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JP2016532243A - Cathode combustion to improve fuel cell synthesis gas production - Google Patents

Cathode combustion to improve fuel cell synthesis gas production Download PDF

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JP2016532243A JP2016516957A JP2016516957A JP2016532243A JP 2016532243 A JP2016532243 A JP 2016532243A JP 2016516957 A JP2016516957 A JP 2016516957A JP 2016516957 A JP2016516957 A JP 2016516957A JP 2016532243 A JP2016532243 A JP 2016532243A
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Abstract

溶融炭酸塩形燃料電池は、酸素と組み合わされる炭化水素、水素、または他のガスであってもよい可燃性ガスの一部分を含有するカソードインレット流を用いて作動され、カソード触媒表面上で熱を形成する。可燃性ガスは、カソードおよび/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、燃料電池全体で望ましい温度勾配をなおも維持しながら、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、カソード内で燃焼をさらに向上させるか、または制御するために変性することができる。Molten carbonate fuel cells are operated with a cathode inlet stream containing a portion of a combustible gas, which may be a hydrocarbon, hydrogen, or other gas combined with oxygen, and heat is produced on the cathode catalyst surface. Form. The combustible gas may react in the stage where it is heat integrated with the cathode and / or the cathode. Using the heat generated by the combustion reaction at the cathode, for example, additional endothermic reactions (eg, reforming) may occur at the anode portion of the fuel cell while still maintaining the desired temperature gradient throughout the fuel cell. It becomes possible. Optionally, the cathode of the fuel cell can be modified to further enhance or control combustion within the cathode, for example, by introducing additional catalyst surfaces at the cathode.

Description

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。   In various aspects, the present invention relates to a method for operation of a molten carbonate fuel cell.

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。   Molten carbonate fuel cells use hydrogen and / or other fuels to generate electricity. Hydrogen may be provided upstream of the fuel cell or by reforming methane or other reformable fuel in a steam reformer within the fuel cell. The reformable fuel can include a hydrocarbon material that can react with steam and / or oxygen at elevated temperatures and / or pressures to produce a gas product comprising hydrogen. Alternatively or additionally, the fuel can be reformed in an anode cell of a molten carbonate fuel cell that can be operated to produce the proper conditions for reforming the fuel at the anode. Alternatively or additionally, reforming can occur both outside and inside the fuel cell.

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。   Traditionally, molten carbonate fuel cells are operated to maximize the generation of electricity per unit of fuel input, which can also be described as the electrical efficiency of the fuel cell. This maximization can be based on the fuel cell alone or in combination with another power generation system. To achieve increased electricity generation and control heat generation, fuel utilization within the fuel cell is typically maintained between 70% and 75%.

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Hを有する燃料を提供する。酸化反応で利用されないHは、次の通過のためにアノードにリサイクルされる。H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。 U.S. Patent No. 6,057,056 describes a system and method for operation of a fuel cell system having a substantial hydrogen content in an anode inlet stream. The technology in US Pat. No. 6,057,059 relates to providing sufficient fuel at the anode inlet so that sufficient fuel remains for the oxidation reaction when the fuel approaches the anode outlet. To ensure a suitable fuel, Patent Document 1 provides a fuel having a high concentration of H 2. H 2 that is not utilized in the oxidation reaction is recycled to the anode for subsequent passage. H 2 use may be in the range of 10% to 30%, based on single pass. Patent document 1 does not describe significant reforming in the anode, but instead relies mainly on external reforming.

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。   U.S. Patent No. 6,057,031 describes a system and method for co-production of hydrogen and electrical energy. The co-production system comprises a fuel cell and a separation unit configured to receive the anode discharge stream and separate hydrogen. A portion of the anode discharge is recycled to the anode inlet. The operating range given in US Pat. No. 6,057,836 seems to be based on solid oxide fuel cells. A molten carbonate fuel cell is described as an alternative.

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。   In US Pat. No. 6,099,056, a system and method for co-production of hydrogen and power is described. Fuel cells are described as a general type of chemical conversion device for converting hydrocarbon-type fuels to oxygen. The fuel cell system also includes an external reformer and a high temperature fuel cell. An embodiment of a fuel cell system having an electrical efficiency of about 45% and a chemical production rate of about 25% is described that results in a system co-production efficiency of about 70%. U.S. Patent No. 6,099,077 does not appear to describe the electrical efficiency of a fuel cell in isolation from the system.

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。   U.S. Patent No. 6,057,034 describes a system for integrating a gasifier and a fuel cell so that coal gas can be used as a fuel source for the anode of the fuel cell. The hydrogen generated by the fuel cell is used as input for a gasifier used to generate methane from coal gas (or other coal) input. The methane from the gasifier is then used as at least a portion of the input fuel to the fuel cell. Thus, at least a portion of the hydrogen generated by the fuel cell is indirectly recycled to the fuel cell anode inlet in the form of methane generated in the gasifier.

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、CO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。CO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。 Journal of Fuel Cell Science and Technology, Non-Patent Document 1, describes a power generation system that combines a combustion generator with a molten carbonate fuel cell. Various combinations of fuel cells and operating parameters are described. The combustion output from the combustion generator is used in part as an input for the cathode of the fuel cell. One goal of non-patent document 1 simulation is to use MCFC to separate CO 2 from generator emissions. The simulation described in the paper of Non-Patent Document 1 establishes a maximum outlet temperature of 660 ° C. and indicates that the inlet temperature must be sufficiently cooled to account for the temperature increase across the fuel cell. The electrical efficiency (ie generated electricity / fuel input) for the MCFC fuel cell is 50% for the base model. The electrical efficiency in the case of a test model optimized for CO 2 separation is also 50%.

Desideriらによる論文非特許文献2には、CO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。 Non-Patent Document 2 by Desideri et al. Describes a method for modeling the performance of a power generation system that uses a fuel cell for CO 2 separation. The recirculation of the anode exhaust to the anode inlet and the cathode exhaust to the cathode inlet is used to improve the performance of the fuel cell. Model parameters describe MCFC electrical efficiency of 50.3%.

米国特許出願公開第2011/0111315号明細書US Patent Application Publication No. 2011/0111315 米国特許出願公開第2005/0123810号明細書US Patent Application Publication No. 2005/0123810 米国特許出願公開第2003/0008183号明細書US Patent Application Publication No. 2003/0008183 米国特許第5,084,362号明細書US Pat. No. 5,084,362

G.Manzolini et.al.,J.Fuel Cell Sci.and Tech.,Vol.9,Feb 2012G. Manzolini et. al. , J .; Fuel Cell Sci. and Tech. , Vol. 9, Feb 2012 Desideri et al.(Intl.J.of Hydrogen Energy,Vol.37,2012)Desideri et al. (Intl. J. of Hydrogen Energy, Vol. 37, 2012)

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;CO、O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、H、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;H、COおよびCO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O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。 In one aspect, a method for producing electricity is provided. The method introduces an anode fuel stream comprising a reformable fuel into a molten carbonate fuel cell anode, an internal reforming element associated with a molten carbonate fuel cell anode, or a combination thereof. Introducing a cathode inlet stream comprising CO 2 , O 2 and one or more fuel compounds into the cathode of the molten carbonate fuel cell, wherein the one or more fuel compounds are H 2 One or more hydrocarbon-like fuel compounds, CO or a combination thereof, wherein the concentration of the one or more fuel compounds in the cathode inlet stream is at least about 0.01% by volume and 1 in the cathode inlet stream. The concentration of the fuel compound of the species is lower than the autoignition concentration for the operating conditions at the cathode of the fuel cell; and a molten carbonate form A step of generating electricity in a cost battery; H 2, resulting in the anode effluent comprising CO and CO 2 steps and, at least about 1% by volume of O 2 and about 100vppm less of one or more fuel compounds Producing a cathode discharge comprising.

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;CO、O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;H、COおよびCO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O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。 In another aspect, a method for producing electricity is provided. The method introduces an anode fuel stream comprising a reformable fuel into a molten carbonate fuel cell anode, an internal reforming element associated with a molten carbonate fuel cell anode, or a combination thereof. Introducing a cathode inlet stream comprising CO 2 , O 2 and one or more fuel compounds into the cathode of the molten carbonate fuel cell, wherein the one or more fuel compounds are one type At least about 0.02% by volume of the aromatic compound, one or more carbon-containing fuel compounds having at least 5 carbons, or combinations thereof, wherein the one or more fuel compounds in the cathode inlet stream. The concentration of one or more fuel compounds in the cathode inlet stream has a methylene equivalent volume percent (defined below) of Lower autoignition concentration for operating conditions at the cathode, steps and; a step resulting anode effluent comprising H 2, CO and CO 2;; and the step of generating electricity in a molten carbonate fuel cell at least about Producing a cathode discharge comprising 1% by volume of O 2 and no more than about 0.01% by volume of methylene equivalent volume percent of one or more fuel compounds, wherein the cathode of the molten carbonate fuel cell comprises: Comprising the electrode surface and a second catalyst surface, wherein the second catalyst surface comprises at least one Group VIII metal, and producing a cathode exhaust, in the presence of the second catalyst surface 1 Oxidizing at least a portion of the one or more fuel compounds.

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。   In yet another aspect, a molten carbonate fuel cell system (equipment or system) is provided. The molten carbonate fuel cell system includes a molten carbonate fuel cell having an anode and a cathode, the cathode including an electrode surface and a second catalyst surface comprising at least one Group VIII metal. And the concentration of the at least one Group VIII metal on the second catalyst surface is such that the concentration of the at least one Group VIII metal in the second region of the second catalyst surface is in the first region of the second catalyst surface. Compared to the Group VIII metal concentration, the first region of the second catalyst surface is closer to the cathode inlet of the cathode of the molten carbonate fuel cell than the second region of the second catalyst surface. Optionally, the at least one Group VIII metal comprises Ni, Pt, Pd, Co, Rh, Ru, Re, Ir, Fe or combinations thereof, preferably at least Ni, Co, Fe, Pt, Including Pd or combinations thereof. Optionally, the region of the second catalyst surface comprises a continuously increasing gradient of the concentration of at least one Group VIII metal. In some embodiments, the first region of the second catalyst surface comprises at least one Group VIII metal, and the second region of the second catalyst surface is of the second catalyst surface. It comprises at least one additional Group VIII metal that is different from the at least one Group VIII metal in the first region. In other embodiments, the second region of the second catalyst surface comprises at least one Group VIII metal, and the first region of the second catalyst surface is the second region of the second catalyst surface. At least one additional Group VIII metal different from the at least one Group VIII metal in the two regions.

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。1 schematically illustrates an example of a molten carbonate fuel cell and associated reforming and separation stage configurations. 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。3 schematically illustrates another example of a molten carbonate fuel cell and associated reforming and separation stage configurations. 溶融炭酸塩形燃料電池の作動の実施例を概略的に示す。1 schematically shows an example of operation of a molten carbonate fuel cell.

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。
Overview In various embodiments, a cathode inlet stream containing a non-trivial portion of a combustible gas that may be a hydrocarbon, hydrogen or other gas that forms heat at the cathode catalyst surface in combination with oxygen. Is used to operate the molten carbonate fuel cell. The combustible gas can react at the cathode and / or in the stage of being heat integrated with the cathode. Using the heat generated by the combustion reaction at the cathode, for example, additional endothermic reactions (eg, reforming) can occur at the anode portion of the fuel cell while still maintaining the desired temperature gradient throughout the fuel cell. It becomes. Optionally, the cathode of the fuel cell can be modified to further improve or control combustion within the cathode, for example, by introducing additional catalyst surfaces at the cathode.

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CO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、CO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CO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COの排出を回避するために、COの捕捉/再利用を促進することができる。 One strategy for reducing or minimizing the amount of carbon emitted from a combustion source, such as a gas turbine, internal combustion engine, combustion boiler or other combustion source, is to fuse the combustion source with molten carbonate Integrated with a fuel cell (MCFC). Molten carbonate fuel cells can receive CO 2 containing emissions from a combustion source as part of the cathode inlet stream to the fuel cell. As part of the cathode reaction, CO 2 can be transported from the cathode across the fuel cell electrolyte to the anode. Thereby, molten carbonate fuel cell, it is possible to promote CO 2 concentration in the anode output of the fuel cell, whereby, in order to avoid the discharge of CO 2 to the atmosphere, the CO 2 Capture / reuse can be facilitated.

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。   With respect to conventional molten carbonate fuel cell configurations, a major concern may be operating the molten carbonate fuel cell with high electrical efficiency while maintaining a temperature gradient within the desired range throughout the fuel cell. Some of the challenges during conventional operation may be to avoid extremely high temperature gradients throughout the fuel cell due to excessive amounts of heat or waste heat generated within the fuel cell. When operating a molten carbonate fuel cell for high efficiency, the cell is typically operated near the maximum temperature rise allowed in the fuel cell because the net operation at high efficiency is exothermic.

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、HまたはCH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。 During conventional operation of a molten carbonate fuel cell, the amount of combustible gas present as the cathode input stream entering the cathode can typically be less than about 100 vppm, such as less than about 10 vppm. Additionally, the combustible gas can typically correspond to a compound having a relatively low fuel number per molecule, such as H 2 or CH 4 . Such an amount of combustibles generates an insignificant amount of heat when reacted with oxygen on the cathode as compared to the amount of heat generated in the entire fuel cell system. With respect to the portion of the cathode input stream that is derived from the emissions of the combustion source, the residual combustible material is typically previously discharged to combustion conditions optimized to achieve substantially complete combustion of the input fuel. It can reflect the fact that the object has been exposed. In some conventional configurations, a portion of the cathode input stream can also correspond to a recycled portion of the anode output stream. In such conventional configurations, the recycled portion of the anode output stream can typically be passed through a burner before entering the cathode, thereby allowing any of the anode output stream portions to be It can also result in substantially complete combustion of the fuel.

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、H、CH、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、Hおよび/またはCH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H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。 Instead of operating a molten carbonate fuel cell in a conventional manner, the molten carbonate fuel cell can be operated with a cathode input stream that includes a combustible material, such as one or more fuel compounds. The fuel compound corresponds to CO, H 2 , CH 4 , other hydrocarbons and / or hydrocarbon-like compounds that can be combusted, or other compounds that can be combusted (oxidized) to generate heat Can do. In some embodiments, the cathode inlet stream can contain fuel compounds corresponding to CO, H 2 and / or CH 4 . In other embodiments, the cathode inlet stream can contain H 2 and / or carbon-containing fuel compounds having 4 or fewer carbon atoms. In yet other embodiments, some fuel compounds in the cathode inlet stream can correspond to aromatic compounds, or carbon-containing compounds having at least 5 carbon atoms, or combinations thereof.

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。   The amount of combustible material in the cathode inlet stream can be characterized in various ways. One option may be to use a volume percent of the total combustible material. Another option may be to measure the volume percent of the combustible material based on the number of carbons and / or the number of heavy atoms present in the combustible material. This latter option can account for the difference in fuel values between compounds such as hydrogen and distillation boiling range molecules. In the cathode inlet, both can exist as gases occupying a similar volume at a certain temperature, but the fuel value of the distillation boiling range molecule is significantly higher.

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。   For example, one option is (as a lower limit) at least about 0.01% by volume, or at least about 0.02% by volume, or at least about 0.03% by volume, or at least about 0.05% by volume, or at least about 0 1 vol%, or at least about 0.25 vol%, or at least about 0.5 vol%, or at least about 1.0 vol%, or at least about 1.5 vol%, or at least about 2.0 vol%, Or it may be to use a cathode inlet stream containing at least about 2.5% by volume, or at least 3.0% by volume of one or more fuel compounds. Additionally or alternatively, the cathode inlet stream has a (upper limit) of about 5.0% or less, or about 4.0% or less, or about 3.5% or less, or about 3.0% by volume. One or more fuel compounds may be contained in the following, or up to about 2.5% by volume. Each lower limit for the amount of one or more fuel compounds in the cathode inlet stream is explicitly considered in combination with a respective upper limit for the amount of one or more fuel compounds in the cathode inlet stream. The upper limit for the amount of combustible material can vary, but the conditions at the cathode must be below a concentration that allows the cathode inlet stream to self-ignite, typically in the range of several percent by volume, depending on the composition of the compound. Should be.

