(57)【要約】アノード室とカソード室とを有する燃料電池を含む燃料電池システム。当該燃料電子システムには、分圧圧力スイング吸着アセンブリが設けられている。スイング吸着アセンブリは、低圧下で作動する。アノード室から排出されるアノード排出ガスから二酸化炭素を分離するために、分圧圧力スイング吸着アセンブリは、カソード室への補給ガスを使用する。分圧圧力スイング吸着アセンブリは、アノード排出ガス中の二酸化炭素の分圧と、補給ガス中の酸化剤ガスの分圧との差に基づいて上記の分離を実行する。燃料電池システムは、二酸化炭素の分離後のアノード排出ガスをアノード室へと再循環させるとともに、二酸化炭素と補給ガスとをカソード室へ供給するためのさらなるユニットを利用する。
2006525626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
アノード室とカソード室とを有する燃料電池と、
前記カソード室への酸化剤補給ガスを使用するとともに、前記アノード室から排出されるアノード排出ガス中の二酸化炭素の分圧と、該酸化剤補給ガス中の酸化剤ガスの分圧との差に基づいて、該アノード排出ガスから二酸化炭素を分離する分圧圧力スイング吸着アセンブリと、
前記二酸化炭素を分離された前記アノード排出ガスを前記アノード室へと再循環させ、前記酸化剤補給ガスおよび前記二酸化炭素を前記カソード室へと供給するユニットと
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記アノード室から排出されるアノード排出ガスから水を分離する水移動アセンブリをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水移動アセンブリは、前記分圧圧力スイング吸着アセンブリの上流に設けられることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水移動アセンブリは、分圧圧力スイング水移動ホイールを含み、
前記分圧圧力スイング吸着アセンブリは、二酸化炭素移動ホイールを含む
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水移動アセンブリは、水吸着媒体を含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水吸着媒体は、前記アノード排出ガスの露点以上で作用することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水移動アセンブリは、凝縮器を含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水移動アセンブリは、電解質により汚染された水を除去する洗浄ユニットおよびブローダウンユニットをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、とりわけ、アノード排出ガスの再循環を利用する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システム、とりわけ、溶融炭酸塩形燃料電池システムによれば、燃料電池システム内の各燃料電池へ反応用燃料と酸化反応ガスとが運ばれる。この燃料は、各燃料電池のアノード（燃料極）室を通過する。一方で、酸化用のガスはカソード（空気極）室を通過する。
【０００３】
アノード室へと運ばれてきた燃料のすべてが電力へと変換されるわけではない。一般に、溶融炭酸塩形燃料電池システムでは、約１０％ないし５０％程度の燃料がアノード排出ガスとして燃料電池から排出される。燃料電池の効率を増大させるためには、アノード排出ガスの一部または全部をアノード室の入力部へとリサイクル（再循環）させることが行なわれている。アノード排出ガスを再循環させるための種々の手法が開発されてきている。
【０００４】
ある構成によれば、燃料（一般には反応しなかった水素と一酸化炭素）、水蒸気および二酸化炭素を含む燃料排出ガスは、これらの成分を分離するための処理が施される。分離された未反応燃料は燃料電池のアノード室へと再循環される。これは、燃料の消費による副生成物としての水となって再循環される。一方、分離された二酸化炭素も多少再循環されるかもしれない。この場合、二酸化炭素はカソード室へと再循環される。二酸化炭素の再循環は、溶融炭酸塩形の燃料電池において必要とされる。他の種類の燃料電池では、カソードへの吸気として運ばれる代わりに、カソード排出ガスへと二酸化炭素が移動された上で排出されるかもしれない。上述したように、これらの再循環作用によって効率が改善され、燃料電池の性能を増大させることができる。
