(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ｉ）少なくとも１つの中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）を備え、アノード入口、カソード入口、アノードオフガス出口、カソードオフガス出口を有し、アノード入口ガス、カソード入口ガス、アノードオフガスおよびカソードオフガスの流れのための別々の流路を画定する、少なくとも１つの燃料電池スタック、ならびに
（ｉｉ）炭化水素燃料を改質物に改質するための、アノード入口ガスの改質器入口、アノード入口ガスを排出するための改質器出口、および内部で改質反応が生じる改質器熱交換器を有する、水蒸気改質器
を備え、
（ａ）燃料源から前記水蒸気改質器、前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノード入口までのアノード入口ガス流体流路、
（ｂ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノードオフガス出口から燃料電池システム排出口までのアノードオフガス流体流路、
（ｃ）少なくとも１つの酸化剤入口から前記改質器熱交換器、前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口までのカソード入口ガス流体流路、および
（ｄ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソードオフガス出口から前記燃料電池システム排出口までのカソードオフガス流体流路
を画定する、中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システムであって、
前記改質器熱交換器が（ｉ）前記少なくとも１つの酸化剤入口および前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口、ならびに（ｉｉ）前記燃料源および前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノード入口と流体流連通したパラレルフロー型熱交換器であり、前記カソード入口ガスおよび前記アノード入口ガスの間で熱を交換するように構成される、システム。
【請求項２】
前記酸化剤入口および前記改質器熱交換器の間で前記カソード入口ガス流体流路中に配置される少なくとも１つの酸化剤加熱器、少なくとも１つの酸化剤送風器、燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサー、燃料電池スタックカソードオフガス温度センサーおよび制御手段をさらに備え、前記制御手段が、前記少なくとも１つの酸化剤送風器および前記少なくとも１つの酸化剤加熱器による入口酸化剤の加熱を、前記カソード入口ガス温度センサーを所定の温度またはその近傍に、前記カソードオフガス温度センサーを所定の温度またはその近傍に維持するように、制御するように適合される、請求項１に記載の中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの酸化剤入口から前記改質器熱交換器、前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口までの入口酸化剤メインパス、ならびに
前記少なくとも１つの酸化剤入口から前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口まで、および／または前記少なくとも１つの酸化剤入口から前記改質器熱交換器、前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口までの少なくとも１つの入口酸化剤バイパスをさらに備える、請求項１または２に記載の中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの酸化剤加熱器が前記入口酸化剤メインパス中に配置される、請求項２に従属する請求項３に記載の中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システム。
【請求項５】
前記少なくとも１つの入口酸化剤バイパスが、１つは前記少なくとも１つの酸化剤入口から前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口まで、およびもう１つは前記少なくとも１つの酸化剤入口から前記改質器熱交換器入口、前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口までの、少なくとも２つの入口酸化剤バイパスを備える、請求項３または４に記載の中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システム。
【請求項６】
前記入口酸化剤メインパスおよび／または前記少なくとも１つの入口酸化剤バイパス中に配置される、少なくとも１つの酸化剤送風器をさらに備える、請求項３、４または５に記載の中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システム。
【請求項７】
前記少なくとも１つの入口酸化剤バイパスおよび前記入口酸化剤メインパスの間の入口酸化剤流量を制御するため、少なくとも１つの調節可能な入口酸化剤流量分配器をさらに備える、請求項３〜６のいずれかに記載の中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システム。
【請求項８】
前記１つの入口酸化剤バイパスおよび前記別の入口酸化剤バイパスの間の入口酸化剤流量を制御するため、１つの調節可能な入口酸化剤流量分配器をさらに備える、請求項５、または請求項５もしくはこれに従属するいずれかの請求項に従属する請求項６もしくは７に記載の中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システム。
【請求項９】
調節可能な入口酸化剤流量分配器、
入口酸化剤バイパス、および
入口酸化剤メインパス
をさらに備え、
前記制御手段が、前記調節可能な入口酸化剤流量分配器を、前記入口酸化剤バイパスおよび前記入口酸化剤メインパスの間の入口酸化剤流量を制御するように、制御するように構成され、前記少なくとも１つの酸化剤加熱器が前記入口酸化剤メインパス中に配置される、請求項２に記載の中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システム。
【請求項１０】
前記酸化剤加熱器が少なくとも１つの熱交換器を備える、請求項２〜９のいずれかに記載の中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの酸化剤加熱器が、前記燃料電池スタックアノードオフガス出口および燃料電池スタックカソードオフガス出口の少なくとも１つと流体流連通し、（ａ）前記燃料電池スタックアノードオフガス出口および前記燃料電池スタックカソードオフガス出口の前記少なくとも１つからのガス流、ならびに（ｂ）前記入口酸化剤の間で熱を交換するように構成される、酸化剤予備加熱器熱交換器を備える、請求項１０に記載の中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノードおよびカソードオフガス出口と流体流連通し、テールガス燃焼器排出口を有し、前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノードおよびカソードオフガス出口から前記テールガス燃焼器排出口、前記酸化剤予備加熱器熱交換器、前記燃料電池システム排出口までの流体流路を画定する、テールガス燃焼器をさらに備える、請求項１１に記載の中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システム。
【請求項１３】
前記酸化剤加熱器が、前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノードオフガス出口と流体流連通し、（ａ）前記アノードオフガス出口からのガス流、および（ｂ）前記入口酸化剤の間で熱を交換するように構成される、アノードオフガス熱交換器を備え、請求項１０〜１２のいずれかに記載の中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システム。
【請求項１４】
前記アノードオフガス熱交換器および前記テールガス燃焼器の間でアノードオフガス流体流路中に配置される凝縮器熱交換器をさらに備え、前記凝縮器熱交換器が前記アノードオフガスおよび冷却流体の間で熱を交換するように構成される、請求項１２に従属する請求項１３に記載の中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システム。
【請求項１５】
前記凝縮器熱交換器および前記テールガス燃焼器の間でアノードオフガス流体流路中に配置される分離器をさらに備え、前記分離器が前記アノードオフガスから凝縮物を分離するように構成される、請求項１４に記載の中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システム。
【請求項１６】
前記分離器が分離器凝縮物出口をさらに備え、前記凝縮物出口を介して前記凝縮物を排出するように構成される、請求項１５に記載の中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システム。
【請求項１７】
前記燃料源と流体流連通した燃料入口、水源と流体流連通した水入口、および蒸発器排出口を有し、前記燃料源および前記水蒸気改質器の間のアノード入口ガス流体流路中に配置される蒸発器、ならびに
（ａ）前記アノードオフガス出口およびカソードオフガス出口の少なくとも１つ、ならびに（ｂ）前記燃料電池システム排出口の間で流体流路中に配置される蒸発器熱交換器をさらに備え、
前記蒸発器熱交換器が（ａ）前記アノードオフガス出口および前記カソードオフガス出口の前記少なくとも１つからのガス流、ならびに（ｂ）前記アノード入口ガスおよび前記水の少なくとも１つの間で熱を交換するように構成される、請求項１〜１６のいずれかに記載の中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システム。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの酸化剤入口から前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口までの少なくとも１つの入口酸化剤バイパス、
前記少なくとも１つの酸化剤入口から前記改質器熱交換器、前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口までの入口酸化剤メインパス、ならびに
前記少なくとも１つの入口酸化剤バイパスおよび前記入口酸化剤メインパスの間の入口酸化剤流を制御するため、前記少なくとも１つの入口酸化剤バイパスおよび前記入口酸化剤メインパス中に配置される調節可能な入口酸化剤流量分配器
をさらに備える、請求項１に記載の中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システム。
