特許 7364831 縦続接続された燃料電池を用いる発電システムおよびそれに関連する方法

(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】

(24)【登録日】2023-10-11

(45)【発行日】2023-10-19

(54)【発明の名称】縦続接続された燃料電池を用いる発電システムおよびそれに関連する方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20231012BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20231012BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20231012BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20231012BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/0612

H01M8/04014

H01M8/12 101

【請求項の数】 11

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2017206710

(22)【出願日】2017-10-26

(65)【公開番号】P2018137209

(43)【公開日】2018-08-30

【審査請求日】2020-10-13

(31)【優先権主張番号】15/343,318

(32)【優先日】2016-11-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】523269812

【氏名又は名称】カミンズ・エンタープライズ・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー

【氏名又は名称原語表記】Ｃｕｍｍｉｎｓ Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ ＬＬＣ

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100101454

【弁理士】

【氏名又は名称】山田 卓二

(72)【発明者】

【氏名】アンドリュー・フィリップ・シャピーロ

(72)【発明者】

【氏名】アーファン・サイフ・フセイニ

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０１５３１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１０９６２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６２－２７４５６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２４３０６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２７２６７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２３３１２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００６－５２５６２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４－８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のアノード入口、第１のアノード出口チャネル、および第１のカソード出口チャネルを含む第１の燃料電池であって、第１のアノード排ガスの流れおよび第１のカソード排ガスの流れを生成し、前記第１のカソード出口チャネルを使用して前記第１のカソード排ガスの流れを排出するように構成された第１の燃料電池と、
第２のアノード入口を含む第２の燃料電池であって、第２のアノード排ガスの流れおよび第２のカソード排ガスの流れを生成するように構成された第２の燃料電池と、
前記第１のアノード出口チャネルと直接連通し、前記第１のアノード排ガスの流れを第１の部分および第２の部分に分割するように構成された分割機構と、
前記分割機構の出口と連通する第１の燃料経路であって、前記分割機構の前記出口を介して前記第１のアノード排ガスの流れの前記第１の部分と、炭化水素燃料入口チャネルを介して前記分割機構の下流において炭化水素燃料の流れとを受け取り、前記炭化水素燃料の流れを前記第１のアノード排ガスの流れの前記第１の部分と混合して第１の混合流を形成し、前記第１の混合流を前記第１の燃料電池の前記第１のアノード入口へと循環させるように構成され、前記第１の燃料電池は、少なくとも部分的に、前記第１の混合流を燃料として使用することによって第１の電力を生成するようにさらに構成される、第１の燃料経路と、
前記第２のアノード入口を介して前記第１のアノード排ガスの流れの前記第２の部分を前記第２の燃料電池に直接供給するように構成された第２の燃料経路であって、少なくとも部分的に、前記第１のアノード排ガスの流れの前記第２の部分を燃料として使用することによって第２の電力を生成するようにさらに構成されている、第２の燃料経路と、
前記分割機構の下流に位置して前記第１の燃料経路に組み合わせられた少なくとも１つの燃料改質器であって、前記第１の混合流を受け取り、改質流を生成し、前記改質流の第１の部分を、前記改質流の前記第１の部分を使用することによって前記第１の電力が生成されるように、前記第１の燃料電池へと循環させるように構成されている、少なくとも１つの燃料改質器と
を備える、発電システム。

【請求項2】

前記少なくとも１つの燃料改質器から前記第２の燃料経路へと延びるスリップ流チャネルをさらに備え、前記第２の燃料経路は、前記スリップ流チャネルを介して前記改質流の第２の部分を受け取り、前記第１のアノード排ガスの流れの前記第２の部分と混合して第２の混合流を形成し、該第２の混合流を、該第２の混合流を使用することによって前記第２の電力が生成されるように、前記第２の燃料電池へと循環させるように構成されている、請求項１に記載の発電システム。

【請求項3】

前記第１のカソード出口チャネルおよび前記第１の燃料経路に組み合わせられた第１の復熱器をさらに備え、該第１の復熱器は、前記第１のカソード排ガスの流れから熱を抽出し、該抽出した熱を前記改質流の前記第１の部分へと移すように構成されている、請求項２に記載の発電システム。

【請求項4】

前記第１のカソード出口チャネルおよび第１の流体経路に組み合わせられた第２の復熱器をさらに備え、該第２の復熱器は、前記第１のカソード排ガスの流れから熱を抽出し、該抽出した熱を第１の酸化剤の流れへと移すように構成されている、請求項３に記載の発電システム。

【請求項5】

第２のカソード出口チャネルおよび第２の流体経路に組み合わせられた第３の復熱器をさらに備え、該第３の復熱器は、前記第２のカソード排ガスの流れから熱を抽出し、該抽出した熱を第２の酸化剤の流れへと移すように構成されている、請求項４に記載の発電システム。

【請求項6】

前記第２の燃料電池の下流に配置された触媒酸化装置をさらに備え、該触媒酸化装置は、（ｉ）前記第２のアノード排ガスの流れ、前記第２のカソード排ガスの流れ、および第３の酸化剤の流れを受け取り、（ｉｉ）前記第２のアノード排ガスの流れおよび前記第２のカソード排ガスの流れを酸化して、酸化された流れを生成し、（ｉｉｉ）該酸化された流れを酸化装置出口チャネルを介して前記第１のカソード出口チャネルへともたらすように構成されている、請求項５に記載の発電システム。

【請求項7】

前記第２の燃料経路および前記炭化水素燃料入口チャネルに組み合わせられた第１の燃料予熱器をさらに備え、該第１の燃料予熱器は、前記第１のアノード排ガスの流れの前記第２の部分から熱を抽出し、該抽出した熱を前記炭化水素燃料の流れへと移すように構成されている、請求項２に記載の発電システム。

【請求項8】

前記分割機構の下流に配置されて前記第２の燃料経路に組み合わせられた水分離ユニットをさらに備え、該水分離ユニットは、前記第２の燃料電池へと送られる前の前記第１のアノード排ガスの流れの前記第２の部分または前記第２の混合流から水の少なくとも一部を分離するように構成されている、請求項７に記載の発電システム。

【請求項9】

前記水分離ユニットの下流において第２のアノード出口チャネルおよび前記第２の燃料経路に組み合わせられた第２の燃料予熱器をさらに備え、該第２の燃料予熱器は、前記第２のアノード排ガスの流れから熱を抽出し、該抽出した熱を前記第１のアノード排ガスの流れの前記第２の部分または前記第２の混合流へと移すように構成されている、請求項８に記載の発電システム。

【請求項10】

第１の燃料電池においてアノード排ガスの流れを生成するステップと、
前記第１の燃料電池の第１のアノード出口チャネルと直接連通する分割機構を用いて前記アノード排ガスの流れを第１の部分および第２の部分に分割するステップと、
前記分割機構の出口と連通する第１の燃料経路において、前記分割機構の前記出口を介して前記アノード排ガスの流れの前記第１の部分と、炭化水素燃料入口チャネル介して前記分割機構の下流において炭化水素燃料の流れとを受け取るステップと、
前記炭化水素燃料の流れを前記アノード排ガスの流れの前記第１の部分と混合して第１の混合流を形成するステップと、
前記分割機構の下流に位置し、前記第１の燃料経路に組み合わせられた少なくとも１つの燃料改質器へと、前記第１の混合流を供給するステップと、
前記少なくとも１つの燃料改質器を使用して改質流を生成するステップと、
前記少なくとも１つの燃料改質器からの前記改質流を前記第１の燃料電池に供給するステップと、
前記改質流の前記第１の部分を用いることによって前記第１の燃料電池において第１の電力を生成するステップと、
第２の燃料経路を介して第２の燃料電池へと前記アノード排ガスの流れの前記第２の部分を供給するステップと、
少なくとも部分的に、前記アノード排ガスの流れの前記第２の部分を燃料として用いることによって、前記第２の燃料電池において第２の電力を生成するステップと
を含む、方法。

