(57)【要約】  電力・水素併産（ＨＥＣＰ）システムは、水素、電気、又はそれら両方を発生する燃料電池を利用する。第１のモードでは、燃料電池は、水素含有燃料を酸素と反応させて電気化学反応を行うことにより、電気、水、及び熱を発生させる。第２のモードでは、燃料電池は、燃料電池の電気化学反応により放出された熱を利用して、水素含有燃料を改質して水素に富んだガスを発生する。第３のモードでは、水素と電気の両方が燃料電池により併産される。このＨＥＣＰシステムは該システムへの電気負荷を変化させることで、水素及び／又は電気の発生量を制御し、モード切替ができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と電気を生産するための併産エネルギー供給システムであって、
前記システムへのインピーダンス量を変化させる可変電気負荷と、
前記可変電気負荷に接続された電気化学コンバータとを含み、
前記電気化学コンバータが、前記可変負荷により前記システムに導入される前記インピーダンス量に応答して、水素と電気のうち少なくとも一方を生産する、併産エネルギー供給システム。
【請求項２】
前記電気化学コンバータが、固体酸化物燃料電池及び溶融炭酸塩燃料電池のうち少なくとも一方を含む高温燃料電池である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記電気化学コンバータが、
電解質プレートと、
前記電解質プレートの一方の面に設けた燃料電極材料と、
前記電解質プレートの反対の面に設けた酸化剤電極材料とを含む、請求項１に記載のシステム
【請求項４】
電解質プレートが、酸素含有イオン伝導プレートと、水素イオン伝導プレートと、ＯＨイオン伝導プレートと、又はＣＯ３イオン伝導プレートとのうち一つを含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
燃料反応体及び酸化剤反応体を前記電気化学コンバータに導入するための手段を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
入力燃料反応体が前記電気化学コンバータに導入されると共に前記燃料電極に分散され、入力酸化剤反応体が前記電気化学コンバータに導入されると共に前記酸化剤電極に分散され、且つ前記電気化学コンバータが使用済み燃料及び使用済み酸化剤を生成する、請求項３に記載のシステム。
【請求項７】
前記電気化学コンバータが、前記燃料反応体と、前記電解質プレートを通過してイオンの形で運搬された前記酸化剤反応体との電気化学反応の結果として前記使用済み燃料を生成するよう適合された、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記電気化学的反応が、前記電極間の電圧と、前記酸化剤電極から前記外部電気負荷を経由して前記燃料電極まで流れる電流とを発生する、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記電気化学反応が電気化学の法則に従って熱を発生する、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
電力を全く発生させないよう、前記可変負荷は実質的にゼロに設定され前記電極間に短絡を生じるべく適合されており、従って、前記電気化学コンバータは未使用入力燃料反応体があれば、それを水素に富んだリフォーメートに改質する改質器として機能する、請求項３に記載のシステム。
【請求項１１】
電力を全く発生せず且つ酸素含有分子が前記電解質プレートを横切って運搬されて入力燃料反応体と反応することで水素に富んだリフォーメートを生成するため、前記可変負荷が実質的にゼロに設定され前記電極間に短絡を生じさせるべく適合されており、従って、前記電気化学コンバータは、該コンバータ内での前記電気化学反応に利用される量を超えた残りの未使用の入力燃料反応体があればそれを改質する改質器として機能する、請求項３に記載のシステム。
【請求項１２】
運転時に、前記酸化剤反応体からの酸素含有分子が前記電解質プレートを横切って運搬され、前記燃料電極で前記入力燃料反応体及び蒸気の混合物と反応することにより、前記入力燃料反応体を水素に富んだリフォーメートに改質し、従って、前記電気化学コンバータが併用改質器として機能する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
運転時に、前記酸化剤反応体の酸素含有分子が前記電解質プレートを横切って運搬され、前記燃料電極で前記入力燃料反応体と反応することにより、前記入力燃料反応体を水素に富んだリフォーメートに改質し、従って、前記電気化学コンバータが併用改質器として機能する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
運転時に、空気又は比較的純粋な酸素と入力燃料反応体とが前記電気化学コンバータに導入され、更に、該電気化学コンバータが熱を発生すると共に、酸素含有分子が前記電解質プレートを横切って運搬され、前記燃料電極で前記入力燃料反応体と反応して、前記入力燃料反応体を窒素を含まないリフォーメートに改質する、請求項３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記可変電気負荷のインピーダンスを変化させて、前記電気化学コンバータが発生する電気と水素の相対量すなわち比を変化可能な、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記電気化学コンバータは、負荷の代わりに電気が該コンバータに供給されると入力反応体から水素を生成する電解装置モードで動作するように適合されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記電気化学コンバータに導入される前記の電気は再生可能エネルギー源から供給され、該再生可能エネルギーは風力と、太陽エネルギーと、水力のうち少なくとも一つを含む、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記可変負荷は、少なくとも最小インピーダンス量を前記システムに導入するよう適合されており、前記可変負荷が前記最小インピーダンス量に設定されている時は、電気化学コンバータは、入力燃料反応体を主として水素に富んだリフォーメートのみに改質するよう適合されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記最小インピーダンス量が概ねゼロである、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記最小インピーダンス量が、前記電気化学コンバータにおける短絡電気構成に対応する、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記可変負荷は、前記最小インピーダンス