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(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】2024-07-01
(45)【発行日】2024-07-09
(54)【発明の名称】固体酸化物燃料電池効率を向上させるシステムおよび方法
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20240702BHJP
H01M 8/04014 20160101ALI20240702BHJP
H01M 8/04082 20160101ALI20240702BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20240702BHJP
H01M 8/0606 20160101ALI20240702BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20240702BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 J
H01M8/04014
H01M8/04082
H01M8/04746
H01M8/0606
H01M8/12 101
【請求項の数】
6
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2019216762
(22)【出願日】2019-11-29
(65)【公開番号】P2020109746
(43)【公開日】2020-07-16
【審査請求日】2022-11-09
(31)【優先権主張番号】16/237,787
(32)【優先日】2019-01-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】500520743
【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(74)【代理人】
【識別番号】100163522
【弁理士】
【氏名又は名称】黒田 晋平
(74)【代理人】
【識別番号】100154922
【弁理士】
【氏名又は名称】崔 允辰
(72)【発明者】
【氏名】マリアン・イー・マータ
(72)【発明者】
【氏名】チェラッパ・バラン
(72)【発明者】
【氏名】ティナ・ストイア
(72)【発明者】
【氏名】シャイレシュ・アトレヤ
【審査官】藤森 一真
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１７／０２６０３７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００４－２０７２４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１４／１１５５０２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００４－０２２２３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０１５３１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２１１１０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－２０１２６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－０６３３４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１６－５２４３０３（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】
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）効率を向上させるシステム（１００）であって、前記システム（１００）は、一連のＳＯＦＣスタック（１０１）と、
前記一連のＳＯＦＣスタック（１０１）を通る燃料流路（１０２）と、
前記一連のＳＯＦＣスタック（１０１）を通る空気流路（１０４）と、を備え、
前記一連のＳＯＦＣスタック（１０１）の２つの連続するＳＯＦＣスタック（１０６）間では、
前記燃料流路（１０２）において、前記２つの連続するＳＯＦＣスタック（１０６）の第１ＳＯＦＣスタック（１１０）から出力された排出燃料（１０８）が前記２つの連続するＳＯＦＣスタック（１０６）の第２ＳＯＦＣスタック（１１２）内に入力され、
前記空気流路（１０４）において、前記第１ＳＯＦＣスタック（１１０）から出力された排出空気（１１４）は前記第２ＳＯＦＣスタック（１１２）に入力され、
前記燃料流路（１０２）は、前記２つの連続するＳＯＦＣスタック（１０６）間の前記燃料流路（１０２）内に燃料（１１８）を注入するために配置された燃料入口（１１６）を備え、
前記２つの連続するＳＯＦＣスタック（１０６）間において、前記燃料流路（１０２）は、（ｉ）前記燃料入口（１１６）によって注入された前記燃料（１１８）と、（ｉｉ）前記第１ＳＯＦＣスタック（１１０）から出力された前記排出燃料（１０８）とを備える燃料混合物（１２２）を改質する燃料改質器（１３０）をさらに備え、
前記燃料流路（１０２）および前記空気流路（１０４）は、前記２つの連続するＳＯＦＣスタック（１０６）間で、前記燃料流路（１０２）からの燃料と前記空気流路（１０４）からの空気とが混合しないように別個の経路であり、
前記燃料流路（１０２）および前記空気流路（１０４）は、前記燃料改質器（１３０）によって実行される改質反応に熱（１３２）を供給するために前記空気流路（１０４）と前記燃料流路（１０２）との間で前記熱（１３２）が伝達されるように、共同設置および配置されており、
前記２つの連続するＳＯＦＣスタック（１０６）間で、前記燃料改質器（１３０）の下流において、前記空気流路（１０４）は、前記空気流路（１０４）に空気（１２６）を注入するための空気入口（１２４）を含む、システム（１００）。
【請求項2】
前記燃料改質器（１３０）は水蒸気改質器を含む、請求項１に記載のシステム（１００）。
【請求項3】
前記２つの連続するＳＯＦＣスタック（１０６）間で、前記燃料流路（１０２）は、前記燃料改質器（１３０）が改質する前記燃料混合物（１２２）を混合する燃料ミキサ（１３４）をさらに備える、請求項１または２に記載のシステム（１００）。
【請求項4】
前記２つの連続するＳＯＦＣスタック（１０６）間で、前記空気流路（１０４）は、（ｉ）前記空気入口（１２４）によって注入された前記空気（１２６）と、（ｉｉ）前記第１ＳＯＦＣスタック（１１０）から出力された前記排出空気（１１４）とを含む空気混合物（１２８）を混合する空気ミキサ（１３６）をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム（１００）。
【請求項5】
