JP7158137B2

JP7158137B2 - 一体型燃料電池システム

Info

Publication number: JP7158137B2
Application number: JP2017166360A
Authority: JP
Inventors: ダレン・ボーデン・ヒッキー; イルファン・フサイニー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2037-08-31
Also published as: KR20180029871A; KR102490704B1; CN107819141A; US10347924B2; US20180076472A1; EP3293803A1; JP2018060780A; US20200020963A1; ES2901489T3; US11335924B2; CN107819141B; EP3293803B1

Description

本明細書に記載する主題は一般に燃料電池システムに関する。

燃料電池は、発電において、比較的効率が高く、汚染が少ない可能性が実証された電気化学的なエネルギー変換装置である。燃料電池は一般に直流電流（ｄｃ：ｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔ）を供給し、これは、例えばインバータを介して交流電流（ａｃ：ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ）に変換することができる。ｄｃ電圧またはａｃ電圧は、モータ、電灯、通信機器、ならびに、いくつもの電気装置およびシステムに電力を供給するために使用することができる。燃料電池は、定置用、半定置用、または、移動用で動作することができる。ＳＯＦＣなどの特定の燃料電池は、産業および自治体の要求を満足させるために電力を供給する大規模電力システムで動作することができる。他の燃料電池は、例えば自動車の動力などの小型の移動用に有用となる場合がある。

燃料電池は、イオン伝導層の両側の燃料と酸化剤とを電気化学的に結合させることによって電力を発生する。このイオン伝導層は、燃料電池の電解質とも呼ばれ、液体または固体とすることができる。燃料電池の一般的なタイプには、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ：ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃａｃｉｄｆｕｅｌｃｅｌｌ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ：ｍｏｌｔｅｎｃａｒｂｏｎａｔｅｆｕｅｌｃｅｌｌ）、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：ｐｒｏｔｏｎｅｘｃｈａｎｇｅｍｅｍｂｒａｎｅｆｕｅｌｃｅｌｌ）、および固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：ｓｏｌｉｄｏｘｉｄｅｆｕｅｌｃｅｌｌ）が含まれ、これらはすべて、概ね、それらの電解質にちなんで名付けられている。実際には、燃料電池は、典型的には、有用な電圧または電流で電力を発生させるために、電気的に直列に集積されて燃料電池の組立体を成している。

一般に、燃料電池の構成部品は、電解質および２つの電極を含む。電力を発生させる反応は一般に、反応を速めるために典型的には触媒が配置された電極で起こる。電極は、化学反応が起きる表面積を増大させるために流路および多孔質層などとして構成することができる。電解質は、一方の電極から他方の電極に帯電粒子を運ぶが、その他の点では、燃料および酸化剤の両方に対して実質的に不浸透性である。

典型的には、燃料電池は、水素（燃料）と酸素（酸化剤）とを水（副産物）に変換して電力を発生する。副産物の水は、高温作動で水蒸気として燃料電池を出ることができる。この排出された水蒸気（および他の高温の排出成分）は、タービンおよび他の用途に利用されて、追加の電力または動力を発生して、発電効率を上げることができる。空気が酸化剤として使用される場合には、空気中の窒素は実質的に不活性であり、典型的には燃料電池を通り過ぎる。水素燃料は、より容易に入手可能な天然ガスおよび他の炭化水素燃料および供給原料を改質するなど、炭素ベースの供給原料を現場で改質する（例えば、オンサイトの水蒸気改質）、または遠隔で改質することによって供給することができる。炭化水素燃料の例には、限定するものではないが、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、メタノール、および他の炭化水素が含まれる。

燃料電池システムは、燃料の流れの間で熱を移動させるために、空気の流れの間で熱を移動させるために、かつ、燃料電池からの排出された排出物を酸化するために多くの構成部品を含む。これらの構成部品は典型的には、別個のものであり、互いから離れて空間的に分散されている。（例えば、導管の本数、および／または導管の全長に関して）かなりの量の導管が、これらの構成部品を流体結合させるために必要になる場合がある。必要となる導管の量が増えるにつれて、導管を通る燃料および／または空気からの熱損失の量が増える。その結果、導管は、より断熱性のある（したがって、より高価な）材料で製作することが必要な場合があり、かつ／または、加熱するさらなる構成部品をシステムに追加することが必要な場合がある。このことは、燃料電池システムのコストおよび複雑さを増大させる。

米国特許第９１６６２４０号明細書

一実施形態では、一体型燃料電池システムは、燃料電池に供給された燃料および空気に基づいて電流を発生するように構成された燃料電池をそれぞれが含む１つまたは複数の燃料電池スタックと、電流を発生させるために燃料電池に供給される燃料と燃料電池から出力された燃料の第１の部分との間で熱交換するように構成された１つまたは複数の燃料熱交換器と、電流を発生させるために燃料電池に供給される空気と燃料電池から出力された排出物との間で熱交換するように構成された１つまたは複数の空気熱交換器と、燃料電池から出力された燃料の第２の部分、および燃料電池から出力された空気を受け入れるように構成された１つまたは複数の排ガス酸化器とを含む。１つまたは複数の排ガス酸化器は、燃料の第２の部分を燃料電池から出力された排出物で酸化するように構成される。１つまたは複数の燃料電池スタックは、燃料電池から出力された燃料が、１つまたは複数の燃料熱交換器に戻される第１の部分と、１つまたは複数の排ガス酸化器に導かれる第２の部分とに分離されるように、１つまたは複数の燃料熱交換器、および１つまたは複数の排ガス酸化器と流体結合される。