量よりも大きい最大インピーダンス量であって、前記電気化学コンバータにおける開放電気構成に対応する最大インピーダンス量に設定されるよう適合されている、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記電気化学コンバータに水素と電気を発生させるため、前記可変負荷が、前記最大インピーダンス量と前記最小インピーダンス量との間のインピーダンス量を前記システムに導入するよう適合されており、前記電気化学コンバータにより生産される前記水素と前記電気の前記相対量が、前記可変負荷により前記システムに導入される前記インピーダンス量に対応する、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記電気化学コンバータが発生する水素と電気の前記相対量を制御するため、前記可変負荷の前記インピーダンスを変化させる手段を更に含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
変化させる前記手段が、前記可変負荷と前記電気化学コンバータとのうち少なくとも一方に接続されたコントローラを含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記電気化学コンバータと前記可変負荷とのうち少なくとも一方に接続されたコントローラであって、前記システムのパラメータを制御するためのコントローラを更に含む、請求項1に記載のシステム。
【請求項２６】
前記コントローラが前記可変負荷の前記インピーダンス量を変化させ、前記電気化学コンバータが発生する水素と電気の前記相対量を制御する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記コントローラが、１つ又は複数の流体調節装置を作動して１つ又は複数の入力反応体の前記電気化学コンバータへの流れを調節させ、該コンバータが発生する水素及び／又は電気の量全体を制御する、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２８】
水素と電気を併産するための方法であって、
前記システムへのインピーダンス量を変化させる可変負荷を提供する段階と、
水素と電気の両方を発生可能な電気化学コンバータを提供する段階と、
前記可変負荷の前記インピーダンスを変化させて、前記電気化学コンバータが発生する水素と電気の相対量を変化させる段階とを含む、方法。
【請求項２９】
前記電気化学コンバータが、固体酸化物燃料電池及び溶融炭酸塩燃料電池のうち少なくとも一方を含む高温装置である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
燃料反応体及び酸化剤反応体を前記電気化学コンバータに導入する段階を更に含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記電気化学コンバータが、一方の面に燃料電極と反対の面に酸化剤電極とを備えた電解質プレートを含み、電力を全く発生させないよう、前記可変負荷を実質的にゼロに設定して前記電極間に短絡を生じさせる段階であって、従って、前記電気化学コンバータは残りの未使用の入力燃料反応体があれば、それを水素に富んだリフォーメートに改質する改質器として機能する、生じさせる段階を更に含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記電気化学コンバータを、併用改質器と部分酸化改質器とのうちの一方として動作させる段階を更に含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
前記電気化学コンバータを、負荷の代わりに電気が該コンバータに供給されると入力反応体から水素を発生する電解装置モードで動作させる段階を更に含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
改質器動作モードにおいて、少なくとも最小インピーダンス量を導入できるように前記可変負荷を構成する段階を更に含み、前記可変負荷が前記最小インピーダンス量に設定されている時は、前記電気化学コンバータは、残りの未使用の入力燃料反応体があれば、それを主として水素のみに改質するよう適合されている、請求項２８に記載の方法。
【請求項３５】
前記最小インピーダンス量が概ねゼロである、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記最小インピーダンス量が、前記電気化学コンバータの少なくとも一部における短絡電気構成に対応する、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記可変負荷は、最小インピーダンス量よりも大きい最大インピーダンス量であって、前記電気化学コンバータにおける開放電気構成に対応する最大インピーダンス量に設定されるよう構成されている、請求項２８に記載の方法。
【請求項３８】
前記電気化学コンバータに水素と電気を発生させるため、併産動作モードにおいて、前記最大インピーダンス量と前記最小インピーダンス量との間のインピーダンス量を導入できるよう前記可変負荷を構成する段階を更に含み、前記電気化学コンバータが発生する水素と電気の前記量は、前記可変負荷の前記インピーダンス量に対応する、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
１つ又は複数の入力反応体の前記電気化学コンバータへの流れを調節して、水素又は電気の発生量全体を制御する、請求項２８に記載の方法。
【請求項４０】
水素と電気を併産するための方法であって、
電気を発生するため燃料電池を用いて電気化学反応を実行する段階と、
前記電気化学反応により発生された熱を前記燃料電池の電極表面に供給する段階と、
前記電気化学反応により発生された前記熱を用いて、前記燃料電池に供給された燃料に改質処理を施す段階とを含む、方法。
【請求項４１】
前記燃料電池が、固体酸化物燃料電池及び溶融炭酸塩燃料電池のうち少なくとも一方を含む高温燃料電池を含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
電気負荷のインピーダンスを変化させ、前記燃料電池が発生する水素と電気の比を変化させる段階を更に含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
変化させる前記段階が、前記外部電気負荷を実質的にゼロまで減少させて発電を一旦停止しつつ、水素に富んだガスの発生は継続する段階を含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
電気と水素を併産するための方法であって、
燃料電池モードで動作して電気化学反応を介して発電でき、改質器モードで動作して入力燃料を改質することで水素に富んだガスを生産でき、更に、併産モードで動作して電気と水素の両方を発生できる燃料電池を提供する段階と、