前記一連のＳＯＦＣスタック（１０１）は、前記一連のＳＯＦＣスタック（１０１）内で順次最初に配置された初期ＳＯＦＣスタック（１２０）を備え、前記システム（１００）は、前記燃料流路（１０２）の一部として、初期燃料入力（１４０）を受け入れ、前記初期燃料入力（１４０）を改質し、次いで前記初期ＳＯＦＣスタック（１２０）内に前記初期燃料入力（１４０）を供給する初期燃料改質器（１３８）をさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム（１００）。
【請求項6】
一連の固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックを動作させる方法（２００）であって、前記一連のＳＯＦＣスタック（１０１）は、前記一連のＳＯＦＣスタック（１０１）を通る燃料流路（１０２）と、前記一連のＳＯＦＣスタック（１０１）を通る空気流路（１０４）とを含み、前記方法は、前記一連のＳＯＦＣスタック（１０１）内の２つの連続するＳＯＦＣスタック（１０６）の間で、
前記燃料流路（１０２）において、前記２つの連続するＳＯＦＣスタック（１０６）の第１ＳＯＦＣスタック（１１０）から出力された排出燃料（１０８）を前記２つの連続するＳＯＦＣスタック（１０６）の第２ＳＯＦＣスタック（１１２）内に送達するステップ（２０２）と、
前記空気流路（１０４）において、前記第１ＳＯＦＣスタック（１１０）から出力された排出空気（１１４）を前記第２ＳＯＦＣスタック（１１２）内に送達するステップ（２０４）と、
前記２つの連続するＳＯＦＣスタック（１０６）間の前記燃料流路（１０２）内に燃料（１１８）を注入するステップ（２０６）と、
前記２つの連続するＳＯＦＣスタック（１０６）間で、燃料改質器（１３０）によって、（ｉ）前記燃料（１１８）と、（ｉｉ）前記第１ＳＯＦＣスタック（１１０）から出力された前記排出燃料（１０８）とを含む燃料混合物（１２２）を改質するステップ（２０８）と、
前記２つの連続するＳＯＦＣスタック（１０６）間で、前記改質するステップの後に、前記排出空気（１１４）に空気（１２６）を注入するステップと、
を備え、
前記燃料流路（１０２）および前記空気流路（１０４）は、前記２つの連続するＳＯＦＣスタック（１０６）間で、前記燃料流路（１０２）からの燃料と前記空気流路（１０４）からの空気とが混合しないように別個の経路であり、
前記燃料流路（１０２）および前記空気流路（１０４）は、前記燃料改質器（１３０）によって実行される改質反応に熱（１３２）を供給するために前記空気流路（１０４）と前記燃料流路（１０２）との間で前記熱（１３２）が伝達されるように、共同設置および配置されている、方法（２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般に、燃料電池システムに関し、より具体的には、ＳＯＦＣシステムの効率を向上するために固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックを直列にステージングすることに関する。
【背景技術】
【0002】
固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）などの電気機械燃料電池は、電気を発生するために入ってくる燃料および酸化剤のストリーム間に電気化学反応を生じることによって、動作する。個別に、各電気機械燃料電池は、比較的少量の電気を発生する。したがって、所望の量の電気を発生するために、個々の電気機械燃料電池は通常、直列に配置されて燃料電池「スタック」を形成する。燃料電池スタックは、航空機またはその他のビークル上など、様々な状況で利用することができる。
【0003】
ＳＯＦＣ技術は、華氏１０２０度（°Ｆ）から１９００°Ｆなどの高温で動作し、酸化剤および燃料のフローは、ＳＯＦＣスタック内に導入される前に動作温度まで加熱される必要がある。従来、入ってくるストリームの中の使用可能な燃料および酸素／空気の全てがＳＯＦＣスタック内の１回の通過で電気化学的に反応できるわけではない。ＳＯＦＣシステムが追加エネルギーを引き出すために、通常は未使用の燃料を酸素／空気と共に燃焼して有用な熱を発生するか、または各ストリームが別々に再循環してスタックに戻ることができる。未使用の燃料と未使用の酸素の燃焼は、燃料の電気化学的反応よりも効率が悪い。
【0004】
燃料および／または空気循環を有する既存のＳＯＦＣシステムは通常、大型のＳＯＦＣスタックと、１つ以上のリサイクルブロワまたは排出燃料をＳＯＦＣスタック内に再循環させるように動作する類似の装置とを含む。しかしながら、既存のＳＯＦＣシステム内の再循環およびリサイクルブロワは通常、中温または高温で動作し、望み通りには動作しない。したがって、既存のＳＯＦＣシステムは通常、入ってくるストリームをより低い温度に冷却し、その後入ってくるストリームがリサイクルブロワ内を通過し、次いでＳＯＦＣ動作温度まで加熱される、熱交換器も含む。これは既存のＳＯＦＣシステムに複雑さと重量を追加し、航空機または重量が主要な考慮事項であるその他のシナリオにとってこれは望ましくない場合がある。
【0005】
必要なのは、より軽量かつ複雑さが少ない、効率的で信頼性の高いＳＯＦＣシステムである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0006】
一例において、ＳＯＦＣ効率を向上させるシステムが記載される。システムは、一連のＳＯＦＣスタックと、一連のＳＯＦＣスタックを通る燃料流路と、一連のＳＯＦＣスタックを通る空気流路とを備える。一連のＳＯＦＣスタック内の２つの連続するＳＯＦＣスタックの間では、燃料流路において、２つの連続するＳＯＦＣスタックの第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出燃料が２つの連続するＳＯＦＣスタックの第２ＳＯＦＣスタック内に入力され、空気流路において、第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出空気は第２ＳＯＦＣスタックに入力され、燃料流路は、２つの連続するＳＯＦＣスタック間の燃料流路内に燃料を注入するために配置された燃料入口を備える。
【0007】
別の例では、ＳＯＦＣ効率を向上させるシステムが記載される。システムは、一連のＳＯＦＣスタックと、一連のＳＯＦＣスタックを通る燃料流路と、一連のＳＯＦＣスタックを通る空気流路とを備える。一連のＳＯＦＣスタック内の２つの連続するＳＯＦＣスタックの間では、燃料流路において、２つの連続するＳＯＦＣスタックの第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出燃料が２つの連続するＳＯＦＣスタックの第２ＳＯＦＣスタック内に入力され、空気流路において、第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出空気は第２ＳＯＦＣスタックに入力され、空気流路は、２つの連続するＳＯＦＣスタック間の空気流路内に空気を注入するために配置された空気入口を備える。
【0008】
別の例では、一連のＳＯＦＣスタックを動作させる方法が記載される。一連のＳＯＦＣスタックは、一連のＳＯＦＣスタックを通る燃料流路と、一連のＳＯＦＣスタックを通る空気流路とを含む。方法は、一連のＳＯＦＣスタック内の２つの連続するＳＯＦＣスタックの間で、燃料流路において、２つの連続するＳＯＦＣスタックの第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出燃料を２つの連続するＳＯＦＣスタックの第２ＳＯＦＣスタック内に送達するステップと、空気流路において、第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出空気を第２ＳＯＦＣスタック内に送達するステップと、２つの連続するＳＯＦＣスタック間の燃料流路内に燃料を注入するステップと、を備える。
