JP2017076609A - 熱交換器を含む燃料電池モジュール及びそのようなモジュールを作動させる方法 - Google Patents

熱交換器を含む燃料電池モジュール及びそのようなモジュールを作動させる方法 Download PDF

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Abstract

【課題】熱交換器を含む燃料電池モジュールの製造コスト、メンテナンスコストを低減し、発電効率を向上する。
【解決手段】燃料電池２１６、２１８に結合される一体型熱交換器２１４は、第１の熱交換構成要素２３６と、第２の熱交換構成要素２３８と、内部空間２３４を画定するケーシング２３２とを含む。空気入口パイプ２２２、燃料入口パイプ２２０、空気出口パイプ２２６及び、燃料出口パイプ２２４が内部空間２３４を通じて、それぞれ空気および燃料を導くとともに排出する。マニホールド２２８、２３０は第１の表面と、該第１の表面とは反対側の第２の表面とを有し、複数の開口が前記第１の表面内及び前記第２の表面内に画定される。マニホールド２２８、２３０は、前記第１の表面が燃料電池２１６、２１８と接触するとともに前記第２の表面が一体型熱交換器２１４と接触するように燃料電池２１６、２１８及び一体型熱交換器２１４に結合される。
【選択図】図３

Description

開示の分野は、一般に燃料電池モジュールに関し、特に、熱交換器を含む燃料電池モジュール及びその作動方法に関する。
燃料電池は、発電における比較的高い効率及び低い汚染の可能性を実証した電気化学的なエネルギー変換装置である。燃料電池は、一般に、インバータを介して交流電流（ＡＣ）へ変換される直流電流（ＤＣ）を供給する。ＤＣ電圧又はＡＣ電圧は、モータ、ライト、及び、任意の数の電気機器及びシステムに給電するために使用される。燃料電池は、固定用途、半固定用途、又は、移動用途で機能する。
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などの特定の燃料電池は、工業的ニーズや地方自治体のニーズを満たすために電気を供給する大型給電システムで機能する。他の燃料電池は、給電車などの更に小さい移動用途に役立つ。他の一般的なタイプの燃料電池は、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、及び、固体高分子形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）を含み、これらの全ては一般にそれらの電解質にちなんで名付けられる。
燃料電池は、イオン伝導層の全体にわたって燃料及び酸化剤を電気化学的に組み合わせることにより電気を生み出す。燃料電池の電解質とも呼ばれるこのイオン伝導層は、液体又は固体である。燃料電池は、一般に、有用な電圧又は電流の電力を生み出すために燃料電池のアセンブリを成して電気的に直列に集積される。したがって、隣り合う燃料電池を直列に又は並列に接続し或いは結合して燃料電池積層体を形成するために相互接続構造が使用される。一般に、燃料電池の構成要素は、電解質、陰極、及び、陽極を含む。電気を生み出す反応は、一般に、反応を速めるために触媒が一般に配置される陰極及び陽極で起こる。陰極及び陽極は、化学反応が起こるための表面積を増大させるべくチャネル及び多孔質層を含むように構成される。電解質は、帯電粒子を陰極と陽極との間で運び、そのほかの点では燃料及び酸化剤の両方を実質的に透過させない。
燃料、酸化剤、及び、副生成物などの流体を燃料電池へ向けて及び燃料電池から離れるように導くために、パイプ、バルブ、及び、ジョイントコネクタなどのパイプ構成要素が燃料電池に結合される。時として、流体を加熱する或いは冷却するために熱交換器が使用される。例えば、一部のシステムでは、複数の燃料電池が中央熱交換器に結合されて、流体が中央熱交換器から各燃料電池へ別々に導かれる。結果として、多数のパイプ構成要素が中央熱交換器と複数の燃料電池との間で延在する。また、中央熱交換器に結合される全ての燃料電池の生産性は、中央熱交換器が整備及び保守点検のために作動停止されるときに影響される。
パイプ構成要素により導かれる流体の一部は、比較的高い温度、例えば６００℃を超える温度を有する。しかしながら、高温流体を取り扱うことが求められる高温パイプ構成要素は、燃料電池の組み立て及び作動に対してコスト及び複雑さを付加する。また、高温流体を取り扱うことが求められる一部の材料は、燃料電池と適合しない。例えば、ステンレス鋼などの一部の材料は、燃料電池内の陽極のクロム蒸気中毒を引き起こす。また、パイプ構成要素が高温流体によって温められるにつれて、パイプ構成要素が膨張し、すなわち、クリープを起こし、それにより、パイプ構成要素、特にジョイントコネクタの完全性に影響が及ぶ。更に、熱が高温流体から周囲環境へと失われ、それにより、燃料電池の効率が低下する。
米国特許第８９２０９９７明細書
１つの態様では、燃料電池モジュールで用いる燃料電池ブロックが、燃料電池と、燃料電池に結合される熱交換器とを含む。熱交換器は、第１の熱交換構成要素と、第２の熱交換構成要素と、内部空間を画定するケーシングとを含む。空気入口パイプが、空気を燃料電池へ導くとともに、少なくとも部分的に内部空間を通じて延びる。第１の交換構成要素は、空気入口パイプ内の空気の温度を高めるように構成される。燃料入口パイプが、燃料を燃料電池へ導くとともに、少なくとも部分的に内部空間を通じて延びる。第２の交換構成要素は、燃料入口パイプ内の燃料の温度を高めるように構成される。空気出口パイプが、空気を燃料電池から離れるように導くとともに、少なくとも部分的に内部空間を通じて延びる。燃料出口パイプが、燃料を燃料電池から離れるように導くとともに、少なくとも部分的に内部空間を通じて延びる。マニホールドが、第１の表面と、第１の表面とは反対側の第２の表面とを含む。複数の開口が第１の表面内及び第２の表面内に画定される。マニホールドは、第１の表面が燃料電池と接触するとともに第２の表面が熱交換器と接触するように燃料電池及び熱交換器に結合される。マニホールドは、空気入口パイプ、燃料入口パイプ、空気出口パイプ、及び、燃料出口パイプに結合される。
