(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
‐アノード（３）及びカソード（４）を備え、該アノード（３）と該カソード（４）との間に電解質（５）が配置されている燃料電池（２）と、
‐アノード排ガスを再循環させるためのアノード回路（７）と、
‐前記アノード回路（７）から水を除去するための少なくとも１つの水セパレータ（１１）と、
を備え、
‐除去すべき水の量が、選択すべき、前記水セパレータ（１１）の下流における前記アノード排ガス中の酸素原子の炭素原子に対する比（Ｏ／Ｃ比）に基づいて調節可能であることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池システム（１）は、前記水セパレータ（１１）の少なくとも一部を温度調整するための温度調整手段を備える、請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池システム（１）は、並列接続されている２つの水セパレータ（１１）を備える、請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池システム（１）は、前記水セパレータ（１１）をカソードガスにより温度調整するために、カソードガス供給ライン（２４）のバイパス案内部（２５）を備える、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池システム（１）は、前記アノード回路（７）に前記水セパレータ（１１）の下流及びアノード入口（１０）の上流において熱的に結合される、前記アノード排ガスを温度調整するための第２の温度調整手段を備える、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第２の温度調整手段は、前記アノード排ガスを加熱する、請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池システム（１）は、前記水セパレータ（１１）の上流及び／又は下流において前記アノード回路（７）内に配置される、前記アノード排ガス中の水含有量を求める少なくとも１つのセンサを備える、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池システム（１）は、アノードガスを処理するための改質器（１６）を備える、請求項１から７までのいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池システム（１）を運転する方法であって、
‐アノードガスをアノード（３）に導き、
‐カソードガスをカソード（４）に導き、
‐アノード排ガスの少なくとも一部を前記アノード（３）に再循環させ、
‐前記アノード排ガス中に含まれる水の少なくとも一部を水セパレータ（１１）により除去し、除去する水の量を、選択すべき、前記水セパレータ（１１）の下流における前記アノード排ガス中の酸素原子の炭素原子に対する比（Ｏ／Ｃ比）に基づいて調節する、
という方法ステップを備えることを特徴とする、燃料電池システムを運転する方法。
【請求項１０】
Ｏ／Ｃ比を０．５以上に調節する、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
Ｏ／Ｃ比を１．６以上に調節する、請求項９又は１０記載の方法。
【請求項１２】
Ｏ／Ｃ比を１．８以上に調節する、請求項９から１１までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１３】
Ｏ／Ｃ比を１．８以上２．０以下に調節する、請求項９から１２までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１４】
前記除去する水の量を、前記水セパレータ（１１）の温度調整により調節する、請求項９から１３までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムを運転する方法に関する。本発明は、特にアノードガス再循環が脱水に関して改善された燃料電池システムに係る。
【背景技術】
【０００２】
電流及び熱を提供する際の二酸化炭素排出を低減させる可能性のため、コージェネレーション（Ｋｒａｆｔ−Ｗａｅｒｍｅ−Ｋｕｐｐｌｕｎｇ）は、エネルギ市場においてますます重要な役割を果たしている。その際、特にセラミック製のセルあるいは例えば６５０℃〜１０００℃の高温で運転可能な固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に基づく燃料電池システムは、その高い電気的な効率及び大抵の場合長い寿命のために特別な関心が持たれている。
【０００３】
例えば固体酸化物形燃料電池は、大抵の場合、理論的に可能な値を下回る燃焼ガス利用度（Ｂｒｅｎｎｇａｓｎｕｔｚｕｎｇｓｇｒａｄ）で運転される。例えば、約６５〜７０％の値が達成される。したがって、燃焼ガスあるいはアノードガスの一部は、反応することなく、未使用のままアノード排ガスとしてアノード出口から再び流出する。
【０００４】
例えば燃料電池の燃焼ガス利用及び効率を高めるために、例えばアノードガスのために、アノード室の出口から流出したアノード排ガスをアノードガス回路内で再びアノード室の入口に戻し案内することが好ましい場合がある。その際、アノード排ガス中に含まれる水を例えば水分離器の使用によりアノード排ガスから除去することが好ましい場合がある。
