JP7480174B2 - 一酸化炭素耐性アノードを備えた水素ポンピングセルと統合されたシフト反応器とを有する固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

一酸化炭素耐性アノードを備えた水素ポンピングセルと統合されたシフト反応器とを有する固体酸化物形燃料電池システム Download PDF

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Description

本発明は、概してガス分離の分野に関し、より具体的には電気化学的燃料排気燃料リカバリを備えた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電気エネルギーに高効率で変換できる電気化学装置である。高温燃料電池には、固体酸化物形燃料電池と溶融炭酸塩形燃料電池が含まれる。これらの燃料電池は、水素及び／又は炭化水素燃料を使用して作動することができる。電気エネルギーを入力として使用して酸化燃料を未酸化燃料に還元できるといった、逆の動作も可能な、固体酸化物形再生燃料電池などの、燃料電池の部類もある。
本開示の様々な実施形態によると、燃料電池システムは、燃料電池スタック；アノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）;それぞれがカソードとアノードとの間に配置された電解質を含む、第１及び第２の電気化学式水素ポンプセパレータ；燃料電池スタックの燃料排気出口をスプリッタに流体的に接続する燃料排気導管；スプリッタの出口を第１の水素ポンプセパレータのアノード入口に流体的に接続する第１の分離導管；第１の水素ポンプセパレータのアノード出口を第２のポンプセパレータのアノード入口に流体的に接続する第２の分離導管；第１の電気化学式ポンプセパレータのカソード出口をアノードテールガス酸化器に流体的に接続するＡＴＯ吸入導管；第２の電気化学式ポンプセパレータのカソード出口を燃料電池スタックの燃料入口に流体的に接続する水素導管；及び、第２の電気化学式ポンプセパレータのアノード出口を二酸化炭素使用又は貯蔵装置に流体的に接続する副生成物導管を含む。
本開示の様々な実施形態によると、燃料電池システムは、ホットボックス；ホットボックス内に配置される燃料電池スタック；ホットボックス内に配置されるアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）；燃料源を燃料電池スタックの入口に流体的に接続する燃料吸入導管；燃料電池スタックによって生じ、ホットボックスから排出される燃料排気から水を凝縮するように構成された、ホットボックスの外側に配置される燃料排気凝縮器；燃料排気凝縮器から受け入れた燃料排気から液体水を除去するように構成された燃料排気分離器；燃料電池スタックの燃料排気出口を燃料排気凝縮器に流体的に接続する燃料排気導管；燃料排気分離器を燃料吸入導管に流体的に接続するリサイクル導管；リサイクル導管をＡＴＯに流体的に接続するＡＴＯ吸入導管；及び、リサイクル導管を通ってＡＴＯ吸入導管に入る燃料排気流れを選択的に制御するように構成されたリサイクル弁を備える。
本開示の様々な実施形態によると、燃料電池システムは、ホットボックス；ホットボックス内に配置される燃料電池スタック；ホットボックス内に配置されるアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）；燃料源を燃料電池スタックの入口に流体的に接続する燃料吸入導管；ホットボックスの外側に位置する外部アノード排気冷却器；燃料電池スタックの燃料排気出口を外部アノード排気冷却器に流体的に接続する燃料排気導管；外部アノード排気冷却器を燃料吸入導管に流体的に接続するリサイクル導管；リサイクル導管に流体的に接続される燃料排気処理導管；及び、燃料排気処理導管に流体的に接続され、且つ、燃料排気処理導管から受け入れた燃料排気を液体水、二酸化炭素、及び水素の流れに分離するように構成されたガス分離器を備える。
図１は、燃料電池システムの第１の比較実施形態の燃料電池システムの概略図である。 図２は、燃料電池システムの第２の比較実施形態の燃料電池システムの概略図である。 図３は、本開示の様々な実施形態による、燃料電池システムの概略図である。 図４は、本開示の様々な実施形態による、燃料電池システムの概略図である。 図５Ａは、本開示の様々な実施形態による、燃料電池システムの概略図である。 図５Ｂは、本開示の様々な実施形態による、燃料電池システムの概略図である。 図５Ｃは、本開示の様々な実施形態による、燃料電池システムの概略図である。 図６は、本開示の様々な実施形態による、燃料電池システムの概略図である。 図７は、本開示の様々な実施形態による、燃料電池システムの概略図である。 図８は、本開示の様々な実施形態による、水性ガスシフト反応器の斜視図である。
本明細書に記載されるように、例示の実施形態及び／又は本発明の例示の実施形態が示される添付の図面を参照して、本開示の様々な態様を説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で実施することができ、図面に示される又は本明細書に記載される例示の実施形態に限定されると解釈されるべきではない。開示される様々な実施形態は、その特定の実施形態に関連して説明される特定の特徴、要素、又はステップを含み得ることが理解されよう。特定の特徴、要素又はステップは、１つの特定の実施形態に関連して説明されているが、様々な示されない組み合わせ又は並べ替えにおいて代替の実施形態と交換または組み合わされ得ることも理解されよう。
要素又は層が別の要素又は別の層「の上にある」又は「に接続される」と言及される場合、それは他の要素又は他の層の直接上にあり得る又は直接接続され得るか、あるいは、介在する要素又は層が存在する可能性があることも理解されよう。対照的に、要素が別の要素又は別の層「の直接上にある」又は「に直接接続される」と言及される場合、介在する要素又は層は存在しない。本開示の目的のために、「Ｘ、Ｙ、及びＺの少なくとも１つ」とは、Ｘのみ、Ｙのみ、Ｚのみ、又は２つ以上の項目Ｘ、Ｙ、及びＺの任意の組み合わせ（例えば、ＸＹＺ、ＸＹＹ、ＹＺ、ＺＺ）として解釈され得ることが理解されよう。
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％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。
本明細書において、「燃料排気」という用語は、燃料電池スタックのアノードから排出される排気を指す場合があり、スタックに供給される未反応の燃料を含む場合がある。「空気排気」という用語は、燃料電池スタックのカソードから排出される排気、及び／又はアノードテールガス酸化器から排出される排気を指す場合がある。
本発明の第１及び第２の比較実施形態は、電気化学式ポンプセパレータが、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム等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示す。他の燃料電池システムも使用できることに留意されたい。
第１の実施形態のシステムでは、燃料電池スタックに供給される燃料吸入流を加湿するために、燃料加湿器が用いられる。第２の実施形態のシステムでは、燃料加湿器を省いてもよい。燃料電池スタックの燃料排気流の一部が、燃料吸入流を加湿するために燃料吸入流へと直接リサイクルされる。燃料電池スタックの燃料排気流の別の部分はセパレータに供給され、その後、分離された水素が燃料吸入流に供給される。
図１は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第８，１０１，３０７Ｂ２に開示される燃料電池システム１００を概略的に示したものである。システム１００は、固体酸化物形燃料電池スタックなどの燃料電池スタック１０１を含む（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、及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つの固体酸化物形燃料電池を表すように概略的に示されている）。
システム１００は、また、燃料排気流から水素を電気化学的に分離する電気化学式ポンプセパレータ１５０を含む。ポンプセパレータ１５０は、高分子電解質を含む、任意の適切なプロトン交換膜装置を備えることができる。水素は、電解質の両側に配置されたアノード電極とカソード電極との間に電位差が与えられた状態で、高分子電解質を通って拡散する。好ましくは、ポンプセパレータ１５０は、高温低水和イオン交換膜セルのスタックなど、一酸化炭素耐性電気化学的セルのスタックを含む。このタイプのセルは、例えば、アノード電極とカソード電極との間に配置された、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）膜などの非フッ素化イオン交換アイオノマー膜を含む。膜には、硫酸やリン酸などの酸がドープされる。このようなセルの例は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国公開出願ＵＳ２００３／０１９６８９３Ａ１に開示されている。これらのセルは、一般的には、約１００℃～約２００℃の温度範囲で作動する。したがって、システム１００内の熱交換器は、燃料排気流を、約１２０℃～約２００℃の温度、例えば約１６０℃～約１９０℃の温度に維持することが好ましい。
システム１００は、また、燃料電池スタック１０１の燃料排気出口１０３をポンプセパレータ１５０のアノード入口１５１に流体的に接続している第１の燃料排気導管１５３を含む。システム１００は、また、スタック１０１の燃料入口１０５を外部燃料源に流体的に接続している燃料吸入導管１１１に、ポンプセパレータ１５０のカソード出口１５８を流体的に接続している生成物導管１５７を含む。システム１００は、また、ポンプセパレータ１５０のアノード出口１５２をアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）１４０又は大気ベントに流体的に接続しているセパレータ排気導管１５９を含む。好ましくは、システム１００には、作動中、燃料排気を圧縮し、圧縮された燃料排気流をポンプセパレータ１５０に供給するコンプレッサがない。