他の態様では、燃料電池モジュールが少なくとも１つの燃料電池ブロックを含む。少なくとも１つの燃料電池ブロックは、燃料電池と、燃料電池に結合される熱交換器とを含む。熱交換器は、第１の熱交換構成要素と、第２の熱交換構成要素と、内部空間を画定するケーシングとを含む。燃料電池モジュールは、燃料電池へ流体を導くための少なくとも１つのパイプを更に含む。少なくとも１つのパイプは少なくとも部分的に内部空間を通じて延びる。熱交換器は、流体の温度を約６００℃〜約８００℃の範囲内の温度まで上昇させるように構成される。マニホールドが、第１の表面と、第１の表面とは反対側の第２の表面とを含む。マニホールドは、第１の表面が燃料電池と接触するとともに第２の表面が熱交換器と接触するように燃料電池及び熱交換器に結合される。少なくとも１つのパイプがマニホールドに結合される。
更なる他の態様では、燃料電池モジュールを通じて流体を導く方法が提供される。燃料電池モジュールは燃料電池ブロックを含む。方法は、第１の流体を燃料電池ブロックへ導くステップを含む。燃料電池ブロックは、燃料電池と、熱交換器と、マニホールドとを含む。熱交換器が内部空間を画定するケーシングを含む。マニホールドは、第１の表面と、第１の表面とは反対側の第２の表面とを含む。第１の開口及び第２の開口が第１の表面内及び第２の表面内に画定される。マニホールドは、第１の開口及び第２の開口が燃料電池と流体接続するように熱交換器と燃料電池とに対して結合される。方法は、第１の流体を内部空間を通じて導くステップを更に含む。第１の流体は第１の開口を通じて燃料電池へ導かれる。第２の流体が燃料電池から出て第２の開口を通じて導かれる。第２の流体は内部空間を通じて導かれる。流体が内部空間を通じて導かれるにつれて熱が第２の流体から第１の流体へ伝えられる。熱交換器は、第１の流体の温度を約６００℃〜約８００℃の範囲内の温度まで上昇させるように構成される。熱交換器は第１の熱交換構成要素と第２の熱交換構成要素とを含む。
本開示のこれらの及び他の特徴、態様、及び、利点は、添付図面に関連して以下の詳細な説明が読まれるときに更に良く理解されるようになり、添付図面中、同様の文字は、図面の全体にわたって同様の部分を表わす。
典型的な発電システムを通じた流体の流れの概略図である。 典型的な燃料電池モジュールの斜視図である。 図２に示される燃料電池モジュールの典型的な燃料電池ブロックの斜視図である。 図３に示される燃料電池ブロックの一部の斜視図である。 図２に示される燃料電池モジュールの典型的なマニホールドの平面図である。
別段に示唆されなければ、本明細書中で与えられる図面は、本開示の実施形態の特徴を例示するように意図される。これらの特徴は、本開示の１つ以上の実施形態を備える多種多様なシステムに適用できると考えられる。したがって、図面は、本明細書中に開示される実施形態の実施のために必要とされるべき当業者により知られる従来の全ての特徴を含むように意図されない。
以下の明細書及び特許請求の範囲では、以下の意味を有するように規定されるものとする多くの用語について言及される。
単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」は、文脈が別段明確に定めなければ複数形を含む。
「随意的な」又は「随意的に」は、その後に記載される事象又は状況が起こってもよく或いは起こらなくてもよいこと、及び、事象が起こる事例と事象が起こらない事例とをその記載が含むことを意味する。
明細書及び特許請求の範囲の全体にわたってここで使用される近似的な言葉は、それが関連付けられる基本的な機能の変化をもたらすことなく許容範囲で変化し得る任意の定量的表現を修飾するために適用される場合がある。したがって、「約」、「ほぼ」、及び、「おおよそ」などの１又は複数の用語により修飾される値は、明記される正にその値に限定されない。少なくともある場合には、近似的な言葉が値を測定するための機器の精度に対応し得る。ここでは、また、明細書及び特許請求の範囲の全体にわたって、範囲限定が組み合わされ及び／又は置き換えられてもよく、そのような範囲が特定され、また、そのような範囲は、文脈又は言葉が別段に示唆しなければ、その範囲内に含まれる全ての部分範囲を含む。
本明細書中に記載される燃料電池モジュールは、燃料電池モジュールを使用して電力を発生させる効率を高めてコストを低減させるために熱交換器を含む。特に、本明細書中に記載される実施形態は、燃料電池モジュールを通じて流体を導くために必要とされる高温パイプ構成要素を減らす。また、本明細書中に記載される実施形態は、燃料電池モジュールを通じた流体の流れを制御することも容易にする。更に、燃料電池モジュールは、パイプ構成要素及び熱交換器を燃料電池に結合することを容易にするマニホールドを含む。また、本明細書中に記載される熱交換器は、燃料電池モジュール内での流体熱伝達の効率を高める。
図１は、燃料電池モジュール１０２を含む典型的な発電システム１００の概略図である。燃料電池モジュール１０２は、燃料電池１０４と、一体型熱交換器１０６とを含む。燃料電池１０４は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）及び溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）のうちの一方である。燃料電池１０４は、イオン伝導層（図示せず）の全体にわたって燃料及び酸化剤（いずれも以下で更に論じる）を電気化学的に組み合わせることにより直流（ＤＣ）電力を発生させる。イオン伝導層、すなわち、燃料電池１０４の電解質は、液体又は固体である。幾つかの実施形態において、燃料電池１０４は、有用な電圧又は電流で電力を生み出すために燃料電池１０４のアセンブリ（図１には１つだけ示される）を成して電気的に直列に位置される。
典型的な実施形態において、燃料電池１０４は、電解質、陰極１０８、及び、陽極１１０を含む。ＤＣ電気を生み出す電気化学的反応は、一般に、反応を速めるために触媒（図示せず）が配置される陰極１０８及び陽極１１０で起こる。陰極１０８及び陽極１１０は、化学反応が起こるための表面積を増大させるべくチャネル及び多孔質層（いずれも図示せず）を含む。電解質は、帯電粒子を陰極１０８及び陽極１１０の一方から他方へと運び、そのほかの点では燃料及び酸化剤の両方を実質的に透過させない。陰極１０８を通じた燃料の流れを容易にするために、陰極１０８は入口１１２及び出口１１４を含む。同様に、陽極１１０は入口１１６及び出口１１８を含む。陰極１０８は、水、水素、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ2）、及び、もしあれば未反応燃料を含む排ガス流を陰極出口１１４から排出する。
