JP2010534913A - マルチストリーム熱交換器および単一空気制御を用いたホットボックス設計 - Google Patents

Abstract

燃料電池スタックモジュールは、複数の燃料電池スタックと；複数の燃料電池スタックと熱伝達するように配置されるアノード排ガス酸化器（ＡＴＯ）と；複数の燃料電池スタックおよびＡＴＯを支持するベースと；ベース内に配置される少なくとも１つの熱交換器と；を含む。燃料電池スタックからのＡＴＯ排出ストリームおよびアノード排出ストリームにより、スタック燃料注入ストリームおよびスタック空気注入ストリームがマルチストリーム熱交換器内で加熱される。
【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、一般に燃料電池システム分野に関し、より詳細には、マルチストリーム熱交換器を含む燃料電池システムおよびその運転方法に関する。

燃料電池は、燃料に蓄えられたエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換できる電気化学装置である。高温燃料電池には、固体酸化物型燃料電池と溶融炭酸塩型燃料電池が含まれる。これらの燃料電池は、水素および／または炭化水素燃料を用いて運転できる。燃料電池には、固体酸化物再生燃料電池等、入力としての電気エネルギーを用いて酸化した燃料を還元して未酸化燃料に戻す逆転運転も可能な種類がある。

ケースを外した状態の本発明の一実施形態による燃料電池モジュールの三次元破断図を示す。 図１Ａのモジュールの概略側面断面図を示す。 図１Ａのモジュールの平面図を示す。 本発明の代替実施形態によるモジュールの平面図を示す。 本発明の代替実施形態によるモジュールの平面図を示す。

本発明の実施形態による燃料電池システムの構成要素および流体フロー方向の略図を示す。 本発明の実施形態による燃料電池システムの構成要素および流体フロー方向の略図を示す。

本発明の一実施形態による熱交換器における熱交換器熱負荷対温度のコンピュータシミュレーションによるプロット図を示す。

本発明の一実施形態による熱交換器の領域および流体フロー方向の略図を示す。

本発明の実施形態による燃料電池システムの構成要素および流体フロー方向の略図を示す。

本発明の実施形態において使用可能な種類のマルチストリームプレート式熱交換器の三次元破断図を示す。 本発明の実施形態において使用可能な種類のマルチストリームプレート式熱交換器の三次元破断図を示す。

本発明の一実施形態によるモジュール式燃料電池システムの三次元略図を示す。

本発明の第１の実施形態は、図１Ａ，図１Ｂ，および図１Ｃに示す燃料電池スタックモジュール１を提供する。モジュール１は、チャンバ５と、ベース３の上面を提供する、チャンバ５の上のベースプレート７とを備えたベース３を含む。図１Ａおよび図１Ｃに示すように、ベース３は、上面が平坦で断面が円形の円筒形状であってもよい。しかし、ベース３は、断面が正方形、長方形、多角形、楕円、または不整形である他の適当な任意の形状であってもよい。ベースプレート７をチャンバ５に取り付けられる別体の構成要素としてもいいし、またはベース３を、チャンバ５がその内容積部をなしベースプレート７がその上面をなす一体的構成要素として構成してもよい。下記で説明するように、１つ以上の熱交換器１３をチャンバ５の内部に配置することができる。

図１Ａ乃至図１Ｃに示すように、各燃料電池スタックモジュール１は、少なくとも１つの燃料電池スタック柱９（本明細書では単純化のため「スタック」と称する）および外側ケース１１を含む。ケース１１は、ドーム、蓋付きシリンダー（平面蓋付きシリンダーまたはドーム状蓋付きシリンダー（熱応力を軽減するのに役立つ）を含む）、立方体、直方体等のスタック９を覆う適当な任意の形状とすることができる。ケース１１は図１Ｂに示され、上から見た位置は図１Ｃ乃至図１Ｅの破線で示される。例えば、４乃至１２個のスタック９等の２つ以上のスタック９をケース１１内に配置してもよい。好ましくは、スタック９は各ケース１１内で縦積みされる。必要に応じて、縦積みされた燃料電池スタック９は、例えば、同じ柱内でのモジュール間でのカスケード等の、１つのスタックからの燃料排出ストリームを隣接するスタックの燃料注入ストリームとして用いるカスケード構成として設置してもよい。

スタック９は任意の好適な燃料電池で構成してもよい。例えば、燃料電池を、セラミック酸化物電極を有する固体酸化物型燃料電池として構成してもよい。ＰＥＭ、溶融炭酸塩型、燐酸型等の他の型の燃料電池を使用してもよい。スタック９は、外側および／または内側で多岐配管したスタックとして構成してもよい。例えば、スタックは、燃料ライザおよび空気ライザを燃料電池層内および／または各燃料電池間の接続プレート内の開口を貫通させた状態で、燃料および空気用に内側で多岐配管してもよい。代替として、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、燃料電池の燃料を内側で多岐配管し、空気を外側で多岐配管してもよく、その場合、燃料用注入口および排出ライザだけが燃料電池層内および／または各燃料電池間の接続プレート内の開口を貫通することになる。燃料電池は、交差フロー型（各燃料電池内の電解質の対向する側において空気フローと燃料フローが互いにほぼ直交している）、逆方向フロー並行型（各燃料電池内の電解質の対向する側において空気フローと燃料フローが互いにほぼ並行しているが逆方向である）、または順方向フロー並行型（各燃料電池内の電解質の対向する側において空気フローと燃料フローが互いにほぼ並行していて同方向である）の各構成を取ることができる。以下で詳細に説明するように、スタック９のそれぞれは燃料注入口および排出口を１つずつ有してもよい。しかし、必要に応じてスタック９のそれぞれは、その高さ方向に沿って数個の燃料注入口および排出口を有してもよい。その場合、各スタック９は複数のサブスタックユニットを含むことになる（すなわち、各スタック柱９は独立したサブスタックを含む）。

図１Ｃ，図１Ｄ，および図１Ｅに示すように、角度を隔てて配置される複数の燃料電池スタック９を配置して、モジュールの中心軸周りに環状アレー（つまりリング状構造）を形成する。用語「環状アレー」は、図１Ｄに示す円形周囲を有するアレーに限定されないことは言うまでもない。例えば、アレーは、図１Ｃおよび図１Ｅに示すように、それぞれ六角形または四角形（正方形）の周囲を有してもよく、または楕円形の周囲を有してもよく、そうすれば、より薄型のシステムを実現でき、標準輸送コンテナにより容易に収めることができる。燃料電池スタック９は、モジュール１の中心軸に平行に延びる積み重ね方向を有する。必ずしも必要ではないが、スタック９のそれぞれは四角形断面を有することが好ましい。スタック９のそれぞれは、セラミックまたは他の絶縁スペーサを用いてお互いから隔離される。スタック９は環状アレーとして配置するのが好ましいが、例えば、円弧状レイアウト（つまりリングの一部）や格子状レイアウト（例えば、４行×５列の２０スタック）等の、ケース１１内に収まる任意の他のスタック９レイアウトを用いてもよい。

ケース１１は任意の適当な構造を取ってもよい。例えば、ケース１１は円筒状構造としてもよい。しかし、ケース１１は、多角形または楕円形の水平断面を有してもよく、および／または平坦ではない傾斜した上面を有してもよい。ケースは、金属、セラミック等の任意の好適な断熱性または熱伝導性材料で製造してもよい。

スタック９およびケース１１は、着脱可能に配置されるか、または着脱可能にベース３の上面（ベースプレート７等）に接続される。スタック９およびケース１１のそれぞれは、互いに独立してベース３の上面７に着脱可能に接続されるのが好ましい。その場合、ケース１１は、ケース１１下のスタック９を取り外さずに、ベース３の上面７から容易に取り外しできる。代替として、ケース１１がドアまたはハッチを含む場合、ケース１１下のスタック９は、ケース１１を取り外さずにドアまたはハッチと通して容易に取り外しできる。

