(57)【要約】本発明は、ポリマー電解質燃料電池スタックを含む熱及び電力発生装置、及び炭化水素を水素リッチ混合物に添加するところの燃料処理システムを提供することを目的とし、本発明に従う装置は、高い電気並びに熱効率を有する。該高効率は、大気圧、低い圧力低下でシステムを操作することにより、かつ効率的なインバーターを使用することにより本発明に従って実現される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも燃料電池スタック及びリフォーマーを含む、結合された熱及び電力発生システムにおいて、高いシステム効率が、大気圧において、又は大気圧より最大３００Ｐａ上において該システムを操作することにより得られ、かつフィードガスが水蒸気でほぼ飽和されて、該電池内で水凝縮をもたらすことを特徴とするシステム。
【請求項２】
使用される燃料電池が、ＰＥＭ燃料電池であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
燃料電池内で凝縮された水が、親水性ガス分配チャンネルの壁上の連続する水フィルムを通って取り除かれ、ここでこれらのガスチャンネルにおける該水フィルムが、電池極板及びスタックを貫通するところの水除去チャンネルと接続されており、かつ水が、これら水除去チャンネルの一つ又はそれ以上を通ってスタックから取り除かれることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
圧力が、水除去チャンネルの一つの端又は複数の端に与えられ、かつこの与えられた圧力が、電池内の圧力未満であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
水除去チャンネルに与えられる圧力が、該チャンネル中の圧力より５０Ｐａ超だけ低いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
水除去チャンネルに与えられる圧力が、該チャンネル中の圧力より５００〜１０００Ｐａ低いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
燃料電池スタックにおける電池を通しての圧力低下が、同一又は殆ど同一であり、かつ該スタックの電池内のガスチャンネルを通しての圧力低下がまた、同一又は殆ど同一であり、かつ水素利用が９０％を超えることを特徴とする、９９％より少ない水素を含む水素含有ガス混合物を供給される、請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
水素利用が、９５％を超えることを特徴とする請求項７記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
少なくとも燃料電池スタックを含む、結合された熱及び電力発生システムにおいて、スタック又は複数のスタック中で直列に接続された電池の数が、合計ＤＣ出力電圧が、それがインバーターを通して接続されているＡＣグリッドのピーク電圧を超えるようなものであることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
燃料電池スタックが直接に（即ちガルバニック分離がなく）、変圧器なしでインバーターを通ってＡＣグリッドに連結されていることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
燃料電池スタックのＤＣ操作電圧がＡＣグリッド電圧と直接的関係を有し、ＡＣグリッド電圧が減少して従ってグリッドを安定化するとき、燃料電池スタックにより増加された電力発生をもたらすことを特徴とする請求項９又は１０記載の装置。
【請求項１２】
電圧が所定の最大値を超えるなら、又は電圧が所定の最小値未満になるなら、装置のスイッチが切られることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一つに記載の装置。
【請求項１３】
燃料電池スタックがＤＣを発生し、かつスタックとグリッドとの間にガルバニック分離がないことを特徴とする、ＤＣをＡＣに変換するためのグリッド接続されたインバーター。
【請求項１４】
接続された燃料電池スタックのＤＣ出力電圧が、それが接続されているグリッドのＡＣ電圧より１．４１４２１４５６２倍を超えて大きいことを特徴とする請求項１３記載のインバーター。
【請求項１５】
ＡＣ出力が、グリッドに比較して位相ずれを有しないことを特徴とする請求項１３又は１４記載のインバーター。
【請求項１６】
