(57)【要約】燃料を受け取り且つアノード排気を排出するように構成されたアノードと、カソードとを有する燃料電池システムで使用するための水回収構体。水回収構体は、アノード排気を受け取って急速冷却し、アノード排気から電解質を含む第１の水分を回収し且つ急速冷却されたアノード排気及び第１の水分を排出するように構成された第１の冷却構体と、急速冷却されたアノード排気を受け取り且つアノードに供給される燃料を加湿するのに適する第２の水分を急速冷却されたアノード排気から回収するように構成された第２の冷却構体とを具備する。
2011509515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を受け取り且つアノード排気を排出するように構成されたアノードと、カソードとを有する燃料電池システムで使用するための水回収構体であって、
前記アノード排気から電解質を含む第１の水分を回収するために前記アノード排気を受け取って急速冷却し且つ前記急速冷却されたアノード排気及び前記第１の水分を排出するように構成された第１の冷却構体と、
前記急速冷却されたアノード排気を受け取り且つ前記アノードに供給される前記燃料を加湿するのに適した第２の水分を前記急速冷却されたアノード排気から回収するように構成された第２の冷却構体と
を具備することを特徴とする水回収構体。
【請求項２】
前記第２の冷却構体は、前記アノード排気が通流し、前記アノード排気を急速冷却し且つ前記アノード排気から前記第１の水分を凝縮するために所定の量の噴霧水を受け取るように構成された急速冷却構体を具備することを特徴とする請求項１記載の水回収構体。
【請求項３】
前記第１の冷却構体は、
前記急速冷却構体からの前記第１の水分を再循環する再循環流路と、
前記第１の水分から前記電解質を除去し且つ前記急速冷却構体で使用するための前記噴霧水を排出するブローダウン構体と
を更に具備することを特徴とする請求項２記載の水回収構体。
【請求項４】
前記第２の冷却構体は充填塔を具備することを特徴とする請求項１記載の水回収構体。
【請求項５】
前記充填塔は、第１の端部で前記急速冷却されたアノード排気を受け取り且つ第２の端部で再循環水を受け取るように構成され、前記急速冷却されたアノード排気は前記第１の端部から前記第２の端部に向かって流れ且つ前記再循環水は前記第２の端部から前記第１の端部に向かって流れる請求項４記載の水回収構体。
【請求項６】
前記第１の端部は前記充填塔の最も下方の端部であり、且つ、前記第２の端部は前記充填塔の最も上方の端部であることを特徴とする請求項５記載の水回収構体。
【請求項７】
前記急速冷却されたアノード排気から回収された前記第２の水分及び前記再循環水を含む分離水は、前記充填塔の前記第１の端部又は前記第１の端部に近接する場所で回収されて前記充填塔から排出されることを特徴とする請求項６記載の水回収構体。
【請求項８】
前記燃料電池システムは、前記アノードに供給される前記燃料を加湿する加湿器構体を含み、且つ、前記分離水のすべて又は一部は前記充填塔から前記燃料を加湿する前記加湿器構体へ排出されることを特徴とする請求項７記載の水回収構体。
【請求項９】
前記第２の冷却構体は、前記充填塔から排出された前記分離水のうち所定の部分を前記再循環水として使用するために前記所定の部分を前記充填塔の前記第２の端部に供給する再循環流路を更に具備することを特徴とする請求項７記載の水回収構体。
【請求項１０】
前記再循環流路は、前記分離水を前記充填塔に供給する前に前記分離水のうち前記所定の部分を更に冷却することを特徴とする熱交換器を含む請求項９記載の水回収構体。
【請求項１１】
前記アノード排気を前記第１の冷却構体に供給する前に前記アノード排気から熱を回収する熱交換器を前記第１の冷却構体の上流側に更に具備することを特徴とする請求項１記載の水回収構体。
【請求項１２】
前記充填塔は、前記アノード排気から前記第２の水分を回収した後に前記第２の端部から分離アノード排気を排出することを特徴とする請求項５記載の水回収構体。
【請求項１３】
前記分離水の一部は前記充填塔から前記第１の冷却構体の再循環流路へ排出されて、前記第１の水分と混合されることを特徴とする請求項７記載の水回収構体。
【請求項１４】
燃料を受け取り且つアノード排気を排出するアノード及び酸化剤ガスを受け取り且つカソード排気を排出するカソードを含む少なくとも１つの燃料電池と、
前記アノードに供給される前記燃料を加湿する加湿器構体と、