典型的な実施形態では、一体型熱交換器１０６が燃料電池１０４に結合される。一体型熱交換器１０６は、第１の熱交換構成要素１２０と第２の熱交換構成要素１２２とを含む。第１の熱交換構成要素１２０は、第１の熱交換構成要素１２０が燃料電池陽極から排出される流体から熱を除去して燃料電池陽極入口１１６へ導かれる流体へ熱を伝えるように、燃料電池陽極入口１１６及び燃料電池陽極出口１１８と流体連通状態で結合される。第２の熱交換構成要素１２２は、第２の熱交換構成要素１２２が燃料電池陽極出口１１８から排出される流体から熱を除去して燃料電池陰極入口１１２へ導かれる流体へ熱を伝えるように、燃料電池陽極出口１１８及び燃料電池陰極入口１１２と流体連通状態で結合される。典型的な実施態様では、第１の熱交換構成要素１２０が空気−空気熱交換構成要素であり、第２の熱交換構成要素１２２が空気−燃料熱交換構成要素である。別の実施形態において、第１の熱交換構成要素１２０及び第２の熱交換構成要素１２２は、一体型熱交換器１０６が本明細書中に記載されるように機能できるようにする任意の熱交換構成要素である。また、幾つかの実施形態において、一体型熱交換器１０６は、一体型熱交換器１０６が本明細書中に記載されるように機能できるようにする任意の数の熱交換構成要素を含む。例えば、幾つかの実施形態では、一体型熱交換器１０６が少なくとも１つの燃料−燃料熱交換構成要素を含む。
また、発電システム１００は、陰極出口１１４と流体連通状態で結合される燃料予熱器１２４も含む。燃料予熱器１２４は、典型的な実施形態では天然ガスを燃料予熱器１２４へ導く炭素燃料源、すなわち、炭化水素燃料源（図示せず）と流体連通状態で結合される。別の実施形態では、本明細書中に記載されるような発電システム１００及び燃料電池１０４の動作を可能にする任意の燃料が使用される。
発電システム１００は、燃料電池陰極出口１１４及び燃料予熱器１２４に結合される炭化水素燃料改質器１２６を更に含む。炭化水素燃料改質器１２６は、同伴排ガス流を含む燃料流を同伴二酸化炭素（ＣＯ2）を伴う高温改質燃料流へと変換する。燃焼エンジン１２８が炭化水素燃料改質器１２６と流体連通状態で結合される。高温改質燃料流は燃焼エンジン１２８へと導かれる。典型的な実施形態では、燃焼エンジン１２８が往復式４−ストロークエンジンを含む。別の実施形態において、燃焼エンジン１２８は、例えば、制限なく、往復式２−ストロークエンジン、対向ピストン型２−ストロークエンジン、及び／又は、ガスタービンエンジンを含む。幾つかの実施形態において、燃焼エンジン１２８は、発電機及び／又は他の負荷、例えば、制限なく、ポンプ及び圧縮機に対して機械的に結合される。燃料熱交換器１３０が、炭化水素燃料改質器１２６から燃料電池陰極入口１１２へと導かれる燃料の部分を燃料熱交換器１３０が温めるように、炭化水素燃料改質器１２６に結合される。
典型的な実施形態において、発電システム１００は、脱水器又は冷却器１３２と、圧縮機１３４とを更に含む。別の実施形態では、冷却器１３２及び圧縮機１３４が省かれる。典型的な実施形態において、冷却器１３２は、燃料予熱器１２４に結合されるとともに、燃料中の水が凝縮して抽出されるように燃料予熱器１２４から燃焼エンジン１２８へと導かれる燃料の温度を下げる。圧縮機１３４は、燃料電池モジュール１０２に結合されて、燃料が燃料電池モジュール１０２を通じて移動することを容易にする。別の実施形態において、発電システム１００は、発電システム１００が本明細書中に記載されるように機能できるようにする任意の態様で結合される任意の構成要素を含む。例えば、幾つかの実施形態では、発電システム１００が更なる熱交換器及び燃料改質器を含む。また、幾つかの実施形態では、発電システム１００の幾つかの構成要素が並列及び／又は直列に結合される。
図２は、発電システム１００で用いるための燃料電池モジュール２００の斜視図である。図３及び図４は、燃料電池モジュール２００の一部の斜視図である。燃料電池モジュール２００は、少なくとも１つの燃料電池ブロック２０２と、空気予熱器２０４と、燃料入口ヘッダ２０６と、空気入口ヘッダ２０８と、燃料出口ヘッダ２１０と、空気出口ヘッダ２１２とを含む。各燃料電池ブロック２０２は、一体型熱交換器２１４と、第１の燃料電池積層体２１６と、第２の燃料電池積層体２１８と、燃料入口パイプ２２０と、空気入口パイプ２２２と、燃料出口パイプ２２４と、空気出口パイプ２２６と、上側マニホールド２２８と、下側マニホールド２３０とを含む。別の実施形態において、燃料電池ブロック２０２は、燃料電池モジュール２００が本明細書中に記載されるように機能できるようにする任意の数の燃料電池積層体２１６、２１８及び一体型熱交換器２１４を含む。
典型的な実施形態において、各燃料電池ブロック２０２は、燃料電池モジュール２００の動作中に燃料電池ブロック２０２により発生される電力の量として規定される発電能力を有する。幾つかの実施形態では、各燃料電池ブロック２０２が約１キロワット（ｋＷ）〜約５００ｋＷの範囲内の発電能力を有する。更なる実施形態では、各燃料電池ブロック２０２が約２５キロワット（ｋＷ）〜約２５０ｋＷの範囲内の発電能力を有する。幾つかの実施形態では、各燃料電池ブロック２０２がおおよそ２００ｋＷの発電能力を有する。
燃料電池モジュール２００は、燃料電池ブロック２０２の発電能力の合計である全発電能力を有する。幾つかの実施形態では、燃料電池モジュール２００が約２５ｋＷ〜約１５００ｋＷの全発電能力を有する。更なる実施形態では、燃料電池モジュール２００が約１５０ｋＷ〜約１２５０ｋＷの全発電能力を有する。典型的な実施形態では、燃料電池モジュール２００が６個の燃料電池ブロック２０２を含み、各燃料電池ブロック２０２がおおよそ１６７ｋＷの発電能力を有する。したがって、燃料電池モジュール２００は、おおよそ１０００ｋＷの全発電能力を有する。別の実施形態において、燃料電池モジュール２００は、燃料電池モジュール２００が本明細書中に記載されるように機能できるようにする任意の発電能力を有する任意の数の燃料電池ブロック２０２を含む。
