(57)【要約】  本開示は、固体酸化物型燃料電池及び溶融炭酸塩燃料電池のような高温燃料電池のエネルギ効率を高めるためにガス分離手段を採用している高温燃料電池に基づく発電装置に関する。従来技術による高温燃料電池発電装置は、環境への影響を最少化しつつ燃料効率を最大化し且つ燃料資源の理想的な使用を提供するために、如何にして装置内の燃料及び排ガスの管理を理想化するかという問題を首尾良く処理していない。本発明の目的は、高い性能及び経済性のために反応物質の濃度をうまく処理するようになされたＭＣＦＣ又はＳＯＦＣと、より特別に電気出力を高めつつアノードからカソードへ二酸化炭素を効果的に移動させるようになされたＭＣＦＣ装置を提供することである。本発明のもう一つ別の目的は、“温室効果ガス”及びその他の環境的に有害なガスの放出の緩和のための手段を組み入れ且つ燃料資源の使用を環境を破壊することなく維持することを増大するために作動の全効率を高めつつ、電力及び／又は水素燃料及び／又は使用可能な熱の選択的な発生を可能にして発電装置の融通性のある作動を許容するようになされたＭＣＦＣ又はＳＯＦＣ発電装置を提供することである。
2005516348.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温燃料電池発電装置であって、
アノード入口及び排気並びにカソード入口及び排気を有する高温燃料電池と、
前記アノード排気からの水素ガスを回収し且つこのような水素ガスの少なくとも一部分を再循環のためにアノード入口に供給するように機能することができるガス分離手段と、
燃料電池排ガスからエネルギを回収し且つ前記ガス分離手段の作動に関連する機械的負荷を駆動するためにこのような回収されたエネルギの少なくとも一部分を提供するように作動可能なエネルギ回収手段と、を含み、
前記回収された水素ガスの一部分が、水素燃料として当該発電装置から送出するために提供される、高温燃料電池発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高温燃料電池発電装置であって、
当該高温燃料電池が固体酸素型燃料電池である、高温燃料電池発電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の高温燃料電池発電装置であって、
前記ガス分離装置が、更に、前記燃料電池排ガスからの二酸化炭素ガスを濃縮し且つこのような濃縮された二酸化炭素ガスの少なくとも一部分を当該発電装置から送出して雰囲気へ解放するために提供するように作動可能である、高温燃料電池発電装置。
【請求項４】
請求項２に記載の高温燃料電池発電装置であって、
ガス分離装置が圧力振動吸着モジュールを含んでいる、高温燃料電池発電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の高温燃料電池発電装置であって、
前記圧力振動吸着モジュールが、ロータリー圧力振動吸着モジュールを含んでいる、高温燃料電池発電装置。
【請求項６】
請求項４に記載の高温燃料電池発電装置であって、
前記圧力振動モジュールが多段階振動吸着モジュールを含んでおり、当該多段階圧力振動吸着モジュールが、
前記燃料電池アノード排ガスから水素ガスを回収するように作動可能である第１の段階と、
前記燃料電池排ガスから二酸化炭素を濃縮するように作動可能第２の段階と、を含む高温燃料電池発電装置。
【請求項７】
請求項１に記載の高温燃料電池発電装置であって、
当該高温燃料電池が溶融炭酸塩燃料電池である、高温燃料電池発電装置。
【請求項８】
請求項７に記載の高温燃料電池発電装置であって、
前記ガス分離装置が、更に、燃料電池排ガスからの二酸化炭素ガスを濃縮し且つこのような濃縮された二酸化炭素の少なくとも一部分を再循環のために前記カソード入口へ提供するように作動可能である、高温燃料電池発電装置。
【請求項９】
請求項８に記載の高温燃料電池発電装置であって、
前記ガス分離装置が、当該発電装置から送出して雰囲気への解放を防止するために、前記濃縮された二酸化炭素ガスの更なる部分を供給するように作動可能である、高温燃料電池発電装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の高温燃料電池発電装置であって、
前記ガス分離装置が圧力振動吸着モジュールを含んでいる、高温燃料電池発電装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の高温燃料電池発電装置であって、
前記圧力振動吸着モジュールがロータリー圧力振動吸着モジュールを含んでいる、高温燃料電池発電装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の高温燃料電池発電装置であって、
前記圧力振動吸着モジュールが多段階圧力振動吸着モジュールを含んでおり、該多段階圧力振動吸着モジュールが、
前記燃料電池アノード排ガスから水素ガスを回収するように作動可能な第１の段階と、
前記燃料電池排ガスからの二酸化炭素ガスを濃縮するように作動可能な第２の段階と、を含んでいる、高温燃料電池発電装置。
【請求項１３】
高温燃料電池発電装置であって、
アノード入口及び排気並びにカソード入口及び排気を有する高温燃料電池と、
前記アノード排気から水素ガスを回収し且つこのような水素ガスの少なくとも一部分を再循環のためにアノード入口に供給するように機能することができる圧力振動吸着モジュールと、
燃料電池排ガスからエネルギを回収し且つ当該発電装置内の機械的負荷を駆動するためにこのような回収されたエネルギの実質的の全てを提供するように作動可能なエネルギ回収手段と、を含み、
当該装置からの電気出力の実質的に全てが、電気化学的手段を介して、燃料電池によって直接発生される電気の形態である、高温燃料電池発電装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の高温燃料電池発電装置であって、
当該燃料電池が固体酸素型燃料電池である、高温燃料電池発電装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の高温燃料電池発電装置であって、
前記圧力振動吸着モジュールが、更に、燃料電池排ガスからの二酸化炭素を濃縮し且つ当該発電装置から送出して雰囲気内へ解放するためにこのような濃縮された二酸化炭素該の少なくとも一部分を提供するように作動可能である、高温燃料電池発電装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の高温燃料電池発電装置であって、
前記圧力振動吸着モジュールがロータリー圧力振動吸着モジュールである、高温燃料電池発電装置。
【請求項１７】
請求項１３に記載の高温燃料電池発電装置であって、
当該高温燃料電池が溶融炭酸塩型燃料電池である、高温燃料電池発電装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の高温燃料電池発電装置であって、
前記圧力振動吸着モジュールが、更に、燃料電池排ガスからの二酸化炭素ガスを濃縮し且つこの濃縮された二酸化炭素の少なくとも一部分を再循環のために前記カソード入口へと提供するように作動可能である、高温燃料電池発電装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の高温燃料電池発電装置であって、
前記圧力振動吸着モジュールが、当該発電装置から送出して雰囲気内へ解放するために、前記二酸化炭素ガスの更なる部分を提供するように作動可能である、高温燃料電池発電装置。
【請求項２０】
請求項１３に記載の高温燃料電池発電装置であって、
前記圧力振動吸着モジュールがロータリー圧力振動吸着モジュールである、高温燃料電池発電装置。
【請求項２１】
請求項１３に記載の高温燃料電池発電装置であって、
前記エネルギ回収手段が、
熱、圧力又は燃料電池排ガスの燃料量によって動力を供給されるガスタービン、
自由スプーリングターボチャージャー、
スターリングエンジンのような往復動熱機関、のうちの少なくとも１つを含んでいる、高温燃料電池発電装置。
【請求項２２】
自動車用高温燃料電池発電装置であって、
アノード入口及び排気並びにカソード入口及び排気を有する高温燃料電池と、
前記アノード排気からの水素ガスを回収し且つこのような水素ガスの少なくとも一部分を再循環のためにアノード入口に供給するように機能することができる圧力振動吸着モジュールと、
燃料電池排ガスからエネルギを回収し且つ当該発電装置内の機械的負荷を駆動するためにこのような回収されたエネルギの実質的に全てを提供するように作動可能なエネルギ回収手段と、を含み、
当該発電装置からの電気出力の少なくとも一部分が、車両のための駆動手段に動力を付与するために提供される、自動車用高温燃料電池発電装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の自動車用高温燃料電池発電装置であって、
前記圧力振動吸着モジュールが、更に、水素燃料として当該発電装置から送出するために前記回収された水素ガスの一部分を提供するように作動可能である、自動車用高温燃料電池発電装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載の自動車用高温燃料電池発電装置であって、
前記圧力振動吸着モジュールがロータリー圧力振動吸着モジュールを含む、自動車用高温燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に、固体酸化物型燃料電池及び溶融炭酸塩型燃料電池のような高温燃料電池のエネルギ効率を高めるために、圧力振動吸着を採用している燃料電池を基体とする発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、環境に優しい電流発生源を提供する。電力の発生のために使用され、特に大規模な定置発電のために構想された高温燃料電池の一つのタイプは、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）である。ＭＣＦＣは、水素ガス（又はアノードチャネル内で反応して、水蒸気改質及び水性ガスシフト反応によって水素を発生する燃料ガス）の流れを受け取るためのアノードチャネルと、酸素ガスの流れを受け取るためのカソードチャネルと、アノードチャネルをカソードチャネルから分離している溶融炭酸塩電解質を含んでいる多孔性マトリックスとを含んでいる。カソードチャネル内の酸素と二酸化炭素とは、反応して炭酸塩イオンを生成し、この炭酸塩イオンは、電極を横切ってアノードチャネル内の水素と反応して電子の流れを発生させる。水素が消費されると、水蒸気によって一酸化炭素が変換されて更に水素を発生させる。二酸化炭素及び水蒸気は、燃料成分の酸化及び電解質からの炭酸塩イオンの還元によってアノードチャネル内で生成される。溶融炭酸塩型燃料電池の典型的な作動温度は約６５０℃である。
【０００３】
別のタイプの高温燃料電池は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）である。ＳＯＦＣは、水素ガス（又は水蒸気改質及び水性ガスシフト反応によって水素を発生するためにアノードチャネル内で反応する燃料ガス）の流れを受け入れるためのアノードチャネルと、酸素ガスの流れを受け取るためのカソードチャネルと、酸素イオンに対して伝導性のセラミック膜であり且つアノードチャネルをカソードチャネルから分離する固体電解質とを含んでいる。カソードチャネル内の酸素は、電子の流れを発生させるために、アノードチャネル内の水素と反応するように電解質を横切る酸素イオンを解離させる。水素が消費されるとき、一酸化炭素は、直接酸化されるか又は水蒸気によって変換されて水素を更に発生されても良い。二酸化炭素及び水蒸気は、燃料成分の酸化によってアノードチャネル内で生成される。固体酸化物型燃料電池の典型的な運転温度は、約５００℃ないし約１０００℃である。
【０００４】
（例えば、精製又は化学プロセスの排ガスから回収されるか又はその代わりに水の電気分解によって再生可能なエネルギから発生される）水素が燃料として直に入手可能である稀な場合を除いて、水素は、適当な燃料処理装置によって、化石燃料から発生されなければならない。定置発電のためには、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気及びいくつかの未反応メタンを含む“合成ガス”を生成するために水蒸気改質又は部分的な酸化によって天然ガスから水素を発生させるのが好ましい。燃料電池のアノードセル内で水素が消費されると、一酸化炭素の多くは、水性ガスシフトによって水蒸気と反応してより多くの水素及びより多くの二酸化炭素を発生する。他の炭素供給原料（例えば、より重い炭化水素、石炭又はバイオマス）もまた、酸素及び水蒸気と反応して、部分的な酸化、ガス化又は自熱改質によって        合成ガスを発生するかも知れない。燃料電池はまた、外部において発生された水素又は合成ガスによって運転されても良い。
【０００５】
ＭＣＦＣ装置及びＳＯＦＣ装置の大きな利点は、それらの高い運転温度が、燃料電池と燃料処理装置との間の近接耐熱団結性を促進することである。このような高温はまた、低温燃料電池に必要とされる貴金属触媒の排除も可能にする。
【０００６】
