JP5868321B2 - 燃料電池システムおよびその作動方法 - Google Patents

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関連する出願の相互参照

本出願は、２００９年９月２日に出願された米国仮出願Ｎｏ．６１／２７２，２２７に基づく優先権を主張するものであり、その内容は全てここに参照として取り込まれる。

本発明は、一般に燃料電池システムの分野に関連し、特に多流路型熱交換器を含む燃料電池システム及びそれを作動させる方法に関連する。

燃料電池は、燃料に蓄えられたエネルギを高効率にて電気エネルギに変換することができる電気化学デバイスである。高温燃料電池は、固体酸化物および溶融炭酸塩の燃料電池を含む。それら燃料電池は、水素および／または炭化水素を燃料として用いて作動し得る。入力としての電気エネルギを用いて酸化された燃料を酸化されていない燃料に還元する逆作動が可能な固体酸化物再生燃料電池という燃料電池の分類がある。

本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールのシェルが取り外された状態を表す三次元概略図である。 図１Ａのモジュールの概略横断面図である。 図１Ａのモジュールの上面図である。 本発明の別の実施形態に係るモジュールの上面図である。 本発明の別の実施形態に係るモジュールの上面図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおける各部材と流体の流れ方向とを表す概略図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおける各部材と流体の流れ方向とを表す概略図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおける各部材と流体の流れ方向とを表す概略図である。 コンピュータシミュレーションに基づく、本発明の実施形態に係る熱交換器における理想的な熱デューティと温度との関係（複合曲線）を表すグラフである。 本発明の実施形態に係る熱交換器における各領域と流体の流れ方向とを表す概略図である。 図５は、多流路型熱交換器に統合された流れ生成器を含むシステムの処理フローチャートである。 本発明の実施形態に用いられ得る２つのタイプの多流路型プレート状熱交換器の三次元概略図である。 本発明の実施形態に用いられ得る２つのタイプの多流路型プレート状熱交換器の三次元概略図である。 本発明の他の実施形態に係る多流路型プレート状熱交換器の概略図である。 図８Ａの熱交換器の板の上面図である。 図８Ａの熱交換器の板の上面図である。 図８Ａの熱交換器の板の上面図である。 図８Ａの熱交換器の板の上面図である。 本発明の他の実施形態に係る多流路型プレート状熱交換器の三次元概略図である。 図９Ａの熱交換器の上面図である。 図９Ａの熱交換器の上面図である。 図９Ａの熱交換器の横断面図である。 図９Ａの熱交換器の横断面図である。 本発明の一の態様に係るモジュール式燃料電池システムの三次元概略図である。

図１Ａ、１Ｂおよび１Ｃは、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックモジュール１を表す。モジュール１は、ベース３（チャンバ５、および、チャンバ５の上に設けられるとともにベース３の上面を構成するベースプレート７からなる）を含む。ベース３は、図１Ａおよび図１Ｃに示すように、平坦な上面と円状の断面とを有するシリンダ状の形状を有してもよい。しかし、ベース３は、四角形、長方形、多角形、卵型、または、その他の断面形状のような、他の適切な形状を有してもよい。ベースプレート７はチャンバ５に取り付けられる独立した部材であってもよく、または、ベース３はチャンバ５によって内部容積が構成されるとともにベースプレート７によってその上面が構成される単一の部材であってもよい。上述したように、一または複数の熱交換器１３がチャンバ５内に設けられ得る。

図１Ａ〜図１Ｃに示すように、各燃料電池スタックモジュール１は、少なくとも１つの燃料電池スタックコラム９（以下、簡略化のため「スタック」と称呼される。）および外部シェル１１を含む。シェル１１は、ドーム型、カバーシリンダ型（平坦な上面カバーを備えるシリンダ、または、ドーム型のカバー（熱応力の低減に寄与する。）を備えるシリンダ）、立方体または三次元の長方形のような、スタック９を覆う際に適切な任意の形状を有し得る。シェル１１は図１Ｂに示されており、上面から見たときの配置は図１Ｃ〜図１Ｅにおける破線に示される。例えば、２以上の（４〜１２個の）スタック９がシェル１１の中に配置され得る。スタック９は、各シェル１１の中にて垂直にスタックされていることが好ましい。必要に応じて、垂直にスタックされた燃料電池スタック９は、一のスタックからの燃料排気流が隣接するスタックの燃料注入流として用いられるカスケード構造（例えば、同一のコラム内のモジュール間のカスケード）を有していてもよい。

スタック９は、適切な燃料電池を備えてもよい。例えば、燃料電池は、セラミック酸化物電解質を有する固体酸化物燃料電池を備えてもよい。ＰＥＭ、溶融炭酸塩、リン酸などの他のタイプの燃料電池も用いられ得る。スタック９は、外部および／または内部マニホールドされたスタックを備えてもよい。例えば、スタックは、燃料電池層および／または燃料電池間の連結プレートにおける開口部を通じて伸びる燃料および空気のライザーを備えることにより、燃料および空気について内部マニホールドされてもよい。あるいは、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、燃料電池は、燃料注入口および排気ライザーのみが燃料電池層および／または燃料電池間の連結プレートにおける開口部を通じて伸びるように、燃料については内部マニホールドされ、空気については外部マニホールドされてもよい。燃料電池は、クロスフロー構造（空気および燃料が、各燃料電池セルの電解質の両面において互いに概ね直交するように流れる。）、対向フロー構造（空気および燃料が、各燃料電池セルの電解質の両面において、互いに概ね平行に且つ対向する向きに流れる。）、または、平行フロー構造（空気および燃料が、各燃料電池セルの電解質の両面において、互いに概ね平行に且つ同じ向きに流れる。）を備え得る。各スタック９は、詳細は後述されるように、１つの燃料注入口と排出口とを有し得る。しかし、必要に応じて、各スタック９は、その高さ方向に沿って、いくつかの燃料注入口と排出口とを有してもよい。その場合、各スタック９は、複数のサブスタックユニットを含む（すなわち、各スタックコラム９は独立したサブスタックを含む。）。

図１Ｃ、図１Ｄおよび図１Ｅに示すように、複数の燃料電池スタック９は、モジュールの中心軸線周りに環状アレイ（すなわち、環の形状の構造）を構成するように、配置される。ただし、「環状アレイ」は、図１Ｄに示される円状の周囲形状を有するアレイに限られない。例えば、アレイは、図１Ｃおよび図１Ｅにそれぞれ示すように六角形又は長方形（正方形）の周囲形状を有してもよく、より小さいシステムを構成し得るので一般の運送用コンテナに容易に適合し得る楕円形の周囲形状を有してもよい。燃料電池スタック９は、モジュール１の中心軸線に平行な方向のスタック方向を有する。必須ではないものの好ましくは、スタック９のそれぞれは、長方形の断面を有している。スタック９は、セラミックまたは他の絶縁スペーサを用いて互いに分離されている。スタック９が環状アレイのように配置されることが好ましいが、例えば円弧状の配置（すなわち、環の一部）または格子状の配置（例えば、４行×５列の２０スタック）などのシェル１１に適合する他のスタック９の配置も用いられ得る。

シェル１１は、任意の適切な構成を有し得る。例えば、シェル１１は、シリンダ状の形状を有し得る。しかし、シェル１１は、多角形もしくは卵型の水平断面を有してもよく、および／または、平坦であるよりもテーパ状である上面を有してもよい。シェルは、金属、セラミックなどのような熱的に絶縁性の又は熱伝導性の材料によって構成され得る。

スタック９およびシェル１１は、ベース３の上面（例えば、ベースプレート７）に取り外し可能に配置され又は取り外し可能に接続される。好ましくは、燃料電池スタック９およびシェル１１のそれぞれは、独立して取り外し可能に、ベース３の上面７に接続される。本例において、シェル１１は、シェル１１の下のスタック９を取り外すことなく、ベース３の上面７から簡単に取り外され得る。また、シェル１１がドアまたはハッチを含む場合、シェル１１の下のスタック９は、シェル１１を取り外すことなく、ドアまたはハッチを通して簡単に取り外され得る。他の態様において、シェル１１および／またはスタック９は、ベース３に取り外し不能に接続され得る。例えば、シェル１１は、ベース３に溶接され得る。

「取り外し可能に接続される」とは、スタック９および／またはシェル１１がベース３の上面７に修理または保守の際に簡単に取り外されるように接続されることを意味する。別の言い方をすると、「取り外し可能に接続される」とは、「取り外し不能に接続される」の逆を意味する。例えば、スタック９および／またはシェル１１は、スナップ式の接続、テンション式の接続、固定式の接続またはサイドレール式の接続のうちの少なくとも１つにより、ベース３の上面７に取り外し可能に接続される。スナップ式の接続の一例として、部材を定位置に固定するべく一または複数の突起が開口部に引っ掛けられ又は部材を取り外すべく突起が開口部から取り外されるバヨネット式の接続が挙げられる。テンション式の接続の一例として、断面においてスタック９またはシェル１１とほぼ同様の形状を有するベース３の面７に設けられた開口部または溝に、スタック９またはシェル１１が押し込まれ、テンションによってスタックまたはシェルを開口部または溝の中に固定する方法が挙げられる。固定式の接続の一例として、保守担当者によって取り外し可能なボルトまたはクリップなどの留め具によって接続する方法が挙げられる。サイドレール式の接続の一例として、ベース３の上面７に設けられた溝にスタック９の突起部がスライドするように挿入され、または、スタック９の底面に設けられた溝にベース３の上面の溝がスライドするように挿入される、引き出し式またはダヴテイル式（ありつぎ）の接続が挙げられる。取り外し不能な接続の一例として、シェル１１がベースの上面７に溶接されるような、溶接が挙げられる。

スタック９およびシェル１１は、互いに異なる形式にて取り外し可能に接続され得る。さらに、本発明の他の側面において、シェル１１はベース３の上面７に取り外し可能に接続されるものの、スタック９はその上面７に取り外し不能に接続され得る。

好ましくは、ベース３の内部容積５に少なくとも１つの熱交換器が配置される。例えば、図１Ｂに示すように、多流路型熱交換器１３がベース３の内部容積５に配置される。

熱交換器１３は、低温部分１５および高温部分１７を備え得る。低温部分１５は、非常な高温には耐えられないステンレス鋼のような、安価な低温材料によって構成され得る。高温部分１７は、高温に耐えられるインコネル合金または他のニッケル合金のような、より高価な高温材料によって構成され得る。本構成により、熱交換器１３のコストが低減される。必要に応じて、中間温度に耐えられる材料によって構成された一または複数の中間温度部分が熱交換器１３に設けられてもよい。

