(57)【要約】分離器スクラバ５８および分離ループ７８によって、燃料電池１２の燃料反応物流が浄化される。燃料反応物から水へ不純物を分離するために、水がスクラバ５８内のアンモニア溶解手段６１の表面にわたって通流しながら燃料反応物流がこの表面にわたって通流する。アキュムレータ６８によって、分離された不純物および水が収集され、分離ループポンプ８４によって、分離された不純物流が分離ループ７８を介して案内される。熱交換器８６によって、分離された不純物流の熱が修正され、イオン交換層８８によって、分離された不純物流から不純物が取り除かれる。分離ループ７８は、充填床６２へ浄化された流れを戻す。燃料反応物流から不純物を分離し、次に、この分離された不純物をイオン交換層８８内で分離および濃縮することによって、費用およびメンテナンスの要件を最小限にする。
2010504613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池（１２）の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループ（１０）であって、
ａ．前記燃料電池（１２）の燃料反応物入口ライン（２６）と流体連通するように取り付けられた分離器スクラバ（５８）であって、分離器スクラバ（５８）内で前記燃料反応物流から液体分離不純物流へアンモニアを溶解するように分離器スクラバ（５８）のスクラバコンテナ（６４）内に配置されたアンモニア溶解手段（６１）と、前記アンモニア溶解手段（６１）に隣接して取り付けられるとともに該アンモニア溶解手段（６１）を介して通流する水を吐出するように構成された水吐出部（６６）と、前記アンモニア溶解手段（６１）に隣接して取り付けられるとともに該アンモニア溶解手段（６１）を介して通流する燃料反応物を吐出するように構成された燃料反応物吐出部（６０）と、前記アンモニア溶解手段（６１）と流体連通するように取り付けられたアキュムレータ（６８）と、前記スクラバコンテナ（６４）内に取り付けられるとともに前記アンモニア溶解手段（６１）および前記分離器スクラバ（５８）から前記燃料反応物入口ライン（２６）へ前記反応物流を戻すように構成されたスクラバ燃料出口（９８）と、を備えた分離器スクラバ（５８）と、
ｂ．前記分離器スクラバ（５８）と流体連通するように取り付けられた分離ループ（７８）であって、分離された不純物流を前記アキュムレータ（６８）から案内するように構成されたループ導管（８０）と、該ループ導管（８０）を介して前記分離された不純物流をポンプ輸送するために前記ループ導管（８０）と流体連通するように取り付けられた分離ループポンプ手段（８４）と、前記ループ導管（８０）と熱交換関係をとるように取り付けられるとともに前記ループ導管（８０）内の前記分離された不純物流とともに熱エネルギを輸送するように構成された分離ループ熱交換器（８６）と、前記ループ導管（８０）と流体連通するように取り付けられるとともに該ループ導管（８０）内の前記分離された不純物流から不純物を取り除くように構成されたイオン交換層（８８）と、該イオン交換層（８８）の出口（９２）と前記分離器スクラバ（５８）内の水吐出部（６６）との間で流体連通するように取り付けられるとともに前記イオン交換層（８８）から前記分離器スクラバ（５８）へ浄化された流れを戻すように構成されたループ導管戻りライン（９０）と、を備えた分離ループ（７８）と、
を有した燃料電池（１２）の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループ（１０）。
【請求項２】
前記イオン交換層（８８）の出口（９２）と前記ループ導管戻りライン（９０）との間に取り付けられるとともに前記イオン交換層（８８）から二酸化炭素を選択的にガス抜きするように構成された二酸化炭素ベントバイパスライン（１０４）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループ（１０）。
【請求項３】
前記スクラバ燃料出口（９８）に隣接して取り付けられるとともに前記分離器スクラバ（５８）から前記燃料反応物流内への水の飛沫の通過を制限するように構成されたミストエリミネータ（１０２）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループ（１０）。
【請求項４】
前記スクラバコンテナ（６４）および新しい水入口バルブ（７４）と流体連通するように取り付けられるとともに前記スクラバコンテナ（６４）内へ新しい水を選択的に案内するように構成された新しい水供給源（７０）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループ（１０）。
【請求項５】
