(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気を製造する方法であって、
改質可能な燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融炭酸塩形燃料電池のアノード、前記溶融炭酸塩形燃料電池の前記アノードと関連する内部改質要素、またはそれらの組み合わせに導入するステップと；
ＣＯ２、Ｏ２および１種以上の燃料化合物を含んでなるカソードインレット流を、前記溶融炭酸塩形燃料電池のカソードに導入するステップであって、前記１種以上の燃料化合物が、Ｈ２、１種以上の炭素含有燃料化合物またはそれらの組み合わせを含んでなり、前記カソードインレット流における前記１種以上の燃料化合物の濃度が、少なくとも０．０１体積％であり、前記カソードインレット流における前記１種以上の燃料化合物の前記濃度が、前記燃料電池の前記カソードにおける作動条件に関する自己発火濃度より低い、ステップと；
前記溶融炭酸塩形燃料電池内で電気を発生させるステップと；
Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２を含んでなるアノード排出物を生じるステップと；
少なくとも１体積％のＯ２および１００ｖｐｐｍ以下の前記１種以上の燃料化合物を含んでなるカソード排出物を生じるステップと
を含んでなる方法。
【請求項２】
前記１種以上の燃料化合物のメチレン当量体積パーセントが少なくとも０．０２体積％である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記溶融炭酸塩形燃料電池の前記カソードが、電極表面および第２の触媒表面を含んでなり、前記第２の触媒表面が少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属を含んでなり、前記カソード排出物を生じる前記ステップが、前記第２の触媒表面の存在下で前記１種以上の燃料化合物の少なくとも一部分を酸化させるステップを含んでなる、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
電気を製造する方法であって、
改質可能な燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融炭酸塩形燃料電池のアノード、前記溶融炭酸塩形燃料電池の前記アノードと関連する内部改質要素、またはそれらの組み合わせに導入するステップと；
ＣＯ２、Ｏ２および１種以上の燃料化合物を含んでなるカソードインレット流を、前記溶融炭酸塩形燃料電池のカソードに導入するステップであって、前記１種以上の燃料化合物が、１種以上の芳香族化合物、少なくとも５個の炭素を有する１種以上の炭素含有燃料化合物、またはそれらの組み合わせを含んでなり、前記カソードインレット流における前記１種以上の燃料化合物が、少なくとも０．０２体積％のメチレン当量体積パーセントを有し、前記カソードインレット流における前記１種以上の燃料化合物の濃度が、前記燃料電池の前記カソードにおける作動条件に関する自己発火濃度より低い、ステップと；
前記溶融炭酸塩形燃料電池内で電気を発生させるステップと；
Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２を含んでなるアノード排出物を生じるステップと；
少なくとも１体積％のＯ２を含んでなるカソード排出物であって、前記１種以上の燃料化合物のメチレン当量体積パーセントが、前記カソードインレット流のメチレン当量体積パーセントよりも少なくとも５０％低い、カソード排出物を生じるステップであって、前記カソード排出物の前記メチレン当量体積パーセントが０．０１体積％以下であってもよい、ステップと
を含んでなり、前記溶融炭酸塩形燃料電池の前記カソードが、電極表面および第２の触媒表面を含んでなり、前記第２の触媒表面が少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属を含んでなり、前記カソード排出物を生じる前記ステップが、前記第２の触媒表面の存在下で前記１種以上の燃料化合物の少なくとも一部分を酸化させるステップを含んでなる、方法。
【請求項５】
前記少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属が、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｆｅまたはそれらの組み合わせを含んでなる、請求項３または４に記載の方法。
【請求項６】
前記カソードインレット流の硫黄含有量が、２５ｗｐｐｍ以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記カソードインレット流における前記１種以上の燃料化合物が、Ｃ、ＨおよびＯとは異なるヘテロ原子を含み、Ｃ、ＨおよびＯとは異なる前記ヘテロ原子の濃度が、前記１種以上の燃料化合物の重量に対して、１００ｗｐｐｍ以下である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記カソードインレット流が、燃焼排出物の少なくとも一部分を含んでなり、前記燃焼排出物の前記少なくとも一部分が、少なくとも０．０２体積％のメチレン当量体積パーセントの１種以上の炭素含有燃料化合物を含んでいてもよく、燃焼排出物の前記少なくとも一部分が、ガスタービンからの排出物の少なくとも一部分であってもよい、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記溶融炭酸塩形燃料電池が、０．２５〜１．３の熱比率で作動される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記溶融炭酸塩形燃料電池の前記アノード、前記溶融炭酸塩形燃料電池の前記アノードと関連する改質段階、または前記それらの組み合わせに導入される前記改質可能な燃料の量が、電気を発生させるために前記溶融炭酸塩形燃料電池において反応する水素の量よりも少なくとも７５％多い、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記溶融炭酸塩形燃料電池の前記アノードにおける燃料利用が、５０％以下であり、かつ前記溶融炭酸塩形燃料電池の前記カソードにおけるＣＯ２利用が少なくとも６０％である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記溶融炭酸塩形燃料電池の電気効率が１０％〜４０％であり、かつ前記溶融炭酸塩形燃料電池の全燃料電池効率が少なくとも５５％である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
アノードおよびカソードを有する溶融炭酸塩形燃料電池を含んでなる溶融炭酸塩形燃料電池システムであって、前記カソードは、電極表面と、少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属を含んでなる第２の触媒表面とを含んでなり、前記第２の触媒表面上の前記少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属の濃度は、前記第２の触媒表面の第１の領域において、前記第２の触媒表面の第２の領域における前記少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属の濃度と比較して低く、前記第２の触媒表面の前記第１の領域は、前記第２の触媒表面の前記第２の領域よりも前記溶融炭酸塩形燃料電池の前記カソードのカソードインレットに近い、システム。
【請求項１４】
前記少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属が、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｆｅまたはそれらの組み合わせを含んでなる、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第２の触媒表面の領域が、前記少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属の濃度の連続増加勾配を含んでなる、請求項１３または１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第２の触媒表面の前記第１の領域が、少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属を含んでなり、かつ前記第２の触媒表面の前記第２の領域が、前記第２の触媒表面の前記第１の領域の前記少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属とは異なる少なくとも１種の追加的な第ＶＩＩＩ族金属を含んでなる、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第２の触媒表面の前記第２の領域が、少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属を含んでなり、かつ前記第２の触媒表面の前記第１の領域が、前記第２の触媒表面の前記第２の領域の前記少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属とは異なる少なくとも１種の追加的な第ＶＩＩＩ族金属を含んでなる、請求項１３〜１５のいずれか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
様々な態様において、本発明は、溶融炭酸塩形燃料電池の作動のための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶融炭酸塩形燃料電池は、水素および／または他の燃料を利用して電気を発生させる。水素は、燃料電池の上流にあるか、または燃料電池内の蒸気改質装置においてメタンまたは他の改質可能な燃料を改質することによって提供されてもよい。改質可能燃料は、水素を含んでなるガス生成物を生じさせるために、高温および／または高圧で蒸気および／または酸素と反応可能な炭化水素材料を包含することができる。代わりとして、または追加的に、アノードにおいて燃料を改質するために適切な条件が生じるように作動することができる溶融炭酸塩形燃料電池のアノード電池において燃料を改質することができる。代わりとして、または追加的に、改質は、燃料電池の外部および内部の両方で生じることができる。
【０００３】
従来、溶融炭酸塩形燃料電池は、燃料電池の電気効率とも記載され得る燃料インプットの単位あたりの電気発生を最大にするように作動される。この最大化は、燃料電池単独、または別の発電システムとの組み合わせに基づくことができる。電気発生の増加を達成し、発熱を制御するために、燃料電池内の燃料利用は、典型的に７０％〜７５％に維持される。
【０００４】
特許文献１には、アノードインレット流において実質的な水素含有量を有する燃料電池システムの作動のためのシステムおよび方法が記載される。特許文献１における技術は、燃料がアノード出口に接近する時に、酸化反応のために十分な燃料が残存するように、アノードインレットで十分な燃料を提供することに関連する。適切な燃料を確保するために、特許文献１は、高濃度のＨ２を有する燃料を提供する。酸化反応で利用されないＨ２は、次の通過のためにアノードにリサイクルされる。Ｈ２利用は、単回通過に基づいて１０％〜３０％の範囲であってよい。特許文献１は、アノード内での有意な改質を記載しておらず、その代わりに、主として外部改質に依存する。
【０００５】
特許文献２には、水素および電気エネルギーの共生産のためのシステムおよび方法が記載される。この共生産システムは、燃料電池と、アノード排出流を受け取って水素を分離するように構成される分離ユニットとを含んでなる。またアノード排出物の一部分は、アノードインレットにリサイクルされる。特許文献２で与えられる作動範囲は、固体酸化物形燃料電池をベースとするように思われる。溶融炭酸塩形燃料電池は、代替物として記載される。
【０００６】
特許文献３には、水素および電力の共生産のためのシステムおよび方法が記載される。燃料電池は、炭化水素型燃料を酸素に変換するための一般的な種類の化学変換装置として記載される。この燃料電池システムは、外部改質装置および高温燃料電池も含む。約７０％のシステム共生産効率をもたらす、約４５％の電気効率および約２５％の化学生成率を有する燃料電池システムの実施形態が記載される。特許文献３は、システムからの単離における燃料電池の電気効率を記載するようには思われない。
【０００７】
特許文献４には、石炭ガスを燃料電池のアノードのための燃料供給源として使用することができるように、ガス化装置および燃料電池を集積化するためのシステムが記載される。燃料電池によって発生した水素は、石炭ガス（または他の石炭）インプットからメタンを発生させるために使用されるガス化装置のためのインプットとして使用される。ガス化装置からのメタンは、次いで、燃料電池へのインプット燃料の少なくとも一部分として使用される。したがって、燃料電池によって発生した水素の少なくとも一部分は、ガス化装置で発生するメタンの形態で、燃料電池アノードインレットに間接的にリサイクルされる。
【０００８】
Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙの論文非特許文献１には、燃焼発電機を溶融炭酸塩形燃料電池と組み合わせる発電システムが記載されている。燃料電池および作動パラメーターの様々な組み合わせが記載されている。燃焼発電機からの燃焼アウトプットは、燃料電池のカソードのためのインプットとして部分的に使用される。非特許文献１の論文のシミュレーションの１つの目標は、ＣＯ２を発電機の排出物から分離するためにＭＣＦＣを使用することである。非特許文献１の論文で記載されるシミュレーションは、６６０℃の最大アウトレット温度を確立し、かつインレット温度は、燃料電池全体での温度増加を考慮して十分に冷却されなければならないことを示す。ＭＣＦＣ燃料電池のための電気効率（すなわち、発生した電気／燃料インプット）は、ベースモデルの場合、５０％である。ＣＯ２分離のために最適化された試験モデルの場合の電気効率も５０％である。
【０００９】
Ｄｅｓｉｄｅｒｉらによる論文非特許文献２には、ＣＯ２分離のために燃料電池を使用する発電システムの性能をモデル化する方法が記載される。アノードインレットへのアノード排出物およびカソードインレットへのカソード排出物の再流通は、燃料電池の性能を改善するために使用される。モデルパラメーターは、５０．３％のＭＣＦＣ電気効率を記載する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１１／０１１１３１５号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／０１２３８１０号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００３／０００８１８３号明細書
【特許文献４】米国特許第５，０８４，３６２号明細書
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Ｇ．Ｍａｎｚｏｌｉｎｉ  ｅｔ．ａｌ．，Ｊ．Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｓｃｉ．ａｎｄ  Ｔｅｃｈ．，Ｖｏｌ．９，Ｆｅｂ  ２０１２
【非特許文献２】Ｄｅｓｉｄｅｒｉ  ｅｔ  ａｌ．（Ｉｎｔｌ．Ｊ．ｏｆ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｅｎｅｒｇｙ，Ｖｏｌ．３７，２０１２）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一態様において、電気を製造する方法が提供される。この方法は、改質可能な燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融炭酸塩形燃料電池のアノード、溶融炭酸塩形燃料電池のアノードと関連する内部改質要素、またはそれらの組み合わせに導入するステップと；ＣＯ２、Ｏ２および１種以上の燃料化合物を含んでなるカソードインレット流を、溶融炭酸塩形燃料電池のカソードに導入するステップであって、１種以上の燃料化合物が、Ｈ２、１種以上の炭化水素様燃料化合物、ＣＯまたはそれらの組み合わせを含んでなり、カソードインレット流における１種以上の燃料化合物の濃度が、少なくとも約０．０１体積％であり、カソードインレット流における１種以上の燃料化合物の濃度が、燃料電池のカソードにおける作動条件に関する自己発火濃度より低い、ステップと；溶融炭酸塩形燃料電池内で電気を発生させるステップと；Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２を含んでなるアノード排出物を生じるステップと；少なくとも約１体積％のＯ２および約１００ｖｐｐｍ以下の１種以上の燃料化合物を含んでなるカソード排出物を生じるステップとを含む。
【００１３】
別の態様において、電気を製造する方法が提供される。この方法は、改質可能な燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融炭酸塩形燃料電池のアノード、溶融炭酸塩形燃料電池のアノードと関連する内部改質要素、またはそれらの組み合わせに導入するステップと；ＣＯ２、Ｏ２および１種以上の燃料化合物を含んでなるカソードインレット流を、溶融炭酸塩形燃料電池のカソードに導入するステップであって、１種以上の燃料化合物が、１種以上の芳香族化合物、少なくとも５個の炭素を有する１種以上の炭素含有燃料化合物、またはそれらの組み合わせを含んでなり、カソードインレット流における１種以上の燃料化合物が、少なくとも約０．０２体積％のメチレン当量体積パーセント（以下に定義される）を有し、カソードインレット流における１種以上の燃料化合物の濃度が、燃料電池のカソードにおける作動条件に関する自己発火濃度より低い、ステップと；溶融炭酸塩形燃料電池内で電気を発生させるステップと；Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２を含んでなるアノード排出物を生じるステップと；少なくとも約１体積％のＯ２および約０．０１体積％以下のメチレン当量体積パーセントの１種以上の燃料化合物を含んでなるカソード排出物を生じるステップとを含み、溶融炭酸塩形燃料電池のカソードが、電極表面および第２の触媒表面を含んでなり、第２の触媒表面が少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属を含んでなり、カソード排出物を生じるステップが、第２の触媒表面の存在下で１種以上の燃料化合物の少なくとも一部分を酸化させるステップを含んでなる。
【００１４】
