(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離したアノードオフガス及びカソードオフガスの流路を有する少なくとも１つの燃料電池スタックから流出するオフガスの温度を変更する温度変更方法であって、
前記少なくとも１つの燃料電池スタックからの分離したアノードオフガス及び少なくとも１種類の熱伝達流体を第１の熱交換素子に通し、前記アノードオフガスと前記少なくとも１種類の熱伝達流体との間で熱交換させる工程と、
分離したアノードオフガスを前記第１の熱交換素子からバーナに通す工程と、
前記少なくとも１つの燃料電池スタックから流出する分離したカソードオフガスを前記バーナに通す工程と
を有し、更に
混合したアノードオフガス及びカソードオフガスを燃焼させてバーナオフガスを生ぜしめる工程と、
このバーナオフガスと前記少なくとも１種類の熱伝達流体とを第２の熱交換素子に通して、バーナオフガスと前記少なくとも１種類の熱伝達流体との間で熱交換を行わせる工程と、
分離したアノードオフガスを、前記第１の熱交換素子が受ける前に更なる熱交換素子に通し、この更なる熱交換素子が前記アノードオフガスと流体の流れとの間で熱交換させる工程と、
前記バーナオフガスを、前記第２の熱交換素子が受ける前に別の更なる熱交換素子に通し、この別の更なる熱交換素子が前記バーナオフガスと前記流体の流れとの間で熱交換させる工程と
を有する温度変更方法。
【請求項２】
請求項１に記載の温度変更方法において、前記第１の熱交換素子によりアノードオフガスを冷却するとともに、前記少なくとも１種類の熱伝達流体を加熱するようにする温度変更方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の温度変更方法において、前記第２の熱交換素子により前記バーナオフガスを冷却するとともに、前記少なくとも１種類の熱伝達流体を加熱する温度変更方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の温度変更方法において、前記バーナオフガスからの凝縮体を前記第２の熱交換素子内で形成し、この第２の熱交換素子から流出させる温度変更方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の温度変更方法において、前記第２の熱交換素子が、前記第１の熱交換素子から流出された後の熱伝達流体を受ける温度変更方法。
【請求項６】
請求項２に記載の、又は請求項２に従属する請求項３〜５のいずれか一項に記載の温度変更方法において、前記アノードオフガスからの凝縮体を前記第１の熱交換素子内で形成し、この第１の熱交換素子から流出させる温度変更方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の温度変更方法において、前記第１の熱交換素子が複数の熱伝達流体を受けるようにし、この温度変更方法が更に、これらの熱伝達流体への又はこれらの熱伝達流体への熱交換を最適にするようにこれらの熱伝達流体の各々の流速をそれぞれ独立に制御する工程を有する温度変更方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の温度変更方法において、前記更なる熱交換素子がアノードオフガスを冷却するとともに、前記流体の流れをあたためる温度変更方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の温度変更方法において、前記更なる熱交換素子中への流体の流れをカソード側の送給ガスの流れとし、続いてこのカソード側の送給ガスを前記少なくとも１つの燃料電池スタックに入れ、カソードオフガスとして流出させる温度変更方法。
【請求項１０】
請求項４又は６に記載の、又は請求項４又は６に従属する請求項５、７〜９のいずれか一項に記載の温度変更方法において、凝縮水を再利用し、これを、燃料電池に入れる前に燃料を改質するのに用いる温度変更方法。
【請求項１１】
アノードオフガス及びカソードオフガスをそれぞれ流すための分離した出口及び流路を有する少なくとも１つの燃料電池スタックと、
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の出口から流出されるアノードオフガスを受けるように結合され、この少なくとも１つの燃料電池スタックからのアノードオフガスと、少なくとも１種類の熱伝達流体との間で熱を交換する第１の熱交換素子と、
この第１の熱交換素子から流出するアノードオフガスと、前記少なくとも１つの燃料電池スタックから流出するカソードオフガスとを受けて混合し、且つこの混合ガスを燃焼させてバーナオフガスを生ぜしめるように構成したバーナと
を具え、更に、
前記熱伝達流体と、前記バーナからのバーナオフガスとを受けるように結合された第２の熱交換素子であって、このバーナオフガスと前記熱伝達流体との間で熱を交換する当該第２の熱交換素子を具え、
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の出口と、前記第１の熱交換素子との間に結合された更なる熱交換素子を具え、アノードオフガスが前記第１の熱交換素子に入る前にこのアノードオフガスの温度を低減させるようになっており、
前記バーナと、前記第２の熱交換素子との間に結合された別の更なる熱交換素子を具え、バーナオフガスが前記第２の熱交換素子に入る前にこのバーナオフガスと流体の流れとの間で熱交換させるようになっている
燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１の熱交換素子は、アノードオフガスを冷却するとともに、前記熱伝達流体を加熱するように構成されている燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１の熱交換素子は、前記バーナの動作温度を低減させるようになっている燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第２の熱交換素子は、バーナオフガスを冷却するとともに、前記熱伝達流体を加熱するように構成されている燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第２の熱交換素子は、凝縮用の熱交換器を具えている燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記熱伝達流体の流路が、前記第１の熱交換素子と、これに続く前記第２の熱交換素子とによって規定され、前記熱伝達流体が前記第１の熱交換素子に入り、この第１の熱交換素子を通り、この第１の熱交換素子から流出するとともに、続いて前記第２の熱交換素子に入り、この第２の熱交換素子を通り、この第２の熱交換素子から流出するようになっている燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第２の熱交換素子が、複数の種類の熱伝達流体を受けるようになっている燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１１〜１７のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１の熱交換素子が、凝縮用の熱交換器を有している燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１１〜１８のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１の熱交換素子が、複数の種類の熱伝達流体を受けるようになっている燃料電池システム。
【請求項２０】
請求項１１〜１９のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１の熱交換素子と、前記更なる熱交換素子とが単一ユニットに一体化されている燃料電池システム。
【請求項２１】
請求項１１〜２０のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１の熱交換素子と、前記第２の熱交換素子とが単一ユニットに一体化されている燃料電池システム。
【請求項２２】
