(57)【要約】  例えば、熱交換器、蒸気発生器、及び、その他の構成要素のような、種々のホットボックス燃料電池システムの構成要素が記載されている。
2014507759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器であって、
指型プレート又はエンドキャップを含む上端筐体、
指型プレート又はエンドキャップを含む下端筐体、及び
上記上端及び下端筐体の間の波形シートを含み、
上記熱交換器は、第１の流体が前記波形シートの第１の面上を流れ、且つ、第２の流体が前記波形シートの反対の面上を流れるように構成された、
熱交換器。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換器において、
前記上端及び下端筐体はそれぞれ指型プレート又はエンドキャップのいずれかを含み、或いは、
前記上端及び下端筐体の１つは指型プレートを含み、且つ、前記上端及び下端筐体の他方はエンドキャップを含み、
前記熱交換器は固体酸化物型燃料電池システムのためのアノード冷却器熱交換器を含み、
前記第１の流体は固体酸化物型燃料電池スタックからの燃料排気を含み、且つ、
前記第２の流体は前記固体酸化物型燃料電池スタックのための空気吸気を含む、
熱交換器。
【請求項３】
請求項２に記載の熱交換器において、
前記上端筐体は上端指型プレートを含み、
前記下端筐体は下端指型プレートを含み、
前記波形シートは円柱形状金属シートを含み、
前記上端指型プレートは、中空リング形状プレートであって、同リングの内部へ伸びる指型形状の伸長部を有するものを含み、
前記下端指型プレートは、中空リング形状プレートであって、同リングの内部へ伸びる指型形状の伸長部を有するものを含み、且つ、
前記上端指型プレートの指型が、前記波形シート内の内側又は外側のいずれかに向いた凹部の全て覆うように、且つ、前記下端指型プレートの指型が、前記波形シート内の内側又は外側に向いた凹部の他方を全て覆うように、前記上端及び下端指型プレートは１つの波形によってお互いを相殺する、
熱変換器。
【請求項４】
請求項２に記載の熱交換器において、
前記波形シートの前記第１の面は、固体酸化物型燃料電池スタックの燃料排気と接続された燃料排気導管と流体連通し、且つ、アノード復熱交換器からの排気導管と流体連通し、且つ、
前記波形シートの前記第２の面は、空気吸気流動導管と流体連通している、
熱交換器。
【請求項５】
カソード復熱器ユニ−シェルであって、
単一の円柱波形フィンプレートを含む単一の一体式集合体、
指型プレート又はエンドキャップを含む上端筐体、及び、
指型プレート又はエンドキャップを含む下端筐体を含み、
前記カソード復熱器ユニ−シェルは、第１の流体が前記単一の円柱波形フィンプレートの第１の面上を流れ、且つ、第２の流体が前記単一の円柱波形フィンプレートの他方の面上を流れるように構成された、
カソード復熱器ユニ−シェル。
【請求項６】
請求項５に記載のカソード復熱器ユニ−シェルにおいて、
前記上端及び下端筐体はそれぞれ、指型プレート又はエンドキャップのいずれかを含み、或いは、
前記上端及び下端筐体の１つは指型プレートを含み、且つ、前記上端及び下端筐体の他方はエンドキャップを含む、
カソード復熱器ユニ−シェル。
【請求項７】
請求項６に記載のカソード復熱器ユニ−シェルにおいて、
前記上端筐体は上端エンドキャップを含み、
前記下端筐体は下端エンドキャップを含み、
前記上端キャップ及び前記下端キャップは、前記第１の流体及び前記第２の流体に、前記単一の円柱波形フィンプレートに沿って流れる前に、０角ではない角度の回転をさせるように構成された、
カソード復熱器ユニ−シェル。
【請求項８】
請求項７に記載のカソード復熱器ユニ−シェルにおいて、
前記０度ではない角度の回転は、円柱形状を有する前記カソード復熱器ユニ−シェルに対して、半径方向の流れの方向から軸方向の流れの方向まで、約９０度の回転を含む、
カソード復熱器ユニ−シェル。
【請求項９】
請求項５に記載のカソード復熱器ユニ−シェルにおいて、
前記カソード復熱器ユニ−シェルは、固体酸化物型燃料電池スタックのコラムに対する内部圧縮を供給するコラム支持体に支えられている、
カソード復熱器ユニ−シェル。
【請求項１０】
請求項５に記載のカソード復熱器ユニ−シェルであって、
複数の燃料電池コラムに作用するため、前記カソード復熱器ユニ−シェルの重量をもたらす、バネ又は重力加重システムの少なくとも１つを含む内部圧縮システム、及び、
前記カソード復熱器ユニ−シェルを支持する円柱にある拡張蛇腹、
を備えるカソード復熱器ユニ−シェル。
【請求項１１】
請求項５に記載のカソード復熱器ユニ−シェルであって、
前記カソード復熱器ユニ−シェルの上に位置する蒸気発生器を備えるカソード復熱器ユニ−シェル。
【請求項１２】
請求項１１に記載のカソード復熱器ユニ−シェルにおいて、
前記蒸気発生器は、前記カソード復熱器ユニ−シェルの内側蓋及び外側蓋の間に、或いは、前記カソード復熱器の出口プレナム内に、位置するカソード復熱器ユニ−シェル。
【請求項１３】
請求項１１に記載のカソード復熱器ユニ−シェルにおいて、
前記蒸気発生器は、蒸気発生器コイルを含み、
前記蒸気発生器コイルは、前記カソード復熱器の出口から出て行く、スタックのカソード排気流動の熱を利用する、同コイル内における水から蒸気への変換を許容するため、前記カソード復熱器のカソード排気出口と流体連通している、
カソード復熱器ユニ−シェル。
【請求項１４】
請求項１３に記載のカソード復熱器ユニ−シェルにおいて、
前記蒸気発生器コイルはバッフルプレートによって支持されているカソード復熱器ユニ−シェル。
【請求項１５】
カソード排気蒸気発生器であって、
燃料電池システムのカソード復熱交換器の内側蓋及び外側蓋の間のホットボックス内に位置する蒸気発生器コイルを有するカソード排気蒸気発生器。
【請求項１６】
請求項１５に記載の蒸気発生器において、
前記蒸気発生器コイルは、ストレート管、部分的に波形の管、又は、全体的に波形の管を含む蒸気発生器。
【請求項１７】
請求項１６に記載の蒸気発生器において、
前記蒸気発生器コイルは、らせんコイル、又は、少なくとも１つのＵターンを含む１つ若しくはそれ以上のコイル、を含み、且つ、
前記蒸気発生器コイルは、前記カソード復熱器の出口から出て行く、カソード排気流動の熱を利用する、同コイル内における水から蒸気への変換を許容するため、前記カソード復熱器のカソード排気出口と流体連通している、
蒸気発生器。
【請求項１８】
請求項１７に記載の蒸気発生器において、
前記蒸気発生器コイルは、同コイルを横断する流れの均一性を高めるため、燃料電池スタックのカソード排気流動に前記蒸気発生器コイルの周りを通過させるように構成された、バッフルプレートによって支持されている蒸気発生器。
【請求項１９】
予備改質器であって、
蒸気メタン改質触媒で部分的或いは全体的にコーティングされたフィンを含む、アノード改質熱交換器の燃料吸気側、の一部である、或いは、に加えられた、予備改質器。
【請求項２０】
予備改質器であって、
蒸気メタン改質触媒でコーティングされたワイヤーを含み、
前記ワイヤーは、アノード復熱交換器の少なくとも１つの燃料吸気側、及び、同アノード復熱器の燃料吸気出口を、少なくとも１つの燃料電池スタックの燃料吸気に接続する、少なくとも１つの燃料吸気管、に位置する、
予備改質器。
【請求項２１】
請求項２０に記載の予備改質器の管挿入触媒であって、
前記ワイヤーは、縫うように続くらせん又は一連のワイヤーのバラ結びを含む予備改質器の管挿入触媒。
【請求項２２】
アノード流のハブ構造であって、溝付きベース、並びに、複数の燃料吸気及び出口パイプを含む、アノード流のハブ構造。
【請求項２３】
請求項２２に記載のアノード流のハブ構造において、
前記ベースは鋳物ベースであり、且つ、
前記燃料吸気及び出口パイプは、燃料電池スタックの燃料吸気及び出口と、それぞれ流体的に接続されている、
アノード流のハブ構造。
【請求項２４】
アノード排ガス酸化器（ＡＴＯ）のミキサー要素であって、
前記ＡＴＯに入る空気流動を方位角方向に回転させるように構成されたベーンを含む、要素。
【請求項２５】
請求項２４に記載の要素において、
前記要素は、上端及び下端が開いた円柱を含み、且つ、
前記ベーンは、前記円柱の外側及び内側の壁の間に位置するベーンを含む、
要素。
【請求項２６】
請求項２４に記載の要素において、
前記ベーンは、前記円柱の軸方向に対して１０から８０度の間で傾斜している、要素。
【請求項２７】
請求項２４に記載の要素において、
前記円柱の下端の開口部が、前記ＡＴＯと流体連通し、且つ、
前記円柱の上端の開口部が、少なくとも１つの燃料電池スタックのカソード排気出口と流体連通するように、前記要素が前記ＡＴＯの上に位置している、
要素。
【請求項２８】
アノード排ガス酸化器（ＡＴＯ）燃料スプリッター噴射装置であって、
１つ又はそれより多くのスリットを含み、
燃料電池スタックのアノード排気流動の第１の部分を前記ＡＴＯの中に噴射するように構成される一方、アノード排気流動の残りが同ＡＴＯに供給されることなく前記スプリッター噴射装置を通過することを許容する、
スプリッター噴射装置。
【請求項２９】
請求項２８に記載のスプリッター噴射装置において、
前記スプリッター噴射装置は、ＡＴＯに入る空気流動を方位角方向に回転させるように構成されたベーンを含むＡＴＯミキサー要素と一体であり、且つ、
前記スプリッター噴射装置は前記ミキサーと前記ＡＴＯとの間に位置する、
スプリッター噴射装置。
【請求項３０】
燃料電池スタックの電気端子であって、
燃料電池スタックの支持ベースを開口部まで延長するブリッジ管を有する同ベース、及び、
燃料電池スタックから前記ベースの外側へ前記ブリッジ管を通過する電流コレクタ、
を含む端子。
【請求項３１】
請求項３０に記載の端子において、
前記ベースは、鋳物ベースを含み、
前記管は、前記ベースの開口部において、流動性のある絶縁体で覆われた、セラミック管を含む、
端子。
【請求項３２】
燃料電池ホットボックス機構の絶縁方法であって、
流動性のある絶縁物質を燃料電池ホットボックス機構及び隣接した機構の間の隙間の中に注ぐこと、及び、
前記流動性のある絶縁物質が凝固することを許容すること、
を含む方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載の方法において、
前記機構は、電流コレクタを含むブリッジ管を含み、且つ、
前記隣接した機構は、燃料電池スタック支持ベースを含む、
方法。
【請求項３４】
請求項３２に記載の方法において、
前記機構は、少なくとも１つのホットボックス円柱を含み、且つ、
前記隣接した機構は、隣接した円柱を含む、
方法。
【請求項３５】
固体酸化物型燃料電池システムの運転方法であって、
固体酸化物型燃料電池スタックのアノード排気流動をアノード排ガス酸化器（ＡＴＯ）へ供給すること、及び、
前記ＡＴＯ内の前記アノード排気流動を酸化するため、固体酸化物型燃料電池スタックのカソード排気流動を同ＡＴＯへ供給すること、
を含み、
前記アノード排気流動以外の外部燃料が前記ＡＴＯへ供給されない、
方法。
【請求項３６】
請求項３５に記載の方法において、
前記カソード排気流動以外の外部空気が前記ＡＴＯへ供給されない、方法。
【請求項３７】
請求項３５に記載の方法において、
前記燃料電池システム内に入る空気吸気流動の規模を制御することによって、前記固体酸化物型燃料電池スタックの温度を制御することを更に含む、方法。
【請求項３８】
請求項３５に記載の方法において、
燃料吸気流動を前記燃料電池スタックに供給すること、
空気吸気流動を前記燃料電池スタックに供給すること、
前記燃料吸気流動が前記燃料電池スタックに到達する前に前記燃料吸気流動を加熱するため、アノード排気流動を前記燃料電池スタックからアノード復熱交換器内へ供給すること、
前記アノード排気流動を前記アノード復熱器からスプリッター内へ供給すること、
前記アノード排気流動の第１の部分を前記スプリッターから前記ＡＴＯ内へ供給すること、
前記空気吸気流動を、それが前記燃料電池スタックに到達する前に、予熱するため、前記アノード排気流動の第２の部分を前記スプリッターからアノード冷却器熱交換器内へ供給すること、及び、
前記空気吸気流動が前記燃料電池スタックに到達する前に前記空気吸気流動をＡＴＯ排気流動を用いて加熱するため、前記空気吸気流動を前記アノード冷却器からカソード復熱交換器内へ供給すること、
を含む方法。
【請求項３９】
請求項３８に記載の方法において、
前記スプリッター、前記固体酸化物型燃料電池スタック、前記アノード復熱器、前記アノード冷却器、及び、前記カソード復熱器が、同一のホットボックス内に位置する、方法。
【請求項４０】
固体酸化物型燃料電池システムの運転方法であって、
燃料吸気流動を固体酸化物型燃料電池スタック内に供給すること、
空気吸気流動を前記燃料電池スタック内に供給すること、
アノード排気流動を前記燃料電池スタックからスプリッター内へ供給すること、
前記アノード排気流動の第１の部分を前記スプリッターからＡＴＯ内へ供給すること、及び、
前記空気吸気流動を、それが前記燃料電池スタックに到達する前に、予熱するため、前記アノード排気流動の第２の部分を前記スプリッターからアノード冷却器熱交換器内へ供給すること、
を含み、
前記スプリッター、前記固体酸化物型燃料電池スタック、前記アノード冷却器が、同一のホットボックス内に位置し、且つ、前記アノード排気流動の前記第１及び前記第２の部分が前記ホットボックス内部で分割された、方法。
