(57)【要約】発電システムは、燃料電池と酸素ガス送出し部とから構成される。燃料電池は、水素ガスの供給を受け取る陽極ガス入口を有する陽極チャネルと、陰極ガス入口および陰極ガス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でイオン交換を容易にするために、陽極チャネルおよび陰極チャネルと連通する電解溶液とを含む。酸素ガス送出しシステムは、陰極ガス入口に結合され、酸素ガスを陰極チャネルに送り出す。電流発生システムはまた、陰極ガス排気出口から陰極ガス吸気入口に排気された陰極排気ガスの一部分を再循環するための、陰極ガス排気出口に結合されたガス再循環手段を含む。
2004525489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの燃料電池と、
前記燃料電池に結合され、ガス供給物を前記燃料電池に送り出すための少なくとも１つのガス送出しシステムと、を含み、
前記ガス送出しシステムが、複数の流路であって、該複数の流路内の圧力上昇に応答して、第２ガス成分に比べて第１ガス成分を優先して吸着する吸着材料をその内部で受け取るための複数の流路と、長手方向軸を有する回転子と、を含む回転圧力スイング吸着器モジュールを備え、前記複数の流路が前記回転子の前記軸と整列している、電流発生システム。
【請求項２】
前記ガス送出しシステムが、酸素ガス送出しシステムまたは水素ガス送出しシステムから選択される、請求項１に記載の電流発生システム。
【請求項３】
少なくとも１つの燃料電池と、
前記燃料電池に結合されガス供給物を前記燃料電池に送り出すための少なくとも１つのガス送出しシステムと、を含み、
前記ガス送出しシステムが、それぞれ第１弁フェースおよび第２弁フェースと連通する第１端および第２端を有する複数の吸着器を含む回転圧力スイング吸着器モジュールを含み、
前記複数の吸着器が吸着器ハウジング本体内に収容され、該吸着器ハウジング本体が、それぞれ前記第１および第２弁フェースにて前記吸着器ハウジング本体に密封して取り付けられる第１および第２弁本体と協働するようになされており、前記第１および第２弁本体が、前記吸着器ハウジングに関して回転するようになされている、電流発生システム。
【請求項４】
前記ガス送出しシステムが、酸素ガス送出しシステムまたは水素ガス送出しシステムから選択される請求項３に記載の電流発生システム。
【請求項５】
前記ガス送出しシステムが、酸素ガス送出しシステムを含み、前記回転圧力スイング吸着器モジュールが、前記第１弁本体と、それぞれ供給空気入口導管および排気放出導管の間で流体連通を提供する伝達チャンバを、さらに含む請求項４に記載の電流発生システム。
【請求項６】
前記ガス送出しシステムが、酸素ガス送出しシステムを含み、前記回転圧力スイング吸着器モジュールが、前記第２弁本体と生成物酸素出口との間で流体連通を提供する伝達チャンバをさらに含む、請求項３に記載の電流発生システム。
【請求項７】
水素ガスの供給を受け取るための陽極ガス入口を備える陽極チャネルと、陰極ガス入口および陰極ガス出口を備える陰極チャネルと、を含む燃料電池と、
前記陰極ガス入口に結合され、前記陰極チャネルにガス状の流れを送り出すための酸素ガス送出しシステムと、を含み、
前記酸素ガス送出しシステムが回転圧力スイング吸着システムを含み、該回転圧力スイング吸着システムが、前記陰極ガス入口に流体結合され且つ第１酸素純度を有する、酸素が濃縮されたガス状の流れを発生可能となされており、前記酸素ガス送出しシステムが圧縮空気入口をさらに含み、該圧縮空気入口が、前記陰極ガス入口の上流にて圧縮空気を酸素が濃縮されたガス状の流れと混合させ、それによって前記第１酸素純度より低い第２酸素純度を有する陰極供給ガスの流れを形成させるようになされている、電流発生システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流を発生させるための燃料電池に関する。詳細には、本発明は、燃料電池の効率を向上させるために圧力スイング吸着法を利用する燃料電池ベースの発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、環境にやさしい電流源を提供する。発電用に使用される燃料電池の一形式は、水素ガスを受け取る陽極と、酸素ガスを受け取る陰極と、アルカリ性電解溶液とを含む。別の形式の燃料電池は、水素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、陰極チャネルから陽極チャネルを分離するポリマー電解質膜（ＰＥＭ）とを含む。どちらの場合も、陰極に入る酸素ガスは電解溶液を越えて電子の流れを生成する水素イオンと反応する。環境に安全な水蒸気も副産物として生成される。しかし、いくつかの要因が、発電システムとしての燃料電池の広範囲での使用を限定してきた。
【０００３】
燃料電池から連続して電力源を引き出すためには、連続した酸素ガスおよび水素ガスの供給源を有する燃料電池を提供することが必要である。しかし、大気中の空気を陰極チャネルへの酸素の直接の源として用いると、ＰＥＭ燃料電池の性能は、酸素の低い分圧および窒素の濃度分極によって著しく損なわれ、一方、アルカリ性燃料電池は、供給された空気から二酸化炭素を除去するための前処理精製システムを必要とする。さらに、大気中の空気を供給する陰極チャネル中の平均酸素濃度は一般に約１５％にすぎないので、産業用の応用例に十分な電力を提供するためには、燃料電池のサイズが望ましくないほど大きくならなければならない。
【０００４】
特に車両推進用にＰＥＭ燃料電池システムから競合できる電流密度を得るのに十分な陰極チャネル内の酸素分圧を達成するために、供給された空気を、陰極チャネルに入れる前に少なくとも３気圧に圧縮することが必要である。後でわかるように、供給された空気を十分に圧縮するために電力を入力すると、燃料電池システムの全体的効率が下がる。酸素を濃縮するためにポリマー膜を使用することが提案されたが、実際には、そのような膜は酸素の分圧を低下させ、全圧力の低下分が、実施可能な限られた濃縮分を相殺してさらに引き下げる。
【０００５】
水素の外部での製造、精製、計量供給および保管（圧縮ガスまたは極低温液体として）は高価なインフラストラクチュアを必要とし、一方、水素燃料の車両への保管は、相当の技術的経済的な障害となる。したがって、据置き式発電の場合、天然ガスから水蒸気改質または部分酸化およびそれに続く水性ガスシフトにより水素を生成することが好ましい。液体燃料を使用する燃料電池を積載した車両の場合は、水素を、水蒸気改質によるメタノール、あるいは自熱改質の部分酸化によるガソリンから、この場合もそれに続く水性ガスシフトによって生成することが好ましい。しかし、得られる水素は、一酸化炭素不純物および二酸化炭素不純物を含み、ＰＥＭ燃料電池触媒性電極およびアルカリ性燃料電池電解溶液は、それぞれこれらの一酸化炭素不純物および二酸化炭素不純物が微量レベルより多いとき、許容することができない。
【０００６】
自熱あるいは部分酸化燃料処理装置を使用して動作する従来技術のＰＥＭ燃料電池では、周囲空気を酸化剤として使用する。これにより、燃料処理装置システムを通して多量の窒素を加熱し冷却しなければならなくなる。この相当量の窒素は、燃料処理装置および陽極チャネル全体での圧力損失を引き起こし、あるいは、これらの通路をより大きく作るというコスト的および物理的容積の不利益の一因となる。
【０００７】
燃料電池排気からの水の回収は、効率的な燃料処理装置動作のために極めて望ましいが、従来の燃料電池は、酸素が希釈された陽極排気ガスを大気中に放出し、それによって、水を回収するために追加のコンデンサが必要とされ、次いで、水を燃料処理装置内で、相当のエネルギーコストをかけて蒸発させなければならない。このコンデンサは、大量の低品質の熱を放熱しなければならないので、自動車の燃料電池の発電装置ですでに問題であるラジエータの冷却負荷を大きくする。
【０００８】
ＰＥＭ燃料電池への水素供給物から残留一酸化炭素を除去する従来の方法は、いかなる燃焼熱も回収せず、一酸化炭素と水素の画分の両方が低温酸化で消費されるので、効率を損なう触媒性選択酸化であった。パラジウム拡散膜を、水素精製のために使用できるが、精製された水素が低圧で送られ、また希少で高価な材料を使用するという欠点がある。
【０００９】
圧力スイング吸着システム（ＰＳＡ）は、汚染物質が重大なレベルに至ることなく、酸素ガスおよび水素ガスの連続供給源を提供できるという魅力的な特徴をもつ。ＰＳＡシステムおよび真空圧力スイング吸着システム（真空−ＰＳＡ）は、混合物のより吸着されにくいガス成分と比べて、吸着されやすい方のガス成分を優先して吸着する吸着ベッド上で圧力サイクリングと流れ反転を調整して、ガスの画分を混合ガスから分離する。混合ガスが、吸着材ベッド内で第１端から第２端に流れるとき混合ガスの全圧力は吸着材ベッド内で増大され、混合ガスが、吸着材ベッド内で第２端から流れて第１端に戻るとき、混合ガスの全圧力は吸着材ベッド内で減少される。ＰＳＡサイクルが繰り返されると、吸着されにくい方のガス成分は、吸着材ベッドの第２端の近傍で濃縮され、一方、吸着されやすい方のガス成分は、吸着材ベッドの第１端の近傍で濃縮される。その結果、「軽い」生成物（吸着されやすい方のガス成分が希釈され、吸着されにくい方のガス成分が濃縮されたガスの画分）がベッドの第２端から送り出され、「重い」生成物（強く吸着される方の成分が濃縮されたガスの画分）がベッドの第１端から排気される。
【００１０】
しかし、圧力スイング吸着または真空圧力スイング吸着を実施する従来システムは、２個またはそれ以上の据置き式吸着材ベッドを平行に使用し、そのベッドは、その両端で各吸着材を圧力源および圧力シンクに交互の順序で連結する方向弁を有する。このシステムは、必要とされる弁が複雑なため、しばしば実施することが難しくまた費用がかかる。
【００１１】
さらに、コンプレッサの送出し圧力がサイクルの最大圧力であるコンプレッサによって、供給ガスの加圧がされるので、従来のＰＳＡシステムは、加えられたエネルギーを非効率的に使用する。次いで、ＰＳＡでは、加圧に使用される供給ガスの圧縮で消費されたエネルギーは、絞りの際、複数の弁を介して、吸着器と高圧力源の間の瞬間圧力差の間で逸散される。同様に、真空ポンプの排気ガスの圧力でサイクルの低い方の圧力が実現される真空−ＰＳＡでは、エネルギーは、絞りの際、複数の弁を介して、圧力が低減される吸着器の向流ブローダウンの間に逸散される。両システムにおけるさらなるエネルギーの逸散は、パージ、等圧化、並流ブローダウン、および生成物の加圧またはバックフィルのステップで使用される軽成分還流ガスを絞る際に行われる。これらのエネルギーシンクは、燃料電池システムの全体の効率を低減させる。
【００１２】
さらに、従来のＰＳＡシステムは、一般に比較的低いサイクル周波数においてのみ動作でき、多量の吸着材の在庫を使用すること必要とする。得られる寸法が大きく重量の重いそのようなＰＳＡシステムは、車両の燃料電池の応用例には適さない。したがって、従来の酸素濃縮用ＰＳＡユニットは、４０ｋＷの燃料電池に十分な約２００リットル／分の酸素を含む生成物の流れを送リ出すために、約４００リットルの吸着材ベッド体積および圧力容器およびＰＳＡサイクル制御弁用の追加の据え付け体積約１００リットルを必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、産業用の応用例のために十分な発電を行うと共に車両の応用例に適した効率的な燃料電池ベースの発電システムが必要とされている。また、より高いサイクル周波数で動作すると共に車両の燃料電池ベースの応用例に適する小型で軽量の水素および酸素のＰＳＡシステムが必要とされている。
【発明を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、従来技術の燃料電池発電システムの欠陥に対処する燃料電池ベース発電システムが提供される。
本発明の第１実施形態による電流発生システムは、燃料電池と酸素ガス送出しシステムを含む。燃料電池は、水素ガスの供給を受け取る陽極ガス入口を有する陽極チャネルと、陰極ガス入口および陰極ガス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でイオン交換を容易にするために、陽極チャネルおよび陰極チャネルと連通する電解溶液とを含む。酸素ガス送出しシステムは、陰極ガス入口に結合され、酸素ガスを陰極チャネルに送り出す。
【００１５】
電流発生システムはまた、陰極排気ガス（酸素が周囲空気に比べさらに濃縮され、燃料電池排気水および燃料電池の廃熱を搬送する）の一部分を陰極ガス排気出口から陰極ガス吸気入口に再循環するための、陰極ガス排気出口に結合されたガス再循環手段を含む。
【００１６】
いくつかの実施形態では、陰極排気ガスの少なくとも一部分は、未加工の水素または合成ガスを生成するために酸素および水蒸気と炭化水素燃料とを反応させる自熱あるいは部分酸化燃料処理装置（または改質器）の入口に戻される。
【００１７】
第１実施形態の好ましい実施では、酸素ガス送出しシステムは、空気から濃縮された酸素を抽出する酸素ガス分離システムを含む。好ましくは、酸素ガス分離システムは、固定子、および固定子に対して回転可能な回転子を有する回転モジュールを含む酸素圧力スイング吸着システムを備える。回転子は、流路内の圧力が上昇するのに応答して、第２成分と比べて第１成分を優先的に吸着する吸着材料をその中で受け取るいくつかの流路を含む。圧力スイング吸着システムはまた、回転モジュールに結合された圧縮機械を含み、その圧縮機械は第２ガス成分から第１ガス成分を分離し、流路内のガスの流れを容易にする。固定子は、第１固定子弁表面と、第２固定子弁表面と、固定子弁表面に開口する複数の機能区画とを含む。機能区画は、ガス供給区画と、軽成分還流出口区画と、軽成分還流戻り区画とを含む。
【００１８】