前記スクラバコンテナ（６４）と流体連通するように取り付けられるとともに前記スクラバ（５８）から過剰な水を選択的に案内するように構成されたオーバフローベント部（７６）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループ（１０）。
【請求項６】
前記アンモニア溶解手段（６１）は、高表面領域媒体の充填床（６２）を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループ（１０）。
【請求項７】
前記燃料反応物流から情報を検知し、この検知された情報に応答して前記分離ループ（７８）を制御するために、前記燃料反応物流と流体連通するように前記スクラバ燃料出口（９８）に隣接して取り付けられたコントローラ手段（９６）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループ（１０）。
【請求項８】
水素含有燃料を燃料反応物流に改質するように燃料改質器手段（５０）から燃料反応物入口ライン（２６）内へと流入する前記燃料反応物流から不純物を除去するための不純物分離器（５８）および分離ループ（７８）であって、
ａ．前記燃料電池（１２）の燃料反応物入口ライン（２６）と流体連通するように取り付けられた分離器スクラバ（５８）であって、分離器スクラバ（５８）内で前記燃料反応物流から分離された液体および不純物の流れへアンモニアを溶解するように分離器スクラバ（５８）のスクラバコンテナ（６４）内に配置されたアンモニア溶解手段（６１）と、前記アンモニア溶解手段（６１）に隣接して取り付けられるとともに該アンモニア溶解手段（６１）を介して通流する水を吐出するように構成された水吐出部（６６）と、前記アンモニア溶解手段（６１）に隣接して取り付けられるとともに前記改質器手段（５０）から該アンモニア溶解手段（６１）を介して通流する燃料反応物を案内するように構成された燃料反応物吐出部（６０）と、前記アンモニア溶解手段（６１）と流体連通するように取り付けられたアキュムレータ（６８）と、前記スクラバコンテナ（６４）内に取り付けられるとともに前記アンモニア溶解手段（６１）および前記分離器スクラバ（５８）から前記燃料反応物入口ライン（２６）へ前記反応物流を戻すように構成されたスクラバ燃料出口（９８）と、を備えた分離器スクラバ（５８）と、
ｂ．前記分離器スクラバ（５８）と流体連通するように取り付けられた分離ループ（７８）であって、前記アキュムレータ（６８）から分離された不純物流を案内するように構成されたループ導管（８０）と、該ループ導管（８０）を介して前記分離された不純物流をポンプ輸送するために前記ループ導管（８０）と流体連通するように取り付けられた分離ループポンプ手段（８４）と、前記ループ導管（８０）と熱交換関係をとるように取り付けられるとともに前記ループ導管（８０）内の前記分離された不純物流とともに熱エネルギを輸送するように構成された分離ループ熱交換器（８６）と、前記ループ導管（８０）と流体連通するように取り付けられるとともに該ループ導管（８０）内の前記分離された不純物流から不純物を取り除くように構成されたイオン交換層（８８）と、該イオン交換層（８８）の出口（９２）と前記分離器スクラバ（５８）内の水吐出部（６６）との間で流体連通するように取り付けられるとともに前記イオン交換層（８８）から前記分離器スクラバ（５８）へ浄化された流れを戻すように構成されたループ導管戻りライン（９０）と、を備えた分離ループ（７８）と、
を有した燃料反応物流用の不純物分離器（５８）および分離ループ（７８）。
【請求項９】
前記イオン交換層（８８）の出口（９２）と前記ループ導管戻りライン（９０）との間に取り付けられるとともに前記イオン交換層（８８）から二酸化炭素を選択的にガス抜きするように構成された二酸化炭素ベントバイパスライン（１０４）をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループ（１０）。
【請求項１０】
前記スクラバ燃料出口（９８）に隣接して取り付けられるとともに前記分離器スクラバ（５８）から前記燃料反応物流内への水の飛沫の通過を制限するように構成されたミストエリミネータ（１０２）をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループ（１０）。
【請求項１１】
前記スクラバコンテナ（６４）および新しい水入口バルブ（７４）と流体連通するように取り付けられるとともに前記スクラバコンテナ（６４）内へ新しい水を選択的に案内するように構成された新しい水供給源（７０）をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループ（１０）。
【請求項１２】