【請求項11】

前記第１の燃料電池へと前記第１の混合流を供給するステップ、前記第１の燃料電池において前記第１の電力を生成するステップ、前記第２の燃料電池へと前記アノード排ガスの流れの前記第２の部分を供給するステップ、および前記第２の燃料電池において前記第２の電力を生成するステップは、
前記分割機構の下流に位置し、前記第１の燃料経路に組み合わせられた少なくとも１つの燃料改質器へと、前記第１の混合流を供給するステップと、
前記少なくとも１つの燃料改質器を使用して、改質流を生成するステップと、
前記少なくとも１つの燃料改質器からの前記改質流の第１の部分を、前記第２の燃料電池へと供給するステップと、
前記改質流の前記第１の部分を用いることによって、前記第１の燃料電池において前記第１の電力を生成するステップと、
前記少なくとも１つの燃料改質器からの前記改質流の第２の部分を前記第２の燃料経路へと、前記少なくとも１つの燃料改質器から前記第２の燃料経路へと延びるスリップ流チャネルを介して供給するステップと、
前記改質流の前記第２の部分を前記アノード排ガスの流れの第２の部分と混合して、前記第２の燃料経路において第２の混合流を形成するステップと、
前記第２の混合流を前記第２の燃料電池へと供給するステップと、
前記第２の混合流を用いることによって前記第２の燃料電池において前記第２の電力を生成するステップと
を含む、請求項１０に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の実施形態は、発電システムに関し、より詳細には、縦続接続（ｃａｓｃａｄｅｄ）された燃料電池に基づく発電システムおよびその関連方法に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、発電システムに用いられたときの効率の高さおよび環境汚染の少なさに関して、将来性が証明済みの電気化学エネルギ変換装置である。一般に、燃料電池は、例えばインバータによって交流（ＡＣ）へと変換することができる直流（ＤＣ）を生成する。燃料電池の一般的な種類として、リン酸燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、および固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）が挙げられる。ＳＯＦＣなどの燃料電池は、産業および地方自治体のニーズを満たす大規模発電システムにおいて動作することができる。他の種類の燃料電池は、例えば自動車の動力など、より小型の移動の用途に有用であり得る。実際には、燃料電池を、必要とされる電圧または電流の電気を生み出すために、電気システムにおいて直列または並列のいずれかにて配置することができる。

【0003】

一般に、燃料電池は、２つの電極と、それらの間に配置された電解質とを含む。動作時に、電気化学反応が燃料電池内で生じ、水素（燃料）および酸素（酸化剤）を水または蒸気（副生成物）に変換し、電気を発生させる。典型的には、電気化学反応は、電極において生じるが、電極には、そのような反応を促進するために、触媒が配置されていることが多い。電極は、電気化学反応を生じさせるためのより大きな表面積を提供する。電解質は、荷電粒子を一方の電極から他方の電極へと移動させるが、燃料および酸化剤の両方に対して実質的に不透過性である。副生成物が、高い動作温度で燃料電池から出る可能性がある。副生成物は、蒸気または水に加えて、水素、一酸化炭素、メタン、および二酸化炭素など、種々の他の成分を含み得る。

【0004】

一般に、発電システムは、燃料電池の副生成物を使用して炭化水素燃料を改質することによって相当量の水素を含む改質流を生成するための改質器をさらに含む。次いで、改質流を燃料電池へと循環させることで、燃料電池の効率をさらに改善することができる。しかしながら、このようなシステムにおいて、改質流の量がかなり多くなり、結果として処理が困難になることが多い。さらに、改質流の水蒸気対炭素比が所望の値を超えてしまい、改質流の燃料としての品質（例えば、発熱量）が低下し、燃料電池の全体としての効率を低くする可能性がある。さらに、発電システムは、燃料電池からの高温の副生成物を処理するために高温熱交換物質を必要とする可能性があり、これがシステムの全体コストをさらに増加させる可能性がある。したがって、より効率的な燃料電池を取り入れたより効率的な発電システムが必要とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０００６０６５号明細書

【発明の概要】

【0006】

１つの典型的な実施形態によれば、縦続接続された燃料電池を有する発電システムが開示される。発電システムは、第１の燃料電池と、第２の燃料電池と、分割機構と、第１の燃料経路と、第２の燃料経路とを含む。各々の燃料電池は、アノード入口、アノード出口、カソード入口、およびカソード出口を含む。第１の燃料電池は、第１のアノード排ガスの流れおよび第１のカソード排ガスの流れを生成するように構成される。第２の燃料電池は、第２のアノード排ガスの流れおよび第２のカソード排ガスの流れを生成するように構成される。分割機構は、第１のアノード排ガスの流れを第１の部分および第２の部分に分割するように構成される。第１の燃料経路は、炭化水素燃料入口チャネルを介して分割機構の下流において炭化水素燃料を受け取り、炭化水素燃料を第１のアノード排ガスの流れの第１の部分と混合して第１の混合流を形成するように構成される。第１の燃料経路は、第１の混合流を第１の燃料電池のアノード入口へと循環させるようにさらに構成され、第１の燃料電池は、少なくとも部分的に第１の混合流を燃料として用いることによって第１の電力を生成するようにさらに構成される。第２の燃料経路は、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分を第２の燃料電池へと供給するように構成され、第２の燃料電池は、少なくとも部分的に第１のアノード排ガスの流れの第２の部分を燃料として使用することによって第２の電力を生成するようにさらに構成される。

【0007】

別の典型的な実施形態によれば、縦続接続された燃料電池を有する発電システムを使用して電力を生成するための方法が開示される。この方法は、第１の燃料電池においてアノード排ガスの流れを生成し、分割機構を用いてアノード排ガスの流れを第１の部分および第２の部分に分割することを含む。この方法は、炭化水素燃料入口チャネルを介して分割機構の下流において炭化水素燃料を受け取り、第炭化水素燃料をアノード排ガスの流れの第１の部分と混合して第１の混合流を形成することをさらに含む。さらに、この方法は、第１の燃料経路を介して第１の燃料電池に第１の混合流を供給し、少なくとも部分的に第１の混合流を燃料として使用することによって第１の燃料電池において第１の電力を生成することを含む。この方法は、アノード排ガスの流れの第２の部分を第２の燃料経路を介して第２の燃料電池に供給し、少なくとも部分的にアノード排ガスの流れの第２の部分を燃料として使用することによって第２の燃料電池において第２の電力を生成することをさらに含む。

【0008】

本開示の実施形態のこれらの特徴および態様ならびに他の特徴および態様は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照しつつ検討することによってよりよく理解され、添付の図面において、同様の符号は、個々の図面において同様の部分を表している。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示の１つの典型的な実施形態による発電システムの概略図である。

【図2】本開示の１つの典型的な実施形態による燃料電池内に配置された改質器を含む発電システムの概略図である。

【図3】本開示の別の典型的な実施形態による分割機構の下流に配置された少なくとも１つの外部改質器を含む発電システムの概略図である。

【図4】図２の典型的な実施形態による燃料電池から延びる燃料経路への少なくとも１つの外部改質器からのスリップ流チャネルを含む発電システムの概略図である。

【図5】１つの典型的な実施形態による縦続接続された燃料電池を有する発電システムを使用して電力を生成するための方法のフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

主題をより明確かつ簡潔に記載および指摘するために、特定の実施形態に関してとくに明記されない限り、以下の説明および添付の特許請求の範囲の全体を通して使用される特定の用語について、以下の定義が定められる。この文脈において使用される用語「第１の混合流」は、アノード排ガスの流れと炭化水素燃料の流れとの混合物を指す。本明細書において使用される用語「改質流」は、改質器における水蒸気を用いる炭化水素燃料の流れの改質から誘導される生成物を含む燃料を指す。改質流中の生成物は、一般に、これに限られるわけではないが、水素（Ｈ₂）および一酸化炭素（ＣＯ）の混合物を含む。

【0011】

本明細書において論じられる本開示の実施形態は、縦続接続された燃料電池を含む発電システムに関する。具体的には、発電システムは、第１の燃料電池と、第２の燃料電池と、分割機構と、第１の燃料経路と、第２の燃料経路とを含む。各々の燃料電池は、アノード入口、アノード出口、カソード入口、およびカソード出口を含む。第１の燃料電池は、第１のアノード排ガスの流れおよび第１のカソード排ガスの流れを生成するように構成される。第２の燃料電池は、第２のアノード排ガスの流れおよび第２のカソード排ガスの流れを生成するように構成される。分割機構は、第１のアノード排ガスの流れを第１の部分および第２の部分に分割するように構成される。第１の燃料経路は、炭化水素燃料入口チャネルを介して分割機構の下流において炭化水素燃料の流れを受け取り、炭化水素燃料の流れを第１のアノード排ガスの流れの第１の部分と混合して第１の混合流を形成するように構成される。第１の燃料経路は、第１の混合流を第１の燃料電池のアノード入口へと循環させるようにさらに構成され、第１の燃料電池は、少なくとも部分的に第１の混合流を燃料として用いることによって第１の電力を生成するようにさらに構成される。第２の燃料経路は、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分を第２の燃料電池へと供給するように構成され、第２の燃料電池は、少なくとも部分的に第１のアノード排ガスの流れの第２の部分を燃料として使用することによって第２の電力を生成するようにさらに構成される。