可変負荷のインピーダンスを変化させて、前記燃料電池が発生する水素と電気のうち少なくとも一方の量を変化させる段階とを含む、方法。
【請求項４５】
水素を発生するための方法であって、
燃料電池を提供する段階と、
前記燃料電池に接続された可変負荷を提供する段階と、
前記燃料電池が主として水素のみを発生する改質器として機能するように、前記可変負荷のインピーダンスを実質的にゼロまで変化させる段階とを含む、方法。
【請求項４６】
前記燃料電池を改質器として動作する際は、高品質水素生産用の窒素を含まないリフォーメートを発生する段階を更に含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記燃料電池を改質器として動作する際は、隔離可能な二酸化炭素排気を発生する段階を更に含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
燃料電池を用いて燃料を改質して水素を発生する段階と、
同時に同一燃料電池を用いて発電する段階とを含む、方法。
【請求項４９】
前記燃料電池を改質器として動作する際は、高品質水素生産用の窒素を含まないリフォーメートを発生する段階を更に含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記燃料電池を改質器として動作する際は、隔離可能な二酸化炭素排気を発生する段階を更に含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５１】
燃料電池を用いて電気と水素を併産する段階と、
前記燃料電池により生産された電気と水素の比を可変電気負荷により変化させる段階とを含む方法。
【請求項５２】
変化させる前記段階が、前記燃料電池に掛けられる前記外部電気負荷のインピーダンス値を変化させる段階を含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
高品質水素生産用の窒素を含まないリフォーメートを生産する段階を更に含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項５４】
隔離可能な二酸化炭素排気を発生する段階を更に含む、請求項５１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の引用】
【０００１】
本願は、２００３年１０月７日付けで出願され、「水素及び電力の併用改質を備えた可逆イオン膜」と題する同時係属中の米国仮出願第６０／５０９，２０９号、及び２００４年９月１０日付けで出願され、「水素生産、発電、及び併産のための燃料電池」と題する米国出願第１０／ＸＸＸ，ＸＸＸ号の利益を、米国特許法１１９条（ｅ）に基づき主張し、これら出願は引用してその全体を援用する。
【技術分野】
【０００２】
本発明はエネルギーシステムに関し、より詳細には、燃料電池などの電気化学コンバータを用いた高性能のエネルギー又は動力システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池のような従来の電気化学コンバータは、燃料素材から得られた化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。電気化学コンバータにおいて鍵となる構成要素は、その表面に電極を配置した一連の電解質ユニットと、これら電解質ユニット間に配置されて直列電気接続を実現する一連のインタコネクタである。電解質ユニットは、互いの反対面に燃料電極と酸化剤電極とを備えている。各電解質ユニットは、低イオン抵抗を備えたイオン導体なので、コンバータの通常の動作条件下で、一方の電極・電解質界面から反対側の電極・電解質界面へのイオン種の移動を許容する。様々な電解質物質を使用でき、例としては、極めて高温のコンバータの動作温度（典型的には約１０００℃）を満たす、マグネシア、カルシア（原語：calcia）、又はイットリアなどの化合物で安定化したジルコニアが含まれる。電解質材料は、酸素又は酸素含有イオンを利用して電流を流す。この電解質は、典型的にはコンバータの短絡を起こす可能性がある電子に対して導電性を有しない。一方、インタコネクタ部材は優れた電子伝導体である。反応ガス、電極、及び電解質の相互作用は電極・電解質界面で起こるが、このためには、電極が、反応ガス化学種の流入と、生成種（原語：product
species）の排出とを許容するのに十分な多孔性を備えている必要がある。
【０００４】
動作時に、典型的な燃料電池は、燃料及び酸化剤などの反応体をそれぞれのマニホルド、具体的には燃料マニホルド及び酸化剤マニホルド内で受け取る。そしてこの燃料電池は、使用済み燃料及び使用済み酸化剤などの排気すなわち生成された物質をそれぞれのマニホルド、具体的には使用済み燃料マニホルド及び使用済み酸化剤マニホルドに排出する。
【０００５】
燃料は燃料電池ユニットの燃料電極表面に分散され、使用済み燃料はこれらユニットの燃料電極表面の下流から収集される。酸化剤はスタックの燃料電池ユニットの酸化剤電極表面に分散され、使用済み酸化剤はこれらユニットの酸化剤電極表面の下流から収集される。使用済み燃料は、燃料と、電解質を介してイオンの形で伝導した酸化剤との電気化学的反応の結果として生成される。
【０００６】
従来の燃料電池の動作では、この電気化学的反応は電極間の電圧と、酸化剤電極から外部電気負荷を経由して前記燃料電極まで流れる電流とを発生する。又、この動作は電気化学的法則に従って熱も発生する。
【０００７】
当業者には公知だが、電気化学コンバータは代替的に電解装置モードでも動作可能で、この動作モードでは電気及び入力反応体を消費して燃料を生成する。
【０００８】
電気化学コンバータが燃料電池モードで燃料を電気へ変換すると、廃エネルギーが生成されるが、電気化学コンバータを適正な動作温度に維持し、且つこの動力システムの全効率を増大するために、このエネルギーは適切に処理すべきである。逆に、この装置が、電解装置モードで電気を燃料へ変換する時は、その反応を維持するには電解質を必ず加熱しなければならない。
【０００９】
化学業界では、改質器は典型的に炭化水素燃料を水素に富んだリフォーメートに改質する。例えば、蒸気メタン改質器を使えば水素を発生できる。蒸気メタン改質器では、水素は、蒸気改質、水性ガス転化反応、及び水素精製などの幾つかの段階をへて生成される。蒸気改質では、次の吸熱反応に従って水素に富んだガスを発生する。
【００１０】
【化１】
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【００１１】
結果的に、この反応を駆動するには熱を供給する必要があり、この熱はしばしば供給原料である投入天然ガスの一部を燃焼させる（２５％まで）か、水素精製システムからのパージガスなどの廃ガスの燃焼から供給する。反応体への熱伝達は熱交換器を介して間接的に実行できる。メタンと蒸気とは触媒を満たしたチューブ内で反応させる。典型的に、「コークス化」すなわち触媒への炭素の付着を避けるため、蒸気と炭素との比は約３：１以上とする。
