JP2001504630A - 内部改質燃料電池スタック群における電源システムの反応物流の配置構成 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくとも２つの融解炭酸塩または固体酸化物燃料電池スタック（１、２、３）を備えたシステムに関する構成を提案する。これらのスタックのカソード流（１４）が直列に接続され、一方、アノード流（２５）が並列に接続される。全てのスタックが、炭化水素燃料のための内部改質装置を備えている。アノードガスは、スタック出口から入口に再循環させられる（２４）。本発明によれば、スタックを同じ設計にすることが可能になり、このため、製造コストが低下する。スタック間のカソード流は、例えば、カソード流に対して冷却空気流（１５）を加えることによって冷却される。従って、カソード入口温度は、比較的安価な低温空気弁によって制御することができる。本発明によれば、使用する場合であってもごく少数の熱交換器で済むようにシステムを設計することができる。全ての酸化体流及び燃料流のパス当たり利用率は低い。システムの効率は、一般に、同等の従来のシステムに比べると４〜５パーセント高いポイントになる。

Description

【発明の詳細な説明】 内部改質燃料電池スタック群における電源システムの反応物流の配置構成 本発明は、請求項１の前提部分に記載されたシステムに関するものである。 こうしたシステムについては、‘Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅ ｌ Ｃｅｌｌ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ’ｏｆ Ｊ．Ｇ．Ｗｉｍｅｒ ｃ．ｓ．，２８ ｔｈ ＩＥＣＥＤ，Ａｔｌａｎｔａ，１９９３に開示されている。燃料電池スタ ックの実用的なサイズに制限があるため、いくつかの溶融炭酸塩（ＭＣＦＣ）燃 料電池スタックが利用される。 こうした制限の第１の理由は、燃料電池スタックは、現場への運搬及び現場か らの運搬が容易に行えるように、十分に小さくなければならないということであ る。第２に、大型スタックにおいて均等なガス流の配分を確保するのが困難であ る可能性がある。以上の理由から、溶融炭酸塩燃料電池スタックは、約２００ｋ Ｗに制限される可能性がある。 Ｗｉｍｅｒによるシステムの場合、後続スタックのカソード及びアノードが、 両方とも、直列に接続される。アノードの場合、これによって、第１の（上流） スタックのアノード通路における圧力が増大するので、スタック・コンポーネン トが比較的高い圧力に耐えるように設計しなければならない。 ＥＰ−０ ４４２ ３５２ Ａ２には、もう１つのマルチ・スタック・システ ムの記載がある。このシステムでは、ＣＯが、スタックの酸化体（オキシダント ）出口流から除去され、同じスタックの酸化体入口に戻される。第２のスタック が、第１のスタックの酸化体出口流のためのＣＯ₂分離装置の働きをする、２ス タック・システムが記載されている。この欧州特許に記載の実施態様には、スタ ック間における冷却が施されない、酸化体流の直列接続が含まれる。従って、い くつかのスタックの酸化体ガス入口温度が異なることになる。そのため、スタッ クを冷却するために、高酸化体ガスの流れが必要となるので性能が低下する。 欧州特許出願０ ４４２ ３５２ Ａ２によるシステムを、３以上のスタック を備えたシステムに拡張する場合、最も下流のスタックを除く全スタックからの アノード出口ガスが、同じスタックのカソード入口を通って循環する。これは、 １つを除く全スタックのカソード入口の上流に、バーナを配置しなければならな いということを表している。このことは、欧州特許出願０ ４４２ ３５２ Ａ ２によるシステムが、３以上のスタックで実現するのが実用的ではないというこ とを表している。 本発明の目的は、単一設計のスタックの利用を可能にし、同時に、酸化体流の 直列接続の利点を保持し、パス当たりの燃料使用率を低くするシステムを提供す ることにある。本発明のもう１つの目的は、スタックのアノード部分における最 高絶対圧力を低下させることが可能であり、同時に、効率が高められるシステム を提供することにある。本発明のさらにもう１つの目的は、必要とされる熱交換 器の数が最小限ですみ、比較的安価な低温弁によって、温度が制御されるシステ ムを提供することにある。 