(57)【要約】  電力を発生させるための燃料電池と熱電源とを組み合わせる熱電気複合利用又は熱電併給システムが説明され、このシステムは、出力流において炭化水素燃料を水素に変換するための燃料プロセッサを含み、水素リッチな出力流は低含有量の一酸化炭素を含んでおり、出力流及び酸化流体流を受け取る、５％までの低含有量の一酸化炭素に耐性のある高温水素燃料電池システムと、燃料プロセッサに関連する第１のモジュール及び熱出力を提供するために少なくとも部分的に直列に接続された燃料電池システムに関連する第２のモジュールを有する熱交換システムとを含む。
2008532252.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水燃料から水素を発生させるための燃料プロセッサを有する燃料電池システム、及び、高温水素燃料電池の動作を開始する方法であって、
電気ヒータ及びガスバーナを用いる水の凝縮及びＣＯ被毒を含む理由による触媒の損傷及び不活性の危険性なしで実行するために前記燃料プロセッサを予熱し、
電気ヒータによって第１の好ましい温度まで前記燃料電池の燃料電池スタックを予熱して、改質油の水が前記燃料電池スタックの高温膜電極一体構造（ＭＥＡ）上で凝縮して酸のウォッシュアウトをもたらすことがないようにし、
水素の発生を開始するように前記燃料プロセッサを動作させ、要求に応じて、水素を前記ガスバーナに供給し、
自立可能な条件の下で前記燃料プロセッサを動作することにより、前記燃料電池スタックを予熱するために第２の好ましい温度で前記燃料プロセッサから水素ガスを供給し、前記燃料電池スタックからはどのような実質的な電流も引き出さず、前記第２の温度は前記高温ＭＥＡに損傷を与えることなく電流を安全に引き出すことができる温度であり、
スタックの自己予熱により、その動作温度まで前記燃料電池スタックを予熱し、
前記動作温度に達した後で、前記燃料電池に通常の動作をさせる、
ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記燃料電池システムは熱電気複合利用（ＣＨＰ）又は熱電併給システムであり、燃料プロセッサ及び燃料電池システムの一方又は両方から熱出力を提供するための熱回収システムをさらに含み、前記方法は、前記熱出力を提供することをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の好ましい温度は５５℃より上であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２の好ましい温度は１２０℃より上であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記動作温度は１６０℃と２００℃との間にあることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第２の好ましい温度まで予熱する間に前記燃料電池を通して供給される前記水素ガスは、燃焼のために前記バーナに戻ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記バーナは、通常、前記燃料プロセッサの加熱の必要性を満たすために、前記燃料プロセッサに供給される炭化水素燃料と、前記燃料プロセッサによって生成され前記燃料電池スタックによって消費されない使用可能な水素ガスの可変の混合物を消費し、
最初の動作の間、前記燃料電池スタックが前記第１の温度より高い第３の温度に達するまで、前記炭化水素燃料は前記バーナに完全に向けられ、
前記第３の温度に達したときには、前記燃料プロセッサから生成された水素ガスは、前記燃料電池スタックを前記第１の温度まで予熱するための最大の望ましい流量まで前記燃料電池スタックに供給されて、前記燃料電池スタックにより消費されない本質的に全ての前記水素ガスは前記バーナに供給され、
通常の動作の間、水素ガスは前記燃料電池スタックに完全に供給されるように制御され、前記燃料電池スタックにより消費されないいずれの水素ガスも前記バーナに供給される、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記燃料電池スタックを予熱するための第２の好ましい温度で前記燃料プロセッサから水素ガスを供給することは、通常の容量の１５％と３５％との間で動作する前記燃料プロセッサを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記燃料電池システムからの熱の熱電併給は、前記燃料電池スタックをその動作温度まで予熱した後でのみ開始することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
迅速な水蒸気発生は２つの加熱源を供給することにより達成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記燃料プロセッサの加熱及び水蒸気発生を加速するように、前記燃料プロセッサにおいて前記ガスバーナを動作させることをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
入ってくるカソード空気がスタック温度の近くまで予熱されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記入ってくるカソード空気はカソード排気により予熱されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記入ってくるカソード空気は熱交換器において冷却液により予熱されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記入ってくるカソード空気は冷却液により電池内で予熱され、前記燃料電池スタックにおける輸送マニホルドにより輸送されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記入ってくるカソード空気はアノード残留ガスにより予熱されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記燃料プロセッサ及び燃料電池は、高温の部品をパッケージの中央に設け、低温の部品をパッケージの周辺に設けることにより機械的に統合されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
電力を発生させるための燃料電池と熱出力源とを組み合わせる熱電気複合利用又は熱電併給システムであって、
出力流において炭化水素燃料を水素に変換するための燃料プロセッサ
を含み、水素リッチな出力流は低い含有量の一酸化炭素を含んでおり、
前記出力流及び酸化流体流を受け取る、５％までの一酸化炭素に耐性のある高温水素燃料電池システムと、
前記燃料プロセッサに関連する第１のモジュール及び熱出力を提供するために少なくとも部分的に直列に接続された前記燃料電池システムに関連する第２のモジュールを有する熱交換システムと
を含むことを特徴とする複合システム。
【請求項１９】
前記燃料プロセッサ及び前記燃料電池システムの少なくとも一方が、前記複合システムの部品をウォーミングアップさせるための二重目的の電気ヒータを含み、
前記熱交換器システムは、前記部品から熱を抽出することができ、前記二重目的の電気ヒータから熱を受け取るように適応された熱交換器を含み、
前記複合システムは、さらに、
前記燃料電池システムからの余剰電力を、前記熱交換システムの付加的な熱出力に変換するために、前記余剰電力を前記二重目的の電気ヒータに向けるための制御回路
を含むことを特徴とする請求項１８に記載の複合システム。
【請求項２０】
前記熱交換器システムは温水を提供することを特徴とする請求項１９に記載の複合システム。
【請求項２１】
前記燃料電池システムは、互いに圧縮された複数のプレートを有し、入ってくる流体及び出て行く流体及び空気を前記スタックに分配するための入口マニホルド及び出口マニホルドを有する燃料電池スタックを含むことを特徴とする請求項１８に記載の複合システム。
【請求項２２】
前記燃料電池スタックは、膜電極一体構造に分配される燃料のための活性区域及びカソード空気を予熱するための予熱区域を有する少なくとも１つのアノードプレートを含み、前記活性区域及び前記予熱区域は互いから分離していることを特徴とする請求項２１に記載の複合システム。
【請求項２３】
前記燃料電池スタックは、膜電極一体構造に分配される燃料のための活性区域及びカソード空気を予熱するための予熱区域を有する少なくとも１つのアノードプレートを含み、前記活性区域及び前記予熱区域は互いに流体連通することを特徴とする請求項２１に記載の複合システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、熱電気複合利用（ＣＨＰ）燃料電池システムに関する。特に、本発明は、炭化水素燃料から電気及び家庭用温水を生成するための高温プロトン交換膜燃料電池及び水蒸気改質をベースにした燃料プロセッサの統合に関する。
（関連出願の相互参照）
これは本発明に対して出願された第１の出願である。
【背景技術】
【０００２】
住居、及び病院、レストラン並びに学校のような他の商業及び産業用の建物は、照明器具及び電気器具のための基本的な電気、及び空間並びに家庭用温水暖房のための熱エネルギーを必要とする。燃料電池の熱電気複合利用（ＣＨＰ）又は熱電併給システムは、通常のシステムよりさらに効率的にこれらの必要性を満たすのに有用な電気及び熱エネルギーの両方を提供できるが、それは、通常の集中発電装置とは異なり、電気の現場での生成の間に拒絶された熱エネルギーを回収して熱荷重を満たすことができるためである。
【０００３】
燃料電池をベースにしたＣＨＰシステムは、特に、その高効率性、清浄さ、小さいサイズ、優れた部分荷重特性、及び、可撓性並びに安全性のために魅力的である。
【０００４】
プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、住居及び小型の固定用途のためにある程度開発中であった。典型的な通常のＰＥＭ燃料電池は、白金充填電極の間に挟まれた電解質材料としてプロトン透過性イオン交換膜を含む。膜材料は、一般に、Ｄｕｐｏｎｔにより開発され販売されるＮａｆｉｏｎ（登録商標）又はＤｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ＣｏｍｐａｎｙによるＸＵＳ  １３２０４．１０といった材料に与えられる商標名で呼ばれるフッ化スルホン酸ポリマーである。電解質としてパーフルオロスルホン酸ポリマー膜を用いる、通常６０℃と８５℃との間で動作する燃料電池は、優れた開始及び負荷追従性能を有することが実証されてきた。しかし、これらの燃料電池は、依然として、広範にわたる商業的な容認を獲得するために、信頼性、寿命、及び費用に関してさらなる改善が必要である。
【０００５】
第１に、ＰＥＭＦＣの性能及び寿命は、ポリマー電解質の水分含有量に強く依存するため、膜内の水分管理が効果的な動作にとって重要である。パーフルオロスルホン酸ポリマー膜の導電率は、酸性部位当たりに使用可能な水分子の数の関数である。膜が乾ききった場合には、プロトンの流れに対する抵抗が増加し、燃料電池内に発生する電気化学反応を十分な状態で維持できなくなり、結果として、出力電流が減少し、或いは、最悪の場合には停止する。さらに、膜が乾ききるとＰＥＭ表面の構造的な亀裂をもたらすことになり、結果としてその寿命を短くする。これらの理由のために、ＰＥＭ燃料電池は、通常、入ってくる反応物の流れを加湿する素子を組み込み、燃料電池の動作温度は大気圧において、１００℃より下に、典型的には６０℃と８５℃との間に限定され、それを超えると、蒸発により水が失われるために、膜の導電率は劇的に減少する。加湿器は、燃料電池の動作温度よりわずかに低いか又はそれに近い温度で、完全に飽和した反応物の流れを有するように動作されるべきである。このことは間違いなく加湿器の綿密な設計及び動作を必要とし、動作中の複雑さだけでなく、さらに、費用の増加及び信頼性の減少をもたらす。
【０００６】
一方、反応物の流れによってそこにもたらされる水が多い場合、或いは、電気化学反応によって発生されたが燃料電池から効率的には除去されない蓄積した水のような、何らかの理由によってもたらされた水が余りにも多い場合には、燃料電池の電極は水浸しとなり、電池性能も劣化する。さらに、低温動作の性質により、副生水は生成されるよりも速く蒸発しない状況がもたらされることとなる。結果として、このことは水が効率的に除去されることができない場合には、水の蓄積及び結果としては電極の浸水をもたらすことになる。この理由のために、水の除去及び管理は、燃料電池設計において適切に扱われなければならない。
【０００７】
ＰＥＭ燃料電池の動作の属性における水分管理の困難さは、主としてパーフルオロスルホン酸ポリマー膜の低温の限界、すなわち、水分含有量に対する感度及び動作条件の狭さによるものである。
【０００８】
第２に、ＰＥＭ燃料電池の低温動作はまた、燃料流におけるＣＯ閉じ込めに対する厳しい要求を生み出す。低温ＰＥＭ燃料電池性能は、ほんの数百万分の一（ｐｐｍ）のＣＯ濃度で落ちる。ＣＯ被毒による性能の劣化は、Ｐｔ触媒活性部位上へのＣＯの強い化学吸着力によると考えられており、これは水素に使用可能な活性触媒部位を縮小し、従って、水素が反応することを妨げる。
【０００９】
ＣＯ被毒の問題に対処するために現在いくつかの技術が存在する。第１に、ＣＯレベルを好ましくは１０ｐｐｍより下に減少させるために選択酸化反応器（ＰＲＯＸ）を燃料プロセッサに取り付けなければならない。このＣＯレベルは、定常状態の動作の下で、最新のＰＲＯＸ触媒及び設計を用いて達成可能であるが、開始及び突然の荷重変動の間のような過渡的な条件の下では維持するのが困難であり、この条件下では、数百ｐｐｍから数千ｐｐｍほど高いＣＯの過渡的スパイクが、水素リッチな改質油における定常状態の微量のＣＯの上に置かれることがある。Ｍ．Ｍｕｒｔｈｙ他（Ｔｈｅ  Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ａｎｄ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ａ  ＰＥＭＦＣ  Ｅｘｐｏｓｅｄ  ｔｏ  Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  ＣＯ  Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｖｏｌ．１５０、Ｎｏ．１  ｐｐ．Ａ２９−Ａ３４、２００３）は、５００ｐｐｍのＣＯで０．４６Ｖ／分及び３０００ｐｐｍのＣＯで１．４３Ｖ／分としての電池電圧の下降率を実験的に判断した。０．７Ｖの典型的な電池電圧を用いると、上述の観察は、５００ｐｐｍのＣＯを含有する改質油に曝される場合には、燃料電池は１分以内で動作しなくなることを示唆する。５０ｐｐｍのＣＯに曝される場合でさえ、燃料電池はほぼ一週間の動作で、効率が約３０％失われる。
【００１０】
ＰＲＯＸ反応器を用いることの別の不利点は、空気をＰＲＯＸ反応器に導入することによる改質油の希釈及び水素の消費である。ＰＲＯＸ触媒は、一般に、ＣＯ酸化に高選択性を有するが、動作条件の下で競うため、改質油における水素の酸化は避けられない。空気によってもたらされる窒素は、水素の改質油の希釈をもたらし、結局は、燃料電池の性能を低下させる。
【００１１】
累積的及び過渡的の両方の燃料電池に対するＣＯ損傷の影響を最小にするために、第２の手法、すなわち、空気の抽気が時々は使用され、そこでは、注意深く制御された空気が燃料電池の改質油と混合するように導入される。空気の抽気は、周期的であってもよいし又は常時であってもよい。空気の抽気により、ＣＯ被毒を最小にすることができるが、これはシステムの複雑性及び費用を増加させる。
【００１２】
ＣＯに対する燃料電池の耐性は高温で著しく増加することが十分に文書化されてきた。Ｐｔベースの触媒に対して１５０℃より上の動作温度は、典型的には、燃料電池が１％から３％までのＣＯにおいて持続可能になるように要求されており、こうした温度の下では、ＣＯ吸着はそれほど顕著ではない。
【００１３】
高温でＰＥＭ燃料電池を動作させることは、ＣＯ耐性を増加させるのみならず、いくつかの他の利点をもたらす。第１のかつ最も重要な利点は、水分管理を簡単にし、反応器の加湿をなくし、燃料プロセッサの設計及び動作を簡単にして、前述のＰＲＯＸ反応器をなくすことができることによる燃料電池の信頼性の改善に依拠する。さらに、高温は、特にカソード酸素還元率に対して燃料電池反応速度を増大させ、イオン導電率を増加させ、結果として、高温での電池の性能が改善される。さらに、高い燃料電池の温度はより高い熱伝達の駆動力を提供するため、燃料電池システムの温度管理に関して、高温でより効率的で経済的になり、それゆえに、熱交換器のサイズ及び費用を、低温と比較して、実質的に縮小することができる。温水を生成する代わりに、高温燃料電池システムは、また、空間暖房又は蒸気ヒートポンプのために低から中程度の圧力蒸気流の生成を可能にする。
【００１４】
自動車の用途について特許請求される利点に加えて、高温ＰＥＭ燃料電池はまた、固定した及び住居の熱電気複合利用の用途にも魅力的である。
【００１５】
ＰＥＭ燃料電池の高温の動作は、通常の低温Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）をベースにした膜を、いわゆる高温の膜と交換した場合に可能となる。この分野における最新の技術は、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）膜をベースとするものであり、準備、処理、及び製造に関して米国特許第５，０９１，０８７号、４，８１４，３９９号、５，５９９，６３９号、５，５２５，４３６号、米国特許出願第２００４／００２８９７６号、日本国特許第２００２−１９８０６７号、ＷＯ０１／１８８９４に説明されている。ＰＢＩをベースにした膜は、高い導電性（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｖｏｌ．１４２（１９９５）、Ｌ２１−Ｌ２３）、優れた熱安定性（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｖｏｌ．１４３（１９９６）、１２２５−１２３２）、ほとんどゼロの水抗力係数（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｖｏｌ．１４３（１９９６）、１２６０−１２６３）、及び酸素還元のための高められた活性（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  Ｖｏｌ．１４４（１９９７）、２９７３−２９８２）を示す適切な処理によりプロトン導電体となる。最近、ＰＢＩ高温高分子電極膜一体構造は、ＰＥＭＥＡＳ（以前は、Ｃｅｌａｎｅｓｅ  Ｖｅｎｔｕｒｅｓ  ＧｍｂＨ、ドイツ）から商業的に入手可能（Ｃｅｌｔｅｃ（登録商標）ＭＥＡ）となった。
【００１６】
従来技術により知られるＰＥＭ燃料電池ＣＨＰ又は熱電併給システムは、６０℃と８５℃との間の温度でたいていは動作し、そこでは、低温ＰＥＭスタックが水蒸気改質（ＳＲ）をベースにした又は自己熱改質（ＳＲ）をベースにした燃料プロセッサのいずれかと統合される。Ｒｉｃｈａｒｄ  Ｈ．Ｃｕｔｒｉｇｈｔ他に付与された米国特許出願第２００２／０１６０２３９号は、１２０℃ないし２００℃の動作温度を有する高温燃料電池システムを開示する。好ましい実施形態の１つにおいては、ＡＴＲをベースにした燃料プロセッサが水素含有改質油を生成するために用いられ、ＰＢＩをベースにした燃料電池スタックが電気を生成するために用いられる。燃料電池のカソード排出（又はカソード排ガス）がＡＴＲ燃料プロセッサに水蒸気及び酸素を提供するのに用いられる。開示されるプロセスは、（１）そのような流れの構成によって、最適な動作性能を達成するためにＡＴＲ燃料プロセッサにとって重要なパラメータである適切な値で、水蒸気／炭素の比率及び酸素／燃料の比率の両方をＡＴＲ燃料プロセッサに提供することは困難又は不可能であること、（２）燃料処理に要求される水蒸気は、燃料電池がまだ動作中ではないときには、開始の間は使用できないため、開始の間は問題があるということを含む、いくつかの欠点を有する。
【００１７】
