(57)【要約】  燃料電池システムを動作させる方法は、燃料吸入流を燃料電池スタックに提供する工程と、燃料電池スタックを動作させて、電気と水素含有燃料排出流とを発生させる工程と、分圧スイング吸着を利用して、燃料排出流に含まれる水素の少なくとも一部を分離する工程と、燃料排出流から分離された水素を水素貯蔵容器または水素使用装置に提供する工程と、を含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムを動作させる方法であって、
燃料吸入流を燃料電池スタックに供給する工程と、
前記燃料電池スタックを動作させて、電気と水素含有燃料排出流とを発生させる工程と、
分圧スイング吸着を利用して、前記燃料排出流に含まれる水素の少なくとも一部を分離する工程と、
前記燃料排出流から分離された前記水素を水素貯蔵容器または水素使用装置に供給する工程と、
を含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記燃料吸入流が炭化水素燃料吸入流を含み、
前記燃料電池スタックが固体酸化物燃料電池スタックを含み、
前記燃料排出流が、水素、一酸化炭素、水蒸気および二酸化炭素を含み、
前記分離する工程が、少なくとも１つの吸着床において前記燃料排出流中の少なくとも前記二酸化炭素の大部分および前記水蒸気の一部を吸着するとともに、前記燃料排出流中の前記水素および前記一酸化炭素の少なくとも大部分が前記少なくとも１つの吸着床を通過できるようにする工程を含む、方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、
前記分離する工程が、
第１の吸着床が飽和するまで前記第１の吸着床に加圧されていない燃料排出流を供給して前記第１の吸着床において前記燃料排出流中の少なくとも前記二酸化炭素の大部分および前記水蒸気の一部を吸着するとともに、吸着された二酸化炭素および水蒸気を脱離させるために５０％以下の相対湿度を有する空気を第２の吸着床を通るように供給することにより前記第２の吸着床を再生させる工程と、
前記第２の吸着床が飽和するまで前記第２の吸着床に加圧されていない燃料排出流を供給して前記第２の吸着床において前記燃料排出流中の少なくとも前記二酸化炭素の大部分および前記水蒸気の一部を吸着するとともに、吸着された二酸化炭素および水蒸気を脱離させるために５０％以下の相対湿度を有する空気を前記第１の吸着床を通るように供給することにより前記第１の吸着床を再生させる工程と、
を含む方法。
【請求項４】
請求項２に記載の方法において、
前記水素を供給する工程が、前記燃料排出流から分離された前記水素を前記水素貯蔵容器に供給する工程を含む、方法。
【請求項５】
請求項２に記載の方法において、
前記水素を供給する工程が、前記燃料排出流から分離された前記水素を前記水素使用装置に供給する工程を含む、方法。
【請求項６】
請求項２に記載の方法において、
前記水素使用装置が、車両内に配置されたＰＥＭ燃料電池システムを含み、
前記水素を供給する工程が、
前記水素貯蔵容器に前記水素を供給し次いで同水素を同水素貯蔵容器から前記ＰＥＭ燃料電池システムに供給する工程、又は、前記水素を前記水素貯蔵容器に供給することなく前記水素を前記ＰＥＭ燃料電池システムに提供する工程を含む、方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、更に、
前記ＰＥＭ燃料電池システムに水素を提供する工程の前であって且つ分圧スイング吸着によって前記水素を前記燃料排出流から分離する工程の後に、一酸化炭素を水素含有流から除去する工程を含む、方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、
前記一酸化炭素を除去する工程が、圧力スイング吸着またはサバティエ反応を利用して一酸化炭素を除去する工程を含む、方法。
【請求項９】
請求項２に記載の方法であって、更に、
前記燃料排出流から分離された前記水素を第１の流れおよび第２の流れに分割する工程と、
前記第１の流れを前記炭化水素燃料吸入流中に供給する工程と、
前記第２の流れを前記水素貯蔵容器または前記水素使用装置に供給する工程と、
を含む方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、更に、
前記燃料排出流から分離された前記水素を前記炭化水素燃料吸入流中に供給することと、前記燃料排出流から分離された前記水素を前記水素貯蔵容器に供給することと、を交互に行う工程を含む方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法であって、更に、
加湿器を使用することにより、前記燃料排出流に含まれる水蒸気を使用して前記燃料吸入流を加湿する工程と、
前記加湿する工程の後に、前記燃料排出流中の前記水蒸気の少なくとも一部を凝縮させ取り除く工程と、を含み、
前記凝縮させ取り除く工程の後に前記分離する工程を実施し、更に、
前記燃料排出流から分離された水素を前記燃料吸入流に再循環させることなく且つ前記燃料排出流の一部を前記燃料吸入流に再循環させることなく、前記燃料排出流から分離された水素をすべて水素貯蔵容器または水素使用装置に供給する工程と、
を含む方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法であって、更に、
前記燃料排出流を少なくとも２つの流れに分離する工程と、
第１の燃料排出流を前記燃料吸入流に再循環させる工程と、
分圧スイング吸着を利用して、第２の燃料排出流に含まれる水素および一酸化炭素の少なくとも一部を分離する工程と、
前記分離された水素の第１の部分を前記水素使用装置または前記水素貯蔵容器に供給する工程と、
前記分離された水素の第２の部分を前記燃料吸入流に供給する工程と、
を含む方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法において、
前記分離する工程が、
（ａ）第１の供給／パージ工程であって、
前記燃料排出流の少なくとも一部を含む供給ガス吸気流を第１の吸着床に供給する工程と、
前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む供給ガス排気流を第１の出力側において収集する工程と、
パージガス吸気流を第２の吸着床に供給する工程と、
パージガス排気流を第２の出力側において収集する工程と、
を含む工程、
（ｂ）前記第１の供給／パージ工程の後に実施される第１の洗浄工程であって、
前記パージガス吸気流を前記第１の吸着床に供給する工程と、
前記第１の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含む前記パージガス排気流を前記第１の出力側において収集する工程と、
前記供給ガス吸気流を前記第２の吸着床に供給する工程と、
前記第２の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む前記供給ガス排気流を前記第２の出力側において収集する工程と、
を含む工程、
（ｃ）前記第１の洗浄工程の後に実施される第２の供給／パージ工程であって、
前記供給ガス吸気流を前記第２の吸着床に供給する工程と、
前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む前記供給ガス排気流を前記第１の出力側において収集する工程と、
前記パージガス吸気流を前記第１の吸着床に供給する工程と、
前記パージガス排気流を前記第２の出力側において収集する工程と、
を含む工程、及び
（ｄ）前記第２の供給／パージ工程の後に実施される第２の洗浄工程であって、
前記パージガス吸気流を前記第２の吸着床に供給する工程と、
前記第２の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含む前記パージガス排気流を前記第１の出力側において収集する工程と、
前記供給ガス吸気流を前記第１の吸着床に供給する工程と、
前記第１の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む供給ガス排気流を前記第２の出力側において収集する工程と、
を含む工程、
を備える方法。
【請求項１４】
燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
複数の吸着床を備える分圧スイング吸着ユニットと、
前記燃料電池スタックの燃料排出口を前記分圧スイング吸着ユニットの第１の導入口に動作可能に接続する第１の導管と、
パージガス源を前記分圧スイング吸着ユニットの第２の導入口に動作可能に接続する第２の導管と、
前記分圧スイング吸着ユニットの排出口を水素使用装置または水素貯蔵容器に動作可能に接続する第３の導管と、
を備える燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のシステムにおいて、
前記燃料電池スタックが固体酸化物燃料電池スタックを含み、
前記複数の吸着床が、二酸化炭素および水蒸気を水素および一酸化炭素よりも優先的に吸着する材料を含み、
前記システムが、動作中、前記分圧スイング吸着ユニットに供給される燃料電池スタックの燃料排出流を圧縮するコンプレッサを有さない、システム。
【請求項１６】
請求項１４に記載のシステムにおいて、
前記第３の導管が、前記分圧スイング吸着ユニットの排出口を前記水素貯蔵容器に動作可能に接続する、システム。
【請求項１７】
請求項１４に記載のシステムにおいて、
前記第３の導管が、前記分圧スイング吸着ユニットの排出口を前記水素使用装置に動作可能に接続する、システム。
【請求項１８】
請求項１４に記載のシステムであって、更に、
前記分圧スイング吸着ユニットの排出口に動作可能に接続された導入口と、前記水素貯蔵容器または前記水素使用装置に動作可能に接続された第１の排出口と、前記燃料電池スタックの燃料導入口に動作可能に接続された第２の排出口と、を有する切換弁、を備えるシステム。
【請求項１９】
請求項１８に記載のシステムであって、
前記分圧スイング吸着ユニットの排出口に動作可能に接続された導入口と、車両内に配置されたＰＥＭ燃料電池システムに動作可能に接続された排出口と、を有する一酸化炭素除去装置を更に備え、
動作中、前記一酸化炭素除去装置は、前記分圧スイング吸着ユニットから前記水素とともに供給されている一酸化炭素を除去し、前記水素を直接または間接的に前記ＰＥＭ燃料電池システムに供給する、システム。
【請求項２０】
請求項１９に記載のシステムにおいて、
前記一酸化炭素除去装置が、圧力スイング吸着ユニットまたはサバティエリアクタを備える、システム。
【請求項２１】
請求項１４に記載のシステムであって、更に、
前記燃料電池スタックの燃料排出口に動作可能に接続された導入口と、前記分圧スイング吸着ユニットの導入口に動作可能に接続された排出口と、を有するコンデンサおよび水分離器と、
炭化水素燃料導入導管に動作可能に接続された第１の導入口と、前記燃料電池スタック燃料の燃料排出口に動作可能に接続された第２の導入口と、前記燃料電池スタックの燃料導入口に動作可能に接続された第１の排出口と、前記コンデンサおよび水分離器に動作可能に接続された第２の排出口と、を有する燃料加湿器であって、動作中、燃料電池スタックの排出流に含まれる水蒸気を使用して燃料吸入流を加湿する燃料加湿器と、