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。   Additionally or alternatively, another option for characterizing the amount of combustible material in the cathode inlet stream is a volume of combustible material based on the number of carbons in the combustible material, or alternatively the number of heavy atoms. It can be to measure the percentage. The fuel value of a hydrocarbon is approximately proportional to the number of carbon atoms present in the hydrocarbon. With the exception of oxygen, any additional heteroatoms present in the hydrocarbon-like material (ie, non-hydrogen atoms or heavy atoms) will contribute approximately proportionally. To account for the additional fuel value of the larger fuel component, the volume percentage of the fuel component multiplied by the number of carbon atoms in the component, or alternatively the number of non-oxygen heavy atoms in the component, modified volume Percentage can be produced. If the modified volume percent is based solely on carbon atoms in the fuel component, the modified volume percent is defined herein as the “methylene equivalent” volume percent for the fuel component. If the modified volume percent is based on non-oxygen heavy atoms in the fuel component, the modified volume percent is defined herein as the “heavy atom equivalent” volume percent for the fuel component. For purposes of defining methylene equivalent volume percent and heavy atom equivalent volume percent, a hydrogen molecule is defined as having a carbon atom or heavy atom value of 0.5. A CO molecule is similarly defined as having a carbon atom or heavy atom value of 0.5. This reflects the fact that these compounds have some fuel value, not the same fuel value as hydrocarbon-like compounds.

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H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。H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、H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。 In various embodiments, the methylene equivalent volume percent in the cathode inlet stream is at least about 0.01 vol%, or at least about 0.02 vol%, or at least about 0.03 vol%, or at least about 0.05 vol%, Or at least about 0.1 volume%, or at least about 0.25 volume%, or at least about 0.5 volume%, or at least about 1.0 volume%, or at least about 1.5 volume%, or at least about 2. It can be 0% by volume, or at least about 2.5% by volume, or at least 3.0% by volume of one or more fuel compounds. Additionally or alternatively, the cathode inlet stream may be about 5.0% or less, or about 4.0% or less, or about 3.5% or less, or about 3.0% or less, or about One or more fuel compounds may be contained up to 2.5% by volume. Each lower limit for the methylene equivalent volume percent of one or more fuel compounds in the cathode inlet stream is explicitly considered in combination with the respective upper limit for the methylene equivalent volume percent of one or more fuel compounds in the cathode inlet stream. As an example of calculating the methylene equivalent volume percent, a hypothetical cathode inlet supply could contain 0.02% by volume of ethylene and 0.01% by volume of H 2 fuel compound. . In such a hypothetical example, the methylene equivalent volume percent relative to the feed is 0.045% by volume. Since ethylene contains 2 carbon atoms per molecule, ethylene contributes 0.02 × 2 = 0.04 vol% to the total methylene equivalent volume percent. H 2 is defined as being considered as 0.5 carbon atoms per molecule, thus H 2 contributes 0.01 × 0.5 = 0.005% by volume to the total methylene equivalent volume percent. .

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。   Additionally or alternatively, yet another option for characterizing the amount of combustible material in the cathode inlet stream is compared to the energy value of the fuel delivered to the corresponding anode inlet of the molten carbonate fuel cell. , Based on the relative energy value of the fuel delivered to the cathode inlet. The amount of fuel in the cathode inlet stream can have no more than about 12%, or no more than about 10%, or no more than about 8% of the energy value of the anode inlet stream. For example, if the rate of fuel delivered to the anode inlet corresponds to about 1 MW of power, the rate of fuel input to the cathode in the cathode inlet stream should be about 120 kW or less, or about 100 kW or less, or about 80 kW or less. Can do. The cathode inlet stream can also contain sufficient oxygen, so even after combustion of any fuel in the cathode inlet stream, the remaining oxygen content allows for a fuel cell reaction, and still at least It is sufficient to produce a cathode outlet stream having an oxygen content of about 1% by volume, for example 2% by volume.

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、N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N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。 In some embodiments, the cathode inlet stream containing one or more fuel compounds can have a reduced or minimized sulfur content. The sulfur content of the cathode inlet stream can be about 25 wppm or less, or about 15 wppm or less, or about 10 wppm or less. Optionally, some heteroatoms different from C, H and O can be present in the oxidizable compound (ie, fuel compound) contained in the cathode inlet stream. For example, the carbon-containing fuel compound in the cathode inlet stream can optionally contain nitrogen atoms. Note that N 2 is not a compound that is oxidizable under the conditions present in the cathode inlet, and therefore the presence of N 2 in the cathode inlet stream does not constitute a heteroatom present in the oxidizable compound. In other embodiments, the cathode inlet stream can include no more than about 100 wppm or no more than about 10 wppm heteroatoms in the fuel compound different from C, H, and O.

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、H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、HOおよびCOなどの典型的な燃焼生成物に変換されることができる。 The additional fuel content of the cathode inlet stream is combustible at the cathode based on the conditions at the cathode and the presence of the catalyst surface at the cathode. One suitable catalyst surface can be a nickel surface, such as a nickel surface often used as an electrode adjacent to a molten carbonate electrolyte, but any other convenience that can catalytically oxidize fuel components. Suitable catalysts such as Group VIII metals, supported catalysts, or other combustion catalysts may also be used. The cathode electrode surface can catalyze the oxidation of H 2 and / or carbon containing fuels (including CO), and the fuel present in the cathode inlet stream is typically combusted, such as H 2 O and CO 2. Can be converted to product.

カソードインレット流における燃料がH、COおよび/またはCH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。 In embodiments where the fuel in the cathode inlet stream is H 2 , CO and / or CH 4 , the electrode surface (typically Ni) can be sufficient to catalyze the combustion of fuel in the cathode inlet stream. . The electrode surface can also be suitable for catalyzing reactions involving lower amounts of other hydrocarbons. For example, the electrode surface may range from tens of ppm or more, such as from about 10 vppm to about 10,000 vppm, or from about 10 vppm to about 1000 vppm, or from about 10 vppm to about 200 vppm, or from about 10 vppm to about 100 vppm, or from about 50 vppm to about 10 Suitable for catalyzing the oxidation of aromatic compounds at 1,000 vppm, or about 50 vppm to about 1000 vppm, or about 50 vppm to about 200 vppm, or about 100 vppm to about 10,000 vppm, or about 100 vppm to about 1000 vppm. Can do. For aliphatic hydrocarbons or other non-aromatic hydrocarbon-like compounds, the electrode surface can be suitable for catalyzing up to about 1% by volume of the compound.

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。 In some embodiments, the catalytic activity for oxidizing the fuel at the cathode can be improved by providing an additional catalytic surface. For example, one configuration for a conventional molten carbonate fuel cell may be to have the cathode portion of the fuel cell defined by parallel plates. One parallel plate can correspond to the electrode surface adjacent to the molten carbonate electrolyte. Traditionally, the opposite surface (the surface not near the molten carbonate electrolyte) can be a steel surface or another surface corresponding to a suitable structural material. Instead of having a steel surface (or other low-reactivity surface) opposite the electrode, the opposite surface can be coated with a catalytic material that improves the ability to catalyze fuel combustion in the cathode inlet stream. is there. One option can be to provide a surface similar to the electrolyte surface, such as a Ni surface. Another option may be to use a surface with higher activity to catalyze the combustion of aromatics and / or C 2+ hydrocarbon-like compounds. Examples of suitable catalyst materials can include, but are not limited to, Group VIII metals such as Ni, Fe, Co, Pt and / or Pd. Any suitable metal or metal alloy can be used directly on the steel surface or supported on a typical catalyst support. Catalyst formulations useful as combustion catalysts are well known in the art, but any formulation suitable for a fuel cell operating temperature range such as about 400 ° C. to about 800 ° C. may be used. Alloys of Group VIII metals such as alloys of multiple Group VIII metals and / or alloys of Group VIII metals with other transition metals may also be suitable. The catalyst material can be coated directly on the cathode plate surface, or the catalyst material can be supported, for example, on an oxide support.

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H、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。 Based on the presence of the electrode (Ni) surface and / or the additional catalyst surface, H 2 , CO and hydrocarbon / hydrocarbon-like compounds in the cathode inlet stream can be combusted at the cathode. This will generate additional heat in the cathode. In conventional operation, this additional heat poses a problem because operations optimized for electrical efficiency are typically operated at the limits of allowable temperature rise. However, in various aspects, the additional heat generated at the cathode can be used to provide additional heat to the endothermic reaction. The endothermic reaction can correspond to reforming at the anode or another endothermic reaction that occurs in a reaction stage that is heat integrated with the cathode. For example, if the anode portion of a molten carbonate fuel cell is operated to have a low single pass fuel utilization with respect to hydrogen and / or syngas production, the additional heat generated at the cathode is in the desired range. Can be used to maintain a temperature gradient within the fuel cell.

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。   Although the additional heat generated at the cathode can be advantageous, it can be desirable to distribute the combustion of fuel in the cathode inlet stream throughout a larger portion of the cathode length. One way of distributing the combustion of fuel in the cathode inlet stream across a larger portion of the cathode can be to use an additional catalyst surface with a gradient of catalyst material. For example, the concentration of the catalyst material on the additional catalyst surface can be lower near the entrance to the cathode (where the concentration of combustible material and oxygen is highest) and then increases in cathode length To do. Any convenient strategy for increasing the concentration, such as a continuous gradient, a series of step increases, or other methods that allow a higher catalyst material concentration to exist at a location farther from the cathode inlet Can be used. The initial concentration of catalyst material on the additional surface at the cathode inlet can be any convenient value, with the option of starting the catalyst material at the additional surface at a position after the inlet to the cathode. including. The catalyst pattern or gradient, and subsequent exotherm, can be optimized to disperse total heat production across the cathode region and to prevent heat regions that can damage the entire fuel cell operation.

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。   As an example of a method for operating a molten carbonate fuel cell to take advantage of the additional heat generated at the cathode, the molten carbonate fuel cell operates with increased synthesis gas and / or hydrogen production. Can be done. This is performed in the fuel cell (and / or in the associated internal reforming stage, eg, the reforming stage of the fuel cell assembly) compared to the amount of hydrogen oxidized at the anode to generate electricity. This can be achieved by increasing the amount of modification. As defined below, this is generated in the anode by a) an electrochemical reaction combined with c) heat consumed in the fuel cell stack (or other fuel cell assembly) by an endothermic reaction. And b) operation of the fuel cell by the fuel cell heat ratio with respect to the heat generated in the cathode by the combustion of the fuel. For example, the reforming reaction within the anode and / or internal reforming stage can typically be an endothermic reaction. Thus, the endothermic reforming reaction can be balanced by an exothermic electrochemical reaction related to power generation combined with an exothermic cathode combustion reaction. Rather than attempting to transport the heat generated by an exothermic fuel cell reaction from the fuel cell, this excess amount of heat is used in situ as a heat source for reforming and / or another endothermic reaction. Can be. This can result in a more efficient utilization of thermal energy and / or reduced demands for additional external or internal heat exchange. This efficient generation and essentially in situ use of thermal energy can reduce system complexity and components while maintaining advantageous operating conditions. In some embodiments, the amount of reforming or other endothermic reaction is an amount of excess heat generated by the exothermic reaction, rather than significantly less than the thermal requirements typically described in the prior art. One can choose to have comparable or greater endothermic heat requirements.

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。   Additionally or alternatively, the fuel cell can be operated such that the temperature difference between the anode inlet and the anode outlet is negative rather than positive. Thus, instead of having a temperature increase between the anode inlet and the anode outlet, a sufficient amount of reforming and / or other endotherms to ensure that the output stream from the anode outlet is cooler than the anode inlet temperature. Sexual reactions can be carried out. Additionally or alternatively, the temperature difference between the anode input and the anode output is a relative value of the endothermic reaction and the combined exothermic heat generation of the anode reaction to produce the cathode combustion reaction and power. Additional fuel is supplied to the fuel cell and / or heater for the internal reforming stage (or other internal endothermic reaction stage) so that it can be smaller than expected based on the specific demand be able to. In embodiments where reforming can be used as an endothermic reaction, conventional fuels are operated while minimizing system complexity for heat exchange and reforming by operating the fuel cell to reform excess fuel. Increased synthesis gas and / or increased hydrogen production relative to battery operation may be allowed. The additional syngas and / or additional hydrogen can then be used in a variety of applications including a chemical synthesis process and / or recovery / recycling of hydrogen for use as a “clean” fuel. it can.

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(H+1/2O=>HO)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(CH+2HO=>4H+CO)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。 The amount of heat generated per mole of hydrogen oxidized by the exothermic reaction at the anode can be substantially greater than the amount of heat consumed per mole of hydrogen generated by the reforming reaction. The net reaction of hydrogen (H 2 + 1 / 2O 2 => H 2 O) in a molten carbonate fuel cell can have a reaction enthalpy of about -285 kJ / mol of hydrogen molecule. At least a portion of this energy can be converted into electrical energy within the fuel cell. However, the (approximate) difference between the enthalpy of reaction and the electrical energy produced by the fuel cell can be heat in the fuel cell. This amount of energy is instead the cell current density (current per unit area) multiplied by the difference between the theoretical maximum voltage of the fuel cell and the actual voltage, or <current density> * Can be expressed as (Vmax-Vact). This amount of energy is defined as the “waste heat” of the fuel cell. As an example of reforming, the enthalpy of methane reforming (CH 4 + 2H 2 O => 4H 2 + CO 2 ) can be about 250 kJ / mole of methane, or about 62 kJ / mole of hydrogen molecule. From the standpoint of heat balance, each electrochemically oxidized hydrogen molecule can generate sufficient heat to generate two or more hydrogen molecules by reforming. In conventional configurations, this excessive amount of heat can result in a substantial temperature difference from the anode inlet to the anode outlet. This excess amount of heat can be dissipated by performing a compatible amount of the reforming reaction instead of being used to increase the temperature in the fuel cell. The excess heat generated at the anode can be supplemented with the excess heat generated by the combustion reaction in the fuel cell. More generally, excess heat can be dissipated by performing an endothermic reaction in an endothermic reaction stage that is heat integrated with the fuel cell anode and / or the fuel cell.

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。 Depending on the embodiment, the amount of reforming and / or other endothermic reactions can be selected relative to the amount of hydrogen that reacts at the anode to achieve the desired heat ratio of the fuel cell. As used herein, “heat ratio” is the exothermic reaction in the fuel cell assembly divided by the endothermic heat demand of the reforming reaction occurring in the fuel cell assembly (the exothermic reaction at both the anode and cathode). Defined as the heat generated by Mathematically expressed, the heat ratio (TH) = Q EX / Q EN , where Q EX is the total heat generated by the exothermic reaction, and Q EN is consumed by the endothermic reaction occurring in the fuel cell. Is the sum of heat done. The heat generated by the exothermic reaction corresponds to any heat generated by the reforming reaction, the water gas shift reaction, the combustion reaction at the cathode (for example, oxidation of the fuel compound) and / or the electrochemical reaction in the battery. be able to. The heat generated by the electrochemical reaction can be calculated based on the ideal electrochemical potential of the fuel cell reaction across the electrolyte minus the actual output voltage of the fuel cell. For example, the ideal electrochemical potential of the MCFC reaction is believed to be about 1.04 V based on the net reaction occurring in the battery. During operation of the MCFC, the battery can typically have an output voltage of less than 1.04V due to various losses. For example, the common output / operating voltage can be about 0.7V. The heat generated can be equal to the electrochemical potential of the battery (ie about 1.04V) minus the operating voltage. For example, the heat generated by the electrochemical reaction in the cell can be about 0.34V if an output voltage of about 0.7V is achieved in the fuel cell. Thus, in this scenario, the electrochemical reaction produces about 0.7V electricity and about 0.34V thermal energy. In such an embodiment, the electrical energy of about 0.7V are not included as part of Q EX. In other words, thermal energy is not electrical energy.

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。   In various aspects, the heat ratio is determined by the fuel cell stack, the individual fuel cells in the fuel cell stack, the fuel cell stack having an integrated reforming stage, the fuel cell stack having an integrated endothermic reaction stage, Or for any convenient fuel cell structure, such as a combination thereof. The heat ratio may be calculated for different units within a fuel cell stack, such as a fuel cell or an assembly of fuel cell stacks. For example, the heat ratio is the fuel in the fuel cell stack with an integrated reforming stage and / or an endothermic reaction stage element that is sufficiently close to the integrated fuel cell from a thermal integration point of view. It may be calculated for a battery (or multiple fuel cells).

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。   From the perspective of thermal integration, the characteristic width of the fuel cell stack can be the height of the individual fuel cell stack elements. It should be noted that separate reforming stages and / or separate endothermic reaction stages could have a different stack height than the fuel cell. In such a scenario, the height of the fuel cell element can be used as a characteristic height. In the present discussion, an integrated endothermic reaction stage includes one or more fuels so that the integrated endothermic reaction stage can use heat from the fuel cell as a heat source for reforming. It can be defined as the stage that is heat integrated with the battery. Such an integrated endothermic reaction stage may be defined as one that is arranged at a height of less than 10 times the height of the laminated element from the fuel cell that provides heat to the integrated stage. it can. For example, the integrated endothermic reaction stage (e.g., reforming stage) is less than 10 times the height of the laminated element from any thermally integrated fuel cell, or less than 8 times the height of the laminated element, or It can be arranged at a height of less than 5 times the height of the laminated element or less than 3 times the height of the laminated element. In the present discussion, the integrated reforming stage and / or the integrated endothermic reaction stage representing the stack element adjacent to the fuel cell element is no more than about 1 stack element height from the adjacent fuel cell element. Define as a thing.

