(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池システム及びこれに対応する方法を提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、ブロック内改質用に構成された燃料電池スタック１０２と、予備改質装置１４４とを含む。さらに、燃料供給マニホールド１２０、燃料排出マニホールド１１８、酸化剤供給マニホールド１２２及び酸化剤排出マニホールド１２４を含む。燃料供給マニホールドは、燃料を受け取り、ブロック内改質のために燃料を燃料電池スタックに供給する。燃料排出マニホールドは、燃料電池スタックからの燃料排出物（排気）を排出する。酸化剤供給マニホールドは、酸化剤を受け取り、ブロック内改質のために酸化剤を燃料電池スタックに供給する。酸化剤排出マニホールドは、燃料電池スタックからの酸化剤排出物（排気）を排出する。【選択図】図１
2019079802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物型燃料電池スタックにおけるアノードに燃料を付与する方法であって、
燃料源から未改質燃料を引き出し、
前記未改質燃料と前記固体酸化物型燃料電池スタックから排出された燃料の少なくとも一部分とを混合し、
前記混合した未改質燃料と前記排出された燃料とを予備改質し、及び
前記固体酸化物型燃料電池スタックにおいて、前記未改質燃料の全てを改質することを含んでなる、付与方法。
【請求項２】
燃料電池システムにおける方法であって、
燃料電池スタックにおける燃料排出マニホールドにより、燃料排出物を排出し、
前記燃料電池スタックにおける酸化剤排出マニホールドにより、酸化剤排出物を排出し、
アノードエゼクタにより、燃料源からの燃料を受け取り、
前記アノードエゼクタにより、前記燃料排出マニホールドから前記燃料排出物の第１部分を受け取り、
前記アノードエゼクタにより、一又は複数の前記受け取った燃料の少なくとも一部分と、前記燃料排出物の前記受け取った第１部分とを含んでなる燃料流を、プレ−リフォーマーに供給し、
前記プレ−リフォーマーにより、前記アノードエゼクタからの前記燃料流から高級炭化水素を除去し、
前記プレ−リフォーマーにより、ブロック内改質用前記燃料電池スタックの燃料供給マニホールドに燃料流を付与し、
前記燃料電池スタックの酸化剤供給マニホールドにより、酸化剤源からの酸化剤を受け取り、及び、
前記燃料電池スタックにより、前記受け取った酸化剤と前記燃料流とのブロック内改質をすることを含んでなり、
前記燃料電池システムの全ての燃料改質が、前記燃料電池スタックによって実行されてなる、燃料電池システムにおける方法。
【請求項３】
燃料電池システムにおける方法であって、
燃料電池スタックの燃料排出マニホールドにより、燃料排出物を排出し、
前記燃料電池スタックの酸化剤排出マニホールドにより、酸化剤排出物を排出し、
アノードエゼクタにより、燃料源からの燃料を受け取り、
前記アノードエゼクタにより、前記燃料排出マニホールドから前記燃料排出物の第１部分を受け取り、
前記アノードエゼクタにより、前記燃料排出マンニホールドからの前記燃料排出物の前記第１部分における質量に対する前記燃料源からの前記燃料の質量のリサイクル比の範囲が４．５〜１５であることに基づいて、前記一又は複数の受け取った燃料の少なくとも一部分と、前記燃料排出物の前記受け取った第１部分とを含んでなる燃料流を、プレ−リフォーマーに供給し、
前記プレ−リフォーマーにより、前記アノードエゼクタからの前記燃料流から高級炭化水素を除去し、
前記プレ−リフォーマーにより、前記燃料電池スタックの燃料供給マニホールドに前記燃料流を付与することを含んでなる、燃料電池システムにおける方法。
【請求項４】
前記アノードエゼクタにより、前記燃料排出マンニホールドからの前記燃料排出物の前記第１部分における質量に対する前記燃料源からの前記燃料の質量のリサイクル比の範囲が６〜８であることに基づいて、前記一又は複数の受け取った燃料の少なくとも一部分と、前記燃料排出物の前記受け取った第１部分とを含んでなる燃料流を、プレ−リフォーマーに供給することを含んでなる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
燃料電池システムにおける方法であって、
燃料電池スタックの燃料排出マニホールドにより、燃料排出物を排出し、
前記燃料電池スタックの酸化剤排出マニホールドにより、酸化剤排出物を排出し、
アノードエゼクタにより、燃料源から燃料を受け取り、
前記アノードエゼクタにより、前記燃料排出マニホールドから前記燃料排出物の第１部分を受け取り、
前記アノードエゼクタにより、前記一又は複数の受け取った燃料の少なくとも一部分と、前記燃料排出物の前記受け取った第１部分とを含んでなる燃料流を、プレ−リフォーマーに供給し、
前記アノードエゼクタにより供給された前記燃料流におけるメタンの重量％が１１重量％以下であり、
前記プレ−リフォーマーにより、前記アノードエゼクタからの前記燃料流から高級炭化水素を除去し、
前記プレ−リフォーマーにより、前記燃料電池スタックの燃料供給マニホールドに前記燃料流を付与することを含んでなる、燃料電池システムにおける方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示（本発明）は、一般に、燃料電池システム、取り分け、燃料のブロック内改質（リフォーミング）を有する燃料電池システム及びこれに対応する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタック（積層体）は、高い温度において、燃料（例えば、水素等）を酸化剤（例えば、酸素等）と反応させて電気を発生させる、電気化学システムである。燃料電池スタックは、複数の燃料電池を含むことができ、各燃料電池は、アノード、カソード、及び電解質を有する。燃料電池スタックは、典型的には、リフォーマー〔改質装置（器）〕、熱交換器、エゼクタ（エジェクタ；排出器;排気器;射出器）、燃焼器、燃料源及び酸化剤源、並びにその他の構成要素（部品；部材）等の構成要素のシステムによって支持される。例えば、改質されていない燃料源は、燃料エゼクタを介して燃料電池システムリフォーマーに供給されてもよい。前記リフォーマーは、スチーム法、乾式法、又はその他の改質法を用いて前記燃料を部分的又は完全にリフォーム（改質）し、リフォメート（改質物；改質油）を生成し、前記リフォメイトは、燃料電池のアノードに供給される。例えば、天然ガスの水スチーム改質−  しばしば、スチームメタン改質（ＳＭＲ）と呼ばれることがある−  では、高い温度（６００℃〜１１００℃）において、及び、金属ベースの触媒の存在下で、スチームはメタンと反応し、一酸化炭素と水素を生成する（ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ  ⇔  ＣＯ＋３Ｈ2）。仮に、これらの高級炭化水素が、別のプロセス〔処理；方法〕（例えば、プレーリフォーミング：予備改質）により、前記処理ガスストリーム（流）から既に除去されていない場合、スチームリフォーミングはまた、同じプロセス（Ｃ2Ｈ6＋２Ｈ2Ｏ  ⇔  ２ＣＯ＋５Ｈ2）により高級炭化水素に変換してもよい。前記燃料電池は、アノードから燃料排出物（排気）を排出し、前記排出物を燃料エゼクタ又は補助システムのいずれかの吸引（管）に供給する。
【０００３】
さらに、酸化剤供給源は、前記燃料電池の前記カソードに酸化剤を供給する。前記燃料電池は、例えば未使用の酸化剤のような酸化剤排出物を前記カソードから排出してもよい。前記未改質燃料の前記改質を促進（容易）にするために、前記燃料電池システムは、前記カソード排出物、又は幾つかの他の高温流体を供給することにより、前記リフォーマーに、熱入力を付与（提供）することができる。前記改質燃料にその熱を伝達した後、カソード排出物は補助システムに供給され、酸化剤空気エゼクタを介して前記燃料電池の前記カソードに回収戻され（リサイクルバックされ）、又はその両方に戻される。
【０００４】
