JP7266104B2 - 水噴射器を含む燃料電池システム及び運転方法 - Google Patents

Description

本発明の様態は、燃料電池システム及び方法に関し、より具体的には、水をアノード排気再循環流（anode exhaust recycle stream）に噴射するように構成された水噴射器を含む燃料電池システムに関する。

固体酸化物形燃料電池等の燃料電池は、燃料に蓄えられたエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換できる電気化学装置である。高温燃料電池には、固体酸化物形燃料電池と溶融炭酸塩形燃料電池が含まれる。これらの燃料電池は、水素及び／又は炭化水素燃料を使用して運転することができる。燃料電池には、固体酸化物形再生燃料電池等、逆の運転も可能なものもあり、電気エネルギーを入力として使用して、酸化された燃料を還元し未酸化燃料に戻すことができる。

様々な実施形態によると、燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記スタックからのアノード排気を受け入れるように構成されるアノード排気導管と、前記アノード排気導管内のアノード排気に水を噴射するように構成される水噴射器とを備える。

様々な実施形態によると、燃料電池システムの運転方法は、燃料電池スタックからのアノード排気の少なくとも一部を水噴射器に提供する工程と、前記水噴射器に水を供給する工程と、前記水を、前記水噴射器から前記アノード排気の前記少なくとも一部に噴射して、前記水を気化させ、加湿されたアノード排気を生成する工程とを含む。

添付の図は、本明細書に組み込まれ及び本明細書の一部を構成するものであるが、本発明の例示の実施形態を示し、上述の全体的な説明及び以下に述べる詳細な説明とともに、本発明の特徴を説明するのに役立つ。

図１は、本開示の様々な実施形態による、燃料電池システムの概略図である。 図２Ａは、図１のシステムのホットボックスの構成要素を示す断面図であり、図２Ｂは、図２Ａのシステムの一部を拡大した図である。 図２Ｃは、図２Ａのシステムの中央柱状体の三次元切欠き図である。 図２Ｄは、本開示の様々な実施形態による、図２Ａのシステムの中央柱状体の下方に配置されるアノードハブ構造の斜視図である。 図３Ａは、本開示の様々な実施形態による、図２Ａのシステムの中央柱状体を通る燃料及び空気流を示す断面図である。 図３Ｂは、本開示の様々な実施形態による、図２Ａのシステムの中央柱状体を通る燃料及び空気流を示す断面図である。 図３Ｃは、本開示の様々な実施形態による、図２Ａのシステムの中央柱状体を通る燃料及び空気流を示す断面図である。 図４Ａは、図２Ａのシステムの中央柱状体内に配置される水噴射器の部分斜視図である。 図４Ｂは、図４Ａの水噴射器の構成要素の平面図である。 図４Ｃは、本開示の様々な実施形態による、水噴射器の斜視図である。 図５は、図１のシステムのホットボックスの構成要素の別の実施形態を示す垂直断面図である。

様々な実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。同じ又は類似の部品に言及するのに、可能な限り図面を通して同じ参照番号を用いる。特定の実施例及び実施形態への言及は、例示を目的とするものであり、本発明の範囲又は特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムにおいては、水蒸気改質反応及び水性ガスシフト反応のような燃料改質反応を促進するために、燃料吸入流が加湿され得る。さらに、システムの起動、シャットダウン、および電力網の中断といった事象の際に、触媒等のシステムの構成要素のコーキングを防ぐために燃料吸入流に水を添加することもできる。従来、このような加湿は、波形配管を含む蒸気発生器で水を気化させることによって行われる。水は、波形配管を通って流れ、配管の外側の周囲を流れるカソード復熱式熱交換器（cathode recuperator heat exchanger）の排気流によって加熱される。しかしながら、比較的低温のカソード復熱器の排気流を利用する場合、水を気化させるのに十分な熱を吸収するには、一般的に相当な長さの波形配管を必要とする。さらに、蒸気発生器は比較的大きくてかさばるため、システムのサイズ、複雑さ、及び製造コストも増す。

これに対し、本開示の実施形態は、水を気化させて水蒸気にし、及び／又は水をエアロゾル化して、アノード排気流に巻き込まれるのに十分小さい液滴にするための熱を提供するアノード排気再循環流に、水を直接噴射するように構成される水噴射器を提供する。アノード排気再循環流は、燃料電池スタック内に提供される燃料吸入流へと再循環されて、その結果、加湿された燃料が燃料電池スタックの燃料電池に提供される。したがって、従来技術の蒸気発生器を省いて、システムのサイズ、複雑さ、及びコストを削減できる。さらに、実施形態のシステムは、比較的短い、波形でない水導管を使用して運転することができ、これにより、システムの応答時間を改善し、システムのサイズ及びコストを削減することができる。

図１は、本開示の様々な実施形態による、ＳＯＦＣシステム１０の概略図である。図１を参照すると、システム１０は、ホットボックス１００と、この中に又はこれに隣接して配置される各種構成要素とを含む。ホットボックス１００は、燃料電池とインターコネクトを交互に含む、固体酸化物形燃料電池スタック等の燃料電池スタック１０２を含むことができる。スタックの固体酸化物形燃料電池１つには、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、スカンジア及びセリア安定化ジルコニア、又はスカンジア、イットリア及びセリア安定化ジルコニア等のセラミック電解質と、ニッケル－ＹＳＺ、ニッケル－ＳＳＺ又はニッケルドープセリアサーメット等のアノード電極と、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）等のカソード電極が含まれる。インターコネクトは、クロム－鉄合金インターコネクト等の金属合金インターコネクトであってよい。スタック１０２は、互いに重ねて配置して複数の柱状体にすることができる。