さらに別の態様において、溶融炭酸塩形燃料電池システム（設備又は系）が提供される。溶融炭酸塩形燃料電池システムは、アノードおよびカソードを有する溶融炭酸塩形燃料電池を含み、カソードは、電極表面と、少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属を含んでなる第２の触媒表面とを含んでなり、第２の触媒表面上の少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属の濃度は、第２の触媒表面の第１の領域において、第２の触媒表面の第２の領域における少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属の濃度と比較して低く、第２の触媒表面の第１の領域は、第２の触媒表面の第２の領域よりも溶融炭酸塩形燃料電池のカソードのカソードインレットに近い。任意に、少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属は、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｆｅまたはそれらの組み合わせを含んでなり、好ましくは少なくともＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｐｄまたはそれらの組み合わせを含む。任意に、第２の触媒表面の領域は、少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属の濃度の連続増加勾配を含んでなる。いくつかの態様において、第２の触媒表面の第１の領域は、少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属を含んでなり、かつ第２の触媒表面の第２の領域は、第２の触媒表面の第１の領域の少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属とは異なる少なくとも１種の追加的な第ＶＩＩＩ族金属を含んでなる。他の態様において、第２の触媒表面の第２の領域は、少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属を含んでなり、かつ第２の触媒表面の第１の領域は、第２の触媒表面の第２の領域の少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属とは異なる少なくとも１種の追加的な第ＶＩＩＩ族金属を含んでなる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】溶融炭酸塩形燃料電池ならびに関連する改質および分離段階の構成の実施例を概略的に示す。
【図２】溶融炭酸塩形燃料電池ならびに関連する改質および分離段階の構成の別の実施例を概略的に示す。
【図３】溶融炭酸塩形燃料電池の作動の実施例を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
概要
様々な態様において、酸素と組み合わせてカソード触媒表面において熱を形成する炭化水素、水素または他のガスであってもよい可燃性ガスの多量の部分（ｎｏｎ−ｔｒｉｖｉａｌ  ｐｏｒｔｉｏｎ）を含有するカソードインレット流を用いて、溶融炭酸塩形燃料電池が作動される。可燃性ガスは、カソードにおいて、および／またはカソードと熱集積化される段階において反応することができる。カソードにおいて燃焼反応によって生じる熱を使用して、例えば、なお燃料電池全体で望ましい温度勾配を維持しながら、追加的な吸熱性反応（例えば、改質）が燃料電池のアノード部分で生じることが可能となる。任意に、燃料電池のカソードは、例えば、カソードにおいて追加的な触媒表面を導入することによって、カソード内における燃焼をさらに向上させるか、または制御するために変性されることができる。
【００１７】
ガスタービン、内燃機関、燃焼煮沸器または他の燃焼供給源などの燃焼供給源から排出される炭素の量を低下させるか、または最小化するための１つの戦略は、燃焼供給源を溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）と集積化させることである。溶融炭酸塩形燃料電池は、燃焼供給源からのＣＯ２含有排出物を、燃料電池へのカソードインレット流の一部として受け取ることができる。カソード反応の一部として、ＣＯ２は、カソードから、燃料電池電解質をわたって、アノードまで輸送されることができる。これによって、溶融炭酸塩形燃料電池が、燃料電池からのアノードアウトプット中のＣＯ２濃縮を促進することが可能となり、これによって、雰囲気へのＣＯ２の排出を回避するために、ＣＯ２の捕捉／再利用を促進することができる。
【００１８】
従来の溶融炭酸塩形燃料電池構成に関して、主な懸念は、燃料電池全体で温度勾配を所望の範囲内に維持しながら、高い電気効率で溶融炭酸塩形燃料電池を作動することであり得る。従来の作動時の課題の一部は、燃料電池内で生じる過剰量の熱または廃熱のために、燃料電池全体で極端に高い温度勾配を回避することであり得る。高効率のために溶融炭酸塩形燃料電池を作動する場合、典型的に、電池は、高効率における正味の作動が発熱性であるため燃料電池において許容される最大温度上昇付近で作動される。
【００１９】
溶融炭酸塩形燃料電池の従来の作動の間、カソードに入るカソードインプット流として存在する可燃性ガスの量は、典型的に、約１００ｖｐｐｍ未満、例えば、約１０ｖｐｐｍ未満であることができる。追加的に、可燃性ガスは、典型的に、Ｈ２またはＣＨ４などの分子あたり比較的低い燃料価を有する化合物に相当することができる。そのような量の可燃物は、全燃料電池システムにおける熱発生量と比較して、カソード上の酸素と反応させたときに重要ではない量の熱を発生させる。燃焼供給源の排出物から誘導されるカソードインプット流の部分に関して、残留可燃性材料は、典型的にインプット燃料の実質的に完全な燃焼を達成するために最適化された燃焼条件に以前に排出物が暴露されたという事実を反映することができる。いくつかの従来の構成において、カソードインプット流の一部は、アノードアウトプット流のリサイクルされた部分に相当することもできる。そのような従来の構成において、アノードアウトプット流のリサイクルされた部分は、典型的に、カソードに入る前に、バーナーに通過させることができ、これによって、アノードアウトプット流の部分におけるいずれかの燃料の実質的に完全な燃焼をもたらすこともできる。
【００２０】
従来の方法で溶融炭酸塩形燃料電池を作動する代わりに、溶融炭酸塩形燃料電池は、１種以上の燃料化合物などの可燃性材料を含むカソードインプット流によって作動されることができる。燃料化合物は、ＣＯ、Ｈ２、ＣＨ４、燃焼させることができる他の炭化水素および／または炭化水素様化合物、あるいは熱を生じるために燃焼（酸化）させることができる他の化合物に相当することができる。いくつかの態様において、カソードインレット流は、ＣＯ、Ｈ２および／またはＣＨ４に相当する燃料化合物を含有することができる。他の態様において、カソードインレット流は、４個以下の炭素原子を有するＨ２および／または炭素含有燃料化合物を含有することができる。さらに他の態様において、カソードインレット流の一部の燃料化合物は、芳香族化合物、または少なくとも５個の炭素原子を有する炭素含有化合物、あるいはそれらの組み合わせに相当することができる。
【００２１】
カソードインレット流における可燃性材料の量は、様々な方法において特徴づけることができる。１つの選択肢は、全可燃性材料の体積パーセントを使用することであり得る。別の選択肢は、可燃性材料に存在する炭素の数および／または重質原子の数に基づき、可燃性材料の体積パーセントの計量することであり得る。この後者の選択肢は、水素などの化合物と、蒸留沸騰範囲分子との間の燃料価の差異を説明することができる。カソードインレットにおいて、ある温度で同様の体積を占有するガスとして両方とも存在し得るが、蒸留沸騰範囲分子の燃料価は有意により大きい。
【００２２】
例えば、１つの選択肢は、（下限として）少なくとも約０．０１体積％、または少なくとも約０．０２体積％、または少なくとも約０．０３体積％、または少なくとも約０．０５体積％、または少なくとも約０．１体積％、または少なくとも約０．２５体積％、または少なくとも約０．５体積％、または少なくとも約１．０体積％、または少なくとも約１．５体積％、または少なくとも約２．０体積％、または少なくとも約２．５体積％、または少なくとも３．０体積％の１種以上の燃料化合物を含有するカソードインレット流を使用することであり得る。追加的に、または代わりとして、カソードインレット流は、（上限として）約５．０体積％以下、または約４．０体積％以下、または約３．５体積％以下、または約３．０体積％以下、または約２．５体積％以下の１種以上の燃料化合物を含有することができる。カソードインレット流における１種以上の燃料化合物の量に対するそれぞれの下限は、カソードインレット流における１種以上の燃料化合物の量に対するそれぞれの上限との組み合わせで明白に考察される。可燃性材料の量に対する上限は異なることができるが、カソードにおける条件で、カソードインレット流の自己発火を可能にする濃度未満になければならず、典型的に化合物の組成次第で数体積％の範囲であるべきである。
【００２３】
追加的に、または代わりとして、カソードインレット流における可燃性材料の量を特徴づけるための別の選択肢は、可燃性材料における炭素の数、または代わりに重質原子の数に基づき可燃性材料の体積パーセントを計量することであることができる。炭化水素の燃料価は、炭化水素に存在する炭素原子の数とほぼ比例する。酸素を除いて、炭化水素様材料に存在するいずれの追加的なヘテロ原子（すなわち、非水素原子または重質原子）も、ほぼ比例するように寄与する。より大きい燃料成分の追加的な燃料価を説明するため、燃料成分の体積パーセントに、成分における炭素原子の数、または代わりに成分における非酸素重質原子の数を乗算して、修正された体積パーセントを生じることができる。修正された体積パーセントが燃料成分における炭素原子のみに基づく場合、修正された体積パーセントは、本明細書において、燃料成分に関する「メチレン当量」体積パーセントとして定義される。修正された体積パーセントが燃料成分における非酸素重質原子に基づく場合、修正された体積パーセントは、本明細書において、燃料成分に関する「重質原子当量」体積パーセントとして定義される。メチレン当量体積パーセントおよび重質原子当量体積パーセントの定義の目的のために、水素分子は、０．５の炭素原子または重質原子値を有するものとして定義される。ＣＯ分子は同様に、０．５の炭素原子または重質原子値を有するものとして定義される。これは、これらの化合物が、炭化水素様化合物と同様の燃料価ではなく、いくらかの燃料価を有するという事実を反映する。
【００２４】
様々な態様において、カソードインレット流におけるメチレン当量体積パーセントは、少なくとも約０．０１体積％、または少なくとも約０．０２体積％、または少なくとも約０．０３体積％、または少なくとも約０．０５体積％、または少なくとも約０．１体積％、または少なくとも約０．２５体積％、または少なくとも約０．５体積％、または少なくとも約１．０体積％、または少なくとも約１．５体積％、または少なくとも約２．０体積％、または少なくとも約２．５体積％、または少なくとも３．０体積％の１種以上の燃料化合物であることができる。追加的に、または代わりとして、カソードインレット流は、約５．０体積％以下、または約４．０体積％以下、または約３．５体積％以下、または約３．０体積％以下、または約２．５体積％以下の１種以上の燃料化合物を含有することができる。カソードインレット流における１種以上の燃料化合物のメチレン当量体積パーセントに対するそれぞれの下限は、カソードインレット流における１種以上の燃料化合物のメチレン当量体積パーセントに対するそれぞれの上限との組み合わせで明白に考察される。メチレン当量体積パーセントを算出することの一例として、仮定的なカソードインレット供給は、０．０２体積％のエチレンおよび０．０１体積％のＨ２に相当する燃料化合物を含有することができるであろう。そのような仮定的な例において、供給に対するメチレン当量体積パーセントは、０．０４５体積％である。エチレンは、１分子あたり２個の炭素原子を含有するため、エチレンは、０．０２×２＝０．０４体積％を全メチレン当量体積パーセントに寄与する。Ｈ２は、１分子あたり０．５の炭素原子として考慮されるものとして定義され、したがって、Ｈ２は、全メチレン当量体積パーセントに０．０１×０．５＝０．００５体積％を寄与する。
【００２５】
追加的に、または代わりとして、カソードインレット流における可燃性材料の量を特徴づけるためのさらに別の選択肢は、溶融炭酸塩形燃料電池の相当するアノードインレットに送達される燃料のエネルギー値と比較した、カソードインレットに送達される燃料の相対的なエネルギー値に基づくことができる。カソードインレット流における燃料の量は、アノードインレット流のエネルギー値の約１２％以下または約１０％以下または約８％以下を有することができる。例えば、アノードインレットに送達される燃料の割合が約１ＭＷの動力に相当する場合、カソードインレット流におけるカソードへの燃料インプットの割合は、約１２０ｋＷ以下、または約１００ｋＷ以下、または約８０ｋＷ以下であることができる。カソードインレット流は十分な酸素を含有することもでき、そのため、カソードインレット流におけるいずれかの燃料の燃焼の後でも、残っている酸素含有量は、燃料電池反応を可能にするため、およびなお少なくとも約１体積％、例えば、２体積％の酸素含有量を有するカソードアウトレット流を生じるために十分である。
【００２６】
いくつかの態様において、１種以上の燃料化合物を含有するカソードインレット流は、低下または最小化された硫黄含有量を有することができる。カソードインレット流の硫黄含有量は、約２５ｗｐｐｍ以下、または約１５ｗｐｐｍ以下、または約１０ｗｐｐｍ以下であることができる。任意に、Ｃ、ＨおよびＯとは異なるいくつかのヘテロ原子は、カソードインレット流に含有される酸化可能な化合物（すなわち、燃料化合物）に存在することができる。例えば、カソードインレット流における炭素含有燃料化合物は、窒素原子を任意に含むことができる。なお、Ｎ２は、カソードインレットに存在する条件下で酸化可能な化合物ではなく、したがって、カソードインレット流におけるＮ２の存在は酸化可能な化合物に存在するヘテロ原子を構成しない。他の態様において、カソードインレット流は、燃料化合物において、約１００ｗｐｐｍ以下または約１０ｗｐｐｍ以下のＣ、ＨおよびＯとは異なるヘテロ原子を含むことができる。
【００２７】
カソードインレット流の追加的な燃料含有量は、カソードにおける条件およびカソードにおける触媒表面の存在に基づき、カソードにおいて燃焼可能である。１つの適切な触媒表面は、溶融炭酸塩電解質に隣接する電極としてしばしば使用されるニッケル表面などのニッケル表面であることができるが、触媒的に燃料成分を酸化させることができる他のいずれの都合のよい触媒、例えば、第ＶＩＩＩ族金属、担持された触媒、または他の燃焼触媒も使用されてよい。カソード電極表面は、Ｈ２および／または炭素含有燃料（ＣＯを含む）の酸化に触媒作用を及ぼすことができ、カソードインレット流に存在する燃料は、Ｈ２ＯおよびＣＯ２などの典型的な燃焼生成物に変換されることができる。
【００２８】
カソードインレット流における燃料がＨ２、ＣＯおよび／またはＣＨ４である態様において、電極表面（典型的にＮｉ）は、カソードインレット流における燃料の燃焼に触媒作用を及ぼすために十分であることができる。電極表面は、より低量の他の炭化水素に関する反応に触媒作用を及ぼすために適切でもあることができる。例えば、電極表面は、何十ｐｐｍ以上の範囲、例えば、約１０ｖｐｐｍ〜約１０，０００ｖｐｐｍ、または約１０ｖｐｐｍ〜約１０００ｖｐｐｍ、または約１０ｖｐｐｍ〜約２００ｖｐｐｍ、または約１０ｖｐｐｍ〜約１００ｖｐｐｍ、または約５０ｖｐｐｍ〜約１０，０００ｖｐｐｍ、または約５０ｖｐｐｍ〜約１０００ｖｐｐｍ、または約５０ｖｐｐｍ〜約２００ｖｐｐｍ、または約１００ｖｐｐｍ〜約１０，０００ｖｐｐｍ、または約１００ｖｐｐｍ〜約１０００ｖｐｐｍで、芳香族化合物の酸化に触媒作用を及ぼすために適切であることができる。脂肪族炭化水素または他の非芳香族炭化水素様化合物に関して、電極表面は、約１体積％までの化合物に触媒作用を及ぼすために適切であることができる。
【００２９】
いくつかの態様において、カソードにおいて燃料を酸化するための触媒活性は、追加的な触媒表面を提供することによって向上されることができる。例えば、従来の溶融炭酸塩形燃料電池のための１つの構成は、並列プレートによって画定される燃料電池のカソード部分を有することであり得る。１つの並列プレートは、溶融炭酸塩電解質に隣接する電極表面に相当することができる。従来から、反対の表面（溶融炭酸塩電解質の付近ではない表面）は、鉄鋼表面または適切な構造材料に相当する別の表面であることができる。電極と反対の鉄鋼表面（または他の低反応性表面）を有する代わりに、反対表面は、カソードインレット流において燃料の燃焼に触媒作用を及ぼす能力を向上させる触媒材料でコーティングされることが可能である。１つの選択肢は、Ｎｉ表面などの電解質表面と同様の表面を提供することであることができる。別の選択肢は、芳香族化合物および／またはＣ２＋炭化水素様化合物の燃焼に触媒作用を及ぼすためのより高い活性を有する表面を使用することであることができる。適切な触媒材料の例としては、限定されないが、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｔおよび／またはＰｄなどの第ＶＩＩＩ族金属を含むことができる。いずれの適切な金属または金属合金も、鉄鋼表面上で直接、または典型的な触媒支持体上に担持されて、使用されることができる。燃焼触媒として有用な触媒配合物は、当該技術分野において周知であるが、約４００℃〜約８００℃などの燃料電池動作温度範囲に適切ないずれの配合物が使用されてもよい。複数の第ＶＩＩＩ族金属の合金および／または他の遷移金属との第ＶＩＩＩ族金属の合金などの第ＶＩＩＩ族金属の合金も適切であり得る。触媒材料は、カソードのプレート表面で直接コーティングされることが可能であるか、または触媒材料は、例えば、酸化物支持体上で担持されることができる。
【００３０】
電極（Ｎｉ）表面および／または追加的な触媒表面の存在に基づき、カソードインレット流におけるＨ２、ＣＯおよび炭化水素／炭化水素様化合物は、カソードにおいて燃焼可能である。これによって、カソード内で追加的な熱が生じるであろう。従来の作動において、この追加的な熱は、電気効率のために最適化される作動が、許容される温度上昇の限界において典型的に作動されるため、問題を提起する。しかしながら、様々な態様において、カソードで生じる追加的な熱は、追加的な熱を吸熱性反応に提供するために使用されることができる。吸熱性反応は、アノードにおける改質、または、カソードと熱集積化される反応段階で生じる別の吸熱性反応に相当することができる。例えば、溶融炭酸塩形燃料電池のアノード部分が、水素および／または合成ガスの生成に関して、低い単回通過燃料利用を有するように作動される場合、カソードで生じる追加的な熱は、所望の範囲で燃料電池内での温度勾配を維持するために使用されることができる。
【００３１】
カソードで生じる追加的な熱は有利であることができるが、カソードインレット流における燃料の燃焼を、カソードの長さのより大きい部分全体で分配することが望ましくなることができる。カソードのより大きい部分全体でカソードインレット流における燃料の燃焼を分配することの１つの方法は、触媒材料の勾配を有する追加的な触媒表面を使用することであることができる。例えば、追加的な触媒表面上の触媒材料の濃度は、カソードへの入口付近（可燃性材料および酸素の濃度が最も高い場所）でより低いことが可能であり、その後、カソードの長さにおいて増加する。連続的勾配、一連の段階的増加、またはより高い触媒材料濃度がカソードインレットからより遠い位置で存在することを可能にする他の方法などの、濃度を増加させるためのいずれの都合のよい戦略も使用することができる。カソードインレットにおける追加的な表面上の触媒材料の初期の濃度は、いずれかの都合のよい値であることもでき、追加的な表面における触媒材料をカソードへのインレットの後の位置で開始させる選択肢を含む。触媒のパターンまたは勾配、およびその後の発熱は、カソード領域全体で全熱量生成を分散させるため、および全燃料電池作動に損害を与える可能性のある熱領域を防ぐために最適化されることができる。
【００３２】
