特許 7443487 ＡＴＯインジェクタを含む燃料電池システムとその作動方法

(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】2024-02-26

(45)【発行日】2024-03-05

(54)【発明の名称】ＡＴＯインジェクタを含む燃料電池システムとその作動方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20240227BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20240227BHJP

   H01M 8/0668 20160101ALI20240227BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20240227BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 N

H01M8/04014

H01M8/0668

H01M8/12 101

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2022502142

(86)(22)【出願日】2020-07-15

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-09-26

(86)【国際出願番号】 US2020042035

(87)【国際公開番号】W WO2021011591

(87)【国際公開日】2021-01-21

【審査請求日】2023-07-11

(31)【優先権主張番号】62/874,039

(32)【優先日】2019-07-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【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】エドモンストン，デイビッド

(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】ペトルチャ，マイケル

(72)【発明者】

【氏名】ハータナ，アイヴァン

【審査官】藤森 一真

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１４－５０７７５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５１５４４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１８１８４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０８６１８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１０／０００９２２１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１９－１０３９６５（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】

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックからアノード排気を受け入れるように構成されたアノード復熱式熱交換器と、
前記アノード復熱式熱交換器から前記アノード排気を受け入れるように構成されたアノード排気導管と、
前記燃料電池スタックからカソード排気を受け入れるように構成されたカソード排気導管と、
前記アノード復熱式熱交換器を包囲し、前記カソード排気導管から前記カソード排気を受け入れるように構成されたアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）と、
前記ＡＴＯと前記アノード排気導管との間に配置されたＡＴＯインジェクタと、を備える燃料電池システムであって、前記ＡＴＯインジェクタは、
前記カソード排気導管から供給された前記カソード排気を旋回させるように構成された羽根と、
前記アノード排気導管と前記ＡＴＯとの間に配置された弧状体であって、前記アノード排気の少なくとも一部が前記弧状体を通って前記アノード排気導管から流れるように構成されており、前記弧状体は、前記アノード排気の少なくとも一部を前記ＡＴＯへ流れる前記旋回カソード排気に注入するように構成された注入開口を備える弧状体とを含み、
前記弧状体はトロイダル導管を含み、該トロイダル導管は、トロイダル導管の外面に沿って３６０°の円弧寸法を有し、
前記トロイダル導管は、前記アノード排気導管からの前記アノード排気の前記一部を前記トロイダル導管内に向かわせるように構成された内側開口をさらに備える、
燃料電池システム。

【請求項2】

前記内側開口は前記注入開口よりも大きい、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックからアノード排気を受け入れるように構成されたアノード復熱式熱交換器と、
前記アノード復熱式熱交換器から前記アノード排気を受け入れるように構成されたアノード排気導管と、
前記燃料電池スタックからカソード排気を受け入れるように構成されたカソード排気導管と、
前記アノード復熱式熱交換器を包囲し、前記カソード排気導管から前記カソード排気を受け入れるように構成されたアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）と、
前記ＡＴＯと前記アノード排気導管との間に配置されたＡＴＯインジェクタと、を備える燃料電池システムであって、前記ＡＴＯインジェクタは、
前記カソード排気導管から供給された前記カソード排気を旋回させるように構成された羽根と、
前記アノード排気導管と前記ＡＴＯとの間に配置された弧状体であって、前記アノード排気の少なくとも一部が前記弧状体を通って前記アノード排気導管から流れるように構成されており、前記弧状体は、前記アノード排気の少なくとも一部を前記ＡＴＯへ流れる前記旋回カソード排気に注入するように構成された注入開口を備える弧状体とを含み、
前記弧状体はトロイダル導管を含み、該トロイダル導管は、トロイダル導管の外面に沿って３６０°の円弧寸法を有し、
前記アノード排気導管からの前記アノード排気を前記トロイダル導管の内部に供給するように構成された供給管と、
前記供給管を通る前記アノード排気流を制御するように構成された弁と
をさらに備える、燃料電池システム。

【請求項4】

前記弁は、前記アノード復熱式熱交換器と、前記アノード排気導管と、前記ＡＴＯと、前記ＡＴＯインジェクタとを含むホットボックスの外側に配置されている、請求項３に記載のシステム。

【請求項5】

前記アノード排気導管及び前記供給管に流体接続された二酸化炭素分離器をさらに備え、前記二酸化炭素分離器は、前記アノード排気から二酸化炭素を分離するように構成された、請求項３に記載のシステム。

【請求項6】

前記二酸化炭素分離器は電気化学的二酸化炭素分離器を含む、請求項５に記載のシステム。

【請求項7】

前記アノード排気を使用して空気吸入流を加熱するように構成されたアノード排気冷却式熱交換器と、
前記アノード排気の一部を、前記アノード復熱式熱交換器に流れる燃料吸入流と混合するように構成された混合器と
をさらに備える、請求項５に記載のシステム。

【請求項8】

前記アノード排気導管は迂回して前記トロイダル導管に直接的には流体接続されておらず、
前記トロイダル導管の内側表面は、前記アノード排気導管に露出される開口部を有しておらず、
前記二酸化炭素分離器は、前記アノード排気の経路において前記アノード排気冷却式熱交換器と前記混合器との間に配置されており、
前記アノード排気導管は、前記アノード排気冷却式熱交換器の出口を前記二酸化炭素分離器の入口に接続している、請求項７に記載のシステム。

【請求項9】

前記二酸化炭素分離器の第１の出口に接続された精製後アノード排気導管と、
前記二酸化炭素分離器の第２の出口に接続された二酸化炭素出口導管と、
前記精製後アノード排気導管に流体接続されたスプリッタと、
前記スプリッタを前記混合器に流体接続している混合器導管と
をさらに備え、
前記供給管は、前記スプリッタを前記トロイダル導管に流体接続している、請求項８に記載のシステム。

【請求項10】

前記燃料電池スタックは固体酸化物形燃料電池スタックを含む、請求項３に記載のシステム。

【請求項11】

ホットボックス内に配置されている燃料電池スタックからのカソード排気の少なくとも一部を、注入管と羽根とを含むトロイダル導管を備え、ホットボックス内に配置されているアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）インジェクタに供給するステップと、
前記羽根を使用して前記ＡＴＯインジェクタ内の前記カソード排気を旋回させるステップと、
前記燃料電池スタックからのアノード排気のすべてを、前記ＡＴＯインジェクタを通り越して前記ホットボックスの外側に供給するステップと、
前記ホットボックスの外側からの前記アノード排気の少なくとも第１の部分を、前記ＡＴＯインジェクタに供給するステップと、
前記アノード排気の少なくとも前記第１の部分を、前記トロイダル導管から、注入開口を通して、前記旋回カソード排気に注入するステップと、
前記アノード排気の前記少なくとも前記第１の部分と前記旋回カソード排気との混合物をアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）に供給するステップと、を含む、燃料電池システムを作動させる方法。

【請求項12】

前記ホットボックスの外側からの前記アノード排気の少なくとも第１の部分を、複数の導管を通って前記ＡＴＯインジェクタの前記トロイダル導管に供給するステップと、
前記ホットボックスの外側に位置する弁を用いて前記複数の導管を通る前記アノード排気の少なくとも第１の部分の流れを制御するステップと、
をさらに含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記燃料電池スタックからの前記アノード排気をアノード復熱式熱交換器に供給するステップと、
前記アノード排気と燃料吸入流との間で熱交換するステップと、
をさらに含む、請求項１１に記載の方法。

【請求項14】

前記燃料吸入流は、純粋な水素燃料吸入流又は炭化水素燃料吸入流を含み、
前記ＡＴＯは前記アノード復熱式熱交換器を囲み、
前記ＡＴＯインジェクタは、前記ＡＴＯ及び前記アノード復熱式熱交換器の上側に配置され、
前記ＡＴＯインジェクタは前記ＡＴＯの上側に配置される、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記アノード復熱式熱交換器からのすべてのアノード排気を、前記トロイダル導管を通り越して通過させて、前記ホットボックスの外側に配置されている二酸化炭素分離器に通し、前記アノード排気から二酸化炭素を分離するステップと、
前記アノード排気の前記第１の部分を、前記二酸化炭素分離器から前記トロイダル導管へ通すステップと、
前記アノード排気の第２の部分を、前記二酸化炭素分離器から前記燃料電池スタックに供給される燃料吸入流に再循環させるステップと
をさらに含む、請求項１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の態様は、アノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）インジェクタ及びそれを含む燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

固体酸化物形燃料電池等の燃料電池は、燃料に蓄えられたエネルギーを電気エネルギーに高効率で変換できる電気化学装置である。高温燃料電池には、固体酸化物形燃料電池と溶融炭酸塩形燃料電池が含まれる。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作動することができる。燃料電池には、固体酸化物形再生燃料電池など、逆の動作も可能な部類があり、供給電気エネルギーを使用して、酸化された燃料を還元して未酸化燃料に戻すことができる。

