JP2008525964A - ガス酸化器から電解質のその場での除去 - Google Patents

Abstract

燃料電池システムの酸化器アセンブリを使用する方法と装置において、酸化器アセンブリは、電解質微粒子を含むアノード排ガスを酸化する酸化器ユニットを有し、酸化器アセンブリは酸化器アセンブリから除去可能でありかつ除去すべき電解質微粒子を除去するように適合されまたは調整されており、該調整と除去は、酸化器アセンブリ中に保持された酸化器ユニットを用いて行われる。燃料電池システムは、またそのような調整と除去が燃料電池システム中に保持された酸化器アセンブリを用いて行われるように適合されている。

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、燃料電池システムで使用されるガス酸化器からの電解質の除去に関する。

燃料電池は炭化水素燃料中に蓄えられている化学的エネルギーを直接電気化学的反応によって電気的エネルギーに変換するデバイスである。一般に、燃料電池は、電気的に帯電されたイオンを伝導する役目をする電解質によって分離されたアノードとカソードとを有する。燃料電池は、反応性燃料ガスをアノードに通過させ、酸化ガス（oxidizing gas）をカソードに通過させることによって作動する。有用な電力レベルを生成するために多数の個別の燃料電池が直列に積層されており、燃料電池積層体を形成する各燃料電池の間には電気伝導分離板を設けている。

溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）は、カソードで酸化ガス中の酸素と自由電子との反応で炭酸イオンを形成し、炭酸イオンが溶融炭酸塩電解質を通ってアノードまで移動して水素と反応し、水、二酸化炭素および電力を生成する。ＭＣＦＣ中の電解質は溶融炭酸塩混合物を含み、該混合物は通常、炭酸リチウム、炭酸カリウム、または炭酸リチウムと炭酸カリウムとの組み合わせを含む。ＭＣＦＣの動作温度は約５５０℃〜６５０℃であるので、電解質はＭＣＦＣ動作中の間は液体状態である。

通常のＭＣＦＣシステムは、燃料電池アノードの下流側にアノード排ガス酸化器ユニットを含み、該酸化器ユニットは、アノード排ガス中の水素、一酸化炭素および未反応の炭化水素を酸化して燃料電池カソードに供給する空気またはオキシダントに加えるのに適合した酸化ガスを供給するための酸化触媒を含む。いくつかの場合において、酸化器ユニットは、酸化器ユニットの前に置く混合器を含む排ガス酸化器アセンブリに組み込まれる。この酸化器アセンブリにおいて、アノードの排ガス流れとカソードへの供給空気またはオキシダント（oxidant）は、最初に混合器で混合され、次に混合されたガスは排ガスを酸化する酸化器ユニットに供給されて、酸化器ユニットで酸化触媒にさらされる。得られるオキシダントと二酸化炭素に富むガスは、次に燃料電池のカソードに供給される。

本出願と同じ譲渡人に譲渡された米国特許出願第１０／１８７，４９５号は、混合器／エダクターと酸化器ユニットを利用するアノード排ガス酸化器アセンブリの例を記載しており、その酸化器ユニットにおいて酸化器ユニット中のガス酸化器触媒ブロックは、混合器／エダクターの出口と接続している。この酸化器アセンブリにおいて、アノード排ガスと空気との混合ガスは、混合器の出口に接続された触媒ブロックの入口表面を通って酸化触媒ブロックに入る。酸化器ブロックにおいて、ガス混合器は、混合物中に存在する水素、一酸化炭素および炭化水素を酸化する燃焼反応を受ける。
米国特許出願第１０／１８７，４９５号公報

燃料電池積層体の操作の間、電解質微粒子は、ガス相に存在し、燃料電池の電解質層からアノード排ガス流れ中に放出される。高温のアノード排ガス流れが混合器中で冷たい空気と混合された後で、ガス混合物の温度は約３００〜４００℃となる。アノード排ガスの冷却により、アノード排ガス流れのガス相中の電解質微粒子は、ガス状粒子から固体状の電解質微粒子へ変換される。これらの電解質微粒子は混合器壁と酸化器触媒ブロックの入口面に堆積する。電解質微粒子の酸化器触媒ブロックの入口表面上の堆積物は、酸化器触媒を通過するガス混合物の流路の部分的な障害物を形成して、触媒ブロックを通る圧力損失が増加し、アノード排ガス流れの圧力とカソード入口流れの圧力との間の圧力差が増加する。更に、電解質の堆積による閉塞は触媒ブロックを通る流れ分布を変え、その結果、触媒ブロックの一方の端から他方の端への温度分布における大きな差を生じる。

燃料電池積層体の性能と効率は燃料電池アセンブルリの圧力変化に敏感である。特に、上記説明した酸化器触媒上への電解質微粒子の堆積物の蓄積によるアノード流れとカソード流れの間の圧力差の増加は、燃料電池積層体の熱的なプロフィールや電圧変化に影響する。更に、電解質微粒子の堆積物は、炭化水素の燃焼効率に影響する酸化器触媒を不活性化する。

従って、アノード入口とカソード入口流れの間の圧力差を一定に維持するために、アノードガス酸化器触媒の入口面から電解質微粒子を除去する必要がある。更に、電解質微粒子の除去は酸化器触媒の不活性化を低減し、燃料電池性能を改善する。

