JP5113749B2 - 分圧スイング吸着を利用するガス分離方法および装置 - Google Patents

分圧スイング吸着を利用するガス分離方法および装置 Download PDF

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Description

発明の詳細な説明
（関連特許出願の相互参照）
本出願は、両方ともそれらの全体が参照により本明細書に組み込まれる、２００５年７月２５日出願の米国特許出願第１１／１８８，１１８号および２００５年７月２５日出願の同第１１／１８８，１２０号の利益を主張する。
（発明の背景）
本発明は、概してガス分離の分野に関し、より具体的には、分圧スイング吸着又は温度スイング吸着によるアノード排出燃料の回収を有する燃料電池システムに関する。
燃料電池は、燃料に蓄えられたエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換する電気化学装置である。高温燃料電池は、固体酸化物（固体電解質型）燃料電池および溶融炭酸型燃料電池を含む。これらの燃料電池は、水素燃料および／または炭化水素燃料を使用して動作し得る。固体酸化物再生燃料電池などの燃料電池の種類があり、それらは、電気エネルギーを入力として使用して酸化された燃料を酸化されていない燃料に還元することができるなどの逆の動作が可能である。
（発明の概要）
本発明の実施形態は、分圧スイング吸着（pressure swing adsorption）（すなわち、濃縮スイング吸着（concentration swing
adsorption））を利用して、燃料電池スタックの燃料排出流から水素を分離し、水素を燃料電池スタックの燃料吸入流に戻すシステムおよび方法を提供する。以下に記載される最初の４つの実施形態は、水素を燃料排出流から分離するのに使用され得る「様々な分圧スイング吸着ガス分離方法および装置」を対象とし、第５および第６の実施形態は、「水素分離のための分圧スイング吸着方法および装置」を使用する燃料電池システムを対象とする。
（好ましい態様の詳細な説明）
本発明の第１の実施形態は、固体酸化物燃料電池スタックの燃料（すなわち、アノード側）排気から燃料を回収するなど、ガス分離のための４工程の分圧スイング吸着（すなわち、濃縮スイング吸着）サイクルを提供する。活性炭などの吸着剤が充填された２つの吸着床が使用され、二酸化炭素および水（すなわち、水蒸気）を燃料排気から吸着し、水素および一酸化炭素が吸着床を通過できるようにする。吸着床は、好ましくは向流（逆流）的に、適度な相対湿度（約３０％〜約５０％の相対湿度など）にまで乾燥された空気を用いて再生される。例えば、再生のための乾燥空気は、シリカゲルまたは活性アルミナを使用した温度スイング吸着サイクルにおいて生成され得る。洗浄工程は、付加的な水素を回収し、空気が回収された燃料を汚染するのを防ぐために用いられる。吸着および再生（すなわち、供給およびパージ）工程の持続時間は、好ましくは、洗浄工程の持続時間の少なくとも５倍、例えば１０〜５０倍の長さである。
これにより、最適なガス分離のための信頼性が高くエネルギー効率の良いサイクルが提供される。例えば、サイクルは、水素を最大限に取り戻し、二酸化炭素および空気を最大限に排除する、向流パージ工程および並流洗浄工程を有する分圧スイング吸着（本明細書では、濃縮スイング吸着とも称される）に基づいた高効率サイクルである。吸着床は好ましくは空気を用いて再生されるので、再生終了時に吸着床に残った空気を燃料電池スタックへ押し戻すことは望ましくない。さらに、再生工程の開始時には、流れが取り除かれた吸着床はガス相の水素を含んでいる。この水素を回収することが望ましい。洗浄工程は、再生終了時に吸着床に残った空気を取り除いて、この空気が燃料電池スタックに戻ることを防ぐとともに、再生工程の開始時に吸着床に残っている水素を燃料電池スタックの燃料導入口に供給するために用いられる。
第１の実施形態のシステムおよび方法は、固形酸化物燃料スタックの燃料排出流中の水素から二酸化炭素を分離する吸着システムに関して記載され例証されるが、第１の実施形態のシステムおよび方法は、燃料電池システムの一部ではないか、又は、例えば溶融炭酸型燃料電池システムなどの固体酸化物燃料電池システム以外の燃料電池システムの一部である「いかなる多成分ガス流を分離すること」にも使用され得ることに留意されたい。したがって、第１の実施形態のシステムおよび方法は、二酸化炭素から水素を分離することに限定されるものと見なされるべきではない。吸着床の吸着剤は、分離されるガスに基づいて選択され得る。
図１は、第１の実施形態のガス分離装置１を示す。装置１は、動作中に供給ガス吸気流（inlet stream、吸気流、吸入流、入口流）を供給する第１の供給ガス吸気導管（inlet conduit、吸入導管、入口導管）３を含む。装置１が燃料電池スタックの燃料排出流から水素を分離するのに使用される場合、導管３は燃料電池スタックのアノード排出口に動作可能に接続される。本明細書において、２つの要素が「動作可能に接続されている」とは、その二つの要素が直接または間接的に接続されて、一方の要素から他方の要素に流体が直接または間接的に流れることができることを意味する。装置１はまた、動作中にパージガス吸気流を供給する第２のパージガス吸気導管５を含む。
装置は、動作中に供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を収集する第３の供給ガス収集導管７を含む。装置１が、燃料電池スタックの燃料排出流から水素を分離し、且つ、その水素を燃料電池スタックの燃料導入口に再循環させるのに使用される場合、導管７は、燃料電池スタックの燃料導入口に動作可能に（即ち、スタックの燃料導入口に直接、又は、そのスタックの燃料導入口に動作可能に接続された燃料導入導管に）接続される。装置はまた、動作中、洗浄工程の期間に供給ガス排気流を収集し、供給／パージ工程の期間にパージガス排気流を収集する第４のパージガス収集導管９を含む。
したがって、装置１が、燃料電池スタックの燃料排出流から水素を分離するのに使用される場合、第１の導管３は、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、および水蒸気の吸気導管を構成し、第２の導管５は乾燥空気吸気導管を構成し、第３の導管７は水素および一酸化炭素の除去・再循環導管を構成し、第４の導管９は二酸化炭素および水蒸気の除去導管を構成する。
装置１はまた、少なくとも２つの吸着床１１および１３を含む。吸着床は、供給ガスの１つまたは複数の所望の成分の少なくとも大部分（例えば、少なくとも８０〜９５％）を吸着し、１つまたは複数の他の成分の大部分が通過できるようにする任意の好適な吸着剤を含み得る。例えば、吸着床の材料は、ゼオライト、活性炭、シリカゲル、または活性アルミナ吸着剤からなってもよい。活性炭は、燃料電池スタックの燃料排出流内の水蒸気および二酸化炭素から水素および一酸化炭素を分離するのに好適である。ゼオライトは同様に二酸化炭素を吸着する。しかしながら、ゼオライトは水を非常に強く吸着し、再生のためには、得ることが困難である非常に乾燥したガスを使用するべきである。したがって、ゼオライト床は、必ずしもそうとは限らないが、水蒸気を含有しないガス流を分離するのに好ましく使用できる。何故なら、水蒸気含有ガスを分離するのにゼオライト床を使用する装置は、ゆっくりとした性能低下を示し得るからである。
装置１はまた、ガス流を方向付ける複数の弁を含む。例えば、装置は、「二重ＬＬ」流路を備えた３つの四方弁、即ち、供給弁１５、再生弁１７および生成物弁１９を含み得る。供給弁１５は、第１の導管３に、２つの吸着床１１及び１３に、且つ、導管２１によって再生弁１７に、接続される。再生弁１７は、第２の導管５に、第４の導管９に、導管２１によって供給弁１５に、導管２３によって生成物弁１９に、接続される。生成物弁１９は、第３の導管７に、２つの吸着床１１及び１３に、導管２３によって再生弁１７に、接続される。四方弁は、一度に２つの流れの方向を変えるために使用され得る。そのような弁は、様々な大きさのものを入手可能であり、例えば、Ａ−Ｔ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ，Ｉｎｃ．，（米国オハイオ州シンシナティ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａ−ｔｃｏｎｔｒｏｌｓ．ｃｏｍ）から、入手可能である。所望により、各四方弁は、２つの三方弁または４つの二方弁に置き換えられてもよく、あるいはマニホルドを含む全く異なる流れ分配システムに置き換えられてもよい。
