(57)【要約】  スタック内改質化のために構成された燃料電池に供給される改質物及び非改質された炭化水素燃料の体積比を制御するための燃料電池システム及び方法が提供される。前記システムは、改質器に供給される炭化水素燃料の炭化水素の水準よりそれぞれ若干低い炭化水素の水準を有する燃料ストリーム及び完全に平衡化された燃料ストリームを提供する複数の高スチーム改質化活性チャンネル及び低スチーム改質化活性チャンネルを有する改質器を含む。前記燃料ストリームは、燃料スタックに炭素形成を減少させるか抑制しながらスタック内改質化を提供するために燃料電池に混合して供給されてもよい。  【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素燃料供給源；
前記炭化水素燃料を収容して、前記炭化水素燃料の少なくとも一部を改質物に転換させるためのスチーム改質器；及び、
非改質された炭化水素燃料のスタック内改質化のために構成され、前記改質物及び非改質された炭化水素燃料の混合物を収容するためのアノード入口を有する燃料電池スタックを備えてなる、燃料電池システムにおける、
前記混合物内の前記改質物及び非改質された炭化水素燃料の体積比を制御する方法であって、
完全に平衡化された改質混合物を含む燃料ストリームを排出する改質器内の複数の高スチーム改質化活性チャンネルで前記炭化水素燃料の一部を改質するステップ；
前記炭化水素燃料でより、わずかに低い炭化水素の水準を有する燃料ストリームを排出する改質器内の複数の低スチーム改質化活性チャンネルで前記炭化水素燃料の一部を改質するステップ；  
前記高スチーム改質化活性チャンネル及び低スチーム改質化活性チャンネルから排出された燃料ストリームを混合して、前記混合物を前記燃料電池スタックの前記アノード入口に提供するステップ；及び、
低スチーム反応性チャンネル数に対する高スチーム改質化活性チャンネル数及び前記チャンネルの活性水準を選択して、前記混合物中の改質物及び非改質された炭化水素燃料の体積比を制御するステップを含んでなる、方法。
【請求項２】
前記燃料電池スタックからのカソード排気ガスの少なくとも一部を前記改質器の複数のチャンネルに向けるようにすることで、前記高及び低スチーム改質化活性チャンネル内の燃料に熱を提供するステップを含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
燃料電池スタック内の炭化水素燃料の内部改質化のために構成された燃料電池システムにおける、作動方法であって、
前記システムに炭化水素燃料を供給するステップ；
前記炭化水素燃料の一部をスチーム改質器内の複数の高スチーム改質化活性チャンネルに供給して、支配的な工程条件で、完全に平衡化された改質混合物を含む燃料ストリームを提供するステップ；
前記炭化水素燃料の一部をスチーム改質器内の複数の低スチーム改質化活性チャンネルに供給して、前記炭化水素燃料でより、わずかに低い炭化水素の水準を有する燃料を提供するステップ；
前記高スチーム改質化活性チャンネル及び前記低スチーム改質化活性チャンネルによって提供される燃料を組み合わせるステップ；及び、
前記組み合わされた燃料を前記燃料電池スタックのアノード入口に供給するステップ、を含んでなる、作動方法。
【請求項４】
前記燃料電池スタックのカソード排気ガスから供給されるガスから熱を伝達することで、前記高スチーム改質化活性チャンネル及び前記低スチーム改質化活性チャンネル内の燃料を加熱するステップをさらに含んでなる、請求項３に記載の作動方法。
【請求項５】
燃料電池システムであって、
炭化水素燃料の内部改質化のために構成された燃料電池スタック、
前記燃料電池スタックが、
アノード入口及びアノード排気口と流体連通するアノード部分、及び、
カソード入口及びカソード排気口と流体連通するカソード部分を含む燃料電池スタック；を備えてなり、
炭化水素燃料供給源；
炭化水素燃料を改質物に転換させるための改質器ユニット；
前記改質器ユニットが、
通す炭化水素燃料の第１の割合を改質物に転換させるように構成された１つ以上の高改質化活性低温側チャンネル、及び、
通す炭化水素燃料の第２の割合を改質物に転換させるように構成された１つ以上の低改質化活性低温側チャンネルであって、前記第２の割合が前記第１の割合より低い、１つ以上の低改質化活性低温側チャンネル、を備えてなり、
前記燃料供給源及び前記高改質化活性及び低改質化活性低温側チャンネルと流体連通する燃料供給導管；
前記高改質化活性及び低改質化活性低温側チャンネル及び前記アノード入口と流体連通する燃料排出導管であって、このとき、前記燃料排出導管が前記低温側チャンネルから排出された燃料を前記燃料電池スタックの前記アノード入口に供給するように構成された、燃料排出導管；
前記改質化ユニットを通すガス通路を提供するように構成された１つ以上の高温側チャンネルであって、このとき、前記ガスが前記低温側チャンネル内の流体の温度より高い温度に存在して、前記高温側チャンネルが前記低温側チャンネルに十分近く存在し、前記それぞれのチャンネルを介して流動する流体の間で熱伝達を行う、１つ以上の高温側チャンネル；及び、
前記高温側チャンネルにガスを供給するように構成されたガス供給導管；を備えてなる、燃料電池システム。
