JP2017531898A - 燃料電池用の多種改質可能燃料供給システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本教示は、燃料電池ユニットまたはシステム用の液状およびガス状の改質可能な燃料を供給するシステムと、そのような供給システムを動作させる方法と、燃料電池ユニットまたはシステムの構成要素へのガス状および液状改質可能燃料の流れおよび供給を制御する方法とに関する。
ガス状改質可能燃料および/または液状改質可能燃料の、一般に「合成ガス」または「シンガス」と呼ばれる生成物である富水素一酸化炭素含有ガス混合物への変換は、水蒸気改質、乾式改質、自己熱改質、および触媒部分酸化改質などの公知の燃料改質処理のいずれかに基づいて行うことができる。
上記を踏まえて、本教示は、多種改質可能燃料(すなわち、液状およびガス状改質可能燃料)供給システムおよび方法を提示し、このシステムおよび方法は、液体ポンプを使用することなく、任意の炭化水素燃料、すなわち、液状またはガス状改質可能燃料を、例えば、燃料電池ユニットまたはシステムの蒸発器、改質装置、燃料電池スタック、および他の構成要素の少なくとも1つに供給することができる。より具体的には、本教示の供給システムおよび方法は、ガス圧を使用してガス状改質可能燃料および/または液状改質可能燃料を燃料電池ユニットまたはシステムの構成要素に制御しながら供給する。すなわち、ガス圧を使用して、ガス状改質可能燃料を供給し、液状改質可能燃料を移動させて供給する。したがって、本教示の供給システムおよび方法は、供給システム全体にわたって、ガス圧を適切に平衡させて使用することができ、ガス圧を平衡させることで、定量流量の液状改質可能燃料および/またはガス状改質燃料を燃料電池ユニットまたはシステムの所望の下流構成要素に供給することができる。
当然のことながら、下記に説明する図面は、例示することのみを目的としている。同じ数字は、通常、同じ要素を指す。図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、本教示の原理を示すことに概ね重点が置かれている。図面は、本教示の範囲を限定することを何ら意図されていない。
ガス状改質可能燃料および液状改質可能燃料は、例えば、供給システムを通じて流体、すなわち、ガスおよび液体を供給するガス正圧を使用して、燃料電池ユニットまたはシステムの蒸発器、改質装置、燃料電池スタック、アフタバーナ、および他の構成要素の少なくとも1つに供給することができるとすでに分かっている。その結果、本教示のガス状および液状改質可能燃料供給システムおよび方法は、液体ポンプを使用することなく動作させるか、または実施することができる。したがって、ガス状および液状改質可能燃料の流れおよび供給は、定容積および流量調整などの液体ポンプの性能および特性に依存しなくてよい。さらに、一部のポンプおよび弁は、液体燃料と併用するのに適切でないことがあり、例えば、膜ポンプで使用される特定のポリマーは、液体炭化水素に触れたときに、堅くかつ脆くなることがある。ポリマーシールも特定の炭化水素に触れると劣化することがあり、シール材料をViton(登録商標)などのより高価な選択肢に置き換えたり、またはより高価な媒体分離装置を実装したりすることが必要になる。さらに、液体ポンプは費用がかかることがあり、ガス状改質可能燃料との併用には適切でない。
Claims (37)
- 燃料電池ユニットまたはシステム用の液状およびガス状の改質可能な燃料を供給するシステムであって、
液状改質可能燃料貯蔵器であって、前記液状改質可能燃料貯蔵器の内部は、液状改質可能燃料空間およびガス頭隙を有し、前記液状改質可能燃料空間は、燃料電池ユニットの蒸発器および/または流体混合装置と動作可能に流体連通している、液状改質可能燃料貯蔵器と、
前記液状改質可能燃料貯蔵器の前記ガス頭隙と動作可能に流体連通しているガス正圧源と、
燃料電池ユニットの蒸発器、改質装置、燃料電池スタック、およびアフタバーナの少なくとも1つと動作可能に流体連通しているガス状改質可能燃料源と
を含む液状およびガス状改質可能燃料供給システム。 - 前記液状改質可能燃料貯蔵器の前記ガス頭隙と動作可能に流体連通している圧力逃がし弁アセンブリと、
前記ガス状改質可能燃料源と、前記蒸発器、前記改質装置、前記燃料電池スタック、および前記アフタバーナの少なくとも1つとの間を流体連通させるように動作可能な第1の弁アセンブリと、
前記液状改質可能燃料空間と、前記蒸発器および/または前記流体混合装置との間を流体連通させるように動作可能な第2の弁アセンブリと
を含む、請求項1に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システム。 - 燃料電池ユニットまたはシステム用の液状およびガス状の改質可能な燃料を供給するシステムであって、
