(57)【要約】  隔離のため、またはプロセスの総合効率をさらに向上するために電力を発生するのに用いるために、同時にほぼ純粋なＣＯ2の流れを分離しながら燃料電池の全体的性能を高めるためのシステムおよび方法が提供される。システムおよび方法は、燃料電池アノード流出口に初めに存在したものより高いモル濃度の一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ2）燃料を有して燃料電池アノードの流入口に戻される燃料の流れを発生するように構成された熱交換器システムを使用する。【選択図】図１
2014511012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池再循環施設であって、
高温アノード排気流を発生するように構成されたアノードを備える燃料電池であって、前記アノードは流入口および流出口を備える、燃料電池と、
前記高温アノード排気流の冷却から電力を発生するように構成された廃熱回収サイクルと、
前記廃熱回収サイクルによって冷却された前記排気ガスを圧縮するように構成された圧縮機と、
前記圧縮された排気ガスを膨張させ冷却するように構成された膨張器と、
前記膨張したガスの少なくとも一部分を受け取り、前記膨張器による冷却の前に前記圧縮された廃熱回収サイクル排気ガスを予冷するように構成された熱交換器システムであって、前記廃熱回収サイクルを通過する前記排気ガスから相変化によって水（Ｈ2Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ2）を除去するようにさらに構成され、前記廃熱回収サイクルに入る前に前記燃料電池アノード排気ガス中に初めに存在したものより高いモル濃度の一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ2）燃料を有して前記燃料電池アノードの前記流入口に戻される燃料の流れを発生するようにさらに構成された、熱交換器システムと
を備える、燃料電池再循環施設。
【請求項２】
前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池を備える、燃料電池再循環施設。
【請求項３】
前記廃熱回収サイクルが有機ランキンサイクルを備える、燃料電池再循環施設。
【請求項４】
前記熱交換器システムおよび膨張器が協調して、前記膨張器によって発生された前記膨張したガスから凝縮された固体のＣＯ2、前記燃料電池の前記流入口に前記燃料の流れを戻す前に前記熱交換器システムによって発生された燃料の流れから凝縮された液体のＣＯ2、または両方を除去するように構成された、請求項１記載の燃料電池再循環施設。
【請求項５】
前記熱交換器システムを通過する前記圧縮された廃熱回収サイクル排気ガスをさらに冷却するように構成された電動冷却ユニットをさらに備えた、請求項１記載の燃料電池再循環施設。
【請求項６】
前記電動冷却ユニットおよび熱交換器システムが協調して、前記燃料電池の前記流入口に前記燃料の流れを戻す前に前記熱交換器システムによって発生された前記燃料の流れから凝縮された固体のＣＯ2、前記燃料電池の前記流入口に前記燃料の流れを戻す前に前記熱交換器システムによって発生された前記燃料の流れから凝縮された液体のＣＯ2、または両方を除去するように構成された、請求項５記載の燃料電池再循環施設。
【請求項７】
前記燃料電池、廃熱回収サイクル、圧縮機、膨張器、および熱交換器システムが協調して、約５０％より高い効率で動作する燃料電池をもたらす、請求項１記載の燃料電池再循環施設。
【請求項８】
前記廃熱回収サイクルによって発生される電力が、前記高温アノードの冷却のみに反応して前記廃熱回収サイクルによって発生される電力より大きくなるように、前記廃熱回収サイクルを駆動する追加の熱を発生するように構成されたカソードを、前記燃料電池がさらに備える、請求項１記載の燃料電池再循環施設。
【請求項９】
燃料電池再循環施設であって、
高温排気ガスを発生するように構成されたアノードを備える燃料電池であって、前記アノードは流入口および流出口を備える、燃料電池と、
前記高温アノードの冷却から電力を発生するように構成された廃熱回収サイクルと、