システム１００は、燃料吸入導管１１１とセパレータ排気導管１５９とに動作可能に接続された燃料加湿器１１９をさらに含む。作動中、燃料加湿器１１９は、セパレータ排気導管１５９に排出されたセパレータ排気に含まれる水蒸気を用いて、リサイクルされた水素を含む燃料導管１１１内の燃料を加湿する。燃料加湿器１１９は、例えば、ともにその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号及び米国出願シリアル番号１０／３６８，４２５に記載されるように、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜加湿器等の高分子膜加湿器、エンタルピーホイール、又は複数の水吸着床を含むことができる。例えば、１つの好適なタイプの加湿器は、Ｐｅｒｍａ Ｐｕｒｅ ＬＬＣから入手可能な、水蒸気及びエンタルピー移動のＮａｆｉｏｎ（登録商標）系透水性膜を含む。燃料加湿器１１９は、水蒸気及びエンタルピーを燃料排気流から燃料吸入流に受動的に移して、燃料吸入流中の水蒸気の炭素に対する比を２～２．５にする。燃料吸入導管１１１内の燃料の温度は、燃料加湿器１１９によって、約８０℃～約９０℃まで上昇させることができる。
システム１００は、また、燃料吸入導管１１１と燃料排気導管１５３とに動作可能に接続された伝熱式熱交換器１２１（例えば、アノード復熱器）を含む。熱交換器１２１は、燃料排気導管１５３内の燃料排気から取り出した熱を用いて、燃料吸入導管１１１内の燃料を加熱する。熱交換器１２１は、流入する燃料の温度上昇を促進し、燃料排気の温度を下げ、凝縮器内でさらに冷却されて、燃料加湿器１１９を損傷させないようにする。
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及び一酸化炭素を含む燃料流へと改質し、これがその後スタック１０１に供給される。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シリアル番号１１／００２，６８１に記載されるように、改質器１２３は、燃料電池スタック１０１内で生成された熱によって、及び／又は、任意選択のＡＴＯ１４０で生成された熱によって、放射的に、対流によって、及び／又は、伝導的に加熱され得る。あるいは、スタック１０１が内部改質タイプの電池を含み、改質が主にスタックの燃料電池（セル）内で行われる場合、外部燃料改質器１２３は省くことができる。
システム１００は、また、スタック１０１の空気入口１０７に流体的に接続される空気吸入導管１３０を含む。任意選択で、システム１００は、空気吸入導管１３０に動作可能に接続されるとともに、燃料排気導管１５３内の燃料排気から取り出した熱を用いて空気吸入導管１３０内の空気を予熱するように構成された空気予熱熱交換器１２５（アノード排気冷却器と呼ぶこともある）を含む。必要に応じて、この熱交換器１２５を省略してもよい。
システム１００は、また、スタック１０１の空気排気出口１０９をＡＴＯ１４０に流体的に接続している空気排気導管１３２を含む。システム１００は、好ましくは、空気吸入導管１３０と空気排気導管１３２とに動作可能に接続された空気熱交換器１２７を含む。この熱交換器１２７は、さらに、空気排気導管１３２内の燃料電池スタック空気排気（すなわち、酸化剤又はカソード排気）から取り出した熱を用いて、空気吸入導管１３０内の空気を加熱する。予熱熱交換器１２５が省略される場合には、空気は、ブロワ又は他の空気取り入れ装置によって熱交換器１２７に直接供給される。
システム１００は、また、任意選択で、生成物導管１５７と空気吸入導管１３０とに動作可能に接続された水素冷却熱交換器１２９を含む。熱交換器１２９は、空気吸入導管１３０を通って流れる空気を使用して、ポンプセパレータ１５０から出る分離された水素から熱を取り出す。
システム１００は、また、燃料排気導管１５３に動作可能に接続される任意選択の水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器１２８を含むことができる。ＷＧＳ反応器１２８は、燃料排気中の水の少なくとも一部を遊離水素（Ｈ２）へと変換する任意の適切な装置であってよい。例えば、ＷＧＳ反応器１２８は、燃料排気流中の一酸化炭素と水蒸気の一部又はすべて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ることができる。したがって、ＷＧＳ反応器１２８は、燃料排気中の水素の量を増加させる。触媒は、酸化鉄又はクロム助触媒酸化鉄触媒（chromium-promoted iron oxide catalyst）などの、任意の適切な触媒であってよい。ＷＧＳ反応器１２８は、燃料熱交換器１２１と空気予熱熱交換器１２５との間で、燃料排気導管１５３に動作可能に接続することができる。
システム１００は、次のように作動することができる。燃料が、燃料吸入導管１１１を通って燃料電池スタック１０１に供給される。燃料は、任意の適切な炭化水素燃料を含むことができ、メタン、メタンとともに水素や他のガスを含む天然ガス、プロパン、又はその他のバイオガス、あるいは、一酸化炭素などの炭素燃料、メタノールなどの酸素化炭素含有ガス、又は、他の炭素含有ガスと、水蒸気、Ｈ２ガス又はそれらの混合物等の水素含有ガスとの混合物を含むが、これらに限定されない。例えば、上記混合物は、石炭又は天然ガスの改質に由来する合成ガスを含むことができる。
燃料流が加湿器１１９を通過するとき、燃料流は加湿される。次に、加湿された燃料流は、燃料熱交換器１２１を通過し、そこで、加湿された燃料が燃料電池スタックの燃料排気によって加熱される。次に、加熱され加湿された燃料は、好ましくは外部改質器である燃料改質器１２３に供給される。例えば、燃料改質器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シリアル番号１１／００２，６８１に記載の改質器を含んでよい。
燃料改質器１２３は、炭化水素燃料を部分的又は完全に改質して炭素含有及び遊離水素含有燃料を形成することのできる、任意の適切な装置であってよい。例えば、燃料改質器１２３は、炭化水素ガスを、遊離水素と炭素含有ガスとのガス混合物に改質することができる任意の適切な装置であってよい。例えば、燃料改質器１２３は、触媒を被覆した通路を含むことができ、そこで、天然ガスなど、加湿されたバイオガスが水蒸気－メタン改質反応を介して改質されて、遊離水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、及び任意選択で残りの量の未改質のバイオガスを形成する。次に、遊離水素及び一酸化炭素は、燃料電池スタック１０１の燃料（すなわち、アノード）入口１０５に供給される。したがって、燃料吸入導管１１１内の燃料の流れ方向に関して、加湿器１１９は熱交換器１２１の上流に位置し、熱交換器１２１は改質器１２３の上流に位置し、改質器１２３はスタック１０１の上流に位置する。
空気吸入導管１３０を通してスタック１０１に供給される、空気又は他の酸素含有ガス（すなわち、酸化剤）は、空気排気導管１３２内のカソード排気を使用して、空気熱交換器１２７によって加熱される。必要に応じて、空気吸入導管１３０内の空気を、空気をスタック１０１に供給する前に、水素冷却熱交換器１２９に通して、及び／又は、空気予熱熱交換器１２５に通して、空気流の温度をさらに上げることもできる。
作動中、スタック１０１は、供給された燃料と空気を使用して電気を生成し、燃料排気と空気排気を生成する。燃料排気には、水素、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンなどの未反応の炭化水素燃料、及びその他の反応副産物や不純物が含まれ得る。燃料排気は、スタック１０１に供給される燃料の約２５％を含み得る。
燃料排気は、燃料排気出口１０３から排出され、燃料排気導管１５３によってポンプセパレータ１５０に供給される。ポンプセパレータ１５０は、燃料排気に含まれた水素（Ｈ２）の少なくとも一部を電気化学的に分離する。分離された水素は、カソード出口１５８から排出され、生成物導管１５７によって燃料吸入導管１１１に供給され、そこで水素は、入ってくる新鮮な燃料と混合される。好ましくは、水素は、加湿器１１９の上流側の燃料吸入導管１１１に供給される。
この燃料排気流は、まず、熱交換器１２１に供給され、ここで、入ってくる燃料の温度を上げながら、自身の温度を、好ましくは２００℃未満に下げる。ＷＧＳ反応器１２８と空気予熱熱交換器１２５が存在する場合には、燃料排気はＷＧＳ反応器１２８を通って供給され、水蒸気の少なくとも一部と、残留する一酸化炭素の大部分を、二酸化炭素と水素に変換する。その後、燃料排気の温度は、熱交換器１２５を通過する間に、空気吸入導管１３０内の空気に熱を伝達することによってさらに下げられる。燃料排気の温度は、例えば、約９０～１１０℃まで下げることができる。
燃料排気は、その後、導管１５３を経て、ポンプセパレータ１５０のアノード入口１５１に供給される。ポンプセパレータ１５０は、例えば燃料排気流中の水素の約８５％といった、燃料排気からの水素の大部分を分離するように構成することができる。特に、水素は、ポンプセパレータ１５０内のセルの電解質を通って拡散し、同時に、燃料排気中の水蒸気、二酸化炭素、一酸化炭素、及び残りの炭化水素ガスは、排気導管１５９によって加湿器１１９に供給される。
燃料加湿器１１９では、燃料排気中の水蒸気の一部が燃料吸入導管１１１内の燃料に移されて燃料を加湿する。燃料は８０℃～９０℃の露点まで加湿することができる。次に、燃料排気流の残りは、スタック１０１からの空気（すなわち、カソード）排気と共にＡＴＯ１４０に供給され、そこでガスが燃焼されて低品質な熱を供給する。ＡＴＯ１４０からの熱は、改質器１２３を加熱するために使用され得るか、システム１００の他の部分に供給され得るか、又は、建物暖房システム等の、システム１００の外部の装置に供給され得る。
ポンプセパレータ１５０によって分離された水素は、カソード出口１５８から排出され、生成物導管１５７によって燃料吸入導管１１１に供給され、そこで、入ってくる燃料と混合される。必要に応じて、水素は、燃料吸入導管１１１に供給される前に、熱交換器１２９で冷却することができ、そこで水素流は空気吸入導管１３０内の空気と熱を交換する。水素の温度は、燃料吸入導管１１１に供給される前に、熱交換器１２９で下げられる。したがって、炭化水素燃料は、ポンプセパレータ１５０を用いてアノード排気ガスから回収された周囲温度に近い低露点のリサイクル水素と混合される。
したがって、燃料排気の流れ方向に関して、熱交換器１２１は反応器１２８の上流に位置し、反応器１２８は熱交換器１２５の上流に位置し、熱交換器１２５はポンプセパレータ１５０の上流に位置し、ポンプセパレータ１５０は加湿器１１９と燃料吸入導管１１１との上流に位置する。