フィンプレート型熱交換器など、任意のタイプの熱交換器が用いられ得る。好ましくは、熱交換器の高温部分１７は、燃料電池スタック９の完全な又は部分的な外部改質部３７として機能されてもよい。この場合、燃料注入流を運ぶ熱交換器１３の通路部のフィンの全部または一部は、燃料改質触媒（例えば、炭化水素燃料向けのニッケルおよび／またはロジウム、天然ガスまたはメタン）に覆われる。外部改質部３７は、スタック９が内部改質型の燃料電池（すなわち、改質向けに触媒活性である一または複数の内部面またはコーティングを含む燃料電池。触媒は、触媒コーティングを備えてもよく、または、燃料電池の筐体または支持部分の金属構造の一部にニッケルを用いてもよい。）を含む場合、事前の改質部として機能し得る。または、完全な内部改質型の燃料電池または水素燃料を用いる燃料電池システム（改質を必要としない。）については、改質部３７は除外されてもよい。外部改質型の燃料電池（すなわち、燃料改質触媒を含まない燃料電池、または、触媒が触媒の筐体の金属構造の一部であり、触媒がいまだに存在しているものの、セルの劣化などにより、それを触媒として用いるように想定されていない燃料電池）においては、改質部３７は、主の燃料改質部として機能する。本発明の他の態様として、改質部３７は、燃料電池に一体化されず、モジュール１のホットボックス内の独立した場所に設けられる。本発明のさらに他の態様として、燃料・空気分離型熱交換器は、図２Ｂについて後述されるように、燃料および空気排気流のそれぞれからの熱を、燃料および空気注入流のそれぞれに与える。

図１Ａ〜図１Ｅに示すように、陽極排ガス酸化剤（ＡＴＯ）１０は、スタック９との熱伝達関係において（すなわち、ＡＴＯ１０とスタック９との間にて対流および／または放射によって熱が伝達するように）、好ましくは、ベース３の中央部分上に（すなわち、ベースプレート７上に）位置する。必須ではないが好ましくは、ＡＴＯ１０は、ＡＴＯ１０がスタック９に囲まれるように、環状のスタック９の中央に配置される。しかし、スタック９が完全なリングを構成しない場合（例えば、格子または円弧のレイアウト）の配置について、ＡＴＯ１０は、スタックに隣接するように又はスタック９に部分的に囲まれるように、配置され得る。環状の又は円弧状の配列において、ＡＴＯ１０は、燃料電池スタックの放射状の内側の面にさらされ、陰極排気流を受け取る。ＡＴＯは、その内部にて、スタックからの陽極（燃料）排気が酸化流との反応（例えば、スタック陽極排気流とスタック陰極（空気）排気流との反応）によって酸化されることになるチャンバである。ＡＴＯチャンバ壁は、好適な酸化反応促進触媒（例えば、担体または担体物質上のパラジウム）によってコーティングされていてもよい。酸化反応は熱を発し、その熱は、スタック９の加熱および／または熱交換器１３への熱ＡＴＯ排気流の供給に用いられ得る。図１Ｂに示すように、ＡＴＯ１０は、筒状の又は他の好適な壁形状のＡＴＯ外部バッファ１２を備えてもよい。ＡＴＯ外部バッフル１２は、外部シェル１１上に取り付けられ、ベース３のベースプレート７に隣接するような開口部１８を有し、その開口部１８をスタック陰極（空気）排気流が通過する。ＡＴＯ１０は、筒状の又は他の好適な壁形状の内部バッフル１４を備えてもよい。内部バッフル１４は、ベースプレート７上に取り付けられ、シェル１１の上面に隣接するような開口部２０を有し、その開口部２０を陽極および陰極排気流が通過する。あるいは、内部バッフル１４は、シェル１１の上面まで延び、上面近傍に開口部２０に代えて穿孔のみを有してもよい。内部バッフル１４は、好ましくは、外部バッフル１２の内側に位置する。内部バッフル１４は、ＡＴＯ／陰極排気流路２７の環帯（アニュラス）であるとも考えられ得る。内部バッフル１４の内面および／または外面、および／または、外部バッフル１２の内面は、酸化促進触媒材料によってコーティングされていてもよい（例えば、バッフル１２，１４の面に設けられた任意のフィンやひだ１６を覆うように。）。例えば、図１Ｂでは２つの流路（上昇流、そして下降流）のＡＴＯが示されているが、ＡＴＯ１０はより多くの流路を有してもよく、内部バッフル１４は穿孔を有してもよい。他の態様において、ＡＴＯは単一の流路のＡＴＯであってもよい。例えば、この例において、ＡＴＯバッフル１２は省略され、内部バッフル１４の外部におけるＡＴＯ触媒被覆フィン１６は付随的である。さらに他の態様において、内部バッフル１４のいずれかの面のＡＴＯ触媒被覆フィンの一部または全部は、内部バッフル１４の一部または全部を直接覆う触媒に置き換えられ得る。必要に応じて、内部バッフル１４の内側に他の筒が配置される（すなわち、筒状バッフル１２が筒状バッフル１４の内側に移動され得る。）。スタック９からの排気流は上方に向かい、バッフル１４を越え、ＡＴＯに導入される。

一または複数のＡＴＯ燃料注入口２２は、外部ＡＴＯバッフル１２と内部ＡＴＯバッフル１４との間のベースプレート７上に配置され得る。あるいは、ＡＴＯ燃料注入口は、ベースプレートからＡＴＯの上部に導管されてもよい。ＡＴＯ燃料注入口２２は、燃料注入流がＡＴＯ空気注入流と混ざるとともに反応することになるバッフル１２と１４との間に、ＡＴＯ燃料注入流をもたらす。ＡＴＯ燃料注入流は、（ｉ）スタック燃料注入流からの個別の燃料注入流（例えば、天然ガス注入流）、および／または、（ｉｉ）熱交換器１３を通過したスタック陽極排気流の少なくとも一部、の一方または双方を含み得る。あるいは、ＡＴＯ燃料注入流は、所定の注入温度を維持するため、熱交換器を部分的に又は全体的にバイパスしてもよい。ＡＴＯ空気注入流は、図１Ｂに示すように外部バッフル１２の下部をスタック９からＡＴＯ１０まで流れるスタック陰極排気流、または、新気注入流（ＡＴＯ燃料注入流と混合されてもされなくてもよい）、または、新気注入流とスタック陰極排気との組み合わせ、を含み得る。ＡＴＯ燃料注入流は、ＡＴＯ空気注入流（例えば、スタック陰極排気流、または、陰極排気流と任意の新気注入流との混合流）、によって酸化される。ＡＴＯ排気流（酸化された燃料）は、内部バッフル１４の中央部分のベースプレート７上に配置された中央ＡＴＯ排気口２７を通してＡＴＯ１０から排出される。上述した単一流路型ＡＴＯの態様において、中央ＡＴＯ排気口２７は、ＡＴＯ流を環帯（アニュラス）を強制的に通過させる内部シリンダを含んでもよい。

図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、ベース３は、燃料セルスタック９に燃料注入流を与える複数の燃料注入口２１、スタック９から燃料排気流を排出する複数の燃料排気口２３、スタック９に空気（または他の酸化剤）注入流を与える複数の環状空気注入口２５、および、スタック９から空気／ＡＴＯ排気流を排出する中央ＡＴＯ排気経路２７、を含んでもよい。注入口２１および２５ならびに排気開口部２３は、ベースプレート７における穴および／またはベースプレート７を通じて延びるパイプであり得る。そして、本発明の一の態様において、スタック９は、空気について外部にて連結されており、燃料について内部にて連結されている。複数の角度をもって配置された燃料セルスタック９は、リング状に配置されたスタック空気注入口２５の内側にてモジュールの中央軸線周りに環状アレイを構成するように配列されている。

モジュール１は、以下のように作動する。燃料および空気注入流は、陽極排気および／またはＡＴＯ排気流によって熱交換器１３にて加熱される（詳細については後述される。）。燃料注入流は、燃料注入流は、上昇し、各スタックのそれぞれの燃料注入口２１を通過して下部からスタック９の内部にもたらされる。スタック９からの陽極（燃料）排気流は、下降してスタックの内部にもたらされ、ベース３に配置された熱交換器１３内にそれぞれの燃料排気開口部２３を通じて排出される。

図１Ｂの矢印に示すように、スタック空気注入流は、ベース３の周辺に環状またはリング形状に配置された注入口２５を通過しベースプレート７を通過しシェル１１の下部に提供される。空気注入流は、スタック９のセルを通過するように流れる。スタック９およびセラミックスペーサ（図示省略）空気注入流がスタック９を最初に通過することなく内部空間２４に直接に流入することを防ぐ。陰極（空気）排気流は、スタック９から、スタック９と外部ＡＴＯバッフル１２との間の空間２４に、排出される。陰極排気流は、開口部１８を通過し、外部ＡＴＯバッフル１２の下部を通過し、外部および内部ＡＴＯバッフル１２，１４の間を通過して空間２６に流入する。スタック陰極排気流は、空間２６の流路２０から供給されるＡＴＯ燃料注入流と混合して反応する。酸化反応により、システム起動中および通常運転中の放射および／または対流によってスタック９が加熱され、スタック９における内部燃料改質反応に十分な熱がもたらされる。ＡＴＯ排気（酸化燃料）は、内部バッフル１４の上の開口部２０を通過して上方向に排気され、ベースプレート７の下のチャンバ５に設けられた熱交換器１３内への中央ＡＴＯ排気流路２７を通過して下方向に排気される。図１Ｂ、図１Ｃには具体的なＡＴＯ構成が示されているが、他の構成も用いられ得ると解釈されるべきである。例えば、流れが、酸化触媒被覆部の近傍を直線状に又は曲がりくねって流れるように、構成され得る。例えば、シリンダは、バッフル１４の内部に配置され、フィンおよび触媒の体積（よって、量）を制限する。

図１Ａ〜図１Ｃに示すように、燃料注入ライン２９は、燃料熱交換器の第１注入口に接続されている。複数の燃料注入流路２１は、熱交換器１３の第１排出口に通流可能に接続されている。「通流可能に接続」とは、燃料注入流が熱交換器１３から一または複数の外部コンポーネントを通過し各燃料注入流路２１に到達するように、直接的に接続または間接的に接続されることを意味する。複数の燃料排気口２３は、熱交換器１３の第２注入口に通流可能に接続されている。燃料排気ライン３１は、熱交換器１３の第２排気口に接続されている。空気注入ライン３３は、熱交換器１３の第３注入口に接続されている。望ましくは、一または複数のオプションとしての空気バイパス流路が、空気注入流の一部または全部を、熱交換器１３の周り又は熱交換器１３の一部の周りにて空気注入ライン３３から迂回させるように設けられてもよい。そして、バイパス流路は、空気注入ライン３３をスタック９の空気注入口に直接接続されてもよい。バイパス流路を通じてもたらされる空気の量は、コンピュータまたは操作者によって操作されるバルブのような、流量規制器によって制御され得る。ベースの複数の空気注入流路２５は、熱交換器１３の第３排出口に通流可能に接続されている。中央空気／ＡＴＯ排気流路２７は、熱交換器１３の第４注入口に通流可能に接続されている。空気／ＡＴＯ排気ライン３５は、熱交換器１３の第４排気口に接続されている。望ましくは、熱交換器１３は、別々の空気およびＡＴＯ排気ラインを有する（すなわち、熱空気排気の一部または全部もＡＴＯをバイパスし、代わりに、新しい注入空気を酸化反応に用いることができる。）。