【００１２】
燃料改質に適した従来型改質器の別の例としては併用改質器がある。併用改質では、メタン又は液体燃料などの炭化水素燃料は、蒸気及び空気の両方と反応させて水素に富んだガスを発生する。例えば、メタンとの反応は次の通り。
【００１３】
【化２】
2007523443.tif 000003
【００１４】
入力燃料、空気、及び蒸気が適切に混合されていれば、部分酸化反応は触媒蒸気改質反応を駆動するのに必要な全ての熱を供給する。蒸気メタン改質器と異なり、併用改質器は外部の熱源や間接的な熱交換器を必要としない。
【００１５】
本発明の分野では、高性能のエネルギーシステムに対する必要性が存在する。特に、運転効率を向上させる構造を用いた電気化学コンバータを使用しつつ、同時に構成要素の数を減少させることでコストを引き下げる改良型動力システムであれば、本発明の分野における大きな改善をもたらすはずである。
発明の概要
【００１６】
本発明は、水素、電気、又はそれら両方を発生するのに適した電力・水素併産（ＨＥＣＰ）システムの一実施形態を示す。具体的には、本発明は、燃料電池などの電気化学コンバータを使用することで、該燃料電池に接続された可変電気負荷などの電気負荷の状態に従って、水素を発生したり、反応体を消費して発電したり、或いはそれら両方を組み合わせて行ったりできるようにする。
【００１７】
典型的な発電モードでは、前記燃料電池は、水素含有燃料を酸素と反応させて電気化学反応を行うことにより、電気、水、及び熱を発生させる。代替的な改質器モードでは、前記燃料電池は、該燃料電池の電気化学反応により放出された熱を利用して、炭化水素燃料を改質して水素を発生するよう適合できる。更に併産モードでは、水素と電気の両方が燃料電池により併産される。このＨＥＣＰシステムは該システムへの電気負荷を変化、調節、及び制御することで、水素及び／又は電気の発生量を制御し、モード切り替えが可能である。
【００１８】
本発明の教示によれば、水素と電気を発生可能な併産エネルギー供給システムが意図されている。前記ステムは、該システムへのインピーダンス量を変化させる可変電気負荷と、該可変電気負荷に接続された電気化学コンバータとを含む。運転時には、前記電気化学コンバータは、前記可変負荷により本システムに導入される前記インピーダンス量に応答して、水素、電気、又はその両方を発生する。
【００１９】
前記電気化学コンバータは、固体酸化物燃料電池又は溶融炭酸塩燃料電池などの高温燃料電池を含むことができる。前記電気化学コンバータは、一方の面に燃料電極材料を設けると共に反対面に酸化剤電極材料を設けた電解質プレートで構成できる。前記電解質プレートは、酸素含有イオン伝導プレート、水素イオン伝導プレート、ＯＨイオン伝導プレート、又はＣＯ３イオン伝導プレートを含む。
【００２０】
本発明によれば、前記システムは、燃料反応体及び酸化剤反応体を前記電気化学コンバータに導入するための構造体又は手段を随意選択で含むことができる。
【００２１】
一様態によれば、電力を全く発生せず且つ酸素含有分子が前記電解質プレートを横切って運搬され入力燃料反応体と反応することで蒸気及び熱を発生するため、前記可変負荷は実質的にゼロに設定され前記電極間に短絡を生じさせるように適合でき、又、残りの未使用の入力燃料反応体は、これら蒸気及び熱を用いて水素に富んだリフォーメートに改質されるので、前記電気化学コンバータは改質器として機能する。
【００２２】
別の様態によれば、運転時に、前記入力酸化剤反応体からの酸素含有分子を、前記電解質プレートを横切って運搬でき、前記燃料電極で予め蒸気が混合された前記入力燃料反応体と反応させて、前記入力燃料反応体を水素に富んだリフォーメートに改質する。この場合、前記電気化学コンバータは併用改質器として機能する。或いは、運転時に、前記酸化剤反応体の酸素含有分子を、前記電解質プレートを横切って運搬でき、前記燃料電極で予め混合された蒸気なしで前記入力燃料反応体と反応させて、前記入力燃料反応体を水素に富んだリフォーメートに改質できる。この場合、前記電気化学コンバータは部分酸化改質器として機能する。
【００２３】
更に別の様態によれば、運転時に、空気又は比較的純粋な酸素と入力燃料反応体とを前記電気化学コンバータに導入できる。前記電気化学コンバータは、前記電解質プレートを横切って運搬された酸素含有分子を前記燃料電極で前記入力燃料反応体と反応させ、又、熱を発生して残りの未使用の入力燃料反応体を、窒素を含まないリフォーメートに改質する。
【００２４】
更に別の様態では、前記可変電気負荷のインピーダンスを変化させて、前記電気化学コンバータが発生する電気と水素の相対量すなわち比を変化可能である。
【００２５】
前記システムの運転時に、前記可変負荷は少なくとも最小インピーダンス量を該システムに導入できる。この場合、前記電気化学コンバータは、入力燃料反応体を主に水素に富んだリフォーメートのみに改質する。前記最小インピーダンス量は概ねゼロとすることができ、前記電気化学コンバータにおける短絡電気構成に対応する。随意選択で、前記可変負荷は、前記最小インピーダンス量よりも大きい最大インピーダンス量であって、前記電気化学コンバータにおける開放電気構成に対応する最大インピーダンス量を前記システムに導入する。この場合、水素も電気も発生されない。
【００２６】
随意選択で、前記電気化学コンバータに水素と電気を発生させるため、前記可変負荷は、前記最大インピーダンス量と前記最小インピーダンス量との間のインピーダンス量を前記システムに導入するよう適合できる。前記電気化学コンバータが発生する水素と電気の相対量は、前記可変負荷により前記システムに導入される前記インピーダンス量に対応する。
【００２７】
別の様態では、前記システムは、前記電気化学コンバータが発生する水素と電気の相対量を制御するため、前記可変負荷の前記インピーダンスを変化させる構造体又は手段を含むことができる。変化させる前記手段は、前記可変負荷、前記電気化学コンバータ、又はその両方に接続されるコントローラを含むことができる。前記コントローラは前記可変負荷の前記インピーダンス量を変化させ、前記電気化学コンバータが発生する水素と電気の前記相対量を制御する。随意選択で、前記コントローラは１つ又は複数の流体調節装置を動作して、該調節装置に、１つ又は複数の入力反応体の前記電気化学コンバータへの流れを調節させ、該コンバータが発生する水素及び／又は電気の量全体を制御する。
【００２８】
更に、本発明は、水素と電気を併産するための方法であって、システムに対するインピーダンス量を変化させる可変負荷を提供する段階と、水素と電気の両方を発生可能な電気化学コンバータを提供する段階と、前記可変負荷の前記インピーダンスを変化させて、前記電気化学コンバータが発生する水素と電気の相対量を変化させる段階とを含む方法も意図する。
【００２９】