【請求項１９】
（ｉ）燃料源から前記水蒸気改質器まで燃料を通すステップ、
（ｉｉ）前記酸化剤入口から前記改質器熱交換器まで加熱入口酸化剤を通し、前記加熱入口酸化剤および前記燃料の間で熱が交換され、前記改質器熱交換器内で改質反応が生じるステップ、
（ｉｉｉ）前記水蒸気改質器から前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノード入口までアノード入口ガスを通し、前記改質器熱交換器から前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口まで入口酸化剤を通すステップ、ならびに
（ｉｖ）少なくとも中温の固体酸化物形燃料電池スタックを作動するステップ
からなる、前請求項のいずれかに記載の中温固体酸化物形燃料電池システムの作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は向上した燃料電池システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、燃料電池スタック、燃料電池スタックアセンブリ、ならびに熱交換器システム、構成および方法の教示は、当業者には周知であり、とくに、それらの全開示が本明細書に参照により組み入れられる、国際公開第ＷＯ０２／３５６２８号、第ＷＯ０３／０７５８２号、第ＷＯ２００４／０８９８４８号、第ＷＯ２００５／０７８８４３号、第ＷＯ２００６／０７９８００号、第ＷＯ２００６／１０６３３４号、第ＷＯ２００７／０８５８６３号、第ＷＯ２００７／１１０５８７号、第ＷＯ２００８／００１１１９号、第ＷＯ２００８／００３９７６号、第ＷＯ２００８／０１５４６１号、第ＷＯ２００８／０５３２１３号、第ＷＯ２００８／１０４７６０号、第ＷＯ２００８／１３２４９３号、第ＷＯ２００９／０９０４１９号、第ＷＯ２０１０／０２０７９７号、および第ＷＯ２０１０／０６１１９０号が挙げられる。本明細書において用いられる用語の定義は必要に応じて上記公報を参照することができる。とくに、本発明は国際公開第ＷＯ２００８／０５３２１３号において開示されるシステムおよび方法を向上させることを目的とする。
【０００３】
燃料電池スタックが４５０〜６５０℃の範囲（中温固体酸化物形燃料電池、ＩＴ−ＳＯＦＣ）、より具体的には５２０〜６２０℃の温度範囲で作動する炭化水素燃料ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）システムの作動は、一般的には７２０℃超えの温度で作動するＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）系技術のような高温ＳＯＦＣ技術と比較して、異なる組み合わせの技術的問題に直面し、異なるアプローチを必要とする。
【０００４】
より低い燃料電池スタック作動温度は燃料の高度の内部改質には適さず、よってこうしたシステムは一般的には燃料が燃料電池スタックに到達する前に高度の改質を必要とする。
【０００５】
こうしたシステムにおいて、炭化水素燃料ストリームを燃料電池スタックアノード入口に供給される水素豊富な改質物ストリームに変換するには、水蒸気改質が用いられる。改質器は一般的には６２０〜７５０℃の温度範囲で作動され、産出改質物は５００〜７５０℃の温度範囲となり、炭化水素（例えば天然ガス）の８０％超の改質を可能にする。改質物ストリームは次に、約４５０℃での燃料電池スタックへの導入のため、約３５０〜５５０℃まで冷却される。改質器は一般的には燃料電池スタックオフガスを燃焼させるテールガス燃焼器の産出物により加熱される。
【０００６】
ＩＴ−ＳＯＦＣスタック冷却は主に燃料電池スタックのカソード側への酸化剤流量の制御によって達成される（すなわち増加した冷却を行うには、より多くの空気が燃料電池スタックのカソード側へ送られる）。これは、高度の内部改質が起こり、得られる内部改質反応の吸熱効果が作動燃料電池から放出される熱エネルギーを吸収するように作用する、他のＳＯＦＣ技術とは異なる。
【０００７】
上記の高い改質器温度に到達するため、改質器は通常、（一般的には熱いカソードオフガスで燃焼させることにより、酸化剤中のアノードオフガス中のいずれかの残留燃料を燃焼させる）燃料電池スタックテールガス燃焼器と密接に熱結合される。こうした構成において、テールガス燃焼器およびその熱い排出ガスは、熱交換面のような熱交換器により改質器と密接に熱結合される。一般的には、改質器は、テールガス燃焼器から改質器まで可能な限り多くの熱を通すため、テールガス燃焼器と直に隣接または接触するように構成される。
【０００８】
本発明者らは、次のような現行のＩＴ−ＳＯＦＣ燃料電池スタック構成に影響を及ぼす多数の技術的な制限を認識している。すなわち、
１．ＩＴ−ＳＯＦＣ分解は燃料電池スタック効率の顕著な非線形損失をもたらす
燃料電池の寿命中、燃料電池における分解は電気効率の損失、およびしたがって所定の電力出力についての熱生成の増加をもたらす。燃料電池スタック作動温度の制御は燃料電池スタック作動性能にとって重要である。燃料電池システムにとって、（とくにポンプ／送風器による燃料電池のカソード側への）燃料電池スタック冷却の送達は、実質的なシステム寄生負荷（一般的には、最大のシステム寄生負荷）である。燃料電池が分解すると、この効率の損失および寄生負荷の増加の組み合わせは、システムレベルでの効率の不均衡な（すなわち線形より大きな、本明細書では非線形と称される）低減をもたらす。
【０００９】
さらに、燃料電池スタックが燃料電池スタック冷却をもたらす電力を提供する際、正帰還機構（すなわち悪循環）は燃料電池効率の損失により開始され、すなわち燃料電池スタックは効率が低下し、所定の電気出力についてより多くの熱を生成し、したがってより多くの冷却を必要とし、これは電力需要の増加をもたらし、電力生成の増加を必要とし、ひいては冷却のさらなる増加を必要とする熱生成のさらなる増加をもたらす。
【００１０】
２．改質器のテールガス燃焼器との密接な熱結合は燃料電池スタック冷却負荷の増加をもたらす
（吸熱）燃料改質器のテールガス燃焼器（ＴＧＢ）との密接な熱結合は、燃料改質器を出る燃料流量のエンタルピーが燃料電池スタックへの総空気流量の関数であることを意味する。ＩＴ−ＳＯＦＣ分解とともに、増加した電気抵抗およびよって増加した燃料電池熱生成は、改質器温度の増加およびよって改質燃料中の水素含有量の増加、ひいては燃料電池スタック作動中の燃料電池システム冷却負荷の増加をもたらす。
【００１１】
改質器出口および燃料電池スタックアノード入口の間でのアノード入口ガスの補助的な熱回復なしに、この増加した熱エネルギーは追加の冷却負荷として燃料電池スタックへ移動され、これはグロス電力要件をさらに増加させ、燃料電池システム効率のさらなる低下をもたらす。
【００１２】
３．改質の生成物として生成される一酸化炭素はカーボンドロップアウトおよびメタルダスティングを引き起こし、燃料電池スタックアノード側への分解をもたらす
改質燃料からのカーボンドロップアウトは、とくに長時間使用中、燃料電池スタック性能に対して顕著なマイナス効果を有する。一酸化炭素を含有する改質物は改質器を出、ＩＴ−ＳＯＦＣスタックアノード入口まで通ると、一般的には、改質器が高度の改質を達成するため通常は高温で作動されるという事実のため、温度の顕著な低下を経験する。その温度低下の結果として、一酸化炭素および二酸化炭素の間の平衡は二酸化炭素側にシフトする―ブードア反応が起こり、一酸化炭素は酸化されて二酸化炭素、および炭素沈殿物となり、すなわちカーボンドロップアウトが発生する。このカーボンドロップアウトは（ｉ）表面を被覆し、流体流路をブロック／制限し得る粒子状炭素、および（ｉｉ）構成要素の露出金属表面の表面上に炭素が形成し、構成要素仕様への対応する悪影響により時間に伴い構成要素の本体から金属が除去される、メタルダスティング（’’Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  ｂｙ  Ｃａｒｂｏｎ  ａｎｄ  Ｎｉｔｒｏｇｅｎ：  Ｍｅｔａｌ  Ｄｕｓｔｉｎｇ，Ｃａｒｂｕｒｉｓａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｎｉｔｒｉｄａｔｉｏｎ’’，ｅｄｉｔｅｄ  ｂｙ  Ｈ．Ｊ．Ｇｒａｂｋｅ  ａｎｄ  Ｍ．Ｓｃｈｕｔｚｅ，２００７，ＩＳＢＮ  ９７８１８４５６９２３２２）の形態である。
【００１３】
これらの制限は一般的には、ある程度の内部改質が可能であり、実際には送風器寄生負荷を低減するため望ましく、いずれかの外部改質物が燃料電池スタック作動温度に必然的にかなり近く、よってブードア反応温度範囲による冷却を必要としないため、高温燃料電池システムにおいては見られない。
【００１４】
本発明は、従来技術の不利点の少なくとも１つを解決、克服または軽減することを目的とする。
【発明の概要】
【００１５】
本発明によると、添付の独立請求項において定義されるような中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システムおよびＩＴ−ＳＯＦＣの作動方法が提供される。さらなる好適な特徴は添付の従属請求項において定義される。
【００１６】
本発明の第１態様によると、
（ｉ）少なくとも１つの中温固体酸化物形燃料電池を備え、アノード入口、カソード入口、アノードオフガス出口、カソードオフガス出口を有し、アノード入口ガス、カソード入口ガス、アノードオフガスおよびカソードオフガスの流れのための別々の流路を画定する、少なくとも１つの燃料電池スタック、ならびに
（ｉｉ）炭化水素燃料を改質物に改質するための、アノード入口ガスの改質器入口、アノード入口ガスを排出するための改質器出口、および改質器熱交換器を有する、水蒸気改質器
を備え、
（ａ）燃料源から前記水蒸気改質器、前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノード入口までのアノード入口ガス流体流路、
（ｂ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノードオフガス出口から燃料電池システム排出口までのアノードオフガス流体流路、
（ｃ）少なくとも１つの酸化剤入口から前記改質器熱交換器、前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口までのカソード入口ガス流体流路、および
（ｄ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソードオフガス出口から前記燃料電池システム排出口までのカソードオフガス流体流路
を画定する、中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システムであって、
前記改質器熱交換器が（ｉ）前記少なくとも１つの酸化剤入口および前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口、ならびに（ｉｉ）前記燃料源および前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノード入口と流体流連通したパラレルフロー型熱交換器であり、前記カソード入口ガスおよび前記アノード入口ガスの間で熱を交換するように構成される、
システムが提供される。
