(57)【要約】複合改質装置／燃料電池システムの効率は、燃料電池で生成される熱のエネルギー値を再捕捉し、追加動力を生成することによって著しく改善される。燃料電池からの冷却水は、充分な、または過剰な圧縮空気と完全に、または部分的に混合され、少なくとも部分的に加圧空気内で蒸発される。空気は、少なくとも燃料電池における酸化反応を支持し、かつ燃料／蒸気混合物を水素含有改質燃料に改質するために熱を提供するバーナーにおける酸化剤として作用するのに十分である。この空気／蒸気混合物は、燃料電池を出た後、改質燃料流れとの熱交換、改質燃料生成モジュール、およびバーナーの排気流によりさらに加熱される。蒸気／空気混合物は、バーナー排気で過熱された後、オプションでバーナー内に噴射され、バーナー内で燃料と反応する。バーナー排気を使用して、燃料改質反応に熱を提供することができる。高温バーナー排気は、バーナーの下流であるが排気が高温であってタービンを効率的に作動させるシステム内の位置で、エキスパンダ、好ましくはタービンを駆動するためにも使用することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に結合された燃料改質装置を備えたシステムの効率を高める方法であって、
前記燃料電池により発生する熱を使用して、前記燃料電池からの冷却水を直接蒸発させて加圧空気にすることにより、オプションで水と混合した加圧空気／蒸気混合物を生成するステップと、
前記加圧空気／蒸気混合物を酸化剤として燃料バーナーに噴射するステップと、
前記燃料バーナーから膨張ポテンシャルを有する蒸気含有排気を生成するステップと、
前記蒸気含有排気の膨張ポテンシャルを利用してエキスパンダを駆動するステップと、
前記エキスパンダから機械エネルギーを回収するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記空気／蒸気混合物を前記バーナーに噴射する前に前記燃料バーナーの前記蒸気含有排気内で予熱するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記空気／蒸気混合物を燃料電池の加湿酸化剤として利用するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記空気／蒸気混合物に追加の水を噴射するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
追加の水を噴射する前記ステップが、前記混合物が前記燃料電池から出てきた後で行なわれる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記蒸気含有排気が燃料改質装置の熱源である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記燃料改質装置が、蒸気改質、部分酸化、およびオートサーマル改質から成る一群から選択される少なくとも１つの反応を行なう、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記燃料改質装置の反応が蒸気改質を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
改質燃料を処理して一酸化炭素濃度を低減するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
改質燃料を処理する前記ステップが、水性ガス転化、一酸化炭素の優先酸化、触媒上での水素による一酸化炭素の優先メタン化、圧力スイング吸着床での水素分離、温度スイング吸着床での水素分離、および水素選択膜による水素分離から成る一群から選択されるプロセスのうち少なくとも１つである、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
改質燃料を処理する前記ステップが水性ガス転化を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
改質燃料を処理する前記ステップが、本質的に少なくとも１回の水性ガス転化および少なくとも１回の一酸化炭素の優先酸化を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記エキスパンダを駆動する前に前記バーナー排気で改質装置を加熱するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記エキスパンダを駆動した後、前記バーナー排気で改質装置を加熱するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記空気／蒸気混合物が前記燃料電池から前記バーナーまでの経路を移動し、前記経路の少なくとも一部において前記空気／蒸気混合物に水が存在する、請求項４に記載の方法。
【請求項１６】
前記空気／蒸気混合物を前記バーナーに噴射する前に前記経路内の任意の位置で前記空気／蒸気混合物から水を除去するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記エキスパンダがタービンである、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
燃料改質装置と、
前記燃料改質装置に結合された燃料電池と、
加熱された水を生成するように構成された前記燃料電池用の冷却システムと、　加圧空気源と、
前記加圧空気源からの加圧空気を使用して、前記加熱水を蒸発させ、これにより加圧空気／蒸気混合物を生成する混合器と、
前記空気／蒸気混合物を燃料と共に燃焼して、蒸気含有バーナー排気を生成するバーナーと、
前記バーナー排気の膨張により、システム効率を改善するのに捕捉される機械エネルギーを生成するエキスパンダと、
を備えた一体化燃料発電機／燃料電池システム。
【請求項１９】
前記エキスパンダがタービンである、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記バーナー排気によって前記燃料改質装置の加熱を可能にし、次に前記排気を前記エキスパンダに向かわせるように構成されたバーナー排気導管をさらに備えている、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記排気が前記エキスパンダ内を通過した後、前記燃料改質装置の加熱を可能にするように構成されたバーナー排気導管をさらに備えている、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２２】
前記空気／蒸気混合物が、前記燃料電池と前記バーナーへの噴射位置との間の経路の少なくとも一部分において水をさらに含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２３】
一酸化炭素除去システムをさらに備えている、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２４】
前記一酸化炭素除去システムが、時間平均ベースで約１０ｐｐｍ未満の一酸化炭素を含む出力を生成する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
燃料電池の効率を高める方法であって、
加熱された冷却水を加圧された酸素含有ガスに蒸発させ、前記ガスを酸化剤として前記燃料電池内を通過させることによって、前記燃料電池の少なくとも一部の排熱を加圧ガス／蒸気混合物に変換するステップと、
前記ガス／蒸気混合物を加熱するステップと、
前記加熱された混合物をエキスパンダに通すステップと、
前記エキスパンダから機械動力を回収するステップと
を含む方法。
【請求項２６】
前記加熱ステップが、燃焼ゾーン、燃焼ゾーンの排気、燃料改質装置、および一酸化炭素除去システムから成る一群から選択される熱源のうち少なくとも１つによって提供される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記エキスパンダがバーナーである、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
燃料電池排熱から動力を発生させる方法であって、
燃料電池からの排熱を利用して、水を蒸発させて加圧空気にすることにより、加圧空気／蒸気混合物を生成するステップと、
