JP2023072661A - 蒸気発生器を備えた電解槽システム及びその作動方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）を含む電解槽システム及びそれを作動する方法を提供する。【解決手段】電解槽システム２００及び燃料電池システムであって、両システムによって発生された水素流を圧縮するように構成された水素ブロワ５１０を含む。電解槽システムは、蒸気を発生するように構成された蒸気発生器１０４と、蒸気発生器から受け入れた蒸気を利用して水素流を発生するように構成された固体酸化物形電解セルのスタック１００と、スタックによって発生された水素流を加圧するように構成された水素ブロワと、加圧された水素流を圧縮するように構成された水素処理装置５００と、を含む。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）を含む電解槽システム及びそれを作動する方法を対象とする。
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、水素と酸素を製造するために電解槽として作動させることができ、これは、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）と呼ばれる。ＳＯＦＣモードでは、酸化物イオンはカソード側（空気）からアノード側（燃料）に輸送され、駆動力は電解質にわたる酸素分圧の化学勾配である。ＳＯＥＣモードでは、セルの空気側に正の電位が印加され、酸化物イオンが燃料側から空気側に輸送される。カソードとアノードはＳＯＦＣとＳＯＥＣの間で逆になっているため（つまり、ＳＯＦＣカソードはＳＯＥＣアノードであり、ＳＯＦＣアノードはＳＯＥＣカソードである）、今後、ＳＯＦＣカソード（ＳＯＥＣアノード）を空気電極と呼び、ＳＯＦＣアノード（ＳＯＥＣカソード）を燃料電極と呼ぶ。ＳＯＥＣモードの間、燃料流中の水が還元されて（Ｈ２Ｏ＋２ｅ→Ｏ２－＋Ｈ２）、Ｈ２ガスとＯ２－イオンを形成する。Ｏ２－イオンは固体電解質を通って輸送され、その後空気側で酸化されて（Ｏ２－からＯ２）、分子酸素を発生する。空気と湿った燃料（水素、改質天然ガス）で動作するＳＯＦＣの開回路電圧は、０．９～１Ｖのオーダー（水分含有量による）であるため、ＳＯＥＣモードで空気側電極に印加される正の電圧は、セル電圧を１．１～１．３Ｖの通常の動作電圧まで上昇させる。
様々な実施形態において、蒸気を発生するように構成された蒸気発生器と、前記蒸気発生器によって発生された前記蒸気を利用して水素流を発生するように構成された固体酸化物形電解セルのスタックと、前記スタックによって発生された前記水素流を加圧するように構成された水素ブロワと、加圧された前記水素流を圧縮するように構成された水素処理装置と、を含む電解槽システムが提供される。
様々な実施形態において、ホットボックスと、前記ホットボックス内に配置され、発電するように構成された固体酸化物形燃料電池のスタックと、前記ホットボックス内に配置されたアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）と、前記スタックから受け入れたアノード排気流を分離し、二酸化炭素流と水素流を排出するように構成された燃料排気処理装置と、前記水素流を加圧するように構成された水素ブロワと、加圧された前記水素流を圧縮するように構成された水素処理装置と、前記二酸化炭素流を圧縮するように構成された二酸化炭素処理装置と、を含む燃料電池システムが提供される。
添付の図は、本明細書に組み込まれ及び本明細書の一部を構成するものであるが、本発明の例示の実施形態を示し、上述の概括的な説明及び以下に述べる詳細な説明とともに、本発明の特徴を説明するのに役立つ。
図１Ａは、固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）スタックの斜視図である。 図１Ｂは、図１Ａのスタックの一部の垂直断面図である。 図２Ａは、本開示の様々な実施形態による電解槽システムを通るプロセスフローを示すプロセスフロー図の概略図である。 図２Ｂは、本開示の様々な実施形態による電解槽システムを通るプロセスフローを示すプロセスフロー図の概略図である。 図３は、本開示の様々な実施形態による、代替の電解槽システム２０１におけるプロセスフローを示す概略図である。 図４は、本開示の様々な実施形態による、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムの概略図である。 図５は、本開示の様々な実施形態による、図４の燃料電池システムの燃料処理装置内のプロセスフローを示す概略図である。
添付の図面を参照して、様々な実施形態を詳細に説明する。可能な限り、同じ又は同様の部分を参照するために図面全体を通して同じ参照番号を使用する。特定の実施例及び実施形態への言及は、例示を目的とするものであり、本発明又は特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。
本明細書では、範囲は、「約」１つの特定の値から、及び／又は、「約」他の特定の値まで、として表現され得る。そのような範囲が表現されるとき、例としては、１つの特定の値から、及び／又は、他の特定の値まで、が含まれる。同様に、値が、先行する「約」又は「実質的に」を使用することにより、近似値として表される場合、特定の値は別の側面（ａｓｐｅｃｔ）を形成すると理解されよう。いくつかの実施形態では、「約Ｘ」の値は、Ｘ±１％（＋／－ １％ Ｘ）の値を含み得る。範囲のそれぞれの端点は、他方の端点に関連して及び他方の端点とは独立しての両方において有意であることがさらに理解されよう。
当業者には、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、本開示に対して様々な修正及び変形を行うことができることが明らかであろう。当業者には、本開示の精神及び実質を組み込む、開示された実施形態の修正の組合せ、部分的組合せ、及び変形が思い浮かび得るため、本開示は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物の範囲内のすべてを含むと解釈されるべきである。
本明細書において、「固体酸化物形セル」は、固体酸化物形電解セル及び／又は固体酸化物形燃料電池を意味することがある。
［ＳＯＥＣシステム］
図１Ａは、固体酸化物形セルスタック１００の斜視図であり、図１Ｂは、図１Ａのスタック１００の一部の垂直断面図である。図１Ａ及び１Ｂを参照すると、スタック１００は、固体酸化物形燃料電池又は固体酸化物形電解セルであってよい複数の固体セル１を含む。固体酸化物形セル１は、インターコネクト１０によって分離され、インターコネクトは、ガスフローセパレータプレート又はバイポーラプレートとも呼ばれる。各固体酸化物形セル１は空気電極３、固体酸化物電解質５、及び燃料電極７を含む。スタック１００はまた、内部燃料ライザチャネル２２を含む。
各インターコネクト１０は、スタック１００内の隣接する固体酸化物形セル１を電気的に接続する。特に、インターコネクト１０は、１つの固体酸化物形セル１の燃料電極７を隣接する固体酸化物形セル１の空気電極３に電気的に接続することができる。図１Ｂは、下側の固体酸化物形セル１が２つのインターコネクト１０の間に配置されていることを示す。
各インターコネクト１０は、燃料チャネル８（まとめて、層９）を少なくとも部分的に画定するリブを含む。インターコネクト１０は、スタック１００内の１つの固体酸化物形セル１の燃料電極７に流れる、炭化水素燃料等の燃料を、スタック１００内の隣接する固体酸化物形セル１の空気電極３に流れる、空気等の酸化剤から分離するガス－燃料セパレータとして動作することができる。スタック１００のいずれかの端部に、空気又は燃料をそれぞれ端部電極に供給するための空気エンドプレート又は燃料エンドプレート（図示せず）があってよい。