図２は、米国特許第８，１０１，３０７Ｂ２に記載の燃料電池システム２００を概略的に示したものである。システム２００は、システム１００に類似しており、いくつかの構成要素を共通に含む。システム１００及びシステム２００の両方に共通であるそれらの構成要素には、図１及び図２において同じ番号を付けてあり、さらには説明しない。
システム１００とシステム２００との間の１つの違いは、システム２００には、好ましくは、加湿器１１９がないことであるが、必ずしもそうでなくてもよい。その代わりに、水蒸気を含むスタックの燃料排気流の一部が、直接スタック燃料吸入流へとリサイクルされる。燃料排気流中の水蒸気は、燃料吸入流を加湿するのに十分である。
システム２００は、燃料排気スプリッタ２０１、リサイクル導管２０３、ブロワ又はコンプレッサ２０５、及び混合器２０７を含むことができる。スプリッタ２０１は、コンピュータ又はオペレータ制御の多方弁、例えば三方弁、又は他の流体分割装置であってよい。スプリッタ２０１は、燃料排気導管１５３及びリサイクル導管２０３に動作可能に接続することができる。特に、スプリッタ２０１は、燃料排気導管１５３内の燃料排気の全部又は一部をリサイクル導管２０３に回すように構成することができる。
混合器２０７は、燃料吸入導管１１１、リサイクル導管２０３、及び生成物導管１５７に動作可能に接続することができる。リサイクル導管２０３は、スプリッタ２０１を混合器２０７に流体的に接続することができる。混合器２０７は、新鮮な燃料に、リサイクル導管２０３によって供給される燃料排気及び／又は生成物導管１５７によって供給される水素を混合するように構成することができる。
ブロワ又はコンプレッサ２０５は、リサイクル導管２０３に動作可能に接続することができる。ブロワ又はコンプレッサ２０５は、燃料排気をリサイクル導管２０３を通って混合器２０７へと移動させるように構成することができる。作動中、ブロワ又はコンプレッサ２０５は、所望の量の燃料排気を、混合器２０７を介して燃料吸入導管１１１に制御可能に供給する。
システム２００を作動させる方法は、システム１００を作動させる方法に類似している。１つの違いは、燃料排気が、スプリッタ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の燃料排気流が燃料吸入流にリサイクルされる一方で、第２の燃料排気流はポンプセパレータ１５０へと向けられ、そこで、第２の燃料排気流に含まれる水素の少なくとも一部分を第２の燃料排気流から電気化学的に分離する。次に、第２の燃料排気流から分離された水素は、生成物導管１５７によって燃料吸入導管１１１へと供給される。例えば、燃料排気の５０％から７０％の間、例えば約６０％等を、ブロワ又はコンプレッサ２０５に供給することができ、残りをポンプセパレータ１５０の方へと供給することができる。
好ましくは、燃料排気は、スプリッタ２０１に供給される前に、まず、熱交換器１２１及び１２５、及びＷＧＳ反応器１２８を通って流れる。燃料排気は、２つの流れに分割されるスプリッタ２０１に供給される前に、熱交換器１２５において、約２００℃以下に、例えば約１２０℃～約１８０℃に冷却することができる。これにより、所望の量の燃料排気流を燃料吸入導管１１１に制御可能にリサイクルするために、低温度ブロワ２０５を用いることが可能となる。なぜなら、こうしたブロワは、約２００℃以下の温度を有するガス流を移動させるのに適合できるからである。
ブロワ又はコンプレッサ２０５はコンピュータ又はオペレータ制御することができ、以下に記載する状況に応じて燃料吸入流に供給される燃料排気流の量を変えることができる。いくつかの実施形態において、システム２００は、任意選択で、生成物導管１５７に動作可能に接続されるセレクタバルブ２１０を含むことができる。セレクタバルブ２１０は、補助装置２１２、例えば、水素貯蔵装置、車両内のＰＥＭ燃料電池等の水素使用装置又は別の水素使用装置、又は水素貯蔵容器に、流体的に接続され得る。セレクタバルブ２１０は、生成物導管１５７内の選択された量の水素を補助装置２１２に回すように構成され得る。例えば、水素の全部又は一部を、補助装置２１２又は混合器２０７のいずれかに供給することができるか、あるいは、水素を、混合器２０７及び補助装置２１２に交互に供給することができる。
ブロワ又はコンプレッサ２０５及び任意選択のセレクタバルブ２１０は、以下の状況の１つ又は複数に基づいてガス流を制御可能に変えるようにコンピュータ又はオペレータによって操作することができる。ｉ）システム２００の検出又は観測された状況（すなわち、燃料吸入流中の水素の量の変更を必要とする、システム作動状況の変化）；ｉｉ）燃料吸入流中の水素の一時的な調整を必要とする、コンピュータに提供された事前の計算又はオペレータに知らされた状況；ｉｉｉ）スタックによって生成された電力の使用者による電力需要の変化、水素の価格と比較した電気又は炭化水素燃料の価格の変化など、スタック１０１の動作パラメーターの、望まれる将来の変化、現在起こっている変化又は最近の過去の変化；及び／又は、ｉｖ）水素使用装置などの水素使用者による水素需要の変化、電気の価格と比較した水素又は炭化水素燃料の価格の変化など。
燃料排気（すなわちテール）ガスから分離された水素の少なくとも一部を燃料吸入導管１１１へとリサイクルすることによって、燃料電池システムを高効率で運転できると考えられる。さらに、全体的な燃料利用率が増加する。パス当たりの燃料利用率が約７５％である（すなわち、スタックを通り抜ける各パスの間に、燃料の約７５％が使用される）場合、発電効率（すなわち、ＡＣ発電効率）は、第１及び第２の実施形態の方法では、約５０％から約６０％の間、例えば約５４％から約６０％の間の範囲とすることができる。パス当たりの利用率が約７５％である場合、約９４％～約９５％の有効な燃料利用率が得られ、燃料排気ガス水素の約８５％がセパレータ１５０によって燃料電池スタックにリサイクルされる。パス当たりの燃料利用率を約７６～８０％など、７５％超に上昇させることにより、さらに高い効率を得ることができる。定常状態では、第１及び第２の実施形態の方法は、水蒸気メタン改質が燃料電池への供給ガスを生成するために用いられる際の、水蒸気の生成を不要とする。燃料排気流は、水蒸気の炭素に対する比２～２．５でスタックへの燃料吸入流を加湿するのに十分な水蒸気を含む。正味の燃料利用の増加と、水蒸気の生成に熱が必要でなくなることが、全体的な発電効率を上げる。対照的に、水素をリサイクルしない場合、ＡＣ発電効率は、スタック内の燃料利用率約７５％～８０％に対して約４５％である。
図３は、本開示の様々な実施形態による、燃料電池システム３００を概略的に示したものである。図１及び２に関して上に記載したものと同じ番号を有する図３中の要素については、図３に関しては再び説明しない。システム３００は、燃料電池スタック（例えば、ＳＯＦＣスタック）１０１、ＡＴＯ１４０、燃料熱交換器１２１、空気予熱熱交換器１２５、空気熱交換器１２７、空気吸入ブロワ３０４、アノードリサイクルブロワ３３０、及び、燃料排気導管３１２に動作可能に接続され得るスプリッタ３３２を含むホットボックス３０２を含み得る。システム３００は、また、第１及び第２の水素ポンプセパレータ３５０Ａ，３５０Ｂを含むことができる。いくつかの実施形態では、システム３００は、リサイクル導管３１４（すなわち、アノード排気リサイクル導管）に動作可能に接続され得るベンチュリ装置３３４を含み得る。いくつかの実施形態において、システム３００は、また、混合器３３６を含み得る。
システム３００は、図１及び図２のシステム１００及び２００に関して上で説明したように、燃料改質器１２３、導管（例えば、１３０，１３２）などの追加のシステム構成要素を含み得る。
ポンプセパレータ３５０Ａ，３５０Ｂは、上述の電気化学式水素ポンプセパレータ１５０などの、任意の適切なタイプの電気化学式水素セパレータであってよい。例えば、ポンプセパレータ３５０Ａ，３５０Ｂは、それぞれ、アノード３５４とカソード３５６との間に配置されたプロトン伝導性電解質３５２を含み得る。燃料電池燃料排気流などの水素含有ガス流がアノードに供給され、そこで、水素がアノードの触媒材料によってプロトンと電子とに解離される。電子は、印加電圧によってカソードに駆動され、プロトンをカソードに動かして純粋な水素ガスを発生させる。
例えば、好適な電解質の材料は、任意の好適なプロトン伝導体を含み、例えば、プロトン交換膜（ＰＥＭ）、又は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）のブランド名で販売されている化学式Ｃ７ＨＦ１３Ｏ５Ｓ.Ｃ２Ｆ４をもつスルホン化テトラフルオロエチレン系のフルオロポリマー共重合体等の高分子電解質膜、先の実施形態に記載のリン酸膜（ポリリン酸及びポリベンゾイミダゾールポリマーを含むＰＢＩ系のリン酸膜を含む）、プロトン伝導性酸化物としては、ＬａＰＯ４等のリン酸塩、固体酸（リン酸二水素セシウム、ＣｓＨ２ＰＯ４等）、及び、ＢａＣｅＹＯ（ＢＣＯ）、ＢａＺｒＹＯ（ＢＺＯ）、ＬａＳｒＰＯ、ＢａＣａＮｂＯ（ＢＣＮ）、ＬａＣａＮｂＯ、又はＬａＢａＧａＯ（ＬＢＧＯ）のような、ペロブスカイト型のセレート、ニオブ酸塩、リン酸塩、没食子酸塩又はジルコン酸塩等、特定のペロブスカイト（ＡＢＯ３）材料、その全体を参照により本明細書に組み込まれるＣｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｒｅｖ．，２０１０，３９，４３７０－４３８７に記載のものが含まれる。
ブロワ３３０は、任意の適切な流体（例えば、気体）ブロワ、ポンプ、コンプレッサなどであってよい。スプリッタ３３２は、コンピュータ又はオペレータ制御の多方弁、例えば四方弁、又は、流体導管に開口部又はスリットを含むパッシブスプリッタなどの他の適切な流体分割装置であってよい。
燃料吸入導管３１０は、スタック１０１を、天然ガス源、プロパン源（例えば、天然ガスラインまたはプロパンタンク）などの炭化水素燃料源に流体的に接続するように構成することができる。燃料吸入導管３１０は、また、ＣＰＯｘ反応器、燃料熱交換器１２１、改質器１２３などの他のシステム構成要素に流体的に接続することができる。燃料排気導管３１２は、スタック１０１のアノード排気出口をスプリッタ３３２に流体的に接続するように構成することができる。リサイクル導管３１４は、スプリッタ３３２の出口を、混合器３３６を介して燃料電池スタック１０１の入口に流体的に接続するように構成することができる。第１の分離導管３１６は、スプリッタ３３２の出口を第１のポンプセパレータ３５０Ａの入口に流体的に接続するように構成することができる。混合器３３６及びベンチュリ装置３３４は、リサイクル導管３１４に動作可能に接続することができる。
