(57)【要約】燃料を受け入れるためのアノード側入口と、燃料を排出するためのアノード側出口と、酸化剤を受け入れるためのカソード側入口と、酸化剤と、精製酸素と精製水素との少なくとも１つとを排出するためのカソード側出口と、第１のコネクタと、第２のコネクタとを備える電気化学セルを含む燃料電池−水素または酸素ポンプ結合体。制御装置は、発電のために電気化学セルに電荷を加え、水素の精製または酸素の精製のために電気化学セルに電位を加えるために作用可能である。また、方法と、下部構造システムとが開示される。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を受け入れるためのアノード側入口と、燃料を排出するためのアノード側出口と、酸化剤を受け入れるためのカソード側入口と、酸化剤と、精製酸素と精製水素との少なくとも１つとを排出するためのカソード側出口と、第１のコネクタと、第２のコネクタとを備える電気化学セル及び、
前記第１及び第２のコネクタに電荷を与え、前記電気化学セルが発電する燃料電池として作用し、前記第１及び第２のコネクタに電位を与え、前記電気化学セルが、水素を精製する水素ポンプと酸素を精製する酸素ポンプとの少なくとも１つとして作用するための制御装置、
を備えることを特徴とする燃料電池−イオンポンプ結合体。
【請求項２】
さらに、前記電気化学セルに対する空気を制御するために前記カソード側入口に装着される第１のバルブ及び、前記電気化学セルからの酸化剤と精製水素との排出のために前記カソード側出口に装着される第２のバルブ、
を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池−イオンポンプ結合体。
【請求項３】
前記第２のバルブは、第１の方向において前記電気化学セルから酸化剤を排出し、前記第１の方向と異なる第２の方向において、前記電気化学セルから精製水素を排出するために操作可能であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池−イオンポンプ結合体。
【請求項４】
前記電気化学セルと前記制御装置とは、発電と水素精製とのために操作されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池−イオンポンプ結合体。
【請求項５】
前記電気化学セルは、複数の電気化学セルからなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池−イオンポンプ結合体。
【請求項６】
前記電気化学セルは、ＰＥＭ電気化学セルからなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池−イオンポンプ結合体。
【請求項７】
さらに、前記電気化学セルに対する燃料を制御するために前記アノード側入口に装着された第１のバルブと、前記電気化学セルから酸化剤と精製酸素との少なくとも１つを排出するために前記カソード側出口に装着された第２のバルブとを備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池−イオンポンプ結合体。
【請求項８】
前記第２のバルブは、第１の方向において前記電気化学セルから酸化剤を排出し、前記第１の方向と異なる第２の方向において、前記電気化学セルから精製酸素を排出するために操作可能であることを特徴とする請求項７記載の燃料電池−イオンポンプ結合体。
【請求項９】
前記電気化学セルは、固体酸化物電気化学セルからなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池−イオンポンプ結合体。
【請求項１０】
燃料を受け入れるためのアノード側入口と、燃料を排出するためのアノード側出口と、酸化剤を受け入れるためのカソード側入口と、酸化剤を排出するためのカソード側出口と、精製水素を排出する精製水素出口と、第１のコネクタと、第２のコネクタとを備える第１の電気化学セル、
燃料を受け入れるためのアノード側入口と、燃料を排出するためのアノード側出口と、酸化剤を受け入れるためのカソード側入口と、酸化剤と精製水素との少なくとも１つを排出するためのカソード側出口と、第１のコネクタと、第２のコネクタとを備え留第２の電気化学セル及び、