前記アノード排気を受け取って急速冷却し、前記アノード排気から電解質を含む第１の水分を回収し且つ急速冷却されたアノード排気及び前記第１の水分を排出するように構成された第１の冷却構体と、前記急速冷却されたアノード排気を受け取り、前記急速冷却されたアノード排気から第２の水分を回収し且つ前記第２の水分の少なくとも一部を前記アノードに供給される前記燃料を加湿する前記加湿器へ排出するように構成された第２の冷却構体とを具備する水回収構体と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１５】
前記第１の冷却構体は、前記アノード排気が通流し、前記アノード排気を急速冷却し且つ前記アノード排気から前記第１の水分を凝縮するために所定の量の噴霧水を受け取るように構成された急速冷却構体を具備することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記第１の冷却構体は、
前記急速冷却構体からの前記第１の水分を再循環する再循環流路と、
前記第１の水分から前記電解質を除去し且つ前記急速冷却構体で使用するための前記噴霧水を排出するブローダウン構体と
を更に具備することを特徴とする請求項１５記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記第２の冷却構体は充填塔を具備することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記充填塔は、第１の端部で前記急速冷却されたアノード排気を受け取り且つ第２の端部で再循環水を受け取るように構成され、前記急速冷却されたアノード排気は前記第１の端部から前記第２の端部に向かって流れ且つ前記再循環水は前記第２の端部から前記第１の端部に向かって流れることを特徴とする請求項１７記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記第１の端部は前記充填塔の最も下方の端部であり且つ前記第２の端部は前記充填塔の最も上方の端部であることを特徴とする請求項１８記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記急速冷却されたアノード排気から回収された前記第２の水分及び前記再循環水を含む分離水は、前記充填塔の前記第１の端部又は前記第１の端部に近接する場所で回収されて前記充填塔から排出されることを特徴とする請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記第２の冷却構体は、前記充填塔から排出される前記分離水のうち第１の所定の部分を受け取り且つ前記分離水のうち前記第１の所定の部分を前記再循環水として使用するために前記第１の所定の部分を前記充填塔の前記第２の端部に供給するように構成された再循環流路を更に具備し、且つ前記分離水のうち第２の所定の部分は前記加湿器へ排出されることを特徴とする請求項２０記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記再循環流路は、前記分離水を前記充填塔に供給する前に前記分離水のうち前記第１の所定の部分を更に冷却する熱交換器を含むことを特徴とする請求項２１記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記水回収構体は、前記アノード排気を前記第１の冷却構体に供給する前に前記アノード排気から熱を回収する熱交換器を前記第１の冷却構体の上流側に更に具備することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記充填塔は、前記アノード排気から前記第２の水分を回収した後に前記第２の端部から分離アノード排気を排出し、且つ前記燃料電池システムは、前記充填塔からの前記分離アノード排気及び酸化剤ガスを受け取るように構成された酸化器を更に具備することを特徴とする請求項１９記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記酸化剤ガスを前記酸化器に供給する前に前記カソード排気を使用して前記酸化剤ガスを予熱する熱交換器を更に具備することを特徴とする請求項２４記載の燃料電池システム。
【請求項２６】
前記分離水の一部は前記充填塔から前記第１の冷却構体の再循環流路へ排出されて、前記第１の水分と混合されることを特徴とする請求項２０記載の燃料電池システム。
【請求項２７】
燃料電池のアノードにより排出されるアノード排気から水を回収する方法であって、
