(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電プラントの燃料電池積層体の活性領域内で失われた電解液を補充しながら、燃料電池発電プラントの処理済み燃料ガスからアンモニアを除去する方法において、
ａ）処理済み燃料ガス流を提供する工程と、
ｂ）冷却された燃料ガス流を形成するよう約２０４℃〜約２３２℃（約４００°Ｆ〜約４５０°Ｆ）までの範囲内の温度まで前記処理済み燃料ガス流を冷却する工程と、
ｃ）前記冷却された燃料ガス流をリン酸に暴露し、前記冷却されたガス流内のアンモニア濃度を約１ｐｐｍより低くするよう、充分な量のリン酸アンモニア化合物となるように、前記冷却された燃料ガス流内のアンモニアを変換し、同時に充分な量のリン酸をガス流内に蒸発させ、発電プラントの稼働中に発電プラントの電池積層体の活性領域から失われたリン酸電解液のほぼすべてを補充する工程を備えた方法。
【請求項２】
燃料電池発電プラントの処理済み燃料ガスを処理する方法であって、
ａ）処理済み燃料ガス流を提供する工程と、
ｂ）リン酸を含む除去層を提供する工程と、
ｃ）前記燃料ガス流内のアンモニア濃度を約１ｐｐｍよりも低く下げ、更に発電プラントの稼働中に発電プラントの電池積層体の活性領域から失われたほぼすべてのリン酸電解液を補充するのに充分な量だけ、前記除去層からリン酸を除くような条件下で、前記除去層に前記処理済み燃料ガス量を通過させる工程とを備えた方法。
【請求項３】
処理済みガス流が除去層を通過する前に前記処理済み燃料ガス流を約２０４℃〜約２３２℃（約４００°Ｆ〜約４５０°Ｆ）の範囲の温度に冷却する工程を含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
発電プラントの前記燃料電池積層体の活性領域から離間する出口ガスの温度をモニターし、前記冷却工程を制御して出口ガスの温度変動を調節し、前記除去層から除かれる酸性電解液の量と出口ガス内の前記燃料電池積層体の活性領域から除かれる酸性電解液の量とを実質的にバランスさせる工程を含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
ａ）処理済み燃料ガス流を形成するための改質器と、
ｂ）リン酸を含むアンモニア除去装置を形成するための除去手段と、
ｃ）処理済み燃料ガス流の温度を約２０４℃（約４００°Ｆ）よりも高い温度まで処理済み燃料ガス流の温度を低下させる冷却装置と、
ｄ）前記改質器からの処理済み燃料ガス流を前記冷却装置に通過させ、次に前記除去手段に通過させるよう、処理済み燃料ガス流の向きを定めるための手段とを備えた、燃料電池発電プラントの処理済み燃料ガス流を処理するシステム。
【請求項６】
前記冷却装置が前記処理済みガス流の温度を約２０４℃〜約２３２℃（約４００°Ｆ〜約４５０°Ｆ）までの範囲の温度まで下げるよう作動できる、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記除去手段がガス流内のアンモニア濃度を約１ｐｐｍ以下の濃度まで下げるよう作動でき、冷却装置が処理済みガス流の温度を前記除去手段から充分なリン酸を除去すると共に、発電プラントの稼働中に発電プラントの燃料電池積層体の活性領域から失われたほぼすべてのリン酸電解液を補充させるような温度まで下げるよう作動できる、請求項４記載のシステム。
【請求項８】
発電プラントの燃料電池積層体の活性領域を離間する出口ガスの温度を検出するための手段と、前記出口ガスの検出された温度変化に応答して前記冷却装置における温度を調節するための手段とを含む、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
発電プラントの燃料電池積層体の活性領域内で失われた電解液を補充しながら、燃料電池発電プラントの処理済み燃料ガスからアンモニアを除去するシステムにおいて、
ａ）処理済み燃料ガス流を提供する工程と、
ｂ）冷却された燃料ガス流を形成するよう約２０４℃〜約２３２℃（約４００°Ｆ〜約４５０°Ｆ）までの範囲内の温度まで前記処理済み燃料ガス流を冷却する工程と、
ｃ）前記冷却された燃料ガス流をリン酸に暴露し、前記冷却されたガス流内のアンモニア濃度を約１ｐｐｍより低くするよう、充分なリン酸アンモニア化合物となるように、前記冷却された燃料ガス流内のアンモニアを変換し、同時に充分なリン酸をガス流内に蒸発させ、発電プラントの稼働中に発電プラントの電池積層体の活性領域から失われたリン酸電解液のほぼすべてを補充する工程を備えたシステム。
【請求項１０】
ａ）処理済み燃料ガス流を形成するための改質器と、
ｂ）リン酸を含むアンモニア除去装置を形成するための除去手段と、
