JP2024519270A - 燃料電池システムおよびそれを動作させるための方法 - Google Patents

燃料電池システムおよびそれを動作させるための方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、純水素の変換のために配置される燃料電池システム（１）に関し、前記システムは、（ａ）アノード（２ａ）、カソード（２ｂ）、および前記アノード（２ａ）とカソード（２ｂ）の間に提供される電解質（２ｃ）を包含する少なくとも１つの燃料電池（２）であって、さらにメタンの内部改質のために配置された燃料電池（２）と、（ｂ）燃料導管入口（７）とアノード入口（２ｅ）を接続する燃料導管（６）と、（ｃ）アノード出口（２ｄ）と、アノード排気からメタンを生成する能力を有するメタン化ユニット（３）を接続するアノード排気導管（４）と、（ｄ）メタン化ユニットの出口と前記燃料導管（６）を接続するメタン化ユニット排気導管（１１）と、（ｅ）前記メタン化ユニット排気導管（１１）に結合される除水および／または復水器ユニット（１２）と、を包含し、前記燃料導管（６）の前記燃料導管入口（７）内に導入される燃料は、純水素であり、かつ、前記メタン化ユニット（３）内において生成されるメタンの量は、前記燃料電池（２）の内側において改質されるメタンの量と等しく、それで前記燃料電池システム（１）を通って循環するメタン含有量が一定となる。

Description

本発明は、総合効率が増加した燃料電池システムおよび総合効率が増加した燃料電池システムを動作させるための方法に関する。
燃料電池システム、特に、動作温度が約６００乃至８００℃の高温燃料電池システム（たとえば、ＳＯＦＣ）は、従来技術において広く、燃料流とオキシダント流の酸化還元反応によって生み出される電力の発生のために使用されている。特に水素は、燃料電池の内側に炭素堆積を導く可能性のある炭素含有物質を含まないことから燃料ガスとして好ましい。
しかしながら、従来技術において周知の燃料電池システムが有する最大燃料利用度は、通常、約７０乃至８０％に過ぎず、これらの燃料電池システムは、低い総合効率を示し、最大で６０％の廃熱を発生する。燃料電池の内側の電気化学反応によって生成される熱に起因して冷却が実行される必要性がある。これは、通常、この目的のためにカソードに供給される空気を使用することによってなされ、そのことから空気ブロアのために多くのエネルギを消費する。
従来技術においては、炭化水素ベースの燃料（たとえば、天然ガス）と水蒸気の混合物で高温燃料電池を動作させることが、水蒸気を用いた炭化水素燃料の吸熱改質に起因して廃熱量の低減を導くこと、したがって水素ベースのシステムとの比較においてしばしばより高いシステム効率を導くことも周知である。従来技術において炭化水素燃料での動作時に炭素堆積に関係する燃料電池のダメージを防止するには、水蒸気または二酸化炭素等のそのほかの酸素含有物質の大量添加が必要になる。しかしながら、水蒸気（および／または、ＣＯ２）が燃料電池反応の反応生成物であることから、燃料への水蒸気の大量添加は、ネルンスト電位を下げることになり、それによって燃料電池の効率および／または電力密度が著しく低下するために不都合である。
したがって、本発明の基礎をなす目的を、発電のための高効率燃料電池システムを提供することとする。それに加えて本発明は、燃料利用度がし総合効率が増加した燃料電池システムの動作方法の提供を目的とする。さらに、燃料利用度が増加し総合効率が増加した燃料電池モードにおいて動作し、かつ電解モードにおいても動作する能力を有し、それによって水蒸気から純水素および電気を生成する可逆燃料電池システムを動作させるための方法を提供することを本発明の目的とする（これに関して、任意の燃料電池システムを、特に燃料電池モードにおける動作の間は、この種の可逆燃料電池システムと同等と見做すことが可能である）。
前記目的は、独立請求項によって達成される。従属請求項は、本発明の有利な実施態様を含む。
したがって、本発明の燃料電池システムは、前記（可逆）燃料電池システムに送り込まれる純水素の変換のために配置され、好ましい実施態様によれば固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）とする少なくとも１つの燃料電池を包含する。前記燃料電池は、それ自体がアノード、カソード、および前記アノードとカソードの間に提供される電解質を包含する。前記燃料電池は、さらに、メタンの内部改質のために配置される。これにおいて『内部』は、『燃料電池内』を意味する。言い換えると、改質区間が前記燃料電池の部分を形成し、したがって前記燃料電池内に（前記燃料電池の内側に）備わり、特に、前記燃料電池の電気化学反応領域の近傍および／またはそこに配置され、したがって前記燃料電池反応領域と直接熱接触する。
