JP6899363B2 - ブロック内(イン−ブロック)改質を有する燃料電池システム - Google Patents
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Description
CH4+H2O→CO+3H2 ΔH°=206.2kJ/mol (式1)
改質の代替方法もまた利用可能である。例えば、前記炭化水素燃料は、二酸化炭素改質(乾式改質として知られている)(式2)によって改質することができる。
CO2+CH4→2H2+2CO (式2)
燃料源から未改質燃料を引き出し、
前記未改質燃料と前記固体酸化物型燃料電池スタックから排出された燃料の少なくとも一部分とを混合し、
前記混合した未改質燃料と前記排出された燃料とを予備改質し、及び
前記固体酸化物型燃料電池スタックにおける前記未改質燃料の全てを改質することを含んでなる。
前記燃料電池スタックの酸化剤排出マニホールドにより、酸化剤排出物を排出し、
アノードエゼクタにより、燃料源からの燃料を受け取り、
前記アノードエゼクタにより、前記燃料排出マニホールドから前記燃料排出物の第1部分を受け取り、
前記アノードエゼクタにより、前記受け取った燃料の一又は複数の少なくとも一部及び前記燃料排出物の前記受け取った第1部分とを含んでなる燃料流をプレ−リフォーマーに供給し、
前記プレ−リフォーマーにより、前記アノードエゼクタからの前記燃料流から高級炭化水素を除去し、
前記プレ−リフォーマーにより、前記ブロック内改質のために前記燃料電池スタックの燃料供給マニホールドに、前記燃料流を供給し、
前記燃料電池スタックの酸化剤供給マニホールドにより、酸化剤源から酸化剤を受け取り、
前記燃料電池スタックにより、前記受け取った酸化剤を用いて前記燃料流をブロック内改質することを含んでなり、ここで、前記燃料電池システムの全ての燃料改質が前記燃料電池スタックにより実行される。
Claims (14)
- 燃料電池ブロックを備えたシステムであって、
前記燃料電池ブロックは、
燃料電池スタック,
前記燃料電池スタックは、複数の固体酸化物型燃料電池を備えてなり、
各前記固体酸化物型燃料電池は、アノードと、カソードと、及び電解質とを備えてなり、
ブロック内燃料流路,
前記ブロック内燃料流路は、
第1燃料供給マニホールド及び第2燃料供給マニホールドと、
第1燃料排出マニホールド及び第2燃料排出マニホールドと、
前記第1燃料供給マニホールド及び前記第2燃料供給マニホールドと、並びに、前記第1燃料排出マニホールド及び前記第2燃料排出マニホールドの各々と流体連通する一又は複数の燃料供給チャネルと、を備えてなり、
各アノードは、前記一又は複数の燃料供給チャネルに流れる燃料に曝されてなり、
ブロック内酸化流路,
前記ブロック内酸化流路は、酸化剤供給マニホールドと、酸化剤排出マニホールドと、前記酸化剤供給マニホールド及び前記酸化剤排出マニホールドと流体連通する一又は複数の酸化チャネルとを備えてなり、
各カソードは、前記一又は複数の酸化チャネルに流れる酸化剤に曝されてなり、
ブロック外酸化剤流路,
前記ブロック外酸化剤流路は、
酸化剤供給入力と、酸化剤リサイクル入力と、及び混合酸化剤出力とを有してなるカソードエゼクタと、
前記カソードエゼクタの前記酸化剤供給入力と流体連通する酸化剤供給導管と、
前記酸化剤供給導管と流体連通する酸化剤源と、
前記カソードエゼクタの前記酸化剤リサイクル入力及び前記ブロック内酸化流路の前記酸化剤排出マニホールドと流体連通する酸化剤リサイクル導管と、及び
前記カソードエゼクタの前記混合酸化剤出力及び前記ブロック内酸化流路の前記酸化剤供給マニホールドと流体連通する混合酸化剤供給導管とを備えてなり、
ブロック外燃料流路,
前記ブロック外燃料流路は、
第1燃料供給入力と、第1燃料リサイクル入力と、及び第1混合燃料出力とを備えてなる第1アノードエゼクタと、
第2燃料供給入力と、第2燃料リサイクル入力と、及び第2混合燃料出力とを備えてなる第2アノードエゼクタと、
前記第1アノードエゼクタの前記第1燃料供給入力と、及び前記第2アノードエゼクタの前記第2燃料供給入力との各々と流体連通する燃料供給導管と、
