JP2004530271A - 燃料電池電力設備 - Google Patents

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Abstract

水が、気体の流れを所要の温度に冷却するように制御された仕方で気体の流れに供給される、水供給源を有する燃料電池システム。好ましい実施態様では、水は、気体の流れに接触する前に霧状にされる。さらなる実施態様では、冷却水が、高表面積材料の充填物に、気体の流れが充填物材料を通る間に、供給される。燃料電池電力設備内に既に存在する水を利用することにより、燃料電池電力設備内で気体の流れの温度およびＯ／Ｃ比を制御するための高効率の方法およびシステムが得られる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池電力設備システムに関し、より詳細には、発電に使用される燃料電池電力設備システム内の改質気体の温度を制御する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料電池内に使用される電解質の性質に依存してさまざまな温度で作動する。４５０°Ｆより下の温度で作動する燃料電池としては、高分子電解質膜型燃料電池（ＰＥＭ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、およびアルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）などが挙げられる。複炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）および固体酸化物型（ＳＯＦＣ）燃料電池は、一般に、１２００°Ｆを超える温度で作動する。
【０００３】
これらのより低温の燃料電池電力設備では、改質気体排出温度は、一般に、８００°Ｆまたはそれを上回る。改質処理過程は、通常、水蒸気を使用する。この水蒸気は、改質器の上流で燃料処理過程気体に添加される。水蒸気は、また、シフト処理過程に必要とされる。通常は、両方のための水蒸気は、改質器の上流で添加される。シフト接続器の水蒸気は、改質器を通るのにつきあいで参加し加熱されその後で冷却される。これは、システムにとって有害ではないとはいえ、それには、以下に説明するように第２の水の添加を伴うシステムの効率より下に改質器の効率を低下させる傾向が確かにある。改質気体を主に水素と二酸化炭素を含有する気体の流れに変換するシフト変成装置内に改質気体を導入する前に、改質気体を一般に５００°Ｆより下の温度に冷却する必要がある。シフト変成装置は、単一段装置とすることができ、あるいは、より高温のユニットと、それに続く１つまたは複数のより低温のユニットとから成る多段装置とすることもできる。これまで従来技術の燃料電池電力設備では、気体／気体型の熱交換器が、改質気体を必要とされる温度に冷却するのに使用されている。これらの気体／気体熱交換器は、大きさが相対的に大きく、輸送装置用に燃料電池システムを設計するときは不利である。
【０００４】
水は、大抵の燃料電池電力設備内に存在しており、燃料電池を効率的に作動させるのに必要である。改質気体の流れを電力設備のシフト変成装置に供給する前に改質気体の流れに冷却を施すのにシステム内に既に存在する水を使用することができる燃料電池電力設備を設計するのは非常に望ましいであろう。
【０００５】
従って、本発明の主な目的は、燃料電池電力設備内の気体の流れの温度を制御する方法および装置を提供することである。
【０００６】
本発明のさらなる目的は、反応を持続させるのに必要とされるシフト変成装置に必要な付加的な水を注入するために燃料電池電力設備システム内に既に存在する水を利用する、上述したような方法およびシステムを提供することである。
【０００７】
本発明の特定の目的は、特に改質気体の流れを冷却するために燃料電池電力設備システム内に既に存在する水を利用する、上述したような方法およびシステムを提供することである。
【０００８】
本発明のなおさらなる目的は、相対的に小型である、上述したような方法およびシステムを提供することである。
【０００９】
本発明のさらなる目的および利点は、以下に明らかになるであろう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した目的および利点は、所望の気体Ｏ／Ｃ比（酸素対炭素）を維持しながら気体の流れを所望の温度に冷却するように制御された仕方で水が供給される、水供給源を有する燃料電池電力設備システムを提供することにより本発明によって達成される。好ましい実施態様においては、水は、気体の流れに接触する前に霧状にされる。さらなる実施態様においては、冷却水が、高表面積材料の充填物（ｐａｃｋｉｎｇ）に、気体の流れが充填物材料を通って流れる間に、供給される。燃料電池電力設備内に既に存在する水を利用することにより、燃料電池電力設備内の気体の流れの温度およびＯ／Ｃ比を制御するための高効率の方法およびシステムが得られる。
【００１１】
本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面に例示される本発明の好ましい実施態様の以下の詳細な説明に照らして、より十分に明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の方法および装置は、図１および図２を参照して以下に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の水冷却およびＯ／Ｃ比制御の構成を用いることができる燃料電池電力設備の概略図である。理解されるように、本発明の水冷却およびＯ／Ｃ比制御システムは、天然ガス、ガソリン、ディーゼル燃料、ナフサ、燃料油、および同様の炭化水素などの燃料を使用する燃料処理装置を有するどのような燃料電池システムにも使用され得る。燃料電池は、従来技術において知られているどのような種類のものとすることもできるが、本発明の冷却システムは、特に、ＰＥＭ型燃料電池電力設備およびリン酸型燃料電池設備に使用できる。