図２Ａ及び２Ｂは、本開示の様々な実施形態による、電解槽システム２００内のプロセスフローを示す概略図である。図１Ａ、１Ｂ、２Ａ及び２Ｂを参照すると、システム２００は、図１Ａ及び１Ｂに関して説明したように構成され得る、複数の固体酸化物形電解セル（ＳＯＥＣ）を含む電解セル（ＳＯＥＣ）スタック１００を含むことができる。システム２００はまた、蒸気発生器１０４、蒸気復熱装置１０８、蒸気加熱器１１０、空気復熱装置１１２、及び空気加熱器１１４を含み得る。システム２００はまた、任意選択の水予熱器１０２及び任意選択の混合器１０６を含むことができる。
システム２００は、スタック１００、蒸気復熱装置１０８、蒸気加熱器１１０、空気復熱装置１１２、及び／又は空気加熱器１１４などの様々な構成要素を収容するためのホットボックス２５０を含むことができる。いくつかの実施形態では、ホットボックス２５０は、複数のスタック１００を含むことができる。水予熱器１０２及び蒸気発生器１０４は、図２Ａ及び２Ｂに示されるように、ホットボックス２５０の外部に配置することができる。あるいは、水予熱器１０２及び／又は蒸気発生器１０４をホットボックス２５０の内部に配置することができる。
動作中、スタック１００には、蒸気、及び、外部電源からの電流又は電圧が供給され得る。特に、蒸気は、スタック１００の電解セル１の燃料電極７に供給され得、電源は、水分子を電気化学的に分割し、水素（例えば、Ｈ２）と酸素（例えば、Ｏ２）を生成するために、燃料電極７と空気電極３との間に電圧を印加することができる。空気電極３から酸素を掃引するために、空気電極３に空気を供給することもできる。したがって、スタック１００は、水素流、及び、酸素富化空気流などの酸素富化排気流（「酸素排気流」）を排出することができる。
蒸気を発生するために、水源５０からシステム２００に水が供給され得る。水は、蒸発中のスケーリングを防止及び／又は最小化するために、実施可能な限り脱イオン化された（例えば、＜０．１μＳ／ｃｍ）脱イオン（ＤＩ）水であってよい。いくつかの実施形態では、水源５０は、脱イオン化床を含み得る。様々な実施形態において、システム２００は、システム２００に所望の水流量を提供するために、マスフローコントローラ、容積式ポンプ、制御弁／水流量計などのような水流制御装置（図示せず）を含むことができる。
システム２００が水予熱器１０２を含む場合、水は、水源５０から水予熱器１０２に供給され得る。水予熱器１０２は、酸素排気流から回収された熱を利用して水を加熱するように構成された熱交換器であってよい。水を予熱することで、生成される水素の単位あたりの、システム２００の総消費電力を削減することができる。特に、水予熱器１０２は、以下で説明するように、空気復熱装置１１２によって回収できない可能性のある酸素排気流からの熱を回収するようにすることができる。酸素排気流は、１００℃を超える等、例えば約１１０℃～１２０℃の温度等の、８０℃を超える温度で水予熱器１０２から排出され得る。
水予熱器１０２又は水源５０から排出された水は、蒸気発生器１０４に供給され得る。水の一部は、水予熱器で気化し得る。蒸気発生器１０４は、水予熱器で気化されなかった水を加熱して、水を蒸気に変換するように構成することができる。例えば、蒸気発生器１０４は、水を気化させて蒸気を発生するための加熱要素を含むことができる。例えば、蒸気発生器１０４は、ＡＣ又はＤＣ抵抗加熱要素、又は誘導加熱要素を含むことができる。
蒸気発生器１０４は、機械的に分離されていてもされていなくてもよい複数のゾーン／要素を含むことができる。例えば、蒸気発生器１０４は、水を沸点まで、又は沸点近くまで加熱するためのプレボイラー（ｐｒｅ－ｂｏｉｌｅｒ）を含むことができる。蒸気発生器１０４はまた、プレボイルされた水を蒸気に変換するように構成された気化器を含むことができる。蒸気発生器１０４はまた、バルク気化の前に水から溶存空気を除去するために比較的小さな蒸気パージを提供するための脱気装置を含み得る。蒸気発生器１０４はまた、気化器で発生された蒸気の温度をさらに上昇させるように構成された任意選択の過熱器を含むことができる。蒸気発生器１０４は、加熱要素の下流側及び／又は過熱器から上流側に配置されるデミスターパッドを含むことができる。デミスターパッドは、蒸気発生器１０４から排出される及び／又は過熱器に供給される蒸気中の液体水の巻き込みを最小限に抑えるように構成することができる。
蒸気生成物が過熱される場合、周囲状況への熱損失により、蒸気発生器１０４の下流側での凝縮がしにくくなる。凝縮水は水のスラグを形成しやすく、時間に対して供給されるマスフローの大幅な変動を引き起こす可能性があるため、凝縮の回避が好ましい。システム２００の総消費電力を制限するために、過剰な過熱を回避することも有益であり得る。例えば、蒸気は、約１０℃～約１００℃の範囲の量だけ過熱され得る。
蒸気発生器１０４からのブローダウンは、脱イオン化後水が若干の鉱化を恐らく含むため、長期の運転に有益であり得る。典型的な液体ブローダウンは１％のオーダーであり得る。ブローダウンは、連続的であってもよいし、又は、断続的、例えば、１０×定常状態流を１分に６秒間、５×定常状態流を５分に１分間等であってよい。ブローダウンを高温酸素排気にポンプで送ることによって吐水流の必要性をなくすことができる。
蒸気発生器１０４から排出された蒸気は、蒸気復熱装置１０８に供給することができる。しかしながら、システム２００が任意選択の混合器１０６を含む場合、蒸気は、蒸気復熱装置１０８に供給される前に混合器１０６に供給され得る。特に、蒸気には少量の溶存空気及び／又は酸素が含まれ得る。したがって、混合器１０６は、スタック１００内、特に燃料電極７において還元環境を維持するために、蒸気を水素ガスと混合するように構成することができる。
混合器１０６は、蒸気を、水素貯蔵装置５２から受け入れた水素と、及び／又はスタック１００から排出された水素流の一部と混合するように構成することができる。水素添加率は、蒸気に溶解した酸素の量と反応するために必要な水素の量を越える水素の量を提供するように設定することができる。水素添加率は、固定するか、又は、水と水素の比率を一定に設定することができる。しかしながら、蒸気が完全に脱気された水を利用して形成される場合、混合器１０６及び／又は水素の添加は、任意選択で省略することができる。
いくつかの実施形態では、水素は、システムの始動中及び／又は定常状態動作中に、外部水素源によって供給することができる。例えば、始動中、水素は水素貯蔵装置から供給することができ、定常状態中、水素は水素貯蔵装置５２から、及び／又は、スタック１００によって発生された水素流（すなわち水素排気流）の一部を混合器１０６に転向させる（ｄｉｖｅｒｔ）ことによって、供給することができる。特に、システム２００は、定常状態動作中、発生された水素流の一部を混合器１０６に選択的に転向させるように構成された、スプリッタ、ポンプ、ブロワ及び／又はバルブなどの水素ダイバータ（ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｄｉｖｅｒｔｅｒ）１１６を含むことができる。
蒸気復熱装置１０８は、スタック１００から排出された水素流から熱を回収するように構成された熱交換器であってよい。したがって、蒸気復熱装置１０８は、システム２００の効率を高めるように構成することができる。蒸気は、蒸気復熱装置１０８において、７２０℃～７８０℃などの、少なくとも７００℃まで加熱され得る。
蒸気復熱装置１０８から排出された蒸気は、図２Ａに示されるように、蒸気復熱装置１０８の下流側に配置される蒸気加熱器１１０に供給され得る。蒸気加熱器１１０は、抵抗又は誘導加熱要素などの加熱要素を含み得る。蒸気加熱器１１０は、蒸気をスタック１００の動作温度を超える温度に加熱するように構成することができる。例えば、スタック１００の健全性、スタック１００の水利用率、及びスタック１００への空気流量に応じて、蒸気加熱器１１０は、蒸気を約９００℃～約１２００℃の範囲の温度、例えば、９２０℃～９８０℃に加熱することができる。したがって、スタック１００には、効率的な水素生成を可能にする温度で蒸気又は蒸気－水素混合物が供給され得る。熱はまた、輻射によって（すなわち、輻射伝熱によって）蒸気加熱器からスタックに直接伝達されてもよい。