ホットボックス１００は、また、アノード復熱式熱交換器１１０、カソード復熱式熱交換器１２０、アノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）１３０、アノード排気冷却式熱交換器（anode exhaust cooler heat exchanger）１４０、スプリッタ５１０、ボルテックスジェネレータ５５０、及び水噴射器１６０を含むことができる。システム１０は、また、接触部分酸化（ＣＰＯｘ）反応器２００、混合器２１０、ＣＰＯｘブロワ２０４（例えば、空気ブロワ）、システムブロワ２０８（例えば、空気ブロワ）、及びアノード再循環ブロワ２１２を含んでよく、これらはホットボックス１００の外側に配置することができる。しかしながら、本開示は、ホットボックス１００に対する各構成要素の位置を特定の位置に限定するものではない。

ＣＰＯｘ反応器２００は、燃料導管３００Ａを通して、燃料吸入口３００から燃料吸入流を受け入れる。燃料吸入口３００は、ＣＰＯｘ反応器２００に提供される燃料の量を制御するための弁を含む、燃料タンク又は公共天然ガス配管であってよい。ＣＰＯｘブロワ２０４は、システム起動時にＣＰＯｘ反応器２００に空気を提供することができる。燃料及び／又は空気は、燃料導管３００Ｂによって混合器２１０に提供することができる。燃料（例えば、図４Ａ～４Ｃに関して以下で説明する燃料吸入流１７２１、混合器２１０から燃料導管３００Ｃを通ってアノード復熱器１１０に流れる。燃料は、燃料排気の一部によってアノード復熱器１１０内で加熱され、その後、燃料は、アノード復熱器１１０から燃料導管３００Ｄを通ってスタック１０２に流れる。

メイン空気ブロワ２０８は、空気流（例えば、空気吸入流）を、空気導管３０２Ａを通してアノード排気冷却器１４０へ提供するように構成することができる。空気は、アノード排気冷却器１４０から、空気導管３０２Ｂを通ってカソード復熱器１２０に流れる。この空気は、カソード復熱器１２０内でＡＴＯ排気によって加熱される。空気は、カソード復熱器１２０から、空気導管３０２Ｃを通ってスタック１０２に流れる。

スタック１０２で発生したアノード排気流（例えば、図３Ａ～３Ｃに関連して以下で説明する燃料排気流）は、アノード排気導管３０８Ａを通ってアノード復熱器１１０に提供される。アノード排気は未反応の燃料を含んでよく、本明細書では燃料排気と呼ぶこともある。アノード排気は、アノード排気導管３０８Ｂによってアノード復熱器１１０からスプリッタ５１０に提供することができる。アノード排気の第１の部分は、スプリッタ５１０から、水噴射器１６０及びアノード排気導管３０８Ｃを通ってアノード排気冷却器１４０へと提供することができる。アノード排気の第２の部分は、スプリッタ５１０から、アノード排気導管３０８Ｄを通ってＡＴＯ１３０へ提供される。アノード排気の第１の部分はアノード排気冷却器１４０内で空気吸入流を加熱し、その後、アノード排気冷却器１４０からアノード排気導管３０８Ｅを通って混合器２１０に提供することができる。アノード再循環ブロワ２１２は、以下で説明するように、アノード排気を、アノード排気導管３０８Ｅを通って移動させるように構成することができる。

スタック１０２内で発生したカソード排気は、排気導管３０４Ａを通ってＡＴＯ１３０へと流れる。ボルテックスジェネレータ５５０は、排気導管３０４Ａ内に配置することができ、カソード排気を旋回させるように構成することができる。アノード排気導管３０８Ｄは、ボルテックスジェネレータ５５０、又はカソード排気導管３０４Ａ又はボルテックスジェネレータ５５０の下流側のＡＴＯ１３０に、流体接続させることができる。旋回させたカソード排気は、ＡＴＯ１３０に提供される前に、スプリッタ５１０によって提供されるアノード排気の第２の部分と混合させることができる。この混合物は、ＡＴＯ１３０で酸化されてＡＴＯ排気を生成し得る。ＡＴＯ排気は、ＡＴＯ１３０から、排気導管３０４Ｂを通ってカソード復熱器１２０に流れる。排気は、カソード復熱器から、排気導管３０４Ｃを通ってホットボックス１００の外へと流れる。

水は、水タンク又は水パイプ等の水源２０６から、水導管３０６を通って水噴射器１６０へ流れる。水噴射器１６０は、水を、導管３０８Ｃに提供されるアノード排気の第１の部分に直接噴射する。排気導管３０８Ｃに提供されるアノード排気の第１の部分（再循環されたアノード排気流とも呼ぶ）からの熱が、この水を気化させて水蒸気を生成する。この水蒸気はアノード排気と混合され、得られた混合物はアノード排気冷却器１４０に提供される。この混合物はその後、アノード排気冷却器１４０から、アノード排気導管３０８Ｅを通って混合器２１０に提供される。混合器２１０は、水蒸気及びアノード排気の第１の部分を、新規燃料（すなわち、燃料吸入流）と混合するように構成される。この加湿された燃料混合物は、その後、スタック１０２に提供される前に、アノード復熱器１１０内でアノード排気によって加熱することができる。システム１０は、また、アノード復熱器１１０の内部及び／又は下流側に配置される１つ又は複数の燃料改質触媒１１２、１１４、及び１１６を含むことができる。改質触媒は、加湿された燃料混合物を、スタック１０２に提供される前に改質する。