【０００５】
下記特許文献１において、燃料電池システムを運転する方法が公知である。この種の方法では、アノード室とカソード室とを備える高分子電解質形燃料電池が運転される。その際、アノード室は、アノード排ガスの回路案内が実現されているアノード回路内に配置されている。こうして、アノード室の領域から流出した未使用のガスは、アノード室内に戻し案内可能である。再循環管路の領域には、水分離器が設けられている。水分離器において、燃料電池の運転中に形成される液状の水が、アノード回路から集められる。
【０００６】
下記特許文献２において、アノード反応物を処理する方法及び燃料電池システムのためのアノード水分離器が公知である。特許文献２は、アノード排ガスから凝縮水が水分離器により除去可能であることを開示している。その際、水分離器は、複数のバッフルプレートを有していることができる。バッフルプレートに沿って処理流が流れる。その際、バッフルプレートは、処理流を妨げる。これにより、凝縮した水は、バッフルプレートに集まり、処理流から除去可能である。
【０００７】
下記特許文献３において、固体電解質形燃料電池から流出する排ガスの少なくとも一部を、再生熱交換器及び凝縮器を介して燃料電池アノード入口に戻し案内する固体電解質形燃料電池発電システムが公知である。凝縮器は、特に冷却水によって冷却され、凝縮した水を排ガス流から除去するために役立つ。温度の調節により、凝縮する水の体積は、調節可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ＤＥ１０２００９０３６１９７Ａ１号
【特許文献２】ＤＥ１０２０１０００９００４Ａ１号
【特許文献３】ＤＥ６９９１７１１７Ｔ２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題は、脱水に関して改善されたアノードガス再循環特性を有する燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムでは、
‐アノード及びカソードを備え、アノードとカソードとの間に電解質が配置されている燃料電池と、
‐アノード排ガスを再循環させるためのアノード回路と、
‐アノード回路から水を除去するための少なくとも１つの水セパレータと、
を備え、
‐除去すべき水の量が、選択すべきＯ／Ｃ比に基づいて調節可能であるようにした。
【００１１】
好ましい態様において、燃料電池システムは、水セパレータの少なくとも一部を温度調整するための温度調整手段を備える。
【００１２】
好ましい態様において、燃料電池システムは、並列接続されている２つの水セパレータを備える。
【００１３】
好ましい態様において、燃料電池システムは、水セパレータをカソードガスにより温度調整するために、カソードガス供給ラインのバイパス案内部を備える。
【００１４】
好ましい態様において、燃料電池システムは、アノード回路に水セパレータの下流及びアノード入口の上流において熱的に結合される、アノード排ガスを温度調整、特に加熱するための温度調整手段を備える。
【００１５】
好ましい態様において、燃料電池システムは、水セパレータの上流及び／又は下流においてアノード回路内に配置される、アノード排ガス中の水含有量を求める少なくとも１つのセンサを備える。
【００１６】
好ましい態様において、燃料電池システムは、アノードガスを処理するための改質器を備える。
【００１７】
さらに上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムを運転する方法では、
‐アノードガスをアノードに導き、
‐カソードガスをカソードに導き、
‐アノード排ガスの少なくとも一部をアノードに再循環させ、
‐アノード排ガス中に含まれる水の少なくとも一部を水セパレータにより分離し、分離する水の量を、選択すべきＯ／Ｃ比に基づいて調節する、
という方法ステップを備えるようにした。
【００１８】
好ましい態様において、Ｏ／Ｃ比を０．５以上、特に１．６以上、例えば１．８以上、例えば１．８以上２．０以下に調節する。
【００１９】
好ましい態様において、分離する水の量を、水セパレータの温度調整により調節する。
【００２０】
本発明は、燃料電池システムであって、
‐アノード及びカソードを備え、アノードとカソードとの間に電解質が配置されている燃料電池と、
‐アノード排ガスを再循環させるためのアノード回路と、
‐アノード回路から水を除去するための少なくとも１つの水セパレータと、
を備え、
‐除去すべき水の量が、選択すべきＯ／Ｃ比に基づいて調節可能である、
燃料電池システムを対象とする。
【００２１】
これにより、本発明に係る燃料電池システムは、中央のユニットとして燃料電池を有している。燃料電池は、その構成に関して限定されておらず、アノードあるいはカソードの種類及び材料に関して、電解質の種類及び材料に関して、かつアノードガス及びカソードガスに関して自由に選択可能であってよい。例えば燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であってよい。この場合、アノードとカソードとの間には、電解質が配置されている。これにより、アノードはカソードから、電解質によって少なくとも部分的に分離可能である。アノードが電解質によってカソードから分離可能であるとは、本発明においては、特に、分離が例えば電気的な性質にすぎず、アノードとカソードとの間のイオン伝導性の接続は、燃料電池の機能性に基づいて引き続き存在し得ることを意味していることができる。
