(57)【要約】  【課題】高温燃料電池システム及びそれらの運転に向けられる一体型燃料加湿器組立体を提供する。  【解決手段】一体型燃料加湿器組立体（２００）が提供され、該組立体は、水蒸発器（６）と、燃料加熱器（６７）と、燃料／蒸気混合器（８）とを含む。燃料／蒸気混合器（８）は、蒸気を水蒸発器（６）から受け入れるために水蒸発器（６）に接続されると共に、加熱された燃料を燃料加熱器（６７）から受け入れるために燃料加熱器（６７）に接続される。空気入口ストリームは、燃料電池スタックアノード排気ストリームからの熱を用いる。【選択図】図２
2006318907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一体型燃料加湿器組立体であって、
水蒸発器と、
燃料加熱器と、
蒸気を受け入れるために水蒸発器に接続されると共に、加熱された燃料を受け入れるために燃料加熱器に接続される燃料−蒸気混合器とを備えた一体型燃料加湿器組立体。
【請求項２】
前記水蒸発器、燃料加熱器及び燃料−蒸気混合器は、熱移送流体板と交互配置される水／燃料板を含む複数の板の積重ねによって形成される請求項１の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項３】
前記水蒸発器、燃料加熱器及び燃料−蒸気混合器は、複数の熱移送流体板と交互配置される複数の水／燃料板組を含む複数の板の積重ねによって形成される請求項１の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項４】
加熱された燃料流が必要なシステムであって、
熱移送流体源と、
水源と、
燃料源と、
熱移送流体流を受け入れるために熱移送流体源に、水流を受け入れるために水源に、及び、燃料流を受け入れるために燃料源に連動的に接続される一体型燃料加湿器組立体とを備え、
一体型燃料加湿器組立体は、
水蒸発器と、
燃料流を加熱する燃料加熱器と、
蒸気を受け入れるために水蒸発器に接続されると共に、加熱された燃料を受け入れるために燃料加熱器に接続される燃料−蒸気混合器とを備えるシステム。
【請求項５】
前記一体型燃料加湿器は、水流を、水蒸発器を通じて熱移送流体流と並流関係で誘導するように構成される請求項４のシステム。
【請求項６】
前記一体型燃料加湿器は、熱移送流体流を、水蒸発器の下流の燃料加熱器へと誘導するように構成される請求項４のシステム。
【請求項７】
一体型燃料加湿器組立体であって、
熱移送流体流路と熱伝達関係にある水流路を含む水蒸発器と、
熱移送流体流路と熱伝達関係にある燃料流路を含む燃料加熱器と、
蒸気を受け入れるために水流路に接続されると共に、加熱された燃料を受け入れるために燃料流路に接続される燃料−蒸気混合器とを備えた一体型燃料加湿器組立体。
【請求項８】
前記燃料加熱器は、熱移送流体流路について水蒸発器の下流に配置される請求項７の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項９】
前記水流路は、複数の平行な水流通路を備え、
前記燃料流路は、複数の平行な燃料流通路を備え、
前記熱移送流体流路は、水蒸発器において水流通路と交互配置され、かつ燃料加熱器において燃料流通路と交互配置される複数の平行な熱移送流体流通路を備える請求項７の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項１０】
前記燃料−蒸気混合器は、水流通路及び燃料流通路のすべてに接続されるプレナムを備える請求項９の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項１１】
前記各水流通路は、水流に対する液体圧力低下領域を規定する入口区域を備える請求項９の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項１２】
前記液体圧力低下領域は、曲がりくねった流路を含む請求項１１の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項１３】
前記各入口区域は、断熱層によって対応する水流通路の残りの部分から熱的に絶縁される請求項１１の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項１４】
前記各断熱層は、対応する入口区域と水流通路の残りの部分との間に延びるスロットの形態である請求項１３の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項１５】
前記入口区域は、断熱層によって熱移送流体流路から分離される請求項１１の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項１６】
前記断熱層は、大気に開放し、かつ前記入口区域及び熱移送流体流路のすべての間に延びるプレナムの形態である請求項１５の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項１７】
前記流通路は、複数の熱移送流体板と交互配置される複数の水／燃料板によって形成され、各水／燃料板は、前記水流通路の一つ及び前記燃料流通路の一つを形成し、各熱移送流体板は、前記熱移送流体通路の一つを形成する請求項９の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項１８】
前記各板は、水／燃料混合室を更に含み、該水／燃料混合室は、水／燃料混合プレナムを形成するために整列され、前記水燃料板における該水／燃料混合室は、水流通路及び燃料流通路の両方に開放している請求項１７の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項１９】
前記各水／燃料板は、水／燃料板の水流通路の一部として水入口区域を規定し、該水入口区域は、水／燃料板のスロットによって水流通路の残りの部分から分離される請求項１７の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項２０】
前記水／燃料板における各流通路は、水／燃料板の両面に開放するスロットによって形成される請求項１７の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項２１】
前記各水流通路は、サーペンタイン形状を有する請求項１７の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項２２】
前記各熱移送流体板は周囲フレームを備え、該周囲フレームは、水／燃料板の隣接する一つの周囲に対応する請求項１７の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項２３】
前記流通路は、複数の熱移送流体板と交互配置される複数の水／燃料板組によって形成され、各水／燃料板組は、水流通路を形成するため、該板組の板の一方において、該板組の板の他方における複数のスロットと重なる複数のスロットを含む請求項９の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項２４】
熱移送流体入口マニホルドと、
熱移送流体出口マニホルドとを更に備え、
熱移送流体流路は、熱移送流体入口マニホルドから熱移送流体出口マニホルドへと延び、燃料−蒸気混合器は、熱移送流体出口マニホルドに隣接して配置される請求項７の一体型燃料加湿器組立体。
【請求項２５】
