(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トッピングカソード部分及びトッピングアノード部分を備えるトッピング燃料電池組立体と、
ボトミングカソード部分及びボトミングアノード部分を備えるボトミング燃料電池組立体と、
前記ボトミングアノード部分から出力されるアノード排気を酸化するためのアノード排気酸化器組立体と、
を備える高効率燃料電池システムであって、
前記ボトミングアノード部分が前記トッピングアノード部分から出力されるアノード排気を受け入れ、前記トッピングカソード部分が前記ボトミングカソード部分からのカソード排気を受け入れ、
前記トッピング燃料電池組立体が前記ボトミング燃料電池組立体よりも多くの燃料を使用するように前記トッピング燃料電池組立体が前記ボトミング燃料電池組立体よりも多くの数の燃料電池を有し、
前記ボトミング燃料電池組立体が、加熱された空気が前記アノード排気酸化器組立体からの酸化されたアノード排気ガス出力と組み合わされ、前記組み合わされたガスがボトミングカソード部分に運ばれる前に、前記ボトミングカソード部分から出力される前記カソード排気からの熱を用いて空気を加熱するための熱交換器を備え、
前記高効率燃料電池システムが、前記トッピングカソード部分に運ばれる、前記ボトミングカソード部分から出力される前記カソード排気の温度を制御するべく、前記熱交換器に供給される空気の量を調整するためのコントローラをさらに備える、高効率燃料電池システム。
【請求項２】
前記トッピング燃料電池組立体が複数のトッピング燃料電池モジュールを備え、前記トッピング燃料電池モジュールのそれぞれが少なくとも１つの燃料電池スタックを含み、前記ボトミング燃料電池組立体が１つ又は複数のボトミング燃料電池モジュールを備え、前記１つ又は複数のボトミング燃料電池モジュールのそれぞれが少なくとも１つの燃料電池スタックを含み、前記トッピング燃料電池モジュールの数が前記１つ又は複数のボトミング燃料電池モジュールの数よりも多い、請求項１に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項３】
動作中に、前記トッピング燃料電池モジュールが、前記高効率燃料電池システムに供給される燃料容量の約２／３を使用し、前記１つ又は複数のボトミング燃料電池モジュールが、前記高効率燃料電池システムに供給される燃料容量の約１／３を含む前記トッピング燃料電池モジュールから出力されるアノード排気を受け入れる、請求項２に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項４】
前記１つ又は複数のボトミング燃料電池モジュールが、前記トッピング燃料電池モジュールよりも低い電流密度で動作する、請求項２又は請求項３に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項５】
前記ボトミングアノード部分が補充燃料をさらに受け入れ、
前記高効率燃料電池システムが、前記ボトミングアノード部分に運ばれる補充燃料の量を制御するためのコントローラをさらに備え、
前記コントローラが、前記ボトミングアノード部分に運ばれる補充燃料の量を制御することによって前記ボトミング燃料電池組立体で発生する電流の量を制御する、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項６】
（ａ）前記コントローラが、前記高効率燃料電池システムの動作時間の増加に伴い前記トッピング燃料電池組立体によって発生する電流の量が減少し且つ前記ボトミング燃料電池組立体によって発生する電流の量が増加するように前記トッピング燃料電池組立体及び前記ボトミング燃料電池組立体で発生する電流の量を制御する、
（ｂ）前記コントローラが、電気需要が増加するときに前記ボトミング燃料電池組立体で発生する電流の量が増加するように前記電気需要に基づいて前記ボトミング燃料電池組立体で発生する電流の量を制御する、
のうちの１つ以上を行う、請求項５に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項７】
前記ボトミング燃料電池組立体が１つ又は複数の間接内部改質器を備え、
前記補充燃料が最初に前記１つ又は複数の間接内部改質器に運ばれ、その後、前記ボトミングアノード部分に運ばれ、
前記トッピングアノード部分から出力されるアノード排気が、前記１つ又は複数の間接内部改質器を通じて運ばれるのではなく、前記ボトミングアノード部分に直接運ばれる、
請求項５又は請求項６に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項８】
前記高効率燃料電池システムが排気を出力するように適合され、前記高効率燃料電池システムから出力される排気の少なくとも一部が、タービンを用いて高圧ガスの圧力が下がる前にガス分配システムからの前記高圧ガスを加熱するためにエネルギー回収発電システムに提供される、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項９】
前記トッピングアノード部分から出力されるアノード排気、前記ボトミングアノード部分から出力されるアノード排気、及び前記トッピングカソード部分から出力されるカソード排気のうちの１つ以上から水を回収するための水回収組立体をさらに備える、請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項１０】
前記トッピングアノード部分から出力されるアノード排気の圧力を前記アノード排気が前記ボトミングアノード部分に運ばれる前に増加させるためのアノード圧力ブースタ、及び
前記ボトミングカソード部分から出力されるカソード排気の圧力を前記カソード排気が前記トッピングカソード部分に運ばれる前に増加させるためのカソード圧力ブースタ、
のうちの１つ以上をさらに備える、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項１１】
アノードガスの流れとカソードガスの流れとの間の圧力差を制御するべく前記アノード圧力ブースタ及び前記カソード圧力ブースタのうちの１つ以上の動作を制御するためのコントローラをさらに備える、請求項１０に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項１２】
前記トッピング燃料電池組立体が直接内部改質するように構成され、前記ボトミング燃料電池組立体が直接内部改質するように構成され、前記ボトミング燃料電池組立体の燃料電池における直接内部改質触媒の量及び空間的分布が、前記トッピング燃料電池組立体の燃料電池における直接内部改質触媒の量及び空間的分布とは異なり、
前記ボトミング燃料電池組立体の燃料電池における直接内部改質触媒の装填密度が、前記燃料電池のアノード入口領域からアノード出口領域へ向かって徐々に増加する、請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項１３】
前記トッピング燃料電池モジュール及びボトミング燃料電池モジュールの各燃料電池スタックが、相対するアノード入口面及びアノード出口面と、相対するカソード入口面及び出口面を含み、
（ａ）前記ボトミング燃料電池モジュールの各燃料電池スタックが、カソード吸気ガスの温度は前記燃料電池スタックの前記アノード入口面付近の方が前記燃料電池スタックの前記アノード出口面付近よりも高いように、前記燃料電池スタックの前記カソード入口面に隣接する領域に温度勾配を生じるように構成される、
（ｂ）前記ボトミング燃料電池モジュールの各燃料電池スタックが、アノード吸気ガスの温度は前記燃料電池スタックの前記カソード入口面付近の方が前記燃料電池スタックの前記カソード出口面付近よりも高いように、前記燃料電池スタックの前記アノード入口面に隣接する領域に温度勾配を生じるように構成される、及び
（ｃ）前記トッピング燃料電池モジュールの各燃料電池スタックが、前記カソード吸気ガスの温度は前記燃料電池スタックの前記アノード出口面付近の方が前記燃料電池スタックの前記アノード入口面付近よりも高いように、前記燃料電池スタックの前記カソード入口面に隣接する領域に温度勾配を生じるように構成される、
のうちの１つ以上である、請求項２〜請求項４のいずれか一項に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項１４】
前記各燃料電池スタックが、前記温度勾配を生じるべくガスの流れを制御するための１つ以上のバッフルを含む、請求項１３に記載の高効率燃料電池システム。
【請求項１５】
前記温度勾配が華氏１０度から２０度までの間である、請求項１３又は請求項１４に記載の高効率燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連特許出願への相互参照
本願は、その開示全体（明細書、図面、特許請求の範囲、及び要約書を含む）が参照により本明細書に組み込まれる、２０１４年１２月１９日に出願された米国特許出願第１４／５７８，０７７号への利益及び優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、特に、マルチスタック形高効率燃料電池システム及びその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池は、炭化水素燃料に蓄えられた化学エネルギーを電気反応によって電気エネルギーへ直接変換する装置である。一般に、燃料電池は、電荷を帯びたイオンを伝導する電解質マトリックスによって分離されるアノード及びカソードを備える。有用な電力レベルを生じるために、いくつかの個々の燃料電池が各セル間に導電性セパレータプレートを有する状態で直列にスタックされる。
【０００４】
燃料電池システムの構築の際に、燃料電池スタックを形成するべく個々の燃料電池が一緒にスタックされる。燃料電池の数が燃料電池スタックの電力定格を決める。より高い電力定格を有するシステムを提供するために、所望の電力出力をもたらすべくいくつかの燃料電池スタックが使用され、該燃料電池スタックの出力が組み合わされる。或る燃料電池システムでは、燃料電池スタック（単数又は複数）は、そのそれぞれがエンクロージャ又は格納構造体に格納された１つ又は複数の燃料電池スタックを含む、１つ又は複数の燃料電池スタックモジュールに編成される場合がある。
【０００５】
マルチスタック形燃料電池システムは、共通のエンクロージャ内に格納された複数の燃料電池スタックを有する、燃料電池スタックモジュールを含む場合がある。高温燃料電池スタックのために、特に、溶融炭酸塩形燃料電池スタックのために開発されたこの設計のシステムでは、エンクロージャとしてボックス状の格納構造体が採用され、燃料電池スタックが格納構造体の長さに沿って配列される場合がある。燃料電池モジュール内の各燃料電池スタックは、燃料電池スタックを動作させるのに必要な燃料ガス及び酸化剤ガスを受け入れるための入口マニホルドと、消費された燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池スタックからアノード排気及びカソード排気として出力するための出口マニホルドを有する。燃料電池モジュールの格納構造体は、ダクトを通じて燃料電池スタックのそれぞれの燃料ガス及び酸化剤ガスの入口マニホルドと連通する燃料ガス及び酸化剤ガスの入口ポートと、ダクトを通じて酸化剤ガス及び燃料ガスの出口マニホルドと連通する燃料ガス及び酸化剤ガスの排気ポートを含む。
【０００６】