したがって、弁１５、１７、１９は、好ましくは、パージガス吸気流が、パージ工程中に供給ガス吸気流と向流的（逆流的）に、且つ、洗浄工程中に供給ガス吸気流と並流的に、吸着床１１および１３に供給されるように動作する。換言すれば、第１の導管３は、第１の吸着床１１および第２の吸着床１３に動作可能に接続されて、供給ガス吸気流を第１の方向で第１の吸着床１１および第２の吸着床１３に供給する。第２の導管５は、第１および第２の供給／パージ工程の間、パージガス吸気流が第１の方向とは異なる方向（反対方向など）で第１の吸着床１１および第２の吸着床１３のそれぞれに供給され、且つ、第１および第２の洗浄工程の間、パージガス吸気流が第１の方向（即ち、供給ガス給気流と同じ方向）で第１の吸着床および第２の吸着床に供給されるように、弁１７および１９を介して第１の吸着床１１および第２の吸着床１３に動作可能に接続される。
図２Ａ〜２Ｄは、システム１の動作サイクルの工程を示す。図２Ａは、第１の吸着床１１に燃料電池スタックの燃料排出流などの供給ガス吸気流が供給されるとともに、第２の吸着床１３を再生するために第２の吸着床１３に乾燥空気などのパージガスが供給される第１の供給／パージ工程中の装置１を示す。
供給ガス吸気流は、弁１５を介して導管３から第１の吸着床１１に供給される。水素、一酸化炭素、二酸化炭素、および水蒸気を含有する供給ガスの場合、水素および一酸化炭素の大部分（例えば、少なくとも８０〜９５％）は第１の吸着床１１を通過するとともに、二酸化炭素の大部分（例えば、少なくとも８０〜９５％）及び水蒸気の殆どは第１の吸着床に吸着される。水素および一酸化炭素などの供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む供給ガス排気流は、弁１９を通過し、第３の導管７などの第１の出力側にて収集される。
乾燥空気などのパージガス吸気流は、弁１７、導管２３および弁１９を介して、第２の導管５から第２の吸着床１３に供給される。パージガス排気流は、導管２１、弁１５および弁１７を通過し、第４の導管９などの第２の出力側にて収集される。
第１の供給／パージ工程において、弁の位置は、弁１５が供給物を第１の吸着床１１に方向付け、弁１９が導管７に水素生成物を逃がすような状態である。弁１７は、第２の吸着床を介して乾燥空気を向流的に押し流し、先立って吸着されていた二酸化炭素を取り除くように位置される。供給ガス流中の水の一部は、第１の吸着床１１の導入口において活性炭などの吸着剤に吸着され、後続の工程で再生されるときに吸着床１１から取り除かれる。一酸化炭素は、二酸化炭素の波が前進するにつれて第１の吸着床１１を通過する。
図２Ｂは、第１の供給／パージ工程の後に実施される第１の洗浄工程における装置１を示す。この工程では、供給弁１５および再生弁１７は先の工程から流れの方向を切り換え、一方、生成物弁１９は流れの方向を切り換えない。
パージガス吸気流は、弁１７、弁１５および導管２１を介して、導管５から第１の吸着床１１に供給される。好ましくは、このパージガス吸気流は、先の工程における供給ガス流と同じ方向で第１の吸着床１１に供給される。第１の吸着床の空隙容積内に捕捉された水素などの供給ガスの少なくとも１つの成分を含むパージガス排気流は、導管７などの第１の出力側にて収集される。
供給ガス吸気流は、弁１５を介して導管３から第２の吸着床１３に供給される。第２の吸着床１３の空隙容積内に捕捉された空気などのパージガスの一部を含む供給ガス排気流は、弁１９、弁１７および導管２３を通過し、第１の出力側とは異なる導管９などの出力側にて収集される。
したがって、第１の洗浄工程においては、第１の吸着床１１の空隙容積内に捕捉されていた水素は、入ってくる空気および脱離する二酸化炭素によって生成物へと押し流される。第２の吸着床１３の空隙容積内に捕捉されていた空気は、入ってくる供給ガスによって吸着床１３からパージされる（取り除かれる）。この工程は、先の供給工程から捕捉された水素を回収し続け、次の弁切換えの後において先のパージ工程からの空気が水素含有生成物を汚染するのを防ぐことによって、プロセスの全体的な効率を改善する。この洗浄工程は、先の供給／パージ工程の時間の１／５未満、例えば、先の工程の時間の１／１０〜１／５０など、短いものである。例えば、約９０秒の供給／パージ工程の場合、洗浄工程は約４秒であってもよい。
図２Ｃは、第１の洗浄工程の後に実施される第２の供給／パージ工程における装置１を示す。この工程では、第２の吸着床１３には燃料電池スタックの燃料排出流などの供給ガス流が供給され、第１の吸着床１１には乾燥空気などのパージガスが供給されて、第１の吸着床１１を再生する。したがって、この工程では、弁１７および弁１９の流路が切り換わる。この工程は、概して第１の供給／パージ工程と同様であるが、吸着床は入れ替えられている。
供給ガス吸気流は、弁１５を介して導管３から第２の吸着床１３に供給される。好ましくは、供給ガス吸気流は、第１のパージ工程においてパージガス吸気流が第２の吸着床１３に供給される方向とは反対（すなわち、向流）方向で第２の吸着床１３に供給される。水素および一酸化炭素などの供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む供給ガス排気流は、第３の導管７などの第１の出力側において収集される。パージガス吸気流は、弁１７、弁１９および導管２３を介して、導管５から第１の吸着床１１に供給される。好ましくは、パージガス吸気流は、第１の供給工程において供給ガス吸気流が第１の吸着床１１に供給される方向とは反対（すなわち、向流）方向で第１の吸着床１１に供給される。パージガス排気流は、第４の導管９などの第１の出力側とは異なる出力側において第１の吸着床１１から収集される。
図２Ｄは、第２の供給／パージ工程の後に実施される第２の洗浄工程における装置１を示す。この工程では、供給弁１５および再生弁１７は先の工程とは流れの方向を切り換えるが、生成物弁１９は切り換えない。この工程は第１の洗浄工程に類似しているが、吸着床は入れ替えられている。
パージガス吸気流は、弁１７、弁１５および導管２１を介して、導管５から第２の吸着床１３に供給される。好ましくは、この流れは、先の２つの工程における供給ガス吸気流と同じ方向で吸着床１３に供給される。第２の吸着床１３の空隙容積内に捕捉された水素などの供給ガスの少なくとも１つの成分を含むパージガス排気流は、第３の導管７などの第１の出力側において収集される。
供給ガス吸気流は、弁１５を介して導管３から第１の吸着床１１に供給される。第１の吸着床１１の空隙容積内に捕捉された空気などのパージガスの一部を含む供給ガス排気流は、第４の導管９などの第１の出力側とは異なる出力側において収集される。その後、図２Ａに示される第１の供給／パージ工程が繰り返される。一般に、上述の４つの工程は同じ順序で複数回繰り返される。
なお、供給ガス吸気流は、上述の工程において、好ましくは第１の吸着床１１および第２の吸着床１３それぞれに同じ方向で供給されることに留意されたい。第１および第２の洗浄工程においては、パージガス吸気流は、供給ガス吸気流の方向と同じ方向で、第１および第２の吸着床それぞれに供給される。対照的に、第１および第２の供給／パージ工程においては、パージガス吸気流は、供給ガス吸気流の方向の反対方向などの供給ガス吸気流と異なる方向で第１および第２の吸着床それぞれに供給される。
向流（逆流）的なパージガス吸気流は、並流に比べて、パージ工程の間の水素生成物流中の二酸化炭素の量を低減させると考えられるので有利である。一部の水は、供給工程の間、炭素吸着床の導入口の近くで吸着されるであろう。パージまたは再生工程の間、吸着床は乾燥空気で向流的にパージされる。二酸化炭素を吸着するために活性炭が使用され、活性炭は適度に低い相対湿度ではあまり水を吸着しないので、吸着床における水の蓄積を防ぐためには、再生パージは約３０〜５０％の相対湿度まで乾燥させればよい。供給工程の間、一酸化炭素は、吸着床を効率的に使用して二酸化炭素を取り除くことにより（すなわち、二酸化炭素の波を吸着床の内部深くまで適度に前進させることにより）、生成物（水素を備える）内に押し込まれる。向流の再生工程は、並流の再生工程に比べて、水素流中の二酸化炭素のレベルを低減する。二重の洗浄工程は、水素生成物からの水素の回収と空気の排除を最大限にする。
上述したように、分圧スイング吸着法では、供給ガス吸気流は、第１および第２の吸着床に供給される前に加圧されない。さらに、上記の４つの工程は、好ましくは吸着床を外部から加熱することなく実施される。
動作中、第１の吸着床１１は次の機能を果たす。第１の吸着床１１は、第１の供給／パージ工程において、供給ガス吸気流を第１の導管３から受け取り、供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を第３の導管７に供給する。第１の吸着床１１は、第１の洗浄工程において、パージガス吸気流を第２の導管５から受け取り、第１の吸着床の空隙容積内に捕捉された供給ガスの少なくとも１つの成分を含むパージガス排気流を第３の導管７に供給する。第２の供給／パージ工程において、第１の吸着床１１は、パージガス吸気流を第２の導管５から受け取り、パージガス排気流を、第４の導管９などの第３の導管７とは異なる出力側に供給する。さらに、第１の吸着床１１は、第２の洗浄工程で、供給ガス吸気流を第１の導管３から受け取り、第１の吸着床の空隙容積内に捕捉されたパージガスの一部を含む供給ガス排気流を第４の導管９などの第３の導管７とは異なる出力側に供給する。