従来技術によるＭＣＦＣ装置は、それらの装置の高い温度による作動及び二酸化炭素をアノードから取り除きつつ二酸化炭素を供給するそれらの装置本来の必要性に伴う重大な制限を有している。従来技術によるＳＯＦＣ装置は、更に多くのやりがいのある温度管理に直面し且つ一般的な作動条件下における極めて高い温度での電池電圧の低下によって不利になる。
【０００７】
燃料の燃焼のより低い熱は、燃料を酸化することによって発生されるかも知れないエネルギ（反応のエンタルピー変化）を有用に規定する。しかしながら、理想的な燃料電池によって発生され得る電気化学エネルギは、エンタルピーの変化よりも小さい反応の自由なエネルギ変化である。エンタルピーの変化と自由エネルギの変化との差は、反応のエントロピーの変化に絶対温度を掛けた積である。この差は、高温において大きくなり、従って、高温燃料電池は、本質的に、燃料エネルギのより低い部分を高効率で電力に変換し、一方、燃料エネルギのより高い部分は、熱としてのみ利用可能であり、これは、熱力学的ボトミングサイクル（例えば、スチーム又はガスタービンプラント）によって低い効率で電力に変換されなければならない。
【０００８】
燃料電池のアノード上での改質反応生成物（二酸化炭素及び水蒸気）の蓄積は電気化学反応と対抗し、その結果、自由エネルギが減少する。カソード上の酸素及び二酸化炭素の部分圧力がより高くなり、アノード上の水素の部分圧力がより高くなると、反応が進行せしめられ、その結果、自由エネルギが増大する。不幸にも、この反応は、アノードチャネル内の二酸化炭素の背圧を急速に増大させながら、カソードチャネル内の酸素及び二酸化炭素を消耗し且つアノードチャネル内の水素を消耗する。従って、自由エネルギの変化は減り、燃料スタックの電池電圧を直接低下させる。これは、熱ボトミングサイクルによって既により低い効率で変換されなければならない熱を増大させながら、装置の電気効率を低下させる。
【０００９】
自由エネルギの変化は、単に、電池の起電力（“Ｅ0”）及び反応によってモル当たり移動せしめられる電荷（“２Ｆ”）の積であり、ここで２という係数は、炭酸塩イオンの結合価を表している。下記のＭＣＦＣに対するネルンストの式は、アノードチャネルとカソードチャネルとの間の電気化学反応物の部分圧力に対する起電力の上記の感度を表しており、ここで、標準起電力（“Ｅ0”）は、標準的な状態における全ての構成要素を示しており、蒸気としての水を備えている。
【００１０】
【数１】
2005516348.tif 000003
【００１１】
従来技術によるＭＣＦＣ装置は、得ることができる全効率を重大に考慮しているこの問題点のあらゆる満足すべき解決方法を提供していない。有効な技術を考案する試み及び反応物の濃度を最大化し且つＭＣＦＣの作動条件と両立できるアノード回路及びカソード回路の両方における生成物の蓄積を最少化する方法を繰り返したにもかかわらず、このような試みは全て適切に好結果を生じるものではなかった。
【００１２】
ＭＣＦＣカソードに二酸化炭素を供給するための受け入れ可能な方法は、（未反応水素とその他の燃料成分を含む）アノード排ガスの部分を燃焼させて、水蒸気と混合される二酸化炭素と、カソードに酸素を供給する付加的な空気と混合されるべき窒素とを提供することである。この方法は著しい制限を有する。熱ボトミングサイクルによってその熱を単に有用に吸収することができる付加的な燃焼に鑑みて、元の燃料の量の更に多くが、比較的効率の良い電気化学発電に対して入手可能である。また、カソードガスの酸素／窒素比率は、雰囲気より更に薄く、電池の分圧を更に低下させ、従って、熱ボトミングプラントに対してより低効率でより大きな発電負荷を送る。
【００１３】
ＳＯＦＣに対する下記のネルンストの式は、アノードチャネルとカソードチャネル内に電気化学反応物の部分圧力に対する起電力の感度を表しており、ＣＯは水性ガスシフト反応によって変換されることを単に仮定している。この感度は、もちろん、ＳＯＦＣの最も高い運転温度において最も大きい。
【００１４】
【数２】
2005516348.tif 000004
【００１５】
圧力振動吸着（ＰＳＡ）装置は、燃料電池に燃料ガスを提供するための一つの可能性である。ＰＳＡ装置と真空圧力振動吸着装置（ＶＰＳＡ）は、圧力サイクルを調整することによってガス成分をガス混合物から分離し且つ吸着器又は吸着床の上を逆流し、これは、優先的に、より少ない容易に吸着された混合物のガス成分に対して、より多くの容易に吸着されたガス成分を吸着する。ガス混合物が、第１の端部から第２の端部へと同吸着器内を流れつつある間に、吸着器内のガス混合物の全圧力は増大され、ガス混合物が第２の端部から第１の端部へと吸着器内を流れている間に低下せしめられる。ＰＳＡサイクルが繰り返されると、より少ない容易に吸着される成分が吸着器の第２の端部の近くに集中し、一方、より多くの容易に吸着される成分が吸着器の第１の端部に集中する。この結果、“軽い”生成物（より容易に吸着される成分内で消耗され且つ比較的容易にではなく吸着される成分内に濃縮されるガス成分）が吸着器の第２の端部から給送され、“重い”生成物（より強く吸着される成分内に濃縮されているガス成分）が、吸着器の第１の端部から排出される。
【００１６】
しかしながら、圧力振動吸着又は真空圧力振動吸着のための一般的な装置は、２つ以上の平行な定置吸着器を使用しており、この吸着器は、吸着器を交互の順序で圧力源又は圧力溜めに結合するために、多数の２−方向弁を各吸着器の各端部に備えている。この装置は、吸着器の大きな寸法及び必要とされる弁の複雑さにより、実行するのが煩雑で且つ高価であることが多い。これらの弁は、ＭＣＦＣ運転温度において作動することができない。更に、一般的なＰＳＡ装置は、吸着器が周期的に加圧され且つＰＳＡプロセスにおいて減圧されるときの不可逆的なガス膨張ステップにより、適用されるエネルギを効率悪く使用している。一般的なＰＳＡ装置は、低いサイクル周波数及び結果として生じる大きな吸着残留量であることから、嵩が高く且つ重い。更に、従来技術によるＰＳＡ及び吸着剤技術は、このような高い温度で作動することができないかも知れない。
【００１７】
燃料電池システムと一体化されたガスタービンサイクルを備えた結合サイクルパワープラントが開示されている。更に、共に譲渡されたＰＣＴ公開国際特許出願ＷＯ００／１６４２５号は、ガスタービンパワープラント又はガスタービン補助エンジンを有する燃料電池パワープラントとＰＳＡユニットとが一体化できる方法の例を提供している。
【００１８】
従来技術において知られている高温燃料電池パワープラントシステムの更に別の欠点は、このような既知の装置が、化石燃料による発電によって生じる“温室効果”ガス及びその他の環境に有害なガスの効率の良い緩和のための手段を提供することができないことである。
【発明の概要】
【００１９】
本発明の目的は、従来技術の欠陥のうちのいくつかを処理するＭＣＦＣ又はＳＯＦＣを基礎とする発電装置を提供することである。本発明の更に別の目的は、高い性能及び経済性を得るために反応物の濃度を処理するようになされたＭＣＦＣ又はＳＯＦＣ発電装置及びより特別には出力電力を高めつつアノードからカソードへ二酸化炭素を効率良く移送するようになされたＭＣＦＣ装置を提供することである。本発明のもう一つ別の目的は、電力及び／又は水素燃料及び／又は使用可能な熱の選択的な発生を可能にして、“温室効果”ガス及びその他の環境に有害なガスの発生の緩和のための手段を組み込み且つ燃料資源の使用の持続可能性を増大させるために運転の全効率を高めつつ、発電装置の融通の利く運転を可能にするようになされたＭＣＦＣ又はＳＯＦＣ発電装置を提供することである。
【００２０】
ここに開示された装置及びプロセスの第１の実施形態に従って、少なくとも約２５０℃の温度で動作する少なくとも１つの燃料電池を含む電流発生装置、圧縮器又は真空ポンプから選択された少なくとも１つの装置を含んでいる水素ガス分離装置及び／又は酸素ガス供給装置及び水素ガス分離装置、酸素ガス供給装置又は燃料電池のうちの少なくとも１つからエネルギを回収するための手段を含んでいる装置のための駆動装置を含んでいる電流発生装置が提供される。高温燃料電池をも含んでいる電流発生装置の第２の実施形態によれば、ガスタービン装置が、水素ガス分離装置又は酸素ガス供給装置に結合されていても良く、ガスタービン装置は、水素ガス分離装置、酸素ガス供給装置又は燃料電池の熱のうちの少なくとも１つから回収されたエネルギによって動力を付与される。この水素ガス分離装置又は酸素ガス供給装置は、圧力振動吸着モジュールを含んでいても良い。これらの発電装置は、特に、溶融炭酸塩型燃料電池及び固体酸化物型燃料電池において特に有用である。
【００２１】
このような発電装置においては、エネルギ回収手段は、水素ガス分離装置、酸素ガス供給装置又は燃料電池から加熱された及び／又は加圧されたガスの流れを受け取るガスタービン及び／又は熱交換器を含んでいても良い。例えば、燃料電池の熱回収装置は、燃料電池及びガスタービン装置（この場合には、水素ガス分離装置は任意である）に結合されても良い。エネルギ回収手段は、圧縮器及び真空ポンプを作動させるために、回収した熱及び圧力エネルギを駆動力に変換する。例えば、圧力振動吸着モジュールは、燃料が濃縮されたガス流及び燃料が消耗されたガス流内への燃料を含んでいるガスの流れを分離するのに十分な条件下で、同燃料を含んでいるガスの流れ内に圧力の勾配を達成することができる。燃料が濃縮されたガス流又は燃料が消耗されたガス流は、再循環の流れのエネルギを獲得するために圧縮器及び／又は真空ポンプに結合されたガスタービン装置へ再循環させても良い。もう一つ別の例は、燃料電池から膨張を受けてガスタービン装置を駆動することができる熱回収作動流体へと移動することができる燃料電池熱回収装置である。
【００２２】
ＰＳＡに結合されたガスタービン装置は、水素ＰＳＡのための真空ポンプ及び／又は重い還流圧縮によって酸素ＰＳＡのための圧縮及び真空ポンプの全てに動力を付与することができる。このような補助ガスタービン循環は、重い還流真空ポンプ及び圧縮器がターボ膨張器によって駆動されるのを可能にする。このターボ膨張器は、水素ＰＳＡ最終ガスの燃焼による補助加熱（又は、膨張の段階間での再加熱）によって、任意的に、高温燃料電池アノード排ガスを膨張させる。ある種の開示された実施形態の特徴は、少なくとも１つの真空ポンプ及び／又は少なくとも１つの圧縮器を最終ガスの燃焼によって直接又は関節に動力を付与されるか又は熱交換によって燃料電池スタックの廃熱に間接的に動力を付与されたガスタービンとの一体化である。従って、熱ボトミングサイクルに結合された発電器も補助電源も、ガス分離及び／又は供給装置のためのいかなる圧縮器及び／又は真空ポンプにも電力を供給する必要がない。このようなガスタービン装置はまた、補助電力負荷、例えば、燃料又はウォーターポンプ、圧縮器、真空ポンプの役目を果たし且つ以下に説明するＰＳＡ回転吸着モジュールの回転の役目を果たすために、単一の又は複数のスプールガスタービン構造が考慮されても良い。圧縮器及び／又はポンプとしては、遠心又は軸方向機械が使用されても良い。ガスタービン及び燃料電池の一体化に基づいた方法は、特に、より大きな電力容量を有する発電装置において使用するのに特に有利である。自由スプールガス機械（例えば、ターボチャージャー）がいくつかの経済的に好ましい実施形態において使用しても良い。
【００２３】
従って、本発明においては、進歩した高温燃料電池、特に、（ＭＣＦＣ装置のためのカソードに供給されることができる）二酸化炭素を急速に分離しつつ燃料電池のアノード上の水素を濃縮するための圧力振動吸着（ＰＳＡ）及び／又は一体化されたガスタービン装置を組み入れているＭＣＦＣ装置及び／又はＳＯＦＣ装置が提供されている。ある種の装置においては、水素ＰＳＡ装置は、高温燃料電池の温度に近い高温においてさえ作動することができる。
【００２４】
上記した第１又は第２の実施形態の一つの変形においては、電流発生装置は、ＭＣＦＣ又はＳＯＦＣ燃料電池と、酸素供給装置及び／又は水素ガス供給装置を含んでいる。燃料電池は、水素ガス（又はアノードチャネル内に水素を形成するように反応する天然ガス又は合成ガスのような燃料ガス）を受け入れるためのアノードガス入口を有するアノードチャネルと、カソードガス入口及びカソードガス出口を有するカソードチャネルと、アノードチャネルとカソードチャネルとの間でのイオンの移動を促進するためにアノード及びカソードチャネルと連通している電解質と、を含むことができる。水素ガス供給装置は、アノードチャネルに水素を集中させ且つアノードチャネルから二酸化炭素を抽出するために、ステータ及び同ステータに対して回転可能なローターを有する回転モジュールを任意に含んでいる水素ＰＳＡ装置を含んでいても良い。いくつかの実施形態においては、電流発生装置はまた、カソードチャネル及び／又は燃料処理装置に供給するために空気からの酸素を濃縮するためのＰＳＡ又はＶＰＳＡ装置をも含んでいる。水素を濃縮し且つ二酸化炭素を分離するためのこのようなＰＳＡユニットは第１のＰＳＡユニットと称され、一方、第２のＰＳＡ又はＶＰＳＡユニットが酸素の濃縮のために設けられても良い。
【００２５】
ここに開示された装置及びプロセスにおいて使用するのに適したロータリーＰＳＡのローターは、多数の流路を含むのが好ましく、同流路内の増大する圧力に応答して第１のガス成分を第２のガス成分に対して優先的に吸着させるためにその中に吸着物質を受け入れる。このような圧力振動吸着装置はまた、第１のガス成分を第２のガス成分から分離するために流路内のガスの流れを促進するための回転モジュールに結合された圧縮器を含んでいても良い。ステータは、第１のステーターバルブ面、第２のステーターバルブ面及びこれらのバルブ面に対して開口している複数の機能室を含んでいるのが好ましい。同機能室は、少なくともガス給送室、軽い還流出口室及び軽い還流戻り室を含んでいるのが好ましい。