内部改質形燃料電池では、高価な複雑な外部改質器の必要なしにパイプライン天然ガス、液化天然ガス（ＬＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）、バイオガス、メタンを含有する石炭ガスなどの炭化水素燃料の直接使用を可能にするために、燃料電池スタック内に改質触媒が配置される。内部改質器において、燃料電池によって生成された水及び熱が改質反応に用いられ、改質反応によって生成された水素が燃料電池で用いられる。燃料電池反応によって生成された熱が、吸熱の改質反応のための熱を供給する。したがって、内部改質は、燃料電池スタックを冷却するのに用いられる。
【０００７】
２つの異なるタイプの内部改質形燃料電池設計が開発され使用されている。第１のタイプの内部改質形燃料電池は、改質触媒を燃料電池の活性アノード区画内に配置することによって直接内部改質が達成される、直接内部改質形（ＤＩＲ）燃料電池モジュールである。直接内部改質の利点は、このような改質を通じて生成された水素がアノードに直接提供されることである。第２のタイプの内部改質形燃料電池は、改質触媒を燃料電池スタック内の分離されたチャンバに配置し、このチャンバからの改質されたガスを燃料電池のアノード区画へ経路設定することによって達成される、間接内部改質（ＩＩＲ）を使用する。間接内部改質の利点は、改質触媒が燃料電池の電解質による被毒から保護されることである。３つのタイプの内部改質スタック設計、すなわち、（１）ＤＩＲのみを組み込む設計、（２）ＩＩＲのみを組み込む設計、及び（３）ＤＩＲとＩＩＲとの両方を組み込む設計が可能である。
【０００８】
ＤＩＲとＩＩＲとの両方を組み込んでいる、直接形燃料電池（ＤＦＣ）とも呼ばれる内部改質形の溶融炭酸塩形燃料電池システムは、環境に優しい発電の選択肢として発展し、グリーンパワーの主要な商業的選択肢である。炭酸塩形発電プラントは、従来の燃焼に基づく発電プラントよりも低い温室効果ガス及び粒子状物質のエミッションを有する。炭酸塩形発電プラントは、僅かなＮＯｘガス、ＳＯｘガス、又は粒子状物質を排出する。炭酸塩形発電プラントは、カリフォルニア大気資源委員会（Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ  Ａｉｒ  Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ  Ｂｏａｒｄ：ＣＡＲＢ）によって「ウルトラクリーン」と示されている。
【０００９】
現在の炭酸塩形燃料電池発電プラントは、３００ｋＷ、１．４ＭＷ、及び２．８ＭＷの規模で利用可能である。これらのプラントは、世界中で設置され、２０１４年８月の時点でおよそ２．８ギガワット時のクリーン電気を送り出した。現在の炭酸塩形燃料電池発電プラントは、単純サイクル構成で４５％〜５０％の電気変換効率を実証する。炭酸塩形燃料電池発電プラントは、およそ６００℃の高温で動作し、結果的に、発電などの廃熱再生用途に用いられるのに十分なだけ高温の副産物熱を生じる。
【００１０】
現在の炭酸塩形燃料電池発電プラントは、高品位熱と低品位熱との両方が利用されるときに９０％の総熱変換効率（低位発熱量又はＬＨＶ）を達成する。このような熱の利用は、例えば、温水暖房負荷が高い、病院及び大学の寮で行われる。しかしながら、ほとんどの用途に関して、特に、より大きい設備に関して、熱負荷はより低い。低熱負荷用途に関して、ベースライン発電プラントと蒸気機関発電機システムでの廃熱利用からなる複合サイクル構成は、ほんの数パーセントポイントだけ効率を高める。
【００１１】
米国特許第６，３６５，２９０号は、炭酸塩形燃料電池からの熱がガスタービンで用いられる代替サイクルを有するＤＦＣタービン（ＤＦＣ−Ｔ）システムとして知られている燃料電池システムを開示する。米国特許第６，３６５，２９０号のシステムは、６０％に近い電気変換効率を達成する。この効率を達成するために、システムは、タービンのサイズが利用可能な燃料電池の熱に合わされることを必要とする。したがって、各サイズのプラントは、独自のサイズのタービンを必要とする。加えて、このシステムは、高温空気対空気型熱交換器を必要とし、結果的に材料及びコストの欠点を生じる。
【００１２】
代替的なシステムは、燃料の流れに関して直列に接続された２つの燃料電池スタックを使用し、これは電気効率を高めることができる。燃料は、最初に第１の（トッピング）スタックに流れ、第１のスタックからのアノード排気が、次いで、第１のスタックと同様の構成を有する第２の（ボトミング）スタックを通って流れる。この２スタックシステムは、およそ８０％の改善された燃料利用率を可能にし、ベースライン単純サイクル燃料電池システムよりもおよそ７％高いシステム全体のエネルギー変換効率を与える。２スタックシステムは、米国特許第８，０６２，７９９号及び第８，２３６，４５８号で説明される。米国特許第８，０６２，７９９号及び第８，２３６，４５８号の種々の特徴のまとめに関する以下の表１を参照されたい。
【００１３】
【表１】
0006513810.tif 000002
【００１４】
図１は、トッピング燃料電池スタックＡからの一部消費された燃料排気をボトミング燃料電池スタックＢに出力する、‘４５８特許で説明される従来の燃料電池システムを示す。スタックＡは、第１のカソード側１００及び第１のアノード側１０５を含む。スタックＢは、第２のカソード側１１０及び第２のアノード側１１５を含む。第１のアノード側１０５はアノードブースタブロワ１２０に結合され、アノードブースタブロワ１２０は、トッピングスタックＡの第１のアノード側１０５からの水素リッチ排気の圧力を増加させ、これをボトミングスタックＢの第２のアノード側１１５に運ぶ。スタックＢは、スタックＢによる発電を増加させるために燃料源から新しい燃料を補充されてよい。スタックＡは、６５％〜７５％の燃料利用率で最も効率よく動作するので、スタックＢは、元の燃料の２５％〜３５％を供給され、したがって、燃料源からスタックＢへの追加の新しい燃料の投入を必要とする。
【００１５】
前述の燃料電池システムを使用すると、熱及び質量の研究は、スタックＢでの燃料利用率が、熱平衡の考慮事項に起因して約６０％〜７０％に制限される必要があることを示す。これらの研究はまた、総燃料利用率が、熱管理の考慮事項のためにおよそ８０％に制限される必要があることも示す。したがって、このようなシステムは、パイプライン天然ガスと現在の燃料電池スタックでおよそ５５％（ＬＨＶ）のシステム全体効率を達成する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、燃料電池内の熱平衡を維持しながら８０％を超えるより高い総燃料利用率と５５％を超えるより高い電気及び変換システム効率が達成される、費用効果のあるモジュラ燃料電池システムを提供することである。
【００１７】
本発明の目的はまた、トッピング燃料電池モジュール（単数又は複数）の排気からの一部消費された燃料がボトミング燃料電池モジュール（単数又は複数）に供給される、燃料電池システムを提供することである。
【００１８】
本発明の目的はさらに、トッピング燃料電池モジュール及びボトミング燃料電池モジュールにおける燃料利用率がシステムの総燃料利用率及び電気効率を増加させるべく制御される、燃料電池システムを提供することである。
【００１９】
本発明の目的はさらに、トッピング燃料電池モジュール（単数又は複数）に供給されるボトミング燃料電池モジュール（単数又は複数）からのカソード排気の圧力を増加させるためのカソード圧力ブースタを提供することと、アノードの流れとカソードの流れとの間の圧力差を制御することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記の及び他の目的は、トッピングカソード部分及びトッピングアノード部分を備えるトッピング燃料電池組立体と、ボトミングカソード部分及びボトミングアノード部分を備えるボトミング燃料電池組立体と、を備える高効率燃料電池システムであって、ボトミングアノード部分がトッピングアノード部分から出力されるアノード排気を受け入れ、トッピングカソード部分がボトミングカソード部分からのカソード排気を受け入れ、トッピング燃料電池組立体がボトミング燃料電池組立体よりも多くの燃料を使用するようにトッピング燃料電池組立体がボトミング燃料電池組立体よりも多くの数の燃料電池を有する、高効率燃料電池システムによって達成される。或る実施形態では、トッピング燃料電池組立体は複数のトッピング燃料電池モジュールを備え、前記トッピング燃料電池モジュールのそれぞれは少なくとも１つの燃料電池スタックを含み、ボトミング燃料電池組立体は１つ又は複数のボトミング燃料電池モジュールを備え、１つ又は複数のボトミング燃料電池モジュールのそれぞれは少なくとも１つの燃料電池スタックを含み、トッピング燃料電池モジュールの数は１つ又は複数のボトミング燃料電池モジュールの数よりも多い。一部の実施形態では、前記トッピング燃料電池モジュール及びボトミング燃料電池モジュールのそれぞれは、共通の格納構造体内に格納された複数の燃料電池スタックを含む。動作中に、トッピング燃料電池モジュールは、高効率燃料電池システムに供給される燃料容量の約２／３を使用してよく、１つ又は複数のボトミング燃料電池モジュールは、高効率燃料電池システムに供給される燃料容量の約１／３を含むトッピング燃料電池モジュールから出力されるアノード排気を受け入れる。さらに、１つ又は複数のボトミング燃料電池モジュールは、トッピング燃料電池モジュールよりも低い電流密度で動作する。
【００２１】
本発明の一部の実施形態において、ボトミングアノード部分は補充燃料をさらに受け入れ、高効率燃料電池システムは、ボトミングアノード部分に運ばれる補充燃料の量を制御するためのコントローラをさらに備える。コントローラは、ボトミングアノード部分に運ばれる補充燃料の量に基づいてボトミング燃料電池組立体で発生する電流の量を制御する。コントローラはまた、高効率燃料電池システムの動作時間の増加に伴いトッピング燃料電池組立体によって発生する電流の量が減少し且つボトミング燃料電池組立体によって発生する電流の量が増加するようにトッピング燃料電池組立体及びボトミング燃料電池組立体で発生する電流の量を制御する。さらに、コントローラは、電気需要が増加するときにボトミング燃料電池組立体で発生する電流の量が増加するように電気需要に基づいてボトミング燃料電池組立体で発生する電流の量を制御する。
【００２２】
一部の実施形態では、高効率燃料電池システムはまた、トッピングアノード部分から出力されるアノード排気、ボトミングアノード部分から出力されるアノード排気、及びトッピングカソード部分から出力されるカソード排気のうちの１つ以上から水を回収するための水回収組立体を含む。
【００２３】
或る実施形態では、高効率燃料電池システムは、トッピングアノード部分から出力されるアノード排気の圧力を該アノード排気がボトミングアノード部分に運ばれる前に増加させるためのアノード圧力ブースタ、及びボトミングカソード部分から出力されるカソード排気の圧力を該カソード排気がトッピングカソード部分に運ばれる前に増加させるためのカソード圧力ブースタ、のうちの１つ以上をさらに含む。高効率燃料電池システムはまた、トッピングモジュール又は燃料電池組立体におけるアノードガスの流れとカソードガスの流れとの間の圧力差を制御するべくアノード圧力ブースタ及びカソード圧力ブースタのうちの１つ以上の動作を制御するためのコントローラを備える。
【００２４】