【００２２】
さらに燃料電池システムは、アノード回路を有している。アノード回路により、アノード排ガスを再循環させ、再びアノードに供給することができる。これにより、燃料電池の燃焼ガス利用を適当に改善することができる。燃焼ガス利用度あるいは燃料電池の燃焼ガス利用ＦＵは、特に次のように規定することができる：
【数１】
0006272639.tif 000002
【００２３】
ここで、
0006272639.tif 000003
は、電流に比例する、電解質を通る酸素イオンモル流量を、
0006272639.tif 000004
は、反応相手の量に依存する、理論的に可能な酸素イオンモル流量を規定していることができる。換言すれば、燃焼ガス利用は、電流に変換される燃料の、供給される燃料に対する比として規定することもできる。スタックあるいは燃料電池積層体に関する燃焼ガス利用（ＦＵｓｔａｃｋ）では、積層体が観察され、システム全体に関する燃焼ガス利用（ＦＵｓｙｓｔｅｍ）では、システム全体が観察される。アノード再循環時、両者は異なる値をとり、再循環率ｒと次の関係にある：
【数２】
0006272639.tif 000005
【００２４】
さらに、その他の損失機構、例えば電気化学的損失及びオーム損失を考慮して、効率を推定することができる。
【００２５】
さらに、燃焼ガス利用の改善の他、アノードガス再循環により、材料、特に機能ガスを節約することができる。このことは、燃料電池の運転を特に安価にする。その際、当業者にとって、すべてのアノード排ガスが戻し案内のために使用される必要がないことは自明である。むしろ、アノード排ガスの適当な一部を再度アノードに供給することができる。アノード排ガスの残りの部分は、燃料電池システムから除去可能である。戻し案内されるアノード排ガスの部分は、例えば、新鮮なアノードガスと適当に混合させてもよい。
【００２６】
これにより、アノード排ガスの再循環により、総燃焼ガス利用、ひいては総効率を向上させることができる。しかし、再循環の増加に伴うネルンスト電圧の減少が、この効果に反作用する場合がある。これは、出発原料に加えて、反応生成物も再度アノードに供給され得るからである。これにより、生成ガスの分圧上昇がアノードにおいて生じ、発電にネガティブな影響を及ぼす場合がある。
【００２７】
この効果に対抗すべく、例えば水をアノード排ガスから除去することができる。このために燃料電池システムは、アノード回路から水を除去するための少なくとも１つの水セパレータを有している。水の除去は、アノードにおける水の生成とは無関係に、アノードガス中の反応成分の濃度を高め、これにより、やはり燃焼ガス利用を高めることができる。水セパレータは、その構成あるいは効率に関して、基本的に自由に選択可能である。例えば、水セパレータは、凝縮効果をベースとしたものであってよい。水セパレータは、例えばアノード回路内の再循環管路内に配置されていてよく、例えばアノード出口の下流、しかし、場合によっては存在する、アノード排ガスと新鮮なアノードガスとを混合させる混合ユニットの上流に配置されていてよい。
【００２８】
さらに本発明に係る燃料電池システムでは、除去すべき水の量が、選択すべきＯ／Ｃ比に基づいて調節可能である。Ｏ／Ｃ比は、総体積流量を用いて求めることができる。詳しくは、例えば、まずアノード回路内の総体積流量を測定し、再循環されるガスの組成、供給される燃料の量及び組成並びに電流についてのデータにより、Ｏ／Ｃ比を算出することができる。その際、Ｏ／Ｃ比は、水の除去により所望の通りに調節可能である。その際、相応のガスの組成は、例えばセンサ、例えば炭素センサ又は水センサを介して求めることが可能である。さらに、新鮮なアノードガスのデータ及び燃料電池の特性データにより、アノード室から流出するガス混合物を算出することができる。
【００２９】
換言すると、水分離後、あるいは水セパレータの下流において、所望のＯ／Ｃ比がアノード排ガス中に成立することができる。Ｏ／Ｃ比は、特に、相応のガス中の炭素に対する酸素の比である。特にＯ／Ｃ比が０．５以上、例えば約１．６以上、例えば１．８以上であるとき、燃料電池あるいは改質器内の部分における炭素沈着（Ｖｅｒｋｏｋｕｎｇ）の可能性は排除可能である。
【００３０】
これにより、本発明により、改質器又は燃料電池若しくはこれらの部分の活性の機能面の減少又は詰まりを回避することができる。このことは、寿命を延長する。さらに、一定の電流時及び一定の温度時の燃料電池の理論的に損失のないネルンスト電圧（Ｎｅｒｎｓｔ−Ｓｐａｎｎｕｎｇ）は、直接、燃料電池の相応のガス入口におけるＯ／Ｃ比に依存している。したがって、炭素沈着をこれにより明らかに減少させるか、又はそれどころか完全に排除するために、分離する水の量は、選択すべきＯ／Ｃ比に関して調節可能である。Ｏ／Ｃ比は、≧０．５、特に≧１．６、例えば≧１．８である。その際、当業者にとって、正確に調節すべきＯ／Ｃ比が特に、システム内あるいはアノード排ガス内の相応の温度に依存する場合があることは明らかである。
【００３１】
