(57)【要約】  燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、燃料電池スタックのカソード排気ストリームからの熱を、燃料注入ストリームへ供給される水へ移動させるようになされた熱移動装置と、炭化水素燃料を水素含有反応生成物へ改質し、その反応生成物を燃料電池スタックへ供給するようになされた改質器と、改質器と熱的に一体化される燃焼器と、を含む。
2008541382.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって：
燃料電池スタック；
燃料電池スタックのカソード排気ストリームから、燃料注入ストリームに供給される水へ熱を移動するようになされた熱移動装置；
炭化水素燃料を水素含有反応生成物へ改質して前記燃料電池スタックへ前記反応生成物を供給するようになされた改質器；および、
熱的に前記改質器と一体化される燃焼器；
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックは固体酸化物型燃料電池スタックを備える、
請求項１のシステム。
【請求項３】
前記燃料電池スタックのアノード排気ストリームからの熱を用いて、前記燃料注入ストリームを加熱するようになされた燃料予熱器；
前記カソード排気ストリームからの熱を用いて、空気注入ストリームを加熱するようになされたカソード復熱器の熱交換器；
前記アノード排気ストリームからの熱を用いて、前記空気注入ストリームを予熱するようになされた空気予熱器の熱交換器；
前記燃料注入ストリームを、蒸発器から供給される蒸気と混合するようになされた蒸気−燃料混合器；および、
前記燃料電池スタック、前記改質器、前記燃焼器、前記燃料予熱器および前記カソード復熱器を含むホットボックス；を更に備える、
請求項２のシステム。
【請求項４】
複数の接続導管；
前記燃料電池スタックの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、自由水素へ変換するようになされた水性ガスシフト反応器；
前記アノード排気ストリーム中の水蒸気を、液体としての水へ凝縮するようになされた凝縮器；および、
前記アノード排気ストリームが前記凝縮器を通過した後に、前記アノード排気ストリームから水素を回収するようになされた水素回収システム；を更に備える、
請求項３のシステム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックが発電するために必要な、前記燃料電池スタックへ送り込まれる空気の、２．５乃至６．５倍を供給するための手段を更に備える、
請求項１のシステム。
【請求項６】
前記燃料電池スタックが発電するために必要な、前記燃料電池スタックへ送り込まれる空気の、３乃至４．５倍を供給するための手段を更に備える、
請求項２のシステム。
【請求項７】
前記燃料電池スタックのカソード排気出口が、前記燃焼器の注入口へ動作可能に接続する、
請求項１のシステム。
【請求項８】
燃料電池システムであって：
燃料電池スタック；
燃料電池スタックのカソード排気ストリームからの熱を用いて、水を蒸気へ蒸発させるための第１手段；
前記燃料電池スタックへ向けられる燃料注入ストリーム中へ前記蒸気を供給するための第２手段；
炭化水素燃料を水素含有反応生成物へ改質し、前記反応生成物を前記燃料電池スタックへ供給するための第３手段；および、
燃料および酸化剤を燃焼させるための第４手段；を備え、前記第４手段は前記第３手段と熱的に一体化される、
燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池スタックのカソード排気出口は、前記第４手段の注入口へ動作可能に接続する、
請求項８のシステム。
【請求項１０】
前記燃料電池スタックは固体酸化物型燃料電池を備える、
請求項８のシステム。
【請求項１１】
前記燃料電池スタックが発電するために必要な、前記燃料電池スタックへ送り込まれる空気の、２．５乃至６．５倍を供給するための第５手段を更に備える、
請求項８のシステム。
【請求項１２】
燃料電池システムを動作させるための方法であって：
燃料電池スタックを動作させて発電し；
燃料電池スタックのカソード排気ストリームからの熱を用いて、水を蒸気へ蒸発させ；
前記燃料電池スタックへ向かう燃料注入ストリームへ、前記蒸気を供給し；
前記燃料注入ストリーム中のメタンおよび天然ガスの少なくとも何れかを含む前記燃料を、改質器内で改質し；
前記燃料電池スタックのアノード注入口へ前記改質燃料を供給し；
燃料および酸化剤を燃焼器へ供給し；および、
前記燃焼器から前記改質器へ燃焼熱を供給する；
ことを含む方法。
【請求項１３】
前記燃料電池スタックは固体酸化物型燃料電池スタックを備える、
請求項１２の方法。
【請求項１４】
酸化剤を前記燃焼器へ提供する前記ステップは、前記燃料電池スタックの前記カソード排気ストリームを前記燃焼器へ供給することを含む、
請求項１２の方法。
【請求項１５】
前記カソード排気ストリームを前記改質器に隣接して通すことにより、前記カソード排気ストリームから前記改質器へ熱を移動させることを更に含む、
請求項１２の方法。
【請求項１６】
燃料電池スタックの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、自由水素へ変換し；
