JPH08502855A - 炭化水素を燃料とする固体ポリマー燃料電池発電設備 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 イオン交換膜を用いた燃料電池の積み重ね（１８６）を用いてガス状又は液状の炭化水素燃料から、電力プラント設備（１１０）から実用品位の交流電力を生成する。前記燃料は脱硫され、水と混合され、加熱されそして蒸発された後に改質器（１６８）中に導入される。この改質器（１６８）は水素に富んだガス（５１）を生じ、これは、次いで、一連の熱交換器（１６４）、シフトコンバーター（１７２）、及び選択的酸化器（１４２）に送られる。前記加工された燃料流は燃料電池の積み重ね（１８６）中で圧縮された酸化剤流と組み合わされてＤＣ電力を発生する。酸化剤の圧力は加熱された設備排出ガスを用いてタービンによって作動する圧縮機（１３０、１３４）に供給される。このＤＣ電力は急速な負荷に順応するためのバッテリーピーキング装置（２１２）で増大された変換器（２１０）を用いて実用品位のＡＣ電力（１９５）に変換される。燃料電池の積み重ね（１８６）中で発生した水は回収され、燃料電池の積み重ねを冷却し、燃料流及び酸化剤流をこれらの燃料電池の積み重ね（１８６）への導入に先立って冷却するために用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】 炭化水素を燃料とする固体ポリマー燃料電池発電設備 発明の分野 本発明は、一般に、実用品位の電力を生産するための炭化水素を燃料とする個 体ポリマー燃料電池設備に関する。より詳しくは、本発明は、低温度の個体ポリ マー燃料電池の積み重ねを用いてガス状の及び／又は液体状の炭化水素燃料から の化学エネルギーを電気的エネルギーに変換する加圧された燃料電池発電設備に 関する。 発明の背景 電気化学的燃料電池は、電池中で燃料を酸化することにより、燃料から引き出 される化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。電気化学的燃料電池から電 気エネルギーを発生する発電プラントは実用上特に重要である。なぜなら、それ は増加した（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ）、分散した電力を提供でき、従来の核、 石炭又は炭化水素燃料の発電プラントに付随する困難のいくつか、例えば高電圧 送電線へのアクセス、都会の変電所への配電、及び典型的な従来の発電所に付随 する実質的な財政上の委託（ｃｏｍｍｉｔｍｅｎｔｓ）、を克服するからである 。加えて、電気化学的燃料電池装置は電気効率４０％より大きな効率で運転可能 であり、一方で実質的にいわゆる「温室効果」を避ける。電気化学的燃料電池発 電プラントはまた、比較的静かであり、排気の生成が最小である。即ち、燃料電 池発電設備の場合は、環境汚染、発電プラントの立地及び法規制上の認可が減る 。 現時点では、燃料電池における電極として液体リン酸を使用する 燃料電池発電プラントが商業化に最も近い。これらの発電プラントは、燃料加工 サブシステム、燃料電池発電サブシステム、空気供給サブシステム、水冷却／回 収サブシステム、電力変換サブシステム、及び制御サブシステムを含む。前記燃 料加工サブシステムは、一般に炭化水素燃料をスチームで改質して燃料電池のた めの水素に富んだガスを生成する。リン酸燃料電池は約４００゜Ｆ（２０４℃） で作動するので、この電池は一般に冷却装置中の蒸発水で冷却され、生成したス チームは、次いで、燃料加工サブシステムに供給される。燃料電池の積み重ねの 廃熱を用いてスチームを生成するのは、リン酸燃料電池発電プラント装置におい て燃料加工サブシステムの効率改善に有効である。なぜなら、燃料加工サブシス テムにおいて、スチームを発生するために過剰の燃料はこれを燃焼する必要がな いからである。燃料加工の効率の改善は、望みの全体的な電力設備の効率を得る ために、リン酸燃料電池の発電サブシステムは効率を比較的低くできることを意 味する。このことはリン酸燃料電池が比較的低い電圧、従って比較的高い出力密 度で運転することを許容する。 個体ポリマー燃料電池は、典型的には約１８０゜Ｆ（８２℃）で作動する。こ の温度は燃料加工サブシステムのためにスチームを生成するには低すぎる。従っ て、スチーム発生器（蒸発器）を個体ポリマー燃料電池設備の燃料加工サブシス テム中に組み入れて、スチームを生成する。この蒸発器は、改質器バーナー排出 流から、水をスチームに変換するエネルギーを引き出している。前記蒸発器を運 転するための改質器バーナー中のエネルギーは、改質器バーナー中の過剰の燃料 の燃焼によって生み出される。改質器バーナー中の過剰の燃料の燃焼は、個体ポ リマー燃料電池発電プラント設備における燃料加工サブシステムの効率を効果的 に低くする。即ち、リン酸 燃料電池プラント設備に有効に対抗するためには、個体ポリマー燃料電池プラン ト設備は、同じ全体設備の電気効率を得るためには他のサブシステムにおける効 率を向上させなければならない。ここに開示する個体ポリマー燃料電池発電プラ ント設備においては、効率の向上は、発電サブシステム中で提供され、ここでは 、燃料電池は、リン酸発電プラント設備の燃料電池において許容されているもの よりも高い電圧で運転されている。しかしながら、ここに開示する発電設備にお ける個体ポリマー燃料電池は、非常に都合のよい性能特性を持っており、比較的 高い運転電圧での個体ポリマー燃料電池の出力密度は、リン酸発電プラント設備 の比較的低い運転電圧でのリン酸燃料電池のそれよりも大きい。 ここに開示する個体ポリマー燃料電池発電設備は、次のサブシステムを有する ：（１）空気圧縮サブシステム、（２）燃料加工サブシステム、（３）発電サブ システム、（４）水回収サブシステム、（５）電力変換サブシステム、及び（６ ）制御サブシステム。