特開2023-86127燃料電池システム及び燃料電池システムを百パーセントに近い燃料利用率で動作させる方法
(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】P2023086127
(43)【公開日】2023-06-21
(54)【発明の名称】燃料電池システム及び燃料電池システムを百パーセントに近い燃料利用率で動作させる方法
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20230614BHJP
H01M 8/2475 20160101ALI20230614BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20230614BHJP
H01M 8/0662 20160101ALI20230614BHJP
C01B 3/56 20060101ALI20230614BHJP
C01B 3/38 20060101ALI20230614BHJP
C01B 3/16 20060101ALI20230614BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 J
H01M8/2475
H01M8/12 101
H01M8/0662
C01B3/56 Z
C01B3/38
C01B3/16
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2022196710
(22)【出願日】2022-12-09
(31)【優先権主張番号】63/287,753
(32)【優先日】2021-12-09
(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】ウェインガートナー，デイビッド
(72)【発明者】
【氏名】ヤング，グレッグ
(72)【発明者】
【氏名】スリヴァトサン，ヴィジャイ
(72)【発明者】
【氏名】ペトルーチャ，マイケル
【テーマコード（参考）】
4G140
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
4G140EA03
4G140EA06
4G140EB03
4G140FA02
4G140FB02
4G140FB04
4G140FC09
4G140FE01
4G140FE06
5H126BB06
5H126FF10
5H127AA07
5H127AC15
5H127BA02
5H127BA12
5H127BA17
5H127BA28
5H127BA34
5H127BA44
5H127BA57
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB24
5H127BB27
5H127BB37
5H127BB39
5H127EE12
5H127EE25
(57)【要約】 （修正有）
【課題】燃料電池システムを百パーセントに近い燃料利用率で動作させる方法を提供する。
【解決手段】燃料電池システム３００は、燃料排気流から水素及び二酸化炭素を分離する少なくとも１つの電気化学ポンプセパレーターを備える。
【選択図】図３
【解決手段】燃料電池システム３００は、燃料排気流から水素及び二酸化炭素を分離する少なくとも１つの電気化学ポンプセパレーターを備える。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ホットボックスと、
前記ホットボックス内に配置される燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックによって出力される燃料排気を受け取る燃料排気導管と、
前記燃料排気から液体を分離する燃料排気セパレーターと、
前記燃料排気を燃料入口導管に流体接続する再循環導管と、
を備える、燃料電池システム。
前記ホットボックス内に配置される燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックによって出力される燃料排気を受け取る燃料排気導管と、
前記燃料排気から液体を分離する燃料排気セパレーターと、
前記燃料排気を燃料入口導管に流体接続する再循環導管と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項2】
前記燃料排気の液体含有量を低減する燃料排気凝縮器を更に備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項3】
前記燃料排気セパレーター及び前記燃料排気凝縮器を流体接続する水導管を通して、前記液体を前記燃料排気凝縮器に戻す、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項4】
前記燃料排気から不純物を除去する弁を更に備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項5】
前記再循環導管及び前記燃料入口導管を流体接続する混合器を更に備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項6】
燃料排気導管において、ホットボックス内に配置される燃料電池スタックによって出力される燃料排気を受け取ることと、
燃料排気セパレーターにおいて、前記燃料排気から液体を分離することと、
再循環導管において、前記燃料排気及び燃料入口導管を流体接続することと、
を含む、燃料電池システムを動作させる方法。
燃料排気セパレーターにおいて、前記燃料排気から液体を分離することと、
再循環導管において、前記燃料排気及び燃料入口導管を流体接続することと、
を含む、燃料電池システムを動作させる方法。
【請求項7】
燃料排気凝縮器において、前記燃料排気の液体含有量を低減することを更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項8】
前記燃料排気セパレーター及び前記燃料排気凝縮器を流体接続する水導管を通して、前記液体を前記燃料排気凝縮器に戻す、請求項７に記載の方法。
【請求項9】
弁において、前記燃料排気から不純物を除去することを更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項10】
混合器が、前記再循環導管及び前記燃料入口導管を流体接続する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項11】
ホットボックスと、
前記ホットボックス内に配置される燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックによって出力される燃料排気を受け取る燃料排気導管と、
燃料排気を再循環導管及び処理導管に流体的に分離する燃料排気スプリッターと、
を備え、
前記再循環導管は、前記燃料排気を燃料入口導管に流体接続し、前記処理導管は、ガスセパレーターに流体接続される、燃料電池システム。
前記ホットボックス内に配置される燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックによって出力される燃料排気を受け取る燃料排気導管と、
燃料排気を再循環導管及び処理導管に流体的に分離する燃料排気スプリッターと、
を備え、
前記再循環導管は、前記燃料排気を燃料入口導管に流体接続し、前記処理導管は、ガスセパレーターに流体接続される、燃料電池システム。
【請求項12】
前記ガスセパレーターは、蒸気、二酸化炭素、及び水素と一酸化炭素との混合物の流れを分離する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項13】
二酸化炭素がガス貯蔵装置に貯蔵される、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項14】
燃料電池スタックと、
アノード復熱交換器と、
アノード排気冷却器熱交換器と、
前記アノード復熱交換器と前記アノード排気冷却器熱交換器との間に位置するスプリッターと、
少なくとも１つの電気化学水素ポンプセパレーターと、
前記スプリッターを前記少なくとも１つの水素ポンプに流体接続するアノード排気冷却器バイパスと、
を備える、燃料電池システム。
アノード復熱交換器と、
アノード排気冷却器熱交換器と、
前記アノード復熱交換器と前記アノード排気冷却器熱交換器との間に位置するスプリッターと、
少なくとも１つの電気化学水素ポンプセパレーターと、
前記スプリッターを前記少なくとも１つの水素ポンプに流体接続するアノード排気冷却器バイパスと、
を備える、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、包括的には、ガス分離の分野に関し、より詳細には、電気化学的な燃料排気の燃料回収を伴う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
燃料電池は、燃料内に貯蔵されたエネルギーを電気エネルギーへと高効率で変換することができる電気化学的装置である。高温型燃料電池は、固体酸化物型燃料電池及び溶融炭酸塩型燃料電池を含む。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。固体酸化物型再生燃料電池等の燃料電池のクラスが存在し、これらの燃料電池は、電気エネルギーを入力として使用することで、酸化した燃料を酸化されていない燃料へと再還元することができるように、逆の動作も可能にする。
【図面の簡単な説明】
【0003】
【発明の概要】
【0004】
本開示の様々な実施形態によれば、燃料電池システムは、燃料電池スタックと、アノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）と、カソードとアノードとの間に配置される電解質をそれぞれ含む第１の電気化学水素ポンプセパレーター及び第２の電気化学水素ポンプセパレーターと、燃料電池スタックの燃料排気出口をスプリッターに流体接続する燃料排気導管と、スプリッターの出口を第１の水素ポンプセパレーターのアノード入口に流体接続する第１の分離導管と、第１の水素ポンプセパレーターのアノード出口を第２のポンプセパレーターのアノード入口に流体接続する第２の分離導管と、第１の電気化学ポンプセパレーターのカソード出口をアノードテールガス酸化器に流体接続するＡＴＯ入口導管と、第２の電気化学ポンプセパレーターのカソード出口を燃料電池スタックの燃料入口に流体接続する水素導管と、第２の電気化学ポンプセパレーターのアノード出口を二酸化炭素使用又は貯蔵装置に流体接続する副生成物導管とを備える。
【0005】
本開示の様々な実施形態によれば、燃料電池システムは、ホットボックスと、ホットボックス内に配置される燃料電池スタックと、ホットボックス内に配置されるアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）と、燃料源を燃料電池スタックの入口に流体接続する燃料入口導管と、燃料電池スタックによって発生しホットボックスから出力された燃料排気から水を凝縮するように構成される、ホットボックスの外部に配置される燃料排気凝縮器と、燃料排気凝縮器から受け取った燃料排気から液体の水を除去するように構成される燃料排気セパレーターと、燃料電池スタックの燃料排気出口を燃料排気凝縮器に流体接続する燃料排気導管と、燃料排気セパレーターを燃料入口導管に流体接続する再循環導管と、再循環導管をＡＴＯに流体接続するＡＴＯ入口導管と、再循環導管を通ってＡＴＯ入口導管に入る燃料排気の流れを選択的に制御するように構成される再循環弁とを備える。