前記スクラバコンテナ（６４）と流体連通するように取り付けられるとともに前記スクラバ（５８）から過剰な水を選択的に案内するように構成されたオーバフローベント部（７６）をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループ（１０）。
【請求項１３】
前記アンモニア溶解手段（６１）は、高表面領域媒体の充填床（６２）を備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループ（１０）。
【請求項１４】
前記燃料反応物流から情報を検知し、この検知された情報に応答して前記分離ループ（７８）を制御するために、前記燃料反応物流と流体連通するように前記スクラバ燃料出口（９８）に隣接して取り付けられたコントローラ手段（９６）をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループ（１０）。
【請求項１５】
ａ．燃料反応物流から水へ不純物を分離するために、アンモニア溶解手段（６１）を介して前記水を通流させながら、分離器スクラバ（５８）内で前記燃料反応物流から液体不純物流へアンモニアを溶解するように前記アンモニア溶解手段（６１）を介して前記燃料反応物流を通流させるステップと、
ｂ．充填床からアキュムレータ（６８）内へ不純物を含む水を蓄積するステップと、
ｃ．前記アキュムレータ（６８）から分離ループ（７８）を介して、分離された不純物流としてこれらの水および不純物を循環させるステップと、
ｄ．分離ループ熱交換器（８６）内で前記分離された不純物流の温度を修正するステップと、
ｅ．分離ループイオン交換層（８８）内で前記不純物流から前記不純物を取り除くステップと、
ｆ．前記分離ループ（７８）から前記アンモニア溶解手段（６１）へ戻すように、浄化された流れを循環させるステップと、
を含む燃料電池（１２）用の燃料反応物流を浄化する方法。
【請求項１６】
前記分離された不純物流にアンモニア溶解度増大反応物を付加するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
所定の時間間隔で前記イオン交換層（８８）を交換するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
所定の時間間隔で交換されるように前記イオン交換層の大きさを決めるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、運搬用車両、移動式発電装置や固定式発電装置での使用に適した燃料電池に関し、特に、燃料電池内に流入する燃料反応物流からアンモニアのような不純物を効率的に取り除く不純物分離器および分離ループに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、周知であり、水素含有還元流体燃料および酸素含有酸化剤反応物の流れから電流を生成し、運搬用車両のような電気的装置を給電するように一般的に使用される。従来技術の燃料電池では、燃料が改質器によって生成され、結果として得られた燃料が改質燃料と呼ばれ、この改質燃料は、改質器から燃料反応物流入口ラインを介して燃料電池のアノード流れ場へ流入する。周知のように、同時に、酸素リッチ反応物が燃料電池のカソード流れ場を介して通流し、電気を生成する。残念ながら、このような改質燃料は、不純物、特に、アンモニアを含むことが多い。改質燃料流内にアンモニアがあると、燃料電池の性能に悪影響を及ぼす。アンモニアが改質プロセスの共通の副産物であり、改質プロセスは、アンモニアの形成を最小限にするように設計されているが、改質燃料内に少量のアンモニアが存在することが一般的であることが知られている。改質器に供給されて燃料に改質される天然ガス内に存在する窒素によって、アンモニアが形成される。一般に、窒素含有量は、２〜３％であるが、世界のある地域では、１５％に達することもある。電解質としてリン酸を備えた周知の燃料電池では、天然ガス内に窒素が１〜２％よりも多く存在すると望ましい１０年間の寿命が達成できない。さらに、オートサーマル改質器または部分酸化改質器の場合には、改質プロセス用の酸素供給源として空気が使用される際に、窒素も案内され得る。
【０００３】
燃料電池の燃料反応物流からアンモニアおよび他の不純物を取り除くために、多くの努力がなされてきた。例えば、燃料電池発電装置の水からアンモニアを取り除く精錬システムが、Ｇｒａｓｓｏによって１９８９年１月３１日に出願された米国特許出願第４，８０１，３５６号明細書において開示されている。Ｇｒａｓｓｏによるシステムは、アンモニア不純物を取り除くように、改質燃料を冷却するために使用されてきた冷却水を第１の流れストリッパおよび第２の流れストリッパを介して通流させることを含む。Ｇｒａｓｓｏによるこのシステムは、効率的ではあるが、複雑で費用のかさむストリッパを要し、多量の燃料電池冷却水を処理しなければならない。