バーナー内で前記空気／蒸気混合物を反応させて、蒸気含有排気を発生させるステップと、
前記蒸気含有排気により、エキスパンダを駆動して機械エネルギーを発生させるステップと
を含む方法。
【請求項２９】
前記蒸気含有排気が燃料改質装置用の熱源である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記燃料改質装置が、蒸気改質、部分酸化、およびオートサーマル改質から成る一群から選択される少なくとも１つの反応を実行する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記燃料改質装置の反応が蒸気改質を含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
改質燃料を処理して一酸化炭素濃度を低減するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
改質燃料を処理する前記ステップが、水性ガス転化、一酸化炭素の優先酸化、触媒上での水素による一酸化炭素の優先メタン化、圧力スイング吸着床での水素分離、温度スイング吸着床での水素分離、および水素選択膜による水素分離から成る一群から選択される少なくとも１つの反応である、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
改質燃料を処理する前記ステップが水性ガス転化を含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
改質燃料を処理する前記ステップが、本質的に少なくとも１回の水性ガス転化および少なくとも１回の一酸化炭素の優先酸化からなる、請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
前記エキスパンダを駆動する前に前記バーナー排気により改質装置を加熱するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３７】
前記エキスパンダを駆動した後で前記バーナー排気により改質装置を加熱するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３８】
前記空気／蒸気混合物を反応させる前に前記蒸気含有排気との熱交換により、前記空気／蒸気混合物を予熱するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３９】
水を加圧空気に蒸発させる前に、前記空気／蒸気混合物の少なくとも一部を燃料電池の加湿酸化剤として利用するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項４０】
追加の水を前記空気／蒸気混合物に噴射するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項４１】
追加の水を噴射する前記ステップが、前記混合物が前記燃料電池から出てきた後で行なわれる、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記空気／蒸気混合物が前記燃料電池から前記バーナーまでの経路を移動し、前記経路の少なくとも一部において前記空気／蒸気混合物に水が存在する、請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
前記空気／蒸気混合物を前記バーナーに噴射する前に前記経路内の選択された位置で前記空気／蒸気混合物から水を除去するステップをさらに含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記エキスパンダがタービンである、請求項２８に記載の方法。
【請求項４５】
陰極および陽極を有する燃料電池と、
前記燃料電池の前記陰極に結合された加圧空気源と、
前記燃料電池に結合された燃料改質装置と、
前記加圧空気源からの加圧空気を使用して、加熱された水を蒸発させることにより、燃料電池酸化剤として使用される加圧空気／蒸気混合物を生成する混合器と、
前記空気／蒸気混合物を燃料と共に燃焼して蒸気含有バーナー排気ガスを発生させるバーナーと、
前記バーナー排気ガスの膨張により、機械エネルギーを発生させるエキスパンダと、
を備えた一体化燃料発電機／燃料電池システム。
【請求項４６】
前記空気／蒸気混合物を加熱するのに少なくとも１つの熱交換器をさらに備えている、請求項４５に記載のシステム。
【請求項４７】
前記少なくとも１つの熱交換器が、前記燃料改質装置内に配置されている、請求項４６に記載のシステム。
【請求項４８】
前記燃料電池冷却材を冷却する放熱器をさらに備え、前記冷却材の一部が前記燃料電池の前記陰極を加湿するのに使用されなかった場合に、前記放熱器は、前記冷却材が全て使用された場合に要求されるサイズより小さいサイズに構成して、この冷却材を冷却する、請求項４７に記載のシステム。
【請求項４９】
前記混合器が加湿器を備えている、請求項４５に記載のシステム。
【請求項５０】
前記加熱された水が燃料電池冷却材によって供給される、請求項４５に記載のシステム。
【請求項５１】
前記エキスパンダがタービンである、請求項４５に記載のシステム。
【請求項５２】
前記バーナー排気によって前記燃料改質装置の加熱を可能にし、次に前記排気を前記エキスパンダに向かわせるように構成されたバーナー排気導管をさらに備えている、請求項４５に記載のシステム。
【請求項５３】
前記排気が前記エキスパンダを通過した後、前記燃料改質装置の加熱を可能にするように構成されたバーナー排気導管をさらに備えている、請求項４５に記載のシステム。
【請求項５４】
前記空気／蒸気混合物が、前記燃料電池と前記バーナーへの噴射位置との間の経路の少なくとも一部で水をさらに含む、請求項４５に記載のシステム。
【請求項５５】
一酸化炭素除去システムをさらに備えている、請求項４５に記載のシステム。
【請求項５６】
前記一酸化炭素除去システムが、時間平均ベースで約１０ｐｐｍ未満の一酸化炭素を含む出力を生成する、請求項５５に記載のシステム。
【請求項５７】
前記バーナーに供給されるフィードの少なくとも１つを予熱する予熱器としての前記エキスパンダから前記排気が出た後、この排気を冷却し、これにより前記タービン排気を回収する前記熱交換器の使用をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５８】
前記バーナーに供給されるフィードの少なくとも１つを予熱する予熱器としての前記エキスパンダから前記排気が出た後、この排気を冷却し、これによりタービン排気を回収する熱交換器の使用をさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項５９】
前記バーナーに供給されるフィードの少なくとも１つを予熱する予熱器としての前記エキスパンダから前記排気が出た後、この排気を冷却し、これによりタービン排気を回収する熱交換器の使用をさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項６０】
前記エキスパンダからの排気を冷却し、かつ前記バーナー用のフィードの少なくとも１つを加熱し、これにより前記タービン排気を回収する熱交換器をさらに備えている、請求項１８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連技術】
本願は、２０００年５月３１日に出願した仮出願第６０／２０８，３５５号の優先権を主張する。
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、効率を向上させた燃料電池システムに関するものである。特に、本発明は、作動する燃料電池が発生させる、本来廃棄されるはずの排熱を利用して有益な仕事を行なう方法および装置に関する。さらに詳しくは、本発明は排熱を利用することにより、エキスパンダを駆動して機械エネルギーを生成する空気／蒸気混合物を発生させ、これにより燃料電池システムの効率を改善する。
【０００３】
【従来の技術】
燃料電池はこの数十年間に有益なエネルギー源となってきたが、燃料電池のより幅広い利用のためには、連続的に利用可能な水素源が要求される。狭いまたは離れた区域で、もしくは移動設備で燃料電池用の水素を提供する１つの方法は、天然ガス（メタン）、ガソリン、またはアルコールなど炭化水素または酸素化炭化水素燃料の改質燃料（ｒｅｆｏｒｍａｔｅ）を使用することである。炭化水素燃料から水素を生成する改質反応または蒸気改質反応は長年知られている。一例としてメタン（ＣＨ４）を使用する場合、理想的な全体改質反応は次の通りである。
