(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムの運転方法であって：
燃料吸入流を改質装置に供給するステップと；
導管を通じて前記改質装置から改質物を直接的に燃料電池スタックに供給するステップと；
前記燃料電池スタックを運転して電気と２００℃を超える温度の燃料排気流とを生成するステップと；
前記燃料排気流からの熱を利用して前記改質装置に供給される前の前記燃料吸入流を加熱するとともに前記燃料電池スタックに供給される空気吸入流を予熱することにより、前記燃料排気流の温度を２００℃以下に下げるステップと；
前記燃料電池スタックから排出される空気排出流の熱を利用して、予熱された前記空気吸入流を更に加熱するステップと；
前記燃料排気流を第一の燃料排気分流と第二の燃料排気分流とに分割するステップと；
前記第一の燃料排気分流を前記燃料吸入流へとリサイクルするステップと；を含む方法。
【請求項２】
低温ブロワーを用いて２００℃以下の温度の前記第一の燃料排気分流を前記燃料吸入流へと制御可能にリサイクルするステップ；を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第二の燃料排気分流に含まれる水素の少なくとも一部を分離するステップと；
前記分離した水素の少なくとも一部を水素使用装置、水素貯蔵容器、燃料吸入流の少なくとも１つに供給するステップと；を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記燃料排気流を制御可能に分割するのに用いる多方弁と、前記第一の燃料排気分流を制御可能にリサイクルするのに用いるブロワーとのうち少なくとも一方をコンピューターを用いて制御するステップ；を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
燃料電池システムであって：
高温燃料電池スタックと；
改質装置と；
前記改質装置からの改質物が直接的に前記燃料電池スタックに供給されるように、前記改質装置の出力口を前記燃料電池スタックの燃料供給口に接続する導管と；
スタック燃料排気流からの熱を利用して、前記改質装置に供給される前の燃料吸入流を加熱するよう構成された燃料熱交換器および前記燃料電池スタックに供給される空気吸入流を予熱するよう構成された空気予熱熱交換器であって、スタック燃料排気流の温度を２００℃超の温度から２００℃未満の温度へと低下させるように構成された前記燃料熱交換器および前記空気予熱熱交換器と；
前記空気予熱熱交換器の下流側に位置され、前記燃料電池スタックから排出される空気排出流により前記空気吸入流を更に加熱するように構成された空気熱交換器と；
前記燃料排気流を第一の燃料排気分流と第二の燃料排気分流とに分割するように構成された燃料排気分配装置と；
温度が２００℃未満の前記第一の燃料排気分流を前記燃料吸入流へと制御可能にリサイクルするように構成された低温ブロワーと； を備える、燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料排気分配装置は、前記スタックからの燃料排気流を第一の燃料排気分流と第二の燃料排気分流とに制御可能に分割するように構成されたコンピューター制御の多方弁であり；
前記低温ブロワーは、前記第一の燃料排気分流を燃料電池スタックの燃料吸入流へと制御可能にリサイクルするように構成されたコンピュータ制御のブロワーである、請求項５に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の参照
本出願は、２００５年７月２５日出願の米国仮特許出願第６０／７０１，９７６号の利益を主張し、該出願はその全体が参照することにより本明細書に組み込まれる。
【０００２】
発明の背景
本発明は、該して燃料電池システムの分野に関し、より詳細には、分圧スイング吸着法によってアノード排気燃料の回収を行う燃料電池システムに関する。
【０００３】
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、固体酸化物燃料電池と溶融炭酸塩燃料電池が含まれる。これらの燃料電池は、水素および／または炭化水素燃料を用いて運転できる。燃料電池には、固体酸化物再生燃料電池等、入力としての電気エネルギーを用いて酸化した燃料を還元して未酸化燃料に戻す逆転運転が可能なものがある。
【０００４】
発明の要旨
本発明の各実施形態は、高温燃料電池スタックの燃料排気流を２つのガス流に分割するシステムおよび方法を提供する。第一のガス流は、高温燃料電池スタックの燃料吸入流へとリサイクルされる。第二のガス流は、燃料排気流から水素を分離する水素分離装置へと送られてもよい。この水素分離装置は、分圧スイング吸着ユニットでも温度スイング吸着ユニットでもよく、電気化学ポンプ分離ユニット、例えばプロトン交換膜型分離ユニットでもよい。分離した水素は、同様に燃料吸入流へとリサイクルしてもよく、および／または水素貯蔵容器や水素使用装置、例えば車両に動力を供給するのに用いられる低温燃料電池スタックに供給してもよい。あるいは、第二のガス流は水素の分離をせずに排出しても、バーナーへ送ってもよい。本発明の一態様では、低温ブロワーを用いて所望量の燃料排気流を燃料吸入流へと制御可能にリサイクルする。この場合、燃料排気流は、低温ブロワーへ供給される前に十分に低い温度、例えば摂氏２００度未満の温度にまで冷却される。以下の最初の４つの実施形態では、水素を燃料排気流から分離するのにオプションで使用してもよい分圧スイング吸着ユニットを説明する。その他の実施形態では、燃料排気流が２つのガス流に分割されるシステムを説明する。
【０００５】
好ましい実施形態の詳細な説明
本発明の第一の実施形態は、ガス分離、例えば、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）排気からの燃料回収のための、４工程からなる分圧スイング吸着法（すなわち、濃度スイング吸着法）サイクルを提供する。吸着剤、例えば活性炭を充填した２つのベッドを用いて燃料排気から二酸化炭素と水分（すなわち、水蒸気）を吸着し、水素と一酸化炭素とを通過させる。これらベッドは、適度な相対湿度に、例えば約３０％から約５０％の相対湿度に乾燥させた空気を用いて、好ましくは逆方向に再生される。例えば、再生用の乾燥空気は、シリカゲルまたは活性アルミナを用いた温度スイング吸着サイクルで生成すればよい。更に、多くの水素を回収し、回収した燃料を空気が汚染しないよう、（複数の）フラッシュ工程が用いられる。吸着および再生（すなわち、フィードおよびパージ）工程の継続時間は、フラッシュ工程の継続時間の少なくとも５倍、例えば１０〜５０倍の長さが好ましい。
【０００６】
こうして、最適なガス分離のための高信頼性、高エネルギー効率サイクルが提供される。このサイクルは例えば、逆方向のパージ工程と正方向のフラッシュ工程を伴う分圧スイング吸着法（本明細書では濃度スイング吸着法とも言う）に基づく高効率サイクルで、最大限水素を回収し、最大限二酸化炭素および空気を除去するサイクルである。ベッドは好ましくは空気を用いて再生されるため、再生終了時にベッドに残った空気を押し出して燃料電池スタックへ逆流させることは望ましくない。更に、再生工程開始時に、ガス流を除去したベッドはガス相の水素を含んでいる。この水素は回収することが望ましい。フラッシュ工程は、再生終了時にベッドに残った空気を除去してこの空気を燃料電池スタックへ逆流させないようにするとともに、再生工程開始時にベッドに残っている水素を燃料電池スタックの燃料吸入口に供給するのに用いられる。
【０００７】
固体酸化物燃料スタックの燃料排気流中の二酸化炭素を水素から分離する吸着システムに関して第一の実施形態のシステムおよび方法を記載し説明するが、当然ながら、第一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ものではない多成分ガス流や固体酸化物燃料電池システム以外の燃料電池システム、例えば溶融炭酸塩燃料電池システムの多成分ガス流を分離するのにも用いることができる。従って、第一の実施形態のシステムと方法は、二酸化炭素から水素を分離することに限られるものではない。吸着剤ベッドの吸着剤は、分離すべきガスに応じて選択すればよい。
【０００８】
図１は、第一の実施形態のガス分離装置１を示している。装置１は、稼働中にフィードガス吸入流を供給する第一のフィードガス吸入導管３を有している。装置１が燃料電池スタックの燃料排気流から水素を分離するのに用いられる場合は、導管３は、燃料電池スタックのアノード排気口に作動的に連結される。ここで用いたように、２つの要素が「作動的に連結される」という場合、その要素同士が直接または間接的に連結されて一方から他方への直接または間接的な流体の流れを許容することを意味する。装置１はまた、稼働中にパージガス吸入流を供給する第二のパージガス吸入導管５を有する。
【０００９】
この装置は、稼働中にフィードガスの分離された成分の少なくとも一種を捕集する第三のフィードガス捕集導管７を有する。装置１が燃料電池スタックの燃料排気流から水素を分離しその水素を燃料電池スタックの燃料吸入口へとリサイクルするのに用いられる場合は、導管７は燃料電池スタックの燃料吸入口（すなわち、スタックの燃料吸入口に直接、またはスタックの燃料吸入口に作動的に連結された燃料吸入導管）に作動的に連結される。この装置はまた、稼働中、フラッシュ工程にてフィードガス放出流を捕集し、フィード／パージ工程中にてパージガス放出流を捕集する第四のパージガス捕集導管９を有する。
【００１０】
従って、装置１が燃料電池スタックの燃料排気流から水素を分離するのに用いられる場合は、第一の導管３は水素、二酸化炭素、一酸化炭素および水蒸気の吸入導管、第二の導管５は乾燥空気の吸入導管、第三の導管７は水素および一酸化炭素の除去・リサイクル導管、第四の導管９は二酸化炭素および水蒸気の除去導管となる。
【００１１】
装置１はまた、少なくとも２つの吸着剤ベッド１１、１３を有する。これらのベッドは、フィードガスの１種以上の所望の成分の少なくとも大部分、例えば、少なくとも８０から９５％を吸着し、他の１種以上の成分の大部分を通過させる任意の好適な吸着剤を含んでいればよい。例えば、ベッドの材料は、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でよい。燃料電池スタックの燃料排気流中の水蒸気と二酸化炭素から水素と一酸化炭素を分離するには、活性炭が好ましい。ゼオライト類も二酸化炭素を吸着する。しかし、ゼオライト類は水分を非常に強く吸着し、再生には非常に乾燥したガスが必要であるが、そのようなガスは入手が困難である。ゼオライトベッドを用いて水蒸気含有ガスを分離する装置は性能の劣化が遅いので、ゼオライトベッドは水蒸気を含まないガス流を分離するのには好ましく用いられるが、必ずしも使わなくてもよい。
