(57)【要約】効率に優れた水素燃料電池発電システムであって、燃料電池（１１０）、水素ガスの供給源（１４）、加圧空気流を生成するための圧縮機（１２４）、および前記発電システムからの廃熱によって加熱され前記加圧空気流（１３６）に気化して加圧空気と蒸気との混合物を生成する液体供給源を有する。前記加圧空気／蒸気混合物（１３８）は、好ましくは燃料電池において酸化剤として使用されるが、燃料とともにバーナ（１４０）で燃やされ、高温の蒸気含有排気流（１４２）が生成される。高温の蒸気含有排気流（１４２）が膨張器（１４４）を駆動し、動力が生成される。前記液体の気化は、燃料電池の外部にて生じさせてもよく、または好ましくは燃料電池内に直接噴射される冷却用の液体を使用して、燃料電池内で直接生じさせてもよい。前記燃料電池発電システムは、燃料電池の低温廃熱を好都合に利用して、液体を加圧空気中に気化させて比較的大きな膨張ポテンシャルを有する加圧空気／蒸気混合物（１３８）を得る。
2006512738.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードおよびカソードを有する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに供給される水素の供給源と、
加圧空気流を生成する圧縮機であって、その生成した前記加圧空気流を前記燃料電池のカソードに供給して、燃料電池膜においてアノードの水素と反応させて電力と廃熱を生成させる圧縮機と、
前記加圧空気流と連通する液体供給源であって、その供給源からの液体の少なくとも一部を前記発電システムの廃熱による加熱によって、前記加圧空気流中に気化させ、空気および蒸気からなる加圧混合物を生成させる液体供給源と、
燃料を前記加圧空気／蒸気混合物と一緒に燃焼させ、蒸気含有排気流を生成するバーナと、
前記バーナと連通する膨張機であって、前記蒸気含有排気流によって駆動され、前記空気の加圧に必要な動力を超える出力を生成する膨張機とを備え、
前記膨張機から前記超過出力を動力として取り出す燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１において、前記取り出された動力が、発電機を駆動するために使用されているシステム。
【請求項３】
請求項１において、前記取り出された動力が、前記発電システム内の少なくとも１つの構成要素を駆動するために使用されているシステム。
【請求項４】
請求項３において、前記システムの少なくとも１つの構成要素が、圧縮機およびポンプのうちの少なくとも１つを含むシステム。
【請求項５】
請求項１において、前記膨張機がタービンを含むシステム。
【請求項６】
請求項１において、前記水素供給源が燃料改質器を含むシステム。
【請求項７】
請求項６において、前記バーナが、燃料改質反応のための熱を供給するシステム。
【請求項８】
請求項１において、前記水素供給源が、前記燃料電池膜で、または燃料電池膜近傍で直接水素を生成するように、少なくとも一部が改質された燃料を含むシステム。
【請求項９】
請求項１において、前記燃料電池が、非ハイブリッド水素方式燃料電池を含むシステム。
【請求項１０】
請求項９において、前記水素の供給源が、貯蔵された水素の供給源を含むシステム。
【請求項１１】
請求項９において、前記バーナによって燃焼される燃料が、前記アノードから排出された未反応水素を含むシステム。
【請求項１２】
請求項９において、前記バーナによって燃焼される燃料が、前記燃料電池のアノード以外の供給源からの追加の燃料を含むシステム。
【請求項１３】
請求項１２において、前記追加の燃料が水素を含み、前記供給源が、前記水素の供給源を含むシステム。
【請求項１４】
請求項１３において、さらに、前記供給源からの水素を前記バーナに選択的に供給するための絞り弁を有しているシステム。
【請求項１５】
請求項１１において、さらに、前記燃料電池のアノードからの排気を前記バーナに選択的に供給するためのパージ弁を有しているシステム。
【請求項１６】
請求項９において、さらに、前記バーナの排気からの熱を、少なくとも１つの流体に伝達するための熱交換器を備えているシステム。
【請求項１７】
請求項１６において、前記流体がバーナへの入力物を含むシステム。
【請求項１８】
請求項１６において、前記熱交換器が、前記バーナの排気が前記膨張機を通過した後に、前記バーナ排気から熱を伝達するシステム。
【請求項１９】
請求項１６において、前記熱交換器が、前記バーナ排気が前記膨張機を通過する前に、前記バーナ排気から熱を伝達するシステム。
【請求項２０】
請求項１において、さらに、前記バーナ排気をシステムから放出する前に前記バーナ排気から蒸気を回収する凝縮器を有しているシステム。
【請求項２１】
請求項２０において、さらに、前記バーナ排気に背圧を選択的に加えて前記バーナの排気内の蒸気の回収を容易にする装置を有しているシステム。
【請求項２２】
請求項１において、さらに、前記システムを循環して前記燃料電池から廃熱を除去する冷却用流体を含むシステム。
【請求項２３】
請求項２２において、前記加圧空気中へと気化する液体の供給源が、冷却用流体を含むシステム。
【請求項２４】
請求項２２において、前記加圧空気中へと気化する液体の供給源が、前記冷却用流体からの廃熱によって加熱されるシステム。
【請求項２５】
請求項１において、前記供給源からの液体が、前記燃料電池内に噴射されるシステム。
【請求項２６】
請求項２５において、前記液体が、前記燃料電池内で前記加圧空気流中に気化するシステム。
【請求項２７】
請求項１において、前記燃料電池が、約２００℃未満の動作温度を有しているシステム。
【請求項２８】
請求項１において、前記燃料電池がＰＥＭ燃料電池であるシステム。
【請求項２９】
燃料電池発電システムの効率的な運転のための方法であって、
供給源から燃料電池のアノードに水素を供給する過程と、
酸素含有ガスを圧縮して加圧空気流を生成する過程と、
前記加圧空気を燃料電池のカソードに供給する過程と、
前記燃料電池において前記水素と前記加圧空気を反応させ、電力および廃熱を生成する過程と、
前記発電システムからの廃熱を使用して前記加圧空気流中へ液体を気化させ、加圧空気／蒸気混合物を生成する過程と、
燃料を前記加圧空気／蒸気混合物と一緒に燃焼させ、高温の蒸気含有排気流を生成する過程と、
前記高温の蒸気含有排気流を膨張機によって膨張させ、前記加圧空気流の供給に必要な動力を超える出力を生成する過程と、
前記膨張機から超過出力を取り出す過程と
を含む方法。
【請求項３０】
請求項２９において、超過出力の取り出しが、当該出力を発電機を駆動するために使用することを含んでいる方法。
【請求項３１】
請求項２９において、超過出力の取り出す過程が、前記発電システムの構成要素を駆動する過程を含む方法。
【請求項３２】
請求項３１において、前記構成要素が、ポンプおよび圧縮機のうちの少なくとも１つを含む方法。
【請求項３３】
請求項２９において、前記膨張機がタービンを含む方法。
【請求項３４】
請求項２９において、加圧空気中に液体を気化させる過程が、前記空気流が前記燃料電池に入る前に行なわれる方法。
【請求項３５】
請求項２９において、加圧空気中に液体を気化させる過程が、前記燃料電池内で行なわれる方法。
【請求項３６】
請求項２９において、さらに、前記システム内で冷却用流体を循環させて前記燃料電池から廃熱を除去する過程、および前記循環する冷却用流体からの廃熱を使用して加圧空気中に液体を気化させる過程を含む方法。
【請求項３７】
請求項３６において、前記加圧空気中に気化する流体が、循環する冷却用流体を含む方法。
【請求項３８】
請求項２９において、さらに、前記燃料電池内に液体を噴射すること、および前記燃料電池内で前記液体を加圧空気中へと気化させることを含む方法。
