特開 2023-71601 燃料利用率が改善された燃料電池システム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023071601

(43)【公開日】2023-05-23

(54)【発明の名称】燃料利用率が改善された燃料電池システム及び方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20230516BHJP

   H01M 8/0662 20160101ALI20230516BHJP

   H01M 8/0668 20160101ALI20230516BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20230516BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/0662

H01M8/0668

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】24

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022167769

(22)【出願日】2022-10-19

(31)【優先権主張番号】63/278,477

(32)【優先日】2021-11-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】17/938,718

(32)【優先日】2022-10-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】514116578

【氏名又は名称】ブルーム エネルギー コーポレイション

(74)【代理人】

【識別番号】110002354

【氏名又は名称】弁理士法人平和国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ウエインガートナー，デビッド

(72)【発明者】

【氏名】ガスダ，マイケル

(72)【発明者】

【氏名】ペリー，マーティン

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA07

5H127BA02

5H127BA03

5H127BA05

5H127BA13

5H127BA28

5H127BA37

5H127BA44

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB24

5H127BB27

5H127BB37

5H127EE02

5H127EE03

5H127EE29

(57)【要約】      （修正有）

【課題】燃料電池システムに供給される入力燃料の水素含有量の実質的に全てと炭素含有量のほぼ全てを使用又は再捕捉する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタックを含みアノード排気生成物を発生する少なくとも１つのホットボックス（１００）と、少なくとも１つの水素ポンプ（４０８）と、ホットボックス（１００）のアノード排気生成物出口を水素ポンプ（４０８）の入口に流体的に接続する少なくとも１つの生成物導管（４１０）と、水素ポンプの圧縮水素生成物出口に接続された圧縮水素生成物導管（４１０）と、水素ポンプ（４０８）のポンピングされない流出物出口に接続された少なくとも１つの流出物導管（４１８）とを含む燃料電池システム。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池スタックを含みアノード排気生成物を発生する少なくとも１つのホットボックス；
少なくとも１つの水素ポンプ；
前記ホットボックスのアノード排気生成物出口を前記少なくとも１つの水素ポンプの入口に流体的に接続する少なくとも１つの生成物導管；
前記少なくとも１つの水素ポンプの圧縮水素生成物出口に接続された圧縮水素生成物導管；及び
前記少なくとも１つの水素ポンプのポンピングされない流出物出口に接続された少なくとも１つの流出物導管を備える燃料電池システム。

【請求項2】

それぞれが燃料電池スタックを含みアノード排気生成物を発生する複数のホットボックスと、前記複数のホットボックスのそれぞれのアノード排気生成物出口をマニホールドに流体的に接続する少なくとも１つの生成物導管と、前記マニホールドの出口を前記少なくとも１つの水素ポンプの前記入口に流体的に接続する少なくとも１つの生成物導管とをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記複数のホットボックスの各ホットボックスが、少なくとも１つの生成物導管によって前記マニホールドに流体的に接続された第１のアノード排気出口と、少なくとも１つの生成物導管によって前記マニホールドに流体的に接続された第２のアノード排気出口とを含む、請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記ホットボックスのそれぞれから前記第１のアノード排気出口を通って排出される前記アノード排気生成物は、それぞれの前記ホットボックスのアノード排気冷却器を通過したアノード排気を含み、
前記ホットボックスのそれぞれから前記第２のアノード排気出口を通って排出される前記アノード排気生成物は、それぞれの前記ホットボックスの前記アノード排気冷却器を迂回するアノード排気を含む、請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記少なくとも１つの水素ポンプの前記ポンピングされない流出物出口からのポンピングされない流出物生成物を圧縮するように構成される前記少なくとも１つの流出物導管に流体的に接続されたブロワをさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

少なくとも１つの流出物導管によって前記ブロワの出口に流体的に接続された酸化反応器をさらに備え、
前記酸化反応器は、前記ブロワによって圧縮される前記ポンピングされない流出物生成物から残留Ｈ_２及びＣＯ含有量を低減又は排除するように構成される、請求項５に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

少なくとも１つの流出物導管によって前記酸化反応器の出口に流体的に接続された二酸化炭素処理装置をさらに備え、
前記二酸化炭素処理装置は、前記ポンピングされない流出物生成物を精製された又は純粋なＣＯ_２生成物に変換するように構成される、請求項６に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

前記少なくとも１つの水素ポンプは、９９体積パーセントを超える水素を含む圧縮水素生成物を生成する電気化学式水素ポンプを含む、請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項9】

前記圧縮水素生成物導管は、前記燃料電池システムによる使用のために前記圧縮水素生成物の少なくとも一部を再循環させるように構成された少なくとも１つの水素リサイクル導管に流体的に接続される、請求項８に記載の燃料電池システム。

【請求項10】

前記圧縮水素生成物導管は、前記燃料電池システムのホットボックスのアノードリサイクルループに流体的に接続される少なくとも１つの水素リサイクル導管に流体的に接続される、請求項９に記載の燃料電池システム。

【請求項11】

前記圧縮水素生成物導管は、前記燃料電池システムのホットボックスのアノードテールガス酸化器に流体的に接続される少なくとも１つの水素リサイクル導管に流体的に接続される、請求項９に記載の燃料電池システム。

【請求項12】

前記圧縮水素生成物導管は、前記燃料電池システムの燃料源及び前記燃料電池システムの１つ又は複数のホットボックスへの燃料吸入導管のうちの少なくとも１つに流体的に接続される少なくとも１つの水素リサイクル導管に流体的に接続される、請求項９に記載の燃料電池システム。

【請求項13】

前記少なくとも１つの水素リサイクル導管は、前記燃料電池システムによる使用のために前記圧縮水素生成物の第１の部分を再循環させるように構成され、前記圧縮水素生成物導管は、前記圧縮水素生成物の第２の部分を１つ又は複数の水素貯蔵容器に供給するように構成された少なくとも１つの水素貯蔵導管に流体的に接続される、請求項９に記載の燃料電池システム。

【請求項14】

水性ガスシフト反応器と、凝縮器とをさらに備え、
少なくとも１つの生成物導管が、前記マニホールドの出口を前記水性ガスシフト反応器の入口に流体的に接続し、
少なくとも１つの生成物導管が、前記水性ガスシフト反応器の出口を前記凝縮器の入口に流体的に接続し、
少なくとも１つの生成物導管が、前記凝縮器の出口を前記少なくとも１つの水素ポンプの前記入口に流体的に接続する、請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項15】

前記少なくとも１つの水素ポンプは、より低い圧力の水素ポンプと、より高い圧力の水素ポンプとを備え、
少なくとも１つの生成物導管が、前記アノード排気生成物の第１の部分を受け入れるために前記より低い圧力の水素ポンプの入口に流体的に接続され、
前記より低い圧力の水素ポンプによって発生された圧縮水素生成物が、前記燃料電池システムでの使用のために再循環され、
少なくとも１つの生成物導管が、前記アノード排気生成物の第２の部分を受け入れるために前記より高い圧力の水素ポンプの入口に流体的に接続され、
前記より高い圧力の水素ポンプによって発生された圧縮水素生成物が、１つ又は複数の水素貯蔵容器に供給される、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項16】

前記燃料電池システムは固体酸化物形燃料電池システムを含む、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項17】

少なくとも１つの二酸化炭素ポンプをさらに備え、
（ａ）前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプの入口が、少なくとも１つのポンピングされない流出物導管によって前記少なくとも１つの水素ポンプの前記ポンピングされない流出物出口に流体的に接続され、圧縮二酸化炭素生成物導管が前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプの圧縮二酸化炭素生成物出口に接続され、少なくとも１つのポンピングされない流出物リサイクル導管が、前記燃料電池システムでの使用のために前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプからのポンピングされない流出物を再循環させるために前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプのポンピングされない流出物出口に連結され、
又は、
（ｂ）少なくとも１つの生成物導管が、前記ホットボックスの前記アノード排気生成物出口を前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプの入口に流体的に接続し、圧縮二酸化炭素生成物導管が、前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプの圧縮二酸化炭素生成物出口に接続され、少なくとも１つのポンピングされない流出物リサイクル導管が、前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプからのポンピングされない流出物を前記少なくとも１つの水素ポンプの前記入口に供給するために、前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプのポンピングされない流出物出口に連結される、
請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項18】

燃料電池スタックを含みアノード排気生成物を発生する少なくとも１つのホットボックス；
少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ；
前記ホットボックスのアノード排気生成物出口を前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプの入口に流体的に接続する少なくとも１つの生成物導管；
前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプの圧縮二酸化炭素生成物出口に接続された圧縮二酸化炭素生成物導管；及び
前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプのポンピングされない流出物出口に接続された少なくとも１つの流出物導管、を備える燃料電池システム。