一実施形態では、一体型燃料電池システムは、燃料電池に供給された燃料および空気に基づいて電流を発生するように構成された燃料電池をそれぞれが含む１つまたは複数の燃料電池スタックと、電流を発生させるために燃料電池に供給される燃料と燃料電池から出力された燃料の第１の部分との間で熱交換するように構成された１つまたは複数の燃料熱交換器と、燃料電池から出力された燃料の第２の部分、および燃料電池から出力された空気を受け入れるように構成された１つまたは複数の排ガス酸化器とを含む。１つまたは複数の排ガス酸化器は、燃料の第２の部分を燃料電池から出力された排出物で酸化するように構成される。１つまたは複数の燃料電池スタックは、燃料電池から出力された燃料が、１つまたは複数の燃料熱交換器に戻される第１の部分と、１つまたは複数の排ガス酸化器に導かれる第２の部分とに分離されるように、１つまたは複数の燃料熱交換器、および１つまたは複数の排ガス酸化器と流体結合することができる。

一実施形態では、方法は、混合された入力供給源燃料と１つまたは複数の燃料電池スタックの燃料電池から出力された燃料の第１の部分との間で熱交換するように構成された１つまたは複数の燃料熱交換器に、混合された入力供給源燃料を受け入れるステップと、１つまたは複数の燃料熱交換器によって加熱された少なくともいくらかの燃料と１つまたは複数の空気熱交換器によって加熱された少なくともいくらかの空気とを消費することによって、１つまたは複数の燃料電池スタックの燃料電池を使って電流を発生させるステップと、燃料電池から出力された燃料の第１の部分を１つまたは複数の燃料熱交換器に導き、かつ、燃料電池から出力された燃料の残りの第２の部分を１つまたは複数の排ガス酸化器に導くステップとを含む。

本発明の主題は、添付の図面を参照して、以下の非限定的な実施形態の説明を読めば、よりよく理解できるであろう。

一体型燃料電池システムの一実施形態のフロー図である。図１に示した燃料電池システムの斜視図である。一体型燃料電池システムを提供するための方法の一実施形態のフローチャートである。

本明細書で説明する発明の主題は、いくつかの公知の燃料電池システムに比べて高度に一体化された燃料電池システムを提供する。この一体化は、燃料および／または空気が燃料電池システム内を流れる経路を変えることによって可能となり、これによって、燃料電池システムの様々な構成部品を互いに接近して配置することができる。その結果、燃料電池システムの構成部品を流体結合させるために必要な導管はより少なく、かつより短くなる。したがって、燃料電池システムを通って流れる燃料および／空気の熱損失はより少なくなり、燃料電池システムのコストおよび複雑さが（いくつかの他の燃料電池システムに比べて）減る。

図１は、燃料電池システム１００の一実施形態のフロー図を示す。燃料電池システムの動作および構成部品を、燃料と空気が燃料電池システム１００を通って流れる仕方と関連させて説明する。燃料は、燃料電池システム１００内を、燃料流れサイクル１０２に沿って、またはその中を流れ、空気は、燃料電池システム内を、空気流れサイクル１０４に沿って、またはその中を流れる。流れサイクル１０２、１０４は、燃料および空気がそれぞれ、加熱され、熱交換し、燃料電池１０６の１つまたは複数のスタックに供給されて電流を発生させるために、燃料電池システム１００の様々な構成部品を通って流れる方向および経路を表す。燃料電池１０６は、ＳＯＦＣまたは別のタイプの燃料電池などの燃料電池の１つまたは複数のスタックを表すことができる。

燃料流れサイクル１０２に関しては、燃料は、燃料の供給源１０８（図１の「燃料供給源」）から燃料電池システム１００に入力される。この供給源１０８は、天然ガスなどの水素含有物質の１つまたは複数の容器を表すことができる。供給源１０８によって供給され、燃料電池システム１００に入力される燃料は、供給源の入力燃料１１０と称することができる。入力燃料１１０は、燃料ブロワ１３２から出た出力燃料１３０と混合されて、混合された入力燃料１３４を形成する。これは、下記でより詳細に説明する。

混合された入力燃料１３４は、低温燃料熱交換器１１２（図１の「ＦＦＬＴ」）に受け入れられる。低温燃料熱交換器１１２において、混合された入力燃料１３４は加熱される。混合された入力燃料１３４は、低温燃料熱交換器１１２において、高温熱交換器１１４（図１の「ＦＦＨＴ」）によって出力された燃料である出力燃料１３０から熱を受け取る。一実施形態では、混合された入力燃料１３４の温度は、混合された入力燃料１３４の温度が少なくとも２倍になるように、低温燃料熱交換器１１２によって上昇させることができる。例えば、混合された入力燃料１３４の温度を、およそ１９０℃の温度から５２０℃などの５００℃を超える温度に上昇させることができる。混合された入力燃料１３４は、加熱されて、加熱された入力燃料１１６として低温燃料熱交換器１１２から出力される。

この加熱された入力燃料１１６は、次いで、高温燃料熱交換器１１４に受け入れられる。高温燃料熱交換器１１４は、燃料電池スタック１０６から高温燃料熱交換器１１４によって受け入れられた加熱する燃料１２６の熱エネルギーからこの加熱された入力燃料１１６の温度を上昇させる（下記でより詳細に説明する）。低温燃料熱交換器１１２と同様に、高温燃料熱交換器１１４は、高温の加熱する燃料１２６から低温の加熱された入力燃料１１６に熱（例えば、熱エネルギー）を移動する。加熱された入力燃料１１６の温度は、高温燃料熱交換器１１４内で上昇し、昇温された燃料１１８として出力される。