前記水流路は、燃移送流体入口に隣接して始まり燃料−蒸気混合器で終わる蒸発部分を含む請求項２４の一体型燃料加湿器組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に燃料電池、更に詳しくは、高温燃料電池システム及びそれらの運転に向けられる。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料に蓄えられたエネルギーを電気エネルギーに高効率で変換することができる電気化学的装置である。高温燃料電池は、固体酸化物（固体電解質）型燃料電池及び溶融炭酸塩型燃料電池を含む。これらの燃料電池は、水素及び／又は炭化水素燃料を用いて稼働し得る。固体酸化物再生燃料電池等の燃料電池のクラスがあり、これはまた、酸化燃料が、入力としての電気エネルギーを用いて非酸化燃料に還元され得るように逆操作を許容する。
【０００３】
固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）システム等の高温燃料電池システムにおいて、酸化流は、燃料電池のカソード側に通されるのに対し、燃料流は、燃料電池のアノード側に通される。酸化流は一般に空気であり、他方、燃料流は、一般に、炭化水素燃料源を改質することによって作り出された水素リッチガスである。典型的な温度７５０℃〜９５０℃で作動する燃料電池は、負の電荷を帯びた酸素イオンが、カソード流れストリームからアノード流れストリームへと移ることを可能にし、ここで、該イオンは、自由水素又は炭化水素分子における水素のいずれかと結合して水蒸気を形成するか、及び／又は、一酸化炭素と結合して二酸化炭素を形成する。負の電荷を帯びたイオンからの過剰電子は、アノードとカソード間に完成された電気回路を通って燃料電池のカソード側へと戻され、その結果、電流が該回路を流れる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の一側面によれば、一体型燃料加湿器組立体が提供され、該一体型燃料加湿器組立体は、水蒸発器と、燃料加熱器と、蒸気を受け入れるために水蒸発器に接続されると共に、加熱された燃料を受け入れるために燃料加熱器に接続される燃料／蒸気混合器とを含む。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一側面において、前記水蒸発器、燃料加熱器及び燃料−蒸気混合器は、（複数の）熱移送流体板と交互配置される（複数の）水／燃料板を含む複数の板の積重ね（スタック）によって形成される。
【０００６】
一側面によれば、前記水蒸発器、燃料加熱器及び燃料−蒸気混合器は、複数の熱移送流体板と交互配置される複数の水／燃料板組を含む複数の板の積重ねによって形成される。
【０００７】
本発明の一側面によれば、加熱された燃料流が必要なシステムが提供される。該システムは、熱移送流体源と、水源と、燃料源と、一体型燃料加湿器組立体とを含み、該一体型燃料加湿器組立体は、熱移送流体流を受け入れるために熱移送流体源に、水流を受け入れるために水源に、かつ、燃料流を受け入れるために燃料源にそれぞれ連動的に接続される。該一体型燃料加湿器組立体は、水蒸発器と、燃料流を加熱する燃料加熱器と、蒸気を受け入れるために水蒸発器に接続されると共に、加熱された燃料を受け入れるために燃料加熱器に接続される。
【０００８】
一側面において、前記一体型燃料加湿器は、水流を、水蒸発器を通じて熱移送流体流と並流関係で誘導するように構成される。
【０００９】
一側面において、前記一体型燃料加湿器は、熱移送流体流を、水蒸発器の下流の燃料加熱器へと誘導するように構成される。
【００１０】
本発明の一側面によれば、水蒸発器、燃料加熱器及び燃料−蒸気混合器を含む
一体型燃料加湿器組立体が提供される。水蒸発器は、熱移送流体流路と熱伝達関係にある水流路を含む。燃料加熱器は、熱移送流体流路と熱伝達関係にある燃料流路を含む。燃料−蒸気混合器は、蒸気を受け入れるために水流路に接続されると共に、加熱された燃料を受け入れるために燃料流路に接続される。
【００１１】
一側面において、前記燃料加熱器は、熱移送流体流路について水蒸発器の下流に配置される。
【００１２】
一側面において、前記水流路は、複数の平行な水流通路を含み、前記燃料流路は、複数の平行な燃料流通路を含み、前記熱移送流体流路は、複数の平行な熱移送流体流通路を含み、該熱移送流体流通路は、水蒸発器において水流通路と交互配置され、かつ燃料加熱器において燃料流通路と交互配置される。
【００１３】
更なる側面において、前記燃料−蒸気混合器は、水流通路及び燃料流通路のすべてに接続されるプレナムを含む。
【００１４】
別の更なる側面において、前記各水流通路は、水流に対する液体圧力低下領域を規定する入口区域を含む。
【００１５】
一側面によれば、前記液体圧力低下領域は、曲がりくねった（蛇行した）流路を含む。
【００１６】
一側面において、前記各入口区域は、断熱層（thermal break）によって対応する水流通路の残りの部分から熱的に絶縁される。更なる側面において、前記各断熱層は、対応する入口区域と水流通路の残りの部分との間に延びるスロットの形態である。
【００１７】
一側面において、前記入口区域は、断熱層によって熱移送流体流路から分離される。更なる側面において、前記断熱層は、大気に開放し、かつ前記入口区域及び熱移送流体流路のすべての間に延びるプレナムの形態である。
【００１８】
一側面によれば、前記流通路は、複数の熱移送流体板と交互配置される複数の水／燃料板によって形成され、各水／燃料板は、前記水流通路の一つ及び前記燃料流通路の一つを形成し、各熱移送流体板は、前記熱移送流体通路の一つを形成する。
【００１９】
更なる側面において、前記各板は、水／燃料混合室を更に含み、該水／燃料混合室は、水／燃料混合プレナムを形成するために整列され、該水／燃料混合室は、水流通路及び燃料流通路の両方に開放する。
【００２０】
更に別の側面において、前記各水／燃料板は、水／燃料板の水流通路の一部として水入口区域を規定し、該水入口区域は、水／燃料板のスロットによって水流通路の残りの部分から分離される。
【００２１】
一側面によれば、前記各水流通路はサーペンタイン形状を有する。
【００２２】
一側面において、前記一体型燃料加湿器組立体は、熱移送流体入口マニホルドと、熱移送流体出口マニホルドとを含む。熱移送流体流路は、熱移送流体入口マニホルドから熱移送流体出口マニホルドへと延び、燃料蒸気混合器は、熱移送流体出口マニホルドに隣接して配置される。更なる側面において、前記水流路は、蒸発部分を含み、該蒸発部分は、燃移送流体入口に隣接して始まり燃料−蒸気混合器で終わる。
【００２３】
本発明の他の目的、特徴及び利点は、付随の特許請求の範囲及び図面を含む明細書全体の検討から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
ＳＯＦＣを高い稼働温度に維持するため、燃料電池を出るアノード流れストリーム及びカソード流れストリームは、一般に、一連の復熱（熱回収）式熱交換器を通じて熱を入ってくる流れに移す。比較例において、これは、水素リッチリフォーメート（改質）流を発生させるため、炭化水素燃料の水蒸気改質のための蒸気を発生させるために液体水源に熱を移すプロセスを含み得る。
【００２５】
例えば、カソード熱は、カソード排気流れストリームから、入ってくるカソード空気へと回収するために（復熱のために）移され得、他方、アノード熱は、アノード排気から天然ガス等の入ってくる加湿された燃料へと部分的に回収するために移され、これは、蒸気リフォーマーを与える。アノード熱はまた、燃料を加湿するために該燃料中に供給されている水蒸気を発生させるために水に部分的に移される。更に、アノード排気中の水蒸気は、蒸気リフォーマーのための水源として全体的に又は部分的に役立つように回収され得る。
【００２６】
