JP5302312B2 - 燃料電池システム、燃料電池システムを形成する方法及びアノード排気ガスをリサイクルする方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００７年８月８日出願の米国仮特許出願第６０／９６３，９５２号の利益を請求する。上記出願の全教示内容が、本明細書に参考文献として援用される。

燃料電池は、クリーンで静音かつ効率的な発電を提供し得る可能性を秘めている。熱エネルギーベースのエンジンとは異なり、燃料電池は、電気化学またはバッテリのようなプロセスで、水素ガスを水へ変換するのに関連した化学エネルギーを変換する。典型的に、燃料電池においては、水素ガスおよび酸素ガスが、燃料電池のアノードおよびカソードへそれぞれ供給される。アノードでは、水素ガスが、水素イオン（Ｈ^＋）と自由電子（ｅ⁻）へ電気化学的に分離される。電子は、アノードから、外部電気回路へ流れる。ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）燃料電池においては、アノードで形成された水素イオン（Ｈ^＋）が、カソードへ、ＰＥＭ電解質を通して流れる。カソードでは、カソードに供給された酸素ガスが、水素イオンおよび自由電子と電気化学的に結合して、水を生成する。固体酸化物電解質を用いる固体酸化物燃料電池においては、一般に、酸素イオンが、カソードで電気化学的に形成されて、アノードへ、固体酸化物電解質を通して動く。燃料電池における全体の反応は、
２Ｈ_２＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ（蒸気）＋エネルギー （１）
である。クリーンで静音な発電の利点にも係らず、燃料電池システムは、製品の未成熟、複雑すぎる工学システム、燃料効率等により生じる数多くの困難な市場参入問題に直面してきた。燃料効率は、より広い表面積のアノードとカソードを用いる、または燃料スタックにおける燃料電池の数を増やすことにより増大させることができる。しかしながら、これらのやり方だと、一般的に、燃料スタックのサイズが増大してしまう。

従って、燃料電池システムのサイズを妥協することなく、燃料電池システムにおける燃料効率を増大する方法を開発すること、および、高燃料効率を有する燃料電池システム、特に、比較的サイズの小さな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、概して、アノード排気をリサイクルするセパレータを含む燃料電池システム、かかる燃料電池システムを形成する方法、およびかかる燃料電池システムにおいてアノード排気をリサイクルする方法に関する。

一実施形態において、本発明は、少なくとも１つの燃料電池とセパレータとを含む燃料電池スタックを含む燃料電池システムに係る。各燃料電池は、カソード、アノードおよびカソードとアノードとの間の電解質を含む。

具体的な一実施形態において、セパレータは、アノード排気入口、リサイクルガス出口および排気ガス出口を画定している筺体と、Ｈ_２ガス透過性膜とを含む。アノード排気入口およびリサイクルガス出口は、独立して、アノードと流体連通している。筺体と膜が、第１のチャンバと第２のチャンバとを少なくとも一部画定している。第１のチャンバは、アノード排気入口および排気ガス出口と流体連通している。第２のチャンバは、リサイクルガス出口と流体連通している。

他の具体的な実施形態において、セパレータは、アノード排気入口、リサイクルガス出口および排気ガス出口を画定している筺体と、ＣＯ_２ガス透過性膜とを含む。アノード排気入口およびリサイクルガス出口は、独立して、アノードと流体連通している。筺体と膜が、第１のチャンバと第２のチャンバとを少なくとも一部画定している。第１のチャンバは、アノード排気入口およびリサイクルガス出口と流体連通している。第２のチャンバは、排気ガス出口と流体連通している。

他の実施形態において、本発明は、上述した燃料電池システムを形成する方法に係る。本方法には、アノード、カソードおよびアノードとカソードの間に電解質を含む少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池スタックを形成することが含まれる。本方法にはさらに、セパレータを形成することが含まれる。セパレータの特徴は、本発明の燃料電池システムについて上述したとおりである。

さらに他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アノード排気ガスをリサイクルする方法に係る。燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池とセパレータとを含む燃料電池スタックを含む。各燃料電池は、カソード、アノードおよびカソードとアノードの間に電解質を含む。セパレータの特徴は、本発明の燃料電池システムについて上述したとおりである。

アノード排気ガスをリサイクルする方法の具体的な一実施形態において、セパレータは、アノード排気入口、リサイクルガス出口および排気ガス出口を画定している筺体と、Ｈ_２ガス透過性膜とを含む。このセパレータの他の特徴は、Ｈ_２ガス透過性膜を含む本発明の燃料電池システムのセパレータについて上述したとおりである。本方法において、アノード排気ガスは、燃料電池のアノードからセパレータへ送られる。アノード排気ガスは、Ｈ_２ガスを含んでいる。次に、アノード排気ガスは、第１のチャンバへ、アノード排気入口を通して搬送され、アノード排気ガスに含有されるＨ_２ガスの少なくとも一部が、膜を通して、第２のチャンバへ透過して、第２のチャンバに、Ｈ_２ガスを含むリサイクルアノード排気ガスを形成し、第１のチャンバに、Ｈ_２の不十分な排気ガスを残す。リサイクルアノード排気ガスは、燃料電池のアノードへ送られる。