通常、電解質微粒子は、アルカリ炭酸塩化合物の除去に適合する溶媒を用いて酸化器触媒を洗浄することによりアノードガス酸化器触媒から除去されてきた。しかしながら、この方法は、燃料電池プラントをシャットダウンして、洗浄する触媒ブロックを取り外すために酸化器アセンブリを分解することを要求する。結果として、燃料電池発電プラントの効率は低下し、燃料電池の電力プラントを転するための維持費は実質的に増加する。従って、これらの欠点を避けるために電解質微粒子をその場で除去する方法が必要とされる。

従って、本発明の目的は、酸化器センブリから酸化器ユニットの取り外しを要求されずに燃料電池システムの、酸化器ユニットを有する酸化器アセンブリから電解質微粒子の除去を提供することである。

更に、本発明の目的は、燃料電池システムの性能に実質的な影響を与えない方法で上記説明した電解質微粒子の除去を提供することである。

本発明の原理に基づいて、上記および他の目的は、燃料電池システムの酸化器アセンブリを使用する方法と装置で実現されるが、該酸化器アセンブリは、電解質微粒子を含むアノード排ガスを酸化する酸化器ユニットを有し、酸化器アセンブリは、酸化器アセンブリから除去可能でありかつ酸化器アセンブリから除去すべき電解質微粒子を除去するように適合されまたは調整されており、該調整と除去は、酸化器アセンブリ中に保持された酸化器ユニットを用いて行われる。さらに、本発明に基づいて、燃料電池システムは該調整と除去が燃料電池システム中に保持された酸化器アセンブリを用いて行われるように適合されている。

以下に記載される本発明のある実施例において、酸化器アセンブリは、溶媒が酸化器ユニットの上にある微粒子の電解質を溶解するまたは取り除くために酸化器ユニットと接触するように、および溶媒と含まれる微粒子の電解質が酸化器アセンブリから排出されるように、溶媒を受け入れるように適合されまたは調整されている。本発明の別の実施例において、酸化器アセンブリは、微粒子の電解質がはげ落ちて気化によって酸化器アセンブリから除去されるように、加熱されるように適合されあるいは調整されている。更に、本発明の実施例において、酸化器アセンブリは、電解質微粒子を捕集し、捕集した微粒子を排出するために調整されまたは適合されている。これらの実施例において、電解質微粒子の除去は、酸化器アセンブリに保持されている酸化器ユニットを用いて行われ、さらに、電解質微粒子の除去を促進および可能にする燃料電池システムの状態またはモードを用いて行われる。

溶媒を使用する本発明の実施例において、液体または気体状態の溶媒は、混合アセンブリの混合ユニットまたは排出酸化器ユニットを通して酸化器アセンブリに導入され、電解質微粒子を溶解しまたは取り除くのに十分な時間の間、該酸化器アセンブリ中に保持され、次に、酸化器アセンブリから混合器ユニットに排出される。酸化器アセンブリが加熱される本発明の実施例において、加熱は電解質微粒子がはげ落ち、続いてはげ落ちた微粒子が混合器ユニットと接触するときに、はげ落ちた粒子の気化を起こすのに十分な時間行われる。最後に、電解質微粒子が捕集される本発明の実施例において、酸化器アセンブリは、酸化器ユニットに入る前にガス流れから電解質微粒子をろ過するために酸化器ユニットの前に配置するフィルタを提供する。好ましくは、フィルターは混合器中にベーンフィルターの形態で配置される。

上記および他の特徴および本発明の態様は付属の図面と協働する以下の詳細な記載を読むことによってより明白になるであろう。

図１は本発明の原理に基づく電解質微粒子のその場での除去を実行するために適合された燃料電池システム１００の概略図である。燃料電池システムはアノード１０４とカソード１０６を有する燃料電池１０２を含む。天然ガスなどの燃料ガスは燃料供給部１０８から燃料電池システム１００に供給される。アノード１０４に運ばれる前に、燃料は燃料浄化部１１０で燃料浄化処理を行い、水と組み合わされ、熱交換器１１２で加熱される。浄化処理され加熱された燃料は、電気化学反応を行うためにアノード入口１０４ａを通ってアノードに入る。消費した燃料はアノード排ガスとしてアノード出口１０４ｂを通ってアノードを出る。

アノード１０４の出口１０４ｂは、アノード排ガス酸化器アセンブリ１１４の入口１１４ａに接続されている。酸化器アセンブリ１１４において、アノード排ガスは、空気などの酸化ガスとアノード排ガス中の水素、炭化水素、一酸化水素を含む未処理の成分と混合され、二酸化炭素と空気の混合物を生成する。酸化器アセンブリ１１４中の二酸化炭素と空気の混合物は、燃料電池カソード１０６中の酸化ガスとしての使用に適している。二酸化炭素と空気の混合物はカソード入口１０６ａを通ってカソード１０６に入る。カソード１０６を通過した後で、消費した酸化ガスはカソード１０６を出て、燃料電池システム１００を出る前に燃料と水を加熱するための熱交換器１１２に運ばれる。

