(57)【要約】【課題】本発明は、高温燃料電池の作動方法及び作動システムに関する。【解決手段】該システムは少なくとも１つの燃料電池、リフォーマー、アフターバーナー、及び熱交換器を備えている。設定された目的に基づき、本発明により総効率は増大されるべきである。本発明によれば、この目的のために、カソード側で燃料電池に供給された外気は、再燃焼からの熱により、及び高温熱交換器によってカソード側で燃料電池から放散された加熱空気からの熱により多段階に予熱される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リフォーマーを介して、少なくとも１つの燃料電池に供給される炭化水素化合物を含む燃料を有する高温燃料電池の作動方法であって、
外気をカソード側で前記燃料電池に更に供給し、また前記燃料電池のアノード側ガスをアフターバーナーにおいて再燃焼し、
再燃焼からの熱及び前記カソード側で前記燃料電池（１）から放散された熱風を用いて、前記カソード側で前記燃料電池（１）に供給された外気を多段で予熱することを特徴とする高温燃料電池の作動方法。
【請求項２】
前記外気は、熱交換器（４）として製造されたアフターバーナー（２）の少なくとも１つの領域、及び前記カソード側で前記燃料電池（１）から放散された熱い排気が導かれる更なる高温熱交換器（５）を通して、前記燃料電池（１）に流れ込むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記アフターバーナー（２）からの排ガス及び前記アフターバーナー（２）の熱を用いて外気を二段で加熱することを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記アノード側で前記燃料電池を出る排ガスを用いて外気を更に加熱することを特徴とする前記請求項の１つに記載の方法。
【請求項５】
前記高温熱交換機（５）の出口を出る前記燃料電池（１）からの加熱された排気を、前記リフォーマー（３）の前に配置された熱交換器（７）に供給することを特徴とする前記請求項の１つに記載の方法。
【請求項６】
前記熱交換機（７）を用いて加熱また湿潤された空気を前記リフォーマー（３）に供給することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記供給された外気の体積流量の調節により温度のフィードバック制御を行うことを特徴とする前記請求項の１つに記載の方法。
【請求項８】
前記アフターバーナー（２）からの排ガスを復水分離器（８）に供給し、そこでプロセス水として分離された水の一部を、前記リフォーマー（３）に供給される熱風を湿潤させるために供給することを特徴とする前記請求項の１つに記載の方法。
【請求項９】
前記リフォーマー（３）、前記燃料電池（１）、前記アフターバーナー（２）及び前記熱交換器（４、５、６、７）は断熱ハウジング内に共に収容され、内側のハウジング壁から反射された熱放射により作動することを特徴とする前記請求項の１つに記載の方法。
【請求項１０】
天然ガス、生体ガス、プロパン、ブタン、メタノール及び/またはエタノールを前記燃料として利用することを特徴とする前記請求項の１つに記載の方法。
【請求項１１】
０〜５０ｍｏｌ％の窒素、０〜１８ｍｏｌ％の少なくとも１つの炭化水素化合物、１０〜９０ｍｏｌ％の水素、５〜３５ｍｏｌ％の一酸化炭素、２．５〜３５ｍｏｌ％の水蒸気、および０．５〜５０ｍｏｌ％の二酸化炭素の組成を有する燃料を、少なくとも６００℃の温度で、前記アノード側で前記燃料電池（１）に供給することを特徴とする前記請求項の１つに記載の方法。
【請求項１２】
内部で発生した蒸気により外気のためのコンプレッサー及び/または燃料のためのコンプレッサーを駆動することを特徴とする前記請求項の１つに記載の方法。
【請求項１３】
前記請求項１〜１２の１つによる方法を利用する高温燃料電池を作動するためのシステムであって、余熱を利用して加熱するために外気はアフターバーナー（２）に導かれ、その後高温熱交換器（５）に供給され、前記高温熱交換器（５）はカソード側で燃料電池（１）から放散された熱い排出空気のための接続部を有しており、また前記高温熱交換器（５）からの加熱された外気は前記カソード側で前記燃料電池（１）に供給することができることを特徴とする高温燃料電池を作動するためのシステム。
【請求項１４】
更なる熱交換器（７）を介してリフォーマー（３）から供給された外気の加熱及び湿潤のために、前記高温熱交換器（５）からの熱い排出空気は前記リフォーマー（３）に接続された前記熱交換器（７）に供給することができることを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記リフォーマー（３）、前記燃料電池（１）、前記アフターバーナー（２）及び前記熱交換器（４、５、６、７）は断熱ハウジング内に配置されることを特徴とする請求項１３または１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ハウジングの内壁が熱放射のため反射性を有することを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記アフターバーナー（２）は多孔性バーナーとして作られていることを特徴とする請求項１３乃至１６の１つに記載のシステム。