前記廃熱回収サイクルを通過する前記排気ガスから相変化によって水（Ｈ2Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ2）を除去するように構成された熱交換器システムであって、前記廃熱回収サイクルに入る前に前記燃料電池アノード排気ガス中に初めに存在したものより高いモル濃度の一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ2）燃料を有して前記燃料電池アノードの前記流入口に戻される燃料の流れを発生するようにさらに構成された、熱交換器システムと
を備える、燃料電池再循環施設。
【請求項１０】
前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池を備える、請求項９記載の燃料電池再循環施設。
【請求項１１】
前記廃熱回収サイクルが有機ランキンサイクルを備える、請求項９記載の燃料電池再循環施設。
【請求項１２】
前記熱交換器システムを通過する前記廃熱回収サイクル排気ガスをさらに冷却するように構成された電動冷却ユニットをさらに備えた、請求項９記載の燃料電池再循環施設。
【請求項１３】
前記電動冷却ユニットおよび熱交換器システムが協調して、前記燃料電池の前記流入口に前記燃料の流れを戻す前に前記熱交換器システムによって発生された前記燃料の流れから凝縮された固体のＣＯ2、前記燃料電池の前記流入口に前記燃料の流れを戻す前に前記熱交換器システムによって発生された前記燃料の流れから凝縮された液体のＣＯ2、または両方を除去するように構成された、請求項１２記載の燃料電池再循環施設。
【請求項１４】
前記廃熱回収サイクルによって発生された前記排気ガスを圧縮するように構成された圧縮機と、
前記圧縮された排気ガスを膨張させ冷却するように構成された膨張器と
をさらに備え、前記熱交換器システムは、前記膨張したガスの少なくとも一部分を受け取り、前記膨張器による冷却の前に前記圧縮された廃熱排気ガスを予冷するようにさらに構成された、請求項９記載の燃料電池再循環施設。
【請求項１５】
前記熱交換器システムおよび膨張器が協調して、前記膨張器によって発生された前記膨張したガスから凝縮された固体のＣＯ2を除去するように構成された、請求項１４記載の燃料電池再循環施設。
【請求項１６】
前記燃料電池、廃熱回収サイクル、および熱交換器システムが協調して、約５０％より高い効率で動作するＳＯＦＣをもたらす、請求項９記載の燃料電池再循環施設。
【請求項１７】
前記廃熱回収サイクルによって発生される電力が、前記高温アノードの冷却のみに反応して前記廃熱回収サイクルによって発生される電力より大きくなるように、前記廃熱回収サイクルを駆動する追加の熱を発生するように構成されたカソードを、前記燃料電池がさらに備える、請求項９記載の燃料電池再循環施設。
【請求項１８】
燃料電池再循環施設であって、
一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ2）を発生するように構成された炭化水素燃料改質システムと、
前記ＣＯを二酸化炭素（ＣＯ2）に変換するように構成された水性ガスシフト反応器と、
前記Ｈ2を加熱し、固体、液体、または両方の前記ＣＯ2を除去するように構成された熱交換器システムと、
前記熱交換器システムからのＨ2の流れに反応して高温排気ガスを発生するように構成されたアノードを備えた燃料電池であって、前記アノードは流入口および流出口を備える、燃料電池と、
前記高温アノードの冷却から電力を発生するように構成された廃熱回収サイクルと
を備える、燃料電池再循環施設。
【請求項１９】
前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池を備える、請求項１８記載の燃料電池再循環施設。
【請求項２０】
前記廃熱回収サイクルが有機ランキンサイクルを備える、請求項１８記載の燃料電池再循環施設。
【請求項２１】
前記廃熱回収サイクル排気からＨ2燃料のみの流れを前記燃料電池アノードの前記流入口に戻すように構成された、Ｈ2再利用経路をさらに備えた、請求項１８記載の燃料電池再循環施設。
【請求項２２】
前記熱交換器システムを通過する前記ＣＯ2をさらに冷却するように構成された電動冷却ユニットをさらに備えた、請求項１８記載の燃料電池再循環施設。
【請求項２３】
前記廃熱回収サイクルによって発生された前記排気ガスを圧縮するように構成された圧縮機と、
前記圧縮された排気ガスを膨張させ冷却するように構成された膨張器と