カソードで発生した追加的な熱を利用するために溶融炭酸塩形燃料電池を作動させるための方法の一例として、溶融炭酸塩形燃料電池は、合成ガスおよび／または水素の生成を増加させて作動されることができる。これは、電気を生じるためにアノードで酸化される水素の量と比較して、燃料電池内（および／または関連する内部改質段階、例えば、燃料電池アセンブリの改質段階内）で実行される改質の量を増加させることによって達成することができる。以下に定義されるように、これは、ｃ）吸熱性反応によって燃料電池積層（または他の燃料電池組立体）において消費される熱に対する、組み合わせられたａ）電気化学的反応によってアノード内で生成される熱およびｂ）燃料の燃焼によってカソード内で生成される熱に関する燃料電池熱比率による燃料電池の作動によって達成することができる。例えば、アノードおよび／または内部改質段階内の改質反応は、典型的に吸熱性反応であることができる。したがって、吸熱性改質反応は、発熱性カソード燃焼反応と組み合わせた発電に関する発熱性電気化学反応によって釣合いをとられることができる。発熱性燃料電池反応によって生じる熱を燃料電池から輸送することを試みるよりはむしろ、この過剰量の熱を、改質および／または別の吸熱性反応のための熱供給源として原位置で使用されることができる。これは、熱エネルギーのより効率的な利用および／または追加的な外部もしくは内部熱交換の要求の低下をもたらすことができる。この熱エネルギーの効率的な生成および本質的にその場での使用は、有利な作動条件を維持しながら、システム複雑さおよび構成要素を低減させることができる。いくつかの態様において、改質または他の吸熱性反応の量は、従来技術で典型的に記載される熱必要条件より有意に少ないよりもむしろ、発熱性反応によって生じる過剰量の熱の量に匹敵するか、またはより大きい吸熱性熱必要条件を有するように選択することができる。
【００３３】
追加的に、または代わりとして、燃料電池は、アノードインレットおよびアノードアウトレット間の温度差がプラスであるよりもむしろマイナスであるように作動されることが可能である。したがって、アノードインレットとアノードアウトレットとの間で温度増加を有する代わりに、アノードアウトレットからのアウトプット流がアノードインレット温度より低温になるようにするために十分な量の改質および／または他の吸熱性反応を実行することができる。さらに追加的に、または代わりとして、アノードインプットとアノードアウトプットとの間の温度差が、吸熱性反応、ならびにカソード燃焼反応および電力を生じるためのアノード反応の組み合わせられた発熱性熱発生の相対的な要求に基づき予想される差異より小さくなることができるように、追加的な燃料は、燃料電池および／または内部改質段階（または他の内部吸熱性反応段階）のための加熱器に供給することができる。改質が吸熱性反応として使用されることができる態様において、過剰燃料を改質するために燃料電池を作動することによって、熱交換および改質に関するシステムの複雑さを最小化しながら、従来の燃料電池作動に相対的な増加した合成ガスおよび／または増加した水素の生成を可能にすることができる。追加的な合成ガスおよび／または追加的な水素は、次いで、「クリーンな」燃料としての使用のための水素の化学的合成プロセスおよび／または回収／再利用を含む様々な用途で使用することができる。
【００３４】
アノードにおいて発熱性反応によって酸化された水素１モルあたりの発生した熱の量は、改質反応によって発生した水素１モルあたりの消費された熱の量よりも実質的に大きくなることができる。溶融炭酸塩形燃料電池の水素の正味の反応（Ｈ２＋１／２Ｏ２＝＞Ｈ２Ｏ）は、約−２８５ｋＪ／水素分子１モルの反応エンタルピーを有することができる。少なくとも、このエネルギーの一部の分は、燃料電池内で電気エネルギーに変換されることができる。しかしながら、反応のエンタルピーと、燃料電池によって生じる電気エネルギーとの間の（おおよその）差異は、燃料電池内の熱となることができる。このエネルギーの量は、代わりに、電池の電流密度（単位面積あたりの電流）に、燃料電池の理論的な最大電圧と実際の電圧との間の差異によって乗算されたもの、または＜電流密度＞＊（Ｖｍａｘ−Ｖａｃｔ）として表すことができる。このエネルギーの量は、燃料電池の「廃熱」として定義される。改質の一例として、メタンの改質（ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ＝＞４Ｈ２＋ＣＯ２）のエンタルピーは、約２５０ｋＪ／メタン１モル、または約６２ｋＪ／水素分子１モルであることができる。熱バランスの観点から、電気化学的に酸化されたそれぞれの水素分子は、改質によって２つ以上の水素分子を発生させるために十分な熱を発生させることができる。従来の構成において、この過剰量の熱は、アノードインレットからアノードアウトレットへの実質的な温度差をもたらすことができる。この過剰量の熱を、燃料電池において温度を増加させるために使用する代わりに、改質反応の適合量を実行することによって消費することができる。アノードにおいて生じる過剰量の熱は、燃料電池における燃焼反応によって生じる過剰量の熱で補足されることができる。より一般に、過剰量の熱は、燃料電池アノードおよび／または燃料電池と熱集積化された吸熱性反応段階において吸熱性反応を実行することによって消費することができる。
【００３５】
態様次第で、改質および／または他の吸熱性反応の量は、燃料電池の所望の熱比率を達成するためにアノードにおいて反応する水素の量と比較して選択されることができる。本明細書で使用される場合、「熱比率」は、燃料電池アセンブリで生じる改質反応の吸熱性熱需要で割られた燃料電池アセンブリでの発熱性反応（アノードおよびカソードの両方における発熱性反応を含む）によって発生した熱として定義される。数学的に表すと、熱比率（ＴＨ）＝ＱＥＸ／ＱＥＮであり、ＱＥＸは発熱性反応によって発生する熱の合計であり、およびＱＥＮは、燃料電池内で生じる吸熱性反応によって消費される熱の合計である。なお、発熱性反応によって発生する熱は、改質反応、水性ガスシフト反応、カソードでの燃焼反応（例えば、燃料化合物の酸化）および／または電池内での電気化学反応によるいずれかの熱に相当することができる。電気化学反応によって発生する熱は、燃料電池の実際の出力電圧を差し引いた、電解質全体での燃料電池反応の理想電気化学ポテンシャルに基づいて算出することができる。例えば、ＭＣＦＣの反応の理想電気化学ポテンシャルは、電池で生じる正味の反応に基づき、約１．０４Ｖであると考えられている。ＭＣＦＣの作動の間、電池は様々な損失のため、１．０４Ｖ未満のアウトプット電圧を典型的に有することができる。例えば、共通のアウトプット／作動電圧は、約０．７Ｖであることができる。発生する熱は、電池の電気化学ポテンシャル（すなわち、約１．０４Ｖ）から作動電圧を引いたものに等しくなることができる。例えば、電池において電気化学反応によって発生する熱は、燃料電池において約０．７Ｖのアウトプット電圧が達成される場合、約０．３４Ｖとなることができる。したがって、このシナリオで、電気化学反応は、約０．７Ｖの電気および約０．３４Ｖの熱エネルギーを生じる。そのような実施例において、約０．７Ｖの電気エネルギーは、ＱＥＸの一部として含まれない。言い換えると、熱エネルギーは電気エネルギーではない。
【００３６】
様々な態様において、熱比率は、燃料電池積層、燃料電池積層内の個々の燃料電池、集積化された改質段階を有する燃料電池積層、集積化された吸熱性反応段階を有する燃料電池積層、またはそれらの組み合わせなどのいずれの都合のよい燃料電池構造のためにでも決定することができる。熱比率は、燃料電池または燃料電池積層のアセンブリなどの燃料電池積層内で、異なるユニットに関して算出されてもよい。例えば、熱比率は、熱集積化の観点から、集積化される燃料電池に十分に近い、集積化された改質段階および／または集積化された吸熱性反応段階要素とともに燃料電池積層内の燃料電池（または複数の燃料電池）に関して算出されてもよい。
【００３７】
熱集積化の観点から、燃料電池積層の特徴的な幅は、個々の燃料電池積層要素の高さであることができる。なお、別々の改質段階および／または別々の吸熱性反応段階は、燃料電池とは異なる積層の高さを有することができるであろう。そのようなシナリオでは、燃料電池要素の高さは、特徴的な高さとして使用されることができる。本考察において、集積化された吸熱性反応段階は、集積化された吸熱性反応段階が改質のための熱供給源として燃料電池から熱を使用することができるように、１つ以上の燃料電池と熱集積化される段階として定義されることができる。そのような集積化された吸熱性反応段階は、集積化された段階に熱を提供する燃料電池からの積層要素の高さの１０倍未満の高さで配置されるものとして定義されることができる。例えば、集積化された吸熱性反応段階（例えば改質段階）は、熱集積されたいずれの燃料電池からの積層要素の高さの１０倍未満、または積層要素の高さの８倍未満、または積層要素の高さの５倍未満、または積層要素の高さの３倍未満の高さで配置されることができる。本考察において、燃料電池要素に隣接する積層要素を表す集積化された改質段階および／または集積化された吸熱性反応段階は、隣接する燃料電池要素から約１の積層要素高さ以下であるものとして定義する。
【００３８】
約１．３以下、または約１．１５以下、または約１．０以下、または約０．９５以下、または約０．９０以下、または約０．８５以下、または約０．８０以下、または約０．７５以下の熱比率は、ＭＣＦＣ燃料電池の使用において典型的に求められる熱比率より低くなることができる。本発明の態様において、熱比率は、吸熱性反応を経た合成ガス生成、水素生成、別の生成物の生成、またはそれらの組み合わせを増加および／または最適化するために、低下させることができる。
【００３９】
本発明の様々な態様において、燃料電池の作動は、熱比率に基づいて特徴づけることができる。燃料電池が所望の熱比率を有するように作動される場合、溶融炭酸塩形燃料電池は、約１．５以下、例えば約１．３以下、または約１．１５以下、または約１．０以下、または約０．９５以下、または約０．９０以下、または約０．８５以下、または約０．８０以下、または約０．７５以下の熱比率を有するように作動させることができる。追加的に、または代わりとして、熱比率が、少なくとも約０．２５、または少なくとも約０．３５、または少なくとも約０．４５、または少なくとも約０．５０であることができる。さらに追加的に、または代わりとして、いくつかの態様において、燃料電池は、約４０℃以下、例えば約２０℃以下または約１０℃以下のアノードインプットとアノードアウトプットとの間での温度上昇を有するように作動させることができる。なおさらに追加的に、または代わりとして、燃料電池は、アノードインレットの温度より約１０℃低温から約１０℃高温までのアノードアウトレット温度を有するように作動させることができる。なおさらに追加的に、または代わりとして、燃料電池は、アノードアウトレット温度より高い、例えば、少なくとも約５℃高いか、または少なくとも約１０℃高いか、または少なくとも約２０℃高いか、または少なくとも約２５℃高いアノードインレット温度を有するように作動させることができる。なおさらに追加的に、または代わりとして、燃料電池は、アノードアウトレット温度より約１００℃以下まで、または約８０℃以下まで、または約６０℃以下まで、または約５０℃以下まで、または約４０℃以下まで、または約３０℃以下まで、または約２０℃以下まで高いアノードインレット温度を有するように作動させることができる。
【００４０】
所望の熱比率を発生させるために、いくつかの操作パラメーターが処置されてもよい。いくつかのパラメーターは、現在燃料電池作動に推奨されるものと同様である。従来の作動とは異なる方法で処置されるパラメーターは、アノードに提供される燃料の量、アノードに提供される燃料の組成、カソードインレット流に含まれる燃料化合物の量、ならびに／あるいはアノードインプットへの有意なリサイクルのない、例えば、アノードアウトプットからのアノードインプットへの合成ガスまたは水素のリサイクルのない、アノードアウトプットの合成ガスの分離および捕捉を含むことができる。
【００４１】
水素および酸化炭素を形成するための炭化水素の改質は、吸熱性反応の一例である。改質は、アノード内および／または集積化された反応段階において実行可能な反応の一例でもある。本発明のいくつかの態様において、アノードへの燃料インプットの量は、従来の燃料電池作動の間に使用される改質可能燃料の量よりも多い改質可能燃料を含むことができる。そのような態様において、目標は、アノードおよび／またはアノードを含有する燃料電池アセンブリにおける関連する改質段階における改質によって、過剰量の合成ガスを発生させることであることができる。一態様において、アノード（あるいはそれらの関連する改質段階、または組み合わせ）に導入される改質可能燃料の量は、特定の燃料電池の物理的限定および他の選択された操作パラメーターを与える、燃料電池が可能である改質の量に基づいて選択されることができる。例えば、アノード触媒は、改質プロセスに寄付することができる。アノード触媒上の表面積の量は、生じることができる改質の量のための制約となり得る。同様に、改質の量はアノード内で利用可能な熱量およびアノード全体で生じるアノード温度変化によって制限されてもよい。
【００４２】
１未満の熱比率で燃料電池を作動することによって、燃料電池を通して温度低下を生じることができる。いくつかの態様において、改質および／または他の吸熱性反応の量は、アノードインレットからアノードアウトレットへの温度低下が、約１００の℃以下、例えば、約８０℃以下、または約６０℃以下、または約５０℃以下、または約４０℃以下、または約３０℃以下、または約２０℃以下であることができるように制限されてもよい。アノードインレットからアノードアウトレットへの温度低下を制限することは、例えば、アノードにおいて（改質によって）燃料の完全または実質的に完全な変換を可能にするために十分な温度を維持するために有利となることができる。他の態様において、吸熱性反応によって消費される熱、および燃料電池に供給される追加的な外部熱の釣合いによって、アノードインレット温度が、アノードアウトレット温度よりも、約１００℃以下、例えば、約８０℃以下、または約６０℃以下、または約５０℃以下、または約４０℃以下、または約３０℃以下、または約２０℃以下まで高くなるように、追加的な熱が（例えば、熱交換または追加的な燃料の燃焼によって）燃料電池に供給されることができる。
【００４３】
改質および／または他の吸熱性反応の量は、燃料電池の作動温度によって、追加的に、または代わりとして制限され得る。例えば、一般に、燃料の改質は、より高温で、より急速に生じることができる。加えて、より多くの熱が改質プロセスのために利用可能である場合、より多くの改質が生じることができる。上記のとおり、本発明の態様は、燃料電池温度の典型的な範囲内で作動されてよい。温度範囲は、本発明の態様に関連した考慮すべき問題と別の様々な理由のために選択されてもよい。例えば、カソードまたはアノードインレット流は、流れの供給源のため、高温まですでに加熱されていてもよい。そのようなカソードインレット流は、カソードにおけるカソードインレット流の燃料の燃焼に基づく追加的な熱の発生を可能にし得る。追加的に、または代わりとして、燃料電池電解質温度は、炭酸塩電解質が溶融状態のままであるように十分な温度で維持されることができる。いずれの温度が選択されるかによって、アノードで生じることができる改質の量は影響を受けることができ、したがって、アノードへの改質可能燃料インプットの量が調節される必要があり得る。
【００４４】
改質の量は、追加的に、または代わりとして、改質可能燃料の有効性次第であることができる。例えば、燃料がＨ２のみを含んでなる場合、Ｈ２はすでに改質されて、さらに改質可能ではないため、改質は生じないであろう。燃料電池によって「生成した合成ガス」の量は、アノードインプットにおける合成ガスのＬＶＨ値対アノードアウトプットにおける合成ガスのＬＶＨ値の差異として定義することができる。生成した合成ガスＬＨＶ（ｓｇ  ｎｅｔ）＝（ＬＨＶ（ｓｇ  ｏｕｔ）−ＬＨＶ（ｓｇ  ｉｎ））であり、ＬＨＶ（ｓｇ  ｉｎ）およびＬＨＶ（ｓｇ  ｏｕｔ）は、アノードインレットの合成ガスのＬＨＶおよびアノードアウトレット流またはフローの合成ガスのＬＨＶをそれぞれ指す。Ｈ２の実質的な量を含有する燃料が提供される燃料電池は、燃料が、追加的な改質可能燃料を含有することとは対照的に、すでに改質されたＨ２の実質的な量を含有するため、潜在的な合成ガス製造の量は制限されることができる。
【００４５】
上記の低下された熱比率で燃料電池を作動する方法の一例は、燃料電池における熱の発生および消費の釣合いをとるため、ならびに／または発生したよりも多くの熱を消費するために、燃料の過剰な改質が実行される方法であり得る。Ｈ２および／またはＣＯを形成するための改質可能燃料の改質は吸熱性プロセスであることができ、一方、アノード電気化学酸化反応およびカソード燃焼反応は発熱性であることができる。従来の燃料電池作動の間、燃料電池作動のための供給成分を供給するために必要とされる改質の量は、典型的に、アノード酸化反応によって発生する熱量より少ない熱を消費することができる。例えば、約７０％または約７５％の燃料利用における従来の作動は、１より実質的に大きい熱比率、例えば、少なくとも約１．４以上、または１．５以上の熱比率を生じる。その結果、燃料電池のためのアウトプット流は、インプット流より高温になることができる。この種類の従来の作動の代わりに、アノードと関連する改質段階において改質される燃料の量は、増加することができる。例えば、発熱性燃料電池反応によって発生する熱が、改質において消費される熱によって（おおよそ）釣合いをとられることができ、および／または発生するより多くの熱を消費するように、追加的な燃料を改質することができる。これは、電力発生のためにアノードで酸化される量と比較して、水素の実質的な過剰量をもたらすことができ、および約１．０以下、または約０．９５以下、または約０．９０以下、または約０．８５以下、または約０．８０以下、または約０．７５以下の熱比率をもたらすことができる。
【００４６】
本発明の態様において、熱比率は、燃料電池を通しての所望の温度減少に基づいて選択されてもよい。いくつかの燃料電池は、インレットとアウトレットとの間に存在する閾値温度差より大きい場合、損害を受けることができる物理的態様を有してもよい。温度減少は、熱伝達をバルク流（例えば、アノードインレット、アノードアウトレット、カソードインレットおよびカソードアウトレット）で測定することによって算出されてもよい。温度減少は、吸熱性反応において消費される総熱量、発熱性反応において放出される熱、燃料電池ハードウェアを通しての熱損失、およびバルク流以外の直接的に燃料電池に加えられるいずれかの熱の関数であり得る。燃料電池ハードウェアを通しての熱損失は、見積り値であり得る。
【００４７】
最大発電のための上記の作動条件とは対照的に、約１．３以下、例えば、約１．０以下、または約０．９５以下、または約０．９０以下、または約０．８５以下、または約０．８０以下、または約０．７５以下の熱比率で燃料電池を作動させることによって、追加的な合成ガスの生成が可能となる。これは、化学エネルギー発生の増加した量が、燃料電池アウトプットから任意に回収されることができることを意味する。約１．３以下の熱比率で作動させることによって発生する過剰量の水素は、例えば、アノードアウトプットフローから分離することができ、温室効果ガス排出がない燃料として使用することができる。あるいは、所望の合成ガス組成、例えば、Ｈ２対ＣＯの所望の比率を有する合成ガスとしての使用のため、アノードアウトプットに存在する水素およびＣＯの量の釣合いをとるために、水性ガスシフト反応を使用することができる。
【００４８】
水素または合成ガスのいずれも、化学エネルギーアウトプットとして、アノード排出物から回収することができる。水素は、燃やされるかまたは燃焼させたときに温室効果ガスを発生しないクリーンな燃料として使用することができる。その代わりに、炭化水素（または炭化水素化合物）の改質によって発生する水素のため、ＣＯ２はアノードループにおいて「捕捉される」。追加的に、水素は様々な精製装置プロセスおよび／または他の合成プロセスのための有用なインプットであることができる。合成ガスも、様々なプロセスのための有用なインプットであることができる。燃料値を有することに加えて、合成ガスは、例えば、フィッシャー−トロプシュ合成および／またはメタノール合成プロセスのためのインプットとして合成ガスを使用することによって、他のより高い値の生成物の生成のための原料として使用することができる。