空気圧縮サブシステム中に大気を導入するが、このサブシ ステムは好ましい態様において２段ターボ圧縮機を含む。この空気流は有効な圧 縮のために複数の圧縮段階の間で冷却され、圧縮され、次いで水回収サブシステ ムからの水を用いて加湿し、その後酸化剤流として発電サブシステム中に導入さ れる。 天然ガス（メタン）又は液体炭化水素燃料が、燃料加工サブシステム中に導入 される原料燃料源である。前記燃料流は、加熱され（そして液体として供給され るならば蒸発させられる）、更にシフト反応器及び選択的酸化器を含むスチーム 改質過程において、水素に富んだ改質燃料流に変換される。この改質燃料流は、 燃料電池べースの発電サブシステムに燃料流として導入される。燃料加工サブシ ステムの特別な成分は用いられる原料燃料の種類に大いに依存する 。メタン（天然ガス）に加えて、原料燃料源は、メタノール、化石燃料、生ゴミ オフガス、又は他の水素含有物質でありうる。天然ガスを燃料として利用する好 ましい態様において、燃料加工サブシステムは、燃料を圧縮するための電動圧縮 機、燃料からの酸素を消費する予備酸化剤触媒床（ｐｒｅｏｘｉｄｉｚｅｒ ｃ ａｔａｌｙｓｔ ｂｅｄ）、燃料から硫黄を除くための水素化脱硫装置、水回収 サブシステムから燃料流へ水を与える蒸発器、燃料流を加熱するための再生器熱 交換器、水素に富んだ改質燃料流を生成するためのスチーム改質器、改質燃料流 を冷却するための再生器熱交換器及びシフトコンバーター予備冷却熱交換器、改 質燃料流中の一酸化炭素を二酸化炭素及び水素に変換するためのシフト反応器、 選択的酸化器予備冷却熱交換器、改質燃料流中の一酸化炭素を二酸化炭素に更に 変換するための選択的酸化器、アノード予備冷却器、並びに改質された燃料流か ら水を除くための水分離器を含む。 発電サブシステムは、電気化学的燃料電池の積み重ねを用いて、改質燃料流を 酸化し、電気、熱及び生成水を発生する。好ましい態様において、前記燃料電池 は膜電極組み立て体を含み、この組み立て体は、個体ポリマー膜、例えば、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社のＮａｆｉｏｎ（商標）イオン交換膜又はＤｏｗ社の実験用イオン交 換膜ＸＵＳ１３２０４．１０を含む。前記イオン交換膜は多孔質で導電性のシー ト材料、好ましくは炭素繊維紙でできた２つの電極の間に配置されており、各電 極は電極を電気化学的に活性にするために膜／電極界面に置かれた白金触媒の層 を有する。膜電極組み立て体は、典型的には流路を彫ったグラファイトの流れ場 プレート（ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｐｌａｔｅｓ）の間に、典型的には配置され る。前記流路は燃料流及び酸化剤流を、それぞれ隣接するアノード電極及びカソ ード電極に送る。 各アノードにおいて、水素に富んだ改質燃料流はアノードの多孔質電極構造体 に浸透し、前記触媒層にて反応してカチオン（水素イオン又はプロトン）を形成 し、これは前記膜を通ってカソードに移動する。カチオンの移動を促進すること に加えて、この膜は酸化剤流から水素燃料流を隔離する。各カソードにおいて、 酸素含有酸化剤流はカソード／膜境界の触媒層にてアニオンを形成する。各カソ ードで形成される前記アニオンはカチオンと反応し電気化学的反応を完了し、反 応生成物として水を形成する。これら電極は、電気的に対になって、外部負荷を 通ってアノード及びカソードの間で電子を導通する道を提供する。 発電サブシステムにて生成する水は水回収サブシステム中で回収される。個体 ポリマー燃料電池は、リン酸電解質燃料電池よりも低い温度で作動するので、発 電サブシステム中で生ずる水は、大きな高価な凝縮装置なしに燃料電池排出流か ら容易に分離できる。本発明燃料電池発電設備の好ましい具体例において、回収 水は、（１）燃料加工サブシステムに供給される蒸発された水として、（２）空 気圧縮サブシステムにおける加湿のための水として、及び（３）燃料電池の積み 重ねの冷却剤として、用いられる。他の態様は、燃料電池の積み重ね用の閉じた 冷却剤ループを持ち、回収された水を上記（１）及び（２）のための水の源とし て用い、別の流れは燃料電池の積み重ね用の冷却剤を提供する（上記（３）項） 。 本発明設備の利点の１つは、燃料電池の積み重ねの外側に加湿機能を配置し、 こうして燃料電池が比較的小さく製造コストが比較的低くなることである。ガス が水蒸気を吸収する能力は温度によって、特に低圧のとき、大幅に変化するので 、以前には燃料と酸化剤の加湿は燃料電池内部で生じさせるべきものと考えられ てきた。燃料電池内部での加湿は、燃料電池の作動温度及び圧力にできるだけ近 いところで加湿を生じさせることを確保する。しかしながら、もし与えられた燃 料電池のセットの作動条件について最も望ましい加湿レベルを有する反応体流を 生じるように、加湿過程の温度を制御できる、燃料電池の外部で、加湿が起こる ならば、系の性能と寿命は改善されることが見いだされた。 本発明設備において、発電サブシステムから出てくる未反応水素及び酸素は、 燃料加工サブシステム及び空気圧縮サブシステムにおいて再使用され使い尽くさ れる。過剰の水は、反応体排出ガス流から分離され、次いで前記排出流は燃料加 工サブシステムのバーナー部分に送られ、ここで排出流は改質器を作動させるの に用いられる。改質器からの廃エネルギーは、今度は空気圧縮サブシステムにお ける２段ターボ圧縮機を作動させるために、そして燃料加工サブシステムのため のスチームを作るために熱を供給するために使用される。 