図２は、酸化器アセンブリ１１４として使用され得るアノード排ガス酸化器アセンブリの例示例の詳細を示す図である。示されるように、酸化器アセンブリ１１４は混合器ユニット１１６と酸化器ユニット１１８を有する。酸化触媒を含む酸化器ユニット１１８は、混合器ユニット１１６の出口１１６ｂに接続されている。図２に示される例示例において、酸化器ユニット１１８は、混合器ユニット１１６の出口１１６ｂを覆う覆いを形成するために予め決められたサイズを有する触媒ブロックを含む。

混合器１１６は、アノード出口１０４ｂと空気供給部１２１とに接続された入口アセンブリ１２０を含む。入口アセンブリ１２０は、アノード出口１０４ｂに接続され、燃料電池アノード１０４からアノード排ガスを受け入れるアノード排ガス入口１１４ａと、空気供給部１２１から空気を受け入れる空気入口１２０ｂとを含む。アノード排ガスと空気は、混合器１１６の入口アセンブリ１２０に接続されおり、更なる混合のための混合器１１６の混合ゾーン１１６ａ中に運ばれる。

上記記載されたように、酸化器アセンブリ１１４に入るアノード排ガスの温度は約５５０〜７００℃である。高温のアノード排ガスは入口アセンブリ１２０で冷たい空気と混合され、更に混合器１１６の混合ゾーン１１６ａで混合されると、混合温度は約３００〜４００℃になる。アノード排ガスと空気の混合物の温度は低下するので、アノード排ガス中に存在する電解質微粒子は固化する。アノード排ガスと空気の混合物は、酸化器ユニット１１８を通過するが、固体の電解質微粒子は酸化器ユニット１１８を通過することができないので、酸化器ユニット１１８の表面１１８ａ上に堆積する。酸化器アセンブリ１１４の連続した作動により、電解質微粒子は酸化器ユニット１１８の面１１８ａ上に堆積し、ガス混合物の通路中および酸化器ユニット１１８中に部分的な障壁を形成する。この酸化器ユニット表面１１８ａの部分的障壁は混合器１１６中のガス圧の増加を引き起こす。同時に、酸化器アセンブリ１１４を出る酸化ガスの圧力は低下し、酸化器ユニット１１８を通過する圧力差が増加する。

本発明の原理に基づいて、酸化器アセンブリ１１４と燃料電池システム１００は、酸化器ユニット１１８から電解質微粒子のその場での除去を行うために適合される。酸化器アセンブリおよび適合された燃料電池システム１００の種々の実施例は以下に記載される。

水を用いる電解質堆積物のその場での除去
本発明の第１実施例において、電解質微粒子の堆積物は、酸化器ユニット１１８が酸化器アセンブリ１１４から酸化器ユニット１１８を取り除かないでかつ燃料電池システム１００から酸化器アセンブリ１１４を取り除かないで水溶媒に曝されるように、酸化器アセンブリ１１４と燃料電池システム１００とを適合させることによって、酸化器ユニット１１８から除去される。特に、酸化器アセンブリ１１４と燃料電池システム１００は、酸化器アセンブリ１１４が予め決められた時間の期間だけ酸化器ユニット１１８の面１１８ａに接触するために、好ましくは浸漬するために、十分な量の水を供給されかつ受け取ることができるように適合されあるいは調整されている。また、燃料電池システム１００は、水処理の間、温度が環境温度まで低下し、電力は燃料電池システムによって生成されないような深い熱サイクルステージまたは状態となるように適合されている。

特に、図３は、図２の酸化器アセンブリ１１４と適合されたまたは調整された燃料電池システム１００を示している。図に示されるように、入口／出口開口１２２は混合器１１６の混合ゾーン１１６ａに供給されており、入口／出口開口１２２は燃料電池システム１００に供給される水供給部１２４と排出部１２６に接続されている。３方バルブなどのバルブ１２３もまた、混合器１１６から入口／出口開口１２２を通る水の通過を制御するために燃料電池システム１００中に加えられ、燃料電池システム１００の作動の間、閉じた状態に入口／出口開口１２２を保持している。

燃料電池システムが深い熱サイクルステージであり電解質除去を開始すると、入口部１２３ａとバルブの部分１２３ｂは開き、水が水供給部１２４から入口／出口開口１２２を通って混合器１１６の混合ゾーン１１６ａに流れるがバルブ１２３の出口部分１２３ｃは閉じたままであるのを許容する。酸化器ユニット１１８が水にさらされるまで、特に、酸化器ユニット１１８の少なくとも面１１８ａが水中に沈むまで、水が混合器１１６中に流れて混合ゾーン１１６ａを満たすことが許容される。

混合器１１６中の水量が予め決められたレベルに達すると、バルブ部１２３ａと１２３ｂは閉じられる。酸化器ユニット１１８の面１１８ａは予め決められた時間、すなわち、約３０分から２時間の間、水中に沈められたまま維持される。予め決められた時間が満了すると、水および面１１８ａから溶解した電解質微粒子は混合器１１６から除去され、バルブ部１２３ｂと１２３ｃを開けることによって、入口／出口開口１２２を通って排出部１２６に入る。バルブ１２３ａは閉じたままであり、水と溶解した電解質の堆積物は混合ゾーン１１６ａから除去される。更に、入口／出口開口１２２に接続するノズルは、水および混合ゾーン１１６ａから溶解した電解質の除去を補助するために提供され得る。

