JP2011508949A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

燃料電池システムは、燃料電池組立品と、二酸化炭素除去装置と、燃料電池組立品と二酸化炭素除去装置を接続する陰極排気導管と、燃料源と、酸素源と、燃料源を少なくとも部分的に燃料電池組立品に接続する燃料導管と、燃料電池組立品、燃料導管および燃料源の少なくとも１つに二酸化炭素除去装置を接続する再循環導管とを含む。燃料電池組立品は、陰極および陽極を各々が含む少なくとも１個の燃料電池を含む。二酸化炭素除去装置は、気相中にある二酸化炭素を除去する。二酸化炭素除去装置は二酸化炭素除去材料を含む。燃料源および酸素源は、各々が独立して燃料電池組立品に流体連通している。燃料導管および再循環導管は、場合により一体化され、燃料電池組立品に伸びる単一の再循環−燃料導管になる。再循環導管および／または再循環−燃料導管は、本質的にすべての気体状流体を二酸化炭素除去装置から燃料電池組立品に送る。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２００７年１２月２８日出願の米国仮特許出願第６１／００９，４１８号明細書の利益を主張するものである。この特許出願の教示全体は参照により本明細書に援用される。

燃料電池は、潜在的に清浄で静粛で効率的な電力の発生を提供することが可能である。熱エネルギー系エンジンとは異なり、燃料電池は、水素ガス（および高温燃料電池に関する一酸化炭素）を水（および高温燃料電池に関する二酸化炭素）に転化して電気にすることに附随する化学エネルギーを転化するために電気化学様プロセスまたは蓄電池様プロセスを用いる。燃料電池の種々のタイプの内、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）は、金属酸化物（例えば、酸化カルシウムまたは酸化ジルコニウム）の硬いセラミック化合物を用いて、固体酸化物燃料電池の部品、例えば、電極、電解質およびインターコネクトを形成する。典型的には、固体酸化物燃料電池において、酸素ガス（Ｏ_２）は陽極で酸素イオン（Ｏ^２−）に還元され、水素（Ｈ_２）またはメタン（ＣＨ_４）などの炭化水素などの燃料ガスは酸素イオンで酸化されて陰極で水および（炭化水素からの）二酸化炭素（ＣＯ_２）を生成する。炭化水素が燃料ガスとして用いられる場合、二酸化炭素（ＣＯ_２）も生成し、ＳＯＦＣの陰極からの排気（陰極排気）の一部になる。陰極排気は、典型的には、約１５％−約３０％の未反応燃料ガスを含む。清浄で静粛な電力の発生の利点にもかかわらず、燃料電池システムは、製品の未完成、工学システムの過剰な複雑さ、燃料効率などから生じる多くの難しい市場参入問題に直面してきた。陰極および陽極のより大きな表面積の使用により、または燃料電池スタック中の燃料電池の数の増加により燃料効率を向上させることが可能である。しかし、これらのアプローチは、典型的には、燃料電池スタックのサイズの増加をもたらす。電池電圧および均一な燃料分配の限界のゆえに、高い電池利用効率を達成することは、ＳＯＦＣスタックにとって極めて難題である。

従って、燃料電池システムの燃料効率を向上させる方法を開発するとともに、高い燃料効率を有する燃料電池システム、特に比較的小さいサイズの燃料電池システムを開発することが必要とされている。

本発明は、一般に、燃料電池組立品と、陰極排気から気体状二酸化炭素の少なくとも一部を除去するとともに、二酸化炭素除去から生じた本質的にすべての気体状流体を燃料電池組立品に送る二酸化炭素除去装置とを含む燃料電池システムおよびこうした燃料電池システムの陰極排気中の未反応燃料を再循環する方法に関する。

一実施形態において、本発明は、一般に、燃料電池組立品と、二酸化炭素除去装置と、前記燃料電池組立品と前記二酸化炭素除去装置を接続する陰極排気導管と、燃料源と、酸素源と、前記燃料源を少なくとも部分的に前記燃料電池組立品に接続する燃料導管と、前記燃料電池組立品、前記燃料導管および前記燃料源の少なくとも１つに前記二酸化炭素除去装置を接続する再循環導管とを含む燃料電池システムに関する。燃料電池組立品は、陰極および陽極を各々が含む少なくとも１個の燃料電池を含む。二酸化炭素除去装置は、気相中にある二酸化炭素を除去する。一実施形態において、二酸化炭素除去装置は陰極排気から水の一部を更に除去する。別の実施形態において、二酸化炭素除去装置は燃料ガス中の硫黄化合物の少なくとも一部を更に除去する。二酸化炭素除去装置は二酸化炭素除去材料を含む。燃料源および酸素源は、それぞれ独立して前記燃料電池組立品に流体連通している。燃料導管および再循環導管は、場合により一体化され、燃料電池組立品に伸びる単一の再循環−燃料導管になる。再循環導管および／または再循環−燃料導管は、本質的にすべての気体状流体を二酸化炭素除去装置から燃料電池組立品に送る。一実施形態において、二酸化炭素除去装置は陰極排気から水の少なくとも一部を更に除去する。別の実施形態において、二酸化炭素除去装置は燃料ガスから硫黄化合物の少なくとも一部を更に除去する。なお別の実施形態において、燃料電池システムは、水および一酸化炭素を水素および二酸化炭素に転化する１種以上の触媒を含む水−ガス−移動装置であって、前記燃料電池組立品と前記二酸化炭素除去装置との間で伸びる前記陰極排気導管の一部にある前記水−ガス−移動装置も含む。特定の実施形態において、燃料電池システムは、前記燃料電池組立品と前記燃料源との間の点で前記陰極排気導管から分岐する流出導管であって、前記陰極排気導管から流出排気に流体の少なくとも一部を送る前記流出導管も含む。特定の別の実施形態において、燃料電池システムは、前記流出導管の下流にある点での空気−熱交換器装置であって、熱交換が前記流出導管から受領した流体と前記流出導管から受領した流体より低い温度を有する第２の流体との間で起きる空気−熱交換器装置も含む。特定のなお別の実施形態において、空気熱交換器は、前記酸素源と前記燃料電池組立品の陽極との間にあるとともに前記酸素源と前記燃料電池組立品の陽極に流体連通しており、前記酸素源からの酸素含有流体は第２の流体である。一実施形態において、燃料電池システムは、前記燃料電池組立品と前記二酸化炭素除去装置との間で伸びる前記陰極排気導管の一部で冷却装置も含む。特定の実施形態において、冷却装置は、前記水−ガス−移動装置と前記二酸化炭素除去装置との間にある。別の実施形態において、二酸化炭素除去装置は冷却用部品を更に含む。なお別の実施形態において、前記二酸化炭素除去ハウジングは、二酸化炭素除去材料入口および二酸化炭素除去材料出口を更に画定し、前記燃料電池システムは、使用済み二酸化炭素除去材料を再生する再生装置を更に含み、前記再生装置は、前記二酸化炭素除去材料出口および前記二酸化炭素除去材料入口に流体連通しており、前記再生装置は、使用済み二酸化炭素除去材料を再生する。特定の実施形態において、前記再生装置は、前記再生装置で使用済み二酸化炭素除去材料を加熱する加熱用部品および再生された二酸化炭素除去材料の温度を下げる冷却用部品を更に含む。別の実施形態において、燃料電池システムは、前記燃料電池組立品と前記水−ガス−移動装置との間で伸びる前記陰極排気導管の一部での陰極熱交換器であって、熱交換が陰極排気導管の流体と陰極排気導管の流体より低い温度を有する第２の流体との間で起きる陰極熱交換器を更に含む。特定の実施形態において、前記陰極熱交換器は陰極排気導管および再循環導管、再循環−燃料導管または燃料導管にあり、熱交換が陰極排気導管の流体と再循環導管、再循環−燃料導管または燃料導管の流体との間で起きる。特定の別の実施形態において、陰極熱交換器と冷却装置との間の陰極排気導管の少なくとも一部は、再生装置の少なくとも一部に及ぶ。なお別の実施形態において、前記燃料電池システムは、燃料ガスを水素ガスに転化する触媒を含む改質装置またはプレ改質装置であって、再循環−燃料導管または再循環導管および燃料導管のいずれかにある改質装置またはプレ改質装置を更に含む。特定の実施形態において、燃料導管および再循環導管は一体化されて、二酸化炭素除去装置と陰極熱交換器との間または陰極熱交換器と改質装置またはプレ改質装置との間の位置で再循環−燃料導管になる。一実施形態において、燃料電池システムは、前記水−ガス−移動装置と前記冷却装置との間の点で陰極排気導管から分岐するバイパス導管であって、前記燃料電池組立品に直接伸びるか、または前記二酸化炭素除去装置をバイパスする再循環導管、燃料導管および再循環−燃料導管の少なくとも１つを介して伸びるバイパス導管を更に含む。特定の実施形態において、燃料電池組立品は、第１の燃料電池および第２の燃料電池を含み、前記第１の燃料電池は第１の陰極入口および第１の陰極出口を含み、第１の陰極入口および第１の陰極出口の各々は、独立して、第１の燃料電池の陰極に流体連通しており、第２の陰極入口および第２の陰極出口の各々は、独立して、第２の燃料電池の陰極に流体連通している。一実施形態において、第１の燃料電池の第１の陰極出口は、陰極排気導管を介して二酸化炭素除去装置の二酸化炭素入口に流体連通しており、第２の燃料電池の第２の陰極入口は、再循環導管または再循環−燃料導管を介して二酸化炭素除去装置の出口に流体連通している。別の実施形態において、第１の燃料電池の第１の陰極入口は、燃料導管を通して燃料源に流体連通している。なお別の実施形態において、燃料電池システムは、第２の燃料電池の第２の陰極出口を第１の燃料電池の第１の陰極入口に接続する第２の排気導管を更に含む。特定の実施形態において、燃料電池導管および第２の排気導管を一体化して、第１の燃料電池の第１の陰極入口に伸びる単一の導管にする。幾つかの実施形態において、前記二酸化炭素除去材料は二酸化炭素吸収剤である。特定の幾つかの実施形態において、二酸化炭素吸収剤は、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、メチル−ジエタノールアミン、ジ−イソプロパノールアミン、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノールおよびアルカリ金属炭酸塩またはアルカリ土類金属炭酸塩からなる群から選択される。

