(57)【要約】  ガス井に給電するための自己持続可能な固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムの実施形態は、第１のカソード、第１のアノード、および第１の固体電解質を備える、第１のＳＯＦＣと；第２のカソード、第２のアノード、および第２の固体電解質を備える、第２のＳＯＦＣと；ＳＯ２除去機器と；燃焼器、ならびに燃焼器、第１のＳＯＦＣ、および第２のＳＯＦＣに熱的に接続された循環熱媒体を備える、燃焼回路と；１つ以上の外部電気回路と、を備える。第１のアノードは、ＳＯ２および電子を生成するように構成された第１の酸化領域を含む。第２のアノードは、ＣＨ４を電気化学的に酸化させて合成ガスおよび電子を生成し、Ｈ２を電気化学的に酸化させてＨ２Ｏおよび電子を生成するように構成された第２の酸化領域を備える。外部電気回路は、第１のＳＯＦＣおよび第２のＳＯＦＣの両方で生成された電子から電力を発生するように構成される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス井に給電するための自己持続可能な固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムであって、
第１のカソードと、第１のアノードと、前記第１のカソードと前記第１のアノードとの間に配置された第１の固体電解質と、を備える、第１のＳＯＦＣと、
第２のカソードと、第２のアノードと、前記第１のＳＯＦＣからの第１の生成物流に流体接続された前記第２のカソードと前記第２のアノードとの間に配置された第２の固体電解質と、を備える、第２のＳＯＦＣと、
ＳＯ２を除去するように、前記第１のＳＯＦＣと流体連通しているＳＯ２除去機器と、
燃焼器と、前記第２のＳＯＦＣからの第２の生成物流に流体接続された循環熱媒体と、を備える、燃焼回路と、
前記第１のＳＯＦＣおよび前記第２のＳＯＦＣに接続された１つ以上の外部電気回路と、
を備え、
前記第１のアノードが、天然ガス供給物流中のＨ２ＳからＳＯ２および電子を生成するように構成された第１の酸化領域を備え、
前記第２のアノードが、前記第１の生成物流中のＣＨ４を電気化学的に酸化させて、合成ガスおよび電子を生成し、Ｈ２を電気化学的に酸化させて、Ｈ２Ｏおよび電子を生成するように構成された第２の酸化領域を備え、
前記循環熱媒体が、前記燃焼器、前記第１のＳＯＦＣ、および前記第２のＳＯＦＣと熱的接続され、そのため、少なくとも前記第２の生成物流の燃焼から前記燃焼器で発生した熱が、前記第１のＳＯＦＣに分配されて、前記第１のＳＯＦＣを第１の動作温度に維持し、前記第２のＳＯＦＣに分配されて、前記第２のＳＯＦＣを第２の動作温度に維持し、前記第１および第２の動作温度が、７００℃を超え、
前記外部電気回路が、前記第１のＳＯＦＣおよび前記第２のＳＯＦＣの両方で生成された前記電子から電力を発生させるように構成されている、システム。
【請求項２】
前記第１のアノードおよび前記第２のアノードが、固体金属アノードである、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ＳＯ２除去機器が、前記第１のＳＯＦＣと前記第２のＳＯＦＣとの間に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１のアノードが、溶融金属アノードである、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記自己持続可能なＳＯＦＣシステムが、前記第１のアノードの前記溶融金属を循環させるように構成された溶融金属導管をさらに備える、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記自己持続可能なＳＯＦＣシステムが、前記第１のアノード中の金属から金属硫化物を生成するように構成された硫酸化領域をさらに備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記金属硫化物が、前記第１の固体電解質と接触すると、電気化学的に酸化されて、ＳＯ２および電気を生成する、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記ＳＯ２除去機器が、前記第１のアノードの流れにおいて、前記第１の固体電解質と前記硫酸化領域との間の前記溶融金属導管内に配置され、分離カラムまたは膜を備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１のアノードが、スズ（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、水銀（Ｈｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、ヒ素（Ａｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、テルル（Ｔｅ）、セレン（Ｓｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、金（Ａｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タリウム（Ｔｌ）、カドミウム（Ｃｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、亜鉛（Ｚｎ）、バナジウム（Ｖ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属を含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項１０】
前記循環熱媒体が、前記第１の動作温度および前記第２の動作温度を、７００℃〜９００℃に維持する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１の固体電解質、前記第２の固体電解質、または両方が、ジルコニア系電解質またはセリア系電解質を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第１の固体電解質、前記第２の固体電解質、または両方が、イットリア安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１のカソード、前記第２のカソード、または両方が、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、イットリア安定化ＺｒＯ２／ランタンストロンチウムマンガナイト（ＹＳＺ−ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記自己持続可能な固体酸化物燃料電池システムが、前記燃焼回路への外部燃料供給をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
サワー天然ガスから電気を発生させるための方法であって、
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムを提供することであって、前記システムが、
第１のカソードと、第１のアノードと、前記第１のカソードと前記第１のアノードとの間に配置された第１の固体電解質と、を備える、第１のＳＯＦＣと、
第２のカソードと、第２のアノードと、前記第１のＳＯＦＣからの第１の生成物流に流体接続された前記第２のカソードと前記第２のアノードとの間に配置された第２の固体電解質と、を備える、第２のＳＯＦＣと、
ＳＯ２を除去するように、前記第１のＳＯＦＣと流体連通しているＳＯ２除去機器と、
燃焼器と、前記第２のＳＯＦＣからの第２の生成物流に流体接続された循環熱媒体と、を備える、燃焼回路と、
前記第１のＳＯＦＣおよび前記第２のＳＯＦＣに接続された１つ以上の外部電気回路と、を備える、提供することと、
前記サワー天然ガスを前記第１のＳＯＦＣに供給することと、
前記第１のアノードの第１の酸化領域において、前記サワー天然ガス中のＨ２ＳからＳＯ２および電子を生成することと、
前記ＳＯ２除去機器を使用して前記システムからＳＯ２を除去することと、
前記ＳＯ２が除去された前記第１のＳＯＦＣからの前記第１の生成物流を前記第２のＳＯＦＣに供給することと、