【0012】

いくつかの実施形態において、発電システムは、第１燃料電池の内部に配置され、蒸気を使用して第１の混合流を改質して燃料電池において改質流を生成するように構成された内部燃料改質器をさらに含む。改質流は、Ｈ₂とＣＯとの混合物を含むことができる。いくつかの実施形態において、第１の混合流は、水蒸気を含む。いくつかの他の実施形態において、水蒸気は、例えば発電システムの始動などの動作条件に応じて、アノード入口を介して少なくとも１つの内部燃料改質器へと供給される。いくつかの他の実施形態において、発電システムは、分割機構の下流に配置されて第１の燃料経路に組み合わせられた少なくとも１つの外部燃料改質器をさらに含む。このような実施形態において、少なくとも１つの外部燃料改質器は、水蒸気を用いて第１の混合流を改質して、Ｈ₂とＣＯとの混合物を含む改質流を生成する。いくつかの実施形態において、第１の混合流は、水蒸気を含む。いくつかの他の実施形態において、水蒸気は、例えば発電システムの始動などの動作条件に応じて、アノード入口を介して少なくとも１つの外部燃料改質器へと供給される。さらに、水蒸気を含む第１のアノード排ガスの流れが、炭化水素燃料との混合ならびに混合流の少なくとも１つの燃料改質器または内部燃料改質器への供給に先立って分割されるため、改質流の水蒸気対炭素比を所望の値に制御することができる。水蒸気対炭素比を制御する能力は、燃料としての改質流の品質（例えば、発熱量）を改善し、したがって燃料電池の全体としての効率を高める。さらに、水蒸気を含む第１のアノード排ガスの流れは、炭化水素燃料の流れと混合されて混合流を形成する前に、分割される。したがって、第１の燃料電池において改質流を生成するために形成されて少なくとも１つの内部改質器へと循環させられる混合流の量が、実質的に少なくなり、取り扱いがより容易になる。同様に、改質流を生成するために形成されて少なくとも１つの外部改質器へと供給される混合流の量が、実質的に少なくなり、取り扱いがより容易になる。さらに、分割機構が、第１のアノード排ガスの流れ（すなわち、副生成物）をアノード排ガスの流れの第１の部分および第２の部分に分割するように構成され、第１の燃料経路が、アノード排ガスの流れの第１の部分のみを循環させるように構成されているため、第１の燃料経路は、第１の燃料電池からの第１のアノード排ガスの流れの全量を取り扱う必要はない。発電システムによる処理／循環を必要とするアノード排ガスの流れの量のこのような低減も、発電システムの全体コストの削減を助ける。

【0013】

図１は、１つの典型的な実施形態による発電システム１００の概略図である。発電システム１００は、第１の燃料電池１０２と、第２の燃料電池１０４と、分割機構１０６と、第１の燃料経路１０８と、第２の燃料経路１１０とを含む。特定の実施形態において、発電システム１００は、第１の流体経路１１４と、第１のアノード出口チャネル１１６と、第１のカソード出口チャネル１１８と、第２の流体経路１２０と、第２のアノード出口チャネル１２２と、第２のカソード出口チャネル１２４と、炭化水素燃料源１２６と、炭化水素燃料入口チャネル１２８とをさらに含む。

【0014】

分割機構１０６は、第１の燃料電池１０２の下流に配置され、第１のアノード出口チャネル１１６を介して第１の燃料電池１０２に接続される。さらに、分割機構１０６は、第１の燃料経路１０８を介して第１の燃料電池１０２のアノード入口１３０に接続され、第２の燃料経路１１０を介して第２の燃料電池１０４のアノード入口１３２に接続される。炭化水素燃料入口チャネル１２８は、分割機構１０６の下流において第１の燃料経路１０８に接続される。

【0015】

一実施形態において、第１の燃料電池１０２は、アノード１３４と、カソード１３６と、アノード１３４とカソード１３６との間に配置された電解質１３８とを含む。当業者であれば、燃料電池の一般的な構造および機能を理解できるであろう。特定の実施形態において、第１の燃料電池１０２は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）である。図示の実施形態において、始動の動作の際に、第１の燃料電池１０２は、第１の燃料経路１０８を介して炭化水素燃料の流れ１０を受け取る。具体的には、炭化水素燃料の流れ１０は、炭化水素燃料入口チャネル１２８および第１の燃料経路１０８を介し、炭化水素燃料源１２６からアノード入口１３０へと導かれる。いくつかの他の実施形態においては、始動の動作の際に、炭化水素燃料の流れ１０を、炭化水素燃料供給チャネル（図示せず）を介してアノード入口１３０へと直接供給することができる。さらに、第１の燃料電池１０２は、第１の流体経路１１４を介して第１の酸化剤の流れ１２を受け取る。具体的には、第１の酸化剤の流れ１２は、酸化剤源（図示せず）から、第１の流体経路１１４を介して第１の燃料電池１０２のカソード入口１４０へと導かれる。炭化水素燃料の流れ１０は、任意の適切な燃料を含むことができ、その例としては、これらに限られるわけではないが、メタン、エタン、プロパン、メタノール、合成ガス、天然ガス、またはこれらの組み合わせが挙げられる。る。特定の実施形態において、炭化水素燃料の流れ１０は、燃料としてメタンを含む。後で詳述されるように、例えば、発電システム１００の連続運転の最中に、炭化水素燃料の流れ１０は、第１のアノード排ガスの流れの第１の部分と組み合わせられて第１の混合流を形成し、次いで第１の混合流は、第１の燃料電池１０２のアノード入口１３０へと導かれる。第１の酸化剤の流れ１２は、酸素または空気を含むことができる。典型的な実施形態において、第１の酸化剤の流れ１２は、空気を含む。電解質１３８は、固体酸化物電解質またはセラミック電解質であってよい。

【0016】

一実施形態において、第１の燃料電池１０２は、炭化水素燃料の流れ１０における炭化水素燃料を、水素（Ｈ₂）および一酸化炭素（ＣＯ）の混合物に変換する。酸素イオンのＨ₂との電気化学反応が、アノード１３４において生じ、水（多くの場合、水蒸気の形態である）および電子が生成される。電子は、外部の電気回路（図示せず）を介してアノード１３４からカソード１３６へと運ばれる。さらに、第１の酸化剤の流れ１２は、カソード１３６において電子を吸収し、電解質１３８を通ってカソード１３６からアノード１３４へと運ばれて電池サイクルを完成させる酸素イオンを生じる。特定の実施形態において、外部の電気回路を通って運ばれる電子は、電気または第１の電力１０１あるいは第１の電力量または第１の電力負荷を生成する。特定の実施形態においては、酸素イオンのＣＯとの電気化学反応もアノード１３４において生じ、二酸化炭素（ＣＯ₂）の形成をもたらしてもよい。このような実施形態において、アノード１３４は、炭化水素燃料の流れ１０と、Ｈ₂、ＣＯ、水蒸気、および二酸化炭素のうちの１つ以上とを含むことができる。これらの成分は、任意の適切な経路を介してアノード１３４から出て、本明細書において「第１のアノード排ガスの流れ」１４と呼ばれるアノード排気の少なくとも一部を構成することができる。例えば、一実施形態において、第１のアノード排ガスの流れ１４は、Ｈ₂、ＣＯ、水、水蒸気、ＣＯ₂、および未改質の炭化水素燃料（例えば、メタン）を含むことができる。いくつかの実施形態において、第１のアノード排ガスの流れ１４は、少なくとも１０体積％のＨ₂と、ＣＯとからなってよい。いくつかの他の実施形態において、第１のアノード排ガスの流れ１４は、少なくとも２０％のＨ₂と、ＣＯとを含む。さらに別の実施形態において、第１のアノード排ガスの流れ１４は、最大で４０％のＨ₂と、ＣＯとを含む。未吸収の第１の酸化剤の流れは、「第１のカソード排ガスの流れ」１６と呼ばれることが多いカソード排気の少なくとも一部分を構成する。

【0017】

分割機構１０６は、第１のアノード排ガスの流れ１４を第１のアノード出口チャネル１１６を介して受け取る。分割機構１０６は、第１のアノード排ガスの流れ１４を、第１のアノード排ガスの流れの第１の部分１８と、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０とに分割する。使用される分割機構の種類に制限はなく、図は、例えば弁または配管機構などの任意の種類の標準的な分割機構を包含するように意図されていることに、留意されたい。一実施形態において、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０に対する第１のアノード排ガスの流れの第１の部分１８の比は、約６～約１．７の範囲にある（すなわち、約１５体積パーセントに対して約８５体積パーセント）。具体的には、特定の実施形態において、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０に対する第１のアノード排ガスの流れの第１の部分１８の比は、約２～約０．５の範囲にある（すなわち、約３３体積パーセントに対して約６７体積パーセント）。いくつかの実施形態において、アノード排ガスの流れの第１および第２の部分１８，２０の各々は、Ｈ₂、ＣＯ、水、水蒸気、未改質のメタン、およびＣＯ₂の実質的に同じ組成を有することができる。