【0006】
本開示の様々な実施形態によれば、燃料電池システムは、ホットボックスと、ホットボックス内に配置される燃料電池スタックと、ホットボックス内に配置されるアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）と、燃料源を燃料電池スタックの入口に流体接続する燃料入口導管と、ホットボックスの外部に位置する外部アノード排気冷却器と、燃料電池スタックの燃料排気出口を外部アノード排気冷却器に流体接続する燃料排気導管と、外部アノード排気冷却器を燃料入口導管に流体接続する再循環導管と、再循環導管に流体接続される燃料排気処理導管と、燃料排気処理導管に流体接続され、燃料排気処理導管から受け取った燃料排気を液体の水、二酸化炭素、及び水素の流れに分離するように構成されるガスセパレーターとを備える。
【発明を実施するための形態】
【0007】
本明細書に記載されるように、本開示の様々な態様が、例示の実施形態及び／又は本発明の例示の実施形態が示されている添付図面を参照して説明される。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化することができ、図面に示されている又は本明細書に記載される例示の実施形態に限定されるものと解釈すべきではない。開示されている様々な実施形態は、その特定の実施形態に関連して記載される特定の特徴、要素、又はステップを伴うことができることが理解されよう。また、特定の特徴、要素、又はステップは、１つの特定の実施形態に関連して記載されているが、代替の実施形態と交換しても、代替の実施形態と様々な例示されていない組合せ又は順列で組み合わせてもよいことが理解されよう。
【0008】
また、或る要素又は層が、別の要素若しくは層「の上にある」又は別の要素若しくは層「に接続される」と言及される場合、その要素又は層が、別の要素若しくは層の直接上にあり得るか又は別の要素若しくは層に直接接続され得るか、或いは介在する要素又は層が存在し得ると理解されよう。対照的に、或る要素が、別の要素若しくは層「の直接上にある」又は別の要素若しくは層「に直接接続される」と言及される場合、介在する要素又は層は存在しない。本開示の目的のために、「Ｘ、Ｙ及びＺの少なくとも１つ」は、Ｘのみ、Ｙのみ、Ｚのみ、又はＸ、Ｙ及びＺの２つ以上の項目の任意の組合せ（例えば、ＸＹＺ、ＸＹＹ、ＹＺ、ＺＺ）として解釈され得ることが理解されよう。
【0009】
本明細書において、「約」１つの特定の値から及び／又は「約」別の特定の値までのように範囲が表現され得る。そのような範囲が表現される場合の例として、１つの特定の値から及び／又は他の特定の値までというのが挙げられる。同様に、頭に「約」又は「実質的に」を使用することによって値が近似として表現される場合、特定の値は別の様相を形成することが理解されよう。いくつかの実施形態において、「約Ｘ」という値は、＋／－１％Ｘという値を含み得る。範囲のそれぞれの端点は、他方の端点に関連しても、他方の端点とは無関係でも重要であることが更に理解されよう。
【0010】
本明細書において、「燃料排気」という用語は、燃料電池スタックのアノードから出力される排気を指すことができ、スタックに供給される未反応の燃料を含むことができる。「空気排気」という用語は、燃料電池スタックのカソードから出力される及び／又はアノードテールガス酸化器から出力される排気を指すことができる。
【0011】
本発明の第１の比較実施形態及び第２の比較実施形態は、電気化学ポンプセパレーターが固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）システム等の燃料電池システムとともに使用される様子を示している。他の燃料電池システムを使用することもできることに留意すべきである。
【0012】
第１の実施形態のシステムにおいて、燃料電池スタック内に供給される燃料入口流を加湿するために、燃料加湿器が使用される。第２の実施形態のシステムにおいて、燃料加湿器は省くことができる。燃料電池スタックの燃料排気流の一部は、燃料入口流を加湿するために、燃料入口流へと直接再循環させる。燃料電池スタックの燃料排気流の別の部分は、セパレーター内に供給され、次いで、分離された水素は、燃料入口流内に供給される。
【0013】
図１は、米国特許第８，１０１，３０７号に記載の燃料電池システム１００の概略図である。上記特許文献は、その全体を参照により本明細書に援用する。システム１００は、固体酸化物型燃料電池スタック等の燃料電池スタック１０１（イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等のセラミック電解質、ニッケル－ＹＳＺサーメット等のアノード電極、及びランタンストロンチウムマンガナイト等のカソード電極を含むスタックの１つの固体酸化物型燃料電池を示すように概略的に図示されている）を備える。
【0014】
システム１００は、燃料排気流から水素を電気化学的に分離する電気化学ポンプセパレーター１５０も備える。ポンプセパレーター１５０は、ポリマー電解質を含む任意の好適なプロトン交換膜装置を備えることができる。電解質の各側に位置するアノード電極とカソード電極との間に電位差が印加されると、ポリマー電解質を通して水素が拡散する。ポンプセパレーター１５０は、高温低水和イオン交換膜セルのスタック等の一酸化炭素耐性電気化学セルのスタックを備えることが好ましい。このタイプのセルは、アノード電極とカソード電極との間に位置する、例えば、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）膜等の非フッ素化イオン交換アイオノマー膜を備える。膜は、硫酸又はリン酸等の酸でドープされる。そのようなセルの一例は、米国特許出願公開第２００３／０１９６８９３号に開示されており、この特許文献は、その全体を参照により本明細書に援用する。これらのセルは、一般的に、１００℃超～約２００℃の温度範囲で動作する。したがって、システム１００内の熱交換器は、燃料排気流を約１２０℃～約２００℃、例えば、約１６０℃～約１９０℃の温度に保つことができる。
【0015】
システム１００は、燃料電池スタック１０１の燃料排気出口１０３をポンプセパレーター１５０のアノード入口１５１に流体接続する第１の燃料排気導管１５３も含む。システム１００は、ポンプセパレーター１５０のカソード出口１５８を燃料入口導管１１１に流体接続する生成物導管１５７も含み、燃料入口導管１１１は、スタック１０１の燃料入口１０５を外部燃料源に流体接続する。システム１００は、ポンプセパレーター１５０のアノード出口１５２をアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）１４０又は大気ベントに流体接続するセパレーター排気導管１５９も含む。システム１００には、動作時、圧縮された燃料排気流がポンプセパレーター１５０に供給されるように燃料排気を圧縮するコンプレッサーがないことが好ましい。
【0016】
システム１００は、燃料入口導管１１１及びセパレーター排気導管１５９に作動的に接続される燃料加湿器１１９を更に備える。動作時、燃料加湿器１１９は、セパレーター排気導管１５９に出力されるセパレーター排気に含まれる水蒸気を使用して、燃料入口導管１１１内の再循環水素を含む燃料を加湿する。燃料加湿器１１９は、例えば、米国特許第６，１０６，９６４号及び米国特許出願第１０／３６８，４２５号に記載されているように、Ｎａｆｉｏｎ（商標）膜加湿器等のポリマー膜加湿器、エンタルピーホイール、又は複数の水吸着床を含むことができる。上記特許文献の双方は、その全体を参照により本明細書に援用する。例えば、１つの好適なタイプの加湿器は、Ｐｅｒｍａ Ｐｕｒｅ ＬＬＣ社から入手可能な水蒸気及びエンタルピー移動Ｎａｆｉｏｎ（商標）系透水性膜を含む。燃料加湿器１１９は、水蒸気及びエンタルピーを燃料排気流から燃料入口流に受動的に移動させ、燃料入口流において２～２．５の蒸気対炭素比をもたらす。燃料入口導管１１１内の燃料の温度は、燃料加湿器１１９によって約８０℃～約９０℃に上昇させることができる。
【0017】
システム１００は、燃料入口導管１１１及び燃料排気導管１５３に作動的に接続される復熱交換器１２１（例えば、アノード復熱器）も含む。熱交換器１２１は、燃料排気導管１５３内の燃料排気から取り出された熱を使用して、燃料入口導管１１１内の燃料を加熱する。熱交換器１２１は、流入する燃料の温度の上昇を補助するとともに、燃料排気温度を低減し、燃料排気温度は凝縮器内で更に冷却することができ、燃料加湿器１１９を損傷させないようになっている。
【0018】
燃料電池が外部燃料改質型セルである場合、システム１００は、燃料改質器１２３を含む。改質器１２３は、炭化水素燃料入口流を水素及び一酸化炭素を含む燃料流に改質し、その後、この燃料流は、スタック１０１に供給される。改質器１２３は、２００４年１２月２日に出願された米国特許出願第１１／００２，６８１号に記載されているように、燃料電池スタック１０１内で発生する熱により及び／又は任意選択のＡＴＯ１４０内で発生する熱により、放射、対流、及び／又は伝導によって加熱することができる。上記特許文献は、その全体を参照により本明細書に援用する。代替的に、外部燃料改質器１２３は、スタック１０１が、主としてスタックの燃料電池内で改質が生じる内部改質型のセルを含む場合、省いてもよい。
【0019】
システム１００は、スタック１０１の空気入口１０７に流体接続される空気入口導管１３０も備える。任意選択で、システム１００は、空気入口導管１３０に作動的に接続されるとともに、燃料排気導管１５３内の燃料排気から取り出された熱を使用して、空気入口導管１３０内の空気を予熱するように構成される、アノード排気冷却器と称する場合もある空気予熱器熱交換器１２５を備える。所望の場合、この熱交換器１２５は省いてもよい。
【0020】
システム１００は、スタック１０１の空気排気出口１０９をＡＴＯ１４０に流体接続する空気排気導管１３２も備える。システム１００は、空気入口導管１３０及び空気排気導管１３２に作動的に接続される空気熱交換器１２７を収容することが好ましい。この熱交換器１２７は、空気排気導管１３２内の燃料電池スタック空気排気（すなわち、酸化剤又はカソード排気）から取り出された熱を使用して、空気入口導管１３０内の空気を更に加熱する。予熱器熱交換器１２５が省かれる場合、空気は、ブロワー又は他の空気取入れ装置によって熱交換器１２７内に直接供給される。
【0021】
システム１００は、任意選択で、生成物導管１５７及び空気入口導管１３０に作動的に接続される水素冷却器熱交換器１２９も備える。熱交換器１２９は、空気入口導管１３０を通って流れる空気を使用して、ポンプセパレーター１５０から出力される分離された水素から熱を取り出す。
【0022】