前記第２のアノードの第２の酸化領域において、前記第１のＳＯＦＣからの前記第１の生成物流からＣＨ４を電気化学的に酸化させて、合成ガスおよび電子を生成することと、
前記第２のＳＯＦＣからの前記第２の生成物流を前記燃焼回路に供給し、前記燃焼器で前記合成ガスを燃焼させて、熱を発生させることと、
前記燃焼器で発生した前記熱を、前記循環熱媒体を介して、前記第１のＳＯＦＣおよび前記第２のＳＯＦＣに分配することと、
前記燃焼器からの燃焼生成物流を前記第２のＳＯＦＣに供給することと、
前記第１のＳＯＦＣおよび前記第２のＳＯＦＣで発生した電子を収集することにより、前記１つ以上の外部電気回路で電気を発生させることと、
を含む、方法。
【請求項１６】
前記方法が、前記第２のアノードの前記第２の酸化領域において、前記第１のＳＯＦＣからの前記第１の生成物流からＨ２を電気化学的に酸化させて、Ｈ２Ｏおよび電子を生成することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１のアノードが、溶融金属アノードである、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記サワー天然ガス中のＨ２ＳからＳＯ２および電子を生成することが、前記第１のアノードを前記サワー天然ガスからの前記Ｈ２Ｓと接触させて、金属硫化物を生成し、前記第１の酸化領域において、前記金属硫化物を酸化させて、ＳＯ２を生成することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１のアノードが、固体金属アノードである、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記サワー天然ガス中のＨ２ＳからＳＯ２および電子を生成することが、前記第１の酸化領域において、前記サワー天然ガスからの前記Ｈ２ＳをＳＯ２に直接酸化させることを含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１７年６月２３日に出願された米国仮特許出願第６２／５２３，８３８号および２０１７年１０月３日に出願された、米国特許出願第１５／７２３，６６４の優先権を主張し、その両方の内容全体が参照により組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
本開示の実施形態は、概して、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムに関し、より具体的には、サワー（ｓｏｕｒ）天然ガスから硫化水素を除去するように構成された第１のＳＯＦＣと、第１のＳＯＦＣ副産物から電気を発生させるように構成された第２のＳＯＦＣと、を含む、ＳＯＦＣシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
遠隔地の陸上または沖合の天然ガス井の生産を持続し、生産性を改善するために、電力供給は重要な要件である。しかしながら、従来の電源からの一貫した効率的な電力へのこれらの井戸のアクセシビリティは不十分である。多くの場合、遠隔地または沖合の場所にある天然ガス井に従来の送電線を敷設することは実現不可能である。したがって、ガス井がある遠隔地で様々なエネルギー集約型用途を運転するために、代替の電源オプションを考案する必要がある。これらの用途には、井口ガス圧縮、多相流量計、遠隔ターミナルユニット、消火システム、カソード保護システム、監視制御およびデータ取得、ならびに施設照明が含まれる。代替電源オプションを何度も運転するには、遠隔地に燃料を輸送して代替電源オプションを運転する必要がある。
【０００４】
天然ガス井からの天然ガスを燃料源として直接利用することは、未処理の天然ガスに汚染物質や硫化水素などの他の望ましくない成分が含まれているため、従来的に実現可能ではない。従来から知られているように、燃料電池は、電気化学的酸化が起こるアノード、電気化学的還元が起こるカソード、および特定の温度範囲で純粋なイオン性または混合イオン電子伝導性を示す高密度でガス不透過性のイオン輸送膜である電解質膜という、３つの主要な部分で構成されている。カソードは、酸素イオンを生成し、次いで、酸素イオンは、電解質膜を通ってアノード電極に移動する。酸素イオンは、アノード中の燃料を酸化し、それによって電子を生成し、電子は、外部電気回路を通ってカソードに戻り、それによって電気エネルギーを発生する。しかしながら、硫黄被毒に対する脆弱性が、ＳＯＦＣで広く観察されているため、吸着剤ベッドまたはその他の手段を使用してセルに入る前に硫黄を除去する必要がある。
【０００５】
したがって、遠隔のガス井に給電し、ガス井からの天然ガスを燃料源として直接利用できる、自己持続可能な固体酸化物燃料電池システムに対する継続的な必要性が存在する。
【発明の概要】
【０００６】
本開示の実施形態は、ガス井に給電するための自己持続可能な固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システム、および関連する方法に関する。第１のＳＯＦＣは、天然ガス供給物流から硫黄成分を除去し、第２のＳＯＦＣは、第１のＳＯＦＣの副産物で電力を生成し、各ＳＯＦＣは電子を発生し、電気を発生させるため使用される。本質的に、本自己持続可能な固体酸化物燃料電池システムは、第１および第２のＳＯＦＣの両方で電気を発生させることができ、したがって、コジェネレーション電気と見なされる。次いで、発生した電気は、最終的にガス井自体の運転に利用され得る。本開示のシステムは、天然ガス貯留層中の硫黄濃度が継続的に増加し、処理プラントおよびオフグリッドの遠隔地での電力需要の増加により、特にガスおよび電力産業で産業上の利用可能性を有する。
【０００７】
一実施形態では、ガス井に給電するための自己持続可能な固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムが、提供される。システムは、第１のカソード、第１のアノード、および第１のカソードと第１のアノードとの間に配置された第１の固体電解質を備える、第１のＳＯＦＣと；第２のカソード、第２のアノード、および第１のＳＯＦＣからの第１の生成物流に流体接続された第２のカソードと第２のアノードの間に配置された第２の固体電解質を備える、第２のＳＯＦＣと；第１のＳＯＦＣと流体連通してＳＯ２を除去するＳＯ２除去機器と；燃焼器、および第２のＳＯＦＣからの第２の生成物流に流体接続された循環熱媒体を備える、燃焼回路と；第１のＳＯＦＣおよび第２のＳＯＦＣに接続された１つ以上の外部電気回路と、を備える。第１のアノードは、天然ガス供給物流中のＨ２ＳからＳＯ２および電子を生成するように構成された第１の酸化領域を備える。第２のアノードは、第１の生成物流中のＣＨ４を電気化学的に酸化させて合成ガスおよび電子を生成し、Ｈ２を電気化学的に酸化させてＨ２Ｏおよび電子を生成するように構成された第２の酸化領域を備える。循環熱媒体は、燃焼器、第１のＳＯＦＣ、および第２のＳＯＦＣと熱的接続され、それにより、少なくとも第２の生成物流の燃焼から燃焼器で発生した熱が、第１のＳＯＦＣに分配されて第１のＳＯＦＣを第１の動作温度に維持し、第２のＳＯＦＣに分配されて第２のＳＯＦＣを第２の動作温度に維持し、第１および第２の動作温度が、７００℃を超える。外部電気回路は、第１のＳＯＦＣと第２のＳＯＦＣの両方で生成された電子から電力を発生させるように構成される。
【０００８】