【0009】
別の例では、一連のＳＯＦＣスタックを動作させる方法が記載される。一連のＳＯＦＣスタックは、一連のＳＯＦＣスタックを通る燃料流路と、一連のＳＯＦＣスタックを通る空気流路とを含む。方法は、一連のＳＯＦＣスタック内の２つの連続するＳＯＦＣスタックの間で、燃料流路において、２つの連続するＳＯＦＣスタックの第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出燃料を２つの連続するＳＯＦＣスタックの第２ＳＯＦＣスタック内に送達するステップと、空気流路において、第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出空気を第２ＳＯＦＣスタック内に送達するステップと、２つの連続するＳＯＦＣスタック間の空気流路内に空気を注入するステップと、を備える。
【0010】
説明された形状、機能、および利点は、様々な例において独立して達成されることが可能であり、さらに別の例と組み合わせられてもよい。例のさらなる詳細は、以下の説明および図面を参照するとわかる。
【0011】
説明的な例の特徴と考えられる新規な形態は、添付請求項に明記される。しかしながら、説明的な例は、好適な使用態様、さらなる目的、ならびにその説明と同様に、添付図面と併せて読まれたときに本開示の説明的な例の以下の詳細な説明を参照して、最もよく理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】実装例による、一連のＳＯＦＣスタックと、一連のＳＯＦＣスタックの２つの連続するＳＯＦＣスタック間に配置された燃料入口とを含むシステムの例を示す図である。
【図5】実装例による、２つの連続するＳＯＦＣスタック間に配置された燃料入口、空気入口、燃料改質器、燃料ミキサ、および空気ミキサを示す図である。
【図8】実装例による、一連のＳＯＦＣスタックを動作する例示的方法のフローチャートである。
【図14】実装例による、一連のＳＯＦＣスタックを動作する別の例示的方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、開示される例の全てではなく一部のみが示されている添付図面を参照して、開示される例がより完全に記載される。実際、いくつかの異なる例が記載されてもよいが、本明細書に明記される例に限定されると解釈されるべきではない。むしろこれらの例は、本開示が徹底的で完全となり、本開示の範囲を当業者に完全に伝えるように、記載されるものである。
【0014】
本明細書で使用される用語「実質的に」、「約」、および「およそ」とは、引用された特徴、パラメータ、または値は正確に実現される必要がなく、たとえば公差、測定誤差、測定精度の限界および当業者にとって周知のその他の要因を含む、偏差または変動が、この特徴が提供しようとする効果を不可能にしない量で生じる可能性があるということを、意味する。
【0015】
別途明記されない限り、図面に示される要素は必ずしも縮尺通りではない。
【0016】
例の中で、ＳＯＦＣシステムに関する方法およびシステムが記載される。特に、開示されるＳＯＦＣシステムは、既存のＳＯＦＣシステムから重量および複雑さを低減しながら、信頼性および効率を向上させることができる。既存のＳＯＦＣシステムのようにリサイクルブロワを使用して単一のより大きいＳＯＦＣスタックから同じＳＯＦＣスタック内に戻すように排出燃料を再循環させるのではなく、開示されるＳＯＦＣシステムは、複数のより小さいＳＯＦＣスタックを直列に配列することを伴い、直列の初期ＳＯＦＣスタックを例外として、各ＳＯＦＣスタックは、前のＳＯＦＣスタックの出力を取り込むように構成されている。加えて、一連のものに沿った１つ以上の箇所で、後続のＳＯＦＣスタックを反応させるために所与のＳＯＦＣスタックからの排出燃料に燃料が追加され、および／または前のＳＯＦＣスタックから出力された前に反応した空気を冷却するために空気が追加される。そのため、開示されるＳＯＦＣシステムは、他の方法の場合と同様に、リサイクルブロワの必要性を排除することによって、重量および複雑さを低減することができる。
【0017】
本明細書では、主にＳＯＦＣスタックを参照して例示的なシステムが記載されるが、他の実施例では、他のタイプの燃料電池スタックがＳＯＦＣスタックの代わりに使用され得ることを、理解すべきである。このようなスタックの例は、他の可能性の中でも、リン酸燃料電池スタック、固体酸燃料電池スタック、または溶融炭酸塩燃料電池スタックを含む。
【0018】
ここで図を参照すると、図１は、ＳＯＦＣ効率を向上させるシステム１００の例である。システム１００は、一連のＳＯＦＣスタック１０１と、一連のＳＯＦＣスタック１０１を通る燃料流路１０２と、一連のＳＯＦＣスタック１０１を通る空気流路１０４とを含む。一連のＳＯＦＣスタック１０１内の２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６間の燃料流路１０２では、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６の第１ＳＯＦＣスタック１１０から出力された排出燃料１０８が、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６の第２ＳＯＦＣスタック１１２内に入力される。２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６間の空気流路１０４では、第１ＳＯＦＣスタック１１０から出力された排出空気１１４が、第２ＳＯＦＣスタック１１２内に入力される。さらに、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６間の燃料流路１０２はまた、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６間の燃料流路１０２内に燃料１１８を注入するために配置された燃料入口１１６も含む。
【0019】
図示されるように、一連のＳＯＦＣスタック１０１は３つのＳＯＦＣスタック、すなわち第１ＳＯＦＣスタック１１０と、第２ＳＯＦＣスタック１１２と、一連のＳＯＦＣスタック１０１内で順次最初に配置される初期ＳＯＦＣスタック１２０とを含む。代替例では、一連のＳＯＦＣスタック１０１は、より多くのまたは少ないＳＯＦＣスタックを含むことができる。たとえば、場合により、６つ、７つ、または８つのＳＯＦＣスタックを含む一連のＳＯＦＣスタックは、６つ未満のＳＯＦＣスタックを有する一連のＳＯＦＣスタックよりもさらに高いＳＯＦＣシステム効率をもたらすことができる。ＳＯＦＣスタックの最適な数は様々である。
【0020】