インバーターの操作温度が、燃料電池スタックの操作温度を超えることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一つに記載のインバーター。
【請求項１７】
インバーターが水冷却され、かつ熱がシステムにおいて使用されることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれか一つに記載のインバーター。
【請求項１８】
少なくとも燃料電池スタック及びリフォーマーを含む、結合された熱及び電力発生システムにおいて、リフォーマーの断熱、フィードガスの予熱、転化されたガスの冷却及びＣＯからＣＯ２への転化器が、単一の反応器へと統合されており、かつＣＯからＣＯ２への転化のための触媒が、転化されたガスの冷却チャンネル中にあることを特徴とするシステム。
【請求項１９】
統合された反応器及び熱交換器が、４枚の平行なブレードを持つスパイラルの形状を有することを特徴とする請求項１８記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素を水素に富む混合物に転換する、ポリマー電解質燃料電池スタック及び燃料処理システムを含む熱及び電力発生装置を提供することを目的とし、本発明に従う装置は高い電気的及び熱的効率を有する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリマー電解質燃料電池、又はＰＥＭ燃料電池は、例えばＧｉｌｌｓ Ｌｅｑｕｅｕｘ による”Ｔｈｅ　３ｒｄ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ”の予稿集中の”Ｆｅｕｌ ｃｅｌｌｓｉｎ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｆｔｈ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ”等の文献から知られるように広く知られている燃料電池である。低い運転温度、長寿命、高い電力密度、及び、低コストの可能性から、ＰＥＭ燃料電池は小さいユニットにおいて化石燃料を熱及び電力に転換するための有力な候補になっている。
【０００３】
炭化水素は、水素に富むガス混合物に転換することができる。ＰＥＭ燃料電池は、水素を燃料として必要とするが、その触媒はある種の硫黄化合物及び例えばＣＯに耐性が無い。燃料電池の電気的触媒の汚染を回避するために、燃料、例えば天然ガス、ブタン、ＬＰＧ等を硫黄化合物等の有害な化合物を除去して、１００ｐｐｍ未満のＣＯを含むガス混合物に転換するために洗浄しなければならない。炭化水素を水素に転換するのは、所謂リフォーマー又は燃料プロセッサーで行われる。この反応容器において、燃料及び水蒸気が７００〜８００℃で、Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏの混合物に転換され、次の反応容器でＣＯ及び水蒸気がＣＯ２と水素に転換され、得られるガス混合物が選択的酸化反応容器を通過させられて、残留するＣＯが少量の酸素によりＣＯ２に酸化される。
【０００４】
ＰＥＭ燃料電池は、熱及び電力を発生する。燃料電池スタックで発生される熱は、除去されなければならない。この熱エネルギーを効率的に使用するために、有用な温度において熱が除去される必要がある。
【０００５】
ＤＣ電力は、グリッドに接続されたインバーターで転換されて、グリッドに供給される。電力は、直接使用することもできる。
【０００６】
ＰＥＭ燃料電池のカソードでは、反応水が形成される。アノードでは、湿った水素含有ガスが供給される。従来のＰＥＭ燃料電池の疎水性ガスチャンネル内で水を濃縮して滴を形成することができ、これらの滴は、これらのチャンネルから除去されなければならない。水滴を除去する公知の方法は、これらのチャンネルに高い圧力低下を適用し及び／又は圧力パルスを発生することによる。高圧の使用は、空気コンプレッサーを必要とし、従って、簡易なファンを用いるのよりも高価である。該方法の他の欠点は、チャンネル中の水滴数は総てのチャンネルについて同じではなく、これらのチャンネル間の流れに差を生じ、及び、ガスの利用を減じる。
【０００７】
リフォーマーにおいて、炭化水素は水素に富むガス混合物に転換される。リフォーマーは、１３００℃までの高温で操作される。熱いリフォーマーは、熱損失を減じるために、絶縁されなければならない。既存のリフォーマー技術はこれらの熱損失を数１００ワット未満までに減じることができず、特に１〜２キロワットの小さいシステムにとって大きな効率損失をもたらす。
【０００８】