システム１０は、システム１０の各種構成要素を制御するように構成されるシステムコントローラ２２５をさらに含んでよい。コントローラ２２５は、記憶された命令を実行するように構成される中央処理装置を含むことができる。例えば、コントローラ２２５は、燃料組成データに従って、システム１０を通る燃料及び／又は空気の流れを制御するように構成することができる。

図２Ａは、図１のシステム１０のホットボックス１００の構成要素を示す断面図であり、図２Ｂは、図２Ａの一部を拡大した図である。図２Ｃは、本開示の様々な実施形態による、システム１０の中央柱状体４００の三次元切欠き図であり、図２Ｄは、柱状体４００を上に配置することのできるホットボックスベース１０１に配置されるアノードハブ構造６００の斜視図である。

図２Ａ～２Ｄを参照すると、燃料電池スタック１０２は、ホットボックス１００内の中央柱状体４００の周囲に配置することができる。例えば、スタック１０２は、中央柱状体４００の周囲にリング状に配置し、ホットボックスベース１０１上に配置することができる。柱状体４００は、アノード復熱器１１０、ＡＴＯ１３０、及びアノード排気冷却器１４０を含むことができる。特に、アノード復熱器１１０は、ＡＴＯ１３０の半径方向内側に配置され、アノード排気冷却器１４０は、アノード復熱器１１０とＡＴＯ１３０の上方に取り付けられる。１つの実施形態では、アノード復熱器１１０内に、酸化触媒１１２及び／又は水素化触媒１１４を配置することができる。水蒸気メタン改質（ＳＭＲ）インサートとして、アノード復熱器１１０の底部に、改質触媒１１６を配置してもよい。

ＡＴＯ１３０は、内側ＡＴＯ断熱材１３０Ｂ／アノード復熱器１１０の外壁の周囲に位置する外側円筒１３０Ａを備える。任意で、断熱材１３０Ｂは、内側ＡＴＯ円筒１３０Ｃによって囲まれてもよい。したがって、断熱材１３０Ｂを、アノード復熱器１１０とＡＴＯ１３０の間に配置することができる。外側円筒１３０ＡとＡＴＯ断熱材１３０Ｂとの間の空間に、ＡＴＯ酸化触媒を配置することができる。アノード排気冷却器１４０と内側ＡＴＯ円筒１３０Ｃとの間に、燃料吸入路ベローズ８５４を配置することができる。ＡＴＯ熱電対フィードスルー１６０１が、アノード排気冷却器１４０を通って、ＡＴＯ１３０の上部へと延在する。これにより、このフィードスルー１６０１を通して１つ又は複数の熱電対（図示せず）を挿入することによって、ＡＴＯ１３０の温度を監視することができる。

アノードハブ構造６００は、アノード復熱器１１０及びＡＴＯ１３０の下で、ホットボックスベース１０１の上方に配置することができる。アノードハブ構造６００は、ＡＴＯスカート１６０３で覆われる。ボルテックスジェネレータ５５０と燃料排気スプリッタ５１０は、アノード復熱器１１０及びＡＴＯ１３０の上方で、アノード排気冷却器１４０の下に配置される。ＡＴＯ１３０の底部近くに、ＡＴＯグロープラグ１６０２を配置することができ、これは、起動の際に、ＡＴＯ内のスタック燃料排気の酸化を開始する。

アノードハブ構造６００は、中央柱状体から、中央柱状体４００の周囲に配置される燃料電池スタック１０２に、燃料を均等に分配するために使用される。アノード流ハブ構造６００は、溝付のキャストベース６０２、及び、燃料流入導管３００Ｄと流出導管３０８Ａからなる「スパイダー」ハブを含む。導管の各対３００Ｄ、３０８Ａが、１つの燃料電池スタック１０２に接続する。次に、アノード側円筒（例えば、アノード復熱器１１０の内側及び外側円筒、及びＡＴＯ外側円筒１３０Ａ）が、ベース６０２の溝に溶接又はろう付けされ、以下で説明する、流量分布のための均一な体積断面を作り出す。

図２Ｃに示されるように、昇降台１６０４がホットボックスベース１０１の下に配置される。１つの実施形態では、昇降台１６０４は２本の中空アームを含み、修理または整備のためにキャビネット（図示せず）からシステムを取り外すようなときに、この中空アームを用いてフォークリフトのフォークを挿入し、システムを持ち上げて動かすことができる。

図２Ａ及び２Ｂに矢印で示すように、空気は、ホットボックス１００の上部に入り、その後、カソード復熱器１２０へと流れて、そこでＡＴＯ１３０からのＡＴＯ排気（図示せず）によって加熱される。加熱された空気は、その後、第１の通気孔又は開口部１２１を通ってカソード復熱器１２０内部を流れる。空気は、その後、スタック１０２を通って流れ、アノードハブ構造６００から提供される燃料（すなわち、燃料吸入流）と反応する。スタック１０２から、第２の通気孔又は開口部１２３を通って空気排気が流れる。この空気排気は、その後、ボルテックスジェネレータ５５０の羽根を通り、ＡＴＯ１３０に入る前に旋回される。

スプリッタ５１０は、スプリッタの開口部（例えば、スリット）を通ってアノード復熱器１１０の上部を出る燃料排気の第２の部分を、旋回される空気排気（例えば、ボルテックスジェネレータ５５０内、又は、ボルテックスジェネレータの下流側の導管３０４Ａ又はＡＴＯ１３０内の）へと向けることができる。したがって、燃料と空気排気は、ＡＴＯ１３０に入る前に混合することができる。