典型的な実施形態において、第１の燃料電池積層体２１６及び第２の燃料電池積層体２１８はそれぞれ、電解質と２つの電極とを含む複数の燃料電池１０４（図１に示される）を含む。第１の燃料電池積層体２１６及び第２の燃料電池積層体２１８は、イオン伝導層の全体にわたって燃料及び酸化剤を電気化学的に組み合わせることにより電気を生み出す。典型的な実施形態において、第１の燃料電池積層体２１６及び第２の燃料電池積層体２１８は、固体酸化物形燃料電池である燃料電池１０４を含む。別の実施形態において、第１の燃料電池積層体２１６及び第２の燃料電池積層体２１８は、燃料電池モジュール２００が本明細書中に記載されるように機能できるようにする任意のタイプの燃料電池を含む。典型的な実施形態において、第１の燃料電池積層体２１６及び第２の燃料電池積層体２１８は、一体型熱交換器２１４の両側で一体型熱交換器２１４に結合される。別の実施形態において、第１の燃料電池積層体２１６及び第２の燃料電池積層体２１８は、燃料電池ブロック２０２が本明細書中に記載されるように機能できるようにする任意の態様で一体型熱交換器２１４に結合される。
典型的な実施形態において、一体型熱交換器２１４は、内部空間２３４を画定するケーシング２３２と、第１の熱交換構成要素２３６と、第２の熱交換構成要素２３８とを含む。図３に示される方向に関連して、ケーシング２３２は、上壁２４０と、下壁２４２と、上壁２４０と下壁２４２との間で延びる側壁２４４とを含む。上壁２４０、下壁２４２、及び、側壁２４４のそれぞれは対応する外表面２４６、２４８、２５０を含む。別の実施形態において、一体型熱交換器２１４は、一体型熱交換器２１４が本明細書中に記載されるように機能できるようにする任意の数の壁及び表面を含む。
燃料２５２及び空気２５４などの流体は、燃料電池モジュール２００の動作中に燃料電池モジュール２００を通じて導かれる。具体的には、流体は、燃料入口ヘッダ２０６、空気入口ヘッダ２０８、燃料出口ヘッダ２１０、空気出口ヘッダ２１２、燃料入口パイプ２２０、空気入口パイプ２２２、燃料出口パイプ２２４、及び、空気出口パイプ２２６を通じて導かれる。図３において最も良く分かるように、燃料入口パイプ２２０、空気入口パイプ２２２、燃料出口パイプ２２４、及び、空気出口パイプ２２６のそれぞれは、流体を第１の燃料電池積層体２１６及び第２の燃料電池積層体２１８へ導くとともに、流体を第１の燃料電池積層体２１６及び第２の燃料電池積層体２１８から導く。
空気予熱器２０４は、一体型熱交換器２１４の上流側で空気入口ヘッダ２０８に結合されるとともに、一体型熱交換器２１４の下流側で空気出口パイプ２２６に結合される。空気予熱器２０４は、空気出口パイプ２２６内の空気２５４から熱を除去するとともに、空気入口パイプ２２２内の空気２５４に熱を伝える。典型的な実施形態では、空気入口パイプ２２２が内部空間２３４を通じて空気２５４を導く前に、空気予熱器２０４が、空気入口パイプ２２２内の空気２５４の温度を約１００°摂氏（Ｃ）（２１２°華氏（Ｆ））〜約６００℃（１１１２°Ｆ）の範囲内の温度まで高める。
動作時、空気２５４は、燃料電池ブロック２０２への送出のために空気入口ヘッダ２０８を通じて空気入口パイプ２２２内へと導かれる。各空気入口パイプ２２２は少なくとも部分的に内部空間２３４内へと延びる。内部空間２３４内で、空気入口パイプ２２２は、空気２５４を第１の燃料電池積層体２１６及び第２の燃料電池積層体２１８へ送出するための別個のセクションへと分岐する。別の実施形態において、空気入口パイプ２２２は、燃料電池モジュール２００が本明細書中に記載されるように機能できるようにする任意の数の燃料電池積層体２１６、２１８へ空気２５４を供給する。典型的な実施形態において、空気入口パイプ２２２は、空気入口パイプ２２２を通じて導かれる空気２５４の温度が高められるように第１の熱交換構成要素２３６によって温められる。典型的な実施形態において、一体型熱交換器２１４の外部では、空気入口パイプ２２２内の空気２５４が６００℃未満の温度に維持される。内部空間２３４内では、第１の熱交換構成要素２３６が空気入口パイプ２２２内の空気２５４の温度を約６００℃（１１１２°Ｆ）〜約８００℃（１４７２°Ｆ）の範囲内の温度まで高める。結果として、高温パイプ構成要素は、内部空間２３４内にある空気入口パイプ２２２の部分のためにだけ必要とされる。高温パイプ構成要素は、比較的高い温度、すなわち、約６００℃（１１１２°Ｆ）よりも高い温度を有する流体を導くために設計されて製造される構成要素である。
燃料電池モジュール２００の動作中、燃料２５２は、燃料電池ブロック２０２への送出のために燃料入口ヘッダ２０６を通じて燃料入口パイプ２２０内へと導かれる。各燃料入口パイプ２２０は少なくとも部分的に内部空間２３４内へと延びる。典型的な実施形態では、内部空間２３４内で、燃料入口パイプ２２０は、燃料を第１の燃料電池積層体２１６及び第２の燃料電池積層体２１８へ送出するための別個のセクションへと分岐する。別の実施形態において、燃料入口パイプ２２０は、燃料電池モジュール２００が本明細書中に記載されるように機能できるようにする任意の数の燃料電池積層体２１６、２１８へ燃料を供給する。典型的な実施形態において、燃料入口パイプ２２０は、燃料入口パイプ２２０を通じて導かれる燃料の温度が高められるように第２の熱交換構成要素２３８によって温められる。典型的な実施形態において、一体型熱交換器２１４の外部では、燃料入口パイプ２２０内の流体が６００℃未満の温度に維持される。内部空間２３４内では、第２の熱交換構成要素２３８が燃料入口パイプ２２０内の流体の温度を約６００℃（１１１２°Ｆ）〜約８００℃（１４７２°Ｆ）の範囲内の温度まで高めることを容易にする。結果として、高温パイプ構成要素は、内部空間２３４内にある燃料入口パイプ２２０の部分のためにだけ必要とされる。
典型的な実施形態において、燃料は、第１の燃料電池積層体２１６及び第２の燃料電池積層体２１８から、少なくとも部分的に内部空間２３４内へと延びる燃料出口パイプ２２４へと排出される。燃料出口パイプ２２４は、燃料を内部空間２３４から燃料出口ヘッダ２１０へと導く。空気は、第１の燃料電池積層体２１６及び第２の燃料電池積層体２１８から、少なくとも部分的に内部空間２３４内へと延びる空気出口パイプ２２６へと排出される。空気出口パイプ２２６は、空気を内部空間２３４から空気出口ヘッダ２１２へと導く。内部空間２３４内で、第１の熱交換構成要素２３６は、空気出口パイプ２２６と空気入口パイプ２２２との間の熱交換を容易にし、また、第２の熱交換構成要素２３８は、空気出口パイプ２２６と空気入口パイプ２２２との間の熱交換を容易にする。結果として、空気出口パイプ２２６内の流体は、流体が内部空間２３４を通じて導かれるにつれて温度が減少する。典型的な実施形態において、空気出口パイプ２２６内の流体の温度は、内部空間２３４から出る前に温度が約６００℃（１１１２°Ｆ）未満であるように下げられる。結果として、高温パイプ構成要素は、内部空間２３４内にある空気出口パイプ２２６の部分のためだけに必要とされる。