請求項１５又は１８に記載の、又は請求項１５又は１８に従属する請求項１６、１７及び１９〜２１のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、この燃料電池システムは、凝縮用の熱交換器からの水を再利用し、この水を燃料電池に入れる前に燃料を改質するために改質装置に供給するように構成されている燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム内のエネルギー管理に関するものである。特に、本発明は燃料電池システム内の熱交換システム及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）システムは、燃料流に含まれるエネルギーを利用可能な熱及び電力に変換することにより有効に動作する。ＳＯＦＣシステムにおける熱回収（再生）は一般に、種々の流れ構造（多流、逆流、共通流、直交流）に熱交換器（例えば、シェルアンドチューブ式、プレートアンドフィン式、マイクロチャネル式）を用いることにより達成されている。このシステムにおける流体流のあるものは液体であり、他のあるものは気体であり、この気体のあるものには水蒸気が含まれる。ＳＯＦＣシステムの効率は、このシステムに入る燃料流に含まれる位置エネルギーを、このシステムにより生ぜしめられるとともにユーザが利用できる全体の利用可能な熱及び出力と比較することにより導出しうる。全体的なＳＯＦＣシステムの効率は、この効率が、選択された適用市場におけるＳＯＦＣシステム製品の商業化に影響を及ぼす為に重要なことである。熱的及び電気的な損失は、全体的なＳＯＦＣシステムの効率を決定する上で重要である。ＳＯＦＣシステム内の熱及び物質移動の管理は、熱的及び電気的な損失の大きさに影響を及ぼす。
【０００３】
ＳＯＦＣ自体は、電気化学処理を用いて燃料におけるエネルギーを熱及び電力に変換する動作をする。この処理の効率は、燃料電池の燃料側における燃料の濃度や、燃料電池の空気側における酸素の分圧や、燃料電池の温度を含む幾つかの要因に依存する。
【０００４】
燃料電池が動作するためには、この燃料電池は電気化学反応にあたり燃料を消費するとともに、空気中の酸素を消費する。電気化学処理によれば、この電気化学反応により発生される電力に加え、燃料電池のアクティブエリアである領域に過剰な熱エネルギーが生じる。エネルギー変換処理を維持するためには、燃料及び空気を燃料電池に供給する必要があるとともに、燃料電池から熱を除去する必要がある。一般に、燃料電池の反応により発生される熱は、燃料電池自体及びその周囲の環境を動作温度に保つことにより部分的に失われ、残りの熱の大部分は、空気流及び燃料排出流の双方又は何れか一方を用いて燃料電池から除去される。
【０００５】
一般に、動作中の燃料電池は、燃料流中の全ての燃料を消費するものではなく、同様に空気流中の全ての酸素を消費するものでもない。燃料電池は燃料及び空気中の酸素を完全に消費しない為、（一般に、アノードオフガスと称されている）減損燃料流と、（一般に、カソードオフガスと称されている）変更空気流とを燃料電池のアクティブエリアから除去する方法が必要となる。従って、燃料を燃料電池のアクティブエリアへ供給するとともに、このアクティブエリアから除去し、且つ空気を燃料電池のアクティブエリアへ供給するとともに、このアクティブエリアから除去する。
【０００６】
燃料電池による有効なエネルギー変換を達成するために、燃料電池の前で燃料送給ライン中に燃料改質装置を導入するか、又は燃料電池スタックに対し内部的に改質を生ぜしめて、燃料ガスが燃料電池に到達する前に、炭化水素を主成分とする燃料を水素に富んだ燃料流に改質させることができる。
【０００７】
ＳＯＦＣは、特定の動作温度で、しばしばこの特定の動作温度近辺の温度範囲に亘って有効に動作する。この有効な動作温度は代表的に、燃料電池のアクティブ層に用いられる材料の種類によって設定され、例えば、ＹＳＺの場合７２０〜９５０℃、ＣＧＯの場合５００〜６５０℃である。
【０００８】
ＳＯＦＣの場合、到来する空気流及び燃料流は、これらが燃料電池のアクティブエリアに到達する前に、ほぼ燃料電池の動作温度まで加熱することができる。これにより、燃料電池の動作効率を改善するとともに、温度勾配を減少させ、従って、周囲温度の燃料が熱い５００〜９００℃の燃料電池の構造体と接触した場合に燃料電池が被る熱応力を減少させる。最適な動作温度範囲に対する燃料電池の熱平衡が改善されることによっても効率が改善される。動作温度が高い為、燃料流は通常、燃料電池のアクティブエリアに到達する個所又はその近辺で気体である。
【０００９】
熱エネルギーは、燃料電池のアクティブエリアから流出するガス流（アノード及びカソードオフガス）から抽出でき、燃料電池のアクティブエリアに入る燃料及び空気流を加熱するのに用いることができる。このことは一般に、（未使用燃料の形態で化学エネルギーを含む）燃料電池排出燃料流と、燃料電池排出空気流とを混合し、（米国特許第5212023号及び欧州特許第 1037296号に開示されているような）燃料電池スタックに極めて近似する得られた混合体を燃焼させ、この処理により発生された熱を、熱交換器を介して到来する空気流に供給するのに用いることにより達成されている。
【００１０】
燃料電池システムに炭化水素燃料を供給する場合、炭化水素燃料をその成分、すなわち、水素、二酸化炭素、一酸化炭素及びその他の成分において改質するのを容易にするために、しばしば、燃料改質装置が燃料流中で燃料電池スタックより前方に配置されている。燃料電池を使用するのに適した改質方法は幾つか存在するが、これらは既知である為、その詳細な説明は省略する。代表的な改質方法には、自動熱改質（ＡＴＲ）、水蒸気改質（ＳＲ）、水性ガスシフト改質（ＷＧＳ）及び部分酸化改質（ＰＯＸ又はＣＰＯＸ）が含まれる。
【００１１】
要するに、改質装置の動作を有効にするためには、動作のために燃料流に水を加える必要がない幾つかの改質方法（例えば、ＣＰＯＸ）があるとともに、水を加える必要がある幾つかの改質方法（例えば、ＡＴＲ、ＳＲ、ＷＧＳ）がある。
【００１２】
ＣＰＯＸのような無水型の改質装置は、燃料電池システムの一部として水供給ユニットを必要としない。当業者にとって明らかなように、このような水を加えないシステムで得られる改質された燃料流における水素濃度は、水素に富んだ燃料流を生じる水添加型のシステムから得られる水素濃度よりも低くなる。
【００１３】
燃料電池の動作効率を最適にするために、水蒸気を用いる改質の選択肢により、潜在的な動作効率に可成り大きな効果をもたらす。このような効率を求めるシステムでは、システム中で水を添加して水蒸気を生ぜしめる。水蒸気は、燃料側排出流に含まれる水と、水貯蔵部又は水源との双方又は何れか一方から生ぜしめうる。システムを周囲温度から起動すると、システム内で燃料側排出流から直接水蒸気を得ることができず、従って、水蒸気発生器を用いて水貯蔵部から水蒸気を発生しうるようにする。
【００１４】
ある分野では、外部負荷、例えば、温水貯蔵部を加熱する必要性がある。従って、ＳＯＦＣシステムにより発生される熱の幾らかを用いてこの加熱要件を達成しうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第 5212023号
【特許文献２】欧州特許第 1037296号
【特許文献３】英国特許第 2368450号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の観点は、燃料電池システム用の１つ以上の、一体化するのが好ましい熱交換素子であって、少なくとも１つの燃料電池スタックの燃料側の排出流と、別々のアノードオフガス及びカソードオフガスに分割された空気側の排出流との間で熱を伝達するように構成された熱交換素子を提供することにある。本発明の観点では、排出流から、燃料電池スタック内に送給される燃料流及び空気に熱を伝達するものであり、又、本発明のある観点では、熱受け装置、例えば、蓄熱装置や、熱遮断装置、例えば、ラジエータや、熱伝達装置、例えば、ヒートポンプ又はスターリングエンジンのような何れか又は任意の組み合わせの外部の熱負荷に熱を伝達するものである。熱を付加的に伝達するには、排出流、例えば、アノードオフガス及びカソードオフガスの双方又はいずれか一方から水を凝縮させることもできる。又、アノードオフガス中の未使用燃料のガスを燃焼させることにより、この未使用燃料から生じるエネルギーを用いて、熱を発生させることもできる。１つの観点では、この熱を燃料電池システムに戻す。他の観点では、燃料電池システムが他の熱源（例えば、タービン排気システム又は自動車の排気システムのそばに配置された改質装置）から熱を受け、未使用燃料のガスを燃焼させることにより発生された熱は、燃料電池システムの外部の他の目的に用いるようにする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、分離したアノードオフガス及びカソードオフガスの流路を有する少なくとも１つの燃料電池スタックから流出するオフガスの温度を変更する温度変更方法であって、前記少なくとも１つの燃料電池スタックからの分離したアノードオフガス及び熱伝達流体を第１の熱交換素子に通し、前記アノードオフガスと前記熱伝達流体との間で熱交換させる工程を有する温度変更方法を提供する。
【００１８】