【請求項19】

前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプは、前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプに供給される前記アノード排気生成物から二酸化炭素の少なくとも約７０％を除去し、圧縮二酸化炭素生成物とポンピングされない流出物とを生成するように構成される電気化学式二酸化炭素ポンプを含む、請求項１８に記載の燃料電池システム。

【請求項20】

前記燃料電池システムでの使用のために前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプからの前記ポンピングされない流出物を再循環させるように構成される前記少なくとも１つの流出物導管に流体的に接続された少なくとも１つのブロワをさらに備える、請求項１９に記載の燃料電池システム。

【請求項21】

燃料電池システムを作動する方法であって、
前記燃料電池システムの少なくとも１つのホットボックスに燃料吸入流を供給するステップ；
前記燃料電池システムの前記少なくとも１つのホットボックスからのアノード排気生成物流を生成するステップ；
前記アノード排気生成物流を少なくとも１つの水素ポンプに供給するステップ；
前記少なくとも１つの水素ポンプにおいて圧縮水素生成物とポンピングされない流出物とを生成するステップ；及び
前記圧縮水素生成物の少なくとも一部を前記燃料電池システムの前記少なくとも１つのホットボックスへ再循環させるステップ、を含む方法。

【請求項22】

前記少なくとも１つの水素ポンプからの前記ポンピングされない流出物から、精製された又は純粋なＣＯ_２生成物を発生するステップ；及び
前記圧縮水素生成物の一部を少なくとも１つの水素貯蔵容器に供給するステップ、のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項23】

燃料電池システムを作動する方法であって、
前記燃料電池システムの少なくとも１つのホットボックスに燃料吸入流を供給するステップ；
前記燃料電池システムの前記少なくとも１つのホットボックスからのアノード排気生成物流を生成するステップ；
前記アノード排気生成物流を少なくとも１つの二酸化炭素ポンプに供給するステップ；
前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプにおいて圧縮二酸化炭素生成物とポンピングされない流出物とを生成するステップ；及び
前記二酸化炭素ポンプからの前記ポンピングされない流出物の少なくとも一部を、前記燃料電池システムの前記少なくとも１つのホットボックスへ再循環させるステップ、を含む方法。

【請求項24】

前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプからの前記圧縮二酸化炭素生成物から、精製された又は純粋なＣＯ_２生成物を発生するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の態様は、燃料電池システム及び燃料電池システムを作動する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

固体酸化物形燃料電池等の燃料電池は、燃料に蓄えられたエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換できる電気化学装置である。高温型の燃料電池には、固体酸化物形燃料電池と溶融炭酸塩形燃料電池が含まれる。これらの燃料電池は、水素及び／又は炭化水素燃料を使用して動作することができる。燃料電池には、固体酸化物形再生燃料電池など、逆の動作も可能な部類があり、電気エネルギーを入力として使用して、酸化された燃料を還元して未酸化燃料に戻すことができる。

【発明の概要】

【0003】

一実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタックを含みアノード排気生成物を発生する少なくとも１つのホットボックスと、少なくとも１つの水素ポンプと、前記ホットボックスのアノード排気生成物出口を前記少なくとも１つの水素ポンプの入口に流体的に接続する少なくとも１つの生成物導管と、前記少なくとも１つの水素ポンプの圧縮水素生成物出口に接続された圧縮水素生成物導管と、前記少なくとも１つの水素ポンプのポンピングされない流出物出口（ｕｎｐｕｍｐｅｄ ｅｆｆｌｕｅｎｔ ｏｕｔｌｅｔ）に接続された少なくとも１つの流出物導管と、を含む。

【0004】

さらなる実施形態の燃料電池システムは、燃料電池スタックを含みアノード排気生成物を発生する少なくとも１つのホットボックスと、少なくとも１つの二酸化炭素ポンプと、前記ホットボックスのアノード排気生成物出口を前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプの入口に流体的に接続する少なくとも１つの生成物導管と、前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプの圧縮二酸化炭素生成物出口に接続された圧縮二酸化炭素生成物導管と、前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプのポンピングされない流出物出口に接続された少なくとも１つの流出物導管と、を含む。

【0005】

さらなる実施形態は、燃料電池システムの少なくとも１つのホットボックスに燃料吸入流を供給するステップと、前記燃料電池システムの前記少なくとも１つのホットボックスからのアノード排気生成物流を生成するステップと、前記アノード排気生成物流を少なくとも１つの水素ポンプに供給するステップと、前記少なくとも１つの水素ポンプにおいて圧縮水素生成物とポンピングされない流出物（ｕｎｐｕｍｐｅｄ ｅｆｆｌｕｅｎｔ）とを生成するステップと、前記圧縮水素生成物の少なくとも一部を前記燃料電池システムの前記少なくとも１つのホットボックスに再循環させるステップと、を含む燃料電池システムを作動する方法を含む。

【0006】

さらなる実施形態は、燃料電池システムの少なくとも１つのホットボックスに燃料吸入流を供給するステップと、前記燃料電池システムの前記少なくとも１つのホットボックスからのアノード排気生成物流を生成するステップと、前記アノード排気生成物流を少なくとも１つの二酸化炭素ポンプに供給するステップと、前記少なくとも１つの二酸化炭素ポンプにおいて圧縮二酸化炭素生成物とポンピングされない流出物とを生成するステップと、前記二酸化炭素ポンプからの前記ポンピングされない流出物の少なくとも一部を前記燃料電池システムの前記少なくとも１つのホットボックスに再循環させるステップと、を含む、燃料電池システムを作動する方法を含む。

【図面の簡単な説明】

【0007】

添付の図は、本明細書に組み込まれ及び本明細書の一部を構成するものであるが、本開示の例示の実施形態を示し、上述の概括的な説明及び以下に述べる詳細な説明とともに、本開示の特徴を説明するのに役立つ。

【0008】

【図1】図１は、様々な実施形態による、固体酸化物形燃料電池システムのホットボックスの概略図である。

【図2】図２は、本開示の一実施形態による燃料電池システムの構成要素の概略ダイアグラムである。

【図3】図３は、本開示の別の実施形態による燃料電池システムの構成要素の概略ダイアグラムである。

【図4】図４は、本開示のさらに別の実施形態による燃料電池システムの構成要素の概略ダイアグラムである。

【図5】図５は、本開示のさらに別の実施形態による燃料電池システムの構成要素の概略ダイアグラムである。

【図6】図６は、本開示のさらに別の実施形態による燃料電池システムの構成要素の概略ダイアグラムである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

添付の図面を参照して、様々な実施形態を詳細に説明する。可能な限り、同じ又は同様の部分を参照するために図面全体を通して同じ参照番号を使用する。特定の実施例及び実施形態への言及は、例示を目的とするものであり、本発明の範囲又は特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。

【0010】

図１は、本開示の様々な実施形態による、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム等の燃料電池システム１０のホットボックス１００の概略図である。ホットボックス１００は、固体酸化物形燃料電池スタック（ここで、スタックの１つの固体酸化物形燃料電池は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）又はスカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）等のセラミック電解質と、ニッケル－ＹＳＺ又はＮｉ－ＳＳＺサーメット等のアノード電極と、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）等のカソード電極とを含む）等の燃料電池スタック１０２を含むことができる。スタック１０２は、互いに重ねて配置して複数のカラムにすることができる。

【0011】

ホットボックス１００は、また、アノード復熱装置１１０、カソード復熱装置１２０、アノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）１３０、アノード排気冷却器１４０、渦発生器５５０、及び、蒸気発生器１６０を含むことができる。燃料電池システム１０は、燃料電池システム１０の他の構成要素と同様に、システムブロワ２０８（例えば、空気ブロワ）、水源２０６、バルブ５１１及び／又は流体導管３００Ｄ、３０２Ａ、３０４Ｃ、３０６及び３０８Ｇ等の付加的な構成要素をさらに含んでもよく、これらはホットボックス１０２の外側又は一部外側に配置することができる。しかしながら、本開示は、ホットボックス１０２に対する各構成要素の位置を何らかの特定の位置に限定するものではない。

【0012】

燃料流は、燃料導管３００Ｄを通ってホットボックス１０２に入りアノード復熱装置１１０へと流れる。燃料流は、天然ガス等の炭化水素燃料と、燃料電池システム１０の再循環アノード排気と、任意選択で、以下でさらに詳細に述べる再循環水素生成物との混合物を含むことができる。燃料流は、アノード復熱装置１１０内で加熱され得、アノード復熱装置１１０から燃料導管３００Ｅを通ってスタック１０２へと流れ得る。

【0013】

システムブロワ２０８は、空気流（例えば、空気吸入流）を空気導管３０２Ａを通じてアノード排気冷却器１４０に供給するように構成され得る。空気は、アノード排気冷却器１４０から空気導管３０２Ｂを通ってカソード復熱装置へと流れる。空気は、カソード復熱装置１２０から空気導管３０２Ｃを通ってスタック１０２へと流れる。

