JP2023101411A - 固体酸化物型電解槽の気化器及び外部蒸気 - Google Patents

Abstract

【課題】固体酸化物型電解槽（ＳＯＥＣ）ホットボックスへの投入物として蒸気室の液体の水を生成し、水素を発生させるシステム、装置、及び方法を提供する。【解決手段】ホットボックス２５０と、ホットボックス内に配置される１つ以上のスタックと、スタックによって排出される燃料排気を受け取る燃料排気導管と、燃料排気から液体を分離する燃料排気セパレーターと、燃料排気を燃料入口導管に流体接続する再循環導管とを備える、電解槽システムとする。【選択図】図２Ａ

Description

本発明の実施形態は、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）を備える電解槽システム、及びその動作方法に関する。

固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、水素及び酸素を生成するために電解槽として動作することができ、これは、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）と呼ばれる。ＳＯＦＣモードでは、酸素イオンがカソード側（空気）からアノード側（燃料）に移送され、その駆動力となるのは、電解質にわたる酸素の分圧の化学勾配である。ＳＯＥＣモードでは、セルの空気側に正電位が印加されると、酸素イオンが燃料側から空気側に移送される。ＳＯＦＣとＳＯＥＣとの間でカソードとアノードとが逆転している（すなわち、ＳＯＦＣカソードがＳＯＥＣアノードとなり、ＳＯＦＣアノードがＳＯＥＣカソードとなる）ため、以降、ＳＯＦＣカソード（ＳＯＥＣアノード）は空気電極と呼び、ＳＯＦＣアノード（ＳＯＥＣカソード）は燃料電極と呼ぶ。ＳＯＥＣモードの間、燃料流中の水が還元され（Ｈ_２Ｏ＋２ｅ→Ｏ^２－＋Ｈ_２）、Ｈ_２ガス及びＯ^２－イオンを形成し、Ｏ^２－イオンは、固体電解質を通して移送された後、空気側において酸化され（Ｏ^２－からＯ_２）、分子状酸素を生成する。空気及び湿潤燃料（水素、改質天然ガス）を用いて動作するＳＯＦＣの開回路電圧は、０．９Ｖ～１Ｖ程度（含水量に応じる）であるため、ＳＯＥＣモードにおいて空気側電極に印加される正電圧により、セル電圧を、典型的な動作電圧である１．１Ｖ～１．３Ｖまで上昇させる。

後述するように、本発明の様々な実施形態は、包括的には、固体酸化物型電解槽（ＳＯＥＣ）ホットボックスへの投入物として蒸気室の液体の水を生成し、水素を発生させるシステム、装置、及び方法に関する。

したがって、本発明は、関連技術の制限及び不都合点に起因する１つ以上の問題を実質的に排除する電解槽の気化器及び外部蒸気に関する。

本発明の目的は、１つ以上の内部及び／又は外部気化器の構成を提供することである。

本発明の別の目的は、内部蒸気又は外部蒸気の構成を提供することである。

本発明の別の目的は、電気加熱器又は加熱素子の構成を提供することである。

本発明の更なる特徴及び利点は、以下の説明において記載され、その説明から部分的に明らかになるか、又は本発明の実施によって習得することができる。本発明の目的及び他の利点は、特に、添付図面と合わせて記載の説明及び本件の特許請求の範囲に示される構造によって実現及び達成される。

以上の一般的な記載及び以下の詳細な記載はいずれも、例示的かつ説明的なものであり、特許請求の範囲に係る本発明の更なる説明を与えることを意図するものであることが理解される。

本発明の更なる理解をもたらすために含まれ、本明細書に援用されるとともに本明細書の一部をなす添付図面は、本発明の実施形態を例示するとともに、明細書と合わせて本発明の原理を説明する役目を果たす。

図１Ａは、固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）スタックの斜視図である。 図１Ｂは、図１Ａのスタックの一部の側断面図である。 図２Ａは、本発明の様々な実施形態に係る電解槽システムを通るプロセスの流れを示す、プロセスフロー図の概略図である。 図２Ｂは、本発明の様々な実施形態に係る電解槽システムを通るプロセスの流れを示す、プロセスフロー図の概略図である。 図３は、本発明の様々な実施形態に係る固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）システムの概略図である。 図４は、本発明の様々な実施形態に係る気化器を示す図である。 図５Ａは、本発明の様々な実施形態に係る単一の気化器を示す図であり、図５Ｂは、本発明の様々な実施形態に係る多重気化器アレイを示す図である。 図６は、本発明の様々な実施形態に係るＳＯＥＣホットボックスの概略図である。 図７は、本発明の様々な実施形態に係る、蒸気入口及び再循環ループを有する電解槽蒸気セレクターモジュールの上面斜視図である。 図８は、本発明の様々な実施形態に係る気化器を有する電解槽蒸気セレクターモジュールの側面斜視図である。 図９は、本発明の様々な実施形態に係るＳＯＥＣシステム９００の図である。 図１０Ａは、本発明の様々な実施形態に係る加熱器構成の斜視図である。 図１０Ｂは、本発明の様々な実施形態に係る加熱器構成の斜視図である。 図１０Ｃは、本発明の様々な実施形態に係る加熱器構成の斜視図である。 図１０Ｄは、本発明の様々な実施形態に係る加熱器構成の斜視図である。 図１０Ｅは、本発明の様々な実施形態に係る加熱器構成の斜視図である。 図１１Ａは、本発明の様々な実施形態に係る加熱器結合アセンブリを示す図である。 図１１Ｂは、本発明の様々な実施形態に係る加熱器結合アセンブリを示す図である。 図１２Ａは、本発明の様々な実施形態に係るアノードテールガス領域の加熱器アセンブリを示す図である。 図１２Ｂは、本発明の様々な実施形態に係るアノードテールガス領域の加熱器アセンブリを示す図である。

添付図面を参照して、種々の実施形態を詳細に説明する。可能な限り、同じ参照符号は、図面全体を通して同じ又は同様の部分を指すのに使用する。特定の例及び実施態様に対する参照は、例示目的でなされ、本発明又は特許請求の範囲の範囲を制限することは意図していない。

或る要素又は層が、別の要素若しくは層「の上にある」又は別の要素若しくは層「に接続される」と言及される場合、その要素又は層が、別の要素若しくは層の直接上にあり得るか又は別の要素若しくは層に直接接続され得るか、或いは介在する要素又は層が存在し得ると理解されよう。対照的に、或る要素が、別の要素若しくは層「の直接上にある」又は別の要素若しくは層「に直接接続される」と言及される場合、介在する要素又は層は存在しない。本開示の目的のために、「Ｘ、Ｙ及びＺの少なくとも１つ」は、Ｘのみ、Ｙのみ、Ｚのみ、又はＸ、Ｙ及びＺの２つ以上の項目の任意の組合せ（例えば、ＸＹＺ、ＸＹＹ、ＹＺ、ＺＺ）として解釈され得ることが理解されよう。

値の範囲が提示されている場合、文脈上、明らかにそうでない場合を除き、下限の単位の小数点第一位までの、その範囲の上限と下限との間にある各値、及びその記載された範囲内の任意の別の記載された値又は介在する値は、本発明に包含されると理解される。これらのより小さい範囲の上限及び下限は、このより小さい範囲内に独立して含まれてもよく、記載された範囲内で具体的に除外される任意の限界値に応じて、本発明に含まれる。記載された範囲が限界値の一方又は両方を含む場合、これらの含まれる限界値のいずれか又は両方を除外する範囲も本発明に含まれる。また、「約」という用語は、例えば５％～１０％のマイナーな測定誤差を指す場合があることも理解されよう。また、本明細書において使用される重量パーセント（重量％）及び原子パーセント（原子％）は、それぞれ、対応する組成物の総重量に対するパーセント又は総原子数に対するパーセントを指す。

「その後」、「次いで」、「次に」等の単語は、必ずしも工程の順序を限定することを意図したものではなく、これらの単語は、方法の説明を通して読み手をガイドするために使用され得る。さらに、例えば、冠詞「ａ」、「ａｎ」又は「ｔｈｅ」を使用した、クレーム要素への単数形でのあらゆる言及は、その要素を単数形に限定すると解釈されるべきではない。