前記第１の電気化学セルと前記第２の電気化学セルとの間に配置され、前記第１の電気化学セルから前記第２の電気化学セルに燃料を輸送する第１の通路と、前記第２の電気化学セルから前記第１の電気化学セルに排出燃料を輸送する第２の通路と、前記第１の電気化学セルから前記第２の電気化学セルへの酸化剤の輸送を制御する第３の通路と、前記第２の電気化学セルから前記第１の電気化学セルへの排出酸化剤の輸送を制御する第４の通路と、前記第２の電気化学セルから前記精製水素出口への精製水素の輸送を制御する第５の通路、
を備えるバルブとを備えることを特徴とする燃料電池−水素ポンプ結合体。
【請求項１１】
さらに、発電のために前記第１及び第２の電気化学セルの前記電気的接点に電荷を加えるための制御装置を備えることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池−水素ポンプ結合体。
【請求項１２】
さらに、発電のために前記第１の電気化学セルの前記電気的接点に電荷を加え、水素精製のために前記第２の電気化学セルの電位を加えることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池−水素ポンプ結合体。
【請求項１３】
前記バルブは、前記第３の通路と、前記第４の通路と、前記第５の通路とを備える可動部分を備え、前記可動部分は第１の位置と第２の位置との間で移動自在であることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池−水素ポンプ結合体。
【請求項１４】
前記第１及び第２の電気化学セルは、複数の電気化学セルからなることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池−水素ポンプ結合体。
【請求項１５】
前記第１及び第２の電気化学セルは、ＰＥＭ電気化学セルからなることを特徴とする請求項１０記載の燃料電池−水素ポンプ結合体。
【請求項１６】
請求項１記載の燃料電池−イオンポンプ結合体、
前記燃料電池−イオンポンプ結合体からの精製水素を貯蔵する貯蔵タンク及び、
前記燃料電池−イオンポンプ結合体に燃料を供給する改質器、
を備える水素燃料の基礎施設。
【請求項１７】
さらに、前記燃料電池−イオンポンプ結合体からの電気エネルギーを貯蔵するバッテリーを備えることを特徴とする請求項１６記載の水素燃料の基礎施設。
【請求項１８】
請求項１記載の燃料電池−イオンポンプ結合体、
前記燃料電池−イオンポンプ結合体からの精製酸素を貯蔵する貯蔵タンク及び、
前記燃料電池−イオンポンプ結合体に燃料を供給する改質器、
を備える酸素の基礎施設。
【請求項１９】
さらに、前記燃料電池−イオンポンプ結合体からの電気エネルギーを貯蔵するバッテリーを備えることを特徴とする請求項１８記載の酸素の基礎施設。
【請求項２０】
請求項１０記載の燃料電池−イオンポンプ結合体、
前記燃料電池−イオンポンプ結合体からの精製水素を貯蔵する貯蔵タンク及び、
前記燃料電池−イオンポンプ結合体に燃料を供給する改質器、
を備える水素燃料の基礎施設。
【請求項２１】
さらに、前記燃料電池−イオンポンプ結合体からの電気エネルギーを貯蔵するバッテリーを備えることを特徴とする請求項２０記載の水素燃料の基礎施設。
【請求項２２】
燃料を受け入れるためのアノード側入口と、燃料を排出するためのアノード側出口と、酸化剤を受け入れるためのカソード側入口と、酸化剤と、精製水素と精製酸素との少なくとも１つとを排出するためのカソード側出口とを備える電気化学セルを用意する工程と、
電気と、精製水素と精製酸素との少なくとも１つとを生成するために電気化学セルを操作する工程とを備えることを特徴とする発電と、水素と酸素との少なくとも１つの精製とのための方法。
【請求項２３】
前記操作は、電気化学セルに電荷を加えて発電することを含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
前記操作は、電気化学セルに電位を加えて、水素と酸素との少なくとも１つを精製することを含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２５】
前記操作は、前記カソード側入口への酸化物を阻止し、電気化学セルに電位を加えて水素を精製することを含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２６】
前記操作は、前記アノード側入口への燃料を阻止し、電気化学セルに電位を加えて酸素を精製することを含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２７】