【請求項１８】
前記リフォーマー（３）は触媒リフォーマーとして作られていることを特徴とする請求項１３乃至１７の１つに記載のシステム。
【請求項１９】
バルブの制御は空気圧により行われることを特徴とする請求項１３乃至１８の１つに記載のシステム。
【請求項２０】
排気及び排ガスのためのラインは煙突に開口していることを特徴とする請求項１３乃至１９の１つに記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化水素化合物を含む燃料を有する高温燃料電池の作動方法及び作動システムに関しており、該炭化水素化合物は、例えば、特に高い総合効率を有するバイオガス及び/または天然ガスである。これに関連して、例えば、ガス処理ユニット、リフォーマー、燃料電池スタック(ＳＯＦＣモジュール)状の単一の燃料電池または複数の燃料電池、及びアフターバーナーを提示することができる。
【背景技術】
【０００２】
１００ＫＷ(Ｓｉｅｍｅｎｓ−Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ)及び１ＫＷ（Ｓｕｌｚｅｒ-Ｈｅｘｉｓ）の電力を備えるデモンストレータシステムとして、高温燃料電池(ＳＯＦＣ)が既に実施されている。高温燃料電池の電気効率は原則として５０％を超えている。熱の利用を考慮に入れると、分散型システムで総効率は８５％を超えることができる。
【０００３】
燃料電池システムは、２ＫＷ以下の低電力の場合、コンプレッサー及び他の周辺機器によるエネルギー消費に基づき、特に燃料電池自体の電気効率より低い電気効率を持っている。従って、効率的な操作のため、このようなシステムの理想的な構成が必要となる。これについては、システムにおける電気消費を大幅に減少すべきであり、またシステムにおいて生じる熱を有効に利用すべきである。
【０００４】
例えば、特許文献１から、アフターバーナーと組み合わせて燃料電池スタックを操作し、またカソード側で燃料電池に供給される外気の予熱のために両方のテクニカル・エレメンツの余熱を予熱することが、知られている。ここで、外気は室壁に沿って流れており、これによって、燃料電池スタックとアフターバーナーとの熱交換が達成できる。
【０００５】
カソード側で燃料電池を出る排気は直接アフターバーナーに供給される。
【０００６】
しかしながら、このような解決策を用いても総効率を十分大きく増大させることができない。
【特許文献１】ＤＥ１０１  ４９  ０１４  Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の目的は高温燃料電池の総効率を増大させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、本発明に基づき、請求項１の特徴を有する方法及び請求項１３に基づくシステムにより解決される。従属項で限定された特徴により、有利な態様及びさらなる発展を達成することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、３００Ｗ〜２０ＫＷの範囲の電力、また３０％以上の電気効率が実現できるシステムを提供することができる。システムの実際の作動のためのエネルギー消費、特に電気エネルギーの消費を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明において、少なくとも1つの高温燃料電池が用いられ、望ましくは、互いに積み重ねられた複数の高温燃料電池が用いられ、その燃料入り口はリフォーマーに接続され、その排ガス出口はアフターバーナーに開口されている。燃料電池のための外気は、燃料電池からの排ガスにより、多段でアフターバーナーからの熱により予熱され、任意に、保温からの熱によりさらに予熱される。これについては、アフターバーナーの排ガスの熱を利用することもできる。
【００１１】
燃料電池において、高いガス利用率(６０％)で必要な空気を予熱するためにアフターバーナーの熱が十分でないので(このように加熱された外気は、必要な７５０℃の代わりに、５００〜６００℃の温度に達している)、燃料電池内に入る前に、更なる熱交換器を通して、燃料電池の排気から外気に追加の熱が供給され、カソード側で供給された外気の多段加熱が行われる。熱交換媒体(外気及び排気)の温度レベルが互いに大きな相違がないため、この高温の熱交換器は、３００℃(５００〜８００℃)の温度勾配を有しており、またコンパクトなアセンブリとして製造することができる。それは空気/空気熱交換器であるので、仮に、何らかの小さな漏れがあったとしても、極わずかな範囲でシステムの作動を損なうのみである。
【００１２】
