JP2023504354A - 改善された燃料電池システム及び方法 - Google Patents

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Abstract

燃料電池システムは、中間温度固体酸化物燃料電池を備え、アノード注入口とカソード注入口とを有する燃料電池スタックと、改質器と、改質器熱交換器とを具備し；アノード注入ガス流体流路と；カソード注入ガス流体流路とを定め、カソード注入ガス熱交換器がアノードオフガス流体流路とカソードオフガス流体流路とのうちの少なくとも一方からの熱の移動により比較的低温のカソード注入ガスを加熱するように配置され；改質器熱交換器が、カソード注入口における温度Ｔ１よりも低いアノード注入口における温度Ｔ３へと比較的高温のカソード注入ガスからのアノード注入ガスを加熱するために配置され；酸化剤流制御手段が、カソード注入口における温度Ｔ１をアノード注入口における温度Ｔ３よりも高いレベルで制御するために、酸化剤注入口からの低温の酸化剤を高温のカソード注入ガスとの制御された混合のためである。【選択図】 図４

Description

本発明は、改善された燃料電池システム及び方法に関係する。
燃料電池、燃料電池スタック、燃料電池スタック組み立て品、及び熱交換器システムの教示、装置並びに方法の教示は、当業者には良く知られており、そして特に、その全体が参照により本明細書に組み込まれているＷＯ２０１５００４４１９Ａを含む。本明細書において使用される用語の定義は、必要に応じて上記の刊行物に見出されることがある。特に、本発明は、ＷＯ２０１５００４４１９Ａに開示したシステム及び方法を改善することを求めている。
燃料電池スタックが４５０～６５０℃の範囲で（中間温度固体酸化物燃料電池；ＩＴ－ＳＯＦＣ）、特に５２０～６２０℃の温度範囲で動作する炭化水素を燃料とするＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）システムを動作させることは、遭遇する一連の困難な技術的問題をもたらす。そのような燃料電池スタック動作温度は、燃料の高レベルの内部改質にそれ自体適していない、そしてしたがってそのようなシステムは、燃料が燃料電池スタックに達する前に高レベルの改質を典型的に必要とする。
そのようなシステムでは、蒸気改質が、（天然ガスなどの）炭化水素燃料ストリームを燃料電池スタックアノード注入口へ送られる水素リッチリフォーメートストリームへと変換するために使用される。
ＩＴ－ＳＯＦＣスタック冷却をもたらすために、空気が燃料電池スタックのカソード側へ吹き込まれる。上記の高い改質器温度を実現するために、改質器は、燃料電池スタック廃ガス燃焼機と通常密接に熱的に結合される（これは、典型的には熱いカソードオフガスとともに燃焼させることによって、アノードオフガスに残存するすべての燃料を酸化剤中で燃やす）。そのような装置では、廃ガス燃焼機及びその熱い排気ガスは、熱交換表面など熱交換器によって改質器と密接に熱的に結合される。典型的には、改質器は、可能な限り多くの熱が廃ガス燃焼機から改質器へと渡されるように廃ガス燃焼機と直ぐ隣り合う又は接触するように配置される。
（特に、燃料電池のカソード側へポンプ／送風機による）燃料電池スタック冷却のデリバリは、実体的なシステム寄生負荷（典型的には、最大のシステム寄生負荷）である。
燃料電池スタックが経時的に効率を損なう場合に、燃料電池スタックは、与えられた電気的出力のためにより多くの熱を生成し、これゆえより多くの冷却を必要とする。燃料電池スタックが燃料電池スタック冷却を行うためにポンプ／送風機へ電力を供給するので、このことが電力要求の増加をもたらし、発電の増加を必要とし、冷却のさらなる増加を必要とする熱発生のさらなる増加という結果になる。
廃ガス燃焼機（ＴＧＢ）への（吸熱）燃料改質器の密接した熱的な結合は、燃料改質器を出る燃料流のエンタルピが燃料電池スタックへの全空気流の関数であることを意味する。ＩＴ－ＳＯＦＣの劣化で、電気抵抗の増加、したがって燃料電池熱発生の増加が、改質器温度の上昇、したがって改質した燃料の水素含有量の増加という結果をもたらし、順に燃料電池スタック動作中に燃料電池スタック冷却負荷の増加という結果をもたらす。
図１は、上記の問題及び他の問題が、とりわけ、平行流改質器熱交換器７０を設けることによって扱われるＷＯ２０１５００４４１９Ａから抜き出される。熱交換器７０は、少なくとも１つの酸化剤注入口１４０、１４０’から少なくとも１つの燃料電池スタックカソード注入口４１へと流体流れ連通している比較的（相対的に）高温の（一次）流路及び燃料源７１から少なくとも１つの燃料電池スタックアノード注入口６１への比較的（相対的に）低温の（二次）流路を有する。平行流熱交換器は、カソード注入ガスとアノード注入ガスとの間で（すなわち、一次経路から二次経路へ）熱を交換するために配置される。
ＷＯ２０１５００４４１９Ａは、３つの温度センサを記載し、３つの温度：
燃料電池スタックカソード注入ガス温度センサＴ１
燃料電池スタックカソードオフガス温度センサＴ２
アノード注入ガス温度センサＴ３
廃ガス燃焼機排気温度センサＴＴＧＢ
を測定する。コントローラ２００は、燃料電池システムの定常状態動作中に所望の温度において又は付近で温度センサＴ１及びＴ２によって決定される温度を維持する。
経路Ｃ内の加熱された注入空気ストリームは、典型的には６００～７５０℃である。改質器排出口７２における温度Ｔ３は、典型的には４００℃と６００℃との間である。
温度センサＴ３は、燃料電池スタックアノード注入口４１におけるアノード注入ガスの温度を予め定められた温度で維持するために、空気バイパス注入ガス流路２４０の空気の流量を制御するために設けられる。
２つの制御ループが説明され、第１が燃料の加熱用でありそして第２がスタック冷却のための酸化剤の質量流量用である。
燃料電池スタックへのアノード注入ガスの温度（すなわち、リフォーメートの品質）が制御され、そしてこの制御は、注入酸化剤及び燃料の質量流（及びこれゆえこれによる熱要求）の変動、並びに燃料電池システムへの酸化剤及び燃料の注入口温度の変動とは無関係である。
