(57)【要約】少なくとも約２５０℃（例えば融解炭酸塩燃料電池、又は固体酸化物燃料電池の場合）の温度で作動する燃料電池と、圧縮機、又はポンプを有する水素ガス分離システム、又は酸素ガス送出システムと、これ等水素ガス分離システム、及び酸素ガス送出システムの少なくとも一方からエネルギーを回収し、又は燃料電池の熱を回収する手段を有する上記圧縮機、又はポンプのための駆動システムとを有する電流発生システムを開示する。上記の駆動システムはガスタービンシステムにすることができる。上記の水素ガス分離システム、又は酸素ガス送出システムには圧力スイング吸着モジュールを設けることができる。
2004512665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも約２５０℃の温度で作動する少なくとも１個の燃料電池と、
圧縮機、又はポンプから選択された少なくとも１個の装置を有し、前記燃料電池に結合された水素ガス分離システム、又は酸素ガス送出システムから選択された少なくとも１個のガスシステムと、
前記水素ガス分離システム、及び酸素ガス送出システムの少なくとも１個からエネルギーを回収し、又は前記燃料電池の熱を回収するための回収手段を有する前記圧縮機、又はポンプのための駆動システムと
を具えることを特徴とする電流発生システム。
【請求項２】
前記燃料電池が融解炭酸塩燃料電池、又は固体酸化物燃料電池である請求項１によるシステム。
【請求項３】
前記燃料電池は少なくとも約６００℃の温度で作動するものである請求項１によるシステム。
【請求項４】
エネルギーを回収する前記回収手段がガスタービン、熱交換器、又はスターリングエンジンから選択された少なくとも１個のシステムを具える請求項１によるシステム。
【請求項５】
前記水素ガス分離システム、又は酸素ガス送出システムは圧力スイング吸着モジュールを有している請求項１によるシステム。
【請求項６】
前記ポンプが真空ポンプから成る請求項１によるシステム。
【請求項７】
少なくとも約２５０℃の温度で作動する少なくとも１個の燃料電池と、
前記燃料電池に結合された水素ガス分離システム、又は酸素ガス送出システムから選択された少なくとも１個のガスシステムと、
前記水素ガス分離システム、又は酸素ガス送出システムに結合されたガスタービンシステムであって、前記水素ガス分離システム、及び酸素ガス送出システムの少なくとも１個から回収されたエネルギー、又は前記燃料電池の熱によって動力を受けるガスタービンシステムと
を具えることを特徴とする電流発生システム。
【請求項８】
前記水素ガス分離システム、又は酸素ガス送出システムは圧力スイング吸着モジュールを有している請求項７によるシステム。
【請求項９】
前記圧力スイング吸着モジュールは水素含有ガスを前記燃料電池に送出することができ、前記圧力スイング吸着モジュールは第１吸着剤と、第２吸着剤、蒸気改質触媒、又は水ガスシフト反応触媒から選択された少なくとも１個の第２材料とを有する請求項８によるシステム。
【請求項１０】
前記第１吸着剤は水蒸気に比較して、優先的に二酸化炭素を吸着する請求項９によるシステム。
【請求項１１】
前記第１吸着剤はアルカリ促進材料から成ると共に、前記触媒が Ｃｕ−ＺｎＯ 触媒、又は遷移金属カルボニル錯体触媒、又はゼオライトケージに挿入された遷移グループ金属から成る触媒から成る請求項１０によるシステム。
【請求項１２】
圧縮機、ポンプ、又は補助装置から選択された少なくとも１個の装置に、前記ガスタービンシステムを更に結合した請求項７によるシステム。
【請求項１３】
融解炭酸塩燃料電池、又は固体酸化物燃料電池から選択された少なくとも１個の燃料電池と、
前記燃料電池に結合された水素ガス分離システム、又は酸素ガス送出システムから選択された少なくとも１個のガスシステムと、
前記水素ガス分離システム、又は酸素ガス送出システムに結合されたガスタービンシステムであって、前記水素ガス分離システム、及び酸素ガス送出システムの少なくとも１個から回収されたエネルギーによって、又は前記燃料電池の熱によって動力を受けるガスタービンシステムと
を具えることを特徴とする電流発生システム。
【請求項１４】
少なくとも約２５０℃の温度で作動する少なくとも１個の燃料電池と、
前記燃料電池に結合され、第１排出ガス流を発生することができる水素ガス分離システム、又は前記燃料電池に結合され、第２排出ガス流を発生することができる酸素ガス分離システムから選択された少なくとも１個のガスシステムと、
前記水素ガス分離システム、又は酸素ガス分離システムの少なくとも１個に結合され、前記第１排出ガス流、又は第２排出ガス流の少なくとも１個を受け取るガスタービンシステムと
を具えることを特徴とする電流発生システム。
【請求項１５】
前記燃料電池は少なくとも約６００℃の温度で作動する請求項１４によるシステム。
【請求項１６】
前記水素ガス分離システムは第１吸収モジュールを具え、前記第１排出ガス流が二酸化炭素に富んでいる請求項１４によるシステム。
【請求項１７】
前記第１排出ガス流を受け取る第１導入口と、燃焼生成物ガス流を排出する送出口とを画成する燃焼器を更に具える請求項１６によるシステム。
【請求項１８】
前記燃焼器の前記送出口と前記燃料電池によって画成された陰極導入口とを流体通過可能に結合する第１導管と、前記燃料電池、及び前記ガスタービンシステムによって画成された陰極送出口を流体通過可能に結合する第２導管と、前記第１導管の少なくとも一部、及び前記第２導管の少なくとも一部を収容する少なくとも１個の熱交換器とを更に具える請求項１７によるシステム。
【請求項１９】
前記燃焼器の前記送出口と前記ガスタービンシステムとを流体通過可能に結合する少なくとも１個の導管を更に具える請求項１７によるシステム。
【請求項２０】
前記ガスタービンシステムは圧縮機、及び真空ポンプから選択された少なくとも１個の装置を有する請求項１４によるシステム。
【請求項２１】
前記第１吸着モジュールは回転圧力スイング吸着モジュールから成る請求項１６によるシステム。
【請求項２２】
圧縮機、及び真空ポンプから選択され、前記回転圧力スイング吸着モジュールに結合された少なくとも１個の装置を前記ガスタービンシステムが有する請求項２１によるシステム。
【請求項２３】
融解炭酸塩燃料電池、及び固体酸化物燃料電池から選択された少なくとも１個の燃料電池と、
前記燃料電池に送出するための酸素濃縮ガス流と、重生成物排出ガス流とを発生し得る少なくとも１個の圧力スイング吸着モジュールと、
前記重生成物ガス流を抽出するため、前記圧力スイング吸着モジュールに結合された少なくとも１個の真空ポンプと
を具えることを特徴とする電流発生システム。
【請求項２４】
酸素含有ガスの供給源と、
水素濃縮ガス流と二酸化炭素濃縮ガス流とを発生し得る少なくとも１個の水素ガス分離モジュールと、
前記酸素含有ガス流と前記二酸化炭素濃縮ガス流とから燃焼生成物ガス流を発生する燃焼装置と、
前記燃焼生成物ガス流を受け取る陰極導入口と、前記水素濃縮ガス流を受け取る陽極導入口とを有する少なくとも１個の融解炭酸塩燃料電池と
を具えることを特徴とする電流発生システム。
【請求項２５】
前記水素ガス分離モジュールは圧力スイング吸着モジュールを具える請求項２４によるシステム。
【請求項２６】
前記燃焼装置に送出するための酸素濃縮ガス流を発生し得る前記酸素含有ガスの供給源に結合された圧力スイング吸着モジュールを更に具える請求項２４によるシステム。
【請求項２７】
前記融解炭酸塩燃料電池は少なくとも１つの燃料電池排出ガス流を排出する送出口を有し、前記燃料電池排出ガス流と、前記燃焼生成物ガス流とを受け取る第１熱交換器を前記システムが更に具える請求項２４によるシステム。
【請求項２８】
水素ガス発生反応器と、この水素ガス発生反応器に炭化水素燃料と水との混合物を送出するための導管とを更に具え、前記炭化水素燃料と水との混合物の前記導管を前記第１熱交換器内に配置した請求項２７によるシステム。
【請求項２９】
前記水素ガス発生反応器に送出するための酸素濃縮ガス流を発生し得る前記酸素含有ガスの供給源に結合された圧力スイング吸着モジュールを更に具える請求項２８によるシステム。
【請求項３０】
陽極排出ガスを排出する陽極送出口と陰極導入口とを有し、少なくとも約２５０℃の温度で作動する少なくとも１個の燃料電池と、
酸素濃縮ガス流を発生し得る圧力スイング吸着モジュールと、
前記酸素濃縮ガス流、及び前記陽極排出ガスから燃焼生成物ガス流を発生させる燃焼装置と、
前記燃焼生成物ガス流を前記燃料電池陰極に送出するため、前記燃焼装置と前記燃料電池の前記陰極導入口とを流体通過可能に結合する導管と
を具えることを特徴とする電流発生システム。
【請求項３１】
少なくとも約２５０℃の温度で作動する少なくとも１個の燃料電池に少なくとも１つの供給流を供給する方法において、
圧縮機、又は真空ポンプから選択された少なくとも１個の装置を有し、前記燃料電池に結合された水素ガス分離システム、又は酸素ガス送出システムの少なくとも１個を設け、
前記水素ガス分離システム、及び酸素ガス送出システムの少なくとも１個からエネルギーを回収し、又は前記燃料電池の熱を回収し、
前記燃料電池に少なくとも１つの供給流を供給するよう回収された前記エネルギーによって少なくとも一部、前記圧縮機、又は真空ポンプを作動させることを特徴とする供給流の供給方法。
【請求項３２】
エネルギーを回収し、圧縮機、又は真空ポンプを作動させる操作において、前記燃料電池、水素ガス分離システム、又は酸素ガス送出システムからの少なくとも１つの排出流を、熱交換器、及びガスタービンから選択された少なくとも１個の装置内に導入する操作を行う請求項３１による方法。
【請求項３３】
前記燃料電池を少なくとも約６００℃の温度で作動させる請求項３１による方法。
【請求項３４】
前記水素ガス分離システム、又は酸素ガス送出システムが圧力スイング吸着モジュールを具える請求項３１による方法。
【請求項３５】
少なくとも約２５０℃の温度で作動する少なくとも１個の燃料電池に少なくとも１つの燃料流を供給する方法において、
第１燃料含有ガス流を第１燃料濃縮ガス流と、第１燃料涸渇ガス流とに分割するのに十分な条件下で、前記第１燃料含有ガス流内に第１圧力スイングを生ぜしめ、
前記第１圧力スイングを生ぜしめるための第１装置に、前記第１燃料濃縮ガス流、又は第１燃料涸渇ガス流の少なくとも一方を導入し、
前記第１燃料濃縮ガス流を前記燃料電池に導入することを特徴とする燃料流の供給方法。
【請求項３６】
第１圧力スイングを生ぜしめる操作において、圧力スイング吸着を行い、前記第１燃料含有ガス流が水素含有ガス流から成り、前記燃料濃縮ガスが水素濃縮ガス流から成り、前記燃料涸渇ガス流が二酸化炭素濃縮ガス流から成り、導入する前記装置が前記圧力スイング吸着を行うための作動流体として前記二酸化炭素濃縮ガス流をガスタービン内に導入する請求項３５による方法。
【請求項３７】
融解炭酸塩燃料電池の陰極に酸素含有ガス流、及び二酸化炭素含有ガス流を供給し、前記燃料電池の陽極に水素含有ガス流を供給する方法において、
水素含有ガス流を水素濃縮ガス流と、二酸化炭素濃縮ガス流とに分割し、
前記二酸化炭素濃縮ガス流と、酸素含有ガス流との混合気を燃焼させて、燃焼生成物ガス流を生ぜしめ、
前記水素濃縮ガス流を前記燃料電池の陽極に導入し、
前記燃焼生成物ガス流を前記燃料電池の陰極に導入することを特徴とするガス流の供給方法。
【請求項３８】
圧力スイング吸着を介して、前記分離を行う請求項３７の方法。
【請求項３９】
前記酸素ガス流を発生させるため、空気供給流を酸素濃縮させる操作を更に有する請求項３７による方法。
【請求項４０】
前記酸素濃縮させる操作において、酸素濃縮ガス流を生ぜしめるため、前記空気供給流を圧力スイング吸着モジュール内に導入する請求項３９による方法。
【請求項４１】
前記燃料電池が少なくとも１つの燃料電池排出ガス流を排出し、前記方法は前記燃焼生成物ガス流からの熱を前記燃料電池の排出ガス流に移送する操作を更に有する請求項３７による方法。
【請求項４２】
加熱された前記燃料電池の前記排出ガス流をガスタービン内に導入する操作を更に有する請求項４１による方法。
【請求項４３】
少なくとも約２５０℃の温度で作動する少なくとも１個の燃料電池と、
前記燃料電池に結合された燃料電池熱回収システムと、
前記燃料電池に結合された少なくとも１個の燃料ガス送出システムと、
前記燃料電池熱回収システムと燃料ガス送出システムとに結合されたガスタービンシステムと
を具えることを特徴とする電流発生システム。
【請求項４４】
少なくとも約６００℃の温度で前記燃料電池を作動させる請求項４３によるシステム。
【請求項４５】
前記ガスタービンシステムのためのガス膨張エネルギーに、前記燃料電池からの熱エネルギーを移送するよう、熱回収作動流体を運ぶための再循環導管を前記燃料電池熱回収システムが具える請求項４３によるシステム。
【請求項４６】
前記熱回収作動流体を燃料電池排出ガス流に熱的に結合した請求項４５によるシステム。
【請求項４７】
前記燃料ガス送出システムが圧力スイング吸着モジュールを具え、
前記ガスタービンシステムが前記圧力スイング吸着モジュールに結合された少なくとも１個のポンプ、又は圧縮機と、前記ポンプ、又は圧縮機に結合されたエキスパンダとを具える請求項４３によるシステム。
