(57)【要約】【課題】  本願は、燃料電池システムのシステム全体の効率を高めることができる燃料電池を提供する。【解決手段】  本願の燃料電池システムは、燃料電池スタック（230）と、水素貯蔵ユニット（260）と、燃料極排出流（320）から水素ガス流（290）を生成するように構成されている水素生成ユニット（220）とからなることを特徴とする。【選択図】  図１
2005050812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を得る方法であって、
燃料極（140）に燃料ガス流（10）を通して燃料極排出流（30）を生成するステップと、
前記燃料極排出流（30）の少なくとも一部分から水素ガス流（60）を得るステップと
を有する方法。
【請求項２】
前記水素ガス流（60）が水素膜を使用して得られる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
燃料電池スタック（130）がデュアルチャンバスタックを含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
燃料電池スタック（130）がシングルチャンバスタックを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記水素ガス流（60）を水素貯蔵装置（160）内に蓄えるステップをさらに有する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
燃料電池スタック（230）と、
水素貯蔵ユニット（260）と、
燃料極排出流（320）から水素ガス流（290）を生成するように構成されている水素生成ユニット（220）と
からなる燃料電池システム（220）。
【請求項７】
前記水素貯蔵ユニット（260）が、金属水素化物吸着床、水素収着材料及び圧縮ガスボンベからなるグループより選択された１つ又は複数の機構を有する請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記水素生成ユニット（220）が水素分離膜を含む請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
温度制御ユニット（270）をさらに備える請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
迅速な起動のために、燃料電池スタック（230）を介する水素を再利用する水素手段をさらに有する請求項６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
概して、本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池技術は、特に商業的に関心が持たれている。この技術の潜在的用途の範囲に関する研究開発は現在も続けられている。従来、研究は、進歩の可能性のある領域に焦点が当てられていた。燃料電池の起動、燃料電池の効率、システム効率、動作温度、可搬性、電力容量などに関連する全ての検討に高い関心が持たれている。
【０００３】
例えば、起動中、動作温度は比較的高く、システムに大量のエネルギーを加えなければならない。したがって、起動中により少ないエネルギーを使用して動作温度を達成することができるプロセス及びシステムは、システム効率を高める場合がある。さらに、複数の用途を有する燃料電池システム及びプロセスも高い関心が持たれている。例えば、他の機能強化のために使用されることもあり、すなわち高負荷時に追加の電力を提供することができる起動プロセス又は構成要素は、システムの全体的な効率を高めることがある。以下に説明する内容は、そのような問題の１つ又は複数に対処することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記のような問題の１つ又は複数に対処することができる燃料電池及び／又は燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書において、燃料電池及び／又は燃料電池システムに関連する様々な実施形態を開示する。様々な実施形態は、燃料極排出流から得られる水素を収集しかつ／又は使用することができる方法及びシステムを含む。他の実施形態は、水素貯蔵装置を含む燃料電池の方法及びシステムを含む。さらに他の実施形態は、燃料電池スタックに水素及び／又は熱を供給することができる燃料電池の方法及びシステムを含む。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、燃料電池及び／又は燃料電池システムに関連する種々の実施形態を開示する。種々の実施形態には、燃料電極排出流から得られた水素を収集し及び／又は利用し、水素貯蔵ユニットが組み込まれ、燃料電池スタックに水素及び／又は熱を供給することができる方法及びシステムを含む。本願構成によれば、燃料電池のシステム全体の効率を高めることが可能となる。
【０００７】
本発明の実施形態を詳細に説明するために、次に添付図面を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