典型的な実施形態では、図３に示される方向に関連して、上側マニホールド２２８が一体型熱交換器２１４よりも上側に位置されるとともに、下側マニホールド２３０が一体型熱交換器２１４よりも下側に位置される。上側マニホールド２２８は、一体型熱交換器２１４と第１の燃料電池積層体２１６との間に位置されてこれらに結合される。下側マニホールド２３０は、一体型熱交換器２１４と第２の燃料電池積層体２１８との間に位置されてこれらに結合される。別の実施形態において、燃料電池モジュール２００の構成要素は、燃料電池モジュール２００が本明細書中に記載されるように機能できるようにする任意の態様で位置される。また、別の実施形態において、燃料電池モジュール２００は、燃料電池モジュール２００が本明細書中に記載されるように機能できるようにする任意の数のマニホールドを含む。典型的な実施形態では、上側マニホールド２２８及び下側マニホールド２３０がほぼ同一である。したがって、上側マニホールド２２８が以下で詳しく説明されるため、下側マニホールド２３０の更なる説明は不要である。別の実施形態では、下側マニホールド２３０が上側マニホールド２２８とは異なる。幾つかの実施形態では、上側マニホールド２２８及び／又は下側マニホールド２３０が省かれる。
図５は上側マニホールド２２８の平面図である。上側マニホールド２２８は、第１の表面２５８と、第１の表面２５８とは反対側の第２の表面２６０と、複数の開口２６２とを含む。開口２６２は、上側マニホールド２２８を通じた流体の流れのためのチャネルを設けるために、第１の表面２５８内及び第２の表面２６０内に画定されるとともに、第１の表面２５８と第２の表面２６０との間で延びる。上側マニホールド２２８は、第１の表面２５８と第２の表面２６０との間で測定される厚さ２６４を有する。幾つかの実施形態では、厚さ２６４が約２ミリメートル（ｍｍ）（０．１インチ（ｉｎ．））〜約４００ｍｍ（１６ｉｎ．）の範囲内である。典型的な実施形態では、厚さ２６４がおおよそ１９ｍｍ（０．７５ｉｎ．）である。上側マニホールド２２８は、上側マニホールド２２８の側縁間で規定される最大幅２６６を有する。典型的な実施形態において、上側マニホールド２２８は、最大幅２６６に等しい直径を含む円形形状を有する。幾つかの実施形態では、最大幅２６６が約２５４ｍｍ（１０ｉｎ．）〜約１２７０ｍｍ（５０ｉｎ．）の範囲内である。典型的な実施形態では、最大幅２６６がおおよそ４０６ｍｍ（１６ｉｎ．）である。別の実施形態において、上側マニホールド２２８は、上側マニホールド２２８が本明細書中に記載されるように機能できるようにする任意の形状及びサイズである。
典型的な実施形態において、開口２６２のそれぞれは、半径２６８を伴う少なくとも部分的に円形の形状を有する。幾つかの実施形態では、半径２６８が約２．５ｍｍ（０．１ｉｎ．）〜約２５４ｍｍ（１０ｉｎ．）の範囲内である。典型的な実施形態では、半径２６８がおおよそ２５ｍｍ（１ｉｎ．）である。開口２６２の幾つかは、長さ２７０を有するスロット状の形状を成すように細長い。幾つかの実施形態では、長さ２７０が約２５ｍｍ（１ｉｎ．）〜約２５４ｍｍ（１０ｉｎ．）の範囲内である。典型的な実施形態では、長さ２７０がおおよそ６４ｍｍ（２．５ｉｎ．）である。別の実施形態において、開口２６２は、上側マニホールド２２８が本明細書中に記載されるように機能できるようにする任意の形状及びサイズである。典型的な実施形態において、上側マニホールド２２８は、上側マニホールド２２８を他の構成要素に結合することを容易にするための複数の穴２７２を更に含む。
図３及び図４に戻って参照すると、上側マニホールド２２８は、第１の表面２５８が第１の燃料電池積層体２１６と接触し且つ第２の表面２６０が一体型熱交換器２１４と接触するように燃料電池積層体２１６に結合される。燃料入口パイプ２２０、空気入口パイプ２２２、燃料出口パイプ２２４、及び、空気出口パイプ２２６は、開口２６２に隣接して上側マニホールド２２８に結合される。結果として、燃料入口パイプ２２０内及び空気入口パイプ２２２内の流体は、開口２６２を通じて第１の燃料積層体２１６内へ導かれる。また、第１の燃料積層体２１６内の流体は、開口２６２を通じて燃料出口パイプ２２４及び空気出口パイプ２２６へと導かれる。
図１−図３を参照すると、燃料電池モジュール２００を通じて流体２５２、２５４を導く方法は、燃料電池ブロック２０２を通じて流体２５２、２５４を導くことを含む。幾つかの実施形態において、流体２５２、２５４は、燃料電池モジュール２００を形成するために互いに結合される複数の燃料電池ブロック２０２を通じて別々に導かれる。典型的な実施形態では、流体２５２、２５４が内部空間２３４を通じて導かれる。幾つかの実施形態において、流体２５２、２５４は、少なくとも部分的に内部空間２３４を通じて延びる空気出口ヘッダ２１２、燃料入口パイプ２２０、空気入口パイプ２２２、燃料出口パイプ２２４、及び、空気出口パイプ２２６を通じて導かれる。典型的な実施形態では、流体２５２、２５４が開口２６２を通じて燃料電池１０４へと導かれる。流体２５２、２５４は、燃料電池１０４から開口２６２を通じて及び内部空間２３４を通じて導かれる。流体２５２、２５４が内部空間２３４を通じて導かれるにつれて、燃料電池１０４から出て導かれる流体２５２、２５４から熱が除去されるとともに、燃料電池１０４の方へと導かれる流体２５２、２５４へ熱が伝えられる。一体型熱交換器２１４は、流体２５２、２５４の温度を約６００℃〜約８００℃の範囲内の温度まで上昇させるように構成される。幾つかの実施形態において、流体２５２、２５４は、内部空間２３４を通じて流体２５２、２５４を導く前に、約１００℃〜約６００℃の範囲内の温度に維持される。