システム１００は、燃料排気導管１５３に作動的に接続される任意選択の水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器１２８を含むこともできる。ＷＧＳ反応器１２８は、燃料排気中の水の少なくとも一部を遊離水素（Ｈ２）に変換する任意の好適な装置とすることができる。例えば、ＷＧＳ反応器１２８は、燃料排気流中の一酸化炭素及び水蒸気の一部又は全てを二酸化炭素及び水素に変換する触媒を含む管又は導管を含むことができる。したがって、ＷＧＳ反応器１２８は、燃料排気中の水素の量を増大させる。触媒は、酸化鉄又はクロム促進酸化鉄触媒等の任意の好適な触媒とすることができる。ＷＧＳ反応器１２８は、燃料熱交換器１２１と空気予熱器熱交換器１２５との間の燃料排気導管１５３に作動的に接続することができる。
【0023】
システム１００は、以下のように動作することができる。燃料が、燃料入口導管１１１を通して燃料電池スタック１０１に供給される。燃料は、限定はしないが、メタン、水素及び他のガスとともにメタンを含む天然ガス、プロパン、若しくは他のバイオガス、又は、一酸化炭素等の炭素燃料、メタノール等の酸素化炭素含有ガス、若しくは他の炭素含有ガスと、水蒸気、Ｈ２ガス、又はその混合物等の水素含有ガスとの混合物を含む、任意の好適な炭化水素燃料を含むことができる。例えば、上記混合物は、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。
【0024】
燃料流が加湿器１１９を通過する際に、燃料流が加湿される。加湿された燃料流は、その後、燃料熱交換器１２１を通過し、そこで、加湿燃料が燃料電池スタック燃料排気によって加熱される。次いで、加熱された加湿燃料は、燃料改質器１２３内に供給される。燃料改質器１２３は、外部改質器であることが好ましい。例えば、燃料改質器１２３は、２００４年１２月２日に出願された米国特許出願第１１／００２，６８１号に記載されている改質器を含むことができる。上記特許文献は、その全体を参照により本明細書に援用する。
【0025】
燃料改質器１２３は、炭化水素燃料を部分的又は全体的に改質し、炭素含有燃料及び遊離水素含有燃料を形成することが可能な任意の好適な装置とすることができる。例えば、燃料改質器１２３は、炭化水素ガスを改質して遊離水素及び炭素含有ガスの混合ガスにすることができる任意の好適な装置とすることができる。例えば、燃料改質器１２３は、触媒で被覆した通路を備えることができ、そこで、天然ガス等の加湿バイオガスが水蒸気メタン改質反応を介して改質され、遊離水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気と、任意選択で残量の未改質のバイオガスを形成する。その後、遊離水素及び一酸化炭素が燃料電池スタック１０１の燃料（すなわち、アノード）入口１０５に供給される。したがって、燃料入口導管１１１における燃料の流れ方向に関して、加湿器１１９は、熱交換器１２１の上流に位置し、熱交換器１２１は、改質器１２３の上流に位置し、改質器１２３は、スタック１０１の上流に位置する。
【0026】
空気入口導管１３０を通してスタック１０１に供給される空気又は他の酸素含有ガス（すなわち、酸化剤）は、空気熱交換器１２７によって、空気排気導管１３２内のカソード排気を使用して加熱される。所望の場合、空気入口導管１３０内の空気は、水素冷却器熱交換器１２９及び／又は空気予熱器熱交換器１２５を通過し、空気をスタック１０１内に供給する前に、空気流の温度を更に上昇させることもできる。
【0027】
動作中、スタック１０１は、供給される燃料及び空気を使用して電気を発生させ、燃料排気及び空気排気を発生させる。燃料排気は、水素、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン等のいくらかの未反応の炭化水素燃料、及び他の反応副生成物及び不純物を含み得る。燃料排気は、スタック１０１に供給される燃料の約２５％を含み得る。
【0028】
燃料排気は、燃料排気出口１０３から出力され、燃料排気導管１５３によってポンプセパレーター１５０に供給される。ポンプセパレーター１５０は、燃料排気中に含まれる水素（Ｈ２）の少なくとも一部を電気化学的に分離する。分離された水素は、カソード出口１５８から出力され、生成物導管１５７によって燃料入口導管１１１に供給され、ここで、水素は、流入する新しい燃料と混合される。水素は、加湿器１１９の上流の燃料入口導管１１１に供給されることが好ましい。
【0029】
この燃料排気流は、まず、熱交換器１２１内に供給され、ここで、温度が好ましくは２００℃未満に低下される一方、流入する燃料の温度を上昇させる。ＷＧＳ反応器１２８及び空気予熱器熱交換器１２５が存在する場合、燃料排気は、ＷＧＳ反応器１２８を通して供給され、水蒸気の少なくとも一部及び残りの一酸化炭素の大部分を二酸化炭素及び水素に変換する。次いで、燃料排気の温度は、空気入口導管１３０内の空気に熱を移動させることによって、熱交換器１２５を通過する間に更に低減される。燃料排気の温度は、例えば、約９０℃～１１０℃に低減することができる。
【0030】
その後、燃料排気は、導管１５３を介してポンプセパレーター１５０のアノード入口１５１に供給される。ポンプセパレーター１５０は、水素の大部分、例えば、燃料排気流中の水素の約８５％を燃料排気から分離するように構成することができる。特に、水素は、ポンプセパレーター１５０内のセルの電解質を通して拡散する一方で、燃料排気中の水蒸気、二酸化炭素、一酸化炭素、及び残りの炭化水素ガスが排気導管１５９によって加湿器１１９に供給されることを可能にする。
【0031】
燃料加湿器１１９において、燃料排気中の水蒸気の一部が燃料入口導管１１１内の燃料に移送され、燃料を加湿する。燃料は、８０℃～９０℃の露点まで加湿することができる。その後、燃料排気流の残りの部分は、スタック１０１からの空気（すなわち、カソード）排気とともにＡＴＯ１４０内に供給され、そこで、ガスが燃焼して低品質の熱を供給する。ＡＴＯ１４０からの熱は、改質器１２３を加熱するように使用することができるか、システム１００の他の部分に供給することができるか、又は建物暖房システム等のシステム１００の外部の装置に供給することができる。
【0032】
ポンプセパレーター１５０によって分離される水素は、カソード出口１５８から出力され、生成物導管１５７によって燃料入口導管１１１に供給され、そこで、流入する燃料と混合される。所望の場合、水素は、燃料入口導管１１１に供給される前に、熱交換器１２９内で冷却することができ、そこで、水素流は、空気入口導管１３０内の空気と熱を交換する。水素の温度は、燃料入口導管１１１内に供給される前に、熱交換器１２９内で低下される。したがって、炭化水素燃料は、ポンプセパレーター１５０を用いてアノード排気ガスから回収された、周囲温度に近い低露点の再循環水素と混合される。
【0033】
したがって、燃料排気の流れ方向に関して、熱交換器１２１は、反応器１２８の上流に位置し、反応器１２８は、熱交換器１２５の上流に位置し、熱交換器１２５は、ポンプセパレーター１５０の上流に位置し、ポンプセパレーター１５０は、加湿器１１９及び燃料入口導管１１１の上流に位置する。
【0034】
図２は、米国特許第８，１０１，３０７号に記載されている燃料電池システム２００の概略図である。システム２００は、システム１００と同様であり、複数の構成要素を共通して含む。システム１００及び２００の双方に共通の構成要素は、図１及び図２において同じ符号が付されており、更に説明はしない。
【0035】
システム１００及び２００の間の相違点の１つは、システム２００には、必ずというわけではないが、好ましくは加湿器１１９がないことである。その代わり、水蒸気を含むスタック燃料排気流の一部は、スタック燃料入口流へと直接再循環される。燃料排気流中の水蒸気は、燃料入口流を加湿するのに十分なものである。
【0036】
システム２００は、燃料排気スプリッター２０１と、再循環導管２０３と、ブロワー又はコンプレッサー２０５と、混合器２０７とを含むことができる。スプリッター２０１は、コンピューター又はオペレーター制御の多方弁、例えば、三方弁、又は別の流体分割装置とすることができる。スプリッター２０１は、燃料排気導管１５３及び再循環導管２０３に作動的に接続することができる。特に、スプリッター２０１は、燃料排気導管１５３内の燃料排気の全て又は一部を再循環導管２０３に転向するように構成することができる。
【0037】
混合器２０７は、燃料入口導管１１１、再循環導管２０３、及び生成物導管１５７に作動的に接続することができる。再循環導管２０３は、スプリッター２０１を混合器２０７に流体接続することができる。混合器２０７は、新しい燃料と、再循環導管２０３によって供給される燃料排気及び／又は生成物導管１５７によって供給される水素とを混合するように構成することができる。
【0038】
ブロワー又はコンプレッサー２０５は、再循環導管２０３に作動的に接続することができる。ブロワー又はコンプレッサー２０５は、燃料排気を、再循環導管２０３を通して混合器２０７に移動させるように構成することができる。動作時、ブロワー又はコンプレッサー２０５は、混合器２０７を介して、所望の量の燃料排気を燃料入口導管１１１に制御可能に供給する。
【0039】
システム２００を動作させる方法は、システム１００を動作させる方法と同様である。相違点の１つは、燃料排気がスプリッター２０１によって少なくとも２つの流れに分離されることである。第１の燃料排気流は、燃料入口流に再循環され、第２の流れは、ポンプセパレーター１５０内に向けられ、そこで、第２の燃料排気流中に含まれる水素の少なくとも一部が第２の燃料排気流から電気化学的に分離される。その後、第２の燃料排気流から分離された水素は、生成物導管１５７によって燃料入口導管１１１内に供給される。例えば、燃料排気の５０％～７０％、例えば約６０％をブロワー又はコンプレッサー２０５に供給することができ、残りの部分は、ポンプセパレーター１５０へと供給することができる。
【0040】
燃料排気は、まず、熱交換器１２１及び１２５、並びにＷＧＳ反応器１２８を通って流れ、その後、スプリッター２０１内に供給されることが好ましい。燃料排気は、熱交換器１２５において約２００℃以下、例えば、約１２０℃～約１８０℃まで冷却することができ、その後、スプリッター２０１内に供給され、そこで、２つの流れに分割される。これにより、所望の量の燃料排気流を燃料入口導管１１１内に制御可能に再循環させるために、低温ブロワー２０５を使用することが可能になる。なぜなら、そのようなブロワーは、約２００℃未満の温度を有するガス流を移動させるように適合され得るためである。
【0041】
ブロワー又はコンプレッサー２０５は、コンピューター又はオペレーター制御することができ、燃料入口流内に供給される燃料排気流の量を、下記に記載の条件に応じて変動させることができる。いくつかの実施形態において、システム２００は、任意選択で、生成物導管１５７に作動的に接続されるセレクター弁２１０を備えることができる。セレクター弁２１０は、補助装置２１２、例えば、水素貯蔵装置、車両内のＰＥＭ燃料電池等の水素使用装置若しくは別の水素使用装置、又は水素貯蔵容器に流体接続することができる。セレクター弁２１０は、生成物導管１５７内の選択された量の水素を補助装置２１２に転向するように構成することができる。例えば、水素の全て又は一部を補助装置２１２又は混合器２０７のいずれかに供給してもよく、水素を混合器２０７及び補助装置２１２に交互に供給してもよい。