【発明の概要】

【0003】

様々な実施形態によると、燃料電池システムは、燃料電池スタック、アノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）、燃料電池スタックからのアノード排気の第１の部分を燃料電池スタックからのカソード排気と混合して、アノード排気の第１の部分とカソード排気との混合物をＡＴＯに供給するように構成されたＡＴＯインジェクタ、アノード排気の第１の部分をＡＴＯインジェクタに供給するように構成されたアノード排気導管、及び、燃料電池スタックからのカソード排気の少なくとも一部をＡＴＯインジェクタに供給するように構成されたカソード排気導管を含む。ＡＴＯインジェクタは、中空円筒体と、中空円筒体の外面から延び、アノード排気の第１の部分を、旋回カソード排気に注入するように構成された注入管とを含む。

【0004】

本開示の様々な実施形態によると、燃料電池システムを作動させる方法は、燃料電池スタックからのアノード排気を、アノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）インジェクタの中空円筒体の外面から延びる注入管を通して該アノード排気の第１の部分を供給することによって分割するステップ、燃料電池スタックからのカソード排気の少なくとも一部をＡＴＯインジェクタに供給するステップ、前記中空円筒体の外面に配置された羽根を使用してＡＴＯインジェクタ内のカソード排気を旋回させるステップ、旋回カソード排気をアノード排気の第１の部分と混合するステップ、アノード排気の第１の部分と旋回カソード排気との混合物をアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）に供給するステップ、アノード排気の第２の部分を、注入管を通り越して通過させるステップ、及び、アノード排気の第２の部分を燃料電池スタックに供給される燃料吸入流に再循環させるステップを含む。

【0005】

一実施形態において、上記方法はまた、燃料電池スタックからのアノード排気をアノード復熱式熱交換器に供給するステップ、アノード排気を第１の部分と第２の部分に分割する前に、アノード排気と燃料吸入流との間で熱交換するステップ、及び、アノード復熱式熱交換器からのアノード排気をＡＴＯインジェクタに供給するステップを含む。

【0006】

本開示の様々な実施形態によれば、燃料電池システムを作動させる方法は、燃料電池スタックからのカソード排気の少なくとも一部をアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）インジェクタに供給するステップ、羽根を使用してＡＴＯインジェクタ内のカソード排気を旋回させるステップ、燃料電池スタックからのアノード排気の少なくとも第１の部分を、注入開口を備える弧状体を含むＡＴＯインジェクタを通して供給するステップ、アノード排気の少なくとも第１の部分を弧状体から注入開口を通して前記旋回カソード排気に注入するステップ、及び、アノード排気の少なくとも前記第１の部分と前記旋回カソード排気との混合物をアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）に供給するステップを含む。

【0007】

本開示の様々な実施形態によれば、燃料電池システムは、燃料電池スタック、燃料電池スタックからアノード排気を受け入れるように構成されたアノード復熱式熱交換器、アノード復熱器からアノード排気を受け入れるように構成されたアノード排気導管、燃料電池スタックからカソード排気を受け入れるように構成されたカソード排気導管、アノード復熱器を包囲し、カソード排気導管からカソード排気を受け入れるように構成されたアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）、ＡＴＯとアノード排気導管との間に配置されたＡＴＯインジェクタ、アノード排気導管とＡＴＯインジェクタとに流体接続される二酸化炭素分離器を含む。前記二酸化炭素分離器は、アノード排気から二酸化炭素を分離するように構成され、アノード排気導管は迂回してＡＴＯインジェクタに直接的には流体接続されない。

【0008】

本開示の様々な実施形態によれば、燃料電池システムは、燃料電池スタック、燃料電池スタックからアノード排気を受け入れるように構成されたアノード復熱式熱交換器、アノード復熱器からアノード排気を受け入れるように構成されたアノード排気導管、燃料電池スタックからカソード排気を受け入れるように構成されたカソード排気導管、アノード復熱器を包囲し、カソード排気導管からカソード排気を受け入れるように構成されたアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）、及び、ＡＴＯとアノード排気導管との間に配置されたＡＴＯインジェクタを含む。ＡＴＯインジェクタは、カソード排気導管から供給されたカソード排気を旋回させるように構成された羽根、及び、アノード排気導管とＡＴＯとの間に配置された弧状体を含み、該弧状体を通って、アノード排気の少なくとも一部がアノード排気導管から流れるように構成され、該弧状体は、アノード排気の少なくとも一部をＡＴＯへ流れる旋回カソード排気に注入するように構成された注入開口を含む。

【図面の簡単な説明】

【0009】

本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の例示の実施形態を示し、上記の全体的な説明及び以下に述べる詳細な説明とともに、本発明の特徴を説明するのに役立つ。

【0010】

【図1A】図１Ａは、本開示の実施形態による、ＳＯＦＣ燃料電池システムの概略図である。

【図1B】図１Ｂは、本開示の実施形態による、ＳＯＦＣ燃料電池システムの概略図である。

【図1C】図１Ｃは、本開示の実施形態による、ＳＯＦＣ燃料電池システムの概略図である。

【図1D】図１Ｄは、本開示の実施形態による、ＳＯＦＣ燃料電池システムの概略図である。

【図2AB】図２Ａは、本開示の様々な実施形態による、図１Ａのシステムのホットボックスの構成要素を示す断面図であり、図２Ｂは、図２Ａの拡大部分を示す。

【図2C】図２Ｃは、本開示の様々な実施形態による、図２Ａのシステムの中央カラムの三次元切欠き図である。

【図2D】図２Ｄは、本開示の様々な実施形態による、図２Ａの中央カラムの下に配置されたアノードハブ構造の斜視図である。

【図3A】図３Ａは、本開示の様々な実施形態による、図２Ａの中央カラムを通る燃料及び空気の流れを示す断面図である。

【図3B】図３Ｂは、本開示の様々な実施形態による、図２Ａの中央カラムを通る燃料及び空気の流れを示す断面図である。

【図3C】図３Ｃは、本開示の様々な実施形態による、図２Ａの中央カラムを通る燃料及び空気の流れを示す断面図である。

【図4】図４は、従来のＡＴＯインジェクタの部分斜視図である。

【図5】図５は、本開示の一実施形態による、図２Ａの中央カラムに含まれるＡＴＯインジェクタの部分斜視図である。

【図6】図６は、本開示の代替の実施形態による、図５のＡＴＯインジェクタに含まれ得る代替のインジェクタの部分斜視図である。

【図7】図７は、本開示の代替の実施形態による、図５のＡＴＯインジェクタに含まれ得る代替のインジェクタの部分斜視図である。

【図8A】図８Ａは、本開示の代替の実施形態による、図５のＡＴＯインジェクタに含まれ得る代替のインジェクタの部分斜視図である。

【図8B】図８Ｂは、本開示の代替の実施形態による、図５のＡＴＯインジェクタに含まれ得る代替のインジェクタの部分斜視図である。

【図9A】図９Ａは、本開示の代替の実施形態による、図５のＡＴＯインジェクタに含まれ得る代替のインジェクタの部分斜視図である。

【図9B】図９Ｂは、図９ＡのＡＴＯインジェクタの外面を示す写真である。

【図9C】図９Ｃは、図９ＡのＡＴＯインジェクタに含まれ得る代替のインジェクタの平面図である。

【図9D】図９Ｄは、図９Ｃに示されるインジェクタの側面及び底面の斜視図である。

【図9E】図９Ｅは、図９Ｃに示されるインジェクタの側面及び底面の斜視図である。

【図9F】図９Ｆは、図９ＡのＡＴＯインジェクタに含まれ得る代替のインジェクタの平面図である。

【図9G】図９Ｇは、図９ＡのＡＴＯインジェクタに含まれ得る代替のインジェクタの平面図である。

【図9H】図９Ｈは、図９ＡのＡＴＯインジェクタに含まれ得る代替のインジェクタの平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

添付の図面を参照して、様々な実施形態を詳細に説明する。同じ又は同様の部品への言及には、可能な限り、図面全体で同じ参照番号を使用する。特定の実施例及び実施形態への言及は、例示を目的とするものであり、本発明又は特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。

【0012】

図１Ａは、本開示の一実施形態による、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム１０の概略図である。図１Ａを参照すると、システム１０は、ホットボックス１００と、その中に又はそれに隣接して配置された各種構成要素を含む。

【0013】

ホットボックス１００は、固体酸化物形燃料電池スタック（ここでは、スタックの１つの固体酸化物形燃料電池は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）又はスカンジア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）などのセラミック電解質と、ニッケル－ＹＳＺ又はニッケル－ＳＳＺサーメットなどのアノード電極と、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）などのカソード電極とを含む）などの燃料電池スタック１０２を含むことができる。スタック１０２は、互いの上に重ねて複数の列に配置することができる。