用語「着脱可能に接続される」は、スタック９および／またはケース１１が、修理や点検のために容易に取り外せるようにベース３の上面７に接続されることを意味する。換言すれば、「着脱可能に接続される」は、「恒久的に接続される」の反対である。例えば、スタック９および／またはケース１１は、スナップ式接続、張力式接続、締め具接続、またはレール摺動式接続のうちの少なくとも１つにより着脱可能にベース３の上面７に接続される。スナップ式接続の例としては、穴に引っ掛けることにより構成要素を定位置に固定する１つ以上の突起を内側または外側に押し付けて突起を穴から外すようにしたバヨネット式接続がある。張力式接続の例としては、スタック９またはケース１１等の構成要素を、張力によりスタックまたはケースを穴または溝に固定するように、スタック９またはケース１１の断面とほぼ同じ大きさのベース３の表面７内の穴または溝に押し付けるようにしたものがある。締め具接続の例としては、ボルトやクリップ（留め金具）等の、サービスマンが取り外し可能な締め具による接続がある。レール摺動式接続の例としては、スタック９内の突起を摺動させて嵌め込むベース３の上面７内の溝、またはベース３の上面７上の突起を摺動させて嵌め込むスタック９の底板内の溝等の、引き出し式または蟻継ぎ（ダブテール）式接続がある。恒久的接続の例としては、ベースの表面７にケース１１を溶接する場合等の溶接接続がある。

スタック９とケース１１とは、互いに異なる種類の接続を用いて着脱可能に接続することができる。さらに、本発明の代替の態様では、ケース１１をベース３の上面７に着脱可能に接続する一方で、スタック９を同じ面７に取り外しできないように接続してもよい。

少なくとも１つの熱交換器をベース３の内容積部５内に配置することが好ましい。例えば、図１Ｂに示すように、マルチストリーム熱交換器１３をベース３の内容積部５内に配置する。

熱交換器１３は、低温部１５と高温部１７とを備えてもよい。低温部１５は、超高温には耐性がないステンレス等のより安価な低温材料で作製できる。高温部１７は、高温耐性を有するインコネル合金または他のニッケル合金等のより高価な高温材料で作製してもよい。この構成により、熱交換器１３のコストは下がる。必要に応じて、中間の温度耐性を有する材料で作製された中温度部、を熱交換器１３内に１つ以上設けてもよい。

フィン付きプレート式熱交換器等の任意のタイプの熱交換器を使用できる。必要に応じて、熱交換器の高温度部１７は、燃料電池スタック９の外部の完全改質器または部分改質器３７として機能させてもよい。この場合、燃料注入ストリームを搬送する熱交換器１３の通路のフィンの全てまたは一部は、天然ガスまたはメタン等の炭化水素燃料用のニッケルおよび／またはロジウム等の燃料改質触媒でコーティングされる。スタック９が内部改質型の燃料電池を含む場合、外部改質器３７は前段改質器として機能させることができる。（すなわち、燃料電池が、改質の触媒活性を示す１層以上の内面または塗膜を有し、触媒が、触媒塗膜を備えるか、燃料電池ハウジングおよび支持材の金属構造の一部としてニッケルを用いる場合。）代わりに、内部完結改質型燃料電池または水素燃料（改質を必要としない）で運転する燃料電池システムに対しては、改質器３７は省略してもよい。外部改質型燃料電池（すなわち、燃料改質触媒を含まない燃料電池、または触媒が電池ハウジングの金属構造の一部をなす燃料電池であって、たとえ触媒は存在しても、一般的に電池の劣化のために、触媒として用いるように意図されていない電池）に対しては、改質器３７は主燃料改質器として機能する。本発明の代替実施形態では、改質器３７は、熱交換器に一体化されずにモジュール１のホットボックス内の独立した位置に配置される。本発明の別の代替実施形態では、図２Ｂに関して後述するように、別々の燃料熱交換器および空気熱交換器は、それぞれ燃料および空気排出ストリームから燃料および空気注入ストリームへ熱を供給する。

図１Ａ乃至図１Ｅに示すように、アノード排ガス酸化器（ＡＴＯ）１０をベース３（すなわちベースプレート７上）の中央部上方にスタック９と熱伝達するように（すなわち、ＡＴＯ１０とスタック９との間で、対流および／または輻射により熱が伝達されるように）配置することが好ましい。必ずしも必要とはしないが好ましくは、ＡＴＯ１０は、スタック９によりＡＴＯ１０が囲まれるように環状のスタック９のアレーの中央に配置する。しかし、格子レイアウトまたは円弧レイアウト等の、完全なリングを形成しないスタック９レイアウトに対しては、ＡＴＯ１０は、スタックに隣接させて、またはスタック９で部分的に囲むように配置してもよい。環状または円弧状アレー内では、ＡＴＯは、燃料電池スタックの半径方向内側の面に晒されて、その面からカソード排出ストリームを受け取る。ＡＴＯは、スタックアノード排出ストリームとスタックカソード（空気）排出ストリームとの反応等の、酸化剤ストリームとの反応により、スタックからのアノード（燃料）排出物が酸化されるチャンバである。ＡＴＯチャンバの壁は、支持部材または材料上のパラジウム等の好適な酸化反応促進触媒でコーティングされていてもよい。この酸化反応により熱が放出され、その熱はスタック９の加熱、および／または熱ＡＴＯ排出ストリームを熱交換器１３へ供給するのに使用できる。図１Ｂに示すように、ＡＴＯ１０は外側バッフル１２を備えていてもよく、この外側バッフルは、外側ケース１１の上部に取り付けられる円筒状または他の好適な形状の壁であって、ベース３のベースプレート７に隣接してスタックカソード（空気）排出ストリームを通す開口１８を含む。ＡＴＯ１０は、また内側バッフル１４を備えていてもよく、この内側バッフルは、ベースプレート７に取り付けられる円筒状または他の好適な形状の壁であって、ケース１１の上面に隣接してアノードおよびカソード排出ストリームを通す開口２０を含む。内側バッフル１４は、外側バッフル１２の内側に配置することが好ましい。また、内側バッフル１４は、ＡＴＯ／カソード排出管２７の環と見做すこともできる。内側バッフル１４の内面および／または外面、および／または外側バッフル１２の内面を、酸化促進触媒材料で覆ってもよく、その材料は、バッフル１２，１４の表面に配置されるオプションのフィンまたは波形部１６上に塗付される。例えば、図１Ｂは二通路ＡＴＯ（上向きフローの次に下向きフロー）を示しているが、ＡＴＯ１０はそれより多い通路を有してもよく、内側バッフル１４は穿孔を有してもよい。代替として、内側バッフル１４はケース１１の上部まで延びていてもよく、その場合は上部付近の開口２０の代わりに穿孔だけを有することになる。

１つ以上のＡＴＯ燃料注入管２２は、外側１２および内側１４のＡＴＯバッフル間のベースプレート７内に配置される。ＡＴＯ燃料注入管２２は、バッフル１２および１４との間にＡＴＯ燃料注入ストリームを供給し、そこで燃料注入ストリームは、ＡＴＯ空気注入ストリームと混じり合って反応する。ＡＴＯ燃料注入ストリームは、ｉ）天然ガス注入ストリーム等のスタック燃料注入ストリームとは独立した燃料注入ストリーム；および／または、ｉｉ）熱交換器１３を通ってきたスタックアノード排出ストリームの少なくとも一部；のいずれか１つまたは両方を含んでもよい。代替として、ＡＴＯ燃料注入ストリームは、部分的にまたは完全に熱交換器を迂回して注入温度を限度内に保つようにしてもよい。ＡＴＯ空気注入ストリームは、図１Ｂに示すように、外側バッフル１２の下でスタック９からＡＴＯ１０に流れるスタックカソード排出ストリーム、外気注入ストリーム（ＡＴＯ燃料注入ストリームのうちのいずれかと混合されていても混合されていなくてもよい）、または外気注入ストリームとスタックカソード排出ストリームとの組合せのいずれかを含んでもよい。ＡＴＯ燃料注入ストリームは、（スタックカソード排出ストリームまたはカソード排出ストリームとオプションの外気注入ストリームとの混合ストリーム等の）ＡＴＯ空気注入ストリームによって酸化される。ＡＴＯ排出ストリーム（酸化燃料）は、内側バッフル１４の中央のベースプレート７内に配置される中央ＡＴＯ排出管２７を通してＡＴＯ１０から除去される。