を備えるシステム。
【請求項２２】
請求項１４に記載のシステムであって、更に、
前記燃料電池スタックの燃料排出口に動作可能に接続された導入口と、前記分圧スイング吸着ユニットの導入口に動作可能に接続された排出口と、を有するコンデンサおよび水分離器と、
前記燃料電池スタックの燃料排出口に動作可能に接続された導入口と、前記コンデンサおよび水分離器に動作可能に接続された第１の排出口と、前記燃料電池スタックの燃料導入導管に動作可能に接続された第２の排出口と、を有する多方向弁と、
を備えるシステム。
【請求項２３】
請求項１４に記載のシステムにおいて、
前記複数の吸着床が第１の吸着床および第２の吸着床を含み、
前記第１の吸着床が、動作中、
（ａ）第１の供給／パージ工程において、前記燃料電池スタックの燃料排出流の少なくとも一部を含む前記供給ガス吸気流を前記第１の導管から受け取り、前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を前記第３の導管に供給する機能と、
（ｂ）前記第１の供給／パージ工程の後に実施される第１の洗浄工程において、前記パージガス吸気流を前記第２の導管から受け取り、前記第１の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含む前記パージガス排気流を前記第３の導管に供給する機能と、
（ｃ）前記第１の洗浄工程の後に実施される第２の供給／パージ工程において、パージガス吸気流を前記第２の導管から受け取り、パージガス排気流を前記第３の導管とは異なる出力側に供給する機能と、
（ｄ）前記第２の供給／パージ工程の後に実施される第２の洗浄工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の導管から受け取り、前記第１の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む供給ガス排気流を前記第３の導管とは異なる出力側に供給する機能と、を果たし、
且つ、前記第２の吸着床が、動作中、
（ａ）第１の供給／パージ工程において、パージガス吸気流を前記第２の導管から受け取り、パージガス排気流を前記第３の導管とは異なる出力側に供給する機能と、
（ｂ）前記第１の供給／パージ工程の後に実施される第１の洗浄工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の導管から受け取り、前記第２の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む前記供給ガス排気流を前記第３の導管とは異なる出力側に供給する機能と、
（ｃ）前記第１の洗浄工程の後に実施される第２の供給／パージ工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の導管から受け取り、前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む前記供給ガス排気流を前記第３の導管に供給する機能と、
（ｄ）前記第２の供給／パージ工程の後に実施される第２の洗浄工程において、前記パージガス吸気流を前記第２の導管から受け取り、前記第２の吸着床の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含む前記パージガス排気流を前記第３の導管に供給する機能と、を果たすシステム。
【請求項２４】
燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
分圧スイング吸着を利用して、燃料電池スタックの燃料排出流に含まれる水素の少なくとも一部を分離し、前記燃料排出流から分離された前記水素を水素貯蔵容器または水素使用装置に供給する分離手段と、
を備えるシステム。
【請求項２５】
請求項２４に記載のシステムにおいて、
前記分離手段は、分圧スイング吸着を利用して、前記燃料電池スタックの燃料排出流に含まれる水素の少なくとも一部を分離し、且つ、前記燃料排出流から分離された前記水素を前記水素貯蔵容器に供給してから前記水素貯蔵容器が前記水素を車両内に配置されたＰＥＭ燃料電池システムに供給することにより、あるいは前記水素を前記水素貯蔵容器に供給することなく前記ＰＥＭ燃料電池システムに供給することにより、前記水素を前記ＰＥＭ燃料電池システムに供給する手段である、システム。
【請求項２６】
請求項２４に記載のシステムであって、更に、
前記分離手段から前記水素貯蔵容器または前記水素使用装置に供給されるガス流から一酸化炭素を除去する除去手段を備えるシステム。
【請求項２７】
請求項２４に記載のシステムにおいて、
前記燃料吸入流が炭化水素燃料吸入流を含み、
前記燃料電池スタックが固体酸化物燃料電池スタックを含み、
前記燃料排出流が、水素、一酸化炭素、水蒸気および二酸化炭素を含み、
前記分離手段が、前記燃料排出流中の少なくとも前記二酸化炭素の大部分および前記水蒸気の一部を吸着するとともに、前記燃料排出流中の前記水素および前記一酸化炭素の少なくとも大部分が通過できるようにする手段である、システム。
【請求項２８】
請求項２４に記載のシステムであって、更に、
前記燃料電池スタックの燃料排出流の少なくとも一部を含む供給ガス吸気流を供給する第１の手段と、
パージガス吸気流を供給する第２の手段と、
前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を収集する第３の手段と、
第４の手段であって、
（ａ）第１の供給／パージ工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の手段から受け取り、前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を前記第３の手段に供給し、
（ｂ）前記第１の供給／パージ工程の後に実施される第１の洗浄工程において、前記パージガス吸気流を前記第２の手段から受け取り、前記第４の手段の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含むパージガス排気流を前記第３の手段に供給し、
（ｃ）前記第１の洗浄工程の後に実施される第２の供給／パージ工程において、パージガス吸気流を前記第２の手段から受け取り、パージガス排気流を前記第３の手段とは異なる出力側に供給し、
（ｄ）前記第２の供給／パージ工程の後に実施される第２の洗浄工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の手段から受け取り、前記第４の手段の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む供給ガス排気流を前記第３の手段とは異なる出力側に供給する、第４の手段と、
第５の手段であって、
（ａ）第１の供給／パージ工程において、パージガス吸気流を前記第２の手段から受け取り、パージガス排気流を前記第３の手段とは異なる出力側に供給し、
（ｂ）前記第１の供給／パージ工程の後に実施される第１の洗浄工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の手段から受け取り、前記第５の手段の空隙容積内に捕捉された前記パージガスの一部を含む前記供給ガス排気流を前記第３の手段とは異なる出力側に供給し、
（ｃ）前記第１の洗浄工程の後に実施される第２の供給／パージ工程において、前記供給ガス吸気流を前記第１の手段から受け取り、前記供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む前記供給ガス排気流を前記第３の手段に供給し、
（ｄ）前記第２の供給／パージ工程の後に実施される第２の洗浄工程において、前記パージガス吸気流を前記第２の手段から受け取り、前記第５の手段の空隙容積内に捕捉された前記供給ガスの少なくとも１つの成分を含む前記パージガス排気流を前記第３の手段に供給する、第５の手段と、
前記燃料排出流から分離された前記水素を第１の流れおよび第２の流れに分割し、前記第１の流れを前記炭化水素燃料吸入流に供給し、前記第２の流れを前記水素貯蔵容器または前記水素使用装置に供給する第６の手段と、
を備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連特許出願の相互参照）
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる２００５年７月２５日出願の米国特許出願第１１／１８８，１２３号の利益を主張する。
【０００２】
（発明の背景）
本発明は、概して燃料電池システムの分野に関し、特に、分圧スイング吸着によるアノード排出燃料の回収を行う燃料電池システムに関する。
【０００３】
（発明の概要）
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する電気化学装置である。高温燃料電池は、固体酸化物（固体電解質型）燃料電池および溶融炭酸型燃料電池を含む。これらの燃料電池は、水素燃料および／または炭化水素燃料を使用して動作し得る。固体酸化物再生燃料電池などの燃料電池の種類があり、それらは、電気エネルギーを入力として使用して酸化された燃料を酸化されていない燃料に還元することができるなどの逆の動作が可能である。
【０００４】
（好ましい態様の詳細な説明）
本発明の実施形態は、分圧スイング吸着（pressure swing adsorption）（すなわち、濃縮スイング吸着（concentration swing
adsorption））を利用して、高温燃料電池スタックの燃料排出流から水素を分離し、その分離された水素を燃料として水素貯蔵容器に提供するか、または車両に電力供給するのに使用される低温燃料電池スタックなどの水素使用装置に提供する、システムおよび方法を提供する。所望により、分離された水素の少なくとも一部は、また、高温燃料電池スタックの燃料吸入流中に再循環されてもよい。好ましくは、高温燃料電池スタックは炭化水素燃料で動作する固体酸化物燃料電池スタックを含み、低温燃料電池スタックは水素燃料で動作するＰＥＭ燃料電池スタックを含む。以下に記載される最初の４つの実施形態は、水素を燃料排出流から分離するために使用され得る種々の分圧スイング吸着ガス分離方法および装置を対象としている。第５および第６の実施形態は、水素分離のため、分圧スイング吸着方法および装置を使用する燃料電池システムを対象としている。
【０００５】
本発明の第１の実施形態は、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）排気から燃料を回収するなど、ガス分離のための４工程の分圧スイング吸着（すなわち、濃縮スイング吸着）サイクルを提供する。活性炭などの吸着剤が充填された２つの吸着床が使用され、二酸化炭素および水（すなわち、水蒸気）を燃料排気から吸着し、水素および一酸化炭素が吸着床を通過できるようにする。吸着床は、好ましくは向流（逆流）的に、適度な相対湿度（約３０％〜約５０％の相対湿度など）にまで乾燥された空気を用いて再生される。例えば、再生のための乾燥空気は、シリカゲルまたは活性アルミナを使用した温度スイング吸着サイクルにおいて生成され得る。洗浄工程は、付加的な水素を回収し、空気が回収された燃料を汚染するのを防ぐために用いられる。吸着および再生（すなわち、供給およびパージ）工程の持続時間は、好ましくは、洗浄工程の持続時間の少なくとも５倍、例えば１０〜５０倍の長さである。
