(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素を改質するようにための少なくとも１つの燃料電池（２）並びに前記燃料電池（２）のアノード出口（７）の部分的に未変換の排気流に含まれる一酸化炭素及び水素から前記炭化水素を生成するための前記燃料電池（２）の前記アノード出口（７）に接続された炭化水素生成ユニット（５）を備え、前記燃料電池（２）が前記炭化水素生成ユニット（５）から熱的に分離され、発熱炭化水素生成反応と吸熱改質反応が、一方の反応が他方を熱的に干渉することなく進行する、燃料電池システム（１）であって、
前記燃料電池システム（１）は、さらに、前記炭化水素生成ユニット（５）の下流に配置され、前記炭化水素生成ユニット（５）に接続されて二酸化炭素を分離する分離ユニット（６）を備え、前記燃料電池（２）のアノード入口（８）が３０％未満のＣＯ２を含有する、
燃料電池システム（１）。
【請求項２】
前記炭化水素がメタンであり、前記炭化水素生成ユニット（５）がメタン化ユニットである請求項１に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項３】
さらに、少なくとももう１つの分離ユニット（６）を備え、前記少なくとももう１つの分離ユニット（６）が、前記炭化水素生成ユニット（５）の下流に配置され、前記炭化水素生成ユニット（５）に接続されて水を含む不燃性排気流成分を分離する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記炭化水素生成ユニット（５）が、前記燃料電池（２）のアノード入口（８）に接続された炭化水素リサイクル導管（４）に接続される請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記炭化水素リサイクル導管（４）から得られるリサイクル炭化水素が、３０質量％未満のＣＯ２及び３０質量％未満のＨ２Ｏを含有する請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池（２）の酸化剤流が純粋な酸素からなり、前記酸素が燃料の電気化学的変換のために化学量論量で供給され、発熱電気化学反応中に生成された全ての熱が、前記炭化水素の吸熱改質によって消費される請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
排気流リサイクル導管（３）が、前記燃料電池（２）の前記アノード出口（７）及び前記燃料電池（２）のアノード入口（８）に接続され、前記排気流リサイクル導管（３）が、前記燃料電池（２）の排気流の少なくとも一部をリサイクルする請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池システム（１）が、化学量論量のリサイクル炭化水素及び／又は少なくとも１つの改質成分によって前記燃料電池（２）の温度を制御する請求項１〜７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記分離ユニット（６）が、膜、洗浄装置、吸着装置、深冷分離／蒸留、圧力／温度スイング吸着、又はそれらの任意の組み合わせを備える請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池（２）の熱収支を制御するために前記炭化水素生成ユニット（５）の化学量論量の前記部分的に未変換の排気流の成分を制御する請求項１〜９のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項１１】
前記燃料電池システム（１）が、前記燃料電池（２）の酸化剤流の流量を制御して前記炭化水素の前記改質のために熱を供給する請求項１〜１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記排気流リサイクル導管（３）が、前記炭化水素生成ユニット（５）の上流に配置される請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃料電池システム（１）の作動圧が大気圧よりも高く、大気圧よりも２〜３０バール高いか、又は大気圧よりも５〜１５バール高い請求項１〜１２のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
熱交換器（１４ａ）が、前記炭化水素生成ユニット（５）の上流で前記燃料電池（２）の前記アノード出口（７）に接続される請求項１〜１３のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項１５】
炭化水素の生成中に放出された熱が、蒸発プロセス及び／又は吸着物質の脱着及び／又は加熱目的のために使用される請求項１〜１４のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項１６】
前記燃料電池（２）がリバーシブル燃料電池であり、前述の請求項に記載の燃料電池モード及びさらに電解モードで運転できる請求項１〜１５のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１）。
【請求項１７】
ａ）燃料電池（２）の炭化水素を改質すること（１００）；
ｂ）排気流の一部を前記燃料電池（２）のアノード出口（７）から前記燃料電池（２）のアノード入口（８）に、特に排気流リサイクル導管（３）を介してリサイクルすること（２００）；
ｃ）炭化水素生成ユニット（５）の前記燃料電池（２）の前記アノード出口（７）の部分的に未変換の排気流に含まれる一酸化炭素及び水素から炭化水素を生成して（３００）、炭化水素含有流を作り出し、炭化水素の生成の熱が、前記燃料電池（２）から熱的に分離され、その結果発熱炭化水素生成反応と吸熱改質反応が、一方の反応が他方を熱的に干渉することなく進行すること；並びに
ｄ）前記生成された炭化水素流を炭化水素リサイクル導管（４）を介して前記燃料電池（２）の前記アノード入口（８）にリサイクルすること（５００）
を含み、
前記ｃ）の後、前記炭化水素含有流から二酸化炭素が分離されて、前記燃料電池（２）のアノード入口（８）が３０％未満のＣＯ２を含有する、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１）を運転する方法。
【請求項１８】
水を含む不燃性排気流成分が、ステップｃ）（３００）の後に炭化水素を含有する流れから分離される（４００）請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
化学量論量の炭化水素及び／又は少なくとも１つの改質成分によって燃料電池温度を制御することをさらに含むか、又は前記燃料電池システム（１）の熱収支を制御するために前記炭化水素生成ユニット（５）の化学量論量の部分的に未変換の排気流成分を制御することをさらに含むか、又は前記燃料電池（２）の酸化剤流の流量を制御して前記炭化水素の改質のための熱を供給することをさらに含む請求項１７又は１８に記載の方法。