【００１２】
装置１はまた、ガスの流れる方向を決める複数のバルブを備える。例えば、装置は、２つのＬ字型流路を有する３つの四方弁、すなわち、フィードバルブ１５、再生バルブ１７、発生ガスバルブ１９を有していればよい。フィードバルブ１５は第一の導管３と２つのベッド１１、１３に連結されているとともに、導管２１によって再生バルブ１７に連結されている。再生バルブ１７は、第二、第四の導管５、９に連結されているとともに、それぞれ導管２１によってフィードバルブ１５に、導管２３によって発生ガスバルブ１９に連結されている。発生ガスバルブ１９は、第三の導管７と２つのベッド１１、１３に連結されているとともに、導管２３よって再生バルブ１７に連結されている。これらの四方弁は、同時に２つの流れの方向を変えるのに用いられてもよい。このようなバルブは、例えば米国オハイオ州シンシナティのA-T Controls Inc.（http://www.a-tcontrols.com）が様々なサイズのものを市販している。所望であれば、各四方弁は２つの三方弁や４つの二方弁、あるいはそれらとは全く異なるマニホールドを含むガス流を分配するシステムに置き換えてもよい。
【００１３】
従って、好ましくは、バルブ１５、１７、１９は、パージガス吸入流が、パージ工程中はフィードガス吸入流に対して逆方向に、フラッシュ工程中はフィードガス吸入流に対して正方向にベッド１１、１３に供給されるように作動する。言い換えれば、第一の導管３は、フィードガス吸入流を第一、第二のベッドに第一の方向に供給するために第一、第二のベッド１１、１３に作動的に連結されている。第二の導管５は、パージガス吸入流が、第一、第二のフィード／パージ工程中、第一、第二のベッド１１、１３それぞれに第一の方向とは異なる方向に（例えば反対方向）に供給され、かつ第一、第二のフラッシュ工程中、パージガス吸入流が第一、第二のベッドに第一の方向（すなわち、フィードガス吸入流と同じ方向）に供給されるようにバルブ１７、１９を介して第一、第二のベッド１１、１３に作動的に連結されている。
【００１４】
図２Ａ〜２Ｄは、システム１の運転サイクルにおける各工程を示している。図２Ａは、第一のベッド１１にフィードガス吸入流、例えば燃料スタックの燃料排気流を供給すると同時に第二のベッド１３にパージガス、例えば乾燥空気を供給して第二のベッド１３を再生する第一のフィード／パージ工程中の装置１を示している。
【００１５】
フィードガス吸入流は、導管３からバルブ１５を経由して第一の吸着剤ベッド１１へ供給される。水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気を含むフィードガスに関しては、水素と一酸化炭素の大部分、例えば少なくとも８０〜９５％が第一のベッド１１を通過する一方、二酸化炭素の大部分、例えば少なくとも８０〜９５％と多くの水蒸気が第一のベッドに吸着される。フィードガスの分離された成分の少なくとも一種、例えば水素や一酸化炭素を含むフィードガス放出流がバルブ１９を通過し、第一の導出部、例えば第三の導管７で捕集される。
【００１６】
パージガス吸入流、例えば乾燥空気は、第二の導管５からバルブ１７、導管２３、バルブ１９を経由して第二の吸着剤ベッド１３へ供給される。パージガス放出流は導管２１とバルブ１５、１７を通過し、第二の導出部、例えば第四の導管９で捕集される。
【００１７】
第一のフィード／パージ工程では、バルブ１５がフィードガスを第一のベッド１１へ導き、バルブ１９が発生した水素ガスを導管７へと導くようなバルブ位置になっている。バルブ１７は、乾燥空気が第二のベッドを逆方向に押し流されて前回吸着された二酸化炭素を除去するように位置設定される。フィードガス流中の水分のいくらかは、第一のベッド１１の吸入口の吸着剤、例えば活性炭に吸着され、続く工程で第一のベッド１１が再生される際にベッド１１から除去される。二酸化炭素の波が進むと一酸化炭素は第一のベッド１１を通過するようになる。
【００１８】
図２Ｂは、第一のフィード／パージ工程の後に行われる第一のフラッシュ工程中の装置１を示している。この工程では、フィードバルブ１５と再生バルブ１７は前の工程から流れの方向を切り替えるが、発生ガスバルブ１９は切り替えない。
【００１９】
パージガス吸入流は、導管５からバルブ１７、１５および導管２１を経由して第一の吸着剤ベッド１１へ供給される。好ましくは、このパージガス吸入流は、前の工程のフィードガス流と同じ方向に第一のベッド１１へ供給される。第一の吸着剤ベッドの空隙に捕捉されていたフィードガスの成分のうちの少なくとも一種、例えば水素を含むパージガス放出流が、第一の導出部、例えば導管７で捕集される。
【００２０】
フィードガス吸入流は、導管３からバルブ１５を経由して第二の吸着剤ベッド１３へと供給される。第二の吸着剤ベッド１３の空隙に捕捉されていたパージガス、例えば空気の一部を含むフィードガス放出流がバルブ１９、１７および導管２３を通過し、第一の導出部とは異なる導出部、例えば導管９で捕集される。
【００２１】
従って、第一のフラッシュ工程では、第一のベッド１１の空隙に捕捉されていた水素が、流入する空気と脱着する二酸化炭素に押し出されて発生する。第二のベッド１３の空隙に捕捉されていた空気は、流入するフィードガスによってベッド１３からパージされる。この工程は、前のフィード工程から捕捉されている水素を連続的に回収するとともに、前のパージ工程からの空気が次のバルブ切換え後に水素を含む発生ガスを汚染するのを防ぐことで、プロセスの全体的な効率を向上させる。このフラッシュ工程は短く、例えば、前のフィード／パージ工程の時間の１／５よりも短く、前の工程の時間の１／１０から１／５０である。例えば、約９０秒のフィード／パージ工程に対し、フラッシュ工程は約４秒でよい。
【００２２】
図２Ｃは、第一のフラッシュ工程の後に行われる第二のフィード／パージ工程中の装置１を示している。この工程では、第二のベッド１３にフィードガス流、例えば燃料スタックの燃料排気流が供給される一方、第一のベッド１１にはパージガス、例えば乾燥空気が供給されて第一のベッド１１を再生させる。従って、この工程では、バルブ１７、１９の流路が切り替えられる。この工程は、第一のフィード／パージ工程とほぼ同じであるが、ベッドが入れ替わっている。
【００２３】
フィードガス吸入流は、導管３からバルブ１５を経由して第二の吸着剤ベッド１３へと供給される。好ましくは、フィードガス吸入流は、第一のパージ工程でパージガス吸入流が第二のベッド１３へ供給された方向とは反対方向（すなわち、逆方向）に第二のベッド１３へ供給される。フィードガスの分離された成分の少なくとも一種、例えば水素と一酸化炭素を含むフィードガス放出流が、第一の導出部、例えば第三の導管７で捕集される。パージガス吸入流は、導管５からバルブ１７、１９および導管２３を経由して第一の吸着剤ベッド１１へ供給される。好ましくは、パージガス吸入流は、第一のフィード工程でフィードガス吸入流が第一のベッド１１へ供給された方向とは反対方向（すなわち、逆方向）に第一のベッド１１へ供給される。パージガス放出流は、第一の導出部とは異なる導出部、例えば第四の導管９で第一のベッド１１から集められる。
【００２４】
図２Ｄは、第二のフィード／パージ工程の後に行われる第二のフラッシュ工程中の装置１を示している。この工程では、フィードバルブ１５と再生バルブ１７は前の工程から流れの方向を切り替えるが、発生ガスバルブ１９は切り替えない。この工程は第一のフラッシュ工程と同様だが、ベッドが入れ替わっている。
【００２５】
パージガス吸入流は、導管５からバルブ１７、１５および導管２１を経由して第二の吸着剤ベッド１３へ供給される。好ましくは、このガス流は、前の２つの工程におけるフィードガス吸入流と同じ方向にベッド１３に供給される。第二の吸着剤ベッド１３の空隙に捕捉されていたフィードガスの成分の少なくとも一種、例えば水素を含むパージガス放出流が、第一の導出部、例えば第三の導管７で捕集される。
【００２６】
フィードガス吸入流は、導管３からバルブ１５を経由して第一の吸着剤ベッド１１へ供給される。第一の吸着剤ベッド１１の空隙に捕捉されていたパージガス、例えば空気の一部を含むフィードガス放出流が、第一の導出部とは異なる導出部、例えば第四の導管９で捕集される。そして、図２Ａに示す第一のフィード／パージ工程が繰返される。通常、上記の４つの工程は、同じ順序で複数回繰返される。
【００２７】
注目すべきことだが、上記の各工程において、フィードガス吸入流は第一、第二の吸着剤ベッド１１、１３のそれぞれに同じ方向に供給されることが好ましい。第一、第二のフラッシュ工程においては、パージガス吸入流はフィードガス吸入流の方向と同じ方向に第一、第二の吸着剤ベッドそれぞれに供給される。それに対し、第一、第二のフィード／パージ工程では、パージガス吸入流は、フィードガス吸入流の方向とは異なる方向、例えば反対方向に第一、第二の吸着剤ベッドそれぞれに供給される。
【００２８】
逆方向のパージガス吸入流の流れは、パージ工程中の正方向のガス流に比べて水素発生ガス流中の二酸化炭素量を減らすと考えられるため、有利である。フィード工程中、多少の水分が炭素ベッドの吸入口付近に吸着する。パージまたは再生工程中には、このベッドは乾燥空気を用いて逆方向にパージされる。二酸化炭素の吸着用に活性炭が用いられており、活性炭は相対湿度が適度に低いときにはあまり水分を吸着しないので、ベッドに水分が蓄積するのを防ぐためには、再生パージ（ガス）は、相対湿度が概ね３０から５０％になるように乾燥させればよい。フィード工程中は、ベッドを効率よく二酸化炭素除去に利用することによって（すなわち、二酸化炭素の波を適度にベッドの奥にまで到達させることによって）、一酸化炭素が発生ガス中へと（水素と共に）押し出される。逆方向の再生工程は、正方向の再生工程に比べて水素流中の二酸化炭素のレベルを下げる。２度のフラッシュ工程によって、水素発生ガスからの水素回収と空気除去が共に最大となる。
【００２９】
上記のように、この分圧スイング吸着法方法においては、フィードガス吸入流は、第一、第二の吸着剤ベッドに供給される前に加圧されない。しかも、好ましくは、上記の４工程は、吸着剤ベッドを外部から加熱することなく行われる。