【０００６】
これにより、最適なガス分離のための信頼性が高くエネルギー効率の良いサイクルが提供される。例えば、サイクルは、水素を最大限に取り戻し、二酸化炭素および空気を最大限に排除する、向流パージ工程および並流洗浄工程を有する分圧スイング吸着（本明細書では、濃縮スイング吸着とも称される）に基づいた高効率サイクルである。吸着床は好ましくは空気を用いて再生されるので、再生終了時に吸着床に残った空気を燃料電池スタックへ押し戻すことは望ましくない。さらに、再生工程の開始時には、流れが取り除かれた吸着床はガス相の水素を含んでいる。この水素を回収することが望ましい。洗浄工程は、再生終了時に吸着床に残った空気を取り除いて、この空気が燃料電池スタックに戻ることを防ぐとともに、再生工程の開始時に吸着床に残っている水素を燃料電池スタックの燃料導入口に供給するために用いられる。
【０００７】
第１の実施形態のシステムおよび方法は、固形酸化物燃料スタックの燃料排出流中の水素から二酸化炭素を分離する吸着システムに関して記載され例証されるが、第１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一部ではないか、又は、例えば溶融炭酸型燃料電池システムなどの固体酸化物燃料電池システム以外の燃料電池システムの一部である「いかなる多成分ガス流を分離すること」にも使用され得ることに留意されたい。したがって、第１の実施形態のシステムおよび方法は、二酸化炭素から水素を分離することに限定されるものと見なされるべきではない。吸着床の吸着剤は、分離されるガスに基づいて選択され得る。
【０００８】
図１は、第１の実施形態のガス分離装置１を示す。装置１は、動作中に供給ガス吸気流（吸入流、入口流）を提供する第１の供給ガス吸気（吸入、入口）導管３を含む。装置１が燃料電池スタックの燃料排出流から水素を分離するのに使用される場合、導管３は燃料電池スタックのアノード排出口に動作可能に接続される。本明細書において、２つの要素が「動作可能に接続されている」とは、その二つの要素が直接または間接的に接続されて、一方の要素から他方の要素に流体が直接または間接的に流れることができることを意味する。装置１はまた、動作中にパージガス吸気流（吸入流、入口流）を提供する第２のパージガス吸気（吸入、入口）導管５を含む。
【０００９】
装置は、動作中に供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を収集する第３の供給ガス収集導管７を含む。装置１が、燃料電池スタックの燃料排出流から水素を分離し、且つ、その水素を燃料電池スタックの燃料導入口に再循環させるのに使用される場合、導管７は、燃料電池スタックの燃料導入口に動作可能に（即ち、スタックの燃料導入口に直接、又は、そのスタックの燃料導入口に動作可能に接続された燃料導入導管に）接続される。装置はまた、動作中、洗浄工程の期間に供給ガス排気流を収集し、供給／パージ工程の期間にパージガス排気流を収集する第４のパージガス収集導管９を含む。
【００１０】
したがって、装置１が、燃料電池スタックの燃料排出流から水素を分離するのに使用される場合、第１の導管３は、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、および水蒸気の吸気導管を構成し、第２の導管５は乾燥空気吸気導管を構成し、第３の導管７は水素および一酸化炭素の除去・再循環導管を構成し、第４の導管９は二酸化炭素および水蒸気の除去導管を構成する。
【００１１】
装置１はまた、少なくとも２つの吸着床１１および１３を含む。吸着床は、供給ガスの１つまたは複数の所望の成分の少なくとも大部分（例えば、少なくとも８０〜９５％）を吸着し、１つまたは複数の他の成分の大部分が通過できるようにする任意の好適な吸着剤を含み得る。例えば、吸着床の材料は、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からなってもよい。活性炭は、燃料電池スタックの燃料排出流内の水蒸気および二酸化炭素から水素および一酸化炭素を分離するのに好適である。ゼオライトは同様に二酸化炭素を吸着する。しかしながら、ゼオライトは水を非常に強く吸着し、再生のためには、得ることが困難である非常に乾燥したガスを使用するべきである。したがって、ゼオライト床は、必ずしもそうとは限らないが、水蒸気を含有しないガス流を分離するのに好ましく使用できる。何故なら、水蒸気含有ガスを分離するのにゼオライト床を使用する装置は、ゆっくりとした性能低下を示し得るからである。
【００１２】
装置１はまた、ガス流を方向付ける複数の弁を含む。例えば、装置は、「二重ＬＬ」流路を備えた３つの四方弁、即ち、供給弁１５、再生弁１７および生成物弁１９を含み得る。供給弁１５は、第１の導管３に、２つの吸着床１１及び１３に、且つ、導管２１によって再生弁１７に、接続される。再生弁１７は、第２の導管５に、第４の導管９に、導管２１によって供給弁１５に、導管２３によって生成物弁１９に、接続される。生成物弁１９は、第３の導管７に、２つの吸着床１１及び１３に、導管２３によって再生弁１７に、接続される。四方弁は、一度に２つの流れの方向を変えるために使用され得る。そのような弁は、様々な大きさのものを入手可能であり、例えば、Ａ−Ｔ  Ｃｏｎｔｒｏｌｓ，Ｉｎｃ．，（米国オハイオ州シンシナティ、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａ−ｔｃｏｎｔｒｏｌｓ．ｃｏｍ）から、入手可能である。所望により、各四方弁は、２つの三方弁または４つの二方弁に置き換えられてもよく、あるいはマニホルドを含む全く異なる流れ分配システムに置き換えられてもよい。
【００１３】
したがって、弁１５、１７、１９は、好ましくは、パージガス吸気流が、パージ工程中に供給ガス吸気流と向流的（逆流的）に、且つ、洗浄工程中に供給ガス吸気流と並流的に、吸着床１１および１３に提供されるように動作する。換言すれば、第１の導管３は、第１の吸着床１１および第２の吸着床１３に動作可能に接続されて、供給ガス吸気流を第１の方向で第１の吸着床１１および第２の吸着床１３に提供する。第２の導管５は、第１および第２の供給／パージ工程の間、パージガス吸気流が第１の方向とは異なる方向（反対方向など）で第１の吸着床１１および第２の吸着床１３のそれぞれに提供され、且つ、第１および第２の洗浄工程の間、パージガス吸気流が第１の方向（即ち、供給ガス給気流と同じ方向）で第１の吸着床および第２の吸着床に提供されるように、弁１７および１９を介して第１の吸着床１１および第２の吸着床１３に動作可能に接続される。
【００１４】
図２Ａ〜２Ｄは、システム１の動作サイクルの工程を示す。図２Ａは、第１の吸着床１１に燃料電池スタックの燃料排出流などの供給ガス吸気流が供給されるとともに、第２の吸着床１３を再生するために第２の吸着床１３に乾燥空気などのパージガスが供給される第１の供給／パージ工程中の装置１を示す。
【００１５】
供給ガス吸気流は、弁１５を介して導管３から第１の吸着床１１に提供される。水素、一酸化炭素、二酸化炭素、および水蒸気を含有する供給ガスの場合、水素および一酸化炭素の大部分（例えば、少なくとも８０〜９５％）は第１の吸着床１１を通過するとともに、二酸化炭素の大部分（例えば、少なくとも８０〜９５％）及び水蒸気の殆どは第１の吸着床に吸着される。水素および一酸化炭素などの供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む供給ガス排気流は、弁１９を通過し、第３の導管７などの第１の出力側にて収集される。
【００１６】
乾燥空気などのパージガス吸気流は、弁１７、導管２３および弁１９を介して、第２の導管５から第２の吸着床１３に供給される。パージガス排気流は、導管２１、弁１５および弁１７を通過し、第４の導管９などの第２の出力側にて収集される。
【００１７】
第１の供給／パージ工程において、弁の位置は、弁１５が供給物を第１の吸着床１１に方向付け、弁１９が導管７に水素生成物を逃がすような状態である。弁１７は、第２の吸着床を介して乾燥空気を向流的に押し流し、先立って吸着されていた二酸化炭素を取り除くように位置される。供給ガス流中の水の一部は、第１の吸着床１１の導入口において活性炭などの吸着剤に吸着され、後続の工程で再生されるときに吸着床１１から取り除かれる。一酸化炭素は、二酸化炭素の波が前進するにつれて第１の吸着床１１を通過する。
【００１８】
図２Ｂは、第１の供給／パージ工程の後に実施される第１の洗浄工程における装置１を示す。この工程では、供給弁１５および再生弁１７は先の工程から流れの方向を切り換え、一方、生成物弁１９は流れの方向を切り換えない。
【００１９】
パージガス吸気流は、弁１７、弁１５および導管２１を介して、導管５から第１の吸着床１１に提供される。好ましくは、このパージガス吸気流は、先の工程における供給ガス流と同じ方向で第１の吸着床１１に提供される。第１の吸着床の空隙容積内に捕捉された水素などの供給ガスの少なくとも１つの成分を含むパージガス排気流は、導管７などの第１の出力側にて収集される。
【００２０】
供給ガス吸気流は、弁１５を介して導管３から第２の吸着床１３に供給される。第２の吸着床１３の空隙容積内に捕捉された空気などのパージガスの一部を含む供給ガス排気流は、弁１９、弁１７および導管２３を通過し、第１の出力側とは異なる導管９などの出力側にて収集される。
【００２１】
したがって、第１の洗浄工程においては、第１の吸着床１１の空隙容積内に捕捉されていた水素は、入ってくる空気および脱離する二酸化炭素によって生成物へと押し流される。第２の吸着床１３の空隙容積内に捕捉されていた空気は、入ってくる供給ガスによって吸着床１３からパージされる（取り除かれる）。この工程は、先の供給工程から捕捉された水素を回収し続け、次の弁切換えの後において先のパージ工程からの空気が水素含有生成物を汚染するのを防ぐことによって、プロセスの全体的な効率を改善する。この洗浄工程は、先の供給／パージ工程の時間の１／５未満、例えば、先の工程の時間の１／１０〜１／５０など、短いものである。例えば、約９０秒の供給／パージ工程の場合、洗浄工程は約４秒であってもよい。
【００２２】
図２Ｃは、第１の洗浄工程の後に実施される第２の供給／パージ工程における装置１を示す。この工程では、第２の吸着床１３には燃料電池スタックの燃料排出流などの供給ガス流が供給され、第１の吸着床１１には乾燥空気などのパージガスが供給されて、第１の吸着床１１を再生する。したがって、この工程では、弁１７および弁１９の流路が切り換わる。この工程は、概して第１の供給／パージ工程と同様であるが、吸着床は入れ替えられている。
【００２３】
