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特開2023-169882凝縮器を備える水素動力燃料電池システム及び圧力制御を使用するその動作方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023169882
(43)【公開日】2023-11-30
(54)【発明の名称】凝縮器を備える水素動力燃料電池システム及び圧力制御を使用するその動作方法
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20231122BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20231122BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20231122BHJP
H01M 8/043 20160101ALI20231122BHJP
H01M 8/04302 20160101ALI20231122BHJP
H01M 8/04303 20160101ALI20231122BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 J
H01M8/04746
H01M8/12 101
H01M8/043
H01M8/04302
H01M8/04303
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023080567
(22)【出願日】2023-05-16
(31)【優先権主張番号】63/364,846
(32)【優先日】2022-05-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/375,467
(32)【優先日】2022-09-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】514116578
【氏名又は名称】ブルーム エネルギー コーポレイション
(74)【代理人】
【識別番号】110002354
【氏名又は名称】弁理士法人平和国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】クリシュナダス，ジャヤクマール
(72)【発明者】
【氏名】ウェインガートナー，デイビッド
(72)【発明者】
【氏名】ヘルヒェン，ハラルド
(72)【発明者】
【氏名】チェルデリン，ブレント
【テーマコード（参考）】
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H126BB06
5H127AA07
5H127AC04
5H127BA02
5H127BA22
5H127BA28
5H127BA33
5H127BA44
5H127BA56
5H127BA57
5H127BA59
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB28
5H127BB34
5H127BB37
5H127DA01
5H127DA06
5H127DA11
5H127DC03
5H127DC04
(57)【要約】 （修正有）
【課題】燃料電池システムに関し、より具体的には、燃料排気から水をノックアウトする凝縮器を備える水素動力燃料電池システム、及び圧力制御動作に関する。
【解決手段】燃料電池電力システムを動作させる方法は、新鮮な水素燃料を、加熱器と燃料電池のスタックとをそれぞれ含むパワーモジュールに供給することと、水素及び水を含む燃料排気をスタックから凝縮器に供給することと、燃料排気から水を除去して、脱水水素を含む再循環燃料を生成することと、凝縮器から排出された再循環燃料を加圧し、パワーモジュールに再循環させることとを含む。除去された水は、スタックカソード排気において気化させることができる。
【選択図】図２Ａ
【解決手段】燃料電池電力システムを動作させる方法は、新鮮な水素燃料を、加熱器と燃料電池のスタックとをそれぞれ含むパワーモジュールに供給することと、水素及び水を含む燃料排気をスタックから凝縮器に供給することと、燃料排気から水を除去して、脱水水素を含む再循環燃料を生成することと、凝縮器から排出された再循環燃料を加圧し、パワーモジュールに再循環させることとを含む。除去された水は、スタックカソード排気において気化させることができる。
【選択図】図２Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
加熱器と、燃料排気を発生させる燃料電池のスタックとをそれぞれ備えるパワーモジュールと、
前記燃料排気から水を除去し、再循環燃料を生成するように構成される凝縮器と、
前記パワーモジュールから前記燃料排気を受け取り、前記燃料排気を前記凝縮器に移送するように構成される再循環マニホールドと、
前記凝縮器から排出された前記再循環燃料を加圧するように構成される再循環ブロワーと、
新鮮な燃料又は前記新鮮な燃料と前記再循環燃料との混合物を前記パワーモジュールに供給するように構成される燃料供給マニホールドと、
を備える、電力システム。
前記燃料排気から水を除去し、再循環燃料を生成するように構成される凝縮器と、
前記パワーモジュールから前記燃料排気を受け取り、前記燃料排気を前記凝縮器に移送するように構成される再循環マニホールドと、
前記凝縮器から排出された前記再循環燃料を加圧するように構成される再循環ブロワーと、
新鮮な燃料又は前記新鮮な燃料と前記再循環燃料との混合物を前記パワーモジュールに供給するように構成される燃料供給マニホールドと、
を備える、電力システム。
【請求項2】
前記パワーモジュールに供給される前記新鮮な燃料の圧力又は前記新鮮な燃料と前記再循環燃料との前記混合物の圧力を制御するように構成される圧力調整器を更に備え、前記システムは、マスフローコントローラー又は質量流量制御弁を有しない、請求項１に記載の電力システム。
【請求項3】
前記パワーモジュールを収容する少なくとも１つのキャビネットを更に備え、前記凝縮器は、前記パワーモジュールを収容する前記少なくとも１つのキャビネットの外部に配置される、請求項１に記載の電力システム。
【請求項4】
複数の前記パワーモジュールをそれぞれ収容する別々の列のキャビネットと、
前記キャビネットの列の外部に配置され、前記凝縮器及び前記再循環ブロワーを収容する再循環モジュール筐体であって、前記再循環マニホールドは、キャビネットの各列の前記パワーモジュールを前記再循環モジュールに流体接続する、再循環モジュール筐体と、
を更に備える、請求項１に記載の電力システム。
前記キャビネットの列の外部に配置され、前記凝縮器及び前記再循環ブロワーを収容する再循環モジュール筐体であって、前記再循環マニホールドは、キャビネットの各列の前記パワーモジュールを前記再循環モジュールに流体接続する、再循環モジュール筐体と、
を更に備える、請求項１に記載の電力システム。
【請求項5】
燃料供給導管によって前記燃料供給マニホールドに流体接続される水素燃料供給部を更に備え、前記新鮮な燃料は、前記燃料供給部から受け取った水素（Ｈ２）を含み、前記再循環燃料は、脱水水素を含む、請求項１に記載の電力システム。
【請求項6】
前記スタックは、固体酸化物型燃料電池スタックを含み、
前記再循環ブロワーは、前記再循環燃料を約１ポンド平方インチゲージ圧（ｐｓｉｇ）～約２ｐｓｉｇの範囲の圧力まで加圧し、加圧された前記再循環燃料を前記燃料供給マニホールドに供給するように構成される、請求項５に記載の電力システム。
前記再循環ブロワーは、前記再循環燃料を約１ポンド平方インチゲージ圧（ｐｓｉｇ）～約２ｐｓｉｇの範囲の圧力まで加圧し、加圧された前記再循環燃料を前記燃料供給マニホールドに供給するように構成される、請求項５に記載の電力システム。
【請求項7】
前記電力システムは、
前記燃料供給マニホールド及び前記再循環マニホールド上に配置される流量制御弁と、
前記電力システムの動作モードに基づいて前記流量制御弁を制御するように構成されるシステムコントローラーと、
を更に備え、
始動モード中、前記システムコントローラーは、前記燃料供給マニホールドが前記新鮮な燃料を前記加熱器に供給するように、前記流量制御弁を制御するように構成され、
フルパワー定常状態モード中、前記システムコントローラーは、前記燃料供給マニホールドが前記新鮮な燃料と前記再循環燃料との前記混合物を前記スタックに供給し、燃料が前記加熱器に供給されないように、前記流量制御弁を制御するように構成される、請求項５に記載の電力システム。
前記燃料供給マニホールド及び前記再循環マニホールド上に配置される流量制御弁と、
前記電力システムの動作モードに基づいて前記流量制御弁を制御するように構成されるシステムコントローラーと、
を更に備え、
始動モード中、前記システムコントローラーは、前記燃料供給マニホールドが前記新鮮な燃料を前記加熱器に供給するように、前記流量制御弁を制御するように構成され、
フルパワー定常状態モード中、前記システムコントローラーは、前記燃料供給マニホールドが前記新鮮な燃料と前記再循環燃料との前記混合物を前記スタックに供給し、燃料が前記加熱器に供給されないように、前記流量制御弁を制御するように構成される、請求項５に記載の電力システム。
【請求項8】
前記加熱器は、前記燃料供給マニホールドに流体接続される加熱燃料入口及び点火燃料入口をそれぞれ備える、請求項７に記載の電力システム。
【請求項9】
前記燃料供給導管を前記再循環マニホールドに、又は前記再循環マニホールドを前記凝縮器に流体接続する再循環導管に流体接続するパージ導管を更に備え、
前記始動モード中、前記システムコントローラーは、前記再循環導管及び主燃料入口を通して前記新鮮な燃料を前記スタックに供給する前記再循環ブロワーによって、前記スタックから空気がパージされるように、前記流量制御弁を制御するように構成される、請求項８に記載の電力システム。
