で脱酸され、脱硫器（不図示）で脱硫され、および／または純度に関する燃料電池仕様を満たすために必要であり得る他の処理を受けてよい。予熱および／または処理された燃料フィードはその後、第１および第２のトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２の間で分割され、第１のトッピング燃料電池モジュール１０２は燃料フィードの第１の部分を受け取り、第２のトッピング燃料電池モジュール１１２は燃料フィードの第２の部分を受け取り、燃料フィードの第１および第２の部分は、量がほぼ同じまたは異なるように制御され得る。コントローラ１５２は、第１および第２のトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２へ供給される第１および第２の燃料フィード部分のそれぞれの量を制御するために使用され得る。第１および第２のトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２の各々において受け取られた燃料フィード部分は、その後、それぞれ第１および第２の熱交換器１３６、１３８（燃料過熱器）において、それぞれのトッピング燃料電池モジュールから搬送されるカソード排熱を用いて予熱される。燃料過熱器１３６および１３８は、この例においてスタックモジュール内に配置され、個別のユニットである。いくつかの実施形態において、熱交換器１３６、１３８はモジュールエンクロージャの外側に配置され、１つの熱交換器に組み合され得る。第１および第２の燃料電池モジュール１０２、１１２の各々において、予熱された燃料フィード部分はその後、それぞれのトッピングモジュールの１または複数の燃料電池スタックのトッピングアノード部分１０６、１１６へ搬送され、それぞれのトッピングアノード部分１０６、１１６へ搬送される前に間接内部改質器１４８、１５０において改質され得る。
【００６１】
第１および第２のトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２は、トッピング燃料電池モジュールへ搬送されたそれぞれの燃料フィード部分に含まれる燃料の一部を消費するので、第１および第２のトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２から搬送されるアノード排気は、残りの燃料部分を含む。第１および第２の燃料電池モジュール１０２、１１２は、燃料フィードにおける燃料の約３分の２を消費し、燃料フィードにおける初期燃料の約３分の１である燃料の残りの部分を含むアノード排気を搬送する。第１および第２の燃料電池モジュール１０２、１１２における電気化学反応の間、それぞれのトッピングカソード部分１０４、１１４を通って搬送されるカソード酸化剤流（煙道ガス）に存在するＣＯ２が抽出され、電解質マトリックスを越えてそれぞれのトッピングアノード部分へ搬送される。その結果、アノードトッピング部分から出力されるアノード排気は、残りの未使用燃料だけではなく、トッピングカソード部分１０４、１１４のカソード酸化剤流から抽出されたＣＯ２も含む。
【００６２】
図１において、燃料電池システム１００は、第１および第２のトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２の下流かつボトミング燃料電池モジュール１２２の上流に配置されたアノードブースタ送風器１３２を含んでよい。アノードブースタ送風器１３２は、第１および第２のトッピングアノード部分１０６、１１６から搬送されたアノード排気を受け取り、それがボトミング燃料電池モジュール１２２へ搬送される前にアノード排気の圧力を増加する。アノードブースタ送風器１３２は、低い圧力増加で動作するので、低い消費電力および低コストをもたらす。アノードブースタ送風器１３２の動作は、それぞれ第１および第２のトッピング燃料電池モジュールおよびボトミング燃料電池モジュール１０２、１１２、および１２２のアノード部分とカソード部分との間の差圧を制御するために、コントローラ１５２によって制御され得る。このシステムにおいて、トッピングおよびボトミング燃料電池モジュール１０２、１１２、および１２２のアノードとカソードとの差圧はいずれも、ブースタ送風器１３２によって作用され得る。トッピング燃料電池モジュール（複数も可）およびボトミング燃料電池モジュールのアノード部分とカソード部分との間の差圧がコントローラ１５２によって均衡化される場合、アノードブースタ送風器１３２はシステム１００から除外されてよい。