前記アノード排気ストリーム中の前記水蒸気を液体としての水へ凝縮し；および、
前記凝縮ステップ後に、前記アノード排気ストリームから水素を回収する；ことを更に含む、
請求項１２の方法。
【請求項１７】
前記燃料電池スタックが発電するために必要な、前記燃料電池スタックへの空気の、２．５乃至６．５倍を供給することを更に含む、請求項１２の方法。
【請求項１８】
燃料電池システムを動作させるための方法であって：
燃料電池スタックを動作させて発電し；
燃料電池スタックのカソード排気ストリームからの熱を用いて、水を蒸気へ蒸発させ；
前記燃料電池スタックへ向かう燃料注入ストリームへ、前記蒸気を供給し；
燃料電池スタックの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、自由水素へ変換し；
前記アノード排気ストリーム中の前記水蒸気を液体としての水へ凝縮し；および、
前記凝縮ステップ後に、前記アノード排気ストリームから水素を回収する；ことを含む方法。
【請求項１９】
燃料電池システムであって：
燃料電池スタック；
前記燃料電池スタックのカソード排気ストリームから、燃料注入ストリームへ供給される水へ熱を移動するようになされた熱移動装置；
前記燃料電池スタックの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、自由水素へ変換するようになされた水性ガスシフト反応器；
前記アノード排気ストリーム中の水蒸気を、液体としての水へ凝縮するようになされた凝縮器；および、
前記アノード排気ストリームが前記凝縮器を通過した後、前記アノード排気ストリームから水素を回収するようになされた水素回収システム；
を備える燃料電池システム。
【請求項２０】
炭化水素燃料を水素含有反応生成物へ改質し、前記燃料電池スタックへ前記反応生成物を供給するようになされた改質器；および、
熱的に前記改質器と一体化される燃焼器；を更に備える、
請求項１９のシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
本発明は、一般に燃料電池に関し、より詳細には高温型燃料電池システムおよびその動作に関する。
【０００２】
燃料電池は、燃料に蓄えられているエネルギーを、電気エネルギーへ高効率で変換できる電気化学装置である。高温型燃料電池には、固体酸化物型燃料電池および溶融炭酸塩型燃料電池がある。これらの燃料電池は、燃料である水素および／または炭化水素を用いて動作する。電気エネルギーを入力として用いて、酸化した燃料を非酸化燃料へ還元して戻すことができるように逆方向動作も可能な、固体酸化物再生型燃料電池のような型式の燃料電池が幾つかある。
【０００３】
固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）システムのような高温型燃料電池システムでは、酸化流は燃料電池のカソード側を通過し、一方、燃料流は燃料電池のアノード側を通過する。酸化流は典型的には空気であり、燃料流は、典型的には炭化水素燃料源を改質して得られる高濃度水素ガスである。７５０乃至９５０℃の典型的な温度で動作する燃料電池は、マイナス荷電酸素イオンをカソード流ストリームからアノード流ストリームへ移動させることができ、そこでイオンは、自由水素あるいは炭化水素分子中の水素と結合して水蒸気を形成し、および／または一酸化炭素と結合して二酸化炭素を形成する。マイナス荷電イオンからの過剰な電子は、アノードとカソード間で完結する電気回路を通って燃料電池のカソード側へ戻り、その結果、回路に電流が生じる。
【０００４】
発明の概要
本発明の好ましい態様は、燃料電池スタック；燃料電池スタックのカソード排気ストリームからの熱を、燃料注入ストリームへ供給される水へ移動させるようになされた熱移動装置；炭化水素燃料を、水素を含む反応生成物へ改質し、その反応生成物を燃料電池スタックへ供給するようになされた改質器；および、改質器と熱的に一体化される燃焼器；を備える燃料電池システムを提供する。
【０００５】
好ましい実施の形態の詳細な説明
上昇した動作温度にＳＯＦＣを維持するために、燃料電池を出るアノード流およびカソード流の各ストリームは、一連の復熱用熱交換器を介して、流入する流れへ熱を移動させるのが一般的である。比較例では、炭化水素燃料を水蒸気改質する水蒸気を生成して高濃度水素の改質流を生成するために、液体である水の供給源へ熱を移動させるプロセスを含めることができる。
【０００６】
例えば、カソードの熱を、カソード排気流ストリームから、カソード流入空気へ復熱移動させ得る一方、アノードの熱の一部を、水蒸気改質器に送り込まれる加湿された天然ガス等の流入燃料へアノード排気から復熱的に移動させ、また燃料内に提供される水蒸気を生成して燃料を加湿するように水へ移動させる。さらに、アノード排気中の水蒸気を回収してその全てまたは一部を水蒸気改質器のための水供給源として役立てることができる。
【０００７】