別の実施形態において、本発明は、燃料電池システムの陰極排気を再循環する方法に関する。本方法において、少なくとも１個の燃料電池から二酸化炭素除去材料を含む二酸化炭素除去装置に二酸化炭素を含む陰極排気を送る。二酸化炭素除去装置で、気体状二酸化炭素の少なくとも一部を二酸化炭素除去材料により陰極排気から除去して、それによって二酸化炭素欠乏陰極排気を形成する。燃料電池組立品の少なくとも１個の燃料電池に前記二酸化炭素欠乏陰極排気の本質的にすべてを送り、それによって陰極排気を再循環する。一実施形態において、二酸化炭素除去装置は、燃料ガスから硫黄の少なくとも一部を更に除去する。別の実施形態において、本方法は、陰極排気から二酸化炭素を除去する前に、水と一酸化炭素を水素と二酸化炭素に転化する１種以上の触媒を含む水−ガス−移動装置で、陰極排気からの一酸化炭素と水の少なくとも一部を二酸化炭素と水素に転化する工程を更に含む。特定の実施形態において、本方法は、前記水−ガス−移動装置を通して無くなった陰極排気の少なくとも一部を流出排気に送り、陰極排気の残りを二酸化炭素除去装置に送る工程を更に含む。特定の別の実施形態において、流出排気に送られる陰極排気の一部を空気熱交換器を介して流出排気に送り、前記方法は、酸素源からの酸素ストリームを空気熱交換器を介して少なくとも１個の前記燃料電池に送り、よって、陰極排気と酸素ストリームとの間で熱交換が起きる工程を更に含む。なお別の実施形態において、本方法は、少なくとも１個の前記燃料電池から空気熱交換器に陽極排気を送って流出排気中の燃料を酸化させる工程を更に含む。別の実施形態において、本方法は、二酸化炭素除去装置での二酸化炭素の除去の前に、前記水−ガス−移動装置から前記二酸化炭素除去装置に送られた陰極排気を冷却装置で冷却して、それによって陰極排気から水の少なくとも一部を除去する工程を更に含む。幾つかの実施形態において、二酸化炭素除去材料は、二酸化炭素吸収剤または少なくとも二酸化炭素に対して選択的に透過性である膜である。特定の幾つかの実施形態において、膜は、ポリマー膜、セラミック膜およびガラス膜の少なくとも１種からなる群から選択され、二酸化炭素除去材料は、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、メチル−ジエタノールアミン、ジ−イソプロパノールアミン、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノールおよびアルカリ金属炭酸塩またはアルカリ土類金属炭酸塩からなる群から選択される二酸化炭素吸収剤である。

本発明では、二酸化炭素除去および水除去と共に陰極排気を再循環するによって、ほぼ１００％の燃料利用を達成することが可能であり、よってシステム効率を大幅に改善する。二酸化炭素除去および少なくとも部分的な水除去と共に再循環するゆえの比較的高い燃料濃度は、比較的高い開路電圧（ＯＣＶ）および比較的高い電池電圧（高い電池効率）を提供できる比較的高い燃料（例えば、Ｈ_２、ＣＯおよびＣＨ_４）対生成物（Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２）比をもたらす。一般に、比較的高い電池電圧での燃料電池システムの運転は、比較的長いスタック寿命を提供することが可能である。更に、比較的高い電池電圧での燃料電池システムの運転は、燃料電池システムの燃料電池での比較的低い熱の発生、次に、燃料電池上への比較的低い熱応力をもたらす。

本発明は、陰極排気からの一酸化炭素および水を水素ガスおよび二酸化炭素に転化（すなわち、水分割）する水−ガス−移動装置を用いることが可能である。ここで、発生した二酸化炭素は、燃料電池組立品からの二酸化炭素と一緒に二酸化炭素除去装置で除去される。水分割は、二酸化炭素除去装置から燃料電池組立品に（直接的にまたは間接的に）送られる再循環システムの一酸化炭素の濃度を基準として水素ガスの濃度を高め、よって高いシステム効率をもたらす。

本発明の固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムにおいて、従来の約４０％−約５０％の間の電気効率と比べて、比較的高い電気効率、例えば、約５０％−約７０％の間の電気効率は、陰極排気から気体状二酸化炭素の少なくとも一部を除去し、二酸化炭素除去から生じた本質的にすべての気体状流体を燃料電池に送ることによって可能とされた燃料利用のより高い効率によって達成することが可能である。本発明は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムにおいて用いることが可能である。ＳＯＦＣは、低エミッションおよび低騒音の運転でありつつ高効率電気発生の潜在能力を提供する。ＳＯＦＣは、電気効率、コージェネ効率および燃料処理の単純性の好ましい組合せも提供すると見られる。ＳＯＦＣに関する用途の一例は、家庭用建物または他の建物内にある。ＳＯＦＣは、天然ガスなどの家庭をあたためるために用いられるのと同じ燃料を用いることが可能である。ＳＯＦＣシステムは、電気を発生させて家庭に電力を供給するために長い時間にわたり運転することが可能であり、過剰の量が発生したならば、送電設備網に過剰分を売却することが可能である。また、ＳＯＦＣシステムの中で発生した熱は家庭用の熱水を提供するために用いることが可能である。ＳＯＦＣは、電気サービスが信頼できないか、または存在しない地域で特に有用である。

本発明の燃料システムの一実施形態の概略図である。 本発明の燃料システムの別の実施形態の概略図である。 本発明において用いられる燃料電池組立品の概略図である。 本発明において用いられる二酸化炭素除去装置の概略図である。 本発明の一実施形態において用いられる、再生装置と共に一体化された二酸化炭素除去装置の概略図である。 図５で示された本発明の一実施形態において用いられる、再生装置と共に一体化された別の二酸化炭素除去装置の概略図である。 本発明の燃料電池システムの別の実施形態の概略図である。 本発明の燃料電池システムのなお別の実施形態の概略図である。 本発明の燃料電池システムのなお更なる実施形態の概略図である。 本発明の燃料電池システムの別の実施形態の概略図である。 本発明の燃料電池システムのなお別の実施形態の概略図である。 本発明の燃料電池システムのなお別の実施形態の概略図である。

前述した事項は、類似参照記号が様々な図全体を通して同じ部品を指す添付図で例示したように本発明の実例的な実施形態の以下のより詳しい特定の説明から明らかであろう。図面は必ずしも縮尺どおりではなく、本発明の実施形態を例示する際に強調がなされている。図において、任意の装置または部品および代案の導管は、それぞれ破線の囲みまたは破線の矢印で指示している。

