(57)【要約】本発明は、燃料電池システム（２）の廃ガス後処理システム（１ａ、１ｂ）に関し、燃料電池システム（２）のプロセス廃ガスから廃ガス凝縮物を生成するための凝縮部（３）と、凝縮部（３）の下流に配置され、生成された廃ガス凝縮物を収集するための収集部（７）と、燃料電池システム（２）内に負圧を生成することによって、燃料電池システム（２）から凝縮部（３）にプロセス廃ガスを吸引するための吸引装置（４）と、収集部（７）の下流に配置され、生成された廃ガス凝縮物を精製するための精製部（５）と、廃ガス凝縮物を燃料電池システム（２）に再循環するためのバルブアセンブリ（６）と、を備え、バルブアセンブリ（６）は、再循環が遮断される遮断状態と、燃料電池システム（２）内の負圧によって廃ガス凝縮物が再循環される少なくとも１つの通過状態と、の間で切り替えられ得る。本発明は、さらに、燃料電池システム（２）と、本発明による廃ガス後処理システム（１ａ、１ｂ）と、を備える反応器システム及び燃料電池システム（２）の廃ガス後処理方法に関する。
2021507456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システム（２）の廃ガス後処理システム（１ａ、１ｂ）であって、
前記燃料電池システム（２）のプロセス廃ガスから廃ガス凝縮物を生成するための凝縮部（３）と、
前記凝縮部（３）の下流に設けられ、生成された前記廃ガス凝縮物を収集するための収集部（７）と、
前記燃料電池システム（２）内に真空を生成することによって、前記燃料電池システム（２）から前記凝縮部（３）にプロセス廃ガスを吸引するための吸引装置（４）と、
前記収集部（７）の下流に設けられ、生成された前記廃ガス凝縮物を精製するための精製部（５）と、
精製された廃ガス凝縮物を前記燃料電池システム（２）に再循環するためのバルブアセンブリ（６）と、を備え、
前記バルブアセンブリ（６）は、再循環が遮断される遮断状態と、廃ガス凝縮物が前記燃料電池システム（２）内の前記真空によって再循環される少なくとも１つの通過状態と、の間で切り替えられる、廃ガス後処理システム。
【請求項２】
前記収集部（７）は、前記収集された廃ガス凝縮物の少なくとも一時的な保管のためのバッファリザーバを有することを特徴とする、請求項１に記載の廃ガス後処理システム（１ａ、１ｂ）。
【請求項３】
前記廃ガス凝縮物を前記収集部（７）から前記精製部（５）に吸い上げるためのポンプ（８）は、前記収集部（７）の下流であって、前記精製部（５）の上流に配置されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の廃ガス後処理システム（１ａ、１ｂ）。
【請求項４】
精製された廃ガス凝縮物を保管するための再循環リザーバ（９）は、前記精製部（５）の下流であって、前記バルブアセンブリ（６）の上流に配置されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の廃ガス後処理システム（１ａ、１ｂ）。
【請求項５】
所定量の精製された廃ガス凝縮物を前記燃料電池システム（２）に設定するための流量計（１０）は、前記再循環リザーバ（９）の下流であって、前記バルブアセンブリ（６）の上流に配置されることを特徴とする、請求項４に記載の廃ガス後処理システム（１ａ、１ｂ）。
【請求項６】
前記再循環リザーバ（９）を換気するための換気バルブ（１３）は、前記再循環リザーバ（９）に配置されることを特徴とする、請求項４又は５に記載の廃ガス後処理システム（１ｂ）。
【請求項７】
前記再循環リザーバ（９）から前記再循環リザーバ（９）の前記周囲（１１）への前記所定量の精製された廃ガス凝縮物のための出口バルブ（１４）は、前記再循環リザーバ（９）に配置されることを特徴とする、請求項４乃至６のいずれか１項に記載の廃ガス後処理システム（１ｂ）。
【請求項８】
前記凝縮部（３）は、前記廃ガス凝縮物を生成するための熱交換器を有することを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の廃ガス後処理システム（１ａ、１ｂ）。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の廃ガス後処理システム（１ａ、１ｂ）と、固定燃料電池システム（２）と、を備え、前記固定燃料電池システムによって、前記プロセス廃ガスが生成される、反応器システム。