【請求項６】
前記ガス供給導管が、前記燃料電池スタックの前記カソード排気口から排出されたガスの少なくとも一部を収容するように構成された、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記高改質化活性低温側チャンネルを通す燃料の体積対、前記低改質化活性低温側チャンネルを通す燃料の体積比が１：１０〜１０：１である、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記比が１：３〜３：１である、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記比が１：１である、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記第１の割合が７５〜１００％である、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記第１の割合が９５〜１００％である、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記第１の割合が９７〜９８％である、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記第２の割合が１％未満である、請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記第２の割合が１０％未満である、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記第２の割合が５％未満である、請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記第２の割合が１％未満である、請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
炭化水素燃料供給源；
前記炭化水素燃料を収容して、前記炭化水素燃料の少なくとも一部を改質物に転換させるためのスチーム改質器；及び、
非改質された炭化水素燃料のスタック内改質化のために構成され、前記改質物及び非改質された炭化水素燃料の混合物を収容するためのアノード入口を有する燃料電池スタック、を備えた燃料電池システムにおける、
前記混合物内の前記改質物及び非改質された炭化水素燃料の体積比を制御する方法であって、
前記改質器において第１の活性水準を有する複数のチャンネルで前記炭化水素燃料の一部を改質して、第１の燃料ストリームを排出するステップ；
前記改質器において第２の活性水準を有する複数のチャンネルで前記炭化水素燃料の一部を改質して、第２の燃料ストリームを出力するステップであって、このとき、前記第２の活性水準が前記第１の活性水準と異なる、ステップ；
前記第１及び第２の燃料ストリームを混合して、前記混合物を前記燃料電池スタックのアノード入口に提供するステップ、を含んでなる、方法。
【請求項１８】
前記第１の燃料ストリームが完全に平衡化された改質物を含んでなる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の燃料ストリームが前記炭化水素燃料により、わずかに低い炭化水素の水準を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記改質器において第３の活性水準を有する複数のチャンネルで前記炭化水素燃料の一部を改質して、第３の燃料ストリームを排出するステップであって、このとき、前記第３の燃料ストリームが前記第２の燃料ストリームより小さくて、前記第１の燃料ストリームより大きな炭化水素の水準を有する、ステップをさらに含んでなる、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通常、燃料電池に関する。より具体的には、本発明は、内部改質用燃料電池を支援できるシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料（例えば、水素）が高温で酸化剤（例えば、酸素）と反応して電気を発生させる電気化学的システムである。燃料電池の一類型は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）である。ＳＯＦＣの基本的な構成要素は、アノード、カソード、電解質及び相互連結部を含んでいてもよい。燃料は、アノードに供給されて、酸化剤は、燃料電池のカソードに供給されてもよい。カソードにおいて、電子は、酸化剤をイオン化する。電解質は、イオン化された酸化剤がアノードに通すと同時に、流体燃料及び酸化剤に不透過性の物質を含んでいてもよい。アノードにおいて、燃料は、外部の回路を介してカソードへ、又は相互連結部を介して隣接したＳＯＦＣのカソードへさらに伝導される電子を放出する反応でイオン化された酸化剤と結合される。オーム（ｏｈｍｉｃ）損失から発生した熱は、アノード又はカソード排気ガスによって燃料電池から除去されるか環境に放出される。
【０００３】