【０００５】
上述したような再循環を使用する燃料電池システムが米国特許第４，５３２，１９２号において開示されている。’１９２特許における燃料電池システムによれば、アノード排出ガスから未反応水素を分離するために電気化学電池などの水素移動装置が使用されている。そして、凝縮器により水が除去される。除去された水は、熱交換器内を通過する。熱交換器は、出力部を有しており、この出力部は分離された未反応水素を燃料電池のアノード室へと再循環させるように構成されている。水が除去された後に残った排出ガスのストリーム（流）は、バーナーを通過する。バーナーにおいて、水素を酸化剤補給ガスと燃焼させることで、二酸化炭素ガスが豊富な酸化剤ガス流が生成される。このガス流は、燃料電池のカソード室を通過する。
【０００６】
米国特許第５，０６８，１５９号および同第４，０３９，５７９号によれば、他の種類の燃料電池システムを開示している。このシステムによれば、アノード排出ガス流から水を分離するために、最初に、冷却器と凝縮器が使用される。結果として得られた水は、ボイラーおよびヒーターを通過し、アノード室の吸気部に供給される。水を有しないアノード排出ガス流は、二酸化炭素を除去するための処理が施される。結果として得られるガス流は、燃料電池のアノード室へと再循環される。一方、除去された二酸化炭素は燃料電池のカソード室へと再循環される。
【０００７】
’１５９特許や’５７９特許において使用されている二酸化炭素分離器は、吸着コラム（柱）内のアミン水溶液によって二酸化炭素を吸着する吸着器を備えている。結果として得られる水溶液は、再生柱に与えられる。再生柱において、二酸化炭素ガスは、空気供給ダクトから供給された空気を用いて除去される。
【特許文献１】米国特許第４，５３２，１９２号公報
【特許文献２】米国特許第５，０６８，１５９号公報
【特許文献３】米国特許第４，０３９，５７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許らは、再循環と分離作用を達成するための複雑で高価な機器を使用しなければならないことを理解できよう。’１９２特許によれば、燃料電池型の水素移動装置が使用されるだけでなく、再循環作用を提供するための熱交換器とバーナーも使用しなければならない。
【０００９】
一方、’１５９特許や’５７９特許によれば、凝縮器、ボイラー、ヒーターおよび液体・ガス分離器が、水素、水および二酸化炭素を再循環させるために必要となる。このガス分離器は、さらに、燃料電池システム内の液体吸着剤のポンピングによって生じる液体を発泡させるか、またはキャリーオーバするために使用される。さらに、このようなシステムでは、ガスの圧縮処理、吸着用液体の過熱処理の少なくとも一方が必要となるであろう。圧縮や過熱は顕著にエネルギーを消費することになるため、このような選択肢は相対的にいって魅力的ではない。分離器は、二酸化炭素を吸着して再生するために、２つの柱と空気とを必要とする。
【００１０】
上記種類の燃料電池システムに加え、いわゆる「圧力スイング吸着システム」とよばれる他の種類のシステムが存在する。このシステムは、自然ガス改質器からの複合的な水素ガスを処理することで、他のガスから水素を分離するために使用されている。標準的な圧力スイング吸着（ＰＳＡ）システムによれば、典型的には、１００ｐｓｉａ以上の圧力でもって複合ガスがＰＳＡシステムへと供給される。水素以外のガス（例：二酸化炭素と水分）は、高圧下で吸着ベッド媒体によって吸着される。また、吸気圧力に近い圧力でもってＰＳＡシステムから純粋な水素ガス流が排出される。ＰＳＡシステム内の吸着ベッド媒体が最大吸着容量に達すると、吸着されたガスを除去するために浄化されなければならない。これは、大気圧に近い約２０ｐｓｉａ程度まで圧力を低下させることで、吸着されたガスを取り除くことができる。
【００１１】
他の従来型の圧力スイング吸着装置は、真空圧力スイング吸着（ＶＰＳＡ）システムである。これは、大気圧下で作動する。ＶＰＳＡシステムでは、真空圧力状態を作り出すことで脱着が実行されている。
【００１２】