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。   About 1.3 or less, or about 1.15 or less, or about 1.0 or less, or about 0.95 or less, or about 0.90 or less, or about 0.85 or less, or about 0.80 or less, or about A heat ratio of 0.75 or less can be lower than that typically required in the use of MCFC fuel cells. In embodiments of the present invention, the heat ratio can be reduced to increase and / or optimize synthesis gas production via an endothermic reaction, hydrogen production, production of another product, or a combination thereof.

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。   In various aspects of the invention, the operation of the fuel cell can be characterized based on the heat ratio. When the fuel cell is operated to have a desired heat ratio, the molten carbonate fuel cell has a temperature of about 1.5 or less, such as about 1.3 or less, or about 1.15 or less, or about 1.0 or less. Or about 0.95 or less, or about 0.90 or less, or about 0.85 or less, or about 0.80 or less, or about 0.75 or less. Additionally or alternatively, the heat ratio can be at least about 0.25, or at least about 0.35, or at least about 0.45, or at least about 0.50. Additionally or alternatively, in some embodiments, the fuel cell has a temperature increase between the anode input and anode output of about 40 ° C. or less, such as about 20 ° C. or less, or about 10 ° C. or less. Can be operated as follows. Still further, or alternatively, the fuel cell can be operated to have an anode outlet temperature from about 10 ° C. to about 10 ° C. higher than the temperature of the anode inlet. Still further, or alternatively, the fuel cell is above the anode outlet temperature, eg, at least about 5 ° C higher, or at least about 10 ° C higher, or at least about 20 ° C higher, or at least about 25 ° C. It can be operated to have a high anode inlet temperature. Still further, or alternatively, the fuel cell is from the anode outlet temperature to about 100 ° C. or lower, or to about 80 ° C. or lower, to about 60 ° C. or lower, to about 50 ° C. or lower, or to about 40 ° C. or lower. Or up to about 30 ° C. or less, or up to about 20 ° C. or less.

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。   Several operating parameters may be treated to generate the desired heat ratio. Some parameters are similar to those currently recommended for fuel cell operation. Parameters treated in a manner different from conventional operation include the amount of fuel provided to the anode, the composition of the fuel provided to the anode, the amount of fuel compound contained in the cathode inlet stream, and / or the input to the anode input. Separation and capture of syngas at the anode output without significant recycle, eg, without syngas or hydrogen recycle from the anode output to the anode input.

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。   Hydrocarbon reforming to form hydrogen and carbon oxide is an example of an endothermic reaction. Reforming is also an example of a reaction that can be performed in the anode and / or in an integrated reaction stage. In some aspects of the invention, the amount of fuel input to the anode can include more reformable fuel than the amount of reformable fuel used during conventional fuel cell operation. In such embodiments, the goal can be to generate an excess amount of synthesis gas by reforming in the associated reforming step in the anode and / or fuel cell assembly containing the anode. In one aspect, the amount of reformable fuel introduced into the anode (or their associated reforming stage, or combination) provides a fuel that provides specific fuel cell physical limitations and other selected operating parameters. The battery can be selected based on the amount of modification that is possible. For example, the anode catalyst can be donated to the reforming process. The amount of surface area on the anode catalyst can be a constraint on the amount of reforming that can occur. Similarly, the amount of reforming may be limited by the amount of heat available in the anode and the anode temperature change that occurs across the anode.

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。   By operating the fuel cell at a heat ratio of less than 1, a temperature drop can occur through the fuel cell. In some embodiments, the amount of reforming and / or other endothermic reaction is such that the temperature drop from the anode inlet to the anode outlet is about 100 ° C. or lower, such as about 80 ° C. or lower, or about 60 ° C. or lower, Or it may be limited to be about 50 ° C. or lower, or about 40 ° C. or lower, or about 30 ° C. or lower, or about 20 ° C. or lower. Limiting the temperature drop from the anode inlet to the anode outlet is advantageous, for example, to maintain a temperature sufficient to allow complete or substantially complete conversion of the fuel (by reforming) at the anode. Can be. In other embodiments, the anode inlet temperature is less than or equal to about 100 ° C., for example, about 80 ° C., than the anode outlet temperature due to a balance of heat consumed by the endothermic reaction and additional external heat supplied to the fuel cell. Additional heat (e.g. heat exchange or addition) such that it rises to below ℃, or about 60 ℃ or less, or about 50 ℃ or less, or about 40 ℃ or less, or about 30 ℃, Can be supplied to the fuel cell).

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。   The amount of reforming and / or other endothermic reactions can be additionally or alternatively limited by the operating temperature of the fuel cell. For example, in general, fuel reforming can occur more rapidly at higher temperatures. In addition, more reforming can occur if more heat is available for the reforming process. As noted above, aspects of the invention may operate within a typical range of fuel cell temperatures. The temperature range may be selected for a variety of reasons other than the considerations associated with embodiments of the present invention. For example, the cathode or anode inlet stream may already be heated to an elevated temperature because of the flow source. Such a cathode inlet stream may allow the generation of additional heat based on the combustion of the cathode inlet stream fuel at the cathode. Additionally or alternatively, the fuel cell electrolyte temperature can be maintained at a sufficient temperature so that the carbonate electrolyte remains in a molten state. Depending on which temperature is selected, the amount of reforming that can occur at the anode can be affected, and therefore the amount of reformable fuel input to the anode may need to be adjusted.

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Hのみを含んでなる場合、H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。H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H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。 The amount of reforming may additionally or alternatively depend on the effectiveness of the reformable fuel. For example, if the fuel is contained only H 2, H 2 is already modified, since it is not possible further modified, modified will not occur. The amount of “syngas produced” by the fuel cell can be defined as the difference between the LVH value of the synthesis gas at the anode input versus the LVH value of the synthesis gas at the anode output. The produced synthesis gas LHV (sg net) = (LHV (sg out) −LHV (sg in)), where LHV (sg in) and LHV (sg out) are the syngas LHV and anode outlet flow of the anode inlet. Or, it refers to the LHV of the synthesis gas in the flow. A fuel cell in which a fuel containing a substantial amount of H 2 is provided is that the fuel is substantially reformed of H 2 that has already been reformed, as opposed to containing additional reformable fuel. Because of the amount contained, the amount of potential synthesis gas production can be limited.

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。H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。 An example of a method of operating a fuel cell at the reduced heat ratio is to balance the generation and consumption of heat in the fuel cell and / or to consume more heat than generated. It can be a method in which excessive reforming is carried out. The reforming of the reformable fuel to form H 2 and / or CO can be an endothermic process, while the anode electrochemical oxidation reaction and the cathode combustion reaction can be exothermic. During conventional fuel cell operation, the amount of reforming required to supply the feed components for fuel cell operation typically consumes less heat than the amount of heat generated by the anodic oxidation reaction. it can. For example, conventional operation at about 70% or about 75% fuel utilization results in a heat ratio substantially greater than 1, for example, a heat ratio of at least about 1.4 or higher, or 1.5 or higher. As a result, the output stream for the fuel cell can be hotter than the input stream. As an alternative to this type of conventional operation, the amount of fuel reformed in the reforming stage associated with the anode can be increased. For example, additional heat is generated so that the heat generated by the exothermic fuel cell reaction can be (approximately) balanced by the heat consumed in the reforming and / or consumes more heat generated. The fuel can be reformed. This can result in a substantial excess of hydrogen compared to the amount oxidized at the anode for power generation, and about 1.0 or less, or about 0.95 or less, or about 0.00. A heat ratio of 90 or less, or about 0.85 or less, or about 0.80 or less, or about 0.75 or less can be provided.

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。   In aspects of the invention, the heat ratio may be selected based on the desired temperature reduction through the fuel cell. Some fuel cells may have a physical aspect that can be damaged if it is greater than the threshold temperature difference that exists between the inlet and outlet. The temperature decrease may be calculated by measuring heat transfer in a bulk flow (eg, anode inlet, anode outlet, cathode inlet and cathode outlet). The decrease in temperature is the total amount of heat consumed in the endothermic reaction, the heat released in the exothermic reaction, heat loss through the fuel cell hardware, and any heat added directly to the fuel cell other than the bulk flow. It can be a function. The heat loss through the fuel cell hardware can be an estimate.

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、H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。 In contrast to the above operating conditions for maximum power generation, about 1.3 or less, such as about 1.0 or less, or about 0.95 or less, or about 0.90 or less, or about 0.85 or less, Alternatively, by operating the fuel cell at a heat ratio of about 0.80 or less, or about 0.75 or less, additional synthesis gas can be generated. This means that an increased amount of chemical energy generation can be arbitrarily recovered from the fuel cell output. Excess hydrogen generated by operating at a heat ratio of about 1.3 or less can be separated from, for example, the anode output flow and used as a fuel with no greenhouse gas emissions. Alternatively, a water gas shift reaction can be performed to balance the amount of hydrogen and CO present in the anode output for use as a synthesis gas having a desired synthesis gas composition, for example, a desired ratio of H 2 to CO. Can be used.

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、CO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。 Either hydrogen or synthesis gas can be recovered from the anode exhaust as a chemical energy output. Hydrogen can be used as a clean fuel that does not generate greenhouse gases when burned or burned. Instead, CO 2 is “trapped” in the anode loop due to the hydrogen generated by the reforming of the hydrocarbon (or hydrocarbon compound). Additionally, hydrogen can be a useful input for various purifier processes and / or other synthetic processes. Syngas can also be a useful input for various processes. In addition to having fuel values, synthesis gas is used for the production of other higher value products, for example by using synthesis gas as an input for Fischer-Tropsch synthesis and / or methanol synthesis processes. Can be used as raw material.

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CO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、CO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。
Additional Fuel Cell Operation Strategies As an addition, supplement, and / or alternative to the fuel cell operation strategies described herein, reduced while having high CO 2 utilization values, eg, at least about 60% Molten carbonate fuel cells (eg, fuel cell assemblies) can be operated at fuel utilization values, for example, less than about 50% fuel utilization. In this type of configuration, molten carbonate fuel cells, since CO 2 utilization is possible conveniently sufficiently high, can be effective for carbon capture. Rather than attempting to maximize electrical efficiency, in this type of configuration, the overall efficiency of the fuel cell can be improved or increased based on the combined electrical and chemical efficiency. it can. Chemical efficiency may be based on drawing a hydrogen and / or syngas stream from the anode effluent as output for use in other processes. Utilizing the chemical energy output in the anode emissions can allow the desired overall efficiency for the fuel cell, even though the electrical efficiency can be reduced compared to some conventional configurations.

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、CO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。 In various embodiments, fuel utilization at the fuel cell anode can be about 50% or less, such as about 40% or less, or about 30% or less, or about 25% or less, or about 20% or less. In various aspects, the fuel utilization in the fuel cell to generate at least some power is at least about 5%, such as at least about 10%, or at least about 15%, or at least about 20%, or at least about 25%. Or at least about 30%. Additionally or alternatively, CO 2 utilization can be at least about 60%, such as at least about 65%, or at least about 70%, or at least about 75%.

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。   In some embodiments, the reformable hydrogen content of the reformable fuel in the input stream delivered to the anode and / or the reforming stage associated with the anode is at least about the net amount of hydrogen reacted at the anode. It can be 50% more, for example at least about 75% more, or at least about 100% more. Additionally or alternatively, the reformable hydrogen content of the fuel in the input stream delivered to the anode and / or the reforming stage associated with the anode is at least about 50 greater than the net amount of hydrogen reacted at the anode. %, For example, at least about 75% more, or at least about 100% more. In various embodiments, the ratio of the reformable hydrogen content of the reformable fuel in the fuel stream to the amount of hydrogen reacted at the anode is at least about 1.5: 1, or at least about 2.0: 1, Or at least about 2.5: 1, or at least about 3.0: 1. Additionally or alternatively, the ratio of the reformable hydrogen content of the reformable fuel in the fuel stream to the amount of hydrogen reacted at the anode is about 20: 1 or less, such as about 15: 1 or less, or It can be about 10: 1 or less. In one aspect, it is believed that less than 100% of the reformable hydrogen content of the anode inlet stream can be converted to hydrogen. For example, at least about 80%, eg, at least about 85%, or at least about 90% of the reformable hydrogen content of the anode inlet stream can be converted to hydrogen at the anode and / or associated reforming stages. Additionally or alternatively, the amount of reformable fuel delivered to the anode is characterized based on the lower calorific value (LHV) of the reformable fuel compared to the LHV of hydrogen oxidized at the anode. be able to. This can be called the reformable fuel excess ratio. In various embodiments, the reformable fuel excess ratio can be at least about 2.0, such as at least about 2.5, or at least about 3.0, or at least about 4.0. Additionally or alternatively, the reformable fuel excess ratio can be about 25.0 or less, such as about 20.0 or less, or about 15.0 or less, or about 10.0 or less.

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。   As additions, supplements, and / or alternatives to the fuel cell operating strategies described herein, conditions that can improve or optimize the combined electrical and chemical efficiency of the fuel cell A molten carbonate fuel cell (eg, a fuel cell assembly) can be operated. Instead of selecting conventional conditions for maximizing the fuel cell electrical efficiency, the operating conditions can allow for the output of excess synthesis gas and / or hydrogen in the anode discharge of the fuel cell. . Syngas and / or hydrogen can therefore be used in a variety of applications including chemical synthesis processes and hydrogen recovery for use as a “clean” fuel. In an aspect of the invention, in order to achieve a high overall efficiency, including chemical efficiency based on the chemical energy value of the synthesis gas and / or hydrogen produced compared to the energy value of the fuel input for the fuel cell. Efficiency can be reduced.

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。   In some embodiments, the operation of the fuel cell can be characterized based on electrical efficiency. When the fuel cell is operated to have a low electrical efficiency (EE), the molten carbonate fuel cell can have an electrical efficiency of about 40% or less, for example, an EE of about 35% or less, an EE of about 30% or less, It can be operated to have an EE of 25% or less, or an EE of about 20% or less, an EE of about 15% or less, or an EE of about 10% or less. Additionally or alternatively, the EE can be at least about 5%, or at least about 10%, or at least about 15%, or at least about 20%. Additionally or alternatively, fuel cell operation can be characterized based on total fuel cell efficiency (TFCE), such as the combined electrical and chemical efficiency of the fuel cell. When the fuel cell is operated to have high total fuel cell efficiency, the molten carbonate fuel cell is about 55% or more, such as about 60% or more, or about 65% or more, or about 70% or more, or about It can be operated to have a TFCE (and / or combined electrical and chemical efficiency) of 75% or more, or about 80% or more, or about 85% or more. It should be noted that with respect to overall fuel cell efficiency and / or combined electrical and chemical efficiency, any additional electricity generated from the use of excess heat generated by the fuel cell can be excluded from the efficiency calculation.

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。   In various aspects of the invention, fuel cell operation can be characterized based on a desired electrical efficiency of about 40% or less and a desired overall fuel cell efficiency of about 55% or more. When the fuel cell is operated to have the desired electrical efficiency and the desired overall fuel cell efficiency, the molten carbonate fuel cell has an electrical efficiency of about 40% or less, for example 60% with about 55% or more of TFCE. About 35% or less EE with about 35% or more, about 30% or less EE with about 65% or more TFCE, about 25% or less EE with about 70% or more TFCE, or about 20% with 75% or more TFCE It can be operated to have the following EE, about 15% or less EE with 80% or more TFCE, or about 10% or less EE with about 85% or more TFCE.

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HとCOとの混合物として定義される。任意に、HOおよび/またはCO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。H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H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H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。
Definition syngas: In this description, the synthesis gas is defined as a mixture of H 2 and CO in any proportion. Optionally, H 2 O and / or CO 2 may be present in the synthesis gas. Optionally, inert compounds (eg, nitrogen) and residual reformable fuel compounds may be present in the syngas. When components other than H 2 and CO are present in the synthesis gas, the combined volume percent of H 2 and CO in the synthesis gas is at least 25% by volume, eg, at least 40% compared to the total volume of the synthesis gas. It can be vol%, or at least 50 vol%, or at least 60 vol%. Additionally or alternatively, the combined volume percent of H 2 and CO in the syngas can be 100% or less, such as 95% or less, or 90% or less.

改質可能燃料:改質可能燃料は、H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HO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。 Reformable fuel: reformable fuel is reformable carbon in order to generate the H 2 - is defined as a fuel containing hydrogen bonds. Like other hydrocarbon compounds such as alcohol, hydrocarbons are examples of reformable fuels. Although CO and H 2 O may participate in the water gas shift reaction to form hydrogen, CO is not considered a reformable fuel in this definition.