さらなる実施形態では、サワー天然ガスから電気を発生させる方法が提供される。本方法は、第１のカソード、第１のアノード、および第１のカソードと第１のアノードとの間に配置された第１の固体電解質を備える、第１のＳＯＦＣと；第２のカソード、第２のアノード、および第１のＳＯＦＣからの第１の生成物流に流体接続された第２のカソードと第２のアノードの間に配置された第２の固体電解質を備える、第２のＳＯＦＣと、を備える、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムを提供することを含む。本システムはまた、第１のＳＯＦＣと流体連通してＳＯ２を除去するＳＯ２除去機器と；燃焼器、および第２のＳＯＦＣからの第２の生成物流に流体接続された循環熱媒体を備える、燃焼回路と；第１のＳＯＦＣおよび第２のＳＯＦＣに接続された１つ以上の外部電気回路と、を備える。本方法は、サワー天然ガスを第１のＳＯＦＣに供給し、第１のアノードの第１の酸化領域においてサワー天然ガス中のＨ２ＳからＳＯ２および電子を生成し、ＳＯ２除去機器でシステムからＳＯ２を除去することをさらに含む。付加的に、本方法は、ＳＯ２が除去された第１のＳＯＦＣから第１の生成物流を第２のＳＯＦＣに供給することと、第２のアノードの第２の酸化領域において第１のＳＯＦＣからの第１の生成物流からのＣＨ４を電気化学的に酸化させて合成ガスおよび電子を生成することと、第２の生成物流を第２のＳＯＦＣから燃焼回路に供給することと、燃焼器内で合成ガスを燃焼させて熱を発生させることと、を含む。本方法はまた、燃焼器で発生した熱を循環熱媒体を介して第１のＳＯＦＣおよび第２のＳＯＦＣに分配することと、燃焼生成物流を燃焼器から第２のＳＯＦＣに供給することと、第１のＳＯＦＣおよび第２のＳＯＦＣで発生した電子を収集することにより、１つ以上の外部電気回路で電気を発生させることと、を含む。
【０００９】
本明細書に記載の実施形態の付加的な特徴および利点は、以下の詳細な説明に記載され、その説明から当業者には部分的に容易に明らかであるか、または特許請求の範囲、ならびに添付の図面に従う詳細な説明を含む本明細書に記載の実施形態の実施により認識されるであろう。
【００１０】
前述の一般的な説明および以下の発明を実施するための形態の両方は、様々な実施形態を説明し、特許請求される主題の性質および特徴を理解するための概要または枠組みを提供することが意図されることを理解されたい。添付の図面は、様々な実施形態のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。図面は、本明細書で説明される様々な実施形態を示し、説明とともに、特許請求される主題の原理および動作を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本開示の１つ以上の実施形態による自己持続可能な固体酸化物燃料電池システムの概略図である。
【図２】本開示の１つ以上の実施形態による溶融金属アノードを有する自己持続可能な固体酸化物燃料電池システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここで、本開示の自己持続可能な固体酸化物燃料電池システム５の実施形態について詳細に言及する。図１および図２のＳＯＦＣシステム５は、例示として提供されているが、本システムおよび方法は他の構成を包含することを理解されたい。
【００１３】
自己持続可能な固体酸化物燃料電池システム５は、電力供給が非常に限られている遠隔の陸上または沖合のガス井の機器を運転するための連続的かつ効率的な電力供給を提供することを目的としている。システム５は、遠隔ガス井自体からの供給物流８を燃料源として使用することにより、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）および蒸気および乾式改質器の利用を統合することにより、連続的かつ効率的な電力供給を提供する。遠隔の井戸からの天然ガスの供給物流８を直接利用するには、井戸で生成される天然ガスに見られる組成および構成成分、特に硫化水素（Ｈ２Ｓ）を考慮する必要がある。天然ガス中の不純物によるＳＯＦＣの汚染を最小限に抑えることにより、ＳＯＦＣの効率および寿命についてもさらに考慮しなければならない。
【００１４】
天然ガスの組成は、井戸ごとに異なる。しかしながら、天然ガスの典型的な組成を表１に示す。エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）、二酸化炭素（ＣＯ２）、酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）、硫化水素（Ｈ２Ｓ）、および様々な微量の希ガス（アルゴン、ヘリウム、ネオン、およびキセノン）を含め、メタン（ＣＨ４）以外にも天然ガスには様々な構成成分がある。天然ガスに含まれるこれらの様々な構成成分のうち、Ｈ２Ｓは、ＳＯＦＣのアノード側の動作と整合性に大きな懸念をもたらす。Ｎｉ系アノードＳＯＦＣの活性は、２パーツパーミリオン（ｐｐｍ）の低いＨ２Ｓ濃度に暴露された後、かなり低下すると考えられている。したがって、システム５は、電気を発生させるためのＨ２Ｓ系ＳＯＦＣ、ならびに、同時に水蒸気改質および乾式改質を伴う後続の炭化水素系ＳＯＦＣで利用される「硫黄を含まない」ガスを含む。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
開示されたシステムおよび方法は、改質器および燃焼器６２を含む自己持続可能な固体酸化物燃料電池システム５を提供する。自己持続可能な固体酸化物燃料電池システム５は、オフグリッドおよび遠隔のガス井サイトでのガス井準備および操作機器の様々な構成要素を運転するために必要な電気を提供する。システム５は、ガス井自体からの天然ガスの供給物流８を燃料源として利用し、続いて、開示された自己持続可能な固体酸化物燃料電池システム５および関連する方法の実施形態を通じて電気および熱に変換される。発生した熱は、自己持続可能な固体酸化物燃料電池システム５の動作温度を維持し、発生した電気は、ガス井動作機器に給電する。
【００１７】
図１および図２を参照すると、ガス井に給電するための自己持続可能な固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システム５が示されている。システム５は、第１の固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）１０および第２のＳＯＦＣ３０を備える。本明細書で使用されるとき、「第１」は、硫化水素または金属硫化物の電気化学的酸化により電気を生成する第１のＳＯＦＣ１０に関連する構成要素を定義するために使用され、「第２」は、メタン（ＣＨ４）と水素ガス（Ｈ２）の電気化学的変換により電気を生成する第２のＳＯＦＣ３０に関連付けられる構成要素を定義するために使用される。第１のＳＯＦＣ１０は、第１のカソード１２、第１のアノード１４、および第１の固体電解質１６を含む。第１の固体電解質１６は、第１のカソード１２と第１のアノード１４との間に配置される。同様に、第２のＳＯＦＣ３０は、第２のカソード３２、第２のアノード３４、および第２の固体電解質３６を含む。第２の固体電解質３６は、第２のカソード３２と第２のアノード３４との間に配置される。本明細書で使用するとき、「間（ｂｅｔｗｅｅｎ）」は必ずしも直接接触することを意味せず、追加の構成要素が、第１のＳＯＦＣ１０または第２のＳＯＦＣ３０の各々のアノード、カソード、または電解質間にあることが好適であると考えられる。
【００１８】
動作中、第１のＳＯＦＣ１０の第１のアノード１４は、ＳＯ２および電子を生成するように構成された第１の酸化領域５０を含む。具体的には、本開示で後に詳細に説明するように、サワー天然ガス８の供給物中のＨ２Ｓは、最終的に第１のアノード１４での酸化によりＳＯ２に変換される。Ｈ２ＳからＳＯ２への変換のメカニズムは、第１のＳＯＦＣ１０の構成および第１のアノード１４として利用されるアノードのタイプに応じて変化する。固体金属アノードは、Ｈ２ＳをＳＯ２に直接変換し、溶融金属アノードは、溶融金属アノードを形成する溶融金属の金属硫化物の中間体を介してＨ２ＳをＳＯ２に変換する。
【００１９】
第２のＳＯＦＣ３０はまた、第２の酸化領域５２の形態で、酸化領域を含む。第２の酸化領域５２は、ＣＨ４を電気化学的に酸化させて合成ガスおよび電子を生成し、Ｈ２を電気化学的に酸化させてＨ２Ｏおよび電子を生成するように構成される。
【００２０】
自己持続可能なＳＯＦＣシステム５は、燃焼回路６０をさらに備える。燃焼回路６０は、燃焼器６２および循環熱媒体６４を含む。燃焼回路６０は、第１のＳＯＦＣ１０および第２のＳＯＦＣ３０を最適な動作温度に維持するのを助けるために、第１のＳＯＦＣ１０および第２のＳＯＦＣ３０に熱の形で熱エネルギーを供給する。循環熱媒体６４は、燃焼器６２、第１のＳＯＦＣ１０、および第２のＳＯＦＣ３０と熱的に接続されており、それにより、燃焼器６２で発生した熱が、第１のＳＯＦＣ１０を第１の動作温度に維持するために第１のＳＯＦＣ１０に分配され、第２のＳＯＦＣ３０を第２の動作温度に維持するために第２のＳＯＦＣ３０に分配される。１つ以上の実施形態において、第１の動作温度、第２の動作温度、または両方は、７００℃を超える。様々なさらなる実施形態において、第１の動作温度、第２の動作温度、または両方は、７００℃〜１２００℃、７００℃〜１１００℃、７００℃〜１０００℃、または７００℃〜９００℃の範囲にある。動作温度が上昇するにつれて劣化速度が増大し、関連する材料コストが増大する結果として、十分な電解質伝導性を提供する最低温度でＳＯＦＣを動作させることが経済的により好ましい。
