(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温燃料電池システム又は電解セルシステムのための再循環装置であって、前記システムの各セルは、アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間の電解質とを含み、当該再循環装置は、前記アノード側から排気されるガスの一部を再循環させるための少なくとも１つの放出装置を含み、
当該再循環装置は、再循環される流れの所望の流量を達成するための前記放出装置を有し、該放出装置は、少なくとも１つのノズル（１１４）を有し、
当該再循環装置は、少なくとも１つの一次供給原料流体を前記放出装置のノズル（１１４）に供給するための手段（１１６）と、少なくとも１つの補助流体を前記放出装置のノズル（１１４）に供給するための手段（１１８）とを含んでおり、前記ノズル（１１４）は、流体がその初期高圧から低圧に膨張されるような先細末広流路を有しており、
当該再循環装置は、前記所望の再循環される流量及び組成を達成するために、前記放出装置のノズル（１１４）で必要とされる駆動流及び圧力を維持するべく、前記一次供給原料流体の流量を調整するとともに少なくとも１つの補助流体の流量を調整して前記放出装置の流体の少なくとも一部のそれぞれの比率を調整するための手段（１２０）を含み、
システムのレベルが前記一次供給原料流体だけによって前記放出装置の流入口での所望の流れ及び圧力を維持するようにされるときに、前記補助流体を遮断するための手段を含む、
再循環装置。
【請求項２】
当該再循環装置は、前記ノズルの圧力情報を取得するための手段と、前記ノズルの圧力情報に基づいて少なくとも１つの補助流体を前記放出装置のノズルに供給するための手段（１１８）とを含む、請求項１に記載の再循環装置。
【請求項３】
当該再循環装置は、前記ノズルの圧力情報に基づいて、前記一次供給原料流体の流れ情報を取得するための手段を含む、請求項２に記載の再循環装置。
【請求項４】
当該再循環装置は、前記供給原料及び前記補助流体の少なくとも一方の温度を積極的に制御するための手段（１２２）を含む、請求項１に記載の再循環装置。
【請求項５】
当該再循環装置は、前記供給原料及び前記補助流体の少なくとも一方の温度を反応閾値温度未満に積極的に制御するための手段（１２２）を含む、請求項４に記載の再循環装置。
【請求項６】
当該再循環装置は、前記システムによって必要とされる供給原料の量が、再循環の所望の流量を誘導するための駆動流として必要な量よりも多い場合に、少なくとも１つの供給原料の一部だけ前記放出装置のノズルを前記放出装置の下流側にバイパスさせる手段（１２４）を含む、請求項１に記載の再循環装置。
【請求項７】
当該再循環装置は、圧力レベルに基づいて少なくとも１つの供給原料の一部だけ前記放出装置のノズルを受動的にバイパスさせる手段（１２４）を含む、請求項６に記載の再循環装置。
【請求項８】
前記一次供給原料は、炭素質燃料であり、前記少なくとも１つの補助流体は、空気及び水のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の再循環装置。
【請求項９】
前記放出装置は、第１ステージ（１２６）と第２ステージ（１２８）とを含み、各ステージは、前記供給原料のための比較的高圧の一次流入口と、取り込まれた流体のための比較的低圧の吸入流入口と、中間圧力の流出口とを含んでおり、
第１ステージの流出口は、第２ステージの一次流入口に接続状態にされ、少なくとも１つの供給原料は、少なくとも１つの他の供給原料を取り込むために第１ステージで使用され、混合物を形成し、該混合物は、アノード側のガスの再循環を誘導するために、第２ステージで使用される、請求項１に記載の再循環装置。
【請求項１０】
当該再循環装置は、前記アノード側から排気されるガスの一部を再循環させるための少なくとも１つの放出装置を有する、請求項１に記載の再循環装置。
【請求項１１】
前記補助流体には、シャットダウン又は過渡的な状況で前記システムのパージのために使用される不活性ガスが含まれる、請求項８に記載の再循環装置。
【請求項１２】
当該再循環装置は、アノード側ガスの再循環を誘導するために、アノード側のガスの一部を前記放出装置で前記補助流体としてさらに使用するために回収及び再加圧するための手段（１５０）を含む、請求項１に記載の再循環装置。
【請求項１３】
当該再循環装置は、前記一次供給原料の流れの所望の温度及び所望の量を達成するために、前記放出装置のノズルの上流側で少なくとも１つの供給原料の化学反応を活性化及び促進するための手段（１２９）を含む、請求項１に記載の再循環装置。
【請求項１４】
高温燃料電池システム又は電解セルシステムのための再循環方法であって、当該方法は、アノード側及びカソード側の少なくとも一方から排気されるガスの一部を少なくとも１つの放出装置に再循環し、