動作中、第２の吸着床１３は次の機能を果たす。第２の吸着床１３は、第１の供給／パージ工程において、パージガス吸気流を第２の導管５から受け取り、パージガス排気流を第４の導管９などの第３の導管７とは異なる出力側に供給する。第２の吸着床１３は、第１の洗浄工程において、供給ガス吸気流を第１の導管３から受け取り、第２の吸着床１３の空隙容積内に捕捉されたパージガスの一部を含む供給ガス排気流を第４の導管９などの第３の導管７とは異なる出力側に供給する。第２の吸着床１３は、第２の供給／パージ工程において、供給ガス吸気流を第１の導管３から受け取り、供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む供給ガス排気流を第３の導管７に供給する。さらに、第２の吸着床１３は、第２の洗浄工程において、パージガス吸気流を第２の導管５から受け取り、第２の吸着床１３の空隙容積内に捕捉された供給ガスの少なくとも１つの成分を含むパージガス排気流を第３の導管７に供給する。
したがって、少なくとも供給ガス吸気流中の二酸化炭素の大部分および水蒸気の多くは、第１の吸着床１１および第２の吸着床１３により第１および第２の供給／パージ工程のそれぞれの期間において、吸着される。吸着された二酸化炭素および水蒸気は、パージガス吸気流によって第１および第２の吸着床から第２および第１の供給／パージ工程のそれぞれの期間において、取り除かれる。取り除かれた二酸化炭素および水蒸気は、第２および第１の供給／パージ工程の間、第２の出力側においてパージガス排気流によって収集される。
吸着床の再生（すなわち、パージング）は、ＣＯ２が脱離するときに吸着床を冷却することを伴うことに留意されたい。これは、ＣＯ２の吸着平衡をより低い分圧に移行させ、再生を遅らせると考えられる。このこと及び再生の間の拡大する前面速度（速度フロント）は、パージガス（すなわち、乾燥空気）の流量を設定する際に考慮に入れられてもよい。例えば、再生のための吸入空気の容積測定による流量は、水素および一酸化炭素の排気流量よりも、例えば、１．５倍程度、多くてもよい。再生の間の二酸化炭素の脱離を可能にすることで、再生のための排気流量は供給物の吸気流量を上回ると考えられる。
装置１は、次の非限定的な特徴を有してもよい。吸着床の材料は、好ましくは、燃料電池スタックの燃料排気から水素を分離するための活性炭を含む。例えば、カルゴンＢＰＬ活性炭の６×１６または４×１０のメッシュが使用されてもよい。吸着床１１および１３は、燃料電池スタックのサイズおよびガスの流量に応じて、例えば、直径６インチおよび長さ３フィートなど、直径２〜１２インチおよび長さ１〜６フィートの円筒状の吸着床であってもよい。供給／パージ工程の持続時間は１分を超えてもよく、洗浄工程の持続時間は数秒であってもよい。例えば、供給／パージの持続時間は１〜３分（例えば、１．５分など）であってもよく、洗浄の持続時間は３〜５秒（例えば、４秒など）であってもよい。
第１の実施形態の方法は、高い水素回収（洗浄工程による）、高い二酸化炭素分離（洗浄および向流の再生工程による）、高い程度の空気の排除（洗浄工程による）、３０〜５０％の相対湿度を有する空気などの比較的低い乾燥度を有するパージガスを使用した再生、低いエネルギーを必要とすること、高いロバスト性（すなわち、動作条件の変化に対して容易に調製可能であり適応可能である）、可動部が少ない簡単な動作、高い拡張性、ならびに低いか適度な資本コストを提供するように意図されている。
パージ工程のための乾燥空気は、任意の適切な方法によって得られ得る。例えば、乾燥空気は、シリカゲルまたは活性アルミナの吸着床などの水蒸気吸着床を用いて、温度スイング吸着サイクルを利用して容易に得ることができる。シリカゲルは、アルミナよりも水の処理能力がいくらか高い。しかしながら、非常に乾燥しているときに水蒸気と接触すると割れてしまう。これが起こる可能性が高い場合、ばい焼しないシリカゲルの保護層を使用することができ、あるいは活性アルミナを使用することができる。
温度スイング吸着サイクルは、２つの吸着床（すなわち、図１に示される吸着床１１および１３以外の吸着床）を使用する。一方の吸着床は、他方が再生（加熱および冷却）されている間、吸着モードにて使用される。サイクルの工程は次のとおりである。
第１の吸着工程において、１０ｍｏｌ Ｈ２Ｏ／ｋｇの作業能力を持つシリカゲルを利用することができる。最悪のケースを考えると、空気は３０℃において水で飽和される。３０℃において飽和した空気中の水の分圧は０．０４２ｂａｒである。例えば、この湿潤空気から１４４ｓｌｐｍの乾燥空気流量を生成するためには、０．２８ｍｏｌ／分の水を取り除かなければならない。前記指定の作業能力では、シリカゲルは０．０２８ｋｇ／分の割合で消費される。２ｋｇのシリカゲルを含有する吸着床は、７２分間、流れに残っていることができる。シリカゲルの比重を０．７２（４５ｌｂ／ｆｔ３のかさ比重に対応する）とすると、その吸着床はこの時間の間に吸着床４３００個分の容積の供給物を乾燥させる（温度補正した湿潤供給物１２，０００リットルが容積２．８リットルの吸着床によって乾燥される）。その乾燥空気は導管５を介して装置１に供給される。
第２の加熱工程では、吸着床は、暖かい供給物（例えば、８０℃、他の好適な適度に暖かい温度、または熱い温度）によって向流的に加熱される。吸着床は、吸着床約１０００個分の容積がそこを通った後に加熱される。金属部品も加熱するためには、いくらか多いエネルギーが必要になる。
第３の冷却工程において、吸着床は、湿潤空気供給物と並流的に（吸着と同じ方向で）冷却される。吸着床を冷却するには吸着床約８００個分の容積を要する。これは、吸着床導入口において水を堆積させ、吸着の能力をいくらかを使い果たし、それを吸着床約３５００個分の容積まで低減させる。第１の吸着床が吸着工程にある間、第２の吸着床は加熱工程または冷却工程に置かれる。第２の吸着床が吸着工程にある間、第１の吸着床は加熱または冷却工程に置かれる。
上述の計算は非常に控えめであり概算であることを理解されたい。その計算は、３０℃において水で飽和された利用可能な再生のための空気に基づく。一般には、空気はより乾燥しているであろう。炭素吸着床の再生要件は緩やかである（例えば、３０〜５０％ＲＨ）。実際、涼しい日または乾燥した日には、再生空気を乾燥させることは不要である。さらに、もしドライヤーが短時間使用停止になっても本プロセスは危険にさらされないであろう。
本発明の第２の実施形態において、装置３１は、向流パージを用いて作動するが、洗浄工程なしで作動する。図３は、向流パージを用いるが洗浄がない単純なサイクルを利用する装置３１を示す。３つではなく２つの四方弁１５および１７が使用される。装置３１およびこの装置を使用する方法は、第１および第２の洗浄工程が省略されること以外は、第１の実施形態の装置１および方法に類似している。
向流パージの利点は、二酸化炭素が供給工程中に吸着床排出口から取り除かれ、より高い水素の純度が得られることである。しかし、洗浄なしでは、水素の約５％は回収されず、空気は導管７内の水素含有生成物を多少汚染する。
本発明の第３の実施形態において、装置４１は、洗浄工程を伴う並流パージによって動作する。図４は、並流パージおよび洗浄を利用する装置４１を示す。装置４１もまた、３つではなく２つの四方弁を使用する。第３の実施形態の装置４１および方法は、パージガス吸気流がパージ工程において、先の供給工程における供給ガス吸気流と同じ方向にて吸着床に供給されること以外は、多くの点で第１の実施形態の装置１および方法に類似している。この並流サイクルのネガティブな一面は、吸着床に残るＣＯ２が、吸着工程において出力側端部近傍に最も集中し、導管７に供給される水素含有生成物を多少汚染することである。
本発明の第４の実施形態においては、空気パージガスは予備乾燥されない。この実施形態において、装置は、２つまたは３つの二酸化炭素吸着床を含んでもよい。３つの吸着床サイクルには乾燥空気を必要としないものもある。例えば、二酸化炭素吸着に利用される炭素の吸着床は、燃料電池スタックの燃料排気と湿潤再生空気との両方から水を緩慢に蓄積する。吸着床は、完全に再生される前には能力は減少するものの、多くのサイクルに利用することができる。吸着床は、向流的に再生された場合、並流的に再生された場合よりも長持ちするであろう。何故なら、供給工程の間に堆積した水が再生空気によって部分的に取り除かれるからであり、また逆も同様だからである。いずれにしても、吸着床は時間とともに水を蓄積する。
この実施形態においては、第１の実施形態と同様、２つの活発に稼動している吸着および再生サイクルで３つの吸着床が使用されるが、第３の吸着床は、熱スイング再生によってまたは乾燥ガスによるパージングによってより徹底的に再生される。
さらに、大気が適度に乾燥している（すなわち、３０℃においてＲＨ＜５０％）場合、第１の実施形態と全く同じ構成で、２つの吸着床を用いる分圧吸着サイクルが使用され得る。パージガスは大量の水を炭素に堆積させず、再生中に空気を向流的に押し流すことで、燃料電池スタックの燃料排出供給物からの吸着された水が除去される。したがって、乾燥空気が雰囲気から利用可能である場合、別個の空気乾燥工程は不要である。