【0014】

ホットボックス１００はまた、アノード復熱器１１０、カソード復熱器１２０、アノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）１３０、アノード排気冷却器１４０、スプリッタ５１０とボルテックスジェネレータ５５０とを含むＡＴＯ混合器／インジェクタ（簡潔のため本明細書ではＡＴＯインジェクタと呼ぶ）５００、及び、蒸気発生器１６０を含むことができる。システム１０はまた、接触部分酸化（ＣＰＯｘ）反応器２００、混合器２１０、ＣＰＯｘブロワ２０４（例えば、エアブロワ）、システムブロワ２０８（例えばエアブロワ）、及び、アノードリサイクルブロワ２１２を含むことができ、これらは、ホットボックス１００の外側に配置することができる。しかしながら、本開示は、ホットボックス１００に対する各構成要素の位置を特定の位置に限定するものではない。

【0015】

ＣＰＯｘ反応器２００は、燃料導管３００Ａを介して、燃料入口３００から燃料吸入流を受け入れる。燃料入口３００は、ＣＰＯｘ反応器２００に供給される燃料の量を制御するための弁を含むユーティリティガスラインであってよい。ＣＰＯｘブロワ２０４は、システム１０の起動時にＣＰＯｘ反応器２００に空気を供給し、その後、燃料電池スタック１０２が７５０～９００℃等の７００℃を超える定常状態動作温度に達する定常状態動作モード中には、停止することができる。定常状態での燃料及び／又は起動時の燃料と空気の混合物は、燃料導管３００Ｂによって混合器２１０に供給することができる。燃料は、混合器２１０から燃料導管３００Ｃを通ってアノード復熱器１１０に流れる。燃料は、アノード復熱器１１０から燃料導管３００Ｄを通ってスタック１０２に流れる。システム１０はまた、アノード復熱器１１０内の１つ又は複数の燃料改質触媒１１２、１１４、及び１１６を含み得る。

【0016】

メインエアブロワ２０８は、空気流（例えば、空気吸入流）を、空気導管３０２Ａを介してアノード排気冷却器１４０に供給するように構成され得る。空気は、アノード排気冷却器１４０から空気導管３０２Ｂを通ってカソード復熱器１２０へと流れる。空気は、カソード復熱器１２０から空気導管３０２Ｃを通ってスタック１０２へと流れる。

【0017】

スタック１０２で発生したアノード排気（すなわち、燃料排気）は、アノード排気出口導管３０８Ａを通ってアノード復熱器１１０に供給される。アノード排気には未反応の燃料が含まれ得る。アノード排気は、本明細書では燃料排気と呼ぶこともある。アノード排気は、アノード復熱器１１０からアノード排気導管３０８Ｂによってスプリッタ５１０に供給することができる。アノード排気の第１の部分は、スプリッタ５１０からアノード排気出口導管３０８Ｄを介してＡＴＯ１３０に供給され得る。アノード排気の第２の部分は、スプリッタ５１０から第１のアノード排気リサイクル導管３０８Ｃによってアノード排気冷却器１４０に供給され得る。アノード排気は、第２のアノード排気リサイクル導管３０８Ｅによって、アノード排気冷却器１４０から混合器２１０に供給され得る。アノードリサイクルブロワ２１２は、以下で論じられるように、アノード排気を、第２のアノード排気リサイクル導管３０８Ｅを通って移動させるように構成することができる。

【0018】

スタック１０２で発生したカソード排気（例えば、空気排気）は、カソード排気導管３０４Ａを通ってＡＴＯ１３０へと流れる。カソード排気は、本明細書において空気排気と呼ばれることもある。ボルテックスジェネレータ５５０は、カソード排気導管３０４Ａ内に配置することができ、カソード排気を旋回させるように構成することができる。導管３０８Ｄは、カソード排気導管３０４Ａに、ボルテックスジェネレータ５５０の下流側で流体接続され得る。ボルテックスジェネレータ５５０を出る旋回カソード排気は、ＡＴＯ１３０に供給される前に、スプリッタ５１０によって供給されるアノード排気と混合することができる。この混合物は、ＡＴＯ１３０内で酸化されてＡＴＯ排気を生成し得る。ＡＴＯ排気は、ＡＴＯ１３０から排気導管３０４Ｂを通ってカソード復熱器１２０へと流れる。排気は、カソード復熱器１２０から排気導管３０４Ｃを通って蒸気発生器１６０へと流れる。排気は、蒸気発生器１６０から排気導管３０４Ｄを通ってホットボックス１００の外へと流れ出る。

【0019】

水は、水タンク又は水道管などの水源２０６から、水導管３０６Ａを通って蒸気発生器１６０に流れる。蒸気発生器１６０は、この水を、排気導管３０４Ｃによって供給されるＡＴＯ排気からの熱を使用して蒸気に変換する。蒸気は、蒸気発生器１６０から水導管３０６Ｂを通って混合器２１０に供給される。あるいは、必要に応じて、蒸気を燃料吸入流に直接供給することができ、及び／又は、アノード排気流を燃料吸入流に直接供給し、続いて、混合された燃料流を加湿することができる。混合器２１０は、蒸気をアノード排気及び燃料と混合するように構成されている。次に、この燃料混合物は、スタック１０２に供給される前に、アノード復熱器１１０内で加熱され得る。

【0020】

システム１０はさらに、システム１０の各種要素（例えば、ブロワ２０８及び２１２、及び燃料制御弁）を制御するように構成されたシステムコントローラ２２５を備えることができる。コントローラ２２５は、記憶された命令を実行するように構成された中央処理装置を含み得る。例えば、コントローラ２２５は、燃料組成データに従って、システム１０を通る燃料及び／又は空気の流れを制御するように構成することができる。

【0021】

図１Ｂは、本開示の別の実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム１０の概略図である。図１Ａのシステム１０の要素と同じ図１Ｂのシステム１０の要素については、簡潔のため再度説明はしない。

【0022】

図１Ｂのシステム１０は、天然ガス、メタン、ペンタン、ブタン、バイオガスなどの炭化水素燃料と共に使用することができる。図１Ｂのシステム１０は、アノード排気経路内のアノード排気冷却器１４０と混合器２１０との間に配置された追加の二酸化炭素分離器１７０、第２の混合器６１０、及び追加の導管３０８Ｆ、３０８Ｇ、３０９及び５４４を含む。導管５４４は、任意選択の弁５４６を含み得る。この実施形態では、ＡＴＯインジェクタ５００は、以下でより詳細に説明される図８Ｂに示されるインジェクタ５４０を含むことができる。さらに、この実施形態では、導管３０８Ｂは迂回してインジェクタ５４０に直接的には流体接続されない。具体的には、導管３０８Ｂ及び３０８Ｃは、迂回してインジェクタ５４０に直接的には流体接続されないアノード排気導管（これはまた、アノード排気冷却器１４０から下流側に配置された導管３０８Ｅも含む）の単一の連続部分に統合される。

【0023】

二酸化炭素分離器１７０は、二酸化炭素をアノード排気の他の成分（例えば、水素、メタン、一酸化炭素など）から分離することができる任意の機械的（例えば、キャニスタートラップ）、吸着的（例えば、１つ又は選択的吸着床）又は電気化学的分離器を含むことができる。好ましくは、二酸化炭素分離器１７０は、２０１５年１１月１７日に発行され、参照により本明細書にその全体が組み込まれる、米国特許第９，１９０，６５８ Ｂ２号に記載されるような、プロトン交換膜（ＰＥＭ）セル又はＰＥＭセルのスタックなどの電気化学的分離器を含む。

【0024】

二酸化炭素分離器１７０のアノード排気入口は、導管３０８Ｅに接続される。二酸化炭素分離器１７０は、任意選択で、スイープガス入口（例えば、空気入口、明示的には示されない）をも含み得る。二酸化炭素分離器１７０は、精製後アノード排気導管３０８Ｆ及び二酸化炭素出口導管３０９を含む。

【0025】

図１Ｂのシステム１０は、次のように作動する。アノード排気導管（３０８Ｂ、３０８Ｃ及び３０８Ｅ）は迂回してインジェクタ５４０に直接的には流体接続されないため、アノード排気流全体（すなわち、１００％）が、インジェクタ５４０を通って流れずに、アノード復熱器１１０からアノード排気冷却器１４０に供給される。アノード排気は、アノード排気冷却器１４０から、導管３０８Ｅを通って二酸化炭素分離器１７０のアノード排気入口に、アノードリサイクルブロワ２１２によって供給される。一実施形態では、導管３０８Ｅ内のアノード排気が、アノードリサイクルブロワ２１２又は二酸化炭素分離器１７０にとってまだ熱すぎる場合には、空気又は水などの任意の外部冷却流体を使用する追加の冷却器を、必要に応じてアノードリサイクルブロワ２１２の前又は後の、導管３０８Ｅ内に配置して、アノード排気を適切な温度に冷却することができる。二酸化炭素は、二酸化炭素分離器１７０内でアノード排気から分離される。分離された二酸化炭素は、システム１０の外部での貯蔵又は工業的使用（例えば、化学又は工業プロセスにおいて）のために、導管３０９を介して二酸化炭素分離器１７０から除去される。二酸化炭素の全部又は一部が除去された精製後アノード排気は、二酸化炭素分離器１７０から、精製後アノード排気導管３０８Ｆに供給される。