本明細書において使用される「電解槽セルスタック」という用語は、共通の水入口及び排気通路又はライザーを任意で共有することのできる、積み重ねられた複数の電解槽セルを意味する。本明細書において使用される「電解槽セルスタック」は、スタックの電力調整装置及び電力（すなわち、電気）入力に直接接続される２つのエンドプレートを含む別個の電気エンティティを含むか、又は電気入力を提供する端子板を含む電解槽セルカラムの一部を構成する。本明細書において、「固体酸化物型セル」は、固体酸化物型電解セル及び／又は固体酸化物型燃料電池を指すことができる。

図１Ａは、固体酸化物型セルスタック１００の斜視図であり、図１Ｂは、図１Ａのスタック１００の一部の側断面図である。図１Ａ及び図１Ｂを参照すると、スタック１００は、固体酸化物型燃料電池又は固体酸化物型電解セルであり得る複数の固体電池１を含む。固体酸化物型セル１は、インターコネクト１０によって分離される。インターコネクト１０は、ガスフローセパレータープレート又はバイポーラプレートとも称する場合がある。各固体酸化物型セル１は、空気電極３と、固体酸化物電解質５と、燃料電極７とを備える。スタック１００は、内部燃料ライザーチャネル２２も備える。

各インターコネクト１０は、スタック１００内の隣り合う固体酸化物型セル１を電気的に接続する。特に、インターコネクト１０は、１つの固体酸化物型セル１の燃料電極７を隣接する固体酸化物型セル１の空気電極３に電気的に接続することができる。図１Ｂは、下側の固体酸化物型セル１が２つのインターコネクト１０間に位置することを示している。

各インターコネクト１０は、燃料チャネル８（まとめて層９）を少なくとも部分的に画定するリブを備える。インターコネクト１０は、スタック１００内の１つの固体酸化物型セル１の燃料電極７に流れる炭化水素燃料等の燃料を、スタック１００内の隣接する固体酸化物型セル１の空気電極３に流れる空気等の酸化剤から分離するガス－燃料セパレーターとして動作することができる。スタック１００の各端部には、空気又は燃料をそれぞれ端部電極に供給する空気エンドプレート又は燃料エンドプレート（図示せず）があることができる。

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の様々な実施形態に係る電解槽システム２００におけるプロセスの流れを示す概略図である。図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、及び図２Ｂを参照すると、システム２００は、図１Ａ及び図１Ｂに関連して記載したように構成することができる、複数の固体酸化物型電解セル（ＳＯＥＣ）を含む電解セル（ＳＯＥＣ）スタック１００を備えることができる。システム２００は、蒸気発生器１０４と、蒸気復熱器１０８と、蒸気加熱器１１０と、空気復熱器１１２と、空気加熱器１１４とを備えることもできる。システム２００は、任意選択の水予熱器１０２と、任意選択の混合器１０６とを備えることもできる。

システム２００は、スタック１００、蒸気復熱器１０８、蒸気加熱器１１０、空気復熱器１１２、及び／又は空気加熱器１１４等の様々な構成要素を収容するホットボックス２５０を備えることができる。いくつかの実施形態において、ホットボックス２５０は、複数のスタック１００を備えることができる。水予熱器１０２及び蒸気発生器１０４は、図２Ａ及び図２Ｂに示されているように、ホットボックス２５０の外部に位置することができる。代替的に、水予熱器１０２及び／又は蒸気発生器１０４は、ホットボックス２５０の内部に位置してもよい。

動作中、スタック１００には、蒸気及び外部電源からの電流又は電圧を供給することができる。特に、蒸気をスタック１００の電解セル１の燃料電極７に供給することができ、水分子を電気化学的に分割し、水素（例えば、Ｈ_２）及び酸素（例えば、Ｏ_２）を発生させるために、電源が燃料電極７と空気電極３との間に電圧を印加することができる。空気電極３から酸素を一掃するために、空気を空気電極３に供給することもできる。したがって、スタック１００は、水素流、及び酸素富化空気流（「酸素排気流」）等の酸素富化排気流を排出することができる。

蒸気を発生させるために、水源５０からシステム２００に水を供給することができる。水は、気化中のスケール発生（ｓｃａｌｉｎｇ）を防止及び／又は最小限にするために、実際に可能な限り脱イオン化された（例えば、０．１μＳ／ｃｍ未満）脱イオン（ＤＩ）水とすることができる。いくつかの実施形態において、水源５０は、脱イオン化床を備えることができる。様々な実施形態において、システム２００は、システム２００に所望の水流量を供給するために、質量流量制御器、容積式ポンプ、制御弁／水流量計等の水流制御装置（図示せず）を備えることができる。

システム２００が水予熱器１０２を備える場合、水は、水源５０から水予熱器１０２に供給することができる。水予熱器１０２は、酸素排気流から回収された熱を使用して水を加熱するように構成される熱交換器とすることができる。水を予熱することで、発生する水素の単位あたりのシステム２００の総電力消費を低減することができる。特に、水予熱器１０２は、後述するように、空気復熱器１１２によって回収可能でない場合がある酸素排気流から熱を回収することができる。酸素排気流は、８０℃を超える、例えば１００℃を超える温度、例えば、約１１０℃～１２０℃の温度で、水予熱器１０２から排出することができる。

水予熱器１０２又は水源５０から排出される水は、蒸気発生器１０４に供給することができる。水の一部は、水予熱器において気化させることができる。蒸気発生器１０４は、水予熱器において気化しない水を加熱して、水を蒸気に変換するように構成することができる。例えば、蒸気発生器１０４は、水を気化して蒸気を発生させる加熱素子を備えることができる。例えば、蒸気発生器１０４は、ＡＣ若しくはＤＣ抵抗加熱素子又は誘導加熱素子を備えることができる。

蒸気発生器１０４は、機械的に分離している場合も分離していない場合もある複数のゾーン／素子を備えることができる。例えば、蒸気発生器１０４は、水を沸点まで又は沸点近くまで加熱するプレボイラーを備えることができる。蒸気発生器１０４は、予め沸騰させた水を蒸気に変換するように構成される気化器を備えることもできる。蒸気発生器１０４は、バルク気化の前に、水から溶存空気を除去する比較的小さな蒸気のパージをもたらす脱気器を備えることもできる。蒸気発生器１０４は、気化器において発生した蒸気の温度を更に増大させるように構成される任意選択の過熱器を備えることもできる。蒸気発生器１０４は、加熱素子の下流及び／又は過熱器の上流に位置するデミスターパッドを備えることができる。デミスターパッドは、蒸気発生器１０４から排出される及び／又は過熱器に供給される蒸気における液体の水の同伴を最小限に抑えるように構成することができる。

蒸気生成物が過熱される場合、周囲条件への熱損失に起因して、蒸気発生器１０４の下流で凝縮が起こりにくくなる。凝縮された水は、時間に応じて送達される質量流量の著しい変動を生じ得る水のスラグを形成しやすいため、凝縮は回避することが好ましい。システム２００の総電力消費を制限するために、過剰な過熱を回避することも有益であり得る。例えば、蒸気は、約１０℃～約１００℃の範囲の分だけ過熱することができる。

水は脱イオン化後にいくらかの石灰化を含む可能性があるため、蒸気発生器１０４からのブローダウンが長期動作に有益であり得る。典型的な液体ブローダウンは、１％程度であり得る。ブローダウンは、連続的であってもよく、又は断続的、例えば、１０ｘ定常状態流を１分ごとに６秒、５ｘ定常状態流を５分ごとに１分等であってもよい。ブローダウンを高温の酸素排気に圧送することによって、水放出流の必要性を排除することができる。

蒸気発生器１０４から排出される蒸気は、蒸気復熱器１０８に供給することができる。しかしながら、システム２００が任意選択の混合器１０６を備える場合、蒸気は、蒸気復熱器１０８に供給される前に、混合器１０６に供給することができる。特に、蒸気は、少量の溶存空気及び／又は酸素を含む場合がある。したがって、混合器１０６は、スタック１００内、特に燃料電極７における還元環境を維持するために、蒸気と水素ガスとを混合するように構成することができる。