本発明の態様では、分離した流体を熱交換素子に送給する順序や、熱交換素子の配置及び組み合わせや、流体の送給の可制御性のいずれか１つ又は複数により、充分な熱エネルギーを燃料電池システムの持続動作のためにこの燃料電池システムに戻すようにし、しかもシステム動作及び効率を有利に且つ改善するようにし、一方、水蒸気の凝縮をアノードオフガス及びカソードオフガスの少なくとも一方の流れから独立して生ぜしめて、燃料電池を除くシステムの熱負荷部分に使用するための熱回収を最大にする。
【００１９】
本発明の態様では、（凝縮用（又は凝縮器）熱交換素子とすることのできる）熱交換素子の順序及び配置は、燃料電池スタックの高温排出ガスから低温の到来流体への熱伝達を改善するとともに、アノードオフガス及びカソードオフガスの双方又はいずれか一方の排出流から出来るだけ多くの水蒸気を凝縮して（この凝縮は、アノードオフガス及びカソードオフガスを混合して燃焼させ、バーナオフガスを形成する工程で行なうことができる）、潜熱エネルギーを捕捉するとともに、燃料電池システム中か又はその他の個所か、又はその双方で用いるための凝縮水を回収するという条件により設定する。ＳＯＦＣシステムの場合、得られる水蒸気の最大体積量は一般に、アノードオフガス流中に生じる。従って、このアノードオフガス流は、エネルギーの点から見て、熱と凝縮水とを回収する最も有効な複合源となる。従って、一態様では、このアノードオフガス流に最も有効な凝縮処理を行なう。システムが循環用の単一の熱伝達流体を有する場合には、最も有効な凝縮処理を行なうために、アノードオフガスから水を凝縮ためのアノードオフガス凝縮用熱交換素子を、これが、同じ熱伝達流体回路内に含まれる他の如何なる凝縮用の熱交換素子よりも前で最低温度の熱伝達流体（例えば、蓄熱装置から循環する冷却水）を受けるように配置する。
【００２０】
明瞭とするために、ここでは、凝縮用熱交換素子又は凝縮用熱交換器を、動作時に熱交換器のユニットを通過する流れの１つから水を凝縮しうるように設計した熱交換器として規定する。
【００２１】
アノードオフガスは非改質燃料、熱エネルギー及び水蒸気を有する。流れにある水蒸気に含まれる潜熱を回収したり、流れにある未燃焼燃料中の化学エネルギーを回収したりすることをも含む流れにある熱エネルギーの回収により、上述した熱エネルギーを出来るだけ多く回収するのが有利である。
【００２２】
潜熱エネルギーを回収するとともに水蒸気を液体として回収するのにアノードオフガスを凝縮する場合、動作状態に応じて、流れの温度を１００℃よりも著しく低く、例えば、５０℃以下にすることにより、アノードオフガスの流れに著しい温度降下が達成されるようにする必要がある。このようにアノードオフガスの流れから多くの熱エネルギーを除去することにより、このアノードオフガスの流れが有する熱エネルギーの大部分が熱伝達流体に移り、少量の熱エネルギーのみがアノードオフガスの流れに残るだけとなる。熱伝達流体が水であるものとすると、水が加圧されていなければ、この水は一般には１００℃まで、通常は５０〜８０℃に加熱されうる。これらの温度では、この加熱された水は、それよりも高い温度にある燃料電池システムにこのエネルギーを有効に戻す高温度エネルギー源として用いることができず、従って、この熱を、例えば、家庭用の暖房装置における熱源として用いるための熱負荷又は蓄熱装置に移すようにしうる。
【００２３】
アノードオフガスの流れから潜熱エネルギー及び凝縮水を除去することにより、燃料電池システムの熱効率に影響を及ぼすおそれがある。従って、本発明によれば、燃料電池機構を設け、この機構により、熱エネルギーが凝縮用熱交換器に到達する前に、この熱エネルギーの少なくとも一部分をアノードオフガスから更なる熱交換素子に伝達する。凝縮用熱交換器に到達する前に伝達されたこの熱エネルギーは、燃料電池スタックシステム内に入る低温度の送給流体の１つ、例えば、空気側の送給流体を用いて燃料電池スタックシステム内に戻すことができる。燃料電池スタックへの送給流体は主としてガスであり、アノードオフガスもガスである為、前記更なる熱交換素子はガス‐ガス熱交換素子としうる。従って、本発明の態様では、アノードオフガスの熱エネルギーの幾らかを燃料電池スタックに入る空気流に伝達し、従って、この空気流をカソード側で燃料電池スタックに入る前に加熱することができるようにする。
【００２４】
本発明の態様では、熱エネルギーの幾らかを、空気加熱用（空気加熱器）熱交換器としうる前記他の（ガス‐ガス）熱交換素子によりアノードオフガスの流れから除去する為、アノードオフガスが前記更なる熱交換素子を通過した後に流れ着くガス‐水凝縮用熱交換器としうる熱交換素子の寸法及び動作条件を低減化しうる。これにより、熱伝達流体回路の大きさ小さくしうるとともに、熱伝達流体のポンプを小型にしうる（従って、燃料電池システムの電気的な寄生負荷を減少させる）。更に、蓄熱装置及びラジエータ（放熱器）の双方又はいずれか一方の必要とする大きさを小さくでき、これによりシステムをより一層コンパクトにしうる。
【００２５】
本発明の態様では、アノードオフガスとカソードオフガスとを混合して燃焼させるバーナを設ける。このバーナはバーナオフガスを流出する。又、本発明の態様では、このバーナオフガスから熱を回収する第２の熱交換素子を設け、この第２の熱交換素子はアノードオフガス凝縮用熱交換素子と同じ熱伝達流体を用いうるようにする。この熱伝達流体は、本発明の態様では燃料電池熱回収熱交換器と称すこの第２の（バーナオフガス）熱交換素子を通過する前に第１の（アノードオフガス）熱交換素子を通過させることができ、従って、アノードオフガスは、熱伝達流体が燃料電池熱回収熱交換器内で更に加熱される前にこの熱伝達流体と熱を交換する。このことは、アノードオフガスがバーナオフガスよりも大きな割合の蒸気及び水蒸気を含む場合に有効なことである。
【００２６】
カソードオフガスに含まれる水蒸気は一般に、アノードオフガスに含まれる水蒸気よりも少ない為、アノードオフガスの水蒸気を凝縮する場合に得られる利益に比べて、カソードオフガスの水蒸気と関連する少量のエネルギーを回収することにより得られる利益は少ない。従って、カソードオフガスにおける水蒸気は考慮しないようにしうる。従って、燃料電池から流出するカソードオフガスはアフターバーナ酸化体送給ガスとしてバーナに送給される。すなわち、燃料電池とバーナとの間のカソードオフガスの流れの中には熱交換器を設ける必要がない。燃料電池から流出するカソードオフガスは直接バーナに送給でき、カソードオフガスからは大きな熱損失は生じるおそれがない。高温度のカソードオフガスをバーナに送給することにより、バーナの温度を高く保つ支援を行なう。この構成により、バーナに対する酸化体送給ガスを加熱せずに入れることができ、このことは、バーナオフガスにより多くの熱エネルギーが得られるようになり、この熱エネルギーを、燃料改質装置を加熱する例に用いうるということを意味する。特に、水蒸気の量が比較的少ない熱交換されたアノードオフガスの送給ガスを、バーナ内で比較的高温度のカソードオフガスと混合することにより、バーナが高温度で動作しうるようになり、バーナオフガスの流れに熱的に接触する吸熱性の改質装置は、追加の熱入力を必要とせずに動作しうるようになる。このような構成にすることは、改質装置を加熱するのに追加のバーナを必要としないこと、改質装置の熱処理に際し追加の燃料の送給を必要としないこと及びアノードオフガスの非燃焼燃料の割合を増大させる必要がないことの何れか又は任意の組み合わせを意味する。或いはまた、第２の熱交換素子をバーナの前に設け、カソードオフガスを燃焼する前に冷却するようにしうる。カソードオフガスを生じる燃料電池スタックとバーナとの間に追加の熱交換素子を設けることができる。
【００２７】
本発明の態様では、バーナオフガスを、第２の熱交換素子に到達させる前に、更なる熱交換素子に通すようにしうる。このことは、アノードオフガスを、第１の熱交換素子に通す前に更なる熱交換素子に通すのと同様な理由で行なうことができる。
【００２８】
設けた熱交換素子（これらの熱交換素子には、（凝縮用としうる）第１及び第２の熱交換素子の１つ以上と、（ガス‐ガス熱交換素子としうる）更なる熱交換素子と、バーナ及び第２の熱交換素子間の他の熱交換素子との何れか又は任意の組み合わせを含みうる）の相対的な大きさ及びエネルギー伝達特性は、アノードオフガスから到来する空気への良好な熱伝達が達成されるとともに、凝縮熱の回収を生ぜしめ、従って、ヒートシンク又は熱負荷に対する良好な熱回収が達成されるように調和させることができる。
【００２９】
システム中でオフガスから水を回収することにより、水の利用に関して自給自足システムが得られる。オフガスから回収された水は、燃料を燃料電池に入れる前に改質処理するのに用いることができる。このようなシステムでは、水の消費量が少なくなる。その理由は、水が回収され再利用される為である。遠隔地で水を別個に供給する必要性が完全に回避しうる。