【請求項２０】
−前記炭化水素生成ユニット（５）から放出される熱が、燃料電池システム（１）から、特に蒸発を介して抽出される、及び／又は
前記燃料電池（２）の前記アノード出口（７）の排気流が前記炭化水素生成ユニット（５）に供給される、及び／又は
アノード（２ａ）の排気流が、他の流れと事前に混合されることなく炭化水素に変換される、及び／又は
前記アノード出口（７）の前記部分的に未変換の排気流に含まれる残留水素及び一酸化炭素の８０質量％超が、前記炭化水素生成ユニット（５）で炭化水素に変換される、及び／又は
そこにおいて、前記炭化水素生成ユニット（５）の入口が、１０％未満のメタンを含有する、及び／又は
排気の一部が酸化されず、残留燃料が雰囲気に排出されない
請求項１７〜１９のいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
発熱燃料電池の運転中に生成される熱の少なくとも５０％が、炭化水素の吸熱改質によって消費され、その後前記炭化水素生成ユニット（５）での発熱反応中に放出される請求項１７〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
総有効燃料利用率が最大９５〜１００％に達する請求項１７〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総合効率が向上した燃料電池システム及び総合効率が向上した燃料電池システムを運転する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システム、特に作動温度が６００〜８００℃程度の高温燃料電池システムは、燃料流と酸化剤流との酸化還元反応によって生成される電力を発生させるための先行技術で広く使用されている。燃料電池は電力を直接生成するため、カルノープロセスの熱力学的制約によって制限されない。先行技術で既知の燃料電池システムは、燃料利用率の値が高いと水素が存在しないためにアノードの劣化につながり、燃料電池のアノード出口の水が電圧を形成せず、したがって電力をもたらさないので、燃料利用率が約８０〜９０％である。しかし、燃料利用率が８０〜９０％の燃料電池システムは総合効率が低く、最大１５〜３０％の高温廃熱が発生する。総合効率が低い別の理由は、通常、残留燃料と未変換燃料が燃焼することである。例えばアノードの劣化といった上記の欠点なしに燃料利用率を最大１００％まで上げるために、未変換の残留燃料は、燃料電池にリサイクルされる前に、水性ガスシフト反応で水素に変換することができる。したがって、８０％の理論的な総合効率を達成することができる。それでもなお、燃料電池によって放出される熱は燃料電池から放散されなければならない。したがって、高質量流量の酸化剤流、例えば空気が使用されなければならず、燃料電池の外部への熱伝達により１００℃の熱量が放出され、総合効率が７４％未満の値に低下するので、燃料電池に対してさらなるエクセルギー損失（exergetic losses）生じさせる。非特許文献１によれば、酸化剤流の質量流量を増加させずに、メタンの吸熱改質反応を燃料電池システムに統合することによって十分な燃料電池冷却が実現でき、そこにおいて前記ユニットは、燃料電池の上流のユニットに含まれ、それに結合される。出口での低い燃料濃度及び出口での高い水量が内部燃料電池効率を低下させるので、前記システムでは９０％の燃料利用率で７０％の総合効率しか達成できず、そこにおいて、上記の理由（例えばアノードの劣化）から、燃料利用率はこの値を維持されなければならない。３０％程度までの熱損失は、燃料電池自体の熱損失、すなわち吸熱改質反応及び燃料の非電気化学的燃焼に使用される熱量から生じる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】SCHLITZBERGER Christian,"Systeme mit integrierter Reformierung bzw. Vergasung von Kohlenwasserstoffen, Berichte aus der Energietechnik", Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), 2012, Aachen: Shaker
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この先行技術から出発して、本発明の根底にある目的は、熱損失が低減された、すなわち総合効率の向上した燃料電池システムを提供することである。そのうえ、本発明の目的は、燃料利用率の値が上がり、総合効率が向上した燃料電池システムを運転する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
その目的は、請求項１の燃料電池システムによって達成される。本発明の燃料電池システムは、炭化水素を改質するように構成された少なくとも１つの燃料電池及びその燃料電池のアノード出口の部分的に未変換の排気流から炭化水素を生成するために燃料電池のアノード出口に接続された炭化水素生成ユニットを備え、燃料電池は炭化水素生成ユニットから熱的に分離されている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本発明のさらなる詳細、利点、及び特徴は、図に照らし実施形態の下記記載に関連して説明される。図が示すのは以下の通りである。
【図１】図１は一実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図２】図２は別の実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図３】図３は実施形態による燃料電池システムを運転する方法の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
燃料電池は任意の種類のもの、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）などでありうる。本発明の燃料電池の電極材料、膜材料、及び電解質材料は、先行技術で既知の任意の技術的手段を含む。特に、燃料電池の機能は、燃料流を酸化剤流と反応させることによる電力の生成であり、酸化剤流は通常、酸素含有ガス混合物、例えば空気を含む。酸化剤流は、従来の技術的手段を介して燃料電池のカソード入口に供給される。異なる種類の燃料電池では、さらなる添加剤の添加が必要になる場合がある。例えばＭＣＦＣを使用する場合、さらに二酸化炭素が燃料電池の酸化剤流に供給される。燃料流は、燃料流アノード入口導管を介して燃料電池のアノード入口に、例えばガスの形態で供給される。例えば、好適な燃料流は、燃料電池の運転に適したバイオガス及び／又は合成ガス及び／又は天然ガス及び／又は他のガス又はガス混合物である。合成ガスは、例えばガス化及び／又はメタン化及び／又はフィッシャー・トロプシュ合成のような当技術分野で公知の方法で作り出すことができる。燃料流は、メタン、エタン、プロパン、若しくは他の炭化水素、一酸化炭素、水素、メタノール及びエタノール、及び他の長鎖アルコール、又はそれらの組み合わせのような成分をさらに含むことができる。燃料電池のアノード出口の排気流は、例えば上記の一酸化炭素、水素、メタン、及び他のガスのような未変換の反応物が含むことができる。さらに、燃料電池のアノード出口の排気流は、例えば水と二酸化炭素のような完全に変換された生成物を含むことができる。例えばメタノールや酢酸又はホルムアルデヒドのような部分的に変換された反応物も可能性がある。燃料電池のカソード出口の排気流は、水などの完全に変換された反応物と、例えば酸素や不活性ガス、例えば窒素のような未変換の反応物を含んでいてもよい。