【請求項３９】
請求項２９において、前記燃料電池が、約２００℃以下の動作温度を有している方法。
【請求項４０】
請求項２９において、前記燃料電池がＰＥＭ燃料電池である方法。
【請求項４１】
請求項２９において、前記システムがハイブリッド方式燃料電池発電システムを含み、前記水素供給源が燃料改質器である方法。
【請求項４２】
請求項２９において、前記水素の供給源が、前記燃料電池膜で、または燃料電池膜近傍で直接水素を生成するように、少なくとも一部が改質された燃料を含む方法。
【請求項４３】
請求項２９において、前記システムが、非ハイブリッド水素方式燃料電池発電システムを含む方法。
【請求項４４】
請求項４３において、前記水素の供給源が、貯蔵された水素の供給源を含む方法。
【請求項４５】
請求項４３において、さらに、
未反応の水素を含有する排気を、前記燃料電池のアノードから放出する過程、および
前記未反応の水素を前記加圧空気／蒸気混合物と一緒に燃焼させ、前記高温の蒸気含有排気流を生成する過程を含む方法。
【請求項４６】
請求項４３において、前記加圧空気／蒸気混合物と一緒に燃焼される燃料が、前記燃料電池のアノード以外の供給源からの燃料を含む方法。
【請求項４７】
請求項４６において、前記燃料が水素を含んでおり、その供給源が、前記水素供給源を含む方法。
【請求項４８】
請求項４３において、さらに、燃焼の前に前記燃料および前記加圧空気／蒸気混合物のうちの少なくとも１つを予熱する過程を含む方法。
【請求項４９】
請求項４８において、前記予熱のステップが、前記高温の蒸気含有排気流からの熱を供給する過程を含む方法。
【請求項５０】
請求項２９において、さらに、前記システムから前記排気を放出する前に、前記排気流から凝縮した蒸気を回収する過程を含む方法。
【請求項５１】
請求項５０において、さらに、前記排気流に背圧を選択的に加え、前記排気から凝縮した蒸気の回収を促進する過程を含む方法。
【請求項５２】
アノードおよびカソードを有する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに水素を供給する供給源であって、各システムに個別に配置される燃料改質ユニットとは別の水素の供給源と、
加圧空気流を生成する圧縮機であって、その生成した前記加圧空気流を前記燃料電池のカソードに供給して、燃料電池膜においてアノードの水素と反応させて電力と廃熱を生成させる圧縮機と、
前記加圧空気流と連通する液体供給源であって、その供給源からの液体の少なくとも一部を前記発電システムの廃熱による加熱によって、前記加圧空気流中に気化させて空気および蒸気からなる加圧混合物を生成させる液体供給源と、
燃料を前記加圧空気／蒸気混合物と一緒に燃焼させ、蒸気含有排気流を生成するバーナと、
前記バーナと連通し、前記蒸気含有排気流によって駆動されて出力を生成する膨張機とを有している非ハイブリッド水素方式燃料電池発電システム。
【請求項５３】
請求項５２において、前記水素の供給源が、貯蔵された水素の供給源を含むシステム。
【請求項５４】
請求項５２において、前記水素の供給源が、燃料電池膜で、または燃料電池膜近傍で直接水素に変換される燃料を含むシステム。
【請求項５５】
非ハイブリッド水素方式燃料電池発電システムの効率的な運転のための方法であって、
各システムに個別に配置された燃料改質ユニットとは別の供給源から水素を燃料電池のアノードへと供給する過程と、
酸素含有ガスを圧縮して加圧空気流を生成する過程と、
前記加圧空気を燃料電池のカソードへと供給する過程と、
前記燃料電池において前記水素と前記加圧空気を反応させ、電力および廃熱を生成する過程と、
前記発電システムからの廃熱を使用して前記加圧空気流中へと液体を気化させ、加圧空気／蒸気混合物を生成する過程と、
燃料を前記加圧空気／蒸気混合物と一緒に燃焼させ、高温の蒸気含有排気流を生成する過程と、
前記高温の蒸気含有排気流を膨張機によって膨張させ、出力を生成する過程とを含む方法。
【請求項５６】
アノードおよびカソードを有する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードに供給される水素の供給源と、
加圧空気流を生成する圧縮機であって、その生成した前記加圧空気流を前記燃料電池のカソードに供給して、燃料電池膜においてアノードの水素と反応させることにより電力と廃熱を生成させる圧縮機と、
前記加圧空気流と連通する液体供給源であって、その供給源からの液体の少なくとも一部を前記発電システムの廃熱による加熱によって、前記加圧空気流中に気化させ、空気および蒸気からなる加圧混合物を生成させる液体供給源と、
燃料を前記加圧空気／蒸気混合物と一緒に燃焼させ、蒸気含有排気流を生成するバーナと、
前記バーナと連通し、前記蒸気含有排気流によって駆動されて出力を生成する膨張機と、
前記バーナ排気を前記システムから放出する前に、前記バーナ排気から蒸気を回収する凝縮装置と、
前記バーナ排気に選択的に背圧を加えて前記バーナ排気からの蒸気の回収を促進する装置とを有する燃料電池発電システム。
【請求項５７】
燃料電池発電システムの効率的な運転のための方法であって、
供給源から燃料電池のアノードに水素を供給する過程と、
酸素含有ガスを圧縮して加圧空気流を生成する過程と、
前記加圧空気を燃料電池のカソードに供給する過程と、
前記燃料電池において前記水素と前記加圧空気を反応させ、電力および廃熱を生成する過程と、
前記発電システムからの廃熱を使用して前記加圧空気流中に液体を気化させ、加圧空気／蒸気混合物を生成する過程と、
燃料を前記加圧空気／蒸気混合物と一緒に燃焼させ、高温の蒸気含有排気流を生成する過程と、
前記高温の蒸気含有排気流を膨張機によって膨張させ、出力を生成する過程と、
前記排気を環境に放出する前に、前記排気から凝縮した蒸気を回収する過程と、
前記排気流に選択的に背圧を加えて前記排気から凝縮した蒸気の回収を促進する過程と
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００２年１２月３１日出願の米国特許出願Ｎｏ．１０／３３５，５３８の継続出願である。上記米国出願は、ここでの言及によって本明細書に組み込まれたものとする。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応の化学的エネルギを電気エネルギに変換する電気化学装置である。燃料電池は、アノード、カソード、およびこれらを隔てる電解質層で構成されている。動作において、一般的には水素ガスである反応物質がアノードに供給され、一般的には空気または他の酸素含有ガスである酸化剤が、カソードに供給される。燃料電池で起こる電気化学反応により電流が発生する。一般に燃料電池発電システムは、スタックと呼ばれることが多い複数セルの集合体で構成され、単セルの場合よりも高い電圧を取り出すことが可能である。
【０００３】
近年、燃料電池は有用なエネルギ源となってきており、車両用動力用途を含む小規模かつ可搬な電力源としての燃料電池の使用について関心が高まってきている。燃料電池発電システムの幅広い普及を妨げている理由の１つは、燃料電池の動作に必要な燃料、特に水素について、製造および供給のための広いインフラ整備がなされていないためである。この問題を克服するために、通常の炭化水素燃料で動作するハイブリッド発電システム（改質式燃料電池システム）を使用する試みがなされてきている。かかるシステムにおいては、炭化水素燃料が、まずシステム内に組み込まれた車上燃料改質器によって水素を含有する改質燃料に変換され、次いで得られた改質燃料が燃料電池を動作させるべく使用される。
【０００４】