図１Ａおよび１Ｂは、本発明の燃料電池システムの特定の実施形態、燃料電池システム１（以後、以下で記載されている燃料電池システム図１Ａ−１Ｂの１Ａ−１Ｂおよび燃料電池システム図２、５および６の１Ｃ−１Ｆを集合的に指す）を示している。燃料電池システム１は、燃料電池組立品１０、二酸化炭素（ＣＯ_２）除去装置２０、燃料電池組立品１０とＣＯ_２除去装置２０を接続する陰極排気導管３５、燃料電池組立品１０に流体連通している燃料源３０、燃料電池組立品１０に流体連通している酸素源４０、燃料源３０を少なくとも部分的に燃料電池組立品１０に接続する燃料導管４５（燃料導管図１Ａの４５ａおよび４５ｂならびに燃料導管図１Ｂの４５ｃを集合的に指す）、燃料電池組立品１０、燃料導管４５および燃料源３０の少なくとも１つにＣＯ_２除去装置２０を接続する再循環導管５５、酸素源４０を燃料電池組立品１０に少なくとも部分的に接続する酸素導管７５および燃料電池組立品１０から陽極排気を排気８０に送る陽極排気導管８５を含む。場合により、再循環導管５５は燃料導管４５と一体化され、再循環−燃料導管６５になる。図１Ａおよび１Ｂで示した通り、再循環導管５５または再循環−燃料導管６５は、二酸化炭素（ＣＯ_２）除去装置２０から燃料電池組立品１０に本質的にすべての気体状流体を送る。一実施形態において、燃料電池システム１は、場合により、陰極排気導管３５の陰極排気の温度を下げる燃料電池組立品１０とＣＯ_２除去装置２０との間の冷却装置５０も含む。別の実施形態において、燃料電池システム１は、場合により、使用済みＣＯ_２除去材料を再生する再生装置６０も含む。再生装置６０はＣＯ_２除去装置２０に流体連通している。

一般に、燃料電池１０組立品は、図２で示した通り少なくとも１個の燃料電池１１を含む。各燃料電池１１は、陰極１２、陽極１４および陰極１２と陽極１４との間の電解質１６を含む。複数の燃料電池１１を用いるとき、燃料電池１１は、インターコネクト１８を介して互いに接続される。

戻って図１Ａおよび１Ｂを参照すると、燃料電池システム１において、燃料電池組立品１０の陰極１２からの陰極排気は、陰極排気から気体状ＣＯ_２の少なくとも一部を除去するＣＯ_２除去装置２０に送られ、それによってＣＯ_２−欠乏陰極排気を生成する。図１Ａおよび１Ｂで示した通り、再循環導管５５および／または再循環−燃料導管６５は、ＣＯ_２除去装置２０から燃料電池組立品１０に気相中のＣＯ_２−欠乏陰極排気などの本質的にすべての気体状流体を送る。

ＣＯ_２除去装置２０は、気相中のＣＯ_２を除去するＣＯ_２−除去材料を含む。当該技術分野において公知の適するいかなるＣＯ_２−除去材料も本発明において用いることが可能である。適する例には、ＣＯ_２吸収剤、ＣＯ_２に対して透過性の膜およびＣＯ_２吸着剤（例えば、モレキュラーシーブ）が挙げられる。ＣＯ_２吸収剤の特定の例には、モノエタノールアミン（ＭＥＡ）、ジエタノールアミン（ＤＥＡ）、トリエタノールアミン、メチル−ジ−エタノールアミン、ジ−イソプロパノールアミン、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノール、アルカリ金属炭酸塩（例えば、炭酸カリウム）およびアルカリ土類金属炭酸塩（例えば、炭酸カルシウム）が挙げられる。ＣＯ_２−透過性膜には、ポリマー系膜、セラミック系膜またはナノチューブ系膜が挙げられる。セラミック膜には、シリカ系膜およびゼオライト系膜が挙げられる。ＣＯ_２−透過性膜ポリマー膜の特定の例には、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）および架橋ポリ（エチレングリコール）ジアクリレート（ＰＥＧｄａ）が挙げられる。一実施形態において、ＣＯ_２吸収剤、特にモノエタノールアミンが用いられる。別の実施形態において、アルカリ金属炭酸塩またはアルカリ土類金属炭酸塩はＣＯ_２吸収剤として用いられる。こうした金属炭酸塩を用いるとき、特にＭＥＡおよび／またはＤＥＡも用いられる（例えば、触媒量で）。別の実施形態において、ＣＯ_２−透過性膜が用いられる。特定の実施形態において、ＣＯ_２−透過性膜は、ポリマー膜に関して周囲温度−約３００℃およびセラミック膜に関してより高い温度で運転できる膜である。

図３Ａで示した通り、ＣＯ_２−除去装置２０はＣＯ_２−除去材料２２を含み、場合により、ＣＯ_２−除去装置２０の流体を所望の温度または温度範囲に冷却する冷却用部品２４を更に含む。一般に、入口２３を通してＣＯ_２−除去装置２０に送られた陰極排気は、例えば、周囲温度−約５００℃の間の比較的広い温度範囲を有する。ＣＯ_２−除去材料２２が陰極排気の温度より低いＣＯ_２−除去温度（すなわち、気体状ＣＯ_２を効果的に除去できる温度）を有するとき、冷却用部品２４は、所望の吸収温度または温度範囲にＣＯ_２−除去装置２０で陰極排気を冷却するために用いられる。例えば、モノエタノールアミンは、約４０℃−約６０℃の間の吸収温度を有し、ポリマーＣＯ_２−透過性膜は、膜材料に応じて約１００℃−約３００℃の温度で運転することが可能である。一般に、セラミックＣＯ_２−除去材料は、比較的高い温度、例えば、約１００℃からスタック運転温度で運転することが可能であり、セラミックＣＯ_２−除去材料を用いる実施形態において、冷却用部品２４は必要でない場合がある。特定のＣＯ_２−除去材料２２では、ＣＯ_２除去プロセスは発熱性であることが可能であり、よって熱を発生する。こうした場合、二酸化炭素除去装置２０に導入された陰極排気の温度がＣＯ_２−除去材料のＣＯ_２−除去温度またはＣＯ_２−除去温度範囲より高くないときでさえ、冷却用部品２４はＣＯ_２−除去装置２０の流体を冷却するために用いることが可能である。

特定の実施形態において、ＣＯ_２−除去装置２０は、周囲温度より高い、特に約１８℃より高いＣＯ_２−除去温度またはＣＯ_２−除去温度範囲を有するＣＯ_２−除去材料２２を含む。一例において、ＣＯ_２−除去温度またはＣＯ_２−除去温度範囲は、ほぼ周囲温度−約８００℃の間の範囲内である。別の例において、ＣＯ_２−除去温度またはＣＯ_２−除去温度範囲は、ほぼ周囲温度−約３００℃の間の範囲内である。なお別の例において、ＣＯ_２−除去温度またはＣＯ_２−除去温度範囲は、ほぼ周囲温度−約２００℃の間の範囲内である。なお別の例において、ＣＯ_２−除去温度またはＣＯ_２−除去温度範囲は、ほぼ周囲温度−約１００℃の間の範囲内である。

特定の別の実施形態において、ＣＯ_２−除去装置２０は、約４０℃−約１００℃の間、または約４０℃−約６０℃の間などの約１００℃より低いＣＯ_２−除去温度を有するＣＯ_２−除去材料２２を含み、ＣＯ_２−除去装置２０で陰極排気を冷却する冷却用部品２４を更に含む。この特定の実施形態において、入口２３を通してＣＯ_２−除去装置２０に送られる陰極排気からの水もＣＯ_２と一緒に除去することが可能であり、ＣＯ_２／Ｈ_２Ｏ−欠乏陰極排気は、出口２７を通して再循環導管４５に送られる。

ＣＯ_２−除去装置でＣＯ_２を除去するために用いられたＣＯ_２−除去材料（使用済みＣＯ_２−除去材料）を再生することが可能である。ＣＯ_２−除去材料の再生は、現場または現場外で行うことが可能である。特定の実施形態において、ＣＯ_２−除去材料の再生は、燃料電池システム１の再生装置６０の使用により現場で行われる。図３Ｂで示した通り、再生装置６０は、再生機６２、加熱用部品６４、使用済みＣＯ_２−除去材料をＣＯ_２−除去装置２０から受領する入口６３、ＣＯ_２−含有排気を出す出口６７、再生されたＣＯ_２−除去材料をＣＯ_２−除去装置２０に出す出口６９および冷却用部品６６を含む。再生機６２は使用済みＣＯ_２−除去材料を再生して、加熱用部品６４の使用によってＣＯ_２および再生されたＣＯ_２−除去材料を形成する。特定の幾つかの実施形態において、使用済みＣＯ_２−除去材料に含まれた水の少なくとも一部も再生装置６０で除去される。例えば、使用済みＣＯ_２−除去材料の加熱は、気体状ＣＯ_２に加えて水蒸気を発生させることが可能であり、発生した水蒸気を排気に出すことが可能である。