当該方法は、前記放出装置を使用することにより再循環される流れの所望の流量を達成し、少なくとも１つの一次供給原料流体を前記放出装置のノズル（１１４）に供給し、少なくとも１つの補助流体を前記放出装置のノズル（１１４）に供給し、前記再循環されるガスを前記放出装置のノズル（１１４）に供給し、前記ノズル（１１４）は、流体がその初期高圧から低圧に膨張されるような先細末広流路を有しており、所望の再循環される流量及び組成を達成するために、前記一次供給原料流体の流量を調整するとともに少なくとも１つの補助流体の流量を調整して前記放出装置の流体のそれぞれの比率を調整し、前記放出装置のノズル（１１４）で必要とされる駆動流及び圧力を維持し、
システムのレベルが前記一次供給原料流体だけによって前記放出装置の流入口での所望の流れ及び圧力を維持するようにされるときに、前記補助流体を遮断する、
再循環方法。
【請求項１５】
当該方法は、前記ノズルの圧力情報を取得し、前記ノズルの圧力情報に基づいて少なくとも１つの補助流体を前記放出装置のノズルに供給する、請求項１４に記載の再循環方法。
【請求項１６】
当該方法は、前記ノズルの圧力情報に基づいて、前記一次供給原料流体の流れ情報を取得する、請求項１４に記載の再循環方法。
【請求項１７】
当該方法は、前記供給原料及び前記補助流体の少なくとも一方の温度を積極的に制御する、請求項１４に記載の再循環方法。
【請求項１８】
当該方法は、前記供給原料及び前記補助流体の少なくとも一方の温度を反応閾値温度未満に積極的に制御する、請求項１７に記載の再循環方法。
【請求項１９】
当該方法は、前記システムによって必要とされる供給原料の量が、再循環の所望の流量を誘導するための駆動流として必要な量よりも多い場合に、少なくとも１つの供給原料の一部だけ前記放出装置のノズルを前記放出装置の下流側にバイパスする、請求項１４に記載の再循環方法。
【請求項２０】
当該方法は、圧力レベルに基づいて少なくとも１つの供給原料の一部だけ前記放出装置のノズルを受動的にバイパスする、請求項１９に記載の再循環方法。
【請求項２１】
前記一次供給原料は、炭素質燃料であり、前記少なくとも１つの補助流体は、空気及び水の少なくとも１つである、請求項１４に記載の再循環方法。
【請求項２２】
当該方法において、前記放出装置は、第１ステージ（１２６）と第２ステージ（１２８）とを含むように構成され、比較的高圧の一次流入口が、前記供給原料のために配置され、比較的低圧の吸入流入口が、取り込まれる流体のために配置され、中間圧力の流出口が、流出口に配置され、
第１ステージの流出口は、第２ステージの一次流入口に接続され、少なくとも１つの供給原料は、少なくとも１つの他の供給原料を取り込むために第１ステージで使用され、混合物を形成し、該混合物は、アノード側のガスの再循環を誘導するために、第２ステージで使用される、請求項１４に記載の再循環方法。
【請求項２３】
当該方法は、前記アノード側から排気されるガスの一部を再循環する、請求項１４に記載の再循環方法。
【請求項２４】
前記補助流体には、シャットダウン又は過渡的な状況で前記システムのパージのために使用される不活性ガスが含まれる、請求項２１に記載の再循環方法。
【請求項２５】
当該方法は、アノード側のガスの再循環を誘導するために、アノード側のガスの一部を前記放出装置で前記補助流体としてさらに使用するために回収及び再加圧される、請求項１４に記載の再循環方法。
【請求項２６】
当該方法は、前記一次供給原料の流れの所望の温度及び所望の量を達成するために、前記放出装置のノズルの上流側で少なくとも１つの供給原料の化学反応を活性化及び促進する、請求項１４に記載の再循環方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温電池システムのための再循環装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
世界の殆どのエネルギーは、石油、石炭、天然ガスや原子力によって生成されている。これら全ての生成方法は、例えば環境に対する適合性及び有用性が懸念される限り、それら特有の問題を抱えている。環境性が懸念される意味では、特に石油や石炭が燃焼されたときに、それら石油や石炭は、汚染の原因となる。原子力に関する問題点は、少なくとも使用済み燃料の貯蔵である。
【０００３】
特に環境問題のため、環境により優しく、例えば上述したエネルギー源よりも良好な効率を有する新しいエネルギー源が開発されている。例えばバイオガスの燃料エネルギーを環境に優しいプロセスの化学反応を介して電気に直接的に変換する燃料電池、及び電気を燃料に変換する電解槽は、将来のエネルギー変換装置として有望である。
【０００４】
技術水準