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、H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H分子の数として定義される。なお、本明細書においては、H自体は改質可能燃料として定義されないが、定義によるH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、H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4H分子であり、エタンの改質可能水素含有量は7H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(H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(Hox)/n(H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。 Reformable hydrogen content: reformable hydrogen content of fuel, the fuel reforming, followed by completing the water gas shift reaction to maximize and H 2 generation, be derived from a fuel Defined as the number of H 2 molecules that can be. In the present specification, H 2 itself is not defined as a reformable fuel, but H 2 by definition has a reformable hydrogen content of 1. Similarly, CO has a reformable hydrogen content of 1. CO is not possible reforming strictly, but by completing the water gas shift reaction, exchange of CO is brought against H 2. As an example of the reformable hydrogen content for a reformable fuel, the reformable hydrogen content of methane is 4H 2 molecules and the reformable hydrogen content of ethane is 7H 2 molecules. More generally, when the fuel has the composition CxHyOz, the reformable hydrogen content of the fuel at 100% reforming and water gas shift is n (H 2 maximum reforming) = 2x + y / 2−z. Based on this definition, fuel utilization within the cell can then be expressed as n (H 2 ox) / n (H 2 maximum reforming). Of course, the reformable hydrogen content of a mixture of components can be determined based on the reformable hydrogen content of the individual components. The reformable hydrogen content of compounds containing other heteroatoms such as oxygen, sulfur or nitrogen can be calculated in a similar manner.

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、CO 2−との反応によってHOおよびCOを形成する、H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、HおよびCOまたはCO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、Hまたは炭素−水素結合を含有する化合物がOと反応して、HO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。 Oxidation reaction: In the present discussion, the oxidation reaction in the anode of the fuel cell is defined as the reaction corresponding to the oxidation of H 2 which forms H 2 O and CO 2 by reaction with CO 3 2− . It should be noted that the reforming reaction in the anode where the compound containing carbon-hydrogen bonds is converted to H 2 and CO or CO 2 is excluded from this definition of oxidation reaction at the anode. The water gas shift reaction is similar except for this definition of oxidation reaction. Still further, reference to a combustion reaction is that H 2 or a compound containing a carbon-hydrogen bond reacts with O 2 in a non-electrochemical burner such as a combustion region of a combustion generator to produce H 2 O and carbon oxide. Is defined as a reference to the reaction that forms

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。   Embodiments of the invention can adjust anode fuel parameters to achieve a desired operating range for a fuel cell. The anode fuel parameters can be characterized directly and / or with respect to other fuel cell processes in the form of one or more ratios. For example, the anode fuel parameter achieves one or more ratios including fuel utilization, fuel cell heating value, fuel excess ratio, reformable fuel excess ratio, reformable hydrogen content fuel ratio, and combinations thereof. In order to be able to control.

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、H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H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4H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H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、4H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7H分子の改質可能水素含有量を有する。 Fuel utilization: Fuel utilization characterizes the operation of the anode based on the amount of oxidized fuel compared to the reformable hydrogen content of the input stream that can be used to define fuel utilization for the fuel cell. Is an option for. In this discussion, “fuel utilization” refers to the amount of hydrogen oxidized at the anode for electricity generation (as described above) and the reformable hydrogen content of the anode input (any associated reforming stage also Defined as a ratio. The reformable hydrogen content is H 2 that can be derived from the fuel by reforming the fuel and then completing the water gas shift reaction to maximize H 2 production as defined above. Defined as the number of molecules. For example, each methane introduced into the anode and exposed to steam reforming conditions results in the generation of 4H 2 molecular equivalents at maximum production (depending on reforming and / or anode conditions, Instead, it can correspond to a non-aqueous gas shift product in which one or more of the H 2 molecules are present in the form of CO molecules). Thus, methane is defined as having a reforming possible hydrogen content 4H 2 molecule. As another example, in this definition, ethane has a reforming possible hydrogen content 7H 2 molecule.

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、H、CH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。 The use of fuel at the anode is associated with the lower calorific value of the hydrogen oxidized at the anode by the fuel cell anode reaction compared to the lower calorific value of all fuel delivered to the anode and / or the reforming stage associated with the anode. It can also be characterized by defining the calorific value utilization based on the ratio. As used herein, “fuel cell heating value utilization” can be calculated using the flow rate and lower heating value (LHV) of the fuel components entering and leaving the fuel cell anode. As such, the fuel cell heating value utilization can be calculated as (LHV (anode_in) −LHV (anode_out)) / LHV (anode_in). Where LHV (anode_in) and LHV (anode_out) refer to the LHV of the fuel components (eg, H 2 , CH 4 and / or CO) in the anode inlet and outlet streams or flows, respectively. In this definition, the flow or flow LHV may be calculated as the sum of the values of each fuel component of the input and / or output flow. The contribution of each fuel component to the sum can correspond to the fuel component flow rate (eg, mol / hour) multiplied by the fuel component's LHV (eg, joule / mol).

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COおよびHO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COも、CO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Hの酸化として定義される。 Lower calorific value: Lower calorific value is defined as the enthalpy of combustion of a fuel component into a gas phase, fully oxidized product (eg, gas phase CO 2 and H 2 O products). For example, any CO 2 present in the anode input stream does not contribute to the fuel content of the anode input because CO 2 is already fully oxidized. With respect to this definition, the amount of oxidation that occurs at the anode by the anode fuel cell reaction is defined as the oxidation of H 2 at the anode as part of the electrochemical reaction of the anode, as defined above.

なお、アノードインプットフローにおける唯一の燃料がH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、HからHOへの変換を表す。このような特別な場合、燃料利用は、(H−レート−イン(rate−in)−H−レート−アウト(rate−out))/H−レート−インとして単純化される。そのような場合、Hは唯一の燃料成分であり、およびH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CH、H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。 Note that for the case only the fuel at the anode input flow is a special and H 2, the only reaction that fuel component can occur at the anode are involved, represents the conversion of H 2 to H 2 O. In such cases special, fuel utilization, (H 2 - Rate - In (rate-in) -H 2 - Rate - out (rate-out)) / H 2 - Rate - is simplified as in. In such a case, H 2 is the only fuel component, and LHV of H 2 is offset from the equation. In the more general case, the anode feed may contain, for example, CH 4 , H 2 and CO in various amounts. Since these species can typically be present in different amounts in the anode outlet, a summary is necessary to determine fuel utilization, as described above.

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、「CO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。CO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。 In addition to or in addition to fuel utilization, the utilization of other reactants in the fuel cell can be characterized. For example, fuel cell operation can additionally or alternatively be characterized with respect to “CO 2 utilization” and / or “oxidant” utilization. Values for CO 2 utilization and / or oxidant utilization can be specified in a similar manner.

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、H、CH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。 Fuel excess ratio: Yet another way to characterize the reaction in molten carbonate fuel cells is a modification of the anode and / or anode associated with the lower heating value of hydrogen oxidized at the anode by the fuel cell anode reaction. By defining utilization based on the ratio of the lower heating value of all fuel delivered to the quality stage. This amount is called the fuel excess ratio. As such, the fuel excess ratio can be calculated as (LHV (anode_in) / (LHV (anode_in) −LHV (anode_out)), where LHV (anode_in) and LHV (anode_out) are respectively LHV of the fuel component (eg, H 2 , CH 4 and / or CO) in the anode inlet and outlet streams or flows In various aspects of the invention, the molten carbonate fuel cell is at least about 1.0. For example, at least about 1.5, or at least about 2.0, or at least about 2.5, or at least about 3.0, or at least about 4.0. Alternatively, or alternatively, the fuel excess ratio is about 25 It can be less than or equal to zero.

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。   Note that not all of the reformable fuel in the input stream for the anode can be reformed. Preferably, at least about 90%, such as at least about 95%, or at least about 98% of the reformable fuel in the input stream to the anode (and / or associated reforming stage) can be reformed before leaving the anode. It is. In some other embodiments, the amount of reformable fuel that is reformed can be from about 75% to about 90%, such as at least about 80%.

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。   The above definition for the excess fuel ratio indicates that the reforming that occurs within the reforming stage associated with the anode and / or the fuel cell as compared to the amount of fuel consumed at the fuel cell anode for power generation. Provides a way to characterize quantities.

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、H、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。 Optionally, the fuel excess ratio can be varied to account for the condition where fuel is recycled from the anode output to the anode input. When fuel (eg, H 2 , CO and / or unreformed or partially reformed hydrocarbons) is recycled from the anode output to the anode input, such recycled fuel components It does not represent an excess of reformable or reformed fuel that can be used for the purpose. Instead, such recycled fuel components merely indicate a desire to reduce fuel utilization in the fuel cell.

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H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、H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。 Reformable Fuel Excess Ratio: Calculating the reformable fuel excess ratio is such that such recycled fuel components contain excess fuel so that only the reformable fuel LHV is included in the input stream to the anode. It is one option that indicates limiting the definition. As used herein, “reformable fuel excess ratio” refers to the anode and / or anode associated with the anode as compared to the lower heating value of hydrogen oxidized at the anode by the fuel cell anode reaction. Defined as the lower heating value of the reformable fuel delivered to the reforming stage. In the definition for reformable fuel excess ratio, any H 2 or CO LHV at the anode input is excluded. Such LHV for reformable fuels can still be measured by characterizing the actual composition entering the fuel cell anode, and a distinction between recycled and new components is necessary. Not. Although some unreformed or partially reformed fuels may also be recycled, in most embodiments, the majority of the fuel recycled to the anode is the reformed product (eg, H 2 or CO). Expressed mathematically, the reformable fuel excess ratio (R RFS ) = LHV RF / LHV OH , where LHV RF is the lower calorific value (LHV) of the reformable fuel, and LHV OH is The lower heating value (LHV) of hydrogen oxidized at the anode. The LHV of hydrogen oxidized at the anode may be calculated by subtracting the LHV of the anode outlet stream from the LHV of the anode inlet stream (eg, LHV (anode_in) −LHV (anode_out)). In various aspects of the invention, the molten carbonate fuel cell has at least about 0.25, such as at least about 0.5, or at least about 1.0, or at least about 1.5, or at least about 2.0. Or at least about 2.5, or at least about 3.0, or at least about 4.0 with a reformable fuel excess ratio. Additionally or alternatively, the reformable fuel excess ratio can be about 25.0 or less. It should be noted that such a narrower definition based on the amount of reformable fuel delivered to the anode compared to the amount of oxidation at the anode identifies two types of fuel cell operating methods with low fuel utilization. Can do. Some fuel cells achieve low fuel utilization by recycling a substantial portion from the anode output to the anode input. This recycling allows any hydrogen at the anode input to be used again as input to the anode. This can reduce the amount of reforming and at least a portion of the unused fuel is recycled in subsequent passes even if the fuel utilization is low for a single pass of the fuel cell. Thus, fuel cells with a wide variety of fuel utilization values may have the same ratio of reformable fuel delivered to the anode reforming stage to hydrogen oxidized in the anode reaction. In order to change the ratio of reformable fuel delivered to the anode reforming stage with respect to the amount of oxidation at the anode, an anode feed with the original content of non-reformable fuel needs to be identified or the anode Unused fuel at the output needs to be recovered for other uses, or both.

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、H、CH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。H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、HOおよびCO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H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H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、HOおよびCO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。 Reformable hydrogen excess ratio: Yet another option for characterizing the operation of a fuel cell is based on the “reformable hydrogen excess ratio”. The excess reformable fuel ratio defined above is defined based on the lower heating value of the reformable fuel component. Reformable hydrogen excess ratio is defined as the reformable hydrogen content of the reformable fuel delivered to the anode and / or the reforming stage associated with the anode as compared to the hydrogen reacted at the anode by the fuel cell anode reaction. Is done. As such, the “reformable hydrogen excess ratio” can be calculated as (RFC (reformable_anode_in) / (RFC (reformable_anode_in) −RFC (anode_out)), where (RFC (reformable_anode_in) is: Refers to the reformable hydrogen content of the reformable fuel in the anode inlet stream or flow, and RFC (anode_out) is the fuel component of the anode inlet and outlet stream or flow (eg, H 2 , CH 4 and / or CO) Reformable hydrogen content refers to RFC, which can be expressed in moles / second, moles / hour, etc. Fuel with a large ratio of reformable fuel to anode oxidation delivered to the anode reforming stage How to activate the battery Examples are to balance the generation and consumption of heat in the fuel cell, to reform the reformable fuel to form a can .H 2 and CO that is excessive way modification is performed Is an endothermic process, which can be countered by the generation of current in the fuel cell, which causes the fuel cell to be in the form of heat and flow generated by the anodization and carbonate formation reactions. An excess of heat can be generated which corresponds to (roughly) the difference from the energy exited, and the excess heat per mole of hydrogen involved in the anodic oxidation / carbonate formation reaction can cause reforming to reduce the moles of hydrogen. It can be greater than the heat absorbed because it is generated, so that fuel cells operating under conventional conditions will increase in temperature from the inlet to the outlet As an alternative to this type of conventional operation, the amount of fuel reformed in the reforming step associated with the anode can be increased, for example, the heat generated by the exothermic fuel cell reaction The heat consumed by the reforming can be (approximately) balanced, or the heat consumed by the reforming can be greater than the excess heat generated by the fuel oxidation, and the temperature across the fuel cell. Additional fuel can be reformed to provide a reduction, which can result in a substantial excess of hydrogen compared to the amount required for power generation. As such, the feed to the fuel cell anode inlet or associated reforming stage may consist essentially of a reformable fuel, such as a substantially pure methane feed. Can. During conventional operation for power generation using such fuels, molten carbonate fuel cells can operate with about 75% fuel utilization. This is then about 75% (or 3/4) of the fuel content delivered to the anode to form hydrogen that reacts with carbonate ions at the anode to form H 2 O and CO 2. Is used. In conventional operation, the remaining approximately 25% of the fuel content can be reformed to H 2 in the fuel cell (or passing through an unreacted fuel cell for any CO or H 2 in the fuel). Can then be combusted outside the fuel cell to form H 2 O and CO 2 and provide heat for the cathode inlet to the fuel cell. The reformable hydrogen excess ratio in this state can be 4 / (4-1) = 4/3.

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。   Electrical efficiency: As used herein, the term “electric efficiency” (“EE”) occurs in a fuel cell divided by the rate of low heating value (“LHV”) of the fuel input to the fuel cell. Defined as electrochemical power. The fuel input to the fuel cell is delivered to the fuel delivered to the anode, the fuel delivered to the cathode, and any fuel used to maintain the temperature of the fuel cell, for example, the burner associated with the fuel cell Fuel to be included. In this description, the power generated by the fuel may be described in terms of LHV (el) fuel rate.

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。   Electrochemical power: As used herein, the term “electrochemical power” or LHV (el) refers to the carbonate ion passing through the fuel cell electrolyte and the circuit connecting the cathode to the anode in the fuel cell. Power generated by movement. Electrochemical power eliminates power generated from the fuel cell or consumed in upstream or downstream equipment. For example, electricity resulting from heat in a fuel cell waste stream is not considered part of the electrochemical power. Similarly, the power generated in a gas turbine or other device upstream of the fuel cell is not part of the generated electrochemical power. “Electrochemical power” does not take into account the power consumed during the operation of the fuel cell or any losses caused by the conversion from direct current to alternating current. In other words, the power used to provide fuel cell operation or otherwise to operate the fuel cell is not subtracted from the DC power generated by the fuel cell. As used herein, power density is current density multiplied by voltage. As used herein, total fuel cell power is the power density multiplied by the fuel cell area.

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。   Fuel Input: As used herein, the term “anode fuel input”, denoted as LHV (anode_in), is the amount of fuel in the anode inlet stream. The term “fuel input”, denoted as LHV (in), is used to maintain a) the amount of fuel in the anode inlet stream, b) the amount of fuel in the cathode inlet stream, and c) the temperature of the fuel cell. The total amount of fuel delivered to the fuel cell, including the amount of fuel that is delivered. Fuels may include reformable and non-reformable fuels based on the definition of reformable fuel provided herein. Fuel input is not the same as fuel use.

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H、CH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(H、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。 Total fuel cell efficiency: As used herein, the term “total fuel cell efficiency” (“TFCE”) is the ratio of the LHV of the syngas produced by the fuel cell to the electrochemical power produced by the fuel cell. Is divided by the ratio of the LHV of the fuel input to the anode. In other words, TFCE = (LHV (el) + LHV (sg net)) / LHV (anode_in), where LHV (anode_in) is the fuel component (eg, H 2 , CH 4 and / or CO) at the anode LHV as delivered and LHV (sg net) refers to the rate at which synthesis gas (H 2 , CO) is produced at the anode, which is the synthesis gas input to the anode and the synthesis gas output from the anode Is the difference between LHV (el) describes the electrochemical power generation of the fuel cell. Total fuel cell efficiency eliminates the heat generated by the fuel cell, which is advantageously used outside the fuel cell. In operation, the heat generated by the fuel cell may be advantageously used in downstream equipment. For example, heat may be used to generate additional electricity or to heat water. These applications are not part of the overall fuel cell efficiency as the terminology used in this application if they occur away from the fuel cell. Total fuel cell efficiency relates only to fuel cell operation and does not include power generation or fuel cell consumption upstream or downstream.