をさらに備え、前記熱交換器システムは、前記膨張したガスの少なくとも一部分を受け取り、前記膨張器による冷却の前に前記圧縮された廃熱回収サイクル排気ガスを予冷するようにさらに構成された、請求項１８記載の燃料電池再循環施設。
【請求項２４】
前記熱交換器システムおよび膨張器が協調して、前記膨張器によって発生された前記膨張したガスから凝縮された固体のＣＯ2を除去するように構成された、請求項２３記載の燃料電池再循環施設。
【請求項２５】
前記炭化水素燃料改質システム、水性ガスシフト反応器、熱交換器システム、燃料電池、および廃熱回収システムが協調して、約５０％より高い効率で動作する燃料電池をもたらす、請求項１８記載の燃料電池再循環施設。
【請求項２６】
前記廃熱回収サイクルによって発生される電力が、前記高温アノードの冷却のみに反応して前記ＯＲＣによって発生される電力より大きくなるように、前記廃熱回収サイクルを駆動する追加の熱を発生するように構成されたカソードを、前記燃料電池がさらに備える、請求項１８記載の燃料電池再循環施設。
【請求項２７】
燃料電池再循環施設であって、
高温排気ガスを発生するように構成されたアノードを備える燃料電池であって、前記アノードは流入口および流出口を備える、燃料電池と、
炭化水素燃料から炭素を除去し、改質した燃料を前記燃料電池アノードの前記流出口から下流側の前記燃料電池再循環施設内に導入するように構成された、炭化水素燃料改質システムと、
前記高温アノードの冷却から電力を発生するように構成された廃熱回収サイクルと、
前記廃熱回収サイクルによって冷却された前記排気ガスを圧縮するように構成された圧縮機と、
前記圧縮された排気ガスを膨張させ冷却するように構成された膨張器と、
前記膨張したガスの少なくとも一部分を受け取り、前記膨張器による冷却の前に前記圧縮された廃熱回収サイクル排気ガスを予冷するように構成された熱交換器システムであって、前記廃熱回収サイクルを通過する前記排気ガスから相変化によって水（Ｈ2Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ2）を除去するようにさらに構成され、前記廃熱回収サイクルに入る前に前記燃料電池アノード排気ガス中に初めに存在したものより高いモル濃度の一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ2）燃料を有して前記燃料電池アノードの前記流入口に戻される燃料の流れを発生するようにさらに構成された、熱交換器システムと
を備える、燃料電池再循環施設。
【請求項２８】
前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池を備える、請求項２７記載の燃料電池再循環施設。
【請求項２９】
前記廃熱回収サイクルが有機ランキンサイクルを備える、請求項２７記載の燃料電池再循環施設。
【請求項３０】
前記熱交換器システムおよび膨張器が協調して、前記膨張器によって発生された前記膨張したガスから凝縮された固体のＣＯ2、前記燃料電池の前記流入口に前記燃料の流れを戻す前に前記熱交換器システムによって発生された前記燃料の流れから凝縮された液体のＣＯ2、または両方を除去するように構成された、請求項２７記載の燃料電池再循環施設。
【請求項３１】
前記燃料電池、燃料改質システム、廃熱回収サイクル、圧縮機、膨張器、および熱交換器システムが協調して、約５０％より高い効率で動作する燃料電池をもたらす、請求項２７記載の燃料電池再循環施設。
【請求項３２】
前記廃熱回収サイクルによって発生される電力が、前記高温アノードの冷却のみに反応して前記廃熱回収サイクルによって発生される電力より大きくなるように、前記廃熱回収サイクルを駆動する追加の熱を発生するように構成されたカソードを、前記燃料電池がさらに備える、請求項２７記載の燃料電池再循環施設。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に固体酸化物形燃料電池（ｓｏｌｉｄ−ｏｘｉｄｅ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）に関し、より具体的には隔離のため、またはプロセスの総合効率をさらに向上するために電力を発生するのに用いるために、同時にほぼ純粋なＣＯ2の流れを分離しながら固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の全体的性能を高めるためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電において比較的高い効率および低公害に対する潜在性を実証している電気化学的エネルギー変換装置である。