ｃ）処理済み燃料ガス流の温度を約２０４℃（約４００°Ｆ）よりも高い温度まで処理済み燃料ガス流の温度を低下させる冷却装置と、
ｄ）前記改質器からの処理済み燃料ガス流を前記冷却装置に通過させ、次に前記除去手段に通過させるよう、処理済み燃料ガス流の向きを定めるための手段とを備えた、燃料電池発電プラントの処理済み燃料ガス流を処理するためのシステム。
【請求項１１】
ａ）処理済み燃料ガス流を形成するための改質器と、
ｂ）リン酸を含むアンモニア除去装置を形成するための除去手段と、
ｃ）処理済み燃料ガス流の温度を約２０４℃（約４００°Ｆ）よりも高い温度まで低下させる冷却装置と、
ｄ）前記改質器からの処理済み燃料ガス流を前記冷却装置に通過させ、次に前記除去手段に通過させるよう、処理済み燃料ガス流の向きを定めるための手段とｅ）前記燃料ガス流からのリン酸の凝縮が最小となるよう、リン酸の露点が燃料ガス流の温度よりも低くなる程度に燃料ガス流内のリン酸の分圧を下げるよう、前記除去装置の周りに燃料ガス流の一部を転流させるためのバイパス手段とを含む、燃料電池発電プラントの処理済み燃料ガス流を処理するためのシステム。
【請求項１２】
前記バイパス手段を通過して流れる燃料ガス流を変えるための流量制御バルブを更に含む、請求項１１記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リン酸燃料電池発電プラントにおいて燃料ガス流を処理することに関し、より詳細には、酸で含浸されたアンモニア除去装置に燃料ガス流を通過させることにより、燃料ガス流に酸性電解質を添加すると同時に、燃料ガス流からアンモニアを除去することに関する。
【０００２】
【従来技術】
酸性燃料電池発電プラントを稼働させることに関連して生じる問題の１つとして、発電プラントの燃料電池積層体を約１４９℃（３００°Ｆ）を越える温度で稼働させる際に、反応性ガス流内へと電解質が蒸発することにより電解質が失われることが挙げられる。かかる問題は、１９７７年１月２５日にＤ．  Ｂ．  ブルームフィールドに付与された米国特許第４，００４，９４７  号に記載されている。上記特許に記載されたこの問題に対する解決案は、発電プラント内のガス流を加圧し、反応性ガス流内に蒸発する酸の量を低減することである。１９８６年６月２４日にＭ．  カッツ外に付与された米国特許第４，５９６，７４８  号、１９８６年６月２４日にＪ．  Ｖ．  コングドン外に付与された米国特許第４，５９６，７４９  号および１９８６年９月１４日にＰ．  Ｅ．  グレブスタッドに付与された米国特許第４，６１２，２６２  号も、燃料電池の稼働中に酸性燃料電池から電解液が失われるという問題を認めている。後者の３つの特許は燃料電池発電プラントに酸を添加し、蒸発して失われた電解液を補充することによりこの問題を解決している。米国特許第４，５９６，７４８  号は、燃料ガス流内に酸を噴霧し、発電プラントの活性領域に酸を送ることを示唆している。米国特許第４，５９６，７４９  号は、発電プラントの積層体の外側面にあるタブ内に酸を吸収させ、スタックに進入する反応性ガス内に入るようタブから蒸発させることを示唆している。米国特許第４，６１２，２６２  号は、燃料電池スタックの外側垂直面に酸をデポジットし、これより毛細管作用によってスタックの活性領域に吸収させることを示唆している。上記特許のいずれも酸性燃料電池発電プラントから電解液が失われるという問題を認識しており、この問題に対する種々の解決案を示唆している。
【０００３】
酸性燃料発電プラント内で生じる別の問題として、プラントの活性領域に流入する燃料ガス内にアンモニアが存在していることが挙げられる。１９８１年３月３１日にＭ．  カッツ外に付与された米国特許第４，２５９，３０２  号は、発電プラント用の燃料ガス流内にアンモニアが存在することにより、リン酸燃料電池発電プラントで生じる問題を検討している。発電プラント内の燃料ガス改質器内でアンモニアが生じ、発電プラントの燃料に使用されるガスにかなりの量の窒素が含まれる場合、発電プラントに悪影響をおよぼすような濃度の燃料ガスが形成される。約１ｐｐｍを越える量のアンモニアが燃料ガス流内に存在し、このアンモニアが発電プラントの電池積層体の活性領域に進入すると、アンモニアはリン酸と反応し、リン酸２水素アンモニウムまたは関連する化合物を形成し、この化合物は電気化学的な反応を妨害したり、リン酸電解液を消費したりすることにより、発電プラントの性能を低下させる。上記特許は、リン酸を浸透させたカーボンペレットの除去層に処理済み燃料ガス流を通過させることにより、アンモニアの問題を処理している。上記特許は除去層内に含まれる酸が処理済みガス内のアンモニアと反応することにより酸の量が失われることを認めており、従って、システム内で並列の除去層を使用することを示唆している。