【請求項４８】
前記燃料電池に送出するための酸素濃縮ガス流を前記圧力スイング吸着モジュールが発生し得る請求項４７によるシステム。
【請求項４９】
前記燃料電池に送出するため酸素濃縮ガス流を発生し得る第１圧力スイング吸着モジュールと、前記燃料電池に送出するため水素濃縮ガス流を発生し得る第２圧力スイング吸着モジュールとを設けた請求項４７によるシステム。
【請求項５０】
融解炭酸塩燃料電池、又は固体酸化物燃料電池から選択された少なくとも１個の燃料電池と、
前記燃料電池に結合された燃料電池熱回収システムと、
前記燃料電池に結合された少なくとも１個の燃料ガス送出システムと、
前記燃料電池熱回収システムと前記燃料ガス送出システムとに結合されたガスタービンシステムと
を具えることを特徴とする電流発生システム。
【請求項５１】
燃料ガス流を受け取るための少なくとも１個の導入口と、燃料電池排出ガス流を排出するための少なくとも１個の送出口とを画成していて、少なくとも約２５０℃の温度で作動する少なくとも１個の燃料電池と、
前記燃料電池の前記導入口に前記燃料ガス流を送出するための少なくとも１個の燃料ガス送出システムと、
前記燃料ガス送出システムに結合されたガスタービンシステムと、
前記燃料電池排出ガス流を運ぶため、前記燃料電池の前記送出口に流体通過可能に連通する第１導管と、
前記ガスタービンシステムに流体通過可能に結合され、熱回収作動流体を運ぶための第２導管と、
前記第１導管の第１部分と、前記第２導管の第１部分とを収容する第１熱交換器と
を具えることを特徴とする電流発生システム。
【請求項５２】
前記燃料電池を少なくとも約６００℃の温度で作動させる請求項５１によるシステム。
【請求項５３】
前記燃料ガス送出システムは燃料電池の陰極導入口に送出するための酸素濃縮ガス流を発生し得る圧力スイング吸着モジュールを具え、
前記ガスタービンシステムは前記圧力スイング吸着モジュールに結合された少なくとも１個のポンプ、又は圧縮機と、前記ポンプ、又は圧縮機に結合され、前記熱回収作動流体を受け取るための導入口を画成しているエキスパンダとを具える請求項５１によるシステム。
【請求項５４】
前記電流発生システムは前記圧力スイング吸着モジュール、及び前記第２導管に、前記熱回収作動流体として、空気を送出するための空気供給源を更に具える請求項５３によるシステム。
【請求項５５】
前記第１導管、及び第２導管を前記熱交換器内の中心に近く配置し、前記第１導管内の陰極排出ガスからの熱を前記第２導管内の熱回収作動流体に移送する請求項５１によるシステム。
【請求項５６】
前記燃料ガス送出システムは前記燃料電池の陽極導入口に送出するための水素濃縮ガス流を発生し得る圧力スイング吸着モジュールを具え、
前記ガスタービンシステムは前記圧力スイング吸着モジュールに結合された少なくとも１個のポンプ、又は圧縮機と、前記ポンプ、又は圧縮機に結合され、前記熱回収作動流体を受け取るための導入口を画成しているエキスパンダとを具える請求項５１によるシステム。
【請求項５７】
前記圧力スイング吸着モジュールに結合された水素ガス発生システムを更に具え、この水素ガス発生システムは前記圧力スイング吸着モジュールに水素含有ガス供給流を送出するための送出口と、水素燃料を受け取るための導入口とを画成している請求項５６によるシステム。
【請求項５８】
前記炭化水素燃料を運ぶことができる前記水素ガス発生システムの前記導入口に流体通過可能に連通する第３導管と、前記水素ガス発生システムの前記送出口と前記水素含有ガス供給流を受け取るため前記圧力スイング吸着モジュールに画成した導入口との間を流体通過可能に連通する第４導管と、これ等第３導管の一部と第４導管とを収容する第２熱交換器とを更に具え、前記第４導管内の前記水素含有ガス供給流から、前記第３導管内の前記炭化水素燃料に熱を移送するように、前記第３導管、及び第４導管を近接して位置させた請求項５５によるシステム。
【請求項５９】
前記ポンプは前記圧力スイング吸着モジュールから酸素涸渇ガス流を抽出する真空ポンプから成り、前記燃料電池は少なくとも約６００℃の温度で作動する請求項５３によるシステム。
【請求項６０】
前記燃料電池は陰極排出ガス流を排出する第１送出口と、陽極排出ガス流を排出する第２送出口とを画成しており、前記第１導管は前記陰極排出流を運ぶように構成され、前記電流発生システムは前記陽極排出ガス流を運ぶ第３導管を具え、この第３導管の一部を前記第１熱交換器内に収容している請求項５１によるシステム。
【請求項６１】
前記第１導管の第２部分、及び第２導管を収容する少なくとも１個の第２熱交換器を更に具え、前記ガスタービンシステムは少なくとも２個のエキスパンダタービンを有し、前記第２導管は前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、及び前記２個のエキスパンダタービンの間を流体通過可能に連通している請求項５１によるシステム。
【請求項６２】
前記燃料電池は固体酸化物燃料電池、又は融解炭酸塩燃料電池から成り、
前記燃料ガス送出システムは酸素濃縮ガス流を燃料電池の陰極導入口に送出するための第１回転圧力スイング吸着モジュールと、水素濃縮ガス流を燃料電池の陽極導入口に送出するための第２回転圧力スイング吸着モジュールとを具え、
前記ガスタービンシステムは前記第１回転圧力スイング吸着モジュールと前記第２回転圧力スイング吸着モジュールとに結合されている請求項５１によるシステム。
【請求項６３】
前記燃料ガス送出システムは前記燃料電池の前記導入口に送出するための燃料濃縮ガス流を発生し得るガス分離モジュールを具える請求項５１によるシステム。
【請求項６４】
少なくとも約２５０℃の温度で作動する少なくとも１個の燃料電池に少なくとも１つの燃料濃縮ガス流を供給する方法において、
燃料含有ガス流から燃料濃縮ガス流を分離するのに十分な条件下で燃料含有ガス流内に圧力スイングを生ぜしめ、
前記燃料濃縮ガス流を燃料電池に導入し、
前記燃料電池から、熱回収作動流体に熱を移送し、
前記圧力スイングを生じさせる少なくとも１個の装置内に、前記熱回収作動流体を導入することを特徴とするガス流の供給方法。
【請求項６５】
前記圧力スイングを生ぜしめる操作において、圧力スイング吸着を行い、前記燃料含有ガス流が空気から成り、前記燃料濃縮ガス流が酸素濃縮ガス流から成り、圧力スイングを生じさせる前記装置がガスタービンから成る請求項６４による方法。
【請求項６６】
熱を移送する前記操作において、少なくとも１つの燃料電池ガス排出流から、前記熱回収作動流体に熱を移送する請求項６４による方法。
【請求項６７】
前記ガスタービン内に導入している間に、前記熱回収作動流体が膨張して、前記圧力スイングを生ずる圧縮機、又はポンプに動力を与える請求項６５による方法。
【請求項６８】
融解炭酸塩燃料電池、及び固体酸化物燃料電池の少なくとも１個に、少なくとも１つの燃料濃縮ガス流を供給する方法において、
燃料含有ガス流から、燃料濃縮ガス流を分離するのに十分な条件下に、燃料含有ガス流内に圧力スイングを生ぜしめ、
前記燃料濃縮ガス流を燃料電池内に導入し、
前記燃料電池からの熱を熱回収作動流体に移送し、
圧力スイングを生ぜしめる少なくとも１個の装置内に、前記熱回収作動流体を導入することを特徴とするガス流の供給方法。
【請求項６９】
融解炭酸塩燃料電池、又は固体酸化物燃料電池の少なくとも１個に酸素濃縮ガス流を供給する方法において、
前記燃料電池に送出するため、酸素濃縮ガス流を発生し得る第１圧力スイング吸着モジュールを設け、
前記第１圧力スイング吸着モジュールに結合されたガスタービンシステムを設け、
前記ガスタービンシステムを通じて、熱回収作動流体を循環させ、前記熱回収作動流体の一部を少なくとも１つの燃料電池排出ガス流に並列にしたことを特徴とするガス流の供給方法。
【請求項７０】
前記ガスタービンシステムは圧縮機、又はポンプに結合された少なくとも１個のエキスパンダを具え、このエキスパンダ内に前記熱回収作動流体を導入する請求項６９による方法。
【請求項７１】
前記酸素濃縮ガス流の一部を前記熱回収作動流体と燃料電池排出ガス流とに並列にすることによって、前記燃料電池に送出する前に、前記酸素濃縮ガス流を加熱する操作を更に行う請求項６９による方法。
【請求項７２】
前記燃料電池に送出するための水素濃縮ガス流を発生し得る第２圧力スイング吸着モジュールを設ける操作を更に具え、前記ガスタービンシステムを更に前記圧力スイング吸着モジュールに結合した請求項６９による方法。
【請求項７３】
融解炭酸塩燃料電池、又は固体酸化物燃料電池の少なくとも１個と、
前記燃料電池に送出するための水素含有ガスを発生することができ、前記燃料電池に結合された圧力スイング吸着モジュールとを具え、前記圧力スイング吸着モジュールは第１吸着剤と、第２吸着剤、蒸気改質触媒、又は水ガスシフト反応触媒から選択された少なくとも１つの第２材料と
を有することを特徴とする電流発生システム。
【請求項７４】
前記第１吸着剤は水蒸気に比較して、二酸化炭素を優先的に吸着する請求項７３によるシステム。
【請求項７５】
前記圧力スイング吸着モジュールは前記第１吸着剤を有する少なくとも１個の第１帯域と、少なくとも１個の第２帯域とを有する請求項７４によるシステム。
【請求項７６】
前記第１吸着剤はアルカリ促進材料から成ると共に、前記触媒は Ｃｕ−ＺｎＯ 触媒、又は遷移金属カルボニル錯体触媒、又はゼオライトケージに挿入された遷移グループ金属から成る触媒から成る請求項７５によるシステム。
【請求項７７】
少なくとも１個の乾燥剤を有する第３帯域を更に具える請求項７５によるシステム。
【請求項７８】
前記触媒が前記第１帯域、又は第２帯域の少なくとも一方に含まれている請求項７４によるシステム。
【請求項７９】
前記アルカリ促進材料は炭酸カリウムを含浸させたアルミナと、炭酸カリウムで促進させたハイドロタルサイトと、これ等の混合物とから選択されたものである請求項８０によるシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願についてのクロスリファレンス
この出願はいずれもこの明細書に援用する２０００年１０月３０日に出願したカナダ特許出願第２３２５０７２ 号、及び２００１年９月１７日に出願した米国暫定特許出願第６０／３２３１６９ 号の利益を求めるものである。
【０００２】
本発明は燃料電池のエネルギー効率を高めるよう、圧力スイング吸着を採用した燃料電池に基づく電気発生システム、特に、融解炭酸塩燃料電池、及び固体酸化物燃料電池のような高温燃料電池を使用する電気発生システムに関するものである。
【０００３】
背景
燃料電池は環境に優しい電流供給源である。特に、大型の固定動力発生源と考えられ、電力を発生するため使用される高温燃料電池の一型式は融解炭酸塩燃料電池（以下ＭＣＦＣと記載する）である。ＭＣＦＣは水素ガス（又は、蒸気改質反応、及び水ガスシフト反応によって、水素を発生するよう陽極チャネル内で反応する燃料ガス）の流れを受け取る陽極チャネルと、酸素ガスの流れを受け取る陰極チャネルと、陽極チャネルを陰極チャネルから分離する融解電解液を含む多孔質マトリックスとを有する。陰極チャネル内の酸素、及び二酸化炭素が反応して、炭酸塩イオンを形成し、この炭酸塩イオンは電解液を横切って、陽極チャネル内の水素と反応し、電子の流れを発生する。水素が消耗すると、一酸化炭素が蒸気によって変化し、付加的な水素を発生する。燃料成分の酸化により、また、電解液からの炭酸塩の減少により、陽極チャネル内に、二酸化炭素、及び水蒸気を発生する。融解炭酸塩燃料電池の代表的な作動温度は約６００℃から約６５０℃である。
【０００４】
高温燃料電池の他の型式は固体酸化物燃料電池（以下ＳＯＦＣと記載する）である。ＳＯＦＣは水素ガス（又は蒸気改質反応、及び水ガスシフト反応によって、水素を発生するよう、陽極チャネル内で反応する燃料ガス）の流れを受け取る陽極チャネルと、酸素ガスの流れを受け取る陰極チャネルと、酸素イオンに対して導電性で、陽極チャネルを陰極チャネルから分離するセラミック隔膜である固体電解質物質とを有する。陰極チャネル内の酸素は酸素イオンを分離し、酸素イオンは電解質物質を横切り、陽極チャネル内の水素と反応し、電子の流れを発生する。水素が消耗すると、一酸化炭素を直接酸化し、又は蒸気によって一酸化炭素をシフトし、付加的水素を発生する。燃料成分の酸化により、陽極チャネル内で、二酸化炭素、及び水蒸気を発生する。固体酸化物燃料電池の代表的な作動温度は約５００℃から１０００℃である。
【０００５】
水素が直接燃料として得られる稀な場合（例えば改質、又は化学的処理のオフガスによって回収された水素、又は水の電気分解により、再生可能なエネルギから生じた水素の場合）を除き、水素は適切な燃料処理システムによって、化石燃料から発生させる必要がある。固定動力発生源については、蒸気改質により、天然ガスから水素を発生するのが好適であり、又は水素、一酸化炭素、二酸化炭素、蒸気、及び若干の未反応メタンの混合物から成る「合成ガス」を発生する一部酸化により、水素を発生するのが好適である。水素は燃料電池の陽極チャネル内で消費されるから、水ガスシフトにより、多くの一酸化炭素が蒸気と反応し、一層多くの水素、及び一層多くの二酸化炭素を発生する。他の炭素系原材料（例えば、重炭化水素、石炭、又はバイオマス）も酸素、及び蒸気と反応し、部分酸化、ガス化、又は自熱改質によって、合成ガスを発生する。また、燃料電池は外部で生じた水素、又は合成ガスで作動するさせることもできる。