【請求項４１】
請求項４０に記載の方法において、
前記燃料吸気流動が前記燃料電池スタックに到達する前に、前記燃料吸気流動を加熱するため、前記アノード排気流動を前記燃料電池スタックからアノード復熱交換器内へ供給すること、
前記アノード排気流動を前記アノード復熱器から前記スプリッター内へ供給すること、及び、
前記空気吸気流動が前記燃料電池スタックへ到達する前に、前記空気吸気流動をＡＴＯ排気流動を用いて加熱するため、前記空気吸気流動を前記アノード冷却器からカソード復熱交換器内へ供給すること、
を更に含む方法。
【請求項４２】
請求項４１に記載の方法において、
前記ＡＴＯ、前記アノード復熱器、及び、前記カソード復熱器が、前記スプリッター、前記固体酸化物型燃料電池スタック、及び、前記アノード冷却器として、同一のホットボックス内に位置する方法。
【請求項４３】
燃料電池システムであって、
ホットボックス、及び、
前記ホットボックス内に位置する、燃料電池スタック、ＡＴＯ、アノード排気流動スプリッター、及び、アノード冷却器熱交換器、
を含み、
前記スプリッターが、燃料電池スタックのアノード排気流の第１の部分をＡＴＯの中に噴射するように構成される一方、アノード排気流の残りがＡＴＯに供給されることなく同スプリッターを通過して前記アノード冷却器内に入ることを許容する、
システム。
【請求項４４】
燃料電池システムであって、
ホットボックス、
前記ホットボックス内に位置する燃料電池スタック、
前記ホットボックス内に位置する少なくとも１つのユニ−シェル熱交換器、
概ね円柱形状の波形シートの処理ガス分離器を含む、前記少なくとも１つのユニ−シェル熱交換器、
を含み、
前記円柱形状の波形シートの処理ガス分離器の山と谷とが、前記円柱形状の波形シートの処理ガス分離器の軸方向に並行に並ぶ、
システム。
【請求項４５】
請求項４４に記載のシステムにおいて、
前記熱交換器は、より高温の処理ガス及びより低温の処理ガスが、前記ガス分離器の反対側の表面上をそれぞれ流れることを許容するように構成され、且つ、
前記より高温の処理ガス流動は、前記ガス分離器への対流熱伝導、前記ガス分離器の厚さを介した対流熱伝導、及び、前記ガス分離器から前記より低温の処理ガス流動への対流熱伝導、を供給するように構成された、
システム。
【請求項４６】
請求項４４に記載のシステムにおいて、
前記少なくとも１つのユニ−シェル熱交換器は、概ね円柱形状のアノード冷却器ユニ−シェル熱交換器、及び、概ね円柱形状のカソード復熱器ユニ−シェル熱交換器を含み、
前記アノード冷却器が、実質的に軸方向の燃料電池スタックのアノード排気流動及び空気吸気流動がアノード冷却器内に入ることを許容するように構成され、且つ、
前記カソード復熱器が、実質的に軸方向と異なる方向のＡＴＯ排気流動及び前記空気吸気流動が前記カソード復熱器内に入ることを許容するように構成された、
システム。
【請求項４７】
燃料電池システムであって、
少なくとも１つの燃料電池スタック又はコラム、及び、
前記少なくとも１つの燃料電池スタック又はコラムへの空気吸気流動が、前記少なくとも１つの燃料電池スタック又はコラムからの空気排気流動によって加熱されるカソード復熱交換器、を含み、
前記カソード復熱交換器の前記空気吸気流動の出口が、前記燃料電池スタック又はコラムの中間部にある１つ又はそれより多いポイントに隣接し、前記カソード復熱交換器から出る前記空気吸気流動が、前記少なくとも１つの燃料電池スタック又はコラムの中間部分に向けられるようになっている、
システム。
【請求項４８】
燃料電池システムであって、
中心軸に関してリング形状構造を形づくるように配置された、角度をつけて離れた複数の燃料電池スタック、
中心軸に対して並行に伸びるスタック方向、及び、前記リング形状構造の中間に面する内側面におけるカソード出口、を有する、個々の前記燃料電池スタック、
を含み、
燃料電池スタックの内側面を離れて向かうカソード排気流への渦を生成するため、前記角度をつけて離れた複数の燃料電池スタックの前記内側面が半径方向に整列しないように、前記角度をつけて離れた複数の燃料電池スタックの少なくともいくつかは、それらの軸の周りを０度角ではない角度回転している、
燃料電池システム。
【請求項４９】
請求項４８に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックの前記内側面が、前記リング形状構造の前記内側を形成する円に接していない、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム、具体的には、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）システムホットボックスのための構成要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池のような燃料電池は、燃料に蓄積されたエネルギーを高い効率で電気エネルギーに変換できる、電気化学デバイスである。高温燃料電池は、固体酸化物及び融解炭酸塩燃料電池を含む。これらの燃料電池は水素及び／又は炭化水素燃料を使用して稼働する。例えば、固体酸化物型再生燃料電池のような、逆作動を許容し、電気エネルギーを入力に用いて酸化燃料が非酸化燃料に還元されるようにする、燃料電池のクラスがある。
【０００３】
図１−９は２０１０年１月１４日に公開された米国出願公開２０１０／０００９２２１（出願第１２／４５８，１７１号）に記載された先行技術に係る燃料電池システムを説明しており、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。特に、図１、２Ａ、２Ｂ及び３Ａを参照して、統合燃料電池ユニット１０が、統合固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の形態にて示されていて、燃料処理器（ｆｕｅｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）１０は概して円柱形構造を有している。ユニット１０は、中心軸１６を取り囲む８つの燃料電池スタック１４の環状配列１２を含み、個々の燃料電池スタック１４は中心軸１６に沿って伸びるスタック方向（ｓｔａｃｋｉｎｇ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）を有し、個々のスタックは半径方向に外側に面している面１７及び半径方向に内側に面している面１８を有している。図３Ａに最も良く表れているように、燃料電池スタック１４は、互いに角度をつけて離れて、軸１６に関してリング形状構造を形成するように配置されている。なぜなら、８つの燃料電池スタック１４があるので、環状配列１２は、軸１６に関して八角形構造を形成するものとして特徴付けることができる。８つの燃料電池スタック１４が示される一方で、本発明は８つよりも多くの或いはより少ない燃料電池スタックを含み得る環状配列１２を考慮していることが理解されるべきである。
【０００４】
図１を参照して、ユニット１０は更に、燃料スタック１４の配列１２から半径方向に外側に位置する環状カソード復熱器２０、環状配列１２から半径方向に内側に位置する環状アノード復熱器２２、環状配列１２の半径方向に内側に位置する改質器２４、及び、環状アノード排気冷却器／カソード余熱器２６を含み、全て単一の筐体構造２８に統合されている。筐体構造２８は、アノード導入ポート３０、アノード排気ポート３２、カソード導入ポート３４、カソード排気ポート３６、及び、アノード燃焼ガス吸気ポート３７を含む。３８に概略的に示されたアノード排気燃焼器（典型的にはアノード排ガス酸化剤（ＡＴＯ）燃焼器）は、統合ユニット１０から分離した構成要素であって、アノード燃焼ガス吸気３７へ伝えられるアノード燃焼ガス流４０を生じさせるためにポート３２からのアノード排気流３９を受ける。起動する際、燃焼器３８はまた、矢印４１によって概略的に示された、燃料流（典型的には天然ガス）を受ける。加えて、アノード排気流のいくらかは、矢印４２によって示されるように、アノード導入ポート３０に向けて再利用されてもよい。この点において、適合する弁４３が、燃焼器３８又はアノード導入ポート３０に向かうアノード排気流の経路を選択的に制御するために設けられてもよい。更に、図示されていないが、再生アノード排気流４２の適切な加圧を提供するために送風装置が必要となり得る。図１、２Ａ及び２Ｂは断面図である一方、より後の図において、統合ユニット１０の構成要素及び機構は、ポート３４、３６及び３７を例外として、軸１６に関して対称であることが示される。
【０００５】
図１及び図２Ａを参照して、カソード流はより詳細に説明される。図１に示されるように、矢印４４に概略的に示されたカソード導入（典型的には空気）は、ポート３４を経由してユニット１０に入り、半径方向流路４８に入る前に環状流路４６を通過する。ここで用いられた「半径方向流路」という用語は、概ね３６０度対称な態様で、半径方向に内側に、又は、半径方向に外側に、流れが向けられた、流路に言及することを意図していることを述べておく必要がある。カソード導入４４は、流路４８を通って、配列１２を取り囲み且つカソード復熱器２０を通過する環状流路５０へ、半径方向に外側に流れる。カソード導入４４は、環状流路５０を通って下方に流れ、その後、カソード導入４４を個々の燃料電池スタック１４の中に分配するために環状配列１２を取り囲む、環状導入マニホールドボリューム５２へ半径方向に内側に流れる。燃料電池スタック１４では、カソード導入は、燃料電池スタック１４の中の反応のために酸素イオンを供給し、カソード排気５６として燃料電池スタック１４から出る。次に、カソード排気５６は、改質器２４を横切って環状排気マニホールド領域５８に流れ込み、そこで、環状流路６０を経由してマニホールド５８へ向けられた燃焼ガス流４０と混ざる。この点において、燃焼ガス流４０は、燃料電池スタック１４における酸素の運搬から生じる、カソード排気流５６における、質量（ｍａｓｓ）の損失を取り戻すことに役立つということを述べておく必要がある。燃焼ガス流４０によって形成される、この追加の質量の流れは、カソード復熱器２０の大きさを最小化することに役立つ。矢印６２に概略的に示された、混合された燃焼ガス流４０及びカソード排気５６は、マニホールド５８から中央開口部６４を経由して半径方向流路６６に抜け出る。混合排気６２は、流路６６を通って環状排気流の流路６８へ半径方向に外側に流れ、流路６８は、混合排気６２からカソード導入４４へ熱を交換するために流路５０と熱交換関係にあるカソード復熱器２０を通過する。混合排気６２は、環状流路６８を通って半径方向流路７０へ上方へと流れ、この半径方向流路７０は、混合排気６２を、排気ポート３６を経由してユニット１０から出る前に、最終環状流路７２へ、半径方向内側に向かわせる。
【０００６】
図１及び図２Ｂを参照して、矢印８０に概略的に示されたアノード導入は、望ましくは再生アノード排気４２及びメタンの混合物の状態で、アノード導入吸気ポート３０を経由してユニット１０に入る。アノード導入８０は、アノード復熱器２２を通過する環状流路８２に向かっている。その後、アノード導入８０は半径方向流の流路８４へ流れ、そこでアノード導入８０が、アノード導入を改質器２４内へ向かわせる、環状マニホールド又はプレナム８６へ半径方向に外側へ流れる。改質器２４にて改質された後、アノード導入８０は、改質ガスとして改質器２４の底部から出て、統合圧力プレート／アノード導入マニホールド９０の中に向かう。導入マニホールド９０はアノード導入８０を複数のスタック導入ポート９２へ向かわせ、ポート９２の１つは個々の燃料電池スタック１４に付随している。個々のポート９２は、アノード導入８０を、対応するアノード導入／帰還集合体９４の中へ向かわせ、アノード導入／帰還集合体９４は、アノード導入８２を、対応する燃料電池スタック１４の中へ向かわせ、アノード導入がスタック１４にて反応した後、矢印９６に概略的に示されたアノード排気を、対応する燃料電池スタック１４から集める。個々のアノード導入／帰還集合体９４は、アノード排気９６を、圧力プレート／マニホールド９０にある、複数のスタックポート９８の内の対応する１つの中に戻す（繰り返すが、個々の燃料電池スタック１４に対して１つのポート９８）。マニホールド９０は、アノード排気９６を半径方向に内側へ、圧力プレート／マニホールド９０内に形成された、８つのアノード排気ポート１００（繰り返すが、個々のスタック１４に対して１つ）へ向かわせる。アノード排気９６はポート１００を通って複数の対応するアノード排気管１０２の中に流れ込み、アノード排気管１０２はアノード排気９６を半径方向アノード排気流の流路１０４へ向かわせる。アノード排気９６は流路１０４を通って環状流の流路１０６へ半径方向に内側へ流れ、環状流の流路１０６は流れ流路８２と熱交換関係にあるアノード復熱器２２を通って下方へ流れる。その後、アノード排気９６は、望ましくはドーム形状の、バッフル／カバー１１０によって、環状流路１０６から管状流路１０８の中に上方へ向かう。アノード排気９６は、別の環状流路１１２の中に向かう前に、繰り返すが、望ましくはドーム形状の、バッフル／カバー１１４によって、流路１０８を通って上方に流れる。環状流路１１２は環状カソード導入流路４６と熱交換関係にあるアノード冷却器２６を通過する。カソード導入４４への熱伝達の後、アノード排気９６は環状流路１１２から出て、望ましくは円錐形状の、バッフル１１６によってアノード排気ポート３２の中へ向かう。