【００６３】
図１に示すように、アノードブースタ送風器１３２によってボトミング燃料電池モジュール１２２へ供給されるアノード排気は、新鮮な補助燃料１５１を追加され得る。第１および第２のトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２からのアノード排気流は十分な量の水を含むので、新鮮な補助燃料は、燃料を湿らせるための追加の水を一切必要とせずにアノード排気と混合され得る。ボトミング燃料電池モジュールへ供給される新鮮な燃料の量は、ボトミング燃料電池モジュールにおける所望の燃料利用率および電流発生を実現するためにコントローラ１５２によって制御され得る。新鮮な補助燃料は、トッピング燃料電池モジュールと同じ燃料供給源から供給されてよく、または異なる燃料供給源から供給されてもよい。いくつかの実施形態において、新鮮な補助燃料は、たとえばメタンなどの改質可能燃料を備える。
【００６４】
上述したように、いくつかの実施形態において、ボトミング燃料電池モジュールのボトミング燃料電池スタックは、間接内部改質器を含む。そのような実施形態において、補助燃料は、ボトミング燃料電池スタックの間接内部改質器へ供給され、改質または部分改質された補助燃料がその後、間接内部改質器からボトミングスタックのボトミングアノード部分へ供給される。いくつかの実施形態において、ボトミング燃料電池スタックの間接内部改質器へ補助燃料のみが供給され、第１および第２のトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２からのアノード排気は、間接内部改質器を通って搬送されず、ボトミングスタックの燃料ターンマニホルド１２６Ａ内へ直接供給される。この構成は、ボトミングスタックの熱プロファイルを改善し、ボトミングスタックからの電力出力を最大化する。
【００６５】
トッピング燃料電池モジュールからのアノード排気を備えるアノード入口ガスおよび任意選択的に新鮮な補助燃料がボトミング燃料電池モジュール１２２に受け取られ、燃料ターンマニホルド１２６Ａを介してボトミング燃料電池モジュール内の燃料電池スタック（複数も可）のボトミングアノード部分１２６へ搬送される。上述したように、アノード入口ガスは、ボトミングアノード部分における直接内部改質によって改質され得る。ボトミング燃料電池モジュールにおける電気化学反応の間、アノード入口ガス内の燃料は、ボトミングカソード部分を通って搬送されたカソード酸化剤ガス（煙道ガスの一部）と反応し、カソード酸化剤ガスに存在するＣＯ２は抽出され、電解質マトリックスを介してボトミングアノード部分へ搬送される。その結果、ボトミングアノード部分によって生成され出力されるアノード排気は、アノード入口ガスに既に存在したＣＯ２とともにカソード酸化剤ガスから抽出されたＣＯ２を含む。すなわち、ボトミングアノード部分１２６から出力されるアノード排気は、燃料フィードに最初から存在するＣＯ２、トッピングカソード部分１０４、１１４を通って搬送されたカソード酸化剤ガスから抽出され、ボトミングアノード部分１２６内に入力されたアノード入口ガスに存在するＣＯ２、およびボトミングカソード部分１２４を通って搬送されたカソード酸化剤ガスから抽出されたＣＯ２を含む。ボトミングアノード部分１２６からのアノード排気は、水および未使用燃料を更に含む。
【００６６】
上述したように、ボトミングアノード部分によって生成されたアノード排気は、アノード出口マニホルド１３０を介してボトミング燃料電池スタック（複数も可）から搬送され、ボトミング燃料電池モジュール１２２から分離アセンブリ１７７へ出力される。図１の分離アセンブリ１７７において、アノード排気は凝縮器１７８へ搬送され、凝縮器１７８はアノード排気から水を除去し、乾燥アノード排気を炭素捕捉アセンブリ１８０へ搬送する。炭素捕捉アセンブリ１８０は、乾燥アノード排気から二酸化炭素の大部分を分離および除去し、二酸化炭素の量が減少した分離後の乾燥アノード排気を、トッピング燃料電池モジュール１０２、１１２において使用するためにアノード圧力ブースタ１８２を介して再循環する。また、分離後の乾燥アノード排気のわずかな一部は、分離後の乾燥アノード排気がアノード圧力ブースタ１８２へ供給される前に、不活性ガスの蓄積を防ぐために弁１８４を介してブリードオフされる。アノード圧力ブースタ１８２は、再循環された分離後の乾燥アノード排気流の圧力を増加し、燃料供給源１８６によって供給される新鮮な燃料と混合するために搬送する。あるいは、再循環された分離後の乾燥アノード排気流は、プレコンバータから出力される部分改質燃料と混合するためにプレコンバータ１３４の周囲をバイパスされる。これらの実施形態において、再循環された燃料流を用いることにより、システム１００は非常に高い燃料利用率および燃料効率を実現し得る。