【請求項１０】
燃料電池システム（２）の廃ガス後処理方法であって、
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の廃ガス後処理システム（１ａ、１ｂ）を有し、
前記方法は、
前記吸引装置（４）により、前記燃料電池システム（２）内に真空を生成することによって、前記燃料電池システム（２）から前記凝縮部（３）にプロセス廃ガスを吸引するステップと、
前記凝縮部（３）から、前記廃ガス凝縮物を精製するための前記精製部（５）に、生成された前記廃ガス凝縮物を導くステップと、
前記バルブアセンブリの上流から前記バルブアセンブリの下流に向けて圧力が低下している間、前記バルブアセンブリ（６）を前記通過状態に設定するステップと、を含む方法。
【請求項１１】
前記燃料電池システム（２）の圧力が前記精製部（５）内及び／又は前記精製部（５）における圧力、及び／又は、前記再循環リザーバ（９）内及び／又は前記再循環リザーバ（９）における圧力よりも低く設定されている間、前記精製された廃ガス凝縮物は、前記精製部（５）から前記燃料電池システム（２）に再循環されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記バルブアセンブリ（６）の前記通過状態は、前記廃ガス凝縮物の不連続的な再循環のために所定の開放期間に設定されることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムのための廃ガス後処理システム、廃ガス後処理システム及び固定燃料電池システムを有する反応器システム、並びに、燃料電池システムのための廃ガス後処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特に、本発明は、固定高温燃料電池システムのための廃ガス後処理システムに関する。当業者であれば、高温燃料電池システムが溶融炭酸塩燃料電池システム又はＭＣＦＣシステムを意図したものであると理解されるであろう。溶融炭酸塩燃料電池システム又はＭＣＦＣシステムは、例えば、約５８０℃〜６７５℃の動作温度で動作する。このような種類の燃料電池において、通常、電解質として、リチウムと炭酸カリウムとからなる混合アルカリ金属炭酸塩溶融物が使用される。
【０００３】
固体酸化物燃料電池システム又はＳＯＦＣシステムは、同様に、高温燃料電池システムである。ＳＯＦＣシステムは、約６５０℃〜１０００℃の動作温度で動作する。このような電池タイプの電解質は、酸素イオンを伝導可能であるが、電子に対して絶縁効果を有する固体セラミック材料からなる。電極、すなわち、カソード及びアノードは、電解質層の両側に設けられる。電極はガス透過性導電体である。酸素イオン伝導性電解質は、例えば、エネルギーをほとんど消費せずに酸素イオンを移すことができるように、薄い膜として提供される。電解質とは反対側のカソードの外側は、空気によって取り囲まれ、外側のアノード側は、燃焼ガスによって取り囲まれる。一般的に、未使用の空気及び未使用の燃焼ガス、並びに、プロセス廃ガスの形式の燃焼生成物は、吸い出される。
【０００４】
従来技術として知られている燃料電池システムでは、抽出されたプロセス廃ガスは、燃料電池システムの周囲に直接排出され、及び／又は、廃ガス凝縮物として、少なくとも部分的に凝縮され、適切な保管容器に保管される。上述した廃ガス凝縮物は、クロム及び／又はニッケルのような汚染物質で汚染されている可能性があることから、適切に廃棄される必要がある。これは、燃料電池システムの動作シーケンスにおける介入を引き起こす可能性があり、これは、燃料電池システムの望ましくない一時的な停止につながる。さらに、保管容器を空にすること又は交換することは、出来る限り避けなければならない労力に関連する。
【０００５】