第１の冷却構体において前記アノードからのアノード排気を受け取るステップと、
前記第１の冷却構体において前記アノード排気を急速冷却し、電解質を含む第１の水分を回収し且つ急速冷却されたアノード排気及び前記第１の水分を排出するステップと、
第２の冷却構体において前記急速冷却されたアノード排気を受け取るステップと、
前記アノードに供給される燃料を加湿するのに適する第２の水分を前記急速冷却されたアノード排気から回収するステップと
を有することを特徴とするアノード排気から水を回収する方法。
【請求項２８】
前記アノード排気から前記第１の水分を回収する前記ステップは、前記アノード排気から前記第１の水分を凝縮するために前記第１の冷却構体において前記アノード排気に所定の量の噴霧水を添加するステップを含むことを特徴とする請求項２７記載のアノード排気から水を回収する方法。
【請求項２９】
ブローダウンを使用して前記第１の水分から前記電解質を除去するステップと、
前記電解質を除去した後、前記第１の冷却構体において噴霧水として使用するために前記第１の水分を再循環するステップと
を更に有することを特徴とする請求項２７記載のアノード排気から水を回収する方法。
【請求項３０】
前記第２の冷却構体は充填塔を具備し且つ前記第２の水分を回収する前記ステップは、
前記急速冷却されたアノード排気を前記充填塔の第１の端部から前記充填塔の第２の端部に供給するステップと、
再循環水を前記充填塔の前記第２の端部から前記充填塔の前記第１の端部に供給するステップと
を含むことを特徴とする請求項２７記載のアノード排気から水を回収する方法。
【請求項３１】
前記第２の水分を回収する前記ステップは、
前記急速冷却されたアノード排気からの前記第２の水分を含む分離水を前記充填塔の前記第１の端部又は前記第１の端部に近接する場所で回収するステップと、
前記充填塔から前記分離水を排出するステップと
を更に含むことを特徴とする請求項３０記載のアノード排気から水を回収する方法。
【請求項３２】
前記充填塔から排出される前記分離水の少なくとも一部を、前記燃料を加湿する加湿器構体に供給するステップを更に有することを特徴とする請求項３１記載のアノード排気から水を回収する方法。
【請求項３３】
前記充填塔により排出される前記分離水の所定の部分を前記再循環水として使用するために前記所定の部分を前記充填塔の前記第２の端部へ再循環するステップを更に有することを特徴とする請求項３１記載のアノード排気から水を回収する方法。
【請求項３４】
前記第１の水分と混合するために前記充填塔からの前記分離水の一部を前記第１の冷却構体の再循環流路へ排出するステップを更に有することを特徴とする請求項３１記載のアノード排気から水を回収する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の回収に関し、特に、高温燃料電池システムで使用するための水の回収に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、炭化水素燃料に蓄積された化学エネルギーを電気化学反応によって電気エネルギーに直接変換する装置である。一般に、燃料電池は、帯電イオンを電気的に導通する働きをする電解質により分離されたアノード電極及びカソード電極を具備する。溶融炭酸塩燃料電池などの高温燃料電池は、アノードに反応性燃料ガスを通流させる一方で二酸化炭素及び酸素を含む酸化剤ガスをカソードに通流させることにより動作する。
【０００３】
燃料電池を適正に且つ効率よく動作させるように燃料の所望の蒸気対炭素比を維持し且つ燃料電池における炭素の付着を防止するために、燃料電池に供給される反応性ガス、特にアノードに供給される反応性燃料ガスは十分に加湿されなければならない。反応性ガスを加湿するために燃料電池システムが消費する水の量は通常著しく多いので、燃料電池システムに絶えず水を供給する必要がある。
【０００４】
反応性燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応の結果、加熱アノード排気ガスの一部として排出される水蒸気が発生されるが、アノード排気ガスは燃料電池により消費されなかった余剰燃料及びＣＯ２を更に含む。外部供給源から燃料電池システムへの水の供給を限定するか又は不要にするために、アノード排気ガス中の水蒸気を他のアノード排気成分から分離し、分離された水を反応性ガスの加湿のために再利用することが望ましい。凝縮熱回収熱交換器を使用することによって、システム排気からの水回収は可能である。しかし、回収される水の量は局所周囲温度及び局所湿度レベルに応じて異なり、回収される水は、多くの高温場所で燃料電池の動作を支援するには通常不十分である。広い周囲温度範囲にわたり、アノード排気ガスの湿度が高いほど水回収の効率は通常高くなる。
