(57)【要約】  燃料電池スタックモジュールは、ベースと、ベース上に取り外し可能に位置決めされるカバードームと、カバードームの下においてベース上に取り外し可能に位置決めされる複数の燃料電池スタックとを含む。モジュール式燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックモジュールを含み、各燃料電池スタックモジュールは、燃料電池システム内の他の燃料電池スタックモジュールの動作を停止させることなく、電気的に切断され、燃料電池システムから取り外され、修理され、または保守されることができる。
2009524208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
前記ベース上に取り外し可能に位置決めされるカバードームと、
前記カバードームの下において前記ベース上に取り外し可能に位置決めされる複数の燃料電池スタックとを備えた燃料電池スタックモジュール。
【請求項２】
請求項１に記載のモジュールにおいて、
前記ベースは、複数の燃料吸入コンジットを備え、
各燃料電池スタックは、前記複数の燃料吸入コンジットのうちの一つに対して取り外し可能に取り付けられる。
【請求項３】
請求項２に記載のモジュールにおいて、
前記ベースは、複数の燃料排出コンジットと、複数の空気吸入コンジットと、複数の空気排出コンジットとをさらに備え、
各燃料電池スタックは、前記複数の燃料吸入コンジットのうちの一つと、前記複数の燃料排出コンジットのうちの一つと、前記複数の空気吸入コンジットのうちの一つと、前記複数の空気排出コンジットのうちの一つとに対して取り外し可能に取り付けられる。
【請求項４】
請求項１に記載のモジュールにおいて、
前記ベースは、内側容積および上側表面を有するチャンバを備え、
前記複数の燃料電池スタックは、前記ベースの前記上側表面上に取り外し可能に位置決めされ、
少なくとも一つの熱交換器が、前記ベースの前記内側容積内に位置する。
【請求項５】
請求項４に記載のモジュールにおいて、
燃料用熱交換器が、前記ベースの前記内側容積内に位置し、
燃料吸入ラインが、前記燃料用熱交換器の第一の入口に接続され、
前記複数の燃料吸入コンジットは、前記燃料用熱交換器の第一の出口に対して流体的に接続され、
前記複数の燃料排出コンジットは、前記燃料用熱交換器の第二の入口に対して流体的に接続され、
燃料排出ラインが、前記燃料用熱交換器の第二の出口に接続される。
【請求項６】
請求項５に記載のモジュールにおいて、
熱起動可能なヒューズをさらに備え、
前記ヒューズは、燃料吸入ラインの中に位置する低融点材料のクラッディングと、前記クラッディングを加熱して溶融させ前記燃料吸入ラインを封止するように適応される電気加熱要素とを含む。
【請求項７】
請求項４に記載のモジュールにおいて、
燃料用熱交換器および空気用熱交換器が、前記ベースの前記内側容積内に位置し、
燃料吸入ラインが、前記燃料用熱交換器の第一の入口に接続され、
前記複数の燃料吸入コンジットは、前記燃料用熱交換器の第一の出口に対して流体的に接続され、
前記複数の燃料排出コンジットは、前記燃料用熱交換器の第二の入口に対して流体的に接続され、
燃料排出ラインが、前記燃料用熱交換器の第二の出口に接続され、
空気吸入ラインが、前記空気用熱交換器の第一の入口に接続され、
前記複数の空気吸入コンジットは、前記空気用熱交換器の第一の出口に対して流体的に接続され、
前記複数の空気排出コンジットは、前記空気用熱交換器の第二の入口に対して流体的に接続され、
空気排出ラインが、前記空気用熱交換器の第二の出口に接続される。
【請求項８】
請求項１に記載のモジュールにおいて、
各燃料電池スタックおよび前記カバードームは、前記ベースの前記上側表面に対して別個に取り外し可能に接続される。
【請求項９】
請求項１に記載のモジュールにおいて、
前記ベースは、前記複数の燃料電池スタックからの共通の電気バスをさらに備え、
前記カバードームは、各燃料電池スタックについて、前記共通の電気バスとは異なった極性の複数の別個の電気バスをさらに備える。
【請求項１０】
請求項９に記載のモジュールにおいて、
前記ベースの前記上側表面は、複数の負またはアースの電気接点を含み、各燃料電池スタックの負またはアースの各電極は、前記複数の電気接点のうちの一つに対して電気的に接続され、
前記共通の電気バスは、前記複数の負またはアースの電気接点の各々に対して電気的に接続され、
各燃料電池スタックの正極は、前記カバードームから延在するそれぞれの正の電気バスに対して電気的に接続される。
【請求項１１】
請求項１０に記載のモジュールにおいて、
前記カバードームの上部内側表面は、複数の導電性圧力部材を含み、
各圧力部材は、少なくとも一つの燃料電池スタックを前記カバードームと前記ベースの前記上側表面の間において取り外し可能に保持し、
各燃料電池スタックの前記正極は、それぞれの圧力部材を介してそれぞれの正の電気バスに対して電気的に接続される。
【請求項１２】
請求項１に記載のモジュールにおいて、
前記ベースの前記上側表面の上または前記ベースの前記内側容積の内部に位置する燃料改質器をさらに備える。
【請求項１３】
請求項１に記載のモジュールにおいて、
前記カバードームおよび前記複数の燃料電池スタックは、スナップ嵌合接続、引っ張り嵌合接続、締め付け接続またはスライドレール接続のうちの少なくとも一つによって前記ベースに対して取り外し可能に接続される。
【請求項１４】
請求項１に記載の複数の燃料電池スタックモジュールを備えるモジュール式燃料電池システムにおいて、
各燃料電池スタックモジュールは、前記燃料電池システム内の他の燃料電池スタックモジュールの動作を停止させることなく、電気的に切断され、前記燃料電池システムから取り外され、修理され、または保守される。
【請求項１５】
請求項１４に記載のシステムにおいて、
前記複数の燃料電池スタックモジュールは、共通のホットボックスの中に位置する。
【請求項１６】
請求項１４に記載のモジュール式燃料電池システムを運転する方法において、
少なくとも一つの燃料電池スタックモジュールを、前記燃料電池システム内の他の燃料電池スタックモジュールの動作を停止させることなく、電気的に切断し、前記燃料電池システムから取り外し、修理し、または保守するステップを含む。
【請求項１７】
第一の材料のクラッディングを加熱するステップであって、前記第一の材料よりも高い融点を有する第二の材料のコンジットの内部に位置する前記第一の材料のクラッディングを加熱し、前記クラッディングを溶融させて、前記溶融したクラッディングが前記コンジットを封止するようにしたステップを含む流体コンジットを封止する方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法において、
前記加熱ステップの前には、流体が前記コンジットを介して流れ得るように、前記クラッディングが前記コンジットの内壁上に位置する。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法において、
前記コンジットは、燃料電池モジュールの燃料吸入ラインを備え、
前記加熱ステップは、前記コンジットの回りに巻回されるワイヤーを介して電流を通して、前記コンジットを溶融させることなく前記クラッディングを溶融させるステップを含む。
【請求項２０】
第一の材料のクラッディングであって、前記第一の材料よりも高い融点を有する第二の材料のコンジットの内部に位置するクラッディングと、
動作に際して前記コンジットを加熱して前記クラッディングを溶融させ、前記溶融したクラッディングが前記コンジットを封止するようにした加熱要素とを備えた流体コンジット。
【請求項２１】
請求項２０に記載のコンジットにおいて、
溶融の前には、流体が前記コンジットを介して流れ得るように、前記クラッディングが前記コンジットの内壁上に位置し、
前記コンジットは、燃料電池モジュールの燃料吸入ラインを備え、
前記加熱要素は、前記コンジットの回りに巻回されるワイヤーを備える。
【請求項２２】
第一の材料のクラッディングであって、前記第一の材料よりも高い融点を有する第二の材料のコンジットの内部に位置するクラッディングと、
前記コンジットを加熱して前記クラッディングを溶融させ、前記溶融したクラッディングが前記コンジットを封止するようにした加熱手段とを備えた流体コンジット。
【請求項２３】
少なくとも一つの燃料電池スタックモジュールと、
少なくとも一つの燃料処理モジュールと、
少なくとも一つの電力調整モジュールとを備えたモジュール式燃料電池システム。
【請求項２４】
請求項２３に記載のシステムにおいて、
各形式のモジュールは、別個のコンテナの中またはその上に設置され、
前記コンテナは、互いに別個に配置される。
【請求項２５】
請求項２４に記載のシステムにおいて、
各モジュールは、他の形式のモジュールがその中に位置しているコンテナを開けることなく、かつ他の形式のモジュールを保守し、修理し、または取り外すことなく、保守され、修理され、または前記システムから取り外されるように構成される。
【請求項２６】
請求項２５に記載のシステムにおいて、
各モジュールは、二つ以上の側面からアクセスされるように構成される。
【請求項２７】
請求項２６に記載のシステムにおいて、
複数の前記燃料電池スタックモジュールは、割り出しされて、二つ以上の側面からアクセスされるように構成される。
【請求項２８】
請求項２６に記載のシステムにおいて、
複数の前記燃料電池スタックモジュールは、二つ以上の隣接した側面上においてドアを有するホットボックスの中に位置する。
【請求項２９】
請求項２３に記載のシステムにおいて、
前記システムは、いくつかのオプションのモジュールのうちの一つが、燃料処理、燃料電池、および電力調整の各々のために選択されるように構成され、
前記燃料処理モジュールは、前記燃料電池モジュールまたは前記電力調整モジュールに修正を加えることなく相互交換することができ、
前記電力調整モジュールは、前記燃料電池モジュールまたは前記燃料処理モジュールに修正を加えることなくに相互交換することができる。
【請求項３０】
請求項２５に記載のシステムにおいて、
すべての高度保守コンポーネントまたは消耗性コンポーネントが、単一のモジュールの中に位置する。
【請求項３１】
請求項２３に記載のシステムにおいて、
前記少なくとも一つの燃料電池スタックモジュールと、前記少なくとも一つの燃料処理モジュールと、前記少なくとも一つの電力調整モジュールとを操作するように適応された単一のユーザインタフェースをさらに備える。
【請求項３２】
少なくとも一つの燃料電池スタックモジュールと、少なくとも一つの燃料処理モジュールと、少なくとも一つの電力調整モジュールとを備えるシステムを提供するステップと、
少なくとも一つのモジュールを、残りのモジュールをラインから取り外すことなく、ラインから取り外すようにしたステップとを含むモジュール式燃料電池システムを運転する方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載の方法において、
少なくとも一つのモジュールをラインから取り外す前記ステップは、残りのモジュールを保守し、修理し、または取り外すことなく、前記少なくとも一つのモジュールを保守し、修理し、または前記システムから取り外すステップを含む。
【請求項３４】
請求項３２に記載の方法において、
前記システムは、複数の燃料電池スタックモジュールを備え、
少なくとも一つの燃料電池スタックモジュールがラインから取り外されるとき、残りの燃料電池スタックモジュール、前記少なくとも一つの燃料処理モジュール、および前記少なくとも一つの電力調整モジュールは、ラインから取り外されない。
【請求項３５】
請求項３２に記載の方法において、
前記システムは、複数の各形式のモジュールを備え、
少なくとも一つのモジュールがラインから取り外されるとき、残りの同じ形式のモジュールは、ラインから取り外されない。