【0018】

第１の燃料経路１０８は、分割機構１０６からの第１のアノード排ガスの流れの第１の部分１８を受け取るとともに、炭化水素燃料入口チャネル１２８を介して分割機構１０６の下流において炭化水素燃料の流れ１０を受け取る。次いで、炭化水素燃料の流れ１０は、第１の燃料経路１０８において第１のアノード排ガスの流れの第１の部分１８と混ざり合い、第１の混合流２２を形成する。第１の燃料経路１０８は、第１の混合流２２を第１の燃料電池１０２のアノード入口１３０へと循環させるように構成される。さらに、第１の混合流２２の電気化学反応（すなわち、Ｈ₂とＯ₂との間の反応）がアノード１３４において生じることで、第１のアノード排ガスの流れ１４、第１のカソード排ガスの流れ１６、および第１の電力１０１の生成が、少なくとも部分的に第１の混合流２２を燃料として使用することによってもたらされる。

【0019】

特定の実施形態においては、第１のアノード排ガスの流れ１４を分割し、第１の混合流２２を生成し、混合流２２を第１の燃料電池１０２へと循環させることにより、第１の燃料電池１０２に供給される第１の混合流２２の量および発電システム内を循環している第１のアノード排ガスの流れ１４の量を、効率的に取り扱うことが可能になる。さらに、混合流２２を循環させることによって、第１の燃料電池１０２の効率も向上する。本明細書に記載の循環の特徴によってもたらされる他の利点として、これに限られるわけではないが、改質流を生成するための少なくとも１つの内部燃料改質器または外部燃料改質器に水（水蒸気）が自動的に供給され、別途の水の供給が不要になることを挙げることができる。いくつかの実施形態においては、混合流２２を第１の燃料電池１０２に直接供給することにより、混合流２２の品質（例えば、発熱量）および熱エネルギを維持することができ、したがって第１の燃料電池１０２の全体としての効率を高めることができる。さらに、第１のアノード排ガスの流れ１４を分割することにより、アノード１３４において電気化学反応を生じさせるための実質的に高い水蒸気対炭素比を有するように混合流２２を改質／変換するための充分な量の水蒸気が第１の燃料電池１０２にもたらされる。

【0020】

図１に示される第２の燃料電池１０４は、第１の燃料電池１０２と実質的に同様であってよい。したがって、第２の燃料電池１０４も、アノード１４４と、カソード１４６と、アノード１４４とカソード１４６との間に配置された電解質１４８とを含む。いくつかの実施形態においては、第１の燃料電池１０２および第２の燃料電池１０４の両方が、ＳＯＦＣであってよい。第２の燃料経路１１０は、分割機構１０６から第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０を受け取り、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０を第２の燃料電池１０４のアノード入口１３２へともたらす。特定の実施形態において、アノード１４４は、随意により、炭化水素燃料源１２６から炭化水素燃料の流れ１０を受け取ることができる。さらに、第２の燃料電池１０４は、酸化剤源（図示せず）から第２の酸化剤の流れ２６を受け取り、第２の酸化剤の流れ２６を第２の燃料電池１０４のカソード入口１５０へともたらす。動作時に、第１の燃料電池１０２に関して本明細書で説明したように、第２の燃料電池１０４は、第２のアノード排ガスの流れ２８、第２のカソード排ガスの流れ３０、ならびに電気または第２の電力１０３あるいは第２の電力量または第２の電力負荷を生成する。具体的には、第２の燃料電池１０４は、少なくとも部分的に第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０を燃料として使用することによって第２の電力１０３を生成する。いくつかの実施形態においては、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０を第２の燃料電池１０４に直接供給することにより、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０における品質（例えば、発熱量）および熱エネルギを維持することができ、したがって第２の燃料電池１０４の全体的な効率を高めることができる。第１および第２の電力１０１，１０３を生成するために、縦続接続による燃料電池システムの第１および第２の燃料電池１０２、１０４へと第１のアノード排ガスの流れの第１および第２の部分１８、２０をそれぞれ循環させることで、発電システム１００の全体的な効率を高めることができる。

【0021】

図１の実施形態および他の実施形態に関しては、少なくとも２つの燃料電池が存在し、したがって少なくとも２つの発電源が存在する。第１の燃料電池１０２自体が、第１の発電装置であり、例えば外部の電気回路などの所望の場所へと第１の電力１０１をもたらす。第２の発電装置は、第２の電力１０３を所望の場所へと生成する第２の燃料電池１０４である。第１のアノード排ガスの流れ１４を分割し、第１の燃料電池１０２への第１のアノード排ガスの流れの第１の部分１８と、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０とを循環させることに由来する「ブースト」を有する２つの電力源を提供するという発電システム１００の能力は、種々の産業における動作において明白な利点となり得る。

【0022】

さらに、２つ以上の燃料電池を組み合わせることにより、６５％を超える電気効率を、容易に達成することができる。さらに、第１および第２の燃料電池１０２，１０４は、電気化学反応プロセスを利用して電力を発生させるため、ＮＯ_x排出物を実質的になくすことができるが、これは、内燃／外燃プロセスに依存する従来からの複合サイクルシステムでは不可能である。さらに、本開示のいくつかの実施形態は、第１および第２の燃料電池１０２，１０４の一方または両方で発生した熱を使用し、１つ以上の他の流れ（例えば、第１または第２の酸化剤の流れ）を加熱することにより、発電システム全体の効率向上およびエネルギコスト削減をもたらすことを、好都合に提供する。

【0023】

図２は、本開示の１つの典型的な実施形態による発電システム２００の概略図である。発電システム２００は、第１の燃料電池２０２と、第２の燃料電池２０４と、分割機構２０６と、第１の燃料経路２０８と、第２の燃料経路２１０とを含む。さらに、発電システム２００は、第１の流体経路２１４と、第１のアノード出口チャネル２１６と、第１のカソード出口チャネル２１８と、第２の流体経路２２０と、第２のアノード出口チャネル２２２と、第２のカソード出口チャネル２２４と、炭化水素燃料源２２６と、炭化水素燃料入口チャネル２２８とを含む。

【0024】

第１の燃料電池２０２は、第１のアノード出口チャネル２１６を介して分割機構２０６に接続される。分割機構２０６は、第１の燃料電池２０２に対して下流に配置されている。さらに、分割機構２０６は、（第１の燃料電池２０２に燃料を供給するために）第１の燃料経路２０８を介して第１の燃料電池２０２に接続され、（第２の燃料電池２０４に燃料を供給するために）第２の燃料経路２１０を介して第２の燃料電池２０４に接続される。炭化水素燃料入口チャネル２２８は、分割機構２０６の下流において第１の燃料経路２０８に接続される。

【0025】

特定の実施形態において、発電システム２００は、第１のアノード出口チャネル２１６および第１の燃料経路２０８に組み合わせられた第１の復熱器２５２をさらに含む。図示の実施形態において、第１の復熱器２５２は、低温復熱器２５２ａおよび高温復熱器２５２ｂを含む。低温復熱器２５２ａは、第１の混合流２２の流れに関して高温復熱器２５２ｂの上流に配置されている。さらに、発電システム２００は、第１の燃料経路２０８に組み合わせられた燃料冷却器２５４および第１のブロア２５６を含む。具体的には、第１のブロア２５６は、燃料冷却器２５４の下流に配置される。さらに、燃料冷却器２５４および第１のブロア２５６は、炭化水素燃料入口チャネル２２８の下流かつ第１の復熱器２５２の上流に配置される。特定の実施形態において、発電システム２００は、第１のカソード出口チャネル２１８および第１の流体経路２１４に組み合わせられた第２の復熱器２５８をさらに含む。図示の実施形態において、第２の復熱器２５８は、低温復熱器２５８ａおよび高温復熱器２５８ｂを含む。低温復熱器２５８ａは、第１の酸化剤の流れ１２の流れに関して高温復熱器２５８ｂの上流に配置される。さらに、発電システム２００は、マニホルド２７６を介して第１の流体経路２１４に接続された第２のブロア２６０を含む。図１の実施形態と同様に、発電システム２００は、第１の燃料電池２０２内に配置された内部燃料改質器２６２をさらに含む。具体的には、内部燃料改質器２６２は、第１の燃料電池２０２のアノード（図示せず）に配置される。