精製水素を加湿することを含むことを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２８】
電気化学セルは、複数の電気化学セルからなることを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項２９】
電気化学セルは、ＰＥＭ電気化学セルからなることを特徴とする請求項２２記載の方法。
【請求項３０】
電気化学セルは、固体酸化物電気化学セルからなることを特徴とする請求項２２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には電気化学セル、より詳しくは燃料電池と、水素ポンプ、酸素ポンプのようなイオンポンプとに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、重要なゼロ排気燃料である。近年、水素燃料の基礎施設（インフラストラクチャー・システム）の発達は、燃料としての水素の使用を提供するための優先事項となっている。
【０００３】
水素燃料の基礎施設の１つの重要な部分は、水素の生成である。通常、２つの方法が、水素の生成のために用いられる。１つの方法は、例えば、天然ガスまたはプロパンを水素リッチガスに転換する水素の改質プロセスを含む。他の方法は、水分子を水素と酸素とに分割するために電気的エネルギーを用いる電解プロセスを含む。
【０００４】
どちらの方法でも、水素は、生成され、及び／または貯蔵され得るように圧縮される。水素ポンプは、水素の生成及び／または水素富化ガスの圧縮のために用いられている。
【０００５】
水素燃料の基礎施設において、さらに改良の必要がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、第１の特徴において、燃料を受け入れるためのアノード側入口と、燃料を排出するためのアノード側出口と、酸化剤を受け入れるためのカソード側入口と、酸化剤と、精製酸素と精製水素との少なくとも１つとを排出するためのカソード側出口と、第１のコネクタと、第２のコネクタとを備える電気化学セルを含む燃料電池−イオンポンプ結合体を提供する。制御装置は、第１及び第２のコネクタに電荷を与え、電気化学セルが発電する燃料電池として作用するために使用可能であり、第１及び第２のコネクタに電位を与え、電気化学セルが、水素を精製する水素ポンプと酸素を精製する酸素ポンプとの少なくとも１つとして作用するために使用可能である。
【０００７】
本発明は、第２の特徴において、第１の電気化学セルと第２の電気化学セルとを含む燃料電池−水素ポンプ結合体を提供する。第１の電気化学セルは、燃料を受け入れるためのアノード側入口と、燃料を排出するためのアノード側出口と、酸化剤を受け入れるためのカソード側入口と、酸化剤を排出するためのカソード側出口と、精製水素を排出する精製水素出口と、第１のコネクタと、第２のコネクタとを含む。第２の電気化学セルは、燃料を受け入れるためのアノード側入口と、燃料を排出するためのアノード側出口と、酸化剤を受け入れるためのカソード側入口と、酸化剤と精製水素との少なくとも１つを排出するためのカソード側出口と、第１のコネクタと、第２のコネクタとを含む。バルブは、第１の電気化学セルと第２の電気化学セルとの間に配置される。前記バルブは、第１の電気化学セルから第２の電気化学セルに燃料を輸送する第１の通路と、第２の電気化学セルから第１の電気化学セルに排出燃料を輸送する第２の通路と、第１の電気化学セルから第２の電気化学セルへの酸化剤の輸送を制御する第３の通路と、第２の電気化学セルから第１の電気化学セルへの排出酸化剤の輸送を制御する第４の通路と、第２の電気化学セルから精製水素出口への精製水素の輸送を制御する第５の通路とを含む。
【０００８】
本発明は、第３の特徴において、上述の燃料電池−イオンポンプ結合体、燃料電池−イオンポンプ結合体からの精製水素または精製酸素を貯蔵する貯蔵タンク及び、燃料電池−イオンポンプ結合体に燃料を供給する改質器を含む水素基礎施設及び酸素基礎施設を提供する。
【０００９】
本発明は、第４の特徴において、燃料を受け入れるためのアノード側入口と、燃料を排出するためのアノード側出口と、酸化剤を受け入れるためのカソード側入口と、酸化剤と、精製水素と精製酸素との少なくとも１つとを排出するためのカソード側出口と、第１のコネクタと、第２のコネクタとを有する電気化学セルを用意することと、電気と、精製水素と精製酸素との少なくとも１つとを生成するために該電気化学セルを操作することとを含む発電及び、水素と酸素との少なくとも１つの精製方法とを提供する。