混合器１０６は、蒸気と、水素貯蔵装置５２から受け取った水素及び／又はスタック１００から排出された水素流の一部とを混合するように構成することができる。水素添加率は、蒸気中に溶存した量の酸素と反応するのに必要な水素の量を超過する量の水素を供給するように設定することができる。水素添加率は、一定の水対水素比に固定又は設定することができる。しかしながら、完全に脱気された水を使用して蒸気が形成される場合、混合器１０６及び／又は水素添加は、任意選択で省いてもよい。

いくつかの実施形態において、システム始動中及び／又は定常状態動作中、水素は外部水素源によって供給することができる。例えば、始動中、水素は、水素貯蔵装置から供給することができ、定常状態中、水素は、水素貯蔵装置５２から供給することができ、及び／又はスタック１００によって発生した水素流（すなわち、水素排気流）の一部を混合器１０６に転向することによって供給することができる。特に、システム２００は、定常状態動作中、発生した水素流の一部を混合器１０６に選択的に転向するように構成される、スプリッター、ポンプ、ブロワー、及び／又は弁等の水素ダイバーター１１６を備えることができる。

蒸気復熱器１０８は、スタック１００から排出された水素流から熱を回収するように構成される熱交換器とすることができる。したがって、蒸気復熱器１０８は、システム２００の効率を増大させるように構成することができる。蒸気は、蒸気復熱器１０８において、少なくとも７００℃、例えば、７２０℃～７８０℃に加熱することができる。

蒸気復熱器１０８から排出される蒸気は、図２Ａに示されているように、蒸気復熱器１０８の下流に位置する蒸気加熱器１１０に供給することができる。蒸気加熱器１１０は、抵抗又は誘導加熱素子等の加熱素子を備えることができる。蒸気加熱器１１０は、蒸気をスタック１００の動作温度を超える温度に加熱するように構成することができる。例えば、スタック１００の健全性、スタック１００の水利用率、及びスタック１００の空気流量に応じて、蒸気加熱器１１０は、蒸気を、約９００℃～約１２００℃、例えば、９２０℃～９８０℃の範囲の温度に加熱することができる。したがって、スタック１００には、蒸気又は蒸気－水素混合物を、効率的な水素発生を可能にする温度で供給することができる。熱は、放射（すなわち、放射伝熱）によって蒸気加熱器からスタックに直接輸送することもできる。

図２Ｂに示されている１つの代替的な実施形態において、蒸気が蒸気復熱器１０８を出て蒸気加熱器１１０に入るのではなく、蒸気加熱器１１０を出て蒸気復熱器１０８に入るように、蒸気復熱器１０８は、蒸気加熱器１１０の下流に位置することができる。別の代替的な実施形態において、蒸気加熱器１１０は、約１２００℃以上に加熱された流体等の高温流体から取り出される熱を使用して蒸気を加熱するように構成される熱交換器を含むことができる。この流体は、例えば、太陽集光ファーム（ｓｏｌａｒ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ ｆａｒｍ）、又は原子炉発電所等の発電所から供給することができる。代替的に、流体が、原子炉発電所から供給される蒸気等の高温蒸気である場合、そのような蒸気をスタック１００の燃料電極７に供給することができる。この場合、水源５０は、高温蒸気源を含むことができ、水予熱器１０２、蒸気発生器１０４、蒸気復熱器１０８、及び／又は蒸気加熱器１１０のうちの１つ以上を省いてもよい。

いくつかの実施形態において、蒸気加熱器１１０は、いくつかの実施形態において熱均一性を高めるために、独立の電力レベルを有する複数の蒸気加熱器ゾーン（鉛直若しくは周方向に、又はその双方に分割される）を備えることができる。

いくつかの実施形態において、蒸気復熱器１０８及び蒸気加熱器１１０の動作は、組み合わせて単一の構成要素にすることができる。例えば、蒸気復熱器１０８は、蒸気復熱器１０８の熱交換フィンに電圧を印加するように構成される電圧源を備えることができ、熱交換フィンが抵抗加熱素子として動作し、蒸気を、スタック１００に供給されるのに十分高い温度、例えば、約９００℃～約１２００℃の範囲の温度に加熱するようになっている。蒸気加熱器１１０から排出される高温蒸気（又は任意選択で蒸気／水素混合物）は、スタック１００の燃料電極７に供給することができる。

スタック１００から排出される酸素排気は、空気復熱器１１２に供給することができる。空気復熱器１１２には、空気ブロワー１１８によって周囲空気を供給することができる。空気復熱器１１２は、酸素排気から取り出される熱を使用して空気を加熱するように構成することができる。いくつかの実施形態において、周囲空気は、空気復熱器１１２又は空気ブロワー１１８に供給される前に汚染物質を除去するように濾過することができる。

空気復熱器１１２から排出される空気は、空気加熱器１１４に供給することができる。空気加熱器は、空気をスタック１００の動作温度を超過する温度に加熱するように構成される抵抗又は誘導加熱素子を備えることができる。例えば、スタック１００の健全性、スタック１００の水利用率、及びスタック１００の空気流量に応じて、空気加熱器１１４は、空気を、約９００℃～約１２００℃、例えば、９２０℃～９８０℃の範囲の温度に加熱することができる。したがって、スタック１００には、空気を、効率的な水素発生を可能にする温度で供給することができる。熱は、放射によって空気加熱器からスタックに直接輸送することもできる。

空気復熱器から排出される温度が高いほど、空気加熱器１１４に必要とされる電力が少なくなる。空気復熱器１１２のいずれかの側における圧力降下の増大は、空気ブロワー１１８の電力の増大によって打ち消すことができる。圧力降下の増大は、周方向の質量流量の均一性を補助し、より均一な伝熱環境、及び空気復熱器１１２から排出される空気入口流のより高い温度をもたらすことができる。

代替的な実施形態において、空気加熱器１１４は、約１２００℃以上に加熱された流体等の高温流体から取り出される熱を使用して、空気を加熱するように構成される熱交換器を含むことができる。この流体は、例えば、太陽集光ファーム又は原子炉から供給することができる。

空気加熱器１１４は、いくつかの実施形態において、熱均一性を高めるために、独立の電力レベルを有する複数の空気加熱器ゾーン（鉛直若しくは周方向に、又はその双方に分割される）を備えることができる。いくつかの実施形態において、空気加熱器１１４は、空気復熱器１１２の下、又はスタック１００と蒸気復熱器１０８との間に配置することができる。空気加熱器１１４は、バッフルを備えることができ、バッフルは、バッフルに沿って異なる高さに異なるサイズのスリットを有し、空気が、空気加熱器１１４に沿った全ての高さにおいて、温度及び高さの双方に関しておおよそ均一に空気加熱器１１４を出ることを可能にする。空気加熱器１１４からの空気は、スタック１００の空気電極３に供給される。

いくつかの実施形態において、空気復熱器１１２及び空気加熱器１１４は、組み合わせて単一の構成要素にすることができる。例えば、空気復熱器１１２は、空気復熱器１１２複合構成要素に含まれる熱交換器の熱交換フィンに電圧を印加するように構成される電圧源を備えることができ、フィンは、抵抗加熱素子として動作し、空気を、スタック１００に供給されるのに十分高い温度、例えば、約９００℃～約１２００℃の範囲の温度に加熱するようになっている。

様々な実施形態によれば、システム２００は、ホットボックス２５０の外部に配置される任意選択の空気予熱器５４を備えることができる。特に、空気予熱器５４は、空気ブロワー１１８によってホットボックス２５０に供給される空気を予熱するように構成することができる。いくつかの実施形態において、空気予熱器５４は、電気を使用して動作することができる。他の実施形態において、空気予熱器５４は、天然ガス等の炭化水素燃料を使用して動作することができる。例えば、システム２００に、太陽光又は風力発電システム等の、断続的であるか又は電気加熱器を動作させるのに不十分な量の電力を供給する電源から電力が供給される場合、空気予熱器５４は、炭化水素電源（例えば、ガス加熱器）を利用することができる。代替的に、空気予熱器５４は省いてもよい。