【0026】

発電システム２００は、第２のアノード出口チャネル２２２と第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０を運ぶ第２の燃料経路２１０とに組み合わせられた第３の復熱器２６４をさらに含むことができる。図示の実施形態において、第３の復熱器２６４は、低温復熱器２６４ａおよび高温復熱器２６４ｂを含む。低温復熱器２６４ａは、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０の流れに関して高温復熱器２５８ｂの上流に配置される。発電システム２００は、第２のカソード出口チャネル２２４および第２の流体経路２２０に組み合わせられた第４の復熱器２６６をさらに含むことができる。

【0027】

特定の実施形態において、発電システム２００は、第２の燃料電池２０４の下流に配置された触媒酸化装置２６８を含む。触媒酸化装置２６８は、第２のアノード出口チャネル２２２、第２のカソード出口チャネル２２４、および第３の流体経路２７０に接続される。発電システム２００は、触媒酸化装置２６８の酸化装置出口チャネル２７４と第２の流体経路２２０とに組み合わせられた第５の復熱器２７２をさらに含む。そのような実施形態において、酸化装置出口チャネル２７４を、第２の復熱器２５８の上流において第１のカソード出口チャネル２１８にさらに接続することができる。一実施形態において、第２のブロア２６０は、マニホルド２７６を介して第１、第２、および第３の流体経路２１４，２２０，２７０に接続される。発電システム２００は、分割機構２０６の下流に配置され、第２の燃料経路２１０に組み合わせられる随意による水分離ユニット２７８をさらに含むことができる。

【0028】

１つ以上の実施形態において、第１、第２、第３、第４、および第５の復熱器２５２，２５８，２６４，２６６，２７２は、技術的に公知のシェルアンドチューブ（ｓｈｅｌｌ ａｎｄ ｔｕｂｅ）熱交換器であってよい。同様に、第１および第２のブロア２５６，２６０は、圧縮機であってよい。分割機構２０６は、弁または配管機構であってよい。いくつかの実施形態において、第１および第２の燃料電池２０２，２０４は、ＳＯＦＣである。水分離ユニット２７８は、重力式の分離器または堰による分離器であってよい。特定の実施形態においては、第１の燃料電池２０２および第２の燃料電池２０４を、それぞれ第１の炭化水素燃料供給チャネルおよび第２の炭化水素燃料供給チャネル（図示せず）を介して別の炭化水素燃料源（図示せず）へと接続することができる。そのような実施形態において、別の炭化水素燃料源は、例えば発電システム２００の始動時などの特定の動作条件において炭化水素燃料の流れ１０を第１および第２の燃料電池２０２，２０４に供給するように構成されてよい。

【0029】

動作時に、第１の燃料電池２０２は、第１の燃料経路２０８を介して分割機構２０６から第１の混合流２２を受け取る。第１の混合流２２は、炭化水素燃料の流れ１０と第１のアノード排ガスの流れの第１の部分１８との混合物を含む。第１の燃料電池２０２は、第１の流体経路２１４およびマニホルド２７６を介して、第２のブロア２６０から第１の酸化剤の流れ１２をさらに受け取る。第１の酸化剤の流れ１２は、空気流であってよい。内部燃料改質器２６２は、混合流２２を使用して改質流２４を生成するように構成される。改質流２４は、Ｈ₂およびＣＯを、図１の実施形態において説明したとおりの他の成分と共に含む。図１の実施形態において説明したように、第１の燃料電池２０２は、少なくとも部分的に、第１の酸化剤の流れ１２と第１の混合流２２から生成された改質流２４とを燃料として使用することによって、第１のアノード排ガスの流れ１４、第１のカソード排ガスの流れ１６、および第１の電力１０１を生成するように構成される。

【0030】

分割機構２０６は、第１のアノード排ガスの流れ１４を第１のアノード出口チャネル２１６を介して受け取る。次いで、分割機構２０６は、第１のアノード排ガスの流れ１４を、第１のアノード排ガスの流れの第１の部分１８と、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０とに分割する。第１の燃料経路２０８は、分割機構２０６からの第１のアノード排ガスの流れの第１の部分１８を受け取るとともに、炭化水素燃料入口チャネル２２８を介して炭化水素燃料源２２６から分割機構２０６の下流において炭化水素燃料の流れ１０を受け取る。次いで、炭化水素燃料の流れ１０は、第１の燃料経路２０８において第１のアノード排ガスの流れの第１の部分１８と混ざり合って第１の混合流２２を形成し、第１の混合流２２を第１の燃料電池２０２へと循環させる。第１の燃料電池２０２は、少なくとも部分的に第１の混合流２２を使用することによって第１の電力１０１を生成する。このようにして、本明細書において述べられるように、第１の燃料電池２０２は、第１のアノード排ガスの流れ１４、第１のカソード排ガスの流れ１６、および第１の電力１０１を生成する。

【0031】

図２に示される典型的な実施形態において、燃料冷却器２５４は、第１の混合流２２を受け取り、第１の混合流２２を冷却する。第１のブロア２５６は、第１の混合流２２を受け取り、第１の混合流２２を第１の復熱器２５２へと送る前に、第１の混合流２２の圧力を高める。一実施形態において、第１の復熱器２５２は、第１のアノード排ガスの流れ１４から熱を抽出し、抽出した熱を第１の混合流２２へと移す。具体的には、低温復熱器２５２ａが、高温復熱器２５２ｂと比べて実質的に少量の熱を第１のアノード排ガスの流れ１４から抽出し、抽出した熱を第１の混合流２２へと移す。第２の復熱器２５８は、第１のカソード排ガスの流れ１６から熱を抽出し、抽出した熱を第１の酸化剤の流れ１２へと移す。具体的には、低温復熱器２５８ａが、高温復熱器２５８ｂと比べて実質的に少量の熱を第１のカソード排ガスの流れ１６から抽出し、抽出した熱を第１の酸化剤の流れ１２へと移す。一般に、１つ以上の実施形態に関して、低温復熱器は、流れの経路における低温復熱器の位置ならびに／あるいは例えば低温復熱器に用いられる材料などの特定の特性ゆえに、より少量の熱を抽出するように構成される。

【0032】

図２に示される実施形態において、第２の燃料経路２１０は、分割機構２０６から第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０を受け取り、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０を水分離ユニット２７８へともたらす。このような実施形態において、水分離ユニット２７８は、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０をさらに第２の燃料経路２１０を介して第２の燃料電池２０４へともたらす前に、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０から水の少なくとも一部を分離する。第２の燃料電池２０４は、第２の流体経路２２０およびマニホルド２７６を介して第２のブロア２６０から第２の酸化剤の流れ２６をさらに受け取る。第２の酸化剤の流れ２６は、空気の流れを含むことができる。図１の実施形態において述べたように、第２の燃料電池２０４は、少なくとも部分的に、第２の酸化剤の流れ２６および第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０を燃料として使用することによって、第２のアノード排ガスの流れ２８、第２のカソード排ガスの流れ３０、および第２の電力１０３を生成する。

【0033】

図２の第３の復熱器２６４は、第２のアノード排ガスの流れ２８から熱を抽出し、抽出した熱を第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０へと移す。具体的には、低温復熱器２６４ａが、高温復熱器２６４ｂと比べて実質的に少量の熱を第２のアノード排ガスの流れ２８から抽出し、抽出した熱を第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０へと移す。第４の復熱器２６６は、第２のカソード排ガスの流れ３０から熱を抽出し、抽出した熱を第２の酸化剤の流れ２６へと移す。触媒酸化装置２６８は、第２のアノード排ガスの流れ２８、第２のカソード排ガスの流れ３０、および第３の流体経路２７０を介する第３の酸化剤の流れ３１を受け取り、第２のアノード排ガスの流れ２８および第２のカソード排ガスの流れ３０を酸化して、酸化された流れ３２を生成する。さらに、触媒酸化装置２６８は、酸化された流れ３２を酸化装置出口チャネル２７４を介して第１のカソード出口チャネル２１８へと供給する。第５の復熱器２７２は、酸化された流れ３２を第１のカソード出口チャネル２１８へと向ける前に、酸化された流れ３２から熱を抽出し、抽出した熱を第２の酸化剤の流れ２６へと移す。特定の実施形態において、第２の復熱器２５８は、第１のカソード排ガスの流れ１６および酸化された流れ３２を環境へと排出する前に、第１のカソード排ガスの流れ１６および酸化された流れ３２から熱をさらに抽出し、抽出した熱を第１の酸化剤の流れ１２へと移すように構成される。特定の実施形態においては、第１の復熱器２５２を、第１のカソード排ガスの流れ１６および第２のカソード排ガスの流れ３０を受け取り、第１のカソード排ガスの流れ１６および第２のカソード排ガスの流れ３０から熱を抽出し、抽出した熱を第１のカソード排ガスの流れ１６および第２のカソード排ガスの流れ３０を環境へと排出する前に第１の混合流２２へと移すようにさらに構成することができる。