前記燃料供給導管と流体連通する燃料源と、
前記第1アノードエゼクタの前記第1燃料リサイクル入力及び前記第2アノードエゼクタの前記第2燃料リサイクル入力の各々と、並びに、第1ブロック内燃料流路の燃料排出マニホールド及び第2ブロック内燃料流路の燃料排出マニホールドの各々と流体連通する第1燃料リサイクル導管及び第2燃料リサイクル導管と、
前記第1アノードエゼクタの前記第1混合燃料出力及び前記第2アノードエゼクタの前記第2混合燃料出力の各々と、並びに、前記ブロック内燃料流路の前記第1燃料供給マニホールド及び前記第2燃料供給マニホールドと流体連通する第1混合燃料供給導管及び第2混合燃料供給導管と、を備えてなり、
前記ブロック外燃料流路及び前記ブロック内燃料流路は、前記第1アノードエゼクタの前記第1燃料供給入力内及び前記第2アノードエゼクタの前記第2燃料供給入力内の各々へ流れる燃料の質量に対する前記第1アノードエゼクタの前記第1燃料リサイクル入力内及び前記第2アノードエゼクタの前記第2燃料リサイクル入力内の各々へ流れる燃料の質量のリサイクル比の範囲が4.5〜15となるように構成されてなり、
前記第1アノードエゼクタと前記第1燃料供給マニホールドとの間にある第1プレ−リフォーマーと、
前記第2アノードエゼクタと前記第2燃料供給マニホールドとの間にある第2プレ−リフォーマーと、
前記第1プレ−リフォーマー及び前記第2プレ−リフォーマーの各々は、前記ブロック外燃料流路の前記第1混合燃料供給導管及び前記第2混合燃料供給導管によって付与される流路内に配置されてなり、
前記第1プレ−リフォーマー及び前記第2プレ−リフォーマーの少なくとも1つは、前記燃料源から高級炭化水素を除去するように構成された断熱触媒コンバータであり、
ブロック外補助流路,を備えてなり、
前記ブロック外補助流路は、
酸化剤供給入力と、燃料排出入力と、酸化剤排出入力と、リサイクル入力と、及び出力とを備えてなる補助エゼクタと、
前記補助エゼクタの前記酸化剤供給入力と、及び酸化剤源と流体連通する補助エゼクタ酸化剤供給導管と、
前記補助エゼクタの前記燃料排出入力と、並びに、前記ブロック内燃料流路の前記第1燃料排出マニホールド及び前記第2燃料排出マニホールドと流体連通する補助エゼクタ燃料排出導管と、
前記補助エゼクタの前記酸化剤排出入力と、及び前記ブロック内酸化流路の前記酸化剤排出マニホールドと流体連通する補助エゼクタ酸化剤排出導管と、
前記補助エゼクタの前記出力と流体連通する補助排出導管と、及び
前記補助エゼクタの前記リサイクル入力と、及び前記補助排出導管と流体連通する補助エゼクタリサイクル導管と、
前記カソードエゼクタ及び前記補助エゼクタの上流に配置され、かつ、タービン排気と圧縮機により供給された酸化剤との間で熱交換として機能する、熱交換器と、を備えてなる、燃料電池ブロックを備えたシステム。 - 前記ブロック外燃料流路及び前記ブロック内燃料流路は、前記第1アノードエゼクタの前記第1燃料供給入力内及び前記第2アノードエゼクタの前記第2燃料供給入力内の各々へ流れる燃料の質量に対する前記第1アノードエゼクタの前記第1燃料リサイクル入力内及び前記第2アノードエゼクタの前記第2燃料リサイクル入力内の各々へ流れる燃料の質量のリサイクル比の範囲が6〜8となるように構成されてなる、請求項1に記載のシステム。
- 前記ブロック外燃料流路及び前記ブロック内燃料流路は、前記第1アノードエゼクタの前記第1燃料供給入力内及び前記第2アノードエゼクタの前記第2燃料供給入力内の各々へ流れる燃料の質量に対する前記第1アノードエゼクタの前記第1燃料リサイクル入力内及び前記第2アノードエゼクタの前記第2燃料リサイクル入力内の各々へ流れる燃料の質量のリサイクル比が約7.5となるように構成されてなる、請求項1に記載のシステム。
- 前記ブロック外燃料流路及び前記ブロック内燃料流路は、前記ブロック内燃料流路の前記第1燃料供給マニホールド内及び前記第2燃料供給マニホールド内に流れる流体中のメタンの重量パーセントが11パーセント以下になるように構成されてなる、請求項1に記載のシステム。