（１）　ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２
しかしながら、次の反応
（２）　ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２
がこの改質反応の第１段階であるので、ＣＯ２、Ｈ２、ＣＯ、およびＨ２Ｏさえも含む混合物が、メタンの蒸気改質によって生成される。一酸化炭素（ＣＯ）は望ましくない副生物であり、さらに、燃料電池の被毒を防止するために、一酸化炭素を十分に除去することは難しい。蒸気改質プロセスは吸熱反応であり、上記（１）および（２）の反応式における反応生成物であるＣｏ、Ｃｏ２およびＨ２を生成するにはかなりの熱量が必要である。
【０００４】
水素を多量に含んだ改質燃料蒸気からＣＯを除去するために用いられるステップがさらに２つある。まず、下記の「水性ガス転化」（ＷＧＳ）反応が用いられる。
（３）　ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２
【０００５】
この発熱反応の反応速度は高温では速いが、低温では右に進む。このため、このＷＧＳ反応を２段階で使用し、第２段階を低温で行なう。ＣＯ濃度は、一般的にＷＧＳ反応の後、約２０ないし１００ｐｐｍである。この後、半透膜上または圧力スイング吸着器（ＰＳＡ）内でガス分離を行なって水素生成物を精製してもよい。小型または移動システムでは、これは必ずしも実際的でない。代替的に、下記の反応式により表わされる、選択または優先酸化（ＰｒＯｘ）として知られるプロセスによって、ＣＯ濃度を低減することができる。
（４）　２ＣＯ＋Ｏ２→２ＣＯ２
適切な触媒および中温により、この反応は水素の直接酸化よりも強く好まれて、水を形成し、ＣＯ濃度が適切なレベルにまで低減される。
【０００６】
これらの反応についての他の考慮事項は、反応１および２が吸熱反応であり、つまり、示された方向に進む時、熱を吸収するのに対し、反応３および４が発熱反応であり、熱を発生するということである。しかし、後者の２つの反応によって発生する熱は一般的に、前者の２つの反応を妥当な速度で進めるのに十分に高い温度ではなく、また量的にも不足である。したがって、システム内で、燃料の一部を酸素と燃焼させることにより、追加の熱を発生させなければならない。この熱を蒸気改質セクションに効率的に伝達して、吸熱反応をサポートする必要がある。
【０００７】
さらに、多くの適用分野で、全体反応によって生成される水は、少なくともその一部が集められ、かつ再使用される。また、燃料改質装置によって生成される水素の一部は燃料電池内で使用されない。無駄と汚染を防止するために、この水素は、時には別個のバーナーで燃焼されて熱を提供し、この熱は吸熱反応に伝達される。
【０００８】
燃料電池は作動中に熱を発生させるので、損傷を回避するためにこの熱を燃料電池から除去しなければならない。現在、これは一般的に熱交換器を用いて行なわれており、過剰な熱は排熱として放熱器または他の手段を介して外部に放出される。本発明は、この排熱をより良く利用するために、エキスパンダの使用、例えばタービンを導入する。
【０００９】
タービンは、流体によって回転するロータ付き装置である。タービンは、熱および圧力の位置エネルギーを機械エネルギー（機械式動力のエネルギー）に変換する。ガスタービンシステムは、天然ガス、石油、メタン、および他の炭化水素などの燃料を燃焼して、タービンを回転させるのに直接使用される高圧熱ガスを生成する。一般的にタービンは、圧力生成用の圧縮機を作動させるために用いられる。蒸気タービンシステムは熱ガスを用いて、ボイラー内に高圧蒸気を発生させる。蒸気はタービンを通ってシャフトと平行に移動し、最適な速度および角度で第１の翼付きディスクに蒸気を導く一列の静翼に最初に衝突する。次に、蒸気は残りの段を通過して、ディスクおよびシャフトを回転させる。
【００１０】
幾つかの米国特許がタービンと燃料改質装置との組合せを教示しているが、これらのシステムは反応物を加圧するために使用される仕事の一部を補っているに過ぎない。例えばＳｉｅ（Ｓｈｅｌｌ Ｏｉｌ Ｃｏ）の米国特許第４，６８１，７０１号は、改質反応炉からの加熱燃焼ガスの一部分によって駆動されるターボエキスパンダを使用する。Ｋａｙａｍａ（Ｈｉｔａｃｈｉ， Ｌｔｄ）らの米国特許第５，８７３，２３６号は、高温燃焼ガスを生成するために使用される燃料バーナーを開示している。燃焼ガスは発電装置に直接結合されたタービンを駆動する。Ｈｓｕ（Ｚｔｅｋ Ｃｏｒｐ．）らの米国特許第５，６９３，２０１号およびＨｏｒｎｂｕｒｇ（Ｄａｉｍｌｅｒ Ｃｈｒｙｓｌｅｒ Ａ． Ｇ．）らの米国特許第５，９８１，０９６号はともに、燃料電池の排気の少なくとも一部分を用いてタービンを駆動する。しかしながら、いずれの文献も燃料電池を加湿するために使用される水の潜熱を利用していない。さらに、’０９６号特許は、燃料電池内でメタノール／水混合物を燃料および冷却材の混合物として使用することに重点を置いている。Ｈｓｕ（Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）の米国特許第４，６４４，７５１号は、燃料電池の排熱を使用して、燃焼室内のガスの加熱を助ける。
【００１１】
上記システムにみられる改善および改良にもかかわらず、改質装置／燃料電池システムは、多くの適用分野においてターボコンパウンド内燃機関と競合するには依然として不十分である。本発明は、改質装置／燃料電池システムおよびその内部における熱交換のさらなる統合により、このシステムの効率を改善して、当技術分野における上記および他の問題に取り組むことを目的とする。
【００１２】
【発明の概要】
本発明は、燃料電池および燃料改質装置を組み込んだ電力システムの効率を向上させる方法および装置として記述される。効率の向上は、燃料電池により生成された熱を回収し、この熱を捕捉して全システム内で有益な仕事に変換することにより達成される。燃料入力を増加することなく、好ましくは機械エネルギーを追加して、燃料電池の電力出力を補足し、これにより全システムの効率を高める。
【００１３】
したがって、本発明の一態様は、燃料電池からの冷却水を直接、蒸発させて加圧空気にすることにより、オプションで水と混合される加圧空気／蒸気混合物を生成することである。加圧空気／蒸気混合物を酸化剤である残留酸素とともに燃料バーナーに噴射することによって、膨張ポテンシャルを有する蒸気含有排気が生成される。この膨張ポテンシャルはエキスパンダを駆動するのに利用され、エキスパンダが回収される機械エネルギーを生成する。
【００１４】
オプションで、燃料バーナーの蒸気含有排気は、噴射前に空気／蒸気混合物を予熱するのに使用され、かつ／または空気／蒸気混合物が、エキスパンダを駆動するのに使用される前または後に、燃料改質装置用の熱源として利用することができる。
【００１５】
本発明の別の態様は、前記方法および機器を効率的に作動させるシステム、特に電気的出力に対する様々な要求の存在下で、さらに詳しくは冷条態からのシステムの始動中に、効率的に作動させるシステムを提供する。
【００１６】
本発明の他の態様は、特許請求の範囲が意図する範囲を制限することなく本発明を解説および例示することを目的とした、以下の詳細な説明および添付の図面から明らかになるであろう。
【００１７】
以下の詳細な説明と合わせて本発明の理解をさらに促進するために、７つの図面をここに添付する。
【００１８】
（発明の実施の形態）
本発明の方法および装置の特徴および詳細を今から添付の図面に関連してさらに詳しく説明し、請求の範囲で指摘する。図面では、同一参照符号は異なる図面においても同一部分を指す。本発明の特定の実施形態は例証として示されるものであって、本発明を限定するものではないことは理解されるであろう。本発明の主要な特徴は、特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な実施形態で使用されるであろう。全ての百分率および割合は、特に指定しない限り重量によるものである。
【００１９】