供給ガス吸気流は、弁１５を介して導管３から第２の吸着床１３に供給される。好ましくは、供給ガス吸気流は、第１のパージ工程においてパージガス吸気流が第２の吸着床１３に供給される方向とは反対（すなわち、向流）方向で第２の吸着床１３に供給される。水素および一酸化炭素などの供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む供給ガス排気流は、第３の導管７などの第１の出力側において収集される。パージガス吸気流は、弁１７、弁１９および導管２３を介して、導管５から第１の吸着床１１に供給される。好ましくは、パージガス吸気流は、第１の供給工程において供給ガス吸気流が第１の吸着床１１に供給される方向とは反対（すなわち、向流）方向で第１の吸着床１１に提供される。パージガス排気流は、第４の導管９などの第１の出力側とは異なる出力側において第１の吸着床１１から収集される。
【００２４】
図２Ｄは、第２の供給／パージ工程の後に実施される第２の洗浄工程における装置１を示す。この工程では、供給弁１５および再生弁１７は先の工程とは流れの方向を切り換えるが、生成物弁１９は切り換えない。この工程は第１の洗浄工程に類似しているが、吸着床は入れ替えられている。
【００２５】
パージガス吸気流は、弁１７、弁１５および導管２１を介して、導管５から第２の吸着床１３に供給される。好ましくは、この流れは、先の２つの工程における供給ガス吸気流と同じ方向で吸着床１３に供給される。第２の吸着床１３の空隙容積内に捕捉された水素などの供給ガスの少なくとも１つの成分を含むパージガス排気流は、第３の導管７などの第１の出力側において収集される。
【００２６】
供給ガス吸気流は、弁１５を介して導管３から第１の吸着床１１に供給される。第１の吸着床１１の空隙容積内に捕捉された空気などのパージガスの一部を含む供給ガス排気流は、第４の導管９などの第１の出力側とは異なる出力側において収集される。その後、図２Ａに示される第１の供給／パージ工程が繰り返される。一般に、上述の４つの工程は同じ順序で複数回繰り返される。
【００２７】
なお、供給ガス吸気流は、上述の工程において、好ましくは第１の吸着床１１および第２の吸着床１３それぞれに同じ方向で供給されることに留意されたい。第１および第２の洗浄工程においては、パージガス吸気流は、供給ガス吸気流の方向と同じ方向で、第１および第２の吸着床それぞれに供給される。対照的に、第１および第２の供給／パージ工程においては、パージガス吸気流は、供給ガス吸気流の方向の反対方向などの供給ガス吸気流と異なる方向で第１および第２の吸着床それぞれに提供される。
【００２８】
向流（逆流）的なパージガス吸気流は、並流に比べて、パージ工程の間の水素生成物流中の二酸化炭素の量を低減させると考えられるので有利である。一部の水は、供給工程の間、炭素吸着床の導入口の近くで吸着されるであろう。パージまたは再生工程の間、吸着床は乾燥空気で向流的にパージされる。二酸化炭素を吸着するために活性炭が使用され、活性炭は適度に低い相対湿度ではあまり水を吸着しないので、吸着床における水の蓄積を防ぐためには、再生パージは約３０〜５０％の相対湿度まで乾燥させればよい。供給工程の間、一酸化炭素は、吸着床を効率的に使用して二酸化炭素を取り除くことにより（すなわち、二酸化炭素の波を吸着床の内部深くまで適度に前進させることにより）、生成物（水素を備える）内に押し込まれる。向流の再生工程は、並流の再生工程に比べて、水素流中の二酸化炭素のレベルを低減する。二重の洗浄工程は、水素生成物からの水素の回収と空気の排除を最大限にする。
【００２９】
上述したように、分圧スイング吸着法では、供給ガス吸気流は、第１および第２の吸着床に供給される前に加圧されない。さらに、上記の４つの工程は、好ましくは吸着床を外部から加熱することなく実施される。
【００３０】
動作中、第１の吸着床１１は次の機能を果たす。第１の吸着床１１は、第１の供給／パージ工程において、供給ガス吸気流を第１の導管３から受け取り、供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を第３の導管７に供給する。第１の吸着床１１は、第１の洗浄工程において、パージガス吸気流を第２の導管５から受け取り、第１の吸着床の空隙容積内に捕捉された供給ガスの少なくとも１つの成分を含むパージガス排気流を第３の導管７に提供する。第２の供給／パージ工程において、第１の吸着床１１は、パージガス吸気流を第２の導管５から受け取り、パージガス排気流を、第４の導管９などの第３の導管７とは異なる出力側に提供する。さらに、第１の吸着床１１は、第２の洗浄工程で、供給ガス吸気流を第１の導管３から受け取り、第１の吸着床の空隙容積内に捕捉されたパージガスの一部を含む供給ガス排気流を第４の導管９などの第３の導管７とは異なる出力側に提供する。
【００３１】
動作中、第２の吸着床１３は次の機能を果たす。第２の吸着床１３は、第１の供給／パージ工程において、パージガス吸気流を第２の導管５から受け取り、パージガス排気流を第４の導管９などの第３の導管７とは異なる出力側に提供する。第２の吸着床１３は、第１の洗浄工程において、供給ガス吸気流を第１の導管３から受け取り、第２の吸着床１３の空隙容積内に捕捉されたパージガスの一部を含む供給ガス排気流を第４の導管９などの第３の導管７とは異なる出力側に提供する。第２の吸着床１３は、第２の供給／パージ工程において、供給ガス吸気流を第１の導管３から受け取り、供給ガスの少なくとも１つの分離された成分を含む供給ガス排気流を第３の導管７に提供する。さらに、第２の吸着床１３は、第２の洗浄工程において、パージガス吸気流を第２の導管５から受け取り、第２の吸着床１３の空隙容積内に捕捉された供給ガスの少なくとも１つの成分を含むパージガス排気流を第３の導管７に提供する。
【００３２】
したがって、少なくとも供給ガス吸気流中の二酸化炭素および水蒸気の大部分は、第１の吸着床１１および第２の吸着床１３により第１および第２の供給／パージ工程のそれぞれの期間において、吸着される。吸着された二酸化炭素および水蒸気は、パージガス吸気流によって第１および第２の吸着床から第２および第１の供給／パージ工程のそれぞれの期間において、取り除かれる。取り除かれた二酸化炭素および水蒸気は、第２および第１の供給／パージ工程の間、第２の出力側においてパージガス排気流によって収集される。
【００３３】
吸着床の再生（すなわち、パージング）は、ＣＯ２が脱離するときに吸着床を冷却することを伴うことに留意されたい。これは、ＣＯ２の吸着平衡をより低い分圧に移行させ、再生を遅らせると考えられる。このこと及び再生の間の拡大する前面速度（速度フロント）は、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に入れられてもよい。例えば、再生のための吸入空気の容積測定による流量は、水素および一酸化炭素の排気流量よりも、例えば、１．５倍程度、多くてもよい。再生の間の二酸化炭素の脱離を可能にすることで、再生のための排気流量は供給物の吸気流量を上回ると考えられる。
【００３４】
装置１は、次の非限定的な特徴を有してもよい。吸着床の材料は、好ましくは、燃料電池スタックの燃料排気から水素を分離するための活性炭を含む。例えば、カルゴンＢＰＬ活性炭の６×１６または４×１０のメッシュが使用されてもよい。吸着床１１および１３は、燃料電池スタックのサイズおよびガスの流量に応じて、例えば、直径６インチおよび長さ３フィートなど、直径２〜１２インチおよび長さ１〜６フィートの円筒状の吸着床であってもよい。供給／パージ工程の持続時間は１分を超えてもよく、洗浄工程の持続時間は数秒であってもよい。例えば、供給／パージの持続時間は１〜３分（例えば、１．５分など）であってもよく、洗浄の持続時間は３〜５秒（例えば、４秒など）であってもよい。
【００３５】
第１の実施形態の方法は、高い水素回収（洗浄工程による）、高い二酸化炭素分離（洗浄および向流の再生工程による）、高い程度の空気の排除（洗浄工程による）、３０〜５０％の相対湿度を有する空気などの比較的低い乾燥度を有するパージガスを使用した再生、低いエネルギーを必要とすること、高いロバスト性（すなわち、動作条件の変化に対して容易に調製可能であり適応可能である）、可動部が少ない簡単な動作、高い拡張性、ならびに低いか適度な資本コストを提供するように意図されている。
【００３６】
パージ工程のための乾燥空気は、任意の適切な方法によって得られ得る。例えば、乾燥空気は、シリカゲルまたは活性アルミナの吸着床などの水蒸気吸着床を用いて、温度スイング吸着サイクルを利用して容易に得ることができる。シリカゲルは、アルミナよりも水の処理能力がいくらか高い。しかしながら、非常に乾燥しているときに水蒸気と接触すると割れてしまう。これが起こる可能性が高い場合、ばい焼しないシリカゲルの保護層を使用することができ、あるいは活性アルミナを使用することができる。
【００３７】
温度スイング吸着サイクルは、２つの吸着床（すなわち、図１に示される吸着床１１および１３以外の吸着床）を使用する。一方の吸着床は、他方が再生（加熱および冷却）されている間、吸着モードにて使用される。サイクルの工程は次のとおりである。
【００３８】
第１の吸着工程において、１０ｍｏｌ  Ｈ２Ｏ／ｋｇの作業能力を持つシリカゲルを利用することができる。最悪のケースを考えると、空気は３０℃において水で飽和される。３０℃において飽和した空気中の水の分圧は０．０４２ｂａｒである。例えば、この湿潤空気から１４４ｓｌｐｍの乾燥空気流量を生成するためには、０．２８ｍｏｌ／分の水を取り除かなければならない。前記指定の作業能力では、シリカゲルは０．０２８ｋｇ／分の割合で消費される。２ｋｇのシリカゲルを含有する吸着床は、７２分間、流れに残っていることができる。シリカゲルの比重を０．７２（４５ｌｂ／ｆｔ３のかさ比重に対応する）とすると、その吸着床はこの時間の間に吸着床４３００個分の容積の供給物を乾燥させる（温度補正した湿潤供給物１２，０００リットルが容積２．８リットルの吸着床によって乾燥される）。その乾燥空気は導管５を介して装置１に供給される。
【００３９】
第２の加熱工程では、吸着床は、暖かい供給物（例えば、８０℃、他の好適な適度に暖かい温度、または熱い温度）によって向流的に加熱される。吸着床は、吸着床約１０００個分の容積がそこを通った後に加熱される。金属部品も加熱するためには、いくらか多いエネルギーが必要になる。
【００４０】
第３の冷却工程において、吸着床は、湿潤空気供給物と並流的に（吸着と同じ方向で）冷却される。吸着床を冷却するには吸着床約８００個分の容積を要する。これは、吸着床導入口において水を堆積させ、吸着の能力をいくらかを使い果たし、それを吸着床約３５００個分の容積まで低減させる。第１の吸着床が吸着工程にある間、第２の吸着床は加熱工程または冷却工程に置かれる。第２の吸着床が吸着工程にある間、第１の吸着床は加熱または冷却工程に置かれる。
【００４１】
上述の計算は非常に控えめであり概算であることを理解されたい。その計算は、３０℃において水で飽和された利用可能な再生のための空気に基づく。一般には、空気はより乾燥しているであろう。炭素吸着床の再生要件は緩やかである（例えば、３０〜５０％ＲＨ）。実際、涼しい日または乾燥した日には、再生空気を乾燥させることは不要である。さらに、もしドライヤーが短時間使用停止になっても本プロセスは危険にさらされないであろう。
【００４２】
本発明の第２の実施形態において、装置３１は、向流パージを用いて作動するが、洗浄工程なしで作動する。図３は、向流パージを用いるが洗浄がない単純なサイクルを利用する装置３１を示す。３つではなく２つの四方弁１５および１７が使用される。装置３１およびこの装置を使用する方法は、第１および第２の洗浄工程が省略されること以外は、第１の実施形態の装置１および方法に類似している。
