熔融碳酸盐燃料电池在炼油厂装置中的集成

摘要

在各种方面中，提供了在炼油厂装置中运行熔融碳酸盐燃料电池的系统和方法。该熔融碳酸盐燃料电池可用于向各种炼油厂工艺供氢，包括向各种燃烧反应供氢以代替使用碳基燃料。另一方面，由炼油厂工艺生成的含CO

说明书

发明领域

在各种方面中，本发明涉及与熔融碳酸盐燃料电池的使用集成的化学 生产和/或发电工艺。

发明背景

熔融碳酸盐燃料电池利用氢气和/或其它燃料发电。可通过在燃料电池 上游或燃料电池内的蒸汽重整器中重整甲烷或其它可重整燃料来提供氢 气。可重整燃料可包括可以在升高的温度和/或压力下与蒸汽和/或氧反应 产生含氢气的气态产物的烃质材料。或者或另外，燃料可以在熔融碳酸盐 燃料电池的阳极池中重整，可运行所述燃料电池以创造适合在阳极中重整 燃料的条件。或者或另外，可以在燃料电池的外部和内部进行重整。

传统上，运行熔融碳酸盐燃料电池以使每单位燃料输入的发电量最大 化，这可以被称作燃料电池的电效率。这种最大化可基于独自或与另一发 电系统结合的燃料电池。为了实现提高的发电量和管理发热，燃料电池内 的燃料利用率通常保持在70％至75％。

美国公开专利申请2011/0111315描述了一种在阳极入口料流中存在显 著氢气含量的情况下运行燃料电池系统的系统和方法。’315公开中的技术 涉及在阳极入口提供足够的燃料以在燃料接近阳极出口时仍有足够的燃 料用于氧化反应。为了确保足够的燃料，’315公开提供了具有高浓度H₂的燃料。氧化反应中未用到的H₂再循环到阳极以用于下一次通过。按单 次通过计，H₂利用率可以为10％至30％。文献’315没有描述阳极内的显 著重整，而是主要依靠外部重整。

美国公开专利申请2005/0123810描述了一种用于氢气和电能联产的 系统和方法。该联产系统包含燃料电池和构造成接收阳极排气料流并分离 氢气的分离单元。一部分阳极排气也再循环到阳极入口。’810公开中给出 的运行范围看起来基于固体氧化物燃料电池。熔融碳酸盐燃料电池被描述 为替代物。

美国公开专利申请2003/0008183描述了一种用于氢气和电力联产的 系统和方法。作为用于将烃型燃料转化成氢气的化学转化器的通用类型提 到燃料电池。该燃料电池系统还包括外部重整器和高温燃料电池。描述了 该燃料电池系统的一个实施方案，其具有大约45％的电效率和大约25％的 化学生产率，导致系统联产效率为大约70％。‘183公开看起来没有描述独 立于该系统的燃料电池的电效率。

美国专利5,084,362描述了一种将燃料电池与气化系统集成以便可使 用煤气作为燃料电池阳极的燃料源的系统。使用燃料电池生成的氢气作为 用于由煤气(或其它煤)输入生成甲烷的气化器的输入。然后使用来自气化 器的甲烷作为燃料电池的至少一部分输入燃料。由此，燃料电池生成的至 少一部分氢气以气化器生成的甲烷的形式间接再循环到燃料电池阳极入 口。

JournalofFuelCellScienceandTechnology中的一篇文章(G. Manzolini等人,J.FuelCellSci.andTech.,第9卷，2012年2月)描述了一 种将燃烧发电机与熔融碳酸盐燃料电池组合的发电系统。描述了燃料电池 的各种布置和运行参数。来自燃烧发电机的燃烧输出部分地用作燃料电池 阴极的输入。Manzolini文章中的模拟的一个目标是使用MCFC从发电机 的废气中分离CO₂。Manzolini文章中描述的模拟确立了660℃的最大出 口温度并指出入口温度必须足够更冷以虑及经过燃料电池的升温。基础模 型实例中MCFC燃料电池的电效率(即发电量/燃料输入)为50％。针对CO₂捕捉优化的试验模型实例中的电效率也是50％。

Desideri等人的文章(Intl.J.ofHydrogenEnergy,Vol.37,2012)描述了 使用燃料电池分离CO₂的发电系统的性能的建模方法。利用阳极排气再循 环到阳极入口和阴极排气再循环到阴极入口来改进燃料电池的性能。模型 参数描述了50.3％的MCFC电效率。

发明概述

一方面，提供了一种在炼油厂中生成氢气的方法。该方法包括将包含 可重整燃料的燃料料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阳极、与所述阳极相关 的内部重整元件或其组合；接收衍生自一个或多个第一炼油厂工艺的一个 或多个含CO₂料流；将包含CO₂和O₂的阴极入口料流引入燃料电池的阴 极，所述阴极入口料流包含至少一部分所述一个或多个含CO₂料流；在所 述熔融碳酸盐燃料电池内发电；从阳极排气中取出一个或多个包含H₂、 H₂和CO或其组合的气流；和将从阳极排气中取出的所述一个或多个气流 送往一个或多个第二炼油厂工艺。

另一方面，所述从阳极排气中取出一个或多个包含H₂、H₂和CO或 其组合的气流包括：生成阳极排气；和分离阳极排气以形成至少一个CO₂含量大于所述阳极排气的CO₂含量的气流和所述一个或多个包含H₂、H₂和CO或其组合的气流，所述一个或多个气流的CO₂含量小于所述阳极排 气的CO₂含量。

另一方面，所述从阳极排气中取出一个或多个包含H₂、H₂和CO或 其组合的气流包括：生成阳极排气；从阳极排气中分离CO₂和H₂O以形 成具有H₂的第一体积百分比的第一气流；从第一气流中分离具有H₂的第 二体积百分比的第二气流，H₂的第二体积百分比大于H₂的第一体积百分 比；将第一气流压缩至第一压力；和将第二气流压缩至第二压力，第二压 力高于第一压力。

另一方面，提供了一种在炼油厂中生成氢气的方法。该方法包括将包 含可重整燃料的燃料料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阳极，与所述阳极相 关的内部重整元件或其组合；将包含CO₂和O₂的阴极入口料流引入燃料 电池的阴极；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；生成包含H₂和CO₂的 阳极排气；分离阳极排气以形成至少一个CO₂含量大于所述阳极排气的 CO₂含量的气流和一个或多个CO₂含量小于所述阳极排气的CO₂含量的气 流；和将所述一个或多个CO₂含量小于所述阳极排气的CO₂含量的气流送 往一个或多个第二炼油厂工艺。

本申请与另外21个共同待审的PCT申请有关，它们在同一日期与其 一起提交并通过下列代理人案号和名称标识：名为“IntegratedPower GenerationandCarbonCaptureusingFuelCells”的2013EM104-WO；名 为“IntegratedPowerGenerationandCarbonCaptureusingFuelCells”的 2013EM107-WO；名为“IntegratedPowerGenerationandCarbonCapture usingFuelCells”的2013EM108-WO；名为“IntegratedPowerGeneration andCarbonCaptureusingFuelCells”的2013EM109-WO；名为 “IntegratedPowerGenerationandChemicalProductionusingFuelCells” 的2013EM272-WO；名为“IntegratedPowerGenerationandChemical ProductionusingFuelCellsataReducedElectricalEfficiency”的 2013EM273-WO；名为“IntegratedPowerGenerationandChemical ProductionusingFuelCells”的2013EM274-WO；名为“IntegratedPower GenerationandChemicalProductionusingFuelCells”的 2013EM277-WO；名为“IntegratedCarbonCaptureandChemical ProductionusingFuelCells”的2013EM278-WO；名为“IntegratedPower GenerationandChemicalProductionusingFuelCells”的 2013EM279-WO；名为“IntegratedOperationofMoltenCarbonateFuel Cells”的2013EM285-WO；名为“MitigationofNOxinIntegratedPower Production”的2014EM047-WO；名为“IntegratedPowerGenerationusing MoltenCarbonateFuelCells”的2014EM048-WO；名为“Integratedof MoltenCarbonateFuelCellsinFischer-TropschSynthesis”的 2014EM049-WO；名为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsin Fischer-TropschSynthesis”的2014EM050-WO；名为“IntegratedofMolten CarbonateFuelCellsinFischer-TropschSynthesis”的2014EM051-WO；名 为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsinMethanolSynthesis”的 2014EM052-WO；名为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsfor SynthesisofNitrogenCompounds”的2014EM054-WO；名为“Integratedof MoltenCarbonateFuelCellswithFermentationProcesses”的 2014EM055-WO；名为“IntegratedofMoltenCarbonateFuelCellsinIron andSteelProcessing”的2014EM056-WO；和名为“IntegratedofMolten CarbonateFuelCellsinCementProcessing”的2014EM057-WO。这些共同 待审的PCT申请各自全文经此引用并入本文。

附图简述

图1示意性显示熔融碳酸盐燃料电池和相关重整和分离段的配置的一 个实例。

图2示意性显示熔融碳酸盐燃料电池和相关重整和分离段的配置的另 一实例。

图3示意性显示熔融碳酸盐燃料电池的运行的一个实例。

图4示意性显示基于碳基燃料的燃烧发电的联合循环系统的一个实 例。

图5示意性显示基于碳基燃料的燃烧发电的联合循环系统的一个实 例。

图6示意性显示在炼油厂装置中生成氢气和电力的系统的一个实例。

图7显示在炼油厂装置中生成氢气和电力的系统中的工艺流程的一个 实例。

图8示意性显示在炼油厂装置中生成氢气和电力的系统的一个实例。

图9显示在炼油厂装置中生成氢气和电力的系统中的工艺流程的一个 实例。

实施方案详述

综述

在各种方面中，熔融碳酸盐燃料电池的运行可以与各种化学和/或材料 生产工艺集成。该生产工艺可相当于来自熔融碳酸盐燃料电池的输出的生 产，或该生产工艺可消耗或提供一个或多个燃料电池料流。

MCFC与炼油厂用氢和“无碳”氢的集成

氢气在炼油厂内可用于各种工艺。大多数炼油厂在一些工艺(例如汽油 重整以生产芳族化合物)中生成氢气并在另一些工艺(例如从汽油和柴油调 合料流中除硫)中使用氢气。另外，炼油厂具有大量需要能量的锅炉、炉和 /或其它用于加热反应器的系统。这些加热和/或能量发生系统通常不使用 氢气，因为氢气通常比其它燃料源更有价值，并且因为大多数炼油厂总体 上是氢气的净输入方。通常，可以通过现场制造和/或通过接入附近/管道 氢源进行氢气输入以使整个炼油厂达到平衡。

由于大多数炼油厂工艺通常在升高的温度下进行并通常需要由各种 种类的锅炉(以及工艺蒸汽)提供的热，炼油厂通常含有大量加热系统。这 会带来尺寸大相径庭的大量CO₂点源。一些会产生大量CO₂，如催化裂化， 而另一些会产生适中量。这些CO₂点源各自对总炼油厂CO₂生产作出贡 献。由于大多数集成炼油厂通常总体上以大约70-95％的热效率将原油转 化成产品，在原油或其它输入中进入炼油厂的碳的通常大约5-30％可作为 CO₂排出(排放到空气中)。这些排放的降低可改进生产每单位产品的炼油 厂温室气体排放。

在各种方面中，MCFC系统与炼油厂供氢的集成可以降低、最大限度 减轻或消除对整体炼油厂操作的氢约束。另外或或者，MCFC系统可以使 用各种废气和/或其它料流作为输入，只要它们可以转化成“清洁”的轻气 体和合成气混合物。要指出，可以使用轻气体和/或合成气混合物而对惰性 物(例如N₂、CO₂等，和它们的组合)的存在量没有太多限制。另外或或者， 这种“输入集成”可以是精简(streamline)提高炼油厂操作中的总效率的一 个特征。更通常，MCFC系统可以为炼油厂操作的多达四个(或可能更多) 方面提供单一集成方案：工艺单元用热的生产、作为反应物的氢气的生产、 碳的收集和捕捉，和来自各种工艺的废气和吹扫气流的有效利用。

在一些方面中，H₂可用作炼油厂中的燃烧器中的燃料以降低、最大限 度减少或消除CO₂排放点源。用于这两种用途的H₂的集中供应可通过减 少燃料和反应物的数量和类型来简化整体炼油厂操作-为这些用途分配 仅一种材料。例如，氢气可以在各种温度和压力下使用。MCFC系统可以 在(任选)分离水和CO₂和通过任何传统方法，如变压吸附进一步(任选)提 纯后由阳极排气流制氢。一旦提纯到典型炼油厂要求，如至少大约80体积 ％H₂，或至少大约90体积％或至少95体积％或至少98体积％的纯度(基 于干燥)，可以将含氢流加压至适合工艺用途的压力并经管道输送/运送到 任何工艺。可以将含氢流分成多个料流，其中可以将较低纯度和/或较低压 力的料流送往一些工艺或燃烧器，同时将较高纯度和/或较高压力的料流送 往另一些工艺。

另外或或者，但通常有利地，该集成系统可以产生电力。电力生产可 用于至少部分向MCFC相关系统，如分离系统或压缩机供能，以及供给至 少一部分(如最多全部)炼油厂电力需求。可以在几乎或完全没有传输损耗 的情况下以相对较高的效率生产这种电力。另外，一些或所有电力可任选 是直流电(DC)，例如对一些系统的运行DC电可以是优选的，没有在变压 器/变换器中的正常损耗。在一些方面中，可以确定MCFC系统的尺寸以 便可提供炼油厂所需的至少一部分(或全部)电力，或甚至可提供过量电力。 另外或或者，可以根据所需H₂/热负荷和/或电负荷确定MCFC系统的尺 寸。此外，可以在一定范围的条件下运行该系统，以适应可变的电和氢需 求量。

可以收集至少一部分炼油厂工艺产生的CO₂并用作阴极入口的一部 分或所有气体，如大多数CO₂生产工艺或所有CO₂生产工艺。如果必要， 可以将这些气体与空气或其它含氧流混合以产生适用于阴极入口的具有 CO₂和氧气的气体混合物。通常可以用过量氧气/空气燃烧这些流中存在的 燃料成分以提供阴极输入物的预热。总阴极入口的CO₂浓度可大相径庭， 并通常为至少大约4体积％，如至少大约6体积％、至少大约8体积％或 至少大约10体积％。如果收集的料流不含足以用于MCFC运行的CO₂浓 度(或即使CO₂浓度足够)，可以将在阳极排气的分离中产生的和/或由来自 该分离工艺的一个或多个废气或吹扫气流产生的CO₂再循环到阴极入口。 阴极入口料流的加热可来自这些料流中的废气的燃烧、热交换和/或可燃燃 料组分的添加。例如，在一些方面中，该MCFC系统可以使用高碳材料， 如焦炭或石油焦和/或来自石油工艺的其它“塔底物”，以向入口料流供热， 其中这些材料的燃烧产物可用作阴极的CO₂源。

另外或或者，用于阴极入口料流的至少一部分CO₂可以由燃气轮机， 如可使用甲烷/天然气作为燃料的涡轮机提供。在这种类型的配置中，没有 减少由催化裂化之类的工艺生成的CO₂，但可以利用MCFC生成的H₂减 少或最大限度减少由加热器、锅炉和/或其它燃烧器生成的CO₂。

阳极出口料流可含有大浓度的二氧化碳以及其它合成气组分。通常， 可以从这一料流中有效除去CO₂以产生可用于各种其它工艺的CO₂产物。 由于很大部分的由炼油厂产生的二氧化碳可离开MCFC阳极，CO₂的收集 有效并极大简化。作为单一点源的CO₂收集物可随后用于其它操作(例如 如果在油田附近，EOR，回注到气井中)和/或可以捕集/捕捉。取出整个 CO₂负荷的一大部分，如至少大约70％，或至少大约80％以用于制氢和电 力使用可以显著降低炼油厂操作的温室气体影响并可通过在单一工艺内 加入电、氢和热的高效来源改进总体炼油厂效率(原油至产品的转化)。

在MCFC系统与炼油厂中的氢气输送系统集成的方面中，MCFC系 统的阳极输入可选自可获自各种炼油厂工艺的多种多样的材料，如预重整 以减少C2+的轻气体；甲烷；气化的重质材料，如气化焦炭或沥青；合成 气；和/或可脱除硫和其它有害杂质的任何其它含烃材料；以及它们的组合。 因此，带有适当预净化的MCFC可充当原本无法在炼油厂中高效或有效使 用的所有种类的输入的“处置装置(disposal)”。这些“废物流”、“清除(purge) 流”或其它不合意料流中的主要量的碳可通过该系统作为分离的CO₂有效 浓缩/捕集，而非(任选在作为燃料燃烧后)最终排放到大气中。阴极输入可 以是或包含任何含CO₂废气的炼油厂料流加上来自阳极排气或可能用于 热交换的燃烧的新鲜甲烷的任何再循环。大多数炼油厂具有在各种温度下 运行的多种多样的工艺，因此可以为一些热集成选择适当的炼油厂工艺以 管理例如净化冷却和加热。阴极排气通常排放到大气中。阳极排气可以任 选在分离一些组分后照原样使用，和/或可经过分离和水煤气变换以产生几 乎全H₂的料流。该高H₂含量流可以提纯至各种反应性工艺需要的水平， 而燃烧H₂含有更高量的残留CO、CO₂等，因此这种料流的燃烧仍可导致 与含烃燃料的燃烧相比降低的碳氧化物排放。从阳极排气中分离的CO₂可 任选再循环以例如用作阴极输入。另外或或者，阳极进料可包括具有大CO₂杂质的那些，如具有大CO₂含量的天然气。对于正常的炼油厂操作，当用 于热或氢气发生时，这类料流可提高来自炼油厂的CO₂排放。但是，当送 入MCFC系统的阳极时，该分离阶段可作为在阳极排气中其它CO₂的除 去的一部分有效除去这种额外的CO₂。

从炼油厂中的不同CO₂源捕集碳的另一困难可以是炼油厂料流中常 见的低CO₂浓度。通常，从气流中分离CO₂所需的能量高度依赖于该气流 中的CO₂浓度。对于生成具有低CO₂浓度，如大约10体积％或更低的CO₂浓度的气流的工艺，需要大量能量从料流中分离CO₂以形成高纯CO₂料 流。相反，在一些方面中，含有MCFC的系统的一个特征可以在于，CO₂可以从相对较低浓度的料流(如阴极入口料流)转移到相对较高浓度的料流 (如阳极排气)中。这可降低形成高纯CO₂气流的能量需求。因此，在试图 形成例如含CO₂料流以供捕捉时，MCFC可以提供相当大的能量节约。

由MCFC生成的输出电力通常直接是DC电，但可以构造成产生在各 种电流和电压设置下的任何方便的DC和/或AC的混合。通常，炼油厂的 发电站/输入电力可以是普通的高电压AC电流(例如～960V)。由于熔融碳 酸盐燃料电池的构造方式，可以产生基本任何DC电流/电压，并在逆变 (inversion)下产生各种AC电压。本地生产的DC没有长距离电力线路典型 的传输损耗，并且不需要具有显著成本和一定效率损失的逆变器 (inverter)。这可提供设计压缩机、泵和其它组件的一定灵活性和/或可消除 许多电网和/或地方电力低效性。

除在炼油厂内使用外，氢气更通常可用于多种多样的产品和工艺，因 为其在燃烧时仅产生水蒸气。但是，大多数传统制氢法需要大量的碳排放。 例如，由甲烷的蒸汽重整制氢通常产生CO₂(来自甲烷中的碳)和废热。由 电解制氢可能需要通常由化石燃料混合物生成的送往电网的电力。这些生 产系统都会产生包含CO₂的排气。如果需要碳捕集，这些流出物通常需要 分处于各种来源处的碳捕集系统，而非任何方便地集成到更广的炼油厂操 作中。通常，这些来源可以实际上在炼油厂门外，几乎或完全不允许各种 化学、电和热输入和输出的协同生产/消耗。

另外或或者，本发明的含MCFC的系统可提供作为分离和氢气提纯步 骤的组成部分从该工艺中有效分离CO₂的手段。然后CO₂可以捕集和/或 用于其它有用的工艺。这可以以高的总系统效率(远高于产生净氢气输出的 传统手段)进行，尤其是在小规模下和在可变负荷下。