【０００８】
燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池を備える。必要な電気エネルギーの量に応じて、複数の燃料電池を、例えば高電力出力用に直列接続で積み重ねることができる。反応物及び生成物は、任意の好適な技術的手段によって、好ましくは導管によって、本発明の燃料電池システム内で輸送することができる。本発明の燃料電池システムで使用される導管はすべて、それぞれの気体又は液体の流れを輸送するように適切に構成されたパイプライン、ホース、又は管などの好適な輸送システムでありうる。
【０００９】
本発明の燃料電池はまた、炭化水素燃料（これよりさき改質反応の非排他的な例として使用されてわかりやすく／明瞭にするために例えばメタン）を改質するように燃料電池のアノード側に配置される。これは吸熱反応であり、例えば次の式Ｉ及び式ＩＩによって進行しうる。
（Ｉ）  ＣＨ4  ＋  Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ  ＋  ３Ｈ2
（ＩＩ）ＣＨ4  ＋  ＣＯ2  →  ２ＣＯ  ＋  ２Ｈ2
【００１０】
したがって、メタン流並びに二酸化炭素流及び／又は水流を燃料電池のアノード入口に供給することによって、燃料電池内でメタンの改質を好都合に行うことができる。メタン、二酸化炭素、及び水の流れは、任意の好適な既知の技術的手段によって燃料電池に導入することができる。改質反応では、燃料電池の熱放散は、内部冷却又はヒートシンクと見なすことができるメタンの吸熱改質によって進行する。したがって本質的に、燃料電池の外側の冷却又は酸化剤流の質量流量を増やすことによる冷却は必要ない。したがって、高質量流量を必要としないので、酸化剤流は低質量流量に調整でき、さらなる熱損失がほとんど又はまったくない。したがって、燃料電池システムの総合効率が向上し、熱放散が、酸化剤流の質量流量とは無関係に調整することができる。
【００１１】
熱損失という用語は、明細書で使用される場合は常に、例えば、電気化学的プロセスによる燃料電池の内部損失、内部抵抗、ガス流の摩擦損失、電気エネルギーとして使用できない、したがって熱として放出される燃料電池システムの反応熱から生じるエネルギー量を定義する。したがって、熱損失は主に燃料電池で発生する。さらに、燃料電池システムの異なるユニットで無視できる量の熱損失が発生する可能性がある。したがって、燃料電池システムの総合効率は、熱損失の程度だけ低下する。言い換えれば、燃料電池システムの総合効率は、電気エネルギーとして使用できる化学反応のエネルギーと、化学反応によって放出される総エネルギーとの関係である。さらに、燃料電池で発生する熱損失は、燃料電池が未変換のままになる改質反応の生成物に化学的に蓄えられる。さらに、上記のように、炭化水素流及び／又は水流及び／又は二酸化炭素流に、さらなる炭化水素又はその他の反応物を含有する炭化水素結合を付加することによって、改質反応を実行することもできる。
【００１２】
燃料電池システムは、部分的に未変換の排気流の成分に含まれる一酸化炭素及び水素から炭化水素を生成する炭化水素生成ユニットをさらに備える。炭化水素生成ユニットは、燃料電池のアノード出口に接続される。本明細書で示される未変換の排気流の成分は、一方では入口でアノードに入り、燃料電池で変換されず、アノード出口を出る一酸化炭素や水素のような成分である。他方では、炭化水素の改質反応中に生成され、燃料電池でさらに酸化されず、アノード出口を出る一酸化炭素や水素のような成分も、「未変換の排気流」という用語の定義に該当する。炭化水素生成ユニットと燃料電池の接続は、導管又はさらなる操作を含む導管（a conduit which includes further operations）のような従来の手段によって可能である。炭化水素生成ユニットは、当技術分野で公知のいずれの炭化水素生成ユニットでもありうる。炭化水素の生成は発熱反応であり、典型的には３００℃〜６００℃の温度で熱が放出される。炭化水素生成ユニットでは、例えば、改質反応から生じる部分的に未変換の排気流を炭化水素に変換することができる。したがって、化学エネルギー、すなわち燃料電池の熱損失の一部で、さらに変換されなかった改質反応の生成物に蓄えられているもの、例えばＣＯ及びＨ2は、燃料電池から輸送され、発熱炭化水素生成反応の間に炭化水素生成ユニットで熱として放出される。したがって、一般的なエネルギー変換技術によって、熱損失の一部をさらに効率的に使用することが可能である。すなわち燃料電池システムの総合効率をさらに上げることが可能である。
【００１３】
炭化水素生成ユニットは燃料電池から熱的に分離されている。したがって、発熱炭化水素生成反応と吸熱改質反応は互いに独立して進行し、例えば、一方の反応が他方を熱的に干渉することのない各反応の反応平衡の適切な反応制御が可能になり、熱損失を低減し、したがって燃料電池システムの総合効率も上げる結果になる。
【００１４】
本発明の燃料電池システムでは、電力とエネルギーを非常に効率的に生成することができる。電気化学的変換のみが行われ、先行技術の燃料電池システムで一般的に使用され、大きなエクセルギー破壊を引き起こす燃焼反応は省略される。全体的な熱損失は、いくつかの機能によって減らすことができる。燃料電池内の改質反応に起因して、この吸熱反応はヒートシンクをもたらし、燃料電池システムの熱を放散する。したがって、燃料電池の冷却運転は酸化剤流とは無関係であるので、熱損失は減少する。さらに、燃料電池のアノード出口に接続された炭化水素生成ユニットは、燃料電池でさらに変換されなかった改質反応の生成物から炭化水素を生成することによって、熱損失の低減に寄与する。この発熱反応は燃料電池の熱損失の一部を放出する。この熱損失は、燃料電池システムの総合効率をさらに上げるために、単純なエネルギー変換技術で使用することができる。炭化水素生成ユニットの熱的デカップリング（thermal decoupling）は、発熱炭化水素生成と吸熱改質が直接互いに干渉しないので、燃料電池システムの総合効率の向上と熱収支の改善にさらに寄与する。
【００１５】
従属請求項には、本発明の有利な実施形態が含まれる。