前述した燃料電池モジュールは、燃料電池モジュールを使用して電力を発生させる効率を高めてコストを低減するために熱交換器を含む。特に、本明細書中に記載される実施形態は、燃料電池モジュールを通じて流体を導くために必要とされる高温パイプ構成要素を減少させる。また、本明細書中に記載される実施形態は、燃料電池モジュールを通じた流体の流れを制御することも容易にする。更に、燃料電池モジュールは、パイプ構成要素及び熱交換器を燃料電池に結合することを容易にするマニホールドを含む。また、本明細書中に記載される熱交換器は、燃料電池モジュール内での流体熱伝達の効率を高める。
本明細書中に記載される方法、システム、及び、装置の典型的な技術的効果は、（ａ）燃料電池モジュールの作動効率を高める、（ｂ）燃料電池モジュールをメンテナンスして修理するために必要な時間及びコストを減らす、（ｃ）燃料電池モジュールを組み立てて動作させるコストを低減する、（ｄ）燃料電池モジュールで必要とされる高温パイプ構成要素の量を減らす、（ｅ）燃料電池モジュールを通じた流体の圧力降下を制御する、及び、（ｆ）燃料電池モジュールにおけるパイプ接続の複雑さを減らす、のうちの少なくとも１つを含む。
以上、一体型熱交換器を含む燃料電池モジュールの典型的な実施形態を詳しく説明した。一体型熱交換器を含む燃料電池モジュール、並びに、そのようなシステム及び装置を動作させる方法は、本明細書中に記載される特定の実施形態に限定されず、むしろ、システムの構成要素及び／又は方法のステップは、本明細書中に記載される他の構成要素及び／又はステップとは別個に独立に利用されてもよい。例えば、方法は、他のシステムと組み合わせて使用されてもよく、本明細書中に記載される燃料電池モジュール、燃料電池システム、及び、方法のみを用いた実施に限定されない。むしろ、典型的な実施形態は、燃料電池を受けて受け入れるように現在構成される多くの他の燃料電池用途、例えば、制限なく、遠隔地の分散発電設備及び工業設備に関連して実施されて利用され得る。
本発明の様々な実施形態の特定の特徴が幾つかの図面で示され且つ他の図面で示されない場合があるが、これは単なる便宜にすぎない。本発明の原理によれば、図面の任意の特徴が任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照されてもよく及び／又は特許請求の範囲に記載されてもよい。
この書かれた説明は、実施例を使用して、最良の態様を含む発明を開示するとともに、任意の装置又はシステムを形成して使用すること、及び、任意の組み入れられた方法を実行することを含めて、任意の当業者が発明を実施できるようにする。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、また、当業者が想起する他の実施例を含んでもよい。そのような他の実施例は、それらが特許請求項の文字通りの言葉とは異ならない構造的要素を有する場合には、或いは、それらが特許請求項の文字通りの言葉と実質的に異ならない等価な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲内に入るべく意図される。
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
燃料電池モジュールで用いる燃料電池ブロックにおいて、
燃料電池と、
前記燃料電池に結合される熱交換器であって、前記熱交換器が、第１の熱交換構成要素と、第２の熱交換構成要素と、内部空間を画定するケーシングとを備える、熱交換器と、
空気を前記燃料電池へ導くための空気入口パイプであって、前記空気入口パイプが少なくとも部分的に前記内部空間を通じて延び、前記第１の交換構成要素が前記空気入口パイプ内の空気の温度を高めるように構成される、空気入口パイプと、
燃料を前記燃料電池へ導くための燃料入口パイプであって、前記燃料入口パイプが少なくとも部分的に前記内部空間を通じて延び、前記第２の熱交換構成要素が前記燃料入口パイプ内の燃料の温度を高めるように構成される、燃料入口パイプと、
空気を前記燃料電池から離れるように導くための空気出口パイプであって、前記空気出口パイプが少なくとも部分的に前記内部空間を通じて延びる、空気出口パイプと、
燃料を前記燃料電池から離れるように導くための燃料出口パイプであって、前記燃料出口パイプが少なくとも部分的に前記内部空間を通じて延びる、燃料出口パイプと、
第１の表面と、前記第１の表面とは反対側の第２の表面と、前記第１の表面内及び前記第２の表面内に画定される複数の開口とを備えるマニホールドであって、前記マニホールドは、前記第１の表面が前記燃料電池と接触するとともに前記第２の表面が前記熱交換器と接触するように前記燃料電池及び前記熱交換器に結合され、前記マニホールドが、前記空気入口パイプ、前記燃料入口パイプ、前記空気出口パイプ、及び、前記燃料出口パイプに結合される、マニホールドと、
を備える燃料電池ブロック。
［実施態様２］
前記燃料電池が第１の燃料電池であり、前記燃料電池ブロックが前記熱交換器に結合される第２の燃料電池を更に備える実施態様１記載の燃料電池ブロック。
［実施態様３］
前記マニホールドが第１のマニホールドであり、前記燃料電池ブロックが前記第２の燃料電池と前記熱交換器とに対して結合される第２のマニホールドを更に備える実施態様２記載の燃料電池ブロック。
［実施態様４］
前記第１の燃料電池、前記第２の燃料電池、及び、前記熱交換器が垂直方向で一直線に位置合わせされ、前記熱交換器が前記第１の燃料電池と前記第２の燃料電池との間に位置される実施態様３記載の燃料電池ブロック。
［実施態様５］
前記ケーシングは、上壁と、下壁と、前記上壁と前記下壁との間で延びる側壁とを備え、前記第１のマニホールドが前記上壁に結合され、前記第２のマニホールドが前記下壁に結合される実施態様４記載の燃料電池ブロック。
［実施態様６］
前記マニホールドが約２５４ミリメートル（ｍｍ）〜約１２７０ｍｍの範囲内の最大幅を有する実施態様１記載の燃料電池ブロック。
［実施態様７］
前記マニホールドが前記第１の表面と前記第２の表面との間で測定される厚さを有し、前記厚さが約２ｍｍ〜約４００ｍｍの範囲内である実施態様６記載の燃料電池ブロック。
［実施態様８］
前記燃料電池は、複数の燃料電池に結合されて燃料電池積層体を形成する実施態様１記載の燃料電池ブロック。
［実施態様９］
少なくとも１つの燃料電池ブロックを備え、前記燃料電池ブロックは、
燃料電池と、
前記燃料電池に結合される熱交換器であって、前記熱交換器が、第１の熱交換構成要素と、第２の熱交換構成要素と、内部空間を画定するケーシングとを備える、熱交換器と、