図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、ベース３もまた、燃料電池スタック９へ燃料注入ストリームを供給する複数の燃料注入口２１と；スタック９から燃料排出ストリームを除去する複数の燃料排出口２３と；スタック９へ空気（または他の酸化剤）注入ストリームを供給する複数の周辺の空気注入口２５と；スタック９から空気／ＡＴＯ排出ストリームを除去する中央ＡＴＯ排出管２７と；を含む。注入口２１と２５および排出口２３は、ベースプレート７内の孔、および／またはベースプレート７を貫通するパイプにより構成できる。このように、本発明の一実施形態では、スタック９は、外側で空気を多岐配管して、内側で燃料を多岐配管する。角度を隔てて配置される複数の燃料電池スタック９を配置して、スタック空気注入口２５のリング状配置の内側のモジュールの中心軸周りに環状アレーを形成する。

モジュール１は以下のように作動する。下記でより詳細に説明するように、燃料注入ストリームおよび空気注入ストリームは、アノード排出ストリームおよび／またはＡＴＯ排出ストリームにより、熱交換器１３内で加熱される。燃料注入ストリームは、スタック９の中へ上向きかつ内側に向けてそれぞれの燃料注入口２１を通して各スタックに下から供給される。スタック９からのアノード（燃料）排出ストリームは、スタックを通して下向きかつ内側に供給されて、それぞれの燃料排出口２３を通してベース３内に配置される熱交換器１３内に除去される。

図１Ｂ内の矢印で示すように、スタック空気注入ストリームは、ベースプレート７を通って、ベース３の周囲に環状またはリング状の構成に配置される注入口２５を通してケース１１下に供給される。空気注入ストリームは、スタック９の個々の電池の中を流れる。スタック９およびセラミックスペーサ（明瞭化のため図示せず）は、空気注入ストリームが最初にスタック９を通らずに内部空間２４に直接流入するのを防ぐ。カソード（空気）排出ストリームはスタック９を出て、スタック９と外側ＡＴＯバッフル１２との間の空間２４に入る。カソード排出ストリームは、外側ＡＴＯバッフル１２の下の開口１８を通って、外側および内側ＡＴＯバッフル１２，１４の間の空間２６に流れ込む。スタックカソード排出ストリームは、空間２６内の導管２２から供給されるＡＴＯ燃料注入ストリームと混合され反応する。酸化反応により、システム始動中および定常動作中の輻射および／または対流による熱がスタック９に供給され、それによりスタック９内の内部燃料改質反応のために十分な熱が供給される。ＡＴＯ排出物（酸化燃料）は、続いて上方へ排出されて内側バッフル１４の上の開口２０を通り、中央ＡＴＯ排出管２７を下方に向かい、ベースプレート７の下のチャンバ５内に配置される熱交換器１３内に入る。特定のＡＴＯ構成が図１Ｂおよび図１Ｃに示されているが、流体ストリームが酸化触媒塗布部材に隣接する直線的または曲がりくねった通路に沿って流れるような構成等の他の構成も使用可能であることは言うまでもない。例えば、円筒を内側バッフル１４の内部に配置して、フィンおよび触媒の容積（従って、その量）を制限してもよい。

図１Ａ乃至図１Ｃに示すように、燃料注入系統２９を燃料熱交換器１３の第１注入口に接続する。複数の燃料注入管２１を熱交換器１３の第１排出口と連通させる。用語「連通させる」は、燃料注入ストリームが熱交換器１３から１つ以上の他の構成要素を介して各燃料注入管２１まで到達するように直接的に接続されるか、または間接的に接続されるかの何れかを意味する。複数の燃料排出口２３を熱交換器１３の第２注入口と連通させる。燃料排出系統３１を熱交換器１３の第２排出口に接続する。空気注入系統３３を熱交換器１３の第３注入口に接続する。必要に応じて、空気注入系統３３からの空気注入ストリームの一部または全てを熱交換器１３、または熱交換器１３の一部を迂回させる１つ以上のオプションの空気バイパス管を設けてもよい。すなわち、バイパス管により、空気注入系統３３をスタック９の空気注入口と直結してもよい。バイパス管への空気供給量は、コンピュータ制御または作業者制御のバルブ等の流量調整器で制御できる。ベース内の複数の空気注入管２５を熱交換器１３の第３排出口と連通させる。中央空気／ＡＴＯ排出管２７を熱交換器１３の第４注入口と連通させる。空気／ＡＴＯ排出系統３５を熱交換器１３の第４排出口に接続する。必要に応じて、熱交換器１３は空気排出系統およびＡＴＯ排出系統を別々に有していてもよい（すなわち、熱空気排出物の一部または全てがＡＴＯを迂回することにより、代わりに酸化反応に外部注入空気を使用できる）。

ベース３およびケース１１も用いて、スタック９から電力調整装置へ電気接続を供給することが好ましい。例えば、ベース３の上面７に負またはグランド電位の電気接点等の複数の電気接点４１を設けてもよい。各接点４１は、燃料電池スタック９の底端プレートがベース３のベースプレート７（つまり上面）と接する箇所に配置される。負もしくはグランド電極の各々または各燃料電池スタック９の端プレートの各々は、複数の電気接点４１の１つに電気的に接続される。ベース３もまた、負またはグランド電位バス等の共通電気バス４３を含んでもよく、このバスは接点４１を介して燃料電池９に電気的に接続される。

ケース１１は、各スタック９に対する別々の電気バス４５等の少なくとも１つの他の電気バス４５を含む。バス４５は、共通電気バス４３とは異なる極性を有する。例えば、ケース１１は複数の正電位バス４５を有してもよい。正電極または燃料電池スタック９の端プレートは、ケース１１から延びるそれぞれの正電気バス４５に電気的に接続される。

正電極または各燃料電池スタック９の端プレートは、任意の好適な接点または電気接続を用いてそれぞれの正電気バス４５に電気的に接続できる。例えば、図１Ｂに示すように、ケース１１の上側の内面は、複数の導電性加圧部材４７を含む。ケース１１上の加圧部材４７は、ベース３の上面７上の接点４１の上方のスタック９の位置に位置合わせされる。各加圧部材４７は、ケース１１とベース３の上面との間で、少なくとも１つの燃料電池スタック９を着脱可能に保持する。正電極または燃料電池スタック９の端プレートは、それぞれの加圧部材４７を介して正電気バス４５に電気的に接続される。加圧部材４７は、ベースの上面７上の電気接点４１に対してスタック９をしっかり固定するようにスタック９を下方向に加圧する弾力棒、弾力板または弾力バネであってもよい。ケース１１がモジュール１を密閉するように下に押されると、加圧部材は撓んでスタック９をベース３上の所定の位置に押し込む。ケース１１がモジュールの点検や修理のために取り外されると、加圧部材はスタック９を開放する。