本発明は各種の実施形態が可能であるが、本開示では本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。本開示は、本発明の原理の一例とみなすべきであり、本発明の幅広い態様を例示する実施形態に限定するものではない。
【００２０】
本発明の一体化された燃料電池／燃料改質装置システムは、システム効率を向上させる。効率は、稼動コストの点からだけでなく、エネルギー生成システムの資材コスト（設備費）の点からも重要である。システムの効率を計算する１つの方法は、ポンプ、圧縮機等を駆動するために内部で消費した電力を差し引いたシステムの電力出力、この場合は機械および電気の両方、の合計を決定し、次にこの合計を燃料の完全燃焼によって提供される最大達成可能なエネルギー放出率で除算するものである。
【００２１】
異なる効率を持つ２つのシステムを比較すると、効率のわずかな向上さえも重要であることが示される。１０００ワットの出力電力を必要とする場合、３３％効率のシステムは３０００ワットの率で燃料を燃焼し、２０００ワットの熱を廃棄する。これと比較して、５０％効率のシステムは２０００ワットの率で燃料を燃焼するだけであり、１０００ワットの熱を廃棄するだけでよい。したがって、同様の出力に対して、５０％効率のシステムは３３％効率のシステムの約２／３のサイズでよく、約２／３の燃料を使用するのみである。しかも、高効率システムの放熱器または他の熱除去手段のサイズは、低効率システムのそれの半分でよい（１０００ワットの熱対２０００ワットの熱）。このサイズの相違は、移動またはポータブルシステムにおいて重要である。
【００２２】
最近の燃料電池は、水素および酸素の電気への変換において高い効率（最高６０％程度）を有する。自立型のユニットとして作動した場合、排熱の除去は、水などの冷却材を熱交換器を介して循環させ、放熱器または同様の装置を介して水から熱を除去することによって行われる。場合によっては、空気が作業冷却流体として使用される。自立型の燃料電池において、低温熱を再捕捉して、追加の電力を生成することは極めて難しい。このことは、ＰＥＭ燃料電池に特に当てはまる。
【００２３】
少なくとも部分的に改質装置と統合されている燃料電池では、改質装置からの流体を利用して、排熱の一部を回収することによって、排熱の一部を吸収することができる。しかしながら、これは実際的でない。なぜなら、改質装置のほとんど全ての部分が燃料電池より高い温度で作動する一方、流体が燃料電池より低温であることが要求されるからである。したがって、エネルギー回収はほとんどが、燃料電池または改質装置によって使用される空気または燃料を予熱することによって、かつ作動中に燃料電池内で消費されない燃料または空気を再循環または燃焼することによって行われる。
【００２４】
また、エキスパンダを使用して、エネルギーを回収する試みもあるが、バーナーおよび改質装置により放出される典型的なガスの膨張ポテンシャルは、効率を大幅に向上させるのに十分でない。
【００２５】
本発明は、システム内の適所に設けられたエキスパンダ、特にタービンの使用と組み合せて、燃料電池内の冷却流体から熱を除去する、改善された方法を含む。計算によると、効率は、システムの構成に応じて約５％ないし１８％以上（元の効率の高さによって効率改善度が低くなる）の範囲で、より一般的には８％から１４％の範囲で向上した。
【００２６】
本発明の方法では、加熱された冷却水を蒸発させて加圧乾燥空気に、特に酸化剤として燃料電池に供給される空気にすることによって、熱を燃料電池冷却水から除去する。これは蒸発により冷却水から潜熱を除去して湿潤空気流れを提供する。この湿潤空気流れは、ほぼ燃料電池温度、例えばプロトン交換膜型（ＰＥＭ）燃料電池では約８０℃の冷蒸気／空気混合物である。この空気／蒸気混合物は、理論量以上の、すなわち最大電力出力で消費される水素を酸化するのに必要な理論量以上の酸素を燃料電池内の反応に供給するのに使用される。一般的に、過剰空気量は約１００％であるが、本発明では、十分な熱除去能力を提供するために、過剰空気量はより高く、例えば３００％またはそれ以上である。燃料電池内の空気流量の上限は、適用可能な場合（ＰＥＭ燃料電池の場合のように）、膜が十分に水和（水酸化）されるという要求事項により設定される。
【００２７】
本発明のシステムはまた、１００℃以上、例えば１２０℃ないし１５０℃の範囲で作動するＰＥＭ燃料電池を含むシステムにも適用可能である（米国特許第６，１５６，１８４号参照）。このような高温度では、高い燃料電池圧力、例えば３ないし６気圧またはそれ以上が望ましい。複合サイクル改質装置の前述のような燃料電池への適用は、効率を向上させるのによい。このような高圧力を得るために、使用される圧縮機は一般的に２段式とする。これを２段式エキスパンダと結合してもよい。このような２段式圧縮機／エキスパンダは当業者には周知であり、共通シャフト上に４つのユニットとして、または２つの別個のユニットとして、つまり１つを低圧用、１つを高圧用に、任意の好都合な形態で設けてもよい。
【００２８】
効率をより向上させることは、高いＰＥＭ温度によって可能になる。例えば、約１２５℃、約３３ＰＳ１Ｇの陰極蒸気部分圧および約４気圧の陰極空気圧の条件下で、空気の１質量単位当たり０．６質量単位を超える蒸気が陰極出力蒸気に吸収される。全負荷で冷却する燃料電池全部を陰極空気飽和に適用することができる。これらの条件下で、燃料電池冷却水から抽出される潜熱によって提供されるタービン用のより高いブレイトンサイクル圧力および増加した「遊離」蒸気のため、複合サイクル効率は約６０％に達する。
【００２９】
空気／蒸気混合物は、燃料電池を出た後、燃料電池内で生成された追加の水を含む。また、空気／蒸気混合物を２相にして、この空気／蒸気混合物の熱吸収力を向上させるのに水を加えてもよい。空気／蒸気混合物は、以下でより詳しく述べる通り、システムの低温部内の熱交換器で加熱されることが好ましい。次に、この空気／蒸気混合物をバーナー排気との熱交換によって加熱することが好ましい。液体の水が蒸発または除去された後、空気／蒸気混合物をバーナーとの熱交換および／または改質装置から出る改質燃料との熱交換によって過熱してもよい。次に、蒸気／空気混合物をバーナーに噴射して燃料とともに燃焼させる。なお、燃焼をサポートするために、空気／蒸気混合物に十分な空気を含有させる必要がある。これを達成するための１つの方法は、燃料電池の入口箇所に空気を過剰に供給することである。オプションで、システム内の他の箇所で圧縮空気とともに水を加熱して蒸発させることにより、追加の空気／蒸気を発生させ、かつ同様にそれを加熱し、燃焼させてもよい。
【００３０】
動力を生成するために、蒸気含有バーナー排気を使用して、タービンなどのエキスパンダを駆動することができる。これは排気ガス温度および圧力を降下させ、機械エネルギーを提供する。エキスパンダがより高温で作動するとき、提供される機械エネルギーはより大きくなるので、エキスパンダをバーナー付近に、一般的には、燃焼される燃料およびエキスパンダの温度抵抗によって蒸気改質装置の前または後のいずれかに、配置することが好ましい。
【００３１】
上述したジョイントサイクル（いわゆるランキンサイクルおよびブレイトンサイクルの要素を結合したもの）が用いられると、システム効率が向上する。ジョイントサイクルによる正味の効率向上は本質的に、水を蒸発させて圧縮空気にする際に導出される潜熱によるものである。水が比較的冷たい場合（例えば約１００℃以下）、この潜熱は、動力生成のために効率的に回収されない。
【００３２】
ジョイントサイクルは、各種物理システムで実行することができる。本発明は特定の熱交換器系に制限されない。ジョイントサイクルの使用は、バーナーがバーナー排気との熱交換により改質装置を加熱する改質装置システムにおいて可能であるが、この加熱方法に限定されない。例えば、バーナーを介する加熱を、改質装置内の熱の発生により、例えば部分酸化により、または少なくとも一部のオートサーマル改質により、補足することも可能である。燃料電池が高温で作動する場合、蒸気を発生させるなど、エネルギーを保存する他のプロセスによって冷却材を最初に冷却してもよく、それから残留エネルギーをジョイントサイクルによって回収する。
【００３３】
システムの構成要素およびその組合せ