燃料は、燃料導管を介して前記アノードのアノード入口に供給され、また燃料導管入口を介して前記燃料導管内に導入される前記燃料は、純水素である（当然のことながらこれは、その供給源に依存し、最大で５体積パーセントの不可避の不純物を含むことがある）。アノード排気導管が提供され、それが前記燃料電池のアノード出口とメタン化ユニットを接続する。前記メタン化ユニットは、アノード排気からメタンを生成する能力を有する。より詳細に述べれば、前記アノード排気は、水素および炭素含有物質を含み、したがって、前記メタン化ユニットは、ＣＯ、ＣＯ２、および水素を含む混合物からＣＨ４を生成することが可能である。前記メタン化ユニットは、さらに、メタン化ユニット出口を包含し、メタン化ユニット排気導管が、前記メタン化ユニット出口と前記燃料導管を接続する。言い換えると、前記メタン化ユニット排気導管は、前記メタン化ユニット内において生成されたメタンが前記燃料導管に供給され、かつ前記燃料導管入口を介して前記燃料導管に供給される前記純水素と混合されるように、前記燃料導管と結合される。
前記燃料電池システムの動作時においては、水素およびメタンを含む燃料（＝混合物）が前記アノードに供給され、前記燃料内に含まれているメタンが、前記燃料電池の内側において改質される。前記改質反応が吸熱性であることから、前記燃料電池反応（前記アノード側における水素の消費）によって生成される熱が吸収され、前記改質反応において使用される。言い換えると、前記燃料電池内において前記燃料電池反応によって生成される熱を、前記燃料電池の内側において前記改質反応を実行することによって効果的に消費することが可能である。このことは、前記カソードに供給される空気の使用による前記燃料電池の冷却の必要性をより小さくし、言い換えると、空気が前記燃料電池の冷却のために主として使用されなくなることから、空気を前記カソードに供給するファンまたはその類を駆動するために使用される電力がより小さくて済む。
しかしながら、前記カソード側におけるファンまたはその類を動作させるための電力の節約に起因して前記燃料電池システムの総合効率を向上させるその種の効率的な内部冷却を有するためには、前記燃料電池にそれぞれ考慮される量のメタンを供給することが必要である。本発明によれば、このメタンが前記燃料電池システムに送り込まれた後は外側から供給されることがなく、前記燃料電池システムを動作させることによってメタンが消費されるが、それの代わりに、前記改質のために使用されるメタンが、前記燃料電池システムの本質的な構成要素の１つである前記メタン化ユニット内において発生する。
それに加えて、前記メタン化ユニット内において生成されるメタンの量は、前記燃料電池の内側で内部的に改質されるメタンの量と等しくなり、それで前記燃料電池システムを通って循環するメタン含有量が一定となるように制御される。これは、結果として閉じたメタンサイクルをもたらす。改質されるメタンの量が前記メタン化ユニット内において生成されるメタンの量と等しい場合には、改質されるメタンのそれぞれ考慮される量を、たとえばカソードを介して前記燃料電池に供給されなければならない冷却エネルギをまったくなしに、または最小となるように調整することが可能である。
内部改質のために配置された燃料電池と、上に概説されているとおりに制御される前記アノード排気導管内に備えられたメタン化ユニットを使用することによって前記燃料電池システムを通して一定の量のメタンを循環させることは、前記燃料電池システムの高いエネルギ出力を、したがって高い総合効率を達成する。
前記燃料電池システムは、前記メタン化ユニット排気導管と結合される除水および／または復水器ユニットをさらに包含し、第１の熱伝達手段が存在する場合にはその下流にそれを備えることができる。前記除水および／または復水器ユニットは、前記メタン化生成物の蒸気含有量を、前記燃料電池に送り込まれる燃料混合物が含む残留蒸気が少量だけになるように低減する能力を有する。前記燃料混合物内の多量の蒸気は、ネルンスト電圧ポテンシャルの低減によって前記燃料電池反応の電気化学的効率を大きく減ずる。
したがって、前記燃料電池システムを通って循環する水の除去は、前記電気化学的効率の増加に寄与し、したがって前記燃料電池システムの総合効率の増加にも寄与する。
上には明示的に述べられてはいないが、本発明の燃料電池システムの燃料電池は、カソード・入口を介して前記カソードに酸素または空気等のオキシダントを供給するためのオキシダント・導管をさらに包含する。さらに、オキシダント排気導管も備えられる。
さらに好ましくは、上に述べられている燃料電池システムが、前記燃料混合物内における水蒸気の存在を必要性とすることなく、すなわち前記燃料電池に供給される前記燃料に水を添加することなく、炭素堆積が熱力学的に防止されるように、前記燃料電池の動作温度および圧力に依存して前記燃料混合物内の水素対メタンの比を制御する手段を包含し、前記手段は、以下の値および与えられた値の間の線形補間による中間の値に従って前記比を調整する能力を有する。
● 大気圧、５５０℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞１．７とするか；または、
● ２バールの絶対圧力、５５０℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞１とするか；または、
● ５バールの絶対圧力、５５０℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞０．６３とするか；または、