【００３０】
稼働中、第一のベッド１１は以下のような機能を実行する。第一のフィード／パージ工程では、第一の導管３からフィードガス吸入流を受け入れ、分離したフィードガスの成分の少なくとも一種を第三の導管７へと供給する。第一のフラッシュ工程では、第二の導管５からパージガス吸入流を受け入れ、第一のベッドの空隙に捕捉されていたフィードガスの成分の少なくとも一種を含むパージガス放出流を第三の導管７へと供給する。第二のフィード／パージ工程では、第二の導管５からパージガス吸入流を受け入れ、パージガス放出流を第三の導管７とは異なる導出部、例えば第四の導管９へと供給する。第二のフラッシュ工程では、第一の導管３からフィードガス吸入流を受け入れ、第一のベッドの空隙に捕捉されていたパージガスの一部を含むフィードガス放出流を第三の導管７とは異なる導出部、例えば第四の導管９へと供給する。
【００３１】
稼働中、第二のベッド１３は以下のような機能を実行する。第一のフィード／パージ工程では、第二の導管５からパージガス吸入流を受け入れ、パージガス放出流を第三の導管７とは異なる導出部、例えば第四の導管９へと供給する。第一のフラッシュ工程では、第一の導管３からフィードガス吸入流を受け入れ、第二のベッド１３の空隙に捕捉されていたパージガスの一部を含むフィードガス放出流を第三の導管７とは異なる導出部、例えば第四の導管９へと供給する。第二のフィード／パージ工程では、第一の導管３からフィードガス吸入流を受け入れ、分離したフィードガスの成分の少なくとも一種を含むフィードガス放出流を第三の導管７へと供給する。第二のフラッシュ工程では、第二の導管５からパージガス吸入流を受け入れ、第二のベッドの空隙に捕捉されていたフィードガスの成分の少なくとも一種を含むパージガス放出流を第三の導管７へと供給する。
【００３２】
従って、フィードガス吸入流中の二酸化炭素と水蒸気の少なくとも大部分が第一、第二のフィード／パージ工程それぞれにおいて第一、第二の吸着剤ベッド１１、１３に吸着される。吸着された二酸化炭素と水蒸気は、第二、第一のフィード／パージ工程それぞれにおいて、パージガス吸入流によって第一、第二の吸着剤ベッドから除去される。除去された二酸化炭素と水蒸気は、第二、第一のフィード／パージ工程において、パージガス放出流と共に第二の導出部で捕集される。
【００３３】
注目すべきは、ベッドを再生（すなわち、パージ）すると、ＣＯ２が脱着するのでベッドの温度が低下することである。このため、吸着平衡からＣＯ２分圧が低下した状態にシフトし、再生速度が低下すると考えられる。この点および、再生中の前線の膨張速度を、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してもよい。例えば、再生のための吸入空気の体積流量は、水素と一酸化炭素の放出流量より、例えば１．５倍大きくてもよい。再生中の二酸化炭素の脱着を考慮すると、再生によって放出流量がフィード（ガス）の吸入流量を上回ると考えられる。
【００３４】
装置１は、以下のような非限定的な特徴を有することができる。吸着剤ベッドの材料は、燃料電池スタックの燃料排気から水素を分離する活性炭が好ましい。例えば、Calgon BPL 活性炭の６×１６または４×１０メッシュが使用できる。ベッド１１、１３は、例えば、燃料電池スタックのサイズとガスの流量に応じて直径２〜１２インチ、長さ１〜６フィート、例えば直径６インチ長さ３フィートの円筒形のベッドでよい。フィード／パージ工程の継続時間は１分超で、フラッシュ工程の継続時間は２、３秒でよい。例えば、フィード／パージの継続時間は１から３分、例えば１．５分、フラッシュの継続時間は３〜５秒、例えば４秒でよい。
【００３５】
第一の実施形態の方法は、高い水素回収率（フラッシュ工程で）、高い二酸化炭素分離率（フラッシュおよび逆方向の再生工程で）、高い空気除去度（フラッシュ工程で）、比較的低い乾燥度のパージガス、例えば相対湿度３０〜５０％の空気を用いた再生、低エネルギー要求、高堅牢性（すなわち、運転条件の変化に容易に同調・適応できること）、可動部が少ない簡単な操作、高拡張性、低〜中程度の資本コストを実現するようにデザインされている。
【００３６】
パージ工程用の乾燥空気は、任意の好適な方法で得ることができる。例えば、乾燥空気は水蒸気吸着ベッド、例えばシリカゲルや活性アルミナのベッドを用いた温度スイング吸着サイクルを用いて容易に得ることができる。シリカゲルはアルミナより水を吸着する能力が幾分か高い。しかし、非常に乾燥している状態で水霧に接触すると破砕してしまう。その可能性がある場合は、破砕しないシリカゲルの保護層や活性アルミナを使用できる。
【００３７】
温度スイング吸着サイクルは２つのベッド（すなわち、図１に示すベッド１１、１３とは別のベッド）を使用する。一方のベッドは他方が再生（加熱または冷却）中に吸着モードで使用する。このサイクルにおける工程は以下の通りである。
【００３８】
第一の吸着工程では、処理能力１０ｍｏｌＨ２Ｏ／ｋｇのシリカゲルが利用できる。最悪の場合を考え、空気は３０℃で、水で飽和しているものとする。３０℃で飽和した空気中の水分の分圧は０．０４２ｂａｒである。例えば、この湿った空気から乾燥空気流量１４４ｓｌｐｍ（standard
liter / min.）を得るには、０．２８ｍｏｌ／ｍｉｎの水分を除去しなければならない。上記の処理能力では、シリカゲルは０．０２８ｋｇ／ｍｉｎの割合で消費される。２ｋｇのシリカゲルを含むベッドは７２分間使用可能である。シリカゲルの比重０．７２（かさ密度４５ｌｂ／ｆｔ３に対応）を考えると、このベッドは、この時間内にベッドの体積の４３００倍のフィードガスを乾燥する（体積が２．８リットルのベッドで温度補正値で１２，０００リットルの湿ったフィードガスを乾燥）。この乾燥空気は導管５を通して装置１に供給される。
【００３９】
第二の加熱工程では、ベッドは中温（例えば、８０℃あるいは他の好適な中程度の温度または高温）の供給により逆方向に加熱される。ベッドは、ベッド体積の約１０００倍を通過させた後に加熱する。金属部品を加熱するために幾分かのエネルギーが更に必要である。
【００４０】
第三の冷却工程では、ベッドは湿った空気の供給により正方向に（吸着と同じ方向に）冷却される。ベッドの冷却にはベッドの体積の約８００倍が必要である。これによりベッドの吸入口に水分が堆積し、吸着能力のいくらかが使われるので、ベッド体積の約３５００倍にまで減少する。第一のベッドが吸着工程にある間、第二のベッドは加熱または冷却工程にある。第二のベッドが吸着工程にある間、第一のベッドは加熱または冷却工程にある。
【００４１】
当然ながら、上記の計算はかなり控えめで幅がある。３０℃で水で飽和した状態で得られる再生用の空気を基準としている。通常、空気はもっと乾燥している。炭素ベッドに対する再生要求は厳しいものではない（例えば、３０〜５０％ＲＨ）。実際、寒い日や乾燥した日には、再生用空気の乾燥は不用であろう。また、乾燥機が短時間停止しても、処理には影響はないであろう。
【００４２】
本発明の第二の実施形態では、装置３１の運転は逆方向のパージを伴うがフラッシュ工程は含まない。図３は、パージを含むがフラッシュを含まない単純なサイクルを用いる装置３１を示す。３つの四方弁に代えて２つの四方弁１５、１７が用いられている。装置３１とこの装置を用いた方法は、第一、第二のフラッシュ工程を省略している以外は第一の実施形態の装置１により行われる方法と同様である。
【００４３】
逆方向のパージの利点は、フィード工程時のベッドの放出口から二酸化炭素が除去されて、その結果高い水素純度が得られることである。しかし、フラッシュを行わないので、水素の約５％が回収されず、導管７内で水素含有発生ガスが幾分か空気で汚染される。
【００４４】
本発明の第三の実施形態では、装置４１の運転はフラッシュ工程と共に正方向のパージ工程を伴う。図４は、正方向のパージおよびフラッシュを利用する装置４１を示す。この装置も３つの四方弁に代えて２つの四方弁を用いている。第三の実施形態の装置４１と方法は、第一の実施形態の装置１と方法と多くの点で類似しているが、パージ工程においてベッドに供給されるパージガス吸入流が、その前のフィード工程におけるフィードガス吸入流と同じ方向である点が異なっている。この正方向サイクルのマイナス面は、ベッドに残ったＣＯ２が吸着工程時の放出口端近くに多く集まって、導管７に供給された水素含有発生ガスを幾分か汚染してしまうことである。
【００４５】
本発明の第四の実施形態では、空気パージガスの予備乾燥は行わない。この実施形態では、装置は２つまたは３つの二酸化炭素吸着ベッドを有していればよい。３つのベッドでのサイクルでは、乾燥空気を必要としない場合がある。例えば、二酸化炭素吸着用の炭素のベッドは、燃料電池スタックの燃料排気と湿った再生空気の両方からの水分をゆっくりと蓄積する。ベッドは、完全に再生されるまで容量は徐々に減少するが、多くのサイクルにわたって使用することもできる。フィード工程中に堆積した水分は再生用の空気によって一部が除去されるが、その逆もあるので、ベッドは正方向に再生する場合よりも逆方向に再生するほうが長持ちする。それでも、ベッドは時間とともに水分を蓄積する。
【００４６】
この実施形態では、３つのベッドが使用され、うち２つが第一の実施形態と同様に積極的に吸着および再生サイクルを実行し、同時に第三のベッドが温度スイング再生または乾燥ガスでパージすることによってより完全に再生される。
【００４７】
更に、大気が適度に乾燥していれば（すなわち、３０℃でＲＨ＜５０％）、第一の実施形態のものと全く同じ構成の２つのベッドを用いて分圧吸着サイクルを行ってもよい。パージガスは炭素に大量の水分を堆積させず、再生中にこの逆方向の空気で押し出すことで燃料電池スタックの燃料排気フィードガスから吸着された水分が除去される。従って、大気から乾燥空気が得られる場合は、個別の空気乾燥工程は必要ない。
【００４８】
本発明の第五、第六、第七の実施形態では、燃料排気流が２つのガス流に分割されその一方が燃料吸入流へとリサイクルされる燃料電池システム、例えば固体酸化物燃料電池システムを示す。当然ながら、固体酸化物燃料電池システム以外の燃料電池システムも使用可能である。
【００４９】
第五の実施形態のシステムでは、燃料電池スタックの燃料排気流の一部が直接燃料吸入流へとリサイクルされる。燃料電池スタックの燃料排気流の別の一部は最初の４つの実施形態のいずれかの分圧吸着装置に供給され、分離した水素は燃料吸入流へとリサイクルされ、および／または水素貯蔵容器または水素使用装置へと供給される。
【００５０】