ＶＰＳＡシステムによれば、作動するためには、かなり顕著な電力を必要とする。標準的なＰＳＡシステムは、典型的に、ガスを１００ｐｓｉａないし３００ｐｓｉａへと圧縮するための圧縮電力として、再循環燃料の１５％ないし３０％を消費してしまう。燃料に対して多くの電力が必要とされるため、これは実質的な損失となる。従来のＶＰＳＡシステムは、吸着ベッドを脱着するために真空状態を作り出す必要があるため、同様の電力が必要となる。
【００１３】
従って、本発明の目的は、改良されたアノード排出ガス再循環アセンブリを備える燃料電池システムを提供することにある。
【００１４】
また、本発明の他の目的は、複雑でなく、コストが高くなく、かつ、よりエネルギー効率の良いアノード排出ガス再循環アセンブリを備える燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の原理によれば、本発明の目的および他の目的は、アノード室とカソード室とを有する燃料電池を含む燃料電池システムにおいて達成される。当該燃料電池システムは、さらに、低圧下で作動し、かつ、燃料電池のアノード室から排出されるアノード排出ガスから二酸化炭素を分離するために、当該燃料電池のカソード室へと供給されたガスを使用する分圧圧力スイング吸着アセンブリを含む。分圧圧力スイング吸着アセンブリは、アノード排出ガス中の二酸化炭素の分圧と、補給ガス中の酸化剤ガスの分圧との差に基づいて、分離を実行する。吸着ステップは、ＶＰＳＡシステムにおける吸着と類似しているが、脱着ステップは、「二酸化炭素分圧」真空を得るために燃料電池へと送出される空気を使用する点で異なる。燃料電池システムは、二酸化炭素の分離後に、燃料を多く含んだ排出ガスをアノード室へと再循環させ、二酸化炭素とともに補給ガスをカソード室へと供給するさらなるシステムを備える。
【００１６】
本発明の他の観点によれば、燃料電池システムは、アノード排出ガスから水分を分離する水移動アセンブリを含む。この場合のさらなるユニットは、ガスから二酸化炭素と水分の両方が分離された後で、アノード排出ガスと水分とをアノード室へと再循環させる。燃料電池システムにおいて、水を冷却および凝縮し、物理的に水を蒸気から分離し、さらにこの水を蒸発させることで水を移動させることもできるが、この方法は、より多くの機器と熱を消費する。
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、分圧圧力スイング吸着二酸化炭素移動アセンブリおよび水移動アセンブリは、ホイール移動装置である。加えて、開示される燃料電池システムによれば、燃料がアノードへと移動するのではなく、水と二酸化炭素とが空気へと移動されてしまうのを回避するために、水移動アセンブリは、分圧圧力スイング吸着二酸化炭素移動アッセンブリの上流側アセンブリとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
上記および他の目的並びに特徴は、添付の図面を参照しつつ、以下の詳細な説明を読むことでさらに明確に理解できよう。
【００１９】
図１は、本発明の原理に従った燃料電池システム１を示す図である。図示されているように、燃料電池システム１は、アノード（ＡＮＯＤＥ）室３とカソード（ＣＡＴＨＯＤＥ）室４とを有する燃料電池２を含む。炭素と水素とを含有する燃料（ＦＵＥＬ）５は、供給ライン６へと供給される。供給ライン６は、燃料電池２のアノード室３へと燃料を搬送するものである。空気（ＡＩＲ）として示されている酸化剤補給ガス７は、同様に、燃料電池２のカソード室４への供給ライン８によって搬送される。
【００２０】
本発明の原理によれば、燃料電池システム１は、アノード排出ガスに含まれる種々の成分を再循環させるために、燃料電池２のアノード室３からのアノード排出ガスを処理するように形成されている。より具体的に説明すると、アノード排出ガス９には、未反応能の水素と一酸化炭素、水蒸気、二酸化炭素および他の微量なガスが含まれている。燃料電池システム１は、燃料電池２の効率を改善し、かつ、性能を拡大させるような手法でもって、水素、一酸化炭素、水および二酸化炭素再循環させるように構成されている。
【００２１】
