(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード排出流及びカソード排出流を生成する燃料電池スタックを含む燃料電池システムであって、
（ａ）ｉ．燃料供給源、ｉｉ．蒸気発生用水熱交換器、ｉｉｉ．１次改質器、及びｉｖ．放射燃料熱交換器又は２次改質器を含む、前記スタックに改質油燃料を供給するための燃料供給組立体と、
（ｂ）ｉ．低温空気熱交換器、ｉｉ．高温空気熱交換器、及びｉｉｉ．放射空気熱交換器を含む、前記スタックに空気を供給するための空気供給組立体と、
（ｃ）前記燃料電池スタックから前記アノード排出流及び前記カソード排出流を受け、該排出流を燃焼させて燃焼流を生成するアフターバーナーと、
を備え、
（ｄ）前記燃焼流が、前記１次改質器、前記高温空気熱交換器、前記水熱交換器及び前記低温空気熱交換器に熱エネルギーを供給し、
（ｅ）前記放射空気熱交換器と前記放射燃料熱交換器又は前記２次改質器とが、各々、前記スタックに直接的に露出する大面積を有して、該スタックから最大量の放射熱エネルギーを取り込む、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
構成要件（ａ）（ｉｖ）が２次改質器である請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
改質油供給源、第１供給空気流、及び第２供給空気流を受けて、前記スタックに対して温度が均一化された改質流及び空気流を出力する均一化熱交換器を更に備える請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記アフターバーナーに関連付けられた起動ヒータを更に備え、該起動ヒータが、前記１次改質器、前記高温空気熱交換器、前記水熱交換器、及び、前記低音空気熱交換器を加熱する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
スタック域にある前記スタックを外部から加熱するためのスタックヒータを更に備える請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記空気供給組立体が、前記高温空気熱交換器を通過する第１空気流と前記放射空気熱交換器を通る第２空気流とを備え、前記第１空気流と前記第２空気流が前記放射空気熱交換器から下流側で合流する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記空気供給組立体が、前記高温空気熱交換器及び前記放射空気熱交換器を直列に通過する空気流を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記空気供給組立体が更に、前記高温空気熱交換器を通過しないバイパス空気流を含む請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記水熱交換器が蒸気を発生して、燃料と該蒸気を混合する請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
スタックを含む燃料電池システムであって、
（ａ）プロセス燃料供給源、水熱交換器、１次改質器、及び放射燃料熱交換器を含む改質油流を生成するための燃料供給組立体と、
（ｂ）低温空気熱交換器、高温空気熱交換器、及び放射空気熱交換器を含む空気供給組立体と、
（ｃ）前記燃料電池スタックから前記アノード排出流及びカソード排出流を受け、該排出流を燃焼させて燃焼流を生成するアフターバーナーと、
を備え、
（ｄ）前記水熱交換器及び低温空気熱交換器が低温域において集められ、
（ｅ）前記アフターバーナー、高温空気熱交換器、及び１次改質器が高温域において集められ、
（ｆ）前記放射燃料熱交換器、放射空気熱交換器、及び燃料スタックがスタック域において集められていることを特徴とするシステム。
【請求項１１】