【0026】

一実施形態では、精製後アノード排気導管３０８Ｆは、第２のスプリッタ６１０で終端する。第２のスプリッタ６１０は、Ｔ字形導管（例えば、パイプ）接続部又は別のタイプのスプリッタであってよい。精製後アノード排気の第１の部分は、精製後アノード排気導管３０８Ｆから、第２のスプリッタ６１０を通って混合器導管３０８Ｇに供給される。この精製後アノード排気は、その後、混合器導管３０８Ｇから、混合器２１０に供給され、そこで、図１Ａに関して上述したように、燃料吸入流と混合される。

【0027】

精製後アノード排気の第２の部分は、精製後アノード排気導管３０８Ｆから、第２のスプリッタ６１０を通って導管５４４に供給される。弁５４６は、導管５４４を通って流れる精製後アノード排気の量を制御するために、導管５４４上に配置することができる。弁５４６は、システムコントローラ２２５によって制御されるコンピュータ制御弁であってよい。この精製後アノード排気は、導管５４４からインジェクタ５４０に供給され、これについては、図８Ａ及び図８Ｂに関して以下でより詳細に説明する。このプロセスは、その後、図１Ａに関して上述したものと同じように進む。

【0028】

図１Ｃは、本開示の別の実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム１０の概略図である。図１Ａのシステム１０の要素と同じ図１Ｃのシステム１０の要素については、簡潔のため再度説明はしない。

【0029】

図１Ｃのシステム１０は、炭化水素燃料ではなく、純粋な水素燃料と共に使用できる。この実施形態では、水源２０６、蒸気発生器１６０、ＣＰＯｘ反応器２００、ＣＰＯｘブロワ２０４及び導管３０６Ｂを排除することができる。あるいは、電力調整システムの接触器を閉じて電力調整システム構成要素に電流を流すことを可能とする目的で開回路電圧を下げるために、ＣＰＯｘブロワ２０４を、短期間燃料電池のアノード側に少量の空気を加えるように保持することができる。あるいは、接触器を閉じる目的で開回路電圧を下げるために、水を導管３０８Ｅ及び／又は導管３０８Ｃに注入することができる。この実施形態では、導管３００Ａ及び３００Ｂは、単一の導管に統合される。同様に、導管３０４Ｃ及び３０４Ｄは単一の導管に統合される。図１Ｃのシステム１０は、燃料入口３００からの水素燃料吸入流がＣＰＯｘ反応器２００を通過せず、蒸気発生器１６０及び導管３０６Ｂが排除されるために意図的に加湿されないことを除いて、図１Ａのシステム１０と同じように作動する。

【0030】

図１Ｄは、本開示の別の実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム１０の概略図である。図１Ｃのシステム１０の要素と同じ図１Ｄのシステム１０の要素については、簡潔のため再度説明はしない。

【0031】

図１Ｄのシステム１０は、炭化水素燃料ではなく、純粋な水素燃料とともに使用できる。この実施形態では、アノード排気冷却器１４０、アノードリサイクルブロワ２１２、混合器２１０、及び導管３０８Ｅを排除することができる。この実施形態では、導管３００Ａ、３００Ｂ、及び３００Ｃは、単一の導管に統合される。さらに、図７及び図９Ａに関して以下でより詳細に説明するように、アノード排気導管３０８Ｃは排除されてもよいし、又はキャップ３１０で終端になっていてもよい。

【0032】

図１Ｄのシステム１０は、混合器２１０の排除により、燃料吸入流へと再循環されるアノード排気流が一部たりともないことを除いて、図１Ｃのシステム１０と同じように作動する。代わりに、アノード排気流のすべて（すなわち、１００％）が、アノード復熱器１１０からＡＴＯ１３０に、導管３０８Ｂ、３０８Ｄ及びスプリッタ（例えば、スプリッタ５１０）を介して供給される。さらに、アノード排気流は、アノード排気冷却器１４０の排除により、空気吸入流と熱交換しない。

【0033】

図２Ａ～図２Ｄ及び図３Ａ～図３Ｃは、図１Ａ～図１Ｄのシステム１０のホットボックス１００の構成要素を示すが、但し、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、図３Ａ及び図３Ｂには、図１Ａ～図１Ｄに関して上述した本開示の実施形態のスプリッタ５１０及びボルテックスジェネレータ５５０を含むＡＴＯインジェクタ５００（これについては図５～図９Ｈに関して以下でより詳細に説明する）の代わりに、図４の従来技術のスプリッタ５１１とボルテックスジェネレータ５５１を含む従来技術のＡＴＯインジェクタ５０１が示されている。図２Ａは、図１Ａのシステム１０のホットボックス１００の構成要素を示す断面図であり、図２Ｂは、図２Ａの拡大部分を示す。図２Ｃは、本開示の様々な実施形態による、システム１０の中央カラム４００の三次元切欠き図であり、図２Ｄは、カラム４００を上に配置することができるホットボックスベース１０１に配置されたアノードハブ構造６００の斜視図である。

【0034】

図２Ａ～図２Ｄを参照すると、燃料電池スタック１０２は、ホットボックス１００内のカラム４００の周囲に配置され得る。例えば、スタック１０２は、中央カラム４００の周囲にリング状の構成で配置することができ、ホットボックスベース１０１上に置くことができる。カラム４００は、中央プレナム４０１、アノード復熱器１１０、ＡＴＯ１３０、及びアノード排気冷却器１４０を含むことができる。特に、アノード復熱器１１０は、ＡＴＯ１３０の半径方向内側に配置され、アノード排気冷却器１４０は、アノード復熱器１１０及びＡＴＯ１３０の上方に取り付けられる。酸化触媒１１２及び／又は水素化触媒１１４は、アノード復熱器１１０内に配置され得る。アノード復熱器１１０の底部に、水蒸気メタン改質（ＳＭＲ）インサートとして、改質触媒１１６を配置することもできる。

【0035】

ＡＴＯ１３０は、内側ＡＴＯ断熱材１３０Ｂ／アノード復熱器１１０の外壁の周囲に配置された外側円筒１３０Ａを備える。任意選択で、断熱材１３０Ｂは、内側ＡＴＯ円筒１３０Ｃによって囲まれてもよい。したがって、断熱材１３０Ｂは、アノード復熱器１１０とＡＴＯ１３０との間に配置することができる。外側円筒１３０ＡとＡＴＯ断熱材１３０Ｂとの間の空間に、ＡＴＯ酸化触媒を配置することができる。アノード排気冷却器１４０を通ってＡＴＯ１３０の上部まで、ＡＴＯ熱電対フィードスルー１６０１が延在する。それにより、このフィードスルー１６０１を通して１つ又は複数の熱電対（図示せず）を挿入することによって、ＡＴＯ１３０の温度を監視することができる。

【0036】

アノードハブ構造６００は、アノード復熱器１１０及びＡＴＯ１３０の下で、ホットボックスベース１０１の上方に配置することができる。アノードハブ構造６００は、ＡＴＯスカート１６０３によって覆われる。ボルテックスジェネレータ５５１及びアノード排気スプリッタ５１１を含むＡＴＯインジェクタ５０１は、アノード復熱器１１０及びＡＴＯ１３０の上方で、アノード冷却器１４０の下に配置される。ＡＴＯグロープラグ１６０２は、起動時にＡＴＯ内のスタックアノード排気の酸化を開始するが、ＡＴＯ１３０の底部近くに配置することができる。

【0037】

アノードハブ構造６００は、中央プレナムから中央カラム４００の周囲に配置された燃料電池スタックに、燃料を均一に分配するために使用される。アノード流ハブ構造６００は、溝付きキャストベース６０２、及び、燃料入口導管３００Ｄと流出導管３０８Ａからなる「スパイダー」ハブを含む。導管の各対３００Ｄ、３０８Ａは、燃料電池スタックに接続する。次に、アノード側円筒（例えば、アノード復熱器１１０の内側及び外側円筒ならびにＡＴＯ外側円筒１３０Ａ）が、ベース６０２の溝に溶接又はろう付けされ、以下で説明する流れ分布のための均一な体積断面を作り出す。