必ずしも必要とはしないが、好ましくは、各スタック９またはスタック９の各ペアを、電力調整システムの別々のＤＣ／ＤＣコンバータユニットに接続する。例えば、各スタックペアの各スタックの一方の電気入力／出力を直列に接続してもよく、この場合、各スタックペアの各スタックの他方の電気入力／出力が、それぞれのＤＣ／ＤＣコンバータユニットに正電圧入力および負電圧入力を供給する。必ずしも必要とはしないが、好ましくは、２００７年５月５日出願の米国特許出願第１１／７９７，７０７号および１１／７０７，７０８号（これらは、その全てが引用により本明細書に組み込まれる）に記載されているように、燃料電池スタック（すなわち燃料電池スタック柱）を６の倍数として構成することにより電力調整を単純化することができる。その場合、モジュールは、それぞれ６，１２，１８，２４等の数のスタック９を有することになる。例えば、図１Ｃ乃至図１Ｅに示すモジュール１は、１２個のスタック９を含む。４個スタックの各セットを、米国特許出願第１１／７９７，７０７号に記載のように、三相ＡＣ出力の相出力それぞれに接続してもよい。

こうして、複数のモジュールを含んでなるシステムにおいては、各モジュール１は電気的に分離でき、燃料電池システム内の他のモジュール１の運転を停止せずに、燃料電池システムから取り外したり、および／または点検や修理したりすることができる。換言すれば、各モジュール１を電気的に分離して、他のモジュール１を運転して発電を続けながら、燃料電池システムから取り外したり、および／または点検や修理をしたりすることができる。つまり、１つのスタック９が故障したり、点検のために取り外されたりする際に、燃料電池システム全体をシャットダウンさせる必要がない。

他のモジュール１を運転し続ける一方で、あるモジュール１を遮断させる（すなわち、停止させて、取り外して修理または点検を行う）場合、遮断させるモジュール１への燃料フローを止めなければならない。これは、各燃料注入系統２９内にバルブを配置することで実現できる。バルブを手動または電子制御で遮断して、所与の燃料注入系統２９を通る燃料のフローを停止させる一方で、他の燃料注入系統２９を通して他のモジュール１に燃料を流し続けることができる。

本発明の第２の実施形態は、３つ以上の流体ストリームが同一装置内で熱交換を行う、燃料電池システム用マルチストリーム熱交換器１３を提供する。従って、単一のマルチストリーム熱交換器により、先行技術のシステムにおいて用いられる、空気用と燃料用とが別々の熱交換器となっているような、複数の別々の熱交換器を置き換えることができる。マルチストリーム熱交換器は、燃料と空気が別々である熱交換器と同量の熱交換を、熱ストリームと冷ストリームとの間のより一様な温度差のおかげでより少ない伝熱面積で行うことができる。さらに、必要に応じて、水蒸気発生器および／または外部改質器３７をマルチストリーム熱交換器１３に物理的に一体化でき、それにより燃料電池スタック９のアノード排出ストリームおよび／またはＡＴＯ１０の排出ストリームの熱を用いて、水を水蒸気に変換したり、および／または、水蒸気−メタン改質（「ＳＭＲ」）反応等の炭化水素燃料から水素と一酸化炭素への燃料改質反応のために熱を供給したりすることができる。

マルチストリーム熱交換器１３は、ベースの役割を果たすか、またはベース３内に配置されることで燃料電池システムのホットボックスを構築することができる。従って、マルチストリーム熱交換器１３は、モジュール１の重心を下げてモジュールをより安定化できる。単一マルチストリーム熱交換器１３の使用により、システム内の空気フローの制御の数を２から１に減らせる。ＡＴＯ空気フロー制御を除外できる。追加の配管工数を減らすことにより、システムの一体化がより単純になる。さらに、マルチストリーム熱交換器１３は、より良好な熱伝達を促進し、ＡＴＯ空気ブロワの除外による利益を含め、ピンチポイントを除去し、寄生損失を低減させ、システム効率を向上させる。結果として、マルチストリーム熱交換器１３により、領域１５および領域１７において低温材料と高温材料との組合せを使用して、装置のコストを低減することが可能になる。

図２Ａは、第２実施形態による１つ以上のモジュール１を含む燃料電池システム１００のプロセスフロー図を示す。明瞭化のため、図２Ａにはモジュール１を１つだけ示す。システム１００は、（スタックの１つの固体酸化物型燃料電池が、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）またはスカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）等のセラミック電解質と、ニッケル−ＹＳＺまたはＮｉ−ＳＳＺサーメット等のアノード電極と、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）等のカソード電極とを含む）固体酸化物型燃料電池スタック等の複数の燃料電池スタック９を含む。モジュール１は、図１Ｂに示すように、ベース３とケース１１の組合せで構成できるホットボックスとして表される。オプションの改質器３７は、熱交換器１３とは独立して示されている。しかし、上述のように、改質器３７は、熱交換器１３と物理的に一体化してもよい。

システム１００はまた、水蒸気発生器１０３も含む。水蒸気発生器１０３は、水タンクまたは水パイプ等の水源１０４から導管３０Ａを通して水が供給されて、水を水蒸気に換える。水蒸気は、発生器１０３から導管３０Ｂを通して混合器１０５に供給されて、混合器１０５内でスタックアノード（燃料）再循環ストリームと混合される。混合器１０５は、モジュール１のホットボックスの内部または外部のどちらに配置してもよい。加湿されたアノード排出ストリームは、図２Ａの略図で示すように、混合器１０５の下流の燃料注入系統または導管２９内で燃料注入ストリームと混合することが好ましい。代替として、必要に応じて、燃料注入ストリームもまた混合器１０５に直接供給してもよく、または、図１Ｃ，図１Ｄおよび図１Ｅに示すように、水蒸気を燃料注入ストリームに直接供給しても、および／または、混合した燃料ストリームを加湿する前にアノード排出ストリームを燃料注入ストリームに直接供給してもよい。

水蒸気発生器１０３は、独立したヒーター、および／または、水蒸気発生器１０３との間で熱交換を行いつつ通過していく熱ＡＴＯ排出ストリームにより加熱してもよい。水蒸気発生器１０３が熱交換器１３に物理的に組み込まれている場合、水蒸気発生器もまた熱交換器内でアノード排出ストリームにより加熱してもよい。水蒸気発生器１０３は、ベース３のチャンバ５の内部等のホットボックス内に物理的に配置してもよい。または、水蒸気発生器１０３は、モジュール１のホットボックスの外部に配置してもよい。従って、図１Ｃに示すように、水蒸気発生器１０３がモジュールのホットボックス内に配置される場合、水が水源１０４から導管３０を通して供給される。水蒸気発生器１０３がモジュールのホットボックスの外部に配置される場合、水蒸気が水源１０４から導管３０を通して供給される。

システム１００はまた、スプリッター（分配器）１０７と、オプションの水溜１０９と、接触部分酸化（ＣＰＯｘ）反応器１１１とを含む。ＡＴＯ１０に供給されるアノード排出ストリームが結露を回避するのに十分な程度の熱さに保持できる場合は、水溜１０９および排水管は不要となる。当該システムは以下のように動作する。炭化水素ストリーム等の燃料注入ストリーム（例えば、天然ガス）が、ＣＰＯｘ反応器１１１を通して燃料注入管２９に供給される。システム始動時に、空気もまたＣＰＯｘ反応器１１１に供給されて、燃料注入ストリームを接触部分酸化する。システムの定常動作中は、空気フローは遮断され、ＣＰＯｘ反応器１１１は、燃料の部分酸化を行わない燃料通路として機能する。このように、システム１００は、始動および定常の両モード通じてＣＰＯｘ反応器１１１を通して燃料を供給する燃料注入管を１つだけ備えてもよい。よって、定常動作時にＣＰＯｘ反応器を迂回する別体の燃料注入管は不要となる。