【請求項３６】
請求項３２に記載の方法において、
前記少なくとも一つの燃料処理モジュールは、パイプラインからの天然ガス、圧縮天然ガス、プロパン、液化石油ガス、ガソリン、ディーゼル、家庭暖房用オイル、灯油、ＪＰ−５、ＪＰ−８、航空燃料、水素、アンモニア、エタノール、メタノール、合成ガス、バイオガス、およびバイオディーゼルから選択される燃料のうちの少なくとも一つを処理する。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連特許出願の相互参照
本件出願は、２００６年１月２３日付けで出願され、その全体が参照により本文に組み込まれる米国仮特許出願第６０／７６０,９３３号に関する優先権を請求する。
【０００２】
発明の背景
本発明は、一般に、燃料電池システムの分野に関し、より詳細には、モジュール式燃料電池システムとそれを運転する方法とに関する。
【０００３】
発明の概要
燃料電池は、燃料の中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し得る電気化学的な装置である。高温型燃料電池は、固体酸化物型燃料電池および溶融炭酸塩型燃料電池を含む。これらの燃料電池は、水素および／または炭化水素燃料を使用して動作してもよい。電気エネルギーを入力として使用し、酸化燃料を未酸化燃料に還元し得る逆転動作も可能な固体酸化物再生型燃料電池等の種類の燃料電池も存在する。多数の先行技術の燃料電池システムは、発電領域が狭いか、動作ポイントが単一であるかの何れかである。異なる発電能力を実装するためには、多数のこれらのシステムが設置されることになり、全体のコストと複雑さを増大させてしまう。
【０００４】
好ましい実施の形態の詳細な説明
本発明の第一の実施の形態は、図１、図２および図３において示した燃料電池スタックモジュール１を提供する。モジュール１は、内側容積５と上側表面７を有するチャンバを備えるベース３を含む。図１に示すように、ベース３は、平坦な上側表面と円形の断面とを持った円筒形の形状を有してもよい。しかし、ベース３は、正方形、長方形、多角形、楕円形、または不規則な形状の断面等の任意の他の適当な形状を有してもよい。
【０００５】
各燃料電池スタックモジュール１は、少なくとも一つの燃料電池スタック９と、スタック９（各スタック）をカバーするカバードーム１１とを含む。たとえば、単一の燃料電池スタック９が、ドーム１１の下に位置してもよい。代替的には、二つ以上のスタック９が、ドーム１１の下に位置してもよい。スタック９は、各ドーム１１の下において、垂直方向および／または水平方向に積み重ねてもよい。必要に応じて、垂直方向に積み重ねた燃料電池スタック９がカスケード構成において提供されてもよく、その場合、一つのスタックからの燃料排出ストリームが隣接したスタックのための燃料吸入ストリームとして使用される。
【０００６】
スタック９は、任意の適当な燃料電池を備えてもよい。たとえば、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型燃料電池を備えてもよい。ＰＥＭ、溶融炭酸塩、リン酸等、その他の燃料電池形式が使用されてもよい。スタック９は、外部的および／または内部的なマニホルド式スタックを備えてもよい。たとえば、スタックは、燃料電池層の中および／または燃料電池の間における相互接続プレートの中における開口部を介して延在する燃料および空気用のライザーを持つ燃料および空気のためのマニホルドを内部的に設けてもよい。代替的には、燃料電池は、燃料のためのマニホルドを内部的に設け、空気のためのマニホルドを外部的に設けてもよく、その場合、燃料吸入および排気用のライザーのみが、燃料電池層内および／または燃料電池間の相互接続プレート内における開口部を介して延在する。燃料電池は、直交流（空気と燃料が各燃料電池の中における電解質の反対側において互いに対してほぼ垂直に流れる）、対向流平行（空気と燃料が各燃料電池の中における電解質の反対側において互いにほぼ平行ではあるが反対方向に流れる）、あるいは並行流平行（空気と燃料が各燃料電池の中における電解質の反対側において互いにほぼ平行に同じ方向に流れる）の構成を有してもよい。
【０００７】
カバードーム１１は、任意の適当な構成を有してもよい。たとえば、カバードーム１１は、円筒形の構成を有してもよい。しかし、ドーム１１は、多角形もしくは楕円形の水平方向断面を有してもよく、および／または平坦ではなくテーパ状の上側表面を有していてもよい。ドームは、金属、セラミック等、任意の適当な熱絶縁性であるかまたは熱伝導性の材料から形成されてもよい。
【０００８】
スタック９（各スタック)およびドーム１１は、取り外し可能に位置決めされるかまたはベース３の上側表面７に対して取り外し可能に接続される。好ましくは、各燃料電池スタック９およびカバードーム１１は、ベース３の上側表面７に対して別個に取り外し可能に接続される。この場合には、ドーム１１は、ドーム１１の下におけるスタック９（各スタック）を取り外すことなく、ベース３の上側表面７から容易に取り外すことができる。代替的に、ドーム１１がドアまたはハッチを含むならば、ドーム１１の下におけるスタック９（各スタック）は、ドーム１１を取り外すことなく、ドアまたはハッチを介して容易に取り外すことができる。
【０００９】
「取り外し可能に接続される」という表現は、スタック９（各スタック）および／またはドーム１１が修理または保守のために容易に取り外されるような様式でベース３の上側表面７に接続されることを意味する。言い換えれば、「取り外し可能に接続される」ことは、「永続的に接続される」ことの反対である。たとえば、スタック９および／またはドーム１１は、スナップ嵌合接続、引っ張り嵌合接続、締め付け接続またはスライドレール接続のうちの少なくとも一つによってベース３の上側表面７に対して取り外し可能に接続される。スナップ嵌合接続の一つの具体例は、開口部の中に引っ掛けることによってコンポーネントを適所に保持する一つ以上のプロングが内向きまたは外向きに押圧されて開口部からそれらのプロングを取り外すようにしたバヨネット形式の接続である。引っ張り嵌合接続の一つの具体例は、スタック９またはドーム１１等のコンポーネントがスタック９またはドーム１１の断面とほぼ同じサイズを有するベース３の表面７における開口部または溝の中に押し込まれて、スタックまたはドームが張力で開口部または溝の中に保持されるものである。締め付け接続の一つの具体例は、サービス要員によって取り外され得るボルトまたはクリップ等の締め付け具による接続である。スライドレール接続の一つの具体例は、スタック９における突起がベース３の上側表面７における溝に摺動して嵌まるもの、あるいはベース３の上側表面７における突起が底部スタック９における溝に摺動して嵌まるもの等のドロワーまたはダブテール形式の接続である。たとえば、図３で示したように、ベース３の上側表面７は、張力によってスタック９を保持する開口部１７、および／またはスタック９を摺動させて適所に嵌めるレール溝１９を含んでいてもよい。他の取り外し可能な接続形式が使用されてもよい。永続的な接続の一つの具体例は、ドーム１１がベースの表面７に対して溶接される場合等の溶接結合である。
【００１０】
スタック９（各スタック）およびドーム１１は、互いに異なった接続の形式を使用して取り外し可能に接続される。さらにまた、本発明の代替的な一つの態様では、ドーム１１は、ベース３の上側表面７に対して取り外し可能に接続され得るが、その一方で、スタック９（各スタック）は、同じ表面７に対して取り外し不能に接続されてもよい。
【００１１】
好ましくは、少なくとも一つの熱交換器が、ベース３の内側容積５の中に位置する。たとえば、図２に示すように、燃料および空気のためのマニホルドを内部的に設けるスタックの場合には、燃料用熱交換器１３および空気用熱交換器１５がベース３の内側容積５の中に位置してもよい。燃料のためのマニホルドを内部的に設けるが、空気のためのマニホルドは外部的に設けられるスタック９の場合には、燃料用熱交換器がベースの内側容積５の中に位置してもよい。燃料用熱交換器１３および空気用熱交換器１５は、燃料および空気の排出ストリームのそれぞれからの熱を燃料および空気の吸入ストリームのそれぞれに供給する。それらの熱交換器は、ベース３の内側容積５の中において並んで位置し、あるいは垂直方向に積み重ねられてもよい。図２に示すように、各モジュール１には、一つの燃料用熱交換器１３および一つの空気用熱交換器１５が存在してもよい。しかし、必要に応じて、一つより多くの燃料用熱交換器１３および／または一つより多くの空気用熱交換器１５が設けられてもよい。
【００１２】
図２および図３に示すように、ベース３は、さらに、燃料吸入ストリームを燃料電池スタック９に供給する複数の燃料吸入コンジット２１と、スタック９から燃料排出ストリームを除去する複数の燃料排出コンジット２３と、空気（または他の酸化剤）吸入ストリームをスタック９に供給する複数の空気吸入コンジット２５と、スタック９から空気排出ストリームを除去する複数の空気排出コンジット２７とを含む。燃料電池スタック９は、各コンジット２１、２３、２５、２７の一つに対して取り外し可能に取り付けられる。
【００１３】
図２に示すように、燃料吸入ライン２９は、燃料用熱交換器１３の第一の入口に接続される。複数の燃料吸入コンジット２１は、燃料用熱交換器１３の第一の出口に対して流体的に接続される。「流体的に接続される」という表現は、燃料吸入ストリームが燃料用熱交換器１３から一つ以上の他のコンポーネントを介して各燃料吸入コンジット２１まで流れるように、直接または間接に接続されることを意味する。複数の燃料排出コンジット２３は、燃料用熱交換器１３の第二の入口に対して流体的に接続される。燃料排出ライン３１は、燃料用熱交換器の第二の出口に接続される。空気吸入ライン３３は、空気用熱交換器１５の第一の入口に接続される。複数の空気吸入コンジット２５は、空気用熱交換器１５の第一の出口に対して流体的に接続される。複数の空気排出コンジット２７は、空気用熱交換器１５の第二の入口に対して流体的に接続される。空気排出ライン３５は、空気用熱交換器１５の第二の出口に接続される。
【００１４】
スタック９の燃料電池が外部改質形式のものであるならば、必要に応じて、オプションの外部燃料改質器３７が提供されてもよい。スタック９の燃料電池が内部改質形式のものであるならば、外部改質器３７は省略されてもよい。改質器は、ドーム１１の下におけるベース３の上側表面７の上であるか、またはベース３の内側容積５の内部に位置してもよい。改質器３７がベース３の上側表面７の上に位置するならば、改質器３７は、ベース３の上側表面７に対して取り外し可能に接続してもよい。たとえば、図２に示すように、単一の改質器３７は、天然ガスまたはメタン等の炭化水素燃料を水素含有燃料に改質するために使用される。燃料コンジット３９は、燃料用熱交換器１３の第一の出口を改質器３７の入口と接続してもよい。燃料吸入コンジット２１は、改質器３７の出口をスタック９の燃料吸入口と接続する。
【００１５】
必要に応じて、改質器３７は、燃料電池スタック９と共に熱的に統合されてもよい。この文脈における「熱的に統合される」という表現は、燃料電池スタック９の中における反応からの熱が、改質器３７の中における純粋吸熱性の燃料改質を推進することを意味する。改質器は、改質器およびスタック（各スタック）を同じドーム１１の下に配置し、および／または互いに熱的に接触させて配置することによって、あるいはスタック（各スタック）を改質器に接続する熱コンジットまたは熱伝導性材料を提供することによって、一つ以上の燃料電池スタック９と共に熱的に統合されてもよい。たとえば、改質器３７は、少なくとも一つの燃料電池スタック９に極めて近接して配置されてもよく、スタックから改質器への放射的および／または対流的な伝熱を提供する。
【００１６】