【０００４】
ごく最近では、改質燃料からアンモニアおよび他の不純物を取り除く他の精錬システムが、Ｂｏｎｖｉｌｌｅ，Ｊｒ等によって２００２年４月２３日に出願された米国特許出願第６，３７６，１１４号明細書において開示されている。Ｂｏｎｖｉｌｌｅ，Ｊｒ等によるシステムは、処分可能なアンモニアスクラバ、アンモニア洗浄冷却水床、アンモニア蒸発温水床、一対の第１および第２の再生可能スクラバまたは１つの再生可能スクラバを代替的に備える。Ｂｏｎｖｉｌｌｅ，Ｊｒ等によるシステムも効率的ではあるが、システムを運転するために高水準のメンテナンスを要する精巧で費用のかさむ構成要素を備える。燃料電池用の他のアンモニアおよび関連した不純物除去システムが本技術分野において知られているが、これらの除去システムは、費用およびメンテナンス要件を最小限にしながらアンモニアを効率的に取り除くことができない。最もよく知られているアンモニア不純物除去システムでは、多量の流体を処理する大きな構成要素を必要とするか、もしくは不純物を含むフィルタおよび／またはイオン層などの除去および交換をかなり頻繁に必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、かなり頻繁にメンテナンスすることなく長期間効率的に運転され得る、燃料反応物用の不純物除去システムが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループに関する。この分離器は、燃料電池の燃料反応物入口ラインと流体連通するように取り付けられた分離器スクラバである。この分離器スクラバは、スクラバコンテナ内に配置された高表面領域媒体を充填した床を備える。水吐出部が、重力によって媒体の表面領域にわたって通流する水を吐出するように充填床の上方に取り付けられている。燃料反応物吐出部が、燃料反応物吐出部から充填床を介して上方へ通流する燃料反応物を吐出するように充填床の下方に取り付けられている。アキュムレータが、充填床の下方に水を蓄積するために充填床と流体連通するように取り付けられている。アキュムレータは、充填床および燃料反応物吐出部の下方に配置されたスクラバコンテナ内の水蓄積領域によって簡単に構成されてもよい。スクラバ燃料出口が、スクラバコンテナから燃料反応物入口ラインへ戻る燃料反応物流を案内するようにスクラバコンテナ内に画定されている。
【０００７】
分離ループは、分離器スクラバと流体連通するように取り付けられており、分離器スクラバのアキュムレータから分離器スクラバへ最終的に戻る分離された不純物流を案内するループ導管を備える。分離された不純物流をループ導管を介してポンプ輸送するために、分離ループポンプが、ループ導管と流体連通するように取り付けられている。ループ導管内の分離された不純物流を加熱するか、またはこの流れから熱を取り除くために、熱交換器が、ループ導管と熱交換関係をとるように取り付けられている。分離された不純物流をイオン交換層を介して案内し、この流れから不純物を取り除くために、イオン交換層が、ループ導管と流体連通するように取り付けられている。浄化された流れが水吐出部を介して吐出して充填床にわたって通流するようにイオン交換層から分離器スクラバへ戻る浄化された流れを案内するために、ループ導管戻りラインが、イオン交換層の出口と分離器スクラバの水入口との間で流体連通するように取り付けられている。
【０００８】
好ましい実施例では、二酸化炭素、水素ガスや他のガス気泡の流れがイオン交換層からループ導管内の水流に入って分離器スクラバへ戻るように、不純物分離器および分離ループは、イオン交換層とループ導管戻りラインとの間に取り付けられた二酸化炭素ベントバイパスラインを備え得る。他の好ましい実施例では、熱交換器および分離ループポンプを制御するために、分離器スクラバから流出された燃料反応物流の温度および／または水分含有量がコントローラによって検知され得る。これにより、分離ループを介して循環する水の最適な温度が達成され、分離器スクラバから燃料電池へ流入する燃料反応物流の温度および水分含有量の両方または一方が制御される。分離ループポンプおよび熱交換器は、分離器スクラバ内における燃料反応物流から水への熱移動と、燃料反応物流からの望ましいアンモニア除去レベルとの間の均衡を達成するように制御および／または設定され得る。また、アンモニアの除去は、水中のアンモニア溶解度に依存する。したがって、分離器スクラバを通過する水の温度は、改質器から分離器スクラバを介して燃料電池へ流入する暖かい燃料からの最適なアンモニア除去および最適な熱移動の達成を促進させることによって制御され得る。
【０００９】