アノード排気ガスをリサイクルする方法の他の具体的な実施形態において、セパレータは、アノード排気入口、リサイクルガス出口および排気ガス出口を画定している筺体と、ＣＯ_２ガス透過性膜とを含む。このセパレータの他の特徴は、ＣＯ_２ガス透過性膜を含む本発明の燃料電池システムのセパレータについて上述したとおりである。本方法において、アノード排気ガスは、燃料電池のアノードからセパレータへ送られる。アノード排気ガスは、ＣＯ_２およびＨ_２ガスを含んでいる。次に、アノード排気ガスは、第１のチャンバへ、アノード排気入口を通して搬送される。アノード排気ガスに含有されるＣＯ_２ガスの少なくとも一部が、膜を通して、第２のチャンバへ透過して、第２のチャンバに、ＣＯ_２リッチな排気ガスを形成し、第１のチャンバに、ＣＯ_２ガスの不十分なリサイクルアノード排気ガスを形成する。リサイクルアノード排気ガスは、燃料電池のアノードへ送られる。

アノード排気をリサイクルする本発明では、燃料利用の合計を、潜在的に、ほぼ１００％の燃料利用まで増大させることができる。このように、本発明の燃料電池システムの効率は、アノード排気をリサイクルするためのセパレータを有していないものに比べて、増大し得る。燃料電池システムのこの高効率によって、比較的小さなサイズの燃料スタックを用いることが可能となる。本発明の燃料電池システムは、様々な用途、例えば、発電および／または温水生成に用いることができる。

典型的に、水素ガスを、天然ガス等の炭化水素燃料源から生成するためには、燃料源を、蒸気および／または酸素ガス等の酸素源を用いて改質または予備改質して、元素炭素の形成を防ぐ必要がある。当該技術分野においては、蒸気がよく用いられてきた。かかる蒸気を生成するには、通常、ボイラーまたは蒸気発生器が必要であり、それが、燃料電池システムをより複雑で、規模の大きなものとさせている。また、触媒を保護するために、浄水システムがさらに必要なことが多い。これとは対照的に、本発明においては、実質的に純水（蒸気）がリサイクルされるため、大規模な水処理ユニット、蒸気発生器またはボイラーは、通常、必要なく、燃料電池システムを単純化することができる。

本発明の燃料電池システムの概略図である。 本発明において用いることのできるいくつかのセパレータの概略図である。 本発明において用いることのできるいくつかのセパレータの概略図である。 本発明において用いることのできるいくつかのセパレータの概略図である。 本発明において用いることのできるいくつかのセパレータの概略図である。 本発明において用いることのできるいくつかのセパレータにおけるガスの流れを示す概略図である。 本発明において用いることのできるいくつかのセパレータにおけるガスの流れを示す概略図である。

前述したことは、同じ参照文字が、異なる図全体において同じ部分を指している添付の図面に示されるとおり、本発明の実施形態の以下のより具体的な説明から明らかとなろう。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示すために強調がなされている。

図１に、本発明の燃料電池システムの一実施形態、燃料電池システム１００を示す。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０、セパレータ３０、燃料源５０、酸素ガス源６０およびガス排気７０を含む。燃料電池スタック１０は、少なくとも１つの燃料電池１２を含む。燃料電池１２は、アノード１４、カソード１６および電解質１８を含む。アノード１４は、燃料源５０、例えば、Ｈ_２ガスまたはＨ_２へ変換できる天然ガスと、任意で、アノード流れ場２０を介して、流体連通している。カソード１６は、酸素ガス源６０、例えば、空気と、任意で、カソード流れ場２２を介して、流体連通している。膜４０（本明細書では、膜４０Ａと４０Ｂをまとめて参照する）を含むセパレータ３０は、燃料電池１２のアノード１４およびガス排気またはバーナー７０と、任意で、改質装置８０および／または予備改質装置８２を介して、流体連通している。一実施形態において、セパレータ３０は、Ｈ_２ガス透過膜４０Ａを含んでいる。他の実施形態において、セパレータは、ＣＯ_２ガス透過膜４０Ｂを含んでいる。図１に示すとおり、燃料電池システム１００は、電力調整器９０をさらに含むことができる。

図２Ａを参照すると、セパレータ３０、セパレータ３０Ａの一実施形態が、この図に示されている。図２Ａに示すとおり、セパレータ３０Ａは、第１のガス入口３４、第１のガス出口３６および第２のガス出口３８を画定している筺体３２を含む。セパレータ３０Ａは、さらに膜４０を含む。筺体３２と膜４０が、第１のチャンバ４２および第２のチャンバ４４を少なくとも一部画定している。第１のチャンバ４２は、第１のガス入口３４および第２のガス出口３８と流体連通している。第２のチャンバ４４は、第１のガス出口３６と流体連通している。

セパレータ３０、セパレータ３０Ｂの他の実施形態を、図２Ｂに示す。図２Ｂに示すとおり、セパレータ３０Ｂは、上述したセパレータ３０Ａの特徴を含み、燃料ガス源および第２のチャンバ４４と流体連通している第２のガス入口４６をさらに含む。

セパレータ３０、セパレータ３０Ｃの他の実施形態を、図２Ｃに示す。図２Ｃに示すとおり、セパレータ３０Ｃは、上述したセパレータ３０Ａの特徴を含み、第１のチャンバ４２と流体連通している第３のガス入口４８をさらに含む。

図２Ｄを参照すると、セパレータ３０、セパレータ３０Ｄの他の実施形態が、この図に示されている。図２Ｄに示すとおり、セパレータ３０Ｄは、上述したセパレータ３０Ａの特徴を含み、第２のチャンバ４４と流体連通している第２のガス入口４６および第１のチャンバ４２を流体連通している第３のガス入口４８をさらに含む。