【００２１】
実施形態では、循環熱媒体６４は、燃焼器６２で発生した熱を自己持続可能なＳＯＦＣシステム５の様々な構成要素にわたって運ぶための流体を含む。熱を運ぶための流体は、燃焼器６２の高い動作温度に耐えることができる任意の気体、液体、または流動性微粒子であってもよい。循環熱媒体６４を選択する際には、少なくとも以下のパラメータを考慮すべきである：循環熱媒体６４の膨張係数、循環熱媒体６４の粘度、および循環熱媒体６４の熱容量。膨張係数は、温度の一単位変化に対する循環熱媒体６４の長さ、または指定されたときは体積、の分数変化を定量化する。膨張係数を考慮することにより、循環熱媒体６４の流路に適切な循環熱媒体６４を選択することが可能になる。同様に、粘性は、せん断力に対する循環熱媒体６４の抵抗を定量化し、熱容量は、熱を貯蔵する循環熱媒体６４の能力を定量化する。粘度および熱容量は、循環熱媒体６４を循環させるのに必要なポンピングエネルギーの量を決定する。粘度がより低く熱容量がより大きい循環熱媒体６４は、流れに対する抵抗がより少なく、より多くの熱を伝達するため、ポンピングが容易である。循環熱媒体６４の選択では、循環熱媒体６４の安定性と腐食性も考慮するべきである。
【００２２】
燃焼器６２は、合成ガスを処理することができる任意の従来の燃焼器を含み得る。合成ガスを処理するのに好適な燃焼器６２は、当業者に知られているであろう。限定されることを望まないが、例示的な燃焼器６２は、ＣＡＮ燃焼器であり得る。熱は、合成ガスなどの燃料の燃焼により燃焼器６２で発生し、循環熱媒体６４に伝達される。
【００２３】
さらに、図１および図２に示すように、ＳＯＦＣシステム５は、第１のＳＯＦＣ１０および第２のＳＯＦＣ３０から電子を収集して電気を発生する１つ以上の外部電気回路７０を備える。外部電気回路７０は、ワイヤ、または動作条件で固体で不活性な任意の他の電子伝導材料を含み得る。外部電気回路７０は、電気回路７０を介して第１のアノード１４から第１のカソード１２に戻って進むかまたは第２のアノード３４から第２のカソード３２に戻って進む電子の収集を促進する。各ＳＯＦＣに別個の外部回路が考えられるが、第１のＳＯＦＣ１０および第２のＳＯＦＣ３０は、電気エネルギーのコジェネレーションで使用される外部回路を共有し得ることも考えられる。本明細書で使用されるとき、「コジェネレーション」は、第１のＳＯＦＣ１０および第２のＳＯＦＣ３０からの電気の収集である。「コジェネレーション」は、燃料電池で化学物質と電気が同時に生成されることを示すために文献でよく使用されるが、本明細書では第１のＳＯＦＣ１０と第２のＳＯＦＣ３０での電気の二重収集を表すために使用される。
【００２４】
図１および図２に示すように、動作中、第１のカソード１２は、次の反応（Ｒ１）に従って、第１の入口空気流８０中のＯ２を減少させる。
【００２５】
【化１】
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【００２６】
第１のＳＯＦＣ１０は、複数の構成で動作し得る。少なくとも１つの実施形態では、第１のＳＯＦＣ１０は、固体金属アノードを有するＨ２Ｓ系のＳＯＦＣを用いた現場外でのＳＯ２除去で動作する。具体的には、第１のＳＯＦＣ１０は、燃料流８からのＨ２ＳをＳＯ２に電気化学的に変換することができ、次いで、第１のＳＯＦＣ１０に続いて、発生したＳＯ２は第１のＳＯＦＣ１０の第１の生成物流４２から除去される。少なくとも１つのさらなる実施形態では、第１のＳＯＦＣ１０は、現場でのＳＯ２除去で動作し、溶融金属アノード固体酸化物燃料電池（ＭＭＡ−ＳＯＦＣ）を形成するための溶融金属アノードを含む。具体的には、第１のＳＯＦＣ１０は、溶融金属アノードを含み、Ｈ２Ｓを天然ガス燃料流８から金属硫化物に変換し、次いで、溶融金属アノード１４の循環流内で除去するために電気化学的に金属硫化物をＳＯ２に変換し得る。
【００２７】
図１に示されるように、固体金属アノードおよび現場外でのＳＯ２除去を伴う実施形態では、自己持続可能な固体酸化物燃料電池システム５は、天然ガス井の坑口からのサワーガス流８を直接利用する２段階反応システムを含む。第１の段階では、第１のＳＯＦＣ１０は、選択的な固体金属アノード１４を利用して、電気化学的酸化によりサワーガス流８に存在するＨ２Ｓを除去する。次いで、第１のＳＯＦＣ１０からの第１の生成物流４２は、第２の段階で第２のＳＯＦＣ３０に供給される。次いで、第２のＳＯＦＣ３０は、第１のＳＯＦＣ１０からの第１の生成物流４２中の残りの燃料種を酸化させて、追加の電気を発生させる。
【００２８】
第１のＳＯＦＣ１０では、天然ガス井の坑口からのＨ２Ｓを含むサワーガス流８が燃料として利用される。具体的には、第１のＳＯＦＣ１０は、電気化学的手段を介してＨ２ＳのＳＯ２への酸化を行うことにより、サワーガス８中の硫化水素を利用する。Ｈ２Ｓの化学ポテンシャルは高く、エネルギーは、最大８０％の効率で電気に放出される。第１のＳＯＦＣ１０におけるＨ２Ｓの電気化学的酸化は、サワーガス８からのＨ２Ｓと、第１のＳＯＦＣ１０の第１の固体電解質１６から移動した酸化物イオンとの反応で始まる。移動した酸化物イオンは、第１の入口空気流８０から提供される。付加的に、第１の入口空気流８０から酸素を除去すると、酸素が枯渇した第１の出口空気流８２が生成される。Ｈ２Ｓと酸化物イオンの反応は、次の反応（Ｒ２）および（Ｒ３）に従って２つの可能性のある反応を引き起こす場合がある。
【００２９】
【化２】
2020524873.tif 000005
【００３０】
【化３】
2020524873.tif 000006
【００３１】
第１のＳＯＦＣ１０内で移動した酸化物イオンとＨ２Ｓの反応により、硫黄（Ｓ２）、二酸化硫黄（ＳＯ２）、水（Ｈ２Ｏ）、熱、および電気が生成される。第１のＳＯＦＣ１０などのＨ２Ｓを燃料とするＳＯＦＣシステムの反応生成物は、反応を優先させることによりＳ２発生に応じた減少を伴うＳＯ２発生に向けられ得る（Ｒ３）。Ｈ２およびＨ２Ｓによって燃料供給される第１のＳＯＦＣ１０などのＳＯＦＣからの酸化生成物は、カソード１２からアノード１４に到達する酸化物イオンの流束によって決定される。このイオン流束は、システム５での燃料利用レベルに直接関連しており、燃料利用レベルが高いとＳＯ２生産に有利に働き、燃料利用レベルが低いと単体硫黄の生成に有利に働く。本開示の目的では、変換率が６０％を超える燃料利用は、高い燃料利用とみなされ得る。
【００３２】
第１のＳＯＦＣ１０の動作温度が上昇すると、Ｈ２Ｓの熱分解をもたらす可能性もある。約７００℃を超える温度では、Ｈ２Ｓは、次の反応（Ｒ４）に従って硫黄と水素に部分的に分解され得る。
【００３３】
【化４】
2020524873.tif 000007
【００３４】
（Ｒ４）によって生成された単体硫黄と水素は、第１のＳＯＦＣ１０の電気化学反応でさらに反応し得る。具体的には、水素および酸素が反応して、水および電気を生成し得る。さらに、単体硫黄および酸素が反応して、ＳＯ２および電気を生成し得る。これらの反応は、それぞれ、次の反応（Ｒ５）および（Ｒ６）に従う。
【００３５】
【化５】
2020524873.tif 000008
【００３６】
【化６】
2020524873.tif 000009
【００３７】
反応（Ｒ１）、（Ｒ２）、（Ｒ３）、（Ｒ４）、（Ｒ５）、および（Ｒ６）の組み合わせの結果は、サワーガス８からのＨ２Ｓの除去であり、結果として第１のＳＯＦＣ１０でＨ２ＯおよびＳＯ２への変換が生じる。ＳＯ２は、その後、スイート化ガス流として第２のＳＯＦＣ３０に送られる前に、第１の生成物流４２から除去され得る。第１のＳＯＦＣ１０からの第１の生成物流４２は、スイートガスおよびＨ２Ｏ、ならびに変換されたＨ２Ｓから発生したＳＯ２を含む。スイートガスは、硫化水素をほとんどまたはまったく含まない、具体的には、２０ｐｐｍ未満のＨ２Ｓを含む、天然ガスである。様々な実施形態において、スイートガスは、２０ｐｐｍ未満のＨ２Ｓ、１０ｐｐｍ未満のＨ２Ｓ、１ｐｐｍ未満のＨ２Ｓ、０．１ｐｐｍ未満のＨ２Ｓ、または０．０１ｐｐｍ未満のＨ２Ｓを含む。