ＳＯＦＣは、例えば、個個の電池の直列型−分節（ｓｅｇｍｅｎｔ−ｉｎ−ｓｅｒｉｅｓ）又は面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）直列配列で構成されてもよい。酸化剤は、典型的に一連の電池の一端部に導入され、カソード排気口に到逹するまで残りの電池上に流れる。それぞれの燃料電池は、熱を酸化剤に伝達して、その温度を上昇させ、酸化剤入口から排気口まで増加する温度勾配を形成する。酸化剤入口から酸化剤排気口に増加する温度勾配がさらに燃料電池で発生し得る。このような温度勾配は、物質の劣化又は燃料電池の構成要素の故障を引き起こすか、燃料電池の性能を低下する熱応力を引き起こす。
【０００４】
ＳＯＦＣのアノードは、ニッケル及びジルコニア（例えば、イットリア安定化したジルコニア（ＹＳＺ）） 又はニッケル及びセリア（例えば、ガドリニアドープされたセリア（ＧＤＣ））を含む混合したサーメット（ｃｅｒｍｅｔ）であってもよい。ニッケル及び他の物質は、燃料とイオン化された酸化剤との間の化学反応を支援するように作用するだけでなく、アノードが燃料電池内で炭化水素燃料を改質できるようにする触媒的特性を有してもよい。炭化水素燃料を改質する１つの方法は、メタン（ＣＨ４）のスチーム改質反応、すなわち、吸熱反応（式 １）である：
【０００５】
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２ΔＨ゜＝２０６．２ｋＪ/ｍｏｌ（式１）
【０００６】
メタンスチーム改質に必要な熱は、オーム損失からスタック内で放出された熱から直接供給されてもよい。このような直接の熱伝達は、スタックを冷凍して、熱応力を減少させ、全体スタック性能を向上させるために役に立つ。しかし、スタック内改質は、幾つの技術的課題を引き起こす。非改質されたメタンは、燃料電池の過度な冷却を避けるために正確な量で、そして局所的な冷却を避けるために正しい方式で供給されなければならない。さらに、炭化水素燃料は、特に相当な量の改質が行われる場合に炭素を形成する性向を有する（式２）：
【０００７】
ＣｘＨ２ｘ＋２→Ｃ＋（ｘ＋１）Ｈ２（式２）
【０００８】
炭素形成は、アノード剥離、金属粉塵、及び他の故障メカニズムを介して燃料電池の構成要素の悪臭及び劣化を引き起こし得る。
【０００９】
結果として、燃料電池の外部で改質された合成ガスと非改質された燃料の混合物をアノードに供給することは、改質剤又は非改質された燃料のみを供給するより、システムの性能及び耐久性のさらなる均衡を提供することができる。しかし、改質された燃料と非改質された燃料の割合を正確に制御しなければならない。割合が高すぎると、燃料スタックを横切る大きな温度勾配が維持される。低すぎると、炭素形成によって性能が低下し得る。
【００１０】
好適な量の改質が燃料電池に内部的に発生するように燃料電池スタックに伝達される改質された及び非改質された燃料の割合を精密に制御する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、改質された及び非改質された燃料の割合を精密に制御できる燃料電池システム及び方法を提供しようとする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一部の実施様態によれば、１つ以上の高い改質活性化チャンネル及び１つ以上の低い改質活性化チャンネルを有する改質器が提供される。前記改質器（これは、スチーム改質器であってもよい）は、改質器の寿命の間、必要な水準の炭化水素を内部改質のための燃料電池スタックに伝達するように構成される。このような内部改質は、より直接の冷却を許容して、与えられた電力消費に対する空気の流れを減らし、諸費用を低くすることで、燃料電池費用、電力密度及び効率を向上させる。システム効率は、燃料電池スタック内の廃熱を回収することで改善する。また、このような設計は、開示された具現例のうち一部が広範囲なスタック内の改質された燃料電池の設計を収容できるようにし、炭素形成リスクを最小限にする。
【００１３】
炭化水素燃料供給源、改質器（これは、炭化水素燃料を収容して、前記炭化水素燃料の少なくとも一部を改質物に転換させるためのスチーム改質器であってもよい）及び燃料電池スタック（これは、アノード入口において改質物と非改質された炭化水素燃料の混合物として収容される非改質された炭化水素燃料のスタック内改質のために構成される）を含む燃料電池システムにおいて、前記混合物内改質物及び非改質された炭化水素燃料の体積比を制御する方法が本発明の一部の具現例によって提供される。前記方法は、完全に平衡化された改質混合物を含む燃料ストリームを排出する改質器内の複数の高スチーム改質化活性チャンネルで前記炭化水素燃料の一部を改質するステップ、及び前記炭化水素燃料でより、わずかに低い炭化水素の水準を有する燃料ストリームを排出する改質器内の複数の低スチーム改質化活性チャンネルで炭化水素燃料の一部を改質するステップを含む。高スチーム改質化活性チャンネル及び低スチーム改質化活性チャンネルから排出される燃料ストリームは、混合して燃料電池スタックのアノード入口に提供される。前記方法は、高スチーム改質化活性チャンネル数と低スチーム反応性チャンネル数の割合及びこれらチャンネルの活性水準を選択して、混合物中の改質物及び非改質された炭化水素燃料の体積比を制御するステップをさらに含む。