燃料電池は一般に直流（ＤＣ）を生じ、これはたとえばインバータを用いて交流（ＡＣ）に変換することができる。ＤＣまたはＡＣ電圧は、モータ、照明、および任意の数の電気装置およびシステムに電力供給するために用いることができる。燃料電池は、固定、半固定、または移動可能用途において動作することができる。固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などの一部の燃料電池は、工業用および地方自治体用の需要を満たすために電気を供給する大規模電力システムにおいて動作することができる。他は、たとえば自動車に電力供給するなどのより小型な移動可能用途向けに有用となり得る。
【０００３】
燃料電池は、イオン導電層を跨がって燃料と酸化剤を電気化学的に結合させることによって電気を生じる。このイオン導電層は燃料電池の電解質とも呼ばれ、液体または固体とすることができる。一般的な燃料電池のタイプとしては、リン酸（ＰＡＦＣ）、融解炭酸塩（ＭＣＦＣ）、プロトン交換膜（ＰＥＭＦＣ）、および固体酸化物（ＳＯＦＣ）が含まれ、すべて一般にそれらの電解質から命名されている。実際においては燃料電池は、有用な電圧または電流にて電力を生じるように、燃料電池の組立体での電気的直列にて集められる。したがって、隣接する燃料電池を直列または並列に接続または結合するために、相互接続構造体を用いることができる。
【０００４】
一般に燃料電池の構成要素は、電解質と２つの電極とを含む。電気を発生する反応は一般に、通常は反応を促進するように触媒が配置された電極にて生じる。電極は、化学反応が生じるための表面積を増加するように流路、多孔質層などとして構築される。酸素を（通常は大気から）電気化学的に還元する電極はカソードと呼ばれ、燃料を電気化学的に酸化する電極はアノードと呼ばれる。電解質は電荷を帯びた粒子を一方の電極から他方に運び、その他の点では燃料および酸化剤の両方に対して不浸透性である。固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の場合は電解質は、十分に高い（通常は５００℃より高い）温度において、負の酸素イオンを導通する固体セラミック酸化物である。ＳＯＦＣ内の電解質は高温でのみ導電性となるので、アノード燃料流入口の流れ、およびカソード酸化剤流入口の流れは、通常は高い（通常は５００℃より高い）温度に予熱されなければならない。この予熱は通常は、高温の燃料電池排気との復熱型熱交換によって達成される。
【０００５】
通常は燃料電池は、水素（燃料）と酸素（酸化剤）を水（副生成物）に変換して電気を生じる。副生成物の水は、高温動作において水蒸気として燃料電池から出ることができる。この排出された水蒸気（および他の高温排気成分）は、追加の電気または電力を発生するためのタービンまたは他の用途において利用することができ、発電効率の向上をもたらす。酸化剤として空気が使用される場合は、空気中の窒素は実質的に不活性であり、通常は燃料電池を通過する。水素燃料は、より容易に利用可能な天然ガスおよび他の炭化水素燃料および供給原料の改質など、炭素ベースの供給原料の局所的改質（たとえばオンサイトの水蒸気改質）によって供給することができる。炭化水素燃料の例には、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、メタノール、合成ガス、および他の炭化水素が含まれる。水素を生成して電気化学反応に供給するための炭化水素の改質は、燃料電池の動作と統合化することができる。さらにこのような改質は、燃料電池の内部および／または外部で行うことができる。燃料電池の外部で行われる炭化水素の改質の場合は、関連する外部改質器は燃料電池から離れてまたは隣接して配置することができる。
【０００６】
