(57)【要約】家庭用熱および／または熱水ならびに電気を提供するための蒸気改質装置／燃料電池の組合せの構築において、特に効果的である相互接続レイアウトが記載される。この相互接続の区別可能な特徴は、これらによって、操作者がこの一体化されたシステムの操作の効率を最適化し得、そして先行技術の設計と比較して最適な操作でより高い効率が提供されることである。改質装置／燃料電池システムと従来の炉またはボイラーとの組合せもまた、記載される。
2004532507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コジェネレーションシステムであって、以下：
燃料改質反応にストリームを提供して水素リッチなリフォーメートを生成するための第１流体ループ；
該水素リッチなリフォーメートから電気を生成するための燃料電池スタック；
該燃料電池スタックの温度を制御するための第２流体ループ；および
コジェネレーション用途において使用するために、該第１および第２ループの少なくとも１つから、熱を取り出すための第３流体ループ、
を備える、システム。
【請求項２】
請求項１に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
燃料プロセッサアセンブリおよび燃料プロセッサ排気口、
をさらに備え、該燃料プロセッサアセンブリにおいて、ストリームが前記第１流体ループにより供給され、該燃料プロセッサアセンブリは、燃料を燃焼して改質反応のためのエネルギーを供給し、前記水素リッチなリフォーメートを生成するためのバーナーを備え、該燃料プロセッサ排気口から、熱が、コジェネレーション用途への移動のために捕獲される、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
前記第２流体ループ中で循環する燃料電池冷却剤、をさらに含み、ここで、該燃料電池冷却剤および前記水素リッチなリフォーメートが、熱交換状態にあり、前記燃料電池スタック中の機械的応力を減少するために、一定の温度差を維持する、システム。
【請求項４】
請求項３に記載のコジェネレーションシステムであって、前記一定の温度差が、前記燃料電池冷却剤および前記水素リッチな改質液が、前記燃料電池スタックに入る前に達成される、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
前記第２流体ループ中で循環する燃料電池冷却剤、をさらに含み、ここで、該燃料電池冷却剤および前記水素リッチなリフォーメートが、熱交換状態にあり、前記燃料電池スタック中の機械的応力を減少するために、設定温度範囲内の差を維持する、システム。
【請求項６】
請求項５に記載のコジェネレーションシステムであって、前記設定温度範囲内の差が、前記燃料電池冷却剤および水素リッチなリフォーメートが前記燃料電池スタックに入る前に達成される、システム。
【請求項７】
請求項１に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
エアブロアを使用して前記水素リッチなリフォーメートを生成するための燃料プロセッサアセンブリ、およびコジェネレーション用途に使用される排出口、をさらに備え、
ここで、前記燃料プロセッサ排出口が、前記第１流体ループおよび該エアブロアから出て該燃料プロセッサアセンブリに入る空気と熱交換関係にある、システム。
【請求項８】
請求項１に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
個人住居用途に従ってコジェネレーション用途において使用するための熱の分配を制御するためのローカルコントロールエリアネットワーク、をさらに備える、システム。
【請求項９】
請求項１に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
集合住居用途に従ってコジェネレーション用途において使用するための熱の分配を制御するためのワイドコントロールエリアネットワーク、をさらに備える、システム。
【請求項１０】
請求項１に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
飲料水の加熱のための第４流体ループ、をさらに備え、
ここで、前記第３流体ループが、空間加熱を提供するための流体を運搬する、システム。
【請求項１１】
請求項１に記載のコジェネレーションシステムであって、熱が、前記第３流体ループによって、前記排出口に加えて少なくとも１つの供給源から抽出される、システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のコジェネレーションシステムであって、前記さらなる熱供給源が、前記水素リッチなリフォーメート、リフォーメート、パワーエレクトロニクス、加熱炉およびボイラーからなる群から選択される、システム。
【請求項１３】
請求項１に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
飲料温水に熱を提供するための第４流体ループ；および
前記コジェネレーションシステムの排出口から水を回収し、そして該排出口から前記第４流体ループおよび前記第２流体ループの少なくとも１つに熱を放出するための凝縮ラジエータ、をさらに備え、
ここで、該第２流体ループが、前記第３流体ループと熱交換関係にあり、コジェネレーション用途において該コジェネレーションシステムから抽出される熱を回収しそして利用する、システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のコジェネレーションシステムであって、前記凝縮ラジエータが、第１ゾーンおよび第２ジーンを有し、該第１ゾーンにおいて、熱が流体ループに伝えられて空間加熱を提供し、第２ゾーンにおいて、熱が飲料水の供給源に伝えられる、システム。
【請求項１５】
請求項１４に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
熱伝達コイル、をさらに備え、
ここで、前記排出口からの凝縮された水が、該熱伝達コイルを流れ、そして該コジェネレーションシステムに戻すために収集される、システム。
【請求項１６】
請求項２に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
空間加熱および飲料水加熱の少なくとも１つのための熱を提供するための加熱炉、をさらに備える、システム。
【請求項１７】
請求項１６に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
前記加熱炉、前記燃料電池スタックおよび前記燃料プロセッサアセンブリの少なくとも１つを選択的に作動させることによって、空間加熱および飲料水加熱の少なくとも１つのために十分な熱を提供するためのコントローラ、をさらに備える、システム。
【請求項１８】
請求項１に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
前記第２流体ループを冷却するための手段；および
空間加熱が該システムにより提供されない場合、該第２流体ループを冷却するための該手段を選択的に作動させるためのコントローラ、をさらに備える、システム。
【請求項１９】
請求項１に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
空間加熱、飲料水加熱および該コジェネレーションシステムに対する立ち上がり加熱の提供の少なくとも１つにおいて使用するため、前記第３流体ループに補助熱を提供するための加熱炉、をさらに備える、システム。
【請求項２０】
前記加熱炉が、前記第３流体ループと並列で連結される、請求項１９に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項２１】
前記加熱炉が、前記第３流体ループと直列で連結される、請求項１９に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項２２】
コジェネレーションシステムであって、以下：
燃料プロセッサアセンブリであって、燃料を燃焼して水素リッチなリフォーメートを生成するための改質反応を実施するためのエネルギーを供給するためのバーナー、および空間加熱および飲料水のための熱を提供するためのコジェネレーション用途において使用される燃料プロセッサ排出口を含む、燃料プロセッサアセンブリ；ならびに
前記水素リッチな改質液から電気を生成するための燃料電池スタック、および空間加熱および飲料水のための熱を提供するためのコジェネレーション用途において使用される燃料電池排出口、
を備える、システム。
【請求項２３】
請求項２２に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
燃料改質反応にストリームを提供して、水素リッチなリフォーメートを生成するための、第１流体ループ；
前記燃料電池スタック中の操作可能な状態を維持するために、前記燃料電池冷却剤を循環させる、第２流体ループ；および
コジェネレーション用途において使用するために、該第１および第２ループの少なくとも１つから熱を取り出すための、第３流体ループ、をさらに備える、システム。
【請求項２４】
請求項２３に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
前記第２流体ループ中で循環する燃料電池冷却剤、をさらに含み、該燃料電池冷却剤および前記水素リッチなリフォーメートが、熱交換状態にあり、該燃料電池スタック中の機械的応力を減少するために、一定の温度差を維持する、システム。
【請求項２５】
請求項２４に記載のコジェネレーションシステムであって、前記一定の温度差が、前記燃料電池冷却剤および前記水素リッチなリフォーメートが前記燃料電池スタックに入る前に達成される、システム。
【請求項２６】
請求項２３に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
前記第２流体ループ中を循環する燃料電池冷却剤、をさらに含み、該燃料電池冷却剤および前記水素リッチなリフォーメートが、熱交換状態にあり、前記燃料電池スタック中の機械的応力を減少するために、設定温度範囲内の差を維持する、システム。
【請求項２７】
請求項２６に記載のコジェネレーションシステムであって、前記設定温度範囲内の差が、前記燃料電池冷却剤および前記水素リッチなリフォーメートが前記燃料電池スタックに入る前に達成される、システム。
【請求項２８】
請求項２２に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
個人住居用途に従ってコジェネレーション用途において使用するための熱の分配を制御するためのローカルコントロールエリア、をさらに備える、システム。
【請求項２９】
請求項２２に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
集合住居用途に従ってコジェネレーション用途において使用するための熱の分配を制御するためのワイドコントロールエリアネットワーク、をさらに備える、システム。
【請求項３０】
請求項２３に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