燃料注入ストリームは、マルチストリーム熱交換器１３に供給され、そこでＡＴＯ排出ストリームおよびスタックアノード（燃料）排出ストリームとの熱交換により昇温される。燃料注入ストリームは、次に選択的にオプションの改質器３７に供給される。改質器３７は、熱交換器１３に内蔵されていても、熱交換器１３とは別にホットボックス内に配置されていてもよい。燃料注入ストリームは、改質器でＳＭＲ反応により改質されて、改質された燃料注入ストリーム（水素、一酸化炭素、水蒸気、および未改質メタンを含む）は、燃料注入口２１を通してスタック９に供給される。燃料注入ストリームは、スタック９内の燃料注入ライザを通ってスタック内を上方向に進み、発電中にスタック９内で酸化される。酸化した燃料（すなわちアノードまたは燃料排出ストリーム）は、燃料排出ライザを通ってスタック９内を下方向に進み、続いて燃料排出口２３を通してスタックから熱交換器１３内に排出される。

熱交換器１３内で、アノード排出ストリームは、燃料注入ストリームおよび空気注入ストリームを熱交換により加熱する。次に、アノード排出ストリームは、燃料排出管３１を通してスプリッター１０７に供給される。アノード排出ストリームの第１の部分は、スプリッター１０７から水溜１０９に供給される。水溜１０９では、水がアノード排出ストリームから除去され、除去された水は貯蔵されるか、または排出管１１２を通して排出される。残りのアノード排出ストリームは、導管１１３を通して水溜１０９からＡＴＯ１０に供給することができる。アノード排出ストリームは、燃料注入口２２を通して導管１１５からＡＴＯ１０内に供給される天然ガス等の未使用燃料とともに、混合ＡＴＯ燃料注入ストリームとして供給してもよい。

アノード排出ストリームの第２の部分は、スプリッター１０７から燃料注入ストリームに再循環される。例えば、アノード排出ストリームの第２の部分は、ブロワ（図２Ａには図示せず）によって導管１１７を通して混合器１０５中に再循環される。アノード排出ストリームは、水蒸気発生器１０３から供給される水蒸気と混合することにより、混合器１０５内で加湿される。加湿されたアノード排出ストリームは、次に混合器１０５から燃料注入管２９へ供給され、そこで燃料注入ストリームと混合される。水タンク１０４から水を供給して水蒸気を発生することはオプションである。未使用燃料の加湿の全ては、アノード再循環ストリームにより賄える。

空気注入ストリームは、ブロワ（不図示）によって空気注入管３３から熱交換器１３に供給される。ブロワは、全システムに対する単一の空気フローコントローラを備えていてもよい。熱交換器内では、空気注入ストリームは、ＡＴＯ排出ストリームおよびアノード排出ストリームによって熱交換により加熱される。加熱された空気注入ストリームは、次に空気注入口２５を通してモジュール内に供給される。空気はスタック９を通ってＡＴＯ１０内に入る。ＡＴＯ１０内では、空気排出ストリームは、ＡＴＯ燃料注入ストリームを酸化してＡＴＯ排出ストリームを生成する。ＡＴＯ排出ストリームは、ＡＴＯ排出管２７を通して熱交換器１３内に排出される。ＡＴＯ排出ストリームは、熱交換器１３内で燃料および空気注入ストリームを熱交換により加熱する。ＡＴＯ排出ストリーム（依然として室温より温度が高い）は、導管１１９を通して熱交換器１３から水蒸気発生器１０３に供給される。ＡＴＯ排出ストリームからの熱を用いて、水蒸気発生器１０３内で熱交換により水を水蒸気に換える。ＡＴＯ排出ストリームは、続いて導管３５を通してシステムから除去される。水蒸気発生器１０３が熱交換器１３に物理的に組み込まれている場合、導管１１９を省略でき、水蒸気の生成は熱交換器１３内で行われる。従って、空気注入ブロワ出力（すなわち、電力または速度）を制御することにより、システム内に導入される空気の規模（すなわち、容積、圧力、速度等）を制御できる。カソード（空気）排出ストリームをＡＴＯ空気注入ストリームとして用いることにより、別体のＡＴＯ空気注入コントローラまたはブロワの必要性を排除できる。さらに、ＡＴＯ排出ストリームを用いて燃料および空気注入ストリームを加熱するので、導管３３内の空気注入ストリームだけの制御によりスタック９およびＡＴＯ１０の温度を制御できる。空気バイパス管が存在する場合、バイパス管を通して直接スタック９内に供給される空気量に対する熱交換器１３内に供給される空気量を制御することにより、スタック９およびＡＴＯ１０の温度の制御能力がこのバイパス管により高められる。

図３および図４は、例示の５領域熱交換器１３内の流体フローを示す。図４において領域はＺ１乃至Ｚ５と名付けられている。熱交換器１３は、１乃至４領域のように５未満の領域を有してもよく、または６乃至１０領域のように６以上の領域を有してもよいことは言うまでもない。熱交換器は、プレートとフィンまたは他の好適な構造を有する、逆方向フロー、順方向フロー、および両者の組合せのいずれかの型式の熱交換器であってもよい。さらに、以下で述べる流体フローの導入順序およびフローストリーム温度は、例示であって、特定のシステム構成に応じて変えることができる。

冷空気注入ストリームは、導管３３からほぼ室温の熱交換器の領域１に入り、熱アノード排出ストリームにより加熱される。アノード排出ストリームは、その熱の一部を放出して、（例えば、約１００℃の温度の）温アノード排出ストリームとして導管３１に出る。

（約１００℃の温度の）暖められた空気注入ストリームが、熱交換器の領域１から領域２に供給される。（水蒸気発生器からの水蒸気および導管１１７からの再循環されたアノード排出ストリームの追加により約１００℃まで暖められた）相対的に冷たい燃料注入ストリームもまた、導管２９から熱交換器の領域２に供給される。空気注入ストリームおよび燃料注入ストリームは、混合されずに、熱交換器プレートで隔てられた領域２内のそれぞれのチャネル内、または単一の熱交換器プレートの別々のチャネル内を流れる。空気注入ストリームおよび燃料注入ストリームは、領域２内で熱アノード排出ストリームによって熱交換器プレート間に跨る熱交換により加熱される。

（約１５０℃の温度に）暖められた空気注入ストリームおよび燃料注入ストリームは、熱交換器１３の領域３に供給される。熱アノード排出ストリームもまた、約８００℃の温度で、先ず熱交換器１３の領域３に入る。空気および燃料注入ストリームは、領域３内で熱アノード排出ストリームおよび熱ＡＴＯ排出ストリームによって熱交換器プレート間に跨る熱交換により加熱される。アノード排出ストリームおよびＡＴＯ排出ストリームは、混合されずに、熱交換器プレートで隔てられた領域３内のそれぞれの別のチャネル内を流れる。熱交換を行った後、温ＡＴＯ排出ストリームは、熱交換器１３の領域３を出て約３００℃の温度で導管１１９に入る。次にＡＴＯ排出ストリームを用いて、水蒸気発生器１０３内で水蒸気を生成する。図３および図４から分かるように、領域３は熱交換器１３の最大または最長の領域（すなわち、最長の流体フローチャネル長を有する）としてもよく、そこで流体ストリームは熱交換器内の何れの領域よりも最長の時間を費やす。

（約６００℃の温度に）さらに暖められた空気および燃料注入ストリームは、熱交換器１３の領域４に供給される。空気および燃料注入ストリームは、領域４内で熱ＡＴＯ排出ストリームによって熱交換器プレート間に跨る熱交換により加熱される。さらに暖められた空気注入ストリームは、熱交換器１３の領域４を出て約６５０℃の温度で導管２５に入り、燃料電池スタック９に供給される。