一部の実施形態では、トッピング燃料電池組立体は直接内部改質を含み、ボトミング燃料電池組立体は直接内部改質を含む。ボトミング燃料電池組立体の燃料電池における直接内部改質触媒の量及び空間的分布は、トッピング燃料電池組立体の燃料電池における直接内部改質触媒の量及び空間的分布とは異なる。さらに、ボトミング燃料電池組立体の燃料電池における直接内部改質触媒の装填密度は、燃料電池のアノード入口領域からアノード出口領域へ向かって徐々に増加する。一部の実施形態では、トッピング燃料電池組立体及びボトミング燃料電池組立体は、各燃料電池スタックにおけるセル間に配置された間接内部改質（ＩＩＲ）を備える。ボトミング燃料電池組立体の間接内部改質器における間接内部改質触媒の量及び空間的分布は、トッピング燃料電池組立体の間接内部改質器における間接内部改質触媒の量及び空間的分布とは異なる。ボトミング燃料電池組立体の燃料電池における間接内部改質器の数は、トッピング燃料電池組立体の燃料電池における間接内部改質器の数とは異なる。
【００２５】
トッピング燃料電池モジュール及びボトミング燃料電池モジュールの燃料電池スタックのそれぞれは、相対するアノード入口面及び出口面と、相対するカソード入口面及び出口面を含み、燃料電池内の熱均一性を改善するための設計特徴を有する。これらの設計特徴は、（ａ）ボトミング燃料電池モジュールの各燃料電池スタックが、カソード吸気ガスの温度は燃料電池スタックのアノード入口面付近の方が燃料電池スタックのアノード出口面付近よりも高いように、燃料電池スタックのカソード入口面に隣接する領域に温度勾配を生じるように構成される、（ｂ）ボトミング燃料電池モジュールの各燃料電池スタックが、アノード吸気ガスの温度は燃料電池スタックのカソード入口面付近の方がスタックのカソード出口面付近よりも高いように、燃料電池スタックのアノード入口面に隣接する領域に温度勾配を生じるように構成される、及び（ｃ）トッピング燃料電池モジュールの各燃料電池スタックが、カソード吸気ガスの温度は燃料電池スタックのアノード出口面付近の方が燃料電池スタックのアノード入口面付近よりも高いように、燃料電池スタックのカソード入口面に隣接する領域に温度勾配を生じるように構成される、のうちの１つ以上を含む。このような場合、温度勾配は華氏１０度から２０度までの間であり、及び／又は、各燃料電池スタックは、温度勾配を生じるべくガスの流れを制御するための１つ以上の適切に配置されたバッフルを含む。
【００２６】
或る実施形態では、ボトミング燃料電池組立体は、ボトミングカソード部分で用いるためにボトミングカソード部分の排気出力とアノード排気酸化器組立体の排気出力との両方からの熱を用いて空気を加熱するための熱交換器を備える。高効率燃料電池システムは、トッピングカソード部分に運ばれる、ボトミングカソード部分から出力されるカソード排気の温度を制御するべく、熱交換器に供給される空気の量を調整するためのコントローラをさらに備える。
【００２７】
上記の特徴を有する高効率燃料電池システムを用いて高効率で発電するための方法が以下でさらに説明される。
【００２８】
本発明の上記の及び他の特徴及び態様は、以下の詳細な説明を添付図と併せて読むことでより明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来の燃料電池システムを示す図である。
【図２】第１のトッピング燃料電池モジュールと、第２のトッピング燃料電池モジュールと、ボトミング燃料電池モジュールとを含む、モジュラ燃料電池システムを示す図である。
【図３】カソード入口バッフルを含むボトミング燃料電池スタックの例を示す図である。
【図４】アノード入口バッフルを含むボトミング燃料電池スタックの例を示す図である。
【図５】カソード入口バッフルを含むトッピング燃料電池スタックの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図示され、以下に説明されるように、本発明は、燃料電池内の熱平衡を維持しながらより高い総燃料利用率とより高い電力出力及び変換システム効率が達成される、費用効果のあるモジュラ燃料電池システムを提供する。本発明によれば、燃料電池システムは、トッピングスタック（単数又は複数）又はトッピングスタックモジュール（単数又は複数）とボトミングスタック（単数又は複数）又はボトミングスタックモジュール（単数又は複数）とを含む複数の燃料電池スタック又は複数の燃料電池スタックモジュールを含み、トッピングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）は、新しい燃料を受け入れ、トッピング燃料電池スタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）の排気からの一部消費された燃料がボトミング燃料電池スタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）に供給される。本発明のシステムの構成では、トッピング及びボトミング燃料電池スタック／モジュールにおける燃料利用率は、システムの総燃料利用率及び電気効率を依然として増加させながら、所望の限度内に制御される。具体的には、トッピング燃料電池スタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）のサイズ及び燃料利用率は、ボトミング燃料電池スタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）のサイズよりも大きくされる。本発明の或る実施形態では、システムは、トッピング燃料電池スタック又は２つ以上のスタックを有するモジュールと、ボトミング燃料電池スタック又は２つ以上のスタックを有するモジュールとを含み、トッピング燃料電池スタックは、トッピングスタックがボトミングスタックよりも燃料フィードにおける燃料のより多くを使用するように、ボトミング燃料電池スタックよりも多くの数の直列にスタックされた燃料電池を有する。本発明の他の実施形態では、システムは、複数のトッピング燃料電池モジュールと、１つ又は複数のボトミング燃料電池モジュールとを含み、各燃料電池モジュールは２つ以上の燃料電池スタックを備え、トッピング燃料電池モジュールの数は、ボトミング燃料電池モジュールの数よりも多い。一部の実施形態では、トッピング燃料電池スタック／モジュールは、燃料フィードにおける燃料の約３分の２を消費し、ボトミング燃料電池スタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）は、燃料の残りの約３分の１を消費する。ボトミング燃料電池スタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）は、追加の新しい燃料を受け入れてよく、これは水蒸気と予め混合されてよく又はドライ燃料であってよい。加えて、ボトミング燃料電池スタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）における電流密度は、トッピング燃料電池スタック／モジュールにおける電流密度よりも低い。
【００３１】
本発明において、トッピングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）及びボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）において発生する電流は、システムの動作時間にわたって制御される。具体的には、時間が経つにつれて、トッピングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）において発生する電流は減少し、一方、ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）において発生する電流は増加する。ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）において、発生する電流は、ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）に供給されるメタン又は他の新しい燃料の量に基づいて変化する。さらに、ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）において発生する電流は、熱及び電気に関する顧客需要に適合するように調整可能であってよい。例えば、電気に関する顧客需要がより大きいときに、ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）の出力が増加される。加えて、ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）から出力されるアノード排気を酸化するアノード排気酸化器は、ボトミングモジュールの種々の出力レベルでのボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）からのアノード排気の処理を可能にする設計特徴を含んでよい。例えば、ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）がより少ない電力を発生するとき、アノード排気酸化器へのアノード排気の中に供給されたより多くの余りの燃料が存在することになり、したがって、アノード排気酸化器は、大量の未使用燃料を取り扱うことができるように設計される。或る実施形態では、システムは、タービンを通じて圧力が下がる前にエネルギー回収発電システムにおけるガス分配システムからの高圧天然ガスを加熱するために高効率燃料電池システムのプラント排気における熱を使用するように適合されてよい。ガス分配システムからの高圧天然ガスを加熱するための燃料電池発電プラントからの熱の使用は、本発明と同じ譲受人に譲渡された米国特許第８，０８０，３４４号に記載される。
【００３２】
以下でも説明されるように、ボトミング燃料電池スタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）に供給されるトッピング燃料電池スタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）からのアノード排気の圧力は、アノード圧力ブースタを用いて制御されてよく、トッピング燃料電池スタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）に供給されるボトミング燃料電池スタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）からのカソード排気の圧力は、カソード圧力ブースタを用いて制御されてよい。この場合、トッピングモジュールにおけるアノードの流れとカソードの流れとの間の圧力差は、アノード圧力ブースタ及び／又はカソード圧力ブースタを用いて制御されてよい。
【００３３】
本発明はさらに、システムの燃料電池における、特に、ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）の燃料電池における改善された熱均一性を提供する。一部の実施形態では、ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）におけるセルは、ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）におけるセルの熱均一性を改善するために、トッピングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）におけるセルとは異なる直接内部改質（ＤＩＲ）触媒の量及び分布を用いる。具体的には、ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）におけるセルは、アノード入口領域からアノード出口領域へ向かって装填量が徐々に増加する直接内部改質触媒を有する。対照的に、トッピングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）におけるセルは、アノード入口領域から出口領域まで均一に分布したＤＩＲ触媒を有する。さらに、ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）は、セルにおける熱均一性を改善するべく各スタックのカソード入口での温度勾配を生じるために特定の組み込み設計特徴を有する。特に、各ボトミングスタックにおいて、カソード入口温度勾配は華氏１０〜２０度であり、カソード吸気ガスの温度は、アノード入口領域付近でより温かく且つアノード出口領域付近でより冷たい。加えて、ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）における設計特徴は、カソード吸気ガスをカソード入口面のアノード出口領域の方に誘導するべくアノード出口付近の領域を除くカソード入口面の全体を覆うカソード入口面から３〜５インチのカソード入口面にあるバッフルを用いることを含む。アノード出口付近の領域に入るカソード吸気ガスは、温度がより低いであろう。このガスは、カソード入口面の他の領域に入る前に燃料電池から熱を取り出すことになる。バッフルの向きを調整するための外部レバー又は類似の装置などのさらなる設計特徴が、ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）のカソード入口での温度勾配を調整可能にするために提供されてよい。