【００３０】
本発明及びその構成配置は、一分野に限定されるものではないが、（参考のために導入する英国特許第 2368450号に開示されているような）本発明の燃料電池技術の中間の温度（４００〜６５０℃）での動作は、７００℃よりも高い温度で動作する高温度設計に比べた場合、高温度の流体にさらされるシステムの構成素子をありふれた金属から形成でき、従って、システムの設計をより一層融通性に富んだものにでき、システムの構成素子に対し低規格で廉価な材料を選択しうるようになることを意味する。このような材料には、燃料電池の支持プレート及びバイポーラプレートに対しステンレス鋼の構成素子を用いうることが含まれ、このことは燃料電池の支持プレートをこれに隣接するバイポーラプレートに溶接することにより、アノード燃料側の密封を簡単に達成しうることを意味する。空気側の密封は、バーミキュライトのような材料から形成した圧縮ガスケットを用いることにより簡単に達成しうる。更に、システムの構成素子及び流体の流れを中間の動作温度にすることにより、熱的に密に結合され且つ熱的に一体化した設計を可能にする。これにより、システムの費用及び複雑性を低減させることができる。
【００３１】
本発明の態様の密結合された熱交換器装置は、冷却エネルギーと電力エネルギーとの組み合わせや、トリジェネレーション（加熱エネルギー、冷却エネルギー及び電力エネルギーの組み合わせ発生）や、定置式電力発生や、補助電力発生を含む種々の分野に適用しうる。本発明の態様は特に、熱と電力との組み合わせシステム及びグリッド独立型電源に用いる。ＳＯＦＣシステムから蓄熱装置又は熱負荷に移される熱のレート（速度）は、凝縮用熱交換素子によりこのシステムから取り出されるエネルギーの量、従って、このシステムに戻すために得られるエネルギーの量及び達成しうる凝縮の程度の制御量を決定する少なくとも１つの循環ポンプにより制御しうる。
【００３２】
少なくとも２つの熱交換素子を有する本発明の態様による構成では、これらの熱交換素子を同じユニットに合成し、価格及び効率上より有効となるようにすることができる。更に、流体連結部を少なくすることにより、パッケージの簡単化及びユニット全体の軽量化を達成しうる。
【００３３】
本発明の他の態様では、少なくともアノードオフガスの凝縮用熱交換素子に１種類よりも多い熱交換流体を供給しうるようにする。例えば、アノードオフガスから移された熱の幾らかを燃料電池システムの送給燃料に与えることができ、アノードオフガスから移される熱は、適用電力条件によって設定される燃料の流量と、他の熱伝達流体、例えば、吸熱／放熱システムにおける循環ポンプを通る熱伝達流体の流量の制御とにより部分的に制御される。使用する熱伝達流体は変えることができ、熱交換素子の性能、従って設計は、部分的に熱伝達流体の流量及び熱容量により決定する。このような流体には、密閉循環システム又は開放循環システムの何れかの水、冷媒（例えば、吸収式冷凍機の冷媒）、燃料（例えば、ビークルの燃料又は配管式ガス）又は空気を含めることができる。
【００３４】
本発明の態様では、燃料電池スタックにおける燃料電池の動作温度を１００℃〜１１００℃又は２５０℃〜８５０℃又は４５０℃〜６５０℃の範囲とすることができる。本発明の態様では、燃料電池を金属支持型ＳＯＦＣとすることができる。
【００３５】
次に、本発明の実施例を添付図面につき説明するが、これらは例示にすぎないものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１ａ】図１ａは、本発明の一実施例による熱交換システムを有する燃料電池システムを示すブロック線図である。
【図１ｂ】図１ｂは、図１ａに示すシステムの変形例を示すブロック線図である。
【図１ｃ】図１ｃは、図１ａに示すシステムの変形例であって、燃料電池スタックアセンブリへのリフォーメイトの流路を図１ａとは異ならせ、改質装置熱交換器を省略した例を示すブロック線図である。
【図２ａ】図２ａは、図１ａ又は図１ｂに示す燃料電池システムに用いる本発明の実施例による熱交換システムを示すブロック線図である。
【図２ｂ】図２ｂは、本発明の実施例による他の熱交換システムを示すブロック線図である。
【図２ｃ】図２ｃは、本発明の実施例による更に他の熱交換システムを示すブロック線図である。
【図２ｄ】図２ｄは、本発明の実施例による更に他の熱交換システムを示すブロック線図である。
【図３】図３は、本発明の実施例による熱交換システムを有する他の燃料電池システムを示すブロック線図である。
【図４】図４は、図３の燃料電池システムに用いる熱交換システムを示すブロック線図である。
【図５】図５は、本発明の一実施例による熱交換システムを有する他の燃料電池システムを示すブロック線図である。
【図６】図６は、本発明の一実施例により第１の熱交換素子と第２の熱交換素子とを組み合わせた例を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１ａは、熱交換システム１２０を有する、本発明の一実施例による燃料電池システム１００を示す。この燃料電池システム１００は、燃料電池スタックアセンブリ１１０と熱交換システム１２０とを有する。この燃料電池システム１００は更に、バーナ／改質ユニット１３０と、起動加熱ユニット１４０と、凝縮水貯蔵タンク１５０とをも有する。
【００３８】
この図１ａを参照するに、燃料電池システムを動作させるために酸素ガス（例えば、空気）及び燃料ガスを通す流体流路が示されている。
【００３９】
最初に、空気側の送給システムを説明する。酸素包含ガス、一般に空気を、周囲環境から空気フィルタユニット（図示せず）と、機械的な空気移送装置、本例では速度可変送風機１７２（この送風機の速度はシステム制御ユニット（図示せず）により制御される）とを介して、燃料電池システム１００に送給する。空気フィルタユニットは、この燃料電池システムを囲むフレームに装着しうる。空気は、この空気フィルタユニットを介して最小の圧力損失で送風機１７２に引き込まれる。この送風機１７２に流れる途中で、空気の流れの方向を制御することにより、空気はこれと接触する熱い表面／熱交換器、例えば、パワーエレクトロニクスユニット及び変圧器ユニットに装着された熱交換器１７４から熱を捕捉しうる。
【００４０】
次に、この空気は送風機１７２から、熱交換システム１２０内の空気加熱用（又は空気加熱器）熱交換器ユニット１２２に送給される。この空気加熱用熱交換器ユニット１２２はガス／ガス熱交換器である。一方の送給ガスは、送風機１７２から送給される到来空気であり、他方の送給ガスは、（燃料側の流れに関し以下に説明する）燃料電池スタックアセンブリから到来するアノードオフガスである。熱交換器ユニット１２２の常規の動作の下では、ある量の熱エネルギーが、燃料電池スタックアセンブリから送給されるアノードオフガスから伝達され（アノードオフガス流を燃料電池スタックの出口温度である約５００〜６５０℃から水の沸騰点温度よりも高い温度である約１００〜２００℃まで降下させ）る。その理由は、アノードオフガスは熱交換器ユニット１２２を通って送給され、到来する空気流を加熱する（空気流を周囲温度である０〜５０℃から１００〜２５０℃に加熱する）為である。空気流の流速はアノードオフガスに比べて速い為に加熱速度には差がある。空気加熱用熱交換器ユニット１２２によりアノードオフガスに与えられる冷却度はこのユニット１２２を通る空気流により制御でき、一方この空気流は送風機１７２の速度により制御される。
【００４１】
通常の動作状態の下で空気加熱用熱交換器ユニット１２２から流出する空気の温度は増大されている。しかし、空気の温度は、燃料電池スタックの入口の空気温度に必要とする温度まで更に増大させる。又、この燃料電池スタックの入口の空気温度は制御しうるようにする。このことは以下に説明するようにして達成しうる。
【００４２】
空気加熱用熱交換器ユニット１２２を出た加熱された空気を次に、空気予熱ユニット１４０内の空気予熱器熱交換器１４２に通す。この空気予熱器熱交換器１４２を用いて到来空気の送給温度を増大させ、排出後ガスバーナ流に含まれる熱エネルギーを用いることによりこの空気をスタック動作温度にするか又はこの温度に近づける。燃料電池スタックの入口温度の制御を補助するために、空気側路ライン１８２内に設けた可制御空気側路弁１８０により、空気加熱用熱交換器ユニット１２２の前の個所から、空気加熱用熱交換器ユニット１２２の後で燃料電池スタックの前の個所に空気を送給しうるようにする。この空気側路ライン１８２内の可制御空気側路弁１８０は、側路空気の量を制御することにより、燃料電池スタックに空気が入る前に、この側路空気と空気予熱器熱交換器１４２の排出空気とを混合することにより空気温度を制御する。他の実施例では、空気側路ライン及び可制御空気側路弁をこのシステムから省略する。
【００４３】