国際公開ＷＯ２０１０／０９６０２８Ａ１は、廃ガス凝縮物が燃料電池システムにおいて局所的に精製される燃料電池システムのための凝縮物処理システムを開示している。より正確には、水タンクに保管された凝縮物は、水タンクの下流に配置されるフィルタシステムによって精製され、蒸発器を介して燃料電池システムの加熱領域に戻される。しかしながら、ＷＯ２０１０／０９６０２８Ａ１によれば、これは、複雑なライン及びポンプシステムを必要とし、設置スペースを必要とするだけでなく、対応するコストにも関連する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、上述の問題の少なくとも一部を考慮することである。特に、本発明の目的は、燃料電池システムの周囲への汚染物質の排出を、簡略的、効率的かつ信頼性のある方法で防止することができると共に、燃料電池システムをできるだけ効率的かつ中断することなく動作することのできる、廃ガス後処理システム、反応器システム、及び、燃料電池システムの廃ガス後処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、特許請求の範囲によって達成される。特に、上記目的は、請求項１に記載の廃ガス後処理システム、請求項９に記載の反応器システム、及び、請求項１０に記載の方法によって達成される。本発明のさらなる利点は、従属請求項、説明、及び、図面から明らかになるであろう。ここで、廃ガス後処理システムに関して記載される特徴及び詳細は、当然、本発明による反応器システム、本発明による方法に関連して適用され、それぞれの場合において、その逆も同様であり、したがって、開示に関して、本発明の個々の態様を相互に参照する又は常に参照することができる。
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、燃料電池システムのための廃ガス後処理システムが利用可能になる。廃ガス後処理システムは、燃料電池システムのプロセス廃ガスから廃ガス凝縮物を生成するための凝縮部と、凝縮部の下流に配置され、生成された廃ガス凝縮物を収集するための収集部と、を有する。さらに、廃ガス後処理システムは、燃料電池システム内に真空（負圧）を生成することによって、燃料電池システムから凝縮部にプロセス廃ガスを吸引する吸引装置を有する。廃ガス後処理システムは、さらに、収集部の下流に配置され、生成された廃ガス凝縮物を精製するための精製部と、精製された廃ガス凝縮物を燃料電池システムに再循環させるためのバルブアセンブリとを有する。バルブアセンブリは、再循環が遮断される遮断状態と、廃ガス凝縮物が燃料電池システム内の真空によって再循環され得る少なくとも１つの通路状態と、の間で切り替えられ得る。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の文脈において、吸引装置によって精製された真空は、生成された廃棄ガス凝縮物をプロセス水として簡略的かつ効率的な方法で燃料電池システムに戻すために、燃料電池システムにおいて使用され得ることが発見された。本発明によれば、燃料電池システム内の真空によって燃料電池システムに吸引された生成された廃ガス凝縮物による受動的再循環が用いられる。凝縮物の再循環のために付加的に必要とされるポンプシステムを省略することが可能である。これにより、既存の廃ガス後処理システムを特に低コストかつ省スペースで実施することが可能である。吸引装置は、凝縮部を介して燃料電池システムから廃ガス後処理システムの周囲へ廃ガス凝縮物を搬送するための流体搬送装置と解釈することができる。
【００１０】
その簡略的な構造により、図示された廃ガス後処理システムは、さらに、既存の燃料電池システムに特に容易に追加され得る。この場合、既存の燃料電池システムに実質的な変更を加える必要はない。一体化された精製部により、燃料電池システムは、さらに、汚染された廃ガス凝縮物の処分を考慮する必要なく、家庭用及び／又は商業用ユニットの固定発電装置として問題なく一体化され得る。
【００１１】
精製後に再使用するために、廃ガス凝縮物を燃料電池システムに再循環させることができるという事実により、汚染された廃ガス凝縮物の高価な処分を省くことが可能である。これにより、特に、汚染された廃ガス凝縮物の処分中に燃料電池システムの動作を中断しなければならないことを保証することが可能である。