【０００７】
図３Ａと３Ｂとを参照して、改質器２４は、８つの管群２８２の環状配列２８０の形態で、設けられ、個々の管群２８２が、１つの燃料電池スタック１４に対応し且つ平たい管２８４の列を含んでいる。この点において、管群２８２における管２８４の数は、個々の適用の特定の要因に大きく依存し、これらの特定の要因に依存するユニット１０毎に変わり得る、ということを述べておく必要がある。
【０００８】
図３Ｃは、カソード復熱器２０、アノード復熱器２２及びアノード冷却器２６に共通している、ある構造の詳細を一般的な形状として図示することを目的としている。これら３つ熱交換器の個々の構造は、基本的に３つの同心の円柱形状壁Ａ、Ｂ、Ｃからなり、それらは２つの分離した流動流路Ｄ及びＥを画定し、各々、それぞれの流動流路の表面積を増大させるために流動流路Ｄ及びＥの中に波形又は曲がりくねったフィン構造Ｇ及びＨを有する。熱交換は円柱形状壁Ｂを通じて発生するので、良好な熱伝導性を備えるために、例えば、ろう付けによって、フィンＧ及びＨは壁Ｂに接着されることが望ましい。他方、集合体及び／又は異なる熱膨張を許容するため、フィンＧ及びＨは円柱状壁Ａ及びＣに接着されないことが望ましい。個々の熱交換器２０、２２及び２６に関して、個々の流動路Ｄ及びＥの中のフィンＧ及びＨの長手方向の長さ及び特定の形状は、望まれる出力温度及び許容される熱交換器からの圧力低下を達成するため、それぞれの特定の適用の必要に応じて調整される。
【０００９】
次に図４Ａ−Ｄに関して、アノード冷却器２６は流路１１２におけるアノード排気９６のための表面積を増大させるために波形又は曲がりくねったフィン構造３００、流路４６におけるカソード導入流４４のために表面積を増大させる波形又は曲がりくねったフィン構造３０２、及び、望ましくは、ろう付けによって、フィン３００及び３０２が接着され、且つ、流動流路４６を流動流路１１２から分離させる役割を果たす、円柱形状壁又は管３０４を含む。図４Ｂに最も良く表れているように、円柱形状流動バッフル３０６は、波形フィン３００の内側面に設けられ、流動流路１１２の内側部分を画定するため、その端にドーム形状のバッフル１１４を含んでいる。カソード導入４４が流動流路４６から出た後、半径方向に外側へ向かわせるため、ドーナッツ形状流動バッフル３０８もまた設けられている。円錐形状バッフル１１６は、ポート３２と共に管３０４の上端に取り付けられ、ろう付け又は溶接等の適切な接着方法によってポート３２に構造的に固定されたボルトフランジ３１０を含み、筐体２８及びフランジ３１０を通じて結合した構成要素の間の熱膨張を許容するための蛇腹３１１もまた含んでいる。図４Ｃに示されるように、上述した構成要素は、ろう付け等によって、結合して接着された別の部分集合体として組み立てられても良い。
【００１０】
図１及び４Ｄに関連して、アノード復熱器２２は、アノード導入８０のために表面積を増大させるため、環状流動流路８２の中に、波形又は曲がりくねったフィン構造３１２を含む。図１に最も良く表れているように、アノード復熱器２２は更に、アノード排気９６の表面積を増大させるため、環状流動流路１０６の中に、別の波形又は曲がりくねったフィン構造３１４を含む。
【００１１】
図４Ｄに最も良く表れているように、波形フィン３１２及び３１４は、望ましくは、流動流路８２及び１０６を互いに分離させる役割を果たす管３１６の円柱形状壁に接着され、ドーム形状のバッフル１１０が壁３１６の下方端に結合されている。別の円柱形状の壁又は管３２０が、図４Ｄに最も良く表れているように、環状流路１０６の内側面を画定するため、波形フィン３１４（図４Ｄに図示されていないが、しかし、図４Ｂに示されたように円柱形状３０４におけるフィン３００と同様の位置にある）から半径方向に内側へ、設けられている。図２Ａに示されるように、アノード排気９６のための流路１０８を画定するため、断熱スリーブ３２２が、円柱形状壁３２０の内部に設けられ、円柱形状排気管３２４が、断熱スリーブ３２２の内側に設けられている。望ましくは、排気管３２４は、円柱形状の壁３２０の下方端に設けられた、円錐形状のフランジ３２８に結合される。図４Ｄを参照して、別の円柱形状の壁又は管３３０が、流動流路８２の半径方向の外側の境界を画定するために波形のフィン３１２を取り囲み、円錐形状のバッフル３３２によって吸気ポート３０に結合されている。マニホールドディスク３３４は、壁３１６の上方端に設けられ、円柱形状の壁３２０を支えるための中央開口部３３６、及び、組み立てられた状態でマニホールドプレート３３４の上方の空間を閉じる役割を果たすプレート３０８と共に、アノード排気管１０２の端を密閉的に支えるための８つのアノード排気管支持孔３３８を含む。
【００１２】
図２Ｂ及び４Ｅを参照して、内側円柱形状シェル３５２（図２Ｂに示される）、外側円柱形状シェル３５４、内側及び外側シェル３５２及び３５４の間に位置する絶縁スリーブ３５６（図２Ｂに示される）、及び、外側シェル３５０の開口端を閉じるディスク形状カバー３５８を含む遮熱集合体３５０が示されている。カバー３５８は、電極スリーブ２１１を通過させるための８つの電極クリアランス開口部３６０を含んでいる。図４Ｅに示されるように、遮熱集合体３５０が、絶縁ディスク３６１、燃料電池１４の組み立てられた配列１２の外周、を覆って取り付けられ、カソード導入マニホールド５２の外側の空間を画定する。遮熱３５０は、それが取り囲んでいる構成要素に関連する熱を保持する役割を果たしている。図５は、スタック１４を覆って取り付けられている遮熱集合体３５０を表している。
【００１３】
図１及び６を参照して、カソード復熱器２０は、混合排気６２のための環状流動流路６８における表面増強を実現するための波形又は曲がりくねったフィン構造３６２、カソード導入４４のための環状流動流路５０における表面増強を実現するための波形又は曲がりくねったフィン構造３６４、及び、流動流路５０及び６８を分離させ且つフィン３６２及び３６４に接着させる円柱形状管又は壁３６６を含んでいる。ディスク形状カバープレート３６８は、円柱形状壁３６６の上方開口部を閉じるために設けられ、且つ、中央開口部３７０、及び、電極スリーブ２２１を貫通させるための複数の電極クリアランス開口部３７２を含む。円柱形状管又はスリーブ３７６がアノード冷却器２６の外側スリーブとして機能するカバー３６８に取り付けられ、上方環状ボルトフランジ３７８がスリーブ３７６の上端に取り付けられている。図１及び６に最も良く表れているように、下方のリング形状ボルトフランジ３８０及び絶縁スリーブ３８２がスリーブ３７６の外側に適合され、円柱形状の壁又はシールド３８４が絶縁スリーブ３８２を取り囲み、流路７２のための内側壁を画定している。
【００１４】
図７を参照して、フランジ３７８がフランジ３１０に締め込まれながら、図６の構成要素が図５に表された構成要素を覆って組み立てられている。
【００１５】
図４Ａを参照して、外側筐体２８が、ユニット１０の残りを覆って組み立てられ、フランジ３８０及び筐体２８のフランジ４００、並びに、集合体２３７のフランジ４０２及び筐体２８のフランジ４０４が締め込まれ、望ましくは、連結を密封するためにフランジの連結間に適切なガスケットを備える。
【００１６】
図９は、従前説明された、個々の統合ユニット１０の主要構成要素に関して、統合ユニット１０を通り抜ける様々なフローを表した、統合ユニット１０の略図である。図９はまた、省略可能な空冷アノード冷却器４６０を表し、望ましくは、アノード排気流３９を冷却し、燃焼器３８に入る前の流動３９から水を液化するために用いられる。必要あれば、冷却器は省略され得る。図９はまた、燃焼器３８に対する空気流を供給するための送風装置４６２、カソード導入４４のための送風装置４６４、及び、アノード再生流４２を加圧するための送風装置４６６を表している。必要あれば、図９に表されたユニット１０の代替の実施形態は、従前説明された図１の実施形態とは異なり、起動する際に蒸気を発生させるために混合排気６２からの排熱を利用すべく、省略可能な蒸気発生器（水／混合排気熱交換器）４４０が加えられる。この点において、水流４４２が熱交換器４４０の水注入ポート４４４に供給され、そして、蒸気出口ポートは、分配のためにアノード導入８０と混合される蒸気流４４８をアノード導入吸気ポート３０へ向ける。
【発明の概要】
【００１７】
実施形態は、指型プレート（ｆｉｎｇｅｒ  ｐｌａｔｅ）又はエンドキャップ（ｅｎｄ  ｃａｐ）を有する上側筐体、指型プレート又はエンドキャップを有する下側筐体、及び、上側と下側との筐体の間の波形シートを含む熱交換器に関連する。熱交換器は、第１の流体が波形シートの片面側に流れ、且つ、第２の流体が波形シートの反対面側に流れるように構成されている。
【００１８】
別の実施形態は、単一円柱形状の波形フィンプレートを有する一体式集合体、指型プレート又はエンドキャップを有する上側筐体、及び、指型プレート又はエンドキャップを有する下側筐体、を含むカソード復熱器ユニ−シェル（ｕｎｉ−ｓｈｅｌｌ）に関する。カソード復熱器ユニ−シェルは、第１の流体が単一円柱形状の波形フィンプレートの片面側に流れ、且つ、第２の流体が単一円柱形状の波形フィンプレートの反対面側に流れるように構成されている。
【００１９】
別の実施形態は、燃料電池システムのカソード復熱交換器の内側蓋と外側蓋との間にあるホットボックス内の蒸気発生コイルを含むカソード排気蒸気発生器に関する。
【００２０】
別の実施形態は、蒸気メタン改質触媒に部分的或いは全体的に覆われたフィンを含む、アノード復熱交換器の燃料吸気側の一部である、或いは、に加えられた、予備改質器（ｐｒｅ−ｒｅｆｏｒｍｅｒ）に関する。
【００２１】
別の実施形態は、蒸気メタン改質触媒でコーティングされたワイヤーを含む予備改質器に関する。ワイヤーは、アノード復熱交換器の少なくとも一つの燃料吸気側、及び、アノード復熱器の燃料吸気出口を、少なくとも一つの燃料電池スタックの燃料吸気に接続する、少なくとも一つの燃料吸気管、に位置している。
【００２２】
別の実施形態は、溝付きベース（ｇｒｏｏｖｅｄ  ｂａｓｅ）及び複数の燃料吸気及び排気の管を含む、アノード流ハブ構造に関する。
【００２３】
別の実施形態は、ＡＴＯに入る空気流動を方位角（ａｚｉｍｕｔｈａｌ）方向に回転させるように構成されたベーン（ｖａｎｅ）を含む、アノード排ガス酸化器（ＡＴＯ：ａｎｏｄｅ  ｔａｉｌ  ｏｘｉｄｉｚｅｒ）のミキサー要素に関する。
【００２４】
別の実施形態は、一つ又はそれより多くのスリットを含み、燃料電池スタックのアノード排気流動の第１の部分をアノード排ガス酸化器（ＡＴＯ）の中に噴射するように構成される一方、アノード排気流動の残りがＡＴＯ内に供給されることなくスプリッター噴射装置（ｓｐｌｉｔｔｅｒ−ｉｎｊｅｃｔｏｒ）を通過することを許容する、ＡＴＯの燃料スプリッター噴射装置に関する。
【００２５】
別の実施形態は、燃料電池スタックの支持ベース（ｓｕｐｐｏｒｔ  ｂａｓｅ）を開口部まで延長するブリッジ管（ｂｒｉｄｇｉｎｇ  ｔｕｂｅ）を有する前記ベース、及び、燃料電池スタックから前記ベースの外側へ前記ブリッジ管を通過させる電流コレクタ（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ）を含む、燃料電池スタックの電気端子（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｔｅｒｍｉｎａｌ）に関する。
【００２６】
別の実施形態は、流動性のある絶縁物質を燃料電池ホットボックス機構及び隣接した機構の間の隙間の中に注ぐこと、及び、流動性のある絶縁物質が凝固することを許容することを含む、燃料電池ホットボックス機構を絶縁する方法に関する。
【００２７】
別の実施形態は、固体酸化物型燃料電池スタックのアノード排気流動をアノード排ガス酸化器（ＡＴＯ）へ供給すること、及び、ＡＴＯでアノード排気流動を酸化させるために固体酸化物型燃料電池スタックのカソード排気流動をＡＴＯへ供給することを含む、固体酸化物型燃料電池システムの運転方法に関する。アノード排気流動以外の外部燃料はＡＴＯに供給されない。
【００２８】
別の実施形態は、燃料吸気流動を固体酸化物型燃料電池スタックの中に供給すること、及び、空気吸入流動を燃料電池スタックの中に供給することを含む、固体酸化物型燃料電池システムの運転方法に関する。本方法はまた、アノード排気流動を燃料電池スタックからスプリッターへ供給すること、アノード排気流動の第１の部分をスプリッターからＡＴＯへ供給すること、及び、空気吸入流動を、それが燃料電池スタックに到達する前に予熱するため、アノード排気流動の第２の部分をスプリッターからアノード冷却熱交換器の中へ供給することを含む。スプリッター、固体酸化物型燃料電池スタック、アノード冷却器は、同一のホットボックス内に位置し、アノード排気流動の第１及び第２の部分はホットボックス内で分離される。
【００２９】
別の実施形態は、ホットボックス、並びに、ホットボックス内に位置する燃料電池スタック、ＡＴＯ、アノード排気流動スプリッター及びアノード冷却器熱交換器を含む燃料電池システムに関する。スプリッターは、燃料電池スタックのアノード排気流動の第１の部分をＡＴＯの中に注入し、一方で、アノード排気流動の残りがスプリッターを通過してＡＴＯの中に供給されることなくアノード冷却器に入ることを許容するように構成されている。
【００３０】