● 大気圧、６００℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞２．５とするか；または、
● ２バールの絶対圧力、６００℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞２とするか；または、
● ５バールの絶対圧力、６００℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞１．５とするか；または、
● 大気圧、６５０℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞５．５とするか；または、
● ２バールの絶対圧力、６５０℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞３とするか；または、
● ５バールの絶対圧力、６５０℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞１．５とするか；または、
● 大気圧、７００℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞１０とするか；または、
● ２バールの絶対圧力、７００℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞５とするか；または、
● ５バールの絶対圧力、７００℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞２．４とする。
このことは、上に述べられている前記燃料電池のアノードに送り込まれる燃料内に存在する水蒸気の、前記燃料電池の前記ネルンスト電位に対する負の効果に関して有利であり、したがってより効率の高い燃料電池を導く。前記アノードに供給される前記燃料の含有メタンは、従来技術における燃料内に存在する過剰な水蒸気の送り込みに代わり、燃料内の水素の電気化学的酸化の間に形成される水蒸気のみを伴って少しずつ改質される。これは、前記アノード入口における大きな直接的な温度降下を導くことに代わり、前記改質反応が、前記燃料電池反応領域に沿って連続的に広がるというさらなる利点を有する。
さらなる好ましい実施態様によれば、前記メタン化ユニット排気導管は、メタン化ユニットの排気からの熱を、前記アノード入口に供給される前記燃料（混合物）に伝達するための第１の熱伝達手段（たとえば、熱交換器等）を包含する。前記メタン化反応が発熱性反応であることから、前記メタン化生成物内に含まれている熱を前記燃料導管内の前記燃料に伝達することは、熱利用率を増加させ、したがって総合効率の全体的な増加に寄与する。
前記燃料電池システムによって生み出される電力をさらに増加するために、好都合には、さらに前記燃料電池システムが蒸気回路を包含し、水蒸気を使用して電力を生み出す能力を有する。前記蒸気回路は、前記発熱性のメタン化が生じる前記メタン化ユニット反応領域が熱を前記蒸気回路に、好ましくは前記蒸気回路の蒸発区間に伝達するために直接または間接的に配置されている限りにおいて前記メタン化ユニットと熱的に結合される。この伝達される熱を使用して水蒸気を容易に生成することが可能であり、続いてそれを使用してタービンまたはその類を駆動することが可能であり、その後それが電力を生み出す。
前記蒸気回路を介した電力の生成効率を増加するために、前記蒸気回路が、好ましくは少なくとも１つのタービンを包含する。
熱利用レベルの増加の観点においてさらに好ましくは、前記アノード出口と前記燃料電池システムの前記メタン化ユニットの間の前記アノード排気導管が、さらに、前記燃料導管を介して前記アノードに供給される前記燃料または燃料混合物に前記アノード排気からの熱を伝達するための第２の熱伝達手段（たとえば、熱交換器等）を包含することができる。前記燃料電池反応が発熱性であることから、前記アノード排気内に含まれている熱が、結果として燃料または燃料混合物の加熱に直接使用され、そのことが前記吸熱改質反応を大きく支援し、前記燃料電池反応の促進に寄与する。
前記アノード入口に供給されるメタンが前記メタン化ユニット内において生成されるメタンに対応するとき、初期メタン含有量のほかには動作中に前記燃料電池システムに追加のメタンが供給されることはなく、またこの実施態様によれば、炭素関連排出物質が軽微なガスケットの漏れだけからなり、それを最小に保つことが可能である。
実施態様によれば、本発明の燃料電池システムの総合効率をさらに向上させることが可能であり、前記燃料電池反応の熱の少なくとも３０％、好ましくは少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７０％が前記改質反応によって消費されるように、前記燃料電池システムを通って循環するメタン含有量が設定される。
前記燃料電池システムの柔軟性および機能性の増加の観点においては、前記燃料電池が可逆燃料電池であり、かつ燃料電池モードおよび、それに加えた電解モードにおける動作が可能であると好ましい。