一実施形態では、加熱された入力燃料１１６から昇温された燃料１１８への温度上昇は、混合された入力燃料１３４から加熱された入力燃料１１６への温度上昇より小さい。例えば、低温燃料熱交換器１１２は、混合された入力燃料１３４の温度を２倍より高くすることができ、一方、高温燃料熱交換器１１４は、加熱された入力燃料１１６の温度をそれより小さい量だけ上昇させる。高温燃料熱交換器１１４は、約５２０℃の加熱された入力燃料１１６の温度を、７０２℃などの少なくとも７００℃の昇温された燃料１１８の温度に上昇させることができる。

高温燃料熱交換器１１４から出力された昇温された燃料１１８は、１つまたは複数の燃料電池スタック１０６に導かれる。スタック１０６内の燃料電池は、電流を発生する際に、この昇温された燃料１１８の少なくとも一部分を消費する。燃料電池スタック１０６によって消費されなかった燃料は、燃料電池スタック１０６から出力燃料１２０として出力される。出力燃料１２０は、燃料電池スタック１０６に入力される昇温された燃料１１８に比べて高い温度とすることができる。例えば、出力燃料１２０の温度は、８０８℃などの８００℃を超える温度とすることができ、一方、昇温された燃料１１８の温度は、７００℃または別の温度とすることができる。

本明細書で説明する発明の主題の一実施形態では、燃料電池スタック１０６からの出力燃料１２０の一部分は、分離燃料１２４として燃料サイクル１０２から分離される。例えば、出力燃料１２０を燃料電池スタック１０６から運ぶ導管は、１つまたは複数の導管が分離燃料１２４を空気流れサイクル１０４内に運び、１つまたは複数の導管が残りの出力燃料１２０を加熱する燃料１２６として高温燃料熱交換器１１４に運ぶ、２つ以上の別々の導管に分離することができる。一実施形態では、分離燃料１２４として出力燃料１２０の燃料サイクル１０２から分離される出力燃料１２０の部分は、出力燃料１２０の２０％とすることができる。例えば、出力燃料１２０の質量の２０％を、分離燃料１２４として空気流れサイクル１０４に導くことができる。

加熱する燃料１２６は、高温燃料熱交換器１１４に入力される。この加熱する燃料１２６は、熱交換器１１４で入力燃料１１６と熱交換する。入力燃料１１６の温度を、高温燃料熱交換器１１４によって出力される昇温された燃料１１８の温度まで上昇させるために、加熱する燃料１２６から入力燃料１１６に熱を移動させる。加熱する燃料１２６は、高温燃料熱交換器１１４によって冷却され、降温された燃料１２８として高温燃料熱交換器１１４から出力される。一実施形態では、加熱する燃料１２６の温度は、高温燃料熱交換器１１４によって少なくとも２００℃下げることができる。例えば、加熱する燃料１２６の温度が８００℃を超える温度（例えば、８０２℃の温度）とすることができ、一方、降温された燃料１２８の温度を６８０℃より低い温度とすることができる。

図１に示すように、降温された燃料１２８は、高温燃料熱交換器１１４から出力され、低温燃料熱交換器１１２に入力される。低温燃料熱交換器１１２は、降温された燃料１２８から混合された入力燃料１３４に熱エネルギーを交換する。これによって、降温された燃料１２８は冷却され、混合された入力燃料１３４は加熱される。例えば、降温された燃料１２８の温度は、混合された入力燃料１３４に熱エネルギーを移動することによって、（例えば、２００℃まで）下げることができる。これによって、混合された入力燃料１３４の温度は、入力燃料１１６の温度まで上昇する。

降温された燃料１２８は冷却されて、出力燃料１３０として低温燃料熱交換器１１２から出力される。出力燃料１３０は、燃料を燃料流れサイクル１０２を通して移動させるファンまたは他の装置を表すことができるブロワ１３２によって、燃料流れサイクル１０２内を再循環させられる。出力燃料１３０はブロワ１３２を通過して、燃料の燃料流れサイクル１０２内の移動を保つ。ブロワ１３２は、出力燃料１３０の温度を上げることができ、例えば、一例として、出力燃料１３０の温度を２００℃から２３０℃に上げることができる。上記のように、出力燃料１３０は供給源の入力燃料１１０と混合されて、燃料流れサイクル１０２内で混合された入力燃料１３４を形成する。

一実施形態では、燃料ブロワ１３２に受け入れられた出力燃料１３０のすべてが、低温燃料熱交換器１１２に導かれる。この出力燃料１３０は、追加の供給源の入力燃料１１０と混合することができるが、低温燃料熱交換器１１２から燃料ブロワ１３２に受け入れられた出力燃料１３０のうち、低温燃料熱交換器１１２に戻る以外に他のところに分離される、または導かれる部分はない。

燃料電池システム１００の空気流れサイクル１０４に関しては、供給源の空気１３５は、ブロワ１３６によって燃料電池システム１００内に引き込まれる。この空気１３５は、酸素タンクから得られる、または、燃料電池システム１００の外部から燃料電池システム１００に引き込まれた大気とすることができる。ブロワ１３６によって出力された空気１３５は、入力空気１３８と称することができる。