別の実施形態は、少なくとも一つの燃料電池スタック又はコラム（ｃｏｌｕｍｎ）、及び、少なくとも一つの燃料電池スタック又はコラムへの空気吸入流動が、少なくとも一つの燃料電池スタック又はコラムからの空気排気流動によって熱せされるカソード復熱交換器を含む燃料電池システムに関する。カソード復熱交換器から出る空気吸入流動が少なくとも一つの燃料電池スタック又はコラムの中間部分に向けられるように、カソード復熱交換器の空気吸入流動出口は、燃料電池スタック又はコラムの中間部分における１つ又はそれより多くのポイントに隣接している。
【００３１】
別の実施形態は、中心軸に関してリング形状構造を形づくるように配置された、複数の角度をつけて離れた燃料電池スタックを含む燃料電池システムに関する。個々の前記燃料電池スタックは、中心軸に対して平行に伸びるスタック方向、及び、前記リング形状構造の中間に面する内側面におけるカソード出口を有する。燃料電池スタックの内側面を離れて中心軸へ向かうカソード排気流動への渦を生成するため、前記角度をつけて離れた複数の燃料電池スタックの前記内側面が半径方向に整列しないように、前記角度をつけて離れた複数の燃料電池スタックの少なくともいくつかは、それらの軸の周りを０度角ではない角度回転している。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】統合ＳＯＦＣ及び燃料処理器を伴う、先行技術に係る燃料電池ユニットの断面図である。
【図２Ａ】図１の先行技術に係る燃料電池ユニットの半分を示す断面図であり、カソード導入及び排ガスの流れを図示している。
【図２Ｂ】図１の先行技術に係る燃料電池ユニットの半分を示す断面図であり、カソード導入及び排ガスの流れを図示している。
【図３Ａ】図１の線３Ａ−３Ａから見た断面図であり、ただし、燃料電池ユニットの選ばれた構成要素のみが示されている。
【図３Ｂ】図３Ａの線３Ｂ−３Ｂから見た、拡大された幾分模式的な図である。
【図３Ｃ】図１の統合ユニット内部に含まれる、いくつかの熱交換器に共通する構造の詳細を図示した部分断面図である。
【図４Ａ】図１の統合ユニットのアノード排気冷却器の構成要素の分解斜視図である。
【図４Ｂ】図１の統合ユニットのアノード排気冷却器の構成要素の分解斜視図である。
【図４Ｃ】組み立てられた状態にある、図４Ａ及びＢの構成要素を示す斜視図である。
【図４Ｄ】図１の統合ユニットのアノード復熱器と共に組み立てられた構成要素を示す分解斜視図である。
【図４Ｅ】図１の統合ユニットの、燃料電池スタック、アノード復熱器及びアノード冷却器の構成要素を、断熱ディスク及び熱シールド筐体と共に示す分解斜視図である。
【図５】組み立てられた状態にある、図４の構成要素を示す斜視図である。
【図６】図１の統合ユニットの他の構成要素と共に、カソード復熱器集合体を示す分解斜視図である。
【図７】図６の組み立てられた構成要素を、図４の組み立てられた構成要素と共に示す分解斜視図である。
【図８】図７の組み立てられた構成要素を、図１の統合ユニットの外部筐体と共に示す分解斜視図である。
【図９】図１の燃料電池ユニットの概略を表している。
【図１０Ａ】実施形態に係る２つの指型プレートを有するアノード排気冷却熱交換器の分解図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの代表的なアノード排気冷却熱交換器の写真である。
【図１０Ｃ】指型プレートを有するアノード排気冷却熱交換器の中の軸方向のガス流の流入／流出を示す概略説明図である。
【図１０Ｄ】キャップリングを有するアノード排気冷却熱交換器の中の軸方向でないガス流の流入／流出を示す概略説明図である。
【図１１Ａ】図１０Ａのアノード排気冷却熱交換器の水平断面図である。
【図１１Ｂ】図１０Ａのアノード排気冷却熱交換器の上に位置するバッフルプレートの垂直断面図である。
【図１１Ｃ】実施形態に係る流れ方向機器の概略説明図である。
【図１１Ｄ】図１０Ａのアノード排気冷却熱交換器の上に位置するバッフルプレートの半透明立体図である。
【図１１Ｅ】実施形態に係るアノード排気冷却熱交換器及び燃料吸気導管を図解する立体図である。
【図１１Ｆ】図１１Ｅのアノード排気冷却熱交換器及び燃料吸気導管の立体切断図である。
【図１２Ａ】実施形態に係るカソード復熱器の断面図である。
【図１２Ｂ】実施形態に係るカソード復熱器の断面図である。
【図１２Ｃ】実施形態に係るカソード復熱器の断面図である。
【図１２Ｄ】実施形態に係るカソード復熱器の断面図である。
【図１２Ｅ】実施形態に係るカソード復熱器の断面図である。
【図１２Ｆ】実施形態に係るカソード復熱器の断面図である。
【図１２Ｇ】実施形態に係るカソード復熱器の断面図である。
【図１２Ｈ】実施形態に係るカソード復熱器の断面図である。
【図１３Ａ】実施形態に係る燃料電池の１つ又はそれより多いコラムの上端に位置するユニ−シェル復熱器を図解する断面図である。
【図１３Ｂ】実施形態に係るユニ−シェル復熱器及び蛇腹を図解する断面図である。
【図１４】実施形態に係るカソード蒸気発生器構造の断面図である。
【図１５Ａ】実施形態に係るアノード復熱器の垂直／軸方向の立体断面図である。
【図１５Ｂ】ホットボックスベース内に位置する燃料吸気及び燃料出口管を図説する断面図である。
【図１５Ｃ】蒸気メタン改質器のための触媒被膜挿入物の実施形態の立体図である。
【図１５Ｄ】蒸気メタン改質器のための触媒被膜挿入物の実施形態の立体図である。
【図１６】実施形態に係るアノード流動構造の立体切断図である。
【図１７Ａ】実施形態に係るアノード中央流動構造立体図である。
【図１７Ｂ】実施形態に係るアノード復熱器の垂直断面図である。
【図１７Ｃ】実施形態に係るアノード復熱器の垂直断面図である。
【図１７Ｄ】図１７Ｂ及び１７Ｃのアノード復熱器の水平断面図である。
【図１８Ａ】実施形態に係るアノード排ガス酸化装置の立体図である。
【図１８Ｂ】図１８Ａのアノード排ガス酸化装置の立体断面図である。
【図１８Ｃ】図１８Ａのアノード排ガス酸化装置の立体断面図である。
【図１８Ｄ】実施形態に係るカソード排気の渦要素を示す、燃料電池システムの上面図の概略図説である。
【図１９】実施形態に係るスタックの電気的接続及び絶縁を図説する立体断面図である。
【図２０】実施形態に係るホットボックスを図説する概略工程図である。
【実施形態の詳細な説明】
【００３３】
本発明の実施形態は、燃料電池の性能を向上させる燃料電池ホットボックスの構成要素を規定する。実施形態は、「指型プレート」を備えるアノード排気冷却熱交換器、カソード復熱器ユニ−シェル、カソード復熱器ユニ−シェルセラミック円柱支持体及び拡張蛇腹、カソード排気蒸気発生器構造、予備改質器の管挿入触媒、アノード流動構造ハブ、アノード排ガス酸化装置（ＡＴＯ）空気渦要素、ＡＴＯ燃料噴射装置、並びに、注ぎ込んだ（ｐｏｕｒ−ｉｎ）外部絶縁、及び、簡略化されたスタック電気端子、を含む。
【００３４】
＜アノード排気冷却熱交換器＞
ホットボックス内の全体の流動状態及び流体（例えば、燃料及び空気の吸気並びに排気の流れ）の速度が上昇することが望ましい。第１の実施形態によれば、「指型プレート」を有するアノード排気冷却熱交換器は、より高い、これらの全体の流動状態を促進する。アノード冷却熱交換器は、熱交換器であり、その中で燃料電池スタックからの熱い燃料排気流動が燃料電池スタック（例えば、ＳＯＦＣスタック）に供給される冷たい空気の吸気流動と熱を交換する。この熱交換器はまた、２００８年７月２５日に出願された米国出願第１２／２１９，６８４号、及び、２００７年１０月１日に出願された第１１／９０５，４７７号における、空気予熱器熱交換器ともみなされ、この両方の出願は、参照することによってその全体が本明細書に組み込まれる。
【００３５】
典型的なアノード排気冷却熱交換器１００が、図１０Ａ−１０Ｂ及び１１に図解されている。アノード排気冷却熱交換器１００の実施形態は、図１０Ａに示されるように、波形シート１０４の両端に密閉された２つの「指型」プレート１０２ａ、１０２ｂを含む。波形シート１０４は円柱型の形状（即ち、波形の外壁を伴う円柱）を有しても良く、そして、指型プレート１０２ａ、１０２ｂは円柱の反対側の端部に位置する。換言すれば、波形の山と谷は、交互に入れ替わる山と谷とを覆うように設計された指型プレート１０２ａ、１０２ｂを備える円柱の軸方向に並行に並んでも良い。他の形状（例えば、中が空洞の長方形、三角形、又は、あらゆる多角形）もまた、シート１０４になり得る。指型プレートは、リングの内側部分の中に伸びる指型形状の拡張部分を有する、中が空洞のリング形状の金属プレートを含む。上端プレート１０２ａの指型がシート１０４の全ての内側に向いた凹部を覆う場合、下端プレート１０２ｂの指型がシート１０４の全ての外側に向いた凹部を覆うように（組み立てられた熱交換器１００を図説する図１０Ｂに示されるように）、プレート１０２ａ、１０２ｂは１つの波形によってお互いに相殺していて、そして、逆もまた同様である。個々の指型の形状は、シート１０４における、１つの個別の凹部／フィン／波形を覆うように設計されている。指型は、シート１０４にろう付けされても良い。
【００３６】
シート１０４の波形又はフィンは、図１０Ａ及び１１に示されるように直線的であっても、又は、図１０Ｂに示されるように波形であっても良い。波形のフィンは、垂直方向には直線的ではないフィンである。その様な波形フィンは、製造が容易である。
【００３７】
指型プレート１０２ａ、１０２ｂの使用は、要求されない。同様の機能は、図１０Ｄに示されるように、フィン１０４の上端／下端にろう付けされた平らなキャップリング又はエンドキャップ１０２ｃの利用によって達成される。指型プレート１０２ａ、１０２ｂデザインの利点は、図１０Ｃの矢印によって概略的に示されるように、それが軸方向のガス流のフィン１０４の入口及び／又は出口を許容することにある。その一方、図１０Ｄに示されるように、キャップリング１０２ｃは、ガス流が、軸とは異なる方向でフィン１０４、へ入る、及び／又は、から出ること、そして、フィン１０４内部で軸方向に向きを変えること、を要求し、その結果、圧力損失が増加する。アノード冷却熱交換器１００は、何れかの端部又は両方の組合せに位置する、指型プレート１０２ａ、１０２ｂ、又は、エンドキャップ１０２ｃのいずれかと共に組み立てられても良い。言い換えれば、指型プレート及びエンドキャップの組合せに関して、フィン１０４の上側は、指型プレート又はエンドキャップの１つを含んでも良く、フィンの下側は、指型プレート又はエンドキャップの別の１つを含んでも良い。
【００３８】
熱い及び冷たい流動１１３１，１１３３は、隣接した波形の中を流れ、シート１０４の部分の水平断面図である図１１Ａに示されるように、そこで流動の流れを隔てる波形シート１０４の金属は第１の熱交換表面の役割を果たす。シート１０４は、熱交換を増大させるため、比較的薄くても良く、例として、０．００５から０．００３インチ、例えば、０．０１２−０．０１８インチ、の厚さを有する。例えば、熱い燃料排気流動が波形シート１０４（波形の内側凹部を含む）の内側に流れ、冷たい空気の吸気流動がシート１０４（波側の外側凹部を含む）の外側に流れる。或いは、アノード排気冷却熱交換器は、燃料排気がシート１０４の外側を流れ、空気の吸気流動が内側となるように、構成されても良い。熱い流れと冷たい流れとがアノード排気冷却熱交換器に入り且つ出る一方で、指型プレート１０２ａ及び１０２ｂは、これらが混ざることを妨げる。
【００３９】
波形シートの１つの面（例えば、内側面）は、固形酸化物型燃料電池スタックの燃料排気と繋がる燃料排気導管と流体連通し、以下に記載されるアノード復熱交換器からの排気導管と流体連通している。波形シートの第２の面は、以下に詳述される空気吸気流動導管と流体連通している。
【００４０】
アノード排気冷却器１００に入る空気の吸気流は、図１７Ｃに示されるように、機器の中心線に対して向けられても良い。或いは、空気の吸気流は、完全に又は部分的に接する、機器の中に入る構成要素を有しても良い。更に、必要であれば、アノード排気冷却器１００を横断する空気の吸気流動の均質性を増加させるため、図１１Ｂ−１１Ｄに示されるように、追加のバッフルプレート１０１ａ又は別の適切な流動制御機器１０１ｂが、空気の吸気導管又はマニホールド３３内に、アノード排気冷却器１００上に位置しても良い。
【００４１】
図１１Ｂ及び１１Ｄはそれぞれ、空気の吸気導管又はマニホールド３３内の、アノード排気冷却器１００上に位置するバッフルプレート１０１ａを図説する、垂直断面及び半透明立体図である。バッフルプレートは、複数の開口部を有する円柱形状プレートを含んでも良い。開口部は、１つ又はそれより多い円周配置が円周方向に並んでも良く、個々の開口部は、円形状又は他の形状（例えば、楕円又は多角形）を有しても良い。
【００４２】
図１１Ｃは、曲線によって示される、複雑に入り組んだ経路であるバッフル間のガス流路を作り出す、一連のオフセットバッフル１０１Ｃを含む流動制御機器１０１ｂを示している。必要であれば、アノード排気冷却器のある領域におけるガス流を促し、アノード排気冷却器の別の領域におけるガス流を制限するため、バッフルプレート１０１ａの開口部、及び／又は、バッフル１０１ｃの構成は、非対称又は不均一な配置を有しても良い。
【００４３】
図１１Ｄはまた、空気の吸気開口部３３ｂを有する、略円柱形状の空気の吸気導管筐体３３ａを示している。空気の吸気導管又はマニホールド３３は、図１１Ｅに破線で示されるように、筐体３３ａの内側壁と環状アノード排気導管１１７の外側壁との間に位置する。筐体３３ａはまた、プレート１０４のフィンと筐体３３ａの内側壁との間の空気の吸気流路を確保するため、アノード冷却器１００ａを取り囲む。