本発明の燃料電池システムの好ましい実施形態によれば、炭化水素はメタンであり、炭化水素生成ユニットはメタン化ユニットである。これは、燃料電池の総合効率をさらに上げるのに役立つ。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態では、燃料電池システムは、炭化水素生成ユニットの下流に配置され、それに接続されて不燃性排気流成分、特に水及び二酸化炭素を分離する少なくとも１つの分離ユニットを備える。分離ユニットは、物理的及び／又は化学的特性によって不燃性排気流成分を分離するのに適した任意のものでありうる。分離ユニットによって、さらなるプロセス又は貯蔵のために純度の高い炭化水素を得ることができる。
【００１７】
本発明の燃料電池システムのさらなる有利な実施形態によれば、燃料電池システムの炭化水素生成ユニットは、燃料電池のアノード入口に接続された炭化水素リサイクル導管に接続される。燃料電池のアノード入口にリサイクルされる炭化水素の濃度は、燃料電池内の吸熱改質反応と電気化学的燃焼反応の大きさを制御する。したがって、燃料電池の熱放散の優れた制御を達成することができる。さらに、燃料利用率は、炭化水素リサイクル導管を介した炭化水素流全体で９０％超、ほぼ１００％まで上がることができる。燃料電池の不可逆性に起因して、追加の熱を生成する燃料電池の経年劣化を補う必要がある場合、炭化水素のリサイクルを増加させて、少ない酸化剤流を維持しながら吸熱熱除去を増加させることができる。したがって、コストも節約することができる。燃料利用率は、燃料流の総エネルギー含量に対する、電気エネルギーに変換される燃料流のエネルギーと燃料流の変換から生じる熱エネルギーの比として定義される。炭化水素ス流のリサイクルに起因して、９０％を超えて事実上１００％の高い燃料利用率を達成することができる。したがって、劣化の低減及び電力とエネルギーの増加が達成され、やはり約８０％の燃料電池の高い総合効率をもたらす。しかし、燃料利用率の値がアノードの劣化を回避するために事実上１００％であっても、この運転モードでの未変換の排気流の濃度は０より大きいことに注意することが重要である。言い換えれば、システムの燃料利用率が事実上１００％であっても、スタックの燃料利用率の値は１００％をはるかに下回る。
【００１８】
特に好ましい実施形態では、本発明の燃料電池システムの効率をさらに向上させることができように、炭化水素リサイクル導管から得られるリサイクル炭化水素は、３０質量％未満のＣＯ2及び３０質量％未満のＨ2Ｏを含有する。
【００１９】
上記の有利な効果を考慮すると、燃料電池のアノード入口が３０％未満のＣＯ2を含有することがさらに有利である。
【００２０】
別の好ましい実施形態によれば、燃料電池の酸化剤流は純粋な酸素からなる。熱放散は炭化水素の改質によって進行するので、希釈酸素の代わりに純粋な酸素を使用することができる。従来の燃料電池では、燃料電池カソードで熱放散媒体を形成するために、希釈酸素を使用する必要がある。純粋な酸素からなる本発明の酸化剤流は、より多くの電気エネルギーを生成でき、さらに運転コストを節約できるので、総合効率の向上にさらに寄与する。さらに、酸化剤流が純粋な酸素からなる場合、燃料電池システムの９０％超の熱損失が、炭化水素の生成中に炭化水素生成ユニットで放出でき、高い％割合の熱損失が電気エネルギーに変換できるので、燃料電池システムのより高い総合効率につながる。この点において、酸素が、燃料の電気化学的変換のために化学量論量で供給され、発熱電気化学反応中に生成された完全な熱が炭化水素の吸熱改質によって消費されることがさらに有利である。
【００２１】
本発明の燃料電池システムのさらなる実施形態によれば、排気流リサイクル導管は、燃料電池のアノード出口と、少なくとも一部の燃料電池からの排気流をリサイクルするように配置された燃料電池のアノード入口に接続される。アノード入口にリサイクルされる二酸化炭素や水のような排気流成分は、燃料電池内の水素濃度を増加させる改質反応（式（Ｉ）及び（ＩＩ）を参照）の反応物の濃度を増加させる。したがって、個別の蒸気生成を回避でき、さらに燃料電池システムの総合効率の増加と熱放散の制御をもたらすことができます。さらに好ましい実施形態では、排気リサイクル導管は、炭化水素生成ユニットの上流に配置されて、炭化水素の生成の前にリサイクルされる排気流の割合によって燃料利用率を好都合に制御し、さらに炭化水素の生成によって放出される熱を単純に制御する。
【００２２】
正確な燃料電池温度を可能にするために、燃料電池システムは、本発明の燃料電池の一実施形態による化学量論量の炭化水素及び／又は少なくとも１つの改質成分によって燃料電池温度を制御するように有利に構成される。例えばこれは、リサイクル導管内のそれぞれの流れの質量流量調整によって、又は導管内のそれぞれの成分を含有する燃料流の質量流量調整によって実現でき、前記導管は燃料電池のアノード入口に接続される。
【００２３】
本発明の燃料電池システムの別の好ましい実施形態によれば、分離ユニットは、吸着装置、膜、洗浄装置、深冷分離／蒸留、圧力、又は温度スイング吸着、又はこれらの手段の任意の組み合わせを備える。アミン洗浄装置、低圧凝縮器、高圧凝縮器、高圧洗浄機洗浄装置、並びに他の既知の化学的及び／又は物理的洗浄装置などのそれぞれの構成要素は、当技術分野において公知である。炭化水素流の純度及び濃度は、そのさらなるプロセスに必要な炭化水素の純度に応じて、特定の分離ユニット又は特定の分離ユニットの組み合わせに応じて制御することができる。
【００２４】
本発明の別の実施形態によれば、燃料電池システムは、燃料電池の熱収支を制御するために、炭化水素生成ユニット内の部分的に未変換の排気流成分の化学量論量を制御するように構成される。炭化水素生成ユニット内の、例えば一酸化炭素や水素のような未変換の排気流の成分の濃度が高いほど、炭化水素生成ユニットでのそれぞれの放熱が高い。したがって、燃料電池システムの熱収支は、それらのパラメータによって容易に制御することができる。濃度の調整は、例えばコンプレッサなどの公知の手段によって実現することができる。
【００２５】
本発明の燃料電池システムの別の好ましい実施形態では、システムは、燃料電池内の酸化剤流の流量を制御して、炭化水素の改質のための熱を供給するように構成される。流量は、例えばコンプレッサなどの先行最新技術で公知の手段によって制御することができる。燃料電池のカソード内の酸化剤流の流量が少ない場合、燃料電池のアノードから外部への前記酸化剤流によって引き起こされる熱放散は少ない。したがって、より多くの熱放散が、燃料電池内の炭化水素の改質反応によって可能である。酸化剤の質量流量が多い場合、燃料電池のアノードから燃料電池のカソードへの熱放散の増加が起こり、したがって炭化水素の改質反応に利用できる熱が少なくなる。したがって、少ない酸化剤流の質量流量によって、炭化水素の改質反応をサポートし、燃料電池システムの総合効率を上げるのに寄与することを可能にする。
【００２６】