将来においては、水素が近隣の水素貯蔵システムによって供給され、あるいは（据え置き用途においては）遠方の供給源から直接供給される非ハイブリッド方式すなわち「純」水素方式燃料電池発電システム（すなわち、改質器が存在しない）を使用することが、費用対効果の点でますます有利になると予想される。さらに、燃料電池のアノード上で水素を生成できるよう、燃料電池にアルコールなどの容易に改質される燃料、特にメタノールを供給することによって、燃料改質サブシステムを別途使用することが不要となる。
【０００５】
これらいずれの燃料電池ベースの発電システムにおいても、特に移動式または可搬式の発電用途においては、システム効率がわずかなに向上しただけでも、システムの寸法、重量および費用対効果の点で、決定的な差を生じうる。
【発明の開示】
【０００６】
本発明は、広くには、効率を向上させた燃料電池を基盤とした発電システムに関するものであり、前記燃料電池を基盤とした発電システムには、燃料改質器／燃料電池が一体化された改質方式および「純」水素方式を含む。一態様において、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の低温廃熱を好都合に利用して追加の出力を発生させ、これにより全体のシステム効率向上が可能となる。このシステムは、アノードおよびカソードを有する燃料電池、燃料電池のアノードに供給される水素ガスの供給源、ならびに燃料電池のカソードに供給される加圧空気流を生成する圧縮機を有する。カソードの加圧空気流とアノードの水素ガスとが燃料電池において反応し、電気の出力および廃熱が生成される。このシステムは、さらに、燃料電池から低温廃熱を除去する冷却用液体（例えば水）を有している。この冷却用液体が、この発電システムの廃熱によって直接的または間接的に加熱され、おそらくは燃料電池カソードへの、燃料電池カソードからの、あるいは燃料電池カソード内の酸化剤空気流である加圧空気流中に気化し、蒸気含有加圧空気流が生み出される。次いで、この蒸気含有空気流が、燃料とともにバーナに供給されて燃焼し、高温の蒸気含有排気流が生成される。この蒸気含有排気流が、タービンなどの膨張機を駆動して出力をもたらす。膨張機からの出力は、通常は、前記空気の圧縮に必要とされる動力を超えており、膨張機の出力を、動力の取り出しを介して、圧縮機やポンプなど当該システムの補助的な構成要素を駆動するために使用でき、さらに／あるいは発電機を駆動するなどによって、燃料電池からのシステム出力を補足するために使用することができる。
【０００７】
或るいくつかの実施形態において、システムは冷却ループを有しており、流体がシステム内を循環して燃料電池から廃熱を除去する。加圧空気中に気化する冷却用液体は、この冷却ループの流体を含む場合があり、あるいは、この冷却ループの流体によって過熱される場合もある。
【０００８】
他の実施形態においては、冷却用の液体を燃料電池内に直接噴射することによって燃料電池が冷却される。この場合、この冷却用の液体を、燃料電池内で加圧空気中に気化させることができる。
【０００９】
本発明は、燃料電池発電システムからの低温の廃熱を好都合に利用することによって、燃料電池およびブレイトン・サイクルの効率の改善を達成することができる。よく知られている「ＰＥＭ」セル（ポリマー電解質膜型またはプロトン交換膜型セル；固体高分子電解質膜型セルと呼ばれることもある）など、通常の低温燃料電池において生成される廃熱は、追加の有用な出力を生み出すような方法で回収することが困難であると知られている。例えば、多くの低温燃料電池は２００℃を下回る温度で動作し、さらに典型的には、１００℃を下回る温度で動作する。例えば、現在の既存のＰＥＭ燃料電池は、５０℃〜１００℃の間の温度で動作する。これらの低温燃料電池の熱廃棄の温度は、蒸気タービンまたは他のランキン型の「ボトミング・サイクル」などの通常の手段によるエネルギ回収にとって、あまりに低すぎる。したがって、このような低温燃料電池の廃熱は、閉ループのラジエタまたは他の手段によって、単に環境に放出されている。
【００１０】
一方、本発明においては、この低温の廃熱の少なくとも一部が、廃熱のエネルギを使用して水を加圧空気中に気化させ、大きな膨張ポテンシャルを有する加圧蒸気／空気流を生成することによって、好都合に回収される。次いで、この蒸気／空気混合物がバーナで燃焼され、これにより本システムは、蒸気含有バーナ排気の膨張によって大きな追加の出力を生成できる。蒸気が、排気空気単独と比べ、膨張機を介して追加の質量流量（すなわち、比熱が調節された質量流量）をもたらす。実質的に、本発明は、ブレイトン・ターボ圧縮機ボトミング・サイクルに、ランキンサイクルすなわち蒸気サイクルの出力追加を加える。
【００１１】
さらに、この膨張機の余分な出力は、暖かい水を加圧空気中に気化させること（すなわち、「分圧効果」）による低温「廃」熱の回収に由来するため、わずかなコスト、あるいはコストなしで得ることができる。得られたエネルギは、基本的に、水の気化で消費された潜熱である。潜熱の量はきわめて大きく、６０℃の水を気化させるために１グラム当たり約２３２６ジュールを要するのに対し、気化した水（蒸気）をさらに８００℃加熱するためには、１グラム当たり約１４６５ジュールの追加しか必要としない。水の気化の前に空気を加圧する手順は、空気を圧縮するためにかなりのエネルギが費やされる一方で、水を同じ圧力まで圧縮するために必要なエネルギはきわめて小さいため、効率改善を最大にするために重要である。
【００１２】
或るいくつかの実施形態においては、本燃料電池発電システムは、燃料電池／燃料改質器の一体化すなわち「ハイブリッド方式」システムからなる。このシステムにおいては、燃料電池のための水素供給源は、一般的な炭化水素燃料などの入力燃料を１つまたはそれ以上の化学反応を介して水素含有改質燃料に変換する燃料改質器（または燃料処理器）である。次いで、この改質燃料が燃料電池のアノード側において燃料として使用される。このようなシステムにおいては、通常、バーナを用いて熱を供給し、吸熱反応である燃料改質反応を支える。本発明の或るいくつかの実施形態においては、燃料電池からの蒸気含有排気を改質器バーナに供給し、燃料（この燃料は、随意により燃料電池から排出された未使用の水素を含む）とともに燃焼させて、膨張機を駆動する蒸気含有排気を生成することができる。
【００１３】
他の実施形態においては、燃料電池発電システムが、ハイブリッド化されていない「純」水素方式燃料電池からなる。これらの燃料電池は、個々に改質器と一体化されておらず、代わりに、貯蔵されている水素または遠隔地から供給されてくる水素などの他の供給源からの水素によって運転される。通常の「純」水素方式燃料電池は、燃料改質反応を支える必要がないため、バーナを備えていない。典型的な装置においては、水素が燃料電池の「行き止まり」のアノード側に供給される。すなわち動作の間、水素がアノード内に含まれたままである。水および未反応水素などのセルの中身が、「パージ」サイクルによって周期的に環境に放出され、燃料電池の動作を再開させるため新たな水素供給が加えられる。
【００１４】
対照的に、本発明の「純」水素方式燃料電池システムは、膨張機を駆動用の蒸気含有排気流を供給するために、燃料を加圧空気／蒸気混合物と一緒に燃焼させるバーナを有している。或るいくつかの実施形態においては、バーナで燃焼される燃料は、燃料電池アノードから定期的または連続的に再循環される未反応水素を含んでいる。燃料はまた、水素貯蔵タンクなど、燃料電池への水素供給用と同じ供給源からの燃料を追加で含んでいてもよい。酸化剤が燃料電池に入るよりも前、燃料電池から出た後、および／または燃料電池内にあるときに、廃熱によって暖められた水を加圧された酸化剤流中に気化させることにより、本発電システムからの廃熱の少なくとも一部が回収される。次いで、得られた空気／蒸気混合物が、随意によりバーナの排気により予熱され（随意により、さらなる水の空気中への気化をもたらしてもよい）、その後に、燃料とともに燃焼されて蒸気含有バーナ排気を生成する。次いで、この排気が膨張機において膨張し、通常は空気の圧縮に使用される動力を事実上超える出力が生成される。