図２Ｂに示される１つの代替実施形態では、蒸気復熱装置１０８を出る蒸気が蒸気加熱器１１０に入るのではなく、蒸気加熱器１１０を出る蒸気が蒸気復熱装置１０８に入るように、蒸気加熱器１１０の下流側に蒸気復熱装置１０８を配置することができる。別の代替実施形態では、蒸気加熱器１１０は、約１２００℃以上に加熱された流体などの高温流体から得られた熱を利用して蒸気を加熱するように構成された熱交換器を含み得る。この流体は、例えば、太陽集光ファーム（ｓｏｌａｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ ｆａｒｍ）又は原子炉発電所などの発電所から供給され得る。あるいは、流体が原子炉発電所から供給される蒸気などの高温蒸気である場合、そのような蒸気は、スタック１００の燃料電極７に供給することができる。この場合、水源５０は、高温蒸気源を含むことができ、水予熱器１０２、蒸気発生器１０４、蒸気復熱装置１０８及び／又は蒸気加熱器１１０のうちの１つ又は複数を省略することができる。
いくつかの実施形態では、蒸気加熱器１１０は、熱均一性を高めるために、独立した電力レベルを備える、（垂直に又は円周方向に又はその両方に分割された）複数の蒸気加熱器ゾーンを含み得る。
いくつかの実施形態では、蒸気復熱装置１０８及び蒸気加熱器１１０の動作を結合して単一の構成要素にすることができる。例えば、蒸気復熱装置１０８は、蒸気復熱装置１０８の熱交換フィンに電圧を印加するように構成された電圧源を含むことができ、熱交換フィンが抵抗加熱要素として動作して、蒸気をスタック１００に供給されるのに十分に高い温度、例えば、約９００℃～約１２００℃の範囲の温度まで加熱するようにすることができる。蒸気加熱器１１０から排出された高温蒸気（又は任意選択で蒸気／水素混合物）は、スタック１００の燃料電極７に供給され得る。
スタック１００から排出された酸素排気は、空気復熱装置１１２に供給され得る。空気復熱装置１１２には、エアブロワ１１８によって周囲空気が供給され得る。空気復熱装置１１２は、酸素排気から得られた熱を利用して空気を加熱するように構成され得る。いくつかの実施形態では、周囲空気は、空気復熱装置１１２又はエアブロワ１１８に供給される前に、汚染物質を除去するために濾過することができる。
空気復熱装置１１２から排出された空気は、空気加熱器１１４に供給され得る。空気加熱器は、空気をスタック１００の動作温度を超える温度に加熱するように構成された抵抗又は誘導加熱要素を含むことができる。例えば、スタック１００の健全性、スタック１００の水利用率、及びスタック１００への空気流量に応じて、空気加熱器１１４は、空気を９２０℃～９８０℃等の約９００℃～約１２００℃の範囲の温度まで加熱することができる。したがって、スタック１００には、効率的な水素生成を可能にする温度で空気を供給することができる。熱は、輻射によって空気加熱器からスタックに直接伝達されてもよい。
空気復熱装置からの温度出力が高いほど、空気加熱器１１４に必要な電力は少なくなる。空気復熱装置１１２のいずれかの側での圧力損失（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｒｏｐ）の増加は、エアブロワ１１８の電力の増加で打ち消すことができる。圧力損失の増加は、円周方向のマスフローの均一性を助け、より均一な熱伝達環境を作り出し、空気復熱装置１１２から排出される空気吸入流の温度を高くすることができる。
代替の実施形態では、空気加熱器１１４は、約１２００℃以上に加熱された流体などの高温流体から得られた熱を利用して空気を加熱するように構成された熱交換器を含むことができる。この流体は、例えば、太陽集光ファーム又は原子炉から供給され得る。
いくつかの実施形態では、空気加熱器１１４は、熱均一性を高めるために、独立した電力レベルを備える、（垂直に又は円周方向に又はその両方に分割された）複数の空気加熱器ゾーンを含み得る。いくつかの実施形態では、空気加熱器１１４は、空気復熱装置１１２の下、又はスタック１００と蒸気復熱装置１０８との間に配置することができる。空気加熱器１１４はバッフルを含むことができ、バッフルは、バッフルに沿う異なる高さに異なるサイズのスリットを有し、空気が、空気加熱器１１４に沿ったすべての高さで、温度及び高さの両方でほぼ均等に空気加熱器１１４を出ることができるようにする。空気加熱器１１４からの空気は、スタック１００の空気電極３に供給される。
いくつかの実施形態では、空気復熱装置１１２及び空気加熱器１１４を結合して単一の構成要素にすることができる。例えば、空気復熱装置１１２は、空気復熱装置１１２複合構成要素に含まれる熱交換器の熱交換フィンに電圧を印加するように構成された電圧源を含むことができ、フィンが抵抗加熱要素として動作して、空気をスタック１００に供給されるのに十分に高い温度、例えば約９００℃～約１２００℃の範囲の温度まで加熱するようにすることができる。
様々な実施形態によれば、システム２００は、ホットボックス２５０の外部に配置される任意選択の空気予熱器５４を含むことができる。特に、空気予熱器５４は、エアブロワ１１８によってホットボックス２５０に供給される空気を予熱するように構成され得る。いくつかの実施形態では、空気予熱器５４は電気を利用して作動することができる。他の実施形態では、空気予熱器５４は、天然ガスなどの炭化水素燃料を利用して作動することができる。例えば、システム２００に、断続的であるか、又は、太陽もしくは風力発電システムなどの、電気加熱器を動作させるのに不十分な量の電力を提供する電源から電力が供給される場合、空気予熱器５４は炭化水素電源（例えば、ガスヒーター）を利用することができる。あるいは、空気予熱器５４を省略してもよい。
空気予熱器５４は、ホットボックス２５０の外部に配置されるので、空気予熱器５４は、有利には、ホットボックス２５０の内部にアクセスする必要なく、及び／又はスタック１００及び／又はホットボックス２５０の内部に配置される他の構成要素の動作を中断する必要なく整備され得る。いくつかの実施形態では、空気予熱器５４は、空気予熱器５４がスタック温度を超えて空気を加熱する場合、空気加熱器１１４を省略することを可能にし得る。しかしながら、他の実施形態では、システム２００は、空気予熱器５４と空気加熱器１１４の両方を含むことができる。
システムの始動中、空気予熱器５４は、ホットボックス２５０の内部温度及び／又はスタック１００の温度をその動作温度に近づく温度まで上昇させるのに十分な温度まで、ホットボックスに供給される空気を加熱するように構成され得る。空気復熱装置１１２に供給される予熱された空気はまた、システム始動中に空気復熱装置１１２を介して水予熱器１０２に供給されるスタック排気を予熱するように動作することができる。スタック酸素排気は最初は比較的低温で排出される可能性があるため、空気予熱器５４は、水源５０からホットボックス２５０に供給される水を間接的に予熱するために利用することができる。
定常状態動作中、空気予熱器５４は、ホットボックス２５０を７５０～９５０℃などの定常状態動作温度に維持するのに十分な温度まで空気を加熱するように構成することもできる。例えば、空気予熱器５４の熱出力は、システムの始動中よりも定常状態動作中に低くなる可能性がある。
いくつかの実施形態では、システム２００は、スタック１００内の各電解セル１に熱中立電圧が提供される、熱中立構成で動作させることができる。特に、各電解セル１に提供される電流は、Ｉ２Ｒ加熱によって発生される熱が（吸熱の）反応熱と釣り合うように変化させることができる。したがって、定常状態の熱中立動作中、蒸気加熱器１１０及び／又は空気加熱器１１４の使用を最小化又は排除することができる。
スタック１００からの水素流（すなわち、水素排気流）は、水素ガス及び水を含む温かい流れであり得る。水素流は、１２０℃～１５０℃の温度で蒸気復熱装置１０８から排出され得る。蒸気復熱装置１０８は、排出導管５０２によって水素処理装置５００に流体的に接続することができる。いくつかの実施形態では、水素処理装置５００は、水素貯蔵装置又はタンク５０４に接続することができる。