【００４３】
向流パージの利点は、二酸化炭素が供給工程中に吸着床排出口から取り除かれ、より高い水素の純度が得られることである。しかし、洗浄なしでは、水素の約５％は回収されず、空気は導管７内の水素含有生成物を多少汚染する。
【００４４】
本発明の第３の実施形態において、装置４１は、洗浄工程を伴う並流パージによって動作する。図４は、並流パージおよび洗浄を利用する装置４１を示す。装置４１もまた、３つではなく２つの四方弁を使用する。第３の実施形態の装置４１および方法は、パージガス吸気流がパージ工程において、先の供給工程における供給ガス吸気流と同じ方向にて吸着床に提供されること以外は、多くの点で第１の実施形態の装置１および方法に類似している。この並流サイクルのネガティブな一面は、吸着床に残るＣＯ２が、吸着工程において出力側端部近傍に最も集中し、導管７に提供される水素含有生成物を多少汚染することである。
【００４５】
本発明の第４の実施形態においては、空気パージガスは予備乾燥されない。この実施形態において、装置は、２つまたは３つの二酸化炭素吸着床を含んでもよい。３つの吸着床サイクルには乾燥空気を必要としないものもある。例えば、二酸化炭素吸着に利用される炭素の吸着床は、燃料電池スタックの燃料排気と湿潤再生空気との両方から水を緩慢に蓄積する。吸着床は、完全に再生される前には能力は減少するものの、多くのサイクルに利用することができる。吸着床は、向流的に再生された場合、並流的に再生された場合よりも長持ちするであろう。何故なら、供給工程の間に堆積した水が再生空気によって部分的に取り除かれるからであり、また逆も同様だからである。いずれにしても、吸着床は時間とともに水を蓄積する。
【００４６】
この実施形態においては、第１の実施形態と同様、２つの活発に稼動している吸着および再生サイクルで３つの吸着床が使用されるが、第３の吸着床は、熱スイング再生によってまたは乾燥ガスによるパージングによってより徹底的に再生される。
【００４７】
さらに、大気が適度に乾燥している（すなわち、３０℃においてＲＨ＜５０％）場合、第１の実施形態と全く同じ構成で、２つの吸着床を用いる分圧吸着サイクルが使用され得る。パージガスは大量の水を炭素に堆積させず、再生中に空気を向流的に押し流すことで、燃料電池スタックの燃料排出供給物からの吸着された水が除去される。したがって、乾燥空気が雰囲気から利用可能である場合、別個の空気乾燥工程は不要である。
【００４８】
本発明の第５および第６実施形態は、第１〜第４の実施形態の吸着装置が、固体電解質型燃料電池システムなど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例示する。なお、他の燃料電池システムも使用されてもよいことに留意されたい。
【００４９】
第５の実施形態のシステムにおいては、燃料加湿器を使用して、燃料電池スタックに供給される燃料吸入流が加湿される。第６の実施形態のシステムにおいて、燃料加湿器は省略され得る。燃料電池スタックの燃料排出流の一部は、燃料吸入流を加湿するため、燃料吸入流に直接再循環される。燃料電池スタックの燃料排出流の別の一部は、最初の４つの実施形態のいずれかの吸着装置に供給され、次に、分離された水素は水素貯蔵容器または水素使用装置に供給される。
【００５０】
図５は、第５の実施形態の燃料電池システム１００を示す。システム１００は、（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およ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つの固体電解質型燃料電池を示すために概略的に示される）固体酸化物燃料電池スタックなどの燃料電池スタック１０１を含む。
【００５１】
システムはさらに、複数の吸着床（明瞭にするため図示なし）を含む最初の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、再生式ドライヤーおよび二酸化炭素スクラバー（二酸化炭素除去装置）として働く。
【００５２】
システム１００はさらに、燃料電池スタック１０１の燃料排出口１０３を分圧スイング吸着ユニット１の第１の導入口２に動作可能に接続する第１の導管３を含む。例えば、第１の導入口２は、図１に示されるように、供給弁１５および／または吸着床１１，１３の１つへの導入口を含んでもよい。システム１００はさらに、乾燥空気源または大気源６などのパージガス源を分圧スイング吸着ユニット１の第２の導入口４に動作可能に接続する第２の導管５を含む。パージガス源６は、空気ブロワまたはコンプレッサを含むとともに、複数の温度スイングサイクル吸着床を任意に含んでもよい。
【００５３】
システムはさらに、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動作可能に接続する第３の導管７を含む。所望により、第３の導管７はまた、より詳細に後述されるように、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の燃料導入口１０５に動作可能に接続する。好ましくは、システム１００は、動作中に分圧スイング吸着ユニット１に提供される燃料電池スタックの燃料排出流を圧縮するコンプレッサを有さない。
【００５４】
システム１００はさらに、ユニット１からの排出物を取り除く第４の導管９を含む。導管９は、触媒バーナ１０７または大気通気口に接続されてもよい。バーナ１０７はさらに任意的にスタックの燃料排出口１０３に動作可能に接続され、燃料排出流の一部をバーナ１０７に供給してバーナ内の反応を持続させてもよい。
【００５５】
システム１００はさらに、多方向弁（例えば三方弁）などの切換弁（選択弁）１０８を含む。切換弁１０８は、分圧スイング吸着ユニット１の排出口に動作可能に接続された導入口、水素貯蔵容器または水素使用装置に動作可能に接続された第１の排出口、および燃料電池スタック１０１の燃料導入口１０５に動作可能に接続された第２の排出口を有する。動作中、弁１０８は、ＰＰＳＡユニット１から提供される水素含有流を、炭化水素燃料吸入流中に提供される第１の流れと、水素貯蔵容器または水素使用装置に提供される第２の流れと、に分割する。
【００５６】
好ましくは、切換弁１０８の第２の排出口は、ブロワまたは熱駆動のコンプレッサ１０９を介して、燃料電池スタック１０１の燃料吸入導管１１１に動作可能に接続される。装置１０９は、（切換弁１０８を介して）分圧スイング吸着ユニット１に動作可能に接続された導入口、および燃料電池スタック１０１の燃料導入口１０５に動作可能に接続された排出口を有する。例えば、導管７は切換弁１０８を通してブロワまたはコンプレッサ１０９をユニット１に接続する。動作中、ブロワまたはコンプレッサ１０９は、燃料電池スタックの燃料排出流から分離された水素および一酸化炭素の所望量を、燃料電池スタックの燃料吸入流に制御可能に供給する。好ましくは、装置１０９は、水素および一酸化炭素を、燃料電池スタック１０１の燃料導入口１０５に動作可能に接続された燃料導入導管１１１に提供する。代替として、装置１０９は、水素および一酸化炭素を燃料電池スタック１０１の燃料導入口１０５に直接供給する。
【００５７】
システム１００はまた、コンデンサ１１３と、燃料電池スタックの燃料排出口１０３に動作可能に接続された導入口および分圧スイング吸着ユニット１の導入口２に動作可能に接続された排出口を有する水分離器１１５と、を含む。コンデンサ１１３および水分離器１１５は、燃料排出流からの水を凝縮し且つ分離する単一の装置を構成してもよく、あるいは別個の装置を備えてもよい。例えば、コンデンサ１１３は、燃料排出流が冷却用の向流または並流の空気流によって冷却されて水を凝縮する熱交換器を備えてもよい。その空気流は、燃料電池スタック１０１への空気吸気流（吸入流、入口流）を含んでもよく、または別個の冷却空気流を含んでもよい。水分離器１１５は、前記分離された水を収集する水タンクを含んでもよい。水分離器１１５は、収集した水を取り除く、かつ／または収集した水を再使用するために使用される排水管１１７を有してもよい。
【００５８】
システム１００はさらに、炭化水素燃料導入導管１１１などの炭化水素燃料源に動作可能に接続された第１の導入口、燃料電池スタックの燃料排出口１０３に動作可能に接続された第２の導入口、燃料電池スタックの燃料導入口１０５に動作可能に接続された第１の排出口、コンデンサ１１３および水分離器１１５に動作可能に接続された第２の排出口を有する燃料加湿器１１９を含む。動作中、燃料加湿器１１９は、燃料電池スタックの燃料排出流に含まれる水蒸気を使用して、再利用される水素および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、両方とも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号および米国特許出願第１０／３６８，４２５号に記載されているように、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜加湿器などのポリマー膜加湿器、エンタルピーホイール、または複数の水吸着床を含んでもよい。例えば、１つの好適なタイプの加湿器は、水蒸気とエンタルピーを移行するＮａｆｉｏｎ（登録商標）ベースの、Ｐｅｒｍａ  Ｐｕｒｅ  ＬＬＣから入手可能な透水性膜を含む。加湿器は、燃料排出流からの水蒸気およびエンタルピーを燃料吸入流に受動的に移行して、燃料吸入流における２〜２．５の炭素に対する水蒸気の比を提供する。燃料吸入流の温度は、加湿器内で約８０〜９０℃まで上昇されてもよい。
【００５９】
本発明の他の実施形態においては、ブロワまたはコンプレッサ１０９は、燃料導入導管１１１ではなく加湿器１１９に水素濃度の高い流れを供給してもよい。所望により、排水管１１７は、ポンプまたは水を方向付ける他の装置を使用することにより、追加の水を加湿器１１９に供給するために使用されてもよい。さらに、外部源からの水、および／またはスタック１０１からの加湿空気排出流も、加湿器１１９に供給されてもよい。
【００６０】
システム１００はまた、スタック燃料排出流と、加湿器１１９から提供されている炭化水素燃料吸入流と、の間で熱を交換する復熱式熱交換器１２１を含む。その熱交換器は、燃料吸入流の温度を上昇させるのを助け、コンデンサ内で燃料排出流をさらに冷却することができるとともに、加湿器を損傷しないように、燃料排出流の温度を低下させる。
【００６１】
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および一酸化炭素を含有する燃料流に改質する。その燃料流は次にスタック１０１に供給される。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内で発生する熱により及び／又はオプションとしてのバーナ／燃焼器内で発生する熱によって、放射的、対流的、及び／又は導電的に加熱され得る。代替として、スタック１０１が、改質が主にスタックの燃料電池内で起こる内部改質タイプの電池を含む場合、外部の改質器１２３は省略されてもよい。