前記始動モード中、前記システムコントローラーは、前記再循環導管及び主燃料入口を通して前記新鮮な燃料を前記スタックに供給する前記再循環ブロワーによって、前記スタックから空気がパージされるように、前記流量制御弁を制御するように構成される、請求項８に記載の電力システム。
【請求項10】
前記燃料供給マニホールドと前記点火燃料入口との間に位置する第１の流量制御オリフィスを更に備え、
前記流量制御オリフィスは、前記加熱燃料入口に供給されるよりも低い流量の前記新鮮な燃料を前記点火燃料入口に供給するように構成され、
前記始動モード中、前記システムコントローラーは、前記燃料供給マニホールドが最初に前記点火燃料入口を通して前記新鮮な燃料を前記加熱器に供給し、前記加熱器内の燃料と空気との混合物に点火し、次いで、前記加熱燃料入口を通して前記新鮮な燃料を前記加熱器に供給して、前記電力システムを加熱するように、前記流量制御弁を制御するように構成され、
低パワー定常状態モード中、前記システムコントローラーは、前記燃料供給マニホールドが、前記新鮮な燃料又は前記新鮮な燃料と前記再循環燃料との前記混合物を、主燃料入口を通して前記スタックに、及び前記加熱燃料入口を通して前記加熱器に供給して、前記電力システムを加熱するように、前記流量制御弁を制御するように構成され、
停止モード中又はスタックシールリフロー中、前記システムコントローラーは、前記燃料供給マニホールドが、前記フルパワー定常状態モード中よりも低い流量で、第２の流量制御オリフィス及び前記主燃料入口を通して、前記新鮮な燃料又は前記新鮮な燃料と前記再循環燃料との前記混合物を前記スタックに供給するように、前記流量制御弁を制御するように構成される、請求項８に記載の電力システム。
前記流量制御オリフィスは、前記加熱燃料入口に供給されるよりも低い流量の前記新鮮な燃料を前記点火燃料入口に供給するように構成され、
前記始動モード中、前記システムコントローラーは、前記燃料供給マニホールドが最初に前記点火燃料入口を通して前記新鮮な燃料を前記加熱器に供給し、前記加熱器内の燃料と空気との混合物に点火し、次いで、前記加熱燃料入口を通して前記新鮮な燃料を前記加熱器に供給して、前記電力システムを加熱するように、前記流量制御弁を制御するように構成され、
低パワー定常状態モード中、前記システムコントローラーは、前記燃料供給マニホールドが、前記新鮮な燃料又は前記新鮮な燃料と前記再循環燃料との前記混合物を、主燃料入口を通して前記スタックに、及び前記加熱燃料入口を通して前記加熱器に供給して、前記電力システムを加熱するように、前記流量制御弁を制御するように構成され、
停止モード中又はスタックシールリフロー中、前記システムコントローラーは、前記燃料供給マニホールドが、前記フルパワー定常状態モード中よりも低い流量で、第２の流量制御オリフィス及び前記主燃料入口を通して、前記新鮮な燃料又は前記新鮮な燃料と前記再循環燃料との前記混合物を前記スタックに供給するように、前記流量制御弁を制御するように構成される、請求項８に記載の電力システム。
【請求項11】
新鮮な水素燃料を、加熱器と燃料電池のスタックとをそれぞれ備えるパワーモジュールに供給することと、
前記スタックから凝縮器に水素及び水を含む燃料排気を供給することと、
前記燃料排気から水を除去し、脱水水素を含む再循環燃料を生成することと、
前記凝縮器から排出された前記再循環燃料を加圧し、前記パワーモジュールに再循環させることと、
を含む、燃料電池電力システムを動作させる方法。
前記スタックから凝縮器に水素及び水を含む燃料排気を供給することと、
前記燃料排気から水を除去し、脱水水素を含む再循環燃料を生成することと、
前記凝縮器から排出された前記再循環燃料を加圧し、前記パワーモジュールに再循環させることと、
を含む、燃料電池電力システムを動作させる方法。
【請求項12】
前記新鮮な水素燃料及び前記再循環燃料の流れは、質量流量制御を使用することなく少なくとも１つの圧力調整器及び少なくとも１つの圧力センサーによって制御される、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記パワーモジュールは、少なくとも１つのパワーモジュールキャビネット内に配置され、前記凝縮器は、前記少なくとも１つのパワーモジュールキャビネットとは別個の再循環モジュール筐体内に配置される、請求項１１に記載の方法。
【請求項14】
前記パワーモジュールは、別々のパワーモジュールキャビネット内に位置し、
前記凝縮器と、前記再循環燃料を加圧し、再循環させる再循環ブロワーとは、前記パワーモジュールキャビネットの外部に配置される再循環モジュール筐体内に位置し、
前記パワーモジュールキャビネット内に位置する前記パワーモジュールからの前記燃料排気は、前記再循環モジュール筐体内の前記凝縮器に供給され、
前記再循環モジュール筐体内に位置する前記再循環ブロワーは、前記再循環燃料を、前記パワーモジュールキャビネット内に位置する前記パワーモジュールに再循環させる、請求項１１に記載の方法。
前記凝縮器と、前記再循環燃料を加圧し、再循環させる再循環ブロワーとは、前記パワーモジュールキャビネットの外部に配置される再循環モジュール筐体内に位置し、
前記パワーモジュールキャビネット内に位置する前記パワーモジュールからの前記燃料排気は、前記再循環モジュール筐体内の前記凝縮器に供給され、
前記再循環モジュール筐体内に位置する前記再循環ブロワーは、前記再循環燃料を、前記パワーモジュールキャビネット内に位置する前記パワーモジュールに再循環させる、請求項１１に記載の方法。
【請求項15】
前記スタックは、固体酸化物型燃料電池スタックを含み、
前記再循環ブロワーは、前記再循環燃料を約１ポンド平方インチゲージ圧（ｐｓｉｇ）～約２ｐｓｉｇの範囲の圧力まで加圧する、請求項１４に記載の方法。
前記再循環ブロワーは、前記再循環燃料を約１ポンド平方インチゲージ圧（ｐｓｉｇ）～約２ｐｓｉｇの範囲の圧力まで加圧する、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
始動モード中、前記新鮮な水素燃料は、前記加熱器に直接供給され、
フルパワー定常状態モード中、前記新鮮な燃料と前記再循環燃料との混合物は、前記スタックに供給され、前記新鮮な水素燃料又は前記再循環燃料のいずれも前記加熱器に供給されない、請求項１１に記載の方法。
フルパワー定常状態モード中、前記新鮮な燃料と前記再循環燃料との混合物は、前記スタックに供給され、前記新鮮な水素燃料又は前記再循環燃料のいずれも前記加熱器に供給されない、請求項１１に記載の方法。
【請求項17】
前記始動モード中、前記新鮮な水素燃料は、最初、前記加熱器内の前記新鮮な水素燃料と空気との混合物に点火するための第１の流量で、点火燃料入口を通して前記加熱器に供給され、その後、前記新鮮な水素燃料は、前記第１の流量よりも高い、前記燃料電池電力システムを加熱するための第２の流量で、加熱燃料入口を通して前記加熱器に供給される、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
低パワー定常状態モード中、前記新鮮な燃料又は前記新鮮な燃料と前記再循環燃料との前記混合物は、主燃料入口を通して前記スタックに、及び前記加熱燃料入口を通して前記加熱器に供給されて、前記燃料電池電力システムを加熱し、
停止モード中又はスタックシールリフロー中、前記新鮮な燃料又は前記新鮮な燃料と前記再循環燃料との前記混合物は、前記フルパワー定常状態モード中よりも低い流量で、前記主燃料入口を通して前記スタックに供給され、
前記始動モード中、水素燃料源を前記凝縮器及び再循環ブロワーに流体接続するパージ導管を通して、前記新鮮な水素燃料を前記スタックに供給することによって、前記スタックから空気をパージし、前記再循環ブロワーは、前記新鮮な水素燃料を前記主燃料入口に供給する、請求項１７に記載の方法。
停止モード中又はスタックシールリフロー中、前記新鮮な燃料又は前記新鮮な燃料と前記再循環燃料との前記混合物は、前記フルパワー定常状態モード中よりも低い流量で、前記主燃料入口を通して前記スタックに供給され、
前記始動モード中、水素燃料源を前記凝縮器及び再循環ブロワーに流体接続するパージ導管を通して、前記新鮮な水素燃料を前記スタックに供給することによって、前記スタックから空気をパージし、前記再循環ブロワーは、前記新鮮な水素燃料を前記主燃料入口に供給する、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記スタックからカソード排気を発生させることと、
前記除去された水を前記カソード排気に供給し、前記水を蒸発させることと、
を更に含む、請求項１１に記載の方法。
前記除去された水を前記カソード排気に供給し、前記水を蒸発させることと、
を更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項20】
前記パワーモジュールから排出されたカソード排気を収集するように構成されるシステム排気導管と、
前記凝縮器を前記システム排気導管に流体接続する排水導管と、
を更に備える、請求項１に記載のシステム。
前記凝縮器を前記システム排気導管に流体接続する排水導管と、
を更に備える、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】
本開示は、包括的には、燃料電池システムに関し、より具体的には、燃料排気から水をノックアウトする凝縮器を備える水素動力燃料電池システム、及び圧力制御動作に関する。
【背景技術】
【0002】