【００１７】
本明細書における方法ステップへの言及は、こうした方法ステップを行うように適合または構成された本発明のシステムへの言及でもある。
【００１８】
疑義の回避のため、本明細書におけるパラレルフロー型熱交換器への言及は並行流型熱交換器に対するものである。
【００１９】
好適には、少なくとも１つの燃料電池スタックは金属支持ＩＴ−ＳＯＦＣスタック、より好適には米国特許第ＵＳ６７９４０７５号において教示されるものである。好適には、ＩＴ−ＳＯＦＣは、４００℃〜６５０℃、より好適には４５０℃〜６５０℃、より好適には５２０〜６２０℃の範囲内の定常状態作動温度を有する。
【００２０】
好適には、少なくとも１つの燃料電池スタックのそれぞれは少なくとも１つの燃料電池スタック層を備え、少なくとも１つの燃料電池スタック層のそれぞれは少なくとも１つの燃料電池、燃料および酸化剤入口／出口接続部、燃料および酸化剤ストリームのための、ならびに使用済み燃料および酸化剤ストリームのための流路、ならびに燃料電池スタックベースプレートおよび燃料電池スタックエンドプレートを備える。好適には、各燃料電池スタックは燃料電池スタックエンドプレート、および燃料電池スタック圧縮手段をさらに備える。好適には、各燃料電池スタックはスタックインターコネクトをさらに備える。好適には、燃料電池スタックインターコネクトは導電性ガス不透過性金属インターコネクトプレートである。
【００２１】
改質器熱交換器がパラレルフロー型熱交換器であり、少なくとも１つの燃料電池へのそれらの導入前にカソードおよびアノード入口ガスの間で熱を交換するように構成されるという事実は、改質器および改質器熱交換器からのカソードおよびアノード入口ガスの出口温度、ならびによって少なくとも１つの燃料電池スタックのカソードおよびアノード側への入口温度が互いに非常に近いことを意味する。
【００２２】
少なくとも１つの燃料電池へのアノードおよびカソード入口ガスの間の温度差は主に、改質器熱交換器の性能によって決まる。例えば、定常状態作動において、少なくとも１つの燃料電池スタックへのアノードおよびカソード入口ガスの間の温度差は互いの２０℃以内、より一般的には１５℃以内であってもよい。
【００２３】
このパラレルフロー構成は多数の顕著な利点を示す。とくに、これは少なくとも１つの燃料電池の電解質層にわたる熱応力が従来技術の燃料電池システムと比較して顕著に低減されることを意味する。熱応力を低減させることにより、時間に伴う電解質の分解の割合を低減させることができる。
【００２４】
以上で詳述されたように、カーボンドロップアウトは燃料電池における、とくにそれらの全ライフサイクルに対する顕著な問題である。カーボンドロップアウトの量を低減、または少なくとも１つの燃料電池において、ならびに改質器および少なくとも１つの燃料電池スタック／少なくとも１つの燃料電池の間のパイプにおいて発生するカーボンドロップアウトの量を少なくとも最小化することが非常に望ましい。これらの構成要素は一般的には最終製品において、とくに国産品において、アクセスすることが困難であり、そのようなものとして一般的には便利なメンテナンスには適していない。
【００２５】
改質器からのアノード入口ガスの出口温度、およびよって少なくとも１つの燃料電池スタックのアノード側への入口温度の近接性は、改質器および少なくとも１つの燃料電池スタックの間のカーボンドロップアウトのリスクが顕著に低減されることを意味する。
【００２６】
ＩＴ−ＳＯＦＣシステムが、改質器からのアノード入口ガスの出口温度を少なくとも１つの燃料電池スタックの作動温度に近づけるように適合される場合、少なくとも１つの燃料電池スタックにおけるカーボンドロップアウトのリスクもさらに低減される。
【００２７】
好適には、ＩＴ−ＳＯＦＣシステムは、前記酸化剤入口および前記改質器熱交換器の間で前記カソード入口ガス流体流路中に配置される少なくとも１つの酸化剤加熱器、少なくとも１つの酸化剤送風器、燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサー、燃料電池スタックカソードオフガス温度センサーおよび制御手段をさらに備え、前記制御手段は前記酸化剤送風器および前記酸化剤加熱器による入口酸化剤の加熱を、前記カソード入口ガス温度センサーを所定の温度またはその近傍に、および前記カソードオフガス温度センサーを所定の温度またはその近傍に維持するように、制御するように適合される。本明細書全体を通してこの文脈では、「維持する」とは、カソード入口ガス温度センサーが、制御手段が前記酸化剤送風器および前記酸化剤加熱器による入口酸化剤の加熱を制御する前に、所定の温度またはその近傍でない場合を含む。同様に、本明細書全体を通してこの文脈では、「維持する」とは、カソードオフガス温度センサーが、制御手段が前記酸化剤送風器および前記酸化剤加熱器による入口酸化剤の加熱を制御する前に、所定の温度またはその近傍でない場合を含む。
【００２８】
好適には、カソード入口ガス温度センサーは、所定の温度の５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５または５０℃以内、もっとも好適には所定の温度の５℃以内に維持される。
【００２９】
好適には、カソードオフガス温度センサーは、所定の温度の５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５または５０℃以内、もっとも好適には所定の温度の５℃以内に維持される。
【００３０】
好適には、メインカソード入口ガス流路（「入口酸化剤メインパス」とも称される）は酸化剤入口から改質器熱交換器酸化剤入口まで流れる。
【００３１】
好適には、空気バイパス入口ガス流路（「入口酸化剤バイパス」とも称される）は酸化剤入口から改質器熱交換器酸化剤入口まで流れる。
【００３２】
好適には、第２空気バイパス入口ガス流路は、酸化剤入口から改質器カソードオフガス流体流路まで、すなわち改質器熱交換器酸化剤入口および燃料電池スタックカソード入口の間、より好適には改質器熱交換器酸化剤出口および燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーの間を通る。
【００３３】
好適には、ＩＴ−ＳＯＦＣシステムは、前記酸化剤入口および前記改質器熱交換器の間で前記カソード入口ガス流体流路中に配置される少なくとも１つの酸化剤加熱器をさらに備える。
【００３４】
好適には、ＩＴ−ＳＯＦＣシステムは、前記少なくとも１つの酸化剤入口から前記改質器熱交換器、前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口までの入口酸化剤メインパス、ならびに前記少なくとも１つの酸化剤入口から前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口まで、および／または前記少なくとも１つの酸化剤入口から前記改質器熱交換器、前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口までの少なくとも１つの入口酸化剤バイパスをさらに備える。
【００３５】
好適には、前記少なくとも１つの酸化剤加熱器は前記入口酸化剤メインパス中に配置される。
【００３６】
よって、少なくとも１つの熱源は（必要な量の熱を供給することが可能である限り）制御される必要はなく、代わりにメインパスおよびバイパスを介する酸化剤の流量は必要なカソード入口ガス温度に到達するために変動される。
【００３７】
この構成によると、少なくとも１つの酸化剤加熱器は少なくとも１つの入口酸化剤バイパス中には配置されない。
【００３８】
前記少なくとも１つの酸化剤入口から前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口までの少なくとも１つの入口酸化剤バイパスは改質器熱交換器を通過しない。こうしたバイパスは、改質器熱交換器を出た後のカソード入口ガスの温度のある程度の独立制御を可能にする。
【００３９】
好適には、前記少なくとも１つの酸化剤バイパスは、１つは前記少なくとも１つの酸化剤入口から前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口まで、もう１つは前記少なくとも１つの酸化剤入口から前記改質器熱交換器入口、前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口までの、少なくとも２つの入口酸化剤バイパスを備える。
【００４０】
好適には、ＩＴ−ＳＯＦＣシステムは少なくとも１つの酸化剤送風器をさらに備え、少なくとも１つの送風器は前記入口酸化剤メインパスおよび／または前記少なくとも１つの入口酸化剤バイパス中に配置される。少なくとも１つの送風器は単一の送風器であってもよい。単一の送風器は前記入口酸化剤メインパスおよび前記少なくとも１つの入口酸化剤バイパス中に配置されてもよい。
【００４１】
少なくとも１つの送風器は２つの送風器であってもよい。２つの送風器は、それぞれ、前記入口酸化剤メインパスおよび前記少なくとも１つの入口酸化剤バイパス中に配置されてもよい。少なくとも１つの入口酸化剤バイパスは単一の入口酸化剤バイパスであってもよい。
【００４２】
少なくとも１つの送風器は３つの送風器であってもよい。少なくとも２つの入口酸化剤バイパスは２つの入口酸化剤バイパスであってもよい。３つの送風器は、それぞれ、前記入口酸化剤メインパスおよび前記２つの入口酸化剤バイパス中に配置されてもよい。
【００４３】
好適には、ＩＴ−ＳＯＦＣシステムは、前記少なくとも１つの入口酸化剤バイパスおよび前記入口酸化剤メインパスの間の入口酸化剤流量を制御するため、少なくとも１つの調節可能な入口酸化剤流量分配器をさらに備える。
【００４４】
好適には、ＩＴ−ＳＯＦＣシステムは、前記１つの入口酸化剤バイパスおよび前記もう１つの入口酸化剤バイパスの間の入口酸化剤流量を制御するため、１つの調節可能な入口酸化剤流量分配器をさらに備える。これは改質器熱交換器および少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口両方への酸化剤の流量を単一の供給源から制御することを可能にする。
【００４５】
好適には、少なくとも１つの送風器および／または少なくとも１つの調節可能な入口酸化剤流量分配器を、好適には前記カソード入口ガス温度センサーを所定の温度またはその近傍に、および前記カソードオフガス温度センサーを所定の温度またはその近傍に維持するように、制御するように適合される、制御手段が備えられる。
【００４６】
好適には、追加の温度センサーが備えられる。前記追加の温度センサーは好適には燃料電池スタックアノード入口ガス温度センサーである。他の追加のセンサーが備えられてもよい。好適には、制御手段は、前記少なくとも１つの酸化剤送風器または前記少なくとも１つの調節可能な入口酸化剤流量分配器を、前記カソード入口ガス温度センサーおよび／または前記カソードオフガス温度センサーおよび／または前記燃料電池スタックアノード入口ガス温度センサーを所定の温度またはその近傍に維持するように、制御するように適合される。
【００４７】