適するいかなる加熱手段も加熱用部品６４のために本発明において用いることが可能である。特定の例には、当該技術分野において知られている熱交換器が挙げられる。二酸化炭素除去装置と再生装置との間で循環する液流体は、機械的ポンプまたはバブルポンプによって送られる。バブルポンプは電力を必要としないので好ましい。特定の一実施形態において、燃料電池組立品１０とＣＯ_２−除去装置２０との間の一部での陰極排気導管３５の陰極排気からの熱は加熱用部品６４のために用いられる。図４で示した通り、この実施形態において、燃料電池組立品１０とＣＯ_２−除去装置２０との間の陰極排気導管３５の少なくとも一部は、再生機６２の少なくとも１部に及び、加熱用部品６４として機能する。燃料電池システム１が、陰極排気導管３５の陰極排気の温度を下げる冷却装置５０を含むとき、好ましくは、再生装置６０の加熱用部品６４のために用いられる陰極排気導管の１部は、燃料電池組立品１０と冷却装置５０との間にある（図４参照）。

戻って図１Ａおよび１Ｂを参照すると、燃料電池システム１において、一般に、酸素ガス含有ストリームは、酸素導管７５を介して少なくとも部分的にＯ_２源４０から燃料電池システム１の陽極１４に送られる。燃料電池組立品１０の陽極１４からの陽極排気は、一般に、陽極排気導管８５を介してガス排気８０に送られる。酸素ガス含有ストリームは、直接に、または空気熱交換器またはバーナーを介してＯ_２源４０から陽極１４に送ることが可能である。陽極排気も、直接に、または空気熱交換器またはバーナーを介して陽極１４からガス排気８０に送ることが可能である。空気熱交換器またはバーナーを用いる実施形態は、図５−８に関して以下で記載されるであろう。

燃料源３０の適する例には、水素ガス燃料源、天然ガス燃料源および他の炭化水素燃料源が挙げられる。酸素源４０の適する例には、酸素ガス、および空気などの酸素ガスを含有する気体状ストリームが挙げられる。

図５を参照すると、特定の実施形態において、燃料電池システム１は、燃料電池組立品１０とＣＯ_２−除去装置２０との間、特に燃料電池組立品１０と冷却装置５０との間で水−ガス−移動装置７０を更に含む。水−ガス−移動装置７０は、水および一酸化炭素をＨ_２およびＣＯ_２に転化する１種以上の触媒を含む。その反応は、一般に、「水ーガス−移動反応」または「水分割」と呼ばれる。水ーガス−移動反応は、水および一酸化炭素がＨ_２およびＣＯ_２に転化される化学反応である。水ーガス−移動反応に関して当該技術分野において公知の適するいかなる触媒も本発明において用いることが可能である。適する触媒の例には、酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４、磁鉄鉱）、８−１４重量％のＣｒ_２Ｏ_３を含有する酸化鉄、Ｆｅ−Ａｌ系触媒、白金（Ｐｔ）などの貴金属系触媒および銅−亜鉛系触媒が挙げられる。この実施形態において、水ーガス−移動反応によって発生したＣＯ_２は、燃料電池組立品１０からのＣＯ_２と一緒にＣＯ_２−除去装置２０で除去される。

図５で示された通り、特定の別の実施形態において、燃料電池システム１は、燃料電池組立品１０とＣＯ_２−除去装置２０との間、特に燃料電池組立品１０と冷却装置５０との間の水−ガス−移動装置７０と、燃料電池の陰極排気と燃料源との間の点で陰極排気導管３５から分岐する流出導管９５とを更に含む。この実施形態において、燃料源３０からの燃料は、燃料導管４５ｃを通してＣＯ_２−除去装置２０に送られる。流出導管９５は、陰極排気導管３５からバーナー９０および流出排気８０に流体の少なくとも１部を送る。一般に、燃料電池システム１の運転中、流出導管９５を通して陰極排気導管３５から漏れを受けやすい流体は陰極排気である。燃料電池システム１の運転中、流出導管９５を通しての陰極排気導管３５からの陰極排気の流出は、燃料電池システム１の運転中の実質的な流出と共に連続（例えば、再循環ストリーム中の不活性ガスの蓄積の量に応じて殆ど０％−約５％の間の流出）または周期的であることが可能である。陰極排気導管３５からの周期的または連続的であるが、実質的に少量（例えば、殆ど０％−約５％の流出）を伴う陰極排気のこの漏れは、燃料電池組立品１０に別段に再循環で戻されるであろう陰極排気からの窒素ガスなどの一切の不活性ガス種の少なくとも１部を除去することが可能であり、スタックおよびシステムの性能に及ぼす悪影響を有する非常に高い濃度レベルに蓄積することが可能である。典型的には、窒素およびアルゴンガスなどの不活性ガス種は、天然ガス燃料源または他の炭化水素燃料源を用いる燃料源３０から来る。典型的には、天然ガスは、約１％未満の不活性ガスから１０％超までの不活性ガスを含有する。しかし、燃料電池組立品１０に再循環で戻される陰極排気として、燃料電池組立品１０に供給されるこうした不活性ガス種の濃度は経時的に増加することが可能であり、よって燃料効率を潜在的に下げる。流出導管９５は、こうした不活性ガス種の少なくとも１部を除去することが可能であり、よって燃料電池組立品１０の不活性ガス種の濃度を低くしておく。

流出導管９５からの陰極排気は、一般に流出排気８０に送られる。特定の実施形態において、流出導管９５からの陰極排気は、一般に、例えば、統合バーナーと共に触媒被覆熱交換器などのバーナーまたは空気熱交換器９０を通して流出排気８０に送られる（図５参照）。適するいかなるバーナーまたは空気熱交換器も本発明において用いることが可能である。場合により、陰極排気を燃やすための１種以上の触媒を含む触媒バーナーを用いることが可能である。あるいは、触媒バーナーを空気熱交換器と統合することが可能である。単独の空気熱交換器またはバーナー、特に触媒バーナーの統合された部分としての空気熱交換器を用いるとき、熱交換は、流出導管９５から受領された流体（例えば、陰極排気）と流出導管９５から受領された流体より低い温度を有する第２の流体との間で起きることが可能である。第２の流体の適する例には、Ｏ_２源４０からの空気含有流体または酸素含有流体が挙げられる。

特定のなお別の実施形態において、単独の空気熱交換器またはバーナー、特に触媒バーナーの統合された部分としての空気熱交換器は、流出導管９５の下流で用いられ、空気熱交換器は、酸素源４０と燃料電池組立品１０の陽極１４との間にあるとともに、酸素源４０と燃料電池組立品１０の陽極１４に流体連通している。この実施形態において、空気熱交換器９０に供給された陽極排気中の酸素は、流出排気８０を通して除去する前に流出導管９５からの燃料と反応することが可能である。また、更に、熱交換は、陰極排気とＯ_２源４０から空気熱交換器９０に供給された酸素含有流体との間で起こることが可能であり、よって予熱酸素含有流体をもたらす。予熱酸素含有流体は、燃料電池組立品１０の陽極１４に供給される。

特定のなお別の実施形態において、燃料電池システム１は、燃料電池組立品１０とＣＯ_２−除去装置２０との間で伸びる陰極排気導管３５の１部での陰極熱交換器１００であって、熱交換が陰極排気導管の流体（例えば、陰極排気）と陰極排気導管３５の流体より低い温度を有する第２の流体との間で起きる陰極熱交換器１００を更に含む。冷却装置５０および／または水−ガス−移動装置７０を用いる実施形態において、陰極熱交換器１００は、一般に、燃料電池組立品１０と冷却装置５０との間、または燃料電池組立品１０と水−ガス−移動装置７０との間で伸びる陰極排気導管３５の一部に所在する。第２の流体の適する例には、再循環導管５５または再循環−燃料導管６５からの流体および燃料源３０からの燃料ストリームが挙げられる。特定の更なる実施形態において、陰極熱交換器１００は、陰極排気導管３５、および再循環導管５５または再循環−燃料導管６５にある。この実施形態において、第２の流体は、再循環導管５５または再循環−燃料導管６５からの流体であり、熱交換は、陰極排気導管３５の流体と再循環導管５５または再循環−燃料導管６５からの流体との間で起きる。特定の別の更なる実施形態において、陰極熱交換器１００は、陰極排気導管３５および燃料導管４５にある。この実施形態において、第２の流体は燃料導管４５からの流体であり、熱交換は、陰極排気導管３５の流体と燃料導管４５からの流体との間で起きる。空気、水および水蒸気などの流体の他のタイプも第２の流体のために本発明において用いることが可能である。