【００３４】
本発明のボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）はまた、燃料電池における熱均一性を改善するべくスタックのアノード入口での温度勾配を生じるために特定の組み込み設計特徴を含んでよい。具体的には、各ボトミングスタックにおいて、アノード入口温度勾配は華氏１０〜２０度であり、アノード入口温度は、スタックのカソード入口領域付近でより温かく且つカソード出口領域付近でより冷たい。加えて、ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）における設計特徴は、アノード吸気ガスをアノード入口面のカソード出口領域の方に誘導するべくカソード出口付近の領域を除くアノード入口面の全体を覆うアノード入口面から１〜３インチのアノード入口面でのバッフルの使用を含む。カソード出口付近の領域に入るアノード吸気ガスは、温度がより低いであろう。このガスは、アノード入口面の他の領域に入る前に燃料電池から熱を取り出すことになる。
【００３５】
本発明のトッピングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）はまた、セルにおける熱均一性を改善するべく各トッピングスタックのカソード入口での温度勾配を生じる組み込み設計特徴を含む。具体的には、各トッピングスタックにおけるカソード入口勾配は華氏１０〜２０度であり、カソード吸気ガスの温度は、アノード出口領域付近でより温かく且つアノード入口領域付近でより冷たい。トッピングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）における設計特徴は、カソード吸気ガスをカソード入口面のアノード入口領域の方に誘導するべくアノード入口付近の領域を除くカソード入口面の全体を覆うカソード入口面から３〜５インチのカソード入口面にバッフルを含んでよい。アノード入口付近の領域に入るカソード吸気ガスは、温度がより低いであろう。このガスは、カソード入口面の他の領域に入る前に燃料電池から熱を取り出すことになる。バッフルの向きを調整するための外部レバー又は類似の装置などのさらなる設計特徴が、ボトミングスタック／モジュール（単数又は複数）のカソード入口での温度勾配を調整可能にするために提供されてよい。
【００３６】
本発明はまた、ボトミングスタックのカソード入口に運ばれる新しい空気も受け入れる熱交換器内でボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）のカソード排気ガスを冷却することによって、トッピングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）におけるカソード吸気ガスの温度の制御を提供する。或る実施形態では、ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）から出力されるアノード排気を酸化するアノード排気酸化器からの排気の一部が、ボトミングモジュールのカソード側をバイパスし、ボトミングモジュール（単数又は複数）のカソード排気に直接運ばれる。これは、ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）のカソードでのＮｉの溶解が最小になるようにボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）のカソード入口の二酸化炭素濃度を制御するためになされる。或る実施形態では、ボトミング燃料電池スタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）から出力されるカソード排気の温度は、ボトミング燃料電池スタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）から出力されるカソード排気を冷却する熱交換器に供給される空気の量を制御することによって制御される。アノード排気酸化器から出力される排気と組み合わされた予熱された空気が、ボトミングスタック（単数又は複数）／モジュール（単数又は複数）のカソード側に供給される。
【００３７】
図２は、本発明のモジュラ燃料電池システム２００の例示的な実施形態を示す。図２に示された燃料電池システム２００は、従来の燃料電池システムに比べて改善された性能効率、特に、より高い燃料利用率及び電力出力を有し、且つまた、従来技術で説明される従来の燃料電池システムに比べてより高い製造効率及び運転費効率をもたらす。燃料電池システム２００の改善された性能及び費用効率は、本明細書でより詳細に後述する。
【００３８】
図２の燃料電池システム２００は、トッピング燃料電池組立体とボトミング燃料電池組立体を含む。図２では、トッピング燃料電池組立体は、第１のトッピング燃料電池モジュール２０２及び第２のトッピング燃料電池モジュール２１２を含み、一方、ボトミング燃料電池組立体は、ボトミング燃料電池モジュール２２２を含む。第１のトッピング燃料電池モジュール２０２は１つ以上の第１の燃料電池スタック２０２ａを備え、各燃料電池スタックは、２つ以上のセルを有し且つ第１のトッピングカソード部分２０４及び第１のトッピングアノード部分２０６を有する。図２では、第１のトッピング燃料電池モジュール２０２は１つの燃料電池スタックを有するように示されるが、一部の実施形態では、第１のトッピング燃料電池モジュール２０２は、同様の構成を有し且つ共通の格納構造体内に配置される、２つ以上の燃料電池スタックを含むことが理解される。第１のトッピング燃料電池モジュール２０２における燃料電池スタックは、高温溶融炭酸塩形燃料電池スタックを含んでよい。各スタック２０２ａの各セルにおいて、第１のトッピングカソード部分２０４と第１のトッピングアノード部分２０６は、電解質マトリックスに貯蔵された溶融炭酸塩電解質（図示せず）によって分離される。
【００３９】
図２では、第１のトッピング燃料電池スタック２０２ａは、内部改質形燃料電池スタックであり、直接内部改質、間接内部改質、又は直接内部改質と間接内部改質との両方の組み合わせのいずれかを含む。本発明の例示的な実施形態では、第１のトッピング燃料電池スタック２０２ａは１つ以上の内部改質ユニット２４８を含み、内部改質ユニット２４８は、燃料フィードの一部を受け入れ、水素及び一酸化炭素を含む改質又は部分的に改質された燃料を燃料ターンマニホルド２０６ａに出力し、燃料ターンマニホルド２０６ａは、燃料をスタックのセルの第１のトッピングアノード部分２０６に誘導し、そこで燃料が第１のトッピングカソード部分２０４を通過する酸化剤ガスと電気化学反応をする。図２の例示的な実施形態では、第１のトッピングカソード部分２０４は、オープンスタック面を通じて共通の格納構造体に提供される酸化剤ガスを受け入れる。しかしながら、他の実施形態では、酸化剤ガスは、カソード入口マニホルド（図２には図示せず）を通じて第１のトッピングカソード部分２０４に供給されてよい。
【００４０】
図２に示すように、第１のトッピングカソード部分２０４は、カソード排気をカソード出口マニホルド２０８に出力する。カソード排気は、次いで、カソード出口マニホルド２０８から適切なダクティングを介して、第１のトッピング燃料電池モジュール２０２の内部又は外部のいずれかに設けることができる熱交換器２３６に出力される。第１のトッピングアノード部分２０６は、アノード排気をアノード出口マニホルドに出力する。アノード排気は、次いで、ボトミング燃料電池モジュール２２２で用いるために、アノード出口マニホルド２１０から第１のトッピング燃料電池モジュール２０２の外部に運ばれる。
【００４１】
前述のように、第１のトッピングスタック２０２ａは、１つ以上の内部改質ユニット２４８を含む。１つ以上の内部改質ユニット２４８を通過する燃料から水素、二酸化炭素、及び一酸化炭素が生成される。改質又は部分的に改質された燃料は、次いで、燃料ターンマニホルド２０６ａを介してスタックの第１のトッピングアノード部分２０６に供給される。スタックの第１のトッピングアノード部分２０６において、水素が電気化学的に反応して水を生成し、一酸化炭素が電気化学的に反応して二酸化炭素を生成するか又は水と化学的に反応して水素と二酸化炭素を生成する。直接内部改質（ＤＩＲ）はまた、改質触媒を第１のトッピングアノード部分２０６のアノード区画（単数又は複数）に配置することによって、特に、改質触媒をスタックにおける各セルのアノード区画（単数又は複数）のアノード電流コレクタの波形部に配置することによって、第１のトッピングスタック２０２ａの各セルにおいて提供されてよい。
【００４２】
上述のように、第１のトッピング燃料電池モジュール２０２は、複数の第１のトッピング燃料電池スタックを含んでよい。各燃料電池モジュールにおける燃料電池スタックの数は、所望の電力出力をもたらすのに必要とされる数に基づいて決まる。各燃料電池スタックにおける燃料電池の数は、スタックの必要とされる出力、サイズ、及び重量、並びに輸送のしやすさによって決められてよい。
【００４３】
燃料電池システム２００のトッピング燃料電池組立体はまた、第２のトッピング燃料電池モジュール２１２を含み、これは１つ以上の第２の燃料電池スタック２１２を含む。第１のトッピング燃料電池モジュール２０２と同様に、図２は、第２のトッピング燃料電池モジュール２１２に含まれている単一の燃料電池スタック２１２ａを示すが、２つ以上の第２のトッピング燃料電池スタック２１２ａが、第２の燃料電池モジュール２１２に含まれ、同じ格納構造体内に収容されてよいと考えられる。第２のトッピング燃料電池モジュール２１２における第２のトッピング燃料電池スタックは、高温溶融炭酸塩形燃料電池を備えてよい。
【００４４】
