JP2003331877A - 燃料電池システムにて効率を向上するため及び排気ガスを減少するための方法 - Google Patents

燃料電池システムにて効率を向上するため及び排気ガスを減少するための方法

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JP2003331877A JP2003108032A JP2003108032A JP2003331877A JP 2003331877 A JP2003331877 A JP 2003331877A JP 2003108032 A JP2003108032 A JP 2003108032A JP 2003108032 A JP2003108032 A JP 2003108032A JP 2003331877 A JP2003331877 A JP 2003331877A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池システムにて効率を向上するため及
び排気ガスを減少するための方法を提供する。 【解決手段】 稼動時には陰極側に空気が供給され且つ
陽極側に炭化水素が供給される燃料電池システムにて、
供給された空気の酸素部分及び可燃ガスの水素部分が、
ガス濃縮方法を各々に使用しながら、濃縮によって増加
されること、陽極側の濃縮方法にて炭化水素の改質が実
施され、その反応ガスが分離されて次のように異なって
引き続き使用されること、即ち、水素が１つ又は複数の
低温・燃料電池に供給され、水及び炭化水素が凝縮され
て改質器プロセスに導き戻され、並びに、二酸化炭素及
び一酸化炭素が排気ガス触媒に供給されるようにであ
り、及び、これらのガスが二酸化炭素及び分子窒素に変
化して大気／空気へと放出されること。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
にて効率を向上するため及び排気ガスを減少するための
方法に関し、この方法は、特に燃料電池・ベースにおけ
るエネルギー生成並びに水発生システムのためのもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池を稼動させるためには、通常、
ガス状で存在する２種類の出発原料が必要とされる：こ
れらは、陽極側の水素（Ｈ２）と陰極側の酸素（Ｏ２）
である。
【０００３】これらのガスは、燃料電池タイプに応じ、
純粋なガスとして分子の形で存在するか、又は、ガス状
混合物における構成要素であるか、又は、所謂改質器プ
ロセス（リフォーミングプロセス：例えば炭化水素から
の水素）で他の化合物から獲得されるものである。
【０００４】例えば移動式の使用（モバイル使用）のた
めのような様々な使用ケースにおいて、燃料電池で必要
とされる酸素部分は周囲空気から獲得され、この周囲空
気は、混合比率で見ると、ほぼ、酸素（Ｏ２）が１８％
であり、窒素（Ｎ２）が７８％であり、他のガス（ＣＯ
２及び微量成分ガス）が４％である。このことは、燃料
電池によって酸素側に導かれたガスのほぼ８２％が反応
プロセスのためには利用できないことを意味する。ほぼ
６００℃から１０００℃までの温度で作動する高温・燃
料電池の場合には、更に、望まれない熱化学反応が行わ
れ、これは例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）の形成である。
【０００５】燃料電池のための水素（Ｈ２）を獲得する
ために例えば鉱油（石油）から炭化水素を使用する場
合、同様に、改質器プロセスにおいて、燃料電池のため
には利用不能であり且つ排気ガスとして生じるガス（Ｃ
Ｏ、ＣＯ２、ＣｘＨＹ）が発生する。
【０００６】
【特許文献１】ドイツ特許発明第19821952号明細書(DE1
9821952C2)
【０００７】前記特許文献１では、航空機の機内に設け
られるエネルギー供給ユニットが記載されていて、これ
は、メインエンジンジェネレータ、所謂補助パワーユニ
ット（ＡＰＵ）、ラムエアタービン（ＲＡＴ）、又はＮ
ｉＣｄバッテリを代用するものである。直流電流を生成
するための燃料電池が設けられていて、この際、この燃
料電池の空気供給のためには航空機・エアコンディショ
ナの排気又は航空機外気が使用される。燃料電池排気か
ら航空機の水供給のための水が獲得され、この際、燃料