飲料水の加熱のための第４流体ループ、をさらに備え、
ここで、前記第３流体ループが、空間加熱を提供するための流体を運搬する、システム。
【請求項３１】
請求項２３に記載のコジェネレーションシステムであって、熱が、前記第３流体ループによって、前記排出口に加えて少なくとも１つの供給源から抽出される、システム。
【請求項３２】
請求項３１に記載のコジェネレーションシステムであって、前記さらなる熱供給源が、前記水素リッチなリフォーメート、リフォーメート、パワーエレクトロニクス、加熱炉およびボイラーからなる群から選択される、システム。
【請求項３３】
請求項２３に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
飲料温水に熱を提供するための第４流体ループ；および
前記コジェネレーションシステムの排出口から水を回収し、そして該排出口から前記第４流体ループおよび前記第２流体ループの少なくとも１つに熱を放出するための凝縮ラジエータ、をさらに備え、
ここで、該第２流体ループが、前記第３流体ループと熱交換関係にあり、コジェネレーション用途において該コジェネレーションシステムから抽出される熱を回収しそして利用する、システム。
【請求項３４】
請求項３３に記載のコジェネレーションシステムであって、前記凝縮ラジエータが、第１ゾーンおよび第２ジーンを有し、該第１ゾーンにおいて、熱が流体ループに伝えられて空間加熱を提供し、第２ゾーンにおいて、熱が飲料水の供給源に伝えられる、システム。
【請求項３５】
請求項３４に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
熱伝達コイル、をさらに備え、
ここで、前記排出口からの凝縮された水が、該熱伝達コイルを流れ、そして該コジェネレーションシステムに戻すために収集される、システム。
【請求項３６】
請求項２３に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
空間加熱および飲料水加熱の少なくとも１つのための熱を提供するための加熱炉、をさらに備える、システム。
【請求項３７】
請求項３６に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
前記加熱炉、前記燃料電池スタックおよび前記燃料プロセッサアセンブリの少なくとも１つを選択的に作動させることによって、空間加熱および飲料水加熱の少なくとも１つのために十分な熱を提供するためのコントローラ、をさらに備える、システム。
【請求項３８】
請求項２３に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
前記第２流体ループを冷却するための手段；および
空間加熱が該システムにより提供されない場合、該第２流体ループを冷却するための該手段を選択的に作動させるためのコントローラ、をさらに備える、システム。
【請求項３９】
請求項２３に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
空間加熱、飲料水加熱および該コジェネレーションシステムに対する立ち上がり加熱の提供の少なくとも１つにおいて使用するため、前記第３流体ループに補助熱を提供するための加熱炉、をさらに備える、システム。
【請求項４０】
前記加熱炉が、前記第３流体ループと並列で連結される、請求項３９に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項４１】
前記加熱炉が、前記第３流体ループと直列で連結される、請求項３９に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項４２】
コジェネレーションシステムであって、以下：
水素リッチなリフォーメートから電気を生成するための燃料電池スタック；および
該燃料電池スタックを冷却するための燃料電池冷却剤、
を備え、
ここで、該燃料電池冷却剤、該水素リッチなリフォーメートおよび該燃料電池スタックの少なくとも１つが、該燃料電池冷却剤、該水素リッチなリフォーメートおよび該燃料電池スタックの少なくとも１つと熱交換状態にあり、該燃料電池スタック中の機械的応力を減少するために、一定の温度差を維持する、システム。
【請求項４３】
請求項４２に記載のコジェネレーションシステムであって、前記燃料電池冷却剤および水素リッチなリフォーメートが、熱交換状態にあり、前記燃料電池スタック中の機械的応力を減少するために、一定の温度差を維持する、システム。
【請求項４４】
請求項４３に記載のコジェネレーションシステムであって、前記一定の温度差が、前記燃料電池冷却剤および前記水素リッチなリフォーメートが前記燃料電池スタックに入る前に達成される、システム。
【請求項４５】
請求項４２に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
流体改質反応にストリームを提供して水素リッチなリフォーメートを生成するための第１流体ループ；
前記燃料電池スタック中の操作可能な状態を維持するために、前記燃料電池冷却剤を循環させる、第２流体ループ；および
コジェネレーション用途において使用するために、該第１および第２ループの少なくとも１つから熱を取り出すための、第３流体ループ、をさらに備える、システム。
【請求項４６】
請求項４２に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
燃料プロセッサアセンブリであって、燃料を燃焼して水素リッチなリフォーメートを生成するための反応を実施するためのエネルギーを供給するためのバーナー、コジェネレーション用途において使用される燃料プロセッサ排出口を含む、燃料プロセッサアセンブリ、をさらに備える、システム。
【請求項４７】
請求項４２に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
前記燃料電池冷却剤を循環させて、前記燃料電池スタック中の操作可能な状態を維持するための、流体ループ、をさらに備え、
ここで、該燃料電池冷却剤が、該燃料電池スタックと熱交換関係にあり、そして該燃料電池スタックに入る空気を加湿する、システム。
【請求項４８】
請求項４２に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
個人住居用途に従ってコジェネレーション用途において使用するための熱の分配を制御するためのローカルコントロールエリア、をさらに備える、システム。
【請求項４９】
請求項４２に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
集合住居用途に従ってコジェネレーション用途において使用するための熱の分配を制御するためのワイドコントロールエリアネットワーク、をさらに備える、システム。
【請求項５０】
請求項４５に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
飲料水の加熱のための第４流体ループ、をさらに備え、
ここで、前記第３流体ループが、空間加熱を提供するための流体を運搬する、システム。
【請求項５１】
請求項４５に記載のコジェネレーションシステムであって、熱が、前記第３流体ループによって、前記排出口に加えて少なくとも１つの供給源から抽出される、システム。
【請求項５２】
請求項５１に記載のコジェネレーションシステムであって、前記さらなる熱供給源が、前記水素リッチな改質装置、リフォーメート、パワーエレクトロニクス、加熱炉およびボイラーからなる群から選択される、システム。
【請求項５３】
請求項４５に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
飲料温水に熱を提供するための第４流体ループ；および
前記コジェネレーションシステムの排出口から水を回収し、そして該排出口から前記第４流体ループおよび前記第２流体ループの少なくとも１つに熱を放出するための凝縮ラジエータ、をさらに備え、
ここで、該第２流体ループが、前記第３流体ループと熱交換関係にあり、コジェネレーション用途において該コジェネレーションシステムから抽出される熱を回収しそして利用する、システム。
【請求項５４】
請求項５３に記載のコジェネレーションシステムであって、前記凝縮ラジエータが、第１ゾーンおよび第２ジーンを有し、該第１ゾーンにおいて、熱が流体ループに伝えられて空間加熱を提供し、第２ゾーンにおいて、熱が飲料水の供給源に伝えられる、システム。
【請求項５５】
請求項５４に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
熱伝達コイル、をさらに備え、
ここで、前記排出口からの凝縮された水が、該熱伝達コイルを流れ、そして該コジェネレーションシステムに戻すために収集される、システム。
【請求項５６】
請求項４６に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
空間加熱および飲料水加熱の少なくとも１つのための熱を提供するための加熱炉、をさらに備える、システム。
【請求項５７】
請求項５６に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
前記加熱炉、前記燃料電池スタックおよび前記燃料プロセッサアセンブリの少なくとも１つを選択的に作動させることによって、空間加熱および飲料水加熱の少なくとも１つのために十分な熱を提供するためのコントローラ、をさらに備える、システム。
【請求項５８】
請求項４５に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
前記第２流体ループを冷却するための手段；および
空間加熱が該システムにより提供されない場合、該第２流体ループを冷却するための該手段を選択的に作動させるためのコントローラ、をさらに備える、システム。
【請求項５９】
請求項４５に記載のコジェネレーションシステムであって、以下：
空間加熱、飲料水加熱および該コジェネレーションシステムに対する立ち上がり加熱の提供の少なくとも１つにおいて使用するため、前記第３流体ループに補助熱を提供するための加熱炉、をさらに備える、システム。
【請求項６０】
前記加熱炉が、前記第３流体ループと並列で連結される、請求項５９に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項６１】
前記加熱炉が、前記第３流体ループと直列で連結される、請求項５９に記載のコジェネレーションシステム。
【請求項６２】
コジェネレーションシステムであって、以下：
水素リッチなリフォーメートから電気を生成するための燃料電池スタック；および
該燃料電池スタックを冷却するための燃料電池冷却剤、
を備え、
ここで、該燃料電池冷却剤、該水素リッチなリフォーメートおよび該燃料電池スタックの少なくとも１つが、該燃料電池冷却剤、該水素リッチなリフォーメートおよび該燃料電池スタックの少なくとも１つと熱交換状態にあり、該燃料電池スタック中の機械的応力を減少するために、設定温度範囲内の差を維持する、システム。
【請求項６３】
請求項６２に記載のコジェネレーションシステムであって、前記燃料電池冷却剤および前記水素リッチなリフォーメートが、熱交換状態にあり、前記燃料電池スタック中の機械的応力を減少するために、設定温度範囲内の差を維持する、システム。