特定のなお別の実施形態において、燃料電池システム１は、燃料電池組立品１０の陰極１２および燃料源３０に流体連通している改質装置１１０および／またはプレ改質装置１２０を更に含む。改質装置１１０および／またはプレ改質装置１２０は、天然ガス燃料源または他の炭化水素燃料源などの燃料源を水素ガスに転化する１種以上の触媒を含む。プレ改質装置１２０は、一般に、改質装置１１０または燃料電池組立品１０中で炭素生成を防ぐために重炭化水素を除去することが可能である。一般に、燃料および再循環ストリームは、プレ改質装置１２０に供給され、燃料の重炭化水素は、再循環ストリーム中の水蒸気および二酸化炭素によって合成ガスに改質される。プレ改質装置１２０で生成した合成ガスは、その後、改質装置１１０に供給され、水素ガスに転化される。プレ改質装置１２０は、一般に、断熱的に約３５０℃−５５０℃で運転する。プレ改質装置１２０での燃料の未反応炭化水素は改質装置１１０の中で改質することが可能である。あるいは、高温の燃料電池組立品１０を用いるとき（例えば、約５００℃を超える温度で）、未反応炭化水素を燃料電池組立品１０で改質することが可能である。

改質装置１１０および場合によりプレ改質装置１２０が用いられる実施形態において、特に改質装置１１０およびプレ改質装置１２０は、再循環−燃料導管６５または再循環導管５５および燃料導管４５（図５参照）にある。この実施形態において、再循環導管５５または再循環−燃料導管６５からの再循環された排気ガスは、場合によりプレ改質装置１２０を介して改質装置１１０に送られる。改質装置１１０およびプレ改質装置１２０が再循環−燃料導管６５にあるとき、燃料源３０からの燃料は、再循環されたガスと組み合わされ、組み合わされたガスストリームは、図５で示された通り改質装置１１０に送られる。改質装置１１０およびプレ改質装置１２０が再循環導管５５および燃料導管４５ｄにあるとき、燃料源３０からの燃料は、再循環された排気ガスストリームとは無関係に直接的に改質装置１１０に流体連通している。

当該技術分野において公知の適するいかなる改質装置およびプレ改質装置も本発明において用いることが可能である。適する改質装置の特定の例には、水蒸気改質装置、オート−熱改質装置および部分酸化改質装置が挙げられる。オート熱改質装置および空気を用いる部分酸化改質装置がＳＯＦＣシステムの陰極に不活性ガスを持ち込むので、再循環ストリームを用いる水蒸気改質装置は好ましい。一般に、酸化剤は燃料（例えば、天然ガス）と組み合わされて、水素ガスおよび酸化された副生物（例えば、ＣＯまたはＣＯ_２）を生成する。酸化剤に関して、典型的には、水蒸気改質装置は水蒸気を用いる一方で、部分酸化改質装置は酸素ガスを用い、オート熱改質装置は水蒸気と酸素ガスの両方を用いる。

燃料電池組立品１０から切り離されている改質装置が図５において描かれているが、代案として、燃料電池組立品１０は、内部改質燃料電池として機能する燃料電池１１を含むことが可能である。こうした内部改質燃料電池内で、天然ガス燃料または他の炭化水素燃料の水素ガスへの改質を実行することが可能である。こうした内部改質燃料電池の一例は、再循環ストリーム中の熱いストリームが、水素および一酸化炭素ガスに燃料を触媒転化するために用いられる水蒸気改質燃料電池である。

燃料電池システム１は、電力調整器（図示せず）を更に含むことが可能である。典型的には、燃料電池は、サービス前に調整を必要とし得る直流電気を発生する。電力調整器は、燃料電池から発生した電気を処理して例えば、交流または調整直流にする。

幾つかの実施形態において、燃料源は水素ガス自体である。これらの実施形態において、改質装置１１０およびプレ改質装置１２０は必要ではなく、燃料源３０および再循環された陰極排気からの水素ガスは、燃料電池組立品１０の陰極１２に流体により直接連通している。

図６を参照すると、幾つかの実施形態において、燃料電池システム１は、燃料電池組立品１０とＣＯ_２−除去装置２０との間、特に陰極熱交換器１００と冷却装置５０との間または陰極排気熱交換器１００と水−ガス−移動装置７０と冷却装置５０との間（これらの装置が用いられるとき）の点で陰極排気導管３５から分岐するバイパス導管１０５を含む。バイパス導管１０５は、燃料電池組立品１０（図示せず）に直接または再循環導管５５（図６においてルート１０５ａとして描かれている）、再循環−燃料導管６５（図６においてルート１０５ａとして描かれている）および燃料導管４５（図６においてルート１０５ｂとして描かれている）の少なくとも１つを通して、場合により陰極熱交換器１００、改質装置１１０および／またはプレ改質装置１２０を介して伸びている。この実施形態において、陰極排気再循環の速度は、コントロールバルブ１０７を調節することにより制御することが可能である。陰極排気再循環速度の調節は、次に、陰極排気の水および二酸化炭素の含有率の制御を提供することが可能である。理解しやすくする目的のために、特定の部品または装置および導管のみが図６において描かれている。図６の燃料電池システム１Ｄが、図１Ａ、１Ｂおよび５に関する燃料電池システム１Ａ−１Ｃにおいて上述された１種以上の装置または部品および導管を含むことが可能であることが指摘される。この段落に記載されなかった燃料電池システム１Ｄの装置または部品および導管の特定の機能を含む機能は、独立して、図１Ａ、１Ｂおよび５のための燃料電池システム１Ａ−１Ｃに関して記載された通りである。

特定の一実施形態において、本発明の燃料電池システムは、図１Ａおよび１Ｂのために上述された関連した部品、装置および導管に加えて水−ガス−移動装置７０および流出導管９５を用いる。水−ガス−移動装置７０および流出導管９５の機能を含む機能は、図５に関して上述された通りである。

特定のなお別の実施形態において、本発明の燃料電池システムは、図１Ａおよび１Ｂのために上述された関連した部品、装置および導管に加えて水−ガス−移動装置７０、流出導管９５および流出導管９５の下流にあるバーナーまたは空気熱交換器９０を用いる。水−ガス−移動装置７０、流出導管９５およびバーナーまたは空気熱交換器９０の特定の機能を含む機能は、それぞれ独立して、図５に関して上述された通りである。

特定のなお別の実施形態において、本発明の燃料電池システムは、図１Ａおよび１Ｂに関して上述された関連した部品、装置および導管に加えて水−ガス−移動装置７０、流出導管９５、流出導管９５の下流にあるバーナーまたは空気熱交換器９０および冷却装置５０を用いる。水−ガス−移動装置７０、流出導管９５およびバーナーまたは空気熱交換器９０の特定の機能を含む機能は、それぞれ独立して、図５に関して上述された通りである。冷却装置５０の特定の機能を含む機能は、図１Ａ、１Ｂおよび図５に関して上述された通りである。場合により、この実施形態において、図６に関して上述された通り、水−ガス−移動装置７０と冷却装置５０との間の点で陰極排気導管３５から分岐するバイパス導管１０５を用いることが可能である。

特定のなお別の実施形態において、本発明の燃料電池システムは、図１Ａおよび１Ｂに関して上述された関連した部品、装置および導管に加えて水−ガス−移動装置７０、流出導管９５、流出導管９５の下流にあるバーナーまたは空気熱交換器９０、冷却装置５０および陰極熱交換器１００を用いる。水−ガス−移動装置７０、流出導管９５、バーナーまたは空気熱交換器９０および陰極熱交換器１００の特定の機能を含む機能は、それぞれ独立して、図５に関して上述された通りである。冷却装置５０の特定の機能を含む機能は、図１Ａ、１Ｂおよび図５に関して上述された通りである。場合により、この実施形態において、図６に関して上述された通り、水−ガス−移動装置７０と冷却装置５０との間の点で陰極排気導管３５から分岐するバイパス導管１０５を用いることが可能である。

図７は、ＣＯ_２−除去装置２０、水−ガス−移動装置７０、バーナーまたは空気熱交換器９０および陰極熱交換器１００を用いる燃料電池システム１の特定の別の実施形態を示している。この実施形態において、燃料源３０からの燃料とＣＯ_２−除去装置２０からの流体の両方を燃料送風機に送ることが可能である。燃料送風機は、次に、流入流体を陰極熱交換器１００に送る。あるいは、ルート４５ｃで描かれた通り、燃料源３０からの燃料と燃料電池組立品１０からの陰極排気の両方をＣＯ_２−除去装置２０に送ることが可能である。燃料源３０からの燃料がＣＯ_２−除去装置２０（図７のルート４５ｃ）を介して燃料電池組立品１０に送られるとき、燃料に含まれる一切のＣＯ_２および水の少なくとも１部をＣＯ_２−除去装置２０で除去することが可能である。また、ＣＯ_２−除去材料２２に応じて、燃料に含まれる特定の硫黄汚染物の少なくとも１部をＣＯ_２−除去装置２０で除去することが可能である。図７で示されていないが、場合により、改質装置１１０および／またはプレ改質装置１２０を陰極熱交換器１００と燃料電池組立品１０との間で更に用いることが可能であるか、または陰極熱交換器１００と一体化することが可能である。