電池排気は、引き続き、航空機周囲に排出される。燃料
電池から発生する水素も航空機周囲に排出される。
【０００８】
【特許文献２】ドイツ特許発明第19911018号明細書(DE1
9911018C1)
【０００９】更に前記特許文献２から、航空機のための
補助エンジン、所謂補助パワーユニット（ＡＰＵ）が知
られていて、この補助エンジンは、燃焼室を有するガス
タービン、圧縮機、並びにタービンを含んでいる。圧縮
空気を生成するためには、タービンと連結されているコ
ンプレッサが用いられ、それに対し、電気エネルギーを
生成するために燃料電池が設けられている。
【００１０】
【特許文献３】イギリス特許出願公開第2338750号明細
書(GB2338750A)
【００１１】前記特許文献３では、組込式燃料電池を有
するジェットエンジンが記載されている。この刊行物か
らは、前記の両方の刊行物からもそうであるが、次の還
元方法について読み取ることができない。即ちこの還元
方法では、高温・燃料電池の排気ガス中のＣＯ及び／又
はＮＯｘの含有量を減少することの他に、その中に含ま
れる水素が低温・燃料電池（ＰＥＭ・燃料電池）を更に
利用するために燃料として供給されるというものであ
る。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明の基礎を成す課
題は、空気と炭化水素（或いは水素）で稼動される燃料
電池の効率を向上するための方法を提供し、それと同時
に、燃料電池、好ましくは高温・燃料電池にて生じる非
所望の排気ガスを減少し且つそれにより航空機内での使
用を可能とさせる方法を提案することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】前記課題は、本発明に従
い、請求項１に記載された方法の特徴により解決され
る。
【００１４】本発明による方法は、燃料電池のために利
用可能なガスを濃縮すること、それと同時に、プロセス
に関与しない他の全てのガスを減少すること或いは非所
望の熱化学変化を回避することに基づいている。この
際、２つの領域への区分が成される。即ち、酸素濃縮の
領域或いは燃料濃縮の領域である。
【００１５】本発明による方法の更なる構成は、従属請
求項２〜１８に記載されている。
【００１６】
【発明の実施の形態】次に、図面を用い、本発明の実施
形態を説明する。
【００１７】酸素濃縮について(Sauerstoffanreicherun
g)
【００１８】酸素濃縮のためには様々な方法が使用され
る。通常、所謂分子ふるいにより、幾何学的構成に関し
てより小さい分子を有するガスは、存在する他のガスの
より大きい分子から分離され得る。この場合、酸素の分
子は、幾何学的構成に関し、空気中の窒素の分子及び二
酸化炭素の分子よりも小さく、その結果、酸素は分子ふ
るいを通過するが、窒素及び二酸化炭素は分子ふるいを
通過しない。従って、分子ふるいの反対側には酸素濃縮
が発生する。
【００１９】航空の分野では、容器内で対向して位置す
る２つの分子ふるいを用い、この容器内の通流方向を交
互に操作することにより、乗客の酸素供給用の酸素を濃
縮することが行われるという方法が知られている（ＯＢ
ＯＧＳ）。また、セラミック製の基盤に基づき、静電充
電の影響に基づく方法も知られている。
【００２０】本システムの新しさは、酸素・濃縮方法に
依存せず、これらの方法の１つ又はこれらの方法の組み
合わせと１つ又は複数の燃料電池とを連係させるという
ことにある。
【００２１】そのために、本システムは供給側で圧力付
勢され、空気が酸素・濃縮システム（例えば分子ふる
い）によって圧縮され、この際、窒素分子及び二酸化炭
素分子は抑制される。酸素の濃縮された濃縮システム後
の空気は、直接的に燃料電池に供給される。
【００２２】燃料電池自体内で酸素は水素原子と結合し
てＨ２Ｏ即ち水となる。この水は分離され、例えば燃料
・改質器プロセス及び／又は水システムのようなその他
の利用のために供給される。含有される全ての酸素が燃
料電池で利用されるのではないので、即ち、実際の消費
よりも量的な通流の方が大きいので、残留酸素は入力側
で再び濃縮システムに供給される。濃縮システム及び燃
料電池の圧力付勢はコンプレッサを用いて実現され、こ
のコンプレッサは、燃料電池からの電気エネルギーを用