表記と用語
特定のシステムの構成要素を参照するために、以下の説明及び特許請求の範囲の記載の全体にわたって特定の用語を使用する。当業者が理解するように、個人及び会社は、１つの構成要素を異なる名前で呼ぶ場合がある。この明細書は、機能ではなく名前が異なる構成要素を互いに区別することを意図していない。本明細書で使用されている用語は、その慣例的な意味及び通常の意味を有するように意図されている。この開示は、用語の通常の意味の一部分を放棄するように解釈されるべきではない。より正確に言うと、特に断らない限り、本明細書に開示されている定義又は説明は、用語又は句の通常及び慣例的な意味の範囲を補足、すなわちさらに追加するように意図されている。
【０００９】
さらに、例えば「装置、ユニット及び機構」あるいは「作成された、生成された及び得られた」という語が交換可能に使用される場合、これらの用語は、それぞれの交換可能な用語の適用範囲全体を含むその通常の意味よりも広い意味を有するように意図されている。したがって、特に断らない限り、本明細書では、用語の適用範囲の放棄又は否定として解釈されるものはない。
【００１０】
詳細な説明
以下の説明は、本発明の様々な実施形態を対象とする。これらの実施形態のうちの１つ又は複数が好ましい場合があるが、開示した実施形態は、特に断らない限り、特許請求の範囲を含む開示の適用範囲を限定するように解釈されたり又は使用されたりされるべきではない。さらに、当業者は、以下の説明が幅広い応用例を有し、どの実施形態の考察もその実施形態の単なる例示であるように意図されており、特許請求の範囲の記載を含む開示の適用範囲がその実施形態に限定することを暗示するように意図されていないことを理解するであろう。
【００１１】
本発明の様々な実施形態は、燃料極排出流から得られた水素を収集し及び／又は使用することができる方法及びシステムを含む。他の実施形態は、水素貯蔵装置を含む燃料電池の方法及びシステムを含む。さらに他の実施形態は、燃料電池スタックに水素及び／又は熱を供給することができる燃料電池の方法及びシステムを含む。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム100の概略図を示す。燃料電池システム100は、燃料電池110と水素生成ユニット120を含む。燃料電池110は、少なくとも１つの燃料極140、電解質145及び空気極150を有する燃料電池スタック130からなる。特定の形式及び設計の燃料電池スタック110は、本発明にとって重要ではない。例えばスタック110は、デュアルチャンバ設計又はシングルチャンバ設計を有する。また同様に、燃料極140、空気極150及び電解質145の材料は、本発明にとって重要ではなく、特定の最終用途によって要求され及び／又は必要とされるような任意の適切な材料から形成される。
【００１３】
例えば、適切な電解質材料には、立方体蛍石構造電解質、ドープド立方体蛍石電解質、プロトン交換重合体電解質、プロトン交換セラミック電解質及びこれらの混合物が含まれるが、これらに限定されない。さらに、電解質材料として、イットリア安定化ジルコニア（YSZ）、サマリウムドープドセリア（SDC、CexSmyO2-δ）、ガドリニウムドープドセリア（GDC、CexGdyO2-δ）、ランタンストロンチウムガリウムマグネシウム酸化物（LaaSrbGacMgdO3-δ）、及びこれらの混合物を挙げることができる。
【００１４】
適切な燃料極材料には、ニッケル、白金、ニッケル-イットリア安定化ジルコニア（Ni-YSZ）、銅-イットリア安定化ジルコニア（Cu-YSZ）、ニッケル-サマリウムドープドセリア（Ni-SDC）、ニッケル-ガドリニウムドープドセリア（Ni-GDC）、銅-サマリウムドープドセリア（Cu-SDC）、銅-ガドリニウムドープドセリア（Cu-GDC）、及びこれらの混合物が含まれるが、これらに限定されない。適切な空気極材料の例には、銀、白金、及びこれらの混合物、ならびにサマリウムストロンチウムコバルト酸化物（SSCO、SmxSryCoO3-δ）、バリウムランタンコバルト酸化物（BLCO、BaxLayCoO3-δ）、ガドリニウムストロンチウムコバルト酸化物（GSCO、GdxSryCoO3-δ）、ランタンストロンチウムマンガナイト（LaxSryMnO3）、ランタンストロンチウムコバルトフェライト（LawSrxCoyFezO3）、及びこれらの混合物が含まれるが、これらに限定されない。
【００１５】
水素生成ユニット120は、物理的機構又は化学的機構のどちらかによって水素ガスを生成又は分離することができる任意の適切な装置又は機構である。そのような形式の装置は、当技術分野において周知であり、一般に、反応を行って水素ガスを生成することによって行うか、あるいは水素を含む化学物質の混合物からなる流れより存在する水素を分離することによって行う。使用される特定の装置又は機構は、最終用途に要求され及び／又は必要な水素の純度に依存する。適切な例には、水素選択膜、圧力変動吸着法（PSA法）、水性ガスシフト反応器、水蒸気改質法、自己熱改質法、熱分解法、触媒部分酸化法などが含まれるが、これらに限定されない。