さらに、一態様の枠内で、燃料電池システムは、水セパレータの少なくとも一部を温度調整するための温度調整手段を備えていてもよい。これにより、除去すべき水の量は、例えば水セパレータの温度を調節することにより調節可能であることができる。有利には、水セパレータは、温度調整手段に熱的に結合されていてよい。温度調整手段と水セパレータとは、１つの共通の構成部材を形成してもよい。例えば、水セパレータの少なくとも一部、特に表面の温度は、適当に調節可能である。本発明の意味での表面は、特に、アノード排ガスと接触する面であってよい。したがって、水セパレータ全体が温度調整される必要はない。本態様では、アノード排ガスと接触する面だけの温度調節で十分な場合がある。その際、アノード排ガスが大抵の場合高温であることを利用できる。それというのも、特に、冷却された水セパレータあるいは水セパレータの冷却された表面により、水が凝縮液としてアノード排ガスから除去可能であるからである。その際、水セパレータあるいはアノード排ガスは、特に効果的な脱水を実現するために、ほぼ露点下に冷却可能である。こうして、特に簡単に、水セパレータの適当な温度調整により、除去すべき水の量を調節することが可能である。その際、温度調整あるいは水セパレータの温度の調節は、アノードガス中の水含有量の特に正確な調節に至らしめることができる。水をアノード回路から分離することにより、再循環率の上昇に伴う燃料電池のネルンスト電圧の低下を軽減し、それどころか完全に阻止することができる。
【００３２】
温度調整手段として、水セパレータあるいは特にその表面を規定通りに温度調整あるいは特に冷却可能なあらゆる素子が利用可能である。例えば、水セパレータあるいはその表面を温度調整するための温度調整ユニット、例えば冷却ユニットが設けられていてよい。
【００３３】
これにより、本態様において、アノード再循環を行う燃料電池システム内の電気的な総効率ηｎｅｔｔｏを、その際にシステム又は個々のシステムコンポーネントを損傷させたり、その機能に対して有害な影響を及ぼしたりすることなく、向上させることが可能になる。正味総効率は、正味総効率（電気的）と熱的な効率との和として規定することができる（ηｎｅｔ＝ηｎｅｔ，ｅｌ＋ηｔｈｅｒｍ）。
【００３４】
別の態様の枠内で、燃料電池システムは、並列接続されている２つの水セパレータを備えていてもよい。これにより、燃料電池の全運転時間中、アノード回路の所望の脱水の実施可能性を保証することができる。このことは、その際、水セパレータの潜在的な負荷状態又はアノード回路のパージプロセスの潜在的な負荷状態に依存しない。例えば、水セパレータ又はその水貯蔵容器の負荷が限界に達するか、又はこの状態に近づくと、弁制御を介して第２の水セパレータに切り換えることができる。その後、脱水運転は、所望の通りに継続可能である一方、第１の水セパレータは、再生される。本態様において、水セパレータは、好ましくは適当に制御可能である。つまり、アノード排ガスは、脱水を規定通りに所望の水セパレータにより実施できるように、通流可能である。このために、水セパレータは、例えばそれぞれ１つのガス管路に接続可能である。並列接続されたガス管路は、例えば弁により制御されて、アノード排ガスの通流に関して選択可能である。
【００３５】
別の態様の枠内で、燃料電池システムは、水セパレータをカソードガスにより温度調整するために、カソードガス供給ラインのバイパス案内部を備えていてもよい。本態様は、水セパレータの温度調整あるいは特に冷却の特に簡単な態様である。本態様において、通常では低温のカソードガス流が温度調整手段として機能する。これにより、付加的な温度調整ユニットは省略可能である。カソードガス流を完全にか、又は部分的に熱的に水セパレータに結合し、かつこれによりアノード排ガスの冷却あるいは温度調整を行うために、適当なバイパス案内部を設けるだけでよい。バイパス案内部等のガス案内部は、冷却を適度にあるいは適時に実施することができるように、例えば弁により制御可能である。こうして、本態様においても、水セパレータの温度調整あるいは特に冷却を所定の度合で行うことを、特に保証することができる。アノード排ガスの水含有量は、やはり特に正確に調節可能である。
【００３６】
別の態様の枠内で、燃料電池システムは、アノード回路に水セパレータの下流及びアノード入口の上流において熱的に結合される、アノード排ガスを温度調整、特に加熱するための温度調整手段を備えていてもよい。これにより、本態様においては、水セパレータの下流においてアノード排ガスの温度が下がって、引き続きアノード排ガス内に存在する水の凝縮が生じてしまうことが、特に確実に防止可能である。こうして、意図しない形で凝縮した水が、アノードガスの特性を悪化させないこと、あるいは燃料電池の燃焼ガス利用を低下させないことを保証することができる。温度調整装置は、例えば、自体公知の加熱装置であってよい。さらに燃料電池自体が、温度調整手段として働いてもよい。この場合、アノード排ガスを燃料電池の排熱により水セパレータの下流及び燃料電池の上流において温度調整あるいは加熱するために、燃料電池と特にアノード再循環管路との間に適当な熱的な結合を設けることが可能である。アノード排ガスを温度調整するための温度調整手段は、水セパレータを温度調整するための温度調整手段と同じ温度調整手段であっても、別の温度調整手段であってもよい。
【００３７】