図１および２Ａ〜２Ｄを参照すると、燃料電池システム１００の一実施形態において、セパレータ３０（セパレータ３０Ａ〜３０Ｄをまとめて参照する）は、少なくともＨ_２ガスを選択的に透過できるＨ_２ガス透過性膜４０Ａを用いる。本実施形態において、セパレータ３０の第１のガス入口３４、第１のガス出口３６および第２のガス出口３８は、それぞれ、アノード排気入口、リサイクルガス出口および排気ガス出口である。本実施形態において、第１のガス入口３４（すなわち、アノード排気入口）は、燃料電池１２のアノード１４と流体連通している。第１のガス出口３６（すなわち、リサイクルガス出口）はまた、好ましくは改質装置８０および／または予備改質装置８２を通して、燃料電池１２のアノード１４とも流体連通している。第２のガス出口３８（すなわち、排気ガス出口）は、ガス排気またはバーナー７０と流体連通している。アノード排気ガスは、典型的に、燃料電池１２では用いないＨ_２ガスを含有している。本実施形態において、アノード排気ガスは、第１のガス入口３４（すなわち、アノード排気入口）を通して、第１のチャンバ４２へ搬送される。アノード排気ガスからのＨ_２ガスは、膜４０を通して、第２のチャンバ４４へ透過し、燃料電池１２のアノード１４へリサイクルして戻される。Ｈ_２ガスの不十分な第１のチャンバ４２に残ったガスは、チャンバから出て、ガス排気またはバーナー７０へ、第２のガス出口３８（すなわち、排気ガス出口）を通して、送られる。

膜４０にＨ_２ガス透過性膜を用いる具体的な一実施形態においては、セパレータ３０Ａ（図２Ａ）を用いる。

Ｈ_２ガス透過性膜４０Ａを用いる他の具体的な実施形態において、第２のガス入口４６を含むセパレータ３０Ｂ（図２Ｂ）または３０Ｄ（図２Ｄ）を用いる。第２のガス入口４６は、燃料源５０と流体連通している燃料ガス入口である。この具体的な実施形態において、燃料ガス、例えば、天然ガスが、第２のチャンバ４４へ搬送される。第２のチャンバ４４において、燃料ガスは、第１のチャンバ４２から膜４０を通して第２のチャンバ４４へ透過したＨ_２ガスを含むリサイクルアノード排気と結合し、結合したガスの流れは、燃料電池１２のアノード１４へ送られる。本実施形態において、燃料ガスは、第２のチャンバ４４のガスが、第１のガス出口３６（すなわち、リサイクルガス出口）から燃料電池１２のアノード１４へパージされるのを補助することができる。

Ｈ_２ガス透過性膜４０Ａを用いるさらに他の具体的な実施形態において、第３のガス入口４８を含むセパレータ３０Ｃ（図２Ｃ）または３０Ｄ（図２Ｄ）を用いる。第３のガス入口４８は、第１のチャンバ４２と、燃料電池１２のカソード１６、空気源等の酸素ガス源６０または排気ガスまたはバーナー７０からの排気（それぞれ点線１５、１７および１９で図１に図示）と流体連通しているパージングガス入口である。カソード１６からのカソード排気あるいは酸素ガス源６０、排気ガスまたはバーナー７０からのガスの流れ（例えば、気流）は、第１のチャンバ４２へ、第３のガス入口４８を通して送られる。かかるガスの流れによって、第１のチャンバ４２のガスが、第２のガス出口３８（すなわち、排気ガス出口）を通してパージされるのを補助することができる。この具体的な実施形態において、天然ガス等の燃料ガスは、上述したとおり、第２のチャンバ４４へ搬送されて、燃料電池１２のアノード１４へリサイクルして戻される。

Ｈ_２ガス透過性膜４０Ａを用いるいくつかの実施形態において、Ｈ_２ガス透過性膜は、ＣＯガスに対してさらに選択的に透過性である。あるいは、Ｈ_２ガス透過性膜は、ＣＯおよびＨ_２ガスにさらに選択的に透過性である。あるいは、Ｈ_２ガス透過性膜は、ＣＯ、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏに対してさらに選択的に透過性である。

図３Ａに、膜４０Ａが、Ｈ_２ガス、Ｈ_２ガスおよびＣＯガス、またはＨ_２ガス、ＣＯガスおよびＨ_２Ｏガスを、第１のチャンバ３４から第２のチャンバ３６へ選択的に透過することのできるセパレータ３０におけるガスの流れを示す。図に示すとおり、第２のチャンバ３６への透過ガスはリサイクルされ、第１のチャンバ３４の残りのガスは、ガス排気またはバーナー７０に送られる。

図１および２Ａ〜２Ｄを参照すると、燃料電池システム１００の他の実施形態において、セパレータ３０は、少なくともＣＯ_２ガスを選択的に透過し得るＣＯ_２ガス透過性膜４０Ｂを用いる。好ましくは、ＣＯ_２ガス透過性膜は、Ｈ_２ガスを選択的に透過しない。本実施形態において、第１のガス入口３４、第１のガス出口３６および第２のガス出口３８は、それぞれ、アノード排気入口、排気ガス出口およびリサイクルガス出口である。本実施形態において、第１のガス入口３４は、燃料電池１２のアノード１４と流体連通している。第１のガス出口３６（排気ガス出口）は、ガス排気またはバーナー７０と流体連通している。第２のガス出口３８（リサイクルガス出口）は、燃料電池１２のアノード１４と、好ましくは、改質装置８０および／または予備改質装置８２を通して、流体連通している。本実施形態において、アノード排気ガスは、第１のチャンバ４２へ、第１のガス入口３４（すなわち、アノード排気入口）を通して搬送される。アノード排気ガスに含有されるＣＯ_２ガスは、膜４０を通して、第２のチャンバ４４へと透過して、ガス排気またはバーナー７０へパージされる。アノード排気ガスに含有されるＨ_２ガスは、第１のチャンバ４２に残り、燃料電池１２のアノード１４へ、第２のガス出口３８（すなわち、リサイクルガス出口）を通して、リサイクルのために送られる。