【０００６】
ＭＣＦＣシステム、及びＳＯＦＣシステムの大きな利点はその高い作動温度により、燃料電池と燃料処理システムとの間の熱的に密接する一体化を容易にすることである。また、この高温によって、低温燃料電池で必要な貴金属触媒を不必要にしている。
【０００７】
従来のＭＣＦＣシステムは高温操作に関連する重大な制約を有し、また、陰極に二酸化炭素を供給することが本質的に必要であり、更に、この二酸化炭素を陽極から除去しなければならないことに関連する重大な制約を有する。従来のＳＯＦＣシステムは一層困難な温度範囲に直面しており、通常の作動状態下では非常に高い温度において、電池電圧が低下する欠点がある。
【０００８】
燃料の燃焼の一層低い熱は、その燃料を酸化させることによって発生するエネルギー（反応のエンタルピーの変化）を有益に定義している。しかし、理想的な燃料電池によって発生し得る電気化学的エネルギーは反応の自由エネルギーの変化であり、エンタルピーの変化より小さい。エンタルピーの変化と、自由エネルギーの変化との違いは反応のエンタルピーの変化に、絶対温度を掛けた積である。従って、この違いは温度が高くなる程、大きくなり、一層高温の燃料電池はもともと燃料エネルギーの一層少ない部分を高い効率で、電気的動力に変換すると共に、熱として利用できる燃料エネルギーの一層多くの部分を、熱力学的ボトミングサイクル（例えば、蒸気プラント、又はガスタービンプラント）によって、低い効率で、電気的動力に変換しなければならない。
【０００９】
燃料セル陽極上の反応生成物（二酸化炭素、及び蒸気）の堆積は電気化学反応を妨害するから、自由エネルギーを減少させる。陰極での酸素、及び二酸化炭素の一層高い分圧、及び陽極での水素の一層高い分圧が反応を前進させるから、自由エネルギーを増大させる。不幸にして、この反応は陰極チャネル内の酸素、及び二酸化炭素を消耗させ、陽極チャネル内の水素を消耗させると共に、陽極チャネル内の二酸化炭素の背圧を迅速に増大させる。従って、自由エネルギー変化を減少させ、燃料電池堆積体の燃料電池の電圧を直接減少させる。これにより、システムの電気効率を低下させると共に、熱ボトミングサイクルによって、一層低い効率で変換しなければならない熱を増加してしまう。
【００１０】
自由エネルギー変化は燃料電池の起電力（「Ｅ」）と、反応によってモル当たり移送される電荷（「２Ｆ」）との単純な積であり、この場合の２つの因子は炭酸塩イオンの原子価を反映している。ＭＣＦＣについてのネルンストの式は陽極チャネル、及び陰極チャネル内の電気化学反応物質の分圧に対する起電力の上述の感度を表しており、この場合の標準の起電力（「Ｅｏ 」）は標準状態で、水が蒸気である場合の全ての構成要素に起因すると言われる。ＭＣＦＣについてのネルンストの式は次の〔数１〕のように表される。
【００１１】
【数１】
2004512665.tif 000003
【００１２】
従来のＭＣＦＣシステムはこの問題に対する満足な解決を行っておらず、達成できる全体の効率を犠牲にしている。課題は陽極に高い濃度の水素を持続し、陰極に高い濃度の酸素を持続すると共に、高温の二酸化炭素を陽極から陰極に効率よく移送する方法を考えることである。ＭＣＦＣの作動条件に対し適切である有効な二酸化炭素移送技術を案出することが繰り返し試みられたが、十分に成功していない。
【００１３】
ＭＣＦＣ陰極に二酸化炭素を供給する一般に認められた方法は（未反応水素、及びその他の燃料成分を含む）陽極排出ガスの一部を燃焼させ、陰極に酸素を提供する付加的空気に混合すべき蒸気、及び窒素を混合した二酸化炭素を供給することである。しかし、この方法は重大な欠点がある。熱ボトミングサイクルによって、その熱が有効に吸収されるに過ぎない付加的燃焼のため、比較的有効な電気化学的動力発生に関し、最初の燃料値以上のものは利用することができない。また、陰極ガスの酸素対窒素比は周囲の空気よりも一層希釈され、電池電圧を更に減少させ、熱ボトミングプラントの動力発生効率を一層低下させる。
【００１４】
ＳＯＦＣについての次のネルンストの式は、ＣＯを水ガスシフト反応によって変換するものとする簡単化した仮定のもとに、陽極チャネル、及び陰極チャネル内の電気化学的反応物質の分圧に対する起電力の感度を表している。この感度はＳＯＦＣの最高作動温度で最大であることはもちろんである。このネルンストの式は〔数２〕のように表される。
【００１５】
【数２】
2004512665.tif 000004
【００１６】
圧力スイング吸着システムは燃料電池に燃料ガスを供給するための一つの可能性である。圧力スイングシステム、及び真空圧力スイング吸着システムは吸着体、又は吸着剤への圧力のサイクルと、流れの反転とを統合することによって、ガス混合物からガスの一部を分離する。吸着体は混合物の中の吸着されにくいガス成分に対し、一層容易に吸着されるガス成分を優先的に吸着する。吸着体の第１端から第２端まで、吸着体にガス混合物を流している間に、吸着体内のガス混合物の全圧力を上昇させると共に、第２端から第１端に吸着体にガス混合物を流している間に、吸着体内のガス混合物の圧力を低下させる。圧力スイング吸着サイクルを繰り返す際、吸着されにくい成分を吸着体の第２端に隣接して濃縮し、一層吸着され易い成分を吸着体の第１端に隣接して濃縮する。その結果、「軽」生成物（一層吸着され易い成分が無く、吸着されにくい成分に富むガスの部分）を吸着体の第２端から送出し、「重」生成物（一層強力に吸着される成分に富むガスの部分）を吸着体の第１端から排出する。
【００１７】
しかし、圧力スイング吸着、又は真空圧力スイング吸着を実施する通常のシステムは２個、又はそれ以上の静止吸着体を並列に使用し、各吸着体の各端部に複数の２方向弁を使用して、圧力源と、低圧源とに吸着体を交互に連結する。このシステムは吸着体が大形であり、必要な弁が複雑なため、面倒で、高価であることが多い。これ等の弁はＭＣＦＣの作動温度では作動できない。更に、従来の圧力スイング吸着システムは加えたエネルギーを有効に使用していない。これは、圧力スイング吸着プロセス中に、吸着体を周期的に加圧し、減圧する際、ガスの膨張工程が非可逆的であるためである。従来の圧力スイング吸着システムは嵩高で、重い欠点がある。これはプロセスのサイクル周期数が低いため、大きな吸着体を具えているためである。更に、従来の圧力スイング吸着技術は、このような高温で作動することができない。また、高温で作動する任意の陽極ガス圧力スイング吸着のためには、蒸気の存在において、二酸化炭素を分離し得る吸着剤を設ける必要がある。
【００１８】
燃料電池システムを統合したガスタービンサイクルの結合サイクル動力プラントが開示されている。更に、譲渡され公開されたＰＣＴ国際出願第ＷＯ００／１６４２５号はガスタービン動力プラントに、又はガスタービン補助エンジンを有する燃料電池動力プラントにどのように圧力スイング吸着ユニットを統合するかの例を示している。
【００１９】
開示するシステム、及びプロセスによって目指す要求は化石燃料動力発生からの二酸化炭素の累積する排出によって、加速される地球温暖化を解消するためである。開示するシステム、及びプロセスは次のような環境上の要求を目指している。
Ａ．処分、又は廃棄のため、送出される濃縮ＣＯ２。
Ｂ．窒素の存在の許での燃焼を完全に無くすることによりＮＯＸ 排出のほぼ完全な消滅。
Ｃ．エネルギー資源の最も持続可能な使用を達成するための高い全効率。
【００２０】
発明開示の要約
発電システムに基づく開示される本発明のＭＣＦＣ、又はＳＯＦＣは従来技術の欠点を除去し、一般に、性能、及び経済性を向上させるため、反応物質の濃度を操作し、ＭＣＦＣシステムにおいて、二酸化炭素を陽極から陰極に移送すると共に、電力の出力を増大する。
【００２１】
開示されたシステム、及びプロセスの第１実施例によれば、少なくとも約２５０℃の温度で作動する少なくとも１個の燃料電池と、圧縮機、又は真空ポンプから選択した少なくとも１個の装置を有する水素ガス分離システム、及び／又は酸素ガス送出システムと、水素ガス分離システム、酸素ガス送出システムの少なくとも１個からのエネルギー、又は燃料電池の熱を回収するための手段を有する上記装置のための駆動手段とを有する電流発生システムを設ける。第２実施例による電流発生システムは高温燃料電池を有し、ガスタービンを水素ガス分離システム、又は酸素ガス送出システムに結合し、水素ガス分離システム、酸素ガス送出システムの少なくとも１個から回収され、又は燃料電池の熱から回収されたエネルギーによってガスタービンに動力を与える。水素ガス分離システム、又は酸素ガス送出システムに圧力スイング吸着モジュールを設けてもよい。これ等の発生、又は送出システムは融解炭酸塩燃料電池、及び固体酸化物燃料電池に特に有用である。
【００２２】
水素ガス分離システム、酸素ガス送出システム、又は燃料電池から加熱された、及び／又は加圧されたガス流を受け取るガスタービン、及び／又は熱交換器をエネルギー回収手段に設ける。例えば、燃料電池熱回収システムを燃料電池、及びガスタービンシステム（この場合、水素ガス分離システムは任意である）に結合する。エネルギー回収手段は、回収されたエネルギーを、圧縮機、及び真空ポンプを作動させるための駆動力に変換する。例えば、圧力スイング吸着モジュールは燃料含有ガス流を燃料濃縮ガス流と、燃料涸渇ガス流とに分離するために十分な条件下に、燃料含有ガス流に圧力勾配を生ぜしめ、燃料濃縮ガス流、又は燃料涸渇ガス流の少なくとも一方を圧縮機、及び／又は真空ポンプに結合されたガスタービンシステムに再循環させ、再循環流のエネルギーを捕捉する。他の例では、燃料電池熱回収システムはガスタービンシステムに動力を与えるように膨張し得る熱回収作動流体に、燃料電池からの熱を移送する。
【００２３】
圧力スイング吸着ユニットに結合されたガスタービンシステムはＨ２圧力スイング吸着のための真空ポンプ、及び／又は重還流圧縮機と共に、Ｏ２圧力スイング吸着のための全ての圧縮機、及び真空ポンプに動力を与える。この補助的ガスタービンサイクルによって、重還流真空ポンプ、及び圧縮機をターボエキスパンダによって駆動する。このターボエキスパンダは水素圧力スイング吸着のテールガス燃焼の生成物を膨張させる。開示された或る実施例の要旨はテールガスの燃焼によって直接、又は間接的に動力を設けるか、又は燃料電池堆積体の廃熱に熱交換によって間接的に動力を受けるガスタービンに、真空ポンプ、及び／又は圧縮機を統合する。従って、ガス分離システムのための全ての圧縮機、及び真空ポンプに動力を与えるため、熱ボトミングサイクルの動力源に結合された発電装置も、補助動力源も必要でない。車輌の空調システムに動力を供給し得る電流発生装置としての補助装置にガスタービンシステムを結合してもよい。単一の、又は多数のスプールガスタービンの形態を考えてもよい。圧縮機、及びポンプとして、遠心機械、又は軸流機械を使用してもよい。ガスタービンと燃料電池との統合に基づく方法は特に大型の動力レベルに好適である。フリー・スプールガス発生器（例えば、ターボチャージャ）は若干の経済的に好適な実施例に使用される。
【００２４】
従って、陽極で水素を濃縮すると共に、（ＭＣＦＣシステムのために陰極に）二酸化炭素を迅速に分離するため、圧力スイング吸着ユニットを組み込み、ガスタービンシステムを一体化した改良したＭＣＦＣシステム、及びＳＯＦＣシステムを設ける。或るシステムではＭＣＲＣシステムの高温に接近する高温で、水素圧力スイングシステムを作動させる。
【００２５】
上述の第１実施例、又は第２実施例の一変形では、電流発生システムはＭＣＦＣ燃料電池、又はＳＯＦＣ燃料電池、酸素ガス送出システム、及び／又は水素ガス送出システムを具える。この燃料電池は水素ガス（又は陽極チャネル内に水素を形成するよう反応する燃料ガス）の供給を受け取るための陽極ガス導入口を有する陽極チャネルと、陰極ガス導入口、及び陰極ガス送出口を有する陰極チャネルと、陽極チャネルと陰極チャネルとの間のイオンの移送を容易にするため陽極チャネル、及び陰極チャネルに連通する電解質物質とを有する。水素ガス送出システムは水素圧力スイング吸着システムを有し、この水素圧力スイング吸着システムは陽極チャネルに水素を濃縮し、そこから二酸化炭素を抽出するため、ステータと、このステータに対し相対的に回転し得るロータとを有する回転モジュールを有する。若干の実施例における電流発生システムも、陰極チャネルに、及び／又は燃料処理システムに供給するため、空気から酸素を濃縮するための圧力スイング吸着システム、又は真空圧力スイング吸着システムを有する。水素を濃縮し、二酸化炭素を分離するための圧力スイング吸着ユニットを第１圧力スイング吸着ユニットと称し、第２圧力スイング吸着ユニット、又は真空圧力スイング吸着ユニットを酸素濃縮のために設ける。
【００２６】
開示されたシステム、及びプロセスに使用する圧力スイング吸着ユニットのロータは流路内の圧力の増大に応動して、第２ガス成分よりも優先的に第１ガス成分を吸収するため、吸着材料を収容する多数の流路を有する。また、この圧力スイング吸着システムは第１ガス成分を第２ガス成分から分離するため、流路に通るガス流を流れ易くするよう回転モジュールに結合した圧縮機を有する。ステータは第１ステータ弁面と、第２ステータ弁面と、これ等ステータ弁面に開口する複数個の機能隔室とを有する。これ等機能隔室はガス供給隔室と、軽還流出口隔室と、軽還流復帰隔室とを含む。
