JP3239153U - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックを含む燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池を含み、アノード入口、カソード入口、アノードオフガス出口、およびカソードオフガス出口を有する燃料電池スタックを含む。燃料電池システムは、燃料を改質物に改質する改質装置と、カソード入口ガスを加熱する為の予熱装置と、熱源ガスを提供する為の熱源とを更に備え、改質装置は、アノード入口ガス用の改質装置入口と、アノード入口ガスを排出する為の改質装置出口と、改質装置熱交換器と、を備える。前記熱源から前記改質装置熱交換器までの熱源ガス主流体流路と、前記熱源ガス主流体流路から前記改質装置熱交換器の上流で分岐し、前記熱源ガスの一部分を前記改質装置の周りで前記予熱装置の予熱装置熱交換器に分流させるように配置された熱源ガスバイパス流体流路と、を備える。
【選択図】図２

Description

本考案は、燃料電池システムに関する。

考案の背景

燃料電池の教示、燃料電池スタック、燃料電池スタックアセンブリ、および熱交換器システム、配置および方法は、当業者に周知であり、特に、ＷＯ２００８／０１５４６１、ＷＯ２００８／０５３２１３、ＷＯ２００８／１０４７６０、ＷＯ２００８／１３２４９３、ＷＯ２００９／０９０４１９、ＷＯ２０１０／０２０７９７、ＷＯ２０１０／０６１１９０、ＷＯ２０１５／００４４１９Ａ１およびＲ．Ｊ．Ｂｒａｕｎ，Ｓ．Ａ．Ｋｌｅｉｎ＆Ｄ．Ｔ．Ｒｅｉｎｄｌ，による、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ誌（Ｖｏｌｕｍｅ １５８、Ｉｓｓｕｅ ２、２００６年８月２５日、Ｐａｇｅｓ １２９０－１３０５）に掲載されており、刊行物「住宅用途における固体酸化物燃料電池ベースのマイクロ結合熱および電力発生装置のシステム構成の評価」を含むが、これらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。本明細書で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すことができる。

炭化水素を燃料とする燃料電池システム、たとえば、燃料電池スタックが４５０－６５０℃の範囲（中間温度固体酸化物燃料電池；ＩＴ－ＳＯＦＣ）で（より具体的には５２０－６２０℃の温度範囲で）動作するＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）システムを動作させると、一連の困難な技術的問題が生じる。

このようなシステムでは、改質装置での水蒸気改質が典型的に使用されて、炭化水素燃料流（例えば天然ガス）を水素に富む改質物ストリームに変換し、これが燃料電池スタックのアノード入口に送られる。Ｊ．Ｂｒａｕｎ，Ｓ．Ａ．Ｋｌｅｉｎ＆Ｄ．Ｔ．Ｒｅｉｎｄｌによる刊行物は、炭化水素燃料がスタックのアノード入口に分配される前に水素に富む改質物ストリームに改質される１つのそのようなシステム（図１に示される）を開示している。このようなシステムでは、炭化水素燃料を改質する為の改質装置の加熱ニーズを提供するために、燃料電池からの排出ガスが使用される。

燃料電池システム（図１参照）の典型的な定常状態動作は、燃料電池スタック１０５の天然ガスに改質するために、メタンのような燃料を改質装置１３４に供給することを含む。動作中、改質装置には、改質装置内部での改質反応を促進するために、燃料電池からの排出ガスの燃焼によって発生される熱が燃料電池の燃料側（アノード１２０）および空気側（カソード１１０）の両方から供給される。生成された水素に富む改質物は、その後、燃料電池スタックのアノード入口１２６に送られる。改質装置からの過剰な熱は、燃料電池システムの他の構成要素に熱を提供するために使用されてもよい。たとえば、過剰な熱は、蒸気発生装置１３７に提供することができるが、蒸気発生装置１３７は、改質装置のすぐ下流に置かれ、改質装置に過熱蒸気を提供するように構成されている。

また、これらのシステムの一部は、改質装置に加えて部分酸化（ＰＯＸ）反応装置を使用し、アノード入口まで分配する為に、炭化水素燃料供給部から燃料に富むストリームを生成する。ＪＰ２０１２２４３５６４は、炭化水素燃料供給源が酸化剤を用いてＰＯＸ反応装置内で部分的に酸化されて分子水素および一酸化炭素を生成するようなシステムの一例である。ＪＰ２０１２２４３５６４では、ＰＯＸ反応装置の産出量は蒸気改質装置に送られ、続いてスタックのアノード入口に送られる。

燃料電池に水素を供給することに加えて、燃料電池内で発生する化学処理が適切な温度に維持されることを確保することも必要である。燃料電池内の温度を調整するための従来の方法は、燃料電池の入口空気の温度およびカソード側の流量を制御することによる。図１の例では、改質装置１３４からの過剰な熱も予熱装置１６２に送られるが、この予熱装置１６２は、蒸気発生装置１３７のすぐ下流に置かれ、空気が燃料電池スタックカソード入口１３１に送られる前に空気を加熱するように構成されている。

排出ガスが燃焼されて改質装置および燃料電池のカソード側の両方に熱を提供する燃料電池システムにおいては、燃焼すべき排出ガスの量と、改質装置および燃料電池のカソード側をそれぞれ加熱するために使用されるべき結果として生じる熱の割合に関して、熱バランスが達成されなければならない。前記熱バランスを達成できないと、燃料電池がアノードおよびカソードにわたって大きな熱勾配を有することになる可能性がある。燃料電池を横切る大きな熱勾配は、特に、燃料電池が（燃料と酸化剤の両方が燃料電池のそれぞれの側面を横切って同じ方向に流れる）並行流構成で動作しているときに、燃料電池の最適な動作を妨げる。