本例の空気予熱ユニット１４０は起動バーナ１４４を有し（他の実施例では、このバーナの代わりに電気的なヒータを用いることができる）、本例ではこの起動バーナに、燃料電池システムの燃料送給源と同じところから燃料を送給し、ある状況でこの起動バーナを点火して空気予熱器熱交換器１４２を通る空気を加熱するようにする。特に、空気加熱用熱交換器ユニット１２２が、到来空気を所望の動作温度に加熱するのに充分な熱を生じない場合に、起動バーナ１４４が動作するようにする。この起動バーナ１４４は、負荷が突然変化した場合にも、例えば、燃料電池スタックアセンブリ１１０から生ぜしめる必要がある出力が増大し、燃料電池スタックアセンブリ１１０の動作温度を増大させる必要がある場合にも動作するようにしうる。起動バーナと予熱器とは単一のユニットとすることができる。
【００４４】
次に、送給空気は空気側（カソード側）で燃料電池スタックアセンブリ１１０内に、すなわち、燃料電池カソード側アクティブエリア１１２に入る。従って、加熱された空気流が燃料電池スタックの空気側１１２に流れ、燃料電池スタックのカソードエリアを横切り、酸素の減少を受け、燃料電池のアクティブエリアのカソード側１１２や、周囲環境及び表面から熱を捕捉する。燃料電池カソード側アクティブエリア１１２の終端部において、このように酸素が一部減少された空気流が、カソードオフガスと称され、その温度は約５００〜６５０℃である。
【００４５】
このカソードオフガスは、一旦燃料電池スタックアセンブリ１１０を通過すると、従来の燃料電池システムにおけるようにアノードオフガスと直ちに混合されない為、燃料電池を出たカソードオフガスをバーナ／改質ユニット１３０におけるバーナ１３２内に直接通す。
【００４６】
次に、燃料送給側を説明する。本例では、燃料を炭化水素含有燃料、例えば、天然ガス又は都市ガスのようなボンベ入りガス（例えば、ＬＰＧ）又はパイプ送給ガスとする。或いはまた、他の送給燃料は、水素（この場合、燃料ガス改質装置は必要としない）又は石炭ガス、又は一酸化炭素、又は嫌気性消化ガス、又はバイオガス、又はオートガス、又はガソリン或いはディーゼル或いは航空機燃料（ケロシン又はＪＥＴ−Ａ１）、又はその他の同様な燃料のような送給源とすることができる。
【００４７】
燃料電池システム１００への燃料の送給は、設定圧力及び制御可能な流速に対し調整される（この調整は、随意の回復可能な脱硫ユニットを通り、少なくとも１つの遮断弁を通る前であって、必要に応じ、随意的な振動吸収材を有するガス増圧ポンプに至る前に、主送給ライン又は少なくとも１つの可制御ポンプからの設定圧力及び流速を調整することにより行う）。主燃料ガス、例えば、天然ガスの送給温度は、一般に０〜５０℃、通常１２〜２５℃の範囲内にある。脱硫ユニットをポンプの前に配置することにより、この脱硫ユニットには低圧力条件が課せられ、このことは、その設計、材料の使用に対し、且つ脱硫材料の保守／回復に対しても関係がある。
【００４８】
システム条件に応じて、この燃料ラインから数本の送給ラインを導出しうる。まず第一に、前述したように、送給ラインを起動バーナ１４４に与える。この送給ラインは、脱硫ユニットの前又は後から導出しうる。この燃料の送給は、システムの起動時に、又は急激な負荷の変化時に、例えば、前述したように低出力動作点から全出力への変化時に必要となる。本例では、起動バーナ１４４は半化学量論的なバーナであり、このバーナが熱い排出流を生じ、次にこの排出流が空気予熱器に送給され、燃料電池スタックを流れる空気を加熱し、従って、燃料電池スタックアセンブリ１１０を加熱する。次に、起動バーナ１４４からの排出ガスが、（以下に詳細に説明する）熱交換システム１２０内の燃料電池熱回収／バーナオフガス凝縮用熱交換器１２４に流れる。起動時又は常規動作中のどの時点でも、空気予熱器熱交換器は空気加熱用熱交換器ユニットから生じる加熱された到来空気に対するヒートシンクとならない。
【００４９】
他の燃料送給ラインを脱硫ユニットの後に設け、バーナ／改質ユニット１３０のバーナ１３２に燃料を送給する。この燃料送給ラインはシステムを起動する場合にのみ用い、急速加熱空気を燃料電池スタックに通すように循環させて、燃料電池スタックアセンブリ１１０及びこれに関連するシステム素子を動作温度付近に加熱する場合に、バーナ１３２を動作させる。この場合、バーナ１３２は燃料電池スタックの排出流内の消費された燃料反応物質及び空気に作用し、その結果の熱い（５００〜７００℃の）ガス流が、バーナ／改質ユニット１３０内の改質装置１３４に入り、この改質装置１３４を動作温度に近づける。本例では、脱硫された燃料をバーナ１３２への送給燃料として用いる。その理由は、この場合、バーナの触媒設計が簡単化される為である。更に、ポンプを用いることにより、バーナ１３２の下流における流路における圧力降下の結果として生じるおそれのある背圧問題を解決する。しかし、耐硫黄性のバーナを用いる場合には、脱硫燃料は特定の条件とならない。
【００５０】
図１ａに示す第１の実施例では、残りの燃料を、随意的な逆止め弁（図示せず）を介して水蒸気／燃料ガス混合器１３６及び水蒸気発生器１３９に送給し、水蒸気／燃料ガス混合器で燃料ガスと水蒸気とを混合する。水蒸気が与えられた燃料の温度は、改質装置熱交換器１３８に入る前に、１２０〜４００℃に上昇され、この改質装置熱交換器１３８において、燃料流が（以下に説明する）改質装置１３４から到来するリフォーメイト流から熱を吸収し、燃料流が燃料改質装置１３４に入る前にその温度を３５０〜５５０℃に上昇させる。改質処理のために改質装置１３４内に与えられる触媒の吸熱反応は、改質装置１３４を通過するバーナ１３２の出力から熱が供給されたものである。このように改質された燃料（リフォーメイト）は、改質装置熱交換器１３８の反対側を通って戻される前に５００〜７５０℃の温度で改質装置１３４を出て、その熱のいくらかを到来する燃料ガスに与え、この燃料ガスを加熱する。改質装置熱交換器１３８と燃料改質装置１３４とは単一ユニットとすることができる。更に、バーナ１３２は、燃料改質装置１３４及び改質装置熱交換器１３８と同じユニット内に設けることができる。
【００５１】
説明しない部分は図１ａにつき説明したのと同じである図１ｂに示す他の実施例では、残りの燃料を随意的な逆止め弁（図示せず）を介して水蒸気／燃料ガス混合器１３６に送給し、この水蒸気／燃料ガス混合器１３６において、第１の実施例と同様に燃料を水蒸気と混合する。水蒸気が与えられた燃料の温度は、改質装置熱交換器１３８に入る前に、１２０〜４００℃に上昇され、この改質装置熱交換器１３８において、燃料流が改質装置１３４から到来するリフォーメイト流から熱を吸収し、燃料流が燃料改質装置１３４に入る前にその温度を３５０〜６５０℃に上昇させる。図１ｂに示す実施例では、改質装置１３４内に与えられた触媒の反応を吸熱反応とせずに、発熱反応とする。図１ｂに示す実施例では、改質処理は自立式である。従って、本例では、バーナオフガスからの熱は不必要であり、バーナオフガスは改質装置１３４を介して送給されない。このように改質された燃料（リフォーメイト）は、改質装置熱交換器１３８の反対側を通って戻される前に５００〜７５０℃の温度で改質装置１３４を出て、その熱のいくらかを到来する燃料ガスに与え、この燃料ガスを加熱する。改質装置熱交換器１３８と燃料改質装置１３４とは単一ユニットとすることができる。更に、バーナ１３２は、燃料改質装置１３４及び改質装置熱交換器１３８と同じユニット内に設けることができない。バーナオフガス流はバーナ１３２から水蒸気／燃料ガス混合器１３６に送給することができる。
【００５２】
再び図１ａにつき説明するに、リフォーメイトガスは、燃料側１１４で燃料電池スタックアセンブリ１１０に入る前に、約３５０〜５５０℃の温度で改質装置熱交換器１３８から流出する。リフォーメイトガスはアノード側燃料電池アクティブエリア１１４を通り、燃料電池スタックにおける燃料電池のアノード側を通り過ぎ、発熱電気化学反応を受けて、カソード側における空気から燃料電池アセンブリを横切って到来する酸素イオンを吸収して、電力を生じ且つ熱を放出する。これらの酸素イオンは、リフォーメイト流内の水素と化合して水蒸気を生じ、従って、電気化学反応を終了させ、電気的な負荷回路付近の電子を燃料電池スタックの一方の側からパワーエレクトロニクスシステム及び電気的な負荷を介して燃料電池スタックの反対側に流す。電気的な負荷は、燃料電池システム内にも、燃料電池システム外にも設けることができる。
【００５３】
リフォーメイト流は、アノード側燃料電池アクティブエリア１１４を通る為、水素が少なくなった流れとなる。このリフォーメイト流は、アノード側燃料電池アクティブエリア１１４を通る為、アノードオフガスと称される。このアノードオフガスは燃料電池エリアから水蒸気を取り込み、しかもアノード側燃料電池アクティブエリア１１４やその周囲の環境及び表面から熱を吸収する。
【００５４】