図１に示されるように、燃料電池は、アノード側１００、カソード側１０２、及びそれらアノード側とカソード側との間の電解質材料１０４を含む。固体酸化物形燃料電池（SOFC）では、酸素１０６が、カソード側１０２に供給され、その酸素は、カソードから電子を受け取ることにより、負の酸素イオンに還元される。負の酸素イオンは、電解質材料１０４を介してアノード側１００に移動し、そのアノード側で燃料１０８と反応し、水及び典型的には二酸化炭素（CO2）を生成する。アノード１００及びカソード１０２は、出力(load)１１０を有する外部電気回路１１１に接続され、燃料電池が、システムから電気エネルギーと一緒に熱を取り出す。電解の運転モード（固体酸化物形電解セル（SOEC））では、反応が逆転され、すなわち熱だけでなくソース１１０からの電気エネルギーが、セルに供給され、そのセルで水及び大抵の場合二酸化炭素がアノード側で還元され酸素イオンを形成し、酸素イオンは、電解質材料を介してカソード側に移動し、そのカソード側で酸素の脱イオン化が起こる。ＳＯＦＣ及びＳＯＥＣの両方のモードで同一の固体電解質セルを使用することが可能である。このような場合に及びこの説明の文脈では、電極は、典型的には、燃料電池の動作モードに基づいてアノード及びカソードと指称されるが、純粋ＳＯＥＣ用途では、酸素電極をアノードと指称する。
【０００５】
固体酸化物形電解セルは、高温の電解反応が起こる温度で動作し、その温度は、典型的には５００℃〜１０００℃の間であるが、１０００℃を超える温度も使用され得る。これらの動作温度は、ＳＯＦＣのそれら反応条件に対しても同様である。正味のセル反応は、水素及び酸素ガスを生成する。水１モルに対する反応は、以下の通りであり、アノードで水の還元が行われる：
アノード：Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  ２Ｈ２＋Ｏ２−
カソード：Ｏ２−  →  １／２Ｏ２＋２ｅ−
正味の反応：Ｈ２Ｏ  →  Ｈ２＋１／２Ｏ２
【０００６】
図２では、高温燃料電池装置の一例として、ＳＯＦＣ装置が示される。ＳＯＦＣ装置は、例えば天然ガスやバイオガス等の炭化水素、メタノール等のアルコール類やさらにアンモニアを燃料として利用することができる。図２のＳＯＦＣ装置は、２つ以上の、典型的には複数のスタック構造１０３（ＳＯＦＣスタック）の燃料電池を含む。各燃料電池は、図１に示されるようなアノード１００及びカソード１０２の構造を有する。図２のＳＯＦＣ装置は、燃料熱交換器１０５も含み、随意に改質器１０７も含む。典型的に、いくつかの熱交換器が、燃料電池プロセスの様々な位置での熱条件を制御するために使用される。改質器１０７は、例えば天然ガス等の供給原料を燃料電池に適した組成物、例えば水素及びメタン、二酸化炭素、一酸化炭素及び不活性ガスを含有する組成物に変換するために使用される反応器である。炭化水素系燃料の改質プロセスは蒸気を必要とするので、燃料電池の燃料酸化の生成物として形成される水を回収し、この水を改質器での燃料改質のために使用することが有用であり、こうしてシステムが既に動作しており、電気を発生させると、外部からの水をシステムに供給する必要性を省くことができる。燃料電池の燃料の酸化反応の生成物として形成される水を回収するための実際の方法は、アノードから排気されるガスの一部を再循環して、フィードバック機構１０９を介して未使用の供給原料と混合するようなアノード・オフガス(off-gas)再循環である。
【０００７】
アノードでの排気ガス再循環を高温で構成することにより、少なくとも１つの熱交換器を省略することも可能である。発電モードでのアノードガス再循環の主な目的は、所望の改質反応を促進するために良好なガス組成を改質器の流入口で確保することであるが、それは、シングルパス操作だけの場合と比較してシングルパスの反応物質を利用し、全体の燃料利用率を所望レベルの範囲内に増大させるという利点を有する。電解動作モードでは、排気ガスの再循環は、所望の反応物質の利用率で最適な電解性能を得るためにセルの流入口での組成物を調整するために使用することもできる。両方の動作モードで、アノードガスの再循環は、スタックを通る全体的な流量を増大させ、ガス流分配を改善し、その結果、温度及び組成分布を改善する。ＳＯＦＣ又はＳＯＥＣシステムの始動時に、アノードガスの再循環は、システム全体に亘って熱源からの熱の分配を向上させる目的を果たし、或いは、シャットダウン時に、ガス循環手段は、システムのフラッシュ希釈を補助することができる。必要な酸素対炭素比を維持するための手段として燃料の部分酸化（POX）を行う場合には、アノードガスの再循環は、ＰＯＸ反応器内での高い温度上昇を抑制する目的を果たすことができる。
【０００８】