【００６２】
オプション的に、システム１００はまた空気予熱器熱交換器１２５を含む。この熱交換器１２５は、燃料電池スタックの燃料排気の熱を使用して、燃料電池スタック１０１に供給されている空気吸気流を加熱する。所望により、この熱交換器１２５は省略されてもよい。
【００６３】
システム１００はまた、空気熱交換器１２７を含むことが好ましい。この熱交換器１２７はさらに、燃料電池スタックの排出空気（すなわち、酸化剤またはカソード）の熱を使用して、燃料電池スタック１０１に供給されている空気吸気流を加熱する。予熱器熱交換器１２５が省略される場合、空気吸気流は、ブロワまたは他の空気吸入装置によって熱交換器１２７に直接提供される。
【００６４】
システムはまた、オプション的な水−ガスシフトリアクタ１２８を含んでもよい。水−ガスシフトリアクタ１２８は、燃料排出流中の水の少なくとも一部を遊離水素に変換する任意の好適な装置であり得る。例えば、リアクタ１２８は、燃料排出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および水素に変換する触媒を含むチューブまた導管を備えることができる。したがって、リアクタ１２８は、燃料排出流中の水素の量を増加させる。その触媒は、酸化鉄またはクロム促進酸化鉄触媒などの、任意の好適な触媒であってもよい。リアクタ１２８は、燃料熱交換器１２１と空気予熱器熱交換器１２５との間に配置され得る。水−ガスシフトリアクタ１２８は、スタック内における通過ごとの燃料利用率が約５５〜６５％などと比較的低いシステムにおいて、水素使用装置または貯蔵容器に提供される水素の量を最大限にするために使用されてもよく、あるいは、水素使用装置または貯蔵容器のために多量の水素を発生させるのではなく主に電気を発生させるように動作されるシステムにおいて使用されてもよい。
【００６５】
システム１００は、水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１に動作可能に接続される。その水素貯蔵容器は、水素貯蔵タンクまたは水素分配器を含んでもよい。その容器は、輸送、発電、冷却、水素添加反応、または半導体製造において使用される水素使用装置につながる導管を含んでもよい。例えば、システム１００は、化学プラントまたは半導体プラントに配置されて、そのプラントに主電力または補助（すなわち、バックアップ）電力を供給するとともに、そのプラント内で実施される水素添加（すなわち、半導体装置のパッシベーション）または水素を必要とする他の化学反応に利用される水素を供給してもよい。
【００６６】
水素使用装置１３１はまた、低温燃料電池システムやプロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池システムなどの、水素を燃料として使用する別の燃料電池システム（燃料電池スタックなど）を含んでもよい。したがって、システム１００からの水素は燃料として１つまたは複数の追加の燃料電池１３１に供給される。例えば、システム１００は、ビルまたはビルの外もしくは下のエリアなどの固定の場所に配置されてもよく、ビルに電力を提供するのに使用される。追加の燃料電池１３１は、固定の場所に隣接したガレージまたは駐車場に置かれている車両内に配置されてもよい。車両は、自動車、スポーツ用多目的車、トラック、オートバイ、ボート、または他の燃料電池式の適切な車両を含むことができる。この場合、炭化水素燃料がシステム１００に提供され、ビル用の電気を発生させ、また、燃料電池システム１３１を動力とする車両に燃料として提供される水素を発生させる。発生させられた水素は、水素貯蔵容器１２９に一時的に格納され、次に、要求があり次第貯蔵容器から車両燃料電池１３１に供給され（ガソリンスタンドと類似）てもよく、あるいは、発生させられた水素は、導管を介してシステム１００から車両の燃料電池１３１に直接供給されてもよい。
【００６７】
システム１００はオプションとして水素調節装置を含んでもよい。水素調節装置は、ＰＰＳＡユニット１から供給される水素濃度の高いガス流を精製するか、乾燥するか、圧縮（すなわち、コンプレッサ）するか、または、そうでなければ水素濃度の高いガス流の状態点を変化させる、いかなる適切な装置であってもよい。所望により、水素調節装置は省略されてもよい。
【００６８】
水素使用装置１３１は、ＰＥＭ燃料電池システムまたは一般に一酸化炭素に不耐性である別の類似の装置を含んでもよい。したがって、水素濃度の高い流れが、車両内に配置されたＰＥＭ燃料電池または別のＣＯ不耐性の装置１３１に提供される前に、ＰＰＳＡユニット１から供給されている水素濃度の高い流れから一酸化炭素が除去されなければ（すなわち、ガス分離および／または化学反応によって取り除かなければ）ならない。
【００６９】
この場合、システム１００は、オプションとしての一酸化炭素除去装置１３３を含む。装置１３３は、分圧スイング吸着ユニット１の排出口に動作可能に接続された導入口と、車両内に配置されたＰＥＭ燃料電池システム１３１に動作可能に接続された排出口と、を含む。その一酸化炭素除去装置１３３は、動作中、分圧スイング吸着ユニット１からの水素とともに提供されている一酸化炭素を除去し、水素を直接または間接的にＰＥＭ燃料電池システム１３１に供給する。
【００７０】
一酸化炭素除去装置１３３は、吸着、化学反応、および／または他の好適な方法によって、水素濃度の高い流れから一酸化炭素を取り除く如何なる装置を含んでもよい。装置１３３は、圧力スイング吸着ユニットおよび／またはサバティエリアクタを含んでもよい。例えば、図５に示されるように、前記除去装置は、サバティエリアクタ１３５および一酸化炭素ポリッシャ１３７を含む。サバティエリアクタは、アルミナ支持体上のプラチナ族金属などの触媒を含むチューブ又は別の収容器を含む。好ましくは、触媒はルテニウムを含む。主に水素および一酸化炭素から成るガス混合物は、ＰＰＳＡシステム１からリアクタチューブに導入され、その中で触媒に接触する。そのガス混合物はすぐに発熱反応し、一酸化炭素と水素の一部とをメタンおよび水蒸気に変換する。次に、残っている一酸化炭素が、一酸化炭素を吸着する銀ベースの吸着装置を含んでもよいポリッシャ１３７内にて、水素、メタンおよび水蒸気のガス流からさらに除去される。そのポリッシャは、他の吸着床が再生されている間に１つの吸着床が一酸化炭素を吸着する複数の吸着床を含んでもよい。次に、ポリッシャからの水素、メタンおよび水蒸気を含有する排気流が、水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１に提供される（ポリッシャ１３７からの別のパージガス排出口は、明瞭にするため図示されない）。水素はＰＥＭ燃料電池システム１３１内で燃料として使用されることができ、水蒸気はＰＥＭ電解質を加湿するために使用されることができ、メタンは単にＰＥＭシステム内の希釈ガスとして働く。
【００７１】
代替として、一酸化炭素除去装置１３３は圧力スイング吸着（「ＰＳＡ」）ユニットを含んでもよい。このユニットは、水素と比べて一酸化炭素を選択的に吸着する材料を含有する１つまたは複数の吸着床への供給ガスを加圧するために往復動型のコンプレッサが使用される以外は、ＰＰＳＡユニット１に類似している。圧力スイング吸着ユニットは、ＳｋａｒｓｔｒｏｍのようなＰＳＡサイクル上にて動作してもよい。古典的なＳｋａｒｓｔｒｏｍサイクルは、加圧、供給、圧抜き及びパージの４つの基本的な工程から成る。例えば、ＰＳＡユニットは２つの吸着床を含んでもよい。一つの吸着床にコンプレッサによる加圧および供給が行われているとき、他のカラムでは圧抜きおよびパージが行われる。吸着床間にて、供給、パージおよび生成を指示するために三方弁が使用されてもよい。
【００７２】
一方、装置１３１は、高温低水和イオン交換膜電池のスタックなどの、一酸化炭素耐性の電気化学的電池（セル）を含んでもよい。このタイプのセルは、アノード電極とカソード電極の間に配置された、例えばポリベンジイミダゾール（ＰＢＩ）膜などの非フッ素化イオン交換イオノマー膜を含む。その膜は、硫酸またはリン酸などの酸でドープされる。そのようなセルの一例は、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公開公報第２００３／０１９６８９３号に開示されている。これらのセルのスタック１３１は、水素がスタックのセルに提供されると、車両または他の用途のための電気を発生する燃料電池モードで動作され得る。これらのセルは一酸化炭素耐性であり、１００〜約２００℃の温度範囲で動作する。したがって、水素含有流は、約１２０℃を超える温度でスタック１３１に提供されることが好ましい。一酸化炭素耐性の装置１３１が使用される場合、一酸化炭素除去装置１３３は省略されることが好ましい。
【００７３】
第５の実施形態のシステム１００は次のように動作する。燃料吸入流が、燃料導入導管１１１を介して燃料電池スタック１０１に供給される。燃料は、適当な燃料でよく、例えばこれに限定されることはないが、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等の炭化水素燃料、あるいは、一酸化炭素等の炭素燃料、メタノール等の酸素化炭素含有ガス、水蒸気、Ｈ２ガスまたはそれらの混合物等の水素含有ガスを含む他の炭素含有ガス、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】
燃料吸入流は加湿器１１９を通過し、そこで燃料吸入流に湿度が加えられる。次に、加湿された燃料吸入流は燃料熱交換器１２１を通過し、そこで、加湿された燃料吸入流は燃料電池スタックの燃料排出流によって加熱される。次に、加熱され加湿された燃料吸入流は、好ましくは外部の改質器である改質器１２３に供給される。例えば、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第１１／００２，６８１号に記載されている改質器を備えていてもよい。燃料改質器１２３は、炭化水素燃料を部分的または全体的に改質して、炭素含有で遊離水素（自由水素、free hydrogen）含有の燃料を形成することができる任意の好適な装置であってもよい。例えば、燃料改質器１２３は、触媒でコーティングされた通路を備えていてもよく、そこで天然ガスなどの加湿されたバイオガスが、スチーム−メタン改質反応を介して改質され、遊離水素（自由水素）、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気および随意的に残りの量の未改質のバイオガスを形成する。次に、遊離水素および一酸化炭素は、燃料電池スタック１０１の燃料（すなわち、アノード）導入口１０５に提供される。したがって、燃料吸入流に関して、加湿器１１９は熱交換器１２１の上流に配置され、熱交換器１２１は改質器１２３の上流に配置され、改質器１２３はスタック１０１の上流に配置される。
【００７５】
空気または他の酸素含有ガス（すなわち、酸化剤）吸気流（吸入流、入口流）は、好ましくは熱交換器１２７を介してスタック１０１に提供され、熱交換器１２７において、燃料電池スタックからの空気（すなわち、カソード）排出流によって加熱される。所望により、空気吸気流はコンデンサ１１３および／または空気予熱熱交換器１２５を通過し、スタック１０１の中にその空気が提供される前にその空気の温度をさらに上昇させてもよい。