【００１５】
本発明の純水素方式燃料電池発電システムは、加圧空気流をカソードの酸化剤として好都合に使用し、燃料電池出力の向上、または所与の出力に対する燃料電池サイズの小型化をもたらす。さらに、蒸気含有排気の膨張によって生成される出力が空気の加圧に必要とされる動力を補って余りあるため、空気流の高圧化に由来する性能の向上は、余分な負荷を生み出さない。当然ながら、バーナの追加は、通常はいくらかの追加の燃料がバーナで消費されるため、システムの効率を低下させる傾向にある。しかしながら、加圧カソード空気流中への水の気化によってシステムの廃熱から回収されるエネルギは、これを相殺して余りある。蒸気含有排気の膨張は、空気の圧縮およびバーナで使用される余分な燃料のコストを超える正味のエネルギを生成し、したがって、システム全体の効率が改善される。しかも、得られたシステムは、通常はきわめて柔軟性が高く、過渡現象に瞬時に応答することができる。
【００１６】
さらに他の態様によれば、本発明は、燃料電池発電システムおよびそのようなシステムを運転する方法を含んでおり、当該システムは、アノードおよびカソードを備える燃料電池、電力の出力を生成するため燃料電池のカソードに供給される加圧空気流を生成するための圧縮機、前記加圧空気流と連通し、少なくともその一部が当該発電システムの廃熱によって加熱され、前記加圧空気流中に気化して空気および蒸気からなる加圧混合物を生成する冷却用液体、燃料を前記加圧蒸気／空気混合物と一緒に燃焼させて高温排気蒸気含有排気流を生成するためのバーナ、および前記排気により駆動されて出力を生成する膨張機を有している。さらに、本システムは、システムから排気を放出する前に膨張後のバーナ排気から気化している液体の少なくとも一部を回収するため、ラジエタなどの凝縮装置を備えている。或るいくつかの実施形態においては、本システムは、バーナ排気から気化している液体の回収を促進するため、バーナ排気に背圧を加えるための装置をさらに備えている。背圧は、排気流の露点を高めるために選択的に加えることができ、特にシステムが高い周囲温度にて運転しているときに、排気中の液体をより容易に回収できるようにする。この技法は、「純」水素方式燃料電池、および燃料電池内で燃料を水素に直接変換する「直接方式」燃料電池、ならびに一体化された燃料改質器サブシステムを備える「ハイブリッド方式」燃料電池発電システムに適用可能である。
【００１７】
本発明の以上の目的、特徴および利点、ならびに他の目的、特徴および利点は、添付の図面に示した本発明の好ましい実施形態についての以下のさらに詳細な説明から、明らかになるであろう。添付の図面においては、同一の参照符号は、異なる図においても同じ部品であることを示す。図面は必ずしも実際の縮尺ではなく、本発明の原理を説明するために強調がなされている場合もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、広くには、発電システムから低温廃熱を回収し、この熱を有用なエネルギに変換することによって燃料電池発電システムの動作効率を改善するための方法および装置に関する。本明細書に記載の発電システムは、一般的には水素と酸素である、２つの反応物質の隔壁を介した電気化学反応により電力を生成する装置である燃料電池を利用する。燃料電池は、通常は、燃料電池単体から得られる電圧よりも高い電圧を取り出すため、複数のセルを積層して燃料電池「スタック」とする。本明細書において、「燃料電池」という表現が使用される場合は、特に指定しない限りは、燃料電池単体および燃料電池「スタック」の両方を含むものとする。
【００１９】
本発明が特に適用可能である燃料電池には、約２００℃未満、さらに典型的には約１００℃未満の熱を廃棄する燃料電池が含まれる。これらの「低温」燃料電池としては、「ＰＥＭ」燃料電池が最も一般的である。これらの装置は高分子膜を使用し、この高分子膜を介して電位が形成され、この膜の特性により、現在のところこの燃料電池の動作温度が約１００℃に制限されている。将来には、この温度限界が１５０℃以上に上昇し、２００℃に近づく可能性もあると期待される。これら低温燃料電池の特徴は、それらが充分に高い温度で動作していないため、効率的なエネルギ回収のために一般的な蒸気タービンボトミング・サイクルを使用できないことである。「直接メタノール」方式（メタノールや、場合によっては他のアルコールまたは燃料のその場触媒改質によって、膜上またはその近傍で直接水素が生成される）など、種々の方式のＰＥＭセルも、通常はこれと同じ範囲の動作温度を有している。
【００２０】
本発明は、一体化燃料改質器／燃料電池発電システム、ならびに非ハイブリッド方式すなわち「純」水素方式燃料電池発電システムに適用可能である。一体化燃料改質器／燃料電池発電システムは、炭化水素ベースの燃料を、通常水素、二酸化炭素、および他の微量のガスを含む改質燃料に変換する燃料改質器（一般に燃料処理器とも称される）を有しており、次に、この改質燃料が、電気を発生させるために燃料電池で使用される。燃料処理器は、通常は、燃料電池にとって有害な一酸化炭素などの燃料電池に有害な諸成分の濃度を最小化するための補助装置も有する。
【００２１】
対照的に、非ハイブリッド方式、すなわち「純」水素方式燃料電池発電システムは、燃料電池に水素燃料を供給するために別個の燃料処理器または改質器を使用しない。非ハイブリッドシステムにおいては、通常は、加圧水素ガスの貯蔵タンク、金属マトリクス内の水素化物貯蔵、または液体水素などの水素貯蔵源から、水素が供給される。さらに、水素の貯蔵には、ホウ化水素ナトリウムなど、容易に動かすことができる、すなわち不安定な化学形態で保存された水素も含まれる。ホウ化水素の存在下では、乾燥化学物質に水を加えると、水素が分離できる。また、遠方の供給源から、例えば水素パイプラインによって供給することもできる。一般に、非ハイブリッド方式燃料電池にて使用される水素は、実質的に「純粋」な水素燃料、すなわち、水素以外の成分、特には燃料電池にとって有害な成分を実質的に含んでいない燃料である。
【００２２】
実施形態１
本発明の一体化された燃料改質器／燃料電池発電システムの一実施形態が、図１に概略的に示されている。バーナ１０が、空気／蒸気１２、燃料１４、および好ましくは再循環された燃料電池アノード排気１６の供給を受け、これらを燃焼させて高温の排気２０を生成する。バーナへの投入物（空気、燃料、および再循環される燃料電池排気）のいずれかまたはすべては、除去するべき熱を含む任意の適切な領域における熱交換によって、予熱することができる。特に、以下に述べるとおり、通常は空気／蒸気流１２が予熱される。
【００２３】
バーナ排気は、改質器かつ／または概略的に図示されているシェル式交換器２６など他の種類の熱交換器の壁との接触により、その熱を改質器２４に伝える。改質器には、システムそれぞれの設計に応じ、燃料、蒸気、および随意により酸素または空気が注入される（見易くするために、これらの入力は図示されていない）。熱交換器２６は、随意により、空気／蒸気を符合１２でのバーナへの注入に先立って過熱するための追加の熱交換器２８を備えることができる。次いで、十分には冷却されていないバーナ排気３０が膨張機３２を通過し、膨張機３２から機械的エネルギが回収される。膨張機は、符号２２で示される位置に配置することもできる。この構成は、改質が容易な燃料の場合に好ましく使用される。
【００２４】
次いで、排気は熱交換器３４を通過し、続いて、再循環のため水を回収するべく凝縮器３６に入り、残留ガスは放出される。再循環された水３８は、ポンプ４２に接続されているタンク４０にて回収され、ポンプ４２から、燃料電池４４へ水が供給される。システムの他の場所でも回収される水も、タンクに供給される。