固体酸化物型燃料電池等の燃料電池は、燃料内に貯蔵されたエネルギーを電気エネルギーへと高効率で変換することができる電気化学的装置である。高温型燃料電池は、固体酸化物型燃料電池及び溶融炭酸塩型燃料電池を含む。これらの燃料電池は、水素及び／又は炭化水素燃料を使用して動作することができる。固体酸化物型再生燃料電池等の燃料電池のクラスが存在し、これらの燃料電池は、電気エネルギーを入力として使用することで、酸化した燃料を酸化されていない燃料へと再還元することができるように、逆の動作も可能にする。
【発明の概要】
【0003】
様々な実施形態によれば、電力システムは、加熱器と、燃料排気を発生させる燃料電池のスタックとをそれぞれ備えるパワーモジュールと、前記燃料排気から水を除去し、再循環燃料を生成するように構成される凝縮器と、前記パワーモジュールから前記燃料排気を受け取り、前記燃料排気を前記凝縮器に移送するように構成される再循環マニホールドと、前記凝縮器から排出された前記再循環燃料を加圧するように構成される再循環ブロワーと、新鮮な燃料又は前記新鮮な燃料と前記再循環燃料との混合物を前記パワーモジュールに供給するように構成される燃料供給マニホールドとを備える。
【0004】
様々な実施形態によれば、燃料電池電力システムを動作させる方法は、新鮮な水素燃料を、加熱器と燃料電池のスタックとをそれぞれ備えるパワーモジュールに供給することと、前記スタックから凝縮器に水素及び水を含む燃料排気を供給することと、前記燃料排気から水を除去し、脱水水素（ｄｅｗａｔｅｒｅｄ ｈｙｄｒｏｇｅｎ）を含む再循環燃料を生成することと、前記凝縮器から排出された前記再循環燃料を加圧し、前記パワーモジュールに再循環させることとを含む。
【0005】
本明細書に援用されるとともに、本明細書の一部をなす添付図面により、本発明の例示的な実施形態を示す。添付図面は、上述の全般的な説明及び後述の詳細な説明と併せて、本発明の特徴を説明する役目を果たす。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【発明を実施するための形態】
【0007】
本明細書に記載されるように、本開示の様々な態様が、例示的な実施形態及び／又は本発明の例示的な実施形態が示されている添付図面を参照して説明される。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具現化することができ、図面に示されている又は本明細書に記載される例示的な実施形態に限定されるものと解釈すべきではない。開示されている様々な実施形態は、その特定の実施形態に関連して記載される特定の特徴、要素、又はステップを伴うことができることが理解されよう。また、特定の特徴、要素、又はステップは、１つの特定の実施形態に関連して記載されているが、代替の実施形態と交換しても、代替の実施形態と様々な例示されていない組合せ又は順列で組み合わせてもよいことが理解されよう。
【0008】
添付図面を参照して、種々の実施形態を詳細に説明する。可能な限り、同じ参照符号は、図面全体を通して同じ又は同様の部分を指すのに使用する。特定の例及び実施態様に対する参照は、例示目的でなされ、本発明又は特許請求の範囲の範囲を制限することは意図していない。
【0009】
本明細書において、「約」１つの特定の値から及び／又は「約」別の特定の値までのように範囲が表現され得る。そのような範囲が表現される場合の例として、１つの特定の値から及び／又は他の特定の値までというのが挙げられる。同様に、頭に「約」又は「実質的に」を使用することによって値が近似として表現される場合、特定の値は別の様相を形成することが理解されよう。いくつかの実施形態において、「約Ｘ」という値は、＋／－１％Ｘという値を含み得る。範囲のそれぞれの端点は、他方の端点に関連しても、他方の端点とは無関係でも重要であることが更に理解されよう。
【0010】
固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）システム等の燃料電池システムは、水素を使用して、若しくはプロパン若しくは天然ガス等の炭化水素燃料を改質することによって動作することができるか、又は水素ガスを使用して動作することができる。水素ガスを使用して動作するＳＯＦＣシステムは、燃料改質を必要としないことから、比較的簡略化された構造を有することができ、アノード排気を再循環させることによって非常に高い効率で動作することができる。特に、水素燃料を用いるＳＯＦＣシステムは、９５％以上の燃料利用効率を有することができる。
【0011】
図１は、本開示の様々な実施形態に係る、水素ガス（Ｈ２）を使用して動作するように構成されるＳＯＦＣシステムのパワーモジュール１０の概略図である。図１を参照すると、パワーモジュール１０は、ホットボックス１００と、ホットボックス１００内又はホットボックス１００に隣接して配置される様々な構成要素とを備える。ホットボックス１００は、インターコネクトによって分離される固体酸化物型燃料電池等の燃料電池のスタック１１０を含むことができる。スタック１１０の固体酸化物型燃料電池は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、スカンジア及びセリア安定化ジルコニア、又はスカンジア、イットリア、及びセリア安定化ジルコニア等のセラミック電解質と、ニッケル－ＹＳＺ、ニッケル－ＳＳＺ、又はニッケルドープセリアサーメット等のアノード電極と、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）等のカソード電極とを含むことができる。インターコネクトは、クロム－鉄合金インターコネクト等の金属合金インターコネクトとすることができる。スタック１１０は、燃料のために内部又は外部でマニホールド化することができる。
【0012】
モジュール１０は、アノード復熱器１２０熱交換器と、カソード復熱器１３０熱交換器と、始動加熱器１５０とを含むこともできる。いくつかの実施形態において、パワーモジュール１０は、任意選択で、アノード排気冷却器１４０及び／又は再循環ブロワー２３２を含むことができる。モジュール１０は、主空気ブロワー１６０（例えば、システムブロワー）を含むこともでき、主空気ブロワー１６０は、ホットボックス１００の外部に配置することができる。しかしながら、本開示は、モジュール構成要素のそれぞれをホットボックス１００に対する特定の場所に限定しない。
【0013】
アノード復熱器１２０は、燃料入口１０２から燃料入口導管１１２を通して燃料（例えば、Ｈ２）を受け取る。燃料は、アノード復熱器１２０において、スタック１１０から排出された燃料排気（例えば、アノード排気）によって加熱され、その後、スタック燃料導管１１３によってスタック１１０に供給される。第１の加熱器導管１５２Ａは、燃料入口１０２を始動加熱器１５０に流体接続することができる。第２の加熱器導管１５２Ｂも、燃料入口１０２を始動加熱器１５０に流体接続することができる。したがって、始動加熱器１５０は、第１の加熱器導管１５２Ａ及び第２の加熱器導管１５２Ｂの一方又は双方によって供給される燃料を受け取ることができる。導管１１２、１５２Ａ及び１５２Ｂは、任意の好適な流体コネクタを使用して燃料入口１０２に流体接続することができる。例えば、図１に示されているように、燃料入口導管１１２は、燃料入口１０２に接続することができ、第１の加熱器導管１５２Ａは、燃料入口１０２の下流の第１の二方向スプリッターにおいて燃料導管１１２に接続することができ、第２の加熱器導管１５２Ｂは、第１の二方向スプリッターの下流の第２の二方向スプリッターにおいて第１の加熱器導管１５２Ａに接続することができる。代替的に、単一の三方向スプリッターによって、燃料入口１０２からの燃料を３つの導管１１２、１５２Ａ及び１５２Ｂの全てに分割することができる。燃料入口１０２を３つの導管１１２、１５２Ａ及び１５２Ｂに接続するのに他の流体接続部を使用してもよい。第１の加熱器導管１５２Ａ及び第２の加熱器導管１５２Ｂは、始動加熱器１５０の同じ又は異なる燃料入口に接続することができる。例えば、始動加熱器１５０は、それぞれの加熱器導管１５２Ａ及び１５２Ｂに接続される加熱燃料入口１５４Ａ及び／又は点火燃料入口１５４Ｂを備えることができる。
【0014】
始動加熱器１５０はまた、スタック１１０から排出された空気排気（すなわち、カソード排気）を、排気導管２０４Ａを通して受け取ることができる。始動加熱器１５０は、燃料酸化触媒（例えば、貴金属触媒）及び／又は加熱素子（例えば、抵抗及び／又は放射加熱素子）を備えることができる。加熱器１５０は、空気排気を使用して、受け取った燃料を触媒及び／又は熱により酸化させることによって、熱を発生させることができる。始動加熱器１５０から排出された排気は、排気導管２０４Ｂを通してカソード復熱器１３０に供給することができる。カソード復熱器１３０から排出された排気は、排気導管２０４Ｃ及び排気出口１３２を通してホットボックス１００から排気することができる。排気導管２０４Ｄは、排気出口１３２から排出された排気を受け取るように構成することができる。いくつかの実施形態において、排気導管２０４Ｄは、図５に関して詳細に後述するように、複数のホットボックス１００から排出された排気を受け取るように構成される排気マニホールドの一部とするか又は排気マニホールドに接続することができる。
【0015】
主空気ブロワー１６０は、空気導管１６２Ａを通してアノード排気冷却器１４０に空気（例えば、空気入口蒸気）を供給するように構成することができる。空気は、アノード排気冷却器１４０から空気導管１６２Ｂを通してカソード復熱器１３０に流れる。空気は、カソード復熱器１３０において、スタック１１０から排出された空気排気によって（又は、燃料が始動加熱器１５０にも供給され、そこで、燃料が空気排気によって酸化されて、酸化燃料加熱器排気排出物を形成する場合、酸化燃料始動加熱器１５０排気排出物によって）加熱される。加熱された空気は、カソード復熱器１３０から空気導管１６２Ｃを通してスタック１１０に流れる。
【0016】