図３の例示の実施例において、開口１２２が混合ゾーン１１６ａの低い部分に供給され、同じ開口１２２が混合器１１６まで水を供給し混合器１１６から水を除去するために使用されるように、酸化器ユニット１１８が配置されている。理解されるように、酸化器アセンブリは、酸化器ユニットの面１１８ａを浸水するためにおよび水と混合器ユニットから溶解した電解質微粒子を排水するために、水供給部１２４から混合器１１６まで水を運ぶために別の方法で構成されることができる。

例えば、図４に示すように、酸化器アセンブリ１１４は、例えば、スプリンクラーのような１つ以上の水配送ユニット１２８を酸化器ユニットの出口面１１８ａの近くに含むように変更し得る。この例示の構成において、水は水供給部１２４から水配送ユニット１２８のそれぞれに供給され、酸化器ユニット１１８の孔または溝を通って混合器１１６の混合ゾーン１１６ａに流れることが許容される。バルブ１２４ａは水供給部１２４と水配送ユニット１２８の間に供給され、水配送ユニットへの水の供給を制御する。燃料電池システム１００の深い熱サイクルステージまたはモードの間、バルブ１２４ａは開かれて、水供給部１２４から水配送ユニット１２８まで水が運ばれることを許容することによって、電解質微粒子の堆積物の除去を開始する。

図４に示した例示的な構成のように、水は混合器１１６の混合ゾーン１１６ａを満たし、酸化器ユニット１１８の面１１８ａを少なくとも沈めることを許容される。予め決められた量の水が混合ゾーン１１６ａに供給されると、バルブ１２４ａは閉じられ電解質除去の次の開始まで閉じた状態で維持される。酸化器ユニットの面１１８ａは、面上の電解質微粒子の堆積物を溶解するために予め決められた十分な時間の期間、水中に沈められる。この例示された例において、予め決められた時間の期間は約３０分から２時間である。

予め決められた時間の期間の終了後、電解質微粒子の堆積物の全部または大部分は水に溶解することによって酸化器ユニット１１８から除去される。水と電解質の混合物は次に混合ゾーン１１６ａに供給された開口１２２を通過して混合ゾーン１１６ａから除去される。この例示の実施例において、開口１２２は混合器１１６の混合ゾーン１１６ａの底部に提供され、排出部１２６に接続されている。さらに、ノズル（図示しない）は混合器１１６からの水の除去を補助するために更に排出開口１２２に接続されている。バルブ１２５は開口１２２と混合器１１６からの水の除去を制御するための排出部１２６との間に供給される。特に、バルブ１２５は予め決められた時間の期間終了後に開口され、水が混合ゾーン１１６ａから開口１２２を通過して排出部１２６に通過するのを許容する。理解され得るように、バルブ１２５は燃料電池システムの運転時に閉じられており、バルブが開くと水は配送ユニット１２８から混合ゾーン１１６ａ中に供給され、予め決められた時間の期間触媒が水中に浸水する。

水を使用する酸化触媒表面から炭酸カリウムの電解質微粒子除去は、炭酸カリウム溶液にさらされた酸化触媒サンプルを用いて試験された。そのような試験用触媒サンプルの調製において、各酸化触媒サンプルは、２０重量％炭酸カリウムを含む溶液中に浸漬され、各サンプルは十分な炭酸カリウムで被覆された。各サンプルは約１〜４重量％の炭酸カリウムを含む。サンプルは次に１１０℃で一昼夜乾燥された。被覆したサンプルを約３０分間水中に沈めた。各サンプルに対して使用された水の体積は、各サンプルの体積の５倍である。洗浄されたサンプルのそれに続く試験は、全表面の電解質コーティングが除去されたことを示している。その結果として、そのサンプルを横切る圧力損失は低減し、触媒活性は回復した。

酸化器ユニット１１８から電解質微粒子を除去するための溶媒として水が使用される本発明の第２実施例において、酸化器ユニット１１８と燃料電池１００とは、加湿されたガスが予め決められた温度で酸化器ユニット１１８を通るように適合されまたは調整されている。空気と水蒸気を含むガスは、加湿されたガスとして使用するのに適している。この場合に、燃料電池システム１００は、電解質の堆積物の除去の間、発電モードでない低温で約５００℃）または高温スタンバイ状態となるように適合されている。

更に、図５は、加湿されたガス供給部１３２に接続された混合器１１６中の入口開口１３０を提供するように変形された図２の酸化器アセンブリ１１４を示している。この場合において、シャットダウンされた燃料電池システム１００とともに、加湿されたガスは、加湿されたガス供給部１３２から、加湿されたガスを酸化器アセンブリ１１４まで制御するバルブ１３０ａを開くことによって開口１３０を通過して混合器１１６まで供給される。特に、バルブ１３０ａは電解質の堆積物の除去が開始され加湿されたガスが混合ゾーン１１６ａを通過することを許容された場合に開口される。加湿されたガスは混合ゾーン１１６ａから酸化器ユニット１１８を通って予め決められた時間の期間、流れる。予め決められた時間の期間は３０分から４時間である。