【０００５】
そのような水再利用の一例は、米国特許第５，０６８，１５９号公報及び第５，０３９，５７９号公報に開示される。それらの米国特許は、アノード排気流れから水を分離するために冷却器及び復水器を使用し、その後、分離された水をボイラ及び加熱器に通し、水をアノードコンパートメントの入口に供給することを教示する。
【０００６】
本出願と同一の譲受人に譲渡された米国特許第７，０６０，３８２号公報は、アノード排気中の水蒸気を分離し、分離された水を供給燃料に加えられる水として供給するために分圧旋回水供給ホイールの形の水供給アセンブリ（構体）が使用されるシステムを開示する。本特許は、酸化剤供給ガス、水再循環気化及び／又は冷却水によりアノード排気を冷却する熱交換器又は周囲空冷熱交換器（送風ファン）を使用することにより水供給が実行されるシステムを更に開示する。冷却後、流れはスクラビング／ブローダウン構体へ送り込まれ、そこで電解質汚染水が除去される。電解質除去により形成された流れは熱交換器において送風ファン又は冷却水により更に冷却され、その後、復水器へ供給される。復水器で水が除去され、水は供給燃料に添加される。一方、水以外の流れは二酸化炭素供給構体へ更に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第５，０６８，１５９号明細書
【特許文献２】米国特許第５，０３９，５７９号明細書
【特許文献３】米国特許第７，０６０，３８２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
アノード排気中の水を分離する従来のシステムは、アノード排気から十分な量の水を凝縮するために、アノードから出た高温アノード排気ガスの十分な冷却を実現できるように熱交換器を含む複雑で高価な冷却システムを採用する。そのため、電力消費量が著しく多くなるので、システムの動作コストは大幅に増加する。高温多湿の条件下では、十分な凝縮を実現し、反応性ガスを加湿する際に使用する水を十分な量で確保するために、アノード排気ガスを周囲温度以下まで冷却しなければならないので、他のアノード排気成分から水を分離するためにアノード排気ガスを冷却するのに要する費用は特に高くなる。
【０００９】
従って、本発明の目的は、大きな動作電力を必要とせずにアノード排気ガスから水を分離し且つ水を供給することが可能な改良された水回収構体を提供することである。
【００１０】
本発明の別の目的は、電解質を含まない水を生成することにより水処理システムを不要にする水回収構体を提供することである。
【００１１】
本発明の更なる目的は、燃料電池システムの製造効率及び動作効率を大幅に向上する水回収構体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的及び他の目的は、燃料を受け取り且つアノード排気を排出するように構成されたアノードと、カソードとを有する燃料電池システムで使用するための水回収構体において達成される。水回収構体は、アノード排気からの電解質を含む第１の水分を回収するためにアノード排気を受け取って急速冷却し且つ急速冷却されたアノード排気及び第１の水分を排出するように構成された第１の冷却構体を具備する。水回収構体は、急速冷却されたアノード排気を受け取り且つアノードに供給される燃料を加湿するのに適する第２の水分を急速冷却されたアノード排気から回収するように構成された第２の冷却構体を更に含む。
【００１３】
ある特定の例示的な実施形態において、第１の冷却構体は、アノード排気が通流し、アノード排気を急速冷却し且つアノード排気から第１の水分を凝縮するために所定の量の噴霧水を受け取るように構成された急速冷却構体を具備する。第１の冷却構体は、急速冷却構体からの第１の水分を再循環する再循環流路と、第１の水分から電解質を除去し且つ電解質除去水を急速冷却構体で使用するための噴霧水として排出するブローダウン構体とを更に含む。
【００１４】