いて稼動されるか、又は、高温・燃料電池を使用する場
合には排気ガス・タービンから獲得される機械エネルギ
ーを用いて稼動される。
【００２３】燃料濃縮について(Brennstoffanreicherun
g)
【００２４】炭化水素から燃料を濃縮するための方法で
は、高温・燃料電池と低温・燃料電池との間の配置構成
が区別されなくてはならない。両方のケースにおいて、
改質器プロセスでは、水素が炭化水素分子及び水分子の
分解によって獲得される。この際、原子水素及び分子水
素の他に様々な他の反応ガスも発生し、これらの反応ガ
スは燃料電池内では使いみちのないものである。
【００２５】水素濃縮が燃料電池自体内で行われる改質
器プロセスが高温・燃料電池において内部で行われる
と、この場合、低温・燃料電池の前には外部の改質器が
接続されなくてはならない。高温・燃料電池における内
部の改質器プロセスはここでは考慮されず、その理由
は、この改質器プロセスがこの燃料電池タイプのために
は方法に関して典型的なものであるためである。
【００２６】低温・燃料電池は、通常、可燃ガス（燃焼
ガス）の汚染に対して極めて敏感であり、それにより、
水素を有する可燃ガスの事前の濃縮、及びそれと共に百
分率による汚染の減少が提供されている。
【００２７】この際、本発明に従い、改質器内で生成さ
れた反応ガスは分子ふるいによって分離される。改質器
プロセスでは、炭化水素（ＣＸＨＹ）及び水（Ｈ２Ｏ）
から、反応ガスである、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（Ｃ
Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）が発生
する。低温・燃料電池（例えば、ＰＥＭＦＣ・陽子交換
膜・燃料電池）のために利用可能なガスは水素である。
この水素は、酸素側におけるものに対応する方法で、分
子ふるいを介して分離される或いは燃料電池の膜の前で
濃縮される。他のガスは他の改質器プロセスに導かれ、
そこで、これらのガスは、排気ガスとして排出される以
前に、更に分解されて新たに水素が獲得される。
【００２８】特殊な使用ケースである水発生システムに
ついて。
【００２９】特殊な使用ケースは、燃料電池をベースに
した水発生システムである。
【００３０】生成すべき水は、できるだけ高純度を有す
るべきであり、特に、炭化水素、アルコール等を含まな
いものであるべきで、潜在的に健康に害のある他の内容
物質もそうである。
【００３１】高温・燃料電池を使用する場合、利用可能
な水は、陽極側、即ち、燃料供給側に生じる。可燃ガス
としての炭化水素では、燃料電池排気ガスからの水蒸気
の凝縮により、水と炭化水素分子が混合することにな
り、また場合によっては煤粒子や健康に害のある他の内
容物質も混合することになる。低温・燃料電池では、水
が、酸素側或いは空気側で生成され、それにより最初か
ら比較的高い純度を有する。しかし、例えば航空におけ
るような移動式の使用時には、効率の理由で、ガスター
ビンと組み合わされた、例えば酸化セラミック・燃料電
池のような高温・燃料電池システムが（ＳＯＦＣ＋Ｇ
Ｔ）有利である。高温・燃料電池において内部で行われ
る改質器プロセスでは、一方では高温・燃料電池自体、
更には追加的な低温・燃料電池に水素供給するために、
十分な水素が分離され得る。
【００３２】本発明に従い、燃料濃縮（Ｈ２濃縮）のた
めのこの方法は、高温・燃料電池の燃料側と、低温・燃
料電池の燃料側（水素側）との間に投入される。
【００３３】低温・燃料電池、特に燃料電池の膜が熱負
荷に対して敏感であるので、可燃ガス（Ｈ２）は高温・
燃料電池から低温・燃料電池への経路において冷却（例
えばｔ＜８０℃に冷却）されなくてはならない。このた
めには、例えば、後に接続されている冷却器を有するタ
ービンが使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】航空機内における水発生のためにＰＥＭＦＣ・
低温・燃料電池とＳＯＦＣ・高温・燃料電池とから組み
合わされた燃料電池システムのための酸素・水素濃縮を
示す図である。
【図２】航空機のための低温・燃料電池を有する燃料電
池システムのための酸素濃縮を示す図である。
【符号の説明】