コントローラ２００は、燃料電池スタックカソードオフガス温度センサＴ２により決定されたカソードオフガスの温度が予め定められた温度よりも低い場合には、カソード注入ガス質量流量を増加するように構成され、そして逆も同様である。
廃ガス燃焼機排気部８１における温度センサＴＴＧＢは、最低廃ガス燃焼機排気温度がガス状排出物必要条件に従うことを可能にする。万一、廃ガス燃焼機排気温度がこの最低値よりも下に低下するならば、追加の改質されていない燃料が、廃ガス燃焼機排気温度を上昇させるために燃料源２５０から廃ガス燃焼機８０へ直接供給される。
先行技術の改質器熱交換器１６０は、平行流熱交換器であり、そこでは排出ガスが同じ温度に近付く。これが図２に図示される。熱い空気（又は酸化剤）が熱交換器に沿って流れるにつれて（図では左から右への進行によって図示される）、熱い空気は、燃料を加熱し、そして燃料温度は、熱い空気が並行して進むにつれて高くなる。排出口では、２つの温度がほぼ同じである。改質器熱交換器が平行流熱交換器であり、そして少なくとも１つの燃料電池へのカソード注入ガス及びアノード注入ガスの進入の前に、カソード注入ガスとアノード注入ガスとの間で熱を交換するために配置されるという事実は、改質器及び改質器熱交換器からのカソード注入ガス及びアノード注入ガスの排出温度が、そしてこれゆえ少なくとも１つの燃料電池スタックのカソード側及びアノード側部への注入温度が互いに非常に近いことを意味する。少なくとも１つの燃料電池へのアノード注入ガスとカソード注入ガスとの間の温度差は、改質器熱交換器の性能により主に決められる。例えば、定常状態動作では、少なくとも１つの燃料電池スタックへのアノード注入ガスとカソード注入ガスとの間の温度差は、互いに２０℃以内、より典型的には１５℃以内であってもよい。
ＷＯ２０１５００４４１９Ａのある種の実施形態は、改質器熱交換器１６０からのリフォーメート排出ストリーム温度のある程度の独立した制御を実現する。
制御手段２００は、燃料電池スタックカソード注入ガス温度センサＴ１、燃料電池スタックカソードオフガス温度センサＴ２、並びに送風機２１０及び２１０’に接続される。制御手段２００は、燃料電池システムの定常状態動作中に所望の温度において又は付近で温度センサＴ１及びＴ２により決定される温度を維持するように構成される。
カソード注入ガスを加熱することは、主カソード注入ガス流路２３０と空気バイパス注入ガス流路２４０との間のカソード注入ガス質量流の比率を変えることによって制御される。これは、送風機２１０及び２１０’の相対速度、そしてこれゆえ送風機から送られる質量流を変えることによって制御される。温度センサＴ１において測定したカソード注入ガスの温度が低すぎる場合には、空気バイパス注入ガス流路２４０を通るカソード注入ガス流の主カソード注入ガス流路２３０を通るカソード注入ガス流に対する比率が減少され、そして逆も同様である。
燃料電池スタックにおけるカソード注入ガスの質量流量は、送風機２１０及び２１０’からの全カソード注入ガス質量流量である。温度センサＴ２において測定されたような燃料電池スタックカソードオフガスの温度が高すぎる場合には、送風機２１０及び２１０’により送られるカソード注入ガスの全質量流が増加され、そして逆も同様である。
制御手段２００は、燃料電池システムの定常状態動作中に所望の温度のところに又は付近に温度センサＴ１、Ｔ２及びＴ３により決定される温度を維持するように構成される。空気バイパス注入ガス流路２６０を通る空気流量は、主カソード注入ガス流路２３０及び空気バイパス注入ガス流路２４０の両方の空気流量とは無関係に制御される。改質器排出口７２についての温度制御は、燃料電池カソード注入口６１Ａの温度に対してアノード注入ガス流体流路Ａの温度を上昇させる能力を与える。空気バイパス注入ガス流路２６０が改質器熱交換器１６０を出る空気よりも冷たい空気を与えるので、空気バイパス注入ガス流路２６０により与えられる空気は、改質器熱交換器１６０を出る空気を冷却できるが、温めることができない。これゆえ、冷たい空気を与える空気バイパス注入ガス流路２６０は、アノード注入口温度がカソード注入口温度よりも高くなることを可能にする。
改質器排出口７２におけるアノード注入ガスの温度を上昇させることはまた、改質器熱交換器１６０内部で到達する改質反応の平衡温度も上昇させ、これゆえ、燃料電池スタックアノード注入口４１におけるアノード注入ガス内の水素の濃度を増加させる。アノード注入ガス内の水素濃度の増加は、燃料電池３０の応力を低下させる、そして燃料電池３０により必要とされる内部改質の量を減少させる。
燃料電池スタックアノード注入ガス温度センサＴ３は、燃料電池スタックアノード注入口４１におけるアノードガスの温度を測定する。コントローラ２００は、燃料電池スタックアノード注入口４１におけるアノード注入ガスの温度を予め定められた温度で維持するために空気バイパス注入ガス流路２４０の空気の流量を制御する。空気バイパス注入ガス流路２４０の酸化剤流量を増加することは、改質器熱交換器酸化剤注入口１６１に入る酸化剤の温度を低下させる。酸化剤温度のこの低下は、改質器排出口７２におけるアノード注入ガスの温度を低下させる、そしてさらに改質反応の平衡温度も低下させる。他方で、空気バイパス注入ガス流路２４０の酸化剤流量を減少させることは、改質器熱交換器酸化剤注入口１６１に入る酸化剤の温度を上昇させる。酸化剤の温度のこの上昇は、改質器排出口７２におけるアノード注入ガスの温度を上昇させ、そしてさらに改質反応の平衡温度も上昇させる。空気バイパス注入ガス流路２６０を通る酸化剤の流量は、燃料電池カソード注入口６１Ａの温度を制御し、そして空気バイパス注入ガス流路２４０の酸化剤流量は、改質器排出口７２からのリフォーメートの流れの温度を制御する。
空気バイパス注入ガス流路２６０の酸化剤の流量を増加させることは、燃料電池スタックカソード注入口６１における酸化剤ストリームの温度を低下させる。逆に、空気バイパス注入ガス流路２６０の酸化剤の流量を減少させることは、燃料電池スタックカソード注入口６１における酸化剤ストリームの温度を上昇させる。