本発明の改質装置／燃料電池システムは、少なくとも次の機能モジュールを含む。第一に、このシステムはモジュールに充填される触媒により、燃料改質反応を実行する改質燃料発電機モジュールを有する。多くの適切な触媒が当業者には知られている。蒸気改質反応は、例えば約１２００〜１６００°Ｆ（約６５０〜９００℃）の温度範囲で行われることが好ましい。そうした温度では、しばしばニッケルが触媒として使用される。
【００３４】
改質燃料発電機はまた、蒸気および改質される燃料を必要な温度まで加熱する手段を含む。上述の通り、反応は吸熱であり、したがって自続式ではないので、改質される燃料に比例する熱を供給しなければならない。これを行なう幾つかの方法がある。ここで例示する一実施形態では、バーナーである酸化反応器が燃料または他の可燃性物質、例えばバイパスされた改質燃料、または燃料電池排気からの水素等を燃焼して、改質装置の外側で熱を発生させる。この熱は、共用壁による直接接触により、かつ／または燃料改質装置モジュールを介する、またはそれに沿うバーナーの高温排気の循環により、燃料改質装置によって受け取られる。本発明を実施するには、特に後述するタービンが含まれる場合、この構成が好適である。
【００３５】
燃料改質装置へ熱を供給するための他の実施形態は、改質装置の上流に位置する部分酸化反応器の使用を含む。この構成では、燃料の一部が、理想的には触媒の助けにより酸化され、次に未燃焼燃料を含有する高温ガスが蒸気と混合され、燃料が改質される。２つの流れを結合して、オートサーマル反応器（ＡＴＲ）を形成してもよい。この場合、反応器内では、燃料、蒸気、および制御された酸化剤量が触媒床を介して循環し、その場で反応して、燃焼により混合物を加熱し、かつ燃料の残りを蒸気で改質する。これらのシステムの各々において、改質装置の高温ガス状出力が改質燃料である。
【００３６】
改質装置から出る際、改質燃料はかなりの量の一酸化炭素（ＣＯ）を含んでいる。燃料電池のタイプにより、ＣＯは燃料電池の触媒を被毒する傾向があり、改質燃料から少なくとも部分的に除去して、あるいは水素から分離して、低ＣＯ濃度の水素含有ガスを生成しなければならない。このガスは燃料電池に供給される。許容される最終ＣＯ濃度は、当業者には周知の各種可変要素により変化する。これらの要素には、燃料電池の型、作動温度、フィード（供給原料）内の水素濃度、およびフィード内の他の反応ガス、例えば、酸素のレベルが含まれる。ＰＥＭ燃料電池の場合、ＣＯ濃度の平均上限は約１０ｐｐｍであり、低レベルの方が好ましい。
【００３７】
一実施形態では、ＣＯ除去システムは一般的に、水性ガス転化（ＷＧＳ）反応に触媒作用を及ぼすゾーンを少なくとも１つ含む。２つのゾーンを設けてもよく、この場合、第２のゾーンでは低温で水素生成およびＣＯ除去を最適化するものとする。触媒は２つのゾーン間で同一でも異なってもよい。このような実施形態では、一般的に少なくとも１つの優先酸化（ＰｒＯｘ）反応器も設けられ、この反応器は、一般的にＣＯ濃度を燃料電池に適したレベルまで低減させる特殊触媒をも含む。また、ＣＯは、触媒上でＣＯを水素とともに優先メタン化することにより低減される。
【００３８】
代替的に、改質燃料を燃料電池に供給する前に精製してもよい。精製手段は、圧力スイング吸着器（ＰＳＡ）システム、温度スイング吸着器（ＴＳＡ）システム、および／または水素選択選択性透過膜を含む。このようなシステムは純水素を燃料電池に供給し、一酸化炭素およびおそらく残留燃料を含む改質燃料流れの残りは酸化および熱生成のためにバーナーへ再循環される。水素精製を使用するシステムは一般的にＰｒＯｘまたはメタン化反応器を必要とせず、水性ガス転化反応の一部または全部を省略してもよい。
【００３９】
最後に、少なくともエネルギー伝達の観点からみて、システム内では他の構成要素と一体化できる燃料電池があるであろう。オプションで、燃料電池を他の構成要素と同一筐体内に収容してもよい。
【００４０】
このシステムは、燃料電池排気、バイパスされた改質燃料、または可燃性物質の別の流れ、特に断続的流れの完全燃焼を確実にするために、補助反応器または「テールガスバーナー」または同様の装置を有してもよい。また、補助反応器により生成される熱は、効率を向上させるために装置の適切な領域に伝達される。補助バーナーの機能は、改質装置システムと一体化されたバーナーによって実行されることが好ましい。
【００４１】
システムはまた、効率的な機能を得るのに必要な補助機器を有してもよい。補助機器には水ポンプ、空気圧縮機、凝縮器、蒸気分離器、放熱器または他の冷却装置、および水タンクのうち１つまたはそれ以上が含まれる。また、この補助機器は一般的に、温度、圧力、流量、および他の可変要素のセンサ、燃料、空気、水、改質燃料、および蒸気の流量を測定または調整する制御可能なバルブまたは噴射器のような他の装置、ならびにシステムを制御する電子制御装置を含んでもよい。
【００４２】
熱交換装置および方法
当業者に周知あるいは使用されているいずれの熱交換または熱伝達の方法のうち、いずれも本発明に適している。実行可能であるならば、モジュールを１つまたはそれ以上の共通の筐体内に統合することが、効率的な熱伝達をもたらす効果的な方法である。したがって、改質ゾーンをバーナーゾーンの周囲または内部に環状に配置してもよい。加えて、管および他の中空構造体など従来の熱交換器により、かつフィンなどの受動装置により、ゾーン間で熱を伝達してもよい。
【００４３】
エキスパンダ
システム効率を高めるのに、原則としていかなるタイプのエキスパンダを使用してもよいが、エキスパンダとしてタービンを使用することが本発明の実施形態において好適である。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際、改質反応に触媒作用を及ぼす好適な温度と同様かそれより低い、１２００〜１６００°Ｆ（約６５０〜９００℃）のような高温で信頼性よく作動することにある。メタノールのような他の燃料の場合、改質反応温度はより低くなる。最大正味機械仕事すなわち排熱再捕捉プロセスの最初に空気を圧縮するのに費やされる仕事を超える仕事を得るために、実行可能な限りの高温でのエキスパンダの作動が強く望まれる。タービンは、その効率が特定のガス流量で急激にピークに達するという点で、潜在的な欠点を有する。本発明のシステムでは、最大負荷で発生する過剰な燃料電池の熱の約４０％ないし５０％を除去するのに圧縮空気／水の熱交換の規模を調整することにより、この欠点を補償することができる。次に、システム内への圧縮空気の流量は、全出力の約４０％から最高１００％の出力までの一定レベルに維持されて、排熱の回収の効率が維持される。排熱の残りは、従来の熱交換法によって除去することができる。
【００４４】
代替的に、水、特に燃料電池を冷却するのに使用される水、または熱交換を実行している間に加熱される水が、燃料電池を冷却した後でバーナーに噴射される前に、空気／蒸気ラインに噴射されることにより、エキスパンダ用に適切な体積流量を維持しながら、低温エネルギーをさらに捕捉できる。さらに、好適な全空気流量がＰＥＭ燃料電池のような燃料電池内で乾燥を生じさせる場合、圧縮空気または空気／蒸気の一部が燃料電池を迂回し、燃料電池を越え陰極排気に合流して、加熱される。
【００４５】
エキスパンダを効率よく駆動するには高温が要求されるので、自ずからエキスパンダのシステム内での位置が定められる。最大限の効率を得るために、エキスパンダにおける温度は実現可能な限り高くしなければならない。従来の金属タービンでは、約１０００ないし１６００°Ｆ（約４５０〜９００℃）の範囲であり、好ましくは１３００ないし１５００°Ｆ（約７２０〜８５０℃）の範囲である。このことは、一般的に約１８００ないし２００°Ｆ（約１０００〜１１５０℃）である排気にタービンを直接さらすることができないことを意味する。したがって、排気は最初に改質装置を加熱するために使用し、次にタービン内で膨張させることが好ましい。これは、改質反応の温度を最大にするためにも好適である。しかしながら、不安定でありかつ低温での改質が容易であるメタノールなどの燃料を用いる場合、約１６００°Ｆから最高２０００°Ｆ（約８５０〜１１５０℃）の範囲のより高い温度で作動することのできる、セラミックタービンなどのエキスパンダを使用し、かつそれをバーナー下流に最初の構成要素として配置することが好ましい。さらに、より低温のガスを使用して改質装置を加熱することができる。利用する可用性は低いが、本発明ではバーナー排気中の加熱された空気／蒸気混合物のエネルギーを回収するのに、他の高温許容エキスパンダ、特に正圧エキスパンダを使用してもよい。
【００４６】