空気予熱器５４がホットボックス２５０の外部に位置することから、空気予熱器５４は、ホットボックス２５０の内側にアクセスする必要なく、及び／又は、スタック１００及び／又はホットボックス２５０の内部に位置する他の構成要素の動作を中断させる必要なく、整備することができることが有利である。いくつかの実施形態において、空気予熱器５４により、空気予熱器５４が空気をスタック温度よりも高く加熱する場合、空気加熱器１１４を省くことが可能になり得る。しかしながら、他の実施形態において、システム２００は、空気予熱器５４及び空気加熱器１１４の双方を備えることができる。

システム始動中、空気予熱器５４は、ホットボックス２５０の内部温度及び／又はスタック１００の温度を、その動作温度に近づく温度まで上昇させるのに十分な温度まで、ホットボックスに供給される空気を加熱するように構成することができる。空気復熱器１１２に供給される予熱された空気は、システム始動中、空気復熱器１１２を通して水予熱器１０２に供給されるスタック排気を予熱するように動作することもできる。スタック酸素排気を最初は比較的低い温度で排出することができることから、空気予熱器５４は、水源５０からホットボックス２５０に供給される水を間接的に予熱するように使用することができる。

定常状態動作中、空気予熱器５４は、ホットボックス２５０を定常状態動作温度、例えば、７５０℃～９５０℃に維持するのに十分な温度まで空気を加熱するように構成することもできる。例えば、空気予熱器５４の熱出力は、システム始動中よりも定常状態動作中の方が低くなり得る。

いくつかの実施形態において、システム２００は、スタック１００内の各電解セル１に熱中立電圧が供給される、熱中立構成で動作することができる。特に、各電解セル１に供給される電流は、Ｉ^２Ｒ加熱によって発生する熱が（吸熱）反応熱と均衡するように変動することができる。したがって、定常状態の熱中立動作中、蒸気加熱器１１０及び／又は空気加熱器１１４の使用を最小限に抑える又は排除することができる。

スタック１００からの水素流（すなわち、水素排気流）は、水素ガス及び水を含む高温の流れとすることができる。水素流は、１２０℃～１５０℃の温度で蒸気復熱器１０８から排出することができる。蒸気復熱器１０８は、排出導管５０２によって水素処理器５００に流体接続することができる。いくつかの実施形態において、水素処理器５００は、水素貯蔵装置又はタンク５０４に接続することができる。

水素処理器５００は、水素ポンプ、凝縮器、又はそれらの組合せを備えることができる。水素ポンプは、電気化学水素ポンプとすることができ、及び／又は高温で動作するように構成することができる。例えば、水素ポンプは、水素流からの水素の約７０％～約９０％を除去するために、約１２０℃～約１５０℃の温度で動作するように構成することができる。コンプレッサーは、例えば、液体リングコンプレッサー又はダイヤフラムコンプレッサーとすることができる。いくつかの実施形態において、凝縮器は、水素流中の水蒸気を凝縮するのに十分な温度まで水素流を冷却するように構成される空冷若しくは水増強式空冷凝縮器及び／又は熱交換器とすることができる。例えば、水素処理器５００は、水素流を所望の圧力、例えば、約２５００ｐｓｉｇ～約８０００ｐｓｉｇに圧縮するように構成することができる。圧縮は、複数の段階を含むことができ、段階間の冷却及び水除去を伴う。

様々な実施形態において、水素処理器５００は、水素流を圧縮するために、水素流の流れ方向に対して直列及び／又は並列に配置することができる一連の電気化学水素ポンプを備えることができる。圧縮による最終生成物は、少量の水を依然として含む場合がある。したがって、水素処理器５００は、必要な場合、この残留水を除去するために、温度スイング吸着反応器又は圧力スイング吸着反応器等の脱水装置を含むことができる。最終生成物は、高圧（例えば、約２５００ｐｓｉｇ～約８０００ｐｓｉｇ）精製された水素であり得る。生成物は、水中の溶存空気であり得るいくらかの窒素ガスを含む場合もある。窒素は、電気化学的圧縮中、自動的に除去することができる。

水素処理器５００からの残りの未圧送の排出物は、完全に気化された水富化流であり得る。この水富化流は、混合器１０６又は蒸気復熱器１０８内に再循環されるようにブロワーに供給することができ、蒸気発生器１０４における水の気化の必要性が排除される。システムは、残留水を（例えば、ＤＩ床において）再精製し、圧縮水素流から除去された残留水を水予熱器に供給するように構成することができる。電気化学的圧縮は、従来の圧縮よりも電気効率が高いものであり得る。

複数のスタック１００の水素流をオンサイトで組み合わせて、単一の流れにすることができる。この組み合わされた流れは、例えば、水素処理器５００の一部であり得る現場の冷却水塔によって冷却される空気冷却器又は熱交換器を使用して、実際に可能な限り冷却することができる。水素処理器５００から排出される水素は、貯蔵又は使用のため、例えば、燃料電池発電システムにおける燃料として使用されるように、水素タンク５０４に供給することができる。

水素流への蒸気損失は、水素ポンプ圧力を、例えば、約２０ｐｓｉｇ～５０ｐｓｉｇの範囲の圧力に増大させることによって最小限に抑えることができる。この分離は、電解槽モジュールレベル、システムレベル、スタンプレベル、又は現場レベルとすることができる。

水素流の水の凝縮及び圧縮は、相当量の電力を消費する場合がある。いくつかの実施形態において、スタック１００が純粋又はほぼ純粋な酸素ガスをスタック排気として排出するように、スタック１００への空気流は低減又は停止することができる。加えて、電解セル１の空気側及び燃料側は、約２０ｐｓｉｇ～約５０ｐｓｉｇの範囲の等しい圧力で動作することができる。いくつかの実施形態において、スタック１００に供給される空気は、約１００ｓｌｍ以下の圧力で供給することができる。

高圧動作により、水素流圧縮の第１の段階に関連する電力及び器具の排除を可能にすることができ、より高い圧力によるより高い露点に起因して、最初の凝縮器段階のサイズを低減することができ、及び／又は、より高い圧力に関連するより高い密度に起因して、流れチャネルに必要とされる物理的空間を低減することができる。

上述したように、システム２００は、第三者によって現場に提供され得る多様な異なる水素処理器５００とともに動作するように構成することができる。したがって、システム２００から排出される水素流の流量及び／又は生産率を、特定の水素処理器５００のスループットと釣り合わせることは困難であり得る。特に、そのような変動は、排出導管５０２内の正圧及び／又は負圧の変動を誘起する場合がある。例えば、水素処理器５００のスループットが高すぎる（例えば、水素処理器５００が水素流を強く引き込みすぎる）場合、システム２００内に負圧が誘起され得る、又は、スループットが低すぎる場合、システム２００内に正圧が誘起され得る。

そのような圧力変動は、システム２００内で問題を引き起こす場合がある。例えば、過剰な負圧は、システム２００内への空気の漏れをもたらす場合があり、又は、スタック１００の電解質にわたる高圧の変動をもたらす場合があり、これにより、電解質の損傷、例えばひび割れのリスクが増大し得る。過剰な高圧は、電解質にわたる圧力変動をもたらし、電解質の損傷のリスクを増大させる場合もある。

したがって、システムは、第１の排出導管５０２Ａと、第２の排出導管５０２Ｂと、水素ブロワー５１０とを備えることができる。第１の排出導管５０２Ａは、燃料電池スタック１００と水素ブロワー５１０の入口とを流体接続することができる。第２の排出導管５０２Ｂは、水素ブロワー５１０の出口を水素処理器５００に流体接続することができる。水素ブロワー５１０は、ホットボックス２５０から排出された水素流の圧力を増大させるように構成することができる。例えば、水素ブロワー５１０は、水素流の圧力を約２重量ポンド毎平方インチゲージ圧（ｐｓｉｇ）～約１５ｐｓｉｇ、例えば、約５ｐｓｉｇ～約１０ｐｓｉｇだけ増大させるように構成することができる。水素ブロワー５１０は、スタック１００等のホットボックス２５０の構成要素を、水素処理器５００の動作によって誘起される圧力変動から隔離するように動作することもできる。

いくつかの実施形態において、水素ブロワー５１０は、図２Ａに示されているように、単一の電解槽システム２００又はスタック１００によって発生した水素流を受け取るように構成することができる。他の実施形態において、水素ブロワー５１０は、複数の電解槽システム２００及び／又は複数のスタック１００によって発生した水素流を受け取るように構成することができる。

