JP2002505943A - プロセスガス精製及び燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 混合ガス流からガスを分離するための装置及び方法を含むプロセスガス精製システムを提供する。
【解決手段】 混合流から生成物を分離するためのモジュール（２１４：図５参照）は、入口及び出口手段を有し、混合流用の第１流路を画成する混合流チャンバと、入口及び出口手段を有し、第１流路の方向とは実質的に向流方向のパージ／生成物流用の第２流路を画成するパージ／生成物流チャンバと、混合流チャンバとパージ／生成物流チャンバとの間に配置され、生成物に対して選択的に透過性の膜とを含む。燃料電池システムにおいて、燃料と空気とを混合し、燃料−空気混合物を燃焼し、水素含有量が高い燃料流を発生するためのバーナーモジュール（２１０）と、このバーナーモジュールが発生した水素燃料を使用して動力／エネルギーを発生するための水素燃料電池（２５０）と、この燃料電池で使用するために水素燃料をバーナーモジュールから抜き出すため、バーナーモジュールと燃料電池との間に設けられ、性能を高めるためにパージガスを使用した水素精製モジュール（２１４）と、バーナーモジュールが発生した、燃料電池が直ちには必要としない水素燃料を貯蔵するための水素貯蔵手段（２５４）と、燃料電池の水素要求が、バーナーモジュールで発生した水素の量よりも大きい場合に、貯蔵された水素燃料を貯蔵手段から燃料電池に供給するための手段とを含む、燃料電池システムもまた開示されている。
Description
【０００１】発明の分野及び背景 本発明は、混合ガス流からガスを分離するための装置及び方法を含むプロセス
ガス精製システムであって、分離及び精製されたガスが、産業的プロセス及び商
業的プロセスで使用されるガス精製システムに関する。本発明は、更に、燃料電
池で使用するための分離されたガスが、燃料電池ですぐに及び後で使用するため
にシステムに貯蔵される、システムに関する。
ガス精製システムであって、分離及び精製されたガスが、産業的プロセス及び商
業的プロセスで使用されるガス精製システムに関する。本発明は、更に、燃料電
池で使用するための分離されたガスが、燃料電池ですぐに及び後で使用するため
にシステムに貯蔵される、システムに関する。
【０００２】 本発明は、混合流の一部を形成する生成物を混合流から分離することによって
混合流を精製することに関する。このような精製プロセスは、主に産業で重要で
あり、小規模の事業にとって重要である。精製プロセスは、多くのガスのうちの
任意の一つのガスを分離する工程を含むが、更に代表的には、水素又は酸素を分
離することに関する。これらは重要な２種類の生成ガスである。しかしながら、
他のガス、例えば窒素、アルゴン、二酸化炭素、アンモニア、メタン及び他のガ
スを本発明の精製プロセス及び分離装置によって分離することができる。
混合流を精製することに関する。このような精製プロセスは、主に産業で重要で
あり、小規模の事業にとって重要である。精製プロセスは、多くのガスのうちの
任意の一つのガスを分離する工程を含むが、更に代表的には、水素又は酸素を分
離することに関する。これらは重要な２種類の生成ガスである。しかしながら、
他のガス、例えば窒素、アルゴン、二酸化炭素、アンモニア、メタン及び他のガ
スを本発明の精製プロセス及び分離装置によって分離することができる。
【０００３】 従来の精製システムは、生成ガスを含有する混合ガス流であって、生成ガスに
対して透過性でなければならない膜上を流れる混合ガス流を使用する。膜の他方
の側では、生成ガスが純ガス流中に集められ、システムから流出される。これら
の従来のシステムの有効性は、適当な駆動力によって発生する混合流ガスと純ガ
ス流との間の圧力差に大きく関連している。更に、従来のシステムでは、システ
ムで高度の密封性を確保することが重要である。密封性が損なわれると、圧力差
により生成ガス以外の一つ又はそれ以上ガスが膜を通過することによって、分離
された生成ガスが汚染される。かくして、膜の混合ガス流側と純ガス流側との間
の絶対シールが極めて重要である。純生成ガス流の圧力は、精製に向かう正の駆
動力を確保するため、混合ガス流中の生成ガスの分圧よりも低くなければならな
い。純生成ガス流の圧力が混合ガス流中の生成ガスの分圧を越えることができな
いため、純生成ガス流の圧力は混合ガス流の圧力よりも低くなければならない。
シールが損なわれたり膜にピンホールが形成されると、大量の混合ガスが純生成
物流に流入するため、純生成ガス流の純度が損なわれる。
対して透過性でなければならない膜上を流れる混合ガス流を使用する。膜の他方
の側では、生成ガスが純ガス流中に集められ、システムから流出される。これら
の従来のシステムの有効性は、適当な駆動力によって発生する混合流ガスと純ガ
ス流との間の圧力差に大きく関連している。更に、従来のシステムでは、システ
ムで高度の密封性を確保することが重要である。密封性が損なわれると、圧力差
により生成ガス以外の一つ又はそれ以上ガスが膜を通過することによって、分離
された生成ガスが汚染される。かくして、膜の混合ガス流側と純ガス流側との間
の絶対シールが極めて重要である。純生成ガス流の圧力は、精製に向かう正の駆
動力を確保するため、混合ガス流中の生成ガスの分圧よりも低くなければならな
い。純生成ガス流の圧力が混合ガス流中の生成ガスの分圧を越えることができな
いため、純生成ガス流の圧力は混合ガス流の圧力よりも低くなければならない。
シールが損なわれたり膜にピンホールが形成されると、大量の混合ガスが純生成
物流に流入するため、純生成ガス流の純度が損なわれる。
【０００４】 純生成ガスと入口側混合ガス流中の生成ガスとの比、及び膜の必要な全表面積
等の生成ガス回収ファクタは、分離プロセスの有効性の基準であると考えること
ができる。通常、混合ガス流の入口側圧力は、数気圧まで高めてあり、これは、
システム内の膜の表面積を最小にし、回収ファクタを最大にし、純生成ガスの圧
力を高めるのを助ける。この一例として、３気圧の純生成ガスが必要とされる場
合には、流出混合ガス流中の生成ガスの分圧は３気圧以上でなければならない。
混合ガス流の入口側生成ガス濃度が５０％であり、７５％の回収ファクタが必要
であると仮定すると、混合ガス流の出口での生成ガスは、ガス流の１／５である
。この点を例示すると、入口ガスは８部からなり、そのうちの４部が生成ガスで
あり、且つそのうちの４部が他のガスである。生成ガスの７５％を回収するとい
うことは、４部の生成ガスのうちの３部を回収するということを意味し、従って
残りの混合ガス流は、４部の他のガス及び１部の生成ガスを含む。混合ガス流側
の出口での生成ガス分圧は、全混合ガス圧力の１／５即ち２０％である。所望の
純生成ガスが３気圧であるため、混合ガス流の圧力は３気圧／２０％、即ち１５
気圧に等しい。従って、混合ガス流供給圧力は、プロセス流圧力効果が起こらな
いと仮定した場合、１５気圧と等しいか或いはそれ以上である必要がある。膜の
前後の分圧駆動力は、入口で４．５気圧（１５気圧×２０％−３気圧）であり、
出口で約ゼロである。かくして、平均駆動力は２．２５気圧である。このような
システムでは、膜の表面積の大部分を使用して回収ファクタを達成する。これは
、駆動力が混合ガス流の出口でゼロに近付くためである。その結果、膜の価格及
び容積は極めて大きい。更に、生成ガスの純度を維持するため、漏れを伴わずに
最大１２気圧の横断圧力を維持するように膜及びそのシールを形成しなければな
らない。
等の生成ガス回収ファクタは、分離プロセスの有効性の基準であると考えること
ができる。通常、混合ガス流の入口側圧力は、数気圧まで高めてあり、これは、
システム内の膜の表面積を最小にし、回収ファクタを最大にし、純生成ガスの圧
力を高めるのを助ける。この一例として、３気圧の純生成ガスが必要とされる場
合には、流出混合ガス流中の生成ガスの分圧は３気圧以上でなければならない。
混合ガス流の入口側生成ガス濃度が５０％であり、７５％の回収ファクタが必要
であると仮定すると、混合ガス流の出口での生成ガスは、ガス流の１／５である
。この点を例示すると、入口ガスは８部からなり、そのうちの４部が生成ガスで
あり、且つそのうちの４部が他のガスである。生成ガスの７５％を回収するとい
うことは、４部の生成ガスのうちの３部を回収するということを意味し、従って
残りの混合ガス流は、４部の他のガス及び１部の生成ガスを含む。混合ガス流側
の出口での生成ガス分圧は、全混合ガス圧力の１／５即ち２０％である。所望の
純生成ガスが３気圧であるため、混合ガス流の圧力は３気圧／２０％、即ち１５
気圧に等しい。従って、混合ガス流供給圧力は、プロセス流圧力効果が起こらな
いと仮定した場合、１５気圧と等しいか或いはそれ以上である必要がある。膜の
前後の分圧駆動力は、入口で４．５気圧（１５気圧×２０％−３気圧）であり、
出口で約ゼロである。かくして、平均駆動力は２．２５気圧である。このような
システムでは、膜の表面積の大部分を使用して回収ファクタを達成する。これは
、駆動力が混合ガス流の出口でゼロに近付くためである。その結果、膜の価格及
び容積は極めて大きい。更に、生成ガスの純度を維持するため、漏れを伴わずに
最大１２気圧の横断圧力を維持するように膜及びそのシールを形成しなければな
らない。
【０００５】 米国特許第５，２０７，１８５号、米国特許第５，２９９，５３６号、米国特
許第５，４４１，５４６号、米国特許第５，４３７，１２３号、米国特許第５，
５２９，４８４号、及び米国特許第５，５４６，７０１号を含む本出願人の他の
特許並びに米国特許出願第４７１，４０４号及び米国特許出願第７４２，３８３
号のうちの幾つかに詳細に記載されている。これらの特許に触れたことにより、
これらの特許に開示されている内容は本明細書中に組み入れられたものとする。
許第５，４４１，５４６号、米国特許第５，４３７，１２３号、米国特許第５，
５２９，４８４号、及び米国特許第５，５４６，７０１号を含む本出願人の他の
特許並びに米国特許出願第４７１，４０４号及び米国特許出願第７４２，３８３
号のうちの幾つかに詳細に記載されている。これらの特許に触れたことにより、
これらの特許に開示されている内容は本明細書中に組み入れられたものとする。
【０００６】発明の概要 一つの特徴では、本発明は、ガス精製システムに関する。このシステムでは、
混合ガス流中に含まれる生成ガスを、膜に亘って流れる混合ガス流から、膜の反
対側で混合ガス流に対して向流をなして流れるパージガス流内に取り出す。生成
ガスが膜を容易に通過するように、混合ガス流及びパージガス流の圧力を、膜の
各側の生成ガス分圧として夫々制御する。本発明は、更に、膜及び他の構成要素
の高精度のシール、ピンホールが全体としてないことが混合ガス流から分離され
た生成ガスの純度にとって重要でない、システムの使用を容易にする。混合ガス
流及びパージガス流は分離モジュールを互いに向流をなして流れる。好ましくは
、混合ガス流は、代表的には水素又は酸素である生成ガスを含むが、システムの
原理は、窒素、アルゴン、二酸化炭素、アンモニア及びメタンを含むがこれらに
限定されない他の生成ガスに関して良好な効果を得るために使用することができ
る。好ましくは、パージガスは分離が容易なプロセスガスであり、代表的には水
蒸気又は冷媒を含むがこれらの例に限定されない。
混合ガス流中に含まれる生成ガスを、膜に亘って流れる混合ガス流から、膜の反
対側で混合ガス流に対して向流をなして流れるパージガス流内に取り出す。生成
ガスが膜を容易に通過するように、混合ガス流及びパージガス流の圧力を、膜の
各側の生成ガス分圧として夫々制御する。本発明は、更に、膜及び他の構成要素
の高精度のシール、ピンホールが全体としてないことが混合ガス流から分離され
た生成ガスの純度にとって重要でない、システムの使用を容易にする。混合ガス
流及びパージガス流は分離モジュールを互いに向流をなして流れる。好ましくは
、混合ガス流は、代表的には水素又は酸素である生成ガスを含むが、システムの
原理は、窒素、アルゴン、二酸化炭素、アンモニア及びメタンを含むがこれらに
限定されない他の生成ガスに関して良好な効果を得るために使用することができ
る。好ましくは、パージガスは分離が容易なプロセスガスであり、代表的には水
蒸気又は冷媒を含むがこれらの例に限定されない。
【０００７】 一つの用途では、本発明は、改質器又はアンダーオキシダイズドバーナーから
出た混合ガス流から水素ガスを精製するための方法及び装置である。
出た混合ガス流から水素ガスを精製するための方法及び装置である。
【０００８】 混合ガス流及びパージガス流は、混合ガス流から分離される生成ガスに対して
透過性であるか或いは実質的に透過性でなければならない適当な膜によって分離
されている。大部分は、膜は、混合ガス流から分離される生成ガスの性質に従っ
て選択され且つ分離モジュールに組み込まれる。一実施の形態では、「パラジウ
ム型」金属膜が水素分離膜として有効であることがわかっている。これは、水素