ＣＯ_２ガス透過性膜４０Ｂを用いる具体的な一実施形態において、セパレータ３０Ａ（図２Ａ）を用いる。

ＣＯ_２ガス透過性膜４０Ｂを用いる他の具体的な実施形態において、第２のガス入口４６を用いるセパレータ３０Ｂ（図２Ｂ）または３０Ｄ（図２Ｄ）を用いる。第２のガス入口４６は、燃料電池１２のカソード１６、酸素ガス源６０、ガス排気またはバーナー７０からの排気（図１に、それぞれ、点線１５、１７および２１で示されている）のいずれかと流体連通しているパージングガス入口である。カソード１６からのカソード排気あるいは酸素ガス源６０からのガスの流れ（例えば、気流）、排気ガスまたはバーナー７０からの排気は、第２のチャンバ４４へ、第２のガス入口４６（すなわち、パージングガス入口）を通して送られる。かかるガスの流れによって、第２のチャンバ４４のガスが、第１のガス出口３６（すなわち、排気ガス出口）を通してパージされるのを補助することができる。この具体的な実施形態において、天然ガス等の燃料ガスは、上述したとおり、第１のチャンバ４２へ搬送されて、第２のガス出口３８（すなわち、リサイクルガス出口）を通して、燃料電池１２のアノード１４へリサイクルして戻される。

ＣＯ_２ガス透過性膜４０Ｂを用いるさらに他の具体的な実施形態において、第３のガス入口４８を用いるセパレータ３０Ｃ（図３０Ｃ）または３０Ｄ（図３０Ｄ）を用いる。第３のガス入口４８は、第１のチャンバ４２および燃料源５０と流体連通している燃料ガス入口である。この具体的な実施形態において、天然ガス等の燃料ガスは、セパレータ３０の第１のチャンバ４２へ搬送される。第１のチャンバ４２において、燃料ガスは、Ｈ_２ガスを含むリサイクルアノード排気と結合し、結合したガスの流れは、燃料電池１２のアノード１４へ、第２のガス出口３８（すなわち、リサイクルガス出口）を通して送られる。本実施形態において、燃料ガスは、第１のチャンバ４２のガスが、第２のガス出口３８（すなわち、リサイクルガス出口）から燃料電池１２のアノード１４へパージされるのを補助することができる。

ＣＯ_２ガス透過性膜４０Ｂを用いるいくつかの実施形態において、ＣＯ_２ガス透過性膜は、Ｈ_２Ｏガスに対してさらに選択的に透過性である。

図３Ｂに、膜４０Ｂが、ＣＯ_２ガス、またはＣＯ_２ガスおよびＨ_２Ｏガスを選択的に透過するセパレータ３０におけるガスの流れを示す。図に示すとおり、第２のチャンバ３６への透過ガスはガス排気またはバーナー７０に送られ、第１のチャンバ３４の残りのガスは、リサイクルされる。

図１に戻り参照すると、好ましい一実施形態において、燃料電池システム１００は、セパレータ３０および燃料電池１２のアノード１４と流体連通している改質装置８０および任意で予備改質装置８２をさらに含む。改質装置８０は、天然ガスまたはその他炭化水素燃料源等の燃料源を、水素ガスへ変換する触媒を含む。予備改質装置８２は、重炭化水素を除去して、改質装置８０または燃料電池スタック１０における炭素形成を防ぐことができる。通常、燃料および蒸気は、予備改質装置８２に供給され、燃料の重炭化水素は、メタン等の合成ガスへと改質される。予備改質装置８２で形成された合成ガスは、改質装置８０へ供給されて、水素ガスへと変換される。予備改質装置８２は、一般に、約３５０℃〜５５０℃で断熱操作される。予備改質装置８２での燃料の未反応炭化水素は、改質装置８０で改質することができる。あるいは、高温燃料電池スタック１０を用いるときは（例えば、約３５０℃〜５５０℃の温度で）、未反応炭化水素は、燃料電池スタック１０で改質することができる。好ましくは、予備改質装置８２または改質装置８０で用いる蒸気は、リサイクルアノード排気からである。

改質装置８０および任意の予備改質装置８２を用いる実施形態において、セパレータ３０からのリサイクル排気ガスは、任意で、予備改質装置８２を介して、改質装置８０へ送られる。特定の一実施形態において、図１の点線経路１１により示されるとおり、燃料源５０からの燃料ガスは、セパレータ３０へ送られ、リサイクルガスと結合し、結合したガス蒸気は、改質装置８０へ送られる。他の具体的な実施形態において、図１の点線経路１３により示されるとおり、燃料源５０からの燃料ガスは、リサイクル排気ガスの流れから独立して、改質装置８０と直接流体連通している。さらに他の具体的な実施形態において、燃料源５０からの燃料ガスは、アノード１４と直接流体連通している。

当該技術分野において公知の任意の好適な改質装置および予備改質装置を、本発明において用いることができる。好適な改質装置の代表例としては、蒸気改質装置、自動熱改質装置および部分酸化改質装置が挙げられる。概して、酸化剤は、燃料（例えば、天然ガス）と結合して、水素ガスおよび酸化副生成物（例えば、ＣＯまたはＣＯ_２）を生成する。酸化剤については、典型的に、蒸気改質装置は蒸気を用い、部分酸化改質装置は酸素ガスを用い、自動熱改質装置は蒸気と酸素ガスの両方を用いる。