様々な実施形態において、システム２００は、水素ブロワー５１０内の液体の水の蓄積を低減及び／又は防止するために、水素流から凝縮された水を除去するように構成される任意選択の水ノックアウト装置５３０を備えることができる。

いくつかの実施形態において、水素ダイバーター１１６を使用して、水素流を転向することができ、システム２００における蒸気のほとんど又は全てを移動させるように水素を供給することができるようになっている。そして、水素ダイバーター１１６は、追加の水素消費を伴わずに、スタック１００内の還元雰囲気を維持するように閉鎖することができる。スタック１００への空気流は、有意に低減又は排除され得る。いくつかの実施形態において、空気加熱器１１４が過熱されないように最小の空気流が存在し得る。

いくつかの実施形態において、凝縮された水は、水源５０におけるプロセスの供給物（ＤＩ床への供給物）へと再循環することができる。混合器１０６内の蒸気に添加される水素は、圧縮トレインの第１の段階又は任意の中間段階中に生成することができ、必要な場合、除湿することができる。水素貯蔵装置５２は、混合器１０６を通してスタック１００に供給される水素のための低圧／中圧貯蔵タンクを含むことができる。

様々な実施形態によれば、システム２００は、システム２００の動作を制御するように構成される中央処理装置等のコントローラー１２５を備えることができる。例えば、コントローラー１２５は、システム２００の様々な要素を制御するように、それらの要素に有線又は無線で接続することができる。

いくつかの実施形態において、コントローラー１２５は、水素流の流量及び／又は水素処理器５００によって発生する入口圧力に基づいて、水素ブロワー５１０の速度を制御するように構成することができる。

いくつかの実施形態において、コントローラー１２５は、システム２００が水素流の発生しないスタンバイモードで動作することができるように、システム２００を制御するように構成することができる。スタンバイモード中、スタック１００に関連する（すなわち、スタック１００と伝熱関係で位置する）電気加熱器は、電解セル１を所望のスタンバイ温度に保つのに必要な最小電力レベルで稼働することができる。所望のスタンバイ温度は、所望の生成動作温度とは異なる場合があり、所望の動作温度に戻るのに必要な許容可能な時間によって影響を受ける場合がある。

スタンバイモードから定常状態動作への回復により、水素発生が、標準的な定常状態動作温度よりも低い温度で開始することが可能になり得る。より低い温度では、セル抵抗がより高くなり得るため、スタック１００を定常状態動作温度に上昇させるための追加の加熱が提供され得る。水／蒸気供給は、有意に低減又は排除され得る。混合器１０６における蒸気への水素の添加も、有意に低減又は排除され得る。

様々な実施形態によれば、コントローラー１２５は、様々な現場全体の制御パラメーターに基づいてシステム２００の動作を制御するように構成することができる。例えば、コントローラー１２５は、以下のうちのいずれかに基づいて、水素生成を制御するように構成することができる。各ＳＯＥＣスタックの動作制限、電力の利用可能性、全ての階層での需要料金の影響を含む瞬時平均電力コスト、全ての階層での需要料金の影響を含む瞬時限界電力コスト、瞬時電力再生可能含量、利用可能な水素貯蔵容量、使用のために入手可能な貯蔵エネルギー（例えば、熱的貯蔵又は電気的貯蔵）、水素生成計画（例えば、日次、週次、又は月次計画等）、水素生成収益への影響（例えば、販売価格、生成レベルの調整、不履行に対する罰則等）、メンテナンス計画、現場の全てのホットボックスの相対的な健全性、圧縮／凝縮トレインの機械的状態、水／蒸気／水素供給の利用可能性、気象条件及び／又は予報、瞬時又は或る生産計画期間にわたる他の任意の既知の外的制約（例えば、１ヶ月あたりに許容される水の限度、又は１ヶ月あたりに許容されるＭＷ－ｈｒの限度）、及び／又はスタンバイモードから水素の生成を開始するための許容可能な最小時間（スタンバイが数時間続くと予測される場合は、セルを動作温度未満に冷却することが望ましい場合がある）。

図３は、本発明の様々な実施形態に係る固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）システム３００の概略図である。図３を参照すると、システム３００は、ホットボックス３５０と、ホットボックス３５０内又はホットボックス３５０に隣接して配置される様々な構成要素とを備える。ホットボックス３５０は、燃料電池とインターコネクトとを交互に含む固体酸化物型燃料電池スタック等の少なくとも１つの燃料電池スタック３０２を含むことができる。スタックの１つの固体酸化物型燃料電池は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、スカンジア及びセリア安定化ジルコニア、又はスカンジア、イットリア、及びセリア安定化ジルコニア等のセラミック電解質と、ニッケル－ＹＳＺ、ニッケル－ＳＳＺ、又はニッケル－ドープセリア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。インターコネクトは、クロム－鉄合金インターコネクト等の金属合金インターコネクトとすることができる。スタック３０２は、複数のカラムに互いに重ねて配置することができる。

ホットボックス３５０は、アノード復熱器３１０と、カソード復熱器３２０と、アノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）３３０と、アノード排気冷却器３４０と、ボルテックスジェネレーター３７２と、水インジェクター３６０とを含むこともできる。システム３００は、接触部分酸化（ＣＰＯｘ）反応器３１２と、混合器３１６と、ＣＰＯｘブロワー３１４（例えば、空気ブロワー）と、主空気ブロワー３４２（例えば、システムブロワー）と、アノード再循環ブロワー３１８とを備えることもでき、これらは、ホットボックス３５０の外部に配置することができる。しかしながら、本開示は、構成要素のそれぞれをホットボックス３５０に関する特定の場所に限定しない。

ＣＰＯｘ反応器３１２は、燃料入口３０からの燃料入口流を、燃料導管３０１Ａを通して受け取る。燃料入口３０は、ＣＰＯｘ反応器３１２に供給される燃料の量を制御する弁を備える燃料タンク又はユーティリティ天然ガスラインとすることができる。ＣＰＯｘブロワー３１４は、システム始動中にＣＰＯｘ反応器３１２に空気を供給することができる。燃料及び／又は空気は、燃料導管３０１Ｂによって混合器３１６に供給することができる。燃料は、混合器３１６から燃料導管３０１Ｃを通ってアノード復熱器３１０に流れる。燃料は、アノード復熱器３１０内で燃料排気の一部によって加熱され、その後、燃料は、アノード復熱器３１０から燃料導管３０１Ｄを通ってスタック３０２に流れる。

主空気ブロワー３４２は、空気導管３０２Ａを通して空気流（例えば、空気入口流）をアノード排気冷却器３４０に供給するように構成することができる。空気は、アノード排気冷却器３４０から空気導管３０２Ｂを通ってカソード復熱器３２０に流れる。空気は、カソード復熱器３２０内でＡＴＯ排気によって加熱される。空気は、カソード復熱器３２０から空気導管３０２Ｃを通ってスタック３０２に流れる。

スタック３０２内で発生するアノード排気（例えば、燃料排気）は、アノード排気導管３０６Ａを通してアノード復熱器３１０に供給される。アノード排気は、未反応の燃料を含むことができ、本明細書において燃料排気と称する場合もある。アノード排気は、アノード排気導管３０６Ｂによってアノード復熱器３１０から、水性ガスシフト（ＷＧＳ）反応器等のシフト反応器３８０に供給することができる。水インジェクター３６０は、アノード排気導管３０６Ｂに流体接続することができる。アノード排気は、アノード排気導管３０６Ｃによってシフト反応器３８０からアノード排気冷却器３４０に供給することができる。アノード排気は、アノード排気冷却器３４０において空気入口流を加熱し、その後、アノード排気冷却器３４０から燃料排気処理器４００に供給することができる。

特に、アノード排気は、第１の再循環導管３０８Ａによってアノード排気冷却器３４０から燃料排気処理器４００に排出することができる。いくつかの実施形態において、アノード排気は、任意選択の第２の再循環導管３０８Ｂによって燃料排気処理器４００に供給することができる。特に、アノード排気は、第１の再循環導管３０８Ａに入る前にアノード排気冷却器３４０において冷却されるため、第２の再循環導管３０８Ｂは、第１の再循環導管３０８Ａよりも高温のアノード排気を燃料排気処理器４００に供給するように構成することができる。