燃料電池の内部および／または隣接して炭化水素を改質することができる燃料電池システムは、設計および運用が簡単になるなどの利点をもたらし得る。たとえば炭化水素の水蒸気改質反応は通常は吸熱性であり、したがって燃料電池内の内部改質または隣接改質器での外部改質は、燃料電池の通常の発熱性の電気化学反応によって発生される熱を利用することができる。さらに、電気を生じるための燃料電池内部の水素と酸素の電気化学反応において活性である触媒も、炭化水素燃料の内部改質を促進する。ＳＯＦＣではたとえば電気化学反応を持続するためにニッケル触媒が電極（たとえばアノード）において配置される場合は、活性なニッケル触媒はまた炭化水素燃料を水素と一酸化炭素（ＣＯ）とに改質することができる。さらに、炭化水素供給原料を改質するときは、水素とＣＯの両方を発生することができる。したがって燃料として（水素に加えて）ＣＯを利用できるＳＯＦＣなどの燃料電池は一般に、改質された炭化水素を利用するため、および炭化水素燃料の内部および／または隣接改質のためにより魅力的な候補となる。
【０００７】
一般に燃料電池内の高い動作温度、および副生成物の水蒸気の存在は、一般に炭化水素の内部または隣接改質を促進する。有利には燃料電池内の過剰の水蒸気は、燃料電池内部および隣接改質器内の元素炭素の堆積を低減することができる。全体として、内部および／または隣接改質、およびそれらの燃料電池動作との統合化は、燃料電池動作の効率および／または経済性を改善することができる。
【０００８】
残念ながら元素炭素の形成および関連する炭素堆積を防止するために、一般に燃料電池のすべての領域において十分に高い水蒸気−炭素比率を維持することは難しく、特にたとえば電気化学反応と並行して電極（たとえばアノード）上で内部改質を行うことが意図されている場合は難しい。流入口近くの燃料電池領域は、特に炭素形成の影響を受けやすい。すなわち内部的に水蒸気改質されるべき入来する燃料は、燃料電池の流入口から流出口までの増加するＨ2Ｏ（たとえば水蒸気）濃度の通常の勾配により、水蒸気または液体の水（Ｈ2Ｏ）が欠乏している。Ｈ2Ｏ濃度は一般に出口に向かう燃料の流れの方向に増加し、したがって一般に燃料電池の出口領域に過剰なＨ2Ｏが存在する。Ｈ2Ｏ濃度は流入口において最小となるので、炭素は一般に電池流入口付近に形成することが予想される。燃料電池における炭素堆積は、不十分な熱／質量伝達、損傷、および／または燃料電池の故障に繋がり得る。
【０００９】
燃料電池の長期間動作を持続させることは、燃料電池内部の炭素堆積物の蓄積により解決が難しい。このような炭素堆積物は通常は、燃料電池がより清浄な水素ベースの供給原料の代わりに炭素ベースの供給原料に依存する場合は相対的に悪くなる。最終的には燃料電池はシャットダウンまたは交換を必要とする場合があり、電気の発生を中断させ、たとえば燃料電池システムの保守費用を増加させる。さらに外部改質および／または隣接改質のために用いられる改質器または事前改質器もまた、顕著な炭素堆積の影響を受け得る。したがって一般にこれらの改質器も、再生（たとえば水蒸気による）のためにシャットダウンされる場合があり、運用および保守費用を増加させ、燃料電池システム全体の効率を低下させる。
【００１０】
通常、ＳＯＦＣのアノードユニットは最大でも燃料の８０％を電気化学的に酸化して反応生成物を生じ、残りの２０％は酸化されずに排気中に通過する。利用率の上限は高濃度の反応生成物によるものであり、これはアノードの下流側端部近くでの化学反応を妨げ、燃料電池材料への損傷を引き起こし得る。
【００１１】
上記に鑑みて、ＳＯＦＣの燃料利用率を向上させる技術を提供する必要がある。隔離のために、またはタービンを通して膨張させてたとえば電力を発生しそれによりプロセスの総合効率を向上するために、燃料流からのＣＯ2の分離を達成できればさらに有益となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００８−２８７９４１号公報
【発明の概要】
【００１３】
本発明の例示的実施形態は燃料電池再循環施設であって、
高温アノード排気流を発生するように構成されたアノードを備える燃料電池であって、アノードは流入口および流出口を備える、燃料電池と、
高温アノードの冷却から電力を発生するように構成された廃熱回収サイクルと、
廃熱回収サイクルによって冷却された排気ガスを圧縮するように構成された圧縮機と、
圧縮された排気ガスを膨張させ冷却するように構成された膨張器と、
膨張したガスの少なくとも一部分を受け取り、膨張器による冷却の前に圧縮された廃熱回収サイクル排気ガスを予冷するように構成された熱交換器システムであって、廃熱回収サイクルを通過する排気ガスから相変化によって水（Ｈ2Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ2）を除去するようにさらに構成され、廃熱回収サイクルに入る前に燃料電池アノード排気ガス中に初めに存在したものより高いモル濃度の一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ2）燃料を有して燃料電池アノードの流入口に戻される燃料の流れを発生するようにさらに構成された、熱交換器システムと