別の態様の枠内で、燃料電池システムは、水セパレータの上流及び／又は下流においてアノード回路内に配置される、アノード排ガス中の水含有量を求める少なくとも１つのセンサを備えていてもよい。本態様においては、特に簡単に、水セパレータの機能が制御及び／又は検査可能である。水セパレータの上流に存在するセンサが設けられている場合、アノード排ガスの水含有量を求め、これにより、脱水の所望の度合を調節することができる。水セパレータの下流に存在するセンサが設けられている場合、水含有量が例えばもはや目標値に一致していないとき、水分離の度合を、特に水セパレータの温度の変更によって調整することができる。
【００３８】
別の態様の枠内で、燃料電池システムは、アノードガスを処理するための改質器を備えていてもよい。本態様は、特に、天然ガスを燃焼ガスとして作動する燃料電池の使用にとって有利である。この燃料電池では、場合によっては、天然ガス中に含まれる炭化水素化合物が、例えば高温形燃料電池のアノードにおいて反応可能でないか、又は特定条件下でのみ反応可能である場合がある。しかし、炭化水素化合物は、改質反応により例えば水素と一酸化炭素に変換可能である。その際、この種の改質は、触媒作用を有するアノード表面での反応の他、特に、アノード入口の手前に配置される改質器あるいはプレリフォーマ内で進行可能である。その際、改質反応は、水を必要とする。水は、電流が流れているときは、確かにアノードにおいて形成可能であるものの、初期設定のために、供給される燃焼ガスに付加的に混合されてもよい。したがって、特に天然ガスをベースとする燃料電池のために、所定の水含有量が有利である。その際、水量は、出力損失及び効率損失を最小化するために、可及的低く維持可能である。その際、水は、アノード燃焼ガスに、例えばアノード再循環の枠内でのアノード排ガスの一部の戻し案内により供給可能である。
【００３９】
さらに本発明の対象は、燃料電池システムを運転する方法であって、
‐アノードガスをアノードに導き、
‐カソードガスをカソードに導き、
‐アノード排ガスの少なくとも一部をアノードに再循環させ、
‐アノード排ガス中に含まれる水の少なくとも一部を水セパレータにより分離し、分離する水の量を、選択すべきＯ／Ｃ比に基づいて調節する、
という方法ステップを備える、燃料電池システムを運転する方法である。
【００４０】
これにより、本発明の意味で、まずアノードガスをアノードに、特にアノード室内に導き、これに対して、カソードガスをカソードに、特にカソード室内に導く。その際、アノード室あるいはカソード室は、特に、アノードあるいはカソードを少なくとも部分的に包囲する室であってよい。この室は、好ましくはハウジングにより画成されていてよい。
【００４１】
効率及び燃焼ガス利用を向上させるため、アノードガスの少なくとも一部をアノードに、ひいては特にアノード室内に再循環させる。再循環は、特に、再循環管路によって実現可能である。再循環管路は、アノード回路の一部であってよい。その際、アノード排ガスの一部又はすべてを再循環させることができる。その際、アノード回路中に含まれる水は、やはり特に再循環管路内で、水セパレータにより分離可能である。
【００４２】
その際、分離する水の量は、選択すべきＯ／Ｃ比に基づいて調節可能である。換言すれば、例えば水セパレータの温度は、水分離後あるいは水セパレータの下流で所望のＯ／Ｃ比がアノード排ガス中に成立するように調節可能である。その際、Ｏ／Ｃ比は、特に酸素の炭素に対する比、あるいは相応のガス中の分子レベルの酸素原子の炭素原子に対する比である。特にＯ／Ｃ比が≧１．８であるとき、燃料電池あるいは改質器内の部分の炭素沈着の可能性は排除可能である。こうして、活性の機能面の減少又は改質器若しくは燃料電池又はこれらの部分の詰まりは回避可能である。このことは、寿命を延ばす。さらに、電流一定時及び温度一定時の、燃料電池の理論的に損失のないネルンスト電圧は、燃料電池の相応のガス入口におけるＯ／Ｃ比に直接依存している。したがって、炭素沈着をこれにより明らかに軽減するために、又はそれどころか完全に排除するために、分離する水の量は、例えば選択すべきＯ／Ｃ比に関連させて調節可能である。Ｏ／Ｃ比は、０．５以上、特に１．６以上、例えば１．８以上、例えば１．８以上２．０以下である。その際、当業者にとって、正確に調節すべきＯ／Ｃ比が温度に依存していることは自明である。
【００４３】
さらに、分離する水の量は、本発明の一態様において、水セパレータの適当な温度調整、特に加熱により調節可能である。その際、一態様では、水セパレータの、アノード排ガスと接触する面のみが温度調整可能あるいは冷却可能である。
【００４４】
本発明に係る方法により、本発明に係る燃料電池システムに関して詳細に説明したように、燃料電池システムの運転が、特にアノード回路内の脱水に関して改善される。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によれば、アノードガスの再循環により、燃料電池システムの脱水に関して改善される。以下に、本発明の対象の別の利点及び有利な態様を図面に示し、説明する。その際、図面が例示的な性質を有するのみで、本発明を何らかの形態に限定することを意図したものではない点に留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態の概略図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの使用の効果を示す例示的なグラフである。