【0038】

図２Ｃに示されるように、ホットボックスベース１０１の下に、昇降台１６０４が配置される。一実施形態では、昇降台１６０４は２つの中空アームを含み、修理又は整備のためにキャビネット（図示せず）から燃料電池ユニットを取り外すようなときに、中空アームを用いてフォークリフトのフォークを挿入し、燃料電池ユニットを持ち上げて移動させることができる。

【0039】

図２Ａ及び図２Ｂの矢印で示されるように、空気はホットボックス１００の上部に入り、その後カソード復熱器１２０へと流れて、そこでスタック１０２からのカソード排気によって加熱される。加熱された空気は、その後、入口１２１を通ってカソード復熱器１２０内部を流れる。空気は、次に、スタック１０２を通って流れ、アノードハブ構造６００から供給される燃料と反応する。カソード排気は、出口１２３を通ってスタック１０２から流れる。次に、空気排気は、ボルテックスジェネレータ５５１の羽根を通り、ＡＴＯ１３０に入る前に旋回される。

【0040】

スプリッタ５１１は、アノード復熱器１１０の上部を出るアノード排気の一部を旋回空気排気へと向かわせることができる。アノード排気とカソード排気は、ＡＴＯ１３０に入る前に、ＡＴＯインジェクタ５０１内で混合することができる。

【0041】

図３Ａ及び図３Ｂは、中央カラム４００を通る流れ分布を示す垂直断面図であり、図３Ｃは、アノード復熱器１１０の水平断面図である。図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、及び図３Ｃを参照すると、アノード復熱器１１０は、内側円筒１１０Ａ、波形プレート１１０Ｂ、及びＡＴＯ断熱材１３０Ｂで被覆され得る外側円筒１１０Ｃを含む。燃料導管３００Ｃからの燃料は、中央カラム４００の上部に入る。次に、燃料は、アノード冷却器１４０の、中空コアを通って流れることによってアノード冷却器１４０を迂回し、次に、アノード復熱器１１０の外側円筒１１０Ｃと波形プレート１１０Ｂとの間を通って流れる。その後、燃料は、アノードハブ構造６００（図３Ｂ）のハブベース６０２及び導管３００Ｄを通ってスタック１０２に流れる。

【0042】

図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、アノード排気は、スタック１０２から導管３０８Ａを通ってハブベース６０２に流れ込み、ハブベース６０２からアノード復熱器１１０の、内筒１１０Ａと波形プレート１１０Ｂとの間を通り、導管３０８Ｂを通ってスプリッタ５１１へと流れる。アノード排気の一部分が、スプリッタ５１１から導管３０８Ｃを通ってアノード冷却器１４０へ流れる一方で、別の部分は、スプリッタ５１１から導管３０８Ｄを通ってＡＴＯ１３０に流れる（図１Ａ参照）。導管３０８Ｃは、図３Ａ及び図３Ｃに示されるように、アノード冷却器１４０とボルテックスジェネレータ５５１との間に配置されたベローズ８５２及び支持円筒８５４によって少なくとも部分的に画定され得る。燃料導管３００Ｃと導管３０８Ｃとの間に、アノード冷却器内部コア断熱材１４０Ａが配置され得る。この断熱材は、アノード冷却器１４０に向かう途中の導管３０８Ｃ内のアノード排気流からの熱移動及び熱損失を最小限に抑える。断熱材１４０Ａはまた、導管３００Ｃ内の燃料吸入流とアノード冷却器１４０内の流れとの間での熱移動を回避するために、導管３００Ｃとアノード冷却器１４０との間に配置することもできる。ベローズ８５２と支持円筒８５４は、アノード冷却器１４０とスプリッタ５１１の間に配置することができる。

【0043】

図３Ｂはまた、空気導管３０２Ａからアノード冷却器１４０（ここで、空気はアノード排気流と熱交換する）へと流れ、導管３０２Ｂに入ってカソード復熱器１２０へと流れる空気を示す。図２Ａ及び図３Ｂに示されるように、アノード排気は、アノード復熱器１１０を出て、導管３０８Ｂを通ってスプリッタ５１１に供給される。スプリッタ５１１は、アノード排気を第１及び第２のアノード排気流に分割する。第１の流れは、導管３０８Ｄを通ってＡＴＯ１３０に供給される。第２の流れは、導管３０８Ｃを通ってアノード冷却器１４０に供給される。

【0044】

ＡＴＯ１３０及びアノード排気冷却器１４０に供給されるアノード排気の相対量は、アノードリサイクルブロワ２１２によって制御される。ブロワ２１２の速度が速いほど、アノード排気流のより多くの部分が導管３０８Ｃへと供給され、アノード排気流のより少ない部分がＡＴＯ１３０に供給される。ブロワ２１２の速度が遅い場合は、この逆となる。ＡＴＯ１３０に供給されるアノード排気流は、カソード排気によって酸化され、導管３０４Ｂを通ってカソード復熱器１２０に供給され得る。

【0045】

図４は、一体化されたスプリッタ５１１とボルテックスジェネレータ５５１を含む従来のＡＴＯインジェクタ５０１の部分斜視図である。従来のＡＴＯインジェクタ５０１は、スプリッタ５１１及びボルテックスジェネレータ５５１が一体化されて単一の部分になるように、鋼等の金属材料を鋳造することによって成形される。したがって、鋳造ＡＴＯインジェクタ５０１は製造するのが高価で時間がかかる。

【0046】

図５は、本開示の一実施形態のＡＴＯインジェクタ５００の部分斜視図であり、これは、図２Ａ、図２Ｃ、図３Ａ及び図３Ｂの中央カラム４００内に、従来技術のＡＴＯインジェクタ５０１の代わりに設けられる。図５を参照すると、ＡＴＯインジェクタ５００は、スプリッタ５１０及びボルテックスジェネレータ５５０を含む。スプリッタ５１０は、環状形状を有する弧状体５１２を含み得る。この環状形状は、水平面に位置する環状軸を中心とする曲率半径を有することができる（図４に示される従来のＡＴＯインジェクタ５０１の垂直軸を中心とする曲率半径とは対照的に）。いくつかの実施形態では、スプリッタ５１０は、金属管を切断して弧を形成し、弧を曲げて環状形状にし、その対向する端部を接続することによって形成することができる。他の実施形態では、複数の弧を切断し、曲げて、端部と端部を接続して、スプリッタ５１０の弧状体５１２を形成することができる。弧状体５１２の外面（すなわち、中央カラム４００の中心軸に面していない側の表面）は、弧状体５１２の外面とＡＴＯ１３０の外側円筒１３０Ａとの間の最小距離が、ＡＴＯ１３０の内側円筒１３０Ｃと外側円筒１３０Ａとの間の最小距離よりも小さくなるように、凸状であってよい。

【0047】

様々な実施形態では、弧状体５１２は、約１８０°以下、例えば、約１８０°～約１３０°、約１７５°～約１５０°、又は約１７０°～約１６０°の円弧寸法（弧状体５１２の外側表面に沿って計った）を有し得る。したがって、スプリッタ５１０のＡＴＯ１３０への突出を、カソード排気の流れへの妨害を最小限にするように制御して、それにより、再循環ゾーンの生成を低減及び／又は排除し、中の圧力損失を最小限にすることができる。

【0048】

いくつかの実施形態では、スプリッタ５１０は、任意選択で、弧状体５１２を強化するように構成された支持円弧５１８を含むことができる。特に、支持円弧５１８は、弧状体５１２を形成するために用いられる管の未切断部分から形成されてもよい。例えば、弧状体５１２を形成するために用いられる管の長さの約１０％から約３０％、例えば約２０％を、未切断のままにして支持円弧５１８を形成することができる。言い換えれば、支持円弧５１８と弧状体５１２を足すと、３６０°の円弧寸法と等しくなり得る。

【0049】

弧状体５１２の上縁は、支持円筒８５４に取り付けることができ、弧状体５１２の下縁は、ＡＴＯ１３０の内側ＡＴＯ円筒１３０Ｃに取り付けることができる。例えば、弧状体５１２は、内側ＡＴＯ円筒１３０Ｃの一部に溶接することができる。いくつかの実施形態では、弧状体５１２は、隅肉溶接５１６を用いて、支持円筒８５４及び内側ＡＴＯ円筒１３０Ｃに接続することができる。

【0050】

スプリッタ５１０は、弧状体５１２を穿孔するとともに、カソード排気導管３０４ＡからＡＴＯ１３０に流入するカソード排気にアノード排気を注入するように構成された、注入開口５１４を含むことができる。注入開口５１４は、スプリッタ５１０に沿ってほぼ等間隔に配置され得る。いくつかの実施形態では、注入開口５１４は、例えば、レーザー又はウォータージェットを使用して切断され得る。注入開口５１４は、各開口５１４の周囲が、弧状体５１２の外面でよりも内面で大きくなるように、傾斜カットされ得る。開口５１４は、アノード排気流を内側ＡＴＯ円筒１３０の軸（すなわち、中央垂直軸）に垂直に注入することができ、又は、アノード排気流をＡＴＯ１３０へのカソード排気流の方向へ下向きの角度（例えば、３０～６０度等の１～８９度の角度）で注入できる。