一連のＳＯＦＣスタック１０１の各ＳＯＦＣスタック、すなわち第１ＳＯＦＣスタック１１０、第２ＳＯＦＣスタック１１２、および初期ＳＯＦＣスタック１２０の各々は、直列または別の方法で組み立てられた複数の接続されたＳＯＦＣを含む。さらに、ＳＯＦＣスタックの各ＳＯＦＣは、アノード、カソード、および電解質を含み、各ＳＯＦＣは、燃料が酸化される電気化学反応を通じて電気を発生するように構成されている。たとえば、水素を含む流入燃料はＳＯＦＣのアノード側に入力され、１つ以上の酸化剤（たとえば、酸素、または別の酸化剤）を含む流入空気はＳＯＦＣのカソード側に入力される。電解質（すなわち、固体酸化物電解質）は、負の酸素イオンをカソードからアノードに誘導する。アノード側では、酸素イオンはその後、流入燃料からの水素で電気化学的に酸化され、こうして電気、排熱、および蒸気を生成する。各ＳＯＦＣは個別に比較的少量の電気を生成し得るので、ＳＯＦＣは通常、スタックとして配置される。
【0021】
燃料流路１０２は、一連のＳＯＦＣスタック１０１の各ＳＯＦＣスタック内、および一連のＳＯＦＣスタック１０１のＳＯＦＣスタック間の両方に、物理的経路（たとえば、管、入口、出口、および／またはその他の構造）を含み、これを通じて燃料、排出燃料、水、および／またはその他の要素が流れる。
【0022】
空気流路１０４は、一連のＳＯＦＣスタック１０１の各ＳＯＦＣスタック内、および一連のＳＯＦＣスタック１０１のＳＯＦＣスタック間の両方に、物理的経路を含み、これを通じて空気、排出空気、水、および／またはその他の要素が流れる。実際には、燃料流路１０２および空気流路１０４は別個の経路であり、任意の２つの連続するＳＯＦＣスタック（たとえば、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６）の間で、燃料流路１０２からの燃料および空気流路１０４からの空気が混合しないように、設計および配置されている。
【0023】
２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６は、一連のＳＯＦＣスタック１０１の２つの連続するＳＯＦＣスタックの代表例である。本明細書で使用される際に、用語「２つの連続するＳＯＦＣスタック」は、一連のＳＯＦＣスタック１０１内の所与の対の連続するＳＯＦＣスタックを指し、所与の対の連続するＳＯＦＣスタックの１つのＳＯＦＣスタックは、所与の対の連続するＳＯＦＣスタックの他方のＳＯＦＣスタックに順次先行する。したがって、初期ＳＯＦＣスタック１２０および第１ＳＯＦＣスタック１１０は、２つの連続するＳＯＦＣスタックの別の例である。さらに、２つの連続するＳＯＦＣスタック間で配置および発生するものとして本明細書に記載されるコンポーネントおよび関連する動作は、単一の対のＳＯＦＣスタックに限定されない。たとえば、第１ＳＯＦＣスタック１１０と第２ＳＯＦＣスタック１１２との間に配置された燃料入口１１６に加えて、またはその代わりに、別の燃料入口（図示せず）が初期ＳＯＦＣスタック１２０と第１ＳＯＦＣスタック１１０との間に配置され得る。
【0024】
排出燃料１０８は、蒸気、炭化水素、および水素を含む、液体および気体で構成されている。排出燃料１０８はまた、一酸化炭素、窒素、および／またはその他の元素または化合物を含むこともできる。
【0025】
排出空気１１４は、蒸気、酸素、窒素、一酸化炭素、および地球の大気中に自然発生するその他の元素を含む、液体および気体で構成されている。
【0026】
燃料入口１１６は、燃料１１８が燃料入口１１６を通じて燃料流路１０２内に注入され得るように構成された、パイプまたはその他の構造を含む。
【0027】
燃料１１８は、水素および少なくとも１つのタイプの炭化水素を含む、液体および／または気体状燃料である。燃料１１８は「新鮮な」燃料であり、すなわちこれはＳＯＦＣによって変更されていない、排出燃料１０８とは異なる供給源からの燃料であり、燃料流路１０２に追加の水素および炭化水素を供給する。さらに、燃料１１８は、（ｉ）第２ＳＯＦＣスタック１１２内の電気化学のために直接使用されるため（すなわち、燃料１１８を最初に改質することなく）、または（ｉｉ）燃料１１８を第２ＳＯＦＣスタック１１２内で電気化学的に反応できる成分に分解するために改質されるために、システム１００内に導入される。
【0028】
動作中、燃料入口１１６によって注入された燃料１１８はその後、燃料１１８および排出燃料１０８で構成された燃料混合物１２２を作成するために、第１ＳＯＦＣスタック１１０から出力された排出燃料１０８と混合される。たとえば、排出燃料１０８は燃料流路１０２の管を通って移動することができ、燃料１１８は管の中に注入されることが可能であり、これによって排出燃料１０８の液体および気体を管内の燃料１１８の液体および気体と混合させる。次いで燃料混合物１２２は、第２ＳＯＦＣスタック１１２に侵入し、そこで第２ＳＯＦＣスタック１１２は電気化学反応を実行するために燃料混合物１２２を使用することができる。したがって、燃料混合物１２２は、第２ＳＯＦＣスタック１１２用の流入燃料である。燃料混合物１２２は、排出燃料１０８と、燃料１１８からの追加の水素および炭化水素を含む。
【0029】
第１ＳＯＦＣスタック１１０、第２ＳＯＦＣスタック１１２、および初期ＳＯＦＣスタック１２０などのＳＯＦＣスタックは、ＳＯＦＣスタックに入力される十分な反応物水素またはその他の反応物燃料（すなわち、メタン、一酸化炭素など）、ＳＯＦＣスタックに入力される十分な反応物酸素、および電流が移動する負荷経路がある限り、ならびにＳＯＦＣスタック内への流入燃料および流入空気が各々適切な温度である限り、電気を発生することができる。本明細書で使用される際に、用語「適切な温度」は、ＳＯＦＣスタックが電気化学反応を最適に実行するように構成された動作温度範囲内、またはその境界に実質的に近い温度を指す。動作温度範囲の例は、摂氏６５０から１０００度（℃）の範囲であり得る。適切な温度は、個々のＳＯＦＣスタック設計に依存し得る。
【0030】
ＳＯＦＣの効率、ひいてはＳＯＦＣスタックの効率は、一般に、反応物濃度の上昇と共に向上する。したがって、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６間に燃料１１８を追加することで、第２ＳＯＦＣスタック１１２内で引き続き発生する電気化学反応により多くの反応物（この場合、より多くの燃料）を供給するのに役立ち、これによって第２ＳＯＦＣスタック１１２の、ひいてはシステム１００の効率を向上させる。加えて、燃料１１８は排出燃料１０８よりも低温であり得るので、燃料１１８を追加することで、燃料流路１０２内の温度を、第２ＳＯＦＣスタック１１２が電気化学反応を実行するのに適切な温度まで低下させるのに役立つ可能性がある。
【0031】
ここで図２を参照すると、燃料入口１１６を含む２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６間の燃料流路１０２の代わりに、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６間の空気流路１０４が、空気流路１０４内に空気１２６を注入するために配置された空気入口１２４を含むシステム１００の例が示されている。
【0032】
空気入口１２４は、空気１２６が空気入口１２４を通じて空気流路１０４内に注入され得るように構成された、パイプまたはその他の構造を含む。