【００２７】
水素圧力スイング吸着システムは作動高温でそれ自身作動する。例えば、第１圧力スイング吸着ユニット、即ち水素圧力スイング吸着ユニット内での吸着体の作動温度はほぼ周囲温度から、約４５０℃までの高い温度に至る範囲にわたっており、このことは、第１圧力スイング吸着ユニットと、燃料電池陽極チャネルとの間の伝熱式熱交換、又は再生式熱交換によって、容易になる。他の変形によれば、吸着体の作動温度は伝熱式熱交換、又は再生式熱交換によって容易になるのであるが、ＭＣＦＣ堆積体のほぼ作動温度（例えば、約６００℃から約６５０℃）、又はＳＯＦＣ堆積体のほぼ作動温度（例えば、約５００℃から約１０００℃）から、約４５０℃までにわたっている。特定の実施例では、水素圧力スイング吸着の吸着体の作動温度は周囲温度から、約８００℃までに及んでおり、特に、触媒を含む圧力スイング吸着ユニットでは約１５０℃から約８００℃に及んでおり、触媒を含まない圧力スイング吸着ユニットでは周囲温度から２００℃に及んでいる。この圧力スイング吸着ユニットはフローチャネルの全長に沿って、温度勾配を支持する形態を有し、従って、吸着体の第２端の温度が吸着体の第１端の温度より一層高い。ここで使用する「吸着体の作動温度」とは吸着体を通って流れるガスの温度、及び／又は吸着体ベッドの温度のことである。
【００２８】
第３実施例によれば、ＭＣＦＣ、又はＳＯＦＣと、ＭＣＦＣ、又はＳＯＦＣに結合されたＨ２圧力スイング吸着ユニットとを有する電流発生システムを開示しており、Ｈ２圧力スイング吸着ユニットは第１吸着剤と、第２吸着剤から選択された少なくとも１つの第２材料と、蒸気改質触媒、又は水ガスシフト反応触媒とを有する。第１吸着剤は第２吸着剤に対し化学的に区別される。例えば、第１圧力スイング吸着ユニット、又は水素圧力スイング吸着ユニットの吸着体内の吸着剤は吸着剤の第１帯域を有し、この第１帯域は水蒸気よりも、二酸化炭素のための高い作動温度（例えば、約２５０℃から約８００℃）で選択されている。この分野で既知のこのような適切な吸着剤はアルカリ促進材料を含んでいる。実例となるアルカリ促進材料はＬｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｓ、Ｒｂ のようなアルカリ金属、及び／又はＣａ、Ｓｔ、Ｂａのようなアルカリ土類金属の陽イオンを含む材料が含まれる。通常、これ等の材料は水酸化物、炭酸塩、重炭酸塩、酢酸塩、リン酸塩、硝酸塩、又はアルカリ金属、又はアルカリ土類金属の有機酸塩として得られる。このような化合物はアルミナのような任意適切な基材上に堆積する。特別な材料の例には炭酸カリウムを含浸させたアルミナ、及び炭酸カリウムで促進させたハイドロタルサイトを含む。周囲温度に一層近い温度で作動する第１圧力スイング吸着ユニットの実施例のための適切な吸着剤には、アルミナゲル、活性炭、親水性ゼオライト（例えば、タイプ１３Ｘゼオライト、及びこの分野で知られている多くの他のゼオライト）、及び疎水性ゼオライト（例えば、タイプＹゼオライト、又はシリカライト）がある。
【００２９】
第１圧力スイング吸着ユニット、又は水素圧力スイング吸着ユニットの高温の実施例においては、吸着剤の同一帯域、又は他の帯域内の吸着剤には蒸気改質反応（例えば、メタン燃料、又はメタノール燃料）、及び／又は水ガスシフト反応のため、この帯域の作動温度で触媒として活性な化合物がある。触媒として活性な化合物はレジュースド遷移グループ金属、又は金属の混合物であってもよく、又はゼオライトケージ内に分散され、第２帯域の作動温度で金属カルボニル複合体を可逆的に形成する遷移グループ金属であってもよい。二酸化炭素は水蒸気よりも優先的に吸着され、濃縮水素は陽極チャネルに連続的に除去されるから、触媒として活性な成分以上の二酸化炭素、及び水素の濃度を圧力スイング吸着プロセスによって減少したレベルに維持し、第１圧力スイング吸着ユニットの吸着体内で進行する蒸気改質反応、及び／又は水ガスシフト反応のために好適なように、反応の平衡をシフトさせる。二酸化炭素、及び改質可能な燃料成分の変換を完全な変換に向け、駆動し、二酸化炭素、及び付加的水素を発生させる。これは圧力スイング吸着反応器の例であり、二酸化炭素を除去しながら、水ガスシフト反応を実質的に完了するように駆動しつつ、濃縮水素を更に発生するよう単一ガス分離作用を増進し、水素の十分な精製を達成する「吸着増進反応器」の例である。
【００３０】
産業上のＨ２圧力スイング吸着は通常、著しく高い圧力（１０バール以上）で導入され、高い純度と高い回収率（〜８０％〜８５％）を達成する。加圧されるメタノール改質器と共に作動するか、又はガスタービンサイクルに一体化した燃料電池システムは比較的高い圧力で作動する。融解炭酸塩燃料電池は大気圧から、最高で１０バールまでの圧力で作動するが、現在のところ、燃料電池堆積体の寿命を延ばすための必要から、一層低い圧力が非常に好適である。固体酸化物燃料電池は約５バールから本発明において好適な２０バールまでの作動圧力で作動するように設計することができる。
【００３１】
水素圧力スイング吸着、及び酸素圧力スイング吸着から出る軽生成物ガスの圧力はここに開示するシステム、及びプロセスにおいては広く変化する。圧縮機、又はその他の圧力増大機構を採用して、燃料電池に導入する前に、必要なら、軽生成物ガスの圧力を上昇させる。非常に低い供給圧力（例えば、２〜３バール）で、第１圧力スイング吸着は補助的圧縮を利用し、水素の一層多い回収と、同時に、二酸化炭素の一層高い濃度とを達成する。代案の方法では真空ポンプ作用を設けて、作動圧力比を広くし、又は代わりに「重還流」を再加圧し、全圧力でのその排出流の一部の圧力スイング吸着供給流に再循環させる。寸法の大きい真空ポンプを使用して、真空、及び重還流とを組み合わせてもよい。
【００３２】
開示したシステム、及びプロセスは燃料電池システムの全体の効率を向上させることができ、比例して形成される二酸化炭素を減らすと共に、例えば涸渇した天然ガスリザバー内に地下に処分することにより、又は石油リザーバーからの油の回収を増大するため、大気からの最も好都合な隔離方法として、希望する時に、高い濃度の形で、二酸化炭素を送出することができる。更に、輸出動力を燃料電池堆積体からのみ送給してもよく、従って、熱ボトミングサイクル、又はゼネレータ、及び熱ボトミングタービンの関連する歯車箱からの動力の輸出はなく、従って、熱ボトミングタービンを単なるターボチャージャに減少させることができる。代わりに、或る実施例によれば、このシステムにより、燃料電池堆積体から、高いグレードの廃熱を利用し、供給空気圧縮、排出濃縮窒素空気への真空ポンプ作用、及び二酸化炭素濃縮陽極テールガスの重還流圧縮のため、必要に応じ、自由ロータターボチャージャを駆動する。その際、これ等の補助負荷に整合する燃料電池廃熱があるため、高電流密度における作動を容易にする。
【００３３】
燃料電池堆積体は比較的高い電流密度（例えば約２００〜４００ｍＡ／ｃｍ２）で作動し、補助圧縮負荷のために、必要な量の廃熱を発生する。これは開示された圧力スイング吸着システムは非常に上昇した開放回路電圧（例えば、約０．７５〜約０．９５ボルト）を有するからである。ｋＷ当たり必要な燃料電池堆積体の寸法は高電流密度で著しく減らすことができる。同様に、同一寸法の燃料電池堆積体は燃料電池堆積体に更に、ここに開示した或る実施例では省略することができる熱ボトミングゼネレータを加えた全動力出力を正式に達成することができる。
【００３４】
添付図面を参照して行う次の数個の実施例の説明から本発明の上述の要旨、及び利点は一層明らかになるであろう。
【００３５】
数例の実施例の詳細な説明
図１〜図５
酸素濃縮回転圧力スイング吸着モジュールを図１〜図５Ｂに関連して、以下に説明するが、これに同一、又は類似の回転圧力スイング吸着モジュールの形態はここに開示する電流発生システムにおける水素濃縮（即ち水素分離）のために使用することができる。ここに使用する「回転圧力スイング吸着」の語は、必ずしもこれに限定されないが、一群の吸着体が固定弁面、又はステータに対し相対的に回転している圧力スイング吸着を意味し、又は弁面、又はステータが一群の吸着体に対して相対的に回転している圧力スイング吸着を含む。
【００３６】
図１は吸着体ハウジング体４内に「Ｎ」個の吸着体３を有している回転圧力スイング吸着モジュール１を示す。各吸着体は第１端５と、第２端６とを有し、（酸素濃縮のための）窒素選択吸着剤に接触する流路を第１端５と、第２端６との間に有している。これ等吸着体は吸着体ハウジング体の軸線７の周りに、非対称の群に展開されている。ハウジング体４は軸線７の周りに、第１機能体８、及び９に対し、相対的に回転し、ハウジング体４は第１弁面１０を介して、第１機能体８に掛合し、この第１機能体８に供給ガス混合物を供給し、この第１機能体８から重生成物を引き出す。また、ハウジング体４は第２弁面１１を介して、第２機能体９に掛合し、この第２機能体９から軽生成物を引き出す。
【００３７】
特に、図１〜図５に示す実施例では、吸着体ハウジング４は回転するので、以後、吸着体ロータ４と称する。第１機能体、及び第２機能体は静止しており、協働して、モジュールのステータ組立体を構成している。第１機能体を以後、第１弁ステータ８と称し、第２機能体を以後、第２弁ステータと称する。他の実施例では、吸着体ハウジング４は静止しており、第１機能体、及び第２機能体は回転分配弁ロータである。
【００３８】
図１〜図５に示す実施例では、吸着体に通る流路は軸線７に平行であり、流れの方向は軸線方向である。第１弁面、及び第２弁面は軸線に垂直な平坦環状ディスクとして示されている。しかし、一層、一般的には、吸着体内の流れの方向は軸線方向、又は半径方向であり、第１弁面、及び第２弁面は軸線７上に中心を占める任意の回転状態であってもよい。吸着体内の流れの方向が半径方向であっても、軸線方向であっても関係なく、プロセスの工程と、画成すべき機能隔室とは同一の角度関係にある。
【００３９】
図２〜図５は矢印１２′−１３′、１４′−１５′、１６′−１７′によって画成される平面内のモジュール１の断面図である。各断面の矢印２０はロータ４の回転方向を示す。
【００４０】
図２は吸着体ロータを横切る図１の１２′−１３′の断面を示す。この場合の「Ｎ」は７２である。吸着体３は吸着体ホイール２０８の外壁２１と、内壁２２との間に取り付けられている。各吸着体は吸着剤シート２３の長方形平坦パック３から成り、各シート間にスペーサ２４を有し、これにより、シート間に、この場合、軸線方向のフローチャネルを画成している。吸着体の間に、セパレータ２５を設け、空隙を充填すると共に、吸着体間の漏洩を防止する。
【００４１】
図１に示すように、吸着体３はフローチャネルの第１端５と、第２端６との間に複数個の別々の区域を有しており、その区域はこの例ではそれぞれ、第１端５に隣接する第１帯域２６と、吸着体の中央の第２帯域２７と、第２端６に隣接する第３帯域２８とである。吸着体の別々の帯域に代え、層、又は混合状態になるように、種々の吸着剤を設け、ガス流路に沿い、吸着剤濃度の変化する勾配を有するようにしてもよい。１個の吸着剤から他の吸着剤の推移は明瞭な推移でなく、２個の吸着剤の融合した混合状態であってもよい。更に、均質な、又は均質でない種々の吸着剤の混合状態を設けてもよい。
【００４２】
周囲温度が２５０℃までのＨ２ 圧力スイング吸着操作の場合には、第１帯域には、供給ガス混合物内の水、又はメタノール蒸気、及び若干の二酸化炭素のような非常に強力に吸着される成分を除去するため、吸着剤、又は乾燥剤を含む。第２帯域には、非常に高い濃度で不純物を大量に分離するように通常、選択した吸着剤を含み、第３帯域には、比較的低い濃度の不純物であっても、一層良質にする目的で除去するため、通常、選択される吸着剤を含む。
【００４３】
約２５０℃から約８００℃までのＨ２ 圧力スイング吸着操作の場合には、第１帯域には上述したような水蒸気に対し、ＣＯ２ を優先的に吸着する吸着剤を含む。第２帯域には、水蒸気に対し、ＣＯを優先的に吸着する吸着剤（例えば、ゼオライト、Ｃｕ（Ｉ）含有材料、又はＡｇ（Ｉ）含有材料）を含む。第３帯域には、水蒸気を除去するためのアルミナゲルのような乾燥剤を含む。一見解によれば、ＣＯ２ 選択吸着剤、及びＣＯ選択吸着剤は２個の別々の帯域でなく、単一の帯域に設けるか、又は互いに混合させる。
【００４４】
上述の改質触媒、及び／又は水ガスシフト反応触媒を吸着体ベッドのいかなる部分に含有させてもよいが、通常は、水蒸気の除去前に、この部分に含有させる。これは水蒸気は改質反応、及び水ガスシフト反応のための反応物質であるためである。約６００℃から約１０００℃までの温度範囲においては、アルミナに支持されたニッケルはメタンの蒸気改質、及び水ガスシフト反応にとって、有効な触媒である。約３５０℃から６００℃の温度範囲では、鉄触媒、又はクロミア触媒が水ガスシフト反応のために有効である。約２００℃〜約３００℃の温度範囲では、酸化銅触媒、又は酸化亜鉛触媒が水ガスシフト反応に有効である。
【００４５】