シフト反応器３８０は、燃料排気の成分を遊離水素（Ｈ_２）及び／又は水に変換する任意の好適な装置とすることができる。例えば、シフト反応器３８０は、水性ガスシフト反応（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ←→ＣＯ_２＋Ｈ_２）を介して、燃料排気流中の一酸化炭素（ＣＯ）及び水蒸気を二酸化炭素及び水素に変換する触媒を含む管又は導管を含むことができる。したがって、シフト反応器３８０は、アノード排気中の水素及び二酸化炭素の量を増大させ、アノード排気中の一酸化炭素の量を減少させる。例えば、シフト反応器３８０は、アノード排気中の一酸化炭素の量を、約５体積％以下、例えば、約４体積％以下、又は約３体積％以下に低減することができる。触媒は、酸化鉄又はクロム促進酸化鉄触媒等の任意の好適な触媒とすることができる。

スタック３０２内で発生するカソード排気は、カソード排気導管３０４Ａを通ってＡＴＯ３３０に流れる。ボルテックスジェネレーター３７２は、カソード排気導管３０４Ａ内に配置することができ、カソード排気を旋回させるように構成することができる。旋回されたカソード排気は、ＡＴＯ３３０に供給される前に、燃料排気処理器４００から排出された水素と混合することができる。混合物は、ＡＴＯ３３０において酸化し、ＡＴＯ排気を発生させることができる。ＡＴＯ排気は、ＡＴＯ３３０からカソード排気導管３０４Ｂを通ってカソード復熱器３２０に流れる。排気は、カソード復熱器３２０からホットボックス３５０の外に、カソード排気導管３０４Ｃを通って流れる。

水は、水タンク又は送水管等の水源５０から水導管を通って水インジェクター３６０に流れる。水インジェクター３６０は、アノード排気導管３０６Ｃ内に供給されるアノード排気の第１の部分に水を直接注入する。排気導管３０６Ｃ内に提供されるアノード排気（再循環アノード排気流とも称する）の第１の部分からの熱により、水が蒸発して蒸気が発生する。蒸気は、アノード排気と混合し、その結果の混合物がアノード排気冷却器３４０に供給される。次いで、混合物は、燃料排気処理器４００を通して導かれ、混合器３１６に供給される。混合器３１６は、蒸気及びアノード排気の第１の部分と新しい燃料（すなわち、燃料入口流）とを混合するように構成される。次いで、この加湿燃料混合物は、スタック３０２に供給される前に、アノード復熱器３１０においてアノード排気によって加熱することができる。システム３００は、アノード復熱器３１０内及び／又はアノード復熱器３１０の下流に位置する１つ以上の燃料改質触媒を備えることもできる。改質触媒（複数の場合もある）は、スタック３０２に供給される前に加湿燃料混合物を改質する。

システム３００は、システム３００の様々な要素を制御するように構成されるシステムコントローラー３２５を更に備えることができる。システムコントローラー３２５は、記憶された命令を実行するように構成される中央処理装置を備えることができる。例えば、システムコントローラー３２５は、燃料組成データに従って、システム３００を通る燃料及び／又は空気流を制御するように構成することができる。

図４Ａ及び図４Ｂは、本発明の様々な実施形態に係る気化器を示している。気化器は、水又は別の液体を蒸気に変換する加熱素子装置である。例えば、図２Ａ及び図２Ｂに関連して記載した蒸気発生器１０４は、気化器である。コイル及び浸漬コイル型装置が示されているが、金属、セラミック、及びポリマーを含む他のタイプの加熱素子を使用することができる。電解槽燃料電池システムにおいて、気化器４１０Ａ、４１０Ｂ（例えば、蒸気発生器１０４からの投入物を受け取る）は、液体の水を投入物として気化させることによって、ホットボックス４５０Ａ、４５０Ｂ（例えば、ホットボックス２５０も同様）のそれぞれの水導管４２２Ａ、４２２Ｂに蒸気を供給する。

図４Ａに示されているように、気化器４１０Ａは、ホットボックス４５０Ａの内部にあることができる。代替的に、図４Ｂに示されているように、気化器４１０Ｂは、ホットボックス４５０Ｂの外部にあることができる。いくつかの実施形態において、ホットボックスの内部及び外部への統合の双方の組合せを含む複数の気化器を使用することができる。いくつかの実施形態において、蒸気発生器（例えば、蒸気発生器１０４）並びに気化器４１０Ａ及び／又は４１０Ｂの組合せを含む複数の気化器を使用することができる。

図５Ａは、本発明の様々な実施形態に係る、単一の気化器を示しており、図５Ｂは、多重加熱器アレイを示している。様々な実施形態において、図５Ａに示されている浸漬型気化器、又は図５Ｂに示されている多重気化器アレイ（又は「多重加熱器アレイ」）等の異なる気化設計及び加熱素子を使用することができる。１つ以上の気化器は、ホットボックスに物理的に取り付けることができる。ホットボックスへの取付けは、液体の水供給物を飽和又は過熱蒸気に変換する単一の気化器又は多重加熱器アレイを取り付けることによって達成することができる。別の例において、気化器は、図６に示されているように、複数の（例えば、隣り合う）スタック１００間に配置することができる。図６は、図１～図５に関連して記載した要素を有するＳＯＥＣホットボックス６５０の概略図である。例えば、ＳＯＥＣホットボックス６５０は、カソード水入口６０１と、水入口６０４と、水予熱器６０２と、アノード空気入口６０３と、空気予熱器６５４と、アノード空気出口６０８と、カソード水素出口６０９と、気化器６１０と、中央加熱器６１１と、過熱器６１２（二次的又は更なる加熱器）と、任意選択の追加の加熱器６１３と、カソード復熱器６２０と、アノード復熱器６２１と、スタック６００Ａ、６００Ｂとを備える。更に別の例において、スタンドアローン蒸気発生器（例えば、蒸気発生器１０４）は、ホットボックスに対する気化器として構成することができる。

気化器６１０の別の態様、特に内部気化器は、気化器４１０Ａ、４１０Ｂのハウジングの底部等にある流体排出部である。図６に戻ると、経時的に、水中の汚染物質に起因してスケールが蓄積する場合があり、これにより、気化器内の伝熱が低下する結果となる。これを回避するために、小さい割合の投入水を気化器６１０から周期的に排出し、スケールを除去することができる。

ＳＯＥＣシステムの設置現場は、利用可能な蒸気がある場合とない場合とがある点で変動する。設置現場に応じて、供給蒸気は、内部気化器又は外部蒸気源のいずれかから得ることができる。本発明のいくつかの実施形態において、電解槽システムは、内部気化器又は外部蒸気源のいずれからの供給蒸気にも適応するように構成される。

図７は、本発明の様々な実施形態に係る、蒸気入口７３０、７４０及び再循環ループを有する電解槽蒸気セレクターモジュール７００の上面斜視図を示している。図示のように、電解槽蒸気セレクターモジュール７００は、水素入口７１０と、再循環ブロワー７１８と、内部蒸気入口７３０と、外部蒸気入口７４０とを備える。電解槽蒸気セレクターモジュール７００は、製造時に外部蒸気又は内部蒸気のいずれかを選択することが可能である。

内部蒸気構成の場合、キャップ、シム、又はフランジを使用して、外部蒸気入口７４０を塞ぐ。ここで、外部蒸気入口７４０の配管は、電解槽システム内に残り、使用されない。外部蒸気構成の場合、内部蒸気入口７３０においてキャップ、シム、又はフランジが使用され、内部気化器（例えば、４１０、８１０）は、取付けブラケット（例えば、８１１）を使用して取り外すことができる。図８は、本発明の様々な実施形態に係る、内部気化器８１０を有する電解槽蒸気セレクターモジュール８００の側面斜視図を示している。図示のように、内部気化器８１０は、取付けブラケット８１１を使用して電解槽蒸気セレクターモジュール８００から取り外すことができる。