【００１０】
本発明と見なされる対象は、明細書の結末の部分で、さらに詳しく指摘され、別に特許請求される。しかし、本発明は、以下の各種形態の詳細な説明と、添付の図面とを参照することにより最も良く理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、燃料電池−イオンポンプ結合体１０を示す。燃料電池−イオンポンプ結合体１０は、発電のための燃料電池モードと、水素の精製及び／または圧縮のための水素ポンプモードとに改変されてよく、水素燃料基礎施設に適切に用いられてよい。
【００１２】
燃料補給ステーションのような水素燃料基礎施設は、例えば、水素製造、電力製造、熱生成といった多くの機能を持っていてもよい。本発明は、発電のための燃料電池と、水素の精製及び／または圧縮のための水素ポンプのような２つの分割された装置を提供することの有する欠点を克服する。そのような結合体は、また、２つの分割された装置を提供することに比較して、必要とされるコストと空間とを低減する。
【００１３】
結合体１０は、一般に少なくとも１つの電気化学セルを含む。電気化学セルは、例えば、図１に示すように電気化学セルのスタック２０であってよく、改質燃料等の燃料を受け入れるためのアノード側入口２２と、改質燃料等の燃料を排出するためのアノード側出口２４と、空気等の酸化剤を受け入れるためのカソード側入口２６と、空気等の酸化剤または精製水素を排出するためのカソード側出口２８と、スタック２０に電荷または電位を加えるための第１のコネクタ３２と第２のコネクタ３４とを有する。
【００１４】
第１のバルブ４６は、スタック２０に対する酸化剤を制御するためにカソード側入口２６に装着される。第２のバルブ４８は、例えば３方向弁であり、第１の方向においてスタック２０から酸化剤を排出するか、または第１の方向と異なる第２の方向において精製水素を排出するかのどちらかのためにカソード側出口２８に装着される。
【００１５】
制御装置５０は、発電のためにスタック２０に電荷を加えるか、水素精製のためにスタック２０に電位を加えるかのどちらかのために、第１のコネクタ３２と、第２のコネクタ３４とに装着される。制御装置５０は、スタック２０に電荷を加えるために、出力端子６２及び６４を含んでよい。例えば、再充電可能なバッテリーが出力端子６２及び６４に接続されてもよい。制御装置５０は、また、スタック２０に電位を加えるために入力端子７２及び７４を含んでよい。制御装置５０は、機械的接点を含んでもよく、または自動化されていて、マイクロプロセッサ若しくはマイクロコントローラを含んでもよい。
【００１６】
スタック２０は、操作の間にイオン輸送を行うために用いられる電解質（例えば、固体高分子、ポリベンズイミダゾール（ＰＢＩ）ベースの膜、アルカリまたはリン酸）のタイプに従って分類される。
【００１７】
例えば、結合体１０は、膜電極構造体（ＭＥＡ）を備える固体高分子電気化学セルを含んでよい。ＭＥＡは、典型的には、２つの電極の間に接触してサンドイッチされた固体高分子膜またはプロトン交換膜（ＰＥＭ）を含む。一方の電極は通常はアノードとして述べられ、他方の電極は通常はカソードとして述べられる。膜は、典型的には、多孔質で、電導性のシート状材料から製造される。電極は、典型的には、炭素繊維ペーパーまたは炭素繊維布から製造される。さらに、電極と膜との界面に、そこにサンドイッチされた触媒層が、電気化学的反応を容易にするために提供されてもよい。典型的には、ＭＥＡは２つの電導性グラファイト板の間に置かれ、表面に刻印された１つまたはそれ以上の反応物流路を有する。反応物流路は、膜電極構造体に対して反応物（例えば、改質燃料または空気）の流れを方向付ける。複数の電気化学セルが、複数の電池のそれぞれに、かつそれぞれから、反応物を輸送するために適切なマニホルドを備えるスタック中に形成されてよい。
【００１８】
図２は、発電のための燃料電池モードに改変された結合体１０を示す。例えば、燃料はアノード側入口２２に供給され、アノード側出口２４を経由して排出される。第１のバルブ４６は、カソード側入口２６に酸化剤の供給を許すように操作され、第２のバルブ４８は、例えば排出口への第１の方向において、カソード側出口２８から酸化剤を排出するように操作される。制御装置５０の出力端子６２及び６４は電荷に接続され、電荷はコネクタ３２及び３４を介してスタック２０に交差して加えられる。
【００１９】