本発明者らが知得したことは、アノード（すなわち燃料側）排気ストリームを用いて加湿燃料を加熱し水を蒸発させるシステムを熱力学的に解析することにより明らかになったのは、燃料電池を出るアノード排気における利用可能なエネルギーは、流入加湿燃料（すなわち水および燃料）へ移動させるのに必要なエネルギーより多い、ということである。しかし、アノード排気中の利用可能な熱および送り込みに必要な熱はともに、かなりの部分が潜熱の状態である。その結果、アノード排気内に利用可能なエネルギーが十分あっても、アノード排気から排気ストリームと一つ以上の流入流体とを隔てる熱伝導面へ、次いで前記面から前記一つ以上の流入流体へ、対流によって熱が移動するように、熱交換器を介してアノード排気から水および天然ガスへ熱を移動させる試みは、商業的にみて実用的でない可能性がある。
【０００８】
上記問題を、アノード排気および水の、温度対移動熱量のプロット図を示す図１で説明する。図１の条件は、水性ガスシフト反応器から蒸発器（すなわち気化器）に入るアノード排気温度が４００℃であること、そして最小限の過熱状態で水の完全蒸発を達成できる実質的な対向流式蒸発器を想定している。
【０００９】
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および水の等温蒸発により、熱負荷のかなりの部分で、熱を奪われるアノード排気の温度が、熱を受け取る水の温度未満に低下する（すなわち、約１１００から約１７５０ＷのＱ値に対して、水の曲線がアノード排気の曲線の上に位置する）。その結果、典型的な熱交換器を使用するだけでは、流体間の必要な熱移動を達成するのは、図１で想定した条件では実現不能ということになる。なぜなら、典型的な熱交換器での熱移動では、熱伝導隔離材の温度が、熱を奪われる流体の局部的バルク流体温度未満で、かつ熱を受け取る流体の局部的バルク流体温度を超える必要があるからである。
【００１０】
従って、水を十分に蒸発させてメタン改質に要求される水蒸気の量を満足するには追加の熱源が必要となるが、６．５ｋＷの電気出力を有するシステムでは１．５ｋＷにもなる。この追加熱源はシステム効率を低下させる。
【００１１】
本発明者らが知得したことは、カソード（すなわち空気側）排気を用いて燃料中に供給される水を蒸発させること、および／またはシステムへ供給される燃料を加熱することができるということである。この代替手法を用いて、ＳＯＦＣ燃料電池システム内の熱エネルギー回収をすることにより、排気ガスの熱力学的ポテンシャルを全て、エンタルピーホイールのような質量移動装置または追加熱源を用いることなく、燃料電池フィードの予熱のために回収できる。一方、この代替手法を利用するシステムによっては、依然として、エンタルピーホイールのような質量移動装置または追加熱源の使用が望ましいこともある。カソード排気を、燃料加湿のために水を蒸発させるために用い、および／または流入燃料を加熱するために用いるシステムは、受動制御することもできる。一方、カソード排気を、燃料加湿のために水を蒸発させるために用い、および／または流入燃料を加熱するために用いるシステムによっては、能動制御を利用する方が望ましいこともある。
【００１２】
図２および図３は、本発明の第１の好ましい実施の形態による燃料電池システム１を示す。好ましくは、システム１は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）システムまたは溶融炭酸塩型燃料電池システムのような、高温型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）および電気分解（すなわち充電）の両モードで動作する固体酸化物再生型燃料電池（ＳＯＲＦＣ）システムのような再生型システムとするか、または燃料電池モードのみで動作する非再生システムとしてもよい。
【００１３】
システム１は、一つ以上の高温型燃料電池スタック３を含む。スタック３は、複数のＳＯＦＣ、ＳＯＲＦＣ、または溶融炭酸塩型燃料電池を含む。各燃料電池は、電解質、アノード室内の電解質の一方の側のアノード電極、カソード室内の電解質の他方の側のカソード電極、ならびに、セパレータ板／電気接点、燃料電池ハウジングおよ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動作では、空気または酸素ガス等の酸化剤がカソード室へ入る一方、水素または炭化水素燃料等の燃料がアノード室へ入る。任意の適切な燃料電池設計および構成要素材料が用いられ得る。
【００１４】
システム１は、図２において燃料加湿器と称された熱移動装置５を含む。装置５は、燃料電池スタック３のカソード排気から熱を移動させて燃料注入ストリームへ供給される水を蒸発させ、また、燃料注入ストリームを蒸気（すなわち蒸発した水）と混合するようになされている。好ましくは、熱移動装置５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なされた水蒸発器（すなわち気化器）６を含む。蒸発器６は、燃料電池スタック３のカソード排気出口９へ動作可能に接続する第１入力部７、水供給源１３へ動作可能に接続する第２入力部１１、およびスタック３の燃料注入口１７へ動作可能に接続する第１出力部１５を含む。熱移動装置５は、図３に示すように、蒸発器６の第１出力部１５から導管１０を通って混合器８内に供給される蒸気つまり水蒸気と、燃料注入口１９から提供されるメタンまたは天然ガス等の入力燃料と、を混合する、燃料／蒸気混合器８を含む。
【００１５】