最初に分離器スクラバ内で燃料流から液体水へアンモニアを分離し、次に分離された不純物流を分離ループを介して循環させることによって、本発明では、分離された不純物流からアンモニアのみが取り除かれ、これにより、比較的少ない量のイオン交換材料のみが必要とされる。したがって、改質器に向かう燃料供給源内の既知のアンモニア濃度に基づいて、適切な大きさのイオン交換層が構成され、これにより、イオン交換層は、望ましい所定の時間間隔で交換されるのみである。例えば、改質器に供給される燃料の窒素濃度が既知であり、燃料電池の望ましい運転維持スケジュールが１年に１回イオン交換層を交換するのみである場合には、分離ループ内を循環している水から濃縮されたアンモニアを濾過するようにイオン交換層の大きさを決める即ち寸法決めすることが可能となり、これにより、イオン交換層が１年に１回の間隔で交換される必要があるのみである。
【００１０】
従来技術の浄化システムを用いてこのような性能を実現するには、非常に大きくて費用がかさみかつより複雑なスクラバおよび／またはイオン交換層が必要となるか、イオン交換層や他の不純物分離装置が、非常に多くの間隔で交換される必要があるであろう。本発明では、燃料改質器システムのように他の発電装置水システム全てから離間されている分離ループ内で不純物が分離され、アンモニアのみが水から取り除かれる必要がある。したがって、本発明の不純物分離器および分離ループによって、燃料電池の燃料反応物流内における不純物の除去が非常に効率的になり、燃料反応物流の最適な温度および水分含有量が維持される。
【００１１】
したがって、本発明の一般的な目的は、燃料電池の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループを提供し、従来技術の欠点を克服することである。
【００１２】
本発明のより特定の目的は、燃料電池の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループを提供し、燃料電池の燃料反応物流からの不純物の除去と、この燃料反応物流の最適な温度および水分含有量の維持と、を向上させることである。
【００１３】
燃料電池の燃料反応物流用の本発明の不純物分離器および分離ループにおけるこれらおよび他の目的や利点は、以下の説明を添付の図面と組み合わせて参照すると、より容易に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に基づいて構成された燃料電池の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループを備えた燃料電池の簡素化された概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図を詳細に参照すると、図１には、燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループを備えた燃料電池が図示されており、参照番号１０によって全体的に示されている。本発明に適した燃料電池１２は、電解質１８の両側に取り付けられたカソード流れ場１４およびアノード流れ場１６を備える。電解質１８は、リン酸電解質、陽子交換膜（「ＰＥＭ」）電解質または本技術分野において周知の電解質であってもよい。酸素含有反応物流が、酸素供給源２０から酸化剤入口２２を介してカソード流れ場１４へ輸送され、カソードベント部２４を介して燃料電池１２から排出される。水素含有還元流体燃料が、燃料反応物入口ライン２６を介してアノード流れ場１６へ案内され、アノードベント部２８を介して燃料電池１２から排出される。
【００１６】
また、燃料電池１２は、水をベースとする冷媒を有した冷媒プレート３０を備えており、この冷媒は、冷媒ループ３２を経由してプレート３０を介して循環する。冷媒ループは、この冷媒ループ３２を介して冷媒を案内する冷媒ループ導管３４を備える。冷媒供給源３６が、冷媒入口バルブ３８および冷媒入口ライン４０を介して冷媒ループ導管３４へと冷媒を選択的に案内する。冷媒ポンプ４２が、冷媒ループ３２を介して冷媒をポンプ輸送するために、冷媒ループ導管３４と流体連通するように取り付けられている。冷媒ループ熱交換器４４が、冷媒ループ導管３４を介して循環する冷媒の温度を制御するために、冷媒ループ導管３４と熱交換関係をとるように取り付けられている。水蒸気分離器４６が、冷媒ループ導管３４内の液体冷媒から水蒸気を分離するために、冷媒ループ導管３４と流体連通するように取り付けられている。
【００１７】