本発明の燃料電池システムのさらに好ましい実施形態では、燃料電池の作動圧は大気圧よりも高く、好ましくは大気圧よりも２〜３０バール、より好ましくは５〜１５バール高い。加圧により、触媒反応キネティクスが向上し、電気化学的変換などの燃料電池反応及び／又は炭化水素生成ユニットでの炭化水素生成の平衡が生成物側にシフトし、総合効率の向上につながるので、燃料電池システムの燃料利用率と総合効率を上げることができる。さらに、加圧は二酸化炭素分離プロセスの効率をサポートすることができる。加圧は、当技術分野で公知の従来の手段によって達成することができる。
【００２７】
本発明の燃料電池システムの別の有利な実施形態では、熱交換器は、炭化水素生成ユニットの上流の燃料電池のアノード出口に接続される。熱交換器は、当技術分野で公知の任意の好適な熱交換器を備えることができる。熱交換器は、炭化水素生成ユニットに入る前に、未変換の排気流、例えば一酸化炭素や水素を冷却する。炭化水素生成反応は発熱性であるので、平衡の炭化水素側へのシフトを実現でき、すなわちより高い炭化水素収率が可能である。好ましくは、最適な炭化水素生成パラメータを可能にするために、未変換の排気ガス流は、燃料電池のアノード出口を出た後、温度が約６００〜８５０℃であり、炭化水素生成ユニットに入る前に熱交換器によって２５０〜３５０℃に冷却される。
【００２８】
さらに好ましい実施形態では、燃料電池システムは、炭化水素流リサイクル導管及び排気流リサイクル導管を含む。したがって、大きな熱損失と個別の蒸気生成なしに燃料利用率を最大化することができる。
【００２９】
燃料電池システムの別の好ましい実施形態では、熱損失を電気エネルギーに変換するために、炭化水素生成ユニットは蒸気サイクルに接続される。これは、例えば有機ランキンサイクルや同類のものなどを含む、先行技術で公知の蒸気サイクルによって行うことができる。したがって、燃料電池システムの総合効率を最大化でき、８５％〜最大１００％の燃料利用率値を達成することができる。炭化水素生成ユニットで放出された熱を使用して、流れサイクルで水を蒸発させるのがより好ましい。代替的な好ましい実施形態では、炭化水素生成ユニットで放出された熱を使用して、超臨界流体又は超臨界流体混合物を加熱する。したがって、熱損失を非常に効果的に使用して、燃料電池の総合効率を上げることができます。
【００３０】
さらに好ましい実施形態では、燃料電池の作動温度は６００〜９００℃である。その理由は、燃料電池システムの総合効率がこの温度範囲で最適に達することができるからである。特に、７００〜８００℃の温度がより好ましい。
【００３１】
さらに好ましい実施形態では、炭化水素生成ユニットは、さらなる改質器に接続された熱伝達ユニットに結合される。したがって、少なくとも一部の熱損失は、前記改質器を運転するのに効果的に使用されます。
【００３２】
好ましい実施形態では、燃料電池は、酸化剤流が純粋な酸素からなるＳＯＦＣ、又は酸化剤流中に１：２（二酸化炭素に対する酸素）の混合物を含むＭＣＦＣである。これは従来の手段で実現することができる。したがって、燃料電池システムの総合効率を上げることができる。
【００３３】
別の好ましい実施形態では、燃料電池システムはＭＣＦＣを備え、燃料電池システムは、二酸化炭素を前記燃料電池のカソード入口に、例えばリサイクル導管を介して配置される。したがって、ＭＣＦＣの優れた活性化を達成することができる。
【００３４】
別の好ましい実施形態では、炭化水素生成ユニットは、直列のいくつかの炭化水素生成サブユニットを備え、各炭化水素生成サブユニットの排気流をゆるめて機械的動力をもたらす。これは従来の方法で行うことができる。したがって、さらに熱損失は部分的に、使用可能な機械的動力に変換することができる。
【００３５】
本発明の燃料電池システムのさらに好ましい実施形態は、炭化水素生成ユニットに直列又は並列に接続されたさらなるフィッシャー・トロプシュユニットを備える。したがって、未変換の排気流の成分から長鎖炭化水素も生成されうる。したがって、燃料電池システムは炭化水素に関する変動性が高くなる。より好ましくは、燃料電池システムはまた、フィッシャー・トロプシュユニットからアノード入口までの炭化水素リサイクル導管を備える。したがって、最新の需要（current demand）に応じて、多種多様な炭化水素をアノードにリサイクルすることができる。
【００３６】
さらに好ましい実施形態では、本発明の燃料電池システムは、発熱炭化水素生成反応で放出される熱の少なくとも一部を使用して、酸化剤流を例えば６００℃に加熱するように構成され、熱交換器は酸化剤流供給導管にて配置され、従来の手段で炭化水素生成ユニットに熱的に結合及び接続される。燃料電池システムはさらに、機械的な仕事を生み出すために、加熱された酸化剤流を例えば１バール、３００℃に弱めるように構成され、エネルギー変換器に接続されたガス膨張ユニットが前記熱交換器の下流に配置される。さらに、燃料電池システムは、酸化剤流を例えば７００℃に加熱するように構成され、さらなる熱交換器は、当該技術分野で公知の従来の手段によって燃料電池の排気ガスの熱に熱的に結合される。酸化剤流は、前記装置に入る前に５バールの圧力及び３００℃であることが好ましい。したがって、燃料電池ユニットの放熱を効率的に使用することができる。
【００３７】
別の有利な実施形態では、燃料電池システムは、当技術分野で公知の任意のガス貯蔵ユニットでありうる炭化水素生成ユニットの炭化水素用のガス貯蔵ユニットを備える。前記ガス貯蔵ユニットは、炭化水素生成ユニットに、例えば導管を介して接続される。したがって、本発明の燃料電池システムは、必要に応じて炭化水素を容易に供給でき、且つ蓄えることもできる。
【００３８】
別の有利な実施形態では、燃料電池はリバーシブル燃料電池であり、上記燃料電池システムによる燃料電池モード、くわえて、蒸気から水素が、二酸化炭素から一酸化炭素が生成され、生成された水素と炭素酸化物が反応して炭化水素生成ユニット（５）で炭化水素と水蒸気が生成される電解モードで運転することができる。当該技術分野において公知のすべてのリバーシブル燃料電池が可能である。燃料電池システムは、部分的に未変換の排気流から燃料ガスを生成することもでき、必要に応じて運転モードに切り替えて電気を生成することもできます。したがって、より多様な燃料電池システムが可能であり、コストの節約も可能である。
【００３９】
本発明はさらに、燃料電池システムを運転する方法に関する。燃料電池システムは、本発明の燃料電池システムに関して上記で概説したように構成することができる。言い換えれば、燃料電池システムを運転する本発明の方法を使用して、本発明の燃料電池システムを操作することができる。本発明の方法は、燃料電池で炭化水素を改質することを含む。炭化水素を改質することは、上記のように、すなわち式（Ｉ）及び（ＩＩ）による反応物及び／又はさらなる炭化水素を含むそれぞれの反応物流を加えることによって実行される。炭化水素の吸熱改質により、燃料電池の内部放熱が行われる。したがって、追加の冷却手段が必要ないので、燃料システムの総合効率を上げることができる。炭化水素改質中の燃料電池の作動温度は６００〜８００℃であることが好ましい。
【００４０】