【００１２】
廃ガス後処理システムは、固定燃料電池システム、特に、固定高温燃料電池システム、例えば、ＳＯＦＣシステムで使用するように構成されることが好ましい。凝縮部は、燃料電池システムのすぐ下流、特に「ホットボックス」と呼ばれる燃料電池システムの高温部のすぐ下流に配置されることが好ましい。吸引装置は、凝縮部のすぐ下流に配置されることが好ましい。これにより、特に効率的且つ効果的な方法でプロセス廃ガスを燃料電池システム又はホットボックスから凝縮部に吸引することが可能である。このような配置では、吸引装置は遮断バルブ機能を提供する。すなわち、このような配置により、吸引装置の上流側の一方の側で真空を維持することができ、一方、吸引装置の下流側の一方の側で周囲圧力を使用することができる。
【００１３】
精製部から燃料電池システムへの精製された廃ガス凝縮物の再循環中、燃料電池システムの少なくともいくつかの部分において、特に、燃料電池システムの高温領域において、真空が設定され、一方、過剰圧力が精製部内及び／又は精製部において設定され、周囲圧力が再循環リザーバ内及び／又は再循環リザーバにおいて設定される。
【００１４】
精製部は、廃ガス凝縮物中のクロム及び／又はニッケルなどの不要な物質を濾過するためのフィルタシステムを有する。フィルタシステムは、例えば、クロム及び／又はニッケルイオンを結合するイオン交換体（カートリッジ内の粒状樹脂）として設計することができる。精製部は、また、有利には、すべての法的限界、例えば、亜硝酸塩の限界又はｐＨ値に従うことができるように設計され得る。バルブアセンブリは、燃料電池システムの方向への廃ガス凝縮物の流れの開ループ及び／又は閉ループ制御を遮断又は可能にするように構成される。この目的のために、バルブアセンブリは、遮断バルブ又は流量制御バルブを有することが好ましい。遮断状態において、精製部から燃料電池システムへの流路が少なくとも１点で遮断される。精製部とバルブアセンブリとの間に、別の機能構成要素を配置することができる。バルブアセンブリの通過状態において、燃料電池システム内の真空によって、バルブアセンブリを介して精製された廃ガス凝縮物を精製部から燃料電池システム内に吸引することができる。別の機能構成要素をバルブアセンブリと精製部との間に配置することができる。別の機能構成要素を介して、廃ガス凝縮物が精製部から燃料電池システムへの途中を通過することができるか、又は、通過しなければならない。すなわち、バルブアセンブリが精製部の下流に配置されているという事実は、バルブアセンブリが精製部のすぐ下流に、すなわち、間に配置される廃ガス後処理システムの機能構成要素がない状態で配置されることを意味すると解釈する必要はない。
【００１５】
プロセス廃ガスはプロセスガスを含む。ホットボックス内であっても、アノード廃ガスは、カソード廃ガスと混合され、燃料残留物は、オキシキャット（ｏｘｉｃａｔ）内で燃焼される。その結果、廃ガス冷却器内で凝縮するプロセス廃ガスは、一般的に、いかなる燃焼ガスも含まなくなる。凝縮部を介して、廃ガス凝縮物を収集部の方向に運ぶことができ、凝縮されていないプロセス廃ガスを廃ガス後処理システムの周囲に運ぶことができる。
【００１６】
本発明の別の実施形態によれば、収集部は、収集された廃ガス凝縮物の少なくとも一時的な保管のためのバッファリザーバを有することが可能である。バッファリザーバは、存在する凝縮物が少なすぎると廃ガスが精製部に吸い上げられないことを保証する。バッファリザーバは、ポンプが作動しているときに搬送され得る最小量を保証する。特に、バッファリザーバは、精製部の方向への廃ガス凝縮物の流量を可能な限り均一にすることができ、その結果、精製部が最適に機能する流量及び圧力を均一に供給することができるだけでなく、正確に利用可能にすることもできる。バッファリザーバは、好ましくは、液体タンクとして解釈されるべきである。液体タンク又はバッファリザーバは、凝縮部から廃ガス凝縮物を受け入れるための流体入口と、一時的に保管された廃ガス凝縮物を精製部の方向に排出するための流体出口と、を有することができる。
【００１７】