【0033】
空気１２６は、窒素、一酸化炭素、および地球の大気中に自然発生するその他の元素を含む。空気１２６は「新鮮な」空気であり、すなわちこれは、所望の温度（たとえば、排出空気１１４よりも低い温度）に、および／またはシステム１００内への導入のためのその他の所望の条件になるように処理される、排出空気１１４とは異なる供給源からの、周囲空気である。
【0034】
動作中、空気入口１２４によって注入された空気１２６はその後、空気１２６および排出空気１１４から構成された空気混合物１２８を作成するために、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６の第１ＳＯＦＣスタック１１０から出力された排出空気１１４と混合される。次いで、空気混合物１２８は第２ＳＯＦＣスタック１１２に侵入し、そこで第２ＳＯＦＣスタック１１２は電気化学反応を実行するために空気混合物１２８を使用することができる。したがって、空気混合物１２８は、第２ＳＯＦＣスタック１１２用の流入空気である。空気混合物１２８は、排出空気１１４、ならびに空気１２６からの追加の酸素およびその他の元素を含む。
【0035】
ＳＯＦＣスタック内の電気化学反応に空気が使用されるとき、使用可能な酸素の一部が消費され、追加の排熱が追加される。このため、第１ＳＯＦＣスタック１１０を離れる排出空気１１４は通常、所望されるよりも高い温度および低い酸素パーセンテージを有することになる。さらに、ＳＯＦＣスタックの効率は、一般に、反応物濃度の上昇と共に向上する。したがって、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６間に空気１２６を追加することで、第２ＳＯＦＣスタック１１２内で引き続き発生する電気化学反応により多くの反応物（この場合、より多くの酸素）を供給するのに役立ち、これによって第２ＳＯＦＣスタック１１２の、ひいてはシステム１００の効率を向上させる。加えて、空気１２６は排出空気１１４よりも低温であり得るので、空気１２６を追加することで、空気流路１０４内の温度を適切な温度まで低下させるのに役立つ可能性がある。
【0036】
図１に示されるような燃料入口１１６または図２に示されるような空気入口１２４のどちらを使用してシステム１００を実現するかは、どちらもシステム１００の動作における効率を提供し得るので、用途依存であり得る。たとえば、いくつかの状況では、システム１００に対して体積制限が課される可能性がある。体積制限は、用途依存、ビークル依存、またはその他何らかの条件に基づく可能性がある。いくつかの実施形態では、システム１００は、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６間に図１の燃料入口１１６または図２の空気入口１２４のいずれかを含むことによって、体積制限を満たすことができる。しかしながら、次に図３に示される実施形態などの別の実施形態では、システム１００は、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６間に燃料入口１１６および空気入口１２４の両方を含み、依然として体積制限を満たすことができる。
【0037】
ここで図３を参照すると、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６間で、燃料流路１０２が燃料入口１１６を含み、空気流路１０４が空気入口１２４を含むシステム１００の例が示されている。
【0038】
燃料流路１０２に燃料１１８を追加して空気流路１０４に空気１２６を追加することで、第２ＳＯＦＣスタック１１２内で発生する電気化学反応により多くの反応物、この場合はより多くの燃料およびより多くの酸素の両方を供給するのに役立ち、これによってシステム１００の効率を向上させる。加えて、燃料１１８は排出燃料１０８よりも低温であり得、空気１２６は排出空気１１４よりも低温であり得るので、燃料１１８および空気１２６を追加することで、燃料流路１０２および空気流路１０４内のそれぞれの温度を適切な温度まで低下させるのにも役立つ可能性がある。
【0039】
ここで図４を参照すると、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６間の燃料入口１１６および空気入口１２４に加えて、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６間の燃料流路１０２が、燃料混合物１２２を改質するように構成された燃料改質器１３０も含むシステム１００の例が示されている。
【0040】
本明細書で使用される際に、用語「改質」またはその変形は、燃料を取り込み、その燃料の炭化水素鎖をＳＯＦＣスタック内で電気化学的に反応できる成分に分解することを意味する。したがって、燃料改質器１３０は、燃料混合物１２２を取り込み、燃料混合物１２２の炭化水素鎖を第２ＳＯＦＣスタック１１２内で電気化学的に反応できる成分（たとえば、水素）に分解するように動作可能な物理的装置である。燃料改質器１３０、または本明細書に記載されるその他の燃料改質器は、様々な形態を取ることができる。たとえば、燃料改質器１３０は、燃料混合物１２２を改質するために吸熱改質反応を使用する水蒸気改質器などの吸熱改質器であり得る。燃料改質器１３０は、燃料混合物１２２を受け入れるための入口と、改質反応が生じるチャンバと、改質された後に燃料混合物１２２が出て行く出口と、（たとえば、入口内への燃料混合物１２２取り込みを制御し、および／または出口からの燃料混合物１２２出力を制御するための）１つ以上の弁とを含む。燃料改質器１３０はまた、改質器のタイプに応じて、熱供給源（たとえば、バーナ）、ニッケル触媒（またはその他の金属触媒）、他の入口、他の出口なあどのような、他のコンポーネントも含むことができる。
【0041】
燃料改質器１３０は、別個のコンポーネントとして、第１ＳＯＦＣスタック１１０および第２ＳＯＦＣスタック１１２とは別に、示されている。しかしながら、代替実施形態では、燃料改質器１３０は、第１ＳＯＦＣスタック１１０または第２ＳＯＦＣスタック１１２のうちの１つに組み込まれることが可能である。たとえば、燃料改質器１３０は、第１ＳＯＦＣスタック１１０の出口と一体化されるか、または第２ＳＯＦＣスタック１１２の入口と一体化され得る。これにより、重量、体積、および複雑さをさらに低減できる。燃料改質器１３０が第１ＳＯＦＣスタック１１０または第２ＳＯＦＣスタック１１２のどちらに組み込まれるかは、システム１００で使用される燃料のタイプに依存し得る。たとえば、メタンは他の燃料よりも容易に改質できるので、第１ＳＯＦＣスタック１１０の内部で改質を行うことができ、このため燃料改質器１３０は第１ＳＯＦＣスタック１１０と一体化され得る。
【0042】
燃料改質器１３０は、燃料混合物１２２の炭化水素鎖を分解するために燃料改質器１３０内で発生する改質反応を持続させるための熱を必要とする可能性がある。しかしながら、いくつかの状況では、燃料混合物１２２が、改質反応を持続させるほど十分に高温ではない場合がある。したがって、燃料改質器１３０に改質反応用の熱を供給するために、燃料流路１０２および空気流路１０４は、別個の経路ではあるが、熱、すなわち、図４の矢印で示される、熱１３２が、排出空気１１４から抽出されて、空気流路１０４内に（通常は排出空気１１４よりも低温の）空気１２６が注入される前に空気流路１０４と燃料流路１０２との間に伝達されるように、共同設置および配置されることが可能である。たとえば、空気流路１０４は、空気流路１０４および燃料改質器１３０が、熱１３２が伝達する固体壁によって分離されるがこれを共有するように、燃料改質器１３０に隣接することができる。熱１３２を表す矢印は、図４に示されている。