水素処理装置５００は、水素ポンプ、凝縮器、又はそれらの組み合わせを含むことができる。水素ポンプは、電気化学式水素ポンプであってもよく、及び／又は、高温で動作するように構成されていてもよい。例えば、水素ポンプは、水素流から水素の約７０％～約９０％を取り除くために、約１２０℃～約１５０℃の温度で動作するように構成され得る。圧縮機は、例えば、液封圧縮機又はダイヤフラム式圧縮機であってもよい。いくつかの実施形態では、凝縮器は、水素流中の水蒸気を凝縮するのに十分な温度まで水素流を冷却するように構成された、空冷式又は水強化型空冷式凝縮器及び／又は熱交換器であってよい。例えば、水素処理装置５００は、水素流を所望の圧力、例えば約２５００～約８０００ｐｓｉｇまで圧縮するように構成することができる。圧縮は複数の段階を含むことができ、段階間の冷却と水の除去を伴ってもよい。
様々な実施形態において、水素処理装置５００は、水素流を圧縮するために、水素流の流れ方向に対して直列及び／又は並列に配置され得る一連の電気化学式水素ポンプを含むことができる。圧縮からの最終生成物には、まだ微量の水が含まれ得る。したがって、水素処理装置５００は、必要に応じて、この残留水を除去するために、温度スイング吸着反応器又は圧力スイング吸着反応器などの脱水装置を含むことができる。最終生成物は、高圧（例えば、約２５００～約８０００ｐｓｉｇ）の精製された水素であり得る。生成物にはいくらかの窒素ガスが含まれている場合もあり、これは水に溶解した空気であり得る。窒素は、電気化学的圧縮中に自動的に除去され得る。
水素処理装置５００からの、送り込まれずに（ｕｎｐｕｍｐｅｄ）残った流出物は、完全に気化された水富化流（ｗａｔｅｒ ｒｉｃｈ ｓｔｒｅａｍ）であり得る。この水富化流は、混合器１０６又は蒸気復熱装置１０８にリサイクルするためのブロワに供給され得、蒸気発生器１０４における水の気化の必要性を排除することができる。システムは、残留水を再精製し（例えば、ＤＩ床で）、圧縮された水素流から除去された残留水を水予熱器に供給するように構成することができる。電気化学的圧縮は、従来の圧縮よりも電気効率が高くなり得る。
現場にある複数のスタック１００の水素流を結合して単一の流れにすることができる。この結合された流れは、例えば、水素処理装置５００の一部であり得る現場の冷却水塔によって冷却される空気冷却器又は熱交換器を使用して、可能な範囲で冷却され得る。水素処理装置５００から排出される水素は、貯蔵又は使用、例えば、燃料電池発電システム内の燃料として使用するために、水素タンク５０４に供給され得る。
水素ポンプの圧力を、例えば、約２０～約５０ｐｓｉｇの範囲の圧力に上げることによって、水素流への蒸気損失を最小限に抑えることができる。この分離は、電解槽モジュールレベル、システムレベル、スタンプレベル、又は現場レベルで行うことができる。
水の凝縮と水素流の圧縮は、かなりの量の電力を消費し得る。いくつかの実施形態では、スタック１００への空気の流れは、スタック１００がスタック排気として純粋又はほぼ純粋な酸素ガスを排出するように、低減又は停止され得る。さらに、電解セル１の空気側及び燃料側は、約２０～約５０ｐｓｉｇの範囲の等しい圧力で動作させることができる。いくつかの実施形態では、スタック１００に供給される空気は、約１００ｓｌｍ以下の圧力で供給され得る。
高圧動作は、水素流圧縮の最初の段階に関連する電力及び機器の排除を可能にし、より高い圧力によるより高い露点のために、最初の凝縮器段階のサイズを縮小することができ、及び／又は、より高い圧力に関連するより高い密度のために、フローチャネルに必要な物理的スペースを減らすことができる。
上述のように、システム２００は、様々な異なる水素処理装置５００と共に動作するように構成することができ、これらは第三者によって現場で提供され得る。したがって、システム２００から排出される水素流の流量及び／又は生産速度を、特定の水素処理装置５００のスループットと一致させることは困難である場合がある。特に、このような差異は排出導管５０２内に、正及び／又は負の圧力変動を引き起こし得る。例えば、水素処理装置５００のスループットが高すぎる（例えば、水素処理装置５００が水素流を強く引っ張りすぎる）場合、システム２００内に負圧が引き起こされる可能性があり、又は、スループットが低すぎる場合、システム２００内に正圧が引き起こされる可能性がある。
このような圧力変動は、システム２００内に問題を引き起こす可能性がある。例えば、過度の負圧は、システム２００内への空気の漏れをもたらす可能性があり、又はスタック１００の電解質全体に高い圧力変動をもたらす可能性があり、これがひび割れ等の電解質損傷のリスクを増大させる可能性がある。極端に高い圧力も、電解質全体に圧力変動をもたらし、電解質損傷のリスクを増大させる可能性がある。
したがって、システムは、第１の排出導管５０２Ａ、第２の排出導管５０２Ｂ、及び水素ブロワ５１０を含むことができる。第１の排出導管５０２Ａは、燃料電池スタック１００と水素ブロワ５１０の入口とを流体的に接続することができる。第２の排出導管５０２Ｂは、水素ブロワ５１０の出口を水素処理装置５００に流体的に接続することができる。水素ブロワ５１０は、ホットボックス２５０から排出される水素流の圧力を増加させるように構成することができる。例えば、水素ブロワ５１０は、約２～約１５ポンド毎平方インチゲージ（ｐｓｉｇ）、例えば、約５～約１０ｐｓｉｇに水素流の圧力を増加させるように構成され得る。水素ブロワ５１０はまた、スタック１００などのホットボックス２５０の構成要素を、水素処理装置５００の動作によって引き起こされる圧力変動から隔離するように動作することができる。
いくつかの実施形態では、水素ブロワ５１０は、図２Ａに示されるように、単一の電解槽システム２５０又はスタック１００によって発生された水素流を受け入れるように構成され得る。他の実施形態では、水素ブロワ５１０は、複数の電解槽システム２５０及び／又は複数のスタック１００によって発生された水素流を受け入れるように構成され得る。
様々な実施形態では、システム２００は、水素ブロワ５１０内の液体水の蓄積を低減及び／又は防止するために、水素流から凝縮水を除去するように構成された任意選択のウォーターノックアウト装置５３０を含み得る。
いくつかの実施形態では、水素流を転向させるために水素ダイバータ１１６を使用して、システム２００内の蒸気の大部分又はすべてに置き換わるように水素を供給することができる。その後、水素ダイバータ１１６は閉じられて、スタック１００内の還元雰囲気を維持することができ、追加の水素消費はない。スタック１００への空気流は、大幅に減少又は排除され得る。いくつかの実施形態では、空気加熱器１１４が過熱しないように維持するために、最小限の空気流が存在し得る。
いくつかの実施形態では、凝縮水は、水源５０内のプロセスのフィード（ＤＩ床へのフィード）に再循環され得る。混合器１０６内で蒸気に添加される水素は、圧縮トレインの最初の段階又は任意の中間の段階の間に生産され得、必要に応じて除湿することができる。水素貯蔵装置５２は、混合器１０６を通ってスタック１００に供給される水素のための低圧／中圧貯蔵タンクを含むことができる。
様々な実施形態によれば、システム２００は、システム２００の動作を制御するように構成された中央処理ユニットなどのコントローラ１２５を含み得る。例えば、コントローラ１２５は、システム２００の様々な要素に有線又は無線で接続して、これらを制御することができる。
いくつかの実施形態では、コントローラ１２５は、水素流の流量及び／又は水素処理装置５００によって生じる入口圧力に基づいて、水素ブロワ５１０の速度を制御するように構成され得る。
いくつかの実施形態では、コントローラ１２５はシステム２００を、システム２００が、水素流が発生されないスタンバイモードで動作することができるよう制御するように構成することができる。スタンバイモードの間、スタック１００に関連する（すなわち、熱伝達関係におかれる）電気加熱器は、電解セル１を所望のスタンバイ温度に保つのに必要な最小電力レベルで運転させることができる。所望のスタンバイ温度は、所望の生産動作温度とは異なってもよく、所望の動作温度に戻るのに必要な許容可能な時間によって影響され得る。