【００７６】
燃料および空気が燃料電池スタック１０１に提供されると、スタック１０１は、電気および水素含有燃料排出流を発生させるように動作する。燃料排出流（すなわち、スタックのアノード排出流）は、スタックの燃料排出口１０３から分圧スイング吸着ユニット１に提供される。燃料排出流に含まれる水素の少なくとも一部は、分圧スイング吸着を利用してユニット１内で分離される。次に、ユニット１内にて燃料排出流から分離された水素は、水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１に供給される。随意に、分離された水素の一部はまた、加湿器１１９の上流にある燃料導入導管１１１の燃料吸入流に戻される。
【００７７】
燃料排出流は、次のようにユニット１に提供される。燃料排出流は、水素、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンなどのいくらかの未反応炭化水素ガス、他の反応副産物および不純物を含んでいる。例えば、燃料排気は、１６０〜２２５ｓｌｐｍ（例えば約１８６〜約１９６ｓｌｐｍなど）の流量を有し、また、約４５〜約５５％（例えば約４８〜５０％など）の水素、約４０〜約５０％（例えば約４５〜４７％など）の二酸化炭素、約２〜約４％（例えば約３％など）の水、および、約１％〜約２％の一酸化炭素を含み得る。
【００７８】
この排気流は最初に熱交換器１２１に提供され、熱交換器１２１においてその温度が好ましくは２００℃未満まで引き下げられ、このとき燃料吸入流の温度が引き上げられる。空気予熱器熱交換器１２５が存在する場合、燃料排出流は、この熱交換器１２５を介して提供され、その温度がさらに引き下げられ、このとき、空気吸気流の温度が上昇させられる。燃料排出流の温度は、例えば９０〜１１０℃まで引き下げられ得る。
【００７９】
次に、燃料排出流は燃料加湿器１１９に供給され、そこで、燃料排出流中の水蒸気の一部が燃料吸入流に移行されて、燃料吸入流を加湿する。次に、燃料排出流はコンデンサ１１３に供給され、そこで、さらに冷却され、燃料排出流から更なる水蒸気を凝縮する。燃料排出流は、燃料電池スタックの空気吸気流によって、異なる空気吸気流によって、または別の冷却液流によって、コンデンサ内で冷却される。燃料排出流から凝縮された水は、液体状態で水分離器１１５内に収集される。水は、導管１１７を介して分離器１１５から放出され、次に排水されるか再使用される。
【００８０】
次に、残っている燃料排出流ガスは、導管３を介して、分離器１１５から分圧スイング吸着ユニット１の導入口２に供給ガス吸気流として供給される。さらに、乾燥空気流などのパージガス吸気流が、ブロワまたはコンプレッサ６からユニット１へと、導管５を介して導入口４へ供給される。所望により、空気流は、ユニット１の吸着床１１および１３に供給される前に、温度スイング吸着サイクルにおいて追加の吸着床を使用して乾燥されてもよい。この場合、吸着床内のシリカゲルまたはアルミナを乾燥させるために温度スイング吸着サイクルにおいて使用される加熱空気は、通気導管１３９を介してユニット１から除去されたものでもよい。
【００８１】
このように、燃料排出流は、水素、一酸化炭素、水蒸気、二酸化炭素、可能性のある不純物および未反応炭化水素燃料を含む。ユニット１における分離工程の間、燃料排出流中の水蒸気および二酸化炭素の少なくとも大部分が、吸着床１１および１３の少なくとも１つに吸着されるとともに、燃料排出流中の水素および一酸化炭素の少なくとも大部分が、少なくとも１つの吸着床を通過することができる。具体的には、加圧されていない燃料排出流は、第１の吸着床１１に供給され、第１の吸着床１１が飽和するまで、第１の吸着床１１内の燃料排出流中に残っている水蒸気および二酸化炭素の少なくとも大部分が吸着される。このとき、第２の吸着床１３は、約３０℃において５０％以下の相対湿度を有する空気が第２の吸着床１３を通るように供給されることによって再生され、吸着された二酸化炭素および水蒸気が脱離する。第１の吸着床１１が二酸化炭素で飽和された後、加圧されていない燃料排出流は第２の吸着床１３内に供給され、第２の吸着床が飽和するまで第２の吸着床内の燃料排出流中に残っている水蒸気および二酸化炭素の少なくとも大部分が吸着される。このとき、約３０℃において５０％以下の相対湿度を有する空気が第１の吸着床を通るように供給することによって第１の吸着床が再生され、吸着された二酸化炭素および水蒸気が脱離する。
【００８２】
次に、燃料排出流（すなわち、供給ガス排気流）から分離された水素および一酸化炭素は、排出口８および導管７を介してユニット１から取り除かれ、切換弁１０８に供給される。弁１０８は、ＰＰＳＡユニット１から供給された水素含有流を、吸気導管１１１内の炭化水素燃料吸入流中に供給される第１の流れと、水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１に供給される第２の流れと、に分割する。
【００８３】
弁１０８は、第１および第２の流れが弁１０８から同時に提供されるように、水素含有流を「同時発生する第１および第２の流れ」に分割してもよい。弁１０８は、時間とともに、ＰＰＳＡユニット１から供給された水素含有流が第１の流れに供給される程度と、水素含有流が第２の流れに提供される程度と、の比を変えることができる。代替として、弁１０８は、例えば、水素含有流の少なくとも９０〜１００％を炭化水素燃料吸入流に供給することと、水素含有流の９０〜１００％を水素貯蔵容器１２９に供給することとを交互に行ってもよい。所望により、流れの１つは省略されてもよく、弁１０８は、水素含有流を、単に容器１２９／装置１３１に又は燃料導入導管１１１に絶えず向けてもよい。
【００８４】
弁１０８は、所望量の水素を燃料吸入流中に制御可能に供給し、かつ／または、水素貯蔵容器および水素使用装置の１つに制御可能に供給するため、コンピュータおよび／または操作者によって操作され得る。コンピュータまたは操作者は、任意の好適なパラメータに基づいてこの量を変えてもよい。そのパラメータは、ｉ）システム１００の検出または観測された状態（すなわち、燃料吸入流中の水素またはＣＯの量の変更を必要とするシステム動作状態の変化）、ｉｉ）燃料吸入流中の水素またはＣＯを一時的に調節することを必要とする、コンピュータに提供された以前の計算または操作者が分かっている状態、ｉｉｉ）スタックによって発生される電気のユーザによる電気需要の変化、水素などの価格と比較した電気または炭化水素燃料の価格の変化など、スタック１０１の動作パラメータの「望まれる将来的変化、現在起こっている変化、または近しい過去における変化」、および／または、ｉｖ）水素使用装置などの水素のユーザによる水素の需要の変化、電気の価格と比較した水素または炭化水素燃料の価格の変化などを含む。
【００８５】
水素濃度の高い上記第２の流れは、容器１２９または装置１３１に直接供給されてもよく、あるいは、その流れを一酸化炭素に不耐性である装置に提供する前に、先ず、その流れから一酸化炭素を除去するために一酸化炭素除去装置１３３を通るように供給されてもよい。例えば、第２の水素流は、要求に応じて又は予め規定されたスケジュールにしたがって、最初に水素貯蔵容器１２９に供給され、次に、水素貯蔵容器１２９から車両内のＰＥＭ燃料電池システム１３１などの水素使用装置に供給されてもよい。代替として、第２の水素流は、最初に水素貯蔵容器１２９に提供されることなく、ＰＥＭ燃料電池システム１３１などの水素使用装置に提供されてもよい。
【００８６】
上記切換弁から提供される水素濃度の高い上記第１の流れは、燃料導入導管１１１内の燃料吸入流に再循環される。好ましくは、水素および一酸化炭素を含有するこの水素濃度の高い第１の流れは、最初にブロワまたはコンプレッサ１０９に供給される。ブロワまたはコンプレッサ１０９は、燃料排出流から分離された所望量の水素および一酸化炭素を、燃料吸入流に制御可能に供給するのに使用される。ブロワまたはコンプレッサ１０９は、所望量の水素および一酸化炭素を燃料吸入流に制御可能に供給するため、コンピュータまたは操作者によって操作されてもよく、この量を任意の好適なパラメータに基づいて変えてもよい。そのようなパラメータは、ｉ）システム１００の検出または観測された状態（すなわち、燃料吸入流中の水素またはＣＯの量の変化を必要とするシステム動作状態の変化）、ｉｉ）燃料吸入流中の水素またはＣＯを一時的に調節することを必要とする、コンピュータに提供された以前の計算または操作者が分かっている状態、および／または、ｉｉｉ）スタックによって発生される電気のユーザによる電気需要の変化など、スタック１０１の動作パラメータの「望まれる将来的変化、現在起こっている変化、または近しい過去における変化」を含む。このように、ブロワまたはコンプレッサは、上述のおよび／または他の基準に基づいて、燃料吸入流に供給される水素および一酸化炭素の量を制御可能に変えてもよい。水素および一酸化炭素は２００℃以下まで冷却されるので、低温ブロワを使用して水素および一酸化炭素を導管１１１中に制御可能に供給することができる。所望により、切換弁１０８およびブロワまたはコンプレッサ１０９は省略されてもよく、水素濃度の高い流れの全部が、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に供給されてもよい。
【００８７】
ＰＰＳＡユニットからのパージガス排気流は、吸着床の空隙容積内に捕捉された微量の水素および／または炭化水素ガスを含んでいる。換言すれば、捕捉された水素または炭化水素ガスのいくらかは、洗浄工程によって導管７へと取り除かれ得ない。したがって、導管９が、ＰＰＳＡユニット１からバーナ１０７にパージガス排気流を供給することが好ましい。スタック１０１の空気排気流も、熱交換器１２７を介してバーナ１０７に供給される。そして、パージガス排気流に残存している水素または炭化水素ガスは、環境を汚染することを回避するため、バーナ内で燃焼される。バーナ１０７からの熱は、改質器１２３を加熱するのに使用されてもよく、あるいは、システム１００の他の部分に又はビル暖房のシステムなどのシステム１００の外部で熱を消費する装置に供給されてもよい。
【００８８】
このように、燃料排出流に関して、熱交換器１２１は熱交換器１２５の上流に配置され、熱交換器１２５は加湿器１１９の上流に配置され、加湿器１１９はコンデンサ１１３および水分離器１１５の上流に配置され、水分離器１１５はＰＰＳＡユニット１の上流に配置され、ＰＰＳＡユニット１はブロワまたはコンプレッサ１０９の上流に配置され、ブロワまたはコンプレッサ１０９は燃料導入導管１１１の上流に配置される。
【００８９】
図６は、本発明の第６の実施形態によるシステム２００を示す。システム２００は、システム１００に類似し、多数の構成要素を共通して含む。両方のシステム１００および２００に共通のそれらの構成要素は、図５および６において同じ符号が付与され、更なる説明はなされない。
【００９０】
システム１００および２００の１つの差異は、システム２００が、必ずしもそうではないが好ましくは加湿器１１９を有さないことである。代わりに、水蒸気を含有するスタック燃料排出流の一部は、スタックの燃料吸入流に直接再循環される。燃料排出流中の水蒸気は燃料吸入流を加湿するのに十分である。