Ｈ２ 圧力スイング吸着が発熱水ガスシフト反応を行っている実施例では、圧力スイング吸着ベッド、又は吸着体ベッドの壁の中に、例えば熱交換手段を設けることによって、過剰な熱を除去する。Ｈ２ 圧力スイング吸着が吸熱改質反応を行っている実施例では、圧力スイング吸着ベッド、又は吸着体ベッドの壁に、例えば、熱交換手段を設けるか、又は圧力スイング吸着にバ−ナを一体化することにより、任意必要な付加的熱を圧力スイング吸着ユニットに送出する。
【００４６】
吸着剤シートは補強材料（例えば、ガラス繊維、金属箔、又は金網）を具え、適当な接着剤によって吸着剤材料を補強材料に取り付けている。濃縮酸素を生ずるよう空気分離を行うためには、第１帯域にアルミナゲルを使用して、水蒸気を除去する。第２帯域、及び第３帯域内の代表的な窒素有効吸着剤は、この分野で既知のリチウム、カルシウム、ストロンチューム、マグネシウム、及び／又はその他の陽イオンで置換し、珪素対アルミニウム比を最適化したＸ型、Ａ型又は斜方沸石型のゼオライトである。このゼオライト結晶はシリカ、粘土、及びその他の粘結剤で結合されているか、又は吸着剤シートマトリックス内に自己結合している。窒素選択ゼオライト吸着剤は周囲温度から約１００℃までの温度範囲において有効である傾向がある。
【００４７】
満足な吸着剤シートは補強材料に粘結剤成分によりゼオライト結晶のスラリーをコーティングすることによって造られており、優れた例としては不織ガラス繊維スクリム、織った金属織物、及び膨張アルミニウム箔がある。吸着剤シートに隆起パターンを印刷し、又は吸着剤シートに隆起パターンをエンボス加工することによってスペーサを設ける。又は吸着剤シートの隣接する対の間に、製造したスペーサを設ける。また、代案の満足なスペーサは織った金属網、不織ガラス繊維スクリム、及び金属箔に写真平版パターンで不織によるフローチャネルを設けることによって得ている。平坦なシート、又は湾曲したシートを堆積することにより、又は吸着体を螺旋状に巻き、吸着体の第１端から第２端まで延在するフローチャネルをシート間に形成することにより、又は希望する形状の吸着体ハウジングの容積に充填するようにして、層状の吸着剤シート材料から成る吸着体を形成することができる。堆積した吸着体、及び螺旋状に巻いた吸着体を造る方法、及び構造の例は２００１年４月２０日に出願された本願人と共願の係属中の米国特許出願第６０／２８５５２７ 号に開示されており、ここに援用する。
【００４８】
代表的な経験的シート厚さは１５０ミクロン、スペーサの高さは１００〜１５０ミクロン、吸着体のフローチャネル長さは約２０ｃｍである。Ｘ型ゼオライトを使用すれば、毎分、１サイクル〜少なくとも１５０サイクル、特に、毎分、少なくとも２５サイクルの範囲内の圧力スイング吸着サイクル周期数で空気から酸素を分離するのに優れた性能が達成されている。
【００４９】
図３は矢印１４′−１５′、及び１６′−１７′によって画成されたそれぞれの平面内の第１弁面、及び第２弁面内のロータ４のポートを示す。吸着剤ポート３０によって、各吸着体の第１端、又は第２端から、それぞれ第１弁面、又は第２弁面に直接流体連通を生ずる。
【００５０】
図４は矢印１４′−１５′によって画成された平面内における第１弁面１０内の第１ステータ８の第１ステータ弁面１００を示す。供給圧縮機１０１までの流体連結を示しており、この供給圧縮機１０１は供給空気を導入フィルタ１０２から、排出器１０３に導入し、この排出器１０３は窒素に富む第２生成物を第２生成物送出導管１０４に送出する。圧縮機１０１、及び排出器１０３を駆動モータ１０５に連結して示す。
【００５１】
矢印２０は吸着体ロータの回転方向を示す。円周シ−ル１０６と１０７との間の環状弁面において、供給隔室と排出隔室とにポートを開いている第１ステータ弁面１００の開口区域は斜線が無く白く見えている角度セグメント１１１〜１１６によって示されており、これ等角度セグメント１１１〜１１６は同じ符号１１１〜１１６で示した機能隔室に直接連通する第１機能ポートに対応している。機能隔室間の弁面１００のほぼ閉じた区域は斜線を施したセクタ１１８、１１９によって示されており、これ等セクタ１１８、１１９は過剰な漏洩を生ずることなく、しかも摩擦、及び摩耗を減らすために狭い隙間が好適である零間隙のスリッパである。通常閉じているセクタ１１８は隔室１１４に開きつつある時と、隔室１１５に開きつつある時の間の、吸着体に対する遷移部となる。スリッパとシ−ル面との間のテーパ付きの間隙チャネルによって、徐々の開放を行うことができ、新たな隔室に開放しつつある吸着体の緩やかな等圧化を達成する。著しく幅が広いセクタ（例えばセクタ１１９）を設け、他端から等圧化、又はブローダウンを行いつつある時、吸着体の一端への流れ、又は一端からの流れを実質的に閉じる。
【００５２】
供給圧縮機によって、供給ガスを供給加圧隔室１１１、１１２に、及び供給生産隔室１１３に供給する。隔室１１１、１１２は順次増大する作動圧力を有し、隔室１１３は圧力スイング吸着サイクルの一層高い作動圧力にある。従って、圧縮機１０１は多段圧縮機システム、又は分割流圧縮機システムであり、これにより、各隔室に適切な量の供給ガスの流れを供給し、隔室１１１、１１２の中間圧力レベルを経て、吸着体の加圧を達成し、次に、隔室１１３を通じて、最終的な加圧と生産とを達成する。分割流圧縮機システムは中間送出ポートを有する多段圧縮機として直列に設けてもよく、隔室１１０〜１１３の作動圧力にそれぞれ供給ガスを送出する並列の複数個の圧縮機として設けてもよい。代案として、圧縮機１０１は一層高い圧力までの全ての供給ガスをその若干を絞って、供給加圧隔室１１１、１１２に、それぞれの中間圧力で供給してもよい。
【００５３】
同様に、排出器１０３は向流ブローダウン隔室１１４、１１５から、これ等隔室の順次減少する作動圧力で、重生成物ガスを排出し、最後に、このサイクルの一層低い圧力で、排出隔室１１６から重生成物ガスを排出する。圧縮機１０１と同様、排出器１０３は多段圧縮機、又は分割流圧縮機として、設けてあり、各段を直列、又は並列に配置し、一層低い圧力に下降する適切な中間圧力で、各流れを受け取る。
【００５４】
図４Ａの例示の実施例では、一層低い圧力は周囲の圧力であり、従って、排出隔室１１６は重生成物送出導管１０４に直接排出する。従って、排出器１０３は向流ブローダウン隔室１１４、１１５から送出する場合よりもモータ１０５を助け、エネルギーを回収して、圧力降下を行う。簡略のため、隔室１１４、１１５からの向流ブローダウン圧力降下手段として、排出器１０３を絞りオリフィスで置き替えてもよい。
【００５５】
或る実施例では、圧力スイング吸着サイクルの一層低い圧力は大気圧以下である。従って、図４Ｂに示すように、排出器１０３を真空ポンプとして設ける。ここでも、この真空ポンプを多段ポンプ、又は分割流ポンプにし、別個の段を直列、又は並列に配置し、最も高い真空圧力である一層低い圧力より高い作動圧力でそれぞれの隔室を出る向流ブローダウン流を受け取る。図４Ｂでは、隔室１１４からの早期の向流ブローダウン流を重生成物送出導管１０４に直接、周囲圧力で釈放する。簡略のため、単一段の真空ポンプを使用するならば、隔室１１５からの向流ブローダウン流をオリフィスを経て、一層低い圧力まで絞り、真空ポンプの導入口で、隔室１１６からの流れに合体させる。真空ポンプは圧力スイング吸着を一層低い圧力で作動させることができ、このことは、周囲圧力で作動するＭＣＦＣのように、一層低い圧力で作動する燃料電池に圧力スイング吸着を結合する時、有利である。真空圧力スイング吸着作用は空気の分割において、酸素生産量が高く、分別回収に有利であるため、エネルギー効率が高い。
【００５６】
図５Ａ、及び図５Ｂは図１の１６′−１７′の断面における第２ステータ弁面を示す。この弁面に開いているポートは軽生成物送出隔室１２１と、多数の軽還流出口隔室１２２、１２３、１２４、１２５と、第２ステータ内にある同じ数の多数の軽還流復帰隔室１２６、１２７、１２８、１２９に直接連通する第２弁機能ポートである。この第２弁機能ポートは円周シ−ル１３１、１３２によって画成される環状リング内にある。各対の軽還流出口隔室、及び軽還流復帰隔室はそれぞれ、バックフィルのための供給、全部、又は部分的な等圧化、及びパージのためのコーカレントブローダウンの圧力スイング吸着プロセスのため、軽還流圧力降下の段階を生ずる。
【００５７】
エネルギー回収を伴う軽還流圧力降下の選択可能なものとして、図１、及び図５Ａに、分割流軽還流エキスパンダ１４０を示し、これにより、エネルギー回収に伴い４個の軽還流段階の圧力降下を生ずる。この軽還流エキスパンダは図示されたように軽還流出口隔室１２２と軽還流復帰隔室１２９と、軽還流出口隔室１２３と軽還流復帰隔室１２８と、軽還流出口隔室１２４と軽還流復帰隔室１２７と、軽還流出口隔室１２５と軽還流復帰隔室１２６とのそれぞれの間の４個の軽還流段のそれぞれのための圧力降下を生ずる。軽還流エキスパンダ１４０は駆動軸１４６によって、軽生成物ブースタ圧縮機１４５を作動させ、この圧縮機１４５によって酸素濃縮軽生成物を酸素送出導管１４７に送出し、圧力スイング吸着サイクルの一層高い圧力より高い送出圧力まで圧縮する。エネルギー回収に伴う軽還流圧力降下の選択可能例を示せば、分割流軽還流エキスパンダ１４０を設け、エネルギー回収に伴う４個の軽還流段階の圧力降下を行う。この軽還流エキスパンダは図面に示すように、軽還流出口隔室１２２と軽還流復帰隔室１２９と、軽還流出口隔室１２３と軽還流復帰隔室１２８と、軽還流出口隔室１２４と軽還流復帰隔室１２７と、軽還流出口隔室１２５と軽還流復帰隔室１２６とのそれぞれの間の４個の軽還流段階のそれぞれのための圧力降下手段として作用する。
【００５８】
軽還流、及び軽生成物はほぼ同一の純度を有するから、エキスパンダ１４０と軽生成物圧縮機１４５とを単一のハウジング内に密封収容する。この単一ハウジングは図１に示すように第２ステータに一体にするのが便利である。別個の駆動モータが無い「ターボ圧縮機」ブースタのこの形態は有利である。これは外部のモータ、及び対応する軸シ−ルを必要とせず、有効な圧力上昇を行うことができるからであり、また、高速軸速度で作動するように設計した時、非常にコンパクトにすることができるためである。
【００５９】
図５Ｂは各軽還流段階のための圧力降下手段として、絞りオリフィス１５０を使用する一層簡単な代案を示す。
【００６０】
図１に戻り、矢印１２５によって示すように、圧縮された供給ガスを隔室１１３に供給すると共に、矢印１２６によって示すように、隔室１１７から重生成物を排出する。第１ステータ８内のロータ駆動軸１６２上に軸シ−ル１６１を設け、ロータ駆動軸１６２上の軸受１６０によって、このロータを支持する。この吸着体ロータはロータ駆動手段としてのモータによって駆動される。
【００６１】
緩衝シ−ル１７０を設け、シ−ル１３１、１７１間の緩衝室１７１の一層確実なシ−ルを提供する。漏洩を一層最少にし、シ−ルの摩擦トルクを減少させるため、円周シ−ル１３１の直径より著しく小さい直径の緩衝シ−ル１７０によってシ−ル面１７２をシ−ルする。緩衝シ−ル１７０は吸着体ロータ４のロータ延長部１７５と、第２弁ステータ９上のシ−ル面１７２との間をシ−ルし、ロータ延長部１７５は第２弁ステータ９の後部を包囲して、緩衝室１７１を形成している。第１弁ステータ８と第２弁ステータ９との間の構造的な連結部として、ステータハウジング部材１８０を設ける。ステータ面に吸着体を直接開口することによって、このようなシ−ルを設けることの代わりとなる。このような直接開口は２００１年６月２８日に出願した本願の出願人が共通の出願人である係属中の米国特許出願第６０／３０１７２３ 号に記載されており、ここに援用する。
【００６２】
ここに開示する次のシステムの要旨において、単純化したダイアグラムにより圧力スイング吸着装置、又はモジュールを示す。これ等の単純化したダイアグラムは第１弁面１０への単一供給導管１８１と、第１弁面１０からの単一重生成物導管１８２とを示しており、更に、軽生成物送出導管１４７と、第２弁面１１に連通する圧力降下手段を有する代表的な単一軽還流段１８４を示す。
【００６３】
図６〜図１４は種々の熱回収作動流体を使用する種々のエネルギー回収システムを開示する。一変形では、作動流体として、空気を使用する間接加熱ガスタービンボトミングサイクルに、酸素圧力スイング吸着圧縮機を統合させる。圧力スイング吸着プロセスにとって適切な供給圧力で、空気の少なくとも一部を濃縮酸素圧力スイング吸着に与え、陰極フローループ、及び／又は陽極フローループに連結された熱交換器を介して堆積された燃料電池によって、間接的に加熱されるガスタービンサイクル作動流体として、残りの空気を一層高い圧力に圧縮する。
【００６４】
他の実施例では、熱ボトミング作動流体はガスタービンサイクル、又はブレイトンサイクルにおける陽極ループガスである。水素濃縮圧力スイング吸着サイクルが周囲温度に近い温度で作動している場合には、伝熱式熱交換器を使用し、熱ボトミングサイクルの高い熱力学的効率を達成する。代案として、燃料電池堆積体の温度に近い高い温度に第２端がなるように、水素濃縮圧力スイング吸着を行い、第１端を周囲温度に近い熱廃棄温度に維持する場合、作動流体として陽極ガスを使用するガスタービンサイクルのための熱回転蓄熱器として、使用してもよい。
【００６５】