【００３８】
図２に示すように、現場でＳＯ２を除去する実施形態では、自己持続可能な固体酸化物燃料電池システム５は、天然ガス井の坑口から直接サワーガス流８を利用する２段階反応システムも含む。第１の段階では、第１のＳＯＦＣ１０は、Ｈ２Ｓを管理し、最終的にＨ２ＳをＳＯ２に変換して第１の生成物流４２で除去することにより電気を発生させる溶融金属アノード固体酸化物燃料電池（ＭＭＡ−ＳＯＦＣ）を備える。次いで、第１のＳＯＦＣ１０からの第１の生成物流４２は、第２の段階で第２のＳＯＦＣ３０に供給される。次いで、第２のＳＯＦＣ３０は、第１のＳＯＦＣ１０からの第１の生成物流４２中の残りの燃料種を酸化させて、追加の電気を発生させる。
【００３９】
ＭＭＡ−ＳＯＦＣは、金属アノードが液体または溶融状態にある燃料電池である。動作中、溶融金属アノードは、固体電解質との界面で酸素イオンにより電気化学的に酸化される。溶融金属アノードは、一般化された反応（Ｒ７）に従って酸化される。標準のＭＭＡ−ＳＯＦＣでは、生成された溶融金属酸化物は、溶融金属アノードで燃料との界面に向かって拡散し、そこで燃料を酸化し、ループサイクルの反応（Ｒ８）に従って還元され溶融金属状態に戻される。
【００４０】
【化７】
2020524873.tif 000010
【００４１】
【化８】
2020524873.tif 000011
【００４２】
本開示に従って第１のＳＯＦＣ１０に供給されるサワーガス８は、Ｈ２Ｓを含む。Ｈ２Ｓを含むサワーガスが第１のアノード１４（溶融金属アノード）を通過すると、反応（Ｒ９）に従って、溶融金属アノードおよびガス燃料界面で、溶融金属硫化物およびＨ２が発生する。
【００４３】
【化９】
2020524873.tif 000012
【００４４】
発生した溶融金属硫化物は、溶融金属アノード１４の溶融金属とは異なる密度を有する。第１のアノード１４の溶融金属と溶融金属硫化物との間の密度差のため、溶融金属硫化物は、溶融物の重力上部に向かって拡散する。溶融金属硫化物は、第１の固体電解質１６と接触するようになる流れを形成し、電気化学的に酸化される。溶融金属硫化物の電気化学的酸化は、溶融金属を再生し、溶融金属アノード１４を形成し、反応（Ｒ１０）ならびに電気発生に従ってＳＯ２を生成する。
【００４５】
【化１０】
2020524873.tif 000013
【００４６】
図２を参照すると、追加の実施形態では、第１のＳＯＦＣ１０に硫酸化領域２０を含めることが望ましい場合がある。本明細書で使用するとき、「硫酸化領域」は、第１の溶融金属アノード１４と硫黄含有サワーガス８の接触領域を包含し、さらに金属硫化物を生成し、これを、次いで、電気化学的に酸化させて電気を発生させ得る。この硫酸化は、図２に示すように、第１の固体電解質１６および第１のカソード１２（図示せず）に隣接するか、または第１の固体電解質１６および第１のカソード１２と離れているが、流体連通し得る、燃料接触器２２で起こり得る。前述のように、これらの金属硫化物は、現場で電気化学的に酸化されて、さらに電気を発生し得る。燃料接触器２２は、第１の溶融金属アノード１４への燃料の拡散のみを可能にするが、第１の溶融金属アノード１４が逃げないようにする、例えばセラミックまたは金属の多孔質管を含み得る。
【００４７】
図２に示すように、第１のアノード１４用の溶融金属アノードを有する構成では、閉ループ構成の硫酸化領域２０と第１の酸化領域５０との間に第１のアノード１４の形態で溶融金属を送達するように構成された溶融金属導管１８がある。硫酸化領域２０は、溶融金属導管１８内に配置されている。第１の酸化領域５０は、第１の固体電解質１６および第１のカソード１２から形成される。溶融金属導管１８には、例えば、パイピングまたは配管などの様々な実施形態が考えられる。具体的に示されていないが、溶融金属導管１８は、バルブ、ポンプ、または第１のアノード１４の溶融金属の流れを支援もしくは調節する他の任意の好適なデバイスを含み得る。
【００４８】
第１のＳＯＦＣ１０における未処理サワーガス８の処理中、溶融金属アノードおよび発生した金属硫化物は、第１のＳＯＦＣ１０の硫酸化領域２０から第１の酸化領域５０に循環される。第１のアノード１４の溶融金属に選択された金属から、それらの金属相および硫化物相の溶融温度がわかるはずである。析出現象を避けるため、金属相と硫化物相の両方は、燃料電池の動作温度範囲内またはそれ以下の融解温度を有しなければならない。さらに、金属相および硫化物相の密度および第１の酸化領域５０の形状は、金属硫化物が第１の固体電解質１６に適切に暴露されて確実に変換されて金属相およびＳＯ２に戻るように考慮されるべきである。
【００４９】
様々な実施形態では、第１のアノード１４の溶融金属のために複数の組成物が考えられる。例えば、限定するものではないが、第１のアノード１４は、スズ（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、水銀（Ｈｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、ヒ素（Ａｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、テルル（Ｔｅ）、セレン（Ｓｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、金（Ａｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タリウム（Ｔｌ）、カドミウム（Ｃｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、亜鉛（Ｚｎ）、バナジウム（Ｖ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属を含み得る。例示的な実施形態では、第１のアノード１４は、アンチモンを含み得る。以下の表２に示すように、融点が比較的均一であるため、アンチモンが、金属、酸化物、または硫化物の形態であるかどうかにかかわらず、アンチモンは、好適な選択である。
【００５０】
【表２】
2020524873.tif 000014
【００５１】
説明したように、溶融金属は、硫黄キャリアおよび捕捉剤として、また第１のＳＯＦＣ１０の第１のアノード１４として機能する。しかしながら、電気触媒活性が小さい場合、電気化学的酸化速度をさらに高めるために、従来の固体多孔質金属／金属酸化物アノードがさらに使用され得る。小さな電極触媒活性は、非対称電荷移動係数の場合と同様に決定される。様々な構成が考えられるが、従来の固体多孔質金属／金属酸化物アノードは、第１の固体電解質１６と第１の溶融金属アノード１４を分離するように第１の固体電解質１６に隣接して配置され得る。動作中、金属硫化物種は、第１の固体電解質１６から供給される酸素イオン種によって電気化学的に酸化されるべきであり、電気およびＳＯ２（ｇ）を生成する。
【００５２】
酸化に好適な様々な金属、例えば金属またはセラミック金属が、従来の固体多孔質金属／金属酸化物アノードに利用され得る。一実施形態では、従来の固体多孔質金属／金属酸化物アノードは、より硫酸化を受けにくい金属またはセラミック−金属材料、すなわち、溶融金属アノードの金属よりも安定性の低い金属硫化物を含む。例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）およびそれらの組み合わせは、従来の固体多孔質金属／金属酸化物アノードに利用され得る。別の実施形態では、従来の固体多孔質金属／金属酸化物アノードは、鉄（Ｆｅ）を使用し得、アンチモン（Ｓｂ）は、第１のアノード１４の溶融金属に使用され得る。従来の固体多孔質金属／金属酸化物アノードと第１の溶融金属アノード１４の他の組成の組み合わせも本開示の範囲内である。
【００５３】