燃料排気（例えば、スタック１１０内で発生するアノード排気流）は、燃料排気導管１１４Ａを通してアノード復熱器１２０に供給される。燃料排気は、未反応の水素燃料及び水を含むことができる。アノード復熱器１２０から排出された燃料排気は、燃料排気導管１１４Ｂによってホットボックス１００の燃料排気出口１０４に供給することができる。いくつかの実施形態において、任意選択のアノード排気冷却器１４０は、燃料排気導管１１４Ｂを通って流れる燃料排気を、燃料排気が燃料排気出口１０４に到達する前に、空気導管１６２Ａからの入口空気流によって冷却するように構成することができる。パワーモジュール１０は、第１の加熱器導管１５２Ａを燃料排気導管１１４Ｂに流体接続するパージ導管２４４を任意選択で備えてもよい。
【0017】
パワーモジュール１０は、モジュール１０の様々な要素を制御するように構成されるシステムコントローラー１２５を更に備えることができる。コントローラー１２５は、記憶された命令を実行するように構成される中央処理装置を含むことができる。例えば、コントローラー１２５は、パワーモジュール１０を通る空気流を制御して、パワーモジュール１０への燃料流を開閉するように構成することができる。
【0018】
いくつかの実施形態において、燃料電池スタック１１０は、アノード復熱器１２０、始動加熱器１５０、及び任意選択のアノード排気冷却器１４０を含む中央カラムの周りのホットボックス１００内に配置することができる。特に、アノード復熱器１２０は、始動加熱器１５０の径方向内方に配置することができ、アノード排気冷却器１４０は、アノード復熱器１２０及び始動加熱器１５０の上に取り付けることができる。
【0019】
図２Ａは、本開示の様々な実施形態に係る、図１のパワーモジュール１０を備える燃料電池電力システム２００の簡略化された概略図である。図２Ｂは、図２Ａのパワーモジュール１０に接続される燃料及び燃料排気要素を示す概略図である。
【0020】
図１、図２Ａ、及び図２Ｂを参照すると、電力システム２００は、複数のパワーモジュール１０を封入する少なくとも１つのモジュールキャビネット２１０を備えることができる。例えば、各パワーモジュール１０は、図２Ａにおいて縦の破線で示されているように、ドアを含む金属製ハウジング等の別々のキャビネット２１０内に封入することができる。キャビネット２１０は、流体導管及び／又は電気配線を含む共通の土台に配置することができる。代替的に、単一のキャビネット２１０が複数のパワーモジュール１０を封入してもよい。例えば、図２Ａに示されているように、パワーモジュール１０は、キャビネット２１０内で１つ以上の列にして配置することができる。しかしながら、本開示は、特定の数のパワーモジュール１０及び／又はキャビネット２１０に限定されない。
【0021】
システム２００は、電力調整モジュール１２及び任意選択の燃料処理モジュール１４のための１つ以上のキャビネット２１０（例えば、別々のキャビネット）を備えることもできる。電力調整モジュール１２は、燃料電池によって発生したＤＣ電力をＡＣ電力に変換する構成要素（例えば、その全体を参照により本明細書に援用する米国特許第７，７０５，４９０号に記載されたＤＣ／ＡＣインバーター及び任意選択でＤＣ／ＤＣコンバーター）と、ＡＣ電力出力をグリッドに接続する電気コネクタと、電気的過渡現象を管理する回路と、システムコントローラー（例えば、コンピューター又は専用制御ロジックデバイス若しくは回路）とを備えることができる。電力調整モジュール１２は、燃料電池モジュールからのＤＣ電力を異なるＡＣ電圧及び周波数に変換するように設計することができる。２００Ｖ、６０Ｈｚ；４８０Ｖ、６０Ｈｚ；４１５Ｖ、５０Ｈｚ、及び他の一般的な電圧及び周波数のための設計を提供することができる。
【0022】
燃料処理モジュール１４は、フィルター及び／又は燃料（例えば、水素）流制御及び検出要素、例えば、流量計、流量制御弁２６４、ガス流量調整器（例えば、圧力調整器）２６６等の燃料処理構成要素を備えることができる。代替形態において、燃料処理モジュール１４は、省いても、凝縮器等の他のシステム構成要素のために利用してもよい。様々な実施形態において、流量制御弁２６４は、対応する導管を開閉するように構成されるソレノイド弁とすることができる。
【0023】
電力システム２００は、再循環マニホールド２２０（１つ以上のパイプ及び／又はチャネルを含み得る）と、第１の再循環導管２２２と、第２の再循環導管２２４と、凝縮器２３０と、再循環ブロワー２３２と、燃料供給導管２４０と、燃料供給マニホールド２４２（例えば、１つ以上の燃料供給導管）とを備えることができる。再循環マニホールド２２０は、各パワーモジュール１０の燃料排気出口１０４を第１の再循環導管２２２に流体接続することができる。第１の再循環導管２２２は、再循環マニホールド２２０を凝縮器２３０の入口に流体接続することができる。第２の再循環導管２２４は、凝縮器２３０の出口を燃料供給導管２４０に流体接続することができる。凝縮器２３０は、熱交換器部２５０と、凝縮水を収集する任意選択の集水槽２５１とを備えることができる。熱交換器２５０及び集水槽２５１は、同じハウジング内又は直列に流体接続された別々のハウジング内に位置することができる。集水槽２５１は、排水導管２３４に流体接続される。
【0024】
燃料供給マニホールド２４２は、燃料供給導管２４０を各パワーモジュール１０の燃料入口１０２に流体接続することができる。図２Ｂに示されている１つの実施形態において、燃料供給マニホールド２４２は、燃料供給導管２４０に流体接続される幹導管２４２Ｔと、各パワーモジュール１０の燃料入口１０２を幹導管２４２Ｔに流体接続する分岐導管２４２Ｂとを備えることができる。燃料入口１０２は、燃料入口導管１１２によってアノード復熱器１２０に流体接続することができる。燃料入口１０２は、第１の加熱器導管１５２Ａ及び第２の加熱器導管１５２Ｂによって直接、又は例えば燃料入口導管１１２を介して間接的に、始動加熱器１５０に流体接続することができる。
【0025】
再循環マニホールド２２０及び第１の再循環導管２２２は、パワーモジュール１０から排出された燃料排気を凝縮器２３０に供給するように構成することができる。特に、再循環マニホールド２２０は、第１の再循環導管２２２に流体接続される幹導管２２０Ｔと、幹導管２２０Ｔを各パワーモジュール１０の燃料排気出口１０４に流体接続する分岐導管２２０Ｂとを備えることができる。凝縮器２３０は、アノード排気が凝縮器２３０に達すると、第１の再循環導管２２２内のアノード排気を冷却するように構成される空冷熱交換器２５０を備えることができる。熱交換器２５０は、周囲空気を熱交換器２５０を通して第１の再循環導管２２２に吹き付ける１つ以上のファンを備えることができる。
【0026】
凝縮器２３０は、燃料排気中に含まれる水蒸気を凝縮して、再循環燃料（例えば、主に脱水水素）を排出するように構成される空冷凝縮器又は水冷凝縮器とすることができる。凝縮器２３０は、燃料排気から凝縮した液体の水を排出することもできる。具体的には、燃料排気は、燃料電池スタック１１０のアノード側から排出された未使用の水素及び水を含むことができる。燃料排気中の水の一部又は全部は、燃料排気からノックアウト（すなわち、除去）される。
【0027】
再循環ブロワー２３２は、第２の再循環導管２２４内の再循環燃料（例えば脱水水素）を加圧するように構成されるブロワー又はコンプレッサーとすることができる。いくつかの実施形態において、再循環燃料は、燃料源３０、例えば、水素（Ｈ２）供給導管、タンク、又は発電機（例えば、電解槽、化学反応水素発電機、又は水素設備）から燃料供給導管２４０に供給される新たな燃料と略同じ圧力に加圧することができる。例えば、再循環ブロワー２３２は、約０．５ポンド平方インチゲージ圧（ｐｓｉｇ）～５ｐｓｉｇ、例えば、約１ｐｓｉｇ～約２ｐｓｉｇの範囲の圧力で再循環燃料を排出することができる。
【0028】
燃料供給導管２４０は、燃料源３０から供給される水素等の新たな燃料を受け取るように構成することができる。燃料供給導管２４０は、第２の再循環導管２２４から再循環燃料を受け取ることもできる。燃料供給導管２４０は、新たな燃料、再循環燃料、又は双方の混合物を燃料供給マニホールド２４２に供給することができる。燃料供給マニホールド２４２は、燃料供給導管２４０から受け取った燃料を、各パワーモジュール１０の燃料入口１０２に供給するように構成することができる。
【0029】
電力システム２００は、パワーモジュール１０への及びパワーモジュール１０からの流体流を制御するために、１つ以上のガスメーター（例えば、流量計及び／又はガス組成センサー）２６０、圧力センサー２６２、流量制御弁２６４、ガス流量調整器２６６、及び／又は逆止弁２７０を備えることもできる。特に、電力システム２００は、水素源３０からのガス流量を測定するように構成される第１のガスメーター２６０Ａと、燃料供給導管２４０内のガス圧力を検出するように構成される第１の圧力センサー２６２Ａとを備えることができる。電力システム２００は、第２の再循環導管２２４内のガス流を測定するように構成される第２のガスメーター２６０Ｂと、第２の再循環導管２２４内のガス圧力を検出するように構成される第２の圧力センサー２６２Ｂとを備えることもできる。１つの実施形態において、電力システム２００は、質量流量制御ではなく圧力制御に基づいて動作することができる。この実施形態において、電力システム２００を単純にするために、いくつかの従来技術のシステムにおいて使用される高価で複雑な質量流量制御弁及びマスフローコントローラー（ＭＦＣ）は省くことができる。
【0030】
様々な実施形態において、電力システム２００は、幹導管２４２Ｔ上に配置され（例えば、燃料処理モジュール１４内に位置する）、幹導管２４２Ｔを通るガス流を制御するように構成される流量制御弁２６４及び／又はガス流量調整器（例えば、圧力調整器）２６６を備えることができる。電力システム２００は、燃料入口１０２から燃料入口導管１１２並びに第１の加熱器導管１５２Ａ及び／又は第２の加熱器導管１５２Ｂを通るガス流を制御するガス流量調整器２６６及び／又は流量制御弁２６４を備えることができる。