前記高温域が前記低温域及びスタック域の各々と当接しているが、熱的に隔離されている請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記スタックを囲むスタック室を更に備え、前記スタック室が前記放射燃料熱交換器及び前記放射空気熱交換器によって全体的又は部分的に形成されている、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記放射燃料熱交換器が２次改質器を含む請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記スタック室を加熱するためのスタック室ヒータを更に備える請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記放射空気熱交換器が、隔離層によって隔てられた少なくとも２つの平面空気流チャンバを有する少なくとも１つの平面部分を含む請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記放射熱交換器が内部、中間、及び外部平面空気流チャンバを含み、前記隔離層が前記内部空気流チャンバと前記中間空気流チャンバとを隔てている請求項１５に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記アフターバーナーが、前記アノード排出流中で原燃料又は未使用燃料のいずれか、又は、前記アノード排出流中で原燃料及び未使用燃料の両方を燃焼する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記アフターバーナーから前記空気供給源及び前記燃料供給源に熱を伝達させるためのアフターバーナー熱交換器、をさらに具備する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記空気供給源が、前記アフターバーナー熱交換器から熱を受け取る第１空気流と、前記放射熱交換器から熱を受け取る第２空気流とを含み、前記第１空気流及び前記第２空気流が前記アフターバーナー熱交換器及び前記放射熱交換器から下流側の地点で合流する、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記空気供給源が前記アフターバーナー熱交換器を通過した後に前記放射熱交換器を通過し、前記燃料供給源が前記アフターバーナー熱交換器を通過した後に前記放射熱交換器を通過する、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２１】
前記２次改質器及び前記放射空気熱交換器が前記スタックの周りに筐体を定め、
前記放射空気熱交換器が前記筐体の３つの側部を形成し、
前記２次改質器又は放射燃料熱交換器が前記筐体の１つの側部を形成する、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱的に統合された高温燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物燃料電池のような高温燃料電池は、カソード及びアノード間に挟まれた電極を備える。以下の反応により、酸素はカソードで電子と反応して酸素イオンを形成し、該イオンはイオン伝導性セラミック電極を通じてアノードに伝導される。
１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｏ2-              （１）
アノードにおいて、以下の発熱反応に従って酸素イオンは水素及び一酸化炭素と結合して水と二酸化炭素を形成し、これにより電子を放出する。
Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-          （２）
ＣＯ＋Ｏ2-→ＣＯ2＋２ｅ-          （３）
【０００３】
従来設計の固体酸化物燃料電池においては、上記電気化学反応は通常、６００℃から１０００℃の間の温度で行われる。従って、燃料電池システムの設計において熱管理は重要な考慮事項である。ＳＯＦＣスタックは高品位の熱を生成し、この高品位の熱を取り込んで使用することができれば、全体の動作効率が明らかに改善されることになろう。
【０００４】
通常、到来する燃料流及び空気流は、スタックが大気温度である時は作動開始中に、スタックが高温の時は作動状態中の両方で予熱される。スタック排出ガスから熱を取り出すために熱交換器を使用すること、及び到来ガス流を予熱するためその熱を利用することは良く知られている。
【０００５】
ＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＵＳ０２／１２３１５（ＷＯ０２／０８７０５２）では、燃焼域及び熱交換器を含む廃エネルギー部分組立体が提供されている。分離改質器部分組立体は、システムを加熱するために燃焼される燃焼域に改質油を供給する。作動状態になると、スタック排気は燃焼域で燃焼され、熱交換器において熱が到来空気流及び改質油流に伝達される。出願人の同時係属であるＰＣＴ出願番号ＣＡ０１／０１０１４において、燃料電池スタックと関連付けられ、且つアフターバーナー、燃料改質器及び熱交換器を含む統合モジュールが記載されている。アフターバーナーは燃料電池排出流の未使用燃料を燃焼させ、燃料改質器及び到来カソード空気流を加熱する。