空気バイパス注入ガス流路２４０の酸化剤の流量を増加させることは、改質器排出口７２におけるアノード注入ガス及び改質器熱交換器酸化剤排出口１６２におけるカソード注入ガスの両方の温度を低下させる。逆に、空気バイパス注入ガス流路２４０の酸化剤の流量を減少させることは、改質器排出口７２におけるアノード注入ガス及び改質器熱交換器酸化剤排出口１６２におけるカソード注入ガスの両方の温度を上昇させる。例えば、燃料電池スタックアノード注入ガス温度センサＴ３がより高い温度又はより低い温度で維持されるべきであることを、制御手段２００が判断する場合には、空気バイパス注入ガス流路２４０の酸化剤流量は、送風機１４０’を制御することによって、それぞれ増加されてもよいし減少されてもよい。他方で、燃料電池スタックカソード注入ガス温度センサＴ１がより高い温度又はより低い温度で維持されるべきであることを、制御手段２００が判断する場合には、空気バイパス注入ガス流路２４０及び／又は追加の空気バイパス注入ガス流路２６０の酸化剤流量は、空気バイパス注入ガス流路２４０の酸化剤流量用の送風機１４０’又は追加の空気バイパス注入ガス流路２６０の酸化剤流量用の送風機１４０”を制御することによって、それぞれ増加されてもよいし減少されてもよい。
このように、改質器排出口７２についての温度制御は、アノード注入ガスに対して燃料電池カソード注入口６１Ａの温度の低下させる能力を与える。空気バイパス注入ガス流路２６０は、改質器熱交換器１６０を出る空気よりも冷たい供給源１４０”からの空気を供給できる。これが図３に図示される。改質器熱交換器の排出口１６２において、供給源１４０”からの新たな空気／酸化剤は、改質器熱交換器１６０を出る空気を冷却できる（しかし温めることができない）ことにより、アノード注入口温度がカソード注入口温度よりも高くなることを可能にする（しかし逆はない）。改質器排出口７２におけるアノード注入ガスの温度を上昇させることは、改質器熱交換器１６０内の改質反応の平衡温度を上昇させ、これゆえ燃料電池スタックアノード注入口４１におけるアノード注入ガス内の水素の濃度を増加させことにより、燃料電池３０の応力を低下させそして燃料電池３０により必要とされる内部改質の量を減少させる。
アノード注入口温度がカソード注入口温度よりも高い点までカソード注入ガスを冷却することは、燃料電池スタック内でのより多くの内部改質を可能にできるが、低いスタック空気注入口温度は、スタック電圧が低下するという理由で効率に負の効果がある。
本発明は、先行技術の欠点のうちの少なくとも１つを処理する、克服する又は緩和することを求めている。
本発明の第１の態様によれば、燃料電池システム（好ましくは中間温度固体酸化物燃料電池（ＩＴ－ＳＯＦＣ）システム）は：（ｉ）少なくとも１つの中間温度固体酸化物燃料電池を備え、アノード注入口、カソード注入口、アノードオフガス排出口及びカソードオフガス排出口を有する少なくとも１つの燃料電池スタックと、（ｉｉ）炭化水素燃料をリフォーメートへ改質するため、並びにアノード注入ガス用の改質器注入口、アノード注入ガスを排気するための改質器排出口及び改質器熱交換器を有する改質器とを具備し：（ａ）燃料源から前記改質器へ、前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノード注入口へのアノード注入ガス流体流路と、（ｂ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノードオフガス排出口から燃料電池システム排気部へのアノードオフガス流体流路と、（ｃ）少なくとも１つの酸化剤注入口から少なくとも１つのカソード注入ガス熱交換器を通り前記改質器熱交換器へ、前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード注入口へのカソード注入ガス流体流路と、（ｄ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソードオフガス排出口から前記燃料電池システム排気部へのカソードオフガス流体流路とを定める。上記少なくとも１つのカソード注入ガス熱交換器が、比較的（相対的に）高温のカソード注入ガスを与えるために、（ｉ）前記アノードオフガス流体流路と（ｉｉ）前記カソードオフガス流体流路とのうちの少なくとも一方からの熱の移動により比較的（相対的に）低温のカソード注入ガスを加熱するように配置される。上記改質器熱交換器が、上記カソード注入口における温度Ｔ１よりも低い上記アノード注入口における温度Ｔ３へと前記比較的（相対的に）高温のカソード注入ガスからの前記アノード注入ガスを加熱するために配置される。酸化剤流制御手段が、上記アノード注入口における温度Ｔ３に対して上記カソード注入口における温度Ｔ１をＴ３よりも高いレベルで制御するために、上記又は各々の酸化剤注入口からの低温の酸化剤と高温のカソード注入ガスとの制御された混合のために設けられる。
上記酸化剤流制御手段が、上記温度Ｔ１を低下させるように上記カソード注入口において酸化剤注入口からの低温の酸化剤の混合を制御するために好ましくは配置される。
上記酸化剤流制御手段が、上記温度Ｔ３も低下させながら上記温度Ｔ１を低下させるように上記改質器熱交換器への入力部において酸化剤注入口からの低温の酸化剤の混合を制御するために配置されてもよい。
上記改質器熱交換器が、上記改質器熱交換器をバイパスするためにカソード注入ガス用のホットバイパスを好ましくは備え、ホットバイパスは、前記カソード注入ガスを上記カソード注入口において温度Ｔ１まで上昇させることに役立つ。
いくつかの装置では、上記ホットバイパスが、（例えば、プリセット開口を有する）プリセット絞り弁を備える。
上記ホットバイパスカソード注入ガスが、低温の酸化剤を混合することに先立って上記カソード注入ガス流体流路から引き込まれてもよい。
他の装置（例えば、より大パワー出力システム）では、上記ホットバイパスが、制御可能な絞り弁を備える。
上記酸化剤流制御手段が、改質器温度入力及び改質器設定値入力から改質器バイパス空気流要求出力信号を導き出すように配置されてもよい。このようなシステムは、上記少なくとも１つの燃料電池スタックアノード及びカソードオフガス排出口と流体流れ連通し、廃ガス燃焼機排気部を有し、上記少なくとも１つの燃料電池スタックアノード及びカソードオフガス排出口から上記廃ガス燃焼機排気部へ上記排気部への流体流路を定める廃ガス燃焼機をさらに備えてもよく、廃ガス燃焼機排気温度（ＴＴＧＢ）を検知するための廃ガス燃焼機排気温度センサをさらに備えてもよい。上記酸化剤流制御手段が、上記改質器温度入力及び上記改質器設定値入力から廃ガス燃焼機排気温度設定値を導き出すようにさらに配置される。