燃料電池ベースのマイクロ熱電併給ユニットの大規模な適用は、マイクロ熱電併給ユニットにより発生される電力の価格が大規模中央電力プラントにより発生される電力の価格と同等になり、及び、総合効率が既存の技術の効率よりも高い場合にのみ実施されるであろう。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明に従う装置において、既存技術の多くの欠点が相互に関連した多くの手段の組合わせにより、除去される。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、親水性ガス分配チャンネルが、現時点の技術である疎水性チャンネルに代えて使用される。本発明によれば、これらの親水性チャンネルは、親水性キャピラリードレインに接続され、そして従って、該チャンネルは、ガスチャンネルを通しての高い圧力低下を与える必要なしに水滴がないものとなる。該チャンネルから全ての反応水を適切に排出させるために、該キャピラリードレインシステムにおける圧力は、該チャンネル中のガス圧力より５００Ｐａを超えて低くなければならない。これは、何百マイクロメートルの特徴ある寸法を持つ、ガスチャンネルに接続されるところの組立てられた表面を使用することにより実現される。構造化された親水性表面の形状自体は重要ではなく、かつチャンネル、ピラミッド、ファイバー、ファブリック等の形態を有し得る。しかし、電池極板における夫々のガスチャンネルが、キャピラリー構造に接続され、かつこのキャピラリー構造を通って水ドレインと接続されることが重要である。途切れのない水フィルムが、ガスチャンネルの表面並びにキャピラリー構造の表面に存在することができるなら、かつこの接続が反応水の十分な流れを可能にするなら、チャンネルは接続される。除去されなければならない水の体積が、ガス流れより約１０００倍少ない故に、本発明に従うキャピラリードレインによる水の除去に要求される電力は非常に小さい。ガスチャンネルを通しての必要な圧力低下は、著しく減じられ、かつ該流れ、チャンネル寸法及びチャンネル長さに依存して１００Ｐａより小さくあり得る。１ｋＷｅのマイクロ電熱併給システムにおいて、１ワットのファンが、燃料電池に所望量の空気を供給するために十分であろう。従って、随伴する騒音、メンテナンス、コスト及び高いエネルギー消費を伴うエアーコンプレッサーを使用する必要性がなくなる。
【００１１】
高いシステム効率を得るために、リフォーマーからの熱損失は最小にされなければならず、かつ流れ抵抗は可能な限り減じられなければならない。「デュワービン」のような真空隔離を使用することによってさえ、７００〜８００℃のピーク温度を持つ小さなリフォーマーからの熱損失は、放射損失の故に１ｋＷの電力マイクロ電熱併給システムのために２００Ｗより小さくないであろう。ピーク温度にリフォーマーのフィードガスを加熱することは、もし、排気ガスがこの高温で反応器を出るなら、何百ワットを要するであろう。
【００１２】
本発明によれば、これらの問題は、フィードガスの加熱、発熱リフォーミング反応器、シフト反応器、及び高温の改質されたガス流の冷却が、フィードガスが、排気ガスにより並びに発熱ＣＰＯ反応及び／又は一酸化炭素と酸素との間の発熱反応又は水素と酸素との間の発熱反応により加熱されるように向流において統合され、この熱交換器が、ＣＰＯ反応の発熱により共加熱（ｃｏ−ｈｅａｔ）されるところの非常に多数の熱放射反射材の形式を有し、かつ統合された反応器が、好ましくは４枚のブレード、及びこれらブレードの間にフィードガス（炭化水素含有ガス）、空気含有ガス混合物、改質されたガスのためのチャンネル及び空のチャンネルを有するマルチブレードスパイラルの形式を有するところの装置により解決される。実験は、熱損失が、慣用の反応器設計と比較して約１０％に減じられることを示した。
【００１３】
【発明の実施の形態】
このシステムのフィードガスを湿らすために要求される熱は、合計の発生された熱の約１０％であり、要求される温度レベルは、燃料電池スタックの温度レベルより高い。必要な流れは、約８０℃の温度におけるリフォーマーの熱損失を使用することにより発生され得る。なぜならば、燃料電池スタックからの熱を使用することによりその温度レベルにおいてこれを行うことが不可能だからである。湿らせることのために、好ましくは直接接触装置が、向流充填カラムが使用されるように使用される。ガス流中に水を蒸発させることにより冷却されるところのこの充填フラッデドカラムの熱水流は、燃料電池スタックにより再加熱され、そして次いで、約８０℃にリフォーマーの外側シェルにより加熱される。リフォーマーは、それ自体のフィードガスを湿らすために、丁度十分な熱損失を発生するように設計される。大気圧において該システムを操作することにより、フィードガスを湿らすために必要な水の大部分を蒸発することを可能にする。これは著しく、該システムのエネルギー効率を増加させる。フィードガスを湿らすために必要な熱は、燃料電池スタックにより製造される合計熱の約７０％である。不十分な燃料電池温度は、水蒸気発生のための特別の燃料を必要とし、従って、システム効率を減じる。