図２に示すように、第２のトッピング燃料電池スタック２１２ａは、第２のトッピングカソード部分２１４及び第２のトッピングアノード部分２１６を含み、これらは、スタックの各セルにおいて、電解質マトリックスに貯蔵されている溶融炭酸塩電解質（図示せず）によって分離される。第２のトッピングアノード部分２１６に入る燃料は、内部改質されて、水素及び一酸化炭素を含む部分的に又は十分に改質された燃料を生成し、次いで、第２のトッピングカソード部分２１４を通過する酸化剤ガスと電気化学反応をする。スタックの第２のトッピングアノード部分２１６において、水素が電気化学的に反応して水を生成し、一酸化炭素が電気化学的に反応して二酸化炭素を生成するか又は水と化学的に反応して水素と二酸化炭素を生成する。第２のトッピング燃料電池スタック２１２ａは、間接内部改質、直接内部改質、又は直接内部改質と間接内部改質との両方の組み合わせを含む。本発明の例示的な実施形態では、第２のトッピング燃料電池スタック２１２ａは１つ以上の改質ユニット２５０を含み、改質ユニット２５０は、燃料フィードの一部を受け入れ、水素及び一酸化炭素を含む改質又は部分的に改質された燃料を燃料ターンマニホルド２１６ａに出力し、燃料ターンマニホルド２１６ａは、燃料をスタックの第２のトッピングアノード部分２１６に誘導し、そこで燃料が酸化剤ガスと電気化学反応をする。図２では、第２のトッピングカソード部分２１４は、オープンカソード入口スタック面を通じて共通の格納構造体に提供される酸化剤ガスを受け入れる。しかしながら、他の実施形態では、酸化剤ガスは、カソード入口マニホルド（図２には図示せず）を通じて第２のトッピングカソード部分２１４に供給されてよい。
【００４５】
図２に示すように、第２のトッピングカソード部分２１４は、カソード排気をカソード出口マニホルド２１８に出力する。カソード排気は、次いで、カソード出口マニホルド２１８から適切なダクティングを介して、第２のトッピング燃料電池モジュール２１２の内部又は外部のいずれかに設けることができる熱交換器２３８に出力される。第２のトッピングアノード部分２１６は、アノード排気をアノード出口マニホルド２２０に出力する。アノード排気は、次いで、ボトミング燃料電池モジュール２２２で用いるために、アノード出口マニホルド２２０から第２のトッピング燃料電池モジュール２１２の外部に運ばれる。
【００４６】
前述のように、第２のトッピング燃料電池スタック２１２ａは、１つ以上の内部改質ユニット２５０を含む。１つ以上の内部改質ユニット２５０を通過する燃料から水素、二酸化炭素、及び一酸化炭素が生成される。改質又は部分的に改質された燃料は、次いで、ターンマニホルド２１６ａを介してスタックの第２のトッピングアノード部分２１６に供給される。直接内部改質（ＤＩＲ）はまた、改質触媒を第２のトッピングアノード部分２１６のアノード区画（単数又は複数）に配置することによって、特に、改質触媒を第２のトッピングスタック２１２ａの各セルにおけるアノード区画（単数又は複数）のアノード電流コレクタの波形部に配置することによって、第２のトッピングスタック２１２ａにおいて提供されてよい。
【００４７】
第１のトッピング燃料電池モジュール２０２に関して上述したのと同様に、第２のトッピング燃料電池モジュール２１２は、同様の構成を有する複数の第２のトッピング燃料電池スタックを含んでよい。モジュール当たりの燃料電池スタックの数は、所望の電力出力をもたらすのに必要とされる数に基づいて決まる。各燃料電池スタックにおける燃料電池の数は、スタックの必要とされる出力、サイズ、及び重量、並びに輸送のしやすさによって決められてよい。
【００４８】
図２に示すように、燃料電池システム２００は、図２では共通の格納構造体によって収容された１つ以上の燃料電池スタック２２２ａを含むボトミング燃料電池モジュール２２２を備える、ボトミング燃料電池組立体を含む。各ボトミング燃料電池スタック２２２ａは、ボトミングカソード部分２２４及びボトミングアノード部分２２６を含み、これらは、スタックの各セルにおいて、電解質マトリックスに貯蔵されている溶融炭酸塩電解質（図示せず）によって分離される。
【００４９】
ボトミング燃料電池スタック２２２ａは、内部改質形燃料電池スタックであり、直接内部改質、間接内部改質、又は直接内部改質と間接内部改質との両方の組み合わせを含む。図２の実施形態では、ボトミング燃料電池スタック２２２ａは、ボトミングアノード部分２２６のアノード区画（単数又は複数）に、特に、第２のトッピングスタック２２２ａの各セルにおけるアノード区画（単数又は複数）のアノード電流コレクタの波形部に配置された直接内部改質触媒を含む。図２に示された実施形態では、ボトミング燃料電池スタック２２２ａは間接内部改質を含まないが、他の実施形態では、ボトミング燃料電池スタックは、第１のトッピングモジュール及び第２のトッピングモジュールから受け入れたアノード排気を、改質されたアノード排気がボトミングアノード部分２２６に運ばれる前にさらに改質するために、１つ以上の改質ユニットを含んでよい。
【００５０】
図２では、ボトミングカソード部分２２４は、オープンカソード入口スタック面を通じて共通の格納構造体に提供される酸化剤ガスを受け入れる。しかしながら、他の実施形態では、酸化剤ガスは、カソード入口マニホルドを通じてボトミングカソード部分２２４に供給されてよい。図２での酸化剤ガスは、予熱されボトミングカソード部分に供給される新しい空気を含む。予熱された新しい空気の第１の部分は、アノード酸化器組立体２３１、２３３内でボトミングアノード部分から出力されるアノード排気と共に燃焼して、加熱された酸化剤ガスを生成してよく、これは次に、予熱された新しい空気の第２の部分と共にボトミングカソード部分に運ばれる。
【００５１】
ボトミングカソード部分２２４は、ＣＯ２リッチのカソード排気をカソード出口マニホルド２２８へ出力する。図２に示すように、カソード出口マニホルド２２８内に収集されたカソード排気は、次いで、ボトミング燃料電池モジュール２２２から適切なダクティング２６３を介して第１のトッピングカソード部分２０４及び第２のトッピングカソード部分２１４に出力される。図２の実施形態では、ボトミング燃料電池モジュール２２２から出力されるカソード排気は、第１のトッピングカソード部分と第２のトッピングカソード部分との間でほぼ均等に分けられる。しかしながら、他の実施形態では、第１のトッピングカソード部分と第２のトッピングカソード部分に提供されるカソード排気の相対的な量は、所望のシステム動作に基づいて制御されてよい。ボトミングモジュールにおけるカソード排気ダクティング２６３はまた、ボトミングモジュールからのカソード排気を第１のトッピングカソード部分２０４及び第２のトッピングカソード部分２１４に運ばれる前に冷却するために熱交換器２６４を含む。これは、第１のトッピングカソード部分２０４及び第２のトッピングカソード部分２１４のカソード入口温度を制御するためになされる。
【００５２】
一実施形態では、酸化器組立体２３１、２３３によって供給される加熱された酸化剤ガスの一部は、予熱された新しい空気の第２の部分と混合される前に、ボトミングモジュールにおけるカソード排気ダクティング２６３に分流される。これは、ボトミングカソード部分２２４に供給される加熱された酸化剤ガス中のＣＯ２の濃度を制御するためになされる。ボトミング燃料電池モジュールへのカソード入口がＣＯ２リッチになりすぎる場合、ボトミング燃料電池モジュールに供給されるカソード吸気ガス中のＣＯ２濃度は、予熱された新しい空気の第２の部分を増加させることによって、Ｎｉの溶解を最小にするべく調節されてよい。ボトミング燃料電池モジュールへのカソード入口の温度は、予熱された新しい空気の温度を調節することによって制御される。
【００５３】
本発明において、第１のトッピング燃料電池モジュール２０２及び第２のトッピング燃料電池モジュール２１２並びにボトミングモジュール２２２に運ばれるＣＯ２の濃度及び吸気酸化剤ガスの温度は調整及び調節されてよい。これらの調整の制御は、プログラム可能コントローラ２５２又は類似の装置によって行われてよい。例えば、ボトミング燃料電池モジュール２２２のカソード排気は、第１のトッピング燃料電池モジュール及び第２のトッピング燃料電池モジュールに運ばれる吸気酸化剤ガス中のＣＯ２の温度及び濃度を制御するために新しい空気で希釈されてよい。ボトミング燃料電池モジュールからのカソード排気がＣＯ２リッチになりすぎる場合、第１のトッピング燃料電池モジュール及び第２のトッピング燃料電池モジュールに供給されるカソード吸気ガス中のＣＯ２濃度は、ボトミング燃料電池モジュールのカソード排気を新しい空気で希釈すること、及び／又は、酸化器組立体２３１、２３３に供給される新しい空気の量及びボトミング燃料電池モジュールに供給される酸化器２３３によって生成された酸化剤ガスの量を制御することによって、Ｎｉの溶解を最小にするべく調節されてよい。
【００５４】
別の実施形態では、それぞれ第１のトッピングモジュール２０２及び第２のトッピングモジュール２１２におけるアノード部分とカソード部分との間の必要とされる圧力差を維持するべく第１のトッピングカソード部分２０４及び第２のトッピングカソード部分２１４の圧力を上げるために、ボトミングモジュール２２２からのカソード排気を運ぶカソード排気ダクティング２６３内にカソードブースタブロワ２４２が配置される。
【００５５】
第１のトッピング燃料電池モジュール２０２に関して前述したのと同様に、ボトミング燃料電池モジュール２２２は、それぞれカソード部分及びアノード部分を有する、複数のボトミング燃料電池スタックを含んでよい。モジュール当たりの燃料電池スタックの数は、所望の電力出力及び効率をもたらすのに必要とされる数に基づいて決まる。ボトミング燃料電池モジュール２２２における燃料電池スタック２２２ａは、高温溶融炭酸塩形燃料電池を含んでよい。
【００５６】
図２に示すように、ボトミング燃料電池モジュール２２２のボトミングアノード部分２２６は、ボトミングアノード部分２２６が第１のトッピングアノード部分２０６と第２のトッピングアノード部分２１６との両方から出力されるアノード排気を受け入れるように、第１のトッピングアノード部分２０６及び第２のトッピングアノード部分２１６のそれぞれに作動可能に結合される。したがって、第１のトッピングアノード部分２０６及び第２のトッピングアノード部分２１６は、ボトミングアノード部分２２６と２対１の比で構成される。さらに、第１のトッピング燃料電池モジュール２０２及び第２のトッピング燃料電池モジュール２１２の燃料電池スタックの総数は、ボトミング燃料電池モジュール２２２の燃料電池スタックの数と２対１の比で構成される。他の実施形態では、トッピングモジュール及びボトミングモジュールの数は変化することになり、トッピング燃料電池スタック及びボトミング燃料電池スタックの総数も変化する場合がある。効率の増加のために、或る実施形態では、トッピングモジュールの数はボトミングモジュールの数よりも多い、及び／又は、トッピング燃料電池スタックの総数はボトミング燃料電池スタックの総数よりも多い。トッピングモジュール又はスタックは、ボトミングモジュール又はスタックよりも高い電流密度（より良い燃料品質による）及び燃料利用率を有する。
【００５７】
前述のように、各スタックにおける燃料電池の数、したがって、ケース内の各スタックの高さは、輸送可能性制約によって支配される。トッピングモジュール（単数又は複数）における標準のトッピング燃料電池スタックは、間接内部改質ユニットを含む約４００個の燃料電池を含む。しかしながら、ボトミングモジュール（単数又は複数）におけるボトミング燃料電池スタックは、改質ユニットを有さないか又はトッピング燃料電池スタックよりも著しく少ない数の改質ユニットを有する。結果として、ボトミング燃料電池スタックでは、さらなる燃料電池を含めるのにより多くのスペースを利用可能である。例えば、ボトミング燃料電池スタックで改質ユニットが用いられない場合、該スタックに３２個の燃料電池を追加する余地がある。したがって、一部の実施形態では、トッピングモジュール（単数又は複数）は、ボトミングモジュール（単数又は複数）よりも多い総数の燃料電池スタックを含むことができるが、各ボトミング燃料電池スタックに含まれる燃料電池の数は、各トッピング燃料電池スタックに含まれる燃料電池の数よりも多い場合がある。このスタック設計は、システムの電力出力を最大化する一助となる。
【００５８】