アノードガスの再循環を達成するには、アノード排気ガス流の一部を回収し、その回収したガスを本質的に再加圧して、所与の流量での再循環ループ内の圧力損失を克服するのに十分なようにその回収したガス圧力を昇圧させるための手段を必要する。従来技術の実施形態の一構成では、高圧の燃料供給は、アノード排気ガスを取り込むために、及びこの取り込んだガスの圧力を送り込まれる燃料のレベルに増大させるためにジェット放出装置において駆動流(motive  stream)として使用される。ジェット放出装置の固定された幾何学的構成のために、これらシステムのトポロジは、再循環比、及び改質器又はスタック流入口で得られた酸素対炭素（O/C）比を制御するための能力が限定されており、従って、外部からの給水及びシステム内の蒸気発生器等の補給手段を典型的に必要とし、燃料電池スタックに十分であるが過剰な蒸気量を確保することになる。不十分な蒸気流量は、システムの燃料側を通る組成物に不利な且つ潜在的に不可逆的な煤の形成をもたらす。一方、過剰な再循環及びその結果としての燃料ガスの希釈は、不十分な再循環のようにシステムに致命的とはならないが、燃料電池の電圧及び効率を低下させる。従来技術の実施形態の別の構成は、ファン又はコンプレッサにより昇圧される所要の再循環圧力を達成することである。ファン又はコンプレッサにより行われる再循環は、システム操作に追加の柔軟性及び制御性を提供するが、高機能で、複雑な且つ潜在的に信頼性に欠ける機械を必要する。特に、熱統合スキームを簡素化する利点を提供するような非常に高温でのアノードガスの再循環を達成することは、困難な設計要件を必要とし、且つ潜在的にファン又はコンプレッサを複雑にする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、ＳＯＦＣ又はＳＯＥＣシステムのための再循環装置を提供することであり、ＳＯＦＣ又はＳＯＥＣシステムは、システムでの効果的な反応物質の利用を可能にし、こうして高いシステム性能をもたらし、全ての動作モードにおいてアノード側での最適化された熱及び組成条件を保証し、これは、ＳＯＦＣ又はＳＯＥＣシステムの改善した実現可能性につながり、複雑性を低下させる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
これは、高温燃料電池システム又は電解セルシステムのための再循環装置によって達成され、システム内の各セルは、アノード、カソード、及びアノードとカソードとの間の電解質を含み、再循環装置は、アノード側から排気されるガスの一部を再循環させるための少なくとも１つの放出装置を含む。再循環装置は、再循環される流れの所望の流量を達成するための放出装置を有し、この放出装置は、少なくとも１つのノズルを有する。再循環装置は、少なくとも１つの一次供給原料流体を放出装置のノズルに供給するための手段と、少なくとも１つの補助流体を放出装置のノズルに供給するための手段とを含んでおり、再循環装置は、所望の再循環される流量を達成するために、放出装置のノズルで必要とされる駆動流及び圧力を維持するべく、放出装置の流体の少なくとも一部のそれぞれの比率を調整するための手段を含む。
【００１１】
本発明の目的はまた、高温燃料電池システム又は電解セルシステムのための循環方法を提供することであり、当該方法は、アノード側及びカソード側の少なくとも１つから排気されるガスの一部を再循環させる方法である。この方法では、放出装置を使用して、再循環される流れの所望の流量を達成し、少なくとも１つの一次供給原料流体を放出装置のノズルに供給し、少なくとも１つの補助流体を放出装置のノズルに供給し、再循環される所望の流量を達成するために、放出装置のノズルで必要とされる駆動流及び圧力を維持するべく、放出装置の流体のそれぞれの比率を調整する。
【００１２】
本発明は、再循環装置の使用に基づいており、当該使用は、少なくとも１つの一次供給原料流体を放出装置のノズルに供給し、少なくとも１つの補助流体を放出装置のノズルに供給し、及び放出装置の一次供給原料流体及び補助流体のそれぞれの比率を制御することにより、再循環される所望の流量を達成するために、放出装置のノズルで必要とされる駆動流及び圧力を維持する。
【００１３】
本発明の利点は、高いシステム性能が、高温燃料電池システムの改善された実現可能性及び実質的に低い複雑性と共に達成できることである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】単一の燃料電池の構造を示す図である。
【図２】ＳＯＦＣ装置の例を示す図である。
【図３】放出装置の構造を示す図である。
【図４】本発明に係る第１の実施形態を示す図である。
【図５】本発明に係る第２の実施形態を示す図である。
【図６】本発明に係る第３の実施形態を示す図である。
【図７】２段階式放出装置の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、ＳＯＦＣ又はＳＯＥＣシステムの原料の供給及びアノードガスの再循環を達成し、再循環トポロジ（すなわち、簡素で信頼性の高い機械的構造で、熱交換器を省略し、且つプラント・サブシステムのコンパクトでコスト効率の良いアノード側のバランス）に基づく放出装置の固有の利点を活用し、さらに放出装置の制約された操作性及び制御性に関連する既知の制限及び複雑性（特に、誘導される再循環流の流量の扱い難さ、不十分な駆動流、及び結果としての所与のカウンター圧力に必要とされる再循環流に関する部分的な低い負荷動作モードでの駆動圧力）を克服する装置を可能にする。
【００１６】