本発明によれば、以上の目的が、請求項１に記載の特徴によって実現される。 酸化体流の直列接続によって、相当する並列接続システムよりも燃料電池スタ ック当たりのカソードガス流速が増す。直列接続の場合、カソード流は、各燃料 電池スタックを通過し、各パス毎にスタックを冷却する。従って、カソードガス は、カソードガス流が、同じ入口及び出口温度と並列に接続している場合に比べ て、スタック間に直列に接続して冷却する場合のほうが、より多くのスタックを 冷却することになる。これは、相当する並列接続システムに比較して、スタック 出口温度の低下、または、燃料利用の増大を可能にするので、有利である。出口 温度が低下すると、燃料スタックの寿命が延長される。燃料利用が増大すると、 電気的効率が高くなる。 アノード流の並列接続によって、全アノードチャネルがほぼ同じ圧力になると いう保証が得られる。さらに、アノード再循環ブロワが設けられている場合、単 一燃料電池スタックだけで生じる圧力損失を克服するのに十分な圧力を発生する ことが必要になる。 本発明によれば、全体として高燃料利用率で、アノード流及びカソード流の両 方に関するスタック当たりの単一パス利用率は低くなる。単一パス利用率が低い ので、スタック内における不均一な流量分布に起因する局所的減損を被ることは なくなり、このため、先行技術に比べてかなりの利点が得られる。さらに、アノ ード再循環によって、スタックをなす電池のアノード流の増大が軽減されるが、 これは、流量配分にとって好ましい。また、改質（リフォーミング）反応及び炭 素堆積の阻止のために、蒸気を送り込む必要がなくなる。 理解しておかなければならないのは、このシステムは、ＳＯＦＣまたはＭＣＦ Ｃのような比較的高温で動作する任意のタイプの燃料電池に利用できるという点 である。 これまでに、直列接続が提案されている。しかし、先行技術における周知のシ ステムでは、内部改質スタックが、同じ酸化体ガス入口温度、燃料ガス入口温度 、スタック出口温度、及び、ほぼ同じ酸化体ガス流量及び燃料ガス流量で動作す ることができない。これは、本発明による構成によって可能になる。従って、同 じスタック設計を全てのスタックに利用することが可能になり、これによって製 造コストが低下する。 ＷＩＭＥＲによるシステムの場合、酸化体の供給を受ける燃焼器が設けられて おり、酸化体は、最も下流のカソード排気装置から分岐され、燃料ガスは、最も 下流のアノード排気装置から分岐される。この混合物が、その燃焼後、及び、そ の温度を下げるための熱交換後、最も上流の燃料電池スタックのカソード供給側 に送られる。 この方法を実施するには、いくつかの欠点がある。まず第１に、燃焼器に送り 込まれる酸化体中における酸化体百分率が比較的低いが、このことは、とりわけ 、酸化体が空気の場合に当てはまる。そのため、アノード排出ガス中における可 燃ガス百分率が比較的低い場合には、燃焼が困難になる。このことは、アノード からの燃料ガスを確実に完全燃焼させるために、特殊な手段を講じなければなら ない可能性があるということを表している。 第２に、燃焼器に対するカソード排出ガスの流れを生じさせるために、ブロワ のような高温ポンプ手段が必要になる。 本発明のもう１つの実施態様によれば、空気が前記ポンプ手段と接続されてお り、他方では、前記ポンプ手段が、燃焼装置に対してアノード出口からの排出ガ スの供給路、及び、いくつかの燃料電池スタック間のカソード入口に対する酸化 体ガスの供給路と接続されているために、この欠点は取り除かれる。ＷＩＭＥＲ によるシステムにおいて利用される燃焼器と第１のカソード入口の間の熱交換器 は、排除することが可能である。 本発明のこの実施態様は、燃焼器において新鮮な空気を利用し、燃焼器からの 高温及び／または腐食性ガスにさらされないように、圧縮器をこの燃焼器の上流 に利用するという構想に基づくものである。 本発明のその他の望ましい実施態様については、従属クレイムに記載されてい る。 本発明については、付属の図面に関連して詳述される、いくつかの実施態様を 参照することによってさらに明らかになるであろう。 図１には、燃料電池スタックのアノード入口及び出口が並列に接続されている 、本発明による第１のシステムが示されている。 図２には、スタックのアノード出口流が互いに混合されない、本発明のもう１ つの実施態様が示されている。 