【図３】Ｏ／Ｃ比に対する再循環の影響を示す例示的なグラフである。
【図４】Ｏ／Ｃ比と燃料電池の電圧との間の関係を示す例示的なグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
図１は、本発明に係る燃料電池システム１の一実施の形態の概略図である。この種の燃料電池システム１は、例えば定置型又は可動型の燃料電池システムとして使用可能である。例えば本発明に係る燃料電池システム１は、自動車において使用可能である。特に好ましい採算性は、２０ｋＷを超えるシステムにおいて達成される。
【００４８】
本発明に係る燃料電池システム１は、燃料電池２、例えば固体酸化物形燃料電池を有している。燃料電池２は、アノード３とカソード４とを有している。アノード３とカソード４との間には、電解質５が配置されている。さらに燃料電池システム１は、好ましくは、電気的なエネルギを取り出すための電気的な端子６を有している。唯一の燃料電池２が設けられていてもよいし、燃料電池積層体を形成する複数の燃料電池２が設けられていてもよい。
【００４９】
さらに燃料電池システム１は、アノード排ガスを再循環させるためのアノード回路７を有している。アノード回路７は、例えば１つの再循環管路８を有していることができ、再循環管路８は、燃料電池２の外部においてアノード出口９をアノード入口１０に流動接続している。さらに燃料電池システム１は、アノード回路７内、例えば再循環管路８内に、アノード回路７あるいはアノード排ガスから水を除去するための少なくとも１つの水セパレータ１１を有している。さらに燃料電池システム１は、水セパレータ１１の少なくとも一部を温度調整するための温度調整手段を有していてよい。この場合、水セパレータ１１は、温度調整手段に熱的に結合されていてよい。温度調整手段あるいは水セパレータ１１の温度を調節することにより、除去すべき水の量は、調節可能である。温度調整手段は、例えば熱交換器１２であってよい。水セパレータ１１の構成次第で、水セパレータ１１は、燃料電池システム１から出る水を排出するための出口１３を有していてよい。さらに、除去する水の量は、選択すべきＯ／Ｃ比に基づいて調節可能であることができる。
【００５０】
一実施の形態において、燃料電池システム１は、並列接続されている２つの水セパレータ１１を有していてよい。水セパレータの並列接続は、図１には示していないが、場合によっては有利な場合がある。
【００５１】
さらにアノード回路７内には、適当な圧送装置１４、例えば送風機、圧縮機又はポンプ、及び熱交換器１５が設けられていてよい。さらに燃料電池システム１は、所望の使用される燃焼ガスに基づいて、改質反応を実施するためかつアノードガスを処理するための改質器１６を有していてよい。
【００５２】
さらに燃料電池システム１は、アノードガス源１７、例えば天然ガス源を有していてよい。アノードガス源１７は、アノード入口１０に流動接続されている。例えばアノードガス源１７は、アノードガス管路１８を介してアノード回路７あるいは再循環管路８に接続可能である。好ましくはアノードガスは、熱交換器１５及び／又は改質器１６を貫流可能である。アノードガス管路１８内には、例えば脱硫装置１９及び適当な圧送装置２０、例えば送風機、圧縮機又はポンプが設けられていてよい。さらに水供給装置が設けられていてよい。水供給装置は、例えばアノードガス管路１８内に配置されていてよい。水は、浄化され脱イオン化された状態でアノードガスに供給可能である。このために水供給装置は、例えば蒸発器であってよい。蒸発器のための加熱源として、純粋な例としてではあるが、電気的な加熱や、例えばシステム内で発生する熱、例えば燃料電池２の排熱の利用が考えられる。
【００５３】
さらに燃料電池システム１は、カソードガス源２１を有している。カソードガス源２１は、例えば空気源、例えば周囲空気を有しているか、又は空気源、例えば周囲空気であってよい。カソードガスは、例えば適当な圧送装置２３、例えば送風機、圧縮機又はポンプによりカソードガス供給ライン２４に圧送可能である。さらにバイパス案内部２５が設けられていてよい。バイパス案内部２５は、水セパレータ１１に、例えば熱交換器１２あるいは温度調整手段を介して熱的に結合可能である。こうして水セパレータ１１は、カソードガスによって温度調整可能である。この場合は、例えばカソードガスあるいは熱交換器１２が、温度調整手段として機能することができる。バイパス案内部２５の通流量を規定し、これにより例えば水セパレータ１１の冷却を調節するために、例えばカソードガス供給ライン２４及び／又はバイパス案内部２５内に適当な弁２６が設けられていてよい。
【００５４】
さらにカソードガス供給ライン２４は、燃料電池２のカソード入口２７に接続されている。カソードガス供給ライン２４内には、単数又は複数の熱交換器２８，２９が配置されていてよい。これらの熱交換器２８，２９により、例えばカソードガスの予熱及び同様に排ガスの冷却が実現可能である。これにより、熱損失を低く維持することができ、このことは、必要な燃料電池温度の維持を容易にする。さらに、過度に高い排ガス温度により材料に課される負荷は、低減可能である。
【００５５】