本考案は、従来技術の欠点の少なくとも１つに対処し、克服し、または緩和しようとするものである。

本考案によれば、添付の独立クレームに定義される燃料電池システムが提供される。さらに好ましい特徴は、添付の従属クレームに定義されている。

本考案の第１の態様によれば、以下を含む燃料電池システムが提供される。
（ｉ）少なくとも一つの燃料電池を備え、アノード入口、カソード入口、アノードオフガス出口、カソードオフガス出口を有し、アノード入口ガス、カソード入口ガス、アノードオフガスおよびカソードオフガスの流れの為の別個の流路を画定する、少なくとも１つの燃料電池スタックと、
（ｉｉ）アノード入口ガス用の改質装置入口と、アノード入口ガスを排出する為の改質装置出口と、改質装置熱交換器と、を備える、燃料を改質物に改質する為の改質装置と、
（ｉｉｉ）カソード入口ガス用の予熱装置入口と、カソード入口ガスを排出する為の予熱装置出口と、予熱装置熱交換器と、を備える、カソード入口ガスを加熱する為の予熱装置と、
（ｉｖ）熱源ガスを提供する為の熱源、
を備え、燃料電池システムは、
（ａ）燃料源から改質装置、前記少なくとも１つの燃料電池スタックのアノード入口までのアノード入口ガス流体流路と、
（ｂ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックのアノードオフガス出口から燃料電池システムの排出部までのアノードオフガス流体流路と、
（ｃ）カソード入口ガス源から前記予熱装置、前記少なくとも１つの燃料電池スタックのカソード入口までのカソード入口ガス流体流路と、
（ｄ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックのカソードオフガス出口から前記燃料電池システムの排出部までのカソードオフガス流体流路と、
（ｅ）前記熱源から前記改質装置熱交換器、前記予熱装置熱交換器までの熱源ガス主流体流路と、
（ｆ）前記改質装置熱交換器の上流で前記熱源ガス主流体流路から分岐し、前記改質装置の周りで前記熱源ガスの一部分を前記予熱装置熱交換器に分流させるように配置された熱源ガスバイパス流体流路と、
を画定し、
前記改質装置熱交換器は、前記アノード入口ガスと前記熱源ガスとの間で熱を交換するように配置され、前記予熱装置熱交換器は、前記カソード入口ガスと前記熱源ガスとの間で熱を交換するように配置されている。

熱源ガスバイパス流体流路は、改質装置熱交換器の上流で前記熱源ガス主流体流路から分岐または分割し、それによって前記熱源ガスの一部分を前記改質装置の周りに分流させ、その一部分内にある程度の高い熱を保存する。熱源ガスバイパス流体流路は、前記改質装置熱交換器をバイパス（迂回）するように作用する。熱源ガスバイパス流体流路は、改質装置熱交換器の下流で予熱装置熱交換器の上流の熱源ガス主流体流路と再結合することができる。

熱源ガスバイパス流体流路は、熱源源と前記改質装置熱交換器との間に置かれたバイパス入口において、（前記熱源ガス主流体流路を画定する）熱源ガス主流体流路と交差（または合流）し得るバイパス導管によって画定されてもよい。前記バイパス導管は、前記改質装置熱交換器と前記予熱装置熱交換器との間に置かれたバイパス出口において、（前記熱源ガス主流体流路を画定する）前記熱源ガス流体流路と再び交差（または再合流）してもよい。

前記改質装置熱交換器は、（ｉ）前記熱源および前記予熱装置熱交換器と、（ｉｉ）前記燃料源および前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノード入口と流体流連通することができる。好ましくは、前記予熱装置熱交換器は、（ｉ）前記熱源および前記燃料電池システムの排出部、ならびに（ｉｉ）前記カソード入口ガス源および前記少なくとも１つの燃料電池スタックのカソード入口と流体流連通している。

燃料電池システムは、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システムであってもよい。次いで、少なくとも１つの燃料電池スタックは、少なくとも１つの固体酸化物燃料電池を備えてもよい。燃料電池システムは、金属支持固体酸化物燃料電池（ＭＳ－ＳＯＦＣ）システムであってよい。次いで、少なくとも１つの燃料電池スタックは、少なくとも１つの金属支持固体酸化物燃料電池（ＭＳ－ＳＯＦＣ）を備えてもよい。燃料電池システムは、金属支持中間温度固体酸化物燃料電池システムであってもよい。次いで、少なくとも１つの燃料電池スタックは、少なくとも１つの金属支持中間温度固体酸化物燃料電池を備えてもよい。

前記熱源ガスバイパス流体流路に分流される前記熱源ガスの一部分は、受動的に制御されてもよい。バイパス入口は、前記熱源と前記改質装置熱交換器との間の前記熱源ガス主流体流路に合流し、バイパス出口は、前記改質装置熱交換器と前記予熱装置熱交換器との間の前記熱源ガス主流体流路に合流してもよい。前記熱源ガスバイパス流体流路は、前記熱源ガスバイパス入口と前記熱源ガスバイパス出口との間の収縮部を備えてもよい。前記収縮部は、オリフィスプレートを備えてもよい。前記バイパス入口と前記バイパス出口との間の熱源ガス主流体流路を横切る圧力降下は、前記熱源ガスの前記一部分を前記熱源ガスバイパス流体流路を通して前記改質装置の周りに流れさせてもよい。