混合ゾーン１１６ａに供給される加湿されるガス温度は酸化器ユニット１１８中の触媒ブロックの温度より低くなるように制御されている。特に、加湿されたガスは約５５℃の温度であるが、酸化器ユニット１１８の温度は約９０℃に維持されている。酸化器ユニット１１８の温度が加湿されたガスの温度より高いので、水滴は、ガスが通過するときに酸化器ユニットの表面１１８ａ上に形成され、電解質微粒子の堆積物を濡らす。

溶解した電解質は混合器１１６の混合ゾーン１１６ａに落ちる。再度図５を参照すると出口開口１２２は混合ゾーン１１６ａの底部に供給されており、該開口は排出部１２６に接続されている。バルブ１２７は混合ゾーン１１６ａから水と電解質混合物の除去を制御するために供給される。バルブ１２７は予め決められた時間の期間経過後に開かれ、水中に溶解した電解質堆積物が除去される。理解されるように、バルブ１２７は他の時間の全ての間は閉じている。

図５の実施例の代替において、加湿されたガスを混合器ユニット１１６まで供給する代わりに加湿されたガス供給は酸化器ユニット１１８に接続され、酸化器ユニット１１８を通って酸化器ユニット１１８の出口まで供給される。この構成において、加湿されたガスは酸化器ユニットを通って混合器ゾーンを通過する。前に説明したように、このことは、電解質微粒子を溶解する酸化器ユニット１１８の面１１８ａ上に液滴を形成するという結果になる。その結果、電解質を溶解した物は次に混合ゾーンから排出部１２６を通る廃棄処理のためのバルブ１２７の開口を経由して除去される。

図５の上記記載された構成を使用する酸化触媒の電解質が被覆された試料上の試験は電解質の９０％以上が酸化器ユニット１１８の表面から除去され得ることを示している。上記説明したようにそのような除去はかなりアノード排ガスとカソード入口ガスの間の圧力差を低減し、触媒性能を改善する。

電解質堆積物のその場での燃焼
本発明の第３の実施例において、燃料電池システム１００と酸化器アセンブリ１１４は酸化器ユニット１１８の表面１１８ａからの電解質微粒子の堆積物の除去が燃焼または加熱によって実現されるように適合されている。この場合において、燃料電池システム１００は熱予備早期発火モードまたは状態（hot standby pre-ignition mode or state）に置かれるように適合され、電力は燃料電池システムによって生成されない。

特に、燃料電池システム１００は高温待機早期点火モードにおいて作動し酸化器アセンブリ１１４内の温度を増加し、酸化器の触媒性能に影響を与えずに酸化器ユニット１１８上の電解質微粒子の堆積物の剥離と蒸発を起こす。特に、温度は約７９０℃〜８４０℃まで増加する。所望の温度目標は好ましい燃焼まで空気と燃料の比率を調整することによって実現され、その結果、触媒表面温度をより高温にする。この場合、熱予備早期点火の間の最大所望温度は酸化触媒の不活性化を防ぐために８００℃である。酸化器アセンブリ１１４の温度が約７９０℃に到達すると、酸化器ユニット１１８の表面上の電解質微粒子の堆積物は表面１１８ａから剥離を始める。このことは、高温での電解質微粒子の接着特性が低下することによっておよび酸化器アセンブリ１１４の冷却の間熱膨張のミスマッチによって起こると信じられている。剥離物は、混合ゾーン１１６ａ中に落ち、混合器１１６の表面上に衝突する。

その場での除去の構成をシミュレートする試験において、表面に電解質微粒子の堆積物を有する酸化器触媒のサンプルが使用される。これらの試験のために被覆されたサンプルは本明細書で上記記載されたのと同様の手順を用いて調製される。各サンプルは、電解質を被覆した表面が図２の酸化器アセンブリ１１４の酸化器ユニット１１８中の触媒ブロックの配置と同様にサンプルの底部表面を形成するように上下逆さまにされる。サンプルは空気中で７９０℃または８４０℃まで、約２時間から４時間加熱される。電解質微粒子の堆積物の約６０％は７９０℃まで加熱された試料から剥離し、電解質微粒子の堆積物の８９％は同様に８４０℃まで加熱されたサンプルから剥離する。

図６は、燃料電池システム１００と燃焼または加熱によって除去するために適合された酸化器アセンブリ１１４を有する電解質微粒子の堆積物の除去前後の燃料電池システムの性能を示す。図示されるように、Ｘ軸は燃料電池システムの作動時間を示すが、Ｙ軸は混合器ユニット１１６の混合ゾーン１１６ａ中のガスの圧力とカソード入口での酸化ガスの圧力との間の圧力差を示す。理解されるように、圧力差は、燃料電池作動時間が増加すると増加する。圧力差の増加は、混合ゾーン中のガス圧の増加とカソード入口でのガス圧の連続的な減少に依存する。特に、酸化触媒を通るガス量は触媒の入口面上の電解質堆積物の堆積により低減する。

また図６に示されるように、燃料電池システムと酸化器アセンブリに適合した燃焼を使用して０９／０５／０３に酸化触媒の表面から電解質微粒子が除去された後で、圧力差は急激に減少する。従って、本発明はアノード排ガスとカソード入口の間の圧力分布を復元し、燃料電池システムの作動中の安定性を維持することが分かる。