利用MCFC系统制造可生成电力或热的后继工艺中所用的氢气可以 实现在相对较高的效率和低(最低)碳排放下的相对低排放生产。该MCFC 系统可通过调节化学能生产与电能生产的比率而动态响应不同的氢气需 求，并对负荷和需求不大致恒定的用途-从没有过量氢的纯发电到高制氢 改变-是理想的。此外，可以在更宽的应用范围内以比更大规模的系统如 甲烷蒸汽重整器高的效率确定该集成MCFC系统的规模。

该MCFC-制氢系统的优点可在于，将氢气的目的改为燃料价值可产 生比没有碳捕集的传统系统低的净CO₂排放并可借助内在的系统CO₂分 离产生低得多的排放。这在各种用途中可以是有价值的。可以为可使用低 温/低压氢气的燃料电池车辆制氢。可根据总体需求改变氢气和电的量以保 持总体高系统效率。输出到锅炉和/或其它热电联产系统的氢气可以不断产 生电力(例如在独立发电中)以及通过制氢及随后在加热器/锅炉和类似系统 中燃烧而产生可变量的无碳热。例如，装置可以在夏季主要产生用于空调 系统的电力，而在冬季切换成产生用于取暖操作的主要化学能的混合物。 其它用途可包括旨在提供现场氢气的系统，如在实验室和其它技术和制造 设施中，其中除需要电能外，一定量的氢气也有益。

在涉及制氢和/或发电的方面中，可以向阳极入口送入新鲜甲烷、另一 合适的烃燃料和/或新鲜燃料和来自各种工艺的再循环CO和/或H₂的组 合。包含H₂和/或CO的阳极出口料流可提供制氢用的组分。这通常可通 过反应、分离和提纯步骤的一定组合进行。一个实例是利用水煤气变换通 过反应H₂O+CO＝H₂+CO₂将尽可能多的CO变换成H₂的第一阶段，接 着从H₂中除去H₂O和CO₂并提供纯度合适的产物的第二(和后继)阶段。 此类阶段可包括单独或组合的PSA、深冷分离、膜和其它已知的分离方法。 来自这些步骤的废气可以再循环和/或用于向入口料流供热。分离的CO₂可用作再循环流和/或可以捕集和/或用于其它工艺。阴极输入物可以由来 自整体工艺的再循环CO₂和/或通过用于向入口料流供热的新鲜(或再循环) 燃料的燃烧产生的CO₂构成。阴极流出物通常可以排放到大气中(任选但 优选在热回收后)，以例如向其它工艺料流和/或在联合循环发电中供热， 尽管如果需要，阴极流出物可任选但较不优选送往进一步处理。

集成到无碳热电用途中的MCFC系统可以在从用于较低制氢的燃料 利用率(例如60-70％)到用于高制氢的较低燃料利用率(例如20-30％)的运 行条件范围内使用。各用途的确切运行范围可随用途和时间广泛变化。适 应这种运行范围的能力具有合意的优点。分离阶段数和/或实现的纯度取决 于最终用途。用于低排放热的简单制氢可容许氢气中的适量杂质，因为甚 至数百分比的CO₂和/或CO仍可实现极低的总排放。高纯用途，如燃料电 池车辆和/或实验室用氢，可能需要多个步骤(例如深冷分离，接着PSA)实 现纯度规格。

作为向多个炼油厂工艺供氢的一个实例，可以运行MCFC以生成电力 和含有H₂、CO₂和H₂O的阳极排气。可以使用一次或多次分离以从阳极 排气(或从衍生自阳极排气的气流)中分离CO₂和/或H₂O。这可产生具有比 阳极排气高的H₂体积百分比的第一气流。然后可以对第一气流进行分离 以形成具有比第一气流更高的H₂体积百分比的第二气流。然后可以将第 一气流的剩余部分压缩至第一压力以用于对氢气具有较不严格要求的工 艺，同时可以将第二气流压缩至第二(更高)压力以用于需要更高压力和/或 更高纯度的氢气输入的工艺。

附加燃料电池运行策略

作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，可以运 行熔融碳酸盐燃料电池以便可相对于氧化量选择重整量以实现燃料电池 的所需热比率。本文所用的“热比率”被定义为由燃料电池组件中的放热反 应生成的热除以在燃料电池组件内发生的重整反应的吸热需求。以数学方 式表达，热比率(TH)＝Q_EX/Q_EN，其中Q_EX是由放热反应生成的热量总和 且Q_EN是在燃料电池内发生的吸热反应消耗的热量总和。要指出，由放热 反应生成的热相当于归因于该电池中的重整反应、水煤气变换反应和电化 学反应的任何热。可基于跨过电解质的燃料电池反应的理想电化学势减去 燃料电池的实际输出电压计算由电化学反应生成的热。例如，基于在电池 中发生的净反应，认为MCFC中的反应的理想电化学势为大约1.04V。在 MCFC的运行过程中，由于各种损失，该电池通常具有小于1.04V的输出 电压。例如，常见输出/工作电压可以为大约0.7V。生成的热等于该电池 的电化学势(即～1.04V)减去工作电压。例如，当输出电压为～0.7V时，由电 池中的电化学反应生成的热为～0.34V。因此，在这种情况中，电化学反应 产生～0.7V的电和～0.34V的热能。在这种实例中，～0.7V的电能不作为 Q_EX的一部分。换言之，热能不是电能。

在各种方面中，可以对任何方便的燃料电池结构，如燃料电池堆、燃 料电池堆内的独立燃料电池、具有集成的重整段的燃料电池堆、具有集成 的吸热反应段的燃料电池堆或其组合测定热比率。也可以对燃料电池堆内 的不同单元，如燃料电池或燃料电池堆的组装件计算热比率。例如，可以 对单一燃料电池内的单一阳极、燃料电池堆内的阳极段或与集成的重整段 和/或集成的吸热反应段元件(从热集成角度看足够紧密靠近要集成的阳极 段)一起的燃料电池堆内的阳极段计算热比率。本文所用的“阳极段”包括在 燃料电池堆内的共用共同入口或出口歧管的多个阳极。

在本发明的各种方面中，可以基于热比率表征燃料电池的运行。如果 运行燃料电池以具有所需热比率，则可以运行熔融碳酸盐燃料电池以具有 大约1.5或更低，例如大约1.3或更低，或大约1.15或更低，或大约1.0 或更低，或大约0.95或更低，或大约0.90或更低，或大约0.85或更低， 或大约0.80或更低，或大约0.75或更低的热比率。另外或或者，热比率可 以为至少大约0.25，或至少大约0.35，或至少大约0.45，或至少大约0.50。 另外或或者，在一些方面中，可以运行燃料电池以具有大约40℃或更小， 如大约20℃或更小，或大约10℃或更小的在阳极输入与阳极输出之间的 升温。再另外或或者，可以运行燃料电池以具有比阳极入口温度低大约 10℃至高大约10℃的阳极出口温度。再另外或或者，可以运行燃料电池 以具有比阳极出口温度高的阳极入口温度，如高至少大约5℃，或高至少 大约10℃，或高至少大约20℃，或高至少大约25℃。再另外或或者，可 以运行燃料电池以具有比阳极出口温度高大约100℃或更低，如高大约 80℃或更低，或大约60℃或更低，或大约50℃或更低，或大约40℃或 更低，或大约30℃或更低，或大约20℃或更低的阳极入口温度。

作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，可以在 降低或将在阴极排气流中离开燃料电池的CO₂量减至最低的同时以提高 的合成气(或氢气)产量运行熔融碳酸盐燃料电池(如燃料电池组件)。合成气 可以是用于各种工艺的有价值的输入。除具有燃料价值外，合成气还可用 作用于形成其它更高价值产品的原材料，例如通过使用合成气作为费托合 成和/或甲醇合成工艺的输入。用于制造合成气的一个选项可以是重整烃或 烃类燃料，如甲烷或天然气。对于许多类型的工业工艺，具有接近2:1(或 甚至更低)的H₂/CO比的合成气通常可以是合意的。如果可提供额外的 CO₂(如在阳极中生成)，可以利用水煤气变换反应降低合成气中的H₂/CO 比。

表征通过将合成气生成与熔融碳酸盐燃料电池的使用集成而提供的 整体效益的一种方式可基于在阳极排气中离开燃料电池的合成气的净量 与在阴极排气中离开燃料电池的CO₂量的比率。这种表征衡量以低排放和 高效率(电和化学)发电的效力。在本说明书中，阳极排气中的合成气的净 量被定义为阳极排气中存在的H₂摩尔数和CO摩尔数的总和减去阳极入 口存在的H₂和CO量。由于该比率基于阳极排气中的合成气的净量，简单 地将过量H₂送入阳极不会改变该比率的值。但是，由于在阳极中和/或在 与阳极相关的内部重整阶段中重整而生成的H₂和/或CO可造成该比率的 更高值。在阳极中氧化的氢可降低该比率。要指出，水煤气变换反应可以 用CO交换H₂，因此H₂和CO的总摩尔数代表阳极排气中的总潜在合成 气，无论合成气中最终所需的H₂/CO比如何。然后可以将阳极排气的合成 气含量(H₂+CO)与阴极排气的CO₂含量相比较。这可提供一种类型的效 率值，其也虑及碳捕集量。这可同等表示为如下方程

阳极排气中的净合成气与阴极CO₂的比率＝ (H₂+CO)_阳极的净摩尔数/(CO₂)_阴极的摩尔数

在各种方面中，阳极排气中的合成气的净摩尔数与阴极排气中的CO₂摩尔数的比率可以为至少大约2.0，如至少大约3.0，或至少大约4.0，或至 少大约5.0。在一些方面中，阳极排气中的净合成气与阴极排气中的CO₂量的比率可以更高，如至少大约10.0，或至少大约15.0，或至少大约20.0。 另外或或者，可以实现大约40.0或更低，如大约30.0或更低，或大约20.0 或更低的比率值。在阴极入口处的CO₂量为大约6.0体积％或更低，如大 约5.0体积％或更低的方面中，至少大约1.5的比率值可能是足够的/现实 的。阳极排气中的净合成气与阴极排气中的CO₂量的这种摩尔比率值可以 高于照传统运行的燃料电池的值。

作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，熔融碳 酸盐燃料电池(如燃料电池组件)可以在降低的燃料利用率值如大约50％或 更低的燃料利用率下运行，同时还具有高CO₂利用率值，如至少大约60％。 在这种类型的配置中，该熔融碳酸盐燃料电池可有效用于碳捕集，因为CO₂利用率可有利地足够高。不同于试图使电效率最大化，在这种类型的配置 中可基于综合电和化学效率改进或提高该燃料电池的总效率。化学效率可 基于作为输出从阳极排气中取出的氢气和/或合成气料流以用于其它工艺。 尽管与一些传统配置相比电效率可能被降低，但利用阳极排气中的化学能 量输出可实现燃料电池的合意的总效率。

在各种方面中，燃料电池阳极中的燃料利用率可以为大约50％或更 低，如大约40％或更低，或大约30％或更低，或大约25％或更低，或大 约20％或更低。在各种方面中，为了生成至少一些电力，该燃料电池中的 燃料利用率可以为至少大约5％，如至少大约10％，或至少大约15％，或 至少大约20％，或至少大约25％，或至少大约30％。另外或或者，CO₂利用率可以为至少大约60％，如至少大约65％，或至少大约70％，或至 少大约75％。

作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，可以在 可能以发电量和电效率为代价提高或使合成气产量最大化的条件下运行 熔融碳酸盐燃料电池。代替选择燃料电池的运行条件以改进燃料电池的电 效率或使其最大化，可以建立运行条件(可能包括送入阳极的可重整燃料的 量)以提高燃料电池的化学能量输出。这些运行条件可能导致燃料电池的较 低电效率。尽管电效率降低，任选但优选地，这些运行条件可导致基于燃 料电池的综合电效率和化学效率的燃料电池总效率的提高。通过提高引入 阳极的可重整燃料与在阳极处实际电化学氧化的燃料的比率，可以提高阳 极输出中的化学能含量。

在一些方面中，送往阳极和/或送往与阳极相关的重整阶段的输入料流 中的可重整燃料的可重整氢含量可以比在阳极处反应的氢气的净量高至 少大约50％，如高至少大约75％或高至少大约100％。另外或或者，送往 阳极和/或送往与阳极相关的重整阶段的输入料流中的燃料的可重整氢含 量可以比在阳极处反应的氢气的净量高至少大约50％，如高至少大约75％ 或高至少大约100％。在各种方面中，燃料料流中的可重整燃料的可重整 氢含量与在阳极中反应的氢量的比率可以为至少大约1.5:1，或至少大约 2.0:1，或至少大约2.5:1，或至少大约3.0:1。另外或或者，燃料料流中 的可重整燃料的可重整氢含量与在阳极中反应的氢量的比率可以为大约 20:1或更低，如大约15:1或更低或大约10:1或更低。一方面，预计阳 极入口料流中的可重整氢含量的少于100％可转化成氢。例如，阳极入口 料流中的可重整氢含量的至少大约80％可以在阳极中和/或在相关重整阶 段中转化成氢，如至少大约85％，或至少大约90％。另外或或者，可基于 可重整燃料的低位发热值(LHV)与在阳极中氧化的氢的LHV的比率表征 送往阳极的可重整燃料量。这可被称作可重整燃料过剩率。在各种方面中， 可重整燃料过剩率可以为至少大约2.0，如至少大约2.5，或至少大约3.0， 或至少大约4.0。另外或或者，可重整燃料过剩率可以为大约25.0或更低， 如大约20.0或更低，或大约15.0或更低，或大约10.0或更低。

作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，也可以 在可改进或优化燃料电池的综合电效率和化学效率的条件下运行熔融碳 酸盐燃料电池(如燃料电池组件)。代替选择用于使燃料电池的电效率最大 化的传统条件，该运行条件可以在燃料电池的阳极排气中输出过量合成气 和/或氢气。该合成气和/或氢气然后可用于各种用途，包括化学合成工艺 和收集氢气以用作“清洁”燃料。在本发明的方面中，可以降低电效率以实 现高的总效率，这包括这样的化学效率，其基于生成的合成气和/或氢气的 化学能量值与燃料电池的燃料输入的能量值的相对值。

在一些方面中，可基于电效率表征燃料电池的运行。如果运行燃料电 池以具有低的电效率(EE)，可以运行熔融碳酸盐燃料电池以具有大约40％ 或更低的电效率，例如大约35％EE或更低，大约30％EE或更低，大约 25％EE或更低，或大约20％EE或更低，大约15％EE或更低，或大约 10％EE或更低。另外或或者，EE可以为至少大约5％，或至少大约10％， 或至少大约15％，或至少大约20％。再另外或或者，可基于总燃料电池效 率(TFCE)，如燃料电池的综合电效率和化学效率表征燃料电池的运行。如 果运行燃料电池以具有高的总燃料电池效率，可以运行熔融碳酸盐燃料电 池以具有大约55％或更大，例如大约60％或更大，或大约65％或更大， 或大约70％或更大，或大约75％或更大，或大约80％或更大，或大约85％ 或更大的TFCE(和/或综合电效率和化学效率)。要指出，对于总燃料电池 效率和/或综合电效率和化学效率，在效率计算中可不包括利用燃料电池生 成的过量热生成的任何额外电力。

在本发明的各种方面中，可基于大约40％或更低的所需电效率和大约 55％或更大的所需总燃料电池效率表征燃料电池的运行。如果运行燃料电 池以具有所需电效率和所需总燃料电池效率，可以运行熔融碳酸盐燃料电 池以具有大约40％或更低的电效率及大约55％或更大的TFCE，例如大约 35％EE或更低及大约60％或更大的TFCE，大约30％EE或更低及大约 65％或更大的TFCE，大约25％EE或更低及大约70％TFCE或更大，或 大约20％EE或更低及大约75％或更大的TFCE，大约15％EE或更低及 大约80％或更大的TFCE，或大约10％EE或更低及大约85％或更大的 TFCE。

作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，可以在 可提供提高的功率密度的条件下运行熔融碳酸盐燃料电池(如燃料电池组 件)。燃料电池的功率密度相当于实际工作电压V_A乘以电流密度I。对于 在电压V_A下运行的熔融碳酸盐燃料电池，该燃料电池还倾向于生成废热， 废热被定义为(V₀-V_A)*I，其基于V_A与提供电流密度I的燃料电池的理想 电压V₀之差。可重整燃料在燃料电池的阳极内的重整可消耗一部分这种废 热。剩余部分的这种废热可以被周围的燃料电池结构和气流吸收，导致跨 燃料电池的温度差。在传统运行条件下，燃料电池的功率密度可基于燃料 电池在不损害燃料电池完整性的情况下可容许的废热量受到限制。

在各种方面中，通过在燃料电池内进行有效量的吸热反应，可以提高 燃料电池可容许的废热量。吸热反应的一个实例包括可重整燃料在燃料电 池阳极内和/或在相关重整段，如燃料电池堆中的集成重整段中的蒸汽重 整。通过向燃料电池的阳极(或向集成/相关重整段)提供额外的可重整燃料， 可以进行额外的重整以便可消耗额外的废热。这可降低跨燃料电池的温度 差的量，由此允许燃料电池在具有提高的废热量的运行条件下运行。电效 率的损失可通过产生可用于各种用途(包括额外的发电)的额外产物料流抵 消，所述额外产物料流例如为合成气和/或H₂，以进一步扩大该系统的功 率范围。

在各种方面中，燃料电池生成的废热量，如上定义的(V₀-V_A)*I可以 为至少大约30mW/cm²，如至少大约40mW/cm²，或至少大约50mW/cm²， 或至少大约60mW/cm²，或至少大约70mW/cm²，或至少大约80mW/cm²， 或至少大约100mW/cm²，或至少大约120mW/cm²，或至少大约140 mW/cm²，或至少大约160mW/cm²，或至少大约180mW/cm²。另外或或 者，燃料电池生成的废热量可以小于大约250mW/cm²，如小于大约200 mW/cm²，或小于大约180mW/cm²，或小于大约165mW/cm²，或小于大 约150mW/cm²。

尽管生成的废热量可能相对较高，但这样的废热不一定代表燃料电池 以差效率运行。相反，可以由于在提高的功率密度下运行燃料电池而生成 废热。改进燃料电池的功率密度的部分可包括在足够高的电流密度下运行 燃料电池。在各种方面中，燃料电池生成的电流密度可以为至少大约150 mA/cm²，如至少大约160mA/cm²，或至少大约170mA/cm²，或至少大约 180mA/cm²，或至少大约190mA/cm²，或至少大约200mA/cm²，或至少 大约225mA/cm²，或至少大约250mA/cm²。另外或或者，燃料电池生成 的电流密度可以为大约500mA/cm²或更低，如450mA/cm²或更低，或400 mA/cm²或更低，或350mA/cm²或更低，或300mA/cm²或更低。

在各种方面中，为了能在提高的发电和提高的废热生成下运行燃料电 池，可以进行有效量的吸热反应(如重整反应)。或者，可通过将“板”或 阶段插入热连通但不流体连通的燃料电池阵列中而使用与阳极运行无关 的其它吸热反应来利用废热。有效量的吸热反应可以在相关重整段、集成 重整段、用于进行吸热反应的集成堆元件或其组合中进行。有效量的吸热 反应可相当于足以将从燃料电池入口到燃料电池出口的升温减小至大约 100℃或更低，如大约90℃或更低，或大约80℃或更低，或大约70℃ 或更低，或大约60℃或更低，或大约50℃或更低，或大约40℃或更低， 或大约30℃或更低的量。另外或或者，有效量的吸热反应可相当于足以 使从燃料电池入口到燃料电池出口的降温为大约100℃或更低，如大约 90℃或更低，或大约80℃或更低，或大约70℃或更低，或大约60℃或 更低，或大约50℃或更低，或大约40℃或更低，或大约30℃或更低， 或大约20℃或更低，或大约10℃或更低的量。当有效量的吸热反应超过 生成的废热时，可发生从燃料电池入口到燃料电池出口的降温。另外或或 者，这可相当于吸热反应(如重整和另一吸热反应的组合)消耗燃料电池生 成的废热的至少大约40％，如消耗至少大约50％的废热，或至少大约60％ 的废热，或至少大约75％的废热。再另外或或者，吸热反应可消耗大约95％ 或更少的废热，如大约90％或更少的废热，或大约85％或更少的废热。