上記システムは、上記廃ガス燃焼機排気温度が上記酸化剤流制御手段により与えられるような上記廃ガス燃焼機排気温度設定値よりも低いときに、上記廃ガス燃焼機への燃料の供給を増加するように上記廃ガス燃焼機排気温度設定値及び上記廃ガス燃焼機排気温度から導き出される燃料要求アクチュエータコマンドを与えるための廃ガス燃焼機制御手段をさらに備えてもよい。
第１及び第２の酸化剤混合器が設けられてもよい。上記第１の混合器が上記改質器熱交換器への注入口において酸化剤注入口からの低温の酸化剤を混合するために配置され、上記第２の混合器が改質器熱交換器排出口において酸化剤注入口及びカソード注入口からの低温の酸化剤を混合するために配置される。
上記カソード注入ガス流体流路が、常温空気入力での定常状態動作において最も熱い点で７５０～８５０℃の温度を好ましくは有する。
Ｔ１が、常温空気入力での定常状態動作において５０と１５０℃との間でＴ３よりも高くなるように好ましくは制御される。
Ｔ１が、常温空気入力での定常状態動作において５００と６００℃との間になるように好ましくは制御される。
Ｔ３が、常温空気入力での定常状態動作において４００と５００℃との間になるように好ましくは制御される。
方法ステップへの本明細書における言及は、このような方法ステップを実行するように適合した又は構成された本発明のシステムにも言及する。
疑いを避けるために、平行流熱交換器への本明細書における言及は、並行流熱交換器に対してである。
上記少なくとも１つの燃料電池スタックが、金属支持型ＩＴ－ＳＯＦＣスタック、より好ましくは米国特許第６７９４０７５号に教示されたようなものであることが好ましい。上記ＩＴ－ＳＯＦＣが、４００℃～６５０℃、より好ましくは４５０℃～６５０℃、より好ましくは５２０～６２０℃の範囲内の定常状態動作温度を有することが好ましい。
少なくとも１つの酸化剤ヒータが、予め定められた温度のところに又は付近に上記カソード注入ガス温度センサを維持するために前記酸化剤注入口と前記改質器熱交換器との間の前記カソード注入ガス流体流路に設置された。上記カソード注入ガス温度センサが、予め定められた温度の５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５又は５０℃以内に、最も好ましくは予め定められた温度の５℃以内に維持されることが好ましい。上記カソードオフガス温度センサが、予め定められた温度の５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５又は５０℃以内に、最も好ましくは予め定められた温度の５℃以内に維持されてもよいことが好ましい。
先行技術による燃料電池システムの系統図である。 図１の改質器を通る空気及び燃料の温度を図示する温度概略図である。 ポスト改質器空気バイパスの場合の図１の改質器を通る空気及び燃料の温度を図示する代替の温度概略図である。 本発明の好ましい実施形態による燃料電池システムの系統図である。 図４の改質器を通る空気及び燃料の温度を図示する温度概略図である。 図４の改質器を通る空気及び燃料の温度を図示する温度概略図である。 発明の態様による燃料電池システムを制御するための制御プロセスの図である。 本発明による代替の燃料電池システムの系統図である。 発明の代替の実施形態による改質器を通る空気及び燃料の温度を図示する温度概略図である。 単に説明目的で、図は、単一の燃料電池を示すに過ぎない。様々な実施形態では、（図示せず）多数の燃料電池スタックが提供され、その上さらなる実施形態では、各々が多数の燃料電池を備える多数の燃料電池スタックが提供される。アノード及びカソード注入口、排出口（オフガス）、ダクト、マニフォールド、及び温度センサ並びにこれらの構成がそのような実施形態にとって適切なように修正されることが認識されるであろう、そして当業者には容易に明らかになるであろう。 下記の実施形態では、空気が酸化剤として使用される。どこかでの「酸化剤」へのすべての言及は、これゆえ下記の実施形態では「空気」への言及として解釈されてもよく、逆も同様である。
図４に言及すると、燃料電池システム４００は、中間温度固体酸化物燃料電池（ＩＴ－ＳＯＦＣ）システムである。燃料電池スタック２０は、金属支持型ＩＴ－ＳＯＦＣ燃料電池スタックである。燃料電池システム４００は、燃料電池スタック２０から定常状態１ｋＷ電気出力を有し、そして１２１個の金属支持型ＩＴ－ＳＯＦＣ燃料電池３０を備える。各々の燃料電池３０は、アノード側部４０、電解質層５０及びカソード側部６０を有する。燃料電池スタックの各々の燃料電池層は、電導性ガス不浸透性金属インターコネクト板（インターコネクタ）（図示せず）によって分離される。燃料電池スタックエンドプレート及び押圧手段（図示せず）もまた設けられる。燃料電池３０への本明細書における言及は、１２１個の燃料電池３０の全セットに対してである。
電気負荷Ｌが燃料電池３０を横切ってかけられる。
燃料電池スタックアノード注入口４１は、燃料電池３０のアノード側部４０へのアノード注入ガスの流れのために燃料電池アノード注入口４１Ａと流体流れ連通している。燃料電池アノード排出口４２Ａは、アノードオフガスの流れのために燃料電池スタックアノードオフガス排出口４２と流体流れ連通している。
燃料電池スタックカソード注入口６１は、燃料電池３０のカソード側部６０へのカソード注入ガスの流れのために燃料電池カソード注入口６１Ａと流体流れ連通している。燃料電池カソード排出口６２Ａは、カソードオフガスの流れのために燃料電池スタックカソードオフガス排出口６２と流体流れ連通している。
廃ガス燃焼機８０は、燃料電池スタックアノード及びカソードオフガス排出口４２、６２と流体流れ連通しており、そして廃ガス燃焼機排気部８１、アノードオフガス注入口８２及びカソードオフガス注入口８３を有する。廃ガス燃焼機８０は、燃料電池スタックアノード及びカソードオフガス排出口４２、６２から廃ガス燃焼機排気部８１への流体流路を定め、そしてアノード及びカソードオフガスを燃焼させそして廃ガス燃焼機オフガスを生成するために構成される。