前記燃料電池へ流体を導くための少なくとも１つのパイプであって、前記少なくとも１つのパイプが少なくとも部分的に前記内部空間を通じて延びる、少なくとも１つのパイプと、
第１の表面と、前記第１の表面とは反対側の第２の表面とを備えるマニホールドであって、前記マニホールドは、前記第１の表面が前記燃料電池と接触するとともに前記第２の表面が前記熱交換器と接触するように前記燃料電池及び前記熱交換器に結合され、前記少なくとも１つのパイプが前記マニホールドに結合される、マニホールドと、
を備える、燃料電池モジュール。
［実施態様１０］
前記少なくとも１つの燃料電池ブロックが複数の前記燃料電池ブロックを備える実施態様９記載の燃料電池モジュール。
［実施態様１１］
前記複数の前記燃料電池ブロックのそれぞれの燃料電池ブロックは、前記燃料電池に結合される複数の燃料電池を更に備える実施態様１０記載の燃料電池モジュール。
［実施態様１２］
前記熱交換器は、流体の温度を約６００℃〜約８００℃の範囲内の温度まで上昇させるように構成される実施態様１１記載の燃料電池モジュール。
［実施態様１３］
前記少なくとも１つのパイプが空気入口パイプと燃料入口パイプとを備え、前記空気入口パイプ及び前記燃料入口パイプのそれぞれが少なくとも部分的に前記内部空間を通じて延び、前記第１の熱交換構成要素が前記空気入口パイプ内の流体の温度を上昇させるように構成され、前記第２の熱交換構成要素が前記燃料入口パイプ内の流体の温度を上昇させるように構成される実施態様９記載の燃料電池モジュール。
［実施態様１４］
空気出口パイプ及び燃料出口パイプを更に備え、前記空気出口パイプが少なくとも部分的に前記内部空間を通じて延び、前記第１の熱交換構成要素及び前記第２の熱交換構成要素のうちの少なくとも一方が前記空気出口パイプ内の流体から熱を除去するように構成される実施態様１３記載の燃料電池モジュール。
［実施態様１５］
燃料電池ブロックを含む燃料電池モジュールを通じて流体を導く方法において、
第１の流体を前記燃料電池ブロックへ導くステップであって、前記燃料電池ブロックが、燃料電池と、熱交換器と、マニホールドとを含み、前記熱交換器が内部空間を画定するケーシングを含み、前記マニホールドが、第１の表面と、前記第１の表面とは反対側の第２の表面と、前記第１の表面内及び前記第２の表面内に画定される第１の開口及び第２の開口とを含み、前記マニホールドは、前記第１の開口及び前記第２の開口が前記燃料電池と流体接続するように前記熱交換器と前記燃料電池とに対して結合される、ステップと、
前記第１の流体を前記内部空間を通じて導くステップと、
前記第１の流体を前記第１の開口を通じて前記燃料電池へ導くステップと、
第２の流体を前記燃料電池から出して前記第２の開口を通じて導くステップと、
前記第２の流体を前記内部空間を通じて導くステップと、
前記流体が前記内部空間を通じて導かれるにつれて前記第２の流体からの熱を前記第１の流体へ伝えるステップであって、前記熱交換器は、前記第１の流体の温度を約６００℃〜約８００℃の範囲内の温度まで上昇させるように構成され、前記熱交換器が第１の熱交換構成要素と第２の熱交換構成要素とを含む、ステップと、
を備える方法。
［実施態様１６］
前記燃料電池が第１の燃料電池であり、前記マニホールドが第１のマニホールドであり、前記方法は、第３の流体を前記内部空間を通じて及び第２のマニホールドを通じて第２の燃料電池へと導くステップを更に備え、前記第２のマニホールドが前記熱交換器及び前記第２の燃料電池に結合される実施態様１５記載の方法。
［実施態様１７］
第３の流体を前記内部空間を通じて導くとともに、第４の流体を前記内部空間を通じて導くステップを更に備える実施態様１６記載の方法。
［実施態様１８］
前記流体が前記内部空間を通じて導かれるにつれて前記第４の流体からの熱を前記第３の流体に伝えるステップを更に備える実施態様１７記載の方法。
［実施態様１９］
前記第１の流体を前記内部空間を通じて導く前に前記第１の流体を約１００℃〜約６００℃の範囲内の温度に維持するステップを更に備える実施態様１５記載の方法。
［実施態様２０］
前記第１の流体を前記内部空間を通じて導く前記ステップは、少なくとも部分的に前記内部空間を通じて延びるパイプを通じて前記第１の流体を導くステップを備える実施態様１９記載の方法。
１００ 発電システム
１０２ 燃料電池モジュール
１０４ 燃料電池
１０６ 一体型熱交換器
１０８ 陰極
１１０ 陽極
１１２ 陰極入口
１１４ 陰極出口
１１６ 陽極入口
１１８ 陽極出口
１２０ 空気熱交換構成要素
１２２ 燃料熱交換構成要素
１２４ 燃料予熱器
１２６ 燃料改質器
１２８ 燃料エンジン
１３０ 燃料熱交換器
１３２ 冷却器
１３４ 圧縮機
２００ 燃料電池モジュール
２０２ 燃料電池ブロック
２０４ 空気予熱器
２０６ 燃料入口ヘッダ
２０８ 空気入口ヘッダ
２１０ 燃料出口ヘッダ
２１２ 空気出口ヘッダ
２１４ 一体型熱交換器
２１６ 第１の燃料電池積層体
２１８ 第２の燃料電池積層体
２２０ 燃料入口パイプ
２２２ 空気入口パイプ
２２４ 燃料出口パイプ
２２６ 空気出口パイプ
２２８ 上側マニホールド
２３０ 下側マニホールド
２３２ ケーシング
２３４ 内部空間
２４０ 上壁
２４２ 下壁
２４４ 側壁
２４６ 外表面
２４８ 外表面
２５０ 外表面
２５２ 燃料
２５４ 空気
２５８ 第１の表面
２６０ 第２の表面
２６２ 開口
２６４ 厚さ
２６６ 直径
２６８ 半径
２７０ 長さ
２７２ 穴

Claims (10)

  1. 燃料電池モジュール（２００）で用いる燃料電池ブロック（２０２）において、
    燃料電池（１０４）と、
    前記燃料電池に結合される熱交換器（２１４）であって、前記熱交換器が、第１の熱交換構成要素（１２０）と、第２の熱交換構成要素（１２２）と、内部空間（２３４）を画定するケーシング（２３２）とを備える、熱交換器（２１４）と、
    空気（２５４）を前記燃料電池へ導くための空気入口パイプ（２２２）であって、前記空気入口パイプが少なくとも部分的に前記内部空間を通じて延び、前記第１の交換構成要素が前記空気入口パイプ内の空気の温度を高めるように構成される、空気入口パイプ（２２２）と、
    燃料（２５２）を前記燃料電池へ導くための燃料入口パイプ（２２０）であって、前記燃料入口パイプが少なくとも部分的に前記内部空間を通じて延び、前記第２の熱交換構成要素が前記燃料入口パイプ内の燃料の温度を高めるように構成される、燃料入口パイプ（２２０）と、