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HおよびCOの低位発熱量、またはLHV(sg out)として定義される。 Chemical efficiency: As used herein, the term “chemical efficiency” refers to the lower heating value of H 2 and CO in the anode discharge of a fuel cell divided by the fuel input or LHV (in), or LHV ( sg out).

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CO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。 Neither electrical efficiency nor overall system efficiency takes into account the efficiency of upstream or downstream processes. For example, it may be advantageous to use turbine emissions as a source of CO 2 for the fuel cell cathode. In this arrangement, turbine efficiency is not considered as part of the calculation of electrical efficiency or total fuel cell efficiency. Similarly, the output from the fuel cell may be recycled as input to the fuel cell. When calculating electrical efficiency or total fuel cell efficiency in single pass mode, the recycle loop is not considered.

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CO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、HO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。 Steam to carbon ratio (S / C): As used herein, steam to carbon ratio (S / C) is the mole ratio of steam in a flow to the reformable carbon in the flow. Carbon in the form of CO and CO 2 is not included as modifiable carbon in this definition. The steam to carbon ratio can be measured and / or controlled at different points in the system. For example, the composition of the anode inlet stream can be modified to achieve the appropriate S / C for modification at the anode. S / C can be given as the molar flow rate of H 2 O divided by the product of the molar flow rate of the fuel, eg, the fuel multiplied by the number of carbon atoms in the methane. Thus, S / C = f H2O / (f CH4 x # C) where f H2O is the molar flow rate of water and f CH4 is the molar flow rate of methane (or other fuel). And #C is the number of carbons in the fuel.

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。   Fuel cell and fuel cell components: In this discussion, a fuel cell can correspond to a unit cell having an anode and a cathode separated by an electrolyte. The anode and cathode can receive an input gas flow to facilitate their respective anode and cathode reactions to transport charge across the electrolyte and generate electricity. A fuel cell stack can represent multiple cells in an integrated unit. Although a fuel cell stack can include multiple fuel cells, the fuel cells can typically be connected in parallel, and so that they collectively represent a single fuel cell of larger diameter (approximately ) Can function. When the input flow is delivered to the anode or cathode of the fuel cell stack, the fuel stack is a flow channel for splitting the input flow between each cell in the stack and a flow channel for combining the output flows from the individual cells Can be included. In this discussion, the fuel cell array is a plurality of fuel cells (eg, a plurality of fuel cell stacks) arranged in series, parallel, or any other convenient manner (eg, in a combination of series and parallel). Can be used to refer to. The fuel cell array includes one or more stages of fuel cells and / or fuel cell stacks, where the anode / cathode output from the first stage can serve as the anode / cathode input for the second stage. Can do. Note that the anodes of the fuel cell array need not be connected in the same manner as the cathodes of the array. For convenience, the input to the first anode stage of the fuel cell array may be referred to as the anode input for the array, and the input to the first cathode stage of the fuel cell array is the input to the array. It may be called the cathode input. Similarly, the output from the final anode / cathode stage may be referred to as the anode / cathode output from the array.

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。   Reference to the use of a fuel cell herein refers to a “fuel cell stack” typically comprised of individual fuel cells, and more generally refers to the use of one or more fuel cell stacks in fluid communication. That should be understood. Individual fuel cell elements (plates) can typically be “stacked” together in a rectangular array called a “fuel cell stack”. This fuel cell stack typically can provide a flow between all individual fuel cells and can distribute reactants, and then collect products from each of these elements. be able to. When viewed as a unit, an active fuel cell stack can be viewed as a single piece, even if it is composed of many (often dozens or hundreds) of individual fuel cell elements. These individual fuel cell elements can typically have similar voltages (similar reactant and product concentrations), and the total power output is when the elements are electrically connected in series, It can result from the sum of all currents of the battery element. The stacks can also be arranged in series to produce a high voltage. A parallel arrangement can increase the current. If a sufficiently large volume fuel cell stack is available to handle a given effluent flow, the systems and methods described herein should be used in a single molten carbonate fuel cell stack. Can do. In other aspects of the invention, multiple fuel cell stacks may be desirable or required for various reasons.

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。   For the purposes of the present invention, unless otherwise specified, the term “fuel cell” refers to one or more individual, where there is a single input and output as the manner in which the fuel cell is typically utilized in practice. Should be understood as referring to and / or including reference to it. Similarly, the term fuel cell (s) should also be understood to refer to and / or include a plurality of individual fuel cell stacks unless specifically stated otherwise. In other words, all references within the scope of this specification are interchangeably applicable to the operation of a fuel cell stack as a “fuel cell” unless specifically indicated. For example, the volume of emissions generated in commercial scale combustion generators can be too large for processing with conventional diameter fuel cells (eg, a single stack). Multiple fuel cells (ie, two or more individual fuel cells or two or more individual fuel cells) so that each fuel cell can process a (substantially) equivalent portion of the combustion exhaust in order to fully process the emissions. Fuel cell stacks) can be arranged in parallel. Although multiple fuel cells can be used, the fuel cells typically can be operated on a given (approximately) equivalent portion of the combustion emissions in a generally similar manner.

「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。   “Internal reforming” and “external reforming”: A fuel cell or fuel cell stack may include one or more internal reforming moieties. As used herein, the term “internal reforming” refers to fuel reforming that occurs within the body of the fuel cell (fuel cell stack) or otherwise within the fuel cell assembly. External reforming is often used with fuel cells, but occurs in each of the devices located outside the fuel cell stack. In other words, the body of the external reformer is not in direct physical contact with the body of the fuel cell or fuel cell stack. In a typical preparation, the output from the external reformer can be fed to the anode inlet of the fuel cell. Unless specifically stated otherwise, the modification described in this application is an internal modification.

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。   Internal reforming may occur within the fuel cell anode. Internal reforming can occur additionally or alternatively within an internal reforming element that is integrated within the fuel cell assembly. Integrated reforming elements may be located between fuel cell elements in the fuel cell stack. In other words, one of the stacked trays can be a reforming part instead of a fuel cell element. In one aspect, the flow arrangement within the fuel cell stack directs fuel to the internal reforming element and then to the anode portion of the fuel cell. Thus, from a flow point of view, the internal reforming element and the fuel cell element can be arranged in series within the fuel cell stack. As used herein, “anode reforming” is fuel reforming that occurs within the anode. As used herein, the term “internal reforming” is the reforming that occurs within an integrated reforming element, not the anode portion.

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。   In some embodiments, the reforming stage that is internal to the fuel cell assembly can be considered as associated with the anode of the fuel cell assembly. In some alternative embodiments, for a reforming stage of a fuel cell stack that can be associated with an anode (eg, associated with multiple anodes), the output flow from the reforming stage is passed to at least one anode. As such, a flow path can be available. This can correspond to having an initial portion of the fuel cell plate that is not in contact with the electrolyte, and can instead serve as a reforming catalyst. Another option for the associated reforming stage is to return the output from the integrated reforming stage to one or more input sides of the fuel cell stack fuel cell as one of the elements of the fuel cell stack. It can be possible to have separate integrated reforming stages.

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。   From the viewpoint of thermal integration, the characteristic height of the fuel cell stack can be the height of the individual fuel cell stack elements. It should be noted that separate reforming stages and / or separate endothermic reaction stages could have a different stack height than the fuel cell. In such a scenario, the height of the fuel cell element can be used as a characteristic height. In some embodiments, the integrated endothermic reaction stage is one such that the integrated endothermic reaction stage can use heat from the fuel cell as a heat source for the endothermic reaction. It can be defined as a stage where heat integration with the above fuel cell is performed. Such an integrated endothermic reaction stage is defined as being placed at a height of less than 10 times the height of the laminated element from any fuel cell that provides heat to the integrated stage. be able to. For example, the integrated endothermic reaction stage (e.g., reforming stage) is less than 10 times the height of the laminated element from any thermally integrated fuel cell, or less than 8 times the height of the laminated element, or It can be arranged at a height of less than 5 times the height of the laminated element or less than 3 times the height of the laminated element. In the present discussion, the integrated reforming stage and / or the integrated endothermic reaction stage representing the stack element adjacent to the fuel cell element is no more than about 1 stack element height from the adjacent fuel cell element. Can be defined as

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。   In some embodiments, the separate reforming stage that is heat integrated with the fuel cell element may correspond to a reforming stage associated with the fuel cell element. In such embodiments, the integrated fuel cell element can provide at least a portion of heat to the associated reforming stage, and the associated reforming stage fuels at least a portion of the reforming stage output. The fuel cell can be provided as a stream. In other embodiments, the separate reforming stages can be integrated with the fuel cell for heat transfer without being associated with the fuel cell. In this type of situation, a separate reforming stage can receive heat from the fuel cell, but can determine that the output of the reforming stage is not used as an input to the fuel cell. Instead, the output of such reforming stages may be used for other purposes such as direct addition of output to the anode exhaust stream and / or to form a separate output stream from the fuel cell assembly. You can decide to use it.

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。   More generally, separate stack elements of the fuel cell stack are used to perform any convenient type of endothermic reaction that can take advantage of the waste heat provided by the integrated fuel cell stack elements. can do. Instead of a suitable plate for carrying out the reforming reaction in the hydrocarbon stream, a separate lamination element can have a suitable plate to catalyze another type of endothermic reaction. Other arrangements of manifolds or inlet conduits in the fuel cell stack can be used to provide appropriate input flow to the respective stack elements. Additionally or alternatively, other arrangements of similar manifolds or outlet conduits can be used to withdraw the output flow from each laminate element. Optionally, the output flow from the endothermic reaction stage of the stack can be recovered from the fuel cell stack without passing the output flow through the fuel cell anode. In any such embodiment, the product of the exothermic reaction can thus exit the fuel cell stack without passing through the fuel cell anode. Examples of other types of endothermic reactions that can be performed in a stack element of a fuel cell stack can include, without limitation, ethanol dehydration to form ethylene and ethane cracking.

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CO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、H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。 Recycling: As defined herein, recycling of a portion of a fuel cell output to a fuel cell inlet (eg, an anode exhaust or a stream that is separated or recovered from an anode exhaust) is It can correspond to a direct or indirect recycling stream. Direct recycling of the flow to the fuel cell inlet is defined as recycling of the flow without passing through the intermediate process, and for indirect recycling, the recycling after passing the flow through one or more intermediate processes Is involved. For example, if the anode effluent passes through a CO 2 separation stage prior to recycling, this is considered an indirect recycling of the anode effluent. If a portion of the anode exhaust recovered from the anode exhaust, for example a H 2 stream, passes through a gasifier to convert coal into a suitable fuel for introduction into the fuel cell, this is also It is considered indirect recycling.

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、CO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H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。H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Hの酸化が、燃料を改質するために使用することができるHO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CO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、CO、N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。
Anode Input and Output In various embodiments of the present invention, the MCFC array includes, for example, hydrogen and hydrocarbons, such as methane (or alternatively, hydrocarbons or A fuel received at the anode inlet comprising a hydrocarbon-like compound) can be provided. Most methane (or other hydrocarbons or hydrocarbon-like compounds) fed to the anode can typically be fresh methane. In this description, new fuel, such as new methane, refers to fuel that is not recycled from another fuel cell process. For example, methane recycled from the anode outlet stream to the anode inlet is not considered “fresh” methane and can instead be described as recovered methane. A fuel supply source that is used can be shared with other components such as a turbine which uses a portion of the fuel supply source to provide a CO 2 containing stream to the cathode input. The fuel source input can include water in an appropriate proportion to the fuel to reform the hydrocarbon (or hydrocarbon-like) compound in the reforming section that generates hydrogen. For example, when methane is the fuel inputs for reforming to generate the H 2, the molar ratio of water to fuel is about 1: to be 1: 1 to about 10: 1, such as at least about 2 it can. A ratio of 4: 1 or higher is typical for external reforming, but lower values can be typical for internal reforming. To the extent that H 2 is part of the fuel source, in some optional embodiments, oxidation of H 2 at the anode may tend to yield H 2 O that can be used to reform the fuel. Thus, additional water may not be needed for the fuel. The fuel source may optionally contain components that are not important to the fuel source (eg, a natural gas supply may contain some content of CO 2 as an additional component). For example, the natural gas supply can contain CO 2 , N 2 and / or other inert (inert) gases as additional components. Optionally, in some embodiments, the fuel source may contain CO, such as CO from the recycled portion of the anode exhaust. An additional or alternative potential source for CO in the fuel to the fuel cell assembly may be CO generated by steam reforming of hydrocarbon fuel performed on the fuel prior to entering the fuel cell assembly. it can.

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。   More generally, various types of fuel streams may be suitable for use as an input stream for the anode of a molten carbonate fuel cell. Some fuel streams may correspond to streams containing hydrocarbons and / or hydrocarbon-like compounds that may contain heteroatoms different from C and H. In this discussion, unless otherwise specified, references to fuel streams containing hydrocarbons for MCFC anodes are defined to include fuel streams containing such hydrocarbon-like compounds. Examples of hydrocarbon (including hydrocarbon-like) fuel streams include natural gas, streams containing C1-C4 carbon compounds (eg, methane or ethane), and heavier C5 + hydrocarbons (hydrocarbon-like compounds). Stream), as well as combinations thereof. Still other additional or alternative examples of potential fuel streams used for anode input may include biogas type streams, such as methane resulting from natural (biological) decomposition of organic materials.

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、CO、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。CO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COの存在は、アノードアウトプットに存在するH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CO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CO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。 In some embodiments, molten carbonate fuel cells can be used to process input streams such as natural gas and / or hydrocarbon streams with low energy content due to the presence of diluent compounds. . For example, several sources of methane and / or natural gas is the source that may include CO 2 or nitrogen, a substantial amount of other inert molecule, such as argon or helium. Due to the presence of increased amounts of CO 2 and / or inerts, the energy content of the fuel stream based on the source can be reduced. The use of low energy content fuels in combustion reactions (such as for powering combustion power turbines) can present problems. However, molten carbonate fuel cells can generate power based on a low energy content fuel source with little or no impact on fuel cell efficiency. The presence of an additional gas volume may require additional heat to raise the fuel temperature to the temperature for reforming and / or anodic reaction. Additionally, due to the equilibrium nature of the water gas shift reaction within the fuel cell anode, the presence of additional CO 2 can have an effect on the relative amounts of H 2 and CO present in the anode output. However, inert compounds can have only minimal direct impact on reforming and anodic reactions in other cases. The amount of CO 2 and / or inert compounds in the fuel stream for the molten carbonate fuel cell, if present, is at least about 1% by volume, such as at least about 2% by volume, or at least about 5% by volume, or At least about 10%, or at least about 15%, or at least about 20%, or at least about 25%, or at least about 30%, or at least about 35%, or at least about 40%, or at least It can be about 45% by volume, or at least about 50% by volume, or at least about 75% by volume. Additionally or alternatively, the amount of CO 2 and / or inert compounds in the fuel stream for the molten carbonate fuel cell is about 90% or less, such as about 75% or less, or about 60% by volume. Or about 50% or less, or about 40% or less, or about 35% or less.

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、Hおよび/または改質可能燃料化合物も含有するCOまたはCO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。 Yet another example of a potential source for the anode input stream may correspond to a refiner and / or other industrial process output stream. For example, coking is a common process in many refiners to convert heavier compounds to a lower boiling range. Coking typically produces off-gas containing various compounds that are gases at room temperature, including CO and various C1-C4 hydrocarbons. This off-gas can be used as at least part of the anode input stream. Other refiner off-gas streams can be additionally or alternatively suitable for inclusion in the anode input stream, e.g., light fractions generated during cracking or other refiner processes ( C1-C4). Still other suitable refiner streams can additionally or alternatively include a refiner stream containing CO or CO 2 that also contains H 2 and / or reformable fuel compounds.

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HOの実質的な部分を含む。そのようなHO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。 Still other potential sources for anode input can additionally or alternatively include streams having increased water content. For example, an ethanol output stream from an ethanol plant (or another type of fermentation process) contains a substantial portion of H 2 O prior to final distillation. Such H 2 O can typically have only minimal impact on the operation of the fuel cell. Thus, a fermentation mixture of alcohol (or other fermentation product) and water can be used as at least a portion of the anode input stream.