【0043】
動作中、燃料入口１１６によって注入された燃料１１８はその後、燃料混合物１２２を作成するために、第１ＳＯＦＣスタック１１０から出力された排出燃料１０８と混合される。燃料混合物１２２はその後燃料改質器１３０に侵入し、燃料改質器１３０は燃料混合物１２２を改質する。実質的に同時に、または燃料改質器１３０が燃料混合物１２２を改質する前に、熱１３２は改質反応のために燃料改質器１３０に供給される。一旦改質されると、燃料混合物１２２は第２ＳＯＦＣスタック１１２内に入力される。
【0044】
排出燃料１０８および燃料１１８の両方から燃料流路１０２内の下流に燃料改質器１３０を配置することによって、改質反応のために燃料改質器１３０が必要とする反応物の全てが供給される。さらに、燃料混合物１２２を改質することによって、燃料改質器１３０は、第２ＳＯＦＣスタック１１２内で生じる電気化学反応のための反応物の量をさらに増加させるのに役立つことができ、これにより、第２ＳＯＦＣスタック１１２、ひいてはシステム１００の効率を向上させる。
【0045】
燃料改質器１３０が水蒸気改質器である例では、燃料改質器１３０は、吸熱改質反応を持続させるための熱および入力蒸気を必要とする。熱１３２は、燃料改質器１３０の熱要件を満たすために上記で説明されたように供給されることが可能であり、上述のように、第１ＳＯＦＣスタック１１０内の電気化学反応の副産物としての蒸気を含む、排出燃料１０８は、入力蒸気の要件を満たすために有利に使用されることが可能である。したがって、水蒸気改質器の使用によってシステム１００の効率を向上させることができ、これにより、第１ＳＯＦＣスタック１１０の排出燃料１０８からの蒸気を第２ＳＯＦＣスタック１１２の前に水蒸気改質器内で使用できるようにする。代替例では、他のタイプの燃料改質器が使用され得る。
【0046】
ここで図５を参照すると、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６間にある燃料入口１１６、空気入口１２４、および燃料改質器１３０に加えて、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６間の燃料流路１０２が、燃料改質器１３０が改質するための燃料混合物１２２を混合するように構成された燃料ミキサ１３４も含むシステム１００の例が示されている。加えて、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６間の空気流路１０４は、第２ＳＯＦＣスタック１１２内に入力するための空気混合物１２８を混合するように構成された空気ミキサ１３６も含む。
【0047】
燃料ミキサ１３４は、１つ以上の入口と、１つ以上の出口と、燃料混合物１２２が混合されるチャンバ（たとえば、燃料流路１０２の他の部分よりも大きい直径を有する領域）とを有する、管または複数の相互接続管などの構造である。燃料混合物１２２の混合を容易にするために、燃料ミキサ１３４は、燃料混合物１２２を混合する別個の装置（たとえば、回転する付属物）を動かす（たとえば、回転させる）ことができるか、またはこれを含むことができる。加えて、または代わりに、燃料混合物１２２の混合は、それ自体または別の装置の燃料ミキサ１３４を動かすことなく、燃料混合物１２２が燃料ミキサ１３４を流れる際に自然に起こり得る。燃料ミキサ１３４は、（たとえば、図５に示されるように）燃料入口１１６から分離したコンポーネントであってもよく、または燃料入口１１６を含むことができる。
【0048】
空気ミキサ１３６は、１つ以上の入口と、１つ以上の出口と、空気混合物１２８が混合されるチャンバ（たとえば、空気流路１０４の他の部分よりも大きい直径を有する領域）とを有する、管または複数の相互接続管などの構造である。空気混合物１２８の混合を容易にするために、空気ミキサ１３６は、空気混合物１２８を混合する別個の装置（たとえば、ファン）を動かす（たとえば、回転させる）ことができるか、またはこれを含むことができる。加えて、または代わりに、空気混合物１２８の混合は、それ自体または別の装置の空気ミキサ１３６を動かすことなく、空気混合物１２８が空気ミキサ１３６を流れる際に自然に起こり得る。空気ミキサ１３６は、（たとえば、図５に示されるように）空気入口１２４から分離したコンポーネントであってもよく、または空気入口１２４を含むことができる。
【0049】
動作中、燃料ミキサ１３４は、上述のように燃料混合物１２２を混合し、燃料混合物１２２はその後、改質されるために燃料改質器１３０に侵入する。本明細書で使用される際に、フレーズ「燃料混合物を混合する」またはその変形は、燃料ミキサ１３４が燃料入口１１６から分離したコンポーネントであるか否かに応じて、異なる行為を指すことができる。たとえば、図５に示される実施形態など、燃料ミキサ１３４が燃料入口１１６から分離したコンポーネントである実施形態では、燃料１１８および排出燃料１０８は、燃料入口１１６と燃料ミキサ１３４との間の燃料流路１０２に沿って燃料１１８および排出燃料１０８が移動した距離のため、燃料１１８および排出燃料１０８が燃料ミキサ１３４に侵入するまでに、既にある程度混合され得る。この場合、燃料混合物１２２を混合する行為は、燃料ミキサ１３４に侵入する燃料混合物１２２をさらに混合するのを助けることを伴う。あるいは、燃料ミキサ１３４が燃料入口１１６を含む実施形態では、燃料混合物１２２を混合する行為は、燃料１１８および排出燃料１０８を別々に取り込んで燃料混合物１２２を作成することを伴う。
【0050】
いずれの場合も、燃料ミキサ１３４は、燃料１１８および排出燃料１０８を均一に混合するのに役立ち得る。本明細書で使用される際に、フレーズ「均一に混合する」およびその変形は、物質が個々の化学的組成を維持し、結果的な混合物の全ての部分が同じ特性（たとえば、結果的な混合物が均一な温度および均一な組成を有する）または実質的に同じ特性を有する、複数の物質の混合のタイプを指す。したがって、燃料ミキサ１３４は、システム１００の効率を向上させるのに役立つ燃料１１８からの反応物の増加量を維持しながら、燃料１１８および排出燃料１０８を許容できるほど均一な温度、すなわち適切な温度に均一に混合するのに役立ち得る。
【0051】
加えて、燃料ミキサ１３４は、燃料混合物１２２が第２ＳＯＦＣスタック１１２に入力される前に燃料混合物１２２の適切な温度および所望の反応物濃度を達成するのに必要な燃料流路１０２に沿った距離を短縮するのに役立つこともでき、これにより、燃料流路１０２内の温度および反応物濃度を上昇させながら、重量および体積を最小化させるのに役立つ。燃料ミキサ１３４が燃料入口１１６を含む代替実施形態は、燃料混合物１２２の適切な温度および所望の反応物濃度を達成するのに必要な燃料流路１０２に沿った距離をさらに短縮することができる。さらに、別の代替実施形態では、燃料ミキサ１３４は、体積制限を満たしながら燃料混合物１２２の均一な混合を達成するように、燃料改質器１３０がなかったとしても、２つの連続するＳＯＦＣスタック１０６間に含まれ得る。