好ましくは、ベース３およびドーム１１は、さらに、スタック９から電力調整機器への電気的接続を提供するためにも使用される。たとえば、ベースの上側表面は、負またはアースの電気接点等の複数の電気接点４１を含んでいてもよい。各接点４１は、燃料電池スタック９の底部エンドプレートがベース３の上側表面７に接触するであろう場所に配置される。各燃料電池スタック９の負またはアースの各電極あるいはエンドプレートは、複数の電気接点４１のうちの一つに対して電気的に接続される。ベース３は、さらに、接点４１を介して燃料電池９に対して電気的に接続される負またはアースのバス４３等の共通の電気バス４３をも含む。
【００１７】
ドーム１１は、各スタック９について別個の電気バス４５を含む。バス４５は、複数の共通の電気バス４３の極性とは異なった極性を有する。たとえば、ドーム１１は、複数の正のバス４５を有してもよい。燃料電池スタック９の正の電極またはエンドプレートは、ドーム１１から延在するそれぞれの正の電気バス４５に対して電気的に接続される。
【００１８】
各燃料電池スタック９の正の電極またはエンドプレートは、任意の適当な接点または電気的な接続を使用してそれぞれの正の電気バス４５に対して電気的に接続されてもよい。たとえば、図２に示すように、ドーム１１の上部内側表面は、複数の導電性圧力部材４７を含む。ドーム１１上の圧力部材４７は、ベース３の上側表面７上の接点４１の上方でスタック９の各位置に対して位置合わせされる。各圧力部材４７は、カバードーム１１とベース３の上側表面７との間において少なくとも一つの燃料電池スタック９を取り外し可能に保持する。各燃料電池スタック９の正の電極またはエンドプレートは、それぞれの圧力部材４７を介して正の電気バス４５に対して電気的に接続される。圧力部材４７は、スタック９に下向きの圧力をかけて、ベースの上側表面７上の電気接点４１に対してスタック９を確実に当接させて維持する可撓性の棒材、プレートまたはバネであってもよい。ドーム１１が押し下げられてモジュール１を閉鎖するとき、圧力部材は、スタック９をベース３上の適所に押圧するように曲がる。ドーム１１が、モジュールを保守しあるいは修理するために取り外されるとき、圧力部材はスタック９を解放する。
【００１９】
従って、複数のモジュールを備えるシステムでは、各モジュール１は、燃料電池システム内の他のモジュール１の動作を停止させることなく、電気的に切断され、燃料電池システムから取り外され、および／または保守もしくは修理されてもよい。言い換えれば、各モジュール１は、他のモジュール１が発電するために動作し続けている間に、電気的に切断され、燃料電池システムから取り外され、および／または保守もしくは修理されてもよい。従って、一つのスタック９が故障し、または保守のためにラインから取り除かれるときにも、燃料電池システムの全体を停止させる必要はない。
【００２０】
一つのモジュール１がラインから取り除かれる（すなわち、そのモジュールが取り外されて、保守もしくは修理されるべくオフに切り換えられる）ときには、他のモジュール１が動作し続けている間に、ラインから取り除かれるモジュール１への燃料の流れが停止されるべきである。これは、各燃料吸入ライン２９の中に高温弁を配置することによって達成されてもよい。その弁は、手動であるいは電子的に切断されて、所定の燃料吸入ライン２９を介する燃料の流れを停止させてもよいが、燃料は、他の燃料吸入ライン２９を介して他のモジュール１に向かって流れ続ける。
【００２１】
本発明の他の態様では、熱起動可能なヒューズが、高温弁の代わりに使用されて、所定の燃料吸入ラインを介する燃料の流れを停止させる。そのようなヒューズは、高温弁より高価ではないであろう。
【００２２】
図４Ａに示すように、ヒューズは、燃料吸入ライン２９の内部に配置される低融点材料のクラッディング４９と、クラッディング４９を加熱して溶融させ燃料吸入ライン２９を封止するようになされた電気加熱要素５１とを含む。燃料吸入ライン２９は、パイプ等の任意の適当な流体コンジットを備えてもよい。たとえば、クラッディング４９は、コンジットの一つ以上の内壁上に位置してもよく、燃料吸入ストリームは、クラッディング４９の回りにおいてコンジット２９を介して流れ得ることになる。クラッディングは、燃料吸入ストリームの温度よりも高い融点を有するが、コンジット２９のものよりは遥かに低い融点を有する任意の適当な材料を備えてもよく、加熱要素５１は、コンジット２９を融かさずクラッディング４９のみを溶融させることができる。加熱要素は、クラッディング４９を含むコンジット２９の部分の外側に巻回されるニクロム線等の任意の抵抗体形式または他の形式（光学的形式またはＲＦ形式等）の加熱要素を備えてもよい。図４Ｂに示すように、加熱要素５１に電流が通されると、クラッディング４９は、溶融してコンジット２９を封止し、コンジット２９を溶融させることなくコンジット２９を介する燃料の流れを停止させる。コンジット２９は、一旦そのそれぞれのモジュール１が修理または保守されてしまえば、容易に交換することができる。
【００２３】
従って、流体コンジットに封止する方法は、第一の材料より高い融点を有する第二の材料から成るコンジット２９の内部に位置する第一の材料から成るクラッディング４９を加熱することにより、溶融したクラッディングがコンジット２９を封止するようにクラッディング４９を溶融させることを含む。燃料電池システムのための燃料吸入ラインが具体例として使用されているが、ヒューズは、何らかの他の適当な装置において使用されるパイプまたはチャネル等の任意の他の液体またはガスを搬送するコンジットを封止するために使用されてもよい。
【００２４】
本発明の第二の実施の形態は、燃料電池スタックモジュールのためだけではなく、燃料電池システム全体のためのモジュール式設計を提供する。モジュール式システム設計は、設置および動作の柔軟性を提供する。モジュールは、単一の設計セットによって、設置発電容量のスケーリングと、確実な発電と、燃料処理の柔軟性と、電力出力の電圧および周波数の柔軟性とを可能にする。モジュール式設計は、非常に高い有効性および信頼性を持った「常時オン」のユニットを結果として生じる。この設計は、さらに、スケールアップの容易な手段をも提供して、顧客設備の特定の要求事項を充足させる。モジュール式設計は、さらに、顧客によっておよび／または地理的領域によって変化し得る利用可能な燃料と必要な電圧および周波数との使用を可能にする。従って、要約すれば、燃料電池システムは、モジュール式セットとして設計されるので、さまざまな顧客の要求事項に適応するようにして設置されることができ、そのシステムの各要素は、協調して作動することが可能であって、非常に高いシステムの信頼性および有効性を達成する。
【００２５】
図５は、モジュール式燃料電池システム６０の例示的な構成を示している。システム６０は、以下の各要素を含む。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。これらのモジュール６１は、容易に改質される燃料ストリームからＤＣ電力を発生させるために使用されるコンポーネントを含む装置である。
【００２６】
第二の実施の形態の一つの態様では、各燃料電池スタックモジュール６１は、第一の実施の形態のモジュール１と同じである。従って、図５に示す各モジュール６１は、図２で示したように、ベース３と、カバードーム１１と、一つ以上の燃料電池スタック９とを備えてもよい。たとえば、ＳＯＦＣまたは融解炭酸塩燃料電池システム等の高温型燃料電池システムの場合には、各燃料電池スタックモジュール６１は、第一の実施の形態のモジュール１と同じである。第二の実施の形態の他の態様では、各モジュール６１は、一つのベース３と、複数のカバードーム１１によってカバーされる複数の燃料電池スタック９とを備えてもよい。代替的には、各モジュール６１は、第一の実施の形態のモジュール１とは異なった構造または構成を有してもよい。たとえば、ＰＥＭシステム等の低温型燃料電池システムの場合には、各モジュール６１は、第一の実施の形態のモジュール１とは異なっていてもよい。従って、第二の実施の形態のシステムは、高温および低温の燃料電池スタックモジュールに対して適用可能である。
【００２７】
各モジュール６１は、少なくとも一つの燃料電池スタック９を含む。第一の実施の形態に関して議論したように、複数の燃料電池スタックモジュール６１は、たとえば単一のホットボックス６２の中等のクラスター式設備の中に設置してもよい。単一の燃料電池スタックモジュール６１の故障は、残りの燃料電池スタックモジュール６１が動作し続けるので、出力容量のわずかな低下またはシステム効率のわずかな低下のみを結果として生じる。
【００２８】
システム６０は、さらに、一つ以上の燃料処理モジュール６３をも含む。これらのモジュールは、燃料が容易に改質され得るようにその前処理のために使用されるコンポーネントを含む装置である。燃料処理モジュール６３は、さまざまな燃料のセットを処理するように設計されてもよい。たとえば、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、およびエタノール燃料処理モジュールが設けられてもよい。処理モジュール６３は、パイプラインからの天然ガス、圧縮天然ガス、プロパン、液化石油ガス、ガソリン、ディーゼル、家庭暖房用オイル、灯油、ＪＰ−５、ＪＰ−８、航空燃料、水素、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、および他の適当な炭化水素または水素含有燃料の中から選択される燃料のうちの少なくとも一つを処理することができる。必要に応じて、改質器３７が、燃料処理モジュール６３の中に配置されてもよい。代替的には、改質器３７を燃料電池スタック９（各スタック）と共に熱的に統合することが望ましい場合には、改質器３７（各改質器）が燃料電池スタックモジュール６１（各モジュール）の中に配置されてもよい。さらにまた、内部的に改質する燃料電池が使用される場合には、外部改質器３７が完全に省略されてもよい。
【００２９】
システム６０は、さらに、一つ以上の電力調整モジュール６５をも含む。これらのモジュール６５は、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換し、グリッドに接続して、過渡電流を管理するためのコンポーネントを含む装置である。電力調整モジュール６５は、燃料電池モジュール６１からのＤＣ電力をさまざまなＡＣ電圧および周波数に変換するように設計されてもよい。２０８Ｖ、６０Ｈｚ；４８０Ｖ、６０Ｈｚ；４１５Ｖ、５０Ｈｚおよび他の一般的な電圧および周波数のための設計が提供されてもよい。
【００３０】
各形式のモジュール６１、６３、６５は、ボックス、ラックまたはプラットホーム等の別個のコンテナの中またはその上に設置されてもよい。従って、それらのコンテナは、互いに独立して配置されてもよく、別個に取り外されて、修理されまたは保守されてもよい。たとえば、図５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の中に配置される。燃料処理モジュールまたは各モジュール６３は、別個のボックス６７の中に配置されてもよい。電力調整モジュールまたは各モジュール６５は、別個のラック６９上に配置されてもよい。
【００３１】