ＡＴＯ吸入導管３２０は、第１のポンプセパレータ３５０Ａのカソード出口をＡＴＯ１４０の入口に流体的に接続するように構成することができる。第２の分離導管３２２は、第１のセパレータ３５０Ａのアノード出口を第２のポンプセパレータ３５０Ｂの入口に流体的に接続するように構成することができる。副生成物導管３２４は、第２のポンプセパレータ３５０Ｂのアノード出口を任意選択のＣＯ２貯蔵システム又は貯蔵装置３４０に流体的に接続することができる。水素導管３２６は、第２のポンプセパレータ３５０Ｂのカソード出口を混合器３３６の入口に流体的に接続することができる。排気導管３２８は、ＡＴＯの出口に流体的に接続することができる。任意選択の起動導管３２９は、スプリッタ３３２をＡＴＯ吸入導管３２０に接続することができる。スプリッタ３３２が四方弁である場合には、システム３００の起動モード時、導管３１２，３２９及び３２０を通してＡＴＯ１４０に燃料を供給するために、弁は燃料排気導管３１２と起動導管３２９との間で開いている。システム３００の定常状態モード中は、水素ポンプセパレータ３５０Ａが燃料をＡＴＯ吸入導管３２０を通してＡＴＯ１４０に供給するため、弁は燃料排気導管３１２と起動導管３２９との間で閉じられる。
ベンチュリ装置３３４は、そこを通って流れる流体の速度を変更するように構成することができる。ベンチュリ装置３３４は、リサイクル導管内のアノードリサイクル流の流れを測定するために使用することができる。水素ポンプセパレータ３５０Ｂからの水素導管３２６内の水素の流れは、水素ポンプセパレータ３５０Ｂで流れた電流から計算することができる。水素ポンプ内の水輸送を特徴付けることができれば、流れ３２６の総流量を計算することができる。したがって、混合器３３６に供給される水素及びアノードリサイクル流の流量を、前述のとおり求めることができる。混合器３３６は、２つの流体流を組み合わせて単一の流体流にするように構成された任意の適切な装置であってよい。一実施形態では、混合器３３６は、ホットボックス３０２の外側の、ブロワ３３０の下流に配置されて、水素導管３２６からの水素流とリサイクル導管３１４からの燃料リサイクル流とを混合することができる。
システム３００は、燃料排気導管３１２に動作可能に接続される任意選択のＷＧＳ反応器１２８を含み得る。ＷＧＳ反応器１２８は、燃料排気中のＣＯ及びＨ２Ｏを、ＣＯ２及びＨ２に変換するように構成され得る。ＷＧＳ反応器１２８は、燃料熱交換器１２１とスプリッタ３３２との間に配置され得る。いくつかの実施形態では、ＷＧＳ反応器１２８は、ホットボックス３０２の内部、第１のポンプセパレータ３５０Ａの内部の場所、又は、アノード排気導管上の、スタック１０１と第１のポンプセパレータ３５０Ａとの間の任意の場所に配置され得る。一実施形態では、ホットボックス３０２内部の燃料熱交換器１２１内に高温水性ガスシフト触媒を配置することができ、リサイクル導管３１６内に中温又は低温水性ガスシフト触媒を配置することができる。したがって、この実施形態では、ＷＧＳ反応器１２８の第１の部分は、燃料熱交換器１２１に一体化され、一方、ＷＧＳ反応器１２８の第２の部分は、リサイクル導管３１６に一体化される。
作動中、スタック１０１から排出される燃料排気は、ブロワ３３０によって燃料排気導管３１２を通って吸い出され、スプリッタ３３２に供給され得る。スプリッタ３３２は、燃料排気の第１の部分（例えば、第１の燃料排気流）をリサイクル導管３１４に能動的又は受動的に供給し、燃料排気の第２の部分（例えば、第２の燃料排気流）を第１の分離導管３１６に選択的に供給するように構成することができる。
リサイクル導管３１４は、スプリッタ３３２から出る第１の燃料排気流を、混合器３３６を通って燃料電池スタック１０１に供給するように構成することができる。ベンチュリ装置３３４は、圧力降下を測定してリサイクル導管３１４内の第１の燃料排気流の流量を検出するための測定装置として、又は、流量を減少させるためのスロットルとして作動することができる。
第１の分離導管３１６は、スプリッタ３３２から受け入れた第２の排気流を第１のポンプセパレータ３５０Ａの入口に供給するように構成することができる。第１のポンプセパレータ３５０Ａは、燃料排気から水素ガスを選択的に分離することができる。したがって、ポンプセパレータ３５０Ａは、水素（例えば、ＡＴＯ燃料流）を、ＡＴＯ吸入導管３２０を介してＡＴＯ１４０へと出すことができる。第１のポンプセパレータ３５０Ａは、定電流モードで動作することができる。これは、ＡＴＯ１４０への水素の流れを制御するのに役立ち得る。スタック１０１のカソード排気もまたＡＴＯ１４０に供給され得る。ＡＴＯ排気（つまり、酸化されたアノード排気とカソード排気）は、ＡＴＯ燃料が水素で構成されるため、完全にまたは実質的にＣＯ２フリーとなるであろう（例えば、カソード排気を含む空気中に存在するＣＯ２以外）。
ＡＴＯの水素需要はスタック１０１の水素排出量未満である可能性があるため、第１のポンプセパレータ３５０Ａは、第２の燃料排気流から水素の一部のみを取り除くように構成することができる。したがって、第２の燃料排気流の残りは水素を含んでいてもよく、第１のポンプセパレータ３５０Ａのアノード出口から排出されて、第２の分離導管３２２によって、第２のポンプセパレータ３５０Ｂの入口に供給されてもよい。ＡＴＯ燃料がホットボックス内の熱平衡を維持する必要がない場合（例えば、システム３００の動作期間の後期）には、リサイクル導管３１６は、第１の水素ポンプセパレータ３５０Ａを迂回するように構成され得るか、又は、第１の水素ポンプセパレータ３５０Ａに電流が流れていない状態で第１の水素ポンプセパレータを通り抜けてもよく、これによりＡＴＯ吸入導管３２０内の水素の流れをゼロにする。この実施形態では、以下の図７に関して説明するように、代わりに外部燃料をＡＴＯ１４０に提供することができる。
第２のポンプセパレータ３５０Ｂは、第２の燃料排気流から水素を分離し、それにより、水素流、及び、主に気体状の水及び二酸化炭素を含む副生成物流を生成するように構成することができる。
一態様では、第１のポンプセパレータ３５０Ａは、ＡＴＯ１４０への燃料の流れを制御するために定電流モードで作動させることができ、第２のポンプセパレータ３５０Ｂは、定電圧モードで作動し、アノードリサイクル流の一部として、水素をスタック１０１にリサイクルすることができる。第１及び第２のポンプ３５０Ａ，３５０Ｂは、性能及び動作条件に応じて、高温膜（約１６０℃）又は低温膜（約８０℃）の化学的性質のいずれか、又は２つの組み合わせに基づくことができる。
いくつかの実施形態では、システム３００は、任意選択で、二酸化炭素処理装置３３８及び二酸化炭素貯蔵装置３４０を含むことができ、これらは、第２のポンプセパレータ３５０Ｂのアノード出口に流体的に接続される副生成物導管３２４に動作可能に接続することができる。処理装置３３８は、第２のポンプセパレータ３５０Ｂ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作動することができる。任意選択の二酸化炭素処理装置３３８は、二酸化炭素副生成物流から水を除去するように構成された凝縮器及び／又は乾燥器であり得る。貯蔵装置３４０に供給される生成二酸化炭素流は、蒸気、液体、固体、又は超臨界二酸化炭素の形態であってよい。
残りの精製した又は純粋なＣＯ２は、貯蔵装置３４０内に貯蔵／隔離されるか、又は、化学的プロセス、飲料カーボネーション等に使用することができる。いくつかの実施形態では、貯蔵装置３４０は、貯蔵のために、ＣＯ２をドライアイスに変えるように構成された極低温貯蔵装置であってもよい。
水素流は、水素導管３２６によって、第２のポンプセパレータ３５０Ｂのカソード出口から混合器３３６へと出され得る。水素は、混合器３３６内で、リサイクル導管３１４によって供給される第１の燃料排気流と混合されて、アノードリサイクル流を形成することができる。水素導管３２６内の水素流の一部又はすべては、また、リサイクル導管３１４にリサイクルされるのではなく、水素生成物として取り出され得る。この実施形態では、混合器３３６は省略することができる。取り出された水素生成物は、圧縮され、乾燥され、貯蔵することができる。
アノードリサイクル流は、混合器３３６から燃料電池スタック１０１又は燃料吸入導管３１０に供給され、燃料吸入導管３１０では、スタック１０１にリサイクルされる前に、燃料源から供給された流入燃料と混合することができる。いくつかの実施形態では、第１の燃料排気流の流量は、スタック１０１に提供される燃料のＯ：Ｃ比（酸素：炭素比）が、ホットボックス内の任意の温度でのコークス化を抑制するのに十分な酸素含有量を提供するように制御することができる。
水素流は、ドライベースで約９５％～約１００％のＨ２など、少なくとも９５％のＨ２を含み得る。言い換えれば、第１及び第２のポンプセパレータ３５０Ａ，３５０Ｂの両方をタンデムで使用することにより、システムは、スタック１０１によって生じた燃料排気から高度に精製された水素ガスを製造することができる。したがって、システム３００は、２つのポンプセパレータ３５０Ａ，３５０Ｂを使用して、燃料電池スタック１０１のアノード排気から出される二酸化炭素（ＣＯ２）の９５％超、例えばＣＯ２の９５～１００％を取り除くように構成することができる。
さらに、ＡＴＯ１４０には燃料としてＨ２が供給されるため、ＡＴＯ排気（すなわち、酸化されたアノード排気及びカソード排気）は、完全に又は実質的にＣＯ２フリー（例えば、カソード排気を構成する空気中に存在するＣＯ２以外）であり得る。
ポンプセパレータ３５０Ａ，３５０Ｂなどの水素ポンプセパレータにおいては、一酸化炭素（ＣＯ）の蓄積及び／又は水の詰まりが起こり得、これが分離効率を低下させる可能性がある。したがって、いくつかの実施形態では、ＡＣインピーダンス（例えば、参照によりその全体が組み込まれる米国特許第９，４６１，３２０号に記載されている）を使用して、任意の適当な周波数で、ポンプセパレータ３５０Ａ，３５０Ｂに接続されるＤＣ／ＤＣ電源からの電圧リップルを用いてＣＯの蓄積及び／又は水の詰まりを検出することができる。例えば、１Ｈｚの周波数を使用して液体水の溢れを検出し、１ｋＨｚの周波数を使用してＣＯの蓄積を検出することができる。一方のセパレータからのリップルは、もう一方のセパレータからのリップルをキャンセルすることができ、又は、リップルは、統合燃料電池システム内の他のリップルによってキャンセルすることができる。ＡＣインピーダンス信号を使用して、ＣＯが検出された場合にはポンピング電位を増加させる、又はポンプセパレータ３５０Ａ，３５０Ｂのアノード又はカソードをパージするなど、問題を解決するためのシステム応答を発動することができる。例えば、水の詰まりが検出された場合には、このパージングには、セパレータへの吸入圧力の増加又は排出圧力の減少、あるいはセパレータの動作温度の上昇が含まれ得る。