【請求項６４】
請求項６３に記載のコジェネレーションシステムであって、前記設定温度範囲内の差が、前記燃料電池冷却剤および前記水素リッチなリフォーメートが前記燃料電池スタックに入る前に達成される、システム。
【請求項６５】
請求項６２に記載のコジェネレーションシステムであって、さらに以下：
蒸気を燃料改質反応部に提供して、水素リッチなリフォーメートを作り出すための、第１流体ループ；
前記燃料電池スタックにおいて操作可能な条件を維持するために前記燃料電池冷却剤を循環する、第２流体ループ；および
コジェネレーション適用における使用のために、該第１ループおよび該第２ループのうちの少なくとも１つから熱を除去するための、第３流体ループ、
を備える、コジェネレーションシステム。
【請求項６６】
請求項６２に記載のコジェネレーションシステムであって、さらに以下：
燃料プロセッサアセンブリであって、燃料を燃焼して改質反応のためのエネルギーを供給し、水素リッチなリフォーメートおよびコジェネレーション適用において使用される燃料プロセッサ排気を作り出すためのバーナーを備える、燃料プロセッサアセンブリ、
を備える、コジェネレーションシステム。
【請求項６７】
請求項６２に記載のコジェネレーションシステムであって、さらに以下：
前記燃料電池スタックにおいて操作可能な条件を維持するために前記燃料電池冷却剤を循環する、流体ループ；および
該燃料電池スタックに空気を供給するためのエアブロワーであって、該燃料電池冷却剤が、該空気と熱交換関係にあり、そして該空気を加湿する、エアブロワー、
を備える、コジェネレーションシステム。
【請求項６８】
請求項６２に記載のコジェネレーションシステムであって、さらに以下：
個々の住居用途に従って、コジェネレーション適用において使用するために、熱の分布を制御するためのローカルコントロールエリアネットワーク、
を備える、コジェネレーションシステム。
【請求項６９】
請求項６２に記載のコジェネレーションシステムであって、さらに以下：
複数の住居用途に従って、コジェネレーション適用において使用するために、熱の分布を制御するためのワイドコントロールエリアネットワーク、
を備える、コジェネレーションシステム。
【請求項７０】
請求項６５に記載のコジェネレーションシステムであって、さらに以下：
飲料水を加熱するための、第４流体ループ、
を備え、前記第３流体ループが、暖房を提供するための流体を運ぶ、
コジェネレーションシステム。
【請求項７１】
請求項６５に記載のコジェネレーションシステムであって、熱が、前記排気に加えて、少なくとも１つの供給源から前記第３流体ループによって取り出される、コジェネレーションシステム。
【請求項７２】
請求項７１に記載のコジェネレーションシステムであって、前記さらなる熱供給源が、水素リッチなリフォーメート、改質装置、パワーエレクトロニクス、炉およびボイラーからなる群より選択される、コジェネレーションシステム。
【請求項７３】
請求項６５に記載のコジェネレーションシステムであって、さらに以下：
飲料用温水のための熱を提供するための第４流体ループ；および
凝縮ラジエーターであって、コジェネレーションシステム排気から水を回収し、そして該排気から該第４流体ループおよび前記第２流体ループのうちの少なくとも１つに熱を放出するための、凝縮ラジエーター、
を備え、
ここで、該第２流体ループが、前記第３流体ループと熱交換関係にあって、コジェネレーション適用において、コジェネレーションシステムから取り出された熱を回収し、そして利用する、
コジェネレーションシステム。
【請求項７４】
請求項７３に記載のコジェネレーションシステムであって、前記凝縮ラジエーターが、第１ゾーンおよび第２ゾーンを有し、該第１ゾーンにおいて、熱が暖房を提供する流体ループに移動し、該第２ゾーンにおいて、熱が飲料水の供給部に移動する、コジェネレーションシステム。
【請求項７５】
請求項７４に記載のコジェネレーションシステムであって、さらに以下：
伝熱コイル、
を備え、
ここで、前記排気から凝縮した水が、該伝熱コイルの上を流れ、そして該コジェネレーションシステムに戻るために収集される、
コジェネレーションシステム。
【請求項７６】
請求項６６に記載のコジェネレーションシステムであって、さらに以下：
暖房および飲料水加熱のうちの少なくとも１つに熱を提供するための炉、
を備える、コジェネレーションシステム。
【請求項７７】
請求項７６に記載のコジェネレーションシステムであって、さらに以下：
コントローラーであって、前記炉、前記燃料電池スタックおよび前記燃料プロセッサアセンブリのうちの少なくとも１つを選択的に起動させることによって、暖房および飲料水加熱のうちの少なくとも１つのために十分な熱を提供するための、コントローラー、
を備える、コジェネレーションシステム。
【請求項７８】
請求項６５に記載のコジェネレーションシステムであって、さらに以下：
前記第２流体ループを冷却するための手段；および
暖房が該システムによって提供されない場合、該第２流体ループを冷却するための手段を選択的に起動するためのコントローラー、
を備える、コジェネレーションシステム。
【請求項７９】
請求項６５に記載のコジェネレーションシステムであって、さらに以下：
暖房、飲料水加熱、および該コジェネレーションシステムへの開始熱の提供のうちの少なくとも１つにおける使用のために、補充熱を前記第３流体ループに提供するための炉、
を備える、コジェネレーションシステム。
【請求項８０】
請求項７９に記載のコジェネレーションシステムであって、前記炉が、前記第３流体ループと並列して接続される、コジェネレーションシステム。
【請求項８１】
請求項７９に記載のコジェネレーションシステムであって、前記炉が、前記第３流体ループと直列で接続される、コジェネレーションシステム。
【請求項８２】
コジェネレーションシステムの排気から水を回収するための凝縮ラジエーターであって、以下：
第１ゾーンであって、該第１ゾーンにおいて、熱が暖房を提供する流体ループに移動する、第１ゾーン；および
第２ゾーンであって、該第２ゾーンにおいて、熱が飲料水の供給部に移動する、第２ゾーン、
を備える、凝縮ラジエーター。
【請求項８３】
請求項８２に記載の凝縮ラジエーターであって、さらに以下：
伝熱コイル、
を備え、
ここで、前記排気から凝縮した水が、該伝熱コイルの上を流れ、そして該コジェネレーションシステムに戻るために収集される、
凝縮ラジエーター。
【請求項８４】
コジェネレーションシステムであって、以下：
燃料プロセッサアセンブリであって、燃料を燃焼して改質反応のためのエネルギーを供給し、水素リッチなリフォーメートおよびコジェネレーション適用において使用される燃料プロセッサ排気を作り出すためのバーナーを備える、燃料プロセッサアセンブリ、
水素リッチなリフォーメートから電気を生成するための、燃料電池スタック；
腐食の影響を減少させるための、複数の分離した流体循環ループであって、ここで、第１ループが、燃料改質反応部に蒸気を提供して水素リッチなリフォーメートを生成し、第２ループが、該燃料電池スタックと操作可能な条件を維持し、そして第３ループが、コジェネレーション適用における使用のためにコジェネレーションシステムから熱を除去し、該熱が、該燃料プロセッサおよび該燃料電池のうちの少なくとも１つの排気から先に取り出される、流体循環ループ；ならびに
該第２流体ループにおいて循環する燃料電池冷却剤であって、ここで、該燃料電池冷却剤が、該燃料電池スタックにおける機械的応力を減少させるために、水素リッチなリフォーメートと熱交換して、該燃料電池スタックに入る前に、該燃料電池冷却剤および該水素リッチなリフォーメートの温度を平衡させる、燃料電池冷却剤、
を備える、コジェネレーションシステム。
【請求項８５】
コジェネレーションシステムであって、以下：
水素リッチなリフォーメートから電気を生成するための燃料電池スタック；ならびに
該コジェネレーションシステムにおいて腐食性の影響を減少させるための２つの分離した異なる流体ループであって、ここで、該流体ループが、蒸気を燃料改質反応部に提供して、水素リッチなリフォーメートを作り出すための第１流体ループ、燃料電池スタックにおいて操作可能な条件を維持するための第２流体ループ、およびコジェネレーション適用における使用のために該コジェネレーションシステムから、排気から先に取り出された熱を除去するための第３流体ループからなる群より選択される、流体ループ、
を備える、コジェネレーションシステム。
【請求項８６】
コジェネレーションシステムであって、以下：
蒸気を燃料改質反応部に提供して、水素リッチなリフォーメートを作り出すための第１流体ループであって、ここで、流体が、レザバから、第１熱交換器、燃料プロセッサアセンブリ、第２熱交換器、第３流体回収熱交換器のそれぞれへとポンプで送られ、次いで、該レザバへと戻る、第１流体ループ；
燃料電池スタックの温度を制御するための第２流体ループであって、ここで、流体が、該第３流体回収熱交換器から、第４コジェネレーション熱交換器、第５リフォーメート冷却熱交換器、燃料電池スタック、サチュレーターのそれぞれにポンプで送られ、次いで、該第３流体回収熱交換器へと戻る、第２流体ループ；
暖房を提供するための第３流体ループであって、ここで、コジェネレーションのための熱が、該第３流体ループを介して、該第４コジェネレーション熱交換器からラジエーターに移動する、第３流体ループ；および
飲料水を加熱するための第４流体ループであって、ここで、コジェネレーションのための熱が、該第４流体ループを介して、該第３流体回収熱交換器から飲料水に移動する、第４流体ループ、
を備える、コジェネレーションシステム。
【請求項８７】
コジェネレーションシステムであって、以下：
蒸気を燃料改質反応部に提供して、水素リッチなリフォーメートを作り出すための第１流体ループであって、ここで、流体が、レザバから、第１熱交換器、燃料プロセッサアセンブリ、第２熱交換器、第３流体回収熱交換器のそれぞれへとポンプで送られ、次いで、該レザバへと戻る、第１流体ループ；
燃料電池スタックの温度を制御するための第２流体ループであって、ここで、流体が、該第４コジェネレーション熱交換器から、サチュレーター、燃料電池スタックのそれぞれにポンプで送られ、次いで、該第４コジェネレーション熱交換器へと戻る、第２流体ループ；
暖房を提供するための第３流体ループであって、ここで、流体が、該第３流体回収熱交換器から、第４コジェネレーション熱交換器、ラジエーター、第５リフォーメート冷却熱交換器のそれぞれにポンプで送られ、次いで、該第３流体回収熱交換器へと戻る、第３流体ループ；および
飲料水を加熱するための第４流体ループであって、ここで、コジェネレーションのための熱が、該第４流体ループを介して、該第３流体回収熱交換器から飲料水に移動する、第４流体ループ、
を備える、コジェネレーションシステム。
【請求項８８】
コジェネレーションシステムからの電気および熱の提供のための熱交換システムであって、以下：
蒸気を燃料改質反応部に提供して、水素リッチなリフォーメートおよび改質装置排気を作り出すための、第１流体ループ；
該水素リッチなリフォーメートから電気を生成するための燃料電池スタック；
該燃料電池スタックの温度を制御するための、第２流体ループ；
コジェネレーション適用における使用のために、該燃料改質反応部および該燃料電池スタックのうちの少なくとも１つから熱を除去するための、第３流体流体ループ；