発電サブシステムで生産された電気は不規則なＤＣであり、電力変換サブシス テムにより規則的な実用品位のＡＣ電力に変換される。この電力変換サブシステ ムは電気をＤＣからＡＣに変換するための変換器（ｉｎｖｅｒｔｅｒ）及びこの 変換器に接続されたバッテリーピーキング装置（ｂａｔｔｅｒｙ ｐｅａｋｉｎ ｇ ｕｎｉｔ）を有する。この変換器は、急速な負荷に続く使用における一時的 に増大した需要期間の間、燃料電池の積み重ね電圧を支持する。 従って、本発明の１つの目的は、ガス状の又は液体状の炭化水素燃料から実用 品位の電力を生ずる効率的な、高出力密度の個体ポリマー燃料電池発電設備を提 供することである。 本発明の他の目的は、従来の設備では通常廃棄されていた廃エネルギーを生産 的に使用する個体燃料電池発電設備を提供することである。 本発明の更に他の目的は、対応するリン酸燃料電池構造体よりも高い効率で作 動する個体ポリマー燃料電池の積み重ねを用いることにより、リン酸燃料電池発 電設備と直接匹敵する個体ポリマー燃料電池発電設備を提供することである。 本発明のさらに他の目的は、後記設備での反応生成物として発生した水を回収 する個体ポリマー燃料電池発電設備を提供することである。 本発明のさらに他の目的は、燃料電池の積み重ねの外側で反応体の加湿機能を 発揮しうる個体ポリマー燃料電池発電設備を提供することである。 発明の要約 上記の及び他の目的は、燃料加工サブシステム、発電サブシステム、空気圧縮 サブシステム、及び水回収サブシステムを含む統合された燃料電池発電設備によ って達成される。前記燃料加工サブシステムは、接触的に炭化水素を含む入口燃 料流を水素を含む加工された燃料流に変換する。前記燃料加工サブシステムは、 水を蒸発して入口燃料流を加湿する蒸発器、及び発電サブシステムからの少なく とも１つの反応体排出流の供給された改質バーナーを含む改質器を含む。前記改 質器は加工された燃料流を生成し、前記改質器バーナーはバーナー排出流を生成 する。 前記発電サブシステムは、複数の燃料電池及び少なくとも１つの反応体排出流 を含む燃料電池の積み重ねを含む。燃料電池のそれぞれは、カソード、アノード 、及びそれらの間に配置したイオン交換膜を含む。前記アノードは加工された燃 料流からのカチオンを生成するためにそれに組み合わされた触媒を有する。前記 カソードは、圧縮された酸化剤流からの酸素をカチオンと反応させて電気、水及 び熱を形成するのを促進するためにそれと組み合わされた触媒を有する。前記少 なくとも１つの反応体排出流は未反応水素又は未反応酸素又はその両者を含む。 前記空気圧縮サブシステムは、タービンに操作可能に接続された圧縮機を含む 。このタービンは前記改質器バーナー排出流及び／又は任意に補助バーナー排出 流によって作動される。前記圧縮機は酸化剤流を圧縮して発電サブシステムに供 給する。 前記水回収サブシステムは、燃料電池の積み重ね中で生成した水を回収する。 前記水回収サブシステムは、少なくとも１つの反応体排出流から水を分離するこ とにより分離された水流を生成する手段、分離された水流の第１の部分を燃料加 工サブシステム中の蒸発器に供給する手段、及び分離された水流の第２の部分を 圧縮された酸化剤流の加湿のために供給する手段、及び好ましくは、燃料電池の 積み重ねのための冷却水循環ループを提供するために、分離された水の第３の部 分を供給する手段を含む。 好ましい統合された（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）燃料電池発電設備においては、 前記水回収サブシステムは更に次のものを含む： 電力排出流から分離された水を貯蔵する手段； 前記貯蔵手段から分離された水を生成手段に送る手段；及び任意に 貯蔵手段の下流で水を分離された水を生成する手段。 他の好ましい統合された燃料電池発電設備において、水を分離する手段はアノ ードの下流であって改質器バーナーの上流に配置された第１の水分離器、及びカ ソードの下流であって改質器バーナーの上流に配置された第２の水分離器を含む 。 更に他の好ましい統合された燃料電池発電設備においては、この設備は更に接 触加湿器を含み、この加湿器は圧縮された酸化剤流を カソードに導入する前にこの圧縮された酸化剤流の中に冷却水を分散するための 冷却剤循環ループと組み合わされている。そのような設備は好ましくは更に接触 加湿器の下流に選択的酸化器を配置している。この選択的酸化器は、前記接触加 湿器からの少なくともいくらかの過剰の冷却水を受け取って、加工された燃料流 をアノードに導入する前にこの選択的酸化器によって加工される燃料流を冷却す る。 この統合された燃料電池発電設備の更に好ましい態様において、前記圧縮機は 段階付けられたターボ圧縮機の段階付けられたタービンを有する。このタービン は少なくとも部分的に補助バーナーによって駆動される。この補助バーナーは改 質器バーナー排出流、圧縮された酸化剤流の少なくとも一部、及び入口燃料流の 少なくとも一部を受け取る。前記ターボ圧縮機は、前記酸化剤流を圧縮する。 更に他の統合された燃料電池発電設備において、前記発電サブシステムから生 じた電気は実用品位（ｕｔｉｌｉｔｙ ｇｒａｄｅ）のＡＣ電力に変換される。 この変換手段はバッテリーピーキング装置によって増大された変換器を含む。そ のような好ましい設備において、このバッテリーピーキング装置は、燃料電池の 電圧が前記変換器の必要とする最小電圧よりも一時的に下がったとき、電圧をこ の変換器に供給するために、燃料電池に並列に接続される。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の個体ポリマー燃料電池設備の概略的流れ図である。 図２は、図１の概略的流れ図であって、前記設備成分がそれらの６つの主要な サブシステムに従ってグループ分けされたものである。 