【００１４】
熱及び電力発生システムは、一般にグリッドに接続される。グリッドは家庭の中の小さい局所ＡＣ−グリッドまたは公共グリッドであってよい。電力がグリッドへと送り返されるとすれば、転換損失を最小にすることが大切である。出力電圧を増大するための変圧器の使用は、電力損失３〜５％をもたらす。本発明に従い、多数の個別の電池を有する燃料電池スタックの使用によってこの電力損失が回避される。電池の数は、スタックのＤＣ出力電圧がグリッドのＡＣピーク電圧を上回るように選択される。（ピーク電圧は、ＡＣ電圧×２＾０．５＊として定義される。２３０ボルトではＡＣグリッドピーク電圧は２＾０．５＊２３０＝３２５ボルトである。）これにより、変圧器の必要及びそれに伴う損失がなくなる。唯一残る損失は、高周波スイッチング損失である。他の利点は、グリッドに接続されたインバーターの実質的なコスト減である。何故なら、この装置は、ほとんど固体状態高周波スイッチまでに減じられるからである。
【００１５】
高いＤＣ出力電圧を有するＰＥＭスタックを使用する結果は、同じ出力を発生するのに必要な電池の数が増すことである。より多くのコンポーネントを有することの欠点、及び、より高いアセンブリコストは、利点による補償を上回る。小さい電池で発生される熱は、よりよく除去され、該電池内での圧力損失はより小さく、反応水はよりよく除去され、電池コンポーネントはより多くの数で製造することができ、スケール効果により経済的に利する。しかし、電池の活性面積を減らすことは、非効果的な面積の割合を増やす。従って、プロトン伝導膜、気体拡散層及び触媒のような高価な材料は、活性領域に限定されなければならない。
【００１６】
高ＤＣ電圧ダイレクトガルバニックグリッドに接続された燃料電池は、驚くことに、他の利点を有する；自動ピークシェービングである。ＰＥＭ燃料電池のような燃料電池は、Ｉ−Ｖ曲線の高効率領域で、広い電流範囲において比較的一定の電圧を有する。スタックが変圧器に直接接続されていれば、本発明のインバーターがより少なくグリッドに接続され、グリッド電圧は公称電圧未満に減少し、スタックのＤＣ出力電圧も減少するが、電流が相当程度増大し、スタックの出力電力を増大する。この応答特性は、グリッドを安定化する。グリッド電圧が減少すれば、スタック及びシステムの出力電力は増大し、公称グリッド電圧より高い電圧では、出力電力が減少し、それに伴いスタックの効率が増大する。
【００１７】
本発明に従うインバーターは改良された効率を有するが、いくらかの損失は未だに残る。これらの損失は、一般に電力の２〜５％であり、これらの損失は熱を発生する。公知の、グリッド接続インバーターは一般に低温における空冷式であり、熱エネルギーが失われる。本発明に従うインバーターはより高い温度で冷却できる。熱損失は、有用な温度において起こり、及び、水温を上げるためにシステムで使用することができる。インバーターは、好ましくは水冷であり、スタックの低温水出口と熱水保存容器との間に位置させることができる。
【００１８】
装置の制御システムのコストは、通常、装置のサイズ、能力又は出力と直線関係にない。従って、小さいシステムについては、制御のためのコストが相対的により高い。従来の制御は、小さい規模の熱及び電力発生ユニットに対してあまりにも高価過ぎる。本発明に従うシステムは、大気圧または大気圧に近い圧で操作することができる。ガスチャンネルに亘る圧力損失は、滴が形成されないので一定であり、本発明の細管排水（キャピラリドレイン）は水を除去する。この一定で均一な圧力損失のために、流れはマスフロー制御に代えて、単に圧力制御によって定量的に送ることができる。リフォーマーへと流れなければならない空気とスタックの中を流れなければならない空気との比は、双方のユニットにおける適切な流れ制限の設計により制御される。総流れは、リフォーマー及びスタックの中に空気を通す空気ファンの電圧によりリフォーマー温度を制御することによって簡単に制御される。
【国際公開パンフレット】
2004508658.tif 000002
2004508658.tif 000003
2004508658.tif 000004
2004508658.tif 000005
2004508658.tif 000006
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2004508658.tif 000009