【0042】
ブロワー又はコンプレッサー２０５及び任意選択のセレクター弁２１０は、以下の条件のうちの１つ以上に基づいてガスの流れを制御可能に変動させるように、コンピューター又はオペレーターによって動作させることができる。ｉ）システム１００の検出又は観察された条件（すなわち、燃料入口流中の水素の量の変化を必要とするシステム動作条件における変化）、ｉｉ）燃料入口流中の水素の一時的な調整を必要とする、コンピューターに提供された事前の計算又はオペレーターに既知の条件、ｉｉｉ）スタックによって発生した電気の使用者による電気需要の変化、水素の価格と比較した電気又は炭化水素燃料の価格の変化等、スタック１０１の動作パラメーターの所望の将来の変化、現在起こっている変化、又は最近の過去の変化、及び／又は、ｉｖ）水素使用装置等の水素使用者による水素の需要の変化、電気の価格と比較した水素又は炭化水素燃料の価格の変化等。
【0043】
燃料排気（すなわち、テール）ガスから分離された水素の少なくとも一部を燃料入口導管１１１内に再循環させることにより、燃料電池システムの高効率動作が得られることが示されている。さらに、全体的な燃料使用率が増大する。パスごとの燃料利用率が約７５％（すなわち、スタックを通る各パスの間に燃料の約７５％が利用される）である場合、第１の実施形態及び第２の実施形態の方法では、電気効率（すなわち、ＡＣ電気効率）は、約５０％～約６０％、例えば、約５４％～約６０％の範囲とすることができる。パスごとの利用率が約７５％である場合、約９４％～約９５％の有効な燃料利用率が得られ、燃料排気ガス水素の約８５％が、セパレーター１５０によって燃料電池スタックに戻るように再循環される。パスごとの燃料利用率を７５％超、例えば、約７６％～８０％に増大させることにより、更に高い効率を得ることができる。定常状態において、第１の実施形態及び第２の実施形態の方法は、燃料電池への供給ガスを生成するために水蒸気メタン改質が使用される場合、蒸気を発生させる必要性を排除する。燃料排気流は、スタックへの燃料入口流を２～２．５の蒸気対炭素比で加湿するのに十分な水蒸気を含む。燃料の純利用率が増大すること、及び蒸気を発生させるのに熱を必要としなくなることにより、全体的な電気効率が増大する。それに対して、水素を再循環しない場合、約７５％～８０％というスタック内の燃料利用率に対して、ＡＣ電気効率は約４５％である。
【0044】
図３は、本開示の様々な実施形態に係る燃料電池システム３００を示す概略図である。図３における要素で、図１及び図２に関して上述したものと同じ符号を有するものは、図３に関して再度説明はしない。システム３００は、燃料電池スタック（例えば、ＳＯＦＣスタック）１０１、ＡＴＯ１４０、燃料熱交換器１２１、空気予熱器熱交換器１２５、及び空気熱交換器１２７を含むホットボックス３０２と、空気入口ブロワー３０４と、アノード再循環ブロワー３３０と、燃料排気導管３１２に作動的に接続することができるスプリッター３３２とを備えることができる。システム３００は、第１の水素ポンプセパレーター３５０Ａ及び第２の水素ポンプセパレーター３５０Ｂを備えることもできる。いくつかの実施形態において、システム３００は、再循環導管３１４（すなわち、アノード排気再循環導管）に作動的に接続することができるベンチュリ装置３３４を備えることができる。いくつかの実施形態において、システム３００は、混合器３３６を備えることもできる。
【0045】
【0046】
ポンプセパレーター３５０Ａ、３５０Ｂは、上述した電気化学水素ポンプセパレーター１５０等の任意の好適なタイプの電気化学水素セパレーターとすることができる。例えば、ポンプセパレーター３５０Ａ、３５０Ｂは、アノード３５４とカソード３５６との間に配置されるプロトン伝導体電解質３５２をそれぞれ備えることができる。燃料電池燃料排気流等の水素含有ガス流がアノードに供給され、そこで、水素は、アノードの触媒材料によって、プロトン及び電子へと分離される。電子は、印加電圧によってカソードへと駆動され、プロトンをカソードへと駆動し、純水素ガスを発生させる。
【0047】
例えば、好適な電解質材料は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）又はポリマー電解質膜等の任意の好適なプロトン伝導体、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（商標）という商標名で販売されている、化学式：Ｃ７ＨＦ１３Ｏ５Ｓ．Ｃ２Ｆ４を有するスルホン化テトラフルオロエチレン系フルオロポリマー共重合体、上述の実施形態に記載のリン酸膜（ポリリン酸及びポリベンゾイミダゾールポリマーを含むＰＢＩ系リン酸膜を含む）を含み、プロトン伝導性酸化物は、ＬａＰＯ４等のリン酸塩、固体酸（リン酸二水素セシウム、ＣｓＨ２ＰＯ４等）、及び、ペロブスカイト型セレート、ニオブ酸塩、リン酸塩、没食子酸塩、又はジルコン酸塩等の或る特定のペロブスカイト（ＡＢＯ３）材料、例えば、ＢａＣｅＹＯ（ＢＣＯ）、ＢａＺｒＹＯ（ＢＺＯ）、ＬａＳｒＰＯ、ＢａＣａＮｂＯ（ＢＣＮ）、ＬａＣａＮｂＯ、又はＬａＢａＧａＯ（ＬＢＧＯ）を含む。これらは、Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． Ｒｅｖ．， ２０１０， ３９， ４３７０-４３８７に記載されており、その全体を参照により本明細書に援用する。
【0048】
ブロワー３３０は、任意の好適な流体（例えば、ガス）ブロワー、ポンプ、コンプレッサー等とすることができる。スプリッター３３２は、例えば、コンピューター若しくはオペレーター制御の多方弁、例えば四方弁、又は他の任意の好適な流体分割装置、例えば、流体導管における開口部又はスリットを含む受動式スプリッターとすることができる。
【0049】
燃料入口導管３１０は、スタック１０１を炭化水素燃料源、例えば、天然ガス源、プロパン源等（例えば、天然ガスライン又はプロパンタンク）に流体接続するように構成することができる。燃料入口導管３１０は、ＣＰＯｘ反応器、燃料熱交換器１２１、改質器１２３等の他のシステム構成要素に流体接続することもできる。燃料排気導管３１２は、スタック１０１のアノード排気出口をスプリッター３３２に流体接続するように構成することができる。再循環導管３１４は、混合器３３６を通してスプリッター３３２の出口を燃料電池スタック１０１の入口に流体接続するように構成することができる。第１の分離導管３１６は、スプリッター３３２の出口を第１のポンプセパレーター３５０Ａの入口に流体接続するように構成することができる。混合器３３６及びベンチュリ装置３３４は、再循環導管３１４に作動的に接続することができる。
【0050】
ＡＴＯ入口導管３２０は、第１のポンプセパレーター３５０Ａのカソード出口をＡＴＯ１４０の入口に流体接続するように構成することができる。第２の分離導管３２２は、第１のセパレーター３５０Ａのアノード出口を第２のポンプセパレーター３５０Ｂの入口に流体接続するように構成することができる。副生成物導管３２４は、第２のポンプセパレーター３５０Ｂのアノード出口を任意選択のＣＯ２貯蔵システム又は装置３４０に流体接続することができる。水素導管３２６は、第２のポンプセパレーター３５０Ｂのカソード出口を混合器３３６の入口に流体接続することができる。排気導管３２８は、ＡＴＯの出口に流体接続することができる。任意選択の始動導管３２９は、スプリッター３３２をＡＴＯ入口導管３２０に接続することができる。スプリッター３３２が四方弁である場合、システム３００の始動モード中、燃料排気導管３１２と始動導管３２９との間で弁が開放され、導管３１２、３２９、及び３２０を通してＡＴＯ１４０に燃料が供給される。システム３００の定常状態モード中、水素ポンプセパレーター３５０ＡがＡＴＯ入口導管３２０を通してＡＴＯ１４０に燃料を供給するので、燃料排気導管３１２と始動導管３２９との間で弁が閉鎖される。
【0051】
ベンチュリ装置３３４は、通流する流体の速度を変化させるように構成することができる。ベンチュリ装置３３４は、再循環導管３１４内のアノード再循環流の流量を測定するために使用することができる。水素導管３２６内の水素ポンプセパレーター３５０Ｂからの水素の流量は、水素ポンプセパレーター３５０Ｂに印加される電流から計算することができる。水素ポンプにおける水輸送を特徴付けることができる場合、流れ３２６からの総流量を計算することができる。したがって、混合器３３６に供給される水素及びアノード再循環流の流量は、上述したように求めることができる。混合器３３６は、２つの流体流を組み合わせて単一の流体流にするように構成される任意の好適な装置とすることができる。１つの実施形態において、混合器３３６は、ホットボックス３０２の外部でブロワー３３０の下流に位置し、水素導管３２６からの水素流と再循環導管３１４からの燃料再循環流とを混合することができる。
【0052】
システム３００は、燃料排気導管３１２に作動的に接続される任意選択のＷＧＳ反応器１２８を備えることができる。ＷＧＳ反応器１２８は、燃料排気中のＣＯ及びＨ２ＯをＣＯ２及びＨ２に変換するように構成することができる。ＷＧＳ反応器１２８は、燃料熱交換器１２１とスプリッター３３２との間に配置することができる。いくつかの実施形態において、ＷＧＳ反応器１２８は、ホットボックス３０２の内部、第１のポンプセパレーター３５０Ａ内の本来の位置、又はアノード排気導管におけるスタック１０１と第１のポンプセパレーター３５０Ａとの間の任意の場所に位置することができる。１つの実施形態において、高温水性ガスシフト触媒は、ホットボックス３０２内の燃料熱交換器１２１内に位置することができ、中温又は低温水性ガスシフト触媒は、再循環導管３１６内に位置することができる。したがって、この実施形態において、ＷＧＳ反応器１２８の第１の部分は、燃料熱交換器１２１に統合され、ＷＧＳ反応器１２８の第２の部分は、再循環導管３１６に統合される。
【0053】
動作時、スタック１０１から出力される燃料排気は、ブロワー３３０によって燃料排気導管３１２を通して圧送し、スプリッター３３２に供給することができる。スプリッター３３２は、燃料排気の第１の部分（例えば、第１の燃料排気流）を再循環導管３１４に能動的又は受動的に供給するとともに、燃料排気の第２の部分（例えば、第２の燃料排気流）を第１の分離導管３１６に選択的に供給するように構成することができる。
【0054】
再循環導管３１４は、スプリッター３３２から出力される第１の燃料排気流を、混合器３３６を通して燃料電池スタック１０１に供給するように構成することができる。ベンチュリ装置３３４は、再循環導管３１４内の第１の燃料排気流の流量を増大させるように動作することができる。
【0055】
第１の分離導管３１６は、スプリッター３３２から受け取った第２の排気流を第１のポンプセパレーター３５０Ａの入口に供給するように構成することができる。第１のポンプセパレーター３５０Ａは、燃料排気から水素ガスを優先的に分離することができる。したがって、ポンプセパレーター３５０Ａは、ＡＴＯ入口導管３２０を介して水素（例えば、ＡＴＯ燃料流）をＡＴＯ１４０に出力することができる。第１のポンプセパレーター３５０Ａは、定電流モードで動作することができる。これは、ＡＴＯ１４０への水素の流れを制御するのに役立ち得る。スタック１０１のカソード排気は、ＡＴＯ１４０に供給することもできる。ＡＴＯ燃料が水素から構成されるため、ＡＴＯ排気（すなわち、酸化されたアノード排気及びカソード排気）は、完全に又は実質的にＣＯ２を含まないものとなる（例えば、カソード排気を含む空気中に存在するＣＯ２を除く）。