液状改質可能燃料貯蔵器であって、前記液状改質可能燃料貯蔵器の内部は、液状改質可能燃料空間およびガス頭隙を有し、前記液状改質可能燃料空間は、燃料電池ユニットの蒸発器および/または流体混合装置と動作可能に流体連通している、液状改質可能燃料貯蔵器と、
前記液状改質可能燃料貯蔵器の前記ガス頭隙と動作可能に流体連通しており、燃料電池ユニットの蒸発器、改質装置、燃料電池スタック、およびアフタバーナの少なくとも1つと動作可能に流体連通しているガス状改質可能燃料源と
を含む液状およびガス状改質可能燃料供給システム。 - 前記ガス状改質可能燃料源と異なるガス正圧源を含み、前記ガス正圧源は、前記液状改質可能燃料貯蔵器の前記ガス頭隙と動作可能に流体連通している、請求項3に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システム。
- 前記液状改質可能燃料貯蔵器の前記ガス頭隙と動作可能に流体連通している圧力逃がし弁アセンブリと、
前記ガス状改質可能燃料源と、前記蒸発器、前記改質装置、前記燃料電池スタック、および前記アフタバーナの少なくとも1つとの間と、前記ガス状改質可能燃料源と前記液状改質可能燃料貯蔵器の前記ガス頭隙との間とを流体連通させるように動作可能な第1の弁アセンブリと、
前記液状改質可能燃料空間と、前記蒸発器および/または前記流体混合装置との間を流体連通させるように動作可能な第2の弁アセンブリと
を含む、請求項3または4に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システム。 - 前記ガス状改質可能燃料源と前記液状改質可能燃料貯蔵器の前記ガス頭隙との間を流体連通させるように動作可能な第3の弁アセンブリを含み、
前記第1の弁アセンブリは、前記ガス状改質可能燃料源と、前記蒸発器、前記改質装置、前記燃料電池スタック、および前記アフタバーナの少なくとも1つとの間を流体連通させるように動作可能である、請求項5に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システム。 - 前記圧力逃がし弁アセンブリ、前記第1の弁アセンブリ、前記第2の弁アセンブリ、および存在する場合には前記第3の弁アセンブリのそれぞれは、比例弁、開閉弁、三方弁、逆止弁、およびオリフィスの少なくとも1つを含む、請求項2、5、または6のいずれか一項に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システム。
- 蒸発器を含み、前記蒸発器は、前記液状改質可能燃料貯蔵器の前記液状改質可能燃料空間と動作可能に流体連通しており、改質装置の入口、流体混合装置の入口、および燃料電池スタックの入口の少なくとも1つと動作可能に流体連通している、請求項1から7のいずれか一項に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システム。
- 前記液状改質可能燃料貯蔵器の前記ガス頭隙は、蒸発器、流体混合装置、改質装置、燃料電池スタック、およびアフタバーナの少なくとも1つと動作可能に流体連通している、請求項1から8のいずれか一項に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システム。
- 前記液状改質可能燃料貯蔵器の前記ガス頭隙は、圧力逃がし弁アセンブリを介して、前記蒸発器、前記流体混合装置、前記改質装置、前記燃料電池スタック、および前記アフタバーナの少なくとも1つと動作可能に流体連通している、請求項9に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システム。
- 流体混合装置を含み、前記流体混合装置の1つまたは複数の入口は、液状改質可能燃料空間、前記蒸発器の出口、ガス状改質可能燃料源、および酸素含有ガス源の少なくとも1つと動作可能に流体連通しており、および前記流体混合装置の出口は、改質装置および/または燃料電池スタックと動作可能に流体連通している、請求項1から10のいずれか一項に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システム。
- 酸素含有ガス源を含み、前記酸素含有ガス源は、前記蒸発器、前記流体混合装置、前記改質装置、および前記燃料電池スタックの少なくとも1つと動作可能に流体連通している、請求項1から11のいずれか一項に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システム。
- 前記ガス正圧源は、容積型ブロワ、ポンプ、またはコンプレッサと、ダイナミックブロワ、ポンプ、またはコンプレッサと、圧縮ガスの容器との1つまたは複数を含む、請求項1、2、または4から12のいずれか一項に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システム。