改質装置は、燃料電池スタック１０から分離して、図１には示されているが、代案として、燃料電池スタック１０は、内部改質燃料電池として機能する燃料電池１２を含むことができる。かかる内部改質燃料電池内では、天然ガスまたはその他炭化水素燃料の水素ガスへの改質を行うことができる。かかる内部改質燃料電池の一例は、蒸気改質燃料電池であり、そこでは、燃料電池のカソードから生成された熱蒸気を、燃料の水素ガスへの触媒変換に用いる。

燃料電池システム１００は、図１に示すとおり、電力調整器９０をさらに含むことができる。典型的に、燃料電池１２は、直流電流を生成し、供給前に調整が必要である。電力調整器９０は、燃料電池１２から生成された電流を、例えば、交流または調整直流へと処理する。

いく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８０は必要なく、燃料源５０からの水素ガスおよびリサイクルアノード排気は、燃料電池１２のアノード１４と直接流体連通している。

図１においては、分離したガスチャネル、アノードおよびカソード流れ場２０、２２について記載したが、ガスチャネルを少なくとも一部画定している電極も本発明において用いることができる。

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任意の好適な方法により作製することができる。例示の方法は、その全教示が本明細書に参考文献として援用される「Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」Ｄｉｎｇｈａｌら編、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｌｔｄ．（２００３年）にある。

当該技術分野において公知の任意の好適な膜を、セパレータ３０の膜４０を形成するのに用いることができる。好ましくは、膜４０は、例えば、約１００℃より高い高温で操作することのできる膜である。膜４０は、ポリマー、セラミックまたはナノチューブ系膜とすることができる。セラミック膜は、シリカ系およびゼオライト系膜を含む。Ｈ_２ガス透過性ポリマー膜の具体例としては、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルホンシリコーンおよび酢酸セルロースが挙げられる。ＣＯ_２透過性ポリマー膜の具体例としては、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。

当該技術分野において公知の任意の好適なアノードおよびカソード材料を、本発明において用いることができる。好適なアノードおよびカソード材料の具体例は、例えば、「Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」１１９〜１６９頁、Ｄｉｎｇｈａｌら編、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｌｔｄ．（２００３年）にある。カソード材料の具体例としては、マンガン酸Ｌａ系材料（例えば、Ｌａ_１−ｘＭｎＯ_３、式中、ｘ＝０〜０．１）が挙げられる。具体的な実施形態において、マンガン酸Ｌａ系材料は、１つ以上の好適なドーパント、例えば、Ｓｒ、Ｃａ、ＢａまたはＭｇでドープされる。ドープされたマンガン酸Ｌａ系材料としては、マンガン酸ＬａＳｒ（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））およびマンガン酸ＬａＣａ（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））が例示される。アノード材料の具体例としては、Ｎｉサーメットが挙げられる。「Ｎｉサーメット」は、概して、Ｎｉ、例えば、約２０重量％〜７０重量％のＮｉを含むセラミック金属複合体を指す。Ｎｉサーメットの例は、Ｎｉと、約１５重量％のＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２等のイットリア安定ジルコニア（ＹＳＺ）とを含む材料、および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任意の好適な電解質材料を、本発明の電解質１８に用いることができる。好ましくは、電解質１８は固体電解質である。好適な具体的な固体電解質は、例えば、「Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、８３〜１１２頁、Ｄｉｎｇｈａｌら編、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｌｔｄ．（２００３年）にある。具体例としては、ＺｒＯ_２系材料、例えば、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、ＣｅＯ_２系材料、例えば、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、没食子酸Ｌｎ系材料（Ｌｎ＝ランタノイド、例えば、Ｌａ、Ｐｒ、ＮｄまたはＳｍ）、例えば、Ｃａ、Ｓｉ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅまたはこれらの混合物でドープされたＬａＧａＯ_３（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）およびこれらの混合物が挙げられる。その他の例としては、ドープされたジルコン酸イットリウム（例えば、ＹＺｒ_２Ｏ_７）、ドープされたチタン酸ガドリニウム（例えば、Ｇｄ_２Ｔｉ_２Ｏ_７）およびブラウンミレライト（例えば、Ｂａ_２Ｉｎ_２Ｏ_６またはＢａ_２Ｉｎ_２Ｏ_５）が挙げられる。

任意の好適な厚さのアノード１４およびカソード１６を、本発明において用いることができる。具体的な一実施形態において、アノード１４およびカソード１６の厚さは、それぞれ独立に、約１ｍｍ〜約２ｍｍの範囲である。

好適な厚さの電解質１８を、本発明において用いることができる。具体的な一実施形態において、電解質１８の厚さは、約５μｍ〜約２０μｍ、例えば、約５μｍ〜約１０μｍの範囲である。他の具体的な実施形態において、電解質１８の厚さは、約１００μｍより厚い。図１には示されていないが、複数の燃料電池１２を用いるときは、燃料電池スタック１０は、燃料電池１２間に相互接続をさらに含む。任意の好適な相互接続を、本発明において用いることができる。具体例は、「Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」１７３〜１９０頁、Ｄｉｎｇｈａｌら編、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｌｔｄ．（２００３年）にある。