該水素リッチなリフォーメートと少なくとも１つの他のシステムの流体との間の第１熱交換器；
該改質装置排気と少なくとも１つの他の流体との間の第２熱交換器；および
該第２流体ループと該第３流体ループとの間の第３熱交換器、
を備え、
ここで、該システムが、飲料用温水および暖房のうちの少なくとも１つのために熱を生成する、
熱交換システム。
【請求項８９】
請求項８８に記載の熱交換システムであって、前記第２流体ループを冷却するためのラジエーターをさらに備える、熱交換システム。
【請求項９０】
請求項８８に記載の熱交換システムであって、飲料用温水の予熱のために、前記第１流体ループおよび前記第２流体ループのうちの少なくとも１つと熱交換関係にある第４流体ループをさらに備える、熱交換システム。
【請求項９１】
請求項９０に記載の熱交換システムであって、前記改質装置排気と、前記第２流体ループと、少なくとも１つの他の流体との間で、第４熱交換器をさらに備える、熱交換システム。
【請求項９２】
請求項８８に記載の熱交換システムであって、前記第１熱交換器、第２熱交換器および第３熱交換器のうちの少なくとも１つにおいて熱移動ループをさらに備える、熱交換システム。
【請求項９３】
請求項８８に記載の熱交換システムであって、前記コジェネレーション適用が、熱水タンクを備える、熱交換システム。
【請求項９４】
請求項８８に記載の熱交換システムであって、前記熱交換器のうちの少なくとも１つが、ガスからの水の除去のための凝縮熱交換器である、熱交換システム。
【請求項９５】
請求項９４に記載の熱交換システムであって、前記ガスが、リフォーメートである、熱交換システム。
【請求項９６】
請求項９４に記載の熱交換システムであって、前記ガスが、前記改質装置排気である、熱交換システム。
【請求項９７】
請求項９４に記載の熱交換システムであって、前記凝縮熱交換器が、熱を、前記第２流体ループおよび前記第３流体ループのうちの少なくとも１つから、飲料用温水へと移動させる、熱交換システム。
【請求項９８】
請求項８８に記載の熱交換システムであって、暖房、飲料水加熱、および該コジェネレーションシステムへの開始熱の提供のうちの少なくとも１つにおける使用のために、補充熱を前記第３流体ループに提供するための炉、をさらに備える、熱交換システム。
【請求項９９】
請求項９８に記載の熱交換システムであって、前記炉が、前記第３流体ループと並列して接続される、熱交換システム。
【請求項１００】
請求項９８に記載の熱交換システムであって、前記炉が、前記第３流体ループと直列で接続される、熱交換システム。
【請求項１０１】
請求項８８に記載の熱交換システムであって、前記流体ループのうちの少なくとも１つにおいて水を補充するための加熱されていない外部水を使用するための手段をさらに備える、熱交換システム。
【請求項１０２】
請求項８８に記載の熱交換システムであって、暖房および飲料水加熱のうちの少なくとも１つのための熱を提供するための炉をさらに備える、熱交換システム。
【請求項１０３】
請求項１０２に記載の熱交換システムであって、さらに以下：
燃料プロセッサアセンブリであって、燃料を燃焼して改質反応のためのエネルギーを供給し、水素リッチなリフォーメートおよびコジェネレーション適用において使用される燃料プロセッサ排気を作り出すためのバーナーを備える、燃料プロセッサアセンブリ；および
前記炉、前記燃料電池スタックおよび前記燃料プロセッサアセンブリのうちの少なくとも１つを選択的に起動させることによって、暖房および飲料水加熱のうちの少なくとも１つのために十分な熱を提供するための、コントローラー、
を備える、熱交換システム。
【請求項１０４】
請求項８８に記載の熱交換システムであって、さらに以下：
前記第２流体ループを冷却するための手段；および
暖房が該システムによって提供されない場合、該第２流体ループを冷却するための手段を選択的に起動するためのコントローラー、
を備える、熱交換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（説明）
（関連出願）
本出願は、２００１年５月9日に出願された仮出願第６０／２８９，８５１号の優先権を主張する。
【０００２】
（技術分野）
概して、本発明は、単一のシステムからの電力および熱のコジェネレーションのための方法および装置に関する。より詳細には、本発明は、特定の場所（例えば、建造物または建造物群）に電気および熱の両方を提供するための、燃料電池スタックおよび関連の燃料プロセッサアセンブリ（すなわち、燃料改質システム）の使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
燃料プロセッサは、燃料（代表的に、炭化水素（およびアルコールのような関連物質を含む））を、水素（Ｈ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）およびしばしば他の成分の混合物に変換する。鍵となる反応工程は、水（水蒸気として）および熱（代表的に７００〜１０００℃）の存在下で燃料を、一酸化炭素（ＣＯ）およびＨの混合物に解離させる工程；「水性ガスシフト」を使用して、水蒸気との反応によりＣＯ２をＣＯおよびＨ２に変換する工程；ならびに必要な場合、燃料電池反応を阻害する痕跡物質を除去するための、その後のクリーンアップ工程である。得られる水素含有ガスは、通常「リフォーメート」といわれる。
【０００４】
このリフォーメートは、燃料電池のアノードに供給され、そして酸素または空気が、カソードに供給される。電極は、半透性バリアにより隔てられており、この半透性バリアは、水の選択された成分（代表的に、Ｈ＋またはＯＨ−またはＯ２−）のみを通し、一方で電子は、電流として外部回路を流れる。種々の型の燃料電池が公知である。本発明のシステムは、膜がＨ＋イオンのみを通すＰＥＭ（ポリマー電解質膜）型の燃料電池に特に適合される。このような膜の現在の変形は、操作に給湿を必要とし、そして約１００℃未満の温度に限定される。しかし、本発明のシステムの特性の多くは、より高い温度で作動するＰＥＭ電池、または他の低温（例えば、約２００℃未満）型の燃料電池に適用可能である。
【０００５】
小型の燃料電池（水素が利用可能でない場合は必要に応じて小さな改質装置（ｒｅｆｏｒｍｅｒ）を有する）は、暖房および/または給湯を提供するための燃料電池または改質装置のいずれかの電気および廃熱の両方、ならびに局所的に生成した電気を使用するために、建造物または建造物群と一体化され得る。これは、コジェネレーションとして知られる。一般的に、電気は、建造物において使用されるか、または電気グリッドに輸出され、そして燃料電池の廃熱は、暖房および/または温水を提供するために使用される。改質装置廃熱もまた、いくつかの場合において、熱利用について考慮される。従って、改質装置、燃料電池、および補助的な装置を備える「燃料電池電力システム」またはＦＣＰＳは、ある場所で使用するための電気および熱の両方を「コジェネレーションする」。
【０００６】
米国特許第４，９８５，４７４号（Ｃｈｅｎら）は、建造物に電力を供給するための燃料電池アセンブリ、その建造物に熱を供給するための加熱チャンバおよび熱交換器を有する炉、ならびにこの炉および燃料電池アセンブリに直接リフォーメートを供給するための改質装置を備える一体化システムを開示する。
【０００７】
米国特許第６，０１３，３８５号（ＤｕＢｏｓｅ）は、排気流から燃料電池のカソード入口流に潜熱および顕熱を移動させるためのカソード給湿システム；燃料電池を出るアノード流の総エンタルピーを、アノード入口流の総エンタルピーに等しく維持するためのアノード湿度保持システム；ならびにろう付け板熱交換器により相互接続された、分離された脱イオン水ループおよび冷却剤ループを有する冷却剤管理システムを備える、燃料電池ガス管理システムを開示する。
【０００８】
米国特許第６，２９０，１４２号（Ｔｏｇａｗａら）は、熱エネルギー供給についての複数の別個の要求に適切に応答するように配置されたコジェネレーション装置を開示する。コントローラは、熱負荷の条件、および温度センサーＴＳ１およびＴＳ２により検出された温度の測定値により決定される条件に応じて、エンジンジェネレーター（ｅｎｇｉｎｅ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）の操作を制御する。
【０００９】
米国特許第５，３３５，６２８号（Ｄｕｎｂａｒ）は、燃料電池により発生された過剰の熱を捕捉するために使用される水を、ボイラー給水加熱に使用するような様式で連結された燃料電池およびボイラーを開示する。一実施形態において、ボイラーにより発生された水蒸気は、水蒸気を復水に変換し、そしてその復水を、燃料電池ユニット内で生成された熱エネルギーのための熱シンクとして使用するために燃料電池に戻す操作において使用される。
【００１０】
米国特許第５，９６９，４３５号（Ｗｉｌｈｅｌｍ）は、別々の第１電源および第第２電源からＡＣ電力およびＤＣ電力を同時に受容するＤＣ電力システムを開示する。このＤＣ電力システムは、ＤＣ電力を、ＤＣ電力を必要とする負荷により使用される出力へと送達する。このＤＣ電力システムは、ＡＣ電力をＤＣ電力に変換する変換器、およびＤＣ電力を制御し、そして出力に分配するための電力分配制御デバイスを備える。
【００１１】
本発明は、効率的かつ効果的なコジェネレーションシステムを提供することにより、先行技術の試行に対して区別される。特に、先行技術は、プロセス中のどこで熱が再生に利用可能であるか、および燃料電池／燃料プロセッサシステムの効率または信頼性のいずれかを有意に低下させることなくこのような熱が使用され得る方法を教示していない。これらの問題は、些細なことではない。システムには、多くの潜在的な熱源が存在しており、これらの熱源としては、バーナー（単数または複数）、改質装置、水−ガス−シフト反応器、優先酸化（クリーンアップ）反応器、燃料電池スタック、および種々の熱交換流体（これらの構成要素間で共有され得る）が挙げられるが、これらに限定されない。このような流体としては、水、水蒸気、空気、排気、燃料およびリフォーメートが挙げられるが、これらに限定されない。どの熱源が、他の構成要素の効率または操作システムの安定性を妨害することなく、加熱の有用性を提供するために使用され得るかは、自明ではない。さらに、システムの種々の構成要素は、種々の異なる温度（改質する際の約７００〜１０００℃の高温（またはバーナーにおけるより高い温度さえ）から、約５０℃（ＰＥＭスタックに入るリフォーメート）まで、そしてなおさらに約２０℃（システムに入る水）まで及ぶ）において作動する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明者らは、種々の可能性のあるコジェネレーションシステムを設計し、そして構築またはシミュレートすることにより、これらの課題を検討し、解決した。少なくとも類似の非コジェネレーションシステムと同程度に効率的にＦＣＰＳが作動することを可能にする、ＦＣＰＳ（燃料プロセッサ／燃料電池システム）から熱を抽出するための改善された相互接続およびデバイスが、発見された。さらに本発明のシステムは、代表的に、自己調整する傾向を有し、操作が単純である。さらに、これらは、水を効率的に回収し、そして加熱のために使用される従来の炉またはボイラーと容易に一体化され得る。従って、本発明は、上記で考察した課題およびその他の課題を解決するために提供される。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（発明の要旨）