本発明の第５および第６実施形態は、第１〜第４の実施形態の吸着装置が、固体電解質型燃料電池システムなどの燃料電池システムとともにどのように使用されるかを例示する。なお、他の燃料電池システムも使用されてもよいことに留意されたい。
第５の実施形態のシステムにおいては、燃料加湿器を使用して、燃料電池スタックに供給される燃料吸入流が加湿される。第６の実施形態のシステムにおいて、燃料加湿器は省略され得る。燃料電池スタックの燃料排出流の一部は、燃料吸入流を加湿するため、燃料吸入流に直接再循環される。燃料電池スタックの燃料排出流の別の一部は、最初の４つの実施形態のいずれかの吸着装置に供給され、次に、分離された水素および一酸化炭素は燃料吸入流に供給される。
図５は、第５の実施形態の燃料電池システム１００を示す。システム１００は、（イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのセラミック電解質、ニッケル−ＹＳＺサーメットなどのアノード電極およびランタンストロンチウムマンガナイトなどのカソード電極を含むスタックの１つの固体電解質型燃料電池を示すために概略的に示される）固体酸化物燃料電池スタックなどの燃料電池スタック１０１を含む。
システムはさらに、複数の吸着床（明瞭にするため図示なし）を含む最初の４つの実施形態のいずれかの分圧スイング吸着（「ＰＰＳＡ」）ユニット１を含む。ＰＰＳＡユニット１は、再生式ドライヤーおよび二酸化炭素スクラバー（二酸化炭素除去装置）として働く。
システム１００はさらに、燃料電池スタック１０１の燃料排出口１０３を分圧スイング吸着ユニット１の第１の導入口２に動作可能に接続する第１の導管３を含む。例えば、第１の導入口２は、図１に示されるように、供給弁１５および／または吸着床１１，１３の１つへの導入口を含んでもよい。システム１００はさらに、乾燥空気源または大気源６などのパージガス源を分圧スイング吸着ユニット１の第２の導入口４に動作可能に接続する第２の導管５を含む。パージガス源６は、空気ブロワまたはコンプレッサを含むとともに、複数の温度スイングサイクル吸着床を任意に含んでもよい。
システムは、また、分圧スイング吸着ユニット１の排気口８を燃料電池スタック１０１の燃料吸気口１０５に接続する第３の導管７を含む。システム１００は、動作中、分圧スイング吸着ユニット１に供給される燃料電池スタックの燃料排出流を圧縮するコンプレッサを有さないことが好ましい。
システム１００は、また、ユニット１から排出物を取り除く第４の導管９を含む。導管９は、触媒バーナ１０７または大気通気口に接続されてもよい。
システム１００は、また、ブロワまたは熱駆動のコンプレッサ１０９を含む。ブロワまたは熱駆動のコンプレッサは、分圧スイング吸収ユニット１に動作可能に接続された導入口と、燃料電池スタック１０１の燃料吸気口１０５に動作可能に接続された排出口とを含む。例えば、導管７はユニット１にブロワまたはコンプレッサ１０９を接続する。動作中、ブロワまたはコンプレッサ１０９は、燃料電池スタックの燃料排出流から分離された水素および一酸化炭素の所望量を、燃料電池スタックの燃料吸入流に制御可能に供給する。好ましくは、装置１０９は、水素および一酸化炭素を、燃料電池スタック１０１の燃料吸気口１０５に動作可能に接続された燃料導入導管１１１に供給する。あるいは、装置１０９は、水素および一酸化炭素を燃料電池スタック１０１の燃料吸気口１０５に直接供給する。
システム１００はまた、コンデンサ１１３と、燃料電池スタックの燃料排出口１０３に動作可能に接続された導入口および分圧スイング吸着ユニット１の導入口２に動作可能に接続された排出口を有する水分離器１１５と、を含む。コンデンサ１１３および水分離器１１５は、燃料排出流からの水を凝縮し且つ分離する単一の装置を構成してもよく、あるいは別個の装置を備えてもよい。例えば、コンデンサ１１３は、燃料排出流が冷却用の向流または並流の空気流によって冷却されて水を凝縮する熱交換器を備えてもよい。その空気流は、燃料電池スタック１０１への空気吸気流を含んでもよく、または別個の冷却空気流を含んでもよい。水分離器１１５は、前記分離された水を収集する水タンクを含んでもよい。水分離器１１５は、収集した水を取り除く、かつ／または収集した水を再使用するために使用される排水管１１７を有してもよい。
システム１００はさらに、炭化水素燃料導入導管１１１などの炭化水素燃料源に動作可能に接続された第１の導入口、燃料電池スタックの燃料排出口１０３に動作可能に接続された第２の導入口、燃料電池スタックの燃料導入口１０５に動作可能に接続された第１の排出口、コンデンサ１１３および水分離器１１５に動作可能に接続された第２の排出口を有する燃料加湿器１１９を含む。動作中、燃料加湿器１１９は、燃料電池スタックの燃料排出流に含まれる水蒸気を使用して、再利用される水素および一酸化炭素を含む導管１１１からの炭化水素燃料吸入流を加湿する。燃料加湿器は、例えば、両方とも全体が参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６，１０６，９６４号および米国特許出願第１０／３６８，４２５号に記載されているように、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜加湿器などのポリマー膜加湿器、エンタルピーホイール、または複数の水吸着床を含んでもよい。例えば、１つの好適なタイプの加湿器は、水蒸気とエンタルピーを移行するＮａｆｉｏｎ（登録商標）ベースの、Ｐｅｒｍａ Ｐｕｒｅ ＬＬＣから入手可能な透水性膜を含む。加湿器は、燃料排出流からの水蒸気およびエンタルピーを燃料吸入流に受動的に移行して、燃料吸入流における２〜２．５の炭素に対する水蒸気の比を提供する。燃料吸入流の温度は、加湿器内で約８０〜９０℃まで上昇されてもよい。
システム１００はまた、スタック燃料排出流と、加湿器１１９から供給されている炭化水素燃料吸入流と、の間で熱を交換する復熱式熱交換器１２１を含む。その熱交換器は、燃料吸入流の温度を上昇させるのを助け、コンデンサ内で燃料排出流をさらに冷却することができるとともに、加湿器を損傷しないように、燃料排出流の温度を低下させる。
燃料電池が外部燃料改質タイプの電池である場合、システム１００は燃料改質器１２３を含む。改質器１２３は、炭化水素燃料吸入流を水素および一酸化炭素を含有する燃料流に改質する。その燃料流は次にスタック１０１に供給される。改質器１２３は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる２００４年１２月２日出願の米国特許出願第１１／００２，６８１号に記載されているように、燃料電池スタック１０１内で発生する熱により及び／又はオプションとしてのバーナ／燃焼器内で発生する熱によって、放射的、対流的、及び／又は導電的に加熱され得る。代替として、スタック１０１が、改質が主にスタックの燃料電池内で起こる内部改質タイプの電池を含む場合、外部の改質器１２３は省略されてもよい。
オプション的に、システム１００はまた空気予熱器熱交換器１２５を含む。この熱交換器１２５は、燃料電池スタックの燃料排気の熱を使用して、燃料電池スタック１０１に供給されている空気吸気流を加熱する。所望により、この熱交換器１２５は省略されてもよい。
システム１００はまた、空気熱交換器１２７を含むことが好ましい。この熱交換器１２７はさらに、燃料電池スタックの排出空気（すなわち、酸化剤またはカソード）の熱を使用して、燃料電池スタック１０１に供給されている空気吸気流を加熱する。予熱器熱交換器１２５が省略される場合、空気吸気流は、ブロワまたは他の空気吸入装置によって熱交換器１２７に直接供給される。
第５の実施形態のシステム１００は次のように動作する。燃料吸入流が、燃料導入導管１１１を介して燃料電池スタック１０１に供給される。燃料は、適当な燃料でよく、例えばこれに限定されることはないが、メタン、水素および他のガスと共にメタンを含有する天然ガス、プロパンまたは他のバイオガス等の炭化水素燃料、あるいは、一酸化炭素等の炭素燃料、メタノール等の酸素化炭素含有ガス、水蒸気、Ｈ２ガスまたはそれらの混合物等の水素含有ガスを含む他の炭素含有ガス、などが挙げられる。 上記混合物は、例えば石炭または天然ガスを改質して得られる合成ガスでもよい。
燃料吸入流は加湿器１１９を通過し、そこで燃料吸入流に湿度が加えられる。次に、加湿された燃料吸入流は燃料熱交換器１２１を通過し、そこで、加湿された燃料吸入流は燃料電池スタックの燃料排出流によって加熱される。次に、加熱され加湿された燃料吸入流は、好ましくは外部の改質器である改質器１２３に供給される。例えば、改質器１２３は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる２００４年１２月２日出願の米国特許出願第１１／００２，６８１号に記載されている改質器を備えていてもよい。燃料改質器１２３は、炭化水素燃料を部分的または全体的に改質して、炭素含有で遊離水素（自由水素、free hydrogen）含有の燃料を形成することができる任意の好適な装置であってもよい。例えば、燃料改質器１２３は、触媒でコーティングされた通路を備えていてもよく、そこで天然ガスなどの加湿されたバイオガスが、スチーム−メタン改質反応を介して改質され、遊離水素（自由水素）、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気および随意的に残りの量の未改質のバイオガスを形成する。次に、遊離水素および一酸化炭素は、燃料電池スタック１０１の燃料（すなわち、アノード）導入口１０５に供給される。したがって、燃料吸入流に関して、加湿器１１９は熱交換器１２１の上流に配置され、熱交換器１２１は改質器１２３の上流に配置され、改質器１２３はスタック１０１の上流に配置される。
