特許 5671031 熱併給発電を行うための熱電発生器及び燃料電池を備えるシステム及びそれらの制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5671031

(24)【登録日】2014年12月26日

(45)【発行日】2015年2月18日

(54)【発明の名称】熱併給発電を行うための熱電発生器及び燃料電池を備えるシステム及びそれらの制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20060101AFI20150129BHJP

   H01M 8/12 20060101ALI20150129BHJP

   H01M 8/00 20060101ALI20150129BHJP

   H01L 35/16 20060101ALI20150129BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 J

   H01M8/12

   H01M8/00 Z

   H01L35/16

【請求項の数】12

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-526761(P2012-526761)

(86)(22)【出願日】2010年7月19日

(65)【公表番号】特表2013-503444(P2013-503444A)

(43)【公表日】2013年1月31日

(86)【国際出願番号】US2010042387

(87)【国際公開番号】WO2011031375

(87)【国際公開日】20110317

【審査請求日】2013年7月11日

(31)【優先権主張番号】12/550,131

(32)【優先日】2009年8月28日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500520743

【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー

【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100109726

【弁理士】

【氏名又は名称】園田 吉隆

(74)【代理人】

【識別番号】100101199

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 義教

(72)【発明者】

【氏名】ガオ， リジュン

(72)【発明者】

【氏名】リュー， シェンイー

(72)【発明者】

【氏名】チェン， チン−シー

(72)【発明者】

【氏名】ロウ， ジョージ， エム．

【審査官】 相羽 昌孝

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−０８６２２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０５４４７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０５７９０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１７７２６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０８７３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／００７４６４５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４−８／０６

Ｈ０１Ｍ ８／００

Ｈ０１Ｍ ８／１２

Ｈ０１Ｌ ２７／１６

Ｈ０１Ｌ ３５／００−３７／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

予備加熱後の吸気（１６２）を流入させる燃料電池入口、及び高温燃料電池排気（１０７）を排出する燃料電池出口を有する燃料電池（１０４）と、
ＨＸ低温側入口、ＨＸ低温側出口、ＨＸ高温側入口、及びＨＸ高温側出口を有する熱交換器（ＨＸ）（１３０）と、
ＴＥ低温側とＴＥ高温側との温度差に応じて電気エネルギーを発生させる熱電発生器（ＴＥ）（１１０）と
を備えており、ＴＥが、
吸気（１６２）を流入させるＴＥ低温側入口と、
ＨＸ低温側入口に接続されるＴＥ低温側出口と、
燃料電池出口に接続されて高温燃料電池排気（１０７）を流入させるＴＥ高温側入口と、
ＨＸ高温側入口に接続されるＴＥ高温側出口と
を含む、システムであって、
更に、燃料電池出口とＨＸ高温側入口との間にＴＥバイパスを備え、さらに
バイパス制御バルブ（１５２）を備えており、前記高温燃料電池排気（１０７）の流れを制御して、前記ＴＥ（１１０）をバイパスすることにより、予備加熱後の吸気（１６２）の入口温度を制御するために該バイパス制御バルブ（１５２）を調整することができる、システム（１００）。

【請求項2】

更に、前記バイパス制御バルブ（１５２）に接続されるコントローラ（１５０）を備えており、システムが作動している間に、コントローラが、予備加熱後の吸気（１６２）の温度を変化させるために該バイパス制御バルブ（１５２）の開度を調整する、請求項１に記載のシステム（１００）。

【請求項3】

吸気（１６２）が酸化剤を含んでいる、請求項１に記載のシステム（１００）。

【請求項4】

燃料電池（１０４）が高温燃料電池を含んでいる、請求項１に記載のシステム（１００）。

【請求項5】

燃料電池（１０４）が固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を含んでいる、請求項１に記載のシステム（１００）。

【請求項6】

ＴＥ（１１０）が放射状要素を備えており、放射状要素の内部で、高温ガスが、ＴＥ高温側入口からＴＥ高温側出口に向かって、ＴＥ低温側入口からＴＥ低温側出口に向かって流れる低温ガスと平行に流れている、請求項１に記載のシステム（１００）。