一変形形態では、圧縮機械は、圧縮空気をガス供給区画に送り出す圧縮機と、軽成分還流出口区画と軽成分還流戻り区画との間に結合された軽成分還流エクスパンダとを含む。ガス再循環手段は、陰極ガス出口から排気され圧力を受けて陰極ガス入口に入る酸素ガスを供給する軽成分還流エクスパンダに結合された圧縮機を含む。その結果、圧力スイング吸着システムから回収されたエネルギーを、陰極ガス入口に送り出された酸素ガスの圧力を上昇させるために利用することできる。
【００１９】
別の一変形形態では、圧力降下のための絞りオリフィスが、軽成分還流エクスパンダの代わりに、軽成分還流出口区画と軽成分還流戻り区画との間に配置される。ガス再循環手段は、陰極ガス出口に結合され酸素ガスを陰極ガス入口に供給する圧縮機と、陰極ガス出口と加圧区画との間に配置された、圧力スイング吸着システムに供給ガスとして酸素ガスの一部分を循環させるための絞りオリフィスとを含む。その結果、陰極ガス出口から回収されたエネルギーを、ＰＳＡシステムを介して陰極ガス入口を加圧する助けとして使用できる。
【００２０】
本発明の第２実施形態による電流発生システムは、燃料電池と、酸素ガス送出しシステムと、水素ガス送出しシステムとを含む。燃料電池は、陽極ガス入口および陽極ガス出口を有する陽極チャネルと、陰極ガス入口および陰極ガス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でイオン交換を容易にするために、陽極チャネルおよび陰極チャネルと連通する電解溶液とを含む。
【００２１】
酸素ガス送出しシステムは、陰極ガス入口に結合され、酸素ガスを陰極チャネルに送り出す。水素ガス送出しシステムは、陽極ガス出口から第１水素ガス供給物を受け取る水素ガス入口と、第１水素ガス供給物から水素ガスを受け取った水素ガスを、純度を上げて陽極チャネルに送り出す、陽極ガス入口に結合された水素ガス出口とを含む。
【００２２】
第２実施形態の好ましい実施では、酸素ガス分離システムは、酸素圧力スイング吸着システムを含み、水素ガス分離システムは、炭化水素燃料から第２水素ガス供給物を生成する反応器と、反応器に結合され、第１および第２水素ガス供給物から受け取った水素ガスを精製するための水素圧力スイング吸着システムとを含む。両方の圧力スイング吸着システムは、固定子、および固定子に対して回転可能な回転子を有する回転モジュールを含む。回転子は、流路内の圧力が上昇するのに応答して、第２成分と比べて第１成分を優先的に吸着する吸着材料をその中で受け取るいくつかの流路を含む。機能区画は、ガス供給区画と重生成物区画とを含む。
【００２３】
一変形形態では、酸素圧力スイング吸着システムは、ガス供給区画に結合されたガス供給区画に加圧された空気を送り出す圧縮機と、圧縮機に結合され重生成物区画から窒素生成物ガスを抽出する真空ポンプとを含む。反応器は、合成ガスを生成するためのバーナを含む水蒸気改質器と、合成ガスを第２水素ガス供給物に変換するための、水蒸気改質器に結合された水性ガスシフト反応器とを含む。水素圧力スイング吸着システムは、重生成物区画からバーナに燃料ガスを送り出すための真空ポンプを含む。燃料ガスはバーナで燃焼され、そこで発生した熱を使用して、蒸気改質反応に必要な反応の吸熱を供給する。得られた合成ガスは、不純物を除去するために水性ガスシフト反応器に送り出され、次いで、第２水素ガス供給物として、水素圧力スイング吸着システムに送り出される。
【００２４】
他の変形形態では、本発明は、燃料を燃焼させるためのバーナを含む。反応器は、合成ガスを生成するための自熱改質器と、自熱改質器に結合された合成ガスを第２水素ガス供給物に変換する水性ガスシフト反応器とを含む。酸素圧力スイング吸着システムの圧縮機は、加圧された空気をバーナに送り出し、重生成物ガスは、水素圧力スイング吸着システムからテールガスとしてバーナで燃焼されるために送り出される。また酸素圧力スイング吸着システムの圧縮機械は、圧縮機に結合されたエクスパンダを含み、そのエクスパンダはバーナから放出された熱い燃焼ガスで圧縮機を駆動する。バーナからの熱を使用して、空気および／または自熱改質器に供給される燃料を予熱することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を例示のためだけに記載する。
まず、本発明の理解を助けるために、図１から６を参照して、本発明で使用するのに適した圧力スイング吸着プロセスおよび関連装置について説明する。その後、酸素分離圧力スイング吸着システムおよび水素分離圧力スイング吸着システムを、それぞれ図７および８を参照して説明する。次に、図９から本発明の２つの実施形態ならびにそれらの変形形態を説明する。
【００２６】
図１、２、３および４
本発明の一部で使用するのに適した回転モジュール１０を、図１、２、３および４に示す。このモジュールは、固定子１４内の矢印１３で示す方向に軸１２の周りを回転する回転子１１を含む。しかし、本発明は回転モジュールを含むＰＳＡシステムに限定されるものでないことを理解されたい。むしろ他の配置も本発明の範囲を逸脱することなく利用できる。例えば、望むならば、本発明は各吸着材のそれぞれで圧力源および圧力シンクに交互の順序で連結する方向弁を有する複数の並列据置き式吸着材ベッドで利用できる。しかし、後で明らかになるように、効率化および小型化という非常に望ましい特徴があるので回転モジュール１０が好ましい。
【００２７】
回転ＰＳＡモジュールは、回転弁機能を提供する回転吸着器モジュールを有するモジュールと、回転弁と協働する好ましくは吸着器モジュールと同軸の固定吸着器モジュールを有するモジュールとを含む。特定の実施形態では、回転ＰＳＡモジュールは、吸着器モジュールの両端に供給および生成物回転弁フェースを有する円筒の軸方向流の吸着器モジュールである。吸着器モジュールは回転してもよいし、固定のままでもよいが、後者の場合は、ケーシングと回転弁回転子との間の流体移動を含む。
【００２８】
一般に、回転モジュール１０を、吸着器要素を通る流れが、回転子軸に対して径方向、軸方向または傾斜した円錐方向になるように構成することができる。高いサイクル周波数の動作の場合、径方向の流れが、向心加速度が流路に平行であり、浮力駆動の自由対流の最も好ましい安定をもたらすという利点がある。径方向流れの構成は、モジュール容量が大きい場合に好ましい。
【００２９】
軸方向流の構成は、モジュール容量がより小さい場合に好ましく、有利には、少なくとも約３００ｋＷより低く電力定格がより小さい場合には、ＰＳＡシステムを統合する燃料電池システムを小型にすることができる。小型化は、自動車の燃料電池発電装置におけるＰＳＡシステムの実用的な使用を可能とするための重要な考慮点である。図２で示すように、回転子１１は、軸１２と同軸であり、外壁が第１弁表面２１である外側円筒壁２０と、内壁が第２弁表面２３である内側円筒壁２２とを有する環状区画からなる。回転子は、（図４の矢印１５および１６で決定される断面内で）合計「Ｎ」個の径方向流吸着器要素２４を有する。隣接する吸着器要素２５および２６の対は、外壁２０および内壁２２に構造的に密封接合された隔壁２７によって隔てられる。隣接する吸着器要素２５および２６は、軸１２に関し、角度が３６０／Ｎ度だけ離れている。それによって吸着器要素と弁表面が単一ユニットに統合され、吸着器要素がデッドスペースなしで弁表面に非常に近接して位置するので、回転モジュール１０は、従来のＰＳＡシステムよりも、小型になり、効率的になる。
【００３０】
吸着器要素２４は、支持スクリーン３１で画定される第１端３０と、支持スクリーン３３で画定される第２端３２とを有する。吸着器は、粒状の吸着材として提供されてもよく、その吸着材の充填間げきが吸着器の第１端と第２端の間で吸着材に接触する流路を画定する。しかし、参照により本明細書に組み込まれた同時係属米国特許第０８／９９５，９０６号に記載のように、好ましくは、吸着器要素が、吸着器の第１端と第２端の間に延びる積層の薄いシートのアレイとして提供され、そのシートは、強化マトリックスで支持されたゼオライトなどの吸着材を有し、シート間のスペーサによって流路が確立される。約１５０ミクロンの厚さを有する、Ｘゼオライトを使用する積層のシート吸着器は、従来の粒状吸着器に比べ、質量移動および圧力降下抵抗が大幅に低減し、それによって、１秒程度、さらには０．４秒もの短さのＰＳＡサイクル周期を使用して満足できる酸素濃縮動作が実施される。したがって、従来の約１分のＰＳＡサイクル周期のものと比べて、吸着材の使用量が大幅に低減され、モジュールの大きさが、従来の同じ容量のＰＳＡ装置と比べて、ほぼ２桁分小さくなる。その結果、格別にコンパクトなＰＳＡモジュールを使用することにより、本発明を車両の燃料電池発電装置に特に適したものにすることができる。
【００３１】
第１アパーチャまたはオリフィス３４は、第１弁表面２１から壁２０を通って吸着器２４の第１端３０に流れを連通させる。第２アパーチャまたはオリフィス３５は、第２弁表面２３から壁２２を通って吸着器２４の第２端３１に流れの伝達を提供する。支持スクリーン３１および３３は、それぞれ吸着器要素２４の第１アパーチャと第１端の間、および第２アパーチャと第２端の間で流れの分配３２を提供する。
【００３２】
図３で示すように、固定子１４は、外側円筒シェルまたは環状回転子１１の外側の第１弁固定子４０と、内側円筒シェルまたは環状回転子１１の内側の第２弁固定子４１とを含む圧力ハウジングである。外側シェル４０は、第１弁表面２１に密封して取り付けられた軸方向に延びるストリップシール（例えば４２および４３）を有し、一方、内側シェル４１は、第２弁表面２３に密閉して取り付けられた軸方向に延びるストリップシール（例えば４４および４５）を有する。好ましくは、ストリップシールの方位角方向のシーリング幅は、第１および第２弁表面中に開口する、第１および第２アパーチャ３４および３５の直径または方位角方向の幅より大きい。
【００３３】
外側シェルの第１区画の組がそれぞれ、環状セクタ内で第１弁表面に開口し、第１弁表面の角度セクタとモジュール外部のマニホールドとの間で流体連通を提供する。区画の角度セクタは、吸着器要素の角度間隔よりも十分に広い。第１区画は、第１シール表面上でストリップシール（例えば４２）によって分離される。図３で回転子の回転方向で時計周りに進むと、第１供給加圧区画４６は、導管４７で、第１中間供給圧力に保持された第１供給加圧マニホールド４８と連通する。同様に、第２供給加圧区画５０は、第１中間供給圧力より高いが、高い方の動作圧力よりは低い第２中間供給圧力に保持された第２供給加圧マニホールド５１と連通する。
【００３４】
さらに一般化した場合、モジュール１０は、２つの供給混合物が連続して導入される手段を備えて示され、第１供給ガスは、吸着されやすい方の成分の濃度が第２供給ガスに比べて低い。第１供給区画５２は、実質的に高い方の動作圧力に保持された第１供給マニホールド５３と連通する。同様に、第２供給区画５４は、実質的に高い方の動作圧力に保持された第２供給マニホールド５５と連通する。第１向流ブローダウン区画５６は、第１向流ブローダウン中間圧力に保持された第１向流ブローダウンマニホールド５７と連通する。第２向流ブローダウン区画５８は、低い方の動作圧力より高い第２向流ブローダウン中間圧力に保持されている第１向流ブローダウンマニホールド５９と連通する。重生成物区画６０は、実質的に低い方の動作圧力に保持されている重生成物排気マニホールド６１と連通することに留意されたい。区画５８は、ストリップシール４２および４３によって境界を画され、同様にすべての区画もストリップシールによって境界を画され、それで互いに分離される。
【００３５】
内側シェルの第２区画の組がそれぞれ、角度セクタ内で第２弁表面に開口し、第２弁表面の角度セクタとモジュールの外部のマニホールドとの間で流体連通を提供する。第２区画は、第２密封表面で、ストリップシールによって（例えば４４）分離されている。図３で、この場合も回転子の方向に時計周りに進むと、軽生成物区画７０は、軽生成物マニホールド７１に連通し、吸着器と、第１および第２オリフィス中を通って実質的に高い方の動作圧力から摩擦圧力降下を差し引いた圧力で、高い生成物ガスを受け取る。区画５２および５４に対する区画７０の角度範囲に応じて、軽生成物は、同時に存在する、区画５２から第１供給ガスを受け取る吸着器のみから、または第１および第２供給ガスの両方を受け取る吸着器から得られる。
【００３６】
第１軽成分還流出口区画７２は、ここで、実質的に高い方の動作圧力から摩擦圧力降下を差し引いた圧力である第１軽成分還流出口圧力に保持されている軽成分還流出口マニホールド７３と連通する。第１並流ブローダウン区画７４（実際は第２軽成分還流出口区画である）は、高い方の動作圧力より低い第１並流ブローダウン圧力に保持されている第２軽成分還流出口マニホールド７５と連通する。第２並流ブローダウン区画、または第３軽成分還流出口区画７６は、第１並流ブローダウン圧力より低い第２並流ブローダウン圧力に保持されている第３軽成分還流出口マニホールド７７と連通する。第３並流ブローダウン区画、または第４軽成分還流出口区画７８は、第２並流ブローダウン圧力より低い第３並流ブローダウン圧力に保持されている第４軽成分還流出口マニホールド７９と連通する。
【００３７】
パージ区画８０は、第４軽成分還流戻りマニホールド８１と連通し、第４軽成分還流戻りマニホールド８１は、第３並流ブローダウン圧力から摩擦圧力降下分の余裕を含む、実質的に低い方の動作圧力に、膨張された第４軽成分還流ガスを供給する。軽成分還流の加圧ステップの順序は、軽成分還流出口、並流ブローダウンステップの順序から逆になり、したがって、望ましい「後出し先入れ（ｌａｓｔ  ｏｕｔ−ｆｉｒｓｔ  ｉｎ）」軽成分還流ガスパケットの成層化を維持する。したがって、第１軽成分還流加圧区画８２は、第３軽成分還流戻りマニホールド８３と連通し、第３軽成分還流戻りマニホールド８２は、第２並流ブローダウン圧力から、低い方の動作圧力より高い第１軽成分還流加圧圧力に膨張された第３軽成分還流ガスを供給する。第２軽成分還流加圧区画８４は、第２軽成分還流戻りマニホールド８５と連通し、第２軽成分還流戻りマニホールド８５は、第１並流ブローダウン圧力から、第１軽成分還流加圧圧力より高い第２軽成分還流加圧圧力に膨張された第２軽成分還流ガスを供給する。最後に、第３軽成分還流加圧区画８６は、第１軽成分還流戻りマニホールド８７と連通し、第１軽成分還流戻りマニホールド８７は、ほぼ高い方の圧力から、この例では第１供給加圧圧力より低く、第２軽成分還流加圧圧力より高い第３軽成分還流加圧圧力に膨張された第１軽成分還流ガスを供給する。