図５は、第五の実施形態の燃料電池システム１００を示している。システム１００は、燃料電池スタック１０１、例えば固体酸化物燃料電池スタックを有する（イットリアまたはスカンジア安定化ジルコニア等のセラミック電解質、ニッケル安定化ジルコニアサーメット等のアノード電極、ランタンストロンチウムマンガナイト等のカソード電極を含むスタックを備えた固体酸化物燃料電池の１つを模式的に示している）。
【００５１】
このシステムはまた、複数の吸着剤ベッド（明確化のため図示せず）を備える、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、再生乾燥機および二酸化炭素スクラバー（洗浄機）として機能する。
【００５２】
システム１００はまた、燃料電池スタック１０１の燃料排気口１０３を分圧スイング吸着ユニット１の第一の吸入口２に作動的に連結する第一の導管３を有する。例えば、第一の吸入口２は、図１に示すフィードバルブ１５および／またはベッド１１、１３の一方の吸入口を備えていてもよい。システム１００はまた、パージガス源、例えば乾燥空気または大気源６を分圧スイング吸着ユニット１の第二の吸入口４に作動的に連結する第二の導管５を有する。パージガス源６は、エアブロアまたはコンプレッサーとオプションの複数の温度スイングサイクル吸着ベッドを備えていてもよい。
【００５３】
このシステムはまた、分圧スイング吸着ユニット１の排出口８を水素貯蔵容器または水素使用装置に作動的に連結する第三の導管７を有している。また、所望であれば、第三の導管７は、以下により詳細に説明するように分圧スイング吸着ユニット１の排出口８を燃料電池スタック１０１の燃料吸入口１０５にも作動的に連結する。好ましくは、システム１００は、稼働中に分圧スイング吸着ユニット１へ供給される燃料電池スタックの燃料排気流を圧縮するコンプレッサーを欠いている。
【００５４】
システム１００はまた、ユニット１からの排気を除去する第四の導管９を有している。導管９は触媒バーナー１０７または大気通気口に連結されていてもよい。必要ならば、燃料排気流の一部をバーナー１０７に供給してバーナー内での反応を維持するために、バーナー１０７はスタック燃料排気口１０３に作動的に連結されていてもよい。
【００５５】
システム１００はまた、オプションの切替えバルブ１０８、例えば三方弁等の多方弁を有する。切替えバルブ１０８は、分圧スイング吸着ユニット１の排出口に作動的に連結された吸入口と、水素貯蔵容器または水素使用装置に作動的に連結された第一の排出口と、燃料電池スタック１０１の燃料吸入口１０５に作動的に連結された第二の排出口を有する。稼働中、バルブ１０８は、ＰＰＳＡユニット１から供給された水素含有流を炭化水素燃料吸入流へと供給される第一のガス流と、水素貯蔵容器または水素使用装置へと供給される第二のガス流とに分割する。しかしながら、バルブ１０８を省略してシステム１００が水素含有流の全てを炭化水素燃料吸入流に供給し、あるいはこのようなオプションの水素貯蔵容器または水素使用装置がシステム１００に連結されている場合は水素含有流の全てを水素貯蔵容器または水素使用装置に供給するように構成されていてもよい。
【００５６】
好ましくは、切替えバルブ１０８の第二の排出口は、ブロワーまたは熱駆動コンプレッサー１０９を介して燃料電池スタック１０１の燃料吸入導管１１１に作動的に連結されている。装置１０９は、分圧スイング吸着ユニット１に（切替えバルブ１０８を介して）作動的に連結された吸入口と、燃料電池スタック１０１の燃料吸入口１０５に作動的に連結された排出口を有する。例えば、導管７がブロワーまたはコンプレッサー１０９を切替えバルブ１０８を介してユニット１に連結する。稼働中、ブロワーまたはコンプレッサー１０９は、燃料電池スタックの燃料排気流から分離された所望量の水素と一酸化炭素を燃料電池スタックの燃料吸入流へと制御可能に供給する。好ましくは、装置１０９は、水素と一酸化炭素を燃料電池スタック１０１の燃料吸入口１０５に作動的に連結された燃料吸入導管１１１へと供給する。あるいは、装置１０９は、水素と一酸化炭素を直接燃料電池スタック１０１の燃料吸入口１０５へ供給する。
【００５７】
システム１００はまた、燃料電池スタックの燃料排気口１０３に作動的に連結された吸入口および分圧スイング吸着ユニット１の吸入口２に作動的に連結された排出口を有する凝縮器１１３と水セパレーター１１５とを有する。凝縮器１１３と水セパレーター１１５は、燃料排気流から水分を凝縮させ分離する単一の装置でも別々の装置でもよい。例えば、凝縮器１１３は、逆方向または正方向の冷空気流で燃料排気流を冷却して水分を凝縮する熱交換器でもよい。この空気流は、燃料電池スタック１０１への空気吸入流でもそれとは別の空気流でもよい。セパレーター１１５は、分離された水分を捕集する水タンクを備えていてもよい。セパレーター１１５は、捕集した水を除去および／または再利用するための排水管１１７を有していてもよい。
【００５８】
システム１００はまた、スタック燃料排気流と吸入導管１１１から供給されている炭化水素燃料吸入流との間で熱交換を行う回収熱交換器１２１を有する。この熱交換器は、燃料吸入流の温度を上昇させるのに役立つと共に、燃料排気流の温度を下げることにより、燃料排気流が凝縮器でより一層冷却されるようにするとともに、加湿器に損傷を与えないようにする。
【００５９】
もしこの燃料電池が外部燃料を改質するタイプの電池の場合、システム１００は、燃料改質装置１２３を有する。改質装置１２３は炭化水素燃料吸入流を、水素と、スタック１０１に供給される一酸化炭素を含む燃料流に改質する。改質装置１２３は、２００４年１２月２日出願の米国公開出願第１１／００２，６８１号に記載されているように、燃料電池スタック１０１内で発生した熱の放射、対流および／または伝導によって加熱され（すなわち、改質装置は熱的にスタックと一体化している）、および／またはオプションのバーナー／燃焼器で発生させた熱で加熱されてもよい。なお、上記出願はその全体が参照することにより本明細書に組み込まれる。ただし、スタック１０１がスタックの燃料電池内で主に改質を行う内部改質型の電池を含む場合は、外部改質装置１２３は省略してもよい。
【００６０】
システム１００はまた、空気予熱熱交換器１２５を有していてもよい。この熱交換器１２５は、燃料電池スタックの燃料排気の熱を利用して燃料電池スタック１０１に供給されている空気吸入流を加熱する。所望であれば、この熱交換器１２５は省略してもよい。
【００６１】
システム１００はまた、空気熱交換器１２７を有していることが好ましい。この熱交換器１２７は、燃料電池スタックの空気（すなわち、酸化剤あるいはカソード）の排気熱を利用して燃料電池スタック１０１に供給される空気吸入流を更に加熱する。もし予熱熱交換器１２５が省略されている場合は、空気吸入流はブロワーまたは他の空気吸入装置によって直接熱交換器１２７に供給される。
【００６２】
システムはまた、水−ガスシフト反応器１２８を有していてもよい。水−ガスシフト反応器１２８は、燃料排気流中の水分と一酸化炭素の少なくとも一部を自由水素と二酸化炭素に変換する任意の好適な装置であればよい。例えば、反応器１２８は、燃料排気流中の一酸化炭素および水蒸気の一部または全部を二酸化炭素と水素に変換する触媒を含むチューブまたは導管を備えていてもよい。従って、反応器１２８は、燃料排気流中の水素量を増加させる。触媒は、酸化鉄やクロム促進酸化鉄触媒等の任意の好適な触媒でよい。反応器１２８は、燃料熱交換器１２１と空気予熱熱交換器１２５の間に位置していればよい。
【００６３】
システム１００は、必要に応じて水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１に作動的に連結される。ただし、容器１２９や装置１３１を省略してシステム１００を電気と水素の両方を生成するのではなく電気を生成するためだけに用いてもよい。水素貯蔵容器は、水素貯蔵タンクまたは水素ディスペンサー（分配器）を備えていてもよい。容器は、輸送や発電、冷却、水素化反応、半導体製造に用いる水素使用装置へと続く導管を有していてもよい。例えば、システム１００は、化学や半導体の工場に配置して水素化（すなわち、半導体装置の表面安定化処理）やその工場で実施される水素を必要とする他の化学反応用の水素を供給するとともに、それに加えて工場用の一次または二次（すなわち、バックアップ）電力を供給してもよい。
【００６４】
水素使用装置１３１は、水素を燃料として用いる別の燃料電池システム（例えば燃料電池スタック）、例えばプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池システム等の低温燃料電池システムでもよい。従って、システム１００からの水素は燃料として１以上の他の燃料電池１３１に供給される。例えば、システム１００をビル内やビルの外あるいは地下に据え置き配置してビルに電力を供給するのに使用してもよい。別の燃料電池１３１はその配置場所に近接するガレージや駐車場の車両に搭載してもよい。車両は、自動車、スポーツユーティリティー車両、トラック、自動二輪車、ボート、あるいは燃料電池を動力源とする他の任意の好適な車両であればよい。この場合、炭化水素燃料はシステム１００に供給され、ビル用の電気を生成するとともに燃料電池システム１３１を動力源とする車両に燃料として供給される水素を生成する。生成した水素は一時的に水素貯蔵容器１２９に貯蔵し、需要に応じて（ガソリンスタンドのように）貯蔵容器から車両の燃料電池１３１に供給してもよいし、生成した水素をシステム１００から導管を通して直接車両の燃料電池１３１に供給してもよい。
【００６５】
システム１００は、オプションの水素調節装置を有していてもよい。水素調節装置は、浄化、乾燥、圧縮する装置（すなわち、コンプレッサー）、あるいはＰＰＳＡユニット１から供給された水素リッチガス流の状態点をその他の方法で変えることができる任意の好適な装置でよい。所望であれば、水素調節装置は省略してもよい。
【００６６】
オプションの水素使用装置１３１は、ＰＥＭ燃料電池システムまたは通常一酸化炭素に対する耐性のない他の類似装置でもよい。それ故、ＰＰＳＡユニット１から供給されている水素リッチガス流を車両に搭載したＰＥＭ燃料電池や他のＣＯに対する耐性のない装置１３１に供給する前に、水素リッチガス流から一酸化炭素を洗浄（すなわち、ガス分離および／または化学反応によって除去）する必要がある。
【００６７】