【請求項7】

ＨＸ（１３０）が逆流熱交換器を含んでいる、請求項１ないし６の何れか一項に記載のシステム（１００）。

【請求項8】

前記コントローラは、ＴＥ（１１０）から発生する電力出力を、前記バイパス制御バルブ（１５２）を調整することにより調整する、請求項２に記載のシステム（１００）。

【請求項9】

燃料電池（１０４）を使用して電力を発生させる工程と、
余剰電力を、熱電発生器（ＴＥ）を使用して、
燃料電池（１０４）からＴＥの高温側（１１２）に排気（１０７）を送り込み、
燃料電池吸気（１６２）をＴＥの低温側（１１４）に送り込む
ことにより発生させる工程と、
燃料電池吸気（１６２）を予備加熱する工程とを有する方法であって、
燃料電池吸気をＴＥ（１１０）から熱交換器（ＨＸ）（１３０）を通して送り込み、ＴＥの高温側から流入する燃料電池排気（１０７）から熱を回収することにより、燃料電池吸気（１６２）が予備加熱され、
バイパス制御バルブ（１５２）を用いて燃料電池排気（１０７）の流れを制御して該ＴＥ（１１０）をバイパスすることによって、該予備加熱された燃料電池吸気（１６２）の温度が調整されることを特徴とする方法。

【請求項10】

燃料電池排気（１０７）の一部がＴＥ（１１０）を迂回できることができるようにし、燃料電池排気の一部を燃料電池吸気（１６２）と混合させることにより、燃料電池吸気（１６２）を予備加熱する、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

ＴＥの高温側に流入する手前の燃料電池排気（１０７）温度が６００℃〜８００℃である、請求項９または１０に記載の方法。

【請求項12】

ＴＥに流入する手前の燃料電池吸気（１６２）の温度が５０℃よりも低い、請求項９または１０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は概して、電力の発生に関するものである。

【背景技術】

【0002】

熱電発生器は、電気エネルギーを熱電装置が受ける温度差に応じて発生させることができる。熱電発生器による電気エネルギー発生量又は電気エネルギー発生効率は、発生装置に生じる温度差の大きさによって変わり得る。例えば、大きな温度差によって、エネルギー発生効率をより高くすることができる。熱電発生システムは、高温熱源及び冷却システムを利用して、相対的に大きな温度差を維持することにより、高効率のエネルギー変換を実現する。

【発明の概要】

【0003】

発電システム及び方法が開示される。特定の実施形態では、電力を、熱電併給システムを使用して発生させる。熱電併給システムは、燃料電池及び熱電発生器の両方を使用して、電力を発生させることができる。燃料電池は、電力を、燃料と酸化剤との化学反応を利用して発生させることができる。燃料電池は更に、熱を化学反応の副生成物として発生させることができる。熱電発生器は、余剰電力を、燃料電池に供給される吸気流（例えば、酸化剤又は燃料）と燃料電池の高温排気（アノード又はカソードからの）との温度差に応じて発生させることができる。

【0004】

特定の実施形態では、方法は、電力を、燃料電池を使用して発生させる工程を含む。方法は更に、余剰電力を、熱電発生器（ＴＥ）を使用して、排気を燃料電池からＴＥの高温側に送り込み、燃料電池吸気をＴＥの低温側に送り込むことにより発生させる工程を含む。方法は更に、燃料電池吸気をＴＥから熱交換器（ＨＸ）を通して送り込み、ＴＥの高温側から流入する燃料電池排気から熱を回収することにより、燃料電池吸気を予備加熱する工程を含む。

【0005】

別の特定の実施形態では、システムは、予備加熱後の吸気を流入させる燃料電池入口と、高温燃料電池排気を排出する燃料電池出口とを有する燃料電池を含む。システムは更に、ＨＸ低温側入口、ＨＸ低温側出口、ＨＸ高温側入口、及びＨＸ高温側出口を有する熱交換器（ＨＸ）を含む。システムは更に、電気エネルギーをＴＥ低温側とＴＥ高温側との温度差に応じて発生させる熱電発生器（ＴＥ）を含む。ＴＥは、吸気流を流入させるＴＥ低温側入口と、ＨＸ低温側入口に接続されるＴＥ低温側出口と、燃料電池出口に接続されて高温燃料電池排気を流入させるＴＥ高温側入口と、ＨＸ高温側入口に接続されるＴＥ高温側出口とを含む。

【0006】

更に別の実施形態では、移動プラットフォーム（例えば、航空機、宇宙船、船舶、陸上輸送手段、又は別の移動プラットフォーム）、又は静止プラットフォーム（例えば、静止状態の構造物における発電システム、又は別の静止プラットフォーム）のようなプラットフォームは、電力を発生させる燃料電池を含む。プラットフォームは更に、余剰電力を、燃料電池からの燃料電池排気と燃料電池吸気との温度差を利用して発生させる熱電発生器（ＴＥ）を含む。プラットフォームは更に、熱を、燃料電池排気がＴＥを通過した後の燃料電池排気から回収することにより、燃料電池吸気を、燃料電池吸気が燃料電池に供給される前に予備加熱する熱交換器（ＨＸ）を含む。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、電力を発生させるシステムの第１の実施形態の図である。