スタンバイモードから定常状態動作へのリカバリは、水素の生成を、標準的な定常状態動作温度より低い温度で始めさせることを可能とし得る。より低い温度では、セル抵抗がより高くなり得、これは、スタック１００を定常動作温度に上げるためにさらなる加熱を提供し得る。水／蒸気の供給は、大幅に削減され又は除去することができる。混合器１０６内での蒸気への水素の添加もまた、大幅に削減され又は除去され得る。
様々な実施形態によれば、コントローラ１２５は、様々な現場全体の制御パラメータに基づいてシステム２００の動作を制御するように構成され得る。例えば、コントローラ１２５は、以下のいずれかに基づいて水素の生産を制御するように構成され得る：各ＳＯＥＣスタックの動作制限値；電力の可用性；すべての階層（ｔｉｅｒｓ）での需要料金の影響を含む、瞬時平均電力コスト；すべての階層での需要料金の影響を含む、瞬間的な限界電力コスト；瞬時電力再生可能含有量；利用可能な水素貯蔵容量；使用のために入手可能な貯蔵エネルギー（例えば、熱的貯蔵又は電気的貯蔵）；水素生産計画（例えば、日次、週次、又は月次計画など）；水素生産収益への影響（例えば、販売価格、生産レベルの調整、不履行に対する罰則など）；メンテナンス計画；現場のすべてのホットボックスの相対的な健全性；圧縮／凝縮トレインの機械的状態；水／蒸気／水素供給の利用可能性；気象条件及び／又は予報；瞬時の、又はある生産計画期間中のその他の公知の外部制約（例えば、１ヶ月にこれだけの水しか使えない、１ヶ月にこれだけのメガワット時（ＭＷ－ｈｒ）しか使えない等）；及び／又は、スタンバイモードから水素の生産を開始するための最小許容時間（スタンバイが数時間続くと予測される場合は、セルを動作温度未満に冷却することが望ましい場合がある）。
図３は、本開示の様々な実施形態による、代替の電解槽システム２０１におけるプロセスフローを示す概略図である。電解槽システム２０１は、電解槽システム２００と類似であり得るので、それらの間の違いのみを詳細に論じる。
図３を参照すると、電解槽システム２０１は、ホットボックス２５０の内部に配置される空気予熱器１５４を含むことができる。空気予熱器１５４は、蒸気復熱装置１０８から排出される水素流から得られた熱を利用して、エアブロワ１１８から供給される空気を予熱するように構成された熱交換器であってよい。予熱された空気は、次に、空気復熱装置１１２に供給することができる。したがって、ホットボックス２５０の内部に配置される内部の空気予熱器１５４は、ホットボックス２５０の外部に配置される（図２Ａ及び２Ｂに示した）外部の空気予熱器５４に置き換わる。この実施形態では、空気予熱器１５４に熱を提供するために、追加の電気加熱器又は追加のガス加熱器は必要ない。空気予熱器は、水素ダイバータ１１６への水素／蒸気流が実質的により冷たくなり、水素セパレータをより安価な材料で作ることが可能になる点でも有益である。
いくつかの実施形態では、少量の液体水（例えば、入ってくる水の約０．５％～約２％）が、蒸気発生器１０４から定期的又は連続的に排出され得る。特に、排出された液体水は、水を気化させて蒸気を発生する間に蒸気発生器１０４に蓄積する可能性があるスケール及び／又は他の鉱物不純物を含み得る。したがって、この排出された液体水は、水源５０からの水吸入流に再循環されるには望ましくない。この液体排出物は、水予熱器１０２から排気導管に排出される高温酸素排気流と混合され得る。高温酸素排気流は、１００℃を超える温度、例えば、１１０～１３０℃、例えば、１２０℃の温度であり得る。したがって、液体水排出物は、液体水がシステム２０１から排出される必要がないように、高温酸素排気流によって蒸発され得る。システム２０１は、任意選択で、蒸気発生器１０４から排出される液体水排出物を水予熱器１０２から排出される酸素排気にポンプ輸送し及び調節するように構成されたポンプ１２４を含むことができる。任意選択で、液体水排出物の流れをさらに調節するために、ポンプ１２４に加えて比例ソレノイドバルブを追加することができる。
［ＳＯＦＣシステム］
図４は、本開示の様々な実施形態による、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム３００の概略図である。図４を参照すると、システム３００は、ホットボックス３５０と、この中に又はこれに隣接して配置される様々な構成要素を含む。ホットボックス３５０は、燃料電池とインターコネクトを交互に含む、固体酸化物形燃料電池スタック等の燃料電池スタック３０２を少なくとも１つ含むことができる。スタックの１つの固体酸化物形燃料電池は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、スカンジア及びセリア安定化ジルコニア、又は、スカンジア、イットリア及びセリア安定化ジルコニアなどのセラミック電解質と、ニッケル－ＹＳＺ、ニッケル－ＳＳＺ、又はニッケルドープセリアサーメットなどのアノード電極と、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）などのカソード電極とを含む。インターコネクトは、クロム－鉄合金インターコネクトなどの金属合金インターコネクトであってよい。スタック３０２は、互いの上に重ねて配置して複数のカラムにすることができる。
ホットボックス３５０はまた、アノード復熱装置３１０、カソード復熱装置３２０、アノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）３３０、アノード排気冷却器３４０、渦発生器３７２、及び、水噴射器３６０を含むことができる。システム３００はまた、接触部分酸化（ＣＰＯｘ）反応器３１２、混合器３１６、ＣＰＯｘブロワ３１４（例えば、空気ブロワ）、メイン空気ブロワ３４２（例えばシステムブロワ）、及び、アノードリサイクルブロワ３１８を含むことができ、これらは、ホットボックス３５０の外側に配置することができる。しかしながら、本開示は、ホットボックス３５０に対する各構成要素の位置を何らかの特定の位置に限定するものではない。
ＣＰＯｘ反応器３１２は、燃料導管３０１Ａを介して、燃料入口３０から燃料吸入流を受け入れる。燃料入口３０は、ＣＰＯｘ反応器３１２に供給される燃料の量を制御するための弁を含む燃料タンク又はユーティリティガスラインであってよい。ＣＰＯｘブロワ３１４は、システム始動時にＣＰＯｘ反応器２０２に空気を供給し得る。燃料及び／又は空気は、燃料導管３０１Ｂによって混合器３１６に供給することができる。燃料は、燃料導管３０１Ｃを通って混合器３１６からアノード復熱装置３１０へ流れる。燃料は、燃料排気の一部によってアノード復熱装置３１０内で加熱され、その後燃料は、燃料導管３０１Ｄを介してアノード復熱装置３１０からスタック３０２へと流れる。
メイン空気ブロワ３４２は、空気流（例えば、空気吸入流）を、空気導管３０２Ａを通してアノード排気冷却器３４０に供給するように構成され得る。空気は、アノード排気冷却器３４０から空気導管３０２Ｂを通ってカソード復熱装置３２０に流れる。空気は、カソード復熱装置３２０内でＡＴＯ排気によって加熱される。空気は、カソード復熱装置３２０から空気導管３０２Ｃを通ってスタック３０２に流れる。
スタック３０２で発生したアノード排気（例えば、燃料排気）は、アノード排気導管３０６Ａを介してアノード復熱装置３１０に供給される。アノード排気は未反応の燃料を含むこともあり、本明細書では燃料排気と呼ぶこともある。アノード排気は、アノード復熱装置３１０からアノード排気導管３０６Ｂによって、水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器等のシフト反応器３８０に供給され得る。アノード排気導管３０６Ｂには、水噴射器３６０が流体的に接続され得る。アノード排気は、シフト反応器３８０から、アノード排気導管３０６Ｃによってアノード排気冷却器３４０に供給され得る。アノード排気は、アノード排気冷却器３４０内の空気吸入流を加熱し、その後、アノード排気冷却器３４０から燃料排気処理装置４００へと供給され得る。