【００１４】
本発明の一部の具現例によれば、燃料電池スタックで炭化水素燃料の内部改質のために構成された燃料電池システムを作動させる方法が提供される。前記方法は、前記炭化水素燃料を前記システムに供給するステップ、前記炭化水素燃料の一部をスチーム改質器内の複数の高スチーム改質化活性チャンネルに供給して、支配的な工程条件で完全に平衡化された改質混合物を含む燃料ストリームを提供するステップ、スチーム改質器において複数の低スチーム改質化活性チャンネルに炭化水素燃料の一部を供給して、炭化水素燃料でより、わずかに低い炭化水素の水準を有する燃料を提供するステップ、高スチーム改質化活性チャンネルによって提供される燃料と低スチーム改質化活性チャンネルによって提供される燃料を組み合わせるステップ；及び前記組み合わされた燃料を燃料電池スタックのアノード入口に供給するステップを含んでいてもよい。
【００１５】
本発明の一部の具現例によれば、燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、炭化水素燃料の内部改質のために構成された燃料電池スタックを含んでいてもよく、前記燃料電池スタックは、アノード入口及びアノード排気口と流体連通するアノード部分、及びカソード入口及びカソード排気口と流体連通するカソード部分を含んでいてもよい。前記システムは、炭化水素燃料供給源及び炭化水素燃料を改質物に転換させるための改質器ユニットをさらに含んでいてもよい。前記改質器ユニットは、通す炭化水素燃料の第１の割合を改質物に転換させるように構成された１つ以上の高改質化活性低温側チャンネル；通す炭化水素燃料の第２の割合を改質物に転換させるように構成された１つ以上の低改質化活性低温側チャンネル（このとき、前記第２の割合は、第１の割合より底い）；前記燃料供給源及び前記高改質化活性及び低改質化活性低温側チャンネルと流体連通する燃料供給導管；前記高改質化活性及び低改質化活性低温側チャンネル及び前記アノード入口と流体連通する燃料排出導管（このとき、前記燃料排出導管は、前記低温側チャンネルから排出された燃料を前記燃料電池スタックのアノード入口に供給するように構成される）；改質化ユニットを通すガス通路を提供するように構成された１つ以上の高温側チャンネル（このとき、前記ガスは、前記低温側チャンネル内の流体の温度より高い温度で存在して、前記高温側チャンネルは、前記低温側チャンネルに十分近く存在し、前記それぞれのチャンネルを介して流動する流体の間で熱伝達を行う）；及び前記高温側チャンネルにガスを供給するように構成されたガス供給導管を含んでいてもよい。
【００１６】
本発明の一部の具現例によれば、燃料電池システムの燃料電池スタックのアノード入口に供給される混合物中の改質物及び非改質された炭化水素燃料の体積比を制御する方法が提供される。前記燃料電池システムは、炭化水素燃料供給源、前記炭化水素燃料を収容して、前記炭化水素燃料の少なくとも一部を改質物に転換させるためのスチーム改質器、及び非改質された炭化水素燃料のスタック内改質のために構成され、前記改質物と非改質された燃料の混合物を収容するためのアノード入口を有する燃料電池スタックを含んでいてもよい。前記方法は、前記改質器において、第１の活性水準を有する複数のチャンネルで前記炭化水素燃料の一部を改質して、第１の燃料ストリームを排出するステップ、前記改質ステップにおいて、第２の活性水準を有する複数のチャンネルで前記炭化水素燃料の一部を改質して、第２の燃料ストリームを排出するステップ（このとき、前記第２の活性水準は、前記第１の活性水準と異なる）、及び前記第１及び第２の燃料ストリームを混合して、前記混合物を前記燃料電池スタックのアノード入口に供給するステップを含む。
【００１７】
本発明の前記及び他の多くの利点は、請求範囲、添付の図面及び下記の具現例の詳細な説明により、本発明が属する技術分野の熟練者にとって容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、改質された及び非改質された燃料の割合を精密に制御できる燃料電池システム及び方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】高活性チャンネル及び低活性チャンネルを有する改質器を備えた燃料電池システムのシステムダイヤグラムである。
【００２０】
図面を参照すれば、本発明の一具現例による燃料電池システムの非制限的な例の一部の様態が概略的に示される。図面において、本発明の具現例の様態の多様な特徴、構成要素、及びこれら同士の相互関係が示される。しかし、本発明は、提示された特定の具現例に限定されないし、構成要素、特徴、及びこれら同士の相互関係が図面に示されており、本願に記述される。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
請求された本発明の目的及び利点は、添付の図面に係り、この好ましい具現例の下記の詳細な説明により明らかになる。
【００２２】