図８は、ＣＯ_２−除去装置２０、冷却装置５０、再生装置６０、水−ガス−移動装置７０、バーナーまたは空気熱交換器９０、陰極熱交換器１００および気−液分離器または水に対して選択的に透過性の膜を含む分離器１３０を用いる燃料電池システム１の特定の別の実施形態を示している。図８で示された通り、水−ガス−移動装置７０と冷却装置５０との間の陰極排気導管３５の一部は、再生装置６０の加熱用部品６４として機能する。この実施形態において、燃料源３０からの燃料とＣＯ_２−除去装置２０からの流体の両方を燃料送風機に送ることが可能である。燃料送風機は、次に、流入流体を陰極熱交換器１００に送る。あるいは、ルート４５ｃで描かれた通り、燃料源３０からの燃料と燃料電池組立品１０からの陰極排気の両方をＣＯ_２−除去装置２０に送ることが可能である。燃料源３０からの燃料がＣＯ_２−除去装置２０（図７におけるルート４５ｃ）を介して燃料電池組立品１０に送られるとき、バイオガスなどの燃料に含まれる一切のＣＯ_２の少なくとも１部をＣＯ_２−除去装置２０で除去することが可能である。また、ＣＯ_２−除去材料２２に応じて、燃料に含まれる特定の硫黄汚染物の少なくとも１部をＣＯ_２−除去装置２０で除去することが可能である。図８で示されていないが、場合により、改質装置１１０および／またはプレ改質装置１２０を陰極熱交換器１００と燃料電池組立品１０との間で更に用いることが可能である。

図９は本発明の燃料電池である、燃料電池２００の特定の一実施形態を示している。燃料電池２００において、燃料電池組立品１０は、スタックにおいて陰極１２Ａを含む第１の燃料電池１１Ａおよび陰極１２Ｂを含む第２の燃料電池１１Ｂを含む（理解しやすくする目的のために、燃料電池１１Ａの陰極１２Ａおよび燃料電池１１Ｂの陰極１２Ｂのみが図において描かれている）。陰極１２Ａは、出口１３Ａおよび入口１５Ａを含む。陰極１２Ｂは、出口１３Ｂおよび入口１５Ｂを含む。この実施形態において、図９で示された通り、陰極１２Ａの出口１３Ａは、陰極排気導管３５を介してＣＯ_２−除去装置２０の入口２３に流体連通しており、陰極１２Ｂの入口１５Ｂは、再循環導管５５または再循環−燃料導管６５を介してＣＯ_２−除去装置２０の再循環ガス出口２７に流体連通している。特定の実施形態において、第２の燃料電池１１Ｂの陰極１２Ｂの出口１３Ｂからの陰極排気は、第２の陰極排気導管３７を介して第１の燃料電池１１Ａの陰極１２Ａの入口１５Ａに送られる。燃料源３０からの燃料は、直接（図９においてルート４５ｂとして描かれている）またはＣＯ_２−除去装置２０を介して（図９においてルート４５ｃとして描かれている）あるいは第２の電池１１Ｂの陰極１２Ｂを介して（図９においルート４５ａとして描かれている）燃料電池１１Ａの陰極１２Ａに送ることが可能である。図９において、理解しやすくする目的のために、燃料電池システム２００の他の部品または装置（例えば、Ｏ_２源４０、冷却装置５０、再生装置６０、水−ガス−移動装置７０、バーナーまたは空気熱交換器９０、陰極熱交換器１００、改質装置１１０、プレ改質装置１２０など）およびそれらに関連した導管が描かれていない。燃料電池システム２００は、図１Ａ、１Ｂおよび５−８のための燃料電池システム１Ａ−１Ｆに関して上述された通り、これらの部品または装置およびそれらに関連した導管の１種以上を含むことが可能である。燃料電池システム２００の各部品の特定の機能を含む機能は、図１Ａ、１Ｂおよび５−８のための燃料電池システム１Ａ−１Ｆに関して上述された通りである。

図１０は本発明の燃料電池である、燃料電池３００の特定の別の実施形態を示している。燃料電池３００において、燃料電池組立品１０は、第１のスタックＡおよび第２のスタックＢを含む。第１のスタックＡの第１の燃料電池１１Ａは陰極１２Ａを含み、第２のスタックＢの第２の燃料電池１１Ｂは陰極１２Ｂを含む（理解しやすくする目的のために、燃料電池１１Ａの陰極１２Ａおよび燃料電池１１Ｂの陰極１２Ｂのみが図において描かれている）。陰極１２Ａは出口１３Ａおよび入口１５Ａを含む。陰極１２Ｂは出口１３Ｂおよび入口１５Ｂを含む。この実施形態において、図１０で示された通り、第１のスタックＡの陰極１２Ａの出口１３Ａは、陰極排気導管３５を介してＣＯ_２−除去装置２０の入口２３に流体連通しており、第２のスタックＢの陰極１２Ｂの入口１５Ｂは、再循環導管５５または再循環−燃料導管６５を介してＣＯ_２−除去装置２０の再循環ガス出口２７に流体連通している。特定の実施形態において、第２の燃料電池１１Ｂの陰極１２Ｂの出口１３Ｂからの陰極排気は、第２の陰極排気導管３７を介して第１の燃料電池１１Ａの陰極１２Ａの入口１５Ａに送られる。図１９に関して上で論じた通り、燃料源３０からの燃料は、直接（図１０においてルート４５ｂとして描かれている）またはＣＯ_２−除去装置２０を介して（図１０においてルート４５ｃとして描かれている）あるいは第２の燃料電池１１Ｂの陰極１２Ｂを介して（図１０においてルート４５ａとして描かれている）第１の燃料電池１１Ａの陰極１２Ａに送ることが可能である。図９と同様に、図１０において、理解しやすくする目的のために、燃料電池システム３００の他の部品（例えば、Ｏ_２源４０、冷却装置５０、再生装置６０、水−ガス−移動装置７０、バーナーまたは空気−熱交換器９０、陰極熱交換器１００、改質装置１１０、プレ改質装置１２０など）は描かれていない。燃料電池システム３００が、燃料電池システム１Ａ−１Ｆに関して上述された通り、これらの部品の１種以上を含むことが可能であることが指摘される。燃料電池システム３００の各部品の特定の特徴を含む特徴は、燃料電池システム１Ａ−１Ｆに関して上述された通りである。

本発明の燃料電池システムは、当該技術分野において公知の適するいかなる方法によっても製造することが可能である。当該技術分野において公知の適するいかなる陰極材料および陽極材料も本発明において用いることが可能である。セラミック陽極材料の特定の例には、Ｌａ−マンガネート系材料（例えば、Ｌａ_１−ｘＭｎＯ_３、式中、ｘ＝０−０．１）が挙げられる。特定の実施形態において、Ｌａ−マンガネート系材料は、Ｓｒ、Ｃａ、ＢａまたはＭｇなどの１種以上の適するドーパントをドープされる。ドープＬａ−マンガネート系材料の例には、ＬａＳｒ−マンガネート（例えば、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３、式中、ｘ＝０．１−０．３、（Ｌａ＋Ｓｒ）／Ｍｎ＝１．０−０．９５（モル比））およびＬａＣａ−マンガネート（例えば、Ｌａ_１−ｘＣａ_ｘＭｎＯ_３、式中、ｘ＝０．１−０．３、（Ｌａ＋Ｃａ）／Ｍｎ＝１．０−０．９５（モル比））が挙げられる。陰極材料の特定の例には、Ｎｉサーメットが挙げられる。「Ｎｉサーメット」は、一般に、約２０重量％−７０重量％のＮｉのようなＮｉを含むセラミック金属複合体を意味する。Ｎｉサーメットの例は、約１５重量％のＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２などのイットリア−安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とＮｉを含む材料とＮｉとＹＳｒ−ジルコニアを含む材料である。