- 前記補助排出導管によって付与される流路内に燃焼器をさらに備えてなる、請求項1に記載のシステム。
- 前記燃焼器の流体出力と、前記混合酸化剤供給導管内を流れる流体との間に熱エネルギーを伝達するための熱交換器をさらに備えてなる、請求項5に記載のシステム。
- 前記燃焼器の流体出力と、前記ブロック外酸化剤流路の前記酸化剤供給導管内を流れる流体との間に熱エネルギーを伝達するための熱交換器をさらに備えてなる、請求項5に記載のシステム。
- 燃料電池ブロックを備えたシステムであって、
前記燃料電池ブロックは、
燃料電池スタック,
前記燃料電池スタックは、第1セグメント及び第2セグメントとを備えてなり、
前記第1セグメント及び前記第2セグメントの各々は、複数の固体酸化物型燃料電池を備えてなり、
各前記固体酸化物型燃料電池は、アノード、カソード、及び電解質を備えてなり、
第1ブロック内燃料流路,
前記第1ブロック内燃料流路は、第1燃料供給マニホールドと、第1燃料排出マニホールドと、前記第1燃料供給マニホールド及び前記第1燃料排出マニホールドと流体連通する一又は複数の第1燃料供給チャネルとを備えてなり、
前記第1セグメントにおける各アノードは、前記一又は複数の第1燃料供給チャネルに流れる燃料に曝されてなり、
第2ブロック内燃料流路,
前記第2ブロック内燃料流路は、第2燃料供給マニホールドと、第2燃料排出マニホールドと、前記第2燃料供給マニホールド及び前記第2燃料排出マニホールドと流体連通する一又は複数の第2燃料供給チャネルとを備えてなり、
前記第2セグメントにおける各アノードは、前記一又は複数の第2燃料供給チャネルに流れる燃料に曝されてなり、
ブロック内酸化流路,
前記ブロック内酸化流路は、酸化剤供給マニホールドと、酸化剤排出マニホールドと、前記酸化剤供給マニホールド及び前記酸化剤排出マニホールドと流体連通する一又は複数の酸化チャネルとを備えてなり、
前記第1セグメント及び前記第2セグメントにおける各カソードは、前記一又は複数の酸化チャネルに流れる酸化剤に曝されてなり、
ブロック外酸化剤流路,
前記ブロック外酸化剤流路は、
酸化剤供給入力と、酸化剤リサイクル入力と、及び混合酸化剤出力とを有してなるカソードエゼクタと、
前記カソードエゼクタの前記酸化剤供給入力と流体連通する酸化剤供給導管と、
前記酸化剤供給導管と流体連通する酸化剤源と、
前記カソードエゼクタの前記酸化剤リサイクル入力及び前記ブロック内酸化流路の前記酸化剤排出マニホールドと流体連通する酸化剤リサイクル導管と、及び
前記カソードエゼクタの前記混合酸化剤出力及び前記ブロック内酸化流路の前記酸化剤供給マニホールドと流体連通する混合酸化剤供給導管とを備えてなり、
第1ブロック外燃料流路,
前記第1ブロック外燃料流路は、
燃料供給入力と、燃料リサイクル入力と、及び混合燃料出力とを有してなる第1アノードエゼクタと、
前記第1アノードエゼクタの前記燃料供給入力と流体連通する第1燃料供給導管と、
前記第1燃料供給導管と流体連通する燃料源と、
前記第1アノードエゼクタの前記燃料リサイクル入力及び前記第2ブロック内燃料流路の前記第2燃料排出マニホールドと流体連通する第1燃料リサイクル導管と、及び
前記第1アノードエゼクタの前記混合燃料出力及び前記第1ブロック内燃料流路の前記第1燃料供給マニホールドと流体連通する第1混合燃料供給導管とを備えてなり、
第2ブロック外燃料流路,を備えてなるものであり、
前記第2ブロック外燃料流路は、
燃料供給入力と、燃料リサイクル入力と、及び混合燃料出力とを有してなる第2アノードエゼクタと、
前記第2アノードエゼクタの前記燃料供給入力と流体連通する第2燃料供給導管と、
前記第2燃料供給導管と流体連通する燃料源と、
前記第2アノードエゼクタの前記燃料リサイクル入力及び前記第1ブロック内燃料流路の前記第1燃料排出マニホールドと流体連通する第2燃料リサイクル導管と、及び
前記第2アノードエゼクタの前記混合燃料出力及び前記第2ブロック内燃料流路の前記第2燃料供給マニホールドと流体連通する第2混合燃料供給導管とを備えてなり、
前記第1アノードエゼクタと前記第1燃料供給マニホールドとの間にある第1プレ−リフォーマーと、