【０００６】
これらの技術双方の目的が燃料電池システムを熱的に統合することであり、幾らかの熱的統合が達成される。しかしながら、更なる統合及びより良好な効率を達成できる可能性がある。
従って、熱的に統合された燃料電池システムに対する当該技術分野における必要性が存在する。
【０００７】
【特許文献１】ＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＵＳ０２／１２３１５（ＷＯ０２／０８７０５２
【特許文献２】出願者の同時係属ＰＣＴ出願番号ＣＡ０１／０１０１４
【特許文献３】同時係属米国特許出願番号０９／６８２，０１９、２００１年７月１０日出願、名称「固体酸化物燃料電池システムのための統合モジュール」
【発明の開示】
【０００８】
本発明は熱的に統合された燃料電池システムを提供する。本発明の１つの態様では、本発明は、アノード排出流及びカソード排出流を生成する燃料電池スタックを含む燃料電池システムを含み、該システムは、
（ａ）ｉ．燃料供給源、ｉｉ．蒸気発生用水熱交換器、ｉｉｉ．１次改質器、及びｉｖ．放射燃料熱交換器を含む、スタックに改質油燃料を供給するための燃料供給組立体と、
（ｂ）ｉ．低温空気熱交換器、ｉｉ．高温空気熱交換器、及びｉｉｉ．放射空気熱交換器を含む、スタックに空気を供給するための空気供給組立体と、
（ｃ）燃料電池スタックからアノード排出流及びカソード排出流を受け、該排出流を燃焼させて燃焼流を生成するアフターバーナーと、
を備え、
（ｄ）燃焼流が、１次改質器、高温空気熱交換器、水熱交換器及び低温空気熱交換器に熱エネルギーを供給し、
（ｅ）放射空気熱交換器及び放射燃料熱交換器が各々、スタックからの放射熱エネルギーを受け取る。
【０００９】
１つの実施形態においては、放射燃料熱交換器は追加的な燃料改質が起こる２次改質器であっても良い。空気供給組立体は、高温空気熱交換器を通過する第１空気流と放射空気熱交換器を通過する第２空気流とを含み、第１空気流と第２空気流は放射空気熱交換器の下流側で合流する。システムは、改質油供給源、第１空気流及び第２空気流を受け取る均一化熱交換器を付加的に含むことができ、均一化された温度の改質油流及び空気流をスタックに出力する。
【００１０】
別の実施形態においては、空気供給組立体は、高温空気熱交換器及び放射空気熱交換器を直列に通過する空気流を含むことができる。任意選択的に、空気供給組立体は更に、高温空気熱交換器を通過しないバイパス空気流を含むことができる。同様に、燃料供給組立体は更に、改質器の改質量を効率的に調整する、燃料改質器を通過しないバイパス燃料流を含むことができる。
【００１１】
別の態様において、本発明は、
（ａ）プロセス燃料供給源、水熱交換器、１次改質器、及び放射燃料熱交換器を含む改質油流を生成するための燃料供給組立体と、
（ｂ）低温空気熱交換器、高温空気熱交換器、及び放射空気熱交換器を含む空気供給組立体と、
（ｃ）燃料電池スタックから前記アノード排出流及びカソード排出流を受け、該排出流を燃焼させて燃焼流を生成するアフターバーナーと、
を備え、
（ｄ）水熱交換器及び低温空気熱交換器が低温域において集められ、
（ｅ）アフターバーナー、高温空気熱交換器、及び１次改質器が高温域において集められ、
（ｆ）放射燃料熱交換器、放射空気熱交換器、及び燃料スタックがスタック域において集められているスタックを含む燃料電池システムを備えることができる。
【００１２】
１つの実施形態においては、放射熱交換器は２次改質器とすることができる。１つの実施形態において、高温域が低温域及びスタック域の各々と当接しているが、熱的に隔離されている。本システムは更に、スタックを囲むスタック室を備えることができ、該スタック室は放射燃料熱交換器及び放射空気熱交換器によって全体的又は部分的に形成される。
【００１３】
本発明の別の態様においては、本発明は燃料電池スタックを備え、
（ａ）スタックに空気を供給するための空気供給源と、
（ｂ）スタックに改質油燃料を供給するための燃料改質器を含む燃料供給源と、
（ｃ）アノード排出流中で原燃料又は未使用燃料のいずれか、又はアノード排出流中で原燃料及び未使用燃料の両方を燃焼させるアフターバーナーと、