ガスが金属の格子構造に水素ガスの分圧と正比例して吸収されるためである。代
表的には、水素ガスを混合ガス流から膜の他方の側のパージガス／生成ガス流ま
で移動するための駆動力として、膜の両側の水素ガスの分圧の差を使用する。従
来、これらの分離膜は、生成ガスの移動速度を最大にするため、高温で作動する
。この特定の実施の形態では、水素ガスは膜を通して移動する。一実施の形態で
は、移動された生成ガスは水素である。
透過性であるか或いは実質的に透過性でなければならない適当な膜によって分離
されている。大部分は、膜は、混合ガス流から分離される生成ガスの性質に従っ
て選択され且つ分離モジュールに組み込まれる。一実施の形態では、「パラジウ
ム型」金属膜が水素分離膜として有効であることがわかっている。これは、水素
ガスが金属の格子構造に水素ガスの分圧と正比例して吸収されるためである。代
表的には、水素ガスを混合ガス流から膜の他方の側のパージガス／生成ガス流ま
で移動するための駆動力として、膜の両側の水素ガスの分圧の差を使用する。従
来、これらの分離膜は、生成ガスの移動速度を最大にするため、高温で作動する
。この特定の実施の形態では、水素ガスは膜を通して移動する。一実施の形態で
は、移動された生成ガスは水素である。
【０００９】 使用できる他の種類の膜にはセラミック膜が含まれる。セラミック膜は、特に
、高温では、酸素イオンをその格子構造に吸収し、従ってこれらの膜は酸素分離
膜として使用される。セラミック膜の一例は、酸化ジルコニウム、及び酸化イッ
トリウムで安定化させた酸化ジルコニウムである。分離を行うための主な駆動力
が電力である電気化学的反応器では、イオンだけを通す膜を使用する。電力が加
えられる電気化学的反応器の他に、混合イオン膜及び導電膜が使用されており、
これらの膜は、パラジウム型の膜と同様に、分圧駆動力だけを使用して酸素を混
合ガス流から分離し、酸素ガスを精製する。
、高温では、酸素イオンをその格子構造に吸収し、従ってこれらの膜は酸素分離
膜として使用される。セラミック膜の一例は、酸化ジルコニウム、及び酸化イッ
トリウムで安定化させた酸化ジルコニウムである。分離を行うための主な駆動力
が電力である電気化学的反応器では、イオンだけを通す膜を使用する。電力が加
えられる電気化学的反応器の他に、混合イオン膜及び導電膜が使用されており、
これらの膜は、パラジウム型の膜と同様に、分圧駆動力だけを使用して酸素を混
合ガス流から分離し、酸素ガスを精製する。
【００１０】 従って、本発明は、その一つの特徴によれば、ガス膜分離プロセスに対する新
規なアプローチを使用すると同時に、膜シールの弱点を更に容易に露呈しがちな
高精度のシール及び大きな圧力差を確保する問題点を小さくするか或いはなくす
。
規なアプローチを使用すると同時に、膜シールの弱点を更に容易に露呈しがちな
高精度のシール及び大きな圧力差を確保する問題点を小さくするか或いはなくす
。
【００１１】 本発明の一実施の形態では、分離モジュールには、二つの流れを通すことがで
きる。分離モジュールはこれらの流れを適当な膜で分離する。膜の一方の側では
、混合ガス流が入口から出口まで膜に亘って流れるのに対し、膜の他方の側では
、高圧の水蒸気が、混合ガス流の流れ方向に対して向流方向にパージされる。こ
の本発明の分離プロセスは、生成ガス回収ファクタ及び純生成ガス圧力を最大に
し、膜のシール及びピンホールのない膜の重要性を低下させる。
きる。分離モジュールはこれらの流れを適当な膜で分離する。膜の一方の側では
、混合ガス流が入口から出口まで膜に亘って流れるのに対し、膜の他方の側では
、高圧の水蒸気が、混合ガス流の流れ方向に対して向流方向にパージされる。こ
の本発明の分離プロセスは、生成ガス回収ファクタ及び純生成ガス圧力を最大に
し、膜のシール及びピンホールのない膜の重要性を低下させる。
【００１２】 精製プロセスを実施するための本発明の方法並びに精製用分離装置には、以下
の例に示すように、明瞭に例示された利点がある。混合ガス流を分離モジュール
に１５気圧で供給する。混合ガス流の生成ガス濃度は５０％である。生成ガスは
、混合ガス流から分離されるべき成分であり、膜を通ってパージガス／生成ガス
流に透過する。特定の例では、水蒸気流がパージガスであり、膜の混合ガス流と
は反対側を混合ガス流に対して向流方向に流れる。パージガス流の容積流量は、
混合ガス流の二倍であり、その圧力は１５気圧よりも僅かに大きい。膜の表面積
が以上の例におけるように同じである場合には、回収ファクタ１００％に達する
ことができる。パージガス／生成ガス中の生成ガスの分圧が入口でゼロであるた
め、出口での混合ガス流中の生成ガスの分圧をゼロに近付けることができる。パ
ージガス／生成ガス流中の生成ガスの入口での分圧は実際にゼロである。これは
、パージガス流の入口での生成ガスの量がゼロであるためであり、パージガスが
入口で純粋な水蒸気であるためである。
の例に示すように、明瞭に例示された利点がある。混合ガス流を分離モジュール
に１５気圧で供給する。混合ガス流の生成ガス濃度は５０％である。生成ガスは
、混合ガス流から分離されるべき成分であり、膜を通ってパージガス／生成ガス
流に透過する。特定の例では、水蒸気流がパージガスであり、膜の混合ガス流と
は反対側を混合ガス流に対して向流方向に流れる。パージガス流の容積流量は、
混合ガス流の二倍であり、その圧力は１５気圧よりも僅かに大きい。膜の表面積
が以上の例におけるように同じである場合には、回収ファクタ１００％に達する
ことができる。パージガス／生成ガス中の生成ガスの分圧が入口でゼロであるた
め、出口での混合ガス流中の生成ガスの分圧をゼロに近付けることができる。パ
ージガス／生成ガス流中の生成ガスの入口での分圧は実際にゼロである。これは
、パージガス流の入口での生成ガスの量がゼロであるためであり、パージガスが
入口で純粋な水蒸気であるためである。
【００１３】 全ての生成ガスが混合ガス流から分離され又は除去される場合には、モジュー
ルを出るパージガス／生成ガス流は、４部の生成ガス及び１６部の水蒸気を含む
。入口パージガス流即ちパージガス／生成ガス流が１５気圧であるため、パージ
ガス／生成ガス流の出口での生成ガス分圧は約３気圧である。混合ガス流の入口
での駆動力は４．５気圧であり、混合ガス流の出口ではゼロである。これにより
、２．２５気圧の平均駆動力が得られる。これは上述の例と同じであり、従って
、同じ量の表面積が必要とされる。本発明のシステムは、回収率が７５％に過ぎ
ない従来のシステムと同様のハードウェアを使用して、生成ガスを混合ガス流か
らほぼ１００％回収する。
ルを出るパージガス／生成ガス流は、４部の生成ガス及び１６部の水蒸気を含む
。入口パージガス流即ちパージガス／生成ガス流が１５気圧であるため、パージ
ガス／生成ガス流の出口での生成ガス分圧は約３気圧である。混合ガス流の入口
での駆動力は４．５気圧であり、混合ガス流の出口ではゼロである。これにより
、２．２５気圧の平均駆動力が得られる。これは上述の例と同じであり、従って
、同じ量の表面積が必要とされる。本発明のシステムは、回収率が７５％に過ぎ
ない従来のシステムと同様のハードウェアを使用して、生成ガスを混合ガス流か
らほぼ１００％回収する。
【００１４】 上述した本発明の例では、１５気圧を僅かに越えるパージガス／生成ガス流の
絶対圧力は、膜の他方の側の混合ガス流の絶対圧力よりも高い。膜にピンホール
があったり、膜又はシステムの他の構成要素に関するシールが不十分であっても
、パージガス／生成ガスが混合ガス流中に漏れるに過ぎず、従って、このような
漏れは生成ガスの純度に影響しない。換言すると、絶対圧力は、何等かの漏れが
生じても、分離生成ガスの純度を損なわない方向にしか流れないように、臨界膜
品質に対する必要性及びシステム内のシールの緊密性を最小にするように選択さ
れる。
絶対圧力は、膜の他方の側の混合ガス流の絶対圧力よりも高い。膜にピンホール
があったり、膜又はシステムの他の構成要素に関するシールが不十分であっても
、パージガス／生成ガスが混合ガス流中に漏れるに過ぎず、従って、このような
漏れは生成ガスの純度に影響しない。換言すると、絶対圧力は、何等かの漏れが
生じても、分離生成ガスの純度を損なわない方向にしか流れないように、臨界膜
品質に対する必要性及びシステム内のシールの緊密性を最小にするように選択さ
れる。
【００１５】 更に、横断圧力即ち絶対圧力差が非常に小さく、絶対圧力の数分の一に過ぎな
いということに着目されたい。その結果、膜厚を減少できる。これは、任意の大
きな圧力差による追加の力を支持する必要がないためである。膜の厚さを小さく
できるため、システムの性能が向上するばかりでなく、その価格も低下する。
いということに着目されたい。その結果、膜厚を減少できる。これは、任意の大
きな圧力差による追加の力を支持する必要がないためである。膜の厚さを小さく
できるため、システムの性能が向上するばかりでなく、その価格も低下する。
【００１６】 更に、別の特徴では、本発明は、必要に応じて生成ガスを顧客又は下流機器に
送出できるようにパージガス／生成ガス流を処理することに関する。パージガス
／生成ガス流は分離モジュールから１５気圧で出され、かくして下流にほぼ１５
気圧で送出できる。一実施の形態では、この送出は、再生蒸気発生器及び水蒸気
凝縮器をモジュールの下流に設けることによって行うことができる。この再生蒸
気発生器では、パージガス／生成ガス流から水蒸気を凝縮させて除去し、ほぼ１
５気圧の流れ圧力の純粋な生成ガスだけを残す。次に、再生蒸気発生器を使用し
て熱エネルギーの大部分をできるだけリサイクルし、エネルギーに対する必要性
を最小にする。換言すると、水蒸気の凝縮によって発生した熱エネルギーをシス
テムで使用し、分離モジュールに導入された水をパージガス流の入口のところで
加熱して蒸発させる。更に、この本発明の例は、純粋な生成ガスはほぼ１５気圧
であり、即ち従来の例の生成ガス圧力の５倍であると例示される。
送出できるようにパージガス／生成ガス流を処理することに関する。パージガス
／生成ガス流は分離モジュールから１５気圧で出され、かくして下流にほぼ１５
気圧で送出できる。一実施の形態では、この送出は、再生蒸気発生器及び水蒸気
凝縮器をモジュールの下流に設けることによって行うことができる。この再生蒸
気発生器では、パージガス／生成ガス流から水蒸気を凝縮させて除去し、ほぼ１
５気圧の流れ圧力の純粋な生成ガスだけを残す。次に、再生蒸気発生器を使用し
て熱エネルギーの大部分をできるだけリサイクルし、エネルギーに対する必要性
を最小にする。換言すると、水蒸気の凝縮によって発生した熱エネルギーをシス
テムで使用し、分離モジュールに導入された水をパージガス流の入口のところで
加熱して蒸発させる。更に、この本発明の例は、純粋な生成ガスはほぼ１５気圧
であり、即ち従来の例の生成ガス圧力の５倍であると例示される。
【００１７】 分離システム及びプロセスは、更に限定された又は低い回収ファクタの目的を
受け入れることができると仮定した場合、必要とされる表面積が小さいように設
計することができる。例えばプロセスで必要な回収率が７５％に過ぎない場合に
は、混合ガス流の出口での生成ガスの分圧は、上述した元来の例に定義されてい
るように、３気圧である。この場合、混合ガス流の出口での駆動力は３気圧であ
り、及び従って、混合ガス流とパージガス流とを分離する膜の全表面積に亘る平
均駆動力が３．７５気圧まで上昇する。かくして、分離に必要な膜の表面積は、
ほぼ１００％の回収率が所望である場合よりも、かなり小さい。更に、平均駆動
力が増大し且つ必要な表面積が小さくなるため、分離モジュールの価格及び容積
がかなり小さくなる。それにも拘わらず、回収要求がほぼ１００％以下である場
合でも、システムの全体としての利点は保持される。これらには、回収率の向上
、高圧の純粋な生成ガスがシステムから出ること、並びにシールの不安定性を最
小にすることが含まれる。
受け入れることができると仮定した場合、必要とされる表面積が小さいように設
計することができる。例えばプロセスで必要な回収率が７５％に過ぎない場合に
は、混合ガス流の出口での生成ガスの分圧は、上述した元来の例に定義されてい
るように、３気圧である。この場合、混合ガス流の出口での駆動力は３気圧であ
り、及び従って、混合ガス流とパージガス流とを分離する膜の全表面積に亘る平
均駆動力が３．７５気圧まで上昇する。かくして、分離に必要な膜の表面積は、
ほぼ１００％の回収率が所望である場合よりも、かなり小さい。更に、平均駆動
力が増大し且つ必要な表面積が小さくなるため、分離モジュールの価格及び容積
がかなり小さくなる。それにも拘わらず、回収要求がほぼ１００％以下である場
合でも、システムの全体としての利点は保持される。これらには、回収率の向上
、高圧の純粋な生成ガスがシステムから出ること、並びにシールの不安定性を最
小にすることが含まれる。
【００１８】好ましい実施の形態の詳細な説明 添付図面を参照すると、これらの図には、イオン型及び電力型の両方の単膜分