特に、アノード排気は、第１のリサイクル導管３０８Ａによってアノード排気冷却器３４０から燃料排気処理装置４００に排出され得る。いくつかの実施形態では、アノード排気は、任意選択の第２のリサイクル導管３０８Ｂによって燃料排気処理装置４００に供給され得る。特に、アノード排気は、第１のリサイクル導管３０８Ａに入る前にアノード排気冷却器３４０で冷却されるので、第２のリサイクル導管３０８Ｂは、第１のリサイクル導管３０８Ａよりも高温のアノード排気を燃料排気処理装置４００に供給するように構成することができる。
シフト反応器３８０は、燃料排気の成分を遊離水素（Ｈ２）及び／又は水に変換する任意の適切な装置であってよい。例えば、シフト反応器３８０は、水性ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ２Ｏ←→ＣＯ２＋Ｈ２）を介して、燃料排気流中の一酸化炭素（ＣＯ）と水蒸気を二酸化炭素と水素に変換する触媒を含む管又は導管を備えてよい。したがって、シフト反応器３８０は、アノード排気中の水素及び二酸化炭素の量を増加させ、アノード排気中の一酸化炭素の量を減少させる。例えば、シフト反応器３８０は、アノード排気中の一酸化炭素の量を約５体積％以下、例えば約４％以下、又は約３％以下に減少させることができる。触媒は、酸化鉄又はクロム促進酸化鉄触媒などの任意の適切な触媒であってよい。
スタック３０２で発生したカソード排気は、カソード排気導管３０４Ａを通ってＡＴＯ３３０へと流れる。渦発生器３７２は、カソード排気導管３０４Ａ内に配置することができ、カソード排気を旋回させるように構成することができる。旋回させたカソード排気は、ＡＴＯ３３０に供給される前に、燃料排気処理装置４００から排出される水素と混合することができる。この混合物は、ＡＴＯ３３０内で酸化されてＡＴＯ排気を発生し得る。ＡＴＯ排気は、ＡＴＯ３３０からカソード排気導管３０４Ｂを通ってカソード復熱装置３２０へと流れる。排気は、カソード復熱装置３２０からカソード排気導管３０４Ｃを通ってホットボックス３５０の外へと流れ出る。
水は、水タンク又は水道管などの水源５０から、水導管を通って水噴射器３６０に流れる。水噴射器３６０は、アノード排気導管３０６Ｃ内に供給されるアノード排気の第１の部分に直接水を噴射する。排気導管３０６Ｃに供給されたアノード排気の第１の部分（再循環アノード排気流とも呼ぶ）からの熱が、この水を気化させて蒸気を発生する。蒸気はアノード排気と混ざって、結果として生じた混合物はアノード排気冷却器３４０に供給される。混合物は、その後、燃料排気処理装置４００を通って送られ（ｒｏｕｔｅｄ）、混合器３１６に供給される。混合器３１６は、蒸気とアノード排気の第１の部分を新鮮な燃料（すなわち燃料吸入流）と混合するように構成される。この加湿された燃料混合物は、その後、スタック３０２に供給される前に、アノード排気によって、アノード復熱装置３１０内で加熱され得る。システム３００はまた、アノード復熱装置３１０の内部及び／又は下流側に配置される１つ又は複数の燃料改質触媒を含むことができる。改質触媒は、加湿された燃料混合物を、スタック３０２に供給される前に改質する。
システム３００はさらに、システム３００の各種要素を制御するように構成されたシステムコントローラ３２５を備えることができる。システムコントローラ３２５は、記憶された命令を実行するように構成された中央処理ユニットを含むことができる。例えば、システムコントローラ３２５は、燃料組成データに従って、システム３００を通る燃料及び／又は空気の流れを制御するように構成することができる。
［燃料排気処理装置］
図５は、本開示の様々な実施形態による、燃料排気処理装置４００の構成要素を示す概略図である。図４及び５を参照すると、燃料排気処理装置４００は、水素セパレータ４１０、システムコントローラ４２５、スプリッタ４４０、低温シフト反応器４５０、及び熱交換器４４４を含むことができる。システムコントローラ４２５は、記憶された命令を実行するように構成された中央処理ユニットであってよい。例えば、システムコントローラ４２５は、燃料排気処理装置４００を通るアノード排気、水素及び／又は二酸化炭素の流れを制御するように構成され得る。いくつかの実施形態では、システムコントローラ４２５は、システムコントローラ４２５がＳＯＦＣシステム３００の動作条件に基づいて燃料排気処理装置を制御することができるように、ＳＯＦＣシステム３００のシステムコントローラ３２５に動作可能に接続され得る。
スプリッタ４４０は、第１のリサイクル導管３０８Ａからアノード排気を受け入れるように構成することができる。スプリッタ４４０は、ホットボックス３５０及び水素セパレータ４１０に流体的に接続することができる。例えば、第１の戻り導管４０６Ａは、スプリッタ４４０の出口をホットボックス３５０に流体的に接続することができ、第１のセパレータ導管４０１Ａ及び第２のセパレータ導管４０１Ｂは、スプリッタ４４０の出口を水素セパレータ４１０に流体的に接続することができる。特に、アノード排気の第１の部分は、スプリッタ４４０から排出され、第１のセパレータ導管４０１Ａを介してシフト反応器４５０に供給され得、シフト反応器４５０から排出されたアノード排気は、第２のセパレータ導管４０１Ｂによって水素セパレータ４１０に供給され得る。アノード排気の第２の部分は、スプリッタ４４０の出口から第１の戻り導管４０６Ａに排出され得る。燃料排気処理装置４００から排出されたアノード排気は、アノードリサイクルブロワ３１８によって、第１の戻り導管４０６Ａを通ってＳＯＦＣシステム３００の混合器３１６へと移動させることができる。しかしながら、アノードリサイクルブロワ３１８は、任意の他の適切な場所に配置してもよい。
シフト反応器４５０は、シフト反応器３８０と類似のＷＧＳ反応器であってよいが、シフト反応器３８０よりも低い温度で作動するように構成され得る。したがって、シフト反応器３８０は、高温シフト反応器と呼ぶこともでき、シフト反応器４５０は、低温シフト反応器と呼ぶことができる。シフト反応器４５０は、燃料排気処理装置４００に供給されるアノード排気の一酸化炭素含有量をさらに減少させるように構成することができる。例えば、シフト反応器４５０は、アノード排気の一酸化炭素含有量を、約０．３体積％未満に、例えば、約０．２％未満、又は約０．１％未満に減少させるように構成することができる。
シフト反応器４５０から排出される精製されたアノード排気（例えば、低一酸化炭素含有量のアノード排気）は、第２のセパレータ導管４０１Ｂによって水素セパレータ４１０に供給され得る。熱交換器４４４は、第２のセパレータ導管４０１Ｂに動作可能に接続され得、そこを通過するアノード排気を冷却するように構成され得る。例えば、熱交換器４４４は、そこに供給される空気に熱を伝達するように構成されたファン及び／又は冷却フィンを含むことができる。したがって、熱交換器４４４は、過熱及び／又は水素セパレータ４１０への損傷を防止するために、アノード排気を冷却するように構成され得る。いくつかの実施形態では、熱交換器４４４は省略され得る。例えば、図４Ａ及び４Ｂに関して以下で開示されるように、シフト反応器４５０が内部冷却システムを含む場合、熱交換器４４４は任意選択で省略されてもよい。
様々な実施形態において、燃料排気処理装置４００は、複数の燃料電池システム１０に流体的に接続することができる。例えば、燃料排気処理装置４００は、２つ以上の燃料電池システムから排出されるアノード排気を処理するように構成されてもよく、両方の燃料電池システムに水素富化燃料流を戻すように構成することができる。
水素セパレータ４１０は、１つ又は複数の水素ポンプを含むことができ、これはそれぞれ、電気化学的水素ポンピングセル４２０を含むことができる。例えば、図２に示すように、水素セパレータ４１０は、第１の水素ポンプ４１４Ａ、第２の水素ポンプ４１４Ｂ、及び第３の水素ポンプ４１４Ｃを含むことができ、これらはそれぞれ、積み重ねられた水素ポンピングセル４２０を備える。しかしながら、本開示は、任意の特定の数の水素ポンプに限定されない。例えば、様々な実施形態において、第１の水素ポンプ４１４Ａ及び第２の水素ポンプ４１４Ｂを組み合わせて、水素ポンピングセル４２０の単一のスタックにすることができる。他の実施形態において、第１、第２、及び第３の水素ポンプ４１４Ａ、４１４Ｂ、４１４Ｃを組み合わせて、水素ポンピングセル４２０の単一スタックにすることができる。