（ｄ）アフターバーナーから空気供給源及び燃料供給源に熱を伝達させるためのアフターバーナー熱交換器と、
（ｅ）主に放射によって燃料電池スタックから空気供給源及び燃料供給源に熱を伝達させるための放射熱交換器と、
を更に備える燃料電池システムを備えることができる。
【００１４】
１つの実施形態においては、空気供給源は、アフターバーナー熱交換器から熱を受け取る第１空気流と放射熱交換器から熱を受け取る第２空気流とを含むことができ、第１空気流及び第２空気流はアフターバーナー熱交換器及び放射熱交換器から下流側の地点で合流する。別の実施形態では、空気供給源はアフターバーナー熱交換器を通った後放射熱交換器を通過することができ、燃料供給源はアフターバーナー熱交換器を通った後放射熱交換器を通過することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、簡略化された縮尺通りでない添付の概略図面を参照しながら例示的な実施形態により本発明を説明する。
本発明は、熱的に統合された燃料電池システムを提供する。本発明を説明する際に、本明細書に定義されない全ての用語は、一般的な技術認識下での意味を有する。
【００１６】
一般に、本発明のシステムは、取り込みの流れを予熱するため燃料電池システムの排出側から取り入れ側に主に熱交換することによって熱的統合を達成する。加えて、燃料電池スタック自体からの放射熱が取り込まれる。本明細書に説明される本発明の特徴は、システムの効率又は制御性を高めることとすることができる。
【００１７】
図１は、本発明の高品位な熱源及びヒートシンクの一般化された概略図である。実線の矢印は熱交換を表しており、流体の流れではない。破線矢印が流体の流れを表す。本発明のシステムは、燃料電池スタック（１０）自体、及びアフターバーナー（１２）の２つの熱源を含む。本発明のシステムはまた、プロセス空気流及びプロセス燃料流である２つのヒートシンクを含む。後者は燃料改質器である。図１に示すように、２つのヒートシンクの各々は、両方の熱源から熱を受け取る。１つの実施形態では、プロセス空気流（１４）はアフターバーナーで加熱され、スタックでも加熱される。
【００１８】
図１に示されている１つの実施形態では、プロセス空気流は並列に流れる２つの別個の部分に分離することができる。従って、プロセス空気流の一部（１４Ａ）は、主にスタックから熱を受け取り、一方、プロセス空気流の第２の部分（１４Ｂ）はアフターバーナーから主に熱を受け取る。その後、２つの部分はスタック（１０）に入る前に再結合することができる。プロセス燃料流（１６）は、アフターバーナーから、及び更にスタックから熱を受け取るが必ずしも並行流に分離される訳ではない。このプロセス燃料流の分離は２つの直列部分として考えることができる。このヒートシンクの分割はシステムの熱統合においてより大きな制御性をもたらす。この制御システムは、第２部分から空気ヒートシンクの第１の部分を通るより大きな流れを変えることができ、該第２部分は空気流の第１部分に関連する熱源の冷却を増大させる作用を有することになる。
【００１９】
プロセス空気流の第１と第２部分が並列に流れる実施形態は、内部燃料改質能力がほとんど無いか全くない高温燃料電池スタックにより好適とすることができる。２つの熱源間に直接の熱的リンクが存在しないことが好ましい。更に好ましくは、２つの熱源は断熱により互いに隔離されており、これによりいずれの熱源も別個の熱的可用性が維持される。
【００２０】
プロセス空気流及びプロセス燃料流である２つのヒートシンクを２つの部分への分離、すなわち、１つの部分が高品質熱源としてスタックに熱的に連結され、別の部分が他の高品質熱源としてアフターバーナーに熱的に連結されていることは、システムの制御性を高めることを可能にし、より高度な熱効率をもたらすことができる。例えば、スタックは、熱的に該スタックに連結されている部分を通してプロセス空気流の大部分を配向することによって冷却することができる。別の実施例においては、より大きな燃料消費の結果、アフターバーナーによって生成される熱がより少ない場合には、スタックから生じるより多くの熱をヒートシンクによって利用することができる。これら並びに他の制御方法は当業者には明らかであろう。
【００２１】