【００４４】
図１１Ｄ、１１Ｅ及び１１Ｆはまた、アノード排気冷却器１００にある中心空洞部を通過して、アノード排気冷却器を迂回する、燃料吸気導管２９を示している。図１１Ｅは機器の立体図であり、図１１Ｆは立体断面図である。図１１Ｅ−１１Ｆに示されるように、アノード冷却器１００の、円柱形状の波形シート１０４及びディスク形状の指型プレート（例えば、１０２ｂ）は、真ん中に空洞部を有する。燃料吸気導管２９及び環状断熱材１００Ａは、この空洞部１００ｂに位置する（図１０Ｂに示されている）。環状断熱１００ａは、燃料吸気導管２９を取り囲み、導管２９を、環状アノード冷却器１００、及び、断熱材１００ａを取り囲む環状燃料（アノード）排気導管１１７、並びに、環状アノード冷却器１００を取り囲む環状の空気の吸気導管又はマニホールド３３、及び、環状燃料（アノード）排気導管１１７、から熱的に分離する。それ故、燃料吸気流動は、アノード冷却器１００、燃料排気導管１１７及び空気の吸気導管又はマニホールド３３を流れるガス（即ち、燃料排気流動、及び、空気の吸気流動）との実質的な熱交換無しに、燃料吸気導管２９を通り抜ける。必要あれば、図１１Ｅに示されるように、燃料吸気導管は、フランジ２９ｃを伴う追加の蛇腹２９ｂを含んでも良い。
【００４５】
図１１Ｅ−１１Ｆに示されるように、燃料吸気流動は、燃料吸気導管２９に接続された燃料吸気開口部２９ａを通って本機器に入る。垂直導管２９は、アノード冷却器１００と流体連通している、空気の吸気導管３３及び燃料排気導管１１７を横切る、開口部２９ａに接続された水平連結部を有する。それ故、燃料吸気流は、アノード冷却器１００の中、及び上の、空気の吸気及び燃料排気流動から、流体的及び熱的に分離されている。
【００４６】
アノード排気冷却熱交換器の実施形態は、１つ又はそれより多くの以下の利点を有し得る。即ち、分離された流動流路間の最小限の物質伝導損に起因する良好な熱交換、超小型、軽量、縮小された資材要件、縮小された製造コスト、固定具要求の除外、縮小された圧力低下、指型プレートのデザインを単に変更することによる２つ又はそれより多い流動間の流量比の制御能力、である。アノード排気冷却熱交換器の負荷は、先行技術に係る熱交換器より２０−４０％増やされても良い。更に、いくつかの実施形態において、アノード排気冷却熱交換器はまた、高い負荷に加えて、先行技術に係る熱交換器よりも短くなり得る。
【００４７】
＜カソード復熱器ユニ−シェル＞
カソード復熱器は、空気の吸気流動が燃料電池スタックからの空気（例えば、カソード）排気流動と熱を交換する、熱交換器である。望ましくは、空気吸気流動は、カソード復熱器に入る前に、上記のアノード冷却器にて予熱される。
【００４８】
先行技術に係るろう付けされた２つのフィンを備える円柱形状の熱交換器を通じた熱交換の態様は、熱交換構造のろう付けされた集合体を通じて可能となる、伝導性の熱交換量によって画定される。熱交換の潜在的な不足は、燃料電池システムの熱的不安定を引き起こし得る一方、システムを定格条件にて運転することを妨げ得る。本発明者は、単一フィンの流路分離器の使用が、流体流動の間の熱交換を改善し、小型の熱交換パッケージを提供することを見いだした。
【００４９】
例となるカソード復熱器２００ユニ−シェルが、図１２Ａから１２Ｇに図説されている。実施形態では、図３Ｃの先行技術の構造に係る３つの同心で且つ独立したシェルＡ、Ｂ及びＣが、図１２Ａ−１２Ｂに示される単一の一体式集合体に置き換えられている。図１２Ａは熱遮蔽断熱材を省いた集合体構成要素の分解立体図を示し、図１２Ｂ及び１２Ｃは構成要素が組み立てられた集合体及び熱遮蔽断熱材２０２Ａ、２０２Ｂの立体図を示す。
【００５０】
ユニ−シェルカソード復熱器２００の実施形態は、単一の円柱形状波形フィンプレート又はシート３０４（図１２Ａ及び１２Ｄに示される）を含む。波形プレート又はシート３０４は、望ましくは、例えば中が空洞である円柱等の、リング形状物である。しかしながら、必要あれば、プレート又はシート３０４は、上部から見て多角形の横断面を有しても良い。波形プレート又はシート３０４は、復熱器２００の中間部分の立体図である図１２Ｃ、プレート又はシート３０４の上面図である図１２Ｄ、及び、復熱器２００の垂直断面図である図１２Ｅ、に示されるように、熱遮蔽断熱材の内側２０２Ａと外側２０２Ｂの間に位置する。熱遮蔽断熱材は、中が空洞である円柱を含んでも良い。熱遮蔽断熱材は、波形プレート又はシート３０４の下に位置する熱遮蔽シェル２０４によって支持されても良い。
【００５１】
断熱材及び波形プレート又はシート３０４に加えて、ユニ−シェルカソード復熱器２００はまた、上端キャップ、プレート又は蓋３０２ａ（図１２Ａに示される）及び類似の下端キャップ、プレート又は蓋（明確化のために図１２Ａに示されない）を含む。図１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｆ及び１２Ｇに示されるように、上端キャップ、プレート又は蓋３０２ａに加えて、ホットボックスはまた、蓋３０２ａの下のサポートリブ（ｓｕｐｐｏｒｔ  ｒｉｂ）を伴う熱遮蔽３０６、蒸気コイル集合体３１０を支持するサポートリブを備えるバッフルプレート３０８を含む蒸気発生器１０３（即ち、そこを流れる水がパイプの周りを流れる空気の排気流動の熱によって蒸気へと熱せられるコイル状のパイプ）、及び、蒸気発生器１０３を取り囲む溶接リング３１３を備える外側蓋３１２を備える。外側蓋３１２のカソード排気導管３５は、ホットボックスからの空気の排気流動を排出する。
【００５２】
単一の円柱形状波形フィンプレート３０４及び上端及び下端キャッププレートは、図１２Ｆ（集合体の垂直断面図）及び１２Ｇ（集合体の立体図）に示されるように、空気（即ち、カソード）の吸気１２３１４並びに空気（即ち、カソード）の排気流動１２２７の進路を０度以外の角度だけ変えて（例えば２０−１６０度、例として９０度、向きを変える）、フィンプレート３０４の隣接する空洞のフィン内へ向ける。例えば、カソード又は空気の吸気流動は、アノード冷却器１００からカソード復熱器２００へ、熱遮蔽３０６及び上端キャップ３０２ａの間に位置する導管３１４を通って、流れる。空気の吸気流動は、図１２Ｆ及び１２Ｇの矢印によって示されるように、実質的に水平に半径方向に外側方向に（即ち、半径方向に内側から外側へ）、流れが波形フィンプレート３０４の上側部分の内側表面にぶつかるまで、流れる。ぶつかることで、流れは９０度向きを変え、波形の内側の中を伝って（即ち、軸方向に）流れる。同様に、熱いカソード排気流動は、図１２Ｆ及び１２Ｇの矢印によって示されるように、最初はＡＴＯからの導管２７を通って下方より垂直に、その後、波形フィンプレート３０４の下側部分の外側表面にぶつかるように、導管２７の終端部分では実質的に半径方向内側方向へ略水平に流れる。これによって、空気の排気流動が進路を０度以外の角度だけ変えて、プレート３０４の波形の外側にて上方（即ち、軸方向に）へ流れる。この単一層のフィンプレート３０４の設計は、効果的な熱交換を可能にし、システム内部の熱変動を（空気の誤った分配から）最小限に抑える。
【００５３】
カソード復熱器におけるこのキャッププレートの利用は、必須ではない。同じ作用は、アノード冷却器１００のために例示された指型プレート１０２ａ、１０２ｂに似た指型プレートによっても実現され得る。カソード復熱交換器２００は、一方の端部又は両方の組合せに位置する、指型プレート又はエンドキャップと共に組み立てられる。換言すれば、指型プレート及びエンドキャップの組合せのため、フィンプレート３０４の上端は、指型プレート又はエンドキャップの１つを含んでも良く、フィンの下端は指型プレート又はエンドキャップの他方を含んでも良い。
【００５４】
熱い及び冷たい流動流は、プレート又はシート３０４の部分の水平断面図である図１２Ｄに示されるように、隣接する波形を流れ、そこでは流動流を分離させる波形プレート又はシート３０４の金属が第１の熱交換表面として作用する。例えば、比較的冷たい又は低温の空気の吸気流動１２３１４が波形プレート又はシート３０４（波形の内側凹部を含む）の内側を流れ、比較的暖かい又は熱い空気の排気流動１２２７がプレート又はシート３０４（波形の外側凹部を含む）の外側を流れる。或いは、空気の吸気流動１２３１４が波形プレート又はシート３０４の内側を流れても良く、空気の排気流動１２２７が外側を流れても良い。
【００５５】
波形プレート又はシート３０４の１つの面（例えば、外側）は、固体酸化物型燃料電池スタック及び／又はＡＴＯ排気の空気の排気と接続された、空気の排気導管２７と流体連通している。波形プレート又はシート３０４の第２の面は、上記のアノード冷却器１００の暖かい空気の出力導管３１４と流体連通している。
【００５６】
図１２Ｈに示されるように、カソード復熱器２００から出る空気の吸気流動１２２５は、スタック又はコラム９の他の最も熱い部分に追加の冷却をもたらすため、燃料電池スタック又はコラム９の中央の長い部分に向けられても良い。換言すれば、燃料電池スタック又はコラム９の中央の部分は、上側及び下側の部分よりも相対的に熱い。中央の部分は、それぞれの端部がスタック又はコラム９の長さの１０−２５％延在し、中央の部分がスタック又はコラム９の長さの５０−８０％延在するように、スタック又はコラム９の端部の間に位置する。
【００５７】
復熱器２００の空気の吸気流動出口２１０の位置は、燃料電池スタック又はコラム９の温度分布を最適化するために適合され得る。それ故、出口２１０の垂直位置は、垂直方向指向のスタック又はコラム９に関して要求されるように調整されても良い。出口２１０は円柱形状の復熱器２００に円形開口部を含んでも良く、或いは、出口２１０は１つまたはそれ以上のシステムの個々のスタック又はコラム９に隣接する目立たない開口部を含んでも良い。
【００５８】
出口２１０から出る空気の吸気流動（図１２Ｈに破線矢印によって示される）はスタック又はコラム９の温度と比較して相対的に冷たいので、コラムのスタックの長さに沿ってより高い温度の均質性を達成するため、空気の吸気流動はスタック又はコラムの端部と比較してスタック又はコラムの中央の部分により強い冷却をもたらしても良い。例えば、出口２１０は、スタック又はコラムの中央８０％、例として中央５０％、更に例として中央３３％の、１つ又はそれ以上の任意の箇所に隣接して位置しても良い。換言すれば、出口２１０は、スタック又はコラムの上端又は下端の部分のそれぞれ１０％、例として２５％、更に例として１６．５＆に隣接して位置しない。
【００５９】
ユニ−シェルカソード復熱器２００の実施形態は、１つ又はそれより多くの以下の利点を有し得る。即ち、分離された流動流路間の最小限の物質伝導損に起因する良好な熱交換、超小型、軽量、縮小された資材要件、縮小された製造コスト、縮小された圧力低下、機械的な圧力破壊に対する保険としての自重の提供、である。これは、燃料電池システムのより簡単な集合体、精度要件の緩和、及び、より簡単な集合体の製造を可能とする。
【００６０】
それ故、上述の通り、アノード冷却器１００及びカソード復熱器２００は、処理ガス（ｐｒｏｃｅｓｓ  ｇａｓ）が概ね円柱形状の波形シートの２つの反対側の表面を流れる、「ユニ−シェル」熱交換器を含む。これは、流動の間の非常に短い伝導性の熱交換路をもたらす。より熱い流れ（例えば、熱交換器１００、２００それぞれにおけるアノード排気及びＡＴＯ排気の流動）は、それぞれ大きな表面積の波形金属分離器シート１０４、３０４に対して、対流的な熱交換をもたらす。対流的な熱交換はその後、分離器の薄さ（例えば、波形シート１０４、３０４の厚さ）のみを通じて継続し、更にその後、対流的な熱交換がシート１０４、３０４から冷却器それぞれの流動（例えば、熱交換器１００、２００両方の空気の吸気流動）に対してもたらされる。
【００６１】
熱交換器１００、２００は、それぞれの処理される流動の分岐に対する手法が異なる。概ね円柱形状のアノード冷却器１００は、処理される流れ（即ち、アノード排気及び空気の吸気の流動）が熱交換器の波形の円柱形状部内に実質的に軸方向に入ることを許容するため、指型形状の隙間及び指型プレート１０２ａ、１０２ｂを使用する。換言すれば、処理される流れは、概ね円柱形状の熱交換器の軸に概ね並行（例えば、２０度以内）に、熱交換器１００に入る。
【００６２】
その一方、カソード復熱器２００は上端及び下端キャップ３０２ａを含み、それは処理される流れ（例えば、空気の吸気流動及びＡＴＯ排気流動）が熱交換器２００の軸方向に概ね垂直（例えば、２０度以内）に熱交換器２００に入ることを要求する。それ故、熱交換器２００は、熱交換器内に実質的に軸方向と異なる方向から入る処理ガスを有する。
【００６３】
必要あれば、これらの分岐の仕組みは切り替えられても良い。それ故、熱交換器１００、２００の両方は、軸方向の処理ガス又は軸方向と異なる方向の処理ガスの入口を備えるように構成されても良い。もう一つの方法として、熱交換器２００は軸方向の処理ガスの入口を備えるように構成され、及び／又は、熱交換器１００は、軸方向と異なる方向の処理ガスの入口を備えるように構成されてもよい。
【００６４】
＜セラミック円柱支持体を備えるカソード復熱器ユニ−シェル及び蛇腹＞