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CO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。 Biogas or digester gas is another additional or alternative potential source for the anode input. Biogas may consist primarily of methane and CO 2 and is typically generated by decomposition or digestion of organic substances. Anaerobic bacteria may be used to digest organic material and produce biogas. Prior to use as an anode input, impurities (eg, sulfur-containing compounds) may be removed from the biogas.

MCFCアノードからのアウトプット流は、HO、CO、COおよびH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、HもしくはCH)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HまたはCO)からCO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。H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。 The output stream from the MCFC anode can include H 2 O, CO 2 , CO, and H 2 . Optionally, the anode output stream could have unreacted fuel (eg, H 2 or CH 4 ) or inert compounds in the feed as an additional output component. Instead of using this output stream as a fuel source to provide heat for the reforming reaction or as a combustion fuel to heat the cell, it has a potential value as an input to another process One or more separations can be performed in the anode output stream to separate CO 2 from the components (eg, H 2 or CO). H 2 and / or CO can be used as a synthesis gas for chemical synthesis, as a source of hydrogen for chemical reactions, and / or as a fuel with reduced greenhouse gas emissions.

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。   Anode emissions can be subject to various gas treatment options, including water gas shift and separation of components from each other. Two general anodization schemes are shown in FIGS.

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、H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H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。COおよびO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、CO 2−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、HO、CO、1つ以上の不完全に反応した燃料に相当する成分(H、CO、CH、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、N、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、CO除去段階140は、低温CO除去システム、COなどの酸性ガスの除去のためのアミン洗浄段階、またはCO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CO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HO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、COおよびHに変換することができる。CO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。CO分離段階140後の図1に示されるが、それは、その代わりにCO分離段階140前に任意に位置してもよい。追加的に、Hの高純度透過流163を発生させるために、H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、H、COおよびCO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、CO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。 FIG. 1 schematically illustrates an example of a reaction system for operating a fuel cell array of a molten carbonate fuel cell in connection with a chemical synthesis process. In FIG. 1, a fuel stream 105 is provided to a reforming stage 110 associated with a fuel cell 120, eg, a fuel cell anode 127 that is part of a fuel cell stack of a fuel cell array. The reforming stage 110 associated with the fuel cell 120 can be internal to the fuel cell assembly. In some optional embodiments, an external reforming stage (not shown) may also be used to reform a portion of the reformable fuel in the input stream before passing the input stream through the fuel cell assembly. it can. The fuel stream 105 can preferably include a reformable fuel, such as methane, other hydrocarbons, and / or other hydrocarbon-like compounds, such as organic compounds containing carbon-hydrogen bonds. The fuel stream 105 can optionally contain H 2 and / or CO, eg, H 2 and / or CO provided by the optional anode recycle stream 185. Note that the anode recycle stream 185 is optional, and in many embodiments, the recycle stream is directly from the anode exhaust 125 through the anode stream 125 or in combination with the fuel stream 105 or the modified fuel stream 115. Return to 127 and not provided. After reforming, the reformed fuel stream 115 can be passed through the anode 127 of the fuel cell 120. A CO 2 and O 2 containing stream 119 can also be passed to the cathode 129. The flow of carbonate ions 122, CO 3 2− from the cathode portion 129 of the fuel cell can provide the remaining reactants required for the anode fuel cell reaction. The anode exhaust 125 obtained based on the reaction at the anode 127 is H 2 O, CO 2 , a component corresponding to one or more incompletely reacted fuels (H 2 , CO, CH 4 , or reformable fuel). As well as one or more additional non-reactive components, such as N 2 , and / or other contaminants that are part of the fuel stream 105. The anode exhaust 125 can then be passed through one or more separation stages. For example, CO 2 removal stage 140, the low-temperature CO 2 removal system, the acidic amine washing step for the removal of gas or CO 2 output stream 143 for separating from the anode effluent CO 2 separation stage, such as CO 2 Can correspond to another appropriate kind of. Optionally, anode discharge is first passed through water gas shift reactor 130 so that any CO present in the anode discharge (in addition to any H 2 O) is optionally water gas shifted anode discharge 135. Can be converted to CO 2 and H 2 . Depending on the nature of the CO 2 removal stage, the water condensation or removal stage 150 may be desirable to remove the water output stream 153 from the anode effluent. Although shown in FIG. 1 after the CO 2 separation stage 140, it may instead be optionally located before the CO 2 separation stage 140. Additionally, in order to generate the high purity permeate stream 163 of H 2, can use any membrane separation stage 160 for H 2 separation. The resulting retained stream 166 can then be used as an input to the chemical synthesis process. Stream 166 can be additionally or alternatively shifted in the second water gas shift reactor 131 to adjust the H 2 , CO and CO 2 content to different ratios, in a chemical synthesis process This produces an output stream 168 for further use. Although the anode recycle stream 185 is shown in FIG. 1 as being recovered from the retentate stream 166, the anode recycle stream 185 may additionally or alternatively be placed at various separation stages or other convenient locations therebetween. Can be recovered from. The separation stages and shift reactors can be configured additionally or alternatively in different orders and / or in a parallel configuration. Eventually, a stream 139 having a reduced content of CO 2 can be generated as output from the cathode 129. For simplicity, the various stages of compression and heat addition / removal and steam addition or removal that may be useful in the process are not shown.

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H: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H含有量の減少を可能にすることができる。次いで、H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、CO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。 As described above, the various types of separations performed in the anode discharge can be performed in any convenient order. FIG. 2 shows another sequence of examples for performing separation in the anode discharge. In FIG. 2, the anode effluent 125 can first pass through a separation stage 260 to remove a portion 263 of the hydrogen content from the anode effluent 125. This can allow for a reduction in the H 2 content of the anode effluent, for example, to provide retentate 266 at a H 2 : CO ratio closer to 2: 1. The ratio of H 2 to CO can then be further adjusted to achieve the desired value in the water gas shift stage 230. The water gas shifted output 235 can then be passed through a CO 2 separation stage 240 and a water removal stage 250 to produce an output stream 275 suitable for use as an input to the desired chemical synthesis process. . Optionally, the output stream 275 can be exposed to an additional water gas shift stage (not shown). A portion of the output stream 275 can optionally be recycled to the anode input (not shown). Of course, still other combinations and arrangements of separation steps can be used to generate a stream based on the anode output having the desired composition. For simplicity, the various stages of compression and heat addition / removal, and steam addition or removal that may be useful in the process are not shown.

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CO、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CO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。
Cathode Inlet and Output Conventionally, molten carbonate fuel cells can be operated based on drawing a desired load while consuming some portion of the fuel in the fuel stream delivered to the anode. The fuel cell voltage can then be determined by the load, the fuel input to the anode, the air and CO 2 provided to the cathode, and the internal resistance of the fuel cell. CO 2 to the cathode can conventionally be provided in part by using anode emissions as at least a portion of the cathode input stream. In contrast, the present invention can use separate / different sources for the anode and cathode inputs. By removing any direct association between the anode input flow and cathode input flow compositions, additional options become available to operate the fuel cell, for example, generating excess amounts of synthesis gas. To improve carbon dioxide capture and / or in particular improve the overall efficiency (electrical and chemical power) of the fuel cell.

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CO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、CO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。CO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、N)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、COが、カソード(より低いCO濃度)からアノード(より高いCO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CO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CO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CO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。 In a molten carbonate fuel cell, the transport of carbonate ions through the electrolyte in the fuel cell transports CO 2 from the first flow path to the second flow path, with a lower concentration (cathode) to a higher concentration (anode). enabling transport to, therefore, it is possible to provide a method which can facilitate the capture of CO 2. Selection of a portion of the fuel cell for the CO 2 separation can be based on an electrochemical reaction which allows the battery to generate electricity. For non-reactive species (eg, N 2 ) that do not participate effectively in electrochemical reactions within the fuel cell, there can be an amount that is not critical to the reaction and transport from the cathode to the anode. In contrast, the potential (voltage) difference between the cathode and anode can provide a strong driving force for the transport of carbonate ions through the fuel cell. As a result, the transport of carbonate ions in molten carbonate fuel cells is relatively highly selective, with CO 2 being transported from the cathode (lower CO 2 concentration) to the anode (higher CO 2 concentration). Make it possible. However, a challenge in using a molten carbonate fuel cell for carbon dioxide removal may be that the fuel cell has a limited ability to remove carbon dioxide from a relatively lean cathode supply. . When the CO 2 concentration is reduced to less than about 1.0 mol%, the voltage and / or power generated by the carbonate fuel cell can begin to decline rapidly. Further, when the CO 2 concentration is reduced to, for example, less than about 0.3% by volume, at some point the fuel cell voltage causes little or no longer carbonate transport and the fuel cell stops functioning. Can be low enough. Thus, at least some CO 2 is optionally present in the exhaust gas from the cathode stage of the fuel cell at commercially viable operating conditions.

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CO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COの量は、カソードでその場で生じることができる。例えば、Hは炭素を有さず、COおよびCH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COの量は、COがない範囲(カソードにおける燃料の全てがH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CO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CO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COに加えることができる。 The amount of carbon dioxide delivered to the fuel cell cathode can be determined based on the source CO 2 content for the cathode inlet and / or the amount of carbon-containing fuel in the cathode inlet stream. For a cathode inlet stream containing a carbon-containing fuel, that is, an amount of CO 2 proportional to the volume percent of fuel in the cathode inlet stream multiplied by the average number of carbons in the fuel compound can occur in situ at the cathode. . For example, H 2 has no carbon, CO and CH 4 have 1 carbon, ethane has 2 carbons, and so on. As a result, the amount of CO 2 provided to the cathode by fuel combustion ranges from about 0.25% to about 10% by volume from the range where there is no CO 2 (when all of the fuel at the cathode is H 2 ). Can be up to range. The upper limit of the range of CO 2 derived from the burned fuel represents a state in which a substantial portion of the fuel corresponds to aromatic compounds having multiple carbons and / or other fuels. The CO 2 content of the cathode inlet stream derived from fuel combustion can be added to any CO 2 present in the cathode inlet stream as the stream enters the cathode.

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CO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CO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CO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CO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CO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CO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CO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。 An example of a suitable CO 2 containing stream for use as a cathode input flow may be an output or effluent flows from the combustion source. Examples of combustion sources include, but are not limited to, sources based on combustion of natural gas, combustion of coal, and / or combustion of other hydrocarbon type fuels (including biologically derived fuels). It is. Additional or alternative sources include burning carbon-containing fuels to heat other types of boilers, burned heaters, furnaces, and / or other materials (eg, water or air) Other types of devices can be included. For the first approximation, the CO 2 content of the output flow from the combustion source can be a fractional part of the flow. For higher CO 2 content effluent flows, eg, output from coal combustion sources, the CO 2 content from most commercial coal-fired power plants can be up to about 15% by volume. More generally, the CO 2 content of the output or exhaust flow from the combustion source is at least about 1.5% by volume, or at least about 1.6% by volume, or at least about 1.7% by volume, or at least about 1 .8% by volume, or at least about 1.9% by volume, or at least 2% by volume, or at least about 4% by volume, or at least about 5% by volume, or at least about 6% by volume, or at least about 8% by volume. Can do. Additionally or alternatively, the CO 2 content of the output or emissions flow from the combustion source is about 20% or less, such as about 15% or less, or about 12% or less, or about 10%. % Or less, or about 9% or less, or about 8% or less, or about 7% or less, or about 6.5% or less, or about 6% or less, or about 5.5% or less, or It can be about 5% by volume or less, or about 4.5% by volume or less. The concentrations indicated above are on a dry basis. It should be noted that lower CO 2 content values are derived from some natural gas or methane combustion sources, such as generators that are part of a power generation system that may or may not include an exhaust gas recycling loop. Can be present in the effluent.

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CO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CO、例えば、エタノール生成の間に発生するCO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CO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CO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CO含有流に相当することができる。 Another potential source for the cathode input stream may comprise a source of CO 2 produced in biologically additionally or alternatively. This, for example, CO 2 generated during the processing of bio derived compounds, for example, can contain CO 2 that occurs during ethanol production. Additional or alternative examples can include CO 2 generated by biologically produced fuel combustion, eg, lignocellulose combustion. Yet another additional or alternative potential CO 2 source is the output from various industrial processes or the exhaust stream, eg the CO 2 content generated by the plant for the production of steel, cement and / or paper. Can correspond to a stream.

CO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CO含有流であることができる。燃料電池からのCO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CO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CO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CO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CO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CO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。 Additional yet another CO 2 or potential sources of alternative may be a CO 2 containing stream from the fuel cell. CO 2 containing stream from the fuel cell is different cathode output stream from the fuel cell, different anode output stream from the fuel cell, the recycle stream from the cathode output to the cathode input of the fuel cell, and / or the anode output Can correspond to a recycle stream from the fuel cell cathode input. For example, an MCFC operated in stand-alone mode under conventional conditions can generate cathode emissions having a CO 2 concentration of at least about 5% by volume. Such CO 2 containing cathode effluent can be used as a cathode input for the MCFC is operated by embodiments of the present invention. More generally, other types of fuel cells that generate CO 2 output from cathode emissions can be used in addition or as an alternative, as well as other types of CO 2 -containing streams that are “combustion” reactions. And / or by a combustion generator. Optionally, but preferably, CO 2 containing stream from another fuel cell may be from another molten carbonate fuel cell. For example, for a molten carbonate fuel cell connected in series with respect to the cathode, the output from the cathode of the first molten carbonate fuel cell is used as the input to the cathode of the second molten carbonate fuel cell. can do.

燃焼供給源以外の供給源からの様々な種類のCO含有流に関して、流れのCO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CO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CO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CO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CO含有量流に関して、CO含有量は、約30体積%より高いことができ、例えば、流れは、CO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CO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CO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CO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CO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CO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CO含有量を有する排出物流を生じることができる。 With regard to various types of CO 2 containing stream from a source other than the combustion source, CO 2 content of the stream may vary widely. The CO 2 content of the input stream to the cathode is at least about 2% by volume, such as at least about 4% by volume, or at least about 5% by volume, or at least about 6% by volume, or at least about 8% by volume CO 2 . Can be contained. Additionally or alternatively, the CO 2 content of the input stream to the cathode is about 30% or less, such as about 25% or less, or about 20% or less, or about 15% or less, or about It can be 10% or less, or about 8% or less, or about 6% or less, or about 4% or less. For some even higher CO 2 content streams, the CO 2 content can be higher than about 30% by volume, for example, the stream is substantially from only CO 2 and other non-critical amounts of other compounds. Configured. As an example, a gas-fired turbine without exhaust gas recycling can produce an exhaust stream having a CO 2 content of about 4.2% by volume. By exhaust gas recycling, gas-fired turbines can produce an exhaust stream having a CO 2 content of about 6-8% by volume. Stoichiometric combustion of methane can produce an exhaust stream having a CO 2 content of about 11% by volume. Coal combustion can result in reject flow with CO 2 content of about 15 to 20 vol%. Combustion heaters that use purifier off-gas can produce an exhaust stream having a CO 2 content of about 12-15% by volume. A gas turbine operating at low BTU gas without using any exhaust gas recycling can produce an exhaust stream having a CO 2 content of about 12% by volume.

CO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、O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、COおよびO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CO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。 In addition to CO 2 , the cathode input stream must contain O 2 to provide the necessary components for the cathode reaction. Some cathode input streams can be based on having air as a component. For example, a combustion exhaust stream can be formed by burning hydrocarbon fuel in the presence of air. A cathode input stream having an oxygen content based on the inclusion of such a combustion exhaust stream, or another type of air, has an oxygen content of about 20% or less, such as about 15% or less, or about 10% or less. Can have. Additionally or alternatively, the oxygen content of the cathode input stream can be at least about 4% by volume, such as at least about 6% by volume, or at least about 8% by volume. More generally, the cathode input stream can have a suitable oxygen content to carry out the cathode reaction. In some embodiments, this can correspond to an oxygen content of about 5% to about 15% by volume, such as about 7% to about 9% by volume. For many types of cathode input streams, the combined amount of CO 2 and O 2 represents less than about 21% by volume of the input stream, eg, less than about 15% by volume of the stream or less than about 10% by volume of the stream. be able to. An oxygen containing air stream can be combined with a CO 2 source having a low oxygen content. For example, the exhaust stream generated by burning coal may include a low oxygen content that can be mixed with air to form a cathode inlet stream.

