JP2018504744A - 高効率溶融炭酸塩形燃料電池システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、その開示全体(明細書、図面、特許請求の範囲、及び要約書を含む)が参照により本明細書に組み込まれる、2014年12月19日に出願された米国特許出願第14/578,077号への利益及び優先権を主張するものである。
(1)ボトミング燃料電池モジュール222のカソード排気を新しい空気で希釈し、第1のトッピングモジュール及び第2のトッピングモジュールに運ばれる吸気酸化剤ガス中のCO2の温度及び濃度を制御するべく第1のトッピング燃料電池モジュール202及び第2のトッピング燃料電池モジュール212に供給される補充空気(新しい空気)の量、
(2)ボトミングモジュールに運ばれる酸化剤ガス中のCO2濃度を制御するべくトッピングモジュール202、212に分流される酸化器233から出力される酸化剤ガスの量、
(3)第1のトッピング燃料電池モジュール202及び第2のトッピング燃料電池モジュール212のアノード部分とカソード部分との間の圧力差を制御し、低い圧力差を維持するべくアノードブースタブロワ232の動作、
(4)トッピング燃料電池モジュールのアノード部分とカソード部分との間の圧力差を制御し、低い圧力差を維持するべくカソード排気ブースタの動作、
(5)ボトミング燃料電池モジュールにおける所望の燃料利用率及び電流発生を達成するべくボトミング燃料電池モジュールに供給される補充燃料の量、
(6)ボトミング燃料電池モジュール222への吸気酸化剤ガスの温度を制御するべく熱交換器246の周りでバイパスされる空気の量、
(7)アノード排気の酸化のためにミキサ/エダクタ231に運ばれる予熱された空気の部分の量、
(8)第1のトッピング燃料電池モジュール及び第2のトッピング燃料電池モジュールのそれぞれに提供されるボトミング燃料電池モジュールから出力されるカソード排気の量、
(9)第1のトッピングモジュール及び第2のトッピングモジュールのカソード吸気温度を制御するべく、熱交換器264に供給される加熱された空気及び/又はボトミング燃料電池モジュールからのカソード排気の量、
(10)ボトミング燃料電池モジュールへ入力される吸気酸化剤ガスの温度及びトッピング燃料電池モジュールへのカソード吸気温度を制御するべく空気ヒータ266の出力、
(11)第1のトッピング燃料電池モジュール及び第2のトッピング燃料電池モジュールのそれぞれに提供される燃料フィードの量、
(12)ボトムスタックから補充燃料を徐々に引き出し、該燃料をトッピングスタックに送達し、スタックの経時に伴うトッピングモジュールからボトミングモジュールへの出力のシフト。
Claims (16)
- トッピングカソード部分及びトッピングアノード部分を備えるトッピング燃料電池組立体と、
ボトミングカソード部分及びボトミングアノード部分を備えるボトミング燃料電池組立体と、
を備える高効率燃料電池システムであって、
前記ボトミングアノード部分が前記トッピングアノード部分から出力されるアノード排気を受け入れ、前記トッピングカソード部分が前記ボトミングカソード部分からのカソード排気を受け入れ、
前記トッピング燃料電池組立体が前記ボトミング燃料電池組立体よりも多くの燃料を使用するように前記トッピング燃料電池組立体が前記ボトミング燃料電池組立体よりも多くの数の燃料電池を有する、高効率燃料電池システム。 - 前記トッピング燃料電池組立体が複数のトッピング燃料電池モジュールを備え、前記トッピング燃料電池モジュールのそれぞれが少なくとも1つの燃料電池スタックを含み、前記ボトミング燃料電池組立体が1つ又は複数のボトミング燃料電池モジュールを備え、前記1つ又は複数のボトミング燃料電池モジュールのそれぞれが少なくとも1つの燃料電池スタックを含み、前記トッピング燃料電池モジュールの数が前記1つ又は複数のボトミング燃料電池モジュールの数よりも多い、請求項1に記載の高効率燃料電池システム。
- 動作中に、前記トッピング燃料電池モジュールが、前記高効率燃料電池システムに供給される燃料容量の約2/3を使用し、前記1つ又は複数のボトミング燃料電池モジュールが、前記高効率燃料電池システムに供給される燃料容量の約1/3を含む前記トッピング燃料電池モジュールから出力されるアノード排気を受け入れる、請求項2に記載の高効率燃料電池システム。
- 前記1つ又は複数のボトミング燃料電池モジュールが、前記トッピング燃料電池モジュールよりも低い電流密度で動作する、請求項2又は請求項3に記載の高効率燃料電池システム。
- 前記ボトミングアノード部分が補充燃料をさらに受け入れ、
前記高効率燃料電池システムが、前記ボトミングアノード部分に運ばれる補充燃料の量を制御するためのコントローラをさらに備え、
前記コントローラが、前記ボトミングアノード部分に運ばれる補充燃料の量を制御することによって前記ボトミング燃料電池組立体で発生する電流の量を制御する、請求項1〜請求項4のいずれかに記載の高効率燃料電池システム。 - (a)前記コントローラが、前記高効率燃料電池システムの動作時間の増加に伴い前記トッピング燃料電池組立体によって発生する電流の量が減少し且つ前記ボトミング燃料電池組立体によって発生する電流の量が増加するように前記トッピング燃料電池組立体及び前記ボトミング燃料電池組立体で発生する電流の量を制御する、