燃料電池システムは、前記熱源ガスバイパス流体流路に分岐される前記熱源ガスの一部分の受動制御を提供する受動流スプリッタを更に備えてもよい。受動流スプリッタは、前記熱源ガス主流体流路と前記熱源ガスバイパス流体流路との接合部によって提供されてもよい。受動流スプリッタは、バイパス入口において、前記熱源ガス主流体流路と前記熱源ガスバイパス流体流路との間の接合部によって提供されてもよい。

燃料電池システムは、改質装置に蒸気を提供する為の蒸気発生装置を更に備えてもよく、蒸気発生装置は水源と流体連通する水入口と、前記改質装置熱交換器と前記予熱装置熱交換器との間の熱源ガス主流体流路内に配列され、前記熱源ガスと前記水源からの水との間で熱を交換して蒸気を発生する蒸気発生装置熱交換器と、前記改質装置と流体連通する蒸気出口と、を備える。

バイパス出口は、前記蒸気発生装置と前記予熱装置熱交換器との間の前記熱源ガス主流体流路に合流してもよい。バイパス出口は、前記改質装置熱交換器と前記蒸気発生装置との間の前記熱源ガス主流体流路に合流してもよい。

前記熱源ガスバイパス流体流路を流れる前記熱源ガスの一部分は、前記熱源ガスの容積比で１０－２５％であってもよい。

燃料電池スタックは、並行流構成で動作するように構成されてもよく、ここで、アノード入口ガスは、カソード入口ガスがカソード入口からカソードオフガスに流れるのと同じ方向に、アノード入口からアノードオフガスに流れる。

熱源は、前記少なくとも１つの燃料電池スタックのアノードおよびカソードオフガス出口と流体流連通するバーナーを含み、熱源ガスを排出するためのバーナー排出部を有する。前記熱源ガス主流体流路は、前記バーナー排出部から、前記改質装置熱交換器、前記予熱装置熱交換器、前記燃料電池システム排出部まで通過させてもよい。

アノードオフガス流体流路は、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出口から前記バーナーのアノードオフガス入口まで通過させてもよい。カソードオフガス流体流路は、前記少なくとも１つの燃料電池スタックのカソードオフガス出口から前記バーナーのカソードオフガス入口まで通過させてもよい。バーナーは、前記少なくとも１つの燃料電池スタックのアノードおよびカソードオフガス出口から、前記バーナー排出部、前記改質装置熱交換器、前記予熱装置熱交換器、前記燃料電池システム排出部まで、流体流路を画定させてもよい。

熱源ガスバイパス流体流路は、前記熱源と前記予熱装置入口との間に置かれたバイパス導管を備えてもよい。バイパス導管の入口は、前記熱源と前記改質装置熱交換器との間の熱源ガス主流体流路に接続されてもよい。バイパス導管の入口は、熱源ガス主流体流路よりも小さい横断面を有してもよい。バイパス導管は、入口と出口と、それらの間に圧力降下を設定するための入口と出口との間の収縮部と、を有してもよい。バイパス導管の出口は、前記改質装置熱交換器と前記予熱装置熱交換器との間の熱源ガス主流体流路に接続されてもよい。バイパス導管の出口は、前記蒸気発生装置の出口と前記予熱装置熱交換器の入口との間の熱源ガス主流体流路に接続されてもよい。バイパス導管の出口は、前記改質装置の出口と前記蒸気発生装置の入口との間の熱源ガス主流体流路に接続されてもよい。

本発明の第２の態様によれば、燃料電池システムを動作させる方法が提供されるが、この燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池を備え、アノード入口、カソード入口、アノードオフガス出口、カソードオフガス出口を有する少なくとも１つの燃料電池スタックを含み、以下のステップを含む：
（ｉ）燃料源から改質装置まで、アノード入口ガスを前記アノード入口に通過させるステップ、
（ｉｉ）カソード入口ガス源から予熱装置まで、カソード入口ガスを前記カソード入口に通過させるステップ、
（ｉｉｉ）熱源から前記改質装置の改質装置熱交換器まで、熱源ガスを通過させて、前記熱源ガスと前記アノード入口ガスとの間で熱を交換させるステップ、および、
（ｉｖ）前記熱源からの前記熱源ガスの一部分を前記改質装置をバイパスさせて前記予熱装置の予熱装置熱交換器に通過させ、前記熱源ガスの前記一部分と前記カソード入口ガスとの間で熱を交換させるステップ。

図１は、従来技術の燃料電池システムの概略図である。 図２は、本考案による燃料電池システムの概略図である。 図３は、本考案明による燃料電池システムの概略図である。 図４は、本考案による燃料電池システムのバイパスの入口の概略図である。 図５は、本考案による燃料電池システムのバイパスの出口の概略図である。 図６は、本考案による燃料電池システムを定常状態で動作させる方法を示す。 以下の図および説明において、同様の参照番号は、異なる図における同様の要素に対して使用される。

詳細な説明

例示のみを目的として、図は単一の燃料電池のみを表示する。様々な実施形態では、複数の燃料電池が提供される。さらなる実施形態（図示せず）では、複数の燃料電池スタックが提供され、さらに更なる実施形態では、それぞれが多数の燃料電池を含む多数の燃料電池スタックが提供される。アノードおよびカソードの入口、出口（オフガス）、ダクト、およびマニホールド、ならびにそれらの構成は、かかる実施形態に応じて適宜修正され、当業者には容易に明らかであることが理解されるであろう。