COおよびOに加えて、カソードインプット流は、N、HO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、N、HO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、HO、窒素(NO)および/または硫黄(SO)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。 In addition to CO 2 and O 2 , the cathode input stream can also be composed of inert / non-reactive species such as N 2 , H 2 O and other typical oxidant (air) components. For example, for cathode input derived from emissions from combustion reactions, when air is used as part of the oxidant source for combustion reactions, the exhaust gas is a typical component of air, for example, N 2 , H 2 O and small amounts of other compounds present in air can be included. Depending on the nature of the fuel source for the combustion reaction, additional species present after combustion based on the fuel source include oxides of H 2 O, nitrogen (NO x ) and / or sulfur (SO x ) , And / or one or more of the other compounds that are present in the fuel and / or partially or completely burned products present in the fuel, eg, CO. These species can be present in an amount that can reduce overall cathode activity, but does not impair the cathode catalyst surface. Such performance degradation can be acceptable, or the species interacting with the cathode catalyst can be reduced to an acceptable concentration by known contaminant removal techniques.

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O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、Oの体積パーセントは、都合よく、排出物のCO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N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、HSまたはNH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。 The amount of O 2 present in the cathode input stream (eg, the input cathode stream based on combustion emissions) is conveniently sufficient to provide the oxygen required for the cathode reaction in the fuel cell. be able to. Thus, the volume percent of O 2 can conveniently be at least 0.5 times the amount of CO 2 in the effluent. Optionally, if necessary, additional air can be added to the cathode input to provide sufficient oxidant for the cathode reaction. If some form of air is used as the oxidant, the amount of N 2 in the cathode exhaust should be at least about 78% by volume, such as at least about 88% by volume, and / or not more than about 95% by volume. Can do. In some embodiments, the cathode input stream can additionally or alternatively contain compounds commonly found as contaminants, such as H 2 S or NH 3 . In other embodiments, the cathode input stream can be cleaned to reduce or minimize the content of such contaminants.

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NO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、NO除去のこの方法は、NO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O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、COおよびHO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。 In addition to the reaction of forming carbonate ions for transport through the electrolyte, the conditions at the cathode can also be appropriate for the conversion of nitric oxide to nitrate and / or nitrate ions. Hereinafter, only nitrate ions are described for convenience. The resulting nitrate ions can also be transported through the electrolyte for reaction at the anode. Concentration of NO x cathode input flow, since typically can be in the order of ppm, the nitrate transport reaction, to have a minimal impact on the amount of carbonate which are transported through the electrolyte it can. However, this method of NO x removal can be advantageous with respect to cathode input streams based on combustion emissions from gas turbines because it can provide a mechanism to reduce NO x emissions. Conditions at the cathode are additionally or alternatively for the conversion of unburned hydrocarbons (in combination with cathode input stream O 2 ) to typical combustion products such as CO 2 and H 2 O. Can be appropriate.

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。   Suitable temperatures for operation of the MCFC can be about 450 ° C. to about 750 ° C., such as an inlet temperature of at least about 500 ° C., eg, about 550 ° C. and an outlet temperature of about 625 ° C. Prior to entering the cathode, heat is added to or removed from the combustion exhaust as needed, for example, to provide heat to other processes, such as the process of reforming the fuel input for the anode. can do. For example, if the source for the cathode input stream is a combustion exhaust stream, the combustion exhaust stream may have a temperature that is higher than the desired temperature for the cathode inlet. In such embodiments, heat can be removed from the combustion exhaust prior to use as the cathode input stream. Alternatively, the combustion emissions can be very cold, for example after a wet gas scrubber of a coal combustion boiler, in which case the combustion emissions can be less than about 100 ° C. Alternatively, the combustion emissions may be from the emissions of a gas turbine operated in a combined cycle mode that can cool the gas by increasing steam to operate the steam turbine for additional power generation. It will be possible. In this case, the gas can be below about 50 ° C. This heat can be added to the combustion emissions at a lower temperature than desired.

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CO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。
Operation of Molten Carbonate Fuel Cell In some embodiments, the fuel cell may be operated in a single pass or once-through mode. In single pass mode, the modified product of the anode exhaust is not returned to the anode inlet. Thus, recycling syngas, hydrogen or some other product directly from the anode output to the anode inlet is not done in a single pass operation. More generally, in single-pass operation, the modified product of the anode exhaust is, for example, by using the modified product to treat the fuel stream subsequently introduced into the anode inlet. Is not returned indirectly. Optionally, CO 2 from the anode outlet can be recycled to the cathode inlet during single pass mode MCFC operation. More generally, in some other embodiments, recycling from the anode outlet to the cathode inlet may occur for MCFCs operating in a single pass mode. Heat from the anode exhaust or output may be recycled additionally or alternatively in a single pass mode. For example, the anode output flow may pass through a heat exchanger where the anode output is cooled and the input stream for another stream, such as the anode and / or cathode, is warmed. Recycling heat from the anode to the fuel cell is consistent with use in single pass or once-through mode operation. Optionally, but not preferred, the components of the anode output may be combusted to provide heat to the fuel cell during the single pass mode.

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(HO)を受け取ることができ、水、CO、ならびに任意に過剰量のH、CH(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COおよびいくつかの酸化剤(例えば、空気/O)を受け取ることができ、アウトプットはO欠乏酸化剤(空気)における減少した量のCOに相当する。カソード部分は、熱、COおよびHO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CO 2−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。 FIG. 3 shows a schematic embodiment of the operation of the MCFC for power generation. In FIG. 3, the anode portion of the fuel cell can receive fuel and steam (H 2 O) as inputs, water, CO 2 , and optionally an excess of H 2 , CH 4 (or other hydrocarbon). And / or CO is the output. The cathode portion of the fuel cell can receive CO 2 and some oxidant (eg, air / O 2 ) as input, and the output is to a reduced amount of CO 2 in O 2 deficient oxidant (air). Equivalent to. The cathode portion can also receive one or more fuel compounds as part of an inlet stream that can be combusted to produce heat, CO 2 and H 2 O. Within the fuel cell, the CO 3 2− ions formed on the cathode side can be transported through the electrolyte and provide the carbonate ions required for the reaction occurring at the anode.

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H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CH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>CH+HO=>3H+CO
(2)<水性ガスシフト>CO+HO=>H+CO
(3)<組み合わせられた改質および水性ガスシフト>CH+2HO=>4H+CO
(4)<アノードH酸化>H+CO 2−=>HO+CO+2e
(5)<カソード>1/2O+CO+2e=>CO 2−
Several reactions can occur within a molten carbonate fuel cell, such as the example fuel cell shown in FIG. Reforming reaction can be any, if sufficient H 2 is provided directly to the anode, it is possible to reduce or, or eliminated. The following reactions are based on CH 4 , but similar reactions can occur when other fuels are used in the fuel cell.
(1) <Anode reforming> CH 4 + H 2 O => 3H 2 + CO
(2) <Water gas shift> CO + H 2 O => H 2 + CO 2
(3) <combined reforming and water gas shift> CH 4 + 2H 2 O => 4H 2 + CO 2
(4) <Anode H 2 oxidation> H 2 + CO 3 2− => H 2 O + CO 2 + 2e
(5) <Cathode> 1 / 2O 2 + CO 2 + 2e => CO 3 2−

反応(1)は、燃料電池のアノードにおける使用のためにH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、H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。 Reaction (1) represents a basic hydrocarbon reforming reaction to generate H 2 for use in a fuel cell anode. The CO formed in reaction (1) can be converted to H 2 by the water gas shift reaction (2). The combination of reactions (1) and (2) is shown as reaction (3). Reactions (1) and (2) can occur outside the fuel cell and / or reforming can be carried out inside the anode.

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Hを炭酸塩イオンと組み合わせ、HO、COおよび回路への電子を形成する。反応(5)は、O、CO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。 Reactions (4) and (5) represent reactions that can cause power generation in the fuel cell at the anode and cathode, respectively. Reaction (4) is formed of electrons or present in the feed, or reaction (1) and / or H 2 generated arbitrarily by (2) in combination with the carbonate ions, H 2 O, the CO 2 and circuitry To do. Reaction (5) combines O 2 , CO 2 and electrons from the circuit to form carbonate ions. The carbonate ions generated by reaction (5) can be transported through the fuel cell electrolyte to provide the carbonate ions required for reaction (4). In combination with the transport of carbonate ions through the electrolyte, a closed current loop can then be formed by providing an electrical connection between the anode and the cathode.

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、H、CH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(H、COおよび/またはCO)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。 In various embodiments, the goal of operating the fuel cell may be to improve the overall efficiency of the fuel cell and / or the overall efficiency of the fuel cell and the integrated chemical synthesis process. This is typically in contrast to conventional fuel cell operation, where the goal may be to operate a fuel cell with high electrical efficiency to use the fuel provided to the cell for power generation. Is. As defined above, the overall fuel cell efficiency may be determined by dividing the fuel cell electrical output and the lower heating value of the fuel cell output by the lower heating value of the input component for the fuel cell. . In other words, TFCE = (LHV (el) + LHV (sg out)) / LHV (in), where LHV (in) and LHV (sg out) are the fuel components delivered to the fuel cell (eg, H 2 , CH 4 and / or CO) and the LHV of the synthesis gas (H 2 , CO and / or CO 2 ) in the anode outlet stream or flow. This can provide a measure of the electrical and chemical energy generated by the fuel cell and / or the integrated chemical process. It should be noted that under this definition of total efficiency, the thermal energy used in the fuel cell and / or used in the integrated fuel cell / chemical synthesis system can contribute to the total efficiency. However, any excess heat that is exchanged or otherwise recovered from the fuel cell or integrated fuel cell / chemical synthesis system is excluded from this definition. Thus, if an excessive amount of heat from the fuel cell is used, for example, to generate steam for power generation by a steam turbine, such excessive amount of heat is excluded from the definition of total efficiency.

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CO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CO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、CO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、CO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COであることができる。
Integration Example: Application for Integration with a Combustion Turbine In some embodiments of the present invention, a combustion source for power generation and emission of CO 2 containing emissions is used to operate a molten carbonate fuel cell. It can be integrated. An example of a suitable combustion source is a gas turbine. Preferably, the gas turbine is capable of burning natural gas, methane gas or other hydrocarbon gas in a combined cycle mode integrated with steam generation and heat recovery for additional efficiency. Modern natural gas combined cycle efficiency is about 60% for maximum and modern designs. Resulting CO 2 containing effluent gas stream high temperature compatible with the MCFC operating, for example, 300 ° C. to 700 ° C., preferably it can be produced at 500 ° C. to 650 ° C.. The gas source is optional, but is preferably capable of cleaning contaminants such as sulfur that may adversely affect the MCFC before entering the turbine. Alternatively, the gas source can be a coal fired generator where the exhaust gas is typically cleaned after combustion due to the higher concentration of exhaust gas pollutants. In such an alternative, some heat exchange to / from the gas may be required to allow for lower temperature cleanup. In additional or alternative embodiments, CO 2 sources containing effluent gases, boiler, can combustion chamber, or the output from the heat source for burning a rich fuel carbon. In other additional or alternative embodiments, CO 2 sources containing effluent gas may be biologically generated CO 2 in combination with other sources.

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CO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。 In some embodiments, the operation of the combustion source can be modified to take advantage of the cathode's ability to burn fuel in the cathode inlet stream. For conventional combustion reactions, a typical goal is to burn substantially all of the fuel delivered to the combustion reaction zone. This simplifies the treatment of emissions since little or no fuel remains in the combustion emissions. However, operating the combustion reaction zone to achieve substantially complete combustion does not necessarily represent the most efficient way to operate the combustion zone. Instead, it may be desirable to operate the combustion zone to have a residual fuel content after combustion in order to improve the overall efficiency of the combustion reaction. In the past, such residual fuel would probably have been wasted due to the low concentration of fuel in the combustion emissions. Additionally, the wasted fuel would have become a pollutant or required a pollution control device to eliminate. However, if a molten carbonate fuel cell is used to treat such emissions, can residual fuel be used to produce additional CO 2 while acting as a pollution control device, Additional heat can be generated for the fuel cell, or a combination thereof. The amount of fuel remaining in the combustion exhaust that is then at least partially used as part of the cathode inlet stream for the fuel cell is at least about 0.5% by volume, as described above for the fuel content of the cathode inlet stream. Or at least about 1.0% by volume and up to about 5.0% by volume or less.

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、HO、CO、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、HまたはCH)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、HまたはCOからCO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。 Several other configurations for the treatment of fuel cell anodes may be desirable for integration with combustion sources. For example, another configuration may be to recycle at least a portion of the emissions from the fuel cell anode to the fuel cell anode input. In the output stream from the MCFC anode, the main output components are H 2 O, CO 2 , optionally CO, and optionally, but typically unreacted fuel (eg, H 2 or CH 4 ). Can be included. Instead of using this output stream as an external fuel stream and / or input stream for integration with another process, one or more separations can be performed with components having potential fuel values, such as H 2 or It can be carried out in the anode output stream to separate CO 2 from CO. The fuel value component can then be recycled to the anode input.

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CO分離器を使用することなどにより、CO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(H、CO、CH)は容易に凝縮可能な成分ではないが、COおよびHO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CO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CO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CO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CO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COおよび/またはHO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。 This type of configuration can provide one or more advantages. First, CO 2 can be separated from the anode output, such as by using a low temperature CO 2 separator. Some of the components of the anode output (H 2 , CO, CH 4 ) are not easily condensable components, but CO 2 and H 2 O can be separated individually as condensed phases. Depending on the embodiment, at least about 90% by volume of the CO 2 of the anode output can be separated, and a relatively pure CO 2 output stream can be formed. Alternatively, in some embodiments, less CO 2 can be removed from the anode output, about 50 vol% to about 90% by volume of the anode output of CO 2, such as about 80 vol%, or about 70 A volume% or less can be separated. After separation, the remaining portion of the anode output can correspond to a component having primarily a fuel number and a reduced amount of CO 2 and / or H 2 O. This portion of the anode output after separation can be recycled for use as part of the anode input in addition to additional fuel. In this type of configuration, even though the single pass fuel utilization through the MCFC is low, the unused fuel can be conveniently recycled for another pass through the anode. As a result, single pass fuel utilization can be at a reduced level, while loss of unburned fuel to the environment (emission) can be avoided.

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、COおよび/またはHO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。 In addition to, or instead of recycling a portion of the anode emissions to the anode input, another configuration option is the combustion reaction of a turbine or other combustion device such as a boiler, furnace and / or combustion heater It can be to use a portion of the anode discharge as input for. The relative amount of anode emissions recycled to the anode input and / or as input to the combustion device can be any convenient or desirable amount. If the anode emissions are recycled to only one of the anode input and combustion device, the amount of recycling can be any convenient amount, for example, removing CO 2 and / or H 2 O. Up to 100% of the anode discharge remaining after any separation. When a portion of the anode emissions is recycled to the anode input and combustion device, the total recycled amount by definition can be no more than 100% of the remaining portion of the anode emissions. In other cases, any convenient division of the anode discharge can be used. In various embodiments of the invention, the amount of recycle to the anode input is at least about 10% of the anode emissions remaining after separation, such as at least about 25%, at least about 40%, at least about 50%, at least about It can be 60%, at least about 75%, or at least about 90%. Additionally or alternatively, in those embodiments, the amount recycled to the anode input is no more than about 90% of the anode emissions remaining after separation, such as no more than about 75%, no more than about 60%, no more than about 50%. % Or less, about 40% or less, about 25% or less, or about 10% or less. Additionally or alternatively, in various embodiments of the invention, the amount recycled to the combustion device is at least about 10% of the anode emissions remaining after separation, such as at least about 25%, at least about 40. %, At least about 50%, at least about 60%, at least about 75%, or at least about 90%. Additionally or alternatively, in those embodiments, the amount of recycle to the combustion device is about 90% or less of the anode emissions remaining after separation, for example about 75% or less, about 60% or less, about 50 % Or less, about 40% or less, about 25% or less, or about 10% or less.

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。COおよびN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COを含有する燃料供給、または少なくとも約40体積%のN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COおよびN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、COはNより大きい熱容量を有し、したがって、より低濃度のCOは、より高濃度のNと同様の影響を有することができる。COは、N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Hを除去する。H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。 In yet another aspect of the invention, the fuel for the combustion device is additionally or alternatively inactive and / or otherwise enhanced in components that act as a diluent in the fuel. A fuel having a specified amount. CO 2 and N 2 are examples of components of a natural gas supply that can be relatively inert during the combustion reaction. If the amount of inert components in the fuel supply reaches a sufficient level, the performance of the turbine or other combustion source can be affected. This effect can be due in part to the ability of the inert component to absorb heat that may tend to quench the combustion reaction. Examples of fuel feeds having sufficient levels of inert components include fuel feeds containing at least about 20% by volume CO 2 , or fuel feeds containing at least about 40% by volume N 2 , or similar quench capability A fuel supply containing a combination of CO 2 and N 2 having a sufficient inert heat capacity to provide (Note that CO 2 has a greater heat capacity than N 2 , so lower concentrations of CO 2 can have similar effects as higher concentrations of N 2. CO 2 is easier than N 2. It can also participate in the combustion reaction, removing H 2 from the combustion, such consumption of H 2 by reducing the flame speed and limiting the flammability range of the air and fuel mixture. And more generally, with respect to a fuel supply containing an inert component that affects the flammability of the fuel supply, the inert component of the fuel supply is at least about 20% by volume, For example, it can be at least about 40% by volume, or at least about 50% by volume, or at least about 60% by volume. Preferably, the amount of inert components in the fuel supply can be up to about 80% by volume.