【0014】

スタック１０２で生成されたアノード排気は、アノード排気導管３０８Ａを通じてアノード復熱装置１１０に供給される。アノード排気は、未反応の燃料を含む可能性があり、本明細書では燃料排気と呼ぶこともある。アノード復熱装置１１０内に位置するアノード排気は、アノード復熱装置１１０を通ってスタック１０２に流れる、入ってくる燃料流に熱を伝達することができる。アノード排気は、アノード復熱装置１１０からアノード排気導管３０８Ｂに供給され得る。アノード排気は、アノード排気導管３０８Ｂを通ってアノード排気冷却器１４０に流れることができる。アノード排気冷却器１４０からのアノード排気は、アノード排気導管３０８Ｃによってホットボックス１００を出ることができる。アノード排気導管３０８Ｃと流体連通するアノードリサイクルブロワ（図１には図示せず）は、以下でさらに詳細に説明するように、アノード排気をアノード排気導管３０８Ｃを通して移動させるように構成することができる。いくつかの実施形態では、スプリッタ５１１が、アノード排気導管３０８Ｃからアノード排気導管３０８Ｄにアノード排気の一部を選択的に供給するように構成され得る。スプリッタ５１１は、例えば、コンピュータ制御もしくはオペレータ制御式バルブ、又は流体導管内に開口部もしくはスリットを含むパッシブスプリッタ（ｐａｓｓｉｖｅ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）等の任意の他の適切な流体分割装置であってよい。アノード排気導管３０８Ｄは、ＳＯＦＣシステム１０の始動中又は他の過渡的な動作状態中などに、アノード排気冷却器１４０を出るアノード排気の一部をアノード排気導管３０８Ｄを通じてＡＴＯ１３０へと選択的に方向を変える（ｒｅｄｉｒｅｃｔ）ことができる。

【0015】

図１に示される実施形態では、ホットボックス１００内のアノード排気のすべては、アノード排気導管３０８Ｃを通ってホットボックス１００を出る前に、アノード排気冷却器１４０を通過する。以下でさらに詳細に説明する他の実施形態では、アノード排気の少なくとも一部が、アノード排気冷却器１４０を通過する前にホットボックス１００を出ることができる。例えば、アノード排気流の一部は、アノード復熱装置１１０とアノード排気冷却器１４０との間に配置され得るアノード排気導管（図１には図示せず）を通じて、ホットボックス１００を出ることができる。

【0016】

スタック１０２で生成されたカソード排気は、排気導管３０４Ａを通ってＡＴＯ１３０へと流れる。渦発生器５５０は、排気導管３０４Ａ内に配置することができ、カソード排気を旋回させるように構成することができる。アノード排気導管３０８Ｄは、渦発生器５５０の下流側で、カソード排気導管３０４Ａ又はＡＴＯ１３０に流体的に接続され得る。旋回させたカソード排気は、ＡＴＯ１３０に供給される前に、アノード排気導管３０８Ｄからのアノード排気と混合することができる。この混合物は、ＡＴＯ１３０内で酸化されてＡＴＯ排気を生成し得る。ＡＴＯ排気は、ＡＴＯ１３０から排気導管３０４Ｂを通ってカソード復熱装置１２０へと流れる。ＡＴＯ排気は、カソード復熱装置から排気導管３０４Ｃを通ってホットボックス１００の外へと流れ出る。

【0017】

水は、水タンク又は水道管などの水源２０６から、水導管３０６を通って蒸気発生器１６０に流れる。蒸気発生器１６０は、水を、アノード排気導管３０８Ｂ内に噴射する。アノード復熱装置１１０から排気導管３０８Ｂに供給されたアノード排気からの熱がこの水を気化させて蒸気を生成する。蒸気は、アノード排気と混ざって、アノード排気導管３０８Ｂからアノード排気冷却器１４０を通ってアノード排気導管３０８Ｃに流れ込む加湿されたアノード排気流を供給する。

【0018】

システム１０は、システム１０の様々な要素を制御するように構成されたシステムコントローラ２２５をさらに含むことができる。コントローラ２２５は、記憶された命令を実行するように構成された中央処理ユニットを含み得る。例えば、コントローラ２２５は、燃料組成データに従って、システム１０を通る燃料及び／又は空気の流れを制御するように構成され得る。システム１０はまた、１つ又は複数の燃料改質触媒１１２、１１４、及び１１６を含むことができる。

【0019】

動作中、スタック１０２は、供給された燃料及び空気を使用して発電し、アノード排気（すなわち、燃料排気）とカソード排気（すなわち、空気排気）を生成する。アノード排気は、水素、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン等の未反応の炭化水素燃料、及びその他の反応副生成物や不純物を含む可能性がある。

【0020】

図２は、本開示の実施形態による燃料電池システム１０の構成要素の概略図である。燃料電池システム１０は、図１を参照して上述したホットボックス１００などの、少なくとも１つのホットボックス１００を含むことができる。例えば、燃料電池システム１０は、ｎ個のホットボックス１００を含むことができ、ここでｎは、２から１０、例えば４から８など、１から１００の間の整数である。図２に示した燃料電池システム１０は、２つのホットボックス１００を含むが、様々な実施形態による燃料電池システムは、より多い又はより少ない数のホットボックス１００を含むことができる。

【0021】

図２は、本開示の一実施形態による燃料電池システム１０全体にわたる燃料及びアノード排気の流れを概略的に示す。図２を参照すると、システム１０は、燃料電池システム１０に適切な燃料を供給することができる燃料源４００に連結することができる。燃料源４００は、システム１０と同じ現場に配置することができる１つ又は複数の燃料貯蔵容器（例えば、燃料タンク又は同様の容器）を含むことができる。あるいは、燃料源４００は、ガスユーティリティラインなどを通じて、離れた燃料源からシステム１０に燃料を供給することができる。燃料源４００から燃料電池システム１０に供給される燃料は、メタン、水素及び他のガスと共にメタンを含む天然ガス、プロパン又は他のバイオガス、あるいは、一酸化炭素などの炭素燃料、メタノールなどの酸化（ｏｘｙｇｅｎａｔｅｄ）炭素含有ガス、又は、他の炭素含有ガスと、水蒸気、Ｈ_２ガス、もしくはそれらの混合物などの水素含有ガスとの混合物を含むがこれらに限定されない、任意の適切な炭化水素燃料を含むことができる。例えば、前記混合物は、石炭又は天然ガスの改質に由来する合成ガスを含むことができる。

【0022】

いくつかの実施形態において、燃料源４００からの燃料は、燃料電池システム１０のホットボックス１００に供給される前に、１つ又は複数の前処理工程を受けることができる。例えば、燃料源４００に連結された燃料吸入導管３００Ａは、燃料流から硫黄及び／又は他の望ましくない不純物を除去するために、１つ又は複数の脱硫器などの１つ又は複数の前処理ユニット４００に燃料を供給することができる。前処理された燃料は、次に、燃料導管３０８Ｂを通ってホットボックス１００のそれぞれへと流れることができる。

【0023】

いくつかの実施形態では、各ホットボックス１００は、接触部分酸化（ＣＰＯｘ）反応器２００、混合器２１０、ＣＰＯｘブロワ２０４（例えば、空気ブロワ）、及びアノードリサイクルブロワ２１２をさらに含むことができ、これらは、ホットボックス１００の外側に配置することができる。しかしながら、本開示は、ホットボックス１００に関する構成要素のそれぞれに対する特定の位置に限定されない。

【0024】

再び図２を参照すると、それぞれのホットボックス１００に関連付けられた各ＣＰＯｘ反応器２００は、燃料導管３０８Ｂを通じて吸入燃料流を受け入れることができる。ＣＰＯｘブロワ２０４は、ＣＰＯｘ反応器２０４に空気を供給することができる。ＣＰＯｘ反応器２００からの燃料及び／又は空気は、燃料導管３００Ｃによって混合器２１０に供給することができる。混合器２１０は、燃料流をホットボックス１００からの再循環アノード排気と混合するように構成することができる。新しい燃料と再循環アノード排気とのこの混合物は、その後、図１を参照して上述したように、燃料導管３００Ｄを通じてホットボックス１００に供給することができる。

【0025】

各ホットボックス１００からのアノード排気（すなわち、燃料排気）は、図１を参照して上述したように、アノード排気導管３０８Ｃを通ってホットボックス１００を出ることができる。スプリッタ５１１（図１参照）は、アノード排気導管３０８Ｃ内に位置するアノード排気の一部を、選択的に向きを変えて、アノード排気導管３０８Ｄを通じてホットボックス１００に戻すことができる。先に述べたように、アノード排気導管３０８Ｄを通じて方向を変えられるアノード排気の一部は、始動時又は他の過度的な動作条件中にホットボックス１００のＡＴＯ１３０に供給され得る。