【0034】

図３は、本開示の別の典型的な実施形態による発電システム３００の概略図である。図３の発電システム３００は、第１の燃料電池３０２と、第２の燃料電池３０４と、分割機構３０６と、第１の燃料経路３０８と、第２の燃料経路３１０とを含む。発電システム３００は、第１の流体経路３１４と、第１のアノード出口チャネル３１６と、第１のカソード出口チャネル３１８と、第２の流体経路３２０と、第２のアノード出口チャネル３２２と、第２のカソード出口チャネル３２４と、炭化水素燃料源３２６と、炭化水素燃料入口チャネル３２８と、少なくとも１つの外部燃料改質器３６２とをさらに含む。

【0035】

第１の燃料電池３０２は、第１のアノード出口チャネル３１６を介して分割機構３０６に接続される。分割機構３０６は、第１の燃料電池３０２に対して下流に配置されている。さらに、分割機構３０６は、第１の燃料経路３０８を介して第１の燃料電池３０２へと接続され、第２の燃料経路３１０を介して第２の燃料電池３０４へと接続される。炭化水素燃料入口チャネル３２８は、分割機構３０６の下流かつ少なくとも１つの燃料改質器３６２の上流において第１の燃料経路３０８へと接続される。少なくとも１つの燃料改質器３６２は、分割機構３０６および炭化水素燃料入口チャネル３２８の下流に配置される。

【0036】

特定の実施形態において、発電システム３００は、第１のカソード出口チャネル３１８および第１の燃料経路３０８に組み合わせられた第１の復熱器３５２をさらに含む。発電システム３００は、第１の燃料経路３０８に組み合わせられた熱交換器、燃料冷却器３５４、および第１のブロア３５６をさらに含む。具体的には、第１のブロア３５６は、燃料冷却器３５４の下流に配置される。熱交換器３５３は、第１の燃料経路３０８のループへと接続される。具体的には、ループは、第１の燃料経路３０８のうちの少なくとも１つの燃料改質器３６２および燃料冷却器３５４から延びる第１の部分と、第１の燃料経路３０８のうちの第１のブロア３５６から第１の復熱器３５２まで延びる部分とに対応する。図示の実施形態において、熱交換器３５３、燃料冷却器３５４、および第１のブロア３５６は、第１の混合流の流れの方向における少なくとも１つの燃料改質器３６２の下流かつ第１の復熱器３５２の上流に配置される。特定の実施形態において、発電システム３００は、第１のカソード出口チャネル３１８および第１の流体経路３１４に組み合わせられた第２の復熱器３５８をさらに含む。図示の実施形態において、第２の復熱器３５８は、低温復熱器３５８ａおよび高温復熱器３５８ｂを含む。低温復熱器３５８ａは、第１の酸化剤の流れ１２の流れに関して高温復熱器３５８ｂの上流に配置される。さらに、発電システム３００は、マニホルド３７６を介して第１の流体経路３１４に接続された第２のブロア３６０を含む。

【0037】

発電システム３００は、第２のカソード出口チャネル３２４および第２の流体経路３２０に組み合わせられた第３の復熱器３６４をさらに含む。図示の実施形態において、第３の復熱器３６４は、低温復熱器３６４ａおよび高温復熱器３６４ｂを含む。低温復熱器３６４ａは、第２の酸化剤の流れ２６の流れに関して高温復熱器３６４ｂの上流に配置される。発電システム３００は、第１の燃料予熱器３８０、第３のブロア３８２、随意による水分離ユニット３７８、および第２の燃料予熱器３８４をさらに含む。第１の燃料予熱器３８０は、第２の燃料経路３１０および炭化水素燃料入口チャネル３２８に組み合わせられる。第３のブロア３８２は、第１の燃料予熱器３８０の下流に配置され、第２の燃料経路３１０に組み合わせられる。水分離ユニット３７８は、分割機構３０６の下流に配置され、第２の燃料経路３１０に組み合わせられる。具体的には、水分離ユニット３７８は、第３のブロア３８２の下流に配置される。第２の燃料予熱器３８４は、水分離ユニット３７８の下流に配置され、第２のアノード出口チャネル３２２および第２の燃料経路３１０に組み合わせられる。

【0038】

特定の実施形態において、発電システム３００は、第２の燃料電池３０４の下流に配置された触媒酸化装置３６８を含む。触媒酸化装置３６８は、第２のアノード出口チャネル３２２、第２のカソード出口チャネル３２４、および第３の流体経路３７０に接続される。発電システム３００は、触媒酸化装置３６８および第１のカソード出口チャネル３１８に接続された酸化装置出口チャネル３７４をさらに含む。一実施形態において、第２のブロア３６０は、マニホルド３７６を介して第１、第２、および第３の流体経路３１４，３２０，３７０に接続される。

【0039】

１つ以上の実施形態において、第１、第２、および第３の復熱器３５２，３５８，３６４は、技術的に公知のシェルアンドチューブ熱交換器であってよい。同様に、第１および第２の燃料予熱器３８０，３８４は、技術的に公知のシェルアンドチューブ熱交換器であってよい。第１および第２のブロア３５６，３６０は、圧縮機であってよい。分割機構３０６は、弁または配管機構であってよい。いくつかの実施形態において、第１の燃料電池３０２および第２の燃料電池３０４の両方は、ＳＯＦＣである。水分離ユニット３７８は、重力式の分離器または堰による分離器であってよい。特定の実施形態においては、第１の燃料電池３０２および第２の燃料電池３０４を、それぞれ第１の炭化水素燃料供給チャネルおよび第２の炭化水素燃料供給チャネル（図示せず）を介して別の炭化水素燃料源（図示せず）へと接続することができる。そのような実施形態において、別の炭化水素燃料源は、例えば発電システム３００の始動時などの特定の動作条件において炭化水素燃料の流れ１０を第１および第２の燃料電池３０２，３０４に供給するように構成されてよい。

【0040】

動作時に、第１の燃料電池３０２は、第１の燃料経路３０８を介して少なくとも１つの燃料改質器３６２から改質流２４を受け取る。少なくとも１つの燃料改質器３６２は、混合流２２を使用して改質流２４を生成するように構成される。そのような実施形態において、改質流２４は、一般に、Ｈ₂とＣＯとの混合物を含む。第１の燃料電池３０２は、第１の流体経路３１４およびマニホルド３７６を介して、第２のブロア３６０から第１の酸化剤の流れ１２をさらに受け取る。第１の酸化剤の流れ１２は、酸化剤として空気を含むことができる。第１の燃料電池３０２は、少なくとも部分的に、第１の酸化剤の流れ１２および改質流２４を燃料として使用することによって、第１のアノード排ガスの流れ１４、第１のカソード排ガスの流れ１６、および第１の電力１０１を生成するように構成される。

【0041】

分割機構３０６は、第１のアノード排ガスの流れ１４を第１のアノード出口チャネル３１６を介して受け取る。分割機構３０６は、第１のアノード排ガスの流れ１４を、第１のアノード排ガスの流れの第１の部分１８と、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０とに分割する。第１の燃料経路３０８は、分割機構３０６からの第１のアノード排ガスの流れの第１の部分１８を受け取るとともに、炭化水素燃料入口チャネル３２８を介して炭化水素燃料源３２６から分割機構３０６の下流において炭化水素燃料の流れ１０を受け取る。次いで、炭化水素燃料の流れ１０は、第１の燃料経路３０８において第１のアノード排ガスの流れの第１の部分１８と混ざり合って第１の混合流２２を形成し、第１の混合流２２を少なくとも１つの燃料改質器３６２へともたらす。少なくとも１つの燃料改質器３６２は、第１の混合流２２を使用して改質流２４を生成するように構成される。このような実施形態において、改質流２４は、一般に、Ｈ₂およびＣＯを含む。第１の燃料経路３０８は、改質流２４を第１の燃料電池３０２へとさらに循環させる。第１の燃料電池３０２は、少なくとも部分的に改質流２４を燃料として使用することによって第１のアノード排ガスの流れ１４、第１のカソード排ガスの流れ１６、および第１の電力１０１をさらに生成する。