（約６５０℃の温度に）さらに暖められた燃料注入ストリームは、熱交換器１３の領域５に供給される。先ず初めにＡＴＯ排出ストリームが、約８７５℃の温度で導管２７から熱交換器１３の領域５に入る。燃料注入ストリームは、領域５内で熱ＡＴＯ排出ストリームによって熱交換器プレート間に跨る熱交換により加熱される。さらに暖められた燃料注入ストリームは、熱交換器１３の領域５から出て約７５０℃の温度で導管２１に入り、燃料電池スタック９に供給される（および／または、別体の改質器を用いる場合は、改質器３７に供給される）。

図３に示すように、約１％の熱交換器リークによるズレが想定される。さらに、図３に示すように、熱ストリーム（ＡＴＯ排出ストリームおよびアノード排出ストリーム）は両者が存在する各領域では、互いにほぼ同じ温度に維持される。同様に、冷ストリーム（空気注入ストリームおよび燃料注入ストリーム）は両者が存在する各領域では、互いにほぼ同じ温度に維持される。結果として、熱交換器１３をピンチテクノロジーに基づいて設計する場合の包括的なピンチポイントが図３に示される。

図１Ｂに関して、熱交換器１３の低温部１５は、図４に示す領域１および２（およびオプションとして領域３の隣接する部分）に相当させることができ、熱交換器１３の高温部１７は、図４に示す領域４および５（およびオプションとして領域３の隣接する部分）に相当させることができる。

図２Ｂは、単一マルチストリーム熱交換器１３を複数の別々の熱交換器で置き換えた、本発明の別の実施形態によるシステム２００の略図を示す。図２Ａのシステム１００と図２Ｂのシステム２００の両者に共通する同じ符号が付いた要素は、簡潔さのため再び説明はしない。図２Ｂに示すように、マルチストリーム熱交換器１３は、燃料熱交換器１３７、空気熱交換器２０３、およびオプションの空気予熱熱交換器２０５に置き換えられている。

図２Ｂに示すように、外部改質器３７は、燃料電池または燃料電池スタック９が内蔵燃料改質触媒を含む場合は省略してよい。代替として、燃料熱交換器１３７が熱交換器の燃料注入部に改質触媒を含んでもよい。この場合、熱交換器１３７は、熱交換器および改質器の双方として機能する。

必要に応じて、水溜１０９を省略して、スプリッター１０７から導管１１３に供給される燃料排出ストリーム全体をＡＴＯ１１３に再循環させてもよい。

さらに、ＡＴＯ１０への天然ガス注入管１１５を省略してもよい。その代わりに、ＡＴＯ１０への燃料の全てを燃料電池スタック９のアノード排ガス再循環管１１３から供給してもよい。燃料改質機能を内蔵する熱的に巧妙にパッケージされたシステムについては、導管１１５を通してのＡＴＯ１０への未使用燃料の導入は省略してもよい。その代わり、導管２９を通してスタック９に供給される未使用燃料の量を制御または調節して加熱プロセスを制御する。ＡＴＯ（および関係する燃料ブロワ）への別体燃料導管を廃止し、（別体空気注入管を用いてＡＴＯ１０に外気を供給する代わりに）ＡＴＯ１０内の気体酸化剤の供給源としてスタックカソード排出ストリーム使用することにより、燃料電池と制御システムおよび当該システムの運転方法の複雑さおよびコストを低減できる。例えば、システム温度の主制御手段として、導管３３内の主空気注入ストリームの制御を用いてもよい。

図２Ｂに示すシステム２００は、図２Ａに示すシステム１００と同様に動作する。しかしシステム２００では、導管３３内の空気注入ストリームが最初にオプションの空気予熱熱交換器２０５に供給されて、そこで空気注入ストリームは燃料（アノード）排出ストリームにより予熱される。用語「燃料排出」および「アノード排出」は、固体酸化物型燃料電池スタックに関連して、本明細書では同じ意味で用いられている。予熱された空気注入ストリームは、次に空気熱交換器２０３に供給されて、そこで導管２７からのＡＴＯ１０排出ストリームにより加熱される。ＡＴＯ１０排出ストリームは、次に空気熱交換器２０３から導管１１９を通して水蒸気発生器１０３に供給される。炭化水素燃料注入ストリームは、燃料注入管２９を通して燃料熱交換器１３７に供給される。燃料注入ストリームは、次に導管２１を通して燃料電池スタック９に供給されて、その内部で燃料注入ストリームを改質してもよい。代替として、別体の外部改質器３７または熱交換器１３７に組み込まれた外部改質器を代わりに使用してもよい。燃料排出ストリームは、スタック９から導管２３Ａを通して燃料熱交換器１３７に供給される。燃料排出ストリームは、次に燃料熱交換器１３７から導管２３Ｂを通してオプションの空気予熱熱交換器２０５に供給される。燃料排出ストリームは、次に空気予熱熱交換器２０５から導管３１を通してスプリッター１０７に供給される。

必要に応じて、改質器３７および／または水蒸気発生器１０３は、選択的に熱交換器の既存の領域に組み込んでも、追加領域として追加してもよい。例えば、改質触媒を領域３，４および／または領域５内の燃料注入ストリーム管に供給することにより、改質器３７を熱交換器１３内に組み込むことができる。

水蒸気発生器１０３は、熱交換器１３の１つ以上の追加領域として水蒸気発生器を追加することにより、熱交換器と物理的に一体化してもよい。図５は、マルチストリーム熱交換器１３／１０３に組み込まれた水蒸気発生器を含むシステム２００のプロセスフロー図を示す。図５の例では、熱交換器は７つの領域を含む。しかし、７つより多い、または少ない領域を含む熱交換器を使用してもよい。図２Ａの要素と同じ符号を有する図５に示す他の要素は、図２Ａに関連して上記で説明されているので、簡潔さのため図５に関連して再び説明しない。各要素における例示の温度を要素の上の円内に示す。他の適当な温度を用いてもよいことは言うまでもない。

下表は、一体型熱交換器／水蒸気発生器１３／１０３の７領域Ｚ１乃至Ｚ７のそれぞれを通る熱／冷流体フローストリームを表す。

上表において、「水」は水源１０４および導管３０Ａからの水注入ストリームに相当し、「空気」は導管３３からの空気注入ストリームに相当し、「燃料ミックス」は導管２９からの加湿された燃料注入ストリームに相当し、「ＡＮ−ＥＸＨ」は導管２３からのアノード排出ストリームに相当し、「ＡＴＯ−ＥＸＨ」は導管２７からのＡＴＯ排出ストリームに相当する。すなわち、「水」は領域Ｚ１乃至Ｚ４に存在し（Ｚ１に入ってＺ４から出る）、「空気」は領域Ｚ２乃至Ｚ５に存在し（Ｚ２に入ってＺ５から出る）、「燃料ミックス」は領域Ｚ４乃至Ｚ７に存在する（Ｚ４に入ってＺ７から出る）。これらの冷側ストリームは、領域Ｚ１乃至Ｚ６で「ＡＮ−ＥＸＨ」ストリームにより加熱され（Ｚ６に入ってＺ１から出る）、領域Ｚ３乃至Ｚ７で「ＡＴＯ−ＥＸＨ」ストリームにより加熱される（Ｚ７に入ってＺ３から出る）。

このように、領域Ｚ１は水蒸気発生器１０３に相当し、領域Ｚ２乃至Ｚ４はハイブリッド型水蒸気発生器／熱交換器に相当し、領域Ｚ５乃至Ｚ７は熱交換器に相当する。当然ながら、他の熱交換器とフローによる構成を用いてもよい。図５において、液体炭化水素燃料が用いられる場合、水と一緒に液体燃料を水蒸気発生器に供給して液体燃料を気化できることは言うまでもない。オプションの液体燃料／水混合器２０１を用いて液体燃料と水を混合してもよい。さらに、オプションのＡＴＯ燃料／アノード排出混合器２０３を用いて、混合された燃料をＡＴＯ注入口２２に供給する前に、導管１１５内の天然ガス等のＡＴＯ燃料を導管１１３内のアノード排出物と混合してもよい。