本発明者は次の点を発見した。すなわち、アノード（すなわち燃料側）排気ストリームが加湿された燃料を加熱するため及び水を蒸発（気化）させるために使用されるシステムの熱力学的解析によれば、燃料電池を出るアノード排気には、入ってくる加湿された燃料（すなわち水及び燃料）に移されるのに必要とされるよりも多くの利用可能なエネルギーが存在することが明らかとなった。しかしながら、アノード排気において利用できる熱及び供給に必要な熱の両方のかなり大きな部分は、潜熱の形態である。その結果、アノード排気には利用できる十分なエネルギーが存在するが、アノード排気ストリームから該排気ストリームと一又は複数の入ってくる流体とを分離する熱伝導面へと、かつ該熱伝達面から上記一又は複数の入ってくる流体へと対流によって熱が移される熱交換器によってアノード排気から水及び天然ガスへと熱を移す試みは、商業的に実用的ではないかもしれない。
【００２７】
上述した問題点は図１に例示され、これは、アノード排気及び水に対する温度対移った熱のグラフを示す。図１の状態は、水−ガスシフト反応器から蒸発器（すなわちベーパライザ）に入る４００℃のアノード排気温度と、最小の過熱で水の完全な蒸発（気化）を遂行可能な仮定の向流（逆流）蒸発器とを想定している。
【００２８】
図１から分かるように、完全に飽和したアノード排気からの水蒸気の凝縮及び水の等温蒸発は、熱放出アノード排気の温度を、熱デューティの実質的な部分に対して、熱受入れ水の温度より下に低下させる（すなわち、約１，１００から約１，７５０ＷのＱ値に対して水カーブがアノード排気カーブより上に位置する。）。その結果、単に典型的な熱交換器を使用することによって流体間の必要な熱移動を実現することは、図１で想定した状態に対して実行可能ではないであろう。すなわち、典型的な熱交換器における熱の移動は、熱伝導分離材料の温度が、熱放出流体の局所的バルク流体温度を下回り、かつ熱受入れ流体の局所的バルク流体温度を上回ることを要求するためである。
【００２９】
従って、メタン改質に必要な蒸気量を満たすのに十分な水を蒸発させるため、追加の加熱源が必要とされ得、これは、６．５ｋＷ電気出力を有するシステムにおいて１．５ｋＷ程度にもなり得る。この追加の加熱源は、システム効率を低減する。
【００３０】
本発明者は、カソード（すなわち空気側）排気が、燃料中に供給されている水を蒸発させるために、及び／又は、該システム内に供給されている燃料を加熱するために使用され得ることを発見した。ＳＯＦＣ燃料電池システムにおける熱エネルギーの回収のためのこの別のアプローチを用いることにより、エンタルピーホイール等の物質移動装置又は追加の熱源を用いることなく、該排気ガスの全熱力学的ポテンシャルが燃料電池供給物の予熱のために回収され得る。しかしながら、この別のアプローチを利用するあるシステムにおいて、エンタルピーホイール等の物質移動装置又は追加の熱源を利用することが依然として望ましいかもしれない。カソード排気が燃料の加湿のために水を蒸発させるために使用されるか、及び／又は、入ってくる燃料を加熱するために使用されるシステムはまた、受動的に制御され得る。しかしながら、カソード排気が燃料の加湿のために水を蒸発させるため、及び／又は入ってくる燃料を加熱するために使用されるあるシステムにおいて、能動的制御を利用することが望ましいかもしれない。
【００３１】
図２及び３は、本発明の好ましい第１実施形態に従う燃料電池システム１を例示する。好ましくは、システム１は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）システム又は溶融炭酸塩型燃料電池システム等の高温燃料電池スタックシステムである。システム１は、燃料電池（すなわち放電）モード及び電気分解（すなわち充電）モードの両方で作動する、固体酸化物再生燃料電池（ＳＯＲＦＣ）システム等の再生システムであり得、又は、燃料電池モードにおいてのみ作動する非再生システムであり得る。
【００３２】
システム１は、一又は複数の高温燃料電池スタック３を含み得る。スタック３は、複数のＳＯＦＣ、ＳＯＲＦＣ又は溶融炭酸塩型燃料電池を含み得る。各燃料電池は、電解質と、アノード室における電解質の一側部におけるアノード電極と、カソード室における電解質の他の側部におけるカソード電極とを含むと共に、分離板／電気接点、燃料電池ハウジング及び絶縁材等の他の構成要素を含む。燃料電池モードにおけるＳＯＦＣ動作において、空気もしくは酸素ガス等の酸化剤は、カソード室に入るのに対し、水素燃料もしくは炭化水素燃料等の燃料はアノード室に入る。どのような適切な燃料電池設計及び構成要素材料も使用され得る。
【００３３】
システム１はまた、図２において燃料加湿器と名前が付けられた熱伝達装置５を含む。装置５は、燃料入口ストリームに供給されるべき水を蒸発させるために燃料電池スタック３のカソード排気から熱を移すように適合されると共に、燃料入口ストリームと蒸気（すなわち蒸発させられた水）とを混合させるように適合される。好ましくは、熱伝達装置５は、水蒸発器（すなわちベーパライザ）６を含み、該水蒸発器は、カソード排気ストリームからの熱を用いて水を蒸発させるように適合される。蒸発器６は、燃料電池スタック３のカソード排気出口９に連動的に接続された第１入力部７と、水源１３に連動的に接続された第２入力部１１と、スタック３の燃料入口１７に連動的に接続された第１出力部１５とを含む。熱伝達装置５はまた、燃料−蒸気混合器８を含み、混合器８は、図３に示すように、導管１０を通って蒸発器６の第１出力部１５から混合器８に供給される蒸気もしくは水蒸気と、燃料入口１９から供給されるメタンもしくは天然ガス等の入力燃料とを混合する。
【００３４】
用語「連動的に接続され（operatively connected）」は、連動的に接続された複数構成要素が互いに直接的に又は間接的に接続され得ることを意味する。例えば、二つの構成要素が、流体（すなわち気体及び／又は液体）導管によって互いに直接的に接続され得る。あるいは、二つの（第１及び第２）構成要素は、流体ストリームが該システムの一又は複数の追加の構成要素を通って該第１構成要素と該第２構成要素との間を通過するように、互いに間接的に接続され得る。
【００３５】
システム１はまた、好ましくは改質器２１及び燃焼器２３を含む。改質器２１は、炭化水素燃料を、水素含有反応生成物へと改質するように適合されると共に、該反応生成物を燃料電池スタック３へと供給するように適合される。燃焼器２３は、好ましくは、改質器２１に熱を供給するために改質器２１と熱的に一体化される。燃料電池スタック３のカソード排気出口９は、好ましくは、燃焼器２３の入口２５に連動的に接続される。更に、炭化水素燃料源２７も燃焼器２３の入口２５に連動的に接続される。
【００３６】
炭化水素燃料改質器２１は、炭素含有及び自由水素含有燃料を形成するために炭化水素燃料を部分的に又は全体的に改質することができるどのような適切な装置であってもよい。例えば、燃料改質器２１は、自由水素と炭素含有ガスとからなるガス混合物へと炭化水素ガスを改質することができるどのような適切な装置であってもよい。例えば、燃料改質器２１は、天然ガス等の加湿されたバイオガスを改質して、自由水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気を形成し得ると共に、随意的に、蒸気メタン改質（ＳＭＲ）反応による未（非）改質バイオガスの残量を形成し得る。自由水素及び一酸化炭素は、次いで、燃料電池スタック３の燃料入口１７へと供給される。好ましくは、燃料改質器２１は、改質器２１内の吸熱反応を支援し、またスタック３を冷却するため、燃料電池スタック３と熱的に一体化される。この文脈における用語「熱的に一体化され（thermally integrated）」は、燃料電池スタック３における反応からの熱が、燃料改質器２１における正味吸熱性燃料改質を推進することを意味する。燃料改質器２１は、該改質器及び燃料電池スタック３を同じホットボックス（熱軸箱）３７内に及び／又は互いに熱的接触するように配置することにより、又は、該スタックを該改質器に接続する熱導管もしくは熱伝導材料を設けることにより、燃料電池スタック３と熱的に一体化され得る。