【0042】

図３に示されるように、燃料冷却器３５４は、改質流２４から熱を抽出するように構成された熱交換器３５３を介して、少なくとも１つの燃料改質器３６２から改質流２４を受け取る。さらに、燃料冷却器３５４は、改質流２４を冷却し、改質流２４の圧力を高めるように構成された第１のブロア３５６へと改質流２４を供給する。そのような実施形態において、熱交換器３５３は、抽出した熱を第１のブロア３５６から受け取った改質流へと移すようにさらに構成される。その後に、改質流２４は、熱交換器３５３から第１の復熱器３５２へともたらされる。一実施形態において、第１の復熱器３５２は、第１のカソード排ガスの流れ１６から熱を抽出し、抽出した熱を改質流２４へと移す。第２の復熱器３５８は、第１のカソード排ガスの流れ１６から熱を抽出し、抽出した熱を第１の酸化剤の流れ１２へと移す。具体的には、低温復熱器３５８ａが、高温復熱器３５８ｂと比べて実質的に少量の熱を第１のカソード排ガスの流れ１６から抽出し、抽出した熱を第１の酸化剤の流れ１２へと移す。

【0043】

第２の燃料経路３１０は、分割機構３０６から第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０を受け取り、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０を第１の燃料予熱器３８０へともたらす。そのような実施形態において、第１の燃料予熱器３８０は、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０から熱を抽出し、抽出した熱を炭化水素燃料の流れ１０へと移す。さらに、第１の燃料予熱器３８０は、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０を第３のブロア３８２へともたらす。このような実施形態において、第３のブロア３８２は、第１アノード排ガスの流れの第２の部分２０の圧力を高め、第１アノード排ガスの流れの第２の部分２０を水分離ユニット３７８へともたらす。このような実施形態において、水分離ユニット３７８は、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０を第２の燃料予熱器３８４へともたらす前に、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０から水の少なくとも一部を分離する。このような実施形態において、第２の燃料予熱器３８４は、第２のアノード排ガスの流れ２８から熱を抽出し、抽出した熱を第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０へと移す。さらに、第２の燃料予熱器３８４は、第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０を、第２の燃料経路３１０を介して第２の燃料電池３０４へとさらにもたらす。第２の燃料電池３０４は、第２の流体経路３２０およびマニホルド３７６を介して第２のブロア３６０から第２の酸化剤の流れ２６をさらに受け取る。第２の酸化剤の流れ２６は、空気を含む。図１の実施形態吐同様に、図３の第２の燃料電池３０４は、少なくとも部分的に、第２の酸化剤の流れ２６および第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０を燃料として使用することによって、第２のアノード排ガスの流れ２８、第２のカソード排ガスの流れ３０、および第２の電力１０３を生成する。

【0044】

第３の復熱器３６４は、第２のカソード排ガスの流れ３０から熱を抽出し、抽出した熱を第２の酸化剤の流れ２６へと移す。具体的には、低温復熱器３６４ａが、高温復熱器３６４ｂと比べて実質的に少量の熱を第２のカソード排ガスの流れ３０から抽出し、抽出した熱を第２の酸化剤の流れ２６へと移す。触媒酸化装置３６８は、第２のアノード排ガスの流れ２８、第２のカソード排ガスの流れ３０、および第３の流体経路３７０を介する第３の酸化剤の流れ３１を受け取り、第２のアノード排ガスの流れ２８および第２のカソード排ガスの流れ３０を酸化して、酸化された流れ３２を生成する。さらに、触媒酸化装置３６８は、酸化された流れ３２を酸化装置出口チャネル３７４を介して第１のカソード出口チャネル３１８へと供給する。特定の実施形態において、第２の復熱器３５８は、第１のカソード排ガスの流れ１６および酸化された流れ３２を環境へと排出する前に、第１のカソード排ガスの流れ１６および酸化された流れ３２から熱をさらに抽出し、抽出した熱を第１の酸化剤の流れ１２へと移すように構成される。

【0045】

特定の実施形態においては、第１のアノード排ガスの流れ１４を分割することにより、約２～約３の範囲内の実質的により高い水蒸気対炭素比を維持することが可能になる。さらに、第１のアノード排ガスの流れ１４を分割するこのようなプロセスは、第１および第２の燃料電池３０２，３０４へともたらされる燃料の品質（すなわち、発熱量）を向上させることにより、発電システム３００の全体としての効率を改善する。

【0046】

図４は、図２の典型的な実施形態によるスリップ流（ｓｌｉｐ－ｓｔｒｅａｍ）チャネル３８６を含む発電システムの概略図である。第１の燃料経路３０８は、少なくとも１つの燃料改質器３６２から改質流の第１の部分３４を受け取り、改質流の第１の部分３４を第１の燃料電池３０２へと循環させる。第１の燃料電池３０２は、少なくとも部分的に改質流の第１の部分３４を燃料として使用することによって第１のアノード排ガスの流れ１４、第１のカソード排ガスの流れ１６、および第１の電力１０１を生成する。図示の実施形態において、スリップ流チャネル３８６は、少なくとも１つの燃料改質器３６２から第２の燃料経路３１０へと延びている。具体的には、スリップ流チャネル３８６は、第１の燃料予熱器３８０の下流かつ第３のブロア３８２の上流において第２の燃料経路３１０へと接続される。このような実施形態において、第２の燃料経路３１０は、少なくとも１つの燃料改質器３６２から改質流の第２の部分３６をスリップ流チャネル３８６を介して受け取り、改質流の第２の部分３６を第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０と混合して第２の混合流３８を形成し、第２の混合流３８を第２の燃料電池３０４に循環させる。このような実施形態において、第３のブロア３８２は、第２の燃料経路３１０から第２の混合流３８を受け取り、第２の混合流３８の圧力を高め、第２の混合流３８を水分離ユニット３７８へともたらす。水分離ユニット３７８は、第２の混合流３８を第２の燃料予熱器３８４へともたらす前に、第２の混合流３８から水の少なくとも一部を分離する。第２の燃料予熱器３８４は、第２のアノード排ガスの流れ２８から熱を抽出し、抽出した熱を第２の混合流３８へと移す。さらに、第２の燃料予熱器３８４は、第２の混合流３８を第２の燃料経路３１０を介して第２の燃料電池３０４へと供給する。第２の燃料電池３０４は、第２の流体経路３２０およびマニホルド３７６を介して第２のブロア３６０から第２の酸化剤の流れ２６をさらに受け取る。第２の燃料電池３０４は、少なくとも部分的に、第２の酸化剤の流れ２６および第２の混合流３８を燃料として使用することによって、第２のアノード排ガスの流れ２８、第２のカソード排ガスの流れ３０、および第２の電力１０３を生成する。特定の実施形態においては、改質流の第２の部分３６を第１のアノード排ガスの流れの第２の部分２０へと混合することにより、第２の燃料電池３０４へともたらされる燃料（すなわち、第２の混合流３８）の品質が高められ、結果として発電システム３００の全体の効率が改善される。

【0047】

図５は、上述のような縦続接続された燃料電池を有する発電システムを使用して電力を生成するための方法４００の１つの典型的実施形態のフロー図である。方法４００は、ステップ４０２において第１の燃料電池においてアノード排ガスの流れを生成することを含む。特定の実施形態において、第１の燃料電池は、第１の酸化剤の流れならびに第１の混合流または改質流を受け取り、アノード排ガスの流れを生成するように構成される。さらに、方法４００は、ステップ４０４において分割機構を用いてアノード排ガスの流れを第１の部分および第２の部分に分割することを含む。さらに、方法４００は、ステップ４０６において炭化水素燃料入口チャネルを介して分割機構の下流において炭化水素燃料を受け取ることと、ステップ４０８において炭化水素燃料をアノード排ガスの流れの第１の部分と混合して第１の混合流を形成することとを含む。１つ以上の実施形態において、ステップ４０６，４０８は、第１の燃料経路において実行される。さらに、方法４００は、ステップ４１０において第１の燃料経路を介して第１の燃料電池へと第１の混合流を供給することと、ステップ４１２において少なくとも部分的に第１の混合流または改質流を燃料として用いることによって第１の燃料電池において第１の電力を生成することとを含む。特定の実施形態において、第１の燃料電池は、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）である。さらに、方法４００は、ステップ４１４において第２の燃料経路を介して第２の燃料電池へとアノード排ガスの流れの第２の部分を供給することと、ステップ４１６において少なくとも部分的にアノード排ガスの流れの第２の部分を燃料として用いることによって第２の燃料電池において第２の電力を生成することとを含む。いくつかの実施形態においては、第２の燃料電池も、ＳＯＦＣである。