電解質堆積物のその場でのろ過
本発明の第４実施例において、燃料電池システム１００と酸化器アセンブリ１１４は、電解質微粒子を捕集することによって電解質排ガスと空気混合物中の電解質微粒子を除去するように適合されているまたは調整されている。特に、図７に示されているように、ベーンフィルタ１３４として記載されているフィルタは、通過するガス混合器中の電解質微粒子を除去するために酸化器アセンブリ１１４の混合器ユニット１１６の混合ゾーン１１６ａ内に配置されている。従って、フィルタ１３４は連続的に電解質微粒子を除去し、燃料電池システム１００は、酸化器アセンブリ１１４中に保持された酸化器ユニットと燃料電池システム１００中に保持された酸化器アセンブリ１１４とともに、作動し続ける。

図７に示されるように、ベーンフィルタ１３４は、ガス混合物が酸化器ユニット１１８に到達する前にベーンフィルタ１３４を通過するように、混合ゾーン１１６ａ中に配置される。この場合において、ベーンフィルタ１３４はフィルタの表面上に電解質微粒子の直接の衝突を許容するようなガス流れの方向に垂直となっている。電解質微粒子はフィルタ１３４の表面に堆積することによってガス混合物から除去されるがガス混合物の残りはフィルタを通って酸化器ユニット１１８まで通過する。

示された場合において、フィルタ１３４の低い部分が混合器１１６の混合ゾーン１１６ａ内の最も低い部分に配列されている。しかしながら、混合ゾーン１１６ａ内のフィルタ１３４の位置は、混合ゾーン１１６ａを通過するガスが酸化器ユニット１１８に到達する前にフィルタ１３４を通って運ばれる限り変更し得る。

図７に示された構成において、フィルタ表面に堆積した電解質微粒子は重力によりフィルタの低い部分に落ちる。これらの電解質微粒子は除去されるまでフィルタ１３４の低い部分に蓄積するであろう。蓄積した電解質微粒子は定期的に除去可能である。この例示の構成において、排出部１２６に接続された開口１２２は、フィルタ１３４の直下の混合ゾーン１１６ａ中に供給される。バルブ１２７は開口１２２の開閉によって蓄積した電解質微粒子の除去を制御する。特に、蓄積した電解質微粒子がフィルタ１３４から除去することを必要とする場合、バルブ１２７は開かれ、粒子が重力で排出部１２６に落ちることを許容する。開口１２２を通る電解質微粒子の除去は、維持スケジュールの間に定期的に実行され、燃料電池システム１００はこの操作の間、周囲環境まで冷却される。

図８はベーンフィルタ１３４の詳細な断面図を示す。示されるように、ベーンフィルタは、互いに平行であり、通過するガス混合物をガイドするために複数の通路１３４ｂを形成する複数の板１３４ａを有する。板１３４ａはガス混合物と板表面の間の最大の接触を達成するための予め選択された構成を有する。このことは、フィルタ表面にガス混合物のより大きな量をさらすことにより、フィルタ板上に堆積するた電解質微粒子の量が増加する。

図８の例示の形態において、ベーンフィルタ１３４は、フィルタを通るガス混合物の流れが板の間の空間を通って流れるように向けられたような複数の間隔をおいて離れた波形状の板１３４ａを含む。この構成を使用して、フィルタ中の通路１３４ｂを沿うガス流れの方向は、何度も変更されガス混合物と板表面の間でフィルタ通路中のおよび最適な接触においてガスがよりよく混合するという結果になる。

フィルタ１３４の寸法は混合器のサイズ、酸化器アセンブリ１１４を通過するガス量、ガス混合物中の電解質微粒子の濃度、混合器１１６を通るガス混合物の速度および他の因子に依存して変更し得る。示された場合において、ガス混合物の速度は約１０〜２０フィート／秒（変更された電力発生条件で）であり、これは、フィルタが効率的な電解質微粒子除去のための厚さにおいて少なくとも４インチであることを要求する。さらに、フィルタ１３４の平行な板１３４ａによって形成された通路１３４ｂの幅は、混合ゾーン中の圧力に影響されずに効率的な電解質微粒子の除去を可能にするのに十分であるべきである。特に、本場合において、通路１３４ｂは約０．２５〜０．５インチの幅である。

理解されるように、フィルタ１３４とフィルタ１３４内のフィルタ板１３４ａの構成はフィルタを通過するガス混合物の流れとフィルタ表面上の電解質微粒子の堆積速度を最適にするように変更され得る。

全ての場合において、上記記載された構成が、本発明の応用を例示する多くの可能な特別の実施例の単なる例示であることが理解され得る。多くの変更された他の構成は、以下の請求項によって定められるような本発明の精神と範囲を離れない範囲で、本発明の原理に基づいて容易に変更し得る。