【００４９】
追加的な燃料電池作動戦略
本明細書に記載される燃料電池作動戦略の追加、補足、および／または代替として、高いＣＯ２利用値、例えば、少なくとも約６０％を有しながらも、減少された燃料利用値、例えば、約５０％以下の燃料利用で、溶融炭酸塩形燃料電池（例えば、燃料電池アセンブリ）を作動させることができる。この種類の構成において、溶融炭酸塩形燃料電池は、ＣＯ２利用が都合よく十分に高いことが可能であるため、炭素捕捉のために有効であり得る。電気効率を最大にすることを試みるよりはむしろ、この種類の構成においては、燃料電池の全体の効率を、組み合わせられた電気および化学効率に基づいて改善することができるか、または増加させることができる。化学効率は、他のプロセスで使用されるためのアウトプットとしてのアノード排出物から水素および／または合成ガス流を引き抜くことに基づき得る。電気効率が、いくつかの従来の構成と比較して低下し得るとしても、アノード排出物における化学エネルギーアウトプットを利用することは、燃料電池に関して望ましい全体効率を可能にすることができる。
【００５０】
様々な態様において、燃料電池アノードにおける燃料利用は、約５０％以下、例えば、約４０％以下、または約３０％以下、または約２５％以下、または約２０％以下であることができる。様々な態様において、少なくともいくらかの電力を発生させるため、燃料電池における燃料利用は、少なくとも約５％、例えば、少なくとも約１０％、または少なくとも約１５％、または少なくとも約２０％、または少なくとも約２５％、または少なくとも約３０％であることができる。追加的に、または代わりに、ＣＯ２利用は、少なくとも約６０％、例えば、少なくとも約６５％、または少なくとも約７０％、または少なくとも約７５％であることができる。
【００５１】
いくつかの態様において、アノードおよび／またはアノードに関連する改質段階に送達されるインプット流中の改質可能燃料の改質可能水素含有量は、アノードにおいて反応する水素の正味の量より少なくとも約５０％多く、例えば、少なくとも約７５％多く、または少なくとも約１００％多くなることができる。追加的に、または代わりとして、アノードおよび／またはアノードに関連する改質段階に送達されるインプット流中の燃料の改質可能水素含有量は、アノードにおいて反応する水素の正味の量より少なくとも約５０％多く、例えば、少なくとも約７５％多く、または少なくとも約１００％多くなることができる。様々な態様において、燃料流中の改質可能燃料の改質可能水素含有量対、アノードにおいて反応する水素の量の比率は、少なくとも約１．５：１、または少なくとも約２．０：１、または少なくとも約２．５：１、または少なくとも約３．０：１であることができる。追加的に、または代わりとして、燃料流中の改質可能燃料の改質可能水素含有量対アノードにおいて反応する水素の量の比率は、約２０：１以下、例えば、約１５：１以下、または約１０：１以下であることができる。一態様において、アノードインレット流の改質可能水素含有量の１００％未満を水素に変換することができると考えられる。例えば、アノードインレット流の改質可能水素含有量の少なくとも約８０％、例えば、少なくとも約８５％、または少なくとも約９０％を、アノードおよび／または関連する改質段階で水素に変換することができる。追加的に、または代わりとして、アノードに送達される改質可能燃料の量は、アノードで酸化された水素のＬＨＶと比較して、改質可能燃料の低位発熱量（ＬＨＶ）に基づいて特徴づけることができる。これを、改質可能燃料過剰比率と呼ぶことができる。様々な態様において、改質可能燃料過剰比率は、少なくとも約２．０、例えば、少なくとも約２．５、または少なくとも約３．０、または少なくとも約４．０であることができる。追加的に、または代わりとして、改質可能燃料過剰比率は、約２５．０以下、例えば、約２０．０以下、または約１５．０以下、または約１０．０以下であることができる。
【００５２】
本明細書に記載される燃料電池作動戦略の追加、補足、および／または代替として、燃料電池の組み合わせられた電気効率および化学効率を改善することができるか、または最適化することができる条件でも溶融炭酸塩形燃料電池（例えば、燃料電池アセンブリ）を作動させることができる。燃料電池の電気効率を最大にするための従来の条件を選択する代わりに、作動条件は、燃料電池のアノード排出物における過剰量の合成ガスおよび／または水素のアウトプットを可能にすることができる。合成ガスおよび／または水素は、したがって、化学合成プロセスおよび「クリーン」燃料として使用するための水素の回収を含む様々な用途で使用することができる。本発明の態様において、燃料電池のための燃料インプットのエネルギー値と比較して、生成される合成ガスおよび／または水素の化学エネルギー値に基づく化学効率を含む高い全体効率を達成するために、電気効率を低下させることができる。
【００５３】
いくつかの態様において、燃料電池の作動は、電気効率に基づいて特徴づけることができる。燃料電池を低い電気効率（ＥＥ）を有するように作動させる場合、溶融炭酸塩形燃料電池を、約４０％以下の電気効率、例えば、約３５％以下のＥＥ、約３０％以下のＥＥ、約２５％以下のＥＥ、または約２０％以下のＥＥ、約１５％以下のＥＥ、または約１０％以下のＥＥを有するように作動させることができる。追加的に、または代わりとして、ＥＥは、少なくとも約５％、または少なくとも約１０％、または少なくとも約１５％、または少なくとも約２０％であることができる。さらに追加的に、または代わりとして、燃料電池の作動は、燃料電池の組み合わせられた電気効率および化学効率などの全燃料電池効率（ＴＦＣＥ）に基づいて特徴づけることができる。燃料電池を高い全燃料電池効率を有するように作動させる場合、溶融炭酸塩形燃料電池は、約５５％以上、例えば、約６０％以上、または約６５％以上、または約７０％以上、または約７５％以上、または約８０％以上、または約８５％以上のＴＦＣＥ（および／または組み合わせられた電気効率および化学効率）を有するように作動させることができる。なお、全体燃料電池効率ならびに／または組み合わせられた電気効率および化学効率に関して、燃料電池によって発生する過剰量の熱の使用から発生するいずれの追加的な電気も効率計算から排除することができる。
【００５４】
本発明の様々な態様において、燃料電池の作動は、約４０％以下の所望の電気効率および約５５％以上の所望の全体燃料電池効率に基づいて特徴づけることができる。燃料電池が、所望の電気効率および所望の全体燃料電池効率を有するように作動される場合、溶融炭酸塩形燃料電池は、約５５％以上のＴＦＣＥとともに約４０％以下の電気効率、例えば、６０％以上のＴＦＣＥとともに約３５％以下のＥＥ、約６５％以上のＴＦＣＥとともに約３０％以下のＥＥ、約７０％以上のＴＦＣＥとともに約２５％以下のＥＥ、あるいは７５％以上のＴＦＣＥとともに約２０％以下のＥＥ、８０％以上のＴＦＣＥとともに約１５％以下のＥＥ、あるいは約８５％以上のＴＦＣＥとともに約１０％以下のＥＥを有するように作動されることができる。
【００５５】
定義
合成ガス：本記載において、合成ガスは、いずれかの比率でのＨ２とＣＯとの混合物として定義される。任意に、Ｈ２Ｏおよび／またはＣＯ２が合成ガスに存在してもよい。任意に、不活性化合物（例えば、窒素）および残留する改質可能燃料化合物が合成ガスに存在してもよい。Ｈ２およびＣＯ以外の成分が合成ガスに存在する場合、合成ガス中のＨ２およびＣＯの組み合わせられた体積パーセントは、合成ガスの全体積と比較して、少なくとも２５体積％、例えば、少なくとも４０体積％、または少なくとも５０体積％、または少なくとも６０体積％であることができる。追加的に、または代わりとして、合成ガス中のＨ２およびＣＯの組み合わせられた体積パーセントは、１００体積％以下、例えば、９５体積％以下、または９０体積％以下であることができる。
【００５６】
改質可能燃料：改質可能燃料は、Ｈ２を発生させるために改質可能炭素−水素結合を含有する燃料として定義される。アルコールなどの他の炭化水素化合物のように、炭化水素は改質可能燃料の例である。ＣＯおよびＨ２Ｏは、水素を形成するための水性ガスシフト反応に関与し得るが、ＣＯはこの定義での改質可能燃料とは考えられない。
【００５７】
改質可能水素含有量：燃料の改質可能水素含有量は、燃料を改質して、次いで、Ｈ２生成を最大にするために水性ガスシフト反応を完了させることによって、燃料から誘導することができるＨ２分子の数として定義される。なお、本明細書においては、Ｈ２自体は改質可能燃料として定義されないが、定義によるＨ２は１の改質可能水素含有量を有する。同様に、ＣＯは１の改質可能水素含有量を有する。ＣＯは厳密には改質可能ではないが、水性ガスシフト反応を完了させることによって、Ｈ２に対するＣＯの交換がもたらされる。改質可能燃料に関する改質可能水素含有量の例として、メタンの改質可能水素含有量は４Ｈ２分子であり、エタンの改質可能水素含有量は７Ｈ２分子である。より一般に、燃料が組成ＣｘＨｙＯｚを有する場合、１００％の改質および水性ガスシフトにおける燃料の改質可能水素含有量は、ｎ（Ｈ２最大改質）＝２ｘ＋ｙ／２−ｚである。この定義に基づいて、電池内の燃料利用は、次いで、ｎ（Ｈ２ｏｘ）／ｎ（Ｈ２最大改質）として表すことができる。当然ながら、成分の混合物の改質可能水素含有量は、個々の成分の改質可能水素含有量に基づいて決定することができる。酸素、硫黄または窒素などの他のヘテロ原子を含有する化合物の改質可能水素含有量も同様の方法で算出することができる。
【００５８】
酸化反応：本考察において、燃料電池のアノード内の酸化反応は、ＣＯ３２−との反応によってＨ２ＯおよびＣＯ２を形成する、Ｈ２の酸化に相当する反応として定義される。なお、炭素−水素結合を含有する化合物が、Ｈ２およびＣＯまたはＣＯ２へと変換されるアノード内での改質反応は、アノードにおける酸化反応のこの定義から排除される。水性ガスシフト反応は、酸化反応のこの定義の他は同様である。さらになお、燃焼反応への参照は、燃焼発電機の燃焼領域などの非電気化学的バーナーにおいて、Ｈ２または炭素−水素結合を含有する化合物がＯ２と反応して、Ｈ２Ｏおよび酸化炭素を形成する反応への参照として定義される。
【００５９】
本発明の態様は、燃料電池のための所望の作動範囲を達成するために、アノード燃料パラメーターを調節することができる。アノード燃料パラメーターは、直接、および／または１つ以上の比率の形態で他の燃料電池プロセスに関して、特徴づけることができる。例えば、アノード燃料パラメーターは、燃料利用、燃料電池発熱量利用、燃料過剰比率、改質可能燃料過剰比率、改質可能水素含有量燃料比率、およびそれらの組み合わせを含む１つ以上の比率を達成するために、制御することができる。
【００６０】
燃料利用：燃料利用は、燃料電池に関する燃料利用を定義するために使用することができるインプット流の改質可能水素含有量と比較して、酸化された燃料の量に基づくアノードの作動を特徴づけるための選択肢である。本考察において、「燃料利用」は、（上記の通り）電気の発生のためにアノードで酸化された水素の量と、アノードインプットの改質可能水素含有量（いずれかの関連する改質段階も含む）との比率として定義される。改質可能水素含有量は、上記の定義の通り、燃料を改質して、次いで、Ｈ２生成を最大にするために水性ガスシフト反応を完了させることによって、燃料から誘導することができるＨ２分子の数として定義される。例えば、アノードに導入され、かつ蒸気改質条件に暴露されるそれぞれのメタンによって、最大生成で４Ｈ２分子当量の発生をもたらされる（改質および／またはアノード条件次第で、改質生成物は、その代わりにＨ２分子の１つ以上がＣＯ分子の形態で存在する非水性ガスシフト生成物に相当することが可能である）。したがって、メタンは、４Ｈ２分子の改質可能水素含有量を有するものとして定義される。他の例として、この定義において、エタンは７Ｈ２分子の改質可能水素含有量を有する。
【００６１】
アノードにおける燃料の利用は、アノードおよび／またはアノードと関連する改質段階まで送達される全ての燃料の低位発熱量と比較して、燃料電池アノード反応によってアノードで酸化された水素の低位発熱量の比率に基づく発熱量利用を定義することによっても特徴づけることができる。本明細書において使用される場合、「燃料電池発熱量利用」は、燃料電池アノードに出入りする燃料成分のフローレートおよび低位発熱量（ＬＨＶ）を使用して計算することができる。そのようなものとして、（ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）−ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｏｕｔ））／ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）として燃料電池発熱量利用を計算することができる。式中、ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）およびＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｏｕｔ）は、それぞれ、アノードインレットおよびアウトレット流またはフローにおける燃料成分（例えば、Ｈ２、ＣＨ４および／またはＣＯ）のＬＨＶを指す。この定義において、流れまたはフローのＬＨＶは、インプットおよび／またはアウトプット流の各燃料成分の値の合計として計算されてもよい。合計に対する各燃料成分の寄与は、燃料成分のＬＨＶ（例えば、ジュール／モル）を乗算した燃料成分のフローレート（例えば、モル／時間）に相当することができる。
【００６２】
低位発熱量：低位発熱量は、気相の完全に酸化された生成物（例えば、気相のＣＯ２およびＨ２Ｏ生成物）への燃料成分の燃焼のエンタルピーとして定義される。例えば、アノードインプット流に存在するいずれのＣＯ２も、ＣＯ２はすでに完全に酸化されるため、アノードインプットの燃料含有量に寄与しない。この定義に関して、アノード燃料電池反応によってアノードにおいて生じる酸化の量は、上記で定義されるように、アノードの電気化学的反応の一部としてのアノードにおけるＨ２の酸化として定義される。
【００６３】
なお、アノードインプットフローにおける唯一の燃料がＨ２である特別な場合に関して、アノードにおいて生じることができる燃料成分が関与する唯一の反応は、Ｈ２からＨ２Ｏへの変換を表す。このような特別な場合、燃料利用は、（Ｈ２−レート−イン（ｒａｔｅ−ｉｎ）−Ｈ２−レート−アウト（ｒａｔｅ−ｏｕｔ））／Ｈ２−レート−インとして単純化される。そのような場合、Ｈ２は唯一の燃料成分であり、およびＨ２のＬＨＶは方程式から相殺される。より一般的な場合では、アノード供給は、例えば、様々な量でＣＨ４、Ｈ２およびＣＯを含有してもよい。これらの種がアノードアウトレットにおいて異なる量で典型的に存在することができるため、要約は上記の通り、燃料利用を決定するために必要である。
【００６４】
燃料利用の他に、または加えて、燃料電池内の他の反応物の利用を特徴づけることができる。例えば、燃料電池の作動は、追加的に、または代わりとして、「ＣＯ２利用」および／または「酸化剤」利用に関して特徴づけることができる。ＣＯ２利用および／または酸化剤利用のための値は、同様の方法で明示することができる。
【００６５】
燃料過剰比率：溶融炭酸塩形燃料電池における反応を特徴づけるさらに別の方法は、燃料電池アノード反応によってアノードにおいて酸化された水素の低位発熱量と比較して、アノードおよび／またはアノードと関連する改質段階まで送達される全ての燃料の低位発熱量の比率に基づく利用を定義することによる。この量は、燃料過剰比率と呼ばれる。そのようなものとして、燃料過剰比率を、（ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）／（ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）−ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｏｕｔ））として計算することができる。式中、ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）およびＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｏｕｔ）は、それぞれ、アノードインレットおよびアウトレット流またはフローにおける燃料成分（例えば、Ｈ２、ＣＨ４および／またはＣＯ）のＬＨＶを指す。本発明の様々な態様において、溶融炭酸塩形燃料電池を、少なくとも約１．０、例えば少なくとも約１．５、または少なくとも約２．０、または少なくとも約２．５、または少なくとも約３．０、または少なくとも約４．０の燃料過剰比率を有するように作動させることができる。追加的に、または代わりとして、燃料過剰比率は、約２５．０以下であることができる。
【００６６】
なお、アノードのためのインプット流の改質可能燃料の全てが改質され得るというわけではない。好ましくは、アノード（および／または関連する改質段階）へのインプット流の改質可能燃料の少なくとも約９０％、例えば、少なくとも約９５％、または少なくとも約９８％がアノードを出る前に改質可能である。いくつかの別の態様において、改質される改質可能燃料の量は、約７５％〜約９０％、例えば、少なくとも約８０％であることができる。
【００６７】
燃料過剰比率に関する上記の定義は、電力の発生のために燃料電池アノードにおいて消費される燃料の量と比較して、アノードおよび／または燃料電池と関連する改質段階の範囲内で生じる改質の量を特徴づける方法を提供する。
【００６８】
任意に、燃料過剰比率は、燃料がアノードアウトプットからアノードインプットまでリサイクルされる状態を占めるように変更することができる。燃料（例えば、Ｈ２、ＣＯおよび／または未改質もしくは部分的に改質された炭化水素）がアノードアウトプットからアノードインプットまでリサイクルされる場合、そのようなリサイクルされた燃料成分は、他の目的のために使用することができる改質可能または改質された燃料の過剰量を表さない。その代わりに、そのようなリサイクルされた燃料成分は、燃料電池での燃料利用を低下させることの要望を単に示すのみである。
【００６９】
改質可能燃料過剰比率：改質可能燃料過剰比率を算出することは、そのようなリサイクルされた燃料成分が、改質可能燃料のＬＨＶのみがアノードへのインプット流に含まれるように過剰燃料の定義を限定することを示す１つの選択肢である。本明細書で使用される場合、「改質可能燃料過剰比率」は、燃料電池アノード反応によってアノードにおいて酸化された水素の低位発熱量と比較して、アノードと関連するアノードおよび／またはアノードと関連する改質段階まで送達される改質可能燃料の低位発熱量として定義される。改質可能燃料過剰比率のための定義において、アノードインプットのいずれのＨ２またはＣＯのＬＨＶも排除される。改質可能燃料のそのようなＬＨＶは、燃料電池アノードに入る実際の組成物を特徴づけることによって、なお測定することができ、リサイクルされた成分と新たな成分との間での区別は必要とされない。いくつかの未改質または部分的に改質された燃料もリサイクルされてもよいが、ほとんどの態様において、アノードにリサイクルされる大部分の燃料は改質された生成物（例えば、Ｈ２またはＣＯ）に相当することができる。数学的に表すと、改質可能燃料過剰比率（ＲＲＦＳ）＝ＬＨＶＲＦ／ＬＨＶＯＨであり、式中、ＬＨＶＲＦは、改質可能燃料の低位発熱量（ＬＨＶ）であり、およびＬＨＶＯＨは、アノードで酸化される水素の低位発熱量（ＬＨＶ）である。アノードで酸化される水素のＬＨＶは、アノードインレット流のＬＨＶからアノードアウトレット流のＬＨＶを差し引くことによって算出されてもよい（例えば、ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）−ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｏｕｔ））。本発明の様々な態様において、溶融炭酸塩形燃料電池は、少なくとも約０．２５、例えば、少なくとも約０．５、または少なくとも約１．０、または少なくとも約１．５、または少なくとも約２．０、または少なくとも約２．５、または少なくとも約３．０、または少なくとも約４．０の改質可能燃料過剰比率を有するように作動させることができる。追加的に、または代わりとして、改質可能燃料過剰比率は約２５．０以下であることができる。なお、アノードにおける酸化の量と比較してのアノードに送達される改質可能燃料の量に基づくこのようなより狭い定義によって、低燃料利用を有する燃料電池作動方法の２つの種類を識別することができる。いくつかの燃料電池は、アノードアウトプットからアノードインプットへの実質的な部分をリサイクルすることによって、低燃料利用を達成する。このリサイクルによって、アノードインプットにおけるいずれかの水素を、アノードにインプットとして再び使用することが可能である。これによって改質の量を低下させることができ、燃料利用が燃料電池の単回通過に関して低い場合でさえも、その後の通過において、未使用の燃料の少なくとも一部分はリサイクルされる。したがって、広範囲の種々の燃料利用値を有する燃料電池は、アノード改質段階に送達される改質可能燃料対アノード反応において酸化される水素の同一比率を有してもよい。アノードにおける酸化の量に関するアノード改質段階に送達される改質可能燃料の比率を変化させるため、非改質可能燃料の本来の含有量を有するアノード供給が識別される必要があるか、またはアノードアウトプットにおける未使用の燃料が、他の用途のために回収される必要があるか、あるいは両方である。