- 前記液状改質可能燃料空間は、ブラダの内部によって画定され、前記ブラダの前記内部は、前記第2の弁アセンブリを介して前記蒸発器と動作可能に流体連通している、請求項1から13のいずれか一項に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システム。
- 前記液状改質可能燃料貯蔵器の前記液状改質可能燃料空間と流体連通している主液状改質可能燃料源と、液状改質可能燃料を前記主液状改質可能燃料源から前記液状改質可能燃料空間に供給するポンプとをさらに含む、請求項1から14のいずれか一項に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システム。
- 液状改質可能燃料を蒸発器および/または燃料混合装置に供給するための液体ポンプを含まない、請求項1から15のいずれか一項に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システム。
- 前記供給システムの構成要素間に配置され、それらの間を動作可能に流体連通させる複数の導管を含む、請求項1から16のいずれか一項に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システム。
- 請求項1から17のいずれか一項に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システムと、蒸発器と動作可能に流体連通している改質装置と、前記蒸発器および/または前記改質装置と動作可能に流体連通している燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの排出口と動作可能に流体連通しているアフタバーナとを含む燃料電池ユニットまたはシステム。
- 請求項3、8から12、または14から18のいずれか一項に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システムを動作させる方法であって、前記ガス状改質可能燃料源から蒸発器、改質装置、燃料電池スタック、およびアフタバーナの少なくとも1つへのガス状改質可能燃料の供給と、前記液状改質可能燃料貯蔵器から蒸発器および/または流体混合装置への液状改質可能燃料の供給とを制御するために、前記液状改質可能燃料貯蔵器の前記ガス頭隙のガス圧と、前記ガス状改質可能燃料源からのガス圧とを調整することを含む方法。
- 請求項1、4、または8から18のいずれか一項に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システムを動作させる方法であって、前記ガス状改質可能燃料源から蒸発器、改質装置、燃料電池スタック、およびアフタバーナの少なくとも1つへのガス状改質可能燃料の供給と、前記液状改質可能燃料貯蔵器から蒸発器および/または流体混合装置への液状改質可能燃料の供給とを制御するために、前記液状改質可能燃料貯蔵器の前記ガス頭隙のガス圧と、前記ガス状改質可能燃料源および前記ガス正圧源からのガス圧とを調整することを含む方法。
- 請求項2、5、または7から18のいずれか一項に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システムを動作させる方法であって、前記ガス状改質可能燃料源から蒸発器、改質装置、燃料電池スタック、およびアフタバーナの少なくとも1つへのガス状改質可能燃料の供給と、前記液状改質可能燃料貯蔵器から蒸発器および/または流体混合装置への液状改質可能燃料の供給とを制御するために、前記圧力逃がし弁アセンブリ、前記第1の弁アセンブリ、および前記第2の弁アセンブリを調整することを含む方法。
- 請求項6または7から18のいずれか一項に記載の液状およびガス状改質可能燃料供給システムを動作させる方法であって、前記ガス状改質可能燃料源から蒸発器、改質装置、燃料電池スタック、およびアフタバーナの少なくとも1つへのガス状改質可能燃料の供給と、前記液状改質可能燃料貯蔵器から蒸発器および/または流体混合装置への液状改質可能燃料の供給とを制御するために、前記圧力逃がし弁アセンブリ、前記第1の弁アセンブリ、前記第2の弁アセンブリ、および存在する場合には前記第3の弁アセンブリを調整することを含む方法。
- 燃料電池ユニットまたはシステムの始動モードにおいて、前記圧力逃がし弁アセンブリ、前記第1の弁アセンブリ、前記第2の弁アセンブリ、および存在する場合には前記第3の弁アセンブリを調整することは、
前記第1の弁アセンブリを介して、ガス状改質可能燃料を蒸発器、改質装置、燃料電池スタック、およびアフタバーナの少なくとも1つに供給することと、
蒸発器および流体混合装置への液状改質可能燃料の供給を最小限にするか、または妨げることと
を含む、請求項21または22に記載の方法。 - アフタバーナの燃焼を開始するために、ガス状改質可能燃料を前記アフタバーナに供給することを含む、請求項23に記載の方法。
- 燃料電池ユニットまたはシステムの定常状態モードにおいて、前記圧力逃がし弁アセンブリ、前記第1の弁アセンブリ、前記第2の弁アセンブリ、および存在する場合には前記第3の弁アセンブリを調整することは、