【００２５】
改質燃料５０は、燃料電池が一酸化炭素の除去を必要としない場合を除き、一酸化炭素除去システム５２を通過する。ＣＯ除去システムには、蒸気、水または空気（図示されていない）が投入され、低ＣＯ改質燃料または水素５４を排出する。後者の場合には、さらに脱水素改質燃料５３もまた排出され得る。５３は、存在する場合、バーナ１０に再循環される。次いで、水素含有ガス５４は、随意による熱交換器５６を通過する。ガスから水を取り除くため、熱交換器５６に凝縮器を組み込むことができ、あるいは熱交換器５６を凝縮器で補完することができる。熱交換器５６は、特にＣＯ除去装置がＰＳＡ（圧力変動吸着装置）または膜分離装置であるとき、随意である。次いで、改質燃料または水素が、随意による減圧弁５８を通って燃料電池４４に入る。燃料電池のアノード側の排気６０は、バーナの注入口１６に再循環される。
【００２６】
燃料電池４４は、ポンプ４２から加圧水を受け取る。水は、燃料電池内の熱交換器４６を通過し、これにより、燃料電池内で生じた熱を除去するための冷却がなされる。この冷却水は、混合器６２に送られる。混合器において、暖かい冷却水が圧縮機６４によって供給される圧縮空気と混合され、水が蒸発し、結果として得られる空気／蒸気混合物に蒸発の際の潜熱が伝達される。供給される圧縮空気の量は通常、全出力における水素の消費に必要な化学量論量を少なくとも１００％上回っている。もし蒸発しない水が存在すれば、それは、随意によるラジエタ６６を通じて水タンク４０に再循環される。あるいは、そのような水の一部また全部が、燃料電池を通過した後の空気／蒸気混合物に注入される。
【００２７】
混合器６２からの、圧縮され随意により飽和した空気が、燃料電池カソード室に酸化剤を供給するため、注入口６８から燃料電池４４に入る。この空気／蒸気混合物７０は、排出口７２において燃料電池から出て、システムの構成要素との交換によって加熱される。例えば、熱交換器５６を通り、あるいはＣＯ除去システム５２と改質器２４との間に位置する熱交換器（図示されていない）を通って、改質燃料５０との交換によって加熱を行なうことができる。低温の熱もまた、凝縮器３６などの種々の凝縮器のいずれかにより回収され、その後加熱の高温段階に入る。さらに、随意により、空気／蒸気混合物７０を、ＣＯ除去部５２内の熱交換器によって予熱してもよい。熱の吸収を促進するため、システムの低温部分、すなわち燃料電池の排出口から熱交換器３４の注入口の付近までにおいて、追加の水を空気／蒸気混合物に加えてもよい。空気／蒸気の経路のより高温の部分に水を追加することは可能だが、メリットは少ない。
【００２８】
次いで、空気／蒸気混合物７０は、熱交換器３４におけるバーナ排気との熱交換によって、より高い温度に加熱される。この熱交換のステップによって、改質器および膨張機から出た後のバーナ排気から熱の大部分が回収され、これにより排気が水回収のための凝縮に備えられる。空気／蒸気混合物は、排気熱交換器から出るときには過熱蒸気となっている。空気／蒸気混合物中に液体として残っている水は、蒸気の過熱の前に除去されることが好ましく、例えばタンク４０に回収される。随意によるさらなる加熱ステップとして、空気／蒸気混合物が、例えば膨張機２８の上流の排気との交換、または符号５０における改質燃料との交換によって、さらに過熱される。
【００２９】
最後に、空気／蒸気混合物が、空気／蒸気注入口１２からバーナ内に供給され、燃料流、再循環された改質燃料流およびアノード排気流のうちの１つまたはそれ以と混合され、通常は華氏約２０００度（１１５０℃）の高温のバーナ排気ガスを得るべく燃焼される。本発明のジョイントサイクルにおいては、バーナ排気ガスに蒸気が取り込まれており、さらに大気圧よりも高く加圧されている。これにより、蒸気を含んでいないバーナ排気流と比べ、さらなる膨張ポテンシャルが生み出され、この追加の膨張ポテンシャルは、タービンなどの膨張機３２で回収することができる。
【００３０】
膨張機３２は、バーナ排気の経路上の任意の点に配置することができるが、個々のシステムの温度プロファイルに応じた最適位置がある。図に示しているシステムにおいては、膨張機３２にとって好ましい位置は、排気が改質器２４を加熱した後である。この配置により、排気は、華氏２０００度（１１５０℃）以上の初期温度をにより、改質器を華氏約１４００〜１８００度（７７０〜１０００℃）の温度まで加熱することができる。排気は華氏約１４００〜１６００度（７７０〜８９０℃）になり、自動車用膨張機タービンなどの通常の膨張機を動作させるために充分に低い温度である。可能な範囲の極力高い温度にて膨張機を動作させることが、熱力学的に有利である。
【００３１】
膨張機は、機械的動力の出力を生成するために使用される。膨張機から取り出し手段により取り出された動力８２を、例えば電力を生成するための発電機を駆動するために利用することができ、燃料電池から出力されるシステム電力を補うことができる。これは、総じて相対的に低速な改質システムの起動および応答を、膨張機が供給する電気駆動能力のきわめて急速な上昇で補うことができるため、システムの起動時およびシステムの出力上昇中に特に重要である。迅速な応答は、輸送機器用途において特に重要である。膨張機からの動力を、発電機の代わりに、又はこれに加えてポンプや圧縮機などのシステムの機械的な構成要素を駆動するために使用することができる。
【００３２】
タービンまたは他の膨張機での膨張後、排気は膨張によって華氏約２００〜４００度（１１０〜２２０℃）程度冷却され、ほぼ大気圧と同じ圧力となる。次いで、排気は、熱交換器３４にて入ってくる蒸気／空気混合物を加熱し、空気／水／蒸気混合物から余分な水を分離し、その後凝縮器３６を通過して水を回収する。この水はタンクに戻され、サイクルが完結する。排気は、符号１６０にてシステムから排出される。
【００３３】
凝縮器であるラジエタ３６または他の水回収装置は、据え置き型の電力システム、または水の回収が不要であり、あるいは望ましくない他の用途など、すべてのシステムにおいて必ずしも必要ではない。
【００３４】
可搬用途など、水の回収が望まれる用途においては、効率的な水回収を可能にすべく排気の露点を充分高く保つことが重要である。周囲温度が低く、例えば２５℃以下である場合、６０℃の排気流からの水の凝縮は容易に可能である。しかしながら、周囲温度が４０℃のような高温に達する場合、水の回収がより困難になる。この問題に対する通常の解決策は、ラジエタを予想される最悪の場合の周囲温度に合わせた寸法にすることであるが、これは、特に可搬用途において扱いにくくかつ高価になる可能性がある。本発明のシステムは加圧されているため、これに代わる方法を用いることができる。周囲温度が高いとき、例えば可変式の流量制御弁１７０によって、排気の排出口１６０に背圧を選択的に加えることができる。空気の圧力が高くなるとともに、空気中の水の飽和体積濃度が減少するため、背圧が排気流の露点を上昇させ、したがって排気中の水の回収がより容易になる。例えば、システムが４気圧で動作している場合、０．５気圧の背圧によって露点を１０〜２０℃上昇させることができ、より高い周囲温度においてラジエタの寸法を増すことなく効率的な回収を可能にする。背圧は、膨張機を通じての圧力低下が小さくなるため、システムの効率が低下するという犠牲を伴う。しかしながら、背圧は、周囲の条件下で充分な水を回収するために必要な最小値に調節することができ、したがって例えば車両におけるシステムを、種々の温度および天候条件のもとで、それらの条件下で可能な最大の効率を維持しつつ運転することができる。
【００３５】
実施形態２