ある特定の実施形態において、第２の冷却構体は、第１の端部で急速冷却されたアノード排気を受け取り且つ第２の端部で再循環水を受け取るように構成された充填塔を具備する。急速冷却されたアノード排気が第１の端部から第２の端部に向かって流れる間、再循環水は第２の端部から第１の端部に向かって流れる。そのような実施形態において、急速冷却されたアノード排気から回収された第２の水分及び再循環水を含む分離水は充填塔の第１の端部又はそれに近接する場所で回収され、充填塔から排出される。充填塔から排出される分離水の全て又は一部は、アノードに供給される燃料を加湿するための燃料電池システムの加湿器構体に供給されてもよい。
【００１５】
ある特定の実施形態において、第２の冷却構体は、充填塔から排出される分離水の所定の部分を再循環水として使用するために所定の部分を充填塔の第２の端部に供給する再循環流路を更に含む。そのような実施形態において、再循環流路は、充填塔に供給される前に分離水の所定の部分を更に冷却する熱交換器を含む。
【００１６】
燃料電池システムで使用するための水回収方法及び上記のような水回収構体を採用する燃料電池システムも開示される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
本発明の上記の特徴及び面並びに他の特徴及び面は、添付の図面と関連させて以下の詳細な説明を読むことにより更に明らかになるだろう。
【図１】アノード排気から水を回収する水回収構体を使用する燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】図１の水回収構体を示す詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、燃料電池スタック１０２を具備する燃料電池システム１００を示し、燃料電池スタック１０２は、燃料供給経路１０３から燃料を受け取り且つアノード排気を排出するように構成されたアノード側１０４と、酸化剤ガスを受け取り且つカソード排気を排出するように構成されたカソード側１０６と、燃料供給流路１０３の燃料を加湿するためにアノード排気中の水を回収し且つ水が分離されたアノード排気を排出する水回収構体１０９とを含む。特に、システム１００の燃料電池スタック１０２は、電解質マトリクス１０５により分離されたアノード側又はアノードコンパートメント１０４及びカソード側又はカソードコンパートメント１０６を有する少なくとも１つの燃料電池を具備する。炭化水素含有燃料は、燃料源１１０から燃料供給流路１０３に供給され、燃料供給流路１０３は、燃料中に存在する硫黄含有化合物を除去する脱硫器１１２を介して燃料を供給する。
【００１９】
脱硫器１１２は、通流する燃料の中に存在する硫黄含有化合物を吸着又は吸収する１つ以上の硫黄吸着剤床又は硫黄吸収剤床を具備する。脱硫器１１２を通過した後、燃料供給流路１０３の燃料は、水回収構体１０９から水供給ライン１１４を介して水を受け取るように構成された加湿器／熱交換器構体１１６へ供給される。加湿器／熱交換器構体１１６において、燃料は水と混合されて加湿燃料を生成し、加湿燃料は高温カソード排気を使用して所定の温度まで予熱される。その後、予熱加湿燃料は、燃料から微量酸素及び高濃度炭化水素汚染物質を除去する脱酸剤／前処理又は前改質ユニット１１８を介して供給される。図１には示されていないが、脱酸剤／前処理又は前改質ユニット１１８を通過した後、燃料はカソード排気により更に加熱されてもよい。予熱脱酸加湿燃料は入口１０４ａを介して燃料電池のアノード側１０４に供給される。
【００２０】
アノード側１０４に入った燃料はそこで改質されて水素及び一酸化炭素を発生し、更にカソード側１０６を通過する酸化剤ガスとの電気化学反応を受けて電力を発生し且つ水を生成する。アノード１０４で発生されたアノード排気ガスは、アノード出口１０４ｂを介して燃料電池１０２から流出し、アノード排気流路１２０に入る。排気流路１２０のアノード排気ガスは、水素及び一酸化炭素を含む未反応燃料と、水蒸気と、少量又は微量の電解質蒸気と、微量の他のガスとを含む。
【００２１】
図１に示されるように、排気流路１２０のアノード排気は水回収構体１０９へ供給され、水回収構体１０９において、アノード排気ガスは冷却され、水はアノード排気の他の成分から分離される。以下に説明するように、水回収構体はアノード排気中の水を２段階で凝縮する。第１段階において、電解質のほぼ全てを含む水がまず凝縮され、水回収構体から除去されるので、第２段階においてアノード排気から清浄な水（ほぼ電解質を含まない水）を凝縮できる。水回収構体の構成を図２に示し、以下において更に詳細に説明する。
【００２２】