ＳＯＦＣ動力プラントのための燃料として、水素を使用してもよい。熱ボトミングサイクル作動流体として陽極ガスを使用する場合、ほぼ一部の蒸気を含む水素（例えば水素中に約２５％〜約５０％の蒸気）を膨張用の作動流体にしてもよく、燃料電池生成水を凝縮によって除去した水素を圧縮用の作動流体にする。燃料電池陽極を出る水素、蒸気混合気のため、ラジアルフローエキスパンダを使用することができる。凝縮後、圧縮された比較的乾燥した水素の分子量は小さいため、代案として適切な圧縮機として、高速遠心圧縮機、多段遠心圧縮機、及び容積型圧縮機（例えば２軸圧縮機）がある。
【００６６】
小形の動力プラントのためには、熱ボトミングサイクルに、陰極ガス、又は陽極ガスとは別個の作動流体であるランキングサイクルの蒸気、又はスターリングサイクルの水素を使用することができる。水素によって動力が供給される小型のＳＯＦＣ燃料電池のためには、熱ボトミングのためのスターリングエンジンの使用が特に好都合である。これは機関作動流体が水素燃料供給ガスから補給されるからである。作動流体保持のため、完全に漏洩を防止したスターリングエンジンのシ−ルの必要性はこの用途では緩和される。
【００６７】
燃料電池堆積体によって送出される電圧密度、及び／又は電流密度を上昇させるため、ここに開示されたシステム、及びプロセスは圧力スイング吸着による濃縮酸素、及び濃縮水素を使用するから、熱ボトミングサイクルにグレードの高い廃棄熱として送出される燃料熱量値の一部の量を先行技術に比較し、著しく減らすことができる。従って、対応して、熱ボトミング作動流体の流速、及び熱交換負荷を減少させる。熱ボトミングサイクルの定格出力は燃料電池堆積体によって直接送給される増大した動力に比例して減少する。熱ボトミングサイクルによって送給された正味の機械的動力は圧力スイング吸着サイクル補助装置に関連する圧縮負荷に優先的に、又は独占的に供給する。
【００６８】
図６〜図９
図６〜図９は融解炭酸塩燃料電池動力プラント２００の例を単純化して線図的に示し、この動力プラント２００は燃料電池２０２と、燃料電池の陽極側から陰極側に二酸化炭素を移送するため燃焼器２０６に協働する高温圧力スイング吸着ユニット２０４と、ガス圧縮、及び膨張のための一体化したガスタービンユニット２０８とを有する。この圧力スイング吸着ユニット２０４は水素濃度を増大し、陰極を経る二酸化炭素濃度を減少させ、従って、電池圧力を増大する。これにより、燃料電池堆積体の効率と、電気出力とを増大させると共に、燃料電池によって発生する熱を減少させ、熱ボトミングサイクルによるプラント動力出力の一部の効率の悪い回収を減少させる。図６〜図９に示すシステムは単なる例示であり、装置や導管を異なるように配置した他のシステム、又は装置や導管を付加し、又は少なくした他のシステムも使用することができる。
【００６９】
融解炭酸塩燃料電池堆積体２０２は陽極チャネル２１２と、陰極チャネル２１４との間に介挿され、多孔性セラミックマトリックスに支持された融解炭酸塩電解物２１０を有する。陽極チャネルは導入口２１６と、送出口２１８とを有し、陰極チャネル２１４は導入口２２０と、送出口２２２とを有する。
【００７０】
図６の実施例は供給ガスを組み合わせるための、組み合わせた２個の代案を示す。また特に、これ等供給ガスの供給のための代案のいずれかを任意所定のＭＣＦＣ設備に別々に使用してもよい。これ等の代案は燃料電池陽極に直接収容するため、又は第１圧力スイング吸着ユニットにより処理後のみに収容するための供給ガスの適合性に対応している。燃料が天然ガスである場合には、これ等の代案は（１）燃料電池堆積体内の「内部改質」、（２）第１圧力スイング吸着ユニット内の「吸着強化改質」、又は（３）ここに説明する即時ＭＣＦＣシステムの外側の「外部改質」の燃料プロセスオプション、又は組合せに対応する。
【００７１】
吸熱改質対応はＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２とＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２とであり、その場合の発熱水ガスシフトはＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２である。
また、ＣＨ４＋１／２Ｏ２→ＣＯ＋２Ｈ２ の自熱改質の場合の一部燃焼により、この発熱水ガスシフトは補足される。
【００７２】
第１供給ガス供給導入口２３０は陽極導入口２１４に連通し、既に圧縮され、予熱されている第１供給ガスをＭＣＦＣ作動状態に導入する。第１供給ガスは水素、外部燃料処理装置（例えば、石炭ガス発生器、又は蒸気メタン改質装置）により発生した合成ガス、又は陽極チャネル２１２内で内部改質するための天然ガスであって、アルミナに支持されたニッケルのような適切な蒸気改質触媒を含むよう、この分野で知られているように変更した天然ガスであってもよい。
【００７３】
第２供給ガス供給導入口２４０は第１圧力スイング吸着ユニット２０４の第１回転弁面１０内で供給生産隔室に連通し、既に圧縮され、予熱されている供給ガスを再び、一層高い圧力で、作動温度で第１圧力スイング吸着ユニットに導入する。二酸化炭素、及び蒸気の濃縮重生成物の流れは第１回転弁面１０において、ブローダウン隔室、及び排出隔室から、第１ユニット圧力スイング吸着サイクルの一層低い圧力で導管２４２内に釈放される。第１圧力スイング吸着の一層高い圧力はＭＣＦＣの作動圧力より僅かに高く、一層低い圧力は大気圧、又は大気圧以下である。ＭＣＦＣ作動圧力が大気圧に近い値に選択されていれば、第１圧力スイング吸着は真空圧力スイング吸着であり、その場合の一層低い圧力は約０．１ 〜０．５ バールの絶対圧力の範囲内にある。
【００７４】
導管２４２からの重生成物の流れは二酸化炭素圧縮機２４４によって、第１圧力スイング吸着の一層高い圧力まで圧縮し、この圧縮機によって、圧縮された重生成物の流れを導管２４６に送出する。この導管２４６は第１圧力スイング吸着ユニット２０４の第１弁面１０において供給生産隔室に連通する重還流導管２４７と、ガスタービン燃焼器２０６とに枝分かれしている。代案として、導管２４２内の重生成物の流れが大気圧以下の圧力であれば、重生成物の流れを抽出するため、装置２４４を真空ポンプにすることができる。
【００７５】
第１圧力スイング吸着ユニット２０４からの濃縮水素軽生成物ガスを導管２５０によって、第１圧力スイング吸着ユニットの第２回転弁面１１から、陽極導入口２１６に送出する。軽還流の３個の段を示しており、順次低下する圧力で、軽生成物ガスの別々の流れを軽還流エキスパンダ１４０のそれぞれの段における圧力降下のため、第２回転弁面１１から引き出し、次に、吸着体のパージ、及び再加圧のため、第２回転弁面に復帰させる。陽極チャネル２１２に通った後、水素に乏しく、二酸化炭素、及び蒸気に富む陽極ガスを導管２５５を通じて、陽極出口２１８から引き出し、水素、二酸化炭素、及びメタン燃料成分を回収すると共に、二酸化炭素、及び蒸気の少なくとも一部を除去するため、第１圧力スイング吸着ユニット２０４によって処置する。
【００７６】
陽極チャネル２１２、導管２５５、圧力スイング吸着ユニット２０４、及び導管２５０は陽極ループを有する。この陽極ループ内で、水素、及びその他の燃料成分のほぼ完全な利用のため、水素を再循環させると共に、圧力スイング吸着ユニット２０４によって、二酸化炭素を連続的に除去する。陽極ループの周りの流れの圧力降下に打ち勝つために、圧力ブースタ手段は有効である。図６においては、圧力ブースタ手段は圧力スイング吸着ユニット２０４であり、機械的な圧力ブースタは必要でない。導管２５５内の陽極出口ガスは供給導管２４０内の供給ガスや、導管２４７内の重還流ガスより適度に一層低い圧力である。従って、陽極排出ガスを第１回転弁面１０内で供給再加圧隔室に導入する。陽極排出ガスが吸着体に入った後、このガスは導管２４０、２４７から吸着体に入る重還流ガス、及び供給ガスによって、一層高い圧力まで加圧される。
【００７７】
選択可能な例として、重還流工程、及び導管２４７を省略することができる。これにより、燃焼器２０６に送給される燃料ガス成分（水素、二酸化炭素、及びメタン）の一部を増大させる。第１圧力スイング吸着における一層高い圧力と一層低い圧力との間の比が比較的高い場合、（燃料電池陽極への回収のための）軽生成物ガス内の燃料ガス成分の比較的高い回収が達成される。重還流の流れが大きく、従って、重還流圧縮のための動力消費が多い場合、二酸化炭素、及び／又は水蒸気の重生成物から、燃料ガス成分をほぼ除去することができ、従って、燃焼器２０６を除去してもよく、又は小形の触媒燃焼器で置き替えてもよい。
【００７８】
第１弁面１０に連通する供給導管、重還流導管、及び排出導管のため、第１熱交換器２５６を設けてもよく、これにより、吸着体の第１端に第１温度を生ぜしめる。第２弁面１１に連通する軽生成物導管、軽還流出口導管、及び軽還流復帰導管のための第２熱交換器２５７を設け、吸着体の第２端に第２温度を生ぜしめる。軽還流エキスパンダ段１４０の導入口に連通する軽還流出口導管に、陽極出口導管２５５から熱を伝えるため、第３熱交換器２５８を設け、燃料電池からのグレードの高い熱をエキスパンダ１４０内の少なくとも一部で回収することができる。
【００７９】
ガスタービン組立体２０８は圧縮器２６０、及びタービン２６２を有し、これ等、圧縮機、及びタービンは軸２６６によって、モータ、又はジェネレータ２６４に連結され、軸２６７によって、重生成物圧縮機２４４、及び軽還流エキスパンダ１４０に連結される。導入導管２７０によって、周囲の空気を圧縮機２６０に導入し、導管２７２によって、燃焼器２０６に送給するため、この空気を圧縮機２６０で作動圧力まで圧縮する。燃焼器２０６によって、二酸化炭素に富む重生成物の流れの中の残留燃料ガス（若干の水素、及び未変換の一酸化炭素、及び燃料を含む）を燃焼させる。燃焼器２０６内に触媒を設けてもよく、これにより、不活性分の濃度が高い状態で安定した燃焼を行わせる。又は燃焼器２０６に補助燃料を加えてもよい。図６に示す実施例によれば、導管２８０によって、燃焼器２０６を出る高温ガス（即ち燃焼生成物）は陰極導入口２２０に陰極ガスとして収容するため、ほぼＭＣＦＣ作動温度まで、伝熱式熱交換器２８５内で冷却する。この陰極線ガスは蒸気、及び窒素によって希釈された残留酸素、及び二酸化炭素を含む。若干の酸素、及び二酸化炭素を消耗させる陰極チャネル２１４を通じて、循環させた後、この希釈された陰極ガスを導管２９０によって、陰極出口２２２から伝熱式熱交換器２８５に運び、導管２９１によって、タービン２６２に収容するため、上昇したタービン入口温度まで再加熱する。タービン２６２を通じて、膨張させた後、排出陰極ガスを導管２９２を通じて排出し、ここで、更に熱交換を行うのが好適である。例えば、導入口２３０、２４０への供給ガスを予熱するため、最も有効な熱回収を行う。
【００８０】
他の実施例（図示せず）によれば、燃焼器２０６を出る高温ガス（即ち、燃焼生成物）の一部を、陰極チャネル２１４に通さず、タービン２６２に直接、向ける。他の変更の実施例では圧力スイング吸着ユニット２０４からの第２重生成物ガスの流れを第２燃焼器内に供給し、次にこの高温燃焼生成物を直接、タービン２６２内に導入する。
【００８１】
図６に示すように、二酸化炭素圧縮機２４４によって圧縮する前に、又は図７に示すように圧縮機として、真空ポンプを使用する場合には圧縮後、導管２４２内の重生成物から水を除去することを図６に示す。圧縮機２４４によって必要な圧縮動力を減少させるよう重生成物ガスを冷却するため、また水を除去するため、導管２４２内に凝縮器３２０を設ける。ドレーン３２１によって、液体の水を除去する。冷却器３３２によって、凝縮温度を確立する。導管２４２、２４６の間の伝熱式熱交換のため、第４熱交換器３２５を設けてもよい。
【００８２】
数個の代案の要旨、及び改良を図７に示す。この形態では熱的に統合した改質装置を示す。導管２９２内の膨張した陰極排出ガスから熱を回収するため、排出ガス伝熱式熱交換器３０２に貫通している供給導管３００から、既に圧縮された燃料、及び水（又は蒸気）を収容し、次に、触媒改質反応器３１０に収容するため、上昇した改質温度（例えば８００°〜１２００℃）に達するよう、伝熱式熱交換器３０２に通す。この吸熱改質反応により、送出される合成ガスの温度をほぼＭＣＦＣ温度まで低下させ、導管２４０によって、圧力スイング吸着ユニット２０４の第１回転弁面１０内において、供給生産隔室にこの合成ガスを送出する。
【００８３】
図７における他の要旨は軸２６７を通じて、軽還流エキスパンダ１４０によって、直接、駆動されるブースタ圧縮機３３０のように、陽極ループのための機械的圧力ブースタを設ける。導管２５０からの再圧縮された陽極ガスをブースタ３３０によって、一層高い圧力まで高め、第１弁面１０において、導管３３１によって、生産供給隔室に送出する。導管２５５内の陽極排出ガスの一部を導管３３３によって、供給加圧隔室に直接送給する。この例では、ブースタ３３０のための単一動力源はエキスパンダ１４０であり、ここでは、このエキスパンダ１４０はガスタービン組立体２０８から分離している。
【００８４】