本発明はまた、アノード、カソードおよびアノードとカソードとの間の電解質を含む少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池スタックを形成する工程と、アノード排気入口、リサイクルガス出口および排気ガス出口を画定している筺体であって、アノード排気入口およびリサイクルガス出口が、独立して、前記アノードと流体連通している、筺体、およびＨ_２ガス透過性膜を含むセパレータを形成する工程とを含み、筺体と膜が、第１のチャンバと第２のチャンバとを少なくとも一部画定しており、第１のチャンバは、アノード排気入口および排気ガス出口と流体連通しており、第２のチャンバは、リサイクルガス出口と流体連通している、燃料電池システムを形成する方法に係る。特定の実施形態において、膜は、ＣＯガスに対してさらに選択的に透過性である。他の具体的な実施形態において、膜は、ＣＯおよびＨ_２Ｏガスに対してさらに選択的に透過性である。さらに他の具体的な実施形態において、膜は、ＣＯ、ＣＯ_２ガスおよびＨ_２Ｏガスに対してさらに選択的に透過性である。

具体的な一実施形態において、セパレータの筺体は、第１のチャンバおよび燃料電池のカソードまたは空気源と流体連通しているパージングガス入口をさらに画定している。本方法は、リサイクルガス出口とアノードとの間にあって、流体連通している改質装置を形成する工程をさらに含み、改質装置は、燃料ガスをＨ_２ガスへ変換する触媒を含む。セパレータの筺体は、燃料ガス源と流体連通している燃料ガス入口およびセパレータの第２のチャンバをさらに画定している。改質装置は、燃料ガス源と流体連通している。燃料電池のアノードは、燃料ガス源と直接流体連通している。

他の具体的な実施形態において、燃料電池システムにおいてアノード排気ガスをリサイクルする方法は、アノード、カソードおよびアノードとカソードとの間の電解質を含む少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池スタックを含み、Ｈ_２ガスを含むアノード排気ガスを、燃料電池のアノードからセパレータまで送る工程であって、セパレータが、アノード排気入口、リサイクルガス出口および排気ガス出口を画定している筺体であって、アノード排気入口およびリサイクルガス出口が、独立して、アノードと流体連通している、筺体、およびＨ_２ガス透過性膜を含み、筺体と膜が、第１のチャンバと第２のチャンバとを少なくとも一部画定しており、第１のチャンバは、アノード排気入口および排気ガス出口と流体連通しており、第２のチャンバは、リサイクルガス出口と流体連通していて、アノード排気ガスは、アノード排気入口を通って、第１のチャンバへ搬送され、アノード排気ガス中のＨ_２ガスの少なくとも一部が、膜を透過して、第２のチャンバへと行き、リサイクルアノード排気ガスを形成する工程と、リサイクルアノード排気ガスを、燃料電池のアノードへ送る工程とを含む。アノード排気ガスは、ＣＯおよびＨ_２Ｏをさらに含有し、膜はＣＯガスに対してさらに選択的に透過性で、それによって、アノード排気ガスのＣＯガスを、第１のチャンバから第２のチャンバへ通過させる。さらに他の具体的な実施形態において、アノード排気ガスは、ＣＯおよびＨ_２Ｏをさらに含有し、膜がＣＯおよびＨ_２Ｏガスに対してさらに選択的に透過性で、それによって、アノード排気ガスのＣＯおよびＨ_２Ｏガスを、第１のチャンバから第２のチャンバへ通過させる。他の具体的な実施形態において、アノード排気ガスは、ＣＯおよびＨ_２Ｏをさらに含有し、膜はＣＯ、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏガスに対してさらに選択的に透過性で、それによって、排気ガスのＣＯ、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏガスを、第１のチャンバから第２のチャンバへ通過させる。

具体的な一実施形態において、本方法は、第１のチャンバから出たＨ_２の不十分な排気ガスを、排気ガス出口を通して、ガス排気またはバーナーに送る工程をさらに含む。セパレータの筺体は、第１のチャンバおよび燃料電池のカソードまたは空気源と流体連通しているパージングガス入口をさらに画定しており、本方法は、空気源からの気流、または燃料電池のカソードからのカソード排気ガスのストリームを、第１のチャンバへ、パージングガス入口を通して、送る工程をさらに含み、これによって、第１のチャンバから出たＨ_２の不十分な排気ガスを、空気またはカソード排気ガスの流れにより送る。

他の具体的な実施形態において、本方法は、燃料ガスの源からの燃料ガスを、リサイクルガス出口とアノードとの間にあって、流体連通している改質装置へ送る工程をさらに含み、改質装置は、燃料ガスをＨ_２ガスへ変換する。セパレータの筺体は、第２のチャンバと流体連通している燃料ガス入口をさらに画定しており、燃料ガスは、燃料ガス源から改質装置まで、セパレータを通して送られる。

さらに他の具体的な実施形態において、本方法は、燃料ガス源からセパレータの第２のチャンバまで、燃料ガス入口を通して、燃料ガスを送る工程をさらに含む。具体的な一実施形態において、本方法は、セパレータから改質装置まで、リサイクルガス出口を通して、リサイクルアノード排気ガスを送る工程をさらに含む。他の具体的な実施形態において、本方法は、改質装置で変換されたＨ_２ガスおよびリサイクルアノード排気ガスのＨ_２ガスを、改質装置から燃料電池のアノードまで送る工程をさらに含む。さらに他の具体的な実施形態において、本方法は、リサイクルアノード排気ガスから独立して改質装置へ、燃料源からの燃料ガスを送る工程をさらに含む。具体的な一実施形態において、本方法は、燃料源からの燃料ガスを送って、リサイクルアノード排気ガスを結合して、燃料ガスおよびセパレータを通過したリサイクルアノード排気ガスを、改質装置に送る工程をさらに含む。