燃料電池モードでの結合体１０の形態において、改質燃料等の燃料は電気化学セルのアノードに流入するので、アノード上の触媒被覆は、ガスがプロトン（水素イオン）と電子とに別れることを助ける。中央の電解質膜は、プロトンのみが膜を電気化学セルのカソード側へ透過することを許す。電子はこの膜を透過することができず、電流の形で外部回路を流れる。酸化剤（例えば空気中の酸素）は、燃料電池のカソードに流入するので、他の触媒被覆が、酸素と、プロトンと、電子との結合を助け、純水及び熱を製造する。
【００２０】
図３は、水素を精製及び／または圧縮するための水素ポンプモードに改変された結合体１０を示す。例えば、改質燃料等の燃料は、アノード側入口２２に供給され、アノード側出口２４を経由して排出される。第１のバルブ４６は閉鎖され、またはカソード側入口２６に酸化剤の供給を阻止するように操作され、第２のバルブ４８は、精製水素を第２の方向に指向するように操作される（例えば、図２に示すような排出酸化剤を方向付けるための第１の方向は閉鎖または阻止される）。制御装置５０の入力端子７２及び７４は、コネクタ３２及び３４を介してスタック２０に交差する電位を提供するために、電力供給装置に接続されてよい。
【００２１】
水素ポンプモードでの結合体１０の形態において、燃料は電気化学セルのアノードに流入し、電気エネルギーが電気化学セルの内部抵抗を克服するように電極間に供給され、プロトンに処理されるべくガス中の水素を分離し、膜を通って反対側にプロトンを追いやり、カソード側出口に精製水素及び／または加圧水素として回収する。水素の流れは貯蔵されてもよく、水の導入により加湿されて貯蔵されてもよい。また、加湿された精製水素は、水素と同様に水の輸送を許すナフィオンを含む電気化学セルを用いて製造されてもよい。
【００２２】
図４及び図５は、発電のための燃料電池モードと、水素精製及び／または水素圧縮のための水素ポンプモードとに改変されてもよい燃料電池−水素ポンプ１００の二者択一的形態を示す。結合体１００は、また、水素燃料基礎施設に適切に採用されてよい。次に非常に詳しく議論されるように、結合体１００は、適切に改変され、操作されてよい２つの部分を分離し、あるいは含む。従って、結合体１００は、燃料電池モードで、または燃料電池モードと水素ポンプモードとの両方で、操作されてよい。
【００２３】
結合体１００は、一般に、少なくとも１つの第１の電気化学セル、例えば電気化学セルの第１のスタック１２０と、少なくとも１つの第２の電気化学セル、例えば電気化学セルの第２のスタック１２１とを含む。バルブ１４０は、第１のスタック１２０と第２のスタック１２１との間にサンドイッチされている。バルブ１４０は、第１の通路１４２と第２の通路１４３とを有するハウジング１４１と、チャンバー１４４とを含む。チャンバー１４４に配置されているものは、第３の通路１４６と、第４の通路１４７と、第５の通路１４８とを有するスライド部材１４５である。
【００２４】
結合体１００は、また、第１のスタック１２０と第２のスタック１２１とに改質燃料等の燃料を受け入れるためのアノード側入口１２１と、第１のスタック１２０と第２のスタック１２１とから燃料を排出するためのアノード側出口１２４と、第１のスタック１２０と第２のスタック１２１とに空気等の酸化剤を受け入れるためのカソード側入口１２６と、第１のスタック１２０と第２のスタック１２１とから酸化剤を排出するためのカソード側出口１２７と、第２のスタック１２１から精製水素を排出するための精製水素出口１２９とを含んでよい。スタック１２０は、さらに、第１のスタック１２０に電荷を加えるための第１のコネクタ１３２と第２のコネクタ１３４とを含んでよい。スタック１２１は、さらに、第２のスタック１２１に電荷または電位を加えるための第１のコネクタ１３６と第２のコネクタ１３８とを含んでよい。
【００２５】
制御装置１５０は、発電のために第１のスタック１２０と、第２のスタック１２１と、電荷を加えるため、または発電のために第１のスタック１２０に電荷を加え、水素精製のためにスタック１２１に電位を加えるためのコネクタ１３２，１３４，１３６，１３８に接続されている。制御装置１５０は、機械的接点を含んでもよく、または自動化されていて、マイクロプロセッサ若しくはマイクロコントローラを含んでもよい。
【００２６】