本発明の原理の基づくその場での電解質除去を行うために適合された燃料電池システムの概略図である。 本発明に基づくその場での電解質微粒子の除去を実行するために適合され得るアノード排ガス酸化器アセンブリを示す図である。 水溶媒を使用する電解質微粒子のその場での除去に適合した図２に示す酸化器アセンブリの第１実施例を示す図である。 図３に示す酸化器アセンブリの変形形態を示す図である。 溶媒として加湿されたガスを使用する電解質微粒子のその場での除去に適合した図２に示す酸化器アセンブリの第２実施例を示す図である。 燃焼によって電解質微粒子を除去するために適合された図２に示す酸化器アセンブリの第３実施例を使用する電解質微粒子の除去前と除去後の燃料電池システムの性能を示す図である。 フィルタを使用する電解質微粒子のその場での除去に適合した図２に示す酸化器アセンブリの第４実施例を示す図である。 図７の酸化器アセンブリのベーンフィルタの断面図である。

Claims (30)

1. 燃料電池システムの酸化器アセンブリに使用するための方法であって、前記酸化器アセンブリが、前記酸化器アセンブリ中の電解質微粒子を含むアノード排ガスを酸化する酸化器ユニットを有し、
   前記酸化器アセンブリから前記電解質微粒子を除去可能にさせるように、前記酸化器アセンブリを調整する調整工程と、
   前記電解質微粒子を除去する除去工程と、
   を有し、
   前記調整工程と前記除去工程とを前記酸化器アセンブリ中に保持されている前記酸化器ユニットで行うことを特徴とする使用方法。
2. 前記調整工程と前記除去工程とが前記燃料電池システム中に保持されている前記酸化器アセンブリを用いて行なうのを可能にするように、前記燃料電池システムを適合させる適合工程を更に有し、
   前記調整工程と前記除去工程とを前記燃料電池システム中に保持された前記酸化器アセンブリを用いて行なうことを特徴とする請求項１に記載の使用方法。
3. 前記調整工程は、前記酸化器アセンブリ上の前記電解質微粒子が前記酸化器アセンブリから除去可能なように、前記酸化器アセンブリが前記酸化器ユニットに接触させる溶媒を受け入れる受入工程を含み、
   前記除去工程は、前記酸化器アセンブリから、前記溶媒と前記除去された電解質微粒子とを排出する排出工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の使用方法。
4. 前記溶媒は、液体形態および気体形態のうちの１つの形態で導入されることを特徴とする請求項３に記載の使用方法。
5. 前記酸化器アセンブリは、前記酸化器ユニットの入口に接続されかつ前記酸化器ユニットにガスを供給する混合器ユニットを含み、前記混合器ユニットは、オキシダントガスと前記アノード排ガスとを受け入れかつ混合し、前記混合されたガスを前記酸化器ユニットの前記入口まで供給し、
   前記溶媒の前記受入工程は、前記混合器ユニットの開口または前記酸化器ユニットの出口を通して行われ、
   前記排出工程は、前記混合器ユニット中の開口を通して行われ、
   前記燃料電池システムの前記適合工程は、前記受入工程と排出工程とを実行可能とするように、溶媒供給部とバルブアセンブリと排出部とを提供してかつ作動させる工程を含む、ことを特徴とする請求項４に記載の使用方法。
6. 前記受入工程は、前記酸化器ユニットの前記出口を通り、
   前記燃料電池システムの前記適合工程は、前記受入工程を可能とするように前記溶媒供給部に取り付けられたスプリンクラーを提供する工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の使用方法。
7. 前記電解質微粒子は炭酸塩を含み、
   前記溶媒は液体の水であり、
   前記接触は、２０分から１２０分の時間範囲の期間で行われ、
   前記燃料電池システムの適合工程は、深い熱サイクルモードで前記燃料電池システムを運転する工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の使用方法。
8. 前記電解質微粒子は炭酸塩を含み、
   前記溶媒は空気と気化した水を含み、
   前記接触は３０分から２４０分の時間範囲の期間で行われ、
   前記燃料電池システムの適合工程は、低温で前記燃料電池システムを運転する工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の使用方法。
9. 前記電解質微粒子は炭酸塩を含み、
   前記気化した水は約５５℃の温度であり、
   前記酸化器アセンブリは約９０℃の温度であることを特徴とする請求項８に記載の使用方法。
10. 前記酸化器アセンブリの前記調整工程は、前記酸化器アセンブリが前記電解質微粒子を捕集するのを可能にする工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の使用方法。
11. 前記酸化器アセンブリは、前記酸化器ユニットの入口に接続されかつ前記酸化器ユニットの入口にガスを供給する混合器ユニットを含み、前記混合器ユニットは、オキシダントガスと前記アノード排ガスとを受け入れて混合し、前記混合したガスを前記酸化器ユニットの前記入口まで供給し、
    前記酸化器アセンブリが前記電解質微粒子を捕集するのを可能にする工程は、前記混合器ユニット中の前記混合されたガス通路中にフィルタを提供する工程を含むことを特徴とする請求項１０に記載の使用方法。
12. 前記電解質微粒子の除去工程は、前記フィルタからろ過された電解質微粒子を前記混合器ユニット中の開口を通して排出する排出工程を含み、