空気または他の酸素含有ガス（すなわち、酸化剤）吸気流は、好ましくは熱交換器１２７を介してスタック１０１に供給され、熱交換器１２７において、燃料電池スタックからの空気（すなわち、カソード）排出流によって加熱される。所望により、空気吸気流はコンデンサ１１３および／または空気予熱熱交換器１２５を通過し、スタック１０１の中にその空気が供給される前にその空気の温度をさらに上昇させてもよい。
燃料および空気が燃料電池スタック１０１に供給されると、スタック１０１は、電気および水素含有燃料排出流を発生させるように動作する。燃料排出流（すなわち、スタックのアノード排出流）は、スタックの燃料排出口１０３から分圧スイング吸着ユニット１に供給される。燃料排出流に含まれる水素の少なくとも一部は、分圧スイング吸着を利用してユニット１内で分離される。次に、ユニット１内の燃料排出流から分離された水素は、燃料吸入流に戻される。好ましくは、水素は、加湿器１１９の上流にある燃料導入導管１１１に戻される。
燃料排出流は、次のようにユニット１に供給される。燃料排出流は、水素、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンなどのいくらかの未反応炭化水素ガス、他の反応副産物および不純物を含んでいる。例えば、燃料排気は、１６０〜２２５ｓｌｐｍ（例えば約１８６〜約１９６ｓｌｐｍなど）の流量を有し、また、約４５〜約５５％（例えば約４８〜５０％など）の水素、約４０〜約５０％（例えば約４５〜４７％など）の二酸化炭素、約２〜約４％（例えば約３％など）の水、および、約１％〜約２％の一酸化炭素を含み得る。
この排気流は最初に熱交換器１２１に供給され、熱交換器１２１においてその温度が好ましくは２００℃未満まで引き下げられ、このとき燃料吸入流の温度が引き上げられる。空気予熱器熱交換器１２５が存在する場合、燃料排出流は、この熱交換器１２５を介して供給され、その温度がさらに引き下げられ、このとき、空気吸気流の温度が上昇させられる。燃料排出流の温度は、例えば９０〜１１０℃まで引き下げられ得る。
次に、燃料排出流は燃料加湿器１１９に供給され、そこで、燃料排出流中の水蒸気の一部が燃料吸入流に移行されて、燃料吸入流を加湿する。次に、燃料排出流はコンデンサ１１３に供給され、そこで、さらに冷却され、燃料排出流から更なる水蒸気を凝縮する。燃料排出流は、燃料電池スタックの空気吸気流によって、異なる空気吸気流によって、または別の冷却液流によって、コンデンサ内で冷却される。燃料排出流から凝縮された水は、液体状態で水分離器１１５内に収集される。水は、導管１１７を介して分離器１１５から放出され、次に排水されるか再使用される。
次に、残っている燃料排出流ガスは、導管３を介して、分離器１１５から分圧スイング吸着ユニット１の導入口２に供給ガス吸気流として供給される。さらに、乾燥空気流などのパージガス吸気流が、ブロワまたはコンプレッサ６からユニット１へと、導管５を介して導入口４へ供給される。所望により、空気流は、ユニット１の吸着床１１および１３に供給される前に、温度スイング吸着サイクルにおいて追加の吸着床を使用して乾燥されてもよい。この場合、吸着床内のシリカゲルまたはアルミナを乾燥させるために温度スイング吸着サイクルにおいて使用される加熱空気は、通気導管１３９を介してユニット１から除去されたものでもよい。
このように、燃料排出流は、水素、一酸化炭素、水蒸気、二酸化炭素、可能性のある不純物および未反応炭化水素燃料を含む。ユニット１における分離工程の間、少なくとも燃料排出流中の二酸化炭素の大部分および水蒸気の多くが、吸着床１１および１３の少なくとも１つに吸着されるとともに、燃料排出流中の水素および一酸化炭素の少なくとも大部分が、少なくとも１つの吸着床を通過することができる。具体的には、加圧されていない燃料排出流は、第１の吸着床１１に供給され、第１の吸着床１１が飽和するまで、第１の吸着床１１内の燃料排出流中に残っている二酸化炭素の少なくとも大部分が吸着される。このとき、第２の吸着床１３は、約３０℃において５０％以下の相対湿度を有する空気が第２の吸着床１３を通るように供給されることによって再生され、吸着された二酸化炭素および水蒸気が脱離する。第１の吸着床１１が二酸化炭素で飽和された後、加圧されていない燃料排出流は第２の吸着床１３内に供給され、第２の吸着床が飽和するまで第２の吸着床内の燃料排出流中に残っている二酸化炭素の少なくとも大部分が吸着される。このとき、約３０℃において５０％以下の相対湿度を有する空気が第１の吸着床を通るように供給されることによって第１の吸着床が再生され、吸着された二酸化炭素および水蒸気が脱離する。
次に、燃料排出流（すなわち、供給ガス排気流）から分離された水素および一酸化炭素は、排気口８および導管７を介してユニット１から取り除かれ、燃料導入導管１１１の炭化水素燃料吸入流に供給される。好ましくは、導管７と流体連通して配置されているブロワまたはコンプレッサ１０９を使用して、所望量の水素および一酸化炭素が燃料排出流から燃料吸入流に制御可能に供給される。ブロワまたはコンプレッサ１０９は、コンピュータまたは操作者によって操作され、所望量の水素および一酸化炭素が燃料吸入流に制御可能に供給されるとともに、この量を任意の好適なパラメータに基づいて変えてもよい。パラメータは、ｉ）システム１００の検出または観測された状態（すなわち、燃料吸入流中の水素またはＣＯの量の変更を必要とするシステム動作状態の変化）、ｉｉ）燃料吸入流中の水素またはＣＯを一時的に調節することを必要とする、コンピュータに提供された以前の計算または操作者が分かっている状態、および／または、ｉｉｉ）スタックによって発生される電気のユーザによる電気需要の変化など、スタック１０１の動作パラメータの「望まれる将来的変化、現在起こっている変化、または近しい過去における変化などを含む。したがって、ブロワまたはコンプレッサは、上述の基準および／または他の基準に基づいて、燃料吸入流に供給される水素および一酸化炭素の量を制御可能に変更してもよい。水素および一酸化炭素は２００℃以下まで冷却されるので、水素および一酸化炭素を導管１１１に制御可能に供給するために低温ブロワが使用できる。
パージガス排気流は、吸着床の空隙容積内に捕捉された微量の水素および／または炭化水素ガスを含んでいる。換言すれば、捕捉された水素または炭化水素ガスのいくらかは、洗浄工程によって導管７へと取り除かれ得ない。したがって、導管９が、バーナ１０７にパージガス排気流を供給することが好ましい。スタック１０１の空気排気流も、熱交換器１２７を介してバーナ１０７に供給される。そして、パージガス排気流に残存している水素または炭化水素ガスは、環境を汚染することを回避するため、バーナ内で燃焼される。バーナ１０７からの熱は、改質器１２３を加熱するのに使用されてもよく、あるいは、システム１００の他の部分に又はビル暖房のシステムなどのシステム１００の外部で熱を消費する装置に供給されてもよい。
このように、燃料排出流に関して、熱交換器１２１は熱交換器１２５の上流に配置され、熱交換器１２５は加湿器１１９の上流に配置され、加湿器１１９はコンデンサ１１３および水分離器１１５の上流に配置され、水分離器１１５はＰＰＳＡユニット１の上流に配置され、ＰＰＳＡユニット１はブロワまたはコンプレッサ１０９の上流に配置され、ブロワまたはコンプレッサ１０９は燃料導入導管１１１の上流に配置される。
図６は、本発明の第６の実施形態によるシステム２００を示す。システム２００は、システム１００に類似し、多数の構成要素を共通して含む。両方のシステム１００および２００に共通のそれらの構成要素は、図５および６において同じ符号が付与され、更なる説明はなされない。
システム１００および２００の１つの差異は、システム２００が、必ずしもそうではないが好ましくは加湿器１１９を有さないことである。代わりに、水蒸気を含有するスタック燃料排出流の一部は、スタックの燃料吸入流に直接再循環される。燃料排出流中の水蒸気は燃料吸入流を加湿するのに十分である。
システム２００は、コンピュータまたは操作者によって制御される多方向弁（例えば三方弁）または別の流体分流装置などの、流体スプリッタ装置（流体分配装置）２０１を含む。装置２０１は、燃料電池スタックの燃料排出口１０３に動作可能に接続された導入口２０３、コンデンサ１１３および水分離器１１５に動作可能に接続された第１の排出口２０５、および燃料電池スタックの燃料導入口１０５に動作可能に接続された第２の排出口２０７を含む。例えば、第２の排出口２０７は、導入口１０５に動作可能に接続された燃料導入導管１１１に動作可能に接続されてもよい。しかしながら、第２の排出口２０７は、燃料排出流の一部をさらに下流の燃料吸入流に供給してもよい。