この場合、システム１００はオプションの一酸化炭素洗浄装置１３３を有する。装置１３３は、分圧スイング吸着ユニット１の排出口に作動的に連結した吸入口と、車両に搭載したＰＥＭ燃料電池システム１３１に作動的に連結した排出口を有する。稼働中、一酸化炭素洗浄装置１３３は分圧スイング吸着ユニット１から水素と共に供給されている一酸化炭素を洗浄し、ＰＥＭ燃料電池システム１３１に直接または間接的に水素を供給する。
【００６８】
一酸化炭素洗浄装置１３３は、吸着、化学反応および／または他の任意の好適な方法で水素リッチガス流から一酸化炭素を除去する任意の装置でもよい。装置１３３は、圧力スイング吸着ユニットおよび／またはサバティエ反応器でよい。例えば、図５に示すように、洗浄装置は、サバティエ反応器１３５と一酸化炭素ポリッシャー１３７を備える。サバティエ反応器は、触媒、例えばアルミナに担持された白金族金属を含むチューブまたは他の容器を備える。触媒はルテニウムが好ましい。主に水素と一酸化炭素からなるガス混合物がＰＰＳＡシステム１から反応器チューブに導入されて内部の触媒と接触する。ガス混合物はすぐに発熱反応を起こして一酸化炭素と水素の一部がメタンと水蒸気に変換される。残りの一酸化炭素はポリッシャー１３７で更に水素とメタンと水蒸気のガス流から洗浄される。ポリッシャー１３７は一酸化炭素を吸着する銀ベースの吸着装置でよい。ポリッシャーは複数の吸着ベッドを備え、１つのベッドが一酸化炭素を吸着し、その間に他のベッドが再生されればよい。水素、メタン、水蒸気を含むポリッシャーからの放出流は、水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１へ供給される（ポリッシャー１３７からのもう１つのパージガス排出口は明確化のため図示せず）。水素はＰＥＭ燃料電池システム１３１で燃料として使用されてもよく、水蒸気はＰＥＭ電解質を加湿するのに用いてもよい。メタンはＰＥＭシステムで単純に希釈ガスとして機能する。
【００６９】
あるいは、一酸化炭素洗浄装置１３３は圧力スイング吸着（ＰＳＡ）ユニットを備えていてもよい。このユニットはＰＰＳＡユニット１と類似しているが、往復式コンプレッサーを用いてフィードガスを加圧し、水素に比べて一酸化炭素を選択的に吸着する物質を含む１以上の吸着剤ベッドに供給する点が異なる。圧力スイング吸着ユニットは、スカーストロム的なＰＳＡサイクルで稼動してもよい。代表的なスカーストロムサイクルは、加圧、フィード、ブローダウン、パージの４つの基礎工程からなる。例えば、ＰＳＡユニットは２つの吸着剤ベッドを有する。１つのベッドでコンプレッサーによる加圧とフィードを行っている間、他方のカラムではブローダウンとパージを行う。ベッド間でパージおよび発生ガスを導くために（複数の）三方弁を使用してもよい。
【００７０】
あるいは、オプションの装置１３１は、一酸化炭素に対して耐性のある電気化学セル、例えば、高温・低水和イオン交換膜セルのスタックを備えていてもよい。この種のセルは、アノード電極とカソード電極の間に配置された非フッ素化イオン交換イオノマー膜、例えばポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）膜を有している。この膜は、酸、例えば硫酸やリン酸にドープしたものである。このようなセルの一例が米国公開出願第２００３／０１９６８９３Ａ１号に公開されており、該出願の全体が参照することにより本明細書に組み込まれる。このセルのスタック１３１は、水素がスタックのセルに供給されたときに、燃料電池モードで稼動して車両や他の用途に用いる電気を発生させることができる。これらのセルは一酸化炭素に対して耐性があり、摂氏１００度を超えて約２００度までの温度範囲で稼動する。従って、水素を含有するガス流は、摂氏約１２０度を超える温度でスタック１３１に供給されることが好ましい。一酸化炭素に耐性のある装置１３１を使用する場合は、一酸化炭素洗浄装置１３３は省略することが好ましい。
【００７１】
システム１００は、燃料排気分配装置２０１、例えばコンピューターまたはオペレーター制御の三方弁等の多方弁や他の液体分離装置を有する。装置２０１は、燃料電池スタックの燃料排気口１０３に作動的に連結された吸入口２０３、凝縮器１１３と水セパレーター１１５に作動的に連結された第一の排出口２０５、燃料電池スタックの燃料吸入口１０５に作動的に連結された第二の排出口２０７を有する。例えば、第二の排出口２０７は、吸入口１０５に作動的に連結された燃料吸入導管１１１に作動的に連結されていてもよい。ただし、第二の排出口２０７は、燃料排気流の一部をもっと下流の燃料吸入流へと供給してもよい。
【００７２】
好ましくは、システム２００は、燃料排気流を燃料吸入流へと供給する第二のブロワーまたはコンプレッサー２０９を有する。具体的には、バルブ２０１の排出口２０７はブロワーまたはコンプレッサー２０９の吸入口に作動的に連結され、ブロワーまたはコンプレッサー２０９の排出口は炭化水素燃料吸入流源である炭化水素燃料吸入導管１１１に連結されている。運転中は、ブロワーまたはコンプレッサー２０９は、所望量の燃料電池スタックの燃料排気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。この実施形態の一態様では、装置２０９は摂氏２００度以下の温度で作動する低温ブロワーである。この場合、熱交換器１２１、１２５は、低温ブロワー２０９が使用できるように燃料排気流の温度を摂氏２００度以下に下げる。
【００７３】
第五の実施形態のシステム１００は、以下のように動作する。燃料吸入流が燃料吸入導管１１１を通って燃料電池スタック１０１に供給される。燃料は、任意の好適な燃料でよく、例えば、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（ただしこれに限定されない）等の炭化水素燃料、あるいは、一酸化炭素等のカーボン燃料、メタノール等の酸素化炭素含有ガス、または他のカーボン含有ガスと水蒸気、Ｈ２ガスまたはその混合物等の水素含有ガスとの混合物などが挙げられる。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。
【００７４】
燃料吸入流は、燃料排気流からの水素と湿気（すなわち、水蒸気）が燃料吸入流に加わるように燃料排気流の一部と混合される。加湿された燃料吸入流は続いて燃料熱交換器１２１を通過し、燃料電池スタックの燃料排気流によって加熱される。加湿され加熱された燃料吸入流は続いて改質装置１２３に供給される。改質装置１２３は外部改質装置であることが好ましい。例えば、改質装置１２３は、２００４年１２月２日出願の米国出願第１１／００２，６８１号に記載の改質装置を備えていてもよい。なお、上記出願はその全体が参照することにより本明細書に組み込まれる。燃料改質装置１２３は、炭化水素燃料の一部または全部を改質して炭素および自由水素を含有する燃料を生成することができる任意の好適な装置であればよい。例えば、燃料改質装置１２３は、炭化水素ガスを自由水素と炭素含有ガスとのガス混合物へと改質できる任意の好適な装置であればよい。一例としては、燃料改質装置１２３は、加湿したバイオガス、例えば天然ガスを蒸気−メタン改質反応によって改質して自由水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気を生成（更に多少の非改質バイオガスを含んでいてもよい）する、触媒をコーティングした通路を備えていてもよい。自由水素と一酸化炭素は、燃料電池スタック１０１の燃料吸入口１０５（すなわち、アノード）に供給される。従って、燃料吸入流に関してみれば、熱交換器１２１は改質装置１２３の上流に位置し、改質装置１２３はスタック１０１の上流に位置している。
【００７５】
空気または他の酸素含有ガス（すなわち、酸化剤）吸入流は、熱交換器１２７を経由して燃料電池スタックからの空気（すなわち、カソード）排気流によって加熱されてからスタック１０１に供給されることが好ましい。所望であれば、空気吸入流は、凝縮器１１３および／または空気予熱熱交換器１２５を経由させ、スタック１０１に供給する前に空気の温度を更に上昇させてもよい。
【００７６】
一旦燃料と空気が燃料電池スタック１０１に供給されると、スタック１０１が作動して電気と水素を含有する燃料排気流とを生成する。燃料排気流（すなわち、スタックアノード排気流）はスタック燃料排気口１０３から分圧スイング吸着ユニット１に供給される。燃料排気流に含まれる水素の少なくとも一部が分圧スイング吸着法を用いてユニット１で分離される。ユニット１にて燃料排気流から分離された水素は、燃料吸入流および／または水素貯蔵容器１２９もしくは水素使用装置１３１へと供給される。
【００７７】
燃料排気流は、以下のようにしてユニット１へ供給される。燃料排気流は水素、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンや他の反応副生成物等の多少の未反応炭化水素ガス、および不純物を含んでいる可能性がある。例えば、燃料排気は流量が１６０と２２５ｓｌｐｍの間、例えば約１８６から約１９６ｓｌｐｍで、約４５から約５５％、例えば約４８〜５０％の水素、約４０から約５０％、例えば約４５〜４７％の二酸化炭素、約２％から約４％、例えば約３％の水、約１％から約２％の一酸化炭素からなる。
【００７８】
この排気流はまず熱交換器１２１に供給され、そこで好ましくは摂氏２００度以下に温度が下げられ、同時に燃料吸入流の温度を上昇させる。空気予熱熱交換器１２５が備えられている場合は、燃料排気流はこの熱交換器１２５に通されて更に温度を下げつつ空気吸入流の温度を上昇させる。燃料排気流の温度は、例えば摂氏９０から１１０度にまで下げられればよい。
【００７９】
次に、燃料排気流は、装置２０１にて少なくとも２つのガス流に分割される。第一の燃料排気流はこの第一のガス流を燃料吸入流へとリサイクルする装置２０９に向けて供給され、一方、第二の燃料排気流はＰＰＳＡユニット１へと導かれ、そこで第二の燃料排気流に含まれる水素の少なくとも一部が分圧スイング吸着法を用いて分離される。第二の燃料排気流から分離された水素の少なくとも一部は、水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１へと供給され、および／またはこの水素の一部と第二の燃料排気流から分離された一酸化炭素とが燃料吸入導管１１１内の燃料吸入流へと供給される。例えば、５０と７０％の間、例えば約６０％の燃料排気流が第二のブロワーまたはコンプレッサー２０９へと供給され、残りがＰＰＳＡユニット１へと供給されればよい。
【００８０】