本発明の一部の具現例によって高活性改質化及び低活性改質化チャンネルを有する改質器ユニット１１８を備えた燃料電池システム１００のシステムダイヤグラムが図１に例示されている。システム１００は、少なくとも１つの燃料電池スタック１０２、炭化水素燃料供給源１１６、改質器１１８（これは、改質器ユニットとも称する）及び酸化剤供給源１５０を含む。燃料電池スタック１０２は、アノード入口１０６及びアノード排気口１０８と流体連通するアノード部分１０４及びカソード入口１１２及びカソード排気口１１４と流体連通するカソード部分１１０を含み、非改質された炭化水素燃料を内部的に改質するように構成される。燃料電池スタック１０２は、アノード入口１０６で改質された及び非改質された炭化水素燃料の混合物を収容することができ、スタック１０２は、前記混合物の少なくとも一部を内部的に改質するように構成される。燃料電池スタック１０２は、任意の燃料電池の設計であってもよく、好ましくは、ＳＯＦＣである。
【００２３】
炭化水素燃料供給源１１６は、例えば、メタンのような任意の類型の炭化水素燃料を燃料電池システム１００に提供することができる。酸化剤供給源１５０は、空気又は他の酸化剤を燃料電池システム１００に提供することができる。
【００２４】
改質器ユニット１１８は、炭化水素燃料供給源１１６から収容された炭化水素燃料の少なくとも一部を改質物に転換させて、１つ以上の低温側チャンネル１２０、燃料供給導管１２２、燃料排出導管１２４、１つ以上の高温側チャンネル１２６、ガス供給導管１２８及びカソード入口導管１３０を含む。好ましい具現例において、改質器ユニット１１８は、スチーム改質器である。
【００２５】
低温側チャンネル１２０は、炭化水素燃料供給源１１６から改質物内に供給される燃料を改質させる改質化通路を提供する。低温側チャンネル１２０は、改質化セクションと称してもよい。改質化通路は、少なくとも１つのＶＩＩＩ族金属、好ましくは、例えば、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム又はこれらの組み合わせのようなＶＩＩＩ族貴金属を含む触媒を含んでいてもよい。ロジウム又はロジウム及び白金を含む触媒が好ましい。好ましくは、前記触媒は、炭化水素スチーム改質化触媒である。前記触媒は、特定のチャンネルに対して、所望の量の炭化水素転換率を達成する任意の好適な量で活性金属を含んでいてもよい。例えば、活性触媒金属は、０．００００１〜４０重量％の触媒を含んでいてもよい。一部の具現例において、活性触媒金属は、０．００００５〜１５重量％の触媒を含んでいてもよい。一部の具現例において、活性触媒金属は、０．００００５〜５重量％の触媒を含んでいてもよい。高活性改質化チャンネルで触媒の活性金属の含量は、改質器の寿命の間、ほぼ平衡化された炭化水素転換を十分保障しなければならない。一部の具現例において、高活性チャンネルは、これらチャンネルの触媒の０．５〜５重量％範囲の活性金属を含む。一部の具現例において、高活性チャンネル触媒の活性金属は、前記チャンネルの触媒の１．８重量％を占める。低活性チャンネルの触媒の活性金属の含量は、炭化水素燃料の合成ガスへの転換率が１０％未満となるように構成されなければならない。一部の具現例において、低活性チャンネル触媒は、前記チャンネルの触媒の０．０００５〜０．１重量％範囲の活性金属を含む。一部の具現例において、低活性チャンネル触媒の活性金属は、前記チャンネルの触媒の０．０００９８重量％を占める。一部の具現例において、低活性チャンネルは、本質的に統合されたバイパスであって、チャンネルの改質の様態に係り、活性触媒及び機能を有していない。
【００２６】
一部の具現例において、触媒は、触媒活性、耐久性を改善するか、炭素形成を抑制するか、又はこれら又は他の改善点の任意の組み合わせのため１つ以上の促進剤元素を含んでいてもよい。促進剤元素は、ＩＩａ〜ＶＩＩａ族、Ｉｂ〜Ｖｂ族、ランタン族及びアクチニウム族系元素又はこれらの任意の組み合わせを含んでいてもよいが、これらに限定されるものではない。マグネシア、セリア及びバリアのような促進剤は、炭素形成を抑制することができる。前記促進剤の成分は、触媒の０．０１〜１０重量％範囲の任意の量で存在してもよい。一部の具現例において、促進剤元素は、触媒の０．０１〜５重量％範囲の量で存在してもよい。本発明の具現例は、これに限定されるものではなく、明示的に並んでいる範囲を脱する範囲で任意の量の活性金属、促進剤元素又はこれらを全て含んでいてもよい。
【００２７】
触媒は、例えば、シリカ、アルミナ、チタニア、ジルコニア、酸化タングステン、及びこれらの混合物のような耐火性酸化物を含む担体上に支持されてもよいが、本発明は、耐火性酸化物に限定されるものではない。一部の具現例において、担体は、２つ以上のカチオンを含む混合した耐火性酸化物化合物を含んでいてもよい。触媒活性及び促進剤元素は、複数の技術のうち任意の技術によって担体上に沈着されてもよい。触媒は、担体上に含浸によって例えば、担体物質を触媒の溶液と接触させた後、前記構造体を乾燥して塑性させることで沈着されてもよい。触媒は、好ましくは、熱交換器のプレート上に又は低温側チャンネル１２０に配置されたインサート（ｉｎｓｅｒｔ）上にコーティングされる。好適な大きさ及び形状の触媒ペレットがさらに低温側チャンネル１２０に配置されてもよい。しかし、本発明の具現例は、これに限定されるものではなく、例えば、多孔性支持体構造を用いることのように、触媒を低温側チャンネル１２０に混入させる任意の手段を用いることができる。