【図2】図２は、電力を発生させるシステムの第２の実施形態の図である。

【図3】図３は、電力を発生させるシステムの第３の実施形態の図である。

【図4】図４は、特定の実施形態による熱電発生器の図である。

【図5】図５は、特定の実施形態による熱電発生器の図である。

【図6】図６は、特定の実施形態による熱電発生器の図である。

【図7】図７は、電力を発生させる方法の第１の実施形態のフローチャートである。

【図8】図８は、特定の実施形態による発電を制御する制御方式のフローチャートである。

【図9】図９は、特定の実施形態による電力を発生させるシステムを制御する様子を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

説明される特徴、機能、及び利点は、本明細書において開示される種々の実施形態において個別に達成されるか、又は以下の説明及び図面を参照しながら示すことができる更なる詳細を含む更に他の実施形態において組み合わせることができる。

【0009】

熱電併給システムの運転効率は、熱電発生器を、燃料電池からの相対的に高温の排気流と燃料電池に向かう相対的に低温の吸気流との間に配置することにより向上させることができる。この配置によって、熱電発生器は電力を、高温の排気流と低温の吸気流との間の相対的に大きな温度差に応じて、追加の冷却システムを使用することなく発生させることができる。更に、この配置によって、低温吸気流を、吸気流が燃料電池に供給される前に予備加熱することができる。熱電発生器の効率は、燃料電池排気流と燃料電池吸気流との温度差の絶対値が大きいので高めることができる。更に、この配置によって、熱電発生器が利用する温度差を発生させて電力を発生させるために追加燃料を使用するという必要がなくなり、追加燃料を使用するのではなく、燃料電池排気流内の廃熱を熱電発生器が利用することにより、電力を発生させる。更に、熱電併給システムの重量は、別体の冷却システムが無くなるので、他の熱電併給システムよりも低減される。

【0010】

特定の実施形態では、開示される熱電併給システムを使用するプラットフォームは、燃料電池からの排気を冷却するための追加の冷却システムを必要としない。更に、余剰電力は、電力が利用されない場合には、燃料電池からの廃熱となってしまう熱を熱電発生器によって利用して発生させる。このように、電力の一部が廃熱から取り出されて、熱電併給システムによる燃料の電力への変換効率を高めることができる。

【0011】

図１は、電力を発生させるシステム１００の第１の実施形態の図であり、システムは参照番号１００で一括指示されている。システム１００は、発電システムが配置されるプラットフォームを含む。例えば、プラットフォームは、航空機、宇宙船、船舶、又は陸上輸送手段のような移動プラットフォームとすることができる。別の例では、プラットフォームは、事業用発電所、工業用地、オフィスビルディングにおける、又は略静止状態の別の構造物における発電システムのような静止プラットフォームとすることができる。特定の実施形態では、プラットフォーム１０２の発電システムは、電力を発生させる構成要素群を含む。例えば、電力を発生させる構成要素群は、アノード１０６及びカソード１０８を有する燃料電池１０４を含むことができる。電力を発生させる構成要素群は更に、第１ＴＥ１１０及び第２ＴＥ１２０のような１つ以上の熱電発生器（ＴＥ）を含むことができる。

【0012】

特定の実施形態では、第１ＴＥ１１０は、燃料電池１０４のアノード１０６に接続され、第２ＴＥ１２０は、燃料電池１０４のカソード１０８に接続される。この配置によって、高温排気１０７をアノード１０６から第１ＴＥ１１０の高温側１１２に送り込むことができる。同様に、カソード１０８からの高温排気１０９は、第２ＴＥ１２０の高温側１２２に送り込むことができる。高温排気１０７，１０９に比べて冷たい吸気１６２（燃料１７０及び酸化剤１７２のような）を入口に流入させることができ（例えば、それぞれの燃料貯蔵システム及び酸化剤貯蔵システムから）、ＴＥ１１０，１２０の該当する低温側１１４，１２４を通して送り込むことができる。この配置では、ＴＥ１１０，１２０は、高温排気１０７，１０９と吸気１６２との間の最大温度差の位置に設けるか、又は位置の近傍に設けることができる。例示的な実施形態では、燃料電池１０４は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）のような高温燃料電池である。ＳＯＦＣの場合、高温排気１０７，１０９は、６００℃超の温度を有することができる。例えば、高温排気１０７，１０９は、約６００℃〜約８００℃の温度を有することができる。吸気１６２の温度は、種々の要素の中でもとりわけ、システム１００の運転環境によって変わり得る。例えば、大気を酸化剤１７２として使用する場合、大気の温度は約５０℃未満とすることができる。プラットフォーム１０２の発電システムを人間が運転するか、又は人間に近い動作をすることにより運転する場合、大気は通常、約−５０℃〜５０℃とすることができる。特定の実施形態を目的とする場合、吸気１６２は、約２０℃であると仮定する。高温排気１０７，１０９の温度、及び吸気１６２の温度は、システム１００の特定の実施形態、特定の用途、又は使用、及び特定の運転状況に依存して広範囲に変化する可能性がある。従って、上に説明した温度は、例示であり、限定的に捉えられてはならない。