いくつかの実施形態では、ポンプセパレータ３５０Ａ，３５０Ｂは、アノード３５４のガス拡散層の一部として炭素マイクロレイヤーを含み得る。しかしながら、炭素マイクロレイヤーは、セパレータ作動中に酸化されてしまうことが特定された。したがって、いくつかの実施形態では、アノード３５４は、流入する燃料流に面するテフロン（ポリテトラフルオロエチレン）を結合させた第１の電極と、電解質３５２（プロトン交換膜であってよい）に面するアイオノマーを結合させた第２の電極とを含む二層電極構造にすることができる。
電気化学式ポンプにおいて、電極構造の炭素支持体は、電解質を劣化させる過酸化物の生成につながり得る。一実施形態では、Ｐｔ又はＰｔ－Ｒｕなどの高表面積触媒を、ポンプセパレータ３５０Ａ，３５０Ｂにおいて炭素支持体のない電極として使用することができる。別の実施形態では、酸化チタン又は酸化イリジウムなどの導電性又は半導電性金属酸化物触媒を、過酸化物の生成を低減するためにポンプセパレータ３５０Ａ，３５０Ｂの電極として使用することができる。
また、１００ｐｐｍを超えるＣＯレベルが、ポンプセパレータの性能と信頼性に影響を与える可能性があることも特定された。したがって、これらに限定されないがＣｕ／ＺｎＯ／Ａｌ２Ｏ３触媒を含むＷＧＳ触媒を、ポンプセパレータ３５０Ａ，３５０Ｂのアノードガス拡散層及び／又はアノードフローフィールドプレートの一部として含むことができる。
場合によっては、一体化されたＷＧＳ触媒は、低温で作動されるポンプセパレータの一酸化炭素（ＣＯ）障害を十分に軽減しない可能性がある。したがって、いくつかの実施形態では、ＣＯを内部で酸化して二酸化炭素を形成するために、エアブリード導管をポンプセパレータ３５０Ａ，３５０Ｂに組み込むことができる。この構成では、Ａｕ／ＦｅＯｘ－ＴｉＯ２などの選択酸化触媒を、ポンプセパレータ３５０Ａ，３５０Ｂのアノードマニホールド、アノードプレート、及び／又はアノードガス拡散層の一部として含むことができる。
様々な実施形態において、及び図４，５Ａ，６及び７に示されるように、燃料として水素のみを使用する燃料電池スタックにおける燃料利用率は、定常状態の間、アノード排気からＡＴＯへの燃料の流れをなくし（例えば、図３に示すＡＴＯ吸入導管をなくし又は閉じ）、アノード排気中のＨ２／Ｈ２Ｏ混合物から水を凝縮し、凝縮されなかったＨ２を燃料電池スタック１０１に供給される燃料吸入流へと戻すことによって、９６～９９．９％等の、９５％超、例えば１００％近くまで増加させることができる。例えば、図１及び２に示されるセパレータ排気導管１５９、又は、図３に示されるＡＴＯ吸入導管３２０は、システム起動時にのみ使用され、その後、いったんシステムが７００℃を超える動作温度に達すると、システムの定常状態動作中は弁を用いて閉じられる。
全体的な燃料利用率は、スタック１０１のアノード排気からＡＴＯ１４０への流路を遮断することによって（例えば、それぞれの導管１５９をなくす又は閉じることによって）、実質的に１００％まで増加させることができる。すべてのスタックアノード排気はホットボックスを出て、そこで水が凝縮されて除去される（周囲温度にもよるが、熱交換器内の水の露点まで、例えば４０～８０℃まで下がる）。パスごとの燃料利用には自由度があり、パスごとに５０～約７０％に容易になり得る。
水素燃料はコーキングを防止するために水を必要としないため、燃料中の水はリサイクルされるＨ２中の残留水からのもののみとなる。これは１２％以下に制限することができ、潜在的には、混合されたＨ２湿度を４～６％まで低くすることができる。この低湿度／高Ｈ２濃度で、セルの電流電圧ははるかに高くなる。システム効率は約５５～６０％ＬＨＶになり得る。
水素でスタックを運転するには、天然ガス燃料供給システム（例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる米国特許第９，２８７，５７２号及び第９，１９０，６７３号に記載されるシステムなど）に使用される多くの構成要素、つまり、脱硫槽と触媒、脱硫槽を切り替えるために使用される弁、ＣＰＯｘ反応器とＣＰＯｘ空気ブロワ、蒸気発生器を含む水関連構成要素、水の凍結を防ぐためのヒーター、その他の様々な水システム構成要素、及び部分改質器とその触媒を保持するための内筒を必要としないため、システムコストも削減される。さらに、燃料利用の正確な制御がもはや不要であるため、マスフローコントローラーバルブを比例ソレノイドバルブに置き換えることができる。さらに、システムは、ＡＴＯ触媒のサイズを縮小し、カソード復熱熱交換器１２７熱シールドのサイズを縮小又は省略することができ、ＡＴＯ１４０とアノード復熱熱交換器１２１との間の断熱材を除くことができる。パワーエレクトロニクスが乾燥水素の開回路電圧に耐えられない場合は、水をシステムに供給して、パワーエレクトロニクス機器への接触器を閉じることができる。
効果的なシステム効率は、さらに、外部の熱需要との熱統合（熱電併給（ＣＨＰ））のためにカソード排気及び／又はアノード排気を使用することによって高めることができる。
図４は、水素燃料を利用し、９５％を超える（例えば、１００％に近い）燃料利用率で作動する燃料電池システム４００の概略図である。このシステムは、システム１００，２００，及び３００に含まれるものと同様の構成要素を含むことができる。したがって、前述の構成要素は、同じ参照番号で識別され、それらの間の違いのみを詳細に説明する。
図４に示されるように、システム４００は、ホットボックス３０２、１つ又は複数の燃料電池スタック（例えば、ＳＯＦＣスタック）１０１、燃料熱交換器１２１（例えば、アノード復熱器）、任意選択の空気予熱熱交換器１２５（例えば、アノード排気冷却器）、ＡＴＯ１４０、空気熱交換器（例えば、カソード復熱器）１２７、空気ブロワ４０４、燃料制御弁４１１、バイパス弁４１３、ブリード弁４１７、及びリサイクル弁４１９を含むことができる。
システム４００は、また、外部Ｈ２源からスタック１０１にＨ２を供給するように構成された燃料吸入導管４１０、スタック１０１から排出される燃料排気を受け入れるように構成された燃料排気導管４１２、空気ブロワ４０４からスタック１０１に空気を供給するように構成された空気吸入導管４３０、及び、スタック１０１から排出される空気排気をＡＴＯ１４０に供給するように構成された空気排気導管４３２を含むことができる。システム４００は、ＡＴＯ１４０をカソード復熱器１２７に流体的に接続するＡＴＯ排気導管４２４を含むことができる。
いくつかの実施形態では、任意選択の外部燃料改質器４２３が、燃料吸入導管４１０に動作可能に接続され、燃料吸入導管４１０に供給される水素ガスを生成するように構成され得る。燃料改質器４２３は、外部燃料源から受け入れた炭化水素燃料（例えば、天然ガス）を使用して水素を生成するように構成され得る。あるいは、水素貯蔵容器又は別の水素源からの純粋な水素を燃料として使用することができる。リフォーメートは処理され、純粋な生成物としての水素を他種から分離することができる（図示せず）。
燃料熱交換器１２１は、燃料吸入導管４１０及び燃料排気導管４１２に動作可能に接続され得、燃料排気導管４１２内の燃料排気から燃料吸入導管４１０内のＨ２燃料に熱を移すように構成され得る。燃料熱交換器１２１から出る冷却された燃料排気を、アノード排気冷却器１２５に供給することができる。アノード排気冷却器１２５は、この燃料排気から空気吸入導管４３０内の空気に熱を移すように構成することができる。いくつかの実施形態では、熱電併給を提供するために燃料排気が使用される場合などには、アノード排気冷却器１２５を省略することもできる。
バイパス導管４１５は、排気導管４１２をＡＴＯ１４０に流体的に接続することができる。バイパス導管４１５は、燃料熱交換器１２１とアノード排気冷却器１２５との間の排気導管４１２に接続することができる。バイパス弁４１３は、燃料排気導管４１２に動作可能に接続することができる。バイパス弁４１３は、バイパス導管４１５を介して、燃料排気の少なくとも一部をＡＴＯ１４０に選択的に回すように構成された、自動又は手動で制御される弁であってよい。ＡＴＯに直接送り込むバイパス弁は、図のようにホットボックス３０２の内側に配置されてもよいし、あるいはホットボックス３０２の外側に配置されてもよい。
燃料排気は、ホットボックス３０２内のアノード排気冷却器１２５から、燃料排気導管４１２を介して、外部燃料排気凝縮器４６０に排出され得る。燃料排気凝縮器４６０は、空冷又は水増強式空冷凝縮器、及び／又は、燃料排気中の水蒸気を凝縮し及び／又はアノードリサイクルブロワ４３４を熱損傷から保護するのに十分な温度まで燃料排気を冷却するように構成された熱交換器であってよい。例えば、燃料排気凝縮器４６０は、燃料排気凝縮器４６０が約５０℃約１気圧で作動するときに、燃料排気の含水量を約１２％以下に低減するように構成することができる。いくつかの実施形態では、燃料排気凝縮器４６０は、外部冷却塔を通して再循環される水を使用して冷却され得る。いくつかの実施形態では、燃料排気凝縮器４６０の一部は、熱電併給システムの一部として利用することができる。例えば、燃料排気凝縮器４６０によって加熱された水は、外部温水源又は施設熱源として利用することができる。
システム４００は、燃料排気凝縮器４６０を燃料吸入導管４１０に流体的に接続するリサイクル導管４１４を含み得る。例えば、リサイクル導管４１４及び燃料吸入導管４１０は、燃料改質器４２３又は別の水素源から受け入れた水素燃料を、燃料排気と混合するように構成された混合器４２２に流体的に接続され得る。燃料排気分離器４６２（例えば、乾燥器又はノックアウトポット）、ブリード弁４１７、リサイクル弁４１９、及びアノードリサイクルブロワ４３４は、リサイクル導管４１４に動作可能に接続され得る。
燃料排気流は、リサイクル導管４１４を介して、燃料排気凝縮器４６０から分離器４６２に排出され得る。分離器４６２は、燃料排気から液体水を分離するように構成され得る。いくつかの実施形態では、液体水は、分離器４６２を燃料排気凝縮器４６０及び／又は冷却塔などの外部水冷システムに流体的に接続する水導管４６４を介して、任意選択で燃料排気凝縮器４６０に戻すことができる。燃料排気凝縮器４６０は、また、リサイクル導管４１４内の流れの露点をさらに押し下げるために、保冷ステージ又は固体水吸着種を含むことができる。