【0051】

ボルテックスジェネレータ５５０は、溶接等によってスプリッタ５１０の外面に取り付けられた複数の羽根５５２を含むことができる。図５には示されていないが、羽根５５２は、スプリッタ５１０の周囲に環状構成で配置することができる。羽根５５２は、アノード及び／又はカソード排気など、そのそばを流れる流体を旋回させる（例えば、中に渦を発生させる）ように構成することができる。したがって、羽根５５２は、アノード排気とカソード排気との混合を増加させるように構成することができる。他の実施形態では、羽根５５２は、内側円筒１３０Ｃ又は支持円筒８５４の外面に取り付けることができる。

【0052】

図６及び図７は、本開示の代替の実施形態による、スプリッタ５１０の代わりに図５のＡＴＯインジェクタ５００に含まれ得る代替のスプリッタ５２０を含む中央カラム４００の、異なる角度で見た部分透視図である。図６及び図７を参照すると、スプリッタ５２０は、トロイダル導管（例えば、パイプなどの管状体）５２２であってよい。いくつかの実施形態において、スプリッタ５２０は、パイプ５２２を円形に曲げて、その対向する端部を溶接等で接続することによって形成することができる。したがって、この実施形態では、スプリッタ５２０は、その全周の周りに、３６０°の円弧寸法を有する。トロイダル導管の垂直中心軸は、中央カラム４００の垂直中心軸に平行である。さらに、トロイダル導管の外側凸面は、垂直中心軸に垂直な水平軸を中心に湾曲している。

【0053】

スプリッタ５２０は、アノード排気をスプリッタ５２０の内部に注入するように構成された内側注入開口５２４と、アノード排気をスプリッタ５２０の内部からＡＴＯ１３０に注入するように構成された外側注入開口５１４とを含むことができる。注入開口５１４、５２４は、スプリッタ５２０のそれぞれ内側部分及び外側部分に沿ってほぼ等間隔に配置することができ、例えば、レーザー又はウォータージェットを使用して切断することができる。

【0054】

いくつかの実施形態では、注入開口５１４、５２４は、ほぼ同じサイズであってよい。しかしながら、他の実施形態では、スプリッタ５２０へのアノード排気の注入を容易にするために、内側注入開口５２４は、外側注入開口５１４よりも大きく（例えば、高さがより大きい）てもよい。いくつかの実施形態では、内側注入開口５２４及び／又は外側注入開口５１４は、上記のように傾斜カットされ得る。

【0055】

図１Ｄ及び図７に示される一実施形態において、導管３０８Ｃは、キャップ３１０でふたすることができる。水素燃料で作動する場合、キャップ３１０は、ガスが導管３０８Ｃを通過するのを遮断する固体金属プレートを含むことができる。

【0056】

図８Ａは、本開示の別の代替の実施形態による、スプリッタ５１０の代わりに図５のＡＴＯインジェクタ５００内に含まれ得る代替のインジェクタ５４０を含む中央カラム４００Ａの部分斜視図である。図８Ａを参照すると、インジェクタ５４０はトロイダル導管を含むことができる。いくつかの実施形態では、インジェクタ５４０は、パイプを円形に曲げ、その対向する端部を溶接等によって接続することによって形成することができる。

【0057】

インジェクタ５４０は、その外側表面に配置され且つインジェクタ５４０を穿孔する注入開口５１４を含むことができる。注入開口５１４は、インジェクタ５４０の内部からＡＴＯ１３０にアノード排気を注入するように構成することができる。インジェクタ５４０のトロイダル導管５２２の内側表面には、開口は配置されない。

【0058】

少なくとも１つの導管（例えば、供給管）５４４が、中央カラム４００Ａの内部に配置され、インジェクタ５４０に流体接続され得る。弁５４６が、供給管５４４上に配置され得る。供給管５４４は、燃料導管３００Ｃに沿って延在することができる。供給管５４４は、導管（例えば、マニホールド）３０８Ｃに露出し、導管３０８Ｃを介してアノード排気冷却器１４０の内部からアノード排気を受け入れるように構成された開放第１端部と、トロイダル（例えば、管状）導管５２２に流体接続される第２端部とを有し得る。したがって、供給管５４４は、インジェクタ５４０の内部にアノード排気を供給するように構成することができる。

【0059】

弁５４６は、供給管５４４を通ってインジェクタ５４０に入るアノード排気流を制御するように構成され得る。したがって、弁５４６はまた、注入開口５１４を通ってＡＴＯ１３０に入るアノード排気流を制御することができる。弁５４６は、ホットボックス１００の外側に延在する中央カラム４００Ａの一部の表面で露出される供給管５４４の一部分の上に配置され得る。したがって、弁５４６は、ホットボックス内部の高温への露出から保護され得る。弁５４６の１つの目的は、アノード及びカソード排気流を分離することであり、これは、システム組立プロセス中の接合部及び／又は溶接部の漏れのチェックに有用である。別の目的は、任意選択で、アノード排気流から燃料供給を分離させることである。図８Ａには、１つの供給管５４４と１つの弁５４６だけが示されているが、代替の実施形態では、単一の弁５４６又は複数の弁５４６に対し、共にマニホールド化された複数の入口管及び／又は出口管５４４などの複数の管があってよい。例えば、２つの供給管５４４を、トロイダル本体５２２の対向する両側に接続することができる。

【0060】

図８Ｂは、中央カラム４００Ｂの代替の実施形態の部分斜視図である。図８Ｂの中央カラム４００Ｂの要素は、図８Ａの中央カラム４００Ａの要素と同じであり、簡潔のために再度説明しない。図８Ｂの中央カラム４００Ｂは、図１Ｂの固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システム１０と共に使用することができる。

【0061】

図１Ｂに関して上で論じたように、アノード排気導管（３０８Ｂ、３０８Ｃ、３０８Ｅ）は、インジェクタ５４０のトロイダル導管５２２の内側表面が、アノード排気導管（例えば、導管３０８Ｂ及び３０８Ｃ）へ露出される開口部（例えば開口）を有しないため、インジェクタ５４０を迂回して直接的には流体接続されない。アノード排気導管の下部となる導管３０８Ｂ及び３０８Ｃは、燃料導管３００Ｃの外壁とＡＴＯ内側円筒１３０Ｃ及び支持円筒８５４の内壁との間に位置する内側プレナム又はマニホールドを含む。アノード排気導管の上部は、アノード排気冷却器１４０と二酸化炭素分離器１７０との間に延在する導管３０８Ｅを含む。したがって、アノード排気流全体（すなわち、１００％）は、インジェクタ５４０を通って流れずに、導管３０８Ｂ及び３０８Ｃを介して、アノード復熱器１１０からアノード排気冷却器１４０へ供給される。アノード排気は、アノード排気冷却器内の空気吸入流と熱交換する。アノード排気は、アノード排気冷却器１４０から、導管（例えば、パイプ）３０８Ｅを通って二酸化炭素分離器１７０のアノード排気入口に供給される。二酸化炭素は、二酸化炭素分離器１７０でアノード排気から分離される。分離された二酸化炭素は、システム１０の外部で貯蔵又は工業的使用（例えば、化学又は工業プロセス）のために、導管３０９を介して二酸化炭素分離器１７０から除去される。二酸化炭素の全部又は一部が除去された精製後アノード排気は、二酸化炭素分離器１７０から精製後アノード排気導管３０８Ｆに供給される。

【0062】

一実施形態では、精製後アノード排気導管３０８Ｆは、導管３０８Ｆ、３０８Ｇ、及び５４４の交差点のＴ字形導管（例えば、パイプ）接続部であり得る第２のスプリッタ６１０で終端する。この精製後アノード排気の第１の部分は、精製後アノード排気導管３０８Ｆから第２のスプリッタ６１０を通って混合器導管３０８Ｇに供給される。次に、精製後アノード排気は、混合器導管３０８Ｇから混合器２１０に供給され、そこで、図１Ａ及び図１Ｂに関して上で述べたように、燃料吸入流と混合される。

【0063】

精製後アノード排気の第２の部分は、精製後アノード排気導管３０８Ｆから第２のスプリッタ６１０を通って導管５４４に供給される。導管５４４上に位置する弁５４６は、導管５４４を通ってインジェクタ５４０のトロイダル導管５２２に流入する精製後アノード排気の量を制御する。精製後アノード排気は、導管５４４からインジェクタ５４０に供給される。アノード排気は、その後、インジェクタ５４０から、インジェクタ５４０のトロイダル導管５２２内の開口５４１を介して、そしてボルテックスジェネレータ５５０を介して、ＡＴＯ１３０に供給される。