【0056】
ＡＴＯの水素需要がスタック１０１の水素出力よりも少なくなり得るため、第１のポンプセパレーター３５０Ａは、第２の燃料排気流から水素の一部のみを除去するように構成することができる。したがって、第２の燃料排気流の残りの部分は、水素を含むことができ、第１のポンプセパレーター３５０Ａのアノード出口から出力し、第２の分離導管３２２によって、第２のポンプセパレーター３５０Ｂの入口に供給することができる。ホットボックス内の熱平衡を維持するためにＡＴＯ燃料が必要とされない場合（例えば、システム３００の寿命の後期）、再循環導管３１６は、第１の水素ポンプセパレーター３５０Ａを迂回するように構成することができるか、又は、第１の水素ポンプセパレーター３５０に電流を印加することなく、第１の水素ポンプセパレーターを通過することができ、したがって、ＡＴＯ入口導管３２０内の水素の流量をゼロにする。この実施形態において、図７を参照して後述するように、外部燃料をＡＴＯ１４０に代わりに供給してもよい。
【0057】
第２のポンプセパレーター３５０Ｂは、第２の燃料排気流から水素を分離し、それにより、水素流と、主として気体の水及び二酸化炭素から構成される副生成物流とを発生させるように構成することができる。
【0058】
１つの態様において、第１のポンプセパレーター３５０Ａは、ＡＴＯ１４０への燃料の流れを制御するように定電流モードで動作することができ、第２のポンプセパレーター３５０Ｂは、定電圧モードで動作し、水素をアノード再循環流の一部としてスタック１０１に戻して再循環させることができる。第１のポンプ３５０Ａ及び第２のポンプ３５０Ｂは、性能及び動作条件に応じて、高温膜（例えば、約１６０℃）又は低温膜（例えば、約８０℃）の化学的性質又はそれら２つの組合せに基づくことができる。
【0059】
いくつかの実施形態において、システム３００は、任意選択で、二酸化炭素処理装置３３８及び二酸化炭素貯蔵装置３４０を備えることができ、二酸化炭素処理装置３３８及び二酸化炭素貯蔵装置３４０は、第２のポンプセパレーター３５０Ｂのアノード出口に流体接続される副生成物導管３２４に作動的に接続することができる。処理装置３３８は、第２のポンプセパレーター３５０Ｂから受け取った二酸化炭素流を圧縮及び／又は冷却するように動作することができる。任意選択の二酸化炭素処理装置３３８は、二酸化炭素副生成物流から水を除去するように構成される凝縮器及び／又は乾燥器とすることができる。貯蔵装置３４０に供給される生成物二酸化炭素流は、蒸気、液体、固体、又は超臨界二酸化炭素の形態とすることができる。
【0060】
残りの精製された又は純粋なＣＯ２は、貯蔵装置３４０内に貯蔵／隔離するか、又は化学プロセス、飲料の炭酸ガス充填等に使用することができる。いくつかの実施形態において、貯蔵装置３４０は、ＣＯ２をドライアイスに変換して貯蔵するように構成される深冷貯蔵装置とすることができる。
【0061】
水素流は、水素導管３２６によって第２のポンプセパレーター３５０Ｂのカソード出口から混合器３３６に出力することができる。水素は、混合器３３６内で、再循環導管３１４によって供給される第１の燃料排気流と混合し、アノード再循環流を形成することができる。水素導管３２６内の水素流の一部又は全てを、再循環導管３１４内に再循環させるのではなく、水素生成物として取り出すこともできる。この実施形態において、混合器３３６は省いてもよい。取り出された水素生成物は、圧縮、乾燥、及び貯蔵することができる。
【0062】
アノード再循環流は、混合器３３６から燃料電池スタック１０１又は燃料入口導管３１０に供給することができ、そこで、燃料源から供給される流入する燃料と混合することができ、その後、スタック１０１に戻して再循環させる。いくつかの実施形態において、第１の燃料排気流の流量は、スタック１０１に供給される燃料のＯ：Ｃ比（酸素炭素比）が、ホットボックス内のいずれの温度においてもコーキングを抑制するのに十分な酸素含有量をもたらすように制御することができる。
【0063】
水素流は、無水ベースで少なくとも９５％のＨ２、例えば、約９５％～約１００％のＨ２を含むことができる。換言すれば、第１のポンプセパレーター３５０Ａ及び第２のポンプセパレーター３５０Ｂの双方をタンデムで使用することにより、システムは、スタック１０１によって発生した燃料排気から高度に精製された水素ガスを生成することができる。したがって、システム３００は、２つのポンプセパレーター３５０Ａ、３５０Ｂを使用して、９５％を超える二酸化炭素（ＣＯ２）、例えば、燃料電池スタック１０１のアノード排気から出力されたＣＯ２の９５％～１００％を除去するように構成することができる。
【0064】
加えて、ＡＴＯ１４０にはＨ２が燃料として供給されるため、ＡＴＯ排気（すなわち、酸化されたアノード排気及びカソード排気）は、完全に又は実質的にＣＯ２を含まないことができる（例えば、カソード排気を含む空気中に存在するＣＯ２を除く）。
【0065】
ポンプセパレーター３５０Ａ、３５０Ｂ等の水素ポンプセパレーター内では、一酸化炭素（ＣＯ）の蓄積及び／又は水の詰まりが発生する場合があり、それにより、分離効率が低減するおそれがある。したがって、いくつかの実施形態において、任意の好適な周波数で、ポンプセパレーター３５０Ａ、３５０Ｂに接続されるＤＣ／ＤＣ電源からの電圧リップルを使用して、ＣＯの蓄積及び／又は水の詰まりを検出するために、ＡＣインピーダンス（例えば、その全体を参照により本明細書に援用する米国特許第９，４６１，３２０号に記載されている）を使用することができる。例えば、１Ｈｚの周波数は、液体の水の溢れを検出することができ、１ｋＨｚの周波数は、ＣＯの蓄積を検出するのに使用することができる。１つのセパレーターからのリップルは、他のセパレーターからのリップルを相殺することができ、又は、リップルは、統合された燃料電池システムにおける他のリップルによって相殺される。ＡＣインピーダンス信号を使用して、ＣＯが検出されると、ポンピング電位を増大させる又はポンプセパレーター３５０Ａ、３５０Ｂのアノード又はカソードをパージする等、問題を解決するためのシステム応答を発動することができる。例えば、水の詰まりが検出されると、このパージは、セパレーターに対する入口圧力を増大させる又は出口圧力を減少させる、又はセパレーターの動作温度を上昇させることを含むことができる。
【0066】
いくつかの実施形態において、ポンプセパレーター３５０Ａ、３５０Ｂは、アノード３５４のガス拡散層の一部として炭素マイクロレイヤーを含むことができる。しかしながら、セパレーター動作中、炭素マイクロレイヤーが酸化され得ることが突き止められた。したがって、いくつかの実施形態において、アノード３５４は、流入する燃料流に面するテフロン（ポリテトラフルオロエチレン、登録商標）を結合させた第１の電極と、プロトン交換膜であり得る電解質３５２に面するアイオノマーを結合させた電極である第２の電極とを含む二層電極構造を含むことができる。
【0067】
電気化学式ポンプにおいて、電極構造の炭素支持体は、電解質を劣化させる過酸化物の発生につながり得る。１つの実施形態において、Ｐｔ又はＰｔ－Ｒｕ等の高表面積の触媒を、ポンプセパレーター３５０Ａ、３５０Ｂにおいて炭素支持体のない電極として使用することができる。別の実施形態において、酸化チタン又は酸化イリジウム等の導電性又は半導電性の金属酸化物触媒を、過酸化物の発生を低減するために、ポンプセパレーター３５０Ａ、３５０における電極として使用することができる。
【0068】
また、１００ｐｐｍを超えるＣＯレベルでは、ポンプセパレーターの性能及び信頼性に影響を与える場合があることが突き止められた。したがって、限定はしないが、Ｃｕ／ＺｎＯ／Ａｌ２Ｏ３触媒を含むＷＧＳ触媒を、ポンプセパレーター３５０Ａ、３５０Ｂのアノードガス拡散層及び／又はアノードフローフィールドプレートの一部として含むことができる。
【0069】
いくつかの例において、統合されたＷＧＳ触媒は、低温で動作するポンプセパレーターのＣＯ被毒を十分に軽減しない場合がある。したがって、いくつかの実施形態において、ＣＯを内部で酸化して二酸化炭素を形成するために、エアブリード導管をポンプセパレーター３５０Ａ、３５０Ｂ内に組み込むことができる。この構成では、Ａｕ／ＦｅＯｘ－ＴｉＯ２等の選択酸化触媒を、ポンプセパレーター３５０Ａ、３５０Ｂのアノードマニホールド、アノードプレート、及び／又はアノードガス拡散層の一部として含むことができる。
【0070】
様々な実施形態において、図４、図５Ａ、図６、及び図７に示されているように、水素のみを燃料として使用する燃料電池スタックにおける燃料利用率は、定常状態中、アノード排気からＡＴＯへの燃料の流れを排除し（例えば、図３に示されているＡＴＯ入口導管を排除又は閉鎖し）、アノード排気におけるＨ２／Ｈ２Ｏ混合物から水を凝縮し、凝縮されなかったＨ２を燃料電池スタック１０１に供給される燃料入口流へと戻すことによって、９５％超、例えば１００％近く、例えば、９６％～９９．９％まで増大させることができる。例えば、図１及び図２に示されているセパレーター排気導管１５９又は図３に示されているＡＴＯ入口導管３２０は、システム始動中のみ使用し、その後、システムが７００℃を超える動作温度に達すると、システムの定常状態動作中は弁によって閉鎖することができる。
【0071】
全体的な燃料利用率は、スタック１０１のアノード排気からＡＴＯ１４０への流路を遮断することによって（例えば、それぞれの導管１５９を排除又は閉鎖することによって）、本質的に１００％まで増大させることができる。全てのスタックアノード排気は、ホットボックスを出て、そこで、水が凝縮されて除去される（周囲温度にも左右され得るが、熱交換器内の水の露点、例えば、４０℃～８０℃まで下がる）。ここで、パスごとの燃料利用率には自由度があり、パスごとに５０％～約７０％に容易になり得る。
【0072】
水素燃料はコーキングを防止するために水を必要としないため、燃料中の水は、再循環Ｈ２中の残留水からのもののみとなる。これは、１２％以下に制限することができ、混合されたＨ２の湿度を４％～６％まで低くすることが可能である。この低湿度／高Ｈ２濃度において、電流におけるセル電圧ははるかに高くなる。システム効率は、約５５％～６０％ＬＨＶとなり得る。
【0073】
水素でスタックを稼働させるには、天然ガス燃料供給システム（例えば、その全体を参照により本明細書に援用する米国特許第９，２８７，５７２号及び同第９，１９０，６７３号に記載されているシステム等）に使用される多くの構成要素、すなわち、脱硫タンク及び触媒、脱硫タンクを変更するために使用される弁、ＣＰＯｘ反応器及びＣＰＯｘ空気ブロワー、蒸気発生器、水の凍結を防止するヒーター、及び他の多様な水システム構成要素を含む水関連構成要素、並びに部分改質器及びその触媒を保持する内筒を必要としないため、システムコストも低減することができる。さらに、燃料利用率の正確な制御がもはや必要とされないため、質量流量制御弁を比例ソレノイド弁に置き換えることができる。加えて、システムは、ＡＴＯ触媒のサイズを低減し、カソード復熱交換器１２７の熱シールドのサイズを低減するか又は熱シールドを省くことができ、ＡＴＯ１４０とアノード復熱交換器１２１との間の断熱材を排除することができる。パワーエレクトロニクスが乾燥水素の開回路電圧に耐えることができない場合、水をシステムに供給し、パワーエレクトロニクス機器への接触器を閉鎖することができる。