図３Ａ及び３Ｂは、流量分布を示す中央柱状体４００の垂直断面図であり、図３Ｃは、アノード復熱器１１０の水平断面図である。図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、及び３Ｃを参照すると、アノード復熱器１１０は、内側円筒１１０Ａ、波形プレート１１０Ｂ、及び、ＡＴＯ断熱材１３０Ｂで被覆され得る外側円筒１１０Ｃを含む。燃料導管３００Ｃからの燃料は、中央柱状体４００の上部に入る。燃料は、その後、アノード排気冷却器１４０の中空コアを通って流れることによってアノード排気冷却器１４０を迂回し、その後、アノード復熱器１１０の、外側円筒１１０Ｃと波形プレート１１０Ｂとの間を通って流れる。その後、燃料は、図３Ｂに示されるアノードハブ構造６００のハブベース６０２と導管３００Ｄを通って、スタック１０２へと流れる。

図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、３Ａ、及び３Ｂを参照すると、燃料排気は、スタック１０２から導管３０８Ａを通ってハブベース６０２へと流れ、ハブベース６０２からアノード復熱器１１０の、内側円筒１１０Ａと波形プレート１１０Ｂの間を通り、導管３０８Ｂを通ってスプリッタ５１０へと流れる。図１に示すように、燃料排気の第１の部分がスプリッタ５１０から導管３０８Ｃを通ってアノード排気冷却器１４０に流れる一方で、第２の部分はスプリッタ５１０から導管３０８Ｄを通ってＡＴＯ１３０に流れる。図３Ａに示すように、アノード排気冷却器の内側コア断熱材１４０Ａは、燃料導管３００Ｃと、アノード排気冷却器１４０とボルテックスジェネレータ５５０との間に配置されるベローズ８５２／支持シリンダー８５２Ａとの間に配置することができる。この断熱材は、アノード排気冷却器１４０に向かう途中の導管３０８Ｃ内のアノード排気流の第１の部分からの熱移動及び熱損失を最小限にする。断熱材１４０Ａは、また、導管３００Ｃ内の燃料吸入流とアノード排気冷却器１４０内の流れとの間の熱移動を回避するために、導管３００Ｃとアノード排気冷却器１４０との間に配置されてもよい。他の実施形態では、断熱材１４０Ａは、円筒形アノード排気冷却器１４０内から省くことができる。

図３Ｂは、また、空気の流れを示し、この空気は、空気導管３０２Ａからアノード排気冷却器１４０（ここで、アノード排気の第１の部分によって加熱される）へと流れ、その後アノード排気冷却器１４０から導管３０２Ｂを通ってカソード復熱器１２０に流れる。アノード排気の第１の部分は、アノード排気冷却器１４０を通って流れる空気によってアノード排気冷却器１４０内で冷却される。その後、アノード排気の冷却された第１の部分は、アノード排気冷却器１４０から、図１に示されるアノード再循環ブロワ２１２に提供される。

以下でより詳細に説明するように、及び、図２Ａ及び図３Ｂに示すように、アノード排気は、アノード復熱器１１０を出て、導管３０８Ｂを通ってスプリッタ５１０へと提供される。スプリッタ５１０は、アノード排気を第１のアノード排気部分（すなわち、第１の流れ）と第２のアノード排気部分（すなわち、第２の流れ）に分割する。第１の流れは導管３０８Ｃを通ってアノード排気冷却器１４０に提供される。第２の流れは導管３０８Ｄを通ってＡＴＯ１３０に提供される。

ＡＴＯ１３０とアノード排気冷却器１４０に提供されるアノード排気の相対量は、アノード再循環ブロワ２１２によって制御される。ブロワ２１２の速度が速ければ速いほど、アノード排気のより多くの部分が導管３０８Ｃへと提供され、アノード排気のより少ない部分が導管３０８Ｄを介してＡＴＯ１３０に提供される。ブロワ２１２の速度が遅い場合は、この逆となる。

ＡＴＯ１３０に提供されたアノード排気は、アノード排気冷却器１４０では冷却されない。これにより、アノード排気がアノード排気冷却器１４０を通って流れた後に提供された場合より、ＡＴＯ１３０に提供されるアノード排気の温度を高くすることができる。例えば、スプリッタ５１０からＡＴＯ１３０に提供されるアノード排気は、例えば、約３５０～約５００℃、約３７５～約４２５℃、又は約３９０～約４１０℃といった、３５０℃を超える温度を有することができる。さらに、より少量のアノード排気がアノード排気冷却器１４０に提供されるので（例えば、スプリッタ５１０でアノード排気を分割するため、アノード排気の１００％がアノード排気冷却器に提供されるわけではない）、アノード排気冷却器１４０の熱交換面積を減らすことができる。ＡＴＯ１３０に提供されたアノード排気は、スタックカソード（すなわち、空気）排気によって酸化されて、導管３０４Ｂを通ってカソード復熱器１２０に提供することができる。

本開示の様々な実施形態により、図４Ａは、図２Ａの中央柱状体の水噴射器１６０を示す斜視断面図であり、図４Ｂは、図４Ａのインジェクタリング１６２及びバッフル１６８を示す平面図であり、図４Ｃは、水噴射器１６０の斜視図である。図４Ａの実施形態では、スプリッタ５１０は、図３Ａに示す水平なスリットではなくて、アノード排気導管３０８Ｂの外壁を通って延在するチューブを備えることができる。本実施形態の水噴射器１６０とは、チューブ型かスリット型のいずれかのスプリッタ５１０を用いることができると理解されるべきである。図１、図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃを参照すると、水噴射器１６０は、インジェクタリング１６２、拘束タブ１６４、シュラウド１６６、及びバッフル１６８を含むことができる。