従来の燃料電池システムにおいて、熱的運転条件の全範囲を通じて燃料電池スタック又はスタックのコラムにかかる継続的な機械的負荷を維持することは困難である。機械的負荷を維持するため、先行技術に係るシステムは、外部圧縮システムに依存している。本燃料電池システムの実施形態は、外部圧縮システムを含まない。外部圧縮システムの除去は、しかしながら、燃料電池コラムの機械的整合性を失うことに繋がり得る。発明者は、しかしながら、外部圧縮システムは、スプリング加重若しくは重力加重システム又は両方の組み合わせを含む、内部圧縮システムに置換可能であることに気づいた。バネ加重システムは、あらゆる適切なシステムを含んでも良く、例えば、２０１０年９月２８日に出願された米国特許出願第１２／８９２，５８２号に記載されたシステムであり、これは参照することによって全体が本明細書に組み込まれ、これには内部圧縮セラミックスプリング、及び／又は、コラム及びユニ−シェル材料の適切に適合された熱膨張と連動するユニ−シェル蛇腹等が記載されている。
【００６５】
図１３に示される実施形態において、ユニ−シェルカソード復熱器２００は、スタック又はスタック９のコラムに追加の内部圧縮を提供するため、１つ又はそれより多いコラム４０２の上側に位置する。復熱器２００ユニ−シェル円柱の重さは、燃料電池コラム９に直接影響し得る。円柱による重さの増加に伴い、燃料電池コラムが、ホットボックスベース５００から離れることが防止され、要求されるあらゆる密封力を提供する。適切なあらゆるコラム４０２が利用され得る。例えば、２０１０年９月２８日に出願された米国出願第１２／８９２，５８２号、これは参照することによって全体が本明細書に組み込まれ、に記載されたセラミックコラム４０２が利用され得る。
【００６６】
上記の出願にて議論されたように、セラミックコラム４０２は、結合されたセラミック側面バッフルプレート４０２Ａ、４０２Ｂ、４０２Ｃを含む。バッフルプレートは、例えばアルミナのような高温材料、その他適切なセラミック、又はセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）でできていても良い。ＣＭＣは、例えば、アルミニウム酸化物（例えば、アルミナ）のマトリックス、ジルコニウム酸化物、又は、炭化ケイ素を含んでも良い。他のマトリックス材が、同様に、選択されても良い。ファイバーは、アルミナ、炭素、炭化ケイ素、又は、他の適切なあらゆる材料でできていても良い。マトリックス及びファイバーのあらゆる組み合わせが使用されても良い。セラミックプレートの形状をしたバッフルプレートは、出願第１２／８９２，５８２号に記載されたように、鳩尾又は蝶ネクタイ形状のセラミックの挿入物を使用して互いに固定されても良い。その上、図１３Ａに示されるように、１つ又はそれより多い燃料マニホールド４０４が、出願第１２／８９２，５８２号に記載されたように、燃料電池スタック９のコラム内に提供されても良い。
【００６７】
その上、省略可能なバネ圧縮集合体４０６が、燃料電池スタック９のコラムの反対側に位置する、燃料電池コラム９及びリンク隣接セラミックコラム４０２の上に位置しても良い。集合体４０６は、出願第１２／８９２，５８２号に記載されたように、２つのセラミックプレートと張力調整装置との間に、セラミックのリーフスプリング又は他の種類のスプリングを含んでも良い。ユニ−シェルカソード復熱器２００は、集合体４０６の上側にあるキャップ４０８の上に位置しても良く、それはセラミックコラム４０２及び燃料電池スタック９のコラムに対して内部圧縮を提供する。
【００６８】
上述の通り、従来の燃料電池システムにおいて、熱的運転条件の全範囲を通じて燃料電池コラムにかかる継続的な機械的負荷を維持することは困難である。別の実施形態において、発明者は、しかしながら、垂直円柱に蛇腹２０６を含むことによって円柱の重さが直接コラムにかかることに気づいた。それ故、別の実施形態において、図１２Ａ及び１３Ａに示されるように、ユニ−シェルカソード復熱器２００は、追加の熱膨張係数（ＣＴＥ）をスタックコラムに合わせるため、外側に拡張蛇腹２０６、又は、波形フィンプレート３０４の下に位置する熱遮蔽シェル２０４を含んでも良い。その上、図１６に示されるように、２つの追加的な蛇腹８５０、８５２が、追加のＣＴＥ整合のため、ホットボックスの上側に近い、アノード吸気領域及びアノード排ガス酸化器（ＡＴＯ）排気領域に位置しても良い。
【００６９】
蛇腹２０６は、カソード復熱器２００円柱（例えば、２０４、３０４）が、熱的運転条件の全範囲を通じて、燃料電池スタック９コラムと接触し続けることを可能にする。蛇腹２０６は、温度が上昇する間、主な接触点が燃料電池コラムの上側にあり続け、誘導された力が蛇腹の強さに打ち勝つよう、運転中、変形するように設計されている。
【００７０】
復熱器ユニ−シェルの実施形態は、１つ又はそれより多くの以下の利点を有し得る。即ち、コラムの上側の空気バイパスの密閉の改善、及び、コラムへの継続的な負荷である。コラムへの継続的な負荷はある種の保険であり、内部圧縮機構の障害時であってもなお、コラムへの（垂直方向の）機械的負荷が存在し続け得る。ユニ−シェル集合体内部の拡張蛇腹２０６の使用は、シェル集合体が、システムの主なアノード流構造から独立して、膨張し及び縮小することを許容し、従って、２つの部分集合体の熱機械効果が最小化される。
【００７１】
＜カソード排気蒸気生成構造＞
本発明の１つの実施形態は、同様の物理的外被を有する先行技術に係る蒸気生成器よりも負荷が拡大した蒸気生成器を提供する。その上、蒸気生成器コイルは流れの分配に、後にカソード復熱器内部に伝わり、ホットボックス全体の温度分布に影響する、局所効果を有する。それ故、カソード排気蒸気生成器の実施形態は、カソード排気流動の分配に対する制御を許容するように構成される。
【００７２】
本発明の実施形態において、蒸気発生器コイル３１０は、図１２Ａ、１２Ｆ、１２Ｇ及び１４に示されるように、燃料電池スタックの空気又はカソード排気廃熱の上位により近づくよう、カソード復熱器２００の蓋部（例えば、内側及び外側の蓋３０１Ａ及び３１２）に位置する。或いは、蒸気生成器１０３は替わりに、カソード復熱器２００の出口プレナム（垂直部分）に位置しても良い。
【００７３】
蓋又は出口プレナムの蒸気生成器１０３の位置は、先行技術に対してコイルの長さにおける代表削減（ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ  ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）という効果がある。コイル部を横断する圧力低下を変化させる効果を弱めるため、排気バッフルプレート３０８がコイル３１０をサポートするために加えられても良い（バッフルプレート３０８及びコイル３１０は図１４に、明確にするため、図１２と比較して逆向きに示されている）。サポートリブ３０９は、コイル３１０をバッフルプレート３０８の下の所定の位置に保持する。蒸気コイル３１０は、蒸気出口導管３０Ｂよりも水注入導管３０Ａに近い方が小さい直径を有する、部分的に或いは完全に、波形管又はストレート管であっても良い。蒸気コイル３１０は、あらゆる適切な形状、例えば、らせんコイル又は１つ若しくはそれ以上の、１つ若しくはそれ以上のＵターンを有する、コイル（例えば、少なくとも２つの互いに３２０−３６０度湾曲した部分を有するコイル）、を有しても良い。コイルの連続的な通過のためのＵターンは、互いに整列していたり、或いは、互いに向きが変わっていても良い。
【００７４】
図１２Ｆに示されるように、バッフルプレート３０８は、カソード復熱器２００から導管１１９を通って蒸気発生器１０３まで軸方向を実質的に垂直に移動する空気排気流動１２２７に、出口３５を通ってホットボックスから出る前に、コイル３１０の周囲に実質的に水平で半径方向に内側へ追加の流路を作らせる。カソード排気流動は、コイル３１０がバッフルプレート３０８の下側に取り付けられたときはプレート３０２Ａとバッフルプレート３０８との間の空間の中を、及び／又は、コイル３１０がバッフルプレート３０８の上側に取り付けられたときはバッフルプレート３０８と外側プレート３１２と間の空間の中を、蒸気発生器１０３を通って移動する。追加の流路は、波形蒸気コイル３１０の表面を横切る、及び、カソード復熱器２００の内側の、均一の流れの分配を提供する。
【００７５】
蒸気発生器１０３の実施形態は、１つ又はそれより多くの以下の利点を有し得る。即ち、より高い熱の利用、先行技術と比較してより小型、生産が容易、改良された流れの分配、である。
【００７６】
＜予備改質器の管挿入触媒＞
先行技術に係る燃料電池システムでは、燃料電池に至る前の燃料の予備改質のレベルが燃料源及び個々の構成に応じてより良く調整されている必要があり得る。図１−３に示される先行技術に係る蒸気メタン改質器（ＳＭＲ）は、平板な触媒コーティングされた挿入物を備えた平板な管を含む。先行デザインでは、必要性が生じる相当量の触媒に適合させるため、相当な流れの長さが利用可能であった。本発明の実施形態では、触媒の配置のため、限られた量の流れの長さが利用可能である。限られた量の流れの長さは、燃料の全体の流路長を減少させ、それ故、圧力低下及び機械設計の複雑さの低減が、多数の流路の回転を有するために必要となる。
【００７７】
本発明の１つの実施形態では、改質触媒１３７Ａが、そこで燃料排気流動が燃料吸気流動を熱するために用いられる、アノード復熱器１３７（例えば、燃料熱交換器）の燃料吸気側に供給されている。それ故、アノード復熱器は組み合わされた熱交換器／復熱器である。図１５Ａに示された垂直／軸方向のアノード復熱器１３７のため、ＳＭＲ復熱触媒１３７Ａ（例えば、ニッケル及び／又はロジウム）が、復熱器１３７の燃料吸気側の全体の長さに沿って、或いは、単に復熱器の燃料吸気側の下位部に供給される。それはまた、熱交換器の排気に従う分離したものに含まれ得る。第１の改質はアノード復熱器の燃料吸気側の下部にて発生すると信じられている。それ故、図１５Ａ、１６、１７Ｂ及び１８Ｂに示される断熱材１０Ｂによってアノード復熱器はＡＴＯ１０及びスタック９から熱的に分離されているので、ＳＭＲの反応を促進するためにアノード復熱器１３７の一部を含む触媒１３７Ａにおける燃料吸気流動に供給された熱のみが、燃料排気流動を伴う熱交換からのものである。
【００７８】
追加の触媒活動が必要であるので、触媒コーティングされた挿入物が、燃料電池スタック９の直前で、燃料導入導管２１の中に挿入されても良い。燃料導入導管２１は、アノード復熱器１３７の燃料吸気側の出口を燃料電池スタック又かコラム９の燃料吸気へ接続する、パイプ又は管を含む。導管２１は、図１５Ａに示されるようにホットボックスベース５００上に水平に、及び／又は、図１５Ｂに示されるようにホットボックスベース５００上に垂直に位置しても良い。この触媒は、アノード復熱器１３７の下部にある触媒コーティングされたフィンに対する、追加の又は独立した機構である。必要あれば、触媒は燃料導入導管の１００％よりも少なく位置しても良い（即ち、触媒は、導管２１のある部分しかし全部ではないところに位置しても良く、且つ／或いは、触媒は、個々の又はある部分の導管の長さの一部のみに位置しても良い。）。ホットボックス下部におけるＳＭＲ触媒の配置は、下部構成要素の熱吸収源として機能し得る。
【００７９】
図１５Ｃ及び１５Ｄは、アノード復熱器／予備改質器１３７の管挿入触媒又は導管２１における挿入物として使用される触媒コーティングされた挿入物１３０２ａ、１３０２ｂの実施形態を図示する。触媒コーティングされた挿入物１３０２ａは、略らせん状の構造を有している。触媒コーティングされた挿入物１３０２ｂは、一連の略平行なワイヤーのバラ結び１３０４を含んでいる。
【００８０】
予備改質器の管挿入触媒の実施形態は、１つ又はそれより多くの以下の利点を有し得る。即ち、必要ある場合の追加の改質長、及び、下部構成要素が要求よりも高温となるコラムの下部構成要素を備えた吸熱結合を設置できる能力、である。
【００８１】
＜アノード流構造及び流動ハブ＞
図１６は、本発明の１つの実施形態に係るアノード流構造を図示している。アノード流動構造は、円柱形状アノード復熱器（燃料熱交換器としても参照される）／予備改質器１３７、アノード復熱器上に据えられた上述のアノード冷却器熱交換器１００（空気予熱器としても参照される）、及び、アノード排ガス酸化器（ＡＴＯ）１０を含む。
【００８２】
ＡＴＯ１０は、内側ＡＴＯ断熱材１０Ｂ／アノード復熱器１３７の外側壁の周りに位置する、外側円柱１０Ａを含む。随意的に、断熱材１０Ｂは、図１８Ｂに示すように、内側ＡＴＯ円柱１０Ｄによって囲まれていても良い。それ故、断熱材１０Ｂは、外側アノード復熱器円柱と内側ＡＴＯ円柱１０Ｄとの間に位置する。酸化触媒１０Ｃは、外側円柱１０ＡとＡＴＯ断熱材１０Ｂ（又は、もし存在すれば、内側ＡＴＯ円柱１０Ｄ）との間の空間に位置する。ＡＴＯ熱電対導入通過１６０１は、アノード排気冷却器熱交換器１００及びカソード復熱器２００を通じてＡＴＯ１０の上側まで及ぶ。ＡＴＯの温度は、その結果、この導入通過１６０１から熱電対（不図示）を挿入することによって測定されても良い。
【００８３】