作为对本文描述的燃料电池运行策略的增加、补充和/或替代，可以在 与降低的工作电压和低燃料利用率对应的条件下运行熔融碳酸盐燃料电 池(如燃料电池组件)。在各种方面中，可以在小于大约0.7伏特，例如小于 大约0.68V、小于大约0.67V、小于大约0.66V、或大约0.65V或更低的 电压V_A下运行该燃料电池。另外或或者，可以在至少大约0.60，例如至 少大约0.61、至少大约0.62或至少大约0.63的电压V_A下运行该燃料电池。 这样，由于电压降低，原本在高电压下作为电能离开燃料电池的能量可作 为热留在电池内。这种额外的热能够增加吸热反应，例如提高CH₄转化成 合成气的转化率。

定义

合成气：在本说明书中，合成气被定义为H₂和CO的任何比率的混合 物。任选地，H₂O和/或CO₂可存在于合成气中。任选地，惰性化合物(如 氮)和残留可重整燃料化合物可存在于合成气中。如果H₂和CO以外的组 分存在于合成气中，合成气中H₂和CO的总体积百分比可以为合成气总体 积的至少25体积％，如至少40体积％，或至少50体积％，或至少60体 积％。另外或或者，合成气中H₂和CO的总体积百分比可以为100体积％ 或更低，如95体积％或更低或90体积％或更低。

可重整燃料：可重整燃料被定义为含有可重整生成H₂的碳-氢键的燃 料。烃是可重整燃料的实例，其它烃质化合物，如醇也是。尽管CO和 H₂O可参与水煤气变换反应以形成氢气，CO不被视为这一定义下的可重 整燃料。

可重整氢含量：燃料的可重整氢含量被定义为可由燃料通过重整该燃 料然后驱使水煤气变换反应至完全以使H₂生成最大化而形成的H₂分子 数。要指出，H₂按定义具有1的可重整氢含量，尽管H₂本身不被定义为 本文中的可重整燃料。类似地，CO具有1的可重整氢含量。尽管CO严 格来讲不是可重整的，但驱使水煤气变换反应至完全会导致CO交换成 H₂。作为可重整燃料的可重整氢含量的实例，甲烷的可重整氢含量为4个 H₂分子，而乙烷的可重整氢含量为7个H₂分子。更概括地，如果燃料的 组成为C_xH_yO_z，则该燃料在100％重整和水煤气变换下的可重整氢含量为 n(H₂最大重整)＝2x+y/2-z。基于这一定义，电池内的燃料利用率可随之 表示为n(H₂ox)/n(H₂最大重整)。当然，可基于各组分的可重整氢含量确 定组分混合物的可重整氢含量。也可以以类似方式计算含有其它杂原子， 如氧、硫或氮的化合物的可重整氢含量。

氧化反应：在这一论述中，燃料电池的阳极内的氧化反应被定义为是 相当于通过与CO₃^2-反应而将H₂氧化以形成H₂O和CO₂的反应。要指出， 在阳极中的氧化反应的这一定义中不包括阳极内的重整反应，在重整反应 中含碳-氢键的化合物被转化成H₂和CO或CO₂。水煤气变换反应类似地 在氧化反应的这一定义之外。进一步指出，提到燃烧反应被定义是提到 H₂或含碳-氢键的化合物在非电化学燃烧器，如燃烧驱动发电机的燃烧区 中与O₂反应形成H₂O和碳氧化物的反应。

本发明的方面可调节阳极燃料参数以实现燃料电池的所需运行范围。 阳极燃料参数可以直接地和/或与其它燃料电池工艺相关地，以一种或多种 比率的形式表征。例如，可以控制阳极燃料参数以实现一种或多种比率， 包括燃料利用率、燃料电池热值利用率、燃料过剩率、可重整燃料过剩率、 可重整氢含量燃料比及其组合。

燃料利用率：燃料利用率是用于基于相对于输入料流的可重整氢含量 的氧化的燃料的量表征阳极运行的一个选项，可用于确定燃料电池的燃料 利用率。在这一论述中，“燃料利用率”被定义为是为发电而在阳极中氧化 的氢量(如上所述)与阳极输入(包括任何相关重整段)的可重整氢含量的比 率。可重整氢含量已在上文定义为可由燃料通过重整该燃料然后驱使水煤 气变换反应至完全以使H₂生成最大化而形成的H₂分子数。例如，引入阳 极并暴露在蒸汽重整条件下的各甲烷导致在最大产量下生成4H₂分子当 量。(取决于重整和/或阳极条件，重整产物可相当于非水煤气变换产物， 其中一个或多个H₂分子取而代之地以CO分子的形式存在)。因此，甲烷 被定义为具有4个H₂分子的可重整氢含量。作为另一实例，在这一定义下 乙烷具有7个H₂分子的可重整氢含量。

阳极中的燃料利用率也可以通过基于由于燃料电池阳极反应而在阳 极中氧化的氢气的低位发热值与送往阳极和/或与阳极相关的重整段的所 有燃料的低位发热值的比率定义热值利用率来表征。可以使用进入和离开 燃料电池阳极的燃料组分的流速和低位发热值(LHV)计算本文所用的“燃 料电池热值利用率”。因此，燃料电池热值利用率可作为(LHV(anode_in)- LHV(anode_out))/LHV(anode_in)计算，其中LHV(anode_in)和 LHV(anode_out)分别是指阳极入口和出口料流或流中燃料组分(如H₂、 CH₄和/或CO)的LHV。在这一定义中，可作为输入和/或输出料流中各燃 料组分的数值的总和计算料流或流的LHV。各燃料组分在该总和中的份额 可相当于燃料组分的流速(例如摩尔/小时)乘以燃料组分的LHV(例如焦耳/ 摩尔)。

低位发热值：低位发热值被定义为燃料组分燃烧成气相完全氧化产物 (即气相CO₂和H₂O产物)的焓。例如，阳极输入料流中存在的任何CO₂不对阳极输入的燃料含量做贡献，因为CO₂已完全氧化。对于这一定义， 由于阳极燃料电池反应而在阳极中发生的氧化量被定义为作为如上定义 的阳极中的电化学反应的一部分的阳极中的H₂氧化。

要指出，对于阳极输入流中的唯一燃料是H₂的特殊情况，在阳极中可 发生的涉及燃料组分的唯一反应是H₂转化成H₂O。在这种特殊情况中， 燃料利用率简化成(H₂-速率-入-H₂-速率-出)/H₂-速率-入。在这种情况下， H₂是唯一的燃料组分，因此H₂LHV会从该方程中消去。在更常见的情况 下，阳极进料可能含有例如各种量的CH₄、H₂和CO。由于这些物类通常 可以不同量存在于阳极出口中，可能需要如上所述求和以测定燃料利用 率。

作为对燃料利用率的替代或补充，可以表征燃料电池中的其它反应物 的利用率。例如，另外或或者，可以就“CO₂利用率”和/或“氧化剂”利用率 表征燃料电池的运行。可以以类似方式规定CO₂利用率和/或氧化剂利用率 的值。

燃料过剩率：表征熔融碳酸盐燃料电池中的反应的另一方式是通过基 于送往阳极和/或与阳极相关的重整段的所有燃料的低位发热值与由于燃 料电池阳极反应而在阳极中氧化的氢气的低位发热值的比率来定义利用 率。这种量被称作燃料过剩率。因此，燃料过剩率可作为(LHV(anode_in) /(LHV(anode_in)-LHV(anode_out))计算，其中LHV(anode_in)和 LHV(anode_out)分别是指阳极入口和出口料流或流中燃料组分(如H₂、 CH₄和/或CO)的LHV。在本发明的各种方面中，可以运行熔融碳酸盐燃 料电池以具有至少大约1.0，如至少大约1.5，或至少大约2.0，或至少大约 2.5，或至少大约3.0，或至少大约4.0的燃料过剩率。另外或或者，燃料过 剩率可以为大约25.0或更低。

要指出，并非阳极输入料流中的所有可重整燃料都可被重整。优选地， 进入阳极(和/或进入相关重整段)的输入料流中至少大约90％的可重整燃 料在离开阳极之前可重整，如至少大约95％或至少大约98％。在另一些方 面中，可重整燃料的重整量可以为大约75％至大约90％，如至少大约80％。

对燃料过剩率的上述定义提供了相对于在燃料电池阳极中发电所消 耗的燃料量表征在阳极和/或与燃料电池相关的重整段内发生的重整的量 的一种方法。

任选地，可以改变燃料过剩率以虑及燃料从阳极输出再循环到阳极输 入的情况。当燃料(如H₂、CO和/或未重整或部分重整的烃)从阳极输出再 循环到阳极输入时，这样的再循环燃料组分不代表可用于其它用途的过剩 量的可重整或重整的燃料。相反，这样的再循环燃料组分仅指示降低燃料 电池中的燃料利用率的要求。

可重整燃料过剩率：计算可重整燃料过剩率是虑及这样的再循环燃料 组分的一个选项，其缩窄了过剩燃料的定义，以在阳极输入料流中仅包括 可重整燃料的LHV。本文所用的“可重整燃料过剩率”被定义为送往阳极和 /或与阳极相关的重整段的可重整燃料的低位发热值与由于燃料电池阳极 反应而在阳极中氧化的氢气的低位发热值的相对值。在可重整燃料过剩率 的定义下，不包括阳极输入中的任何H₂或CO的LHV。可重整燃料的这 种LHV仍可通过表征进入燃料电池阳极的实际组合物测量，因此不需要 区分再循环组分和新鲜组分。尽管一些未重整或部分重整燃料也可再循 环，但在大多数方面中再循环到阳极的大部分燃料可相当于重整产物，如 H₂或CO。以数学方式表达，可重整燃料过剩率(R_RFS)＝LHV_RF/LHV_OH， 其中LHV_RF是可重整燃料的低位发热值(LHV)且LHV_OH是在阳极中氧化 的氢气的低位发热值(LHV)。可通过从阳极入口料流的LHV中减去阳极出 口料流的LHV(例如，LHV(anode_in)-LHV(anode_out))来计算在阳极中氧 化的氢气的LHV。在本发明的各种方面中，可以运行熔融碳酸盐燃料电池 以具有至少大约0.25，如至少大约0.5，或至少大约1.0，或至少大约1.5， 或至少大约2.0，或至少大约2.5，或至少大约3.0，或至少大约4.0的可重 整燃料过剩率。另外或或者，可重整燃料过剩率可以为大约25.0或更低。 要指出，基于相对于阳极中的氧化量的送往阳极的可重整燃料量的这一较 窄定义可区分具有低燃料利用率的两种类型的燃料电池运行方法。一些燃 料电池通过将相当一部分的阳极输出物再循环回阳极输入而实现低燃料 利用率。这种再循环能使阳极输入中的任何氢气再用作阳极的输入。这可 降低重整量，因为即使在单次通过燃料电池时的燃料利用率低，至少一部 分未用的燃料也再循环用于稍后的通过。因此，具有多种多样的燃料利用 值的燃料电池可具有相同的送往阳极重整段的可重整燃料与在阳极反应 中氧化的氢气的比率。为了改变送往阳极重整段的可重整燃料与阳极中的 氧化量的比率，需要识别具有原有含量(nativecontent)的不可重整燃料的 阳极进料，或需要取出阳极输出中的未用燃料以用于其它用途，或两者。

可重整氢过剩率：用于表征燃料电池运行的另一选项基于“可重整氢过 剩率”。上文定义的可重整燃料过剩率是基于可重整燃料组分的低位发热值 定义的。可重整氢过剩率被定义为送往阳极和/或与阳极相关的重整段的可 重整燃料的可重整氢含量与由于燃料电池阳极反应而在阳极中反应的氢 的比率。因此，“可重整氢过剩率”可作为(RFC(reformable_anode_in)/ (RFC(reformable_anode_in)-RFC(anode_out))计算，其中 RFC(reformable_anode_in)是指阳极入口料流或流中的可重整燃料的可重 整氢含量，而RFC(anode_out)是指阳极入口和出口料流或流中的燃料组 分(如H₂、CH₄和/或CO)的可重整氢含量。RFC可以以摩尔/秒、摩尔/小 时或类似单位表示。在送往阳极重整段的可重整燃料与阳极中的氧化量的 大比率下运行燃料电池的方法的一个实例可以是进行过量重整以平衡燃 料电池中的热发生和消耗的方法。将可重整燃料重整以形成H₂和CO是一 个吸热过程。可通过燃料电池中的电流生成对抗这种吸热反应，所述电流 生成也可产生过量热，其(大致)对应于由阳极氧化反应和碳酸盐形成反应 生成的热量和以电流形式离开燃料电池的能量之差。阳极氧化反应/碳酸盐 形成反应中涉及的每摩尔氢的过量热可大于通过重整生成1摩尔氢而吸收 的热。因此，在传统条件下运行的燃料电池可表现出从入口到出口的升温。 代替这种类型的传统运行，可以提高在与阳极相关的重整段中重整的燃料 量。例如，可以重整额外的燃料以便可通过重整中消耗的热(大致)平衡放 热燃料电池反应生成的热，或重整消耗的热甚至可超过燃料氧化生成的过 量热，以致跨过燃料电池的温度下降。这可导致与电力生成所需的量相比 氢显著过量。作为一个实例，送入燃料电池的阳极入口或相关重整段的进 料可以基本由可重整燃料，如基本纯的甲烷进料构成。在使用这种燃料发 电的传统运行过程中，可以以大约75％的燃料利用率运行熔融碳酸盐燃料 电池。这意味着送往阳极的燃料含量的大约75％(或3/4)用于形成氢气，其 随后在阳极中与碳酸根离子反应形成H₂O和CO₂。在传统运行中，剩余大 约25％的燃料含量可以在燃料电池内重整成H₂(或可以对于燃料中的任何 CO或H₂而言未反应地穿过燃料电池)，然后在燃料电池外燃烧以形成H₂O 和CO₂以向燃料电池的阴极入口供热。可重整氢过剩率在这种情形下可以 为4/(4-1)＝4/3。

电效率：本文所用的术语“电效率”(“EE”)被定义为由燃料电池产生的 电化学动力除以燃料电池的燃料输入的低位发热值(“LHV”)率。燃料电池 的燃料输入包括送往阳极的燃料以及用于保持燃料电池的温度的任何燃 料，如送往与燃料电池相关的燃烧器的燃料。在本说明书中，由该燃料产 生的动力可以以LHV(el)燃料率(fuelrate)描述。

电化学动力：本文所用的术语“电化学动力”或LHV(el)是通过燃料电 池中连接阴极与阳极的电路和碳酸根离子经燃料电池电解质的转移而生 成的动力。电化学动力不包括燃料电池上游或下游的设备产生或消耗的动 力。例如，由燃料电池排气料流中的热产生的电不被视为电化学动力的一 部分。类似地，由燃料电池上游的燃气轮机或其它设备生成的动力不是生 成的电化学动力的一部分。“电化学动力”不考虑燃料电池运行过程中消耗 的电力或由直流电转化成交流电引起的任何损失。换言之，不从燃料电池 产生的直流电力中减去用于供给燃料电池运行或以其它方式运行燃料电 池的电力。本文所用的功率密度是电流密度乘以电压。本文所用的总燃料 电池功率是功率密度乘以燃料电池面积。

燃料输入：本文所用的术语“阳极燃料输入”，被称作LHV(anode_in)， 是阳极入口料流内的燃料量。术语“燃料输入”，被称作LHV(in)，是送往 燃料电池的燃料总量，包括阳极入口料流内的燃料量和用于保持燃料电池 的温度的燃料量。基于本文提供的可重整燃料的定义，该燃料可包括可重 整和不可重整的燃料。燃料输入不同于燃料利用率。

总燃料电池效率：本文所用的术语“总燃料电池效率”(“TFCE”)被定义 为：由燃料电池生成的电化学动力加上由燃料电池生成的合成气的LHV 的速率(rate)，除以阳极的燃料输入的LHV的速率(rate)。换言之，TFCE ＝(LHV(el)+LHV(sgnet))/LHV(anode_in)，其中LHV(anode_in)是指送 往阳极的燃料组分(如H₂、CH₄和/或CO)的LHV的速率(rate)，且LHV(sg net)是指在阳极中产生合成气(H₂、CO)的速率(rate)，其是阳极的合成气输 入与阳极的合成气输出之差。LHV(el)描述燃料电池的电化学动力生成。 总燃料电池效率不包括在由该燃料电池生成的、用于燃料电池外的有益利 用的热。在运行中，由燃料电池生成的热可能被下游设备有益利用。例如， 该热可用于生成额外的电力或用于加热水。当在本申请中使用该术语时， 在燃料电池外实施的这些用途不是总燃料电池效率的一部分。总燃料电池 效率仅针对燃料电池运行，并且不包括燃料电池上游或下游的动力生成或 消耗。

化学效率：本文所用的术语“化学效率”被定义为燃料电池的阳极排气 中的H₂和CO的低位发热值或LHV(sgout)除以燃料输入或LHV(in)。

电效率和总系统效率都不考虑上游或下游工艺的效率。例如，可以有 利地使用涡轮机排气作为燃料电池阴极的CO₂源。在这种布置中，涡轮机 的效率不被视为电效率或总燃料电池效率计算的一部分。类似地，来自燃 料电池的输出可作为输入再循环到燃料电池。当以单次通过模式计算电效 率或总燃料电池效率时不考虑再循环回路。

生成的合成气：本文所用的术语“生成的合成气”是阳极的合成气输入 与阳极的合成气输出之差。合成气可以至少部分用作阳极的输入或燃料。 例如，系统可包括阳极再循环回路，其将来自阳极排气的合成气送回阳极 入口，在此对其补充天然气或其它合适的燃料。生成的合成气LHV(sgnet) ＝(LHV(sgout)-LHV(sgin))，其中LHV(sgin)和LHV(sgout)分别是指阳 极入口中的合成气和阳极出口料流或流中的合成气的LHV。要指出，通过 阳极内的重整反应生成的至少一部分合成气通常可以在阳极中用于发电。 用于发电的氢气不包括在“生成的合成气”的定义中，因为其不离开阳极。 本文所用的术语“合成气比率”是生成的净合成气的LHV除以阳极的燃料 输入的LHV或LHV(sgnet)/LHV(anodein)。可以使用合成气和燃料的 摩尔流速代替LHV以表示摩尔基合成气比率和摩尔基的生成的合成气。

汽碳比(S/C)：本文所用的汽碳比(S/C)是料流中的蒸汽与料流中的可重 整碳的摩尔比。CO和CO₂形式的碳不计为这一定义中的可重整碳。可以 在该系统中的不同点测量和/或控制汽碳比。例如，可以控制阳极入口料流 的组成以实现适合阳极中的重整的S/C。S/C可作为H₂O的摩尔流速除以 (燃料的摩尔流速乘以燃料中的碳原子数(例如甲烷为1)的乘积)给出S/C。 因此，S/C＝fH₂₀/(fCH₄X#C)，其中fH₂₀是水的摩尔流速，其中fCH₄是甲 烷(或其它燃料)的摩尔流速且#C是燃料中的碳数。

EGR比：本发明的各方面可以使用与燃料电池协作的涡轮机。综合燃 料电池和涡轮机系统可包括排气再循环(“EGR”)。在EGR系统中，可以将 涡轮机生成的至少一部分排气送往热回收发生器(heatrecovery generator)。可以将另一部分排气送往燃料电池。EGR比描述了送往燃料 电池的排气量vs送往燃料电池或热回收发生器的总排气。本文所用的 “EGR比”是排气的燃料电池相关部分的流速除以燃料电池相关部分和送 往热回收发生器的回收相关部分的总流速。

在本发明的各种方面中，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)可用于促进从 含CO₂料流中分离CO₂，同时也生成额外的电力。可以利用与燃烧基发电 机(其可以向燃料电池的阴极部分提供至少一部分输入进料)的协同作用进 一步增强CO₂分离。