【００６７】
上述したように、燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００の様々な構成要素および動作を制御するようにプログラムされたコントローラ１５２を含む。コントローラ１５２は、以下の１または複数を制御するようにプログラムされる。
【００６８】
（１）煙道ガス／カソード酸化剤ガスを新鮮空気で希釈し、トッピングおよびボトミング燃料電池モジュールへ搬送される入口酸化剤ガスの温度および二酸化炭素および酸素の濃度を制御するために、第１および第２のトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２および／またはボトミング燃料電池モジュール１２２へ供給される補助空気（新鮮空気）の量および流速、
（２）第１および第２のトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２およびボトミングモジュール１２２のアノード部分とカソード部分との間の差圧を制御し、低い差圧を維持するために、アノードブースタ送風器１３２の動作、
（３）ボトミング燃料電池モジュールにおける所望の燃料利用率および電流発生を実現するために、ボトミング燃料電池モジュールへ供給される補助燃料の量および流速、
（４）トッピング燃料電池アセンブリおよびボトミング燃料電池アセンブリへ同時または順番に搬送される煙道ガスの流れ、
（５）好適には５０％以上、かついくつかの実施形態においては８５％以上である所定の全体ＣＯ２利用率を実現し、トッピングおよびボトミング燃料電池アセンブリの各々における燃料電池カソード側電気化学反応を支援するために、１または複数のトッピング燃料電池アセンブリおよびボトミング燃料電池アセンブリへ供給される煙道ガスの流速、
（６）圧力が均衡するように、トッピング燃料電池モジュールおよびボトミング燃料電池モジュールのアノード側とカソード側との間の圧力、
（７）第１および第２のトッピング燃料電池モジュールの各々へ供給される燃料フィードの量、
（８）ボトムスタックから補助燃料を徐々に引き下げ、トッピングスタックへ燃料を供給し、スタックが古くなるにつれトッピングモジュールからボトミングモジュールへ出力をシフトすること、
（９）新鮮な燃料と混合される再循環された乾燥分離後のアノード排気の量およびプレコンバータをバイパスする再循環された分離後の乾燥アノード排気の量。
【００６９】
コントローラによって上記動作の１または複数を制御することは、システムの実際の動作条件および所望の動作、動作期間、および他の要因に依存する。たとえば、ボトミング燃料モジュール１２２によって発生した電流は、たとえば電力に関する顧客需要などの電力需要に基づいて制御されるので、電力需要が低い場合、コントローラ１５２は、ボトミング燃料電池モジュールへより少ない量の補助燃料が供給されるか、または全く供給されないように制御し、電力需要が増加すると、コントローラ１５２は、ボトミング燃料電池モジュールへ供給される補助燃料の量が増加されるように制御する。
【００７０】
また、本願において、第１のトッピング燃料電池モジュール１０２および第２のトッピング燃料電池モジュール１１２の改質率がシステム寿命とともに減少するにつれ、コントローラ１５２は、ボトミングモジュール１２２へ搬送されるメタンリッチ燃料である補助燃料が第１および第２のトッピング燃料モジュール１０２、１１２へ徐々に転用されるように制御する。すなわち、システムが継続的に動作し、トッピングモジュール１０２、１１２における改質率が減少するにつれ、より少ない補助燃料がボトミングモジュール１２２へ送られ、より多くの燃料が第１および第２のトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２へ送られる。この方法で、トッピングモジュールのメタン冷却負荷の損失が、メタンを含むより多くの燃料を追加することによって補償される。その結果、トッピング燃料電池モジュール（複数も可）からボトミング燃料電池モジュール（複数も可）へ供給される未改質燃料の量に基づいて、トッピングモジュールにおいて発生する電流は動作時間とともに減少し、ボトミング燃料電池モジュール（複数も可）において発生する電流は、動作時間とともに増加する。また、ボトミングモジュールは、減少した改質率を有するトッピングモジュールから未変換メタンを含む未変換燃料を受け取るので、そのような制御は、ボトミングモジュール１２２の冷却に作用しない。