離モジュール、並びに他の構成要素と関連した分離モジュールが示してある。こ
れは、添付図面のうちの図１、図２及び図３に示してある。図４及び図５は、従
来の燃料電池システム及び本発明の燃料電池システムの夫々を、相違点及び本発
明に記載した燃料電池システムの発明の特徴を強調して表す。
離モジュール、並びに他の構成要素と関連した分離モジュールが示してある。こ
れは、添付図面のうちの図１、図２及び図３に示してある。図４及び図５は、従
来の燃料電池システム及び本発明の燃料電池システムの夫々を、相違点及び本発
明に記載した燃料電池システムの発明の特徴を強調して表す。
【００１９】 次に、全体に参照番号１０を付した分離膜モジュールを示す添付図面のうちの
図１を参照する。分離膜モジュールは、ガス分離膜１２及びこの膜１２の各側の
流れチャンバ１４及び１６を含む。流れチャンバ１４は、混合ガス流１８を受け
入れて搬送するためのチャンバであり、流れチャンバ１６は、パージガス流２０
を受け入れて搬送するためのチャンバである。混合ガス流チャンバ１４は、一端
に入口ポート２２を有し、反対端に出口ポート２４を有する。同様に、パージガ
ス流チャンバ１６は、一端に入口ポート２６を有し、反対端に出口ポート２８を
有する。混合ガス流１８用の入口ポート２２は、パージガス流２０用の入口ポー
ト２６に対してモジュール１０の反対側にあり、従って、混合ガス流１８及びパ
ージガス流２０は反対方向に流れ、即ち互いに向流をなしている。
図１を参照する。分離膜モジュールは、ガス分離膜１２及びこの膜１２の各側の
流れチャンバ１４及び１６を含む。流れチャンバ１４は、混合ガス流１８を受け
入れて搬送するためのチャンバであり、流れチャンバ１６は、パージガス流２０
を受け入れて搬送するためのチャンバである。混合ガス流チャンバ１４は、一端
に入口ポート２２を有し、反対端に出口ポート２４を有する。同様に、パージガ
ス流チャンバ１６は、一端に入口ポート２６を有し、反対端に出口ポート２８を
有する。混合ガス流１８用の入口ポート２２は、パージガス流２０用の入口ポー
ト２６に対してモジュール１０の反対側にあり、従って、混合ガス流１８及びパ
ージガス流２０は反対方向に流れ、即ち互いに向流をなしている。
【００２０】 ガス分離膜１２は、混合ガス流１８に露呈された膜表面３０及びパージガス流
２０に露呈された膜表面３２を有する。入口ポート２２の近くにある混合ガス流
１８の流れチャンバ１４への進入点に参照番号３４が付してあり、出口ポート２
４近くで混合流チャンバ１４を出る混合ガス流に参照番号３６が付してある。パ
ージガス流に関し、参照番号３８は、流れチャンバ１６に進入する際の入口ポー
ト２６近くのこの流れを示し、これに対し参照番号４０は、出口ポート２８の近
くで流れチャンバを出るときの、以下に更に詳細に説明するように生成物を含む
流れ２０を表す。
２０に露呈された膜表面３２を有する。入口ポート２２の近くにある混合ガス流
１８の流れチャンバ１４への進入点に参照番号３４が付してあり、出口ポート２
４近くで混合流チャンバ１４を出る混合ガス流に参照番号３６が付してある。パ
ージガス流に関し、参照番号３８は、流れチャンバ１６に進入する際の入口ポー
ト２６近くのこの流れを示し、これに対し参照番号４０は、出口ポート２８の近
くで流れチャンバを出るときの、以下に更に詳細に説明するように生成物を含む
流れ２０を表す。
【００２１】 図１では、膜１２は、好ましくは、水素（Ｈ２）ガスを分離するためのパラジ
ウム銀型膜である。分離モジュール１０を酸素ガス分離用に形成する場合には、
膜１２は、混合イオン／電子伝導性（mixed ionic/electronic conducting）セ ラミック膜でできているのがよい。いずれにせよ、水素、酸素、二酸化炭素、ア
ンモニア、メタン又は他の生成ガスのいずれを混合ガス流から分離しようとも、
所望の生成ガス又は液体に対して選択的に透過性の任意の従来の他の種類の膜が
適当であり且つ環境に適しているということは理解されよう。膜は、勿論、夫々
の流れと接触し、膜表面３０が混合ガス流と接触し、膜表面３２がパージガス流
と接触する。
ウム銀型膜である。分離モジュール１０を酸素ガス分離用に形成する場合には、
膜１２は、混合イオン／電子伝導性（mixed ionic/electronic conducting）セ ラミック膜でできているのがよい。いずれにせよ、水素、酸素、二酸化炭素、ア
ンモニア、メタン又は他の生成ガスのいずれを混合ガス流から分離しようとも、
所望の生成ガス又は液体に対して選択的に透過性の任意の従来の他の種類の膜が
適当であり且つ環境に適しているということは理解されよう。膜は、勿論、夫々
の流れと接触し、膜表面３０が混合ガス流と接触し、膜表面３２がパージガス流
と接触する。
【００２２】 混合ガス流３４が入口ポート２２のところで流れチャンバ１４に進入する。流
れチャンバ１４を通過した後、混合ガス流３６として出口ポート１２を通って出
る。この混合ガス流は、生成ガス（例えば、水素、酸素、又は混合ガス流から分
離されるべき他のガス又は液体）及び生成ガスから分離された他のガスを含む流
れからなる。分離モジュール１０の他方の側では、パージガス流３８が入口ポー
ト２６を通って進入し、流れチャンバ１６を通って移動し、パージガス／生成ガ
ス４０として出口ポート２８から出る。パージガス流は、水蒸気であるか或いは
、以下に説明するように分離モジュール１０の下流で生成ガスから容易に分離で
きる任意の他のガスであるのがよい。生成ガスとして水素又は酸素を分離する特
定の実施の形態を以下に論じる。これらのガスをこの特定の実施の形態で論じる
が、混合ガス流から他のガス又は液体を本発明のパラメータ内で分離することも
できる。
れチャンバ１４を通過した後、混合ガス流３６として出口ポート１２を通って出
る。この混合ガス流は、生成ガス（例えば、水素、酸素、又は混合ガス流から分
離されるべき他のガス又は液体）及び生成ガスから分離された他のガスを含む流
れからなる。分離モジュール１０の他方の側では、パージガス流３８が入口ポー
ト２６を通って進入し、流れチャンバ１６を通って移動し、パージガス／生成ガ
ス４０として出口ポート２８から出る。パージガス流は、水蒸気であるか或いは
、以下に説明するように分離モジュール１０の下流で生成ガスから容易に分離で
きる任意の他のガスであるのがよい。生成ガスとして水素又は酸素を分離する特
定の実施の形態を以下に論じる。これらのガスをこの特定の実施の形態で論じる
が、混合ガス流から他のガス又は液体を本発明のパラメータ内で分離することも
できる。
【００２３】 水素は、分離モジュール１０の流れチャンバ１４を通って流れる混合ガス流１
８中に含まれる生成ガスである。水素は、膜表面３０に到達し、膜１２の格子内
に吸収される。表面での水素ガスの程度は、膜表面３０の上方の混合ガス流中の
水素分圧と比例する。パージガス流２０は、膜表面３２での水素分圧を膜１２の
他方の側の表面３０での水素分圧以下に維持するように、流れチャンバ１６を通
って流れる。従って、分離膜１２の表面３０近くの格子内の水素は膜１２を通っ
て表面３２まで移動する。表面３２の近くの水素分圧が低いため、水素は膜１２
の格子構造を出てパージガス流（本質的には、パージガス流をパージガス／生成
ガス流に転換する）に進入し、流れ４０として出口ポート２８から出る。
８中に含まれる生成ガスである。水素は、膜表面３０に到達し、膜１２の格子内
に吸収される。表面での水素ガスの程度は、膜表面３０の上方の混合ガス流中の
水素分圧と比例する。パージガス流２０は、膜表面３２での水素分圧を膜１２の
他方の側の表面３０での水素分圧以下に維持するように、流れチャンバ１６を通
って流れる。従って、分離膜１２の表面３０近くの格子内の水素は膜１２を通っ
て表面３２まで移動する。表面３２の近くの水素分圧が低いため、水素は膜１２
の格子構造を出てパージガス流（本質的には、パージガス流をパージガス／生成
ガス流に転換する）に進入し、流れ４０として出口ポート２８から出る。
【００２４】 入口ポート２６の近くのパージガス流３８の圧力及び出口ポート２８の近くの
パージガス／生成ガス流４０の圧力、並びにこれらの間の流れの圧力を、混合ガ
ス流１８の圧力以上の圧力に維持する。更に、パージガス流２０の流量を、ガス
分離膜１２の全面に沿って正の水素分圧駆動力を発生するのに十分高い流量に維
持する。かくして、混合ガス流１８中の水素分圧を高く維持すると同時に流れチ
ャンバ１６内のパージガス流３８の圧力を高く維持することにより、水素ガスが
分離膜１２を横切ってチャンバ１４からチャンバ１６に移動できるようにするが
、たとえ膜１２にピンホールが形成されていようとシールが不十分であろうと、
チャンバ１４内の混合ガス流の他の成分が分離膜１２を横切って移動することが
ないようにするということは理解されよう。
パージガス／生成ガス流４０の圧力、並びにこれらの間の流れの圧力を、混合ガ
ス流１８の圧力以上の圧力に維持する。更に、パージガス流２０の流量を、ガス
分離膜１２の全面に沿って正の水素分圧駆動力を発生するのに十分高い流量に維
持する。かくして、混合ガス流１８中の水素分圧を高く維持すると同時に流れチ
ャンバ１６内のパージガス流３８の圧力を高く維持することにより、水素ガスが
分離膜１２を横切ってチャンバ１４からチャンバ１６に移動できるようにするが
、たとえ膜１２にピンホールが形成されていようとシールが不十分であろうと、
チャンバ１４内の混合ガス流の他の成分が分離膜１２を横切って移動することが
ないようにするということは理解されよう。
【００２５】 次に、本発明の変形例を示す添付図面のうちの図２を参照する。この実施の形
態では、この図２の対応する要素について、図１に関して使用されたのと同じ参
照番号を使用する。図２に示す分離モジュールは、流れチャンバ１６と分離膜１
２との間に電極４２が設けられており、分離膜１２と流れチャンバ１４との間に
電極４４が設けられているという点で、図１に示す分離モジュールと異なってい
る。
態では、この図２の対応する要素について、図１に関して使用されたのと同じ参
照番号を使用する。図２に示す分離モジュールは、流れチャンバ１６と分離膜１
２との間に電極４２が設けられており、分離膜１２と流れチャンバ１４との間に
電極４４が設けられているという点で、図１に示す分離モジュールと異なってい
る。
【００２６】 分離膜１２には電極４２及び４４がコーティングしてあり、これらの電極がパ
ージガス流２０及び混合ガス流１８の夫々と接触する。以下に説明する例では、
酸素イオン伝導膜を使用するが、負に帯電させたイオン又は正に帯電させたイオ
ンを使用する他の適当な膜が可能であり、これらは本発明の範疇に入る。
ージガス流２０及び混合ガス流１８の夫々と接触する。以下に説明する例では、
酸素イオン伝導膜を使用するが、負に帯電させたイオン又は正に帯電させたイオ
ンを使用する他の適当な膜が可能であり、これらは本発明の範疇に入る。
【００２７】 混合ガス流１８は、入口ポート２２を通って進入し、出口ポート２４を通って
出る。この際、パージガス流２０は入口ポート２６を通ってチャンバ１６に進入
し、出口ポート２８を通って出る。この場合も、混合ガス流１８及びパージガス
流２０は互いに向流をなして流れる。パージガス流２０の圧力は、所望の純生成
物送出圧力とほぼ等しい圧力に維持される。純生成物、この場合には水素が分離
モジュールの下流に所望の圧力で、例えば１５気圧で送出され、パージガス流の
圧力はこの純生成物送出圧力に維持される。少なくとも、しかしながら、パージ
ガス流２０の圧力は、ピンホールや不十分なシールに加わる衝撃を最小にするた
めチャンバ１４内の混合ガス流１８よりも僅かに大きくなければならない。構成
要素と膜との間のシールが良好な構造の場合には、圧力基準を幾分緩めることが
できる。
出る。この際、パージガス流２０は入口ポート２６を通ってチャンバ１６に進入
し、出口ポート２８を通って出る。この場合も、混合ガス流１８及びパージガス
流２０は互いに向流をなして流れる。パージガス流２０の圧力は、所望の純生成
物送出圧力とほぼ等しい圧力に維持される。純生成物、この場合には水素が分離
モジュールの下流に所望の圧力で、例えば１５気圧で送出され、パージガス流の
圧力はこの純生成物送出圧力に維持される。少なくとも、しかしながら、パージ
ガス流２０の圧力は、ピンホールや不十分なシールに加わる衝撃を最小にするた
めチャンバ１４内の混合ガス流１８よりも僅かに大きくなければならない。構成
要素と膜との間のシールが良好な構造の場合には、圧力基準を幾分緩めることが
できる。
【００２８】 電子４６が電極４２に進入し、電極４２内の反応場所４８まで移動する。この
実施の形態では、パージガス流は水蒸気を含み、この水蒸気が電子４６とともに
反応場所４８に進入し、参照番号５０を付した水素及び参照番号５２を付した酸
素イオンを形成する。酸素イオン５２は、分離膜１２の格子構造に進入する。反
応場所４８近くの酸素イオン５２の濃度が高まることによって、酸素イオン５２
を電極４４内に含まれる反応場所５４まで強制的に流す。参照番号５６を付した