図３には、カソードガス・ブロワによって、スタックのカソード流を同じ圧力 にすることができる、さらにもう１つの実施態様が示されている。 図１には、本発明によるシステムの第１の実施態様が示されている。３つの燃 料電池スタック１〜３が設けられている。云うまでもなく、効率を向上させるた めには、すくなくとも２つのこうしたスタックが必要になる。しかし、３つ以上 の燃料電池スタックを用いることも可能である。 各燃料電池スタックには、アノード通路４及びカソード通路５が含まれている 。ガス流は、矢印で示されている。第１の、すなわち、最も上流の燃料電池スタ ック１には、酸化体が供給される。空気が、入口１３に入り、比較的安価で単純 な低温空気ポンプ１２によって圧縮される。空気の主流は、燃焼器１１への供給 路１４に送られることになる。流れの一部を、燃焼器の可燃性混合物を得るため 、流れ６によってバイパスすることが可能である。一方、燃焼器は、アノード出 口からの排出ガスの供給路１０に接続される。留意すべきは、この排出ガスのか なりの部分が、導管３０によって再循環し、プロセスのための水分をもたらすと い うことである。これによって、アノード通路における炭素の堆積も防止される。 燃焼器の排出ガスが、燃料電池スタック１のカソードマニホルドの入口側から 送り込まれる。燃料電池スタック１のカソードから排出されるガスは、燃料電池 スタック２のカソード通路５の入口に送り込まれ、以下同様に繰り返される。矢 印１５で示された追加の空気が、カソードマニホルド間における酸化体流の温度 を低下させるために加えられる。最後のカソードマニホルドからの酸化体ガスは 、導管１６によって、熱交換器１７と、必要に応じて熱交換器１８に対して排出 される。熱交換器１７では、酸化体の温度を下げることによって、新たな燃料の 温度が上昇する。加熱された燃料ガスは、脱硫器２０において脱硫ステップを施 され、導管２５を介してポンプ７に供給される。硫黄分のない新鮮なガスが、導 管３０に送り込まれ、使用済み燃料ガスの一部と混合される。圧縮器７によって 、その圧力が増大し、ポンプ作用でスタックに通される。図１の実施態様の場合 、アノードスタックが、並列に接続されており、各スタックからのアノードガス は、ライン２４を介して放出され、部分的に圧縮器７に送り込まれる。 これらの実施態様の場合、スタック間におけるカソードガス流の熱交換器は存 在しない。これらのカソードガス流は、新たな冷却空気を加えることによって冷 却される。空気流の追加によって、各スタックにおけるカソードガス流量が実質 的に等しくなるという保証が得られる。 以上から明らかなように、排出ガスは、新鮮な酸化体ガスも受け入れる、バー ナに送られる。従って、バーナに供給される酸化体は、酸素濃度が高く、このた め、燃焼が改善される。最も下流の燃料電池スタックのカソード出口は、熱交換 器に直接接続されている。燃料ガスの入り口であるこの熱交換器における他の媒 体は、その温度上昇の後、脱硫ステップを施すことが可能である。 計算によって推断できるように、図１によるシステムは、並列接続システムに 比べて高い効率及び／または狭い全電池面積を有している。各段階のガス流量は ほぼ等しく、単一スタック設計を全体にわたって用いることが可能になる。最高 スタック圧力は、アノード流とカソード流の両方が直列に接続された、同等の３ 段階システムの場合よりも低く、比較的広いオペレイティングウィンドウを利用 することが可能である。高価なカソード再循環ブロワも必要がないし、燃料の予 熱及び廃熱回収に用いられるもの以外の熱交換器は必要がない。 図１の実施態様では、導管３０に、再循環ブロワ７が設けられている。しかし 、再循環ブロワは、代わりに、導管２４または３１に配置することも可能である 。導管２４内に配置される場合キャパシティーは向上するが、アノード通路４内 の圧力低下が生じる。 図１に示す実施態様の代替として、１つの燃料電池スタックのカソード出口と 隣接燃料電池スタックのカソード入口との間のライン内に、１つ以上の熱交換器 を設けることも可能である。 図２に示す実施態様の場合、バーナ１１を通過する燃料は、主として、上流ス タック１、２から送られてくるものであり、再循環されるアノード出口ガスは、 基本的に、下流のスタック２、３から生じるものである。これは、下流スタック からのアノード出口ガスが、上流スタックからのものよりＨ₂及びＣＯの減損が 少ない場合に有利である。