【0031】
電力システム２００は、第１の加熱器導管１５２Ａ及び第２の加熱器導管１５２Ｂ上に配置される流量制御弁２６４を備え、各対応するパワーモジュール１０の加熱燃料入口１５４Ａ及び点火燃料入口１５４Ｂへのガス流を制御する（例えば、オン及びオフにする）ことができる。電力システム２００は、燃料入口導管１１２及び第１の加熱器導管１５２Ａにおけるガス圧力を検出するように構成される圧力センサー２６２を備えることができる。
【0032】
いくつかの実施形態において、電力システム２００は、各第１の加熱器導管１５２Ａ上に配置されるパージ弁２６８と、各燃料排気導管１１４Ｂ上に配置されるパージ弁２６８とを備えることができる。パージ弁２６８は、燃料供給マニホールド２４２及び再循環マニホールド２２０における過圧を逃がすように構成することができる。例えば、パージ弁２６８は、燃料電池等のシステム構成要素への損傷を防止するために、過圧イベント中、開放するように構成することができる。様々な実施形態において、電力システム２００は、各燃料排気導管１１４Ｂ上に配置され、それぞれのパワーモジュール１０への燃料排気の逆流を防止するように構成される逆止弁２７０を備えることができる。
【0033】
始動モード中、電力システム２００は、加熱器の点火を促進するために、比較的少量の燃料（例えば、新鮮な水素）を、点火燃料入口１５４Ｂを通して加熱器１５０に供給するように構成することができる。例えば、電力システム２００は、第２の加熱器導管１５２Ｂ上の流量制御弁２６４を開放し、第１の加熱器導管１５２Ａ上の流量制御弁２６４を閉鎖するように構成することができる。
【0034】
加熱器１５０が点火され、スタック温度が、水素燃料中の水が凝縮し得る温度（例えば、５０℃～７０℃）を超えると、電力システム２００は、より大量の燃料を、第１の加熱器導管１５２Ａを通して、又は第１の加熱器導管１５２Ａ及び第２の加熱器導管１５２Ｂを通して始動加熱器１５０に供給し、始動加熱器１５０の熱出力を増大させるように構成することができる。例えば、電力システム２００は、第２の加熱器導管１５２Ｂ上の流量制御弁２６４、又は第１の加熱器導管１５２Ａ及び第２の加熱器導管１５２Ｂの双方上の流量制御弁２６４を開放するように構成することができる。システム始動中、燃料排気導管１１４Ｂ及び／又は燃料入口導管１１２上の流量制御弁２６４は、燃料がスタック１１０又は凝縮器２３０に供給されないように閉鎖することができる。
【0035】
電力システム２００は、第１の加熱器導管１５２Ａを各パワーモジュール１０の燃料排気導管１１４Ｂに流体接続するパージ導管２４４を備えることができる。始動モード中、電力システム２００は、各パワーモジュール１０に水素を供給し、燃料入口導管１１２上の弁２６４を開放することによって、燃料電池スタック１１０から空気（例えば、酸素）をパージするように構成することができる。水素及びパワーモジュール１０からパージされた任意の空気（例えば、酸素）は、パージ導管２４４及び第１の加熱器導管１５２Ａを介して加熱器１５０に供給することができ、加熱器１５０によって、燃料を酸化させ、パワーモジュール１０の温度を上昇させるのに使用することができる。この実施形態において、パージ導管２４４上のパージ弁２６４Ｐは、始動モードのこの段階中に開放し、水素及び燃料電池スタック１１０からパージされた酸素を加熱器１５０に供給する。始動モード後、パージ弁２６４Ｐは、パージ導管２４４を通る流体流を遮断するように閉鎖することができる。
【0036】
電力システム２００が十分な温度に加熱されると、電力システム２００は、定常状態動作を開始することができる。定常状態モード動作中、燃料入口導管１１２上の流量制御弁２６４は開放したままであり、それにより、燃料（例えば、新鮮な水素燃料と再循環された水素燃料との混合物）が燃料入口１０２からスタック１１０に供給される。加えて、第１の加熱器導管１５２Ａ及び第２の加熱器導管１５２Ｂ上の流量制御弁２６４は、燃料が加熱器１５０に供給されないように閉鎖することができる。
【0037】
しかしながら、電力システム２００（例えば、燃料電池スタック１１０）の測定温度が閾値温度を下回る場合（例えば、電力システム２００から引き出される電力の減少に起因する）、第１の加熱器導管１５２Ａ上の流量制御弁２６４を開放することができ、それにより、定常状態モード動作中、燃料が加熱燃料入口１５４Ａを通して加熱器１５０に供給される。加熱器１５０内の燃料は、スタック１１０から排出された空気排気（定常状態モード中、加熱器１５０を通って流れる）によって酸化されて熱を発生させ、この熱が、燃料電池スタック１１０を所望の温度に加熱する。
【0038】
したがって、始動モード中、加熱器１５０に新鮮な水素燃料を供給することができ、定常状態モード動作中、スタック１１０に、新鮮な水素と再循環された水素との混合物を供給することができる。
【0039】
様々な実施形態において、電力システム２００は、電力システム２００の様々な要素を制御するように構成される上述のシステムコントローラー２２５を更に備えることができる。コントローラー２２５は、記憶された命令を実行するように構成される中央処理装置を含むことができる。例えば、コントローラー２２５は、電力システム２００を通る燃料の流れを制御するために、流量制御弁２６４、ガス流量調整器２６６、及び／又は再循環ブロワー２３２を制御するように構成することができる。
【0040】
いくつかの実施形態において、凝縮器２３０、再循環ブロワー２３２、及び任意の対応するガスメーター２６０、ガス流量調整器２６６、及び／又は圧力センサー２６２は、再循環モジュール１６内に配置し、キャビネット２１０とは別個のキャビネット、筐体、室、又は構造内に配置することができる。他の実施形態において、再循環モジュール１６は、上述したキャビネット２１０とは別個のキャビネット内の別個のモジュールとして配置してもよく、燃料処理モジュール１４の代わりに又は燃料処理モジュール１４内に含まれてもよい。様々な実施形態において、パワーモジュール１０を含む複数のキャビネット２１０は、同じ再循環モジュール１６に流体接続することができる。
【0041】
様々な実施形態において、アノード排気冷却器、燃料流を制御するマスフローコントローラー、及び／又は燃料排気流を制御する燃料排気ブロワーは、パワーモジュール１０から省くことができる。いくつかの実施形態において、燃料処理モジュール１４もパワーモジュールから省くことができる。したがって、システムの全体コストは、１つの凝縮器２３０及び１つの再循環ブロワー２３２を利用してパワーモジュール１０からの燃料排気を処理することによって、低減することができる。
【0042】
凝縮器２３０及び再循環ブロワー２３２の利用により、システム効率を増大させ、約１００％の燃料利用率を提供することができる。例えば、定常状態モード動作中、燃料排気中の水素のほぼ１００％を再循環させることができ、燃料流が点火燃料入口１５４Ｂを通して始動加熱器に供給されるシステム始動モード動作後に、始動加熱器１５０への燃料流が遮断されるため、始動加熱器１５０によって水素は消費されない。燃料電池スタック１１０の温度が所望の閾値よりも低いと判断された場合、定常状態モード動作中に加熱燃料入口１５４Ａを通して燃料を加熱器１５０に一時的に供給することができる。加熱器１５０内の燃料は、スタック空気排気によって酸化されて熱を発生し、それにより、燃料電池スタック１１０を所望の温度に加熱する。
【0043】
図２Ｃは、本開示の様々な実施形態に係る、図２Ａのパワーモジュール１０に代替的に接続することができ、圧力制御のために構成される燃料及び排気要素を示す概略図である。図２Ｃは、図２Ｂと同様の要素を含むことができる。したがって、図２Ｂと図２Ｃとの間の相違点のみを詳細に論じる。
【0044】
図２Ａ及び図２Ｃを参照すると、再循環モジュール１６は、第２の再循環導管２２４によって燃料供給導管２４０に接続することができる。燃料供給導管２４０は、燃料供給マニホールド２４２によってパワーモジュール１０に接続することができる。燃料供給マニホールド２４２は、幹導管２４２Ｔと、パワーモジュール１０の燃料入口１０２に流体接続される分岐導管２４２Ｂとを備えることができる。各燃料入口１０２は、燃料入口導管１１２、第１の加熱器導管１５２Ａ、及びバイパス導管２４６に直接又は間接的に流体接続することができる。
【0045】
パージ導管２４４は、燃料排気導管１１４Ｂを第１の加熱器導管１５２Ａに流体接続することができる。分岐導管２４２Ｂは、幹導管２４２Ｔを燃料入口１０２に流体接続することができる。第１の加熱器導管１５２Ａは、燃料入口１０２を始動加熱器１５０に流体接続することができる。バイパス導管２４６は、燃料入口導管１１２に並列して流体接続することができる。しかしながら、他の実施形態において、バイパス導管２４６は、図２Ｃにおいて破線で示されているように、燃料入口導管１１２を第１の加熱器導管１５２Ａに流体接続してもよい。
【0046】
温度及び圧力を検出し、燃料及び／又はアノード排気流を制御するために、圧力センサー２６２、温度センサー２６３、及び／又は流量制御弁２６４を様々な導管上に配置することができる。例えば、燃料排気出口１０４から排出されたアノード排気の圧力及び温度を求めるために、圧力センサー２６２及び温度センサー２６３を分岐導管２２０Ｂ上に配置することができる。圧力センサー２６２及び温度センサー２６３は、燃料入口１０２及び加熱器１５０に供給される燃料の圧力及び温度を検出するために、燃料入口導管１１２及び第１の加熱器導管１５２Ａ上に配置してもよい。
【0047】