さらに、本発明による廃ガス後処理システムの場合には、廃ガス凝縮物を収集部から精製部内に吸い上げるポンプを、収集部の下流であって、精製部の上流に配置することが可能である。本発明によれば、ポンプは二重機能を果たす。一方では、ポンプによって、所定量の廃ガス凝縮物を収集部から又はバッファリザーバから精製部に常に搬送することができる。他方では、ポンプはバルブ機能を有しており、その手段によって、収集部、凝縮部、及び、ポンプの上流の燃料電池システム、及び／又は、ポンプの下流の精製部において、所望の圧力レベルを維持することができる。しかしながら、安全性をさらに高めるために、追加のチェックバルブを設けることも可能である。ポンプの上流では、特に、真空を維持することができ、一方、高圧又は過圧は、ポンプのポンプ処理によって、ポンプの下流に配置される少なくともいくつかの部分において、維持及び／又は生成することができる。この圧力勾配は、所望の廃ガス凝縮物の再循環にプラスの影響を与える。この目的のために、ポンプは、容積式ポンプとして構成されることが好ましい。
【００１８】
さらに、本発明による廃ガス後処理システムの場合には、精製された廃ガス凝縮物を保管するための再循環リザーバを精製部の下流であって、バルブアセンブリの上流に配置することが可能である。再循環リザーバを用いて、できるだけ均一及び／又は所定の廃ガス凝縮物の再循環流量を設定することができる。再循環リザーバにより、廃ガス凝縮物の再循環は、精製部の精製動作とは比較的独立した方法で実行され得る。すなわち、精製部が非作動状態の間、ポンプは、いかなる廃ガス凝縮物も収集部から精製部に一時的に吸い上げないので、それにもかかわらず又は特にそのような状態で保管された精製された廃ガス凝縮物は、再循環リザーバから燃料電池システムに導かれ又は吸引され得る。再循環リザーバは、精製された廃ガス凝縮物の一時的な保管のための別のバッファリザーバとして、解釈され得る。
【００１９】
さらに、本発明の１つの設計変形例の場合には、燃料電池システムに再循環される廃ガス凝縮物の規定量を設定するための流量計を、再循環リザーバの下流であって、バルブアセンブリの上流に配置することが可能である。流量計を用いて、燃料電池システム内への過度に高い又は過度に低い再循環量を防止することができ、それに応じて、燃料電池システムを保護することができる。さらに、流量計を使用して、再循環リザーバが燃料電池システムの方向へ非常に速く及び／又は非効率的に空になることを防止することも可能である。代替的に又は付加的に、水を選択的に添加することによって、効率性を高めることもできる。
【００２０】
さらに、本発明による廃ガス後処理システムでは、再循環リザーバを換気するための換気バルブを再循環リザーバに配置することが可能である。換気バルブによって、再循環リザーバ、したがって、バルブアセンブリの上流における所望の圧力を常に簡単な方法で確保することができる。それにより、バルブアセンブリが開いているとき、再循環リザーバと燃料電池システムとの間の所望の圧力勾配を可能にすることが簡単な方法で可能となる。したがって、追加のポンプを必要とすることなく、廃ガス凝縮物を常に再循環リザーバから燃料電池システムに吸引することが可能となる。
【００２１】
本発明の別の実施形態によれば、再循環リザーバから再循環リザーバの周囲への精製された廃ガス凝縮物の所定の排出のための出口バルブが、廃ガス後処理システム内の再循環リザーバに配置されることが可能である。再循環リザーバ内に十分な量の精製された廃ガス凝縮物が存在する、又は、再循環リザーバ内に最大許容量の廃ガス凝縮物が存在するとすぐに、出口バルブを通過状態に切り換えるか又は開くことができる。これにより、例えば、再循環リザーバの過剰充填を防止するために、精製部の動作を中断する必要性を防止することが可能である。出口バルブは、再循環リザーバの下流の別個の流体ラインに配置されることが好ましい。しかしながら、出口バルブを再循環リザーバの上流に配置することもできる。その結果、この時点で、再循環リザーバへのバイパスが形成される。このようにして、再循環リザーバに到達する前であっても、精製された廃ガス凝縮物を精製部から再循環リザーバ又は廃ガス後処理システムの周囲に直接向けることができる。