当該技術分野において公知の適するいかなる電解質材料も本発明の電解質１８に用いることが可能である。好ましくは、電解質は固体電解質である。特定の例には、Ｓｃ_２Ｏ_３−ドープＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３−ドープＺｒＯ_２およびＹｂ_２Ｏ_３−ドープＺｒＯ_２などのＺｒＯ_２系材料、Ｓｍ_２Ｏ_３−ドープＣｅＯ_２、Ｇｄ_２Ｏ_３−ドープＣｅＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３−ドープＣｅＯ_２およびＣａＯ−ドープＣｅＯ_２などのＣｅＯ_２系材料、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅまたはそれらの混合物をドープされたＬａＧａＯ_３などのＬｎ−没食子酸塩系材料（Ｌｎ＝Ｌａ、Ｐｒ、ＮｄまたはＳｍなどのランタニド）（例えば、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏ_３、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．１５Ｃｏ_０．０５Ｏ_３、Ｌａ_０．９Ｓｒ_０．１Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏ_３、ＬａＳｒＧａＯ_４、ＬａＳｒＧａ_３Ｏ_７またはＬａ_０．９Ａ_０．１Ｇａ_３）（式中、Ａ＝Ｓｒ、ＣａまたはＢａ）およびそれらの混合物が挙げられる。他の例には、ドープイットリウム−ジルコネート（例えば、ＹＺｒ_２Ｏ_７）、ドープガドリニウム−チタネート（例えば、Ｇｄ_２Ｔｉ_２Ｏ_７）および褐色針ニッケル鉱（例えば、Ｂａ_２Ｉｎ_２Ｏ_６またはＢｒ_２Ｉｎ_２Ｏ_５）が挙げられる。

陰極１２および陽極１４の適するいかなる厚さも本発明において用いることが可能である。特定の一実施形態において、本発明の燃料電池の陰極１４および陽極１６の厚さは、それぞれ独立して、約０．５ｍｍ−約２ｍｍの間の範囲内である。

電解質１６の適するいかなる厚さも本発明において用いることが可能である。特定の一実施形態において、電解質１６の厚さは、約５μｍ−約１０μｍの間などの約５μｍ−約２０μｍの間の範囲内である。特定の別の実施形態において、電解質１６の厚さは、約１００μｍより厚い。戻って図１Ａ、１Ｂおよび５−８を参照すると、これらの図で示されていないが、複数の燃料電池１１を用いるとき、燃料電池組立品１０は、燃料電池１１の間にインターコネクトを更に含む。適するいかなるインターコネクトも本発明において用いることが可能である。特定の実施形態において、インターコネクトは、セラミックインターコネクトなどの金属酸化物インターコネクトである。あるいは、インターコネクトは金属インターコネクトであることが可能である。

別の実施形態において、本発明は、燃料電池システムにおいて陰極排気を再循環する方法に関する。本方法において、二酸化炭素を含む陰極排気は、少なくとも１個の燃料電池から二酸化炭素除去材料を含む二酸化炭素除去装置に送られる。二酸化炭素除去装置で、気体状二酸化炭素の少なくとも１部は、二酸化炭素除去材料により陰極排気から除去され、それによって二酸化炭素−欠乏陰極排気を生成する。二酸化炭素−欠乏陰極排気の本質的にすべては、燃料電池組立品１０の少なくとも１個の前記燃料電池に送られ、それによって陰極排気を循環する。一実施形態において、二酸化炭素除去装置は、燃料ガスからの硫黄の少なくとも１部を更に除去する。別の実施形態において、本方法は、陰極排気から二酸化炭素を除去する前に、水および一酸化炭素を水素および二酸化炭素に転化する１種以上の触媒を含む水−ガス−移動装置で、陰極排気からの一酸化炭素および水の少なくとも１部を二酸化炭素および水素に転化する工程を更に含む。特定の実施形態において、本方法は、前記水−ガス−移動装置を通して無くなった陰極排気の少なくとも１部を流出排気に送り、陰極排気の残りを二酸化炭素除去装置に送る工程を更に含む。特定の別の実施形態において、流出排気に送られる陰極排気の１部を、空気熱交換器を介して流出排気に送り、前記方法は、酸素源からの酸素ストリームを、空気熱交換器を介して少なくとも１個の前記燃料電池に送り、よって、陰極排気と酸素ストリームとの間で熱交換が起きる工程を更に含む。なお別の実施形態において、本方法は、少なくとも１個の前記燃料電池から空気熱交換器に陽極排気を送って流出排気中の燃料を酸化させる工程を更に含む。別の実施形態において、本方法は、二酸化炭素除去装置での二酸化炭素の除去の前に、前記水−ガス−移動装置から前記二酸化炭素除去装置に送られた陰極排気を冷却装置で冷却して、それによって陰極排気から水の少なくとも１部を除去する工程を更に含む。特定の実施形態において、二酸化炭素除去装置で陰極排気を冷却しつつ、二酸化炭素除去装置での二酸化炭素除去が起きる。別の実施形態において、本方法は、使用済み二酸化炭素除去材料を再生して、再生された二酸化炭素除去材料を形成する工程を更に含む。特定の実施形態において、使用済み二酸化炭素除去材料は、燃料電池システムの使用済み二酸化炭素除去材料を含む再生装置で再生される。一実施形態において、二酸化炭素除去装置と再生装置との間で二酸化炭素除去材料を循環させるためにバブルポンプが用いられる。別の実施形態において、陰極排気は、燃料電池組立品から二酸化炭素除去装置に送られ、よって冷却装置での冷却工程の前に再生装置を通り過ぎる。ここで、使用済み二酸化炭素除去材料は、再生装置を通り過ぎる陰極排気の熱で再生される。幾つかの実施形態において、燃料電池組立品は、第１の燃料電池および第２の燃料電池を含む。特定の幾つかの実施形態において、第１の燃料電池からの陰極排気は二酸化炭素除去装置に送られ、二酸化炭素欠乏陰極排気は第２の燃料電池に送られる。幾つかの実施形態において、二酸化炭素除去材料は二酸化炭素吸収剤または少なくとも二酸化炭素に対して選択的に透過性である膜である。特定の幾つかの実施形態において、膜は、ポリマー膜、セラミック膜およびガラス膜の少なくとも１種からなる群から選択され、二酸化炭素除去材料は、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、メチル−ジエタノールアミン、ジ−イソプロパノールアミン、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノールおよびアルカリ金属炭酸塩またはアルカリ土類金属炭酸塩からなる群から選択される二酸化炭素吸収剤である。

ＣＯ_２−除去装置のためにモノエタノールアミン（ＭＥＡ）を用いる燃料電池システム
この実施例において、約５０％電気効率を有するｋＷ（キロワット）固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムは、ＭＥＡを含む吸収機２２を含むＣＯ_２−除去装置および構造化充填材料またはポールリングのような充填材料ならびに冷却用部品２４のための熱交換器で設計される。この実施例のＳＯＦＣシステムは、再生機６２を含む再生装置６０、加熱用部品６４としての熱交換器、二酸化炭素除去装置と再生装置との間で循環する液体のために用いられるバブルポンプ、冷却用部品６６のための熱交換器も含む。この実施例のＣＯ_２−除去装置２０および再生装置６０は以下の仕様を有する。
・燃料：天然ガス
・陰極排気におけるＣＯ_２成分流速：約０．０１ｋｇモル／ｈｒ＝約０．４４ｋｇ／ｈｒ＝約４ｓｌｐｍ
・吸収溶液のＭＥＡ濃度：約１５重量％−５０重量％ＭＥＡ
・ＣＯ_２捕捉能力：約０．３モルＣＯ_２／モルＭＥＡ
・ＭＥＡ溶液循環速度：約４．１ｋｇ／ｈｒ
・ＭＥＡ吸収溶液の吸収温度：約２０℃−６０℃の間
・使用済みＭＥＡの再生温度：約８０℃−約１５０℃の間

吸収機、再生機および熱交換器は、脱酸素炭素鋼またはステンレス鋼から完全に製造することが可能である。充填材料は、ステンレス鋼、セラミックまたはプラスチックであることが可能である。吸収機は、直径約０．０５ｍおよび高さ約１ｍであることが可能である。再生機は、直径約０．０２５ｍおよび高さ約１ｍであることが可能である。

均等物
本発明の実例的な実施形態に関して本発明を詳細に示すとともに記載してきた一方で、添付した特許請求の範囲によって包含された本発明の範囲から逸脱せずに、形態および詳細事項における種々の変更を実施形態においてなし得ることは当業者によって理解されるであろう。

Claims (35)