【0064】

したがって、図５～図８Ｂの実施形態において、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１０２、燃料電池スタック１０２からアノード排気を受け入れるように構成されたアノード復熱式熱交換器１１０、アノード復熱器１１０からアノード排気を受け入れるように構成されたアノード排気導管３０８Ｂ、燃料電池スタックからカソード排気を受け入れるように構成されたカソード排気導管３０４Ａ、アノード復熱器１１０を包囲し、カソード排気導管３０４Ａからカソード排気を受け入れるように構成されたアノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）１３０、及び、ＡＴＯ１３０とアノード排気導管３０８Ｂとの間に配置されたＡＴＯインジェクタ５００を含む。ＡＴＯインジェクタ５００は、カソード排気導管から供給されたカソード排気を旋回させるように構成されたボルテックスジェネレータ５５０の羽根５５２と、アノード排気導管３０８ＢとＡＴＯ１３０との間に配置された弧状体５１２又は５２２とを含み、この弧状体を通って、アノード排気の少なくとも一部がアノード排気導管から流れるように構成され、前記弧状体は、アノード排気の少なくとも一部をＡＴＯ１３０へ流れる旋回カソード排気に注入するように構成された注入開口５１４を備える。

【0065】

図５に示される一実施形態では、弧状体５１２は、弧状体の外面に沿って、約１３０°から約１８０°の円弧寸法を有する。図６～図８Ｂに示される他の実施形態では、弧状体５２２はトロイダル導管を含み、トロイダル導管の外面に沿って３６０°の円弧寸法を有する。

【0066】

図６及び図７に示される実施形態では、トロイダル導管５２２は、アノード排気導管３０８Ｂからのアノード排気の第１の部分をトロイダル導管に向かわせるように構成された内側開口５２４をさらに備える。一実施形態では、内側開口５２４は、注入開口５１４よりも大きい。

【0067】

図８Ａ及び図８Ｂに示される実施形態では、システム１０はまた、アノード排気導管３０８Ｂからのアノード排気をトロイダル導管５２２の内部に供給するように構成された供給管５４４と、供給管５４４を通るアノード排気流を制御するように構成された弁５４６とを含む。弁５４６は、アノード復熱式熱交換器１１０、アノード排気導管３０８Ｂ、ＡＴＯ１３０、及びＡＴＯインジェクタ５００を含むホットボックス１００の外側に配置することができる。

【0068】

図８Ｂの実施形態では、二酸化炭素分離器１７０は、二酸化炭素分離器１７０が、アノード排気から二酸化炭素を分離するように構成されるように、アノード排気導管（３０８Ｂ、３０８Ｃ、３０８Ｆ）及び供給管５４４に流体接続される。一実施形態では、二酸化炭素分離器１７０は、電気化学的二酸化炭素分離器を含む。

【0069】

一実施形態では、図１Ｂ及び図８Ｂのシステム１０はまた、アノード排気導管内のアノード排気を使用して空気ブロワ２０８からの空気吸入流を加熱するように構成されたアノード排気冷却式熱交換器１４０、及び、アノード排気の一部を、燃料導管３００Ｃ内をアノード復熱式熱交換器１１０へと流れる燃料吸入流と混合するように構成された混合器２１０を含む。

【0070】

一実施形態では、アノード排気導管（３０８Ｂ、３０８Ｃ、３０８Ｅ）は迂回してインジェクタ５４０のトロイダル導管５２２に直接的には流体接続されない。トロイダル導管５２２の内側表面は、アノード排気導管（３０８Ｂ、３０８Ｃ、３０８Ｅ）に露出される開口部を有さない。二酸化炭素分離器１７０は、アノード排気の経路において、アノード排気冷却式熱交換器１４０と混合器２１０との間に配置される。アノード排気導管（例えば、導管３０８Ｂ、３０８Ｃ、３０８Ｅのうち３０８Ｅの部分）は、アノード排気冷却式熱交換器１４０の出口を二酸化炭素分離器１７０の入口に接続する。

【0071】

一実施形態では、図１Ｂ及び図８Ｂのシステムはまた、二酸化炭素分離器１７０の第１の出口に接続される精製後アノード排気導管３０８Ｆと、二酸化炭素分離器１７０の第２の出口に接続される二酸化炭素出口導管３０９とを含む。二酸化炭素排出導管３０８Ｆには、スプリッタ（すなわち、第２のスプリッタ）６１０が流体接続される。混合器導管３０８Ｇが、スプリッタ６１０を混合器２１０に流体接続し、一方、導管（すなわち、供給管）５４４が、スプリッタ６１０をトロイダル導管５２２に流体接続する。

【0072】

図９Ａは、本開示の別の代替の実施形態による、スプリッタ５１０の代わりに図５のＡＴＯインジェクタ５００内に含まれ得る代替のスプリッタ５６０を含む、４００Ｃの中央カラムの部分斜視図である。図９Ｂは、図９ＡのＡＴＯインジェクタ５００の外面を示す写真である。図９Ａ及び図９Ｂを参照すると、ＡＴＯインジェクタ５００は、上縁が支持円筒８５４に取り付けられ（例えば、溶接され）、下縁がＡＴＯ１３０の内側円筒１３０Ｃ（図８Ａに示す）に取り付けられる（例えば、溶接される）か、内側円筒１３０Ｃの上部を含むことのできる中空円筒体５６２を含むスプリッタ５６０を含み得る。

【0073】

いくつかの実施形態では、円筒体５６２は、金属管から切り取られてもよく、又は平らな金属薄板を曲げて溶接して中空の円筒形に形成されてもよい。例えば、円筒体５６２は、垂直方向に延在することができ、水平方向に単一の曲率半径を有することができる。言い換えれば、円筒体５６２は、一貫した水平断面及び／又は円周を有し得、内側円筒１３０Ｃを通り越えて内側円筒１３０Ａに向かって延びる凸状の弧状体を有さない。

【0074】

スプリッタ５６０は、円筒体５６２を通り抜けて延びる（先の実施形態のスリットの代わりに）注入管５６４を含む。注入管５６４は、円筒体５６２の内側からのアノード排気を、円筒体５６２の外側をＡＴＯ１３０へと流れるカソード排気に注入するように構成され得る。特に、注入管５６４は、約０．５ｃｍから約３ｃｍの範囲の距離、例えば、約１ｃｍから約２．５ｃｍ、又は約１．２５ｃｍから約２．２５ｃｍの距離、円筒体５６２の外面から延在することができる。したがって、注入管５６４は、円筒体５６２と外側円筒１３０Ａとの間に形成される環状空間にアノード排気を注入するように構成され得る。

【0075】

図９Ａ及び図９Ｂは、軸（すなわち、円筒体５６２の中心垂直軸）に垂直な注入管を示す。代替の実施形態では、注入管は、カソード排気流の方向に（例えば、ＡＴＯの方向に）下へと傾斜させることができる。下向きの角度は、円筒体５６２の軸の垂直方向に対して１～８９度、例えば、３０～６０度であってよい。図９Ｂは、任意選択の羽根５５２の最下部と同じ水平面にある注入管５６４を示す。代替の構成では、注入管５６４は、羽根５５２の最下部水平面の下側に配置され得る。

【0076】

図１Ｄ及び図９Ａに示される一実施形態において、導管３０８Ｃは、キャップ３１０でふたすることができる。キャップ３１０は、システム１０が水素燃料で作動される場合に、ガスが導管３０８Ｃを通過するのを遮断する固体金属板を含み得る。

【0077】

図９Ａ及び図９Ｂに示される構成では、ＡＴＯインジェクタ５００は、ボルテックスジェネレータ５５０の任意選択の羽根５５２を含む。図９Ｃ、図９Ｄ及び図９Ｅに示される代替の構成では、羽根５５２を省くことができ、渦は、円筒体５６２に対して注入管５６４を半径方向に角度付けすることによって形成され得る。例えば、図９Ｃに示されるように、注入管５６４は、円筒体の外面に垂直な仮想線「Ｎ」とそれぞれの注入管５６４のそれぞれの長手方向軸「Ａ」との間の角度αがゼロでない角度で円筒体５６２から延びる。角度αは、すべての注入管５６４に対して同じであってもよいし、又は、同じＡＴＯインジェクタ５００の異なる注入管５６４に対して異なっていてもよい。例えば、角度αは１と７５度の間の範囲、例えば３０～６０度など、とすることができる。任意選択で、注入管５６４は、図９Ｃ～図９Ｅに示されるように半径方向に角度を付けて、同時に上記のように下向きに傾斜させてもよい。別の任意選択の構成では、図９Ｃ～図９ＥのＡＴＯインジェクタ５００に、羽根５５２が含まれてもよい。