第２のステップでは、本発明の方法は、燃料電池のアノード出口から燃料電池のアノード入口に排気流の一部をリサイクルすることを含む。リサイクルは、排気リサイクル流導管のような従来の手段で実行することができる。排気流は主に二酸化炭素や水のような不燃性成分を含有するので、改質反応の反応物濃度を制御することができる。これによって、燃料利用率と熱収支の良好な制御、つまり燃料電池システムの総合効率の良好な制御が可能になる。
【００４１】
第３のステップは、燃料電池のアノード出口の部分的に未変換の排気流である排気流の一部に含まれる一酸化炭素及び水素から炭化水素を生成して、炭化水素含有流を生成することを含み、炭化水素の生成熱は燃料電池から分離される。一酸化炭素と水素を含む未変換の排気流の一部からの炭化水素の生成は、炭化水素生成ユニットの説明で上述したように作動させることができる。発熱炭化水素生成反応により、未変換の排気流には燃料電池のかなりの部分の熱損失がある。したがって、発熱炭化水素生成によって放出された熱をさらに使用して、例えば従来のエネルギー変換手段によってシステムの総合効率を上げることができる。上で説明したように、炭化水素の生成は改質から切り離されており、その結果発熱炭化水素生成反応と吸熱改質反応は、一方の反応が他方を熱的に干渉することなく進行する。
【００４２】
第４のステップでは、生成された炭化水素流が燃料電池のアノード入口にリサイクルされる。これは、炭化水素リサイクル導管などの従来の手段で実行することができる。例えば、リサイクル濃度は、バルブとコンプレッサの使用によって制御可能である。アノード入口の炭化水素濃度がある程度増加すると、燃料利用率も増加する。逆もまた同様である。セルの経年劣化は、本発明の方法の個々の要件に応じて、炭化水素リサイクル流にもたらされるより高い炭化水素濃度によって補うことができる。したがって、プロセスのコストを節約でき、高いプロセス変動が可能である。
【００４３】
本発明の方法の別の好ましい実施形態によれば、炭化水素生成中に放出される熱は、蒸発プロセス及び／又は吸着物質の脱着及び／又は加熱目的に使用される。したがって、前記熱のより良好な利用が達成されうる。
【００４４】
燃料電池システムを運転する本発明の方法にはいくつかの利点がある。排気流のリサイクルの一部と排気流の炭化水素生成の一部による燃料電池内の炭化水素の改質反応により、本発明の燃料電池システムの総合効率を効果的に上げることができる。さらに、炭化水素の生成中に本質的に放出される燃料電池の熱損失は、いくつかの目的、例えば炭化水素生成の下流の単純なエネルギー変換プロセスにさらに使用することができる。さらに、生成された炭化水素流を燃料電池のアノード入口にリサイクルすることは、セルの経年劣化に対する優れた制御及び濃度に応じたセルの総合効率の向上を可能にする。本発明の方法を実施することによって、燃料電池の酸化剤流による熱抽出を最小限に抑えること、及び強い燃料希釈なしで９５質量％を超える燃料利用率に到達することがさらに可能であり、これはアノード入口における二酸化炭素の含有量が３０質量％未満であることを意味する。
【００４５】
燃料電池システムの構成要素、利点、及び有利な効果に対する追加の説明については、上の標記の本発明の燃料電池システムの開示が参照される。
【００４６】
本発明の方法のさらなる有利な実施形態によれば、不燃性排気流成分、特に二酸化炭素と水は、上記の手段によって炭化水素を生成するステップの後に炭化水素含有流から分離される。分離により、炭化水素のより高い純度と燃料電池の反応のより良好な制御が可能である。さらに、ＣＯ2とＨ2Ｏは分離なしで濃縮され、システムはそれ以上動かないことになるであろう。本明細書では、入ってくる炭素と水素の量と同じ量のＣＯ2とＨ2Ｏをそれぞれ分離する必要がある。
【００４７】
本発明の方法の別の好ましい実施形態によれば、本方法は、化学量論量の炭化水素及び／又は少なくとも１つの改質成分によって燃料電池温度を制御することを含む。これは上記のように実現することができる。電気化学的変換及び吸熱反応、したがってセルの熱放散及びセルの電気化学的燃焼反応は、前記反応物によって優れた制御が可能である。その上、本方法は、上で説明したように燃料電池システムの熱収支を制御するために、炭化水素生成ユニットの部分的に未変換の排気流の成分の化学量論量を制御することを含む。例えばこれは、当技術分野で公知の手段によって、リサイクル排気流の部分の割合を調整することによって可能である。したがって、総熱収支の優れた制御が可能である。さらに、本方法は、燃料電池の酸化剤の流量を制御して、炭化水素の改質のための熱を調整することを含む。上記で説明したように、カソードでの低流量は、改質反応に必要なアノードからの熱をあまり放散しない。したがって、総合効率を上げることができる。
【００４８】
別の有利な実施形態によれば、燃料流供給は、改質反応でより多くのＣＯを生じさせるために、二酸化炭素と混合された水素からなる。そのように生成されたＣＯ及び未変換の水素は、炭化水素生成ユニットで炭化水素にさらに変換することができる。したがって、炭化水素生成ユニットによって全体の熱収支をより効果的に制御することができる。
【００４９】
燃料電池システムの熱効率をさらに向上するために、本発明の方法は、炭化水素生成ユニットから放出される熱が、特に蒸発によって燃料電池システムから抽出されることを特徴としうる。
【００５０】
燃料電池システムの燃料効率をさらに向上するために、燃料電池の完全な排気流が炭化水素生成ユニットに供給されることが有利である。
【００５１】
さらに好ましい実施形態によれば、アノードの排気流は、他の流れと事前に混合されることなく炭化水素に変換され、燃料電池システムの構造、したがって燃料電池システムを運転する方法を容易にすることができる。
【００５２】
燃料電池システムの燃料効率は、アノード出口の部分的に未変換の排気流に含まれる残留水素と一酸化炭素の８０質量％超が炭化水素生成ユニットで炭化水素に変換される実施形態及び／又は炭化水素生成ユニットの入口が１０％未満のメタンを含有する実施形態によって、さらに向上することができる。
【００５３】
燃料電池を運転する方法の複雑さを軽減する観点から、燃料電池の排気のどの部分も酸化されず、残留燃料が雰囲気に放出されないことが有利である。
【００５４】
燃料電池システムを運転する方法の熱効率をさらに上げるために、発熱燃料電池の運転中に生成される熱の少なくとも５０％が、炭化水素の吸熱改質によって消費され、その後、炭化水素生成ユニットでの発熱反応の間に放出されることがさらに有利である。
【００５５】
総有効燃料利用率が最大９５〜１００％に達する場合、さらに一層有利である。
【００５６】
本発明はさらに、発電所における本発明の燃料電池システムの使用に関する。したがって、発電所の総合効率と燃料利用率を大幅に上げることができる。
【００５７】
以下の図を参照して本発明を説明する。本明細書では、本発明の燃料電池の必須要素及び構成要素がすべて示されている。本発明の理解を深めるために、すべての他の要素及び構成要素は省略されている。
【００５８】