【００３８】
追加の詳細を図４に示す。導管８８が、第１区画６０をマニホールド６１に連結し、
複数の導管が区画６０内に十分な軸方向流を提供する。同様に、導管８９が、第２区画８０をマニホールド８１に連結する。固定子１４は、軸受９１および９２を備えるベース９０を有する。モータ９５が、シャフト９４に結合され、回転子１１を駆動する。あるいは、回転子を、リム周辺のいくつかの角度位置でローラによって支持された環状ドラムとして回転させ、またリムで駆動することができ、こうするとシャフトは必要でなくなる。リム駆動は、回転子に取り付けられたリングギア、または固定子がリムのアークに取り付けられた線形電磁モータによって提供することができる。特に水素分離の応用例の場合、シール漏れに関連する危険を除くために、回転子ドライブを固定子ハウジング内に耐密にして閉じ込めることができる。外側円周シール９６は、外側ストリップシール４２の端部および第１弁表面２１の縁部をシールし、一方、内側円周シール９７は、内側ストリップシール４４の端部および第２弁表面２３の縁部をシールする。回転子１１は、外壁２０と内壁２２との間にアクセスプラグ９８を有し、このアクセスプラグ９８は、吸着器２４中に吸着材を取り付け、除去するためのアクセスを提供する。
【００３９】
図５および６
図５は、前述のガス分離システムを使用して得られる典型的なＰＳＡサイクルを示し、一方、図６は、プロセスに第２供給ガスを提供するための第１生成物の一部分の重成分還流再圧縮を含む同様のＰＳＡサイクルを示す。
【００４０】
図５および６で、垂直軸１５０は、吸着器中の動作圧力、ならびに第１および第２区画中の圧力を示す。吸着器中の流れによる圧力降下は無視する。高い方および低い方の動作圧力を、それぞれ点線１５１および１５２で示す。低い方の動作圧力は、公称でまたはほぼ周囲大気圧でもよく、または真空ポンプを操作することで確立された、大気圧より低い圧力でもよい。一般に、高い方の動作圧力は、絶対圧力の比に基づき低い方の動作圧力の２倍から４倍の範囲にある。
【００４１】
図５および６の水平軸は、点１５６と１５７間の時間間隔で定義されたＰＳＡシステム周期を含む時間を示す。時間１５６および１５７で、特定の吸着器中の動作圧力は、圧力１５８である。時間１５６から始めて、吸着器の第１アパーチャ３４が、第１供給物供給手段１６０によって第１中間供給圧力１６１で供給される第１供給加圧区画４６に開口するとき、特定の吸着器（例えば２４）サイクルが開始する。吸着器中の圧力は、時間１５７で圧力１５８から第１中間供給圧力１６１に上昇する。先に進んで、第１アパーチャはシールストラップを通過して、まず区画４６に対して吸着器２４を閉じ、次に、第２供給物供給手段１６２によって第２中間供給圧力１６３で供給される第２供給加圧区画５０に吸着器２４を開く。吸着器の圧力は、第２中間供給圧力まで上昇する。
【００４２】
次に、吸着器２４の第１アパーチャ３４は、第３供給物供給手段１６５により実質的に高い方の圧力に保持されている第１供給区画５２に開口する。吸着器圧力が実質的に高い方の動作圧力に上昇すると、吸着器の第２アパーチャ３５（すべての第２区画に対して、時間１５６以降閉じ続けていた）が、軽生成物区画７０に開口し、軽生成物１６６を送り出す。
【００４３】
次に、図６のサイクルで、吸着器２４の第１アパーチャ３４は、第４供給物供給手段１６７により、やはり実質的に高い方の圧力に保持されている第２供給区画５４に開口する。通常、第４供給物供給手段は、吸着されやすい方の成分が、一般に、第１、第２および第３供給物供給手段によって提供される第１供給ガスより濃厚な第２供給ガスを供給する。図６に示す特定のサイクルでは、第４供給物供給手段１６７は、装置中に戻された重生成物の一部分を再圧縮する「重成分還流」圧縮機である。図５に示すサイクルでは、第４供給物供給手段はなく、区画５４は、除去するか、または、より広い円弧状角度範囲で固定子に延びる区画５２に統合することができる。
【００４４】
供給ガスが、区画５２または５４から吸着器２４の第１端になお供給されている間、吸着器２４の第２端は、軽生成物区画７０に対して閉じられ第１重成分還流出口区画７２に開いているが、その間に「軽成分還流」ガス（第２生成物ガスに類似して、吸着されにくい成分に濃縮された）が、第１軽成分還流圧力降下手段（あるいはエクスパンダ）１７０に送り出される。次に、吸着器２４の第１アパーチャ３４は、すべての第１区画に対して閉じ、その間に第２アパーチャ３５が、次々に（ａ）第２軽成分還流出口区画７４に対して開いて、吸着器圧力を第１並流ブローダウン圧力１７１に下降させ、その間に軽成分還流ガスが第２軽成分還流圧力降下手段１７２に送り出され、（ｂ）第３軽成分還流出口区画７６に対して開いて、吸着器圧力を第２並流ブローダウン圧力１７３に下降させ、その間に軽成分還流ガスを第３重成分還流の圧力降下手段１７４に送り出され、（ｃ）第４軽成分還流出口区画７８に対して開いて、吸着器圧力を第３並流ブローダウン圧力１７５に下降させ、その間に軽成分還流ガスを第４重成分還流の圧力降下手段１７６に送り出す。次に、第２アパーチャ３５は、向流ブローダウンステップに続く軽成分還流戻りステップまでの間、閉じられる。
【００４５】
軽成分還流圧力降下手段は、機械式エクスパンダ、膨張エネルギー回収のための膨張段、絞りオリフィスまたは不可逆圧力降下用の絞り弁でもよい。
最終軽成分還流出口ステップ（図５および６に示すように）後、またはそれ以前で、軽成分還流出口ステップがなお進行中に第２アパーチャを閉じるとき、第１アパーチャ３４は、第１並流ブローダウン区画５６に開口し、吸着器圧力が第１並流ブローダウン中間圧力１８０に降下し、その間に「重」ガス（さらに濃厚に吸着成分に濃縮された）を第１排気手段１８１に放出する。次に、第１アパーチャ３４は、第２向流ブローダウン区画５８に開口し、吸着器圧力が第１向流ブローダウン中間圧力１８２に降下し、その間に重ガスを第２排気手段１８３に放出する。最終的に、低い方の動作圧力に達し、第１アパーチャ３４は、重生成物区画６０に開口し、吸着器圧力が低い方の圧力１５２に降下し、その間に重ガスを第３排気手段１８４に放出する。第１アパーチャ３４が区画６０に開口している間に吸着器圧力が実質的に低い方の動作圧力に達したとき、生成物区画６０中により多くの重ガスを排気するために、第４軽成分還流ガスを第４軽成分還流圧力降下手段１７６から受け取るパージ区画８０に、第２アパーチャ３５が開口する。
【００４６】
図５で、第１、第２および第３排気手段からの重ガスは、重生成物１８５として送り出される。図６で、このガスは、重生成物１８５として部分的に放出され、その残りは、第４供給物供給手段１６７としての重成分還流圧縮機に、「重成分還流」１８７としてもう一度送り出される。軽成分還流が、軽生成物中で、吸着されにくい方の（「軽い」）の成分を高純度に近づけるのを可能とすると同様に、重成分還流が重生成物中で、吸着されやすい方の（「重い」）の成分を高純度に近づくことを可能とし、それによって、吸着されにくい方の（「軽い」）生成物の高い回収を実施することができる。
【００４７】
次に、第１および第２アパーチャが区画６０および８０に対して閉じられた後で、吸着器は、軽成分還流ガスによって再加圧される。続いて、第１アパーチャ３４が、少なくとも最初の間、閉じたままである間に、（ａ）第２アパーチャ３５が、第１軽成分還流加圧区画８２に開口して、吸着器圧力を、第１成分還流加圧圧力１９０に上昇させ、その間に、第３成分還流の圧力降下手段１７４から第３還流ガスを受け取り、（ｂ）第２アパーチャ３５が、第２軽成分還流加圧区画８４に開口して、吸着器圧力を第２成分還流加圧圧力１９１に上昇させ、その間に、第３成分還流の圧力降下手段１７２から第２還流ガスを受け取り、（ｃ）第２アパーチャ３５が、第３軽成分還流加圧区画８６に開口して、吸着器圧力を第３成分還流加圧圧力１９２に上昇させ、その間に、第１成分還流の圧力降下手段１７０から第１還流ガスを受け取る。軽成分還流加圧のための軽成分還流戻りがまだ終わらない間に、供給加圧がすでに開始されてはいない場合、プロセス（図５および６に基づいて）は、第３成分還流加圧ステップが終了するとすぐ、時間１５７以降に、サイクルの供給加圧を開始する。
【００４８】
第１および第２弁に絞りがない場合には、各吸着器中の圧力変動波形は方形の階段状になる。そのような絞りが、圧力および流れの過渡状態を滑らかにするために必要になる。バランスのとれた動作を提供するために、すべての吸着器要素およびアパーチャは、互いにほとんど同一であることが好ましい。
【００４９】
各加圧およびブローダウンステップの圧力変化速度は、第１および第２弁手段のポート（またはクリアランスまたはラビリンスシーリングギャップ）の絞り、または吸着器の第１および第２端のアパーチャの絞りによって制限されて、図５および６に示す典型的な波形が得られる。あるいは、アパーチャは、徐々にシールストリップによって開いて、アパーチャとシールストリップとの間で流れを制限する絞りを提供することができ、流れを制限する絞りは、細いテーパ型のクリアランスチャネルを有し、したがって、アパーチャが徐々にしか全流量にまで開かないようになっている。圧力変化の速さが過度に速いと、吸着器が機械的応力を受け、一方でまた、流れの過渡状態を引き起こし、この過渡状態は吸着器中の集中波形の軸方向の分散を進める傾向がある。流れの脈動および圧力は、同時にサイクルの各ステップを通過する複数の吸着器を有すること、および機能区画および関連するマニホールド内に充分な容積を提供し、それによって、それらの機能区画および関連するマニホールドが、圧縮機械と第１および第２弁手段との間で効果的にサージ吸着器として作用することによって最小限に抑えられる。
【００５０】
供給加圧、向流ブローダウン、排気または軽成分還流の各主要ステップ中に、より多くのまたはより少ない中間段を設けることによって、サイクルが多くの変形形態で一般化できることは明白である。望むならば、第１および第２弁の両方から同時に、組み合わされた供給と生成物加圧ステップ（あるいは組み合わされた並流と向流ブローダウンステップ）を中間圧力で実行することができる。供給加圧が始まる圧力は、向流ブローダウンが始まる圧力と異なってよい。さらに、空気分離または空気精製の応用例では、供給加圧段（一般に第１段）は、サイクルの中間圧力として大気と等圧化することによって実行することができる。同様に、向流ブローダウン段も、サイクルの中間圧力として大気と等圧化することによって実行することができる。
【００５１】
図７
図７は、窒素に対して選択性のあるゼオライト吸着材を使用した、空気から酸素を分離するためのＰＳＡシステムの簡略化された概略図である。軽生成物は、濃縮された酸素であり、一方、重生成物は、通常、廃棄物として排出される窒素が濃縮された空気である。図８で示すように真空圧力１５２を使用することもできるが、サイクルの低い方の圧力１５２は、公称の大気圧として示されている。供給空気が、フィルタ取入口２００を通って供給圧縮機２０１に導入される。供給圧縮機は、圧縮機第１段２０２と、中間冷却器２０３と、圧縮機第２段２０４と、第２中間冷却器２０５と、圧縮機第３段２０６と、第３中間冷却器２０７と、圧縮機第４段２０８とを含む。記載のように供給圧縮機２０１は、シャフト２１０に結合された原動機としてのモータ２０９を有する４段の軸方向圧縮機でよい。中間冷却器は任意選択である。図５を参照すると、供給圧縮機の第１および第２段は、第１中間供給圧力１６１で、導管２１２および水凝縮分離機２１３を通って第１供給加圧マニホールド４８に供給ガスを送り出す、第１供給物供給手段１６０である。供給圧縮機の第３段２０６は、第２中間供給圧力１６３で、導管２１４および水凝縮分離機２１５を通って第２供給加圧マニホールド５１に供給ガスを送り出す、第２供給物供給手段１６２である。圧縮機の第４段２０８は、高い方の圧力１５１で、導管２１６および水凝縮分離機２１７を通って第２供給マニホールド５３に供給ガスを送り出す、第３供給物供給手段１６５である。軽生成物酸素流が、導管２１８により実質的に高い方の圧力から摩擦圧力降下を差し引いた圧力に保持されている、軽生成物マニホールド７１から送り出される。
【００５２】
図７のＰＳＡシステムは、軽成分還流エクスパンダ２２０（ここでは４段を含む）を含むエネルギー回収エクスパンダと、シャフト２２２により供給圧縮機２０１に結合された、向流ブローダウンエクスパンダ２２１（ここでは２段を含む）とを含む。例えば、エクスパンダ段を、径方向流入タービン段、分離したホイールを有する全開吸気軸方向タービン段、または単一ホイールに結合された部分吸気衝撃タービン段として提供することができる。
【００５３】
第１軽成分還流出口マニホールド７３からの軽成分還流ガスは、高い方の圧力で、導管２２４およびヒータ２２５を通ってここでは第１エクスパンダ段２２６である第１軽圧力降下手段１７０に流れ、次いで、第３軽成分還流加圧圧力１９２で、導管２２７により、第１軽成分還流出口マニホールド８７に流れる。第２軽成分還流出口マニホールド７５からの軽成分還流ガスは、第１並流ブローダウン圧力１７１で、導管２２８およびヒータ２２５を通って、ここでは第２エクスパンダ段２３０である第２軽成分還流圧力降下手段１７２に流れ、次に、第２軽成分還流加圧圧力１９１で、導管２３１により、第２軽成分還流出口マニホールド８５に流れる。第３軽成分還流出口マニホールド７７からの軽成分還流ガスは、第２並流ブローダウン圧力１７３で導管２３２およびヒータ２２５を通って導管２３５によって第３軽成分還流圧力加圧圧力１９０に、第３軽成分還流出口マニホールド８３に流れる。最後に、第４軽成分還流出口マニホールド７９からの軽成分還流ガスは、第３並流ブローダウン圧力１７５で導管２３６およびヒータ２２５を通って、ここでは第４エクスパンダ段２３８である第４軽成分還流圧力降下手段１７６に流れ、次に、実質的に低い方の圧力１５２で、導管２３９により、第４軽成分還流出口マニホールド８１に流れる。