従って、図２に概略的に示されている本発明の１つの実施形態において、燃料電池システムは、プロセス燃料源（２０）及びプロセス空気源（２２）を備え、その両方が大気温度にあるものとすることができる。燃料流（２０）は、蒸気発生器（２６）又は水熱交換器によって発生される蒸気（２４）と混合される。別の実施形態においては、燃料は、蒸気発生器（２６）又は水熱交換器に入る前に水と混合され、或いは熱交換器自体内部で混合することができる。次に、混合された蒸気／燃料流（２８）は、接触蒸気改質、又は部分酸化改質或いはこれらの改質プロセスの何らかの組み合わせを使用して、水素又は水素と一酸化炭素との混合物（合成ガス）に改質する１次改質器（３０）に入る。１つの実施形態においては、１次改質器は、天然ガスなどの炭化水素の蒸気改質を実装する蒸気改質器である。次に、改質油流（３２）が、水素又は合成ガスへの追加の改質が起こる２次改質器（３４）中を通過し、必要な場合スタックからの放射熱を利用する。この２次改質器は、１次改質器として同じ又は異なる改質プロセスを実施しても良い。
【００２２】
次いで、２次改質油流（３５）は任意選択的な均一化熱交換器（３６）を通過し、該均一化熱交換器は燃料電池スタック（１０）に入る前に改質油流（３５）と加熱空気流（４８）との間の温度を均一化するよう機能し、更にスタック（１０）からの一部の熱エネルギーを受け取る。均一化熱交換器は、任意選択の構成要素であり、スタックと到来する反応物質との間のどのような温度勾配をも最小にするのを助けることができる。
【００２３】
空気源（２２）は、当初、低温空気熱交換器（３８）に導入され、ここで２つの流れに分割される。弁（３９）又はダイバータ、或いは独立弁は、空気を均等に２つの流れに、又は他を除外して１つの流れに配向し、或いは空気の大部分を１つの流れに配向することができる。弁（３９）に対する高温材料の必要性を排除するように、低温空気熱交換器中に導入する前に空気流を分割することが好ましい。第１空気流（４０）は、高温空気熱交換器（４２）を通過し、一方、第２空気流（４４）は放射熱交換器（４６）に入る。その後、高温空気熱交換器（４２）及び放射空気熱交換器（４６）からの２つの流れは、均一化熱交換器（３６）又はスタック自体（１０）に入る前に加熱空気流（４８）中に混合される。
【００２４】
スタック中で反応すると、カソード排気（５０）及びアノード排気（５２）は、排気流中のいかなる残留燃料も燃焼されるアフターバーナー（５４）中を通過する。カソード及びアノード排気はこの段階で混合され、カソード排気は、アフターバーナー（５４）中のいかなる残可燃性燃料も燃焼させるのに必要とされる残留酸素を供給することが好ましい。高温アフターバーナー排気（５６）は、１次改質器（３０）中の燃料入力流、及び高温空気熱交換器（４２）中の空気入力流を加熱するために最初に使用される。１つの実施形態においては、アフターバーナー（５４）は、１次改質器（３０）及び統合モジュール（図示せず）であっても良いアフターバーナー熱交換器（５４）中の高温空気熱交換器と結合される。例示的な統合モジュールは、２００１年７月１０日出願の名称「固体酸化物燃料電池システムの統合モジュール」の同時係属の米国特許出願番号０９／６８２，０１９に図示され説明されており、本特許の内容が引用により本明細書に組み込まれる。本明細書で使用される「アフターバーナー熱交換器」は、アフターバーナー又はアフターバーナー排気からの熱を取り出すどのような熱交換器をも意味するものとする。従って、１次改質器（３０）及び高温空気熱交換器（４２）は両方とも、アフターバーナー熱交換器の一部とみなすことができる。
【００２５】
アフターバーナー熱交換器を出るときには、高温排出流（５６）を用いて、燃料供給源において蒸気発生器（２６）又は水熱交換器、並びに空気供給源において低温空気熱交換器（３８）を加熱することができる。排出流を分割して、これらの熱交換器要素を加熱することができ、或いはこれらを順次加熱しても良い。
【００２６】
１つの実施形態においては、２次改質器（３４）及び放射熱交換器（４６）は、スタック（１０）から放射熱エネルギー（Ｒ）を受け取るように配置される。スタックからの熱は電子化学的スタック反応の非効率性により利用可能である。
【００２７】
アフターバーナーはまた、起動バーナー、又は起動バーナー機能を含み、これが未改質又は原燃料を燃焼させ、アフターバーナー（５６）と同じ排気中に排出する。
【００２８】
本発明の別の実施形態においては、図３に概略的に示されるように、燃料電池システムは、両方とも大気温度であるプロセス燃料源（２２０）とプロセス空気源（２２２）とを含む。燃料流（２２０）は、水熱交換器（２２６）又は蒸気発生器によって発生された蒸気（２２４）と混合される。次に、混合された蒸気／燃料流（２２８）は１次改質器（２３０）に入る。1つの実施形態においては、１次改質器は、天然ガスを合成ガスに改質する蒸気改質器である。次いで、改質油流（２３２）は、放射燃料熱交換器中に通され、ここで改質油流は燃料電池スタックからの放射によって加熱される。次に、改質油流は燃料電池スタックに入る。