別々の流体ループを有するコジェネレーションシステムを提供することが、本発明の一実施形態の局面である。このコジェネレーションシステムは、水素リッチなリフォーメートを生成するための燃料改質反応に水蒸気を提供するための第１流体ループを有する。水素リッチなリフォーメートから電気を発生するための燃料電池スタックおよびこの燃料電池スタックの温度を制御するための第２流体ループが存在する。このシステムはまた、暖房および／または給湯のようなコジェネレーション適用における使用のために第１ループおよび第２ループの少なくとも一方から熱を除去するための第３ループを有する。本明細書において、他に述べなければ、用語「ループ」は、水がこのシステムを通過するが再循環されない任意の経路も含む。経路の例としては、飲料水の加熱が挙げられるがこれに限定されず、また改質装置のバーナー排気からの復水の再利用ではなく置換も含まれ得る。
【００１４】
燃料プロセッサアセンブリを備えたコジェネレーションシステムを提供することもまた本発明の一実施形態の局面である。燃料プロセッサアセンブリは、燃料を燃焼して水素リッチなリフォーメートを生成するための改質反応にエネルギーを供給するバーナー、および燃料プロセッサ排気機構を有し、このアセンブリは、暖房および飲料水のための熱を提供するためにコジェネレーション適用において使用される。このシステムはまた、水素リッチなリフォーメートから電気を発生するための燃料電池スタックおよび燃料電池廃棄装置を有し、これは、暖房および飲料水のための熱を提供するためにコジェネレーション適用において使用される。
【００１５】
水素リッチなリフォーメートから電気を発生する燃料電池スタックおよびこの燃料電池スタックを冷却するための燃料電池冷却剤を有するコジェネレーションシステムを提供することが、本発明の一実施形態の別の局面である。燃料電池冷却剤、水素リッチなリフォーメートおよび燃料電池スタックの少なくとも１つは、燃料電池冷却剤、水素リッチなリフォーメート、および燃料電池スタックの少なくとも１つと熱交換して、固定された温度差を維持する。これにより、燃料電池スタックにおける機械的ストレスが低減される。
【００１６】
水素リッチなリフォーメートから電気を発生するための燃料電池スタックおよびこの燃料電池スタックを冷却するための燃料電池冷却剤を有するコジェネレーションシステムを提供することが、本発明の一実施形態のなお別の局面である。燃料電池冷却剤、水素リッチなリフォーメートおよび燃料電池スタックの少なくとも１つは、燃料電池冷却剤、水素リッチなリフォーメートおよび燃料電池スタックの少なくとも１つと熱交換して、設定範囲内の温度差を維持する。これにより、燃料電池スタックにおける機械的ストレスが低減される。
【００１７】
コジェネレーションシステムの排気から水を回収するための凝縮ラジエーターを提供することが、本発明の一実施形態のさらに別の局面である。この凝縮ラジエーターは、暖房を提供する流体ループに熱を移動させる第１ゾーンおよび飲料水の供給に熱を移動させる第２ゾーンを有する。
【００１８】
燃料プロセッサアセンブリを有するコジェネレーションシステムを提供することが、本発明の一実施形態のなお別の局面である。燃料プロセッサアセンブリは、燃料を燃焼して改質反応にエネルギーを供給し、水素リッチなリフォーメートを生成するためのバーナー、およびコジェネレーション適用の際に使用される燃料プロセッサ排気機構を有する。このシステムはまた、水素リッチなリフォーメートから電気を発生するための燃料電池スタックを有する。腐食の影響を低減するために複数の分離された流体循環ループが存在する。第１ループは、水素リッチなリフォーメートを生成するために水蒸気を燃料改質反応に提供する。第２ループは、燃料電池スタックにおける操作可能な条件を維持する。第３ループは、コジェネレーション適用における使用のためのコジェネレーションシステムから熱を除去し、この熱は、燃料プロセッサおよび燃料電池のいずれか少なくとも１つの排気から予め抽出される。燃料電池冷却剤は、第２流体ループ中を循環する。この燃料電池冷却剤は、水素リッチリフォーメートと熱交換して、燃料電池スタックにおける機械的ストレスを低減するために、燃料電池スタックに入る前に燃料電池冷却剤および水素リッチ改質装置の温度を平衡化する。
【００１９】
水素リッチなリフォーメートから電気を発生するための燃料電池スタックを有するコジェネレーションシステムを提供することが、本発明の一実施形態のさらに別の局面である。このシステムは、コジェネレーションシステムにおける腐食の影響を低減するために、２つの分離した異なる流体ループを有する。この流体ループは、燃料改質反応に水蒸気を提供して水素リッチなリフォーメートを生成するための第１流体ループ、燃料電池スタックにおける操作可能な条件を維持するための第２流体ループ、およびコジェネレーション適用における使用のためのコジェネレーションシステムから熱（この熱は、排気機構から予め抽出されている）を除去するための第３流体ループからなる群から選択される。
【００２０】
本発明の一実施形態のなお別の局面は、以下：燃料改質反応に水蒸気を提供して水素リッチなリフォーメートを生成するための第１流体ループ（ここで流体は、レザバから、第１熱交換器、燃料プロセッサアセンブリ、第２熱交換器、第３流体回収熱交換器の各々へとポンプで送られ、次いで、レザバに戻される）：燃料電池スタックの温度を制御するための第２流体ループ（ここで、流体は、第３流体回収熱交換器から、第４コジェネレーション熱交換器、第５リーフォーメート冷却熱交換器、燃料電池スタック、サチュレーターの各々にポンプで送られ、次いで、第３流体回収熱交換器に戻される）；暖房を提供するための第３流体ループ（コジェネレーションのための熱は、第３流体ループを介して、第４コジェネレーション熱交換器から、ラジエーターに移動する）；ならびに飲料水を加熱するための第４流体ループ（ここで、コジェネレーションのための熱は、第４流体ループを介して、第３流体回収熱交換器から、飲料水に移動する）、を備えるコジェネレーションシステムを提供することである。
【００２１】
複数の流体ループを有するコジェネレーションシステムを提供することが、本発明の一実施形態のさらに別の局面である。燃料改質反応に水蒸気を提供して水素リッチなリフォーメートを生成するための第１流体ループが存在し、ここで流体は、レザバから、第１熱交換器、燃料プロセッサアセンブリ、第２熱交換器、第３流体回収熱交換器の各々へとポンプで送られ、次いでレザバに戻される。燃料電池スタックの温度を制御するための第２流体ループが存在し、ここで流体は、第４コジェネレーション熱交換器から、サチュレーター、燃料電池スタックの各々にポンプで送られ、次いで第４コジェネレーション熱交換器に戻される。暖房を提供するための第３流体ループが存在し、ここで流体は、第３流体回収熱交換器から、第４コジェネレーション熱交換器、ラジエーター、第５リフォーメート冷却熱交換器の各々へとポンプで送られ、次いで、第３流体回収熱交換器へと戻される。飲料水を加熱するための第４流体ループもまた存在し、ここでコジェネレーションのための熱は、第４流体ループを介して、第３流体回収熱交換器から飲料水に移動する。
【００２２】
本発明の一実施形態のなお別の局面は、コジェネレーションシステムからの電気および熱の供給のための熱交換システムを提供することである。第１流体ループは、燃料改質反応に水蒸気を提供して水素リッチなリフォーメートおよび改質装置排気を生成する。この水素リッチなリフォーメートから電気を発生するための燃料電池スタックが存在する。第２流体ループは、燃料電池スタックの温度を制御する。第３流体ループは、コジェネレーション適用において使用するための、燃料改質反応および燃料電池スタックのうちの少なくとも１つから熱を除去する。水素リッチなリフォーメートと少なくとも１つの他のシステム流体との間の第１熱交換器、および改質装置排気と少なくとも１つの他の流体との間の第２熱交換器が存在する。第２流体ループと第３流体ループとの間の第３熱交換器もまた存在する。このシステムは、飲料用温水および暖房の少なくとも一方のための熱を発生する。
【００２３】
本発明の一実施形態のさらに別の局面は、コジェネレーションシステムに熱を供給するための特定の熱源の選択を提供することである。これらの熱源としては、改質反応に熱を供給するバーナー（単数または複数）の排気のより冷たい部分における熱交換器；最終の優先酸化反応器（ＰｒＯｘ）とスタックとの間のリフォーメートを冷却するための熱交換器；ならびに燃料電池スタック冷却剤から反応熱を抽出するための熱交換器が挙げられる。
【００２４】
本発明の一実施形態のなお別の局面は、改質装置およびスタックと暖房ループまたは給湯ループとの間の熱移動を提供することであり、これは、限定数の熱交換器を使用することにより実質的にまたは完全に達成される。特に、３つの熱交換器が十分であり得ることが見出される。限定数の熱交換器を通る循環のいくつかの異なる相互接続レイアウトは、全体の効率において同様であり、これらの中の選択は、そのシステムの詳細に依存することが見出される。
【００２５】
本発明の一実施形態のなお別の局面は、システムの熱移動ループの、従来の炉との接続を提供することである。
【００２６】
本発明の一実施形態のさらに別の局面は、ループ同士の接続の相対的順番、および特定の熱交換器内のそれらの物理的配置を提供することである。特に、暖房ループ、給湯ループ、およびバーナー排気用の凝縮熱交換器を有する実施形態が記載される。
【００２７】
本発明の一実施形態のさらに別の局面は、ＦＣＰＳにより生成される熱が、コジェネレーション用途に必要な熱を超える場合に少なくともスタック冷却ループを冷却するためのラジエーターを提供することである。
【００２８】
これらおよび他の局面および利点は、添付の図面と併せて以下の説明を読む場合に明らかとなる。
【００２９】
（詳細な説明）
本発明は、多くの異なる形態の実施形態が可能であるが、図面で示され、そして本発明の詳細な好ましい実施形態で本明細書中に記載される。本開示は、本発明の本質の例示としてみなされるべきであり、そして本発明の広い局面を、例示される実施形態に限定することを意図しないということが理解される。
【００３０】
以下の説明において、燃料プロセッサは、たとえそれが、熱交換、水蒸気生成ならびに燃料および空気の予熱により連結したいくつかの化学反応器を含んでいても、単一のユニット（「燃料プロセッサアセンブリ」、またはＦＰＡ）として主に扱われる。特に、３つの主な型の改質反応（部分酸化、自己熱（ａｕｔｏｔｈｅｒｍａｌ）改質、および水蒸気改質）のいずれかが使用され得る。ＦＰＡは、改質反応を推進するため、そうでなければその発熱量を回収するため；そして大気への可能な有害物質の放出を防止するために、燃料電池から戻る１つ以上の水素の燃焼のための好ましくは少なくとも１つのバーナーを有する。１より多くのバーナーが存在する場合、それらの出力は、代表的には本発明の目的に関して実質的に同じものである。これらの熱交換のいくつかは、以下の図面においてＨＸ１およびＨＸ２で図示される。ＨＸ１は、代表的には、バーナー排気管のより高温の領域の熱で作動する水蒸気発生器である。ＨＸ２は、改質反応における使用のためのに水を最初にまたは連続して加熱して水蒸気にするための他の熱源の使用を示す。これらの熱源のいずれか、または末端ＰｒＯｘ反応器はまた、以下に記載される主要な熱交換反応を補い得る。別のレベルで抽出すると、ＦＰＡおよびスタックは、それらが補助的な炉またはボイラー（本明細書中において、補助的な炉およびボイラーの両方が、用語「炉」により網羅される）と協働することを考慮する場合、一緒に連結され得る。