液状改質可能燃料を前記液状改質可能燃料貯蔵器から前記第2の弁アセンブリを介して蒸発器および/または流体混合装置に移動させるために、前記第1の弁アセンブリおよび/または存在する場合には前記第3の弁アセンブリを介して、ガス状改質可能燃料を前記ガス頭隙に供給し、および/または前記ガス正圧源から前記ガス頭隙にガスを供給することと、
前記第1の弁アセンブリを介した蒸発器、改質装置、燃料電池スタック、およびアフタバーナへのガス状改質可能燃料の供給を最小限にするか、または妨げることと
を含む、請求項21から24のいずれか一項に記載の方法。 - 前記液状改質可能燃料貯蔵器の前記ガス頭隙から蒸発器、改質装置、燃料電池スタック、およびアフタバーナの少なくとも1つにガスを供給することを含む、請求項19から25のいずれか一項に記載の方法。
- 液体ポンプを使用することなく、燃料電池ユニットへのガス状および液状改質可能燃料の流れおよび供給を制御する方法であって、
ガス状改質可能燃料を蒸発器、流体混合装置、改質装置、燃料電池スタック、およびアフタバーナの少なくとも1つに供給することと、
ガス正圧を液状改質可能燃料貯蔵器のガス頭隙に加えて、
(a)液状改質可能燃料を蒸発器および/または流体混合装置に供給すること、および
(b)前記ガス頭隙から蒸発器、流体混合装置、改質装置、燃料電池スタック、およびアフタバーナの少なくとも1つにガスを供給すること
の少なくとも1つを行うことと
を含み、前記液状改質可能燃料は、液状ポンプを使用することなく流れる、方法。 - 前記液状改質可能燃料は、ガス状改質可能燃料用の導管を通過しない、請求項27に記載の方法。
- 液体ポンプを使用することなく、燃料電池ユニットへのガス状および液状改質可能燃料の供給を制御する方法であって、
第1のガス正圧を使用して、液状改質可能燃料を蒸発器および/または流体混合装置に移動および供給することと、
第2のガス正圧を使用して、ガス状改質可能燃料を蒸発器、改質装置、燃料電池スタック、蒸発した液状改質可能燃料の流れ、およびアフタバーナの少なくとも1つに供給することと
を含む方法。 - 前記第1のガス正圧を使用して、液状改質可能燃料の貯蔵器のガス頭隙からガスを移動させ、前記ガスを蒸発器、改質装置、燃料電池スタック、およびアフタバーナの少なくとも1つに供給することを含む、請求項29に記載のガス状および液状改質可能燃料の供給を制御する方法。
- 前記第1のガス正圧および前記第2のガス正圧は同一である、請求項29または30に記載の方法。
- 液状改質可能燃料を供給することまたは液状改質可能燃料の供給は、流体混合装置に液状改質可能燃料を供給することまたは流体混合装置への液状改質可能燃料の供給を含み、前記流体混合装置の1つまたは複数の入口は、液状改質可能燃料空間と動作可能に流体連通しており、酸素含有ガス源と動作可能に流体連通しており、および前記流体混合装置の出口は、改質装置および/または燃料電池スタックと動作可能に流体連通している、請求項19から31のいずれか一項に記載の方法。
- 液状改質可能燃料を供給することまたは液状改質可能燃料の供給は、流体混合装置に蒸発した液状改質可能燃料および/またはガス状改質可能燃料と酸素含有ガスとを供給することまたは流体混合装置への蒸発した液状改質可能燃料および/またはガス状改質可能燃料と酸素含有ガスとの供給を含み、前記流体混合装置の1つまたは複数の入口は、蒸発器および/またはガス状改質可能燃料源の出口と動作可能に流体連通しており、酸素含有ガス源と動作可能に流体連通しており、および前記流体混合装置の出口は、改質装置および/または燃料電池スタックと動作可能に流体連通している、請求項19から31のいずれか一項に記載の方法。
- 液状改質可能燃料の流れ、蒸発器、蒸発した液状改質可能燃料の流れ、ガス状改質可能燃料の流れ、流体混合装置、改質装置、燃料電池スタック、およびアフタバーナの少なくとも1つに酸素含有ガスを供給することを含む、請求項19から31のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ガス圧を調整することまたは前記弁アセンブリを調整することは、前記液状改質可能燃料貯蔵器の前記ガス頭隙から蒸発器、流体混合装置、改質装置、燃料電池スタック、およびアフタバーナの少なくとも1つへのガスの供給を制御する、請求項19から34のいずれか一項に記載の方法。
- 前記液状改質可能燃料貯蔵器の前記ガス頭隙から蒸発器、流体混合装置、改質装置、燃料電池スタック、およびアフタバーナの少なくとも1つにガスを供給することを含む、請求項19から35のいずれか一項に記載の方法。
- 改質可能燃料と酸素含有ガスとの混合物を流体混合装置、改質装置、および燃料電池スタックの少なくとも1つに供給することを含む、請求項19から36のいずれか一項に記載の方法。
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