好ましくは、システム２００は、燃料排出流を燃料吸入流に供給する第２のブロワまたはコンプレッサ２０９を含む。具体的には、弁２０１の排気口２０７はブロワまたはコンプレッサ２０９の吸気口に動作可能に接続され、ブロワまたはコンプレッサ２０９の排気口は炭化水素燃料導入導管１１１に接続される。動作中、ブロワまたはコンプレッサ２０９は、所望量の燃料電池スタックの燃料排出流を燃料電池スタックの燃料吸入流に制御可能に供給する。
システム２００を動作させる方法は、システム１００を動作させる方法に類似している。１つの差異は、燃料排出流が装置２０１によって少なくとも２つの流れに分離されることである。第１の燃料排出流は燃料吸入流に再循環されるとともに、第２の流れはＰＰＳＡユニット１に向けられ、そこで、第２の燃料排出流に含まれる水素および一酸化炭素の少なくとも一部が分圧スイング吸着を利用して分離される。次に、第２の燃料排出流から分離された水素および一酸化炭素は燃料吸入流に供給される。例えば、燃料排出流の５０〜７０％（例えば、約６０％など）は、第２のブロワまたはコンプレッサ２０９に供給されてもよく、残りの分はＰＰＳＡユニット１に向けて供給されてもよい。
好ましくは、燃料排出流は、弁２０１に供給される前に、最初に熱交換器１２１および１２５を通るように供給される。燃料排出流は、弁２０１に供給されてそこで２つの流れに分離される前に、熱交換器１２５内で、２００℃以下（９０〜１８０℃など）まで冷却される。このことにより、低温ブロワ２０９を使用して、第１の燃料排出流の所望量を燃料吸入流の中に制御可能に再循環させることが可能になる。これは、そのようなブロワが、２００℃以下の温度を有するガス流を移動させるように適合されているためである。
第２のブロワまたはコンプレッサ２０９は、コンピュータまたは操作者によって制御されてもよく、第５の実施形態に関して上述した条件に応じて、燃料吸入流に供給されている燃料排出流の量を変えてもよい。さらに、第２のブロワまたはコンプレッサは、第１のブロワまたはコンプレッサ１０９と歩調を合わせて動作されてもよい。したがって、操作者またはコンピュータは、第５の実施形態に関して上述した基準などの任意の好適な基準に基づいて、第１のブロワまたはコンプレッサ１０９によって燃料吸入流に供給されている水素および一酸化炭素の量、および第２のブロワまたはコンプレッサ２０９によって燃料吸入流に供給されている燃料排出流の量を個別に変更することができる。さらに、コンピュータまたは操作者は、第１のブロワまたはコンプレッサ１０９によって燃料吸入流に供給されている水素および一酸化炭素の量と、第２のブロワまたはコンプレッサ２０９によって燃料吸入流に供給されている燃料排出流の量と、の両方を考慮に入れ、上述の基準に基づいて両方の量を最適化することができる。
本発明の第７の実施形態においては、ＰＰＳＡユニット１の代わりに、温度スイング吸着（「ＴＳＡ」）ユニットを使用して水素を燃料排出流から分離する。ＴＳＡユニットも、供給ガスが加圧されることを必要としない。
ＴＳＡユニットは、また、二酸化炭素および水蒸気を水素および一酸化炭素よりも優先的に吸着する材料の複数の吸着床を含む。燃料排出流は、室温または他の低温に維持された少なくとも１つの第１の吸着床に供給され、燃料排出流から二酸化炭素および水蒸気の大部分が吸着される。第１の吸着床が二酸化炭素および水蒸気で飽和されると、燃料排出流は少なくとも１つの第２の吸着床に切り換えられる。次に、第１の吸着床の温度を引き上げることにより、第１の吸着床がパージされて、吸着された二酸化炭素および水蒸気が放出される。例えば、第１の吸着床は、第１の吸着床と熱交換を行う高温のスタックカソード排気を供給することなどにより、燃料電池スタックによって供給される熱によって加熱されてもよい。パージングの後、第１の吸着床は周囲空気との熱交換によって冷却される。サイクルは、燃料の持続的な回収と循環とを複数の吸着床により継続する。この実施形態は、また、二酸化炭素の隔離の影響を受けやすい。
吸着床との熱交換に（すなわち、吸着床に隣接して）空気を供給するのではなく、高温のカソード排気は、二酸化炭素および水蒸気を放出するように吸着床中に直接向けられてもよい。次に、低温の周囲の空気が吸着床に直接通され、吸着床は次のサイクルに適切な状態に調整される。所望により、二酸化炭素および水を更に吸着するため、吸着床が再調節される前後に、少量の窒素が吸着床を通してパージされてもよい。窒素は、空気を作動流体として使用する小さな温度スイング吸着装置から得られる。
所望により、二酸化炭素および水蒸気を含有する廃液などのＴＳＡ廃液は、パージガスが停止された後、真空ポンプを介して周囲に放出されるか、または除去されてもよい。真空は、より多くの残りの二酸化炭素および水を取り除き（圧力スイング吸着と類似のプロセスであり、一般に真空スイング吸着と称される）、それによって、冷却空気または熱交換を利用して達成されるよりも安価で高速の吸着床を冷却する手段が提供され得る。真空の利用も、二酸化炭素の隔離の影響を受けやすい。
水素の少なくとも一部を燃料排出（すなわち、テール）ガス流から燃料吸入流に再循環させることにより、燃料電池システムの高効率な動作が得られると考えられる。更に、全体としての燃料使用効率も向上する。一回の通過当たりの燃料利用率が約７５％の場合（すなわち、約７５％の燃料がスタックを通過する毎に利用される場合）、第５のおよび第６の実施形態の方法では、電気効率（すなわち、ＡＣ電気効率）が約５０％と約６０％の間、例えば約５４％と約６０％の間となる。一回の通過当たりの利用率が約７５％であり、約６０％〜約８５％（例えば、約８０％）の燃料排出ガス水素がリサイクルされて燃料電池スタックへと戻されれば、約８８％から約９５％という効果的な燃料利用率が得られる。一回の通過当たりの燃料利用率を７５％超、例えば７６〜８０％に上昇させるとともに、吸着を利用して二酸化炭素の約９５％まで排除すれば、更に高い効率が得られる。定常状態では、第５および第６の実施形態の方法において、蒸気メタン改質を利用して燃料電池への供給ガスを生成すれば、蒸気を発生させる必要がなくなる。燃料排出流は、スタックへの燃料吸入流を２から２．５の蒸気・炭素比率に加湿するのに十分な水蒸気を含んでいる。 正味の燃料利用率が向上し、蒸気を発生させる熱が不要なので、全体的な電気効率が向上する。 それに対して、水素のリサイクルを行わない場合は、スタック内での燃料利用率が約７５％から８０％でも交流電気効率は約４５％である。
本明細書に記載される燃料電池システムは、所望により、他の実施形態および構成を有してもよい。例えば、それらの全体がすべて参照により本明細書に組み込まれる、２００２年１１月２０日出願の米国特許出願第１０／３００，０２１号、２００３年４月９日出願の米国特許仮出願第６０／４６１，１９０号、および２００３年５月２９日出願の米国特許出願第１０／４４６，７０４号に記載されているように、他の構成要素が所望により加えられてもよい。さらに、本明細書の何れかの実施形態に記載されたシステム要素または方法工程、および／または、本明細書の何れかの図面に示される何れかのシステム要素または方法工程は、上述の他の適切な実施形態のシステムおよび／または方法にたとえ明示されていなくとも使用され得る、ということを理解されたい。
本発明の上述の記載は、例示および説明の目的で示されたものである。この記載は包括的なものであることを意図するものではなく、あるいは本発明を開示されているとおりの形態に限定することを意図するものでもない。修正および変形が上述の教示に照らして可能であり、あるいは、修正および変形は本発明を実施することによって得られてもよい。上記記載は、本発明の原理およびその実用的な応用を説明するために選択されたものである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその等価物によって規定されるものとする。
本発明の実施形態の分圧スイング吸着システムの概略図である。 本発明の実施形態の分圧スイング吸着システムの概略図である。 本発明の実施形態の分圧スイング吸着システムの概略図である。 本発明の実施形態の分圧スイング吸着システムの概略図である。 本発明の実施形態の分圧スイング吸着システムの概略図である。 本発明の実施形態の分圧スイング吸着システムの概略図である。 本発明の実施形態の分圧スイング吸着システムの概略図である。 分圧スイング吸着システムを組み込む本発明の実施形態の燃料電池システムの概略図である。 分圧スイング吸着システムを組み込む本発明の実施形態の燃料電池システムの概略図である。

Claims (6)

  1. （１）燃料電池システムを作動させる方法であって、
    （２）燃料吸入流を燃料電池スタックに供給する工程と、
    （３）前記燃料電池スタックを作動させて、電気と水素含有燃料排出流とを発生させる工程と、
    （４）前記燃料排出流に含まれる水素の少なくとも一部を分離する工程であって、