好適には、入口酸化剤バイパスは、改質器熱交換器およびカソード入口の間、より好適には改質器熱交換器酸化剤出口および燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーの間でカソード入口ガス流路に合流する。好適には、酸化剤送風器または調節可能な入口酸化剤流量分配器は前記入口酸化剤バイパス中に配置される。好適には、制御手段は、前記酸化剤送風器または前記調節可能な入口酸化剤流量分配器を、前記カソード入口ガス温度センサーおよび／または前記カソードオフガス温度センサーおよび／または前記燃料電池スタックアノード入口ガス温度センサーを所定の温度またはその近傍に維持するように、制御するように適合される。
【００４８】
好適には、入口酸化剤バイパスは、カソード入口ガス流路の酸化剤入口および改質器熱交換器の間、より好適には少なくとも１つの酸化剤加熱器および改質器熱交換器の間でカソード入口ガス流路に合流する。好適には、酸化剤送風器または調節可能な入口酸化剤流量分配器は前記入口酸化剤バイパス中に配置される。好適には、制御手段は、前記酸化剤送風器または前記調節可能な入口酸化剤流量分配器を、前記カソード入口ガス温度センサーおよび／または前記カソードオフガス温度センサーおよび／または前記燃料電池スタックアノード入口ガス温度センサーを所定の温度またはその近傍に維持するように、制御するように適合される。
【００４９】
所定の温度は、好適な温度の表を参照して、例えば所定の電力出力、または所定の燃料流量を参照して決定してもよい。これらの所定の温度は作動設定点、または必要な作動設定点と称することもできる。１ｋＷの電力出力を有する燃料電池スタックについて、燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーの所定の温度は約５４０℃であってもよい。好適には、燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーの所定の温度は５３０〜５７０℃の範囲内である。１ｋＷの電力出力を有する燃料電池スタックについて、燃料電池スタックカソードオフガス温度センサーの所定の温度は約６１０℃であってもよい。好適には、燃料電池スタックカソードオフガス温度センサーの所定の温度は５８０〜６２０℃の範囲内である。
【００５０】
本明細書における燃料電池スタック電力出力への言及は燃料電池システム電力出力とは区別され、例えば制御手段および送風器等のために、燃料電池システム自体により消費される電力を含まない。
【００５１】
好適には、制御手段は、燃料電池システムの定常状態作動時、カソード入口ガス温度センサーおよびカソードオフガス温度センサーを所定の温度またはその近傍に維持するように適合される。
【００５２】
より好適には、制御手段は、燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーを約５２０〜６００℃、より好適には約５３０〜５７０℃、より好適には約５４０℃の温度に、および燃料電池スタックカソードオフガス温度を約５５０〜６５０℃、より好適には５８０〜６２０℃、より好適には約６１０℃の温度に維持するように適合される。
【００５３】
好適には、制御手段は、燃料電池スタックアノード入口ガス温度を約５２０〜６００℃、より好適には約５３０〜５７０℃の温度に維持するように適合される。好適には、制御手段は、燃料電池スタックアノードオフガスを約５５０〜６５０℃、より好適には５８０〜６２０℃の温度に維持するように適合される。
【００５４】
好適には、制御手段は、燃料源および給水源から燃料電池システムまでの燃料および水流量を制御するようにさらに構成される。
【００５５】
好適には、制御手段は、燃料電池システムから電気負荷まで送達される電力を制御、より好適にはモニターおよび制御するように構成される。
【００５６】
酸化剤流路中の２つの別々の点でのこの温度制御は、
（ｉ）カソード入口ガスの加熱の制御、および
（ｉｉ）カソード入口ガスの質量流量の制御
の組み合わせにより便利に達成される
【００５７】
このように、２つの独立した制御ループが作動する。
【００５８】
第１制御ループは少なくとも１つの燃料電池スタックへのカソード入口ガス温度の制御用である。制御手段は、カソード入口ガス温度センサーにより測定されるカソード入口ガスの温度が所定の温度を下回る場合、少なくとも１つの酸化剤加熱器による入口酸化剤の加熱を増加させるように適合され、逆もまた同様である。
【００５９】
このように、少なくとも１つの燃料電池スタックへのカソード入口ガスの温度は制御される。
【００６０】
これはひいては、少なくとも１つの燃料電池スタックへのアノード入口ガスの温度も維持されること、ならびにこれが入口酸化剤および燃料の質量流量のばらつき（およびしたがってこれによりもたらされる熱需要）、ならびにＩＴ−ＳＯＦＣシステムへの酸化剤および燃料の入口温度のばらつきに関係なく維持されることを意味する。
【００６１】
第２制御ループは少なくとも１つの燃料電池スタックカソードオフガス温度の制御用である。少なくとも１つの燃料電池スタックへのカソード入口ガス温度は別々に制御されるため、カソードオフガス温度は少なくとも１つの燃料電池スタックを通る酸化剤質量流量を変動させることにより制御される。
【００６２】
このように、制御手段は、燃料電池スタックカソードオフガス温度センサーにより測定されるカソードオフガスの温度が所定の温度を上回る場合、カソード入口ガス質量流量を増加させるように適合され、逆もまた同様である。
【００６３】
これは、燃料電池スタックカソード入口および出口温度（およびよって燃料電池スタックにわたるΔＴ）を制御範囲以内に維持する、簡便な自己調節型制御システムの顕著な利点を提供する。
【００６４】
好適には、ＩＴ−ＳＯＦＣシステムは、
調節可能な入口酸化剤流量分配器、
入口酸化剤バイパス、および
入口酸化剤メインパス
をさらに備え、前記制御手段は、前記調節可能な入口酸化剤流量分配器を、前記入口酸化剤バイパスおよび前記入口酸化剤メインパスの間の入口酸化剤流量を制御するように、制御するように構成され、前記少なくとも１つの酸化剤加熱器は前記入口酸化剤メインパス中に配置される。
【００６５】
このように、入口酸化剤バイパスは、少なくとも１つの酸化剤加熱器をバイパスするように作用する。他の実施形態において、入口酸化剤バイパスは前記改質器／改質器熱交換器をバイパスするように作用する。
【００６６】
よって、少なくとも１つの熱源は（必要な量の熱を供給することが可能である限り）制御される必要はなく、代わりにメインパスおよびバイパスを介する酸化剤の流量は必要なカソード入口ガス温度に到達するために変動される。
【００６７】
好適には、調節可能な入口酸化剤流量分配器、入口酸化剤バイパスおよび入口酸化剤メインパスは、少なくとも１つの酸化剤送風器および改質器熱交換器の間に配置される。
【００６８】
他の構成は当業者には容易に明らかとなるだろう。例えば、ＩＴ−ＳＯＦＣシステム中への複数の酸化剤入口、例えばこうした入口を通る、またはそれらからの流量を制御するための弁および／送風器構成とともに、加熱酸化剤入口および非加熱酸化剤入口を備えてもよい。
【００６９】
好適には、ＩＴ−ＳＯＦＣは、
酸化剤入口から前記改質器熱交換器、および第１送風器までの入口酸化剤バイパス、ならびに
酸化剤入口から前記改質器、および第２送風器までの入口酸化剤メインパス
をさらに備え、前記制御手段は、前記第１および第２送風器を、前記入口酸化剤バイパスおよび前記入口酸化剤メインパスの間の入口酸化剤流量を制御するように、制御するように構成され、前記少なくとも１つの酸化剤加熱器は前記入口酸化剤メインパス中に配置される。
【００７０】
改質器パラレルフロー型熱交換器構成は、改質物品質（すなわち入口燃料の改質の程度）が流体流量により顕著に影響されず、（改質器温度の関数として）燃料電池スタックカソード入口（酸化剤）温度に直接関連することを意味する。燃料電池スタックへの酸化剤温度は、入口酸化剤メインパスおよび入口酸化剤バイパスを介して入る入口酸化剤の割合を変動させることにより制御される。よって、少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口まで通る入口酸化剤は、燃料電池スタック分解が発生する際、一般的には一定の温度に維持することができる。
【００７１】
燃料電池スタックが分解すると、改質器熱交換器への（および燃料電池スタックへの）入口酸化剤の流量は、所望の温度を維持または燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーで所定の温度に到達するように増加され、したがって総ストリームエンタルピーは増加する。しかしながら、熱交換器改質器の並行流型の性質は、得られる改質物出口温度の増加が、入口酸化剤流量が増加されず、代わりに燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーの温度が増加した場合より顕著に少ないことを意味する。このように、改質物品質はシステムの寿命全体を通して維持され、内部改質のレベルは従来の燃料電池スタック構成で経験されるようには低下しない。
【００７２】
改質器温度の燃料電池スタックカソードおよびアノード入口温度との本発明における結合は、改質器から（すなわち改質物の）燃料電池スタックアノード入口まで通るアノード入口流量についての温度変化が比較的小さいことを意味し、ひいてはカーボンドロップアウトのリスクが従来技術の装置と比較して顕著に低減されることを意味する。
【００７３】
燃料電池スタックが分解し、電気効率が低下すると、燃料電池スタックにより放出される熱は増加し、燃料電池スタックカソードオフガス温度を維持するためにカソード酸化剤流量の増加を必要とする。
【００７４】
よって、燃料電池スタックへの酸化剤入口流量の増加は送風器電力消費の増加をもたらすが、本発明は、酸化剤入口流量の増加が改質物品質を変更しないことを意味し、ひいては燃料電池スタックでの吸熱内部改質の量が維持されることを意味し、ひいてはさらなる追加の燃料電池スタック冷却が必要とされないことを意味する。
【００７５】
改質器熱交換器のパラレルフロー型構成ならびに得られる入口温度の燃料電池スタックのカソードおよびアノード側との密接な結合は、（セラミック）燃料電池電解質層を通る熱応力も低減させ、よって燃料電池電解質作動寿命を増加させる。
【００７６】
好適には、改質器出口からの改質物流は少なくとも１つの燃料電池スタックアノード入口と直接流体流連通している。好適には、改質器熱交換器からのカソード出口は少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口と直接流体流連通している。
【００７７】
好適には、酸化剤加熱器は少なくとも１つの熱交換器を備える。
【００７８】
より好適には、少なくとも１つの酸化剤加熱器は、前記燃料電池スタックアノードオフガス出口および燃料電池スタックカソードオフガス出口の少なくとも１つと流体流連通し、（ａ）前記燃料電池スタックアノードオフガス出口および前記燃料電池スタックカソードオフガス出口の前記少なくとも１つからのガス流、ならびに（ｂ）前記入口酸化剤の間で熱を交換するように構成される、酸化剤予備加熱器熱交換器を備える。
【００７９】
よって、少なくとも１つの燃料電池スタックを出る熱いアノードおよび／またはカソードガス流は、改質器熱交換器への入口酸化剤流を加熱するのに用いられる。
【００８０】