アノードオフガスは、５００〜６２０℃の温度で燃料電池スタックアセンブリ１１０から流出する。次に、このアノードオフガス流はガス‐ガス空気加熱用熱交換器１２２に入り、その熱エネルギーのいくらかを、到来する空気流に与え、次にこの熱エネルギーを空気側ガス送給ラインを介して燃料電池スタックアセンブリ１１０に戻す。アノードオフガスは、約１００〜３００℃の温度で空気加熱用熱交換器１２２から流出する。次に、このアノードオフガス流は、アノードオフガス凝縮用熱交換器１２６に入り込み、その温度を、周囲環境温度及び熱交換器の熱伝達流体の冷却能力により与えられる可能な程よい低い温度（０〜１００℃、好ましくは２０〜６０℃）に低下させる。このような温度で、アノードオフガス流の凝縮が生じ、このアノードオフガス流に含まれる水を回収し、従って、蒸発エネルギーの関連する潜熱を回収する。このアノードオフガス凝縮用熱交換器１２６はガス‐液体熱交換器であり、好ましくは、熱伝導流体としてのアノードオフガスに対向する熱交換器の側に高熱エネルギー蓄積媒体が用いられている。このような媒体は例えば、蓄熱部からの水、又は自動車の冷却用ラジエータからの水混合液、又は液体冷媒、又はオイル、又はその他の燃料液体とすることができる。この媒体は空気とすることもできる。アノードオフガス凝縮用熱交換器１２６は、凝縮体を、移動が不確定な分野の場合に必要に応じ装着したバッフアを介して熱交換器１２６から集めて流出させうるように配置する。この熱交換器１２６は以下に詳細に説明する。
【００５５】
次に、アノードオフガスはアノードオフガス凝縮用熱交換器１２６からバーナ１３２に流れ、ここでこのアノードオフガスがカソードオフガスと混合され、触媒上で又は炎の存在の下で燃やされる。アノードオフガスの冷却作用によりバーナ１３２を低温度で動作させ、これによりバーナの費用を低減化させるようにする。
【００５６】
バーナの作用により、アノードオフガスから不使用のいかなる燃料も消費、従って、除去し、バーナオフガス流と称される約６００〜８５０℃の熱いガス流を生ぜしめ、このガス流をカソードオフガス流の継続部とする。
【００５７】
次に、図１ａに示す実施例では、バーナオフガス流が改質装置１３４に直接送給され、改質装置熱交換器１３４を介して燃料送給吸熱改質装置反応を熱的に平衡させ、改質装置１３４を加熱する。バーナオフガス流は５８０〜７２０℃の温度で改質装置から流出する。バーナ１３２及び改質装置１３４は同じユニットの一部としうる。
【００５８】
上述したように、図１ｂに示す実施例では、バーナオフガスは改質装置１３４を通過しない。図１ａ及び図１ｂに示す双方の実施例では、バーナオフガスは次に、少なくとも１つの水蒸気発生器１３９に送給され、この水蒸気発生器１３９において熱エネルギーが熱交換面を介して水に部分的に伝達されて水蒸気を発生させ、この水蒸気が燃料流に送給され、この燃料流が改質装置１３４に送給される。水蒸気発生器に対する水は凝縮水貯蔵タンク１５０内に貯蔵されている。バーナオフガスは、システムの動作状況に応じて４００〜６５０℃の温度で水蒸気発生器１３９から流出する。水蒸気発生器１３９及び水蒸気／燃料ガス混合器１３６は、単一のユニットに組み合わせることができる。これと同じユニットには、バーナ１３２と改質装置１３４との双方又はいずれか一方を設けることができる。
【００５９】
次に、バーナオフガスは起動バーナ１４４を通過し、（前述したようにガス‐ガス熱交換器である）空気予熱器熱交換器１４２を通り、熱エネルギーのいくらかが熱交換器１４２を通って伝達されて、到来する空気流を加熱する。本例では、この加熱処理によりバーナオフガスの温度を定常モードで１００〜３５０℃に減少させる。
【００６０】
次に、この冷却されたバーナオフガス流は、燃料電池熱回収凝縮用熱交換器１２４に流れ、その温度を、周囲環境温度及び熱交換器の熱伝達流体の冷却能力により与えられる可能な程よい低い温度（０〜８０℃、好ましくは１５〜５０℃）に低下させる。このような温度で、バーナオフガスの水蒸気の凝縮が生じ、このバーナオフガス流に含まれる水を回収し、従って、蒸発エネルギーの関連する潜熱を回収する。従って、カソードオフガスは、燃料電池熱回収凝縮用熱交換器１２４に入る前に、バーナ１３２、改質装置１３４、水蒸気発生器１３９及び空気予熱ユニット１４０を通るが、バーナの後ではカソードオフガスはアノードオフガスと混合するものであり、バーナ内で燃焼し、従って、バーナオフガスと称される。
【００６１】
燃料電池熱回収凝縮用熱交換器１２４は、バーナオフガスに対向する熱交換器の側に高熱エネルギー蓄積媒体が用いられているガス‐液体熱交換器とすることができる。本例では、このような媒体は、蓄熱部からの水とするが、自動車の冷却用ラジエータ又は地熱ヒートポンプシステムからの水とすることもできる。熱交換器１２４は、凝縮体を、移動が不確定な分野の場合に必要に応じ装着したバッフアを介してこの熱交換器から集めて流出させうるように配置する。この熱交換器１２４は以下に詳細に説明する。
【００６２】
燃料電池熱回収凝縮用熱交換器１２４に送給される熱伝導流体は、アノードオフガス凝縮用熱交換器１２６を介して流れる熱伝導流体と同じにすることもできる。従って、アノードオフガス凝縮用熱交換器１２６と燃料電池熱回収凝縮用熱交換器１２４とを、冷却側送給を共通とした同じユニットとすることができる。本例では、アノードオフガスから最大量の潜熱、従って、凝縮体を回収するために、熱伝導流体が最初にアノードオフガスを冷却するような配置構成とする。このような配置構成を以下に詳細に説明する。本例では、熱伝導流体を液体水とするが、オイル、液体冷媒又は気体冷媒、液体燃料又は気体燃料、空気等の他の熱伝導流体を用いることもできる。
【００６３】
他の実施例では、熱交換器１２４及び１２６を流れる熱伝導流体を分割して熱交換器１２４及び１２６のそれぞれを流れるようにし、熱交換器１２４及び１２６の各々への熱伝導流体の流量を受動的に又は簡単な絞り機構を介して制御して、それぞれの熱交換器の冷却側からの熱の除去を最適にするようにしうる。次に、加熱された熱伝導流体は蓄熱部、又は熱負荷、又は熱伝導ユニット、又は熱遮断装置に送給される。凝縮用熱交換器は冷気流により、例えば、特に燃料電池システムがＣＨＰ（熱電併給）システム又はトリジェネレーションシステムでない場合、水線よりも下の船の領域、例えば、船体、又は方向舵、又はフラップや、衛星の表面や、航空機の表面のような冷表面により、又はファン機構により得られる冷気流を用いることにより冷却することができる。
【００６４】
凝縮用熱交換器１２４及び１２６からの凝縮体が集められて凝縮水貯蔵タンク１５０に送給され、このタンクで凝縮体がろ過され、脱ガスされ、調整され、凝縮水貯蔵タンク１５０内に貯蔵されて、バーナ／改質ユニット１３０の水蒸気発生器１３９に対する水として準備しておく。
【００６５】
燃料電池から流出するオフガスから水を回収することにより、改質処理に水を再利用しうる。このようにすることにより、ある実施例において、総じて燃料電池システムに水を別に送給する必要をなくすことができる。その理由で、システムに用いる水に対して必要とする処理が著しく少なくなり、その結果、処理（例えば、軟化処理）ユニットの条件が少なくなり、システム全体の寸法が小さくなる。回収された水に残る熱エネルギーは、全体としての給水系統の温度が水の氷結温度よりも高く保たれるようにするのに用いることもできる。
【００６６】
バーナオフガス流は熱交換システム１２０から流出した後、煙突アセンブリを介して大気又は他の抽出システムに向けてユニットから流出する前に随意の逆止め弁（図示せず）に通す。
【００６７】
本例では、追加の凝縮用熱交換器及びバーナの一体化アセンブリ１６０をシステム中に設ける。このようなアセンブリは、家庭用の凝縮ボイラユニットに見られる凝縮用熱交換器及びバーナの一体化アセンブリである。このアセンブリは別の燃料送給ラインを有する。この凝縮用熱交換器及びバーナの一体化アセンブリ１６０は、燃料電池システム１００とは独立して動作しうるが、同じシステム容器内に入れられており、燃料電池システム１００とこの凝縮用熱交換器及びバーナの一体化アセンブリ１６０との双方に共通な制御電子回路により制御される。硫黄化合物が燃料ガス中に存在する場合に、燃料送給ラインで必ずしも脱硫を行なう必要がない。このような追加の熱交換器は、追加の熱エネルギーが蓄熱部又は熱負荷に与えられるようにするか、又は追加の凝縮が、必要に応じ追加のエネルギーの回収のために又は凝縮水を得るために行なわれるようにするためのものである。追加の熱出力を提供する、独立的であるが連結された、バーナ及び凝縮用熱交換器の一体化アセンブリは燃料電池から独立している。この独立的な追加の熱交換器は、凝縮システムが、硫黄又は亜硝酸又はこれらに類似する関連のいかなる汚染物質をも除去するのに適切な汚染物質除去機構を有する場合にも、追加の凝縮水を送給する。