図２を参照すると、燃料電池システム２００の概略図が示されている。燃料電池システム２００は、「燃料電池スタック」とも呼ばれる燃料電池ユニットのスタック２０５を含む。複数の電池ユニットは、電池ユニットのスタックを形成する。各電池ユニットは、アノード２２０と、カソード２１０と、アノード２２０とカソード２１０との間に位置する電解質２１５とを含む。アノード２２０、電解質２１５、およびカソード２１０は、共に、電気化学的活性層、活性電気化学電池層、または電気化学的活性領域と呼ばれてもよい。電解液２１５は、アノード２２０とカソード２１０との間で、負の酸素イオンまたは正の水素イオンのいずれかを伝導する。スタック２０５は、固体酸化物電解質、高分子電解質膜、または溶融電解質、または電気化学的に可能な任意の他の変形例のうちの１つに基づく燃料電池ユニットのスタックを備えてもよい。

スタック内の各電池ユニットは、導電性ガス不透過性金属相互接続プレート（相互接続部）（図示せず）によって分離されている。相互接続プレートは、スタックの各電池ユニット内の酸化剤流体容積を燃料流体容積から分離し、通常、たとえば、間隔を置いたチャネルおよびリブ、または間隔を置いたディンプルのパターンを備えた３Ｄ輪郭構造を備えて、流体の流れを制御する。スタック内の隣接する電池ユニット間の相互接続プレートは、触媒を用いて、所与の電池ユニットのアノードに面する側でコーティングすることができるが、この触媒は、改質されていない炭化水素燃料の水蒸気改質を触媒してスタック内に水素ガスを生成するように構成されている。改質触媒は、内部改質装置と称することができる。一実施例において、スタック内の各電池ユニットは、相互接続構造（例えば、上述のセパレータおよび／または相互接続部）によって隣接する電池ユニットから分離され、相互接続構造は、隣接する電池ユニットのアノードと流体連通する側にコーティングを有し、コーティングは、改質触媒を含み、スタック内で使用するために燃料を水素に改質するように構成されている。改質触媒は、水蒸気改質触媒、たとえば、白金および／またはロジウムであってよい。また、この触媒は、無視できる程度の水が存在するとき、第１の閾値温度を超える始動の間に分解（ｃｒａｃｋｉｎｇ）を触媒することができる。

図２の実施例においては、各電池ユニットは、固体酸化物電解質が金属基板プレート（図示せず）によって支持されている金属支持固体酸化物燃料電池であり、したがって、金属支持固体酸化物燃料電池（ＭＳ－ＳＯＦＣ）と呼ぶことができる。金属基板プレートは、それに結合された電気化学的活性層（即ち、動作中に電気化学反応が起こる層）を支持し、電気化学的活性層は、それにコーティングされ、堆積され、または他の方法で付けられてもよく、したがって、電池ユニットは、金属支持電池ユニットと呼ばれてもよい。具体的には、各電池ユニットは、米国特許第６７９４０７５号明細書に教示されているように、金属支持中間温度固体酸化物燃料電池（ＩＴ－ＳＯＦＣ）型燃料電池である。

燃料電池スタック２０５は、アノード入口２２６と、カソード入口２３１と、アノードオフガス出口２２７と、カソードオフガス出口２３２とを有し、アノード入口ガス（即ち、燃料）、カソード入口ガス（即ち、酸化剤）、アノードオフガスおよびカソードオフガスの流れの為に別個の流路を画定する。燃料電池システム２００は、並行流構成で動作し、アノード入口ガスは、カソード入口ガスがカソード入口からカソードオフガスに流れるのと同じ方向に、アノード入口からアノードオフガスまで各電池を通って流れる。

燃料電池システム２００は、改質されていない炭化水素燃料を改質物に改質するための改質装置２３４と、カソード入口ガス（即ち、酸化剤）を加熱する為の予熱装置２６２（空気予熱装置としても知られる）と、を更に備える。改質装置２３４は、アノード入口ガスの為の改質装置入口と、アノード入口ガスを排出する為の改質装置出口と、改質装置熱交換器とを備える。この特定の実施形態において、改質装置熱交換器は平行または並行流熱交換器である。予熱装置２６２は、カソード入口ガスの為の予熱装置入口と、カソード入口ガスを排出する為の予熱装置出口と、予熱装置熱交換器とを備える。燃料電池システム２００は、燃料電池システム２００の一つ又は複数の他の構成要素に高温ガスを提供する為の熱源２５５を更に備える。

アノード入口ガス流体流路Ａは、燃料源から改質装置２３４、スタックアノード入口２２６まで画定されている。アノードオフガス流体流路Ｂは、スタックアノードオフガス出口２２７から燃料電池システムの排出部２９０まで画定されている。カソード入口ガス流体流路Ｃは、カソード入口ガス源から予熱装置２６２、スタックカソード入口２３１まで画定されている。カソードオフガス流体流路Ｄは、スタックカソードオフガス出口２３２から燃料電池システム排出部２９０まで画定されている。燃料電池システム２００は、少なくとも改質装置熱交換器および予熱装置熱交換器を介して熱源２５５から燃料電池システム排出部２９０まで熱源ガス流体流路Ｅを更に備える。

次いで、燃料電池システム２００は、改質されていない炭化水素燃料の供給を提供する燃料源（図示せず）に接続するように構成された燃料入口２３０を備え、燃料入口２３０は改質装置２３４と流体流連通している。脱硫器２３２および／または混合器２３３もまた、改質装置２３４の上流のアノード入口ガス流体流路Ａ内に置かれてもよい。改質装置２３４のアノード入口ガス出口２３５は、スタック２０５内部の改質された燃料をスタック２０５内部の電池ユニットのアノード側（燃料容積とも呼ばれる）に分配するために、スタック２０５のアノード入口２２６と流体連通状態にある。スタック２０５のアノードオフガス出口２２７は、スタックに排出物を提供し、スタック２０５内の電池ユニットのアノード側から流体を除去することを可能にする。アノードオフガス出口２２７は、アノードオフガスがアノードオフガス流体流路Ｂを介してバーナー２５５に発送されるように、バーナー２５５と流体連通している。