ジョイントサイクルの概略図
本発明を図１に概略的に示す。バーナー（１０）は空気／蒸気（１２）、燃料（１４）、および好ましくは再循環された燃料電池排気（１６）の供給を受け、それらを燃焼して高温排気（２０）を生成する。バーナー入力（空気、燃料、および再循環された燃料電池排気）の一部または全てを、除去すべき熱を含む適切なゾーン内で、熱交換により予熱してもよい。後述する通り、特に空気／蒸気が予熱される。
【００４７】
排気はその熱を直接接触によって、かつ／または概略的に図示されたシェル型交換器などの熱交換器（２６）によって、改質装置（２４）に伝達する。改質装置は、システムの設計に応じて、燃料、蒸気、および任意選択的に酸素または空気の入力を有する（これらの入力は見易くするために標記されていない）。熱交換器（２６）は任意選択的に、空気／蒸気を（１２）でバーナーに噴射する前にこの空気／蒸気を過熱するために、追加の熱交換器（２８）を有してもよい。次に、部分的に冷却されたバーナー排気（３０）はエキスパンダ（３２）内を通過し、このエキスパンダから機械エネルギーが回収される（容易に改質された燃料と共に使用するためのエキスパンダの代替位置が（２２）に示されている）。
【００４８】
次に、排気は熱交換器（３４）内を通過し、次いで凝縮器（３６）内に入って再循環用の水を捕捉し、残留ガスは放出される。再循環された水（３８）は、燃料電池（４４）に水を供給するポンプ（４２）に接続されたタンク（４０）内に回収される。システム内の他の位置から回収される水もタンクに供給される。
【００４９】
燃料電池がＣＯの除去を必要とする限り、改質燃料（５０）は一酸化炭素除去システム（５２）内を通過させられる。ＣＯ除去システムは蒸気、水または空気（図示されていない）の入力を有してもよく、低ＣＯ濃度改質燃料または水素（５４）の出力を有する。また、水素枯渇改質燃料（５３）の出力がある場合、それはバーナー（１０）に再循環される。次いで水素含有ガス（５４）は、オプションで用いてもよい熱交換器（５６）内を通過する。熱交換器（５６）は、ガスから水を除去するために凝縮器を組み込むか、あるいは凝縮器によって補足されてもよい。特にＣＯ除去装置がＰＳＡまたは膜分離器である場合、熱交換器（５６）はオプションである。改質燃料または水素は次に、オプションで用いてもよい減圧器（５８）を介して燃料電池（４４）に入る。燃料電池の陽極側の排気（６０）はバーナー入口（１６）に再循環される。
【００５０】
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、それによって冷却を提供して、燃料電池によって発生した熱を除去する。冷却水は混合器（６２）内に移る。暖かい冷却水は混合器内で、圧縮機（６４）によって供給される圧縮空気と混合され、冷却水は蒸発し、発生する蒸発潜熱は結果的に得られる空気／蒸気混合物に移行する。供給される圧縮空気量は一般的に、全出力時の水素消費によって要求される理論量より少なくとも１００％高い。蒸発しない水があれば、オプションで用いてもよい放熱器（６６）を介して水タンク（４０）に再循環される。代替的に、そのような水の一部または全部が、燃料電池を通過した後、空気／蒸気混合物に噴射される。
【００５１】
混合器（６２）からの圧縮飽和空気は入口（６８）から燃料電池（４４）に入り、燃料電池陰極区画に酸化剤を提供する。空気／蒸気混合物（７０）は出口（７２）から燃料電池を出て、システム構成要素との熱交換により加熱される。例えば、混合物（７０）は熱交換器（５６）を介して、またはＣＯ除去システム（５２）と改質装置（２４）との間に位置する図示しない熱交換器を介して、改質燃料（５０）との熱交換によって加熱される。低温熱は、加熱の高温段階に入る前に、凝縮器（３６）など、様々な凝縮器のいずれかで回収される。空気／蒸気混合物（７０）はオプションでＣＯ除去セクション（５２）の熱交換器によって予熱することもできる。熱の吸収を促進するために、システムの低温部内で、つまり燃料電池の出口から熱交換器（３４）の入口付近において、空気／蒸気混合物に追加の水を加えてもよい。空気／蒸気流路のより高温部分へ水を加えることは可能であるが、あまり有益ではない。
【００５２】
次に、空気／蒸気混合物（７０）は、熱交換器（３４）内でバーナー排気との熱交換によってより高温に上昇する。この熱交換ステップは、バーナー排気が改質装置およびエキスパンダを出た後、このバーナー排気から熱の大半を回収し、水を回収するために排気の凝縮に備える。空気／蒸気混合物が排気の熱交換を終えるとき、空気／蒸気混合物中の残留液体水を除去し、例えばタンク（４０）に再循環することが好ましい。オプションの加熱ステップとして、空気／蒸気混合物は、例えばエキスパンダ（２８）上の排気または（５０）における改質燃料との熱交換によって過熱される。
【００５３】
最後に、空気／蒸気混合物は、空気／蒸気入口（１２）でバーナーに噴射され、燃料、再循環された改質燃料、および陽極排気のうちの１つまたはそれ以上のガス流れと混合され、燃焼されて、高温、一般的に約２０００°Ｆ（１１５０℃）でバーナー排気ガスが得られる。本発明のジョイントサイクルでは、バーナー排気ガスに蒸気が加えられ、大気圧より高く加圧される。これは、蒸気を含まないバーナー排気流れと比較すると追加の膨張ポテンシャルを生じさせ、この追加の膨張ポテンシャルはタービンなどのエキスパンダ（３２）によって捕捉される。
【００５４】
エキスパンダ（３２）はバーナー排気の流路内のどの位置にでも配置することができるが、特定のシステムにおける温度特性によって特定の位置が好まれる。図示したシステムでは、エキスパンダ（３２）の好適な位置は、排気が改質装置（２４）を加熱した後にある。これにより、２０００°Ｆ（１１５０℃）またはそれ以上の初期温度を有する排気は、改質装置を約１４００〜１８００°Ｆ（７７０〜１０００℃）の温度まで加熱することができる。約１４００〜１６００°Ｆ（約７７０〜８９０℃）の排気は、自動車級エキスパンダタービンのような従来のエキスパンダを作動させるのに充分に冷温である。エキスパンダを実現可能な限りの高温で作動させることが熱力学的に有利である。そのタービンまたは他のエキスパンダでの膨張後、排気は膨張によって約２００ないし４００°Ｆ（１１０〜２２０℃）にまで冷却され、およそ大気圧になる。排気は次に、熱交換器（３４）に入ってくる空気／蒸気混合物を加熱し、熱交換器（３４）は空気／水／蒸気混合物から過剰な水を分離し、その後、排気は凝縮器（３０）に通されて、水が回収される。水はタンクに戻され、サイクルが完了する。
【００５５】
エキスパンダは、機械動力をシステムに供給するのに使用される。機械動力は、ポンプまたは圧縮機のようなシステムの機械的構成部品を駆動するのに使用される。機械動力はまた、あるいはポンプやコンプレッサの代わりに、発電装置を駆動するのに使用され、これによりシステムに動力を供給し、燃料電池の電気的出力を補足する。このことは、エキスパンダによって提供される電気的駆動ポテンシャルの極めて急激な増加が、改質システム全体の比較的時間のかかる暖機運転および応答を補償することのできる、システムの始動時および出力を増加する際のシステム過渡期において特に重要である。迅速な応答は輸送分野では特に重要である。
【００５６】
計算によれば、システム効率を、本発明が示す燃料電池熱を回収する完全なシステムにより、著しく向上させることは可能である。正確な値は、システムの作動モードおよび多くの可変要素に依存する。移動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。燃料電池排熱のエネルギー値の半分を回収すると、システム効率を少なくとも５％、より一般的には１５％またはそれ以上、例えば、３５％のシステム効率から４１％のシステム効率に高めることができる（１５％の効率向上）。燃料電池排熱をより高い割合で回収することは可能であり、さらに効率を高めることができる。効率をより高めるには追加の空気供給を必要とするが、上述の通り、この空気は必ずしも燃料電池内を通る必要はない。
【００５７】
水を蒸発させることにより燃料電池から熱を回収し、かつその蒸気を使用してエキスパンダを駆動することによって成される効率向上に加えて、膨張した排気を用いてバーナー用のフィードを予熱することも効率を促進することに注目されたい。これは、エキスパンダを駆動するのに必要な別の燃料エネルギーを１００％回収することにより達成される。通常、分離した回収熱交換器を用いると、エキスパンダを駆動するのに使用されるエネルギー入力を完全には回収できない。