好ましくは、ベース３およびシェル１１は、スタック９から電源調整装置までを電気的に接続するためにも用いられる。例えば、ベース３の上面７は、複数の電気的接点４１を含んでもよい（例えば、マイナス接点または接地接点）。各接点４１は、燃料電池スタック９の底面がベース３のベースプレート７（すなわち、上面）に接するように配置される。マイナス接点あるいは接地接点、または、各燃料電池スタック９の端面は、複数の電気的接点４１の一つに電気的に接続されている。ベース３は、共通の電気的バス４３を含んでもよい（例えば、接点４１を介して燃料セル９に電気的に接続されたマイナスバスまたは接地バス）。

シェル１１は、各スタック９への別々の電気的バス４５のような、少なくとも１つの他の電気的バス４５を含む。バス４５は、共通する電気的バス４３の極性とは異なる極性を有する。例えば、シェル１１は、複数のプラスバス４５を有してもよい。プラス接点または燃料電池スタック９は、シェル１１から伸びるプラスバス４５のそれぞれに電気的に接続されている。

プラス電極または各燃料電池スタック９の端板は、任意の適切な接点または電気的な接続を用いて、プラスバス４５のそれぞれに電気的に接続され得る。例えば、図１Ｂに示すように、シェル１１の上側内面は、複数の導電性圧力部材４７を含んでいる。シェル１１の圧力部材４７は、ベース３の上面７上の接点４１を超える位置に配列されている。各圧力部材４７は、シェル１１とベース３の上面７との間の少なくとも１つの燃料電池セル９に着脱可能に保持されている。プラス電極または燃料電池セル９の端板は、圧力部材４７のそれぞれを介してプラスバス４５に電気的に接続されている。圧力部材４７は、スタック９がベースの上面７上の電気的接点４１に対して固定されるようにスタック９に下向きの圧力を及ぼす柔軟性のある棒、板またはバネであり得る。シェル１１がモジュール１に近づくように押し下げられるとき、圧力部材は、スタック９をベース３上の所定位置に押し付けるように曲がる。シェル１１がモジュールの点検または修理のために取り外されるとき、圧力部材４７はスタック９を開放する。

好ましくは、必須ではないが、各スタック９またはスタック９の各ペアは、電力調整システムの個別のＤＣ／ＤＣ変換ユニットに接続される。例えば、各スタックのペアにおける各スタックの或る電気的な入力／出力が順番に接続され得るし、各スタックのペアにおける各スタックの他の電気的な入力／出力がＤＣ／ＤＣ変換ユニットへのプラスおよびマイナス電圧入力のそれぞれをもたらす。好ましくは、必須ではないが、燃料電池スタック（すなわち、燃料電池スタックコラム）は電源調整を簡便にするべく６つに配列されてもよい（２００７年５月５日に出願された米国出願番号１１／７９７，７０７および１１／７０７，７０８に記載されており、それらの全内容はここに参照として取り込まれる。）。よって、各モジュールは、６、１２、１８、２４個などのスタック９を有し得る。例えば、図１Ｃ〜図１Ｅに示されるモジュール１は、１２個のスタック９を含む。４つのスタックの各セットは、三相ＡＣ出力のそれぞれの相に接続されてもよい（米国出願番号１１／７９７，７０７を参照。）。

よって、複数のモジュールを備えるシステムにおいて、各モジュール１は、燃料電池しシステムにおける他のモジュール１の作動を止めることなく、電気的に分離されても、燃料電池システムから取り外されても、および／または、保守あるいは修理されてもよい。換言すると、各モジュール１は、他のモジュール１が発電のために作動し続けていながら電気的に分離されても、燃料電池システムから取り外されても、および／または、保守あるいは修理されてもよい。そして、燃料電池システムの全体は、スタック９が正常に作動しないとき又は保守のために取り外されるときにも、停止する必要がない。

他のモジュール１が作動している間にあるモジュール１が取り外されたとき（すなわち、取り外し、修理または保守のために電源を切られたとき）、取り外されるモジュール１への燃料の流れは、停止されるべきである。これは、各燃料注入ライン２９にバルブを配置することによって達成され得る。バルブは所定の燃料注入ライン２９を通過する燃料の流れを停止するべく手動または電動にて閉じられるが、他のモジュール１に向かう他の燃料注入ライン２９を通過する燃料は流れ続ける。

本発明の第２の態様は、燃料電池システムのための多流路型熱交換器１３（２以上の流れが同じ装置内で熱を交換する。）を提供する。そして、１つの多流路型熱交換器は、複数の独立した熱交換器（例えば、従来技術における別々の空気および燃料熱交換器）を置き換え得る。多流路型熱交換器は、より小さい熱交換領域により、別々の空気および燃料熱交換器と同じ量の熱交換を可能にする。多流路型熱交換器は、より改善された機械的構成（例えば、組立を容易にし、熱交換面の効率を高め、圧力の低下を小さくし、装置をより小型化する。）を備える。さらに、望ましくは、流れ生成器および／または外部改質装置３７は、燃料電池スタック９の陰極排気流および／またはＡＴＯ１０排気流の熱が水を流れに変換するべく、および／または、炭化水素燃料へ熱を与えて水素と一酸化炭素との燃料改質反応（例えば、メチレン流改質（ＳＭＲ）反応）をもたらすべく、多流路型熱交換器１３内に物理的に統合されてもよい。

多流路型熱交換器１３は、燃料電池システムのホットボックスを構成するべく、ベースとして設けられてもよく又はベース３上に配置されてもよい。そして、多流路型熱交換器１３は、モジュール１の重心位置を下げ、モジュールをより安定させる。単一の多流路型熱交換器１３は、システム内の空気流の数を２から１に減らす。ＡＴＯ空気流制御が、省略され得る。さらに、図２Ｃを参照しながら記載されるように、ＡＴＯ空気注入口は、完全に省略され、ＡＴＯへの空気源として陰極排気に置き換えられ得る。これにより、追加の流路の数が減るので、システムの統合がより容易になる。さらに、多流路型熱交換器１３は、システムの効率を高め、熱交換をより良くし、寄生損失を減らし、ＡＴＯ空気ブロワの省略がもたらすゲインも含める。そして、多流路型熱交換器１３は、領域１５および１７における低温および高温材料の組み合わせを可能にし、装置のコストを低減することを可能にする。

図２Ａは、第２の態様の一または複数のモジュール１を含む燃料電池システム１００の処理フロー図を表す。図２Ａにおいては、明確さのために１つのモジュール１が示されている。システム１００は、複数の燃料電池スタック９（固体酸化燃料電池スタック（スタックの１つの固体酸化燃料電池が、セラミック電解質（イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）または酸化スカンジウム安定化ジルコニア（ＳＳＺ））、ニッケル−ＹＳＺまたはニッケル−ＳＳＺのような陽極電極、および、ランタンストロンチウム亜マンガン酸塩のような陰極電極（ＬＳＭ）を含む。））を含む。モジュール１は、図１Ｂに示すように、ベース３とシェル１１との組み合わせを備えるホットボックスとして表される。オプションとしての改質器３７は、熱交換器１３とは別として示されている。しかし、上述したように、熱交換器３７は、熱交換器１３に物理的に統合されてもよい。

システム１００は、流れ生成器１０３も含む。流れ生成器１０３は、水ソース１０４（例えば、水タンクまたは水パイプ）からの流路３０Ａを通過する水を備え、水を流れに変換する。その流れは、生成器１０３から流路３０Ｂを通過して混合器１０５に向かい、混合器１０５内にてスタック陽極（燃料）リサイクル流と混合される。混合器１０５は、モジュール１のホットボックスの内部または外部に配置され得る。好ましくは、加湿された陽極排気流は、図２Ａに概略が示されるように、燃料注入ラインまたは混合器１０５の下り流路２９にて燃料注入流と混合される。または、望ましくは、図１Ｃ、図１Ｄおよび図１Ｅに示すように、燃料注入流は混合器１０５内に直接流入されてもよく、または、流れは燃料注入流内におよび／または陽極排気流に直接流入されてもよく、および／または、陽極排気流は混合された燃料流が加湿された後に燃料注入流に直接流入されてもよい。

流れ生成器１０３は、独立した加熱器および／または流れ生成器１３との熱交換関係を通過した高温ＡＴＯ排気流によって加熱されてよい。流れ生成器１０３が熱交換器１３に物理的に含まれている場合、流れ生成器は、熱交換器の陽極排気流に加熱されてもよい。流れ生成器１０３は、ベース３のチャンバ５の内側のように、ホットボックス内に物理的に配置されてもよい。または、流れ生成器１０３は、モジュール１のホットボックス外に配置されてもよい。そして、図１Ｃに示すように、流れ生成器１０３がモジュールのホットボックス内に配置された場合、水は、水ソース１０４から流路３０を通じてもたらされる。流れ生成器１０３がモジュールのホットボックス外に配置された場合、流れは、水ソース１０４から流路３０を通じてもたらされる。

システム１００は、分流器１０７、オプションとしての水トラップ１０９、および、触媒分圧酸化（ＣＰＯｘ）反応器１１１を含む。水トラップ１０９およびドレーンは、ＡＴＯ１０に向かう陽極排気流が凝縮を避けるための十分な温度を維持していれば、要求されない。システムは、以下のように作動する。炭化水素流（例えば、天然ガス）のような注入燃料流は、燃料注入口２９に注入され、ＣＰＯｘ反応器１１１を通過する。システムが起動すると、空気もＣＰＯｘ反応器１１１に与えられ、燃料注入流を触媒分圧酸化する。通常のシステム作動中、空気流は遮断され、ＣＰＯｘ反応器は燃料が分圧酸化されない燃料流路として機能する。そして、システム１００は、燃料を起動時および通常運転時の双方においてＣＰＯｘ反応器１１１を通過する１つだけの燃料注入流路を備えてもよい。よって、通常時にＣＰＯｘ反応器をバイパスする別々の燃料注入流路は必要とされない。

燃料注入流は、多流路型熱交換器１３に注入され、その温度はスタック陽極（燃料）排気流およびオプションとしてのＡＴＯ排気流との熱交換によって高まる。燃料注入流は、オプションとして、オプションとしての改質器３７（熱交換器１３に統合されてもよく、または、熱交換器１３とは別にホットボックス内に配置されてもよい。）に注入される。燃料注入流は、改質器にてＳＭＲ反応を通じて改質され、改質された燃料注入流（水素、一酸化炭素、水蒸気および改質されていないメタン、を含む。）は燃料注入口２１を通過してスタック９に注入される。燃料注入流は、スタック９の燃料注入ライザーを通過してスタックを通過して上方に流れ、電気生成の間にスタック９にて酸化される。酸化された燃料（すなわち、陽極または燃料排気流）は、燃料排気ライザーを通過してスタック９の下側に流れ、燃料排気開口部２３を通過してスタックから熱交換器１３へ排気される。