それに加えて、モジュール式システム６０は、システムの保守を容易にするような様式で構成されてもよい。定期的に保守されあるいは高度な保守を受けるコンポーネント（消耗性コンポーネント等）のすべては、単一のモジュールの中に配置されてもよく、保守要員のために必要とされる時間の量を削減する。たとえば、天然ガスシステムのためのパージガスおよび脱硫剤物質が、単一のモジュールの中に配置されてもよい。これは、定期的な保守点検の間にアクセスされる唯一のモジュールであることになる。従って、各モジュール６１、６３、６５は、他のモジュールをその中に収容するコンテナを開けることなく、また他のモジュールを保守、修理または取り外しを行うことなく、保守され、修理され、あるいはシステムから取り外すことができる。言い換えれば、少なくとも一つのモジュールが、残りのモジュールをラインから取り外すことなく、ラインから取り外され得るのである。たとえば、当該システムは、複数の燃料電池スタックモジュール６１を含んでいてもよい。少なくとも一つの燃料電池スタックモジュール６１がラインから取り外されるとき、残りの燃料電池スタックモジュール６１、燃料処理モジュール６３（各モジュール）、および電力調整モジュール６５（各モジュール）は、ラインから取り外されない。さらにまた、当該システムは、各形式のモジュール６１、６３、６５を複数含んでもよい。特定の形式の少なくとも一つのモジュールがラインから取り外されるとき、同じ形式の残りのモジュールはラインから取り外されない。
【００３２】
さらにまた、必要に応じて、当該システムは、いくつかのオプションのモジュールのうちの一つが燃料処理、燃料電池および電力調整の各々のために選択されるように構成されてもよい。従って、システムが発電するために設置される前または後に、燃料処理モジュールは、燃料電池モジュールまたは電力調整モジュールに修正を加えることなく相互交換することができ、その一方で、電力調整モジュールは、燃料電池モジュールまたは燃料処理モジュールに修正を加えることなく相互交換することができる。
【００３３】
必要に応じて、当該システムは、コンピュータまたは他の適当な制御ターミナルまたはパネル等の単一のユーザインタフェースを含んでいてもよい。ユーザインタフェースは、オペレータが単一の場所からシステムのモジュールのすべてを制御しあるいは操作することを可能にする。しかし、必要に応じて、各形式のモジュールは、バックアップとしてあるいはモジュールの独立した制御のために、別個のユーザインタフェースを有してもよい。
【００３４】
第二の実施の形態の一つの態様では、システム６０は、ホットボックス６２の中における四つの燃料電池スタックモジュール６１を含む。各燃料電池スタックモジュール６１は、システム６０の中における総計モジュール６１の１／４の容量を有するように設計されてもよい。各モジュール６１は、二側面アクセスを有し、さらに「割り出し」されるように設計することにより、単一の設置において四つの燃料電池スタックモジュール６１が９０度回転して配置されてもよい。たとえば、ホットボックス６２は、二つ以上の隣接した側面上においてドア６４を有してもよい。ホットボックスの両方の隣接したドアが開いているとき、ホットボックスの該当コーナーに位置するモジュール６１は、保守または修理のために二つの側面からアクセスされ得ることになる。開いたドアを介して他の三つのモジュールのうちの一つにアクセスするためには、モジュール６１の下におけるベースすなわちステージが９０度回転する。
【００３５】
たとえば、各モジュール６１が２５ｋＷのモジュールであるとき、四つのモジュールのセットは、高密度の１００ｋＷのシステムを提供する。より大型のシステムがこの同じ構成を使用することも可能であって、その場合、個々の燃料電池モジュールが１００ｋＷの容量を有するのであれば、四つのそのようなモジュールのクラスター式設置は４００ｋＷの容量を有することになる。
【００３６】
図５では四つのモジュール６１と四側面式ホットボックス６２が例示されているが、システム６０は、四つより少ないかまたは四つより多いモジュール６１を含んでいてもよいと理解すべきである。さらにまた、ホットボックス６２は、五つ以上の側面を有してもよく、あるいは、円筒形または楕円形の形状を有してもよい。さらにまた、ホットボックス６２は、二つより多くのドアを有してもよく、各側面上に一つのドアを有してもよい。
【００３７】
システム６０は、高いシステム信頼性および有効性を提供する。単一の発電モジュールの故障があるときもクラスター式のシステムが発電し続けるので、システムの信頼性は、全体として非常に高い。システム６０は、さらに、設置の柔軟性をも提供する。燃料電池システムは、燃料処理および電力調整のための多くのオプションが提供されているので、多種多様な設備の特定の要求事項に適合するように調製することができる。
【００３８】
当該システムは、さらに、低コストで高容量の燃料電池モジュールの製造をも可能にする。燃料電池スタックモジュール６１は、クラスター式システムの共通の要素として設計されるので、さまざまな燃料またはさまざまな出力電圧もしくは周波数に対応するために実質的に修正される必要はない。これらの修正は、燃料処理モジュール６３または電力調整モジュール６５において適応される。単一の燃料電池モジュール設計の故に、エンジニアリング費用は最小となる。これらの経費の具体例は、特性テスト、信頼性テスト、環境テスト、および認証形式テストを含む。
【００３９】
当該システムは、さらに、モジュールをアップグレードする能力をも提供する。システム機能性を離散的なモジュールに分割することによって、当該システムは、製品の新しいバージョンが利用可能にされるようにアップグレードされてもよい。これらのアップグレードは、製品の全体の代わりに個々のモジュールを交換することによって実行されてもよい。従って、そのようなアップグレードの経費は、最小となる。さらにまた、容量アップグレードは、燃料電池モジュールを追加することによって実行することができる。燃料融通性のアップグレードは、燃料処理モジュールを追加しあるいは変更することによって実行され得る。
【００４０】
当該システムは、さらに、モジュールサイズにおける柔軟性をも提供する。燃料電池モジュールのサブシステムおよび電力調整サブシステムは、さまざまなサイズのモジュールに基づいてもよい。たとえば、燃料電池モジュールのサブシステムは２５ｋＷのモジュールに基づいてもよいが、その一方で、電力調整サブシステムは１００ｋＷのモジュールに基づいてもよい。そのアーキテクチャは、単一のポイントの故障を回避するに足る十分な冗長性を有することができる。
【００４１】
当該システムは、さらに、容認される設計規格への製品認証に関する設計およびテストの容易さをも提供する。燃料電池コンポーネントおよび燃料処理コンポーネントを別個のモジュールの中に配置することによって、これらのモジュールのガス取り扱い要求事項は、電力調整モジュールに対しては適用される必要がない。同様にして、電力調整モジュールの高電圧要求事項もまた、燃料電池モジュールおよび燃料処理モジュールに対しては適用される必要がない。
【００４２】
第一および第二の実施の形態のモジュール式燃料電池システムは、第三、第四、第五または第六の実施の形態に関して以下に記述して例示されるコンポーネントを含んでいてもよい。しかし、それらの燃料電池システムは、第三、第四、第五または第六の実施の形態に関して以下に記述して例示されるものとは異なったコンポーネントおよび構成を含み得ることに留意すべきである。第三、第四、第五および第六の実施の形態は、燃料排出ストリームが二本のストリームに分割されて、ストリームのうちの一本が燃料吸入ストリームへと再循環するようにした、固体酸化物燃料電池システム等のさまざまな燃料電池システムの概要を記述して例示する。固体酸化物燃料電池システム以外の燃料電池システムもまた使用され得ることに留意すべきである。
【００４３】
第三の実施の形態のシステムでは、燃料電池スタックの燃料排出ストリームの一部は、燃料吸入ストリームへと直接に再循環する。燃料電池スタックの燃料排出ストリームの別の部分は、分圧吸着装置へと供給され、分離された水素は、その後、燃料吸入ストリームへと再循環され、および／または水素貯蔵容器または水素使用装置へと供給される。
【００４４】
図６は、第三の実施の形態の燃料電池システム１００を例示している。システム１００は、たとえば、固体酸化物燃料電池スタック（イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）またはスカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）等のセラミック電解質と、ニッケル−ＹＳＺまたはＮｉ−ＳＳＺサーメット等の正極電極と、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）等の負極電極とを含むスタックの一つの固体酸化物燃料電池を示すべく概略的に例示されている）等の燃料電池スタック１０１を含む。スタック１０１は、第一の実施の形態の燃料電池スタックモジュール１の中に位置するスタック９のうちの一つに対応し得るものであることに留意すべきである。
【００４５】
当該システムは、さらに、複数の吸着性ベッド（明快さのために示されない）を備える分圧スイング吸着（「ＰＰＳＡ」）ユニット４０１をも含む。ＰＰＳＡユニット４０１は、再生ドライヤーおよび二酸化炭素スクラバとして作用する。ＰＰＳＡユニット４０１は、共に２００５年７月２５日付けで出願され、共にその全体が参照により本文に組み込まれる米国特許出願第１０／１８８,１１８号および第１０／１８８,１２０号に記述されている。
【００４６】
システム１００は、さらに、燃料電池スタック１０１の燃料排出出口１０３を分圧スイング吸着ユニット４０１の第一の入口４０２に対して操作可能に接続する第一のコンジット４０３をも含む。たとえば、第一の入口４０２は、吸着性ベッドのうちの一つに対する供給弁および／または入口を含んでもよい。システム１００は、さらに、乾燥空気供給源または大気供給源４０６等のパージガス供給源を分圧スイング吸着ユニット４０１の第二の入口４０４に対して操作可能に接続する第二のコンジット４０５をも含む。パージガス供給源４０６は、エアブロワーまたはコンプレッサを含んでもよく、オプションとして、複数の温度スイングサイクル吸着ベッドを含んでもよい。
【００４７】
当該システムは、さらに、分圧スイング吸着ユニット４０１の出口４０８を水素貯蔵容器または水素使用装置に対して操作可能に接続する第三のコンジット４０７をも含む。必要に応じて、第三のコンジット４０７もまた、以下でさらに詳細に説明するように、分圧スイング吸着ユニット４０１の出口４０８を燃料電池スタック１０１の燃料入口１０５に対して操作可能に接続する。好ましくは、システム１００は、動作に際して分圧スイング吸着ユニット４０１へと供給される燃料電池スタックの燃料排出ストリームを圧縮するコンプレッサを欠いている。
【００４８】
システム１００は、さらに、ユニット４０１から排気を取り除く第四のコンジット４０９をも含む。コンジット４０９は、触媒バーナー１０７または通気孔に接続してもよい。オプションで、バーナー１０７は、さらに、スタック燃料排出出口１０３に対して操作可能に接続されてもよく、燃料排出ストリームの一部をバーナー１０７へと供給して、バーナーの中における反応を持続させる。
【００４９】
システム１００は、さらに、たとえば三方弁である多方弁等のオプションの切り換え弁１０８をも含む。切り換え弁１０８は、分圧スイング吸着ユニット４０１の出口に対して操作可能に接続される入口と、水素貯蔵容器または水素使用装置に対して操作可能に接続される第一の出口と、燃料電池スタック１０１の燃料入口１０５に対して操作可能に接続される第二の出口とを有する。動作に際して、弁１０８は、ＰＰＳＡユニット４０１から供給される水素含有ストリームを、炭化水素燃料吸入ストリームへと供給される第一のストリーム、および水素貯蔵容器または水素使用装置へと供給される第二のストリームに分割する。しかし、弁１０８は省略されてもよく、システム１００は、水素含有ストリームの全体を、炭化水素燃料吸入ストリームへと供給し、あるいはオプションの容器または装置がシステム１００に接続されるならば、水素貯蔵容器または水素使用装置へと供給するように構成されてもよい。
【００５０】