燃料电池和燃料电池部件：在这一论述中，燃料电池可相当于单电池， 其中阳极和阴极被电解质隔开。阳极和阴极可接收输入气流以促进各自的 阳极和阴极反应，以将电荷传输过电解质和生成电力。燃料电池堆可代表 集成单元中的多个电池。尽管燃料电池堆可包括多个燃料电池，但燃料电 池通常可并联并可(大致)表现得像它们一起代表尺寸更大的单燃料电池。 当向燃料电池堆的阳极或阴极输送输入流时，该燃料堆可包括用于在该堆 中的各电池之间分配输入流的流动通道和用于合并来自各电池的输出流 的流动通道。在这一论述中，燃料电池阵列可用于表示串联、并联或以任 何其它方便的方式(例如串联和并联的组合)布置的多个燃料电池(如多个燃 料电池堆)。燃料电池阵列可包括燃料电池和/或燃料电池堆的一个或多个 段，其中来自第一段的阳极/阴极输出可充当第二段的阳极/阴极输入。要 指出，燃料电池阵列中的阳极不必以与该阵列中的阴极相同的方式连接。 为方便起见，燃料电池阵列的第一阳极段的输入可以被称作该阵列的阳极 输入，且燃料电池阵列的第一阴极段的输入可以被称作该阵列的阴极输 入。类似地，最终阳极/阴极段的输出可以被称作该阵列的阳极/阴极输出。

应该理解的是，在本文中提到使用燃料电池通常是指由多个单燃料电 池构成的“燃料电池堆”，更通常是指使用流体连通的一个或多个燃料电池 堆。通常可以将单独的燃料电池元件(板)一起以矩形阵列“堆叠”，被称作 “燃料电池堆”。这种燃料电池堆通常可获取进料流并将反应物分配在所有 单独的燃料电池元件之间，然后可从各元件收集产物。当被视为一个单元 时，燃料电池堆在运行中可以被当作整体，尽管由许多(通常数十或数百) 单独燃料电池元件构成。这些单独燃料电池元件通常可具有类似电压(因为 反应物和产物浓度类似)，当这些元件电串联时，总功率输出可来自所有电 池元件中的所有电流的总和。电池堆也可以串联布置以产生高电压。并联 布置可提升电流。如果可提供足够大体积的燃料电池堆以加工给定排气料 流，本文描述的系统和方法可以与单个熔融碳酸盐燃料电池堆一起使用。 在本发明的另一些方面中，由于多种原因可能合意或需要的是多个燃料电 池堆。

对本发明而言，除非另行规定，术语“燃料电池”应被理解为也是指和/ 或被定义为包括涉及具有单输入和输出的由一个或多个单独燃料电池元 件的组合构成的燃料电池堆，因为这是燃料电池在实践中的通常使用方 式。类似地，除非另行规定，术语燃料电池(复数)应被理解为也是指和/或 被定义为包括多个独立的燃料电池堆。换言之，除非特别说明，本文内的 所有提及可互换地是指燃料电池堆作为“燃料电池”运行。例如，商业规模 的燃烧发电机生成的排气体积可能太大以致无法通过传统尺寸的燃料电 池(即单电池堆)加工。为了加工整个排气，可以并联布置多个燃料电池(即 两个或更多个独立的燃料电池或燃料电池堆)，以使各燃料电池可加工(大 致)相等部分的燃烧排气。尽管可以使用多个燃料电池，但考虑到其(大致) 相等部分的燃烧排气，各燃料电池通常可以大致类似的方式运行。

“内部重整”和“外部重整”：燃料电池或燃料电池堆可包括一个或多个 内部重整段。本文所用的术语“内部重整”是指在燃料电池、燃料电池堆的 主体内或以其它方式在燃料电池组件内发生的燃料重整。通常与燃料电池 联合使用的外部重整在位于燃料电池堆外的独立设备件中进行。换言之， 外部重整器的主体不与燃料电池或燃料电池堆的主体直接物理接触。在典 型的布置中，可以将来自外部重整器的输出送入燃料电池的阳极入口。除 非特别另行说明，本申请内描述的重整是内部重整。

内部重整可以在燃料电池阳极内进行。另外或或者，内部重整可以在 集成在燃料电池组件内的内部重整元件内进行。集成的重整元件可位于燃 料电池堆内的燃料电池元件之间。换言之，电池堆中的板之一可以是重整 段而非燃料电池元件。一方面，燃料电池堆内的流动布置将燃料导向内部 重整元件，然后导入燃料电池的阳极部分。因此，从流动角度看，内部重 整元件和燃料电池元件可串联布置在燃料电池堆内。本文所用的术语“阳极 重整”是在阳极内发生的燃料重整。本文所用的术语“内部重整”是在集成的 重整元件内而非在阳极段中发生的重整。

在一些方面中，在燃料电池组件内的重整段可以被认为与燃料电池组 件中的阳极相关。在另一些方面中，对于可与阳极相关(如与多个阳极相关) 的燃料电池堆中的重整段，可提供将来自重整段的输出流送入至少一个阳 极的流动路径。这可相当于具有燃料电池板的初始段，该段不与电解质接 触而是仅充当重整催化剂。相关重整段的另一选项可以是具有单独的集成 重整段作为燃料电池堆中的元件之一，其中将来自集成重整段的输出送回 燃料电池堆中的一个或多个燃料电池的输入侧。

从热集成角度看，燃料电池堆中的特征高度可以是单独燃料电池堆元 件的高度。要指出，独立的重整段和/或独立的吸热反应段在该堆中可具有 与燃料电池不同的高度。在这种情况下，可以使用燃料电池元件的高度作 为特征高度。在一些方面中，集成的吸热反应段可以被定义为与一个或多 个燃料电池热集成的段，以使该集成的吸热反应段可利用来自燃料电池的 热作为吸热反应的热源。这种集成的吸热反应段可以被定义为与向该集成 段供热的任何燃料电池相距小于一个堆元件高度的5倍处。例如，集成的 吸热反应段(如重整段)可以与热集成的任何燃料电池相距小于一个堆元件 高度的5倍，如小于一个堆元件高度的3倍处。在这一论述中，代表燃料 电池元件的相邻堆元件的集成重整段或集成吸热反应段可以被定义为与 相邻燃料电池元件相距大约一个堆元件高度或更少。

在一些方面中，与燃料电池元件热集成的单独重整阶段可相当于与燃 料电池元件相关的重整阶段。在这样的方面中，集成的燃料电池元件可以 向相关重整阶段提供至少一部分热，且相关重整阶段可以将至少一部分重 整阶段输出物作为燃料料流供往集成的燃料电池。在另一些方面中，单独 重整阶段可以与燃料电池集成以传热，但不与燃料电池相关。在这种类型 的情况中，该单独重整阶段可以从燃料电池接收热，但可以决定不使用重 整阶段的输出物作为燃料电池的输入。相反，可以决定将这种重整阶段的 输出物用于另一用途，如将该输出物直接添加到阳极排气流中，和/或形成 来自燃料电池组件的单独输出料流。

更通常，燃料电池堆中的单独堆元件可用于进行可利用集成的燃料电 池堆元件提供的废热的任何方便类型的吸热反应。代替适用于对烃燃料料 流进行重整反应的板，单独堆元件可具有适用于催化另一类型的吸热反应 的板。燃料电池堆中的歧管或入口导管的其它布置可用于向各堆元件提供 适当的输入流。另外或或者，类似的歧管或出口导管的其它布置可用于从 各堆元件中取出输出流。任选地，可以从燃料电池堆中取出来自堆中的吸 热反应阶段的输出流而不使该输出流经过燃料电池阳极。在这样的任选方 面中，放热反应的产物因此在不经过燃料电池阳极的情况下离开燃料电池 堆。可以在燃料电池堆中的堆元件中进行的其它类型的吸热反应的实例可 包括，但不限于，乙醇脱水以形成乙烯，和乙烷裂化。

再循环：如本文定义，一部分燃料电池输出(如阳极排气或从阳极排气 中分离或取出的料流)再循环到燃料电池入口，这可相当于直接或间接再循 环料流。料流直接再循环到燃料电池入口被定义为不经过中间过程的料流 再循环，而间接再循环涉及使料流经过一个或多个中间过程后的再循环。 例如，如果阳极排气在再循环之前经过CO₂分离段，这被视为阳极排气的 间接再循环。如果将阳极排气的一部分，如从阳极排气中取出的H₂料流 送入用于将煤转化成适合引入燃料电池的燃料的气化器，这也被视为间接 再循环。

阳极输入和输出

在本发明的各种方面中，可以向MCFC阵列供入在阳极入口接收的燃 料，其包含例如氢气和烃，如甲烷(或者，可能含有不同于C和H的杂原 子的烃质或类烃化合物)。送入阳极的大部分甲烷(或其它烃质或类烃化合 物)通常可以是新鲜甲烷。在本说明书中，新鲜燃料，如新鲜甲烷是指不是 从另一燃料电池工艺再循环而来的燃料。例如，从阳极出口料流再循环到 阳极入口的甲烷不可被视为“新鲜”甲烷，而是可以被描述为再生甲烷。所 用燃料源可以与其它部件分享，如涡轮机，涡轮机利用一部分燃料源向阴 极输入提供含CO₂料流。该燃料源输入可包括与该燃料成一定比例的水， 所述比例适于重整段中重整烃(或类烃)化合物生成氢气。例如，如果甲烷 是用于重整以生成H₂的燃料输入，水与燃料的摩尔比可以为大约1比1 至大约10比1，如至少大约2比1。4比1或更大的比率对外部重整可能 是典型的，但更低的值对内部重整是典型的。在H₂作为燃料源的一部分 的程度上，在一些任选方面中，在燃料中可能不需要额外的水，因为阳极 处的H₂氧化可倾向于产生可用于重整该燃料的H₂O。燃料源还可任选含 有该燃料源附带的组分(例如，天然气进料可含有一定含量的CO₂作为附 加组分)。例如，天然气进料可含有CO₂、N₂和/或其它惰性(稀有)气体作 为附加组分。任选地，在一些方面中，该燃料源还可含有CO，如来自阳 极排气的再循环部分的CO。进入燃料电池组件的燃料中的CO的附加或 替代的可能来源可以是由进入燃料电池组件之前对燃料进行的烃燃料蒸 汽重整生成的CO。

更通常，各种类型的燃料料流可适合用作熔融碳酸盐燃料电池的阳极 的输入料流。一些燃料料流可相当于含有烃和/或还可包括不同于C和H 的杂原子的类烃化合物的料流。在这一论述中，除非另行规定，用于MCFC 阳极的含烃燃料料流被定义为包括含有这样的类烃化合物的燃料料流。烃 (包括类烃)燃料料流的实例包括天然气、含C1-C4碳化合物(如甲烷或乙烷) 的料流和含有更重的C5+烃(包括类烃化合物)的料流以及它们的组合。用 于阳极输入中的可能的燃料料流的另一些附加或替代的实例可包括生物 气类型的料流，如由有机材料的天然(生物)分解产生的甲烷。

在一些方面中，熔融碳酸盐燃料电池可用于加工由于存在稀释剂化合 物而具有低能量含量的输入燃料料流，如天然气和/或烃流。例如，甲烷和 /或天然气的一些来源是可包括显著量的CO₂或其它惰性分子，如氮、氩或 氦的来源。由于存在提高量的CO₂和/或惰性物，可降低基于该来源的燃料 料流的能量含量。低能量含量的燃料用于燃烧反应(如用于为燃烧驱动的涡 轮机供能)会造成困难。但是，熔融碳酸盐燃料电池可基于低能量含量的燃 料源发电并对燃料电池的效率具有降低的或最小的影响。附加气体体积的 存在可需要附加的热将燃料温度升至用于重整和/或阳极反应的温度。另 外，由于燃料电池阳极内的水煤气变换反应的平衡性质，附加CO₂的存在 可影响阳极输出中存在的H₂和CO的相对量。但是，另外，惰性化合物对 重整和阳极反应可只具有极小的直接影响。熔融碳酸盐燃料电池的燃料料 流中CO₂和/或惰性化合物(当存在时)的量可以为至少大约1体积％，如至 少大约2体积％，或至少大约5体积％，或至少大约10体积％，或至少大 约15体积％，或至少大约20体积％，或至少大约25体积％，或至少大约 30体积％，或至少大约35体积％，或至少大约40体积％，或至少大约45 体积％，或至少大约50体积％，或至少大约75体积％。另外或或者，熔 融碳酸盐燃料电池的燃料料流中CO₂和/或惰性化合物的量可以为大约90 体积％或更低，如大约75体积％或更低，或大约60体积％或更低，或大 约50体积％或更低，或大约40体积％或更低，或大约35体积％或更低。

阳极输入料流的可能来源的另一些实例可相当于炼油和/或其它工业 工艺的输出料流。例如，炼焦是在许多炼油厂中用于将重质化合物转化成 较低沸程的常见工艺。炼焦通常产生含有在室温下为气体的多种化合物， 包括CO和各种C1-C4烃的废气。这种废气可用作阳极输入料流的至少一 部分。另外或或者，另一些炼油厂废气料流可适合包含在阳极输入料流中， 如在裂化或其它炼油厂工艺过程中生成的轻馏分(C1-C4)。另外或或者，另 一些合适的炼油厂料流可包括含CO或CO₂的炼油厂料流，其还含有H₂和/或可重整燃料化合物。

另外或或者，阳极输入的另一些可能的来源可包括具有提高的水含量 的料流。例如，来自乙醇厂(或另一类型的发酵工艺)的乙醇输出料流在最 终蒸馏之前可包括相当一部分的H₂O。这样的H₂O通常可对燃料电池的运 行仅造成极小的影响。因此，醇(或其它发酵产物)和水的发酵混合物可用 作阳极输入料流的至少一部分。

生物气或沼气是阳极输入的另一附加或替代的可能来源。生物气可能 主要包含甲烷和CO₂并通常通过有机物的分解或消化产生。厌氧菌可用于 消化有机物并产生生物气。可以在用作阳极输入之前从生物气中除去杂 质，如含硫化合物。

来自MCFC阳极的输出料流可包括H₂O、CO₂、CO和H₂。任选地， 该阳极输出料流还可具有进料中的未反应燃料(如H₂或CH₄)或惰性化合物 作为附加输出组分。代替使用这种输出料流作为向重整反应供热的燃料源 或作为用于加热电池的燃烧燃料，可以对阳极输出料流进行一次或多次分 离以将CO₂与具有作为另一工艺输入的潜在价值的组分，如H₂或CO分 离。H₂和/或CO可用作用于化学合成的合成气、用作用于化学反应的氢 源和/或用作具有降低的温室气体排放的燃料。

在各种方面中，阳极的输出料流的组成可受若干因素影响。可影响阳 极输出组成的因素可包括阳极的输入料流的组成、由燃料电池生成的电流 量和/或阳极出口的温度。由于水煤气变换反应的平衡性质，阳极出口的温 度可以是有关联的。在典型阳极中，构成阳极壁的至少一个板可适用于催 化水煤气变换反应。因此，如果a)阳极输入料流的组成已知，b)阳极输 入料流中的可重整燃料的重整程度已知，和c)从阴极传输到阳极的碳酸 根的量(对应于生成的电流量)已知，则可基于水煤气变换反应的平衡常数 确定阳极输出的组成。

K_eq＝[CO₂][H₂]/[CO][H₂O]

在上述方程中，K_eq是该反应在给定温度和压力下的平衡常数，且[X] 是组分X的分压。基于水煤气变换反应，可以指出，阳极输入中提高的 CO₂浓度可倾向于导致额外的CO形成(以H₂为代价)，而提高的H₂O浓度 可倾向于导致额外的H₂形成(以CO为代价)。

为了确定阳极输出的组成，可以使用阳极输入的组成作为起点。然后 可以改变这种组成以反映在阳极内可能发生的任何可重整燃料的重整程 度。这种重整可降低阳极输入的烃含量，变换成增加的氢气和CO₂。接着， 基于生成的电流量，可以降低阳极输入中的H₂量，变换成额外的H₂O和 CO₂。然后可以基于水煤气变换反应的平衡常数调节这种组成以测定H₂、 CO、CO₂和H₂O的出口浓度。

表1显示对于典型类型的燃料在不同燃料利用率下的阳极排气组成。 阳极排气组成可反映阳极重整反应、水煤气变换反应和阳极氧化反应的综 合结果。表1中的输出组成值通过假设阳极输入组成具有大约2比1的汽 (H₂O)/碳(可重整燃料)比而计算。假设可重整燃料是甲烷，假设其100％ 重整成氢气。假设阳极输入中的初始CO₂和H₂浓度可忽略不计，而输入 N₂浓度为大约0.5％。如该表中所示使燃料利用率Uf(如本文中定义)从大 约35％到大约70％改变。为了测定平衡常数的准确值，假设燃料电池阳极 的出口温度为大约650℃。

表1-阳极排气组成

表1显示在特定设置条件和阳极输入组成的下的阳极输出组成。更通 常，在各种方面中，阳极输出可包括大约10体积％至大约50体积％H₂O。 H₂O的量可在很大程度上变化，因为阳极中的H₂O可由阳极氧化反应产 生。如果将超过重整所需量的过量H₂O引入阳极，则除由于燃料重整和水 煤气变换反应消耗(或生成)的H₂O外，该过量H₂O通常可大多未反应地通 过。阳极输出中的CO₂浓度也可很大程度上变化，如大约20体积％至大 约50体积％CO₂。生成的电流量以及阳极输入流中的CO₂量都可影响CO₂量。另外或或者，取决于阳极中的燃料利用率，阳极输出中的H₂量可以 为大约10体积％H₂至大约50体积％H₂。在阳极输出中，CO量可以为 大约5体积％至大约20体积％。要指出，对于给定燃料电池，阳极输出中 的相对于H₂量的CO量可部分取决于在燃料电池中存在的温度和压力下 的水煤气变换反应的平衡常数。另外或或者，阳极输出还可包括5体积％ 或更少的各种其它组分，如N₂、CH₄(或其它未反应的含碳燃料)和/或其它 组分。

任选地，如果需要，可在阳极输出后包括一个或多个水煤气变换反应 段以将阳极输出中的CO和H₂O转化成CO₂和H₂。可以例如通过在较低 温度下使用水煤气变换反应器将阳极输出中存在的H₂O和CO转化成H₂和CO₂来提高阳极输出中存在的H₂量。或者，可以提高温度并可以逆转 水煤气变换反应，以由H₂和CO₂产生更多CO和H₂O。水是在阳极处发 生的反应的预期输出，因此该阳极输出通常可具有与阳极输出中存在的 CO量相比过量的H₂O。或者，可以在阳极出口后但在水煤气变换反应前 将H₂O添加到料流中。由于在重整过程中的不完全碳转化和/或由于在重 整条件或在阳极反应过程中存在的条件下H₂O、CO、H₂和CO₂之间的平 衡反应(即水煤气变换平衡)，在阳极输出中可存在CO。水煤气变换反应器 可以在以CO和H₂O为代价进一步朝形成CO₂和H₂的方向驱动该平衡的 条件下运行。较高温度往往有利于形成CO和H₂O。因此，运行水煤气变 换反应器的一个选项可以是在合适的温度，例如大约190℃至大约210℃ 下使阳极输出料流暴露在合适的催化剂，如包括氧化铁、氧化锌、铜/氧化 锌等的催化剂下。该水煤气变换反应器任选可包括用于降低阳极输出料流 中的CO浓度的两个段，其中第一较高温段在至少大约300℃至大约375℃ 的温度下运行，第二较低温段在大约225℃或更低，如大约180℃至大约 210℃的温度下运行。除提高阳极输出中存在的H₂量外，另外或或者，水 煤气变换反应可以以CO为代价提高CO₂量。这可以将难除去的一氧化碳 (CO)变换成二氧化碳，二氧化碳更容易地通过冷凝(例如深冷脱除)、化学 反应(如胺脱除)和/或其它CO₂脱除法除去。另外或或者，可能合意的是提 高阳极排气中存在的CO含量以实现所需H₂/CO比。

在经过任选水煤气变换反应段后，可以使阳极输出经过一个或多个分 离段以从阳极输出料流中除去水和/或CO₂。例如，可通过独立或组合使用 一种或多种方法对阳极输出进行CO₂分离来形成一个或多个CO₂输出料 流。这些方法可用于生成具有90体积％或更高，如至少95％体积％CO₂ 或至少98体积％CO₂的CO₂含量的CO₂输出料流。这些方法可回收阳极 输出的CO₂含量的大约至少70％，如阳极输出的CO₂含量的至少大约 80％，或至少大约90％。或者，在一些方面中可能合意的是回收阳极输出 料流内的仅一部分CO₂，回收的CO₂部分为阳极输出中的CO₂的大约33％ 至大约90％，如至少大约40％，或至少大约50％。例如，可能合意的是 使一些CO₂留在阳极输出流中以在随后的水煤气变换段中可实现所需组 成。合适的分离方法可包括使用物理溶剂(例如，Selexol^TM或Rectisol^TM)； 胺或其它碱(例如，MEA或MDEA)；制冷(例如，深冷分离)；变压吸附； 真空变压吸附；和它们的组合。深冷CO₂分离器可以是合适的分离器的一 个实例。随着将阳极输出冷却，阳极输出中的大部分水可作为冷凝(液)相 分离出。贫水阳极输出流的进一步冷却和/或加压可随后分离高纯CO₂，因 为阳极输出流中的其它剩余组分(如H₂、N₂、CH₄)不容易形成冷凝相。取 决于运行条件，深冷CO₂分离器可回收料流中存在的CO₂的大约33％至 大约90％。