【００２２】
本発明による廃ガス後処理システムでは、凝縮部は、廃ガス凝縮物を生成するための熱交換器又は伝熱装置を有することができる。すなわち、熱交換器は、燃料電池システムのプロセス廃ガスから廃ガス凝縮物を生成するように配置及び構成されている。本発明の範囲内の実験において、熱交換器は、特に効率的かつ効果的な方法で所望の凝縮に好適であることが見出された。燃料電池システム及び吸引装置が熱交換器の１つの低温側又は複数の低温側に面するように、熱交換器は廃ガス後処理システム内に配置されることが好ましい。熱交換器の１つの高温側又は複数の高温側を提供するために、前記熱交換器は、適切な加熱源を備えることができ、特に、それと流体的に接続することができる。交換器を加熱するために、交換機を燃料電池システムの加熱源に流体的に接続することができる。この加熱源は、唯一又は追加の加熱源としての役割を果たすことができる。次いで、燃料電池システムの加熱源は、熱交換器の高温側に対応する方法で流体的に接続される。このようにして、特に、燃料電池システムの高温のプロセス流体によって熱交換器を加熱することができる。
【００２３】
熱交換器は、原則として、システムからの廃熱を利用するように設計され配置されている。熱エネルギーは、例えば、廃ガス熱交換器を介してシステム及び／又はボイラーに供給され得る。冷却温度が低いほど、システム全体の効率が向上する。水の凝縮により、燃料の発熱量を利用することができるため、効率をさらに高める。ＳＯＦＣの廃ガスは、熱交換器の高温側を介して通過する。ほとんどの用途では、特に、冷却は、冷房に使用される建物システムの水で行われる。
【００２４】
本発明の別の態様によれば、上記に詳細に説明した廃ガス後処理システムとプロセス廃ガスが生成される固定燃料電池システムとを有する反応器システムが提供される。したがって、本発明による反応器システムは、本発明による廃ガス後処理システムを参照して詳細に説明した利点と同じ利点を提供する。特に、反応器システムの燃料電池システムは、固定燃料電池システムとして、好ましくは、固定ＳＯＦＣシステムとして構成される。したがって、固定発電装置として燃料電池システムを解釈することができる。
【００２５】
さらに、上記に詳細に説明した廃ガス後処理システムを有する燃料電池システムのための廃ガス後処理方法が利用可能になる。この方法は、以下のステップを含む。
‐吸引装置によって、燃料電池システム内に真空を生成することによって、燃料電池システムから凝縮部にプロセス廃ガスを吸引するステップ、
‐凝縮部から生成された廃ガス凝縮物を、廃ガス凝縮物を精製するための精製部に導くステップ、
‐バルブアセンブリの上流からバルブアセンブリの下流に向けて圧力が低下している間、バルブアセンブリを通過状態に設定するステップ。
【００２６】
したがって、本発明による方法は、本発明による廃ガス後処理システムを参照して詳細に説明した利点と同じ利点を提供する。本発明の範囲内の実験において、燃料電池システムから廃ガスを吸引することによって０．９バール〜１バールの間の範囲の真空が燃料電池システム内に生成されると、廃ガス凝縮物の特に有利な再循環を達成することができることが見出された。バルブアセンブリの上流からバルブアセンブリの下流に向けて圧力が低下している間、バルブアセンブリが通過状態に設定されると、精製された廃ガス凝縮物は、開放されたバルブアセンブリの上流に配置された燃料電池システムに、すなわち、任意選択で流量計を介して精製部から又は再循環リザーバから自動的に吸引され得る。この場合、好ましくは、所定量の精製された廃ガス凝縮物が再循環リザーバ内に存在する場合にのみ通過状態に設定されるように、バルブアセンブリは設定される。これにより、燃料電池システムがこの時点で空気も吸引しないようにすることが可能であり、その結果、燃料電池システムが損傷する可能性があり、及び／又は、真空状態が失われる可能性がある。
【００２７】