入力空気１３８は、低温空気熱交換器１４０（図１の「ＡＡＬＴ」）に導かれる。低温燃料熱交換器１１２に関する上記と同様に、低温空気熱交換器１４０は、入力空気１３８の温度を上昇させ、加熱された空気１４２として空気を出力する。一実施形態では、入力空気１３８の温度は９０℃または約９０℃であり、加熱された空気１４２の温度は５２０℃など少なくとも５００℃である。加熱された空気１４２は、高温空気熱交換器１４４（図１の「ＡＡＨＴ」）に入力され、酸化された排出物１５０（下記）の熱から加熱される。例えば、高温空気熱交換器１４４は、加熱された空気１４２の温度を少なくとも１００℃上昇させ、最高２００℃（または別の温度）上昇させることができる。一実施形態では、高温空気熱交換器１４４は、空気１４２の温度を５２０℃から約７００℃の温度まで上昇させる。高温空気熱交換器１４４は、空気１４２を加熱して、熱交換器１４４によって出力される入力空気１４６にする。

入力空気１４６は、燃料電池スタック１０６に導かれて、燃料電池によって少なくとも部分的に消費される。上記のように、燃料電池１０６は、燃料１１８および空気１４６の少なくともいくらかを消費して電流を発生する。一実施形態では、燃料電池は、２７０ｋＷの電気エネルギーなどのかなりの量の電流を発生することができる。燃料電池スタック１０６から出力される出力燃料１２０に加えて、燃料電池スタック１０６はまた、燃料電池スタック１０６から出力空気１４８を出す。出力空気１４８は、上記のように、分離燃料１２４とともに排ガス酸化器１２２に導かれる。出力空気１４８は、燃料電池によって出力された排出物とすることができる。図１に示すように、燃料電池から出力された空気のすべては、排ガス酸化器１２２に導くことができる。

排ガス酸化器１２２は、少なくともいくらかの出力空気１４８を使用して、分離燃料１２４を酸化する。酸化された燃料は、酸化された排出物１５０として排ガス酸化器１２２から出力される。酸化された排出物１５０は、８５０℃または別の温度などの高温とすることができる。酸化された排出物１５０は、高温空気熱交換器１４４に受け入れられ、そこで、排出物１５０は、上記のように、加熱された空気１４２を加熱して入力空気１４６にする。一実施形態では、酸化された排出物１５０が高温空気熱交換器１４４を通ると、排出物１５０の温度は少なくとも２００℃下がる。例えば、酸化された排出物１５０の温度は、８５０℃の温度から、６３０℃または６３２℃などの温度に下がることができる。

排出物１５０は、出力排出物１５２として高温熱交換器１４４を出る。低温空気熱交換器１４０は、出力排出物１５２を受け入れて、上記のように、出力排出物１５２から熱エネルギーを入力空気１３８に移動する。これによって、出力排出物１５２の温度を、６００℃を超える温度から２５０℃以下の温度に下げることができる。出力排出物１５２は、（図１に示すように）出力空気１５４として低温空気熱交換器を出て、空気流れサイクル１０４を出る。

本燃料電池システム１００の燃料および空気流れサイクル１０２、１０４と他の燃料電池システムとの間の１つの違いは、燃料が燃料流れサイクルから排ガス酸化器に分離される位置である。いくつかの公知の燃料電池システムは、燃料ブロワ１３２と低温燃料熱交換器１１２との間の位置で、燃料を燃料流れサイクルから分離する。これらのシステムでは、燃料ブロワ１３２と低温燃料熱交換器１１２とを排ガス酸化器１２２の近くに配置することができないので、この位置で燃料を分離するには、かなりの量（例えば、長さ）の導管が必要となる場合がある。このことは、システムのコストおよび複雑さを増大させる可能性がある。

しかしながら、図示の燃料電池システム１００の実施形態では、燃料は、燃料電池スタック１０６と排ガス酸化器１２２との間の位置（例えば、燃料が燃料流れサイクル１０２を流れる方向では、燃料電池スタック１０６の下流で、排ガス酸化器１２２の上流）で燃料流れサイクル１０２から分離する。燃料電池スタック１０６と酸化器１２２との間にいかなる他の構成部品（例えば、任意の他の熱交換器、ブロワなど）も配置されずに、燃料１２４は、この位置で燃料流れサイクル１０２から分離することができる。例えば、燃料電池スタック１０６と酸化器１２２との間にいかなる熱交換器、ブロワなども配置されずに、燃料電池スタック１０６は、酸化器１２２と直接結合されるので、燃料は、分離前にいかなる他の構成部品も通過することなくこの位置で分離することができる。

いくつかの公知の燃料電池システムとの間の別の違いは、本燃料電池システム１００が、分離燃料１２４を酸化するために、出力空気１４８を燃料電池スタック１０６から直接、酸化器１２２に導くことである。出力空気１４８のこの流路が可能になるように、かつ、出力空気１４８を酸化器１２２に導くためにかなりの距離の導管を必要としないように、酸化器１２２を燃料電池スタック１０６に接近させることができる。さらに、酸化された排出物１５０がいかなる他の構成部品も通過することなく、または、いかなる他の流体とも混合することなく（例えば、燃料電池スタック１０６から出力された空気１４８と混合することなく）、酸化器１２２からの酸化された排出物１５０を、直接、高温空気熱交換器１４４に導くことができる。

図２は、図１に示す燃料電池システム１００の斜視図である。燃料供給源１０８は、燃料電池スタック１０６の燃料電池を通る燃料の１つまたは複数のタンクまたは他の容器を表すことができる。例えば、供給源１０８は、天然ガスまたは他の水素含有物質の１つまたは複数のタンクを表すことができる。供給源１０８は、燃料供給導管２００によって、燃料入力導管２０６と流体結合される。