【００５４】
第１向流ブローダウンマニホールド５７からの重向流ブローダウンガスは、第１向流ブローダウン圧力１８０で、導管２４０およびヒータ２４１により、それから、第１排気手段１８１としての向流ブローダウンエクスパンダ２２１の第１段２４２に流れ、エクスパンダから排気マニホールド２４３に、実質的に低い方の圧力１５２で排出される。第２向流ブローダウンマニホールド５９からの向流ブローダウンガスは、第２向流ブローダウン中間圧力１８２で、導管２４４およびヒータ２４１により、それから、第２排気手段１８３としての向流ブローダウンエクスパンダ２２１の第２段２４５に流れ、エクスパンダから排気マニホールド２４３に、実質的に低い方の圧力１５２で排出される。最後に、実質的に低い圧力１５２で排出するべき重ガス１８５を送り出す重生成物排気マニホールド６１からの重ガスは、導管２４６により第３排気手段１８４として、排気マニホールド２４３に流れ、実質的に低い圧力１５２で排出するべき重ガス１８５を送り出す。
【００５５】
任意選択であるヒータ２２５および２４１は、エクスパンダ２２０および２２１に入るガスの温度を上昇させ、それによって、膨張エネルギーの回収を増大させ、エクスパンダ２２０および２２１から供給圧縮機２０１にシャフト２２２によって伝達される動力を増大させ、原動機２０９で必要とされる電力を低減させる。ヒータ２２５および２４１は、熱をエクスパンダに提供する手段であるが、中間冷却器２０３、２０５および２０７は、供給圧縮機から熱を除去する手段であり、より高い圧縮段の必要とされる電力を低減させるために働く。中間冷却器２０３、２０５および２０７は、任意選択の特徴である。
【００５６】
軽成分還流ヒータ２４９が十分に高い温度で動作し、したがって、軽成分還流エクスパション段の出口温度が、供給ガスが導管２１２、２１４および２１６によって供給マニホールドに送られる温度より高い場合、吸着器２４の第２端３５の温度は、その第１端３４より高くなることがある。したがって、吸着器は、第１端に比べて第２端でより高い温度である流路に沿って熱勾配を有する。これは、米国特許第４，７０２，９０３号でＫｅｅｆｅｒによって導入された「熱的結合圧力スイング吸着」（ＴＣＰＳＡ）の原理の拡張である。次に、吸着器の回転子１１は、圧縮器２０１およびエクスパンダ２２０を有する再生ガスタービンエンジンと同様に熱回転再生器として働く。再生熱力学動力サイクルに従って、圧縮側で中間冷却および膨張側で中間段加熱を用いるエリクソン（Ｅｒｉｃｓｓｏｎ）熱力学サイクルをほぼ実現する高度再生ガスタービンエンジンと同様に、ヒータ２２５によってＰＳＡプロセスに提供される熱は、プロセスに動力を与えることを助ける。空気からの酸素分離に適用されたＰＳＡの例では、窒素の強いバルク吸収されるので、軽成分還流全流量は供給流量より大幅に少なくなる。したがって、エクスパンダから回収される動力は、圧縮機によって必要とされる動力より相当に少ないが、それでも酸素生成の効率を上げるのに十分に寄与する。
【００５７】
高いエネルギー効率が、最も重要なことではない場合、軽成分還流エクスパンダ段および向流ブローダウンエクスパンダ段を、圧力降下のための絞りオリフィスまたは絞り弁で置き換えることができる。図７の概略図は、向流ブローダウンエクスパンダ段または排気エスパンダ段の圧縮段、および軽成分還流段を支持し、圧縮機を原動機に結合する単一のシャフトを示す。しかし、本発明の範囲内で異なる圧縮および膨張段用に、別々のシャフトを、さらには別々の原動機さえも使用することができることを理解されよう。
【００５８】
図８
図８は、この場合も、燃料電池発電装置用に水素精製の高い回収を実施するために使用できる重生成物成分還流を備える真空−ＰＳＡシステムを示す。いくつかの据置き式の応用例では、未精製の水素は、化学プロセスまたは石油製油所の排ガスから提供される。しかし、ほとんどの燃料電池の応用例では、未精製の水素ガス供給物は、炭化水素または炭素の燃料処理、例えば、天然ガスまたはメタノールの蒸気改質、または液体燃料の自熱改質または部分酸化によって提供される。一般に、そのような水素ガス供給物は、３０％から７５％の水素を含む。ゼオライト、二酸化炭素、一酸化炭素、窒素、アンモニアおよび硫酸水素塩または微量不純物などの典型的な吸着材を使用することにより、水素よりはるかに容易に吸着され、したがって精製された水素が、供給物供給圧力より少しだけ低い、高い方の圧力で送り出される軽生成物であり、一方、不純物は重生成物として濃縮され、「ＰＳＡテールガス」として低い方の圧力でＰＳＡプロセスから排気される。このテールガスは、水素を生成する燃料プロセッシング反応用でなければ、燃料電池発電装置のＰＳＡ圧縮機械に動かす燃焼タービン用の燃料ガスとして使用できる。
【００５９】
図８のＰＳＡシステムは、送り込み導管３００を有し、実質的に高い方の圧力で、第１供給マニホールド５３に供給ガスを導入する。この例では、最終加圧ステップ以外はすべて、軽成分還流ガスで実施され、最終加圧ステップは、マニホールド５５を通って実施される。
【００６０】
ＰＳＡシステムは、シャフト２１０を介し原動機２０９によって、さらに任意選択として、シャフト３０９を介して軽成分還流エクスパンダ２２０によって駆動される多段真空ポンプ３０１を含む。真空ポンプ３０１は、第１段３０２を含み、この第１段が、第１生成物排気マニホールド６１から導管２４６により重ガスを引き込み、このガスを圧縮して、内部冷却機３０３を経て第２段３０４に送る。真空ポンプ第２段３０４は、導管２４４により第２向流ブローダウンマニホールド５９から重ガスを引き込み、内部冷却機３０５を経てこのガスを第３段３０６に送り出す。第３段３０６はまた、導管２４０により第１向流ブローダウンマニホールド５７から重ガスを引き込む。真空ポンプ段３０６は、重ガスを周囲圧力より十分高い圧力に圧縮し、このガスの一部分（重生成物またはＰＳＡテールガス）重生成物送出し導管３０７内で燃料として使用する。残りの重ガスは、真空ポンプ３０１から、重成分還流圧縮機３０８に進み、重成分還流圧縮機３０８は、ＰＳＡサイクルの実質的に高い方の動作圧力を達成する。
【００６１】
圧縮された重ガスは、圧縮機第４段３０８から導管３０８によって凝縮分離機３１１に伝達される。（図１３の実施形態と同様に膨張タービン内の燃焼に関して）望むならば、重生成物ストリーム全体を、圧縮機３０８を介して圧縮でき、したがって、重生成物燃料ガスが、外部で高い方の圧力から摩擦圧力効果を差し引いた圧力で保持されている別の重生成物送出し導管３１２によって、最高の動作圧力で送り出される。凝縮された蒸気（水などの）は、導管３１２内の重生成物と実質的に同じ圧力で導管３１３を介して除去される。第１生成物ガスを除去した後、残りの重ガス流は、各吸着器用の供給ステップに続いて、導管３１４により吸着器への重成分還流として第２供給マニホールド５５に流れる。重成分還流ガスは、第１供給ガスよりも吸着されやすい成分または画分の濃度がより高い第２供給ガスである。
【００６２】
図９および１０
次に、図９および１０に戻り、図７で示したのと同様に、基本的な構成単位として回転ＰＳＡシステムを使用した、本発明の第１実施形態による燃料電池ベースの電流発生システムを示す。しかし、本発明が、回転ＰＳＡモジュールを有する電流発生システムに限定されるものでないことを理解されよう。むしろ、本発明の範囲を逸脱することなく、他の配置も使用することができる。
【００６３】
図９で、ＰＳＡシステムは、前述のように窒素に対して選択性のあるゼオライト吸着材を使用して、空気から酸素を分離する。軽生成物は、濃縮された酸素であり、一方、重生成物は、通常、廃棄物として排出される窒素が濃縮された空気である。図８に示すように、任意選択としての真空ポンプが設けられない場合は、サイクルの低い方の圧力１５２は、公称の大気圧である。供給空気が、フィルタ取入口２００を通って供給圧縮機２０１に導入される。供給圧縮機は、圧縮機第１段２０２と、圧縮機第２段２０４と、圧縮機第３段２０６と、圧縮機第４段２０８とを含む。記載のように供給圧縮機２０１は、シャフト２１０に結合された原動機としてのモータ２０９を有する４段の軸方向圧縮機でよい。圧縮機の段は、示すように直列であっても、並列であってもよい。圧縮機の段間の中間冷却器は、任意選択である。供給圧縮機第１および第２段は、第１中間供給圧力１６１で、導管２１２および水凝縮分離機２１３を通って第１供給加圧マニホールド４８に供給ガスを送り出す。供給圧縮機の第３段２０６は、第２中間供給圧力１６３で、導管２１４および水凝縮分離機２１５を通って第２供給加圧マニホールド５１に供給ガスを送り出す。供給圧縮機第４段２０８は、高い方の圧力１５１で、導管２１６および水凝縮分離機２１７を通って供給マニホールド５３に供給ガスを送り出す。軽生成物酸素流は、軽生成物マニホールド７１から、実質的に高い方の圧力から摩擦圧力降下を差し引いた圧力で保持されている導管２１８によって送り出される。
【００６４】
図９の装置は、軽成分還流エクスパンダ２２０（ここでは４段を含む）を含むエネルギー回収エクスパンダと、シャフト２２２により供給圧縮機２０１に結合された、向流ブローダウンエクスパンダ２２１（ここでは２段を含む）とを含む。例えば、エクスパンダ段を、径方向流入タービン段、分離したホイールを有する全開吸気軸方向タービン段、または単一ホイールに結合された部分吸気タービン段として提供することができる。高いエネルギー効率が最も重要ではない場合、軽成分還流エクスパンダ段および／あるいは向流ブローダウンエクスパンダ段を、圧力降下のための絞りオリフィスまたは絞り弁で置き換えることができる。
【００６５】
軽成分還流出口マニホールド７３からの軽成分還流ガスは、高い方の圧力で、導管２２４およびヒータ２２５を通って第１軽成分還流エクスパンダ段２２６に流れ、次いで、第３軽成分還流加圧圧力１９２で、導管２２７により、第１軽成分還流戻りマニホールド８７に流れる。第２軽成分還流出口マニホールド７５からの軽成分還流ガスは、第１カレントブローダウン圧力１７１で、導管２２８およびヒータ２２５を通って第２軽成分還流エクスパンダ段２３０に流れ、次いで、第２軽成分還流加圧圧力１９１で、導管２３１により、第２軽成分還流戻りマニホールド８５に流れる。第３軽成分還流出口マニホールド７７からの軽成分還流ガスは、第２カレントブローダウン圧力１７３で、導管２３２およびヒータ２２５を通って第３軽成分還流エクスパンダ段２３４に流れ、次いで、第１軽成分還流加圧圧力１９０で、導管２３５により、第３軽成分還流戻りマニホールド８３に流れる。最後に、第４軽成分還流出口マニホールド７９からの軽成分還流ガスは、第３カレントブローダウン圧力１７５で、導管２３６およびヒータ２２５を通って第４軽成分還流エクスパンダ段２３８に流れ、次いで、実質的に低い方の圧力１５２で、導管２３９により、第４軽成分還流戻りマニホールド８１に流れる。
【００６６】
第１向流ブローダウンマニホールド５７からの重向流ブローダウンガスは、第１向流ブローダウン圧力１８０で、導管２４０によりヒータ２４１に、次いで、向流ブローダウンエクスパンダ２２１の第１段２４２に流れ、エクスパンダから排気マニホールド２４３に、実質的に低い方の圧力１５２で排出される。
【００６７】
任意選択であるヒータ２２５および２４１は、エクスパンダ２２０および２２１に入るガスの温度を上昇させ、それによって、膨張エネルギーの回収を増大させ、シャフト２２２によってエクスパンダ２２０および２２１から供給圧縮機２０１に伝達される動力を増大させ、原動機２０９によって必要とされる電力を低減させる。
【００６８】
空気からの酸素分離に適用されるＰＳＡの例では、窒素のバルク吸収が強いので、軽成分還流全流量は供給流量より大幅に少なくなる。したがって、エクスパンダから回収される動力は、圧縮機によって必要とされる動力より相当に少ないが、それでも酸素生成の効率を上げるために十分寄与する。吸着器を適度に高い温度（例えば４０°から６０°）で動作させ、Ｃａ−Ｘ、Ｌｉ−Ｘまたはリチウム菱沸石ゼオライトなど窒素に対して強い選択性のある吸着材を使用することによって、ＰＳＡ酸素発生システムが、好ましい性能および効率で動作することができる。カルシウムまたはストロンチウムで置き換えされた菱沸石は、窒素に対するこの吸着材の並外れた容量を反映して、１００℃を超える高温においてさえも使用することができるが、周囲温度に近い、より低い温度でのこの吸着材の窒素の吸着量は、飽和に近すぎて満足な動作ができない。吸着材の温度が高くなると、各ゼオライト吸着材で、窒素の吸着量およびそれに対する選択性は低下するが、等温線がより直線に近くなり、湿気の排除がより簡単になる。Ｃａ−ＸおよびＬｉ−Ｘなどの吸着材を用いて動作する場合、最近の従来技術のやり方は、周囲温度のＰＳＡを大気圧より小さい圧力で動作させるいわゆる「真空スイング吸着」（ＶＳＡ）であり、したがって、選択性の高い吸着材は、窒素吸着における飽和値よりはるかに低いところで動作し、比較的直線状の等温範囲で大きな動作容量を有する。より高い温度では、窒素吸着の飽和値がより高い圧力に移動し、それによって、ＰＳＡサイクルの高い方および低い方の最適な圧力もまた上方に移動する。
【００６９】
濃縮された酸素生成物ガスは、導管２１８、逆止め弁２５０、および導管２５１によって、導管２５３によって送り出される酸素生成物の圧力を上げる、酸素生成物圧縮機２５２の入口に送り出され、酸素生成物圧縮機２５２は、導管２５３によって送り出される酸素生成物の圧力を上げる。圧縮機２５２は、直接シャフト２５４を介して、軽成分還流エクスパンダ２２０またはモータによって駆動される、一段遠心圧縮機でよい。軽成分還流エクスパンダ２２０を圧縮機２５２への唯一の動力源とすることができるが、その場合は、エクスパンダ２２０と圧縮機２５２が一緒になって、自由回転子ターボブースタ２５５を構成する。エクスパンダ２２０と圧縮機２５２の両方の作動流体は、濃縮酸素であるので、自由回転子ターボブースタの実施形態は、外部モータに対するシャフトシールを必要としないという重要な安全上の特徴を有している。好ましくは、軽成分還流エクスパンションから回収されたエネルギーは、ここでは酸素である軽生成物の送出し圧力を上げるために使用される。