前記カソードに供給され、及びリサイクルされた、新鮮な酸化剤の前記温度は、前記燃料電池スタックを介して通過することから、熱入力のために増加する。しかしながら、前記酸化剤への前記熱入力は、それ（酸化剤）が、前記燃料電池システムを介して流れるので、熱平衡状態を維持するには不十分であろう。これは、例えば、前記炭化水素燃料の改質を支援するために必要とされる比較的多量の熱入力に起因する。それ（酸化剤）が、前記燃料電池スタックを介して流れるので、酸化剤を熱的に均衡させるために、熱交換器を前記燃料電池システムに、典型的にはカソード入口の上流に、導入することができる。前記熱交換器は燃焼生成物が供給され、熱を生成する反応を創生することができる。前記燃焼生成物は、例えば、未使用燃料等の燃料排出物と、カソード排気物とを含むことができる。前記反応は、前記熱交換器において、又は、例えば、熱交換器の上流に位置する燃焼器のような別の構成要素において生じてもよい。
【０００５】
この構成では、前記酸化剤は、通常動作（運転；操作）中に、前記燃料電池システムを介して流れるので、典型的には、熱平衡状態に維持される。前記燃料電池スタック内で発生した前記熱、前記リフォーマー内に前記燃料に伝達された熱、カソードエゼクタで前記混合する酸化剤冷却効果、及び前記熱交換器からの熱入力は、この熱平衡を維持するために均衡するであろうし、実際には、前記カソード入口の上流にある熱交換器は、そのような目的のために寸法決めされる。
【０００６】
燃料電池の１つのタイプは、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、固体電解質、及び相互接続を備えてなる。前記燃料は、アノードに供給されてよく、前記酸化剤は、前記燃料電池の前記カソードに供給されてよい。前記カソードでは、電子が酸化剤をイオン化する。前記電解質は、前記イオン化された酸化剤を前記アノードに通過させ、同時に流体燃料及び酸化剤に対して不浸透性である物質を含むことができる。前記アノードでは、前記燃料は、前記相互接続を介して前記カソードに戻って導電された（コンダクトバック）電子を放出する反応において、イオン化された酸化剤と結合される。オーム損失から発生する熱は、燃料（即ち、アノード）排出物又は酸化剤（即ち、カソード）排出物の何れかにより前記燃料電池から除去されるか、又は熱が前記環境に放射される。
【０００７】
ＳＯＦＣの前記アノードは、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、ガドリニアドープセリア（ＧＤＣ））を含んでなる混合サーメットであってよい。ニッケル及びその他の材料は、前記燃料と前記イオン化された酸化剤との間の化学反応を支援する機能を有し、並びに、前記アノードが前記燃料電池内の炭化水素燃料を改質することを可能にする触媒特性を有することができる。前記炭化水素燃料を改質する一つの方法は、吸熱反応（式１）において、メタン（ＣＨ4）を改質するスチームである。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2    ΔＨ°＝２０６．２kJ／mol  （式１）
改質の代替方法もまた利用可能である。例えば、前記炭化水素燃料は、二酸化炭素改質（乾式改質として知られている）（式２）によって改質することができる。
ＣＯ2＋ＣＨ4→２Ｈ2＋２ＣＯ  （式２）
【０００８】
ＳＯＦＣは、例えば、個々のセル（電池）のセグメント（線分）直列配列又は面内直列配列として構成することができる。前記酸化剤は、典型的には、酸化剤入口を介して、前記一連の燃料電池の一端（末端）に導入されてなり、及び、カソード排出物出口に到達するまで、前記残部の燃料電池上を流れる。各燃料電池は、前記酸化剤に熱を伝達し、それによりその温度を上昇させる。温度勾配は、前記酸化剤入口から前記酸化剤排出物出口へ増加するように、前記燃料電池内において発現される。これらの温度勾配は、前記燃料電池に熱応力を生じさせ、燃料電池の構成要素（部品）の物質（材料）劣化又は故障を引き起こす可能性がある。さらに、前記燃料電池への前記熱応力は、燃料電池性能を低下させる可能性がある。前記燃料の一部が前記燃料電池スタック内で改質される際、幾つかの燃料電池システムは、前記ブロック内改質（ＩＢＲ）の使用によって、これらの問題を緩和することを企図している。しかしながら、これらのシステムは、典型的には、リフォーマー及び熱交換器を依然として必要とする。従って、内部ブロック改質用に構成された燃料電池システムの改善の機会がある。
【発明の概要】
【０００９】
本開示の幾つかの実施態様によれば、燃料電池システムが提供される。前記燃料電池システムは、燃料源と酸化剤源とを含むことができる。前記燃料電池システムはまた、ＩＢＲ用に構成された燃料電池スタックと、アノードエゼクタと、プレ（予備）−リフォーマーとを備えてなる。前記燃料電池スタックは、複数の燃料電池を包含し、各燃料電池は、アノード、カソード、及び電解質を包含する。前記燃料電池はＳＯＦＣであってよい。前記燃料電池スタックはまた、燃料供給マニホールド、燃料排出マニホールド、酸化剤供給マニホールド、及び酸化剤排出マニホールドを備えてよい。前記燃料供給マニホールドは、燃料を受け取り、前記複数の燃料電池の前記アノードに燃料を供給するように構成されてなる。前記燃料排出マニホールドは、燃料電池スタックからの燃料排出物を排出するように構成されてよい。前記酸化剤供給マニホールドは、酸化剤を受け取り（受領）し、かつ、前記複数の燃料電池の前記カソードに前記酸化剤を供給するように構成されてよく、かつ、前記酸化剤排出マニホールドは、前記燃料電池スタックから酸化剤排気物を排出するように構成されてよい。
【００１０】
前記燃料電池システムの前記アノードエゼクタは、燃料源から燃料を受け取り、前記燃料電池スタックからの排出物（排気）の一部を受け取り、そして、燃料ストリームに供給するように構成（構築）されてよく、前記燃料ストリームは、前記受け取った燃料の一又は複数の少なくとも一部と、前記受け取った排出物の一部（部分）を含んでなる。幾つかの諸例では、前記アノードエゼクタは、少なくとも７．５（即ち、７５０％）のリサイクル比（回収率）に基づいて燃料流（ストリーム）を供給するように構成される。前記リサイクル比は、リサイクル燃料の前記受け取った部分、この例では燃料排出物、の量と、前記燃料流（ストリーム）として供給された、前記受け取った燃料の量との比（質量）である。幾つかの諸例では、前記アノードエゼクタは、リサイクル比の範囲が４．５〜１５（即ち、４５０％と１５００％）に基づいて前記燃料流を供給するように構成されてよい。その他の諸例では、前記アノードエゼクタは、６〜８（即ち、６００％と８００％）のリサイクル比の範囲に基づいて前記燃料流を供給するように構成されている。幾つかの諸例では、前記アノードエゼクタは、熱交換器を介して通過することなく、前記燃料電池スタックからの燃料排出物（排気）の一部を受け取るように構成されている。
【００１１】
上述したように、前記燃料電池システムはプレ−リフォーマーをも含むことができる。前記プレ−リフォーマーは、アノードエゼクタの出口と燃料供給マニホールドとの間に配置されてなり、前記アノードエゼクタから受け取った前記燃料流から高級炭化水素を除去するように構成されてもよい。前記プレ−リフォーマーはまた、前記プレ−リフォーマ（予備改質）された燃料を燃料供給マニホールドに供給するように構成されてもよい。幾つかの諸例では、前記プレ−リフォーマーは、改質前の燃料を燃料供給マニホールドに直接供給する。幾つかの諸例では、プレフォーマは、断熱触媒コンバータであってもよく、前記アノードエゼクタからの燃料ストリーム（流）からの熱以外の熱入力なしに高級炭化水素を除去するように構成されてよい。
【００１２】
幾つかの実施態様では、前記燃料電池システムは、補助エゼクタも含んでもよい。例えば、前記補助エゼクタは、前記燃料電池スタックからの燃料排出物の一部を受け取り、及び、前記酸化剤排出マニホールドから酸化剤排出物を受け取るように構成されてもよい。幾つかの実施態様では、前記燃料電池システムはまた、燃焼器を含んでなり、燃料電池スタックからの燃料排出物と、前記補助エゼクタからの酸化剤排出物とを受けるように構成されてよい。幾つかの実施態様では、前記燃料電池システムはまた、タービンを含んでなり、前記燃焼器からの排気物（排気）を受け取るように構成されている。
【００１３】