前述の特許は、水蒸気改質器が炭化水素燃料を水素に変換するのに用いることができることを特許請求した。しかし、水蒸気改質プロセスがどのように構成されるかを教示せず、また、この特許は水蒸気改質器及び高温ＰＥＭ燃料電池をベースにした熱電気複合利用システムを開示していなかった。さらに、流体及び熱の管理及び構成並びにこのような熱電併給システムの動作が提供される、熱電併給システムについての教示は存在しない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、水素生成のための炭化水素の水蒸気改質及び発電のための高温ＰＥＭ燃料電池をベースにする熱電気複合利用（ＣＨＰ）又は熱電併給システムに関する。
【００１９】
本発明の第１の広範な態様によれば、炭化水燃料から水素を発生させるための燃料プロセッサを有する燃料電池システム、及び、高温水素燃料電池の動作を開始する方法が提供され、この方法は、電気ヒータ及びガスバーナを用いる水の凝縮及びＣＯ被毒を含む理由による触媒の損傷及び不活性の危険性なしで実行するために燃料プロセッサを予熱し、電気ヒータによって第１の好ましい温度まで燃料電池の燃料電池スタックを予熱して、改質油の水が燃料電池スタックの高温膜電極一体構造（ＭＥＡ）上で凝縮して酸のウォッシュアウトをもたらすことがないようにし、水素の発生を開始するように燃料プロセッサを動作させ、要求に応じて、水素をガスバーナに供給し、自立可能な条件の下で燃料プロセッサを動作することにより、燃料電池スタックを予熱するために第２の好ましい温度で燃料プロセッサから水素ガスを供給し、燃料電池スタックからはどのような実質的な電流も引き出さず、第２の温度は高温ＭＥＡに損傷を与えることなく電流を安全に引き出すことができる温度であり、スタックの自己予熱により、その動作温度まで燃料電池スタックを予熱し、動作温度に達した後で、燃料電池に通常の動作をさせる、ことを含む。
【００２０】
電力荷重及び熱エネルギー荷重の両方の特性を監視することにより、ＣＨＰシステムは、好ましくは、一日に２から３サイクルで、簡単で段階的な負荷追従モードで動作することが好ましい。異なるサイクルの間のスイッチは、ＣＨＰシステムが全ての熱需要を、より少ないグリッド電気の購入により、本質的に提供して、ＣＨＰシステムがより効率的に動作するのを可能にするように定められる。
【００２１】
本発明の第２の広範な態様によれば、電力を発生させるための燃料電池と熱出力源とを組み合わせる熱電気複合利用又は熱電併給システムが提供され、このシステムは、出力流において炭化水素燃料を水素に変換するための燃料プロセッサを含み、水素リッチな出力流は低い含有量の一酸化炭素を含んでおり、出力流及び酸化流体流を受け取る、５％までの一酸化炭素に耐性のある高温水素燃料電池システムと、燃料プロセッサに関連する第１のモジュール及び熱出力を提供するために少なくとも部分的に直列に接続された燃料電池システムに関連する第２のモジュールを有する熱交換システムとを含む。
【００２２】
本発明の好ましい実施形態においては、ＣＨＰモジュールは、一般的には、官能基の機械的に製造されたモジュールである。燃料プロセッサの部品は、好ましい温度勾配を有して、小型のパッケージで複合燃料プロセッサ及び燃料電池モジュールを提供するために、高温燃料電池スタックが燃料プロセッサのすぐ傍に機械的に配置されるのを可能にするように構成されることがより好ましい。種々の部品の間の流体連通は、外部のパイプ接続又は内部のマニホルドのいずれかによって達成することができる。異なる動作温度を有する異なる部品の間で断熱材料を用いることができる。
【００２３】
本発明に用いられる燃料プロセッサは、水蒸気改質ベースが好ましく、典型的には、Ｎｉベースの好適な触媒をもつ水蒸気改質器が、天然ガスのような炭化水素燃料を、水素、一酸化炭素及び二酸化炭素、並びに、残留炭化水素及び水蒸気を含むガス流に変換する。水蒸気改質は、当該技術分野において十分に文書化された化学プロセスであり、自熱改質のような他の熱処理プロセスと比較して水素生成における高効率によって特徴付けられてきた。水蒸気改質器は、２対４、好ましくは、２．５対３の水蒸気対炭素の比率、及び６５０℃ないし７００℃の間で動作される。燃料プロセッサはまた、高温燃料電池が動作するのと同じ温度である、好ましくは１６０℃ないし２００℃の動作温度をもつ中間温度の水性ガスシフト反応器を含む。燃料プロセッサはさらに、水蒸気改質に用いられる水蒸気を発生させるための水蒸気発生器を含む。プロセスの各ステップにおいて、種々の流れをその適切な温度にするために、燃料プロセッサ内部に種々の熱交換器をさらに有することができる。通常低温燃料電池ＣＨＰシステムと併せて用いるものと比較して、熱処理装置は、ＰＲＯＸ反応器、関連する改質冷却器、及び凝縮器をなくした。一酸化炭素は、高温燃料電池に導入される前に、水素リッチな改質油において約０．２％ないし０．６％のレベルになる。高温燃料電池によるＣＯの増加した耐性によって、ＰＲＯＸをなくすことは、燃料プロセッサの簡素性及び信頼性を著しく増加させる。このことは、さらに、ＰＲＯＸ反応器において生じる改質油の窒素希釈及び水素消費をなくすことにより、結果としてＣＨＰシステムの効率に貢献する燃料プロセッサの効率の増加をもたらす。
【００２４】
本発明における高温ＰＥＭ燃料電池は、例えば、ＰＥＭＥＡＳ（以前のＣｅｌａｎｅｓ  Ｖｅｎｔｕｒｅｓ  ＧｍｂＨ）から入手可能なＰＢＩ膜をベースにすることができる。燃料電池は、１２０℃と２００℃との間、より好ましくは、１６０℃と２００℃との間の温度で動作させることができる。低温ＰＥＭ燃料電池と比較すると、高温膜燃料電池は、著しい性能劣化なしで、３％までのＣＯの耐性があるとすることができる。さらに、反応ガスに加湿する必要性はなく、問題となる加湿プロセスをなくして、低温ＰＥＭ燃料電池にとって著しい技術的困難さである水分管理を大いに単純化する。結果として、高温燃料電池は、さらに信頼性が高く、頑強で効率的になると予想される。
【００２５】
熱回収モジュールは、典型的には、回収される熱エネルギーの貯蔵のための水タンクと、熱電併給の流体を循環させるための水ポンプとを含む。燃料電池熱電併給熱交換器の後の温水は、６０℃と６５℃との間の温度を有し、貯蔵タンクからの水は、水が１０℃と４５℃との間の温度を有するタンクの底部から引き出されることが好ましい。住宅の需要を満たすのにＣＨＰシステムから十分な熱エネルギーが存在しないときに用いるためのガス湯沸かし器が熱回収モジュールの内部又は外部に存在することがある。
【００２６】
本発明の種々の実施形態は、単独で又は組み合わせて、以下の特徴を含むことができる。炭化水素の供給流は、熱交換器を、下流側の水素化脱硫器に適した約２００℃ないし２５０℃の温度に構成することにより、改質油のような高温の流れによって予熱される。有機及び無機の硫黄化合物の両方は、水蒸気改質触媒及びシフト反応器触媒を被毒及び不活性から防ぐために、少なくとも１ｐｐｍより下で除去されるべきである。水素化脱硫器に必要とされる水素を、いずれかの好ましい機構を通してシフト反応器の出口からリサイクルすることができる。脱イオン水は、蒸気ボイラ又は蒸発器に流れる前に、改質油のような高温の流れにより予熱されるように熱交換器を通してポンプで注入される。過熱水蒸気は、水蒸気改質油に入る前に脱硫された炭化水素供給と混合する。炭化水素と水素含有燃料電池のアノード排ガスの混合物を燃焼することのできるバーナは、水蒸気改質に必要な熱エネルギーを与える。燃焼に要求される空気は、別個の送風器によって、或いは、カソードの送風器又は圧縮器により与えられる燃料電池のカソード排気によって供給することができる。カソード空気は、熱いカソード排ガス又はスタックの冷却液のいずれかによって、スタックの温度に近い温度まで予熱される。燃料電池スタックは、冷却液のチャネルを通して冷却液を流れさせることによって冷却される。燃料電池スタックによって発生される熱は、熱交換器によって熱電併給の流体に伝達される。カソード空気を予熱するために用いられる熱交換器は、別個のものであってもよいし、又は、燃料電池プレートと組み合わせたものであってもよい。さらに、熱電併給の流体との熱交換を構成することにより、バーナ排気からの熱エネルギー及び燃料電池カソード排気を回収することができる。
【００２７】
本発明によるＣＨＰシステムは、優れた頑強性及び高い信頼性を有し、天然ガスが燃料として用いられるときには、９７％（ＬＨＶすなわち低位発熱量）の（電気及び熱の）高い総合効率を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明のさらに別の特徴及び利点が、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。
【００２９】
添付の図面全体にわたって、同様の特徴が同様の参照番号で識別されることが注目される。
【００３０】
説明全体を通して、「膜電極一体構造」（ＭＥＡ）という用語は、多孔質で導電性のシート材料、典型的には、以下に限定されるものではないが、カーボン紙又はカーボン布で形成される２つの電極の間に配置される固体ポリマー電解質、又は、イオン交換膜からなるものとして理解される。ＭＥＡは、所望の電気化学反応を誘起させるために、各々の膜／電極界面において、典型的には、白金の形態の触媒の層を含む。「低温ＰＥＭ」又は「低温ＭＥＡ」という用語は、約６０℃から８５℃までの温度における動作に適したプロトン交換膜又は膜電極一体構造材料を指し、そのような材料は、３Ｍ、Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ  ａｎｄ  Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ、Ｄｕｐｏｎｔなどから商業的に入手可能なものを含む。「高温ＰＥＭ」又は「高温ＭＥＡ」という用語は、約１２０℃から２００℃の温度における動作に適したプロトン交換膜又は膜電極一体構造材料を指し、そのような材料は、ＰＥＭＥＡＳから商業的に入手可能なものを含む。
【００３１】