1. ａ）陰極および陽極を各々が含む少なくとも１個の燃料電池を含む燃料電池組立品と、
   ｂ）二酸化炭素除去材料を含み、気相にある二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去装置と、
   ｃ）前記燃料電池組立品と前記二酸化炭素除去装置を接続する陰極排気管と、
   ｄ）それぞれが独立して前記燃料電池組立品に流体連通している燃料源および酸素源と、
   ｅ）前記燃料源を少なくとも部分的に前記燃料電池組立品に接続する燃料導管と、
   ｆ）前記燃料電池組立品、前記燃料導管および前記燃料源の少なくとも１つに前記二酸化炭素除去装置を接続する再循環導管であって、前記再循環導管が、場合により前記燃料導管と一体化され、前記燃料電池組立品に伸びる単一の再循環−燃料導管になり、前記再循環導管および／または再循環導管−燃料導管が本質的にすべての気体状流体を前記二酸化炭素除去装置から前記燃料電池組立品に送る再循環導管と
   を含む燃料電池システム。
2. 前記二酸化炭素除去装置が陰極排気から水の少なくとも一部を更に除去する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記二酸化炭素除去装置が燃料ガスから硫黄化合物の少なくとも一部を更に除去する請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 水および一酸化炭素を水素および二酸化炭素に転化する１種以上の触媒を含む水−ガス−移動装置であって、前記燃料電池組立品と前記二酸化炭素除去装置との間で伸びる前記陰極排気導管の一部にある水−ガス−移動装置を更に含む請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池組立品と前記燃料源との間の点で前記陰極排気導管から分岐する流出導管であって、前記陰極排気導管から流出排気に流体の少なくとも一部を送る流出導管を更に含む請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記流出導管の下流にある点での空気−熱交換器装置であって、熱交換が前記流出導管から受領した流体と前記流出導管から受領した流体より低い温度を有する第２の流体との間で起きる空気−熱交換器装置を更に含む請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記空気−熱交換器が、前記酸素源と前記燃料電池組立品の陽極との間にあるとともに前記酸素源と前記燃料電池組立品の陽極に流体連通しており、前記酸素源からの酸素含有流体が第２の流体である請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池組立品と前記二酸化炭素除去装置との間で伸びる前記陰極排気導管の一部で冷却装置を更に含む請求項５に記載の燃料電池システム。
9. 前記冷却装置が前記水−ガス−移動装置と前記二酸化炭素除去装置との間にある請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記二酸化炭素除去装置が冷却用部品を更に含む請求項８に記載の燃料電池システム。
11. 前記二酸化炭素除去ハウジングが二酸化炭素除去材料入口および二酸化炭素除去材料出口を更に画定し、前記燃料電池システムが、使用済み二酸化炭素除去材料を再生する再生装置を更に含み、前記再生装置が前記二酸化炭素除去材料出口および前記二酸化炭素除去材料入口に流体連通しており、前記再生装置が使用済み二酸化炭素除去材料を再生する請求項８に記載の燃料電池システム。
12. 前記再生装置が前記再生装置で使用済み二酸化炭素除去材料を加熱する加熱用部品および再生された二酸化炭素除去材料の温度を下げる冷却用部品を更に含む請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 前記燃料電池組立品と前記水−ガス−移動装置との間で伸びる前記陰極排気導管の一部での陰極熱交換器であって、熱交換が前記陰極排気導管の流体と前記陰極排気導管の流体より低い温度を有する第２の流体との間で起きる陰極熱交換器を更に含む請求項１２に記載の燃料電池システム。
14. 前記陰極熱交換器が陰極排気導管および再循環導管、再循環−燃料導管または燃料導管にあり、熱交換が前記陰極排気導管の流体と前記再循環導管、前記再循環−燃料導管または前記燃料導管の流体との間で起きる請求項１３に記載の燃料電池システム。
15. 前記陰極熱交換器と前記冷却装置との間の前記陰極排気導管の少なくとも一部が前記再生装置の少なくとも一部に及ぶ請求項１４に記載の燃料電池システム。
16. 燃料ガスを水素ガスに転化する触媒を含む改質装置またはプレ改質装置であって、前記再循環−燃料導管または前記再循環導管および前記燃料導管のいずれかにある改質装置またはプレ改質装置を更に含む請求項１５に記載の燃料電池システム。
17. 前記燃料導管および前記再循環導管が一体化されて、前記二酸化炭素除去装置と前記陰極熱交換器との間または前記陰極熱交換器と前記改質装置またはプレ改質装置との間の位置で前記再循環−燃料導管になる請求項１５に記載の燃料電池システム。
18. 前記水−ガス−移動装置と前記冷却装置との間の点で前記陰極排気導管から分岐するバイパス導管であって、前記燃料電池組立品に直接伸びるか、または前記二酸化炭素除去装置をバイパスする前記再循環導管、前記燃料導管および前記再循環−燃料導管の少なくとも１つを介して伸びるバイパス導管を更に含む請求項１２に記載の燃料電池システム。
19. 前記燃料電池組立品が第１の燃料電池および第２の燃料電池を含み、前記第１の燃料電池が第１の陰極入口および第１の陰極出口を含み、前記第１の陰極入口および第１の陰極出口の各々が、独立して、前記第１の燃料電池の陰極に流体連通しており、第２の陰極入口および第２の陰極出口の各々が、独立して、前記第２の燃料電池の陰極に流体連通している請求項１に記載の燃料電池システム。
20. 前記第１の燃料電池の前記第１の陰極出口が前記陰極排気導管を介して前記二酸化炭素除去装置の二酸化炭素入口に流体連通しており、前記第２の燃料電池の前記第２の陰極入口が前記再循環導管または再循環−燃料導管を介して前記二酸化炭素除去装置の出口に流体連通している請求項１９に記載の燃料電池システム。
21. 前記第１の燃料電池の前記第１の陰極入口が前記燃料導管を通して燃料源に流体連通している請求項２０に記載の燃料電池システム。
22. 前記第２の燃料電池の前記第２の陰極出口を前記第１の燃料電池の前記第１の陰極入口に接続する第２の排気導管を更に含む請求項２１に記載の燃料電池システム。
23. 燃料電池導管および第２の排気導管を一体化して、前記第１の燃料電池の前記第１の陰極入口に伸びる単一の導管にする請求項２２に記載の燃料電池システム。
24. 前記二酸化炭素除去材料が二酸化炭素吸収剤である請求項１に記載の燃料電池システム。
25. 前記二酸化炭素吸収剤が、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、メチル−ジエタノールアミン、ジ−イソプロパノールアミン、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノールおよびアルカリ金属炭酸塩またはアルカリ土類金属炭酸塩からなる群から選択される請求項２４に記載の燃料電池システム。
26. 燃料電池システムにおいて陰極排気を再循環する方法であって、
    ａ）燃料電池組立品の少なくとも１個の燃料電池から二酸化炭素除去材料を含む二酸化炭素除去装置に二酸化炭素を含む陰極排気を送る工程と、
    ｂ）前記二酸化炭素除去材料により前記陰極排気から気相中の二酸化炭素の少なくとも一部を除去して、それによって二酸化炭素欠乏陰極排気を形成する工程と、
    ｃ）前記燃料電池組立品の少なくとも１個の燃料電池に前記二酸化炭素欠乏陰極排気の本質的にすべてを送り、それによって前記陰極排気を再循環する工程と
    を含む方法。
27. 前記二酸化炭素除去装置が燃料ガスから硫黄の少なくとも一部を更に除去する請求項２６に記載の方法。
28. 陰極排気から二酸化炭素を除去する前に、水と一酸化炭素を水素と二酸化炭素に転化する１種以上の触媒を含む水−ガス−移動装置で陰極排気からの一酸化炭素と水の少なくとも一部を二酸化炭素と水素に転化する工程を更に含む請求項２６に記載の方法。
29. 前記水−ガス−移動装置を通して無くなった陰極排気の少なくとも一部を流出排気に送り、前記陰極排気の残りを前記二酸化炭素除去装置に送る工程を更に含む請求項２８に記載の方法。
30. 前記流出排気に送られる前記陰極排気の一部を、空気熱交換器を介して前記流出排気に送り、前記方法が、酸素源からの酸素ストリームを、前記空気熱交換器を介して少なくとも１個の前記燃料電池に送り、よって、前記陰極排気と前記酸素ストリームとの間で熱交換が起きる請求項２９に記載の方法。
31. 少なくとも１個の前記燃料電池から前記空気熱交換器に陽極排気を送って前記流出排気中の燃料を酸化させる工程を更に含む請求項３０に記載の方法。
32. 前記二酸化炭素除去装置での二酸化炭素の除去の前に、前記水−ガス−移動装置から前記二酸化炭素除去装置に送られた陰極排気を冷却装置で冷却して、それによって前記陰極排気から水の少なくとも一部を除去する工程を更に含む請求項２９に記載の方法。
33. 前記二酸化炭素除去材料が、二酸化炭素吸収剤または少なくとも二酸化炭素に対して選択的に透過性である膜である請求項２６に記載の方法。
34. 前記膜が、ポリマー膜、セラミック膜およびガラス膜の少なくとも１種からなる群から選択される請求項３３に記載の方法。
35. 前記二酸化炭素除去材料が、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、メチル−ジエタノールアミン、ジ−イソプロパノールアミン、２−アミノ−２−メチル−１−プロパノールおよびアルカリ金属炭酸塩またはアルカリ土類金属炭酸塩からなる群から選択される二酸化炭素吸収剤である請求項３３に記載の方法。

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