詳細には、図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１の概略図を示す。燃料電池システム１は、アノード２ａとカソード２ｂを含む燃料電池２を備える。燃料電池２の材料、例えば触媒、膜、電解質は、当技術分野で公知のものを含む。燃料電池２は、酸化剤流によって酸化される燃料流の電気化学的燃焼反応によって、燃料電池２に入る酸化剤流及び燃料流を変換して電力を生成するように構成される。燃料電池の作動温度は６００〜８００℃が好ましい。
【００５９】
燃料電池２のカソード２ｂは、空気又は純粋な酸素からなる酸化剤流が導入されるカソード入口９を備える。純粋な酸素反応物の場合、より多くの電気エネルギーが生成されるので、燃料電池の総合効率を上げることができる。酸化剤流は、例えば、ガス貯蔵タンク又はガス液化ユニットによって、又は酸化剤としての空気の場合には単に環境によって、酸化剤流供給導管１１に導入される。酸化剤流の圧力と質量流量は、例えば酸化剤流供給導管１１の上流のコンプレッサ又はタービンによって調整することができる。熱交換器１３ｂを使用して、空気又は純粋な酸素の流れを燃料電池２の作動温度に加熱でき、先行技術の任意のタイプの好適な熱交換器を使用することができる。カソード２ｂは、空気の場合に酸素が還元された酸化剤排気流が、酸化剤流出口１７を介して燃料電池２から出るカソード出口１０をさらに備える。くわえて、熱交換器１４ｂはカソード出口１０の下流に配置されて酸化剤排気流を冷却する。熱交換器１４ｂで伝達された熱は、例えば、熱交換器１３ｂにおいて入ってくる酸化剤流を加熱するために、燃料電池システム１でさらに効率的に使用することができる。
【００６０】
燃料電池２のアノード２ａは、燃料流を導入できるアノード入口８を備える。燃料流は、例えば天然ガス、合成ガス、一酸化炭素、水素、メタノール、エタノール、酢酸、ホルムアルデヒド、メタン、エタン、プロパン、又はそれらの任意の組み合わせ、及び当技術分野で公知の燃料電池に適したさらなる物質を含むことができる。燃料流は、燃料流供給導管１２を通じて燃料電池システム１に導入される。燃料流供給導管１２は、例えばガスタンク、バイオガス生成ユニット、ガスパイプライン、又は燃料ガスを生成する別の産業用運転ユニット、又は当技術分野で公知の他の好適な手段に接続することができる。燃料流供給の質量流量及び圧力は、例えば、コンプレッサ、マスフローコントローラ、又はタービン、又は先行技術で既知の他の技術的手段によって制御することができる。熱交換器１３ａは、燃料流を燃料電池の作動温度、例えば８００℃に予熱する。アノード排気流は、アノード出口７を介してアノード２ａから出る。熱交換器１４ａはアノード２ａの下流に配置されて、上記で定義されたように、部分的に未変換の排気流を例えば３５０℃まで冷却する。排気流の成分の種類に応じて、排気流は以下で詳細に説明するようにさらにプロセスされる。この設定により、例えば５０％の良好な燃料電池内部／局所燃料利用率を達成することができる。この値は、アノード２ａの経年劣化を避ける必要があり、電極の長時間の稼働が必要な場合に特に有利である。
【００６１】
さらに、燃料電池２は、燃料電池２の運転中に生成される熱を放散するために、炭化水素の改質反応用に構成される。吸熱改質は、式（Ｉ）と（ＩＩ）による経路を介して進行する。したがって、炭化水素は、以下で説明するように炭化水素流リサイクル導管４及び／又は燃料流供給導管１２を通じて供給することができる。他の反応物、例えば二酸化炭素及び水は、一酸化炭素や水素のような未変換の排気成分をさらに含む排気流を通じて供給され、アノード出口７に接続され、炭化水素生成ユニット５及び熱交換器１４ａの上流に配置された排気流リサイクル導管３を介してアノード出口７から出て、アノード入口８によって燃料電池２に再び入る。燃料電池２の改質反応を制御するために、リサイクルされた排気流の量を変えることができる。そのようなリサイクルは、例えば、バルブ（ここでは図示せず）とコンプレッサ１５によって可能である。改質反応は燃料電池２でヒートシンクをもたらし、追加の冷却手段が燃料電池２に必要ない。したがって、排気流のリサイクルにより、燃料電池２の非常に低い劣化と燃料電池システム１の総合効率の向上とともに、最大７０％の良好な燃料利用率が可能になる。
【００６２】
燃料電池システム１は、未変換排気流、例えば一酸化炭素及び水素を炭化水素に変換する炭化水素生成ユニット５をさらに備える。炭化水素生成ユニットの上流に、炭化水素生成ユニット５の排気流を、例えば３５０℃に冷却する熱交換器１４ａが配置される。したがって、平衡が炭化水素側にシフトするので、良好な炭化水素収量を生み出すことができる。既知のいずれの炭化水素生成ユニット５も使用することができる。燃料電池２の改質反応により、燃料電池システム１の高い割合の熱損失が炭化水素生成ユニット５の反応物に蓄えられる。炭化水素生成ユニット５での発熱炭化水素生成反応は、以下に説明するように追加的に使用されて効率を上げることができる熱を放出する。炭化水素生成ユニット５によって生成された炭化水素は、膜、洗浄装置、吸着装置、又はそれらの任意の組み合わせを備える少なくとも１つの分離ユニット６に導入されて、不燃性成分、特に二酸化炭素及び水を分離する。分離ユニット６により、良好な純度をもつ炭化水素流を、炭化水素流リサイクル導管４を通じて、熱交換器１３ａを通過した後にアノード入口８に送り返して、炭化水素を例えば８００℃の反応温度に予熱することができる。炭化水素リサイクル流の炭化水素の濃度とその圧力は、例えばコンプレッサ１６によって容易に制御することができる。炭化水素流リサイクル導管４を通じた炭化水素流リサイクルにより、水素は常に改質反応によって供給され、且つアノード出口７でも十分な残留燃料が利用可能であるので、アノード２ａ材料の劣化なしに１００％の燃料利用率を達成することができる。追加の冷却が必要ないので、最大８０％の燃料電池２の高い総合効率が達成される。炭化水素生成ユニット５は燃料電池２から熱的に分離されており、燃料電池システム１の良好な熱収支をもたらす。
【００６３】
さらに、燃料電池システム１は、化学量論量の炭化水素及び／又は少なくとも１つの改質成分によって燃料電池２の温度を制御するように構成される。例えばこれは、燃料流供給導管１２又は炭化水素リサイクル導管４を通じて導入される炭化水素流の質量流量若しくは圧力、及び／又は排気流リサイクル導管３の質量流量によって可能である。前記質量流量は、炭化水素リサイクル導管１６及び／又は排気流リサイクル導管１５のコンプレッサなどの既知の技術的手段並びにここに示されていない他の好適な技術的手段により容易に制御することができる。前記反応物の質量流量が高いほど、改質反応はより吸熱である。したがって、燃料電池２の熱放散を容易に制御することができる。
【００６４】