水蒸気は、天然ガスのような水素リッチ燃料を水素ガスのような改質燃料に改質するために、水蒸気分離器４６から水蒸気ライン４８を介して改質器手段５０へ案内される。燃料が、水素含有燃料供給源５２から燃料ライン５４を介して改質器５０へ案内される。燃料供給源５２は、圧縮された供給源であってもよく、または本技術分野において周知のように燃料の圧力を増加させる圧縮手段を備えてもよい。改質器５０は、水素リッチ流体を燃料電池において使用されるのに適した改質燃料に改質するための本技術分野において周知の改質器手段であってもよい。また、改質器手段は、水素リッチ燃料を燃料電池に適した改質燃料へと処理するのに必要な、例えば、脱硫器、シフトコンバータなどの関連した構成要素を備える。
【００１８】
改質器５０およびこれに関連した構成要素から流出された改質燃料は、燃料反応物入口ライン２６の第１の部分５６を通過する。その後、燃料は、分離器スクラバ５８へ案内され、該スクラバ５８内の燃料反応物吐出部６０を介して吐出される。分離器スクラバ５８は、分離器スクラバ５８内で改質燃料から液体分離不純物流へアンモニアを溶解するアンモニア溶解手段６１を備える。ここで、アンモニア溶解手段６１とは、例えば、スクラバコンテナ６４内に配置された高表面領域媒体を充填した床６２である。利用され得る代替のアンモニア溶解構造体６１は、連続気泡発泡体、単一一体型セラミック発泡体、ハニカム材料、波形材料、ウールまたはワイヤメッシュ構造体を含む。重力によって充填床６２を介して下方へ吐出部６６から水を吐出するように、水吐出部６６が、充填床６２の上方に取り付けられている。充填床６２を介して下方に水が通流しているときに、燃料が吐出部６０を介して吐出され、充填床を介して上方に通過するように、燃料吐出部６０が充填床の下方に取り付けられている。気体燃料が充填床６２の表面領域を横切ってこれに接触する際に、気体燃料中の不純物は充填床６２内の媒体の表面を横切る水へ溶解される。分離器スクラバ５８内の上述の充填床６２を介した流れは、重力によって下方に向かう水流と、この水流に対抗する上方へ向かう気体燃料流（「対向流（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｆｌｏｗ）」）と、を用いて説明されてきた。しかし、本発明の範囲内におけるスクラバ５８の他の構成が、代替の流れパターンを提供し得ることを理解されたい。ここで、この代替の流れパターンでは、水流および燃料流が、互いに交差する（「交差流（ｃｒｏｓｓ−ｆｌｏｗ）」）および／または互いに平行になる（「共同流（ｃｏ−ｆｌｏｗ）」）。
【００１９】
水が充填床を介して下方へ通流してアキュムレータ６８内に蓄積されるように、アキュムレータ６８がスクラバコンテナ６４内に、例えば、燃料反応物吐出部６０の下方に画定される。しかし、アキュムレータ６８は、スクラバコンテナ６４内の水と流体連通するように取り付けられた個別のコンテナ（図示せず）であってもよいことを理解されたい。始動時に、水入口ライン７２および水入口バルブ７４を介してスクラバコンテナ６４内に水を案内するように、もしくは水の均衡が維持されていない場合に、運転中に追加の水をスクラバ５８に補充するように、新しい水の供給源７０が、スクラバコンテナ６４と流体連通するように取り付けられてもよい。また、オーバフローベント部７６が、スクラバ５８から過剰な水を案内するためにスクラバコンテナ６４に取り付けられてもよい。
【００２０】
分離ループ７８が、ループ導管８０を経由して分離器スクラバ５８と流体連通するように取り付けられている。ループ導管８０は、スクラバコンテナ６４内に画定された水出口８２に取り付けられるとともにアキュムレータ６８内の水と流体連通する。また、分離ループ７８は、水および分離された不純物からなる流れを分離器スクラバ５８からループ７８を介して通流させるようにポンプ輸送するために、分離ループポンプ手段８４を備える。分離ループ熱交換器８６が、ループ導管８０と熱交換関係をとるように取り付けられる。分離ループ熱交換器８６は、ループ導管８０内の分離された不純物流を加熱または冷却するために使用され得る。分離ループ熱交換器８６は、分離された不純物流とともに熱エネルギを輸送し、分離ループ７８を通過する水の最適な温度を維持し、分離器スクラバ５８を介して出される燃料反応物流の望ましい温度および相対湿度をもたらすように構成および／または運転され得る。また、分離された不純物流をイオン交換層８８を介して案内し、分離された不純物をこの層８８内の不純物流の水から取り除くために、分離ループ７８は、ループ導管８０と流体連通するように取り付けられたイオン交換層８８を備える。また、分離ループ７８から水吐出部６６を介して分離器スクラバ５８へ浄化された水を戻すために、分離ループ７８は、イオン交換層の出口９２と分離器スクラバ５８の水入口９４との間において流体連通するように取り付けられたループ導管戻りライン９０を備える。イオン交換層８８は、例えば、陽イオン交換樹脂を含む層である、液体流から不純物を取り除くための本技術分野で周知のイオン交換手段であってもよく、特に、水素形成陽イオン交換層がアンモニアの除去に好ましいであろう。