インジェクタリング１６２は、アノード排気冷却器１４０とアノード復熱器１１０との間の、アノード排気導管３０８Ｃの内部に配置することができ、水道管３０６に流体接続させることができる。インジェクタリング１６２は、燃料導管３００Ｃの周囲に延在する管である。インジェクタリング１６２は、スプリッタ５１０及びアノード復熱器１１０から導管３０８Ｃに流れるアノード排気の第１の部分に水を直接噴射するように構成される噴射孔（すなわち、開口）１６２Ａを含むことができる。この水は、アノード排気の熱い第１の部分によって気化され得る。噴射孔１６２Ａは、水流又は水滴を生成するように構成することができ、水流又は水滴はインジェクタリング１６２から出てくると即座に又は数秒以内に気化され得る。噴射孔１６２Ａは、インジェクタリング１６２の任意の１つ又は複数の表面、例えば、インジェクタリング１６２の上面（図４Ａに示す）、インジェクタリング１６２の内面（図４Ｃに示す）、インジェクタリング１６２の下面及び／又はインジェクタリング１６２の外面等に配置することができる。例えば、図４Ａの実施形態に示すように、噴射孔１６２Ａを、インジェクタリング１６２の上面に均等に分布させて、アノード排気へと上方に水を均一に提供し、スプリッタ５１０の方へと滴り落ちる水の量を低減することができる。インジェクタリング１６２は、また、中に実質的に均等な円周方向の水の流れを提供し、これによりアノード排気流れの圧力降下を最小限に抑えるように作ることができる。

拘束タブ１６４は、燃料導管３００Ｃ及び／又はシュラウド１６６に取り付けることができ、インジェクタリング１６２を支持するように構成することができる。具体的には、拘束タブ１６４を配設してインジェクタリング１６２の配向を制御し、不均一な水の分配又はその上に水が溜まるのを防ぐように構成することができる。例えば、拘束タブ１６４は、インジェクタリング１６２を水平に配設するように構成することができる。拘束タブ１６４は、また、インジェクタリング１６２上、任意の特定の位置に水が集まることを防ぐことができる。したがって、拘束タブ１６４は、水がインジェクタリング１６２の外面に集まり、１つの位置のみに滴り落ちるのを防ぐように構成できる。このことは、インジェクタリング１６２が完全に水平でない場合特に重要になり得る。

シュラウド１６６は、インジェクタリング１６２を取り囲む円筒であってもよい。シュラウド１６６は、水を、スプリッタ５１０を通ってＡＴＯ１３０へと流れるアノード排気の第２の部分から隔離するように構成することができる。特に、シュラウド１６６の外側を流れるアノード排気の第２の部分は、スプリッタ５１０によって、アノード排気導管３０８Ｄ及びＡＴＯ１３０の方へと、半径方向外向きに向けることができ、一方、シュラウド１６６の内側を流れるアノード排気の第１の部分は、スプリッタ５１０によって、アノード排気導管３０８Ｃ内のインジェクタリング１６２の方へと、上方に向けられる。従って、シュラウド１６６は、水、及び／又は、噴射された水によって加湿されたアノード排気の第１の部分が、スプリッタ５１０によってＡＴＯ１３０に注入されるのを防ぐ又はその量を低減するように構成することができる。言い換えると、シュラウド１６６は、水、及びアノード排気の加湿された第１の部分の実質的に全てがアノード排気冷却器１４０の方に向けられるように構成することができる。

バッフル１６８は、アノード排気導管３０８Ｃ内部の、インジェクタリング１６２の下側で、燃料導管３００Ｃの周囲に配置することができる。バッフル１６８は、バッフルリング１６８Ａと、そこから延設されるバッフルタブ１６８Ｂを含むことができる。バッフルタブ１６８Ｂは、燃料導管３００Ｃ及びシュラウド１６６に接触することができ、中央柱状体４００の燃料導管３００Ｃの周囲に配設されたシュラウド１６６とバッフルリング１６８Ａ双方を保持するために機能することができる。特に、図４Ｂに示すように、バッフルリング１６８Ａを、インジェクタリング１６２と上下方向に重なるように（例えば、同心に）配設することができる。

したがって、バッフル１６８は、瞬時に蒸気に変わらず、インジェクタリング１６２から滴る水滴をとらえて気化するための表面として機能することができる。その結果、バッフル１６８は、また、インジェクタリング１６２の下方に配置されるアノード復熱器１１０のろう付け接合部を、水滴との接触及び対応する熱衝撃から保護する。

様々な実施形態において、水噴射器１６０は、任意で、バッフル１６８の下方に配置されるメッシュ１６９又は多孔質材料を含むことができる。メッシュ１６９は、インジェクタリング１６２から滴り、バッフル１６８を迂回した任意の小滴をとらえ、とらえた小滴をアノード復熱器１１０及び/又はスプリッタ５１０に達する前に気化させることができる。

図５は、燃料電池システム１０のホットボックス１００構成要素の他の構成を示す。図５に示されるように、中央柱状体４００は、図４Ａに関して上述したチューブ型のスプリッタ５１０の代わりに、図３Ａに関して上述したスリット型のスプリッタ５１０を含む。さらに、図５の水噴射器１６０は、インジェクタリング１６２の内面に噴射孔１６２Ａを含む。最後に、図５の触媒１１２、１１４、及び１１６は、２０１６年３月１５日に発行され、参照によりその全体が本明細書において組み込まれる米国特許第９，２８７，５７２ Ｂ２号に記載された構成と類似の、アノード復熱器１１０によって取り囲まれる内側プレナムの内部に配置される。図５に示される他の構成要素は、図４Ａに示したものと同じか類似しており、冗長性を回避するためこれ以上の説明はしない。図５に示される中央柱状体の任意の１つ又は複数の構成要素は、図４Ａに示される中央柱状体で使用することができる。