【００３７】
燃焼器２３は、定常状態稼働中においてＳＭＲ反応を行うために補助的な熱を改質器２１に供給する。燃焼器２３は、改質器２１と熱的に一体化されるどのような適切なバーナーであってもよい。燃焼器２３は、入口２５を通じて、天然ガス等の炭化水素燃料と、スタック３のカソード排気ストリーム等の酸化剤（すなわち、空気もしくは酸素含有ガス）とを受け入れる。しかしながら、カソード排気ストリーム以外に他の酸化剤源が燃焼器に供給され得る。燃料及びカソード排気ストリーム（すなわちホット空気）は、燃焼器内で燃焼され、改質器２１を加熱するための熱を発生させる。燃焼室出口２６は、燃焼された燃料成分と混合されたカソード排気を燃焼器から熱伝達装置５へと供給するため、熱伝達装置５の入口７に連動的に接続される。図示のシステム１は、熱伝達装置５において燃焼器を通過したカソード排気流を利用するが、あるシステムでは、熱伝達装置５において燃焼器を通過していないカソード排気流を利用することが望ましいかもしれない。
【００３８】
好ましくは、改質器２１に対する補助熱は、該改質器の（ちょうど始動中ではなく）定常状態稼働中に稼働している燃焼器から、及び、スタック３のカソード排気ストリーム（すなわち空気）から供給される。更に好ましくは、燃焼器２３は改質器２１と直接接触し、また、スタック３のカソード排気は、追加の熱伝達を促進するため、カソード排気ストリームが改質器２１と接触するか、及び／又は改質器２１の周囲を回るように（改質器２１を巻くように）設定される。これは、ＳＭＲに対する燃焼熱要求を低下させる。
【００３９】
好ましくは、改質器２１は、熱伝達を支援するために燃焼器２３と一又は複数のスタック３との間に挟まれる。改質器が熱を全く必要としない場合、燃焼器ユニットは熱交換器として機能する。従って、同じ燃焼器２３が、システム１の始動運転及び定常状態運転の両方で使用され得る。
【００４０】
システム１はまた、燃料予熱熱交換器（すなわちアノード復熱装置）２９を含み、該熱交換器は、スタック３のアノード排気出口３１から出る燃料電池スタック３のアノード排気ストリームからの熱を用いて燃料入口ストリームを加熱するように適合される。システム１は、カソード復熱装置熱交換器３３を更に含み、該熱交換器は、スタック３のカソード排気出口９を出るカソード排気ストリームからの熱を用いて、空気ブロワ３５からの空気入口ストリームを加熱するように適合される。好ましくは、燃焼器２３の出口２６からの燃焼された燃料成分と混合されたカソード排気ストリームは、空気入口ストリームを加熱するためにカソード復熱装置３３に供給される。燃焼された燃料成分と混合されたカソード排気ストリームは、次に、熱伝達装置５の蒸発器６に供給され、水を蒸気へと蒸発させ、該蒸気は、次いで、改質器２１へと向かう燃料入口ストリームに供給される。
【００４１】
好ましくは、燃料電池スタック３、改質器２１、燃焼器２３、燃料予熱熱交換器２９及びカソード復熱熱交換器３３は、ホットボックス３７内に配置される。好ましくは、カソード復熱熱交換器３３は、熱交換器３３を出るカソード排気ストリームの温度が、カソード排気ストリームからの熱の移動を介して熱伝達装置５が水を蒸気へと蒸発させることを可能するのに十分に高いことを保証するため、意図的に小型にされる。例えば、非常に好ましい一実施形態において、カソード復熱熱交換器は、カソード排気ストリームが少なくとも２００℃、例えば約２１０℃等の２００℃〜２３０℃といった温度でカソード復熱熱交換器を出るように、好ましくは、規定の（あらかじめ定められた）大きさよりも小さい大きさを有する。この非常に好ましい実施形態において、カソード排気ストリームは、少なくとも８００℃、例えば約８２０℃等の約８００℃〜約８５０℃といった温度でカソード復熱熱交換器３３に入り得る。カソード復熱熱交換器３３は、この非常に好ましい実施形態のために、約１０〜１２ｋＷ、例えば約１１ｋＷ等の変換率を有するように意図的に小型にされる。対照的に、非常に好ましい実施形態のための普通の大きさの熱交換器は、約１６ｋＷの交換率を有し得る。非常に好ましい一実施形態に対して特定の温度及び熱交換率が記述されたが、出口及び入口温度及び熱交換率は、各特定用途の特定のパラメータに非常に依存することが理解されるべきである。従って、特許請求の範囲に特に記載されない限り、特定の出口及び入口温度又は熱交換率に対する限定は全く企図されないことが理解されるべきである。
【００４２】
システム１はまた、好ましくは空気予熱熱交換器３９を含み、該熱交換器は、スタックアノード出口３１から出るアノード排気ストリームからの熱を用いて、空気ブロワ３５からの空気入口ストリームを予熱するように適合される。好ましくは、空気ブロワは、空気入口ストリームをシステム１内に供給し、該空気入口ストリームは、電気を発生させるために燃料電池スタック３に必要な空気の少なくとも２．５倍、例えば２．５〜６．５倍、好ましくは３〜４．５倍の量の空気からなる。例えば、ブロワ３５は、空気入口ストリームを約５０℃まで予熱し得る。わずかに予熱された入口空気ストリームは、次に、ブロワから空気予熱熱交換器３９へと供給され、ここで、該ストリームは、約１００℃〜約１５０℃まで、例えば約１４０℃等まで予熱される。この予熱された空気入口ストリームは、次いで、約１００℃〜約１５０℃でカソード復熱熱交換器３３に入り、該熱交換器３３を約７００℃〜約７５０℃、例えば約７２０℃で出る。予熱された空気入口ストリームは、カソード復熱熱交換器３３に室温より高い温度で入るので、カソード排気ストリームは、熱交換器３３を２００℃を上回る温度で出ることができる。従って、空気予熱熱交換器３９は、小型のカソード復熱熱交換器３３の使用を許容するのに十分に空気入口ストリームを予熱し、これは、システム全体の製造コストを削減する。
【００４３】
空気入口ストリームが最初に空気予熱器３９においてアノード排気ストリームによって加熱され、その後、カソード復熱装置３３においてカソード排気ストリームによって加熱されるように、好ましくは、空気予熱器３９は、ホットボックス３７の外部でかつカソード復熱装置３３の上流に配置される。従って、スタック３のカソード入口４１に供給される空気入口ストリームは、スタック３からのアノード排気ストリーム及びカソード排気ストリームの両方によって加熱される。
【００４４】
システム１は、水ガスシフト反応器４３を随意的に含み、該反応器は、燃料電池スタックアノード排気ストリーム中の水蒸気の少なくとも一部を自由水素に変換するように適合される。従って、反応器４３の入口４５は、スタックアノード出口３１に連動的に接続され、また、反応器４３の出口４７は、空気予熱器３９の入口４９に連動的に接続される。水−ガスシフト反応器４３は、燃料電池スタック３の燃料排気出口３１を出る水の少なくとも一部を自由水素へと変換するどのような適切な装置であってもよい。例えば、反応器４３は、アノード排気ストリーム中の一酸化炭素及び水蒸気の一部又は全部を二酸化炭素及び水素へと変換する触媒を含有する管もしくは導管を備え得る。該触媒は、酸化鉄もしくはクロム促進（添加）酸化鉄触媒（chromium promoted iron oxide catalyst)等の適切な触媒であり得る。
【００４５】