熱交換器１３において、陽極排気流は、熱交換を通じて燃料注入流および空気注入流を加熱する。または、陽極排気流の一部は、注入される空気への熱交換をすることなく多流路型熱交換器から取り除かれてもよい。この一部は、ＡＴＯの燃料として用いられ得る。陽極排気流は、排気流路３１を介して分流器１０７に注入される。陽極排気流の第１の部分は、分流器１０７から水トラップ１０９に流れる。水トラップ１０９において、水は、陽極排気流から取り除から、取り除かれた水は貯留またはドレーン１１２を介して排出される。陽極排気流の残りは、水トラップ１０９からＡＴＯ１１０に流路１１３を介して排気され得る。陽極排気流は、新燃料（例えば、複合型ＡＴＯ燃料注入流として、流路１１５からＡＴＯ１０に燃料注入口２２を通過して注入される天然ガス）とともに排気され得る。

陽極排気流の第２の部分は、分流器１０７から燃料注入流に再利用される。例えば、陽極排気流の第２の部分は、ブロワ（図２Ａには示さない）によって流路１１７を通過して混合器１０５に再利用される。陽極排気流は、流れ生成器１０３からの流れと混合されることによって加湿される。加湿された陽極排気流は、混合器１０５から燃料注入流路２９に注入され、燃料注入流と混合される。流れを生成するべく水タンク１０４から水を供給することは、オプションである。新気に対する加湿の全ては、陽極再利用流によって提供され得る。

空気注入流は、ブロワ（図示省略）によって空気注入流路３３から熱交換器１３に注入される。ブロワは、全システムに対して単一の空気流コントローラを構成し得る。熱交換器において、空気注入流は、ＡＴＯ排気流および陽極排気流によって熱交換を介して加熱される。加熱された空気注入流は、空気注入口２５を通じてモジュールに注入される。空気は、スタック９を通過し、ＡＴＯ１０に向かう。ＡＴＯ１０において、空気排気流は、ＡＴＯ燃料注入流を酸化し、ＡＴＯ排気流を生成する。ＡＴＯ排気流は、ATO排気流路２７を通過して熱交換器１３に排気される。ＡＴＯ排気流は、熱交換器１３の空気注入口を熱交換を介して加熱する（さらに、オプションとして燃料を加熱する。）。ＡＴＯ排気流（いまだ室温よりも温度が高い）は、熱交換器１３から流れ生成器１０３に流路１１９を通じて排気される。ＡＴＯ排気流からの熱は、流れ生成器１０３における熱交換を介して水を蒸気に変換するのに用いられる。ＡＴＯ排気流は、流路３５を通じてシステムから排気される。流れ生成器１０３が物理的に熱交換器１３に統合されている場合、流路１１９は省略され得るとともに、流れ生成は熱交換器１３内にて生じる。そして、空気注入ブロワの出力（すなわち、出力または速さ）を制御することにより、システムに注入される空気の度合い（すなわち、体積、圧力、流速など）が制御され得る。陰極（空気）排気流は、ＡＴＯ空気注入流として用いられ、個別のＡＴＯ空気注入コントローラまたはブロワの必要を排除できる。さらに、ＡＴＯ排気流は空気および燃料注入流を加熱するために用いられるので、流路３３における単一の空気注入口の制御が、スタック９およびＡＴＯ１０の温度の制御にも用いられ得る。空気バイバス流路が存在すれば、この流路は、熱交換器１３に注入される空気の量を制御することにより、バイパス流路を通じてスタック９に空気が直接注入される空気の量に比べ、スタック９およびＡＴＯ１０の温度を制御する性能を拡張する。

図３および図４は、一例としての５領域熱交換器１３を通じた流体の流れを表す。図４において、領域は、Ｚ１からＺ５までラベル付される。熱交換器１３は、５よりも少ない領域（例えば、１〜４の領域）を有してもよく、５よりも多い領域（例えば、６〜１０の領域）を有してもよい。熱交換器は、対向流型、共流型又はそれらの組み合わせであってもよく、板およびフィンを有するタイプの熱交換器であっても、または他の適切な構成を備えてもよい。対向流型は、要求される熱移動領域の全大きさを減らすことができるため好ましい。さらに、後述される流体の流れる順序および流れの温度は、例示であり、特定のシステムの構成に応じて変更され得る。

冷空気注入流は、およそ室温（に加えてブロワの熱圧縮）の温度にて流路３３から熱交換器の領域１に入り、熱陽極排気流によって加熱される。陽極排気流は、その熱のいくらかを渡し、温陽極排気流として（例えば、１００度程度の温度にて）流路３１に出る。

温められた空気注入流（１００度程度）は、熱交換器の領域１から領域２に流れる。比較的冷たい燃料注入流（流れ生成器からの流れおよび流路１１７からの再利用された陽極排気流の追加によって１００度程度に温められていた。）も、流路２９から熱交換器の領域２に流れる。空気および燃料注入流は混合されず、熱交換板によって分離された異なるそれぞれの流路、または、単一の熱交換板の別々の流路を通過して領域２に流れる。空気および燃料注入流は、領域２の熱陽極排気流によって熱交換板を通過するときに熱交換を通じて加熱される。

温められた空気および燃料注入流（１５０度程度）は、熱交換器１３の領域３に流れる。熱陽極排気流も、８００度程度の温度にて領域３の熱交換器１３に最初に入る。空気および燃料注入流は、熱陽極排気流により、および、熱交換板を通過するときの熱交換を通じて領域３の熱ＡＴＯ排気流により、加熱される。陽極およびＡＴＯ排気流は、混合されず、熱交換板によって分離された領域３における異なるそれぞれの流路を流れる。熱交換の後、温ＡＴＯ排気流は、３００度程度の温度にて領域３の熱交換器１３から流路１１９に出る。そして、ＡＴＯ排気流は、流れ生成器１０３において流れを生成するために用いられる。図３および図４に示すように、領域３は、熱交換器３において最も大きく最も長い領域（すなわち、最も長い流路長さを有する領域）であり、この領域にて流体の流れは熱交換器内のどの領域よりも長い時間を消費する。

さらに温められた空気および燃料注入流（６００度程度）は、熱交換器１３の領域４に流れる。空気および燃料注入流は、領域４の熱ＡＴＯ排気流により、熱交換板を通過するときの熱交換によって加熱される。温められた空気注入流は、６５０度程度の温度にて領域４の熱交換器１３から流路２５に出て、燃料電池スタック９に向かう。

さらに温められた燃料注入流（６５０度程度）は、熱交換器１３の領域５に流れる。ＡＴＯ排気流は、８７５度程度の温度にて流路２７を通過して最初に領域５の熱交換器１３に入る。燃料注入流は、領域５の熱ＡＴＯ排気流により、熱交換板を通過するときの熱交換を介して加熱される。温められた燃料注入流は、領域５の熱交換器１３から流路２１に７５０度程度の温度にて出て、燃料電池スタック９（および／または、別個の改質器が存在すれば、改質器３７）に向かう。

図３に示されるように、１％程度の熱交換器からの熱の漏れが推測される。さらに、図３に示されるように、高温の流れ（ＡＴＯおよび陽極排気流）は、それら双方が存在する領域においては互いに同じ温度程度に維持される。同様に、低温の流れ（空気および燃料注入流）は、それら双方が存在する領域においては互いに同じ温度程度に維持される。そして、グローバルピンチポイントが図３に示される。

図１Ｂにおいて、熱交換器１３の低温部１５は、好ましくは、図４に示される領域１および２（オプションとして隣接する領域３の一部）に対応し得るとともに、熱交換器１３の高温部１７は図４の領域４および５（オプションとして隣接する領域３の一部）に対応し得る。しかし、構成上異なる材料を採用する部分における熱交換器の下位区画は、いかなる領域のサブセットも制限されない。

図２Ｂは、本発明の他の態様に係るシステム２００の概略図を表し、本態様においては単一の多流路型熱交換器１３が別々の熱交換器に置き換えられている。図２Ａのシステム１００および図２Ｂのシステム２００の双方において同一の番号を付された要素は、記載を簡便にするべく、再度詳細には説明されない。図２Ｂに示すように、多流路型熱交換器１３は、燃料熱交換器１３７、空気熱交換器２０３およびオプションとしての空気予加熱熱交換器２０５に置き換えられている。

図２Ｂに示すように、外部改質器３７は、燃料電池または燃料電池スタック９が内部燃料改質触媒を含む場合には省略されてもよい。または、燃料熱交換器１３７は、熱交換器の燃料注入部分に改質触媒を備えてもよい。この場合、熱交換器１３７は、熱交換器および改質器の双方として機能する。

図２Ｃは、本発明の他の態様に係るシステム４００の概略図を表す。図２Ａのシステム１００、図２Ｂのシステム２００および図２Ｃのシステム４００において同一の番号を付された要素は、記載を簡便にするべく、再度詳細には説明されない。図２Ｃに示すように、水トラップ１０９は、省略され得るとともに、分流器１０７から流路１１３への燃料排気流の全てはＡＴＯ１０内にて再利用され得る。オプションとして、分流器１０７は空気予加熱器２０５の上流に配置され、ＡＴＯ１０への燃料として用いられる陽極排気流は空気予加熱器２０５を通過しない。そして、流路２３Ｂ内の陽極排気流の一部であって流路２９にて燃料排気流に再利用されることになる一部のみが、空気予加熱器２０５に流れて空気注入流を加熱する。この構成は、空気予加熱器の熱交換領域が小さいことからコストを減らし、圧力低下が小さいことによって陽極再利用ブロワ４１１の出力が小さいことから効率を高め、ガス流路が少ないことからホットボックス内の機械的構造を簡略にする。

図２Ｃに示される追加の要素は、ＣＰＯｘ空気フィルタ４０１およびブロワ４０３を含み（システムが起動するときに空気をＣＰＯｘ１１１に供給する。）、メイン空気フィルタ４０５およびブロワ４０７（システム４００の作動時に空気を空気注入流路３３に供給する。）、および、流路３０Ａを通過してもたらされる水を制御するソレノイドバルブ４０９、を含む。さらに、図２Ｃに示される改質器３７について、内部改質器が用いられる場合および／または改質器３７が部分的な改質器あるいは予備改質器である場合、内部および外部改質器が用いられる場合、省略され得る。

さらに、図２Ｃに示す態様において、ＡＴＯ１０への天然ガス注入流路１１５は省略されている。それに代えて、ＡＴＯ１０への燃料の全ては、燃料電池スタック９の陽極排気再利用流路１１３からもたらされてもよい。それに代えて、空気は、流路２４を介して陰極排気流からＡＴＯに単独でもたらされる。内部燃料改質器を備えた熱的に良好にカバーされたシステム、外部燃料改質器またはそれら２つの組み合わせに関し、流路１１５を通じたＡＴＯ１０への新燃料の導入は、省略される。これに代えて、流路２９を通じたスタック９への新燃料の供給量は、加熱プロセスをコントロールするべく制御され又は適合される。図２Ａおよび図２Ｂの態様において、流路１１５も省略されてもよい。

ＡＴＯ（および関連する燃料ブロワ）への別々の燃料流路の省略、および、ＡＴＯ１０における酸化剤ガスのソースとしてのスタック陰極排気流の使用（ＡＴＯ１０へ新気を注入するための別々の空気注入流路を使用することに代えて）は、燃料電池、制御システムおよび同システムを作動する方法の複雑さおよびコストを減らす（例えば、別々のＡＴＯ空気ブロワを必要としない。）。例えば、空気ブロワ４０７を介した流路３３におけるメイン空気注入流の制御は、システム温度、ＡＴＯ温度、または、スタック温度およびＡＴＯ温度の双方を含む数学的関数に対するメイン制御として用いられ得る。