一様態では、前記方法は、改質器動作モードにおいて、少なくとも最小インピーダンス量を導入できるように前記可変負荷を構成する付加的段階を含むことができる。この場合、前記可変負荷が前記最小インピーダンス量に設定されている時は、前記電気化学コンバータは、未使用の入力燃料反応体を主として水素のみに改質するよう適合されている。前記最小インピーダンス量は、概ねゼロとすることができ且つ短絡電気構成に対応する。
【００３０】
別の様態によれば、前記可変負荷は、最小インピーダンス量よりも大きい最大インピーダンス量であって、前記電気化学コンバータにおける開放電気構成に対応する最大インピーダンス量に設定されるよう構成できる。
【００３１】
更に別の様態によれば、前記電気化学コンバータに水素と電気を発生させるため、前記方法は、併産動作モードにおいて、前記最大インピーダンス量と前記最小インピーダンス量との間のインピーダンス量を導入できるように前記可変負荷を構成する段階を含む。この場合、前記電気化学コンバータが発生する水素と電気の量は、前記可変負荷の前記インピーダンス量に対応する。
【００３２】
更に、本発明は、水素と電気を併産するための付加的方法であって、電気を発生するため燃料電池を用いて電気化学反応を実行する段階と、前記電気化学反応により発生された熱を前記燃料電池の電極表面に供給する段階と、前記電気化学反応により発生された前記熱を用いて、前記燃料電池に供給された燃料に改質処理を施す段階とを含む、付加的方法も意図する。
【００３３】
更に、本発明は、電気と水素を併産するための方法であって、燃料電池モードで動作して電気化学反応を介して発電でき、改質器モードで動作して入力燃料を改質することで水素に富んだガスを発生でき、更に、併産モードで動作して電気と水素の両方を発生できる燃料電池を提供する段階と、可変負荷のインピーダンスを変化させて、前記燃料電池が発生する水素と電気のうち少なくとも一方の量を変化させる段階とを含む方法を意図する。
【００３４】
更に、本発明は、水素を発生するための方法であって、燃料電池を提供する段階と、前記燃料電池に接続された可変負荷を提供する段階と、前記燃料電池が主として水素のみを発生する改質器として機能するように、前記可変電気負荷のインピーダンスを実質的にゼロまで変化させる段階とを含む方法も意図する。
【００３５】
又、本発明は、燃料電池を用いて燃料を改質して水素を発生する段階と、同時に同一燃料電池を用いて発電する段階とを含む方法も意図する。
【００３６】
更に、本発明は、燃料電池を用いて電気と水素を併産する段階と、該燃料電池により発生された電気と水素の比を可変電気負荷により変化させる段階とを含む方法も意図する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明は、効率的で、対費用効果が高く、柔軟な電力・水素併産（ＨＥＣＰ）システムを提供する。例示的な実施形態に関連して本発明を以下の記載で説明する。当業者であれば、本発明は、多数の異なる応用例及び実施形態で実現可能であり、本明細書に記載した特定の実施形態に特に限定されないことは理解するはずである。
【００３８】
図１は水素、電気、又はそれら両方を発生するのに適した電力・水素併産（ＨＥＣＰ）システム１０の一実施形態を示す。ＨＥＣＰシステム１０は、可変電気負荷１４に接続された電気化学コンバータ１２を含む。電気化学コンバータ１２は、燃料１６及び酸化剤１８のような入力反応体を受け取るよう適合されている。電気化学コンバータ１２は、排気又は水素に富んだガス２０を入力反応体１６及び１８から発生するための幾つかの選択モードで動作できる。図示したＨＥＣＰシステム１０は、通常、電気化学コンバータに導入される１つ又は複数の燃料及び酸化剤反応体１６、１８を調節するための、バルブなどの１つ又は複数の流体調節装置２２Ａ又は２２Ｂを含むことができる。又、ＨＥＣＰシステム１０は、随意選択で、１つ又は複数の流体調節装置２２Ａ、２２Ｂと、電気化学コンバータ１２に組み込まれる可変負荷１２と、所望なら電気化学コンバータ１２とを制御するコントローラ２４を含むこともできる。入力燃料反応体は、通常の技能を備えた当業者には公知の任意的適切な炭化水素燃料でよい。入力酸化剤反応体は、任意適切な酸素を含有した流体を含むことができる。電気化学コンバータ１２は任意適切な装置でよく、固体酸化物燃料電池又は溶融炭酸塩燃料電池などの高温燃料電池が好ましい。通常の技能を備えた当業者であれば、本発明の電気化学コンバータ１２は、１つ又は複数の燃料電池に加え、熱調節装置、封入容器、及び本システムの安全且つ効率的な動作のための付加的な機器を使用できることは容易に理解するはずである。説明を簡単且つ明快にするため、これ以降の記載ではシステム１０は１つの燃料電池を備えたものとし、他の付加的機器を省略して説明する。図示した燃料電池は、併用改質（ＡＴＲ）又は部分酸化改質（ＰＯＸ）機能を内蔵し、これらの機能によって発電レベルと水素発生量との併産比を選択可能とする直接的な機側操作及び制御が実現する。
【００３９】
図２Ａ乃至２Ｃに示したように、図示した燃料電池１２は基本的な燃料電池ユニット設計を備えている。この基本設計では、燃料電極層３２を片側に酸化剤電極層３４を反対側に備えて電解質／電極アセンブリを形成する電解質プレート３０を用いる。これら電子伝導電極層は、イオン伝導性の電解質の両面に燃料電極と酸化剤電極とを形成している。電解質プレート３０は、酸素含有イオン伝導プレート、水素イオン伝導プレート、ＯＨイオン伝導プレート、又はＣＯ３イオン伝導プレートを含む。
【００４０】
燃料電池１２のユニットセルは、隣接する電極層の間に介在させたインタコネクタ・プレートも備えている。これらインタコネクタは、導電性及び熱伝導性の連結材料から構成されていることが好ましい。インタコネクタ・プレートは、隣接した電極間の電気コネクタとしても作用し、また燃料反応体と酸化剤反応体との間の仕切りとしても機能する。燃料反応体及び酸化剤反応体を燃料電池１２内のユニットセルそれぞれに供給するための燃料マニホルド及び酸化剤マニホルドも備わっている。現在の動作モードにより、燃料電池１２は生成された物質と、使用済み燃料と、使用済み酸化剤とをそれぞれの排気マニホルドに排出する。電気コネクタ３６Ａ及び３６Ｂは、燃料電池１２を外部電気負荷１４に接続するために設けられている。
【００４１】
本発明と共に使用するのに適した燃料電池モジュールの例は、米国特許第５，４６２，８１７号、第５，３３８，６２２号，第５，５０１，７８１号、第５，９９３，２０１号、第５，８３３，８２２号、第５，７４７，１８５号に開示されており、それら特許の内容はここに引用して援用する。図示した燃料電池１２は、他の技術と比較して優れたシステム拡張性、出力密度、熱安定度、及び構造的丈夫さを備えている。更に、燃料電池１２は、例えば６００℃乃至約１０００℃の高い動作温度で動作可能である。一般に、燃料電池１２は起動時に初期外部加熱を必要とするが、電気化学反応はもともと発熱性であり、後述するように水素併産又はボトミングサイクル・プラントを駆動する高品位の熱を発生できる。典型的には、燃料電池１２からの副産物である熱は、燃料入力の低位発熱量の５０％を上回ることも可能である。