好ましくは、燃料排気流はバルブ２０１に送られる前にまず、熱交換器１２１、反応器１２８、熱交換器１２５を通される。燃料排気流は熱交換器１２５で摂氏２００度以下、例えば９０から１８０度に冷却されてからバルブ２０１に送られ、そこで２つの流れに分けられる。これにより、所望量の第一の燃料排気流を燃料吸入流へと制御可能にリサイクルするのに、低温度ブロワー２０９を使用することが可能となる。というのも、こうしたブロワーは、摂氏２００度以下の温度のガス流を移動させるのに適しているからである。
【００８１】
第一の燃料排気流は、このガス流を燃料吸入流へとリサイクルする第二のブロワーまたはコンプレッサー２０９へと供給される。装置２０９は、コンピューターまたはオペレーターによって制御され、燃料吸入流へと供給される燃料排気流の量を、以下に述べる任意の好適なパラメーターに応じて変化させればよい。ｉ）検出または観察されたシステム１００の状態（すなわち、燃料吸入流中の水素またはＣＯ量の変化が必要となるようなシステムの運転状態の変化）；ｉｉ）以前に行われてコンピューターに供給された計算結果、またはオペレーターが分かっている条件であって燃料吸入流中の水素またはＣＯの一時的な調整を必要とするもの；ｉｉｉ）スタック１０１の運転パラメーターの将来における所望の変化、現在起こりつつある変化、またはごく最近の変化、例えばスタックで発電した電気のユーザーの電気需要の変化、水素の価格と比べた場合の電気または炭化水素燃料の価格の変化等、および／またはｉｖ）水素使用装置等の水素ユーザーによる水素の需要の変化、電気の価格と比べた場合の水素または炭化水素燃料の価格の変化。
【００８２】
更に、第二のブロワーまたはコンプレッサーは、第一のブロワーまたはコンプレッサー１０９と協働で運転させてもよい。従って、オペレーターまたはコンピューターは、容器１２９または装置１３１へと供給されている水素の量、第一のブロワーまたはコンプレッサー１０９によって燃料吸入流へと供給されている水素と一酸化炭素の量、第二のブロワーまたはコンプレッサー２０９によって燃料吸入流へと供給されている燃料排気流の量を任意の好適な基準、例えば上記の基準に従って別々に変化させてもよい。更に、コンピューターまたはオペレーターは、第一のブロワーまたはコンプレッサー１０９によって燃料吸入流へと供給されている水素および一酸化炭素の量と第二のブロワーまたはコンプレッサー２０９によって燃料吸入流へと供給されている燃料排気流の量とを勘案し、上記の基準に従って両者を最適化してもよい。
【００８３】
第二の燃料排気流はバルブ２０１から凝縮器１１３へと供給され、そこでこの燃料排気流から更に水蒸気を凝縮するために更に冷却される。燃料排気流は、凝縮器にて燃料電池スタックの空気吸入流または別の空気吸入流、あるいは別の冷却流体流によって冷却してもよい。燃料排気流から凝縮した水分は、水セパレーター１１５に液体状態で捕集される。水はセパレーター１１５から導管１１７を介して排出され、排水しても再利用してもよい。
【００８４】
残りの燃料排気流ガスは、セパレーター１１５からフィードガス吸入流として、導管３を通して分圧スイング吸着ユニット１の吸入口２へと供給される。更に、パージガス吸入流、例えば乾燥空気流がブロワーまたはコンプレッサー６から導管５を通ってユニット１の吸入口４へと供給される。所望であれば、この空気流は、ユニット１の吸着剤ベッド１１、１３に供給される前に温度スイング吸着サイクルで別の吸着剤ベッドを用いて乾燥させてもよい。この場合、温度スイング吸着サイクルで吸着剤ベッドのシリカゲルまたはアルミナを乾燥するのに用いた加熱した空気は、通気導管１３９を通してユニット１から除去される。
【００８５】
従って、第二の燃料排気流は、水素、一酸化炭素、水蒸気、二酸化炭素の他に不純物と未反応炭化水素燃料を含んでいると考えられる。ユニット１での分離工程中、燃料排気流中の水蒸気と二酸化炭素の少なくとも大部分は吸着剤ベッド１１、１３の少なくとも一方に吸着され、燃料排気流中の水素と一酸化炭素の少なくとも大部分がその少なくとも一方の吸着剤ベッドを通過する。具体的には、燃料排気流を加圧せずに第一の吸着剤ベッド１１に供給し、燃料排気流に残っている水蒸気と二酸化炭素の少なくとも大部分を第一の吸着剤ベッドが飽和するまで第一の吸着剤ベッドに吸着させ、同時に相対湿度が５０％以下の空気を摂氏約３０度で第二の吸着剤ベッドに通し、吸着されていた二酸化炭素と水蒸気を脱着させて第二の吸着剤ベッド１３を再生する。第一のベッド１１が二酸化炭素で飽和した後、加圧していない燃料排気流は第二の吸着剤ベッド１３に供給されて燃料排気流に残っている水蒸気と二酸化炭素の少なくとも大部分を第二の吸着剤ベッドが飽和するまで第二の吸着剤ベッドに吸着させ、同時に相対湿度が５０％以下の空気を摂氏約３０度で第一の吸着剤ベッド１１に通し、吸着されていた二酸化炭素と水蒸気を脱着させて第一の吸着剤ベッド１１を再生する。
【００８６】
燃料排気流（すなわち、フィードガス放出流）から分離された水素と一酸化炭素は、排出口８と導管７を通してユニット１から除去され、オプションの切替えバルブ１０８へと供給される。バルブ１０８はこのＰＰＳＡユニット１から供給された水素を含むガス流を吸入導管１１１内の炭化水素燃料吸入流へと供給される第一のガス流と、水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１に供給される第二のガス流とに分割する。
【００８７】
バルブ１０８は、第一、第二のガス流が同時にバルブ１０８から供給されるように水素を含むガス流を同時に第一、第二のガス流に分割してもよい。バルブ１０８は、ＰＰＳＡユニット１から供給された水素を含むガス流を第一のガス流と第二のガス流に分割する比率を時間と共に変化させてもよい。あるいは、バルブ１０８は例えば、水素を含むガス流の少なくとも９０〜１００％を炭化水素燃料吸入流へと供給する場合と水素貯蔵容器１２９に供給する場合とを交互に切り替えてもよい。所望であれば、一方のガス流を省略してバルブ１０８が水素を含むガス流を単に容器１２９／装置１３１または燃料吸入導管１１１へ常に供給するようにしてもよい。
【００８８】
バルブ１０８は、所望量の水素が燃料吸入流および／または水素貯蔵容器と水素使用装置の一方に制御可能に供給されるようにコンピューターおよび／またはオペレーターによって操作されてもよい。コンピューターまたはオペレーターは、この量を任意の好適なパラメーターに基づいて変化させてもよい。パラメーターとしては、以下のものがある。ｉ）検出または観察されたシステム１００の状態（すなわち、燃料吸入流中の水素またはＣＯ量の変化が必要となるようなシステムの運転状態の変化）；ｉｉ）以前に行われてコンピューターに供給された計算結果、またはオペレーターが分かっている条件であって燃料吸入流中の水素またはＣＯの一時的な調整を必要とするもの；ｉｉｉ）スタック１０１の運転パラメーターの将来における所望の変化、現在起こりつつある変化、またはごく最近の変化、例えばスタックで発電した電気のユーザーの電気需要の変化、水素の価格と比べた場合の電気または炭化水素燃料の価格の変化等、および／またはｉｖ）水素使用装置等の水素ユーザーによる水素の需要の変化、電気の価格と比べた場合の水素または炭化水素燃料の価格の変化、等。
【００８９】
第二の水素リッチガス流は、直接容器１２９または装置１３１に供給してもよく、一酸化炭素に耐性のない装置に供給する前にまず一酸化炭素洗浄装置１３３を通して第二のガス流から一酸化炭素を取り除いてもよい。例えば、第二の水素流は、一旦水素貯蔵容器１２９に供給し、水素貯蔵容器１２９から需要に応じてあるいは予め決められたスケジュールに従って水素使用装置、例えば車両のＰＥＭ燃料電池システム１３１に供給してもよい。あるいは、第二の水素流は、水素貯蔵容器１２９に供給することなく水素使用装置、例えばＰＥＭ燃料電池システム１３１に供給してもよい。
【００９０】
切替えバルブから供給された第一の水素リッチガス流は、燃料吸入導管１１１内の燃料吸入流へとリサイクルされる。好ましくは、この水素と一酸化炭素を含む第一の水素リッチガス流はまず、ブロワーまたはコンプレッサー１０９に供給される。ブロワーまたはコンプレッサー１０９は、燃料排気流から分離された所望量の水素と一酸化炭素を燃料吸入流へと制御可能に供給するのに用いられる。ブロワーまたはコンプレッサー１０９はコンピューターまたはオペレーターによって操作され、所望量の水素と一酸化炭素を燃料吸入流へと制御可能に供給してもよく、また、この量を任意の好適なパラメーターに基づいて変化させてもよい。パラメーターとしては、以下のものがある。ｉ）検出または観察されたシステム１００の状態（すなわち、燃料吸入流中の水素またはＣＯ量の変化が必要となるようなシステムの運転状態の変化）；ｉｉ）以前に行われてコンピューターに供給された計算結果、またはオペレーターが分かっている条件であって燃料吸入流中の水素またはＣＯの一時的な調整を必要とするもの；および／またはｉｉｉ）スタック１０１の運転パラメーターの将来における所望の変化、現在起こりつつある変化、またはごく最近の変化、例えばスタックで発電した電気のユーザーの電気需要の変化、等。従って、ブロワーまたはコンプレッサーは、燃料吸入流に供給される水素と一酸化炭素の量を上記および／または他の基準に基づいて制御可能に変化させてもよい。水素と一酸化炭素は摂氏２００度以下に冷却されるため、低温ブロワーを用いて水素と一酸化炭素を導管１１１に制御可能に供給してもよい。所望であれば、切替えバルブ１０８とブロワーまたはコンプレッサー１０９を省略して水素リッチガス流全てをＰＰＳＡユニット１から水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１に供給してもよい。
【００９１】
ＰＰＳＡユニットからのパージガス放出流には吸着剤ベッドの空隙に捕捉されていた水素および／または炭化水素ガスが微かに含まれている可能性がある。言い換えれば、捕捉された水素または炭化水素ガスの一部はフラッシュ工程では導管７へと排出されないかもしれない。故に、導管９は、ＰＰＳＡユニット１からのパージガス放出流をバーナー１０７に供給するのが好ましい。スタック１０１の空気排気流も熱交換器１２７を経由してバーナー１０７に供給される。パージガス放出流に残留している水素または炭化水素ガスは全て環境汚染を防ぐためにバーナーで燃焼される。バーナー１０７からの熱は、改質装置１２３の加熱に利用してもよいし、システム１００の他の部分に供給してもよいし、あるいはシステム１００外部の熱消費装置、例えばビル暖房システムに供給してもよい。