【００２６】
いくつかの実施形態においては、水素ＰＳＡ装置は、それ自体が高い運転温度で作動することができる。例えば、第１の又は水素ＰＳＡユニット内の吸着器の運転温度は、ＰＳＡユニットと燃料電池のアノードチャネルとの間の復熱式又は再生式熱交換によって促進されるかも知れないので、ほぼ雰囲気温度から約４５０℃までの高い温度までの範囲であっても良い。もう一つ別の変形例によれば、吸着器の運転温度は、復熱式又は再生式の熱交換によって促進されるかも知れないので、おおよそＭＣＦＣの運転温度（例えば、約６００〜６５０℃）又はＳＯＦＣスタックの運転温度（例えば、約５００〜約１０００℃）までの範囲であっても良い。好ましい実施形態においては、水素ＰＳＡ吸着器の運転温度は、触媒を含んでいるＰＳＡユニットに対しては、雰囲気温度から約８００℃特に約１５０℃〜約８００℃の範囲であっても良く、触媒を含んでいないＰＳＡユニットに対しては、雰囲気温度から約２００℃の範囲であっても良い。このようなＰＳＡユニットは、吸着器の第２の端部における温度が同吸着器の第１の端部における温度よりも高いように、流路の長さに沿った温度勾配を維持する形状とされていても良い。ここで使用されている“吸着器の運転温度”という用語は、吸着器内を流れるガス及び／又は吸着器床の温度を示している。
【００２７】
第３の実施形態に従って、電流発生装置が開示され、この電流発生装置は、ＭＣＦＣ又はＳＯＦＣと、このＭＣＦＣ又はＳＯＦＣに結合されたＨ２ＰＳＡとを含み、同Ｈ２ＰＳＡが、第１の吸着器と、第２の吸着器及び水蒸気改質触媒又は水性ガスシフト反応触媒が選択された少なくとも１つの第２の物質とを含んでいる。第１の吸着剤は、第２の吸着剤から化学的に別個である。例えば、第１のすなわち水素ＰＳＡの吸着器内の吸着剤は、水蒸気に優先する二酸化炭素のための高い運転温度（例えば、約２５０℃〜約８００℃）において選択的な吸着器の第１の領域を含んでいても良い。当該技術において知られている適切なこのような吸着剤としては、アルカリによって促進される材料がある。例示的なアルカリによって促進される材料としては、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ、Ｒｂ及び／又はＣａ、Ｓｔ及びＢａのようなアルカリ土類金属のようなアルカリ金属の陽イオンを含んでいるものがある。これらの材料は、典型的には、水酸化物、炭酸塩、重炭酸塩、酢酸塩、リン酸塩、硝酸塩又はアルカリ金属若しくはアルカリ土類金属の有機酸塩化合物として提供されても良い。特別な材料の例としては、炭酸カリウムの混ざったアルミナ及び炭酸カリウムによって促進されたハイドロタルサイトがある。雰囲気により近い温度において作動する第１のＰＳＡユニットの実施形態のための適切な吸着剤としては、数ある吸着剤物質の中で、アルミナゲル、活性炭、親水性ゼオライト（例えば、１３Ｘ型ゼオライト及び当該技術において知られているその他の多くのゼオライト）及び疎水性ゼオライト（例えば、Ｙ型ゼオライト又はシリカライト）がある。
【００２８】
第１のすなわち水素ＰＳＡユニットの高温の実施形態においては、吸着器の同じか又は別の領域内の吸着剤は、水蒸気改質反応（例えば、メタン燃料又はメタノール燃料）及び／又は水性ガスシフト反応のための領域の作動温度における触媒活性化成分を含んでいる。触媒活性化成分は、還元遷移族金属又は金属混合物であってもよく、又はゼオライトケージ内に分散され且つ第２の領域の作動温度金属錯体を可逆的に形成する遷移族金属であっても良い。二酸化炭素は水蒸気に優先して吸着され、一方、濃縮された水素は、燃料電池のアノードチャネル内へ導入されるために連続的に取り出されるので、第１のＰＳＡユニットの吸着器内で進行するために水蒸気改質及び／又は水性ガスシフト反応に対して好ましい反応平衡をシフトさせるために、触媒活性化成分上の二酸化炭素及び水素の濃度は、ＰＳＡプロセスによって低いレベルに維持されても良い。一酸化炭素及び改質可能な燃料成分の変換は、二酸化炭素及び付加的な水素を発生するために完了に向かって駆動されても良い。これは、ＰＳＡ反応器又は“吸収促進反応器”の例であり、これは、二酸化炭素を取り出しながら、濃縮された水素を更に発生するために簡単なガス分離作用を促進し且つ水素の適正な精製を達成しつつ水性ガスシフト反応を実質的に完了に向けて駆動する。
【００２９】
工業的Ｈ２ＰＳＡは、高純度及び高回収率（〜８０％乃至８５％）を同時に達成するために、著しく高い圧力（＞１０００ｋＰａ（１０バール））で通常行われる。加圧されたメタノール改質器と共に作動するか又はガスタービンサイクルと一体化された燃料電池装置は、比較的高い圧力で作動することができる。溶融炭酸塩型燃料電池は、大気圧から殆ど約１０００ｋＰａ（１０バール）までの圧力で作動するが、長いスタック寿命を達成するのに必要とされる、より低い圧力が現在では強く望まれている。固体酸化物型燃料電池は、あらゆる圧力で作動するように設計することができる。本発明の高温燃料電池パワープラントにおいては、約５００ｋＰａ〜２０００ｋＰａ（５〜２０バール）の運転圧力が好ましい。
【００３０】
本発明の上記した実施形態における水素ＰＳＡ装置及び酸素ＰＳＡ装置から出て来る軽いガス生成物の圧力は、広範囲に変化しても良い。圧縮器又はその他の圧力増大機構を燃料電池内へ導入する前に、必要ならば、軽いガス生成物の圧力を増大させるために採用しても良い。極めて低い供給圧力（例えば、２００〜３００ｋＰａ（２〜３バール））においては、第１のＰＳＡは、水素のより高い回収率及びこれと同時に二酸化炭素のより高い濃度を達成するために補足的な圧縮を利用している。もう一つ別の方法は、作動圧力比率を広くするか又はさもなければ排出流成分の再圧縮及びＰＳＡ供給部への再循環を含む“重い還流”のために真空圧送を含んでいても良い。このような真空オプションと重い還流  オプションとは、大型の真空ポンプを使用することによって結合しても良い。
【００３１】
ある種の実施形態においては、重い還流は、第１のＰＳＡが高い水準の回収率を達成することができるようにし、このようにして、高温燃料電池によって使用される燃料を改良し且つ一方では第１のＰＳＡの排出流内の二酸化炭素の濃度も高めている。作動圧力及び温度の所定の条件下では、水素の回収率は、重い還流の圧縮力の必要性が対応して増加するという不利の下に、重い還流の流れを増すことによって増大させても良い。水素ＰＳＡが満足すべき動作のための高い給送圧力を必要とするという一般的に受け入れられた見解と対照的に、重い還流を備えた水素ＰＳＡは、ＰＳＡサイクルのより高い圧力とより低い圧力との間で２：１程度の低い圧力比で作動しつつ、高い水素回収率を達成することができる。このような低い圧力比における重い還流に必要とされるより大きな流れは、供給流及び重い還流に必要とされなければならない低い圧力によってオフセットされる。
【００３２】
本発明は、更に、その開示全体が本明細書に参考として含まれている“吸着によるガス分離のための多段階装置”という名称の同時係属の米国特許出願０９／９９８，４４３号
に記載されているような二段階ＰＳＡユニットは、二酸化炭素濃縮段階と協働する水素濃縮段階を含んでいる。所定の水素濃縮精製及び回収のためには、重い還流とそれに関連する圧縮電力消費は、特に供給水素濃度が比較的高いときに、二段階水素ＰＳＡによって有用に還元されても良い。
【００３３】
本発明の上記の実施形態のシステム及び方法は、例えば、使い果たされた天然ガスタンクにおける地中処分によることを含む雰囲気からの最も便利な金属イオン封鎖作用又は石油タンクからの高い油回収率のために高度に濃縮された形態の二酸化炭素の給送を所望のときに可能にしつつ、形成される二酸化炭素の比例した量を還元するために、高温燃料電池の総合効率を改良することができる。更に、送出された電力は、燃料電池スタックからのみ供給されても良く、従って、熱ボトミングサイクル又は発電器及びそれに関連する熱ボトミングタービン上のギヤボックスからの電力の送出がなく、従って、これは簡単なターボチャージャーに変形される。その代わりに、ある種の実施形態に従って、この装置は、供給空気の圧縮、排出された窒素濃縮空気の真空圧送及び二酸化炭素濃縮アノード最終ガスの重い還流圧縮のために、要望通りに自由ローターターボーチャージャーを駆動するために、燃料電池スタックからの高度の廃熱を利用するようになされていても良い。燃料電池スタック廃熱は、高電流密度での作動を助長するためにこれらの補助負荷に適合している。
【００３４】
本発明のパワープラントシステム内の燃料電池スタックは、補助圧縮負荷のための必要量の廃熱を発生するために、比較的高電流密度（例えば、約２００〜約１０００ｍＡ／ｃｍ2）で作動することができる。なぜならば、開示されたＰＳＡ装置を組み込むことによって、開回路電圧（例えば、約０．７５〜約０．９５ボルト）を上昇させるのに有効であることが分かっているからである。発電容量のｋＷ当たりに必要な燃料電池スタックの大きさは、本発明によって助長されるように、比較的高電流密度で作動することによって減じることができる。これと等価的に、本発明の実施形態における同じ大きさの燃料電池スタックは、ある種の開示された実施形態において排除することができる同様の一般的なスタックに加えて一般的な熱ボトミング発電器によって先に達成された最大限の出力電力を達成することができる。
【００３５】
本発明のパワープラントは、燃料源として、天然ガスのような炭化水素燃料を使用する高温燃料電池パワープラント（ＭＣＦＣ又はＳＯＦＣ）に特に適切に適用される。燃料電池のアノードチャネル入口に受け入れられる前に、燃料は、第１のＰＳＡユニットによってアノード排ガスから分離された水素濃縮ガスと混合されても良い。このような場合には、ＰＳＡ分離は、一酸化炭素を酸化して二酸化炭素にしつつ、その中の水素濃度を高めるために、アノード排ガスが後−改質及び水性ガスシフト反応段階を受けた後に行っても良い。
【００３６】
天然ガスが炭化水素燃料として使用されている本発明の好ましい実施形態においては、アノード供給ガスは、好ましくは、メタンと極めて過剰なリサイクルされた水素とを含む混合物を含んでいるのが好ましい。余分の水素は、メタンの熱分解反応によって煤の堆積を抑制し、このようにして、アノード供給ガス内の最大量の水蒸気による燃料電池の安全な作動を可能にする。アノード供給ガス内の水蒸気の量は、リサイクル水素濃度が高いレベル（例えば、アノード供給ガスの約８５〜９０％）に維持されている場合にはほぼゼロまで減じることができる。アノード供給ガス内の水蒸気濃度の低減の利点としては、
１．Ｈ2Ｏに対するＨ2のより高い初期の比率は、電圧効率及び出力を改良するために、ネルンストの電圧を高くする。
【００３７】
２．メタンが、水蒸気改質によって燃料電池反応のＨ2Ｏのための化学的吸い込み装置として機能し、このようにして、アノードチャネルに沿ったＨ2Ｏに対するＨ2のより高い比率を維持する助けとなる。
【００３８】
３．メタンのＣＯ及びＨ2への変換は、Ｈ2Ｏが燃料電池の酸化反応によって供給されるときに、アノードチャネルに沿って遅れ、このようにして、アノード入口における過度に迅速な吸熱水蒸気改質によって生じる急な温度勾配を緩和する。
【００３９】
４．より低い水蒸気濃度が、ＣＨ4及びＣＯのＣＯ2への変換を抑制し、このようにして、アノードチャネル内の水蒸気改質反応は、最も高度な吸熱性を有し、改良された全体の熱均衡のための燃料電池廃熱を集める。
【００４０】
これと対照的に、従来技術の内部改質ＭＣＦＣ又はＳＯＦＣ燃料電池は、典型的には、アノード供給ガスの実質的な水蒸気／炭素比率によって作動して炭素の堆積を抑制し、このようにして、燃料電池の電圧性能を低下させる。この従来技術による方法は、典型的には、アノード入口における過剰な冷却と燃料がアノードチャネルに入るときに過度に迅速な吸熱水蒸気改質によって生じる急な温度勾配とを避けるために、燃料天然ガスの実質的な部分の前−改質を必要とする。
【００４１】
アノード排ガスは、典型的には、一酸化炭素のかなりの部分だけでなく、幾分の未反応メタンを含んでいる。本発明のいくつかの実施形態においては、アノード排ガスに水蒸気が変換されても良いことが提案され、これは、高い温度で断熱後−改質器に収容されても良く、これと同時に、吸熱水性ガスシフト反応との吸熱水蒸気改質反応を実行し、その結果、後−改質器のための外部熱交換が必要とされない。このような実施形態においては、後−改質器は、水蒸気メタン改質反応に対して活性な触媒を含んでいる反応器チャンバを含んでいる。
【００４２】
本発明のいくつかの好ましい実施形態においては、アノードガスは、アノードガス分離及び／又はカソード酸素濃縮のためにＰＳＡユニット及びそれに関連するガス圧縮負荷に動力を付与するために少なくとも部分的に燃料電池スタック廃熱を回収するための熱ボトミングサイクルのための作動流体として使用しても良い。後−改質器の上流はまた、望ましくは水素濃縮アノードガス流の平均分子量を増大させる作動流体にも寄与する。後−改質器によって処理された後に、作動流体（補足的な流れを有する後−改質されたアノードガス）は、第１のタービン内で膨張せしめられても良い。作動流体の更なる膨張は、第２のタービン内で、望ましくは、第１の（水素）ＰＳＡユニットからの排ガスによって燃料を供給されても良い燃焼器によって熱交換によって再加熱された後に行われても良い。作動流体は、次いで、復熱式に冷却され、水性ガスシフト反応内を循環されて、一酸化炭素と水蒸気とを水素と二酸化炭素とに変換する。更なる復熱式の冷却及び水凝縮ノックアウトの後に、作動流体（後改質、水性ガスシフト及び水除去の後のアノードガス）は、第１のＰＳＡユニットへの供給物として圧縮されても良い。第１のＰＳＡユニットは、アノード入口へ供給される燃料混合物として、復熱式に加熱され且つ入って来る天然ガス（又は、その他の炭化水素）燃料と混合されるべき圧縮された水素濃縮ガスの軽い生成物を給送するように作動することができる。