システム１はまた、凝縮器５１を随意的に含み、該凝縮器５１は、好ましくは、ヒートシンクとして周囲空気流を用いてアノード排気ストリーム中の水蒸気を液体水へと凝縮するように適合される。システム１はまた、アノード排気ストリームが凝縮器５１を通過した後にアノード排気ストリームから水素を回収するように適合された水素回収システム５３を随意的に含む。該水素回収システムは、例えば、圧力スイング吸着システム又は別の適切なガス分離システムであり得る。好ましくは、空気予熱器３９は、凝縮器５１の負荷を低減するためにアノード排気ストリームが凝縮器５１に入る前にアノード排気ストリーム中の水蒸気を部分的に凝縮させる。従って、空気予熱器３９の出口５５は、凝縮器５１の入口５７に連動的に接続される。凝縮器５１の第１出口５９は、水から分離された水素及び他のガスを水素回収システム５３へと供給する。凝縮器５１の第２出口６１は、随意の水浄化システム６３へと水を供給する。浄化システム６３からの水は、入口１１を通じて熱伝達装置５の一部を備えた蒸発器６に供給される。
【００４６】
システム１はまた、燃料源２７からの燃料入口ストリームの通路に配置される脱硫器６５を随意的に含む。脱硫器６５は、燃料入口ストリームから硫黄の一部もしくは全部を除去する。脱硫器６５は、好ましくは、水素化硫黄含有天然ガスからＣＨ4及びＨ2Ｓガスを生成するＣｏ−Ｍｏ触媒又は他の適切な触媒等の触媒と、燃料入口ストリームからＨ2Ｓガスを除去するためのＺｎＯ又は他の適切な材料等の吸着剤床とを備えている。従って、硫黄が無いかもしくは硫黄が減らされた、メタンもしくは天然ガス等の炭化水素燃料が脱硫器６５を出る。
【００４７】
本発明の好ましい実施形態に従うシステム１を稼働する方法が図２及び３を参照して記述される。
【００４８】
空気入口ストリームは、空気ブロワ３５から導管１０１を通って空気予熱器３９に供給される。空気入口ストリームは、水−ガスシフト反応器４３から来るアノード排気ストリームと熱交換することにより、空気予熱器３９内で予熱される。予熱された空気入口ストリームは、次に、導管１０３を通ってカソード復熱装置３３に供給され、ここで、該空気入口ストリームは、カソード排気ストリームと熱交換することによって、より高い温度まで加熱される。該空気入口ストリームは、次いで、導管１０５を通ってスタック３のカソード入口４１へと供給される。
【００４９】
該空気は、次に、スタック３のカソード出口９からカソード排気ストリームとして出る。該カソード排気ストリームは、導管１０７及び入口２５を通って、改質器２１の周囲を巻くように回り、燃焼器２３の燃焼域に入る。脱硫された天然ガスもしくは別の炭化水素燃料も、追加の加熱のため、燃料入口２７から導管１０９を通って燃焼器２３の入口２５に供給される。燃焼器２３からの排気ストリーム（すなわちカソード排気ストリーム）は、次いで、導管１１１を通ってカソード復熱装置３３に入り、ここで、入ってくる空気と熱交換する。
【００５０】
カソード排気ストリームは、次に、導管１１３を通って熱伝達装置５の蒸発器６に供給される。カソード排気ストリームに残った熱は、次いで、排気導管１１５を通って排出する前に、蒸気メタン改質のための水の蒸発のために蒸発器６内で抽出される。
【００５１】
燃料側において炭化水素燃料入口ストリームは、ガスタンクもしくは弁付き天然ガス管等の燃料源２７から脱硫器６５に入る。脱硫された燃料入口ストリーム（すなわち脱硫天然ガス）は、次に、導管１１７を通って熱伝達装置５の燃料混合器８に入る。混合器８内において、燃料は、蒸発器６からの浄化された蒸気と混合される。
【００５２】
蒸気／燃料混合物は、次いで、導管１１９を通って燃料予熱器２９に供給される。蒸気／燃料混合物は、次に、導管１２１を通って改質器に入る前にアノード排気ストリームとの熱交換によって加熱される。リフォーメートは、次に、導管１２３を通って改質器２１からスタック３のアノード入口１７に入る。
【００５３】
スタックのアノード排気ストリームは、アノード出口３１を出て、導管１２５を通って燃料予熱器２９に供給され、ここで、入ってくる燃料／蒸気混合物を加熱する。ホットボックス３７からのアノード排気ストリームは、次に、導管１２７を通って水ガスシフト反応器４３に入る。反応器４３からのアノード排気ストリームは、次いで、導管１２９を通って空気予熱器３９に供給され、ここで、空気入口ストリームと熱交換する。アノード排気ストリームは、次に、導管１３１を通って凝縮器５１に供給され、ここで、水がアノード排気ストリームから除去されて再利用もしくは廃棄される。例えば、該水は、導管１３３を通って水清浄器６３に供給され得、ここから、導管１３５を通って蒸発器に供給され得る。あるいは、水は、送水管等の水入口１３７を通って清浄器６３に供給され得る。水素リッチアノード排気は、次に、凝縮器５１から導管１３９を通って水素浄化システム５３に供給され、ここで、水素は、該ストリーム中の他のガスから分離される。該他のガスは、パージ導管１４１を通ってパージされ、他方、水素は、他の利用もしくは貯蔵のために導管１４３を通って供給される。
【００５４】
従って、上述したように、システム１における流体ストリームは、いくつかの異なる位置で熱交換する。カソード排気ストリームは、蒸気メタン改質器２１の周囲を回るようにされ、改質に必要な吸熱反応の熱を供給する。次いで、改質のための全体的な熱要求を満たすため、天然ガスもしくは他の炭化水素燃料が、燃焼器２３を通過するカソード排気ストリームに必要に応じて直接加えられる。燃焼器２３を出る高温排気（カソード排気ストリーム及び燃焼された燃料成分を含み、「カソード排気ストリーム」と称される）からの熱は、カソード復熱装置３３において、入ってくるカソード空気（すなわち空気入口ストリーム）に回収される。燃料電池スタック３のアノード側を出るアノード排気ストリームからの熱は、最初に、燃料予熱器２９において、入ってくるアノード供給物（すなわち燃料入口ストリーム）に回収され、次いで、空気予熱器３９において、入ってくるカソード供給物（すなわち空気入口ストリーム）に回収される。
【００５５】
好ましくは、空気ブロワ３５から燃料電池スタック３に供給される空気は、スタックを冷却するため、及び、スタックによって作り出された熱を取り去るため、燃料電池反応に必要な化学量論的量（理論量）を超えて供給される。空気流対化学量論的量の典型的な比率は４を上回り、例えば４．５〜６等、好ましくは約５である。これは、アノードガス（すなわち燃料）よりも実質上高いカソード空気の質量流量につながる。従って、カソード排気ストリームが空気入口ストリームを加熱するだけなら、カソード排気ストリームと空気入口ストリームとの間で移される熱の量は、アノード排気ストリームと燃料入口ストリームとの間で移される熱の量よりも一般に約３倍分だけはっきりと高い。
【００５６】
本発明者は、カソード排気ストリームから回収される熱の全部を入ってくる空気へと直接移す代わりに、システム１が、カソード排気ストリームの熱の一部のみを入ってくる空気入口ストリームに移して、利用可能なカソード排気ストリームの熱の残りを、蒸発器６内における水の完全な蒸発のために使用することを発見した。
【００５７】
従って、空気入口ストリームは、適切な燃料電池温度まで加熱される前に、空気予熱器３９においてアノード排気ストリームにより予熱される。この予熱は、空気入口ストリームがカソード復熱装置３３に入る際に十分に高い温度を有することを保証し、復熱装置３３が、空気入口ストリームの温度を適切な燃料電池温度まで上げることができる点を確実にする。
【００５８】
図４及び５は、一分析実施形態の場合の、蒸発器６（すなわち水蒸気器）及び空気予熱器３９それぞれでの流体温度対移った熱のグラフを示す。図４及び５のグラフから理解され得るように、図１に示される熱力学的クロスオーバー（交差）は除去される。これは、追加の燃料を消費する湿気交換器もしくは追加のヒーターの必要性を取り除く。
【００５９】