こうして、アノード入口ガスの水素濃度が高くなるの で、電気的効率が向上する。 図３には、カソードガス・ブロワ４０が用いられた、本発明のもう１つの実施 態様が示されている。カソード入口流に配置されたカソードブロワ、及び、カソ ード再循環流２６、２７によって、全てのカソード出口が自動的に同じ圧力にな るという保証が得られ、同時に、カソード直列接続の利点が保持される。上流ス タック１の再循環流２６が、バーナの上流のバーナ入口流と合流すると、全アノ ード出口圧力及び全カソード出口圧力が、自動的に等しくなる。代替として、カ ソードブロワをスタック出口に配置して、カソード入口圧力が確実に等しくなる ようにすることも可能である。 当業者には、例示のいくつかの実施態様から明らかなように、この説明の教示 から始めて、付属の請求項によって定義される本発明の範囲を逸脱することなく 、さらなる代替案を企てることが可能である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年１１月５日（１９９８．１１．５） 【補正内容】 請求の範囲 １．炭化水素含有ガス（１９）を利用する少なくとも２つの燃料電池スタック （１、２、３）を備え、カソード（５）が直列に接続され、カソード出口ガスが 、スタック間またはそれぞれの２つの隣接スタック（１、２；２、３）間におい て冷却されており、各前記スタック（１、２、３）が内部改質を実施し、前記ス タック（１、２、３）からのアノード出口ガスの少なくとも一部が、前記スタッ ク（１、２、３）のアノード入口に再循環するようになっているシステムであっ て、燃料スタックのアノード入口及び出口が並列に接続されていることを特徴と するシステム。 ２．酸化体ガス（１３）が、スタック間またはそれぞれの２つの隣接スタック （１、２；２、３）間におけるカソード入口に供給（１５）されて、スタックま たはそれぞれの２つの隣接スタック（１、２；２、３）の上流スタック（１；２ ）からのカソード出口ガスを冷却することを特徴とする、請求項１に記載のシス テム。 ３．ポンプ手段（７）が、前記アノード入口の前、及び、新鮮な炭化水素含有 ガス及び再循環アノード出口ガスの供給の後に設けられていることを特徴とする 、請求項１または２に記載のシステム。 ４．ポンプ手段が、再循環流（３１）及び排気流（１０）への分割位置より前 のアノードガス流（２４）内に設けられることを特徴とする、請求項１または２ に記載のシステム。 ５．生じる燃焼生成物が第１の上流燃料電池スタック（１）のカソード入口流 に付加される、アノード（４）からのアノード出口ガス（１０）と酸化体ガスと を燃焼させる燃焼装置（１１）を備えていることを特徴とする、請求項１、２、 ３、または、４に記載のシステム。 ６．空気の入口（１３）が酸化体ガスポンプ手段（１２）に接続されており、 また、前記酸化体ガスポンプ手段（１２）が燃焼装置（１１）へのアノード出口 ガスの供給路、及びスタック間またはそれぞれの２つの隣接スタック（１、２、 ３）間のカソード入口への酸化体ガスの供給路（１５）に接続されていることを 特徴とする、請求項５に記載のシステム。 ７．ポンプ手段（４０）が、前記スタック（１、２、３）の少なくとも１つに 対するカソード入口流に対して設けられており、前記スタックからのカソード出 口流の一部が、前記カソード入口流に対して再循環させられることを特徴とする 、請求項１〜６のいずれか記載のシステム。 ８．スタック（１、２、３）が、５００℃を超える動作温度を有していること を特徴とする、請求項１〜７のいずれか記載のシステム。 ９．最下流の燃料電池スタックのカソード出口（１６）が、熱交換器（１７） に接続されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか記載のシステム。 １０．燃料ガスの入口（１９）が、前記出口（１６）とが熱交換関係を有する ことを特徴とする、請求項９に記載のシステム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ， ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，Ｆ Ｉ，ＢＧ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ， ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，Ｍ Ｗ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ， ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者 フェロウズ・リチャード グリフス カナダ国ブリティッシュコロンビア州ブイ ５イー ２エヌ ５・バーナビー・ドノバ ン アベニュー5610