図６および図７は、２種類のマルチストリームプレート式熱交換器の限定されない三次元破断図である。他の熱交換器の構成を用いてもよいことは言うまでもない。図６は、２つのストリームが（図４の領域１および領域５等の）各領域で熱交換を行う熱交換器３００の構成を示す。例えば、ストリーム３０１およびストリーム３０２は領域３０４で熱交換を行うとともに、ストリーム３０１およびストリーム３０２は領域３０５で熱交換を行う。領域３０４，３０５の各々は、リブ付きまたはフィン付き熱交換プレート３０６を含む。注入／排出マニホルド３０７が領域間に配置される。

図７は、（空気注入ストリームおよび燃料注入ストリーム等の）２つの冷ストリームＲ１およびＲ２が、アノード排出ストリームまたはＡＴＯ排出ストリーム等の熱水を含むストリーム（図４に示す領域Ｚ２および領域Ｚ４に相当する）と熱交換する、別の熱交換器３１０の構成を示す。これらの構成は、（図４に示す領域３等の）４流体ストリームに容易に拡張できる。熱交換器３１０は、プレート型熱交換器３００に類似していてもよく、熱交換器プレート３１６を含んでいてもよい。しかし、例えば、各プレート３１６は、３つのストリームの３つの注入口および３つの排出口を収納する６つの開口３１７を含んでいてもよく、３つのストリームは平行なプレート３１６の間で３つの空間毎に供給される。熱交換器は、４つ以上のストリームを扱うように構成してもよく、平行プレート型構成とは異なる構成としてもよい。

本発明の別の実施形態は、単に燃料電池スタックモジュールだけでなく燃料電池システム全体に対するモジュール式設計を提供する。モジュール式システム設計により、自由度の高い設置および運転が提供される。モジュール化により、設定発電量の見積もり、信頼性の高い電力生成、燃料処理の自由度、および出力電圧と周波数の自由度を、一まとめの設計で実現できる。モジュール式設計により、非常に高い実効性および信頼性を持つ「常時オン」ユニットを達成できる。この設計方式はまた、簡単に規模拡大に対応でき、顧客の特別な設置要求を満たす。モジュール式設計はまた、入手し易い燃料の使用を可能にするとともに、顧客および／または地理的区分により変化する必要電圧および周波数を可能にする。このように、総じて、燃料電池システムはモジュール式セットとして設計されるので、異なる顧客要求を満たすように設置でき、システムの各要素が共働して非常に高いシステム信頼性および有効性を達成できる。

図８は、モジュール式燃料電池システム６０の例示の構成を示す。システム６０は以下の要素を含む。システム６０は、複数の燃料電池スタックモジュール６１を含む。これらのモジュール６１は、改質が容易な燃料ストリームからＤＣ電力を生成するのに用いる構成要素を含む装置である。

第２の実施形態の一態様において、各燃料電池スタックモジュール６１は、第１の実施形態のモジュール１と同じである。すなわち、図８に示す各モジュール６１は図１Ｂに示すように、ベース３と、ケース１１と、１つ以上の燃料電池スタック９とを備えていてもよい。例えば、ＳＯＦＣまたは溶融炭酸塩型燃料電池システム等の高温燃料電池システムにおいて、各燃料電池スタックモジュール６１は、第１の実施形態のモジュール１と同じである。第２の実施形態の代替の態様において、各モジュール６１は、１つのベース３と、複数のケース１１で覆われた複数の燃料電池スタック９とを備えていてもよい。代替として、各モジュール６１は、第１の実施形態のモジュール１とは異なる構造または構成を有していてもよい。例えば、ＰＥＭシステム等の低温燃料電池システムにおいて、各モジュール６１は、第１の実施形態のモジュール１と異なっていてもよい。このように、第２の実施形態のシステムは、高温および低温燃料電池スタックモジュールに適用可能である。

各モジュール６１は、少なくとも１つの燃料電池スタック９を含む。複数の燃料電池スタックモジュール６１は、例えば、単一ホットボックス６２等のクラスター型設備として設置してもよい。１つの燃料電池スタックモジュール６１の故障は、残りの燃料電池スタックモジュール６１は動作し続けるので、出力容量の僅かの低下またはシステム効率の僅かな劣化にしか至らない。

システム６０は、１つ以上の燃料処理モジュール６３をも含む。これらのモジュールは、燃料を容易に改質できるように、燃料を事前処理するのに用いる構成要素を含む装置である。燃料処理モジュール６３は、異なる燃料セットを処理するよう設計してもよい。例えば、ディーゼル燃料処理モジュール、天然ガス燃料処理モジュール、およびエタノール燃料処理モジュールを設けてもよい。燃料処理モジュール６３は、パイプラインからの天然ガス、圧縮天然ガス、プロパン、液化石油ガス、ガソリン、ディーゼル、住宅暖房用石油、ケロシン（灯油）、ＪＰ−５、ＪＰ−８、航空燃料、水素、アンモニア、エタノール、メタノール、合成ガス、バイオガス、バイオディーゼル、および他の好適な炭化水素燃料または水素含有燃料のうちから選択される少なくとも１つを処理できる。必要に応じて、改質器３７を燃料処理モジュール６３内に配置してもよい。代替として、改質器３７を燃料電池スタック９と熱的に一体化するのが望ましい場合、改質器３７は燃料電池スタックモジュール６１内に配置してもよい。さらに、内部改質型燃料電池を用いる場合、外部改質器３７は完全に廃止できる。

システム６０は、１つ以上の電力調整モジュール６５をも含む。これらのモジュール６５は、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換する構成要素、送電系統に接続する構成要素、および過渡現象を管理する構成要素を含む装置である。電力調整モジュール６５は、燃料電池モジュール６１からのＤＣ電力を種々のＡＣ電圧および周波数に変換するよう設計できる。２０８Ｖ，６０Ｈｚ；４８０Ｖ，６０Ｈｚ；４１５Ｖ，５０Ｈｚおよび他の一般的な電圧および周波数のための設計を提供することができる。例えば、各モジュール６５は、燃料電池モジュール６１内のスタック９の各ペア用のＤＣ／ＤＣコンバータと、各電力調整モジュール６５の複数のＤＣ／ＤＣコンバータユニット用の１つの共通ＤＣ／ＡＣコンバータとを含んでいてもよい。

モジュール６１，６３，６５の各タイプは、箱、棚、台等の個別容器の中または上に設置可能である。従って、容器を互いに隔てて配置して、個々に移動、修理、または点検することができる。例えば、図８に示すように、燃料電池スタックモジュール６１は共通ホットボックス６２内に配置される。燃料処理モジュール６３（複数であってもよい）は、別体の箱６７内に配置してもよい。電力調整モジュール６５（複数であってもよい）は、別体の棚６９内に配置してもよい。

本明細書で説明した燃料電池システムは、必要であれば他の実施形態や構成も可能である。必要に応じて、２００２年１１月２０日出願の米国特許出願第１０／３００，０２１号、２００７年１月２２日出願の米国特許出願第１１／６５６，００６号、２００３年４月９日出願の米国仮特許出願第６０／４６１，１９０号、２００３年５月２９日出願の米国特許出願第１０／４４６，７０４号に記載されているように（これらの出願全て、その内容全てが引用により本明細書に組み込まれる）、他の構成部品を加えてもよい。更に、本稿のいずれかの実施形態で説明し、および／またはいずれかの図に示したいずれのシステム要素あるいは方法工程は、明記されていなくとも上記の他の好適な実施形態のシステムおよび／または方法でも用いられ得ることは、言うまでもない。