さらに、本発明による方法の場合には、燃料電池システム内が精製部内及び／又は精製部及び／又は再循環リザーバ内及び／又は再循環リザーバよりも低い圧力に設定されている間、精製された廃ガス凝縮物を精製部から燃料電池システムに再循環させることが可能である。特に、真空は、好ましくは、ポンプによって、精製部内及び／又は精製部に生成され、一方、周囲圧力は、優勢であるか、又は、再循環リザーバの領域に設定される。精製された廃ガス凝縮物が燃料電池システムに再循環されるとすぐに、この状態において、ポンプを遮断状態に切り替え、バルブアセンブリを通過状態に切り替えることが可能である。
【００２８】
本発明の別の設計変形例によれば、方法の場合には、廃ガス凝縮物の不連続的な再循環のために、バルブアセンブリの通過状態を所定の開放持続時間に設定することが可能である。これにより、燃料電池システムに過剰な廃ガス凝縮物が供給されるのを自動的に防止することが可能になる。好ましくは、燃料電池システムの動作状態及び／又は再循環リザーバの充填状態に応じて、開放持続時間を設定又は事前定義することができる。しかしながら、連続的な再循環がより有利であると考えられる。
【００２９】
本発明を改善するさらなる手段は、図面に概略的に示される本発明の様々な例示的な実施形態の以下の説明から明らかになるのであろう。特許請求の範囲、説明又は図面から明らかになる特徴及び／又は利点は、すべて、設計の詳細及び空間的配置を含めて、それ自体又は様々な組み合わせのいずれかで本発明に不可欠であり得る。以下の図は、それぞれ概略図である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施形態による廃ガス後処理システムと燃料電池システムとを有する反応器システムを示す。
【図２】本発明の第２実施形態による廃ガス後処理システムと燃料電池システムとを有する反応器システムを示す。
【図３】本発明による方法を説明するためのフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１〜図３において、同一の機能及び動作モードを有するエレメントには、それぞれ同一の参照符号が付されている。
【００３２】
図１は、燃料電池システム２と、それに接続された廃ガス後処理システム１ａとを有する反応器システムを示す。燃料電池システム２は、ホットボックスと呼ばれる高温部１２を有する。プロセス廃ガスは、この高温部から廃ガス後処理システム１ａに導かれる又は吸引され得る。廃ガス後処理システム１ａは、燃料電池システム２のプロセス廃ガスから廃ガス凝縮物を生成するための熱交換器の形態の凝縮部３を有する。廃ガス後処理システム１ａは、さらに、生成された廃棄ガス凝縮物を収集するための収集部７を凝縮部３の下流に有する。収集部７は、収集された廃ガス凝縮物の少なくとも一時的な保管のためのバッファリザーバを有する。
【００３３】
廃ガス後処理システム１ａは、さらに、燃料電池システム２内に真空を生成ことによって、プロセス廃ガスを燃料電池システム２から凝縮部３内に吸引する吸引装置４を有する。吸引装置４は、凝縮部の低温側では、低温のためより安定的かつより効率的に動作可能であることから、凝縮部４のすぐ下流に配置される。したがって、吸引装置４によって、凝縮部３を介して、凝縮されていないプロセス廃ガスを反応器システムの周囲に吸引又は導くことが可能である。
【００３４】
廃ガス後処理システム１ａは、さらに、生成された廃ガス凝縮物を精製するための精製部５を収集部７の下流に有する。廃ガス凝縮物を収集部７から精製部５に吸い上げるためのポンプ８は、精製部５の上流であって、凝縮部３の下流に配置される。廃ガス後処理システム１ａは、さらに、精製された廃ガス凝縮物を燃料電池システム２内に再循環させるためのバルブアセンブリ６を有する。バルブアセンブリ６は、再循環が遮断される遮断状態と、廃ガス凝縮物が燃料電池システム２内の真空によって再循環され得る少なくとも１つの通過状態と、の間で切り替えられ得る。
【００３５】
精製された廃ガス凝縮物を保管するための再循環リザーバ９は、精製部５の下流であって、バルブアセンブリ６の上流に配置される。燃料電池システム２に再循環される廃ガス凝縮物の規定量を設定するための流量計１０は、再循環リザーバ９の下流であって、バルブアセンブリ６の上流に配置される。
【００３６】