熱交換器において、「温度アプローチ（温度接近）」は、熱交換器内のいずれかの位置における二つの流体ストリーム間の最小温度差として定義される。図４及び５から分かるように、両熱交換器（すなわち、蒸発器６及び空気予熱器３９）は、二相域が始める地点において、熱交換器のいずれの端部からも離れて位置する、非常に小さい温度アプローチを有する。各熱交換器において温度アプローチを最大にすることが有利である。その理由は、流体間の熱移動の速度（レートもしくは割合）が、該ストリーム間の局所的（局部）温度差が減少するにつれて低下し、必要な熱を移動させるためにより大きな熱交換器を必要することにつながるからである。
【００６０】
全カソード空気予熱の内のカソード復熱装置３３において生じる部分が低減されるなら、温度アプローチは蒸発器６において増長する。しかしながら、温度アプローチは空気予熱器３９において減少する。逆に、全カソード空気予熱の内のカソード復熱装置３３において生じる部分が増加するなら、温度アプローチは空気予熱器３９において増長する。しかしながら、温度アプローチは蒸発器６において減少する。蒸発器６及び空気予熱器３９の両方における温度アプローチを最大にするため、カソード復熱装置３３内において移されるべき、総カソード熱デューティの内のある最適な割合が存在する。
【００６１】
本発明者はまた、水を蒸発させるためにカソード排気ストリームを用いることにより、蒸発器６を出る蒸気における過熱量は、該蒸発器に入るカソード排気ストリームの温度及び質量流量に非常に影響され（反応し）やすいことを発見した。これは、図６から理解され得、該図は、結果として生じる加湿された天然ガスの温度におけるカソード排気ストリーム質量流の４．５％の増加の影響（インパクトもしくは効果）（蒸発器へのカソード排気ストリームの温度は変化しない）を示す。
【００６２】
このカソード排気ストリーム流量のわずかな増加のために、燃料予熱器２９に入る加湿された天然ガスの温度は、２８℃だけ高まることが分かる。この温度の上昇は、燃料予熱器を出るより高いアノード排気ストリーム温度を結果としてもたらし、続いて、水ガスシフト反応器４３を出ると共に空気予熱器３９に入るより高い（アノード排気ストリーム）温度をもたらす。これは、次に、カソード空気予熱の増加につながり、これは、蒸発器６に入るカソード排気ストリームの温度を上昇させる傾向にあり、これにより、問題を悪化させる。入口空気流量が制御されない限り、加湿された天然ガスの温度は徐々に上昇し続け、システム安定性の問題をもたらす。従って、カソード空気（すなわち入口空気）の流量は、これがシステム１を制御する主要な手段の一つであるため、制御される必要がある。
【００６３】
好ましい第２実施形態において、蒸発器６を通じてカソード排気流量を制御するために、（該カソード排気バイパスを通って）カソード排気ストリームのほんの一部が進路を変更され得る、調整可能なカソード排気バイパスを蒸発器６の周囲に有することにより、上述した潜在的な安定性の問題は低減もしくは除去され得る。この解決策は、流体流量の能動（アクティブ）制御を使用する。
【００６４】
好ましい第３実施形態において、上述した潜在的な安定性の問題を低減もしくは除去するために、追加の監視及び制御の必要性を伴うことなく、受動的なアプローチが使用される。発明者は、燃料予熱器２９に入る加湿された天然ガスの温度が、温度ピンチ（温度の切り詰めもしくは締め付け（a temperature pinch））を通じて蒸発器における過熱の増長の可能性を制限することにより、カソード排気ストリームの流量及び／又は温度の変化に比較的影響を受けにくいようになされ得ることを発見した。
【００６５】
図７は、上記好ましい第３実施形態のシステムの熱交換器部分を例示する。該好ましい第３実施形態のシステムの他の部分は、図２及び３に示した好ましい第１実施形態のものと同様である。
【００６６】
図７に示すように、蒸発器６を通る水流の方向は、蒸発器６を通るカソード排気ストリームの流れと、向流ではなく並流（並行）である。蒸発器６における温度アプローチを二相流領域の始まりに配置させるのでななく、これが、蒸発器６の熱伝達領域の端部に移され、ここで、温度アプローチは、ゼロもしくはほぼゼロに近い値へと「ピンチ（pinch）」する（切り詰めもしくは締め付ける。）。この地点の後、該両ストリーム間の熱伝達は全く生じず、また、該二流体は、共通の温度でもしくはこれに近い温度で出る。カソード排気ストリームの流量は、カソード排気ストリームの熱容量が、水における完全蒸気性（完全蒸気品質（full vapor quality））を実現するのに十分であることを保証するため、わずかに増やされる必要があり得る。該水（すなわち蒸気）は、次いで、いくらかの過熱量を有して蒸発器６を出る。蒸発器６を出るカソード排気ストリームは、次に、第２燃料予熱器６７において天然ガス等の燃料を予熱するために用いられ得る。カソード排気ストリームに比べて燃料入口ストリームが非常に低い流量を有するので、１００％の実効（有効）熱伝達を達成すること、及び、蒸発器を出る水蒸気及びカソード排気ストリームと同じ温度まで燃料入口ストリームを予熱することは、かなり容易である。
【００６７】
従って、図７に示すように、好ましい第３実施形態のシステムはまた、第２燃料予熱器６７を含む。燃料予熱器６７は、燃料電池スタック３のカソード排気出口９に連動的に接続された第１入力部６９と、燃料源２７に連動的に接続された第２入力部７１と、燃料入口導管１７に連動的に接続された第１出力部７３とを含む。第２燃料予熱器６７は、燃料電池スタックのカソード排気ストリームから燃料電池スタック３に供給されている燃料入口ストリームへと熱を移すように適合される。好ましい第３実施形態における蒸発器６は、カソード排気ストリーム及び水が同じ方向に流れるようになされる並流すなわち「共通（共同）流（co-flow）」蒸発器を備え、また、該蒸発器の出力部は、カソード排気ストリームが蒸発器６から第２燃料予熱器６７へと流れるように、燃料予熱器６７の入口に連動的に接続される。
【００６８】
従って、水及びカソード排気ストリームは、好ましくは、蒸発器の同じ側に供給され、互いに並行に流れる。水は、蒸発器６において蒸気に変換され、蒸気／燃料混合器８に供給される。カソード排気ストリームは、蒸発器から第２燃料予熱熱交換器６７に供給され、ここで、入口燃料流を加熱し、該入口燃料流は、次いで、混合器８及び第１燃料予熱熱交換器（アノード復熱装置２９）を通ってスタック３に供給される。
【００６９】
好ましい第３実施形態のシステムは、カソード排気ストリームの温度及び質量流における変化に対して実質上影響を受けない。図８は、一分析実施形態では、アノード復熱装置（すなわち第１燃料予熱器）２９に入る加湿された天然ガスの温度が、好ましい第３実施形態のシステムにおけるカソード排気ストリーム質量流の６．８％の増加のため、７℃未満だけ高まることを示す。このような小さい温度上昇は、上述した温度の徐々の上昇を引き起こさないであろうし、そのため、入口空気及び／又はカソード排気ストリーム流の能動的制御を必要とすることなくシステムの安定性をもたらす。
【００７０】
従って、本発明の上記好ましい実施形態において、水はカソード排気ストリームからの熱を用いて蒸発させられる。空気熱交換器（すなわちカソード復熱装置）は、該ホットストリームが少なくとも２００℃、例えば２００℃〜２３０℃等の高温で該熱交換器を出るように（平均よりも）小型とされる。空気は、蒸気メタン改質のために必要な水の蒸発のために十分な排熱を有するように、２．５以上の化学量論（理論量）で該システムに供給される。燃料電池スタックの発電に応じて、好ましくは２．５〜６．５倍、更に好ましくは３〜４．５倍の量の空気が燃料電池スタックに供給される。カソード復熱装置に入る入口空気は、カソード復熱装置にかかる負荷を低減するため、アノード排気ストリームを用いて空気予熱器において予熱される。アノード排気ストリームからの水は、アノード凝縮器の負荷を低減するため、空気予熱器において一部凝縮される。