本発明の上記記載は、例示および説明を目的としたものである。従って、全てを網羅したり、開示された形式そのものに本発明を限定したりする意図はなく、以上の教示に照らして修正、変更が可能であり、また本発明の実施から得られ得る修正、変更が可能である。上記記載は本発明の原理とその実際の用途を説明するために選ばれたものである。本発明の範囲は添付の請求の範囲とその均等物によって定められるものである。

［関連出願の相互参照］
本出願は、２００７年７月２６日出願の米国仮特許出願第６０／９３５，０９２号の利益を主張する（その全体が引用により本明細書に組み込まれる）。

Claims (25)

1. 複数の燃料電池スタックと、
   前記複数の燃料電池スタックと熱伝達するように配置されるアノード排ガス酸化器（ＡＴＯ）と、
   前記複数の燃料電池スタックおよび前記ＡＴＯを支持するベースと、
   前記ベース内に配置される少なくとも１つの熱交換器と、
   を備える燃料電池スタックモジュール。
2. 請求項１に記載のモジュールであって、
   前記複数の燃料電池スタックは中心軸を取り囲む燃料電池スタックの環状アレーを備え、前記燃料電池スタックのそれぞれは前記中心軸と平行に延びる積み重ね方向を有し、
   前記ＡＴＯは、前記燃料電池スタックの環状アレーの中央に配置される、
   モジュール。
3. 請求項２に記載のモジュールであって、前記ＡＴＯは前記燃料電池スタックの半径方向内側の面に晒されて、その面からカソード排出ストリームを受け取る、モジュール。
4. 請求項２に記載のモジュールであって、前記環状アレーは、角度を隔てて配置される３つ以上の燃料電池スタックを備え、各スタックは四角形の断面を有する、モジュール。
5. 請求項１に記載のモジュールであって、 前記燃料電池スタックは固体酸化物型燃料電池スタックを備える、モジュール。
6. 請求項１に記載のモジュールであって、前記ベース上に着脱可能に配置されるケースをさらに備える、モジュール。
7. 請求項６に記載のモジュールであって、前記燃料電池スタックは、前記ケース下で前記ベース上に着脱可能に配置される、モジュール。
8. 請求項６に記載のモジュールであって、
   前記ベースは内容積部と上面とを有するチャンバを備え、
   前記ＡＴＯおよび前記複数の燃料電池スタックは前記ベースの上面上に配置され、
   前記少なくとも１つの熱交換器は前記ベースの内容積部内に配置される、
   モジュール。
9. 請求項８に記載のモジュールであって、
   前記熱交換器はマルチストリーム熱交換器を備え、
   燃料注入系統が前記熱交換器の第１注入口に接続され、
   空気注入系統が前記熱交換器の第２注入口に接続され、
   アノード排出系統が前記熱交換器の第３注入口に接続され、
   ＡＴＯ排出系統が前記熱交換器の第４注入口に接続される、
   モジュール。
10. 請求項９に記載のモジュールであって、燃料改質器および水蒸気発生器の少なくとも一方は、前記ベースの内容積部内で前記熱交換器と物理的に一体化される、モジュール。
11. 燃料電池スタックモジュールの運転方法であって、
    燃料注入ストリームおよび空気注入ストリームを複数の燃料電池スタックに供給すること、
    ＡＴＯ燃料注入ストリームおよび前記複数の燃料電池スタックからのカソード排出ストリームを、前記複数の燃料電池スタックと熱伝達するように配置されるアノード排ガス酸化器（ＡＴＯ）に供給すること、および
    前記ＡＴＯからＡＴＯ排出ストリームを供給して前記燃料注入ストリームおよび前記空気注入ストリームを加熱すること、
    を含む、
    方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、前記ＡＴＯ排出ストリームと、前記複数の燃料電池スタックからのアノード排出ストリームと、前記燃料注入ストリームと、前記空気注入ストリームとをマルチストリーム熱交換器に供給して、前記ＡＴＯ排出ストリームと前記アノード排出ストリームとを用いて前記燃料注入ストリームと前記空気注入ストリームとを加熱することをさらに含む、方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、
    前記複数の燃料電池スタックは中心軸を取り囲む燃料電池スタックの環状アレーを備え、前記燃料電池スタックのそれぞれは前記中心軸と平行に延びる積み重ね方向を有し、
    前記ＡＴＯは、前記燃料電池スタックの環状アレーの中央に配置され、
    前記熱交換器は、前記ＡＴＯおよび前記燃料電池スタックの環状アレーを支持するベースの内部容積部内に配置される、
    方法。
14. 請求項１３に記載の方法であって、前記熱交換器内で前記燃料注入ストリームを改質することをさらに含む、方法。
15. 請求項１３に記載の方法であって、水ストリームを前記熱交換器に供給すること、前記ＡＴＯ排出ストリームを用いて前記水ストリームを水蒸気に気化させること、および前記水蒸気を前記燃料注入ストリームに供給することをさらに含む、請求項１３の方法。
16. 請求項１３に記載の方法であって、前記空気注入ストリームを制御することにより、前記複数の燃料電池スタックの温度および前記ＡＴＯの温度を制御することをさらに含む、方法。
17. 複数の燃料電池スタックと、
    アノード排ガス酸化器（ＡＴＯ）と、
    マルチストリーム熱交換器と、
    前記熱交換器の第１注入口に接続される燃料注入系統と、
    前記熱交換器の第２注入口に接続される空気注入系統と、
    前記熱交換器の第３注入口に接続されるアノード排出系統と、
    前記熱交換器の第４注入口に接続されるＡＴＯ排出系統と、
    前記熱交換器の第１排出口に接続される燃料電池スタック燃料注入口と、
    前記熱交換器の第２排出口に接続される燃料電池スタック空気注入口と、
    を備える燃料電池システム。
18. 請求項１７に記載のシステムであって、前記複数の燃料電池スタックおよび前記ＡＴＯを支持するベース、および前記ベース上に着脱可能に配置されるケースをさらに備える、システム。
19. 請求項１８に記載のシステムであって、
    前記ベースは内容積部と上面とを有するチャンバを備え、
    前記ＡＴＯおよび前記複数の燃料電池スタックは前記ベースの上面上に配置され、
    前記熱交換器は前記ベースの内容積部内に配置される、
    システム。
20. 請求項１９に記載のシステムであって、燃料改質器および水蒸気発生器の少なくとも一方は、前記ベースの内容積部内で前記熱交換器と物理的に一体化される、システム。
21. 請求項１７に記載のシステムであって、前記熱交換器は、低温等級材料からなる低温部、および高温等級材料からなる高温部を備える、システム。
22. 燃料注入ストリームおよび空気注入ストリームを、マルチストリーム熱交換器を通して複数の燃料電池スタックに供給すること、
    ＡＴＯ燃料注入ストリームおよび前記複数の燃料電池スタックからのカソード排出ストリームをアノード排ガス酸化器（ＡＴＯ）に供給すること、および
    前記ＡＴＯからのＡＴＯ排出ストリーム、および前記複数の燃料電池スタックからのアノード排出ストリームを前記マルチストリーム熱交換器に供給して、前記燃料注入ストリームおよび前記空気注入ストリームを加熱すること、
    を含む燃料電池システムの運転方法。
23. 請求項２２に記載の方法であって、前記マルチストリーム熱交換器は、前記ＡＴＯおよび前記複数の燃料電池スタックを支持するベースの内容積部内に配置される、方法。
24. 請求項２３に記載の方法であって、前記マルチストリーム熱交換器内で前記燃料注入ストリームを改質することをさらに含む、方法。
25. 請求項２３に記載の方法であって、水ストリームを前記マルチストリーム熱交換器に供給すること、前記ＡＴＯ排出ストリームを用いて前記水ストリームを水蒸気に気化させること、および前記水蒸気を前記燃料注入ストリームに供給することをさらに含む、方法。

Images