いくつかの実施形態では、第１の水素ポンプ４１４Ａは、第２及び／又は第３の水素ポンプ４１４Ｂ、４１４Ｃよりも多い数の水素ポンピングセル４２０を含むことができる。例えば、第１の水素ポンプ４１４Ａは、第２の水素ポンプ４１４Ｂ及び／又は第３の水素ポンプ４１４Ｃの２倍の数の水素ポンピングセル４２０を含むことができる。
さらに他の実施形態では、燃料排気処理装置４００は、単一の水素流のみを排出することができる。例えば、第３の水素ポンプ４１４Ｃを省略してもよい。特に、ＡＴＯ３３０内の発熱反応によって生成された熱は、カソード復熱装置３２０内で燃料電池スタック３０２に供給される空気を加熱するためにＡＴＯ排気を利用することによって、アノード復熱装置３１０内で起こる吸熱燃料改質反応による熱損失を相殺するために利用することができる。
第２のセパレータ導管４０１Ｂは、アノード排気を第１の水素ポンプ４１４Ａのアノード入口に供給することができる。第１の水素ポンプ４１４Ａのアノード出口は、第１の排気導管４０２Ａによって、第２の水素ポンプ４１４Ｂのアノード入口に流体的に接続され得る。第２の水素ポンプ４１４Ｂのアノード出口は、第２の排気導管４０２Ｂによって、第３の水素ポンプ４１４Ｃのアノード入口に流体的に接続することができる。第３の水素ポンプ４１４Ｃのアノード出口は、第３の排出導管５０２Ｃ及び第４の排出導管５０２Ｄによって、二酸化炭素処理装置５２０に流体的に接続することができる。
二酸化炭素処理装置５２０は、二酸化炭素貯蔵装置又は二酸化炭素タンク５２４に流体的に接続することができる。二酸化炭素処理装置５２０は、燃料排気処理装置４００から受け入れた二酸化炭素流を圧縮及び／又は冷却するように動作することができる。この処理装置は二酸化炭素流から水を除去するように構成された凝縮器及び／又はドライヤーであってもよい。二酸化炭素流は、蒸気、液体、固体、又は超臨界二酸化炭素の形態で二酸化炭素処理装置５２０に供給され得る。
第１の水素導管４０４Ａは、第１のスタック４１０Ａのカソード出口に流体的に接続することができ、第２の水素導管４０４Ｂは、第２のスタック４１０Ｂのカソード出口に流体的に接続することができ、第３の水素導管４０４Ｃは、第３のスタック４１０Ｃのカソード出口に流体的に接続することができる。第１の水素導管は、第１の戻り導管４０６Ａに流体的に接続することができ、第２の水素導管４０４Ｂは、第１の水素導管４０４Ａに流体的に接続することができる。特に、第１の戻り導管４０６Ａは、水素がスタック３０２に再循環され得るように、第１の水素ポンプ１１４Ａ、第２の水素ポンプ４１４Ｂ、及び／又は第３の水素ポンプ４１４Ｃによってアノード排気から得られた水素を混合器３１６に供給するように構成することができる。
第３の水素導管４０４Ｃは、第２の戻り導管４０６Ｂによって燃料電池システム３００に流体的に接続することができる。特に、第２の戻り導管４０６Ｂは、第３のスタック１１４Ｃによってアノード排気から得られた水素を第２の戻り導管４０６Ｂに供給するように構成することができ、第２の戻り導管４０６Ｂは、水素をＡＴＯ３３０に供給することができる。
いくつかの実施形態では、任意選択の第４の水素導管４０４Ｄが、第３の水素導管４０４Ｃを第１の水素導管４０４Ａに流体的に接続することができる。任意選択の第５の水素導管４０４Ｅは、第２の水素導管４０４Ｂを第３の水素導管４０４Ｃに流体的に接続することができる。第１の排出導管５０２Ａ及び第２の排出導管５０２Ｂは、第１の水素導管４０４Ａを水素処理装置５００に流体的に接続することができる。
水素処理装置５００は、例えば、凝縮器及び／又は圧縮機を含むことができ、水素貯蔵タンク５０４に流体的に接続することができる。凝縮器は、燃料排気処理装置４００から受け入れた水素流を、水素流中の水蒸気を凝縮するのに十分な温度まで冷却するように構成された、空冷式又は水強化型空冷式凝縮器及び／又は熱交換器であってよい。圧縮機はまた、水素を圧縮するように構成することができ、水素タンク５０４は、圧縮された水素を貯蔵するように構成することができる。
第１の戻り導管４０６Ａは、スプリッタ４４０を燃料電池システム３００の混合器３１６に流体的に接続することができる。第２の戻り導管４０６Ｂは、第１のセパレータ導管４０１ＡをＡＴＯ３３０に流体的に接続することができ、第３の水素導管４０４Ｃにも流体的に接続することができる。他の実施形態では、第２の戻り導管４０６Ｂは、スプリッタ４４０の出口に流体的に接続することができる。第３の戻り導管４０６Ｃは、第２のセパレータ導管４０１Ｂを第２の戻り導管４０６Ｂに流体的に接続することができる。
様々な実施形態において、燃料排気処理装置４００は、流体の流れを制御するための様々な弁を含むことができる。例えば、第１のセパレータ導管弁４０１Ｖ１及び第２のセパレータ導管弁４０１Ｖ２は、それぞれ、第１及び第２のセパレータ導管４０１Ａ、４０１Ｂを通るアノード排気の流れを制御するように構成され得る。第１の水素導管弁４０４Ｖ１、第２の水素導管弁４０４Ｖ２、第３の水素導管弁４０４Ｖ３、第４の水素導管弁４０４Ｖ４、及び第５の水素導管弁４０４Ｖ５は、第１、第２、第３、第４及び第５の水素導管４０４Ａ、４０４Ｂ、４０４Ｃ、４０４Ｄ、４０４Ｅを通る水素の流れをそれぞれ制御するように構成され得る。二方弁などの水素貯蔵弁５０３は、第１の水素導管４０４Ａから排出導管５０２への水素の流れを制御するように構成され得る。第２の戻り導管弁４０６Ｖ２及び第３の戻り導管弁４０６Ｖ３は、第２及び第３の戻り導管４０６Ｂ、４０６Ｃを通るアノード排気の流れをそれぞれ制御するように構成され得る。
いくつかの実施形態では、燃料排気処理装置４００は、複数のホットボックス１００に流体的に接続することができる。例えば、スプリッタ４４０は、複数のリサイクル導管３０８Ａ／３０８Ｂからアノード排気を受け入れることができ、複数の戻り導管４０６Ａ、４０６Ｂに流体的に接続することができる。例えば、リサイクル導管３０８Ａ／３０８Ｂ及び戻り導管４０６Ａ、４０６Ｂは分岐され、異なるホットボックス１００に接続することができる。
システム３００は、様々な異なる水素処理装置５００及び／又は二酸化炭素処理装置５２０と共に動作するように構成することができ、これらは第三者によって現場で提供され得る。したがって、燃料排気処理装置４１０から排出される水素及び／又は二酸化炭素流の流量及び／又は生産速度を、特定の二酸化炭素処理装置５２０のスループットと一致させることは困難である場合がある。特に、このような差異は正及び／又は負の圧力変動を引き起こし得る。例えば、水素処理装置５００のスループットが高すぎる（例えば、水素処理装置５００が水素流を強く引っ張りすぎる）場合に、システム３００内に負圧が引き起こされる可能性があるか、又は、スループットが低すぎる場合に、システム３００内に正圧が引き起こされる可能性がある。
このような圧力変動は、システム３００内に問題を引き起こす可能性がある。例えば、過度の負圧は、システム３００内への空気の漏れをもたらす可能性があり、又はシステム３００の電解質全体に高い圧力変動をもたらす可能性があり、これが、ひび割れ等の電解質損傷のリスクを増大させる可能性がある。極端に高い圧力も、電解質全体に圧力変動をもたらし、電解質損傷のリスクを増大させる可能性がある。
したがって、システム３００は、第１及び第２の排出導管５０２Ａ、５０２Ｂに流体的に接続された水素ブロワ５１０を含むことができる。第１の排出導管５０２Ａは、燃料排気処理装置４００の水素出口を水素ブロワ５１０の入口に流体的に接続することができる。第２の排出導管５０２Ｂは、水素ブロワ５１０の出口を水素処理装置５００に流体的に接続することができる。水素ブロワ５１０は、水素流の圧力を上昇させるように構成することができる。例えば、水素ブロワ５１０は、水素流の圧力を、約２～約１５ポンド毎平方インチゲージ（ｐｓｉｇ）、例えば、約５～約１０ｐｓｉｇに増加させるように構成することができる。水素ブロワ５１０はまた、燃料排気処理装置４００及び／又はスタック３０２などのシステム３００の構成要素を、水素処理装置５００によって引き起こされる圧力変動から隔離するように動作することができる。