【００４３】
上記した本発明の実施形態における第１のＰＳＡユニットはまた、残留水素及びその他の燃焼可能な燃料量の除去のための燃焼器内を通過させても良いＣＯ2濃縮ガスの重い生成物を給送するために作動することもでき、これは、次いで、熱回収の後にパワープラントから排出されても良い。燃焼器内で使用される酸化剤は空気であっても良く又は好ましくは燃料電池カソードへ濃縮酸素を供給する第２の空気分離ＰＳＡユニットからの酸素か未反応酸素を含み、より好ましくは、燃焼器からの熱の回収に寄与するために、高温でカソード排出部から供給されるカソード排ガスであっても良い。
【００４４】
本発明の好ましい実施形態に従って、第１のＰＳＡユニットは、その軽い生成物として濃縮水素を供給し且つ高度に精製された水素を供給するように作動せしめられても良いので、（１）電力、（２）精製された水素及び（３）低い熱を供給するために電気−熱同時発生モードで作動させても良いことが提供される。本発明は、任意に、高い効率で副産物である燃料グレードの水素も生成しつつ、電力発生モードにおいてパワープラントの高い電圧効率及び高い総合効率を達成するために、最も望ましい方法での高温燃料電池に対する燃料処理装置の一体化を達成する。このパワープラントは、各々の生成物の需要に従って、好ましくは電気及び／又は燃料グレードの水素を発生させるように機能しても良い。
【００４５】
このような水素による電気−熱同時発生の実施形態における本発明の更に別の特徴は、（例えば、車両のために）圧縮された水素燃料として貯蔵し又は給送するために供給された水素を圧縮することである。この水素生成物圧縮器は、例えば、燃料電池によって電気的に動力を付与されても良い。別の方法として、水素生成物圧縮器は、熱機関回収パワープラント廃熱によって又は水素を精製する第１のＰＳＡユニットからの排ガスによって燃料を供給される燃焼器又は外部燃料源によって燃料を供給される燃焼器によって、又はパワープラント内のエネルギ源の組み合わせによって動力を付与されても良い。電気−熱同時発生された水素の貯蔵は、ここでは、高圧ガス圧縮、極低温液体化、金属水酸化物上への吸着、物理的吸着に対する低温吸着等を含む当該技術において知られた技術のいずれかによって達成することができる。
【００４６】
本発明の更に別の任意の特徴は、高温燃料電池と協働する（ポリマー電解質膜又はＰＥＭ燃料電池のような）低温燃料電池のための燃料として電気−熱同時発生し且つ貯蔵された水素のうちの幾分か又は全部を使用することである。低温燃料電池は、迅速な始動及び負荷追従応答性のための高い電力供給能力を有用に提供することができる。本発明の水素ＰＳＡが、ＣＯの毒作用からＰＥＭ燃料電池を保護するのに必要とされる電気−熱同時発生された水素からの一酸化炭素の有効な取り出しを達成するためにＣＯ−選択的吸着を使用している場合には、必要とされる水素の精製は、窒素及び一酸化炭素のような他の不純物に対して緩和されても良い。
【００４７】
（送出されるべきか又は協働するＰＥＭ燃料電池によって使用されるべき水素によって）電力及び水素を同時発生させるために、内部改質ＳＯＦＣ燃料電池を使用することは既に提案されている。本発明は、ここでは、ＰＳＡによる水素の濃縮又は精製のための圧縮を促進するために、補助熱機関サイクルによって、ＳＯＦＣからの過剰な熱（及びＰＳＡ最終ガスのあらゆる燃料量）の回収及び適用によるより大きな増強を提供し、水素は、ＳＯＦＣ性能を高めるためにリサイクルされ、過剰水素は、ここでは、協働するＰＥＭ燃料電池の選出、貯蔵又は作動のために提供される。
【００４８】
いくつかの好ましい実施形態においては、燃料電池の熱回収は、作動流体としてアノードサイクルループからのガスを使用しているガスタービンサイクルによって行っても良い。
【００４９】
ガスタービンサイクルは、ＰＳＡユニットのためのガス圧縮負荷を実行するために、燃料電池スタックの熱を回収する自由ローター圧縮器によって実現されても良い。
他の実施形態においては、燃料電池の熱回収は、熱力学的作動流体として、空気、カソードガス、アノードガス、水蒸気又は水素を使用している他のタイプの熱機関によって行われても良い。いずれの場合にも、熱機関水素ＰＳＡ及び任意に燃料電池の性能を高めるために酸素ＰＳＡの作動を必要とされるガス圧縮を促進する。
【００５０】
第１のＰＳＡユニットは、アノード入口へリサイクルされると同時に任意にパワープラントの副産物として供給するために作動せしめられてもよいので、水素は、燃料電池の熱の回収のためのスターリングエンジンのための作動流体として有利に使用することができる。この機関は、ＰＳＡユニットのためのガス圧縮及び任意に貯蔵され又はプラントから創出されるべき水素の圧縮をも直接促進しても良い。
【００５１】
ある種のタイプのＳＯＦＣ（例えば、一体構造又は微小管構造）が高い電力密度を達成すると同時に初期の且つ負荷追従効率条件下での改良された応答性及び耐久性を達成するために、改良されつつあるので、車両用途に対する進化したＳＯＦＣ技術の適用のための機械が現れつつある。本発明は特に、電動モーター推進駆動装置を備えたＳＯＦＣハイブリッド車両の状況での車両推進のためのＳＯＦＣパワーシフトの用途のための可能性を高める。ＳＯＦＣパワープラントが最も高い可能な効率を達成するべきである場合には、ある形態の熱回収機関が必要とされる。本発明は、初期の電気的負荷を促進するためのＳＯＦＣ性能及び効率を増大させるために補助ＰＳＡのための圧縮負荷を駆動するための熱回収機関を適用して別個の推進原動機として熱回収機関によって高まる複雑さを避ける。本発明のこの特徴は、最も一般的に、高速道路、オフロード、船舶及び飛行用途を含むあらゆるタイプの車両に適合する。
【００５２】
このようにして、本発明は、本発明によるＳＯＦＣパワープラントが推進及び補助負荷のための電力を、ＳＯＦＣの暖機から始動への過渡状態、負荷追従ピーク電力及び回生制動を提供する電気貯蔵バッテリ（及び／又は超蓄電器）によって供給する。車両の燃料は、実質的に燃料電池の作動温度において水蒸気改質するのに適した如何なる炭化水素又は混合物であっても良い。適切な燃料としては、天然ガス、プロパン、フィッシャ−トロプシュ・ガソリン、メタノール及びジメチルエーテルがある。十分な電気バッテリ容量が提供されている状態では、ハイブリッドの概念は、ＳＯＦＣによって必要とされる暖機時間に適応し且つ高コストのＳＯＦＣを最大需要電力ではなく平均電力のための大きさとされるようにする。本発明は、（ＳＯＦＣスタックの電力密度を高くすることによって、効率及び範囲を改良するためか、ＳＯＦＣスタックの必要な大きさを更に小さくするために）簡単な全ての電気推進駆動を維持しつつ、ＳＯＦＣの性能を増大させるために、高度のＳＯＦＣ熱を回収することによって、ハイブリッド概念を促進する。
【００５３】
本発明は、ＳＯＦＣパワープラントがＰＥＭ燃料電池へと導かれても良い水素を同時発生させることを可能にするので、本発明は、更に、車上水素圧縮及び貯蔵を備えたＳＯＦＣハイブリッド車両の実施形態及びＳＯＦＣパワープラントによって発生された水素が協働するＰＥＭ燃料電池に供給されても良く、この燃料電池は、始動及び負荷追従過渡状態に向けて電力を付与して電気貯蔵バッテリの必要とされる大きさ及び重量が減じられ得るＳＯＦＣ／ＰＥＭハイブリッド車両の実施形態を更に含んでいる。ＳＯＦＣパワープラントの電気及び水素同時発生エネルギ出力の片方又は両方は、このようにして、種々の範囲の用途における高い融通性のために、電気エネルギ又は水素のための貯蔵手段に導かれても良い。
【００５４】
上記の特徴及び利点は、添付図面を参考にして進められる幾つかの実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【実施形態の詳細な説明】
【００５５】
図１〜５
本発明のいくつかの実施形態における用途のための例示的な酸素濃縮ロータリーモジュールを、図１乃至５Ｂに関連付けて以下に説明するけれども、同じ又は同様のロータリーＰＳＡモジュール構造を、ここに開示された電流発生装置における水素濃縮（すなわち、分離）のために使用することができることは理解できる。ここで使用されている“ロータリーＰＳＡ”は、限定的ではないが、吸着器の列が固定のバルブ面若しくはローターに対して回転するＰＳＡ又はバルブ面若しくはステーターが吸着器の列に対して回転するＰＳＡを含んでいる。
【００５６】
図１は、吸着器ハウジング本体４内に“Ｎ”個の吸着器３を含んでいるロータリーＰＳＡモジュール１を示している。各吸着器は、第１の端部５と第２の端部６とを有しており、これらの端部間の流路は、（酸素濃縮のための）窒素選択性吸着剤と接触している。これらの吸着器は、吸着剤ハウジング本体の軸線７を中心に軸対称の列状に展開されている。
【００５７】
ハウジング本体４は、軸線７を中心として第１及び第２の機能本体８及び９に対して相対的な回転運動状態にあり、ガス混合物が供給され且つ重い生成物が引き出される第１の機能本体８に第１のバルブ面１０を横切って係合せしめられ且つ軽い生成物が引き出される第２の機能性本体９に第２のバルブ面１１を横切って係合せしめられている。
【００５８】
図１乃至５に特別に図示した例示的なロータリーＰＳＡの実施形態においては、吸着器ハウジング４は、回転し且つ以後は吸着器ローターと称されるであろう。一方、第１及び第２の機能性本体は、固定されており且つ協働してモジュールのステーターアセンブリ１２を構成している。第１の機能性本体は、以下においては第１のステータ８と称され、第２の機能性本体は、以下において第２の弁ステーター９と称されるであろう。他の実施形態においては、吸着器ハウジング４は固定されていても良く、一方、第１及び第２の機能性本体は、ロータリーディストリビューター弁ローターであっても良い。
【００５９】
図１乃至５に示された例示的な実施形態においては、吸着器内の流路は、軸線７に対して平行であって流れ方向が軸線方向であるようになされており、一方、第１及び第２のバルブ面は、軸線７に直角な平らな環状円板として示されている。しかしながら、より一般的には、吸着器内の流れの方向は、軸線方向又は径方向であっても良く、第１及び第２のバルブ面は、軸線７上で中心決めされた回転のあらゆる形態であっても良い。規定されるべきプロセス及び機能性室は、吸着器内の径方向又は軸線方向に拘わらず、同じ角度関係であろう。
【００６０】
図２乃至５は、矢印１２’〜１３’、１４’〜１５’及び１６’〜１７’によって規定されている面内でのモジュール１の断面図である。各断面図における矢印２０は、ローター４の回転方向を示している。
【００６１】
図２は、吸着器のローターを横切っている図１における断面１２’〜１３’を示している。ここでは“Ｎ”＝７２である。吸着器３は、吸着器のホイール２０８の外壁２１と内壁２２との間に取り付けられている。各吸着器は、ここでは、軸線方向の流路を規定するためにシート間のスペーサ２４を備えた吸着器シート２３の矩形の平らなパック３を含んでいる。空所を充填し且つ吸着器間の漏洩を防止するために、吸着器に分離機２５が設けられている。別の方法として、吸着器は、限定的ではないが、一般的な数珠状にされるか又は押出成形された吸着剤又は螺旋状に巻かれるか若しくは他の構造の積層された吸着剤シートを含む吸着剤材料の他の構造を含んでいても良い。
【００６２】
図１に示されているように、吸着器３は、各々、ここでは３つの領域すなわち第１の端部５に隣接した第１の領域２６、吸着器の中間に配置された第２の領域２７及び第２の端部６に隣接した第３の領域２８として示されている流路の第１の端部５と第２の端部６との間に複数の別個の領域を含んでいても良い。吸着器の別個の領域に対する代替例として、ガス流路に沿って吸着剤の濃度の勾配を変えることを含む異なる吸着器が、層又は混合物として設けられている。一つの吸着剤からもう一つ別の吸着剤への遷移はまた、別個の遷移よりもむしろ２つの吸着剤が混合された混合物であっても良い。更なるオプションは、均一であってもなくても良い異なる吸着剤の混合物を提供することである。
【００６３】
２５０℃以下の雰囲気温度で作動しているＨ2ＰＳＡの場合には、第１の領域は、水又はメタノールの蒸気及び何らかの二酸化炭素のような供給ガス混合物の極めて強く吸収された成分を除去するために選択された吸着剤又は乾燥剤を含んでいても良い。第２の領域は、比較的高い濃度で不純物（例えば、二酸化炭素）の大量分離のために典型的に選択された吸着剤を含んでいても良く、第３の領域は、典型的には、比較的低い濃度で不純物の除去を研磨除去するために選択された吸着剤を含んでいても良い。
【００６４】
約２５０℃乃至約８００℃で作動するＨ2ＰＳＡの場合には、第１の領域は、上記したように、水蒸気に対してＣＯ2を優先的に吸着する吸着剤を含んでいても良い。第２の領域は、水蒸気に優先してＣＯを吸着する吸着剤（例えば、ゼオライト、Ｃｕ（Ｉ）−含有物質又はＡｇ（Ｉ）−含有物質）を含んでいても良い。第３の領域は、アルミナゲルのような水蒸気を除去するための乾燥剤を含んでいても良い。一つの変形例によれば、ＣＯ2−選択性吸着剤とＣＯ−選択性吸着剤とは、２つの別個の領域におけるよりもむしろ単一の領域内に含まれるか又は相互に混合されても良い。