カソード出口３０に接続されるカソード出口管路３１は、例えば熱交換器１５，２８を介してアフターバーナー３２に接続可能である。アフターバーナー３２により、例えば排ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）は、二酸化炭素（ＣＯ）に酸化可能である。これにより、有毒な排ガスの排出は、軽減可能であるか、又は完全に阻止可能である。その後、カソード出口管路３１は、アフターバーナー３２の下流において排ガス管路３７に接続可能である。排ガス管路３７は、特に熱交換器２９を介して出口３３に接続可能である。出口３３の上流には、別の熱交換器３４が設けられていてよい。熱交換器３４は、ヒータ３５に接続されている。これにより、例えば燃料電池システム１の排熱が利用可能である。例えば熱交換器３４によって、システム次第では、排ガスを例えば約３００〜４００℃から約５０〜１００℃まで、場合によっては凝縮水分離を伴って、冷却し、これによりエネルギを加熱回路に供給して再利用することができる。
【００５６】
さらにアノード回路７は、管路３６を介してアフターバーナー３２に接続可能である。管路３６を通してアノード回路７から除去可能なアノード排ガスは、下流において、排ガス管路３７を介して出口３３に接続可能である。
【００５７】
さらに燃料電池システム１は、水セパレータ１１の下流かつアノード入口１０の上流においてアノード回路７に熱的に結合される、水セパレータ１１の下流でアノード排ガスを温度調整、特に加熱するための温度調整手段を有していてよい。この温度調整手段は、例えば熱交換器１５であってよい。
【００５８】
さらに燃料電池システム１は、水をアノード回路７から自動的に分離するためあるいは燃料電池システム１を自動的に運転するための図示しない処理ユニットを有していてよい。本態様においては、燃料電池システム１の運転が特に有利に実施可能である。詳しくは、処理ユニットは、例えばアノード回路７の脱水時の、場合によっては起こり得るエラーに即応することができ、条件が変わっても、燃料電池システム１が長時間にわたって所望通り作動することを保証することができる。さらに、エラーが修正できないときには、例えば機能を終了させるか、又はアラームを作動させることができる。その結果、燃料電池システム１の要素は、損傷を受けないか、又は燃料電子システム１の安全上危険な出力低下の可能性は、排除され得る。
【００５９】
その際、特に脱水を監視するために、例えば、水セパレータ１１の前後の水含有量及び例えばアノード排ガスに混合すべき新鮮なアノードガス内の水含有量を求める複数の水センサが、確実かつ持続的にアノードガスの適当な水含有量を調節するために設けられていてよい。
【００６０】
燃料電池システム１を運転する適当な方法は、以下の方法ステップ、すなわち：
‐アノードガスをアノード３に導き、
‐カソードガスをカソード４に導き、
‐アノード排ガスの少なくとも一部をアノード３に再循環させ、
‐アノード排ガス中に含まれる水の少なくとも一部を水セパレータ１１により分離し、除去する水の量を、選択すべきＯ／Ｃ比に基づいて調節する、
という方法ステップを有している。
【００６１】
その際、特に自動化された方法において、燃料電池システム１は、水セパレータ１１の下流においてアノード回路７内に配置される、アノード排ガス中の水含有量を求めるための図示しないセンサを、水含有量を所望通り低減させるために有していてよい。択一的又は付加的に、図示しないセンサが、水セパレータ１１の上流に、脱水の適当な度合を求めるために設けられていてよい。
【００６２】
図２は、燃料電池２を運転する本発明に係る方法の効果を示す概略的なグラフである。図２では、７５０℃、７０％の燃焼ガス利用（ＦＵｓｔａｃｋ）で作動する燃料電池２が使用されている。
【００６３】
図２に示したグラフには、脱水ありの場合（Ｕ０ｅｎｔｗ．，線Ａ）及び脱水なしの場合（Ｕ０ｎｏｒｍ，線Ｂ）の燃料電池２の算出されたネルンスト電圧、並びに総燃焼ガス利用（ＦＵｓｙｓｔｅｍ，線Ｃ）が、再循環度ｒに関して記載されている。再循環度ｒは、特に、再循環されるアノード排ガスと、燃料電池システム１から除去され、これにより再循環に供給されないアノード排ガスの比により規定することができる。
【００６４】
総燃焼ガス利用（ＦＵｓｙｓｔｅｍ）が再循環度ｒの上昇に伴いやはり上昇することが認められる。しかしながら、総燃焼ガス利用（ＦＵｓｙｓｔｅｍ）とは異なり、電圧（Ｕ０ｎｏｒｍ）及び（Ｕ０ｅｎｔｗ．）は、再循環度の上昇に伴い低下する。しかし、この効果は、本発明に係る方法が使用されることによって、例えば約０．５の再循環率ｒ以降、明らかに軽減され得る。このことは、脱水されるシステムのセル電圧（Ｕ０ｅｎｔｗ．）を示す線Ａに現れている。したがって、本発明により、セル電圧の降下は、アノード排ガスの調節すべきＯ／Ｃ比、本例では１．８のＯ／Ｃ比に応じた脱水によって、明らかに軽減され得る。
【００６５】
図２で見て、再循環率がｒ＝０．７であるとき、可能な電圧上昇、ひいては燃焼ガス利用の上昇は約２．５％である。詳しくは、効率は電圧に比例する。電圧は、線Ｂから線Ａに、約９２１ｍＶから９４５ｍＶに上昇する。このことは、２．５％の上昇に相当する。
【００６６】
さらに、右側の目盛りは、線Ｃ（ＦＵｓｙｓｔｅｍ）を量定する。燃焼ガス利用ＦＵｓｔａｃｋが一定である時、燃焼ガス利用ＦＵｓｙｓｔｅｍは、ｒに依存している：
【数３】
0006272639.tif 000006
【００６７】