図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃは、図１に概略的に示した流れＮｏ．０〜１５（図３Ａ の場合）、流れＮｏ．１６〜３１（図３Ｂの場合）、及び流れＮｏ．３２〜４６ （図３Ｃの場合）のパーセンテージで示した組成、体積流量、質量流量、温度、 圧力及び蒸気画分を示す表である。 図４は、図１に示した発電設備の全出力における作動パラメーターを示す表で ある。 好ましい態様の詳細な説明 図２において、本発明の集積した炭化水素を燃料とする固体ポリマー燃料電池 発電設備（システム）１１０の６つの主要なサブシステムを示す。発電設備１１ ０は次のものを含む： （１）水素含有燃料及び圧縮空気から電力と水を作りだすための発電サブシ ステム１１２； （２）発電サブシステムのための水素に富んだ燃料を製造するための燃料加 工サブシステム１１４； （３）発電サブシステムに圧縮空気を配送するための空気圧縮サブシステム １１６； （４）発電サブシステムにおいて生じた水を回収するための、及び任意に発 電サブシステムを冷却するための、水回収サブシステム１１８； （５）生じた電力を実用グレードの電力に変換するための電力変換サブシス テム１２０；及び （６）燃料と酸化剤の発電サブシステムへの供給を監視し制御する制御サブ システム１２２。 図１に詳細に説明した好ましい態様において、空気流１２４は、導管を通って 空気圧縮サブシステム１１６に入り、フィルター１２ ６を通って不純物を除く。ろ過した空気流１５は、２段ターボ圧縮機の第１段１ ３０に入って圧力約２０ｐｓｉｇ（ゲージ圧１４０ｋＰａ）の圧力を持つ圧縮さ れた空気流１６を生ずる。段階付けられたターボ圧縮機の第１段１３０と結びつ いたベアリングオイルを、図１に示すようにターボ圧縮機のベアリングオイル冷 却器１３１を通して前記オイルを循環することにより冷却する。第１段１３０か ら出てくる空気流１６はその圧力が増すために、その温度を約２５１°Ｆ（１２ ２℃）に上昇する。圧縮された空気流１６は圧縮機内部冷却器１３２を通り、よ り効率的な圧縮のために約１４０゜Ｆ（６０℃）の空気流１７として出てくる。 この冷却され圧縮された空気流１７は、次いで、２段ターボ圧縮機の第２段１３ ４に送られ、ここでこの流れは更に圧縮され、圧力約６５ｐｓｉｇ（ゲージ圧０ ．４５ＭＰａ）及び温度約３４４゜Ｆ（１７３℃）を有する空気流１８として出 てくる。後に詳細に説明するように、２段ターボ圧縮機の第２段１３４から出て くる加圧された空気流１８の少量は空気流３４を経由して補助バーナー１３６に そらされ、２段ターボ圧縮機のタービン部分を運転するための不定期の補助的な エネルギーを提供する。２段ターボ圧縮機の第２段１３４から出てくる圧縮され た空気流１８の残りは空気流１９を経由してカソード予備冷却機１３８に向けら れる。カソード予備冷却機１３８から出てくる空気流２１は、約２１０゜Ｆ（９ ９℃）の温度を持っている。カソード予備冷却機１３８を出る圧縮され冷却され た空気流の少量は、選択的酸化器１４２にそらされ、ここでそれは酸化源として 役にたつ。選択的酸化器１４２は燃料加工サブシステム１１４の成分である。カ ソード予備冷却機１３８を出た圧縮され、冷却された空気流の残りは空気流２１ を経由して接触加湿器１４４に送られる。この接触加湿器１４４においては、圧 縮された空気流２１は、発電サブシステ ム１１２（図２参照）中で発生した冷却水を吸収して空気流２１を加湿する（水 蒸気を与える）。この接触加湿器１４４を出た冷却した加湿空気流２２は、更に 選択的酸化剤予備冷却機１４６からの水蒸気４６で加湿され、次いで加湿された 空気流はトラップ１４８を通過し、この流れの中に存在する水滴をすべて捕捉す る。圧縮され加湿された空気流２３は、次いで、燃料電池の積み重ね１８６のカ ソードに導かれる。トラップ１４８からの水流４４は水タンク１９２に送られる 。このタンクは水回収サブシステム１１８の成分である（図２参照）。 図２に示すように、燃料加工サブシステム１１４は、原料の燃料流を水素に富 んだ燃料流に加工し、加工された燃料流を燃料電池の積み重ね１８６のアノード に送る。図１に詳細に示した好ましい態様においては、天然ガスからなる原料流 ０は、導管を通って燃料加工サブシステム１１４に入り、コンプレッサー１５０ を通過する。このコンプレッサー１５０を出た圧縮された燃料流１は約１００ｐ ｓｉｇ（ゲージ圧０．７ＭＰａ）の圧力及び約５２２゜Ｆ（２７２℃）の温度を 有する。圧縮された燃料流１は予備酸化冷却機１５２を通り、次いで予備酸化器 １５４を通過し、ここでピーク用備蓄ガスからの酸素が消費される。ピーク用備 蓄ガスは、ピーク需要期間の間に時折天然ガスに加えられる空気とプロパンであ る。もし、天然ガスでなくて、酸素を全く含まないプロパン又は天然ガスが、原 料燃料源として本発明発電設備に用いられるならば、前記予備酸化器１５４は用 いる必要がない。予備酸化器１５４を出る前記圧縮された燃料流は予備酸化冷却 機１５２を通過する。次いで予備酸化冷却機１５２を出た燃料流は、水素循環コ ンプレッサー１５６から循環されてきた水素に富んだガス流の少量と混合される 。次いで、この燃料／水素流は水素化脱硫装置（ｈｙｄｒｏｄｅｓｕｌｆｕｒｉ ｚｅｒ）１５８に通され、ここでこの流れから硫黄が除かれる。この水素化脱硫 装置１５８は触媒を含み、これは硫黄を水素と反応させて硫化水素を形成する。 水素化脱硫装置１５８において、硫化水素は酸化亜鉛の床を通過し、硫化水素ガ スとの反応が起こって固体の硫化亜鉛及び水を形成する。水素化脱硫装置１５８ に関連する化学反応式は次のようである： Ｈ₂＋Ｓ → Ｈ₂Ｓ （１） Ｈ₂Ｓ＋ＺｎＯ → ＺｎＳ（ｓ）＋Ｈ₂Ｏ （２） 場合によっては、前記水素化脱硫装置は活性炭床で置き換えることもできる。 