図４は、結合体１００の形態を示し、第１のスタック１２０と第２のスタック１２１との両方は、発電のための燃料電池モードで操作される。例えば、改質燃料等の燃料がスタック１２０とスタック１２１との両方のためにアノード側入口１２２に供給され、スタック１２０とスタック１２１との両方からアノード側出口１２４を経由して排出される。空気等の酸化剤がカソード側入口１２６に供給される。バルブ１４０が配置されるので（例えば、制御装置１５０の制御下に適切なアクチュエータを用いる）、酸化剤はスタック１２０とスタック１２１との両方の電気化学セルに指向され、またスタック１２０とスタック１２１との両方から排出される。例えば、バルブ１４０が配置されるので、酸化剤の供給は、第２のスタック１２１に対して第１の通路１４６を通り、第２のスタックからの排出酸化剤は通路１４７を通る。
【００２７】
制御装置１５０の出力端子１６２及び１６４との間に加えられる電荷は、スタック１２０とスタック１２１とに交差して操作可能に加えられてよい。例えば、電荷は、スタック１２０のコネクタ１３２と、スタック１２１のコネクタ１３８とから、スタック１２０のコネクタ１３４と、スタック１２１のコネクタ１３６とまでの間に加えられてよい。従って、両方のスタックが、電力の発生に寄与する。一方、図４は２つのスタックの直列の配線を示し、２つのスタックの平行配線または分割配線がまた採用されてよいことが理解される。
【００２８】
図５は結合体１００の形態を示し、スタック１２０は発電のための燃料電池モードで操作され、スタック１２１は水素精製のための水素ポンプモードで操作される。例えば、改質燃料等の燃料が、スタック１２０とスタック１２１との両方のためにアノード側入口１２２に供給され、スタック１２０とスタック１２１とからアノード側出口１２４を経由して排出される。空気等の酸化剤が、カソード側入口１２６に供給される。
【００２９】
バルブ１４０が配置されるので（例えば、制御装置１５０の制御下に適切なアクチュエータを用いる）、スタック１２１に対し通路１４６を経由する酸化剤が阻止されると共に、通路１４７を経由するスタック１２１からの排出が阻止され、スタック１２１からの精製水素は通路１４８を経由して精製水素出口１２９に指向される。制御装置１５０の出力端子１６２及び１６４との間に加えられる電荷は、スタック１２０のコネクタ１３２とコネクタ１３４との間に操作可能に加えられてよく、一方で入力端子１７２及び１７４に接続される直流電源装置は、スタック１２１のコネクタ１３６とコネクタ１３８とに電気的に接続される。従って、スタック１２０は電力の生成に寄与し、一方スタック１２１は水素の精製に寄与する。本記述から、スタック１２１とバルブ１４０とはスタック２０とバルブ４６及び４８と同様であり、例えばバルブ１４０はバルブ４６及び４８に匹敵することが理解される。また、他のバルブ形態とバルブ装置とが各種ガス流を達成するために適切に採用されてよいことが理解される。
【００３０】
図６は、発電と水素精製とのための方法２００を示す。前記方法は、燃料を受け入れるためのアノード側入口と、燃料を排出するためのアノード側出口と、酸化剤を受け入れるためのカソード側入口と、酸化剤と精製水素との少なくとも１つを排出するためのカソード側出口とを有する電気化学セルを用意する工程２１０と、該電気化学セルを操作して発電すると共に水素を精製する工程２２０とを含む。例えば、電気化学セルを操作して発電することは、電気化学セルに対して電荷を加えることを含んでよい。電気化学セルを操作して水素を精製することは、電気化学セルに電位を加えることを含んでよい。
【００３１】
本記述から、本発明に従う結合体は、また、２つ以上の部分に分割されるか、２つ以上の電荷化学電池スタックを含んでよいことが理解される。この場合、電力生成量と、水素生成量とは、多様に制御されてよい。さらに、スタックは、該スタックの一方の部分（例えば、燃料電池モードで操作される）により生成される直流電力のようなものに配線されてもよく、該スタックの他の部分（例えば水素ポンプモードで操作される）のための直流電源装置を提供してもよい。
【００３２】
また、結合体は、電気化学セルの電極／触媒構造体からの不純物を定期的に除去し、電力生成モード及び／または水素精製モードでの電気化学セルの長寿命運転を改良するために、水素ポンプモードで操作されてよいことが理解される。また、結合体は、少なくとも電池のカソード側の加圧状態に抵抗することができる電気化学セルを形成するスタックとして設計されてよいので、水素ポンプモードでは、水素は精製されるのと同様に加圧されうる。結合体は、さらに、電力生成モードと水素精製モードとの間のスタック（またはその一部）の切替操作時に、充填流体として用いられてもよい窒素または他の不活性ガスのような付加的なバルブと配管とに適合されてよい。
【００３３】