アノード注入ガス流体流路Ａは、燃料源９０から蒸発器１００へ、蒸気改質器７０へ、燃料電池スタックアノード注入口４１へ、燃料電池アノード注入口４１Ａへと定められる、すなわち、構成要素が互いに流体流れ連通される。
アノードオフガス流体流路Ｂは、燃料電池アノード排出口４２Ａから燃料電池スタックアノードオフガス排出口４２へ、アノードオフガス熱交換器１１０（ＨＸ－ＡＯＧ）へ、凝縮器熱交換器１２０へ、分離器１３０へ、廃ガス燃焼機８０のアノードオフガス注入口８２へと定められる。
主カソード注入ガス流路２３０は、酸化剤注入口１４０から送風機２１０へ、アノードオフガス熱交換器１１０へ、空気予熱器熱交換器１５０へ、改質器熱交換器１６０へ、燃料電池スタックカソード注入口６１へ、燃料電池カソード注入口６１Ａへと定められる。空気バイパス注入ガス流路２４０は、酸化剤注入口１４０’から送風機２１０’へ、空気バイパス注入口１９０へ、改質器熱交換器１６０へ、燃料電池スタックカソード注入口６１へ、燃料電池カソード注入口６１Ａへと定められる。
空気バイパス注入ガス流路２６０は、酸化剤注入口１４０”から送風機２１０”へ、空気バイパス注入口１９０’へ、燃料電池スタックカソード注入口６１へ、燃料電池カソード注入口６１Ａへと定められる。したがって、空気バイパス注入ガス流路２６０は、改質器熱交換器１６０（及びその下流）と燃料電池スタックカソード注入口６１との間、より詳しくは改質器熱交換器酸化剤排出口１６２と燃料電池スタックカソード注入ガス温度センサＴ１との間にある空気バイパス注入口１９０’においてカソード注入ガス流体流路（Ｃ）と交わる。
カソードオフガス流体流路Ｄは、燃料電池カソード排出口６２Ａから燃料電池スタックカソードオフガス排出口６２へ、廃ガス燃焼機８０のカソードオフガス注入口８３へと定められる。
廃ガス燃焼機オフガス流体流路Ｅは、廃ガス燃焼機排気部８１から空気予熱器熱交換器１５０へ、蒸発器熱交換器１７０（ＨＸ－Ｅｖａｐ）へ、燃料電池システム排気部１８０へと定められる。アノードオフガス熱交換器１１０は、（ｉ）燃料電池スタックアノードオフガス排出口４２（すなわち、燃料電池アノード排出口４２Ａをともなう）及び廃ガス燃焼機アノードオフガス注入口８２、並びに（ｉｉ）酸化剤注入口１４０及び燃料電池スタックカソード注入口６１（すなわち、燃料電池カソード注入口６１Ａをともなう）と流体流れ連通しており、そして燃料電池スタック２０からのアノードオフガスと燃料電池スタック２０へのカソード注入ガスとの間で熱を交換するために配置される。
空気予熱器熱交換器１５０は、（ｉ）廃ガス燃焼機排気部８１及び燃料電池システム排気部１８０、並びに（ｉｉ）酸化剤注入口１４０及び燃料電池スタックカソード注入口６１（すなわち、燃料電池カソード注入口６１Ａをともなう）と流体流れ連通しており、そして廃ガス燃焼機８１オフガスと燃料電池スタック２０へのカソード注入ガスとの間で熱を交換するために配置される。
改質器熱交換器１６０は、平行流熱交換器であってもよく（他の可能性は下記に記載される）、そして（ｉ）酸化剤注入口１４０及び燃料電池スタックカソード注入口６１（すなわち、燃料電池カソード注入口６１Ａをともなう）、並びに（ｉｉ）燃料源９０及び燃料電池スタックアノード注入口４１（すなわち、燃料電池アノード注入口４１Ａをともなう）と流体流れ連通しており、そしてカソード注入ガスとアノード注入ガスとの間で熱を交換するために配置される。
蒸発器１００は、燃料源９０からのアノード注入ガス用の燃料注入口１０１、水供給部１０３からの水用の水注入口１０２、及び蒸発器１００からのアノード注入ガスを排気するための蒸発器排気部１０４を有し、そして燃料源９０と蒸気改質器７０との間のアノード注入ガス流体流路に設置される。蒸発器１００は、空気予熱器熱交換器１５０と燃料電池システム排気部１８０との間の廃ガス燃焼機オフガス流体流路Ｅに設置された蒸発器熱交換器１７０をさらに備える。
蒸発器熱交換器１７０は、（ｉ）廃ガス燃焼機排気部８１及び燃料電池システム排気部１８０、並びに（ｉｉ）燃料源９０及び水供給部１０３及び燃料電池スタックアノード注入口４１（すなわち、燃料電池アノード注入口４１Ａをともなう）と流体流れ連通しており、そして廃ガス燃焼機オフガスとアノード注入ガスと水との間で熱を交換するように配置され、蒸気改質器７０へのアノード注入ガス用の蒸気燃料混合物を生成する。
凝縮器熱交換器１２０は、（ｉ）燃料電池スタックアノードオフガス排出口４２（すなわち、燃料電池アノード排出口４２Ａをともなう）及び廃ガス燃焼機アノードオフガス注入口８２、並びに（ｉｉ）冷却回路１２１と流体流れ連通しており、そして燃料電池スタック２０からのアノードオフガスと冷却回路１２１の冷却流体との間で熱を交換するために配置される。
分離器１３０は、凝縮器熱交換器１２０と廃ガス燃焼機８０との間のアノードオフガス流体流路に設置され、そして分離器凝集物排出口１３１を有し、そしてアノードオフガス流体流路から凝縮物を分離し、そして凝集物排出口１３１を介して凝縮物を排出するように構成される。
コントローラ４０２は、図１のコントローラ２００と同じ入力及び出力を有する。コントローラ４０２は、コントローラ２００と同じであってもよいし、説明されるようにコントローラ２００に対して変更されてもよい。
ホットカソードバイパス４０１が、設けられ、経路Ｃ内の空気予熱器熱交換器１５０の空気排出口から直接燃料電池スタック２０のアノード注入口６１まで延びる。このバイパスは、少量のホットカソード注入ガスが改質器熱交換器をバイパスすることを可能にし、そしてカソード注入ガスをカソード注入口における温度まで上昇させることに役立つ。このバイパス流は、熱交換器１６０を通過するカソードガスの体積に比して小さい。
ホットカソードバイパス４０１は、固定型絞り弁又はスロットル４１０を好ましくは有する。可変スロットル版は、下記にさらに説明される。
ホットカソードバイパス４０１の効果が、図５に図示される。ホットカソードバイパス４０１は、カソード注入口におけるＴ１がアノード注入口におけるＴ３よりも高くなるように、改質器熱交換器の排出口における燃料よりも高い温度まで空気を加熱することを可能にする。このことは、スタック電圧の低下なしに燃料電池スタック２０でのより多くの内部改質を可能にする。これは、全体の空気の流れが少なくなることを順に可能にし、これはより高い総合システム効率を意味する送風機へのより少ないパワーを意味する。