金属酸化物はまた、金属硫化物が酸化されて溶融金属に戻るのと並行して、第１の溶融金属アノード１４から電気化学的に形成され得る。溶融物中の金属酸化物種が望ましくない場合、犠牲還元剤（ＳＲＡ）（図示せず）が溶融金属導管１８中の第１のＳＯＦＣ１０の下流で使用され得る。一実施形態では、ＳＲＡは、金属酸化物種を金属およびＣＯ２に還元する働きをするグラファイトロッド、または第１の溶融金属アノード１４の金属よりも酸化を受けやすい金属（固相）であり得る。ＳＲＡがグラファイトロッドである実施形態では、ＳＲＡは、システム５からＣＯ２をパージするための隣接する開口部を有し得る。金属の酸化に対する感受性の尺度は、金属酸化物の形成自由エネルギーであり得、したがってＳｂ溶融金属アノードの場合、ＳＲＡの金属は、鉄（Ｆｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、マンガン（Ｍｎ）、タンタル（Ｔａ）、シリコン（Ｓｉ）またはチタン（Ｔｉ）およびそれらの組み合わせを含む群のうちの１つであり得る。この部品の寿命は限られているため、完全に酸化されたら交換することを意図している。
【００５４】
固体金属アノードまたは溶融金属アノードのいずれかを備えた第１のＳＯＦＣ１０におけるＨ２ＳのＳＯ２への変換から発生したＳＯ２は、第１のＳＯＦＣ１０の第１の生成物流４２から除去され得る。ＳＯ２除去機器は、第１のＳＯＦＣ１０の下流に含まれ得る。第１のＳＯＦＣ１０の生成物流からＳＯ２を除去するために利用されるＳＯ２除去機器４０の例は、ウェットスクラバーユニット、スプレードライユニット、ウェットＨ２ＳＯ４処理ユニット、ＳＮＯｘ煙道ガス脱硫ユニットおよびそれらの組み合わせなどの１つ以上のユニットを含み得る。付加的に、第１のアノード１４用の固体金属アノードを用いて、分離カラムまたは膜を用いて、第１のＳＯＦＣ１０のガス状生成物流からＳＯ２が分離され得る。膜の例には、イオン性液体膜および中空繊維複合膜が含まれる。溶融金属アノードを備えた少なくとも１つの実施形態では、生成されたＳＯ２は、第１の固体電解質１６および第１のカソード１２の下流の気泡として溶融金属アノードから除去され得る。気泡として形成されたＳＯ２は、図２に示すように、外部の通気口によって収集され得る。少なくとも１つの実施形態では、ＳＯ２除去機器４０は、溶融金属の第１のアノード１４の流れにおける第１の固体電解質１６と硫酸化領域２０との間の溶融金属導管１８に配置される。
【００５５】
現場でのＳＯ２除去を伴う実施形態および現場外でのＳＯ２除去を伴う実施形態の両方において、第１の生成物流４２からのＳＯ２の除去後に実質的に硫黄を含まないスイートガスが第１のＳＯＦＣ１０から第２のＳＯＦＣ供給物４４として第２のＳＯＦＣ３０に供給される。第２のＳＯＦＣ供給物４４は、第２のＳＯＦＣ３０で並列化学変換および電気化学変換の組み合わせを受けて、電気および合成ガス（シンガス）をコジェネレートする。
【００５６】
化学変換は、反応（Ｒ１１）および（Ｒ１２）のそれぞれに従って、第２のＳＯＦＣ供給物４４中のスイートガスの乾燥改質および水蒸気改質として、第２のＳＯＦＣ３０の第２のアノード３４で起こる。改質は、第２のＳＯＦＣ３０内で生じ得、または第２のＳＯＦＣ３０への導入前に別個の改質ユニット（図示せず）で完了され得る。Ｈ２ＯおよびＣＯ２は、第１の生成物流４２および第１のＳＯＦＣ１０から提供される他の生成物、ならびに第２のＳＯＦＣ３０で生成され、燃焼器６２を通過する燃焼合成ガスからの燃焼生成物を含む燃焼生成物流４６の結果として第２のＳＯＦＣ３０に供給される。
【００５７】
【化１１】
2020524873.tif 000015
【００５８】
【化１２】
2020524873.tif 000016
【００５９】
第１のＳＯＦＣ１０からの第１の生成物流４２は、第２のＳＯＦＣ３０で電気化学反応を受ける。第２のＳＯＦＣ３０の第２のアノード３４での電気化学反応は、反応（Ｒ１３）に従って、第２のＳＯＦＣ供給物４４中のスイートガスからのＣＨ４を合成ガス（ＣＯおよびＨ２）に変換する。付加的に、第１のＳＯＦＣ１０、燃焼器６２、または両方からの水素ガスは、反応（Ｒ１４）に従って、第２のＳＯＦＣ３０の第２のアノード３４で酸素とともに水に改質される。酸素は、第２の入口空気流８４から供給される。酸素除去後の第２の入口空気流８４からの残留ガスは、出口空気流８６として排出される。反応（Ｒ１３）および（Ｒ１４）は、それぞれ合成ガスと水とともに電気を付加的に発生する。
【００６０】
【化１３】
2020524873.tif 000017
【００６１】
【化１４】
2020524873.tif 000018
【００６２】
詳細には、反応（Ｒ１１）に示すように、ＣＯ２（ｇ）は、ＣＨ４（ｇ）と反応し、それは、第２のＳＯＦＣ３０の第２のアノード３４（燃料側）に共供給され、１：１のモル比でＣＯおよびＨ２（合成ガス）を形成する。付加的に、反応（Ｒ１２）では、Ｈ２Ｏ（ｇ）は、ＣＨ４（ｇ）と反応して、１：３のモル比でＣＯおよびＨ２を形成する。第１のＳＯＦＣ１０の第１の生成物流４２中のスイートガスからのＣＨ４の残りは、反応（Ｒ１３）に従って、電気を生成するＯ２−イオン種により１：２のモル比でＣＯおよびＨ２に電気化学的に部分酸化される。同時に、第２のアノード３４で生成されたＨ２の一部は、反応（Ｒ１４）に示されるようにＯ２−により電気化学的に酸化され、付加的に自己持続可能な燃料電池システム５の総電力結果に寄与する。
【００６３】
第１のＳＯＦＣ１０と同様に、反応（Ｒ１３）および（Ｒ１４）を可能にするために第２のアノード３４で提供されるＯ２−イオン種は、反応（Ｒ１）に従って空気中のＯ２（ｇ）によって発生する。Ｏ２−イオン種は、第２のカソード３２（空気側）から第２のアノード３４（燃料側）および第２の固体電解質３６に供給される。第１の入口空気流８０および第２の入口空気流８４は、空気、純酸素、または他の任意の酸素含有ガス流を含み得ることが理解されるであろう。
【００６４】
酸化に好適な様々な金属、例えば金属または金属セラミックが、固体金属の第１のアノード１４および固体金属の第２のアノード３４として利用され得る。一実施形態では、第１のアノード１４、第２のアノード３４、または両方は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）またはそれらの組み合わせを含む。図１に示す現場外でのＳＯ２除去構成における固体金属の第１のアノード１４と図１および図２に示す両方の構成における第２のアノード３４の場合、アノードに選択される金属は、ＳＯＦＣの動作温度で固相を維持するように選択するべきである。
【００６５】
第１の固体電解質１６および第２固体電解質３６の場合、それぞれ、第１のアノード１４および第２のアノード３４の高いイオン伝導性および無視できる化学的相互作用が必要である。第１の固体電解質１６または第２の固体電解質３６には様々な組成物が好適であるとは言っても、主要な要件は、酸素イオン伝導性である。好適な固体電解質は、純粋なイオン電子または混合イオン電子のいずれかであり得る。
【００６６】
例えば、限定するものではないが、第１の固体電解質１６または第２の固体電解質３６は、ジルコニア系電解質またはセリア系電解質を含み得る。特定の実施形態では、ジルコニア系電解質は、イットリア安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ＺｒＯ２（ＳｃＳＺ）、カルシア安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）およびそれらの組み合わせからなる群から選択され得る。例示的な実施形態では、第１の固体電解質１６または第２の固体電解質３６は、イットリア安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）を含み得る。あるいは、セリア系電解質は、希土類ドープセリアを含んでもよい。例えば、セリア系電解質は、ガドリニウムドープセリア（ＧＤＣ）、イットリアドープセリア（ＹＤＣ）、サマリウムドープセリア（ＳｍＤＣ）およびこれらの組み合わせからなる群から選択される。
【００６７】
第１の固体電解質１６または第２の固体電解質３６の組成を選択する場合、以下の要因を考慮すべきである：燃料電池に壊滅的な影響を与え得る電極のいずれかとの化学的相互作用の可能性、燃料電池の動作温度範囲；、およびイオン／電子伝導率比の値。その結果、２つ以上の固体電解質の組み合わせを使用して、これらの因子が確実に満たされるようにすることができる。例えば、所望の動作温度での顕著なイオン伝導性のために燃料電池で不安定な固体電解質を使用する必要がある場合、化学的に安定な固体電解質の薄いコーティングが、アノードと固体電解質間の直接接触を避けるために電解質とアノードの界面に使用され得る。同じ技術を用いて、高度に導電性の混合イオン  −  電子固体電解質が所望の温度範囲で現れることができる電子伝導性をブロックすることができる。この場合、純粋なイオン伝導体（ＹＳＺなど）の薄いコーティングが有益であり得る。