用語「動作可能に接続する」は、動作可能に接続する構成要素が直接または間接的に互い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、気体および／または液体）導管により、互いに直接接続され得る。あるいは、流体ストリームが、本システムの一つ以上の追加構成要素を介して、第１構成要素から第２構成要素へ通過するように、二つの構成要素が互いに間接的に接続され得る。
【００１６】
システム１は、好ましくは改質器２１および燃焼器２３をも含む。改質器２１は、炭化水素燃料を水素含有反応生成物へ改質し、その反応生成物を燃料電池スタック３へ供給するようになされている。燃焼器２３は、改質器２１と熱的に一体化されて、改質器２１へ熱を与えることが好ましい。燃料電池スタック３のカソード排気出口９は、燃焼器２３の注入口２５へ接続して動作させることが好ましい。更に、炭化水素燃料源２７も、燃焼器２３の注入口２５へ接続して動作させる。
【００１７】
炭化水素燃料改質器２１は、炭化水素燃料の一部または全部を改質して、炭素を含むとともに自由水素を含む燃料を形成するのに適した任意の装置であってよい。例えば、燃料改質器２１は、炭化水素ガスを、自由水素と炭素含有ガスとの混合ガスへ改質できる任意の適切な装置であってよい。例えば、燃料改質器２１は、天然ガスのような加湿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、および任意の残部の未改質バイオガスを、蒸気メタン改質（ＳＭＲ）反応により形成してもよい。次いで、自由水素および一酸化炭素が、燃料電池スタック３の燃料注入口１７へ供給される。燃料改質器２１は、燃料電池スタック３と熱的に一体化することで、改質器２１内の吸熱反応に対応するとともに、スタック３を冷却することが好ましい。この文脈における用語「熱的に一体化」は、燃料電池スタック３内の反応熱が、燃料改質器２１内の正味の吸熱燃料改質を駆動することを意味する。燃料改質器２１は、改質器およびスタックを同じホットボックス３７内に配置することにより、および／または互いに熱的に接触させることにより、またはスタックを改質器へ接続する熱導管もしくは伝熱材料を備えることにより、燃料電池スタック３と熱的に一体化できる。
【００１８】
燃焼器２３は、改質器２１へ補助熱を与えて定常状態動作中のＳＭＲ反応を推進する。燃焼器２３は、改質器２１と熱的に一体化した任意の適切なバーナーでよい。燃焼器２３は、天然ガスのような炭化水素燃料、およびスタック３のカソード排気ストリームのような酸化剤（すなわち、空気または他の酸素含有ガス）を、注入口２５を経由して受け取る。但し、カソード排気ストリーム以外の酸化剤を燃焼器へ提供してもよい。燃料およびカソード排気ストリーム（すなわち高温空気）は燃焼器内で燃焼し、改質器２１を加熱する熱を発生する。燃焼器出口２６は熱移動装置５の注入口７へ動作可能に接続し、燃焼器からの燃料の燃焼成分が混合されたカソード排気を、熱移動装置５へ提供する。図示のシステム１は、燃焼器を通過したカソード排気流を熱移動装置５内で利用しているが、システムによっては、燃焼器を通過していないカソード排気流を、熱移動装置５内に利用するのが望ましいこともある。
【００１９】
改質器２１への補助熱は、改質器の定常状態動作中に動作している（立ち上げ中は動作していない）燃焼器２３と、スタック３のカソード（すなわち空気）排気ストリームとの両方から与えられることが好ましい。最も好ましくは、燃焼器２３は改質器２１と直接接触し、スタック３のカソード排気は、カソード排気ストリームが改質器２１と接触するように、および／または改質器２１を取り巻くようにして更に熱移動を促進するべく構成される。これにより、ＳＭＲに対する燃焼熱要件が低減される。
【００２０】
好ましくは、改質器２１は、燃焼器２３と一つ以上のスタック３との間に挟まれて熱移動を支援する。改質器が熱を必要としない場合は、燃焼器ユニットは熱交換器として働く。従って、システム１の立ち上げ時および定常状態動作の両方で、同一燃焼器２３を用いることができる。
【００２１】
システム１は、燃料電池スタック３のアノード排気出口３１から出るアノード排気ストリームからの熱を用いて、燃料注入ストリームを加熱するようになされた燃料予熱器の熱交換器（すなわちアノード復熱器）２９も含む。システム１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からの空気注入ストリームを加熱するようになされたカソード復熱器の熱交換器３３を更に含む。好ましくは、燃焼器２３の出口２６からの燃料の燃焼成分と混合されるカソード排気ストリームを、カソード復熱器３３内に供給して空気注入ストリームを加熱する。次いで、燃料の燃焼成分と混合されたカソード排気ストリームを、熱移動装置５の蒸発器６へ供給して水を蒸気として蒸発させ、次いで、その蒸気は、改質器２１へ向かって進む燃料注入ストリーム中へ送り込まれる。
【００２２】