燃料ブロワ１３２は、燃料入力導管２０６および燃料出力導管２０４と流体結合される。燃料供給導管２００は、供給源の入力燃料１１０（図１に示す）を燃料供給源１０８から燃料入力導管２０６に運び、または導き、燃料入力導管２０６は、混合された入力燃料１３４（図１に示す）を燃料ブロワ１３２から燃料熱交換器組立体２０２に運び、燃料出力導管２０４は、出力燃料１３０を燃料熱交換器組立体２０２から燃料ブロワ１３２に運ぶ、または導く。

熱交換器組立体２０２は、図１に示した低温燃料熱交換器１１２と高温燃料熱交換器１１４とを組み合わせたものを表す。低温燃料熱交換器１１２が、混合された入力燃料１３４を導管２０６から受け入れ、高温燃料熱交換器１１４が、加熱された入力燃料１１６を低温熱交換器１１２から受け入れ、低温燃料熱交換器１１２が、降温された燃料１２８を高温燃料熱交換器１１４から受け入れ、かつ、低温燃料熱交換器１１２が、出力燃料１３０を、導管２０４を経由して燃料ブロワ１３２に導くように、熱交換器１１２、１１４は、互いに流体連結され、かつ導管２０４、２０６と流体連結される。これらの燃料熱交換器を流体結合させる導管は、図２には見えていないが、これらの導管は図２に示した導管２０４、２０６に似ているが、燃料熱交換器組立体２０２の外側ハウジング２０３（例えば、図２に見えている組立体２０２の一部分）内に配置される。

燃料熱交換器組立体２０２は、燃料電池スタック１０６を含むハウジング１０７と結合される。燃料電池スタック１０６を含むハウジングは、図２に示すように、熱交換器組立体２０２の頂部に直接配置される。例えば、燃料電池スタック１０６を内部に配置するハウジングの外側の外表面の少なくとも一部分は、燃料熱交換器組立体２０２のハウジングの外側の外表面の少なくとも一部分に直接接触、または当接することができる。これによって、燃料供給源１０８、ブロワ１３２、熱交換器１１２、１１４、および燃料電池スタック１０６を結合させるのに必要な導管の量は、これらの構成部品の１つまたは複数が他の構成部品から離れて配置された別の燃料電池システムに比べて削減することができる。

昇温された燃料１１８は、燃料熱交換器組立体２０２から出て燃料電池スタック１０６に導かれる。昇温された燃料１１８は、スタック１０６内の燃料電池によって少なくとも部分的に消費されて電流を発生させる。燃料電池によって消費されなかった燃料１１８の一部分は、分離燃料１２４として排ガス酸化器１２２に導かれ、燃料電池によって消費されなかった燃料１１８の残りの部分は、熱交換器組立体２０２内の高温燃料熱交換器１１４に戻される。

例えば、図２には見えていないが、燃料電池スタック１０６のそれぞれは、いくつかの導管を含むことができ、上記のように、１つまたは複数の導管は、燃料電池スタック１０６から出る燃料のいくらかを分離燃料１２４として排ガス酸化器１２２に導き、他の１つまたは複数の導管は、燃料電池スタック１０６から出る燃料の残りの部分を熱交換器組立体２０２、詳細には、高温燃料熱交換器１１４に戻す。

図１に示す排ガス酸化器１２２は、図２に示すような、複数の別々のガス酸化器１２２を表すことができる。各酸化器１２２は、異なる燃料電池スタック１０６の頂部に直接配置することができ、燃料電池スタック１０６から来る分離燃料１２４を別々に酸化することができる。例えば、排ガス酸化器１２２を内部に配置するハウジング１２３の外側の外表面の少なくとも一部分は、燃料電池スタック１０６のハウジングの外側の外表面の少なくとも一部分に直接接触、または当接することができる。酸化器１２２をスタック１０６の頂部に配置することによっても、スタック１０６を酸化器１２２と流体結合させるのに必要な導管の量および距離を削減することができる。任意に、各燃料電池スタック１０６が別々の酸化器１２２を有する代わりに、２つ以上のスタック１０６を同じ酸化器１２２と結合させることができる。

図１に示す高温空気熱交換器１４４は、図２に示すように、複数の別々の高温空気熱交換器１４４を表すことができる。別々の各高温空気熱交換器１４４は、異なる排ガス酸化器１２２の頂部に直接配置することができ、各排ガス酸化器１２２から出る酸化された排出物１５０を受け入れることができる。例えば、高温空気熱交換器１４４を内部に配置するハウジング１４５の外側の外表面の少なくとも一部分は、排ガス酸化器１２２のハウジングの外側の外表面の少なくとも一部分に直接接触、または当接することができる。高温空気熱交換器１４４を排ガス酸化器１２２の頂部に配置することによって、熱交換器１４４を酸化器１２２と流体結合させるのに必要な導管の量および距離を削減することができる。任意に、２つ以上の酸化器１２２を同じ熱交換器１４４と結合させることができる、かつ／または２つ以上の熱交換器１４４を同じ酸化器１２２と結合させることができる。

高温空気熱交換器１４４もまた、入力空気１４６を燃料電池スタック１０６に供給するために、燃料電池スタック１０６と流体結合される。一実施形態では、高温空気熱交換器１４４のそれぞれは、酸化された排出物１５０を受け入れるために、各排ガス酸化器１２２と流体結合した１つまたは複数の導管、および、入力空気１４６を燃料電池スタック１０６に供給するために、各燃料電池スタック１０６と流体結合した１つまたは複数の他の別々の導管を含む。