本発明の一体化燃料改質器／燃料電池発電システムの第２の典型的な実施形態が、図２に示されている。この実施形態は、ここでは加圧空気／蒸気混合物が燃料電池スタックへの水の直接噴射によって（少なくとも一部は）生成される点を除き、図１に示した実施形態と類似している。したがって、噴射される水は、カソード空気の加湿ならびに燃料電池の冷却という２つの機能を達成する。燃料電池の加湿／冷却のための水の直接噴射は、本件出願と同一の出願人による国際特許出願Ｎｏ．ＰＣＴ／ＥＰ００／０３１７１（国際公開Ｎｏ．ＷＯ００／６３９９２）にさらに詳しく記載されており、上記米国出願は、ここでの言及によって本明細書に組み込まれたものとする。水の直接噴射は、既述の燃料電池冷却ループの補完または置き換えとして使用できる。図２に示すように、飽和器／混合器６２（図１）が、噴射器８０およびポンプ８１で置き換えられている。水は、ポンプ８１によって所望の量で噴射器８０に供給され、燃料電池スタックに噴射される。水は、分離された混合装置内に噴射されて、カソード空気と混合された後で一体となって燃料電池内に噴射されるようにしてもよい。噴射される水の量は、スタックの温度が所定のレベルに調整されるようシステムコントローラによって決定され、水の気化によりスタックから充分な熱を除去するのに不足なく水が供給できる。また、この気化により、カソード空気はほぼまたは完全に飽和し、スタックからの蒸気含有排気流７０を生成する。必要であれば、システム内の他の位置で、空気／蒸気流７０に追加の水を加えてもよい。例えば、熱交換器５６または３４においてそれぞれ改質燃料５４およびバーナ排気３０からの熱を利用し、追加の水を流体７０中に蒸発させることができる。また、水の直接噴射とともに冷却ループを同時に使用することができ、バーナ１０が使用されていないときなど、種々幅広い条件下における熱の制御が可能となる。
【００３６】
上記実施形態の効率
システム効率上昇分の計算によれば、ここに示した燃料電池の熱回収システム全体では、著しい向上が可能である。正確な値は、システムの動作状態および多数のさらなる可変要素（変数）によって決まる。可搬システムにおけるシステム効率の一般的な値は、約３０〜３５％の範囲である。燃料電池の廃熱のエネルギ値の半分を回収することにより、例えば３５％のシステム効率から４１％（効率における１５％の向上）に、システム効率を最低でも５％、より典型的には１５％以上改善することができる。より高い割合で燃料電池の廃熱を回収することができ、さらに効率を高めることができる。より高い効率のためには、追加の空気の供給が必要になる場合もあるが、前述のように、その空気は必ずしも燃料電池を通過する必要はない。
【００３７】
水の気化による燃料電池からの熱回収およびその蒸気を使用した膨張機の駆動による効率の向上に加え、膨張した排気をバーナへの供給物の予熱に使用することにより効率が向上することに注目すべきである。これは、膨張機の駆動に必要とされる追加の燃料エネルギを１００％回収することにより可能となる。通常は、分離された復熱器では、膨張機の駆動に使用されるエネルギ入力を完全に回収することはできない。
【００３８】
どのようにしてこれが可能になるのかを理解するため、ここに開示の構成において膨張機の復熱器として機能する図１の熱交換器３４について検討する。入力される空気／蒸気７０は、特定の温度、例えば華氏２００℃（約９５℃）、凝縮器３６への出力の設計温度は、例えば華氏４００度（約２０５℃）とする。システムに膨張機が存在しないとすれば、バーナ排気は華氏約１６００度（約８９０℃）で熱交換器３４に入り、空気／蒸気混合物は、華氏約１４００度（約７８０℃）で復熱器を出るであろう。このステップの非効率性は、この設計につきものである。一方、システム中に膨張機３２が存在する場合には、バーナ排気は、華氏約１３００度（約７２０℃）とうより低い温度で復熱器に入る。したがって、空気／蒸気流は、わずかに華氏約１１００度（約６１０℃）で復熱器を出るであろう。この華氏３００度（約１６５℃）の差は、バーナで追加の燃料を燃焼させることにより補われ、バーナ排気は、華氏約１８００〜２０００度（約１０００〜１１００℃）でバーナ１０を出て、改質器２４を加熱する。しかしながら、このエネルギは、膨張機の通過において排気が華氏１６００度から華氏１３００度に（約８９０℃から約７２０℃に）低下するときに、膨張機にて回収されるエネルギそのものである。したがって、膨張機駆動のために加えられた熱のすべてが回収されるため、膨張機は、膨張機なしのシステムと比べ効率的で、１００％の効率となる。
【００３９】
このように、空気／蒸気流の供給とバーナ排気との間で動作する熱交換器を膨張機の主たる復熱器として設けることは、このジョイントサイクルの本実施形態において、特に好都合である。
【００４０】
この範囲における効率の向上は、３つの意味で重要である。第１に、ジョイントサイクルを含むシステムの効率が、低排出という燃料電池の利点を維持しつつ、ボトミング・サイクル内燃機関の効率に接近しうる。第２に、ジョイントサイクルは、環境に廃棄する熱が少なく、所定の電力出力に対してより小さい燃料電池および燃料生成器の使用が可能になり、重量およびコストが節約される。第３に、より高い効率は、所与の出力レベルに対して凝縮器であるラジエタなどの熱廃棄手段の小型化に直接つながる。第２および第３の効果が掛け合わされるため、ラジエタ面積の低減は、潜在的にきわめて大きい。
【００４１】
このジョイントサイクルの鍵となる原理は、低温「廃」熱、特に燃料電池動作の廃熱を使用して水を圧縮空気中に蒸発させることにより、これらの廃熱からエネルギを抽出することである。次いで、得られた空気／蒸気または空気／蒸気／水混合物が、適宜の方法で加熱され、最終的に、高温かつ加圧下で膨張機に噴射される。膨張機は、機械的仕事を生成するために使用される。生成される正味の機械的仕事は、水の気化によって空気／蒸気／水混合物に与えられ、冷却水などから奪われた潜熱に相当する。吸収された潜熱が、ジョイントサイクルの使用によって達成される正味のエネルギ獲得の基礎である。
【００４２】
前述のとおり気化、加熱および膨張の組み合わせであるジョイントサイクルは、原理的に、あらゆる燃料電池ベースの電力システムの効率向上に適している。より複雑になるが、回収すべき廃熱が低温であるため、直接の蒸気生成に使用することが難しい場合、最も適用価値がある。上部の動作温度が通常約１００℃未満であるＰＥＭ燃料電池において、特に好都合である。しかしながら、より高温のＰＥＭ膜へのジョイントサイクルの適用においては、より大量の蒸気を使用して、より高圧で動作させればより大きな出力が得られることに注目すべきである。
【００４３】
システムを構成する各モジュールの正確な種類に応じて、特に熱の伝達および交換の詳細において調整が必要となる可能性があり、いくつかの選択肢が検討されている。図１の実施形態では、改質器を蒸気改質器として示したが、少なくともいくらかの部分酸化を、分離されたモジュールでもオートサーマルモードでも、使用することができる。一酸化炭素除去システムは、水性ガスシフトと選択酸化の組み合わせであってよく、あるいは水性ガスシフトを伴う、または伴わない、ＰＳＡ、ＴＳＡ、選択的メタン生成、または水素選択膜によってもよい。原理的には、あらゆる膨張機が有用であるが、華氏１０００〜２０００度（５５０〜１１５０℃）の範囲で動作する小型で軽量な市販の膨張機という点で、タービンが好ましい選択肢である。
【００４４】
燃料電池技術の開発において、システム効率を向上させることは、永年にわたる目標である。したがって、本発明のジョイントサイクルの組み込みによってもたらされる燃料改質器／燃料電池システムの改善は重要であり、一体化燃料改質器／燃料電池システムの商業的成功を後押しするものと期待される。
【００４５】
実施形態３
「ジョイントサイクル」は、改質器を備えていないシステムにも適用可能である。アノードからの余分な燃料を燃焼させるためのバーナを追加し、燃料電池の廃熱を利用して水を圧縮空気中に気化させることにより、蒸気含有排気流を膨張機に供給することができ、廃熱を機械的エネルギとして回収することが可能になる。