改質器排出口温度をスタック空気注入口温度よりも低くなるようにすることが、より最適なシステム性能をもたらすことが分かる。
カソード注入口６１Ａの温度Ｔ１は、送風機２１０”の制御を通して、空気注入口１４０”からの冷たい空気の追加により制御されてもよい。
これが図６に図示され、図６ではカソード注入ガス流体温度が改質器熱交換器１６０を通過するにつれて降下し、次いでバイパス４０１からの熱いバイパスガスを混合することで上昇し、そして制御された方式で、空気注入口１４０”からの空気を混合することでその後降下する。
このように、説明してきたように、コントローラ４０２は、送風機２１０”の制御を通して空気注入口１４０”からの冷たい空気の追加によりカソード注入口６１Ａの温度Ｔ１を制御でき、この制御が、その燃料電池スタックアノード注入口４１の温度よりも高い温度で行われるという変更をともなう。
送風機１４０及び１４０’は、単一の送風機及び一方で主カソード注入ガス流体流路２３０と他方でバイパス注入ガス流路２４０とに沿って流れる注入酸化剤の比率を調節できる調節可能な弁／分離器（図示せず）により置き換えられてもよい。
図７は、図４の装置の定常状態動作を実現するためのコントローラ４０２の制御プロセスへの変更を示す。
改質器制御プロセス７００、廃ガス燃焼機（ＴＧＢ）プロセス７０１、燃料制御プロセス７０２及び空気制御プロセス７０８がある。
改質器制御プロセスは、改質器温度７１０及び改質器温度設置値７１１をその入力として取得する。改質器温度７１０は、図１及び図４における改質器排出口７２において測定されるＴ３である。改質器制御プロセスは、２つの出力：ＴＧＢ出力温度設定値７１０及び改質器バイパス空気流要求量７１５を渡す。
ＴＧＢ制御プロセス７０１は、その入力のうちの１つとしてＴＧＢ出力温度設定値７１０及びもう１つの入力としてＴＧＢ排出口温度７１３を取得し、そして燃料要求出力７１４を渡す。ＴＧＢ排出口温度は、ＴＧＢ廃ガス出力部８１（図１及び図４）において測定されるようなＴＴＧＢである。
燃料制御プロセス７０２は、その入力として燃料要求出力７１４を取得し、燃料源９０若しくは２５０（図４）からＴＧＢへの未使用燃料又は改質器及びスタックを通過した燃料８２、或いは２つの混合物の供給を制御するために燃料制御プロセスの出力部におけるアクチュエータ制御へと燃料要求出力を変換する。
空気制御プロセス７０８は、その入力としてプレ改質器バイパス空気流要求７１５を取得し、そしてこれをアクチュエータ制御出力７１８へと変換する。この制御出力は、弁８２０及び８２１並びに送風機８１０を制御する。これは、いくつかの代替方法のうちの１つで達成される。
全空気流量、主空気流量又はポスト改質器バイパス流量のいずれかを一定に保つことが望ましいことがある。これらの場合の各々について、多かれ少なかれ弁位置又は送風機速度の調節が必要とされる。
例えば、経路２３０に沿った主空気流量を一定に保つことが好ましいことがある。この場合には、弁８２０が、固定されてもよく、そしてアクチュエータ制御出力７１８が、弁８２１を制御でき、送風機８１０への対応する調節をともなう。
或いは、（経路２６０に沿った）ポスト改質器バイパス流量を一定に保つことが好ましいことがあり、この場合には、弁８２１は固定されてもよく、そしてアクチュエータ制御出力７１８が弁８２０を制御でき、送風機８１０への対応する調節をともなう。
流路の各々の圧力低下の違いのために、弁及び送風機の両方に何らかの調節を行うことが一般に必要になる。
図８は、似たような要素が似たような参照番号を与えられる図４を参照して既に説明したような燃料電池モジュールを示す。共通の冷気源８０２、空気フィルタ／ノイズ減衰器８０５、燃料電池送風機８１０並びに第１及び第２の空気バイパス弁８２０及び８２１がある。第１の空気バイパス弁８２０は、アノードオフガス熱交換器１１０への冷たい空気の供給を制御する。第２の空気バイパス弁８２１は、空気バイパス注入ガス流路２４０及び２６０への空気を制御する。これらの弁は、送風機８１０からこれら３つの経路へ流れる空気の比率を制御する。
約３０℃の大気は、大気が最初に加熱されるアノードオフガスヒータへ、次いで大気がさらに加熱される空気予熱器１５０へと流れる。これは、カソード注入ガス流体流路Ｃ内で最も熱い点である。空気は、約８００～９００℃であってもよい主に廃ガス燃焼機からの排気により高温まで加熱される。
この熱い空気は、空気バイパス経路２４０からの冷たい空気と混合器８３０内で混合される。混合器８３０からの排出空気は、５００と６００℃との間であってもよい。排出空気は、改質器熱交換器を通過して、改質された燃料を約４００と５００℃との間に加熱させ、そして空気は同様の温度で（又はその温度よりも約１５～２５℃高い温度まで、しかし説明されるように、空気は改質された燃料の温度よりも低い温度で出てもよい）改質器熱交換器から出る。
改質器熱交換器酸化剤排出口１６２と燃料電池スタックカソード注入口６１との間に、注入部としてバイパス経路２６０を有し、もう１つの注入部としてホットバイパス４０１を有するさらなる混合器８４０がある。ホットバイパス経路は、スロットル、チョーク又は絞り弁４１０を有する。
バイパス経路２６０からの冷たい空気とホットバイパス４０１からの熱い空気とを混合した後では、燃料電池スタックカソード注入口６１における温度は、約５００と約６００℃との間である。したがって、燃料電池スタックカソード注入口６１における温度Ｔ１は、燃料電池スタックアノード注入口４１における温度Ｔ３よりも高い。
送風機８１０からのすべての空気が使用され、そのため送風機はその最大効率まで使用される。燃料電池スタックカソード及びアノード注入口温度は、空気バイパス弁８２０及び８２１により慎重に制御されてもよく、そして送風機８１０へ供給される電力は、これらの弁からの要求量に一致するように削減されてもよい。