【００６５】
ＰＳＡモジュール内に触媒材料を組み入れている本発明の実施形態においては、上で解説した改質及び／又は水性ガスシフト反応触媒が吸着剤床の如何なる部分に含まれていても良いが、水蒸気は、改質及び水性ガスシフト反応のための反応物であるので、水蒸気の除去に先立つ段階において含まれているのが好ましいかも知れない。約６００℃乃至１０００℃の温度範囲においては、アルミナに担持されたニッケルは、メタンの水蒸気改質及び水性ガスシフト反応のための有効な触媒である。約３５０℃乃至約６００℃の温度範囲においては、イオン／酸化クロム触媒は、水性ガスシフト反応に対して有効である。約２００℃乃至約３００℃の温度範囲においては、銅／亜鉛酸化物触媒は、水性ガスシフト反応に対して有効である。当該技術において知られている他の水性ガスシフト触媒としては、貴金属及び／又は遷移金属及び／又は酸化セリウムがある。
【００６６】
Ｈ2ＰＳＡが発熱水性ガスシフト反応を行っているこれらの実施形態においては、例えば、ＰＳＡの壁又は吸着剤床内に熱交換手段を設けることによって、あらゆる過剰熱がＰＳＡから除去されても良い。Ｈ2ＰＳＡが吸熱改質反応を行っているこれらの実施形態においては、例えば、ＰＳＡの壁内又は吸着器床内に熱交換手段を設けるか又はバーナーをＰＳＡと一体化させることによって、必要とされる付加的な熱がＰＳＡに供給されても良い。
【００６７】
ＰＳＡ内に吸着剤シート型の吸着器を組み入れている本発明の実施形態においては、吸着剤シートは、吸着剤が適当な粘結剤によって取り付けられている補強材（例えば、ガラス繊維、金属箔又は金網）を含んでいるのが好ましい。濃縮酸素を精製するための空気の分離に対しては、水蒸気を除去するために第１の領域においてアルミナゲルが使用されても良く、一方、第２の及び第３の領域に組み入れられても良い典型的な窒素に有効な吸着剤は、リチウム、カルシウム、ストロンチウム、マグネシウム及び／又はその他の陽イオンと置換されるのが好ましく且つ当該技術において公知の理想化されたシリコン／アルミニウム比率を備えたＸ、Ａ又は斜方沸石型のゼオライトを含んでいる。ゼオライトの結晶は、シリカ、粘土及びその他の粘結剤と結合されるか又は吸着剤シートマトリックス内に自己結合されても良い。窒素−選択性ゼオライトは、雰囲気温度から約１００℃までの温度範囲内で有効である傾向がある。
【００６８】
ゼオライト結晶のスラリーを補強材上のバインダー成分によってコーティングすることによって、満足すべき吸着剤シートが作られて来ており、好結果な例としては、不織ガラス繊維スクリム、織布金属繊維及び展伸アルミニウム箔がある。吸着剤シートに隆起したパターンを印刷又は型押しすることによって、又は吸着剤シートの隣接する対間に二次加工されたスペーサを配置することによってスペーサを設けても良い。代替的な満足すべきスペーサは、織られ且つ展伸された金属スクリーン、不織ガラス繊維スクリム並びに写真平板パターンのエッチングされた流路を備えた金属箔として提供されて来た。層状の吸着剤シート材料からなる吸着器は、平らな若しくは湾曲したシートを積み重ねることによって又は吸着器の第１の端部から第２の端部まで伸長しているシート間に流路を備えて所望の形状の吸着器ハウジングの容積を満たすための螺旋状のローラーを形成することによって形成することができる。詰め込まれ且つ螺旋状に巻かれた吸着器を備えた方法及び構造の例が、２００１年４月２０日に出願され、本明細書に参考として組み込まれている共有に係る同時係属の米国仮出願第６０／２８５１５２７号に開示されている。
【００６９】
約１５０ミクロンの厚みと、１００乃至１５０ミクロンの範囲のスペーサの高さと、約２０ｃｍの吸着剤流路長さと有する適当な実験吸着剤が製造された。Ｘ型のゼオライトを使用して、１分間当たり１乃至少なくとも１５０サイクル、好ましくは１分間当たり少なくとも約２５サイクルの範囲のＰＳＡサイクル周波数の空気からの酸素の分離によって、優れた性能が達成されて来た。
【００７０】
図３は、矢印１４’〜１５’及び１６’〜１７’によって規定された面内で各々第１及び第２のバルブ面内のローター４の例示的なポーティングを示している。吸着器ポート３０は、各々、第１及び第２のバルブ面に各吸着器の第１又は第２の端部からの直接の流体の流通を提供している。
【００７１】
図４は、矢印１４’〜１５’によって規定されている面内での第１のバルブ面１０内の第１のステーター８の第１のステーターバルブ面１００を示している。入口フィルタ１０２から供給空気を導き入れる給送圧縮器１０１への流体接続及び第２の生成物供給導管１０４へ窒素濃縮された第２の生成物を供給する排気機１０３への流体の接続が示されている。圧縮器１０１と排気機１０３とが、駆動モーター１０５に結合された状態で示されている。
【００７２】
矢印２０は、吸着器のローターの回転方向を示している。外周シール１０６と１０７との間の環状バルブ面においては、供給室及び排出室に向けられた第１のステータバルブ面１００の開口領域は、同じ番号１１１〜１１６によって示されている機能的な室に直接連通している第１の機能的なポートに対応する開口した角度区分１１１〜１１６によって示されている。機械的な室間のバルブ面１００の実質的に閉じられた領域は、ハッチングされた扇形１１８及び１１９によって示されており、これらの扇形は、余分な漏洩がなく摩擦及び摩耗を減らすために、ゼロ隙間又は好ましくは狭い隙間を有するスリッパである。例示的な閉じられた扇形１１８は、室１１４に対する開口と室１１５に対する開口との間に、吸着器のための移行部分を提供する。漸進的な開口が、スリッパとシール面との間のテーパーが付けられた隙間流路によって提供されて、新しい室に対して開放された吸着器の緩やかな圧力平衡を達成する。加圧又は圧抜きが他端から行われつつあるときに、吸着器の一端への又は一端からの流れを実質的に止めるために、遙かに広い閉塞された扇形（例えば、１１９）が設けられている。
【００７３】
供給圧縮器は、例示的な給送物加圧室１１１及び１１２への並びに供給物生成室１１３への給送ガスを提供する。室１１１及び１１２は、連続的に増大する作動圧力を有しており、一方、室１１３は、ＰＳＡサイクルのより高い作動圧力にある。従って、圧縮器１０１は、室１１１及び１１２の中間圧力レベルによる吸着器の加圧及び室１１３による最終的な加圧及び生成を達成するために、各室へ適当な量の供給物の流れを給送する多段型又は分離流型の圧縮器装置であっても良い。分離流型の圧縮器装置は、中間給送ポートを備えた多段型圧縮器として、又は、各々、室１１１〜１１３の作動圧力に供給ガスを給送する互いに平行な複数の圧縮器として直列に設けても良い。別の方法として、圧縮器１０１は、給送ガスの全てをより高い圧力へと送出しても良く、このガスのうちのいくつかは、それら自体の中間圧力において給送加圧室１１１及び１１２への供給を絞るようにしても良い。
【００７４】
同様に、排気機１０３は、これらの室の連続的に低下する作動圧力において、向流圧抜き室１１４及び１１５から、そして、最終的には、サイクルにおけるより低い圧力にある排出室１１６から重い生成ガスを排出する。圧縮器１０１と同様に、排気機１０３は、より低い圧力へと低下する適当な中間圧力において各流れを受け取るために、直列か又は平行な段階を備えた多段型又は分離流型機械として設けられても良い。
【００７５】
図４Ａの例示的な実施形態においては、低い方の圧力は大気圧であり、従って、排出室１１６は、重い生成物の給送導管１０４へと直に排出するように示されている。従って、排気機１０３は、向流圧抜き室１１４及び１１５からのモーター１０５を補助するためのエネルギ回収による圧力降下を提供する。簡素化のために、排気機１０３は、室１１４及び１１５からの向流圧抜き圧力降下手段としての絞りオリフィスによって置換しても良い。別の方法として、他のタイプの圧力降下手段を使用しても良い。
【００７６】
いくつかの実施形態においては、ＰＳＡサイクルのより低い圧力は大気圧より低い。次いで、排気機１０３が、図４Ｂに示されているように、真空ポンプとして設けられている。真空ポンプは、最も深い真空圧である向流圧抜きの流れを受け入れるために、直列か平行な別個の段階を備えた多段型か又は分離流型であっても良い。図４Ｂにおいては、室１１４からの初期の向流圧抜きの流れは、大気圧において、重い生成物給送導管１０４へと直接解放される。簡素化のために単一段型の真空ポンプが使用されていた場合には、室１１５からの向流圧抜きの流れは、真空ポンプの入口において室１１６からの流れと合流するために減速されて、オリフィスでのより低い圧力にされる。真空ポンプは、ＰＳＡを低圧で作動させ、このことは、ＰＳＡが大気圧において作動するＭＣＦＣのような低圧で作動する燃料電池にＰＳＡが結合されている場合に有利であるかも知れない。真空ＰＳＡの作動は、高い酸素収量又は部分的回収、従って、空気の分離において高いエネルギ効率を促進する。
【００７７】
図５Ａ及び５Ｂは、図１の断面１６’−１７’における例示的な第２のステータバルブ面を示している。バルブ面の開口したポートは、軽い生成物給送室１２１、多数の軽い還流出口室１２２、１２３、１２４及び１２５並びに第２のステータ内の同じ数の軽い還流戻り室１２６、１２７、１２８及び１２９に対して直に連通している第２の弁機能ポートである。外周シール１３１及び１３２によって規定されている環状リング内に第２の弁機能ポートが示されている。軽い還流出口室と戻り室との各対は、各々、充填、完全な又は部分的な圧力の均衡化及びパージへの向流圧抜きへの供給というＰＳＡプロセス機能のための軽量還流圧抜きの段階を提供する。
【００７８】
エネルギ回収によって軽量還流圧抜きのオプションを図示すると、エネルギ回収による４つの軽量還流段階の圧抜きを提供するために、分離流型の軽量物の還流伸長器１４０が図１及び５Ａに示されている。軽量物還流伸長器は、図示されている軽量還流出口室及び戻り室１２２及び１２９、１２３及び１２８、１２４及び１２７並びに１２５及び１２６間の４つの軽量還流段階の各々のための圧抜きを各々提供する。軽量還流伸長器１４０は、酸素供給導管１４７に酸素が濃縮された生成物を供給し且つ圧縮してＰＳＡサイクルの高い方の圧力よりも高い供給圧力にする駆動シャフト１４６によって軽量生成物増圧機圧縮器１４５に動力を付与しても良い。エネルギ回収による軽量生成物の圧抜きのオプションを図示すると、エネルギ回収による４つの軽量還流段階の圧抜きを提供するために、分離流型軽量還流伸長器１４０が設けられている。軽量還流伸長器は、各々、図示された軽量還流出口室及び戻り室１２２及び１２９、１２３及び１２８、１２４及び１２７並びに１２５及び１２６の間の４つの軽量還流段階の各々のための圧抜き手段の役目を果たす。
【００７９】
軽量還流及び軽量生成物はほぼ同じ純度を有しているので、伸長器１４０及び軽量生成物圧縮器１４５は、図１に示されているように、一般的には、第２のステータと一体化されていても良い単一のハウジング内に気密封止状態で包囲されていても良い。別個の駆動モーターを備えていない“ターボ圧縮器”増圧機のこの構造は、有用な圧力増圧が外部モーター及びそれに対応するシャフトのシール無しで達成することができ且つ速いシャフト速度で作動するように設計されているときに極めてコンパクトにすることも出来るので、有利である。
【００８０】
図５Ｂは、軽量物還流段階の各々のための圧抜き手段として絞りオリフィス１５０を使用した簡単な代替例を示している。
図１に戻ると、圧縮された供給ガスは、矢印１２５０によって示されているように室１１３に供給され、一方、重い生成物は、矢印１２６０によって示されているように、室１１７から排出される。ローターは、第１の弁ステータ及び第２の弁ステータと一体に組み立てられている第１のステータ８内のローター駆動シャフト１６２上のシャフトシール１６１と共に、軸受け１６０によって支持されている。吸着器ローターは、ローター駆動手段としてのモーター１６３によって駆動される。
【００８１】
緩衝シール１７０が、シール１３０と１７１との間の緩衝チャンバのより確実な密封を提供するために設けられている。漏洩を更に少なくし且つ密封機能トルクを減じるために、外周シール１３１の直径よりも遙かに小さい直径で密封面１７２上に密封する。緩衝シール１７０は、吸着器ローター４のローター伸長器１７５と第２の弁ステータ９上の密封面１７２との間を密封し、ローターの伸長器１７５は、第２の弁ステータ９の後方部分を包囲して、緩衝チャンバ１７１を形成している。ステータハウジング部材１８０は、第１の弁ステータ８と第２の弁ステータ９との間の構造的な結合として設けられている。吸着器をステータ面に対して直接向けることは、このようなシールを提供することに対する代替例であり、これは、本明細書に参考として組み入れられている２００１年６月２８日に出願された共有に係る同時係属の米国仮出願６０／３０１，７２３号に記載されている。
【００８２】
本開示の次の装置の図面においては、簡素化された図面は、ＰＳＡ装置又はモジュールを示している。これらの高度に簡素化された図面は、前記バルブ面１０への単一の給送導管１８１及び同バルブ面１０からの単一の重い生成物の導管１８２と、軽量生成物の給送導管１４７と、第２のバルブ面１１に連通している圧抜き手段を備えた単一の代表的な軽量物の還流段階とを示している。
【００８３】