【００７０】
この圧縮された濃縮酸素は、燃料電池陰極チャネル２６２の入口２６１への導管２５３によって、燃料電池２６０に送り出される。燃料電池２６０は、ポリマー電解質膜（ＰＥＭ）からできていてもよく、電解質２６５が、陽極チャネル２６６から陰極チャネル２６２を分離する。水素燃料が、水素送り込み導管２６８によって陽極チャネル２６６の陽極入口２６７に供給される。
【００７１】
濃縮酸素が陰極チャネル２６２中を陰極出口２７０に移動し、そのとき酸素の画分が、膜を横切る水素イオンと反応して電力を発生させ、反応によって副生成物の水を形成する。陰極出口２７０から導管２８０内の陰極チャネルを離れる、陰極出口ガス（この好ましい実施形態で）は、周囲の空気の濃度約２１％と比べて、なお酸素が非常に濃くなっている。このガスの小部分は、導管２８０からパージ弁２８５およびパージ排気２８６によって陰極パージガスとしてパージされ、残りの陰極出口ガスは、陰極循環ガスとして保持される。陰極循環ガスは、導管２８１によって、水凝縮分離機２８２に運ばれ、そこで過剰な液体の水が、水蒸気で飽和したままである陰極出口ガスから除去される。次に、湿った陰極循環ガスは、導管２５１に連結された導管２８３によってＰＳＡシステムから入ってくる濃縮酸素と混合される。
【００７２】
従って、導管２５１、２５３、２８０、２８１および２８３は、陰極チャネル２６２、圧縮機２５２および水凝縮分離機２８２と共に陰極ループを形成する。熱交換器２２５は、燃料電池陰極ループから廃熱を除去することによって、圧縮機２５２で圧縮される酸素濃縮ガスを冷却して、軽成分還流ガスをエクスパンダ２２０で膨張する前に加熱することができる。十分な陰極出口ガスが、陰極ループ内のアルゴンおよび窒素不純物の過剰な蓄積を回避するためにパージ弁２８５によってパージされる。実際的な例では、導管２１８内の生成物酸素の濃度は、等量のアルゴンおよび窒素不純物を含む９０％酸素でよい。パージ流が少ない場合、陰極入口２６１および陰極出口２７０での酸素濃度は、それぞれ６０％および５０％である。
【００７３】
上で論じたように、燃料電池スタック内で競争力のある電流密度を得るのに十分な高さの酸素分圧を陰極の周辺で達成するためには、一般に大気を酸化剤として用いるＰＥＭ燃料電池では、少なくとも３気圧の空気圧縮が必要となることになる。陰極入口での酸素濃度は２１％であるが、一般に、陰極出口での酸素濃度は、約１０％に過ぎない。本発明は、燃料電池陰極チャネルの周辺で、約１５％と比べてより高い、例えば５５％の平均酸素濃度を達成することができる。したがって、陰極の周辺で酸素分圧の実質的な増加を依然として保持しながら、動作圧力を約１．５気圧に下げることができる。陰極の周辺における、より高い酸素分圧を用いると、自動車の発電装置で特に重要である燃料電池スタック電力密度およびその効率を増大させることができる。本発明の装置（Ｌｉ−Ｘなどの高い性能の吸収材を使用する）によって必要とされる機械的圧縮動力は、３気圧の空気供給圧力で動作するＰＥＭ燃料電池システムの空気圧縮で必要とされる動力より小さく、全体的発電装置効率をさらに増大させる。
【００７４】
この例における装置の重要な利点は、陰極入口２６１に入る酸素で濃縮ガスが、さらに大量の飽和された陰極循環ガスの流れと混合することによって加湿されることである。別の利点は、ＰＳＡユニットから回収されたエネルギーを、陰極ループ内の圧力を上げリサイクル循環を駆動するために利用でき、一方、ＰＳＡユニット内の膨張エネルギー回収を増大させるために、燃料電池の廃熱を、熱交換機２２５および２４１に利用できることである。さらに別の利点は、ＰＥＭ燃料電池からの十分な水の除去を保証する、適切な陰極チャネル循環流の速度を容易に達成できることである。
【００７５】
陰極ガスの循環は、上記で論じたような利点があるが、本発明を、そのようないかなる循環の特徴も用いずに実施することもでき、したがって、別法として陰極出口２７０からのガスを大気に放出でき、あるいは燃料プロセッサ内部の燃焼を助けるなど別の使用のために取り出すこともできることも理解されよう。
【００７６】
別の変形形態は、比較的高い濃度（例えば、６０％から９５％の範囲の酸素濃度、より好ましくは７０％から９０％の範囲の酸素濃度で）で送り出すために、酸素ＰＳＡユニットを動作させ、その間に、導管２１６からの圧縮された空気供給物の画分をバイパスさせ、ＰＳＡモジュールを通し、導管７０、導管２８３、または導管２５３内の生成物酸素と直接混合させるものである。このアプローチでは、混合されたバイパス空気および酸素生成物は（加えて、陰極出口ポート２７０からのいかなる循環陰極ガスも）、例えば３０％から５０％の範囲の混合酸素濃度を有することができて、燃料電池陰極周辺の部分的酸素濃縮という実質的な利点が提供され、一方、ＰＳＡユニットのサイズおよび電力消費が縮小される。
【００７７】
図１０に戻ると、図９の燃料電池システムと同様の、ただし向流ブローダウンエクスパンダが自由回転子排気真空ポンプを駆動する、酸素分離ＰＳＡベース燃料電池システムが示されている。したがって、図９で、破線２９０は、圧縮空気供給導管２１６と陰極循環ループ内の導管２８３との間を連通する、流れ制御弁２９１を備える任意選択の供給空気バイパス導管２９０を表す。図１０の実施形態で、向流ブローダウンエクスパンダ２２１を供給圧縮機２０１に結合するシャフト２２２は削除した。その代わりに、真空ポンプ３０１を使用して、システムの低い圧力を大気圧以下に下げ、重成分生成物排気区画６１から、導管２４６および任意選択のヒータ３０２を通って窒素で濃縮廃ガスを引き込む。ポンプ３０１は、向流ブローダウンエクスパンダ３０４によって動力を与えられ、向流ブローダウンエクスパンダ３０４は、導管２４０および任意選択のヒータ２４１を通る第１向流ブローダウンマニホールド５７からの向流ブローダウンガスを膨張させる。真空ポンプ３０１およびエクスパンダ３０４は、シャフト３０５で互いに結合され、一緒になって自由回転子真空ポンプ集合体３０６を構成する。そのような自由回転子真空ポンプは、効率および資本コストの魅力的な利点を与える。あるいは、シャフト３０５の延長部に、モータを結合することができる。
【００７８】
第２向流ブローダウンマニホールド５９からの向流ブローダウンガスは、そのマニホールドを、導管２４４に関連する絞りの限定量に従って実質的に大気圧または若干高い圧力で出る。
【００７９】
図１１
図１１は、図９の電流発生システムと同様の、ただし軽成分還流エネルギー回収がなく、燃料電池の陰極から放出された酸素ガスの一部分が加熱ステップ用に使用される燃料電池ベースの電流発生システムを示す。例示的な４段の軽成分還流圧力降下は、それぞれ、導管２２４および２２７と、２２８および２３１と、２３２および２３５と、２３６および２３９とに連結する調節可能なオリフィス３５０、３５１、３５２および３５３によって、不可逆的に実施される。オリフィス３５０、３５１、３５２および３５３は、リンク装置３５４を介して作動装置３５５によって作動する。燃料電池発電装置が部分負荷で動作しているとき、ＰＳＡ装置を低減サイクル周波数および低減流量で動作させることが可能になるように、オリフィスを調整することが望ましい。
【００８０】
燃料電池は、水凝縮分離機３６０と、濃縮酸素を陰極チャネル入口２６１に運ぶ導管３６１と、陰極チャネル２６２と、陰極チャネル出口２７０から、凝縮分離機３６０に導入される陰極循環ガスを加圧するための、陰極循環ブロア３６３を含む陰極循環導管３６５に陰極排気ガスを運ぶ導管３６２とによって（ループ流方向に）画定される陰極循環ループを有する。分離機３６０は、陰極循環ループから燃料電池の排気凝縮水を除去し、一方でまたＰＳＡシステム導管、導管２１８から導入される乾燥濃縮酸素を湿らせる。
【００８１】
陰極排気の一部分は、陰極循環導管３６５から分岐する導管３７１によって、導管３６２から除去される。陰極排気ガスのこの部分は、ＰＳＡ（あるいは真空−ＰＳＡ）装置の供給端に循環され、導管３７１によって、水凝縮分離機３７３に次いで第１弁表面２１に連通する第１加圧マニホールドに伝えられる。陽極出口２７０の圧力から第１加圧マニホールド４８の圧力までの必要とされる圧力降下を提供するために、絞り弁３７３を、導管３７１内に備えることができる。
【００８２】
陽極排気ガスの一部分を、ＰＳＡユニット供給に循環することには、（１）圧縮すべき供給ガスの体積を削減すること、（２）陽極ループからのいかなる排気ガスもパージする必要をなくすこと、（３）燃料電池陰極ループからの若干の廃棄エネルギーを回収し、このガスを使用して供給端から燃料電池を加圧することを助けることを含むいくつかの利点がある。この酸素が濃厚なガスは、生成物端で第２弁表面に直接導入した場合、吸着材を非活性とする水蒸気で飽和されているので、ＰＳＡユニットの供給端に導入しなければならない。このガスは、供給空気より酸素が濃厚であるだけでなく、生成物の酸素が濃縮ガスより多くの量の不純物を含んでいるので、低圧ステップの後で、供給空気でいかなる直接加圧もする前に、この酸素が濃厚なガスをベッドの供給端に導入することにより、好ましい濃度プロファイルが確立される。
【００８３】
アルゴンが、ＰＳＡユニットによって酸素が濃縮されるので、この実施形態では、
アルゴンは、陰極ループ内部およびＰＳＡ濃縮酸素生成物内の両方で濃縮される。陰極パージが行われない場合、アルゴンは、ＰＳＡユニットの排気によってのみシステムから出ることができる。ＰＳＡユニットは、一般に、酸素およびアルゴンの約６０％の回収を達成するので、通常の空気が、加圧用の唯一の、第１弁表面への供給物として使用された場合、供給ガスと共に導入されたアルゴンの約４０％を、各サイクルで排気することになる。最初の供給加圧ステップで導入された循環アルゴンの部分的な除去は、主要な供給物が続いて導入され、循環アルゴンを吸着器の奥深くに押し込むので、少なくなる。したがって、陰極ループからの少量のパージが望ましい。ＰＳＡユニット供給へ循環される陰極排気ガスもまた、陰極チャネル出口２７０の圧力と同じかそれより低い圧力で導入される供給空気と直接混合される。
【００８４】
図１２
図１２は、本発明の第２実施形態による、燃料電池４０２と、酸素生成ＰＳＡシステム４０４と、水素ガス生成システム４０６とを含む燃料電池ベースの電流発生システム４００を示す。燃料電池は、陽極ガス入口４１０および陽極ガス出口４１２を有する陽極チャネル４０８と、陰極ガス入口４１６および陰極ガス出口４１８を有する陰極チャネル４１４と、陽極チャネル４０８と陰極チャネル４１４との間でイオン交換を容易にするために、陽極チャネル４０８および陰極チャネル４１４と連通するＰＥＭ４２０とを含む。
【００８５】
酸素−ＰＳＡシステム４０４は、供給空気から酸素ガスを抽出し、回転モジュール１０と、回転モジュール１０の供給区画４２４に加圧空気を送り出す圧縮機４２２とを含む。好ましくは、酸素−ＰＳＡシステム４０４は、回転モジュール１０のブローダウン区画４２８から窒素濃縮ガスを重生成物ガスとして取り出す圧縮機４２２に結合された真空ポンプ４２６（あるいは向流ブローダウンエクスパンダ）を含む。酸素−ＰＳＡシステム４０４はまた、酸素濃縮ガスを陰極チャネル４１４に送り出す陰極ガス入口４１６に結合された、軽生成物気体機能区画４３０も含む。陰極循環を、図９〜１１の実施形態と同様に行うことができる。
【００８６】
水素ガス生成システム４０６は、水素生成ＰＳＡシステム４３２と、水素生成ＰＳＡシステム４３２に結合され、水素生成ＰＳＡシステム４３２に第１水素ガス供給物を供給するための燃料プロセス反応器４３４とを含む。水素生成ＰＳＡシステム４３２は、反応器４３４から第１水素ガス供給物を受け取る第１供給ガス区画４３６と、陽極ガス出口４１２から水素ガス供給物を受け取る加圧区画４３８と、陽極ガス入口４１０に水素ガスを送り出す軽生成物区画４４０と、重生成物ガスとしてのテールガスを反応器４３４に送り出すブローダウン区画４４１とを含む回転モジュール１０を含む。好ましくは、水素生成ＰＳＡシステム４３２は、ブローダウン区画４４１と、ブローダウン区画４４１からテールガスを抽出するための反応器４３４との間に設けられた真空ポンプ４４２（あるいは代わりに向流ブローダウンエクスパンダ）を含む。
【００８７】
陽極ガス出口４１２から循環された水素ガスの純度レベルに従って、加圧区画４３８は、回転モジュールの第１弁および第２弁のいずれかと協働するが、この水蒸気の純度が比較的高い場合は、後者が好ましい。水素生成ＰＳＡシステム４３２はまた、水素ガスの画分の回収を改善するために、重成分還流ガスを第２供給ガス区画４４４に送り出す重成分還流圧縮機４４３を含む。水素ガス生成システム４０６の燃料ガスの必要熱量によって、正確な水素ガスの回収量が決まる。
【００８８】
反応器４３４は、バーナ４４６および触媒チューブ（図示せず）を含む水蒸気改質器４４５と、水性ガスシフト反応器４４８とを含む。バーナ４４６は、ブローダウン区画４４２からテールガスを受け取る第１バーナ入口４５０と、陰極チャネル４１４から空気または湿った酸素が濃縮されたガスを受け取る第２バーナ入口４５２とを含む。水蒸気改質器４４４には、燃料入口４５４から、燃料電池の動作圧力にシステム４０６内の圧力低下余裕分を加えた供給圧力でメタンガスなどの炭化水素燃料、および水が供給される。燃料は予熱され、バーナ４４６の燃料ガスから熱を回収する熱交換器４５５によって、水蒸気が生成される。次いで、メタン燃料と水蒸気の混合物は、触媒チューブを通過し、一方、テールガスおよび酸素が濃縮されたガスは、バーナ４４６内で燃焼して、メタン燃料ガス混合物の温度をメタン燃料ガス混合物の吸熱水蒸気改質反応を行うために必要な温度（一般に８００℃）にまで上昇させる。