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．炭化水素含有ガス（１９）を利用する少なくとも２つの燃料電池スタック （１、２、３）を備え、カソード（５）が直列に接続され、アノード（４）が並 列に接続され、前記スタック（１、２、３）からのアノード出口ガスの少なくと も一部が、前記スタック（１、２、３）のアノード入口に再循環するようになっ ているシステムであって、カソード出口ガスが、スタック間またはそれぞれの２ つの隣接スタック（１、２；２、３）間において冷却されることと、前記スタッ ク（１、２、３）が全て内部改質を実施することを特徴とするシステム。 ２．酸化体ガス（１３）が、スタック間またはそれぞれの２つの隣接スタック （１、２；２、３）間におけるカソード入口に供給（１５）されて、スタックま たはそれぞれの２つの隣接スタック（１、２；２、３）の上流スタック（１；２ ）からのカソード出口ガスを冷却することを特徴とする、請求項１に記載のシス テム。 ３．ポンプ手段（７）が、前記アノード入口の前、及び、新鮮な炭化水素含有 ガス及び再循環アノード出口ガスの供給の後に設けられていることを特徴とする 、請求項１または２に記載のシステム。 ４．ポンプ手段が、再循環流（３１）及び排気流（１０）への分割位置より前 のアノードガス流（２４）内に設けられることを特徴とする、請求項１または２ に記載のシステム。 ５．生じる燃焼生成物が第１の上流燃料電池スタック（１）のカソード入口流 に付加される、アノード（４）からのアノード出口ガス（１０）と酸化体ガスと を燃焼させる燃焼装置（１１）を備えていることを特徴とする、請求項１、２、 ３、または、４に記載のシステム。 ６．空気の入口（１３）が酸化体ガスポンプ手段（１２）に接続されており、 また、前記酸化体ガスポンプ手段（１２）が燃焼装置（１１）へのアノード出口 ガスの供給路、及びスタック間またはそれぞれの２つの隣接スタック（１、２、 ３）間のカソード入口への酸化体ガスの供給路（１５）に接続されていることを 特徴とする、請求項５に記載のシステム。 ７．ポンプ手段（４０）が、前記スタック（１、２、３）の少なくとも１つに 対するカソード入口流に対して設けられており、前記スタックからのカソード出 口流の一部が、前記カソード入口流に対して再循環させられることを特徴とする 、請求項１〜６のいずれか記載のシステム。 ８．スタック（１、２、３）が、５００℃を超える動作温度を有していること を特徴とする、請求項１〜７のいずれか記載のシステム。 ９．最下流の燃料電池スタックのカソード出口（１６）が、熱交換器（１７） に接続されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか記載のシステム。 １０．燃料ガスの入口（１９）が、前記出口（１６）とが熱交換関係を有する ことを特徴とする、請求項９に記載のシステム。 １１．前記燃料ガスの入口が、熱交換器の下流に、脱硫装置（２０）を備えて いることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。 １２．１以上のスタックからのアノード出口ガスのスタックのアノード入口に 再循環する割合が、他のスタックからのアノード出口ガスの場合に比べて多いこ とを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか記載のシステム。 １３．システムが３以上のスタックから構成されることを特徴とする、請求項 １〜１２のいずれか記載のシステム。 １４．ポンプ手段（４０）が、前記スタック（１、２、３）の少なくとも１つ に対するカソード出口流に対して設けられており、前記スタックからのカソード 出口流の一部が、前記カソード入口流に対して再循環させられることを特徴とす る、請求項１〜１３のいずれか記載のシステム。