図１に示す低温空気熱交換器１４０は、図２に示すように、複数の別々の低温空気熱交換器１４０を表すことができる。別々の各低温空気熱交換器１４０は、異なる高温空気熱交換器１４４の頂部に直接配置することができ、各高温空気熱交換器１４４から出る出力排出物１５２を受け入れることができる。例えば、低温空気熱交換器１４０を内部に配置するハウジング１４１の外側の外表面の少なくとも一部分は、高温空気熱交換器１４４のハウジングの外側の外表面の少なくとも一部分に直接接触、または当接することができる。

低温空気熱交換器１４０を高温空気熱交換器１４４の頂部に配置することによって、熱交換器１４０、１４４を互いに流体結合させるのに必要な導管の量および距離を削減することができる。任意に、２つ以上の低温空気熱交換器１４０を同じ高温空気熱交換器１４４と結合させることができる、かつ／または２つ以上の高温空気熱交換器１４４を同じ低温空気熱交換器１４０と結合させることができる。

一実施形態では、低温および高温空気熱交換器１４０、１４４は、燃料熱交換器組立体２０２に関して上記したものと同様に、空気熱交換器組立体として単一のハウジング内に配置される。単一のハウジング内に低温空気熱交換器と高温空気熱交換器とを組み合わせて単一の装置にすると、かつ／または、単一のハウジング内に低温燃料熱交換器と高温燃料熱交換器とを組み合わせて単一の装置にすると、より単純で低コストのシステムとすることができる。しかし、低温空気熱交換器と高温空気熱交換器とを別々（例えば、別々のハウジング内）にしておくと、かつ／または、低温燃料熱交換器と高温燃料熱交換器とを別々（例えば、別々のハウジング内）にしておくと、低温熱交換器を（高温空気熱交換器に比べて）より安価な材料から形成することができ、また、熱交換器の熱膨張の異なる量によって生じる熱応力を（例えば、ハウジングの形状設計に基づいて）制御することができる。

低温空気熱交換器１４０は、いくつかの別々の導管２１４によって入力マニホールド２１０および出力マニホールド２０８と流体結合される。入力マニホールド２１０は、空気入口２１２と流体結合され、供給源の空気１３５は、空気入口２１２を通ってシステム１００に受け入れられる。供給源の空気１３５は、１つまたは複数のタンク、貯槽、またはシステム１００の周辺環境から得ることができる。空気ブロワ１３６は、入力マニホールド２１０と流体結合されて、供給源の空気１３５を入力マニホールド２１０および導管２１４を通して低温空気熱交換器１４０内に引き込む、かつ／または押し込む。出力マニホールド２０８は、出口２１６を含み、出力空気１５４は出口２１６を通ってシステム１００を出る。例えば、出力空気１５４は、低温空気熱交換器１４０から導管２１４を経て出力マニホールド２０８に導かれ、出口２１６を経てシステム１００を出る。

熱交換器および燃料電池スタックの位置は、図２に示した位置から変えることができる。例えば、燃料熱交換器組立体２０２は、燃料電池スタック１０６の頂部に配置することができ、排ガス酸化器１２２および空気熱交換器１４０、１４４は、燃料電池スタック１０６の下方に配置することができる。別の例として、燃料電池スタック１０６を別の方向（例えば、図２に示した鉛直方向に対して水平方向）に向けて、燃料熱交換器組立体２０２を燃料電池スタック１０６の一方の側（例えば、左側または右側）に、排ガス酸化器１２２および空気熱交換器１４０、１４４を燃料電池スタック１０６の反対側（例えば、右側または左側）に配置することができる。

図３は、一体型燃料電池システムを提供するための方法３００の一実施形態のフローチャートを示す。本方法３００は、一実施形態の図１および２に示す燃料電池システム１００を製造または生成するために使用することができる。３０２において、燃料供給導管が、低温燃料熱交換器と流体結合される。燃料供給導管は、上記のように、燃料ブロワと低温燃料熱交換器との間の位置で、低温燃料熱交換器と接続することができる。

３０４において、燃料電池スタックのハウジングが、低温燃料熱交換器と高温燃料熱交換器とのハウジングと結合される。燃料電池スタックは、熱交換器の頂部に直接配置することができる。燃料電池スタックは、高温燃料熱交換器と接続された複数の導管を含むことができる。これらの導管のいくつかは、燃料電池が部分的に消費して電流を発生させるための、高温燃料熱交換器からの昇温された燃料を導く入力導管とすることができる。これらの導管のうちの他の導管は、上記のように、加熱する燃料を高温燃料熱交換器に戻す戻り導管とすることができる。

３０６において、排ガス酸化器のハウジングが、燃料電池スタックのハウジングと結合される。これらのハウジング内部の導管は、分離燃料をスタックから排ガス酸化器に導くために、かつ、出力空気をスタックから排ガス酸化器に導くために、酸化器をスタックと流体結合させることができる。

３０８において、高温空気熱交換器のハウジングが、排ガス酸化器のハウジングと結合される。これらのハウジング内部の導管は、上記のように、酸化された排出物を酸化器から高温空気熱交換器に導くために、排ガス酸化器を高温空気熱交換器と流体結合させることができる。

３１０では、高温空気熱交換器のハウジングが、低温空気熱交換器のハウジングと結合される。これらのハウジング内の導管は、高温空気熱交換器からの出力排出物と低温空気熱交換器からの加熱された空気とを交換することができる。