【0026】

図２に示される実施形態では、アノード排気導管３０８Ｃ内に位置する残りのアノード排気は、スプリッタ４０３に供給され得る。スプリッタ４０３は、例えば、コンピュータ制御もしくはオペレータ制御式バルブ、又は、流体導管内に開口部もしくはスリットを含むパッシブスプリッタ等の任意の他の適切な流体分割装置であってよい。アノード排気の第１の部分は、スプリッタ４０３からアノード排気導管３０８Ｅを通じてアノードリサイクルブロワ２１２に供給され得る。アノードリサイクルブロワ２１２は、任意の適切な流体（例えば、ガス）ブロワ、ポンプ、圧縮機などであってよい。アノード排気の第１の部分は、アノードリサイクルブロワ２１２からアノード排気導管３０８Ｆによって混合器２１０に供給され得る。上述のように、再循環アノード排気は、燃料導管３００Ｄを通じてホットボックス１００に再入する前に、混合器２１０内で新しい燃料と混合され得る。本明細書で使用されるように、アノード排気導管３０８Ｃを通じてホットボックス１００を出て、アノードリサイクルブロワ２１２によって再循環されて混合器２１０内で新しい燃料と混合され、燃料導管３００Ｄを通じてホットボックス１００に再入する、アノード排気の一部は、「アノードリサイクル」と呼ぶことができ、ホットボックス１００の出口にあるアノード排気導管３０８Ｃとホットボックス１００の入口にある燃料導管３００Ｄとの間のアノードリサイクルの流体経路は、「アノードリサイクルループ」と呼ぶことができる。

【0027】

アノード排気の第２の部分は、スプリッタ４０３からアノード排気導管３０８Ｇを通じてマニホールド１０４に供給することができる。マニホールド１０４は、システム１０の複数のホットボックス１００に（いくつかの実施形態でシステム１０のホットボックス１００のすべてに、を含む）、それぞれのアノード排気導管３０８Ｇによって接続することができる。あるいは、システム１０は複数のマニホールド１０４を含むことができ、各マニホールド１０４はシステム１０のホットボックス１００のサブセットに接続することができる。様々な実施形態において、システム１０の複数のホットボックス１００からのアノード排気流は、マニホールド１０４内で結合され得る。

【0028】

再び図２を参照すると、いくつかの実施形態において、ホットボックス１００のそれぞれが、マニホールド１０４と流体連通する任意選択の追加のアノード排気導管３０８Ｈを含むことができる。いくつかの実施形態では、任意選択の追加のアノード排気導管３０８Ｈは、ホットボックス１００とマニホールド１０４との間にダイレクトな流体経路を提供できる。いくつかの実施形態では、任意選択のアノード排気導管３０８Ｈ内のアノード排気は、アノード排気冷却器１０４の上流側でホットボックス１００を出ることができる（図１参照）。例えば、ホットボックス１００は、図１に示されるホットボックス１００内のアノード復熱装置１１０とアノード排気冷却器１４０との間に位置するアノード流体導管３０８Ｂ内のスプリッタ（例えば、バルブ、パッシブスプリッタなど）を含むことができる。スプリッタは、アノード排気流の一部をアノード排気導管３０８Ｂから任意選択のアノード排気導管３０８Ｈに転向させて、アノード排気流のこの部分が図２に示されるマニホールド１０４に直接供給され得るようにすることができる。アノード排気流の残りの部分は、上述のように、アノード排気冷却器１４０を通って、アノード排気導管３０８Ｃに進むことができる。

【0029】

したがって、いくつかの実施形態では、マニホールド１０４に供給されるアノード排気は、アノード排気冷却器１４０の出口でホットボックス１００を出て、アノード排気導管３０８Ｃ、スプリッタ５１１及び／又は４０３、及びアノード排気導管３０８Ｇを通ってマニホールド１０４へ流れるアノード排気の第１の成分と、アノード排気冷却器１４０の上流側でホットボックス１００を出て、アノード排気導管３０８Ｈを通ってマニホールド１０４へ流れるアノード排気の第２の成分とを含むことができる。したがって、アノード排気の第２の成分は、アノード排気冷却器１４０を迂回することができ、したがって、アノード排気冷却器１４０を通って流れるアノード排気の第１の成分よりも高い温度を有することができる。

【0030】

いくつかの実施形態では、マニホールド１０４に受け入れられるアノード排気の混合は変えることができ、一定時間中は、１つ又は複数のホットボックス１００からマニホールド１０４に供給される、アノード排気のより大きな部分（アノード排気のすべてを含む）が、アノード排気導管３０８Ｇを通じて供給されるアノード排気の第１の成分（すなわち、ホットボックス１００のアノード排気冷却器１４０を通過したアノード排気）であり、他の時間は、１つ又は複数のホットボックス１００からマニホールド１０４に供給される、アノード排気のより大きな部分（アノード排気のすべてを含む）が、アノード排気導管３０８Ｈを通じて供給されるアノード排気の第２の成分（すなわち、ホットボックス１００のアノード排気冷却器１４０を迂回したアノード排気）であってよい。図１を参照して上述したシステムコントローラ２２５は、ホットボックス１００のそれぞれからマニホールド１０４に供給されるアノード排気の第１の成分と第２の成分との混合を制御するために使用され得る。

【0031】

いくつかの実施形態では、アノード排気導管３０８Ｇを通じてマニホールド１０４に供給されるアノード排気の第１の成分（すなわち、ホットボックス１００のアノード排気冷却器１４０を通過したアノード排気）は、約１００℃と１８０℃との間の温度を有し、アノード排気導管３０８Ｈを通じてマニホールド１０４に供給されるアノード排気の第２の成分（すなわち、ホットボックス１００のアノード排気冷却器１４０を迂回するアノード排気）は、約３００℃と５００℃との間の温度を有し得る。

【0032】

したがって、ホットボックス１００のアノード排気冷却器１４０を通過する、より低い温度のアノード排気の第１の成分と、アノード排気冷却器１４０を迂回する、より高い温度のアノード排気の第２の成分との混合物を含むアノード排気流を供給することによって、マニホールド１０４内のアノード排気の温度を制御可能に変更することができる。いくつかの実施形態では、マニホールド１０４内のアノード排気の温度は、以下でさらに詳細に説明するように、後続のＨ_２回収プロセス及び／又は二酸化炭素分離プロセスに必要とされるよりも多くの熱を含むように制御され得る。過剰な熱を含むアノード排気流を供給することは、１つ又は複数のその後のプロセスのために必要とされるアノード排気の冷却が、これらの同じプロセスのためにアノード排気を加熱するために必要とされるよりも少ない寄生電力（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｐｏｗｅｒ）を消費し得るという利点を提供し得る。

【0033】

再び図２を参照すると、複数のホットボックス１００からの結合されたアノード排気流は、マニホールド１０４からアノード排気導管３０８Ｉを通じてアノード排気調整ユニット４０４に供給され得る。アノード排気調整ユニット４０４は、アノード排気流の温度を変更して、アノード排気流を、アノード排気調整ユニット４０４の下流側に位置する水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器４０５への導入に適したものにするように構成することができる。アノード排気調整ユニット４０４は、１つ又は複数の熱交換器及び／又は凝縮器などの１つ又は複数の伝熱装置を含むことができる。他の適切な伝熱装置は、本開示の予期される範囲内にある。いくつかの実施形態では、アノード排気流の温度がＷＧＳ反応器の動作温度範囲よりも高い場合、アノード排気調整ユニット４０４を通って流れるアノード排気流の温度を低下させるために、１つ又は複数の伝熱装置を、冷却水及び／又は空気などの冷却媒体によって冷却することができる。他の実施形態では、アノード排気流の温度がＷＧＳ反応器４０５の動作温度範囲よりも低い場合、アノード排気調整ユニット４０４を通って流れるアノード排気流の温度を上昇させるために、１つ又は複数の伝熱装置は、アノード排気流に熱を伝達することができる。アノード排気流への熱伝達は、アノード排気流より高い温度の流体媒体（例えば、燃焼ガス）と熱交換することによって、又は、電気ヒーターなどの加熱器を使用してアノード排気流を直接加熱することによって達成することができる。様々な実施形態において、アノード排気調整ユニット４０４を出るアノード排気の温度は、約１５０℃と３００℃との間、例えば約２００℃と２５０℃との間であり得る。