図７は、本発明に従う水素燃料基礎施設３００の一実施例であり、メタンまたはメタノール等の炭化水素類を水素富化流れに転換するための触媒部分酸化（ＣＰＯ）改質器、蒸気改質器または自動熱改質器(autothermal reformer)等の改質器３１０と、改質燃料中の一酸化炭素の量を低減するための一酸化炭素清浄化装置３２０と、発電と水素精製とのための上述のような燃料電池−水素ポンプ結合体３３０と、水素貯蔵ユニット３４０と、バッテリーのような電力貯蔵ユニット３５０とを含んでよい。熱生成が必要であるとき、前記システムは、また、加熱炉３６０を含んでよい。
【００３４】
前記システムは、自動車に用いるための水素の供給を提供するサービスステーションに設置されてよい。前記システムは、発電と、後で用いるために貯蔵される精製水素とのために、建築物または家庭に設置されてもよい。
【００３５】
図８は、発電のための燃料電池モードと、酸素の精製及び／または圧縮のための酸素ポンプモードとに改変されてよく、酸素の基礎施設に適切に採用されてよい燃料電池−酸素ポンプ結合体４００を示す。このタイプの装置は、電気の生成と純酸素の生成との両方の必要がある病院等の医学的分野または潜水艦で価値がある。
【００３６】
結合体４００は、例えば、図８に示すような電気化学セルのスタック４２０であってよい少なくとも１つの電気化学セルを含む。電気化学セルは、改質燃料等の燃料を受け入れるためのアノード側入口４２２と、改質燃料等の燃料を排出するためのアノード側出口４２４と、空気等の酸化剤を受け入れるためのカソード側入口２６と、空気等の酸化剤または精製水素を排出するカソード側出口４２８と、スタック４２０に電荷または電位を加えるための第１のコネクタ４３２と第２のコネクタ４３４とを有する。
【００３７】
第１のバルブ４４６は、スタック４２０に対する燃料を制御するためにアノード側入口４２２に装着される。例えば三方弁である第２のバルブ４４８は、第１の方向でスタック４２０からの酸化剤を排出するか、または第１の方向と異なる第２の方向で精製酸素排出するかのいずれかのためにカソード側出口４２８に装着される。
【００３８】
制御装置４５０は、発電のためにスタック４２０に電荷を加えるか、または酸素精製のためにスタック４２０に電位を加えるかのいずれかのために、第１のコネクタ４３２と第２のコネクタ４３４とに装着される。制御装置４５０は、スタック４２０に電荷を加えるために、出力端子４６２及び４６４を含んでよい。例えば、再充電可能なバッテリーが、出力端子４６２及び４６４に接続されてよい。制御装置４５０はまた、スタック４２０に電位を加えるために入力端子４７２及び４７４を含んでよい。制御装置４５０は、機械的接点を含んでもよく、または自動化されていて、マイクロプロセッサ若しくはマイクロコントローラを含んでもよい。
【００３９】
結合体４００は、硬いセラミック電解質を有する固体酸化物電気化学セルを含んでよく、約１０００℃（約１８００°Ｆ）までの温度で操作される。例えば、酸化ジルコニウムと酸化カルシウムとの混合物が結晶格子を形成してよいが、他の酸化物の化合物が電解質として用いられてもよい。固体電解質は、また、特定の多孔質電極材料の両面に被覆されてもよい。
【００４０】
図９は、発電のための燃料電池モードに改変された結合体１０を示す。例えば、第１のバルブ４４６は、アノード側入口４２２に対する燃料の供給と、アノード側出口４２４とを経由する排出とを許すように操作され、酸化剤はカソード側入口４２６に供給される。第２のバルブ４４８は、例えば排出口への第１の方向において、カソード側出口４２８から酸化剤を排出するように操作される。制御装置４５０の出力端子４６２及び４６４は電荷に接続され、電荷はコネクタ４３２及び４３４を介してスタック４２０に交差して与えられる。
【００４１】
燃料電池モードでの結合体４００の形態において、高い操作温度で、酸素イオン（元々充填されている）は、結晶格子に移動する。水素を含む燃料がアノード側に通過するとき、元々充填されている酸素イオンの流れは、燃料を酸化するために電解質に移動する。アノードで生成した電子は、外的負荷を介してカソード側に移動し、回路を形成し、電力を供給する。
【００４２】
図１０は、酸素を精製及び／または圧縮するための酸素ポンプモードに改変された結合体４００を示す。例えば、第１のバルブ４４６は、アノード側入口４２２に対する改質燃料等の燃料の供給を閉鎖または阻止するように操作され、酸化剤の供給はカソード側入口４２６に提供される。第２のバルブ４４８は、精製酸素を第２の方向に指向するように操作される（例えば、図９に示すように、排出酸化剤に指向されるための第１の方向は閉鎖または阻止される）。制御装置４５０の入力端子４７２及び４７４は、コネクタ４３２及び４３４を介してスタック４２０に交差して電位を提供するために、電力供給装置に接続されてよい。