燃料電池システム２００は、カソード入口ガス源（図示せず）に接続するように構成された酸化剤入口２６０を更に備え、酸化剤入口２６０は予熱装置２６２と流体連通している。酸化剤は、たとえば、空気又は酸素であってよい。酸化剤入口２６０は、酸化剤を予熱装置２６２に提供し、次いで、予熱装置出口は、スタック２０５内部の加熱された酸化剤を、スタック２０５内部の電池ユニットのカソード側（酸化剤容積とも呼ばれる）に分配するために、スタック２０５のカソード入口２３１と流体流連通している。スタック２０５のカソードオフガス出口２３２は、スタック２０５に排出物を提供し、スタック２０５内部の電池ユニットのカソード側から流体を除去することを可能にする。カソードオフガス出口２３２は、カソードオフガスがカソードオフガス流体流路Ｄを介してバーナー２５５に発送されるように、バーナー２５５と流体流連通している。

図２において、熱源は、テールガスバーナーまたはスワールバーナーなどのバーナー２５５によって提供され、これらはスタックアノードおよびカソードオフガス出口２２７、２３２と流体流連通しており、熱源として高温ガスを排出する為のバーナー排出部を有する。バーナー２５５は、アノードオフガス中の残りの可燃燃料およびカソードオフガス中の酸化剤を燃焼させるように構成される。燃焼によって発生された高温ガスは、バーナー２５５から排出され、燃料電池システム排出部２９０から排出される前に、熱源ガス流体流路Ｅを介して燃料電池システム２００の一つ又は複数の他の構成要素を通して再循環される。したがって、本実施形態において、アノードオフガス流体流路Ｂと、カソードオフガス流体流路Ｄと、熱源ガス流体流路Ｅとは、共通の構成要素を有し、かつ、バーナー２５５から燃料電池システム排出部２９０までの共通の流路を共有している。

燃料電池システム２００は、水入口２３９を通して水源によって供給される水を使用して蒸気を発生する為の蒸気発生装置２３７を更に備える。蒸気発生装置２３７は、燃料改質装置２３４のすぐ下流に置かれる。蒸気発生装置２３７によって発生された蒸気は、蒸気出口（図示せず）から排出され、混合器２３３に発送される。残りの排熱を運ぶ高温ガスは、排熱排出部（図示せず）を介して蒸気発生装置２３７から出て、予熱装置２６２に発送される。残留排熱を運ぶ高温ガスは、予熱装置２６２から排熱排出部を介して出て、燃料電池システム排出部２９０から排出される前に熱回収ユニット２７０に発送される。

定常状態動作条件は、４００－１０００Ｃ、好ましくは４５０－８００Ｃ、好ましくは５００－６５０Ｃの範囲の定常状態スタック温度を特徴とすることができる。定常状態動作中、改質装置２３４が熱源ガス流体流路Ｅ内の予熱装置２６２の上流にあるので、炭化水素燃料を改質すると共に酸化剤を十分に加熱するのに十分な熱エネルギが得られない状況が生じることがある。しかしながら、改質装置２３４が必要とする熱量に十分な余裕があれば、熱源ガスの一部分を改質装置２３４を通過して直接予熱装置２６２に分流させることが可能である。そのため、燃料電池システム２００は、熱源ガス主流体流路２４０と熱源ガスバイパス流体流路２５０とを備えている。熱源ガス主流体流路２４０は、熱源２５５から、改質装置熱交換器、予熱装置熱交換器、燃料電池システム排気２９０まで画定されている。熱源ガスバイパス流体流路２５０は、次に、熱源ガス主流体流路２４０から改質装置２３４の上流に分岐し、熱源ガスの一部分を改質装置２３４の周りで予熱装置熱交換器に分流させるように構成されている。従って、熱源ガスバイパス流体流路２５０は、改質装置２３４を迂回しながら、熱源および予熱装置熱交換器と流体連通している。従って、熱源ガス流体流路Ｅは、熱源ガス主流体流路２４０と熱源ガスバイパス流体流路２５０とに枝分かれする。

熱源ガスバイパス流体流路２５０を通って分流される熱源ガスの一部分は、熱源ガスバイパス流体流路２５０を通って分流される熱源ガスの量を能動的に制御するのに必要とされるようなセンサ、制御電子機器、機械弁等を必要とすることなく、受動的に制御される。具体的には、熱源ガスバイパス流体流路２５０は、熱源ガス主流体流路２４０と熱源ガスバイパス流体流路２５０との間のガス流比を誘導して、改質処理と空気流加熱との間の適切なバランスを可能にするように構成される。そのため、燃料電池システム２００は、熱源ガス主流体流路２４０と熱源ガスバイパス流体流路２５０との間で熱源ガスの流れを分岐する受動流スプリッタ２５１を備える。そして、熱源ガス主流体流路２４０と熱源ガスバイパス流体流路２５０とは、共通の構成要素を有し、熱源２５５から受動流スプリッタ２５１までの共通の流路を共有する。次いで、燃料電池システム２００は、熱源ガスバイパス流体流路２５０を横切る圧力降下が、熱源ガス主流体流路２４０を横切る圧力降下に対して、所望のガス流比を達成するように構成されてもよい。