好ましくは、切り換え弁１０８の第二の出口は、ブロワーまたは熱駆動式コンプレッサ１０９を介して燃料電池スタック１０１の燃料吸入ライン２９に対して操作可能に接続される。装置１０９は、分圧スイング吸着ユニット４０１に対して（切り換え弁１０８を介して）操作可能に接続される入口と、燃料電池スタック１０１の燃料入口１０５に対して操作可能に接続される出口とを有する。たとえば、コンジット４０７は、切り換え弁１０８を介してブロワーまたはコンプレッサ１０９をユニット４０１に接続する。動作に際して、ブロワーまたはコンプレッサ１０９は、燃料電池スタックの燃料排出ストリームから分離した所望の量の水素および一酸化炭素を燃料電池スタックの燃料吸入ストリームへと制御可能に供給する。好ましくは、装置１０９は、水素および一酸化炭素を、燃料電池スタック１０１の燃料入口１０５に対して操作可能に接続された燃料吸入ライン２９へと供給する。代替的には、装置１０９は、水素および一酸化炭素を燃料電池スタック１０１の燃料入口１０５へと直接に供給する。
【００５１】
システム１００は、さらに、燃料電池スタックの燃料排出１０３に対して操作可能に接続された入口と、分圧スイング吸着ユニット４０１の入口４０２に対して操作可能に接続される出口とを有する凝縮器１１３および水分離器１１５をも含む。凝縮器１１３および水分離器１１５は、燃料排出ストリームからの水を凝縮して分離する単一の装置を備えていてもよく、あるいは、別体の装置を備えていてもよい。たとえば、凝縮器１１３は、燃料排出ストリームが低温の対向流または並行流の空気ストリームによって冷却されて水を凝縮させるようにした熱交換器を備えてもよい。その空気ストリームは、燃料電池スタック１０１への空気吸入ストリームを構成してもよく、あるいは、別個の冷却空気ストリームを構成してもよい。分離器１１５は、分離した水を収集する水槽を備えていてもよい。分離器は、収集した水を取り除きおよび／または再利用するために使用される水ドレーン１１７を有してもよい。
【００５２】
システム１００は、さらに、スタック燃料排出ストリームと、吸入ライン２９から供給される炭化水素燃料吸入ストリームとの間で熱交換を行う再生式熱交換器１２１をも含む。熱交換器１２１は、第一の実施の形態の燃料用熱交換器１３と同じであってもよい。熱交換器は、燃料吸入ストリームの温度を上昇させるために役立ち、燃料排出ストリームの温度を降下させるため、燃料排出ストリームが凝縮器内においてさらに冷却され得て、加湿器に損傷を与えないことになる。
【００５３】
燃料電池が外部燃料改質形式の電池であるならば、システム１００は燃料改質器３７を含む。改質器３７は、炭化水素燃料吸入ストリームを水素および一酸化炭素を含む燃料ストリームに改質し、その後、そのストリームはスタック１０１へと供給される。改質器３７は、２００４年１２月２日付けで出願され、その全体が参照により本文に組み込まれる米国特許出願第１１／００２,６８１号において記述されたように、燃料電池スタック１０１内で発生した熱によっておよび／またはオプションのバーナー／燃焼器内で発生した熱によって、放射的、対流的および／または伝導的に加熱されてもよい。代替的には、外部改質器３７は、改質が主としてスタックの燃料電池内で行われる内部改質形式の電池をスタック１０１が含むならば、省略されてもよい。
【００５４】
オプションで、システム１００は、さらに、空気予熱用熱交換器１２５をも含む。この熱交換器１２５は、燃料電池スタックの燃料排出の熱を使用して、燃料電池スタック１０１に供給される空気吸入ストリームを加熱する。必要に応じて、この熱交換器１２５は、省略されてもよい。
【００５５】
システム１００は、さらに、望ましくは空気用熱交換器１２７をも含む。熱交換器１２７は、第一の実施の形態の空気用熱交換器１５と同じであってもよい。この熱交換器１２７は、さらにまた、燃料電池スタックの空気（すなわち酸化剤または負極）排出の熱をも使用して、燃料電池スタック１０１に供給される空気吸入ストリームを加熱する。予熱用熱交換器１２５が省略されるならば、空気吸入ストリームは、ブロワーまたは他の空気の空気吸い込み装置によって熱交換器１２７へと直接に供給される。
【００５６】
当該システムは、オプションの水−ガスシフト反応器１２８を含んでもよい。水−ガスシフト反応器１２８は、燃料排出ストリーム内の少なくとも一部の水および一酸化炭素を遊離した水素および二酸化炭素に変換する任意の適当な装置であってもよい。たとえば、反応器１２８は、燃料排出ストリーム内の一酸化炭素および水蒸気の幾分かまたはすべてを二酸化炭素および水素に変換する触媒を含んでいるチューブまたはコンジットを備えてもよい。従って、反応器１２８は、燃料排出ストリーム内の水素の量を増加させる。触媒は、酸化鉄またはクロム添加酸化鉄触媒等の任意の適当な触媒であってもよい。反応器１２８は、燃料用熱交換器１２１と空気予熱用熱交換器１２５の間に位置してもよい。
【００５７】
オプションで、システム１００は、水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１に対して操作可能に接続される。しかし、容器１２９または装置１３１は省略されてもよく、システム１００が、電気および水素を一緒に生産するのではなく電気のみを生産するために使用されてもよい。水素貯蔵容器は、水素貯蔵タンクまたは水素ディスペンサを備えていてもよい。その容器は、運輸、発電、冷房、水素化処理反応または半導体製造において使用される水素使用装置につながるコンジットを含んでもよい。たとえば、システム１００は、化学工場または半導体工場の中に配置されてもよく、水素化処理（すなわち半導体装置の不動態化）または工場において実行される水素を必要とする他の化学反応において使用される水素だけでなく、工場用の一次電力または二次（すなわちバックアップ）電力をも供給する。
【００５８】
水素使用装置１３１は、たとえば燃料として水素を使用する、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池システム等の、低温型燃料電池システム等の別の燃料電池システム（たとえば燃料電池スタック等）を備えていてもよい。従って、システム１００からの水素は、一つ以上の追加的な燃料電池１３１への燃料として供給される。たとえば、システム１００は、建物あるいは建物の外側または下における領域等の固定的な場所に配置されて、建物に電力を供給するために使用されてもよい。追加的な燃料電池１３１は、固定的な場所に隣接するガレージまたはパーキング領域に位置する車両の中に配置されてもよい。車両は、自動車、スポーツ多目的車、トラック、オートバイ、ボートまたは他の任意の適当な燃料電池駆動式の車両を構成してもよい。この場合には、炭化水素燃料がシステム１００に対して供給され、建物のための電気を発生させるとともに、燃料電池システム１３１駆動式の車両への燃料として供給される水素をも発生させる。発生した水素は、一時的に水素貯蔵容器１２９の中に貯蔵されていて、その後、要求あり次第（ガソリンスタンドと同様に）貯蔵容器から車両の燃料電池１３１へと供給されてもよく、あるいは発生した水素は、コンジットを介してシステム１００から車両の燃料電池１３１へと直接に供給されてもよい。
【００５９】
システム１００は、オプションの水素調整器を含んでもよい。水素調整器は、ＰＰＳＡユニット４０１から供給される水素リッチなガスストリームを浄化し、乾燥させ、圧縮（すなわちコンプレッサ）し、あるいはその他の様式でその状態ポイントを変化させる任意の適当な装置であってもよい。必要に応じて、水素調整器は省略されてもよい。
【００６０】
水素使用装置１３１は、概ね一酸化炭素への耐性がないＰＥＭ燃料電池システムまたは別の同様な装置を備えてもよい。従って、水素リッチなストリームが車両の中に位置するＰＥＭ燃料電池または別のＣＯ不耐性装置１３１へと供給される前に、一酸化炭素がＰＰＳＡユニット４０１から供給されている水素リッチなストリームから洗浄されなければならない（すなわち、ガス分離および／または化学反応によって除去される）。
【００６１】
この場合、システム１００は、オプションの一酸化炭素洗浄装置１３３を含む。装置１３３は、分圧スイング吸着ユニット４０１の出口に対して操作可能に接続される入口と、車両の中に位置するＰＥＭ燃料電池システム１３１に対して操作可能に接続される出口とを含む。動作に際して、一酸化炭素洗浄装置１３３は、分圧スイング吸着ユニット４０１からの水素と共に供給されている一酸化炭素を洗浄し、その水素をＰＥＭ燃料電池システム１３１に対して直接または間接に供給する。
【００６２】
一酸化炭素洗浄装置１３３は、吸着、化学反応および／または他の任意の適当な方法によって水素リッチなストリームから一酸化炭素を除去する任意の装置を備えてもよい。装置１３３は、圧力スイング吸着ユニットおよび／またはサバティエ反応器を備えてもよい。たとえば、図６に示すように、洗浄装置は、サバティエ反応器１３５および一酸化炭素ポリッシャ１３７を備える。サバティエ反応器は、アルミナサポート上におけるプラチナ系金属等の触媒を含むチューブまたは別のコンテナを備える。好ましくは、触媒はルテニウムを含む。主として水素および一酸化炭素から成るガス混合物が、ＰＰＳＡシステム４０１から反応器チューブの中に導入されて、その中において触媒と接触する。ガス混合物は、即座の発熱反応を経て、一酸化炭素および水素の幾分かをメタンおよび水蒸気に変換する。残留する一酸化炭素は、その後、さらに、一酸化炭素を吸着する銀ベースの吸着装置を備えてもよいポリッシャ１３７の中において、水素、メタンおよび水蒸気のガスストリームから洗浄される。ポリッシャは、一つのベッドが一酸化炭素を吸着している間に、他のベッドが再生されるようにした複数の吸着ベッドを備えてもよい。水素、メタンおよび水蒸気を含んでいるポリッシャからの放出ストリームは、その後、水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１へと供給される（ポリッシャ１３７からの別個のパージガス出口は明快さのために示されていない）。水素はＰＥＭ燃料電池システム１３１における燃料として使用されてもよく、水蒸気はＰＥＭ電解質を加湿するために使用されてもよく、メタンは単純にＰＥＭシステム内の希釈ガスとして作用する。
【００６３】
代替的には、一酸化炭素洗浄装置１３３は、圧力スイング吸着（「ＰＳＡ」）ユニットを備えてもよい。このユニットは、水素に比べて一酸化炭素を選択的に吸着する材料を含む一つ以上の吸着性ベッドへの供給ガスを与圧するために往復動コンプレッサが使用されることを除けば、ＰＰＳＡユニット４０１と同様である。圧力スイング吸着ユニットは、ＳｋａｒｓｔｒｏｍのようなＰＳＡサイクルにおいて動作してもよい。古典的なＳｋａｒｓｔｒｏｍサイクルは、四つの基本的なステップである、加圧、供給、降圧およびパージからなる。たとえば、ＰＳＡユニットは、二つの吸着性ベッドを含んでもよい。一つのベッドがコンプレッサによって加圧および供給を受けているとき、他のコラムは、降圧およびパージを受けている。三方弁は、ベッドの間において、供給ガス、パージガスおよび生成ガスを案内するために使用されてもよい。
【００６４】
代替的には、オプションの装置１３１は、高温型低水和性イオン交換膜電池のスタック等の一酸化炭素耐性の電気化学的電池を備えてもよい。この種の電池は、たとえば、正極と負極の間に配置されるポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）膜等の非フッ化イオン交換イオノマー膜を含む。その膜は、硫酸またはリン酸等の酸でドープされている。そのような電池の一つの具体例は、その全体が参照により本文に組み込まれる米国公開出願第２００３／０１９６８９３Ａ１号に開示されている。これらの電池のスタック１３１は、水素がスタックの電池へと供給されるときには、燃料電池モードで動作され得ることになり、車両または他の用途のための電気を発生させる。これらの電池は、一酸化炭素耐性であって、摂氏１００度以上からおよそ摂氏２００度までの温度範囲内で動作する。従って、水素を含有するストリームは、好ましくは、およそ摂氏１２０度を上回る温度でスタック１３１へと供給される。一酸化炭素耐性の装置１３１が使用されるならば、一酸化炭素洗浄装置１３３は、好ましくは省略される。