ＡＴＯ吸入導管４２０は、ＡＴＯ１４０にリサイクル弁４１９を流体的に接続できる。ブリード導管４１６は、リサイクル導管４１４をＡＴＯ吸入導管４２０に流体的に接続できる。ブリード弁４１７は、ブリード導管４１６とリサイクル導管４１４に動作可能に接続することができる。
ブリード弁４１７は、燃料排気から不純物をパージするように構成された自動又は手動で制御される弁であってよい。いくつかの実施形態では、ブリード弁４１７は、スタック１０１に流体的に接続され得、アノード圧力とカソード圧力とを等しくするために、スタック１０１の燃料電池に背圧を提供するように構成され得る。
リサイクル弁４１９は、燃料排気の全部又は一部をＡＴＯ吸入導管４２０又は混合器４２２を介して燃料吸入導管４１０に選択的に向けるように構成された手動又は自動で制御される三方弁であってよい。例えば、リサイクル弁４１９は、システム４００の起動時に燃料排気をＡＴＯ１４０に向けるように構成され得るが、システム４００の定常状態動作中（例えば、システム４００が７００℃を超える定常状態動作温度に達した後）には、燃料排気のすべて又は実質的にすべてを燃料吸入導管４１０に向けることができる。燃料排気は、燃料吸入導管４１０の、燃料吸入導管４１０を通る燃料流を制御するように構成することのできる燃料制御弁４１１の上流側に戻すことができる。いくつかの実施形態では、燃料制御弁は、従来のマスフローコントロールバルブではなく、比例ソレノイド弁であってよい。というのも、マスフローコントロールバルブによって提供される精密なフローコントロールは、水素ガスを燃料として作動するシステムで高い燃料利用率を達成するために必要でない場合があるためである。
空気ブロワ４０４、アノード排気冷却器１２５、及びカソード復熱器１２７は、空気吸入導管４３０に動作可能に接続され得る。カソード復熱器１２７はまた、ＡＴＯ排気導管４２４に動作可能に接続され得る。空気ブロワ４０４は、空気又は酸化ガスを空気吸入導管４３０を通ってスタック１０１に強制的に送るように構成され得る。空気吸入導管４３０内の空気流は、アノード排気冷却器１２５から排出される燃料排気によって加熱され得、そしてＡＴＯ１４０から排出されるＡＴＯ排気（例えば燃焼排気）を用いてさらに加熱され得る。空気吸入流はまた、ＡＴＯが作動していないとき（例えば、システム４００の定常状態動作中）に、スタック１０１からカソード排気導管４３２を介してＡＴＯ１４０へと排出されるカソード排気を使用して、カソード復熱器１２７において加熱され得る。カソード及び／又はＡＴＯ排気は、カソード復熱器１２７から大気に放出され得るか、又はＡＴＯ排気導管４２４に流体的に接続される任意選択の外部熱電併給（ＣＨＰ）熱交換器４３６に供給され得る。
上で論じたように、ＡＴＯ１４０への燃料流れは、起動時に提供されるが、定常状態中には提供されない場合がある。燃料排気凝縮器４６０は、電池内で製造された水からリサイクル用のＨ２を容易に分離することができる。アノードリサイクルブロワ４３４は、燃料排気流から水が除去されるために過熱する可能性が低い。いくつかの実施形態では、分離器４６２からの水を、ＣＨＰ熱交換器４３６に供給することもできる。他の実施形態では、分離器４６２からの水を、燃料改質器４２３（ＷＧＳ反応器であってもよい）に供給することができる。いくつかの実施形態では、分離器４６２を省略して、水を燃料排気凝縮器４６０から直接取り出すことができる。一実施形態では、分離器は、液体水が蒸気流から離脱するための空間を提供するノックアウトポットである。
様々な実施形態はまた、ＣＯ２隔離のための方法を提供する。天然ガスをオンサイト改質器に供給し、ＣＯ２を改質プロセスから隔離しながら水素燃料を生成することができる。同様の構成は、天然ガス燃料で稼働するシステムにも使用できる。天然ガスの場合、水素燃料での実施形態の空冷凝縮器は、極低温膜ベースのＰＳＡ、ＴＳＡ、又は、アノード排気を以下の３つの別個の流れに分離するように設計された分離を行うことができる他の既存の商業的プロセスと置き換えることができる。３つの別個の流れとは、オフサイトのＣＯ２使用又は隔離のための出荷可能な液体又はドライアイスでの（又は、シリンダ又はパイプラインでの輸送のための高圧ガス／超臨界ガスでの）ＣＯ２；液体水製品；Ｈ２とＣＯとのガス状混合物である。混合物の大部分は、各ホットボックスに導入される場合は、天然ガス供給（ＭＦＣバルブ後）と混合される燃料として、又は現場レベル（ＭＦＣバルブ前）で天然ガスと混合される現場レベルの燃料としてリサイクルされ得、混合物の小部分はホットボックスの熱バランスを維持するために、ＡＴＯに直接供給することができる（必要に応じて、これはシステムの動作期間の後期にはゼロに下げてもよい）。
任意の適切な極低温プラント技術を使用することができる。あるいは、深冷分離は、単段または多段水素ポンプ（例えば、上記のＰＥＭ又はＰＢＩタイプ）によって置き換えることができる。水素ポンプの使用は、少量のＣＯとＨ２を潜在的に含むＣＯ２とＨ２Ｏのガス状混合物を生み出し、輸送又は使用のための液体ＣＯ２製品を製造するためにさらに処理されることとなる。
図５Ａは、本開示の様々な実施形態による、燃料電池システム５００の概略図であり、図５Ｂは、図５Ａの考えられ得るガス分離器の構成要素の概略図である。システム５００は、システム４００に類似している。したがって、それらの間の違いのみを詳細に説明する。図にはなくとも、システム５００は、図１～３のシステムに示される構成要素など、追加の構成要素を含み得る。システム５００は、水素または炭化水素燃料で作動することができる。
図５Ａを参照すると、システム５００は、ホットボックス３０２内に配置された内部燃料改質器１２３を含むことができる。システム５００はまた、ベンチュリ装置３３４、アノードリサイクルブロワ４３４、ガス分離器５７０、及び燃料排気スプリッタ５５８を含むことができる。
スプリッタ５５８は、燃料排気導管４１２、リサイクル導管４１４、及び燃料排気処理導管５１６に流体的に接続することができる。スプリッタ５５８は、リサイクル導管４１４及び処理導管５１６を通る燃料排気の流れを選択的に制御するように構成された、手動又は自動で制御される三方弁であってよい。あるいは、スプリッタ５５８はパッシブスプリッタであってもよい。
アノードリサイクルブロワ４３４、ベンチュリ装置３３４、及び燃料排気スプリッタ５５８は、リサイクル導管４１４に動作可能に接続され得る。本システムは、ホットボックス３０２内に配置されたアノード排気冷却器１２５に加えて、又はその代わりに、外部アノード排気冷却器５６０を任意選択で含むことができる。例えば、外部アノード排気冷却器５６０は、熱交換器、及び/又は、外部の空気、水、及び/又は、ＣＨＰのための別の冷却流体を使用して燃料排気を冷却するように構成された凝縮器であってよい。外部アノード排気冷却器５６０が凝縮器を含む又は凝縮器である場合には、それは燃料排気から水を除去することができる。アノードリサイクルブロワ４３４は、燃料排気をリサイクル導管４１４及びベンチュリ装置３３４を通って燃料吸入導管４１０に強制的に送るように構成することができる。
ガス分離器５７０は、燃料排気を水、二酸化炭素、及び水素と一酸化炭素の混合物の別々の流れに分離するように構成することができる。ガス分離器５７０は、深冷分離器、圧力スイング吸着分離器、膜分離器、アミンスクラビング分離器、セレクソール分離器、又はそれらの任意の組み合わせなど、任意の適切なタイプのガス分離器を含み得る。水の流れは、アノード排気冷却器５６０の冷却水として利用するのに十分に純粋であり得る。多くのホットボックス３０２に対しガス分離器５７０が１つだけであっても、各ホットボックス３０２に対してガス分離器５７０が１つあってもよい。
図５Ｂを参照すると、ガス分離器５７０は、熱交換器５７２、メインコンプレッサ５７４、水分離器５７６、ＣＯ２凝縮器５７８、及び蒸留カラム５８０を含むことができる。熱交換器５７２は、燃料排気の温度を下げるように構成され得る。
メインコンプレッサ５７４は、冷却された燃料排気を圧縮し、それによって第２の水の流れを生成するように構成され得る。燃料排気は、その後、燃料排気から残留する水を除去するように構成された水分離器５７６又は乾燥器に供給され得る。水分離器５７６は、例えば、温度スイング吸着法又は他の適切な方法により水を吸着する再生可能な吸水剤を含むことができる。
次に、乾燥させた燃料排気をＣＯ２凝縮器５７８に供給することができ、ＣＯ２凝縮器５７８は、燃料排気を、液体ＣＯ２を生成するのに十分な温度まで冷却するように構成することができる。例えば、凝縮器５７８は、燃料排気を約－２０℃から約－３０℃の範囲の温度に冷却するように構成することができる。
液体ＣＯ２及び残っているＣＯ２ガスを含む燃料排気は、その後、蒸留カラム５８０に供給され得る。蒸留カラム５８０は、複数の段、凝縮器、及び／又はリボイラを含むことができる。いくつかの実施形態において、蒸留カラムは、約－５０℃から約－９０℃の範囲の温度で燃料排気を冷やすように構成され得る。蒸留カラム５８０は、水素流及び液体ＣＯ２流を出すように構成することができる。蒸気はまた、残留量（例えば、約％以下）のＣＯ、ＣＯ２及びＮ２を含み得る。
いくつかの実施形態では、二酸化炭素流は、ドライアイスとして貯蔵され得る。様々な実施形態において、水は、ＣＨＰ熱交換器４３６に供給され得る。水素及び一酸化炭素は、図６と関連してより詳細に説明するように、スタック１０１及び／又はＡＴＯ１４０に供給され得る。別の実施形態では、水素及び一酸化炭素は、水分離器５７６に供給されてストリッピングガスとして使用されてもよく、水分離器内の吸着材に吸着された水を除去する。水素及び一酸化炭素流を含む水は、その後、水が動作を妨げないので、スタック１０１及び／又はＡＴＯ１４０に供給され得る。
いくつかの実施形態では、ＤＣ電力を必要とするガス分離器５７０の構成要素は、スタック１０１から出力されるＤＣ電力によって直接電力を供給され得る。
水を気化させるために追加の熱を提供することができ、及び／又は、追加の外部燃料をＡＴＯに提供することができる。いくつかの実施形態では、ＷＧＳ反応器１２８は、燃料排気導管４１２に動作可能に接続され得る。
本システムは、ＳＯＦＣスタック１０１の燃料排気と熱的に統合され得る燃料改質器１２３を含み得る。ＣＯ２隔離は、スタック１０１の上流側で実施することができる。改質及び／又は水性ガスシフト反応のための水は、ガス分離器５７０からの凝縮された水から供給され得る。