またより好適には、燃料電池システムは、前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノードおよびカソードオフガス出口と流体流連通し、テールガス燃焼器排出口を有し、前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノードおよびカソードオフガス出口から前記テールガス燃焼器排出口、前記酸化剤予備加熱器熱交換器、前記燃料電池システム排出口までの流体流路を画定する、テールガス燃焼器をさらに備える。
【００８１】
このように、少なくとも１つの燃料電池スタックアノードオフガス中に残留する燃料は燃焼され、生成される熱は入口酸化剤を加熱するのに用いられる。最小テールガス燃焼器排出口温度はガス状排出口要件に準ずることを必要とする。テールガス燃焼器排出口温度がこの最小値未満に下がる場合、テールガス燃焼器排出口温度を増加させるため、追加の未改質燃料が燃料源から直接テールガス燃焼器まで供給される。
【００８２】
好適には、テールガス燃焼器はテールガス燃焼器燃料入口をさらに備える。好適には、燃料電池システムは、テールガス燃焼器排出口温度センサー、テールガス燃焼器排出口温度センサーにより検出される温度が所定の温度を下回る場合、テールガス燃焼器燃料入口を介してテールガス燃焼器まで追加の燃料を提供するように構成される制御手段をさらに備える。好適には、テールガス燃焼器燃料入口は、未改質燃料をテールガス燃焼器まで提供するように適合され、すなわち燃料源、より好適には未改質燃料源に直接接続（直接流体流連通）される。
【００８３】
好適には、酸化剤加熱器は、前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノードオフガス出口と流体流連通し、（ａ）前記アノードオフガス出口からのガス流、および（ｂ）前記入口酸化剤の間で熱を交換するように構成される、アノードオフガス熱交換器を備える。
【００８４】
好適には、ＩＴ−ＳＯＦＣシステムは、前記アノードオフガス熱交換器および前記テールガス燃焼器の間でアノードオフガス流体流路中に配置される凝縮器熱交換器をさらに備え、前記凝縮器熱交換器は前記アノードオフガスおよび冷却流体の間で熱を交換するように構成される。より好適には、凝縮器熱交換器はアノードオフガスの温度を水の凝縮点未満にするように適合される。
【００８５】
好適には、冷却流体は冷却流体システムの一部である。好適には、冷却流体システムは熱電併給（ＣＨＰ）ユニットの一部であり、そこでは冷却システムが熱水の加熱または熱貯蔵のような、ＣＨＰユニットにより用いられるアノードオフガスからの熱を伝えるように制御可能に用いられる。他の冷却流体システムは当業者には容易に明らかとなるだろう。例としては、アノードオフガスからの熱エネルギーが冷却流体を介して放熱器に移動され、これが次に熱エネルギーを別の流体へ移動させ、このように冷却流体を冷却する、放熱器システムが挙げられる。
【００８６】
好適には、冷却流体は、アノードオフガスの温度を水の凝縮点を下回るレベルまで低減し、よってアノードオフガスから水を凝縮させることを可能にするため、アノードオフガスから十分な熱エネルギーを除去するのに用いられる。
【００８７】
より好適には、ＩＴ−ＳＯＦＣシステムは、前記凝縮器熱交換器および前記テールガス燃焼器の間でアノードオフガス流体流路中に配置される分離器をさらに備え、前記分離器は前記アノードオフガスから凝縮物を分離するように構成される。またより好適には、分離器は分離器凝縮物出口をさらに備え、前記凝縮物は前記凝縮物出口を介して排出するように構成される。
【００８８】
凝縮物は水であり、よって分離器は水蒸気発生器および／または水蒸気改質器への給水源として用いることができる。
【００８９】
好適には、ＩＴ−ＳＯＦＣシステムは、酸化剤予備加熱器熱交換器およびアノードオフガス熱交換器の両方を備え、カソード入口ガス流体流路は前記酸化剤入口から前記アノードオフガス熱交換器、前記酸化剤予備加熱器熱交換器、前記改質器熱交換器まで通る。上述したとおり、特定の実施形態において、複数の入口酸化剤流路、とくに入口酸化剤メイン流路および入口酸化剤バイパス流路が存在する。こうした場合、前記酸化剤入口から前記アノードオフガス熱交換器、前記酸化剤予備加熱器熱交換器、前記改質器熱交換器まで通るカソード入口ガス流体流路は、入口酸化剤メイン流路である。
【００９０】
本発明のシステムを用い、燃料電池スタック入口および出口温度は制御される。
【００９１】
好適には、ＩＴ−ＳＯＦＣシステムは、
前記燃料源と流体流連通した燃料入口、水源と流体流連通した水入口、および蒸発器排出口を有する蒸発器であって、前記燃料源および前記水蒸気改質器の間でアノード入口ガス流体流路中に配置される蒸発器、ならびに
（ａ）前記アノードオフガス出口およびカソードオフガス出口の少なくとも１つ、ならびに（ｂ）前記燃料電池システム排出口の間で流体流路中に配置される蒸発器熱交換器
をさらに備え、
前記蒸発器熱交換器は（ａ）前記アノードオフガス出口および前記カソードオフガス出口の前記少なくとも１つからのガス流、ならびに（ｂ）前記アノード入口ガスおよび前記水の少なくとも１つの間で熱を交換するように構成される。
【００９２】
好適には、分離器からの凝縮物（水）は蒸発器および／または水蒸気改質器の水源として用いられる。
【００９３】
本発明によると、
（ｉ）燃料源から前記水蒸気改質器まで燃料を通すステップ、
（ｉｉ）前記酸化剤入口から前記改質器熱交換器まで加熱された入口酸化剤を通し、前記加熱された入口酸化剤および前記燃料の間で熱が交換されるステップ、
（ｉｉｉ）前記水蒸気改質器から前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノード入口までアノード入口ガスを通し、前記改質器熱交換器から前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口まで入口酸化剤を通すステップ、ならびに
（ｉｖ）少なくとも中温の固体酸化物形燃料電池スタックを作動するステップ
からなる、本発明による中温固体酸化物形燃料電池システムの作動方法も提供される。
【００９４】
本発明の第２態様において、
（ｉ）少なくとも１つの中温固体酸化物形燃料電池を備え、アノード入口、カソード入口、アノードオフガス出口、カソードオフガス出口を有し、アノード入口ガス、カソード入口ガス、アノードオフガスおよびカソードオフガスの流れの別々の流路を画定する、少なくとも１つの燃料電池スタック、ならびに
（ｉｉ）炭化水素燃料を改質物に改質するための、アノード入口ガスの改質器入口、アノード入口ガスを排出するための改質器出口、および改質器熱交換器を有する水蒸気改質器
を備え、
（ａ）燃料源から前記水蒸気改質器、前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノード入口までのアノード入口ガス流体流路、
（ｂ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノードオフガス出口から燃料電池システム排出口までのアノードオフガス流体流路、
（ｃ）少なくとも１つの酸化剤入口から前記改質器熱交換器、前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口までのカソード入口ガス流体流路、および
（ｄ）前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソードオフガス出口から前記燃料電池システム排出口までのカソードオフガス流体流路
を画定する中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システムであって、
前記改質器熱交換器は（ｉ）前記少なくとも１つの酸化剤入口および前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口、ならびに（ｉｉ）前記燃料源および前記少なくとも１つの燃料電池スタックアノード入口と流体流連通したパラレルフロー型熱交換器であり、前記カソード入口ガスおよび前記アノード入口ガスの間で熱を交換するように構成され、
前記システムが、
前記少なくとも１つの酸化剤入口から前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口までの少なくとも１つの入口酸化剤バイパス、
前記少なくとも１つの酸化剤入口から前記改質器熱交換器、前記少なくとも１つの燃料電池スタックカソード入口までの入口酸化剤メインパス、ならびに
前記少なくとも１つの入口酸化剤バイパスおよび前記入口酸化剤メインパスの間の入口酸化剤流量を制御するため、前記少なくとも１つの入口酸化剤バイパスおよび前記入口酸化剤メインパス中に配置される調節可能な入口酸化剤流量分配器
をさらに備える、システムが提供される。
【００９５】
第２態様の構成は、改質器熱交換器および燃料電池スタックカソード入口両方への酸化剤流量を単一の供給源から制御することを可能にする。
【００９６】
本発明の第１態様のすべての好適な特徴は本発明の第２態様に同等に適用可能である。
【００９７】
本発明によると、各送風器および／または弁／分離器は制御手段と連通、およびこれによりまたはこれに応じて決定／制御してもよい。
【００９８】
本発明によると、１つ以上の送風器または弁／分離器は、メインカソード入口ガス流路および空気バイパス入口ガス流路の１つ以上に備えられてもよい。例えば、単一の送風器が備えられる場合、ゼロ、１つまたは２つの弁／分離器が備えられてもよく、または２つの送風器が備えられる場合、ゼロまたは単一の弁／分離器が備えられてもよく、または３つの送風器が備えられる場合、ゼロの弁／分離器が備えられてもよい。
【００９９】
ＩＴ−ＳＯＦＣシステムに関して議論された上記特徴は、他に記述のない限り、方法にも同等に適用される。
【０１００】
本明細書において用いられる「テールガス燃焼器」の語は、アノードおよびカソードオフガスを燃焼するための燃焼器を意味する。テールガス燃焼器は一般的にはアノードおよびカソードオフガスを混合もするが、それはいくつかの状況では別々に行われてもよい。
【０１０１】
「流体流路」の語はさまざまな構成要素の間の流体流路を定義するように用いられ、よってそれらの構成要素が互いに流体流連通していることも理解されるべきである。
【０１０２】
他に文脈が指示しない限り、「流体」の語は液体およびガスの両方を含む。
【０１０３】
他に文脈が指示しない限り、「作動温度」の語は定常状態作動温度を意味し、すなわち起動およびシャットダウン温度を含まない。
【０１０４】
他に指示のない限り、すべての温度値はセ氏度（℃）で示される。
【０１０５】
本明細書における第１および第２熱交換流体の間（例えばアノード入口ガスおよびカソード入口ガスの間）で熱を交換するように構成される熱交換器への言及は、熱交換器の第１および第２側の間ならびに対応する流体流路の間、例えば熱交換材または熱交換面の第１および第２側の間、例えば熱交換器のアノード入口側およびカソード入口側の間、例えばアノード入口流体流路およびカソード入口流体流路の間で熱を交換するように構成される熱交換器への言及でもあり、こうした語は他に文脈が指示しない限り互換可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明による燃料電池システムの概略図を示す。