【0013】

システム１００は更に、アノード１０６に接続される第１熱交換器１３０と、カソード１０８に接続される第２熱交換器１４０とを含むことができる。特定の実施形態では、ＴＥ１１０，１２０の高温側１１２，１２２からの排気は、熱交換器１３０，１４０の高温側１３２，１４２の該当する入口に送り込むことができる。ＴＥ１１０，１２０の低温側１１４，１２４からの排気は、熱交換器１３０，１４０の低温側１３４，１４４の該当する入口に送り込むことができる。この実施形態では、熱交換器１３０，１４０は吸気１６２を、吸気１６２が燃料電池１０４に予備加熱後の吸気１８０として供給される前に予備加熱することができる。吸気１８０を予備加熱することにより燃料電池１０４を、特に燃料電池１０４が高温燃料電池である場合に効率的に運転することができる。特定の実施形態では、熱交換器１３０，１４０は逆流熱交換器であるが、他の実施形態では、熱交換器１３０，１４０は、他の物理的配置を有することができる。

【0014】

特定の実施形態では、システム１００は、燃料電池１０４の運転効率を向上させるように作動させることができる。従って、コントローラ１５０は、第１制御バルブ１５２、第１制御バルブ１５４、又は両方の制御バルブを作動させて、燃料電池１０４に供給される予備加熱後の吸気１８０の温度を制御することができる。特定の実施形態では、制御バルブ１５２，１５４は、燃料電池出口と熱交換器高温側入口との間に位置する。制御バルブ１５２，１５４は調整可能であることにより、予備加熱後の吸気１８０の入口温度を制御することができる。例えば、コントローラ１５０は、制御バルブ１５２，１５４を作動させて、高温排気１０７，１０９の一部がＴＥ１１０，１２０を迂回することができることにより、予備加熱後の吸気１８０の温度を高くすることができる。制御バルブ１５２，１５４を開いて、高温排気１０７，１０９の少なくとも一部がＴＥ１１０，１２０を迂回する場合、熱交換器１３０，１４０の該当する高温側１３２，１４２に供給されるガスの温度が高くなり、これにより、熱交換器１３０，１４０の該当する低温側１３４，１４４から流出する予備加熱後の吸気１８０の温度が高くなる。このように、予備加熱後の吸気１８０への予備加熱量をコントローラ１５０が、制御バルブ１５２，１５４の作動により制御することができる。特定の実施形態では、コントローラ１５０は、第１制御バルブ１５２を作動させて、予備加熱後の吸気１８０の所定の温度を実現する、／又は維持することができる。例えば、予備加熱後の吸気１８０の所定の温度は、燃料電池１０４の発電量を最適化するように選択される温度とすることができる。このように、ＴＥ１１０，１２０は、電力を、燃料電池１０４で生じた廃熱を利用して発生させることができる。すなわち、特定の実施形態では、燃料電池１０４は、燃料電池１０４が単独で発電を行なう燃料電池であるかの如く作動させることができ、ＴＥ１１０，１２０は、燃料電池１０４で生じた廃熱を回収して、余剰電力を発生させることができる。例示的な実施形態では、予備加熱後の吸気１８０の所定の温度は、約６００℃とすることができる。このように、燃料電池１０４の発生電力を大きくすることができ、必要に応じて、ＴＥ１１０，１２０により供給される熱電併給電力を小さくして、予備加熱後の吸気１８０を更に予備加熱することができることにより、燃料電池１０４の運転を行なうことができるか、又は燃料電池１０４の運転効率を高めることができる。別の特定の実施形態では、コントローラ１５０は、制御バルブ１５２，１５４を作動させて、燃料電池１０４及びＴＥ１１０，１２０の組み合わせから発生する合計電力出力の最大化、最適化、又はそれ以外の制御を行うことができる。例えば、コントローラ１５０は、ＴＥ１１０，１２０からの電力出力をモニタリングすることができ、制御バルブ１５２，１５４を調整して、電力出力を制御方式に基づく最大化、最適化、又はそれ以外の制御を行うことができる。