前記第2アノードエゼクタと前記第2燃料供給マニホールドとの間にある第2プレ−リフォーマーと、
前記第1プレ−リフォーマー及び前記第2プレ−リフォーマーの各々は、前記第2ブロック外燃料流路の前記第2混合燃料供給導管によって付与される前記第2ブロック外燃料流路内に配置されてなり、
前記第1プレ−リフォーマー及び前記第2プレ−リフォーマーの少なくとも1つは、前記燃料源から高級炭化水素を除去するように構成された断熱触媒コンバータであり、
前記第1ブロック外燃料流路及び前記第2ブロック外燃料流路並びに前記第1ブロック内燃料流路及び前記第2ブロック内燃料流路は、前記第1アノードエゼクタ又は前記第2アノードエゼクタの前記燃料供給入力内へ流れる燃料の質量に対する前記第1アノードエゼクタ又は前記第2アノードエゼクタの前記燃料リサイクル入力内へ流れる燃料の質量のリサイクル比の範囲が4.5〜15となるように構成されてなり、
ブロック外補助流路,を備えてなり、
前記ブロック外補助流路は、
酸化剤供給入力と、燃料排出入力と、酸化剤排出入力と、リサイクル入力と、及び出力とを備えてなる補助エゼクタと、
前記補助エゼクタの前記酸化剤供給入力と、及び酸化剤源と流体連通する補助エゼクタ酸化剤供給導管と、
前記補助エゼクタの前記燃料排出入力と、並びに、前記第1ブロック内燃料流路及び前記第2ブロック内燃料流路の前記第1燃料排出マニホールド及び前記第2燃料排出マニホールドと流体連通する補助エゼクタ燃料排出導管と、
前記補助エゼクタの前記酸化剤排出入力と、及び前記ブロック内酸化流路の前記酸化剤排出マニホールドと流体連通する補助エゼクタ酸化剤排出導管と、
前記補助エゼクタの前記出力と流体連通する補助排出導管と、及び
前記補助エゼクタの前記リサイクル入力と、及び前記補助排出導管と流体連通する補助エゼクタリサイクル導管と、
前記カソードエゼクタ及び前記補助エゼクタの上流に配置され、かつ、タービン排気と圧縮機により供給された酸化剤との間で熱交換として機能する、熱交換器と、を備えてなる、燃料電池ブロックを備えたシステム。 - 前記第1ブロック外燃料流路及び前記第2ブロック外燃料流路並びに前記第1ブロック内燃料流路及び前記第2ブロック内燃料流路は、前記第1アノードエゼクタの前記燃料供給入力内及び前記第2アノードエゼクタの前記燃料供給入力内の各々へ流れる燃料の質量に対する前記第1アノードエゼクタの前記燃料リサイクル入力内及び前記第2アノードエゼクタの前記燃料リサイクル入力内の各々へ流れる燃料の質量のリサイクル比の範囲が6〜8となるように構成されてなる、請求項8に記載のシステム。
- 前記第1ブロック外燃料流路及び前記第2ブロック外燃料流路並びに前記第1ブロック内燃料流路及び前記第2ブロック内燃料流路は、前記第1アノードエゼクタの前記燃料供給入力内及び前記第2アノードエゼクタの前記燃料供給入力内の各々へ流れる燃料の質量に対する前記第1アノードエゼクタの前記燃料リサイクル入力内及び前記第2アノードエゼクタの前記燃料リサイクル入力内の各々へ流れる燃料の質量のリサイクル比が約7.5となるように構成されてなる、請求項9に記載のシステム。
- 前記第1ブロック外燃料流路及び前記第2ブロック外燃料流路並びに前記第1ブロック内燃料流路及び前記第2ブロック内燃料流路は、前記第1ブロック内燃料流路の前記第1燃料供給マニホールド内及び前記第2ブロック内燃料流路の前記第2燃料供給マニホールド内に流れる流体中のメタンの重量パーセントが11パーセント以下になるように構成されてなる、請求項8に記載のシステム。
- 前記補助排出導管によって付与される流路内に燃焼器をさらに備えてなる、請求項11に記載のシステム。
- 前記燃焼器の流体出力と、前記混合酸化剤供給導管内を流れる流体との間に熱エネルギーを伝達するための熱交換器をさらに備えてなる、請求項12に記載のシステム。
- 前記燃焼器の流体出力と、前記酸化剤供給導管内を流れる流体との間に熱エネルギーを伝達するための熱交換器をさらに備えてなる、請求項12に記載のシステム。
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