図８、及び図９に、酸素真空圧力スイング吸着を組み込んだ他の実施例を示し、陰極チャネル内の酸素、及び二酸化炭素の分圧を上昇させ、電池起電力を増大し、従って、熱ボトミング負荷を減らすと共に、全体のプラントの効率を増大する。図６、及び図７におけるように、図８、及び図９においては、重生成物からの水の凝縮、及び伝熱式の熱回収の種々の詳細を単純化した線図に示す。
【００８５】
酸素圧力スイング吸着ユニット、又は酸素真空圧力スイング吸着ユニット４００は吸着体４０３内に窒素選択吸着剤と、第１回軽弁面４１０と、第２回転弁面４１１とを有する回転モジュール４０１を有する。第１回転弁面４１０は導管４２０を通じて、供給空気圧縮機２６０から、圧縮された供給空気を供給生産隔室において受け取り、導管４２２を通じて、排出隔室から排出の窒素に富む空気、即ち、窒素濃縮空気を、（真空圧力スイング吸着のためには設けるが、単一の圧力スイング吸着には不要である）任意の真空ポンプ４２４に排出し、大気に、又は適切に濃縮された窒素の他の用途に排出する。第２回転弁面４１１は導管４３１の一方弁４３０によって、例えば９０％のような酸素に富む軽生成物酸素を酸素圧縮機４３２に送出し、この酸素圧縮機４３２は少なくともＭＣＦＣ作動圧力に相当する圧力で、この酸素を導管４３４に、従って燃焼器２０６に送出する。第２回転弁面４１１における軽還流段のために、軽還流圧力降下スロットル４３６をも設ける。
【００８６】
図８、及び図９に示す実施例の変形によれば、水素圧力スイング吸着ユニットに最初に通ることなく、陽極送出口２１８を出る陽極排出ガスは直接、燃焼器２０６内に導入される。次に、この陽極排出ガスは酸素圧力スイング吸着ユニット４００によって生じた濃縮酸素流により燃焼させることができる。
【００８７】
燃焼室２０６に供給された酸素に富む空気、即ち、酸素濃縮空気は陰極チャネル内の窒素、及びアルゴンの不活性成分含有量を相当減少させ、従って、上に説明した電気化学的エネルギー変換性能を増大する。従って、ガスタービンエキスパンダ２６２のための作動流体は少量の大気ガスを含み、著しく濃縮された二酸化炭素である。更に、濃縮酸素は触媒を用いず、又は少量の触媒を用いるだけで、一層完全燃焼を行うことができ、有害物質の放出を実質的に無くする。
【００８８】
図９は燃料処理のため、圧力スイング吸着ユニット４００からの濃縮酸素の一部を使用する付加的要旨を示し、この使用は図示のようにプラント内でもよいし、合成ガスを発生するよう石炭ガス化に使用する例におけるように外部でもよい。導管４３４内の圧縮酸素の一部を導管４４０によって、改質器３１０に運ぶ。この改質器は例えば蒸気改質天然ガスのための自熱改質器である。
【００８９】
図１０〜図１４
図１０は燃料導入口２３０によって、燃料ガス（天然ガス、合成ガス、水素）を供給するＳＯＦＣシステム４５０の一例を単純化して線図的に示す。このシステム４５０では酸素真空圧力スイング吸着ユニットの圧縮機は作動流体として、陽極ガスを使用する再生ガスタービンサイクルにより、基本的に駆動され、熱ボトミングサイクルとして電池堆積体の廃熱を回収し、システムの補助圧縮負荷に対し動力を与える。代案として、図４Ａに示すような正圧圧力スイング吸着プロセスによって、濃縮酸素を送出する。構成部分、及び符号は図８、及び図９のものに従う。図１０〜図１４に示すシステムは単なる例示であり、装置や導管を異なるように配置したシステム、又は装置や導管を増加し、又は減少させたシステムも使用することができる。
【００９０】
固体酸化物燃料電池堆積体５０２は陽極チャネル５１２と、陰極チャネル５１４との間に介挿された固体酸素電解隔膜５１０を有する。陽極チャネルは陽極ループ５１９によって連結された導入口５１６と、送出口５１８とを有し、陰極チャネル５１４は導入口５２０と、送出口５２２とを有する。燃料が天然ガスである場合、陽極チャネル５１２内で改質され、一方、カーボンの被着を防止するよう、適切な蒸気濃度を陽極ループ内に維持する。
【００９１】
第１圧力スイング吸着からの重生成物ガスは導管２４２から枝分かれして、燃焼器２０６に陽極ループ排出ガスを運ぶ導管４５５によって一部排出される。燃焼器２０６内の酸化体として、陰極テールガスを使用し、このガスを導管４５７によって、陰極送出口５２２から燃焼器に運ぶ。燃焼器２０６の排気筒からのガスは熱交換器４６０内で熱回収した後、排出導管４５９によって排出され、軽還流エキスパンダ１４０の段階に入る前に、軽還流ガスを過熱する。エキスパンダ１４０内の作動流体は水素が燃料である場合には、蒸気と水素との混合物であり、メタン、又は合成ガスが燃料である場合には、燃料供給導入口２３０から導入する二酸化炭素を含む。
【００９２】
第１圧力スイング吸着の吸着体作動温度は周囲温度に近い温度であってもよく、その場合、熱交換器２５６、２５７は大きな負荷を受ける伝熱式熱交換器である。代案として、第１圧力スイング吸着は高い温度で作動してもよく、その場合、第２弁面付近の第２温度は第１弁面付近の第１温度に対し、相対的に高い温度であるのが好適であり、従って、吸着体ロータは熱回転蓄熱器として機能する。
【００９３】
一実施例では、吸着体の第１帯域２６は例えばアルミナ、ゼオライト１３Ｘ、又は吸着剤としてのゼオライトＹのような少なくとも適度に疎水性であるゼオライトを使用し、ほぼ周囲温度から約３００℃までの温度範囲で作動する。吸着体の第２帯域２７は例えば、アルミナ、又は促進ハイドロタルサイト吸着剤を使用し、約３００℃から約５００℃までの温度範囲で作動する。吸着体の第３帯域２８は例えば、アルミナ、又は超安定Ｙゼオライトハイドロタルサイト吸着剤を使用し、約５３０℃から約８００℃までの温度範囲で作動する。代案として、回転蓄熱器の高温帯域に利用するために、選択されたほぼ非吸着性のセラミック、又は金属材料を（吸着剤の代わりに）第３帯域２８に設けてもよい。
【００９４】
図１１は燃料が水素であるＳＯＦＣ燃料電池システムの他の実施例の単純化した線図を示す。この実施例は高い効率が要求されるスケールの小さい設備に特に有用である。この実施例のシステム４７５においては、廃熱を回収するため、熱ボトミングシステムとして、スターリングエンジン４８０を使用している。エンジン４８０は高温端４８１を有し、ここでスターリングサイクル作動流体の膨張を行い、燃料電池堆積体を包囲する熱絶縁ジャケット４８２から熱を取り上げる。エンジン４８０は冷却端４８３を有し、ここでスターリングサイクル作動流体の圧縮を行い、冷却器４８４からほぼ周囲温度で熱を捨てる。スターリング作動流体として、圧縮された水素を使用する。
【００９５】
このスターリングエンジンは陽極ガス再循環ブロワ４９０、酸素圧力スイング吸着供給ブロワ２６０、任意の圧力スイング吸着真空ポンプ４２４、及び任意のジェネレータ２６４に連結された軸４８６を駆動するためのクランク機構４８５を有する。代案として、自由ピストンスターリングエンジン機構を使用して、軸継手を使用せず、上述の圧縮負荷関係の全部、又は一部を直接、駆動してもよい。
【００９６】
図１２は外部で発生し、精製された水素を燃料導入口２３０によって供給されるＳＯＦＣシステム５００の一例を単純化した線図を示す。このシステム５００は酸素真空圧力スイング吸着を行い、このシステムの補助的圧縮負荷部分に動力を与えるためのみに使用される熱ボトミングサイクルとして燃料電池堆積体の廃熱を回収する自由ロータガスタービン（ターボチャージャ）によって、このシステムの圧縮機に基本的に動力を与える。代わりに、図４Ａに示すように、正圧圧力スイング吸着プロセスによって、濃縮酸素を送給してもよい。
【００９７】
固体酸化物燃料電池堆積体５０２は陽極チャネル５１２と、陰極チャネル５１４との間に介挿された固体酸化物電解質隔膜５１０を有する。陽極チャネルは陽極ループ５１９によって連結された導入口５１６と、送出口５１８とを有し、陰極チャネル５１４は陰極ループ５２３によって連結された導入口５２０と、送出口５２２とを有する。陽極ループ、及び陰極ループは熱交換器５２５に貫通し、ほぼ燃料電池作動温度で堆積体廃熱を捨てる。再循環ブロワ（又はエジェクタ）５２６、５２７を設け、再循環が必要なら、陽極ループ、及び陰極ループのそれぞれに再循環流を発生させる。
【００９８】
酸素真空圧力スイング吸着圧縮機の機能は図４Ｂ、及び図５Ａに示すとおりであるが、以下に説明するような変更を加えることができる。供給ブロワ５３０は分割流供給圧縮機１０１に供給空気を送給する。圧縮機１０１、及び真空ポンプ１０３に動力を与えるタービンを起動させる必要がある時、電動機（又は内燃機関）５３１によって、ブロワ５３０に動力を与える。バイパス一方弁５３２を設け、一旦、システム５００が完全に起動し、作動温度までになった時、必要ならば、ブロワ５３０を停止させる。
【００９９】
供給圧縮機１０１には、図４Ａ、又は図４Ｂに示すように、例えば導管１８１によって、酸素真空圧力スイング吸着モジュール４０１に供給空気を送給する低圧段と、第１伝熱式熱交換器５４２の第１端５４１に導管５４０によって、熱回収作動流体として、付加的圧縮空気を送給する高圧段５３８とを有する。第１伝熱式熱交換器５４２は燃料電池堆積体の作動温度に近い温度の第２端５４３を有する。この熱回収作動流体は伝熱式熱交換器５４２において加熱され、次に、第１膨張タービン５５０の導入口５４９に送出される前に、熱交換器５２５によって、加熱される。第１タービン５５０内で膨張した後は熱回収作動流体を導管５５１によって運び、第２膨張タービン５６０の導入口５５９に送給する前に、熱交換器５２５内で再加熱する。第２タービン５６０内で、ほぼ大気圧まで膨張させた後、この熱回収作動流体を伝熱式熱交換器５４２に貫通する導管５６１によって運び、導管５４０内の空気、及び導管５６７内の濃縮酸素を予熱するため、この伝熱式熱交換器５４２で、残りの顕熱を回収し、次に、この消費熱回収作動流体を導管５６５によって排出する。
【０１００】
図１２の例では、第１タービン５５０を使用して、ターボチャージャ５７０の供給圧縮機１０１を駆動し、第２タービン５６０を使用して、ターボチャージャ５７２の真空ポンプ１０３を駆動する。第１タービン、及び第２タービンのこの使用を反転することができ、また、発電機をいずれかのタービン、又は第３タービンに接続することもできる。また、直列でなく、並列に、熱回収作動流体をタービンに供給してもよい。再加熱に並列の作動は熱力学的に一層有効である。供給圧縮機１０１の段の間に中間冷却を設けてもよい。
【０１０１】
一方弁４３０を通じて、真空圧力スイング吸着ユニット４０１からの濃縮酸素を酸素圧縮機に送給し、陰極ループチャネル５１４のほぼ作動圧力まで、この濃縮酸素の圧力を上昇させる。選択された作動圧力に従って、圧縮機１４５は数個の段を有し、これ等段は任意適切なモータ、又はその他の駆動手段によって動力が与えられる。図１２は図５Ａに示したような酸素圧縮機１４５のための動力源としての軽還流エキスパンダタービン１４０を示す。この構成によって、軽還流ガスの圧力降下からエネルギーを回収することによって、最高のエネルギー効率を達成することができ、密封収容された自由ロータ組立体内の酸素エキスパンダ１４０によって、酸素圧縮機１４５を駆動する利点がある。高い作動圧力（例えば５バール以上）の場合には、軽還流膨張の目的とは異なる、又はそれを補うための、動力源付きの付加的酸素圧縮段を設けることが必要である。
【０１０２】
単一真空圧力スイング吸着システムによって送出される濃縮酸素は通常、約５％のアルゴン、及び若干の微少量の窒素不純物を含むから、パージ導管５８０によって、陰極ループ５２３からパージ流を除去するため有用である。パージ流から顕熱エネルギーの回収のため、パージ導管５８０は伝熱式熱交換器５４２に貫通しており、このパージ導管５８０はパージ排出ポート５８２に達する前に圧力降下のための絞り弁５８１、又はその他の手段を有する。所要に応じ、パージの全部、又は一部を大気に排出し、又は代わりに、パージの全部、又は一部をポート５８２から、真空圧力スイング吸着ユニット４０１の供給加圧隔室に再循環させ、濃縮酸素を保持すると共に、真空圧力スイング吸着プロセスの圧縮エネルギーの回収を行う。真空圧力吸着ユニット内に再循環させるパージ流の一部の量は陰極ループ内に再循環アルゴン不純物の許容堆積量を決定するための最適化分析による。パージ再循環の場合、この動力プラント５００の生成物により、市販上有効なものとして、適切な濃度のアルゴンを回収することができる。
【０１０３】
燃料導入口２３０によって、ほぼ陽極チャネル作動圧力で、陽極側に送給された水素燃料を予熱するため、第２伝熱式熱交換器５９０を設ける。伝熱式熱交換器５９０の第１端５９１はほぼ周囲温度（又は水素を貯蔵する温度）である。伝熱式熱交換器５９０の第２端５９２はほぼ燃料電池堆積体作動温度である。陽極チャネル内の燃料電池反応の生成物としての水蒸気の望ましくない堆積を防止するため、伝熱式熱交換器５９０に貫通する冷却導管５９３を有する凝縮ループを通じて、再循環陽極ガスの一部を凝縮器５９５に転送し、更に伝熱式熱交換器５９０に通る再加熱導管５９６に転送し、陽極導入口５１６まで戻す。冷却コイル５９７、及び液体水排出絞り弁５９８を凝縮器５９５に設ける。
【０１０４】
図１２から明らかなように、酸素真空圧力スイング吸着ユニットと、燃料電池堆積体廃熱回収のための自由ロータ「ターボチャージャ」機として、蒸気吸着ユニット内に設けた関連する圧縮機とをＭＣＦＣシステムに加え、また、濃縮ＣＯ２ の流れを陰極ループに加え、ＭＣＦＣ陰極反応で消費されるＯ２の各モルについて、２モルのＣＯ２ を利用することができる。