【００２９】
図３に示された実施形態においては、上述の任意選択的な均一化熱交換器が省略されている。均一化熱交換器は、任意選択的な構成要素であり、スタックと到来する反応物質との間の温度勾配を最小にするのを助けることができる。
【００３０】
放射燃料熱交換器（２３４）の上流側の地点でプロセス燃料流に未加熱で且つ未改質の燃料を加えるバイパス燃料流（２５０）を供給することができる。バイパス燃料流を用いて、スタック（１０）によって使用される燃料の炭化水素の混合を調節し、スタック（１０）に入る燃料の温度を低下させることができる。
【００３１】
空気源（２２２）は、低温空気熱交換器（２３８）中を通過し、そこから高温空気熱交換器（２４２）に入る。1つの実施形態においては、バイパス空気源（２４３）は、低温及び高温空気熱交換器の双方を迂回して、放射熱交換器（２４６）の上流側でプロセス空気流（２２２）と合流する。バイパス空気源は、冷却空気源を提供し、必要であればスタックを冷却するのに使用することができる。次いで、プロセス空気流（２２２）は、放射空気熱交換器（２４６）を通過して加熱空気流（２４８）を生成し、これがスタック（１０）又は任意選択的な均一化熱交換器（図示せず）を通過する。バイパス空気源の制御は、スタック温度を効果的に制御する１つの手段を提供することができる。
【００３２】
スタックにおいて反応すると、カソード排気（５０）及びアノード排気（５２）がアフターバーナー熱交換器組立体（５４）中を通過し、ここで排出流中のどのような残留燃料も上述のように燃焼される。次に、アフターバーナー燃焼流は、上述のように熱交換に使用される。
【００３３】
本発明の１つの態様では、本発明の実施は、高温域（１００）及び低温域（１０２）に分けることができる。低温域は、低温空気熱交換器（３８、２３８）及び蒸気発生器又は水熱交換器（２６、２２６）を含む。高温域（１００）は更に、スタック域（１０４）及びバーナー域（１０６）に分割することができるが、１つの実施形態ではこれらは統合モジュールとすることもできる。図４に示されているように、スタック域（１０４）は、燃料電池スタック（１０）、放射空気熱交換器（４６、２４６）、均一化熱交換器（３８）、及び２次改質器（３４）又は放射燃料熱交換器（２３４）を含む。２次改質器及び放射熱交換器はスタック（１０）を囲むことができ、該スタックからの最大熱量を取り込むためにスタックに直接露出する大面積を有するのが好ましい。スタック域は、好ましくは大気への熱損失を最小にするため断熱される（１０８）。バーナー域又は統合モジュール（１０６）はまた、アフターバーナー（５４）、高温空気熱交換器（４２）及び１次改質器（３０）を含む高温域である。バーナー域又は統合モジュール（１０６）もまた断熱されるのが好ましい。
【００３４】
１つの実施形態において、スタック域はスタック室に収容され、起動、停止又は他の低温作動のため電気的に加熱できる触媒コンバータを通って放出される。スタックから漏洩するあらゆる燃料ガスはスタック室内に収容され、スタック域内で直接燃焼されるか、又は大気へ放出される前に触媒コンバータによって除去される。均一化熱交換器（３８）、及びスタック室バーナー（５０）（使用される場合）は、スタック室内に配置される。
【００３５】
スタック域の１つの実施形態が図５に水平断面図で示されている。スタック（１０）の水平底面積は四角形である。従って、スタック筐体は、スタックの垂直長手軸に対し並行であり、また四角形である。１つの実施形態では、放射空気熱交換器（４２、２４６）は筐体の３つの側部を形成し、２次改質器（３４）又は放射燃料熱交換器（２３４）は４つ目の側部を形成する。次いで、均一化熱交換器をスタックの下に配置することができ、これは図４又は図５では図示されていない。他の実施形態では、スタック筐体は円形とすることができ、或いは別の幾何形状を使用しても良い。
【００３６】
図５を参照すると、空気は、垂直マニホールド（２０８Ａ）を通って放射空気熱交換器（４６、２４６）に入り、外部空気流チャンバ（２００）を通過した後、方向を反転して中間空気流チャンバ（２０２）を通過する。次いで、空気は、再び反転して、内部空気流チャンバ（２０４）を通過した後、別の垂直マニホールド（２０８Ｂ）から出て、スタック（１０）又は均一化熱交換器へ入る。断熱層（２０６）は中間チャンバ（２０２）と内部チャンバ（２０４）との間に設けることができる。