【００７１】
上述したシステムおよびシステムの動作によると、燃料は最初に２つの並列なトッピング燃料電池モジュール１０２、１１２へ供給され、ここで、動作条件に依存して燃料の約６５％〜７５％を電気化学的に消費する。トッピング燃料電池モジュール１０２、１１２からの燃料排気はその後ボトミング燃料電池モジュール１２２へ供給され、ボトミング燃料電池モジュール１２２は、追加の新鮮な燃料（補助燃料）も受け取ってよい。ボトミング燃料電池モジュール１２２は受け取った燃料の約６０％〜７０％を電気化学転換反応において消費する。したがって、トッピング燃料電池アセンブリおよびボトミング燃料電池アセンブリは、システム１００に供給された燃料の約８０％〜１００％を利用し、システム１００は、６０％を上回る電気変換効率を実現する。
【００７２】
コントローラ１５２は、ＧＥによって製造される従来型ＰＬＣ（プログラマブル論理コントローラ）であってよい。使用される制御プログラムは、次に、産業オートメーション用ＧＥ  ＰＬＣに実装可能なＧＥ製品である「Ｖｅｒｓａｐｒｏ」と呼ばれるソフトウェア製品であってよい。他の実施形態において、コントローラは、フォックスボロー社によって製造される従来型ＤＣＳ（分散型制御システム）であってよく、制御プログラムは、フォックスボロー社によって製造される産業オートメーション用ＤＣＳに実装されるソフトウェアであってよい。また他の実施形態において、コントローラは、従来型ＰＬＣベース「アイコニクス」システムであってよい。コントローラ１５２は上述した様々な構成要素を制御するものとして説明されたが、理解されるように、コントローラ１５２は、明記されるか否かにかかわらず本明細書に開示されるあらゆる構成要素を制御してよい。
【００７３】
本願は、図１に示すシステムのトッピングおよびボトミングモジュールの燃料電池スタックにおける熱条件を制御することも考慮する。上述したように、トッピングおよびボトミングモジュールの燃料電池スタックは、内部改質、特に、改質触媒がスタックのアノード室内に分配される直接内部改質を含む。燃料電池の熱均一性、特にボトミングモジュールのスタック（複数も可）における熱均一性を改善するために、ボトミングモジュール内の燃料電池は、トッピングモジュール内の燃料電池とは異なる量および空間分布の直接内部改質触媒を用いる。
【００７４】
他の実施形態において、図１の高効率燃料電池システム１００は、トッピングおよび／またはボトミング燃料電池カソード部分への入口酸化剤ガスとして、煙道ガス発生デバイスからの煙道ガスではなく新鮮な空気または乾燥された新鮮な空気とともに用いるために適合される。この動作モードにおいて、ボトミング燃料電池のアノードからの排気はガス分離アセンブリへ搬送され、ここで、図１に示すシステムと同様に、アノード排気における未使用燃料から二酸化炭素および水が分離される。分離された二酸化炭素は隔離され、または他の用途に使用され得る。二酸化炭素および水が減少した分離後の未使用燃料は、加圧され、トッピングモジュールへの燃料フィードと結合される。このシステムにおける燃料電池は、固体酸化物燃料電池、またはリン酸燃料電池を含む他の任意の燃料電池であってよい。
【００７５】
また他の実施形態において、トッピングおよび／またはボトミングカソード部分は、システムの動作モードに依存して、煙道ガス発生デバイスからの煙道ガスを単独でまたは補助空気と混合して、あるいは新鮮な空気または乾燥された新鮮な空気のいずれかを、入口酸化剤ガスとして選択的に受け取ってよい。そのような実施形態において、トッピングおよび／またはボトミングカソードへの煙道ガスまたは空気のそのような選択的な供給のために、適切なダクトおよび流量制御部材または弁が設けられ、コントローラ１５２は、流量制御部材または弁の開閉を制御することによって、カソード部分へ供給される入口酸化剤ガスの種類（すなわち、煙道ガスまたは空気）を制御する。
【００７６】