さらに、図４Ａ～図４Ｃ及び図５に示す水噴射器１６０は、噴射孔１６２Ａを備えたインジェクタリング１６２を含むが、他の水噴射器構成を代わりに用いることもできる。例えば、水は、インジェクタリング１６２を用いずに、水導管３０６から直接アノード排気の第１の部分に噴射されてもよい。あるいは、水は、排気導管３０８Ｃ内の任意の適切な構成で配置された複数の管から噴射されてもよい。これらの管は、水導管３０６に流体接続させることができる。さらに、シュラウド１６６、バッフル１６８、及び／又はメッシュ１６９のうちの１つ又は複数を省略することができる。

システムの起動時等、燃料電池システム１０の運転中、スタック１０２が、約３００℃以上の温度、例えば約３００℃～約３２５℃の範囲の温度、に達するまで、水は通常必要とされない。スタック１０２が約３００℃に近づいた時点で、水源２０６から中央柱状体４００の上部にある水導管３０６に水が供給される。水導管３０６は、燃料導管３００Ｃとアノード排気冷却器１４０との間に配置されそれらを分離する断熱材１４０Ａを通り抜ける。断熱材は、水導管３０６内の水とアノード排気冷却器１４０との間の熱交換の量を削減する。従って、水導管３０６を通過する間に、水は、周囲の円環体のアノード冷却器１４０内のアノード排気によってわずかに加熱されて、周囲温度を超える可能性もある。しかしながら、特定の理論に拘束されることを望まないが、水の少なくとも大部分は、水導管３０６内にある間は、液体状態のままであると考えられる。

次に、水は水導管３０６によって水噴射器１６０に提供される。例えば、水導管によってインジェクタリング１６２へと提供される。水は、インジェクタリング１６２で円周方向に流れ、噴射孔１６２Ａを抜けてアノード排気の第１の部分へと放出される前に円周方向に分散される。一実施形態では、水の少なくとも一部は、液体状態でアノード排気流の第１の部分に噴射される。その後、水は、アノード排気の第１の部分で気化されて、加湿されたアノード排気を生成する。次に、加湿されたアノード排気は、上述のように、アノード復熱器１１０及びスタック１０２に提供される前の新規燃料（すなわち、燃料吸入流）と混合するための混合器２１０へ、導管３０８Ｅを通って提供される。

上述のすべての図面を参照して、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１０２と、スタック１０２からのアノード排気を受け入れるように構成されるアノード排気導管３０８Ｃと、アノード排気導管３０８Ｃ内のアノード排気に水を噴射するように構成される水噴射器１６０とを含む。

一実施形態において、システム１０は、また、水噴射器１６０の下方に配置されるアノード復熱器１１０を含み、アノード復熱器１１０は、スタック１０２からのアノード排気を受け入れ、アノード排気からの熱を用いてスタック１０２に提供される燃料を加熱し、アノード排気導管３０８Ｃと水噴射器１６０とにアノード排気を提供するように構成される。システム１０は、また、水噴射器１６０及びアノード復熱器１１０の上方に配置されるアノード排気冷却器１４０を含み、これは、水噴射器とアノード復熱器から提供されるアノード排気を用いてスタック１０２に提供される空気を加熱するように構成される。

一実施形態において、システム１０は、また、アノード排気冷却器１４０によって取り囲まれるアノード冷却器断熱材１４０Ａを通って延在する水導管３０６を含み、これは、水を水噴射器１６０に提供するように構成される。一実施形態では、システム１０は、蒸気発生器を含まず、水噴射器１６０は、アノード排気冷却器１４０とアノード復熱器１１０との間に配置されるインジェクタリング１６２を含む。インジェクタリング１６２は、水導管３０６に流体接続され、インジェクタリング１６２は、アノード復熱器１１０からアノード排気冷却器１４０へとアノード排気導管３０８Ｃ内を流れるアノード排気に、水を噴射するように構成される。インジェクタリング１６２は、その表面に、アノード排気に水を噴射するように構成される噴射孔１６２Ａを備える。

一実施形態において、システム１０は、また、アノード冷却器断熱材１４０Ａ及びアノード排気導管３０８Ｃによって取り囲まれる燃料導管３００Ｃを含む。燃料導管３００Ｃは、インジェクタリング１６２の真ん中を通って延在するとともに、アノード復熱器１１０を通ってスタック１０２に燃料を提供するように構成される。

一実施形態では、水噴射器１６０は、インジェクタリング１６２を取り囲むシュラウド１６６をさらに備える。一実施形態では、水噴射器１６０は、燃料導管３００Ｃとシュラウド１６６とに接続される拘束タブ１６４をさらに備える。拘束タブ１６４は、インジェクタリングが実質的に水平な平面に配置されるように、インジェクタリング１６２を支持するように構成される。一実施形態では、水噴射器１６０は、インジェクタリング１６２の下方に配置されるメッシュ又は多孔質材料１６９をさらに備え、これは、アノード復熱器１１０上に水が滴り落ちるのを低減し又は防ぐように構成される。