幾つかの諸例では、前記燃料電池システムは、前記カソードエゼクタの上流又は下流のいずれかに配置された熱交換器を含んでなる。前記熱交換器は、補助エゼクタの排出物（排気）から前記酸化剤供給（器）に熱を伝達することができる。幾つかの諸例では、前記燃料電池システムは、熱交換器を含まないものであってよい。
【００１４】
幾つかの実施態様では、前記燃料電池システムは、コンプレッサ（圧縮機）を含んでなり、前記酸化剤源から酸化剤を受け取るように構成されてよい。幾つかの実施態様では、前記燃料電池システムはまた、カソードエゼクタを備えてなり、前記カソードエゼクタは、前記コンプレッサから酸化剤を受け取り、前記燃料電池スタックの前記酸化剤排出マニホールドから酸化剤排出物を受け取り、種々の割合で、前記燃料電池スタックの前記酸化剤入口マニホールドに、前記受け取った酸化剤を供給するように構成されてよい。幾つかの諸例では、前記カソードエゼクタからの前記酸化剤排出物は、熱交換器を介して通過することなく、前記燃料電池スタックの酸化剤入口マニホールドに供給される。
【００１５】
本開示の幾つかの実施態様によれば、固体酸化物燃料電池システムが提供される。前記固体酸化物燃料電池システムは、ＩＢＲ用に構成された固体酸化物燃料電池スタックを含んでなり、それは少なくとも１つの固体酸化物燃料電池を含んでなり、各固体酸化物燃料電池は、アノード、カソード、及び電解質を含んでなる。
【００１６】
前記固体酸化物燃料電池システムはまた、燃料及びリフォーメイト（改質物）を各固体酸化物燃料電池の前記アノードに供給するためのアノードループを含んでなる。前記アノードループは、燃料入口マニホールド、燃料排気マニホールド、燃料源、アノードエゼクタ、及びプレ−リフォーマーを含むことができる。前記燃料入口マニホールドは、各固体酸化物燃料電池の前記アノードに燃料を供給するように構成されてよい。前記燃料排出マニホールドは、各固体酸化物燃料電池の前記アノードから、未使用燃料又は部分的に消耗した改質燃料のような燃料排出物を受け取るように構成されてもよい。前記アノードエゼクタは、前記燃料源及び前記燃料排出マニホールドから、燃料を受け取り、燃料流を供給するように構成されてよく、前記燃料流は、前記燃料源及び前記燃料排気マニホールドからの一又は複数の前記受け取った燃料の少なくとも一部を含んでなる。幾つかの諸例では、前記アノードエゼクタは、少なくとも７．５のリサイクル比に基づいて前記燃料流を供給するように構成されてよい。幾つかの諸例では、リサイクル比、例えば７．５、に基づいて、前記アノードエゼクタは、約１１％未満のメタンを含む燃料流を供給する。前記プレ−リフォーマーは、前記アノードエゼクタの出口と、前記固体酸化物燃料電池スタックとの間に配置することができ、前記アノードエゼクタから受け取った前記燃料流から高級炭化水素を除去するように構成することができる。
【００１７】
前記固体酸化物燃料電池システムはまた、各固体酸化物燃料電池の前記カソードに酸化剤を供給するカソードループを含んでなる。前記カソードループは、酸化剤入口マニホールド、酸化剤排出マニホールド、及び酸化剤源を含むことができる。前記酸化剤入口マニホールドは、各固体酸化物燃料電池の前記カソードに酸化剤を供給するように構成されてよく、前記酸化剤排気マニホールドは、前記固体酸化物燃料電池の各カソードから酸化剤排出物を受け取るように構成されてよい。
【００１８】
幾つかの実施態様では、前記固体酸化物燃料電池システムは、酸化剤の前記供給源から酸化剤を受け取るように構成された、コンプレッサを含んでなる。幾つかの諸例では、前記カソードループはまた、カソードエゼクタも含むことができる。前記カソードエゼクタは、前記コンプレッサから酸化剤を受け取り、前記燃料電池スタックの前記酸化剤排出マニホールドから酸化剤排出物を受け取り、及び、様々な割合で、前記受け取った酸化剤を前記燃料電池スタックの前記酸化剤入口マニホールドに供給するように構成することができる。
【００１９】
前記固体酸化物燃料電池システムはまた、前記燃料排出マニホールドからの燃料排出物の一部と、前記酸化剤排出マニホールドからの前記酸化剤排出物の一部を燃焼させるための補助ループを含むことができる。幾つかの諸例では、前記補助ループは、補助エゼクタ及び燃焼器を含むことができる。前記補助エゼクタは、前記酸化剤排出マニホールドから前記酸化剤排出物の一部を受け取り、前記酸化剤供給源から酸化剤の一部を受け取り、そして、前記燃料排出マニホールドから燃料排出物の一部を受け取るように構成されてもよい。前記燃焼器は、補助エゼクタから前記出物（排気）を受け取るように構成されてもよい。幾つかの実施態様では、前記固体酸化物燃料電池システムは、前記燃焼器から前記排出物（排気）を受け取るように構成されたタービンを含んでなる。
【００２０】
幾つかの実施態様では、燃料電池ブロックと、ブロック外（アウト・オブ・ブロック：out-of-block）酸化剤流路と、ブロック外燃料流路とを含んでなる燃料電池システムが提供される。前記燃料電池ブロックは、複数の固体酸化物燃料電池を備えてなる燃料電池スタックを含んでなり、前記各固体酸化物燃料電池は、アノード、カソード、及び電解質を備えてなる。前記燃料電池ブロックはまた、ブロック内（イン・ブロック；in-block）燃料供給流路を含んでなり、前記ブロック内燃料供給流路は、燃料供給マニホールド、燃料排出マニホールド、及び前記燃料供給マニホールド及び前記燃料排出マニホールドと流体連通する一又は複数の燃料供給チャネルを含んでなり、各アノードは、一又は複数の燃料供給路に流れる燃料に曝される。前記燃料電池ブロックはまた、ブロック内酸化流路を含んでなり、前記ブロック内酸化流路は、酸化剤供給マニホールド、酸化剤排出マニホールド、及び前記酸化剤供給マニホールドと前記酸化剤排出マニホールドと流体連通する一又は複数の酸化チャネルを含んでなり、各カソードは、一又は複数の酸化チャネルを流れる酸化剤に曝される。
【００２１】
前記ブロック外（アウト・オブ・ブロック：out-of-block）酸化剤流路は、カソードエゼクタを含んでなり、前記カソードエゼクタは、酸化剤供給入力と、酸化剤リサイクル（再循環）入力と、混合（複合）の酸化剤出力とを有する。例えば、前記混合（複合）の酸化剤出力は、前記酸化剤供給入力を介して受け取られた酸化剤と、前記酸化剤リサイクル入力を介して受け取られたリサイクル（再循環）酸化剤との混合物を提供することができる。また、前記ブロック外酸化剤流路はまた、前記カソードエゼクタ酸化剤供給入力と流体連通している酸化剤源と、前記酸化剤供給導管と流体連通している酸化剤源と、前記カソードエゼクタ酸化剤リサイクル（再循環）入力と流体連通している酸化剤リサイクル（再循環）導管と、及び前記ブロック内酸化流路酸化剤排出マンニホールドとを含んでなる。前記ブロック外流路はまた、酸化剤出力及び前記ブロック内酸化流路酸化剤供給マニホールドが混合（複合）した前記カソードエゼクタと流体連通する混合（複合；一体）の酸化剤供給導管を含んでなる。
【００２２】
前記ブロック外燃料流路はアノードエゼクタを含んでなり、前記アノードエゼクタは、燃料供給入力、燃料リサイクル（再循環）入力、及び混合（複合）した燃料出力を有してなる。例えば、前記混合（複合）した燃料出力は、前記燃料供給入力を介して受け取った燃料と、前記燃料リサイクル入力を介して受け取ったリサイクル燃料に基づいて、混合（複合）した燃料（混合（複合）燃料）を提供することができる。前記ブロック外流路はまた、前記アノードエゼクタ燃料供給入力と流体連通する燃料供給導管と、前記燃料供給導管と流体連通する燃料源、前記アノードエゼクタ燃料リサイクル入力及び前記ブロック内燃料供給流路燃料排出マニホールドと流体連通する燃料リサイクル導管、及び、前記アノードエゼクタ混合（複合）燃料出力及び前記ブロック内燃料供給流路燃料供給マニホールドと流体連通する混合（複合）の燃料供給導管とを含んでなる。
【００２３】