【0015】

特定の実施形態では、システム１００の１つ以上の構成要素は、別の構成要素と合体させることができるか、又はシステム１００から省略することができる。例えば、ＴＥを１つだけ設けることができるか、制御バルブを１つだけ設けることができるか、熱交換器を１つだけ設けることができるか、又はこれらの構成のいずれかの組み合わせとすることができる。

【0016】

別の特定の実施形態では、廃熱は、アノード１０６からの高温排気１０７からのみ回収することができるか、又はカソード１０８からの高温排気１０９からのみ回収することができる。この実施形態では、熱回収システム群（ＴＥ１１０，１２０及び熱交換器１３０，１４０のような）、熱電併給システム群（ＴＥ１１０，１２０のような）、及び制御システム群（制御バルブ１５２，１５４のような）は１組のみ設けることができる。

【0017】

図２は、電力を発生させるシステム１００の第２の実施形態の図であり、システムは参照番号２００で一括指示されている。特定の実施形態では、システム２００は、システム１００の構成要素群と同じ、又は略同様の多くの構成要素を含む。このような構成要素群には、図１における番号と同じ参照番号を付して、参照及び説明が容易になるようにしている。

【0018】

システム２００では、コントローラ２５０は、１つ以上の制御バルブ２５２，２５４を制御する。これらの制御バルブ２５２，２５４は、燃料電池出口と燃料電池入口との間に（図１のシステム１００における燃料電池出口と熱交換器高温側入口との間にではなく）配置される。従って、制御バルブ２５２，２５４は、ＴＥ１１０，１２０及び熱交換器１３０，１４０の両方を迂回する高温排気１０７，１０９の量を制御する。制御バルブ２５２，２５４は、燃料電池に送り込まれる予備加熱後の吸気２８０への予備加熱量を、予備加熱後の吸気２８０に直接混合される高温排気１０７，１０９の一部を制御することにより制御するように作動させることができる。例えば、高温排気１０７，１０９の第１部分は、燃料電池１０４の吸気側に送り込むことができ、高温排気１０７，１０９の第２部分は、ＴＥ１１０，１２０及び熱交換器１３０，１４０を通るように、制御バルブ２５２，２５４の位置に応じて送り込むことができる。

【0019】

図３は、電力を発生させるシステムの第３の実施形態の図であり、システムは参照番号３００で一括指示されている。特定の実施形態では、システム３００は、システム１００の構成要素群と同じ、又は略同様の多くの構成要素を含む。このような構成要素群には、図１における番号と同じ参照番号を付して、参照及び説明が容易になるようにしている。

【0020】

図３の特定の実施形態では、図１及び２の熱交換器１３０及び１４０のような熱交換器は設けていない。熱交換器を設けるのではなく、燃料電池１０４の出口に接続されるＴＥ（熱電発生器）３１０，３２０は、電力を高温排気１０７，１０９と吸気１６２との温度差に応じて発生させる他に、熱を高温排気１０７，１０９と吸気１６２との間で授受する。コントローラ３５０は、燃料電池出口と燃料電池入口との間に配置される１つ以上の制御バルブ３５２，３５４を制御する。従って、これらの制御バルブ３５２，３５４は、ＴＥ３１０，３２０を迂回する高温排気１０７，１０９の量を制御する。制御バルブ３５２，３５４は、燃料電池１０４に送り込まれる予備加熱後の吸気３８０への予備加熱量を、ＴＥ３１０，３２０の低温側１１４，１２４からの予備加熱後の吸気３８０に直接混合される高温排気１０７，１０９の一部を制御することにより制御するように作動させることができる。

【0021】

図４〜６はそれぞれ、特定の実施形態による熱電発生器（ＴＥ）４００の斜視図、端面図、及び側面図である。ＴＥ４００は、図１及び２を参照しながら説明したＴＥ１１０，１２０のうちのいずれか１つ以上のＴＥとすることができる。ＴＥ４００、すなわち熱電発生器４１２は、電気を、熱電発生器４１２の高温側４１４と熱電発生器４１２の低温側４１０との温度差に応じて発生させる。特定の実施形態では、高温側４１４は、高温側入口４３０と、高温側出口４３２とを有する。高温側４１４は、図１及び２を参照しながら説明したように、高温燃料電池からの高温排気１０７，１０９のような高温流体４０２を流入させるように適合させることができる。低温側４１０は、低温側入口４２０と、低温側出口４２２とを有することができる。低温側４１０は、図１及び２を参照しながら説明したように、吸気１６２のような低温流体４０４を流入させるように適合させることができる。「ｈｏｔ」及び「ｃｏｌｄ」は相対関係を表わす用語であり、本明細書において使用されるように、温度差が該当する流体４０２と４０４との間にあることを示唆することを理解されたい。すなわち、高温流体４０２は、低温流体４０４よりも高い温度を有する。