リフォーマー及びアフターバーナーは、最大１０００℃までの短期間(５ｈまで)の温度負荷に耐えることができるように設計されるべきである。その結果、プレリフォーマーからの残留ガス及びアフターバーナーにより予熱された外気を用いて、リフォーマー及びアフターバーナーにおける炭化水素化合物を含む燃料の完全燃焼により、燃料電池を、運転温度に確実に予熱させることができる。
【００１３】
リフォーマー及びアフターバーナーにおける温度制御を、供給された外気の体積流量の制御あるいはフィードバック制御により行うことができる。
【００１４】
触媒リフォーマーの作動点は、燃料及び潤した空気から形成されたガス混合物のスプレーにより形成され、またλセンサによって制御される。リフォーマーに供給された空気を、水槽において、燃料電池からの排気により水の蒸発で湿潤することができ、また絞り弁を通してリフォーマーに導入することができる。
【００１５】
アフターバーナーにおいて、温度制御方法で燃料電池からの排ガスの再燃焼を行うことができる。可燃性排ガスの温度は、空気と予め混合する際の自動点火を避けるために、再燃焼する前に下げられるべきである。この熱は、さらに、燃料電池に供給された外気の多段加熱のために利用できる。
【００１６】
６００℃を超える運転温度を有するシステムの構成要素は断熱ハウジング内に配置されるべきであり、また効率を増加させるのに、内側のハウジング壁から反射された熱放射を、同様に利用することができるのが望ましい。
【００１７】
これは燃料電池の要素、高温熱交換器、アフターバーナー、およびリフォーマーに関連する。その結果、燃料電池からの熱放散(より低い外気の消費量)及びリフォーマーへの熱の供給 (より高い水蒸気密度、より低い窒素濃度)を改善することができる。システムの熱損失を最小にする熱の遮断により、これらの要素が他の要素から断熱される。
【００１８】
例えば、燃料クリーニング、空気の湿潤、制御などの残りの構成要素を「冷たい」領域（＜２００℃）に収容することができる。
【００１９】
排ガスに存在する水は、ガス出口で凝縮し、システムに戻されることができ、またリフォーマーから供給された空気を潤すために随意に利用することができる。
【００２０】
システムの電気エネルギーの消費を抑えるために、バルブ（弁）は空気圧で操作されるべきである。有利に、システムの熱い排気ガスによる水の蒸発から発生する水蒸気を用いて、外気及び燃料のためのコンプレッサーを同様に駆動することができる。
【００２１】
０〜５０ｍｏｌ％の窒素、０〜１８ｍｏｌ％の少なくとも一つの炭化水素化合物、１０〜９０ｍｏｌ％の水素、５〜３５ｍｏｌ％の一酸化炭素、２．５〜３５ｍｏｌ％の水蒸気、および０．５〜５０ｍｏｌ％の二酸化炭素の組成を有する燃料は、少なくとも６００℃の温度で、アノード側で燃料電池に供給されるべきである。それぞれの組成は使用される燃料によって異なる。
【００２２】
また、排気ラインあるいは排ガスラインは煙突に開口でき、これが供給されたエネルギーの必要量、特にコンプレッサーを駆動するためのエネルギーの必要量を同様に低減できる。
【００２３】
本発明は、３００Ｗ〜２０ＫＷの範囲の電力、また３０％以上の電気効率が実現できるシステムを提供することができる。システムの実際の操作のためのエネルギー消費、特に電気エネルギーの消費を抑えることができる。
【００２４】
同様に余熱の損失を抑えることができる。
【００２５】
重要な利点は、熱交換を介する外気の予熱と空気を熱い媒体として用いることであるため、安全性を増加することができ、漏れ損失は重要でない。
【００２６】
閉鎖水循環を用いることで新鮮な水の供給を省略することができる。
【００２７】
本発明に係るシステムは、可能な作動方法を通して、追加要素なしで操作でき、該作動方法は始動操作に特に適用される。その結果、望ましく多孔性バーナーとして製造されるべきであるアフターバーナーを用いて、運転温度までに暖機を行うことができる。
【００２８】
下記の例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。
【００２９】
図1は本発明に係るシステムの一例の概略構成を示している。
これについては、燃料(生体ガス、天然ガス、石炭ガス、プロパン、ブタン、メタノール、及び/またはエタノール)は未図示のコンプレッサーで特定の過剰圧力に増圧され、次に、組立フィルタ(assembled filter)(図示せず)で浄化され、脱硫される。必要ならば、ガスの中に存在可能な酸素も除去することができる。燃料は自己熱リフォーマー３において湿った空気と混合される。触媒の影響下で改良のガスが発生し、またスタックを形成する燃料電池1に導入される。電気化学的酸化により変換可能な、改良のガスになお含まれている何らかの炭化水素(ＣＨ４)のガス成分(Ｈ２、ＣＯ)への変換も、燃料電池1における内部改質により行われる。また、電気化学反応がそこで行われ、電流を発生させる。インバーターを介して主要部(mains)へＤＣ電流(ＡＣ電流５０Ｈｚ、２３０Ｖ)を供給する。アノード側で燃料電池1からの排ガスはアフターバーナー２に導かれる。
【００３０】