水素化脱硫装置１５８を出て、水素化脱硫された燃料及び水素に富んだガスを 含む燃料流は、次いで、水素化装置１６０を通る。水素化装置１６０においては 、この流れは水素化触媒床を通り燃料流中の不飽和ガスは循環する水素によって 飽和される。 水素化装置１６０を出た燃料流２は、次いで、蒸発器１６２を通り、ここでこ の流れは、水回収サブシステム１１８（図２参照）から循環された水流４１から の微細な噴霧と混合される。好ましい具体例において、蒸発器１６２は低圧損失 設計の並流蒸発器である。加湿された燃料流３は蒸発器１６２を約３３５゜Ｆ（ １６８℃）で出、この流れ中に同伴された水は実質的に完全に蒸発される。蒸発 器１６２の熱エネルギーは改質器バーナー２９から循環されたバーナー排気流３ １から供給される。蒸発器１６２を出た加湿された燃料流３は、次いで、再生熱 交換器１６４を通り、再生熱交換器１６４を温度約６５０°Ｆ（３４３℃）で出 、再生熱交換器１６４を出た燃料流４は、次いで改質器１６８に導入される。改 質器１６８のための熱エネルギーは改質器バーナー２９によって供給される。改 質器１６８は約１３７０゜Ｆ（７４３℃）で作動しており、水素に 富んだ改質燃料ガス流５を生じ、これは二酸化炭素、一酸化炭素、天然ガス及び 水蒸気を含む。この改質燃料流６は、改質器１６８を約８５０℃で出、次いで改 質器熱交換器１６４を通り、改質器熱交換器１６４を約５８４°Ｆ（３０７℃） で出る。再生熱交換器１６４を出た改質燃料流７は、シフト反応器予備冷却器１ ７０を通り、予備冷却器１７０を約３８０゜Ｆ（１９３℃）で出る。 シフト反応器予備冷却器１７０を出た改質燃料流８は、次いで、２段シフト反 応転化器コンバーターに送られる。ここでは、触媒（好ましくは銅含有組成物） が発熱的に、次の式に従って、改質燃料流８中の一酸化炭素を二酸化炭素及び水 素に変換する： ＣＯ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂ （３） 供給水予備加熱器１７４は、シフト反応器内部冷却器として働き、２段シフト反 応コンバーターの第１段を出る改質燃料流９の温度を約３８０゜Ｆ（１９３℃） にする。供給水予備加熱器１７４を出る改質燃料流１０は、次いで、２段シフト 反応コンバーターの第２段１７６に送られ、ここで、好ましくは他の触媒を用い て改質燃料流１０中に残っている一酸化炭素を二酸化炭素及び水素に変換する。 ２段シフト反応コンバーターの第２段１７６を出る改質燃料流１１からの少量の 水素を、水素化脱硫装置１５８の上流の燃料流中に送る。２段シフト反応コンバ ーターの第２段１７６を出る改質燃料流１１の残りを、選択的酸化器予備冷却器 １４６に送る。選択的酸化器予備冷却器１４６は、改質燃料流１１を約２８０゜ Ｆ（１３８℃）に冷却し、次いで選択的酸化器予備冷却器１４６を出た冷却され た改質燃料流１２は選択的酸化器１４２に通される。 他の好ましい態様において、シフト反応器予備冷却器１７０を出た改質燃料流 ８は、２段シフト反応コンバーターの第１段１７２に送り、次いで直接第２段１ ７６に送り、その後供給水予備加熱器１７４に送る。第２段１７６は、最も好ま しくは段階的に冷却されるシフト反応器である。そのような２段シフト反応コン バーターの構造は、改質燃料流８中の一酸化炭素濃度を約０．１〜０．２容量％ に減らす。 選択的酸化器１４２において、改質燃料流１２は、カソード予備冷却器１３８ からの空気流２０からの空気を混合し、改質燃料流１２中に残った一酸化炭素を 二酸化炭素に変換する。燃料フィルター１７８は、選択的酸化器１４２から出て くる改質燃料流１３からの同伴された触媒粒子を除く。フィルター１７８から出 てくる改質燃料流１３は、次いで、アノード予備冷却器１８０に送る。水回収サ ブシステム１１８から回収された水流４０からの水で噴霧することにより燃料電 池の積み重ね１８６と実質的に同じ温度に、アノード予備冷却器１８０は、燃料 流１３を冷却する。燃料電池の積み重ね１８６に供給される前に、水は加工され た燃料流１３から水分離器１８２中で分離される。水分離器１８２から出てくる 改質された燃料流１４は燃料電池の積み重ね１８６のアノード中に導入される。 水分離器１８２から出てくる水流４５は水回収サブシステム１１８中の水タンク １９２に送られる。 図２に示すように、発電サブシステム１１２は、一般に燃料電池の積み重ね１ ８６を含み、これは、今度は複数の直列に接続された燃料電池を含み負荷を介し て電気回路を形成する。好ましい態様において、各燃料電池は各アノード及びカ ソードの間に配置された固体ポリマー電解質イオン交換膜を含み、その各々は好 ましくは炭素繊維紙で形成される。触媒、好ましくは白金が膜と電極の間に配置 される。前記固体ポリマー膜は、好ましくはペルフルオロスルフォンイオン交換 膜、例えば商品名ＮａｆｉｏｎのもとにＤｕＰｏｎｔ社から商業的に入手可能な もの、又は商品名ＸＵＳ １３２０４．１０のもとにＤｏｗ社から入手可能な実 験用ペルフルオロスルフォンイオン交換膜である。この膜は、同時にプロトン導 体であり、電子絶縁体であり、そしてガス分離体である。 固体ポリマー膜を使用すると、固体ポリマー燃料電池発電装置における液体リ ン酸電解質の使用よりも有利な点がいくつかある。個体ポリマー膜は、高い横断 圧（ｃｒｏｓｓ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ）容量を持ち、各アノード及びカソードの間 の電池の横断圧を制御するための液体電解質燃料電池において用いられる高価な 又は複雑な装置又は技術を不必要にする。