２００１年１０月２１日に出願された“燃料電池のためのエネルギ効率の良いガス分離”という名称の同時係属の特許出願は、種々の熱回収作動流体を使用している種々のエネルギ回収装置を開示しており、これらのうちのいずれかをここに組み込むことができる。一つの変形例においては、酸素ＰＳＡ圧縮器は、作動流体として空気を使用している間接的に加熱されるガスタービンボトミングサイクルと一体化されている。空気の少なくとも一部分は、ＰＳＡプロセスのための適切な給送圧力において酸素濃縮ＰＳＡに付与され、空気の残りの部分は、カソード及び／又はアノード流路ループに結合された熱交換器によって、燃料電池スタックによって間接的に加熱されたガスタービンサイクル作動流体として、より高い圧力まで圧縮される。
【００８４】
本明細書の図６〜９を含む他の実施形態においては、熱ボトミング作動流体は、ガスタービン又はブレイトンサイクルにおけるアノードループガスである。水素濃縮ＰＳＡが雰囲気温度近くで作動せしめられている場合には、熱ボトミングサイクルの高温熱力学的効率を高めるために、伝熱式熱交換器が使用されている。別の方法として、水素濃縮ＰＳＡが、第２の端部が燃料電池スタックの温度に近い高い温度であり、一方、その第１の端部が雰囲気に近い熱拒絶温度に維持されている状態で作動せしめられている場合には、これは、作動流体としてアノードガスを使用しているガスタービンサイクルのための熱ロータリー発電器として使用されても良い。
【００８５】
水素は、ＳＯＦＣパワープラントのための燃料として使用されても良い。アノードガスが熱ボトミングサイクル作動流体である場合に、水蒸気の実質的な部分（例えば、水素内の約２５％乃至約５０％の水蒸気）が膨張のための作動流体であっても良く、一方、圧縮のための作動流体は、燃料電池の生成された水が凝縮によって実質的に除去されるアノードガス（好ましくは後−改質及び水性ガスシフト）である。燃料電池のアノードから出て行く水素／水蒸気混合物のために径方向の流量拡大器が使用されても良い。凝縮の後に圧縮される比較的乾燥した水素濃縮アノードガスの低分子量のために、代替的な適当な圧縮器としては、高速遠心分離、多段遠心分離及び容積式（ツインスクリュー）圧縮器がある。
【００８６】
例えば、小さなパワープラントに対しては、熱ボトミングサイクルは、ランキンサイクルの水蒸気又はスターリングサイクルでの水蒸気のようなカソードガス又はアノードガスからの別個の作動流体を使用しても良い。水素によって電力が付与される小さなＳＯＦＣ燃料電池に対しては、熱ボトミングのためにスターリングエンジンを使用することが特に興味深い。なぜならば、エンジン作動流体を水素燃料供給装置から補給されても良いからである。従って、作動流体封じ込めのために完全に漏洩の無い気密なスターリングエンジンの必要性が本出願において緩和されている。
【００８７】
本開示による装置及び方法は、燃料電池スタックによって給送される電圧及び／又は電流密度を高くするためにＰＳＡによる酸素濃縮及び水素濃縮を使用しているので、熱ボトミングサイクルに対して高度の廃熱として給送される僅かの量の燃料熱量は、従来技術を超えて大きく減じられる。従って、熱ボトミング作動流体の流量及び熱交換の効率は、これに対応して減じられる。熱ボトミングサイクルの電力定格は、燃料電池スタックによって直接給送される高い出力に比例して減じられる。熱ボトミングサイクルによって給送される全体の機械的出力は、ＰＳＡ補助装置に関連する圧縮負荷に対して有力に且つ独占的に適用される。
【００８８】
図６
図６は、溶融炭酸塩型燃料電池２０２と、アノードサイクルのための水素を濃縮させ且つ燃料電池のアノード側からカソード側へ二酸化炭素を送るために燃焼器２０６（燃焼の完全性を確保するために触媒を含んでいても良い）アノードガス分離ＰＳＡユニット２０４と、ガスの圧縮及び膨張のための一体化されたガスタービンユニット２０８と、を含んでいる燃料電池パワープラント２００の例の簡素化された図面である。アノードガス分離ＰＳＡユニット２０４は、水素の濃度を高め、アノード上の二酸化炭素濃度を下げて、電池の電圧を高くする。このことは、燃料電池スタックの効率及び電気出力を直接増大させ、一方、燃料電池によって発生される熱をも下げて、熱ボトミングサイクルによって回収効率がより悪いプラントの出力電力の成分が減じられる。
【００８９】
溶融炭酸塩型燃料電池２０２は、アノードチャネル２１２とカソードチャネル２１４との間に挟まれた多孔質のセラミックマトリクス上に支持された溶融炭酸塩電解質２１０を含んでいる。アノードチャネルは入口２１６と出口２１８とを有しており、一方、カソードチャネル２１４は入口２２０と出口２２２とを有している。
【００９０】
ガスシフト反応器２２６と協働している伝熱式熱交換器２２４及び２２５が設けられている。水性ガスシフト反応器は、燃料電池スタックの運転温度よりも十分低い温度範囲（例えば、約２００℃乃至約３００℃）で作動し、熱回収コイル２２７内の水を沸騰させるための熱を提供する。伝熱式熱交換器２２４は、水性ガスシフト反応器の温度範囲よりも低い温度範囲で作動し、伝熱式熱交換器２２５は、水性ガスシフト反応器の温度よりも高い温度範囲で作動する。
【００９１】
第１の給送ガス供給入口２３０は、導管２３１によって伝熱式熱交換器２２４及び２２５並びに前処理ユニット２３２を通り、導管２３３によってアノード入口２１６に連通し、予め加熱された給送ガスをＭＣＦＣに導入する。第１の給送ガスの供給は、導管２３１内のアノード作動圧力に適合するように外部から圧縮されても良い。給送ガスは、例証的には天然ガスである。導管２３１はまた、過剰な水素と給送ガスとの燃料ガス混合物を補うために、第１のＰＳＡユニット２０４から再循環された水素濃縮ガスの流れをも受け取る。前処理ユニット２３２は、脱硫を提供し且つ給送炭化水素を合成ガス（Ｈ2及びＣＯ）に部分的に変換し及び／又は高級炭化水素を少なくとも部分的にメタンに変換するために、前−改質器を含んでいても良い。水蒸気は、入口２３０において天然ガスによって供給されるか又は前−改質器又はアノード入口２１６に別個に供給されても良い。水蒸気は、水性ガスシフト反応器２２６と協働する熱回収コイル２２７内で発生されても良いし、又は別の方法としてアノード出口２１８からのアノードガスの部分的な再循環によって供給されても良い。
【００９２】
給送ガスの一部分は、当該技術において知られているように、アルミナ上に担持されたニッケルのような適当な水蒸気改質触媒を含んでいても良いアノードチャネル２１２内の内部改質によって、水素を発生するように変換される。アノード入口２１６において実質的な量の水蒸気（例えば、約１．５乃至３の範囲内の水蒸気／炭素比率）に給送ガスを供給する従来技術と対照的に、本発明は、多くても些細な量の水蒸気（例えば、約０．５未満の水蒸気炭素比率）でアノード入口への燃料ガス混合物内の大きく超過した水素の再循環を教示している。余分な水素は、煤の堆積を抑制するために当てにされている。
【００９３】
最も高い電圧比率を達成するためには、比率
【００９４】
【数３】
2005516348.tif 000005
【００９５】
は出来るだけ小さくなければならない。これは、カソードのための二酸化炭素を濃縮しながら、アノードのための大きな再循環された過剰な水素を濃縮するために、第１のＰＳＡユニットを使用することによって上記の比の分母を最大にする本実施形態において達成される。不活性雰囲気ガス成分によってカソードのための酸素を濃縮させ、従って、カソード側の希釈を最小にするために、第２のＰＳＡユニットが設けられている。アノードチャネル内の水蒸気及び二酸化炭素の濃縮生成物もまた、燃料ガス混合物内の水蒸気及び炭素酸化物を最少化することによって、アノード入口の近くで最少化される。更に、アノードチャネルに沿って、水蒸気及び二酸化炭素が、燃料電池の反応及び電解質からの炭酸塩の移動によって発生されるが、二酸化炭素濃度は、過剰な水素による一酸化炭素（逆水性ガスシフトによって）アノードの発生された二酸化炭素の一部分が一酸化炭素へと逆にシフトされたときに、水蒸気と二酸化炭素との濃度は依然として思いがけなく低く保たれる。従って、本発明は、燃料電池の電圧の注目すべき向上を可能にする（この実施形態においては、一定の電流密度での電圧は、水蒸気／炭素比率が２で且つＰＳＡガスの分離が無い状態で天然ガスに対して作動する同様なＭＣＦＣスタックと比較して典型的には２００ミリボルト以上増大され得る）。
【００９６】
発熱性の燃料電池アノード反応は、Ｈ2＋ＣＯ3-→Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2＋２ｅ-であり、熱は、吸熱性の水蒸気改質ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2によって及び逆水性ガスシフトＣＯ2＋Ｈ2→ＣＯ＋Ｈ2Ｏ反応によっても奪われる。本発明は、（１）発生される高い電圧によって、燃料電池スタックが遙かに少ない熱を発生し、（２）逆水性ガスシフトによって、内部改質反応がより吸熱性であり、（３）水素逆圧により、燃料のより多くの成分が内部改質されるので、熱バランスを著しく改良する。
【００９７】
上記の反応によってアノードチャネルの中を通過した後に、アノードガス混合物は、導管２３５によって、アノード出口２１８から抜き取られる。水蒸気は、水蒸気導管２３６から導管２３５へと添加され、導管２３５内のアノードガスと水蒸気との混合物は、任意的な後−改質器２３７へと導入される。後−改質器２３７は、本質的には、およそ燃料電池のアノード出口の温度で作動し且つ発熱水性ガスシフトＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋Ｈ2とほぼ熱バランスが採られた状態で、吸熱水蒸気改質反応ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2及びＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ2を実行するための水蒸気改質触媒を含んでいる断熱二次改質器である。比較的少量のメタンと多量の一酸化炭素とが同時に反応して、近似の熱バランスを維持する。断熱改質器は、触媒への熱交換に高合金チューブが必要とされないので、典型的な熱交換改質器よりもコストが遙かに低い。
【００９８】
一体化されたガスタービンユニット２０８は、再生式のブレイトンサイクルの作動流体としてアノードループ内を循環する反応ガス混合物を使用しているガスタービンサイクルの膨張及び圧縮を提供するために、第１の膨張器２４０、第２の膨張器２４２及びアノードガス圧縮器２４４を含んでいる。膨張器及び圧縮器は、シャフト２４５によって、機械的負荷に結合されている。再生式のブレイトンサイクルは、燃料電池アノード出口２１８、後−改質器２３７及び燃焼器２０６によって達成される高い温度とほぼ雰囲気温度との間の温度範囲に亘って作動し且つ大気圧と約３００ｋＰａ〜１０００ｋＰａ（３乃至約１０バール）とここでは仮定されている燃料電池スタックの作動圧力との間の圧力範囲に亘って作動する。好ましくは、後−膨張器２３７内で反応した後に、アノードガス混合物は、導管２４６によって第１の膨張器２４０の入口へ給送される。第１の膨張器２４０での膨張の後に、後−改質されたアノードガスは、燃焼器２０６内でコイル２４９によって再加熱され且つ導管２４８によって第２の膨張器２４２へと運ばれる。アノードガスの流れは、燃料電池運転圧力が大気圧よりも十分に高い場合には、ほぼ大気圧であるか又は燃料電池運転圧力よりもほんの少し高い場合には大気圧よりも低い圧力であっても良い実質的により低い作動圧力まで膨張器２４２内で膨張せしめられる。次いで、アノードガスは、中間温度において、導管２５１によって第２の伝熱式熱交換器２２５を通って水性ガスシフト反応器２２６まで運ばれ、そこで、初期の一酸化炭素成分のより多くの成分が、水蒸気との反応によって二酸化炭素及び水素に変換される。燃料電池アノード反応は、任意的な後−改質器と水性ガスシフト反応器との両方のための水蒸気を提供し、水性ガスシフト反応器２２６の発熱によって発生された追加の水蒸気は、図示されているように導管２３６によって提供されても良い。アノードガス混合物は、導管２５３によって水性ガスシフト反応器から第１の伝熱式熱交換器２２４を通って凝縮器２５５へと運ばれ、そこで、冷却器コイル２５６によって大気温度近くまで冷却され、冷却器コイル２５６から、パワープラントによって低いグレードの廃熱が廃棄される。この低いグレードの熱は、ビルディング又は給湯加熱の電気−熱同時発生用途に使用しても良い。
【００９９】
凝縮された水は、反応器２２６内の吸熱水性ガスシフトから熱を回収するために、水給送ポンプ２５８によって凝縮器２５５から圧送され、導管２６０によって伝熱式熱交換器２２４を通り、蒸発器コイル２２７へと運ばれる。次いで、比較的乾燥したアノードガス混合物は、導管２５５によって、凝縮器２５５から圧縮器２４４の入口へと運ばれる。圧縮器２４４は、アノードガス混合物を圧縮して第１のＰＳＡユニットの高い方の圧力とし、この圧力は、導管及び伝熱式熱交換器内の摩擦圧力の低下に打ち勝つのに十分な圧力差だけ燃料電池アノードの作動圧力よりも若干高い。圧縮器２４４は、圧縮されたアノードガス混合物を、導管２６４によって、第１のＰＳＡユニット２０４の第１のロータリーバルブ面１０内の給送生成物室へ給送する。二酸化炭素が濃縮された重い生成物の流れは、第１のユニットＰＳＡサイクルの低い方の圧力で、第１のロータリーバルブ面１０内の圧抜き及び排気室から解放され、導管２２６によって、二酸化炭素圧縮器２７０（又は、低い方の圧力が大気圧よりも低い場合には、真空ポンプ）の入口へ導かれる。第１のＰＳＡの高い方の圧力は、ＭＣＦＣの運転圧力よりも若干高く、一方、低い方の圧力は、大気圧か大気圧より低くても良い。ＭＣＦＣ運転圧力が大気圧近辺に選択されていた場合には、第１のＰＳＡは、約１０〜５０絶対ｋＰａ（０．１乃至０．５絶対バール）の範囲のより低いサイクル圧力を備えた真空ＰＳＡであったであろう。