【００８９】
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ−ＣＯ＋３Ｈ2
ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ−ＣＯ2＋４Ｈ2
得られた合成ガス（主要不純物として同量のＣＯおよびＣＯ2を含む約７０％のＨ2、微量不純物として反応を起こしていないＣＨ4およびＮ2）は、約２５０℃に冷却され、次いで、水性ガスシフト反応器４４８に渡され、以下のようにＣＯの大部分が水蒸気と反応して、さらにＨ2およびＣＯ2が生成される。
【００９０】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ−ＣＯ2＋Ｈ2
次いで、得られるガス反応物は、水素精製のために、水素生成ＰＳＡシステム４３２の第１供給区画４３６に運ばれ、重生成物テールガスは、バーナ４４６で燃焼させるためにブローダウン区画４４２から水蒸気改質器４３４に戻される。
【００９１】
一変形形態では、反応器４３４は部分酸化反応器を含み、メタンガス混合物は、水蒸気改質される代わりに、メタンガスの部分酸化のために、任意選択である導管４５６を通って陰極チャネル４１４から受け取る湿った酸素が濃縮されたガスの一部分と、部分酸化反応器内で、以下のように反応する。
【００９２】
ＣＨ4＋１／２Ｏ2−ＣＯ＋２Ｈ2
得られる合成ガスは、この場合も、約２５０℃に冷却され、次いで水性ガスシフト反応器４４８に渡され、以下のようにＣＯの大部分が水蒸気と反応して、さらにＨ2およびＣＯ2が生成される。
【００９３】
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ−ＣＯ2＋Ｈ2
次いで、得られるガス反応物は、水素精製のために、水素生成ＰＳＡシステム４３２の第１供給区画４３６に運ばれ、重生成物テールガスは、水素生成ＰＳＡシステム４３２からパージされる。
【００９４】
別の変形形態では、反応器４３４は自熱改質器と水性ガスシフト反応器とを含み、メタンガス混合物は、水蒸気改質されまたは吸熱的に部分酸化される代わりにこれらの反応の熱的に均衡のとれた組合せによって自熱改質器内で反応し、それに続いて水性ガスシフト反応器４４８内で反応する。水素−ＰＳＡ重生成物テールガスは、非常に高い重成分還流の範囲においてさえ常に幾分かの燃料としての価値があるので、いかなる自熱反応器へも空気および／または燃料供給物に、効率的に予熱を与えるために、バーナ４４６が設けられる。燃料プロセッシング反応が、テールガス燃料の燃焼用のエネルギー効率のよいシンクとしての吸熱改質成分を含むことがない場合、燃料プロセッシング反応が、単純な部分酸化の場合のように、非常に吸熱的であるならば、他の経済的な使用法（図１３の実施形態にあるように）を取るべきである。
【００９５】
酸素が濃縮された自熱または部分酸化燃料プロセッシング装置は、有利に、反応チャンバに入る反応物の加熱負荷を軽減させ、水素ＰＳＡユニットおよび燃料電池の陽極に送り出される水素が濃縮された生成物ガスの冷却負荷も、窒素がこれらのガス流から減損されることにより、軽減させる。本発明のさらなる利点は、水素ＰＳＡユニットが、一酸化炭素および硫化水素に加えてアンモニアを除去する能力があることであり、これらの汚染物質はすべて、ＰＥＭ燃料電池の性能およびその予想寿命にとって極めて有害である。大気窒素が存在するので、炭化水素が触媒作用によって水素に改質される燃料プロッセサ内で、アンモニアが形成される。酸素ＰＳＡは、前工程で窒素を除去することでこの問題を軽減し、一方水素ＰＳＡは、残留する微量のアンモニアを除去する。
【００９６】
図１３
電流発生システム４００の欠陥は、燃料電池によって発電された電力の一部を用いて、圧縮機４２２および真空ポンプ４２６、４４２を駆動する必要があることに伴うものであることは明らかである。図１３は、この欠陥に対処する燃料電池ベース電流発生システム５００を示す。
【００９７】
電流発生システム５００は、実質的に電流発生システム４００と同様であり、燃料電池４０２と、酸素発生ＰＳＡシステム５０４と、水素発生ＰＳＡシステム５０６とを含む。酸素−ＰＳＡシステム５０４は、供給空気から酸素ガスを抽出し、回転モジュール１０と、加圧された供給空気を回転モジュール１０の供給区画５２４に送り出す圧縮機５２２と、圧縮機５２２に結合された燃焼エクスパンダ５２３と、圧縮機５２２に結合された始動モータ（図示せず）と、陰極ガス入口４１６に結合され、酸素が濃縮されたガスを陰極チャネル４１４に送り出す軽生成物気体機能区画５３０とを含む。酸素−ＰＳＡシステム５０４は、前の実施形態で示したように、真空ポンプおよび／またはエクスパンダと協働する、向流ブローダウンまたは重生成物排気区画５３１を含むこともできる。
【００９８】
水素ガス発生システム５０６は、水素発生ＰＳＡシステム５３２と、水素−ＰＳＡシステムに結合され、水素−ＰＳＡシステム５３２に第１水素ガス供給物を供給する反応器５３４とを含む。水素−ＰＳＡシステム５３２は、水蒸気改質器５３４から第１水素ガス供給物を受け取る第１供給ガス区画５３６と、陽極気体出口４１２から第２水素ガス供給物を受け取る加圧区画５３８（第１弁または第２弁と連通する）と、水素ガスを陽極ガス入口４１０に送り出す軽生成物区画５４０と、重生成物燃料ガスとしてテールガスを反応器５３４に送り出すブローダウン区画５４１とを含む回転モジュール１０を含む。前の実施形態と同様に、ブローダウン区画５４１は、ブローダウン区画５４１からテールガスを抽出するために排気真空ポンプおよび／またはエクスパンダ（図示せず）と協働することができる。
【００９９】
反応器５３４は、自熱改質器５４４と、バーナ５４６と、水性ガスシフト反応器５４８とを含む。バーナ５４６は、ヒータ管５４９と、ブローダウン区画５４２からテールガスを受け取る第１バーナ入口５５０と、圧縮機５２２第２段から圧縮空気を受け取る第２バーナ入口５５２とを含む。図１３から明らかなように、圧縮機５２２第２段は、酸素生成ＰＳＡシステム５０４に送り出されない供給空気の一部分を含む。
【０１００】
エクスパンダ５２３および圧縮機５２２が、ガスタービンを共に構成し、バーナ５４６から放射される燃焼生成物を膨張させて、供給区画５２４への供給空気の圧力を増大させる。後で理解されるように、水素−ＰＳＡテールガスの燃焼の熱エネルギーを使用して、燃料電池アクセサリガス精製機械および圧縮機械が駆動される。図１３で示すように、予熱交換機５５５を通して、水性ガスシフト反応器５４８の発熱反応から追加の供給ガス圧縮エネルギーを得ることができる。
【０１０１】
燃料入口５５４を通して自熱改質器５４４に、メタンガスなどの炭化水素燃料ガスが供給され、ここに示す例では、炭化水素燃料ガスは、加圧下で、ブースタブロア５５６を通して陰極チャネル４１４から受け取った酸素が濃縮されたガスと反応する。酸素が濃縮されたガスが、（窒素負荷を軽減し、燃焼を増進するために）有利に燃料プロセッシングに使用できるならば、陰極再循環は引き合わず、あるいは、少なくともその量を低減させることができる。次いで、得られた合成ガスは冷却され、次に水性ガスシフト反応器５４８に渡され、大部分のＣＯは水蒸気と反応して、さらに多くのＨ2およびＣＯ2を生成する。次いで、得られたガス反応物は、水素精製のために、水素−ＰＳＡシステム５３２の第１供給区画５３６に搬送される。
【０１０２】
いくつかの実施形態では、少なくとも一部分の陰極排気ガス（周囲空気に比べてなお酸素が濃縮されており、燃料電池排気水および燃料電池の廃熱を有する）は、自熱あるいは部分酸化燃料プロセッシング装置（または改質器）の入口に戻されて、炭化水素が酸素および水蒸気と反応して未処理の水素および合成ガスを生成する。酸素は、自熱的に燃料の一部と反応して、一酸化炭素、および熱を生成し、その熱が残りの燃料が水蒸気を使用して水素を生成する反応を進める。過剰の水蒸気は、改質器および燃料プロセッシング装置内のコークス化を防ぐことを助け、次いで、低温で水性ガスシフト反応器内の一酸化炭素と反応して、廃棄二酸化炭素と混合したさらに多くの水素を生成する。次に、残留一酸化炭素、二酸化炭素および他の不純物は、本発明の水素ＰＳＡユニットによって除去できる。
【０１０３】
なお濃縮されている酸素ガスを燃料電池陰極から燃料プロセッシング装置の入口に送ると、（１）酸化剤としての空気に混入した窒素の不活性な負荷を軽減させ、（２）燃料電池陰極チャネル内の循環速度をあげて効果的に水を除去し、（３）燃料プロセッシングの水の要求に直接従って、陰極から燃料プロセッシング用に排水を直接回収し、（４）凝縮および再蒸発ステップを回避するために大部分が蒸気の形である水を送り出し、（５）燃料電池の廃熱の一部分を燃料プロセッシング装置入口に有益に送り出し、（６）望ましい熱統合を通して全体のシステム効率を増大させる。
【０１０４】
図１４
実施形態６００は、本発明のさらなる態様を示す。アルカリ性燃料電池の場合、供給酸化剤および水素流からのＣＯ2の除去が重大な問題である。ＣＯ2が他の永久ガスの不純物よりはるかに強く吸収されるので、前述のように本発明の酸素−ＰＳＡおよび水素−ＰＳＡシステムは非常に効率的にＣＯ2を除去する。酸素濃縮は、通常電流密度が高い場合でしか引き合わないものの、電圧効率を増加させる点ですべてのタイプの燃料電池に対し有益である。アルカリ性燃料電池は、より小さい酸素−ＰＳＡを使用して、非常に効率的な二酸化炭素の除去ならびに若干の酸素の濃縮が得られ、また同じＰＳＡ装置を使用し窒素／酸素の選択性のない吸着材（例えば、活性炭素、または高シリカゼオライト）を使用して、酸素の濃縮なしに二酸化炭素の一掃ができる。本発明の回転ＰＳＡモジュールおよび圧縮機械は、この役割によく適している。
【０１０５】
周囲空気供給で動作するアルカリ性燃料電池は、一般に、ほぼ大気圧で約７０℃で動作する。そのような状況下で、窒素が濃縮された空気の飽和陰極排気流の水蒸気は、電解質水の均衡を維持しながら、燃料電池生成水を除去する働きをする。アルカリ性燃料電池の高温での動作は望ましく、高価でない電気触媒を使用でき、高効率であり、あるいは、燃料電池の廃熱を反応物の気化に用い発熱反応さえも起こさせるメタノール改質器に熱的に統合することができる。しかし、スタック排気温度が上昇するにつれて、周囲空気混合物による動作が急速に非実用的になる。全圧力を不経済なほど上昇させ、あるいは水回収用のコンデンサを含めないかぎり、より高い温度では、窒素が濃厚な陰極排気は、システムからの水蒸気を、非常に多く運び出すだけになる。
【０１０６】
酸素濃縮を使用すると、アルカリ性燃料電池のための水の均衡を達成するために、陰極の排気量を調節することができる。無理のない低いスタック動作圧力、例えば、陰極出口温度が１２０℃の場合で約３気圧が実際的となる。酸素−ＰＳＡの最大能力、例えば９５％に近い酸素純度にまで酸素濃縮を行う場合、陰極排気の流れは、適度の濃度の永久ガスを含む乾いた水蒸気になる。この水蒸気生成物は、水素を生成する炭化水素の供給原料の燃料プロセッシングを含む様々な適用例に対し有益である。
【０１０７】
実施形態６００は、図１２に示すように酸素−ＰＳＡ（ＣＯ2の除去も行う）を示す。この例では、純粋水素の陽極入口のみを示すようにシステムの水素側が簡略化されている。純度が９０％を超える酸素が陰極ガス入口４１６に供給され、一方、陰極ガス出口４１８から濃縮された水蒸気が送り出され、水蒸気エクスパンダ６１０に直接運ばれる。エクスパンダ６１０は、真空コンデンサ６１２に放出し、ポンプ６１４によって真空コンデンサ６１２から液体凝縮物が除去され、一方、永久ガスのオーバーヘッドは、酸素−ＰＳＡの真空ポンプ４２６によって、導管中を除去される。エクスパンダ６１０は、モータ６１６が、酸素−ＰＳＡの圧縮機械を駆動するのを助け、それによって、燃料発電装置の全体の効率を約２から３％改善することができる。
【０１０８】
本発明の最後の態様は、図１４に示すＰＳＡユニット用、特に酸素−ＰＳＡ用の軽生成物ガスアキュムレータを任意選択で提供することである。酸素生成物アキュムレータ６６０は、逆止め弁６６２を介して、実質的にＰＳＡプロセスの高い方の圧力、または任意選択の圧縮機６６３を充填する小さいアキュムレータによって生み出される増大した圧力で軽生成物区画４３０から充填される酸素収納容器６６１を含む。ピーキング酸素送り出し弁６６５およびバックフラッシュ弁６６６が、逆止め弁６６７の各サイドに設けられ、それによって、収納容器からそれぞれ燃料電池陰極入口の前方および酸素−ＰＳＡユニットの後方への酸素の送り出しが可能となる。
【０１０９】
通常動作で、酸素−ＰＳＡが最高の酸素純度を達成する、特に待機状態またはアイドリング中に、酸素収納容器が充填される。その発電装置がアイドリングする時、または（車両の応用例では）復熱ブレーキングのエネルギー負荷の適用として、任意選択の充填圧縮機を動作させることができる。ピーク電力需要の合間で、ピーキング酸素送り出し弁６６５が開けられて、最も必要なときに、陰極への濃縮酸素の供給が増大される。酸素アキュムレータが十分に大きい場合、酸素−ＰＳＡ圧縮機４２２および真空ポンプ４２６を、ピーク電力需要の短い間隔の際、アイドリングさせ、それによって、通常なら外部の需要に応じるために内部附属品によって消費される電力を解放する。それによって、燃料電池スタック（随時の指定されたピーク電力レベルに応じる必要のある発電装置内で）のサイズを縮小することができ、コストが大幅に削減される。
【０１１０】
燃料電池発電装置が動作停止するとき、まず、酸素−ＰＳＡ圧縮機４２２が停止されて、すべての吸着器の最初のブローダウンのために内部圧力が下げられる。次いで、バックフラッシュ弁６６６が開かれて、短期間で吸着された窒素およびいくらかの吸着水蒸気を吸着器から追い払うために、酸素のパージ流が放出される。次いで、吸着器は、大気圧で、乾いた酸素で事前充填されたままにされ、それによって、次の装置の立ち上げ時に、酸素−ＰＳＡの迅速な応答が可能になる。
【０１１１】