【００７０】
改質可能水素過剰比率：燃料電池の作動を特徴づけるためのさらにもう１つの選択肢は、「改質可能水素過剰比率」に基づく。上記で定義される改質可能燃料過剰比率は、改質可能燃料成分の低位発熱量に基づいて定義される。改質可能水素過剰比率は、燃料電池アノード反応によってアノードで反応する水素と比較した、アノードおよび／またはアノードと関連する改質段階に送達される改質可能燃料の改質可能水素含有量として定義される。そのようなものとして、「改質可能水素過剰比率」は、（ＲＦＣ（ｒｅｆｏｒｍａｂｌｅ＿ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）／（ＲＦＣ（ｒｅｆｏｒｍａｂｌｅ＿ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）−ＲＦＣ（ａｎｏｄｅ＿ｏｕｔ））として計算することができ、式中、（ＲＦＣ（ｒｅｆｏｒｍａｂｌｅ＿ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）は、アノードインレット流またはフローの改質可能燃料の改質可能水素含有量を指し、ＲＦＣ（ａｎｏｄｅ＿ｏｕｔ）は、アノードインレットおよびアウトレット流またはフローの燃料成分（例えば、Ｈ２、ＣＨ４および／またはＣＯ）の改質可能水素含有量を指す。ＲＦＣは、モル／秒、モル／時間などで表すことができる。アノード改質段階に送達される改質可能燃料対アノードの酸化の量の大きい比率を有する燃料電池を作動させる方法の例は、燃料電池における熱の発生および消費を釣り合わせるために、過剰の改質が実行される方法であることができる。Ｈ２およびＣＯを形成するために改質可能燃料を改質することは、吸熱性プロセスである。この吸熱性反応は、燃料電池における電流の発生によって対抗することができ、これは、アノード酸化反応および炭酸塩形成反応によって発生する熱量と流の形態で燃料電池を出るエネルギーとの差異に（おおよそ）相当する過剰量の熱を生じることもできる。アノード酸化反応／炭酸塩形成反応に関与する水素のモルあたりの過剰量の熱は、改質によって水素のモルを発生されるために吸収した熱よりも大きくなることが可能である。その結果、従来条件で作動される燃料電池は、インレットからアウトレットまでの温度増加を示すことができる。この種類の従来の作動の代わりに、アノードと関連する改質段階において改質される燃料の量を増加させることができる。例えば、発熱性燃料電池反応によって発生する熱が、改質において消費される熱によって（おおよそ）釣り合うことができるように、あるいは改質によって消費される熱が、燃料酸化によって発生する過剰量の熱より大きくなることができ、燃料電池全体での温度低下がもたらされるように、追加的な燃料を改質することができる。これによって、電力発生のために必要とされる量と比較して、水素の実質的な過剰をもたらすことができる。一例として、燃料電池のアノードインレットまたは関連する改質段階への供給は、実質的に純粋なメタン供給などの改質可能燃料から実質的に構成されることができる。そのような燃料を使用する発電のための従来の作動の間、溶融炭酸塩形燃料電池は約７５％の燃料利用で作動することができる。これは、次いで、アノードにおいて、炭酸塩イオンと反応して、Ｈ２ＯおよびＣＯ２を形成する水素を形成するために、アノードに送達される燃料含有量の約７５％（または３／４）が使用されることを意味する。従来の作動において、燃料含有量の残りの約２５％は、燃料電池でＨ２に改質されることができ（または、燃料のいずれのＣＯまたはＨ２に関して未反応の燃料電池を通過することができ）、次いで、燃料電池の外側で燃焼され、Ｈ２ＯおよびＣＯ２を形成し、燃料電池へとカソードインレットのための熱を提供する。この状態における改質可能水素過剰比率は、４／（４−１）＝４／３であることができる。
【００７１】
電気効率：本明細書で使用される場合、「電気効率」（「ＥＥ」）という用語は、燃料電池への燃料インプットの低位発熱量（「ＬＨＶ」）の率で割られる、燃料電池で生じる電気化学的動力として定義される。燃料電池への燃料インプットには、アノードに送達される燃料、カソードに送達される燃料、および燃料電池の温度を維持するために使用されるいずれの燃料、例えば、燃料電池と関連するバーナーに送達される燃料が含まれる。本記載において、燃料によって生じる動力は、ＬＨＶ（ｅｌ）燃料率に関して記載されてもよい。
【００７２】
電気化学的動力：本明細書で使用される場合、「電気化学的動力」またはＬＨＶ（ｅｌ）という用語は、燃料電池でカソードをアノードに連結する回路および燃料電池の電解質を通る炭酸塩イオンの移動によって発生する動力である。電気化学的動力は、燃料電池から生じるか、上流または下流装置で消費される動力を排除する。例えば、燃料電池廃棄物流における熱から生じる電気は、電気化学的動力の一部分として考えられない。同様に、燃料電池の上流のガスタービンまたは他の装置で発生する動力は、発生する電気化学的動力の一部分でない。「電気化学的動力」は、燃料電池の作動の間に消費される電力、または直流から交流への変換によって生じるいずれの損失も考慮しない。言い換えると、燃料電池作動を供給するため、または他に燃料電池を作動するために使用される電力は、燃料電池によって生じる直流動力から差し引かれない。本明細書で使用される場合、電力密度は電圧を乗算した電流密度である。本明細書で使用される場合、全燃料電池動力は、燃料電池面積を乗算した電力密度である。
【００７３】
燃料インプット：本明細書で使用される場合、ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）として示される「アノード燃料インプット」という用語は、アノードインレット流の中の燃料の量である。ＬＨＶ（ｉｎ）として示される「燃料インプット」という用語は、ａ）アノードインレット流内の燃料の量、ｂ）カソードインレット流内の燃料の量、およびｃ）燃料電池の温度を維持するために使用される燃料の量を含む燃料電池に送達される燃料の全体の量である。燃料は、本明細書に提供される改質可能燃料の定義に基づいて、改質可能および非改質可能燃料を含んでもよい。燃料インプットは、燃料利用と同一ではない。
【００７４】
全燃料電池効率：本明細書で使用される場合、「全燃料電池効率」（「ＴＦＣＥ」）という用語は、燃料電池によって発生する電気化学的動力に、燃料電池によって生じる合成ガスのＬＨＶの率を足したものを、アノードへの燃料インプットのＬＨＶの率で割ったものとして定義される。言い換えると、ＴＦＣＥ＝（ＬＨＶ（ｅｌ）＋ＬＨＶ（ｓｇ  ｎｅｔ））／ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）であり、式中、ＬＨＶ（ａｎｏｄｅ＿ｉｎ）は、燃料成分（例えばＨ２、ＣＨ４および／またはＣＯ）がアノードに送達される時のＬＨＶを指し、かつＬＨＶ（ｓｇ  ｎｅｔ）は、合成ガス（Ｈ２、ＣＯ）がアノードで生じる率を指し、これは、アノードへの合成ガスインプットとアノードからの合成ガスアウトプットとの間の差異である。ＬＨＶ（ｅｌ）は、燃料電池の電気化学的発電を記載する。全燃料電池効率は、燃料電池の外側で有利に使用される、燃料電池によって発生する熱を排除する。作動において、燃料電池によって発生する熱は、下流の装置において有利に使用されてもよい。例えば、熱は追加的な電気を発生させるか、または水を加熱するために使用されてもよい。これらの用途は、それらが燃料電池と離れて生じる場合、本出願で使用される用語のような全燃料電池効率の一部分でない。全燃料電池効率は、燃料電池作動のみに関し、動力発生または、上流もしくは下流での燃料電池の消費を含まない。
【００７５】
化学効率：本明細書で使用される場合、「化学効率」という用語は、燃料インプットまたはＬＨＶ（ｉｎ）で割られる、燃料電池のアノード排出物におけるＨ２およびＣＯの低位発熱量、またはＬＨＶ（ｓｇ  ｏｕｔ）として定義される。
【００７６】
電気効率も全システム効率も、上流または下流のプロセスの効率を考慮に入れない。例えば、燃料電池カソードのためのＣＯ２の供給源としてタービン排出物を使用することは有利であり得る。この配置では、タービンの効率は、電気効率または全燃料電池効率の計算の一部分として考慮されない。同様に、燃料電池からのアウトプットは、燃料電池へのインプットとしてリサイクルされてもよい。単回通過モードで電気効率または全燃料電池効率を算出する場合、リサイクルループは考慮されない。
【００７７】
蒸気対炭素比率（Ｓ／Ｃ）：本明細書で使用される場合、蒸気対炭素比率（Ｓ／Ｃ）は、フロー中の蒸気対フロー中の改質可能炭素モル比である。ＣＯおよびＣＯ２の形の炭素は、この定義における改質可能炭素として含まれない。蒸気対炭素比率は、システムの異なる点で測定および／または制御することができる。例えば、アノードインレット流の組成は、アノードにおいて改質するために適切なＳ／Ｃを達成するように修正することができる。Ｓ／Ｃは、燃料、例えば、メタン中の炭素原子の数を乗算した燃料のモルフローレートの積で割られる、Ｈ２Ｏのモルフローレートとして与えられることができる。したがって、Ｓ／Ｃ＝ｆＨ２Ｏ／（ｆＣＨ４×＃Ｃ）であり、式中、ｆＨ２Ｏは水のモルフローレートであり、ｆＣＨ４は、メタン（または他の燃料）のモルフローレートであり、かつ＃Ｃは燃料中の炭素の数である。
【００７８】
燃料電池および燃料電池構成要素：本考察において、燃料電池は、電解質によって分離されるアノードおよびカソードを有する単電池に相当することができる。アノードおよびカソードは、電解質全体で電荷を輸送して、電気を発生させるために、それぞれのアノードおよびカソード反応を促進するためのインプットガスフローを受け取ることができる。燃料電池積層は、集積化されたユニットで複数の電池を表すことができる。燃料電池積層は複数の燃料電池を含むことができるが、燃料電池は典型的に並列に連結されることができ、かつ、それらが集合的により大きい径の単一燃料電池を表すように（ほぼ）機能することができる。インプットフローが燃料電池積層のアノードまたはカソードに送達される場合、燃料積層は、積層中のそれぞれの電池間のインプットフローを割るためのフローチャネルおよび個々の電池からアウトプットフローを組み合わせるためのフローチャネルを含むことができる。この考察において、燃料電池アレイは、直列、並列、または他のいずれかの都合のよい方法（例えば、直列および並列の組み合わせで）で配置される複数の燃料電池（例えば、複数の燃料電池積層）を指すために使用することができる。燃料電池アレイは、第１の段階からのアノード／カソードアウトプットは、第２の段階のためのアノード／カソードインプットとして役立ち得る、燃料電池および／または燃料電池積層の１つ以上の段階を含むことができる。なお、燃料電池アレイのアノードは、アレイのカソードと同一の方法で連結されなくてもよい。便宜のために、燃料電池アレイの第１のアノード段階へのインプットは、アレイのためのアノードインプットと呼ばれてもよく、および燃料電池アレイの第１のカソード段階へのインプットは、アレイへのカソードインプットと呼ばれてもよい。同様に、最終アノード／カソード段階からのアウトプットは、アレイからのアノード／カソードアウトプットと呼ばれてもよい。
【００７９】
本明細書における燃料電池の使用の言及は、典型的に、個々の燃料電池から構成される「燃料電池積層」を示し、およびより一般に、流体連絡における１つ以上の燃料電池積層の使用を指すことは理解されるべきである。個々の燃料電池要素（プレート）は、「燃料電池積層」と呼ばれる長方形アレイで一緒に典型的に「積層」されることができる。この燃料電池積層は、典型的に、全ての個々の燃料電池の間で流れを供給することができ、かつ反応物を分配することができ、次いで、これらの要素のそれぞれから生成物を収集することができる。ユニットとして見ると、作動中の燃料電池積層は、多くの（しばしば、何十または何百）の個々の燃料電池要素から構成されるとしても、一体としてみなすことができる。これらの個々の燃料電池要素は、同様の電圧（反応物および生成物濃度が同様）を典型的に有することができ、および全動力アウトプットは、要素が直列に電気的に連結される場合、電池要素の全部の電流の合計から生じることができる。積層は、高電圧を生じるために、直列で配置されることもできる。並列の配列は、電流を高めることができる。十分に大きい体積燃料電池積層が所与の排出物フローを処理するために利用可能であれば、本明細書に記載されるシステムおよび方法は単一の溶融炭酸塩形燃料電池積層で使用することができる。本発明の他の態様において、様々な理由のために、複数の燃料電池積層は望ましくあり得るか、または必要とされ得る。
【００８０】
本発明の目的のために、他に明記しない限り、「燃料電池」という用語は、燃料電池が実際に典型的に利用される方法として単一のインプットおよびアウトプットがある、１つ以上の個々の燃料電池要素から構成される燃料電池積層を指すものとしても理解されるべきであり、および／またはそれを参照することを含むものとして定義される。同様に、燃料電池（複数）という用語は、特に明記しない限り、複数の個々の燃料電池積層を指すものとしても理解されるべきであり、および／またはそれを含むものとして定義される。言い換えると、本明細書の範囲内の全ての参照は、具体的に示されない限り、「燃料電池」としての燃料電池積層の作動に交換可能に適用することができる。例えば、商業的なスケールの燃焼発電機で発生する排出物の体積は、従来の径の燃料電池（例えば、単一積層）による処理に関してあまりに大きくなり得る。完全に排出物を処理するために、それぞれの燃料電池が燃焼排出物の（ほぼ）同等の部分を処理することができるように、複数の燃料電池（すなわち、２つ以上の個々の燃料電池または燃料電池積層）を並列に配置することができる。複数の燃料電池を使用することができるが、燃料電池は典型的に、一般に同様の方法で、燃焼排出物の所与のその（ほぼ）同等の部分で作動されることができる。
【００８１】
「内部改質」および「外部改質」：燃料電池または燃料電池積層は、１つ以上の内部改質部分を含んでもよい。本明細書で使用される場合、「内部改質」という用語は、燃料電池（燃料電池積層）の本体の範囲内で、または、その他の場合で燃料電池アセンブリ内で生じる燃料改質を指す。外部改質は、燃料電池とともにしばしば使用されるが、燃料電池積層の外側に位置する装置の個々において生じる。言い換えると、外部改質装置の本体は、燃料電池または燃料電池積層の本体との直接的な物理的接触がない。典型的な準備において、外部改質装置からのアウトプットを、燃料電池のアノードインレットに供給することができる。特に具体的に明記されない限り、本出願で記載される改質は内部改質である。
【００８２】
内部改質は、燃料電池アノード内で生じてもよい。内部改質は、燃料電池アセンブリ内で集積化される内部改質要素内で、追加的に、または代わりとして生じることができる。集積化された改質要素は、燃料電池積層内の燃料電池要素の間に位置してもよい。言い換えると、積層のトレイの１つは、燃料電池要素の代わりに改質部分であることができる。一態様において、燃料電池積層内のフロー配列は、内部改質要素に、次いで、燃料電池のアノード部分に燃料を向ける。したがって、フローの観点から、内部改質要素および燃料電池要素は、燃料電池積層内で直列に配置されることができる。本明細書で使用される場合、「アノード改質」は、アノード内で生じる燃料改質である。本明細書で使用される場合、「内部改質」という用語は、アノード部分ではなく、集積化された改質要素内で生じる改質である。
【００８３】
いくつかの態様において、燃料電池アセンブリに対して内部である改質段階は、燃料電池アセンブリのアノードと関連するものとして考慮することができる。いくつかの別の態様において、アノードと関連する（例えば複数のアノードと関連する）ことができる燃料電池積層の改質段階に関して、改質段階からのアウトプットフローが少なくとも１つのアノードに通過されるように、フローパスは利用可能でありえる。これは、電解質と接触していない燃料電池プレートの初期部分を有することに相当することができ、代わりに改質触媒として役立ち得る。関連する改質段階の別の選択肢は、燃料電池積層の要素の１つとして、集積化された改質段階からのアウトプットを燃料電池積層の燃料電池の１つ以上のインプットサイドに戻すことができる、別々の集積化された改質段階を有することであり得る。
【００８４】
熱集積化の観点から、燃料電池積層の特徴的な高さは、個々の燃料電池積層要素の高さであることができる。なお、別々の改質段階および／または別々の吸熱性反応段階は、燃料電池とは異なる積層の高さを有することができるであろう。そのようなシナリオでは、燃料電池要素の高さは、特徴的な高さとして使用されることができる。いくつかの態様において、集積化された吸熱性反応段階は、集積化された吸熱性反応段階が吸熱性反応のための熱供給源として燃料電池から熱を使用することができるように、１つ以上の燃料電池と熱集積化される段階として定義されることができる。そのような集積化された吸熱性反応段階は、集積化された段階に熱を提供するいずれの燃料電池からの積層要素の高さの１０倍未満の高さで配置されるものとして定義されることができる。例えば、集積化された吸熱性反応段階（例えば改質段階）は、熱集積されたいずれの燃料電池からの積層要素の高さの１０倍未満、または積層要素の高さの８倍未満、または積層要素の高さの５倍未満、または積層要素の高さの３倍未満の高さで配置されることができる。本考察において、燃料電池要素に隣接する積層要素を表す集積化された改質段階および／または集積化された吸熱性反応段階は、隣接する燃料電池要素から約１の積層要素高さ以下であるものとして定義することができる。
【００８５】
いくつかの態様において、燃料電池要素と熱集積化される別々の改質段階は、燃料電池要素と関連する改質段階に相当することができる。そのような態様において、集積化された燃料電池要素は、熱の少なくとも一部分を関連する改質段階に提供することができ、および関連する改質段階は、改質段階アウトプットの少なくとも一部分を燃料流として集積化された燃料電池に提供することができる。他の態様において、別々の改質段階は、燃料電池と関連することなく、熱伝達のために燃料電池と集積化することができる。この種類の状態において、別々の改質段階は、燃料電池から熱を受け取ることができるが、改質段階のアウトプットを燃料電池へのインプットとして使用しないと決定することができる。その代わりに、アノード排出物流へのアウトプットの直接添加などの別の目的のため、および／または燃料電池アセンブリから別々のアウトプット流を形成するために、そのような改質段階のアウトプットを使用すると決定することができる。