【０１００】
導管２６６からの重い生成物の流れは、二酸化炭素圧縮器２７０によって、第１のＰＳＡの高い方の圧力へと圧縮して戻され、これは、圧縮された重い生成物の流れを導管２７２へと給送し、導管２７２は、第１のＰＳＡユニット２０４の第１のロータリーバルブ面１０内の給送生成物室につながっている重い還流導管２７３と、燃焼器２０６につながっている導管２７４とに分岐している。別の方法として、導管２６６内の重い生成物の流れは、大気圧よりも低い圧力である場合には、次いで、圧縮器２７０は、重い生成物の流れを抜き出すための真空ポンプとすることができる。
【０１０１】
第１のＰＳＡ２０４からの濃縮された水素の軽い生成ガスは、導管２７５によって、第１のＰＳＡユニットの第２のロータリーバルブ面１１から給送される。導管２７５は、逆止弁２７７によって導管２３１に連通しており、従って、前処理ユニット２３２を介して、アノード入口２１６につながっている。軽い還流の２つの段階２７６及び２７６’が示されており、この２つの段階においては、軽い生成ガスの別個の流れが、（例えば、図５Ａに示されている軽い還流の膨張器１４０の各々の段階によって、）圧力降下のために、第２のロータリーバルブ面１１から抜き取られ、次いで、吸着器の浄化及び再加圧のために第２のロータリーバルブ面へと戻される。第１のＰＳＡユニットは、水素が外部の水素消費装置へのパワープラントの生成物として搬出されるべき場合には、特に望ましいように、濃縮された水素の高い純度を達成するために作動させても良い。しかしながら、別の方法として、第１のＰＳＡユニットは、より程度の低い水素の濃縮を達成して、未反応のメタン及び一酸化炭素の一部分が燃料電池のアノードへの水素によって再循環されるようにするために作動させても良い。より低い水素の純度における作動は、アノードへの再循環のための水素の高い回収を容易にするであろう。
【０１０２】
従って、アノードループは、伝熱式熱交換器２２４及び２２５を介して給送及び再循環水素を加熱する導管２３１、前処理ユニット２３２、導管２３３、アノードチャネル２１２、導管２３５、後−改質器２７７、導管２４６、膨張タービン２４０及び２４２、導管２４８及び再加熱コイル２４９（別の方法として、後−改質器２３７の上流か下流の加熱コイルとして使用されても良い）、伝熱式熱交換器２２５及び２２４及び水性ガスシフト反応器２２６を介してアノードガス混合物を冷却する導管２５１及び２５３、凝縮器２５５、導管２６２、圧縮器２４４、導管２６４、第１のＰＳＡユニット並びに濃縮された水素と導管２３１に戻す逆止弁２７７を含んでいる。このアノードループにおいては、水素は再循環され、天然ガスは、水素及びその他の燃料成分の実質的に完全な利用のために補給され、一方、二酸化炭素は、ＰＳＡ２０４によって連続的に取り出される。アノードループの周囲の流れの圧力の低下に打ち勝つためには、増圧器手段が有用であるかも知れず、これは、この例においては圧縮器２４４によって提供されている。任意的に、重い生成物の還流段階及び導管２７３は省略しても良く、省略することによって、圧縮器２０６に給送される燃料ガス成分（水素、一酸化炭素及びメタン）が増加するであろう。第１の
ＰＳＡ内の高い方の圧力と低い方の圧力との比較的高い圧力比によって、（燃料電池のアノードへ再循環させるための）軽い生成ガス内の燃料ガス成分の比較的高い回収が達成されるであろう。十分に大きな重い還流の流れ及び重い還流の圧縮における対応する出力の消費状態においては、燃料ガス成分は、二酸化炭素及び／又は水蒸気の重い生成物から実質的に除去されて、燃焼器２０６が排除されるか又は小さな触媒燃焼器と置換させても良いようにしても良い。燃焼器２０６は、二酸化炭素が濃縮された重い生成物の流れ内の残留燃料の量（幾分の水素及び未変換一酸化炭素及び燃料を含んでいる）を燃焼させる。高い不活性物質濃度による安定した燃焼を確保するために、触媒を燃焼器２０６内に設けても良く又は補助燃料を添加しても良い。
【０１０３】
酸素ＶＰＳＡユニット３００は、燃料電池の起電力を高め、従って、全体のプラント効率を高めつつ熱ボトミング負荷を減じるために、カソードチャネル内の酸素及び二酸化炭素の部分圧力を増圧するために、酸素ＶＰＳＡユニット３００を設けるのが（必須ではないが）好ましい。酸素ＰＳＡ又はＶＰＳＡユニット３００は、吸着器内の窒素選択性吸着剤、第１のロータリーバルブ面３１０及び第２のロータリーバルブ面３１１を備えたロータリーモジュール３０１を含んでいる。第１のロータリーバルブ面３１０は、給送生成物室において空気取り込み口３１９及び導管３２１を介して給送空気圧縮器３２０から圧縮された給送空気を受け取り、導管３２２を介して排気室から任意的な真空ポンプ３２４（ＶＰＳＡのために含まれるべきであり又は単純なＰＳＡのためには排除されるべきである）へ、導管３２５による大気へ又は緩やかに濃縮された窒素のための何らかの他の使用のために排出される。第２のロータリーバルブバルブ面３１１は、導管３３１内の逆止弁３３０によって例えば９０％の純度の濃縮された軽い生成酸素を酸素圧縮器３３２へと給送し、酸素圧縮器３３２は、少なくともＭＣＦＣの作動圧力で、酸素を、導管３３４、伝熱式熱交換器２２４及び２２５及び次いで燃焼器２０６へと給送する。圧力降下のための適当な手段（例えば、各々、図５Ａ及び５Ｂに示されているエネルギ回収膨張器又は絞り）を備えた２つの軽い還流段階３３６及び３３６’もまた、第２のロータリーバルブ面３１１と協働するように設けられている。
【０１０４】
燃焼器２０６に供給される空気の酸素の濃縮は、カソードチャネル内の窒素及びアルゴンの不活性負荷を実質的に低減し、このようにして、上記したように、電気化学エネルギ変換性能を高めるようにしても良い。更に、酸素の濃縮は、触媒無しで又は少量の触媒によって、より完全な燃焼を提供しても良く且つＮＯＸ放出の生成を実質的に排除するであろう。燃焼器２０６からの流出ガスは、第１のＰＳＡユニットの重い生成物からのＣＯ2と、第２のＰＳＡユニットからの酸素プラス少量の不活性成分（例えば、酸素ＶＰＳＡユニットによって不完全に分離されたアルゴン及び窒素）プラス燃焼生成物のような少量の水蒸気とを含んでいる。典型的な組成は、６０％のＣＯ2、３０％のＯ2及び残りの不活性物質並びに水蒸気である。このガスは、導管３３８によって、ＭＣＦＣ酸化剤としてカソード入口２２０へ導入される。カソード排ガスは、導管３４０によってカソードチャネル出口２２２から抜き取られ且つ伝熱式熱交換器２２５及び２２４内で熱回収された後に、導管３４１によってパワープラントから排出される。図示された図６において、カソード排ガスは、残留している大気ガス成分を除去するために更に処理した後に廃棄するか又は滞留するために、濃縮されたＣＯ2を給送するのに便利なように、ほぼ燃料電池運転圧力で導管３４１から給送される。カソード排ガスは、別の方法として、伝熱式熱交換器２２５及び２２４内で熱回収される前に、エネルギ回収膨張器（ここでは図示されていないが、２００１年１０月２６日に出願された“燃料電池のためのエネルギ流出ガスの分離”という名称の同時係属特許出願のいくつかの実施形態に含まれている）を横切って膨張せしめられても良い。このようなカソードガスエネルギ回収膨張器は、例えば、ポンプ２５８、モーター１６３と等価のローター駆動手段としてのロータリーＰＳＡモジュール２０４及び３００又は圧縮器又は送風器２４４、２７０、３２０及び３３２のうちのいずれかのようなプラントの機械的負荷のうちの何れかを駆動するために使用しても良い。
【０１０５】
ガスタービンアセンブリ２０８は、全てがシャフト２４５によって結合されている圧縮器２４４、２７０、３２０及び３３２を駆動する膨張器２４０及び２４２並びに真空ポンプ３２４を含んでいるものとして図６に示されている。このアセンブリはまた、始動動力を提供し及び／又はガスタービンアセンブリから利用可能なあらゆる過剰な動力を吸収するために、モーター／発電器３５０に結合されているものとして示されている。個々の膨張器２４０及び２４２によって、又はＰＳＡユニット２０４か３００と協働する軽い還流膨張器によって、又はカソード排ガス膨張器によって、動力を付与することができることが理解できるであろう。
【０１０６】
最後に、水素給送弁２６０と、第１のＰＳＡユニット２０４からの精製された水素を負荷平準化のための貯蔵器又は車両給油のような水素の外部消費装置へ給送するための水素給送導管２６２とを備えたパワープラントが示されている。燃料電池アノードへ再循環させるために第１のＰＳＡユニットによる水素の流れの実質的な精製は、本発明によって教示されるパワープラント発電性能の改良のためには本質的であるけれども、パワープラントは、電力だけでなく水素も送出することができるので、この性能はまた、電気−熱同時発生の融通性という利点も提供する。低電力需要の間欠発電の減量運転は、これらの間隔中の水素の高い精製を可能にすることができる。
【０１０７】
第１のＰＳＡの吸着器の作動温度は、大気温度に近くても良く、この場合には、熱交換器２２４及び２２５は、大きな負荷がかけられた伝熱式熱交換器であろう。代替的には、第１のＰＳＡは、高い温度で作動しても良く、この場合には、第２のバルブ面に隣接した第２の温度は、第１のバルブ面に隣接した第１の温度よりも高く、その結果、吸着器ローターがロータリー熱交換器として機能するのが好ましい。第１のＰＳＡユニット２０４の運転温度は、燃料電池スタック又は改質反応器の温度に近くても良い。例えば、Ｈ2ＰＳＡユニットの運転温度は、燃料電池スタック又は改質反応器の約１００℃乃至約２００℃の範囲内であっても良い。第１のＰＳＡの運転温度が、メタン水蒸気改質反応のために十分な高さ（例えば、少なくとも約６００℃）であり、その吸着器内に適切な触媒が含まれている場合には、水蒸気改質反応は、約６００℃に近いか又は越える吸着器領域におけるＰＳＡユニット内の吸着増強反応によって行われて、その結果、水性ガスシフト反応器２２６（又は、その一部分）は、ＰＳＡユニット２０４と一体化されていても良い。大気まで下降する更に低い温度においては、第１のユニットは、水素からのＣＯ2を吸着するための一般的な吸着器と共に作動せしめられても良い。
【０１０８】
図７〜１２
次の実施形態は、固体酸素燃料電池パワープラントへの本発明の適用を示している。これらの実施形態の特徴は、溶融炭酸塩型燃料電池パワープラントに対しても同等に適用することができる。図７の実施形態４００は、ＭＣＦＣの代わりに固体酸素型燃料電池ＳＯＦＣが代用されていること以外は、図６の実施形態２００と似ている。ＳＯＦＣスタック４０２は、アノードチャネル２１２とカソードチャネル２１４との間に挟まれている固体酸素電解質膜４１０を含んでいる。アノードチャネルは入口２１６と出口２１８とを有しており、一方、カソードチャネル２１４は入口２２０と出口２２２とを有している。燃料が天然ガスである場合には、天然ガスはアノードチャネル２１２内で内部改質され、一方、再循環された水素の適当な過剰濃度は、炭素の蓄積を防止するためにアノードループ内に維持される。
【０１０９】
図６のＭＣＦＣ実施形態におけるのと同様に、ＳＯＦＣ構造とＭＣＦＣ構造との間には、いくつかの重要な相違が生じる。図７〜１１においては、濃縮された酸素は、ＶＰＳＡユニット３００及び任意的な酸素生成物圧縮器３３２からカソードチャネル入口２２０へと伝熱式熱交換器２２４及び２２５を介して導管４３４によって直に給送される。排出カソードガスは、導管４４０によって、カソードチャネル出口２２２から燃焼器２０６へと運ばれ、このようにして、カソードチャネルからの熱回収を燃焼器酸化物に付与する。第１のＰＳＡユニット２０４からの重い生成ガス（ＣＯ2濃縮最終ガス）は、その中の残留燃料量の燃焼のために、導管４４５によって、伝熱式熱交換器２２４及び２２５を介して燃焼器２０６へと運ばれる。所望ならば、重い生成ガスは、導管４４５へ導入される前に、二酸化炭素圧縮器２７０によって圧縮しても良い。燃焼器２０６からの二酸化炭素排出物は、排出導管３４１によって排出される前に、伝熱式熱交換器２２５及び２２４内の熱回収によって、導管４４８によって排出される。この排出物の流れは、高度に濃縮されたＣＯ2であり、これは、所望ならば、例えば、強化された油回収又は深い炭層メタンの排出量における使用によって、圧縮後に分離されても良い。図７の実施形態においては、ＣＯ2が濃縮された排気の流れは、ほぼ燃料電池の作動圧力によって給送されるが、所望ならば、エネルギ回収膨張器によって膨張せしめられて大気圧にされても良い。
【０１１０】
図８は、ガスタービンアセンブリ２０８が２つの別個のエネルギ回収自由ローター又は“ターボチャージャー”の管に分割されている実施形態５００を図示している。従って、第１のローター５０１は、シャフト５０２によって圧縮器２４４及び２７０を駆動している膨張器２４０を含んでいる。第２のエネルギ回収ローター５０５は、全てがシャフト５０６によって結合されている真空ポンプ３２４だけでなく圧縮器３２０及び３３２を駆動する膨張器２４２を含んでいる。適当な圧縮負荷に結合された付加的エネルギ回収ローターが、ＰＳＡユニット２０４又は３００内の軽い還流膨張器と組み合わせて設けられていても良い。
【０１１１】