【００２１】
また、分離器スクラバ５８および分離ループ７８は、スクラバ燃料出口９８において、スクラバ５８から流出する燃料反応物流の温度および／または水分含有量のような情報を検知するために、コントローラ手段９６を備えてもよい。コントローラ手段９６は、このような温度、水位および／または水分の情報を検知し、電線、ラジオ送信、光ファイバのような伝達ラインや、例えば、マイクロプロセッサ、コンピュータなどのこれらの機能を実現可能な信号伝達手段を介してその情報を伝達するように設計され得る。検知された情報は、このような伝達ライン（点線１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃによって図１に示す）を介して分離ループポンプ８４および／または分離ループ熱交換器８６を制御するようにコントローラ９６によって利用され得る。このようなコントローラ手段９６は、コンピュータおよび電気機械スイッチおよび／またはポンプ８４の手動コントローラおよび／またはスクラバ燃料出口９８において観測された温度、水位および／または水分の情報に応答した熱交換器８６を備えてもよい。水中のアンモニア溶解度が水温の減少に伴って増加することが知られている。したがって、コントローラ手段９６は、水吐出部６６を介して吐出される水の温度を調整し、水中に溶解されるアンモニアの量を調整し、これにより、燃料反応物流の不純物除去を増加または減少させるように使用され得る。また、スクラバ５８は、燃料反応物流によって引きずられる水の飛沫の動きを除去するために、スクラバ燃料出口９８に隣接してミストエリミネータ１０２を備えてもよい。ミストエリミネータ１０２は、このような機能を達成する、例えば、スティールウールなどのミストエリミネータであってもよい。図１に示されているように、スクラバ分離器５８は、スクラバ燃料出口９８がアンモニア溶解手段６１の上方に位置し、燃料吐出部６０がアンモニア溶解手段６１の下方に位置するように構成される。したがって、スクラバ燃料出口９８は、燃料反応物流がアンモニア溶解手段６１を通過した後に、スクラバ分離器５８から燃料反応物流を案内する。
【００２２】
他の代替の実施例では、分離ループ７８は、イオン交換層８８から二酸化炭素や他のガス気泡をガス抜きするように構成された二酸化炭素ベントバイパスライン１０４を備え得る。分離ループ７８を介して循環する水および分離された不純物の流れ内に所定の二酸化炭素のレベルを有することが望ましい。しかし、二酸化炭素および他のガス気泡は、分離ループポンプ８４の入口における低圧のような様々な理由によって溶液中の可溶性ガスから生じ得る。さらに、アンモニアがループ導管内の水中に溶解すると、溶解されている二酸化炭素と結合して重炭素塩のイオン溶液となる。これにより、アンモニアおよび二酸化炭素の溶解度が増加する。アンモニアが、例えば、イオン交換層８８によって取り除かれると、元々結合されていた二酸化炭素は、気体の二酸化炭素として解放される。これらの気泡は、液体流が下方向に通流するのでイオン交換層８８内に閉じ込められる。イオン交換分野の当業者に周知のように、イオン交換容器内の水中にガスが蓄積することによってイオン交換層８８の性能が妨害される。二酸化炭素ベントバイパスライン１０４は、分離された不純物および水の流れから二酸化炭素や他のガス気泡をバイパスライン１０４を介してガス抜きし、これにより、二酸化炭素や他のガス気泡を分離ループ導管戻りライン９０に戻すか、または分離ループ７８から排出するように構成されるとともに利用され得る。
【００２３】
充填床６２は、媒体の表面領域にわたる液体流を経由して不純物を取り除くためにスクラバ内において使用される高表面領域媒体を備え得る。充填床において使用され得るこのような高表面領域媒体の例は、金属材料またはセラミック材料で形成され得るポールリング、ラシヒリング、ベルルサドルなどを含む。
【００２４】
図１に示されている分離器スクラバ５８および分離ループ７８は、改質器手段と、燃料反応物入口ライン２６に取り付けられたアノード流れ場との間の下流に配置されている。しかし、分離器スクラバ５８および分離ループ７８は、アンモニアや不純物を生成する改質器手段の構成要素と、アノード流れ場との間のどこに配置されてもよく、これにより、低温シフトコンバータ（図示せず）のような構成要素が、特定の燃料電池１２の様々な特定の要因に応じてスクラバ５８とアノード流れ場との間に取り付けられ得ることが指摘されている。
【００２５】