【００６８】
凝縮用熱交換器及びバーナの一体化アセンブリ１６０は、独自のポンプ又は送風機の空気送給手段を有している。空気は、周囲環境から随意のエアフィルタユニット（図示せず）及び可制御送風機を介して、この凝縮用熱交換器及びバーナの一体化アセンブリ１６０に送給される。エアフィルタユニットはこのシステムを囲むフレームに装着することができる。空気はこのエアフィルタユニットを介して最小の圧力損失で送風機に引かれる。空気をこのエアフィルタユニットに通す途中で、この空気の流れの方向を制御すれば、この空気はこれが接触する熱い表面／熱交換器から熱を吸収することができる。更に、凝縮用熱交換器及びバーナの一体化アセンブリ１６０は、熱負荷又は蓄熱部からの熱伝達流体を循環させる独自の循環ポンプを有している。この熱伝達流体は、アノードオフガス凝縮用熱交換器１２６及び燃料電池熱回収凝縮用熱交換器１２４で用いられている熱伝達流体と同じにしうる。負荷は、蓄熱部とするか、又は自動車用のラジエータ、運送用コンテナの加熱又は冷却用のラジエータ又は代表的な家庭或いは職場で見られるような暖房システム用のラジエータのような放熱器とすることができる。
【００６９】
上述したように、凝縮用熱交換器及びバーナの一体化アセンブリ１６０は、燃料電池システム１００とは独立して動作することができるが、依然として熱源又は負荷からの熱需要を満足する。
【００７０】
燃料電池スタックアセンブリ１１０により生ぜしめられる電力は、パワーエレクトロニクスユニットを介して電気的な負荷に送給される。この電力のいくらかは、燃料電池システムの電力需要部に直接送給するか、又は電力を負荷グリッドに送給しこの負荷グリッドから撤収することにより送給することができる。
【００７１】
図１ａとは相違するリフォーメイトの送給を図１ｃに示す。この場合、図１ａに示す改質装置熱交換器１３８が省略されており、従って、改質装置の出力は改質装置熱交換器により冷却されずに、少なくとも１つの流体管を通って燃料電池スタックアセンブリ１１０に流れる。流体管は、リフォーメイト出力の温度が充分低減され、燃料電池スタックアセンブリに入るリフォーメイトの温度が、改質装置１３４を出る時の温度よりも低い適切な温度となるように設計しうる。このような変形例によれば、改質装置１３４の設計を、改質装置熱交換器１３８が存在しないことにより生じる熱エネルギーの損失分を許容しうるように設計することができる。この図１ｃにおけるシステム設計の変更は、ここに述べるあらゆるシステムのレイアウトに適用しうるものである。
【００７２】
アノードオフガス及びカソード／バーナオフガスを別々に有する図１ａの燃料電池システムに用いる熱交換システムを、図２ａに簡単化した線図で示す。この図２ａには、３つの熱交換器が示されている。これらの熱交換器は、例えば、図１ａのアノードオフガス凝縮用熱交換器１２６としうる第１の熱交換素子２２６と、例えば、図１ａの燃料電池熱回収／バーナオフガス凝縮用熱交換器１２４としうる第２の熱交換素子２２４と、例えば、図１ａの空気加熱用熱交換器１２２としうる更なる熱交換素子２２２とである。図２ａには更に、４つの流体路が示されている。これらの流体路は、第１の熱交換素子２２６を通り、次に第２の熱交換素子２２４を通る熱伝達流体の第１の流体路２１０と、更なる熱交換素子２２２を通り、次に第１の熱交換素子２２６を通る第２の流体路２１２と、第２の熱交換素子２２４を通る第３の流体路２１４と、更なる熱交換素子２２２を通る第４の流体路２１６とである。
【００７３】
第１の流体路２１０は、蓄熱部又は熱遮断装置或いはユニットの低温側から第１の熱交換素子２２６に入り、第２の熱交換素子２２４から出て、蓄熱部又はラジエータ熱遮断装置或いはユニットの高温側に至る。本例では、第１の流体（第１の流体路の流体）を水とする。蓄熱部は、家庭用の温水貯蔵部又は家庭用の暖房システムとすることができる。ここでは、他の種々の選択肢を説明するが、更なる選択肢も当業者にとって明らかである。
【００７４】
第２の流体路２１２は、燃料電池システムのアノード側のアクティブエリアから更なる熱交換素子２２２に入り、その後第１の熱交換器２２６を出て、例えば、図１ａに示すような燃料電池システムのバーナに入る。第２の流体は燃料電池からのアノードオフガスである。
【００７５】
第３の流体路２１４はバーナオフガスを含んでおり、予熱器バーナから第２の熱交換器素子２２４に入り、排出ガスとして出る。第４の流体路２１６は空気を含んでおり、この空気は更なる熱交換素子２２２を通過して、燃料電池の空気側の流れに用いられるようにこの更なる熱交換素子を出る。各熱交換素子に対する熱交換容量は、寸法を適切に変え、２つの流体の相対的な流速と、第１の熱交換素子への熱伝達流体の入射温度との双方又はいずれか一方を変えることにより変えることができる。このような制御の一例には、例えば、速度可変の熱伝達流体ポンプと、熱伝達流体が第１の熱交換素子に入る前に通る熱出力可変制御装置（例えば、自動車のラジエータ及びファン）との双方又はいずれか一方を含めることができる。更に、熱伝達流体の流速を変えることにより、２つの熱交換器素子２２４及び２２６の全体の熱交換度を変えることができる。
【００７６】
動作中、熱いアノードオフガスが、燃料電池から第２の流体路２１２に沿って更なる熱交換素子２２２を通って流れる。熱はアノードオフガスから、第４の流体路２１６に沿ってシステム中に引かれる空気に移される。すなわち、熱はアノードオフガスから、更なる熱交換素子２２２内の空気に移され、アノードオフガスを冷却するとともに、空気を燃料電池アセンブリに入れる前に暖める。この更なる熱交換素子２２２はガス‐ガス熱交換器とする。続いて、アノードオフガスは第２の流体路２１２に沿って流れ続けて第１の熱交換素子２２６に到達する。この第１の熱交換素子２２６は、第１の流体路２１０に沿って流れる水の形態の熱伝達流体を受ける。アノードオフガスは更に、凝縮用熱交換器である第１の熱交換素子２２６により冷却され、従って、アノードオフガスから溶融エネルギーの潜熱を除去する。
【００７７】
次に、熱伝達流体は第１の流体路２１０に沿って第２の熱交換素子２２４に到達し、第３の流体路２１４におけるバーナオフガスから熱エネルギーを受ける。この熱交換素子２２４も凝縮用熱交換器であり、従って、バーナオフガスから溶融エネルギーの潜熱を除去する。熱伝達流体はこの熱交換処理で更に温められる。
【００７８】
一例では、第１の熱交換素子２２６と第２の熱交換素子２２４とを単一ユニットに組み合わせる。他の例では、更なる熱交換素子２２２をもこの単一ユニットに組み込む。更に他の例では、第１の熱交換素子２２６と更なる熱交換素子２２２とを単一ユニットに組み合わせる。
【００７９】
図２ｂに示す他の実施例では、図２ａの更なる熱交換素子及び第４の流体路２１６が省略され、第２の流体路が第１の熱交換素子のみを通っている。
【００８０】
図２ｃに示す更に他の実施例では、図２ａの第２の熱交換素子が省略され、第１の流体路が第１の熱交換素子のみを通っている。
【００８１】
図２ｄに示す更に他の実施例では、図２ａの第２及び更なる熱交換素子が省略されている。本例では、第２の流体路が燃料電池スタックを出て第１の熱交換素子を通っている。
【００８２】
図２ａ、２ｂ、２ｃ及び２ｄの各々では、熱交換素子により凝縮体が生じない場合には、凝縮体に対する対処を省略しうる。
【００８３】
次に、更なる実施例を図３につき説明する。図１ａと対応する素子には図１ａと同じ符号を付してある本例では、アノードオフガス凝縮用熱交換器１２６とバーナ１３２との間に追加のガス‐ガス熱交換器３８０が挿入されている。この追加のガス‐ガス熱交換器３８０は、何らかの熱が空気流に加わる燃料電池システムの上流、すなわち、図示のように、パワーエレクトロニクス熱交換器１７４の前でカソード側の空気送給ラインに引き込まれる空気を用いる。この空気流により得られる追加の冷却は、バーナ１３２に戻される前にアノードオフガスから追加の凝縮を生ぜしめ、従って、システムの全動作効率を高めることができる。或いはまた、凝縮用熱交換器及びバーナの一体化アセンブリ１６０内に吹き込まれる空気を、追加の熱交換器３８０に対する吸入冷気として用いることができる。本例では更に、凝縮用熱交換器及びバーナの一体化アセンブリ１６０に対する空気流をパワーエレクトロニクス熱交換器１７４に通すが、このようにしないでもよい。
【００８４】
上述した追加の熱交換素子（熱交換器）を有する本発明の例の熱交換システムを図４に示す。この図４は、追加の熱交換素子４８０を、僅かに変更された第２の流体路４１２内で第１の熱交換素子１２６の後に設け、第５の流体路４１８をこの追加の熱交換素子４８０に通すように設けることを除いて、図２ａに対応する。このようにすることにより、第２の流体路４１２を流れるアノードオフガスからより多くの凝縮体が、従って、より多くの熱が除去されるようになる。