幾つかの諸例では、前記ブロック内燃料供給流路に沿って前記ブロック外燃料流路は、前記アノードエゼクタ燃料リサイクル入力内への燃料流の質量に対する前記アノードエゼクタ燃料供給入力内への燃料流の質量のリサイクル比の範囲が６：１〜８：１となるように構成されている。その他の諸例では、前記ブロック内燃料供給流路に沿って前記ブロック外燃料流路は、前記アノードエゼクタ燃料リサイクル入力内への燃料流の質量に対する前記アノードエゼクタ燃料供給入力内への燃料流の質量のリサイクル比の範囲が４．５：１〜１５：１となるように構成されている。またその他の諸例では、前記ブロック内燃料供給流路に沿って前記ブロック外燃料流路は、前記アノードエゼクタ燃料リサイクル入力内への燃料流の質量に対する前記アノードエゼクタ燃料供給入力内への燃料流の質量のリサイクル比の範囲が７．５：１となるように構成されている。
【００２４】
幾つかの諸例では、前記ブロック内燃料供給流路に沿って前記ブロック外燃料流路は、１１％以上の前記ブロック内燃料供給流路燃料供給マニホールド内に流入する流体中のメタンの重量パーセントを達成するように構成されている。幾つかの諸例では、前記ブロック内燃料供給流路に沿って前記ブロック外燃料流路は、０％以上１１％以下の範囲において、前記ブロック内燃料供給流路燃料供給マニホールド内に流入する流体中のメタンの重量パーセントを達成するように構成されている。
【００２５】
幾つかの諸例では、前記燃料電池システムは、ブロック外補助流路を含んでなり、前記ブロック外補助流路は、酸化剤供給入力、燃料排出入力、酸化剤排出入力、再循環入力、及び出力を有する補助エゼクタを含んでなる。前記補助流路は、前記補助エゼクタ酸化剤供給入力及び酸化剤源と流体連通する酸化剤供給導管と、前記補助エゼクタ燃料排出入力及び前記ブロック内燃料供給流路燃料排出マニホールドと流体連通する燃料排出導管と、前記補助エゼクタ酸化剤排出入力及び前記ブロック内酸化流路酸化剤排出マニホールドと流体連通する酸化剤排出導管と、前記補助エゼクタ出力と流体連通する補助排気導管と、及び前記補助エゼクタリサイクル入力及び前記補助排出物（排気）導管と流体連通するリサイクル導管とをさらに含んでなる。
【００２６】
幾つかの諸例では、前記補助流路は燃焼器を含んでなる。幾つかの諸例では、前記燃料電池システムは、前記燃焼器の流体出力と混合（複合）酸化剤供給導管を流れる流体との間で熱エネルギーを伝達するための熱交換器を含んでなる。幾つかの諸例では、前記熱交換器は、前記燃焼器の流体出力と酸化剤供給導管を流れる流体との間に配置される。
【００２７】
本開示の幾つかの実施態様によれば、燃料電池システムは、燃料電池スタックを含んでなり、前記燃料電池スタックは、複数のコンパートメント〔区画〕（例えば、セグメント）を含んでなるＩＢＲ用に構成される。前記燃料電池システムはまた、複数のアノードエゼクタ及びプレ−リフォーマーを採用することができる。前記燃料電池システムはまた、燃料源と酸化剤源とを含むことができる。前記燃料電池システムはまた、第１アノードエゼクタ、第２アノードエゼクタ、第１プレ−リフォーマー、及び第２プレ−リフォーマーを含むことができる。前記燃料電池スタックは、複数の燃料電池を含んでなり、各燃料電池は、アノード、カソード、及び電解質を含んでなる。燃料電池はＳＯＦＣであってよい。
【００２８】
前記燃料電池スタックの各コンパートメントは、燃料供給マニホールド及び燃料排出マニホールドを含むことができる。前記燃料電池スタックの別のコンパートメントが酸化剤排出マニホールドを含む際、前記燃料電池スタックの１つのコンパートメントは、酸化剤供給マニホールドを含んでなる。前記各燃料電池スタックの燃料供給マニホールドは、燃料を受け取り、及び、前記複数の燃料電池の前記アノードに前記燃料を供給するように構成することができる。各燃料電池スタックの前記燃料排出マニホールドは、前記燃料電池スタックからの燃料排出物を排出するように構成されてもよい。前記燃料電池スタックの１つのコンパートメントである前記酸化剤供給マニホールドは、酸化剤を受け取り、及び、前記複数の燃料電池の前記カソードに前記酸化剤を供給するように構成し、並びに、前記燃料電池スタックの別のコンパートメントの酸化剤排出マニホールドは前記燃料電池スタックから前記酸化剤を排出するように構成されてよい。
【００２９】
前記燃料電池システムの第１アノードエゼクタは、燃料源から燃料を受け取り、前記燃料電池スタックの１つのコンパートメントからの燃料排出物の一部分を受け取り、及び、第１燃料流を供給するように構成されてよく、前記第１燃料流は、少なくとも１つの一部分の一又は複数の前記受け取った燃料及び前記受け取った燃料排出物の一部分を含んでなる。前記第１燃料流は、例えば、第１プレ−フォーマーに供給されてもよい。幾つかの諸例では、第１アノードエゼクタは、熱交換器を通過することなく、前記燃料電池スタックのコンパートメントから前記燃料排出物の一部分を受け取るように構成される。
【００３０】
第１プレ−フォーマーは、前記第１アノードエゼクタの出口と前記燃料供給マニホールドとの間に配置され、及び、前記第１アノードエゼクタから受け取った第１燃料流から高級炭化水素を除去するように構成されてよい。幾つかの諸例では、前記第１プレ−フォーマーは、断熱触媒コンバータとして構成され、前記第１アノードエゼクタからの前記燃料流からの熱以外の熱入力を全く伴うことなく、前記高級炭化水素を除去する。
【００３１】
前記燃料電池システムの第２アノードエゼクタは、前記燃料源から燃料を受け取り、前記燃料電池スタックの別のコンパートメントからの燃料排出物の一部分受け取り、及び、第２燃料流を供給するように構成されてよく、前記第２燃料流は、少なくとも一部分の一又は複数の前記受け取った燃料及び前記受け取った一部分の燃料排出物を含んでなる。前記第２燃料流は、例えば、第２プレ−フォーマーに供給することができる。幾つかの諸例では、前記第２アノードエゼクタは、熱交換器を通過することなく、前記燃料電池スタックの前記その他のコンパートメントから前記燃料排出物の一部分を受け取るように構成されてよい。
【００３２】
前記第２プレ−リフォーマーは、前記第２アノードエゼクタの出口と前記燃料供給マニホールドとの間に配置され、前記第２アノードエゼクタから受け取った前記第２燃料流から高級炭化水素を除去するように構成されてよい。幾つかの諸例では、前記第２プレ−フォーマーは、断熱触媒コンバータとして構成され、前記第２アノードエゼクタからの前記燃料流からの熱以外の熱入力を全く伴うことなく、前記高級炭化水素を除去する。
【００３３】
幾つかの諸例では、前記第１アノードエゼクタは、少なくとも７．５のリサイクル比に基づいて第１燃料流を供給するように構成される。幾つかの諸例では、前記第１アノードエゼクタは、７．５〜１５のリサイクル比の範囲に基づいて前記第１燃料流を供給するように構成される。同様に、幾つかの諸例では、第２アノードエゼクタは、少なくとも７．５のリサイクル比に基づいて前記第２燃料流を供給するように構成される。幾つかの諸例では、前記第２アノードエゼクタは、７．５〜１５のリサイクル比範囲に基づいて第２燃料流を供給するように構成される。
【００３４】
幾つかの実施態様では、前記第１アノードエゼクタ及び前記第２アノードエゼクタは、各々のリサイクル比で、前記第１燃料流及び前記第２燃料流を供給して、前記第１燃料流及び前記第２燃料流が、約１１％未満のメタンを含有する混合（複合）燃料を提供する。例えば、前記第１アノードエゼクタは、前記受け取った燃料に対する前記受け取った前記第１排出物部分の第１比に基づいて前記第１燃料流を供給するように構成されてよく、及び、前記第２アノードエゼクタは、前記受け取った燃料に対する前記受け取った排出物の一部分の第２比に基づいて前記第２燃料流を供給するように構成されてよい。幾つかの諸例では、前記第１比及び前記第２比の各々は、７．５〜１５の範囲内であり得る。
【００３５】
幾つかの実施態様では、前記燃料電池システムは、補助エゼクタも含むことができる。例えば、前記補助エゼクタは、前記燃料電池スタックからの燃料排出物の一部を受け取り、及び前記酸化剤排出マニホールドから排出された前記酸化剤を受け取るように構成されてもよい。幾つかの実施態様では、前記燃料電池システムはまた、燃焼器を包含してよく、前記燃焼器は、前記燃料電池スタックからの燃料排出物及び前記補助エゼクタから排出された前記酸化剤を受け取るように構成されてよい。幾つかの実施態様では、前記燃料電池システムはまた、タービンを包含してよく、前記タービンは前記燃焼器からの前記排出物を受け取るように構成されている。
【００３６】