【0034】

再び図２を参照すると、アノード排気流は、アノード排気調整ユニット４０４からアノード排気導管３０８Ｊを通じてＷＧＳ反応器４０５に供給され得る。ＷＧＳ反応器４０５は、水性ガスシフト反応を使用して、アノード排気中のＣＯ及びＨ_２ＯをＣＯ_２及びＨ_２に変換するように構成することができる。様々な実施形態において、ＷＧＳ反応器４０５は、低温ＷＧＳ反応器４０５であってよく、約２００℃～２５０℃の間の公称動作温度を有してよい。水性ガスシフト反応の後で、アノード排気流は、主にＨ_２Ｏ、ＣＯ_２及びＨ_２を含み、少量のＣＯ、Ｎ２及び他の不純物を含み得る。

【0035】

次いで、アノード排気流は、アノード排気導管３０８Ｋを通じてＷＧＳ反応器４０５から凝縮器４０６に供給され得る。凝縮器４０６は、冷却水及び／又は空気などの冷却媒体によって冷却されて、水蒸気を液体水に凝縮し、アノード排気流の温度を１００℃未満、例えば５０℃と８０℃との間の温度（例えば、～７０℃）まで下げることができる。液体水は、水排出導管４０７を通じて凝縮器４０６から除去することができ、導管４０７内の液体水は任意選択で精製及び／又は再利用することができる。様々な実施形態において、ウォーターノックアウトを、凝縮器４０６の設計に組み込むか、又は凝縮器４０６の下流側に別個の構成要素として含めることができる。部分的に脱水されたアノード排気流は、凝縮器４０６からアノード排気導管３０８Ｌを通じて少なくとも１つの水素ポンプ４０８に供給することができる。

【0036】

様々な実施形態において、少なくとも１つの水素ポンプ４０８に供給される部分的に水素化されたアノード排気流は、少なくとも約４０％モル分率のＨ_２Ｏ、例えば５０～６０％（例えば、～５６％）モル分率のＨ_２Ｏ、少なくとも約２０％モル分率のＣＯ_２、例えば２５～３５％（例えば、～２９％）モル分率のＣＯ_２、少なくとも約１０％モル分率のＨ_２、例えば１０～２０％（例えば、～１４％）モル分率のＨ_２、１％モル分率未満のＣＯ、及び、１％モル分率未満のＮ２を含むことができる。少なくとも１つの水素ポンプ４０８のＣＯに対する耐性に応じて、いくつかの実施形態では、アノード排気流中のＣＯのモル分率は、０．５％から１％の間であり得る。これにより、ＷＧＳ反応器４０５の相対的に高温での動作が可能になり、ＷＧＳ反応器４０５の動作のより大きな熱ウィンドウが可能になり得る。

【0037】

少なくとも１つの水素ポンプ４０８は、１つ又は複数の電気化学式水素ポンプを含むことができる。少なくとも１つの電気化学式水素ポンプ４０８は、水素ポンプと、高分子膜全体に電流又は電圧を印加すると高分子膜を通して純粋な水素を電気化学的にポンピングする（ｐｕｍｐ）セパレータとを含むことができる。様々な実施形態では、少なくとも１つの電気化学式水素ポンプ４０８は、「Ｈ_２ＲＥＮＥＷ（登録商標）」の名称でＳｋｙｒｅ，Ｉｎｃ．から入手可能であり、及び／又は米国特許第１０，７５６，３６１号及び／又は第１０，６４８，０８９号に記載されている高圧水素分離及び圧縮システムを含むことができる。少なくとも１つの水素ポンプ４０８は、直列及び／又は並列に接続された複数のポンプ（例えば、複数の分離膜スタック）を含み、水素のより高い全体回収率及び／又はより高いスループットを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの水素ポンプ４０８は、少なくとも１つの水素ポンプ４０８に供給される脱水されたアノード排気流中の少なくとも約０．５％モル分率のＣＯ（約１％モル分率までのＣＯ、を含む）に耐えることができる。

【0038】

一実施形態では、少なくとも１つの水素ポンプ４０８は、脱水されたアノード排気流中の水素の８０％超えを回収し、圧縮水素生成物導管４１０を通じて９９％を超える純粋な圧縮水素生成物を排出することができる。例えば、圧縮水素生成物は、１５ｐｓｉｇ～２，０００ｐｓｉｇ、例えば１５ｐｓｉｇ～１５０ｐｓｉｇなど、１ｐｓｉｇ～１０，０００ｐｓｉｇの圧力に加圧され得る、少なくとも９９．９９％の純粋な（すなわち乾燥した）水素であり得る。様々な実施形態において、少なくとも１つの水素ポンプ４０８によって発生される圧縮水素生成物は、追加の機械的圧縮又は乾燥なしで、使用又は貯蔵するのに適し得る。

【0039】

再び図２を参照すると、圧縮水素生成物導管４１０内の圧縮水素生成物は、スプリッタ４１１に供給され得る。スプリッタ４１１は、例えば、コンピュータ制御もしくはオペレータ制御式バルブ、又は、流体導管内の開口部もしくはスリットを含むパッシブスプリッタ等の任意の他の適切な流体分割装置であってよい。圧縮水素生成物の第１の部分は、燃料電池システム１０でさらに使用するために、スプリッタ４０３から水素リサイクル導管４１２Ａに供給され得る。圧縮水素生成物の第２の部分は、スプリッタ４０３から、圧縮水素生成物の貯蔵及び／又は配分もしくは販売のために水素貯蔵導管４１３へと供給され得る。いくつかの実施形態では、水素貯蔵導管４１３は、水素貯蔵導管４１３に接続された１つ又は複数の水素貯蔵容器４１４に圧縮水素生成物を直接供給することができる。あるいは、１つ又は複数の圧縮機（図２には図示せず）が水素貯蔵導管に連結され、圧縮水素生成物を、１つ又は複数の水素貯蔵容器４１４内での貯蔵に適した圧力までさらに圧縮するように構成され得る。

【0040】

様々な実施形態では、水素リサイクル導管４１２Ａを使用して、燃料電池システム１０内の１つ又は複数の場所に圧縮水素生成物を供給することができる。いくつかの実施形態では、水素リサイクル導管４１２Ａは、圧縮水素生成物の少なくとも一部を燃料源４００に供給することができ、これは、例えば、天然ガス供給源であってよい。

【0041】

代替的又は追加的に、いくつかの実施形態では、圧縮水素生成物の少なくとも一部を、燃料電池システム１０の吸入燃料流に供給することができる。いくつかの実施形態では、圧縮水素生成物は、燃料電池システム１０の１つ又は複数の前処理ユニット４００（例えば、脱硫器）の下流側の吸入燃料に供給されてもよい。図２に示される一実施形態において、スプリッタ４１５は、圧縮水素生成物の少なくとも一部を水素リサイクル導管４１２Ａから水素リサイクル導管４１２Ｂに向けることができ、水素リサイクル導管４１２Ｂは、圧縮水素生成物の少なくとも一部を燃料吸入導管３００Ａに供給することができる。

【0042】

代替的又は追加的に、いくつかの実施形態では、圧縮水素生成物の少なくとも一部を、ホットボックス１００の１つ又は複数のアノードリサイクルループに供給することができる。様々な実施形態では、圧縮水素生成物を燃料電池システム１０のホットボックス１００のすべてのアノードリサイクルループに供給することができる。図２に示される一実施形態において、１つ又は複数のスプリッタ４１６は、圧縮水素生成物の少なくとも一部を水素リサイクル導管４１２Ａから１つ又は複数の水素リサイクル導管４１２Ｃに向けることができる。アノードリサイクル導管４１２Ｃの各々は、それぞれのホットボックス１００のアノードリサイクルループに流体的に接続することができる。ホットボックス１００のアノードリサイクルループに供給される圧縮水素生成物は、アノードリサイクルループ内のアノードリサイクル燃料と新しい燃料の両方と混ざって、燃料導管３００Ｄを通じてホットボックス１００に入ることができる。

【0043】

いくつかの実施形態では、圧縮水素生成物の少なくとも一部はまた、燃料電池システム１０の１つ又は複数のホットボックス１００のＡＴＯ１３０に供給され得る。実施形態では、圧縮水素生成物は、ホットボックス１００の始動中又は他の過度的な状態中にＡＴＯ１３０に供給され得、ホットボックス１００の熱管理のために使用することができる。図２に示される実施形態において、１つ又は複数の水素リサイクル導管４１２Ｄは、圧縮水素生成物の一部を１つ又は複数のそれぞれのホットボックス１００のＡＴＯ１３０に選択的に方向を変えることができる。いくつかの実施形態では、水素リサイクル導管４１２Ｄは、圧縮水素生成物をそれぞれのＡＴＯ１３０に向けるためのアノード排気導管３０８Ｄに流体的に連結することができる。水素をＡＴＯ１３０に供給することによって、ホットボックス１００の温度は、ほぼ一定の温度、又は実行可能である限り（ａｓ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｏｒ ｐｒａｃｔｉｃａｌ）一定に近い温度に維持される。他の変化（例えば、周囲温度の変化、意図的な空気流の変化など）を考えると、ＡＴＯ１３０への供給流の予め定められた流量制御はない。いくつかの構成では、比例ソレノイドバルブを使用して流量を＋／－３～５％に制御することができる。他の構成では、流量をさらに制御できるが（例えば、＋／－０．５％）、このような他の構成は高価である。