したがって、電解槽蒸気セレクターモジュール８００及びそのモジュール式設計により、同じ構成要素を内部気化器８１０又は外部蒸気源とともに使用することが可能になる。その結果、実施形態は、内部蒸気構成を設置し、その後、設置現場の建築が発展すると、外部蒸気構成に容易に切り替えることを可能にする。さらに、電解槽蒸気セレクターモジュール８００は、ＳＯＥＣシステムのパッケージング／フットプリントを変えず、他の構成に固有の器具も変更を必要としない。双方の構成において同様の部品が使用されることに起因して、製造コストの削減が可能になる。内部蒸気構成と外部蒸気構成との間の移行のためのサービスコストが更に削減される。ユニットは、構成に特有の配管を必要とすることなく、期待どおりに動作する。

本開示のいくつかの実施形態において、蒸気は、ＳＯＥＣシステムにおいて再循環される。図９は、本発明の様々な実施形態に係るＳＯＥＣシステム９００である。図９に示されているように、ＳＯＥＣシステム９００は、空気導管９０５と、空気ブロワー９０６と、蒸気導管９１０と、再循環蒸気入口９１１と、再循環蒸気出口９２１と、ホットボックス９５０と、任意選択の水素導管９３０と、濃縮空気導管９２５と、蒸気及び水素生成物出口９２０と、スプリッター９６０と、蒸気再循環ブロワー９７０とを備える。

一例示の構成及び動作によれば、蒸気導管９１０において供給される蒸気（例えば、様々な圧力で現場又は施設蒸気を供給する）は、約１００℃～１１０℃（例えば、１０５℃）の温度と、約１ｐｓｉｇの圧力とを有することができる。様々な実施形態において、蒸気は、外部源からＳＯＥＣシステム９００に供給することができ、又は局所的に発生させることができる。代替的又は付加的に、水は、ＳＯＥＣシステム９００に供給し、気化させることができる。

空気導管９０５における空気供給（例えば、周囲空気）は、局所大気圧における周囲温度とすることができ、その温度は約－２０℃～＋４５℃であり得る。空気導管９０５からの空気は、空気ブロワー９０６において受け取られ、空気ブロワー９０６によって排出される空気は、圧縮の熱によって周囲よりも僅かに高い温度となる。例えば、空気ブロワー９０６によって排出される空気の温度は、２０℃の周囲空気温度と比較して、１．０ｐｓｉｇにおいて約３０℃とすることができる。

任意選択の水素導管９３０からの水素は、水素がＳＯＥＣシステム９００によって他の方法で生成されていないときの始動及び過渡のためにのみ必要とされ得る。例えば、定常状態において別個の水素給送流又は水素再循環蒸気は必要なくなる。この水素流の圧力は、現場構築時に決定される設計オプションであり、約５ｐｓｉｇ～３０００ｐｓｉｇとすることができる。温度は、貯蔵部に由来し得るため、周囲温度付近であり得る。

空気導管９０５における空気供給、蒸気導管９１０における蒸気供給、及び任意選択の水素導管９３０における水素供給は、ホットボックス９５０に供給される。さらに、ホットボックス９５０は、ホットボックス９５０の蒸気及び水素生成物出口９２０において蒸気及び水素生成物Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｇを排出する。ここで、Ｇは総量（Ｇｒｏｓｓ）を表す。ホットボックス排出Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｇは、約１００℃～１８０℃（例えば、１３０℃）の温度、約０．１ｐｓｉｇ～０．５ｐｓｉｇの圧力を有することができる。

加えて、ホットボックス排出Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｇは、スプリッター９６０に供給され、蒸気再循環流ＲＥＣＨ_２ＯＬＰ（ここで、ＬＰは低圧（ｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を表す）と、純生成物Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｎ（ここで、Ｎは純量（Ｎｅｔ）を表す）（例えば、商業使用又は貯蔵のための排出）とに分割される。ここで、純生成物Ｈ_２－Ｈ_２Ｏ－Ｎは、約１００℃～１８０℃（例えば、１３０℃）の温度、約０．１ｐｓｉｇ～０．５ｐｓｉｇの圧力を有することができる。蒸気再循環流ＲＥＣＨ_２ＯＬＰは、約１００℃～１８０℃（例えば、１３０℃）の温度、約０．１ｐｓｉｇ～０．５ｐｓｉｇの圧力を有することができる。ホットボックス９５０は、濃縮空気導管９２５において、本質的に局所大気圧（例えば、０．５ｐｓｉｇ未満又は０．０５ｐｓｉｇ未満）において約１２０℃～３００℃の温度を有し得る濃縮空気を更に排出することができる。

蒸気再循環流ＲＥＣＨ_２ＯＬＰは、蒸気再循環ブロワー９７０に供給される。結果として生じる再循環蒸気ＲＥＣ－ＳＴＭは、約１００℃～１８０℃（例えば、１４０℃）の温度、約０．５ｐｓｉｇ～１．５ｐｓｉｇ（例えば、約１ｐｓｉｇ）の圧力を有することができ、再循環蒸気入口９１１においてホットボックス９５０に供給される。追加の蒸気又は熱が、ホットボックス９５０の空気排気熱（例えば、約２８０℃）を取り込む蒸気再循環出口９２１によって再循環蒸気入口９１１に供給される。いくつかの実施形態において、再循環水素供給物は、再循環蒸気とともに含まれない場合がある。

図９から理解することができるように、蒸気導管９１０における流入蒸気温度（例えば、１０５℃）は、内部蒸気発生を伴うＳＯＥＣ構成と比較して低い。複数の再循環ループは、再循環蒸気出口９２１からの内部蒸気発生及び蒸気導管９１０からの外部蒸気発生の双方を使用するＳＯＥＣシステムに対して構成することができる。換言すれば、再循環蒸気入口９１１は、蒸気導管９１０及び再循環蒸気出口９２１のいずれからの蒸気も受け取るように構成される。ここで、実施形態は、任意選択で、内部蒸気発生コイル、１つ以上の気化器、及び／又は他の加熱素子を通して、典型的には飽和して約１０５℃の温度にある、蒸気導管９１０から施設に供給される蒸気を導き、濃縮空気導管９２５において熱が解放される前に、蒸気供給物を更に加熱（すなわち、過熱）するように、空気排気熱（例えば、約２８０℃）を使用する。

したがって、およそ２ｋＷ～３ｋＷのエネルギーが、再循環蒸気出口９２１において蒸気を予熱するために利用可能である。その結果、ホットボックスへの蒸気温度は、１４０℃～１６０℃まで上昇する。

上述したように、例示のＳＯＥＣホットボックス（例えば、２５０、３５０、４５０、６５０、９５０）は、空気予熱器６５４（又は「一次加熱器」）、中央加熱器６１１（又は「二次加熱器」）、過熱器６１２（又は「更なる加熱器」）、任意選択の加熱器６１３、気化器６１０等の多数の加熱素子を備える。電気加熱器は、高温加熱の産業において広く使用されるが、加熱器のタイプ及び電力レベルは、ホットボックスの最適な性能のために選択される。ＳＯＥＣホットボックスは、典型的に、始動及び定常状態動作中に連続的な熱供給を利用し、これは、電気加熱器を使用して可能になる。したがって、本発明の実施形態は、一次及び／又は二次加熱器として使用されるいくつかの加熱器構成を含む。熱均一性が主要な要因であることから、加熱器の総電力（例えば、３０ｋＷ）を複数のゾーン（例えば、２つのゾーン）に分割し、一次加熱器及び二次加熱器等の異なる場所に供給することができる。加熱器構成は、ＳＯＥＣホットボックス及びシステムの他の加熱素子に容易に適用することができることが容易に理解される。

図１０Ａ～図１０Ｅは、本発明の様々な実施形態に係る加熱器構成の斜視図を示している。

図１０Ａに示されているように、加熱器１０１０（例えば、円筒形加熱器）は、外側断熱層１０１１（例えば、３インチ厚）と、外側断熱層１０１１の内側に位置する外側インコネル層１０１５と、複数のセラミックスペーサー１０１３によって離隔される複数の加熱コイル１０１２とを含む多層構造を有する。複数の加熱コイル１０１２及び複数のセラミックスペーサー１０１３は、内側インコネル層１０１４と外側インコネル層１０１５との間に配置され、これらのインコネル層間の間隔に沿ってより低温の空気を受け取り、より高温の空気を排出するようになっている。ここで、円形加熱コイル１０１２は、円筒形加熱器１０１０の円周を横断する。加熱器１０１０は、単殻（ｕｎｉｓｈｅｌｌ）円筒間のセラミックスペーサー内に支持される一例示の開放コイルシステムである。