図１５〜２１
図１５は、軸方向流用に構成され、より小規模な酸素生成および水素精製に特に適した回転ＰＳＡモジュール７０１を示す。モジュール７０１は、吸着器ハウジング本体７０４内に、「Ｎ」個の吸着器７０３を含む。各吸着器は、第１端７０５および第２端７０６を有し、その両端の間の流路が、窒素に選択性のある吸着材と接触する。吸着材は、吸着器ハウジング本体の軸７０７の周りに軸対称に配置される。ハウジング本体７０４は、第１および第２機能本体７０８および７０９と軸７０７に関して相対回転運動をし、第１弁表面７１０を越えて第１機能本体７０８と係合し、供給空気が第１機能本体７０８に供給され、窒素が濃縮された空気が、重生成物として第１機能本体７０８から引き出され、第２機能本体７０９を備える第２弁表面７１１を通って、第２機能本体７０９から、酸素が濃縮された空気が軽生成物として取り出される。
【０１１２】
特に図１５〜２１に示す好ましい実施形態では、吸着器ハウジング７０４は回転する。以下ではこれを吸着器回転子７０４と呼ぶ。一方、第１および第２機能本体は据置き式であり、一緒になって、モジュールの回転子集合体７２１を構成する。第１機能本体を、以下では第１弁固定子７０８と呼び、第２機能本体を、以下では第２弁固定子７０９と呼ぶ。
【０１１３】
図１５〜２１に示す実施形態では、吸着器を通る流路は軸７０７に平行であり、したがって流れ方向は軸方向であり、一方、第１および第２弁表面は、軸７０７に垂直な平らな環状円板として示されている。しかし、より一般的には、吸着器中の流れ方向は、軸方向でも径方向でもよく、第１および第２弁表面も、軸７０７を中心としたどのような回転図形でもよい。吸着器中の流れが径方向であれ軸方向であれ、プロセスおよび機能区画を決めるステップは、同じ角度関係である。
【０１１４】
図１５〜２１は矢印７１２−７１３、７１４−７１５および７１６−７１７で規定される平面内でのモジュール７０１の断面図である。各断面の矢印７２０は、回転子７０４の回転方向を示す。
【０１１５】
図１６は、図１５の７１２−７１３の断面を示す。ここで、「Ｎ」＝７２である。吸着器７０３は、吸着器回転子７０４の外壁７２１と内壁７２２の間に取り付けられる。各吸着器は、吸着材シート７２３の方形の平らなパック７０３を含み、そのパックの間にはスペーサ７２４があり、ここでは軸方向である流路を画定している。分離機７２５が、吸着器の間に設けられて、吸着器の間の空スペースを満たす。吸着器モジュールの他の好ましい構成を、台形パックまたは螺旋ロールで各吸着器を構成する吸着材シートおよび中間スペーサを形成することによって提供することができる。
【０１１６】
別法として、全吸着器回転子を、１つの吸着材シートまたは複数の吸着材シートの螺旋ロールとして形成することができ、螺旋ロールは軸７０７に関して同心に形成され、スペーサが、螺旋状に巻かれた吸着材シートの隣接する層の間に置かれ、少なくともいくつかのスペーサは、全長にわたって、狭い角度間隔で、第１端と第２端の間で流れを横切る障壁として延び、それによって、螺旋ロールを多数のチャネルに分け、各チャネルが異なる吸着器として働く。螺旋ロールの第１端と第２端はそれぞれ第１弁と第２弁に直接一致する。
【０１１７】
吸着材シートは、補強材料、好ましい実施形態では、グラスファイバ、金属薄片あるいはワイヤメッシュを含み、吸着材料が適当なバインダでその補強材料に貼り付けられる。空気分離によって濃縮酸素を生成する場合、典型的な吸着材は、一般にリチウム、カルシウム、ストロンチウム、マグネシウムおよび／または他の陽イオンで置き換えされた、当技術分野でよく知られた最適のシリコン／アルミニウム比を有する、Ｘ、Ａまたは菱沸石タイプのゼオライトである。ゼオライト結晶は、吸着材シートマトリクス内で、シリカ、粘土または他のバインダ、あるいはそれ自体で結合される。
【０１１８】
満足な吸着材シートは、バインダ成分を含むゼオライト結晶のスラリを補強材料上に塗布することによって作製され、成功した例は、不織ファイバグラススクリム、織った金属織物および展伸されたアルミニウム薄片を含む。スペーサは、吸着材シートに盛り上がったパターンで印刷またはエンボスし、あるいは、作製されたスペーサを隣接する吸着材シート対の間に置くことで提供される。別の満足できるスペーサは、流れチャネルがフォトリソグラフィ模様にエッチングされた、織った金属スクリーン、不織ファイバグラススクリムおよび金属薄片として提供されている。
【０１１９】
典型的な実験的なシートの厚さは、１５０ミクロンで、スペーサの高さは１００から１５０ミクロンの範囲で、吸着器の流れチャネルは約２０ｃｍであった。Ｘタイプゼオライトを使用して、ＰＳＡサイクル周波数が毎分３０から１５０サイクルの範囲で空気からの酸素分離において優秀な特性が得られた。
【０１２０】
図１７は、矢印７１４−７１５および７１６−７１７でそれぞれ定義された平面内の第１および第２弁フェース内の回転子７０４のポーティングを示す。吸着器ポート７３０は、各吸着器の第１および第２端からそれぞれ第１および第２弁フェースへの直接流体連通をもたらす。
【０１２１】
図１８は、７１４−７１５で定義された平面内での第１弁フェース７１０の第１固定子７０８の第１固定子弁表面８００を示す。入口フィルタ８０２から供給空気を導入する供給圧縮機８０１への流体連結、および窒素が濃縮された第２生成物を第２生成物送出し導管８０４に送り出す排気装置８０３への流体連結を示す。圧縮機８０１および排気装置８０３は、駆動モータ８０５に結合されて示されている。
【０１２２】
矢印７２０は、吸着器回転子の回転方向を示す。円周シール８０５と８０６の間の環状弁フェース内で、第１固定子弁フェース８００の供給区画および排気区画に通じるポートのついた開領域は、同じ参照番号８１１−８１６で識別され、機能区画に直接通じる第１機能ポートに対応する明確な角セグメント８１１−８１６で示されている。機能区画間の弁フェース８００の実質的に閉領域は、線影をつけたセクタ８１８および８１９で示す。これらのセクタは、クリアランスを含まないスリッパであり、あるいは好ましくは、狭いクリアランスを含み、過剰な漏れを起こさずに摩擦および磨耗を軽減する。典型的な閉セクタ８１８は、区画８１４に開いた吸着器と、区画８１５に開いた吸着器の間の移行部となる。スリッパとシーリングフェースの間のテーパをつけたクリアランスのチャネルによって、徐々に開かれて、それによって、新しい区画に開かれる吸着器の圧力の緩やかな均等化が達成される。他端からの加圧またはブローダウンが行われるとき、吸着器の一端への、または吸着器の一端からの流れを実質的に閉じるために、さらに広い閉セクタ（例えば８１９）が提供される。
【０１２３】
供給圧縮機は、供給加圧区画８１１および８１２に、また供給生成区画８１３に供給空気を提供する。区画８１１および８１２は、順次増大する動作圧力を有し、一方、区画８１３は、ＰＳＡサイクルの高い方の圧力である。したがって、圧縮機８０１は、多段でもよく、または分離流気圧縮機システムでもよく、多段または分離流気圧縮機システムは、各区画に供給流の適正量を送り出して、区画８１１および８１２の中間圧力レベルを介して吸着器の加圧を実施し、次いで、区画８１３を介して最後の加圧および生成を実施する。分離流圧縮機システムは、直列の中間段を含む多段圧縮機として、あるいは並列の複数の圧縮機または圧縮シリンダとして提供することもでき、各々が、供給空気を動作圧力の区画８１１から８１３に送り出すことができる。あるいは、圧縮機８０１が、すべての供給空気を高い方の圧力で送り出し、その一部分の空気を絞って、それぞれの中間圧力で供給加圧区画８１１および８１２に供給する。
【０１２４】
排気装置８０３は、順次下降する動作圧力にある向流ブローダウン区画８１４および８１５から、最後に、サイクルの低い方の圧力の排気区画８１６から、窒素が濃縮された重生成物を排気する。圧縮機８０１と同様に、排気装置８０３を、直列または並列の段を含む多段または分離流機械として提供し、低い方の圧力へと降下していく適正な中間圧力で各流れを受け入れることができる。
【０１２５】
図１８の実施形態の例では、低い方の圧力は、周囲圧力であり、したがって、排気区画８１６は、重生成物送出し導管８０４に直接排気する。したがって、排気装置８０３は、モータ８０５を助けるためのエネルギー回収を伴った向流ブローダウン区画８１４および８１５からの圧力降下をもたらす。簡単に、排気装置８０３を、区画８１４および８１５からの向流ブローダウン圧力降下手段としての絞りオリフィスで置き換えることができる。
【０１２６】
いくつかの好ましい実施形態では、ＰＳＡサイクルの低い方の圧力は、大気圧より低い。したがって、排気装置８０３は、図１９に示すように真空ポンプとして提供される。この場合も、真空ポンプは、多段または分離流でよく、直列あるいは並列の分離段を含み、一番深いところの圧力である低い方の圧力より高い動作圧力で、それらの区画を出る向流ブローダウン流を受け入れる。図１９では、初期の向流ブローダウン流が、周囲圧力で区画８１４から重生成物送出し導管８０４に直接送り出される。簡単のため一段の真空ポンプを用いた場合、区画８１５からの向流ブローダウン流は、オリフィスを介して低い方の圧力にまで絞られて、シンクポンプの入口で区画８１６からの流れに合流する。
【０１２７】
図２０および２１は、図１５の断面７１６−７１７での第２固定子弁フェースを示す。弁フェースの開ポートは、第２弁機能ポートであり、軽生成物送出し区画８２１と、多数の軽成分還流出口区画８２２、８２３、８２４および８２５と、第２固定子内の同じ数の軽成分還流戻口区画８２６、８２７、８２８および８２９とに直接連通している。第２弁機能区画は、円周シール８３１および８３２で画定される環状リング内にある。軽成分還流出口および軽成分還流戻口区画の各対は、供給からバックフィル、全圧力または部分圧力の均等化、並流ブローダウンからパージのそれぞれのＰＳＡプロセス機能に対する軽還流圧力降下段を提供する。
【０１２８】
エネルギー回収を含む軽成分還流圧力降下という選択肢を示すと、図１５および２０では、分離流軽成分還流エクスパンダ８４０が、エネルギー回収を含む４つの軽成分還流段の圧力降下を提供する。軽成分還流エクスパンダは、図に示すように、各４つの軽生成物還流段に対し、それぞれ軽成分還流出口区画と軽成分還流戻口区画の間８２２と８２９、８２３と８２８、８２４と８２７、８２５と８２６で、圧力降下を提供する。軽成分還流エクスパンダ８４０は、駆動シャフト８４６を介して軽生成物ブースタ圧縮機８４５に動力を与え、軽生成物ブースタ圧縮機８４５は、酸素が濃縮された軽生成物を導管８４７に送り出す。酸素が濃縮された軽生成物は、ＰＳＡサイクルの高い方の圧力より高い圧力に圧縮される。エネルギー回収を含む軽成分還流圧力降下という選択肢を示すと、分離流軽成分還流エクスパンダ８４０が、エネルギー回収を伴って４つの軽成分還流段の圧力降下を行うために設けられる。軽成分還流エクスパンダは、示すように、各４つの軽成分還流段に対し、それぞれ軽成分還流出口区画と軽成分還流戻口区画の間８２２と８２９、８２３と８２８、８２４と８２７、８２５と８２６で、圧力降下手段として働く。
【０１２９】
軽成分還流エクスパンダ８４０は、駆動シャフト８４６によって軽生成物ブースタ圧縮機８４５に結合される。圧縮機８４５は、導管７２５から軽生成物（送出し圧力をＰＳＡサイクルの高い方の圧力より高い圧力に圧縮した）を受け取り、導管２５０に送り出す。軽生成物還流および軽生成物は共に、ほぼ同じ純度の濃縮酸素の流れであるので、エクスパンダ８４０と軽生成物ブースタ圧縮機８４５は、１つのハウジングに耐密に収納でき、図１５に示すように、そのハウジングは、好都合には第２固定子と組み合わせることができる。分離した駆動モータを含まない「ターボ圧縮機」酸素ブースタのこの構成は、外部モータおよび対応するシャフトシールを用いずに生成物酸素の有益な圧力上昇を達成でき、また、高いシャフト速度で動作するように設計された場合、非常にコンパクトにできるので、有利である。
【０１３０】
図２１は、絞りオリフィス８５０を各軽成分還流段の圧力降下手段として使用するより簡単な代替案を示す。
図１５に戻ると、矢印８２５で示すように、圧縮された供給空気が区画８１３に供給され、一方、矢印８２６で示すように、窒素が濃縮された重生成物は、区画８１７から排気される。回転子は、第１固定子７０８内の回転子駆動シャフト８６２上のシャフトシール８６１を含む軸受８６０によって支持され、第１固定子７０８は、第１および第２弁固定子と一体に組み立てられる。吸着器回転子は、回転子駆動手段としてのモータ８６３によって駆動される。
【０１３１】
第２弁フェース７１１上の外部円周シール８３１からの漏れは、濃縮酸素の純度を損ない、より重要なことには、吸着器の第２端へ大気の湿気の進入を可能とし、それによって、窒素に選択性のある吸着材を不活性にすることがあるので、シール８３１と８７１との間のバッファチャンバ８７１のより完全な密封をもたらすためのバッファシール８７０が提供される。湿気をより十分に防止するために、乾燥剤８７３（例えば、アルミナ、シリカ、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、過塩素酸マグネシウム、酸化バリウム、五酸化燐、塩化カルシウム、硫酸カルシウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム）を、バッファチャンバ８７１内に含めることができる。動作圧力が第２弁フェースのいくつかのゾーンで大気圧より低い圧力であったとしても（真空ポンプを排気装置８０３として使用する場合）、バッファチャンバは、周囲圧力より十分高いバッファ圧力の乾燥濃縮酸素生成物で満たされる。したがって、乾燥酸素の外部への少量の漏れが起こるが、湿った空気は、バッファチャンバ内には入って来ることはできない。さらに漏れを最小限に抑え、シール摩擦トルクを軽減するために、バッファシール８７１は、円周シール８３１の直径より十分小さい直径で密封フェース８７２を密封する。バッファシール８７０は、吸着器回転子７０４の回転子延長部８７５と第２弁固定子７０９の密封フェース８７２との間を密封し、回転子延長部８７５が、第２弁固定子７０９の後方部分を囲み、バッファチャンバ８７１を形成する。固定子ハウジング部材８８０が、第１弁固定子７０８と第２弁固定子７０９との間の構造連結として提供される。