図９は、第３のガスタービンスプール５１０がカソード排ガスの圧力降下のための膨張器５１１を含んでいて、排ガスの流れがほぼ大気圧で導管３４１から排出されるようになされた実施形態５００の変形例を示している。膨張器５１１は、シャフト５１２によって酸素圧縮器３３２を駆動するものとして示されている。エネルギ回収膨張器２４０、２４２及び５１１は、圧縮器、送風器及び真空ポンプだけでなく、ＰＳＡロータリーモジュール、ウォーターポンプ、燃料ポンプ及びあらゆる組み合わせの電気−熱同時発生生成水素圧縮器のようなその他の補助的な機械的負荷に結合されても良いことは理解されるであろう。
【０１１２】
図１０は、前処理ユニット２３２が、供給燃料を合成ガス（水素及び一酸化炭素）だけでなく合成ガスのメタン化部分に部分的に変換して、燃料電池のアノードチャネル内の煤の堆積の危険性を減じるために、より高級の炭化水素が少なくとも部分的にメタンに変換されるようにするための前−改質器である、実施形態５５０を示している。前−改質器は、給送不純物に対する許容度のために選択することができ且つメタン化反応を促進するために約４００℃乃至約６００℃の範囲内の比較的低温で作動することができる吸熱水蒸気改質反応と発熱性メタン化反応との間で少なくとも部分的に熱バランスがとられた状態で断熱的に作動しても良い。本発明においては、メタンは、燃料電池反応によって発生される水の（水蒸気改質による）捕集剤として機能するので、アノードへの供給物の好ましい成分である。第１のＰＳＡユニットからの再循環水素は、供給燃料と共に前−改質器内を通過せしめられても良いし又は別の方法としては前−改質器を通過することなくアノード入口２１６へ直接迂回せしめられても良い。
【０１１３】
水蒸気は、前−改質器内での水蒸気改質及びコークス化抑制のための十分な濃度で前−改質器２３２の入口へ添加されなければならない。実施形態５５０は、各々、導管２３５による後−改質器２３７への及び導管５５３による前−改質器への水蒸気を許容するために、導管２３５から分岐している水蒸気の流れの制御弁５５１及び５５２を含んでいる。
【０１１４】
未反応の水蒸気は、アノード入口２１６へ許容される前に、前−改質器流出水から除去されるのが好ましい。図９において、水蒸気は、導管２３１と２３３との間に結合されたロータリーの乾燥剤湿度交換器５６０は、第１及び第２の端部でロータリーバルブ面５６５及び５６６と係合した乾燥剤ホイール５６１を含んでいる。湿度交換器は、アノードチャネル入口２１６に入る水素リッチガス混合物から水蒸気を取り出して導管５５３から必要とされる水蒸気の補給によって、前−改質器内で水蒸気メタン改質のために水蒸気を再循環させるために、導管２３３内に前−改質器流出水から前−改質器供給導管２３１へと移動させる。
【０１１５】
導管２３３は、ポート５７１を通る前−改質ガスを乾燥剤ホイールの一方の側のバルブ面５６５へ運び、そこから、乾燥したアノード供給ガスがバルブ面５６６を介してポート５７２によってアノード入口２１６に接続されている導管２３３’へと給送される。導管２３１は、供給燃料ガスの乾燥した燃料ガス混合物を給送し且つポート５７３によって水素を再循環させ、この燃料ガス混合物は、ポート５７４によってバルブ面５６５を出て行く前に湿らせるべき乾燥剤ホイール内を通り、導管２３１’及び前−改質器２３２へと流れる。湿度の伝達のための駆動力は、導管２３３内の低い方の温度に対してより高い温度を導管２３１内に確立するか又は導管２３１’及び２３１内のより低い圧力に対してより高い圧力を導管２３３及び２３３’内に確立することによって増大されても良い。
【０１１６】
図１１及び１２は、アノードガス混合物が、燃料電池スタック熱回収熱力学サイクルのための作動流体として直接使用されない実施形態の一つの種類を示している。図１２の実施形態６００においては、エンジン６０２は、廃熱を回収するために、熱ボトミング装置として使用されている。エンジン６０２は、燃焼チャンバ６０４（第１のＰＳＡユニットからの重い生成ガスが導管４４０が代替的には空気によって燃焼される）及び後−改質器２３７及びアノード出口２１８から導管２４６によってアノードガス混合物を受け取るヒーターコイル６０６によって加熱される高温端部６０３を有している。エンジン６０２はまた、代替的に、水性ガスシフト反応器２２６からの熱を受け取っても良い。エンジン６０２は、ほぼ大気温度において熱を拒絶するための冷却器又はラジエータ６０８を有している低温端部６０７を有している。エンジン６０２は、（開示全体が本明細書に組み込まれている２００１年１０月２６日に出願された“燃料電池のためのエネルギ流出ガスの分離”という名称の同時係属特許出願のいくつかの実施形態におけるように）その作動流体として空気を使用しているガスタービンであっても良く、この空気は、アノード及び／又はカソードガスとの直接的な熱交換によって、及び第１のＰＳＡユニットからの重い生成排ガスの燃焼によって及び／又は補助的な天然ガス燃料の燃焼によって加熱される。エンジン６０２は、第１のＰＳＡユニットからの重い生成排ガス及び／又は補助天然ガス燃料によって燃料を供給される内燃機関を含んでいても良い。代替的には、エンジン６０２は、少なくとも燃焼チャンバ６０４によって部分的に加熱されるボイラーを含んでいる高温端部６０３と、冷却器又はラジエータ６０８への低級廃熱を拒絶する凝縮器を含んでいる低温端部６０７とを備えた蒸気機関又は蒸気タービンであっても良い。
【０１１７】
第１のＰＳＡユニットは精製された水素を発生するので、好ましい実施形態６００は、エンジン６０２のような水素作動流体を備えたスターリングエンジンを使用している。水素作動流体は、高温端部６０３内で膨張せしめられ且つ低温端部６０７内で圧縮される。圧縮された水素は、高性能のスターリングエンジンのための特に望ましい作動流体である。エンジン６０２のようなスターリングエンジンは、酸素ＰＳＡ給送送風器２４４及び２７０並びに始動電動機の機能をも果たしても良い任意的な発電器６２０を駆動するためのクランク機構を有していても良い。別の方法として、自由ピストンのスターリングエンジン機構は、シャフト結合無しで直接蒸気の圧縮負荷の全て又はいくつかを駆動するために使用されても良い。圧縮器２４４、２７０及び３２０並びに真空ポンプ３２４のための圧縮ピストンは、往復動ピストンの調整のためのリンク機構を任意に有していても良いスターリングエンジンのピストンによって直接駆動されても良い。
【０１１８】
図１２は、実施形態６００と似ているが、酸素リッチＰＳＡ又は後−改質器を備えていない簡素化された実施形態６４０を示している。図１１及び１２の例においては、燃料電池作動圧力は、水素ＰＳＡ２０４が真空モードで作動できるように、大気圧に近くても良い。燃料電池の余剰熱は、熱交換器６０６を介するアノード排ガス及び燃焼チャンバ６０４内の水素ＰＳＡ最終ガスの燃焼からの増強を備えたカソード排ガスの両方からエンジン６０２へと運ばれる。
【０１１９】
図１３は、生成水素を貯蔵容器６６５へ給送する生成水素圧縮器６６０を備えた実施形態６５０を示しており、貯蔵容器６６５からは、圧縮され且つ精製された水素が、生成水素給送弁２６０によって外部の水素消費装置へ給送されることができる。圧縮器６６０は、内部又は外部燃焼機関６７０によって動力を付与されるものとして示されており、内燃機関６７０は、第１のＰＳＡユニット２０４からの重い生成ガスによって燃料を供給され、この低級燃料ガスは導管２６６及び弁６７１によって供給されている。別の方法として、水素生成圧縮器６６０は、燃料電池スタックから電流を引き出しても良い電動機又は以前の実施形態におけるように燃料電池廃熱を回収するエンジン若しくはタービンによって、動力を供給されても良い。
【０１２０】
同時発生水素は、外部使用装置に給送され、貯蔵され又はＳＯＦＣと協働するＰＥＭ燃料電池に供給されても良い。必要とされる水素の純度は、ＳＯＦＣ電気出力が低減されても良い水素が外部使用装置のために給送されるか又は貯蔵されるときに、比較的高くても良い。ピークのＳＯＦＣ電気出力が望ましいときには、外部使用装置又は貯蔵装置への水素の供給は停止しても良く、次いで、水素の純度を和らげてより大きな電気発生効率を達成しても良い。このようにして、電気の需要が低いときに水素を供給するか又は需要が少ないときの水素燃料補給ステーションにおけるように水素の需要が低くなったときに（例えば、送電設備網に）電力を供給するＳＯＦＣ又はＭＣＦＣパワープラントの最も生産的な使用のための負荷標準化技術として水素の同時発生を使用しても良い。
【０１２１】
図１４は、２段階ＰＳＡ装置として提供される水素ＰＳＡユニットを備えた例示的実施形態７００を示している。２段階水素ＰＳＡユニット７０４は、ロータリー吸着器モジュール７０８として提供されている二酸化炭素濃縮段階と協働するロータリー吸着器モジュール７０６として提供されている水素濃縮段階を含んでいる。水素濃縮ロータリー吸着モジュール７０６は、第１のバルブ面１０と第２のバルブ面１１とを有しており、一方、二酸化炭素濃縮ロータリー吸着モジュール７０８は、第１のバルブ面１０’と第２のバルブ面１１’とを有している。各々のモジュール７０６及び７０８内のＰＳＡサイクルの実質的に同じ瞬間的な作動圧力及び位相にある吸着器間の流体の流通を提供するために、複数の連結導管７１０がバルブ面１０と１１’との間に設けられている。供給物は、導管７１２を介して圧縮器２４４からＰＳＡサイクルの高い方の圧力に対応する連結導管７１０ａへと供給され、一方、重い還流圧縮器２７０からの重い還流は、同じくＰＳＡサイクルの高い方の圧力でバルブ面１０’に受け入れられ、濃縮された水素もまた、より高い圧力でバルブ面１１から給送される。ＰＳＡサイクルの低い方の圧力期間中においては、モジュール７０６が軽い還流の流れによって除去され、一方、ＣＯ2を含む不純物は、バルブ面１０から、低い方の圧力に対応する連結導管７１０ｂによってバルブ面１１’に運ばれ、濃縮されたＣＯ2は、バルブ面１０’から導管４４５又は重い還流圧縮器２７０へ給送される。最も高いＣＯ2濃度は、ＣＯ2リッチな流れが導管４４５へ給送されるのが好ましいときには、ＰＳＡサイクルの向流排出ステップ中にバルブ面１０’において達成することができる。所与の水素精製及び回収のためには、特に、供給水素濃度が比較的高いときに、重い還流及びされに関連する圧縮力消費が２段階水素ＰＳＡによって低減される。
【０１２２】
図７〜１４における実施形態のいずれもが、空気か濃縮された酸素の流れに混合するためにＣＯ2を第１のＰＳＡユニットの重い生成物の流れからカソード入口へと運ぶことによってＭＣＦＣプラントに適用して、消費されるＯ2の各モルに対して２モルのＣＯ2を有する適切なＭＣＦＣカソード酸化剤の流れを提供しても良い。本発明のパワープラントは、燃焼器への酸化剤が酸素ＰＳＡ又はＶＰＳＡユニット３００によって発生される高度に濃縮された酸素である場合に、如何なる有意量のＮＯXも発生しないであろう。アノードの最終ガスは殆ど極めて少量の加熱燃料成分を有するＣＯ2であるので、濃縮された酸素は、空気中のこのような極めて低いＢＴＵガスの燃焼に必要とされる触媒の必要性を避けるか又は最少化するための酸化剤として使用されるのが望ましい。ここに開示された装置及び方法のその他の多くの代替例及び変形例があることは明らかであろう。
【０１２３】
ＭＣＦＣ及びＳＯＦＣパワープラントのためには、ここに開示された装置及び方法は、アノード内の水蒸気の部分的な圧力に対する水素の比率を最大化させる一方でＭＣＦＣ装置に対してはアノードチャネル内のＣＯ2に対するカソードチャネル内のＣＯ2の比率をも最大化することによって発電性能を高めるであろう。燃料のより低い加熱値に基づいた推定効率は、天然ガスが燃料として供給される燃料電池パワープラント６０％ないし７５％の粗い範囲である。本発明はまた、（１）効率的に発電された電力、（２）精製され且つ圧縮された水素、（３）有用な副産物としての又は滞留のための濃縮されたＣＯ2及び（４）加熱又は家庭内温水用途を作るのに適した低級の廃熱の同時発生をも容易にする。
【０１２４】
以上、いくつかの実施形態に関して本発明の原理を図示し且つ説明したけれども、本発明は、このような原理から逸脱することなく配列及び詳細に変形を施しても良いことは当業者にとって明らかであるはずである。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】図１は、ロータリーＰＳＡモジュールの軸線方向断面図である。
【図２】図１のモジュールの横断面図である。
【図３】図１のモジュールの横断面図である。
【図４】図１のモジュールの横断面図である。
【図５】図１のモジュールの横断面図である。
【図６】ＭＣＦＣパワープラントの実施形態の簡素化された図である。
【図７】代替的なＳＯＦＣパワープラントの実施形態の簡素化された図である。
【図８】代替的なＳＯＦＣパワープラントの実施形態の簡素化された図である。
【図９】代替的なＳＯＦＣパワープラントの実施形態の簡素化された図である。
【図１０】代替的なＳＯＦＣパワープラントの実施形態の簡素化された図である。
【図１１】代替的なＳＯＦＣパワープラントの実施形態の簡素化された図である。
【図１２】代替的なＳＯＦＣパワープラントの実施形態の簡素化された図である。
【図１３】代替的なＳＯＦＣパワープラントの実施形態の簡素化された図である。
【図１４】代替的なＳＯＦＣパワープラントの実施形態の簡素化された図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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