【００３１】
図示したように、より効果的でかつ効率的なコジェネレーションを達成する主要な熱交換相互接続およびシステム構成に集中するために、図面は、四角で囲まれた主要な要素を示し、過剰な詳細（例えば、コントロールバルブ、空気流および燃料流、水分離器、ポンプ、圧縮器、圧力調整器、少量の水リターンなど）を省略する。これらの必要な項目の準備は、システムの操作には必要であるが、本発明の理解には必ずしも必要ではない。ここで、本発明のいくつかの実施形態を、本発明が実施され得るいくつかの方法を示すために記載する。
【００３２】
図１を参照して、本発明の一実施形態の循環パターンの相互作用を示す模式図が示される。流体は、コジェネレーションシステム１０の実施形態において従来のポンピング方法を使用してポンプ３０および３１によりポンプで送られる。これらの流体は、ＦＣＰＳ１４および炉２６を通して、温水タンク２２および暖房器１８へとポンプで送られ、次いでＦＣＰＳ１４および炉２６に戻される。
【００３３】
図２〜４を参照して、本発明のコジェネレーションシステム１０の実施形態が図示される。各コジェネレーションシステム１０において、水素リッチなリフォーメートから電気を発生するための燃料電池スタック４０および暖房および/または飲料水用の熱を提供するためのコジェネレーション適用において使用され得る燃料電気排気機構が存在する。
【００３４】
図２〜４に示され得るように、このコジェネレーションシステムは、複数の分離した流体ループを有し得る。これは、腐食の影響を最少にするのを補助する。第１流体ループは、燃料改質反応に水蒸気を提供して、水素リッチなリフォーメートを生成し得る。第２流体ループは、燃料電池冷却剤を循環させて燃料電池スタック４０の温度を制御し得る。このシステム１０はまた、暖房および/または給湯のようなコジェネレーション適用における使用のための、第１ループおよび第２ループの少なくとも１つから熱を除去するための第３流体ループを有し得る。この説明において、他に述べなければ、用語「ループ」は、流体がシステムを通過するが再循環されない任意の経路も含む。このような経路の例としては、飲料水の加熱が挙げられるがこれらに限定されず、そして改質装置のバーナー排気からの復水の再循環ではなく置換も含み得る。
【００３５】
図２を参照すると、スタックへとリフォーメートを提供するループが示されている。このリフォーメートは、ＦＰＡ３４から、リフォーメートから一酸化炭素を除去するための優先的酸化リアクタ（ＰｒＯｘ）３６、熱交換器３８、燃料電池スタック４０の各々へと移され、次いでＦＰＡ３４に戻される。水の分圧を低減するために、ＰｒＯｘ３６に入る前にリフォーメートを予め冷却することが、起こり得るか、または熱交換器３８は、凝縮熱交換器であり得る。次いで、冷却されたリフォーメートは、燃料電池スタック（スタック）４０に入り、このスタックにおいて、ほとんどではあるが代表的には全てではない水素が使用される。残余のリフォーメート（「アノード排気」）（これは、代表的に、ほぼ飽和濃度にて水を含む）は、スタック４０を出て、ＦＰＡ３４中のバーナーへと戻る。燃料電池スタックアノード排気（これは、残留水素を含む）は、空気または酸素（しばしば、燃料電池スタック４０のカソード排気によって部分的に補充される）と共に燃焼されて、リフォーマー３４に熱を提供する。
【００３６】
燃料改質反応に蒸気を提供して、水素が豊富なリフォーメートを生成するための、第一の流体ループもまた、図２に示される。この第一の流体ループにおいて、流体は、レザバ４６から、第一の熱交換器４８、燃料プロセッサアセンブリ３４、第二の熱交換器４２、第三の流体回収熱交換器４４の各々へとポンピングされ、次いでレザバ４６へと戻る。次いで、熱は、第二の熱交換器４２において部分的に冷却されたバーナー排気から捕捉され、そして代表的にはリフォーマー内での蒸気発生または他の加熱のために使用される。次いで、バーナー排気は、凝縮熱交換器４４に入る。この熱交換器４４は、他のプロセスストリームへと、潜熱および顕熱の両方を移し、それによって、排気から水を回収する。この水は、水レザバ４６に入り、このレザバから、他の熱交換器４２および４８に送られて、改質反応のためのストリームへと転換され、それによってこのループを完成させる。この例および以下の例において、水の回収が例示される。定置型システムでは、水が完全に再利用される必要はない。なぜなら、水は、代表的には補充され得るが、水蒸気の潜熱は、熱源として潜在的に有用だからである。回収された水のいくらかまたは全ては、廃棄され、そして新鮮な水と交換されて、リフォーマー３４における水起源の不純物の形成を防止し得る。
【００３７】
燃料電池スタック４０の温度を制御するための、第二の流体ループもまた示される。この第二の流体ループにおいて、流体は、第三の流体回収熱交換器（ＨＸ３）４４から、第四のコジェネレーション熱交換器（ＨＸ４）５０、第五のリフォーメート冷却熱交換器（ＨＸ５）３８、燃料電池スタック４０、サチュレータ５２の各々へとポンピングされ、次いで第三の流体回収熱交換器４４へと戻る。燃料電池冷却剤（スタック冷却剤とも称される）は、代表的に、限定はされないが、脱イオン水または別の誘電性流体であり、そして不凍剤混合物または腐食を最小化する他の成分を含み得る。このスタック冷却剤は、水素と酸素との反応によってスタック４０中に生じる熱を取り除く。この熱は、ＦＣＰＳによって生じる回収可能な低温の熱のうち、かなりの部分である。約６８℃でスタック４０（これは、代表的には、この例において約７０℃で作動する）を出た後、スタック冷却剤は、サチュレータ（ＳＡＴ）５２に入る。このサチュレータ５２は、反応のためにスタック４０に入る空気に湿度を提供し、そして空気の温度を制御するために使用される。スタック冷却剤と空気との間の熱交換は、直接的または間接的のいずれかであり得る。直接的な様式において、空気は、スタック冷却剤（この場合、好ましくは水）と直接接触して、一工程でより温かくなり、かつ適切に加湿される。冷却剤が完全には水でない場合に使用される間接的様式は、熱交換器を通過する冷却剤を使用して、水を加熱し、次にこの水を使用して、空気を加湿し、かつ温める。
【００３８】
サチュレータ５２を出た後、スタック冷却剤（ここでは、約６３〜６６℃）は、凝縮熱交換器４４に流れて、排気から熱を獲得する。スタック冷却剤の熱が加熱のために必要でなく、その代わりに排除されなければならない場合に使用するために、ラジエータ５４が、スタック冷却剤ループ中に含まれ得る。このようなラジエータ５４は、いくつかの地点のいずれか（例えば、サチュレータ５２とＨＸ３  ４４との間、またはＨＸ３  ４４とＨＸ５  ３８との間（例えば、ＨＸ４  ５０におけるコジェネレーションループへの接続部または接続部近傍））に存在し得るか、またはＨＸ４  ５０の完全もしくは部分的なバイパスとして存在し得る。
【００３９】
次いで、スタック冷却剤は、ＨＸ３  ４４からＨＸ４  ５０へと流れ、ここで、この冷却剤は、暖房システムから、「コジェネレーション流体」へと熱を移す。コジェネレーション流体は、建造物の加熱システムによって必要とされる、水、不凍剤混合物または他の流体であり得る。冷却剤およびコジェネレーション流体は、温度において平衡しており、代表的には、（ＰＥＭ燃料電池スタックと共に）約５５℃〜６０℃の範囲である。ここで、スタック冷却剤は、ＨＸ５  ３８に入って、リフォーメートを冷却し、そしてそれ自体をスタック温度まで温める。代替的実施形態において、示さないが、スタック冷却剤通路は、ＨＸ３  ４４からリフォーメートクーラーＨＸ５  ３８までであり、次いで、スタック４０に戻る前に、コジェネレーション交換器ＨＸ４  ５０へと延びる。これらの実施形態のいずれかにおいて、多くの場合、水は冷却の際にリフォーメートから凝縮するので、リフォーメートがスタック４０に入る前に凝縮熱交換器を提供する必要があり得る。この機能は、ＨＸ５  ３８に組み込まれ得る。
【００４０】
サチュレータ（ここで、水は、スタック冷却剤から、入ってくるスタック空気へと移される）における直接的交換において、補給水は、スタック冷却剤ループに供給されなくてはならない。補給ライン（示されない）は、好ましいリフォーメートループレザバ４６からの凝縮物または外部供給源からの補給水のいずれかによって、供給され得る。いずれの場合においても、補給水は、代表的に、脱イオン器を通過する。
【００４１】
暖房を提供するための第三の流体ループもまた示される。コジェネレーションのための熱は、第三の流体ループを介して、第四のコジェネレーション熱交換器５０からラジエータ１８に移されて、暖房を提供し得る。コジェネレーション流体は、６０〜６５℃の範囲の温度でＨＸ４  ５０を出て、以下により詳細に記載されるように、この熱を建物に移す。この流体は、代表的に、約４５〜５５℃の温度で熱交換器５０に戻る。必要に応じて、飲料水に、凝縮熱交換器ＨＸ３  ４４の冷却剤領域を通過させることによって、飲料温水が作製され得るか、または少なくとも予め加熱され得る。家庭用の飲料温水は、代表的に、約４０〜５５℃の温度を必要とする。飲料水は、その代わりに、またはさらに、以下に記載されるように、コジェネレーションループによって加熱され得る。
【００４２】
図２の実施形態は、いくつかの利点を有する。第一に、スタック冷却剤およびリフォーメートは、スタック４０に入る前に平衡化される。これらのストリーム間には、代表的には温度差が存在するものの、ストリームの相対的な温度は、種々の作動温度の下で同等である。同様に、スタック４０に入る空気は、スタック冷却剤と平衡化される。従って、スタック４０に入る流体の温度は、相関付けられ、かつほとんど変化せず、それによって作動条件が変化した場合に、スタックに対する熱応力を最小化する。この構成は、この効果が、しばしば独立したコントローラも特定のコントローラも必要としないで得られ得るような構成である。第二に、コジェネレーションに必要なシステムの部分は、ＦＰＡ３４の外側であり、従って、修理または点検のためによりアクセス可能である。第三に、加熱工程において、リフォーメートが代表的には非常にＣＯに富み、かつスタック４０に入る前にバーナーに戻される場合、リフォーメートの温かさは、加熱期の間にスタック冷却剤を循環させることによって、ＨＸ３  ４４またはＨＸ５  ３８において捕捉され得、そしてスタック４０を作動温度まで温めるために使用され得る。
【００４３】