図２の特定の構成では、トッピング燃料電池モジュールの数及びトッピング燃料電池スタックの総数は、ボトミング燃料電池モジュール（単数又は複数）の数及び／又はボトミング燃料電池スタック（単数又は複数）の総数よりも多いが、他の構成では、トッピング燃料電池モジュール（単数又は複数）の数はボトミング燃料電池モジュール（単数又は複数）の数と同じであってよく、及び／又はトッピング燃料電池スタック（単数又は複数）の総数はボトミング燃料電池スタック（単数又は複数）の総数と同じであってよいことが理解される。このような他の構成では、トッピング燃料電池モジュール（単数又は複数）及びトッピング燃料電池スタック（単数又は複数）は、ボトミング燃料電池モジュール（単数又は複数）及びボトミング燃料電池スタック（単数又は複数）よりも多い総数の燃料電池を有することになる。例えば、システムが１つのトッピング燃料電池スタックを有する１つのトッピングモジュールと１つのボトミング燃料電池スタックを有する１つのボトミングモジュールとを含み、トッピング燃料電池スタックにおける燃料電池の総数がボトミング燃料電池スタックにおける燃料電池の総数よりも多いようにシステムを構成することが可能である。
【００５９】
図２に示されたシステムの動作をここで説明する。動作中に、第１のトッピング燃料電池モジュール２０２及び第２のトッピング燃料電池モジュール２１２は、それぞれ、燃料供給からメタン、天然ガス、又は他の適切な燃料などの燃料フィードの一部を受け入れる。トッピング燃料電池モジュール２０２、２１２に運ばれる前に、燃料フィードは予熱及び／又は処理されてよい。例えば、燃料フィードを加湿するのに加湿器が用いられてよく、トッピング燃料電池モジュールの外部で燃料フィードの一部を部分的に改質するのにプレコンバータ２３４が用いられてよい。さらに、燃料フィードは、純度に関する燃料電池の仕様に合うように必要に応じて脱酸素器で脱酸素されてよく、脱硫器（図示せず）で脱硫されてよく、及び／又は他の処理を受けてよい。予熱及び／又は処理された燃料フィードは、次いで、第１のトッピング燃料電池モジュール２０２と第２のトッピング燃料電池モジュール２１２との間で分けられ、この場合、第１のトッピング燃料電池モジュール２０２は燃料フィードの第１の部分を受け入れ、第２のトッピング燃料電池モジュール２１２は燃料フィードの第２の部分を受け入れ、燃料フィードの第１の部分と第２の部分は、ほぼ同じ又は異なる量となるように制御されてよい。第１のトッピング燃料電池モジュール２０２及び第２のトッピング燃料電池モジュール２１２に供給される第１及び第２の燃料フィードのそれぞれの量を制御するのにコントローラ２５２が用いられてよい。第１のトッピング燃料電池モジュール２０２及び第２のトッピング燃料電池モジュール２１２のそれぞれに受け入れられた燃料フィードの部分は、次いで、それぞれ第１の熱交換器２３６及び第２の熱交換器２３８内でそれぞれのトッピング燃料電池モジュールから出力されるカソード排熱を用いて予熱される。一部の実施形態において、熱交換器２３６及び２３８は１つの熱交換器に組み合わせることができる。第１の燃料電池モジュール２０２及び第２の燃料電池モジュール２１２のそれぞれにおいて、予熱された燃料フィードの部分は、次いで、それぞれのトッピングモジュールの１つ以上の燃料電池スタックのトッピングアノード部分２０６、２１６に運ばれ、それぞれのトッピングアノード部分２０６、２１６に運ばれる前に間接内部改質器２４８、２５０で改質されてよい。
【００６０】
第１のトッピング燃料電池モジュール２０２及び第２のトッピング燃料電池モジュール２１２は、トッピング燃料電池モジュールに運ばれるそれぞれの燃料フィードの部分に含まれる燃料の一部を消費し、ゆえに、第１のトッピングモジュール２０２及び第２のトッピングモジュール２１２のアノード排気出力は、燃料の残りの部分を含有する。図２の実施形態では、第１の燃料電池モジュール２０２及び第２の燃料電池モジュール２１２は、燃料フィードにおける燃料の約３分の２を消費し、燃料フィードにおける最初の燃料の約３分の１である燃料の残りの部分を含有するアノード排気を出力する。図２では、燃料電池システム２００は、第１のトッピング燃料電池モジュール２０２及び第２のトッピング燃料電池モジュール２１２から下流且つボトミング燃料電池モジュール２２２の上流に配置されるアノードブースタブロワ２３２を含む。アノードブースタブロワ２３２は、第１のトッピングアノード部分２０６及び第２のトッピングアノード部分２１６から出力されるアノード排気を受け入れ、該アノード排気の圧力をボトミング燃料電池モジュール２２２に運ばれる前に増加させる。アノードブースタブロワ２３２は、低い増圧、結果的に低い圧縮パワー及び低いコストで動作する。アノードブースタブロワ２３２の動作は、それぞれ第１のトッピング燃料電池モジュール２０２及び第２のトッピング燃料電池モジュール２１２のアノード部分とカソード部分との間の圧力差を制御するべくコントローラ２５２によって制御されてよい。
【００６１】
図２に示すように、アノードブースタブロワ２３２によってボトミング燃料電池モジュール２２２に供給されるアノード排気は、新しい燃料２５１を補充されてよい。第１のトッピング燃料電池モジュール２０２及び第２のトッピング燃料電池モジュール２１２からのアノード排気流は適切な量の水を含むので、補充の新しい燃料は、燃料を加湿するのに追加の水を必要とせずにアノード排気と混合されてよい。ボトミング燃料電池モジュールに供給される新しい燃料の量は、ボトミング燃料電池モジュールにおける所望の燃料利用率及び電流発生を達成するべくコントローラ２５２によって制御されてよい。補充の新しい燃料は、トッピング燃料電池モジュールと同じ燃料供給から供給されてよく、又は異なる燃料供給から供給されてよい。一部の実施形態では、補充の新しい燃料は、メタンなどの改質可能な燃料を含む。
【００６２】
本明細書で前述したように、一部の実施形態では、ボトミング燃料電池モジュールのボトミング燃料電池スタックは、間接内部改質器を含む。このような実施形態では、補充燃料が、ボトミング燃料電池スタックの間接内部改質器に提供され、次いで、改質又は部分的に改質された補充燃料が、間接内部改質器からボトミングスタックのボトミングアノード部分に送られる。一部の実施形態では、補充燃料だけがボトミング燃料電池スタックの間接内部改質器に送られ、一方、第１のトッピング燃料電池モジュール２０２及び第２のトッピング燃料電池モジュール２１２からのアノード排気は、間接内部改質器を通って運ばれるのではなく、ボトミングスタックの燃料ターンマニホルドへ直接提供される。この構成は、ボトミングスタックの熱プロフィールを改善し、ボトミングスタックからの電力出力を最大化する。
【００６３】
トッピング燃料電池モジュールからのアノード排気を含むアノード吸気ガス、及び随意的に補充の新しい燃料が、ボトミング燃料電池モジュール２２２に受け入れられ、ボトミング燃料電池モジュールにおける燃料電池スタック（単数又は複数）のボトミングアノード部分２２６に運ばれる。上述のように、アノード吸気ガスは、ボトミングアノード部分において直接内部改質を通じて改質されてよく、ボトミングアノード部分によって生成されたアノード排気は、アノード出口マニホルド２３０を介してボトミング燃料電池スタック（単数又は複数）から出力される。ボトミング燃料電池モジュール２２２から出力されるアノード排気は、ミキサ／エダクタ２３１及び酸化器２３３を含むアノード酸化器組立体に運ばれる。ミキサ／エダクタ２３１はまた、システムへ入力される予熱された空気の第１の部分を受け入れ、アノード排気を予熱された空気と混合し、酸化器２３３は、アノード排気を予熱された空気で酸化させて、燃料電池のカソードで用いるのに適した高温酸化剤ガスを出力する。図２に示すように、酸化器２３３から出力される高温酸化剤ガスは、予熱された空気の第２の部分と組み合わされてカソード吸気ガスを生じ、これは次に、ボトミングモジュール２２２のボトミングカソード部分２２４へ入力される。ミキサ／エダクタ２３１に提供される予熱された空気の第１の部分の量は、コントローラ２５２によって制御される。ミキサ／エダクタ２３１に提供される予熱された空気の量は、ボトミングカソード部分２２４への吸気酸化剤ガスの温度を制御するべく及びボトミングカソード部分２２４から出力されるカソード排気の温度を制御するべく制御される。
【００６４】
一実施形態では、酸化器組立体２３１、２３３によって供給される加熱された酸化剤ガスの一部は、予熱された新しい空気の第２の部分と混合される前に、ダクティング２６５を介してボトミングモジュールにおけるカソード排気ダクティング２６３に分流される。これは、ボトミングカソード部分２２４に供給される加熱された酸化剤ガス中のＣＯ２の濃度を制御するためになされる。ボトミング燃料電池モジュールへのカソード吸気がＣＯ２リッチになりすぎる場合、ボトミング燃料電池モジュールに供給されるカソード吸気ガス中のＣＯ２濃度は、予熱された新しい空気の第２の部分を増加させることによって、Ｎｉの溶解を最小にするべく調節されてよい。ボトミング燃料電池モジュールへのカソード吸気温度は、予熱された新しい空気の温度を調節することによって制御される。
【００６５】
ボトミングモジュールにおけるカソード排気ダクティング２６３はまた、ボトミングモジュールからのカソード排気を第１のトッピングカソード部分２０４及び第２のトッピングカソード部分２１４に運ばれる前に冷却するために、熱交換器２６４を含む。これは、第１のトッピングカソード部分２０４及び第２のトッピングカソード部分２１４のカソード吸気温度を制御するためになされる。
【００６６】
図２で分かるように、ブロワ２４５を用いてシステム２００に新しい空気が供給される。ブロワ２４５によって供給される空気のすべて又は一部を含む場合がある空気の第１の部分が、加熱のために熱交換器２４６に運ばれる。それぞれ第１のトッピングモジュール２０２及び第２のトッピングモジュール２１２からのカソード排気２０８及び２１８が、熱交換器２４６において空気の第１の部分を加熱するのに用いられる。一部の実施形態では、空気の第１の部分の一部又はすべては、バイパスライン２４６ａを経由して熱交換器２４６の周りでバイパスされてよく、熱交換器２４６の周りでバイパスされる空気の量は、コントローラ２５２によって制御されてよく、ボトミングカソード部分２２４へ入力される吸気酸化剤ガスの所望の温度及びトッピングカソード部分２０２及び２１２のカソード吸気の所望の温度に依存することになる。システムが昇温中又は電力を生じていない又は低出力のときなどの或る動作モードで空気の第１の部分を加熱するために、熱交換器２４６の下流に空気ヒータ２６６が配置される。空気ヒータ２６６は、天然ガスを燃料とするヒータ又は電気ヒータであってよい。空気ヒータ２６６の出力は、コントローラ２５２によって、ボトミングカソード部分２２４へ入力される吸気酸化剤ガスの所望の温度及びトッピングカソード部分２０２及び２１２のカソード吸気の所望の温度に応じて制御される。このようにして、コントローラ２５２は、ボトミングカソード部分２２４に運ばれる吸気酸化剤ガスの温度及びトッピングカソード部分２０４及び２１４に運ばれるカソード吸気酸化剤ガスの温度、したがって、それぞれトッピングモジュール２０２、２１２及びボトミングモジュール２２２の燃料電池スタック２０２ａ、２１２ａ、及び２２２ａでの温度を制御することができる。
【００６７】
図２に示すように、空気ヒータ２６６から出力される予熱された空気の第１の部分が、上述のようにアノード排気を酸化するためにアノード酸化組立体２３１、２３３に運ばれ、予熱された新しい空気の第２の部分が、ボトミングカソード部分２２４に運ばれる。図示及び上述したように、残りの予熱された空気は、ボトミングカソード部分２２４へ入力される前に、酸化器２３３から出力される酸化剤ガスと組み合わされる。酸化器２３３から出力される酸化剤ガスを予熱された新しい空気の第２の部分と混合する前に、酸化器２３３から出力される酸化剤ガスの一部は、ボトミングモジュールからバイパスダクト２６５を経由してカソード排気ダクト２６３に運ばれる。これは、ボトミングカソード部分２２４へ入力される吸気酸化剤ガス中のＣＯ２の濃度を低下させるためになされる。酸化器２３３からトッピングモジュールへの酸化剤ガスの分流は、コントローラ２５２又は類似の装置によって制御される。