【0044】

実施形態では、圧縮水素生成物は、追加の処理又は調整を必要とせずに、燃料電池システム１０にて使用するために再利用できるほど十分に純粋（すなわち、乾燥）であり得る。さらに、いくつかの実施形態では、乾燥圧縮水素生成物は、水の凝縮を避けるために圧縮水素生成物を運ぶ導管４１２Ａ、４１２Ｂ、４１２Ｃ、４１２Ｄをトレースし、断熱する必要なく、燃料電池システム１０の様々な構成要素／位置に供給することができる。乾燥圧縮水素生成物はまた、脱硫タンクなど、燃料電池システム１０の望ましくない場所で凝縮を生じる恐れがない。

【0045】

圧縮水素生成物が燃料電池システム１０又はその構成要素で使用するのに十分に乾燥していない場合、燃料電池システム１０で圧縮水素生成物が使用される前に、圧縮水素生成物の含水量をさらに減少させるために、冷却凝縮器を任意選択で使用することができる。

【0046】

さまざまな実施形態では、システムコントローラ２２５（図１を参照）は、燃料電池システム１０内のさまざまな位置及び／又は１つ又は複数の水素貯蔵容器４１４に供給される圧縮水素生成物の量を制御することができる。１つの非限定的な実施例において、燃料電池システム１０の定常状態動作中に、圧縮水素生成物の全部又はほぼ全部を燃料電池システム１０のホットボックス１００に供給することができる。燃料電池システム１０の動作に必要とされない過剰な圧縮水素生成物は、１つ又は複数の水素貯蔵容器４１４に供給され得る。圧縮水素生成物の大部分を燃料電池システム１０に再循環させることの利点は、燃料としてより多くの水素生成物が再循環されるにつれて、燃料電池システム１０の正確で高い燃料利用率目標を満たすことの必要性を減らすことができる点である。相対的に多量の再循環水素生成物を供給することにより、パスあたりの利用率がより低くても、燃料電池システム１０の全体的な燃料利用率を高く維持することができる。さらに、燃料電池システム１０の燃料利用率を希望通り下げることによって、１つ又は複数の水素貯蔵容器４１４に供給される水素生成物の量を増やすことができる。

【0047】

再び図２を参照すると、少なくとも１つの水素ポンプ４０８からのポンピングされない流出物は、主に水（例えば、水蒸気及び／又は液体水）及び二酸化炭素を含み得る。ポンピングされない流出物は、アノード排気から分離されなかった少量の（ｓｍａｌｌ）水素、並びに少量の（ｓｍａｌｌｅｒ）一酸化炭素、窒素、及びその他の不純物も含み得る。例えば、ポンピングされない流出物は、０～５％モル分率のＨ_２等の１０％モル分率未満のＨ_２、０～１％モル分率のＣＯ、及び０～１％モル分率の窒素を含み得る。液体水は、少なくとも１つの水素ポンプ４０８から水排出導管４１７を通じて任意選択で除去することができ、導管４１７内の液体水は任意選択で精製及び／又は再利用することができる。少なくとも１つの水素ポンプ４０８からのガス状のポンピングされない流出物は、少なくとも１つの水素ポンプ４０８から流出物導管４１８に供給され得る。

【0048】

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの水素ポンプからの流出物は、任意選択で、流出物導管４１８から、任意の適切な流体（例えばガス）ブロワ、ポンプ、圧縮機などであってよいブロワ４１９に供給され得る。ブロワ４１９は、少なくとも１つの水素ポンプ４０８からのポンピングされない流出物を「引っ張る」ことができる。ブロワ４１９は、２～１５ｐｓｉｇの間の圧力などに、流出物をさらに圧縮することができる。ポンピングされない流出物の圧縮の熱は、ポンピングされない流出物の温度を上昇させ得る。これは、流出物中の残留Ｈ_２及びＣＯの一部又は全部を酸化するように構成された後続の触媒反応又は熱反応のために、流出物を予熱することができる。流出物の圧縮はまた、圧縮を、その後に実行され得るＣＯ_２圧縮、脱水及び／又は液化プロセスから切り離すことができる。任意選択のブロワ４１９が存在する実施形態では、ブロワ４１９からの圧縮された流出物を流出物導管４２０に供給することができる。場合によっては、高い圧縮比を有する大型の圧縮機を調整すること（すなわち、圧縮機の速度を変えること）が困難な場合がある。例えば、圧縮機の速度がわずかに変化すると、パイプから引っ張ることのできるガスが多すぎたり又は少なすぎたりして、上流側に圧力の乱れをもたらす可能性がある。しかしながら、小さいブロワはゲインが低く、速度を少し調整すると、流量と吸入圧力がわずかに変化する。場合によっては、ブロワの下流の小さな貯蔵容積を使用して、圧力制御のためにシステムにいくらかのキャパシタンスを提供することができる。例えば、下流の貯蔵容積は、滞留時間１分程度であり得る。

【0049】

様々な実施形態において、ブロワ４１９からの圧縮された流出物は、任意選択で、流出物導管４２０を通じて酸化反応器４２１に供給され得る。酸化反応器４２１は、後続の二酸化炭素処理工程の前に流出物から残っているＨ_２及びＣＯ含有量を低減又は除去するように構成され得る触媒又は熱酸化反応器であってよい。酸素源４２２は、酸化反応器４２１に連結することができ、酸化反応のための酸素を供給することができる。いくつかの実施形態では、酸素源４２２は空気ブロワを含むことができる。代替的又は付加的に、酸素源４２２は、酸化反応のために精製された酸素を提供することができる酸素発生器又は酸素貯蔵装置であってもよい。任意選択の酸化反応器４２１が存在する実施形態では、酸化反応器４２１からの流出物（ほぼ完全にＨ_２Ｏ及びＣＯ_２から構成され得る）は、流出物導管４２３に供給され得る。

【0050】

いくつかの実施形態では、システム１０は、少なくとも１つの水素ポンプ４０８からの流出生成物を含む流出物導管４１８、４２０、及び／又は４２３に動作可能に接続され得る二酸化炭素処理装置４２４を任意選択で含むことができる。二酸化炭素処理装置４２４は、少なくとも１つの水素ポンプ４０８から受け入れた流出物流を圧縮及び／又は冷却するように動作し得、この流出物流は任意選択でブロワ４１９によって圧縮され得、及び／又は酸化反応器４２１において酸化反応を受け得る。任意選択の二酸化炭素処理装置４２４は、流出物流から水を除去するように構成された凝縮器及び／又はドライヤーであってよい。いくつかの実施形態では、任意選択の二酸化炭素処理装置４２４はまた、流出物流を液化ＣＯ_２生成物に変換することもできる。流出物流から除去された水は、任意選択の精製及び／又は再利用のために、水排出導管４２５を通じて二酸化炭素処理装置４２４から任意選択で除去することができる。精製された又は純粋なＣＯ_２を含み得る流出物流の残りの部分は、ＣＯ_２の貯蔵及び／又は隔離のために、導管４２６を通じて１つ又は複数の二酸化炭素貯蔵容器４２７に供給され得るか、又は、化学プロセス、飲料用カーボネーション等のために使用され得る。いくつかの実施形態では、１つ又は複数の二酸化炭素貯蔵容器は、貯蔵のためにＣＯ_２をドライアイスに変換するように構成された１つ又は複数の極低温貯蔵装置を含むことができる。

【0051】

図３は、本開示の別の実施形態による燃料電池システム２０を概略的に示す。図３の燃料電池システム２０は、図２を参照して上述した燃料電池システム１０と類似であり得る。したがって、同様の構成要素の繰り返しの説明は、簡潔のために省略される。図３の燃料電池システム２０は、より低い圧力の（ｌｏｗｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）水素ポンプとより高い圧力（ｈｉｇｈｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）の水素ポンプを使用して水素生成物を回収できるという点で、図２の燃料電池システム１０とは異なり得る。