【００８６】
より一般に、集積化された燃料電池積層要素によって提供される廃熱を利用することができる吸熱性反応のいずれかの都合のよい種類を実行するために、燃料電池積層の別々の積層要素を使用することができる。炭化水素流において改質反応を実行するために適切なプレートの代わりに、別々の積層要素は、別の種類の吸熱性反応に触媒作用を及ぼすために適切なプレートを有することができる。燃料電池積層におけるマニホールドまたはインレット導管の他の配列は、適切なインプットフローをそれぞれの積層要素に提供するために使用することができる。追加的に、または代わりとして、同様のマニホールドまたはアウトレット導管の他の配列を使用して、アウトプットフローをそれぞれの積層要素から回収することができる。任意に、積層の吸熱性反応段階からのアウトプットフローは、アウトプットフローを燃料電池アノードに通過させることなく、燃料電池積層から回収することができる。そのような任意の態様において、発熱性反応の生成物は、したがって、燃料電池アノードに通過させることなく、燃料電池積層から出ることができる。燃料電池積層の積層要素において実行することができる他の種類の吸熱性反応の例には、限定されることなく、エチレンおよびエタンクラッキングを形成するエタノール脱水が含まれ得る。
【００８７】
リサイクル：本明細書に定義されるように、燃料電池インレットへの燃料電池アウトプットの一部分（例えば、アノード排出物または、アノード排出物から分離されるか、もしくは回収される流れ）のリサイクルは、直接的または間接的なリサイクル流に相当することができる。燃料電池インレットへの流れの直接的なリサイクルは、中間プロセスを通過することのない流れのリサイクルとして定義され、間接的なリサイクルには、１つ以上の中間プロセスに流れを通過させた後のリサイクルが関与する。例えば、アノード排出物がリサイクルの前にＣＯ２分離段階を通過する場合、これはアノード排出物の間接的なリサイクルと考えられる。アノード排出物から回収されるアノード排出物の一部分、例えば、Ｈ２流が、燃料電池への導入のために適切な燃料へと石炭を変換するためのガス化装置を通過する場合、これもまた間接的なリサイクルと考えられる。
【００８８】
アノードインプットおよびアウトプット
本発明の様々な態様において、ＭＣＦＣアレイには、例えば、水素および炭化水素、例えば、メタン（または代わりに、ＣおよびＨとは異なるヘテロ原子を含有してもよい炭化水素もしくは炭化水素様化合物）を含んでなる、アノードインレットで受け取られる燃料が供給されることができる。アノードに供給される大部分のメタン（または他の炭化水素もしくは炭化水素様化合物）は、典型的に新しいメタンであることができる。この記載において、新しいメタンなどの新しい燃料は、別の燃料電池プロセスからリサイクルされない燃料を指す。例えば、アノードアウトレット流からアノードインレットにリサイクルされるメタンは、「新しい」メタンとは考えられず、その代わりに、回収されたメタンと記載することができる。使用された燃料供給源は、ＣＯ２含有流をカソードインプットに提供するために燃料供給源の一部分を使用するタービンなどの他の構成要素と共有されることができる。燃料供給源インプットは、水素を発生させる改質部分において炭化水素（または炭化水素様）化合物を改質するために、燃料に対して適切な割合で、水を含むことができる。例えば、メタンがＨ２を発生させるために改質するための燃料インプットである場合、水対燃料のモル比は、約１：１〜約１０：１、例えば少なくとも約２：１であることができる。４：１以上の比率は外部改質に関して典型的であるが、内部改質に関してはより低い値が典型的であることができる。Ｈ２が燃料供給源の一部分である範囲まで、いくつかの任意の態様において、アノードにおけるＨ２の酸化が、燃料を改質するために使用することができるＨ２Ｏを生じる傾向があり得るため、追加的な水は燃料に必要とされなくてもよい。燃料供給源は、燃料供給源に重要ではない成分を任意に含有することもできる（例えば、天然ガス供給は、追加的な成分としてＣＯ２のいくらかの含有量を含有することができる）。例えば、天然ガス供給は、追加的な成分として、ＣＯ２、Ｎ２および／または他の不活性（不活性）ガスを含有することができる。任意に、いくつかの態様において、燃料供給源は、アノード排出物のリサイクルされた部分からのＣＯなどのＣＯを含有してもよい。燃料電池アセンブリへの燃料におけるＣＯのための追加的、または代わりの潜在的供給源は、燃料電池アセンブリに入る前に燃料において実行される炭化水素燃料の蒸気改質によって発生するＣＯであることができる。
【００８９】
より一般に、様々な種類の燃料流は、溶融炭酸塩形燃料電池のアノードのためのインプット流としての使用のために適切であり得る。いくつかの燃料流は、ＣおよびＨとは異なるヘテロ原子を含んでもよい炭化水素および／または炭化水素様化合物を含有する流れに相当することができる。本考察において、特に明記されない限り、ＭＣＦＣアノードのための炭化水素を含有する燃料流の参照は、そのような炭化水素様化合物を含有する燃料流を含むように定義される。炭化水素（炭化水素様を含む）燃料流の例としては、天然ガス、Ｃ１〜Ｃ４炭素化合物（例えば、メタンまたはエタン）を含有する流れ、およびより重質のＣ５＋炭化水素（炭化水素様化合物を含む）を含有する流れ、ならびにそれらの組み合わせを含むことができる。アノードインプットに用いられる潜在的燃料流のさらに他の追加的または代わりの例としては、生物ガス型の流れ、例えば、有機材料の天然（生物学的）分解から生じるメタンを含むことができる。
【００９０】
いくつかの態様において、希釈剤化合物の存在のため、低エネルギー含有量で、天然ガスおよび／または炭化水素流などのインプット流を処理するために、溶融炭酸塩形燃料電池を使用することができる。例えば、メタンおよび／または天然ガスのいくつかの供給源は、ＣＯ２、または窒素、アルゴンもしくはヘリウムなどの他の不活性分子の実質的な量を含むことができる供給源である。ＣＯ２および／または不活性物質の高められた量の存在のために、供給源に基づく燃料流のエネルギー含有量を低下させることができる。（燃焼動力タービンに動力を供給するためなどの）燃焼反応に、低いエネルギー含有量燃料を使用することは、問題点を提起する可能性がある。しかしながら、溶融炭酸塩形燃料電池は、燃料電池の効率に対する影響が少ないか、または影響を最小限にして、低エネルギー含有量燃料供給源に基づいて動力を発生させることができる。追加的なガス体積の存在は、改質および／またはアノード反応のための温度まで燃料温度を高めるために追加的な熱を必要とすることができる。追加的に、燃料電池アノード内の水性ガスシフト反応の平衡性質のために、追加的なＣＯ２の存在は、アノードアウトプットに存在するＨ２およびＣＯの相対量に影響を有することができる。しかしながら、不活性化合物は、その他の場合には、改質およびアノード反応に対して最小限の直接的な影響のみを有することができる。溶融炭酸塩形燃料電池のための燃料流におけるＣＯ２および／または不活性化合物の量は、存在する場合、少なくとも約１体積％、例えば、少なくとも約２体積％、または少なくとも約５体積％、または少なくとも約１０体積％、または少なくとも約１５体積％、または少なくとも約２０体積％、または少なくとも約２５体積％、または少なくとも約３０体積％、または少なくとも約３５体積％、または少なくとも約４０体積％、または少なくとも約４５体積％、または少なくとも約５０体積％、または少なくとも約７５体積％であることができる。追加的に、または代わりとして、溶融炭酸塩形燃料電池のための燃料流におけるＣＯ２および／または不活性化合物の量は、約９０体積％以下、例えば約７５体積％以下、または約６０体積％以下、または約５０体積％以下、または約４０体積％以下、または約３５体積％以下であることができる。
【００９１】
アノードインプット流のための潜在的供給源のなお別の例は、精製装置および／または他の工業プロセスアウトプット流に相当することができる。例えば、コーキングは、より重質の化合物を、より低沸騰範囲に変換するための多くの精製装置の共通プロセスである。コーキングは、典型的に、ＣＯおよび様々なＣ１〜Ｃ４炭化水素を含む室温でガスである様々な化合物を含有するオフガスを生じる。このオフガスは、アノードインプット流の少なくとも一部分として使用することができる。他の精製装置オフガス流は、アノードインプット流での含有のために、追加的に、または代わりとして適切であることができ、例えば、クラッキングまたは他の精製装置プロセスの間に発生する軽質留分（Ｃ１〜Ｃ４）である。さらに他の適切な精製装置流は、Ｈ２および／または改質可能燃料化合物も含有するＣＯまたはＣＯ２を含有する精製装置流を追加的に、または代わりとして含むことができる。
【００９２】
アノードインプットのためのさらに他の潜在的供給源は、増加した含水量を有する流れを追加的に、または代わりとして含むことができる。例えば、エタノールプラント（または別の種類の発酵プロセス）からのエタノールアウトプット流は、最終的な蒸留の前にＨ２Ｏの実質的な部分を含む。そのようなＨ２Ｏは、典型的に、燃料電池の作動に対して最小限の影響のみを生じることができる。したがって、アルコール（または他の発酵生成物）と水との発酵混合物を、アノードインプット流の少なくとも一部分として使用することができる。
【００９３】
生物ガスまたはダイジェスターガスは、アノードインプットのための別の追加的または代わりの潜在的供給源である。生物ガスは、メタンおよびＣＯ２を主として含んでなってもよく、典型的に有機物質の分解または消化によって生じる。有機物質を消化し、生物ガスを生じるために、嫌気性菌が使用されてもよい。アノードインプットとしての使用の前に、不純物（例えば硫黄含有化合物）は生物ガスから除去されてもよい。
【００９４】
ＭＣＦＣアノードからのアウトプット流は、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、ＣＯおよびＨ２を含むことができる。任意に、アノードアウトプット流は、追加的なアウトプット成分として、供給に未反応燃料（例えば、Ｈ２もしくはＣＨ４）または不活性化合物を有することもできるであろう。改質反応のための熱を提供するための燃料供給源として、または電池を加熱するための燃焼燃料として、このアウトプット流を使用する代わりに、別のプロセスへのインプットとして潜在的値を有する成分（例えばＨ２またはＣＯ）からＣＯ２を分離するために、１つ以上の分離をアノードアウトプット流において実行することができる。Ｈ２および／またはＣＯは、化学合成のために合成ガスとして、化学反応のための水素の供給源として、および／または減少された温室効果ガス排出を有する燃料として使用することができる。
【００９５】
アノード排出物は、水性ガスシフトおよび互いからの成分の分離を含む、様々なガス処理の選択肢を受けることができる。２つの一般的なアノード処理スキームを図１および２に示す。
【００９６】
図１は、化学合成プロセスに関連して溶融炭酸塩形燃料電池の燃料電池アレイを作動するための反応系の実施例を概略的に示す。図１中、燃料流１０５は、燃料電池１２０、例えば、燃料電池アレイの燃料電池積層の一部分である燃料電池のアノード１２７と関連する改質段階１１０に提供される。燃料電池１２０と関連する改質段階１１０は、燃料電池アセンブリの内部であることができる。いくつかの任意の態様において、外部改質段階（図示せず）を、燃料電池アセンブリにインプット流を通過させる前に、インプット流において改質可能燃料の一部分を改質するために使用することもできる。燃料流１０５は、好ましくは、改質可能燃料、例えば、メタン、他の炭化水素、および／または他の炭化水素様化合物、例えば、炭素−水素結合を含有する有機化合物を含むことができる。燃料流１０５は、任意に、Ｈ２および／またはＣＯ、例えば、任意のアノードリサイクル流１８５によって提供されるＨ２および／またはＣＯを含有することもできる。なお、アノードリサイクル流１８５は任意であり、多くの態様において、リサイクル流は、直接的に、または燃料流１０５もしくは改質された燃料流１１５との組み合わせを通して間接的に、アノード排出物１２５からアノード１２７に戻って提供されない。改質後、改質された燃料流１１５を、燃料電池１２０のアノード１２７に通過させることができる。ＣＯ２およびＯ２含有流１１９をカソード１２９に通過させることもできる。燃料電池のカソード部分１２９からの炭酸塩イオン１２２、ＣＯ３２−のフローは、アノード燃料電池反応のために必要とされる残りの反応物を提供することができる。アノード１２７における反応に基づいて得られるアノード排出物１２５は、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、１つ以上の不完全に反応した燃料に相当する成分（Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４、または改質可能燃料に相当する他の成分）、ならびに任意に１つ以上の追加的な非反応性成分、例えば、Ｎ２、および／または燃料流１０５の一部分である他の汚染物質を含むことができる。アノード排出物１２５を、次いで、１つ以上の分離段階に通過させることができる。例えば、ＣＯ２除去段階１４０は、低温ＣＯ２除去システム、ＣＯ２などの酸性ガスの除去のためのアミン洗浄段階、またはＣＯ２アウトプット流１４３をアノード排出物から分離するためのＣＯ２分離段階の別の適切な種類に相当することができる。任意に、アノード排出物を水性ガスシフト反応器１３０に最初に通過させて、（いくらかのＨ２Ｏに加えて）アノード排出物に存在するいずれのＣＯも、任意に水性ガスシフトされたアノード排出物１３５において、ＣＯ２およびＨ２に変換することができる。ＣＯ２除去段階の性質次第で、水縮合または除去段階１５０は、アノード排出物からの水アウトプット流１５３を除去するために望ましくてもよい。ＣＯ２分離段階１４０後の図１に示されるが、それは、その代わりにＣＯ２分離段階１４０前に任意に位置してもよい。追加的に、Ｈ２の高純度透過流１６３を発生させるために、Ｈ２分離のための任意の膜分離段階１６０を使用することができる。得られた保留物流１６６は次いで、化学合成プロセスへのインプットとして使用することができる。流れ１６６は、Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２含有量を異なる比率に調節するために、第２の水性ガスシフト反応器１３１において、追加的に、または代わりとしてシフトされることができ、化学合成プロセスにおけるさらなる使用のためのアウトプット流れ１６８を生じる。図１中、アノードリサイクル流１８５は、保留物流１６６から回収されるように示されるが、アノードリサイクル流１８５は、追加的に、または代わりとして、様々な分離段階またはその間の他の都合のよい位置から回収されることができる。分離段階およびシフト反応器は、異なる順番で、および／または並列構成で、追加的に、または、代わりとして構成されることができる。最終的に、カソード１２９からのアウトプットとして、ＣＯ２の低下した含有量を有する流れ１３９が発生することができる。単純さのために、本プロセスにおいて有用であり得る圧縮および熱添加／除去の様々な段階、ならびに蒸気添加または除去は示されない。
【００９７】
上記の通り、アノード排出物において実行される様々な種類の分離は、いずれの都合のよい順番でも実行することができる。図２は、アノード排出物において分離を実行するための別の順番の実施例を示す。図２中、アノード排出物１２５を、最初に、アノード排出物１２５から水素含有量の一部分２６３を除去するための分離段階２６０に通過させることができる。これによって、例えば、２：１により近いＨ２：ＣＯの比率で保留物２６６を提供するように、アノード排出物のＨ２含有量の減少を可能にすることができる。次いで、Ｈ２対ＣＯの比率は、水性ガスシフト段階２３０において所望の値を達成するためにさらに調節することができる。水性ガスシフトされたアウトプット２３５を、次いで、ＣＯ２分離段階２４０および水除去段階２５０に通過させ、所望の化学合成プロセスへのインプットとしての使用のために適切なアウトプット流２７５を生じることができる。任意に、アウトプット流２７５を、追加的な水性ガスシフト段階（図示せず）に暴露させることができる。アウトプット流２７５の一部分は、任意にアノードインプットへリサイクルされることができる（図示せず）。もちろん、分離段階のさらに他の組み合わせおよび配列は、所望の組成を有するアノードアウトプットをベースとする流れを発生させるために使用することができる。単純さのために、プロセスにおいて有用であり得る様々な段階の圧縮および熱添加／除去、ならびに蒸気添加または除去は示されない。
【００９８】
カソードインレットおよびアウトプット
従来、溶融炭酸塩形燃料電池は、アノードに送達される燃料流における燃料のいくらかの部分を消費しながら、所望の負荷を引き出すことに基づいて作動されることができる。次いで、燃料電池の電圧は、負荷、アノードへの燃料インプット、カソードに提供される空気およびＣＯ２、ならびに燃料電池の内部抵抗によって決定することができる。カソードへのＣＯ２は、従来、カソードインプット流の少なくとも一部分としてアノード排出物を使用することによって、部分的に提供されることができる。対照的に、本発明はアノードインプットおよびカソードインプットのための別々の／異なる供給源を使用することができる。アノードインプットフローおよびカソードインプットフローの組成物のいずれの直接的な関連も除去することによって、追加的な選択肢は、燃料電池を作動するために利用可能になり、例えば、過剰量の合成ガスを発生させ、二酸化炭素の捕捉を改善し、および／または特に、燃料電池の全体効率（電気および化学動力）を改善する。
【００９９】
溶融炭酸塩形燃料電池において、燃料電池における電解質を通る炭酸塩イオンの輸送は、第１のフローパスから第２のフローパスへＣＯ２を輸送し、より低い濃度（カソード）からより高い濃度（アノード）への輸送を可能にし、したがって、ＣＯ２の捕捉を促進することができる方法を提供することができる。ＣＯ２分離のための燃料電池の選択性の一部分は、電池が電力を発生させることを可能にする電気化学的反応に基づくことができる。燃料電池内での電気化学的反応に効果的に関与しない非反応性種（例えば、Ｎ２）に関して、反応およびカソードからアノードまでの輸送に重要ではない量が存在することができる。対照的に、カソードとアノードとの間のポテンシャル（電圧）差は、燃料電池を通って強い推進力を炭酸塩イオンの輸送に提供することができる。その結果、溶融炭酸塩形燃料電池中の炭酸塩イオンの輸送は、比較的高選択性で、ＣＯ２が、カソード（より低いＣＯ２濃度）からアノード（より高いＣＯ２濃度）まで輸送されることを可能にする。しかしながら、二酸化炭素除去のために溶融炭酸塩形燃料電池を使用することにおける課題は、燃料電池が比較的希薄なカソード供給から二酸化炭素を除去するために限られた能力を有するということであり得る。約１．０モル％未満までＣＯ２濃度が低下すると、炭酸塩形燃料電池によって発生する電圧および／または動力は急速に低下を開始することができる。さらにＣＯ２濃度が、例えば、約０．３体積％未満まで低下すると、ある点で、燃料電池の電圧は、炭酸塩の輸送がほとんど生じないか、またはもはや生じず、燃料電池が機能を停止するほど十分に低くなることができる。したがって、少なくともいくらかのＣＯ２は、場合により、商業的に実行可能な作動条件で燃料電池のカソード段階からの排出物ガスに存在する。
【０１００】