水素は、チャンバ１４内の混合ガス流１８から反応場所５４に進入し、酸素イオ
ン５２と反応する。この反応により、参照番号５８を付した水が発生し、この水
が気化し、チャンバ１４内の混合ガス流１８に進入し、これと同時に、参照番号
６０を付した電子を放出する。電子は電極４４を離れて外部回路６２を通って流
れ、最終的には電極４２に戻り、電気回路を完成する。
実施の形態では、パージガス流は水蒸気を含み、この水蒸気が電子４６とともに
反応場所４８に進入し、参照番号５０を付した水素及び参照番号５２を付した酸
素イオンを形成する。酸素イオン５２は、分離膜１２の格子構造に進入する。反
応場所４８近くの酸素イオン５２の濃度が高まることによって、酸素イオン５２
を電極４４内に含まれる反応場所５４まで強制的に流す。参照番号５６を付した
水素は、チャンバ１４内の混合ガス流１８から反応場所５４に進入し、酸素イオ
ン５２と反応する。この反応により、参照番号５８を付した水が発生し、この水
が気化し、チャンバ１４内の混合ガス流１８に進入し、これと同時に、参照番号
６０を付した電子を放出する。電子は電極４４を離れて外部回路６２を通って流
れ、最終的には電極４２に戻り、電気回路を完成する。
【００２９】 図２に示す実施の形態では、水素を分離する駆動力は、主に電力であるが、こ
の電力に加えて正の分圧駆動力を維持することによって、システムの駆動に必要
なエネルギー量を小さくすることができる。更に、この実施の形態では、電気駆
動力のため、パージガスの流量を減少させることができる。これは、電気駆動力
により、水素を低分圧の混合ガス流１８からチャンバ１６内の高分圧のパージガ
ス２０に移動できるためである。従って、この実施の形態では、図１に示す実施
の形態とは異なり、混合ガス流１８内の水素分圧が、ガス分離膜１２の長さに沿
って、パージガス流２０中の水素分圧よりも高い必要がない。
の電力に加えて正の分圧駆動力を維持することによって、システムの駆動に必要
なエネルギー量を小さくすることができる。更に、この実施の形態では、電気駆
動力のため、パージガスの流量を減少させることができる。これは、電気駆動力
により、水素を低分圧の混合ガス流１８からチャンバ１６内の高分圧のパージガ
ス２０に移動できるためである。従って、この実施の形態では、図１に示す実施
の形態とは異なり、混合ガス流１８内の水素分圧が、ガス分離膜１２の長さに沿
って、パージガス流２０中の水素分圧よりも高い必要がない。
【００３０】 本発明の装置及び方法の利点は、他のガスに等しく適用できる。例えば、混合
ガス流中の酸素を反応場所５４で反応させて酸素イオン５２及び電子を発生でき
る。従って、電子４６及び６０は、水素を混合ガス流から分離する場合に関して
示したのと逆方向に流れ、酸素イオン５２もまた逆方向に流れる。反応場所４８
では、酸素イオン５２が外部回路６２から戻る電子４６と再結合して純酸素を形
成する。この純酸素は、代表的には水蒸気を含むパージガス流中に放出される。
この場合、本発明の向流パージガス流には、水素を使用した上述の例と同じ利点
がある。
ガス流中の酸素を反応場所５４で反応させて酸素イオン５２及び電子を発生でき
る。従って、電子４６及び６０は、水素を混合ガス流から分離する場合に関して
示したのと逆方向に流れ、酸素イオン５２もまた逆方向に流れる。反応場所４８
では、酸素イオン５２が外部回路６２から戻る電子４６と再結合して純酸素を形
成する。この純酸素は、代表的には水蒸気を含むパージガス流中に放出される。
この場合、本発明の向流パージガス流には、水素を使用した上述の例と同じ利点
がある。
【００３１】 次に添付図面のうちの図３を参照すると、この図には、ガス精製分離システム
全体の概略図が示してある。図３では、図３に示す対応する構成及び要素につい
て、図１及び図２で使用した参照番号を使用した。図３では、混合ガス流１８が
入口ポート２２に流れ３４として進入し、出口ポート２４の近くで減損混合ガス
流（depleted mixed gas stream）３６になる。パージガス流２０が入口２６に 流れ３８として進入し、混合ガス流１８に対して向流方向に流れる。パージガス
２０は、出口ポート２８を通ってパージガス／生成ガス流４０として出る。混合
ガス流１８及びパージガス流２０の夫々の流れは、ガス分離膜１２によって隔離
されている。これは、図１及び図２に関する上述の説明に従って行われる。パー
ジガス／生成ガス流４０は、再生蒸気発生器６８に流入し、そこで熱を蒸気４０
から奪い、蒸気４０を凝縮させる。蒸気は、蒸気発生器６８を通過した後、熱除
去用最終段凝縮器７０に進入し、続いて液体／ガス分離器７２に入る。液体／ガ
ス分離器７２では、純生成ガス流７６を参照番号７４を付した凝縮水から分離す
る。下流の場所で使用するため又は下流の場所に送出するため、純生成ガス流７
６を流れから除去する。
全体の概略図が示してある。図３では、図３に示す対応する構成及び要素につい
て、図１及び図２で使用した参照番号を使用した。図３では、混合ガス流１８が
入口ポート２２に流れ３４として進入し、出口ポート２４の近くで減損混合ガス
流（depleted mixed gas stream）３６になる。パージガス流２０が入口２６に 流れ３８として進入し、混合ガス流１８に対して向流方向に流れる。パージガス
２０は、出口ポート２８を通ってパージガス／生成ガス流４０として出る。混合
ガス流１８及びパージガス流２０の夫々の流れは、ガス分離膜１２によって隔離
されている。これは、図１及び図２に関する上述の説明に従って行われる。パー
ジガス／生成ガス流４０は、再生蒸気発生器６８に流入し、そこで熱を蒸気４０
から奪い、蒸気４０を凝縮させる。蒸気は、蒸気発生器６８を通過した後、熱除
去用最終段凝縮器７０に進入し、続いて液体／ガス分離器７２に入る。液体／ガ
ス分離器７２では、純生成ガス流７６を参照番号７４を付した凝縮水から分離す
る。下流の場所で使用するため又は下流の場所に送出するため、純生成ガス流７
６を流れから除去する。
【００３２】 水７４はポンプ７８を通って再生蒸気発生器６８に戻され、この蒸気発生器の
ところで、流れ４０から水を凝縮することにより伝達された熱によって、液体の
水７４を水蒸気に変換する。冷媒型パージガスを使用する場合には、ポンプ７８
と蒸気発生器６８との間にオリフィス８０を配置する。水蒸気は、過熱器８２で
更に加熱され、パージガス流３８になり、分離モジュール１０の入口ポート２６
に進入する。必要であれば、追加の水を分離器７２に加えることができる。
ところで、流れ４０から水を凝縮することにより伝達された熱によって、液体の
水７４を水蒸気に変換する。冷媒型パージガスを使用する場合には、ポンプ７８
と蒸気発生器６８との間にオリフィス８０を配置する。水蒸気は、過熱器８２で
更に加熱され、パージガス流３８になり、分離モジュール１０の入口ポート２６
に進入する。必要であれば、追加の水を分離器７２に加えることができる。
【００３３】 次に、添付図面のうちの図４（ａ）、図４（ｂ）及び図５を参照する。図４は
従来の燃料電池電力システムを示すのに対し、図５は本発明の燃料電池システム
を示す。
従来の燃料電池電力システムを示すのに対し、図５は本発明の燃料電池システム
を示す。
【００３４】 図４（ａ）には、アンダーオキシダイズド（under-oxidized）バーナー／改質
器即ち燃料プロセッサ１１０が示してある。この燃料プロセッサ１１０は、例え
ば、メタノール、エタノール、ディーゼル燃料等の炭化水素燃料を受け入れ、こ
れらを混合して燃焼させ、水素が濃厚な混合ガス生成物流を発生する。炭化水素
燃料を燃料入口１１２を通して導入し、ポンプ１１６を使用して燃料ライン１１
４に沿って搬送する。通過する燃料の流れを制御するため、バルブ１１８が燃料
ライン１１４に配置されている。燃料ライン１１４は、燃料プロセッサ１１０に
入る。ターボ発電機１２２には空気入口１２０が設けられており、空気が空気ラ
イン１２４に沿って燃料プロセッサ１１０に圧送される。水蒸気をライン１５４
から空気に混入する。燃料プロセッサ１１０では、空気ライン１２４からの空気
及び燃料ライン１１４からの燃料を組み合わせ、好ましくは水が存在する状態で
反応させ、燃焼させ、水素ガス／混合ガス生成物を発生する。この生成物は、燃
料プロセッサ１１０から生成物ライン１２６を通って出る。生成物ライン１２６
は、水素ガス／混合ガス生成物を下流シフト反応器１７０及び１７２、熱回収熱
交換器１７３及び１７５、及び一酸化炭素除去ユニット１７６を通して最終的に
は燃料電池１２８に搬送する。ここで、空気ライン１３０を通して圧送された空
気と組み合わせる。空気ライン１３０内の空気源は、ターボ発電機１２２である
。
器即ち燃料プロセッサ１１０が示してある。この燃料プロセッサ１１０は、例え
ば、メタノール、エタノール、ディーゼル燃料等の炭化水素燃料を受け入れ、こ
れらを混合して燃焼させ、水素が濃厚な混合ガス生成物流を発生する。炭化水素
燃料を燃料入口１１２を通して導入し、ポンプ１１６を使用して燃料ライン１１
４に沿って搬送する。通過する燃料の流れを制御するため、バルブ１１８が燃料
ライン１１４に配置されている。燃料ライン１１４は、燃料プロセッサ１１０に
入る。ターボ発電機１２２には空気入口１２０が設けられており、空気が空気ラ
イン１２４に沿って燃料プロセッサ１１０に圧送される。水蒸気をライン１５４
から空気に混入する。燃料プロセッサ１１０では、空気ライン１２４からの空気
及び燃料ライン１１４からの燃料を組み合わせ、好ましくは水が存在する状態で
反応させ、燃焼させ、水素ガス／混合ガス生成物を発生する。この生成物は、燃
料プロセッサ１１０から生成物ライン１２６を通って出る。生成物ライン１２６
は、水素ガス／混合ガス生成物を下流シフト反応器１７０及び１７２、熱回収熱
交換器１７３及び１７５、及び一酸化炭素除去ユニット１７６を通して最終的に
は燃料電池１２８に搬送する。ここで、空気ライン１３０を通して圧送された空
気と組み合わせる。空気ライン１３０内の空気源は、ターボ発電機１２２である
。
【００３５】 燃料電池１２８は、陽極排気ライン１３２及び陰極排気ライン１３４を有し、
これらの排気ラインの各々は、凝縮器１３６及び１３８の夫々に連結されている
。凝縮器１３６は分離器１４０に連結されているのに対し、凝縮器１３８は分離
器１４２に連結されており、これらの分離器１４０及び１４２は混合物から水を
抜き出す。水は、水ライン１４４及び１４６の夫々を通ってドレンされる。これ
らの水ライン１４４及び１４６は、合同して単一の水ライン１４８になる。この
水ライン１４８は、水を蒸気発生器１５０に搬送する。しかしながら、水の幾分
かが水ライン１５２を通して捕捉され、燃料プロセッサ１１０に導入され、ここ
で燃焼チャンバからの高温の生成ガスと混合される。合同した水ライン１４８を
通って蒸気発生器１５０に到達した水は、熱交換器１７３及び１７５から回収さ
れた熱によって加熱され、これによって発生した水蒸気を水蒸気ライン１５４を
通して空気ライン１２４に供給する。ここで空気と水蒸気とを混合した後、上述
したように燃料プロセッサ１１０に導入する。
これらの排気ラインの各々は、凝縮器１３６及び１３８の夫々に連結されている
。凝縮器１３６は分離器１４０に連結されているのに対し、凝縮器１３８は分離
器１４２に連結されており、これらの分離器１４０及び１４２は混合物から水を
抜き出す。水は、水ライン１４４及び１４６の夫々を通ってドレンされる。これ
らの水ライン１４４及び１４６は、合同して単一の水ライン１４８になる。この
水ライン１４８は、水を蒸気発生器１５０に搬送する。しかしながら、水の幾分
かが水ライン１５２を通して捕捉され、燃料プロセッサ１１０に導入され、ここ
で燃焼チャンバからの高温の生成ガスと混合される。合同した水ライン１４８を
通って蒸気発生器１５０に到達した水は、熱交換器１７３及び１７５から回収さ
れた熱によって加熱され、これによって発生した水蒸気を水蒸気ライン１５４を
通して空気ライン１２４に供給する。ここで空気と水蒸気とを混合した後、上述
したように燃料プロセッサ１１０に導入する。
【００３６】 各分離器１４０及び１４２は、残留生成物ライン１５８及び１６０によって燃
焼器１５６に連結されている。残留生成物を燃焼器１５６で燃焼させて熱及びエ
ネルギーを発生させ、これをライン１６２を通して流し、ターボ発電機１２２に
供給する。ライン１６２を通って流れる生成物に含まれる熱及びエネルギーをタ
ーボ発電機で処理し、発電機１６４に電力を提供するのに使用する。燃焼器ガス
は、ターボ発電機１２２の後の排気ライン１６６を通して排気される。
焼器１５６に連結されている。残留生成物を燃焼器１５６で燃焼させて熱及びエ
ネルギーを発生させ、これをライン１６２を通して流し、ターボ発電機１２２に
供給する。ライン１６２を通って流れる生成物に含まれる熱及びエネルギーをタ
ーボ発電機で処理し、発電機１６４に電力を提供するのに使用する。燃焼器ガス
は、ターボ発電機１２２の後の排気ライン１６６を通して排気される。