さらに、「水蒸気改質」又は「水蒸気改質器」という用語は、炭化水素燃料を好適な触媒の上で水蒸気と反応させることによって、天然ガス（ＮＧ）及び液化石油ガス（ＬＰＧ）のような炭化水素燃料から水素リッチ合成ガスを生成するプロセス又は装置を示す。「燃料プロセッサ」という用語は、水蒸気改質、水性ガスシフト（又は単にシフトと呼ばれる）、脱硫、及び熱交換のような水素の生成に含まれるステップを含む。水蒸気改質器及びバーナに与えられる炭化水素を区別するために、前者は「供給」とし、後者は「補給」とする。燃料電池のアノードにおいて未反応のガス流は、代替的に「アノード排ガス」又は「アノード排気」と呼ばれる。燃料電池のカソードにおいて未反応のガス流は、代替的に「カソード排ガス」又は「カソード排気」と呼ばれる。
【００３２】
本発明の原則によれば、水蒸気改質及び高温燃料電池をベースにしたＣＨＰシステムには、天然ガスのような炭化水素燃料から有用な電力及び熱エネルギーの両方を生成することのできる適切なモジュール構成が提供される。図１に一般的に示される本発明のＣＨＰシステム１は、少なくとも６つのモジュールを有し、それらの全ては機械的に設計し、独立して製造することができ、小型で機能的なシステム又は製品を提供するために容易に統合することができる。第１のモジュール２、バランスオブプラント（ＢＯＰ）モジュールが提供され、電磁弁、メータ、炭化水素及び空気フィルタ、圧力調整器、ポンプ並びに送風器又は圧縮器、及び他の必要な取り付け具又はコネクタのようなシステム補助装置の全てがまとめて取り付けられる。このバランスオブプラント・モジュールは、その上に補助装置をしっかりと取り付けることができ、ＣＨＰシステムの囲い上に取り付け、そこから除去することができるパネルの上に作られることが好ましい。バランスオブプラントのパネル上の部品又は装置間の接続は、必要に応じて、絶縁あり又はなしで、剛性又は可撓性のある管類のいずれかとすることができる。炭化水素燃料１００及び水６００は、それらの個々の供給源からバランスオブプラントのモジュール２の入口ポートに接続される。２の上の全ての電子的に駆動される補助装置は、バランスオブプラントのモジュール２と電気び制御モジュール７との間で、好ましくは１２Ｖ又は２４Ｖでの調整ＤＣ電力、電気制御信号、及び電気フィードバック信号を伝送するケーブル９０８に接続することによって電力が供給され、制御される。炭化水素燃料１０３、１０７、空気４０１、及び脱イオン水６０２の流れが、バランスオフプラントのモジュール２の出力ポートから燃料プロセッサモジュール３に送られ、空気流４０３、４０５、及び４０７が燃料電池モジュール４に送られる。燃料プロセッサモジュール（ＦＰＳ）３の内部では、適切な流体及び熱管理が構成されて、炭化水素燃料が、１％から３％までより少ないＣＯを含む、水素リッチな合成ガス、又はしばしば改質油と呼ばれるものに効率的に変換できるようになる。燃料プロセッサモジュールの内側の部品もまた、適切な方法により構成されて、燃料電池モジュール（ＦＣＳ）４を、燃料プロセッサ３のすぐそばに機械的に取り付けることができるようになる。本発明の他の実施形態においては、燃料プロセッサモジュール３及び燃料電池モジュール４を、統合された小型のモジュールとして設計し、製造することができる。電力信号９０９及び制御信号９１０を伝送するケーブルは、燃料プロセッサモジュール３、燃料電池モジュール４、及び、その中の電気ヒータのようないくつかの電気素子に電気を供給して制御するための電気及び制御モジュール７の間に接続することができる。燃料プロセッサモジュール３及び燃料電池モジュール４はまた、熱エネルギーが燃焼燃料ガス、燃料電池スタック、及び燃料電池カソード排気のような源から回収されるように、熱電併給ループ８０７及び８１０に接続される。回収される熱エネルギーは、熱回収モジュール（ＨＲＳ）５によって回収され、水道８００を受け入れ、温水８０５を与える。回収される熱エネルギーは、家庭用温水及び熱空間暖房（例えば床暖房）を提供するために用いることができる。これを空調装置として吸収ヒートポンプの熱駆動力として用いることもできる。燃料電池モジュール４によって生成される調整されていないＤＣ電力９００の一部は、電力調整モジュール（ＰＣＳ）６において、調整ＤＣ電力９０４及び調整ＡＣ電力９０３に変換される。さらに、既存のグリッドからＡＣ電力９０７を受け取るために、ＰＣＳ６上に界面が設けられ、ＣＨＰシステムの開始の間にＤＣ電力９０４を置き換えるために、ＰＣＳ６内部で調整ＤＣ電力に変換される。
【００３３】
上述のモジュールの概念をベースにして構成されるＣＨＰシステムは、その簡素性と小型性による改善されたシステムの信頼性、製造可能性、及び有用性を有することを理解するであろう。結果として、製造、組み立て、サービスに関連する費用を削減することができる。
【００３４】
本発明による好ましい実施形態のいくつかに対し、ここで、図２から図１１を参照する。簡単にするために、図１のモジュール２、３、４、５及び６のみを示す。
【００３５】
図２に示される好ましい実施形態の１つにおいては、バランスオブプラントのモジュール２ａは、空気４０３を燃料電池カソードに供給するための送風器／圧縮器４２と、燃料プロセッサ内部のバーナに燃焼用空気４０１を供給するための送風器／圧縮器４０と、燃料電池モジュール４内部の熱交換器に冷却用空気４０７を供給するための送風器／圧縮器４５と、水蒸気改質器及びバーナに炭化水素供給１０３及び燃料１０７を供給するための２つの圧縮器１０及び１２のそれぞれをまとめて取り付ける。２つのポンプ６１及び７１は、脱イオン水６０２及び冷却液７０２を燃料プロセッサ３及び燃料電池４にそれぞれ供給する。空気流の流量を制御するためにパイプライン４０６、４０４、４０２、及び４００上に取り付けられた弁（電磁弁又は手動弁のいずれか）４６、４４、４３、及び４１が存在する。燃料流の流量を制御するためにパイプライン１０２及び１０６上に取り付けられた弁（電磁弁又は手動弁のいずれか）１１及び１３もまた存在する。図３の水性ガスシフト反応器Ｒ−５の出口からリサイクルされた改質油２０５の流れは、圧縮器１０の吸引力を利用するように供給圧縮器の入口のすぐ前に接続されて、より高い圧力の源からの改質脂のリサイクルを容易にする。水タンク６０は、外部の脱イオン器（図示せず）から脱イオン水６００を受け取り、さらに、燃料プロセッサ及び燃料電池モジュールから凝縮され収集された水流６０５も受け取ることができる。冷却液タンク７０は膨張タンクとして働き、そこには電気ヒータ９０が沈められることが好ましい。電気ヒータ９０は２つの機能を有し、一方の機能は、燃料電池スタックを好適な温度まで暖めることができるように、冷却状態からのシステムの開始の間に冷却液を加熱するためのものであり、他方の機能は、図４における熱交換器ＨＸ−７を通して、結果として熱を熱電併給水に伝達する冷却液を加熱することによって、余剰電力（すなわち、燃料電池が生成したＡＣ電力部分が低い需要のために用いることができない）を温水に変換するためのものである。
【００３６】
図２ｂは、バランスオブプラントのモジュール２ｂの別の実施形態であり、図２ａに示される空気圧縮器４０及び関連するパイプライン及び弁４００、４０１が除去されている。この場合においては、カソード空気供給４０１が燃料電池のカソード排気５０７と置き換えられ、これは最初は流れ４０３から供給されるものである。
【００３７】
図示されていないが、バランスオブプラントのモジュール２の内部には他の部品を有することができるが、これらの変形態様は本発明の原則を変えないであろう。また、燃料プロセッサ３又は燃料電池４のいずれかに対するバランスオブプラントのモジュール２の間の接続は、剛性であってもよいし又は可撓性であってもよく、プラグ着脱可能であってもよいし又はプラグ着脱不可能であってもよい。図２ａ及び２ｂのパイプランは、剛性又は可撓性の形態のいずれかで、プラスチック、ステンレス鋼、又は他のいずれかの好適な材料とすることができることもまた理解される。
【００３８】
本発明に用いられる燃料プロセッサは、水蒸気改質をベースにすることが好ましく、これは当該技術分野において十分に文書化されており、自熱改質のような他の熱処理プロセスと比較して水素生成におけるその高効率によって特徴付けられる。典型的には、Ｎｉ、銅、又は貴金属（白金、パラジウム、ロジウム及び／又はイリジウム）をベースにし、商業的な触媒供給業者から容易に入手可能な好適な触媒とパックされる水蒸気改質器が、天然ガスのような炭化水素燃料を、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を含むガス流に変換する。水蒸気改質は、強い発熱化学プロセスであり、水蒸気対炭素の比率が２対４、好ましくは２．５対３の間で、６５０℃ないし７００℃の温度で動作される。本発明に用いられる燃料プロセッサはまた、好ましくは１６０℃ないし３００℃の動作温度での中温の水性ガスシフト（ＭＴＳ）反応器を含む。さらに、好ましくは１６０℃ないし２００℃の温度で動作する低温の水性ガスシフト（ＬＴＳ）反応器を有することができ、これは高温燃料電池が動作するのと同じ温度である。燃料プロセッサは、さらに、水蒸気改質に用いられる急速に水蒸気を発生させるための水蒸気発生器を含む。プロセスの各ステップで種々の流れを適切な温度にするように、燃料プロセッサの内部に種々の熱交換器を有することもできる。燃料プロセッサは、通常、低温燃料電池ＣＨＰシステムと併せて用いるものと比較して、ＰＲＯＸ反応器、関連する改質油冷却器、及び凝縮器をなくした。一酸化炭素は、高温燃料電池に導入される前に、水素リッチな改質油において、１％より少ない、典型的には約０．２％ないし０．６％のレベルになる。高温燃料電池によるＣＯの増加した耐性のために、ＰＲＯＸをなくすことは、燃料プロセッサの簡素さ及び信頼性を著しく増加させる。それはまた、燃料プロセッサの効率における増加をもたらし、結果として、ＰＲＯＸ反応器に生じる改質油の窒素希釈及び水素消費をなくすことにより、ＣＨＰシステムの効率に貢献する。ＣＨＰの効率はまた、空気をＰＲＯＸ反応器に供給するために送風器によって消費される寄生電力を減少させることによって増加される。
【００３９】