从阳极排气中除水以形成一个或多个水输出流料也是有益的，无论这 是在进行CO₂分离之前、之中还是之后。阳极输出中的水量可随所选运行 条件而变。例如，在阳极入口建立的汽/碳比可影响阳极排气中的水含量， 高汽/碳比通常导致大量的水，其可以未反应地通过阳极和/或仅由于阳极 中的水煤气变换平衡而反应。根据该方面，阳极排气中的水含量可相当于 阳极排气中的体积的多达大约30％或更大。另外或或者，水含量可以为阳 极排气体积的大约80％或更小。尽管可通过压缩和/或冷却及随之冷凝除 去这样的水，但这种水的脱除可需要额外的压缩机功率和/或热交换表面积 和大量的冷却水。除去一部分这种过量水的一种有益方式可基于使用吸附 剂床，其可从湿阳极流出物中捕获水分，然后可利用干燥的阳极进料气“再 生”，以向阳极进料提供额外的水。HVAC-型(加热、通风和空气调节)吸附 轮设计可以是适用的，因为阳极排气和入口可在压力上类似，且从一个料 流到另一料流的轻微泄漏对整个工艺可具有极小的影响。在使用深冷法进 行CO₂脱除的实施方案中，在CO₂脱除之前或之中除水可能是合意的，包 括通过三乙二醇(TEG)系统和/或干燥剂除水。相反，如果使用胺洗除去 CO₂，则可以在CO₂脱除段下游从阳极排气中除水。

代替或除了CO₂输出料流和/或水输出料流外，阳极输出可用于形成一 个或多个含有所需化学或燃料产物的产物料流。这样的产物料流可相当于 合成气料流、氢气料流或合成气产物和氢气产物料流二者。例如，可形成 含有至少大约70体积％H₂，如至少大约90体积％H₂或至少大约95体积 ％H₂的氢气产物料流。另外或或者，可形成含有总共至少大约70体积％ 的H₂和CO，如至少大约90体积％的H₂和CO的合成气料流。所述一个 或多个产物料流可具有相当于阳极输出中的总H₂和CO气体体积的至少 大约75％，如总H₂和CO气体体积的至少大约85％或至少大约90％的气 体体积。要指出，基于利用水煤气变换反应段在产物之间进行转化，产物 料流中H₂和CO的相对量可能不同于阳极输出中的H₂/CO比。

在一些方面中，可能合意的是除去或分离阳极输出中存在的一部分 H₂。例如，在一些方面中阳极排气中的H₂/CO比可以为至少大约3.0:1。 相反，利用合成气的工艺，如费托合成可以以不同比率，如接近2:1的比 率消耗H₂和CO。一个备选方案可以是利用水煤气变换反应改变阳极输出 的含量以具有更接近所需合成气组成的H₂/CO比。另一备选方案可以是利 用膜分离除去阳极输出中存在的一部分H₂以实现所需H₂/CO比，或使用 膜分离和水煤气变换反应的组合。利用膜分离除去阳极输出中的仅一部分 H₂的一个优点可以是可以在相对温和条件下进行所需分离。由于一个目标 可以是产生仍具有显著H₂含量的渗余物，可通过膜分离生成高纯氢的渗 透物而不需要苛刻的条件。例如，渗透物侧可以在比环境压力高的压力下， 同时仍具有足以进行膜分离的驱动力，而非在膜渗透物侧上具有大约100 kPaa或更低(如环境压力)的压力。另外或或者，可以使用吹扫气体如甲烷 提供膜分离的驱动力。这可降低H₂渗透物料流的纯度，但取决于该渗透 物料流的所需用途，可能是有利的。

在本发明的各种方面中，至少一部分阳极排气料流(优选在分离CO₂和/或H₂O后)可用作燃料电池和相关重整段外的工艺的进料。在各种方面 中，阳极排气可具有大约1.5:1至大约10:1，如至少大约3.0:1，或至少 大约4.0:1，或至少大约5.0:1的H₂/CO比。可以由阳极排气生成或取出 合成气料流。阳极排气，任选在分离CO₂和/或H₂O之后和任选在进行水 煤气变换反应和/或膜分离以除去过量氢气之后，可相当于含有相当一部分 H₂和/或CO的料流。对于具有相对较低CO含量的料流，如H₂/CO比为 至少大约3:1的料流，该阳极排气可适合用作H₂进料。可获益于H₂进料 的工艺的实例可包括，但不限于，炼油厂工艺、氨合成装置或(不同)发电 系统中的涡轮机或其组合。根据用途，仍更低的CO₂含量可能是合意的。 对于具有小于大约2.2比1和大于大约1.9比1的H₂/CO比的料流，该料 流可适合用作合成气进料。可获益于合成气进料的工艺的实例可包括，但 不限于，气至液装置(如使用借助非变换催化剂的费托法的装置)和/或甲醇 合成装置。用作外部工艺的进料的阳极排气的量可以是任何方便的量。任 选地，当使用一部分阳极排气作为外部工艺的进料时，第二部分的阳极排 气可再循环到阳极输入和/或再循环到燃烧驱动发电机的燃烧区。

可用于不同类型的费托合成工艺的输入料流可提供适合由阳极输出 生成的不同类型的产物料流的一个实例。对于使用变换催化剂，如铁基催 化剂的费托合成反应系统，该反应系统的所需输入料流除H₂和CO外还可 包括CO₂。如果在输入料流中不存在足量的CO₂，具有水煤气变换活性的 费托催化剂可消耗CO以生成额外的CO₂，导致可能CO不足的合成气。 为了将这种费托工艺与MCFC燃料电池集成，可以运行阳极输出的分离段 以保持合成气产物中的所需CO₂(和任选H₂O)量。相反，对基于非变换催 化剂的费托催化剂，产物料流中存在的任何CO₂可充当费托反应系统中的 惰性组分。

在用吹扫气体如甲烷吹扫气体吹扫膜的方面中，甲烷吹扫气体可相当 于用作阳极燃料或用于不同的低压工艺，如锅炉、炉、燃气轮机或其它燃 料消耗装置的甲烷料流。在这一方面中，跨过该膜的低水平CO₂渗透可具 有极小后果。可能渗透过膜的这种CO₂对阳极内的反应可具有极小的影 响，并且这种CO₂可保留在阳极产物中。因此，由于渗透而跨膜损失的 CO₂(如果有的话)不需要再转移通过MCFC电解质。这可以显著降低对透 氢膜的分离选择性要求。这可允许例如使用具有较低选择性的较高渗透率 膜，其可以使使用较低压力和/或降低的膜表面积成为可能。在本发明的这 一方面中，吹扫气体的体积可以为阳极排气中的氢气体积的大倍数，这能 使渗透物侧上的有效氢气浓度保持接近0。由此分离的氢气可并入涡轮机 的进料甲烷中，在此其可以如上所述增强涡轮机燃烧特征。

要指出，在阳极中生成的过量H₂可代表已分离出温室气体的燃料。阳 极输出中的任何CO₂可容易地从阳极输出中分离，如通过使用胺洗、深冷 CO₂分离器和/或变压或真空变压吸附法。阳极输出的几种组分(H₂、CO、 CH₄)不容易除去，而CO₂和H₂O通常可以容易除去。根据该实施方案， 可以分离出阳极输出中的CO₂的至少大约90体积％，形成相对高纯的CO₂输出料流。因此，可以有效分离出在阳极中生成的任何CO₂以形成高纯 CO₂输出料流。在分离后，阳极输出的剩余部分可主要相当于具有化学和/ 或燃料价值的组分以及降低量的CO₂和/或H₂O。由于由原始燃料(在重整 前)生成的相当一部分CO₂可已被分离出，可以降低由剩余部分的阳极输 出的随后燃烧生成的CO₂量。特别地，在剩余部分的阳极输出中的燃料是 H₂的程度上，通常不能由这种燃料的燃烧形成额外的温室气体。

可以对阳极排气施以各种气体加工选择，包括水煤气变换和组分的互 相分离。两种一般的阳极加工方案显示在图1和2中。

图1示意性显示与化学合成工艺联合运行熔融碳酸盐燃料电池的燃料 电池阵列的反应系统的一个实例。在图1中，向与燃料电池120(如作为燃 料电池阵列中的燃料电池堆的一部分的燃料电池)的阳极127相关的一个 (或多个)重整段110提供燃料料流105。与燃料电池120相关的重整段110 可以在燃料电池组件内。在一些任选方面中，也可以使用外部重整段(未显 示)在将输入料流送入燃料电池组件之前重整输入料流中的一部分可重整 燃料。燃料料流105可优选包括可重整燃料，如甲烷、其它烃和/或其它类 烃化合物，如含有碳-氢键的有机化合物。燃料料流105还可任选含有H₂和/或CO，如由任选的阳极再循环流185提供的H₂和/或CO。要指出， 阳极再循环流185是任选的，并且在许多方面中，没有直接或通过与燃料 料流105或重整燃料料流115结合而间接地从阳极排气125回到阳极127 的再循环流。在重整后，可以将重整燃料料流115送入燃料电池120的阳 极127。也可以将含CO₂和O₂的料流119送入阴极129。来自燃料电池的 阴极部分129的碳酸根离子流122，CO₃^2-，可提供阳极燃料电池反应所需 的其余反应物。基于阳极127中的反应，所得阳极排气125可包括H₂O、 CO₂、相当于不完全反应的燃料的一种或多种组分(H₂、CO、CH₄或与可 重整燃料对应的其它组分)和任选一种或多种额外非反应性组分，如N₂和/ 或作为燃料料流105的一部分的其它污染物。然后可以将阳极排气125送 入一个或多个分离段。例如，CO₂脱除段140可相当于深冷CO₂脱除系统、 用于除去酸性气体，如CO₂的胺洗段或用于从阳极排气中分离CO₂输出料 流143的另一合适类型的CO₂分离段。任选地，阳极排气可首先经过水煤 气变换反应器130以将阳极排气中存在的任何CO(与一些H₂O一起)转化 成任选水煤气变换的阳极排气135中的CO₂和H₂。取决于CO₂脱除段的 性质，水冷凝或脱除段150可能是合意的以从阳极排气中除去水输出料流 153。尽管在图1中显示的是在CO₂分离段140之后，但其可任选位于CO₂分离段140之前。另外，可使用的任选的用于分离H₂的膜分离段160以生 成H₂的高纯渗透物料流163。所得渗余物料流166可随后用作化学合成工 艺的输入。另外或或者，料流166可以在第二水煤气变换反应器131中变 换以将H₂、CO和CO₂含量调节至不同比率，产生进一步用于化学合成工 艺的输出料流168。在图1中，显示的是从渗余物料流166中取出阳极再 循环料流185，但另外或或者，可以从各种分离段内或之间的其它方便的 位置取出阳极再循环料流185。另外或或者，分离段和变换反应器可以以 不同次序和/或以并联构造配置。最后，可作为阴极129的输出生成具有降 低的CO₂含量的料流139。为简单起见，没有显示在该方法中可能有用的 各种压缩和供热/除热段以及蒸汽添加或脱除段。

如上所述，对阳极排气进行的各种类型的分离可以以任何方便的顺序 进行。图2显示对阳极排气进行分离的另一顺序的实例。在图2中，可以 首先将阳极排气125送入分离段260以从阳极排气125中除去一部分263 氢气含量。这能够例如降低阳极排气的H₂含量以提供具有接近2:1的 H₂/CO比的渗余物266。然后可以在水煤气变换段230中进一步调节H₂/CO 比以实现所需值。水煤气变换的输出235然后可经过CO₂分离段240和除 水段250以产生适合用作所需化学合成工艺的输入的输出料流275。任选 可以对输出料流275施以附加水煤气变换段(未显示)。一部分输出料流275 可任选再循环(未显示)到阳极输入。当然，基于具有所需组成的阳极输出， 可以利用分离段的其它组合和排序来生成料流。为简单起见，没有显示在 该方法中可能有用的各种压缩和供热/除热段以及蒸汽添加或脱除段。

阴极输入和输出

传统上，可基于在消耗送往阳极的燃料料流中的一部分燃料的同时提 取所需荷载来运行熔融碳酸盐燃料电池。然后可通过该荷载、阳极的燃料 输入、向阴极提供的空气和CO₂和燃料电池的内电阻确定燃料电池的电 压。送往阴极的CO₂传统上可部分地使用阳极排气作为至少一部分阴极输 入料流来提供。相反，本发明可以对阳极输入和阴极输入使用分开/不同的 来源。通过消除阳极输入流和阴极输入流的组成之间的任何直接联系，可 提供用于运行燃料电池的附加选项，以例如生成过量合成气、以改进二氧 化碳捕集和/或改进燃料电池的总效率(电+化学动力)等。

在熔融碳酸盐燃料电池中，跨过燃料电池中的电解质的碳酸根离子传 输可提供从第一流动路径向第二流动路径传输CO₂的方法，其中该传输方 法可允许从较低浓度(阴极)向较高浓度(阳极)传输，这可因此有利于捕集 CO₂。该燃料电池对CO₂分离的选择性部分可基于能使该电池生成电力的 电化学反应。对于有效地不参与燃料电池内的电化学反应的非反应性物类 (如N₂)，可以存在不明显的反应量和从阴极到阳极的传输。相反，阴极和 阳极之间的电位(电压)差可提供跨燃料电池传输碳酸根离子的强驱动力。 因此，熔融碳酸盐燃料电池中的碳酸根离子传输可允许以相对较高的选择 性从阴极(较低CO₂浓度)向阳极(较高CO₂浓度)传输CO₂。但是，使用熔 融碳酸盐燃料电池脱除二氧化碳的一个挑战可能在于，该燃料电池具有有 限的从相对较稀的阴极进料中除去二氧化碳的能力。随着CO₂浓度下降到 大约2.0体积％以下，由碳酸盐燃料电池生成的电压和/或功率开始快速降 低。随着CO₂浓度进一步降低，例如降到大约1.0体积％以下，在某一时 刻，跨过燃料电池的电压变得足够低以致几乎或完全不能发生碳酸根的进 一步传输且燃料电池停止工作。因此，在商业可行的运行条件下来自燃料 电池的阴极段的排气中可能存在至少一些CO₂。

可基于阴极入口源的CO₂含量确定送往燃料电池阴极的二氧化碳量。 适合用作阴极输入流的含CO₂料流的一个实例可以是来自燃烧源的输出 或排气流。燃烧源的实例包括，但不限于，基于天然气的燃烧、煤的燃烧 和/或其它烃型燃料(包括生物衍生燃料)的燃烧的来源。另外或替代的来源 可包括其它类型的锅炉、火焰加热器、炉和/或燃烧含碳燃料以加热另一物 质(如水或空气)的其它类型的装置。大致上，来自燃烧源的输出流的CO₂含量可以为该流的次要部分。甚至对较高CO₂含量的排气流，如来自燃煤 燃烧源的输出而言，来自大多数商业燃煤发电厂的CO₂含量可以为大约15 体积％或更低。更通常，来自燃烧源的输出或排气流的CO₂含量可以为至 少大约1.5体积％，或至少大约1.6体积％，或至少大约1.7体积％，或至 少大约1.8体积％，或至少大约1.9体积％，或至少大于2体积％，或至少 大约4体积％，或至少大约5体积％，或至少大约6体积％，或至少大约 8体积％。另外或或者，来自燃烧源的输出或排气流的CO₂含量可以为大 约20体积％或更低，如大约15体积％或更低，或大约12体积％或更低， 或大约10体积％或更低，或大约9体积％或更低，或大约8体积％或更低， 或大约7体积％或更低，或大约6.5体积％或更低，或大约6体积％或更 低，或大约5.5体积％或更低，或大约5体积％或更低，或大约4.5体积％ 或更低。上文给出的浓度是基于干燥基础。要指出，在来自一些天然气或 甲烷燃烧源(如作为可能包括或不包括排气再循环回路的发电系统的一部 分的发电机)的排气中可存在更低的CO₂含量值。

另外或或者，阴极输入料流的其它可能的来源包括生物制CO₂来源。 这可包括例如，在生物衍生化合物的加工过程中生成的CO₂，如在乙醇生 产过程中生成的CO₂。一个附加或替代的实例可包括通过生物制燃料的燃 烧，如木质纤维素的燃烧生成的CO₂。另一些附加或替代的可能CO₂来源 可相当于来自各种工业工艺的输出或排气流，如由钢、水泥和/或纸的制造 装置生成的含CO₂料流。

另一附加或替代的可能CO₂来源可以是来自燃料电池的含CO₂料流。 来自燃料电池的含CO₂料流可相当于来自不同燃料电池的阴极输出料流、 来自不同燃料电池的阳极输出料流、从燃料电池的阴极输出到阴极输入的 再循环料流和/或从燃料电池的阳极输出到阴极输入的再循环料流。例如， 在传统条件下以独立模式运行的MCFC可生成具有至少大约5体积％的 CO₂浓度的阴极排气。这样的含CO₂的阴极排气可用作根据本发明的一个 方面运行的MCFC的阴极输入。更通常，可以另外或替代性地使用产生来 自阴极排气的CO₂输出的其它类型的燃料电池，以及不是由“燃烧”反应和 /或燃烧驱动发电机生成的其它类型的含CO₂料流。任选但优选地，来自另 一燃料电池的含CO₂料流可来自另一熔融碳酸盐燃料电池。例如，对于就 阴极而言串联的熔融碳酸盐燃料电池，来自第一熔融碳酸盐燃料电池的阴 极的输出可用作第二熔融碳酸盐燃料电池的阴极的输入。

对于来自燃烧源以外的来源的各种类型的含CO₂料流，该料流的CO₂含量可在很大程度上变化。阴极输入料流的CO₂含量可含有至少大约2体 积％的CO₂，如至少大约4体积％，或至少大约5体积％，或至少大约6 体积％，或至少大约8体积％。另外或或者，阴极输入料流的CO₂含量可 以为大约30体积％或更低，如大约25体积％或更低，或大约20体积％或 更低，或大约15体积％或更低，或大约10体积％或更低，或大约8体积 ％或更低，或大约6体积％或更低，或大约4体积％或更低。对于一些更 高CO₂含量的料流，CO₂含量可高于大约30体积％，如含仅附带量的其 它化合物的基本由CO₂构成的料流。例如，无排气再循环的燃气轮机可产 生具有大约4.2体积％的CO₂含量的排气料流。在EGR下，燃气轮机可 产生具有大约6-8体积％的CO₂含量的排气料流。甲烷的化学计量燃烧可 产生具有大约11体积％的CO₂含量的排气料流。煤的燃烧可产生具有大 约15-20体积％的CO₂含量的排气料流。使用炼油厂废气的火焰加热器可 产生具有大约12-15体积％的CO₂含量的排气料流。无任何EGR的用低 BTU气体运行的燃气轮机可产生具有～12体积％的CO₂含量的排气料流。

除CO₂外，阴极输入料流还必须包括O₂以提供阴极反应所必需的组 分。一些阴极输入料流可基于以空气作为组分。例如，可通过在空气存在 下燃烧烃燃料形成燃烧排气料流。这种燃烧排气料流或由于包括空气而具 有氧含量的另一类型的阴极输入料流可具有大约20体积％或更低，如大约 15体积％或更低，或大约10体积％或更低的氧含量。另外或或者，阴极 输入料流的氧含量可以为至少大约4体积％，如至少大约6体积％，或至 少大约8体积％。更通常，阴极输入料流可具有适用于进行阴极反应的氧 含量。在一些方面中，这可相当于大约5体积％至大约15体积％，如大约 7体积％至大约9体积％的氧含量。对于许多类型的阴极输入料流，CO₂和O₂的总量可相当于该输入料流的小于大约21体积％，如该料流的小于 大约15体积％或该料流的小于大约10体积％。可以将含氧空气流与具有 低氧含量的CO₂源合并。例如，通过煤燃烧生成的排气料流可包括低氧含 量，其可以与空气混合形成阴极入口料流。