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Hの添加は、燃料供給およびH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COまたは少なくとも約40体積%のN(またはCOおよびN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。 If a sufficient amount of inert component is present in the fuel supply, the resulting fuel supply can be outside the combustible region for the fuel component of the supply. In this type of condition, the addition of H 2 from the recycled portion of the anode emissions to the combustion zone for the generator can extend the flammability zone for the fuel supply and H 2 combination, thereby For example, a fuel supply containing at least about 20% by volume CO 2 or at least about 40% by volume N 2 (or other combinations of CO 2 and N 2 ) can be successfully combusted.

燃焼領域に送達される燃料供給およびHの全容量と比較して、可燃性領域を拡張するためのHの量は、燃料供給およびH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Hの量を特徴づけるための別の選択肢は、H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Hの量は、燃料供給における燃料成分(1:3のH: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H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CH、約10体積%のNおよび約60体積%のCOを含有する供給に関して、約1:2のH対CH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。H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Hの添加によって、約26体積%のCH、13体積%のH、9体積%のNおよび52体積%のCOを含有する供給をもたらすことができる。 Compared to the total volume of the fuel supply and H 2 is delivered to the combustion zone, the amount of H 2 for expanding the combustible region is at least about 5% by volume of the total volume of the fuel supply and H 2, for example, It can be at least about 10% by volume and / or not more than about 25% by volume. Another option for characterizing the amount of H 2 added to extend the flammable region can be based on the amount of fuel component present in the fuel supply into H 2 before addition. The fuel component may correspond to methane, natural gas, other hydrocarbons, and / or other components conventionally considered as fuel for combustion power turbines or other generators. The amount of H 2 added to the fuel supply is at least about one third of the volume of the fuel component (1: 3 H 2 : fuel component ratio) in the fuel supply, eg, at least about half the volume of the fuel component. (1: 2 ratio). Additionally or alternatively, the amount of H 2 added to the fuel supply is less than or equal to the volume of fuel components in the fuel supply (1: 1 ratio) or less. For example, to achieve a ratio of H 2 to CH 4 of about 1: 2 for a feed containing about 30% by volume CH 4 , about 10% by volume N 2 and about 60% by volume CO 2 , A sufficient amount of emissions can be added to the fuel supply. Regard the ideal anode effluent containing only H 2, 1: by the addition of H 2 for achieving the 2 ratio of about 26% by volume of CH 4, 13 vol% of H 2, 9% by volume of N A feed containing 2 and 52% by volume of CO 2 can be provided.

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。
Additional Embodiments The present invention can include one or more of the embodiments described below in addition or as an alternative.

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;CO、O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、H、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;H、COおよびCO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O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。 Embodiment 1. FIG. A method for producing electricity, wherein an anode fuel stream comprising a reformable fuel is converted into an anode of a molten carbonate fuel cell, an internal reforming element associated with an anode of a molten carbonate fuel cell, or Introducing a cathode inlet stream comprising CO 2 , O 2 and one or more fuel compounds into the cathode of the molten carbonate fuel cell, wherein the one or more fuels The compound comprises H 2 , one or more carbon-containing fuel compounds, or combinations thereof, wherein the concentration of the one or more fuel compounds in the cathode inlet stream is at least about 0.01% by volume, and the cathode inlet stream The concentration of the one or more fuel compounds in is lower than the autoignition concentration for operating conditions at the cathode of the fuel cell; A step of generating electricity in the salt form the fuel cell; H 2, resulting in the anode effluent comprising CO and CO 2 steps and, at least about 1% by volume of O 2 and about 100vppm less of one or more Producing a cathode effluent comprising a fuel compound.

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。   Embodiment 2.1 The method of Embodiment 1 wherein the methylene equivalent volume percent of the one or more fuel compounds is at least about 0.02% by volume.

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。   Embodiment 3. FIG. The step of the molten carbonate fuel cell cathode comprising an electrode surface and a second catalyst surface, the second catalyst surface comprising at least one Group VIII metal to produce cathode emissions; The method of embodiment 1 or 2, comprising oxidizing at least a portion of the one or more fuel compounds in the presence of the second catalyst surface.

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;CO、O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;H、COおよびCO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O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。 Embodiment 4 FIG. A method for producing electricity, wherein an anode fuel stream comprising a reformable fuel is converted into an anode of a molten carbonate fuel cell, an internal reforming element associated with an anode of a molten carbonate fuel cell, or Introducing a cathode inlet stream comprising CO 2 , O 2 and one or more fuel compounds into the cathode of the molten carbonate fuel cell, wherein the one or more fuels The compound comprises one or more aromatic compounds, one or more carbon-containing fuel compounds having at least 5 carbons, or combinations thereof, wherein the one or more fuel compounds in the cathode inlet stream is at least about A concentration of one or more fuel compounds in the cathode inlet stream having a methylene equivalent volume percent of 0.02% by volume; Lower autoignition concentration for operating conditions in the over-de, steps and; a step of generating electricity in a molten carbonate fuel cell; a step to produce H 2, anode effluent comprising CO and CO 2; at least A cathode exhaust comprising about 1% by volume O 2 , wherein the one or more fuel compounds have a methylene equivalent volume percent that is at least about 50% lower than a methylene equivalent volume percent of the cathode inlet stream. The methylene equivalent volume percent of the cathode discharge is optionally less than or equal to about 0.01% by volume, wherein the cathode of the molten carbonate fuel cell is connected to the electrode surface and the second A second catalyst surface comprising at least one Group VIII metal and a cathode Produce distillate step, comprising the step of oxidizing at least a portion of the presence in one or more fuel compound of the second catalyst surface, method.

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。   Embodiment 5. FIG. The at least one Group VIII metal comprises Ni, Pt, Pd, Co, Rh, Ru, Re, Ir, Fe or combinations thereof, for example, at least Ni, Co, Fe, Pt, Pd or combinations thereof The method of embodiment 3 or 4, comprising a combination of:

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。   Embodiment 6. FIG. The method of any one of the preceding embodiments, wherein the sulfur content of the cathode inlet stream is about 25 wppm or less, such as about 15 wppm or less.

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。   Embodiment 7. FIG. The one or more fuel compounds in the cathode inlet stream contain heteroatoms different from C, H and O, and the concentration of heteroatoms different from C, H and O is relative to the weight of the one or more fuel compounds The method of any one of the preceding embodiments, wherein the method is about 100 wppm or less.

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。   Embodiment 8. FIG. The cathode inlet stream comprises at least a portion of the combustion exhaust, and at least a portion of the combustion exhaust optionally comprises at least about 0.02 vol% methylene equivalent volume percent of one or more carbon-containing fuel compounds. The method of any one of the preceding embodiments, wherein at least a portion of the combustion emissions is optionally at least a portion of the emissions from the gas turbine.

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。   Embodiment 9. FIG. Embodiments above, wherein the molten carbonate fuel cell is operated at a heat ratio of about 0.25 to about 1.3, such as about 0.25 to about 1.0 or about 0.4 to about 1.0. Any one method.

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。   Embodiment 10 FIG. The amount of reformable fuel introduced into the anode of the molten carbonate fuel cell, the reforming stage (optionally internal reforming element) associated with the anode of the molten carbonate fuel cell, or a combination thereof, The method of any one of the preceding embodiments, wherein the amount is at least about 75% greater than the amount of hydrogen reacted in the molten carbonate fuel cell to generate.

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CO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。 Embodiment 11. FIG. Fuel utilization at the anode of a molten carbonate fuel cell is no more than about 50%, and CO 2 utilization at the cathode of the molten carbonate fuel cell is at least about 60%, The method of any one of the above-described embodiment .

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。   Embodiment 12 FIG. The method of any one of the preceding embodiments, wherein the electrical efficiency of the molten carbonate fuel cell is about 10% to about 40% and the total fuel cell efficiency of the molten carbonate fuel cell is at least about 55%.

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。   Embodiment 13 FIG. A molten carbonate fuel cell system comprising a molten carbonate fuel cell having an anode and a cathode, the cathode comprising an electrode surface and a second catalyst surface comprising at least one Group VIII metal And the concentration of the at least one Group VIII metal on the second catalyst surface is at least 1 in the second region of the second catalyst surface, in the first region of the second catalyst surface. The first region of the second catalyst surface is lower in the cathode inlet of the molten carbonate fuel cell cathode than the second region of the second catalyst surface, compared to the concentration of the seed Group VIII metal. Close, system.

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。   Embodiment 14 FIG. The at least one Group VIII metal comprises Ni, Pt, Pd, Co, Rh, Ru, Re, Ir, Fe or combinations thereof, for example, at least Ni, Co, Fe, Pt, Pd or combinations thereof Embodiment 14. The system of embodiment 13 comprising a combination of:

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。   Embodiment 15. FIG. The system of embodiment 13 or 14, wherein the region of the second catalyst surface comprises a continuously increasing gradient of the concentration of at least one Group VIII metal.

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。   Embodiment 16. FIG. The first region of the second catalyst surface comprises at least one Group VIII metal, and the second region of the second catalyst surface is at least one of the first regions of the second catalyst surface. Embodiment 16. The system of any of embodiments 13-15, comprising at least one additional Group VIII metal that is different from one Group VIII metal.

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。   Embodiment 17. FIG. The second region of the second catalyst surface comprises at least one Group VIII metal and the first region of the second catalyst surface is at least of the second region of the second catalyst surface. Embodiment 16. The system of any of embodiments 13-15, comprising at least one additional Group VIII metal that is different from one Group VIII metal.

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。   Although the invention has been described with reference to particular embodiments, it is not necessarily so limited. Appropriate variations / modifications for operation under specific conditions will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, it is intended that the following claims be interpreted as encompassing all such variations / modifications falling within the true spirit / range of the present invention.

Claims (17)

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;
CO、O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、H、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、少なくとも約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;
、COおよびCO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Oおよび約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。
A method for producing electricity,
Introducing an anode fuel stream comprising a reformable fuel into an anode of a molten carbonate fuel cell, an internal reforming element associated with the anode of the molten carbonate fuel cell, or a combination thereof; ;
Introducing a cathode inlet stream comprising CO 2 , O 2 and one or more fuel compounds into the cathode of the molten carbonate fuel cell, wherein the one or more fuel compounds are H 2 , Comprising one or more carbon-containing fuel compounds or combinations thereof, wherein the concentration of the one or more fuel compounds in the cathode inlet stream is at least about 0.01% by volume, and the 1 in the cathode inlet stream. The concentration of the fuel compound of more than one species is lower than the autoignition concentration for operating conditions at the cathode of the fuel cell;
Generating electricity in the molten carbonate fuel cell;
Producing an anode exhaust comprising H 2 , CO and CO 2 ;
Producing a cathode effluent comprising at least about 1% by volume O 2 and no more than about 100 vppm of said one or more fuel compounds.
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約0.02体積%である、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the one or more fuel compounds have a methylene equivalent volume percent of at least about 0.02% by volume. 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。   The cathode of the molten carbonate fuel cell comprises an electrode surface and a second catalyst surface, the second catalyst surface comprises at least one Group VIII metal, and the cathode discharge The method of claim 1, wherein the resulting step comprises oxidizing at least a portion of the one or more fuel compounds in the presence of the second catalyst surface. 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;
CO、O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、少なくとも約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;
、COおよびCO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O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約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任意に約0.01体積%以下である、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。
A method for producing electricity,
Introducing an anode fuel stream comprising a reformable fuel into an anode of a molten carbonate fuel cell, an internal reforming element associated with the anode of the molten carbonate fuel cell, or a combination thereof; ;
Introducing a cathode inlet stream comprising CO 2 , O 2 and one or more fuel compounds into the cathode of the molten carbonate fuel cell, wherein the one or more fuel compounds are one or more; Of the aromatic compound, one or more carbon-containing fuel compounds having at least 5 carbons, or combinations thereof, wherein the one or more fuel compounds in the cathode inlet stream is at least about 0.02 volume. And the concentration of the one or more fuel compounds in the cathode inlet stream is lower than the autoignition concentration for operating conditions at the cathode of the fuel cell;
Generating electricity in the molten carbonate fuel cell;
Producing an anode exhaust comprising H 2 , CO and CO 2 ;
A cathode effluent comprising at least about 1% by volume of O 2, methylene equivalents volume percent of the one or more fuel compound is at least about 50% lower than the methylene equivalents volume percent of said cathode inlet stream, Producing a cathode discharge, wherein the methylene equivalent volume percent of the cathode discharge is optionally less than or equal to about 0.01 vol%, the cathode of the molten carbonate fuel cell Comprising an electrode surface and a second catalyst surface, wherein the second catalyst surface comprises at least one Group VIII metal, and the step of producing the cathode exhaust comprises the second catalyst Oxidizing the at least a portion of the one or more fuel compounds in the presence of a surface.
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、請求項3または4に記載の方法。   The at least one Group VIII metal comprises Ni, Pt, Pd, Co, Rh, Ru, Re, Ir, Fe or combinations thereof, for example, at least Ni, Co, Fe, Pt, Pd or The method according to claim 3 or 4, comprising a combination thereof. 前記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、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。   6. A method according to any one of the preceding claims, wherein the sulfur content of the cathode inlet stream is about 25 wppm or less, for example about 15 wppm or less. 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、約100wppm以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。   The one or more fuel compounds in the cathode inlet stream contain a heteroatom different from C, H and O, and the concentration of the heteroatom different from C, H and O is that of the one or more fuel compounds. The method according to any one of claims 1 to 6, which is about 100 wppm or less based on weight. 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、燃焼排出物の前記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、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。   The cathode inlet stream comprises at least a portion of a combustion exhaust, and the at least a portion of the combustion exhaust optionally includes at least about 0.02 volume percent methylene equivalent volume percent of one or more carbon-containing fuel compounds. 8. The method of any one of claims 1-7, wherein the at least a portion of the combustion emissions is optionally at least a portion of the emissions from the gas turbine. 前記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、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。   The molten carbonate fuel cell is operated at a heat ratio of about 0.25 to about 1.3, such as about 0.25 to about 1.0 or about 0.4 to about 1.0. The method as described in any one of 1-8. 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(任意に前記内部改質要素)、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約75%多い、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法。   The reformability introduced into the anode of the molten carbonate fuel cell, the reforming step (optionally the internal reforming element) associated with the anode of the molten carbonate fuel cell, or a combination thereof 10. The method of any one of claims 1-9, wherein the amount of fresh fuel is at least about 75% greater than the amount of hydrogen that reacts in the molten carbonate fuel cell to generate electricity. 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、約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CO利用が少なくとも約60%である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。 Fuel utilization in the anode of the molten carbonate fuel cell is no more than about 50%, and CO 2 utilization in the cathode of the molten carbonate fuel cell is at least about 60%, claims 1 to 10 The method as described in any one of. 前記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約55%である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。   12. The electrical efficiency of the molten carbonate fuel cell is about 10% to about 40%, and the total fuel cell efficiency of the molten carbonate fuel cell is at least about 55%. The method according to one item. 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。   A molten carbonate fuel cell system comprising a molten carbonate fuel cell having an anode and a cathode, wherein the cathode comprises an electrode surface and at least one Group VIII metal. A concentration of the at least one Group VIII metal on the second catalyst surface is a second region of the second catalyst surface in a first region of the second catalyst surface. The first region of the second catalyst surface is less than the second region of the second catalyst surface than the concentration of the at least one Group VIII metal in the region. A system close to the cathode inlet of the cathode of a carbonate fuel cell. 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、請求項13に記載のシステム。   The at least one Group VIII metal comprises Ni, Pt, Pd, Co, Rh, Ru, Re, Ir, Fe or combinations thereof, for example, at least Ni, Co, Fe, Pt, Pd or The system of claim 13 comprising a combination thereof. 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。   15. A system according to claim 13 or 14, wherein the region of the second catalyst surface comprises a continuously increasing gradient of the concentration of the at least one Group VIII metal. 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。   The first region of the second catalyst surface comprises at least one Group VIII metal, and the second region of the second catalyst surface is the second region of the second catalyst surface. 16. The system according to any one of claims 13 to 15, comprising at least one additional Group VIII metal that is different from the at least one Group VIII metal in a first region. 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。   The second region of the second catalyst surface comprises at least one Group VIII metal, and the first region of the second catalyst surface is the second region of the second catalyst surface. 16. The system according to any one of claims 13 to 15, comprising at least one additional Group VIII metal that is different from the at least one Group VIII metal in a second region.
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