【００６５】
システム１００は、さらに、たとえば三方弁であるコンピュータ制御式もしくはオペレータ制御式の多方弁、または他の流体分割装置等の燃料スプリッタ装置２０１をも含む。装置２０１は、燃料電池スタックの燃料排出出口１０３に対して操作可能に接続される入口２０３と、凝縮器１１３および水分離器１１５に対して操作可能に接続される第一の出口２０５と、燃料電池スタックの燃料入口１０５に対して操作可能に接続される第二の出口２０７とを含む。たとえば、第二の出口２０７は、入口１０５に対して操作可能に接続される燃料吸入ライン２９に対して操作可能に接続されてもよい。しかし、第二の出口２０７は、燃料排出ストリームの一部をさらに下流の燃料吸入ストリームへと供給してもよい。
【００６６】
好ましくは、システム１００は、燃料排出ストリームを燃料吸入ストリームへと供給する第二のブロワーまたはコンプレッサ２０９を含む。詳細には、弁２０１の出口２０７は、ブロワーまたはコンプレッサ２０９の入口に対して操作可能に接続され、その一方で、ブロワーまたはコンプレッサ２０９の出口は、炭化水素燃料吸入ライン２９に接続される。動作に際して、ブロワーまたはコンプレッサ２０９は、燃料電池スタックの燃料排出ストリームの所望の量を燃料電池スタックの燃料吸入ストリームへと制御可能に供給する。この実施の形態の一つの態様では、装置２０９は、摂氏２００度以下の温度で動作する低温ブロワーである。この場合、熱交換器１２１および１２５は、燃料排出ストリームの温度を摂氏２００度以下にまで降下させ、低温ブロワー２０９の使用を可能にする。
【００６７】
第三の実施の形態のシステム１００は、以下の通りに動作する。燃料吸入ストリームは、燃料吸入ライン２９を介して燃料電池スタック１０１へと供給される。その燃料は、メタン、水素および他のガスと共にメタンを含む天然ガス、プロパンもしくは他のバイオガスを含むがこれらに限らない炭化水素燃料、または一酸化炭素等の炭素燃料、メタノール等の酸素化された炭素含有ガス、他の炭素含有ガスと、水蒸気、Ｈ２ガスまたはそれらの混合物等の水素含有ガスとの混合物等の任意の適当な燃料を含んでもよい。たとえば、その混合物は、石炭または天然ガスの改質に由来する合成ガスを含んでもよい。
【００６８】
燃料吸入ストリームは燃料排出ストリームの一部と結合され、燃料排出ストリームからの水素および湿気（すなわち水蒸気）は燃料吸入ストリームへと追加される。加湿された燃料吸入ストリームは、その後、燃料用熱交換器１２１を通過し、そこで、加湿された燃料吸入ストリームが燃料電池スタックの燃料排出ストリームによって加熱される。加熱して加湿された燃料吸入ストリームは、その後、好ましくは外部改質器である改質器３７へと供給される。たとえば、改質器３７は、２００４年１２月２日付けで出願され、その全体が参照により本文に組み込まれる米国特許出願第１１／００２,６８１号において記述された改質器を備えてもよい。燃料改質器３７は、炭化水素燃料を部分的にまたは完全に改質することができる任意の適当な装置であってもよく、炭素を含有しかつ遊離した水素をも含有している燃料を形成する。たとえば、燃料改質器３７は、炭化水素ガスを遊離した水素と炭素含有ガスとのガス混合物に改質することができる任意の適当な装置であってもよい。たとえば、燃料改質器３７は、天然ガス等の加湿されたバイオガスが蒸気−メタン改質反応を介して改質され、遊離した水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、およびオプションで残留量の未改質のバイオガスをも形成するようにした触媒被覆通路を含んでいてもよい。遊離した水素および一酸化炭素は、その後、燃料電池スタック１０１の燃料（すなわち正極）入口１０５へと供給される。従って、スタック１０１の上流に位置する改質器３７の上流に位置する燃料吸入ストリームへと、供給されるのである。
【００６９】
空気または他の酸素含有ガス（すなわち酸化剤）吸入ストリームは、好ましくは、熱交換器１２７を介してスタック１０１へと供給され、そこで、そのストリームは燃料電池スタックからの空気（すなわち負極）排出ストリームによって加熱される。必要に応じて、空気吸入ストリームは、凝縮器１１３および／または空気予熱用熱交換器１２５を通されてもよく、空気をスタック１０１へと供給する前に空気の温度をさらに上昇させる。
【００７０】
一旦燃料および空気が燃料電池スタック１０１へと供給されたならば、スタック１０１は、電気と水素含有燃料排出ストリームとを発生させるように運転される。燃料排出ストリーム（すなわちスタック正極排出ストリーム）は、スタック燃料排出出口１０３から分圧スイング吸着ユニット４０１へと供給される。燃料排出ストリームの中に含まれる水素の少なくとも一部は、分圧スイング吸着を使用してユニット４０１の中において分離される。ユニット４０１の中において燃料排出ストリームから分離された水素は、その後、燃料吸入ストリームおよび／または水素貯蔵容器１２９もしくは水素使用装置１３１へと供給される。
【００７１】
燃料排出ストリームは、以下のように、ユニット４０１へと供給される。燃料排出ストリームは、水素、水蒸気、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン等の幾分かの未反応の炭化水素ガス、ならびに他の反応副産物および不純物を含んでもよい。たとえば、燃料排出は、およそ１８６からおよそ１９６ｓｌｐｍであるような１６０から２２５ｓｌｐｍの間の流量を有してもよく、およそ４８−５０％であるようなおよそ４５％からおよそ５５％の間の水素と、およそ４５−４７％であるようなおよそ４０％からおよそ５０％の間の二酸化炭素と、およそ３％であるようなおよそ２％からおよそ４％の水と、およそ１％からおよそ２％である一酸化炭素とを含んでいてもよい。
【００７２】
この排出ストリームは、先ず初めに熱交換器１２１へと供給され、そこで、その排出ストリームの温度が好ましくは摂氏２００度未満まで降下され、その一方で、燃料吸入ストリームの温度は上昇する。空気予熱用熱交換器１２５が存在するならば、燃料排出ストリームは、この熱交換器１２５を介して供給され、空気吸入ストリームの温度を上昇させつつその燃料排出ストリームの温度をさらに降下させる。温度は、たとえば摂氏９０度から摂氏１１０度まで降下され得る。
【００７３】
燃料排出ストリームは、その後、装置２０１によって少なくとも二本のストリームに分割される。第一の燃料排出ストリームは、この第一のストリームを燃料吸入ストリームへと再循環させる装置２０９に向かって供給され、その一方で、第二の燃料排出ストリームは、ＰＰＳＡユニット４０１に向かって案内され、そこで、第二の燃料排出ストリームの中に含まれる水素の少なくとも一部が分圧スイング吸着を使用して分離される。第二の燃料排出ストリームから分離された水素の少なくとも一部は、その後、水素貯蔵容器１２９もしくは水素使用装置１３１へと供給され、および／または第二の燃料排出ストリームから分離された水素および一酸化炭素の一部は、燃料吸入ライン２９内の燃料吸入ストリームへと供給される。たとえば、燃料排出ストリームのおよそ６０％であるような５０％から７０％の間のものは、第二のブロワーまたはコンプレッサ２０９へと供給されてもよく、その一方で、残りのものはＰＰＳＡユニット４０１に向かって供給されてもよい。
【００７４】
好ましくは、燃料排出ストリームは、先ず初めに、熱交換器１２１、反応器１２８および熱交換器１２５を介してから、弁２０１へと供給される。燃料排出ストリームは、熱交換器１２５の中において摂氏２００度以下、例えば摂氏９０度から摂氏１８０度に冷却されてから、弁２０１へと供給されて、そこで、二本のストリームに分割される。これは、低温ブロワー２０９の使用を可能にして、第一の燃料排出ストリームの所望の量を燃料吸入ストリームへと制御可能に再循環させる。何故なら、そのようなブロワーは、摂氏２００度以下の温度を有するガスストリームを移動させるように適応され得るからである。
【００７５】
第一の燃料排出ストリームは、このストリームを燃料吸入ストリームに再循環させる第二のブロワーまたはコンプレッサ２０９へと供給される。装置２０９は、コンピュータ制御式またはオペレータ制御式であってもよく、何らか適当なパラメータに応じて燃料吸入ストリームへと供給されている燃料排出ストリームの量を変化させてもよく、それらのパラメータは、i)システム１００の検出された状態または観察された状態（すなわち、燃料吸入ストリームの中における水素またはＣＯの量の変化を要求するシステム動作条件における変化）、ii)燃料吸入ストリームの中における水素またはＣＯの時間的調整を要求するコンピュータに提供される過去の計算またはオペレータに既知の条件、iii)スタックによって発生する電気のユーザーによる電力需要の変化、水素の価格に対する電気または炭化水素燃料の価格の変化などの、スタック１０１の動作パラメータにおける望ましい将来的変化、現在起きている変化または最近起こった変化、および／またはiv)水素使用装置等の水素ユーザーによる水素需要の変化、電気の価格に対する水素または炭化水素燃料の価格の変化などを含む。
【００７６】
さらにまた、第二のブロワーまたはコンプレッサは、第一のブロワーまたはコンプレッサ１０９と連携して運転されてもよい。従って、オペレータまたはコンピュータは、容器１２９または装置１３１に供給される水素の量と、第一のブロワーまたはコンプレッサ１０９によって燃料吸入ストリームに供給される水素および一酸化炭素の量と、第二のブロワーまたはコンプレッサ２０９によって燃料吸入ストリームに供給される燃料排出ストリームの量とを、上述のもの等の任意の適当な判定基準に基づいて別個に変化させてもよい。さらにまた、コンピュータまたはオペレータは、第一のブロワーまたはコンプレッサ１０９によって燃料吸入ストリームに供給される水素および一酸化炭素の量と、第二のブロワーまたはコンプレッサ２０９によって燃料吸入ストリームに供給される燃料排出ストリームの量との両者を考慮に入れてもよく、上述の判定基準に基づいて両者の量を最適化してもよい。
【００７７】
第二の燃料排出ストリームは、弁２０１から凝縮器１１３へと供給され、そこで、そのストリームは、さらに冷却されて、燃料排出ストリームからの追加の水蒸気を凝縮する。燃料排出ストリームは、燃料電池スタックの空気吸入ストリームによって、異なった空気吸入ストリームによって、または別の冷却流体ストリームによって凝縮器内で冷却されてもよい。燃料排出ストリームから凝縮した水は、水分離器１１５の中において液体状態で収集される。水は、コンジット１１７を介して分離器１１５から放出され、その後、排水されるかまたは再利用されてもよい。
【００７８】
残留する燃料排出ストリームのガスは、その後、分離器１１５から、供給ガス吸入ストリームとして、コンジット４０３を介して分圧スイング吸着ユニット４０１の入口４０２へと供給される。さらにまた、乾燥空気ストリーム等のパージガス吸入ストリームは、ユニット４０１に供給され、ブロワーまたはコンプレッサ４０６からコンジット４０５を介して入口４０４へと供給される。必要に応じて、空気ストリームは、温度スイング吸着サイクルにおいて追加的な吸着性ベッドを使用して乾燥されてから、ユニット４０１の吸着性ベッドへと供給されてもよい。この場合、吸着性ベッド内のシリカゲルまたはアルミナを乾燥させるために温度スイング吸着サイクルにおいて使用される加熱した空気は、通気コンジット１３９を介してユニット４０１から除去してもよい。
【００７９】