【0074】
また、効果的なシステム効率は、外部の熱需要（熱電併給（ＣＨＰ））との熱統合のためにカソード排気及び／又はアノード排気を使用することによって高めることができる。
【0075】
図４は、水素燃料を利用し、９５％を超える（例えば、１００％に近い）燃料利用率で動作する燃料電池システム４００の概略図である。このシステムは、システム１００、２００、及び３００に含まれるものと同様の構成要素を含むことができる。したがって、前述の構成要素は、同じ参照符号で識別され、それらの構成要素との相違点のみを詳細に論じる。
【0076】
図４を参照すると、システム４００は、ホットボックス３０２と、１つ以上の燃料電池スタック（例えば、ＳＯＦＣスタック）１０１と、燃料熱交換器１２１（例えば、アノード復熱器）と、任意選択の空気予熱器熱交換器１２５（例えば、アノード排気冷却器）と、ＡＴＯ１４０と、空気熱交換器（例えば、カソード復熱器）１２７と、空気ブロワー４０４と、燃料制御弁４１１と、バイパス弁４１３と、ブリード弁４１７と、再循環弁４１９とを備えることができる。
【0077】
システム４００は、外部Ｈ２源からスタック１０１にＨ２を供給するように構成される燃料入口導管４１０と、スタック１０１から出力される燃料排気を受け取るように構成される燃料排気導管４１２と、空気ブロワー４０４からスタック１０１に空気を供給するように構成される空気入口導管４３０と、スタック１０１から出力される空気排気をＡＴＯ１４０に供給するように構成される空気排気導管４３２とを備えることもできる。システム４００は、ＡＴＯ１４０をカソード復熱器１２７に流体接続するＡＴＯ排気導管４２４を備えることができる。
【0078】
いくつかの実施形態において、任意選択の外部燃料改質器４２３は、燃料入口導管４１０に作動的に接続し、燃料入口導管４１０に供給される水素ガスを発生させるように構成することができる。燃料改質器４２３は、外部燃料源から受け取った炭化水素燃料（例えば、天然ガス）を使用して水素を発生させるように構成することができる。代替的に、水素貯蔵容器又は別の水素源からの純粋な水素を燃料として使用してもよい。リフォーメートは、純粋な生成物としての水素を他種から分離するように処理することができる（図示せず）。
【0079】
燃料熱交換器１２１は、燃料入口導管４１０及び燃料排気導管４１２に作動的に接続することができ、燃料排気導管４１２内の燃料排気から燃料入口導管４１０内のＨ２燃料に熱を移動させるように構成することができる。燃料熱交換器１２１から出力される冷却された燃料排気は、アノード排気冷却器１２５に供給することができる。アノード排気冷却器１２５は、燃料排気から空気入口導管４３０内の空気に熱を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において、熱電併給を供給するために燃料排気が使用される場合等には、アノード排気冷却器１２５を省くことができる。
【0080】
バイパス導管４１５は、排気導管４１２をＡＴＯ１４０に流体接続することができる。バイパス導管４１５は、燃料熱交換器１２１とアノード排気冷却器１２５との間で排気導管４１２に接続することができる。バイパス弁４１３は、燃料排気導管４１２に作動的に接続することができる。バイパス弁４１３は、バイパス導管４１５を介して燃料排気の少なくとも一部をＡＴＯ１４０に選択的に転向するように構成される自動又は手動制御弁とすることができる。バイパス弁４１３は、ＡＴＯに直接供給を行い、図４に示されているようにホットボックス３０２の内部、又はホットボックス３０２の外部に位置することができる。
【0081】
燃料排気は、ホットボックス３０２内のアノード排気冷却器１２５から、燃料排気導管４１２を介して外部燃料排気凝縮器４６０に出力することができる。燃料排気凝縮器４６０は、燃料排気中の水蒸気を凝縮する及び／又はアノード再循環ブロワー４３４を熱損傷から保護するのに十分な温度まで燃料排気を冷却するように構成される、空冷又は水増強式空冷凝縮器及び／又は熱交換器とすることができる。例えば、燃料排気凝縮器４６０は、燃料排気凝縮器４６０が約５０℃及び約１ａｔｍで動作する場合、燃料排気の含水量を約１２％以下に低減するように構成することができる。いくつかの実施形態において、燃料排気凝縮器４６０は、外部冷却塔を通して再循環される水を使用して冷却することができる。いくつかの実施形態において、燃料排気凝縮器４６０の一部は、熱電併給システムの一部として利用することができる。例えば、燃料排気凝縮器４６０によって加熱された水は、外部温水源又は施設熱源として利用することができる。
【0082】
システム４００は、燃料排気凝縮器４６０を燃料入口導管４１０に流体接続する再循環導管４１４を備えることができる。例えば、再循環導管４１４及び燃料入口導管４１０は、燃料改質器４２３又は別の水素源から受け取った水素燃料と燃料排気とを混合するように構成される混合器４２２に流体接続することができる。燃料排気セパレーター４６２（例えば、乾燥器又はノックアウトポット）、ブリード弁４１７、再循環弁４１９、及びアノード再循環ブロワー４３４は、再循環導管４１４に作動的に接続することができる。
【0083】
燃料排気流は、再循環導管４１４を介して燃料排気凝縮器４６０からセパレーター４６２に出力することができる。セパレーター４６２は、燃料排気から液体の水を分離するように構成することができる。いくつかの実施形態において、液体の水は、セパレーター４６２を燃料排気凝縮器４６０及び／又は冷却塔等の外部水冷却システムに流体接続する水導管４６４を介して、任意選択で、燃料排気凝縮器４６０に戻すことができる。燃料排気凝縮器４６０は、再循環導管４１４内の流れの露点を更に押し下げるために、冷却ステージ又は固体水吸着種を含むこともできる。
【0084】
ＡＴＯ入口導管４２０は、再循環弁４１９をＡＴＯ１４０に流体接続することができる。ブリード導管４１６は、再循環導管４１４をＡＴＯ入口導管４２０に流体接続することができる。ブリード弁４１７は、ブリード導管４１６及び再循環導管４１４に作動的に接続することができる。
【0085】
ブリード弁４１７は、燃料排気から不純物をパージするように構成される自動又は手動制御弁とすることができる。いくつかの実施形態において、ブリード弁４１７は、スタック１０１に流体接続することができ、アノード圧力とカソード圧力とを等しくするために、スタック１０１の燃料電池に背圧を提供するように構成することができる。
【0086】
再循環弁４１９は、混合器４２２を介して燃料排気の全て又は一部をＡＴＯ入口導管４２０又は燃料入口導管４１０に選択的に向けるように構成される手動又は自動制御の三方弁とすることができる。例えば、再循環弁４１９は、システム４００の始動中、燃料排気をＡＴＯ１４０に向けるように構成することができるが、システム４００の定常状態動作中（例えば、システム４００が７００℃を超える定常状態動作温度に達した後）、燃料排気の全て又は実質的に全てを燃料入口導管４１０に向けることができる。燃料排気は、燃料制御弁４１１の上流の燃料入口導管４１０に戻すことができ、燃料制御弁４１１は、燃料入口導管４１０を通る燃料の流れを制御するように構成することができる。いくつかの実施形態において、燃料制御弁は、従来の質量流量制御弁ではなく比例ソレノイド弁とすることができる。なぜなら、質量流量制御弁によって提供される正確な流量制御は、水素ガスを燃料として使用して動作するシステムにおいて高い燃料利用率を達成するために必要でない場合があるためである。
【0087】
空気ブロワー４０４、アノード排気冷却器１２５、及びカソード復熱器１２７は、空気入口導管４３０に作動的に接続することができる。カソード復熱器１２７は、ＡＴＯ排気導管４２４に作動的に接続することもできる。空気ブロワー４０４は、空気入口導管４３０を通してスタック１０１に空気又は酸化剤ガスを圧送するように構成することができる。空気入口導管４３０内の空気流は、アノード排気冷却器１２５から出力される燃料排気によって加熱することができ、ＡＴＯ１４０から出力されるＡＴＯ排気（例えば、燃焼排気）を使用して更に加熱することができる。空気入口流は、ＡＴＯ１４０が動作していない場合（例えば、システム４００の定常状態動作中）、カソード排気導管４３２を介して、スタック１０１からＡＴＯ１４０に出力されるカソード排気を使用して、カソード復熱器１２７において加熱することもできる。カソード及び／又はＡＴＯ排気は、カソード復熱器１２７から大気に通気することができ、又は、ＡＴＯ排気導管４２４に流体接続される任意選択の外部の熱電併給（ＣＨＰ）熱交換器４３６に供給することができる。
【0088】
上述したように、ＡＴＯ１４０への燃料の流れは、始動中には供給されるが、定常状態中には供給しなくてもよい。燃料排気凝縮器４６０は、セル内で生成される水から再循環させるＨ２を容易に分離させることができる。アノード再循環ブロワー４３４は、燃料排気流から水を除去することによって、過熱する可能性が低くなる。いくつかの実施形態において、セパレーター４６２からの水は、ＣＨＰ熱交換器４３６に供給することもできる。他の実施形態において、セパレーター４６２からの水は、燃料改質器４２３に供給することができ、燃料改質器４２３は、ＷＧＳ反応器とすることができる。いくつかの実施形態において、セパレーター４６２は省くことができ、水は、燃料排気凝縮器４６０から直接出力することができる。１つの実施形態において、セパレーターは、蒸気流から離脱する液体の水のための空間を提供するノックアウトポットである。
【0089】
また、様々な実施形態がＣＯ２隔離の方法（複数の場合もある）を提供する。天然ガスをオンサイトの改質器に供給し、水素燃料を発生させることができるとともに、ＣＯ２を改質プロセスから隔離することができる。同様の構成は、天然ガス燃料で稼働するシステムにも使用することができる。天然ガスの場合、水素燃料による実施形態の空冷凝縮器は、アノード排気を３つの別個の流れへと分離するように設計される分離を行うことが可能である深冷式、膜ベース、ＰＳＡ、ＴＳＡ、又は他の任意の既存の商業的プロセスと置き換えることができる。３つの別個の流れは、オフサイトのＣＯ２使用又は隔離のための出荷可能な液体又はドライアイスとしての（又はシリンダー又はパイプラインにおいて輸送される高圧ガス／超臨界ガスとしての）ＣＯ２、液体の水生成物、Ｈ２及びＣＯのガス状混合物を含む。混合物の大部分は、各ホットボックスに導入される場合、天然ガス供給物と混合される（ＭＦＣ弁後）燃料として、又は現場レベルで、現場レベルの天然ガスと混合される（ＭＦＣ弁前）燃料として再循環させることができ、混合物の小部分は、ホットボックスの熱平衡を維持するために、ＡＴＯに直接供給することができる（必要な場合、これは、システムの寿命の後期にはゼロに下げてもよい）。
【0090】
任意の好適な深冷プラント技術を使用することができる。代替的に、深冷分離は、単段又は多段水素ポンプ（例えば、上述したＰＥＭ又はＰＢＩ型）によって置き換えることができる。水素ポンプの使用は、少量のＣＯ及びＨ２を潜在的に伴うＣＯ２及びＨ２Ｏのガス状混合物を生成し、その後、輸送又は使用のために液体ＣＯ２生成物を生成する更なる処理が続く。