【００１４】
図１を参照すると、燃料電池電力設備システム１０が、燃料処理装置１２（これは、当業技術内で一般に知られる触媒水蒸気改質器、自熱式改質器、または触媒部分酸化装置などの装置を含むことができるを含み、燃料処理装置１２は、１４を介して例えばガソリン、水蒸気、および空気から成る気体混合物を受け取り、この気体混合物は、燃料処理装置（自熱式改質器）内で改質されて、主に窒素、水素、二酸化炭素、水蒸気、および一酸化炭素から成る改質気体を生成する。１６を介して改質器から１８を介して排出された高温の改質気体は、一般に、使用される燃料処理装置の種類に依存して、８００と１２００°Ｆの間の温度である。シフト変成装置２０は、改質気体を受け取り、触媒の存在下で改質気体を処理して、改質気体内の一酸化炭素の大部分を変換し、それによって、シフト変成装置２０からライン２２を介して排出される気体は、主に、水素と二酸化炭素の気体混合物となる。シフト変成装置２０から出る気体の流れは、その後、燃料電池３０に供給され、そこで、気体の流れは、電力に変換される。通常の燃料電池電力設備システムでは、１つまたは複数の選択的酸化器２４および２６が、シフト変成装置２０と燃料電池３０の間に配置され得る。シフト変成装置２０から２２を介する気体の流れの中のどのような残りの一酸化炭素も、気体の流れを燃料電池３０に供給する前に、さらに低減され得る。
【００１５】
燃料処理装置１２からライン１６を介して排出される改質気体の流れは、この改質気体をシフト変成装置２０に供給する前に、冷却する必要がある。
【００１６】
本発明に従うと、改質気体は、制御された仕方で改質気体の中に水を注入することにより冷却される。再び図１を参照すると、水供給源２８が、燃料電池電力設備システムの適切な作動を確実にするのに必要とされる燃料処理装置１２と燃料電池３０の間のさまざまな位置３２、３４、３６および３８で気体の流れに水を伝達するために備えられる。図１に例示するように、水供給源２８からの水は、ライン４２により、燃料処理装置１２からシフト変成装置２０へと改質気体を運ぶ導管１８に供給される。シフト変成装置に流入する改質気体の流れの温度が確実に所望の温度になるように、また、Ｏ／Ｃ比が設定温度に従って確実に制御されるように、水は、制御された仕方で供給される。上述したことを確実にするように、検出器４４が、改質気体の流れの温度を検出するためにシフト変成装置２０のすぐ上流の導管１８内に備えられる。検出された温度は、既知の仕方で所望の温度と比較され、弁４６が制御されて、所望のＯ／Ｃ比を維持しながら気体の流れの適切な冷却を確実にするように導管内への水の流量が調節される。気体の流れの温度を検出するとともに、検出された温度に応じて流量弁を制御するそのような制御システムは、当業技術内でよく知られている。
【００１７】
図１および図２に示す本発明の好ましい実施態様に従うと、室４８が、水供給源２８から供給された水を受け取るために導管内に備えられる得る。室４８には、高表面積材料５０を充填でき、高表面積材料５０は、水と共に、改質気体の流れを所望の温度に冷却するのを助ける。適切な高表面積材料としては、セラミックペレット、スチールウール、網状セラミックフォーム、金属製フォーム、およびハニカムモノリスなどが挙げられる。水は、水を小さな液滴へと霧状にするノズル５２を通して気体の流れの中に注入されるのが好ましい。ノズル５２は、当業技術内で知られるどのようなノズルの形態を取ることもでき、約２７ ｌｂｓ．／ｈｒ．の水である定格の流量条件で約１００ミクロンより小さな水滴を提供するように設計する必要がある。このようにして、水は、実質的に均一な仕方で高表面積材料５０上に分散でき、それによって、冷却効率が向上する。気体の流れを効果的に冷却するのに必要とされる水は相対的に少量であることが見出された。ＰＥＭ型電池電力設備では、例えば、６６０°Ｆから４００°Ｆの２５０ｐｐｈの改質気体を冷却するには、１４０°Ｆの温度の２７ｐｐｈの水が必要とされる。しかしながら、留意されるよに、この温度制御装置の鍵は、蒸発の形態での水の相変化であって、入口の水の温度ではない。リン酸型電池電力設備の水の温度は、おそらく３００°Ｆ範囲にありそうである。
【００１８】
水供給源からの水は、所望ならば、シフト変成装置２０から燃料電池３０への気流の流れに沿って他の位置３４、３６、３８で注入され得る。特に、図１に示すように、選択的酸化器２４、２６が一酸化炭素をさらに低減するのに使用されるときは、選択的酸化器に導入する前に気体の流れをさらに冷却するために選択的酸化器の上流に、高表面積材料を有するかまたは有しない付加的冷却室４８を備えるのが有利である。冷却室は、上述したように高表面積材料を含み得る。気体の流れへの水の流れの温度検出および制御のための制御システムは、また、上述したようなものであり、当業技術内で既知のよく知られるどのような温度制御弁システムとすることもできる。多段シフト変成装置の場合は、付加的注入位置は、多段ユニット内の温度制御のために可能となるであろう。
【００１９】
燃料電池の作動は、燃料電池への供給物中の水の存在によって有害な影響は受けない。実際、水は、大抵の燃料電池ではその効率的な作動を提供するのに必要とされる。しかしながら、改質気体の露点は、さほど上昇しないこと、すなわち、１０°Ｆを下まわりそれによってシステム内での凝縮が避けられること、が望ましい。水は、燃料電池３０から回収でき、燃料電池電力設備システム内でさらに使用するためにライン５８を介して水供給源２８へと再循環され得る。
【００２０】