【００４３】
酸素ポンプモードでの結合体４００の形態において、空気等の酸化剤は電気化学セルのアノードに流入し、電気エネルギーが電気化学セルの内部抵抗を克服するように電極間に供給され、プロトンに処理されるべくガス中の酸素を解離させ、固体酸化物を通って反対側にプロトンを追いやり、カソード側出口で精製酸素及び／または加圧酸素として回収する。酸素の流れは貯蔵されてよい。
【００４４】
図１１は、発電と酸素精製とのための方法５００を示す。前記方法は、燃料を受け入れるためのアノード側入口と、燃料を排出するためのアノード側出口と、空気等の酸化剤を受け入れるためのカソード側入口と、酸化剤と精製酸素との少なくとも１つを排出するためのカソード側出口とを有する電気化学セルを用意する工程５１０と、電気化学セルを操作して発電すると共に酸素を精製する工程５２０とを含む。例えば、電気化学セルを操作して発電することは、電気化学セルに電荷を加えることを含んでよい。電気化学セルを操作して酸素を精製することは、電気化学セルに電位を加えることを含んでよい。
【００４５】
図１２は、本発明に従う酸素の基礎施設６００の一実施例であり、メタンまたはメタノール等の炭化水素類を水素富化流れに転換するための触媒部分酸化（ＣＰＯ）改質器、蒸気改質器または自動熱改質器等の改質器６１０と、改質燃料中の一酸化炭素の量を低減するための一酸化炭素清浄化装置６２０と、発電と酸素精製とのための上述のような燃料電池−酸素ポンプ結合体６３０と、酸素貯蔵ユニット６４０と、バッテリーのような電力貯蔵ユニット６５０とを含んでよい。熱生成が必要であるとき、前記システムは、また、加熱炉６６０を含んでよい。
【００４６】
本発明の各種形態が図示され、記述されているが、当業者には、本発明の趣旨と範囲とから離れずに、さらに多くの変更と修正とがなされてよいことが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に従う燃料電池−水素ポンプ結合体の概略図。
【図２】燃料電池として改変された図１の燃料電池−水素ポンプ結合体の概略図。
【図３】水素ポンプとして改変された図１の燃料電池−水素ポンプ結合体の概略図。
【図４】燃料電池として改変された本発明に従う燃料電池−水素ポンプ結合体の二者択一的形態の概略図。
【図５】燃料電池−水素ポンプとして改変された図４の燃料電池−水素ポンプ結合体の概略図。
【図６】本発明に従う発電及び水素精製方法のフローチャート。
【図７】本発明に従う水素燃料基礎施設の概略図。
【図８】本発明に従う燃料電池−酸素ポンプ結合体の概略図。
【図９】燃料電池として改変された図８の燃料電池−酸素ポンプ結合体の概略図。
【図１０】酸素ポンプとして改変された図８の燃料電池−酸素ポンプ結合体の概略図。
【図１１】本発明に従う発電及び酸素精製方法のフローチャート。
【図１２】本発明に従う酸素基礎施設の概略図。
【図１】
2007505472.tif 000002
【図２】
2007505472.tif 000003
【図３】
2007505472.tif 000004
【図４】
2007505472.tif 000005
【図５】
2007505472.tif 000006
【図６】
2007505472.tif 000007
【図７】
2007505472.tif 000008
【図８】
2007505472.tif 000009
【図９】
2007505472.tif 000010
【図１０】
2007505472.tif 000011
【図１１】
2007505472.tif 000012
【図１２】
2007505472.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成18年9月15日(2006.9.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2007505472.tif 000014
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2007505472.tif 000015
【国際調査報告】
2007505472.tif 000016
2007505472.tif 000017
2007505472.tif 000018