燃料電池カソードに送達される二酸化炭素の量は、カソードインレットのための供給源のＣＯ２含有量および／またはカソードインレット流における炭素含有燃料の量に基づき決定することができる。炭素含有燃料を含有するカソードインレット流に関して、すなわち、燃料化合物における炭素の平均数によって乗算されたカソードインレット流における燃料の体積％と比例したＣＯ２の量は、カソードでその場で生じることができる。例えば、Ｈ２は炭素を有さず、ＣＯおよびＣＨ４は１個の炭素を有し、エタンは２個の炭素を有する、などである。その結果、燃料の燃焼によってカソードに提供されるＣＯ２の量は、ＣＯ２がない範囲（カソードにおける燃料の全てがＨ２である場合）から、約０．２５体積％〜約１０体積％の範囲までであり得る。燃焼された燃料から誘導されるＣＯ２の範囲の上限は、燃料の実質的な部分が複数の炭素を有する芳香族化合物および／または他の燃料に相当する状態を表す。燃料の燃焼から誘導されるカソードインレット流のＣＯ２含有量は、流れがカソードに入る時に、カソードインレット流に存在するいずれのＣＯ２に加えることができる。
【０１０１】
カソードインプットフローとしての使用のために適切なＣＯ２含有流の一例は、燃焼供給源からのアウトプットまたは排出物フローであることができる。燃焼供給源の例には、限定されないが、天然ガスの燃焼、石炭の燃焼、および／または他の炭化水素型燃料（生物学的に誘導された燃料を含む）の燃焼に基づく供給源が含まれる。追加的、または代わりの供給源には、他の種類の煮沸器、燃焼された加熱器、炉、および／または別の物質（例えば、水または空気）を加熱するために炭素含有燃料を燃焼させる他の種類のデバイスを含むことができる。第１の概算に対して、燃焼供給源からアウトプットフローのＣＯ２含有量は、フローの少数部分であることができる。より高いＣＯ２含有量排出物フロー、例えば、石炭燃焼供給源からのアウトプットに関して、ほとんどの商業的な石炭燃焼発電所からのＣＯ２含有量は、約１５体積％以下であることができる。より一般に、燃焼供給源からアウトプットまたは排出物フローのＣＯ２含有量は、少なくとも約１．５体積％、または少なくとも約１．６体積％、または少なくとも約１．７体積％、または少なくとも約１．８体積％、または少なくとも約１．９体積％、または少なくとも２体積％、または少なくとも約４体積％、または少なくとも約５体積％、または少なくとも約６体積％、または少なくとも約８体積％であることができる。追加的に、または代わりとして、燃焼供給源からアウトプットまたは排出物フローのＣＯ２含有量は、約２０体積％以下、例えば、約１５体積％以下、または約１２体積％以下、または約１０体積％以下、または約９体積％以下、または約８体積％以下、または約７体積％以下、または約６．５体積％以下、または約６体積％以下、または約５．５体積％以下、または約５体積％以下、または約４．５体積％以下であることができる。上記で示される濃度は、乾燥基準である。なお、より低いＣＯ２含有量値は、いくつかの天然ガスまたはメタン燃焼供給源、例えば、排出物ガスリサイクルループを含んでもよいか、または含まなくてもよい発電システムの一部分である発電機からの排出物において存在することができる。
【０１０２】
カソードインプット流のための他の潜在的な供給源は、生物的に生じたＣＯ２の供給源を追加的に、または代わりとして含むことができる。これは、例えば、バイオ誘導化合物の処理の間に発生するＣＯ２、例えば、エタノール生成の間に発生するＣＯ２を含むことができる。追加的または代わりの例は、生物的に生じた燃料の燃焼、例えば、リグノセルロースの燃焼によって発生するＣＯ２を含むことができる。さらに他の追加的または代わりの潜在的なＣＯ２供給源は、様々な工業プロセスからのアウトプットまたは排気物流、例えば、鉄鋼、セメントおよび／または紙の製造のためにプラントによって発生するＣＯ２含有流に相当することができる。
【０１０３】
ＣＯ２のさらに別の追加的または代わりの潜在的な供給源は、燃料電池からのＣＯ２含有流であることができる。燃料電池からのＣＯ２含有流は、異なる燃料電池からのカソードアウトプット流、異なる燃料電池からのアノードアウトプット流、カソードアウトプットから燃料電池のカソードインプットへのリサイクル流、および／またはアノードアウトプットから燃料電池のカソードインプットへのリサイクル流に相当することができる。例えば、従来の条件で独立モードで作動されたＭＣＦＣは、少なくとも約５体積％のＣＯ２濃度を有するカソード排出物を発生させることができる。そのようなＣＯ２含有カソード排出物は、本発明の態様によって作動されるＭＣＦＣのためのカソードインプットとして使用することができる。より一般に、カソード排出物からＣＯ２アウトプットを発生させる他の種類の燃料電池を、追加的に、または代わりとして使用することができ、ならびに他の種類のＣＯ２含有流が、「燃焼」反応によって、および／または燃焼発電機によって発生しない。任意に、しかし好ましくは、別の燃料電池からのＣＯ２含有流は、別の溶融炭酸塩形燃料電池からであることができる。例えば、カソードに関して直列に連結される溶融炭酸塩形燃料電池に関して、第１の溶融炭酸塩形燃料電池のカソードからのアウトプットを、第２の溶融炭酸塩形燃料電池のカソードへのインプットとして使用することができる。
【０１０４】
燃焼供給源以外の供給源からの様々な種類のＣＯ２含有流に関して、流れのＣＯ２含有量は広範囲に変動することができる。カソードへのインプット流のＣＯ２含有量は、少なくとも約２体積％、例えば、少なくとも約４体積％、または少なくとも約５体積％、または少なくとも約６体積％、または少なくとも約８体積％のＣＯ２を含有することができる。追加的に、または代わりとして、カソードへのインプット流のＣＯ２含有量は、約３０体積％以下、例えば、約２５体積％以下、または約２０体積％以下、または約１５体積％以下、または約１０体積％以下、または約８体積％以下、または約６体積％以下、または約４体積％以下であることができる。いくつかのさらにより高いＣＯ２含有量流に関して、ＣＯ２含有量は、約３０体積％より高いことができ、例えば、流れは、ＣＯ２と、他の化合物の重要ではない量のみから実質的に構成される。一例として、排出物ガスリサイクルのないガス燃焼タービンは、約４．２体積％のＣＯ２含有量を有する排出物流を生じることができる。排出物ガスリサイクルによって、ガス燃焼タービンは、約６〜８体積％のＣＯ２含有量を有する排出物流を生じることができる。メタンの化学量論的な燃焼は、約１１体積％のＣＯ２含有量を有する排出物流を生じることができる。石炭の燃焼は、約１５〜２０体積％のＣＯ２含有量を有する排出物流を生じることができる。精製装置オフガスを使用する燃焼加熱器は、約１２〜１５体積％のＣＯ２含有量を有する排出物流を生じることができる。いずれの排出物ガスリサイクルも用いない、低ＢＴＵガスにおいて作動されるガスタービンは、約１２体積％のＣＯ２含有量を有する排出物流を生じることができる。
【０１０５】
ＣＯ２に加えて、カソードインプット流は、カソード反応のために必要な成分を提供するために、Ｏ２を含まなければならない。いくつかのカソードインプット流は、成分として空気を有することに基づくことができる。例えば、燃焼排出物流は、空気の存在下で、炭化水素燃料を燃焼させることによって形成することができる。そのような燃焼排出物流、または別の種類の空気の含有に基づく酸素含有量を有するカソードインプット流は、約２０体積％以下、例えば約１５体積％以下、または約１０体積％以下の酸素含有量を有することができる。追加的に、または代わりとして、カソードインプット流の酸素含有量は、少なくとも約４体積％、例えば少なくとも約６体積％、または少なくとも約８体積％であることができる。より一般に、カソードインプット流は、カソード反応を実行するために適切な酸素の含有量を有することができる。いくつかの態様において、これは、約５体積％〜約１５体積％、例えば、約７体積％〜約９体積％の酸素含有量に相当することができる。多くの種類のカソードインプット流に関して、ＣＯ２およびＯ２の組み合わせられた量は、インプット流の約２１体積％未満、例えば、流れの約１５体積％未満または流れの約１０体積％未満に相当することができる。酸素を含有する空気流を、低酸素含有量を有するＣＯ２供給源と組み合わせることができる。例えば、石炭を燃焼させることによって発生する排出物流は、カソードインレット流を形成するために空気と混合することができる低酸素含有量を含んでもよい。
【０１０６】
ＣＯ２およびＯ２に加えて、カソードインプット流は、Ｎ２、Ｈ２Ｏおよび他の典型的な酸化剤（空気）成分などの不活性／非反応性な種から構成されることもできる。例えば、燃焼反応からの排出物から誘導されるカソードインプットに関して、燃焼反応のために酸化剤供給源の一部として空気が使用される場合、排出物ガスは、空気の典型的な成分、例えば、Ｎ２、Ｈ２Ｏおよび空気に存在する少量の他の化合物を含むことができる。燃焼反応のための燃料供給源の性質次第で、燃料供給源に基づく燃焼の後に存在する追加的な種としては、Ｈ２Ｏ、窒素（ＮＯｘ）および／または硫黄（ＳＯｘ）の酸化物、ならびに燃料に存在し、および／または燃料に存在する部分的もしくは完全燃焼生成物、例えば、ＣＯである他の化合物の１つ以上が含まれ得る。これらの種は、全体的なカソード活性を低下させ得るが、カソード触媒表面を損なわない量で存在し得る。そのような性能の低下は容認可能であり得、またはカソード触媒と相互作用する種は、既知の汚染物質除去技術によって容認可能な濃度まで低下され得る。
【０１０７】
カソードインプット流（例えば、燃焼排出物をベースとするインプットカソード流）に存在するＯ２の量は、都合よく、燃料電池においてカソード反応のために必要とされる酸素を提供するために十分であることができる。したがって、Ｏ２の体積パーセントは、都合よく、排出物のＣＯ２の量の少なくとも０．５倍であることができる。任意に、必要に応じて、追加的な空気は、カソード反応のために十分な酸化剤を提供するために、カソードインプットに添加されることができる。いくつかの形態の空気が酸化剤として使用される場合、カソード排出物中のＮ２の量は、少なくとも約７８体積％、例えば少なくとも約８８体積％、および／または約９５体積％以下であることができる。いくつかの態様において、カソードインプット流は、汚染物質として一般に見られる化合物、例えば、Ｈ２ＳまたはＮＨ３を追加的に、または代わりとして含有することができる。他の態様において、カソードインプット流は、そのような汚染物質の含有量を低下させるか、または最小化するためにクリーン化されることができる。
【０１０８】
電解質を通る輸送のために炭酸塩イオンを形成する反応に加えて、カソードにおける条件は、酸化窒素から硝酸塩および／または硝酸塩イオンへの変換のために適切であることもできる。以下、便宜のために硝酸塩イオンのみが記載される。得られる硝酸塩イオンも、アノードにおける反応のために電解質を通って輸送されることができる。カソードインプット流のＮＯｘ濃度は、典型的にｐｐｍのオーダーであることができるため、この硝酸塩輸送反応は、電解質を通って輸送される炭酸塩の量に対して最小限の影響を有することができる。しかしながら、ＮＯｘ除去のこの方法は、ＮＯｘ排出を低下させる機構を提供することができるため、ガスタービンからの燃焼排出物をベースとするカソードインプット流に関して有利であることができる。カソードにおける条件は、（カソードインプット流のＯ２と組み合わせて）未燃焼炭化水素から典型的な燃焼生成物、例えば、ＣＯ２およびＨ２Ｏへの変換のために、追加的に、または代わりとして適切であることができる。
【０１０９】
ＭＣＦＣの作動のための適切な温度は、約４５０℃〜約７５０℃、例えば、少なくとも約５００℃、例えば、約５５０℃のインレット温度および約６２５℃のアウトレット温度であることができる。カソードに入る前に、必要に応じて、例えば、他のプロセス、例えば、アノードのために燃料インプットを改質するプロセスに熱を提供するため、熱を燃焼排出物に添加するか、またはそれから除去することができる。例えば、カソードインプット流のための供給源が燃焼排出物流である場合、燃焼排出物流は、カソードインレットのための所望の温度より高い温度を有してもよい。そのような態様において、カソードインプット流としての使用の前に、熱を燃焼排出物から除去することができる。あるいは、燃焼排出物は、例えば、石炭燃焼煮沸器の湿式ガススクラバーの後、非常に低温である可能性があり、そのような場合、燃焼排出物は約１００℃未満であることができる。あるいは燃焼排出物は、追加的な発電のために蒸気タービンを動作させるために蒸気を増加させることによってガスを冷却することができる複合サイクルモードで作動されたガスタービンの排出物からであることができるであろう。この場合、ガスは約５０℃未満であることができる。この熱を、所望よりも低温の燃焼排出物に加えることができる。
【０１１０】
溶融炭酸塩形燃料電池の作動
いくつかの態様において、燃料電池は、単回通過または貫流モードで作動されてよい。単回通過モードにおいては、アノード排出物の改質された生成物はアノードインレットに戻されない。したがって、アノードアウトプットから直接、アノードインレットに合成ガス、水素またはいくつかの他の生成物をリサイクルすることは、単回通過作動では行われない。より一般に、単回通過作動において、アノード排出物の改質された生成物は、例えば、その後アノードインレットに導入された燃料流を処理するために改質された生成物を用いることによって、アノードインレットに間接的にも戻されない。任意に、アノードアウトレットからのＣＯ２は、単回通過モードのＭＣＦＣの作動の間、カソードインレットにリサイクルされることができる。より一般に、いくつかの別の態様において、アノードアウトレットからカソードインレットへのリサイクルは、単回通過モードで作動するＭＣＦＣに関して生じてもよい。アノード排出物またはアウトプットからの熱は、単回通過モードにおいて追加的に、または代わりとしてリサイクルされてもよい。例えば、アノードアウトプットフローは熱交換器を通過してもよく、そこでは、アノードアウトプットは冷却されて、別の流れ、例えばアノードおよび／またはカソードのためのインプット流が加温される。アノードから燃料電池まで熱をリサイクルすることは、単回通過または貫流モード作動における使用と調和する。任意に、しかし好ましくはないが、アノードアウトプットの成分は、単回通過モードの間、燃料電池に熱を提供するために燃焼されてもよい。
【０１１１】
図３は、電力の発生のためのＭＣＦＣの作動の概略的実施例を示す。図３中、燃料電池のアノード部分は、インプットとして燃料および蒸気（Ｈ２Ｏ）を受け取ることができ、水、ＣＯ２、ならびに任意に過剰量のＨ２、ＣＨ４（または他の炭化水素）および／またはＣＯがアウトプットである。燃料電池のカソード部分は、インプットとしてＣＯ２およびいくつかの酸化剤（例えば、空気／Ｏ２）を受け取ることができ、アウトプットはＯ２欠乏酸化剤（空気）における減少した量のＣＯ２に相当する。カソード部分は、熱、ＣＯ２およびＨ２Ｏを生じるために燃焼することができるインレット流の一部として１種以上の燃料化合物を受け取ることもできる。燃料電池内で、カソードサイドで形成されるＣＯ３２−イオンは電解質を通って輸送されることができ、アノードで生じる反応のために必要とされる炭酸塩イオンを提供することができる。
【０１１２】
図３に示される実施例の燃料電池などの溶融炭酸塩形燃料電池内で、いくつかの反応が生じることができる。改質反応は任意であることができ、十分なＨ２がアノードに直接提供される場合、減少させるか、または排除することができる。以下の反応はＣＨ４をベースとするが、他の燃料が燃料電池で使用される場合、同様の反応が生じることができる。
（１）＜アノード改質＞ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＝＞３Ｈ２＋ＣＯ
（２）＜水性ガスシフト＞ＣＯ＋Ｈ２Ｏ＝＞Ｈ２＋ＣＯ２
（３）＜組み合わせられた改質および水性ガスシフト＞ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ＝＞４Ｈ２＋ＣＯ２
（４）＜アノードＨ２酸化＞Ｈ２＋ＣＯ３２−＝＞Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ−
（５）＜カソード＞１／２Ｏ２＋ＣＯ２＋２ｅ−＝＞ＣＯ３２−
【０１１３】
反応（１）は、燃料電池のアノードにおける使用のためにＨ２を発生させるための基本的な炭化水素改質反応を表す。反応（１）で形成されるＣＯは、水性ガスシフト反応（２）によって、Ｈ２に変換されることができる。反応（１）および（２）の組み合わせは、反応（３）として示される。反応（１）および（２）は、燃料電池の外部で生じることができ、および／または改質はアノードの内部で実行することができる。
【０１１４】
反応（４）および（５）は、それぞれアノードおよびカソードにおいて、燃料電池内で電力発生をもたらすことができる反応を表す。反応（４）は、供給に存在するか、または反応（１）および／もしくは（２）によって任意に発生するＨ２を炭酸塩イオンと組み合わせ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２および回路への電子を形成する。反応（５）は、Ｏ２、ＣＯ２および回路からの電子を組み合わせ、炭酸塩イオンを形成する。反応（５）によって発生する炭酸塩イオンは、反応（４）のために必要とされる炭酸塩イオンを提供するために、燃料電池の電解質を通って輸送されることができる。電解質を通る炭酸塩イオンの輸送と組み合わせて、閉じた電流ループが、アノードとカソードとの間の電気接続を提供することによって、次いで形成されることができる。
【０１１５】
様々な実施形態において、燃料電池を作動する目標は、燃料電池の全体の効率、および／または燃料電池と、集積化された化学合成プロセスの全体の効率を改善することであり得る。これは、目標が、電力の発生のために電池に提供される燃料を使用するための高電気効率を有する燃料電池を作動することであり得る、従来の燃料電池の作動とは典型的に対照的である。上記で定義されるように、全体の燃料電池効率は、燃料電池の電気アウトプットおよび燃料電池アウトプットの低位発熱量を、燃料電池のためのインプット成分の低位発熱量によってわることによって決定され得る。言い換えると、ＴＦＣＥ＝（ＬＨＶ（ｅｌ）＋ＬＨＶ（ｓｇ  ｏｕｔ））／ＬＨＶ（ｉｎ）であり、式中、ＬＨＶ（ｉｎ）およびＬＨＶ（ｓｇ  ｏｕｔ）は、燃料電池に送達された燃料成分（例えば、Ｈ２、ＣＨ４および／またはＣＯ）、ならびにアノードアウトレット流またはフローの合成ガス（Ｈ２、ＣＯおよび／またはＣＯ２）のＬＨＶを指す。これは、燃料電池および／または集積化された化学プロセスによって発生する電気エネルギーおよび化学エネルギーの尺度を提供することができる。なお、全効率のこの定義の下、燃料電池内で使用され、かつ／または集積化された燃料電池／化学合成システム内で使用される熱エネルギーは、全効率に寄与することができる。しかしながら、交換されるか、あるいはその他の場合には燃料電池または集積化された燃料電池／化学合成システムから回収されるいずれの過剰量の熱も、この定義から排除される。したがって、燃料電池からの過剰量の熱が、例えば、蒸気タービンによる発電のために蒸気を発生させるために使用される場合、そのような過剰量の熱は全効率の定義から排除される。
【０１１６】
集積化実施例：燃焼タービンとの集積化のための用途
本発明のいくつかの態様において、発電およびＣＯ２含有排出物の排出のための燃焼供給源を、溶融炭酸塩形燃料電池の作動と集積化することができる。適切な燃焼供給源の一例は、ガスタービンである。好ましくは、ガスタービンは、追加的な効率のために蒸気発生および熱回収と集積化された複合サイクルモードにおいて、天然ガス、メタンガスまたは他の炭化水素ガスを燃焼させることができる。現代の天然ガス複合サイクル効率は、最大および最新の設計に関して、約６０％である。得られるＣＯ２含有排出物ガス流は、ＭＣＦＣ作動との適合性を有する高温、例えば、３００℃〜７００℃、好ましくは５００℃〜６５０℃で生成することができる。ガス供給源は、任意であるが、好ましくは、タービンに入る前に、ＭＣＦＣに悪影響を及ぼす可能性のある硫黄などの汚染物質をクリーニングすることができる。あるいは、ガス供給源は、排出物ガスが典型的に、排出物ガスの汚染物質のより高い濃度のため、燃焼後にクリーニングされる石炭燃焼発電機であることができる。そのような代替案において、ガスへの／ガスからのいくらかの熱交換は、より低い温度でのクリーンアップを可能にするために必要とされてもよい。追加的または代わりの実施形態において、ＣＯ２含有排出物ガスの供給源は、煮沸器、燃焼室、または炭素の豊富な燃料を燃焼させる熱供給源からのアウトプットであることができる。他の追加的または代わりの実施形態において、ＣＯ２含有排出物ガスの供給源は、他の供給源と組み合わせた生物学的に生成されたＣＯ２であることができる。