【００９２】
従って、燃料排気流に関してみれば、熱交換器１２１は熱交換器１２５の上流に位置し、熱交換器１２５は凝縮器１１３と水セパレーター１１５の上流に位置し、水セパレーター１１５はＰＰＳＡユニット１の上流に位置し、ＰＰＳＡユニット１はブロワーまたはコンプレッサー１０９の上流に位置し、ブロワーまたはコンプレッサー１０９は燃料吸入導管１１１の上流に位置している。
【００９３】
所望であれば、システム１００は加湿器と共に使用してもよい。そうすれば、このようなシステムは様々なモードで運転して、発電や水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１用の水素の生成を最適化することができる。システムは、電気と水素の需要および／または価格や他の要因に応じて異なるモードに切り替えてもよい。
【００９４】
加湿器は、炭化水素燃料源、例えば炭化水素燃料吸入導管１１１に作動的に連結された第一の吸入口と、バルブ２０１に作動的に連結された第二の吸入口と、燃料電池スタックの燃料吸入口１０５に作動的に連結された第一の排出口と、凝縮器１１３および水セパレーター１１５に作動的に連結された第二の排出口を有していればよい。稼働中、燃料加湿器は、燃料電池スタックの燃料排気流に含まれる水蒸気を利用して、リサイクルされた水素と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な、ナフィオン（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または複数の吸水床を備えていてもよい。なお、上記特許および出願は両者の全体が参照することにより本明細書に組み込まれる。例えば、好適なタイプの加湿器としては、Ｐｅｒｍａ  Ｐｕｒｅ  ＬＬＣ社製の水蒸気およびエンタルピー移動ナフィオン（登録商標）ベースの水透過膜を備える加湿器がある。加湿器は水蒸気およびエンタルピーを受動的に燃料排気流から燃料吸入流へと移動させ、燃料吸入流の蒸気対炭素の比率を２から２．５とする。燃料吸入流の温度は加湿器内で摂氏約８０から約９０度に上昇させてもよい。
【００９５】
システムを運転して発電を最適化（すなわち、システムのＡＣ電気効率を最適化）するときは、切替えバルブ１０８はＰＰＳＡユニット１からの水素リッチガス流を全て燃料吸入導管へと戻す。バルブ２０１は、燃料吸入流を加湿するために燃料排気流の一部を燃料吸入導管１１１に供給する。この場合、バルブ２０１は加湿器を迂回させて燃料排気流を燃料吸入導管に供給してもよい。一回の通過あたりの燃料利用率は、発電を最適化するためには理屈上最も高い動作値、例えば約７５％から約８０％となる。この場合、水素は水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１には供給されない。
【００９６】
システムを運転して水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１用の水素の生成を最適化するときは、切替えバルブ１０８はＰＰＳＡユニット１からの水素リッチガス流を全て水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１に供給する。水素リッチガス流は燃料吸入導管には供給されない。この場合、バルブ２０１は、燃料排気流の一部を燃料吸入導管１１１へと供給するのではなく、スタックからの燃料排気流を全て加湿器に供給し、そこで燃料吸入流は加湿される。一回の通過あたりの燃料利用率は、水素生成を最適化するためには理屈上最も低い動作値、例えば約５５％から約６０％となる。この場合、最大量の水素が水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１に供給される。更に、水素生成を最適化するようにシステムを運転する場合は、電気効率を最適化するようにシステムを運転する場合よりも多くの炭化水素燃料を燃料電池スタックに供給してもよい。例えば、電気効率を最適化するようにシステムを運転する場合より水素生成を最適化するようにシステムを運転する場合の方が、５０〜１００％多くの炭化水素燃料がスタック１０１に供給される。
【００９７】
電気効率と水素生成のバランスを取るようにシステムを運転してもよい。この場合、切替えバルブ１０８はＰＰＳＡユニット１からの水素リッチガス流を燃料吸入導管１１１と水素貯蔵容器１２９／水素使用装置１３１とに分割する。両方のガス流は同時に供給されてもいいし、バルブが第一、第二のガス流を交互に供給してもよい。２つのガス流に供給される水素の量は、上記の条件に応じて変えることができる。この場合、バルブ２０１は所望のパラメーターに応じて燃料排気流を燃料吸入流および／または加湿器１１９に供給してもよい。
【００９８】
下の表Ｉは、同じ電気出力２６．８ｋＷを発生させるためのシステムの運転モード例をいくつか示している。第一のモードは上記の電気効率最適化モードで、切替えバルブ１０８は水素リッチガス流を全て燃料吸入導管１１１に供給（「水素リサイクルＯＮ」）し、バルブ２０１は燃料排気流の一部を燃料吸入導管１１１に供給（「燃料排気リサイクルＯＮ」）する。比較的低い天然ガス燃料流量でも電気効率は約５８％に最適化される。第二のモードは第一のモードと類似しているが、バルブ２０１が燃料排気流を燃料吸入流を加湿する加湿器１１９に供給する（水素リサイクルはＯＮだが燃料排気リサイクルはＯＦＦ）点が異なる。
【００９９】
第三のモードは第二のモードの反対で、切替えバルブ１０８は水素リッチガス流を容器１２９／装置１３１に供給（「水素リサイクルＯＦＦ」）し、バルブ２０１は燃料排気流の一部を燃料吸入導管１１１に供給（「燃料排気リサイクルＯＮ」）する。
【０１００】
第四、第五のモードは水素生成最適化モードで、切替えバルブ１０８は水素リッチガス流を容器１２９または装置１３１に供給（「水素リサイクルＯＦＦ」）し、加湿器１１９を用いて燃料吸入流を加湿（「燃料排気リサイクルＯＦＦ」）する。第五のモードでは、第四のモードに比べて一回の通過当たりの燃料利用率を２０％減少させるとともに天然ガス流量を増加して水素生成量を３倍超にしている。従って、第五のモードでは、低い電気効率（４０％未満）、低い一回の通過あたりの燃料利用率（５５％）、比較的高い天然ガス燃料流量と引き換えに水素生成が最適化されている。
【表１】
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【０１０１】
図６は、本発明の第六の実施形態によるシステム３００を示す。システム３００はシステム１００と類似しているが、ＰＰＳＡユニット１、凝縮器１１３、水セパレーター１１５が電気化学水素ポンプ３０１に代わっている点が異なる。ポンプ３０１は電気化学的に燃料排気流から水素を分離する。
【０１０２】
電気化学ポンプ３０１は、高分子電解質を含む任意の好適なプロトン交換膜装置を備えていてもよい。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を掛けた状態では、高分子電解質中に拡散する。好ましくは、電気化学ポンプは一酸化炭素耐性を有する電気化学セルのスタック、例えば高温・低水和イオン交換膜セルのスタックを備える。この種のセルは、アノード電極とカソード電極の間に配置された非フッ素化イオン交換イオノマー膜、例えばポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）膜を有している。この膜は、酸、例えば硫酸やリン酸にドープしたものである。このようなセルの一例が米国公開出願第２００３／０１９６８９３Ａ１号に公開されており、該出願の全体が参照することにより本明細書に組み込まれる。このセルは、摂氏１００度を超えて約２００度までの温度範囲で稼動する。従って、熱交換器１２１、１２５は燃料排気流を摂氏約１２０から約２００度、例えば摂氏約１６０から約１９０度の温度に保つことが好ましい。明確化のため図６にはバルブ１０８と水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１は示されていない。しかし、所望であればシステム３００においてこれらの装置を使用してもよい。ポンプ３０１はほとんど一酸化炭素を含まない水素流を供給するので、ポンプ３０１と共にＣＯスクラバー１３５を使用する必要ななく、一酸化炭素を含まない水素が燃料吸入流へと供給される。
【０１０３】
システム３００を運転する方法はシステム１００を運転する方法に類似しているが、燃料排気流が直接バルブ２０１から電気化学ポンプ３０１に供給され、電気化学ポンプ３０１が燃料排気流から電気化学的に水素を分離する点が異なる。更に、もしポンプ３０１が所望量の水素を燃料吸入流へと制御可能に供給できる場合はブロワーまたはコンプレッサー１０９は省略してもよい。第六の実施形態の方法では、一回の通過当たりの燃料利用率が７５％であり、６０％の燃料排気流がバルブ２０１によって燃料吸入流へとリサイクルされ、約８５％の水素がポンプ３０１によって残りの燃料排気流から回収されて燃料吸入流へとリサイクルされる場合、実効燃料利用率が約９４％で電気効率が約５８％である。
【０１０４】
本発明の第七の実施形態では、ＰＰＳＡユニット１の代わりに温度スイング吸着（ＴＳＡ）ユニットを用いて燃料排気流から水素を分離する。ＴＳＡユニットもまた、フィードガスを加圧する必要がない。
【０１０５】
ＴＳＡユニットも水素と一酸化炭素よりも二酸化炭素と水蒸気をよく吸着する物質から構成される複数の吸着剤ベッドを有する。燃料排気流は室温または他の低温に保たれている少なくとも１つの第一の吸着剤ベッドへと供給され、燃料排気流から大部分の二酸化炭素と水蒸気を吸着する。第一のベッドが二酸化炭素と水蒸気で飽和したときは、燃料排気流は少なくとも１つの第二の吸着剤ベッドへと送られる。そして第一のベッドは温度を上昇させてパージし、吸着した二酸化炭素と水蒸気を放出させる。例えば、第一のベッドは、高温のスタックカソードの空気排気を第一のベッドとの熱交換に供する等、燃料電池スタックからの熱で加熱してもよい。パージ後、第一のベッドは周囲の空気との熱交換により冷却される。このサイクルが多数のベッドで順に続けられて、燃料の定常的な回収と循環が行われる。この実施形態もまた、二酸化炭素の隔離に適している。
【０１０６】