【0091】
図５Ａは、本開示の様々な実施形態に係る燃料電池システム５００の概略図であり、図５Ｂは、図５Ａの可能なガスセパレーターの構成要素の概略図である。システム５００は、システム４００と同様である。したがって、システム４００との相違点のみを詳細に論じる。図示されていないが、システム５００は、図１～図３のシステムにおいて示されている構成要素等の追加の構成要素を備えることができる。システム５００は、水素又は炭化水素燃料で動作することができる。
【0092】
図５Ａを参照すると、システム５００は、ホットボックス３０２内に配置される内部燃料改質器１２３を備えることができる。システム５００は、ベンチュリ装置３３４と、アノード再循環ブロワー４３４と、ガスセパレーター５７０と、燃料排気スプリッター５５８とを備えることもできる。
【0093】
スプリッター５５８は、燃料排気導管４１２、再循環導管４１４、及び燃料排気処理導管５１６に流体接続することができる。スプリッター５５８は、再循環導管４１４及び処理導管５１６を通る燃料排気の流れを選択的に制御するように構成される手動又は自動制御の三方弁とすることができる。代替的に、スプリッター５５８は、受動式スプリッターであってもよい。
【0094】
アノード再循環ブロワー４３４、ベンチュリ装置３３４、及び燃料排気スプリッター５５８は、再循環導管４１４に作動的に接続することができる。システムは、ホットボックス３０２内に配置されるアノード排気冷却器１２５に加えて又はそれに代えて、任意選択で、外部アノード排気冷却器５６０を備えることができる。例えば、外部アノード排気冷却器５６０は、外部空気、水、及び／又はＣＨＰのための別の冷却流体を使用して燃料排気を冷却するように構成される熱交換器及び／又は凝縮器とすることができる。外部アノード排気冷却器５６０が凝縮器を含むか又は凝縮器である場合、燃料排気から水を除去することができる。アノード再循環ブロワー４３４は、再循環導管４１４及びベンチュリ装置３３４を通して燃料入口導管４１０に燃料排気を圧送するように構成することができる。
【0095】
ガスセパレーター５７０は、燃料排気を水、二酸化炭素、及び水素と一酸化炭素との混合物の別個の流れに分離するように構成することができる。水素と二酸化炭素との混合物は、システムへの天然ガス供給物が窒素及び／又はアルゴンを含む場合、少量の窒素及び／又はアルゴンを含む場合もある。ガスセパレーター５７０は、深冷セパレーター、圧力スイング吸着セパレーター、膜セパレーター、アミンスクラビングセパレーター、セレクソールセパレーター、又はそれらの任意の組合せ等の任意の好適なタイプのガスセパレーターを含むことができる。水流は、アノード排気冷却器５６０の冷却水として利用するのに十分に純粋であり得る。多くのホットボックス３０２に対して１つのガスセパレーター５７０のみがあっても、各ホットボックス３０２に対して１つのガスセパレーター５７０があってもよい。
【0096】
図５Ｂを参照すると、ガスセパレーター５７０は、熱交換器５７２と、主コンプレッサー５７４と、水セパレーター５７６と、ＣＯ２凝縮器５７８と、蒸留カラム５８０とを備えることができる。熱交換器５７２は、燃料排気の温度を低減するように構成することができる。
【0097】
主コンプレッサー５７４は、冷却された燃料排気を圧縮し、それにより、第２の水流を発生させるように構成することができる。その後、燃料排気は、燃料排気から残留水を除去するように構成される水セパレーター５７６又は乾燥器に供給することができる。水セパレーター５７６は、例えば、温度スイング吸着法又は別の好適な方法を介して水を吸着する再生可能な吸水剤を備えることができる。
【0098】
次いで、乾燥した燃料排気をＣＯ２凝縮器５７８に供給することができ、ＣＯ２凝縮器５７８は、燃料排気を、液体ＣＯ２を発生させるのに十分な温度まで冷却するように構成することができる。例えば、凝縮器５７８は、燃料排気を約－２０℃～約－３０℃の範囲の温度まで冷却するように構成することができる。
【0099】
その後、液体ＣＯ２及び残りのＣＯ２ガスを含む燃料排気は、蒸留カラム５８０に供給することができる。蒸留カラム５８０は、複数の段、凝縮器、及び／又はリボイラーを含むことができる。いくつかの実施形態において、蒸留カラムは、燃料排気を約－５０℃～約－９０℃の範囲の温度に冷やすように構成することができる。蒸留カラム５８０は、水素流及び液体ＣＯ２流を出力するように構成することができる。これらの流れは、残量（例えば、約５％以下）のＣＯ、ＣＯ２、及びＮ２を含むこともできる。蒸留カラムからの蒸気は、カラムへの供給物中のＨ２、ＣＯ、Ｎ２の本質的に全てを含むことができる。蒸気中のＣＯ２は、蒸留カラムの凝縮器における温度及び圧力に左右され、ＣＯ２は５％～５０％の範囲とすることができる。
【0100】
いくつかの実施形態において、二酸化炭素流は、ドライアイスとして貯蔵することができる。様々な実施形態において、水をＣＨＰ熱交換器４３６に供給することができる。水素及び一酸化炭素は、図６に関してより詳細に記載されるように、スタック１０１及び／又はＡＴＯ１４０に供給することができる。別の実施形態において、水素及び一酸化炭素は、水セパレーター５７６に供給されて、水セパレーター内の吸着材料に吸着された水を除去するストリッピングガスとして使用することができる。その後、水素及び一酸化炭素流を含む水は、水が動作を妨げないので、スタック１０１及び／又はＡＴＯ１４０に供給することができる。
【0101】
いくつかの実施形態において、ＤＣ電力を必要とするガスセパレーター５７０の構成要素には、スタック１０１から出力されるＤＣ電力によって直接給電することができる。
【0102】
水を気化させるのに追加の熱を供給することができ、及び／又は追加の外部燃料をＡＴＯに供給することができる。いくつかの実施形態において、ＷＧＳ反応器１２８は、燃料排気導管４１２に作動的に接続することができる。
【0103】
システムは、ＳＯＦＣスタック１０１の燃料排気と熱的に統合され得る燃料改質器１２３を備えることができる。改質及び／又は水性ガスシフト反応のための水は、ガスセパレーター５７０からの凝縮された水から供給することができる。
【0104】
図５Ｃは、図５Ａ及び図５Ｂに示されている燃料電池システム５００の代替的な実施形態の概略図である。この代替的な実施形態において、燃料排気処理導管５１６は、アノード排気冷却器１２５の上流のスプリッター４１３に流体接続される。したがって、燃料排気の一部が、アノード排気冷却器１２５に達することなく、スプリッター４１３からガスセパレーター５７０に直接供給される。この代替的な実施形態において、スプリッター５５８は省いてもよく、燃料排気の残りの部分は、アノード排気冷却器１２５から外部冷却器５６０に直接供給される。
【0105】
図６は、本開示の様々な実施形態に係る燃料電池システム６００の概略図である。システム６００は、システム５００と同様である。したがって、システム５００との相違点のみを詳細に論じる。図示されていないが、システム６００は、図１～図４のシステムにおいて示されている構成要素等の追加の構成要素を備えることができる。
【0106】
図６を参照すると、システム６００は、水素再循環導管６０２と、ＡＴＯ入口導管６０４と、スプリッター６１０とを備えることができる。再循環導管６０２は、セパレーター５７０を燃料入口導管４１０及び／又は混合器４２２に流体接続するように構成することができる。スプリッター６１０は、再循環導管６０２に作動的に接続することができる。ＡＴＯ入口導管６０４は、スプリッター６１０の出口をＡＴＯ１４０に流体接続することができる。
【0107】
いくつかの実施形態において、システム６００は、ＡＴＯ１４０及び導管４１５、４３２、及び／又は６０４に流体接続されるＡＴＯ混合器６５０を備えることができる。ＡＴＯ混合器６５０は、導管４３２からの空気排気と、導管４１５からの燃料排気及び／又は導管６０４からの水素と一酸化炭素との混合物とを混合するように構成することができる。しかしながら、いくつかの実施形態において、バイパス導管４１５及びバイパス弁４１３は省くことができる。
【0108】
水素流は、ガスセパレーター５７０から出力導管６０２に出力することができる。水素流は、いくつかの実施形態において、少量の一酸化炭素を含む場合がある。スプリッター６１０は、水素流の少なくとも一部を再循環導管６０２からＡＴＯ入口導管６０４に選択的に転向するように構成される手動又は自動制御の三方弁又は受動式スプリッターとすることができる。したがって、スプリッター６１０は、ＡＴＯ１４０及び燃料入口導管４１０への水素の流れを選択的又は非選択的に制御するように構成することができる。例えば、スプリッター６１０は、システム６００の定常状態動作中、ＡＴＯ混合器６５０を介して、ホットボックス動作温度を維持するのに十分な量の混合ガスをＡＴＯ１４０に転向するように構成することができる。フルパワーでは、熱安定性のためにＡＴＯに燃料を送る必要はない。燃料は、天然ガス中の窒素による窒素ガスの蓄積を防止するために、導管６０４を介してＡＴＯに送られる。システム始動中、燃料排気は、導管４１５を介してＡＴＯ１４０に供給することができる。代替的に、導管４１５は省いてもよく、ＡＴＯ入口導管４２０は、図４に示されているように、再循環弁４１９を介して再循環導管４１４をＡＴＯ１４０に流体接続することができる。ＡＴＯ入口導管４２０及び再循環弁４１９は、ブロワー４３４の上流又は下流であるが、ベンチュリ装置３３４の上流で、再循環導管４１４に接続することができる。
【0109】
さらに、残りの水素及び一酸化炭素再循環流は、再循環導管６０２及び混合器４２２を通して燃料入口導管４１０内に供給され、燃料入口流（例えば、天然ガス等）と混合される。１つの実施形態において、再循環導管６０２を通して混合器４２２に供給される水素及び一酸化炭素再循環流は、混合器に供給される燃料入口流よりも高圧とすることができる。水素及び一酸化炭素再循環流が燃料入口流よりも高圧で供給されるため、水素及び一酸化炭素再循環流は、まずスタック１０１内で使用され、必要な燃料の総量を満たすように燃料入口流が混入される。燃料入口流の流量、並びに水素及び一酸化炭素再循環流の流量及び組成を測定することによって、システム６００の現場に対する混入された燃料流の全体的な組成が計算され、制御のためにシステム６００の各パワーモジュールに受け渡される。上述したように、各ガスセパレーター５７０に対して１つ以上のホットボックス３０２があってもよい。
【0110】
図７は、本開示の様々な実施形態に係る燃料電池システム７００の概略図である。システム７００は、システム６００と同様である。したがって、システム６００との相違点のみを詳細に論じる。図示されていないが、システム６００は、図６に示されている燃料処理構成要素、及び図１～図５に示されているシステム構成要素等の追加の構成要素を備えることができる。
【0111】
図７を参照すると、システム７００は、アノード復熱器１２１と任意選択のアノード排気冷却器１２５との間に、燃料排気導管４１２に作動的に接続されるＷＧＳ反応器１２８を備えることができる。ＷＧＳ反応器１２８とアノード排気冷却器１２５との組合せは、隔離のために図５Ａ、図５Ｂ、及び図６に示されているガスセパレーター５７０によって抽出可能なＣＯ２の量を増大させるように動作することができる。システム７００は、燃料熱交換器１２１とスタック１０１との間に、燃料入口導管に作動的に接続される燃料改質器１２３を備えることもできる。