【００６８】
酸化器２３３から出力される酸化剤ガスを予熱された新しい空気の第２の部分と混合する前に、ボトミングモジュールからのカソード排気部分が、予熱された新しい空気の第２の部分を用いて熱交換器２６４内で冷却される。これは、それぞれ第１のトッピングモジュール及び第２のトッピングモジュールのカソード吸気部分２０４及び２１４のカソード吸気温度を制御するためになされる。
【００６９】
このような実施形態では、ボトミングモジュール２２２から出力されるカソード排気のすべて又は一部は、熱交換器２６４を通して運ばれることになり、カソード排気における熱の一部は、アノード排気酸化器２３３の出力と共にボトミングモジュール２２２のカソード部分２２４の入口に運ばれる予熱された新しい空気の第２の部分を予熱するのに用いられることになる。熱交換器２６４に供給される空気の量は、第１のトッピングモジュール及び第２のトッピングモジュールのカソード吸気温度を制御するべくコントローラ２５２によって調整可能である。熱交換器２６４に運ばれるカソード排気の量も、コントローラ２５２又は類似の装置によって、トッピングモジュールに入る酸化剤ガスのカソード吸気温度を制御するべく弁２６４ａを制御することにより制御されてよい。熱交換器は、ボトミングモジュール２２２に存在してよい。
【００７０】
ボトミングカソード部分２２４から出力されるカソード排気は、次いで、第１のトッピングカソード部分２０４及び第２のトッピングカソード部分２１４において酸化剤ガスとして用いるために、第１のトッピングモジュール２０２及び第２のトッピングモジュール２１２に運ばれる。システム２００はまた、ボトミングモジュール２２２から出力されるカソード排気の圧力をトッピングモジュールに運ばれる前に増加させるために、ボトミングモジュール２２２から下流且つトッピングモジュール２０２、２１２から上流のカソード側に設けられるカソード排気ブースタ２４２を含んでよい。このようにして、トッピングモジュールにおけるアノード側とカソード側との間の圧力差が、該カソード側とアノード側との間の低い圧力差を維持するべく調整及び制御されてよい。アノード側とカソード側との間の圧力差を制御するべくカソード排気ブースタの動作を制御するためにコントローラ２５２又は類似の制御装置が用いられてよい。
【００７１】
ボトミングカソード部分２２４から出力されるカソード排気は、第１のトッピングカソード部分２０４と第２のトッピングカソード部分２１４との間でほぼ均等に分けられてよい。しかしながら、一部の実施形態では、第１のトッピングカソード部分２０４及び第２のトッピングカソード部分２１４のそれぞれによって受け入れられる、ボトミングカソード部分２２４からのカソード排気の量は、第１のトッピングモジュール２０２及び第２のトッピングモジュール２１２における所望の動作及び燃料利用率に基づいて変化及び制御されてよい。
【００７２】
図２に示すように、ブロワ２４５によって供給される空気の一部は、ボトミング燃料電池モジュール２２２の周りでバイパスされてよく、且つ補充酸化剤ガスとして第１のトッピング燃料電池モジュール２０２及び第２のトッピング燃料電池モジュール２１２に供給されてよい。具体的には、ブロワ２４５からの空気の第３の部分が、第１のトッピングカソード部分２０４で用いるためにバイパスダクト２６２を介して第１のトッピング燃料電池モジュール２０２に運ばれ、ブロワ２４５からの空気の第４の部分が、バイパスダクト２６１を介して第２のトッピングカソード部分２１４に運ばれる。図のように、空気の第３の部分は、第１のトッピングカソード部分２０４へ入力される前にボトミングカソード部分２２４からのカソード排気の一部と組み合わされ、一方、空気の第４の部分は、第２のトッピングカソード部分２１４へ入力される前にボトミングカソード部分２２４からのカソード排気の残りの部分と組み合わされる。それぞれ第１のトッピングカソード部分及び第２のトッピングカソード部分に運ばれる空気の第３の部分及び第４の部分の量は、トッピングモジュールに入る吸気酸化剤ガスのカソード吸気温度を制御するべく適切な弁２６２ａ、２６１ａを介してコントローラ２５２によって制御される。
【００７３】
トッピング燃料電池で電気化学反応をした後で、消費された酸化剤が、第１のトッピングカソード部分２０４及び第２のトッピングカソード部分２１４からカソード排気として出力される。上述のように、第１のトッピングカソード部分２０４から出力されるカソード排気からの廃熱が、熱交換器２３６において燃料フィードの一部を予熱するために用いられ、第２のトッピングカソード部分２１４から出力されるカソード排気からの廃熱が、熱交換器２３８において燃料フィードの他の部分を予熱するのに用いられる。第１のトッピングモジュール２０２及び第２のトッピングモジュール２１２から出力された後で、これらのカソード排気流は、組み合わされ、燃料フィードと水も受け入れる燃料加湿器（図示せず）に運ばれてよく、そこで、カソード排気からの廃熱は、蒸気を生じさせ、蒸気で燃料フィードを加湿するのに用いられる。カソード排気は、カソード排気における残りの廃熱が、入ってくる空気を予熱するのに用いられるように、熱交換器２４６に運ばれてよい。
【００７４】
図２に示された実施形態では、システム２００は、カソード排気からの水を回収するための水回収組立体２６０を含む。カソード排気における廃熱が、熱交換器２３６、２３８、燃料加湿器（図２には図示せず）、及び／又は熱交換器２４６で回収された後で、冷却されたカソード排気が、カソード排気からの水を回収する水回収組立体２６０に運ばれてよい。燃料電池システム２００の排気からの水を回収する水回収組立体２６０の詳細な構成は、図２には図示されない。水回収組立体２６０で回収された水は、燃料フィードを加湿するために燃料電池システム２００で再使用されてよい。図２に示すように、水が分離されたカソード排気は、次いで、ベントなどによってシステム２００から出力される。図２には示されないが、同じ又は別個の水回収組立体が、ボトミングアノード部分２２６から出力されるアノード排気の一部の中の水を回収するのに用いられてよい。本発明と同じ譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第８，３６７，２５６号は、水回収組立体２６０として用いられ得る例示的な水回収組立体を開示する。
【００７５】
上述のように、燃料電池システム２００は、燃料電池システム２００の種々のコンポーネント及び動作を制御するようにプログラムされたコントローラ２５２を含む。コントローラ２５２は、以下のうちの１つ又は複数を制御するようにプログラムされる：
（１）ボトミング燃料電池モジュール２２２のカソード排気を新しい空気で希釈し、第１のトッピングモジュール及び第２のトッピングモジュールに運ばれる吸気酸化剤ガス中のＣＯ２の温度及び濃度を制御するべく第１のトッピング燃料電池モジュール２０２及び第２のトッピング燃料電池モジュール２１２に供給される補充空気（新しい空気）の量、
（２）ボトミングモジュールに運ばれる酸化剤ガス中のＣＯ２濃度を制御するべくトッピングモジュール２０２、２１２に分流される酸化器２３３から出力される酸化剤ガスの量、
（３）第１のトッピング燃料電池モジュール２０２及び第２のトッピング燃料電池モジュール２１２のアノード部分とカソード部分との間の圧力差を制御し、低い圧力差を維持するべくアノードブースタブロワ２３２の動作、
（４）トッピング燃料電池モジュールのアノード部分とカソード部分との間の圧力差を制御し、低い圧力差を維持するべくカソード排気ブースタの動作、
（５）ボトミング燃料電池モジュールにおける所望の燃料利用率及び電流発生を達成するべくボトミング燃料電池モジュールに供給される補充燃料の量、
（６）ボトミング燃料電池モジュール２２２への吸気酸化剤ガスの温度を制御するべく熱交換器２４６の周りでバイパスされる空気の量、
（７）アノード排気の酸化のためにミキサ／エダクタ２３１に運ばれる予熱された空気の部分の量、
（８）第１のトッピング燃料電池モジュール及び第２のトッピング燃料電池モジュールのそれぞれに提供されるボトミング燃料電池モジュールから出力されるカソード排気の量、
（９）第１のトッピングモジュール及び第２のトッピングモジュールのカソード吸気温度を制御するべく、熱交換器２６４に供給される加熱された空気及び／又はボトミング燃料電池モジュールからのカソード排気の量、
（１０）ボトミング燃料電池モジュールへ入力される吸気酸化剤ガスの温度及びトッピング燃料電池モジュールへのカソード吸気温度を制御するべく空気ヒータ２６６の出力、
（１１）第１のトッピング燃料電池モジュール及び第２のトッピング燃料電池モジュールのそれぞれに提供される燃料フィードの量、
（１２）ボトムスタックから補充燃料を徐々に引き出し、該燃料をトッピングスタックに送達し、スタックの経時に伴うトッピングモジュールからボトミングモジュールへの出力のシフト。
【００７６】
コントローラによる上記の動作のうちの１つ以上の制御は、システムの実際の動作条件及び所望の動作、動作の長さ、及び他の因子に依存する。例えば、ボトミング燃料モジュール２２２によって発生する電流は、電気需要、例えば電気に関する顧客需要に基づいて制御され、したがって、電気需要が低いときに、コントローラ２５２はより少ない量の補充燃料がボトミング燃料電池モジュールに供給される又は供給されないように制御し、電気需要が増加するときに、コントローラ２５２はボトミング燃料電池モジュールに供給される補充燃料の量が増加するように制御する。或る実施形態では、コントローラ２５２は、タービンを通じて圧力が下がる前にエネルギー回収発電システムにおけるガス分配システムからの高圧天然ガスを加熱するための熱を提供するべく高効率燃料電池システムのプラント排気を熱交換器（図２には図示せず）に誘導してよい。ガス分配システムからの高圧天然ガスを加熱するための燃料電池発電プラントからの熱の使用は、本発明と同じ譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第８，０８０，３４４号に記載される。図２に示された例示的なシステムでは、トッピングモジュールから出力されるカソード排気は、ガス分配システムからの高圧天然ガスを加熱するための熱を提供するべく熱交換器（図示せず）に運ばれる。高圧天然ガスに熱を提供するための熱交換器が、入力空気を加熱するのに用いられる熱交換器２４６の上流又は下流に設けられてよい。
【００７７】
さらに、本発明において、第１のトッピング燃料電池モジュール２０２及び第２のトッピング燃料電池モジュール２１２の改質率はシステムの経時に伴い減少するので、コントローラ２５２は、ボトミングモジュール２２２に運ばれるメタンリッチ燃料である補充燃料が第１のトッピングモジュール２０２及び第２のトッピングモジュール２１２に徐々に分流されるように制御する。すなわち、システムが動作し続け、トッピングモジュール２０２、２１２における改質率が減少するのに伴い、より少ない補充燃料がボトミングモジュール２２２に送られ、燃料のより多くが第１のトッピングモジュール２０２及び第２のトッピングモジュール２１２に送られる。このようにして、トッピングモジュールのメタン冷却負荷の損失が、メタンを含むより多くの燃料の追加によって補われる。結果として、トッピングモジュールにおいて発生する電流は、動作時間に伴い減少し、ボトミングモジュール（単数又は複数）において発生する電流は、トッピングモジュール（単数又は複数）からボトミングモジュール（単数又は複数）に供給される未改質の燃料の量に基づいて動作時間に伴い増加する。さらに、ボトミングモジュールが、改質率が低下したトッピングモジュールからの未変換メタンを含む未変換燃料を受け入れるので、このような制御は、ボトミングモジュール２２２の冷却に影響を及ぼさない。