好ましくは、燃料電池スタック３、改質器２１、燃焼器２３、燃料予熱器の熱交換器２９、およびカソード復熱器の熱交換器３３を、ホットボックス３７内に配置する。好ましくは、カソード復熱器の熱交換器３３は意図的に小型化し、熱交換器３３を出るカソード排気ストリームを十分高温にすることで、熱移動装置５が、カソード排気ストリームからの熱移動を介して確実に水を蒸発できるようにする。例えば、一実施の形態では、カソード排気ストリームが、少なくとも２００℃、例えば２００℃乃至２３０℃であって、例えば２１０℃の温度でカソード復熱器の熱交換器を出るように、カソード復熱器の熱交換器のサイズを所定未満とすることが好ましい。本実施の形態では、カソード排気ストリームは、少なくとも８００℃、例えば約８００℃乃至約８５０℃であって、例えば約８２０℃の温度でカソード復熱器の熱交換器３３に入ることができる。カソード復熱器の熱交換器３３は、本実施の形態では、約１０乃至１２ｋＷ、例えば約１１ｋＷの交換率を持たせるよう意図的に小型化される。対照的に、フルサイズの熱交換器の交換率は約１６ｋＷになる。規定の温度および熱交換率を一実施の形態に対して説明したが、言うまでもなく、出口および入口の温度および熱交換率は、各特定用途の特定パラメータに大きく依存するので、言うまでもなく、請求項で特に引用しない限り、特定の出口および入口の温度または熱交換率を限定する意図はない。
【００２３】
システム１は、好ましくは、スタックのアノード出口３１から出るアノード排気ストリームからの熱を用いて、空気ブロア３５からの空気注入ストリームを予熱するようになされた空気予熱器の熱交換器３９も含む。好ましくは、空気ブロアは、燃料電池スタック３が発電するために必要な空気の、例えば少なくとも２．５倍、例えば２．５乃至６．５倍、好ましくは３乃至４．５倍の空気注入ストリームを、システム１に供給する。例えば、ブロア３５は、空気注入ストリームを約５０℃に予熱できる。次いで、僅かに予熱された注入空気ストリームが、ブロアから、約１００℃乃至約１５０℃、例えば約１４０℃に予熱される空気予熱器の熱交換器３９へ供給される。そして、この予熱された空気注入ストリームは、約１００℃乃至約１５０℃でカソード復熱器の熱交換器３３に入り、約７００℃乃至約７５０℃、例えば約７２０℃で熱交換器３３を出る。予熱された空気注入ストリームは、室温を超える温度でカソード復熱器の熱交換器３３に入るので、カソード排気ストリームは、約２００℃の温度で熱交換器３３を出ることができる。従って、空気予熱器の熱交換器３９は、空気注入ストリームを十分に予熱して、カソード復熱器の小型熱交換器３３の使用を可能にし、全体のシステム製造コストを下げる。
【００２４】
好ましくは、空気注入ストリームが空気予熱器３９でアノード排気ストリームにより最初に加熱され、続いてカソード復熱器３３内のカソード排気ストリームにより加熱されるように、空気予熱器３９は、ホットボックス３７の外側で、カソード復熱器３３の上流に配置される。従って、スタック３のカソード注入口４１内に供給される空気注入ストリームは、スタック３からのアノードおよびカソード排気ストリームの両方から加熱される。
【００２５】
システム１は、燃料電池スタックの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、自由水素へ変換するようになされた水性ガスシフト反応器４３をオプションで含む。従って、反応器４３の注入口４５は、スタックのアノード出口３１へ動作可能に接続し、反応器４３の出口４７は、空気予熱器３９の注入口４９へ動作可能に接続する。水性ガスシフト反応器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変換するようになされた任意の装置であってよい。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および水蒸気の一部または全部を、二酸化炭素および水素へ変換する触媒を収容するチューブつまり導管を備えてもよい。この触媒は、酸化鉄触媒またはクロムを助触媒とする酸化鉄触媒のような適合する任意の触媒であってよい。
【００２６】
システム１は、好ましくはヒートシンクとして周囲の気流を用いてアノード排気ストリーム中の水蒸気を、液体としての水に凝縮するようになされた凝縮器５１もオプションで含む。システム１は、アノード排気ストリームが凝縮器５１を通過した後、アノード排気ストリームから水素を回収するようになされた水素回収システム５３もオプションで含む。この水素回収システムは、例えば、圧力スイング吸着システムまたは適合する別の気体分離システムであってよい。好ましくは、空気予熱器３９は、アノード排気ストリーム中の水蒸気の一部を凝縮した後、アノード排気ストリームを凝縮器５１へ入れることで、凝縮器５１の負荷を低減する。従って、空気予熱器３９の出口５５は、凝縮器５１の注入口５７へ動作可能に接続する。凝縮器５１の第１出口５９は、水から分離された水素および他のガスを、水素回収システム５３へ送る。凝縮器５１の第２出口６１は、オプションの浄水システム６３へ水を供給する。浄水システム６３からの水は注入口１１を経由して、熱移動装置５の一部を備える蒸発器６へ供給される。
【００２７】
システム１は、燃料源２７からの燃料注入ストリームの経路に配置される脱硫器６５もオプションで含む。脱硫器６５は、燃料注入ストリームから硫黄の一部または全てを除去する。脱硫器６５は、水素化した硫黄含有天然ガス燃料からＣＨ4およびＨ2Ｓガスを生成するＣｏ−Ｍｏまたは他の適切な触媒、ならびに燃料注入ストリームからＨ2Ｓガスを除去するためのＺｎＯまたは他の適切な材質の吸着床を備えることが好ましい。従って、硫黄を含有しないまたは低硫黄のメタンまたは天然ガス等の炭化水素燃料が脱硫器６５から出る。
【００２８】
本発明の第１の好ましい実施の形態によるシステム１を動作させる方法について、図２および図３を参照して説明する。