幾つかの諸例では、前記燃料電池システムは、前記カソードエゼクタの上流又は下流のいずれかに配置された熱交換器を含んでなる。前記熱交換器は、前記補助エゼクタの前記排出物（排気）から前記酸化剤供給に熱を伝達することができる。例えば、前記熱交換器は、前記補助エゼクタの前記排出物（排気）を受け取り、及び前記カソードエゼクタから供給された酸化剤を受け取るように構成されてもよい。前記熱交換器は、次に、前記補助エゼクタの排出物（排気）から酸化剤供給に熱を伝達し、及びそれを前記燃料電池スタックの前記酸化剤入口マニホールドに供給する。或は、前記熱交換器は、前記酸化剤源から酸化剤を受け取り、補助エゼクタの前記排出物（排気）から前記酸化剤に熱を伝達し、及び、前記酸化剤を前記カソードエゼクタに供給するように構成されてもよい。
【００３７】
幾つかの諸例では、燃料電池システムは、燃料電池ブロック、ブロック外酸化剤流路、第１ブロック外燃料流路、及び第２ブロック外燃料流路を含むシステムを提供する。前記燃料電池ブロックは、第１セグメント及び第２セグメントを有する燃料電池スタックを含んでなり、各セグメントは、複数の固体酸化物燃料電池を含んでなり、各固体酸化物燃料電池は、アノード、カソード、及び電解質を備えてなる。前記燃料電池ブロックはまた、第１燃料供給マニホールドと、第１燃料排気マニホールドと、及び前記第１燃料供給マニホールド及び前記第１燃料排気マニホールドと流体連通する一又は複数の第１燃料供給チャネル（通路）とを含んでなる第１ブロック内燃料供給流路を備えてなり、前記第１セグメント内の各アノードは、一又は複数の前記第１燃料供給チャネル内に流れる燃料に曝される。前記燃料電池ブロックは、第２燃料供給マニホールドと、第２燃料排出マニホールドと、前記第２燃料供給マニホールド及び前記第２燃料排出マニホールドと流体連通する一又は複数の第２燃料供給チャネルとを含んでなる第２ブロック内燃料供給流路をさらに備えてなり、前記第２セグメント内の各アノードは、一又は複数の前記第２燃料供給内に流れる燃料に曝される。前記燃料電池ブロックはまた、酸化剤供給マニホールドと、酸化剤排出マニホールドと、及び前記酸化剤供給マニホールド及び前記酸化剤排出マニホールドと流体連通している一又は複数の酸化チャネルとを含んでなるブロック内酸化流路を備えてなり、前記第１セグメント及び前記第２セグメント内の各アノードは、一又は複数の酸化チャネル内に流れる酸化剤に曝される。
【００３８】
前記ブロック外酸化流路は、酸化剤供給入力（部）、酸化剤リサイクル入力（部）、及び混合（複合）した酸化剤出力（部）を有するカソードエゼクタを含むことができる。前記ブロック外酸化流路は、前記カソードエゼクタ酸化剤供給入力（部）と流体連通する酸化剤供給導管と、前記酸化剤供給導管と流体連通する酸化剤源、及び前記カソードエゼクタ酸化剤リサイクル入力（部）と流体連通する酸化剤リサイクル導管と、及び前記ブロック内酸化流路酸化剤排出マニホールドを含んでなる。前記ブロック外酸化流路は、前記カソードエゼクタ混合（複合）した酸化剤出力（部）及び前記ブロック内酸化流路酸化剤供給マニホールドと流体連通している混合（複合）した酸化剤供給導管を含むこともできる。
【００３９】
前記第１ブロック外燃料流路は、燃料供給入力（部）、燃料リサイクル入力（部）、及び混合（複合）した燃料出力（部）を有する第１アノードエゼクタを含むことができる。前記第１ブロック外燃料流路は、前記第１アノードエゼクタ燃料供給入力（部）と流体連通する第１燃料供給導管と、前記第１燃料供給導管と流体連通する燃料源と、及び前記第１アノードエゼクタ燃料リサイクル入力（部）及び前記第２ブロック内燃料供給流路燃料排気マニホールドと流体連通する第１燃料リサイクルとを含むことができる。前記第１ブロック外燃料流路はまた、前記第１アノードエゼクタ混合（複合）燃料出力（部）及び前記第１ブロック内燃料供給流路マニホールドと流体連通する第１混合（複合）燃料供給導管を含むことができる。
【００４０】
前記第２ブロック外燃料流路は、燃料供給入力（部）、燃料リサイクル入力（部）、及び混合（複合）燃料出力（部）を有する第２アノードエゼクタを含むことができる。前記第２ブロック外燃料流路はまた、第２アノードエゼクタ燃料供給入力（部）と流体連通している第２燃料供給導管と、前記第２燃料供給導管と流体連通している燃料源と、前記第２アノードエゼクタ燃料リサイクル入力（部）及び前記第１ブロック内燃料供給流路燃料排出マニホールドと流体連通する第２燃料リサイクル導管を含むことができる。前記第２ブロック外燃料流路はまた、前記第２アノードエゼクタ結合燃料出力（部）及び前記第２ブロック内燃料供給流路燃料供給マニホールドと流体連通している第２混合（複合）燃料供給導管を含むことができる。
【００４１】
幾つかの諸例では、前記第１ブロック外燃料流路及び前記第２ブロック外燃料流路の各々は、及び第１ブロック内燃料流路及び第２ブロック内燃料流路の各々は、前記アノードエゼクタ燃料供給入力（部）内に流入する燃料の質量に対する前記アノードエゼクタ燃料リサイクル入力（部）内に流入する燃料の質量のリサイクル比を７．５から１５の範囲に達成するように構成されてよい。
【００４２】
幾つかの諸例では、前記燃料電池システム燃料電池ブロックは、第１セグメント及び第２セグメントを含んでなる燃料電池スタックを伴ってなり、酸化剤供給入力（部）を有する補助エゼクタ、燃料排出入力（部）、酸化剤排出入力（部）、リサイクル入力（部）、及び出力（部）を含んでなる。前記補助流路はまた、前記補助エゼクタ酸化剤供給入力（部）及び酸化剤源と流体連通する酸化剤供給導管（例えば、供給ライン）を含むことができる。前記補助流路はまた、前記補助エゼクタ燃料排出口及び前記第１ブロック内燃料供給流路排気マニホールドと流体連通する燃料排出導管と、前記補助エゼクタ酸化剤排出入力（部）及び前記第２ブロック内酸化剤供給流路排気マニホールドと流体連通する酸化剤排出導管とを含むことができる。前記補助流路はまた、前記補助エゼクタ出力（部）と流体連通する補助排気導管と、前記補助エゼクタリサイクル入力（部）及び前記補助排気導管と流体連通するリサイクル（再循環）導管とを含んでなる。
【００４３】
幾つかの諸例では、燃料電池システムは、燃料電池スタックを含んでなり、それは、アノード、カソード、及び電解質を各々備えてなる、複数の固体酸化物型燃料電池を含んでなる。前記燃料電池システムはまた、燃料供給マニホールド、燃料排出マニホールド、及び、燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとの間に流路を提供する一又は複数の燃料供給チャネルを含むことができる。前記一又は複数の燃料供給チャネルは、前記複数の燃料電池における前記アノードと流体連通している。前記燃料電池システムはまた、未改質燃料源と、前記燃料源からの未改質燃料の入力（部）と、前記燃料排出マニホールドからのリサイクル燃料の入力（部）と、前記入力（部）からの混合（複合）した燃料出力（部）を有するエゼクタを含んでなり、前記燃料供給マニホールドに付与される。追加的又は代替的に、前記燃料電池システムは、前記未改質燃料の前記質量に対するリサイクル燃料の前記質量のリサイクル比を４．５：１〜１５：１の範囲となるように構成することができる。追加的又は代替的に、前記燃料電池システムは、前記燃料供給マニホールドに供給される前記混合（複合）燃料の前記出力（部）が１１重量％以下のメタンを含むように構成することができる。追加的又は代替的に、前記燃料供給システムは、前記燃料供給マニホールドに入る前記流体の温度が、前記エゼクタからの前記混合（複合）燃料出力（部）の前記温度未満（以下）となるように構成されてもよい。例えば、前記燃料電池システムはまた、前記エゼクタの前記出力（部）と前記燃料供給マニホールドとの間に、前記燃料供給マニホールド内に流入する前記燃料に熱エネルギー（即ち、熱）を提供する熱交換器を含まなくてもよい。
【００４４】