を備える。
【００１４】
他の実施形態によれば、燃料電池再循環施設は、
高温排気ガスを発生するように構成されたアノードを備える燃料電池であって、アノードは流入口および流出口を備える、燃料電池と、
高温アノードの冷却から電力を発生するように構成された廃熱回収サイクルと、
廃熱回収サイクルを通過する排気ガスから相変化によって水（Ｈ2Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ2）を除去するように構成された熱交換器システムであって、廃熱回収サイクルに入る前に燃料電池アノード排気ガス中に初めに存在したものより高いモル濃度の一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ2）燃料を有して燃料電池アノードの流入口に戻される燃料の流れを発生するようにさらに構成された、熱交換器システムと
を備える。
【００１５】
他の実施形態によれば、燃料電池再循環施設は、
一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ2）を発生するように構成された炭化水素燃料改質システムと、
ＣＯを二酸化炭素（ＣＯ2）に変換するように構成された水性ガスシフト反応器と、
Ｈ2を加熱し、固体、液体、または両方のＣＯ2を除去するように構成された熱交換器システムと、
熱交換器システムからのＨ2の流れに反応して高温排気ガスを発生するように構成されたアノードを備えた燃料電池であって、アノードは流入口および流出口を備える、燃料電池と、
高温アノードの冷却から電力を発生するように構成された廃熱回収サイクルと
を備える。
【００１６】
他の実施形態によれば、燃料電池再循環施設は、
高温排気ガスを発生するように構成されたアノードを備える燃料電池であって、アノードは流入口および流出口を備える、燃料電池と、
炭化水素燃料から炭素を除去し、改質した燃料を燃料電池アノードの流出口から下流側の燃料電池再循環施設内に導入するように構成された、炭化水素燃料改質システムと、
高温アノードの冷却から電力を発生するように構成された廃熱回収サイクルと、
廃熱回収サイクルによって冷却された排気ガスを圧縮するように構成された圧縮機と、
圧縮された排気ガスを膨張させ冷却するように構成された膨張器と、
膨張したガスの少なくとも一部分を受け取り、膨張器による冷却の前に圧縮された廃熱回収サイクル排気ガスを予冷するように構成された熱交換器システムであって、廃熱回収サイクルを通過する排気ガスから相変化によって水（Ｈ2Ｏ）および二酸化炭素（ＣＯ2）を除去するようにさらに構成され、廃熱回収サイクルに入る前に燃料電池アノード排気ガス中に初めに存在したものより高いモル濃度の一酸化炭素（ＣＯ）および水素（Ｈ2）燃料を有して燃料電池アノードの流入口に戻される燃料の流れを発生するようにさらに構成された、熱交換器システムと
を備える。
【００１７】
本発明の上記その他の特徴、態様、および利点は、各図面を通して同様な文字は同様な部分を表す添付の図面を参照して以下の詳細な説明を添付の図面と併せ読めば明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】一実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）再循環施設を示す簡略図である。
【図２】他の実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）再循環施設を示す簡略図である。
【図３】他の実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）再循環施設を示す簡略図である。
【図４】他の実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）再循環施設を示す簡略図である。
【図５】他の実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）再循環施設を示す簡略図である。