３１２において、低温空気熱交換器が、入力および出力マニホールドと流体結合される。上記のように、導管は、供給源の空気を低温空気熱交換器に導き、出力空気を低温空気熱交換器から燃料電池システムから出すために、これらのマニホールドを低温空気熱交換器と流体結合させることができる。

一例では、１つまたは複数の燃料熱交換器は、燃料ブロワによって１つまたは複数の熱交換器から出力されるすべての燃料を１つまたは複数の燃料熱交換器に戻すために、燃料ブロワと流体結合されるように構成することができる。

一例では、１つまたは複数の燃料熱交換器は、燃料ブロワと１つまたは複数の熱交換器との間の位置で、燃料供給源と流体結合されるように構成することができる。

一例では、１つまたは複数の燃料電池スタックの外側ハウジングは、１つまたは複数の燃料熱交換器の外側ハウジングに当接することができる。

一例では、１つまたは複数の排ガス酸化器の外側ハウジングは、１つまたは複数の燃料電池スタックの外側ハウジングに当接することができる。

一例では、１つまたは複数の空気熱交換器の外側ハウジングは、１つまたは複数の排ガス酸化器の外側ハウジングに当接することができる。

一例では、１つまたは複数の燃料電池スタックは、１つまたは複数の燃料熱交換器と１つまたは複数の排ガス酸化器との間に配置することができ、かつ、それらと直接結合することができる。

一例では、１つまたは複数の排ガス酸化器は、１つまたは複数の燃料電池スタックと１つまたは複数の空気熱交換器との間に配置することができ、かつ、それらと直接結合することができる。

一例では、１つまたは複数の燃料熱交換器は、低温燃料熱交換器と高温燃料熱交換器とを含むことができる。低温燃料熱交換器は、燃料流れサイクルに沿って燃料ブロワと燃料供給源との間に配置することができる。高温燃料熱交換器は、燃料流れサイクルに沿って低温燃料熱交換器と１つまたは複数の燃料電池スタックとの間に配置することができる。

一例では、１つまたは複数の燃料熱交換器は、１つまたは複数の燃料電池スタックの１つの端部に結合することができ、１つまたは複数の排ガス酸化器と１つまたは複数の空気熱交換器とは、１つまたは複数の燃料電池スタックの反対側の端部に結合することができる。

一例では、システムはまた、電流を発生させるために燃料電池に供給される空気と燃料電池から出力された排出物との間で熱交換するように構成された１つまたは複数の空気熱交換器を含むことができる。

一例では、燃料電池から出力された燃料の第２の部分は、燃料の第１の部分から分離することができ、燃料電池と１つまたは複数の燃料熱交換器との間の位置の１つまたは複数の排ガス酸化器に導くことができる。

単数形で記述され、その前に語「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」が付く要素またはステップは、本明細書で使用するとき、排除することが明確に記載されていない限り、複数の前記要素またはステップを排除するものではないと理解すべきである。さらに、ここで説明した主題の「一実施形態」に言及する場合、記述された特徴も取り入れた追加の実施形態の存在を排除するものと解釈することは意図されていない。さらに、逆の意味で明確に記載しない限り、特定の性質を有する１つの要素または複数の要素を「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」実施形態は、その性質を有しない追加のこのような要素を含むことができる。

上記の説明は、例示的であることを意図し、限定するものではないことを理解されたい。例えば、上記の実施形態（および／またはそれらの態様）は互いに組み合わせて使用することができる。さらに、本明細書で述べた本主題の教示の範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本主題の教示に適合させるように多くの修正を行うことができる。本明細書で説明した材料の寸法とタイプは、開示された主題のパラメータを規定するように意図されているが、それらは決して限定するものではなく、例示的な実施形態である。他の多くの実施形態は、上記の説明を検討する際に当業者には明らかになるであろう。したがって、本明細書で説明した本主題の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して、そのような特許請求の範囲が権利を有する均等物のすべての範囲を含めて判定されるべきである。添付の特許請求の範囲において、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「において（ｉｎｗｈｉｃｈ）」はそれぞれ、用語「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「ここでは（ｗｈｅｒｅｉｎ）」を簡単にした同等の英語表現として使用される。さらに、以下の特許請求の範囲において、「第１」、「第２」、および「第３」などの用語は、単にラベルとして使用され、それらの物体に数的な要件を課すことを意図するものではない。さらに、以下の請求項の限定事項は、ミーンズプラスファンクション形式で書かれておらず、このような請求項の限定事項が、「するための手段（ｍｅａｎｓｆｏｒ）」という語句に続いて追加的な構造に関する機能排除の記述を明示的に使用しない限り、および使用するまでは、米国特許法第１１２条ｆ項に基づいて解釈されることを意図していない。

本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本明細書で述べられた主題のいくつかの実施形態を開示し、また、装置またはシステムの作製および使用、ならびに方法の実施を含め、当業者が開示された主題の実施形態を実施できるようにしている。本明細書で説明された主題の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図されている。