【0078】

図９Ｃ～図９ＥのＡＴＯインジェクタ５００の１つの任意選択の態様において、注入管５６４は、図９Ｅに示されるように、及び、図９Ｃ及び図９Ｄの１つの注入管５６４の一部切欠き図に示されるように、それらの周囲に開口部５６６（例えば、円筒形の開口部又は細長いスリット）を含むことができる。したがって、ＡＴＯインジェクタ５００は、シャワーヘッドタイプのインジェクタを含む。開口部５６６は、注入管５６４の円周の下半分（例えば、９０度と２７０度の間）など、注入管５６４の円周の下側部分に設けることができる。例えば、開口部５６６は、ＡＴＯ１３０へと真っ直ぐ下向きにすることができ（例えば、円周上の１８０度に対応する６時の位置に）、又は、注入管５６４の円周上の５時又は７時の位置に、及び／又はその間に配置することができる。

【0079】

図９Ｃに示される１つの任意選択の構成では、注入管５６４の端部はキャップ５６８でふたすることができる。この構成では、アノード排気流は、円筒体５６２から離れる水平方向よりむしろ、ＡＴＯ１３０へと下向きに向けられる。開口部５６６及び／又はキャップ５６８はまた、任意選択で、図９Ａ及び図９Ｂに示される注入管５６４上に形成することもできる。

【0080】

他の代替の実施形態では、円筒体５６２を穿孔する注入管５６４がより少なくなるように、上述の注入管５６４のいずれかを「フラクタル化」して円筒体５６２への穿孔を最小限に抑えることができる。これらの実施形態では、注入管９６４は、注入管９６４の長手方向軸「Ａ」からゼロでない角度で離れて延びる少なくとも１つの分岐（９６４Ｔ、９６４Ｈ、９６４Ｃ）を含む。図９Ｆに示される１つの代替の実施形態では、単一の注入管を使用する代わりに、２つの管９６４、９６４Ｔが「Ｔ」字形を形成する。図９Ｇに示される別の代替の実施形態では、単一の管９６４が、「Ｈ」形の組になった管９６４Ｈの真ん中の管に、管９６４Ｈと同じ水平面から、又は上から管９６４Ｈの真ん中の管へと下向きに向けられて、接続され得る。管９６４Ｔ及び９６４Ｈの端部は、キャップ９６８でふたすることができ、管９６４Ｔ及び９６４Ｈは、それらの円周の下部に開口部９６６を含むことができる。

【0081】

図９Ｈに示されるさらに別の代替の実施形態では、少数の注入管９６４（例えば、２～１０本、４～６本等の管）が、開口部９６６（図９Ｈの平面図には示されない）がその円周の下部に配置されたトロイダル管（例えば、円筒）９６４Ｃに接続される。注入管９６４、９６４Ｔ、９６４Ｈ、９６４Ｃは、円形の断面形状を有する（すなわち、円筒形を有する）として示されるが、これら管は、楕円形又は多角形（例えば、長方形）の断面形状など、別の断面形状を有してもよい。

【0082】

言い換えれば、図９Ａ～図９Ｈの上記構成のすべてにおいて、注入管５６４は、先の実施形態の円筒体に直接形成される注入開口又は穿孔と比較して、円筒体５６２の外面からさらに遠くにアノード排気を注入するように、円筒体５６２から半径方向外向きに延びる。結果として、比較的高温のアノード排気は、円筒体５６２の外面に接触する前に比較的低温のカソード排気と混合される。したがって、円筒体５６２は、注入開口が使用された場合よりも低い温度に維持され得る。したがって、円筒体５６２及び隣接する支持円筒８５４及び内側円筒１３０Ｃは、システム作動中、実質的に同じ温度に維持することができ、熱膨張変動からの応力を最小限に抑える又は防ぐことができる。

【0083】

さらに、注入管５６４の延長部はまた、アノード排気を、ボルテックスジェネレータ５５０の任意選択の羽根５５２によって形成される渦の中により深く注入する。図９Ｂに示されるように、渦を発生させ、及び／又はアノード排気とカソード排気の混合を増加させるために、羽根５５２は、そこに供給されるカソード排気の流れ方向に対して（例えば、中央カラム４００Ｃの垂直軸に対して）、約３０°から約６０°まで、例えば、約３５°から約５５°まで、又は約４０°から約５０°までの範囲の角度で配置することができる。

【0084】

さらに、図５～図８Ｂに示される湾曲した弧又は円筒などの２つの曲率半径を含む設計と比較して、円筒体５６２は、単一の曲率半径のみを含む。結果として、スプリッタ５６０は、製造するのがより安価となり得る。さらに、円筒体５６２がＡＴＯ１３０の上の環状空間に突出しないので、スプリッタ５６０によって発生するカソード排気の圧力損失を最小限に抑えることができる。

【0085】

図９Ａ～図９Ｈに示される実施形態では、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１０２、アノードテールガス酸化器（ＡＴＯ）１３０、燃料電池スタック１０２からのアノード排気の第１の部分を燃料電池スタックからのカソード排気と混合し、アノード排気の第１の部分とカソード排気との混合物をＡＴＯ１３０に供給するように構成されたＡＴＯインジェクタ５００、アノード排気の第１の部分をＡＴＯインジェクタ５００に供給するように構成されたアノード排気導管３０８Ｂ、及び、燃料電池スタック１０２からのカソード排気の少なくとも一部をＡＴＯインジェクタ５００に供給するように構成されたカソード排気導管３０４Ａを含む。ＡＴＯインジェクタ５００は、中空円筒体５６２と、中空円筒体５６２の外面から延び、アノード排気の第１の部分を旋回カソード排気に注入するように構成された注入管５６４とを含む。

【0086】

一実施形態では、システム１０はまた、アノード排気と燃料吸入流との間で熱交換するように構成されたアノード復熱式熱交換器１１０、及び、燃料電池セルスタック１０２からのアノード排気をアノード復熱式熱交換器１１０に供給するように構成されたアノード排気出口導管３０８Ａを含むことができ、アノード排気導管３０８Ｂは、アノード復熱式熱交換器１１０からのアノード排気をＡＴＯインジェクタ５００に供給するように構成されている。

【0087】

一実施形態では、羽根５５２が、中空円筒体５６２の外面に配置され、カソード排気を旋回するように構成され、ＡＴＯ１３０は、アノード復熱式熱交換器１１０を包囲し、ＡＴＯインジェクタ５００は、ＡＴＯ１３０の上流側（例えば、トップダウン流れの上方）及びアノード復熱式熱交換器１１０の下流側（及び上側）に配置され、中空円筒体５６２は、カソード排気導管３０４Ａの内側表面と、アノード排気導管３０８Ｂの外側表面とを含み、注入管５６４は、ＡＴＯ１３０の上流側（例えば、トップダウン流れの上方）及び羽根５５２とカソード排気導管３０４Ａの下流側（例えば、下側）に配置される。一実施形態では、羽根５２２は、カソード排気導管３０４Ａ内のカソード排気の流れ方向に対して約３０°から約６０°までの範囲の角度で配置される。

【0088】

一実施形態では、システム１０はまた、アノード排気導管３０８Ｂ、ＡＴＯインジェクタ５００及びアノード復熱式熱交換器１１０の上側に配置された第１のアノード排気リサイクル導管３０８Ｃと、第１のアノード排気リサイクル導管３０８Ｃの上側に配置され、第１のアノード排気リサイクル導管から供給されるアノード排気の第２の部分を用いて燃料電池スタック１０２に供給される空気吸入流を加熱するように構成されたアノード冷却式熱交換器１４０と、アノード冷却式熱交換器１４０からのアノード排気の第２の部分を燃料吸入流へと再循環させるように構成された第２のアノード排気リサイクル導管３０８Ｅとを含む。

【0089】

一実施形態では、注入管５６４は、中空円筒体５６２の外面から約０．５ｃｍから約３ｃｍまでの範囲の距離だけ半径方向に延び、注入管５６４は、アノード排気を第１の部分と第２の部分とに分割するように構成されたスプリッタ５１０を備える。円筒体５６２は、アノード排気導管３０８ＢとＡＴＯ１３０との間に垂直に延び、水平方向に単一の曲率半径を有する。ＡＴＯ１３０は、カソード排気とアノード排気の第１の部分との混合物を酸化するように構成された燃料酸化触媒を含む。

【0090】

開示された態様の前述の説明は、当業者が本発明を作成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様々な修正は、当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義される一般的な原理は、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、本明細書に示される態様に限定されることを意図されるものではなく、本明細書に開示される原理及び新規の特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2AB】

【図2C】

【図2D】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】

【図9E】

【図9F】

【図9G】

【図9H】