【０１１７】
いくつかの態様において、燃焼供給源の作動は、カソードインレット流において燃料を燃焼させるカソードの能力を利用するために変性されることができる。従来の燃焼反応に関しては、典型的な目標は、燃焼反応領域に送達される燃料の実質的に全てを燃焼させることである。これによって、燃料がほとんど、または全く燃焼排出物中に残らないため、排出物の処理を単純化することができる。しかしながら、実質的に完全な燃焼を達成するために燃焼反応領域を動作することが、燃焼領域を作動するために最も効率的な方法に必ずしも相当するというわけではない。その代わりに、燃焼反応の全体的な効率を改善するために、燃焼の後、残留燃料含有量を有するように燃焼領域を作動することが望ましいであろう。従来は、そのような残留燃料は、燃焼排出物における燃料の低濃度のため、おそらく無駄になったであろう。追加的に、無駄になった燃料は、汚染物質になるか、または排除するための汚染制御デバイスを必要としたであろう。しかしながら、溶融炭酸塩形燃料電池がそのような排出物を処理するために使用された場合、汚染制御デバイスとして作用しながら、残留燃料を使用して追加的なＣＯ２を生じることができるか、燃料電池のための追加的な熱を生じることができるか、またはそれらの組み合わせであり得る。燃料電池のためのカソードインレット流の一部として少なくとも部分的に次いで使用される燃焼排出物に残る燃料の量は、カソードインレット流の燃料含有量に関して上記された通り、少なくとも約０．５体積％、または少なくとも約１．０体積％、および最高約５．０体積％以下であることができる。
【０１１８】
燃焼供給源との集積化のために、燃料電池アノードの処理のためのいくつかの他の構成が望ましくなることができる。例えば、他の構成が、燃料電池アノードからの排出物の少なくとも一部分を燃料電池アノードのインプットにリサイクルすることであり得る。ＭＣＦＣアノードからのアウトプット流には、主なアウトプット成分として、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、任意にＣＯ、および任意であるが、典型的に未反応の燃料（例えば、Ｈ２またはＣＨ４）が含まれることができる。別のプロセスとの集積化のための外部燃料流および／またはインプット流として、このアウトプット流を使用する代わりに、１つ以上の分離を、潜在的燃料価を有する成分、例えば、Ｈ２またはＣＯからＣＯ２を分離するために、アノードアウトプット流において実行することができる。次いで、燃料価を有する成分は、アノードのインプットへとリサイクルすることができる。
【０１１９】
この種類の構成は、１つ以上の利点を提供することができる。第１に、低温ＣＯ２分離器を使用することなどにより、ＣＯ２をアノードアウトプットから分離することができる。アノードアウトプットの成分のいくつか（Ｈ２、ＣＯ、ＣＨ４）は容易に凝縮可能な成分ではないが、ＣＯ２およびＨ２Ｏは、凝縮された相として個々に分離することができる。実施形態次第で、アノードアウトプットのＣＯ２の少なくとも約９０体積％を分離することができ、比較的高純度のＣＯ２アウトプット流を形成することができる。あるいは、いくつかの態様において、より少ないＣＯ２をアノードアウトプットから除去することができ、アノードアウトプットのＣＯ２の約５０体積％〜約９０体積％、例えば約８０体積％以下、または約７０体積％以下を分離することができる。分離後、アノードアウトプットの残りの部分は、主として燃料価を有する成分、ならびにＣＯ２および／またはＨ２Ｏの減少した量に相当することができる。分離後のアノードアウトプットのこの部分は、追加的な燃料に加えて、アノードインプットの一部分として使用するためにリサイクルすることができる。この種類の構成において、ＭＣＦＣを通る単回通過の燃料利用が低いとしても、未使用の燃料は、アノードを通る別の通過のために都合よくリサイクルされることができる。その結果、単回通過燃料利用は減少されたレベルであることができるが、一方、環境への未燃焼燃料の損失（排出）を回避することができる。
【０１２０】
アノード排出物の一部分をアノードインプットへリサイクルすることの追加的に、または代わりに、別の構成の選択肢は、タービン、あるいは煮沸器、炉および／または燃焼加熱器などの他の燃焼デバイスの燃焼反応のためのインプットとして、アノード排出物の一部分を使用することであり得る。アノードインプットにリサイクルされ、および／または燃焼デバイスへのインプットとしてのアノード排出物の相対的な量は、いずれかの都合のよい、または望ましい量であることができる。アノード排出物がアノードインプットおよび燃焼デバイスの１つのみにリサイクルされる場合、リサイクルの量は、いずれかの都合のよい量であることもでき、例えば、ＣＯ２および／またはＨ２Ｏを除去するためのいずれかの分離の後に残留するアノード排出物の１００％までの部分であることができる。アノード排出物の一部分が、アノードインプットおよび燃焼デバイスにリサイクルされる場合、定義による全体のリサイクルされた量は、アノード排出物の残留部分の１００％以下であることができる。その他の場合、アノード排出物のいずれの都合のよい分割も使用することができる。本発明の様々な実施形態において、アノードインプットへのリサイクルの量は、分離後に残留するアノード排出物の少なくとも約１０％、例えば、少なくとも約２５％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７５％、または少なくとも約９０％であることができる。追加的に、または代わりとして、それらの実施形態において、アノードインプットへのリサイクルの量は、分離後に残留するアノード排出物の約９０％以下、例えば、約７５％以下、約６０％以下、約５０％以下、約４０％以下、約２５％以下または約１０％以下であることができる。さらに追加的に、または代わりとして、本発明の様々な実施形態において、燃焼デバイスへのリサイクルの量は、分離後に残留するアノード排出物の少なくとも約１０％、例えば、少なくとも約２５％、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７５％、または少なくとも約９０％であることができる。追加的に、または代わりとして、それらの実施形態において、燃焼デバイスへのリサイクルの量は、分離後に残留するアノード排出物の約９０％以下、例えば、約７５％以下、約６０％以下、約５０％以下、約４０％以下、約２５％以下、または約１０％以下であることができる。
【０１２１】
本発明のさらに他の態様において、燃焼デバイスのための燃料は、追加的に、または代わりとして、不活性であり、かつ／またはその他の場合には、燃料中で希釈剤として作用する成分の高められた量を有する燃料であることができる。ＣＯ２およびＮ２は、燃焼反応の間、比較的不活性であることができる天然ガス供給の成分の一例である。燃料供給における不活性成分の量が十分なレベルに達する場合、タービンまたは他の燃焼供給源の性能に影響を与えることができる。この影響は、部分的に、燃焼反応をクエンチする傾向のある可能性がある熱を吸収する不活性成分の能力によるものであることができる。十分なレベルの不活性成分を有する燃料供給の例には、少なくとも約２０体積％のＣＯ２を含有する燃料供給、または少なくとも約４０体積％のＮ２を含有する燃料供給、または同様のクエンチ能力を提供するために十分な不活性熱容量を有するＣＯ２およびＮ２の組み合わせを含有する燃料供給を含むことができる。（なお、ＣＯ２はＮ２より大きい熱容量を有し、したがって、より低濃度のＣＯ２は、より高濃度のＮ２と同様の影響を有することができる。ＣＯ２は、Ｎ２より容易に燃焼反応に関与することもでき、その際、燃焼からＨ２を除去する。Ｈ２のこのような消費は、火炎速度を低下させて、空気と燃料混合物の可燃性範囲を限定することによって、燃料の燃焼への大きい影響を有することができる。）より一般に、燃料供給の可燃性に影響を与える不活性成分を含有する燃料供給に関して、燃料供給の不活性成分は、少なくとも約２０体積％、例えば、少なくとも約４０体積％、または少なくとも約５０体積％、または少なくとも約６０体積％であることができる。好ましくは、燃料供給の不活性成分の量は、約８０体積％以下であることができる。
【０１２２】
不活性成分の十分な量が燃料供給に存在する場合、得られる燃料供給は、供給の燃料成分に関する可燃性領域の外にあることができる。この種類の状態において、アノード排出物のリサイクルされた部分から発電機のための燃焼領域へのＨ２の添加は、燃料供給およびＨ２の組み合わせに関する可燃性領域を拡張することができ、これによって、例えば、少なくとも約２０体積％のＣＯ２または少なくとも約４０体積％のＮ２（またはＣＯ２およびＮ２の他の組み合わせ）を含有する燃料供給が首尾よく燃焼されることが可能となる。
【０１２３】
燃焼領域に送達される燃料供給およびＨ２の全容量と比較して、可燃性領域を拡張するためのＨ２の量は、燃料供給およびＨ２の全容量の少なくとも約５体積％、例えば、少なくとも約１０体積％、および／または約２５体積％以下であることができる。可燃性領域を拡張するために添加するＨ２の量を特徴づけるための別の選択肢は、Ｈ２添加前に燃料供給に存在する燃料成分の量に基づくことができる。燃料成分は、メタン、天然ガス、他の炭化水素および／または従来から燃焼動力タービンもしくは他の発電機の燃料として見なされる他の成分に相当することができる。燃料供給に添加されるＨ２の量は、燃料供給における燃料成分（１：３のＨ２：燃料成分の比率）の体積の少なくとも約３分の１、例えば、燃料成分の体積の少なくとも約半分（１：２の比率）に相当することができる。追加的に、または代わりとして、燃料供給に添加されるＨ２の量は、燃料供給における燃料成分の体積とほぼ同等（１：１の比率）以下である。例えば、約３０体積％のＣＨ４、約１０体積％のＮ２および約６０体積％のＣＯ２を含有する供給に関して、約１：２のＨ２対ＣＨ４の比率を達成するために、アノード排出物の十分な量を燃料供給に添加することができる。Ｈ２のみを含有する理想的なアノード排出物に関して、１：２の比率を達成するためのＨ２の添加によって、約２６体積％のＣＨ４、１３体積％のＨ２、９体積％のＮ２および５２体積％のＣＯ２を含有する供給をもたらすことができる。
【０１２４】
追加的な実施形態
本発明は、以下に記載される実施形態の１つ以上を追加的に、または代わりとして含むことができる。
【０１２５】
実施形態１．電気を製造する方法であって、改質可能な燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融炭酸塩形燃料電池のアノード、溶融炭酸塩形燃料電池のアノードと関連する内部改質要素、またはそれらの組み合わせに導入するステップと；ＣＯ２、Ｏ２および１種以上の燃料化合物を含んでなるカソードインレット流を、溶融炭酸塩形燃料電池のカソードに導入するステップであって、１種以上の燃料化合物が、Ｈ２、１種以上の炭素含有燃料化合物またはそれらの組み合わせを含んでなり、カソードインレット流における１種以上の燃料化合物の濃度が、少なくとも約０．０１体積％であり、カソードインレット流における１種以上の燃料化合物の濃度が、燃料電池のカソードにおける作動条件に関する自己発火濃度より低い、ステップと；溶融炭酸塩形燃料電池内で電気を発生させるステップと；Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２を含んでなるアノード排出物を生じるステップと；少なくとも約１体積％のＯ２および約１００ｖｐｐｍ以下の１種以上の燃料化合物を含んでなるカソード排出物を生じるステップとを含んでなる方法。
【０１２６】
実施形態２．１種以上の燃料化合物のメチレン当量体積パーセントが少なくとも約０．０２体積％である、実施形態１の方法。
【０１２７】
実施形態３．溶融炭酸塩形燃料電池のカソードが、電極表面および第２の触媒表面を含んでなり、第２の触媒表面が少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属を含んでなり、カソード排出物を生じるステップが、第２の触媒表面の存在下で１種以上の燃料化合物の少なくとも一部分を酸化させるステップを含んでなる、実施形態１または２の方法。
【０１２８】
実施形態４．電気を製造する方法であって、改質可能な燃料を含んでなるアノード燃料流を、溶融炭酸塩形燃料電池のアノード、溶融炭酸塩形燃料電池のアノードと関連する内部改質要素、またはそれらの組み合わせに導入するステップと；ＣＯ２、Ｏ２および１種以上の燃料化合物を含んでなるカソードインレット流を、溶融炭酸塩形燃料電池のカソードに導入するステップであって、１種以上の燃料化合物が、１種以上の芳香族化合物、少なくとも５個の炭素を有する１種以上の炭素含有燃料化合物、またはそれらの組み合わせを含んでなり、カソードインレット流における１種以上の燃料化合物が、少なくとも約０．０２体積％のメチレン当量体積パーセントを有し、カソードインレット流における１種以上の燃料化合物の濃度が、燃料電池のカソードにおける作動条件に関する自己発火濃度より低い、ステップと；溶融炭酸塩形燃料電池内で電気を発生させるステップと；Ｈ２、ＣＯおよびＣＯ２を含んでなるアノード排出物を生じるステップと；少なくとも約１体積％のＯ２を含んでなるカソード排出物であって、１種以上の燃料化合物のメチレン当量体積パーセントが、カソードインレット流のメチレン当量体積パーセントよりも少なくとも約５０％低い、カソード排出物を生じるステップであって、カソード排出物のメチレン当量体積パーセントが任意に約０．０１体積％以下である、ステップとを含んでなり、溶融炭酸塩形燃料電池のカソードが、電極表面および第２の触媒表面を含んでなり、第２の触媒表面が少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属を含んでなり、カソード排出物を生じるステップが、第２の触媒表面の存在下で１種以上の燃料化合物の少なくとも一部分を酸化させるステップを含んでなる、方法。
【０１２９】
実施形態５．少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属が、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｆｅまたはそれらの組み合わせを含んでなり、例えば、少なくともＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｐｄまたはそれらの組み合わせを含んでなる、実施形態３または４の方法。
【０１３０】
実施形態６．カソードインレット流の硫黄含有量が、約２５ｗｐｐｍ以下、例えば、約１５ｗｐｐｍ以下である、上記実施形態のいずれか１つの方法。
【０１３１】
実施形態７．カソードインレット流における１種以上の燃料化合物が、Ｃ、ＨおよびＯとは異なるヘテロ原子を含み、Ｃ、ＨおよびＯとは異なるヘテロ原子の濃度が、１種以上の燃料化合物の重量に対して、約１００ｗｐｐｍ以下である、上記実施形態のいずれか１つの方法。
【０１３２】
実施形態８．カソードインレット流が、燃焼排出物の少なくとも一部分を含んでなり、燃焼排出物の少なくとも一部分が、少なくとも約０．０２体積％のメチレン当量体積パーセントの１種以上の炭素含有燃料化合物を任意に含んでなり、燃焼排出物の少なくとも一部分が、任意にガスタービンからの排出物の少なくとも一部分である、上記実施形態のいずれか１つの方法。
【０１３３】
実施形態９．溶融炭酸塩形燃料電池が、約０．２５〜約１．３、例えば、約０．２５〜約１．０または約０．４〜約１．０の熱比率で作動される、上記実施形態のいずれか１つの方法。
【０１３４】
実施形態１０．溶融炭酸塩形燃料電池のアノード、溶融炭酸塩形燃料電池のアノードと関連する改質段階（任意に内部改質要素）、またはそれらの組み合わせに導入される改質可能な燃料の量が、電気を発生させるために溶融炭酸塩形燃料電池において反応する水素の量よりも少なくとも約７５％多い、上記実施形態のいずれか１つの方法。
【０１３５】
実施形態１１．溶融炭酸塩形燃料電池のアノードにおける燃料利用が、約５０％以下であり、かつ溶融炭酸塩形燃料電池のカソードにおけるＣＯ２利用が少なくとも約６０％である、上記実施形態のいずれか１つの方法。
【０１３６】
実施形態１２．溶融炭酸塩形燃料電池の電気効率が約１０％〜約４０％であり、かつ溶融炭酸塩形燃料電池の全燃料電池効率が少なくとも約５５％である、上記実施形態のいずれか１つの方法。
【０１３７】
実施形態１３．アノードおよびカソードを有する溶融炭酸塩形燃料電池を含んでなる溶融炭酸塩形燃料電池システムであって、カソードは、電極表面と、少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属を含んでなる第２の触媒表面とを含んでなり、第２の触媒表面上の少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属の濃度は、第２の触媒表面の第１の領域において、第２の触媒表面の第２の領域における少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属の濃度と比較して低く、第２の触媒表面の第１の領域は、第２の触媒表面の第２の領域よりも溶融炭酸塩形燃料電池のカソードのカソードインレットに近い、システム。
【０１３８】
実施形態１４．少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属が、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｆｅまたはそれらの組み合わせを含んでなり、例えば、少なくともＮｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｐｄまたはそれらの組み合わせを含んでなる、実施形態１３のシステム。
【０１３９】
実施形態１５．第２の触媒表面の領域が、少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属の濃度の連続増加勾配を含んでなる、実施形態１３または１４のシステム。
【０１４０】
実施形態１６．第２の触媒表面の第１の領域が、少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属を含んでなり、かつ第２の触媒表面の第２の領域が、第２の触媒表面の第１の領域の少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属とは異なる少なくとも１種の追加的な第ＶＩＩＩ族金属を含んでなる、実施形態１３〜１５のいずれかのシステム。
【０１４１】
実施形態１７．第２の触媒表面の第２の領域が、少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属を含んでなり、かつ第２の触媒表面の第１の領域が、第２の触媒表面の第２の領域の少なくとも１種の第ＶＩＩＩ族金属とは異なる少なくとも１種の追加的な第ＶＩＩＩ族金属を含んでなる、実施形態１３〜１５のいずれかのシステム。
【０１４２】
本発明を特定の実施形態に関して記載したが、必ずしもそのように限定されることはない。特定の条件下での作動のための適切な変更形態／修正形態は、当業者に明白であろう。したがって、以下の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨／範囲内に含まれる全てのそのような変更形態／修正形態を包括するものとして解釈されることが意図される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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