図３ａに概略的に示される好ましい実施形態の１つにおいては、図１の燃料処理モジュール３は、未処理の炭化水素燃料流１０３を、図１の高温燃料電池モジュール４において用いるために水素リッチな流れ２０４に変換する。天然ガス又はＬＰＧ及びリサイクルされた水素からなる供給流１０３は、図２ａ及び図２ｂに示されるように、圧縮器１０、電磁弁１１、及びフィルタ（図示せず）のような付属品を場合によっては通過した後で、導管を通して燃料処理モジュール３に入る。おおよそ２ないし１０ｐｓｉｇで、ほとんど大気温度の加圧燃料流１０３が、次の水素化脱硫器Ｒ−２に適した約２００ないし２５０℃にまで予熱されるＭＴＳ反応器Ｒ−３と統合された熱交換器１４に向けられる。水素化脱硫器Ｒ−２内では、好適な水素化脱硫触媒及び吸着剤（例えば、酸化亜鉛）、又は、触媒及び吸着剤の両方を含む水素化脱硫剤がパックされる。水素化脱硫器Ｒ−２においては、硫黄成分が、触媒の存在下で水素と反応することによって硫化水素に変換され、この硫化水素が次に酸化亜鉛と反応して固体の硫化亜鉛及び水蒸気を形成する。水素化脱硫器Ｒ−２は、２００℃ないし３００℃の温度で動作することが好ましく、水素濃度は混合流の約０．５％から２％までに維持されるべきである。水素化脱硫器Ｒ−２を出る脱硫された供給流１０９は、次に、過熱水蒸気６０４と混合される。次に、供給／水蒸気の混合物１００が、熱伝達表面１５を通して流れる熱交換器ＨＸ−４に入り、燃焼煙道ガス５００を流す熱伝達表面１５からの熱を交換することによって４００℃ないし６５０℃予熱される。予熱された供給／水蒸気の混合物１１１は、水蒸気改質器反応器Ｒ−１に向けられ、これは吸熱水蒸気改質反応に必要とされる熱を受け取るために、バーナＲ−４と共に熱的に結合される（例えば、ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ）。水蒸気改質器Ｒ−１は、Ｓｕｄ−Ｃｈｅｍｉｅ又はＥｎｇｅｌｈａｒｄから商業的に入手可能なタブレット、球、又は環の卑金属（Ｎｉ、Ｃｕ／Ｚｎ）、又は、貴金属触媒をベースにしたもののような好適な触媒を用いて、おおよそ６５０℃ないし７００℃で動作し、燃焼チャンバは、一般的には１０℃ないし５０℃だけ高い温度で動作する。バーナＲ−４は、特に、０％ないし１００％の未処理の炭化水素燃料及び水素の混合物で動作可能になるように設計される。さらに約８％ないし１０％のＣＯからなる改質油２００が、燃料ガス５０１と共に、水蒸気ボイラＨＸ−３に向けられて、水蒸気発生及び過熱のための熱を提供する。この水蒸気ボイラは、本発明の主要な特徴の１つを表し、水流６０２がフラッシュ状の様式で急速に蒸発し、過熱されることを可能にするのに十分大きい量の熱及び熱伝達表面（５０及び２１）を提供する。低速の水蒸気生成が負荷追従及び増加性能を制限する当該技術分野における従来の設計とは異なり、フラッシュ状の水蒸気生成は、燃料プロセッサが、荷重需要における変化に迅速に対応し、増加速度を加速させることを可能にする。過渡のプロセスの両方において、急速な水蒸気生成は、水蒸気改質器触媒上に炭素が付着することを防ぐための水蒸気の不足なしで、燃料プロセッサがいつでも動作することを保証する。２４０℃ないし２８０℃の温度を有するボイラＨＸ−３を出る改質油２０２は、一般的に、ＣｕＺｎ型であり、Ｓｕｄ−Ｃｈｅｍｉｅ又はＥｎｇｅｌｈａｒｄから商業的に入手うすることができる好適な触媒の下で、一酸化炭素をおおよそ０．６％ないし１．０％に還元するために（すなわち、ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2）、おおよそ２５０℃ないし３５０℃で動作する中温シフト（ＭＴＳ）反応器Ｒ−３に送られる。上述したように、ＭＴＳにおける発熱シフト反応によって発生する熱は、炭化水素燃料１０３を予熱するために熱交換器１４によって除去される。ＭＴＳを出ると、改質油２０３が、典型的には、約０．４％ないし０．６％までＣＯを還元するために、おおよそ１６０℃ないし２００℃で動作する低温シフト（ＬＴＳ）反応器Ｒ−５に送られ、これは、以前に説明された高温ＭＥＡによるＣＯレベル要求を満たす。ＬＴＳにおいて発生する熱は、燃焼用空気流４０１又は燃料電池カソード排気からリサイクルされる５０７を予熱するために、熱交換器４７に提供することによって除去される。Ｒ−５の出口で、少量の改質油２０５が燃料圧縮器１０の入口に戻ってリサイクルされる。改質油の流れ２０４の残りの大部分は図１の燃料電池システム４に直接送られる。
【００４０】
貯蔵タンク６０からの脱イオン水流６０２は、望ましい水蒸気／炭素の比率、典型的には２対４、好ましくは２．５対３．０に対応する水供給比率を提供するように制御される速度可変水ポンプ６１を通して水蒸気ボイラＨＸ−３に与えられる。ＨＸ−３に与えられる水は、改質油流２００及び燃料ガス流５０１の両方からの十分な熱供給のために、急速に蒸発及び過熱される。水蒸気ボイラＨＸ−３を出る過熱された流れ６０４は、次に、熱交換器ＨＸ−４に流れる前に、脱硫した供給流１０９と混合される。約５００℃ないし５５０℃の温度で熱交換器ＨＸ−４を出る燃料ガス流５０１は、水蒸気ボイラＨＸ−３に流れ、約１００℃ないし１５０℃の温度でそこを出る（流れ５０２）。熱回収を最大にするために、熱電併給水流８０７が、熱変換器ＨＸ−１における熱交換によって燃料ガス流５０２から熱を回収するために用いられる。熱交換器ＨＸ−１を出る燃料ガス５０３は、周囲に近い温度であり、結果として煙突（図示せず）を通して通気され、流れに凝縮された水を回収して、水タンク６０に戻してリサイクルする（すなわち、流れ６０５）。図示されていないが、それぞれの流れから随伴する触媒を除去するために、水蒸気改質器Ｒ−１、ＭＴＳ  Ｒ−３、ＬＴＳ  Ｒ−５、及びＨＤＳ  Ｒ−２の出口上にフィルタが存在する。
【００４１】
燃料電池スタックにおいて未反応であった改質油の流れであるアノード排ガス３００がバーナＲ−４に直接与えられる。さらに、アノード排ガスがより高い水素の使用のために十分ではない場合には、少量の未処理の炭化水素燃料１０７を、改質器の温度を達成するためにバーナに与えることができる。バーナは、０％ないし１００％までの炭化水素燃料と水素の混合物で動作可能になるように設計される。
【００４２】
図３ｂは、本発明の第２の実施形態による代替的な燃料プロセッサモジュール３ｂの概略図を示す。図３ｂにおいては、炭化水素供給流１０３は、まず、改質油の流れ２０２との熱交換によって約２００℃ないし２５０℃にまで予熱されるように、第１の熱交換器ＨＸ−５に向けられる。次に、下流側の水蒸気改質及びシフト触媒を硫黄被毒から防ぐために、含有される有機及び無機硫黄化合物の濃度を十分に低くなるように減少するために、予熱された供給流１０８が、脱硫器、好ましくは水素化脱硫器、Ｒ−２に向けられる。脱硫の供給流１０９は、第１に、過熱された流れ６０４と混合され、次に、第２の熱交換器ＨＸ−４に向けられ、そこでは、水蒸気改質器Ｒ−１に向けられる前に、供給／水蒸気混合物１１０が約４００℃熱い改質油の流れによって加熱される。水蒸気改質器Ｒ−１は、再生の型として構成される、すなわち、第３の熱交換器２０及び燃焼バーナ及びチャンバＲ−４と熱的に組み込まれることが好ましい。このような方法において、水蒸気改質反応によって要求される熱を高温の改質油及び燃焼によって直接与えることができる。Ｒ−１を出る改質油の流れ２０１は、次に、１６０℃と２００℃との間の温度で動作する熱的に統合されたシフト反応器Ｒ−３に導入される前に、ＨＸ−４における供給／水蒸気混合物１１０及びＨＸ−５における供給流１０３を予熱するのに用いられる。Ｒ−３の後、少量の改質油２０５が燃料圧縮器１０の入口に戻ってリサイクルされる。改質油の流れ２０４の残りの大部分は、図１の燃料電池システム４に直接送られる。
【００４３】
空気流４０１又は燃料電池カソード排気流５０７は、まず、約１２０℃予熱されるために第５の熱交換器ＨＸ−２に向けられ、一方で、燃料ガス流５０１を冷却する。次に、予熱された空気流４０８がバーナＲ−４に向けられ、そこで、空気による燃料流１０７及びアノード排ガス流３００の燃焼が発生する。Ｒ−１内部で発生する水蒸気改質によって要求される熱を提供した後で、燃料ガス流５００が第４の熱交換器ＨＸ−３に送られて、水蒸気流６０４を発生させるために水蒸気ボイラと熱的に統合される。次に、ＨＸ−３を出る燃料ガス流は、その後、通気される前に、ＨＸ−２内では入ってくる冷却燃焼空気４０１によって、並びに、第６の熱交換器ＨＸ−１においては熱電併給の流れ８０７によって冷却される。脱イオン水流６０２は、第１に、約９０℃ないし１００℃予熱されるようにＲ−３に組み込まれた熱交換器に送られ、次に、水蒸気ボイラＨＸ−３に向けられる。
【００４４】
最適化された熱及び流れの統合を提供することによって、本発明に説明される燃料プロセッサは、効率的に及び信頼性をもって実行される。生成される水素リッチガスは、高温燃料電池に好適である、ＣＯの１％より下、より好ましくは、＜０．６％  ＣＯを含む。総合燃料入力（流れ１０３、１０７、及び３００）のＬＨＶによって割られる流れ２０４において生成される水素のＬＨＶにより定義される燃料処理効率は、約８２％から８５％に達することができる。
【００４５】
説明されたプロセスに基づいて、燃料処理部品の全てを、単一の格納容器３ａ及び３ｂに機械的及び熱的に統合して小型の燃料プロセッサを形成することができる。機械的に統合された燃料プロセッサは、高い小型性、より小さいサイズ、及びより高い熱効率を有することが明らかである。温度勾配に従って、部品は、断熱材料の使用及び熱損失を削減することを可能にする熱利用及び統合を最適化するような方法で構成される。燃料プロセッサの外側表面は、室温に近い。異なる温度の隣接する部品間の距離は、熱伝達要求によって決定される。
【００４６】
図３に示される燃料プロセッサにおいては、触媒の活性を潜在的に損傷する又は減少させるコールドスタートの間の触媒に対する水分凝縮を防ぐように、ＨＤＳ  Ｒ−２、ＭＴＳ  Ｒ−３及びＬＴＳ  Ｒ−５のウォームアップにおいて用いられる電気ヒータ９２、９３及び９４が存在する。水分凝縮は、触媒の温度が改質油の露点より下であるとき、コールドスタートの間に発生しがちであり、それゆえに、ヒータは、改質油がこれらの反応器を通して流れる前に触媒の温度を露点より高くする。触媒が水分凝縮とうまく作用する場合には、これらのヒータは除去することができる。特に、コールドスタート・プロセスの間に、水蒸気発生を助けるために、水蒸気ボイラＨＸ−３上に取り付けられる電気ヒータ９１をさらに有することもできる。
【００４７】