【００８５】
更なる実施例では、アノードオフガス凝縮用熱交換器からバーナへアノードオフガスを流すパイプを、システムアセンブリの外側面上に走らせ、このパイプを、周囲の空気流又は強制空気流や、例えば、このパイプが水線よりも下の船体の一部或いは同様な部分となる場合には水のような周囲環境の温度にさらすようにする。
【００８６】
この追加のガス‐ガス熱交換器３８０を図５に示す。この図５では、図１ａに対応する素子に図１ａと同じ符号を付してある。本例では、パワーエレクトロニクス熱交換器５７４が、凝縮用熱交換器及びバーナの一体化アセンブリ５６０と、燃料電池スタックアセンブリ１１０との双方又は何れか一方に対する空気により冷却される。この空気流を更なる追加の空冷熱交換器５９０に通し、追加の冷却を行い、従って、追加の凝縮効果を得るようにすることができる。
【００８７】
図６は、本発明の実施例により組み合わせた（６００）第１及び第２の熱交換素子、すなわち、アノードオフガス及び燃料電池熱回収凝縮用熱交換素子６２６，６２４を示す。これらの素子は前の実施例に示すものとしうる。本例では、共通のチューブ６１０が、熱伝達流体が流れる第１の熱伝達流体路を規定する。このチューブの直径及び太さは一定にするか又は変化させることができ、或いは熱交換特性を高めるフィン又は乱流部のような熱交換特性部を加えて熱交換度を高めるか又は制御し、組み合わせた熱交換素子の熱交換条件を適用分野及び熱交換素子の流体の流れの温度に基づいて適合させるようにすることができる。第１の熱交換素子６２６は更に、アノードオフガス用の第２の流体路６１２を有し、この流体路はアノードオフガスを、チューブ６１０を通るように流し、アノードオフガスから熱伝達流体に熱を与える。第２の熱交換素子６２４は更に、第３の流体路６１４を有し、この流体路にはバーナオフガスが入れられ、このガスから熱伝達流体に熱を与える。
【００８８】
使用に際しては、例えば、水又は再生水、冷却剤流体又はオイル或いはその他の燃料流体又は空気の形態の熱伝達流体を、第１の熱交換素子６２６からチューブ６１０を通して第２の熱交換素子６２４に流し、この第２の熱交換素子６２４を通過させる。熱伝達流体は第１の熱交換素子６２６を通過する際に、第２の流体路６１２中のアノードオフガスから熱エネルギーを吸収する。アノードオフガスは充分に冷却され、ガス流中の水蒸気が凝縮して、本例では単に重力流により或いは排水ポンプを介して第１の熱交換素子６２６から排出されるようにする。熱伝達流体は第２の熱交換素子６２４を通過する際に、第３の流体路６１４中のバーナオフガスから熱エネルギーを吸収する。このバーナオフガスも充分に冷却され、ガス流中の水蒸気が凝縮して、本例でも重力流により第２の熱交換素子６２４から排出されるようにする。或いはまた、逆流が問題となり、回避する必要がある場合には、凝縮体を低圧設定された逆止め弁を介して極めて低い圧力の下で引き出すようにしうる。ガスは、熱伝達流体により冷却されて第１の熱交換素子６２６及び第２の熱交換素子６２４から流出し、熱伝達流体は双方のガスにより暖められて流出する。
【００８９】
熱交換素子の空気挿入領域である２つの流体路６１２及び６１４は、例えば、溶接又はろう付け又はその他の同様な材料の接合技術により、簡単な流入及び流出連結部を有する簡単な被覆ユニットを用いてチューブ６１０に結合しうる。このような種類のアセンブリは、構成要素が少ない為に構成するのが極めて簡単であり、例えば、ハイドロフォーミング法を用いることにより多量生産でき、廉価な鋼から製造でき、種々の分野及び熱条件に適した寸法に容易にでき、パッケージ位置及び容積に順応性があり、簡単で柔軟な屈曲部を中央位置に挿入できるという点で有利である。適切な熱交換器の他の例は、打ち抜き成形、機械加工又は食刻成形したプレート式の熱交換器、シェル＆チューブ式熱交換器及びマルチストリーム熱伝達装置である。
【００９０】
上述した実施例では、上述した熱交換素子の１つ以上を通る熱交換方向を反転させることにより、熱を燃料電池システム内に与えるようにしうる。この方法は、例えば、燃料電池システムを低温度状態から起動するのに用いたり、霜よけのために用いたり、凝縮を回避するのに用いたりする、すなわち、燃料電池システムを低温状態から保護するのに用いることができる。このことは種々の方法で、例えば、図１ａを参照するに、送風機１７２の方向を反転させ、空気を、排出出口を介して取り入れて熱交換素子１２４に通し、この熱交換素子が蓄熱部又はラジエータから、排出出口に入る空気よりも高い温度で熱伝達流体を受けるようにすることにより達成しうる。従って、到来する空気は加熱されるとともに、燃料電池システム内で生じる凍結又は凝縮を回避する速度でこの燃料電池システム内を逆方向で通過する。このような例は、例えば、熱伝達流体が自動車の熱い排出ガス又はエンジン冷却回路の高温側から熱を吸収しうる自動車のＡＰＵ分野に用いることができる。更に、燃料電池システムの排出出口を介して入れる空気は、エンジン排気口を通って又はエンジン排気流自体から取り入れることができる。このような動作は、燃料電池が完全な動作モードにない場合に連続的に行うようにするか、又はタイマサイクルで行うか、又はある監視状態により始動させるようにすることができる。このような監視状態には、燃料電池システムの温度がある温度（霜よけの場合３又は５℃としうる）よりも低く降下する場合を含めることができ、又は（例えば、凝縮防止のために）湿度や、燃料電池システムの温度と周囲環境の温度との差を測定することを含めることができる。
【００９１】
このような逆の他の加熱例では、再び図１ａを参照するに、燃料電池システムが動作状態にない場合に、この燃料電池システムに対し電力が得られるようにする。例えば、燃料電池システムをグリッド又はバッテリ装置に接続する。燃料電池システムが動作していない場合でも、接続された電力源によりパワーエレクトロニクス熱交換器１７４に電力を与えて、到来する空気を加熱するのに充分な熱エネルギーを生ぜしめて、この熱エネルギーのいくらかを空気加熱用熱交換器ユニット１２２に与え、燃料ガス流を加熱することができる。他の例では、このようにしてパワーエレクトロニクス熱交換器により発生された熱を用いて、送風機１７２により燃料電池システムを循環する空気を加熱し、この燃料電池システムが動作していない場合にこの燃料電池システムの凝縮又は凍結を回避するようにする。
【００９２】
本発明の他の例では、第１及び第２の熱交換素子の何れか一方又は双方が１種類よりも多い熱伝達流体を受けるようにする。一例では、このような熱交換素子が少なくとも２つの熱交換領域で熱伝達流体を通過させ、これらの熱交換領域は、その各々がこれを流れる熱伝達流体の速度を制御しうるように設計する。他の例では、第１の熱伝達流体が熱交換素子を流れ、この熱交換素子は、熱伝達流体の各々がこの熱交換素子内の別々の室を制御可能に通過するように構成し、これらの熱伝達流体が混合されないようにする。ある例では、これらの異なる熱伝達流体の流れを制御し、熱を異なる速度で除去するようにする。
【００９３】
上述したところでは、本発明を例示的に説明したものであり、種々の変形、すなわち、構成要素の追加や省略が可能であること当業者にとって明らかであり、これらも本発明の一部をなすものである。
【符号の説明】
【００９４】
１００    燃料電池システム
１１０    燃料電池スタックアセンブリ
１２０    熱交換システム
１２４    燃料電池熱回収／バーナオフガス凝縮用熱交換器
１２６    アノードオフガス凝縮用熱交換器
１３０    バーナ／改質ユニット
１３４    改質装置
１３６    水蒸気／燃料ガス混合器
１３８    改質装置熱交換器
１３９    水蒸気発生器
１４０    空気予熱ユニット
１４２    空気予熱器熱交換器
１４４    起動バーナ
１５０    凝縮水貯蔵タンク
１６０    凝縮用熱交換器及びバーナの一体化アセンブリ
１７２    送風機
１７４    パワーエレクトロニクス熱交換器
１８０    可制御空気側路弁
１８２    空気側路ライン
２１０    第１の流体路
２１２    第２の流体路
２１４    第３の流体路
２１６    第４の流体路
２２２    更なる熱交換素子
２２４    第２の熱交換素子
２２６    第１の熱交換素子
３８０／４８０    追加の熱交換素子
４１２    第２の流体路
４１８    第５の流体路
５９０    更なる追加の空冷熱交換器
６１０    チューブ（第１の流体路）
６１２    第２の流体路
６１４    第３の流体路
６２４    第２の熱交換素子
６２６    第１の熱交換素子
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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