水回収構体でアノード排気から分離された清浄水は水供給流路１１４に供給され、その後、燃料を加湿する加湿器／熱交換器１１８に供給される。水回収構体から排出される水分離アノード排気は主に水素、ＣＯ及びＣＯ２から形成され、少量の水及びメタンなどの微量の未変換炭化水素を含む。図１に示される例示的な実施形態において、水分離アノード排気は水回収構体１０９からアノード排気流路１２１により酸化器１２２へ供給される。酸化器１２２は空気供給源１２４から空気の形の酸化剤ガスを更に受け取る。酸化器１２２において、酸化剤ガスは水分離アノード排気と混合され、燃焼されて、加熱酸化剤ガス及び二酸化炭素を発生する。加熱酸化剤ガスは、酸化器１２２から出た後、カソード入口１０６ａを介してカソード側１０６へ供給される。使用済み酸化剤ガスはカソード出口１０６ｂを介してカソード１０６から流出し、加湿器／熱交換器１１６を通って流れる。加湿器／熱交換器１１６において、排出酸化剤ガスから伝達された熱は燃料と水との混合物を予熱する。
【００２３】
図２は、図１の水回収構体の更に詳細な概略図を示す。第１の凝縮段階で水からほぼ全ての電解質及び全ての異物を除去し、それにより第２の凝縮段階でアノード排気からほぼ電解質を含まない水を回収できるように、水回収構体１０９は２段階でアノード排気ガス中の水を凝縮する。図２の水回収構体は、第１の凝縮段階でほぼすべての電解質及びすべての異物を含むアノード排気中の第１の水分を凝縮し且つ回収するようにアノード排気を急速冷却する冷却流路１３０と、第２の凝縮段階でアノード排気中の第２の水分を凝縮する充填塔構体１３２とを含む。アノード排気から回収される電解質及び異物をほぼ含まない第２の水分は、燃料電池に供給される燃料を加湿するために使用される。
【００２４】
図示されるように、排気流路１２０のアノード排気ガスは水回収構体１０９へ供給されるが、冷却流路１３０へ供給される前に、アノード排気からの高レベル熱回収のために熱交換器１２９をまず通過してもよい。しかし、熱交換器１２９の設置は任意であり、水回収構体１０９の他の実施形態において、アノード排気が初めに熱交換器を通過せずに排気流路１２０から冷却流路１３０へ直接供給されてもよいことは理解される。溶融炭酸塩燃料電池システムなどの高温燃料電池システムにおいて、水回収構体１０９に流入するアノード排気の温度は約１，０００〜１，１００°Ｆである。
【００２５】
水回収構体１０９の冷却流路１３０は、下向きパイプから形成された急速冷却構体を具備し、急速冷却構体はアノード排気流路１２０からの高温アノード排気ガス及び噴霧水供給流路１３１からの下向き噴霧水を受け取るように構成される。冷却流路１３０において、高温アノード排気ガスは急速冷却構体１３０に供給される所定の量の噴霧水を使用して急速冷却される。急速冷却構体１３０に供給される噴霧水の量及び温度は、アノード排気ガスからアノード排気中の第１の水分が凝縮されるように選択される。先に述べた通り、この第１の水分はＫ２ＣＯ３などの炭酸塩電解質のほぼすべて及び異物を含むので、燃料電池に供給される燃料を加湿するには適さないと考えられる。従って、第１の水分は急速冷却構体１３０から排水流路１３３へ排出される。これにより、第１の水分と共にアノード排気からほぼすべての電解質が除去されるため、加湿器、下流側の前改質装置及び燃料電池の損傷の危険は低減される。
【００２６】
図２に示される例示的な実施形態において、急速冷却構体１３０は下向き流れパイプを具備し、アノード排気は冷却流路を通って高い位置から低い位置へ流れる。アノード排気が急速冷却構体１３０に入った時点又はその直後にアノード排気を急速冷却するように、噴霧水は急速冷却構体１３０の最上部１３０ａ又はその付近の場所で噴霧水供給流路１３１から供給される。アノード排気ガスを急速冷却するために図２に示されるように噴霧水を使用することによりアノード排気ガスの圧力が上昇するため、燃料電池１０２のアノード側１０４とカソード側１０６との圧力差は減少する。そのように圧力差を減少すると、燃料電池１０２のアノード入口１０４ａからカソード入口１０６ａに向かって起こる燃料ガスの漏れの危険性は最小限に抑えられる。ある特定の実施形態において、アノード排気の圧力を更に増加し且つ燃料電池１０２のアノード側とカソード側との圧力差を制御することにより圧力を最適圧力に維持するために、アノード排気流路１２０に昇圧送風機が設けられてもよい。
【００２７】