前記電解モードにおいては、前記燃料電池は、水素と水蒸気の混合物を、炭素含有ガスの存在なしに、より水素に富む混合物に変換する能力を好ましく有する。このことは、実際上、前記システム内における純水素の生成を可能にし、それを、残留水蒸気の凝縮の後に外部の水素使用体に提供するか、または燃料電池動作モードにおける再利用のために貯蔵しておくことが可能である。
本発明のさらなる態様は、上に述べられている燃料電池システムを動作させる方法に関する。したがって、前記燃料電池システムの構成要素および機能性の観点から、上に提供されている注釈および説明を追加参照する。
この方法は、前記燃料導管の前記燃料導管入口内への純水素の送り込みを包含する。前記水素は、前記システムからの全体的な二酸化炭素放出が皆無となるように、前記燃料電池システムの全体的なバランスにおいて変換されることになる唯一の燃料としての働きを提供する。前記燃料導管内においては、前記純水素と前記メタン化ユニット排気導管から送り込まれるメタン化ユニット排気が、前記メタン化ユニット排気から水分が除去されるか、または凝縮された後に混合される。前記メタン化ユニット排気は、主要な成分として水素およびメタンを包含する。次に、得られた混合物が前記アノード入口に送り込まれる。前記燃料電池内においては、前記混合物に含まれているメタンが、次に、前記燃料電池の内側における水素の電気化学的酸化から主として生じた水蒸気を伴って、吸熱改質反応において水素および炭素の酸化物が生成されるように改質される。燃料電池反応は、前記燃料電池内においてなされ、水素は、変換される一次燃料としての働きを提供する。前記アノード出口を出たアノード排気は、次に、前記アノード排気導管を介して前記メタン化ユニットに供給され、前記メタン化ユニット内においては、前記アノード排気からメタンが発生する。前記メタン化ユニット内において生成されるメタンの量は、前記内部改質において改質されるメタンの量に等しく、したがって前記燃料電池システムを通って循環するメタン含有量が一定であり、閉じたメタンサイクルが提供される。
上に述べられている動作方法において使用されるメタンが一定量に保たれ、かつ前記燃料導管を介して新しいメタンが送り込まれないことから、前記燃料電池システムの二酸化炭素放出を効率的に防止することが可能である。さらにまた、メタンが前記燃料電池内において改質されることから、前記燃料電池反応によって生成される熱を、前記内部改質反応によって前記燃料電池が直接冷却されるように前記吸熱改質反応の実行のために使用することが可能である。したがって、たとえばファンなどのために多くの電力を消費する前記カソードへの多量の空気の分配によって主として行われる冷却を回避することが可能である。したがって、前記燃料電池システム内において発生する熱が、浪費されずに効果的に使用され、そのことが前記燃料電池システムの総合効率を増加する。
さらなる好ましい実施態様によれば、循環する水素とメタンの比を、水蒸気がまったく存在しないときでさえ炭素堆積が熱力学的に有利に働かないように、次のとおりに前記燃料電池の内側の動作温度および圧力に依存して調整することによって前記燃料電池の動作状態が制御され、それによって、与えられた値の間の線形補間は、炭素堆積のための概略の境界線を例示的に提供するが、それを切り下げてはならない。
● 大気圧、５５０℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞１．７とするか；または、
● ２バールの絶対圧力、５５０℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞１とするか；または、
● ５バールの絶対圧力、５５０℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞０．６３とするか；または、
● 大気圧、６００℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞２．５とするか；または、
● ２バールの絶対圧力、６００℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞２とするか；または、
● ５バールの絶対圧力、６００℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞１．５とするか；または、
● 大気圧、６５０℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞５．５とするか；または、
● ２バールの絶対圧力、６５０℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞３とするか；または、
● ５バールの絶対圧力、６５０℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞１．５とするか；または、
● 大気圧、７００℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞１０とするか；または、