【図２】表１に示されるデータの散布チャートプロットであり、第１および５の倍数毎のデータ点（すなわち０、１１１０、２１１０、３１１０、４１１０秒等）を示す。
【図３】本発明による代替燃料電池システムの概略図を示す。
【図４】本発明による代替燃料電池システムの概略図を示す。
【図５】本発明による代替燃料電池システムの概略図を示す。
【図６】本発明による代替燃料電池システムの概略図を示す。
【０１０７】
[発明の詳細な説明]
本明細書において用いられる参照記号のリストは具体的な実施形態の最後に示される。
【０１０８】
例示のみを目的として、図面は単一の燃料電池のみを示す。さまざまな実施形態において、複数の燃料電池が提供される。さらなる実施形態（図示せず）において、複数の燃料電池スタックが提供され、またさらなる実施形態において、それぞれ複数の燃料電池を備える複数の燃料電池スタックが提供される。アノードおよびカソード入口、出口（オフガス）、ダクト、マニホールド、ならびに温度センサーおよびそれらの構成はこうした実施形態に適したように変更されることが理解され、当業者には容易に明らかであるだろう。
【０１０９】
下記実施形態において、空気が酸化剤として用いられる。他での「酸化剤」へのいかなる言及もしたがって下記実施形態における「空気」への言及と解釈することができ、逆もまた同様である。
【０１１０】
図１を参照すると、燃料電池システム１０は中温固体酸化物形燃料電池（ＩＴ−ＳＯＦＣ）システムである。燃料電池スタック２０は、米国特許第ＵＳ６７９４０７５号において教示されるような金属支持ＩＴ−ＳＯＦＣ燃料電池スタックである。燃料電池システム１０は燃料電池システム２０からの定常状態１ｋＷ電気出力を有し、１２１の金属支持ＩＴ−ＳＯＦＣ燃料電池３０を備える。各燃料電池３０はアノード側４０、電解質層５０、およびカソード側６０を有する。燃料電池スタック中の各燃料電池層は導電性ガス不透過性金属インターコネクトプレート（インターコネクター）（図示せず）により分離される。燃料電池スタックエンドプレートおよび圧縮手段（図示せず）も備えられる。
【０１１１】
本明細書における燃料電池３０への言及は１２１の燃料電池３０のフルセットに対するものである。
【０１１２】
電気負荷Ｌは燃料電池３０にわたって配置される。
【０１１３】
燃料電池スタックアノード入口４１は、燃料電池３０のアノード側４０へのアノード入口ガスの流れのための燃料電池アノード入口４１Ａと流体流連通している。燃料電池アノード出口４２Ａはアノードオフガスの流れのための燃料電池スタックアノードオフガス出口４２と流体流連通している。
【０１１４】
燃料電池スタックカソード入口６１は、燃料電池３０のカソード側６０へのカソード入口ガスの流れのための燃料電池カソード入口６１Ａと流体流連通している。燃料電池カソード出口６２Ａはカソードオフガスの流れのための燃料電池スタックカソードオフガス出口６２と流体流連通している。
【０１１５】
水蒸気改質器７０は、アノード入口ガスのための改質器入口７１およびアノード入口ガスを排出するための改質器出口７２を備える。
【０１１６】
テールガス燃焼器８０は燃料電池スタックアノードおよびカソードオフガス出口４２、６２と流体流連通し、テールガス燃焼器排出口８１、アノードオフガス入口８２およびカソードオフガス入口８３を有する。テールガス燃焼器８０は燃料電池スタックアノードおよびカソードオフガス出口４２、６２からテールガス燃焼器排出口８１までの流体流路を画定し、アノードおよびカソードオフガスを燃焼し、テールガス燃焼器オフガスを生成するように構成される。
【０１１７】
アノード入口ガス流体流路Ａは、燃料源９０から蒸発器１００、水蒸気改質器７０、燃料電池スタックアノード入口４１、燃料電池アノード入口４１Ａまで画定され、すなわち構成要素は互いに流体流連通している。
【０１１８】
アノードオフガス流体流路Ｂは、燃料電池アノード出口４２Ａから燃料電池スタックアノードオフガス出口４２、アノードオフガス熱交換器１１０（ＨＸ−ＡＯＧ）、凝縮器熱交換器１２０、分離器１３０、テールガス燃焼器８０のアノードオフガス入口８２まで画定される。
【０１１９】
メインカソード入口ガス流路２３０および空気バイパス入口ガス流路２４０は多くの共通の構成要素を有し、カソード入口ガス流体流路Ｃとして示され、以下で詳述されるように、多くの場所において共通の流路を共有する。
【０１２０】
メインカソード入口ガス流路２３０は、酸化剤入口１４０から送風器２１０、弁／分離器２２０、アノードオフガス熱交換器１１０、空気予備加熱器熱交換器１５０（ＨＸ−ＡＰＨ）、改質器熱交換器１６０（ＨＸ−Ｒｅｆ）、燃料電池スタックカソード入口６１、燃料電池カソード入口６１Ａまで画定される。
【０１２１】
空気バイパス入口ガス流路２４０は酸化剤入口１４０から送風器２１０、弁／分離器２２０、空気バイパス入口１９０、改質器熱交換器１６０、燃料電池スタックカソード入口６１、燃料電池カソード入口６１Ａまで画定される。
【０１２２】
以下で詳述されるように、弁／分離器２２０は、メインカソード入口ガス流路２３０および空気バイパス入口ガス流路２４０の間で入口空気の流量を分配するため、制御手段２００により制御される。
【０１２３】
このように、空気バイパス入口ガス流路２４０はオフガス熱交換器１１０および空気予備加熱器熱交換器１５０をバイパスする。
【０１２４】
この実施形態において、ガス流路２３０および２４０（カソード入口ガス流体流路Ｃ）の共通部分はしたがって（ａ）酸化剤入口１４０から送風器２１０、弁／分離器２２０まで、および（ｂ）改質器熱交換器１６０から燃料電池スタックカソード入口６１、燃料電池カソード入口６１Ａまでである。
【０１２５】
カソードオフガス流体流路Ｄは、燃料電池カソード出口６２Ａから燃料電池スタックカソードオフガス出口６２、テールガス燃焼器８０のカソードオフガス入口８３まで画定される。
【０１２６】
テールガス燃焼器オフガス流体流路Ｅは、テールガス燃焼器排出口８１から空気予備加熱器熱交換器１５０、蒸発器熱交換器１７０（ＨＸ−Ｅｖａｐ）、燃料電池システム排出口１８０まで画定される。
【０１２７】
アノードオフガス熱交換器１１０は、（ｉ）燃料電池スタックアノードオフガス出口４２（すなわち燃料電池アノード出口４２Ａ）およびテールガス燃焼器アノードオフガス入口８２、ならびに（ｉｉ）酸化剤入口１４０および燃料電池スタックカソード入口６１（すなわち燃料電池カソード入口６１Ａ）と流体流連通し、燃料電池スタック２０からのアノードオフガスおよび燃料電池スタック２０までのカソード入口ガスの間の熱を交換するように構成される。
【０１２８】
空気予備加熱器熱交換器１５０は、（ｉ）テールガス燃焼器排出口８１および燃料電池システム排出口１８０、ならびに（ｉｉ）酸化剤入口１４０および燃料電池スタックカソード入口６１（すなわち燃料電池カソード入口６１Ａ）と流体流連通し、テールガス燃焼器８１オフガスおよび燃料電池スタック２０までのカソード入口ガスの間の熱を交換するように構成される。
【０１２９】
改質器熱交換器１６０はパラレルフロー型熱交換器であり、（ｉ）酸化剤入口１４０および燃料電池スタックカソード入口（すなわち燃料電池カソード入口６１Ａ）、ならびに（ｉｉ）燃料源９０および燃料電池スタックアノード入口４１（すなわち燃料電池アノード入口４１）と流体流連通し、カソード入口ガスおよびアノード入口ガスの間で熱を交換するように構成される。
【０１３０】
蒸発器１００は、燃料源９０からのアノード入口ガスのための燃料入口１０１、給水源１０３からの水のための水入口１０２、および蒸発器１００からアノード入口ガスを排出するための蒸発器排出口１０４を有し、燃料源９０および水蒸気改質器７０の間でアノード入口ガス流体流路中に配置される。蒸発器１００は、空気予備加熱器熱交換器１５０および燃料電池システム排出口１８０の間でテールガス燃焼器オフガス流体流路Ｅ中に配置される蒸発器熱交換器１７０をさらに備える。
【０１３１】
蒸発器熱交換器１７０は、（ｉ）テールガス燃焼器排出口８１および燃料電池システム排出口１８０、ならびに（ｉｉ）燃料源９０、給水源１０３および燃料電池スタックアノード入口４１（すなわち燃料電池アノード入口４１Ａ）と流体流連通し、テールガス燃焼器オフガス、アノード入口ガスおよび水の間で熱を交換し、水蒸気改質器７０へのアノード入口ガスのための水蒸気燃料混合物を生成するように構成される。
【０１３２】
凝縮器熱交換器１２０は、（ｉ）燃料電池スタックアノードオフガス出口４２（すなわち燃料電池アノード出口４２Ａ）およびテールガス燃焼器アノードオフガス入口８２、ならびに（ｉｉ）冷却回路１２１と流体流連通し、燃料電池スタック２０からのアノードオフガスおよび冷却回路１２１中の冷却流体の間で熱を交換するように構成される。
【０１３３】
分離器１３０は凝縮器熱交換器１２０およびテールガス燃焼器８０の間でアノードオフガス流体流路中に配置され、分離器凝縮物出口１３１を有し、アノードオフガス流体流路から凝縮物を分離し、凝縮物出口１３１を介して凝縮物を排出するように適合される。
【０１３４】
制御手段２００は、燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーＴ１、燃料電池スタックカソードオフガス温度センサーＴ２、送風器２１０および弁／分離器２２０に接続される。制御手段２００は、燃料電池システムの定常状態作動中、温度センサーＴ１およびＴ２により測定される温度を所望の温度またはその近傍に維持するように構成される。
【０１３５】
制御手段２００は、カソード入口ガス流体流路Ｃを通過するカソード入口ガスに対して作動する２つの独立した制御ループを作動するように適合される。
【０１３６】
第１制御ループでは、カソード入口ガスの加熱が制御される。第２制御ループでは、カソード入口ガスの質量流量が制御される。
【０１３７】
第１制御ループについて、制御手段２００は、流体流路２３０および２４０の間の入口酸化剤流量の分配を変動させるため、弁／分離器２２０を制御する。よって、制御手段２００は、燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーＴ１により測定される温度が１ｋＷの燃料電池スタック電力出力について５４２℃を下回る場合、メインカソード入口ガス流体流路２３０に沿ってアノードオフガス熱交換器１１０および空気予備加熱器熱交換器１５０まで通る入口酸化剤の割合を増加させるように弁／分離器２２０を調節するように構成される。このように、空気バイパス入口ガス流路２４０に沿って通る入口酸化剤の割合は対応して低減され、入口酸化剤の加熱は増加される。
【０１３８】
逆に、燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーＴ１により測定される温度が１ｋＷの燃料電池スタック電力出力について５４２℃を上回る場合、制御手段２００は、メインカソード入口ガス流体流路２３０に沿ってアノードオフガス熱交換器１１０および空気予備加熱器熱交換器１５０まで通る入口酸化剤の割合を低下させるように弁／分離器２２０を調節する。このように、空気バイパス入口ガス流路２４０に沿って通る入口酸化剤の割合は対応して増加され、入口酸化剤の加熱は低下される。
【０１３９】
このように、（燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーＴ１により測定される）少なくとも１つの燃料電池スタックへのカソード入口ガスの温度は制御される。