そして、ブロワ４０７の種々の速度および／または制御バルブ（図示省略）を介した流路３３におけるメイン空気流の変動または制御は、スタック９の温度、ＡＴＯ１０の温度、およびそれら双方を制御し維持するために用いられ得る。さらに、燃料の利用（すなわち、スタックから燃料流への流れの比）の変動または制御は、ＡＴＯ１０の温度を制御し維持するために用いられ得る。最後に、ブロワ４１１の種々の速度および／または制御バルブ（図示省略）を介した流路１１７における陽極再利用流の変動または制御は、ＡＴＯ１０にて分流されて流路２９における燃料注入流へ再利用される陽極排気の量を制御するために用いられ得る。

ＡＴＯ１０への別々の空気注入流を省略する他の利点は、ＡＴＯ触媒を少なくすること、陰極排気が平均的に高温であるために要求される触媒担持フィンを少なくすること、陰極排気流が少なくなることによる陰極側の圧力低下を少なくすること、ＡＴＯブロワを駆動するために要求されるパワーの省略および陰極側の圧力低下が少なくなることによるメイン空気パワーの低下によって効率が高まること、ＡＴＯがより過剰な空気にて駆動されることによってエミッションを少なくすること、および、潜在的にＡＴＯをより安定して駆動する（起動後にＡＴＯが常に燃料酸化に十分な高温であるため。）こと、を含む。同様に、別々の燃料注入１１５を省略することで、別々のＡＴＯ燃料注入口が要求されないことからシステムのコストを少なくすること、通常運転時または通常運転までの運転時における追加の燃料消費がないことから効率が高まること、メタン（酸化し難い）が加えられずスリップしないことからエミッションを少なくすること、が得られる。

図２Ｂに示すシステム２００は、図２Ａに示すシステム１００と同様に作動する。しかし、システム２００において、流路３３における空気注入流は、オプションとしての空気予加熱器２０５に最初に注入され、空気注入流は燃料（陽極）排気流によって予加熱される。燃料排気および陽極排気との用語は、ここでは、固体酸化物燃料電池スタックに関して、相互に入れ替え不能に用いられる。予加熱された空気注入流は、空気熱交換器２０３に注入され、それは流路２７からのＡＴＯ１０排気流によって加熱される。ＡＴＯ排気流は、空気熱交換器２０３から流路１１９を介して流れ生成器１０３にもたらされる。炭化水素燃料注入流は、燃料注入口２９を介して燃料熱交換器１３７に注入される。そして、燃料注入流は、流路２１を介して燃料電池スタック９に注入され、燃料注入流は内部にて改質され得る。または、別々の外部改質器３７または熱交換器１３７に統合された外部改質器が、代わりに用いられ得る。燃料排気流は、スタック９から燃料熱交換器１３７に流路２３Ａを介して排気される。そして、燃料排気流は、燃料熱交換器１３７から流路２３Ｂを介してオプションとしての空気予加熱熱交換器２０５に排気される。そして、燃料排気流は、空気予加熱熱交換器２０５から流路３１を介して分流器１０７に排出される。

図２Ｃに示すシステム４００は、以下の相違点を除き、図２Ｂに示すシステム２００と同様に作動する。別々の燃料が流路１１５を介してＡＴＯ１０にもたらされない。その代わりに、ＡＴＯは、陽極排気流を全ての燃料ソースとして用いる。分流器１０７は、燃料注入流へ再利用されている陽極排気流の一部のみが予加熱器２０５に排気されるように、空気予加熱器２０５の上流に移動される。しかし、ＡＴＯに排気された陽極排気流の一部は、予加熱器２０５を通過しない。

望ましくは、改質器３７および／または流れ生成器１０３は、オプションとして、熱交換器の実在する領域に統合されてもよく、図２Ａに示す多流路型熱交換器１３の追加の領域または図２Ｂおよび図２Ｃに示す別々の熱交換器のうちの一つに追加されてもよい。例えば、改質剤触媒は、改質器３７を熱交換器１３に統合するべく、領域３，４および／または５における燃料注入流の流路に設けられてもよい。

流れ生成器１０３は、流れ生成器を熱交換器１３に一または複数の追加領域として加えることにより、熱交換器と物理的に統合され得る。図５は、多流路型熱交換器１３／１０３に統合された熱交換器を含むシステム２００についての処理フロー図を表す。図５に示す例において、熱交換器は、７つの領域を含む。しかし、７よりも多いまたは７よりも少ない領域を有する熱交換器も用いられ得る。図２Ａにおける要素と同一の符号を付した図５における各要素は、図２Ａにおいて詳述され、図５に関しては簡略化のため再度詳細には説明されない。各要素における温度の例は、各要素の上の円の内側に示される。他の適切な温度が用いられ得ることにも留意されたい。

以下の表は、図５に示す統合された熱交換器／流れ生成器１３／１０３の７つの領域Ｚ１〜Ｚ７のそれぞれを通過する高温および低温流体の流れを表す。それら領域は、明確化のために図５においては示されていない。
領域 低温側流れ 高温側流れ
Ｚ１ 水 ＡＮＥＸＨ
Ｚ２ 水、空気 ＡＮＥＸＨ
Ｚ３ 水、空気 ＡＮＥＸＨ、ＡＴＯ−ＥＸＨ
Ｚ４ 水、空気、燃料−混合 ＡＮＥＸＨ、ＡＴＯ−ＥＸＨ
Ｚ５ 空気、燃料−混合 ＡＮＥＸＨ、ＡＴＯ−ＥＸＨ
Ｚ６ 燃料−混合 ＡＮＥＸＨ、ＡＴＯ−ＥＸＨ
Ｚ７ 燃料−混合 ＡＴＯ−ＥＸＨ

上記の表において、「水」は水ソース１０４および流路３０Ａからの水注入流に対応し、「空気」は流路３３からの空気注入流に対応し、「燃料−混合」は流路２９からの加湿された燃料注入流に対応し、「ＡＮＥＸＨ」は流路２３からの陽極排気流に対応し、「ＡＴＯ−ＥＸＨ」は流路２７からのＡＴＯ排気流に対応する。そして、「水」は領域Ｚ１〜Ｚ４（Ｚ１に入りＺ４に出る）に存在し、「空気」はＺ２〜Ｚ５（Ｚ２に入りＺ５に出る）に存在し、「燃料−混合」はＺ４〜Ｚ７（Ｚ４に入りＺ７に出る）に存在する。それら低温端流れは、領域Ｚ１〜Ｚ６において「ＡＮＥＸＨ」により（Ｚ２に入りＺ５に出る）、領域Ｚ３からＺ７においてＡＴＯ−ＥＸＨにより（Ｚ７に入りＺ３に出る）、加熱される。

そして、領域Ｚ１は流れ生成器１０３の一部に対応し、領域Ｚ２からＺ４はハイブリッド流れ生成器／熱交換器に対応し、領域Ｚ５〜Ｚ７は熱交換器に対応する。もちろん他の熱交換器および流れ生成器も用いられ得る。図５において、液体の炭化水素が用いられる場合、液体燃料は、液体燃料を気化させるために水とともに流れ生成器に注入されることに留意されたい。オプションとしての液体燃料／水混合器２０１が、液体燃料と水とを混合するために用いられ得る。または、液体の炭化水素燃料は、流れ生成器とは別であるが熱交換器の他の部分と統合された気化器によって気化され得る。さらに、オプションとしてのＡＴＯ燃料／陽極排気混合器２０３が、ＡＴＯ燃料（例えば、流路１１５の天然ガス）と流路１１３の陽極排気とを混合するため、ＡＴＯ注入口２２に混合燃料が注入される前に用いられ得る。

図６および図７は、２つのタイプの多流路型熱交換器の三次元切断図である。他の熱交換器の構成も用いられ得ることに留意されたい。図６は、２つの流れが熱をそれぞれの領域にて（例えば、図４に示す領域Ｚ１および領域Ｚ５）交換する熱交換器３００の構成を表す。例えば、流れ３０１および３０２は領域にて３０４（左端）にて熱を交換し、流れ３０１および３０３は領域３０５にて（右端）にて熱を交換する。領域３０４，３０５のそれぞれはリブまたはフィン型の熱交換板３０６を含む。注入／排出マニホールド３０７は、領域の間に配置される。

図７は、２つの低温流れＲ１およびＲ２（例えば、空気および燃料注入流）が単一の高温水（例えば、陽極またはＡＴＯ排気流を含む。図４の領域Ｚ２およびＺ４に対応する。）と熱交換する、他の熱交換器３０１の構成を示す。この図において、高温流れは各板の中央の穴を通過して流れ、Ｒ１およびＲ２は角の穴を通過して流れる。これら構成は、容易に４（または、それ以上）の流体流れに拡張できる（例えば、図４に示す領域３）。熱交換器３１０は、プレート型熱交換器３００と同様であって熱交換板３１６を含み得る。しかし、例えば、各板３１６は３つの流れの３つの注入口と３つの排出口とに適応するように６つの開口部３１７を含んでもよく、３つの流れは平行の板３１６の間の３つの各スペースにもたらされもよい。熱交換器は、３つ以上の流れを扱うように構成されてもよく、平行板型の構成以外の異なる構成を備えてもよい。

図８Ａは、本発明の他の態様に係る多流路型熱交換器８０を示す。熱交換器８０は２つの端板８１ａと８１ｂとの間に配置される中間板９３のスタックを備える。図８Ａは、各板８１ａ，９３の上端、および、板８１ｂの下端を示す。

予加熱器セクション８２は一の端板８１ｂに隣接し、空気熱交換セクション８４は他の端板８１ａに隣接し、燃料熱交換セクション８３はその中間に配置される。しかし、各セクションの一部は、再配置されてもよく、他のセクションによって間に空間を設けてもよい。任意のセクションが端板８１ａまたは８１ｂに隣接するように配置され得る。空気予加熱器８２、空気熱交換器８４および燃料熱交換板８３は、スタックに任意の順序に配置され得る。さらに、パフォーマンスを最適にするべく、スタック内にて混合される複数の空気および燃料熱交換セクションが設けられ得る。空気予加熱器８２が熱交換器８０に設けられることが望ましい。

注入口（８６，８８，８９，９１）および排出口（８５，８７，９０，９２）を通じて熱交換器に入った流れは、端板８１ａ，８１ｂを通じて熱交換器から出る。好ましくは、高温流れ（例えば、燃料電池スタックからの排気流）は一の端板８１ａを通じて熱交換器に入り、低温流れ（すなわち、燃料電池スタックへの注入流）は他の端板８１ｂを通じて入る。同様に、高温流れは低温注入流に熱を与えた後に端板８１ｂを通じて排出され、低温流れは高温排気流から熱を受け取った後に端板８１ａを通じて排出される。しかし、他の構成も可能である。