【００２９】
空気注入ストリームは、空気ブロア３５から、導管１０１を経由して空気予熱器３９内に供給される。空気注入ストリームは、水性ガスシフト反応器４３からの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。次いで、予熱された空気注入ストリームは、導管１０３を経由してカソード復熱器３３へ送られ、そこで空気注入ストリームは、カソード排気ストリームと熱交換することにより、より高温に加熱される。次に、空気注入ストリームは、導管１０５を経由してスタック３のカソード注入口４１へ供給される。
【００３０】
次いで、空気は、カソード排気ストリームとして、スタック３のカソード出口９を出る。カソード排気ストリームは、改質器２１を取り巻き、導管１０７および注入口２５を経由して燃焼器２３の燃焼領域に入る。脱硫天然ガスまたは別の炭化水素燃料は、追加加熱するために、燃料注入口２７から導管１０９を通って燃焼器２３の注入口２５へも供給される。そして、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、導管１１１を通って、流入空気と熱交換するカソード復熱器に入る。
【００３１】
次いで、カソード排気ストリームは、導管１１３を通って熱移動装置５の蒸発器６内へ供給される。次に、カソード排気ストリームに残る余熱が、蒸気メタン改質のために水を蒸発させるよう蒸発器６内で抽出されてから、排気導管１１５を通って排出される。
【００３２】
燃料側では、炭化水素燃料注入ストリームは、ガスタンクまたはバルブ付き天然ガスパイプ等の燃料源２７から脱硫器６５に入る。次いで、脱硫された燃料注入ストリーム（すなわち脱硫天然ガス）は、導管１１７を通って熱移動装置５の燃料混合器８に入る。混合器８では、燃料が、蒸発器６からの浄化蒸気と混合される。
【００３３】
次いで、蒸気／燃料混合物は、導管１１９を通って燃料予熱器２９内へ供給される。蒸気／燃料混合物は次いで、燃料予熱器２９内でアノード排気ストリームと熱交換することにより加熱されてから、導管１２１を通って改質器に入る。改質ガスは、次に導管１２３を通って改質器２１からスタック３のアノード注入口１７に入る。
【００３４】
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へ供給され、そこで流入燃料／蒸気混合物を加熱する。次に、ホットボックス３７からのアノード排気ストリームは、導管１２７を通って水性ガスシフト反応器４３に入る。そして、反応器４３からのアノード排気ストリームは、導管１２９を通って空気予熱器３９へ供給され、空気注入ストリームと熱交換する。次いで、アノード排気ストリームは、導管１３１を通って凝縮器５１へ供給され、そこで水がアノード排気ストリームから除去され、再利用されるかまたは放出される。例えば、水は、導管１３３を通って浄水器６３へ供給されてもよく、そこから導管１３５を通って蒸発器へ送られる。あるいは、水は、水パイプのような水注入口１３７を通して浄水器６３へ供給されてもよい。次いで、水素濃度の高いアノード排気は、凝縮器５１から導管１３９を通して、水素浄化システム５３へ送られ、そこで水素は、ストリーム中の他のガスから分離される。他のガスは、導管１４１を通して放出され、水素は導管１４３を通して他の用途に、あるいは貯蔵用に提供される。
【００３５】
上記説明のように、システム１内の流体ストリームは、幾つかの異なる場所で熱交換する。カソード排気ストリームは、蒸気メタン改質器２１を取り巻いて、改質に必要な吸熱を供給する。次いで、天然ガスまたは他の炭化水素燃料は、改質に必要な全熱量を得る必要性に応じて、燃焼器２３を通過するカソード排気ストリームへ直接加えられる。燃焼器２３を出る高温排気（カソード排気ストリームおよび燃焼した燃料成分、以下「カソード排気ストリーム」と称される）からの熱は、カソード復熱器３３内で、流入カソード空気（すなわち空気注入ストリーム）へ復熱される。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内で、流入アノードフィード（すなわち燃料注入ストリーム）へ復熱され、次いで、空気予熱器３９内で、流入カソードフィード（すなわち空気注入ストリーム）へ復熱される。
【００３６】
好ましくは、空気ブロア３５から燃料電池スタック３へ供給される空気は、スタックを冷却し、スタックが発生する熱を除去するために、燃料電池反応に必要な化学量論的な量を超えて供給される。化学量論的な量に対する空気流の代表的な比率は４を超え、例えば４．５乃至８、好ましくは約５である。これにより、アノードガス（すなわち燃料）よりカソード空気の方が実質的に高い質量流がもたらされる。その結果、カソード排気ストリームが空気注入ストリームを加熱するだけの場合、カソード排気ストリームと空気注入ストリーム間を移動する熱は、アノード排気ストリームと燃料注入ストリーム間を移動する熱より著しく多く、典型的には約３倍程度多い。
【００３７】
本発明者らが知得したことは、カソード排気ストリームから復熱した熱の全てを、流入空気へ直接移動するのではなく、システム１は、カソード排気ストリームの熱の一部に限って、流入空気注入ストリームへ移動し、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内で水を完全に蒸発させるために使用する、ということである。