アノードハブ構造６００は、アノード復熱器１３７及びＡＴＯ１０の下に、並びに、ホットボックスベース５００の上に、位置する。アノードハブ構造は、ＡＴＯスカート１６０３によって覆われる。結合ＡＴＯミキサー８０１／燃料排気スプリッター１０７は、アノード復熱器１３７及びＡＴＯ１０の上、並びに、アノード冷却器１００の下に、位置する。ＡＴＯグロープラグ１６０２は、ＡＴＯにおけるスタック燃料排気の酸化を促進し、ＡＴＯの下側の近くに位置しても良い。そのうえ、図１６に図示されているのは、燃料電池ユニットの下に位置するリフトベース１６０４である。実施形態において、リフトベース１６０４は、燃料電池ユニットを持ち上げて移動させるため、例えば、修理又はサービス作業の目的で燃料電池ユニットをキャビネット（不図示）から取り除くため、そこにフォークリフトのフォークが挿入される、２つの中空アームを含む。
【００８４】
図１７Ａは、実施形態に係るアノード流ハブ構造６００を図示する。ハブ構造６００は、中央プレナムから複数の燃料電池スタック又はコラムへ、燃料を均一に分配するために用いられる。アノード流ハブ構造６００は、溝付き鋳物ベース６０２（ｇｒｏｏｖｅｄ  ｃａｓｔ  ｂａｓｅ）並びに燃料吸気パイプ２１及び出口パイプ２３Ａの「クモ型」ハブを含む。個々のパイプのペア２１、２３Ａは、複数のスタック又はコラムの１つと接続している。アノード側円柱（例えば、アノード復熱器１３７の内側及び外側円柱並びにＡＴＯ外側円柱１０Ａ）はそして、図１７Ｂ、１７Ｃ及び１８それぞれに示されるように、流動分配のための均一量の横断面を作り出す、ベース６０２の溝へ、溶接又はろう付けされる。「クモ型」燃料管２１、２３Ａは、アノード流ハブ６００から外の、それらが垂直燃料レール（例えば、図１における要素９４を参照）に溶接されたスタックへ、伸びている。アノード流ハブ６００は、焼き流し鋳造及び機械加工によって作り出されても良く、先行技術に係る大直径プレートのろう付け工程よりも大幅に簡略化されている。
【００８５】
図１７Ｂ及び１７Ｃ（垂直断面図）並びに１７Ｄ（水平断面図）に示すように、アノード復熱器１３７は、内側円柱１３９、波形指型プレート又は円柱１３７Ｂ及びＡＴＯ断熱材１０Ｂでコーティングされた外側円柱１３７Ｃを含む。図１７Ｂは、燃料吸気導管２９から、その中空の中心部を通ってアノード冷却器１００を迂回し、そして、アノード復熱器１３７内の円柱１３９と１３７Ｂとの間、そして、ハブベース６０２及び導管２１を通って、スタック又はコラム９（流動１７２１）（図２０にも示される）へ向かう燃料吸気流１７２９を示している。図１７Ｃは、スタック又はコラム９から導管２３Ａを通ってハブベース６０２に入り、そして、ハブベース６０２から円柱１３７Ｂと１３７Ｃの間にあるアノード復熱器１３７を通ってスプリッター１０７に入る、燃料排気流１７２３Ａを示している。スプリッター１０７からの燃料排気流の流動の一部は、上述したアノード冷却器１００を通って流れる一方、別の部分は、スプリッター１０７からＡＴＯ１０へ流れる。図１６、１７Ｂ、及び１７Ｃに示されるように、アノード冷却器内側コア断熱材１００Ａは、燃料吸気導管２９と蛇腹８５２との間に位置しても良く、支持円柱８５２Ａは、アノード冷却器１００とＡＴＯミキサー８０１との間に位置しても良い。この断熱材は、アノード冷却器１００に向かう導管３１内のアノード排気流動からの、熱伝導及び損失を最小限に抑える。断熱材１００Ａはまた、導管２９内の燃料吸気流動とアノード冷却器１００内の流動と間の熱伝導を避けるため、導管２９とアノード冷却器１００との間に位置しても良い。更に、必要であれば、追加の断熱材が蛇腹８５２／円柱８５２Ａの周囲（即ち、蛇腹／円柱の表面の外側の周囲）に位置しても良い。
【００８６】
図１７Ｃはまた、導管３３からアノード冷却器１００（そこで燃料排気流動と熱を交換する）を通ってカソード復熱器２００に入る空気吸入流を示している。
【００８７】
アノード流ハブ６００の実施形態は、１つ又はそれより多くの以下の利点を有し得る。即ち、より少ないコストの製造方法、必要である場合の改質プロセスにおける燃料管の使用、及び、削減された取り付け具、である。
【００８８】
＜ＡＴＯ空気渦要素＞
本発明の別の実施形態において、本願発明者は、流れの流動がホットボックス１の１面の熱い領域又は冷たい領域に集中することを避けるため、図１−９に示される先行技術に係るシステムにおける、方位角の流れの混合が改善され得ることに気付いた。方位角の流れは、ここで、直線から時計回り又は反時計回り方向に曲がる、円柱の中心からその円柱の外側の壁への半径方向を表す、角度のある方向の流れを含み、しかし、回転、渦又はらせんの流れに限定されない。本発明に係る本実施形態は、更なる均一の運転状態、例えば温度及び流体流の構成、を促進するため、渦をＡＴＯ１０内に供給される空気流動に導入するための渦要素を含むベーンをもたらす。
【００８９】
図１８Ａ、１８Ｂ及び１８Ｃに示されるように、ＡＴＯミキサー８０１の１つの実施形態は、半径方向の温度変化を減少させるため、方位角的に及び／又は半径方向にＡＴＯを横断するスタックの空気排気流動の熱を動かす、回転ベーン集合体を含む。円柱ミキサー８０１は、ＡＴＯ１０の上に位置し、そして、ＡＴＯの外側円柱１０Ａを越えて外側に向かって延伸しても良い。望ましくは、ミキサー８０１は、以下に更に詳述されるように、燃料排気スプリッター１０７と統合される。
【００９０】
図１８Ｂは、図１８Ａに示されたＡＴＯ１０及びミキサー８０１の囲み部分の拡大立体切断断面図である。図１８Ｃは、統合されたＡＴＯミキサー８０１／燃料排気スプリッター１０７の立体切断断面図である。
【００９１】
図１８Ａに示されるように、回転ベーン集合体ＡＴＯミキサー８０１は、エンクロージャー８０５の内部に位置する、２つ又はそれより多いベーン８０３（ディフレクタ又はバッフルとしても言及され得る）を含む。エンクロージャー８０５は、円柱形状であって、（図１８Ｃに示されるように）内側及び外側表面８０５Ａ、８０５Ｂを、それぞれ含み、しかし、一般に、スタック９から排気導管又はマニホールド２４を経由してカソード排気流を受けるため、上面が開いている。ベーン８０３は曲がっていても良く、それらはまっすぐでも良い。回転ベーン８０３の形状は、回転効果に対する圧力低下を最小限に抑えるため、黄金比の弧に或いは懸垂曲線形状に曲がっていても良い。
【００９２】
ベーン８０３は、カソード排気１８２４を方位角方向に向けさせるため、ＡＴＯ円柱１０Ａ、１０Ｄの垂直方向（即ち、軸方向）に対して、１０から８０度、例えば３０から６０度、傾斜している（即ち、対角線上に位置する）。個々のベーン８０３のベースに、ＡＴＯ１０内に（例えば、ＡＴＯ円柱１０Ａ及び１０Ｄの間の空間を含む触媒１０Ｃ内に）入る開口部８０７がある。開口部８０７は、図１８Ｃに示されるように、方位角的に集合体８０１からのカソード排気１８２４をＡＴＯ内に供給する。集合体８０１が回転ベーン集合体として言及される一方、集合体８０１はその軸に関して回転又は旋回しない。「回転（ｔｕｒｎ）」の語は、カソード排気流動１８２４の方位角方向の回転に言及している。
【００９３】
集合体８１０は、鋳物金属集合体を含む。それ故、空気が燃料電池スタックを出るとき、それはＡＴＯミキサー８１０内に下向きに流れるように仕向けられる。ガイドベーン８０３は、渦を空気排気流動１８２４内に誘導し、空気排気流動１８２４を下に向けてＡＴＯ内に入れる。渦は、部分的に熱い及び冷たい場所の均一化を計り、これらの温度の不均等分布の影響を制限する。ＡＴＯ空気渦要素の実施形態は、全てのスタックが近い点で運転することを許容する、温度分配を改良し、熱応力を抑え、構成要素の歪みを抑え、そして、運転寿命を長くする。
【００９４】
＜ＡＴＯ燃料ミキサー／インジェクター＞
先行技術に係るシステムは、ＡＴＯに入る、分離した外部燃料吸気流動を含む。本発明の１つの実施形態は、唯一のＡＴＯ内への燃料流入としての燃料排気流動をもたらす。それ故、分離した外部ＡＴＯ燃料吸気流動は取り除かれる。
【００９５】
以下に詳細に記述されるように、また、図１７Ｃ及び１８Ｃに示されるように、導管２３Ｂを通ってアノード復熱器１３７から抜け出る燃料排気流動１８２３Ｂが、スプリッター１０７内に供給される。スプリッター１０７は、アノード復熱器１３７の燃料排気出口導管２３Ｂとアノード冷却器１００（例えば、空気予熱器熱交換器）の燃料排気入口との間にある。スプリッター１０７は、燃料排気流動を２つの流動に分割する。第１の流動１８１３３は、ＡＴＯ１０に供給される。第２の流動は、導管３１を経由してアノード冷却器１００内に供給される。
【００９６】
スプリッター１０７は、スプリッター１０７がＡＴＯ燃料インジェクターとして機能することを許容するよう、図１８Ｂ及び１８Ｃに示される、１つ又はそれより多いスリット又はスロット１３３を含む。スプリッター１０７は、スリット又はスロット１３３を介して、ＡＴＯ１０内に、第１の燃料排気流動１８１３３を注入する。スリット１３３の下の縁１３３Ａ及び／又はスリットの方向は、燃料排気流動がＡＴＯ壁１０Ａ又は１０Ｄに沿って流れることを許容するよりはむしろ、燃料を空気排気流動１８２４の中央に押し込む。ＡＴＯ壁１０Ａと１０Ｄとの間の流路の中央で、燃料を空気流動と混合することは、最も温度の高い領域が、隣接する壁上よりもむしろ、流動内に位置することを許容する。
スリット１３３を通過しない第２の燃料排気流動は、図１７Ｃに示されるように、導管３１内へ上方移動を続ける。導管３１に入る第２の燃料排気流動として供給されるものに対する、スリット１３３を通ってＡＴＯに入る第１の燃料排気流動として供給される燃料排気の量は、アノード再生送風装置１２３の速度によって制御される（図１７Ｃ及び２０を参照）。送風装置１２３の速度が高くなるほど、燃料排気流動のより多い部分が、導管３１内に供給され、そして、燃料排気流動のより少ない部分が、ＡＴＯ１０内に供給され、逆もまた同様である。
【００９７】
ＡＴＯ燃料インジェクターの代わりの実施形態は、多孔質媒体、シャワーヘッド型の機構、並びに、大きさ及び配置が変動するスリットを含む。
【００９８】
望ましくは、図１８Ｃに示されるように、スプリッター１０７は、ＡＴＯミキサー８０１と共に一体鋳物構造からから成る。ベーンによって方位角的に回転した空気排気流動が下向きにＡＴＯ１０に流れ込む一方で、スリット１３３を通過してＡＴＯ内の空気排気流動に入る類似の回転をもたらすように、スプリッターのスリット１３３は、ベーン８０３の下に位置する。或いは、スプリッター１０７は、それの支持構造から離れていることによって、ＡＴＯインジェクタースリット１３３を形成する、リング上のろう付けされたものを含んでも良い。
【００９９】
＜カソード排気渦要素＞
スタックは、スタックのリングの中央が面するスタックの表面が半径方向に整列しないように、その軸上で僅かに回転し得るが、しかし、お互いに、微小な、０度でない、例えば１−２０度で位置する。これは、スタックを離れてホットボックスの中心軸へ向けて移動する、カソード排気流動（即ち、空気）への、僅かな渦を作り出す。この渦の効果の利点は、コラム間でカソード排気温度が混ぜ合わさることであり、それはより均一な温度配分をもたらす。図１８Ｄは、スタックのリングの中央に面する、スタックの表面１４ａが半径方向に整列しないように、スタック１４が回転している、図３Ａの燃料電池システムの上面図を図示している。換言すれば、破線で示された表面１４ａが、スタック１４のリングの内側を形成する、円に接していなくて、しかし、接線から１−２０度だけそれている。
【０１００】
＜スタック電気端子及び絶縁＞
先行技術に係るシステムは、いくつかの貫通接続を通ってアノードベースプレート及びホットボックスベースプレートを貫通する電流コレクタ棒（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ  ｒｏｄ）を含む。個々の貫通接続は、セラミック及び金属のシール要素の組み合わせを有する。多数のプレートを貫くことは、しかしながら、吸気と排気との空気流動の間の漏れ及び排気流動から外部への空気漏れを防ぐため、個々のプレートの電流コレクタ棒の密封を必要とする。あらゆる漏れは、しかしながら、ホットボックスの全体の効率性を低下させ、局所的な熱の不均衡を引き起こし得る。
【０１０１】
簡略化されたスタック電気端子（例えば、電流コレクタ棒９５０）の実施形態は、図１６及び１９に図示されている。この実施形態において、スタック支持ベース５００は、密封要素の１つの必要性を取り除くブリッジ管９００を含む。ブリッジ管９００は、例えばセラミックのような、電気的に絶縁された材料から作られても良く、或いは、それは、ベースパン５０２の外側のセラミック管に接続される、導電性材料で作られても良い。ブリッジ管９００の使用は、空気の流入及び流出の漏洩路を除外する。電流コレクタ／電気端子９５０は、ブリッジ管９００の中を、鋳物ホットボックスベース５００の上面からベース絶縁体５０１を通り、そして、ベースパン５０２の外へ向けられている。シート状の金属固定具５０３は、管９００をベースパン５０２に固定するために使用されても良い。
【０１０２】
管９００は、ベース内でスーパーウール９０１及び／又は「自由流れ（ｆｒｅｅ  ｆｌｏｗ）」絶縁材料９０２から絶縁される。「自由流れ」絶縁９０２は、ベース５００の管９００の周りの開口部に注ぎ込まれる流体であるが、しかし、処理されたとき、高温耐熱材料の状態に凝固している。
【０１０３】
簡略化されたスタック電気端子の実施形態は、１つ又はそれより多くの以下の利点を有し得る。即ち、クロス‐オーバー（ｃｒｏｓｓ  ｏｖｅｒ）漏れの危険の排除、繰り返し密封要素の排除に伴うコスト削減、及び、空気損失の削減によるシステム効率の改良である。
【０１０４】