【図６】他の実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）再循環施設を示す簡略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
上記の図面の図は代替実施形態を示すが、説明の中で言及されるように本発明の他の実施形態も企図される。すべての場合において本開示は、本発明の例示の実施形態を代表として示すものであり、限定するものではない。当業者によって、本発明の原理の範囲および趣旨に包含される数多くの他の変更形態および実施形態を考案することができる。
【００２０】
図を参照して本明細書で述べる実施形態は有利には、同時の炭素捕捉という特徴を有しながらＳＯＦＣ効率の向上をもたらす。説明の中で言及するように、本発明の他の実施形態も企図される。本明細書で述べる原理はたとえば、厳密には固体酸化物形燃料電池ではない類似の燃料電池技術にも容易に応用することができる。多種多様な廃熱回収サイクルおよびそれらのサイクルを統合する方法も、本明細書で述べる原理を用いて可能となる
図１は、一実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）再循環施設１０を示す簡略図である。再循環施設１０は、アノード１１とカソード１２とを含むＳＯＦＣを備える。アノード１１の排気からの熱は、本明細書では有機ランキンサイクル（Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｒａｎｋｉｎｅ  ｃｙｃｌｅ：ＯＲＣ）１３と呼ばれる、ランキン熱サイクルを駆動して電力を生じる。ＯＲＣ排気ガスは、外気に近い温度および圧力にて一部の凝縮した水を除去した後に、および高圧で外気温度まで排気ガスを冷却することによる凝縮した水のさらなる除去の前に、ＯＲＣ排気ガスを圧縮するように機能する圧縮機１４に印加される。圧縮されたＯＲＣ排気ガスは続いて膨張器１５、およびたとえば熱交換器１６を使用する事前膨張サイクルによってさらに冷却される。一態様によれば事前膨張サイクルは、熱交換器１６との接触による、圧縮されたＯＲＣ排気ガス流の冷却を通して動作する。
【００２１】
図２は、一実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）再循環施設２０を示す簡略図である。ＳＯＦＣ再循環施設２０はＳＯＦＣ再循環施設１０と同様であるが、ＳＯＦＣ再循環施設２０は、事前膨張サイクル時に圧縮されたＯＲＣ排気ガス流の冷却をさらに強化するために電動冷却ユニット２２を使用する点が異なる。
【００２２】
圧縮されたＯＲＣ排気ガス流を外気より低く冷却することにより、流れから一部のＣＯ2を、外気より高い圧力にて液体２４として、または外気より高い圧力および溶融温度より低い温度で液相から凝縮された固体生成物２６として、除去することが可能になり有利である。一態様によればＳＯＦＣ再循環施設２０は、膨張器１５の下流側の冷却された排気ガスから固体ＣＯ2を収集するための装置を使用し、これは図１に示される点２−１ａにて気相から直接固体化させる。
【００２３】
その温度を適切な反応温度に向かってある程度上昇させる熱交換器１６と接触した後に、冷却され、膨張された残留ガス流は、アノード排気中に初めに存在したものより高いモル濃度のＣＯ2およびＨ2燃料を有して、復熱器１９を通じてアノード１１の流入口に戻る。一態様によればアノードから除去された水の流れの一部は、カソード１２の排気によって適切な反応温度まで暖められ、次いでアノード１１の上流側の別個の改質器ユニットに印加され、またはアノード１１自体に印加されて炭化水素燃料を改質するために必要な水蒸気を発生する。
【００２４】
図１および図２にそれぞれ示される実施形態１０、２０はそのように限定されず、ＳＯＦＣ再循環施設１０およびＳＯＦＣ再循環施設２０は、圧縮−膨張プロセスなしで、図３に示されるものなど電動冷却ユニットのみにより実施できることを理解されたい。図３は、一実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）再循環施設３０を示す簡略図である。圧縮されたＯＲＣ排気ガス流を外気より低く冷却することにより、流れから一部のＣＯ2を、外気より高い圧力にて液体２４として、または外気より高い圧力および溶融温度より低い温度にて液相から凝縮された固体生成物２６として、除去することが可能になり有利となる。