本発明に係る装置は、並列の、別々に制御され、十分に加圧され且つ温度制御された供給原料の流れを含み、供給原料の流れは、補助的な供給原料と別々に又は一緒にすることができ、供給原料の流れは、十分な量のアノードガス吸引及び再循環が所定の動作モードで誘導される放出装置を通過した駆動流についてそれぞれの要件を満たすことができる。
【００１７】
放出装置は、典型的には、単一の最適な動作ポイント又は最適な狭い動作範囲を有しており、その動作範囲外で、それら放出装置の性能は、損なわれ又は少なくとも制約される。可動部品又は調整可能部品を含む放出装置が製造されてきたが、誘導される流れは、駆動流と独立して管理することができない。さらに、このような追加の複雑性は、恐らく特に高温での放出装置の使用、単一部品の簡素化及び信頼性、ハードウェアの固体ピースを使用することの重要な利点を損なうことになる。そのため、システムのアノード側での再循環される流れや組成物の制御は、システム内の他の場所で行なう必要があり、放出装置は、ファンやコンプレッサを含む装置に比べて内在する(inherent)制限を有することを認識されたい。
【００１８】
放出装置(ejector)１１０の構造が、図３に示されており、この放出装置は、高圧の駆動流体流の圧力エネルギーを使用して、流れを誘導し且つ低圧の二次流体の圧力を昇圧する。放出装置１１０は、駆動流のためのノズル１１４、吸入ポート１４１、吸引チャンバ１４０、混合部１４２、及びディフューザ１４４を含む。駆動流は、一次ノズルを通過し、ノズルは、超音速放出装置の場合に、流れがその初期の高圧から二次流体と同等の低圧に膨張されるような先細末広(convergent-divergent)流路を有する。膨張では、駆動流は、その初期の低速から高速に加速される。駆動流の膨張ジェットは、吸引チャンバに対して低圧の領域を誘起させ、運動量を一次流れと交換するにより、それに沿って二次流体を取り込み且つその二次流体を加速する。駆動流及び取り込まれた流れは、混合部で混合される。超音速放出装置の場合に、駆動流は、両方の流れの圧力が等しくなる及び流れが完全に混合されるまで、一連の超音波衝撃で膨張し、混合プロセスを支援する。一部の圧力上昇が混合プロセスで行われる一方、さらに静的な圧力回復がディフューザで行われ、混合流の速度は、遅くなる。
【００１９】
放出装置の性能は、カウンター圧力に敏感である。あるポイントまで、排出圧を増大させると取込み能力が減少され、その後の動作が不安定になり、吸引の流れ方向が逆転する逆流状態に切り替わる。アノード再循環ループ内の圧力損失は、典型的には、ループの流れ制限に依存し、従って放出装置のカウンター圧力は、再循環される流れ自体の関数となるため、逆流状態は、典型的には、不可能となる。しかしながら、放出装置は、本質的に、取込みを制御するための手段、駆動流体流を低下させ吸引流を低下させるための手段を提供しない。固定した幾何学的形状の一次ノズルで駆動流を低下させることは、一次ノズルでの駆動流の圧力も低下させ、且つ装置の昇圧能力に影響を与える。放出装置の幾何学的形状は、所定の圧力及び温度で、流体の速度が音速（マッハ＝１）に達したときに、ノズルの限界オリフィスを通るボリューム流量が最大値に受動的に制限されるように考慮して、最大動作点ポイントを含むように設計しなければならない。他の全ての動作モードは、非最適化された性能及び可能な他の補完手段をもたらすようにカバーする必要がある。
【００２０】
動作のオフ公称(off-nominal)モードは、システムの昇温、未負荷状態の高温待機(hot  idle)動作、部分的な負荷動作、システムパージ状況だけでなく、組成物又は供給原料の相対的な比率を変化させることよる（外部要因又は慎重な検討による）新たに発生した状況を含むが、これらに限定されるものではない。
【００２１】
本発明の構成によれば、代替の及び補助的な供給原料を利用して、異なる動作モードでの再循環に必要なレベルを達成するために、十分な駆動流体流及び放出装置の一次ノズルでの圧力を維持する課題を克服することができる。この装置は、十分に高圧な供給原料を供給する並列供給源と、供給原料の温度を制御し且つ供給原料を一緒にもたらしそれら供給原料を通過させるパイプラインを放出装置の一次ノズルの流入口に接続するための並列又は共通手段とを含む。さらに、装置は、所望量の１つ又は複数の供給原料を放出装置の排出側にバイパスさせるための手段を含んでもよい。本発明による一実施形態では、放出装置１１０の効率を改善するために、吸引流と排出流との間の熱交換器１２５（図４）による熱伝達によって、吸引流の温度を低下させる構成が可能になる。熱交換器１２５が、図４の例示的な実施形態に示されているが、その熱交換器は、本発明に係る他の実施形態でも使用することもできる。
【００２２】