● ２バールの絶対圧力、７００℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞５とするか；または、
● ５バールの絶対圧力、７００℃における体積比をＨ２：ＣＨ４＞２．４とする。
好ましい実施態様によれば、また熱効率および熱利用度をさらに増加するために、この方法が、メタン化ユニット排気からの熱を前記アノード入口に送り込まれる前記混合物に伝達することを包含する。このことは、前記燃料電池システムの熱効率を向上させる。
それに代えて、またはそれに加えて、この方法は、前記メタン化ユニットからの熱を蒸気回路に伝達し、前記蒸気回路内における水蒸気を使用した電力の生成を支援するステップを包含することができる。このステップによれば、前記電力の生成を直接増加することが可能である。たとえば、前記メタン化反応の間に発生する熱を用いた水の加熱によって生成される水蒸気によってタービンを駆動することができる。
前記水の除去または前記水の凝縮は、前記アノード入口に送り込まれる前記混合物にメタン化ユニット排気からの熱が伝達された後に好ましく実行され、特に、前記水の除去または前記水の凝縮は、前記アノード入口における前記混合物内の水蒸気含有量が前記アノード入口に供給される前記混合物の総体積流に対して１０体積パーセント未満、好ましくは３体積パーセント未満となるように制御される。このことは、高い効率および電力の生成を保証する。
さらに好ましくは、前記燃料電池システムを通って循環するメタン含有量が、前記燃料電池反応の熱の少なくとも３０％、好ましくは少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７０％が前記改質反応によって消費されるように設定される。前記燃料電池反応において生成される熱の消費が高いほど、温風排気の形式で浪費される熱エネルギが少なく、そのことが、前記燃料電池システムの総合効率に寄与する。
この方法は、さらに、前記燃料電池システムを通って追加の量の水素を循環させるステップを包含することができ、前記循環させる追加の量の水素が消費されない。
より好ましくは、前記燃料電池システムが２つ以上の燃料電池を包含することができ、個別の燃料電池のすべてを通って流れる電流の合計（電流密度×前記システム内の複数の燃料電池の総電池面積）が、漏れを通じた潜在的な水素の損失を減じた前記燃料導管入口を通って前記燃料電池システム内へ送り込まれる水素内の利用可能な電子の数（単位時間当たりに送り込まれる水素のモル当たり２モルの電子）に等しくなるようにそれが設定される。このことは、潜在的な水素の漏れを減じた前記燃料導管を通って送り込まれる水素の燃料利用度が100%であることに相似である。
さらなる好ましい実施態様によれば、前記燃料電池を可逆燃料電池とすることができ、前記燃料電池が電解モードで動作するとき、炭素含有種の代わりに水素が生成され、前記燃料電池を通って水素および任意に水蒸気が循環される。それによって、同一の可逆燃料電池システム内において純水素を生成することが可能である。
代替実施態様によれば、前記電解モードにおいて、メタン、またはメタンと水素の混合物を生成することができ、また水および二酸化炭素が、約Ｈ２Ｏ：ＣＯ２＝４：１の体積比において前記システムに添加される。それによって、効果の高い態様でメタンを生成することが可能であり、それをほかの目的のために使用することまたは貯蔵することが可能である。
さらに好ましくは、前記電解モードにおいて前記メタン化ユニットが、メタンが生成されるときに電解反応のための水蒸気を提供する。
本発明のさらなる詳細、利点、および特徴を、以下の添付図面の観点における実施態様の記述に関して説明する。図面は次のとおりである。
実施態様に従った燃料電池システムの略図的な図式である。
本発明を次の図を参照して説明する。これには、本発明の燃料電池のすべての本質的な要素と構成要素が示されている。そのほかのすべての要素および構成要素は、本発明の理解を高めるために省略した。与えられている温度の値は、いずれもより良好な理解のための実例として提供されているだけであり、示されている値への何らかの制約を表すものではない。
詳細を述べれば、図１は、純水素の変換のために配置された燃料電池システム１を示している。燃料電池システムは、アノード２ａ、カソード２ｂ、およびアノード２ａとカソード２ｂの間に提供される電解質２ｃを包含する１つの燃料電池２を包含する。燃料電池２は、さらに、アノード（２ａ）内またはその周囲における内部改質のために配置される。『内部改質』は、メタンの変換を意味し、したがってメタンの改質反応が燃料電池２内、すなわち燃料電池の内側において、したがって燃料電池２の反応領域と直接熱接触して行われる。
燃料電池システム１は、さらに、メタン化ユニット３を包含する。メタン化ユニット３は、アノード排気からメタンを生成するべく構成される。したがって、アノード出口２ｄとメタン化ユニット３は、アノード排気導管４を介して接続されている。
メタン化ユニット３は、蒸気サイクル（蒸気回路）５と熱的に結合され、したがって第３の熱交換器５ａがメタン化ユニット３の部分を形成する。蒸気サイクル５は、水蒸気によって駆動されるタービン５ｂを発電のために包含する。さらに蒸気サイクル５内には、復水器または水分離器５ｃおよびポンプ５ｄが備えられている。