熱源ガスバイパス流体流路２５０を通って分流される熱源ガスの一部分を受動的に制御するために、熱源ガスバイパス流体流路２５０の少なくとも一部分は、熱源ガス主流体流路２４０よりも小さい横断面積で構成されてもよい。改質装置２３４を横切る圧力降下により、熱源ガスの一部分は、次に、熱源ガスバイパス流体流路２５０を通って改質装置２３４の周りを流れる。代替的に又は追加的に、熱源ガスバイパス流体流路２５０は、熱源ガスバイパス流体流路２５０を横切る圧力降下を設定するための収縮部を備えて構成されてもよい。たとえば、収縮部はオリフィスプレートであってもよい。代替的に、収縮部は、熱源ガスバイパス流体流路２５０内に形成されたクリンプによって提供されてもよい。

また、燃料電池システム２００は、熱源ガスバイパス流体流路２５０を通る熱源ガスの流れを熱源ガス主流体流路２４０を通る流れと再結合する受動流結合器２５２を備えてもよい。また、熱源ガス主流体流路２４０および熱源ガスバイパス流体流路２５０は、共通の構成要素を有し、受動流結合器２５２から燃料電池システム排出部２９０までの共通の流路を共有してもよい。

動作中、熱源ガスバイパス流体流路２５０は、燃料電池スタック２０５全体の温度勾配を低減して、燃料電池スタック２０５の動作性能を高めるための機構を提供する。熱源ガスバイパス流体流路２５０を提供することによって、熱源ガスの一部分は改質装置２３４から離れて予熱装置２６２に分流され、これは、カソード入口２３１を介して燃料電池スタック２０５に入る酸化剤を加熱するように作用し、それによって、燃料電池スタックのカソード側の温度を上昇させる。また、熱源ガスの一部分を改質装置２３４から分流させることにより、アノード入口２２６で燃料電池スタック２０５に入る改質された燃料の温度を低下させることができる。

図２において、熱源ガスバイパス流体流路２５０は、バイパス導管２８０を備える。バイパス導管２８０は、バーナー２５５と改質装置２３４との間の熱源ガス流体流路Ｅに合流するバイパス入口２８１と、蒸気発生装置２３７と予熱装置２６２との間の熱源ガス流体流路Ｅに合流するバイパス出口２８２とを有する。バイパス出口２８２を予熱装置２６２の前に位置させることにより、バーナー２５５からの排出ガスの一部分を改質装置２３４の周りで予熱装置２６２に向け直すことができる。次いで、熱源ガスバイパス流体流路２５０は、バイパス入口２８１とバイパス出口２８２との間に画定されている。

バイパス導管２８０を通って分流される熱源ガスの一部分を受動的に制御するために、バイパス入口２８１は、熱源ガス主流体流路２４０よりも小さい横断面を有してもよい。代替的に又は追加的に、バイパス導管２８０は、バイパス入口２８１とバイパス出口２８２との間に収縮部を有してもよい。

図３を参照すると、燃料電池システム３００の概略図が示されている。燃料電池システム３００は、図２の燃料電池システム２００の変形例である。燃料電池システム３００は、燃料電池システム２００と実質的に同じである。ただし、燃料電池システム３００のバイパス導管３８０は、燃料電池システム３００のバイパス導管とは異なるように構成されている。前述したように、バイパス導管３８０は、バーナー３５５と改質装置３３４との間で熱源ガス流体流路Ｅを合流させるバイパス入口３８１を有する。その後、バイパス出口３８２は、改質装置３３４と蒸気発生装置３３７との間の熱源ガス流体流路Ｅに合流する。蒸気発生装置３３７の前にバイパス出口３８２を位置させることによって、バーナー３５５からの熱源ガスの一部分を改質装置２３４の周りで蒸気発生装置３３７に向け直し、次いで予熱装置３６２に向けることができる。次いで、熱源ガスバイパス流体流路３５０は、バイパス入口３８１とバイパス出口３８２との間に画定されている。

前述したように、バイパス導管３８０は、熱源ガス主流体流路３４０よりも小さな横断面で構成されてもよい。代替的に又は追加的に、バイパス導管３８０は、熱源ガスバイパス流体流路３５０を横切る圧力降下を設定するための収縮部（例えば、オリフィスプレートまたはクリンプ区間）を備えて構成されてもよい。

動作中、熱源ガスバイパス流体流路３５０は、燃料電池スタック３０５全体の温度勾配を低減して、燃料電池スタック３０５の動作性能を高めるための機構を提供する。熱源ガスバイパス流体流路３５０を提供することによって、熱源ガスの一部分は、改質装置３３４から、水入口３３９からの水を沸騰させる蒸気発生装置３３７に分流される。水の沸騰から生成された蒸気は、改質装置３３４に入る前に、改質されていない燃料と混合するために混合器３３３に向けられる。蒸気発生装置３３７によって消費されない過剰な熱は、その後、酸化剤が燃料電池スタック３０５に入る前に酸化剤を加熱するために予熱装置３６２に向けられる。このようにして分流された熱源ガスは、最初に蒸気発生装置３３７を通過し、次に予熱装置３６２を通過することにより、燃料電池のカソード側の温度を間接的に上昇させる。

燃料電池システム２００および燃料電池システム３００の両方において、熱源ガスバイパス流体流路２５０；３５０を通って流れる熱源ガスの一部分は、熱源ガスの１０ー２５％の容積を含んでもよい。好ましくは、熱源ガスバイパス流体流路２５０；３５０を通って流れる熱源ガスの一部分は、容積で熱源ガスの約１８ー２２％、より好ましくは約２０％を含むことができる。