【００４２】
通常の技能を備えた当業者であれば、ＨＥＣＰシステム１０は、電気及び／又は水素に富んだガス生産能力を備えた、溶融炭酸塩燃料電池及び好適には固体酸化物燃料電池などの任意適切な電気化学コンバータを含みうることは理解するはずである。
【００４３】
図示したＨＥＣＰシステム１０は多機能システムである。従来の機能である発電に加え、燃料電池１２を用いて水素を発生するための改質、或いは水素生産及び発電の併産を行うことができる。従来の動作モードにおいて、燃料電池１２は、入力燃料反応体を入力酸化剤反応体と電気化学的に反応させて、電力と、廃熱と、二酸化炭素及び水を含む排気とを発生させることで発電する。代替的モードである改質器動作では、燃料電池１２は入力燃料反応体を改質して、同時に発電することなく水素排気を発生する。排気に含まれうる付加的な反応体副産物には一酸化炭素、二酸化炭素、及び水などがある。組合せモードすなわち併産動作モードでは、燃料電池１２は炭化水素燃料の改質を介して水素排気と、更に電気とを同時に発生する。排気には、一酸化炭素、二酸化炭素、及び水などの付加的な反応種が含まれうる。
【００４４】
本明細書では、「改質」又はそれに類似した語句は、２５０℃を上回る高温、好適には４００℃乃至約１０００℃の高温で、炭化水素燃料を蒸気、酸素、又はそれら両方の存在下で反応させ、水素に富んだ燃料排気を生成する、燃料電池１２により実行される化学工程を指す。本発明では、燃料電池１２は、炭化水素燃料を水及び随意選択で酸素と反応させることにより炭化水素燃料を改質して水素と、高品位の熱とを発生する。
【００４５】
燃料電池１２は、可変負荷１４を用いて電気コネクタ３６Ａ及び３６Ｂを介して燃料電池１２に掛かる負荷の量を制御することによって、異なる動作モード間を切り換え、電気を発生し、水素を発生し、或いは組合せモードで水素と電力の発生比を変化させることができる。例えば、可変負荷１４の電気抵抗又はインピーダンスをコントローラ２４などで変化、制御、調節、又は概ねゼロとすることで、燃料電池１２の１つ又は複数のユニットセルを短絡電気構成とし(すなわち短絡させ)且つ電力をそこで発生も受け取りもしていない場合、燃料電池は、実質的に改質装置（単なる酸素運搬膜）として動作する。非短絡インピーダンス負荷が電気化学コンバータに掛かるように可変負荷が構成されていれば、コンバータは水素と電気とを発生する。又、これらの比は負荷インピーダンス値に依存する。通常の技能を備えた当業者であれば、開放電気構成などで最大負荷を燃料電池１２に掛ければ、燃料電池は電気も水素も発生しないことは容易に理解するはずである。従って、最大（開放）量と最小（短絡）量との間の負荷を燃料電池１２に掛けて、燃料電池１２により発生すなわち生産される電気と水素の量を調節、制御、又は変化できる。説明を単純化するため、以下の記載ではで負荷１４は可変負荷と呼び、負荷はインピーダンスを導入するものとして説明し、負荷又は他のシステム構成要素はインピーダンスを変化させるものとして説明し、コントローラ２４は負荷のインピーダンスを変化させるものと説明する。
【００４６】
或いは、燃料電池１２は「逆」モードで運転して、水を分解することで水素を発生できる。このモードでは、外部電力を加えると、ユニットセルは電解装置として機能できる。逆モードで水素を発生するための電気は、風車、太陽電池、及び水力発電などの再生可能エネルギーから得ることができる。低温アルカリ又は固体高分子形（ＰＥＭ）技術を用いるよりも、高温固体酸化物燃料電池を高温電解装置として使用する方が効率がよい。その理由は、高温での電解反応に関する電気入力要件がネルンスト電位に従って熱エネルギーで３０％上方に変位するからである。熱エネルギーは、電気に比べて少なくとも３倍以上効率がよい低コストのエネルギー源である。
【００４７】
図１及び２Ａを参照すると、本発明は、燃料電池１２が発電モードで動作する能力を保持できる。燃料電池１２は電気化学コンバータとして機能し、水素などの入力燃料反応体を酸素と反応させて主として電気のみを発生する。燃料電池１２は、このモードでは内部で改質された水素に富んだガスを随意選択で消費でき、付加的な水素精製及び冷却段階に関わる負担又はコストを生じることもない。本システムに対する又は導入される燃料電池インピーダンスの量は、このコンバータが水素を全く又はほとんど発生させず、安定的に主として電気のみを発生するのに十分な任意適切なインピーダンス値でよい。
【００４８】
図示したように、電気コネクタ３６Ａ及び３６Ｂは、可変負荷１４を燃料電池１２に接続する。この可変負荷は、最小インピーダンス量（短絡）よりも大きく最大インピーダンス量（開放）未満のインピーダンス量をシステムに導入し、コンバータが電力を発生できるようにする。本システムに対する又は導入されるこのインピーダンスの量は、このコンバータが全く又はほとんど改質（水素発生）を行わず、安定的に主として電気のみを発生するのに十分な任意適切なインピーダンス値でよい。通常の技能を備えた当業者には周知だが、可変負荷を開放又は短絡に設定すると、電気化学コンバータは全く発電を行わない。
【００４９】
可変負荷は、燃料電極と酸化剤電極との間など、電気化学コンバータの少なくとも一部に電気的に接続されている。炭化水素燃料ＣＨ４として図示した燃料ガスは、酸素含有イオン伝導電解質プレート３０の第１面上の燃料電極３２に供給され、酸素及び窒素は電解質プレート３０の第２面上の酸化剤電極に供給される。酸化剤電極（カソード電極）３４は酸素をイオン化して、負に帯電したイオンを発生させる。酸素含有イオンは、酸素含有イオン伝導電解質プレート３０を通過して燃料（アノード）電極に達し、イオン化した水素と反応して二酸化炭素と、水と、電子とを発生する。電子は電気コネクタ３６Ａ及び３６Ｂを流れ、負荷１４に電力を供給する。この電気化学反応は、熱も発生する発熱反応である。蒸気となった水がスタックから排気又は凝結蒸気として排出される一方、所望なら地球温暖化ガスの排出を防止するため二酸化炭素を収集或いは隔離できる。
【００５０】
燃料ガスは、純粋な水素、天然ガス、炭化水素燃料、及び石炭を含むがそれらに限定されない水素を含有する任意適切な燃料を含むことができる。
【００５１】