燃料導管６は、燃料導管入口７とアノード入口２ｅを接続する。燃料導管６内には、ブロア８が備わり、その下流には、第１の熱交換器（第１の熱伝達手段）９と第２の熱交換器１０が備わる。
メタン化ユニット排気導管１１は、メタン化ユニット３と燃料導管６を、ブロア８の上流において接続する。メタン化ユニット排気導管１１内には、復水器または水分離器１２が備わり、メタン化ユニット排気から水を分離する。
燃料電池システム１を動作させるとき、燃料導管入口７を介して純水素が燃料導管６に送り込まれる。『純水素』は、純度が少なくとも９５体積パーセント、好ましくは少なくとも９９．５体積パーセントの水素を意味し、残りは不可避の不純物である。燃料導管６内において、水素が、主としてメタンおよび水素を含むメタン化ユニット排気と混合される。例として、燃料導管入口７を通じて毎秒４モルの水素を送り込むことができる一方、メタン化ユニット排気は、毎秒１．２５モルのメタンに対して毎秒１モルの水素を燃料導管６に送り込むことができる。５モル／秒の水素と１．２５モル／秒のメタンの混合物は、続いてブロア８内において圧縮され、第１の熱交換器９に到達する。第１の熱交換器９は、メタン化ユニット排気からの熱を、主として水素およびメタンを含む燃料の混合物に伝達し、その結果、当該混合物が初回の予熱を受け、温度がほぼ環境温度（２０℃）から、たとえば３００℃まで上昇する。
その後この燃料混合物は、第２の熱交換器１０に入る。これにおいては、熱がアノード排気から混合物に伝達され、その結果、アノード入口２ｅにおける混合物の温度が、たとえば約５８０℃になる。このように高い温度が、通常は固体酸化物燃料電池の適切な動作のために必要である。
アノード排気は、たとえば約６３０℃の高温でアノード出口２ｄを離れるが、この熱は、さらに第２の熱交換器１０内において、アノード入口２ｅに供給される混合物の予熱に使用される。そのとき予冷されたアノード排気は、メタン化ユニット３に入り、発熱性メタン化反応によってメタンが発生する。アノード排気がより低い温度においてメタン化ユニット３に入ることから、発熱性のメタン化反応がさらに促進される。
メタン化反応は、メタンおよび熱を生成し、その熱が蒸気サイクル５に伝達される。この熱は、水からの水蒸気の生成に使用することが可能であり、その水蒸気は、タービンを駆動することが可能であり、したがって余剰の電力を生成することが可能であり、反応熱がより効果的に使用される。
メタン化排気の実体的な熱を、第１の熱交換器９を使用することによって燃料導管６内における水素およびメタンを含む燃料混合物の予熱に使用することが可能である。メタン化ユニット排気の温度を、その後、たとえば８０℃まで降下させることができ、続いて、復水器または水分離器１２内においてメタン化ユニット排気から水が凝縮され、分離される。飽和圧力と温度の依存関係に起因して、これが、低い水蒸気含有を達成するために理想的には環境温度に近い値に至るメタン化ユニット排気の温度のさらなる低下を導く。水を低減したメタン化排気は、その後、燃料導管入口７を介して送り込まれて燃料導管６に入る外部水素と再び混合される。
完全を期するために、カソード２ｂがカソード入口２ｆおよびカソード出口２ｇを包含することを概説する。たとえば純酸素または空気等のオキシダントガスが、オキシダント導管１３を介してカソード入口２ｇに供給される。オキシダント導管１３内には、ブロア１４をはじめ、熱交換器１５が配置されている。この熱交換器は、燃料電池２のカソード側の熱エネルギが効果的に使用されるように、オキシダント導管１３内のオキシダントの予熱に、カソード排気導管１６を介して供給されるカソード排気からの熱を使用する。
燃料電池システム１は、非常に効率的である。温度、圧力、シングル・パス燃料利用率等の動作状態によるが、燃料電池の電力効率は、約７０％であり、これは、燃料導管入口７を通って送り込まれた水素燃料の発熱量の７０％が、燃料電池２内において電気エネルギとして得られることを意味する。それに加えて、約１０％の電力を蒸気サイクル５によって生成することが可能である。しかしながら、優れた熱収支は、メタン化ユニット内において生成されるメタンの量が燃料電池内において改質されるメタンの量と等しく、それで燃料電池システムを通って循環するメタン含有量が一定となることからのみ達成される。いわゆる閉じたメタンサイクルは、燃料電池２において生成された熱が、燃料電池の内側の改質反応によって充分に消費されるように制御される。したがって、熱エネルギ、およびその結果としての、たとえばカソードに多量の空気を供給することによって燃料電池２を余分に冷却するための電気エネルギを節約することが可能である。さらにまた、アノード排気からのメタンの発生が再び熱を生成し、それを同一の蒸気サイクル内における追加の電流の生成に使用することが可能であり、その結果、燃料電池システム１の総合効率が並外れて高くなる。
以上、本発明の実施態様を例証し、説明してきたが、これらの実施態様が本発明のすべての可能性のある形式を例証し、記述しているとすることは意図されていない。この明細書内に使用されている用語は、限定というよりはむしろ記述的な用語であり、本発明の精神ならびに範囲から逸脱することなく多様な変更を行い得ることを理解されるものとする。