これらのレイアウトおよび以下に記載されるレイアウトにおいて、ポンプの数は、最小化される；代表的には、ループ中の流体が別々に維持される場合、１ループ当たり１つのポンプが必要である。サブシステムの各々の要件が異なるので、このような分離は、通常行われる。スタック冷却剤は、脱イオン水または別の適切な誘電性流体を要求するので、プラスチックまたはステンレス鋼のいずれかの熱交換器が好ましい。暖房／コジェネレーションループは、脱イオン水をほとんど必要としないが、不凍剤および腐食阻害剤としてグリコールを含み得る。リフォーマー／バーナー「ループ」中の水は、リフォーマー３４中で大部分が水素およびＣＯ２に転換されるので、好ましくは、別個のプールとして維持され、一方で、この水を交換する水は、バーナー排気およびシステム中の他の場所から、例えば、リフォーメートまたは燃料電池排気からの凝縮物として、回収される。例示はしないが、回収された水は、サイクルに再突入する前に、例えば、濾過およびイオン交換によって、通常精製される。
【００４４】
図３を参照すると、代替的実施形態が示される。このリフォーメート／凝縮物ループは同じである。コジェネレーションループもまた同じである。スタック冷却剤ループが、３つの熱交換器ＨＸ３  ４４、ＨＸ４  ５０およびＨＸ５  ３８を連結するために再び使用される。ここでは順番が異なり、ＨＸ４  ５０においてコジェネレーションループに熱を移す前に、冷却剤は、熱を獲得するためにＨＸ５  ３８およびＨＸ３  ４４と相互作用している。この配置の利点は、熱が、ＨＸ４  ５０での転移のために、ＨＸ５  ３８およびＨＸ３  ４４の両方から取り除かれ得ることである。さらに、スタック４０に入るリフォーメートは、代表的に、以前の設計よりもスタック４０の温度に近く、リフォーメートから水を除去するための凝縮器は、必要とされなくてもよい。スタックに入る物質の温度間の相関は、代表的に、図２に示される実施形態と類似である（ＨＸ４  ５０でのコジェネレーション流体との平衡化からのスタック冷却剤の直接的戻りが、約５５〜６０℃（スタック温度よりも有意に低い）である点を除く）。図２のように、スタック冷却剤から熱を除くための任意のラジエータ５４が示され、これは、ＨＸ４  ５０の周りの完全または部分的なバイパスとして作動するが、選択肢の範囲は、上記と同じである。
【００４５】
図４を参照すると、燃料改質反応に蒸気を提供して、水素リッチなリフォーメートを生成するための第一の流体ループが示される。この第一の流体ループにおいて、流体は、レザバ４６から、第一の熱交換器４８、燃料プロセッサアセンブリ３４、第二の熱交換器４２、第三の流体回収熱交換器４４の各々にポンピングされ、次いで、レザバ４６に戻る。燃料電池スタック４０の温度を制御するための第二の流体ループもまた示される。第二の流体ループにおいて、流体は、第四のコジェネレーション熱交換器５０から、サチュレータ５２、燃料電池スタック４０の各々にポンピングされ、次いで、第四のコジェネレーション熱交換器５０に戻る。暖房を提供するための第三の流体ループもまた示される。示されるような第三の流体ループにおいて、流体は、第三の流体回収熱交換器４４から、第四のコジェネレーション熱交換器５０、暖房を提供するためのラジエータ１８、第五のリフォーメート冷却熱交換器３８へとポンピングされ、次いで第三の流体回収熱交換器４４に戻る。飲料水を加熱するための第四の流体ループもまた示される。コジェネレーションについての熱は、第四の流体ループを介して、第三の流体回収熱交換器４４から移って、飲料水を加熱し得る。スタックへとリフォーメートを提供するためのループもまた示される。リフォーメートは、ＦＰＡ３４から、リフォーメートから一酸化炭素を除去するためのＰｒＯｘ３６、熱交換器３８、燃料電池スタック４０の各々に移され、次いでＦＰＡ３４に戻る。
【００４６】
基本的に、図４に示される実施形態は、熱交換器ＨＸ３  ４４、ＨＸ４  ５０およびＨＸ５  ３８の３つ全てを走る、（スタック冷却剤ではなく）コジェネレーションループを有する。スタック冷却剤ループのみが、ＨＸ４  ５０においてコジェネレーションシステムと熱を交換する。戻ってくるコジェネレーションループ流体（代表的には４５〜５５℃である）は、最初にＨＸ５  ３８においてリフォーメートを冷却し、両方の流体は、約５５℃〜６０℃の範囲でＨＸ５  ３８を出る。これは、ＨＸ５  ３８（これは、通常は、スタック４０における凝縮を防止することによって有利である）において、しばしば凝縮物を生成する。次いで、コジェネレーションループは、ＨＸ３  ４４（代表的には６０〜６５℃の範囲まで温められる）においてバーナー排気から熱を抜き取る。最後に、コジェネレーション流体は、冷却剤がスタック４０を出た直後にスタック冷却剤を交換することによって、ＨＸ４  ５０において約６５℃〜６８℃まで温められる。次いで、この温められた流体は、暖房および水加熱のために使用され、そして冷却状態に戻ってサイクルを繰り返す。この実施形態は、代表的に、ＦＰＡ３４およびスタック４０システム（ＦＣＰＳ）から熱を抜き取る点で、最も効果的である。別の利点は、ＨＸ４  ５０だけが脱イオン水と適合性である必要があることであり、このことが、ＨＸ３  ４４およびＨＸ５  ３８に適切な物質の範囲を広げている。暖房が使用されない場合に使用するためのラジエータ５４は、再び、必要に応じて、スタック冷却ループ中に提供され、設置について上記選択肢を有する。この実施形態の１つの欠点は、暖房が生じない場合に、ＨＸ５  ３８におけるリフォーメートの冷却を欠くことである。この方法についての改善としては、暖房が生じない場合の使用のための、ＨＸ５  ３８へのスタック冷却剤の循環のための補助ラインが挙げられるが、これに限定されない。ＨＸ５  ３８を冷却するための別の方法は、リフォーマー３４への蒸気を作製するプロセスの一部として、レザバ４６からの水を予め加熱するためにＨＸ５  ３８を使用することによる。
【００４７】
いくつかの設備において、スタック４０からの種々のＤＣ電位を定電圧のＤＣまたはＡＣ電力に転換するために使用されるパワーエレクトロニクスはまた、顕著な熱源であり得る。このような状況において、このさらなる熱を抜き取るための上記実施形態のいずれかにおいて、さらなる熱交換器が存在し得る。
【００４８】
図６の実施形態において、ＨＸ３  ４４中の飲料温水についての任意の予め加熱する工程が例示される。飲料性を維持するために、温水加熱通路は、示された３つのループとは別個であり、そしてほとんどの設備において、第四の流体ループである。水供給は、代表的には中程度の圧力であるので、ポンプは、一般に、このループを必要としない。
【００４９】
図２〜４のコジェネレーションシステム１０の各々において、燃料プロセッサアセンブリ３４が示され、ここで、リフォーミングのための蒸気は、第一の流体ループによってリフォーマーに供給される。燃料プロセッサアセンブリ３４は、好ましくは、水素リッチなリフォーメートを生成するための改質反応にエネルギーを供給するためのバーナー、およびコジェネレーション用途（例えば、暖房を提供するかまたは飲料水を加熱すること）に移すための熱が捕捉される燃料プロセッサ排気を有する。燃料処理アセンブリ３４からの排気は、コジェネレーション適用において使用され得る。例えば、燃料プロセッサ排気は、流体ループおよび／または燃料プロセッサアセンブリ３４に入る空気のいずれかと、熱交換関係にあり得る。
【００５０】
これらのコジェネレーションシステム１０はまた、スタック冷却剤ループ中を循環する燃料電池冷却剤を有し、ここで、この燃料電池冷却剤および水素リッチなリフォーメートは、コジェネレーション（ｃｏｇｅｎ）ループを介してＨＸ５  ３８において間接的に熱を交換して、２つの媒体間の一定の温度差を維持する。必要に応じて、一定の温度差ではなく、ＨＸ４  ５０における熱交換が、燃料電池冷却剤と水素リッチなリフォーメートとの間の設定された温度範囲内に差を維持するために使用され得る（図４を参照のこと）。この温度調節は、燃料電池スタック４０中の機械的応力を低減することを補助する。一定の温度差または設定された温度範囲内の差は、燃料電池スタック４０に燃料電池冷却剤および水素リッチなリフォーメートが入る前、入る間、または入った後のいずれかに達成され得るが、好ましくは入る前である。他の選択肢としては、燃料電池冷却剤、水素リッチなリフォーメートおよび燃料電池スタック４０の任意の別の１つまたは全てと熱を交換して、上記の一定の温度差または設定された温度範囲内の差異を維持する、燃料電池冷却剤、水素リッチなリフォーメートおよび燃料電池スタック４０の任意の１つまたは全てが挙げられる。さらに、これは、燃料電池スタック４０中の機械的応力を低減することを補助する。この一定の温度差は、約５℃ほどであり得る。
【００５１】
図２に示される別の実施形態において、燃料電池スタック４０中の作動条件を維持するために、燃料電池冷却剤を循環させるための流体ループが、燃料電池スタック４０に入る空気と熱交換関係にあり得、そしてこの燃料電池スタック４０に入る空気を加湿し得ることがまた、企図される。
【００５２】
図１〜８に示されるコジェネレーションシステム１０の任意の実施形態は、個々の居住用途に従うコジェネレーション適用における使用のための、熱の分布を制御するための局所的制御領域ネットワークを、必要に応じて備え得る。同様に、このコジェネレーションシステム１０はまた、複数の居住用途に従うコジェネレーション適用における使用のための、熱の分布を制御するための広域制御領域ネットワークを、必要に応じて備え得る。
【００５３】
図２〜４に例示されるように、コジェネレーションシステム１０は、飲料水の加熱のための第四の流体ループを有し得、この場合、第三の流体ループは、暖房を提供するために流体を運び得る。第三の流体ループによって、熱が、排気に加えて少なくとも１つの供給源から抜き取られ得ることが企図される。さらなる熱源は、水素リッチなリフォーメート、リフォーマー３４、パワーエレクトロニクス、炉またはボイラーであり得るが、これらに限定されない。
【００５４】
図２〜４に示されるように、コジェネレーションシステム１０は、必要に応じて、スタック冷却剤ループを冷却するための手段を備える。冷却するための手段は、任意の従来の手段であり得、これには、ラジエータ５４、または使用され得る場合にシステム中のある位置へと熱を移動させるための、任意の２流体熱交換器システム（例えば、低級プロセス加熱）が挙げられるが、これに限定されない。暖房がこのシステムによって提供されていない場合にラジエータ５４を選択的に起動するためのコントローラもまた、存在し得る。コジェネレーションシステム中の任意のループが、所望の場合、この様式で冷却され得る。必要に応じて、凝縮ラジエータが、さらに、コジェネレーションシステム排気から水を回収しながら、任意のシステム流体ループを冷却するために使用され得る。このような構成において、熱は、排気から、第四の流体ループおよび第二の流体ループの一方または両方はと放出され得、この第二の流体ループは、コジェネレーション適用において、コジェネレーションシステム１０から抜き取られた熱を回収および利用するために、第三の流体ループと熱交換関係にある。この任意の凝縮ラジエータは、２つの領域を有し得る：暖房を提供するために流体ループに熱が移される、第一の領域、および例えば、飲料水の供給へと熱が移される、第二の領域。排気から凝縮した水が流れ得る、任意の電熱コイルもまた存在し得る。次いで、水は、コジェネレーションシステム１０へ戻るために収集され得る。
【００５５】