図５Ｃは、図５Ａ及び図５Ｂに示される燃料電池システム５００の代替の実施形態の概略図である。この代替の実施形態では、燃料排気処理導管５１６は、アノード排気冷却器１２５の上流側のスプリッタ４１３に流体的に接続されている。したがって、燃料排気の一部は、アノード排気冷却器１２５に到達することなく、スプリッタ４１３から直接ガス分離器５７０に提供される。この代替の実施形態では、スプリッタ５５８は省略されてよく、燃料排気の残りの部分はアノード排気冷却器１２５から直接外部冷却器５６０へと供給される。
図６は、本開示の様々な実施形態による、燃料電池システム６００の概略図である。システム６００は、システム５００に類似している。そのため、それらの間の違いのみを詳細に説明する。示されてはないが、システム６００は、図１～図４のシステムに示される構成要素などの追加の構成要素を含むことができる。
図６を参照すると、システム６００は、水素リサイクル導管６０２、ＡＴＯ吸入導管６０４、及びスプリッタ６１０を含むことができる。リサイクル導管６０２は、分離器５７０を燃料吸入導管４１０及び／又は混合器４２２に流体的に接続するように構成することができる。スプリッタ６１０は、リサイクル導管６０２に動作可能に接続することができる。ＡＴＯ吸入導管６０４は、スプリッタ６１０の出口をＡＴＯ１４０に流体的に接続できる。
いくつかの実施形態では、システム６００は、ＡＴＯ１４０と、導管４１５，４３２，及び／又は６０４に流体的に接続されたＡＴＯ混合器６５０を含むことができる。ＡＴＯ混合器６５０は、導管４３２からの空気排気を、導管４１５からの燃料排気及び／又は導管６０４からの水素と一酸化炭素の混合物に混合するように構成することができる。しかしながら、いくつかの実施形態では、バイパス導管４１５及びバイパス弁４１３を省略することができる。
水素流は、ガス分離器５７０から排出導管６０２へと出され得る。水素流は、いくつかの実施形態において、一酸化炭素を少量含み得る。スプリッタ６１０は、水素流の少なくとも一部を、リサイクル導管６０２からＡＴＯ吸入導管６０４へと選択的に回すように構成された、手動又は自動的に制御される三方弁、又はパッシブスプリッタであってよい。したがって、スプリッタ６１０は、水素流れを、ＡＴＯ１４０及び燃料吸入導管４１０へと選択的に又は非選択的に制御するように構成することができる。例えば、スプリッタ６１０は、システム６００の定常状態動作中、ホットボックスの動作温度を維持するために、ＡＴＯ混合器６５０を介して、ＡＴＯ１４０に十分な量のガス混合物を向けるように構成することができる。ガス混合物の残りは、燃料混合器４２２に供給することができ、入ってくる燃料から窒素ガスをパージするように作用することができる。システム起動時には、燃料排気は、導管４１５を介してＡＴＯ１４０に供給され得る。あるいは、図４に示されるように、導管４１５を省いて、ＡＴＯ吸入導管４２０が、リサイクル導管４１４を、リサイクル弁４１９を介してＡＴＯ１４０に流体的に接続することができる。ＡＴＯ吸入導管４２０及びリサイクル弁４１９は、リサイクル導管４１４に、ブロワ４３４の上流側又は下流側であるが、ベンチュリ装置３３４の上流側に接続することができる。
さらに、残りの水素及び一酸化炭素のリサイクル流は、リサイクル導管６０２及び混合器４２２を通って燃料吸入導管４１０に供給され、燃料吸入流（例えば、天然ガスなど）と混合される。一実施形態では、リサイクル導管６０２を通って混合器４２２に供給される水素と一酸化炭素のリサイクル流は、混合器に供給されている燃料吸入流よりも高い圧力であり得る。水素及び一酸化炭素のリサイクル流は、燃料吸入流よりも高い圧力で供給されるため、水素及び一酸化炭素のリサイクル流はスタック１０１で優先的に使用され、必要な燃料の総量を満たすように燃料吸入流が混ぜられる。燃料吸入流の流量、及び、水素と一酸化炭素のリサイクル流の流量及び組成を測定することによって、システム６００の場への混合された燃料流の全体的な組成が計算され、制御のためにシステム６００の各パワーモジュールに伝達される。上で論じたように、各ガス分離器５７０に対して１つ又は複数のホットボックス３０２があってよい。
図７は、本開示の様々な実施形態による、燃料電池システム７００の概略図である。システム７００は、システム６００に類似している。したがって、それらの間の違いのみを詳細に説明する。示されていないが、システム７００は、図６に示される燃料処理構成要素や図１～５に示されるシステム構成要素など、追加の構成要素を含むことができる。
図７を参照すると、システム７００は、アノード復熱器１２１及び任意選択のアノード排気冷却器１２５との間で燃料排気導管４１２に動作可能に接続されるＷＧＳ反応器を含むことができる。ＷＧＳ反応器１２８とアノード排気冷却器１２５の組み合わせは、隔離用の、図５Ａ，５Ｂ及び６に示すガス分離器５７０によって抽出可能なＣＯ２の量を増やすように作動することができる。システム７００はまた、燃料熱交換器１２１とスタック１０１との間で燃料吸入導管に動作可能に接続される燃料改質器１２３を含むことができる。
システム７００はまた、外部燃料源からＡＴＯ混合器６５０に燃料を供給するように構成されたＡＴＯ吸入導管７０２を含むことができる。システム７００は、バイオガスを使用する運転を容易にするように構成された構成要素をさらに含むことができる。特に、本システムは、バイオガス吸入導管７０４及びバイオガス予熱熱交換器７０６を含むことができる。バイオガス吸入導管７０４は、バイオガス源を混合器４２２に流体的に接続することができる。バイオガス予熱熱交換器７０６は、ＡＴＯ排気導管４２４内のＡＴＯ排気を用いて、吸入導管７０４内のバイオガスを加熱するように構成され得る。
システム７００はまた、スタック排気熱交換器７０８を含むことができる。スタック排気熱交換器７０８は、ＡＴＯ排気導管４２４内のＡＴＯ排気を用いて、空気吸入導管４３０内の空気を予熱するように構成することができる。したがって、スタック排気熱交換器７０８は、空気吸入流の温度がカソード復熱器１２７に入るときに上昇しているように、空気吸入流を加熱することができる。したがって、カソード復熱器内の空気吸入流を加熱するために、ＡＴＯ排気からの必要な熱をより少なくし、これは、カソード復熱器１２７から熱交換器７０８に供給されるＡＴＯ排気の温度を上げる。したがって、バイオガスは、バイオガス予熱熱交換器７０６内のより熱いＡＴＯ排気によって、より高い温度に加熱することができる。
いくつかの実施形態では、ＡＴＯ１４０が導管７０２を介して外部燃料源から燃料を受け入れるため、スプリッタ４１３及び導管４１４を、システム７００から省くことができる。
図８は、本開示の様々な実施形態による、ホットボックス内部に配置され得るＷＧＳ１２８の斜視図を示す。この実施形態では、水性ガスシフト反応器は、アノード復熱器（すなわち、燃料熱交換器）１２１に配置された水性ガスシフト触媒コーティングを含む。例えば、触媒は、熱交換器１２１の１つ又は複数の温度ゾーンのフィン／波形をコーティングすることができる。例えば、ＷＧＳ反応器１２８触媒は、熱交換器１２１のフィン／波形の上部にコーティングすることができる。追加で又は代替として、水性ガスシフト触媒を含む追加の構成要素を、熱交換器１２１の下流側にスタンドアロンのサブアセンブリとして配置することができる。このアセンブリは、ＡＴＯ１４０リングと同様に、触媒をコーティングしたフィンセクションで構成される環を備えることができる。
いくつかの実施形態において、外部燃料排気凝縮器４６０及び／又は外部アノード排気冷却器５６０が空冷凝縮器又は熱交換器を含む場合には、空気はシステムハウジングから供給され得る。言い換えれば、ホットボックス及び／又は電力調整システム（例えば、ＤＣ／ＡＣインバータなどのシステム出力電子機器）を含むキャビネットは、空冷キャビネットを備えることができ、この中で周囲空気がブロワ又はファンによってキャビネットを通って循環される。この循環キャビネット空気は、外部燃料排気凝縮器４６０及び／又は外部アノード排気冷却器５６０を通過する燃料排気を冷却するために使用され得る。循環キャビネット空気は、カソード排気及びＡＴＯ排気から分離されて保たれる。燃料排気によって加熱される循環キャビネット空気は、その後、建物暖房システムなどのＣＨＰシステムに供給され得る。
システム４００～７００は、これらに限定されないが、パワーモジュールあたりのより多くの電力、より高い効率、及び潜在的に低い資本コストという、利点を提供する。
本明細書に記載の燃料電池システムは、必要に応じて、他の実施形態及び構成を有することができる。例えば、すべて参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２００２年１１月２０日出願の米国出願シリアル番号１０／３００，０２１、２００３年４月９日出願の米国仮出願シリアル番号６０／４６１，１９０、及び、２００３年５月２９日出願の米国出願シリアル番号１０／４４６，７０４に記載されるように、必要に応じて、他の構成要素が追加され得る。さらに、本明細書のいずれかの実施形態で説明され、及び／又は本明細書のいずれかの図で示されるいずれのシステム要素又は方法ステップも、そのような使用が明示的に説明されていない場合でも、上記の他の適切な実施形態のシステム及び／又は方法でも使用できることを理解されたい。
上記の本発明の記載は、例示および説明の目的で提示された。網羅的であること、又は本発明を開示された正確な形態に限定することを意図するものではなく、修正および変形は、上記の教示に照らして可能であるか、又は本発明の実施から取得することができる。本記載は、本発明の原理及びその実際の適用を説明するために選択された。本発明の範囲は、本明細書に添付された特許請求の範囲及びそれらの均等物によって明記されるものとする。

Claims (20)

  1. 燃料電池スタックと、
    アノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）と、
    それぞれがカソードとアノードとの間に配置された電解質を含む、第１の電気化学式水素ポンプセパレータ及び第２の電気化学式水素ポンプセパレータと、
    前記燃料電池スタックの燃料排気出口をスプリッタに流体的に接続している燃料排気導管と、
    前記スプリッタの出口を前記第１の電気化学式水素ポンプセパレータのアノード入口に流体的に接続している第１の分離導管と、
    前記第１の電気化学式水素ポンプセパレータのアノード出口を前記第２の電気化学式水素ポンプセパレータのアノード入口に流体的に接続している第２の分離導管と、
    前記第１の電気化学式水素ポンプセパレータのカソード出口を前記アノードテールガス酸化器に流体的に接続しているＡＴＯ吸入導管と、