個体ポリマー燃料電池は、非常に低い 温度（１８５゜Ｆ（８５℃））で作動するので、リン酸電解質燃料電池で典型的 に用いられる大きくて高価な水凝縮装置に比べて、比較的簡単な水分離装置を用 いて、燃料電池で発生した水を集め、分離し、そして回収できる。更に、個体ポ リマー燃料電池の作動温度は比較的ひくいので、リン酸燃料電池に典型的な酸浸 出ではなくて、実質的に純粋な水反応生成物が生じ、これによって酸腐食による 燃料電池成分への損傷を最小にし、高価な水精製装置を不要にする。 作動中、電気化学的燃料電池中の反応生成物として発生する水は燃料電池の積 み重ね１８６から出て来、カソードの排出流に伴なわれる。燃料電池の積み重ね １８６から出て来るアノード排出流も、改質器１６８に導入する前に燃料流の加 湿の結果として水蒸気を含む。 図１に示すように、燃料電池の積み重ね１８６を出るカソード排出流は、水分 離器１８８に送られ、カソード排出流中に同伴された 水が除かれる。そのようにして除かれた水は、水回収サブシステム１１８に使用 するために水タンク１９２中に集められる。水分離器１８８を出た脱水されたカ ソード排出流２５は、次いでカソード予備冷却器１３８に送られる。排出流２６ はカソード予備冷却器１３８を、約３１９°Ｆ（１５９℃）で出、カソード予備 冷却器１３８へ送られる空気圧縮サブシステム１１６の空気流１９を同時に冷却 する。カソード排出流２６は、次いでシフト反応器予備冷却器（ｓｈｉｆｔ ｒ ｅａｃｔｏｒ ｐｒｅｃｏｏｌｅｒ）１７０に送られ、ここでそれは燃料加工サ ブシステム１１４からの改質された燃料流７を冷却する。カソード排出流２７は 、シフト反応器予備冷却器１７０を温度約４４７゜Ｆ（２３１℃）で出る。カソ ード排出流２７は、次いで、カソードベントガス予備加熱器（ｃａｔｈｏｄｅｖ ｅｎｔ ｇａｓ ｐｒｅｈｅａｔｅｒ）１９０へ送られる。カソード排出流２８ はカソードベントガス予備加熱器を約６５０゜Ｆ（３４３℃）で出る。カソード 排出流２８は、次いで改質器バーナー２９に送られ、ここでアノード排出流２４ と共に燃焼し、改質器１６８のための熱エネルギーを提供する。予備加熱器１９ ０の前に第２のカソードベントガス予備加熱器を加えて、より効率的な改質のた めにバーナー炎温度を高めることができる。 燃料電池の積み重ね１８６から排除されると、このアノード排ガス流２４は水 分離器１８９に送られ、アノード排出ガス流２４に同伴された水は、カソード排 出流２７について上に述べたのと同様にして、水回収サブシステム１１８で回収 できる。脱水されたアノード排出ガス流２４は、次いで、改質器バーナー２９に 送られ、ここで予備加熱されたカソード排出ガス流２８と共に燃焼され、改質器 １６８に熱エネルギーを与える。生じたバーナー排出流３０はカソードベントガ ス予備加熱器１９０で冷却され、ここで同時にカソー ド排出流２７をその改質器バーナー２９への導入の前に予備加熱する。次いで、 冷却されたバーナー排出流３１は、蒸発器１６２に送られ、ここで供給水予備加 熱器１７４を出て、その後蒸発器１６２中の燃料流２と組み合わされる供給水流 ４１を蒸発させる熱エネルギーを与える。次いで、冷却されたバーナー排出流３ ２は補助バーナー１３６に送られ、ここで２段ターボ圧縮機１３４、１３０のタ ービン部分に熱エネルギーを与える。これらのターボ圧縮機は燃料電池の積み重 ね１８６のカソードへ送られる圧縮空気流１８、１９を生成するのに用いられる 。全出力において、改質器バーナー２９からの排出流３２は、補助バーナー１３ ６を用いなくても、ターボ圧縮機１３０、１３４を作動させるためのタービンに 必要な全てのエネルギーを供給する。しかしながら、起動の間及び全出力条件未 満の間に、ターボ圧縮機１３０、１３４のタービン部分を運転するに充分な熱エ ネルギーを提供するために、原料燃料流３３及び補助バーナー空気流３４の補助 バーナー中での燃焼から得られるエネルギーを、改質器バーナー排出流３２を補 充する必要があろう。 補助バーナー１３６を出た排出流３５は２段ターボ圧縮機１３０、１３４に送 られ、ここでターボ圧縮機から出てくる流れ３７は３９０゜Ｆ（１９９℃）に冷 却される。ターボ圧縮機１３４のタービン部分を出た排出流３６は直ちにターボ 圧縮機１３０のタービン部分に導入される。次いで、ターボ圧縮機１３０のター ビン部分を出た冷却された排出流３７は高品位熱交換器２０６に送られ、ここで スチームを発生し、次いで水回収熱交換器２０８に送られ、ここで液体水流３９ を再捕捉し、水分離器１８２からの凝縮した水流４５と共に、水回収サブシステ ム１１８中での回収のために送られる。次いで、冷却された過剰の補助バーナー 排出流３８は系から放出される。 更に図１に示すように、水回収サブシステム１１８はアノード排出流２４及び カソード排出流２７の両方から分離された水を回収し、水を以下のサブシステム に供給する： （ａ）燃料電池の積み重ねを冷却するための発電サブシステム１１２； （ｂ）炭化水素改質過程において使用するための、また、燃料電池の積み重ね １８６に供給する燃料流を加湿する炭化水素改質過程において使用するための燃 料加工サブシステム１１４；及び （ｃ）燃料電池の積み重ね１８６に供給される酸化剤流を加湿するための空気 圧縮サブシステム１１６。 水タンク１９２は、水分離器１８９におけるアノード排出流２４及び水分離器 １８８におけるカソード排出流２７から分離された水を集める。タンク１９２は 、それが、本発明の集積発電プラント装置のサブシステムのいずれかによって必 要とされるまで、水を蓄積する。そのように必要とされるときは、水流は、タン ク１９２から供給水ポンプ１９６によって、そして活性炭床１９４を通って不純 物を除いて、ポンプでくみ出される。