図１及び２Ｂを参照すると、燃料電池１２は、炭化水素燃料を改質して水素を発生する改質器モードで動作できる。本発明のシステムでは、可変負荷は少なくとも最小インピーダンス量を本システムに導入するよう適合されている。この場合、余剰燃料（例えば、燃料電池の電気化学反応を超過した残りの未使用燃料）が電気化学コンバータに提供され且つ可変負荷が最小インピーダンス量に設定されている時は、電気化学コンバータは、入力燃料反応体を主として水素のみに改質するよう適合されている。すなわち、燃料電池は、燃料電池に供給された燃料のうち、この電気化学反応に使用される量の燃料を上回る量を改質できる。本システムに対する又は導入される最小インピーダンス量は、このコンバータが発電を全く又はほとんど行わずに、安定的に主として水素のみを発生するほど十分に低い任意適切なインピーダンス値でよい。一実施例によれば、この改質モードでは、外部電気負荷を、燃料電池に対して短絡となる概ね又は実質的にゼロまで減少させる。こうした短絡によって、コンバータが発生する電力はゼロになる一方、外部接点を通過する電流と電解質を伝導する酸素含有イオンの流束とは高レベルを維持して、セルユニットの燃料電極表面で燃料種と反応できる状態を維持する。残りの未使用燃料は、適切な温度で同時に存在する水又は水素及び短絡電気化学反応により供給される熱によって改質反応を起こす。動作条件は、化学種の保存、熱力学の第１および第２法則、更に熱及び電気化学的原理に従ってコントローラ２４により制御できる。従って、燃料電極が発生する水素の量を調節するには、燃料電池に導入される燃料の量を調節すればよいことは、当業者には本明細書の教示から明らかなはずである。
【００５２】
燃料電極の電気化学作用では、ギブスの自由エネルギーが燃料電池の電気エネルギー出力を与え、平衡エンタルピー・エネルギーが改質処理の熱を与える。本願発明者は、燃料電池又はスタックを短絡させることにより電気エネルギー出力をゼロに維持すれば、全エンタルピーを改質処理に利用できることに気がついた。この後者のシナリオは、従来の併用若しくは部分酸化改質器又は膜改質器処理に等しく、面倒な供給空気から得られるＮ２を用いなくてもＯ２のみで併用改質ができるという利点がある。この状態で、酸素含有イオン伝導電解質プレート３０を伝導した酸素含有イオンは、直ちに燃料と反応して、水及びＣＯ２分子を発生すると、これらが残りの燃料改質を促進する。燃料種との反応により発生した熱に加え酸素含有イオンの燃料電極表面３２への到着が、残りの燃料種を予め混合した蒸気で併用改質する基となる。外部から提供された蒸気又は水なしで未反応燃料種と混合した酸素が、純粋な燃料種と混合する際に部分酸化改質の基となる。
【００５３】
改質モードでは、任意適切な炭化水素燃料又は再生可能燃料を使用できる。改質モードでは二酸化炭素も生成されるが、これは容易に捕捉して隔離できる。空気中に存在する窒素は未反応のまま燃料電池１２を通過し、大気に解放できる。この改質方法の利点は、二酸化炭素オフガスを窒素とは別に収集できることであり、これは放出物に窒素と二酸化炭素とが混じり合っている従来の併用改質とは対照的である。
【００５４】
改質器モードでは、燃料電池１２は余分の熱負荷を処理するため熱に対して一層の頑丈さを必要とする。この余分な熱負荷は、スタックが発電目的で利用されていれば電気として搬出されるものである。本発明のＨＥＣＰシステム１０は、特に、発電に加えて改質を促進するという利点及び柔軟性を提供する。例えば、燃料電池１２では、加熱した電極／電解質表面から反応体本体へ効果的に熱を伝達可能とする比較的小さい反応体流ギャップを備えている。更に、このように反応体流のギャップが比較的小さいことで、電極／電解質表面から対向するインタコネクタ・プレートまで効果的に熱が伝達可能となる。更に、図示した燃料電池１２は、高伝導性のインタコネクタを利用しており、このインタコネクタは、スタックにホットスポットが形成されるのを防止し、加熱蒸気を投入反応体の入口方向に効果的に運んで反応体を予熱可能とし、スタックの外側に熱を効果的に運んで放射冷却させる。
【００５５】
図１及び図２Ｃを参照すると、電気負荷により本システムに導入されるインピーダンス量を制御することで電気及び水素が併産モードに従って生産される。この可変負荷は、最小インピーダンス量よりも大きく、最大インピーダンス量未満のインピーダンス量をシステムに導入し、水素と電気を発生するように適合されている。電気化学コンバータが発生する水素と電気の量は、可変負荷により本システムに導入されるインピーダンス量に対応する。ＨＥＣＰシステム１０の出力は、可変負荷１４が本システムに掛ける負荷インピーダンスの量に従って制御されるので、電気出力と水素出力（例えば、改質量）との比を変化すなわち調節できる。この動作はシステム要件に従って制御されるので、水素・水素併産（ＨＥＣＰ）の究極形態となる。燃料電池１２による発電量又は改質される燃料の量は、電気負荷を制御することで燃料電池１２から抽出される電流量を調節することによって制御、調節、又は変化可能である。
【００５６】
本発明では、電気出力と水素出力との比は、負荷インピーダンスと酸化剤反応体に対する燃料反応体の割合調節とにより調整できる。コントローラ２４は流体調節装置のうち１つ又は複数を調節して、燃料電池１２に導入される入力反応体の量を変動又は調節できる。この調節方式はシステム１０の管理を一層容易にし、上述の管理方式（すなわち、可変負荷１４の制御）から独立して或いはそれと組み合わせて使用し、システム生産量を変化させられる。ＨＥＣＰシステム１０は発電と水素改質を単一の燃料電池１２を用いて行うので、本システムの柔軟性は設備稼働率の点で有利である。
【００５７】
本燃料電池の動作の延長としての、上述の複数モードＨＥＣＰシステム１０を以下に追加説明する。図３のエネルギーグラフに示したように、グラフ中のドット「●」は所与の電圧及び電流における燃料電池の動作状態を表し、燃料電池のＩ−Ｖ特性曲線に沿って移動可能である。従って、領域Ａは燃料電池からのエネルギー出力を表す。領域Ｂは燃料電池で利用できる廃熱である。領域Ｃは、水素発生のための改質に利用できる反応体の部分である。燃料電池の運転がＩ−Ｖ特性曲線に沿って移動すると、電気出力と燃料改質の量とが相補的に変化する。燃料電池動作から利用可能な廃熱の量と酸素含有分子又は電流の流れとは、改質処理の質量及びエネルギーバランスに合うように調整されており、所与の組の全酸素供給量及び全燃料供給量は水平軸で表されている。
【００５８】
図４に示したように、発電及び水素発生の比は図示した動力グラフから見ることができる。ここでは、燃料電池動力量と改質に利用できる熱量との比は、電流の流れすなわち酸素流束の範囲にわたって変動する。好適な動作範囲は、水素発生用の１００％酸素流束運転から、典型的な高効率発電用の４０％酸素流束運転までである。グラフの右側に示したように、可変負荷が最小インピーダンス値又は量（例えば短絡）を燃料電池に導入する改質器動作モードにおいては、インピーダンス値は実質的にゼロであり、燃料電池は最大電流及び最小電圧を発生する。この動作モードでは、上述したように、燃料電池は改質器として機能し、従って余剰すなわち残りの未使用の燃料反応体を改質して水素を発生する。グラフの左側に示したように、可変負荷が最大インピーダンス値又は量（例えば開放）に設定されている場合は、燃料電池が発生する電流はゼロであり、発生電圧は最大となる。この動作モードでは、システム１０は水素も電気も発生しない。
【００５９】