【０１４０】
よって、改質器熱交換器１６０を改質器熱交換器酸化剤出口１６２で出る酸化剤の温度も制御される。改質器熱交換器１６０はパラレルフロー型熱交換器であるため、これは、水蒸気改質器７０を改質器出口７２で出る改質物（アノード入口ガス）の温度も制御されることを意味し、ひいては改質物の品質（すなわち入口燃料の改質の程度）が制御されることを意味する。以下で詳述されるように、第２制御ループは、水蒸気改質器７０を改質器出口７２で出る燃料の温度の小さなばらつきをもたらすが、これは改質物の品質および燃料電池スタック２０の性能に対して顕著な効果を有さない。重要なことには、改質器熱交換器１６０のパラレルフロー型の性質は、水蒸気改質器７０を出る燃料の温度が水蒸気改質器７０を出る酸化剤の温度より決して大きくなり得ないことを意味する。
【０１４１】
このように、少なくとも１つの燃料電池スタックへのアノード入口ガスの温度（すなわち改質物の品質）は制御され、この制御は入口酸化剤および燃料の質量流量のばらつき（およびしたがってこれによりもたらされる熱需要）、ならびに燃料電池システム１０への酸化剤および燃料の入口温度のばらつきとは無関係である。
【０１４２】
第２制御ループについて、制御手段２００は送風器２００により決定される入口酸化剤の質量流量を制御する。燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーＴ１により測定される温度（およびしたがって燃料電池スタックカソード入口６１の温度）は制御されるので、燃料電池スタック２０の冷却は燃料電池スタック２０にわたる酸化剤の質量流量を制御することにより達成される。
【０１４３】
制御手段２００はしたがって、燃料電池スタックカソードオフガス温度センサーＴ２により測定される温度が１ｋＷの燃料電池スタック電力出力について６１０℃を上回る場合、入口酸化剤の質量流量を増加させるように、送風器２１０を調節するように構成される。よって、燃料電池３０のカソード側６０にわたる入口酸化剤の質量流量は増加され、冷却の量は対応して増加される。
【０１４４】
逆に、燃料電池スタックカソードオフガス温度センサーＴ２により測定される温度が１ｋＷの燃料電池スタック電力出力について６１０℃を下回る場合、制御手段２００は、入口酸化剤の質量流量を低下させるように、送風器２１０を調節する。よって、燃料電池３０のカソード側６０にわたる入口酸化剤の質量流量は低下され、冷却の量は対応して低下される。
【０１４５】
このように、制御手段２００は、燃料電池スタックカソードオフガス温度センサーＴ２により測定されるカソードオフガスの温度が所定の温度を下回る場合、カソード入口ガス質量流量を増加させるように適合され、逆もまた同様である。
【０１４６】
使用時、燃料電池システム１０は３つのフェーズ、すなわち起動、定常状態、およびシャットダウンを経験する。
【０１４７】
起動：
この作動段階では、燃料電池スタック２０は冷たく（または少なくともその定常状態作動温度未満であり）、およびしたがって作動状態を達成するため加熱されなければならない。
【０１４８】
冷温（例えば周囲温度）から起動し、送風器２１０は燃料電池スタック２０のカソード側にわたり空気を送るように作動され、燃料は燃料源２５０から直接テールガス燃焼器８０まで通され、送風器２１０からの空気流で燃焼される。排出ガスはテールガス燃焼器排出口８１を出、空気予備加熱器熱交換器１５０を通り、そこで入口空気を加熱し、順に改質器熱交換器１６０および燃料電池スタック２０のカソード側６０の加熱を行う。熱は燃料電池３０にわたり伝えられ、燃料電池スタック２０のアノード側４０も加熱される。燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーＴ１は低温を検出するので、弁／分離器２２０は、すべての入口空気がメインカソード入口ガス流路２３０を介しておよびよって空気予備加熱器熱交換器１５０にわたり通されるように、調節される。
【０１４９】
燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーＴ１により検出される温度が３００℃より大きい温度まで増加すると、燃料は燃料源９０からも供給される。燃料源９０からの燃料は蒸発器１００を通過し、水源１０３から蒸発器１００内で生成される水蒸気と混合する。得られる燃料水蒸気混合物はアノード入口ガス流体流路Ａに沿って通る際、改質器熱交換器１６０によりさらに加熱され、改質器７０により部分的に改質され、燃料電池スタックアノード入口４１までおよび燃料電池３０のアノード側４０にわたって通り、これを有害酸化事象から保護するように作用する。これは次に燃料電池スタックアノード出口４２で出、アノードオフガス流体流路Ｂに沿ってテールガス燃焼器８０まで通り、そこで燃焼される。
【０１５０】
これは継続し、燃料源９０からの燃料の改質が起こり始め、燃料電池スタック２０は電気が生成される温度に到達する。
【０１５１】
燃料電池スタックカソードオフガス温度センサーＴ２が温度の増加を検出すると、燃料源２５０からテールガス燃焼器８０まで供給される燃料の量は、燃料電池スタック２０が自己持続性となる温度に到達するまで低下され、燃料源２５０からテールガス燃焼器８０までの燃料の供給は停止される。
【０１５２】
燃料電池スタック２０の作動は継続し、燃料電池スタック２０からの電力出力は増加し、温度センサーＴ１およびＴ２により検出される温度は増加し、対応する制御ループは入口空気質量流量ならびに流路２３０および２４０の間の空気の分配を変動させる。
【０１５３】
「定常状態」は、温度センサーＴ１およびＴ２両方が所定の燃料電池スタック電力出力についてのそれらの作動設定点に到達した場合に達成される。１ｋＷ燃料電池スタック電力出力の場合、これは温度センサーＴ１について５４２℃の温度、および温度センサーＴ２について６１０℃の温度である。
【０１５４】
定常状態：
この作動段階では、燃料電池スタック２０は、センサーＴ１およびＴ２により測定される作動温度に維持される。電気は生成され、燃料電池３０にわたる負荷Ｌにより使用される。温度センサーＴ１およびＴ２により検出される温度は変動し、制御手段２００は入口空気質量流量ならびに流路２３０および２４０の間の空気の分配を適宜変動させる。
【０１５５】
この作動モードにおいて、燃料電池スタック２０により生成される電力はゼロおよび燃料電池スタック定格電力の間で変動し得る。生成される電力の量は、燃料電池スタック定格電力までの電気負荷Ｌに応じて制御手段２００により制御される。
【０１５６】
シャットダウン：
この作動段階では、電力は燃料電池システム１０からこれ以上必要とされず、制御されたシャットダウンシーケンスが開始される。燃料電池スタック２０からの電力需要はゼロまで低減され、燃料電池スタック空気入口Ｔ１についての温度設定点は低減され、送風器２１０からの空気流量は増加される。少量の燃料は燃料源９０から改質器７０ならびによって燃料電池スタック２０およびテールガス燃焼器８０まで継続して供給される。改質物の継続した流れは、このシャットダウンの第１フェーズ中、燃料電池３０のアノード側４０上の還元雰囲気を維持する。燃料電池スタックカソードオフガス温度センサーＴ２により測定される（およびしたがって燃料電池スタック２０の）温度がアノード酸化活性化温度（約４５０℃）を下回る場合、燃料源９０から水蒸気改質器７０までの燃料供給は停止される。送風器２１０からの空気の流れも停止され、燃料電池システム１０、およびよって燃料電池スタック２０は自然に冷却するように放置される。
【０１５７】
１２１の燃料電池を有する単一の燃料電池スタックからなる本発明による燃料電池システム１０の起動および定常状態作動からのデータは、表１（下記）および図２において示される。表において示されるデータは３０１１０秒の、すなわち８時間を超える、作動期間のものである。
【０１５８】
表１および図２において、略語は次の意味を有する。すなわち、
ＴＧＢ排出口（℃）−テールガス燃焼器排出口８１の温度
改質器空気入口（℃）−改質器熱交換器酸化剤入口１６１の温度
改質器空気出口（℃）−改質器熱交換器酸化剤出口１６２の温度
スタック空気入口（℃）−温度センサーＴ１により検出される燃料電池スタック酸化剤入口６１の温度
スタック空気出口（℃）−温度センサーＴ２により検出される燃料電池スタック酸化剤出口６２の温度
スタック電力出力（Ｗ）−負荷Ｌを有する電気回路にわたり決定される電力出力
【０１５９】
第２実施形態において、図３において示されるように、弁／分離器２２０およびその前のカソード入口ガス流路Ｃの共通部分は省略される。
【０１６０】
メインカソード入口ガス流路２３０は、酸化剤入口１４０から送風器２１０、アノードオフガス熱交換器１１０、空気予備加熱器熱交換器１５０、改質器熱交換器１６０、燃料電池スタックカソード入口６１、燃料電池カソード入口６１Ａまで画定される。
【０１６１】
空気バイパス入口ガス流路２４０は、酸化剤入口１４０’から送風器２１０’、空気バイパス入口１９０、改質器熱交換器１６０、燃料電池スタックカソード入口６１、燃料電池カソード入口６１Ａまで画定される。
【０１６２】
制御手段２００は、燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーＴ１、燃料電池スタックカソードオフガス温度センサーＴ２、ならびに送風器２１０および２１０’に接続される。制御手段２００は、燃料電池システムの定常状態作動中、所望の温度またはその近傍で温度センサーＴ１およびＴ２により測定される温度を維持するように構成される。
【０１６３】
前記実施形態と同様に、第１制御ループでは、カソード入口ガスの加熱が制御される。第２制御ループでは、カソード入口ガスの質量流量が制御される。カソード入口ガスの加熱は、メインカソード入口ガス流路２３０および空気バイパス入口ガス流路２４０の間のカソード入口ガス質量流量の比を変動させることにより制御される。これは、送風器２１０および２１０’の相対速度、およびよってそれらから送達される質量流量を変動させることにより達成される。温度センサーＴ１で測定されるカソード入口ガスの温度が低すぎる場合、空気バイパス入口ガス流路２４０を通るカソード入口ガス流のメインカソード入口ガス流路２３０を通るカソード入口ガス流に対する比は低減され、逆もまた同様である。
【０１６４】
第２制御ループでは、カソード入口ガスの質量流量が制御される。燃料電池スタック中のカソード入口ガスの質量流量は、送風器２１０および２１０’からの総カソード入口ガス質量流量である。温度センサーＴ２で測定される燃料電池スタックカソードオフガスの温度が高すぎる場合、送風器２１０および２１０’により送達されるカソード入口ガスの総質量流量は低減され、逆もまた同様である。
【０１６５】
第３実施形態は、図４において示されるように、第２実施形態と同様であり、差異のみ記載される。追加の酸化剤入口１４０’’および送風器２１０’’は追加の空気バイパス入口ガス流路２６０を提供するように備えられる。燃料電池スタックアノード入口ガス温度センサーＴ３である追加の温度センサーＴ３が備えられる。これらの追加の特徴はカソード入口ガス流体流路（Ｃ）中に追加の空気入口を提供する。
【０１６６】