【0052】

特に、図３を参照すると、アノード排気導管３０８Ｌ内に配置されたスプリッタ４５０（例えば、バルブ、パッシブスプリッタなど）は、部分的に水和されたアノード排気流の一部をアノード排気導管４５１に向けることができる。アノード排気導管３０８Ｌ内の部分的に水和されたアノード排気流の残りの部分は、少なくとも１つの低圧水素ポンプ４５２に供給され得る。少なくとも１つの低圧水素ポンプ４５２は、アノード排気流から分離された水素を相対的に低い圧力（例えば、１～１５０ｐｓｉｇ）にポンピングするように構成され得る。様々な実施形態において、少なくとも１つの低圧水素ポンプ４５２は、燃料電池システム２０での使用に適した圧力に水素をポンピングすることができる。少なくとも１つの低圧水素ポンプ４５２からの圧縮水素生成物は、図２を参照して上述したように、燃料電池システム２０でさらに使用するために水素リサイクル導管４１２Ａに供給され得る。少なくとも１つの低圧水素ポンプ４５２からの残りの流出物は、流出物導管４１８に供給され、図２を参照して上述したように、任意選択のブロワ４１９、任意選択の酸化反応器４２１、及び、ＣＯ_２の分離のための任意選択の二酸化炭素処理装置４２４に進むことができる。流出物からの液体水は、任意選択で、水排出導管４５３を通じて回収することができる。

【0053】

再び図３を参照すると、アノード排気導管４５１内部に位置する部分的に水和されたアノード排気流の一部は、少なくとも１つの高圧水素ポンプ４５４に供給され得る。少なくとも１つの高圧水素ポンプ４５４は、アノード排気流から分離された水素を、相対的に高い圧力（例えば、２００～１０，０００ｐｓｉｇ）にポンピングするように構成され得る。様々な実施形態において、少なくとも１つの高圧水素ポンプ４５２は、水素貯蔵及び／又は精製水素生成物の商業販売の目的に適した圧力に水素をポンピングすることができる。少なくとも１つの高圧水素ポンプ４５４からの圧縮水素生成物は、水素生成物導管４５６を通じて１つ又は複数の水素貯蔵容器４１４に供給され得る。少なくとも１つの高圧水素ポンプ４５４からの残りのガス状流出物は、流出物導管４５７に供給され得、流出物からの液体水は任意選択で水排出導管４５３を通じて回収することができる。いくつかの実施形態では、流出物導管４５７は、少なくとも１つの高圧水素ポンプ４５４からの流出物を、図２を参照して上述したように、任意選択のブロワ４１９、任意選択の酸化反応器４２１、及び、ＣＯ_２を分離するための任意選択の二酸化炭素処理装置４２４に供給することができる。

【0054】

一般に、貯蔵及び／又は商業販売を目的とする水素生成物は、燃料電池システム２０で使用するために再循環される水素生成物よりも高い加圧度を必要とする可能性がある。様々な実施形態において、アノード排気流を並行して処理し得る、少なくとも１つの低圧水素ポンプ４５２と少なくとも１つの高圧水素ポンプ４５４を提供することによって、燃料電池システム２０のアノード排気から回収された圧縮水素生成物は、異なる用途のために最適化することができる。いくつかの実施形態では、それぞれの水素ポンプ４５２、４５４にフィードする平行なアノード排気流の流量の変動を緩和するために、少なくとも１つの低圧水素ポンプ４５２及び／又は少なくとも１つの高圧水素ポンプ４５４の上流に、１つ又は複数のバッファタンク（図３には図示せず）を設けることができる。

【0055】

したがって、図１～３に示される燃料電池システム１０、２０は、燃料電池システム１０、２０に供給される吸入燃料の水素含有量の本質的にすべて及び炭素含有量の本質的にすべてを使用又は再捕捉することができる。これにより、燃料電池システム１０、２０の燃料利用率を高めることができる。

【0056】

図４は、本開示の別の実施形態による燃料電池システム３０を概略的に示す。図４の燃料電池システム３０は、図２及び３を参照して上述した燃料電池システム１０及び２０と類似であり得る。したがって、同様の構成要素の繰り返しの説明は、簡潔のために省略される。図４の燃料電池システム３０は、二酸化炭素ポンプを使用して、アノード排気流からＣＯ_２の少なくとも一部を分離することができるという点で、図２及び３の燃料電池システム１０及び２０とは異なり得る。

【0057】

図４を参照すると、少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００が、燃料電池システム３０のホットボックス１００からのアノード排気流において、水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器４０５と凝縮器４０６の下流側に配置され得る。凝縮器４０６は、水蒸気を液体水に凝縮し、アノード排気流の温度及び／又は含水量が二酸化炭素ポンプ６００の動作範囲内にあるように、アノード排気流の温度を低下させるように構成することができる。アノード排気流から凝縮された液体水は、水排出導管４０７を通じて除去することができる。アノード排気導管３０８Ｌは、凝縮器４０６からの部分的に脱水されたアノード排気流を少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００の入口に供給することができる。

【0058】

少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００は、１つ又は複数の電気化学式二酸化炭素ポンプを含むことができる。少なくとも１つの電気化学式二酸化炭素ポンプ６００は、より低い圧力の（ｌｏｗｅｒ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ）アノード排気流からのＣＯ_２を、水も含み得るより高い圧力の（ｈｉｇｈｅｒ－ｐｒｅｓｓｕｒｅ）ほぼ純粋なＣＯ_２生成物にポンピングするように構成され得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの電気化学式二酸化炭素ポンプは、スクラバーと、高分子膜全体に電流又は電圧を印加すると高分子膜を通して二酸化炭素を電気化学的にポンピングするセパレータ（すなわち、濃縮器）とを含み得る。様々な実施形態において、少なくとも１つの電気化学式二酸化炭素ポンプ６００は、「ＣＯ_２ＲＥＮＥＷ（登録商標）」という名称でＳｋｙｒｅ，Ｉｎｃ．から入手可能であり、及び／又は米国特許出願公開第２０２０／０２２２８５２号に記載されている高圧二酸化炭素分離及び圧縮システムを含むことができる。少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００は、直列及び／又は並列に接続された複数のポンプ（例えば、複数の分離膜スタック）を含み、ＣＯ_２のより高い全体回収率及び／又はより高いスループットを可能にすることができる。

【0059】

一実施形態では、少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００は、脱水されたアノード排気流に存在するＣＯ_２の少なくとも７０％、例えば７０～９０％以上を回収することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００は、分離されたＣＯ_２生成物を、１～５ｐｓｉｇ、５～１５０ｐｓｉｇ、又は１５０～５，０００ｐｓｉｇなど、１ｐｓｉｇと５，０００ｐｓｉｇとの間の圧力まで加圧することができる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００によって発生する圧縮ＣＯ_２生成物は、追加の機械的圧縮なしで使用、貯蔵、又は隔離するのに適し得る。

【0060】

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００からの圧縮ＣＯ_２生成物は、導管６０２を通じて二酸化炭素処理装置４２４に供給され得る。二酸化炭素処理装置４２４は、熱スイング吸着（ＴＳＡ）及び／又は圧力スイング吸着（ＰＳＡ）などにより、圧縮ＣＯ_２生成物から残留水を除去することができる。圧縮ＣＯ_２生成物から除去される水は、任意選択の精製及び／又は再利用のために、任意選択で水排出導管４２５を通じて除去することができる。圧縮ＣＯ_２生成物は、貯蔵、使用及び／又は隔離に適した圧力までＣＯ_２生成物を加圧するために、任意選択でさらなる圧縮を受けてもよい。いくつかの実施形態では、圧縮ＣＯ_２生成物は、液化又は固化してドライアイスにすることができる。二酸化炭素処理装置４２４による処理に続いて、精製された又は純粋なＣＯ_２を含み得る圧縮ＣＯ_２生成物は、ＣＯ_２の貯蔵及び／又は隔離のために導管４２６を通じて１つ又は複数の二酸化炭素貯蔵容器４２７に供給され得るか、又は化学プロセス、飲料用カーボネーションなどに使用され得る。

【0061】

再び図４を参照すると、少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００からのポンピングされない流出物は、水素、水（例えば、水蒸気及び／又は液体水）、少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００によってアノード排気から分離されなかった二酸化炭素、及び、少量の一酸化炭素、窒素、及びその他の不純物を含むことができる。いくつかの実施形態では、ポンピングされない流出物からの液体水を、任意選択で、水排出導管６０１を通じて除去することができる。少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００からの残りのポンピングされない流出物は、燃料電池システム３０に再循環されるために導管６０３に供給され得る。