【００３８】
従って、空気注入ストリームは、燃料電池に適する温度へ加熱される前に、空気予熱器３９内でアノード排気ストリームにより予熱される。この予熱により確実になるのは、空気注入ストリームはカソード復熱器３３に入った場合に十分高い温度となるので、復熱器３３が燃料電池に適する温度まで空気注入ストリームを昇温できることである。
【００３９】
図４および図５は、解析した一実施の形態についての蒸発器６（すなわち水気化器）および空気予熱器３９のそれぞれについての流体温度対移動熱量のグラフを示す。図４および図５のグラフから分かるように、図１に示される熱力学的な交差は解消されている。これにより、追加燃料を消費する湿度交換器または補助加熱器の何れも不要となる。
【００４０】
熱交換器では、「温度接近（temperature
approach）」を熱交換器のいずれかの場所での二つの流体ストリーム間の最小温度差として定義する。図４および図５で分かるように、両熱交換器（すなわち、蒸発器６および空気予熱器３９）の温度接近は非常に小さく、２相領域が開始される熱交換器の何れかの端部から離れて位置している。各熱交換器内の温度接近を最大にすることは有利である。なぜなら、ストリーム間の局部的な温度差が減少すると、流体間の熱移動率が減少し、要求される熱を移動するのにより大きな熱交換器が必要になるからである。
【００４１】
カソード空気予熱の総量におけるカソード復熱器３３内で発生する部分が減少する場合、温度接近は蒸発器６内で増加するが、空気予熱器３９内では減少する。逆に、カソード空気予熱の総量におけるカソード復熱器３３内で発生する部分が増加する場合、温度接近は空気予熱器３９内で増加するが、空気蒸発器６内では減少する。つまり、蒸発器６および空気予熱器３９の両方の温度接近を最大化するには、カソード復熱器３３内で移動すべき、全カソード熱負荷に対する何らかの最適割合がある。
【００４２】
本発明者らが同様に知得したことは、水の蒸発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を出る蒸気中の過熱量が、蒸発器に入るカソード排気ストリームの温度および質量流量に対して非常に敏感であるということである。これは図６で理解でき、この図は、カソード排気ストリーム質量流の４．５％の増加（蒸発器中へのカソード排気ストリームの温度は変わらない）が、結果として加湿天然ガスの温度に及ぼす影響を示す。
【００４３】
燃料予熱器２９に入る加湿天然ガスの温度は、カソード排気ストリームの流量のこの僅かな増加により、２８℃増加することが分かる。この温度増加は、燃料予熱器を出る一層高いアノード排気ストリーム温度、及び続いて水性ガスシフト反応器４３を出て空気予熱器３９へ入る一層高い温度を生み出すことになる。これは、カソードの空気予熱の増加をもたらし、蒸発器６に入るカソード排気ストリームの温度を増加させる傾向があるので、問題を悪化させる。加湿天然ガスの温度は徐々に上昇し続け、注入空気の流量を制御しない限り、システム安定性の問題が生じる。従って、カソード空気（すなわち注入空気）の流量を制御する必要がある。それがシステム１を制御する主な手段の一つだからである。
【００４４】
第２の好ましい実施の形態では、先に説明した潜在的な安定性問題を、蒸発器６の周囲に調整可能なカソード排気バイパスを設けることにより軽減または解消することができ、そのバイパスを通じて、少量のカソード排気ストリームを迂回させることにより、蒸発器６を通るカソード排気流量を制御できる。この解決策は流体流量の能動制御を利用したものである。
【００４５】
第３の好ましい実施の形態では、追加の監視および制御を必要としない受動的な手法を用いて、先に記載した潜在的な安定性問題を軽減または解消する。本発明者らが知得したことは、蒸発器内の過熱増大の可能性を温度ピンチにより制限することにより、燃料予熱器２９に入る加湿天然ガスの温度を、カソード排気ストリームの流量および／または温度の変化に比較的影響されないようにできるということである。
【００４６】
図７は、第３の好ましい実施の形態のシステムの熱交換器部を示す。第３の好ましい実施形態システムの他の部分は、図２および図３に示す第１の好ましい実施の形態と同一である。
【００４７】
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一致つまり並行（対向流ではなく）である。温度接近は、蒸発器６内の２相流領域の開始場所に位置するのではなく、蒸発器６の熱移動領域の端部へ移動し、そこで温度接近は、ゼロ値またはゼロに接近した値へ「ピンチ」する。ストリーム間の熱移動はこの地点の後には発生せず、二つの流体は共通温度または共通に近い温度で出ることになる。カソード排気ストリームの熱容量が水の完全蒸気性を確実に達成するには、カソード排気ストリームの流量を僅かに増やす必要があるだろう。水（すなわち蒸気）は次いで、ある量の過熱を伴って蒸発器６を出る。次に、蒸発器６を出るカソード排気ストリームを用いて、第２燃料予熱器６７内の天然ガス等の燃料を予熱できる。燃料注入ストリームの流量は、カソード排気ストリームと比較して非常に少ないので、１００％の熱移動効果を達成して、燃料注入ストリームを、蒸発器を出る水蒸気およびカソード排気ストリームと同じ温度に予熱することが極めて容易である。