次いで、精製された水流は必要に応じて次 のものに送られる： （ａ）燃料電池の積み重ねの冷却剤ループ（図１に積み重ね中の矢印で描いて いる）に使用するための冷却剤アキュムレータ１９８ （ｂ）改質燃料流１３を冷却するのに用いるアノード予備冷却器１８０； （ｃ）結局は燃料電池の積み重ね１８６に供給される燃料流２２を加湿するた めの蒸気を発生するための選択的酸化器予備冷却器１４６；及び／又は （ｄ）スチーム改質過程において用いる蒸発器１６２に連続的に 導入するための供給水予備冷却器１７４。 冷却剤ポンプ２０４からの冷却剤流は、流れ４３を経由して、燃料電池の積み 重ね１８６内の内部冷却剤ループに送られ、この積み重ねの温度を制御する。燃 料電池の積み重ね１８６から出る冷却剤の水は、燃料電池の積み重ね１８６のカ ソードへ加圧された酸素含有空気流２１を導入する前にこの加圧された空気流２ １の加湿のために接触加湿器１４４に供給される。接触加湿器１４４を出た冷却 水流の一部は、次いで、選択的酸化器１４２に送られる。次いで、選択的酸化器 １４２から出た冷却水流は、接触加湿器１４４を出た冷却水流の残りと再度合体 し、低品位熱交換器２００に送られ、ここで冷却される。低品位熱交換器２００ を出た冷却水は熱制御熱交換器２０２を通り、ここで流れ４２は更に約１６５゜ Ｆ（７４℃）に更に冷却される。その後、冷却水流は、冷却剤ポンプ２０４を用 いて燃料電池の積み重ね１８６に返される。燃料電池の積み重ね１８６の上流の 冷却剤アキュムレータ１９８は、温度上昇による冷却剤膨張の受器として作用し 、また、供給水ポンプ１９６からの生成水を受け入れる。 水タンク１９２からアノード予備冷却器１８０に送られた水は、改質された燃 料流１３を冷却するために使用される。燃料流１３が燃料電池の積み重ね１８６ のアノードに導入される前に、水は、水分離器１８２中の燃料流１３から分離さ れ、次いで、流れ４５を経由して水タンク１９２に返される。 選択的酸化器１４６から送られた水流４６は、スチームに変換し、圧縮空気流 ２２を、燃料電池の積み重ね１８６のカソードに導入する前に望みの程度に加湿 する。次いで、水流４４は、トラップ１４８中に回収され、水タンク１９２に返 還される。供給水予備加熱器１７４に供給された流れ４０からの水は、約３１１ ゜Ｆ（１５５ ℃）に加熱され、次いで蒸発器１６２に送られ、ここで流れ４１は燃料流２と一 緒にされ、改質過程に関与する。 燃料電池の積み重ね１８６によって発生した電力は電力変換サブシステム１２ ０（図２参照）で実用品位の電力（ｕｔｉｌｉｔｙ ｇｒａｄｅ ｐｏｗｅｒ） に変換される。図１において、線１９７は実用電線を示し、線１９５はＡＣ電力 出力電線を表す。電力変換サブシステム１２０は変換器２１０を含み、これは燃 料電池の積み重ね１８６で発生したＤＣ電力を実用品位のＡＣ電力に変換する。 変換器（ｉｎｖｅｒｔｅｒ）２１０は、バッテリーピーキング装置（ｂａｔｔｅ ｒｙ ｐｅａｋｉｎｇ ｕｎｉｔ）２１２で指示され、この装置は、少なくとも 燃料加工サブシステム１１４（図２参照）と空気圧縮サブシステム１１６（図２ 参照）とが燃料電池の積み重ね１８６を一杯の電圧及び電力容量に返すまで、急 速な過度現象ないし最大負荷の間、燃料電池の積み重ねの電圧を増大させる（ａ ｕｇｍｅｎｔ）ために変換器に接続される。バッテリーピーキング装置２１２を 必要とする典型的な状況は、低電力要求状態からの即時の負荷上昇要求であろう 。負荷からの低電力要求の期間中は、この設備は部分的に減圧にして、２段ター ボ圧縮機１３０、１３４に供給するエネルギーの量を保存する。空気圧縮サブシ ステム１１６（図２参照）は、燃料電池の積み重ね１８６への空気流２３の圧力 を増すのに限界ある期間を必要とする。充分な圧力が得られるまで、前記積み重 ねの電圧は低すぎて、ちょっとの間、変換器２１０の入力電圧要求を満たすこと ができないであろう。前記バッテリーピーキング装置２１２は、空気圧縮サブシ ステム１１６（図２参照）が燃料電池の積み重ね１８６に圧縮された酸化剤の流 れを提供するまで、変換器２１０の要求する、独立に比較的高い負荷要求を満た すに必要な補充電力を提供する。バッテリーピーキング装置２１２ を使用すると、電力プラント装置１１０の制御戦略を簡単にし、電力プラントが 急速な負荷上昇要求に応えるべく用いられるとき部分的な電力で高いシステム電 気効率を許容する。 制御サブシステム１２２（図２参照）は、制御装置２１４及びキャビネット装 置（ｃａｂｉｎｅｔ ｓｙｓｔｅｍｓ）２１６を含んでいる。制御装置２１４は 、電力プラント装置１１０の運転をバランスのとれた、統合された方法で（ｉｎ ａ ｂａｌａｎｃｅｄ， ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍａｎｎｅｒ）制御するた めに、エレクトロニクスの及び機械的な成分、例えば熱電対、圧力変換器、質量 流量測定器、情報処理回路、並びに応答バルブ及び停止機構（ｓｈｕｔ−ｄｏｗ ｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ）を含む。キャビネット装置２１６は、電力プラント 装置１１０の運転を制御する監視し、制御するために必要であるか又は望ましい 測定器（ｇａｕｇｅ）、器械及びスイッチを有する。 ホテルの負荷（ｈｏｔｅｌ ｌｏａｄ）２１８は、発電するときに電力プラン ト装置１１０の種々の電力消費成分に必要な電力を代表する。燃料加工モーター ２２０は、圧縮機１５０に付随するモーターである。モーター２２０もこの装置 中の他のポンプ及び及び送風機のためのモーターの代表である。 図３Ａ、３Ｂ及び３Ｃは、図１に模式的に示したこの電力プラント装置におけ る番号付けされた流れ０〜４６のパーセンテージで示したおよその組成、体積速 度、質量速度、温度、圧力及び蒸気分率（ｖａｐｏｒ ｆｒａｃｔｉｏｎ）を示 す表である。