代わりの実施形態において、ＡＴＯ絶縁１０Ｂ及びアノード冷却器内側コア絶縁１００Ａ（図１６Ａに示される）は、自由流れ絶縁を含んでも良い。更に、外側円柱３３０は、図１２Ａに示されるように、ホットボックスの外側シェルの周りに構成されても良い。外側円柱３３０とホットボックスの外側シェルとの間の隙間は、そして、自由流れ絶縁で充たされても良い。ホットボックスの外側シェルは、自由流れ絶縁のための内側封じ込め表面を形成する。
【０１０５】
＜プロセスフロー図＞
図２０は、本発明の別の実施形態による構成要素を介して種々のフローを示した、ホットボックス１の構成要素の概略プロセスフロー図である。この実施形態の構成要素は、先行技術に係る実施形態にて記載された構成又は別の適した構成を有している。この実施形態において、ＡＴＯ１０への燃料及び空気の入力は無い。
【０１０６】
それ故、先行技術に係るシステムとは対照的に、外部の天然ガス又は別の外部燃料は、ＡＴＯ１０に入力されない。代わりに、燃料電池スタック９からの高温燃料（アノード）排気流動は、部分的に、ＡＴＯ燃料吸気流動としてＡＴＯに再循環される。同様に、ＡＴＯへの外側空気入力は無い。代わりに、燃料電池スタック９からの高温空気（カソード）排気流動は、ＡＴＯ空気吸気流動としてＡＴＯに供給される。
【０１０７】
更に、燃料排気流動は、ホットボックス１に位置するスプリッター１０７にて分割される。スプリッター１０７は、アノード復熱器１３７（例えば、燃料熱交換器）の燃料排気出口とアノード冷却器１００（例えば、空気予熱交換器）の燃料排気吸気との間に位置する。それ故、燃料排気流動は、ミキサー１０５とアノード冷却器１００に入る前のＡＴＯ１０との間で分割される。燃料排気流動はまだアノード冷却器１００にある空気吸気流動と熱を交換していないので、これは、先行技術よりも、より高温の燃料排気流動がＡＴＯに供給されることを許容する。例えば、スプリッター１０７からＡＴＯ１０内に供給される燃料排気流動は、３００℃を超える、例えば３５０−５００度、例として３７５−４２５℃、更に例として３９０−４１０℃、の温度を有する。更に、より少ない量の燃料排気がアノード冷却器１００内に供給されるので、（例えば、１００％では無いアノード排気が、スプリッター１０７内のアノード排気の分割に伴って、アノード冷却器に供給される）、上述のアノード冷却器１００の熱交換領域は削減されても良い。
【０１０８】
アノード冷却器に先立つホットボックス内のアノード排気の分割は、以下の利益を有する。即ち、アノード冷却器のための小さくなった熱交換領域に伴うコスト削減、アノード再生送風装置１２３のパワーの削減に伴う効率の向上、及び、少なくなった流体通過に伴うホットボックス内の機械的な複雑さの低減、である。
【０１０９】
外部のＡＴＯ空気を取り除くことの利益は、分離したＡＴＯ燃料送風装置が必要無いことによるコスト削減、定常状態又は定常状態に至る途中である期間の追加の燃料消費が無いことによる効率の向上、メタンは相対的にＡＴＯ内の酸化が難しいことによるアノードガス再生構成要素に隣接するホットボックスの上面の簡略化された燃料導入及びシステムからの有害排出物の削減、を含む。外部のメタン／天然ガスがＡＴＯに加えられなければ、それはスリップ（ｓｌｉｐ）しない。
【０１１０】
外部のＡＴＯ燃料を取り除くことの利益は、分離したＡＴＯ空気送風装置が必要無いことによるコスト削減、未使用の外部の燃料及び空気流動と比較して、アノード及びカソード排気流動より高い平均温度に起因するＡＴＯ触媒／触媒支持の必要量の減少、カソード排気流の減少に起因するカソード側圧力低下の低減、ＡＴＯ空気送風装置を駆動するために必要なパワーの排除に起因する効率の向上、カソード側圧力低下の減少に起因する主空気送風装置１２５のパワーの減少、ＡＴＯがより大量の余剰空気と共に稼働することによる有害排出物の削減、ＡＴＯが起動後常に燃料を酸化するのに充分熱いことによるＡＴＯのより安定した稼働の可能性、を含む。
【０１１１】
ホットボックス１は、複数の、例えば固体酸化物型燃料電池スタック（スタックの１つの固体酸化物燃料電池は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）又はスカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）のようなセラミック電解質、例えばニッケル−ＹＳＺ又はＮｉ−ＳＳＺ陶性合金のようなアノード電極、及び、例えばランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）のような及びカソード電極、を含む）のような、燃料電池スタック９を含む。スタック９は、図１３Ａに示されるように、複数のコラムにおいて互いに重なって配置されている。
【０１１２】
ホットボックス１はまた、蒸気生成器１０３を含む。蒸気生成器１０３は、例えば水タンク又は水管（即ち、継続的な水の供給）のような水源１０４から導管３０Ａを通って水が供給され、そして、水を蒸気に変換する。蒸気は、生成器１０３からミキサー１０５へ導管３０Ｂを通って供給され、そして、ミキサー１０５内でスタックアノード（燃料）再生流動と混合される。ミキサー１０５は、ホットボックス１のホットボックスの内側又は外側に位置しても良い。望ましくは、加湿されたアノード排気流動が、図２０に概略が示されているように、ミキサー１０５の下り方向の燃料吸気流動線又は導管２９内の燃料吸気流動と結合される。或いは、必要であれば、燃料吸気流動は、ミキサー１０５内に直接供給されても良く、或いは、その流動は、燃料吸気流動に直接供給されても良く、且つ／或いは、アノード排気流動は、結合された燃料流動の加湿が後に続く、燃料吸気流動に直接供給されても良い。
【０１１３】
蒸気生成器１０３は、図１２Ｆに示されるように、蒸気生成器１０３と熱交換器関係にあり、導管１１９内を通過する、高温ＡＴＯ１０排気流動によって加熱される。
【０１１４】
本システムは以下のように稼働する。例えば炭化水素流動、例として天然ガスのような、燃料吸気流動、は、燃料吸気導管２９内に、且つ、ホットボックス外に位置する触媒部分圧力酸化（ＣＰＯｘ）リアクター１１１を通って、供給される。システムが起動する間、空気もまた、ＣＰＯｘリアクター１１１内に、ＣＰＯｘ空気吸気導管１１３を通って、燃料吸気流動を触媒部分酸化するため、供給される。定常状態のシステム稼働の間、空気流は止められ、ＣＰＯｘリアクターは、燃料が部分的に部分的酸化されない、燃料流路として機能する。それ故、ホットボックス１は、起動時及び安定稼働時の両方のモードにおいて、ＣＰＯｘリアクター１１１を介して燃料を供給する、唯一の燃料吸気導管を備える。従って、安定稼働の間、ＣＰＯｘリアクターを迂回する、分離した燃料吸気導管は、必要ない。
【０１１５】
燃料吸気流動が、その温度がスタック９アノード（燃料）排気流動との熱交換によって上昇させられる燃料熱交換器（アノード復熱器）／予備改質器１３７内に供給される。燃料吸気流動は、熱交換器１３７（例えば、図１５Ａに示されるように）の予備改質器セクションにて、ＳＭＲリアクションを介して、予備改質され、そして、改質された燃料吸気流動（水素、一酸化炭素、水蒸気及び未改質メタン）がスタック９内に燃料導入導管２１を通って供給される。図１５Ａ及び１５Ｂと共に上述した通り、追加の改質触媒が、導管２１内に置かれている。燃料吸気流動は、スタック９内の燃料導入ライザーを介して、スタックを通って上方へ移動し、そして、電気発生の間、スタック９内にて酸化される。酸化された燃料（即ち、アノード又は燃料排気流動）は、燃料排気ライザーを介して、スタック９を下方へ移動し、そして、燃料排気導管２３Ａを介して燃料熱交換器１３７内へ入り、スタックから排出される。
【０１１６】
燃料熱交換器１３７内で、アノード排気流動は、燃料吸気流動を、熱交換を介して過熱する。アノード排気流動は、そして、燃料排気導管２３Ｂを介してスプリッター１０７内へ供給される。アノード排気流動の第１の部分は、スプリッター１０７からＡＴＯ１０へ導管１３３（例えば、スリット）を介して供給される。
【０１１７】
アノード排気流動の第２の部分は、スプリッター１０７からアノード冷却器１００内へ、そして、燃料吸気流動内へ、再利用される。例えば、アノード排気流動の第２の部分は、導管３１を通って、アノード排気流動が導管３３からの空気導入流動を予熱する、アノード冷却器（即ち、空気予熱器熱交換器）内に再利用される。アノード排気流動は、そして、アノード再生送風装置１２３によってミキサー１０５内に供給される。アノード排気流動は、蒸気生成器１０３から供給される蒸気と混ぜることによって、ミキサー１０５にて加湿される。加湿されたアノード排気流動は、そして、ミキサー１０５から、加湿されたアノード排気流動導管１２１を介して、それが燃料吸気流動と混合される、燃料導入導管２９へ供給される。
【０１１８】
空気吸気流動は、主空気送風装置１２５によって、空気吸気導管３３からアノード冷却器熱交換器１００内へ供給される。送風装置１２５は、上述したように、システム全体に対する単一の空気流制御装置を含んでも良い。アノード冷却器熱交換器１００内で、空気吸気流動は、アノード排気流動によって、熱交換を介して、加熱される。加熱された空気吸気流動は、そして、図１２Ｆ及び２０に示されるように、導管３１４を介して空気熱交換器内（カソード復熱器２００）へ供給される。加熱された空気吸気流動は、熱交換器２００から、空気吸気導管及び／又はマニホールド２５を介して、スタック９内へ供給される。
【０１１９】
空気は、スタック９を通過してカソード排気導管２４内に入り、且つ、導管２４及びミキサー８０１を通過してＡＴＯ１０内に入る。ＡＴＯ１０内で、空気排気流動は、ＡＴＯ排気流動を生成するため、導管１３３からのアノード排気流動の分割された第１の部分を酸化する。ＡＴＯ排気流動は、ＡＴＯ排気導管２７を通って空気熱交換器２００内へ排出される。ＡＴＯ排気流動は、空気熱交換器２００内の空気吸気流動を、熱交換を介して加熱する。ＡＴＯ排気流動（まだ室温よりも高い）は、そして、空気熱交換器２００から蒸気発生器１０３へ導管１１９を経由して供給される。ＡＴＯ排気流動からの熱は、図１２Ｆに示されるように、蒸気発生器１０３内の熱交換を介して、水を蒸気に変えるために用いられる。ＡＴＯ排気流動は、そして、システムから排気導管３５を介して取り除かれる。それ故、空気吸気送風装置の出力（即ち、強さ或いは速度）を制御することによって、システム内に導入される空気の規模（即ち、量、圧力、速度等）が制御され得る。カソード（空気）及びアノード（燃料）排気流動は、それぞれのＡＴＯ空気及び燃料吸気流動として用いられ、それ故、別々のＡＴＯ空気及び燃料吸気の制御装置／送風装置の必要が無い。更に、ＡＴＯ排気流動が空気吸気流動を加熱するために用いられるので、送風装置１２５による導管３３内の単一空気吸気流動の速度の制御は、スタック９及びＡＴＯ１０の温度を制御するために用いられ得る。
【０１２０】
それ故、上述した通り、可変速度送風装置１２５及び／又は制御弁を用いて、導管３３内の空気流を変化させることによって、スタック９の温度及び／又はＡＴＯ１０の温度を維持する。この場合、送風装置１２５又は弁を介した主空気流速度制御は、主システム温度制御装置として機能する。更に、ＡＴＯ１０温度は、燃料消費（例えば、スタック９によって生成される、スタック９へ供給される燃料吸気流への、流動率）を変化させることによって制御され得る。最後に、導管３１及び１１７内のアノード再生流は、ＡＴＯ１０へのアノード排気とミキサー１０５及び燃料吸気導管２９内へのアノード再生のためのアノード排気との間の分割を制御するため、可変速度アノード再生送風装置１２３及び／又は制御弁によって制御され得る。
【０１２１】
あらゆる実施形態の１つ又はそれより多いあらゆる機構は、１つ又はそれより多い他の実施形態の１つ又はそれより多い他の機構とのあらゆる組み合わせによって利用されても良い。種々の典型的な実施形態に示された燃料電池システムの構造及び配置は実例でしかない。２、３の実施形態だけは本開示において詳細に記述されているが、ここに記載された対象の新規の教示及び利点から実質的に逸脱しない範囲で、多くの修正が可能である（例えば、種々の構成要素の大きさ、規模、構造、形態及び比率、パラメータ値、組み込みの配置、材料の使用、色、方向等）。一体的な構成として示されたいくつかの構成要素は、複数の部品又は構成要素から構成されても良く、構成要素の位置は、反対にされても、或いは、さもなければ変更されても良く、別々の構成要素又は位置の種類又は数は、交換され或いは変更されても良い。いかなる処理、論理的アルゴリズム又は方法のステップの順番又は並びは、変更され、或いは、別の実施形態に沿って改変されても良い。他の置換、修正、変更及び省略は、種々の典型的な実施形態の設計、運転状態、及び配置において、本発明の開示から逸脱しない範囲で、なされても良い。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１１Ｆ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１２Ｆ】
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【図１２Ｇ】
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【図１２Ｈ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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