図４に示されるように、本発明の例示的な実施形態は、ＳＯＦＣシステムであり、そのＳＯＦＣシステムでは、一次供給原料が燃料ガスであり、補助的な供給原料が空気であり、代替的な供給原料が窒素等の不活性フラッシュガスである。低温でのシステム昇温中に、空気は、唯一の原料として使用することができ、その流れは、それ単独で、システムのアノード側全体に亘って熱を分配するための所望のレベルの再循環を維持するのに十分である。駆動流及び誘導された流れの所望の流量比を達成するために、供給原料を予熱するための手段（例えば、熱交換器）を制御することができる。低温でのシステム昇温の初期期間後であって、システムの過渡的なステージ中に、窒素等の不活性ガスを放出装置１１０内で駆動流体として使用することができ、その駆動流体は、フラッシュ希釈及びシステムのアノード側全体に亘る酸素の置換が行われるような再循環を誘起する。予備改質器の温度が十分な温度に達すると直ぐに、空気及び燃料ガスの所望の比率の混合物を駆動流体として放出装置１１０に導入することによって、動作の部分酸化モードを開始してもよい。
【００２３】
混合流体の温度は、流体の温度が、混合物の反応閾値温度未満に維持される限り、駆動流及び誘導される流れの所望の比率を調整するために制御することができる。このモードでは、酸素対炭素比は、燃料電池が出力(load)を受けておらず且つ水を生成しないので、単に供給原料によって決定される。適切なレベルの再循環を誘導することにより、部分酸化の温度上昇効果を軽減することができる。燃料電池の出力(load)及び水の形成が開始すると直ぐに、一次(primary)流体混合物中の空気の比率が低下する一方、全体的な燃料供給は、十分な一次流を維持するために増加される。システム出力のレベルが、燃料供給だけによって放出装置の流入口での所望の流れ及び圧力を維持し、燃料電池反応によって予備改質用の十分な水を提供するようになると、部分酸化のための空気の供給を完全に遮断することができる一方、公称燃料供給及び公称負荷に対する更なるシステム生産(ramp-up)は、純粋に、主要な燃料供給及びその結果としての駆動圧を増加させることによって、行うことができる。上記構成は、燃料電池スタックが燃料を消費せず温度及び組成の点で特定の大気のみを必要とする場合に、駆動流として空気による燃料の一部を放出装置に補給することにより、このような動作モードでの再循環を維持する問題を解決し、２つの流体は、所望の水素含有組成物を実現するための手段として、部分酸化のために適切な混合物を形成する。
【００２４】
所望のレベルの吸引流を誘導するために送り込まれる燃料の流量とは独立した十分な駆動流を、ノズル１１４を含む放出装置１１０に構成するための本発明の別の実施形態が、図５に示される。この実施形態では、アノードの排ガス(tail  gas)の一部は、一次ノズル１１４を含む放出装置１１０で補助供給原料として使用するべく回収される。このような流体の回収は、流体の一部温度が装置の許容可能なレベルにまで低下すると、ガスポンプ又はコンプレッサ１５０によって構成することができる。温度調整は、熱交換器１２７によって達成することができ、この熱交換器は、恐らく流体量から液相を除去する手段として凝縮分離及び排液システムを備える。
【００２５】
制御システムのシャットダウンでは、上述したステージは、逆の順序で進む。システムの始動と比較した差異は、燃料電池スタック及びプラントの平衡がその動作温度に既にあり、燃料電池システムではＰＯＸ反応器の必要な流入口温度を維持しながら、スタックから熱を除去するための手段を配置しなければならないことである。これは、例えばＰＯＸ反応器の熱交換器の下流側を更に冷却することにより、又は例えばスタック１０３の既存の燃料予熱器１０５の上流側を利用し、予熱器１０５の高温ストリームの流入口に冷却流体流を注入及び混合することにより、達成することができる。そのような冷却流体が空気である場合には、その空気は、アフターバーナー１５２での残留燃料の燃焼に関与する。始動及び公称動作等の他の動作モード中に、アノード排気ストリームの冷却を容易にするためのこのような構成を利用して、アフターバーナーの前で、混合物に関連して燃焼を可能にすることによって、出て行くストリームの温度を増大させることができる。アノード排気温度を昇温させるためのこのような手段は、アノード排気ストリームに沿って複数の位置に配置することができ、例えば熱をアノードや改質器の流入口ストリームに回収する熱交換器に関連して複数の位置に配置することができ、恐らくそれら熱交換器の一部は、特定の動作モードで冷却を提供できるように構成される。
【００２６】
次に、本発明に係る例示的な実施形態について、より詳細に説明する。図４では、本発明に係る第１の例示的実施形態が示されており、この実施形態は、高温燃料電池システムの再循環装置を示す。電池システムは、燃料電池システム又は電解セルシステムとすることができ、そのセルスタックは、燃料電池スタック又は電解セルスタックとすることができる。本発明の実施形態に関連してこの説明では、カソード側は、酸素が流れる側を意味し、アノード側は、水素が流れる又は水素を含む反応物質が流れる側を意味する。再循環装置は、少なくとも１つの放出装置１１０を含み、この放出装置は、アノード１００側から排気されるガスの一部を再循環させることができ、再循環される流れの所望の流量を実現することができる。この例示的な構成では、少なくとも１つの放出装置１１０は、アノード１００側から排気されるガスの一部を再循環させる。再循環装置は、更なる一実施形態（図５）において、アノード側のガスの再循環を誘導するために、補助流体を放出装置１１０でさらに使用するべく、アノード１００側のガスの一部を回収し且つ再加圧するための手段１５０を含む。手段１５０は、例えば熱交換器を一緒に含むガスポンプやコンプレッサが１２７とすることができ、その熱交換器は、ガスポンプやコンプレッサのために、回収されたアノード排ガス温度を十分に低下させる能力を有しており、手段１５０は、必要な流れを、一次流を供給する放出装置１１０の圧力に再加圧することができる。