図１０Ｂに示されているように、加熱器１０２０（例えば、円筒形加熱器）は、外側断熱層１０２１（例えば、３インチ厚）と、外側断熱層１０２１の内側に位置する外側インコネル層１０２５と、複数のセラミック管１０２３によって離隔される複数の加熱コイル１０２２とを含む多層構造を有する。複数の加熱コイル１０２２及び複数のセラミック管１０２３は、内側インコネル層１０２４と外側インコネル層１０２５との間に配置され、これらのインコネル層間の間隔に沿ってより低温の空気を受け取り、より高温の空気を排出するようになっている。空気流は、図１１Ａに示されているように加熱器配管を通した伝熱を高めるために、ガイドベーンを使用して或る角度に転向することができる。図１０Ｂを参照すると、蛇行加熱コイル（又は「加熱ループ」）１０２２が円筒形加熱器１０２０を鉛直方向に横断する。加熱器１０２０は、セラミック管内に支持される一例示の開放コイルシステムである。蛇行コイルが示されているが、他の幾何学的パターンも可能であることが明らかである。

別の例において、図１０Ｃに示されているように、加熱器１０３０は、外側円筒層１０３１と、複数の取付けブラケット１０３３（例えば、板金ブラケット）によって離隔される複数の加熱コイル１０３２とを含む多層構造を有する。複数の加熱コイル１０３２及び複数の取付けブラケット１０３３は、内側円筒層１０３４と外側円筒層１０３１との間に配置され、内側円筒層と外側円筒層との間の間隔に沿ってより低温の空気を受け取り、より高温の空気を排出するようになっている。ここで、蛇行加熱コイル１０３２は、円筒形加熱器１０３０の円周を横断する。Ｕ字形状、Ｍ字形状、円形等の多数のコイル形状が実現可能である。例えば、図１０Ｄの加熱器１０４０は、円形管状フィン型加熱素子１０４２の使用を除いて加熱器１０３０と同様である。加熱器１０３０及び１０４０は、金属円筒間に配置される例示の管加熱器である。

更に別の例において、図１０Ｅに示されているように、加熱器１０５０は、断熱層１０５１と、断熱層１０５１内に少なくとも部分的に配置される複数の加熱コイル１０５２とを含む多層構造を有する。複数の加熱コイル１５１２は、内側インコネル層１０５４と外側断熱層１０５１との間に配置される。加熱器１０５０は、セラミック断熱グローブ（すなわち、統合された外側断熱材）内に挿入される一例示のコイル部材である。

図１０Ａ～図１０Ｅは、様々な加熱器構成を示しているが、実施形態はそれに限定されない。開放コイル設計は、非常に高温で連続的に稼働することができ、ＳＯＥＣホットボックス用途に好適である。金属製の円筒が使用される場合、金属製外側円筒に電気的短絡のリスクがあるが、これは、断熱材料又はコーティングを使用することで容易に解決される。代替的に、管加熱器は、追加の断熱材を用いることなく使用することができるが、最大動作温度は、公称最大温度、例えば、９００℃～１０００℃又は９２０℃～９４０℃に制限され得る。

図１１Ａ及び図１１Ｂは、本発明の様々な実施形態に係る加熱器結合アセンブリ１１１５を示している。図１１Ａに示されているように、円筒形加熱器１１１０は、加熱器結合アセンブリ１１１５を備える。加熱器結合アセンブリ１１１５は、加熱コイル１１１６の遠位端部と、ろう付け管１１１７と、圧入頂冠１１１８とを含む。ろう付け管１１１７は、加熱コイル１１１６を覆い、加熱コイル１１１６にろう付けされる。これにより、図１１Ｂの１１２６Ａにおける加熱器１１２０の結合によって示されているように、頂冠１１１８の圧入中、加熱コイル１１１６の物理的な完全性を保証するために、より多くの材料が提供される。図１１Ｂの１１２６Ｂにおける加熱器１１２０の結合によって示されているように、ろう付け管１１１７は、頂冠を通して直接溶接又は挿入するのに使用することもでき、その後、頂冠をホットボックスの基部に固定することができる。

図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の様々な実施形態に係る蒸気加熱領域１２３０に対する加熱器アセンブリを示している。上述したように、加熱器（例えば、１０２０、１１１０）は、円筒形ハウジングに対して鉛直に向けられた加熱器ループを利用することができる。同様に、鉛直に向けられた加熱器ループは、図１２Ａに示されているようにスタック及び／又は燃料電池カラムを直接加熱するように、蒸気加熱領域（例えば、ＳＯＦＣのＡＴＯ３３０内）の内部で使用することができる。ここで、加熱器ループは、鉛直に向けられ、円筒形ハウジングの外面に取り付けられる。例えば、蒸気加熱領域１２３０は、鉛直に向けられた加熱器ループ１２１０の複数の列を含むことができる。図１２Ｂに示されているように、加熱器１２１１は、１２３０の蒸気経路内に配置される。螺旋コイル１２１２等の様々な加熱器構成が実現可能である。どの加熱器構成を使用するかに関わらず、加熱器の末端は、加熱器の信頼性を保証するために蒸気から保護すべきである。図１１Ａ及び図１１Ｂに関連して論じたように、結合アセンブリ１１１５を使用することで、蒸気はベースプレート１２１３の上に留まるものとする。

本発明の趣旨又は範囲から逸脱することなく、本発明の固体酸化物型電解槽の気化器及び外部蒸気において様々な変更及び変形を行うことができることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、本発明の変更及び変形が添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内にあるならば、それらを包含することが意図される。

Claims (15)

1. ホットボックスと、
   前記ホットボックス内に配置される１つ以上のスタックと、
   前記スタックによって排出される燃料排気を受け取る燃料排気導管と、
   前記燃料排気から液体を分離する燃料排気セパレーターと、
   前記燃料排気を燃料入口導管に流体接続する再循環導管と、
   を備える、電解槽システム。
2. 前記再循環導管は、前記ホットボックスによって排出される蒸気に結合される、請求項１に記載の電解槽システム。
3. 前記再循環導管は、外部蒸気源に結合される、請求項１に記載の電解槽システム。
4. 前記ホットボックスの内部からの蒸気又は前記ホットボックスの外部からの蒸気を選択するように構成される切替えモジュールを更に備え、内部気化器からの蒸気を使用した後、前記ホットボックスの外部の供給源からの蒸気に切り替える、請求項１に記載の電解槽システム。
5. 前記ホットボックスに蒸気を供給する気化器を更に備える、請求項１に記載の電解槽システム。
6. 前記ホットボックスの内部又は外部に気化器を更に備える、請求項１に記載の電解槽システム。
7. 前記ホットボックスの外部に取り付けられる多重気化器アレイを更に備える、請求項１に記載の電解槽システム。
8. 水素及び蒸気排気流の一部を前記スタックに戻して再循環させるように構成される蒸気再循環ブロワーを更に備える、請求項１に記載の電解槽システム。
9. 水素及び蒸気排気の一部を蒸気再循環ブロワーに供給するスプリッターを更に備える、請求項１に記載の電解槽システム。
10. 電解セルの前記スタックは、蒸気及び水素を受け取るように構成される、請求項１に記載の電解槽システム。
11. 電解セルの前記スタックは、ＳＯＥＣシステムが定常状態で動作しているとき、水素の受取りを止めるように構成される、請求項１に記載の電解槽システム。
12. 電解セルの前記スタックは、始動中、停止中、又はＳＯＥＣシステムが水素を生成していないとき、水素を受け取るように構成される、請求項１に記載の電解槽システム。
13. 前記ホットボックスの内部に一次加熱器及び二次加熱器を更に備える、請求項１に記載の電解槽システム。
14. 前記一次加熱器及び前記二次加熱器のそれぞれは、開放型のコイル構造を有する、請求項１３に記載の電解槽システム。
15. 前記ホットボックスの内部に、鉛直に向けられた蛇行ループを有する加熱器を更に備える、請求項１に記載の電解槽システム。