【００４８】
従って、図７に示すように、第３の好ましい実施の形態のシステムは、第２燃料予熱器６７も含む。第２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へ動作可能に接続する第１入力部６９、燃料源２７へ動作可能に接続する第２入力部７１、および燃料注入導管１７へ動作可能に接続する第１出力部７３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の熱を、燃料電池スタック３へ供給される燃料注入ストリームへ移動するようになされている。第３の好ましい実施の形態の蒸発器６は、同方向の流れつまり「コフロー」蒸発器を備えており、カソード排気ストリームおよび水は、同一方向に流れるようになされており、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へ流れるように、蒸発器の出力部は、燃料予熱器の熱交換器の注入口へ動作可能に接続する。
【００４９】
従って、水およびカソード排気ストリームは、好ましくは、蒸発器の同じ側に送られて、互いに同一方向に流れる。水は、蒸発器６内で蒸気に変換され、燃料／蒸気混合器８へ供給される。カソード排気ストリームは、蒸発器から第２燃料予熱器の熱交換器６７へ供給され、そこで注入燃料流を加熱し、燃料流は次いで、混合器８および第１燃料予熱器の熱交換器（アノード復熱器２９）を通じてスタック３に供給される。
【００５０】
第３の好ましい実施の形態のシステムは、カソード排気ストリームの温度および質量流の変化に実質的に影響されない。図８は、解析した一実施の形態について、アノード復熱器（すなわち第１燃料予熱器）２９に入る加湿天然ガスの温度が、第３の好ましい実施の形態のシステム内のカソード排気ストリーム質量流の６．８％増により、７℃未満だけ上昇することを示す。このような少ない温度上昇が、上記説明の温度上昇を起こすはずはないので、注入空気および／またはカソード排気ストリーム流の能動制御をしなくても、システムの安定性が得られる。
【００５１】
このように、本発明の好ましい実施の形態では、水はカソード排気ストリームからの熱を用いて蒸発する。少なくとも２００℃、例えば２００乃至２３０℃の高温ストリームが出るように、空気熱交換器（すなわちカソード復熱器）は小型化される。空気は、蒸気メタン改質に必要な水を蒸発させるのに十分な排気熱を有するよう、化学量論的な量の２．５倍以上で本システムに送り込まれる。燃料電池スタックに要求される空気量の、好ましくは２．５乃至６．５倍、より好ましくは３乃至４．５倍が、燃料電池スタックに供給されて発電が行われる。カソード復熱器に入る注入空気は、アノード排気ストリームを用いて空気予熱器で予熱され、カソード復熱器に加わる負荷を軽減する。アノード排気ストリームからの水は、空気予熱器内で部分的に凝縮されてアノード凝縮器の負荷を軽減する。燃料加湿器５は、本願と同一日付で出願された米国特許出願11/124,811、11/124,817、11/124,810（弁理士整理番号００６５５Ｐ１２６８ＵＳ、００６５５Ｐ１３０６ＵＳ、および００６５５Ｐ１３０７ＵＳ）、発明の名称「一体化熱交換器ネットワークを有する高温型燃料電池システム」、発明者Ｊｅｒｏｅｎ
Ｖａｌｅｎｓａ、Ｔｏｄｄ Ｍ．ＢａｎｄｈａｕｅｒおよびＭｉｃｈａｅｌ Ｊ．Ｒｅｉｎｋｅ、で補足説明がなされている。
【００５２】
本発明の上記説明は、図示および説明のためだけに提示したものである。本発明を網羅したり、開示した形そのままに限定したりする意図はなく、修正および変形が、上記教示によれば可能であり、または本発明の実施から得ることができる。本説明は、本発明の原理およびその実践的適用を述べるために選定したものである。本発明の範囲は、本明細書に付帯する請求項およびそれらの均等物によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】図１は、比較例としてのシステムにおける、流体フローに対する、温度対熱量のプロット図である。
【図２】図２および図３は、本発明の第１の好ましい実施の形態による燃料電池システムの概略図である。図２は、システム構成要素およびフロー図である。
【図３】図３は、こ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４】図４は、本発明の好ましい実施の形態のシステムにおける、様々な流体フローに対する、温度対熱量のプロット図である。
【図５】図５は、本発明の好ましい実施の形態のシステムにおける、様々な流体フローに対する、温度対熱量のプロット図である。
【図６】図６は、本発明の好ましい実施の形態のシステムにおける、様々な流体フローに対する、温度対熱量のプロット図である。
【図７】図７は、本発明の第３の好ましい実施の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】図８は、本発明の好ましい実施の形態のシステムにおける、様々な流体フローに対する、温度対熱量のプロット図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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