空気をベッドとの熱交換に供する（すなわち、ベッドの近くに供給する）代わりに高温のカソード排気を直接吸着剤ベッドに通して（独立した熱交換器を使用せず）二酸化炭素と水蒸気を排出させてもよい。そして、低温の周囲空気を直接ベッドに通して次のサイクルのためにベッドを適当な状態にする。所望であれば、更に二酸化炭素と水を吸着させるため、ベッドを再調整する前後に少量の窒素をベッドに通してパージしてもよい。窒素は空気を作動流体として用いる小型の温度スイング吸着装置から得る。
【０１０７】
所望であれば、パージガスを停止した後、このＴＳＡ排出ガス、例えば二酸化炭素と水蒸気を含む排出ガスは、真空ポンプを介して雰囲気中に排出または除去してもよい。真空によってより多くの残留二酸化炭素と水分が除去され（圧力スイング吸着法に似たプロセスで、一般に真空スイング吸着法と呼ばれる）、それを利用すれば低温の空気や熱交換を利用した場合よりも安価に速くベッドを冷却することもできる。真空の使用も二酸化炭素の隔離には適している。
【０１０８】
図7は、本発明の第八の実施形態によるシステム４００を示す。システム４００はシステム１００と類似しているが、ＰＰＳＡユニット１、ブロワーまたはコンプレッサー１０９、水セパレーター１１５が省略されている点が異なる。必要に応じて凝縮器１１３も省略してもよい。システム４００を運転する方法はシステム１００を運転する方法と同様だが、バルブ２０１から供給された第二の燃料排気分流が水素分離にかけられない点が異なる。その代わりにバルブ２０１から供給された第二の燃料排気分流は、放出されるかまたはバーナー１０７に供給される。従って、このシステム４００は、水素分離工程とその設備を含まないのでこれまでの実施形態のシステムよりも単純である。システム４００の運転方法は燃料排気流を熱交換器１２１、１２５に直列に通して摂氏２００度未満、例えば摂氏約９０から１１０度に冷却することで、低温ブロワー２０９の使用を可能にしている。第八の実施形態の方法では、一回の通過当たりの燃料利用率が７５％で、６０％の燃料排気流がバルブ２０１によって燃料吸入流へとリサイクルされた場合、電気効率は約５４％である。
【０１０９】
第八の実施形態の方法は、燃料排気流が装置２０１に供給されるところまでは第五の実施形態の方法と類似している。上記のように、燃料排気分配装置２０１は好ましくはコンピューターまたはオペレーター制御の多方弁、例えば三方弁である。バルブ２０１は、燃料排気流を第一の燃料排気分流と第二の燃料排気分流とに分割する。第一の燃料排気分流は、バルブ２０１の排出口２０７からブロワー２０９に供給される。ブロワー２０９は燃料吸入導管１１１内のミキサーのところで第一の燃料排気分流を燃料吸入流へとリサイクルする。好ましくは、上記のように、ブロワー２０９は温度が２００℃以下の第一の燃料排気分流を燃料吸入流へとリサイクルする低温ブロワーである。
【０１１０】
本実施形態の一態様では、燃料吸入流へ供給される燃料排気の量は、燃料吸入流中の蒸気対炭素の比率が２：１と２．３：１の間になるようにオペレーターによって、またはコンピューターによって自動で制御される。第一の燃料排気分流は蒸気を含み、燃料吸入流は炭化水素燃料吸入流、例えばメタンまたは天然ガス流からなる。従って、燃料吸入流へ供給される燃料排気の量（従って蒸気の量）は、燃料吸入流中の蒸気対炭素の比率が２：１と２．３：１の間、例えば２．２：１になるように制御される。メタン燃料の場合、改質装置に供給されたメタン分子それぞれが１個の炭素原子を有する。従って、Ｈ２Ｏ：Ｃのモル比は、Ｈ２Ｏ分子対メタン分子の比率に基づく。しかし、１分子当たり１個超の炭素原子を有する炭化水素分子を含む他の炭化水素燃料の場合、所望の蒸気対炭素の比率を維持するためにはＨ２Ｏ分子対その炭化水素分子の比率は２．３：１よりも大きくなってしまう。燃料吸入流へとリサイクルされている燃料排気の量は、燃料電池スタックの運転中、燃料吸入流中の蒸気対炭素の比率を常に２：１と２．３：１の間に保つように連続的にまたは断続的に変化させることができる。この蒸気対炭素の比率は、改質装置１２３での最適な蒸気−メタン改質にとって都合がいい。
【０１１１】
本明細書で使用している「制御可能に」という用語は、燃料排気が制御することなく消極的に燃料吸入流へと供給されるのではなく燃料吸入流へと供給される燃料排気の量が積極的に制御されることを意味する。従って、排気流の一部を「Ｔ」字型の分枝管を通して単純に燃料吸入流へと導くのは排気流を制御可能に吸入流へと供給することではない。リサイクルされている燃料排気の量は、バルブ２０１および／またはブロワー２０９の一方または両方を制御することによってオペレーターまたはコンピューターによって制御可能である。例えば、バルブ２０１を制御して第二の燃料排気分流に対する第一の燃料排気分流の比率を変化させてもよい。言い換えれば、もし燃料吸入流にもっと多くの蒸気が必要であれば、バルブが第一の燃料排気分流に供給される分の燃料排気流を増加させる。もし燃料吸入流に供給する蒸気がもっと少なくてよければ、バルブが第一の燃料排気分流に供給される分の燃料排気流を減少させる。燃料吸入流で必要な蒸気量がもっと多いのか少ないのかに応じてブロワー２０９によって燃料吸入流へと供給されている燃料排気の量を増加または減少させるには、ブロワー２０９は吹き出し速度または量を増加または減少させることによって制御すればよい。
【０１１２】
好ましくは、燃料吸入流へとリサイクルする必要がある燃料排気の量を決定するために１以上の燃料電池システムの運転パラメーターを検出（すなわち、監視）する。例えば、スタック温度や工場施設のバランスを温度センサで監視する、燃料の吸入および排気流をガス流量計で監視する、スタックで発生した電力量、電流あるいは電圧を適当な電子検出器（すなわち、電力計、電圧計、電流計等）で監視する等。検出した（１以上の）運転パラメーターに基づいて、コンピューターまたはオペレーターが第二の燃料排気分流に対する第一の燃料排気分流の比率と、ブロワーによって燃料吸入流へとリサイクルされている第一の燃料排気分流の量の少なくとも一方を変化させる。例えば、コンピューターを用いて（複数の）システム検出器（すなわち、センサー）の１つからコンピューターへと送られる（複数の）検出パラメーターに基づいて多方弁２０１および／またはブロワー２０９を自動制御してもよい。あるいは、オペレーターが（１以上の）表示されたパラメーターに基づいてシステム制御パネルを用いてバルブ２０１および／またはブロワー２０９を制御してもよい。
【０１１３】
第二の燃料排気分流はバルブ２０１の導出部２０５からバーナー１０７へと供給される。第二のガス流はバルブ２０１からバーナー１０７へ直接供給しても間接的に供給してもよい。例えば、バルブ２０１の導出部２０５は導管で直接バーナー１０７に連結されていてもよい。所望であれば、システムの外部から更に空気および／または燃料をバーナー１０７に供給してもよい。あるいは、間接的に接続した場合は、オプションの凝縮器１１３（図５に示す）をバルブ２０１の導出部２０５とバーナー１０７との間に設けてもよい。この場合、バーナー１０７に入る前に第二の燃料排気分流から水分が除去される。オプションの凝縮器からの水分は、２００５年５月９日出願の米国特許出願第１１／１２４，１２０号に記載されているように、燃料電池スタックの排気流で加熱されるオプションの蒸気発生器に供給してもよい。蒸気発生器はホットボックスの内部に設置してもホットボックスの一表面に接触させて設置してもよい。蒸気発生器は燃料吸入流へと水蒸気（蒸気）を供給する。単独のミキサーを用いて燃料吸入流と第一の燃料排気分流、蒸気発生器からの蒸気を混合してもよい。改質装置１２３の温度を上げるためにバーナー１０７からの熱を改質装置１２３に供給してもよい。所望であれば、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、改質装置の温度を上げるためにスタックの空気排気流を熱交換器１２７に供給する前に改質装置１２３の近くに送ってもよい。
【０１１４】
本明細書で説明した燃料電池システムは、所望であれば他の実施形態や構成も可能である。所望であれば、例えば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日出願の米国仮特許出願第６０／４６１，１９０号、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、他の要素を加えてもよい。なお、これら出願はその全体が参照することにより本明細書に組み込まれる。更に、本明細書のいずれかの実施形態で説明し、および／またはいずれかの図に示したいずれのシステム要素あるいは方法工程は、明記されていなくとも上記の他の好適な実施形態のシステムおよび／または方法でも用いられ得ることは、言うまでもない。
【０１１５】
上記の発明の記載は例示および説明を目的としたものであり、全てを網羅するものあるいは発明を開示した詳細な形態に制限するものではない。以上の教示に照らして修正、変更が可能であり、また発明を実施する際にも修正、変更が可能である。記載は発明の原理とその実際の用途を説明するために選ばれたものである。発明の範囲は添付の請求の範囲とその均等物によって決められるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】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。
【図２Ａ】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。
【図２Ｂ】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。
【図２Ｃ】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。
【図２Ｄ】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。
【図３】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。
【図４】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。
【０１１７】
【図５】本発明の各実施形態の燃料電池システムの概略図である。
【図６】本発明の各実施形態の燃料電池システムの概略図である。
【図７】本発明の各実施形態の燃料電池システムの概略図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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