１ 空気 ２ 燃料、炭化水素（例えばケロシン） ３ 高温・燃料電池（ＳＯＦＣ） ４ 低温・燃料電池（ＰＥＭＦＣ） ５ 分子ふるい ６ タービン ７ コンプレッサ ８ 酸素発生器（酸素ジェネレータ） ９ 凝縮器（コンデンサ） １０ 冷却器（タービンからのガス流を冷却） １１ 蒸発器（エバポレータ、燃料調整） １２ タービン １３ コンプレッサ １４ 触媒 １５ 連結器（クラッチ、電気モータとコンプレッサ
との間） １６ 電気モータ １７ 浄化（精製、プリフィケーション） １８ 浄化（精製、プリフィケーション） １９ 塩処理 ２０ ＷＣ・洗浄 ２１ 空気加湿／エアコン／飲料水／調理室／シャワ
ー・洗浄水 ２２ 汚水・脱水素化 ２３ 雑排水・受留器 ２４ オーバーフロー（ドレイン・マスト） ２５ 汚水・廃棄処理 ２６ 加湿器 ２７ 乾燥器 ２８ キャビン １０１ 低温・燃料電池 １０２ 膜（メンブラン） １０３ コンプレッサ １０４ タービン １０５ 改質器（リフォーマ） １０６ 蒸発器（エバポレータ） １０７ 蒸発器（エバポレータ） １０８ 冷却器 １１０ 燃料（炭化水素） １１２ 水 １１３ 排気ガス １１４ 凝縮器（コンデンサ） １１５ 排気ガス １１６ 空気 １１７ 分配空気（軽量分配空気） １１８ スタートユニット １１９ 連結器（クラッチ） １２０ プロセス始動用のジェネレータ １２１ 加湿器 １２２ 水（Ｈ２Ｏ） １２３ 酸素発生器（酸素ジェネレータ） １２４ 大気（空気） １２５ エアコン・パック １２６ キャビン １２７ 窒素 １２８ 分配空気（軽量分配空気） １２９ 空気 １３０ 排気（キャビン） １３１ 空気 １３２ 除湿器（ドライヤ）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｗ 8/10 8/10 8/12 8/12 (72)発明者 ハンス・ユルゲン ハインリヒ ドイツ連邦共和国 デー・22609 ハンブ ルク イェーニッシュシュトラーセ 55 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 HH05 HH08 HH09 5H027 AA06 BA02 BA05 BA16 DD00 KK01 KK44

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】特に燃料電池・ベースにおけるエネルギー
    生成並びに水発生システムのために、燃料電池システム
    にて効率を向上するため及び排気ガスを減少するための
    方法において、 稼動時には陰極側に空気（Ｏ２）（１、１２４）が供給
    され且つ陽極側に炭化水素（ＣＸＨＹ）（２、１１０）
    が供給される燃料電池システム（３、４、１０１）に
    て、供給された空気の酸素部分及び可燃ガスの水素部分
    が、ガス濃縮方法を各々に使用しながら、濃縮によって
    増加されること、 陽極側の濃縮方法（Ｈ２側）にて炭化水素の改質が実施
    され、その反応ガス（Ｈ２、ＣＶＨＷ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ、
    ＣＯ２）が分離されて次のように異なって引き続き使用
    されること、即ち、水素（Ｈ２）が１つ又は複数の低温
    ・燃料電池（４）に供給され、水（Ｈ２Ｏ）（９、１１
    ４）及び炭化水素（ＣＶＨＷ）が凝縮（９、１１４）さ
    れて改質器プロセスに導き戻され、並びに、二酸化炭素
    （ＣＯ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）が排気ガス触媒（１
    ４）に供給されるようにであり、及び、 これらのガスが二酸化炭素（ＣＯ２）及び分子窒素（Ｎ
    ２）に変化して大気／空気（１）へと放出されることを
    特徴とする方法。
  2. 【請求項２】高温・燃料電池（３）が使用され、その排
    気ガスが排気ガス触媒（１４）へと放出されることを特
    徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】高温・燃料電池（３）の内部の改質器プロ
    セスにより水素が獲得されることを特徴とする、請求項
    １又は２に記載の方法。
  4. 【請求項４】高温・燃料電池（３）の内部の改質器プロ