図２に示される実施形態において、排水流路１３３の電解質を含有する第１の水分は、ブローダウン水を放出することにより水から電解質を除去する水ブローダウン技術１３４を使用して洗浄される。更に、排水流路の第１の水分は、以下に更に詳細に説明されるように充填塔１３２におけるアノード排気ガス中の水分の凝縮により生成される水を補充されるか又はその水と組み合わされる。ライン１３４の水ブローダウンの結果、排水流路１３３の水の一部は排出されるが、水の大部分は、その後、噴霧水供給流路１３１に供給されてアノード排気を急速冷却するための噴霧水として使用される。このようにして冷却噴霧水が急速冷却構体１３０に戻され、再利用されるので、外部供給源から冷却噴霧水を供給する必要は軽減されるか又はそのような水供給は不用になる。
【００２８】
急速冷却構体１３０においてアノード排気から第１の水分が分離され、排水流路１３３へ送り出された後、急速冷却されたアノード排気は急速冷却構体１３０から充填塔構体１３２へ排出される。充填塔に流入した時点の急速冷却されたアノード排気の温度は約１９０〜２００°Ｆである。充填塔構体は、通常ステンレス鋼から製造される充填塔を含み、同様にステンレス鋼から製造されたポールリング、ラシヒリング又はサドルパッキンなどの従来のパッキンが充填されている。充填塔構体１３２は、水再循環流路１３５から約１００°Ｆの温度の冷却再循環水を供給される。
【００２９】
図示されるように、急速冷却されたアノード排気は充填塔１３２の第１の端部１３２ａ又はその付近の場所で充填塔に供給され、冷却再循環水は充填塔１３２の第２の端部１３２ｂ又はその付近の場所で充填塔に供給される。それにより、急速冷却されたアノード排気と冷却再循環水は互いに対して逆方向に流れる。例示的な本実施形態において、充填塔１３２の第１の端部１３２ａは塔の最も下方に位置する端部であり、第２の端部１３２ｂは充填塔１３２の最も上方に位置する端部であるので、冷却再循環水は塔１３２を通って第１の端部１３２ａに向かって下方へ進み、アノード排気ガスは塔を通って第２の端部１３２ｂに向かって上方へ進む。
【００３０】
充填塔１３２において、急速冷却されたアノード排気は充填塔構体１３２内部の再循環水との直接接触によって冷却され、急速冷却されたアノード排気中の残留水蒸気のすべて又は大部分を含む第２の水分は、凝縮により急速冷却されたアノード排気から分離される。急速冷却されたアノード排気から凝縮された第２の水分は、充填塔１３２を通って進む間に再循環水と混合される。アノード排気から凝縮された第２の水分と再循環水との混合物である分離水は、充填塔１３２を通り塔１３２の第１の端部１３２ａに向かって供給される。
【００３１】
例えば水素、一酸化炭素及びＣＯなどの残留成分を含む分離アノード排気は充填塔の第２の端部１３２ｂに向かって流れ、塔１３２から脱湿ガス接続流路１２１へ排出される。特に、図２の例示的な実施形態における分離排気は、充填塔１３２の第２の端部１３２ｂ又はその付近の場所で出口１３２ｃから脱湿ガス接続流路１３２へ排出される。その後、分離アノード排気は脱湿ガス接続流路１２１を介して燃料電池システムの酸化器１２２へ供給される。ある特定の実施形態において、燃料電池アノード１０４の圧力を制御するために、特に燃料電池カソード１０６の圧力に対する燃料電池アノード１０４の圧力を制御するために、接続流路１２１に昇圧送風機１２１ａが含まれる。
【００３２】
図２に示されるように、急速冷却されたアノード排気から凝縮された第２の水分を含む分離水は、塔の第１の端部１３２ａ又はその付近の場所で水回収容器又は水回収室に回収され、充填塔１３２から水排出流路１３６へ排出される。更に、余分な水は塔の第１の端部１３２ａで回収容器又は回収室からあふれ出て、排水流路１３３の水の流れの中へ供給され、その後、先に説明したように噴霧水供給流路１３１の急速冷却水として使用される。あるいは、分離水の所定の部分を急速冷却水として使用するために、所定の部分は排水流路１３３へ供給されてもよい。水排出流路１３６の分離水の温度は１２０°Ｆ〜１６０°Ｆである。図示されるように、水排出流路１３６は再循環流路１３５と結合され、分離水の所定の部分を再循環水として使用するために、所定の部分は水排出流路１３６から再循環流路１３５へ供給される。
【００３３】
図示される例示的な実施形態において、水再循環流路１３５へ供給される分離水の所定の部分は、分離水に蓄積された熱を回収し且つ分離水を冷却する廃熱回収器１３７でまず使用されてもよい。その後、分離水の所定の部分は廃熱回収器１３７から熱交換器１３８に供給され、そこで約１００°Ｆまで更に冷却される。図２に示される実施形態において、熱交換器１３８は送風ファン熱交換器である。しかし、水を冷却するために他の任意の適切な熱交換器が使用されてよい。熱交換器１３８で分離水の所定の部分が冷却された後、水は水再循環流路１３５を介して充填塔１３２の第２の端部１３２ｂに供給され、冷却再循環水として使用される。