上で開示される燃料プロセッサは、燃料電池に送られる改質油における高効率及び保証されたＣＯ濃度を含むいくつかの利点を有する。それはまたコールド状態から開始することができる特徴も有する。表１に列記されるように、類似しているが、低温ＰＥＭ燃料電池に水素リッチな改質油を与えるために含まれるＰＲＯＸ反応器をもつ燃料プロセッサと比較すると、この燃料プロセッサは、増加した効率、高い水素生成比率及び濃度を有し、窒素希釈は有さない。
表１  ＰＲＯＸあり及びＰＲＯＸなしの燃料プロセッサ間の改質油組成（無水ベース）及び燃料プロセッサの効率の比較
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【００４８】
図４ａは、燃料電池モジュール４の好ましい実施形態の１つを提供する。バランスオブプラント２ａのカソード送風器又は圧縮器４２からのカソード空気４０３は、熱いカソード排ガス流５０４との熱交換によってスタックの温度に近い温度まで予熱されるように熱交換器ＨＸ−６に送られる。次に、予熱されたカソード空気流４０９は、カソード空気に含んでいる酸素の分子が、水及び熱を生成するために（Ｏ2＋４Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ＋Ｈｅａｔ）、ＦＣ−１のアノード側２３から移動した水素陽子及び電子と反応する、高温ＰＥＭ燃料電池スタックＦＣ−１のカソード側５３に送られる。水素又は水素含有改質油の流れ２０４は、電気化学反応Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-が発生する燃料電池ＦＣ−１のアノード側２３に直接供給される。次に、未反応の水素流又はアノード排ガスと呼ばれる３００は、水蒸気改質反応に対して熱を与えるために燃焼されるように図３の燃料プロセッサのバーナＲ−４に送られる。
【００４９】
一定で均一のスタック温度を維持するために、燃料電池によって生成される熱は、燃料電池スタックの冷却チャネル側７３を通して冷却液流７０２を流すことによって、スタックＦＣ−１から除去される。カソード排ガス５０４は、熱交換器ＨＸ−６の入ってくる冷たいカソード空気４０３を予熱するのに用いられた後で、熱交換器ＨＸ−８に送られて、熱電併給水流８０８との熱交換によって周囲温度近くまで冷却される。熱交換器ＨＸ−８から出るカソード空気５０７は、最終的には、煙突を通して排出される。また、カソード排ガス流５０７からの復水を収集して、バランスオブプラントのモジュール２における水タンク６０に戻すことができる。
【００５０】
以前に説明したように、熱回収モジュール５からの熱電併給の流れ８０７は、第１に、熱交換器ＨＸ−１の燃焼煙道ガス流５０２から使用可能な熱エネルギーを回収するように送られ、熱交換器ＨＸ−８のカソード排ガスからの熱回収が後に続く。次に、熱電併給の水８０９が熱電併給熱交換器ＨＸ−７に送られて、冷却液流７０４から熱エネルギーを回収する。熱交換器ＨＸ−７を出ると、冷却液流７０５は、予備の熱交換器として設けられる空気冷却熱交換器ＨＸ−９に流れて、冷却液７０５からの過剰な熱を除去し、冷却液タンク７０に戻るより先に、冷却液流７０６を好適な温度にする。空気冷却熱交換器ＨＸ−９は、熱回収システム５からの熱需要が十分ではないか又はまったくないときにのみ動作し、それゆえに、たいていの場合、この熱交換器はアイドル状態のままである。この熱交換器は、ＨＲＳ５内部にそれを含むことが有利である場合には、もちろん取り除くことができる。動作中に、熱電併給の水流８１０は、常に約６０℃及び６５℃に設定され、冷却液流７０５は、所定の値、例えば、３℃から２０℃まで、より好ましくは１０℃より下の燃料電池スタック温度より低い温度で熱電併給熱交換器ＨＸ−７を出る。
【００５１】
図４ｂは、本発明による燃料電池モジュール４ｂの別の好ましい実施形態を示す。図４ａに示されるプロセスとは異なり、この実施形態のカソード空気流４０３は、第１に、スタック冷却液流７０４によって予熱されるように熱交換器ＨＸ−１０に送られる。冷却液の流れの大きい熱容量のために、冷却液流７０４、７０７の温度は、本質的には同じままである。熱交換器ＨＸ−１０を出ると、冷却液流７０７は、冷却液流７４と熱電併給の水流８３との間の熱伝達が発生する熱電併給の熱交換器ＨＸ−７に向けられる。燃料電池スタックＦＣ−１からのカソード排ガスは、熱電併給の水流８０８によって冷却されるように別のガス−液体型熱交換器ＨＸ−１１に向けられ、それは、熱交換器ＨＸ−１における燃料ガス排気から伝達された熱によってわずかに前もって予熱されていたものである。図４ａに示されるようにガス−ガス型熱交換器ではなく、ガス−液体型熱交換器を用いる利点は、熱伝達性能を増加させることであり、従って、熱交換器のサイズ及び材料の費用を削減する。別の利点は、燃料電池スタックＦＣ−１及び熱交換器ＨＸ−１０を単一の小型ユニットに統合するのを可能にすることである。図６、図７、及び図８は、このような統合を達成するための種々の可能な方法における好ましい実施形態の３つを提供する。
【００５２】
図６ａは、アノードプレート２３ａが提供され、その上に燃料入力マニホルド開口部８０を通して燃料（水素又は水素リッチな改質油）が導入されて、この開口部は燃料をその上のＭＥＡ（図示せず）に分配するために、表面Ｂ上の複数の流れのチャネルに流体接続する。本明細書における例示目的のために、流れのチャネルは、他の構成もまた使用可能であるが、曲がりくねったように示される。残留燃料は、活性領域から出口マニホルド８２に出る。
【００５３】
アノードプレート２３ａの上では、表面Ａ上の複数の流れのチャネルによって形成される二次区域が存在し、カソード空気入力マニホルド開口部８３から、運搬マニホルド開口部８３ａに流体接続する。
【００５４】
図６ｂは、カソードプレート５３ａを提供し、ここでも上に２つの分離した区域Ｂ´及び区域Ａ´が形成される。アノードプレート２３ａ上の表面Ｂ上の流れのチャネルに面する複数の流れのチャネルによって形成される第１の区域は、高温ＭＥＡによって、必要ならば、間にガス拡散層をもって分離される。カソード空気は、アノードプレート２３ａ上の流れのチャネル表面Ａ及びカソードプレート５３ａ上のＡ´を通して流れるときに予熱されるが、運搬マニホルド８３ａから表面Ｂ´上の流れのチャネルに向けられ、活性領域から出口マニホルド開口部８５に出る。
【００５５】
図６ｃは、冷却プレート７３を提供し、これはほとんどの場合には、カソードプレート５３ａの裏面である。水及び何らかの熱伝達流体のような好適な冷却液は、入口マニホルド開口部８６を通して表面Ｃ上の複数の流れのチャネルに導入され、出口マニホルド開口部８７に出る。アノードプレート２３ａ及びカソードプレート５３ａとは異なり、冷却液プレート７３ａの上には１つの区域のみが存在し、それはアノードプレート２３ａ上の領域Ａ及びＢ、並びに、カソードプレート５３ａ上のＡ´及びＢ´によって形成される２つの区域を覆う。
【００５６】
カソード空気の予熱は、領域Ａ及びＡ´に対応する熱伝達領域の上にカソード空気及び冷却液を流すことによって実現される。入ってくるカソード空気は熱伝達区域Ａ及びＡ´を通過するため、プレートの他方の側のスタック温度に実質的に近い冷却液から伝達される熱を受け取る。冷却液の大きい熱容量のために、カソード空気を予熱するための熱伝達による冷却液の温度変化はごくわずかであり、従って、プレートの温度の均一性をそれほどは変えることはない。
【００５７】
本発明によれば、図７ａに第２のアノードプレート２３ｂ、及び、図７ｂに第２のカソードプレート５３ｂが提供される。便宜上、全ての数字の参照番号は、図６におけるのと同じように設計され、従って、違いのみが説明される。予熱区域が活性区域から分離され、カソード空気のみが予熱される図６における構成のとは異なり、図７における予熱区域Ａは、スタック温度より低い温度を有する、入ってくる水素又は改質油を予熱するための分離なしで、活性区域Ｂに流体接続される。図７ｂにおいては、図７ａにおけるアノード予熱区域Ａに面するカソード空気の予熱区域Ａ´、ならびに、図７ａにおける活性区域Ｂに面する活性区域Ｂ´が存在する。ここでも、区域Ａ´及び区域Ｂ´は分離されない。
【００５８】
図７ｃは、本発明の実施形態の１つによる、アノードプレート２３ｂとカソードプレート５３ｂとの間で用いられる好ましいＭＥＡ構造体を示す。区域Ａ及びＡ´において、入ってくるカソード空気及び入ってくる燃料は、互いに結合する流れのチャネルの内側を流れるが、ガスケット層８８ｃによって分離される。カソードプレート５３ｂの裏面には、冷却液が電池の温度に近い温度で流れる冷却液の流れのチャネルＣが存在する。プレートは電気的及び熱的な両方の導電性材料から作られるため、熱を高温の冷却液から入ってくるカソード空気（例えば、パスａに沿って）に、さらに入ってくる燃料（例えばパスｂに沿って）にも伝達することができる。ガスケット層８８ｃはまた、２つのガス拡散層８４ａと層８４ｃとの間に配置される膜８１から代替的に作ることができる。活性区域Ｂ、Ｂ´に対応するＭＥＡとは異なり、領域８８ｃにおいて触媒層は存在しない。
【００５９】
図７ｃの活性領域Ｂ及び領域Ｂ´に対応して、領域Ｂ及び領域Ｂ´における流れのチャネルの間に挟まれるＭＥＡ（膜８１、アノード触媒層８９ａ、カソード触媒層８９ｃ、アノードガス拡散層８４ａ、及びカソードガス拡散層８４ｃ）が存在する。ＭＥＡ及び８８ｃはいずれかの適切な機構において互いに接合させることができる。
【００６０】
代替的に、燃料の流れが、マニホルド８２からのアノードの流れ場に入って、カソード空気の向流において領域Ｂに流れるように構成することができ、これは入口マニホルド８３から入り第１に領域Ａに流れる。この場合において、アノード残留ガスは、領域Ａから出口マニホルド８０に出る。領域Ａの上に、分離層８８ｃの一方の側部上のスタック温度、及び、分離層８８ｃの他方の側部上の入ってくる低温のカソード空気とほぼ同じ温度を有するアノード残留ガスが存在する。カソードプレートの裏面上を流れる高温の冷却液から伝達される熱に加えて、さらに、分離層８８ｃの他方の側部上を流れる高温のアノード流から伝達されることができる熱によって、空気を加熱することができる。
【００６１】