    セスにより獲得された水素がｔ＜８０℃に冷却（１０、
    １０８）され、分子ふるい（５）を介して分離され、１
    つ又は複数の低温・燃料電池（４、１０１）に供給され
    ることを特徴とする、請求項１、２、又は３に記載の方
    法。
  5. 【請求項５】冷却が、１つ又は複数のタービンステージ
    を有する１つ又は複数のタービン（６、１０４）におけ
    る緊張緩和を介して実施されることを特徴とする、請求
    項１、２、３、又は４に記載の方法。
  6. 【請求項６】低温・燃料電池（４、１０１）に供給され
    た空気が、水素の温度に対し、酸素・濃縮方法により圧
    縮された空気がｔ＜８０℃に冷却されることにより適応
    されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】冷却が、１つ又は複数のタービンステージ
    を有する１つ又は複数のタービンにおける緊張緩和を介
    して実施されることを特徴とする、請求項１又は６に記
    載の方法。
  8. 【請求項８】冷却のために熱交換器が後に接続され、こ
    の熱交換器が例えば冷却媒体として外気を用いて稼動さ
    れることを特徴とする、請求項１、５、又は７に記載の
    方法。
  9. 【請求項９】改質器（１０５）が水素を生成するために
    使用され、この改質器（１０５）には分子ふるい及び水
    素・バッファ容器（１０７）が後に接続され、更には、
    分子ふるい及びバッファ容器が別個に組み込まれること
    を特徴とする、請求項１に記載の方法。
  10. 【請求項１０】本システムが陰極側で圧力付勢され、更
    には、飛行高度における航空機内にて外気（１、１２
    ４）とキャビン空気（２８、１２５）との間の圧力差も
    圧力付勢として使用されることを特徴とする、請求項１
    に記載の方法。
  11. 【請求項１１】本システムが陽極側で圧力付勢されるこ
    とを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  12. 【請求項１２】陽極側では高温・燃料電池（３）から、
    及び／又は、陰極側では低温・燃料電池（４、１０１）
    から水（Ｈ２Ｏ）が獲得されて排出されることを特徴と
    する、請求項１、２、３、又は４に記載の方法。
  13. 【請求項１３】獲得された低温・燃料電池（４、１０
    １）の水が、全体的に又は部分的に、飲料水としての利
    用のために処理されること（１７、１９、２１）、及
    び、獲得された高温・燃料電池（３）の水が、使用水
    （ＷＣ洗浄）（１８、２０）として使用されることを特
    徴とする、請求項１、２、３、４、又は１２に記載の方
    法。
  14. 【請求項１４】獲得された低温・燃料電池（４、１０
    １）の水が、全体的に又は部分的に、エアコンディショ
    ナ（２１）における空気加湿のために使用されることを
    特徴とする、請求項１、２、３、４、又は１２に記載の
    方法。
  15. 【請求項１５】高温・燃料電池及び低温・燃料電池
    （３、４、１０１）から発生された水が、別個に中間貯
    蔵されることを特徴とする、請求項１、２、３、４、又
    は１２に記載の方法。
  16. 【請求項１６】中間貯蔵部内に含まれる水の充填レベル
    が制御ユニットによって検知されることを特徴とする、
    請求項１、２、３、４、１２、又は１５に記載の方法。
  17. 【請求項１７】生じる雑排水（２３）が、改質器プロセ
    ス（３、１１）における利用のために導き戻され、過剰
    の水量がドレインされる（２４）ことを特徴とする、請
    求項１、１２、又は１３に記載の方法。
  18. 【請求項１８】生じる下水（２２、２３）が部分的に脱
    水素されて洗浄されること、そのようにして獲得された
    水が改質器プロセス（３、１１）に供給され、そこで水
    素が発生されること、及び、過剰の水量がドレインされ
    る（２４）ことを特徴とする、請求項１又は１３に記載
    の方法。
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