流量制御弁２６４は、流体流を選択的に遮断するように構成される常開弁とすることができる。例えば、流量制御弁２６４は、分岐導管２２０Ｂを通るアノード排気流を制御するために、分岐導管２２０Ｂ上に配置することができる。流量制御弁２６４Ｐは、燃料電池スタック１１０の最初の酸素／空気パージの後に燃料入口導管１１２から第１の加熱器導管１５２Ａにアノード排気が流れることを選択的に防止するために、パージ導管２４４上に配置することができる。２つの流量制御弁２６４を、燃料が燃料入口１０２から燃料入口導管１１２に流入すること、及びバイパス導管２４６を通過することなく燃料入口導管１１２を通って流れることを選択的に防止するために、燃料入口導管１１２上に配置することができる。流量制御弁２６４は、燃料が燃料入口１０２から（例えば、燃料入口から燃料入口導管１１２を通って）第１の加熱器導管１５２Ａに流れることを選択的に防止するために、第１の加熱器導管１５２Ａ上に配置することができる。流量制御弁２６４は、燃料が通流することを選択的に防止するために、バイパス導管２４６上に配置することができる。
【0048】
流量制御オリフィス２４８を第１の加熱器導管１５２Ａ、バイパス導管１４６、及び／又はパージ導管２４４上に配置して、通流する燃料質量流を制御することができる。例えば、第１の流量制御オリフィス２４８Ａ、第２の流量制御オリフィス２４８Ｂ、及び第３の流量制御オリフィス２４８Ｃを、パージ導管２４４、第１の加熱器導管１５２Ａ、及びバイパス導管２４６上にそれぞれ配置することができる。流量制御オリフィス２４８Ａ、２４８Ｂ、２４８Ｃは、対応する導管１５２Ａ、２４４、２４６を通る燃料質量流量を制御するために、流体流を制限するように構成することができる。例えば、第１の流量制御オリフィス２４８Ａは、パージ導管２４４を通る第１の質量流量を提供するように構成することができる。第２の流量制御オリフィス２４８Ｂは、第１の加熱器導管１５２Ａを通る第２の質量流量を提供するように構成することができる。第３の流量制御オリフィス２４８Ｃは、バイパス導管２４６を通る第３の質量流量を提供するように構成することができる。
【0049】
様々な実施形態において、流量制御オリフィス２４８Ａ、２４８Ｂ、２４８Ｃによって提供される第１の質量流量、第２の質量流量、及び第３の質量流量は、同じであっても異なっていてもよい。換言すれば、流量制御オリフィス２４８Ａ、２４８Ｂ、２４８Ｃは、通過する流体の同じ又は異なる量の流量制限をもたらすことができる。例えば、いくつかの実施形態において、第１の流量制御オリフィス２４８Ａ及び第２の流量制御オリフィス２４８Ｂのうちの一方は、加熱器１５０を点火するのに好適な比較的低い質量流量を提供することができ、第１の流量制御オリフィス２４８Ａ及び第２の流量制御オリフィス２４８Ｂのうちの他方は、始動加熱に好適な比較的高い質量流量を提供することができる。
【0050】
例えば、始動モード中、燃料は、最初に、加熱器１５０を点火するために、第２の流量制御オリフィス２４８Ｂによって少なくとも部分的に決定される第１の質量流量において、第１の加熱器導管１５２Ａを通して加熱器１５０に供給することができる。次いで、燃料は、パージされた空気及び新鮮なパージ燃料を使用して熱を発生させるために、第１の流量制御オリフィス２４８Ａによって少なくとも部分的に決定される流量において、パージ導管２４４を通して加熱器１５０に供給することができる。代替形態において、燃料は、モジュール１０の加熱中、導管２４４及び１５２Ａの双方を通して供給することができる。
【0051】
定常状態モード動作中、燃料は、燃料入口導管１１２を通して直接、又はバイパス導管２４６を通るように迂回した後、アノード復熱器１２０に供給することができる。燃料は、第３の流量制御オリフィス２４８Ｃによって与えられる流量制限に起因して、バイパス導管２４６を通るよりも高い質量流量で、燃料入口導管１１２を通して供給することができる。いくつかの実施形態において、燃料は、低電気負荷の定常状態動作中、停止動作中、及び／又はスタックシール調整中（すなわち、スタック１１０におけるガラス又はガラスセラミックのシール前駆体を高温でリフローし、スタック１１０のシールを形成するとき）、第３の流量制御オリフィス２４８Ｃによって提供される低減された質量流量で、バイパス導管２４６を通してスタック１１０に供給することができる。特に、質量流量がより低いことで、スタックシール調整中のスタックの燃料漏れを低減することができる。
【0052】
したがって、質量流量制御弁若しくは比例弁又はマスフローコントローラーを使用することなく、異なる燃料質量流量をパワーモジュール１０に提供することができる。特に、本発明者らは、質量流量制御要素、例えば、比例弁及び従来のマスフローコントローラーでは、製造コストが大幅に増大するとともに、製品の信頼性を低下させることを突き止めた。したがって、図２Ｃに示されているような流量制御オリフィス及び圧力に基づくシステム制御を用いることにより、製造コストを低減することができ、システムの信頼性を増大させることができる。換言すれば、電力システム２００への燃料流は、圧力センサー及び温度センサーからの読取り値に基づくマスフローコントローラーを使用することなく、１つ以上の圧力調整器を使用して、アノード排気から水をノックアウトすることによって制御することができる。
【0053】
図２Ｄは、本開示の様々な実施形態に係る、図２Ａのパワーモジュール１０に代替的に接続することができ、圧力制御のために構成される燃料供給及び再循環モジュール構成要素を示す概略図である。図２Ｄは、図２Ａ～図２Ｃに示されているものと同様の要素を含むことができ、したがって、図２Ｄと図２Ａ～図２Ｃとの間の相違点のみを詳細に論じる。
【0054】
図２Ａ及び図２Ｄを参照すると、再循環モジュール１６の排水導管２３４は、パワーモジュール１０から排出されたアノード排気から凝縮器２３０内で凝縮した水を収集する主コンテナー２３５（例えば、水タンク）を備えることができる。例えば、主コンテナー２３５は、凝縮器２３０の上流で、凝縮器２３０において、及び／又は凝縮器２３０の下流で、水導管２３７Ａ、２３７Ｂ、及び／又は２３７Ｃによって、第１の再循環導管２２２、凝縮器２３０、及び／又は第２の再循環導管２２４に流体接続することができる。いくつかの実施形態において、副コンテナー２３５Ａ、２３５Ｂ、及び／又は２３５Ｃ（例えば、水タンク）は、水導管２３７Ａ、２３７Ｂ、及び／又は導管２３７Ｃに流体接続することができる。例えば、副コンテナー２３５Ａは、第１の再循環導管２２２内で凝縮した水を収集することができ、副コンテナー２３５Ｂは、凝縮器２３０から排出された水を収集することができ、及び／又は、副コンテナー２３５Ｃは、再循環ブロワー２３２の下流の水を収集することができる。いくつかの実施形態において、主コンテナー２３５への水流を制御するために、流量制御弁２６４、例えば常閉弁を、副コンテナー２３５Ａ、２３５Ｂ、２３５Ｃの下流に配置することができる。
【0055】
いくつかの実施形態において、パージ導管２４４は、燃料供給導管２４０を第１の再循環導管２２２に流体接続することができる。ガス安全弁２６５は、燃料供給導管２４０及び／又はパージ導管２４４上に配置することができる。圧力センサー２６２、温度センサー２６３、及びガス流量調整器２６６を燃料供給導管２４０上に配置することもでき、ガス流量調整器２６６を燃料供給導管２４０上に配置することもでき、第１の流量制御オリフィス２４８Ａをパージ導管２４４上に配置することもできる。
【0056】
始動動作中、例えば、パワーモジュール１０が周囲温度にあるとき、燃料（例えば、水素）は、パージ導管２４４を介してパワーモジュール１０に供給することができる。燃料の質量流量は、流量制御オリフィス２４８Ａによって少なくとも部分的に制御することができる。
【0057】
したがって、図２Ｄに示されている１つの実施形態において、パージ導管２４４は、燃料供給導管２４０を再循環マニホールド２２２又は再循環マニホールド２２０（再循環マニホールド２２２を凝縮器２３０に流体接続する）に流体接続する。始動モード中、システムコントローラー２２５は、再循環ブロワー２３２によってスタック１１０から空気をパージし、新鮮な燃料を燃料源３０から燃料供給導管２４０、燃料供給マニホールド２４２、及び燃料入口１０２を通してスタック１１０に供給するように、流量制御弁を制御するように構成される。したがって、始動モード中、水素燃料源３０を凝縮器２３０及び再循環ブロワー２３２に流体接続するパージ導管２４４を通して、新鮮な水素燃料をスタック１１０に供給することによって、スタック１１０から空気をパージし、再循環ブロワー２３２は、新鮮な水素燃料を、燃料入口１０２を通してスタック１１０に供給する。
【0058】
図３は、本開示の様々な実施形態に係る、電力システム３００の簡略化された概略図である。電力システム３００は、電力システム２００と同様であり得る。したがって、電力システム２００との相違点のみを詳細に論じる。
【0059】
図３を参照すると、電力システム３００は、同じ凝縮器２３０及び任意選択で同じ再循環ブロワー２３２に流体接続された複数列のキャビネット２１０、２１０’、２１０’’を備えることができる。特に、電力システム３００は、燃料供給導管２４０から対応する列のキャビネット２１０、２１０’、２１０’’のパワーモジュール１０に水素を供給するように構成される複数の燃料供給マニホールド２４２、２４２’、２４２’’を備えることができる。電力システム３００は、対応する列のキャビネット２１０、２１０’、２１０’’から第１の再循環導管２２２に燃料排気を供給するように構成される複数の再循環マニホールド２２０、２２０’、２２０’’を備えることもできる。
【0060】
図３には３列のキャビネットが示されているが、本開示は、特定の数の列のキャビネットに限定されない。例えば、電力システム３００は、２列～２０列のキャビネットを備えることができる。加えて、本開示は、キャビネットの列内に含まれ得る特定の数のパワーモジュール１０に限定されない。例えば、キャビネットの列は、２個～３０個のパワーモジュールを含むことができる。