対応する方法もまた意図されている。幾つかの諸例では、燃料電池システムは、ブロック内改質用に構成された燃料電池スタックを含んでなる。この方法は、前記燃料電池スタックの燃料供給マニホールドにより、燃料源からの燃料を受け取ることを含んでなる。この方法はまた、前記燃料電池スタックの酸化剤供給マニホールドにより、酸化剤源ら酸化剤を受け取ることを含んでなる。この方法はまた、燃料電池スタックにより、前記受け取った燃料を前記受け取った酸化剤で改質することを含んでなる。幾つかの諸例では、前記燃料電池システムの全ての燃料改質は、前記燃料電池スタックによって実行される（即ち、１００％ブロック内改質）。この方法はまた、前記燃料電池スタックにより、前記燃料電池スタックからの燃料排出物（排気）を排出することを含んでなる。この方法はまた、前記燃料電池スタックの酸化剤排出マニホールドにより、酸化剤などのカソード排出物（排気）を排出することを含んでなる。この方法はまた、アノードエゼクタにより、燃料源からの前記燃料を受け取り、及び、前記アノードエゼクタにより、前記燃料排出マニホールドからの前記燃料排出物（排気）の第１部分を受け取ることを含んでなる。この方法はまた、前記アノードエゼクタにより、燃料流を供給することを含んでなり、前記燃料流は、前記受け取った燃料の一又は複数の少なくも一部分と、及び前記燃料排出物（排気）の前記受け取った第１部分とを含んでなる。この方法はまた、プレ−リフォーマーにより、前記アノードエゼクタからの燃料流から高級炭化水素を除去することと、及び前記プレ−リフォーマーにより、前記ブロック内改質のために前記燃料電池スタックの前記燃料供給マニホールドに前記燃料流を供給することとを含んでなる。
【００４５】
別の例では、固体酸化物型燃料電池スタックにおけるアノードに燃料を付与する方法であって、
燃料源から未改質燃料を引き出し、
前記未改質燃料と前記固体酸化物型燃料電池スタックから排出された燃料の少なくとも一部分とを混合し、
前記混合した未改質燃料と前記排出された燃料とを予備改質し、及び
前記固体酸化物型燃料電池スタックにおける前記未改質燃料の全てを改質することを含んでなる。
【００４６】
さらに別の例では、燃料電池システムにおける方法は、燃料電池スタックの燃料排気マニホールドにより、燃料排出物を排出し、
前記燃料電池スタックの酸化剤排出マニホールドにより、酸化剤排出物を排出し、
アノードエゼクタにより、燃料源からの燃料を受け取り、
前記アノードエゼクタにより、前記燃料排出マニホールドから前記燃料排出物の第１部分を受け取り、
前記アノードエゼクタにより、前記受け取った燃料の一又は複数の少なくとも一部及び前記燃料排出物の前記受け取った第１部分とを含んでなる燃料流をプレ−リフォーマーに供給し、
前記プレ−リフォーマーにより、前記アノードエゼクタからの前記燃料流から高級炭化水素を除去し、
前記プレ−リフォーマーにより、前記ブロック内改質のために前記燃料電池スタックの燃料供給マニホールドに、前記燃料流を供給し、
前記燃料電池スタックの酸化剤供給マニホールドにより、酸化剤源から酸化剤を受け取り、
前記燃料電池スタックにより、前記受け取った酸化剤を用いて前記燃料流をブロック内改質することを含んでなり、ここで、前記燃料電池システムの全ての燃料改質が前記燃料電池スタックにより実行される。
【００４７】
幾つかの諸例では、前記燃料源からの前記燃料の質量に対する、前記燃料排出マニホールドから前記燃料排出の第１部分の質量のリサイクル比の範囲、例えば、７．５〜１５の範囲に基づいて、プレーリフォーマーに、前記受け取った燃料の一又は複数の少なくとも一部及び前記燃料排出物の前記受け取った第１部分とを含んでなる燃料流を供給する。別の例によれば、前記アノードエゼクタは、前記受け取った燃料の一又は複数の少なくとも一部及び前記燃料排出物の前記受け取った第１部分とを含んでなる燃料流を供給し、ここで、前記アノードエゼクタにより供給された燃料流中におけるメタンの重量％は、１１パーセント以下である。本明細書における前記開示による他の対応方法も考えられる。
【００４８】
他の利点の中で、本開示は、ブロック内改質するために構成された燃料電池スタックを含む燃料電池システムを提供する。前記燃料電池システムは、プレ−リフォーマーを含んでなり、入流する燃料が予備改質され、高級炭化水素を除去し、前記燃料の前記残部は、外部リフォーマーを必要とすることなし、前記燃料電池スタック内で直接改質される。この方法により、前記燃料電池スタックの前記出口及び前記燃料電池スタックの前記入口における前記燃料電池スタック（カソード）空気温度間の差が大幅に低減される。その結果、前記燃料電池スタック入口に前記入流する燃料の温度が上昇する。さらに、前記燃料電池スタックを出る前記燃料の前記温度が低下し、従って、燃料電池スタック出口の劣化が低減される。別の利点は、前記燃料電池スタック内のより均一な電流分布であり、その結果、より長く持続する燃料電池スタックが得られる。例えば、前記燃料電池の前記内部電気抵抗は温度によって変化する。このように、燃料電池が供給できる電流量は温度によって変化する。前記燃料電池スタックに亘ってより均一な温度は、全てのセルがより狭い範囲の内部抵抗を有し、従って、より狭い範囲の電流を生成する、ということを意味する。これは、燃料電池スタックがどれだけの量の電流が引き出されたかということに基づいて劣化する傾向があるため、少なくとも利点である。幾つかの燃料電池が他の電池よりも速く劣化する場合、前記燃料電池スタックは寿命の終わりの状態に達する可能性があるが、幾つかの電池は依然として有用なままである。このシステムにはコスト上の利点もあり、それは、前記燃料電池システムに外部リフォーマーを設ける必要がないことによる。本発明の主題による他の利点は、特許請求の範囲、添付図面、本態様の下記詳細な説明の精読による本開示の関連性から、当業者とり容易に明らかにされるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、本開示の幾つかの実施態様による燃料電池システムを示した図である。
【図２】図２は、本開示の幾つかの実施態様による別の燃料電池システムを示した図である。
【図３】図３は、本開示の幾つかの実施態様によるさらに別の燃料電池システムを示した図である。
【図４】図４は、本開示の幾つかの実施態様によるさらに別の燃料電池システムを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
本開示は様々な修正及び代替形態が可能である一方で、具体的な実施態様は前記図面における諸例として示されており、そして、本明細書において詳細にその内容を開示する。特許請求の範囲に記載された発明主題の目的及び利点は、添付図面に関連して、前記好ましい実施態様の下記詳細な説明からより明らかになるであろう。しかしながら、本開示は、本明細書に開示された特定の態様に限定して意図されるものではないことは、理解されたい。むしろ、本開示は、添付された特許請求の範囲によって定義された本開示の精神及び範囲内に入る全ての修正（改変）、均等物、及び代替物をカバーするものである。
【００５１】
図１は、燃料電池スタック１０２、酸化剤供給源１０８、燃料源１１０、アノードエゼクタ１１２（燃料エゼクタとも呼ばれる）、カソードエゼクタ１１４（酸化剤エゼクタとも呼ばれる）、プレ−リフォーマー１４４と、補助エゼクタ１１６とを備えてなる。前記システムは、燃料のＩＢＲを含む。例えば、幾つかの諸例では、全ての燃料改質（即ち、１００％）が燃料電池スタック１０２内で生じる。前記ＩＢＲは、乾式改質又は湿式改質を含むことができる。前記燃料電池システム１００はまた、補助の、装置及び構成要素（部品）を含むことができる。この例では、前記燃料電池システム１００は、コンプレッサー（圧縮機）１３４、タービン１３６、発電機１３８、及びレキュペレータ（復熱器）１４２を備えてなる。
【００５２】
前記燃料電池スタック１０２は、個々の燃料電池（図示せず）を複数備えてもよい。前記個々の燃料電池は、それぞれ、アノード、カソード、及び電解質をも備えてなる。前記燃料電池スタック１０２はまた、燃料供給マニホールド１２０（燃料入口マニホールドとしても知られている）を備えてなり、これは、前記プレーリフォーマー１４４から燃料ストリームを受け取るように構成されている。
【００５３】