本願発明者は、最小インピーダンス値と最大インピーダンス値との間では、システム１０が発生する水素と電気の比が、システム１０に導入されるインピーダンス量の一次関数として変化し、非線形となることに気がついた。例えば、改質器出力曲線４２で示したように、電流が最大まで増加しインピーダンスのレベルが実質的にゼロになるにつれ、燃料電池は生産量を増加しつつ主として改質器として機能する。しかし、燃料電池の出力曲線４４で示したように、燃料電池１２は、開放モードと短絡モードとの間の最適インピーダンス値に最大能力がある発電機として機能できる。それは、発電がこの電気化学装置の電流と電圧の積に等しいからである。
【００６０】
ＨＥＣＰシステム１０の洗練された熱管理設計及び動作、高度な構造を備えたスタック構成、及び熱の「プレキュペレーション（原語：precuperation）」は、高効率で、コンパクトな生産力が高い分散型生産プラントを実現できる。燃料電池１２の電気出力は、この燃料電池を用いて発生された水素の貯蔵を促進する圧縮器が利用すると最も好ましい。本発明の併産能力は、現在問題となりつつある水素施設の必要性に対して自己充足的なエネルギー解決をもたらす。本発明は空間的効率を向上して、これまでの方式に取って代わる競争力が高い分散型生産を可能とする。
【００６１】
図示したＨＥＣＰシステム１０は、吸収式冷凍機、湯沸器／ボイラ、マイクロタービン、又はシステムの全体的な効率及び利用の魅力を更に向上させうる他のボトミングサイクル・プラントを組み込むことで付加的なトリジェネレーション（原語：tri-generation）という選択肢を代替的に含むこともできる。
【００６２】
上述の様々なモードのそれぞれの効率値は次の通りである。
【００６３】
ａ．電力・水素併産：            １２０％の改質効率＋燃料電池廃熱利用
４０％の発電効率
７０％の併産効率
ｂ．水素生産：                  ８０％の改質効率
ｃ．電気燃料電池／マイクロタービン：  ５７％の発電効率
【００６４】
ＨＥＣＰシステム１０の多機能の能力は、再生可能発電研究施設や分散型生産用途にとって特に魅力的である。固体酸化物電解装置／燃料電池モードでは、ＨＥＣＰシステム１０は、低温で動作する対応品に比べて効率が高くなる。これは、この燃料電池の高温動作からの廃熱を用いた電解作用及び熱併給発電又は併産の相乗作用に関するネルンスト電位が低くなることに起因する。この多モード機能性が持つ融通性が、その動作を、低コストの再生可能エネルギー、高い水素需要、又は電力のピークシェービングを利用する優先計画などの様々なビジネスケースに適合させることにより、能力を完全に利用できる。更に、上述の統合したハードウェアは、幾つかの別個のシステムを組み合わせて同一目的及び同一能力を達成するより、資本及び動作効率が高くなる。こうした利点のおかげで、ＨＥＣＰシステム１０は、国家の水素及びエネルギー目標に向けた、非常に低コストで高い設備稼働率を達成する道筋を提供する。
【００６５】
このハイブリッド技術思想の組合せから得られる利益には、効率及びコストが含まれるがそれらには限定されない。上述の吸熱改質処理は、高温燃料電池動作から放出される高品位熱から利用可能となる、かなりのエネルギーを使用するので効率が向上する。燃料電池１２の改質能力及び発電量を変化させる能力により、高温流動（原語：hot
flows）を移送したり、外部熱交換器を設けたりする必要性を回避できる。モード固有の利点に加え、この多モードＨＥＣＰシステム１０は高い利用率で動作できる。再生可能エネルギー供給又は水素ガスがない場合、燃料電池１２は、発電を目的とした炭化水素燃料電池として、水素発生を目的とした膜改質器として、或いは様々な割合でその両方として運転を継続できる。ＨＥＣＰシステム１０は耐久性が高い動作と全能力利用が可能なので、１ｋＷｈ当たり０．０４ドルの発電又は１ｋｇ当たり１．５ドルの水素生産を達成できる。
【００６６】
本発明のＨＥＣＰシステム１０は、燃料電池スタック内で燃料電池自身が発生した廃熱を直接利用して、スタックが入力燃料反応体を改質するのに必要な熱を提供することで、電力・水素併産を行う。従って、本発明のシステムは、単一の燃料電池スタックを用いて発電装置及び改質器として機能し、別個の燃料電池及び改質器を用いるシステムに比べ高い効率を達成する。図示したシステムの効率は、別個に動作する装置の効率を組み合わせたものにほぼ等しい。
【００６７】
通常の技能を備えた当業者であれば、複数の電気化学コンバータが発電装置及び改質器として動作する能力を備えていれば、任意に選択した数及び配列のこれら電気化学コンバータを本発明のシステム１０で使用可能なことは容易に理解するはずである。使用に当たっては、この電気化学コンバータは、発電、水素生産、又はそれら両方の実行時に概ね全能力で動作できる。
【００６８】
本発明の大きな利点の一つは、本発明のシステム１０の電気化学コンバータが、システムのピーク電力需要を満足するように動作できる一方、同時に余分な能力を水素発生に利用できる点である。水素発生器としては、ＨＥＣＰシステム１０は、高品質水素生産のための窒素を含まないリフォーメートを提供する。本システムは純粋な二酸化炭素排気も発生し、この地球温暖化ガスは容易に隔離できる。
【００６９】
従って、本発明は、これまでの記載から明らかな目的に含まれる、既に記載した目的を有効に達成することが分かるはずである。上記の構成に対する幾つかの変更例が、本発明の範囲を逸脱することなく可能であるから、この説明に含まれ、又添付の図面に示された全ては、例示的なものとして解釈されるべきであり、限定的な意味で解釈されるべきではない。
【００７０】
更に、次の特許請求の範囲は、ここに説明された本発明の一般的且つ具体的特徴を網羅するものであり、また本発明の範囲に関する全ての言明をも網羅する。
【００７１】
本発明を説明してきたが、新規なものと主張し特許証による確保を望むものは以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
本発明の上記及びその他の目的、特徴、及び利点は、次の詳細な説明及び添付の図面から明らかとなるはずである。また、図面の中の類似した参照記号は、これら複数図面を通して同一部材を示す。これら図面は本発明の原理を説明したものである。
【図１】水素及び／又は電気を発生する複数モードの何れかで動作できる電力・水素併産（ＨＥＣＰ）システムの一実施形態の概略ブロック図を示す。
【図２】（Ａ乃至Ｃ）  図１に示したＨＥＣＰシステムの電気化学コンバータのセルの様々な動作モードを例示的に図示した。
【図３】本発明の例示的実施形態による電力・水素併産処理のエネルギーグラフを示す。
【図４】本発明の例示的な実施形態による電力・水素併産処理の動力グラフを示す。
【図１】
2007523443.tif 000004
【図２】
2007523443.tif 000005
【図３】
2007523443.tif 000006
【図４】
2007523443.tif 000007
【国際調査報告】
2007523443.tif 000008