【００２７】
図３に既に示されるように、放出装置１１０は、少なくとも１つのノズル１１４を含む。図４、図５、図６の再循環装置は、少なくとも１つの一次供給原料流体を放出装置１１０のノズル１１４に供給するための手段１１６と、及び少なくとも１つの補助流体を放出装置１１０のノズル１１４に供給するための手段１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃ、・・・とを含む。複数の補助流体が、例えば図４及び図６の実施形態に供給される場合に、手段１１８は、１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃ、．．．として示される。手段１１６、１１８は、例えばガス供給原料用の供給ライン又はストレージ、或いは液体供給原料用の供給ラインであり、液体を蒸発させることによりガス状流体を形成するための蒸発器等の手段だけでなく、必要に応じて並列原料供給部を放出装置の一次ノズルに接続されたパイプの共通の原料部にパイプ接続する手段である。一次供給原料は、例えば炭素質燃料であり、例えば空気及び水の少なくとも一方が、少なくとも１つの補助的な流体に供給される。少なくとも１つの補助流体は、例えば、シャットダウン又は過渡的な状況でシステムの再循環パージに用いられる不活性ガスとすることができる。
【００２８】
本発明に係る一実施形態では、一次供給原料の流れの所望の温度及び所望のボリュームを達成するために、少なくとも１つの供給原料の分解反応、又は放出装置１１０のノズル１１４の上流側の少なくとも２つの供給原料部の間の化学反応を活性化し及び促進する手段１２９を利用することができる。手段１２９は、例えば、触媒特性、十分な表面積、及びガス混合物を熱力学的平衡にもたらす又は平衡に十分に近い状態にもたらすのに適した幾何学的形状を有する要素である。手段１２９は、例えば、他の方法で発熱反応を開始させる高温面を提供する点火要素等の装置とすることもできる。手段１２９が、図５の例示的な実施形態に示されているが、本発明の他の実施形態では、その手段は、図５に示されるのと同一又は異なる位置で利用することができる。
【００２９】
供給原料及び補助流体の少なくとも一方の温度は、手段１２２によって活性化するように制御され、この手段は、システムで利用可能な二次熱流或いは外部の熱源や電気ヒーターから利用可能な二次熱流を利用する熱交換器、熱電対等のガス温度測定装置、二次熱流の流れや温度又は電気ヒーターの電力を調整することにより熱入力を制御するための手段である。一実施形態では、手段１２２は、活性化温度を例えば反応閾値温度未満に制御するように実行することができる。これは、例えば最も高い局所的な温度をそのレベル未満に維持することによって実行することができる。例えば活性温度を反応閾値温度未満に制御する手段１２２は、例えば、システムや電気ヒーターで利用可能な二次熱流を利用する熱交換器、熱電対等のガス温度測定装置、二次熱流の流れや温度又は電気ヒーターの電力を調整することにより熱入力を制御する手段である。手段１２２はまた、流体が接触する材料の可能な触媒効果を考慮する既知の圧力範囲で、既知の反応物質の反応閾値温度に関する情報を利用するプロセッサによって達成することもできる。本発明に係る実施形態では、発熱反応が、一次供給原料流体と放出装置１１０の下流側の補助流体との間で行われるように設計することも可能である。
【００３０】
本発明の更なる一実施形態では、再循環装置は、システムによって必要とされる供給原料の量が、再循環の所望の流量を誘導するための駆動流に必要な量よりも多い場合に、少なくとも１つの供給原料の一部だけ放出装置１１０のノズル１１４を放出装置の下流側にバイパスさせるための手段１２４を含むことができる。手段１２４は、例えば、制御バルブに備え付けられたバイパスパイプ、又は遮断バルブに備え付けられた規定された拘束部である。このバイパスは、例えば、圧力レベルに基づいて少なくとも１つの供給原料の一部だけ放出装置１１０のノズル１１４を受動的にバイパスする手段１２４によって受動的に行うことができる。受動的にバイパスする手段１２４は、例えばオーバーフロー又はリリーフバルブであり、これらのバルブは、プロセス圧力が設定レベル未満である場合、好ましくは、既知の流れ特性を有する場合に、ばね又は空気圧作用によって受動的に閉じられる。少なくとも１つの供給原料の一部によって、放出装置の一次ノズルをバイパスすることはまた、バイパス制御の測定情報を利用した流体制御手段によって制御を積極的に行うことができる。