前記燃料電池スタック１０２はまた、燃料排出マニホールド１１８を備えてなり、これは、燃料排出物（排気）〔例えば、ベント〕、取り分け（インター  アリア）、未使用燃料〔例えば、改質された燃料、リフォーメート（改質油）〕、燃料電池反応生成物（生成油）、又は前記燃料スタック１０２からの両者を排出するように構成されてなる。前記燃料排出物（排気）は、前記アノードエゼクタ１１２の前記吸引（管）、前記補助エゼクタ１１６の吸引、又は、例えば、燃焼器（図示せず）等の、その他の補助装置に、供給されてもよい。燃料排出マニホールド１１８はまた、燃料排出物（排気）を前記環境に排出するように構成されてもよく、又は、これらの何れかの任意の組み合わせを使用し、前記燃料排出物（排気）を供給し又は排出するように構成されてもよい。
【００５４】
アノードエゼクタ１１２は、燃料源１１０からの燃料源を受け取ることができ、かつ、燃料電池スタック１０２からの前記燃料排出マニホールド１１８からの燃料排出物（排気）を受け取ることもでき、これは、上述の通り、前記アノードエゼクタ１１２に戻ってリサイクルされる。前記アノードエゼクタ１１２は、前記燃料を前記プレ−リフォーマー１０４に供給されるように構成されてなる。幾つかの諸例では、アノードエゼクタ１１２は、高いリサイクル比に基づいて、燃料を供給するように構成されてなる。例えば、前記アノードエゼクタ１１２は、７．５〜１５の範囲のリサイクル比に基づいて燃料を供給するように構成されてもよい。幾つかの諸例では、前記アノードエゼクタ１１２は、それが構成されたリサイクル比に基づいて、１１％未満のメタンを伴って、燃料を前記プレ−リフォーマーに供給する。
【００５５】
前記プレ−リフォーマー１４４は、前記アノードエゼクタ１１２の前記出口（部）及び前記燃料供給マニホールド１２０間に配置されてよい。前記プレ−リフォーマー１４４は、前記アノードエゼクタ１１２の前記出口（部）からの燃料流から高級炭化水素を除去するように機能し、そして、高級炭化水素の何れかは、前記アノードエゼクタ１１２でリサイクルされた前記燃料排気物（排気）に排出されてもよい。前記プレ−リフォーマー１４４は、前記高級炭化水素を除去することが可能な断熱触媒コンバータであってもよく、これは、前記燃料源１１０からの前記燃料からの前記熱以外の熱入力を必要とせず、前記燃料排出１１８からリサイクルされてよい。
【００５６】
幾つかの諸例では、燃料源１１０が脱硫天然ガスをアノードエゼクタ１１２に付与（供給）する。アノードエゼクタ１１２を排出可能なメタンガスは、水スチーム改質を通じて（介して）、燃料電池スタック１０２内の合成ガスに変換される。前記得られた合成ガスは、燃料電池スタック１０２の前記電気化学的プロセスを通じて（介して）、二酸化炭素及び水に変換される。
【００５７】
前記燃料電池スタック１０２はまた、酸化剤供給マニホールド１２２（酸化剤入口マニホールドと呼ぶこともある）と、酸化剤排出マニホールド１２４とを含んでなる。前記酸化剤供給マニホールド１２２は、前記カソードエゼクタ１１４から酸化剤を受け取るように構成されてもよい。前記カソードエゼクタ１１４はまた、前記燃料電池スタック１０２の前記酸化剤排出マニホールド１２４から排出される酸化剤を受け取るように構成される。前記カソードエゼクタ１１４は、前記受け取った酸化剤を前記燃料電池スタック内における複数のカソードに提供するようにさらに構成される。
【００５８】
前記酸化剤排出マニホールド１２４は、前記燃料電池スタック１０２からの前記酸化剤を、配送のために、前記カソードエゼクタ１１４の吸引（部）、補助エゼクタ１１６の吸引（部）、又は、例えば燃焼器（図示せず）のような幾つかの他の構成要素（部品）の一又は複数に排出するように構成することができる。前記酸化剤排出マニホールド１２４はまた、前記酸化剤を環境に排出するように構成されてもよく、又は、これらの何れかの組み合わせ内にある前記酸化剤を排出し又は逃散（ベント）するように構成されてよい。
【００５９】
前記カソードエゼクタ１１４の前記吸引側に供給される前記酸化剤排出物は、カソードループの部分を介して流れる。この例では、前記カソードループは、前記酸化剤供給マニホールド１２２内に前記カソードエゼクタ１１４からの酸化剤の流路からなり、そこから、前記酸化剤が前記燃料電池スタック１０２における前記カソードに供給され、前記酸化剤排出マニホールド１２４の外に排出され、前記カソードエゼクタ１１４の前記吸引に戻されてよい。前記から理解される通り、前記カソードループは、閉鎖系システムではなく、これは、酸化剤が酸化剤供給１０８から前記ループに入ることが許容され、そして、前記エゼクタ１１６の前記吸引を介して前記ループを出ることが許容されることによるものである。例えば、幾つかの実施態様では、前記カソードループは、前記酸化剤源１０８と、前記酸化剤源１０８と前記燃料電池スタック１０２との間に示される追加の構成要素（構成部材：部品）とを含むものと考えてもよい。追加的に、幾つかの実施態様においては、前記カソードループは、燃料電池スタック１０２の一又は複数の燃料電池電解質を介して、イオン化され、拡散される、酸化剤流を含んでなる。
【００６０】
前記補助エゼクタ１１６に一体化することができる燃焼器（図示せず）は、新鮮な酸化剤を供給することができ、それは、前記使用したエネルギーを動力補助エゼクタ１１６に提供することができる。前記補助エゼクタ１１６は、前記燃料排出マニホールド１１８からの燃料排出物（排気）の一部分に引き込んでなり、前記酸化剤排出マニホールド１２４からの前記酸化剤の一部は、補助エゼクタ１１６によって生成された燃焼ガスに引き込んでもよい。
【００６１】
この例では、前記燃料電池システム１００の一部は、アノードループを備えてなる。前記アノードは、プレ−リフォーマー１４４から、前記燃料入口マニホールド１２０への燃料流路と、前記燃料排出マニホールド１１８の外側への燃料流路と、前記アノードエゼクタ１１２への燃料流路と、前記プレ−レフォーマー１４４への戻り燃料流路とを含んでなる。前記アノードループはまた、燃料源１１０からアノードエゼクタ１１２への燃料流路を含んでなる。
【００６２】
前記燃料源１１０は、例えば、炭化水素燃料、脱硫天然ガス、又は燃料の何れかの他の種類の燃料のような燃料源であってよい。前記酸化剤源１０８は、貯蔵タンクを含むことができ、例えば、純酸素、大気、又は他の酸化剤源等の酸化剤、又は酸化剤の供給を生成するように設計されたシステムで充填されてなる。
【００６３】
前記の通り、燃料電池システム１００は、コンプレッサ１３４、タービン１３６、コンプレッサ（発電機）１３８、及びレキュペレータ（熱交換器）１４２を備えてなる。前記レキュペレータ１４２は、その中に、一セット（組）の低温側チャネルの為に、前記コンプレッサ（圧縮機）１３４から酸化剤が供給される。同様に、前記レキュペレータ１４２には、前記タービン１３６の排出物（排気）を一セット（組）の高温側チャネルに供給することができる。前記レキュペレータ１４２は、前記カソードエゼクタ１１４及び前記補助エゼクタ１１６の上流にあり、そして、前記タービン１３６排出物（排気）及び前記コンプレッサ１３４により供給された前記酸化剤の間に熱を伝達する機能を有する。
【００６４】
ジェネレータ１３８は、タービン１３６に電力を供給する。前記タービン１３６をコンプレッサー１３４及びジェネレータ１３８を駆動し、及び、例えば、補助エゼクタ１１６からの前記燃焼生成物を受け取ることができる。前記燃焼生成物は膨張し、それらが前記タービン１３６を介して横断する。前記タービン１３６排出物（排気）は、前記レキュペレータ１４２に供給することができ、前記大気中に排出される前に、その中に熱伝達を行う効果を有する。前記タービン１３６はまた、前記排出物（排気）を前記大気に逃散（ベント）するように構成されてもよい。
【００６５】
コンプレッサー１３４は、酸化剤１０８の前記供給から下流に配置できる。前記コンプレッサー１３４は、前記酸化剤を引き込み及び圧縮することができ、これは、前記カソードエゼクタ１１４及び補助エゼクタ１１６の駆動に使用される。この例において、コンプレッサー１３４は、前記圧縮した酸化剤をレキュペレータ１４２に付与するように構成されてなる。
【００６６】