従って、第二の燃料排出ストリームは、水素、一酸化炭素、水蒸気、二酸化炭素だけでなく、存在し得る不純物および未反応の炭化水素燃料をも含む。ユニット４０１の中における分離ステップの間に、燃料排出ストリーム内の水蒸気および二酸化炭素の少なくとも大半は、少なくとも一つの吸着性ベッドの中において吸着され、その一方で、燃料排出ストリーム内の水素および一酸化炭素の少なくとも大半は、少なくとも一つの吸着性ベッドに通される。詳細には、与圧されていない燃料排出ストリームが、第一の吸着性ベッドへと供給され、第一の吸着性ベッドが飽和するまで燃料排出ストリームの中に残留する水蒸気および二酸化炭素の少なくとも大半を第一の吸着性ベッドの中において吸着させ、その一方で、第二の吸着性ベッドは、およそ摂氏３０度で５０％以下の相対湿度を有する空気を第二の吸着性ベッドを介して供給して、吸着した二酸化炭素および水蒸気を脱着させることにより再生される。第一のベッドが二酸化炭素で飽和した後、およそ摂氏３０度で５０％以下の相対湿度を有する空気を第一の吸着性ベッドを介して供給して吸着した二酸化炭素および水蒸気を脱着させることにより第一の吸着性ベッドを再生させつつ、与圧されていない燃料排出ストリームは、第二の吸着性ベッドへと供給されて、第二の吸着性ベッドが飽和するまで燃料排出ストリームの中に残留する水蒸気および二酸化炭素の少なくとも大半を第二の吸着性ベッドの中において吸着させる。
【００８０】
燃料排出ストリーム（すなわち供給ガス放出ストリーム）から分離された水素および一酸化炭素は、その後、出口４０８およびコンジット４０７を介してユニット４０１から除去され、オプションの切り換え弁１０８へと供給される。弁１０８は、ＰＰＳＡユニット４０１から供給される水素含有ストリームを、入口ライン２９内の炭化水素燃料吸入ストリームへと供給される第一のストリームと、水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１へと供給される第二のストリームとに分割する。
【００８１】
弁１０８は、水素含有ストリームを同時的な第一および第二のストリームに分割してもよく、第一および第二のストリームは、弁１０８から同時に供給される。弁１０８は、ＰＰＳＡユニット４０１から、どれほど多くの水素含有ストリームが第一のストリームに供給されるのか、そして、どれほど多くの水素含有ストリームが第二のストリームに供給されるのかという比率を時間経過と共に変化させてもよい。代替的には、弁１０８は、たとえば、炭化水素燃料吸入ストリームに水素含有ストリームの少なくとも９０−１００％を供給することと、水素含有ストリームの９０％から１００％を水素貯蔵容器１２９に供給することとを交互に行ってもよい。必要に応じて、ストリームのうちの一方は省略されてもよく、弁１０８は、単純に水素含有ストリームを絶えず容器１２９／装置１３１または燃料ライン２９の何れかに案内してもよい。
【００８２】
弁１０８は、コンピュータおよび／またはオペレータによって操作されてもよく、所望の量の水素を燃料吸入ストリームならびに／または水素貯蔵容器および水素使用装置のうちの一方に制御可能に供給する。コンピュータまたはオペレータは、任意の適当なパラメータに基づいてこの量を変化させてもよい。それらのパラメータは、i)システム１００の検出された状態または観察された状態（すなわち、燃料吸入ストリームの中における水素またはＣＯの量の変化を要求するシステム動作条件における変化）、ii)燃料吸入ストリームの中における水素またはＣＯの時間的調整を要求するコンピュータに提供される過去の計算またはオペレータに既知の条件、iii)スタックによって発生する電気のユーザーによる電力需要の変化、水素の価格に対する電気または炭化水素燃料の価格の変化などの、スタック１０１の動作パラメータにおける望ましい将来的変化、現在起きている変化または最近起こった変化、および／またはiv)水素使用装置等の水素ユーザーによる水素需要の変化、電気の価格に対する水素または炭化水素燃料の価格の変化などを含む。
【００８３】
第二の水素リッチなストリームは、容器１２９または装置１３１に直接に供給されてもよく、あるいは、先ず初めに一酸化炭素洗浄装置１３３を介して供給されて第二のストリームから一酸化炭素を洗浄してから、そのストリームを一酸化炭素不耐性装置に供給してもよい。たとえば、第二の水素ストリームは、先ず初めに水素貯蔵容器１２９に供給され、その後、要求あり次第であるかまたは予め規定したスケジュールに従って、水素貯蔵容器１２９から車両におけるＰＥＭ燃料電池システム１３１等の水素使用装置に供給されてもよい。代替的には、第二の水素ストリームは、先ず初めに水素貯蔵容器１２９に供給されることなく、ＰＥＭ燃料電池システム１３１等の水素使用装置に供給されてもよい。
【００８４】
切り換え弁から供給される第一の水素リッチなストリームは、燃料吸入ライン２９内の燃料吸入ストリームに再循環される。好ましくは、水素および一酸化炭素を含んでいるこの第一の水素リッチなストリームは、先ず初めにブロワーまたはコンプレッサ１０９に供給され、その後、燃料排出ストリームから分離される所望の量の水素および一酸化炭素を燃料吸入ストリームに制御可能に供給するために使用される。ブロワーまたはコンプレッサ１０９は、コンピュータまたはオペレータによって操作されて、所望の量の水素および一酸化炭素を燃料吸入ストリームに制御可能に供給してもよく、任意の適当なパラメータに基づいてこの量を変化させてもよい。それらのパラメータは、i)システム１００の検出された状態または観察された状態（すなわち、燃料吸入ストリームの中における水素またはＣＯの量の変化を要求するシステム動作条件における変化）、ii)燃料吸入ストリームの中における水素またはＣＯの時間的調整を要求するコンピュータに提供される過去の計算またはオペレータに既知の条件、および／またはiii)スタックによって発生する電気のユーザーによる電力需要の変化などの、スタック１０１の動作パラメータにおける望ましい将来的変化、現在起きている変化または最近起こった変化などを含む。従って、ブロワーまたはコンプレッサは、上述の判定基準および／または他の判定基準に基づいて、燃料吸入ストリームに供給される水素および一酸化炭素の量を制御可能に変化させることができる。水素および一酸化炭素が摂氏２００度以下まで冷却されるので、低温型ブロワーが、水素および一酸化炭素をライン２９に制御可能に供給するために使用されてもよい。必要に応じて、切り換え弁１０８およびブロワーまたはコンプレッサ１０９は省略されてもよく、水素リッチなストリームの全体は、ＰＰＳＡユニット４０１から水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１に供給されてもよい。
【００８５】
ＰＰＳＡユニットからのパージガス放出ストリームは、吸着性ベッドの空隙容積の中において捕捉された微量の水素および／または炭化水素ガスを含んでもよい。言い換えれば、捕捉された幾分かの水素または炭化水素ガスは、噴出ステップによってコンジット４０７には除去され得ないのである。従って、コンジット４０９は、パージガス放出ストリームをＰＰＳＡユニット４０１からバーナー１０７に供給することが望ましい。スタック１０１の空気排出ストリームも、さらに、熱交換器１２７を介してバーナー１０７に供給される。パージガス放出ストリームの中における何らかの残留する水素または炭化水素ガスは、その後、バーナーの中において燃焼され、環境を汚染することを回避する。バーナー１０７からの熱は、改質器３７を加熱するために使用されてもよく、あるいは、システム１００の他の部分または建物暖房システム等のシステム１００の外部における熱消費装置に供給されてもよい。
【００８６】
従って、燃料排出ストリームに対して、熱交換器１２１は熱交換器１２５の上流に位置し、熱交換器１２５は凝縮器１１３および水分離器１１５の上流に位置し、凝縮器１１３および水分離器１１５はＰＰＳＡユニット４０１の上流に位置し、ＰＰＳＡユニット４０１はブロワーまたはコンプレッサ１０９の上流に位置し、ブロワーまたはコンプレッサ１０９は燃料吸入ライン２９の上流に位置する。
【００８７】
必要に応じて、システム１００は、加湿器と共に使用されてもよい。そのようなシステムであれば、さまざまなモードで運転されて、発電を最適化し、または水素貯蔵容器１２９もしくは水素使用装置１３１のための水素生産を最適化することも可能であろう。当該システムは、電気および水素の需要および／もしくは価格または他の要因に従ってさまざまなモードの間で切り換えられてもよい。
【００８８】
加湿器は、炭化水素燃料吸入ライン２９等の炭化水素燃料供給源に対して操作可能に接続される第一の入口と、弁２０１に対して操作可能に接続される第二の入口と、燃料電池スタックの燃料入口１０５に対して操作可能に接続される第一の出口と、凝縮器１１３および水分離器１１５に対して操作可能に接続される第二の出口とを有するものであってもよい。動作に際して、燃料加湿器は、燃料電池スタックの燃料排出ストリームの中に含まれる水蒸気を使用して、再循環された水素および一酸化炭素を含有しているライン２９からの炭化水素燃料の吸入ストリームを加湿する。たとえば、共にその全体が参照により本文に組み込まれる米国特許第６,１０６,９６４号および米国出願第１０／３６８,４２５号において記述されたように、燃料加湿器は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜加湿器等の重合膜加湿器、エンタルピーホイールまたは複数の水吸着剤ベッドを含んでもよい。たとえば、加湿器の一つの適当な形式は、Ｐｅｒｍａ  Ｐｕｒｅ  ＬＬＣから入手可能な、水蒸気・エンタルピー移動Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）をベースとする水透過性膜を備える。その加湿器は、水蒸気およびエンタルピーを燃料排出ストリームから燃料吸入ストリームに受動的に移動させて、燃料吸入ストリームにおける蒸気対炭素比を２対２.５にする。燃料吸入ストリームの温度は、加湿器の中においておよそ摂氏８０度からおよそ摂氏９０度まで上昇してもよい。
【００８９】
当該システムが発電を最適化する（すなわち、システムのＡＣ電気効率を最適化する）ように運転されると、切り換え弁１０８は、ＰＰＳＡユニット４０１からの水素リッチなストリームの全体を燃料吸入コンジットへ戻るように供給する。弁２０１は、燃料排出ストリームの一部を燃料吸入ライン２９に供給して、燃料吸入ストリームを加湿する。この場合、弁２０１は、燃料排出ストリームを燃料吸入コンジットに経路指定して、加湿器を迂回させてもよい。一通過当たりの燃料利用率は、たとえば、およそ７５％からおよそ８０％の合理的な最高の動作数値まで最大化され、発電を最適化する。この場合には、水素は、水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１には全く供給されない。
【００９０】
当該システムが水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１のための水素生成を最適化するように運転されると、切り換え弁１０８は、ＰＰＳＡユニット４０１からの水素リッチなストリームの全体を水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１に供給する。水素リッチなストリームは、燃料吸入コンジットには全く供給されない。この場合、弁２０１は、燃料排出ストリームの一部を燃料吸入ライン２９に供給するのではなく、スタックからの燃料排出ストリームの全体を燃料吸入ストリームが加湿される加湿器に供給する。一通過当たりの燃料利用率は、たとえば、およそ５５％からおよそ６０％の合理的な最低の動作数値まで最小化され、水素生産を最適化する。この場合には、最大限の量の水素が、水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１に供給される。さらにまた、当該システムが水素生産を最適化するために動作するときには、当該システムが電気効率を最適化するように動作するときより多くの炭化水素燃料が燃料電池スタックに供給されてもよい。たとえば、当該システムが水素生産を最適化するように動作しているときには、当該システムが電気効率を最適化するように動作しているときよりも５０−１００％多い炭化水素燃料がスタック１０１に供給される。