【００１６】
動作において、燃料電池システム100は、燃料ガス流10を燃料極140に通し、酸素含有ガス流20を空気極150に通して、燃料極排出流30を作成することによって水素を得るために使用される。次に、水素ガス流60を得るために、燃料極排出流30の少なくとも一部分が、管路50を介して水素生成装置120に流し込まれる。得られる水素は、燃料極排出物中の他のガスから生成された水素、あるいは燃料極供給路から燃料極を未反応で通った水素又は燃料電池110内で生成された水素のどちらかとして燃料極供給路内に既にある水素である。
【００１７】
本明細書において、「燃料極排出物」は、具体的には、燃料極材料がシングルチャンバスタック設計又はデュアルチャンバスタック設計の一部分かどうかに関係なく、燃料極材料からの排出物を含むように画定されていることを理解されたい。したがって、本明細書で説明し、図に示す全ての実施形態は、具体的には、どのように記述又は描写されているかに関係なく、シングルチャンバの燃料電池スタック及びデュアルチャンバの燃料電池スタックを含むように意図されている。したがって、図１において、燃料極排出流30は、燃料極チャンバ（デュアルチャンバ設計を使用する場合）からのガス流、又は燃料電池（シングルチャンバ設計を使用する場合、あるいは１つ又は複数の燃料極チャンバ排出物及び空気極チャンバ排出物が各チャンバから出た後に混合される場合）からのガス流を含むように意図されている。デュアルチャンバ設計を使用する場合には、空気極排出流が、燃料電池110（図示せず）から出てもよい。
【００１８】
水素生成ユニット120へ通過しない燃料極流出物は、管路40を流れ続けることがある。水素生成ユニット120を通過し、又は水素生成ユニット120で生成される他のガスは全て、さらに廃棄、処理、水素生成ユニット120に戻されて再利用及び／又は管路30又は40での燃料極排出物との混合のために、管路70を介して排出されてもよい。
【００１９】
次に、水素ガス流60は、さらなる処理、燃料電池110内へ戻されて再利用のために、第２の燃料電池（図示せず）や水素ガス源を必要とする任意の他の処理に送られる。本発明の１つの実施形態において、水素ガス60は、水素貯蔵ユニット160に送られる。任意の水素貯蔵ユニットで十分である。適切な水素貯蔵ユニットには、金属水素化物吸着床、水素収着材料、圧縮ガスボンベなどが含まれるが、これらに限定されない。
【００２０】
水素貯蔵ユニット160を使用して、燃料電池システム100や他のプロセス又は他の場所に水素を供給することができる。例えば、本発明の１つの実施形態において、管路10（図示したように）と接続するか又は燃料電池110（図示せず）と直接接続することによって、管路80を介して水素を燃料電池110に導入することができる。この開示全体にわたって、様々な他の要素に「接続している」（又は、その変形）と呼ばれる要素は、直接接続又は間接接続によって接続されていることを意味するように意図されており、例えば、他の装置、パイプ又は接続は、この語の適用範囲内にあると意図されている。燃料電池110は、起動中に管路80からの水素を使用して、高負荷時あるいは特定の最終用途による要求及び／又は必要に応じて、燃料電池の効率を高めることができる。もう１つの実施形態において、管路80からの水素は、同じ燃料電池システムの一部分であってもよく、そうでなくてもよい第２の燃料電池（図示せず）に供給される。
【００２１】
本発明の一実施形態において、水素貯蔵ユニット160からの水素が使い果たされたとき、水素生成装置120からのさらなる水素によって水素貯蔵ユニット160を再度満たすことができる。例えば、燃料電池110は、貯蔵水素を燃料極に通すことによって、水素貯蔵ユニット160からの貯蔵水素を燃料電池の起動プロセスの一部として使用することができる。次に、水素生成装置120を介して燃料極排出物から得た水素を使用して、水素貯蔵ユニット160を再度満たすことができる。
【００２２】
また水素貯蔵ユニット160は、さらに他の管路、例えば管路90を含む。本発明の一実施形態において、水素貯蔵ユニットは、水素が加えられたときに発熱反応を促進する活物質、例えば水素酸化触媒や他の触媒型材料を含む。例えば、金属水素化物吸着床は、酸素含有ガスとの発熱反応を結果生じる支持金属材料を含むことがある。使用できる適切な材料には、パラジウム（Pd）、白金（Pt）、ルテニウム（Ru）、ロジウム（Rh）、ニッケル（Ni）など、及びこれらの混合物が含まれるが、これらに限定されない。したがって、酸素含有ガスは、管路90を介して水素貯蔵ユニット160に供給される。さらに、発熱反応の結果生成された熱を熱源として使用することができる。例えば、熱は、燃料電池110全体を加熱するために管路80に通される。水素貯蔵ユニット160に燃料を導入し、燃焼させることによって、さらなる加熱を行うことができる。燃料電池110が所望の温度に達した後、水素貯蔵ユニット160への酸素含有ガスと燃料ガスの供給を断つことができる。次に、水素生成ユニット120を介して、要求及び／又は必要に応じて、水素貯蔵ユニット160内に水素を再度満たすことができる。
【００２３】