【００５８】
この熱回収をいかに可能にするかを理解するために、開示された構成におけるエキスパンダの回収熱交換器として作用する、図１の熱交換器（３４）について考慮する。入力された空気／蒸気（７０）は特定の温度、例えば２００°Ｆ（約９５℃）であり、凝縮器（３６）への出力の設計温度は例えば４００°Ｆ（約２０５℃）である。システムにエキスパンダが無ければ、バーナー排気は約１６００°Ｆ（約８９０℃）で熱交換器（３４）に入り、空気／蒸気混合物は約１４００°Ｆ（約７８０℃）で回収熱交換器を出る。このステップにおける非効率は、設計に組み込まれる。しかし、システムにエキスパンダ（３２）があれば、バーナー排気はより低温である約１３００°Ｆ（約７２０℃）で回収熱交換器に入る。空気／蒸気は回収熱交換器をわずか約１１００°Ｆ（約６１０℃）で出る。この３００°Ｆ（約１６５℃）の差は、バーナー排気がバーナー（１０）を出て約１８００〜２０００°Ｆ（約１０００〜１１００℃）で改質装置（２４）を加熱するように、バーナー内で追加燃料を燃焼することによって埋め合わせられる。しかし、排気はエキスパンダ内を通過すると１６００°Ｆから１３００°Ｆ（約８９０℃から約７２０℃に）に低下するので、このエネルギーはまさしく、エキスパンダで回収されるエネルギーである。したがって、エキスパンダを駆動するのに加えられる熱は全て回収されるので、エキスパンダを有していないシステムと比較して、エキスパンダは事実上１００％効率である。
【００５９】
したがって、ジョイントサイクルを使用するシステムにおいて、空気／蒸気フィードとバーナー排気との間で作動する熱交換器をエキスパンダ用の主要回収熱交換器として使用することは特に有利である。
【００６０】
上記範囲における効率の向上には３通りの意義がある。第一に、ジョイントサイクルを組み込んだシステムの効率は、低排気に関する燃料電池の利点を維持しながら、ボトミングサイクル（ｂｏｔｔｏｍｉｎｇ ｃｙｃｌｅ）内燃機関の効率に近付くことができる。第二に、環境への熱の排出がより少ないジョイントサイクルは、所定の電力出力の割には、より小さい燃料電池および燃料発電装置を使用することを可能にし、これにより重量およびコストが節約される。第三に、より高い効率は、所定の出力レベルの割には、放熱器または凝縮器などの熱処理手段をより小さくできる。第２および第３の効果は倍増するので、放熱器の領域を小さくできることは潜在的に極めて重要である。
【００６１】
ジョイントサイクルにより得られる効果の理解のために、ジョイントサイクルの使用によって可能になる効率の向上を、特定のシステムに関して例証した。しかし、ジョイントサイクルの使用は例証したシステムに限定されない。ジョイントサイクルの主要な原理は、低温の「排」熱、特に燃料電池による排熱から、この排熱を利用して水を圧縮空気に蒸発させることによって、エネルギーを抽出することである。結果的に得られる空気／蒸気または空気／蒸気／水混合物は次に、都合のよい方法で加熱され、最終的に高温での圧力下でエキスパンダ内に噴射される。エキスパンダは機械仕事を行なうために利用される。生成される正味機械仕事は、水の蒸発によって空気／蒸気／水混合物に伝達され、かつ冷却水および類似物から減ぜられる潜熱に対応する。吸収される潜熱は、ジョイントサイクルの使用によって達成される正味エネルギー利得の基礎である。
【００６２】
上述の通り蒸発、加熱、および膨張の組合せであるジョイントサイクルは原則的に、いかなる複合燃料発電機／燃料電池システムの効率を向上させるのに適している。このシステムが有する複雑さは、回収される排熱が低温なので蒸気を生成するのに直接使用されないときに最も正当化される。このことは、上部作動温度が一般的に約１００℃未満であるＰＥＭ燃料電池の場合に特に有利である。しかし、より高温のＰＥＭ膜へのジョイントサイクルの適用は、より多くの蒸気を用いてより高圧での作動を介して大きな効率向上を引き出すことに留意されたい。
【００６３】
システムを構成するモジュールのタイプに応じて、特に熱伝達および熱交換の詳細に関して、各種適応が要求され、かつ選択肢が考えられる。改質装置は蒸気改質装置として例証したが、改質装置が別個のモジュール、またはオートサーマル反応器モードであるかに関わらず、少なくとも部分酸化を使用することができる。一酸化炭素除去システムは、水性ガス転化と優先酸化との組合せ、または水性ガス転化の利用に関係なく、ＰＳＡ、ＴＳＡ、優先メタン化、もしくは水素選択膜を介してもよい。原則的にいかなるエキスパンダも利用できるが、１０００〜２０００°Ｆ（５５０〜１１５０℃）の範囲で作動する小型で軽量の市販のエキスパンダという点から、タービンが好適な選択肢である。
【００６４】
システム効率を高めることは燃料電池技術の開発における長年の目標である。したがって、本発明のジョイントサイクルの組込みによって提供される燃料改質装置／燃料電池システムへの改良は有意義であり、一体化改質装置／燃料電池システムの商業的成功を高めることが期待される。
【００６５】
ジョイントサイクルの例示的実施形態
図１は本発明の基本的概念の一般的な実現を示すが、残りの図（図２〜７）は、本発明の特定の例示的実施形態を示している。開示した特定の構成要素の構成は、当業者にとって想到および利用可能な代替例の範囲に限定することを意図するものではない。特定の例示的実施形態の構成要素を記述するために使用される以下の１００番台の参照符号と一般的システム構成要素を記述するために使用した上記の１００未満の参照符号との間に相関関係は意図されていない。
【００６６】
図２は、図１に概略的に図示された反応器の物理的実施の設計を示す。燃料処理装置の改質装置領域だけが示されている。この図は、部品、特に熱交換器の相対寸法を正確に表わしていない。このような反応器をいかに構成することができるかを示すことを意図しており、構成の方法を制限するものではない。
【００６７】
空気／蒸気混合物の予熱（「Ａ」点）
燃料電池の陰極からの汚染空気は、燃料電池の冷却材から導出される水蒸気とともに、中心に配置された大型熱交換器またはリジェネレータ（再生用熱交換器）内で、タービン排気（１８８）の向流によって加熱される。この陰極空気流れは、燃料電池の通常の全負荷作動（すなわち陰極空気の要求理論量の２００％）時に燃料電池プロセスからの使い残りの酸素を約１０〜１１体積％含む。また、この陰極空気流れは、冷却水による陰極空気の完全飽和によって得られる蒸気または水蒸気を含む。陰極空気／蒸気混合物は、改質燃料、陽極ガス、および／またはバーナー排気流の冷却領域の冷却によることを含めて、システムの改質装置／エキスパンダ領域までの途中にある様々な構成要素から熱を吸収する。１００％負荷またはそれ以下で作動するＰＥＭ燃料電池を組み込んだ７０ｋＷの全システム出力（電気）の場合、陰極空気流量は４００ないし５００ｌｂｓ／ｈｒ（約１８０ないし２３０ｋｇ／ｈｒ）の範囲であり、この空気は約２気圧の圧力で約２００ないし２７０ｌｂｓ（約９０ないし１２５ｋｇ）の水を含む。
【００６８】
図２によれば、陰極排気流れ、空気／蒸気混合物（１５８）が「Ａ」点から熱交換器（１５６）に入る。入ってくる空気／蒸気混合物（１５８）は、上述の通り、事前処理されることが好ましい。熱交換器（１５６）内の通過により、空気／蒸気混合物（１５８）の温度は、入口における約２２０°Ｆ（１００℃）からタービン出口温度の３００°Ｆ（約１７０℃）内まで、または約１０００°Ｆ（約５５０℃）まで上昇する。バーナー（排気導管）（１７０）内でさらに加熱するために、空気はオプションで希釈燃料（例えばメタン）を含んでもよい。図４は、バッフル（１４８）の可能な一構成を示す。バッフル（１４８）は、陰極排気（１５８）が熱交換器（１５６）内を通過するとき、この陰極排気用に曲がりくねった経路を提供する一方、高温タービン排気（１８８）を運ぶ熱交換チューブ（１４４）を支持する。
【００６９】
タービン燃料（「Ｂ」点）
図５を参照すると、一般的に水蒸気も含んでいる、燃料電池から戻る陽極ガス（ＡＧ）は「Ｂ」点から入り、上述した陰極空気／バーナー排気熱交換器（１５６）の周囲にある小さい間隙環状体（１６０）内で別個に加熱される。この陽極ガス（ＡＧ）は主に、周囲環状体（１５４）内を流れる改質燃料との向流熱交換によって加熱されるが、陰極排気（１５８）の並行流によっても加熱される。この改質燃料の冷却は、改質燃料流れが高温水性ガス転化（ＷＧＳ）床（１６４）（図６）および低温ＷＧＳ床（１６６）に入るのに充分な冷温となるように調整するために重要である。陽極ガス中の水素を予熱中に陰極排気中の空気から分離することにより、早期点火は防止される。