    前記第２の電気化学式水素ポンプセパレータのカソード出口を前記燃料電池スタックの燃料入口に流体的に接続している水素導管と、
    前記第２の電気化学式水素ポンプセパレータのアノード出口を二酸化炭素使用又は貯蔵装置に流体的に接続している副生成物導管と
    を備える燃料電池システム。
  2. 前記第１の分離導管は、前記燃料電池スタックによって生じた燃料排気を前記第１の電気化学式水素ポンプセパレータに供給するように構成されており、
    前記第１の電気化学式水素ポンプセパレータは、前記供給された燃料排気から水素を分離するように構成されており、
    前記ＡＴＯ吸入導管は、前記第１の電気化学式水素ポンプセパレータから出された水素を前記ＡＴＯに供給するように構成されている、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記第２の分離導管は、前記第１の電気化学式水素ポンプセパレータから出された燃料排気を、前記第２の電気化学式水素ポンプセパレータに供給するように構成されており、
    前記第２の電気化学式水素ポンプセパレータは、前記供給された燃料排気から水素を分離するように構成されており、
    前記水素導管は、前記第２の電気化学式水素ポンプセパレータから出された水素を、前記燃料電池スタックに供給される燃料吸入流に供給するように構成されており、
    前記副生成物導管は、前記第２の電気化学式水素ポンプセパレータから出された二酸化炭素を含む副生成物流を、前記二酸化炭素使用又は貯蔵装置に提供するように構成されている、
    請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記二酸化炭素使用又は貯蔵装置は、
    前記二酸化炭素の流れから水を除去するように構成された乾燥器と、
    前記乾燥器から出された二酸化炭素をドライアイスとして貯蔵するように構成された極低温貯蔵装置と
    を備える、請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池スタックの燃料入口を燃料源に流体的に接続するように構成された燃料吸入導管と、
    前記スプリッタの出口を前記燃料吸入導管に流体的に接続しているリサイクル導管と、
    前記水素導管及び前記リサイクル導管に動作可能に接続された混合器であって、前記第２の電気化学式水素ポンプセパレータによって出された水素を、前記スプリッタによって供給された燃料排気と混合するように構成された混合器と
    をさらに備える、請求項２に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃料排気導管に動作可能に接続された水性ガスシフト反応器と、
    前記リサイクル導管に動作可能に接続されたベンチュリ装置と
    をさらに備える、請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記第１の電気化学式水素ポンプセパレータを定電流モードで作動させて、前記ＡＴＯに供給される水素の量を制御することと、
    受け入れた前記燃料排気から前記水素の実質的にすべてを取り除くように、前記第２の電気化学式水素ポンプセパレータを定電圧モードで作動させることと
    を含む請求項３に記載の燃料電池システムを運転する方法。
  8. ホットボックスと、
    前記ホットボックス内に配置された燃料電池スタックと、
    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、
    燃料源を前記燃料電池スタックの入口に流体的に接続している燃料吸入導管と、
    前記燃料電池スタックによって生じて前記ホットボックスから出された燃料排気から水を凝縮するように構成された、前記ホットボックスの外側に配置された燃料排気凝縮器と、
    前記燃料排気凝縮器から受け入れた燃料排気から水を除去するように構成された燃料排気分離器と、
    前記燃料電池スタックの燃料排気出口を前記燃料排気凝縮器に流体的に接続している燃料排気導管と、
    前記燃料排気分離器を前記燃料吸入導管に流体的に接続しているリサイクル導管と、
    前記リサイクル導管を前記ＡＴＯに流体的に接続しているＡＴＯ吸入導管と、
    前記リサイクル導管を通って前記ＡＴＯ吸入導管に入る燃料排気流れを選択的に制御するように構成されたリサイクル弁と
    を備える燃料電池システム。
  9. 前記リサイクル導管を通る燃料排気流れの方向に関して前記リサイクル弁の上流側の、前記リサイクル導管上に配置されたブリード弁と、
    前記リサイクル導管を前記ＡＴＯ吸入導管に流体的に接続しているブリード導管と
    をさらに備え、
    前記ブリード弁は、前記燃料排気から不純物をパージするか、又は前記燃料電池スタック内のアノード圧力とカソード圧力とを等しくするために背圧を与えるように構成されている、
    請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 前記ホットボックス内に配置され、前記燃料電池スタックから出る燃料排気を使用して前記燃料吸入導管内の燃料吸入流を加熱するように構成された燃料熱交換器と、
    前記ホットボックス内に配置され、前記燃料電池スタックに供給される空気を使用して前記燃料熱交換器から出る燃料排気を冷却するように構成されたアノード排気冷却器と
    をさらに備える、請求項８に記載の燃料電池システム。
  11. 前記リサイクル弁を作動させて、前記燃料電池システムの起動運転中には前記ＡＴＯに燃料排気を供給し、前記燃料電池システムの定常状態運転中には前記燃料排気が前記ＡＴＯに供給されないようにすることを含む、請求項８に記載の燃料電池システムを運転する方法。
  12. 前記燃料排気分離器は、前記燃料排気の含水量を１２vol％以下に低減し、
    前記燃料吸入導管内の燃料吸入流が水素燃料流であり、前記燃料排気は実質的に炭素を含まない、
    請求項１１に記載の方法。
  13. 前記燃料排気凝縮器を冷却するために、前記ホットボックス又は電力調整サブシステムの少なくとも1つを含むキャビネット内で再循環空気を使用することを含む、請求項８に記載の燃料電池システムを運転する方法。
  14. ホットボックスと、
    前記ホットボックス内に配置された燃料電池スタックと、
    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、
    燃料源を前記燃料電池スタックの入口に流体的に接続している燃料吸入導管と、
    前記ホットボックスの外側に配置された外部アノード排気冷却器と、
    前記燃料電池スタックの燃料排気出口を前記外部アノード排気冷却器に流体的に接続している燃料排気導管と、
    前記外部アノード排気冷却器を前記燃料吸入導管に流体的に接続しているリサイクル導管と、
    前記リサイクル導管に流体的に接続される燃料排気処理導管と、
    前記燃料排気処理導管に流体的に接続され、前記燃料排気処理導管から受け入れた燃料排気を、水、二酸化炭素、及び水素の流れに分離するように構成されたガス分離器と
    を備える燃料電池システム。
  15. 前記ガス分離器が、
    前記受け入れた燃料排気を冷却するように構成された熱交換器と、
    前記冷却された燃料排気を圧縮するように構成された圧縮器と、
    前記圧縮された燃料排気から水を除去するように構成された水分離器と、
    前記圧縮された燃料排気を凝縮して液体二酸化炭素を形成するように構成された二酸化炭素凝縮器と、
    前記凝縮された燃料排気中の水素から前記液体二酸化炭素を分離するように構成された蒸留カラムと
    を備える、請求項１４に記載の燃料電池システム。
  16. 前記ガス分離器の水素出口を前記燃料吸入導管に流体的に接続している水素リサイクル導管と、
    前記水素リサイクル導管を前記ＡＴＯに流体的に接続しているＡＴＯ吸入導管と、
    前記水素リサイクル導管と前記ＡＴＯ吸入導管を通る水素流れを選択的に制御するように構成されたスプリッタと
    をさらに備える、請求項１４に記載の燃料電池システム。
  17. 前記ＡＴＯ吸入導管に動作可能に接続されるＡＴＯ混合器と、
    前記燃料排気導管を前記ＡＴＯ混合器に流体的に接続しているバイパス導管と、
    前記バイパス導管及び前記燃料排気導管を通る燃料排気流れを選択的に制御するように構成されたバイパス弁と
    をさらに備え、
    前記ＡＴＯ混合器は、前記燃料電池スタックから出る空気排気を、前記バイパス導管によって供給される燃料排気又は前記ＡＴＯ吸入導管によって供給される水素の少なくとも１つと混合するように構成されている、
    請求項１６に記載の燃料電池システム。
  18. 前記燃料排気導管を通る燃料排気流れの方向に関して前記バイパス弁の上流側で、前記燃料排気導管に動作可能に接続される水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器をさらに備える、請求項１７に記載のシステム。
  19. 前記ホットボックス内に配置され、前記燃料電池スタックから出る燃料排気を使用して前記燃料吸入導管内の水素を加熱するように構成された燃料熱交換器と、
    前記ホットボックス内に配置され、前記燃料電池スタックに供給される空気を使用して前記燃料熱交換器から出る燃料排気を冷却するように構成されたアノード排気冷却器と、
    燃料排気流れの方向において前記アノード排気冷却器の下流側の前記燃料排気導管に配置され、前記リサイクル導管及び前記燃料排気処理導管に流体的に接続されるスプリッタと
    をさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
  20. 前記ホットボックス内に配置され、前記燃料電池スタックから出る燃料排気を使用して前記燃料吸入導管内の水素を加熱するように構成された燃料熱交換器と、
    前記ホットボックス内に配置され、前記燃料電池スタックに供給される空気を使用して前記燃料熱交換器から出る燃料排気を冷却するように構成されたアノード排気冷却器と、
    前記燃料熱交換器と前記アノード排気冷却器との間の前記燃料排気導管に配置され、前記燃料排気処理導管に流体的に接続されるスプリッタと
    をさらに備える、請求項１４に記載のシステム。
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