一実施形態では、水噴射器１６０は、インジェクタリング１６２の下方に配置されるバッフル１６８をさらに備える。バッフル１６８は、燃料導管３００Ｃの周囲に配置されるとともに、インジェクタリング１６２と上下方向に重なるバッフルリング１６８Ａと、バッフルタブ１６８Ｂとを備え、バッフルタブ１６８Ｂは、バッフルリング１６８Ａから延設されるとともに、バッフルリングがインジェクタリング１６２と上下方向に重なるようにバッフルリング１６８Ａを配設するように構成される。

一実施形態において、システム１０は、また、アノードテールガス酸化器１３０とスプリッタ５１０とを含み、スプリッタ５１０は、アノード復熱器１１０から提供されるアノード排気の第１の部分をアノード排気導管３０８Ｃ及び水噴射器１６０へと向け、アノード復熱器１１０から提供されるアノード排気の第２の部分をアノードテールガス酸化器１３０へと向けるように構成される。アノード再循環ブロワは、アノード排気の第１の部分を燃料導管３００Ｃへと再循環させるように構成される。シュラウド１６６は、スプリッタ５１０から水を遠ざけるように構成される。

燃料電池システムの運転方法は、燃料電池スタック１０２からのアノード排気の少なくとも一部を水噴射器１６０に提供する工程と、水噴射器１６０に水を供給する工程と、前記水を水噴射器１６０からアノード排気の少なくとも一部に噴射して水を気化させ、加湿されたアノード排気を生成する工程と、を含む。

一実施形態では、水噴射器に水を供給する工程は、スタック１０２が約３００℃以上の温度に達した後、水を液体状態で水噴射器１６０に供給する工程を含む。一実施形態では、本方法は、また、スタック１０２からのアノード排気をアノード復熱器１１０に提供して、スタック１０２に流れる燃料吸入流を加熱する工程と、アノード復熱器から提供されるアノード排気をアノード排気の第１の部分とアノード排気の第２の部分に分割する工程と、アノード排気の第１の部分を水噴射器１６０に提供する工程とを含む。水は完全に気化されるか、又は部分的に気化され、アノード排気流の第１の部分に混入させて加湿されたアノード排気を形成する一方で、アノード排気の第２の部分は、アノードテールガス酸化器１３０に提供される。本方法はさらに、アノード冷却器１４０に加湿されたアノード排気を提供して、スタック１０２へ流れる空気を加熱する工程と、アノード冷却器１４０からの加湿されたアノード排気を、燃料導管３００Ｃを通ってスタック１０２へ流れる燃料吸入流へ提供する工程とを含む。

上述のように、一実施形態では、水噴射器１６０は、アノード排気冷却器１４０とアノード復熱器１１０との間に配置されるインジェクタリング１６２を備える。水は、水導管３０６を通ってインジェクタリング１６２へと流れ、水は、インジェクタリング１６２から、インジェクタリングの孔１６２Ａを通ってアノード排気流の第１の部分に噴射される。燃料吸入流は、アノード冷却器断熱材１４０Ａとインジェクタリング１６２とによって取り囲まれる燃料導管３００Ｃを通ってスタック１０２に流れる。アノード冷却器１４０は、アノード冷却器断熱材１４０Ａを取り囲み、水導管３０６はアノード冷却器断熱材１４０Ａを通って延在する。

一実施形態では、水噴射器１６０は、インジェクタリング１６２を取り囲むシュラウド１６６をさらに備える。シュラウドは、アノードテールガス酸化器１３０への水の流れを防ぐ又は低減する。拘束タブ１６４は燃料導管３００Ｃ及びシュラウド１６６に接続されるとともに、インジェクタリング１６２を実質的に水平な平面に支持するように構成される。

一実施形態では、水噴射器は、インジェクタリング１６２の下方に配置されるメッシュ又は多孔質材料１６９をさらに備える。メッシュ又は多孔質材料は、アノード復熱器１１０上に水が滴り落ちることを低減し又は防ぐ。一実施形態では、水は、導管３０８Ｃ内のアノード排気に噴射されるまで、水源２０６からシステム１０に供給される間に蒸気発生器を通り抜けない。

従って、様々な実施形態は、水が気化される水コイルを含む蒸気発生器に依存する従前の構造より経済的な水噴射器を提供する。したがって、実施形態の水噴射器はまた、従前のシステムよりコンパクトな構造を提供し、システムホットボックス内の改善された空間効率を可能にする。さらに、実施形態の水噴射器はまた、従前のシステムよりも導管の長さが短いため、より速い応答時間を提供する。電力網の中断及び／又はプラント負荷のバランスの突然の変化に対応する場合、速い応答時間は特に有益である。

開示した態様の前述の説明は、当業者が本発明を成すか又は使用できるようにするために提供される。これらの態様に対する様々な改変は当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義される包括的な原理は、本発明の範囲から逸脱することなく他の態様に適用することができる。したがって、本発明は、本明細書に示した態様に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示される原理および新規の特徴と矛盾しない最も広い範囲を与えられるべきである。

Claims (17)