図１は、反応器システムの動作状態を示す。反応器システムの動作状態において、バルブアセンブリ６が通過状態の場合、精製された廃ガス凝縮物は、制御された方法で、再循環リザーバから燃料電池システム２に吸引される。この場合、図１に示すように、燃料電池システム２、凝縮部３、及び、収集部７は、真空領域Ｕ内に配置され、精製部５は、高圧領域Ｈ内に配置され、再循環リザーバ、流量計１０、及び、バルブアセンブリ６は、周囲圧力領域内に配置される。その結果、それぞれの機能構成要素は、同様に、対応する圧力状態にある。高圧領域Ｈは、真空領域Ｕ及び周囲圧力領域Ａよりも高い圧力を有する反応器システムの領域として理解されるべきである。
【００３７】
図２は、本発明の第２実施形態による廃ガス後処理システム１ｂを有する反応器システムを示す。図２に示す廃ガス後処理システム１ｂでは、再循環リザーバ９を換気するための換気バルブ１３が閉鎖した再循環リザーバ９に配置される。再循環リザーバ９から再循環リザーバ９の周囲１１へ所定量の精製された廃ガス凝縮物を排出するための出口バルブ１４は、さらに、再循環リザーバ９の下流に配置される。精製された廃ガス凝縮物は、例えば、送管を介して周囲に排出され得る。送管内の凝縮物の蓄積を避けるために、戻りラインが送管に直接設けられる。戻りラインを介して、凝縮物は、送管から収集部７に吸引される。これにより、凝縮物は、収集部７に収集され、生成された廃ガス凝縮物と共に排出される。これにより、アノード廃ガスは、それでも送管に到達し、そこで凝縮する場合、周囲に排出される前にシステム内に再循環されることが保証される。もちろん、この戻りラインを図１に示す実施形態に設けることができる。真空下での周囲１１の動作を回避するために、一方向換気バルブを設置することも有利であり得る。この場合、出口バルブ１４は、固定値に設定される圧力放出バルブとして設計され得る。
【００３８】
次に、図３を参照して、図１に示すような廃ガス後処理システム１ａを有する燃料電池システム２の廃ガス後処理方法を説明する。第１のステップＳ１において、プロセス廃ガスは、吸引装置４によって、燃料電池システム２内に真空が生成されることによって、燃料電池システム２から凝縮部３に吸引される。この目的のために、バルブアセンブリ６は、遮断状態に切り換えられる。
【００３９】
第２のステップＳ２において、生成された廃ガス凝縮物は、凝縮部３から廃ガス凝縮物を精製するための精製部５に導かれる。
【００４０】
燃料電池システム２又は燃料電池システム２の高温部１２への精製された廃ガス凝縮物の再循環のために、第３のステップにおいて、バルブアセンブリ６の上流から下流に向けて圧力が低下する間、バルブアセンブリ６は、通過状態に切り替えられる。図示された実施形態によれば、燃料電池システム２において、精製部５及び再循環リザーバ９よりもより低い圧力が設定されると、精製された廃ガス凝縮物は、精製部５から燃料電池システム２に再循環される。この場合、バルブアセンブリ６の通過状態は、燃料電池システム２の動作状態及び再循環リザーバ９の充填レベルに応じて、廃ガス凝縮物の不連続な再循環のために、所定の開放期間に設定される。
【００４１】
例示された実施形態に加えて、本発明は、さらなる構成原理を許容する。すなわち、本発明は、例示された実施形態に限定されると解釈されるべきではない。
【符号の説明】
【００４２】
１ａ、１ｂ    廃ガス後処理システム
２            燃料電池システム
３            凝縮部
４            吸引装置
５            精製部
６            バルブアセンブリ
７            収集部
８            ポンプ
９            再循環リザーバ
１０          流量計
１１          周囲
１２          高温部
１３          換気バルブ
１４          出口バルブ
Ａ            周囲圧力
Ｈ            高圧
Ｕ            真空
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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