とりわけ、燃料電池システム１には、水移動アセンブリ１１と、二酸化炭素移動アセンブリ１２とが設けられている。水移動アセンブリ１１は、アノード排出ガス９に含まれている水蒸気を分離する装置である。二酸化炭素移動アセンブリ１２は、アノード排出ガス９に含まれている二酸化炭素を分離する装置である。水移動アセンブリ１１は、アノード排出ガスの水蒸気を分離し、水としてライン６の燃料５へと移動させる。一方、二酸化炭素移動アセンブリ１２は、アノード排出ガス内の二酸化炭素をライン８内の酸化剤補給ガス７へと移動させる。いずれのアセンブリとも、低圧、吸着およびガスの分圧を利用している。
【００２２】
図示したケースでは、水移動アセンブリ１１は、分圧圧力スイング水移動ホイールを形成している。当該ホイールは、アノード排出ガスの露点以上で作動する水吸着媒体を含む。この状況において、図１に示したように、燃料の供給は、アセンブリ１１内の吸着媒体を再生するように作用する。より具体的に説明すると、アセンブリ１１内の吸着媒体によって吸着された水は、燃料がホイールを通過するにつれて燃料へと移動する。これは、燃料内の水の分圧が低いことが原因である。
【００２３】
また、図示したケースでは、二酸化炭素移動アセンブリ１２は、分圧圧力スイング二酸化炭素吸着移動ホイールを形成する。このホイールは、二酸化炭素吸着媒体を含み、ライン８内の酸化剤補給ガス７が当該吸着媒体を再生するよう機能する。
【００２４】
より具体的に説明すると、燃料内に存在し、かつ、分圧圧力スイング吸着移動ホイール１２へと進入する二酸化炭素は、大気圧に近い約２０ｐｓｉａ程度の圧力でもって、二酸化炭素吸着媒体によって吸着される。二酸化炭素分圧真空を発生させることで、吸着媒体から二酸化炭素が除去される。なお、これは、酸化剤補給ガスまたは空気を、吸着媒体上を通過させることによって実現される。すなわち、吸着媒体から酸化剤補給ガス７へと二酸化炭素が移動することになる。従来の圧力スイング吸着ユニットとは違って、分圧圧力スイング吸着移動ホイール１２は、作動に必要となる寄生電力として消費される再循環燃料のうち１％ないし３％程度を必要とするだけなので、従来のシステムに比較しより効率が良くかつ低コストである。
【００２５】
ライン１３におけるアノード排出ガス９の経路を見てみると、当該アノード排出ガスは、まず、間接熱交換器１４内を通過することがわかる。間接熱交換器１４において、アノード排出ガスは、ライン８内の酸化剤補給ガスによって冷却される。アノード排出ガスは、次に、分圧圧力スイング水移動アセンブリ１１を通過する。当該アセンブリ１１において、上述したように水蒸気が、燃料電池が作動するために必要となる水としてアノード排出ガスから除去される。その排出ストリーム（ガス流）は、ライン１３によって搬送され、分圧圧力スイング二酸化炭素吸着アセンブリ１２を通過する。このアセンブリ１２において、二酸化炭素は排出ガス流から除去され、残りの排出ガス流は、未反応の水素ガスを豊富に含むものとなり、ライン１３内の送風機１５によって当該アセンブリ１２から、燃料５を搬送するライン６へと移動または再循環される。
【００２６】
燃料５は、吸着ベッド１６および水移動アセンブリ１１を通過した後で、未反応水素を受け取る。なお、とりわけ硫黄などの不純物が吸着ベッド１６において燃料５から除去される。また、水移動アセンブリ１１においては、上述したように、アノード排出ガスからの水が燃料５へと移動する。送風機１５からの水素を受け取った後で、燃料は、熱交換器ユニット１７を通過する。熱交換器ユニット１７において、水、燃料および水素が、ライン１９内のカソード排出ガス１８によって過熱される。次に、燃料は、脱酸素／改質ベッド２１を通過する。脱酸素／改質ベッド２１において、浄化ベッド１６によって見逃された不純物のいくつか（特に、酸素および重質炭化水素）を二酸化炭素、水およびメタンの少なくとも一つへと変換する。脱酸素／改質ベッド２１からの燃料は、スーパー過熱器２２を通過する。スーパー過熱器２２において、燃料は、カソード排出ガスによって再度過熱され、燃料電池２のアノード質３を通過する。
【００２７】