本発明のシステムには、多くの利点がある。第一に、本発明は、当業技術内で通常使用される大きな熱交換器の必要性を解消する。第二に、本発明は、電力設備燃料電池システム内に通常既に存在している水供給源を冷却のために使用する。最後に、シフト変成装置の大きさは、反応 Ｈ2Ｏ＋ＣＯ→Ｈ2＋ＣＯ2 が増加された水に恵まれているので、低減され得ることが見出された。
【００２１】
本発明は、本発明の精神または本質的な特性から逸脱することなく、他の形態で具体化でき、または、他の方法で実施できる。従って、本実施態様は、全ての点で限定としてではなく例示として見なす必要があり、本発明の範囲は、添付の請求項により示されており、等価物の意味および範囲に含まれる全ての変更物が、本発明の中に包含されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に従う燃料電池電力設備システムの部分概略図。
【図２】本発明の好ましい実施態様に使用される、水が供給される予冷器の断面図。

Claims (16)

  1. 炭化水素燃料を水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を含む高温の改質気体に変換するための燃料処理装置と、燃料処理装置の下流に配置され改質気体を主に水素と二酸化炭素を含有する気体の流れにさらに変換するためのシフト変成装置に改質気体を伝達する第１の導管手段と、シフト変成装置の下流にあり気体の流れの中の水素を反応させるための燃料電池に気体の流れを伝達する第２の導管手段と、水供給源と、改質気体および気体の流れの少なくとも一方をそれぞれ所望の温度に冷却するように制御された仕方で第１の導管手段および第２の導管手段の少なくとも一方に水を供給する水供給手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記改質気体に添加される水によって、シフト変成装置のための所望の酸素／炭素比が設定されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記水供給手段は、第１の導管手段および第２の導管手段の少なくとも一方への水の供給を制御する制御手段を含むことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御手段は、改質気体と気体の流れの温度をそれぞれ検出し、検出された温度に応じて第１の導管および第２の導管の少なくとも一方にそれぞれ水を供給することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池からの水を収集しかつ収集した水の少なくとも一部を水供給源として再循環させる手段をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  6. 前記シフト変成装置と燃料電池の間であって水供給手段が水を第２の導管手段に供給する位置の下流に配置された少なくとも１つの選択的酸化器をさらに含むことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御手段は、検出された温度に応じて開閉する少なくとも１つの電磁弁をさらに含むことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
  8. 前記水供給手段は、水を霧状にする手段を含むことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
  9. 前記第１の導管手段および第２の導管手段の少なくとも一方が、高表面積材料の充填物を含み、水が、この材料に供給されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
  10. 前記高表面積材料は、セラミックペレット、スチールウール、網状セラミックフォーム、金属フォーム、およびハニカムモノリスから成る群より選択されることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
  11. 水が、第１の導管と第２の導管の両方に供給されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
  12. 改質気体を生成するための燃料処理装置と、燃料処理装置の下流にあり第１の導管を介して改質気体を受け取りかつこの改質気体を主に水素と二酸化炭素を含有する気体の流れにさらに変換するためのシフト変成装置と、シフト変成装置の下流にあり第２の導管を介して気体の流れを受け取るための燃料電池と、を備える燃料電池システム内の温度を制御する方法であって、水供給源を備え、改質気体をシフト変成装置にかつ気体の流れを燃料電池に供給する前に改質気体と気体の流れを所望の温度に冷却するように制御された仕方で改質気体および気体の流れの少なくとも一方にそれぞれ水供給源から水を注入することを含むことを特徴とする方法。
  13. 前記燃料電池から水を収集し、その少なくとも一部を水供給源に再循環させることを含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
  14. 注入の際に水を霧状にすることを含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
  15. 前記第１の導管および第２の導管の少なくとも一方に高表面積材料の充填物を備え、この充填物床の上に水を注入することを含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
  16. 前記燃料処理装置内への過剰な水蒸気の注入を最小限に抑えて電力設備の効率を向上させる所望の酸素／炭素比を設定するように水の注入を制御することを含むことを特徴とする請求項１２記載の方法。
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