【００３４】
水排出流路１３６の分離水のうち再循環流路１３５へ供給されない残りの部分は、水回収構体１０９から水供給流路１１４へ排出される。先に述べた通り、水供給流路１１４は、システム１００に供給される燃料を加湿するために加湿器／熱交換器１１６へ分離水を供給する。水回収の第１段階で第１の水分によってシステムからすべての又はほぼすべての電解質が除去されているので、加湿器／熱交換器１１６に供給される分離水は電解質をほぼ含まない清浄な水である。従って、システムに供給される燃料を加湿する際に使用するのに適する水を生成する前に分離水から電解質を除去するための追加の水処理装置は不要であるが、始動中に又はシステムの混乱状態を防止するために小型樹脂床研磨システム（図示せず）が使用されてもよい。
【００３５】
図２に示される水回収構体１０９は、水に依存しないか又はほぼ水に依存しない燃料電池システムの動作を可能にするためにアノード排気から十分な量の水を凝縮するようにアノード排気を十分に冷却する。特に、水回収構体１０９は急速冷却されたアノード排気を１４０°Ｆ以下まで冷却可能であるので、周囲が高温である条件の下でも十分な凝縮を実現できる。
【００３６】
水に依存しないシステムの動作中、加湿器／熱交換器に供給されるすべての水は水回収構体１０９によりアノード排気から供給され、充填塔１３２からの分離水の一部は充填塔１３２で使用するための再循環水を形成し、充填塔１３２の余分な水はあふれ出して排水流路１３３の第１の水分と混合され、急速冷却構体１３０の急速冷却水となる。図２には示されていないが、電気化学反応の結果として燃料電池で水が生成されるために、水回収構体１０９により余分な水が生成される場合がある。そのような場合、燃料の加湿又は燃料電池システムの他の動作に必要とされない余分な水はシステムから排出され且つ／又は後の使用に備えて貯蔵される。
【００３７】
前述のように、第１の凝縮段階の間に急速冷却構体で噴霧水を使用することによりアノード排気の圧力が上昇するので、アノードとカソードとの圧力差は最小限に抑えられる。従って、図２の水回収構体を採用するシステムは、従来のシステムでは通常必要とされるアノード昇圧送風機なしで動作可能である。更に、図２の水回収構体１０９を使用するシステムがアノード昇圧送風機を含む場合、アノード昇圧送風機が故障してもシステムはほぼ影響を受けずに動作を継続できる。アノードとカソードとの圧力差が減少し、その結果、図１の燃料電池システムにおける燃料漏れが減少することにより、システムの信頼性及び効率は向上する。更に、水処理システムなどの複雑で高価な機器を使用しないため、燃料電池システムの信頼性及び効率は更に向上する。
【００３８】
熱管理を実行すること、並びに燃料電池１０２に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスを予熱するために高温アノード排気ガス及び高温カソード排気ガスを使用することにより、図１の燃料電池システムの効率は更に向上されてもよい。例えば、アノード排気中の水を凝縮するために水回収構体１０９においてアノード排気から除去される熱の量を相殺するように、燃料電池システムに供給される酸化剤ガスは高温カソード排気を使用して予熱されてもよい。同様に、水回収構体におけるアノード排気からの高レベル熱回収１２９による熱は、燃料電池に供給される酸化剤ガス及び／又は燃料ガスを予熱するために使用されてもよい。このように、燃料電池に供給される酸化剤ガス及び燃料ガスの予熱に必要とされる電気的空気加熱又はバーナによる空気加熱の量は最小限に抑えられる。
【００３９】
あらゆる場合において、以上説明された構成は本発明の用途を示す多くの可能な特定の実施形態を例示するにすぎないことが理解される。例えば、急速冷却構体は、アノード排気ガス及び噴霧水を受け取るように構成された冷却塔として形成されてもよい。本発明の原理に従って本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに多くの種々の他の構成を容易に考案できる。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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