次に、酸化剤補給ガス７を見てみると、酸化剤補給ガス７は、ライン８を通じて送風機２３によって吸引されることがわかる。これによって、酸化剤補給ガス７は、制御バルブ２４を通過し、さらに、分圧圧力スイング二酸化炭素吸着アセンブリ１２を通過することになる。上述したように、分圧圧力スイング二酸化炭素吸着アセンブリ１２を通過する際に、二酸化炭素ガスはアノード排出ガスから酸化剤補給ガスへと移動する。酸化剤補給ガスは、ライン８によって搬送され、熱交換器１４を通過する。熱交換器１４において、酸化剤補給ガスは、アノード排出ガスによって過熱され、混合ユニット２５へと搬送される。混合ユニット２５は、移動アセンブリ１２へと結合されたライン２０を介したアノード排出ガスの少量を含むスリップストリーム（後流）を受け取る。この後流は、酸化剤補給ガスと混合され、混合後のガス流が酸化器２６へと供給される。この後流は、移動アセンブリ１２内のガス流１３とガス流８との間における漏れの結果として生じうる。あるいは、燃料電池システム内の特に窒素などの不活性ガスの顕著な発生を抑制できるよう、この後流が制御されてもよい。酸化器２６は、混合器２５において酸化剤補給ガスと混合された後流２０からの燃料を水と二酸化炭素へと変換する。酸化器２６からの出力は、送風機２７とライン２８を介してカソード排出ガスを受け取った後で、カソード室への入力部に適用される。
【００２８】
上述したように構成された本発明の燃料電池システム１によれば、アノード排出ガスからの二酸化炭素の分離は、分圧を用いて低圧力下で実行され、また、液体移動媒体を必要としない。加えて、二酸化炭素移動作用の上流で水の移動作用を用いることで、水を酸化剤補給ガスへと移動させることなく、二酸化炭素の分離および移動が実現可能となる。分圧圧力スイング二酸化炭素移動作用に関連する水移動作用によって、燃料電池２の効率が改善され、しかも構成の複雑さが低減される。
【００２９】
水が水蒸気の状態へと遷移するほどの高温で水の移動作用は生じるため、水を凝縮し再度気化させるための熱交換器の必要性を低減することができる。さらに、水蒸気の状態における水の移動によって、液体状態の水を移動することに伴う潜在的な問題である腐食や付着の問題を回避できる。
【００３０】
上述の説明では、水移動アセンブリ１１をホイール移動アセンブリとして説明したが、他の移動アセンブリが採用されてもよい。図２は、代替案の一つを示している。図２のアセンブリにおいて、ライン１３内のアノード排出ガスは、一以上の熱交換器３１Ａ、３１Ｂおよび３１Ｃへと供給される。この熱交換器において、アノード排出ガスは、酸化剤補給ガス、水再循環気化および冷却水の少なくとも一つまたは空気ファンによって冷却される。冷却処理の後で、アノード排出ガス流は、洗浄およびブローダウンアセンブリ３２へと供給される。そこで、電解質で汚染された水が除去される。その処理後のガス流は、空気ファンまたは冷却水によって熱交換器３３においてさらに冷却される。その後、このガス流は、凝縮ユニット３４へと供給される。凝縮ユニット３４において、水が除去され、燃料供給ライン６へと水が供給され、残りのガス流は、移動アセンブリ１２へと誘導するためのライン１３へと供給される。
【００３１】
なお、本発明に係る二酸化炭素移動アセンブリ１２および水移動アセンブリ１１は、クエストエア・テクノロジー社（ＱｕｅｓｔＡｉｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  Ｉｎｃ．）によって製造されたガス浄化システムをカスタマイズすることで形成できる。また、上述したように、改善された圧力スイング吸着システムは、典型的に使用されるトータルの圧力ではなく、分圧を使用するものである。改善された圧力スイング吸着システムは、本発明に係る二酸化炭素移動アセンブリ１２および水移動アセンブリ１１として使用されてもよい。このような改善された圧力スイング吸着システムは、ＵＯＰ社およびエアプロダクト社によって製造されている。
【００３２】
全てのケースにおいて、上述した構成は、本発明の応用を代表する多数の潜在的かつ特定の実施形態を示すものにすぎない。本発明の技術的範囲と技術思想を逸脱することなく、本発明の原理に従って種々に変形された構成を実現することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明の原理に従ったアノード排出ガス再循環アセンブリを備える燃料電池システムを示す図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池システムにおいて使用される水移動アセンブリについての他の実施形態を示す図である。
【図１】
2006525626.tif 000003
【図２】
2006525626.tif 000004
【国際調査報告】
2006525626.tif 000005