【００２８】
改質器１１８の低温側チャンネル１２０は、異なる改質化活性水準を有する２つ以上の類型のチャンネルを含んでいてもよい。これらチャンネルは、高改質化活性低温側チャンネル１５６及び低改質化活性低温側チャンネル１５４であってもよい。１つ以上の高改質化活性低温側チャンネル１５６は、高改質化活性低温側チャンネル１５６を通す炭化水素燃料供給源１１６からの炭化水素燃料の第１の割合を改質物に転換させるように構成される。一部の具現例において、第１の割合は、７５〜１００％である。 一部の具現例において、第１の割合は、９０〜１００％である。一部の具現例において、第１の割合は、９５〜１００％である。一部の具現例において、第１の割合は、９９〜１００％である。一部の具現例において、第１の割合は、９７〜９８％である。１つ以上の低改質化活性低温側チャンネル１５４は、低改質化活性低温側チャンネル１５４を通す炭化水素燃料供給源１１６からの炭化水素燃料の第２の割合を改質物に転換させるように構成される。第２の割合は、第１の割合より低い。一部の具現例において、第２の割合は、１０％未満である。一部の具現例において、第２の割合は、５％未満である。一部の具現例において、第２の割合は、１％未満である。
【００２９】
各チャンネルの転換率又は活性水準は、触媒積載量及び前記チャンネルの寸法によって決定される。好ましくは、高活性チャンネル１５６の積載量及び寸法は、構成要素の寿命の間、メタンの平衡転換を達成するように選択される。
【００３０】
低活性チャンネル１５４の場合、触媒積載量及び寸法は、好ましくは、メタン燃料の１０％以下が一酸化炭素及び水素に改質されるように選択される。低活性チャンネル１５４の低い活性水準は、改質器に供給される炭化水素燃料で発見される炭化水素の水準から炭化水素の水準の少しだけの減少を引き起こす。
【００３１】
高改質化活性チャンネル１５６対低改質化活性チャンネル１５４の割合は、部分改質された燃料を燃料電池スタック１０２に供給することで発生する炭素形成リスクを最小限にしながら、好ましいスタック内改質量と調和するように調整することができる。一部の具現例において、高改質化活性チャンネル１５６対低非改質化活性チャンネル１５４の割合は、１：１である。高活性チャンネル１５６が非改質された燃料の１００％を合成ガスに転換させて、低活性チャンネル１５４が非改質された燃料の０％を合成ガスに転換させると仮定すれば、１：１の高活性チャンネル対低活性チャンネルの割合は、５０％の改質器の効果的な転換率を生成する。一部の具現例において、高改質化活性チャンネル１５６対低改質化活性チャンネル１５４の割合は、１：３である。上記の仮定を用いて、前記高活性チャンネル対低活性チャンネルの割合は、２５％の改質器に対する効果的な転換率を生成する。一部の具現例において、高活性チャンネル対低活性チャンネルの割合は、１：１０〜１０：１である。
【００３２】
高及び低活性改質チャンネル１５６、１５４は、好ましくは、交互配列で構成されるが、任意の配列が用いられてもよい。
【００３３】
チャンネルを交互に配列すると、改質器を横切る高活性改質化チャンネルで触媒化された吸熱スチーム改質化反応の熱的負荷を分配することで、改質器１１８の熱応力を減少させる。
【００３４】
低温側チャンネル１２０は、炭化水素燃料供給源１１６から改質器ユニット１１８の低温側チャンネル１２０に炭化水素燃料を運搬する機能を行う燃料供給導管１２２を介して炭化水素燃料供給源１１６と流体連通する。燃料は、高改質化及び低改質化活性低温側チャンネル１５６及び１５４のうち１つ以上のための共通プレナム（ｐｌｅｎｕｍ）を介して、又は１つ以上のプレナム又は入力ラインを介して高改質化及び低改質化活性低温側チャンネル１５６及び１５４に供給されてもよい。別途入力ライン又はプレナムを用いると、各類型のチャンネル、それぞれの個別チャンネル又は両方とも介する燃料の流れを個別制御することができる。また、動的流れ制御は、作動中に燃料電池スタック１０２に供給される非改質された燃料のみならず、改質物に対する非改質された燃料の混合物量を調節するために、任意の与えられた時間に改質器の高活性チャンネル１５６、低活性チャンネル１５４又は両方の有効個数を変更するために用いられてもよい。
【００３５】
一部の具現例によれば、燃料電池システム１００は、炭化水素燃料供給源１１６及び燃料供給導管１２２両方と流体連通する、より高い炭化水素還元ユニット１４８をさらに含んでいてもよい。より高い炭化水素還元ユニット１４８は、改質器に供給される高級炭化水素の水準を減少させるため改質器ユニット１１８の上流で用いられてもよい。改質器ユニット１１８に供給される高級炭化水素の水準を減少させることで、高級炭化水素還元ユニット１４８は、燃料電池システム１００内の炭素形成リスクを減少させる。
【００３６】