【００６８】
一方、電解質と無視できるほどの相互作用をしながら、高い動作温度範囲で低いＯ２（ｇ）還元過電圧を示すカソード材料は、第１のカソード１２および第２のカソード３２で使用され得る。例えば、限定するものではないが、第１のカソード１２または第２のカソード３２は、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、イットリア安定化ＺｒＯ２／ランタンストロンチウムマンガナイト（ＹＳＺ−ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、およびそれらの組み合わせを含み得る。例示的な実施形態では、第１のカソード１２または第２のカソード３２は、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）を含み得る。
【００６９】
燃焼回路６０は、第２のＳＯＦＣ３０から第２の生成物流４８を受け取る。第２のＳＯＦＣ３０からの第２の生成物流４８は、反応の生成物（Ｒ１３）として合成ガス（ＣＯおよびＨ２）を含む。第２の生成物流４８は、付加的に、反応の生成物（Ｒ１４）としてＨ２Ｏを含み得る。燃焼回路６０への主に合成ガスの供給物は、燃焼器６２で燃焼され、ＣＯ２およびＨ２Ｏに変換される。燃焼器６２中の第２の生成物流４８で合成ガスを燃焼させることにより発生したＣＯ２およびＨ２Ｏは、第１のＳＯＦＣ１０の第１の生成物流４２と合流する。組み合わされた流れは、第２のＳＯＦＣ供給物流４４として反応（Ｒ１１）および（Ｒ１２）の反応物として第２のＳＯＦＣ３０に再供給される。燃焼器６２での燃焼は、熱を発生させ、これは、第１のＳＯＦＣ１０および第２のＳＯＦＣ３０への通路にある循環熱媒体６４に伝達される。
【００７０】
循環熱媒体６４は、当業者に知られている任意の熱交換器機構を備え得る。少なくとも１つの実施形態では、循環熱媒体６４は、燃焼器６２の炎または加熱空間を通過する間に燃焼器６２から熱を受け取り、さらに第１のＳＯＦＣ１０および第２のＳＯＦＣ３０と熱接触する一連の流体充填管を備える。循環熱媒体６４の管を満たす流体は、燃焼器６２から取得した熱を第１のＳＯＦＣ１０および第２のＳＯＦＣ３０の各々に伝達するために循環し得る。流体の流れパターンは、第１の動作温度に第１のＳＯＦＣ１０を維持し、第２の動作温度に第２のＳＯＦＣ３０を維持するために、速度および経路の両方で調整され得る。様々な実施形態において、循環熱媒体６４中の流体は、例えば、ブライン溶液または水であり得る。循環熱媒体６４中の流体は、燃焼器６２の動作温度に耐えることができる気体、液体、または固体微粒子の任意の成分であってもよい。
【００７１】
少なくとも１つの実施形態では、自己持続可能なＳＯＦＣシステム５は、燃焼回路６０への外部燃料供給部９０をさらに備える。外部燃料供給部９０は、システム５の初期始動のために燃焼器６２に可燃性ガスを供給する。外部燃料供給部９０は、サワーガス供給物８を第１のＳＯＦＣ１０に導入する前に、燃料電池の動作を改善するために、第１のＳＯＦＣ１０を第１の動作温度までまたはそれに向かって上昇させ、かつ第２のＳＯＦＣ３０を第２の動作温度までまたはそれに向かって上昇させることを燃焼回路６０に可能にさせる燃料を提供する。システム５はまた、初期起動時にシステム５が作動する前に第１のＳＯＦＣ１０、第２のＳＯＦＣ３０、またはその両方の温度を上昇させる外部加熱器（図示せず）または他の装置を含み得る。様々な実施形態では、外部燃料供給部９０は、合成ガス、スイートガス、またはそれらの組み合わせを含み得る。
【００７２】
少なくとも１つの実施形態では、ＳＯ２除去機器４０によって第１のＳＯＦＣ１０から除去された（現場または現場外構成）ＳＯ２は、収集またはさらなる即時処理のためにさらなるユニットに提供され得る。例えば、ＳＯ２は、様々な産業用途での収集および利用のためにＳＯ３に変換され、続いて硫酸に変換され得る。さらなる実施形態では、ＳＯ２は、大気中に排出され得る。
【００７３】
自己持続可能な固体酸化物型燃料電池システム５はまた、天然ガスからのエネルギー発生効率を高めるとともに、閉ループ炭素循環の電気発生プロセスから発生したＣＯ２排出を利用することにより、ＣＯ２排出を管理する世界的な取り組みに貢献している。具体的には、さらなる電気化学的変換およびエネルギー発生のために第２のＳＯＦＣ３０への通過前に、Ｈ２Ｓがサワーガスから除去されるシステム５の二重ステップは、システム５の全体的な効率を改善する。
【００７４】
ここで、ガス井に給電するための自己持続可能な固体酸化物燃料電池システム、およびサワー天然ガスから電気を発生させる方法の様々な態様が説明され、そのような態様は、様々な他の態様と併せて利用され得ることを理解されたい。
【００７５】
第１の態様では、本開示は、ガス井に給電するための自己持続可能な固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムを提供する。それらシステムは、第１のカソードと、第１のアノードと、第１のカソードと第１のアノードとの間に配置された第１の固体電解質と、を有する、第１のＳＯＦＣを備える。システムは、第２のカソードと、第２のアノードと、第１のＳＯＦＣからの第１の生成物流に流体接続された第２のカソードと第２のアノードとの間に配置された第２の固体電解質と、を有する、第２のＳＯＦＣを付加的に備える。さらに、システムは、ＳＯ２を除去するために第１のＳＯＦＣと流体連通するＳＯ２除去機器と、燃焼器、および第２のＳＯＦＣからの第２の生成物流に流体接続された循環熱媒体を含む燃焼回路と、第１のＳＯＦＣおよび第２のＳＯＦＣに接続された１つ以上の外部電気回路と、を備える。第１のアノードは、天然ガス供給物流中のＨ２ＳからＳＯ２および電子を生成するように構成された第１の酸化領域を備える。第２のアノードは、第１の生成物流中のＣＨ４を電気化学的に酸化させて合成ガスおよび電子を生成し、Ｈ２を電気化学的に酸化させてＨ２Ｏおよび電子を生成するように構成された第２の酸化領域を備える。循環熱媒体は、燃焼器、第１のＳＯＦＣ、および第２のＳＯＦＣと熱的接続され、それにより、少なくとも第２の生成物流の燃焼から燃焼器で発生した熱が、第１のＳＯＦＣに分配されて第１のＳＯＦＣを第１の動作温度に維持し、第２のＳＯＦＣに分配されて第２のＳＯＦＣを第２の動作温度に維持し、第１および第２の動作温度が、７００℃を超える。外部電気回路は、第１のＳＯＦＣおよび第２のＳＯＦＣの両方で生成された電子から電力を発生するように構成される。
【００７６】
第２の態様では、本開示は、第１のアノードおよび第２のアノードが、固体金属アノードである、第１の態様に記載のシステムを提供する。
【００７７】
第３の態様では、本開示は、ＳＯ２除去機器が、第１のＳＯＦＣと第２のＳＯＦＣとの間に配置されている、第１または２の態様に記載のシステムを提供する。
【００７８】
第４の態様では、本開示は、ＳＯ２除去機器が、分離カラムまたは膜を備える、第１〜３の態様のいずれか１つに記載のシステムを提供する。
【００７９】
第５の態様では、本開示は、第１のアノードおよび第２のアノードが、金属または金属セラミックを含む、第１〜４の態様のいずれか１つに記載のシステムを提供する。
【００８０】
第６の態様では、本開示は、第１のアノードおよび第２のアノードが、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属を含む、第１〜５の態様のいずれか１つに記載のシステムを提供する。
【００８１】
第７の態様では、本開示は、第１のアノードが、溶融金属アノードである、第１の態様に記載のシステムを提供する。
【００８２】
第８の態様では、本開示は、自己持続可能なＳＯＦＣシステムが、第１のアノードの溶融金属を循環させるように構成された溶融金属導管をさらに備える、第７の態様のいずれかに記載のシステムを提供する。
【００８３】
第９の態様では、本開示は、自己持続可能なＳＯＦＣシステムが、第１のアノード中の金属から金属硫化物を生成するように構成された硫酸化領域をさらに備える、第７または８の態様に記載のシステムを提供する。