【0061】
いくつかの実施形態において、凝縮器２３０、再循環ブロワー２３２、及び対応する任意のガスメーター２６０、及び／又は圧力センサー２６２は、再循環モジュール１６として配置し、キャビネット２１０、２１０’、２１０’’の列とは別個の筐体又は場所に配置することができる。したがって、単一の凝縮器２３０及び任意選択で単一のアノード再循環ブロワー２３２が複数列のキャビネットに使用される。これにより、システムのコスト及び複雑さが低減される。
【0062】
図４Ａは、本開示の様々な実施形態に係る電力システム４００の簡略化された概略図である。電力システム４００は、電力システム２００と同様であり得る。したがって、電力システム２００との相違点のみを詳細に論じる。具体的には、この実施形態において、各パワーモジュール１０は、専用の凝縮器２３０を有する。したがって、この実施形態においてはパワーモジュール及び凝縮器が同数存在する。
【0063】
図１及び図４Ａを参照すると、電力システム４００は、パワーモジュール１０、電力調整モジュール１２、燃料処理モジュール１４を備える少なくとも１つのキャビネット２１０と、凝縮器２３０と、再循環ブロワー２３２とを備えることができる。燃料処理モジュール１４は、燃料供給導管２４０によって、水素源３０等の燃料源に流体接続することができる。燃料処理モジュール１４は、圧力センサー２６２、ガス流量調整器２６６、ガスメーター等の様々な燃料制御要素を備えることができる。燃料処理モジュール１４は、燃料処理モジュール１４から排出された燃料をパワーモジュール１０の入口、例えば燃料入口１０２に供給するように構成される燃料供給マニホールド２４２に流体接続することができる。
【0064】
電力システム４００は、各パワーモジュール１０に１つの凝縮器２３０を備えることができる。しかしながら、他の実施形態において、１つの凝縮器２３０は、２つ以上のパワーモジュール１０間で共有してもよい。凝縮器２３０は、対応するパワーモジュール１０の燃料排気から水を除去するように構成することができる。特に、第１の再循環導管２２２は、パワーモジュール１０から排出された燃料排気を各凝縮器２３０の入口に供給するように構成することができる。凝縮器２３０は、凝縮水と、脱水水素等の実質的に純粋な再循環燃料とを排出するように構成することができる。
【0065】
第２の再循環導管２２４は、凝縮器２３０の燃料出口を燃料供給マニホールド２４２に流体接続するように構成することができ、対応する凝縮器２３０における水を除去した後、各パワーモジュール１０によって発生した燃料排気が同じパワーモジュール１０に戻るようになっている。第２の再循環導管のそれぞれにおいて再循環燃料を加圧するように、別々の再循環ブロワー２３２を構成することができる。各凝縮器２３０に１つの再循環ブロワー２３２が存在することができる。
【0066】
第３の再循環導管２２６は、対応する第２の再循環導管２２４を対応するパワーモジュール１０の少なくとも１つの入口に流体接続するように構成することができる。例えば、第３の再循環導管２２６は、第２の再循環導管２２４から、各パワーモジュール１０の点火燃料入口１５４Ｂ及び加熱燃料入口１５４Ａのうちの一方又は双方に燃料を供給するように構成することができる。
【0067】
電力システム４００は、上述したように、また図４Ａに示されているように、始動動作及び定常状態動作中に燃料流を制御するために、圧力センサー２６２、流量制御弁２６４、ガス流量調整器２６６、ガスメーター等の追加の燃料制御及び／又は検出要素を備えることができる。例えば、電力システムは、流量制御弁２６４を利用して、始動モード中、又は所望の燃料電池スタック動作温度を維持するために追加の加熱が必要であるより低パワーの定常状態モード動作中のみ、水素を加熱器１５０に供給するように構成することができる。
【0068】
いくつかの実施形態において、パワーモジュール１０は、凝縮器２３０に排出される燃料排気の温度を低減するために、アノード排気冷却器１４０を備えることができる。しかしながら、他の実施形態において、アノード排気冷却器１４０は省いてもよい。いくつかの実施形態において、電力システム４００は、図２Ａに関して上述したように、燃料供給マニホールド２４２及び／又は再循環導管２２２、２２４における過圧を逃がすように構成されるパージ弁を備えることができる。
【0069】
したがって、電力システム４００は、対応する凝縮器２３０及び再循環ブロワー２３２を使用して各パワーモジュールの燃料排気を再循環させるように構成することができる。したがって、電力システムは、９９％以上の燃料利用率を有することができる。加えて、定常状態動作中、始動加熱器又はアノードテールガス酸化器に水素を供給する必要がないため、電力システム４００は、システム効率の向上をもたらすことができる。
【0070】
図４Ｂは、本開示の様々な実施形態に係る、圧力制御動作のために構成され、図４Ａのシステムにおいて使用することができる代替的な燃料供給及び再循環要素を示す概略図である。図４Ｂは、図２Ｃ及び図４Ａの要素と同様の要素を含む。したがって、図２Ｃと図４Ｂとの間の相違点のみを詳細に論じる。
【0071】
図１及び図４Ｂを参照すると、パージ導管２４４は、燃料入口導管１１２を第１の加熱器導管１５２Ａに流体接続することができる。第２の再循環導管２２４は、凝縮器２３０を燃料入口導管１１２に流体接続することができる。主コンテナー２３５は、凝縮器２３０によってアノード排気から凝縮された水を受け取るように構成することができる。第１の流量制御オリフィス２４８Ａ、第２の流量制御オリフィス２４８Ｂ、及び第３の流量制御オリフィス２４８Ｃは、パージ導管２４４、第１の加熱器導管１５２Ａ、及びバイパス導管２４６を通る質量流量を制御するように使用することができる。
【0072】
したがって、いくつかの実施形態において、水素燃料で動作するＳＯＦＣ電力システムは、マスフローコントローラー（ＭＦＣ）の代わりに圧力制御を使用して、アノード排気から生成水をノックアウトすることによって動作することができる。水素燃料流は、図３に示されているように複数列のキャビネット２１０を含む現場レベルにおいて、図２Ａに示されているようにキャビネット２１０の列のレベルにおいて、及び／又は図４Ａに示されているようにパワーモジュール１０のレベルにおいて、圧力調整器２６６を使用して設定することができる。ガス流量調整器２６６は、電力システム２００、３００、又は４００のコールドスタートから、キャビネット２１０又はパワーモジュール１０ごとに必要な最大水素流を満たすように設定することができる。
【0073】
１つの実施形態において、始動モード中の燃料パージステップは、以下のように行われる。パージ燃料を加熱器１５０に導き、酸化された燃料を、出口１３２を介してホットボックス１００から排出するようにする。パワーモジュール１０の全てが（所与の現場について）コールドスタートにある場合、図２Ｃ、図２Ｄ、及び図４Ｂに示されているように、パージ導管２４４上に位置するオリフィス２４８Ａを通じてパージを実行することができる。しかしながら、パワーモジュール１０のうちのいくつかが動作しており、別のパワーモジュール１０が新たなパワーモジュールに交換される（例えば、現場交換ステップ）場合、図２Ｃ及び図４Ｂに示されているように、第１の加熱器導管１５２Ａ上に位置するオリフィス２４８Ｂを通じてパージを実行することができる。
【0074】
コールドスタート中、水素燃料流が加熱器１５０に供給されて、電力システムを加熱する。加熱器１５０は、それぞれの加熱器導管１５２Ａ及び／又は１５２Ｂに流体接続される２つの別々の燃料入口１５４Ａ及び１５４Ｂを含むことができる。点火燃料入口１５４Ｂは、加熱器１５０の点火（すなわち、着火）中に使用することができ、加熱燃料入口１５４Ａ（又は燃料入口１５４Ａ及び１５４Ｂの双方）は、ホットボックス１００を加熱するように加熱器１５０を動作させるのに使用することができる（例えば、始動モード中及び／又はより低パワーの定常状態モード中）。加熱燃料入口１５４Ａは、図２Ｂに示されているように、パージ導管２４４に直接又は間接的に流体接続することができる。
【0075】
シール調整中及び／又はシステム停止中、水素燃料は、オリフィス２４８Ｃ及び導管２４６を通して燃料入口１０２に供給することができる。これは、スタック調整（すなわち、シール）中のスタック１１０の境界部における漏れを低減するのに役立つ。
【0076】
１つの実施形態において、スタック１１０の水素燃料動作は、低出力電力モードを除いて、通常、外部加熱を必要としないため、フルパワー出力での定常状態モード動作中、燃料が加熱器１５０に供給されない。その代わり、スタック１１０からのカソード排気のみが加熱器１５０を通って流れる。定常状態モード動作中、加熱器１５０に燃料を供給することなく、電力システムは、１００％近い燃料利用率で動作することができる。スタック１１０が電力を発生させる間、スタック１１０は、未使用の水素燃料とともに、各燃料電池のアノード側における副生成物として水を生成する（すなわち、アノード排気）。
【0077】
全ての動作状態（コールドスタート、過渡、フルパワー未満の定常状態、又はフルパワーの定常状態）において、未使用の燃料及びアノード側からの副生成物の水（すなわち、アノード排気）を、各パワーモジュール１０から共通のマニホールド ２２０を通して収集することができる。パワーモジュール１０の全てからの混成アノード排気は、凝縮器２３０を通して導かれ、そこで、熱交換器／ヒートパイプ２５０によってアノード排気流から水を凝縮し、液体の水を生成物として分離する。未凝縮のアノード排気は、依然として１体積％～１０体積％の水を含み、再循環ブロワー／コンプレッサー２３２に供給されて、所望の圧力、例えば、１ｐｓｉｇ～２ｐｓｉｇまで圧力を上昇させる。加圧されたアノード排気流は、（例えば、図３の電力システム３００における圧力調整器２６６の下流において）新鮮な水素燃料と混合される。