【００２５】
図４は、一実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）再循環施設４０を示す簡略図である。この実施形態では炭化水素燃料（ＣＨ4）は、ＳＯＦＣアノード１１に入る前に改質装置４２によってＣＯとＨ2とに改質される。ＣＯは次いで、図４に示される点３−１ａにおいて水性ガスシフト装置４４によってＣＯ2に変換される。結果としてのＣＯ2は次いで、図５に示されるものなどの圧縮−膨張プロセス５０によって、または図４に示されるものなどの電動冷却ユニット２２によって、あるいは両方によって固体または液体にて除去される。残留Ｈ2の部分は次いで、図４に示される点３−１ｂにおいて復熱器／熱交換器１６を通して熱を回収した後に、アノード１１に進む。一態様によればアノード排気内に残ったＨ2は、適切な反応温度までそれ自体の温度を上げるのに十分な復熱器１９を通過した後に、図４に示される点３−１ｃにおいてアノード流入口に戻して再利用することができる。一実施形態によれば、図４に示される点３−１ｄにてアノード排気の下流側にランキンサイクル１３を装備することができ、それによりアノード排熱から電気または軸動力を発生する。
【００２６】
図６は、一実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）再循環施設６０を示す簡略図である。ＳＯＦＣ再循環施設６０は、ＳＯＦＣ再循環施設１０またはＳＯＦＣ再循環施設２０について本明細書で述べたものと同様に動作するが、アノード１１内での炭化を防止するために燃料（ＣＨ4）は、図６に示される点４−１ａにて改質された後に、図６に示される点４−１ｂにてアノードの下流側に導入することができる点が異なる。一実施形態によれば燃料の改質は、図４に示されるものなどのプロセス／構成を用いて残留Ｈ2の部分をＯＲＣ１３に送ることによって達成される。
【００２７】
要約として本明細書では、隔離のため、またはプロセスの総合効率をさらに向上するために電力を発生するのに用いるために、同時にほぼ純粋なＣＯ2の流れを分離しながら固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の全体的性能を高めるためのシステムおよび方法について述べてきた。システムおよび方法は有利には、同時の炭素捕捉を有して、ＳＯＦＣ効率を５０％より高くまで向上させる。本明細書の原理を用いた特定の実施形態は、結果として６０％までのおよびそれより高い固体酸化物形燃料電池効率を生じる。
【００２８】
本明細書では本発明のいくつかの特徴のみについて示し説明したが、当業者には多くの変更および変形が思い付くであろう。したがって添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨に包含されるものとして、すべてのこのような変更および変形を包括するものであることが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００２９】
１０  固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）再循環施設
１１  アノード
１２  カソード
１３  有機ランキンサイクル、ＯＲＣ
１４  圧縮機
１５  膨張器
１６  熱交換器
１９  復熱器
２０  固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）再循環施設
２２  電動冷却ユニット
２４  液体ＣＯ2
２６  固体ＣＯ2
３０  固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）再循環施設
４０  固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）再循環施設
４２  改質装置
４４  水性ガスシフト装置
５０  圧縮−膨張プロセス
６０  固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）再循環施設
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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