ここで、処理済み燃料ガスからのアンモニアの除去に除去層のうちの１つを使用し、他のベッドを酸素で再生し、リン酸２水素アンモニウムをリン酸に変換し、窒素ガスと空気の流れを生じさせる。進入ガス流中のアンモニアを除去するのに１つの除去層を使用しながら他の除去層を再生するように定期的に作動させる。アンモニア除去中および再生中の双方でアンモニア除去層の双方を約１９３℃（約３８０°Ｆ）の温度で稼働させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の米国特許は酸性燃料電池発電プラントのガス流からアンモニアを除去しなければならないことを認識しており、また発電プラントの活性領域から酸性電解液が失われることに対処する必要があることも認識している。このような上記問題の双方を処理できる１つの機構を提供することが好ましい。
【０００５】
従って、本発明の課題は燃料電池の燃料ガス流からアンモニアを除去する能力を有すると同時に、発電プラントの稼働中に失われる酸性電解液を補充できる燃料電池発電プラント用の燃料ガスアンモニア除去システムを提供することにある。
本発明の別の課題は、適当な量の酸性電解液を進入燃料ガス流に蒸発させるような温度範囲内で稼働される、上記特徴を有する除去システムを提供することにもある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池の燃料ガスからアンモニアを除去し、燃料電池の稼働中に燃料電池積層体の活性領域から失われた電解液を交換するのに充分な量の電解液を燃料ガスに加えるアンモニア除去装置および酸性電解液補充システムに関する。除去層はリン酸を含浸させた多孔質のカーボンペレットから形成することが好ましい。除去層は熱交換機であるプリ冷却器を含み、処理済み燃料ガスが除去装置に進入する前にこのプリ冷却器を通過するようになっている。プリ冷却器は処理済み燃料ガス流の温度を約２０４℃〜約２３２℃（約４００°Ｆ〜約４５０°Ｆ）の温度の範囲まで下げることができる。従って、除去層に進入する処理済み燃料ガス流の温度は約２０４℃〜約２３２℃（４００°Ｆ〜４５０°Ｆ）の間の温度であり、この間の温度は除去層内のＨ３  ＰＯ４  の蒸気圧を最適にし、よって燃料ガス流内に蒸発するＨ３  ＰＯ４  の量を最適にする。この理由は酸性電解液の蒸気圧は温度に応じて決まるからである。このように燃料ガスを冷却することにより除去層から燃料ガス流に蒸発する酸の量を発電プラント内の燃料電池積層体の活性領域内から蒸発する酸性電解液のレベルにほぼ等しいレベルに維持できる。このようなケースでは燃料電池積層体の活性領域から真の酸性電解液が全く失われないか、実質的に失われない。燃料ガス流内に蒸発する除去層内のリン酸は、除去層に酸を添加することによって交換される。蒸気温度で除去層を稼働し、酸を必要なだけ除去層に添加することにより従来技術と同じように燃料ガス流からアンモニアが除去される。これと同時に米国特許第４，２５９，３０２  号で必要とされた約１９３℃（３８０°Ｆ）の温度で稼働される除去層によって加えられる量よりも多い量だけ、発電プラントの電池積層体の活性領域に電解液が加えられる。本発明の約２０４℃〜約２３２℃（４００°Ｆ〜４５０°Ｆ）の稼働範囲で稼働される除去層と比較して、除去層を従来技術の３８０°Ｆの温度で稼働した場合、電池積層体の活性領域には約３分の１〜２分の１の酸が加えられるはずである。発電プラントの燃料電池積層体の活性領域から失われる電解液の量を表示する、燃料電池スタックの活性領域から出される流出ガスの温度を検出することにより除去層内の進入燃料ガス流内に蒸発する酸の量を最適にするよう、除去層の稼働温度を調節できる。
【０００７】
添付図面を参照して次の本発明の好ましい実施例の詳細な説明から、本発明の上記およびそれ以外の課題および利点がより容易に明らかとなろう。
【０００８】
【発明の実施の形態】
発明を実施するための最良の態様
図面を参照する。図１には、全体を番号２で示した燃料電池発電プラントの略図が示されている。この燃料電池発電プラントは本発明の燃料ガスアンモニア除去装置および酸性電解液補充システムを使用している。発電プラント２は燃料ガス改質器４を含み、この改質器４は燃料ガスライン６を介して未処理燃料ガス、例えば天然ガス、埋め立てゴミガス等を受ける。改質器４はライン８からのスチームも受ける。処理された燃料ガスはライン１０を通って燃料ガス冷却器１２に流入し、この冷却器で処理済み燃料ガスは約２０４℃〜約２３２℃（約４００°Ｆ〜約４５０°Ｆ）の範囲の温度まで冷却される。冷却器１２を通過して流れる冷却材の量は可変バルブ１３によって変えることができる。この冷却器１２は熱交換機であって、熱交換用冷却材はライン１４および１６により冷却器１２を通過するように流れる。こうして冷却された処理済み燃料ガスは冷却器１２からライン１８を通ってアンモニア除去装置２０に流れる。アンモニア除去装置２０からライン２２を通って発電プラントの燃料電池積層体の活性領域２４へアンモニアが除去され、電解液が補充された燃料ガス流が流れる。発電プラント２の燃料電池積層体の活性領域を離れるガスは通路２５を通って排出される。