    （ａ）第１の供給／パージ工程であって、前記燃料排出流の少なくとも一部を含む供給ガス吸気流を第１の吸着床に供給する工程と、前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む供給ガス排気流を第１の出力側において収集する工程と、パージガス吸気流を第２の吸着床に供給する工程と、パージガス排気流を第２の出力側において収集する工程と、を含む工程、
    （ｂ）前記第１の供給／パージ工程の後に実施される第１の洗浄工程であって、前記パージガス吸気流を前記第１の吸着床に供給する工程と、前記第１の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含む前記パージガス排気流を前記第１の出力側において収集する工程と、前記供給ガス吸気流を前記第２の吸着床に供給する工程と、前記第２の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む前記供給ガス排気流を前記第２の出力側において収集する工程と、を含む工程、
    （ｃ）前記第１の洗浄工程の後に実施される第２の供給／パージ工程であって、前記供給ガス吸気流を前記第２の吸着床に供給する工程と、前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む前記供給ガス排気流を前記第１の出力側において収集する工程と、前記パージガス吸気流を前記第１の吸着床に供給する工程と、前記パージガス排気流を前記第２の出力側において収集する工程と、を含む工程、及び、
    （ｄ）前記第２の供給／パージ工程の後に実施される第２の洗浄工程であって、前記パージガス吸気流を前記第２の吸着床に供給する工程と、前記第２の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含む前記パージガス排気流を前記第１の供給／パージ工程における前記第１の出力側と同じ出力側である第１の出力側において収集する工程と、前記供給ガス吸気流を前記第１の吸着床に供給する工程と、前記第１の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む供給ガス排気流を前記第２の出力側において収集する工程と、
    を含む工程と、
    （４）前記燃料排出流から分離された前記水素を前記燃料吸入流に供給する工程と、
    を含む方法。
  2. 燃料電池システムであって、
    燃料電池スタックと、
    第１の吸着床及び第２の吸着床を備える分圧スイング吸着ユニットと、
    前記燃料電池スタックの燃料排出口を前記分圧スイング吸着ユニットの第１の吸気口に動作可能に接続する第１の導管と、
    パージガス源を前記分圧スイング吸着ユニットの第２の吸気口に動作可能に接続する第２の導管と、
    前記分圧スイング吸着ユニットの排気口を前記燃料電池スタックの燃料吸気口に動作可能に接続する第３の導管と、
    を備えるシステムにおいて、
    動作中、前記第１の吸着床が、
    （ａ）第１の供給／パージ工程において、前記燃料電池スタックの燃料排出流の少なくとも一部を含む前記供給ガス吸気流を前記第１の導管から受け取り、前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を前記第３の導管に供給する機能と、
    （ｂ）前記第１の供給／パージ工程の後に実施される第１の洗浄工程において、前記パージガス吸気流を前記第２の導管から受け取り、前記第１の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含むパージガス排気流を前記第３の導管に供給する機能と、
    （ｃ）前記第１の洗浄工程の後に実施される第２の供給／パージ工程において、パージガス吸気流を前記第２の導管から受け取り、パージガス排気流を前記第３の導管とは異なる出力側に供給する機能と、
    （ｄ）前記第２の供給／パージ工程の後に実施される第２の洗浄工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の導管から受け取り、前記第１の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む供給ガス排気流を前記第３の導管とは異なる出力側に供給する機能と、を果たし、
    且つ、動作中、前記第２の吸着床が、
    （ａ）第１の供給／パージ工程において、パージガス吸気流を前記第２の導管から受け取り、パージガス排気流を前記第３の導管とは異なる出力側に供給する機能と、
    （ｂ）前記第１の供給／パージ工程の後に実施される第１の洗浄工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の導管から受け取り、前記第２の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む前記供給ガス排気流を前記第３の導管とは異なる出力側に供給する機能と、
    （ｃ）前記第１の洗浄工程の後に実施される第２の供給／パージ工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の導管から受け取り、前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む前記供給ガス排気流を前記第３の導管に供給する機能と、
    （ｄ）前記第２の供給／パージ工程の後に実施される第２の洗浄工程において、前記パージガス吸気流を前記第２の導管から受け取り、前記第２の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含む前記パージガス排気流を前記第３の導管に供給する機能と、を果たす、
    システム。
  3. 燃料電池システムであって、
    燃料電池スタックと、
    分圧スイング吸着を利用して、燃料電池スタックの燃料排出流に含まれる水素の少なくとも一部を分離し、前記燃料排出流から分離された前記水素を燃料電池スタックの燃料吸入流に供給する分離手段と、
    前記燃料電池スタックの燃料排出流の少なくとも一部を含む供給ガス吸気流を供給する第１の手段と、
    パージガス吸気流を供給する第２の手段と、
    前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を収集する第３の手段と、
    第４の手段であって、
    （ａ）第１の供給／パージ工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の手段から受け取り、前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を前記第３の手段に供給し、
    （ｂ）前記第１の供給／パージ工程の後に実施される第１の洗浄工程において、前記パージガス吸気流を前記第２の手段から受け取り、前記第４の手段の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含むパージガス排気流を前記第１の供給／パージ工程における前記第３の手段と同じ手段である前記第３の手段に供給し、
    （ｃ）前記第１の洗浄工程の後に実施される第２の供給／パージ工程において、パージガス吸気流を前記第２の手段から受け取り、パージガス排気流を前記第３の手段とは異なる出力側に供給し、
    （ｄ）前記第２の供給／パージ工程の後に実施される第２の洗浄工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の手段から受け取り、前記第４の手段の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む供給ガス排気流を前記第３の手段とは異なる出力側に供給する、第４の手段と、
    第５の手段であって、
    （ａ）第１の供給／パージ工程において、パージガス吸気流を前記第２の手段から受け取り、パージガス排気流を前記第３の手段とは異なる出力側に供給し、
    （ｂ）前記第１の供給／パージ工程の後に実施される第１の洗浄工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の手段から受け取り、前記第５の手段の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む前記供給ガス排気流を前記第３の手段とは異なる出力側に供給し、
    （ｃ）前記第１の洗浄工程の後に実施される第２の供給／パージ工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の手段から受け取り、前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む前記供給ガス排気流を前記第３の手段に供給し、