除CO₂和O₂外，阴极输入料流还可以由惰性/非反应性物类，如N₂、 H₂O和其它典型的氧化剂(空气)组分构成。例如，对于衍生自燃烧反应排 气的阴极输入，如果使用空气作为用于燃烧反应的氧化剂来源的一部分， 则该排气可包括空气的典型组分，如N₂、H₂O和存在于空气中的次要量的 其它化合物。取决于用于燃烧反应的燃料源的性质，基于燃料源的燃烧之 后存在的附加物类可包括H₂O、氮氧化物(NOx)和/或硫氧化物(SOx)和存 在于燃料中和/或作为燃料中存在的化合物的部分或完全燃烧产物的其它 化合物，如CO中的一种或多种。这些物类可以以不毒化阴极催化剂表面 的量存在，尽管它们可能降低总阴极活性。这样的性能降低可能是可接受 的，或可通过已知的污染物去除技术将与阴极催化剂相互作用的物类减至 可接受的水平。

阴极输入料流(如基于燃烧排气的阴极输入料流)中存在的O₂量可有利 地足以提供燃料电池中的阴极反应所需的氧。因此，O₂的体积百分比可以 有利地为该排气中的CO₂量的至少0.5倍。任选地，如果必要，可以向阴 极输入中加入额外空气以向阴极反应提供足够的氧化剂。当使用某种形式 的空气作为氧化剂时，阴极排气中的N₂量可以为至少大约78体积％，例 如至少大约88体积％，和/或大约95体积％或更低。在一些方面中，阴极 输入料流可另外或替代性地含有通常被视为污染物的化合物，如H₂S或 NH₃。在另一些方面中，可以净化阴极输入料流以降低或将此类污染物的 含量减至最低。

除用于形成跨电解质传输的碳酸根离子的反应外，阴极中的条件也可 适用于将氮氧化物转化成硝酸盐和/或硝酸根离子。为方便起见，下面仅提 到硝酸根离子。所得硝酸根离子也可跨电解质传输以用于阳极中的反应。 阴极输入料流中的NOx浓度通常可以为ppm级，因此这种硝酸根传输反 应对跨电解质传输的碳酸根的量可具有极小影响。但是，这种NOx脱除法 可对基于来自燃气轮机的燃烧排气的阴极输入料流是有益的，因为这可提 供降低NOx排放的机制。另外或或者，阴极中的条件可适用于将未燃烃(与 阴极输入料流中的O₂结合)转化成典型燃烧产物，如CO₂和H₂O。

适用于运行MCFC的温度可以为大约450℃至大约750℃，如至少大 约500℃，例如大约550℃的入口温度和大约625℃的出口温度。在进入 阴极之前，可以向燃烧排气引入热，或如果需要，从燃烧排气中除热以例 如向其它工艺(如阳极的燃料输入的重整)供热。例如，如果阴极输入料流 的来源是燃烧排气料流，该燃烧排气料流的温度可大于阴极入口的所需温 度。在这一方面中，可以在用作阴极输入料流之前从燃烧排气中除热。或 者，该燃烧排气可以在极低温度下，例如在燃煤锅炉上的湿气体洗涤器后， 在这种情况下该燃烧排气可低于大约100℃。或者，该燃烧排气可来自以 联合循环模式运行的燃气轮机的排气，其中该气体可通过生成蒸汽以运行 蒸汽轮机以额外发电来冷却。在这种情况下，该气体可低于大约50℃。可 以向比预期冷的燃烧排气引入热。

燃料电池布置

在各种方面中，燃料电池(如含有多个燃料电池堆的燃料电池阵列)的 一个配置选项可以是在多个燃料电池之间分配含CO₂料流。相对于单个燃 料电池的容量，含CO₂料流的一些类型的来源可生成大体积流速。例如， 相对于尺寸合理的单MCFC的合意运行条件，来自工业燃烧源的含CO₂的输出料流通常可相当于大流量体积。代替在单MCFC中加工整个流，可 以将该流在多个MCFC单元之间分配，其中至少一些通常可以并联，以使 各单元中的流速在所需流速范围内。

第二配置选项可以是利用串联的燃料电池以从流动料流中相继除去 CO₂。无论含CO₂料流可并联分配到的初始燃料电池数是多少，各初始燃 料电池之后可以是串联的一个或多个附加电池以进一步除去额外的CO₂。 如果阴极输出中的CO₂所需量足够低，尝试在单燃料电池或燃料电池段中 从阴极输入料流中除去CO₂至所需水平会造成燃料电池的低和/或不可预 测的电压输出。不同于尝试在单燃料电池或燃料电池段中除去CO₂至所需 水平，可以在连续的电池中除去CO₂直至可实现所需水平。例如，一连串 燃料电池中的各电池可用于除去燃料料流中存在的一定百分比(例如大约 50％)的CO₂。在这种实例中，如果串联使用三个燃料电池，可以降低CO₂浓度(例如降至原始存在量的大约15％或更低，这可相当于经串联的三个 燃料电池的进程将CO₂浓度从大约6％降至大约1％或更低)。

在另一配置中，可以在串联的较早燃料段中选择运行条件以提供所需 输出电压，同时可选择段阵列以实现所需碳分离水平。例如，可以使用具 有串联的三个燃料电池的燃料电池阵列。串联的前两个燃料电池可用于在 保持所需输出电压的同时除去CO₂。然后可以运行最后一个燃料电池以除 去CO₂至所需浓度，但在较低电压下。

在再一配置中，燃料电池阵列中的阳极和阴极可单独连接。例如，如 果燃料电池阵列包括串联的燃料阴极，相应的阳极可以以任何方便的方式 连接，不必与它们的相应阴极相同的布置相匹配。这可包括，例如，并联 连接阳极，以使各阳极接收相同类型的燃料进料，和/或反向串联连接阳极， 以使阳极中的最高燃料浓度对应于具有最低CO₂浓度的那些阴极。

在又一配置中，可以控制送往一个或多个阳极段的燃料量和/或送往一 个或多个阴极段的CO₂量以改进燃料电池阵列的性能。例如，燃料电池阵 列可具有串联的多个阴极段。在包括串联的三个阴极段的阵列中，这可意 味着来自第一阴极段的输出可相当于第二阴极段的输入，来自第二阴极段 的输出可相当于第三阴极段的输入。在这种类型的配置中，CO₂浓度可随 各相继阴极段降低。为了补偿这种降低的CO₂浓度，可以向与后继阴极段 对应的阳极段送入附加的氢气和/或甲烷。与后继阴极段对应的阳极中的附 加的氢气和/或甲烷可至少部分补偿由降低的CO₂浓度造成的电压和/或电 流损失，这可提高由该燃料电池产生的电压和因此提高净功率。在另一实 例中，燃料电池阵列中的阴极可以部分串联和部分并联。在这种类型的实 例中，代替将整个燃烧输出送入第一阴极段中的阴极，可以将至少一部分 燃烧排气送入后继阴极段。这可以在后继阴极段中提供提高的CO₂含量。 如果需要，可以使用向阳极段或阴极段送入可变进料的其它选项。

如上所述，燃料电池的阴极可相当于来自燃料电池阵列的多个阴极。 在一些方面中，可以运行燃料电池阵列以改进从阴极向阳极转移的碳量或 使其最大化。在这样的方面中，对于来自阵列序列(通常至少包括串联布置， 或最后(多个)阴极和最初(多个)阴极相同)中的最后阴极的阴极输出，输出 组成可包括大约2.0体积％或更少的CO₂(例如，大约1.5体积％或更少或 大约1.2体积％或更少)和/或至少大约1.0体积％的CO₂，如至少大约1.2 体积％或至少大约1.5体积％。由于这种限制，使用熔融碳酸盐燃料电池 时CO₂脱除的净效率可取决于阴极输入中的CO₂量。对于CO₂含量大于 大约6体积％，如至少大约8％的阴极输入料流，对可除去的CO₂量的限 制不严格。但是，对于如燃气轮机中常见的那样使用天然气作为燃料和使 用过量空气的燃烧反应，燃烧排气中的CO₂量可能仅相当于阴极输入处的 CO₂浓度小于大约5体积％。排气再循环的使用可以使阴极输入处的CO₂量提高到至少大约5体积％，例如至少大约6体积％。如果使用天然气作 为燃料时提高EGR以产生超过大约6体积％的CO₂浓度，则燃烧器中的 可燃性可降低且燃气轮机变得不稳定。但是，在将H₂添加到燃料中时， 可以显著提高可燃性窗口，以致能进一步提高排气再循环的量，从而可实 现阴极输入处的CO₂浓度为至少大约7.5体积％或至少大约8体积％。例 如，基于阴极排气处大约1.5体积％的脱除限，将阴极输入处的CO₂含量 从大约5.5体积％提高到大约7.5体积％可相当于可用燃料电池捕集并传输 到阳极回路以最终分离CO₂的CO₂量增加～10％。另外或或者，可以降低 阴极输出中的O₂量，通常以与除去的CO₂量成比例的量，这可导致阴极 出口处其它(非阴极反应性)物类的量的小幅相应提高。

在另一些方面中，可以运行燃料电池阵列以改进燃料电池的能量输 出，如总能量输出、电能输出、合成气化学能量输出或其组合或使其最大 化。例如，可以在各种情况中用过量的可重整燃料运行熔融碳酸盐燃料电 池，如用于生成用于化学合成装置的合成气料流和/或用于生成高纯氢气料 流。该合成气料流和/或氢气料流可用作合成气来源、氢气来源、清洁燃料 源和/或用于任何其它方便的用途。在这样的方面中，阴极排气中的CO₂ 量可以与阴极输入料流中的CO₂量和在所需运行条件下的CO₂利用率相 关联以改进燃料电池能量输出或使其最大化。

另外或或者，取决于运行条件，MCFC可以将阴极排气料流的CO₂含量降至大约5.0体积％或更低，例如大约4.0体积％或更低，或大约2.0 体积％或更低，或大约1.5体积％或更低，或大约1.2体积％或更低。另外 或或者，阴极排气料流的CO₂含量可以为至少大约0.9体积％，如至少大 约1.0体积％，或至少大约1.2体积％，或至少大约1.5体积％。

熔融碳酸盐燃料电池运行

在一些方面中，可以以单次通过或一次通过模式运行燃料电池。在单 次通过模式中，不将阳极排气中的重整产物送回阳极入口。因此，在单次 通过运行中不将合成气、氢气或一些其它产物从阳极输出直接再循环到阳 极入口。更通常，在单次通过运行中，阳极排气中的重整产物也不间接送 回阳极入口，如通过利用重整产物加工随后引入阳极入口的燃料料流。任 选地，来自阳极出口的CO₂可以在MCFC以单次通过模式运行的过程中 再循环到阴极入口。更通常，在另一些方面中，对于以单次通过模式运行 的MCFC，可能发生从阳极出口到阴极入口的再循环。另外或或者，来自 阳极排气或输出的热可以在单次通过模式中再循环。例如，阳极输出流可 经过热交换器，热交换器将阳极输出冷却并将另一料流，如阳极和/或阴极 的输入料流加温。将来自阳极的热再循环到燃料电池与在单次通过或一次 通过运行中的使用是一致的。任选但不优选地，在单次通过模式中可以燃 烧阳极输出的成分以向燃料电池供热。

图3显示用于发电的MCFC的运行的一个示意性实例。在图3中，燃 料电池的阳极部分可接收燃料和蒸汽(H₂O)作为输入，并输出水、CO₂和任 选过量H₂、CH₄(或其它烃)和/或CO。燃料电池的阴极部分可接收CO₂和 一些氧化剂(例如空气/O₂)作为输入，输出相当于在贫氧的氧化剂(空气)中 的降低量的CO₂。在燃料电池内，在阴极侧形成的CO₃^2-离子可跨电解质 传输以提供在阳极处发生的反应所需的碳酸根离子。

在熔融碳酸盐燃料电池，如图3中所示的示例性燃料电池内可发生若 干反应。重整反应可以是任选的，并且如果直接向阳极提供足够的H₂，则 可以被减少或省略。下列反应基于CH₄，但在燃料电池中使用其它燃料时， 可发生类似反应。

(1)<阳极重整>CH₄+H₂O＝>3H₂+CO

(2)<水煤气变换>CO+H₂O＝>H₂+CO₂

(3)<重整和水煤气变换的组合>CH₄+2H₂O＝>4H₂+CO₂

(4)<阳极H₂氧化>H₂+CO₃^2-＝>H₂O+CO₂+2e^-

(5)<阴极>1/2O₂+CO₂+2e^-＝>CO₃^2-

反应(1)代表基本的烃重整反应以生成用于燃料电池的阳极的H₂。反 应(1)中形成的CO可通过水煤气变换反应(2)转化成H₂。反应(1)和(2)的组 合显示为反应(3)。反应(1)和(2)可以在燃料电池外进行，和/或重整可以在 阳极内进行。

分别在阳极和阴极处的反应(4)和(5)代表造成燃料电池内的电力发生 的反应。反应(4)将存在于进料中或任选由反应(1)和/或(2)生成的H₂与碳酸 根离子合并以形成H₂O、CO₂和送往该电路的电子。反应(5)使O₂、CO₂和来自该电路的电子合并形成碳酸根离子。由反应(5)生成的碳酸根离子可 跨燃料电池的电解质传输以提供反应(4)所需的碳酸根离子。与碳酸根离子 跨电解质的传输相结合，然后可通过在阳极和阴极之间提供电连接形成闭 合电流回路。

在各种实施方案中，运行燃料电池的目标可以是改进燃料电池的总效 率和/或燃料电池+集成化学合成工艺的总效率。这通常不同于燃料电池 的传统运行，其中目标可以是对于利用供给电池的燃料发电以高电效率运 行燃料电池。如上定义，可通过将燃料电池的电输出加上燃料电池输出的 低位发热值再除以燃料电池的输入组分的低位发热值来确定总燃料电池 效率。换言之，TFCE＝(LHV(el)+LHV(sgout))/LHV(in)，其中LHV(in) 和LHV(sgout)分别是指送往燃料电池的燃料组分(如H₂、CH₄和/或CO) 和阳极出口料流或流中的合成气(H₂、CO和/或CO₂)的LHV。这可提供燃 料电池和/或集成化学工艺生成的电能+化学能的量度。要指出，在总效 率的这一定义下，燃料电池内使用的和/或集成的燃料电池/化学合成系统 内使用的热能可对总效率有贡献。但是，该定义不包括从燃料电池或集成 的燃料电池/化学合成系统中交换或以其它方式取出的任何过量热。因此， 如果来自燃料电池的过量热例如用于生成蒸汽以通过蒸汽轮机发电，则总 效率的定义中不包括这样的过量热。

可以控制一些运行参数以用过量可重整燃料运行燃料电池。一些参数 可类似于目前对燃料电池运行推荐的参数。在一些方面中，燃料电池的阴 极条件和温度输入可类似于文献中推荐的那些。例如，可以在熔融碳酸盐 燃料电池典型的燃料电池运行温度范围内实现所需电效率和所需总燃料 电池效率。在典型运行中，温度可跨燃料电池提高。

在另一些方面中，燃料电池的运行参数可背离典型条件从而运行燃料 电池以使温度从阳极入口到阳极出口和/或从阴极入口到阴极出口降低。例 如，将烃转化成H₂和CO的重整反应是吸热反应。如果相对于用于产生电 流的氢的氧化量，在燃料电池阳极中进行足量重整，则该燃料电池中的净 热平衡可以是吸热的。这可导致燃料电池的入口与出口之间的降温。在吸 热运行过程中，可以控制燃料电池中的温度降低以使燃料电池中的电解质 保持熔融态。

可以以不同于目前推荐的方式控制的参数可包括向阳极提供的燃料 量、向阳极提供的燃料的组成、和/或没有合成气从阳极排气显著再循环到 阳极输入或阴极输入的情况下阳极输出中的合成气的分离和捕集。在一些 方面中，不可允许有合成气或氢气从阳极排气直接或间接再循环到阳极输 入或阴极输入。在附加或替代性的方面中，可发生有限量的再循环。在这 样的方面中，从阳极排气到阳极输入和/或阴极输入的再循环量可小于阳极 排气的大约10体积％，如小于大约5体积％或小于大约1体积％。

另外或或者，运行燃料电池的目标可以是除发电外还从燃烧反应或产 生CO₂输出料流的另一工艺的输出料流中分离CO₂。在这样的方面中，燃 烧反应可用于向一个或多个发电机或涡轮机供能，这可提供由综合发电机 /燃料电池系统生成的大部分动力。不同于运行燃料电池以优化通过燃料电 池发电，可运行该系统以在降低或将捕集二氧化碳所需的燃料电池数减至 最低的同时改进来自燃烧驱动发电机的二氧化碳的捕集。选择燃料电池的 输入和输出流的适当配置以及选择燃料电池的适当运行条件可实现总效 率和碳捕集的合意组合。

在一些实施方案中，可以布置燃料电池阵列中的燃料电池以便可仅存 在单一段的燃料电池(如燃料电池堆)。在这种类型的实施方案中，该单一 段的阳极燃料利用率可代表该阵列的阳极燃料利用率。另一选项可以是燃 料电池阵列可含有多个阳极段和多个阴极段，其中各阳极段具有在相同范 围内的燃料利用率，如各阳极段具有在规定值的10％以内，例如在规定值 的5％以内的燃料利用率。再一选项可以是各阳极段可具有等于规定值或 比规定值低一定量以下的燃料利用率，如使各阳极段等于规定值或比规定 值小10％或更低，例如5％或更低。作为一个示例性实例，具有多个阳极 段的燃料电池阵列可以使各阳极段在50％燃料利用率的大约10％以内，这 相当于各阳极段具有大约40％至大约60％的燃料利用率。作为另一实例， 具有多个段的燃料电池阵列可以使各阳极段为不大于60％阳极燃料利用 率，最大偏差为小大约5％，这相当于各阳极段具有大约55％至大约60％ 的燃料利用率。在再一实例中，燃料电池阵列中的一个或多个燃料电池段 可以以大约30％至大约50％的燃料利用率运行，如以大约30％至大约50％ 的燃料利用率运行该阵列中的多个燃料电池段。更通常，任何上述类型的 范围可以与本文中规定的任何阳极阳极燃料利用值配对。

另一附加或替代的选项可包括对并非所有阳极段规定燃料利用率。例 如，在本发明的一些方面中，可以至少部分在一个或多个串联布置中布置 燃料电池/堆以对串联中的第一阳极段、串联中的第二阳极段、串联中的最 后一个阳极段或串联中的任何其它方便的阳极段规定阳极燃料利用率。本 文所用的串联中的“第一”段相当于向其从燃料源直接进料输入的段(或如 果该布置也含有并联段，则为段组)，后继(“第二”、“第三”、“最后”等)段 代表以向其进料来自一个或多个在先段的输出而非直接来自各自的燃料 源的段。在来自在先段的输出和直接来自燃料源的输入二者共同供入一个 段的情况下，可以有“第一个”(组)段和“最后一个”(组)段，但更难在其它段 (“第二”、“第三”等)之间建立顺序(例如，在这样的情况下，可通过复合输 入进料组合物中的一种或多种组分，例如CO₂的浓度水平来确定序号顺 序，从最高浓度“第一”到最低浓度“最后”，以大致类似的组成差异代表相 同的定序水平)。

再一附加或替代的选项可以是规定与特定阴极段对应的阳极燃料利 用率(再次，其中燃料电池/堆仍可以至少部分在一个或多个串联布置中布 置)。如上所述，基于阳极和阴极内的流向，第一阴极段可不对应于第一阳 极段(可不与第一阳极段跨过相同的燃料电池膜)。因此，在本发明的一些 方面中，可以对串联中的第一阴极段、串联中的第二阴极段、串联中的最 后一个阴极段或串联中的任何其它方便的阴极段规定阳极燃料利用率。