1. 燃料電池スタックと、
   前記スタックからのアノード排気を受け入れるように構成されるアノード排気導管と、
   前記アノード排気導管内の前記アノード排気に水を噴射するように構成される水噴射器と、
   前記水噴射器の下方に配置されるとともに、前記スタックからの前記アノード排気を受け入れ、前記アノード排気からの熱を用いて前記スタックに提供される燃料を加熱し、前記アノード排気導管と前記水噴射器とに前記アノード排気を提供するように構成されるアノード復熱器と、
   前記水噴射器及び前記アノード復熱器の上方に配置されるとともに、前記水噴射器と前記アノード復熱器から提供される前記アノード排気を用いて前記スタックに提供される空気を加熱するように構成されるアノード排気冷却器と、
   を備える燃料電池システム。
2. アノード冷却器を通って延在するとともに、前記水を前記水噴射器に提供するように構成される水導管をさらに備える、請求項１のシステム。
3. 前記燃料電池システムは蒸気発生器を含まず、
   前記水噴射器は、前記アノード排気冷却器と前記アノード復熱器との間に配置されるインジェクタリングを備え、
   前記インジェクタリングは前記水導管に流体接続され、
   前記インジェクタリングは、前記アノード復熱器から前記アノード排気冷却器へと前記アノード排気導管内を流れる前記アノード排気に、前記水を噴射するように構成される、請求項２のシステム。
4. 前記インジェクタリングは、その表面に、前記アノード排気に前記水を噴射するように構成される噴射孔を備える、請求項３のシステム。
5. アノード冷却器断熱材及び前記アノード排気導管によって取り囲まれる燃料導管をさらに備え、前記燃料導管は、前記インジェクタリングの真ん中を通って延在するとともに、前記アノード復熱器を通って前記スタックに前記燃料を提供するように構成される、請求項４のシステム。
6. 前記水噴射器は、前記インジェクタリングを取り囲むシュラウドをさらに備える、請求項５のシステム。
7. 前記水噴射器は、前記燃料導管と前記シュラウドとに接続される拘束タブをさらに備え、
   前記拘束タブは、前記インジェクタリングが実質的に水平な平面に配置されるように、前記インジェクタリングを支持するように構成される、請求項６のシステム。
8. 前記拘束タブは、前記インジェクタリングの外面の一カ所に水が集まることを防ぐように構成され、
   前記拘束タブの最下点は、前記インジェクタリングと上下方向に重なる、請求項７のシステム。
9. 前記水噴射器は、前記インジェクタリングの下方に配置されるとともに、前記アノード復熱器上に水が滴り落ちることを低減し又は防ぐように構成されるメッシュ又は多孔質材料と、前記インジェクタリングの下方に配置されるバッフルとをさらに備え、
   前記バッフルは、
   前記燃料導管の周囲に配置されるとともに、前記インジェクタリングと上下方向に重なるバッフルリングと、
   前記バッフルリングから延設されるとともに、前記バッフルリングがインジェクタリングと上下方向に重なるように、前記バッフルリングを配設するように構成されるバッフルタブとを備える、請求項６のシステム。
10. アノードテールガス酸化器と、
    前記アノード復熱器から提供される前記アノード排気の第１の部分を前記アノード排気導管及び前記水噴射器へと向け、前記アノード復熱器から提供される前記アノード排気の第２の部分を前記アノードテールガス酸化器へと向けるように構成されるスプリッタと、
    前記アノード排気の前記第１の部分を前記燃料導管へと再循環させるように構成されるアノード再循環ブロワ
    をさらに備え、
    前記シュラウドは、前記スプリッタから前記水を遠ざけるように構成されている、請求項６のシステム。
11. 燃料電池スタックからのアノード排気の少なくとも一部を水噴射器に提供する工程と、
    前記水噴射器に水を供給する工程と、
    前記水を前記水噴射器から前記アノード排気の前記少なくとも一部に噴射して、前記水を少なくとも気化又は前記水を少なくともエアロゾル化させ、加湿されたアノード排気を生成する工程と、
    前記スタックからの前記アノード排気をアノード復熱器に提供して、前記スタックへと流れる燃料吸入流を加熱する工程と、
    前記アノード復熱器から提供される前記アノード排気を、前記アノード排気の第１の部分と前記アノード排気の第２の部分とに分割する工程と、
    前記アノード排気の前記第１の部分を前記水噴射器へと提供し、前記アノード排気の前記第１の部分で前記水が気化されて、前記加湿されたアノード排気を形成する工程と、
    前記アノード排気の前記第２の部分をアノードテールガス酸化器へと提供する工程と、
    を含む、燃料電池システムの運転方法。
12. 前記加湿されたアノード排気をアノード冷却器へと提供して、前記スタックに流れる空気を加熱する工程と、
    前記アノード冷却器からの前記加湿されたアノード排気を前記スタックに流れる前記燃料吸入流へと提供する工程と、
    をさらに含む、請求項１１の方法。
13. 前記水噴射器は、アノード排気冷却器と前記アノード復熱器との間に配置されるインジェクタリングを備え、
    前記水は、水導管を通って前記インジェクタリングへと流れ、
    前記水は、前記インジェクタリングから、前記インジェクタリングの孔を通って前記アノード排気の前記第１の部分に噴射される、請求項１１の方法。
14. 前記燃料吸入流は、アノード冷却器断熱材と前記インジェクタリングとによって取り囲まれる燃料導管を通って前記スタックへ流れ、
    アノード冷却器は、前記アノード冷却器断熱材を取り囲み、
    前記水導管は、前記アノード冷却器断熱材を通って延在する、請求項１３の方法。
15. 前記水噴射器は、前記アノードテールガス酸化器への水の流れを防ぐ又は低減する、前記インジェクタリングを取り囲むシュラウドをさらに備える、請求項１４の方法。
16. 前記水噴射器は、前記燃料導管及び前記シュラウドに接続されるとともに、前記インジェクタリングを実質的に水平な平面に支持するように構成される拘束タブをさらに備える、請求項１５の方法。
17. 前記水噴射器は、前記インジェクタリングの下方に配置されるメッシュ又は多孔質材料をさらに備え、
    前記メッシュ又は多孔質材料は、前記アノード復熱器上に水が滴り落ちることを低減し又は防ぐ、請求項１５の方法。
    

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