    空気を前記燃料電池から離れるように導くための空気出口パイプ（２２６）であって、前記空気出口パイプが少なくとも部分的に前記内部空間を通じて延びる、空気出口パイプ（２２６）と、
    燃料を前記燃料電池から離れるように導くための燃料出口パイプ（２２４）であって、前記燃料出口パイプが少なくとも部分的に前記内部空間を通じて延びる、燃料出口パイプ（２２４）と、
    第１の表面（２５８）と、前記第１の表面とは反対側の第２の表面（２６０）と、前記第１の表面内及び前記第２の表面内に画定される複数の開口（２６２）とを備えるマニホールド（２２８、２３０）であって、前記マニホールドは、前記第１の表面が前記燃料電池と接触するとともに前記第２の表面が前記熱交換器と接触するように前記燃料電池及び前記熱交換器に結合され、前記マニホールドが、前記空気入口パイプ、前記燃料入口パイプ、前記空気出口パイプ、及び、前記燃料出口パイプに結合される、マニホールドと、
    を備える燃料電池ブロック（２０２）。
  2. 前記燃料電池（１０４）が第１の燃料電池（１０４）であり、前記マニホールド（２２８、２３０）が第１のマニホールド（２２８、２３０）であり、前記燃料電池ブロックは、前記熱交換器（２１４）に結合される第２の燃料電池（１０４）と、前記第２の燃料電池と前記熱交換器とに対して結合される第２のマニホールド（２２８、２３０）とを更に備える請求項１記載の燃料電池ブロック（２０２）。
  3. 前記第１の燃料電池（１０４）、前記第２の燃料電池（１０４）、及び、前記熱交換器（２１４）が垂直方向で一直線に位置合わせされ、前記熱交換器が前記第１の燃料電池と前記第２の燃料電池との間に位置される請求項２記載の燃料電池ブロック（２０２）。
  4. 少なくとも１つの燃料電池ブロック（２０２）を備え、前記燃料電池ブロックは、
    燃料電池（１０４）と、
    前記燃料電池に結合される熱交換器（２１４）であって、前記熱交換器が、第１の熱交換構成要素（１２０）と、第２の熱交換構成要素（１２２）と、内部空間（２３４）を画定するケーシング（２３２）とを備える、熱交換器（２１４）と、
    前記燃料電池へ流体（２５２、２５４）を導くための少なくとも１つのパイプ（２２２、２２４）であって、前記少なくとも１つのパイプが少なくとも部分的に前記内部空間を通じて延びる、少なくとも１つのパイプ（２２２、２２４）と、
    第１の表面（２５８）と、前記第１の表面とは反対側の第２の表面（２６０）とを備えるマニホールド（２２８、２３０）であって、前記マニホールドは、前記第１の表面が前記燃料電池と接触するとともに前記第２の表面が前記熱交換器と接触するように前記燃料電池及び前記熱交換器に結合され、前記少なくとも１つのパイプが前記マニホールドに結合される、マニホールド（２２８、２３０）と、
    を備える、燃料電池モジュール（２００）。
  5. 前記熱交換器（２１４）は、流体（２５２、２５４）の温度を約６００℃〜約８００℃の範囲内の温度まで上昇させるように構成される請求項４記載の燃料電池モジュール（２００）。
  6. 前記少なくとも１つのパイプ（２２２、２２４）が空気入口パイプ（２２２）と燃料入口パイプ（２２０）とを備え、前記空気入口パイプ及び前記燃料入口パイプのそれぞれが少なくとも部分的に前記内部空間（２３４）を通じて延び、前記第１の熱交換構成要素（１２０）が前記空気入口パイプ内の流体（２５２、２５４）の温度を上昇させるように構成され、前記第２の熱交換構成要素（１２２）が前記燃料入口パイプ内の流体（２５２、２５４）の温度を上昇させるように構成される請求項４記載の燃料電池モジュール（２００）。
  7. 空気出口パイプ（２２６）及び燃料出口パイプ（２２４）を更に備え、前記空気出口パイプが少なくとも部分的に前記内部空間（２３４）を通じて延び、前記第１の熱交換構成要素（１２０）及び前記第２の熱交換構成要素（１２２）のうちの少なくとも一方が前記空気出口パイプ内の流体（２５２、２５４）から熱を除去するように構成される請求項６記載の燃料電池モジュール（２００）。
  8. 燃料電池ブロック（２０２）を含む燃料電池モジュール（２００）を通じて流体（２５２、２５４）を導く方法において、
    第１の流体を前記燃料電池ブロックへ導くステップであって、前記燃料電池ブロックが、燃料電池（１０４）と、熱交換器（２１４）と、マニホールド（２２８、２３０）とを含み、前記熱交換器が内部空間（２３４）を画定するケーシング（２３２）を含み、前記マニホールドが、第１の表面（２５８）と、前記第１の表面とは反対側の第２の表面（２６０）と、前記第１の表面内及び前記第２の表面内に画定される第１の開口（２６２）及び第２の開口（２６２）とを含み、前記マニホールドは、前記第１の開口及び前記第２の開口が前記燃料電池と流体接続するように前記熱交換器と前記燃料電池とに対して結合される、ステップと、
    前記第１の流体（２５２、２５４）を前記内部空間を通じて導くステップと、
    前記第１の流体を前記第１の開口を通じて前記燃料電池へ導くステップと、
    第２の流体（２５２、２５４）を前記燃料電池から出して前記第２の開口を通じて導くステップと、
    前記第２の流体を前記内部空間を通じて導くステップと、
    前記流体が前記内部空間を通じて導かれるにつれて前記第２の流体からの熱を前記第１の流体へ伝えるステップであって、前記熱交換器は、前記第１の流体の温度を約６００℃〜約８００℃の範囲内の温度まで上昇させるように構成され、前記熱交換器が第１の熱交換構成要素（１２０）と第２の熱交換構成要素（１２２）とを含む、ステップと、
    を備える方法。
  9. 前記第１の流体を前記内部空間（２３４）を通じて導く前に前記第１の流体（２５２、２５４）を約１００℃〜約６００℃の範囲内の温度に維持するステップを更に備える請求項８記載の方法。
  10. 前記第１の流体（２５２、２５４）を前記内部空間（２３４）を通じて導く前記ステップは、少なくとも部分的に前記内部空間を通じて延びるパイプ（２２２、２２４）を通じて前記第１の流体を導くステップを備える請求項８記載の方法。
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