【０１３２】
図２２は、回転ＰＳＡ実施形態の軸断面を示し、その実施形態では、吸着器および吸着器本体９０４は据置き式であり、一方、第１および第２ディストリビュタ弁は、第１弁回転子９０８および第２弁回転子９０９であり、それぞれ第１弁フェース９１０と第２弁フェース９１１と係合する。第１弁回転子９０８は、シャフト１０６２を介してモータ１０６３によって駆動され、一方、第２弁回転子９０９は、連結シャフト１１１０を介して駆動される。図１６〜２１の矢印７２０は、吸着器ハウジング９０４のディストリビュタ弁に対する相対運動の方向を示すので、図２２の据置き式吸着器用の弁回転子９０８および９０９の回転は、固定のハウジング９０４を基準として、矢印７２０と逆方向になる。第１弁回転子９０８は第１弁ハウジング１１１２内に取り付けられ、第２弁回転子９０９は第２弁ハウジング１１１４内に取り付けられる。ハウジング１１１２および１１１４は、吸着器ハウジング９０４と共に組み立てられて、ＰＳＡモジュール用の完全な圧力容器を形成する。
【０１３３】
据置き式吸着器を備える実施形態における第１および第２回転ディストリビュタ弁用の別の弁構成および圧力均衡装置は、Ｋｅｅｆｅｒらによって米国特許第６，０６３，１６１号に開示されており、その開示はここに組み込まれている。
【０１３４】
供給物が第１弁本体に供給され、排気が第１弁本体から引き込まれ、またはガスが第２弁本体から引き込まれ、またはそこへ戻る、外部に連結したすべての流れ機能に対して、その流れ機能のハウジングから回転子への流体連通を確立するために、そのような各流れ機能毎に流体伝達チャンバが提供される。各流体伝達チャンバは、弁回転子またはハウジング内の環状のキャビティであり、そのキャビティは、回転子内の機能区画とハウジングに連結する対応する外部導管との間の回転子の全角度位置において流体連通を提供する。漏れを防止するために、そのような各流体伝達チャンバに回転シールが提供されなければならない。これらの回転吸着器の実施形態では、第１および第２弁本体は固定式であり、直接外部流れ機能に連結できるので、回転吸着器の実施形態の特別の利点は、そのような流体伝達チャンバおよび関連するシールをなくせることである。
【０１３５】
供給伝達チャンバ１１２０は、供給導管１０８１と第１弁回転子内の機能区画１０１３の間を連通し、排気伝達チャンバ１１２２は、排気導管１０８２および第１弁回転子内の機能区画１０１６と連通する。伝達チャンバ１１２０および１１２２は、回転子シール１１２４で分離されている。この構成は、単段供給圧縮機１００１および単段排気装置１００３に適している。第１弁フェース９１０の狭いクリアランスギャップは、区画１０１３から図１８および１９の対応する区画８１２および８１１の環状セクタにわたって延び、区画１０１６から図１８および１９の対応する区画８１５および８１４の環状セクタにわたって延びて、区画１０１３および１０１６に開く各吸着機の穏やかな加圧と減圧のための絞りを提供する。追加の圧縮および排気段のために追加の伝達チャンバを提供することができるが、この複雑さは回転吸着機の実施形態を使用することで回避できることを理解されよう。
【０１３６】
生成物伝達チャンバ１１２６は、生成物送出し導管１０４７と第２弁回転子内の機能区画１０２１との間を連通する。回転シール１１２７が伝達チャンバ１１２６に提供される。各軽成分還流段の出口と戻口に対して追加の伝達チャンバが対として提供できる。図２０に示すように軽成分還流エクスパンダ８４０が提供される場合に、それが必要となることがある。しかし、据置き式吸着器の実施形態において、軽成分還流段で、第２弁回転子９０９とそのハウジング１１１４との間の連通を回避するとはるかに簡単になる。したがって、据置き式吸着器の実施形態の場合、図２１に示すように、圧力降下用に絞りオリフィス８５０を使用することが好ましく、これらのオリフィス８５０を、軽成分還流に対しては回転子９０９とハウジング１１１４の間で流体伝達の必要がないように、回転子９０９内に取り付ける。軽成分還流出口区画１０２５に連結するそのようなオリフィス１０５０を図２２に示す。その軽成分還流出口区画１０２５は断面内にないので、図２２では示していない。
【０１３７】
軸方向流の酸素濃縮ＰＳＡユニット
図１５のモジュール７０１に似た軸方向流回転酸素濃縮ＰＳＡモジュールの比生産性および収率を、空気供給物で３０℃で測定した。そのモジュールは、１８リットルの全体積（圧縮機、真空ポンプおよび回転子駆動モータを含めずに）を有し、８．２リットルの吸着器体積を含んでいる。比生産性は、時間あたり１リットルの吸着器体積から送り出される含有酸素生成物の標準リットル数（ｎｏｒｍａｌ  ｌｉｔｅｒｓ）で定義され、収率は、供給空気内に含まれる酸素からの生成物内に含まれる酸素の回収率で定義される。
【０１３８】
真空−ＰＳＡモードで、１００サイクル／分のサイクル周波数で、供給空気を絶対圧力１．５バールに圧縮し、真空排気を絶対圧力０．５バールとして動作したとき、純度７０％の生成物酸素が得られ、比生産性は、１５００標準リットル／リットル・時間に改善され、収率は４７％に改善された。
【０１３９】
真空−ＰＳＡモードで、１００サイクル／分のサイクル周波数で、供給空気を絶対圧力１．５バールに圧縮し、真空排気を絶対圧力０．５バールとして動作したとき、７０％の生成物酸素が得られ、そのとき比生産性は、１６５０標準リットル／リットル・時間で、収率は５０．５％であった。
【０１４０】
真空−ＰＳＡモードで、１００サイクル／分のサイクル周波数で、供給空気を絶対圧力１．７バールに圧縮し、真空排気を絶対圧力０．３２バールとして動作したとき、純度８０％の生成物酸素が得られ、そのとき比生産性は、２５００標準リットル／リットル・時間で、収率は５６％であった。
【０１４１】
正圧力ＰＳＡモードで、１００サイクル／分のサイクル周波数で、供給空気を絶対圧力３バールに圧縮し、真空排気を大気圧で動作としたとき、純度８０％の生成物酸素が得られ、そのとき比生産性は、１３２０標準リットル／リットル・時間で、収率は２５．５％であった。
【０１４２】
正圧力ＰＳＡモードで、１００サイクル／分のサイクル周波数で、供給空気を絶対圧力３バールに圧縮し、真空排気を大気圧で動作したとき、純度７０％の生成物酸素が得られ、そのとき比生産性は、１７５０標準リットル／リットル・時間で、収率は３３％であった。
【０１４３】
比較のため、従来の商用の酸素の真空−ＰＳＡシステムおよびＰＳＡシステムでは、粒状の吸着材を使用し、わずか約１サイクル／分のサイクル周波数で動作して、比生産性３０標準リットル／リットル・時間を達成している。比生産性１３０から１７０標準リットル／リットル・時間が、従来技術の回転ＰＳＡ装置で報告されている。（Ｖｉｇｏｒらの米国特許第５，６５８，３７０号参照）Ｋｅｌｌｅｒらは（米国特許第４，３５４，８５９号）、サイクル周波数４５から５９サイクル／分で動作したとき、４０から８０メッシュのゼオライトの粒状の吸着器で、酸素について比生産性２１０から２７０標準リットル／リットル・時間を達成した。
【０１４４】
したがって、この開示の軸方向流回転ＰＳＡシステムを用いて実現された高い比生産性は、従来技術のシステムより、大幅に１桁あるいは完全に２桁改善されている。開示した小型のＰＳＡユニットの高い生産性は、自動車の燃料電池の応用例にとって決定的に重要である。従来の技術では、装置が全く大きすぎかつ重すぎてそのような応用例が考えられなかった。
【０１４５】
回転ＰＳＡ機構の２つの機能を可能とする（ｄｕａｌ  ｅｎａｂｌｉｎｇ）態様および狭いチャネルを間に挟んだ薄い吸着材シートから形成された吸着材を用いて、高いサイクル周波数（毎分５０サイクルより大きく、より好ましくは毎分１００サイクルより大きい）で動作することによって、燃料電池システム用に本発明によって提供されるＰＳＡ装置を非常に小型にすることを可能となることに留意されたい。比生産性が、１５００標準リットル／リットル・時間の場合、上述のＰＳＡユニットは、１６リットルのモジュール体積から約２００標準リットル／リットル・分の含有酸素を送り出す。この酸素流速は、４０ｋＷの燃料電池用として十分であり、バイパスした空気をＰＳＡ生成物酸素と混合することで追加の酸素が提供される場合、さらに大きな燃料電池用として十分である。
【０１４６】
水素精製ＰＳＡ
水素精製ＰＳＡは、不純物がＰＥＭ燃料電池の妨げにならないレベルにまでうまく除去されるので、特に有利である。そのような不純物は、化石燃料の改質または化学工場の排ガスからの水素回収に付随する多くの化合物を含む。例えば、アンモニア、一酸化炭素、硫化水素、メタノール蒸気、塩素などいくつかの特に問題のある化合物が、ＰＳＡによって効率的に除去される。
【０１４７】
メタノールは、据置き式および自動車の適用例でのＰＥＭ燃料電池用の好ましい供給原料である。メタノールの水蒸気改質は、未処理の水素、または水素、二酸化炭素およびかなりのレベルの一酸化炭素および反応を起こしていないメタノールを含む合成ガスを生成する。本開示の水素ＰＳＡは、約１％の一酸化炭素、メタノール蒸気および水蒸気ならびにバルク不純物としての二酸化炭素を含む合成メタノール合成ガスでテストした。各不純物は、濃度５０ｐｐｍより低い値まで低減された。
【０１４８】
他の炭化水素（例えば、天然ガス、ガソリン、ディーゼル燃料）の自熱改質、水蒸気改質、または部分酸化は、未処理の水素または二酸化炭素およびしばしばバルク不純物としての窒素を、しばしば潜在的に有害な汚染物質である一酸化炭素および硫化水素と共に含む合成ガスを必ず生成する。これらの不純物はすべて、本開示の水素ＰＳＡユニットで、適切に除去できる。
【０１４９】
一酸化炭素、メタノール蒸気、硫化水素などの極めて有害な化合物を除去する水素ＰＳＡユニットの能力がＰＥＭ燃料電池にとって最も重要であり、その動作寿命を延ばし、燃料電池の信頼性を改善し、さらにまた燃料電池電解液に充填する貴金属を少なくできるので潜在的にコストを下げることができる。
【０１５０】
一酸化炭素および窒素などのバルク不純物を除去する水素ＰＳＡユニットの能力が、燃料電池を高い水素分圧ならびに極めて小さな陰極パージ流で動作することを可能とし、それによって電気化学エネルギー変換効率を改善し、同時に燃料電池陽極チャネル内の水素の利用も改善する。
【０１５１】
前述の記載は、本発明の好ましい実施形態を例示するものである。ここには特に記載または参照しないが、添付された特許請求の範囲で定義される本発明の趣旨および範囲を逸脱することなしに、記載された実施形態に対するいくつかの追加、削除および／または修正が当分野の技術者には想像できよう。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】固定子および固定子中に置かれた回転子を示す、本発明で使用するのに適した回転ＰＳＡモジュールの断面図である。
【図２】わかりやすいように固定子を削除した図１のモジュールの断面図である。
【図３】わかりやすいように回転子を削除した図１のモジュールの断面図である。
【図４】図１のモジュールの軸の断面図である。
【図５】図１〜図４に示すＰＳＡシステムで実施できる典型的なＰＳＡサイクルを示す図である。
【図６】図１〜図４に示すＰＳＡシステムで実施できる重成分還流を含むＰＳＡサイクルの一変形形態を示す図である。
【図７】本発明で使用するのに適した空気から酸素ガスを分離する圧力スイング吸着装置を示し、図１に示す回転モジュールおよび回転モジュールに結合された圧縮機械を示す図である。
【図８】本発明で使用するのに適した水素ガスを精製する圧力スイング吸着装置を示し、図１に示す回転モジュールおよび回転モジュールに結合された圧縮機械を示す図である。
【図９】軽成分還流エクスパンションからエネルギーを回収し、燃料電池陰極ループ内の酸素循環圧力を上昇させる、濃縮された酸素を燃料電池陰極チャネルに供給するための酸素分離ＰＳＡシステムを含む本発明の第１実施形態による電流発生システムを示す図である。
【図１０】図９に示す電流発生システムの第１変形形態を示す図と同様で、ただし、真空−ＰＳＡ動作用の自由回転子排気真空ポンプを駆動する向流ブローダウンエクスパンダを含むＰＳＡシステムを含む電流発生システムを示す図である。
【図１１】燃料電池陰極から放出された酸素濃縮ガスの一部分がＰＳＡシステムのための加圧ステップに使用される、図９に示す電流発生システムの第２変形形態を示す図である。
【図１２】濃縮酸素を燃料電池陰極チャネルに供給する酸素分離ＰＳＡシステムと、濃縮水素を燃料電池陽極チャネルに供給する水素分離ＰＳＡシステムとを含み、水素分離ＰＳＡシステムが供給ガスを水蒸気改質器から受け取る、本発明の第２実施形態の電流発生システムを示す図である。
【図１３】図１２に示す電流発生システムの変形形態による電流発生システムを示す図と同様で、ただし水素分離ＰＳＡシステムが供給ガスを自熱改質器から受け取る電流発生システムを示す図である。
【図１４】アルカリ性燃料電池のための二酸化炭素の除去および酸素の濃縮を含み、酸素アキュミュレータを有する電流発生システムを示す図である。
【図１５】回転吸着器および固定ディストリビュタ弁を有する回転ＰＳＡモジュールの軸断面図である。
【図１６】図１５の横断面図である。
【図１７】図１５の横断面図である。
【図１８】図１５の横断面図である。
【図１９】図１５の横断面図である。
【図２０】図１５の横断面図である。
【図２１】図１５の横断面図である。
【図２２】固定吸着器および回転ディストリビュタ弁を有する回転ＰＳＡモジュールの軸断面図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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