この態様の一の側面において、板８１ａ，９３および８１ｂのスタックは、端板８１ａを上に端板８１ｂを下にして垂直に積層されている（すなわち、平行板の垂直スタック）。しかし、端板８１ａおよび端板８１ｂの位置は逆にされ得る。または、各板は平行に積層されてもよく（すなわち、垂直板の平行スタック）、または、垂直と平行との間の任意の方向に積層されてもよい。好ましくは、４つの注入口から注入されて４つの排出口から排出される４つの流れ（２つの高温排気流および２つの低温注入流）が設けられる。望ましくは、一または複数の分離材が異なる熱交換セクションの間に挿入され得る。例えば、分離材は、予加熱器セクション８２と燃料熱交換セクション８３との間に挿入されてもよく、および／または、燃料熱交換セクション８３と空気熱交換セクション８４との間に挿入されてもよい。そして、空気注入流は、陽極排気流および陰極排気流の順に、または、陽極排気流および陰極排気流の双方にて並行して、加熱され得る。

図８Ｂは、端板８１ａ（例えば、上端板）を表す。この態様において、端板８１ａにて、高温燃料９８のライン（すなわち、高温燃料または陽極排気を燃料電池スタックから運ぶ流路）は注入口８８に接続され、高温空気９６のライン（高温空気または陰極排気を燃料電池スタックから運ぶ）は注入口８６に接続される。端板８１ａにおいて、「低温」燃料９９のライン（燃料注入流を燃料電池スタックに運ぶ）は排出口８５を通じて出て、低温空気９７のライン（空気注入流を燃料電池スタックに運ぶ）は排出口８７を通じて出る。空気９７および燃料９９は便宜上「低温」と記されおり、それぞれが空気および燃料注入流を運び、熱交換器の高温排気流によって温められることに留意されたい。

好ましくは、熱交換器の各板（例えば、端板８１ａ）は長方形の形状を備える。好ましくは、高温燃料注入流および低温燃料排気流は端板８１ａの一の「短辺」側にもたらされ、高温空気注入流および低温空気排気流は端板８１ａの逆側にもたらされる。図８Ａに示す構成において、空気開口部８６および８７は角に配置され、燃料開口部８５，８８はそれぞれの端辺の中間に配置される。好ましくは、端板８１ａは熱交換器の「高温」側を含み、そこでは、２つの高温排気流（スタックからの燃料および空気排気流）が熱交換器８０に入り、２つの加熱された注入流（すなわち、加熱されてスタックに注入される燃料および空気注入流）が熱交換器から出ることになる。交換器の高温端での流れのガス密度が低い場合に対応するべく、各板の間の空間は、低温端よりも高温端の方が大きい。これにより、高温ガスの流速（および圧力低下）が小さく維持される傾向がある。

図８Ｃは、他の端板８１ｂ（例えば、下端板）を表す。高温燃料９８のライン（すなわち、熱を与えた後の燃料排気を運ぶ）は排出口９０を通じて排出され、高温空気９６のライン（すなわち、熱を与えた後の空気排気を運ぶ）は排出口９２を通じて排出される。低温燃料９９のライン（低温燃料注入流を運ぶ）は注入口９１を通じて注入される。低温空気９７のライン（低温空気注入流を運ぶ）は端板８１ｂの注入口８９を通じて注入される。

好ましくは、高温燃料排気流および低温燃料注入流は端板８１ｂの一の「短辺」側にもたらされ、高温空気排気流および低温空気注入流は端板８１ｂの逆側にもたらされる。図８Ｃに示す構成において、空気開口部８９および９２は角に配置され、燃料開口部９０，９１はそれぞれの端辺の中間に配置される。好ましくは、端板８１ａは熱交換器の「低温」側を含み、そこでは、２つの高温排気流（スタックからの燃料および空気排気流）が熱を与えた後に熱交換器８０から排出され、２つの加熱されていない空気および燃料注入流が熱交換器に注入されることになる。

しかし、任意の数の流れが熱交換器を通過可能であり、任意の数の注入口および排出口が用いられ得る。加えて、高温および低温流れが端板８１ａ，８１ｂのいずれかの注入口を通じて注入可能であり、端板８１ａ，８１ｂのいずれかの排出口を通じて排出可能である。

各熱交換セクション８２，８３，８４は少なくとも２つの中間板９３を備え、図８Ａに示すように、任意の数の板９３がセクションおよびスタック８０において用いられ得る。各板９３は、好ましくは長方形であるが、オーバル、円、正方形または他の形状であってもよい。各板９３は、長方形の「短辺」端に配置された穴９４を備える。４つの流れに対応するように構成された態様において、板９３あたりに８つの穴９４が好ましい（一の端部近くに４つの穴があり、他の端部近くに４つの穴がある）。しかし、各板は任意の数の穴９４を有してもよい。各板９３，８１ａおよび８１ｂが図８Ａに示すように積層されたとき、各穴９４はライザー７８を構成する。ライザー７８は板９３に直交するように設けられ、流れはライザー７８を通じて熱交換器の一の端板８１ａから他の端板８１ｂに流れる。各流れは、２以上のライザー７８（例えば、１つの注入ライザーおよび１つの排気ライザー）を流れる。図８Ａおよび図８Ｄに示すように、流れはシール２０１によってライザー７８内に封じられる。点線は、シール２０１が存在しておらず流れが流路９５に入ることを表す。流路９５は、２つの積層された板９３の間の（または、中間板９３と隣接する端板８１ａあるいは端板８１ｂとの間の）空間である。流路９５において、流れは、板９３に平行にライザー７８から他のライザーに向かって流れる。流路９５に沿って流れ間の熱交換が行われる。

空気予加熱器８２の一の態様において、低温空気９７（すなわち、スタックへの空気注入流）および高温燃料９８（すなわち、スタックからの燃料排気流）は、熱を交換する。低温空気９７は、板９３ａと板９３ｂとの間の流路９５を通じて流れる。この好ましい態様において、低温空気９７は、一の角の注入ライザー７８ｃｉから対角線上に位置する角の排出ライザー７８ｃｉに向かって対角線上を流れる。空気予加熱器８２における板９３ｂの上側の隣接する流路９５（すなわち、板９３ｂおよび９３ｃの間）において、高温燃料９８は、板９３ｂの対角線上に配置された中間注入ライザー７８ｍｉから中間排気ライザー７８ｍｏまで流れる。好ましくは、流れ９７および９８の対角方向は、異なる角度での同じ方向である。しかし、低温空気９７および高温燃料９８の双方は、板の一の端部の任意のライザー７８から他の端部の任意のライザー７８に流れることができる。２つの流れは、板９３ｂの向かい合う端部の同じ一般的方向に流れるとき、熱を交換する。

熱交換器８３の一の態様において、低温燃料９９（すなわち、スタックへの空気注入流）は、高温燃料９８（すなわちスタックからの燃料排気流）と熱を交換する。低温燃料９９は、板９３ｃの対角線上に配置された中間注入ライザー７８ｎｉから他の中間排気ライザー７８ｎｏへの流路９５を通過して流れる（すなわち、流路は板９３ｃと９３ｄとの間に配置される）。板９３ｄと９３ｅとの間の隣接する流路９５において、燃料９８は、中間ライザー７８ｍｉから対角線上に配置された中間ライザー７８ｍｏに向かって、低温燃料９９の向きとおおむね対向する（すなわち、逆流する）方向に流れる。図８Ａに示すように、高温燃料９８は、低温空気９７を加熱すると同時に低温燃料９９を加熱する。低温燃料９９は２つの高温燃料９８の流れ（板９３ｂと９３ｃとの間の第１の高温燃料９８の流れ、板９３ｄと９３ｅとの間の第２の高温燃料９８）に加熱される。同様に、板９３ｂと９３ｃとの間の第１の高温燃料９８は、空気予加熱器８２における低温空気９７および燃料熱交換器８３における低温燃料を加熱する。しかし、低温燃料９９および高温燃料９８の双方は、板９３の一の端部の任意のライザー７８から他の端部の任意のライザー７８に流れ得る。

空気熱交換器８４の一の態様において、低温空気９７（すなわち、燃料電池スタックへの空気注入流）は高温空気９６（すなわち、燃料電池スタックからの空気排気流）と熱交換する。低温空気９７は、板９３ｅと板９３ｆとの間において角ライザー７８ｃｉから対角線上に配置された角ライザー７８ｃｏへの対角線上の流路９５を流れる。高温空気９６は、板９３ｆと８１ａとの間の隣接する対角線上の流路９５を、角ライザー７８ｄｉから対角線上に位置する角ライザー７８ｄｏに流れる。好ましくは、低温空気９７および高温空気９６は、おおむね対向する方向に（逆流する方向に）流れる。そして、低温空気９７は、高温空気９６および高温燃料９８の双方により、板９３ｄと９３ｅとの間の流路にて加熱される。好ましくは、低温空気９７および高温燃料９８は、おおむね同じ方向に（すなわち、共通流れ方向に）流れる。他のセクションにおいて、低温空気９７および高温空気９６は、それぞれ板の一の端部の任意のライザー７８から他の端部の任意のライザー７８に流れる。

図８Ｄは、板（例えば、板９３ｂまたは９３ｄ）の上の流路９５を通過する高温燃料９８の流れの態様を表す。高温燃料９８は中央ライザー７８ｍｉから排出され、流路９５に流入する。高温燃料９８は、ライザー７８ｍｉに流れを封じるためのシール２０１は存在しないので、板の間から流路９５に入ることができる。板９３の左端の他のライザーは、シール２０１によって封じられる。図８Ｄに示すように、流路は、オプションとしての板９３の互いにかみ合うリブによって延長される。リブ２００は、ジグザグの流路９５を提供する。他のリブ形状も用いられ得る。高温燃料９８はリブ２００の間を行き来し、「燃料ＨＯＴＯＵＴ」中央ライザー７８ｍｏに入ることにより、板の対向する端部における流路９５に排出される。板の右端の他のライザーは、シール２０１によって封じられる。

図８Ｅは、板（例えば、板９３ｆ）の上の流路９５を通過する高温空気９６の流れの態様を表す。高温空気９６は、角ライザー７８ｄｉから排出され、流路９５に流入する。高温空気９６は、ライザー７８ｄｉに流れを封じるためのシール２０１は存在しないので、流路９５に入ることができる。板９３ｆの右端の他のライザーは、シール２０１によって封じられる。図８Ｅに示すように、流路は、オプションとしての板９３の互いにかみ合うリブによって延長される。リブ２００は、ジグザグの流路９５を提供する。他のリブ形状も用いられ得る。高温空気９６はリブ２００の間を行き来し、「燃料ＨＯＴＯＵＴ」角ライザー７８ｄｏに入ることにより、板の対向する端部における流路９５に排出される。板の左端の他のライザーは、シール２０１によって封じられる。

図９Ａは、プレート状多流路型熱交換器の他の構成９００を表す。ここで、温度勾配は、主として板に平行である。多くの特徴は、多流路型熱交換器８０と同様である。この構成は、３つの熱交換セクション（空気予加熱器１８２、陽極復熱器セクション１８３および陰極復熱器セクション１８４を含む）を備える。「陽極復熱器セクション」１８３は燃料熱交換器８３に対応し、「陰極復熱器セクション」１８４は空気熱交換器８４に対応する。空気予加熱器１８２は、熱膨張の問題を緩和し、熱交換面積を小さくし、または、板材料の廃棄物を減らすべく、オプションとして個別の交換器として構成可能である。その場合、空気予加熱器は、より安価な材料によって構成可能である。