具体的な実施形態において、本方法は、アノード、カソードおよびアノードとカソードとの間の電解質を含む少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池スタックを形成する工程と、アノード排気入口、リサイクルガス出口および排気ガス出口を画定している筺体であって、アノード排気入口およびリサイクルガス出口が、独立して、アノードと流体連通している、筺体、およびＣＯ_２ガス透過性膜を含むセパレータを形成する工程とを含み、筺体と膜が、第１のチャンバと第２のチャンバとを少なくとも一部画定しており、第１のチャンバは、アノード排気入口およびリサイクルガス出口と流体連通しており、第２のチャンバは、排気ガス出口と流体連通している。他の具体的な実施形態において、ＣＯ_２ガス透過性膜は、Ｈ_２Ｏガスに対してさらに選択的に透過性である。具体的な一実施形態において、セパレータの筺体は、第２のチャンバおよび燃料電池のカソードまたは空気源と流体連通しているパージングガス入口をさらに画定している。

他の具体的な実施形態において、本方法は、リサイクルガス出口とアノードとの間にあって、流体連通している改質装置を形成する工程をさらに含み、改質装置は、燃料ガスをＨ_２ガスへ変換する触媒を含む。セパレータの筺体は、燃料ガス源およびセパレータの第２のチャンバと流体連通している燃料ガス入口をさらに画定している。改質装置は、燃料ガス源と流体連通している。燃料電池のアノードは、燃料ガス源と流体連通している。

さらに他の特定の実施形態において、本発明は、アノード、カソードおよびアノードとカソードとの間の電解質を含む少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池スタックを含む燃料電池システムにおいてアノード排気ガスをリサイクルする方法であって、ＣＯ_２およびＨ_２ガスを含むアノード排気ガスを、燃料電池のアノードからセパレータまで送る工程であって、セパレータは、アノード排気入口、リサイクルガス出口および排気ガス出口を画定している筺体であって、アノード排気入口およびリサイクルガス出口が、独立して、アノードと流体連通している、筺体、およびＣＯ_２ガス透過性膜を含み、筺体と膜が、第１のチャンバと第２のチャンバとを少なくとも一部画定しており、第１のチャンバは、アノード排気入口および排気ガス出口と流体連通しており、第２のチャンバは、排気ガス出口と流体連通していて、アノード排気ガスは、アノード排気入口を通って、第１のチャンバへ搬送され、アノード排気ガスに含有されるＣＯ_２ガスの少なくとも一部が、膜を透過して、第２のチャンバへと行って、第２のチャンバにおいてＣＯ_２リッチな排気ガスを形成し、第１のチャンバにおいてＣＯ_２ガスの不十分なリサイクルアノード排気ガスを形成する工程と、リサイクルアノード排気ガスを、燃料電池の前記アノードへ送る工程とを含む方法に関する。具体的な一実施形態において、アノード排気ガスは、ＣＯおよびＨ_２Ｏをさらに含有する。他の具体的な実施形態において、膜は、Ｈ_２Ｏガスに対してさらに選択的に透過性で、それによって、アノード排気ガスのＨ_２Ｏガスを、第１のチャンバから第２のチャンバへ通過させる。さらに他の具体的な実施形態において、本方法は、第２のチャンバから出たＣＯ_２リッチな排気ガスを、排気ガス出口を通して送る工程をさらに含む。セパレータの筺体は、第２のチャンバおよび燃料電池のカソードまたは空気源と流体連通しているパージングガス入口をさらに画定している。具体的な一実施形態において、本方法は、空気源からの気流、燃料電池のカソードからのカソード排気ガスの流れを、第２のチャンバへ、パージングガス入口を通して送って、ＣＯ_２リッチな排気ガスを、空気またはカソード排気ガスの流れにより、第２のチャンバから出して、送る工程をさらに含む。他の具体的な実施形態において、本方法は、燃料ガスの源から、リサイクルガス出口とアノードとの間に配置され、流体連通していて、燃料ガスをＨ_２ガスへ変換する改質装置に、燃料ガスを送る工程をさらに含む。セパレータの筺体は、第１のチャンバと流体連通している燃料ガス入口をさらに画定し、燃料ガスは、燃料ガス源から改質装置へ、セパレータを通して送られる。さらに他の具体的な実施形態において、本方法は、燃料ガス源から、セパレータの第１のチャンバまで、燃料ガス入口を通して、燃料ガスを送る工程をさらに含む。具体的な一実施形態において、本方法は、燃料ガスおよびリサイクルアノード排気ガスを、セパレータから、改質装置まで、リサイクルガス出口を通して送る工程をさらに含む。具体的な実施形態において、本方法は、改質装置で変換されたＨ_２ガスおよびリサイクルアノード排気ガスのＨ_２ガスを、改質装置から燃料電池のアノードまで送る工程をさらに含む。他の具体的な実施形態において、本方法は、燃料源から改質装置まで、リサイクルアノード排気ガスから独立して、燃料ガスを送る工程をさらに含む。さらに他の具体的な実施形態において、本方法は、燃料源からの燃料ガスを送って、リサイクルアノード排気ガスを結合し、燃料ガスと、改質装置までセパレータを通過したリサイクルアノード排気ガスとを送る工程をさらに含む。

等価物
本発明をその実施形態を参照して、特に示し、説明してきたが、当業者であれば、添付の請求項に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形態および細部に様々な変更を行ってよいものと考えられる。