【００９１】
当該システムは、さらに、電気効率と水素生産のバランスを取るように運転されてもよい。この場合には、切り換え弁１０８は、ＰＰＳＡユニット４０１からの水素リッチなストリームを燃料吸入ライン２９と水素貯蔵容器１２９／水素使用装置１３１との間で分割する。両ストリームが同時に供給されてもよく、あるいは、その弁が第一のストリームを供給することと第二のストリームを供給することとを交互に行ってもよい。二本のストリームの間において供給される水素の量は、上述の状況に応じて変化してもよい。この場合には、弁２０１は、所望のパラメータに従って、燃料排出ストリームを燃料吸入ストリームおよび／または加湿器１１９に供給してもよい。
【００９２】
図７は、本発明の第四の実施の形態に従ったシステム３００を例示している。システム３００は、ＰＰＳＡユニット４０１、凝縮器１１３および水分離器１１５が電気化学的水素ポンプ３０１に代替されていることを除けば、システム１００と同様である。ポンプ３０１は、燃料排出ストリームから水素を電気化学的に分離する。
【００９３】
電気化学的ポンプ３０１は、ポリマー電解質を含む任意の適当なプロトン交換膜装置を備えてもよい。水素は、電解質の両側に位置する正極と負極の間における電位差の印加の下においてポリマー電解質を介して拡散する。好ましくは、電気化学的ポンプは、たとえば高温型低水和性イオン交換膜電池のスタック等の一酸化炭素耐性電気化学的電池のスタックを備える。この種の電池は、たとえば、正極と負極の間に位置するポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）膜等の非フッ化イオン交換イオノマー膜を備える。この膜は、硫酸またはリン酸等の酸でドープされる。そのような電池の一つの具体例は、その全体が参照により本文に組み込まれる米国公開出願第２００３／０１９６８９３Ａ１号に開示されている。これらの電池は、およそ摂氏１００度以上からおよそ摂氏２００度までの温度範囲内で動作する。従って、熱交換器１２１および１２５は、好ましくは、燃料排出ストリームをおよそ摂氏１２０度からおよそ摂氏２００度の温度、例えばおよそ摂氏１６０度からおよそ摂氏１９０度に維持する。図７は、明快さのために、弁１０８および水素貯蔵容器１２９または水素使用装置１３１を示していない。しかし、これらの装置は、必要に応じてシステム３００内で使用されてもよい。ポンプ３０１は、一酸化炭素の相当量が欠落した水素ストリームを供給するので、ＣＯスクラバ１３５は、ポンプ３０１と共に使用される必要がなく、水素は、一酸化炭素なしで燃料吸入ストリームに供給される。
【００９４】
システム３００を運転する方法は、燃料排出ストリームが弁２０１から電気化学的ポンプ３０１に直接に供給され、ポンプ３０１が水素を燃料排出ストリームから電気化学的に分離することを除けば、システム１００を運転する方法と同様である。さらにまた、ブロワーまたはコンプレッサ１０９は、ポンプ３０１が所望の量の水素を燃料吸入ストリームに制御可能に供給することが可能であるならば、省略されてもよい。第四の実施の形態の方法では、実効燃料利用率はおよそ９４％であり、一通過当たりの燃料利用率が７５％であるとき電気効率はおよそ５８％であり、燃料排出ストリームの６０％は弁２０１によって燃料吸入ストリームに再循環され、水素のおよそ８５％は残りの燃料排出ストリームからポンプ３０１によって回収されて燃料吸入ストリームに再循環される。
【００９５】
本発明の第五の実施の形態では、温度スイング吸着（「ＴＳＡ」）ユニットが、ＰＰＳＡユニット４０１に代えて、燃料排出ストリームから水素を分離するために使用される。ＴＳＡユニットもまた、供給ガスが与圧されることを要求しない。
【００９６】
ＴＳＡユニットは、さらに、水素および一酸化炭素に優先して二酸化炭素および水蒸気を吸着する材料の複数の吸着性ベッドをも含む。燃料排出ストリームは、室温または他の低温に維持されて燃料排出ストリームからの二酸化炭素および水蒸気の大部分を吸着する少なくとも一つの第一の吸着性ベッドに供給される。第一のベッドが二酸化炭素および水蒸気で飽和すると、燃料排出ストリームは、少なくとも一つの第二の吸着性ベッドに切り換えられる。第一のベッドは、その後、第一のベッドの温度を上昇させることによって、吸着した二酸化炭素および水蒸気を解放するようにパージされる。たとえば、第一のベッドは、第一のベッドとの熱交換における高温のスタック負極の空気排出を供給することなどのように、燃料電池スタックによって供給される熱によって加熱されてもよい。パージの後、第一のベッドは、それに続いて、外気との熱交換によって冷却される。そのサイクルは、複数のベッドを介して継続し、燃料の安定した回収および循環を提供する。この実施の形態は、さらに、二酸化炭素の除去にも敏感に反応する。
【００９７】
ベッドとの熱交換において（すなわちベッド近傍に）空気を供給するのではなく、高温の負極排気が、吸着性ベッドを介して直接に（別体の熱交換器なしで）案内されて、二酸化炭素および水蒸気を排出してもよい。その後、低温の外気が直接にベッドに通され、ベッドを次のサイクルに合わせて調整する。必要に応じて、ベッドが追加的な二酸化炭素および水の吸着のために再調整される前後に、少量の窒素がベッドを介してパージされてもよい。その窒素は、作動流体として空気を使用している小型の温度スイング吸着装置から入手される。
【００９８】
必要に応じて、二酸化炭素および水蒸気を含有する廃水等のＴＳＡ廃水は、パージガスが停止した後、環境に放出されるかまたは減圧ポンプを介して除去されてもよい。その減圧は、より多くの残留する二酸化炭素および水を除去する（圧力スイング吸着と類似のプロセスであり、一般に減圧スイング吸着とも呼ばれる）ものであり、低温空気または熱交換を使用して達成され得るものよりも廉価かつ高速なベッド冷却手段を提示し得る。減圧の使用は、さらに、二酸化炭素の除去にも敏感に反応し得ることになる。
【００９９】
図８は、本発明の第六の実施の形態に従ったシステム４００を例示している。システム４００は、ＰＰＳＡユニット４０１およびブロワーまたはコンプレッサ１０９が省略されることを除けば、システム１００と同様である。図８は、さらに、第一または第二の実施の形態の一つ以上の燃料電池スタックモジュール１または６１を含んでもよいホットボックス６２の位置をも例示している。さらにまた、図８は、第一の実施の形態のオプションのベース３の位置をも示している。
【０１００】
必要に応じて、蒸気発生器３０３が、さらに、システム４００に追加されてもよい。蒸気発生器３０３は、水タンク等の水供給源ならびに／または凝縮器１１３および水分離器１１５からの水を供給され、その水を蒸気に変換する。その蒸気は、ミキサー３０５において吸入燃料ストリームと混ぜ合わせられる。蒸気発生器は、別体のヒーターおよび／または高温の負極排出ストリームおよび／またはバーナー１０７によって発生する低品質の熱によって加熱されてもよい。さらにまた、バーナー１０７によって発生する低品質の熱は、蒸気発生器３０３の加熱の代わりにあるいはそれに加えて、改質器を加熱するために使用されてもよい。バーナー１０７の排気生成物は、燃料電池スタックに案内される空気吸入ストリームに供給されてもよい。蒸気発生器３０３および空気予熱器１２５は、ホットボックス６２に接触して配置される別体のホットボックス付属物の中に配置されてもよい。たとえば、ホットボックス付属物は、ホットボックスの頂部上に位置する別体のコンテナを備えてもよい。上述の機構は、図６および図７のシステム１００および３００に対しても提供され得るものであることに留意すべきである。
【０１０１】
システム４００を運転する方法は、弁２０１から供給される第二の燃料排出ストリームが水素の分離を受けないことを除けば、システム１００を運転する方法と同様である。その代わりに、弁２０１から供給される第二の燃料排出ストリームは、排出されるかまたはバーナー２０７に向かって供給される。従って、このシステム４００は、水素分離ステップおよび機器を含まないので、既述の実施の形態のシステムよりも単純である。
【０１０２】
システム４００を運転する方法は、熱交換器１２１および１２５の中において燃料排出ストリームをおよそ摂氏９０度からおよそ摂氏１１０度までに冷却することによって、低温ブロワー２０９の使用を可能にする。第六の実施の形態の方法では、一通過当たりの燃料利用率が７５％であるとき電気効率はおよそ５４％であり、燃料排出ストリームの６０％は弁２０１によって燃料吸入ストリームに再循環される。
【０１０３】
本文において記述した燃料電池システムは、必要に応じて、他の実施の形態および構成を有してもよい。たとえば、その全体が参照により本文に組み込まれる２００２年１１月２０日付けの米国出願第１０／３００,０２１号、２００３年４月９日付けの米国仮出願第６０／４６１,１９０号、および２００３年５月２９日付けの米国出願第１０／４４６,７０４号において記述されたように、他のコンポーネントが必要に応じて追加されてもよい。さらにまた、たとえそのような使用が明示して記述されていないとしても、本明細書における何れかの実施の形態において記述され、および／または何れかの図面において例示された任意のシステム要素または方法ステップは、上述の他の適当な実施の形態のシステムおよび／または方法においても使用され得ると理解すべきである。
【０１０４】
本発明に関する以上の記述は、例示および説明の目的のために提示した。その記述は、網羅的であることを意図したものではなく、あるいは本発明をその開示の正確な形態に限定することをも意図したものではなく、修正および変更は、上述の教示内容に照らして実行可能であり、あるいは本発明の実行から達成され得る。その記述は、本発明の原理およびその実用的なアプリケーションを説明するために選択されたのである。本発明の範囲は、本文書に添付の請求項とそれらの等価物とによって規定されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】図１は、カバードームを取り外した本発明の第一の実施の形態のシステムの三次元図である。
【図２】図２は、第一の実施の形態のシステムの概略的な側面断面図である。
【図３】図３は、第一の実施の形態のシステムのベースの頂面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、ヒューズが溶融する前後のそれぞれにおけるコンジットの側面断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、ヒューズが溶融する前後のそれぞれにおけるコンジットの側面断面図である。
【図５】図５は、本発明の第二の実施の形態のシステムの三次元図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態の燃料電池システムの概略図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態の燃料電池システムの概略図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態の燃料電池システムの概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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