各熱交換セクションは、図９Ａにおける各セクションの上面および下面として２つの主面９０２、および、複数の端面９０３を有する。この態様において、各熱交換セクションの主面９０２は、他の熱交換セクションの主面９０２と実質的に平行である。好ましくは、空気予加熱器セクション１８２は、陽極復熱器セクション１８３の第１の端面９０３に隣接するように配置される。加えて、陰極復熱器セクション１８４は、陽極復熱器セクション１８３の第２の端面９０３に隣接するように配置される。第１および第２の端面９０３は、好ましくは互いに隣接する。しかし、空気予加熱器セクション１８２および陰極復熱器セクション１８４は、陽極復熱器セクション１８３の任意の面に隣接して互いに任意の角度をなすように配置され得る。他の態様において、空気予加熱器１８２は、陽極復熱器セクション１８３または陰極復熱器セクション１８４の下部に配置され得る。加えて、そのセクションの各主面９０２および各端面９０３は、三角形、正方形、長方形、台形、五角形等の任意の形状であり得る。各セクションの全体の形状および大きさは、他のセクションに応じて変更され得る。例えば、空気予加熱器１８２は、陽極復熱器１８３と同一の、より大きい又はより小さい幅を有し得る。同様に、陰極復熱器１８４は、陽極復熱器１８３と同一の、より大きい又はより小さい幅を有し得る。望ましくは、空気予加熱器１８２は、長さを短くするために（図９Ｂにおける反時計回りに）９０度回転されてもよい。その場合、空気予加熱器１８２と陰極復熱器１８４との間に分離材が追加されるべきである。より広い平行端を有する台形の板を高温端に設けることにより、ガスが加熱によって膨張または冷却によって収縮した場合でもより均一な流速が得られる。流速がより均一となることにより、高流速による過剰な圧力低下を避けながら、交換器全体において適切なフィルム熱伝導効率を維持することができる。

図９Ａは、この態様の多流路型熱交換器９００に流入・排出される流れを表す。「低温空気」と上述されていた空気注入流９７は、空気予加熱器１８２に注入口１８９を通じて入って通過する。この態様において、流れは、空気予加熱器１８２から陰極復熱器１８４におおむね平行に流れる。おおむね平行にとの文言は、流れが熱交換器の主面９０２に流入して対向する主面９０２から排出される場合、熱交換器の各セクションの垂直なコンポーネントを含む。他の態様において、空気注入流９７は、一のセクションから他のセクションに移動するとき、空気予加熱器１８２および陰極復熱器１８４のライザーを通過して流れ得る。空気注入流９７は、陰極復熱器１８４の一の端部から他の端部に移動し、排出口１８７を通じて熱交換器９００から排出される。好ましくは、流れ９７は、一の主面（例えば、下主面）９０２にて流入し、対向する主面（例えば、上主面）９０２から排出される。

「高温燃料」と上述されていた陽極排気流９８は、熱交換器９００に注入口１８８を通じて入る。そして、陽極排気流９８は、陽極復熱器セクション１８３の一端から他端に流れ、空気予加熱器１８２を通過して流れ続ける。または、陽極排気の一部は、図２Ｃおよび図９Ｃに示されるように、空気予加熱器を通過する前にオプションとしての燃料排出口１９９を通じて排出される。空気予加熱器セクション１８２において、陽極排気流９８は、空気注入流９７と熱交換する。流れ９８は排出口１９０を通じて排出される。好ましくは、流れ９８は一の主面（例えば、上主面）９０２にて流入し、対向する主面（例えば、下主面）から排出される。陽極復熱器セクション１８３において、陽極排気流９８は、燃料注入流９９（または、低温燃料）と熱交換する。燃料注入流９９は、注入口１９１を通じて熱交換器９００に入る。燃料注入流９９は、陽極復熱器セクション１８３を陽極排気流９８に対向する方向に移動する。好ましくは、流れ９９は、一の主面（例えば、下主面）９０２にて流入し、対向する主面（例えば、上主面）９０２から排出される。

陰極排気流９６（または、高温空気）は、熱交換器９００に注入口１８６を通じて入る。そして、陰極排気流９６は、陰極復熱器セクション１８４を移動し、空気注入流９７と熱交換する。陰極排気流は、排出口１９２を通じて排出される。排出口１９２は、図を明確に表すために上主面に示されているが、好ましくは、排出口１９２は熱交換器の下主面に配置される。そして、好ましくは、流れ９６は、一の主面（例えば、上主面）９０２にて流入し、対向する主面（例えば、下主面）９０２から排出される。

この態様において、注入口および排出口の全ては、各セクションの主面の角に配置されている。しかし、注入口および排出口は、任意の主面９０２および／またはライザー７８（図９Ｄおよび図９Ｅにおける垂直配流チューブ）へ接続可能な端面９０３に配置され得る。陰極排気流９６および陽極排気流９８（例えば、高温流れ）は、主面９０２（例えば、上主面）を通じて熱交換器９００の一の側面に入ることが好ましく、空気注入流９７および燃料注入流９９は主面９０２（例えば、下主面）を通じて熱交換器の他の側面に入ることが好ましい。この構成において、分離材は、熱交換器９００の高温側（例えば、上側）が低温側（例えば、下側）よりも厚い。好ましくは、高温流れ９６および９８は、同じ高温側（例えば、左端）から入って同じ低温側（例えば、右端）から出るとともに、低温流れ９７は、低温側から入って高温側から出る。低温流れ９９は、中央から熱交換器に入り（例えば、低温端セクション１８３）、高温側から出る。

熱交換器９００の各セクションは、３つの板９３を有し得るが、任意の数の板を有することが可能である。単一のスタックの態様８０について上述したように、板９３は、任意の形状および大きさを有し、任意の数の穴９４を有する。積層されたとき、板の穴はライザー７８を形成する。さらに、交換器９００は、各セクションにおいて任意の数のライザー７８を備え得る。ライザー７８は、互いに同様の又は異なる大きさを有し得る。

図９Ｂおよび図９Ｃは、多流路型熱交換器９００の２つの異なる断面における上面図である。図９Ｂは、陰極排気流９６および陽極排気流９８（すなわち、高温流れ）の流路の態様を示す。垂直ライザー７８における点線は、流れがその層にて分散したことを表す。垂直ライザー７８における実線は、シール２０１が流れが分散することを防ぐことを表す。陽極排気流９８は、ライザーＦＩから陽極復熱器１８３の流路に入り、陽極復熱器１８３の対角線上を移動する。陽極排気流９８は、陽極復熱器１８３から空気予加熱器セクション１８２に移動するとき、オプションとしてライザー７８を通過して流れる。流れは、空気予加熱器１８２の対角線上を移動して流れ続ける。陽極排気流９８は、排出口１９０（図９Ａに示される排出口）を通じて交換器９００から排出される。陰極排気流９６は、陰極復熱器１８４のライザーＥ１から流路に入り、陰極復熱器１８４の対角線上を横切るように流れる。流れはライザーＥ１に入り、排出口１９２を通じて交換器９００から出る。

図９Ｃは、空気注入流９７および燃料注入流９９（すなわち、低温流れ）の流路の一の態様を表す。空気注入流９７は、空気予加熱器１８２のライザーＡＩから流路に入り、空気予加熱器１８２の対角線上を横切るように流れる。流れは、陰極復熱器１８４に向かって板９３に平行に流れる。流れ９７は、陰極復熱器１８４に流入する前に、空気予加熱器１８２と陰極復熱器１８４との間に設けられるオプションとしての空気再配流穴１９８，１９９を通過して流れてもよい。陰極復熱器１８４の対角線上を横切った後、空気注入流９７はライザーＡＯに入り、排出口１８７を通じて交換器から出る。図２Ｃに示す流れ図において、燃料排気流の一部はＡＴＯにもたらされるようになっているが、オプションとしての空気再配流穴１９９の１つが陽極排気をＡＴＯにもたらすための燃料排出口として代わりに用いられ得る。燃料注入流９９は、ライザーＦＩから陽極復熱器１８３の流路に入る。流れは、陽極復熱器の対角線上を横切り、ライザーＦＯに入り、排出口１８５を通じて交換器９００から出る。全ての流れは、板９３の１つの組み合わせの間または板９３の複数の組み合わせの間にて、セクションの一端から他端に向かって流れ得る。各板の熱交換面は、平坦、フィン状、山型の波状または他のパターンであってもよい。

図９Ｄおよび図９Ｅは、熱交換器９００の側面図を表す。図９Ｄは、陰極復熱器セクション１８４であり、陽極復熱器セクション１８３の後ろに配置される。４つの流れのそれぞれは、流路には配流されるべくライザー７８を通過して流れる。任意の数のライザー７８を設けてもよく、その形状および大きさ（例えば、一または複数のライザーは各流れを移動させ得る）も任意である。ライザーには、より均一な流れを生むための任意の技術（例えば、チャネル、バッフルおよびベーンなど）が適用され得る。空気注入流についての空気予加熱器１８２と陰極復熱器１８４との間の垂直配流パイプまたはライザーは、オプションである。同様に、陽極排気流についての空気予加熱器１８２と陽極復熱器１８３との間の垂直配流パイプまたはライザーも、オプションである。

好ましい態様において、隔壁は、セクション１８２における空気注入流９７の流路とセクション１８３における燃料注入流９９の流路とを隔離する。セクション間のこの隔壁および他の隔壁は、複数の層（空気または隔離材によって満たされた小さなギャップがあってもよい）にて構成されてもよい。この構成は、セクション間の熱移動／漏れを減らす。さらに、図９Ｄおよび図９Ｅに示されるように、各セクション１８２，１８３および１８４の熱交換面は、流れ分流チューブまたはライザー７８によって隔離された流れ分流セクションによって隔離されてもよい。これら図には、熱交換器の外部隔離材も示されている。

本発明の他の態様は、燃料電池スタックモジュール以外にも、燃料電池システム全体のモジュールのデザインを提供する。モジュールシステムデザインは、柔軟な実装および実行を提供する。モジュールにより、実装された生成容量、電力生成の信頼性、燃料処理の柔軟性、ならびに、出力電圧および周波数の柔軟性、のスケーリングが可能となる。モジュールデザインにより、非常に高い安定供給性および信頼性を備えた「常時ＯＮ」ユニットがもたらされる。このデザインは、スケールアップを容易にし、顧客の具体的な要求に応じることができる。モジュールデザインによれば、燃料の安定供給、ならびに、顧客および／または地理的地域によって異なる要求される電圧および周波数がもたらされる。要約すれば、燃料電池システムは、モジュール式のセットとしてデザインされ、顧客の異なる要求に応じて実装され、システムの要素は非常に高いシステム信頼性と安定供給性とを達成するべく協力して作動することができる。図１０は、モジュール式の燃料電池システム６０の構成の例を表す。システム６０は、以下の要素を含む。システム６０は、複数の燃料電池スタックモジュール６１を含む。それらモジュール６１は、容易に改質された燃料流から直流電力を生成するべく用いられるコンポーネントを含む。