【００４６】
本発明の非ハイブリッド「純」水素方式燃料電池発電システムの一例を、図３に概略的に示す。ＰＥＭスタックなどの燃料電池スタック１１０が、アノード室１１２、カソード室１１４、および冷却装置１１６を有する。アノード１１２には、貯蔵タンクなどの加圧された供給源１２０から水素が供給される。カソード１１４には、好ましくは加圧空気／蒸気混合物からなる酸素含有ガスが供給される。燃料電池における水素と酸素含有反応物質との間の電気化学反応が、電力を生成する。
【００４７】
燃料電池は、有用な電力のほかに廃熱も生成し、この廃熱は、冷却装置１１６によって燃料電池スタックから除去される。冷却装置１１６は、一般に、燃料電池１１０のカソード部１１４およびアノード部１１２と熱的に接する冷却ループ部１３０を有する。加圧冷却水が、ポンプ１３２によって駆動され、冷却装置１１６を通って循環する。燃料電池１１０からの廃熱が、低温の冷却水に伝達され、この冷却水が燃料電池１１０の外に送り出されることによりセルから廃熱が除去される。燃料電池１１０を出たのち、加熱された冷却水は飽和器１３４に供給される。また飽和器１３４には、空気導入口１２２から入り圧縮機１２４によって加圧された空気が、経路１３６を介して供給される。冷却ループ１３０からの温水（約６０〜７０℃）の一部が、圧縮空気１３６内に気化し、空気と蒸気からなる飽和混合物が生成される。通常は空気または他の酸化剤である加圧ガス内への温水の気化は、一般に「分圧沸騰」と称される。
【００４８】
水は、冷却水として直接的に加熱されるか、あるいは冷却水または排気との熱交換によって間接的に加熱される。水は加圧されて加圧空気と混合され、冷却水とほぼ同等かそれ以下の温度で、空気の一部または全部を水で飽和させる。加圧空気中への冷却水の分圧沸騰は、図３に示すような外部の飽和器１３４によって達成してもよく、あるいは（以下でさらに詳しく説明するように）燃料電池スタック１１０内で達成してもよいことは、理解できるであろう。さらに、随意により分圧沸騰の一部かまたは全部を、図３に示すように加圧空気流がカソードに入る前ではなく、燃料電池スタック１１０の下流で行なうことも可能である。
【００４９】
図３の実施形態に戻ると、水で飽和した空気が、経路１３８を介して燃料電池カソード１１４に運ばれ、燃料電池のための酸化反応剤として機能する。次いで、空気‐蒸気混合物が、排気として燃料電池を出て、その水分を含んだカソード排気１４６がバーナ１４０に運ばれる。
【００５０】
この実施形態では、スタックのアノード側１１２は、通常、「行き止まり」モードで動作する。すなわちアノードの出口がパージ弁１１９によって閉じられており、このパージ弁１１９がある時間間隔で開いて、いくらかの未使用の水素および復水を含んでいるアノード排気１１８がスタックから放出される。カソード排気１４６と同様、パージされたアノード排気１１８もバーナ１４０に供給される。
【００５１】
バーナ１４０において、アノード排気１１８に含まれているすべての水素がカソード排気１４６の蒸気／空気混合物とともに燃焼し、高温の蒸気含有排気流１４２が生み出される。さらに、好ましくは、バーナ１４０に水素供給源１２０からの追加の水素燃料が供給され、制御可能な絞り弁１２６を通じてバーナ１４０に入る。随意により、アノード排気によって供給される燃料を超えて必要となる超過分の燃料を供給するため、非水素燃料を含む他の供給源からの燃料を使用することができる。
【００５２】
一般に、バーナを運転するために必要とされる燃料の量（アノード排気燃料および他の燃料を含む）は、燃料電池に必要とされる燃料の量のおよそ半分までである。バーナに燃料を供給するため、燃料電池を、大量の水素をバイパスさせてバーナに供給するように構成することができる（すなわち、燃料電池を必ずしも「行き止まり」モードで動作させる必要はない）。これにより、所与の電力出力のために必要な膜電極面積を減らすことができ、ひいては電力システムのコストを低減することができる。触媒中の白金または他の高価な材料ゆえ、電極面積がシステムのコストのかなりの部分を占めているためである。
【００５３】
次いで、バーナ１４０から出た、加圧された蒸気含有排気流１４２が、通常はタービンである膨張機１４４を通過して膨張し、機械的出力が生成される。膨張機１４４からの機械的出力を、加圧空気流１３６を供給する圧縮機１２４を駆動するために使用することができる。さらに、膨張機１４４からの機械的出力は、取り出し動力８２を介して、電力を生成すべく発電機を駆動するために使用することができ、および／またはポンプもしくは圧縮機などのシステムの機械的構成部品を駆動するために使用することができ、および／または別の方法でシステムの出力を補うことができる。膨張機の配置はバーナの下流側でバーナに続く位置が好ましいが、膨張機がそのような配置での高温に耐えられない場合には、まずバーナ排気を、例えば弁１２６から流入する燃料や熱交換器１４８からの空気‐蒸気流１４６など、適切な流体との熱交換により若干冷却してからその排気を膨張機１４４に入れることができる。
【００５４】
カソードからの加圧空気‐蒸気排気流１４６は、好ましくは、バーナ１４０への導入に先立って予熱される。例えば、図３に示したように、空気／蒸気カソード排気流１４６が、熱交換器／復熱器１４８において、膨張後のタービン排気１５０との熱交換によって加熱される。随意により、膨張後の排気との熱交換によるバーナへの導入の予熱の代わりに、あるいはこれに加えて、バーナへの導入前の予熱を膨張前の排気との熱交換（図示されていない）によって行なってもよい。膨張前の排気流との熱交換によって、膨張機で生成されるエネルギがいくらか少なくなるであろうが、排気の温度がより低くなるならば、より安価な膨張機の使用が可能になる。
【００５５】
最後に、冷却された排気流１５２は、予熱用熱交換器１４８を通過したのち、好ましくは水を回収するための凝縮ラジエタ１５４を通過する。凝縮ラジエタ１５４からの水は、タンク１５６に回収され、ポンプ１５８によって飽和器１３４に供給される。冷却された排気流１６０は、排気出口１６０においてシステムから排出される。また、図１および図２の実施形態と同様、例えば可変の流量制御弁１７０によって、排気出口１６０に背圧を選択的に加えることができる。背圧が排気流の露点を上昇させ（空気の圧力上昇に伴い、空気中の水の飽和体積濃度が減少するため）、その結果、周囲温度が高い環境において排気中の水の回収がより容易になる。
【００５６】
据え置き型の電力システムや、水の回収が不要でまたは望ましくない他の用途など、凝縮ラジエタ１５４その他の水回収装置を必要としないシステムも存在することは、理解できるであろう。
【００５７】
本発明は、通常の非ハイブリッド水素方式燃料電池システムに対して、大きな利点を有している。スタックの低品質な廃熱の一部を機械的または電気的な動力として回収することにより、一定の燃料電池寸法における正味の出力が増加する。さらに、バーナで余分な水素および／または他の燃料を燃焼させることによって排気の露点が上昇するため、妥当なラジエタ寸法においては完全な水の再循環がより容易に可能であり、また廃熱の一部が回収されるため、廃棄される熱が少なくなる。さらに、カソードへの空気流を加圧しているため燃料電池の効率がより高く、またこの空気の圧縮に必要な余分の動力は、膨張機であるタービンによる熱の回収と相殺される。タービンのサイクル効率は、自由潜熱ランキンサイクルが追加されたために高くなる。
【００５８】
実施形態４