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
２ａ アノード
２ｂ カソード
２ｃ 電解質
２ｄ アノード出口
２ｅ アノード入口
２ｆ カソード入口
２ｇ カソード出口
３ メタン化ユニット
４ アノード排気導管
５ 蒸気サイクル
５ａ 第３の熱交換器
５ｂ タービン
５ｃ 水分離器
５ｄ ポンプ
６ 燃料導管
７ 燃料導管入口
８ ブロア
９ 第１の熱交換器
１０ 第２の熱交換器
１１ メタン化ユニット排気導管
１２ 水分離器
１３ オキシダント導管
１４ ブロア
１５ 熱交換器
１６ カソード排気導管

Claims (15)

  1. 純水素の変換のために配置される燃料電池システム（１）であって、
    アノード（２ａ）、カソード（２ｂ）、および前記アノード（２ａ）とカソード（２ｂ）の間に提供される電解質（２ｃ）を包含する少なくとも１つの燃料電池（２）であって、メタンの内部改質のために配置された燃料電池（２）と、
    燃料導管入口（７）とアノード入口（２ｅ）を接続する燃料導管（６）と、
    アノード出口（２ｄ）と、アノード排気からメタンを生成する能力を有するメタン化ユニット（３）を接続するアノード排気導管（４）と、
    メタン化ユニットの出口と前記燃料導管（６）を接続するメタン化ユニット排気導管（１１）と、
    前記メタン化ユニット排気導管（１１）に結合される除水および／または復水器ユニット（１２）と、
    を包含し、
    前記燃料導管（６）の前記燃料導管入口（７）内に導入される燃料は、純水素であり、
    前記メタン化ユニット（３）内において生成されるメタンの量は、前記燃料電池システム（１）を通って循環するメタン含有量が一定となるように、前記燃料電池（２）の内側において改質されるメタンの量と等しい、
    燃料電池システム（１）。
  2. さらに、燃料混合物内における水蒸気の存在の必要性を伴うことなく炭素堆積が熱力学的に防止されるように、前記燃料電池の動作温度および圧力に依存して燃料混合物内の水素対メタンの比を制御する手段を包含し、前記手段は、以下の値：
    大気圧、５５０℃においてＨ２：ＣＨ４＞１．７とする体積比の値；または、
    ２バールの絶対圧力、５５０℃においてＨ２：ＣＨ４＞１とする体積比の値；または、
    ５バールの絶対圧力、５５０℃においてＨ２：ＣＨ４＞０．６３とする体積比の値；または、
    大気圧、６００℃においてＨ２：ＣＨ４＞２．５とする体積比の値；または、
    ２バールの絶対圧力、６００℃においてＨ２：ＣＨ４＞２とする体積比の値；または、
    ５バールの絶対圧力、６００℃においてＨ２：ＣＨ４＞１．５とする体積比の値；または、
    大気圧、６５０℃においてＨ２：ＣＨ４＞５．５とする体積比の値；または、
    ２バールの絶対圧力、６５０℃においてＨ２：ＣＨ４＞３とする体積比の値；または、
    ５バールの絶対圧力、６５０℃においてＨ２：ＣＨ４＞１．５とする体積比の値；または、
    大気圧、７００℃においてＨ２：ＣＨ４＞１０とする体積比の値；または、
    ２バールの絶対圧力、７００℃においてＨ２：ＣＨ４＞５とする体積比の値；または、
    ５バールの絶対圧力、７００℃においてＨ２：ＣＨ４＞２．４とする体積比の値、
    および、与えられた値の間の線形補間による中間の値に従って前記比を調整する能を有する、
    請求項１に記載の燃料電池システム（１）。
  3. 前記メタン化ユニット排気導管（１１）は、メタン化ユニット排気からの熱を、前記アノード入口（２ｅ）に供給される前記燃料に伝達するための第１の熱伝達手段（９）を包含するか、および／または、
    前記燃料電池システムは、さらに、水蒸気を使用して電力を生成する能力を有する蒸気回路（５）を包含し、前記メタン化ユニット排気導管（１１）がメタン化ユニット排気からの熱を前記蒸気回路（５）に伝達するための第３の熱伝達手段（５ａ）を包含するか、および／または、
    前記アノード入口（２ｅ）に供給される前記メタンは、前記メタン化ユニット（３）内において生成される前記メタンに対応するか、および／または、
    前記燃料電池システム（１）を通って循環する前記メタン含有量は、燃料電池反応の熱の少なくとも３０％、好ましくは少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７０％が改質反応によって消費されるように設定される、
    請求項１または２に記載の燃料電池システム（１）。
  4. 前記燃料電池（２）は、可逆燃料電池であり、燃料電池モードおよび、それに加えた電解モードにおいて動作することができる、請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料電池システム（１）。
  5. 前記電解モードにおいては、前記燃料電池（２）は、水素と水蒸気の混合物を、炭素含有ガスの存在なしに、より水素に富む混合物に変換する能力を有する、請求項４に記載の燃料電池システム（１）。