図３Ａ〜Ｃにおいて、蒸気分率「０」はこの流れがガス状であるこ とを意味する。蒸気分率「１」はこの流れが液体であることを意味する。 図４は、図１に示した発電装置の全力運転における運転パラメーターを示す表 である。全体的に得られた電気的効率は約４０％であ る。 本発明の特別の要素、具体例及び応用を示し述べてきたが、当業者はそれらの 変更を行うことができるのであるから、勿論、本発明はそれらに限定されるもの ではないことが理解されよう。従って、本発明の精神と範囲内にはいる態様を含 むそのような変更は、特許請求の範囲に属するものと考えられる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 コーエン，ロナルド アメリカ合衆国，フロリダ 33428，ボカ ラトン，リフレクション レーン 21837 (72)発明者 ローイー，クレイグ カナダ国，ブリティッシュ コロンビア, バンクーバー，ウエスト セブンス アベ ニュ ＃305 2225 (72)発明者 ワトキンズ，デビッド エス. カナダ国，ブリティッシュ コロンビア ブイ３ジェイ ２エヌ３，コキトラム，フ ォスター アベニュ 1581 【要約の続き】 いられる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．次のものを含む統合された燃料電池発電装置： 炭化水素を含む入口燃料流を水素を含む加工された燃料流に接触的に変換する ための燃料加工サブシステムであって、水を蒸発させて前記入口燃料流を加湿す るための蒸発器、及び少なくとも１つの反応体排出流が供給される改質バーナー を含む改質器を含み、ここに前記改質器は前記加工された燃料流を生成し、前記 改質器バーナーはバーナー排出流を生成するもの； 少なくとも１つの燃料電池及び少なくとも１つの反応体排出流を含む発電サブ システムであって、前記少なくとも１つの燃料電池はカソード、アノード及びそ れらの間に配置されたイオン交換膜を含み、前記アノードは前記加工された燃料 流からのカチオンを生成するためにこれと組み合わされた触媒を有し、前記カソ ードは加圧された酸化剤流の反応を促進して電気、水及び熱を生成するためのこ れと組み合わされた触媒を有し、前記少なくとも１つの反応体排出流は未反応水 素又は未反応酸素又はこれらの両方を有するもの； タービンに作動可能に接続された圧縮機を含む空気圧縮サブシステムであって 、前記前記タービンは加熱されたガス流によって作動され、前記圧縮機は前記発 電サブシステムに供給する酸素流を圧縮するもの；並びに 前記燃料電池の積み重ね中で生ずる水を回収するための水回収サブシステムで あって、前記反応体排出流から水を除いて分離された水流を生成する手段、前記 燃料加工サブシステム中の前記蒸発器に前記分離された水流の第１の部分を供給 する手段、及び前記分離された水流を前記圧縮された酸化剤流を加湿するために 供給する手段を含むもの。 ２．前記少なくとも１つの燃料電池が積み重ねの状態に配列された複数の燃料 電池を含む請求の範囲１の統合された燃料電池発電設備。 ３．前記加熱されたガス流が前記バーナー排出流を含む請求の範囲１の統合さ れた燃料電池発電設備。 ４．前記水回収サブシステムが、前記少なくとも１つの燃料電池用の冷却水循 環ループを提供する前記分離水流の第３の部分を供給する手段を更に含む請求の 範囲１の統合された燃料電池発電設備。 ５．前記カソードに前記圧縮された酸化剤流を導入する前に前記圧縮された酸 化剤流中へ冷却水を分散するための、前記冷却剤ループと組み合わされた接触加 熱器を更に含む請求の範囲４の統合された燃料電池発電設備。 ６．前記接触加湿器の下流に配置された選択的酸化器を更に含み、この選択的 酸化器は、前記加工された燃料流を前記アノードに導入する前に前記選択的酸化 器で加工される燃料流を冷却する前記接触加湿器からの少なくともいくらかの過 剰の冷却水を受け取るものである請求の範囲５の統合された燃料電池発電設備。 ７．前記少なくとも１つの反応体排出流が２つの反応体排出流をを含み、その 内の１つは未反応水素を含み、他は未反応酸素を含む請求の範囲１の統合された 燃料電池発電設備。 ８．前記水回収サブシステムがさらに次のものを含む請求の範囲１の統合され た燃料電池発電設備： 前記電力排出流から分離された水を貯蔵する手段；及び 前記分離された水を前記貯蔵手段から前記精製手段へ送る手段。 ９．前記水回収サブシステムが更に次のものを含む請求の範囲８ の統合された燃料電池発電設備： 前記分離された水を、前記貯蔵手段の下流で精製する手段。 １０．前記水分離手段が、前記アノードの下流で前記改質器バーナーの上流に 配置された第１の水分離器、及び前記カソードの下流で前記改質器バーナーの上 流に配置された第２の水分離器を含む請求の範囲１の統合された燃料電池発電設 備。 １１．前記圧縮機は段階付けられたターボ圧縮機の段階付けられたタービンを 含み、前記タービンは少なくとも部分的に補助バーナーによって駆動され、前記 補助バーナーは前記バーナー排出流、少なくとも一部の前記圧縮された酸化剤流 、及び少なくとも一部の前記入口燃料流を受け取り、前記ターボ圧縮機は前記酸 化剤流を圧縮する請求の範囲１の統合された燃料電池発電設備。 １２．前記発電サブシステムから生成する前記電気が実用品位のＡＣ電力に変 換され、前記変換手段がバッテリーピーキング装置によって増大された（ａｕｇ ｍｅｎｔｅｄ）変換器を含む、請求の範囲１の統合された燃料電池発電設備。 １３．前記燃料電池の電圧が前記変換器に必要な最小電圧未満に減少したとき 前記変換器へ電力を供給するために、前記バッテリーピーキング装置が前記燃料 電池に並列に接続されている請求の範囲１２の統合された燃料電池発電設備。