図４を参照すると、燃料電池システム２００および燃料電池システム３００の熱源ガスバイパス流体流路２５０；３５０の入口の概略が示されている。熱源ガスバイパス流体流路２５０；３５０は、バイパス導管２８０；３８０を備えるが、このバイパス導管２８０；３８０は、バーナー２５５；３５５と改質装置２３４；３３４との間に熱源ガス流体流路Ｅの一部分を提供するパイプラインに接続する第１の端部を有する。図４を参照すると、パイプラインとバイパス導管２８０；３８０の第１の端部との間の接続は、「Ｔ」接合部を形成するが、この「Ｔ」接合部は、受動流スプリッタ２５１；３５１として作用し、熱源ガスバイパス流体流路２５０；３５０への入口を提供する。しかしながら、当業者に知られている他の形式の接続／接合も可能である。

図５を参照すると、燃料電池システム２００および燃料電池システム３００の熱源ガスバイパス流体流路２５０；３５０の出口の概略が示されている。バイパス導管２８０、３８０の第２の端部は、次のいずれかの間で熱源ガス流体流路Ｅの一部分を提供するパイプラインに接続される。

ｉ）蒸気発生装置２３７、３３７の出口（図示せず）と予熱装置２６２、３６２（図２）の入口（図示せず）、
または、
ｉｉ）改質装置２３４の出口２３６；３３６および蒸気発生装置２３７；３３７の入口（図３）。

図５を参照すると、パイプラインとバイパス導管２８０；３８０の第２の端部との間の接続は、「Ｔ’」接合部を形成するが、この「Ｔ’」接合部は、受動流結合器２５２；３５２として作用し、熱源ガスバイパス流体流路２５０；３５０からの出口を提供する。しかしながら、当業者に知られている他の形式の接続／接合も可能である。

図６を参照すると、燃料電池システムを定常状態で動作させる方法を示す流れ図であって、この燃料電池システムは、アノード入口、カソード入口、アノードオフガス出口、およびカソードオフガス出口を備えた燃料電池スタックを有する。図６に描写される方法は、図２および図３の燃料電池システムのような燃料電池システムに適用される。

定常状態の動作中、ステップ６０５において、燃料入口２３０；３３０からの改質されていない燃料は、改質装置２３４；３３４に供給されるが、これは、燃料電池システムの他の構成要素を通過することなく直接的に、または、脱硫器２３２；３３２および／または混合器２３３；３３３のような他の構成要素を最初に通過することによって間接的に供給される。改質装置２３４；３３４にも水蒸気が供給される。水蒸気および改質されていない燃料は、混合器２３３；３３３によって改質装置２３４；３３４に供給されてもよく、ここで水蒸気および改質されていない燃料は、最初に一緒に混合される。改質装置２３４；３３４および／または混合器２３３；３３３に供給される水蒸気は、水入口２３９；３３９からの水を沸騰させる蒸気発生装置２３７；３３７によって生成されてもよい。蒸気発生装置２３７；３３７は、改質装置２３４；３３４からの廃熱を使用して加熱することができる。あるいは、蒸気を生成するために使用される蒸気発生装置２３７；３３７は、機能するために別の熱源を使用してもよい。

ステップ６０５と同時に起こり得るステップ６１０において、燃料電池スタック２０５；３０５からの（カソード側およびアノード側の両方からの）排出ガスは、燃焼されるようにバーナー２５５；３５５に送られる。

ステップ６１５において、改質装置２３４；３３４に送られた改質されていない燃料および水蒸気は、加熱されて、改質されていない燃料を改質する。改質装置２３４；３３４に提供される熱は、ステップ６２０において、燃料電池スタック２０５；３０５からの（カソード側およびアノード側の両方からの）排出ガスを燃焼させたバーナー２５５；３５５から排出される熱源ガスの少なくとも一部分によって提供されてもよい。

ステップ６２５において、バーナー２５５；３５５から排出された熱源ガスの一部分は、熱源ガスバイパス流体流路２５０；３５０を介して改質装置２３４；３３４の周りで分流されて、燃料電池スタック２０５；３０５の為の酸化剤に更なる熱を提供する。バーナー２５５；３５５から排出された熱源ガスは、バイパス導管２８０；３８０を介して燃料電池スタック２０５；３０５に供給される酸化剤を加熱する為に予熱装置２６２；３６２に分流されてもよい。あるいは、バーナー２５５；３５５から排出された熱源ガスは、バイパス導管２８０；３８０を介して蒸気発生装置２３７；３３７に分流され、蒸気発生装置２３７；３３７に更に熱を提供して、改質装置２３４；３３４で使用する為の水蒸気を生成してもよい。

ステップ６３０において、改質装置２３４；３３４によって生成される改質された燃料（即ち、アノード入口ガス）は、燃料電池スタック２０５；３０５のアノード入口２２６；３２６に渡される。同時に、加熱された酸化剤（即ち、カソード入口ガス）は、改質された燃料および酸化剤が、燃料電池スタック２０５；３０５のそれぞれの側面を横切って同じ方向に流れるように、並行流構成で、燃料電池スタック２０５；３０５のカソード入口２３１；３２１に渡される。

ステップ６５０において、燃料電池スタック２０５のカソード入口２３１；３３１；３０５に流れる酸化剤は、予熱装置２６２；３６２の熱交換器によって加熱され、ここで、酸化剤は、改質装置２３４；３３４から排出された熱源ガスと、改質装置２３４；３３４の周りにバイパスされた熱源ガスの一部分との両方によって、熱源ガスバイパス流体流路２５０；３５０を介して加熱される。改質装置２３４；３３４から排出された熱源ガスの場合、これは、予熱装置２６２；３６２に直接送られてもよいし、蒸気発生装置２３７、３３７のような他の構成要素を最初に通過してもよい。後者の場合、蒸気発生装置２３７、３３７から排出された余剰の熱源ガスは、予熱装置２６２、３６２に提供されて酸化剤を加熱する。