【0022】

高温側４１４は、低温側４１０から熱電発生器４１２を挟んで分離される。熱電発生器４１２は、バイメタル接合、テルル化ビスマス半導体接合、電気エネルギーを温度差に応じて発生させることができる他の材料、又はこれらの材料のいずれかの組み合わせを含むことができる。図示の実施形態では、ＴＥ４００は放射状又は環状であり、低温側４１０が高温側４１４を取り囲んでいる。すなわち、ＴＥ４００のうちの高温流体が流入する領域（高温側４１４）は、チューブの中心に位置することができ、ＴＥ４００のうちの低温流体が流入する外側領域（低温側４１０）から熱電発生器４１２を挟んで分離することができる。この実施形態では、外側ケーシング４０８を低温側４１０の周りに設けることができる。しかしながら、他の実施形態では、ＴＥ４００は、環状構造以外の平行平板のような物理構造を有することができる。また、図示の実施形態は、高温流体の同軸流４０２、又は高温流体流４０２が、低温流体４０４と同じ方向に流れるように構成される。しかしながら、他の実施形態では、ＴＥ４００は、高温流体４０２が低温流体４０４とは反対の方向に流れる構成の逆流装置である。ＴＥ４００は更に、パワーコネクタ（図示せず）を有することにより、ＴＥ４００によって発生する電気を回路に流すことができる。

【0023】

図７は、電力を発生させる方法の第１の実施形態のフローチャートであり、方法は参照番号７００で一括指示されている。方法７００では、工程７０２において、電力を、燃料電池を使用して発生させることができる。例えば、図１及び２を参照しながら説明した燃料電池１０４は電流を、燃料と酸化剤との化学反応を利用して発生させることができる。特定の実施形態では、燃料電池は、固体酸化物燃料電池のような高温燃料電池とすることができる。

【0024】

方法７００では更に、工程７０４において、余剰電力を、熱電発生器（ＴＥ）を使用して発生させることができる。ＴＥは、余剰電力を、熱電発生器に生じる温度差に応じて発生させることができる。例えば、図４〜６を参照しながら説明した熱電発生器４１２を使用して、余剰電力を、ＴＥの低温側とＴＥの高温側との温度差に応じて発生させることができる。特定の実施形態では、方法７００では、工程７０６において、燃料電池からの燃料電池排気をＴＥの高温側に送り込み、工程７０８において、燃料電池吸気をＴＥの低温側に送り込むことができる。このように、燃料電池排気と燃料電池吸気との温度差を利用して、余剰電力をＴＥで発生させることができる。

【0025】

特定の実施形態では、燃料電池の運転を行なうことができるか、又は燃料電池の運転効率を、燃料電池吸気を予備加熱する場合に高めることができる。この実施形態では、方法では更に、工程７１０において、燃料電池吸気をＴＥから熱交換器（ＨＸ）を通して送り込み、ＴＥの高温側から流入する燃料電池排気から熱を回収することにより、燃料電池吸気を予備加熱することができる。方法では更に、工程７１２において、燃料電池吸気への予備加熱量を、バイパスバルブを調整することにより制御することができる。例えば、工程７１４では、燃料電池排気の第１部分を燃料電池の吸気口に送り込むことができ、燃料電池排気の第２部分を、ＴＥ及びＨＸを通って、バイパスバルブの位置に応じて送り込むことができる。

【0026】

図８は、特定の実施形態による発電を制御する制御方式のフローチャートである。例えば、制御方式は複数の制御則を示し、これらの制御則をコントローラが使用して、制御バルブを操作することにより、図１及び２を参照しながらそれぞれ説明したシステム１００又はシステム２００のような熱電併給システムの発生電力を調整することができる。制御方式では、工程８０２において、コントローラの制御パラメータ群を設定する。これらの入力パラメータは、燃料電池最低入口温度Ｔ_１、及び燃料電池最適入口温度（又は、燃料電池所望入口温度）Ｔ_２を含むことができる。特定の実施形態では、Ｔ_２は、燃料電池から出力される電力の量が大きくなるように選択することができる。例えば、燃料電池が高温燃料電池である場合、Ｔ_２は比較的高い温度、例えば摂氏数百度の温度とすることにより、燃料電池の運転効率を向上させることができる。Ｔ_１は、燃料電池の動作基準に基づいて選択することができる。例えば、燃料電池は、燃料電池の最低運転温度に達するまで最小限の電力を発生するか、又は電力を発生しないようにすることができる。Ｔ_１は、燃料電池をこの最低運転温度よりも高い温度に保持するように選択することができる。