【０１０５】
図１３、及び図１４は蒸気改質天然ガス燃料を使用するＳＯＦＣシステム６００を示す。脱硫天然ガスをほぼ燃料電池作動圧力で、導入口６０１に導入し、従って、導管６０２によって、改質器伝熱式熱交換器６０４の第１端６０３に供給し、この熱交換器６０４の第２端６０５に流れる際、この供給天然ガスを予熱する。第２端６０５は燃料電池堆積体作動温度に近い上昇温度にある。この予熱された天然ガスは導管６１０によって、改質器伝熱式熱交換器の第２端６０５から、改質器反応器６２０の導入口６１９まで流れる。この天然ガスは反応器６２０内の蒸気と反応し、水素、一酸化炭素、及び二酸化炭素を含む合成ガスを発生する。一酸化炭素の若干は更に蒸気と反応し、更に水素を発生する。
【０１０６】
反応器６２０内に発生した合成ガスはその出口６２１から、導管６２２によって、改質器伝熱式熱交換器（又はその一部）を通じて送出し、（水素陽極燃料からの二酸化炭素抽出のため）第１圧力スイング吸着ユニットの作動温度まで、この合成ガスを冷却し、次に、導管６２３によって、第１Ｈ２圧力スイング吸着ユニット２０４の供給隔室まで送出する。
【０１０７】
上述したように、第１圧力スイング吸着ユニット２０４の作動温度は燃料電池堆積体、又は改質器反応器の作動温度に近い温度でよい。例えば、Ｈ２圧力スイング吸着ユニットの作動圧力は燃料電池堆積体、又は改質器反応器の約１００℃から約２００℃の範囲内であってもよい。第１圧力スイング吸着の作動温度がメタン蒸気の改質反応のため十分高く（例えば少なくとも約６００℃）、吸着体内に適切な触媒を含んでいる場合、約６００℃に近いか、又はこれを越える温度の吸着体内で、圧力スイング吸着ユニット内での吸着増大反応として、蒸気改質反応を導入してもよい。第１圧力スイング吸着ユニットの若干低い温度（例えば少なくとも２００℃から３００℃まで）で、吸着体内で、適切な触媒を介して、吸着増大反応によって、水ガスシフトを導入してもよい。周囲温度までの一層低い温度で、水素からＣＯ２ を吸着するため、通常の吸着剤を使用して、第１圧力スイング吸着ユニットを作動させてもよい。
【０１０８】
第１圧力スイング吸着ユニットからの濃縮水素生成物を導管６３０によって軽生成物として、陽極ループ導管６３２に送出し、次に陽極再循環ブロワ５２６によって、圧力を上昇させた後、燃料電池堆積体の陽極導入口に送出する。陽極ガスを陽極出口５１８から、導管６４０内に引き出し、次に、改質器反応器ヒータ６４２に通し、従って、ループ導管６３２に入れる。
【０１０９】
第１圧力スイング吸着ユニットからの濃縮二酸化炭素を重生成物として、一層低い圧力で、導管２４２によって、二酸化炭素圧縮機（又は真空ポンプ）２４４の導入口に引き出す。この圧縮機は重還流圧縮機として役立ち、この濃縮二酸化炭素流を第１圧力スイング吸着ユニットサイクルのほぼ上限圧力まで圧縮する。このＣＯ２ の一部を導管２４７によって、圧力スイング吸着ユニットに、再循環して戻し、第１圧力スイング吸着ユニットの重還流供給隔室に入れる。圧縮されたＣＯ２ の残余をＳＯＦＣプラントの図示された場合の処分のため、導管６５０によって引き出す。
【０１１０】
図１３に示したＭＣＦＣプラントの反対のケースにおいては、一方弁４３０と濃縮酸素圧縮機１４５との間の濃縮酸素流に混合するため、このＣＯ２ の流れを導管６５１（図１３に破線によって示す）によって移送し、消費されるＯ２の各モルのための２モルのＣＯ２ を有する適切なＭＣＦＣ陰極酸化体流を発生する。
【０１１１】
自由ロータ「ターボチャージャ」組立体６７２の第３エキスパンダタービン６７０によって動力を与えられるように、二酸化炭素圧縮機、又は重還流圧縮機２４４を図１３、及び図１４に示す。図１３では、第１タービン５５０に並列に作動するように示されており、タービン６７０への導入導管６７５をタービン５５０への導入口である導管５４０に連結し、タービン６７０からの排出導管６７６をタービン５５０からの排出導管である導管５５１に連結する。
【０１１２】
図１４に於いては、熱回収作動流体空気の段階的膨張のため、全ての３個のタービンを直列に作動させる。導管５４０は加熱された空気をタービン５５０の導入口に入れ、次に、導管６７７は一部膨張した空気をタービン６７０に入れ、導管６７８は再加熱のため、更に膨張した空気を熱交換器５２５に入れ、大気圧まで最終的に膨張させるため、導管５５１によってタービン５６０の導入口に入れる。望ましいことであるが、再加熱のため、導管６７７を熱交換器５２６に巻き付け、各タービン段への導入口を許容最高温度まで加熱する。
【０１１３】
図１３、及び図１４において加熱、又は再加熱するため、陽極テールガス（又は第１圧力スイング吸着排出ガス）の燃焼器（図示せず）を設ける。酸化体が酸素圧力スイング吸着ユニット、又は真空圧力スイング吸着ユニット４０１によって生ずる非常に濃縮された酸素であれば、この陽極テールガスバーナはいかなるＮＯＸ 排気をも生じない。陽極テールガスは非常に発熱量が少ない燃料成分を有する大部分ＣＯ２ であるから、空中の極端に熱量が少ないガスを燃焼させるために必要な触媒の必要性を防止し、又は減少させるため、酸化体のような濃縮酸素を使用するのが望ましい。
【０１１４】
図１３においては、陽極チャネル内の燃料ガスは水素を含んでおり、また、恐らく、燃料成分として、一酸化炭素を含んでおり、水蒸気、及び二酸化炭素を反応生成物として、連続的に形成する。導管６８０によって、隣接する陽極出口５１８から陽極ガスのスリップストリームを連続して、引き出し、導管６８１によって、第１圧力スイング吸着ユニットのための供給隔室に収容するため、改質器伝熱式熱交換器６０４を通じて、この陽極ガスを適切な温度まで冷却する。この実施例では、第１圧力スイング吸着ユニットはＣＯ２ 濃度が次第に高くなる順序で３個の供給流を収容する。この３個の供給流は（１）導管６８０内の陽極ガススリップストリームと、（２）導管６２２内の蒸気改質反応器合成ガスと、（３）導管２４７からの重還流濃縮ＣＯ２ とである。圧力スイング吸着プロセスにおいて、各吸着体はこれ等３個の供給流を蒸気の順序（導管６８１、次に導管６２３、次に導管２４７）で受け取り、ＣＯ２ 濃度が次第に高くなる正しい順序を維持する。図１３の実施例では、水蒸気の管理に注意が必要で、これにより、改質器内、及び陽極チャネル内の十分な蒸気対炭素比を維持し、炭素の被着を防止し、従って、炭素の被着による触媒の非活性化を防止する。水蒸気は供給天然ガスと共に、又は供給天然ガス内に供給する必要がある。第１圧力スイング吸着ユニット内には幾分疎水性の吸着剤を使用することが必要であり、又は代わりに、捕捉水蒸気を燃料電池陽極チャネル内に注入することが必要である。この実施例では、分離はそれ程、厳しいものでなく、これはＣＯは分離する必要がなく、ＣＯ２ は抽出され、濃縮されるからである。
【０１１５】
図１４において、陽極チャネル内の燃料ガスはＣＯ、及びＣＨ４ 不純物、及びＣＯ２ を除去するように設計され、作動する第１圧力スイング吸着ユニットにより分離された精製水素と考えられる。（ここでも再び、膨張タービン内への廃熱回収のため、予熱の用途、又は再加熱の用途に加えた有効な熱によって、圧力スイング吸着の重還流ＣＯ２ 濃縮生成物の流れの中の残留燃料成分の燃焼のため、テールガスバーナを使用する。）図１４の第１圧力スイング吸着ユニットは２個の供給流、即ち、導管６２３からの蒸気メタン改質器反応器合成ガスと、これに続く導管２４７からの圧縮重還流とを受け、この第１圧力スイング吸着ユニットは精製した水素を送給する陽極ループからの再循環はない。この場合、陽極チャネルにはＣＯ２ は形成されず、この陽極チャネルの唯一の反応生成物は水蒸気である。図１２に示すように、水蒸気は伝熱式熱交換器によって、陽極ループから、凝縮機に抽出することができるが、図１４では、導管６１０、６４０間に連結された回転乾燥剤湿度交換器６９０によって、水蒸気を抽出する。湿度交換器６９０は第１端、及び第２端を弁面６９２、６９３に掛合させた乾燥剤ホイール６９１を有する。湿度交換器は陽極生成物水蒸気を陽極出口導管６４０から、蒸気改質反応器供給導管６１０に移送し、水蒸気を陽極ループから除去すると共に、蒸気メタン改質のために必要な全ての水蒸気を供給する。
【０１１６】
図１４では、導管６４０は弁面６９２を通じて、湿った陽極ガスを乾燥剤ホイールの一側に運び、ここから、弁面６９３を通じて、陽極ループ導管６３２に連結している導管６４０′に乾燥した陽極ガスを送出する。導管６１０は弁面６９２を通じて、加湿した蒸気改質器供給ガスを乾燥ホイールの他端から送出する。この乾燥ホイールには、導管６１０′から、弁面６９３を通じて、乾燥予熱天然ガスが供給されている。湿度移送のための駆動力は導管６４０内の一層低い温度に対し、導管６１０′内に一層高い温度を生ぜしめるか、又は導管６１０′、６１０内の一層低い圧力に対し、導管６４０、６４０′内に一層高い圧力を生ぜしめることによって増大させることができる。
【０１１７】
ここに開示したシステム、及びプロセスにはその他の多くの代案があり、変更を加えることができることは明らかである。例えば、ここに示したシステム、及びプロセスは、次のような実現性のある種々の燃料電池、供給ガス、及び圧力スイング吸着ユニットに関連して、使用することができる。
Ａ．天然ガスによって直接ＭＣＦＣ、又はＳＯＦＣを運転させ、圧力スイング吸着ユニットは陽極、及び陰極の両方に基づく。
Ｂ．例えば酸素吹込石炭ガス化によって生じた合成ガスによってＭＣＦＣ、又はＳＯＦＣを運転させ、圧力スイング吸着ユニットは陽極、及び陰極の両方に基づく。
Ｃ．天然ガスから改質された水素によって間接ＳＯＦＣを運転させ、圧力スイング吸着ユニットは改質器（ＣＯ２ の排除）と、陽極（凝縮によって、交互に行われるＨ２Ｏ の排除）と、陰極（窒素の排除）とに基づく。
Ｄ．任意の供給源からの水素によってＳＯＦＣを運転させ、圧力スイング吸着ユニットは陽極（凝縮によって、交互に行われるＨ２Ｏ の排除）と、陰極（窒素の排除）とに基づく。
【０１１８】
燃料の低い発熱量に基づき、評価された効率はＭＣＦＣの実施例で、大体６０％の範囲内にあり、化石燃料によるＳＯＦＣで、７０％であり、商業的に魅力ある現行の密度での水素燃料によるＳＯＦＣで、８０％の範囲にある。
【０１１９】
ＭＣＦＣシステムについては、開示されたシステム、及びプロセスは、ＣＨ４ とＣＯとの反応、及び電解物質を通ずる炭酸塩の移送によって発生するＣＯ２ が陽極に堆積するのを防止すると共に、陰極に不活性窒素が堆積するのを防止することができる。
【０１２０】
開示されたＳＯＦＣの実施例の数個の見込まれる利点は次の通りである。
１．極端に高い温度で電池の電圧が減少する問題は分圧を操作することによって対応することができる。
２．単位燃料当たりの陽極からのＣＯ２ の質量流量はＣＯ２ の大部分が電解質から送給されるＭＣＦＣ陽極におけるＣＯ２ 質量流量と同じ程度の約２０％に過ぎなく、従って、重還流圧縮機、又は真空ポンプは著しく小型のものでよく、動力も少なくて済む。
３．グレードの高い廃熱は熱回収ターボチャージャの効率を向上させている。
【０１２１】
数個の実施例に基づいて、本発明の原理を図示し、説明したが、本発明は本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更を加え得ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】回転圧力スイング吸着モジュールの軸線に沿う断面を示す。
【図２】図１の１２′−１３′平面上の断面を示す。
【図３】図１のそれぞれ１４′−１５′、及び１６′−１７′平面上の第１弁面、及び第２弁面のロータを示す。
【図４Ａ】図１の１４′−１５′平面上の第１弁面にある第１ステータの第１ステータ弁面を示す。
【図４Ｂ】図４Ａの排出器の代わりに真空ポンプを使用した場合を示す。
【図５Ａ】図１の１６′−１７′平面上の第２ステータ弁面を示す。
【図５Ｂ】図５Ａの圧力降下手段として絞りオリフィスを使用した場合を示す。
【図６】ＭＣＦＣ燃料電池プラントの実施例を単純化して線図的に示す。
【図７】図６の実施例において、陽極ループのための機械的圧力ブースタを設けた例を示す。
【図８】図６の実施例において、酸素真空圧力スイング吸着を組み込んだ実施例を示す。
【図９】燃料処理のため、図８の実施例に圧力スイング吸着ユニットからの濃縮酸素の一部を使用する実施例を示す。
【図１０】燃料ガスを燃料導入口によって供給するようにしたＳＯＦＣシステムの実施例を単純化して線図的に示す。
【図１１】ＳＯＦＣ燃料電池システムの他の実施例を示す。
【図１２】外部で精製された水素を燃料導入口によって供給するようにしたＳＯＦＣシステムの実施例を示す。
【図１３】蒸気改質天然ガス燃料を使用したＳＯＦＣシステムの実施例を示す。
【図１４】熱回収作動流体空気の膨張のため、３個のタービンを直列に作動させるＳＯＦＣシステムの他の実施例を示す。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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