又一附加或替代的选项可以是规定燃料电池阵列中的所有燃料电池 的燃料利用率的总平均值。在各种方面中，燃料电池阵列的燃料利用率的 总平均值可以为大约65％或更低，例如大约60％或更低，大约55％或更 低，大约50％或更低，或大约45％或更低(另外或或者，燃料电池阵列的 总平均燃料利用率可以为至少大约25％，例如至少大约30％，至少大约 35％，或至少大约40％)。这种平均燃料利用率不需要必须限制任一单段 中的燃料利用率，只要该燃料电池阵列符合所需燃料利用率。

捕集后的CO₂输出的用途

在本发明的各种方面中，上述系统和方法可允许作为加压流体产生二 氧化碳。例如，由深冷分离段生成的CO₂最初可相当于具有至少大约90％， 例如至少大约95％、至少大约97％、至少大约98％或至少大约99％纯度 的加压CO₂液体。这种加压CO₂料流可例如用于注入井中以进一步增强采 油或采气，如在二次采油中。当在包含燃气轮机的设施附近实施时，整个 系统可获益于电力/机械动力应用中的额外协同作用和/或与整个系统的热 集成。

或者，对专用于强化采油(EOR)用途的系统而言(即未合并在具有严格 组成标准的管道系统中)，可以明显放松CO₂分离要求。EOR用途可对O₂的存在敏感，因此在一些实施方案中，要用于EOR的CO₂料流可不存在 O₂。但是，EOR用途可往往对溶解的CO、H₂和/或CH₄具有低敏感性。 输送CO₂的管道也可能对这些杂质敏感。这些溶解的气体通常可对用于 EOR的CO₂的增溶能力只有微小影响。作为EOR气体注入CO、H₂和/ 或CH₄之类的气体可导致燃料值回收(fuelvaluerecovery)的一定损失，但 这些气体可能在其它方面与EOR用途相容。

另外或或者，CO₂作为加压液体的一个可能的用途是可作为生物工艺， 如藻类生长/收获中的营养素。MCFCs用于CO₂分离可确保大多数生物学 上重要的污染物可被降至可接受的低水平，以产生只有少量不可能明显不 利地影响光合自养生物生长的其它“污染”气体(如CO、H₂、N₂等和它们的 组合)的含CO₂料流。这与大多数工业来源生成的输出料流形成鲜明对比， 大多数工业来源生成的输出料流通常可含有可能高毒材料，如重金属。

在本发明的这一类型的方面中，在阳极回路中通过CO₂的分离生成的 CO₂料流可用于生产生物燃料和/或化学品以及它们的前体。再另外或或 者，CO₂可作为稠密流体生成，以便容易得多地跨距离泵送和运输，例如 运往光合自养生物的大田(largefields)。传统排放源可排放含有与其它气体 和污染物混合的适量CO₂(例如大约4-15％)的热气。这些材料通常需要作 为稀薄气体泵往藻塘或生物燃料“农场”。相反，本发明的MCFC系统可产 生浓缩CO₂料流(基于干燥基础，～60-70体积％)，其可以进一步浓缩至 95％+(例如96％+、97％+、98％+或99％+)并容易地液化。这种料流然后 可以以相对较低的成本容易并有效地长距离运输并有效地大面积分配。在 这些实施方案中，来自燃烧源/MCFC的余热也可集成到整个系统中。

可采用另一实施方案，其中CO₂源/MCFC和生物/化学生产现场同处 一地。在这种情况下，可能只需要最小压缩(即提供足以用于生物生产的 CO₂压力，例如大约15psig至大约150psig)。在这种情况下可能有几种新 型布置。可任选对阳极排气施加二次重整以降低CH₄含量，并可另外或替 代性地任选存在水煤气变换以驱使任何剩余CO成为CO₂和H₂。

来自阳极输出料流和/或阴极输出料流的组分可用于各种用途。一个选 项可以是如上所述使用阳极输出作为氢源。对于与炼油厂集成或同处一地 的MCFC，该氢气可用作各种炼油厂工艺，如加氢处理的氢源。另一选项 可以是另外或替代性地使用氢气作为燃料源，其中来自燃烧的CO₂已被 “捕集”。这样的氢气可以在炼油厂或其它工业设施中用作锅炉、炉和/或火 焰加热器的燃料，和/或该氢气可用作发电机，如涡轮机的进料。来自MCFC 燃料电池的氢气还可另外或替代性地用作需要氢气作为输入的其它类型 的燃料电池(可能包括燃料电池驱动的车辆)的输入料流。又一选项可以是 另外或替代性地使用作为MCFC燃料电池的输出生成的合成气作为发酵 输入。

另一选项可以是另外或替代性地使用由阳极输出生成的合成气。当 然，可以使用合成气作为燃料，尽管合成气基燃料在作为燃料燃烧时仍可 导致生成一些CO₂。在另一些方面中，合成气输出料流可用作化学合成工 艺的输入。一个选项可以是另外或替代性地将合成气用于费托型工艺和/ 或由合成气输入形成更大烃分子的另一工艺。另一选项可以是另外或替代 性地使用合成气形成中间产物，如甲醇。甲醇可用作最终产物，但在另一 些方面中由合成气生成的甲醇可用于生成更大化合物，如汽油、烯烃、芳 族化合物和/或其它产物。要指出，在甲醇合成工艺和/或使用变换催化剂 的费托工艺的合成气进料中，少量CO₂是可接受的。加氢甲酰化是可利用 合成气输入的又一合成工艺的一个附加或替代的实例。

要指出，对使用MCFC生成合成气的一个改变可以是使用MCFC燃 料电池作为用于加工海上石油平台取出的甲烷和/或天然气的系统或距其 最终市场相当远的其它生产系统的一部分。不是尝试运输来自井的气相输 出或长期储存该气相产物，而是可使用来自井的气相输出作为MCFC燃料 电池阵列的输入。这可带来各种益处。首先，由该燃料电池阵列生成的电 力可用作该平台的电源。另外，来自该燃料电池阵列的合成气输出可用作 生产现场的费托工艺的输入。这可形成更容易通过管道、船舶或轨道车从 生产现场运往例如岸上设施或更大终端的液烃产物。

另一些集成选项可以另外或替代性地包括使用阴极输出作为更高纯 度的加热氮气的来源。阴极输入通常可包括一大部分空气，这意味着在阴 极输入中可包括相当一部分氮气。燃料电池可以从阴极跨电解质向阳极输 送CO₂和O₂，且阴极出口可具有比空气中低的CO₂和O₂浓度和因此更高 的N₂浓度。在随后除去残留O₂和CO₂的情况下，这种氮气输出可用作用 于生产氨或其它含氮化学品，如尿素、硝酸铵和/或硝酸的进料。要指出， 脲合成可另外或替代性地使用从阳极输出中分离的CO₂作为输入进料。

集成实施例：与燃烧轮机集成的用途

在本发明的一些方面中，用于发电并排出含CO₂的排气的燃烧源可以 与熔融碳酸盐燃料电池的运行集成。合适的燃烧源的一个实例是燃气轮 机。优选，燃气轮机可以与蒸汽发生和热回收集成的联合循环模式燃烧天 然气、甲烷气体或另一烃气体以获得额外效率。对于最大最新的设计，现 代天然气联合循环效率为大约60％。所得含CO₂的排气料流可以在与 MCFC运行相容的升高的温度，如300℃-700℃，优选500℃-650℃下产 生。可任选但优选的是，在气体源进入涡轮机前从其中清除可使MCFC 中毒的污染物，如硫。或者，该气体源可以是燃煤发电机，其中由于排气 中较高的污染物水平，通常在燃烧后净化该排气。在这一备选方案中，可 能必须向/从该气体进行一定的热交换以便能在较低温度下净化。在附加或 替代性的实施方案中，含CO₂的排气的来源可以是来自锅炉、燃烧器或燃 烧富碳燃料的其它热源的输出。在另一些附加或替代性的实施方案中，含 CO₂的排气的来源可以是与其它来源结合的生物制CO₂。

为了与燃烧源集成，用于加工燃料电池阳极的一些备选配置可以是合 意的。例如，一个备选配置可以是将至少一部分来自燃料电池阳极的排气 再循环到燃料电池阳极的输入。来自MCFC阳极的输出料流可包括H₂O、 CO₂、任选CO和任选但通常是未反应的燃料(如H₂或CH₄)作为主要输出 组分。代替使用这种输出料流作为外部燃料料流和/或与另一工艺集成的输 入料流，可以对阳极输出料流进行一次或多次分离以将CO₂与具有潜在燃 料价值的组分，如H₂或CO分离。然后可以将具有燃料价值的组分再循环 到阳极的输入。

这种类型的配置可提供一个或多个益处。首先，可以从阳极输出中分 离CO₂，如通过使用深冷CO₂分离器。阳极输出的几种组分(H₂、CO、CH₄) 不是易冷凝组分，而CO₂和H₂O可独立地作为冷凝相分离。根据该实施 方案，可以分离出阳极输出中至少大约90体积％的CO₂以形成相对高纯 的CO₂输出料流。或者，在一些方面中可以从阳极输出中除去较少CO₂， 因此可分离出阳极输出中大约50体积％至大约90体积％的CO₂，如大约 80体积％或更少或大约70体积％或更少。在分离后，阳极输出的剩余部 分可主要相当于具有燃料价值的组分以及降低量的CO₂和/或H₂O。分离 后的这部分阳极输出可再循环以与附加燃料一起用作阳极输入的一部分。 在这种类型的配置中，即使在经过MCFC的单次通过中的燃料利用率可能 是低的，但未用的燃料可有利地再循环以再次经过阳极。因此，单次通过 燃料利用率可在降低的水平，同时避免了未燃的燃料损失(排放)到环境中。

作为将一部分阳极排气再循环到阳极输入的补充或替代，另一配置选 项可以是使用一部分阳极排气作为涡轮机或其它燃烧装置，如锅炉、炉和 /或火焰加热器的燃烧反应的输入。再循环到阳极输入和/或作为输入再循 环到燃烧装置的阳极排气的相对量可以是任何方便或合意的量。如果阳极 排气再循环到阳极输入和燃烧装置的仅一种中，则再循环量可以是任何方 便的量，如用于除去CO₂和/或H₂O的任何分离后留下的那部分阳极排气 的最多100％。当一部分阳极排气既再循环到阳极输入又再循环到燃烧装 置时，总再循环量按定义可以为阳极排气的剩余部分的100％或更低。或 者，可以使用阳极排气的任何方便的分流。在本发明的各种实施方案中， 再循环到阳极输入的量可以为分离后留下的阳极排气的至少大约10％，例 如至少大约25％、至少大约40％、至少大约50％、至少大约60％、至少 大约75％或至少大约90％。在这些实施方案中另外或或者，再循环到阳极 输入的量可以为分离后留下的阳极排气的大约90％或更少，例如大约75％ 或更少、大约60％或更少、大约50％或更少、大约40％或更少、大约25％ 或更少、或大约10％或更少。再另外或或者，在本发明的各种实施方案中， 再循环到燃烧装置的量可以为分离后留下的阳极排气的至少大约10％，例 如至少大约25％、至少大约40％、至少大约50％、至少大约60％、至少 大约75％或至少大约90％。在这些实施方案中另外或或者，再循环到燃烧 装置的量可以为分离后留下的阳极排气的大约90％或更少，例如大约75％ 或更少、大约60％或更少、大约50％或更少、大约40％或更少、大约25％ 或更少、或大约10％或更少。

在本发明的另一些方面中，另外或或者，燃烧装置的燃料可以是具有 提高量的惰性和/或在燃料中充当稀释剂的组分的燃料。CO₂和N₂是天然 气进料中在燃烧反应过程中相对惰性的组分的实例。当燃料进料中的惰性 组分量达到足够水平时，可影响涡轮机或其它燃烧源的性能。这种影响可 部分归因于惰性组分的吸热能力，这倾向于猝熄燃烧反应。具有足够的惰 性组分水平的燃料进料的实例可包括含有至少大约20体积％CO₂的燃料 进料或含有至少大约40体积％N₂的燃料进料或含有具有足够惰性的热容 以提供类似猝熄能力的CO₂和N₂的组合的燃料进料。(要指出，CO₂的热 容高于N₂，因此较低浓度的CO₂可具有与较高浓度的N₂类似的影响。CO₂也可比N₂更容易地参与燃烧反应并在此时从该燃烧中除H₂。H₂的这种消 耗可通过降低火焰速度和缩窄空气和燃料混合物的可燃范围而对燃料的 燃烧具有极大影响。)更通常，对于含有影响燃料进料的可燃性的惰性组分 的燃料进料，该燃料进料中的惰性组分可以为至少大约20体积％，如至少 大约40体积％，或至少大约50体积％，或至少大约60体积％。优选地， 该燃料进料中的惰性组分的量可以为大约80体积％或更少。

当在燃料进料中存在足量惰性组分时，所得燃料进料可能在进料的燃 料组分的可燃窗口外。在这种类型的情况中，来自阳极排气的再循环部分 的H₂添加到发电机的燃烧区中可扩大燃料进料和H₂的组合的可燃窗口， 这能使例如含有至少大约20体积％CO₂或至少大约40％N₂(或CO₂和N₂的其它组合)的燃料进料成功燃烧。

相对于送往燃烧区的燃料进料和H₂的总体积，用于扩大可燃窗口的 H₂量可以为燃料进料+H₂的总体积的至少大约5体积％，如至少大约10 体积％和/或大约25体积％或更低。表征为扩大可燃窗口而添加的H₂量的 另一选项可基于添加H₂前的燃料进料中存在的燃料组分的量。燃料组分 可相当于甲烷、天然气、其它烃和/或传统上被视为燃烧驱动的涡轮机或其 它发电机的燃料的其它组分。添加到燃料进料中的H₂量可相当于燃料进 料中的燃料组分的体积的至少大约1/3(1:3的H₂:燃料组分)，如燃料组 分的体积的至少大约一半(1:2)。另外或或者，添加到燃料进料中的H₂量 可大致等于燃料进料中的燃料组分的体积(1:1)或更低。例如，对于含有大 约30体积％CH₄、大约10％N₂和大约60％CO₂的进料，可以将足量阳 极排气添加到燃料进料中以实现大约1:2的H₂:CH₄比。对仅含H₂的理 想化阳极排气，添加H₂以实现1:2的比率会产生含有大约26体积％CH₄、 13体积％H₂、9体积％N₂和52体积％CO₂的进料。

排气再循环

除向燃料电池阵列提供排气以捕集和最终分离CO₂外，排气的另外或 替代性的潜在用途可包括再循环回燃烧反应以提高CO₂含量。当有氢气可 用于添加到燃烧反应中时，如来自燃料电池阵列的阳极排气的氢气，可以 由使用再循环的排气提高燃烧反应内的CO₂含量获得进一步的益处。

在本发明的各种方面中，发电系统的排气再循环回路可接收第一部分 燃烧排气，而燃料电池阵列可接收第二部分。再循环到发电系统的燃烧区 的燃烧排气的量可以是任何方便的量，如至少大约15％(按体积计)，例如 至少大约25％、至少大约35％、至少大约45％或至少大约50％。另外或 或者，再循环到燃烧区的燃烧排气的量可以为大约65％(按体积计)或更低， 例如大约60％或更低，大约55％或更低，大约50％或更低，或大约45％ 或更低。

在本发明的一个或多个方面中，氧化剂(如空气和/或富氧空气)和燃料 的混合物可以燃烧并(同时)与再循环排气的料流混合。通常可包括燃烧产 物如CO₂的再循环排气的料流可用作稀释剂以控制、调节或以其它方式缓 和燃烧温度和可进入后续膨胀机的排气的温度。由于使用富氧空气 (oxygen-enrichedair)，再循环的排气可具有提高的CO₂含量，由此能使膨 胀机在相同的入口和排放温度下以甚至更高的膨胀比运行，由此能显著提 高动力生成。

燃气轮机系统可代表可利用再循环排气增强该系统的性能的动力发 生系统的一个实例。燃气轮机系统可具有经轴与膨胀机连接的第一/主压缩 机。该轴可以是任何机械、电或其它动力联接器，由此能使膨胀机生成的 一部分机械能驱动主压缩机。燃气轮机系统还可包括构造成燃烧燃料和氧 化剂的混合物的燃烧室。在本发明的各种方面中，燃料可包括任何合适的 烃气体/液体，如合成气、天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油柴油、 煤油、航空燃料、煤衍生燃料、生物燃料、氧化烃原料或它们的任何组合。 氧化剂在一些实施方案中可源自流体联接到燃烧室并适合压缩进料氧化 剂的第二或入口压缩机。在本发明的一个或多个实施方案中，进料氧化剂 可包括大气空气和/或富化空气(enrichedair)。当氧化剂包括仅富化空气或 包括大气空气和富化空气的混合物时，可通过入口压缩机压缩富化空气(在 混合物的情况下，在与大气空气混合之前或之后)。富化空气和/或空气-富 化空气混合物可具有至少大约25体积％，例如至少大约30体积％、至少 大约35体积％、至少大约40体积％、至少大约45体积％或至少大约50 体积％的总氧浓度。另外或或者，富化空气和/或空气-富化空气混合物可 具有大约80体积％或更低，如大约70体积％或更低的总氧浓度。

富化空气可衍生自若干来源中的任何一个或多个。例如，富化空气可 衍生自如膜分离、变压吸附、变温吸附、制氮装置副产物料流和/或它们的 组合之类的分离技术。另外或或者，富化空气可衍生自用于生产用于保持 压力或其它用途的氮气的空气分离单元(ASU)，如深冷ASU。在本发明的 某些实施方案中，来自这种ASU的废料流可以是富氧的，具有大约50体 积％至大约70体积％的总氧含量，可用作富化空气的至少一部分并且如果 需要，随后用未加工的大气空气稀释以获得所需氧浓度。

除燃料和氧化剂外，燃烧室任选还可接收压缩的再循环排气，如主要 具有CO₂和氮组分的排气再循环。压缩的再循环排气可衍生自例如主压缩 机并适合促进氧化剂和燃料的燃烧，例如通过温和燃烧产物的温度。可以 认识到，该排气的再循环可用于提高CO₂浓度。

导向膨胀机入口的排气可作为燃烧反应的产物生成。至少部分基于将 再循环的排气引入燃烧反应，排气可具有提高的CO₂含量。随着排气经膨 胀机膨胀，其可生成机械动力以驱动主压缩机、驱动发电机和/或向其它设 施提供动力。

该发电系统在许多实施方案中还可包括排气再循环(EGR)系统。在本 发明的一个或多个方面中，EGR系统可包括热回收蒸汽发生器(heat recoverysteamgenerator，HRSG)和/或与蒸汽轮机流体联接的另一类似装 置。在至少一个实施方案中，HRSG和蒸汽轮机的组合可表征为发电的闭 合兰金循环。与燃气轮机系统结合，HRSG和蒸汽轮机可构成联合循环发 电厂，如天然气联合循环(NGCC)电厂的一部分。可以将气态排放物引入 HRSG以生成蒸汽和冷却的排气。HRSG可包括用于从排气料流中分离和 /或冷凝出水、传热以形成蒸汽和/或将料流压力调节至所需水平的各种单 元。在某些实施方案中，可以将蒸汽送往蒸汽轮机以生成额外的电力。

在经过HRSG和任选除去至少一些H₂O后，含CO₂的排气料流在一 些实施方案中可以再循环用作燃烧反应的输入。如上所述，排气料流可以 压缩(或解压)以匹配燃烧反应容器内的所需反应压力。

集成系统的实例

图4示意性显示集成系统的一个实例，其包括将含CO₂的再循环排气 和来自燃料电池阳极排气的H₂或CO都引入向涡轮机提供动力的燃烧反 应。在图4中，该涡轮机可包括压缩机402、轴404、膨胀机406和燃烧区 415。可以将氧源411(如空气和/或富氧空气)与再循环排气498合并，并在 进入燃烧区415之前在压缩机402中压缩。可以将燃料412，如CH₄，和 任选的含H₂或CO的料流187送往燃烧区。燃料和氧化剂可以在区域415 中反应并任选但优选通过膨胀机406以生成电力。来自膨胀机106的排气 可用于形成两个料流，例如含CO₂料流422(其可用作燃料电池阵列425的 输入进料)和另一含CO₂料流492(其可用作热回收和蒸汽发生器系统(heat recoveryandsteamgeneratorsystem)490的输入，这可以例如使得利用蒸 汽轮机494生成额外电力成为可能)。在通过热回收系统490，包括从含 CO₂料流中任选除去一部分H₂O后，输出料流498可以再循环以在压缩机 402或未显示的第二压缩机中压缩。可基于用于添加到燃烧区415中的所 需CO₂量来确定膨胀机406的排气的用于含CO₂料流492的比例。