Claims (8)

1. ａ）
   ｉ）カソード、
   ｉｉ）アノード、および
   ｉｉｉ）前記カソードと前記アノードとの間の電解質
   を含む少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池スタックと、
   ｂ）
   ｉ）アノード排気入口、リサイクルガス出口および排気ガス出口を画定している筺体であって、前記アノード排気入口および前記リサイクルガス出口が、独立して、前記アノードと流体連通している、筺体、および
   ｉｉ）Ｈ_２ガス透過性膜であって、ＣＯ、ＣＯ _２ およびＨ _２ Ｏガスの少なくとも１つに対してさらに選択的に透過性である膜
   を含むセパレータと
   を含み、
   前記筺体と前記膜が、第１のチャンバと第２のチャンバとを少なくとも一部画定しており、前記第１のチャンバは、前記アノード排気入口および前記排気ガス出口と流体連通しており、前記第２のチャンバは、前記リサイクルガス出口と流体連通しており、前記セパレータの前記筺体が、前記第１のチャンバおよび前記燃料電池の前記カソードまたは空気源と流体連通しているパージングガス入口をさらに画定している、燃料電池システム。
2. 前記セパレータの前記リサイクルガス出口と前記燃料電池の前記アノードとの間にあって、流体連通している改質装置をさらに含み、前記改質装置が、燃料ガスをＨ_２ガスへ変換する触媒を含む請求項１に記載の燃料電池システム。
3. ａ）アノード、カソードおよび前記アノードと前記カソードとの間の電解質を含む少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池スタックを形成する工程と、
   ｂ）
   ｉ）アノード排気入口、リサイクルガス出口および排気ガス出口を画定している筺体であって、前記アノード排気入口および前記リサイクルガス出口が、独立して、前記アノードと流体連通している、筺体、および
   ｉｉ）Ｈ_２ガス透過性膜であって、ＣＯ、ＣＯ _２ およびＨ _２ Ｏガスの少なくとも１つに対してさらに選択的に透過性である膜
   を含むセパレータを形成する工程と
   を含み、
   前記筺体と前記膜が、第１のチャンバと第２のチャンバとを少なくとも一部画定しており、前記第１のチャンバは、前記アノード排気入口および前記排気ガス出口と流体連通しており、前記第２のチャンバは、前記リサイクルガス出口と流体連通しており、前記セパレータの前記筺体が、前記第１のチャンバおよび前記燃料電池の前記カソードまたは空気源と流体連通しているパージングガス入口をさらに画定している、燃料電池システムを形成する方法。
4. 前記リサイクルガス出口と前記燃料電池の前記アノードとの間にあって、流体連通している改質装置を形成する工程をさらに含み、前記改質装置が、燃料ガスをＨ_２ガスへ変換する触媒を含む請求項３に記載の方法。
5. アノード、カソードおよび前記アノードと前記カソードとの間の電解質を含む少なくとも１つの燃料電池を含む燃料電池スタックを含む燃料電池システムにおいてアノード排気ガスをリサイクルする方法であって、
   ａ）Ｈ_２ガスを含むアノード排気ガスを、前記燃料電池のアノードからセパレータまで送る工程であって、前記セパレータが、
   ｉ）アノード排気入口、リサイクルガス出口および排気ガス出口を画定している筺体であって、前記アノード排気入口および前記リサイクルガス出口が、独立して、前記アノードと流体連通している、筺体、および
   ｉｉ）Ｈ_２ガス透過性膜であって、ＣＯ、ＣＯ _２ およびＨ _２ Ｏガスの少なくとも１つに対してさらに選択的に透過性である膜
   を含み、前記筺体と前記膜が、第１のチャンバと第２のチャンバとを少なくとも一部画定しており、前記第１のチャンバは、前記アノード排気入口および前記排気ガス出口と流体連通しており、前記第２のチャンバは、前記リサイクルガス出口と流体連通しており、前記セパレータの前記筺体が、前記第１のチャンバおよび前記燃料電池の前記カソードまたは空気源と流体連通しているパージングガス入口をさらに画定していて、
   前記アノード排気ガスは、前記アノード排気入口を通って、前記第１のチャンバへ搬送され、前記アノード排気ガス中のＨ_２ガスの少なくとも一部が、前記膜を透過して、前記第２のチャンバへと行き、リサイクルアノード排気ガスを形成する工程と、
   ｂ）前記リサイクルアノード排気ガスを、前記燃料電池の前記アノードへ送る工程と
   を含む方法。
6. 前記アノード排気ガスが、ＣＯおよびＨ_２Ｏをさらに含有し、前記膜がＣＯガスに対してさらに選択的に透過性で、それによって、アノード排気ガスのＣＯガスを、前記第１のチャンバから前記第２のチャンバへ通過させる請求項５に記載の方法。
7. 前記アノード排気ガスが、ＣＯおよびＨ_２Ｏをさらに含有し、前記膜がＣＯおよびＨ_２Ｏガスに対してさらに選択的に透過性で、それによって、アノード排気ガスのＣＯおよびＨ_２Ｏガスを、前記第１のチャンバから前記第２のチャンバへ通過させる請求項５に記載の方法。
8. 前記アノード排気ガスが、ＣＯおよびＨ_２Ｏをさらに含有し、前記膜がＣＯ、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏガスに対してさらに選択的に透過性で、それによって、排気ガスのＣＯ、ＣＯ_２およびＨ_２Ｏガスを、前記第１のチャンバから前記第２のチャンバへ通過させる請求項５に記載の方法。

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