図２は、図１の高効率燃料電池システム２００の代替実施形態を示す。図２によって示される典型的な実施形態は、カソード排気およびアノード排気がボトミング燃料電池モジュール１２２から搬送されることを除き、上述したものと同様に構成される。図２において、システム２００の類似の構成要素は、図１のシステム１００と類似の参照番号を用いて符号付けされ、それらの詳細な説明は省略される。図２に示す例示的な実施形態において、煙道ガス発生デバイスからの煙道ガスは、トッピングおよびボトミング燃料電池モジュールへ同時に搬送され、トッピングおよびボトミング燃料電池モジュールの各々によって出力されるカソード排気は、カソード排気における廃熱を回収および使用した後にシステム２００から排気２０８を出力するために、熱回収ユニット（不図示）へ搬送される。カソード排気は、最初にシステム２００から出力され、その後、廃熱を回収するための外部熱回収ユニットへ供給されてもよい。理解されるように、図２のシステムは、煙道ガスがまずトッピング燃料電池モジュールおよびボトミング燃料電池モジュールの一方へ搬送され、トッピング燃料電池モジュールおよびボトミング燃料電池モジュールの一方によって発生したカソード排気がその後トッピング燃料電池モジュールおよびボトミング燃料電池モジュールの他方へ搬送されるように、煙道ガス発生デバイスからの煙道ガスがトッピングおよびボトミング燃料電池モジュールへ順番に搬送されるように変更されてもよい。たとえば、図１の構成と同様、システム２００は、まずトッピング燃料電池モジュールが煙道ガス発生デバイスによって発生した煙道ガスを受け取り、トッピング燃料電池モジュールからのカソード排気が、ボトミング燃料電池モジュールにおいて酸化剤ガスとして使用するために搬送されるように構成され得る。システム２００が、トッピングおよびボトミング燃料電池モジュールへ同時または順番に煙道ガスを搬送するように構成され、煙道ガスが並流である並列モードまたは煙道ガスが直流である直列モードのいずれかで動作するようにシステム２００の動作モードを制御するために、コントローラ１５２が設けられることも考えられる。
【００７７】
図２の実施形態において、煙道ガス加熱器は、結合型酸化器および煙道ガス加熱器２００に置き換えられ、これは、ボトミング燃料電池モジュール１２２から出力されたアノード排気を空気または酸素によって接触酸化し、高いＣＯ２含有率および廃熱を有する燃焼ガスを生成する。アノード排気を酸化するために酸素が用いられる場合、燃焼ガスは、ほぼ全部がＣＯ２および水を備える。結合型酸化器および煙道ガス加熱器２０２によって発生した廃熱は、煙道ガス発生デバイスによって発生し煙道ガス入口１６８を介してシステム２００へ入力された煙道ガスを加熱するために使用される。コントローラ１５２は、酸化器および煙道ガス加熱器２０２内の温度を制御するために、結合型酸化器および煙道ガス加熱器２０２へ供給される空気／酸素の量を制御する。
【００７８】
結合型酸化器および煙道ガス加熱器２０２から出力された燃焼ガスは、図２の実施形態において凝縮器／熱回収ユニット（ＨＲＵ）２７８およびＣＯ２分離器２８０を備える分離アセンブリ２７７へ搬送される。凝縮器／ＨＲＵ１７８は、燃焼ガスを冷却して水を凝縮し、水分離後すなわち乾燥燃焼ガスをＣＯ２分離器２８０へ出力し、ＣＯ２分離器２８０は、保管または他の用途のために乾燥燃料ガスからＣＯ２を分離し、残りの燃料ガスをシステム外へ排出されるように出力する。図２の実施形態におけるＣＯ２分離器２８０は、図１のＣＯ２分離器１８０と同一または類似の構成を有し、ＣＯ２を分離するための同一または類似の技術を用いてよい。
【００７９】
図２によって示す典型的な実施形態は、ボトミング燃料電池モジュール１２２からカソード排気およびアノード排気が搬送されることを除き、図１に関して上述されたものと同様に動作する。図２の実施形態において、ボトミングアノード部分１２６は、結合型酸化器および煙道ガス加熱器２０２へアノード排気を搬送し、ここでアノード排気は、入力煙道ガスを加熱するための廃熱および燃焼ガスを生成するために空気または酸素によって酸化される。燃焼ガスは、酸化器および煙道ガス加熱器２０２から分離アセンブリ２７７の凝縮器２７８へ搬送される。凝縮器２７８は、結合型酸化器および煙道ガス加熱器２０２から受け取った燃焼ガスから水を凝縮し、乾燥燃焼ガスをＣＯ２捕捉アセンブリ２８０へ搬送する。ＣＯ２捕捉アセンブリ２８０は、乾燥燃焼ガスを処理して、二酸化炭素を残りの排気から分離し、分離された二酸化炭素を保管または他の使用のために出力し、残りの燃焼ガスをシステム外へ排出されるように別に出力する。システム２００の構成および動作の結果、図１に関して上述したのと同じ理由により、煙道ガスおよび燃料を介してシステム２００内に入力された二酸化炭素の９０％以上が、本願のシステム２００によって除去および分離され得る。