本考案は上記の実施例のみに限定されるものではなく、他の実施例も添付の実用新案登録請求の範囲から逸脱することなく当業者には容易に明らかである。

本考案のこれらおよび他の特徴は、純粋に例示として上述されている。実用新案登録請求の範囲内で、考案を詳細に修正することができる。

一例として、図２および図３に示す実施形態において、バーナー２５５；３５５は、改質装置２３４；３３４、蒸気発生装置２３７；３３７および予熱装置２６２；３６２の為の熱源として使用され、その後、燃料電池システム排気部２９０から排出される。しかしながら、代替実施形態では、補助熱源を使用して、改質装置２３４；３３４、予熱装置２６２；３６２、任意で蒸気発生装置２３７；３３７に熱源ガスを提供することができる。

Claims (14)

1. （ｉ）少なくとも１つの燃料電池スタックと、
   （ｉｉ）燃料を改質物に改質する為の改質装置と、
   （ｉｉｉ）カソード入口ガスを加熱する為の予熱装置と、
   （ｉｖ）熱源ガスを提供する為の熱源と、
   を含む燃料電池システムであって、
   前記少なくとも１つの燃料電池スタックは、少なくとも一つの燃料電池を備え、アノード入口、カソード入口、アノードオフガス出口、カソードオフガス出口を有し、アノード入口ガス、カソード入口ガス、アノードオフガスおよびカソードオフガスの流れの為の別個の流路を画定し、
   前記改質装置は、アノード入口ガス用の改質装置入口と、アノード入口ガスを排出する為の改質装置出口と、改質装置熱交換器と、を備え、
   前記カソード入口ガスを加熱する為の予熱装置は、カソード入口ガス用の予熱装置入口と、カソード入口ガスを排出する為の予熱装置出口と、予熱装置熱交換器と、を備え、
   前記燃料電池システムは、
   （ａ）燃料源から、前記改質装置、前記少なくとも１つの燃料電池スタックのアノード入口までのアノード入口ガス流体流路と、
   （ｂ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックのアノードオフガス出口から、燃料電池システムの排出部までのアノードオフガス流体流路と、
   （ｃ）カソード入口ガス源から、前記予熱装置、前記少なくとも１つの燃料電池スタックのカソード入口までのカソード入口ガス流体流路と、
   （ｄ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックのカソードオフガス出口から、前記燃料電池システムの排出部までのカソードオフガス流体流路と、
   （ｅ）前記熱源から、前記改質装置熱交換器、前記予熱装置熱交換器までの熱源ガス主流体流路と、
   （ｆ）前記改質装置熱交換器の上流で前記熱源ガス主流体流路から分岐し、前記改質装置の周囲の前記熱源ガスの一部分を前記予熱装置熱交換器に分流させるように配置された熱源ガスバイパス流体流路と、
   を画定し、
   前記改質装置熱交換器は、前記アノード入口ガスと前記熱源ガスとの間で熱を交換するように配置され、
   前記予熱装置熱交換器は、前記カソード入口ガスと前記熱源ガスとの間で熱を交換するように配置されている、燃料電池システム。
2. 前記熱源ガスバイパス流体流路に分流される前記熱源ガスの一部分は受動的に制御される、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記熱源ガスバイパス流体流路の少なくとも一部分は、前記熱源ガス主流体流路よりも小さい横断面積を有する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. バイパス入口は、前記熱源と前記改質装置熱交換器との間の前記熱源ガス主流体流路に合流し、バイパス出口は、前記改質装置熱交換器と前記予熱装置熱交換器との間の前記熱源ガス主流体流路に合流する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
5. 前記熱源ガスバイパス流体流路は、前記バイパス入口と前記バイパス出口との間に収縮部を備える、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記バイパス入口と前記バイパス出口との間の前記熱源ガス主流体流路を横切る圧力降下により、前記熱源ガスの前記一部分が前記熱源ガスバイパス流体流路を通って前記改質装置の周りを流れる、請求項４に記載の燃料電池システム。
7. 前記熱源ガスバイパス流体流路に分流される前記熱源ガスの一部分の受動制御を提供する受動流スプリッタを備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記熱源ガス主流体流路と前記熱源ガスバイパス流体流路との合流によって前記受動流スプリッタが設けられる、請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記改質装置に蒸気を提供する蒸気発生装置を更に備え、前記蒸気発生装置は、
   水源と流体連通する水入口と、
   前記改質装置熱交換器と前記予熱装置熱交換器との間の熱源ガス主流体流路内に配列され、前記熱源ガスと前記水源からの水との間で熱を交換して蒸気を発生させる蒸気発生装置熱交換器と、
   前記改質装置と流体連通する蒸気出口と、
   を備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
10. バイパス出口は、前記蒸気発生装置と前記予熱装置熱交換器との間の前記熱源ガス主流体流路に合流する、請求項９に記載の燃料電池システム。
11. バイパス出口は、前記改質装置熱交換器と前記蒸気発生装置との間の前記熱源ガス主流体流路に合流する、請求項９に記載の燃料電池システム。
12. 前記熱源ガスバイパス流体流路を流れる前記熱源ガスの一部分は、前記熱源ガスの容積の１０－２５％である、請求項１に記載の燃料電池システム。
13. 前記熱源は、前記少なくとも１つの燃料電池スタックのアノードおよびカソードオフガス出口と流体流連通するバーナーを備え、熱源ガスを排出する為のバーナー排出部を有する、請求項１に記載の燃料電池システム。
14. 前記熱源ガス主流体流路は、前記バーナーの排出部から、前記改質装置熱交換器、前記予熱装置熱交換器、前記燃料電池システム排出部を通過する、請求項１３に記載の燃料電池システム。

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