最初に入口ライン２６内に流入する燃料反応物流から分離器スクラバ５８内に留まるアンモニアや他の不純物を分離し、次にイオン交換層８８内で不純物を分離するように、分離された不純物流を分離ループを介して常に循環させることによって、本発明の効率は、周知技術の効率と比べてかなり達成される。上述されているように、イオン交換層８８の交換や修理のためのメンテナンスの間隔はかなり延長され、メンテナンスの費用は最小限となり得る。特に、燃料供給源のアンモニア不純物レベルが既知の場合には、イオン層８８は、不純物の除去容量を有するように選択されてもよく、これにより、層８８は、所定の間隔、例えば、１年に１回の間隔で除去または修理される必要があるのみである。さらに、本発明の不純物除去プロセスが、基本的に２段階のプロセスであり、該プロセスは、最初にスクラバ５８内で燃料反応物流から不純物を分離するステップと、次にイオン交換層８８内で、循環している分離された不純物流を介して不純物を分離および濃縮するステップと、を備えているので、充填床６２を通流する燃料流の妨害によって、非常に小さい圧力降下だけが生じる。このように、圧力降下が小さいので、燃料電池１２を介して燃料供給源５２から燃料を輸送する際の費用および複雑さが最小限となる。
【００２６】
また、本発明の不純物分離器および分離ループ１０は、燃料電池１２の燃料反応物流を浄化する方法を含む。この方法は、燃料反応物流から水へ不純物を分離するように、最初にスクラバ５８内で充填床６２の表面に隣接して燃料反応物流を通流させながら充填床６２の表面にわたって水を通流させるステップと、充填床にわたって流れてきた不純物を含む水をアキュムレータ６８内に蓄積するステップと、スクラバの水出口８２から分離ループ７８を介して、不純物流として水および不純物を循環させるステップと、分離ループ熱交換器８６内で不純物流の温度を修正するステップと、分離ループイオン交換層８８内で不純物流から不純物を取り除くステップと、充填床６２の表面領域にわたって通流させるように分離ループ７８を介してスクラバ５８内の水吐出部６６へ戻すように浄化された流れを循環させるステップと、を含む。付加的かつ選択的なステップが、分離ループイオン交換層８８内で、分離された不純物流から不純物を取り除くステップの前に、分離された不純物流にアンモニア溶解度増大反応物を付加することを含んでもよい。適切な濃度のリン酸のようなアンモニア溶解度を増大させるとともに上述の不純物分離器および分離ループ１０に適合する反応物が、適切であろう。
【００２７】
代替の実施例では、本発明の不純物分離器５８および分離ループ７８は、水素含有燃料を燃料反応物流へ改質する改質器手段５０外へ流出された燃料から不純物を除去するように利用され得る。ここで、燃料反応物入口ライン２６によって、エンジン、炉などの代替の水素消費装置（図示せず）へ燃料が案内される。このような実施例では、本発明１０は、燃料改質器手段５０、アンモニア溶解手段６１、分離ループ７８、燃料改質器手段５０に関連するとともに上述された構成要素を備えており、燃料反応物入口ライン２６は、不純物分離器５８から代替の燃料消費装置（図示せず）へ燃料を案内するように構成される。
【００２８】
燃料電池１２の燃料反応物流用の不純物分離器および分離ループ１０によって、燃料反応物流から不純物を取り除く周知の装置および方法と比べて効率がかなり高められることが理解できる。上述されたように、最初に燃料反応物流から、分離された不純物および水の流れへ不純物を分離し、次にイオン交換層８８内で分離ループ内の循環している不純物流から不純物を分離および濃縮することによって、本発明は、燃料電池の反応流を浄化することによる複雑さを非常に最小化する。頻繁に修理を要する１つの大きくかつ複雑な装置を介して反応物流を浄化する代わりに、本発明は、比較的自由な反応物燃料の流れをスクラバを介することによって可能にし、循環ループおよびイオン交換層内の不純物を濃縮および分離する。水流が浄化されて充填床６２にわたって何度も通過するように分離ループ７８を介して水流を循環させることによって、本発明は、所定の間隔で層から定期的に不純物を除去するためにイオン交換層内で分離された不純物の効率的な濃縮を可能にし、これにより、全体のコストおよびメンテナンス要件を最小限にする。
【００２９】
本発明は、説明されてかつ図示された不純物分離器および分離ループ１０について開示されてきたが、本発明がこれらの代替物や説明された実施例に限定されないことを理解されたい。例えば、リン酸を備えた電解質１８は、アンモニア不純物によって悪影響を及ぼされることが知られ、本発明から恩恵を受ける燃料電池１２の適当な形であるが、本発明は、他の周知の電解質を備えた燃料電池にもかなり有利であり、適切であろう。したがって、本発明の範囲を決定するために、前述の説明ではなく以下の請求項を主に参照されたい。
【図１】
2010504613.tif 000003
【国際調査報告】
2010504613.tif 000004