【００８０】
図１および図２に示すシステムは、本願のシステムの典型的な例であり、これは、モジュール（複数も可）形式であってよい１または複数のトッピングスタック（複数も可）、およびモジュール（複数も可）形式であってよい１または複数のボトミングスタック（複数も可）を使用し、トッピングスタック（複数も可）からのアノード排気がボトミングスタック（複数も可）へ搬送され、トッピングスタック（複数も可）からのカソード排気がボトミングスタック（複数も可）へ搬送されてよく、トッピングスタック（複数も可）およびボトミングスタック（複数も可）は、トッピングスタックにおいてシステム電流の〜２／３、ボトミングスタック（複数も可）においてシステム電流の〜１／３を発生し、システムにおける燃料利用率、燃料効率、熱均一性を改善し、電力費を抑えるように構成される。また、図１および図２のシステムは、外部煙道ガス発生デバイスから供給される煙道ガスをカソード酸化剤ガスとして使用し、煙道ガスにおけるＣＯ２が抽出され、ボトミング燃料電池モジュールから出力されるアノード排気において出力されることにより、ＣＯ２が捕捉され、保管または他の用途に容易に供給され得る。したがって、図１および図２のシステムは、より高い効率およびより低い全体排気で発電するだけではなく、煙道ガス発生デバイスから出力されるＣＯ２を捕捉および分離することにより、著しく低い全体ＣＯ２排出量を実現することができる。
【００８１】
他の実施形態において、図２の高効率燃料電池システムは、トッピングおよび／またはボトミング燃料電池カソード部分への入口酸化剤ガスとして、煙道ガス発生デバイスからの煙道ガスではなく新鮮な空気または乾燥された新鮮な空気とともに使用するために適合される。そのような実施形態において、ボトミング燃料電池のアノードからの排気は、図２の結合型酸化器および煙道ガス加熱器２０２と同様の構成を有する結合型酸化器および空気加熱器へ搬送される。結合型酸化器および空気加熱器において、アノード排気は、空気または酸素によって酸化され、入口酸化剤ガス（新鮮な空気または乾燥された新鮮な空気）を加熱するための廃熱および燃焼ガスを発生する。燃焼ガスはその後、図２の凝縮器と同様の構成を有し、燃焼ガスから水を凝縮するための凝縮器および乾燥燃焼ガスを処理して二酸化炭素を保管または他の使用のために分離するＣＯ２捕捉アセンブリを含む分離アセンブリへ搬送される。残りのＣＯ２減少燃焼ガスは、分離アセンブリから出力され、システム外へ排出される。図２のシステムと同様、トッピングおよびボトミング燃料電池における高い燃料利用率を維持しながら、入口酸化剤ガス（空気／乾燥された空気）および燃料を介してシステム内に入力された二酸化炭素の大部分が除去および分離され得る。
【００８２】
いずれの場合も、理解されるように、上述した構成は、本願の応用を表す多数の可能な特定の実施形態のうちの典型例にすぎない。たとえば、図１および図２の特定の構成において、トッピング燃料電池モジュールの数およびトッピング燃料電池スタックの総数は、ボトミング燃料電池モジュール（複数も可）の数およびボトミング燃料電池スタック（複数も可）の総数よりも多いが、理解されるように、他の構成では、トッピング燃料電池モジュール（複数も可）の数はボトミング燃料電池モジュール（複数も可）の数と同じであってよく、および／またはトッピング燃料電池スタック（複数も可）の総数はボトミング燃料電池スタック（複数も可）の総数と同じであってよい。そのような他の構成において、トッピング燃料電池モジュール（複数も可）およびトッピング燃料電池スタック（複数も可）は、ボトミング燃料電池モジュール（複数も可）およびボトミング燃料電池スタック（複数も可）よりも多い燃料電池の総数を有してよい。数多の様々な他の構成が、本開示の主旨および範囲から逸脱することなく、本願の原理に従って容易に考案され得る。
【図１】
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【図２】
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