次に図４に目を向けると、本発明の純水素方式燃料電池発電システムについての別の実施形態が示されており、加湿および冷却の両方を行なうため、水を燃料電池に直接噴射することによって水を加圧空気中に気化させている。図２の実施形態と同様、この例においては、図３の冷却ループおよび飽和器１３２が、噴射・混合器１８０によって置き換えられており、噴射・混合器１８０には、ポンプ１５８’によってタンク１５６から水が供給されている。この噴射器が、水を圧縮機１２４からの加圧空気と混合し、水／空気混合物を燃料電池１１０のカソード１１４に噴射する。この水が燃料電池を冷却および加湿し、この水の少なくとも一部がカソード空気中に気化し、バーナ１４０で使用される加圧空気／蒸気混合物１４６が生成される。噴射／混合は、ここで示すように分離したの装置１８０によって行なうことができ、あるいは水を加圧カソード空気と混合すべくスタックに直接噴射することも可能である。必要であれば、バーナ排気からの熱を使用し、復熱器１４８の手前または復熱器１４８内で、カソード排気１４６中に追加の水を気化させることができる。例えばバーナが使用されていないときなどの種々幅広い状況下にで熱の制御を可能にするため、冷却ループも設けられている中間的な構成も可能である。
【００５９】
システムの他の構成要素および特徴
上記の本発明のいずれの実施形態においても熱交換が望ましく、あるいは必要とされる場合には、当業者に知られ、あるいは利用されているいずれの熱交換または熱伝達の方法も、本発明に適する。実現可能であれば、モジュールを１つまたはそれ以上の共通のハウジング内に一体化することが、効率的な熱伝達をもたらす有効な方法である。したがって、改質ゾーンを、バーナ・ゾーンの周囲またはバーナ・ゾーン内に、環状に配置してもよい。さらに、ゾーン間の熱伝達を、チューブや他の中空構造などの通常の熱交換器によって行なってもよく、さらにはフィンなどの受動素子によって伝達してもよい。
【００６０】
また、原理的には、あらゆる種類の膨張機がシステム効率の向上に使用可能であるが、上記実施形態においては、膨張機としてタービンを使用することが現時点では好ましい。タービンの利点は、ガソリン、プロパンまたはメタンなどの燃料を使用する場合の改質反応を触媒するための好ましい温度と同等あるいはそれより低い華氏１２００〜１６００度（約６５０〜９００℃）のような高温において、高い信頼性で動作できるタービンが利用可能である点にある。メタノールなどの他の燃料においては、改質反応の温度はより低くなるであろう。最大限の正味の機械的仕事、すなわち廃熱回収プロセスの最初で空気を圧縮するために消費される仕事を超える仕事を得るため、膨張機を可能な限り高い温度で動作させることが、きわめて好ましい。タービンは、その効率がある特定のガス流速において鋭いピーク示すという点が不利になる可能性がある。本発明のシステムにおいては、これを、圧縮空気／水熱交換を、最大負荷において生成される過剰な燃料電池の熱の約４０％〜５０％を除去するような大きさとすることによって、補うことができる。その結果、システムに入る圧縮空気流量を最大出力の約４０％から１００％までの一定のレベルに保つことができ、廃熱の回収の効率を維持することができる。廃熱の残りの部分は、通常の熱交換方法によって除去することができる。
【００６１】
別の方法としては、特に燃料電池の冷却に使用された水または熱交換の実施において加熱された水を含む水を、燃料電池の後方かつバーナへの噴射前において空気／蒸気経路にさらに噴射することで、体積流量を膨張機にとって適切な範囲に維持しつつ、低温エネルギのさらなる回収が可能になる。さらに、最適な空気流量がＰＥＭ燃料電池などの燃料電池内に乾燥を生じさせる場合には、圧縮空気または空気／蒸気の一部を、燃料電池をバイパスし、加熱のため燃料電池のを通過したカソード排気と合流させることができる。
【００６２】
高温が要求されるため、システムにおける膨張機の配置は制限を受ける。最大効率を得るため、膨張機の温度は、可能な範囲で高いほうがよい。通常の金属製タービンにおいては、これは華氏約１０００〜１６００度（約４５０〜９００℃）の範囲であり、特に華氏約１３００〜１５００度（約７２０〜８５０℃）が好ましい。これは、一般的に華氏約１８００〜２０００度（約１０００〜１１５０℃）である排気に、タービンを直接さらすことができないということを意味する。したがって、改質器が存在する（前記実施形態１および２のように）のであれば、排気がまず改質器を加熱するために使用され、次いでタービンにおいて膨張することが好ましい。これは、改質反応の温度を最大にするためにも好ましい。しかしながら、メタノールなど、不安定であって低温で改質が容易な燃料を使用する場合は、セラミック製のタービンなど、より高い華氏約１６００〜２０００度（約８５０〜１１５０℃）までの範囲の温度で動作できる膨張器を使用し、バーナの下流の最初の構成部品として配置することが好ましいかもしれない。その結果、より低温のガスを、改質器を加熱すべく使用することができる。入手しにくいが、他の耐高温の膨張機、特には正圧膨張機を、バーナ排気中の加熱空気／蒸気混合物のエネルギを回収するため、本発明において使用することができる。
【００６３】
改質器を備えずに水素を供給する他の方法として、アノードにおける燃料の直接酸化がある。そのような用途にはメタノールが特に適しているが、他のアルコール類も使用可能である（そのような使用の説明については、例えば、米国特許Ｎｏ．６，４２３，２０３を参照されたい）。それらの「改質器なし」の燃料電池は、「純」水素燃料方式の燃料電池の前述のシステムに用いることによって、効率の面でメリットがある。廃熱の一部がアノードにおける燃料の改質に消費される分だけ、利用できる廃熱は少なくなるであろう。しかしながら、この廃熱の燃料改質への利用は多くの場合、水素または改質燃料が供給される燃料電池よりも効率が低くなり、したがってアノード排気が、バーナに必要とされる燃料供給のより多くの部分を供給することになる。さらに、燃料がいくらかの水を含んでいる限りにおいて、あるいは前もって気化されている場合には水蒸気を含んでいる限りにおいて、アノード排気が、いくらかの気化した水を供給することができる。そのような場合、「直接方式」燃料電池は、自身が水素源であると考えることができ、したがって、そのような実施形態がバーナおよび膨張機の付帯コストを回収するのに充分な効率向上をもたらす場合、本発明の範囲内に包含される。
【００６４】
以上、本発明を、好ましい実施形態を参照しながら詳細に示して説明してきたが、添付の特許請求の範囲に含まれる発明の範囲内で、形態や詳細においてさまざまな変更が可能であることを、当業者であれば理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】図１は、本発明の一体化燃料電池／燃料改質器発電システムの概略系統図である。
【図２】図２は、水の直接噴射を用いる一体化燃料電池／燃料改質器発電システムの概略系統図である。
【図３】図３は、本発明の他の実施形態による非ハイブリッド水素方式燃料電池発電システムの概略系統図である。
【図４】図４は、水の直接噴射を用いる水素方式燃料電池発電システムの概略系統図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０  バーナ
１２  加圧空気／蒸気混合物
１４  燃料
３２  膨張機
３６  凝縮器
４０  タンク
４２  ポンプ
４４  燃料電池
６４  圧縮機
８２  出力取り出し
１１０  燃料電池
１１２  アノード
１１４  カソード
１２４  圧縮機
１４０  バーナ
１４４  膨張機（タービン）
１５４  凝縮器（ラジエタ）
１５６  （水）タンク
１５８  ポンプ
１７０  流量制御弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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