炭化水素燃料が高及び低改質化活性低温側チャンネル１５６及び１５４の改質化通路を通すことによって、前記燃料は、少なくとも部分的に合成ガス（水素及び一酸化炭素）に改質される。高及び低改質化活性低温側チャンネル１５６及び１５４からの改質物は、高及び低改質化活性低温側チャンネル１５６及び１５４とアノード入口１０６両方と流体連通する、出口プレナムに称されてもよい燃料排出導管１２４に流れる。燃料排出導管１２４は、高及び低改質化活性低温側チャンネルから排出された燃料を燃料電池スタック１０２のアノード入口１０６に供給するように構成される。
【００３７】
高及び低活性チャンネルの組み合わせを提供して、これらチャンネルの活性を制御することで、改質器１１８が改質器の寿命の間、正確な量の非改質された燃料を燃料電池スタック１０２に供給する苦労を克服することができる。通常、改質器は、触媒が劣化して非活性化されることによって、寿命の間、そしてユニットの長さにかけて触媒上に均一な温度を維持することができない。少なくとも１つの高活性チャンネルを提供することで、前記チャンネルは、改質器の寿命の間、炭化水素燃料の平衡転換を維持しながら、前記変化を説明するに足りる長さ及び活性水準を有する。従って、高活性チャンネルからの燃料転換率は、構成要素の寿命の間、一定である。低活性チャンネルは、主に燃料ストリームを予熱して、また、高炭化水素還元ユニット１１８によって除去されない任意の高級炭化水素を改質させることで、燃料電池スタック１０２内での炭素形成リスクを減少させる役割を行う。低活性チャンネルで起こる最小限の改質によって、前記低活性チャンネルは、また、改質器の寿命の間、比較的に一定の割合の炭化水素転換率を維持することができる。従って、全体改質化は、一定であり、これにより改質器の寿命の間、システムが燃料電池スタックに正確な量の非改質された炭化水素燃料を提供し続けるようにする。
【００３８】
このような結果は、例えば、燃料電池スタックに供給される総炭化水素ストリームの５０％のような中間水準の改質化を達成するために導入された従来の改質器では達成することができない。このような改質器の触媒は、構成要素の寿命の間、分解及び不活性化を経るはずであり、これにより、構成要素が老化することによって全体燃料ストリームの転換率を減少させる。
【００３９】
また、改質器ユニット１１８は、熱交換セクションに称される１つ以上の高温側チャンネル１２６を含む。高温側チャンネル１２６は、例えば、カソード排気ガスのようなガスが改質化ユニット１１８を介して流動する通路を提供する。カソード排気ガスを例として提供したが、低温側チャンネル１２０内の流体の温度より高い温度の任意のガスが高温側チャンネル１２６に供給されてもよいことが理解される。これらチャンネル１２６は、高温側チャンネル１２６と低温側チャンネル１２０を流動する流体の間で熱伝達を行うために低温側チャンネル１２０に十分近くかつ近接した配向に配列されてもよい。これらチャンネルにおける流体の流れは、平行流、逆流、交互流、又は任意の他の熱交換器構成のために配向されてもよい。熱交換セクションの改質化セクションに対する近接性に係わらず、両構成要素は、互いに熱的に連通するように配置される。
【００４０】
改質器ユニット１１８の高温側チャンネル１２６は、カソード排出（又は、他のガス）導管１２８を介してカソード排気口１１４と流体連通する。一部の具現例において、カソード排気口１１４から排出されたガスの一部のみがガス供給導管１２８を介して改質器１１８に供給されてもよい。また、高温側チャンネル１２６は、カソード入口導管１３０を介してカソード入口１１２と流体連通し得る。一部の具現例によれば、カソード入口導管１３０内のカソード排気口は、カソードエジェクター（ｅｊｅｃｔｏｒ）１４０の吸入側に供給される。酸化剤供給源１５０は、カソードエジェクター１４０を作動させる運動エネルギーを提供することができる。カソード排気ガス及び酸化剤は、カソード入口１１２に供給される前に、熱交換器１４４の低温側チャンネルを介して流動し得る。熱交換器１４４の高温側チャンネルは、カソード入口１１２に供給される組み合わされたカソード排気ガス−酸化剤の流れに熱を伝達する燃焼器排気ガスの流れ又は他の高温流体のための通路を提供することができる。
【００４１】
本発明の一部の具現例によれば、燃料電池システム１００は、１つ以上のアノード排気ガス再循環ラインをさらに含んでいてもよい。アノード排気ガスの一部は、アノードエジェクター１３８内に吸引されてもよい。アノードエジェクター１３８に対する動力は、任意の通常の手段によって加圧される炭化水素燃料供給源１１６であってもよい。その後、再循環されたアノード排気ガスは、改質器ユニット１１８に供給された炭化水素燃料供給源１１６と組み合わされてもよい。
【００４２】
アノード排気ガスのさらに他の部分は、補助エジェクター１３６内に吸引されてもよい。補助エジェクター１３６に対する動力は、酸化剤供給源１５０によって供給されてもよい。その後、前記組み合わされた酸化剤−アノード排気ガス混合物は、燃焼生成物を熱交換器１４４の高温側チャンネルに供給する燃焼器１４６に流動することができる。その後、このような燃焼生成物は、１５２で環境に排出されてもよい。他のシステムには、このような燃焼生成物又はアノード排気ガスの他の部分が供給され、例えば、燃料電池の多様な流れを加圧できるタービンに動力を供給することができる。
【００４３】