【0052】
加えて、動作中、空気ミキサ１３６は、上述のように空気混合物１２８を混合し、空気混合物１２８はその後、第２ＳＯＦＣスタック１１２に侵入する。本明細書で使用される際に、フレーズ「空気混合物を混合する」またはその変形は、空気ミキサ１３６が空気入口１２４から分離したコンポーネントであるか否かに応じて、異なる行為を指すことができる。たとえば、図５に示される実施形態など、空気ミキサ１３６が空気入口１２４から分離したコンポーネントである実施形態では、空気１２６および排出空気１１４は、空気入口１２４と空気ミキサ１３６との間の空気流路１０４に沿って空気１２６および排出空気１１４が移動した距離のため、空気１２６および排出空気１１４が空気ミキサ１３６に侵入するまでに、既にある程度混合され得る。この場合、空気混合物１２８を混合する行為は、空気ミキサ１３６に侵入する空気混合物１２８をさらに混合するのを助けることを伴う。あるいは、空気ミキサ１３６が空気入口１２４を含む実施形態では、空気混合物１２８を混合する行為は、空気１２６および排出空気１１４を別々に取り込んで空気混合物１２８を作成することを伴う。
【0053】
いずれの場合も、空気ミキサ１３６は、システム１００の効率を向上させるのに役立つ空気１２６からの反応物の増加量を維持しながら、空気１２６および排出空気１１４を均一に混合するのに役立つことができ、これにより、排出空気１１４の温度を許容できるほど均一な温度、すなわち適切な温度まで低下させる。
【0054】
加えて、空気ミキサ１３６は、空気混合物１２８が第２ＳＯＦＣスタック１１２に入力される前に空気混合物１２８の適切な温度および所望の反応物濃度を達成するのに必要な空気流路１０４に沿った距離を短縮するのに役立つこともでき、これにより、空気流路１０４内の温度および反応物濃度を増加させながら、重量および体積を最小化させるのに役立つ。空気ミキサ１３６が空気入口１２４を含む代替実施形態は、空気混合物１２８の適切な温度および所望の反応物濃度を達成するのに必要な空気流路１０４に沿った距離をさらに短縮することができる。
【0055】
ここで図６を参照すると、燃料流路１０２が、初期燃料入力１４０を受け入れ、初期燃料入力１４０を改質し、初期ＳＯＦＣスタック１２０内に初期燃料入力１４０を供給するように構成された初期燃料改質器１３８を含むシステム１００の例が示されている。加えて、燃料流路１０２は、初期燃料改質器１３８と初期ＳＯＦＣスタック１２０との間に配置された熱交換器１４２を含み、空気流路１０４は、初期ＳＯＦＣスタック１２０に侵入する初期空気入力１４４を含む。
【0056】
初期燃料改質器１３８は、初期燃料入力１４０を取り込み、初期燃料入力１４０の炭化水素鎖を初期ＳＯＦＣスタック１２０内で電気化学的に反応できる成分（たとえば、水素）に分解するように動作可能な物理的装置である。初期燃料改質器１３８は、初期燃料入力１４０を改質するために発熱反応を使用するＣＰＯＸ改質器など、様々な形態を取ることができる。あるいは、初期燃料改質器１３８は、水蒸気改質器、または別のタイプの燃料改質器であり得る。
【0057】
初期燃料入力１４０は、水素および少なくとも１つのタイプの炭化水素を含む、液体および／または気体状燃料である。上記の燃料１１８と同様に、初期燃料入力１４０は、ＳＯＦＣによって変更されておらず、（ｉ）初期ＳＯＦＣスタック１２０内の電気化学反応のために直接使用されるため（すなわち、初期燃料入力１４０を最初に改質することなく）、または、図６に示される例のように、（ｉｉ）初期燃料入力１４０を初期ＳＯＦＣスタック１２０内で電気化学的に反応できる成分に分解するために初期燃料改質器１３８によって改質されるために、システム１００内に導入される、新鮮な燃料であり得る。いずれの場合も、初期ＳＯＦＣスタック１２０内で起こる電気化学反応は、システム１００の動作を効率的に開始する。
【0058】
熱交換器１４２は、初期燃料入力１４０が初期燃料改質器１３８によって改質された後に初期燃料入力１４０の温度を低下させ、燃料流路１０２から空気流路１０４に熱１４６を伝達するように構成された装置である。熱交換器１４２は、初期燃料入力１４０が移動する管または一連の管を含むことができ、管は、熱１４６がそれを通じて初期燃料入力１４０から空気流路１０４に伝達され得る固体壁によって空気流路１０４から分離されている。
【0059】
初期空気入力１４４は、電気化学反応が起こるときに初期ＳＯＦＣスタック１２０内で起こる電気化学反応の間に初期燃料入力１４０を酸化させるのに最終的に役立つ酸化剤（たとえば、酸素、またはその他の酸化剤）を含む空気である。
【0060】
動作中、初期燃料改質器１３８は、初期燃料入力１４０を受け入れ、初期燃料入力１４０を改質する。改質された初期燃料入力１４０はその後、初期ＳＯＦＣスタック１２０に侵入する前に、熱交換器１４２に侵入してこれを通過する。
【0061】
いくつかの状況では、初期燃料改質器１３８を出る初期燃料入力１４０は、初期ＳＯＦＣスタック１２０が電気化学反応を実行するための適切な温度より高く、初期空気入力１４４は適切な温度より低くなり得る。熱交換器１４２は燃料流路１０２から空気流路１０４に熱１４６を伝達できるので、熱交換器１４２はこれらの状況において有用であり、これにより、初期燃料入力１４０が初期ＳＯＦＣスタック１２０に侵入する前に初期燃料入力１４０の温度を低下させ、初期空気入力１４４が初期ＳＯＦＣスタック１２０に侵入する前に初期空気入力１４４の温度を上昇させることによって、燃料流路１０２および空気流路１０４の温度を調整するのに役立つ。さらに、重量および体積を最小化するために、熱交換器１４２は、代替タイプの熱交換器よりも小さく保たれることが可能である。
【0062】
しかしながら、別の状況では、初期燃料改質器１３８を出る初期燃料入力１４０は適切な温度に十分近づくことができ（たとえば、１０から５０℃以内）、その場合、システム１００の重量および体積を低減するために、熱交換器１４２は取り外されてもよい。たとえば、初期燃料改質器１３８がＣＰＯＸ改質器である例では、初期燃料改質器１３８は、初期燃料入力１４０を改質するために発熱反応を使用し、したがって、初期燃料改質器１３８を出る初期燃料入力１４０は、適切な温度に十分近づくことができる。
【0063】
ここで図７を参照すると、各対の連続するＳＯＦＣスタックの２つの連続するＳＯＦＣスタック間で、燃料流路１０２が燃料入口、空気入口、および燃料改質器を含み、空気流路１０４が空気入口を含むシステム１００の例が示されている。たとえば、燃料入口１１６、空気入口１２４、および燃料改質器１３０は、やはり第１ＳＯＦＣスタック１１０と第２ＳＯＦＣスタック１１２との間に位置するように示され、初期燃料改質器１３８はやはり初期ＳＯＦＣスタック１２０の前に位置するように示されている。
【0064】
加えて、初期ＳＯＦＣスタック１２０と第１ＳＯＦＣスタック１１０との間の燃料流路１０２は、（ｉ）燃料流路１０２内に燃料１５０を注入するように配置された燃料入口１４８と、（ｉｉ）燃料改質器１５２とを含む。さらに、初期ＳＯＦＣスタック１２０と第１ＳＯＦＣスタック１１０との間の空気流路１０４は、空気流路１０４内に空気１５６を注入するように配置された空気入口１５４を含む。