プレートの形状、流体マニホルドの形状及び位置、流れのチャネルの構成、並びに、熱伝達区域及び燃料電池電気化学反応区域の相対的な位置及び配置は、例示目的のみのために図６及び図７に示され、それゆえに、それらは本発明の原則から離れることなくいずれかの所望の形状、配置、パターン、構成をとることができることを理解すべきである。例えば、複数の電池を含む燃料電池スタックにおける個々の電池の各々への均一のガス及び冷却液の分配を実現するために、第２のマニホルド８０、８３、又は８６に流体接続する第１のマニホルド（図示せず）が存在することができる。この特有のマニホルド設計の詳細は、同時係属中の米国特許出願第２００５−０２７９１０号に開示され、引用によりここに組み入れる。さらに、流れのチャネルの数は可変とすることができ、進行する電気化学的反応による反応ガスの消費率によって決定される流れのチャネルの数における減少率で、第１のパスに対して最も大きく、次いで、下流側に向けて段階的に減少する。この特有の流れ場の設計の詳細は、同時係属中の米国特許出願第２００５−０２７１９０９号に開示され、また引用によりここに組み入れる。
【００６２】
ここで、図４ａ及び図４ｂに戻ると、カソード排ガス流４１０は、煙突（図示せず）を通して直接通気されるか、燃焼空気４０１を置き換えるために、燃料プロセッサ３に送られるかのいずれかとすることができる。前者の場合には、バランスオブプラントモジュール２ａが用いられ、バランスオブプラント２ｂは後者の場合に用いられる。
【００６３】
燃料プロセッサ及び燃料電池モジュールの部品は、最大の熱効率を実現できるように配置されることが図３及び図４から理解される。図８に示されるように、低温の部品はパッケージの外側に配置され、高温の部品は中央に配置される。一般に、熱を失うより高温の温度を有する部品は、加熱目的のためにこの熱を受け取る、より低い温度を有する部品の傍になるように配置される。このような配置はまた、パッケージの外側表面と環境との間の温度の相違が最小になるため、環境に対する熱損失を削減することによってシステム効率を最大にし、次いで、より薄い絶縁材料を必要とし、従って、システムの材料の費用を削減する。
【００６４】
燃料プロセッサモジュール３及び燃料電池モジュール４は、機械的に分離して取り付けることができるが、燃料プロセッサモジュール３のすぐ隣に燃料電池モジュール４を取り付けることによって単一の小型パッケージを形成するように組み合わせることが好ましいことも理解される。組み合わせた燃料プロセッサ３及び燃料電池パッケージ４内部で適当な温度特性を維持するために、Ｍｉｃｒｏｔｈｅｒｍ（登録商標）から商業的に入手可能なもののような好適な断熱材料が、適切な厚さをもつ隣接する部品間で用いられる。次に、組み合わせた燃料プロセッサ３及び燃料電池４のパッケージ全体は、約０．５から１インチの厚さをもつ外部の絶縁シェルによって絶縁されて、このパッケージの外部表面が周囲に近い温度（すなわち、２０℃ないし２５℃）を有するようになる。
【００６５】
ここで、本発明による熱回収モジュール５の代替的な実施形態のために、図５ａについて説明する。熱回収モジュール５ａが提供され、前述のように、熱貯蔵タンク８１６が燃料プロセッサ３及び燃料電池４から回収される熱エネルギーを一時的に貯蔵するために取り付けられる。燃料電池モジュール４の熱電併給熱交換器ＨＸ−７と接して、生成された温水８１０が、まず熱交換器ＨＸ−１２に第１に向けられ、そこでは、高温の流れ８１０の使用可能な熱エネルギーの一部又は全てが、低温の水の流れ８１３、８１４に伝達されて、空間暖房及び／又は空調用途のために吸収ヒートポンプを駆動するのに用いられる温水の流れ８１５を生成し、このことは、本発明によるＣＨＰシステムがより高い熱エネルギー出力（以下の表２を参照されたい）を有するため、実質的に実行可能である。結果として、ＣＨＰシステムの効率及び適用性は、本発明によってさらに増加する。この特徴は、特に、家庭用温水及び暖房の需要がそれほどないが、空調の需要が高い夏季の間、より効率的に動作するためにＣＨＰシステムにとって重要である。
【００６６】
空間暖房及び／又は空調から十分な需要がある場合には、温水流８１０の温度は、熱交換器ＨＸ−１２を出た後で、水貯蔵タンク８１６に供給されるのには低すぎ、それゆえに、パイプライン８１１を通して水循環ポンプ８１９の入口に循環される。この場合においては、弁８２０は開いており、弁８２１は閉じている。
【００６７】
空間暖房及び／又は空調からの熱需要が全くない場合又は十分でない場合に生じる、熱交換器ＨＸ−１２の後の温水流８１０において使用可能な熱エネルギーが依然として存在する場合には、弁８２０は部分的に開き、熱交換器ＨＸ−１２の後の水流の温度に応じて、弁８２１は部分的に開くか又は閉じることができる。弁８２１を開けることで、温水流８１２を熱エネルギーの貯蔵のために熱貯蔵タンク８１６に流す。この場合において、低温の水８０６はタンク８１６の底部から引き出され、図３における燃料プロセッサのＨＸ−１に戻る流れ８０７のように戻って水ポンプ８１９によって循環される。
【００６８】
さらに、熱回収モジュール５ａの内側に予備のガスバーナ（ガス及び空気供給ラインは図示されない）８２２が提供される。予備のバーナは、ＣＨＰシステムの熱エネルギー不足を提供する。必要であれば、予備のバーナは、好ましい温度で空間暖房及び／又は空調のための温水流８１５及び家庭用温水流８０５を与えるように動作する。水道８００が熱回収モジュール５ａに与えられ、その一部８０２が家庭用温水流８０５を提供するためにタンク８１の上部からの温水流８０４と混合され、その残り８０３がタンク８１６の底部に与えられることができる。
【００６９】
動作状態に応じて、水流８１４は、同時に弁８２５を開き、弁８２４を閉じることによって、補助的なバーナ８２２をバイパスすることができる。このことは、流れ８１４が十分に高温で、流れ８０４が低温で、バーナ８２２が温水流８０５を適切な温度にするように動作する必要がある場合に生じることがある。同様に、水流８０４は、同時に弁８２７を開き、弁８２６を閉じることによって、補助的なバーナ８２２をバイパスすることができる。このことは、流れ８０４が十分に高温で、流れ８１４が低温で、バーナ８２２が温水流８１５を適切な温度にするように動作する必要がある場合に生じることができる。
【００７０】
温水は、熱貯蔵タンク８１６の上部に供給され、そこでは、水温が上から下に減少し、それゆえに、燃料プロセッサモジュール３及び燃料電池モジュール４に送られる熱電併給の水が、熱回収効率を最大にするために常により低い温度を有するように温度勾配が保持される。熱電併給の水の循環はポンプ８１９によって駆動され、これは、速度可変ポンプであることが好ましく、戻ってくる熱電併給の水が常に６０℃と６５℃との間の温度であり、熱電併給熱交換器ＨＸ−７を出る冷却液流７０５が、所定の値、例えば３℃から２０℃までの燃料電池スタック温度より低い温度であることを保証するために、制御システムによって制御される。混合弁８１７は、水タンク８１６の上部から引き出される温水流８０４と低温の水道水流８０２を混合することによって、好ましい温度、例えば、４３℃ないし５０℃で温水流８０５を提供するために取り付けることができる。水流８０５がこの好ましい温度に達することができない場合には、予備のガスバーナ８２２が需要を満たすために水を加熱するように動作する。
【００７１】
図５ａに示される好ましい実施形態は、熱電併給の流体としての水の使用を可能にする。しかし、いくつかの他の場合においては、水を熱電併給の流体として用いることができない。これらの場合においては、熱回収モジュールを図５ｂに示されるように設計することができる。この好ましい実施形態においては、タンク８１６から直接熱電併給の水を循環する代わりに、熱交換器８２３が水タンク８１６の内部に沈められる。熱電併給の流体８１２によって運ばれた熱は、水と密接に接触する熱交換器の表面８２３を通してタンク８１６内部の水に放出される。
【００７２】
図５ｂに対する他の変形態様もまた可能である。例えば、図５ｃに概略的に示されるように、水ポンプ８２９によってＨＸ−１３と温水貯蔵タンク８１６との間で循環されることができる熱電併給の水流８１２、８２８と家庭用水流８０６、８３０との間の熱伝達を容易にするために、外部の熱交換器ＨＸ−１３を取り付けることができる。図５ｂ及び図５ｃの両方の場合において、熱電併給の流体は、場合によっては、実用設計及び動作の考慮に応じて、水又は他の熱伝達流体とすることができる。
【００７３】
ここで、一般的な電力調節モジュール６が本発明によって示される図１２について説明する。電力調節モジュール６は、燃料電池の生成した調整されていないＤＣ電力９０２の一部を、１２Ｖ又は２４Ｖのような好ましい電圧をもつ調整ＤＣ電力９０４に変換する第１のインバータ９１を含む。１２Ｖ及び２４Ｖの変換されたＤＣ電力は、データ収集システム、制御盤（アナログ又はデジタル）、ポンプ、送風器／圧縮器、電磁弁などを含む全てのシステムの電子部品に電力を与えて制御するための電気及び制御モジュール７に与えられる。第２のインバータ９２は、燃料電池の生成した調整されていないＤＣ電力９０１の大部分を、１１０／１２０Ｖ、１００／２００Ｖ又は２２０／２４０Ｖのような好ましい電圧、及び、５０／６０Ｈｚのような好ましい周波数をもつ調整ＡＣ電力９０３に変換する。この調整ＡＣ電力は、実際の電気荷重需要を満たすように与えられる。既存のグリッドから調整ＡＣ電気９０５を調整ＤＣ電力９０６に変換する第３のインバータ９３もまた存在し、それは９０４と同じＤＣ電力であり、燃料電池からの電力が使用可能でないときのＣＨＰシステム開始プロセスの間にのみ使用される。
【００７４】
コールドスタートアップ・プロセスの間、３つの電気ヒータ９２、９３、及び９４は、水素化脱硫器Ｒ−２及び水性ガスシフト反応器Ｒ−３及びＲ−４を暖めるために、グリッドからの電気で動作する。必要であれば、電気ヒータ９１は、さらに、水蒸気発生を加速するために電源を入れることができる。冷却液膨張タンク７０内部に沈められる電気ヒータ９０はまた、燃料電池スタックを約５５℃ないし約６０℃の第１の好ましい温度にするように循環される冷却液を加熱するために用いることができる。その間に、炭化水素燃料１０７及び燃焼空気４０１が、改質器Ｒ−１を予熱するための燃焼を開始するようにバーナＲ−４に与えられる。個々の装置の特性によって、これらの電気ヒータの開始時間を異なるものにすることができる。一方、これらの電気ヒータの電力出力を、さらに、ウォームアップ・プロセスを最適化するように、異なるように設計することができる。