【0027】

これらの入力パラメータは更に、最小バルブ開度Θ_ｍｉｎ及び最大バルブ開度Θ_ｍａｘのようなバルブ開度を含むことができる。最小バルブ開度Θ_ｍｉｎは、図１の制御バルブ１５２，１５４、及び図２の制御バルブ２５２，２５４のうちの１つの制御バルブのような制御バルブを開くことができる最小量とすることができる。最大バルブ開度Θ_ｍａｘは、制御バルブを開くことができる最大量とすることができる。

【0028】

工程８０４では、コントローラは、燃料電池の入口温度Ｔ_ｉをモニタリングすることができる。例えば、熱電対又は他の温度モニタリング装置が、リアルタイムで、又はほぼリアルタイムで、図１の吸気１８０の温度、又は図２の吸気２８０の温度を検出することができる。Ｔ_ｉに基づいて、コントローラは、制御バルブの開度Θ_ｃｔｒｌ、すなわち制御変数を調整することができる。例えば、工程８０６において、Ｔ_ｉ−Ｔ_１が０（ゼロ）よりも小さい場合、コントローラは、バルブ開度Θ_ｃｔｒｌを、最大バルブ開度Θ_ｍａｘに等しくなるように工程８０８において調整して、燃料電池入口ガスへの予備加熱量を最大にすることができる。工程８１０において、Ｔ_ｉ−Ｔ_２が０（ゼロ）よりも大きい場合、コントローラは、バルブ開度Θ_ｃｔｒｌを、最小バルブ開度Θ_ｍｉｎに等しくなるように工程８１２において調整して、燃料電池入口ガスへの予備加熱量を最小にすることができる。Ｔ_ｉ−Ｔ_１が０（ゼロ）以上であり、かつＴ_ｉ−Ｔ_２が０（ゼロ）以下である場合、コントローラは、制御関数Ｆ（Ｔ_ｉ）を実行して、バルブ開度Θ_ｃｔｒｌを選択することができる。例えば、制御関数は、比例制御関数、微分制御関数、積分制御関数、別の制御関数、又はこれらの制御関数のいずれかの組み合わせとすることができる。

【0029】

図９は、特定の実施形態による図８の制御方式を詳細に示す図である。図９は、制御方式の１つの実施形態における燃料電池入口温度Ｔ_ｉに対するバルブ開度のグラフ９０２を含む。グラフ９０２は、Ｔ_ｉがＴ_１よりも低い場合、制御バルブが最大値Θ_ｍａｘまで開かれることを示している。更に、Ｔ_ｉがＴ_２よりも高い場合、制御バルブは最小開度Θ_ｍｉｎに設定される（制御バルブを閉じることができる）。Ｔ_ｉがＴ_１とＴ_２との間である場合、制御バルブの開度は、Ｔ_ｉを開度制御値Θ_ｃｔｒｌに関連付ける関数に従って設定される。図９は更に、９０４に、制御バルブ及び制御バルブ開度Θ_ｃｔｒｌを示し、制御バルブを通過する流体の質量流量が制御バルブ開度Θ_ｃｔｒｌに応じて変化するときの流量とバルブ開度との関係を表わしている。

【0030】

本明細書において説明される実施形態の図は、種々の実施形態の構造の概要が理解されることを意図して示されている。これらの図は、本明細書において説明される構造又は方法を利用する装置及びシステムの構成要素群及び特徴群の全てを完全に記載するために利用されることを意図して示されているのではない。多くの他の実施形態が存在することは、この技術分野の当業者にとっては、本開示を精読すれば明らかである。他の実施形態を利用し、本開示から想到することにより、構造的及び論理的な置き換え、及び変更を本開示の範囲から逸脱しない範囲で行なうことができる。更に、これらの図は、代表的に示されているに過ぎず、かつ寸法通りに描かていない可能性がある。これらの図の内部の特定部分が誇張されているのに対して、他の部分が縮小されている可能性がある。従って、本開示及びこれらの図は、限定的にではなく、例示として捉えられるべきである。

【0031】

特定の実施形態を本明細書において例示し、記載してきたが、同じ、又は同様の目的を達成するように意図されるこの後に続く全ての構成を、提示された特定の実施形態の代わりに用いることができることを理解されたい。本開示は、種々の実施形態の後に続くあらゆる、かつ全ての適応化又は変更を含むものである。これらの上記実施形態の組み合わせ、及び本明細書において詳細には説明されない他の実施形態が存在することは、この技術分野の当業者にとっては、本説明を精読すれば明らかである。