本発明の一部の具現例によれば、燃料電池に供給される改質物及び非改質された炭化水素燃料の体積比を制御する方法が提供される。前記方法は、炭化水素燃料供給源、前記炭化水素燃料を収容して、前記炭化水素燃料の少なくとも一部を改質物に転換させるように構成されたスチーム改質器（式１）、及び非改質された炭化水素燃料のスタック内改質のために構成された燃料電池を含んでいてもよい燃料電池システムに用いられる。燃料電池システムは、上述したような構成要素を含んでいてもよい。燃料スタックは、改質物及び非改質された炭化水素燃料の混合物を収容するアノード入口を有してもよい。前記方法は、複数のチャンネルで炭化水素燃料の一部を改質させるステップを含む。改質器は、２つ以上の類型のチャンネルを含んでいてもよく、それぞれのチャンネルは、少なくとも他の類型のチャンネルとは異なる活性水準を有する。一部の具現例において、改質器は、３つ以上の異なる類型のチャンネルを含んでいてもよく、それぞれは、異なる活性水準を有しており、それぞれは、炭化水素燃料の異なる量の改質化を達成するように構成される。一部の具現例において、これらチャンネルは、支配的な工程条件で、完全に平衡化された改質混合物を含んでいてもよい、高濃度改質混合物を有する燃料ストリームを排出するために改質器内の高スチーム改質化活性チャンネルを含んでいてもよい。一部の具現例において、これらチャンネルは、燃料流入ストリーム（例えば、改質器によって収容された炭化水素燃料）内の炭化水素の水準よりわずかに低い炭化水素の水準を有する低濃度改質物を有する燃料ストリームを排出するために改質器内の低スチーム改質化活性チャンネルを含んでいてもよい。前記方法は、改質器において複数の高スチーム改質化活性チャンネル内の炭化水素燃料の一部を改質するステップ、及び支配的な工程条件で、完全に平衡化された改質混合物を含んでいてもよい、高濃度改質混合物を有する燃料ストリームを排出するステップを含んでいてもよい。前記方法は、改質器内の複数の低スチーム改質化活性チャンネルで炭化水素燃料の一部を改質して、燃料流入ストリーム（例えば、改質器によって収容された炭化水素燃料）の炭化水素の水準よりわずかに低い炭化水素の水準を有する低濃度改質物を有する燃料ストリームを排出するステップをさらに含んでいてもよい。前記方法は、前記高及び低スチーム改質化活性チャンネルからの燃料ストリーム排出物を混合するステップ、及び前記混合物を前記燃料電池スタックのアノード入口に提供するステップをさらに含む。前記方法は、高スチーム改質化活性チャンネル数と低スチーム反応性チャンネル数の割合及びこれらチャンネルの活性水準を選択して、混合物中の改質物及び非改質された炭化水素燃料の体積比を制御するステップをさらに含む。前記方法は、前記燃料電池スタックからのカソード排気ガスの少なくとも一部を改質器の複数のチャンネルに向けるようにすることで、前記高及び低スチーム改質化活性チャンネル内の燃料に熱を提供するステップをさらに含んでいてもよい。一部の具現例において、カソード排気ガス以外のガスが高及び低活性チャンネル内の燃料に熱を提供することもできる。
【００４４】
一部の具現例において、前記方法は、前記第２の燃料ストリームより小さくて、前記第１の燃料ストリームより大きな炭化水素の水準を有する第３の燃料ストリームを排出するために、前記改質器において第３の活性水準を有する複数のチャンネルで前記炭化水素の一部を改質するステップをさらに含んでいてもよい。第３の燃料ストリームは、第１及び第２のストリームと混合することができる。
【００４５】
本発明の一部の具現例によれば、炭化水素燃料の内部改質化のために構成された燃料電池システムを作動させる方法が提供される。前記方法は、前記炭化水素燃料を燃料電池システムに供給するステップ、前記炭化水素燃料の一部をスチーム改質器内の複数の高スチーム改質化活性チャンネルに供給して、支配的な工程条件で、完全に平衡化された改質混合物を含んでいてもよい、高濃度改質物を有する燃料を提供するステップ、スチーム改質器において複数の低スチーム改質化活性チャンネルに前記炭化水素燃料の一部を供給して、前記高及び低スチーム改質化活性チャンネルに供給される炭化水素燃料内の炭化水素の水準よりわずかに低い炭化水素の水準を有する低濃度改質物を有する燃料を提供するステップ、前記高スチーム改質化活性チャンネルと前記低スチーム改質化活性チャンネルによって提供される燃料を組み合わせるステップ；及び前記組み合わされた燃料を燃料電池スタックのアノード入口に供給するステップを含んでいてもよい。前記方法は、前記燃料電池スタックのカソード排気ガスから供給されるガスから熱を伝達することで、前記高及び低スチーム改質化活性チャンネルで前記燃料を加熱するステップをさらに含んでいてもよい。
【００４６】
本発明の好ましい具現例を記述したが、記述された具現例は、ただ例示的なものであり、本発明の範疇は、本発明により、該技術分野の熟練者にとって本質的に発生する全範囲の均等物、複数の変形例及び修正例に附合する添付の請求範囲のみによって定義すべきであることを理解しなければならない。
【図１】
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【国際調査報告】
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