【００７０】
一般的に、改質反応を完全に行なうために、陽極ガス（ＡＧ）に追加燃料を補充する必要がある。陽極ガス／燃料混合物を生成するために、陽極ガス（ＡＧ）が図２に示す燃料処理装置（１５０）の領域に入る前に、燃料を陽極ガス（ＡＧ）に都合よく加えてもよい。代替的に、メタンなどの安定燃料を陰極空気流れ（１５８）内に噴射してもよい。別の燃料を後述する「Ｄ」点で噴射してもよい。
【００７１】
一体化バーナー（「Ｃ」点）
陰極空気／蒸気（１５８）および陽極ガス／燃料（１６０）は「Ｃ」点で混合されて空気−陽極ガス、燃料／蒸気混合物（１８０）を形成し、オプションで燃焼室（１７２）内で、または改質触媒（１７４）中に埋め込まれた通路内で触媒作用により燃焼される。図３では、燃焼室（１７２）が、断面において改質触媒（１７４）中に埋め込まれた矩形のチャンバとして示されている。結果として生じる改質燃料／蒸気混合物または改質燃料混合物（１７８）は燃焼室に対して向流し、高温バーナーガスからエネルギーを吸収する。改質燃料混合物（１７８）は、１０００ないし１４００°Ｆ（約５５０ないし７７５℃）の範囲の温度で燃焼室から出る。
【００７２】
タービン作動（「Ｄ」点）
バーナー排気ガス（１８０）は「Ｄ」点で改質装置床熱交換器（１８２）から出て、タービン（１８４）のノズルに入る。ガスは約１５００〜１６００°Ｆ（約８００〜９００℃）および約２気圧の絶対圧力（約０．２Ｍｐａ）である。これらの温度は、タービンの製造に必要な素材を決定する。タービン（１８４）が約８５％の効率である場合、ガス温度は約３００°Ｆ（約１７０℃）降下し、全バーナー流量で約１７ないし２１ｋＷの動力が発生する。タービンシャフト（１８６）に取り付けることのできる圧縮機（図示せず）は、陰極空気を２気圧に圧縮するのに５ｋＷまたはそれ以下の動力を吸収する。残りの動力は、電力の発生に利用可能であり、１２ないし１６ｋＷの正味動力利得が得られる。この正味動力は、燃料処理装置／燃料電池システムによる７０ｋＷの全電力出力のかなりの部分を占める。
【００７３】
システム始動中に、燃料および空気は、別個の点火器によって点火され、システム動力を提供するために、タービン（１８４）に導入される。一方で、改質触媒（１７４）は作動温度まで加熱される。この段階で改質装置の出力は一般的に燃料電池を迂回し、「Ｂ」点で陽極排気チャネルを介して燃焼ゾーンに入る。
【００７４】
再生用熱交換（「Ｅ」点）
「Ｅ」点でタービン排気（１８８）は任意の触媒浄化床（１９０）、例えば、自動車タイプ触媒、を通過して、残留水素または一酸化炭素を除去する。約１２００〜１３００°Ｆ（約６５０〜７５０℃）のタービン排気（１８８）は、陰極排気（１５８）が入った大型熱交換器（１５６）に入る。タービン排気（１８８）は一般的に、熱交換器（１５６）を出るとき、約５００°Ｆ（約２６０℃）であり、次に、一般的には蒸気発生器で蒸気を生成するのに使用される。
【００７５】
改質燃料燃料／蒸気の予熱（「Ｆ」点）
図５に戻って、「Ｆ」点を参照すると、改質燃料環状経路が、蒸気／燃料混合物（１６２）およびオプションで蒸気を運ぶ環状体（１６１）から始まる。内側環状体（１６１）は、主に水性ガス転化床（ＨＴＳ（１６４）およびＬＴＳ（１６６））によって予熱される。次に、蒸気／燃料混合物（１６２）は、環状体（１６１）内を同時に流れる陽極ガスに熱を伝達する。改質反応および水性ガス転化反応用の蒸気の一部は、外側環状体（１９２）内を循環して、実効熱伝達領域を機能的に変動することによって、ＨＴＳおよびＬＴＳ床（１６４）および（１６６）の温度をそれぞれ制御するのを助ける。代替的に、この蒸気の一部は改質装置（１５０）を迂回し、温度制御のさらなる手段として転化床の上、またはその中で改質燃料蒸気に噴射される。
【００７６】
図６に図示する通り、ＨＴＳ床（１６４）の上で、蒸気／燃料混合物（１６２）は改質燃料混合物（１７８）との向流熱交換によって加熱される。図２に示した本実施形態では、入口が広がり、蒸気／燃料が触媒上を流れ、これにより燃料の温度が上昇する際に発生する亀裂が防止される。
【００７７】
改質（「Ｇ」点）
改質燃料に対して加熱された後、蒸気／燃料混合物（１６２）は、追加の蒸気がある場合は、共に「Ｇ」点で混合され、改質触媒床（１７４）に入る。ガスは、バーナー混合物（１８０）に対向して、かつタービン排気（１８８）と並行して、改質装置（１５０）内を流れ、このガスとタービン排気（１８８）は「Ｈ」点で集合する。
【００７８】
改質燃料の温度管理（「Ｈ」点）
改質された蒸気／燃料混合物（１６２）は改質装置（１５０）を出て、バーナー（１７０）に対して「上方」かつ外方に向かって、架橋部を介して予熱触媒床（１９４）を越えて進み、次に「下方」に向かって蒸気／燃料予熱ゾーン（１９４）を通過して転化床（１６４）（１６６）に進む。高温の改質燃料は、環状体（１６１）を介して入ってくる蒸気／燃料混合物（１６２）との熱交換によって冷却され、その温度は約１５００°Ｆ（約８３０℃）の初期温度から高温転化反応に適した温度である約６００〜８００°Ｆ（約３２０〜４４℃）まで降下する。
【００７９】
水性ガス転化の温度管理（「Ｉ」点）
「Ｉ」点で、発熱転化反応からの熱、および改質燃料（１７８）からの追加熱は、入ってくる蒸気および蒸気／燃料流れによって、かつ陽極排気ガス（ＡＧ）によって吸収される。改質燃料（１７８）は約５００〜６００°Ｆ（約２６０〜３２０℃）で転化セクションから出て、燃料電池および／または水素貯蔵モジュールに入る前に、さらなる熱交換ユニット（図示せず）および任意選択的な一酸化炭素除去ユニット（図１）を通過する。
【００８０】
代替例
上述したプロセスは、本発明による熱管理手順を使用し、燃料を改質する蒸気改質装置の使用に適した、特定の好適な設計である。改質装置内の圧力は、この設計では厳密に限定されない。この圧力は、約２絶対気圧である燃料電池陰極の圧力と少なくとも同程度に高いことが好ましく、実際的かつ簡便である限り高くし、例えば３ないし４気圧、あるいは１０気圧（１ＭＰａ）にさえすることができる。圧力がより高ければ、オプションで金属水素化物を含む圧力容器などの水素蓄積装置内に、改質燃料からの水素を蓄積するのに便利である。そのように蓄積された水素は始動時およびシステム過渡期に役立つ。
【００８１】
このプロセスは、蒸気改質反応の使用に限定されない。オートサーマル改質装置または部分酸化改質装置と共にジョイントサイクルを使用することも可能である。そのような反応器では、燃料および蒸気と共に空気を含めることにより、かつ改質触媒床の前またはこの中で熱を発生させることにより、吸熱改質反応に必要な熱の大部分を供給することができる。バーナーは主に、熱シールドとして、かつ上述の通り加湿された陰極排気空気と混合され、燃焼され、タービン内にも通される陽極ガスの処理手段として作用する。要求される熱の一部がバーナーにより、かつオートサーマル反応により供給される混合システムも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明のジョイントサイクルを組み込む改質装置／燃料電池システムを示すブロック図である。
【図２】
システムの改質装置領域を示す本発明の一実施形態の断面図である。
【図３】
一実施形態におけるバーナーメッシュおよび改質触媒の配置を示す、図２の線３−３に沿って切った改質装置セクションの断面図である。
【図４】
一実施形態におけるチューブ経路および陰極空気バッフルの配置を示す、図２の線４−４に沿って切った改質装置の回収熱交換器の断面図である。
【図５】
図２のセクション５の拡大図である。
【図６】
図２のセクション６の拡大図である。
【図７】
図２のセクション７の拡大図である。
【符号の説明】
１０…バーナー、１２…空気／蒸気、１４…燃料、１６…燃料電池排気、２４…燃料改質装置、３２…エキスパンダ、３４…熱交換器、４０、タンク、４４…燃料電池。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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