【００３７】
全システムが大気温度である時のスタック（１０）の起動は、カソード及び排出流、並びにスタック室を最初に空気で浄化することにより開始される。プロセス空気流が、主に第１の流れを通って始まり、これにより放射熱交換器（４６）が排除される。１つの実施形態では、スタック室熱交換器（５０）が、スタックへの初期熱を供給するためスタック域内に備えられる。スタック室熱交換器（５０）は、電気ヒーター又はバーナーとすることができ、通常は起動手順の最初で作動される。スタック室ヒータが約２００℃までスタック温度を上昇させると、次にアフターバーナーに付随する起動バーナーが点火される。
【００３８】
この段階において、好ましい起動手順は、アノード浄化ガスが使用されるか否かに依存する。アノード浄化ガスは、少量の水素を有する窒素又はアルゴンの混合物を含むことができ、システム起動時の燃料改質器中の還元性雰囲気並びにＳＯＦＣアノードを維持するよう機能する。アノード浄化ガスが使用される場合には、浄化ガス流はスタック室ヒータの作動後、及び起動バーナーの点火後に始動される。起動バーナー及びスタック室バーナーが、約７００℃、又はスタック作動温度を僅かに下回る温度までスタック温度上昇させると、浄化ガスからプロセス燃料に切り替えることができる。
【００３９】
アノード浄化ガスが使用され、起動手順がプロセス燃料及び改質油だけを使用する場合には、プロセス燃料流は起動バーナーが点火された後に起動される。蒸気改質型システムでは、プロセス燃料流の炭素に対する蒸気比が約１．８から約３．５の範囲内を確保するのが好ましく、システム内への炭素析出を防ぐため作動温度の間は約２．６がより好ましい。炭素に対する蒸気比は、熱力学的特性及び反応物質の平衡条件が許容するような起動処置の間、より低い値から動作値まで立ち上がることができる。
【００４０】
起動バーナーからの高温排気は、１次改質器（３０）、高温及び低温空気熱交換器（４２、３８）の両方、並びに蒸気発生器（２６）又は水熱交換器（２２６）を加熱する。１次改質器がその作動温度に達し、且つ空気熱交換器が空気を加熱すると、燃料電池スタックが動作を開始し、スタック内の発熱反応が電気と熱の生成を開始することができる。1つの実施形態においては、起動の間、空気流の全部又は大部分が第１の流れ（４０）を通って配向されることが好ましく、これによって放射空気熱交換器（４６）を排除することができる。燃料電池スタック（１０）が作動温度に近づいて作動を開始すると、十分な放射熱が生成され、放射熱交換器（４６）並びに高温空気熱交換器（４２）の使用が可能になる。燃料電池スタックが作動温度に到達すると、スタック室バーナー（５０）を停止することができる。スタック室バーナーは、適切なスタック温度を維持するために低動力を必要となる可能性がある。
【００４１】
システムのより大きな熱的制御を可能にするためにスタック域とバーナー域との間に断熱材を設けることが好ましい。スタック域の温度は、バーナー域からスタック域への伝導性熱伝達を排除又は減少させることにより、より正確に独立して制御することができる。
【００４２】
当業者には明らかなように、本明細書で特許請求される本発明の範囲を逸脱することなく、様々な修正、応用及び上記の具体的開示の変形を行うことができる。説明された本発明の種々の特徴及び要素は、本発明の範囲を逸脱することなく、本明細書で説明され、もしくは特許請求された組み合わせとは異なる方法で結合してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は本発明の１つの実施形態の概略図である。
【図２】図２は本発明の１つの実施形態の概略図である。
【図３】図３は本発明の１つの代替的実施形態の概略図である。
【図４】図４は本発明のシステムの異なる域を示す概略断面図である。
【図５】図５は１つの実施形態のスタック域の断面詳細図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０  燃料電池スタック
１２  アフターバーナー
１４Ａ  プロセス空気流の一部
１４Ｂ  プロセス空気流の第２部分
１６  プロセス燃料流
【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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