    前記燃料電池システムの適合工程は、前記ろ過された電解質の前記排出の実行を可能とするために排出部とバルブアセンブリとを提供して作動させる工程を含むことを特徴とする請求項１１に記載の使用方法。
13. 前記酸化器アセンブリの調整工程は、前記酸化器アセンブリを加熱して前記酸化器アセンブリ上の電解質微粒子を剥がすことを可能にする加熱工程を含み、
    前記除去工程は、前記剥がされた電解質微粒子を気化するようになっている前記酸化器アセンブリの前記加熱工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の使用方法。
14. 前記電解質微粒子は炭酸塩を含み、
    前記酸化器アセンブリの前記加熱工程は７９０℃から８４０℃の範囲の温度であることを特徴とする請求項１３に記載の使用方法。
15. 燃料電池システム中で使用するための酸化器アセンブリを含み、
    前記酸化器アセンブリが、前記酸化器アセンブリ中の電解質微粒子を含むアノード排ガスを酸化する酸化器ユニットを有し、前記酸化器アセンブリ中に保持された前記酸化器ユニットで前記電解質微粒子を前記酸化器アセンブリから除去可能としかつ除去するように適合されている、
    ことを特徴とするアセンブリ。
16. 前記酸化器アセンブリの前記適合が、前記電解質微粒子を前記酸化器アセンブリから除去可能としかつ除去することが前記燃料電池システム中に保持された前記酸化器アセンブリで行えるようになっていることを特徴とする請求項１５に記載のアセンブリ。
17. 前記酸化器アセンブリの前記適合が、前記酸化器ユニット上の前記電解質微粒子が前記酸化器ユニットから除去可能となるように、前記酸化器ユニットに接触させるための溶媒を受け入れる前記酸化器アセンブリ中の入口と、前記酸化器アセンブリから前記溶媒と前記除去された電解質微粒子とを排出するための出口と、を含むことを特徴とする請求項１６に記載のアセンブリ。
18. 前記溶媒は、液体と気体のうちの１つであることを特徴とする請求項１７に記載のアセンブリ。
19. 前記酸化器アセンブリは、前記酸化器ユニットの入口に接続されかつ前記酸化器ユニットの前記入口にガスを供給する混合器ユニットを含み、前記混合器ユニットは、オキシダントガスと前記アノード排ガスとを受け取って混合し、前記混合されたガスを前記酸化器ユニットの前記入口に供給し、
    前記入口は、前記混合器ユニット中の開口と前記混合器ユニットの出口のうちの１つであり、
    前記出口は、前記混合器ユニットの開口であり、
    前記酸化器アセンブリは、溶媒供給部と、排出部と、前記入口および前記出口に選択的に接続する、前記溶媒供給部および前記排出部と共同して作動するバルブアセンブリと、を更に有する前記燃料電池システムを含むことを特徴とする請求項１８に記載のアセンブリ。
20. 前記入口は前記酸化器ユニットの前記出口であり、
    前記燃料電池システムは前記溶媒供給部によって供給されるスプリンクラーを更に有することを特徴とする請求項１９に記載のアセンブリ。
21. 前記電解質微粒子は炭酸塩を含み、
    前記溶媒は液体水であり、
    前記接触は、２０分から１２０分の時間範囲の期間で行われることを特徴とする請求項１９に記載のアセンブリ。
22. 前記電解質微粒子は炭酸塩を含み、
    前記溶媒は空気と気化した水を含み、
    前記接触は、３０分から２４０分の時間範囲の期間で行われることを特徴とする請求項１９に記載のアセンブリ。
23. 前記気化した水は約５５℃の温度であり、前記酸化器アセンブリは約９０℃温度であることを特徴とする請求項２２に記載のアセンブリ。
24. 前記酸化器アセンブリの適合は、前記酸化器アセンブリに前記電解質微粒子を捕集することを可能にさせるものを含むことを特徴とする請求項１６に記載のアセンブリ。
25. 前記酸化器アセンブリは、前記酸化器ユニットの入口に接続されかつ前記酸化器ユニットの入口にガス供給する混合器ユニットを含み、前記混合器ユニットは、オキシダントガスと前記アノード排ガスを受け取って混合し、前記混合された混合ガスを前記酸化器ユニットの前記入口まで供給し、
    前記酸化器アセンブリが前記電解質微粒子を捕集することを可能にすることは、前記混合器ユニット中の前記混合されたガスの通路中のフィルタを含むことを含むことを特徴とする請求項２４に記載のアセンブリ。
26. 前記フィルタは、複数の離れて配置された板を含むベーンフィルタであることを特徴とする請求項２５に記載のアセンブリ。
27. 前記混合器ユニットは、前記フィルタに連結する出口であって、前記フィルタから前記捕集された電解質微粒子を通過させる前記出口を有することを特徴とする請求項２５に記載のアセンブリ。
28. 前記酸化器アセンブリは、排出部と、前記出口と連結するバルブアセンブリであって、前記出口から前記電解質微粒子を受け取る前記バルブアセンブリと、を更に含む燃料電池システムを含むことを特徴とする請求項２７に記載のアセンブリ。
29. 前記酸化器アセンブリは、電解質微粒子の剥離と気化とを可能にさせるために、加熱されるように適合されていることを特徴とする請求項１６に記載のアセンブリ。
30. 前記電解質微粒子は炭酸塩を含み、
    前記酸化器アセンブリの前記加熱は、７９０℃から８４０℃までの温度範囲であり、
    前記酸化器アセンブリは、高温待機早期点火モードで作動する燃料電池システムを含むことを含むことを特徴とする請求項２９に記載のアセンブリ。

Images