【００３７】 燃料プロセッサ１１０には、空気、燃料、及び水の混合物を燃焼させる燃焼チ
ャンバ１６８が設けられており、この燃焼チャンバの温度は約１４８２．２℃（
約２７００0F）に達する。燃料プロセッサの下部には、ライン１５２からの水が
導入され、生成ガスを約３７１．１℃（約７００0F）まで急冷する。下流には、
高温シフト領域１７０及び低温シフト領域１７２が設けられ、ここで一酸化炭素
を水と反応させて追加の水素及び二酸化炭素を形成する。これらのシフト反応器
は、望ましからぬ燃焼副生物のシステムを除去するのを補助する。燃料プロセッ
サのプロセスは、酸化亜鉛床を更に含み、ここで硫黄を燃焼混合物から抜き出す
。硫黄床１７４及び高温シフト１７０を出る生成ガスは、低温シフト反応器１７
２に進入するための準備で熱交換器１７３によって冷却される。ガスは、低温シ
フト反応器１７２の後に熱交換器１７１によって更に冷却される。最終的には、
一酸化炭素を一酸化炭素除去ユニット１７６で燃料電池１２８に受け入れられる
レベルまで減少させる。生成物ライン１２６内の水素ガス／混合ガス生成物は水
素濃度が非常に低く、代表的には、全生成ガスの３０％乃至４０％を占めるに過
ぎない。
ャンバ１６８が設けられており、この燃焼チャンバの温度は約１４８２．２℃（
約２７００0F）に達する。燃料プロセッサの下部には、ライン１５２からの水が
導入され、生成ガスを約３７１．１℃（約７００0F）まで急冷する。下流には、
高温シフト領域１７０及び低温シフト領域１７２が設けられ、ここで一酸化炭素
を水と反応させて追加の水素及び二酸化炭素を形成する。これらのシフト反応器
は、望ましからぬ燃焼副生物のシステムを除去するのを補助する。燃料プロセッ
サのプロセスは、酸化亜鉛床を更に含み、ここで硫黄を燃焼混合物から抜き出す
。硫黄床１７４及び高温シフト１７０を出る生成ガスは、低温シフト反応器１７
２に進入するための準備で熱交換器１７３によって冷却される。ガスは、低温シ
フト反応器１７２の後に熱交換器１７１によって更に冷却される。最終的には、
一酸化炭素を一酸化炭素除去ユニット１７６で燃料電池１２８に受け入れられる
レベルまで減少させる。生成物ライン１２６内の水素ガス／混合ガス生成物は水
素濃度が非常に低く、代表的には、全生成ガスの３０％乃至４０％を占めるに過
ぎない。
【００３８】 燃焼器１５６は、残留生成物を燃料電池１２８から凝縮器及び分離器を介して
受け取り、これらを燃焼させ、ライン１６２を通って移動する生成物を高温にす
る。ライン１６２内のこれらの生成物の温度は、約４２６．６７℃（約８００0F
）に至る。この温度は、以下に説明する本発明の燃料電池システムの対応する構
造で到達する温度よりもかなり低温である。
受け取り、これらを燃焼させ、ライン１６２を通って移動する生成物を高温にす
る。ライン１６２内のこれらの生成物の温度は、約４２６．６７℃（約８００0F
）に至る。この温度は、以下に説明する本発明の燃料電池システムの対応する構
造で到達する温度よりもかなり低温である。
【００３９】 次に、添付図面うちの図５を参照する。この図は、本発明の構成及びシステム
を示す概略フローチャートである。以下の議論から明らかになるように、本発明
の燃料電池システムは、効率及び出力を高める多くの利点を提供し、公称出力定
格の、又は出力定格が従来のシステムよりも低いアンダーオキシダイズドバーナ
ーを必要とする。水素燃料を非常に効率的に使用し且つ生成するための、及び次
に使用するために水素をリザーバに貯蔵するための、本発明のシステムの容量の
ため、低い出力定格を受け入れることができる。水素を貯蔵することができるた
め、水素を生成するアンダーオキシダイズドバーナーを異常に高いピーク出力で
作動させる必要がなく、代表的には、更に一貫した一定の状態で作動でき、それ
でも、システムを従来のシステムのピーク出力レベルで作動させるのに十分な水
素を提供する。
を示す概略フローチャートである。以下の議論から明らかになるように、本発明
の燃料電池システムは、効率及び出力を高める多くの利点を提供し、公称出力定
格の、又は出力定格が従来のシステムよりも低いアンダーオキシダイズドバーナ
ーを必要とする。水素燃料を非常に効率的に使用し且つ生成するための、及び次
に使用するために水素をリザーバに貯蔵するための、本発明のシステムの容量の
ため、低い出力定格を受け入れることができる。水素を貯蔵することができるた
め、水素を生成するアンダーオキシダイズドバーナーを異常に高いピーク出力で
作動させる必要がなく、代表的には、更に一貫した一定の状態で作動でき、それ
でも、システムを従来のシステムのピーク出力レベルで作動させるのに十分な水
素を提供する。
【００４０】 図５を参照すると、この図には、アンダーオキシダイズドバーナー／改質器２
１０が示してある。これは、全体として、燃焼チャンバ２１２を含む。本発明の
システムには、燃焼チャンバ２１２の下流に革新的な精製モジュール２１４が組
み込んである。精製モジュール２１４は、混合ガス側２１３及びパージガス／生
成ガス側２３３を有する。混合ガス側２１３は、パージガス／生成ガス側２３３
に対して向流方向で流れる。アンダーオキシダイズドバーナー２１０には、空気
、燃料及び水が供給され、これらは点火され且つ完全に混合され、水素、一酸化
炭素及び水を生成する。
１０が示してある。これは、全体として、燃焼チャンバ２１２を含む。本発明の
システムには、燃焼チャンバ２１２の下流に革新的な精製モジュール２１４が組
み込んである。精製モジュール２１４は、混合ガス側２１３及びパージガス／生
成ガス側２３３を有する。混合ガス側２１３は、パージガス／生成ガス側２３３
に対して向流方向で流れる。アンダーオキシダイズドバーナー２１０には、空気
、燃料及び水が供給され、これらは点火され且つ完全に混合され、水素、一酸化
炭素及び水を生成する。
【００４１】 燃料入口２１６を介して燃料ライン２１８に供給された燃料は、ポンプ−コン
プレッサー２２０によって燃焼チャンバ２１２に圧送される。燃料ライン２１８
を通る燃料の流れを制御するため、バルブ２２２が設けられている。従来のシス
テムと同様に、燃料は、メタノール、エタノール、ディーゼル燃料又は他の適当
な燃料等の炭化水素燃料からなるのがよい。空気入口２２４は、ターボ発電機２
２６に空気を提供し、空気ライン２２８が空気をターボ発電機２２６からバーナ
ー２１０の燃焼チャンバ２１２に搬送する。空気ライン２２８を通って流れる空
気には、以下に更に詳細に説明するように、燃料電池システム内の別の蒸気源か
ら延びる蒸気ライン２３０が提供する蒸気が補充される。蒸気ライン２３０は、
蒸気を精製モジュール２１４に提供する分岐ライン２３２を有する。
プレッサー２２０によって燃焼チャンバ２１２に圧送される。燃料ライン２１８
を通る燃料の流れを制御するため、バルブ２２２が設けられている。従来のシス
テムと同様に、燃料は、メタノール、エタノール、ディーゼル燃料又は他の適当
な燃料等の炭化水素燃料からなるのがよい。空気入口２２４は、ターボ発電機２
２６に空気を提供し、空気ライン２２８が空気をターボ発電機２２６からバーナ
ー２１０の燃焼チャンバ２１２に搬送する。空気ライン２２８を通って流れる空
気には、以下に更に詳細に説明するように、燃料電池システム内の別の蒸気源か
ら延びる蒸気ライン２３０が提供する蒸気が補充される。蒸気ライン２３０は、
蒸気を精製モジュール２１４に提供する分岐ライン２３２を有する。
【００４２】 バーナー２１０の燃焼チャンバ２１２内には、ライン２２８及び２１８の夫々
を通して受け入れた空気及び燃料を完全に混合するための構造が配置されている
。これらの構造は、代表的には、イジェクターノズルで終端する。イジェクター
ノズルでは、完全に混合した燃料−空気混合物を、点火のため、燃焼チャンバに
放出する。混合構造及びイジェクターノズルは、米国特許第５，２０７，１８５
号、米国特許第５，２９９，５３６号、米国特許第５，４４１，５４６号、米国
特許第５，４３７，１２３号、米国特許第５，５２９，４８４号、及び米国特許
第５，５４６，７０１号を含む本出願人の他の特許、並びに米国特許出願第４７
１，４０４号及び米国特許出願第７４２，３８３号のうちの幾つかに詳細に記載
されている。これらの特許に触れたことにより、これらの特許に開示されている
内容は本明細書中に組み入れられたものとする。
を通して受け入れた空気及び燃料を完全に混合するための構造が配置されている
。これらの構造は、代表的には、イジェクターノズルで終端する。イジェクター
ノズルでは、完全に混合した燃料−空気混合物を、点火のため、燃焼チャンバに
放出する。混合構造及びイジェクターノズルは、米国特許第５，２０７，１８５
号、米国特許第５，２９９，５３６号、米国特許第５，４４１，５４６号、米国
特許第５，４３７，１２３号、米国特許第５，５２９，４８４号、及び米国特許
第５，５４６，７０１号を含む本出願人の他の特許、並びに米国特許出願第４７
１，４０４号及び米国特許出願第７４２，３８３号のうちの幾つかに詳細に記載
されている。これらの特許に触れたことにより、これらの特許に開示されている
内容は本明細書中に組み入れられたものとする。
【００４３】 バーナー２１０内での燃焼プロセスにより炭化水素燃料を水素及び一酸化炭素
の混合ガス流に変換した後、混合ガス流が精製モジュール２１４に進入し、混合
ガス側２１３を通って流れる。蒸気がライン２３２から精製モジュール２１４に
進入し、パージガス／生成ガス側２３３を通って流れる。混合ガス流２１３及び
パージガス／生成ガス流２３３は、互いに対して向流関係で流れる。混合ガス流
２１３からの水素は、図１及び図２について説明したように、パージガス／生成
ガス流２３３内に移動する。７０％乃至９０％の回収率が好ましい。
の混合ガス流に変換した後、混合ガス流が精製モジュール２１４に進入し、混合
ガス側２１３を通って流れる。蒸気がライン２３２から精製モジュール２１４に
進入し、パージガス／生成ガス側２３３を通って流れる。混合ガス流２１３及び
パージガス／生成ガス流２３３は、互いに対して向流関係で流れる。混合ガス流
２１３からの水素は、図１及び図２について説明したように、パージガス／生成
ガス流２３３内に移動する。７０％乃至９０％の回収率が好ましい。
【００４４】 水素／蒸気混合物は、バーナー２１０から水／水素ライン２３６を通って出る
。ここで凝縮器２３８まで搬送される。この凝縮器もまた、図３で説明した復熱
式凝縮器であるのがよい。最終凝縮器２４０が設けられており、凝縮器２３８及
び最終凝縮器２４０が復水列を構成する。これらの凝縮器は、水素／蒸気を水素
／液体水混合に変換し、これらの二つの成分を分離し且つ隔離するため、分離器
２４２が設けられている。水素は、水素ライン２４４を通って分離器２４２を出
る。この際、水は水ライン２４６を通って分離器２４２を出る。
。ここで凝縮器２３８まで搬送される。この凝縮器もまた、図３で説明した復熱
式凝縮器であるのがよい。最終凝縮器２４０が設けられており、凝縮器２３８及
び最終凝縮器２４０が復水列を構成する。これらの凝縮器は、水素／蒸気を水素
／液体水混合に変換し、これらの二つの成分を分離し且つ隔離するため、分離器
２４２が設けられている。水素は、水素ライン２４４を通って分離器２４２を出
る。この際、水は水ライン２４６を通って分離器２４２を出る。
【００４５】 本発明の特別の利点は、燃料電池に供給される水素−生成物混合に水素を３０
％乃至４０％しか含まない従来のシステムと比較して、ほぼ１００％の水素ガス
が水素ライン２４４に含まれているということである。本発明では、水素ライン
２４４は、ライン２４８を通して燃料電池モジュール２５０に差し向けることが
できるか或いはライン２５２を通して水素貯蔵タンク２５４に差し向けることが
できるかのいずれかである。明らかに、ライン２４８及び２５２の夫々のうちの
いずれか一方に進入する水素ガスの量は、燃料電池２５０に及ぼされる負荷で決
まる。分離器２４２からの全ての水素ガスを燃料電池２５０の現在の要求負荷に
合わせる必要がある場合には、生成された全ての水素がライン２４８を通して燃
料電池２５０に送られる。他方、ライン２４４を通って分離器から出る水素が現
在の要求負荷以上である場合には、水素の全て又は一部が、水素貯蔵タンク２５
４に貯蔵されるため、ライン２５２を通って流れる。水素ガスを貯蔵タンク２５
４に送るため、ポンプ２５６がライン２５２に設けられている。
％乃至４０％しか含まない従来のシステムと比較して、ほぼ１００％の水素ガス
が水素ライン２４４に含まれているということである。本発明では、水素ライン
２４４は、ライン２４８を通して燃料電池モジュール２５０に差し向けることが
できるか或いはライン２５２を通して水素貯蔵タンク２５４に差し向けることが
できるかのいずれかである。明らかに、ライン２４８及び２５２の夫々のうちの
いずれか一方に進入する水素ガスの量は、燃料電池２５０に及ぼされる負荷で決
まる。分離器２４２からの全ての水素ガスを燃料電池２５０の現在の要求負荷に