【００７８】
前述のシステム及びシステムの動作によれば、燃料は、最初に２つの並列のトッピング燃料電池モジュール２０２及び２１２に送られ、これは動作条件に応じて燃料の約６５％〜７５％を電気化学的に消費する。トッピング燃料電池モジュール２０２及び２１２からの燃料排気が、次いで、ボトミング燃料電池モジュール２２２に供給され、これはまた、追加の新しい燃料（補充燃料）を受け入れてよい。ボトミング燃料電池モジュール２２２は、これが受け入れた燃料の約６０〜７０％を電気化学変換反応で消費する。したがって、燃料電池システム２００は、全体で９０％に近い燃料の電気への変換を達成し、且つ６０％を超える電気変換効率を達成する。
【００７９】
本発明のシステム２００との比較での種々の従来のシステムの純電力出力、総燃料利用率、電気効率、燃料使用、及び生成されたパワーのキロワットあたりのコストを測るためにシミュレーションを行った。シミュレーションの結果を表２及び表３にまとめる。表２は、以下の燃料電池システム、すなわち、（１）２つのＭＷクラスのスタックモジュールを有するベースライン単純サイクルシステム、（２）２つのＭＷクラスのスタックモジュールを有する燃料電池−タービンシステム（米国特許第６，３６５，２９０号で説明されるシステムと類似）、（３）直列の２つのＭＷクラスのモジュールを有するシステム（米国特許第８，０６２，７９９号及び第８，２３６，４５８号で説明されるシステムと類似）、及び（４）図２に示すような３つのＭＷクラスのモジュールを用いる本発明の燃料電池システム（ＨＥＦＣ）の比較を提供する。
【００８０】
【表２】
0006513810.tif 000003
【００８１】
表２の結果によって示されるように、燃料電池システム２００は、最も高い純出力、燃料利用率、及び電気効率、並びに最も低い燃料使用及び生成されたパワーのキロワットあたりのコストを有する。本発明のシステム２００は、現在入手可能なＭＷクラスのモジュールを用いて構成することができるので、本発明は、最も低いｋＷあたりのコストで最も高いシステム効率を達成することができる。
【００８２】
上述のように、本発明において、ボトミング燃料電池モジュール２２２は、第１のトッピング燃料電池モジュール２０２及び第２のトッピング燃料電池モジュール２１２のそれぞれよりも低い電流密度を有する。表３は、システム２００のシミュレーションテストの結果を提供し、且つ第１のトッピング燃料電池モジュール２０２及び第２のトッピング燃料電池モジュール２１２及びボトミング燃料電池モジュール２２２に関する電力出力（ｋＷ）、電流密度（Ｃ．Ｄ．ｍＡ／ｃｍ２）、及び燃料利用率（Ｕｆ）の比較を示す。
【００８３】
【表３】
0006513810.tif 000004
【００８４】
表２から分かるように、ボトミング燃料電池モジュール２２２の電力出力、電流密度、及び燃料利用率は、燃料の希釈及び減少した改質−冷却のために、トッピング燃料電池モジュール２０２及び２１２のそれぞれの電力出力、電流密度、及び燃料利用率よりも低い。
【００８５】
コントローラ２５２は、ＧＥによって製造される従来のＰＬＣ（プログラム可能論理コントローラ）とすることができる。次に、使用される制御プログラムは、工業オートメーションのためのＧＥ  ＰＬＣにおいて実装可能なＧＥ製品である「Ｖｅｒｓａｐｒｏ」と呼ばれるソフトウェア製品とすることができる。他の実施形態では、コントローラは、Ｆｏｘｂｏｒｏによって製造される従来のＤＣＳ（分散制御システム）とすることができ、制御プログラムは、同じくＦｏｘｂｏｒｏによって製造される工業オートメーションのためのＤＣＳにおいて実装されるソフトウェアとすることができる。さらに別の実施形態では、コントローラは、従来のＰＬＣベースの「Ｉｃｏｎｉｃｓ」システムとすることができる。
【００８６】
本発明はまた、図２に示されたシステムのトッピングモジュール及びボトミングモジュールの燃料電池スタックにおける熱条件を制御することも考慮している。上述のように、トッピングモジュール及びボトミングモジュールの燃料電池スタックは、内部改質、特に、直接内部改質を含み、この場合、改質触媒はスタックのアノード区画内に分布する。特にボトミングモジュールのスタック（単数又は複数）における、燃料電池の熱均一性を改善するために、ボトミングモジュールにおける燃料電池は、トッピングモジュールにおける燃料電池とは異なる直接内部改質触媒の量及び空間的分布を用いる。具体的には、ボトミングモジュールの燃料電池において、直接内部改質触媒の装填密度は、セルの熱均一性を提供するべく燃料電池のアノード入口領域からアノード出口領域へ向かって徐々に増加する。対照的に、トッピングモジュールの燃料電池において、直接内部改質触媒の装填密度は、燃料の流れ方向と空気の流れ方向との両方に均一に分布される。
【００８７】
ボトミングモジュールの燃料電池に装填されている直接内部改質触媒及びボトミングモジュールにおける他の設計特徴もスタックのカソード入口での温度勾配を生じ、これはセルにおける熱均一性を改善する。具体的には、カソード入口温度勾配は、カソード吸気ガスの温度がアノード入口領域付近でより温かく且つアノード出口領域付近でより冷たい状態で華氏約１０〜２０度である。この温度勾配は、スタックのカソード入口面に１つ以上のバッフルを含むことによって達成されてよい。図３は、カソード入口面３００ａ、カソード出口面３００ｂ、アノード入口面３００ｃ、及びアノード出口面３００ｄ、並びにカソード入口面３００ａから約３〜５インチのところに設けられたバッフル３０２を有する燃料電池スタック３００の例示的な構成を示す。図３に示すように、バッフル３０２は、アノード出口付近の領域を除くカソード入口面の全体を覆い、吸気酸化剤ガスをカソード入口面３００ａのアノード出口領域の方に誘導するのに用いられる。アノード出口領域付近のさらなる酸化剤ガスの流れは、結果的にカソード入口面３００ａのアノード入口領域付近の温度と比べてこの領域により低い温度をもたらす。アノード出口付近の領域に入るカソード吸気ガスは、温度がより低いであろう。このガスは、カソード入口面３００ａの他の領域に入る前に燃料電池から熱を取り出すことになる。さらに、ボトミング燃料電池スタックのカソード入口での温度勾配は、バッフルの向きを調整するための１つ以上の外部レバー３０４によって調節又は調整することができる。バッフル３０２をカソード入口面３００ａから離れる方へ動かすことによって、温度勾配をより小さくすることができる。ボトミング燃料電池スタックのカソード入口での温度勾配の調整は、コントローラ２５２又は類似の装置によって制御されてよい。
【００８８】
さらに、或る実施形態では、ボトミングモジュールの燃料電池に装填されている直接内部改質触媒及びボトミングモジュールにおける他の設計特徴もボトミングスタックのアノード入口での温度勾配を生じ、これはさらにセルにおける熱均一性を改善する。具体的には、アノード吸気温度勾配は、アノード吸気ガスの温度がカソード入口領域付近でより温かく且つカソード出口領域付近でより冷たい状態で華氏約１０〜２０度である。この温度勾配は、スタックのアノード入口面に１つ以上のバッフルを含むことによって達成されてよい。図４は、カソード入口面４００ａ、カソード出口面４００ｂ、アノード入口面４００ｃ、及びアノード出口面４００ｄ、並びにアノード入口面４００ｃから約１〜３インチのところに設けられたバッフル４０２を有する燃料電池スタック４００の例示的な構成を示す。図４に示すように、バッフル４０２は、カソード出口付近の領域を除くアノード入口面の全体を覆い、アノード吸気ガスをアノード入口面４００ｃのカソード出口領域の方に誘導するのに用いられる。アノード入口に入るガスは、カソード出口領域へ向かってより冷たくなるであろう。このガスは、アノード入口面４００ｃの他の領域に入る前に燃料電池から熱を取り出すことになる。さらに、ボトミング燃料電池スタックのアノード入口の温度勾配は、ボトミングモジュール２２２への入力燃料ガスの温度を調節することによって調節又は調整することができる。例示的な例では、それぞれ第１のトッピングモジュール２０２及び第２のトッピングモジュール２１２からのアノード排気ガスを冷却するのに熱交換器を用いることができる。入力燃料ガスの温度を下げることによって、温度勾配を増加させることができる。
【００８９】
一部の実施形態では、第１のトッピングモジュール及び第２のトッピングモジュールは、トッピングモジュールのセルにおける熱均一性を改善するためにスタックのカソード入口での温度勾配を生じる組み込み設計特徴を含む。具体的には、カソード入口温度勾配は、カソード吸気ガスの温度がアノード出口領域付近でより温かく且つアノード入口領域付近でより冷たい状態で華氏約１０〜２０度である。この温度勾配は、スタックのカソード入口面に１つ以上のバッフルを含むことによって達成されてよい。図５は、カソード入口面５００ａ、カソード出口面５００ｂ、アノード入口面５００ｃ、及びアノード出口面５００ｄ、並びにカソード入口面５００ａから約３〜５インチのところに設けられたバッフル５０２を有する燃料電池スタック５００の例示的な構成を示す。図５に示すように、バッフル５０２は、アノード入口付近の領域を除くカソード入口面５００ａの全体を覆い、カソード吸気ガスをカソード入口面５００ａのアノード入口領域の方に誘導するのに用いられる。アノード入口付近の領域に入るカソード吸気ガスは、温度がより低いであろう。このガスは、カソード入口面５００ａの他の領域に入る前に燃料電池から熱を取り出すことになる。さらに、トッピング燃料電池スタックのカソード入口での温度勾配は、バッフルの向きを調整するための外部レバー５０４によって調節又は調整することができる。バッフルをカソード入口面から離れる方へ動かすことによって、温度勾配をより小さくすることができる。トッピング燃料電池スタックのカソード入口での温度勾配の調整は、コントローラ２５２又は類似の装置によって制御されてよい。
【００９０】
図２に示されたシステムは、モジュール（単数又は複数）の形態であり得る１つ以上のトッピングスタック（単数又は複数）とモジュール（単数又は複数）の形態であり得る１つ以上のボトミングスタック（単数又は複数）を用いる本発明のシステムの例示的な例であり、この場合、トッピングスタック（単数又は複数）からのアノード排気は、ボトミングスタック（単数又は複数）に運ばれ、ボトミングスタック（単数又は複数）からのカソード排気は、トッピングスタック（単数又は複数）に運ばれ、トッピングスタック（単数又は複数）及びボトミングスタック（単数又は複数）は、燃料利用率、燃料効率、システム内の熱均一性を改善し、及び電気のコストを下げるべく、トッピングスタックにおいてシステム電流の〜２／３を生じ且つボトミングスタック（単数又は複数）においてシステム電流の〜１／３を生じるように構成される。
【００９１】
すべての場合において、前述の構成は、本発明の適用を表す多くの可能な具体的な実施形態の単なる例示であることが理解される。多くの変更された他の構成が、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく本発明の原理に従って容易に考案され得る。
【図１】
0006513810.tif 000005
【図２】
0006513810.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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