    （ｄ）前記第２の供給／パージ工程の後に実施される第２の洗浄工程において、前記パージガス吸気流を前記第２の手段から受け取り、前記第５の手段の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含む前記パージガス排気流を前記第３の手段に供給する第５の手段と、
    を備えるシステム。
  4. ガス分離方法であって、
    （ａ）第１の供給／パージ工程であって、供給ガス吸気流を第１の吸着床に供給する工程と、前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む供給ガス排気流を第１の出力側において収集する工程と、パージガス吸気流を第２の吸着床に供給する工程と、パージガス排気流を第２の出力側において収集する工程と、を含む第１の供給／パージ工程と、
    （ｂ）前記第１の供給／パージ工程の後に実施される第１の洗浄工程であって、前記パージガス吸気流を前記第１の吸着床に供給する工程と、前記第１の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含む前記パージガス排気流を前記第１の出力側において収集する工程と、前記供給ガス吸気流を前記第２の吸着床に供給する工程と、前記第２の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む前記供給ガス排気流を前記第２の出力側において収集する工程と、を含む第１の洗浄工程と、
    （ｃ）前記第１の洗浄工程の後に実施される第２の供給／パージ工程であって、前記供給ガス吸気流を前記第２の吸着床に供給する工程と、前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む前記供給ガス排気流を前記第１の出力側において収集する工程と、前記パージガス吸気流を前記第１の吸着床に供給する工程と、前記パージガス排気流を前記第２の出力側において収集する工程と、を含む第２の供給／パージ工程と、
    （ｄ）前記第２の供給／パージ工程の後に実施される第２の洗浄工程であって、前記パージガス吸気流を前記第２の吸着床に供給する工程と、前記第２の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含む前記パージガス排気流を前記第１の出力側において収集する工程と、前記供給ガス吸気流を前記第１の吸着床に供給する工程と、前記第１の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む供給ガス排気流を前記第２の出力側において収集する工程と、を含む第２の洗浄工程と、
    を含む方法。
  5. ガス分離装置であって、
    供給ガス吸気流を供給する第１の手段と、
    パージガス吸気流を供給する第２の手段と、
    前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を収集する第３の手段と、
    第４の手段であって、
    （ａ）第１の供給／パージ工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の手段から受け取り、前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を前記第３の手段に供給し、
    （ｂ）前記第１の供給／パージ工程の後に実施される第１の洗浄工程において、前記パージガス吸気流を前記第２の手段から受け取り、前記第４の手段の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含むパージガス排気流を前記第３の手段に供給し、
    （ｃ）前記第１の洗浄工程の後に実施される第２の供給／パージ工程において、パージガス吸気流を前記第２の手段から受け取り、パージガス排気流を前記第３の手段とは異なる出力側に供給し、
    （ｄ）前記第２の供給／パージ工程の後に実施される第２の洗浄工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の手段から受け取り、前記第４の手段の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む供給ガス排気流を前記第３の手段とは異なる出力側に供給する第４の手段と、
    第５の手段であって、
    （ａ）第１の供給／パージ工程において、パージガス吸気流を前記第２の手段から受け取り、パージガス排気流を前記第３の手段とは異なる出力側に供給し、
    （ｂ）前記第１の供給／パージ工程の後に実施される第１の洗浄工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の手段から受け取り、前記第５の手段の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む前記供給ガス排気流を前記第３の手段とは異なる出力側に供給し、
    （ｃ）前記第１の洗浄工程の後に実施される第２の供給／パージ工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の手段から受け取り、前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む前記供給ガス排気流を前記第３の手段に供給し、
    （ｄ）前記第２の供給／パージ工程の後に実施される第２の洗浄工程において、前記パージガス吸気流を前記第２の手段から受け取り、前記第５の手段の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含む前記パージガス排気流を前記第３の手段に供給する第５の手段と、
    を備えるガス分離装置。
  6. ガス分離装置であって、
    動作中に供給ガス吸気流を供給する第１の導管と、
    動作中にパージガス吸気流を供給する第２の導管と、
    動作中に前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を収集する第３の導管と、
    第１の吸着床であって、
    （ａ）第１の供給／パージ工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の導管から受け取り、前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を前記第３の導管に供給し、
    （ｂ）前記第１の供給／パージ工程の後に実施される第１の洗浄工程において、前記パージガス吸気流を前記第２の導管から受け取り、前記第１の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含むパージガス排気流を前記第３の導管に供給し、
    （ｃ）前記第１の洗浄工程の後に実施される第２の供給／パージ工程において、パージガス吸気流を前記第２の導管から受け取り、パージガス排気流を前記第３の導管とは異なる出力側に供給し、
    （ｄ）前記第２の供給／パージ工程の後に実施される第２の洗浄工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の導管から受け取り、前記第１の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む供給ガス排気流を前記第３の導管とは異なる出力側に供給する、
    機能を動作中に果たす第１の吸着床と、
    第２の吸着床であって、
    （ａ）第１の供給／パージ工程において、パージガス吸気流を前記第２の導管から受け取り、パージガス排気流を前記第３の導管とは異なる出力側に供給し、
    （ｂ）前記第１の供給／パージ工程の後に実施される第１の洗浄工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の導管から受け取り、前記第２の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む前記供給ガス排気流を前記第３の導管とは異なる出力側に供給し、
    （ｃ）前記第１の洗浄工程の後に実施される第２の供給／パージ工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の導管から受け取り、前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む前記供給ガス排気流を前記第３の導管に供給し、
    （ｄ）前記第２の供給／パージ工程の後に実施される第２の洗浄工程において、前記パージガス吸気流を前記第２の導管から受け取り、前記第２の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含む前記パージガス排気流を前記第３の導管に供給する、
    機能を動作中に果たす第２の吸着床と、
    を備えるガス分離装置。
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