合わせる必要がある場合には、生成された全ての水素がライン２４８を通して燃
料電池２５０に送られる。他方、ライン２４４を通って分離器から出る水素が現
在の要求負荷以上である場合には、水素の全て又は一部が、水素貯蔵タンク２５
４に貯蔵されるため、ライン２５２を通って流れる。水素ガスを貯蔵タンク２５
４に送るため、ポンプ２５６がライン２５２に設けられている。
【００４６】 燃料電池２５０に加わる負荷が、実際に生成され且つ分離器２４２内で分離さ
れた量よりも大量の水素が必要とされるような負荷である場合があるということ
は勿論のことである。従来のシステムでは、こうした要求の増大により、燃料プ
ロセッサは、更に多くの水素を生成するように仕向けられる。しかしながら、本
発明では、追加の水素要求は、貯蔵タンク２５４内の水素リザーバによって満た
される。通過するガス流をバルブ２５８で制御するライン２５２は、燃料電池２
５０で使用するために水素を貯蔵タンクからライン２４８内に供給できる通路を
提供する。
れた量よりも大量の水素が必要とされるような負荷である場合があるということ
は勿論のことである。従来のシステムでは、こうした要求の増大により、燃料プ
ロセッサは、更に多くの水素を生成するように仕向けられる。しかしながら、本
発明では、追加の水素要求は、貯蔵タンク２５４内の水素リザーバによって満た
される。通過するガス流をバルブ２５８で制御するライン２５２は、燃料電池２
５０で使用するために水素を貯蔵タンクからライン２４８内に供給できる通路を
提供する。
【００４７】 燃料電池から陰極排気生成物を触媒燃焼器２６２まで搬送する陰極排気ライン
２６０が設けられている。触媒燃焼器２６２には、バーナー２１０からの減損ガ
ス生成物を通す供給ライン２６４が更に設けられている。精製モジュールの混合
ガス側２１３からのこれらの減損ガス生成物は、水素ガスを含む。更に、触媒燃
焼器２６２には、圧縮空気がライン２６６を通してターボ発電機２２６から提供
される。触媒燃焼器２６２は、バーナー２１０から受け取った生成物即ち減損ガ
ス、並びに燃料電池からライン２６０を通して提供された陰極排気生成物を燃焼
する。ライン２６６を通して提供された空気をバルブ２６８によって制御し、燃
焼プロセスを高め、これにより大量の熱を発生する。ライン２７０を通って出る
触媒燃焼器生成ガスの温度は、代表的には、６４８．９℃乃至９８２．２℃（１
２００0F乃至１８００0F）である。この温度もまた、従来のシステムが発生する
温度よりもかなり高温である。図４（ａ）を参照して思い出されるように、燃焼
器は生成物を燃焼し、温度を約４２６．７℃（約８００0F）まで上昇する。ライ
ン２７０は、ターボ発電機２２６に供給し、エネルギーの少なくとも一部を使用
して発電機２７２を駆動する。加圧生成物を搬送するライン２７０は、ターボ発
電機の膨張器部分２２６ａに伝達され、圧力及び熱により膨張器を駆動する。膨
張器出口ガスがライン２９１を通って復熱式蒸気発生器２８４、凝縮器２８８及
び液体／ガス分離器２７８に流れる。分離器２７８からの水を分離器２４２から
の水と組み合わせ、ポンプ２８６に入れる。水がポンプ２８６からライン２８２
内を制御バルブ２８９を通って蒸気発生器２８４まで流れる。次いで、蒸気がラ
イン２３０に送られる。
２６０が設けられている。触媒燃焼器２６２には、バーナー２１０からの減損ガ
ス生成物を通す供給ライン２６４が更に設けられている。精製モジュールの混合
ガス側２１３からのこれらの減損ガス生成物は、水素ガスを含む。更に、触媒燃
焼器２６２には、圧縮空気がライン２６６を通してターボ発電機２２６から提供
される。触媒燃焼器２６２は、バーナー２１０から受け取った生成物即ち減損ガ
ス、並びに燃料電池からライン２６０を通して提供された陰極排気生成物を燃焼
する。ライン２６６を通して提供された空気をバルブ２６８によって制御し、燃
焼プロセスを高め、これにより大量の熱を発生する。ライン２７０を通って出る
触媒燃焼器生成ガスの温度は、代表的には、６４８．９℃乃至９８２．２℃（１
２００0F乃至１８００0F）である。この温度もまた、従来のシステムが発生する
温度よりもかなり高温である。図４（ａ）を参照して思い出されるように、燃焼
器は生成物を燃焼し、温度を約４２６．７℃（約８００0F）まで上昇する。ライ
ン２７０は、ターボ発電機２２６に供給し、エネルギーの少なくとも一部を使用
して発電機２７２を駆動する。加圧生成物を搬送するライン２７０は、ターボ発
電機の膨張器部分２２６ａに伝達され、圧力及び熱により膨張器を駆動する。膨
張器出口ガスがライン２９１を通って復熱式蒸気発生器２８４、凝縮器２８８及
び液体／ガス分離器２７８に流れる。分離器２７８からの水を分離器２４２から
の水と組み合わせ、ポンプ２８６に入れる。水がポンプ２８６からライン２８２
内を制御バルブ２８９を通って蒸気発生器２８４まで流れる。次いで、蒸気がラ
イン２３０に送られる。
【００４８】 図５からわかるように、蒸気発生器２８４で水を蒸気に変換するのに使用され
るエネルギーの少なくとも一部は、ターボ発電機２２６からの排気生成物から得
られる。これは、従来のシステムとは異なり、システムから排出されず、ライン
２９１を通って蒸気発生器２８４に送られる。追加のエネルギーが必要な場合に
は、凝縮器２３８からの回収エネルギーを、ライン２９１によって発生器２８４
に供給された熱と合わせることができる。かくして、この余分の熱及びエネルギ
ーを本発明のシステムで使用する。これは、このような余分の熱及びエネルギー
を廃棄していた従来の機器とは異なる。かくして、本システムは、全てのエネル
ギー源を更に効率的に使用し、その結果、無駄が少なくなり、発生するエネルギ
ー量に対して必要な燃料の量を少なくする。
るエネルギーの少なくとも一部は、ターボ発電機２２６からの排気生成物から得
られる。これは、従来のシステムとは異なり、システムから排出されず、ライン
２９１を通って蒸気発生器２８４に送られる。追加のエネルギーが必要な場合に
は、凝縮器２３８からの回収エネルギーを、ライン２９１によって発生器２８４
に供給された熱と合わせることができる。かくして、この余分の熱及びエネルギ
ーを本発明のシステムで使用する。これは、このような余分の熱及びエネルギー
を廃棄していた従来の機器とは異なる。かくして、本システムは、全てのエネル
ギー源を更に効率的に使用し、その結果、無駄が少なくなり、発生するエネルギ
ー量に対して必要な燃料の量を少なくする。
【００４９】 蒸気発生器２８４で発生した蒸気は、蒸気ライン２３０を通って出る。この蒸
気は空気ライン２２８に供給され、ここで空気及び蒸気の組み合わせをバーナー
２１０及び燃料電池２５０に搬送する。蒸気を蒸気発生器２８４から本発明の精
製モジュール２１４に導入する蒸気分岐ライン２３２が設けられている。
気は空気ライン２２８に供給され、ここで空気及び蒸気の組み合わせをバーナー
２１０及び燃料電池２５０に搬送する。蒸気を蒸気発生器２８４から本発明の精
製モジュール２１４に導入する蒸気分岐ライン２３２が設けられている。
【００５０】 本発明のシステムには、従来の燃料電池システムと比較して幾つかの大きな利
点がある。一つの相違点は、従来のシステムの本発明のシステムに対する始動時
間に関する。従来のシステムでは、始動には、水素の生成が増大して燃料電池の
要求負荷と合致するまで少なくとも２分間かかる。実際には、エネルギー使用曲
線は非常に高く、高い点と低い点との間で電力を交互に変化させる必要がある。
図面のうちの図４（ｂ）は、従来のシステムでのエネルギーの使用の代表的な供
給のグラフを示す。システムは、その作動中、要求負荷の増減に従って変動し、
大量の水素を生成する。システムは、このような変動を処理するように、及び要
求の大きな変化に対処するように設計されていなければならない。本発明のシス
テムは、勿論、水素貯蔵タンク２５４を含む。従って、燃料電池が直ちに使用す
るために水素を貯蔵タンクから容易に利用できるため、始動時間が大幅に短縮さ
れる。この水素貯蔵タンクには、燃料電池要求負荷が要求する水素がバーナーで
生成される水素よりも少ない場合に水素が供給される。逆に、変動中、燃料電池
の出力に必要な追加の水素は、燃料プロセッサの出力を高めることにより得られ
るのではなく、燃料貯蔵タンクから得られる。
点がある。一つの相違点は、従来のシステムの本発明のシステムに対する始動時
間に関する。従来のシステムでは、始動には、水素の生成が増大して燃料電池の
要求負荷と合致するまで少なくとも２分間かかる。実際には、エネルギー使用曲
線は非常に高く、高い点と低い点との間で電力を交互に変化させる必要がある。
図面のうちの図４（ｂ）は、従来のシステムでのエネルギーの使用の代表的な供
給のグラフを示す。システムは、その作動中、要求負荷の増減に従って変動し、
大量の水素を生成する。システムは、このような変動を処理するように、及び要
求の大きな変化に対処するように設計されていなければならない。本発明のシス
テムは、勿論、水素貯蔵タンク２５４を含む。従って、燃料電池が直ちに使用す
るために水素を貯蔵タンクから容易に利用できるため、始動時間が大幅に短縮さ
れる。この水素貯蔵タンクには、燃料電池要求負荷が要求する水素がバーナーで
生成される水素よりも少ない場合に水素が供給される。逆に、変動中、燃料電池
の出力に必要な追加の水素は、燃料プロセッサの出力を高めることにより得られ
るのではなく、燃料貯蔵タンクから得られる。
【００５１】 本発明のシステムは、ピーク出力変動中に水素リザーバから引き出すことがで
きるため、本発明の特に有利な別の特徴、即ち燃料プロセッサをそのピーク性能
での水素出力を抑えて設計できるという特徴が得られる。水素流が３０％乃至４
０％の従来のシステムでは水素を貯蔵できないため、ピーク出力要求とほぼ対応
するレベルの必要な水素を出力できる燃料プロセッサを提供することが必要であ
った。実際、ピーク出力要求は、代表的なシステムでは、平均負荷が僅か１５ｋ
Ｗ程度であっても、５０ｋＷ又はそれ以上である。水素を貯蔵できることの正味
の効果は、燃料電池に要求し、改良する代わりに、システムが、ピーク要求中の
低い生成レベルの補償に貯蔵した水素に頼るということである。従って、本発明
のシステムは、その燃料プロセッサから水素を、必要であるか否かに拘わらず、
非常に規則的に且つ一貫して出力できる。直ちに必要とされるのでない水素につ
いては、水素貯蔵タンクが作動し、要求が燃料プロセッサの出力容量を越えたと
きにピーク要求中に引き出される水素のリザーバを構成する。従って、燃料プロ
セッサ及び／又は改質器を基本負荷を発生する適当な大きさにすることができる
。５０ｋＷでなく１５ｋＷを発生できる装置を使用することにより、システム全
体の価格が抑えられるばかりでなく、所与の量の燃料について発生される水素の
正味の量を遙かに効率的にする。アンダーオキシダイズドバーナー及び改質器の
実際の大きさを小さくし、空間節約要因に影響を及ぼすことができる。従って、
バーナー及び燃料電池は、ほぼ最大効率で一貫して作動できると同時に、幾らか
の貯蔵容量を有する。これは、使用されなかった余分の水素ガスを貯蔵できるた
めである。水素を貯蔵する性能に関し、燃料プロセッサは、水素を一定のレベル
で発生することにより、構造を従来のシステムで使用することが必要とされた燃
料電池及び／又は改質器の大きさの３０％又はそれ以下にできるように設計する
ことができる。
きるため、本発明の特に有利な別の特徴、即ち燃料プロセッサをそのピーク性能
での水素出力を抑えて設計できるという特徴が得られる。水素流が３０％乃至４
０％の従来のシステムでは水素を貯蔵できないため、ピーク出力要求とほぼ対応
するレベルの必要な水素を出力できる燃料プロセッサを提供することが必要であ
った。実際、ピーク出力要求は、代表的なシステムでは、平均負荷が僅か１５ｋ
Ｗ程度であっても、５０ｋＷ又はそれ以上である。水素を貯蔵できることの正味
の効果は、燃料電池に要求し、改良する代わりに、システムが、ピーク要求中の
低い生成レベルの補償に貯蔵した水素に頼るということである。従って、本発明
のシステムは、その燃料プロセッサから水素を、必要であるか否かに拘わらず、
非常に規則的に且つ一貫して出力できる。直ちに必要とされるのでない水素につ
いては、水素貯蔵タンクが作動し、要求が燃料プロセッサの出力容量を越えたと
きにピーク要求中に引き出される水素のリザーバを構成する。従って、燃料プロ
セッサ及び／又は改質器を基本負荷を発生する適当な大きさにすることができる
。５０ｋＷでなく１５ｋＷを発生できる装置を使用することにより、システム全
体の価格が抑えられるばかりでなく、所与の量の燃料について発生される水素の
正味の量を遙かに効率的にする。アンダーオキシダイズドバーナー及び改質器の
実際の大きさを小さくし、空間節約要因に影響を及ぼすことができる。従って、
バーナー及び燃料電池は、ほぼ最大効率で一貫して作動できると同時に、幾らか
の貯蔵容量を有する。これは、使用されなかった余分の水素ガスを貯蔵できるた