実際には、通常、電気の必要性と暖房の必要性との間に、不均衡が存在する。暖かい気候では、暖房はしばしば必要がなく、そして電気生成において発生した熱は、飲料水を加熱するために十分な熱を上回り得る。この状況について、スタック冷却剤ループにおけるラジエータ５４の設置が好ましい。寒冷な気候では、暖房の熱要求は、燃料電池スタック４０および燃料プロセッサアセンブリ３４（集合的に、燃料電池電力システムすなわちＦＣＰＳ）から利用可能なエネルギー供給を超え得る。原則的に、燃料プロセッサ３４は、暖房のためのエネルギーもまた供給し得るように、大きすぎるものであり得る。実際には、暖房ループを直接加熱するために従来の炉またはボイラー２６を提供すること、およびＦＣＰＳおよび炉のいずれかまたは両方によって暖房に必要な熱が供給されるように配置することは、通常、よりコスト効率がよい。
【００５６】
図５および７に示される任意の炉は、暖房および飲料水加熱の少なくとも一方のための熱を供給し得る。炉２６およびＦＣＰＳ１４の少なくとも一方を選択的に起動することによって、暖房および飲料水加熱の少なくとも一方に十分な熱を提供するための、コントローラもまた存在し得る。炉２６はまた、必要に応じて、暖房、飲料水加熱およびコジェネレーションシステム１０のための起動加熱の供給のうち１つ以上における使用のために、第三の流体ループに補充的な熱を提供するために使用され得る。この任意の炉２６は、第三の流体ループに接続され得る。この接続は、並行または直列であり得る。
【００５７】
図５および７はまた、任意の飲料温水タンク２２を示す。この飲料温水は、ＦＣＰＳ１４、任意の炉２６から熱を引き出し得るか、または任意の従来の加熱手段を使用して、温水ヒーター２２自体によって加熱され得る。
【００５８】
図６に示されるように、空間ヒーター１８は、弁Ｖ１およびＶ２を使用して、必要に応じてバイパスされ得る。図５に示されるように、バイパス様式において、暖房として使用された熱は、次いで、弁Ｖ１およびＶ２のどちらが開位置にあるかに依存して、ＦＣＰＳ１４および任意の炉２６のいずれか１つまたは両方において使用される。
【００５９】
図７に示されるように、飲料温水タンク２２は、必要に応じて、弁Ｖ４およびＶ５を使用してバイパスされ得る。バイパス様式において、暖房として使用された熱は、次いで、弁Ｖ２およびＶ３のどちらが開位置にあるかに依存して、ＦＣＰＳ１４および空間ヒーター１８のいずれか１つまたは両方において使用される。
【００６０】
任意の炉２６もまた、図８に示されるようにバイパスされ得る。次いで、ＦＣＰＳ１４からの熱は、炉２６からの補充的な熱なしに、建物に熱を供給するために、空間ヒーター１８によって使用される。これは、所望のレベルの暖房が一年を通して達成されるように、使用者によって制御され得る。
【００６１】
図２〜４に示されるように、本発明は、コジェネレーションシステム１０からの電気および熱の供給のための熱交換システムを有し得ることもまた、企図され得る。このような熱交換システムは、水素リッチなリフォーメートから電気を発生させるための、燃料電池スタック４０を有し得る。熱交換システムはまた、複数の分離された流体ループを有し得、その結果、水素リッチなリフォーメートおよびリフォーマー排気を生成するために、燃料改質反応へと蒸気を提供するための、第一の流体ループ、燃料電池スタック４０の温度を制御するための、第二の流体ループ、ならびにコジェネレーション適用における使用のために、燃料改質反応および燃料電池スタック４０のうち少なくとも一方から熱を取り除くための、第三の流体ループが存在する。熱交換システムはまた、分離した流体ループ間で熱を移す、複数の熱交換器を有し得る。水素リッチなリフォーメートと少なくとも１つの他のシステム流体との間の第一の熱交換器３８、リフォーマー排気と少なくとも１つの他の流体との間の第二の熱交換器４４、および第二の流体ループと第三の流体ループとの間の第三の熱交換器５０が存在し得る。この熱交換システムは、飲料水の加熱および暖房の提供の一方または両方のための熱を生成し得る。
【００６２】
図２〜４に示されるように、熱交換システムは、第二の流体ループを冷却するための手段を備え得ることが企図される。暖房がコジェネレーションシステム１０によって提供されていない場合、第二の流体ループを冷却するための手段を選択的に起動するためのコントローラもまた、存在し得る。冷却のための任意の手段は、任意の従来の冷却手段であり得、これには、ラジエータ５４が挙げられるがこれに限定されない。飲料温水を予め加熱するために、第一の流体ループおよび第二の流体ループの少なくとも１つと熱交換関係にある第四の流体ループもまた存在し得る。任意の第四の熱交換器がまた、リフォーマー排気と、第二の流体ループと、少なくとも１つの他の流体との間で熱を移すために使用され得る。さらなる熱移動ループもまた、システム熱交換器のいずれかまたは全て中に配置され得る。
【００６３】
必要に応じて、１つ以上の熱交換器は、気体から水を除去するための凝縮熱交換器であり得る。この気体は、リフォーメート、リフォーマー排気、またはコジェネレーションシステム１０において見出される任意の他の気体であり得る。任意の凝縮熱交換器は、飲料水を加熱するために、第二の流体ループおよび第三の流体ループの少なくとも一方から熱を移すために使用され得る。熱交換システムはまた、飲料温水を保存するための温水タンクを備え得る。
【００６４】
図５に示されるように、熱交換システムは、暖房、飲料水加熱、およびコジェネレーションシステム１０の起動熱の供給のいずれかまたは全てに熱を供給するための、任意の炉２６を有し得る。この任意の炉２６はまた、暖房、飲料水加熱、およびコジェネレーションシステム１０の起動熱の供給のいずれかまたは全てにおける使用のために、第三の流体ループに補充的な熱を提供するために使用され得る。任意の炉２６は、第三の流体ループと並行してか、または第三の流体ループと直列で接続され得る。任意の炉２６はまた、コントローラによって制御され得る。任意のコントローラは、炉２６およびＦＣＰＳ１４のいずれかまたは全てを選択的に起動することによって、暖房および飲料水加熱のいずれか一方または両方のために十分な熱を提供するために使用され得る。熱交換システムは、流体ループのいずれかまたは全て中の水を補充するために、必要に応じて、加熱されていない外部の水を使用するための手段（例えば、冷レザバ５６）を備え得る。この外部の水は、任意の型の水レザバから供給され得る。
【００６５】
任意の熱交換器中の流体の流れが、並流または向流のいずれかであり得ることは、注目に値する。示された実施形態中のＨＸ４  ５０において、コジェネレーションループおよびスタック冷却剤ループの両方が、６０℃に付近の温度で熱交換器５０を出るような、並流様式が好ましい。凝縮熱交換器が、図４の実施形態において特にＨＸ３  ４４として使用される場合、より低温のストリームが、頂部で導入され、そして下向きに流れて流出して、熱および水の回収を最大化するという意味で、並流の流れ（ｒｕｎ）様式がまた好ましい。向流の流れは、ＨＸ５においていくらか好ましいが、必須ではない。
【００６６】
特定の実施形態を例示および記載してきたが、多数の改変が、本発明の精神から大きくに逸脱することなく想起され、そして保護の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】図１は、協働する従来の炉またはボイラーを備える、本発明の一実施形態の循環パターンの相互作用を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態を例示する、特定の熱移動および流体循環パターンを示す模式図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態を例示する特定の熱移動および流体循環パターンを示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態を例示する特定の熱移動および流体循環パターンを示す模式図である。
【図５】図５は、任意のボイラー／炉および任意の飲料用温水タンクを備える、本発明の一実施形態を示す模式図である。
【図６】図６は、本発明の一実施形態のための暖房のバイパスを示す模式図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態のためのＦＣＰＳまたはボイラー／炉のいずれかのための飲料用温水タンクにバイパスを形成する選択肢を示す模式図である。
【図８】図８は、本発明の一実施形態のための炉にバイパスを形成する選択肢を示す模式図である。
【図１】
2004532507.tif 000003
【図２】
2004532507.tif 000004
【図３】
2004532507.tif 000005
【図４】
2004532507.tif 000006
【図５】
2004532507.tif 000007
【図６】
2004532507.tif 000008
【図７】
2004532507.tif 000009
【国際公開パンフレット】
2004532507.tif 000010
2004532507.tif 000011
2004532507.tif 000012
2004532507.tif 000013
2004532507.tif 000014
2004532507.tif 000015
2004532507.tif 000016
2004532507.tif 000017
2004532507.tif 000018
2004532507.tif 000019
2004532507.tif 000020
2004532507.tif 000021
2004532507.tif 000022
2004532507.tif 000023
2004532507.tif 000024
2004532507.tif 000025
2004532507.tif 000026
2004532507.tif 000027
2004532507.tif 000028
2004532507.tif 000029
2004532507.tif 000030
2004532507.tif 000031
2004532507.tif 000032
2004532507.tif 000033
2004532507.tif 000034
2004532507.tif 000035
2004532507.tif 000036
2004532507.tif 000037
2004532507.tif 000038
2004532507.tif 000039
2004532507.tif 000040
2004532507.tif 000041
2004532507.tif 000042
2004532507.tif 000043
2004532507.tif 000044
2004532507.tif 000045
2004532507.tif 000046
2004532507.tif 000047
2004532507.tif 000048
2004532507.tif 000049
2004532507.tif 000050
2004532507.tif 000051
2004532507.tif 000052
2004532507.tif 000053
2004532507.tif 000054
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004532507.tif 000055
2004532507.tif 000056
【国際調査報告】
2004532507.tif 000057
2004532507.tif 000058
2004532507.tif 000059