図２は以下のことを示している。つまり、いかにして、第一段階で、熱交換器１０において、既に予熱された逆流する外気により、多孔性バーナー２の下流の前段で、周囲からの吸気との混合物の自動点火が防止される温度に、燃料電池1からの排ガスを冷却することができるかである。
【００３１】
多孔性バーナー２のための外気１２の取入れを、燃料電池1のための外気の取入れと独立に行うことができる。燃料電池1からの排ガスの完全酸化は多孔性バーナー２において行われる。外気は酸化熱の一部を占めており、それによって、多孔性バーナー２が冷却され、一定の温度に維持されている。アフターバーナー２である多孔性バーナーからの排ガスは、逆流熱交換器として製造された下流熱交換器９で冷却される。外部の熱コンシューマー(図示せず)で排ガスのその他の冷却を行うことができる。復水分離器８で水及び凝縮熱が得られる。凝縮した水の一部はプロセス水としてシステムに戻され、また循環ポンプを介して、水蒸気の発生のために蒸発器へ供給される。
【００３２】
燃料コンプレッサーの電力消費量を最小にするために、ベンチュリノズル(図示せず)を介して、外気は、ある量の排ガスを吸い込むことができる。その結果、ある量の排ガス流は分岐され、外気と混合する。ベンチュリノズルは、外気流より燃料排ガス側で低圧力(underpressure)を発生させ、その結果、燃料電池1を通る燃料流量に増幅効果をもたらす。
【００３３】
周囲からの外気は、空気コンプレッサー(図示せず)を通してシステムに送られ、粒子フィルター(図示せず)において浄化される。ベンチュリノズルにより一部のアフターバーナーガスはこの外気と混合でき、その後、アフターバーナー２において加熱できる。このように供給された熱が、少なくとも７００℃の温度に空気を加熱するために十分でないので、その後、システムにおいてさらなる空気加熱は、プレート熱交換器(復熱装置)として構成できる高温熱交換器５を用いて、カソード側に導かれた燃料電池1からの加熱された排気により行われる。このように加熱された外気はカソード側で高温熱交換器５から燃料電池１に供給され、該カソード側に含まれている酸素が電気化学反応に参加する。高温熱交換器５の後の排気の余熱は蒸発のための熱源として部分的に利用され、残りは更なる熱コンシューマーＷＮのために利用できる。蒸発器で冷却された排気の一部は、戻されたプロセス水から発生した蒸気の一部と混合し、またリフォーマー３で湿潤された空気として利用することができる。
【００３４】
相当量の空気が燃料電池１の冷却のために必要であるので、空気コンプレッサーの電力はシステムの総消費電力の相当な量を表す。熱い排気からの残留熱をコンプレッサーの駆動に使用できる場合、これらの需要を低減することができる。水蒸気の生成を介してこれを行うことができる。発生した蒸気は、空気コンプレッサー及び/または燃料コンプレッサーの駆動に利用できる。煙突を通して追加空気の吸引により空気の取入れを増大することができる。
【００３５】
図１及び２から判るように、本発明において、カソード側で燃料電池１に供給される前に、外気を多段で加熱することができる。これは、熱交換器６におけるアフターバーナー２からの排ガス、アフターバーナー２に組み込まれ、アフターバーナーに収容されまたはアフターバーナーに接続された熱交換器４、熱交換器１０(図２に係る例)、及び高温熱交換器５を用いて達成することができる。
【００３６】
表１はメタンで運転された天然ガスのシステムにおける特性点でのガス温度及びガス組成を示している。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
これに関連して、ポイントＡは燃料の入り口であり、ポイントＢは燃料電池１へのリフォーマー３の出口であり、ポイントＣは排ガスのための燃料電池１のアノード側の出口であり、またポイントＤはリフォーマー３への熱交換器７の出口である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は本発明に係るシステムの一例の概要図である。
【図２】図２はアフターバーナーで熱交換器の配置を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１                          燃料電池
２                          アフターバーナー
３                          リフォーマー
４、６、７、１０            熱交換器
５                          高温熱交換器
８                          復水分離器
９                          下流熱交換器
１２                        外気
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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