本文所用的EGR比是排气的燃料电池相关部分的流速除以燃料电池 相关部分和送往热回收发生器的回收相关部分的总流速。例如，图4中所 示的料流的EGR比是料流422的流速除以料流422和492的总流速。

可以将含CO₂料流422送入熔融碳酸盐燃料电池阵列425的阴极部分 (未显示)。基于燃料电池阵列425内的反应，可以从料流422中分离CO₂并送往燃料电池阵列425的阳极部分(未显示)。这可产生贫CO₂的阴极输 出料流424。然后可以将阴极输出料流424送入热回收(和任选蒸汽发生器 (steamgenerator))系统450以利用蒸汽轮机454(其可任选与上述蒸汽轮机 494相同)生成热交换和/或额外发电。在通过热回收和蒸汽发生器系统450 后，可以将所得废气流456排放到环境中和/或通过另一类型的碳捕集技 术，如胺洗涤器。

在CO₂从燃料电池阵列425的阴极侧传输到阳极侧后，可任选将阳极 输出435送入水煤气变换反应器470。水煤气变换反应器470可用于以阳 极输出435中存在的CO(和H₂O)为代价生成额外的H₂和CO₂。然后可以 将来自任选水煤气变换反应器470的输出送入一个或多个分离段440，如 冷箱或深冷分离器。这可以允许将H₂O料流447和CO₂料流449与阳极 输出的其余部分分离。阳极输出的其余部分485可包括通过重整生成但在 燃料电池阵列425中未消耗的未反应H₂。含H₂料流485的第一部分445 可以再循环到燃料电池阵列425中的阳极的输入。料流485的第二部分487 可用作燃烧区415的输入。第三部分465可以原样用于另一用途和/或经处 理以随后进一步使用。尽管图4和本文中的描述示意性详述多达三个部分， 但预计根据本发明可以利用这三个部分的仅一个，可以仅利用其中两个， 或可以利用所有这三个。

在图4中，用于排气再循环回路的排气由第一热回收和蒸汽发生器系 统490提供，而第二热回收和蒸汽发生器系统450可用于捕集来自燃料电 池阵列425的阴极输出的过量热。图5显示一个备选实施方案，其中由用 于加工燃料电池阵列输出的相同热回收蒸汽发生器提供排气再循环回路。 在图5中，由热回收和蒸汽发生器系统550作为烟道气流556的一部分提 供再循环的排气598。这可省掉与涡轮机相关的单独热回收和蒸汽发生器 系统。

在本发明的各种实施方案中，该方法可以以燃烧反应开始，该燃烧反 应用于向涡轮机、内燃机或可将由燃烧反应生成的热和/或压力转化成另一 形式的动力的另一系统供能。用于燃烧反应的燃料可包含或是氢气、烃和 /或可氧化(燃烧)以释放能量的任何其它含碳化合物。除燃料仅含氢气时外， 来自燃烧反应的排气的组成可具有取决于反应性质的一定范围的CO₂含 量(例如至少大约2体积％至大约25体积％或更低)。因此，在燃料为碳质 燃料的某些实施方案中，排气的CO₂含量可以为至少大约2体积％，例如 至少大约4体积％、至少大约5体积％、至少大约6体积％、至少大约8 体积％或至少大约10体积％。在这样的碳质燃料实施方案中另外或或者， CO₂含量可以为大约25体积％或更低，例如大约20体积％或更低、大约 15体积％或更低、大约10体积％或更低、大约7体积％或更低、或大约5 体积％或更低。具有较低相对CO₂含量的排气(对于碳质燃料)可相当于使 用天然气之类的燃料在稀燃(过量空气)下的燃烧反应的排气。相对CO₂含 量较高的排气(对于碳质燃料)可对应于优化的天然气燃烧反应，如在排气 再循环下的那些，和/或煤之类燃料的燃烧。

在本发明的一些方面中，用于燃烧反应的燃料可含有至少大约90体积 ％的含5个或更少碳的化合物，例如至少大约95体积％。在这样的方面中， 该排气的CO₂含量可以为至少大约4体积％，例如至少大约5体积％、至 少大约6体积％、至少大约7体积％或至少大约7.5体积％。另外或或者， 该排气的CO₂含量可以为大约13体积％或更低，例如大约12体积％或更 低，大约10体积％或更低，大约9体积％或更低，大约8体积％或更低， 大约7体积％或更低，或大约6体积％或更低。该排气的CO₂含量可代表 取决于燃烧驱动发电机的配置的数值范围。排气的再循环可有益于实现至 少大约6体积％的CO₂含量，而将氢气添加到燃烧反应中能使CO₂含量进 一步提高以实现至少大约7.5体积％的CO₂含量。

备选配置-高强度NOx涡轮机

燃气轮机的运行可受若干因素限制。一个典型限制可以是可以将燃烧 区中的最大温度控制在一定界限以下以实现足够低的氮氧化物(NOx)浓 度，从而满足监管排放限值。当使燃烧排气排放到环境中时，监管排放限 值可要求燃烧排气具有大约20vppm或更低，可能10vppm或更低的NOx 含量。

燃烧天然气的燃烧轮机中的NOx形成可以随温度和停留时间而不同。 导致NOx形成的反应在大约1500°F的火焰温度以下具有降低的和/或极小 的重要性，但随着温度提高到超过这一点，NOx产生可快速增加。在燃气 轮机中，可以将初始燃料产物与额外空气混合以将该混合物冷却到大约 1200°F的温度并可通过膨胀机叶片的冶金学限制温度。早期的燃气轮机通 常在具有温度远超过1500°F的化学计量区的扩散火焰中实施燃烧，导致 较高的NOx浓度。最近，目前这一代“干式低NOx”(DLN)燃烧器可以使用 特殊的预混燃烧器在更冷的稀燃(比化学计算量少的燃料)条件下燃烧天然 气。例如，可以将较多稀释空气混入初始火焰中，稍后可混入较少以使温 度降到～1200°F透平膨胀机入口温度。DLN燃烧器的缺点可包括降燃 (turndown)时的不良性能、较高维护、窄运行范围和差燃料灵活性。后者 可能是要关注的，因为DLN燃烧器可更难用于品质各异的燃料(或根本很 难用于液体燃料)。对于低BTU燃料，如含有高CO₂含量的燃料，通常不 使用DLN燃烧器而是可使用扩散燃烧器。此外，可以使用更高的透平膨 胀机入口温度提高燃气轮机效率。但是，由于稀释空气的量有限并且这种 量可随透平膨胀机入口温度提高而降低，随着燃气轮机的效率改进，DLN 燃烧器可变得更不太有效地保持低NOx。

在本发明的各种方面中，将燃气轮机与用于碳捕集的燃料电池集成的 系统允许使用更高的燃烧区温度，同时降低和/或将额外NOx排放减至最 低，以及能通过使用目前与DLN燃烧器不相容的涡轮机燃料实现类似 DLN的NOx节约。在这样的方面中，涡轮机可以在造成较高NOx排放的 较高功率(即较高温度)以及较高功率输出和可能较高效率下运行。在本发 明的一些方面中，燃烧排气中的NOx量可以为至少大约20vppm，如至少 大约30vppm，或至少大约40vppm。另外或或者，燃烧排气中的NOx量 可以为大约1000vppm或更低，如大约500vppm或更低，或大约250vppm 或更低，或大约150vppm或更低，或大约100vppm或更低。为了将NOx 水平降至规章要求的水平，所产生的NOx可通过经几种机制之一的热NOx 破坏(将NOx水平降至排气料流中的平衡水平)来平衡，所述机制例如为气 相中的简单热破坏；由燃料电池阵列中的镍阴极催化剂催化的破坏；和/ 或通过注入少量氨、脲或其它还原剂而在燃料电池前的辅助热破坏。这可 通过引入衍生自阳极排气的氢气辅助。可通过电化学破坏实现燃料电池的 阴极中的NOx的进一步降低，其中NOx可以在阴极表面反应并可被破坏。 这造成一些氮穿过膜电解质传输到阳极，在此其可形成氨或其它还原的氮 化合物。就涉及MCFC的NOx减少方法而言，来自燃料电池/燃料电池阵 列的预期NOx减少可以为燃料电池阴极的输入中的NOx的大约80％或更 低，如大约70％或更低，和/或至少大约5％。要指出，在传统系统中硫化 物腐蚀也可限制温度并影响涡轮机叶片冶金学。但是，MCFC系统的硫限 制可通常要求降低的燃料硫含量，这降低或最大限度减少与硫化物腐蚀有 关的问题。在低燃料利用率下运行MCFC阵列可进一步缓解这些问题，如 在用于燃烧反应的一部分燃料相当于来自阳极排气的氢气的方面中。

附加实施方案

实施方案1、一种在炼油厂中生成氢气的方法，所述方法包括：将包 含可重整燃料的燃料料流引入熔融碳酸盐燃料电池的阳极、与所述阳极相 关的内部重整元件或其组合；将包含CO₂和O₂的阴极入口料流引入熔融 碳酸盐燃料电池的阴极；在所述熔融碳酸盐燃料电池内发电；生成包含 H₂和CO₂的阳极排气；对所述阳极排气进行分离(例如使用膜)以形成CO₂含量高于所述阳极排气的CO₂含量的富CO₂气流和CO₂含量小于所述阳 极排气的CO₂含量的脱CO₂气流，其中脱CO₂气流任选包含富H₂气流和 合成气流；和将所述脱CO₂气流送往一个或多个第二炼油厂工艺。

实施方案2、实施方案1的方法，其中所述阴极入口料流包含直接或 间接衍生自一个或多个第一炼油厂工艺的一个或多个含CO₂料流。

实施方案3、实施方案1或2的方法，其中所述熔融碳酸盐燃料电池 在大约0.25至大约1.5(例如大约0.25至大约1.3，大约0.25至大约1.15， 大约0.25至大约1.0，大约0.25至大约0.85，或大约0.25至大约0.75)的 热比率下运行。

实施方案4、上述实施方案中任一项的方法，其进一步包括在一个或 多个分离阶段中从所述阳极排气、所述脱CO₂料流和所述富CO₂料流的至 少一个中分离H₂O。

实施方案5、上述实施方案中任一项的方法，其中引入阳极、与阳极 相关的内部重整元件或其组合中的可重整燃料的量提供至少大约1.5(例如 至少大约2.0、至少大约2.5或至少大约3.0)的可重整燃料过剩率。

实施方案6、上述实施方案中任一项的方法，其中阳极排气中的合成 气的净摩尔数与阴极排气中的CO₂摩尔数的比率为至少大约2.0(例如至少 大约3.0、至少大约4.0、至少大约5.0、至少大约10.0或至少大约20.0)， 并且任选大约40.0或更低(例如大约30.0或更低，或大约20.0或更低)。

实施方案7、上述实施方案中任一项的方法，其中阳极中的燃料利用 率为大约50％或更低(例如大约45％或更低，大约40％或更低，大约35％ 或更低，大约30％或更低，大约25％或更低，或大约20％或更低)且阴极 中的CO₂利用率为至少大约60％(例如至少大约65％、至少大约70％或至 少大约75％)。

实施方案8、上述实施方案中任一项的方法，其中在第一运行条件下 运行所述熔融碳酸盐燃料电池以生成电力和至少大约50mW/cm²(例如至 少大约80mW/cm²或至少100mW/cm²)的废热，第一运行条件提供至少大 约150mA/cm²的电流密度，且其中进行有效量的吸热反应以保持大约 100℃或更低(例如大约80℃或更低，或大约60℃或更低)的阳极入口与 阳极出口之间的温度差。

实施方案9、实施方案8的方法，其中所述吸热反应的进行消耗至少 大约40％(例如至少大约50％、至少大约60％或至少大约75％)的废热。

实施方案10、上述实施方案中任一项的方法，其中所述熔融碳酸盐燃 料电池的电效率为大约10％至大约40％(例如大约10％至大约35％，大约 10％至大约30％，大约10％至大约25％，或大约10％至大约20％)且所 述熔融碳酸盐燃料电池的总燃料电池效率为至少大约55％(例如至少大约 60％、至少大约65％、至少大约70％、至少大约75％或至少大约80％)。

实施方案11、上述实施方案中任一项的方法，其中满足下列一项或多 项：所述一个或多个第一炼油厂工艺中的至少一个工艺是所述一个或多个 第二炼油厂工艺中的工艺；所述燃料料流衍生自一个或多个第三炼油厂工 艺；且所述阳极排气具有至少大约3.0:1的H₂/CO摩尔比并具有至少大约 10体积％的CO₂含量。

实施方案12、上述实施方案中任一项的方法，其中至少一部分燃料料 流在引入阳极之前经过预重整阶段。

实施方案13、上述实施方案中任一项的方法，其中至少一部分燃料料 流在引入阳极之前经过脱硫阶段。

实施方案14、上述实施方案中任一项的方法，其进一步包括利用水煤 气变换工艺改变所述阳极排气、所述富CO₂气流和所述脱CO₂气流的一个 或多个的H₂含量。

实施方案15、上述实施方案中任一项的方法，其中将所述脱CO₂气流 进一步分离成具有第一H₂纯度的第一富H₂料流和具有第二H₂纯度的第二 富H₂料流，其中将第二富H₂料流压缩至比第一富H₂料流高的压力。

实施例-MCFC与炼油厂供氢的集成

在下列实施例中，对使用MCFC系统作为各种燃烧器、锅炉和/或利 用燃料燃烧作为能量源的其它单元的氢源的配置进行计算。尽管下列实施 例专注于向燃烧反应供氢，但由MCFC生成的氢气可以另外或替代性地用 于供给一个或多个工艺(如多个工艺)，其中氢气可用于非燃烧用途。例如， 由MCFC生成的氢气可用于炼油厂内的一个或多个加氢处理反应器。

在下列实施例中，基于使用外部CO₂源计算用于阴极的CO₂。为了便 于证实与尝试通过另一方法(如对各潜在的碳点源使用传统胺洗)捕集CO₂相比利用MCFC降低CO₂排放的益处而作出这一选择。为了比较，使用 胺洗(基于使用单乙醇胺(MEA))从相对较稀的CO₂料流(如含有大约10体 积％或更少CO₂的料流)中捕集CO₂的典型预期能量成本接近大约3GJ/ 吨CO₂。利用MCFC浓缩阳极排气流中的CO₂可以避免相当一部分的这 种能量成本。要指出，在从炼油厂内的各种点源收集CO₂以用作阴极输入 的一部分的实施方案中，可能需要一些额外能量成本向MCFC输送CO₂料流。但传统配置(其中需要单独胺洗以带来将CO₂送往中心胺洗的类似 成本)所需的额外能量浪费(energyinefficiencies)和/或为各CO₂点源提供单 独胺洗带来的额外能量浪费与这些成本至少可大致相抵(如果不超过)。

下列配置实施例提供用于运行MCFC以提供在炼油厂中消耗的氢气 的两种备选方案。在第一种配置的计算中，使用燃气轮机生成电力和提供 用于阴极输入的CO₂源。在对第二配置的计算中，燃烧附加的甲烷以提供 用于运行燃料电池的热和CO₂。在这两种配置中，都在一个或多个分离阶 段中加工阳极排气以将CO₂(如用于捕捉)与H₂(用作炼油厂中的燃料)分离。

在这些实施例中，针对供应加工大约500kbd原油的典型炼油厂的热 需求进行计算。炼油能力为大约500kbd的炼油厂可以在加热系统中使用 大约118Mscf/d(或每天大约3.34x10⁶m³)的天然气，如果不使用捕集/捕 捉机制，其可以由燃烧产生大约118Mscf/d的CO₂排放。下列实施例将 MCFC工艺与大约500kbd系统中的炼油厂气体火焰加热器系统集成以提 供具有低CO₂排放的分布式供热。

图6示意性显示使用燃气轮机、MCFC系统和燃烧H₂的全炼油厂火 焰加热器的集成加工系统的一个实例。配置图6中的系统以使涡轮机可生 成阴极中所需的CO₂进料以在MCFC系统中产生足以运行炼油厂加热系 统的H₂。将空气601和甲烷602送入燃气轮机650并燃烧产生热阴极进料 603。利用热阴极进料603中的过量的热预热阳极甲烷进料604，其随后作 为进料605送入MCFC640的阴极。将阳极甲烷进料604和蒸汽606送入 MCFC640的阳极。该MCFC可以在高温下产生低CO₂含量的阴极排气 607。根据该方面，该MCFC可以在低燃料利用率(例如大约25％至大约 60％，如至少大约30％、或至少大约40％、或大约50％或更低，或大约 40％或更低的燃料利用率)下运行。另外或或者，该MCFC可以在更传统 的燃料利用率(例如大约70％或更高，尽管传统燃料利用率通常为70％至 75％)下运行，但这较不优选，因为会降低能从阳极排气中回收的可能的 H₂量。在将阴极排气排放到大气中(或进一步加工)之前可以在HRSG(热回 收蒸汽发生系统)中从阴极排气607中回收热。阳极排气608可以在HRSG 中冷却和/或可以在水煤气变换反应阶段660中变换。变换的气体609，主 要是H₂和CO₂，可经过分离单元670以产生CO₂料流610和H₂料流611。 可以将CO₂料流610压缩并销售使用和/或捕捉。可将H₂料流611作为加 热燃料分配到炼油厂加热器。H₂料流611的各子料流可在位于炼油厂中的 一个或多个位置的燃烧器680中用氧化剂(空气)612燃烧以提供基本无CO₂排放的热。对于类似于图6的配置，图7显示该配置内的流体积的代表值。

图8示意性显示使用MCFC系统和炼油厂火焰加热器及甲烷和氢气燃 烧器的集成加工系统的另一实例。配置这一系统以使甲烷燃烧器可生成阴 极中所需的CO₂进料以在MCFC系统中产生足以运行其余氢气燃烧器的 H₂。可将甲烷801和氧化剂(空气)802分配到甲烷燃烧器890中。可以从甲 烷燃烧器中收集废气803并送往进料预热器845。甲烷804、氧化剂(空 气)805和废气803可以在预热器845中燃烧以产生热阴极进料806。806 中的过量的热可用于预热阳极(甲烷)进料807并在808处送入阴极。将预 热的甲烷809和蒸汽810送入阳极。该MCFC850可以在相对较高的温度 下产生低CO₂含量的阴极排气811。例如在将其排放到大气中或进一步处 理(未显示)之前可以在HRSG中从阴极排气811中回收热。阳极排气812 可以在HRSG中冷却和在860中变换。变换的气体813，主要是H₂和CO₂， 可经过分离单元870以产生CO₂料流814和H₂料流815。可以将H₂料流 815分配到氢气燃烧器880。各子料流可以在位于炼油厂中的一个或多个位 置的燃烧器880中用氧化剂(空气)816燃烧以提供基本无CO₂排放的热。 对于类似于图8的配置，图9显示该配置内的流体积的代表值。

基于类似于图6和8的配置和基于类似于图7和9的工艺流程，计算 与MCFC集成的炼油厂的用于捕捉碳的相对净功率生成。将这与传统炼油 厂系统(其中胺洗系统用于各点源的碳捕集)的净功率生成的计算进行比 较。如上所述，已经测定，使用代表性的胺洗(例如借助MEA)从典型的稀 炼油厂料流(如含有大约2体积％至大约8体积％CO₂的料流)中捕集CO₂需要大约3GJ/吨CO₂。表2显示类似于图6和8的本发明的配置(其可产 生CO₂料流，如料流610或料流814)与传统胺洗法的比较。对于表2中的 比较，％CO₂排放降低代表经过MCFC的阳极的碳的百分比。基于表2 中所示的计算值，利用MCFC向炼油厂燃烧器供氢和集中分离CO₂可以 生成额外的可用功率。这明显不同于使用传统配置分离CO₂的显著功率需 求。

表2-碳捕集和净功率生成

配置1 配置2 ％CO₂排放降低 55.98％ 86％ 具有MCFC功率的净功率[MW] 110 36 借助MEA捕集的净功率[MW] -115 -180

尽管已就具体实施方案描述了本发明，但本发明不限于此。适用于在 具体条件下的运行的变更/修改是本领域技术人员显而易见的。因此下列权 利要求意在被解释为涵盖落在本发明的真实精神/范围内的所有这样的变 更/修改。