代替の実施形態では、ホットバイパス４０１が省略され、そして改質器熱交換器は、空気バイパス注入ガス流路２６０からの空気と混合する前に、カソード注入ガス流体流路からの酸化剤の温度よりも低い温度まで燃料を加熱するように変更される。改質器熱交換器１６０は、例えば、空気の排出口温度まで燃料を完全には加熱しない短縮した平行流熱交換器であってもよい。或いは、改質器熱交換器は、経路に沿ったすべての点において一次（加熱用）経路と二次（加熱された）経路との間で温度差がある一方通行熱交換器であってもよい。他の装置が可能である。このような実施形態の動作が、図９に図示され、図９は空気が燃料よりも熱い状態で改質器熱交換器から出てくる燃料及び空気を示し、送風機２１０”（図４）又はバイパス弁８２１（図８）の制御下で、出てくる空気がカソード注入ガス流体流路からの酸化剤と制御された方式で混合されるにつれて低下する温度を示す。
好ましい実施形態では、絞り弁又はスロットル４１０が固定されることが説明されてきている。これは、熱いガスの流れを制御することが、頻繁な保守又は交換の傾向がある高価な制御弁を必要とするためである。この理由で、小さなシステムでは、改質器を出る空気の温度を燃料の温度よりも高い温度にさせ、次いで混合することにより必要とされる温度まで冷却することが好ましい。
代わりとして、特に大きなシステムでは、燃料電池スタックカソード注入口６１を燃料電池スタックアノード注入口４１の温度よりも高い所望の温度にさせるように熱いカソードガスの必要な量だけが改質器をバイパスすることを可能にするために、スロットル４１０は、コントローラ２００又は８００により制御されてもよい。この配置は、１０又は２０ｋＷよりも大きい電力を発電するシステムでは好ましいことがある。そのようなシステムでは、大きな効率からのエネルギー節約は、熱い流れ制御部品の費用が省エネルギーにより凌がれ得るようである。
このようにして、ホット改質器バイパスを有し、そしてコールドプレ及びポスト改質器バイパスを有する燃料電池システムが説明されてきており、並びにこれらの様々な代替の組み合わせ（ポスト改質器バイパスを有しプレ改質器バイパスのないホットバイパス；ポスト改質器バイパス及び任意選択的なプレ改質器バイパスを有するホットバイパスがない；ポスト改質器バイパス及び任意選択的なプレ改質器バイパスを有するホット制御可能バイパス）が説明されてきている。いくつかの実施形態では、燃料は、改質器において改質器排出口における酸化剤の温度よりも低い温度まで加熱される。例えば、対向流改質器熱交換器の場合には、ホットバイパス流が大きくなる必要があるはずであり、そしてコールドプレ改質器バイパスの流れが大きくなるはずである。これらは、システム内の小さな圧力低下又は小型化の点で実際に有利なことがある。
蒸気改質以外の異なるタイプの改質反応が使用されるシステム暖機運転選択肢が提供されてもよい。例えば、ＣＰＯＸ改質が、通常動作でＳＭＲに戻る前に使用されてもよい。これは、アノードオフガス再循環を好ましくは含むはずである。これは、スタック２０とＴＧＢ８０との間の任意の点においてストリーム「Ｂ」からの流れの一部を取り、それを改質器７０の注入口へと送り込むことにより実施されるはずである。
関連する変更は、蒸発器熱交換器１７０を不要にすることを含む。
本発明は、上記の実施形態だけに限定されない、そして他の実施形態が、別記の特許請求の範囲から乖離せずに当業者には容易に明らかになるであろう。

Claims (17)

  1. （ｉ）少なくとも１つの中間温度固体酸化物燃料電池を備え、アノード注入口（４１）、カソード注入口（６１）、アノードオフガス排出口（４２）及びカソードオフガス排出口（６２）を有する少なくとも１つの燃料電池スタック（３０）と、
    （ｉｉ）炭化水素燃料をリフォーメートへ改質するための改質器（７０）、任意選択的に蒸気改質器であって、アノード注入ガス用の改質器注入口（７１）、アノード注入ガスを排気するための改質器排出口（７２）及び改質器熱交換器（１６０）を有する改質器（７０）と
    を備え、
    （ａ）燃料源（９０）から前記改質器（７０）へ、前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノード注入口（４１）へのアノード注入ガス流体流路と、
    （ｂ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノードオフガス排出口（４２）から燃料電池システム排気部（１８０）へのアノードオフガス流体流路と、
    （ｃ）少なくとも１つの酸化剤注入口（１４０、１４０’、１４０”）から少なくとも１つのカソード注入ガス熱交換器（１１０、１５０）を通り前記改質器熱交換器（１６０）へ、前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード注入口（６１）へのカソード注入ガス流体流路と、
    （ｄ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソードオフガス排出口（６２）から前記燃料電池システム排気部（１８０）へのカソードオフガス流体流路と
    を定め、
    前記少なくとも１つのカソード注入ガス熱交換器（１１０、１５０）が、比較的高温のカソード注入ガスを与えるために、（ｉ）前記アノードオフガス流体流路と（ｉｉ）前記カソードオフガス流体流路とのうちの少なくとも一方からの熱の移動により比較的低温のカソード注入ガスを加熱するように配置される、燃料電池システムにおいて、
    前記改質器熱交換器が前記カソード注入口における温度Ｔ１よりも低い前記アノード注入口における温度Ｔ３へと前記比較的高温のカソード注入ガスからの前記アノード注入ガスを加熱するために配置されることを特徴とし、
    前記アノード注入口（４１）における温度Ｔ３に対して前記カソード注入口（６１）における温度Ｔ１をＴ３よりも高いレベルで制御するために、前記又は各々の酸化剤注入口（１４０、１４０’、１４０”）からの低温の酸化剤を高温のカソード注入ガスと制御して混合するための酸化剤流制御手段（２００）、
    により特徴付けられる、燃料電池システム。
  2. 前記酸化剤流制御手段（２００）が、前記温度Ｔ１を低下させるように前記カソード注入口（６１）において酸化剤注入口（１４０”）からの低温の酸化剤の混合を制御するために配置される、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記酸化剤流制御手段（２００）が、前記温度Ｔ３も低下させながら前記温度Ｔ１を低下させるように、前記改質器熱交換器（１６０）への入力部において酸化剤注入口（１４０’）からの低温の酸化剤の混合を制御するために配置される、請求項１又は２に記載のシステム。