【0048】

一実施形態において、ステップ４１０，４１２は、ｉ）第１の混合流を第１の燃料電池の内部に配置された少なくとも１つの内部燃料改質器に供給する下位ステップと、ｉｉ）少なくとも１つの内部燃料改質器を用いて改質流を生成する下位ステップと、ｉｉｉ）改質流を用いることによって第１の燃料電池において第１の電力を生成する下位ステップとを含む。

【0049】

別の実施形態において、ステップ４１０，４１２は、ｉ）分割機構の下流に位置し、第１の燃料経路に接続された少なくとも１つの燃料改質器へと、第１の混合流を供給する下位ステップと、ｉｉ）少なくとも１つの燃料改質器を使用して、改質流を生成する下位ステップと、ｉｉｉ）少なくとも１つの燃料改質器からの改質流を第１の燃料電池へと供給する下位ステップと、ｉｖ）改質流を用いることによって第１の燃料電池において第１の電力を生成する下位ステップとを含む。

【0050】

さらに別の実施形態において、ステップ４１０，４１２，４１４，４１６は、ｉ）分割機構の下流に位置し、第１の燃料経路へと接続された少なくとも１つの燃料改質器へと、第１の混合流を供給する下位ステップと、ｉｉ）少なくとも１つの燃料改質器を使用して、改質流を生成する下位ステップと、ｉｉｉ）少なくとも１つの燃料改質器からの改質流の一部を、第１の燃料電池へと供給する下位ステップと、ｉｖ）改質流の第１の部分を用いることによって、第１の燃料電池において第１の電力を生成する下位ステップと、ｖ）少なくとも１つの燃料改質器からの改質流の第２の部分を第２の燃料経路へと、少なくとも１つの燃料改質器から第２の燃料経路へと延びるスリップ流チャネルを介して供給する下位ステップと、ｖｉ）改質流の第２の部分をアノード排ガスの流れの第２の部分と混合して、第２の燃料経路において第２の混合流を形成する下位ステップと、ｖｉｉ）第２の混合流を第２の燃料電池へと供給する下位ステップと、ｖｉｉｉ）第２の混合流を用いることによって第２の燃料電池において第２の電力を生成する下位ステップとを含む。

【0051】

本明細書に記載の１つ以上の実施形態によれば、典型的な発電システムは、燃料電池の効率を高めるように構成される。特定の実施形態においては、第１のアノード排ガスの流れを分割することにより、発電のために第１の燃料電池に供給された混合流の量を効率的に処理することが可能になる。さらに、混合流を循環させることによって、第１および第２の燃料電池の効率も向上する。また、混合流を第１および第２の燃料電池に供給することにより、品質（例えば、発熱量）および熱エネルギを維持することができ、したがって発電システムの全体としての効率を向上させることができる。さらに、第１のアノード排ガスの流れを分割することにより、それぞれの燃料電池のアノードにおける電気化学反応の発生のための実質的に高い水蒸気対炭素比を維持することが可能になる。同様に、スリップ流を第１のアノード排ガスの流れの第２の部分と混合することで、実質的により高い水蒸気対炭素比がもたらされ、第２の燃料電池へと供給された燃料の品質が向上する。

【0052】

図１～図４の実施形態において述べたとおりの発電システムは、全体としての効率を改善するために、多数の縦続接続された燃料電池を含むことができる。換言すると、図１～図４の実施形態は、２つの燃料電池を使用して電力を生成することを教示しているが、発電システムをさらにもっと効率的にするために、３つ以上の燃料電池が存在してもよい。現在の開示は、燃料電池を２つだけ有するように限定されると解釈されるべきではない。

【0053】

本開示の発明は、その精神または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具現化可能である。上述の実施形態は、種々のすべての可能な実施形態または実施例の中から選択された実施形態または実施例である。したがって、上述の実施形態は、あらゆる点において、本明細書に記載の発明を限定するものではなく、例示として考えられるべきである。本発明の特定の特徴だけを図示し、本明細書において説明したが、当業者であれば、本開示の恩恵に鑑みて、本発明の原理による方法を使用するために、これらの種類および他の種類の用途に合わせて、適切な条件／パラメータを特定し、選択し、最適化し、あるいは変更できることを、理解すべきである。分割機構の位置の選択、少なくとも１つの内部または外部の燃料改質器を有するという選択、少なくとも１つの外部燃料改質器に接続されるスリップ流を有するという選択、などによる発電システムの正確な使用は、大部分は、発電システムについて意図される個々の用途に依存する。したがって、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の精神の範囲に含まれるこのようなすべての修正および変更を包含するように意図されていることを、理解すべきである。さらに、特許請求の範囲の均等物の意味および範囲に入るすべての変更は、特許請求の範囲に包含される。

【符号の説明】

【0054】

１０ 炭化水素燃料の流れ
１２ 第１の酸化剤の流れ
１４ 第１のアノード排ガスの流れ
１６ 第１のカソード排ガスの流れ
１８ 第１のアノード排ガスの流れの第１の部分
２０ 第１のアノード排ガスの流れの第２の部分
２２ 第１の混合流
２４ 改質流
２６ 第２の酸化剤の流れ
２８ 第２のアノード排ガスの流れ
３０ 第２のカソード排ガスの流れ
３１ 第３の酸化剤の流れ
３２ 酸化された流れ
３４ 改質流の第１の部分
３６ 改質流の第２の部分
３８ 第２の混合流
１００ 発電システム
１０１ 第１の電力
１０２ 第１の燃料電池
１０３ 第２の電力
１０４ 第２の燃料電池
１０６ 分割機構
１０８ 第１の燃料経路
１１０ 第２の燃料経路
１１４ 第１の流体経路
１１６ 第１のアノード出口チャネル
１１８ 第１のカソード出口チャネル
１２０ 第２の流体経路
１２２ 第２のアノード出口チャネル
１２４ 第２のカソード出口チャネル
１２６ 炭化水素燃料源
１２８ 炭化水素燃料入口チャネル
１３０ 第１の燃料電池のアノード入口
１３２ 第２の燃料電池のアノード入口
１３４ 第１の燃料電池のアノード
１３６ 第１の燃料電池のカソード
１３８ 第１の燃料電池の電解質
１４０ 第１の燃料電池のカソード入口
１４４ 第２の燃料電池のアノード
１４６ 第２の燃料電池のカソード
１４８ 第２の燃料電池の電解質
１５０ 第２の燃料電池のカソード入口
２００ 発電システム
２０２ 第１の燃料電池
２０４ 第２の燃料電池
２０６ 分割機構
２０８ 第１の燃料経路
２１０ 第２の燃料経路
２１４ 第１の流体経路
２１６ 第１のアノード出口チャネル
２１８ 第１のカソード出口チャネル
２２０ 第２の流体経路
２２２ 第２のアノード出口チャネル
２２４ 第２のカソード出口チャネル
２２６ 炭化水素燃料源
２２８ 炭化水素燃料入口チャネル
２５２ 第１の復熱器
２５２ａ 低温復熱器
２５２ｂ 高温復熱器
２５４ 燃料冷却器
２５６ 第１のブロア
２５８ 第２の復熱器
２５８ａ 低温復熱器
２５８ｂ 高温復熱器
２６０ 第２のブロア
２６２ 内部燃料改質器
２６４ 第３の復熱器
２６４ａ 低温復熱器
２６４ｂ 高温復熱器
２６６ 第４の復熱器
２６８ 触媒酸化装置
２７０ 第３の流体経路
２７２ 第５の復熱器
２７４ 酸化装置出口チャネル
２７６ マニホルド
２７８ 水分離ユニット
３００ 発電システム
３０２ 第１の燃料電池
３０４ 第２の燃料電池
３０６ 分割機構
３０８ 第１の燃料経路
３１０ 第２の燃料経路
３１４ 第１の流体経路
３１６ 第１のアノード出口チャネル
３１８ 第１のカソード出口チャネル
３２０ 第２の流体経路
３２２ 第２のアノード出口チャネル
３２４ 第２のカソード出口チャネル
３２６ 炭化水素燃料源
３２８ 炭化水素燃料入口チャネル
３５２ 第１の復熱器
３５３ 熱交換器
３５４ 燃料冷却器
３５６ 第１のブロア
３５８ 第２の復熱器
３５８ａ 低温復熱器
３５８ｂ 高温復熱器
３６０ 第２のブロア
３６２ 外部燃料改質器
３６４ 第３の復熱器
３６４ａ 低温復熱器
３６４ｂ 高温復熱器
３６８ 触媒酸化装置
３７０ 第３の流体経路
３７４ 酸化装置出口チャネル
３７６ マニホルド
３７８ 水分離ユニット
３８０ 第１の燃料予熱器
３８２ 第３のブロア
３８４ 第２の燃料予熱器
３８６ スリップ流チャネル
４００ 方法

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】