空気バイパス入口ガス流路２６０は、酸化剤入口１４０’’から送風器２１０’’、空気バイパス入口１９０’、燃料電池スタックカソード入口６１、燃料電池カソード入口６１Ａまで画定される。よって空気バイパス入口ガス流路２６０は、改質器熱交換器１６０（およびその下流）および燃料電池スタックカソード入口６１の間、より具体的には改質器熱交換器酸化剤出口１６２および燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーＴ１の間にある空気バイパス入口１９０’で、カソード入口ガス流体流路（Ｃ）に合流する。
【０１６７】
この実施形態において、制御手段２００は、燃料電池スタックアノード入口ガス温度センサーＴ３および送風器２１０’’にさらに接続される。制御手段２００は、燃料電池システムの定常状態作動中に所望の温度またはその近傍で温度センサーＴ１、Ｔ２およびＴ３により測定される温度を維持するように構成される。
【０１６８】
追加の空気バイパス入口ガス流路２６０を通る空気流量は、メインカソード入口ガス流路２３０および空気バイパス入口ガス流路２４０の両方における空気流量と独立に制御される。
【０１６９】
この実施形態の追加の利点は、改質器熱交換器１６０からの改質物出口ストリーム温度のある程度の独立制御をもたらすということである。改質器出口７２に対する温度制御は、燃料電池カソード入口６１Ａの温度に対してアノード入口ガス流体流路Ａの温度を増加させる能力をもたらす。空気バイパス入口ガス流路２６０は改質器熱交換器１６０を出る空気より冷たい空気を提供すると、空気バイパス入口ガス流路２６０により提供される空気は改質器熱交換器１６０を出る空気を冷却することができるが、加熱することはできない。よって、この実施形態に従って冷たい空気を提供する追加の空気バイパス入口ガス流路２６０は、アノード入口温度をカソード入口温度より高くすることを可能にするが、アノード入口温度をカソード入口温度より低くすることを可能にしない。
【０１７０】
改質器出口７２でのアノード入口ガスの温度の増加は、改質器熱交換器１６０内で達成される改質反応の平衡温度も増加させ、よって燃料電池スタックアノード入口４１でのアノード入口ガス内の水素の濃度を増加させる。アノード入口ガス内の水素濃度の増加は、燃料電池３０に対する応力を低減させ、燃料電池３０により必要とされる内部改質の量を低減させるだろう。
【０１７１】
燃料電池スタックアノード入口４１でアノードガスの温度を測定するため、追加の温度センサーＴ３が備えられる（これは燃料電池スタックアノード入口ガス温度センサーＴ３である）。また、追加の制御ループは、燃料電池スタックアノード入口４１でのアノード入口ガスの温度を所定の温度に維持するため、空気バイパス入口ガス流路２４０中の空気の流量を制御するように備えられる。空気バイパス入口ガス流路２４０中の酸化剤流量の増加は、改質器熱交換器酸化剤入口１６１に入る酸化剤の温度を低減させる。この酸化剤温度の低減は、改質器出口７２でのアノード入口ガスの温度を低減させ、改質反応の平衡温度も低減させるだろう。他方では、空気バイパス入口ガス流路２４０中の酸化剤流量の低下は改質器熱交換器酸化剤入口１６１に入る酸化剤の温度を増加させる。この酸化剤温度の増加は、改質器出口７２でのアノード入口ガスの温度を増加させ、改質反応の平衡温度も増加させる。この実施形態において、空気バイパス入口ガス流路２６０を通る酸化剤の流量は燃料電池カソード入口６１Ａの温度を制御し、空気バイパス入口ガス流路２４０中の酸化剤流量は改質器出口７２からの改質物流の温度を制御する。
【０１７２】
追加の空気バイパス入口ガス流路２６０中の酸化剤の流量の増加は、燃料電池スタックカソード入口６１での酸化剤ストリームの温度を低減させる。逆に、追加の空気バイパス入口ガス流路２６０中の酸化剤の流量の低減は、燃料電池スタックカソード入口６１での酸化剤ストリームの温度を増加させる。
【０１７３】
空気バイパス入口ガス流路２４０中の酸化剤の流量の増加は、改質器出口７２でのアノード入口ガスおよび改質器熱交換器酸化剤出口１６２でのカソード入口ガス両方の温度を低減させる。逆に、空気バイパス入口ガス流路２４０中の酸化剤の流量の低減は、改質器出口７２でのアノード入口ガスおよび改質器熱交換器酸化剤出口１６２でのカソード入口ガス両方の温度を増加させる。例えば、制御手段２００が燃料電池スタックアノード入口ガス温度センサーＴ３をより高いまたはより低い温度に維持することを決定する場合、空気バイパス入口ガス流路２４０中の酸化剤流量は、それぞれ、送風器１４０’を制御することにより増加または低下され得る。他方では、制御手段２００が燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーＴ１をより高いまたはより低い温度に維持することを決定する場合、空気バイパス入口ガス流路２４０および／または追加の空気バイパス入口ガス流路２６０中の酸化剤流量は、それぞれ、空気バイパス入口ガス流路２４０中の酸化剤流量については送風器１４０’または追加の空気バイパス入口ガス流路２６０中の酸化剤流量については送風器１４０’’を制御することにより増加または低下され得る。
【０１７４】
第４実施形態は、図５において示されるように、単一の酸化剤バイパスストリーム、改質器熱交換器酸化剤出口１６２および燃料電池スタックカソード入口６１の間でメインカソード入口ガス流路２３０と合流するように構成される、空気バイパス入口ガス流路２６０を提供する。この構成において、改質器熱交換器１６０および空気バイパス入口ガス流路２６０の配置は、燃料電池スタック２０の境界では、アノード入口ガス流体温度はカソード入口ガス流体温度より高いだろうことを意味する。改質器出口７２でのアノード入口ガスの温度の増加は、改質器熱交換器１６０内で達成される改質反応の平衡温度も増加させ、よって燃料電池スタックアノード入口４１でのアノード入口ガス内の水素の濃度を増加させる。アノード入口ガス内の水素濃度の増加は、燃料電池３０に対する応力を低減させ、必要な内部改質の量を低減させる。
【０１７５】
第４実施形態の燃料電池システム１０を制御するのに必要な制御ループは、図１の実施形態と同じであるが、第４実施形態において、制御ループは、燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサーＴ１での温度測定に基づき、空気バイパス入口ガス流路２４０ではなく、追加の空気バイパス入口ガス流路２６０中の酸化剤流量を制御する。
【０１７６】
第４実施形態において、第３実施形態と同様に、燃料電池スタックアノード入口ガス温度センサーＴ３である、追加の温度センサーＴ３が備えられる。Ｔ３は追加の温度データを提供するが、第４実施形態の制御ループおよび制御手段２００が作動するのに必須ではない。
【０１７７】
図６において示される、第５実施形態は、第１実施形態と同様であり、差異のみが記載される。追加の弁／分離器２２０’または分配器が空気バイパス入口ガス流路２４０中に備えられる。追加の弁／分離器２２０’は空気バイパス入口ガス流路２４０を追加の空気バイパス入口ガス流路２６０に接続する。追加の弁／分離器２２０’は、空気バイパス入口ガス流路２４０および追加の空気バイパス入口ガス流路２６０の間で入口空気の流量を分配するように、制御手段２００により制御される。
【０１７８】
第５実施形態において、第３および第４実施形態と同様に、燃料電池スタックアノード入口ガス温度センサーＴ３である、追加の温度センサーＴ３が備えられる。第５実施形態の制御手段２００は、追加の空気バイパス入口ガス流路２６０中の入口空気の流量を制御するため、追加の弁／分離器２２０’が送風器２１０’’の代わりに制御手段２００により制御される以外、第３実施形態のそれと同様に機能する。
【０１７９】
追加の空気バイパス入口ガス流路２６０は、酸化剤入口１４０から送風器２１０、弁／分離器２２０、弁／分離器２２０’、空気バイパス入口１９０’、燃料電池スタックカソード入口６１、燃料電池カソード入口６１Ａまで画定される。よって空気バイパス入口ガス流路２６０は、改質器熱交換器１６０（およびその下流）および燃料電池スタックカソード入口６１の間にある空気バイパス入口１９０’でカソード入口ガス流体流路（Ｃ）と合流する。この実施形態の構成は、改質器熱交換器１６０および燃料電池スタックカソード入口６１両方への酸化剤の流量を単一の供給源から制御することを可能にする。
【０１８０】
参照記号はそれらの理解を容易にするためだけに特許請求の範囲に組み入れられ、特許請求の範囲を限定するものではない。
【０１８１】
本発明は上記実施形態のみに限定されず、他の実施形態は、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく、当業者には容易に明らかとなるだろう。
【０１８２】
【表１−１】
0006431908.tif 000002
【表１−２】
0006431908.tif 000003
【表１−３】
0006431908.tif 000004
【表１−４】
0006431908.tif 000005
【表１−５】
0006431908.tif 000006
【符号の説明】
【０１８３】
１０  燃料電池システム
２０  燃料電池スタック
３０  燃料電池
４０  アノード側
４１  燃料電池スタックアノード入口
４１Ａ  燃料電池アノード入口
４２  燃料電池スタックアノードオフガス出口
４２Ａ  燃料電池アノード出口
５０  電解質層
６０  カソード側
６１  燃料電池スタックカソード入口
６１Ａ  燃料電池カソード入口
６２  燃料電池スタックカソードオフガス出口
６２Ａ  燃料電池カソード出口
７０  水蒸気改質器
７１  改質器入口
７２  改質器出口
８０  テールガス燃焼器
８１  テールガス燃焼器排出口
８２  アノードオフガス入口
８３  カソードオフガス入口
９０  燃料源
１００  蒸発器
１０１  燃料入口
１０２  水入口
１０３  給水源
１０４  蒸発器排出口
１１０  アノードオフガス熱交換器
１２０  凝縮器熱交換器
１２１  冷却回路
１３０  分離器
１３１  分離器凝縮物出口
１４０  酸化剤入口
１４０’  酸化剤入口
１４０’’  酸化剤入口
１５０  空気予備加熱器熱交換器
１６０  改質器熱交換器
１６１  改質器熱交換器酸化剤入口
１６２  改質器熱交換器酸化剤出口
１７０  蒸発器熱交換器
１８０  燃料電池システム排出口
１９０  空気バイパス入口
１９０’  空気バイパス入口
２００  制御手段
２１０  送風器
２１０’   送風器
２１０’’   送風器
２２０  弁／分離器
２２０’   弁／分離器
２３０  メインカソード入口ガス流路
２４０  空気バイパス入口ガス流路
２５０  燃料源
２６０  空気バイパス入口ガス流路
Ａ  アノード入口ガス流体流路
Ｂ  アノードオフガス流体流路
Ｃ  カソード入口ガス流体流路
Ｄ  カソードオフガス流体流路
Ｅ  テールガス燃焼器オフガス流体流路
Ｇ  改質器カソードオフガス流体流路
Ｌ  電気負荷
Ｔ１  燃料電池スタックカソード入口ガス温度センサー
Ｔ２  燃料電池スタックカソードオフガス温度センサー
Ｔ３  燃料電池スタックアノード入口ガス温度センサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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