【００９１】
システム２００は、コンピュータまたは操作者によって制御される多方向弁（例えば三方弁）または別の流体分流装置などの、流体スプリッタ装置（流体分配装置）２０１を含む。装置２０１は、燃料電池スタックの燃料排出口１０３に動作可能に接続された導入口２０３、コンデンサ１１３および水分離器１１５に動作可能に接続された第１の排出口２０５、および燃料電池スタックの燃料導入口１０５に動作可能に接続された第２の排出口２０７を含む。例えば、第２の排出口２０７は、導入口１０５に動作可能に接続された燃料導入導管１１１に動作可能に接続されてもよい。しかしながら、第２の排出口２０７は、燃料排出流の一部をさらに下流の燃料吸入流に提供してもよい。
【００９２】
好ましくは、システム２００は、燃料排出流を燃料吸入流の中に供給する第２のブロワまたはコンプレッサ２０９を含む。具体的には、弁２０１の排出口２０７はブロワまたはコンプレッサ２０９の導入口に動作可能に接続され、ブロワまたはコンプレッサ２０９の排出口は炭化水素燃料導入導管１１１に接続される。動作中、ブロワまたはコンプレッサ２０９は、所望量の燃料電池スタックの燃料排出流を燃料電池スタックの燃料吸入流の中に制御可能に提供する。
【００９３】
システム２００を動作させる方法は、システム１００を動作させる方法に類似している。１つの差異は、燃料排出流が装置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の燃料排出流は燃料吸入流に再循環されるとともに、第２の流れはＰＰＳＡユニット１に向けられ、ＰＰＳＡユニット１において第２の燃料排出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を利用して分離される。第２の燃料排出流から分離された水素の少なくとも一部は、次に水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１に供給され、且つ、オプション的に第２の燃料排出流から分離された水素および一酸化炭素の一部は、燃料導入導管１１１内の燃料吸入流に供給される。例えば、燃料排出流の５０〜７０％（約６０％など）は、第２のブロワまたはコンプレッサ２０９に供給されてもよく、残りの分はＰＰＳＡユニット１に向けて供給されてもよい。
【００９４】
好ましくは、燃料排出流は、弁２０１に提供される前に、最初に熱交換器１２１および１２５を通るように提供される。燃料排出流は、弁２０１に提供されてそこで２つの流れに分離される前に、熱交換器１２５内で、２００℃以下（９０〜１８０℃など）まで冷却される。このことにより、低温ブロワ２０９を使用して、第１の燃料排出流の所望量を燃料吸入流の中に制御可能に再循環させることが可能になる。これは、そのようなブロワが、２００℃以下の温度を有するガス流を移動させるように適合されているためである。
【００９５】
第２のブロワまたはコンプレッサ２０９は、コンピュータまたは操作者によって制御されてもよく、第５の実施形態に関して上述した条件に応じて、燃料吸入流に提供されている燃料排出流の量を変えてもよい。さらに、第２のブロワまたはコンプレッサは、第１のブロワまたはコンプレッサ１０９と歩調を合わせて動作されてもよい。したがって、操作者またはコンピュータは、第５の実施形態に関して上述した基準などの任意の好適な基準に基づいて、容器１２９または装置１３１に供給されている水素の量、第１のブロワまたはコンプレッサ１０９によって燃料吸入流に供給されている水素および一酸化炭素の量、ならびに第２のブロワまたはコンプレッサ２０９によって燃料吸入流に供給されている燃料排出流の量を個別に変更することができる。さらに、コンピュータまたは操作者は、第１のブロワまたはコンプレッサ１０９によって燃料吸入流に供給されている水素および一酸化炭素の量と、第２のブロワまたはコンプレッサ２０９によって燃料吸入流に供給されている燃料排出流の量と、の両方を考慮に入れ、上述の基準に基づいて両方の量を最適化することができる。
【００９６】
所望により、第５および第６実施形態の特徴は組み合わされてもよい。例えば、図６の三方弁２０１と燃料排出流の再循環とが、単一システム内で図５の加湿器１１９とともに使用されてもよい。そのようなシステムは、異なるモードで動作させることができ、発電を最適化し、あるいは水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１に対する水素の生成を最適化することができる。そのシステムは、電気および水素に対する要求および／またはそれらの価格、あるいは他の要因に応じて、異なるモード間で切り換えられてもよい。
【００９７】
システムが、発電を最適化する（すなわち、システムのＡＣ電気効率を最適化する）ように動作されるとき、切換弁１０８は、水素濃度の高い流れ全体をＰＰＳＡユニット１から燃料導入導管に戻す。弁２０１は、燃料排出流の一部を燃料導入導管１１１に提供して、燃料吸入流を加湿する。この場合、弁２０１は、加湿器１１９を迂回するように、燃料導入導管への燃料排出流の経路を定めてもよい。通過ごとの燃料利用率は、発電を最適化するため、最も高い適切な動作値（例えば約７５％〜約８０％など）にまで最大化される。この場合、水素は、水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１に提供されない。
【００９８】
システムが、水素貯蔵容器１２９のための、または水素使用装置１３１に対する、水素生成を最適化するように動作されるとき、切換弁１０８は、水素濃度の高い流れ全体を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に供給する。水素濃度の高い流れは燃料導入導管には全く供給されない。この場合、弁２０１は、燃料排出流の一部を燃料導入導管１１１に提供するのではなく、燃料排出流全体を「スタック」から「燃料吸入流が加湿される加湿器１１９」に供給する。通過ごとの燃料利用率は、水素生成を最適化するため、最も低い適度な動作値（例えば約５５％〜約６０％など）までに最小化される。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。さらに、システムが水素生成を最適化するように動作するとき、システムが電気効率を最適化するように動作するときよりも多くの炭化水素燃料が燃料電池スタックに提供されてもよい。例えば、システムが水素生成を最適化するように動作しているとき、システムが電気効率を最適化するように動作しているときよりも５０〜１００％多い炭化水素燃料がスタック１０１に供給される。
【００９９】
システムはまた、電気効率および水素生産のバランスを保つように動作されてもよい。この場合、切換弁１０８は、ＰＰＳＡユニット１からの水素濃度の高い流れを、燃料導入導管１１１と、水素貯蔵容器１２９／水素使用装置１３１と、の間で分流する。両方の流れは同時に提供されてもよく、または、弁は第１および第２の流れを交互に提供してもよい。２つの流れに提供される水素の量は、上述の条件に応じて変更することができる。この場合、弁２０１は、所望のパラメータに応じて、燃料排出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。
【０１００】
以下の表１は、システムが同じ２６．８ｋＷの出力を発生させるための、いくつかの代表的な動作モードを示す。第１のモードは上述の電気効率最適化モードであり、切換弁１０８は水素濃度の高い流れ全部を燃料導入導管１１１に提供し（「水素再循環ＯＮ」）、弁２０１は燃料排出流の一部を燃料導入導管１１１に提供する（「燃料排気再循環ＯＮ」）。電気効率は、比較的低い天然ガス燃料の流量に対して約５８％へと最適化される。第２のモードは、弁２０１が燃料排出流を「燃料吸入流を加湿する加湿器１１９」に提供すること（水素再循環はＯＮであり、燃料排気再循環はＯＦＦであること）以外は、第１のモードに類似している。
【０１０１】
第３のモードは第２のモードの反対であり、切換弁１０８は水素濃度の高い流れを容器１２９／装置１３１に供給し（「水素再循環ＯＦＦ」）、弁２０１は燃料排出流の一部を燃料導入導管１１１に提供する（「燃料排気再循環ＯＮ」）。
【０１０２】
第４および第５モードは水素生成最適化モードであり、切換弁１０８は水素濃度の高い流れを容器１２９あるいは装置１３１に供給し（「水素再循環ＯＦＦ」）、加湿器１１９を使用して燃料吸入流を加湿する（「燃料排気再循環ＯＦＦ」）。第５のモードにおいては、通過ごとの燃料利用率は減少されて２０％であり、天然ガス流量は、水素生成を３倍超過にするため、第４のモードに比べて増加されている。したがって、第５のモードにおいては、低い電気効率（４０％未満）、低い通過ごとの燃料利用率（５５％）および比較的高い天然ガス燃料流量という犠牲を払って水素生成が最適化される。
【表１】
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【０１０３】
本明細書に記載される燃料電池システムは、所望により、他の実施形態および構成を有してもよい。例えば、それらの全体がすべて参照により本明細書に組み込まれる、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日出願の米国特許仮出願第６０／４６１，１９０号、および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、他の構成要素が所望により加えられてもよい。さらに、本明細書の何れかの実施形態に記載されたシステム要素または方法工程、および／または、本明細書の何れかの図面に示される何れかのシステム要素または方法工程は、上述の他の適切な実施形態のシステムおよび／または方法にたとえ明示されていなくとも使用され得る、ということを理解されたい。
【０１０４】
本発明の上述の記載は、例示および説明の目的で示されたものである。この記載は包括的なものであることを意図するものではなく、あるいは本発明を開示されているとおりの形態に限定することを意図するものでもない。修正および変形が上述の教示に照らして可能であり、あるいは、修正および変形は本発明を実施することによって得られてもよい。上記記載は、本発明の原理およびその実用的な応用を説明するために選択されたものである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその等価物によって規定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【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。
【図５】分圧スイング吸着システムを組み込む本発明の実施形態の燃料電池システムの概略図である。
【図６】分圧スイング吸着システムを組み込む本発明の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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【国際調査報告】
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