【0078】
フルパワー定常状態モード動作中、加熱器１５０に燃料を供給することなく、アノード排気燃料中の未使用の燃料を循環させることで、コンテナー（例えば、タンク２３５）に供給される凝縮水中に可溶である非常に少量の水素を除いて、１００％近い燃料利用率を達成することができる。アノード排気流から水を除去することで、スタックレベルにおける燃料希釈が低減し、燃料電池電圧が増大し、動作効率を向上させる。フルパワー定常状態モード中、加熱器１５０に燃料を供給しないため、スタック１１０のカソードに供給される空気の量の低減につながり、その結果、寄生負荷が低減する。１００％の燃料利用率及び水の除去により、正味のシステム効率が、例えば、約５７％～６０％ＬＨＶまで向上する。さらに、アノード排気流の冷却により、アノード排気流から熱を捕捉することができ、熱及び電力の組合せ効率が向上する。
【0079】
１つの実施形態において、（例えば、コンテナー２３５からの）アノード排気からの凝縮水は、電解槽への供給物として使用して、「グリーン」水素を生成することができる。電解槽は、燃料源３０に対応することができる。生成した「グリーン」水素は、上述した発電システムにおいて燃料として使用することができる。
【0080】
１つの実施形態において、凝縮器２３０は、空冷凝縮器とすることができる。代替的に、現場に冷却塔がある場合、冷却水を使用する水冷凝縮器２３０を使用してもよい。
【0081】
１つの実施形態において、アノード排気冷却器１４０がアノード排気流全体を所望の温度（例えば、弁にとって安全な温度）に冷却するのに十分でない場合、温度を更に低減するために、追加の空気冷却器を再循環マニホールド２２０及び／又は第１の再循環導管上に設けることができる。
【0082】
代替的に、アノード排気冷却器１４０は、任意選択で、電力システムから省いてもよい。この実施形態において、整備中のパワーモジュール（複数の場合もある）１０を隔離するために、ガスソレノイド弁を燃料供給導管２４０又はマニホールド２４２上に提供することができる。弁は、摂氏４００度を超える温度、例えば、摂氏４５０度～５００度で動作するための定格とすべきである。アノード排気冷却器１４０を省くと、システムのコスト及び複雑性が低減する。
【0083】
図５は、本開示の様々な実施形態に係る、図３の電力システム３００の追加の構成要素の簡略化された概略図である。図５において、明確にするために１つのみの再循環マニホールド２２０が示されている。図３に示されている残りの再循環マニホールド２２０’、２２０’’は、存在するが、図５では明確にするために示されていない。図１、図３、及び図５を参照すると、システム３００によって発生し、凝縮器２３０によって収集された水は、カソード排気を使用して蒸発させ、電力システム３００から放出することができる。
【0084】
特に、電力システム３００は、各モジュールキャビネット２１０のパワーモジュール１０からカソード排気を受け取るように構成される排気マニホールド２０６を備えることができる。例えば、電力システム３００は、各モジュールキャビネット２１０、２１０’、２１０’’のパワーモジュールから排出されたカソード排気をそれぞれ受け取るように構成される排気マニホールド２０６、２０６’、２０６’’を備えることができる。排気マニホールド２０６、２０６’、２０６’’の入口は、パワーモジュール１０のカソード排気導管２０４Ｄの一部に流体接続するか、又はカソード排気導管２０４Ｄの一部を含むことができる。排気マニホールド２０６、２０６’、２０６’’の出口は、パワーモジュール１０の全てによって発生したカソード排気を受け取るように構成されるシステム排気導管２０８に流体接続することができる。
【0085】
再循環モジュール１６の排水導管２３４は、システム排気導管２０８に流体接続することができる。システム３００は、水弁２１４及び排気温度センサー２１６を備えることもできる。排気温度センサー２１６は、排水導管２３４の上流で、システム排気導管内のカソード排気の温度を検出するように構成することができる。水弁２１４は、排水導管２３４を通ってシステム排気導管２０８に向かう水流を制御するように構成されるオンオフ弁又は比例弁とすることができる。いくつかの実施形態において、水ポンプ２１８は、排水導管２３４を通して水を圧送するように構成される。いくつかの実施形態において、任意選択の排気酸化器２１９をシステム排気導管２０８に追加することができる。排気酸化器２１９は、加熱器１５０からカソード復熱器１３０を通ってシステム排気導管２０８に供給される残留水素の酸化を促進する触媒（例えば、貴金属触媒）を含む管又は導管を備えることができる。酸化により、カソード排気の温度が上昇する。
【0086】
システムコントローラー２２５は、排気温度センサー２１６によって検出された温度に基づいて水弁２１４及び／又は水ポンプ２１８を制御し、システム排気導管２０８に供給される水が蒸発し、カソード排気とともに放出されることを確実にするように構成することができる。例えば、システム始動中、システムコントローラー２２５は、システム排気導管２０８への水の流れを制限することができる。カソード排気の温度が上昇すると、システムコントローラー２２５は、システム排気導管に供給される水の量を増大させるように構成することができる。代替形態において、システムコントローラー２２５は、カソード排気温度が設定温度に等しくなるか又は設定温度を超えると、水弁２１４を開放するように構成することができる。凝縮器２３０からの水は、システム排気導管２０８内で水蒸気へと気化する。
【0087】
代替的な実施形態において、再循環モジュール１６内に収集された水は、システムから液体として排出することができる。例えば、排水導管２３４は、下水道又は貯水池に接続することができる。いくつかの実施形態において、水は、必要に応じて処理し、灌漑に使用する、飲用水として使用する、及び／又は水素生成（例えば、水を電解することによって水素を生成する）のために電解槽に供給することができる。１つの実施形態において、水は、電解槽に供給される前に電解槽の上流で前処理（例えば、浄化又は濾過）することができる。
【0088】
図６は、本開示の様々な実施形態に係る、図２Ａの電力システム２００の追加の構成要素の簡略化された概略図である。図１、図２Ａ、及び図６を参照すると、システム２００によって発生し、凝縮器２３０によって収集された水は、カソード排気を使用して蒸発させ、電力システム２００から放出することができる。
【0089】
特に、電力システム２００は、水マニホールド又は導管２３６、水弁２１４、及び排気温度センサー２１６を備えることができる。水マニホールド２３６は、排水導管２３４をパワーモジュール１０のカソード排気導管２０４Ｄに流体接続するように構成することができる。排気温度センサー２１６は、それぞれのカソード排気導管２０４Ｄ内のカソード排気温度を測定するように構成することができる。水弁２１４は、水マニホールド２３６を通ってカソード排気導管２０４Ｄのうちのそれぞれのカソード排気導管２０４Ｄに向かう水流を制御するように構成される比例弁又はソレノイド弁とすることができる。電力システム２００は、水マニホールド２３６を通して水を圧送するように構成される水ポンプ２１８を備えることもできる。
【0090】
特に、システムコントローラー２２５は、各カソード排気導管２０４Ｄに供給された水が、カソード排気によって蒸発するように、各排気導管２０４Ｄ内の検出されたカソード排気温度に基づいて水弁２１４を制御するように構成することができる。例えば、コントローラー２２５は、カソード排気導管２０４Ｄに供給された水を蒸発させるのに十分なカソード排気温度及び／又は流量を有しない、カソード排気導管２０４Ｄへの水流を停止又は低減するように構成することもできる。いくつかの実施形態において、システムコントローラー２２５は、それぞれのカソード排気に供給される水を完全に蒸発させるために、パワーモジュール１０の１つ以上からのカソード排気温度及び／又は流量を増大させるように、加熱器１５０を動作させるように構成することができる。
【0091】
図６及び図５は、それぞれ、カソード排気が複数のパワーモジュール及び／又は複数のシステムからどのように集約されるかの構成の非限定的な実施形態を示している。図６はまた、凝縮器からの水がどのように複数の流れに分割され、異なるパワーモジュールからのカソード排気に分配されるかの非限定的な実施形態を示している。これらの図は、限定されることを意図していない。通常、現場で凝縮した水の全ては、カソード排気が複数のシステム又は複数のパワーモジュールにわたって集約されるか又は全く集約されないかにかかわらず、現場で発生するカソード排気の全てにおいて蒸発することができる。同様に、水は、単一のパワーモジュールに供給を行う凝縮器から、又は複数のパワーモジュールに供給を行う凝縮器から、又はシステム全体に供給を行う凝縮器から、又は複数のシステムに供給を行う凝縮器から、又は現場全体に供給を行う凝縮器から収集することができる。
【0092】
本開示の実施形態の燃料電池システムは、温室効果ガスの排出を低減し、気候に対して肯定的な影響を与えるように設計される。
【0093】
開示の態様の上述の記載は、当業者が本発明を実施又は使用することを可能にするために提供される。これらの態様に対する種々の変更形態が、当業者には容易に明らかになるであろう。また、本明細書において定義される一般的な原則を、本発明の範囲から逸脱することなく、他の態様に適用することができる。したがって、本発明は、本明細書に示されている態様に限定されることを意図せず、本明細書に開示されている原則及び新規の特徴と一貫して最も広い範囲を与えられるものとする。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【外国語明細書】