【００８４】
第１０の態様では、本開示は、硫酸化領域が、溶融金属導管内に配置される、第８または９の態様に記載のシステムを提供する。
【００８５】
第１１の態様では、本開示は、金属硫化物が、第１の固体電解質と接触すると電気化学的に酸化されてＳＯ２および電気を生成する、第９または１０の態様に記載のシステムを提供する。
【００８６】
第１２の態様では、本開示は、ＳＯ２除去機器が、第１のアノードの流れにおける第１の固体電解質と硫酸化領域との間の溶融金属導管に配置され、分離カラムまたは膜を備える、第９〜１１の態様のいずれか１つに記載のシステムを提供する。
【００８７】
第１３の態様では、本開示は、第１のアノードが、スズ（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、鉛（Ｐｂ）、アンチモン（Ｓｂ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、水銀（Ｈｇ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、ヒ素（Ａｓ）、ロジウム（Ｒｈ）、テルル（Ｔｅ）、セレン（Ｓｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、金（Ａｕ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、タリウム（Ｔｌ）、カドミウム（Ｃｄ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、タングステン（Ｗ）、コバルト（Ｃｏ）、亜鉛（Ｚｎ）、バナジウム（Ｖ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される金属を含む、第７〜１２の態様のいずれか１つに記載のシステムを提供する。
【００８８】
第１４の態様では、本開示は、第１のアノードが、アンチモンを含む、第７〜１２の態様のいずれか１つに記載のシステムを提供する。
【００８９】
第１５の態様では、本開示は、循環熱媒体が、第１の動作温度および第２の動作温度を、７００℃〜９００℃に維持する、第１〜１４の態様のいずれか１つに記載のシステムを提供する。
【００９０】
第１６の態様では、本開示は、第１の固体電解質、第２の固体電解質、または両方が、ジルコニア系電解質またはセリア系電解質を含む、第１〜１５の態様のいずれか１つに記載のシステムを提供する。
【００９１】
第１７の態様では、本開示は、ジルコニア系電解質が、イットリア安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ＺｒＯ２（ＳｃＳＺ）、カルシア安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、第１６の態様に記載のシステムを提供する。
【００９２】
第１８の態様では、本開示は、セリア系電解質が、希土類ドープセリアを含む、第１６の態様に記載のシステムを提供する。
【００９３】
第１９の態様では、本開示は、第１の固体電解質、第２の固体電解質、または両方が、イットリア安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）を含む、第１〜１８の態様のいずれか１つに記載のシステムを提供する。
【００９４】
第２０の態様では、本開示は、第１のカソード、第２のカソード、または両方が、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、イットリア安定化ＺｒＯ２／ランタンストロンチウムマンガナイト（ＹＳＺ−ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（ＬＳＣＦ）、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、第１〜１９の態様のいずれか１つに記載のシステムを提供する。
【００９５】
第２１の態様では、本開示は、自己持続可能な固体酸化物燃料電池システムが、燃焼回路への外部燃料供給をさらに備える、第１〜２０の態様のいずれか１つに記載のシステムを提供する。
【００９６】
第２２の態様では、本開示は、外部燃料供給が、合成ガスを含む、第２１の態様に記載のシステムを提供する。
【００９７】
第２３の態様では、本開示は、外部燃料供給が、スイートガスを含む、第２１の態様に記載のシステムを提供する。
【００９８】
第２４の態様では、本開示は、サワー天然ガスから電気を発生させる方法を提供する。方法は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムを提供することを含む。ＳＯＦＣシステムは、第１のカソード、第１のアノード、および第１のカソードと第１のアノードとの間に配置された第１の固体電解質を備える、第１のＳＯＦＣと；第２のカソード、第２のアノード、および第１のＳＯＦＣからの第１の生成物流に流体接続された第２のカソードと第２のアノードの間に配置された第２の固体電解質を備える、第２のＳＯＦＣと；第１のＳＯＦＣと流体連通してＳＯ２を除去するＳＯ２除去機器と；燃焼器、および第２のＳＯＦＣからの第２の生成物流に流体接続された循環熱媒体を含む、燃焼回路と；第１のＳＯＦＣおよび第２のＳＯＦＣに接続された１つ以上の外部電気回路と、を備える。本方法は、サワー天然ガスを第１のＳＯＦＣに供給することと、第１のアノードの第１の酸化領域において、サワー天然ガス中のＨ２ＳからＳＯ２および電子を生成することと、ＳＯ２除去機器を使用してシステムからＳＯ２を除去することと、ＳＯ２が除去された第１のＳＯＦＣから第１の生成物流を第２のＳＯＦＣに供給することと、第２のアノードの第２の酸化領域において第１のＳＯＦＣからの第１の生成物流からのＣＨ４を電気化学的に酸化させて、合成ガスおよび電子を生成することと、第２の生成物流を第２のＳＯＦＣから燃焼回路に供給して、燃焼器で合成ガスを燃焼させて熱を発生させることと、循環熱媒体を介して、燃焼器で発生した熱を第１のＳＯＦＣと第２のＳＯＦＣに分配することと、燃焼生成物流を燃焼器から第２のＳＯＦＣに供給することと、第１のＳＯＦＣおよび第２のＳＯＦＣで発生した電子を収集することにより、１つ以上の外部電気回路で電気を発生させることと、をさらに含む。
【００９９】
第２５の態様では、本開示は、本方法が第２のアノードの第２の酸化領域において第１のＳＯＦＣからの第１の生成物流からＨ２を電気化学的に酸化させてＨ２Ｏおよび電子を生成することをさらに含む、第２４の態様に記載の方法を提供する。
【０１００】
第２６の態様では、本開示は、第１のアノードが、溶融金属アノードである、第２４または２５の態様に記載の方法を提供する。
【０１０１】
第２７の態様では、本開示は、サワー天然ガス中のＨ２ＳからＳＯ２および電子を生成することが、第１のアノードをサワー天然ガスからのＨ２Ｓと接触させて金属硫化物を生成し、第１の酸化領域において金属硫化物を酸化させてＳＯ２を生成することを含む、第２６の態様に記載の方法を提供する。
【０１０２】
第２８の態様では、本開示は、第１のアノードが、固体金属アノードである、第２４または２５の態様に記載の方法を提供する。
【０１０３】
第２９の態様では、本開示は、サワー天然ガス中のＨ２ＳからＳＯ２および電子を生成することが、第１の酸化領域においてサワーガスからのＨ２ＳをＳＯ２に直接酸化させることを含む、第２８の態様に記載の方法を提供する。
【０１０４】
当業者には、特許請求される主題の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載される実施形態に対して様々な修正および変更がなされ得ることが明らかであろう。したがって、本明細書は、本明細書に記載される様々な実施形態の修正および変更を包含することが意図されるが、そのような修正および変更が、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物の範囲内であることを条件とする。
【図１】
2020524873.tif 000019
【図２】
2020524873.tif 000020
【国際調査報告】
2020524873.tif 000021
2020524873.tif 000022