めである。水素を貯蔵する性能に関し、燃料プロセッサは、水素を一定のレベル
で発生することにより、構造を従来のシステムで使用することが必要とされた燃
料電池及び／又は改質器の大きさの３０％又はそれ以下にできるように設計する
ことができる。
【００５２】 以上の説明から明らかなように、本発明のシステムは、濃度がかなり高い水素
を発生するという点で、従来のシステムよりも優れている。図４（ａ）に示す従
来のシステムでは、生成物ライン１２６内の水素ガス／混合ガスの水素濃度は、
混合物の３０％乃至４０％である。これとは対照的に、図５に示すバーナー２１
０を出て水素ライン２４４を通る水素は、混合物のほぼ１００％である。水素ガ
ス／混合ガスの組み合わせを貯蔵することは、水素濃度が３０％乃至４０％と低
い場合には、非常に困難である。この問題点は、本発明のシステムでは、バーナ
ーを出る混合物中の水素がほぼ純粋であるため、起こらない。更に、高純度の水
素は、燃料電池２５０の効率を改善し、そのため、小型で低価格の燃料電池スタ
ックを提供する。
を発生するという点で、従来のシステムよりも優れている。図４（ａ）に示す従
来のシステムでは、生成物ライン１２６内の水素ガス／混合ガスの水素濃度は、
混合物の３０％乃至４０％である。これとは対照的に、図５に示すバーナー２１
０を出て水素ライン２４４を通る水素は、混合物のほぼ１００％である。水素ガ
ス／混合ガスの組み合わせを貯蔵することは、水素濃度が３０％乃至４０％と低
い場合には、非常に困難である。この問題点は、本発明のシステムでは、バーナ
ーを出る混合物中の水素がほぼ純粋であるため、起こらない。更に、高純度の水
素は、燃料電池２５０の効率を改善し、そのため、小型で低価格の燃料電池スタ
ックを提供する。
【００５３】 更に、本発明のシステムは、ターボ発電機を高温で作動することができ、その
作動効率を高める。図４では、従来のシステムで使用された燃料プロセッサ１１
０は、一酸化炭素等の望ましからぬ成分をなくすため、燃焼装置に特定のシフト
プロセッサを備えていなければならない。これらのシフト反応器により、燃料プ
ロセッサの特に高温シフト領域から低温シフト領域へ熱コンテント（thermal co
ntent）が大幅に減少する。本発明のシステムは、水素ガスを残り即ち減損ガス から分離する。熱を発生するため、高温の減損ガスを精製モジュール２１４から
触媒燃焼器２６２に直接送出する。
作動効率を高める。図４では、従来のシステムで使用された燃料プロセッサ１１
０は、一酸化炭素等の望ましからぬ成分をなくすため、燃焼装置に特定のシフト
プロセッサを備えていなければならない。これらのシフト反応器により、燃料プ
ロセッサの特に高温シフト領域から低温シフト領域へ熱コンテント（thermal co
ntent）が大幅に減少する。本発明のシステムは、水素ガスを残り即ち減損ガス から分離する。熱を発生するため、高温の減損ガスを精製モジュール２１４から
触媒燃焼器２６２に直接送出する。
【００５４】 本発明では、システムは、６４８．９℃乃至９８２．２℃（１２００0F乃至１
８００0F）程度の温度を可能にし、これは膨張器又は発電機に供給されるばかり
でなく、残留熱及びエネルギーを無駄にせず、熱回収蒸気発生器にリサイクルし
、ここで、水素生成プロセスで後で使用するため、システム内の水を蒸気に変換
する。従って、ターボ発電機の性能が向上し、システムは各燃料単位について更
に多くのエネルギーを出力する。
８００0F）程度の温度を可能にし、これは膨張器又は発電機に供給されるばかり
でなく、残留熱及びエネルギーを無駄にせず、熱回収蒸気発生器にリサイクルし
、ここで、水素生成プロセスで後で使用するため、システム内の水を蒸気に変換
する。従って、ターボ発電機の性能が向上し、システムは各燃料単位について更
に多くのエネルギーを出力する。
【００５５】 本発明のシステムは、更に、燃料処理システム及び燃料電池システムの複雑さ
を減じる。従来の燃料処理システムでは、生成ガス中の汚染物が燃料電池に進入
しないようにするため、シフト反応器１７０及び１７２、一酸化炭素除去ユニッ
ト１７６、及び硫黄吸収体床１７４が必要である。精製モジュール２１４の混合
ガスは、シフト触媒機能を一体に備えるように設計でき、従ってシフト反応器１
７０及び１７２は必要とされない。精製モジュール２１４を通して水素が除去さ
れるため、機能が高められる。改質器の生成ガスが燃料電池モジュール２５０を
直接通過しないため、硫黄吸収体床１７４及び一酸化炭素除去床１７６もまた必
要とされない。これらの構成要素をなくすことによってもシステムの大きさが小
さくなり、価格が低下する。
を減じる。従来の燃料処理システムでは、生成ガス中の汚染物が燃料電池に進入
しないようにするため、シフト反応器１７０及び１７２、一酸化炭素除去ユニッ
ト１７６、及び硫黄吸収体床１７４が必要である。精製モジュール２１４の混合
ガスは、シフト触媒機能を一体に備えるように設計でき、従ってシフト反応器１
７０及び１７２は必要とされない。精製モジュール２１４を通して水素が除去さ
れるため、機能が高められる。改質器の生成ガスが燃料電池モジュール２５０を
直接通過しないため、硫黄吸収体床１７４及び一酸化炭素除去床１７６もまた必
要とされない。これらの構成要素をなくすことによってもシステムの大きさが小
さくなり、価格が低下する。
【００５６】 図１乃至図３を更に詳細に説明すると、混合流内の水素ガスの回収率を８５％
以上にするために分離モジュールで蒸気パージを行うことができ、水素ガスを燃
料電池に供給し、モジュール内の膜の各側の圧力差により、ピンホール又は不十
分なシールによる悪影響を最小にし、かくしてこれらのシールの重要性を低減す
る。
以上にするために分離モジュールで蒸気パージを行うことができ、水素ガスを燃
料電池に供給し、モジュール内の膜の各側の圧力差により、ピンホール又は不十
分なシールによる悪影響を最小にし、かくしてこれらのシールの重要性を低減す
る。
【００５７】 水素ガスリザーバでは、システムが必要する以上の水素ガスが発生していると
き、燃料電池からの水素生成物を貯蔵し、迅速な加速及び始動時間を容易にする
。これは、水素ガスを貯蔵したリザーバから引き出すのが、燃料電池を加速して
変動させ、水素出力を増大するよりも迅速であるためである。本発明は、シフト
触媒床及び／又は硫黄除去床を必要としない。これらの床は、従来のシステムで
は、燃料処理により発生する望ましからぬ成分に対処する上で必要である。これ
らの望ましからぬ成分が大量には生成されないため、システム内で更に高い温度
を維持することができ、効率を高める。
き、燃料電池からの水素生成物を貯蔵し、迅速な加速及び始動時間を容易にする
。これは、水素ガスを貯蔵したリザーバから引き出すのが、燃料電池を加速して
変動させ、水素出力を増大するよりも迅速であるためである。本発明は、シフト
触媒床及び／又は硫黄除去床を必要としない。これらの床は、従来のシステムで
は、燃料処理により発生する望ましからぬ成分に対処する上で必要である。これ
らの望ましからぬ成分が大量には生成されないため、システム内で更に高い温度
を維持することができ、効率を高める。
【００５８】 本発明の燃料電池システムの代表的な始動サイクルには、ターボ発電機を電池
によって回転させ、燃料電池への空気流を開始し、水素を貯蔵タンク２５４から
放出する工程が含まれる。この始動に必要な時間は非常に短い。空気が、熱プロ
セスであるアンダーオキシダイズドバーナー２１０及び触媒燃焼器２６２に流れ
、従って、代表的には、長く更に徐々の始動サイクルが必要とされる。アンダー
オキシダイズドバーナー２１０への燃料の流れが始まりバーナー内の点火プラグ
が作動して燃焼チャンバ２１２内の混合物に点火する。バーナー２１０は、高容
量で且つ高い化学量論的比（ＳＲ）で作動する。
によって回転させ、燃料電池への空気流を開始し、水素を貯蔵タンク２５４から
放出する工程が含まれる。この始動に必要な時間は非常に短い。空気が、熱プロ
セスであるアンダーオキシダイズドバーナー２１０及び触媒燃焼器２６２に流れ
、従って、代表的には、長く更に徐々の始動サイクルが必要とされる。アンダー
オキシダイズドバーナー２１０への燃料の流れが始まりバーナー内の点火プラグ
が作動して燃焼チャンバ２１２内の混合物に点火する。バーナー２１０は、高容
量で且つ高い化学量論的比（ＳＲ）で作動する。
【００５９】 ターボ発電機２２６に熱を供給することと貯蔵タンク２５４から燃料電池２５
０へ水素を供給することとを組み合わせることにより、車輛の瞬間的移動を提供
し、又は特定の用途についての瞬間必要動力出力を提供する。システムの加熱に
従って蒸気が形成され、パージガスをライン２３３を通して水素濃縮モジュール
に提供し、システムは作動温度に達し、水素を混合ガス流２１３から抜き出す。
精製モジュール２１４は、混合ガス流２１３からの水素の抜き出しを開始し、燃
料電池２５０への水素の提供を開始する。燃料電池２５０の負荷が減少すると、
貯蔵タンク２５４に水素が加えられ始められる。水素を貯蔵タンクにそらす水素
貯蔵サイクルにより、水素貯蔵タンクが必要に応じて再充填される。
０へ水素を供給することとを組み合わせることにより、車輛の瞬間的移動を提供
し、又は特定の用途についての瞬間必要動力出力を提供する。システムの加熱に
従って蒸気が形成され、パージガスをライン２３３を通して水素濃縮モジュール
に提供し、システムは作動温度に達し、水素を混合ガス流２１３から抜き出す。
精製モジュール２１４は、混合ガス流２１３からの水素の抜き出しを開始し、燃
料電池２５０への水素の提供を開始する。燃料電池２５０の負荷が減少すると、
貯蔵タンク２５４に水素が加えられ始められる。水素を貯蔵タンクにそらす水素
貯蔵サイクルにより、水素貯蔵タンクが必要に応じて再充填される。
【００６０】 プロセスガス精製モジュール及び燃料電池システムは、炭化水素燃料からの水
素を効果的に及び効率的に使用する。本発明のアンダーオキシダイズドバーナー
は、ガス精製モジュールと関連して、炭化水素燃料から最適量の水素を抜き出す
ように設計されている。これは、水素（又は混合ガス流から抜き出した他のガス
）の分圧を精製モジュールの膜の各側で制御することによって、及び膜の各側を
流れる流れの全圧及び分圧を操作することによって行われる。更に、本発明は、
炭化水素燃料から抜き出された水素濃度を最適にするばかりでなく、このプロセ
スに続く水素の実際の使用を最適にするという別の工程を行う。使用される温度
及び圧力が高ければ高い程、水素が燃料電池に更に効果的に送出され、電気が更
に効果的に発生される。更に、燃料プロセッサを更に小型にでき且つ更に一貫し
たレベルで作動できる。これは、燃料電池には、燃料プロセッサから生成された
水素ばかりでなく、低負荷期間中に充填され且つ再充填された貯蔵タンクからの
水素が加えられるためである。
素を効果的に及び効率的に使用する。本発明のアンダーオキシダイズドバーナー
は、ガス精製モジュールと関連して、炭化水素燃料から最適量の水素を抜き出す
ように設計されている。これは、水素（又は混合ガス流から抜き出した他のガス
）の分圧を精製モジュールの膜の各側で制御することによって、及び膜の各側を
流れる流れの全圧及び分圧を操作することによって行われる。更に、本発明は、
炭化水素燃料から抜き出された水素濃度を最適にするばかりでなく、このプロセ
スに続く水素の実際の使用を最適にするという別の工程を行う。使用される温度
及び圧力が高ければ高い程、水素が燃料電池に更に効果的に送出され、電気が更
に効果的に発生される。更に、燃料プロセッサを更に小型にでき且つ更に一貫し
たレベルで作動できる。これは、燃料電池には、燃料プロセッサから生成された
水素ばかりでなく、低負荷期間中に充填され且つ再充填された貯蔵タンクからの
水素が加えられるためである。
【００６１】 本発明は、上述した詳細に限定されず、多くの変形例を本発明の範疇で使用で
きる。これらの実施の形態の中心にあるのは、混合ガス流に対して向流方向に流
れる生成ガス側でパージガスを使用することである。
きる。これらの実施の形態の中心にあるのは、混合ガス流に対して向流方向に流
れる生成ガス側でパージガスを使用することである。
【図１】 単一の膜構成要素及びその入口流及び出口流を示す、本発明の第１の実施の形
態の概略図である。
態の概略図である。
【図２】 単一の電気化学的膜構成要素及びその入口流及び出口流を示す、本発明の第２
の実施の形態の概略図である。
の実施の形態の概略図である。
【図３】 パージガス流の流れ回路を含む、単一の膜構成要素及び関連した構造を含む全
プロセスの概略図である。
プロセスの概略図である。
【図４ａ】 図４（ａ）は、従来の燃料電池電力システムを示す概略流れ図である。
【図４ｂ】 図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すシステムに加わる電力負荷を示すグラフであ
る。
る。