１００燃料電池システム
１０２燃料流れサイクル
１０４空気流れサイクル
１０６燃料電池スタック
１０７ハウジング
１０８燃料供給源
１１０供給源の入力燃料
１１２低温燃料熱交換器
１１４高温燃料熱交換器
１１６加熱された入力燃料
１１８昇温された燃料
１２０出力燃料
１２２排ガス酸化器
１２３ハウジング
１２４分離燃料
１２６加熱する燃料
１２８降温された燃料
１３０出力燃料
１３２燃料ブロワ
１３４混合された入力燃料
１３５供給源の空気
１３６空気ブロワ
１３８入力空気
１４０低温空気熱交換器
１４１ハウジング
１４２加熱された空気
１４４高温空気熱交換器
１４５ハウジング
１４６入力空気
１４８出力空気
１５０酸化された排出物
１５２出力排出物
１５４出力空気
２００燃料供給導管
２０２燃料熱交換器組立体
２０３外側ハウジング
２０４燃料出力導管
２０６燃料入力導管
２０８出力マニホールド
２１０入力マニホールド
２１２空気入口
２１４導管
２１６出口
３００方法
３０２ステップ
３０４ステップ
３０６ステップ
３０８ステップ
３１０ステップ
３１２ステップ

Claims

燃料電池に供給された燃料および空気に基づいて電流を発生するように構成された前記燃料電池をそれぞれが含む１つまたは複数の燃料電池スタック（１０６）と、
前記電流を発生させるために前記燃料電池に供給される前記燃料と、前記燃料電池から出力された燃料の第１の部分（１２６）との間で熱交換するように構成された複数の燃料熱交換器（１１２、１１４）と、
前記電流を発生させるために前記燃料電池に供給される前記空気と、前記燃料電池から出力された排出物との間で熱交換するように構成された複数の空気熱交換器（１４０、１４４）と、
前記燃料電池から出力された前記燃料の第２の部分（１２４）、および前記燃料電池から出力された空気（１４８）を受け入れるように構成された１つまたは複数の排ガス酸化器（１２２）であって、前記燃料の前記第２の部分（１２４）を前記燃料電池から出力された前記排出物で酸化するように構成された１つまたは複数の排ガス酸化器（１２２）と
を備えるシステム（１００）であって、
前記燃料電池から出力された前記燃料が、前記複数の燃料熱交換器（１１２、１１４）に戻される前記第１の部分（１２６）と、前記１つまたは複数の排ガス酸化器（１２２）に導かれる前記第２の部分（１２４）とに分離されるように、前記１つまたは複数の燃料電池スタック（１０６）が、前記複数の燃料熱交換器（１１２、１１４）、および前記１つまたは複数の排ガス酸化器（１２２）と流体結合され、
前記１つまたは複数の燃料電池スタック（１０６）が、前記複数の燃料熱交換器（１１２、１１４）と前記１つまたは複数の排ガス酸化器（１２２）との間に配置され、かつ、それらと直接結合され、
前記複数の燃料熱交換器（１１２、１１４）が、前記１つまたは複数の燃料電池スタック（１０６）の１つの端部に結合され、前記１つまたは複数の排ガス酸化器（１２２）と前記複数の空気熱交換器（１４０、１４４）とが、前記１つまたは複数の燃料電池スタック（１０６）の反対側の端部に結合され、
前記複数の燃料熱交換器（１１２、１１４）が、低温燃料熱交換器（１１２）と高温燃料熱交換器（１１４）とを含み、前記低温燃料熱交換器（１１２）が、燃料流れサイクル（１０２）に沿って燃料ブロワ（１３２）と燃料供給源（１０８）との間に配置され、前記高温燃料熱交換器（１１４）が、前記燃料流れサイクル（１０２）に沿って前記低温燃料熱交換器（１１２）と前記１つまたは複数の燃料電池スタック（１０６）との間に配置され、
前記複数の空気熱交換器（１４０、１４４）が、低温空気熱交換器（１４０）と高温空気熱交換器（１４４）とを含み、前記低温空気熱交換器（１４０）が空気ブロワ（１３６）に直接接続されるとともに、前記高温空気熱交換器（１４４）が前記低温空気熱交換器（１４０）と前記燃料電池スタック（１０６）の間かつ前記低温空気熱交換器（１４０）と前記排ガス酸化器（１２２）の間に配置された、
システム（１００）。
燃料ブロワ（１３２）によって前記複数の燃料熱交換器（１１２、１１４）から出力されるすべての燃料を前記複数の燃料熱交換器（１１２、１１４）に戻すために、前記複数の燃料熱交換器（１１２、１１４）が、前記燃料ブロワ（１３２）と流体結合されるように構成される、請求項１記載のシステム（１００）。
前記複数の燃料熱交換器（１１２、１１４）が、前記燃料ブロワ（１３２）と前記複数の燃料熱交換器（１１２、１１４）との間の位置で、燃料供給源（１０８）と流体結合されるように構成される、請求項２記載のシステム（１００）。
前記１つまたは複数の燃料電池スタック（１０６）の外側ハウジング（１０７）が、前記複数の燃料熱交換器（１１２、１１４）の外側ハウジング（２０３）に当接する、請求項１記載のシステム（１００）。
前記１つまたは複数の排ガス酸化器（１２２）の外側ハウジング（１２３）が、前記複数の燃料電池スタック（１０６）の外側ハウジング（１０７）に当接する、請求項１記載のシステム（１００）。
前記複数の空気熱交換器（１４０、１４４）の外側ハウジングが、前記１つまたは複数の排ガス酸化器（１２２）の外側ハウジング（１２３）に当接する、請求項１記載のシステム（１００）。
前記１つまたは複数の排ガス酸化器（１２２）が、前記１つまたは複数の燃料電池スタック（１０６）と前記複数の空気熱交換器（１４０、１４４）との間に配置され、かつ、それらと直接結合される、請求項１記載のシステム（１００）。