【００７５】
水素化脱硫器Ｒ−２、水性ガスシフト反応器Ｒ−３及びＲ−４、及び改質器Ｒ−１の温度が個々の所定の値を達成し、燃料電池スタックＦＣ−１もまた５５℃ないし６０℃の第１の好ましい温度に到達するとすぐ、炭化水素供給１０３は、自立可能な動作を達成する、全容量のおそらく１０％ないし３０％の所定の割合で与えられる。自立可能な動作の下では、炭化水素燃料流１０７が遮断され、燃料電池スタックＦＣ−１はアイドル状態のままである（電流は引き出されない）。生成される合成ガス２０４はバーナＲ−４へ完全にリサイクルされ、その燃焼熱は、システム部品の安定した動作及び温度特性を維持するのにまさに適切である。自立可能な状態の下でのシステムの動作は、さらに、システムを予熱し、電気ヒータが遮断されることを可能にする。
【００７６】
燃料電池スタックＦＣ−１は、自立可能な動作を開始する前に第１の好ましい温度まですでに予熱されているため、水分含有改質油がこのスタックを流れるときに、燃料電池スタックの内側の水分凝縮の懸念は存在しない。ＰＢＩ型の高温ＭＥＡ上の水分凝縮は、ＭＥＡ性能を劣化させ、その寿命を短くするような酸のウォッシュアウトをもたらすことになる。自立可能な状態の下でのシステムの動作は、燃料電池スタックＦＣ−１を、第２の好ましい温度、典型的には約１２０℃にし、高温ＭＥＡへの損傷なしに電流をスタックから安全に引き出すことができる。
【００７７】
燃料電池スタックＦＣ−１がこの第２の好ましい温度に達したときには、好適で通常より低い動作電流がこのスタックから引き出され、燃料電池スタックは、生成した熱によってそれ自体を加熱する。この段階の間に熱電併給は発生しない。この燃料電池スタックの自己予熱プロセスは、スタック温度が１６０℃と２００℃との間の動作温度に達するまで続く。
【００７８】
通常の動作を確立できる状態にシステムが達したときには、供給源、燃料、燃焼空気、カソード空気、冷却液、及び熱電併給水を含む全ての流体の流れは、システムの動作要求を満たすように制御された様式で流れる。ＣＨＰシステムは、単一の負荷追従モード（すなわち、一日２から３サイクル）で動作されるのが好ましく、異なる荷重の間のスイッチは、ＣＨＰシステムの一日の生成量と家の一日の消費量及び損失量の合計との間の熱エネルギーを一致させることによって主として決定される。図９は、典型的なＣＨＰ負荷追従動作を示す。図９に示される実施例において、ＣＨＰシステムは、真夜中から４：００ＰＭまでは５０％の荷重で動作し、一日の残りは１００％の荷重で動作する。ＣＨＰが一方の荷重から別の荷重に切り換わる時間は、熱及び電気荷重の特性及びＣＨＰ性能による。本発明によれば、ＣＨＰシステムの制御モジュールは、前日の熱エネルギー消費を参照し、必要な調整をすることで、負荷追従動作を決定する機能的な機構を有する。
【００７９】
通常の動作の間、制御モジュール７及び電力調整モジュール６は、実際の電力荷重を監視し、それを燃料電池電力出力９０３と比較する。図９に例示的に示されるように、実際の電力需要が点ＡのようなＣＨＰによる電気生成より高いときには、電気の不足は既存のグリッドによって与えられる。ＣＨＰによる電気生成が点Ｂのような実際の電力需要を超えるときには、余剰電力は、冷却液を加熱するために電気ヒータ９０に与えられ（図２）、結局は、熱回収モジュール５に熱を伝達する。
【００８０】
図１０は、典型的な家からの典型的な一日のＣＨＰによる熱エネルギー消費及び熱エネルギー生成の例示的な特性を提供する。実際の熱エネルギー需要が、０：００と５：００との間のように、ＣＨＰの熱エネルギー生成より低いときには、生成される熱エネルギーは、図５の熱貯蔵タンク８１６に単に貯蔵され、この間、温水の前面はタンク内部に下方に移動する。実際の熱エネルギー需要が、６：００から９：００及び１９：００から２１：００の間ように、ＣＨＰの熱エネルギー生成よりも高いときには、生成される熱エネルギーに加えて貯蔵された熱エネルギーが需要を満たすために与えられる。ＣＨＰシステムの適切な制御により、一日の終わりには、図１１に例示的に示されるように、累積的な熱エネルギー生成は、累積的な熱エネルギー消費及び累積的な熱エネルギー損失の合計に等しくなり、そこではＰは累積熱エネルギー生成、Ｃは累積熱エネルギー消費、Ｌは環境に対する累積エネルギー損失を表わす。ＣＨＰシステムを適切に動作させることによって、一日の間で異なるが、累積熱エネルギー生成が、熱エネルギー消費に一日の終わりの損失を加えたものと十分に一致する（Ｐ＝Ｃ＋Ｌ）ことを示す。
【００８１】
ＣＨＰシステムを停止する必要があるときには、動作プロセスは、以下のステップを辿ることが好ましい。（１）燃料電池スタックＦＣ−１からの電流収集を遮断し、（２）燃料プロセッサ３への炭化水素供給１０３の供給を停止し、（３）炭化水素の供給が停止した後の所定の期間の後で、水蒸気発生器ＨＸ−３への水６０２の供給を停止する。時間遅延は、炭化水素を燃料処理触媒に完全に変換することを保証し、従って、触媒の不活性を生じさせるように炭素分解の危険性が除去され、（４）燃料電池スタックＦＣ−１のアノード側２３に少量の空気４０５をもたらすように、バランスオブプラントのモジュール２内の弁４４を開き、燃料電池スタックＦＣ−１のカソード側５３に空気４０３を与え続けることが好ましい。このプロセスはスタックをパージし、このスタックから全ての残留水を除去し、スタックの温度は、停止の間は水分凝縮が発生しないように依然として高く、停止の後はスタック内に水が残らないようにすることを保証する。少量の空気をアノードにもたらすことはまた、動作の間、触媒上で吸着されたＣＯからのアノード触媒の回収を助けることになり、（５）燃料電池スタック及び燃料プロセッサが完全にパージされた後で、バーナへの炭化水素燃料１０７を遮断し、所定の時間の間、熱電併給水及びスタック冷却液を動作させたままにし、（６）スタックの温度が、どのような熱エネルギーも効率的に回収されることができない所定の温度より下に達したときに、全てのシステムを停止することができる。
【００８２】
本発明に開示されるＣＨＰシステムは、特に低温ＰＥＭシステムのシステムと比較して、いくつかの重要な利点を有することが理解されるべきである。主要な利点は、水分管理、加湿、及び一酸化炭素被毒に関する技術的な障害が除去されたために、著しく改善されたシステムの信頼性及び頑強性である。他の利点は、増加したシステム効率、増加したシステムの機械的な小型性、熱交換器に関連する減少した費用を含む。表２は、低温ＰＥＭ及び高温ＰＥＭをベースにしたＣＨＰシステムの性能の比較を提供する。
表２
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【００８３】
上記の説明は、例示のためであって、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を制限することは意図されないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明の１つの実施形態による水蒸気改質及び高温燃料電池をベースにした熱電気複合利用システムの一般的な概略図である。
【図２ａ】本発明の１つの実施形態による、図１の統合されたバランスオブプラント・モジュールのフロー図である。
【図２ｂ】本発明の第２の実施形態による、図１の統合されたバランスオブプラント・モジュールの別のフロー図である。
【図３ａ】本発明の１つの実施形態による、図１の統合された燃料プロセッサ・モジュールのフロー図である。
【図３ｂ】本発明の第２の実施形態による、図１の統合された燃料プロセッサ・モジュールの別のフロー図である。
【図４ａ】本発明の１つの実施形態による、統合された燃料電池モジュールのフロー図である。
【図４ｂ】本発明の第２の実施形態による、図１の統合された燃料電池モジュールの別のフロー図である。
【図５ａ】本発明の１つの実施形態による、図１の熱回収モジュールのフロー図である。
【図５ｂ】本発明の第２の実施形態による、図１の熱回収モジュールの別の図である。
【図５ｃ】本発明の第３の実施形態による、図１の熱回収モジュールの別の図である。
【図６ａ】本発明の１つの実施形態よる、活性領域及びカソード空気加熱領域を統合する高温燃料電池アノードプレートを示す概略図である。
【図６ｂ】本発明の１つの実施形態よる、活性領域及びカソード空気加熱領域を統合する高温燃料電池カソードプレートを示す概略図である。
【図６ｃ】本発明の１つの実施形態による、高温燃料電池冷却液プレートを示す概略図である。
【図７ａ】本発明の第２の実施形態による、活性領域及びカソード空気加熱領域を統合する高温燃料電池カソードプレートを示す概略図である。
【図７ｂ】本発明の第２の実施形態による、図７ａの高温カソードプレートの裏側表面を示す概略図である。
【図７ｃ】図７ａ及び図７ｂにおける領域Ａ及び領域Ｂの概略的な構造体を示す。
【図８】組み合わされた燃料プロセッサ及び燃料電池パッケージの平均温度特性を示す。
【図９】本発明によるＣＨＰシステムの典型的な電気荷重特性及び対応する負荷追従動作を示す。
【図１０】本発明による熱エネルギー需要とＣＨＰシステムによって生成される熱エネルギーの典型的な特性を示す。
【図１１】本発明による熱エネルギー生成、消費、及び損失の累積量を示す。
【図１２】電力調整モジュールの概略図を示す。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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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５ｃ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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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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【国際調査報告】
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