【００７１】
図９を参照して、燃料加湿器５は、好ましくは、一体型組立体２００の形態で与えられる。該組立体は、単一の一体型ユニットとして、水蒸発器６と、燃料予熱器６７等の燃料加熱器もしくは燃料予熱器と、燃料／蒸気混合器８とを含む。混合器８は、水蒸発器６から蒸気を受け入れるために水蒸発器６に接続されると共に、燃料加熱器６７から加熱された燃料を受け入れるために燃料加熱器６７に接続される。水蒸発器６は、好ましくは水流路２０２を含み、水流路２０２は、図示のシステムにおいてカソード排気ガス流路である熱移送流体流路２０４と熱伝達関係にある。他方、燃料加熱器は、これもまた熱移送流体流路２０４と熱伝達関係にある燃料流路２０６を含み、熱移送流体流路２０４はまた、図示のシステムのためのカソード排気ガス流路２０４である。燃料／蒸気混合器８は、水流路２０２から蒸気を受け入れるために水流路２０２に接続されると共に、燃料流路２０６から加熱された燃料を受け入れるために燃料流路２０６に接続される。図９から分かるように、燃料予熱器６７は、好ましくは、熱移送流体流路２０４について（該路に対して）水蒸発器６の下流に配置される。しかしながら、ある用途において、燃料予熱器６７が熱移送流体流路２０４について水蒸発器６の上流に配置されることが望ましいかもしれない。
【００７２】
図１０を参照して、好ましい一実施形態において、水流路２０２は、好ましくは、複数の平行水流通路２１０を含み、燃料流路２０６は、複数の平行燃料流通路２１２を含み、また、熱移送流体流路２０４は、複数の平行熱移送流体流通路２１４を含む。熱移送流体流通路２１４は、水蒸発器６において水流通路２１０と交互配置され、また、燃料加熱器６７において燃料流通路２１２と交互配置される。図１０を更に参照して、燃料蒸気混合器８は、好ましくは、水流通路２１０及び燃料流通路２１２のすべてに接続されるマニホルド又はプレナム２１６の形態である。
【００７３】
各水流通路２１０は、液体圧力低下入口領域２２０を含むことが好ましく、該領域２２０は、全水流通路２１０に対する水流の適切な分配の保証を支援するため、水流通路２１０の残部２２２よりも大きい圧力低下を与える。しかしながら、領域２２０は好ましいが、ある用途において、水流通路２１０にそのような領域２２０が無いことが望ましいかもしれない。
【００７４】
各領域２２０が２２４で概略的に示される断熱層によって熱移送流体流路２０６から熱的に絶縁されることも好ましい。断熱層２２４は、圧力低下入口領域２２０への熱の伝導を減らすように働き、好ましくは、領域２２０における水流のいかなる蒸発をも防ぐかもしくは制限する。
【００７５】
図９及び１０の両方に示されるように、水流及び熱移送流体流は、一体型組立体２００を通じて並流関係を有し、この利点は既述しており、また、温度ピンチにより関連システムに安定性を与えること、及び、熱移送流体における流量の変化並びに温度変化に対して該システムが影響されにくくすることを含む。並流構成が好ましいが、ある用途において、流れが向流関係を与えるように配列されることが望ましいかもしれない。該向流関係は、ことによると、並流関係すなわちより高い加湿燃料出口温度と比べて、熱移送流体流に対してより低い流量及び／又は入口温度を許容し得る。
【００７６】
図１１は、一体型燃料加湿器組立体２００の好ましい一実施形態を示す。この実施形態は、いわゆる積重ね（積層／スタック）板構造を利用し、また、複数の熱移送流体板もしくはフレーム２３０と交互配置される複数の水／燃料板もしくはシート２２８を含む。各水／燃料板は、水流通路２１０の一つ及び燃料流通路２１２の一つを形成し、また、各熱移送流体板２３０は、熱移送流体通路２１４の一つを形成する。
【００７７】
各水／燃料板２２８は、水／燃料混合室２３２を更に含む。該混合室２３２は、通路２１０及び２１２からそれぞれ蒸気及び加熱された燃料を受け入れるため、該両通路に対して開放する。各熱移送流体板２３０はまた、水／燃料混合室２３４を含み、該混合室２３４は、熱移送流体流通路２１４から閉ざされる。室２３２及び２３４は、板２２８及び２３０のすべてを通じて延びる水／燃料混合プレナム２１６を形成するように整列される。
【００７８】
各水／燃料板２２８は、一組の熱移送流体バイパス開口２３８及び２４０を更に含む。該バイパス開口２３８及び２４０は、水／燃料板２２８において通路２１０及び２１２に対して閉じている。各板２２８における開口２３８及び２４０は、熱移送流体板２３０における熱移送流体流通路２１４の両端部とそれぞれ整列され、熱移送流体入口マニホルド２４２及び熱移送流体出口マニホルド２４４をそれぞれ形成する。これらマニホルドは、板２２８及び２３０のすべてを通じて延びて、熱移送流体を通路２１４内及び外にそれぞれ誘導する。
【００７９】
各水／燃料板２２８はまた、入口開口２４６を含み、該開口２４６は、互いに整列すると共に、各熱移送流体板２３０における水バイパス開口２５０と整列し、板２２８及び２３０のすべてを通じて延びる水入口マニホルド２５２を形成する。
【００８０】
各熱移送流体板は燃料バイパス開口２５４を含み、該開口２５４は、室２３２とは反対側で各水／燃料板２２８における燃料流通路２１２の端部と整列され、燃料入口プレナムもしくはマニホルド２５６を形成する。該マニホルド２５６は、板２２８及び２３０のすべてを通じて延び、各通路２１２に燃料を供給する。
【００８１】
組立体２００はまた、積重ね板構造として知られているように、それぞれの流通路を互いにシールするために各板２２８及び２３０間に交互配置される分離シート２６０を含む。各分離シート２６０は、開口２６２、２６４、２６８、２７０及び２７２を有し、これら開口は、室２３２及び２３４、バイパス開口２３８、バイパス開口２４０、水入口開口２４６及びバイパス開口２５０、及び燃料バイパス開口２５４とそれぞれ整列されて対応する。
【００８２】
組立体２００はまた、一組の端板２８０及び２８２を含み、該端板は、板２２８及び２３０とシート２６０を挟み、組立体２００を液密態様でシールする。端板２８０は、熱移送流体入口継手もしくはポート２８４を含み、該ポート２８４は、熱移送流体入口マニホルド２４２と整列されて、ここに熱移送流体を誘導する。端板２８０はまた、加湿燃料出口継手もしくはポート２８６を含み、ポート２８６は、開口とは反対側で、通路２１０及び２１２に対する開口とは反対側における水／燃料混合プレナム２１６の端部で該プレナム２１６と整列されて、プレナム２１６から加湿された燃料を誘導する。端板２８２は、水入口継手もしくはポート２８８を含み、該ポート２８８は、水流を水マニホルド２５２へと供給するために該マニホルド２５２と整列される。端板２８２はまた、燃料入口継手もしくはポート２９０を含み、該ポート２９０は、燃料流を燃料マニホルド２５６へと供給するために該マニホルド２５６と整列される。端板２８２は更に、熱移送流体出口継手もしくはポート２９２を含み、該ポート２９２は、熱移送流体を出口マニホルド２４４から誘導するために該マニホルド２４４と整列される。
【００８３】
図１２から最も良く分かるように、通路２１０は、水入口開口２４６から水／燃料混合室２３２へと延びる連続的なスロットによって形成され、該スロットは、板２２８の両面に対して開放している。同様に、燃料通路２１２は、燃料入口マニホルド２５６から水／燃料混合室２３２へと延びる連続的なスロットによって形成され、該スロットもまた、水／燃料板２２８の両面に開放している。両図１１及び１２を参照して、通路２１０の減圧領域２２０は、比較的狭いスロット幅の密なサーペンタイン（蛇行）パターンで形成されるスロットの一部によって形成され、これは、曲がりくねった（蛇行）流路を共に提供する。水通路２１０は、スロットのより開放した領域へと続き、ここで水の蒸発が生じる。この点に関して、圧力低下領域２２０に隣接するスロットの初期長（最初の長さ部分）は、水流が圧力低下領域２２０から流通路２１０の残部２２２へと移動する際の該水流の分離を避けるため、狭まった幅を有する。通路２１０は、室２３２へと延びる際に更に広くなる。