  6. 請求項１から５のいずれかの１つに記載の燃料電池システム（１）を動作させる方法であって、
    （ａ）前記燃料導管（６）の前記燃料導管入口（７）内に純水素を送り込むことと、
    （ｂ）前記純水素とメタン化ユニット排気を前記メタン化ユニット排気導管（１１）内において混合し、得られた混合物を前記アノード入口（２ｅ）に送り込むことと、
    （ｃ）前記燃料電池（２）内部の前記混合物内に含まれているメタンを改質することと、
    （ｄ）前記燃料電池（２）において燃料電池反応を実行することと、
    （ｅ）前記メタン化ユニット（３）において前記アノード排気からメタンを発生させることと、
    （ｆ）前記メタン化ユニット排気内の除水および／または復水を行うことと、
    を包含し、前記メタン化ユニット（３）において生成されるメタンの量が前記燃料電池（２）内部で改質されるメタンの量と等しく、それで前記燃料電池システム（１）を通って循環するメタン含有量が一定となる、方法。
  7. 前記燃料電池の動作状態は、水蒸気がまったく存在しないときでさえ炭素堆積が熱力学的に有利に働かないように、循環する水素とメタンの比を、以下のように前記燃料電池内部の動作圧力および温度に依存して、
    大気圧、５５０℃においてＨ２：ＣＨ４＞１．７とする体積比の値；または、
    ２バールの絶対圧力、５５０℃においてＨ２：ＣＨ４＞１とする体積比の値；または、
    ５バールの絶対圧力、５５０℃においてＨ２：ＣＨ４＞０．６３とする体積比の値；または、
    大気圧、６００℃においてＨ２：ＣＨ４＞２．５とする体積比の値；または、
    ２バールの絶対圧力、６００℃においてＨ２：ＣＨ４＞２とする体積比の値；または、
    ５バールの絶対圧力、６００℃においてＨ２：ＣＨ４＞１．５とする体積比の値；または、
    大気圧、６５０℃においてＨ２：ＣＨ４＞５．５とする体積比の値；または、
    ２バールの絶対圧力、６５０℃においてＨ２：ＣＨ４＞３とする体積比の値；または、
    ５バールの絶対圧力、６５０℃においてＨ２：ＣＨ４＞１．５とする体積比の値；または、
    大気圧、７００℃においてＨ２：ＣＨ４＞１０とする体積比の値；または、
    ２バールの絶対圧力、７００℃においてＨ２：ＣＨ４＞５とする体積比の値；または、
    ５バールの絶対圧力、７００℃においてＨ２：ＣＨ４＞２．４とする体積比の値、
    を用いて調整することによって制御され、それによって、与えられた値の間の線形補間は、下回ってはならない炭素堆積の概略の境界線を例示的に提供する、
    請求項６に記載の方法。
  8. メタン化ユニット排気からの熱を、前記アノード入口（２ｅ）に送り込まれる前記混合物に伝達することを包含する、請求項６または７に記載の方法。
  9. 前記メタン化ユニットからの熱を蒸気回路（５）に伝達し、前記蒸気回路（５）内における水蒸気を使用する電力の生成を支援することを包含する、請求項６から８のいずれか１つに記載の方法。
  10. 前記除水または前記復水は、前記アノード入口（２ｅ）に送り込まれる前記混合物にメタン化ユニット排気からの熱が伝達された後に実行され、特に、前記除水または前記復水は、前記アノード入口（２ｅ）における前記混合物内の水蒸気含有量が前記アノード入口（２ｅ）に供給される前記混合物の総体積流に対して１０体積パーセント未満、好ましくは３体積パーセント未満となるように制御される、請求項６から９のいずれか１つに記載の方法。
  11. 前記燃料電池システム（１）を通って循環する前記メタン含有量を、燃料電池反応の熱の少なくとも３０％、好ましくは少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７０％が改質反応によって消費されるように設定することを包含する、請求項６から１０のいずれか１つに記載の方法。
  12. さらに、前記燃料電池システムを通って追加の量の水素を循環することを包含し、前記循環する追加の量の水素は、消費されないとする、請求項６から１１のいずれか１つに記載の方法。
  13. 個別の燃料電池のすべてを通って流れる電流の合計は、漏れを通じた潜在的な水素の損失を減じた単位時間当たりに前記燃料導管入口を通って前記燃料電池システム内に送り込まれる前記水素の利用可能な電子の数に等しくなるように設定される、請求項６から１２のいずれか１つに記載の方法。
  14. 前記燃料電池（２）が電解モードで動作するとき、水素が生成され、水素および任意に水蒸気が前記燃料電池（２）を通って循環されるか、または、
    前記燃料電池（２）が電解モードで動作するとき、メタンが生成され、水および二酸化炭素が、Ｈ２Ｏ：ＣＯ２＝４：１の体積比で前記燃料電池システムに添加される、
    請求項６から１３のいずれか１つに記載の方法。
  15. 前記燃料電池（２）が電解モードで動作するとき、前記メタン化ユニットは、電解反応のための水蒸気を提供する、請求項６から１４のいずれか１つに記載の方法。

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