幾つかの実施態様では、前記燃料電池システム１００は、複数の統合（一体化）された燃料電池システムの一つであってもよい。図１の右側に示されているように、前記カソードエゼクタ１１４の直下及び「追加統合されたブロックへ」として表示されている右向きの矢印は、前記酸化剤が別の統合された燃料電池システムに向かって流れ、前記カソードエゼクタ及びそのシステムの補助エゼクタに酸化剤を供給する。そのような実施態様では、前記コンプレッサー１３４は、前記複数の統合した燃料電池システムの為に、圧縮された酸化剤を付与することができる。同様に、「追加統合されたブロックから」と表示された前記矢印によって示されているように、補助エゼクタ１１６からの排出物（排気）は、タービン１３６に供給される共通排出物（排気）ヘッダに供給することができる。幾つかの実施態様では、複数のタービン及びコンプレッサーは前記複数の統合された燃料電池システム間に使用されてよい。
【００６７】
図２は、図１に関して上述したものと同様の構成要素（部材）を含む燃料電池システム２００を示す。図１の前記燃料電池システム１００と同様に、前記システムは燃料のＩＢＲを含む。例えば、幾つかの諸例では、すべての燃料改質が燃料電池スタック１０２内で行われる。しかし、この例では、前記燃料電池スタック１０２は、２つのコンパートメント（区画）、即ち、第１コンパートメント１０３及び第２コンパートメント１０４を含む。前記燃料電池システム２００はまた、アノードエゼクタ１１２及びアノードエゼクタ１１３を含む２つのアノードエゼクタ、並びに、プレ−リフォーマー１４４及びプレ−リフォーマー１４５を含む２つのプレ−リフォーマーを含む。
【００６８】
アノードエゼクタ１１２は、燃料源１１０からの燃料源を受け取ることができ、及び、燃料電池スタック１０２のコンパートメント１０４からの燃料排出マニホールド１１８から燃料排出物を受け取ることができる。前記アノードエゼクタ１１２は、前記プレ−リフォーマー１４４に前記燃料を供給するように構成されてなる。
【００６９】
前記プレ−リフォーマー１４４は、前記アノードエゼクタ１１２の出口及び燃料電池スタック１０２のコンパートメント１０３の前記燃料供給マニホールド１２０間に配置されてなる。前記プレ−リフォーマー１４４は、前記アノードエゼクタ１１２の前記出口からの前記燃料流から高級炭化水素、及び、前記アノードエゼクタ１１２にリサイクルされた前記燃料排出物（排気）中に出る何れかの高級炭化水素を除去するのに機能する。前記プレ−リフォーマー１４４は、燃料電池スタック１０２のコンパートメント１０３の前記燃料供給マニホールド１２０に、前記燃料流を供給する。
【００７０】
同様に、アノードエゼクタ１１３は、燃料源１１０からの燃料源を受け取ることができ、及び、燃料電池スタック１０２のコンパートメント１０３からの燃料排出マニホールド１２８から燃料排出物（排気）を受け取ることができる。前記アノードエゼクタ１１３は、前記プレ−リフォーマー１４５に前記燃料を供給するように構成されてなる。
【００７１】
前記プレ−リフォーマー１４５は、前記アノードエゼクタ１１３の出口及び燃料電池スタック１０２のコンパートメント１０４の前記燃料供給マニホールド１３０間に配置されてなる。前記プレ−リフォーマー１４５は、前記アノードエゼクタ１１３の前記出口からの前記燃料流から高級炭化水素、及び、前記アノードエゼクタ１１３にリサイクルされた前記燃料排出物（排気）中に出る何れかの高級炭化水素を除去するのに機能する。前記プレ−リフォーマー１４５は、燃料電池スタック１０２のコンパートメント１０４の前記燃料供給マニホールド１３０に、前記燃料流を供給する。
【００７２】
幾つかの諸例では、燃料源１１０は、アノードエゼクタ１１２及びアノードエゼクタ１１３の両方に、脱硫天然ガスを付与する。アノードエゼクタ１１２を出るメタンはスチームリフォーミングを介して燃料電池スタック１０２のコンパートメント１０３で合成ガスに変換される。前記得られた合成ガスは、前記燃料電池スタック１０２の電気化学的プロセスを介して二酸化炭素及び水に変換される。同様に、アノードエゼクタ１１３を出る全てのメタンはスチームリフォーミングを介して燃料電池スタック１０２のコンパートメント１０４で合成ガスに変換される。前記得られた合成ガスは、前記燃料電池スタック１０２の電気化学的プロセスを介して二酸化炭素及び水に変換される。このように、この例における２つのアノードエゼクタの前記使用は、そのようなアノードエゼクタを１つしか使用しない幾つかのシステムよりも、より低いメタン濃度を有する燃料電池スタック１０２に燃料を配送するのを許容する。幾つかの諸例では、前記アノードエゼクタは、１１％以下のメタン濃度を有する燃料を供給するために混合（複合）する。
【００７３】
図３は、図２の燃料電池システム２００と同様の燃料電池システム３００を例示し、熱交換器３０６を備えてなる。この例では、燃料電池スタック１０２の前記酸化剤供給マニホールド１２２に流入する前に、前記酸化剤が熱交換器３０６の低温度側チャネルを通って（介して）流れる。この例では、前記カソードエゼクタ１１４は、前記酸化剤源１０８から新鮮な酸化剤を受け取るように構成され、及び、前記酸化剤を熱交換器３０６の高温側チャネルに供給する。
【００７４】
熱交換器３０６の前記高温側チャネルは、この例において、補助エゼクタ１１６からの前記排出物（排気）のような、高温流体源が供給される。他の諸例において、その他の温暖流体は使用されてよい。例えば、前記温暖流体は、燃焼器からの燃焼製品であってよく、これは、前記補助エゼクタ１１６内に統合（統一化）されてよく、及び、前記燃料電池スタック１０２の前記アノードからの燃料排出物（排気）の一部分、前記燃料電池スタック１０２の前記カソードからの前記酸化排出物、又はこれらの流体からの組み合わせを燃焼する。前記熱交換器３０６の前記高温側チャネルを介して通過した後に、この例のように、前記温暖流体は前記補助エゼクタ１１６の吸引側に供給することができる。幾つかの諸例では、前記温暖流体を前記環境外に逃散（ベント）することができる。
【００７５】
図４は、図３の前記燃料電池システム３００と同様の燃料電池システム４００を例示する。しかしながら、この例において、前記熱交換器３０６は、カソードエゼクタ１１４の上流ではなく、下流である。このように、この例では、熱交換器３０６の前記低温側チャネルは、酸化剤供給１０８から酸化剤を受け取る。熱交換器３０６を介して通過した後に、前記酸化剤がカソードエゼクタ１１４に供給される。図３の前記燃料電池システム３００のように、熱交換器３０６の前記高温側チャネルには、この例では、補助エゼクタ１１６からの前記排出物（排気）などの、高温流体源が供給される。前記熱交換器３０６の前記高温側チャネルを通過した後、この例のように、前記温暖流体は前記補助エゼクタ１１６の前記吸引側に供給される。幾つかの諸例では、前記温暖流体は前記環境外に逃散（ベント）することができる。
【００７６】
他の利点の中で、本開示は、燃料電池システムを提供するものであり、燃料電池システムは、ブロック内改質のために構成された燃料電池スタックを備えてなる。前記燃料電池システムは、プレ−リフォーマーを備えてなり、入ってくる燃料がプレ−リフォーム（予備改質）され、高級炭化水素を除去し、及び、前記燃料の前記残部が、外部（追加）のリフォーマーの必要なし、前記燃料電池スタック内で直接に改質される。このようにして、前記燃料電池スタックの前記出口における燃料電池スタック（カソード）空気温度と、前記燃料電池スタックの入口との間の差が大幅に低減される。その結果、燃料電池スタック入口に流入する前記燃料の温度が上昇する。さらに、前記燃料電池スタックを出る前記燃料の前記温度が低下し、従って、前記燃料電池スタック出口の劣化が低減される。別の利点は、前記燃料電池スタック内のより均一な電流分布であり、より長持ちする燃料電池スタックをもたらす。このシステムには、コスト上の利点があり、前記燃料電池システムに外部（追加）のリフォーマーの必要がないことによる。本発明（主題）の他の利点は、本開示が特許請求の範囲、添付した図面、及び実施態様の以下の詳細な説明を精読した当業者には容易に明らかになるであろう。
【００７７】
本発明の主題による好ましい実施態様が開示してきたが、開示された態様は、単に例示されたものであり、本発明の主題の範囲に、特許請求の範囲によって主として定義されるべきことであり、当業者は本明細書に開示された事項において当然に生じる、均等物、多くの改変及び修飾を容易に得ることが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
2019079802000001.pdf