【0062】

様々な実施形態において、少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００からのポンピングされない流出物は、アノード排気流からの水素及び一酸化炭素の実質的にすべてを含み得る。ポンピングされない流出物流内の水素及び一酸化炭素の濃度は、アノード排気流からの二酸化炭素の大部分及び水の一部が少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００によって除去されるため、一般にアノード排気流内のそれらの濃度よりも高くなる。これは、スタック１０２及び／又はＡＴＯ１３０のための燃料源又は補助燃料としての使用を含め、導管６０３内の流出物流を燃料電池システム３０での使用に有利にし得る。様々な実施形態において、少なくとも１つのブロワ６０４は、導管６０３と流体連通状態にあり得る。少なくとも１つのブロワ６０４は、任意の適切な流体（例えばガス）ブロワ、ポンプ、圧縮機などを含むことができる。少なくとも１つのブロワ６０４は、流出物流を燃料電池システム１０での使用に適した圧力まで圧縮することができる。いくつかの実施形態では、複数のブロワ６０４を利用して、流出物流の一部を燃料電池システム１０内での異なる使用のための異なる圧力まで圧縮することができる。例えば、アノードリサイクル導管４１２Ｃと流体連通する第１のブロワ６０４を使用して、ホットボックス１００のアノードリサイクルループに供給される流出物流の圧力を、１ｐｓｉ～２ｐｓｉだけ上昇させることができる。ホットボックス１００に供給される流出物の少なくとも一部は、熱管理及び／又はＡＴＯ１３０から窒素を除去するために、ホットボックス１００のＡＴＯ１３０にも供給され得る。それぞれのホットボックス１００のＡＴＯ１３０に供給される流出物の一部を制御するために、比例ソレノイドバルブを使用することができる。アノードリサイクル導管４１２Ｂと流体連通する追加のブロワ６０４を使用して、燃料電池システム３０の燃料吸入流に供給される流出物流の圧力を、１０ｐｓｉ～１５ｐｓｉだけ上昇させることができる。

【0063】

図４に示す燃料電池システム３０では、分離された二酸化炭素生成物及び／又は燃料電池システム３０の再循環燃料のいずれかとして、燃料のほとんどすべてを再循環させることができるので、燃料電池システム３０のパス当たりの燃料利用率を下げることができる。さらに、少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００からの流出物流中の残留ＣＯ_２は、燃料電池システム３０を通って、最終的にホットボックス１００からのアノード排気流に再循環されて戻されるので、少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００は、ＣＯ_２回収率が極端に高い必要はない。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００のパス当たりのＣＯ_２回収率は、７０～９０％の間であり得る。これにより、ホットボックス１００のＡＴＯ１３０に再循環され、及び／又はそれによって生成され得る少量のＣＯ_２を差し引いた、燃料電池システム３０のほぼ１００％の全体的なＣＯ_２回収が可能になる。

【0064】

少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００のＣＯ耐性に応じて、いくつかの実施形態では、ＷＧＳ反応器４０５及びアノード排気調整ユニット４０４を、図４の燃料電池システム３０から除去することができる。したがって、マニホールド１０４からのアノード排気は、アノード排気流の温度及び／又は含水量が少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００の動作範囲内にあるようにアノード排気流を調整するように構成され得る凝縮器４０６に供給され得る。このような場合、少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００に入るアノード排気流、並びに少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００からの流出物流は、Ｈ_２及びＣＯの濃度が相対的に高くなり得る。

【0065】

図５は、本開示の別の実施形態による燃料電池システム４０を概略的に示す。図５の燃料電池システム４０は、図４を参照して上述した燃料電池システム３０と類似であり得る。したがって、同様の構成要素の繰り返しの説明は、簡潔のため省略される。図５の燃料電池システム４０は、少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００の上流側に少なくとも１つの水素ポンプ４０８を付け加えることにより、図４の燃料電池システム３０とは異なり得る。様々な実施形態において、アノード排気流は、凝縮器４０６からアノード排気導管３０８Ｌを通じて少なくとも１つの水素ポンプ４０８に供給され得る。少なくとも１つの水素ポンプ４０８は、上述のように圧縮水素生成物を発生することができ、それは導管４１０に提供され得る。少なくとも１つの水素ポンプ４０８からの圧縮水素生成物は、燃料電池システム３０に再循環され、及び／又は、貯蔵及び潜在的な商用販売のために１つ又は複数の水素貯蔵容器４１４に供給され得る。図５に示される実施形態では、スプリッタ４１３を使用して、圧縮水素生成物の一部を、水素貯蔵導管４１３を通じて１つ又は複数の水素貯蔵容器４１４に供給することができ、圧縮水素生成物の残りの部分は、導管４１２Ａを通じて燃料電池システムでの使用のために再循環させることができる。

【0066】

少なくとも１つの水素ポンプ４０８からのポンピングされない流出物は、少量の水素、一酸化炭素、窒素、及び他の不純物とともに、主に水（例えば、水蒸気及び／又は液体水）及び二酸化炭素を含み得る。ポンピングされない流出物からの液体水は、水排出導管４１７を通じて任意選択に除去することができる。残りの流出物流は、導管３０８Ｍを通じて少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００に供給することができる。少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００は、図４を参照して上述したように、流出物流からＣＯ_２の大部分（例えば、７０％以上）を分離し、圧縮ＣＯ_２生成物を供給することができる。圧縮ＣＯ_２生成物は、導管６０２を通じて二酸化炭素処理装置４２４に任意選択で供給され得る。

【0067】

少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００からのポンピングされない流出物は、水（例えば、水蒸気及び／又は液体の水）及び少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００によって分離されなかった二酸化炭素、並びに少量の水素、一酸化炭素、窒素、及びその他の不純物を含み得る。ポンピングされない流出物からの液体水は、水排出導管６０１を通じて任意選択で除去することができる。残りの流出物は導管６０３に供給されて、上述のように燃料電池システム４０での使用のために再循環させることができる。

【0068】

少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００の上流側に少なくとも１つの水素ポンプ４０８を設けることの利点は、少なくとも１つの水素ポンプ４０８が、プロセス流が少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００に供給される前に、プロセス流のガス流量を減少させることができる点である。さらに、少なくとも１つの水素ポンプ４０８を使用して水素を除去することにより、少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００に供給されるプロセス流中のＣＯ_２の濃度を増加させることができる。図５のシステム４０はまた、純粋な又は精製された水素生成物を発生することができ、これは、後の使用及び／又は販売のために貯蔵され得る。

【0069】

図６は、本開示の別の実施形態による燃料電池システム５０を概略的に示す。図５の燃料電池システム５０は、図２を参照して上述した燃料電池システム１０と類似であり得る。したがって、同様の構成要素の繰り返しの説明は、簡潔のために省略される。図３の燃料電池システム５０は、少なくとも１つの水素ポンプ４０８の上流側に少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００を付け加えることにより、図２の燃料電池システム１０とは異なり得る。様々な実施形態において、アノード排気流は、凝縮器４０６からアノード排気導管３０８Ｌを通じて少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００に供給され得る。少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００は、図４を参照して上述したように、アノード排気流からＣＯ_２の大部分（例えば、７０％以上）を分離し、圧縮ＣＯ_２生成物を提供することができる。圧縮ＣＯ_２生成物は、導管６０２を通じて二酸化炭素処理装置４２４に任意選択で供給され得る。

【0070】

少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００からのポンピングされない流出物は、水（例えば、水蒸気及び／又は液体水）、水素、及び、少なくとも１つの二酸化炭素ポンプ６００によって分離されなかった二酸化炭素、並びに少量の一酸化炭素、窒素、及びその他の不純物を含む、水素富化プロセス流を含むことができる。ポンピングされない流出物からの液体水は、水排出導管６０１を通じて任意選択で除去することができる。残りの流出物は、導管６０４を通じて少なくとも１つの水素ポンプ４０８に供給することができる。

【0071】

少なくとも１つの水素ポンプ４０８は、上述のように圧縮水素生成物を発生することができ、これは導管４１０に供給され得る。少なくとも１つの水素ポンプ４０８からの圧縮水素生成物は、燃料電池システム３０に再循環され、及び／又は、貯蔵及び潜在的な商用販売のために１つ又は複数の水素貯蔵容器４１４に供給され得る。図６に示される実施形態では、スプリッタ４１１を使用して、圧縮水素生成物の一部を水素貯蔵導管４１３を通じて１つ又は複数の水素貯蔵容器４１４に供給することができ、圧縮水素生成物の残りの部分は、燃料電池システムでの使用のために導管４１２Ａを通じて再循環させることができる。

【0072】

少なくとも１つの水素ポンプ４０８からのガス状のポンピングされない流出物は、少なくとも１つの水素ポンプ４０８から流出物導管４１８に供給されてもよく、任意選択で、先に図２を参照して上述したように、ブロワ４１９、及び、流出物から残留Ｈ_２及びＣＯを低減又は除去するように構成された酸化反応器４２１に供給されてもよい。残りの流出物は、主に水及びＣＯ_２を含み得るが、上述のように残りのＣＯ_２の回収、貯蔵及び／又は使用のために、導管６０６を通じて二酸化炭素処理装置４２４に供給され得る。

【0073】

開示された態様の前述の説明は、当業者が本開示をなす又は使用することを可能にするために提供される。これらの態様に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義される概括的な原理は、本開示の範囲から逸脱することなく他の態様に適用することができる。したがって、本開示は、本明細書に示される態様に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示される原理及び新規の特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【外国語明細書】