【0032】

本開示の要約は、要約が請求項の範囲又は意味を解釈又は限定するために使用されることはないという理解の下に提供される。更に、これまでの詳細な説明において、種々の特徴をグループ化してまとめるか、又は単一の実施形態の中で記載することにより、本開示を簡素化することができる。本開示は、請求される実施形態が、各請求項に明示的に列挙されるよりも多くの特徴を必要とするという意図を表わしているものとして解釈されるべきではない。多くの特徴を必要とするのではなく、以下の請求項が示しているように、請求される主題は、開示されるこれらの実施形態の全ての実施形態の特徴群の全てよりも少ない特徴にある。

【0033】

上に開示される主題は、例示として捉えられるべきであり、限定的に捉えられるべきではなく、添付の請求項は、本開示の範囲に含まれる全てのこのような変形、強化、及び他の実施形態を包含するものである。従って、法律により許容される最大範囲まで、本開示の範囲は、以下の請求項、及びこれらの請求項の均等物の最も広い許容可能な解釈により決定されるべきであり、これまでの詳細な説明によって制限又は限定されてはならない。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
予備加熱後の吸気を流入させる燃料電池入口、及び高温燃料電池排気を排出する燃料電池出口を有する燃料電池と、
ＨＸ低温側入口、ＨＸ低温側出口、ＨＸ高温側入口、及びＨＸ高温側出口を有する熱交換器（ＨＸ）と、
ＴＥ低温側とＴＥ高温側との温度差に応じて発生させる熱電発生器（ＴＥ）と
を備えており、ＴＥが、
吸気を流入させるＴＥ低温側入口と、
ＨＸ低温側入口に接続されるＴＥ低温側出口と、
燃料電池出口に接続されて高温燃料電池排気を流入させるＴＥ高温側入口と、
ＨＸ高温側入口に接続されるＴＥ高温側出口と
を含む、システム。
（態様２）
更に、燃料電池出口とＨＸ高温側入口との間にバイパス制御バルブを備えており、予備加熱後の吸気の入口温度を制御するためにバイパス制御バルブを調整することができる、態様１に記載のシステム。
（態様３）
更に、バイパス制御バルブに接続されるコントローラを備えており、システムが作動している間に、コントローラが、予備加熱後の吸気の温度を変化させるためにバイパス制御バルブの開度を調整する、態様２に記載のシステム。
（態様４）
吸気が酸化剤を含んでいる、態様１に記載のシステム。
（態様５）
燃料電池が高温燃料電池を含んでいる、態様１に記載のシステム。
（態様６）
燃料電池が固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を含んでいる、態様１に記載のシステム。
（態様７）
ＴＥが放射状要素を備えており、放射状要素の内部で、高温ガスが、ＴＥ高温側入口からＴＥ高温側出口に向かって、ＴＥ低温側入口からＴＥ低温側出口に向かって流れる低温ガスと平行に流れている、態様１に記載のシステム。
（態様８）
ＨＸが逆流熱交換器を含んでいる、態様１に記載のシステム。
（態様９）
コントローラは、ＴＥから発生する電力出力を、バイパスバルブを調整することにより調整する、態様１に記載のシステム。
（態様１０）
燃料電池を使用して電力を発生させる工程と、
余剰電力を、熱電発生器（ＴＥ）を使用して、
燃料電池からＴＥの高温側に排気を送り込み、
燃料電池吸気をＴＥの低温側に送り込む
ことにより発生させる工程と、
燃料電池吸気を予備加熱する工程と
を含む方法。
（態様１１）
燃料電池吸気をＴＥから熱交換器（ＨＸ）を通して送り込み、ＴＥの高温側から流入する燃料電池排気から熱を回収することにより、燃料電池吸気を予備加熱する、態様１０に記載の方法。
（態様１２）
燃料電池排気の一部がＴＥを迂回することができるようにし、燃料電池排気の一部を燃料電池吸気と混合させることにより、燃料電池吸気を予備加熱する、態様１０に記載の方法。
（態様１３）
更に、バイパスバルブを調整することにより燃料電池吸気への予備加熱量を制御する工程を含む、態様１０に記載の方法。
（態様１４）
ＴＥの高温側に流入する手前の燃料電池排気温度が約６００℃〜約８００℃である、態様１０に記載の方法。
（態様１５）
ＴＥに流入する手前の燃料電池吸気の温度が約５０℃よりも低い、態様１０に記載の方法。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】