燃料電池システム１はまた、燃料電池システム１の熱収支を制御するために、炭化水素生成ユニット５で化学量論量の部分的に未変換の排気ガス流の成分を制御するように構成される。炭化水素生成ユニット５内の未変換の排気流の量が多いほど、炭化水素生成ユニット５によって放出されるエネルギーが高い。例えば、前記量は、当技術分野で公知の手段によって、その質量流量又はその圧力によって調整することができる。したがって、炭化水素生成ユニット５が放出する熱を容易に制御することができる。
【００６５】
燃料電池システム１はまた、燃料電池２の酸化剤流の流量を制御して、炭化水素の改質に熱を供給するように構成される。酸化剤流の流量が低いほど、炭化水素の改質により多くの熱が利用可能である。したがって、運転コストを節約でき、燃料電池システム１の総合効率を上げることができる。
【００６６】
燃料電池システム１の作動圧は大気圧よりも高く、好ましくは大気圧よりも２〜３０バール、より好ましくは５〜１５バール高い圧力であることができ、炭化水素生成ユニット５における炭化水素生成反応の平衡を生成物側にシフトすること、及びＣＯ2とＨ2Ｏの分離効率を向上することによって、燃料電池システム１の総合効率に寄与する。
【００６７】
図２は、図１の特徴を備える、本発明の別の実施形態による燃料電池システム１の概略図である。しかし、図１に示される実施形態にくわえて、例えば蒸気回路などのエネルギー変換器１８が、炭化水素生成ユニット５に結合及び接続され、発熱性炭化水素生成反応によって放出される熱は、さらに電気エネルギーに変換される。したがって、８０％を超える燃料電池システム１の優れた総合効率が達成される。
【００６８】
要するに、運転コストを削減し、８０％以上の高い総合効率をもつ燃料電池システム１を実現することができる。燃料電池２の総熱収支も容易に制御することができる。さらに、燃料電池システム１は、燃料電池２のアノード２ａ材料の劣化を増加させることなく、最大１００％の高い燃料利用で運転することができる。
【００６９】
詳細には、図３は、本発明の方法の実施形態に従って燃料電池システム１を動かす本発明の方法の概要を提供する。第１のステップ１００では、本方法は、燃料電池２の炭化水素の改質を可能にする。この吸熱反応により、本発明の燃料電池システム１の総合効率を上げるヒートシンクを燃料電池２にもたらすことができる。炭化水素の改質は、典型的な燃料電池の作動温度、すなわち８００℃のもとで実行される。式（Ｉ）又は（ＩＩ）による反応物は、上記のようにアノード入口８に供給することができる。炭化水素の改質中、高い割合の燃料電池２の熱損失が、燃料電池２を出る改質生成物に蓄えられる。例えば、改質反応物は、燃料流供給導管１２及び／又は排気流リサイクル導管３及び／又は炭化水素流リサイクル導管４を通じて導入することができる。それぞれの流れの質量流量、したがって改質反応の平衡は、コンプレッサ１４や１５のような既知の技術的手段によって調整することができる。
【００７０】
第２のステップ２００では、排気流の一部が燃料電池２のアノード出口７から燃料電池２のアノード入口８にリサイクルされる。したがって、二酸化炭素や水のような改質反応の反応物が形成される。燃料電池２の温度は、化学量論量の排気リサイクル流成分によって容易に制御することができる。したがって、一方では、不燃性廃棄物を効率的に使用でき、他方では、燃料電池２の燃料利用率、したがって燃料電池システム１の総合効率が上がる。
【００７１】
第３のステップ３００では、燃料電池２のアノード出口７からの排気流の一部が炭化水素に変換されて炭化水素含有流が生成され、炭化水素生成熱は燃料電池２から熱的に分離される。炭化水素の生成は炭化水素生成ユニット５で実行される。炭化水素の生成は発熱プロセスであるため、炭化水素の生成熱は燃料電池２から分離される。それによって、炭化水素の生成と改質プロセスの間の干渉が効果的に回避される。したがって、排気流の一部から炭化水素を生成することから生じる熱、すなわち未変換の排気流の成分は、追加の技術ユニットを運転するために、又は放熱をさらなる電気エネルギーに変換するためにさらに使用され、したがって高い総合効率をもたらすことができる。
【００７２】
第４のステップ４００では、不燃性排気流成分、特に二酸化炭素及び水が、ステップ３００の後に炭化水素生成ユニット５を出る炭化水素含有流から分離される。前記排気流成分を分離することは、洗浄装置、吸着装置、膜、又はそれらの任意の組み合わせなどの手段によって実行することができる。したがって、高純度の炭化水素をさらなるプロセスのために供給することができる。
【００７３】
第５のステップ５００は、前のステップで生成された炭化水素流を燃料電池２のアノード入口８にリサイクルすることを含む。燃料利用率は最大１００％の値に増加し、燃料電池システム１の総合効率は８０％の値に増加する。炭化水素の使用により、改質反応の平衡、したがって熱収支を効果的に制御することができる。炭化水素のリサイクルはまた、第１のステップ１００での吸熱改質反応の熱を制御することもできる。
【００７４】
本発明の燃料電池システム１を運転する方法の間に、燃料電池２の熱の熱収支（thermal heat balance）の優れた制御性を可能にするために、より少ない質量流量の酸化剤流を使用することができる。少ない酸化剤流を燃料電池２のカソード２ｂに加えることができるので、より多くの熱が改質反応に利用可能である。改質反応に使用される熱は改質生成物に蓄えられ、すなわち、炭化水素生成ユニット５の後の燃焼蒸気サイクルによって、又は放熱とそれに続く熱変換によって、さらに電気エネルギーの生成に使用することができる。
【００７５】
したがって、本発明の方法によって、総合効率が高く、燃料電池２の熱の熱収支（thermal heat balance）の制御性に優れた本発明の燃料電池システム１の運転が可能になる。
【００７６】
本発明の実施形態を例示及び記載してきたが、これらの実施形態は、本発明のすべての可能な形態を例示及び記載することを意図するものではない。本明細書で使用される文言は、限定ではなく叙述の文言であり、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、さまざまな変更がなされ得ることが理解される。
【符号の説明】
【００７７】
１      燃料電池システム
２      燃料電池
２ａ    アノード
２ｂ    カソード
３      排気流リサイクル導管
４      炭化水素流リサイクル導管
５      炭化水素生成ユニット
６      分離ユニット
７      アノード出口
８      アノード入口
９      カソード入口
１０    カソード出口
１１    酸化剤流供給導管
１２    燃料流供給導管
１３ａ  熱交換器
１３ｂ  熱交換器
１４ａ  熱交換器
１４ｂ  熱交換器
１５    コンプレッサ
１６    コンプレッサ
１７    酸化剤流排出管
１８    蒸気回路
１００  方法のステップ
２００  方法のステップ
３００  方法のステップ
４００  方法のステップ
５００  方法のステップ
【図１】
0006943406.tif 000002
【図２】
0006943406.tif 000003
【図３】
0006943406.tif 000004