【0112】
システム７００は、外部燃料源からＡＴＯ混合器６５０に燃料を供給するように構成されるＡＴＯ入口導管７０２を備えることもできる。システム７００は、バイオガスを使用した動作を容易にするように構成される構成要素を更に備えることができる。特に、システムは、バイオガス入口導管７０４及びバイオガス予熱器熱交換器７０６を備えることができる。バイオガス入口導管７０４は、バイオガス源を混合器４２２に流体接続することができる。バイオガス予熱器熱交換器７０６は、ＡＴＯ排気導管４２４内のＡＴＯ排気を使用して、入口導管７０４内のバイオガスを加熱するように構成することができる。
【0113】
システム７００は、スタック排気熱交換器７０８を備えることもできる。スタック排気熱交換器７０８は、ＡＴＯ排気導管４２４内のＡＴＯ排気を使用して空気入口導管４３０内の空気を予熱するように構成することができる。したがって、スタック排気熱交換器７０８は、カソード復熱器１２７に入る際に空気入口流温度が上昇するように、空気入口流を加熱することができる。したがって、カソード復熱器内の空気入口流を加熱するのに必要なＡＴＯ排気からの熱が少なくなり、それにより、カソード復熱器１２７から熱交換器７０８に供給されるＡＴＯ排気の温度が上昇する。したがって、バイオガスは、バイオガス予熱器熱交換器７０６内のより高温のＡＴＯ排気によって、より高い温度まで加熱することができる。
【0114】
いくつかの実施形態において、スプリッター４１３及び導管４１４は、ＡＴＯ１４０が導管７０２を介して外部燃料源から燃料を受け取るので、システム７００から省くことができる。
【0115】
図８は、本開示の様々な実施形態に係るホットボックス内に位置することができるＷＧＳ１２８の斜視図を示している。この実施形態において、水性ガスシフト反応器は、アノード復熱器（すなわち、燃料熱交換器）１２１内に位置する水性ガスシフト触媒コーティングを備える。例えば、触媒は、熱交換器１２１の１つ以上の温度ゾーンのフィン／波形をコーティングすることができる。例えば、ＷＧＳ反応器１２８の触媒は、熱交換器１２１のフィン／波形の上部にコーティングすることができる。付加的又は代替的に、水性ガスシフト触媒を含む追加の構成要素が、スタンドアローンのサブアセンブリとして熱交換器１２１の下流に位置することができる。このアセンブリは、ＡＴＯ１４０と同様に、触媒をコーティングしたフィンセクションから構成される環を備えることができる。
【0116】
いくつかの実施形態において、外部燃料排気凝縮器４６０及び／又は外部アノード排気冷却器５６０が空冷凝縮器又は熱交換器を含む場合、システムハウジングから空気を供給することができる。換言すれば、ホットボックス及び／又は電力調整システム（例えば、ＤＣ／ＡＣインバーター等のシステム出力電子機器）を収容するキャビネット（複数の場合もある）は、ブロワー又はファンによって周囲空気がキャビネット（複数の場合もある）を通って循環される、空冷キャビネットを含むことができる。この循環キャビネット空気は、外部燃料排気凝縮器４６０及び／又は外部アノード排気冷却器５６０を通過する燃料排気を冷却するように使用することができる。循環キャビネット空気は、カソード排気及びＡＴＯ排気から分離されて保たれる。その後、燃料排気によって加熱される循環キャビネット空気は、建物暖房システム等のＣＨＰシステムに供給することができる。
【0117】
システム４００～７００は、パワーモジュールあたりの電力がより多い、効率がより高い、及び潜在的に資本コストがより低いという、非限定的な利点をもたらす。
【0118】
後述する追加の実施形態は、（例えば、図３に関して）上述したような１つ以上の水素ポンプ（３５０Ａ、３５０Ｂ）による水素及び／又は二酸化炭素回収を伴う燃料電池システム、又は、ＣＯ２及びＨ２ＯからＣＯ＋Ｈ２を分離するための凝集されたアノード排気を有する天然ガスに基づく燃料電池システム等、上述したシステムのうちの任意のものとともに使用することができる。
【0119】
１つの追加の実施形態において、天然ガスで動作する燃料電池システムでは、スプリッター（例えば、上述したスプリッター３３２）は、アノード復熱器１２１とアノード排気冷却器１２５との間で、アノード排気の一部をホットボックス３０２の外に向けるように、ホットボックス３０２内に位置する。図９Ａ～図９Ｃは、ホットボックス３０２を示しており、ここで、アノード排気が、アノード復熱器１２１とアノード排気冷却器１２５との間で、少なくとも１つの水素ポンプ（３５０Ａ及び／又は３５０Ｂ）へのアノード排気冷却器バイパスを介してホットボックスから出る。
【0120】
アノード排気スプリッターは、アノード排気の一部をアノード復熱器１２１とアノード排気冷却器１２５との間でホットボックス３０２の外部に向ける。この流れは、４００℃～４５０℃等の高温でホットボックスを出る。これにより、アノード再循環に必要な流れのみがアノード排気冷却器を通ることから、アノード排気冷却器は影響を受けずに済む。これにより、冷却される（加熱ではなく）アノード排気がより低い温度（例えば、１８０℃～２５０℃）で水性ガスシフト反応器を通り、ＣＯを有意に低減させるとともに、Ｈ２及びＣＯ２濃度を増大させることも可能になる。ＣＯ濃度の低減は、水素ポンプ（３５０Ａ、３５０Ｂ）動作に対して有益である。さらに、ＣＯ２の回収率が増大し得る。
【0121】
別の追加の実施形態において、水素燃料で動作する燃料電池システムでは、水素がアノード再循環として各パワーモジュール（例えば、各ホットボックス）に戻されるか、又は現場への水素供給を伴う現場レベルで混合されるように戻される。上述したように、凝縮器後のアノード排気流から再循環される水素は、ホットボックスに戻される。代替的に、水素は、現場レベル（例えば、発電システム全体の現場）又は同じ入力／出力モジュールに接続されるパワーモジュールの組のレベル（例えば、ホットボックス）に戻すこともできる。再循環水素が任意の供給水素流と混合される場合、再循環水素は、適切な送達圧力、例えば１５ｐｓｉｇに圧縮すべきである。しかしながら、水素がホットボックスレベルに戻される場合、圧力は、アノード再循環に必要なレベル（０ｐｓｉｇ～２ｐｓｉｇ）に増大させればよい。アノード再循環ブロワー３３０における水の凝縮に伴う問題を回避するために、凝縮器後の水素を適度に（例えば、２０℃～３０℃だけ）再加熱することが望ましい場合がある。アノード再循環ブロワー３３０は、現場レベル、同じ入力／出力モジュールに接続されるパワーモジュールの組のレベル、又はホットボックスレベルとすることができる。
【0122】
システムが１００％に近い燃料利用率で動作し、コーキングを回避するために所望の含水量を維持する必要がないことから、各ホットボックスレベルへのアノード再循環の正確な調量は必要ない。様々なホットボックスへの水素分配は、適度な配管絞り（例えば、オリフィス）の導入によって間接的に制御するか、又は制御可能な部材（例えば、比例ソレノイド弁）によって直接制御することができる。
【0123】
別の追加の実施形態において、天然ガス燃料で動作する燃料電池システムは、ＣＯ２を凝縮して分離する深冷技法を使用することができる。回収されたＣＯ＋Ｈ２は、ＣＯ２深冷分離の前に水を除去するために、吸着式乾燥器のストリッピングガスとして使用することができる。
【0124】
ＣＯ２凝縮による深冷式ガス分離システムでは、深冷熱交換器の管壁上の水の凍結を回避すべきである。水の凍結は、以下によって回避することができる。
（ａ）ガス流を０℃よりも僅かに高い温度（例えば、０℃～３℃）に冷却し、液体の水を可能な限り多く凝縮して除去する。
（ｂ）低湿度の残留ガスを複数の吸着床のうちの１つに通過させ、実質的に全ての水を除去する。
（ｃ）複数の吸着床のうちの１つ又は複数を一度に再生し、水を追い出す。典型的に、これは、加熱されたガスを吸着床に通過させ、水を追い出すことによって行われる。
（ｄ）再生されたＣＯ＋Ｈ２は、ステップ（ｃ）のためのガスとして使用することができる。そのために、ガスを吸着床（複数の場合もある）に導入して再生する前に加熱する必要があり得る。この加熱は、高温アノード排気の熱がガス分離領域の処理領域に流入することによって直接行うことができるか、又は間接的に行うことができる。
（ａ）ガス流を０℃よりも僅かに高い温度（例えば、０℃～３℃）に冷却し、液体の水を可能な限り多く凝縮して除去する。
（ｂ）低湿度の残留ガスを複数の吸着床のうちの１つに通過させ、実質的に全ての水を除去する。
（ｃ）複数の吸着床のうちの１つ又は複数を一度に再生し、水を追い出す。典型的に、これは、加熱されたガスを吸着床に通過させ、水を追い出すことによって行われる。
（ｄ）再生されたＣＯ＋Ｈ２は、ステップ（ｃ）のためのガスとして使用することができる。そのために、ガスを吸着床（複数の場合もある）に導入して再生する前に加熱する必要があり得る。この加熱は、高温アノード排気の熱がガス分離領域の処理領域に流入することによって直接行うことができるか、又は間接的に行うことができる。
【0125】
代替的に、上記ステップ（ｂ）において、ガスは、液体ベースの吸着剤／ストリッパー（例えば、エチレングリコール又はプロピレングリコールのオリゴマー）によって乾燥することができる。ストリッパーに必要な熱は、ステップ（ｄ）において論じたように供給することができる。
【0126】
ＣＯ２は、圧縮、乾燥、及び深冷分離し、液体ＣＯ２を生成物としてもたらす一方で、ＣＯ２、ＣＯ、及びＨ２の流れを戻すことができる。ガスの戻り流は、システム内のホットボックスの全てに向かう必要はない。ホットボックスのうちの一部に戻ればよい。所望の場合、ガス貯蔵容器を戻りラインのバッファーとして追加して使用することができる。
【0127】
本明細書に記載の燃料電池システムは、所望に応じて、他の実施形態及び形態を有することができる。所望の場合、例えば、２００２年１１月２０日に出願された米国特許出願第１０／３００，０２１号、２００３年４月９日に出願された米国仮特許出願第６０／４６１，１９０号、及び２００３年５月２９日に出願された米国特許出願第１０／４４６，７０４号に記載されているような他の構成要素を追加してもよい。上記特許文献の全ては、その全体を参照により本明細書に援用する。さらに、任意の実施形態に記載されている及び／又は本件における任意の図に示されている任意のシステム要素又は方法ステップを、上述した他の好適な実施形態のシステム及び／又は方法において、その使用が明示的に記載されていなくても使用することができる。
【0128】
本発明の上述の記載は、例示及び説明の目的で提示されている。上述の記載は、網羅的であること又は本発明を開示されている正確な形態に限定することは意図せず、変更及び変形が、上記教示に照らして可能であるか又は本発明の実施から得ることができる。この記載は、本発明の原理及びその実用的な用途を説明するために選択されたものである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって規定されることが意図される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【外国語明細書】