システム３００はまた、第３及び第４の排出導管５０２Ｃ、５０２Ｄに流体的に接続された二酸化炭素ブロワ５１２を含むことができる。第３の排出導管５０２Ｃは、燃料排気処理装置４００の二酸化炭素出口と二酸化炭素ブロワ５１２の入口とを流体的に接続することができる。第２の二酸化炭素導管５０２Ｂは、二酸化炭素ブロワ５１２の出口を二酸化炭素処理装置５２０に流体的に接続することができる。二酸化炭素ブロワ５１２は、二酸化炭素流の圧力を上昇させるように構成することができる。例えば、二酸化炭素ブロワ５１２は、二酸化炭素流の圧力を、約２～約１５ポンド毎平方インチゲージ（ｐｓｉｇ）、例えば、約５～約１０ｐｓｉｇに増加させるように構成することができる。二酸化炭素ブロワ５１２はまた、燃料排気処理装置４００及び／又はスタック３０２などのシステム３００の構成要素を、二酸化炭素処理装置５２０によって引き起こされる圧力変動から隔離するように動作することができる。
さまざまな実施形態では、システム３００は、水素ブロワ５１０内の液体水の蓄積を低減及び／又は防止するために、水素流から凝縮水を除去するように構成された任意選択のウォーターノックアウト装置５３０を含むことができる。他の実施形態では、システム３００は、二酸化炭素ブロワ５１２内の液体水の蓄積を低減及び／又は防止するために、二酸化炭素流から凝縮水を除去するように構成された任意選択のウォーターノックアウト装置５３２を含むことができる。
開示された態様の前述の説明は、当業者が本発明をなす又は使用することを可能にするために提供される。これらの態様に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義される概括的な原理は、本発明の範囲から逸脱することなく、他の態様に適用することができる。したがって、本発明は、本明細書に示される態様に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示される原理及び新規の特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。

Claims (20)

  1. 蒸気を発生するように構成された蒸気発生器；
    前記蒸気発生器によって発生された前記蒸気を利用して水素流を発生するように構成された固体酸化物形電解セルのスタック；
    前記スタックによって発生された前記水素流を加圧するように構成された水素ブロワ；及び
    加圧された前記水素流を圧縮するように構成された水素処理装置を含む電解槽システム。
  2. 加圧された水素流が約２～約１５ｐｓｉｇの範囲の圧力を有するように、前記水素ブロワの動作を制御するように構成されたコントローラをさらに含む、請求項１に記載の電解槽システム。
  3. 前記スタックを収容するホットボックス；
    前記ホットボックスの水素出口を前記水素ブロワに流体的に接続する第１の排出導管；及び
    前記水素ブロワの出口を前記水素処理装置の入口に流体的に接続する第２の排出導管をさらに含む、請求項１に記載の電解槽システム。
  4. 前記水素ブロワは、前記水素処理装置によって生じた圧力変動が前記スタックに伝わるのを防止するように構成される、請求項３に記載の電解槽システム。
  5. 前記水素処理装置の出口に流体的に接続された水素タンクをさらに含む、請求項３に記載の電解槽システム。
  6. 前記水素ポンプは、複数のホットボックスから水素流を受け入れる、請求項３に記載の電解槽システム。
  7. 水素を前記蒸気発生器から排出された蒸気と混合するように構成された混合器；及び
    水素を前記第１の排出導管から前記混合器に転向させるように構成された水素ダイバータをさらに含み、
    前記混合器の出口が、前記スタックの入口に流体的に接続される、請求項３に記載の電解槽システム。
  8. 前記混合器は前記ホットボックスの外側に配置される、請求項７に記載の電解槽システム。
  9. 前記第１の排出導管から凝縮水を除去するように構成されたウォーターノックアウト装置をさらに含む、請求項３に記載の電解槽システム。
  10. 前記スタックから排出される酸素排気から得られた熱を利用して、前記蒸気発生器に供給される水を予熱するように構成された水予熱器；
    予熱された前記水を気化させることによって蒸気を発生するように構成された気化器；及び
    前記蒸気の温度を約１０℃から約１００℃だけ上昇させるように構成された過熱器をさらに含む、請求項１に記載の電解槽システム。
  11. ホットボックス；
    前記ホットボックス内に配置され、発電するように構成された固体酸化物形燃料電池のスタック；
    前記ホットボックス内に配置されたアノードテールガス酸化器；
    前記スタックから受け入れたアノード排気流を分離し、二酸化炭素流と水素流を排出するように構成された燃料排気処理装置；
    前記水素流を加圧するように構成された水素ブロワ；
    加圧された前記水素流を圧縮するように構成された水素処理装置；及び
    前記二酸化炭素流を圧縮するように構成された二酸化炭素処理装置を含む燃料電池システム。
  12. 加圧された前記水素流が、約２～約１５ｐｓｉｇの範囲の圧力を有するように、前記水素ブロワの動作を制御するように構成されたコントローラをさらに含む、請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記燃料排気処理装置の水素出口を前記水素ブロワに流体的に接続する第１の排出導管；及び
    前記水素ブロワの出口を前記水素処理装置の入口に流体的に接続する第２の排出導管をさらに含む、請求項１１に記載の燃料電池システム。
  14. 前記水素ブロワは、前記水素処理装置によって生じた圧力変動が前記燃料排気処理装置に伝わるのを防止するように構成される、請求項１３に記載の燃料電池システム。
  15. 前記水素処理装置の出口に流体的に接続された水素タンクをさらに含む、請求項１１に記載の燃料電池システム。
  16. 前記二酸化炭素流が前記二酸化炭素処理装置に供給される前に、前記二酸化炭素流を加圧するように構成された二酸化炭素ブロワをさらに含む、請求項１１に記載の燃料電池システム。
  17. 前記燃料排気処理装置の二酸化炭素出口を前記二酸化炭素ブロワに流体的に接続する第３の排出導管；及び
    前記二酸化炭素ブロワの出口を前記二酸化炭素処理装置の入口に流体的に接続する第４の排出導管をさらに含む、請求項１６に記載の燃料電池システム。
  18. 前記二酸化炭素ブロワは、前記二酸化炭素処理装置によって生じた圧力変動が前記燃料排気処理装置に伝わるのを防止するように構成される、請求項１７に記載の燃料電池システム。
  19. 前記二酸化炭素処理装置の出口に流体的に接続された二酸化炭素タンクをさらに含む、請求項１７に記載の燃料電池システム。
  20. 前記燃料排気処理装置は、
    前記スタックから受け入れた前記アノード排気流から水素を得て、前記水素を、前記燃料排気処理装置に供給される第１の水素流に排出するように構成された第１の水素ポンプ；
    前記第１の水素ポンプから排出されたアノード排気から水素を得て、前記水素を、前記第１の水素流に排出するように構成された第２の水素ポンプ；及び
    前記第２の水素ポンプから排出されたアノード排気から水素を得て、前記水素を、前記アノードテールガス酸化器に供給される第２の水素流に排出するように構成された第３の水素ポンプを含む、請求項１１に記載の燃料電池システム。
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