【図５】 本発明の燃料電池電力システムを示す概略流れ図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ 【要約の続き】 た、燃料電池が直ちには必要としない水素燃料を貯蔵す るための水素貯蔵手段（２５４）と、燃料電池の水素要 求が、バーナーモジュールで発生した水素の量よりも大 きい場合に、貯蔵された水素燃料を貯蔵手段から燃料電 池に供給するための手段とを含む、燃料電池システムも また開示されている。
Claims (46)
- 【請求項１】 混合流から生成物を分離するためのモジュールにおいて、 （ａ）入口及び出口手段を有し、前記混合流用の第１流路を画成する混合流チ
ャンバと、 （ｂ）入口及び出口手段を有し、前記第１流路の方向とは実質的に向流方向の
パージ／生成物流用の第２流路を画成するパージ／生成物流チャンバと、 （ｃ）前記混合流チャンバと前記パージ／生成物流チャンバとの間に配置され
、前記生成物に対して選択的に透過性の膜とを含む、モジュール。 - 【請求項２】 前記パージ／生成物流チャンバは、パージガス源に連結されている、請求項１
に記載のモジュール。 - 【請求項３】 前記パージ／生成物流チャンバは、パージ／ガス流を提供するための供給源に
連結されている、請求項１に記載のモジュール。 - 【請求項４】 前記パージ／生成物流の前記入口手段は、凝縮可能なガスの源に連結されてお
り、前記凝縮可能なガスは、高圧水蒸気、アルコール蒸気、フルオロカーボン蒸
気、クロロフルオロカーボン蒸気及び任意の冷媒型化合物からなる群から選択さ
れる、請求項１に記載のモジュール。 - 【請求項５】 前記混合流チャンバの入口手段は部分酸化改質器に連結されており、前記混合
流から分離されるべき前記生成物は水素である、請求項１に記載のモジュール。 - 【請求項６】 前記パージ／生成物流から前記生成物を分離するため、前記パージ／生成物流
チャンバの出口手段は、その下流のパージガス凝縮器に連結されている、請求項
１に記載のモジュール。 - 【請求項７】 前記膜は、水素ガスに対して透過性のパラジウム型膜である、請求項１に記載
のモジュール。 - 【請求項８】 前記膜は、前記混合流チャンバに露呈された第１表面と、前記パージ／生成物
流チャンバに露呈された第２表面と、前記生成物に対して選択的に透過性の前記
膜の前記第１表面と前記第２表面との間の格子構造とを含む、請求項１に記載の
モジュール。 - 【請求項９】 前記混合流チャンバに露呈された前記膜の表面上の第１電極と、前記パージ／
生成物流チャンバに露呈された前記膜の表面上の第２電極と、電子を流すための
前記第１電極と前記第２電極との間の接続手段とを更に含む、請求項１に記載の
モジュール。 - 【請求項１０】 前記膜は陰イオン伝導膜である、請求項９に記載のモジュール。
- 【請求項１１】 前記陰イオン伝導膜は、酸素イオン伝導膜である、請求項９に記載のモジュー
ル。 - 【請求項１２】 前記酸素イオン伝導膜は酸化ジルコニウムである、請求項１１に記載のモジュ
ール。 - 【請求項１３】 前記接続手段は外部回路であり、自由電子を前記モジュールの外側に前記外部
回路を通して前記第１電極から前記第２電極まで導く、請求項９に記載のモジュ
ール。 - 【請求項１４】 前記膜は酸素イオン伝導膜であり、この酸素イオン伝導膜は、混合イオン及び
電子伝導材料でできており、外部回路がない、請求項９に記載のモジュール。 - 【請求項１５】 前記膜は酸素伝導膜であり、混合イオン及び電子伝導材料でできており、前記
接続手段は、自由電子を流すための外部回路への電気接続部である、請求項９に
記載のモジュール。 - 【請求項１６】 前記混合流チャンバは、追加の反応を促進するための触媒を更に含む、請求項
１に記載のモジュール。 - 【請求項１７】 前記触媒は、一酸化炭素シフト反応を促進する、請求項１６に記載のモジュー
ル。 - 【請求項１８】 下流側凝縮器を更に有する、請求項１に記載のモジュール。
- 【請求項１９】 前記パージ／生成物流から水蒸気を凝縮するための水分離器と、凝縮した水を
前記パージ／生成物流チャンバの前記入口手段に搬送するための手段とを更に含
み、前記凝縮水は、前記パージ／生成物流チャンバ内への入口の前に蒸気発生器
及び加熱器によって加熱される、請求項１に記載のモジュール。 - 【請求項２０】 混合流から生成物を分離することによって混合流を処理する方法において、 （ａ）入口及び出口手段を有する、モジュールの混合流チャンバ内へ、第１流
をなす前記混合流を導入する工程と、 （ｂ）入口及び出口手段を有する、前記モジュールのパージ／生成物流チャン
バ内へ、第２流をなすパージ流を、前記第２流が前記第１流に対して実質的に向
流であるように導入する工程と、 （ｃ）前記生成物に対して選択的に透過性の分離膜を、前記生成物が前記混合
流から前記分離膜を通って前記パージ流中に放出されることによりパージ／生成
物流を形成するように、前記混合流チャンバと前記パージ／生成物流チャンバと
の間に配置する工程と、 （ｄ）前記パージ／生成物流を前記パージ／生成物流からその出口手段を通し
て取り出す工程と、 （ｅ）生成物が取り出された混合流を混合流チャンバからその出口手段を通し
て取り出す工程とを含む方法。 - 【請求項２１】 前記膜の前記生成物側を通してパージガスを提供することによって、前記混合
流チャンバ内の前記分離膜上の所定の箇所での前記生成物の分圧が前記分離膜の
反対側の前記箇所での生成物の分圧よりも大きくし、これによって前記生成物が
前記分離膜を透過する駆動力を提供する、請求項２０に記載の方法。 - 【請求項２２】 前記混合流チャンバ内の前記混合流の圧力が、前記パージ生成物流チャンバ内
の前記パージ流及び前記パージ／生成物流の圧力よりも低い、請求項２０に記載
の方法。 - 【請求項２３】 前記生成物が前記分離膜を横切って透過するための駆動力は、前記分離膜の両
側で生じる電気化学的反応により生じる、請求項２０に記載の方法。 - 【請求項２４】 前記生成物が前記分離膜を横切って透過するための駆動力は、更に、前記分離
膜の両側で生じる電気化学的反応により生じる、請求項２１に記載の方法。 - 【請求項２５】 前記パージ流は水蒸気である、請求項２０に記載の方法。
- 【請求項２６】 前記分離膜は高温が活性である、請求項２０に記載の方法。
- 【請求項２７】 前記高温は、２０４．４℃（４００0F）以上である、請求項２６に記載の方法
。 - 【請求項２８】 前記パージ流は、前記生成物からの分離を容易にするため、作動温度の蒸気圧
が比較的高く、凝縮器温度が比較的高い非反応性の蒸気である、請求項２０に記
載の方法。 - 【請求項２９】 前記パージガスは、アルコール、フルオロカーボン及び任意の冷媒型化合物か
らなる群から選択される、請求項２０に記載の方法。 - 【請求項３０】 前記生成物は、水素、酸素、窒素、アルゴン、二酸化炭素、アンモニア、及び
メタンからなる群から選択されたガスである、請求項２０に記載の方法。 - 【請求項３１】 燃料電池システムにおいて、 （ａ）燃料と空気とを混合し、燃料−空気混合物を燃焼し、水素含有量が高い
燃料流を発生するためのバーナーモジュールと、 （ｂ）前記バーナーモジュールが発生した水素燃料を使用して動力／エネルギ
を発生するための水素燃料電池と、 （ｃ）前記燃料電池で使用するために水素燃料を前記バーナーモジュールから
抜き出すため、前記バーナーモジュールと前記燃料電池との間に設けられ、性能
を高めるためにパージガスを使用した水素精製モジュールとを含む、燃料電池シ
ステム。 - 【請求項３２】 （ａ）前記バーナーモジュールが発生した、燃料電池が直ちには必要としない
水素燃料を貯蔵するための水素貯蔵手段と、 （ｂ）前記燃料電池の水素要求が、前記バーナーモジュールで発生した水素の
量よりも大きい場合に、貯蔵された水素燃料を前記貯蔵手段から前記燃料電池に
供給するための手段とを更に含む、請求項３１に記載の燃料電池システム。 - 【請求項３３】 前記バーナーモジュールは、水素含有量が高い燃料流混合を高温で発生するた
めのアンダーオキシダイズドバーナーを含む、請求項３１に記載の燃料電池シス
テム。 - 【請求項３４】 前記水素燃料及び水蒸気の混合物から水蒸気を抜き出すための凝縮手段が前記
バーナーと前記燃料電池との間に設けられ、前記水素燃料は、前記燃料電池及び
／又は貯蔵タンクに必要に応じて搬送される、請求項３２に記載の燃料電池シス
テム。 - 【請求項３５】 前記バーナーが発生した減損ガスを燃焼するための燃焼器を更に有し、この燃
焼器は、発電機を駆動するための追加の熱及びエネルギーを発生する、請求項３
１に記載の燃料電池システム。 - 【請求項３６】 前記燃焼器は触媒燃焼器である、請求項３５に記載の燃料電池システム。
- 【請求項３７】 熱回収蒸気発生器を更に含み、この蒸気発生器は、燃焼器が発生した追加の熱
及びエネルギーによって駆動され、熱が凝縮器によって回収される、請求項３５
に記載の燃料電池システム。 - 【請求項３８】 前記バーナーに加圧空気を提供するためのターボ発電機を更に含む、請求項３
１に記載の燃料電池システム。 - 【請求項３９】 燃料電池に水素を提供する方法において、 （ａ）燃料−空気混合物をバーナーモジュールで混合して燃焼し、水素含有量
が高い燃料流を発生する工程と、 （ｂ）前記バーナーモジュールが発生した水素燃料を使用して動力／エネルギ
ーを発生するための水素燃料電池を提供する工程と、 （ｃ）水素燃料を前記バーナーモジュールの水素含有量が高い流れから前記燃
料電池に抜き出すための水素精製モジュールを前記バーナーモジュールと前記燃
料電池との間に設ける工程と、 （ｄ）前記バーナーモジュールが発生した、燃料電池が直ちには必要としない
水素燃料を水素貯蔵手段に貯蔵する工程と、 （ｅ）前記燃料電池の水素要求が前記バーナーモジュールで発生される水素の
量よりも大きい場合に、貯蔵された水素燃料を貯蔵手段から燃料電池に供給する
工程とを含む、方法。 - 【請求項４０】 精製モジュールを通して水蒸気をパージし、前記燃料電池及び貯蔵手段に実質
的に１００％の水素燃料を提供するように水素分が高い流れからの水素燃料の分
離を高める工程を更に有する、請求項３９に記載の方法。 - 【請求項４１】 水素が燃料電池に高圧で提供される、請求項３９に記載の方法。
- 【請求項４２】 バーナーが発生した減損ガスに触媒燃焼器で点火し、発電機を駆動する追加の
熱及びエネルギーを発生する、請求項３９に記載の方法。 - 【請求項４３】 追加の熱及びエネルギーは、更に、熱回収蒸気発生器に送られ、この蒸気発生
器は水を加熱して蒸気にし、バーナー及び精製モジュールで使用する、請求項４
２に記載の方法。 - 【請求項４４】 加熱されて蒸気になる水は、パージガスが加えられた精製モジュールが発生し
た水素燃料水蒸気混合物から分離された水を含む、請求項４３に記載の方法。 - 【請求項４５】 水素を水素含有量が高い流れから抜き出す方法において、 （ａ）酸素を通すセラミック膜の一方の側に水素含有量が高い流れを通す工程
と、 （ｂ）酸素を通すセラミック膜の他方の側に水蒸気を通す工程と、 （ｃ）前記水素含有量が高い流れからの水素と前記膜の酸素イオンとの反応を
促して水蒸気を形成する工程と、 （ｄ）前記膜の他方の側での水蒸気の反応を促して水素及び酸素イオンを形成
する工程とを含む方法。 - 【請求項４６】 （ａ）前記膜の混合ガス側で水素と酸素イオンとを電気化学的に反応させる工
程と、 （ｂ）前記膜の他方の側で水蒸気を電気化学的に反応させ、水素及び酸素イオ
ンを形成する工程とを更に含む、請求項４５に記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
| US7773398P | 1998-03-12 | 1998-03-12 | |
| US60/077,733 | 1998-03-12 | ||
| PCT/US1999/005238 WO1999046032A2 (en) | 1998-03-12 | 1999-03-10 | Process gas purification and fuel cell system |
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|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000535441A Withdrawn JP2002505943A (ja) | 1998-03-12 | 1999-03-10 | プロセスガス精製及び燃料電池システム |
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| JP (1) | JP2002505943A (ja) |
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| CN (1) | CN1298319A (ja) |
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