(b)前記コントローラが、電気需要が増加するときに前記ボトミング燃料電池組立体で発生する電流の量が増加するように前記電気需要に基づいて前記ボトミング燃料電池組立体で発生する電流の量を制御する、
のうちの1つ以上を行う、請求項5に記載の高効率燃料電池システム。 - 前記ボトミング燃料電池組立体が1つ又は複数の間接内部改質器を備え、
前記補充燃料が最初に前記1つ又は複数の間接内部改質器に運ばれ、その後、前記ボトミングアノード部分に運ばれ、
前記トッピングアノード部分から出力されるアノード排気が、前記1つ又は複数の間接内部改質器を通じて運ばれるのではなく、前記ボトミングアノード部分に直接運ばれる、
請求項5又は請求項6に記載の高効率燃料電池システム。 - 前記高効率燃料電池システムが排気を出力するように適合され、前記高効率燃料電池システムから出力される排気の少なくとも一部が、タービンを用いて高圧ガスの圧力が下がる前にガス分配システムからの前記高圧ガスを加熱するためにエネルギー回収発電システムに提供される、請求項1〜請求項7のいずれかに記載の高効率燃料電池システム。
- 前記トッピングアノード部分から出力されるアノード排気、前記ボトミングアノード部分から出力されるアノード排気、及び前記トッピングカソード部分から出力されるカソード排気のうちの1つ以上から水を回収するための水回収組立体をさらに備える、請求項1〜請求項8のいずれかに記載の高効率燃料電池システム。
- 前記トッピングアノード部分から出力されるアノード排気の圧力を前記アノード排気が前記ボトミングアノード部分に運ばれる前に増加させるためのアノード圧力ブースタ、及び
前記ボトミングカソード部分から出力されるカソード排気の圧力を前記カソード排気が前記トッピングカソード部分に運ばれる前に増加させるためのカソード圧力ブースタ、
のうちの1つ以上をさらに備える、請求項1〜請求項9のいずれかに記載の高効率燃料電池システム。 - アノードガスの流れとカソードガスの流れとの間の圧力差を制御するべく前記アノード圧力ブースタ及び前記カソード圧力ブースタのうちの1つ以上の動作を制御するためのコントローラをさらに備える、請求項10に記載の高効率燃料電池システム。
- 前記トッピング燃料電池組立体が直接内部改質するように構成され、前記ボトミング燃料電池組立体が直接内部改質するように構成され、前記ボトミング燃料電池組立体の燃料電池における直接内部改質触媒の量及び空間的分布が、前記トッピング燃料電池組立体の燃料電池における直接内部改質触媒の量及び空間的分布とは異なり、
前記ボトミング燃料電池組立体の燃料電池における直接内部改質触媒の装填密度が、前記燃料電池のアノード入口領域からアノード出口領域へ向かって徐々に増加する、請求項1〜請求項11のいずれかに記載の高効率燃料電池システム。 - 前記トッピング燃料電池モジュール及びボトミング燃料電池モジュールの各燃料電池スタックが、相対するアノード入口面及びアノード出口面と、相対するカソード入口面及び出口面を含み、
(a)前記ボトミング燃料電池モジュールの各燃料電池スタックが、カソード吸気ガスの温度は前記燃料電池スタックの前記アノード入口面付近の方が前記燃料電池スタックの前記アノード出口面付近よりも高いように、前記燃料電池スタックの前記カソード入口面に隣接する領域に温度勾配を生じるように構成される、
(b)前記ボトミング燃料電池モジュールの各燃料電池スタックが、アノード吸気ガスの温度は前記燃料電池スタックの前記カソード入口面付近の方が前記スタックの前記カソード出口面付近よりも高いように、前記燃料電池スタックの前記アノード入口面に隣接する領域に温度勾配を生じるように構成される、及び
(c)前記トッピング燃料電池モジュールの各燃料電池スタックが、前記カソード吸気ガスの温度は前記燃料電池スタックの前記アノード出口面付近の方が前記燃料電池スタックの前記アノード入口面付近よりも高いように、前記燃料電池スタックの前記カソード入口面に隣接する領域に温度勾配を生じるように構成される、
のうちの1つ以上である、請求項2〜請求項4のいずれかに記載の高効率燃料電池システム。 - 前記各燃料電池スタックが、前記温度勾配を生じるべくガスの流れを制御するための1つ以上のバッフルを含む、請求項13に記載の高温燃料電池システム。
- 前記温度勾配が華氏10度から20度までの間である、請求項13又は請求項14に記載の高温燃料電池システム。
- 前記ボトミングアノード部分から出力されるアノード排気を酸化するためのアノード排気酸化器組立体をさらに備え、
前記ボトミング燃料電池組立体が、加熱された空気が前記アノード排気酸化器組立体からの酸化されたアノード排気ガス出力と組み合わされ、前記組み合わされたガスがボトミングカソード部分に運ばれる前に、前記ボトミングカソード部分から出力される前記カソード排気からの熱を用いて空気を加熱するための熱交換器を備え、
前記高効率燃料電池システムが、前記トッピングカソード部分に運ばれる、前記ボトミングカソード部分から出力される前記カソード排気の温度を制御するべく、前記熱交換器に供給される空気の量を調整するためのコントローラをさらに備える、
請求項1〜請求項15のいずれかに記載の高効率燃料電池システム。
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