  4. 前記改質器熱交換器が、カソード注入ガスに前記改質器熱交換器をバイパスさせ、前記カソード注入ガスをカソード注入口において温度Ｔ１まで上昇させることに寄与する、ためのホットバイパスを備える、
    請求項１に記載のシステム。
  5. 前記ホットバイパスが、プリセット開口絞り弁を備える、請求項４に記載のシステム。
  6. 前記ホットバイパスカソード注入ガスが、低温の酸化剤を混合することに先立って前記カソード注入ガス流体流路から引き込まれる、請求項４又は５に記載のシステム。
  7. 前記ホットバイパスが、制御可能な絞り弁を備える、請求項４に記載のシステム。
  8. 前記酸化剤流制御手段（２００）が、前記改質器排出口（７２）における燃料温度を示す改質器温度入力（７１０）及び改質器設定値入力（７１１）から改質器バイパス空気流要求出力信号（７１５）を導き出すように配置される、請求項１～７のいずれか一項に記載のシステム。
  9. 前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノード及びカソードオフガス排出口と流体流れ連通し、廃ガス燃焼機排気部（８１）を有し、前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノード及びカソードオフガス排出口から前記廃ガス燃焼機排気部（８１）へ、前記排気部（１８０）への流体流路を定める廃ガス燃焼機（８０）をさらに備え、廃ガス燃焼機排気温度（ＴＴＧＢ）を検知するための廃ガス燃焼機排気温度センサをさらに備え、前記酸化剤流制御手段が、前記改質器温度入力及び前記改質器設定値入力から廃ガス燃焼機排気温度設定値を導き出すようにさらに配置される、請求項８に記載のシステム。
  10. 前記廃ガス燃焼機排気温度が、前記酸化剤流制御手段により与えられるような前記廃ガス燃焼機排気温度設定値よりも低いときに、前記廃ガス燃焼機への燃料の供給を増加するように前記廃ガス燃焼機排気温度設定値及び前記廃ガス燃焼機排気温度から導き出される燃料要求アクチュエータコマンドを与えるための廃ガス燃焼機制御手段をさらに備える、請求項９に記載のシステム。
  11. 第１及び第２の酸化剤混合器を備え、前記第１の混合器が前記改質器熱交換器への注入口において酸化剤注入口（１４０’）からの低温の酸化剤を混合するために配置され、前記第２の混合器が改質器熱交換器排出口及びカソード注入口において酸化剤注入口（１４０”）からの低温の酸化剤を混合するために配置される、請求項１～１０のいずれか一項に記載のシステム。
  12. 前記カソード注入ガス流体流路が、常温空気入力での定常状態動作において最も熱い点で７５０～８５０℃の温度を有する、請求項１～１１のいずれか一項に記載のシステム。
  13. Ｔ１が、常温空気入力での定常状態動作において、５０℃と１５０℃との間でＴ３よりも高くなるように制御される、請求項１～１２のいずれか一項に記載のシステム。
  14. Ｔ１が、常温空気入力での定常状態動作において、５００℃と６００℃との間になるように制御される、請求項１～１３のいずれか一項に記載のシステム。
  15. Ｔ３が、常温空気入力での定常状態動作において、４００℃と５００℃との間になるように制御される、請求項１～１４のいずれか一項に記載のシステム。
  16. 前記改質器熱交換器が、並行流又は平行熱交換器である、請求項１～１５のいずれか一項に記載のシステム。
  17. （ｉ）少なくとも１つの中間温度固体酸化物燃料電池を備え、アノード注入口（４１）、カソード注入口（６１）、アノードオフガス排出口（４２）及びカソードオフガス排出口（６２）を有する少なくとも１つの燃料電池スタック（３０）と、
    （ｉｉ）炭化水素燃料をリフォーメートへ改質するための改質器であって、アノード注入ガス用の改質器注入口（７１）、アノード注入ガスを排気するための改質器排出口（７２）及び改質器熱交換器（１６０）を有する改質器（７０）と、
    を有し、
    （ａ）燃料源（９０）から前記改質器（７０）へ、前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノード注入口（４１）へのアノード注入ガス流体流路と、
    （ｂ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノードオフガス排出口（４２）から燃料電池システム排気部（１８０）へのアノードオフガス流体流路と、
    （ｃ）少なくとも１つの酸化剤注入口（１４０、１４０’、１４０”）から少なくとも１つのカソード注入ガス熱交換器（１１０、１５０）を通り前記改質器熱交換器（１６０）へ、前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード注入口（６１）へのカソード注入ガス流体流路と、
    （ｄ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソードオフガス排出口（６２）から前記燃料電池システム排気部（１８０）へのカソードオフガス流体流路と
    を定める
    燃料電池を動作させる方法であって、
    比較的高温のカソード注入ガスを与えるために、（ｉ）前記アノードオフガス流体流路と（ｉｉ）前記カソードオフガス流体流路とのうちの少なくとも一方からの熱交換により比較的低温のカソード注入ガスを加熱するステップと、
    前記カソード注入口における温度Ｔ１よりも低い前記アノード注入口における温度Ｔ３へと前記比較的高温のカソード注入ガスからの前記アノード注入ガスを加熱するステップと、
    前記カソード注入口（６１）における前記温度Ｔ１をＴ３よりも高いレベルで制御するために、前記又は各々の酸化剤注入口（１４０、１４０’、１４０”）からの低温の酸化剤を高温のカソード注入ガスと制御して混合するステップと
    を含む、方法。
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