【００８４】
図１２に最も良く示されるように、各水／燃料板２２８はまた、スリットもしくはスロット３００の形態の断熱層２２４を含む。該スロット３００は、圧力低下領域２２０と水流通路２１０の残部２２２との間において圧力低下入口領域２２０の全長にわたって延びる。図１１に見られるように、各熱移送流体板２３０は、対応するスリットもしくはスロット３０２を含み、各分離シート２６０は、対応するスリットもしくはスロット３０４を含み、また、各端板２８２は、対応するスリットもしくはスロット３０６を含む。全スリット３００、３０２、３０４、３０６は、スタック全体にわたって整列され、該スタックを通じて延び、かつ大気に開放するプレナム３０８を形成する。既述したように、断熱層２２４は、圧力低下入口領域２２０への熱の伝導を最小化するように働き、好ましくは、水流が圧力低下領域２２０において液相のままであることを保証するため、圧力低下領域２２０における水流のいかなる蒸発をも防ぐかもしくは制限する。これは次の理由で望ましい。すなわち、水が蒸発することを許容された場合、圧力低下入口領域２２０の細い通路において高い圧力低下が作り出され得、かつ該圧力低下が優勢となり得るためである。断熱層２２４は好ましいが、ある用途において、組立体２００に断熱層２２４を有しないことが望ましいかもしれない。
【００８５】
図１１及び１２の両方から分かるように、流路２１０は、通路２１４における熱移送流体流と全体的に並流関係にて水流を誘導するが、水路２１４における熱移送流体流に対して局所的に交差流を与えるようにサーペンタイン構造で形成される。これにより、望ましい並流関係を依然として与えながら、水への熱伝達を高める。
【００８６】
好ましくは、各流通路２１４は拡張された面を含み、これらは、図示の実施形態において、フィンもしくは撹拌器インサート３１０の形態で示される。該フィンもしくは撹拌器インサートについては、多くの適切な種類のものが知られている。拡張面は流通路２１０及び２１２内にも設けられ得るが、図示の実施形態には示されない。
【００８７】
図１３を参照すれば、水／燃料板組３１２が、水流通路２１０を形成するための別の一実施形態を例示するために示される。板組３１２の各板３１４、３１６は、複数の個別的なスロット３１８を含み、これらスロットは、水流通路２１０を形成するため、向かい合う板における対応する個別的なスロット３１８部分の上に重なるように配置される。水は、水／燃料混合器８へと流入するまで、板３１４、３１６の一方のスロット３１８の一つから、他方の板３１４、３１６の対応するスロット３１８へと流れ、次いで、上記対応するスロット３１８から最初の板３１４、３１６における第２の対応するスロット３１８へと戻る等する。この実施形態における圧力低下領域２２０は、スロット３１８群の内の比較的狭い幅で長さが短い多数のスロットによって形成され、これにより、流れ方向の多数の変化を必要とし、また、曲がりくねった流路を与える。図１３の特定のスロット配列では、水流通路２１０は、三つの平行脚部３２０に分けられるが、このような構成は随意的であり、各用途の要求に非常に依存することが理解されるべきである。また、適切な形状及び寸法の複数の板組３１２が、図１１及び１２に示す実施形態における水／燃料板２２８に置き換えられ得ることも認識されるべきである。
【００８８】
図１１〜１３に関連して組立体２００のための二つの好ましい実施形態が例示され記述されたが、例えば、板及びバー型構造、延伸（深絞り加工した）カップ構造、入れ子（ネスト）構造、個別的な熱伝達管を組み込む構造等を含むどのような適切な熱交換器構造も組立体２００を形成するために利用され得ることが理解されるべきである。使用される熱交換器構造の特定のタイプは、一体型加湿器組立体２００が使用されるシステムの特定の要求に非常に依存することも認識されるべきである。この点に関して、一体型燃料加湿器組立体２００は、燃料電池システム１と関連して本明細書中に記述されたが、該一体型燃料加湿器組立体は、他の多くのタイプのシステムにおいて使用を見出し得、特許請求の範囲に明確に記載されない限り、燃料電池システムに対する限定を全く企図していない点が理解されるべきである。
【００８９】
一体型組立体２００は、特定用途のためにいかなる適切な材料を利用しても製造され得るが、燃料電池システム１に使用される場合、シート２６０及び板２２８、２３０、２８０及び２８２は、ステンレス鋼もしくは別の適切な耐食合金から形成されることが好ましく、また、別の適切な耐食鑞付け合金を用いてニッケル鑞付けもしくは鑞付けされることが好ましい。
【００９０】
本発明の以上の記述は例示及び説明の目的で提供された。開示された正確な形態に対して完全であることもしくは本発明を限定することは全く企図されない。また、変更及び変形が上記教示に照らしてあり得、又は、変更及び変形が本発明の実施から要求され得る。上記記述は、本発明の原理及び実際的用途を説明するために選択された。本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によって定義されることが企図される。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】比較例のシステムにおける流体流に対する温度対熱のグラフである。
【図２】本発明の好ましい第１実施形態に従う燃料電池システムの概略図であり、システム構成要素及び流れ図である。
【図３】本発明の好ましい第１実施形態に従う燃料電池システムの概略図であり、燃料電池システムのための熱交換器ネットワークの概略を示す。
【図４】本発明の好ましい実施形態のシステムにおけるいろいろな流体流に対する温度対熱のグラフである。
【図５】本発明の好ましい実施形態のシステムにおけるいろいろな流体流に対する温度対熱のグラフである。
【図６】本発明の好ましい実施形態のシステムにおけるいろいろな流体流に対する温度対熱のグラフである。
【図７】本発明の好ましい第３実施形態の燃料電池システムのための熱交換器ネットワークの概略図を示す。
【図８】本発明の好ましい実施形態のシステムにおけるいろいろな流体流に対する温度対熱のグラフである。
【図９】本発明の一体型燃料加湿器組立体のいくぶん概略的な図を示す。
【図１０】図９の組立体の流路を例示するいくぶん概略的な図である。
【図１１】図９の組立体の一実施形態の一部分解斜視図である。
【図１２】図１１の組立体の熱交換器板の平面図である。
【図１３】図９の組立体の一実施形態に使用するための熱交換器板組の一部分解斜視図である。
【符号の説明】
【００９２】
１  燃料電池システム
３  高温燃料電池スタック
５  熱伝達装置
６  水蒸発器
８  燃料−蒸気混合器
２１  改質器
２３  燃焼器
２９  燃料予熱熱交換器（アノード復熱装置）
３３  カソード復熱装置熱交換器
３７  ホットボックス
３９  空気予熱熱交換器
４３  水ガスシフト反応器
５１  凝縮器
６７  第２燃料予熱器
【図１】
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【図２】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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