図２には、例えば再循環度ｒがｒ＝０．７であり、スタックに関する燃焼ガス利用ＦＵｓｔａｃｋが一定の７０％であるときの、システムの総燃焼ガス利用ＦＵｓｙｓｔｅｍは、約８９％であることが看取可能である。
【００６８】
最大の再循環率は、再循環ポンプの性能と、再循環の増加に伴う流動速度の上昇に起因した圧力状況とに基づいて決定可能である。
【００６９】
横座標には、線Ｂ及び線Ｃのために、再循環率ｒの代わりに、１．２５〜２．５の範囲のＯ／Ｃ比をとってもよい。Ｏ／Ｃ比は、生成物ＣＯ２の含有量がさらに上昇するので、引き続き低下する。その際、線Ｂは、水が取り出されない場合の推移を示している。
【００７０】
図３は、燃料電池２を運転する本発明に係る方法の枠内でのＯ／Ｃ比に対する再循環の影響を示す概略的なグラフである。図３では、７５０℃、７０％の燃焼ガス利用ＦＵｓｔａｃｋで作動する燃料電池２が使用されている。
【００７１】
図３には、再循環率ｒが上昇すると、Ｏ／Ｃ比が、脱水なしの場合、やはり上昇することが看取可能である。Ｏ／Ｃ比に基づくアノードガスの脱水により、この効果に対して効果的に反作用することができる。これにより、燃料電池システム１内での炭素沈着は、回避可能であり、燃料電池システム１の性能は、維持可能である。
【００７２】
図４は、調節すべきＯ／Ｃ比に基づいて燃料電池２の電圧も低下し得ることを示している。詳しくは、燃料電池２の電圧は、電気的な出力と総効率とに比例し得る。その際、図４のグラフ中の線Ａは、Ｏ／Ｃ比に基づく電圧の推移を示しており、これに対して、線Ｂは、Ｏ／Ｃ比が１．８であるときの電圧の推移により除した、Ｏ／Ｃ比に基づく電圧の推移を示している。
【００７３】
線Ａは、再循環運転中の７５０℃のスタック温度、ＦＵｓｔａｃｋ＝７０％の燃焼ガス利用時のネルンスト電圧の推移を、Ｏ／Ｃ比に関して示している。これにより、入力データを与えると、ネルンスト電圧を算出することができる。ネルンスト電圧は、左側の目盛りに表示されている。
【００７４】
さらに右側の目盛りにより、どのようにネルンスト電圧、ひいては効率が、Ｏ／Ｃ比の上昇とともに、特に再循環率ｒに比例して、低下するかが求められる。例えば、Ｏ／Ｃ比が約２．１３であるとき、ネルンスト電圧は、Ｏ／Ｃ比＝１．８のときの電圧と比較して１％悪化する。しかし、効率は、燃焼ガス利用ＦＵｇｅｓａｍｔがｒの増加とともに上昇するので、１％も下がらない：
【数４】
0006272639.tif 000007
【００７５】
これにより、図４に示す電圧の推移は、質的にＯ／Ｃ比に関する総効率及び出力の推移に相当する。本発明により、その際、特にアノード回路内の脱水に関して、特に１．８以上２．０以下の範囲内にあるＯ／Ｃ比を調節することが好ましい場合があることが判明した。
【００７６】
図４では、やはり、７５０℃、７０％の燃焼ガス利用ＦＵｓｔａｃｋで作動する燃料電池２が使用されている。
【００７７】
本発明により、再循環率ｒ、Ｏ／Ｃ比及び燃焼ガス利用（ＦＵ）の間に次の関係があることが判明した：
Ｏ／Ｃ比は、
【数５】
0006272639.tif 000008
として規定されている。ここで、φａｎ，ｆｅｅｄは、長鎖分子なしのアノード入口における物質流量（Ｓｔｏｆｆｓｔｒｏｍ）を指している。
【００７８】
システムの燃焼ガス利用ＦＵｓｙｓｔｅｍは、その際、次のように規定されている：
【数６】
0006272639.tif 000009
【００７９】
ここで、
0006272639.tif 000010
は、電解質中のイオン物質流量（電流に比例）を、
0006272639.tif 000011
は、供給される燃焼ガス中の炭素原子モル流量を、
0006272639.tif 000012
は、供給される燃焼ガス中の水素分子モル流量を意味している。
【００８０】
燃料電池２の所定の燃焼ガス利用ＦＵｓｔａｃｋ時の、システムの燃焼ガス利用ＦＵｓｙｓｔｅｍは、次のように規定することができる：
【数７】
0006272639.tif 000013
【００８１】
したがって、所定のＦＵｓｔａｃｋ時のアノード入口における比は、
【数８】
0006272639.tif 000014
であることができる。
【符号の説明】
【００８２】
１  燃料電池システム、  ２  燃料電池、  ３  アノード、  ４  カソード、  ５  電解質、  ６  電気的な端子、  ７  アノード回路、  ８  再循環管路、  ９  アノード出口、  １０  アノード入口、  １１  水セパレータ、  １２  熱交換器、  １３  出口、  １４  圧送装置、  １５  熱交換器、  １６  改質器、  １７  アノードガス源、  １８  アノードガス管路、  １９  脱硫装置、  ２０  圧送装置、  ２１  カソードガス源、  ２３  圧送装置、  ２４  カソードガス供給ライン、  ２５  バイパス案内部、  ２６  弁、  ２７  カソード入口、  ２８  熱交換器、  ２９  熱交換器、  ３０  カソード出口、  ３１  カソード出口管路、  ３２  アフターバーナー、  ３３  出口、  ３４  熱交換器、  ３５  ヒータ、  ３６  管路、  ３７  排ガス管路
【図１】
0006272639.tif 000015
【図２】
0006272639.tif 000016
【図３】
0006272639.tif 000017
【図４】
0006272639.tif 000018