第２の態様の一の側面において、各燃料電池スタックモジュール６１は、第１の態様のモジュール１と同様である。そして、図１０に表される各モジュール６１は、図１Ｂに示すように、ベース３、シェル１１および一または複数の燃料電池スタック９を備える。例えば、ＳＯＦＣまたは溶融炭酸塩燃料電池システムのような高温燃料電池システムについて、各燃料電池スタックモジュール６１は、第１の態様のモジュール１と同様である。第２の態様の他の側面において、各モジュール６１は、１つのベース３、および、複数のシェル１１に覆われた複数の燃料電池スタック９を備え得る。または、各モジュール６１は、第１の態様のモジュール１と異なる構造または構成を有してもよい。例えば、ＰＥＭシステムのような低温燃料電池システムについて、各モジュール６１は、第１の態様のモジュール１と異なり得る。そして、第２の態様のシステムは、高温および低温燃料電池スタックモジュールに適用され得る。

各モジュール６１は、少なくとも１つの燃料電池スタック９を含む。複数の燃料電池スタックモジュール６１は、集合配置型にて（例えば、単一のホットボックス６２内に）実装され得る。単一の燃料電池スタックモジュール６１が機能不全となっても、残りの燃料電池スタックモジュール６１が作動し続けるので、単にわずかに出力の容量が下がるだけ又はわずかにシステムの効率が下がるだけである。

システム６０は、一または複数の燃料処理モジュール６３も含む。これらモジュールは、燃料が容易に改質されるように事前処理をするべく用いられるコンポーネントを含むデバイスである。燃料処理モジュール６１は、燃料の異なるセットを処理するように設計される。例えば、ディーゼル燃料処理モジュール、天然ガス燃料処理モジュール、エタノール燃料処理モジュールが提供され得る。処理モジュール６３は、以下の燃料から選ばれる少なくとも１つを処理し得る。パイプラインからの天然ガス、圧縮された天然ガス、プロパン、ガソリン、ディーゼル、家庭用暖房油、灯油、液体石油ガス、アンモニア、エタノール、メタノール、合成ガス、バイオガス、バイオディーゼル、および、他の適切な炭化水素または水素を含む燃料。望ましくは、改質器３７は、燃料処理モジュール６３に配置され得る。または、改質器３７を燃料電池スタック９に熱的に統合することが望ましい場合、改質器３７は燃料電池スタックモジュール６１に配置され得る。さらに、内部改質型の燃料電池が用いられる場合、外部改質器３７は省略され得る。または、上記配置の任意の組み合わせにおいて、改質は実行され得る。

システム６０は、一または複数の電力調整モジュール６５も含む。それらモジュール６５は、直流電力を交流電力に変換するコンポーネント、グリッドに接続するコンポーネント、過渡電流を管理するモジュールを含むデバイスである。電力調整モジュール６５は、燃料電池モジュール６１からの直流電力を異なる交流電圧および周波数に変換するように設計され得る。２０８∨，６０Ｈｚ；４８０∨，６０Ｈｚ；４１５∨，５０Ｈｚおよび他の一般的な電圧および周波数が提供され得る。例えば、各モジュール６５は、燃料電池モジュール６１におけるスタック９の各ペアについてＤＣ／ＤＣ専用コンバータユニットを含んでもよく、各モジュール６５の複数のＤＣ／ＤＣコンバータユニットについて共有のＤＣ／ＡＣコンバータユニットを含んでもよい。

モジュール６１，６３，６５の各タイプは、別々のコンテナ（例えば、ボックス、ラックまたはプラットフォーム）内に又は上に実装され得る。そして、コンテナは、互いに独立して配置され、移動され、修理または保守され得る。例えば、図１０に示すように、燃料電池スタックモジュール６１は共通のホットボックス６２内に配置される。燃料処理モジュールまたはモジュール６３は、異なるボックス６７内に配置される。電力調整モジュールまたはモジュール６５は、異なるラック６９内に配置される。

ここに説明された燃料電池システムは、望ましくは、他の態様および構成を備え得る。他のコンポーネントも、望ましくは、追加され得る。例えば、２００２年１１月２０日付にて出願された米国出願番号１０／３００，０２１、２００７年１月２２日付にて出願された米国出願番号１１／６５６，００６、２００３年４月９日付にて仮出願された米国出願番号６０／４６１，１９０、および、２００３年５月１９日付にて出願された米国出願番号１０／４４６，７０４に記載されたコンポーネントであり、それら全ての内容はここに参照として取り込まれる。さらん、任意の態様において記載された及び／又は任意の図に示された任意のシステム要素または方法ステップは、たとえここに明記されていなくとも、上述した他の適切な態様のシステムおよび／または方法において用いられ得ることに留意されたい。

本発明の以上の記載は、説明および記載のためになされたものである。本発明を記載された具体的な構成に制限または限定することは意図されておらず、上記技術を考慮して、または、本発明の実行から、改変または変更が可能であることに留意されたい。上記記載は、本発明の原理および実施上の適用を説明するべく選択されたものである。本発明の範囲はここに添付される請求の範囲およびその均等の範囲にて定められる。

Claims (13)

1. 燃料電池スタックに流入する燃料注入流および空気注入流をもたらすこと、
   前記燃料電池スタックから陽極排ガス酸化剤への陰極排気流をもたらすこと、
   前記燃料注入流を加熱するために前記燃料電池スタックから陽極復熱器への陽極排気流をもたらすこと、
   前記陽極復熱器から出た後の前記陽極排気流を第１の陽極排気流と第２の陽極排気流とに分流すること、
   前記陽極排ガス酸化剤への前記第１の陽極排気流をもたらすこと、
   前記第２の陽極排気流を前記燃料注入流に再利用することに続いて前記空気注入流を予加熱するために空気予加熱器への前記第２の陽極排気流をもたらすこと、
   流れを生成するための流れ生成器への前記陽極排ガス酸化剤排気流をもたらすことに続いて前記空気注入流を加熱するために陰極復熱器への陽極排ガス酸化剤排気流をもたらすこと、および、
   燃料注入流への前記流れをもたらすこと、
   を含み、
   前記陽極排気流が、前記燃料電池スタックを含むホットボックス内に配置された分流器によって前記空気予加熱器の上流にて分流され、前記第１の陽極排気流が、前記空気予加熱器または前記ホットボックスの外部を経由することなく前記分流器から前記陽極排ガス酸化剤に直接もたらされる、
   燃料電池システムの作動方法。
2. 請求項１に記載の作動方法において、
   前記燃料電池スタックが固体酸化物燃料電池を有し、前記燃料注入流が炭化水素燃料注入流を含む、燃料電池システムの作動方法。
3. 請求項２に記載の作動方法であって、
   前記燃料注入流が前記燃料電池スタックに流入する前に前記燃料注入流を部分的に改質し、前記燃料注入流を前記燃料電池スタックにて内部改質すること、を更に含む燃料電池システムの作動方法。
4. 請求項１に記載の作動方法において、
   前記陰極排気流が前記陽極排ガス酸化剤への単一の空気源に相当し、前記陽極排ガス酸化剤が独立した空気注入口を有さず、
   前記第１の陽極排気流が前記陽極排ガス酸化剤への全燃料源に相当し、前記陽極排ガス酸化剤に独立した新燃料がもたらされない、燃料電池システムの作動方法。
5. 請求項１に記載の作動方法であって、
   前記燃料電池スタックの温度および前記陽極排ガス酸化剤の温度を調整し維持するために、前記空気注入流を制御すること、を更に含む燃料電池システムの作動方法。
6. 請求項１に記載の作動方法であって、
   前記燃料注入流内へ再利用される前記第２の陽極排気流の量を調整するための可変速度ブロワおよび制御バルブの少なくとも一つを用いることにより、前記第１および第２の陽極排気流における前記陽極排気流の量を制御すること、を更に含む燃料電池システムの作動方法。
7. 燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックと、
   燃料注入流を該燃料電池システムにもたらすように構成された燃料注入路と、
   空気注入流を該燃料電池システムにもたらすように構成された空気注入路と、
   陽極排ガス酸化剤と、
   陰極排気流を前記燃料電池スタックから前記陽極排ガス酸化剤にもたらすように構成された陰極排気路と、
   陽極復熱熱交換器と、
   前記燃料注入流を加熱するために陽極排気流を前記燃料電池スタックから前記陽極復熱熱交換器にもたらすように構成された陽極排気路と、
   前記陽極復熱熱交換器から出た後の前記陽極排気流を第１の陽極排気流と第２の陽極排気流とに分流するように構成された分流器と、
   前記第１の陽極排気流を前記分流器から前記陽極排ガス酸化剤にもたらすように構成された排ガス路と、
   空気予加熱熱交換器と、
   前記空気注入流を加熱するために前記第２の陽極排気流を前記分流器から前記空気予加熱熱交換器にもたらすように構成された陽極再循環路と、
   前記第２の陽極排気流を前記空気予加熱熱交換器から前記燃料注入流に再循環するように構成された陽極排気路と、
   陰極復熱熱交換器と、
   前記空気注入流を加熱するために陽極排ガス酸化剤排気流を前記陰極復熱熱交換器にもたらすように構成された陽極排ガス酸化剤排気路と、
   流れ生成器と、
   流れを生成するために前記陽極排ガス酸化剤排気流を前記陰極復熱熱交換器にもたらすように構成された流れ生成器注入路と、
   前記流れ生成器から前記燃料注入流への流れをもたらすように構成された流れ生成器排気路と、
   を備えた燃料電池システム。
8. 請求項７に記載のシステムにおいて、
   前記燃料電池スタックが固体酸化物燃料電池スタックを有し、前記燃料注入流が炭化水素燃料注入流を含む、燃料電池システム。
9. 請求項８に記載のシステムであって、
   前記陽極復熱熱交換器の下流に配置される部分改質器を更に備えた燃料電池システム。
10. 請求項９に記載のシステムにおいて、
    前記固体酸化物燃料電池スタックが、内部改質陽極電極を有する固体酸化物燃料電池を含む、燃料電池システム。
11. 請求項７に記載のシステムにおいて、
    前記陰極排気流が前記陽極排ガス酸化剤への単一の空気源を構成するように前記陽極排ガス酸化剤が独立した空気注入口を有さず、
    前記第１の陽極排気流が前記陽極排ガス酸化剤への全燃料源を構成するように前記陽極排ガス酸化剤が独立した燃料口を有さない、燃料電池システム。
12. 請求項７に記載のシステムにおいて、
    前記第１の陽極排気流が前記空気予加熱熱交換器を通過しないように、前記分流器が前記空気予加熱熱交換器の上流に配置される、燃料電池システム。
13. 請求項１２に記載のシステムにおいて、
    前記分流器が前記燃料電池スタックを含むホットボックス内に配置されることにより、前記第１の陽極排気流が前記空気予加熱熱交換器または前記ホットボックスの外部を経由することなく前記分流器から前記陽極排ガス酸化剤に直接もたらされる、燃料電池システム。

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