【０００９】
アンモニア除去装置２０の周りを燃料ガスの一部がバイパスするようにさせるためのバイパスライン１９を設けるのが好ましいケースもある。このバイパスライン１９の目的は酸の露点がガス流ライン２２の温度よりも低くなるように、ガス流ライン２２内のＨ３  ＰＯ４  の分圧を下げることにある。これによりガス流ライン２２内または燃料電池のインレットマニホールド内で酸が凝縮する可能性が最小となる。バイパスライン１９を通過する、従ってアンモニア除去装置２０を通過する燃料ガスの量を変えるよう、可変流量制御バルブ１７をバイパスライン１９に設けることが可能である。
【００１０】
冷却器１２を出る反応ガス流の温度を検出するよう、ライン９を介して発電プラントのコントローラ１１に接続された温度センサー１５を冷却器の出口ライン１８に設けてもよい。発電プラント２の燃料電池積層体の反応領域２４を離間する発電プラントの反応ガスの温度は、ライン２５内のセンサーによって検出される。このセンサー２６はライン２７によってコントローラ１１に接続されている。プラントコントローラ１１により受信される出口ガス温度センサー２６からの温度信号に基づき、コントローラ１１は冷却器１２を通過する冷却材の流量を増減するよう、信号ライン２９を介してバルブ１３を調節し、よってアンモニア除去装置２０に進入する燃料ガスの温度を調節できる。発電プラントの燃料電池積層体２４を離間するガス流の温度およびアンモニア除去装置２０に進入するガス流の温度をモニターし調節する目的は、アンモニア除去装置２０から進入ガス流内に蒸発する電解液の量がプラント２を出る反応ガスにより発電プラントの燃料電池積層体の活性領域２４から運ばれる電解液量にほぼ等しくなるような温度を、双方のモニター地点で生じさせることにある。
【００１１】
図２は、発電プラントの燃料ガス冷却器とアンモニア除去装置の好ましい構成を示す。冷却器１２はタンクの形でよく、改質器のガスライン１０はタンク１２の上端部に進入し、タンク１２を下方に通過して出口ライン１８に接続されていることが理解できよう。こうして冷却された燃料ガスは、アンモニア除去装置２０のタンクに、好ましくはその上端部を通って進入し、タンク２０内の酸含浸カーボンペレット内を下方に通過し、出口ライン２２に流れる。こうしてアンモニアが除去された改質器からのガスは、次に発電プラント内の燃料電池積層体（図示せず）上の燃料ガス入口マニホールドに流入する。先に述べたように冷却材入口ライン１４を通過する冷却材の流量を変えることができる調節自在なバルブ１３により、冷却器１２の温度を制御できる。連続的または間欠的にアンモニア除去装置２０に酸を滴下、噴霧または他の方法で添加することにより、アンモニア除去装置２０のタンクに酸を添加できる。これとは別に発電プラントの通常の停止メンテナンス中にタンクを定期的に除き、交換することも可能である。
【００１２】
本発明のアンモニア除去装置および電解液補充システムは、同時に２つの別個の機能を奏するような燃料電池発電プラント内の単一ステーションとなることが理解できよう。本発明のこのシステムは簡単で、かつコンパクトであり、適当な温度で稼働でき、更に現在の燃料電池発電プラントに組み込むよう変形することも可能である。
【００１３】
本発明の要旨から逸脱することなく、本発明の開示した実施例を多数変形し変更することが可能であるので、添付した請求の範囲を除く部分は本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアンモニア除去装置および酸性電解液補充システムを使用する燃料電池発電プラントの略図である。
【図２】図１の発電プラントにおけるアンモニア除去装置および酸性電解液補充ステーションの側面図である。
【符号の説明】
２  発電プラント
４  燃料ガス改質器
６  燃料ガスライン
８  ライン
１０  ライン
１２  冷却器
１３  可変バルブ
１４  ライン
１５  温度センサー
１６  ライン
１７  流量制御バルブ
１８  出口ライン
１９  バイパスライン
２０  アンモニア除去装置
２２  ライン
２４  活性領域
２６  温度センサー
【図１】
0003572169.tif 000002
【図２】
0003572169.tif 000003