図２は、本発明の一実施形態による燃料電池システム200の概略図を示す。燃料電池システム200は、燃料電池210、水素生成ユニット220、水素貯蔵ユニット260及び温度制御ユニット270を含む。燃料電池210は、少なくとも１つの燃料極240、電解質245及び空気極250を有する燃料電池スタック230からなる。燃料電池210及びその構成要素に関する考察は、図１の燃料電池110に関して前に示したものと同じであり、例えば燃料電池スタック230は、デュアルチャンバの設計又はシングルチャンバの設計を有する。温度制御ユニット270は、反応物供給材料、すなわち酸素含有ガス310と燃料300の加熱、及び／又は燃料電池210の排出物320、330からの除熱を可能にする。排出管路320及び330は、実際には、シングルチャンバ燃料電池スタックの設計を使用するか、デュアルチャンバ燃料電池スタックからの排気を混合する燃料電池の単一排気管路でよいことを理解されたい。同様に、シングルチャンバスタックを使用した場合、反応物ガス流は、燃料電池スタック230の前、上流で混合されてもよく、燃料電池スタック230に露出された時に混合されてもよい。さらに、最終排出物410をより清浄にするために、排出管路320と330によって導入されるもの以外の化合物がユニット270内で燃焼されることがある。
【００２４】
燃料電池システム200の動作は、本明細書に示した様々な実施形態に従う。例えば、酸素含有ガスは、管路300を介して燃料極240に通されてもよく、燃料は、管路310を介して空気極250に通されてもよい。燃料電池の生成物と未反応ガスは、それぞれ管路320及び330を介して、燃料極240と空気極250から排出される。排出管路320及び330は、温度制御ユニット270に導かれ、そこで、排出管路の熱が熱交換器によって処理される。熱は、入ってくる酸素含有ガス420及び燃料ガス430の供給材料を加熱し、管路320及び330からの排出物を冷却するように交換される。
【００２５】
弁340を開くことにより、燃料極排出物の少なくとも一部分を管路280を介して水素生成ユニット220に送り、必要に応じて使用され得る水素ガスを生成することができる。図示するように、水素生成ユニット220から得られた水素ガスは、管路290を介して水素貯蔵ユニット260に導かれる。水素生成ユニット220内を通過するか、又は水素生成ユニット220内で生成された全ての他のガスは、さらなる廃棄、処理、水素生成ユニット220に戻されて再利用及び／又は管路320での燃料極排出物との混合のために管路440から出ることができる。弁360を開くことにより、管路350を介して、貯蔵水素を使用して燃料電池210の次の起動を支援することができる。図１の管路80に関して説明したように、管路350は、管路300（図示せず）との接続、又は燃料電池210（図示せず）との直接接続によって、燃料電池210に水素を導入することができる。貯蔵水素を起動時に使用する他にあるいはその使用と関係なく、動作中に必要に応じて、例えば高負荷時に、水素を燃料電池210に供給することができる。燃料電池システム200の遮断時には、弁340及び360を閉じ、貯蔵チャンバ内の水素を維持することができる。
【００２６】
本発明のもう１つの実施形態において、燃料電池システム200は、弁380及び400を備えた管路370及び390を含む。弁380を開くことにより、管路370は、起動時に水素貯蔵ユニット260を介して酸素含有ガスを通すために使用される。水素貯蔵ユニット260は、水素の酸化を促進する活物質を含む。酸素含有ガスが活物質に通されると、発熱を伴う水の形成が起こる。さらに弁360を開いて、燃料電池210に熱を導いてシステム全体を加熱することができる。また弁400を開いて、システム内の燃焼を促進し、さらに熱を生成することができる。燃焼動作には、水素貯蔵ユニット260内に水素ガスがまだあり、かつ十分な熱が既に出ていることが必要なことがある。十分な熱は約200℃である。燃料電池210が、所望の温度、例えば動作温度に達した後、弁380及び400は閉じられる。
【００２７】
以上の考察は、本発明の原理及び様々な実施形態の例示である。以上の開示を十分に理解した後で、当業者には様々な変形及び修正が明らかになるであろう。添付の特許請求の範囲の記載は、そのような全ての変形及び修正を包含するように解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態による水素生成の概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【符号の説明】
【００２９】
１００、２００      燃料電池システム
１１０、２１０      燃料電池
１２０、２２０      水素生成ユニット
１３０、２３０      燃料電池スタック
１４０、２４０      燃料極
１４５、２４５      電解質
１５０、２５０      空気極
１６０、２６０      水素貯蔵ユニット
２７０      温度制御ユニット
【図１】
2005050812.tif 000003
【図２】
2005050812.tif 000004