【００３１】
図４、図５、図６の再循環装置は、再循環される所望の流量を達成するために、放出装置１１０の流体のそれぞれの比率を調整して放出装置のノズル１１４に必要な駆動流及び圧力を維持するための手段１２０をさらに含む。好ましくは、一次供給原料流体及び少なくとも１つの補助流体のそれぞれの比率が調整されるが、例えば、第１の補助流体及び第２の補助流体のそれぞれの比率を調整することもできる。手段１２０は、例えば、既知の流れ特性を有するバルブ等の流量制御及び遮断装置、又は測定及び閉ループ制御フィードバック構成を含む流量制御装置である。再循環装置は、放出装置の一次流れの温度及び圧力測定手段を含むことができ、この温度及び圧力測定に基づいて、供給原料の正確な流れ情報が、放出装置の特性に基づいて取得することができる。この流れ情報は、供給原料ラインの１つの流れ測定手段を置き換えるために利用する、又は供給原料の流れ情報における不正確性を較正又は検出するための二次情報として利用することができる。また、温度制御手段からの加熱出力情報と一緒に異なる供給原料の熱容量の相違を利用して、一次供給原料の流れ情報を生成することができる。また、例えば、原料を供給する際にコンプレッサによって生じる一次ノズル流れの圧力振動の情報を利用して、供給原料の流れ情報を取得することができる。
【００３２】
本発明に係る更なる一実施形態では、図７に示される放出装置１１０は、第１ステージ１２６及び第２ステージ１２８を含み、各ステージは、供給される原料のための比較的高圧の一次(primary)流入口と、取り込まれる流体のための比較的低圧の吸引流入口と、中間圧力の流出口、及び第２ステージの一次流入口に接続された第１ステージの流出口とを含む。少なくとも１つの供給原料は、少なくとも１つの他の供給原料を取り込むために第１ステージ１２６で使用され、混合物を形成し、この混合物は、アノード１００側のガスの再循環を誘導するために、第２ステージ１２８で使用される。
【００３３】
図６は、電解による化学合成のために連続的又は定期的に使用するのを意図した燃料電池システムにおける本発明の実装態様の例示的な実施形態を示し、この燃料電池システムは、生成種を集めるための手段を含む。例示的な実施形態を発電モードで動作させた場合に、燃料が、一次供給原料流体１１６として供給される一方、補助供給原料流体１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃは、始動シーケンスでの燃料の部分酸化のために加圧された空気である。放出装置１１０での一次ノズル１１４の状態は、昇温状態、高温待機状態、及び空気によって燃料を補給することにより又はガスポンプ１５０によって再加圧されたアノード排ガスを回収することによる部分的な低負荷動作モードに維持することができる。電解モードでは、一次供給原料（供給原料３）としての水が、液体として蒸気発生器に１５４に圧送される。電解モードの動作で二次原料も供給可能であるが、二次原料は、外部から供給される二酸化炭素、水素及び窒素、又は回収されアノード排ガスに限定されない。補助的な供給原料は、所望の反応物質の利用率で最適な電解性能を得るために、電池スタック１０３のアノード側セル１００に供給される混合物のガス組成を調整するために使用することができる。二酸化炭素と水の共電解(co-electrolysis)は、水及び隔離した二酸化炭素から合成ガスを生成するために使用することができる。電解が、電解生成物が別の時点で発電用の燃料として使用されることを意図して周期的なエネルギー貯蔵のための手段として使用される場合に、外部回路は、供給原料を放出装置１１０の一次ノズル１１４に供給するために、手段１１６、１１８を介して生成ガスの貯蔵部に接続するように配置することができる。図６の例示的な実施形態では、液体を蒸発器１２３に圧送する液体ポンプ１５４も示されている。
【００３４】
本発明に係る実施形態では、様々な種類の放出装置を使用することができる。例えば電池スタックの各グループがそれ自体の放出装置を有するような、並列接続された放出装置を用いることができる。
【００３５】
本発明について、添付の図面及び明細書を参照して示してきたが、本発明は、これら添付の図面及び明細書の記載に限定されるものではなく、本発明は、特許請求の範囲によって可能となる範囲内の燃料電池システム又は電解セルシステム及びこの方法の変形形態にまで及ぶ。
【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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【図７】
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