【0065】
燃料入口１４８、燃料改質器１５２、および空気入口１５４は、それぞれ上記の燃料入口１１６、燃料改質器１３０、および空気入口１２４と類似の形態を取り、同様に機能することができる。さらに、燃料１５０および空気１５６は、それぞれ上記の燃料１１８および空気１２６と同じ形態を取ることができる。
【0066】
動作中、燃料入口１４８によって注入された燃料１５０はその後、燃料１５０および排出燃料１５８で構成された燃料混合物１６０を作成するために、初期ＳＯＦＣスタック１２０を離れる排出燃料１５８と混合される。次いで燃料改質器１５２は燃料混合物１６０を改質し、今や改質された燃料混合物１６０は、第１ＳＯＦＣスタック１１０内で起こる電気化学反応で使用されるために第１ＳＯＦＣスタック１１０に侵入する。燃料改質器１５２にその改質反応に必要な熱を供給するために、熱１６２は、初期ＳＯＦＣスタック１２０を離れる排出空気１６４から抽出され、空気流路１０４と燃料流路１０２との間に伝達される。さらに、空気入口１５４によって注入された空気１５６はその後、空気１５６および排出空気１６４で構成された空気混合物１６６を作成するために、排出空気１６４と混合する。次いで空気混合物１６６は、第１ＳＯＦＣスタック１１０内で起こる電気化学反応で使用されるために第１ＳＯＦＣスタック１１０に侵入する。燃料混合物１６０よび空気混合物１６６は、それぞれ上記の燃料混合物１２２および空気混合物１２８と類似であり得る。
【0067】
各対のＳＯＦＣスタックのＳＯＦＣスタック間に燃料および空気を追加することで、より多くの反応物を提供するのに役立つだけでなく、発生する電気化学反応のために温度を調整するのにも役立つことができ、これにより、システム１００の全体的な効率を向上できる。さらに、システム１００の重量および体積は、上記で説明されたのと同じ方法で低減および最小化され得る。
【0068】
図７には燃料ミキサも空気ミキサも示されていないが、燃料ミキサおよび／または空気ミキサは、一連のＳＯＦＣスタック１０１のいずれか２つの連続するＳＯＦＣスタック間に配置でき、上記の燃料ミキサ１３４および空気ミキサ１３６と同じまたは類似の利点を提供することができる。
【0069】
図８は、実装例による、一連のＳＯＦＣスタックが一連のＳＯＦＣスタックを通る燃料流路および一連のＳＯＦＣスタックを通る空気流路を含む、一連のＳＯＦＣスタックを動作する方法２００の例のフローチャートを示す。図８に示される方法２００は、本明細書に記載されるシステム１００と共に使用され得る方法の例を提示する。方法２００は、ブロック２０２～２０６のうちの１つ以上によって示される１つ以上の動作、機能、またはアクションを含み得る。
【0070】
【0071】
ブロック２０２において、方法２００は、燃料流路内で、２つの連続するＳＯＦＣスタックの第１ＳＯＦＣスタックから出力される排出燃料を２つの連続するＳＯＦＣスタックの第２ＳＯＦＣスタック内に送達するステップを含む。
【0072】
ブロック２０４において、方法２００は、空気流路内で、第１ＳＯＦＣスタックから出力される排出空気を第２ＳＯＦＣスタック内に送達するステップを含む。
【0073】
ブロック２０６において、方法２００は、２つの連続するＳＯＦＣスタック間の燃料流路内に燃料を注入するステップを含む。
【0074】
図９は、方法２００と共に使用する別の例示的方法のフローチャートを示す。図９のブロック２０８において、機能は、燃料改質器によって、（ｉ）燃料と、（ｉｉ）第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出燃料とを含む燃料混合物を改質するステップを含む。
【0075】
【0076】
【0077】
図１２は、方法２００と共に、特に２つの連続するＳＯＦＣスタック間の空気流路内に空気が注入される図１１の方法と共に使用する例示的方法のフローチャートを示す。ブロック２１４において、機能は、空気ミキサによって、（ｉ）空気と、（ｉｉ）第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出空気とを含む空気混合物を作成するステップを含み、これにより、排出空気が第２ＳＯＦＣスタック内に入力される前に、排出空気の温度が低下し、排出空気の酸素含有量が増加する。
【0078】
図１３は、方法２００と共に使用する別の例示的方法のフローチャートを示す。上述のように、一連のＳＯＦＣスタックは、一連のＳＯＦＣスタック内で順次最初に配置された初期ＳＯＦＣスタックを含み、ブロック２１６～２２０の機能は初期ＳＯＦＣスタックに関する。特に、ブロック２１６において、機能は、初期燃料改質器によって、初期燃料入力を受け入れるステップを含む。ブロック２１８において、機能は、初期燃料改質器によって、所定の温度を有する改質燃料ストリームを生成するために初期燃料入力を改質するステップを含む。そしてブロック２２０において、機能は、初期燃料改質器によって、初期ＳＯＦＣスタック内に、所定の温度を有する改質燃料ストリームを供給するステップを含む。上述のように、初期燃料改質器は、ＣＰＯＸ改質器または水蒸気改質器のいずれかであり得る。
【0079】
図１４は、実装例による、一連のＳＯＦＣスタックが一連のＳＯＦＣスタックを通る燃料流路および一連のＳＯＦＣスタックを通る空気流路を含む、一連のＳＯＦＣスタックを動作する方法３００の別の例のフローチャートを示す。図１４に示される方法３００は、本明細書に記載されるシステム１００と共に使用され得る方法の例を提示する。方法３００は、ブロック３０２～３０６のうちの１つ以上によって示される１つ以上の動作、機能、またはアクションを含み得る。
【0080】
図１４の各ブロックは、一連のＳＯＦＣスタック内の２つの連続するＳＯＦＣスタック間で発生する動作、機能、またはアクションを表す。
【0081】
ブロック３０２において、方法３００は、燃料流路内で、２つの連続するＳＯＦＣスタックの第１ＳＯＦＣスタックから出力される排出燃料を２つの連続するＳＯＦＣスタックの第２ＳＯＦＣスタック内に送達するステップを含む。
【0082】
ブロック３０４において、方法３００は、空気流路内で、第１ＳＯＦＣスタックから出力される排出空気を第２ＳＯＦＣスタック内に送達するステップを含む。
【0083】
ブロック３０６において、方法３００は、２つの連続するＳＯＦＣスタック間の空気流路内に空気を注入するステップを含む。
【0084】
装置またはシステムは、図８、図９、図１０、図１１、図１２、図１３、および図１４に示される論理機能を実行するために使用または構成され得る。いくつかの事例では、装置および／またはシステムのコンポーネントは、コンポーネントが実際にそのような性能を可能にするように（ハードウェアおよび／またはソフトウェアを用いて）構成および構造化されるように、機能を実行するように構成され得る。別の例では、装置および／またはシステムのコンポーネントは、特定の方法で動作したときなどに、機能を実行するように適合され、実行でき、または実行に適するように、配置され得る。図８、図９、図１０、図１１、図１２、図１３、および図１４のブロックは連続的な順序で示されているが、これらのブロックは平行して、および／または本明細書に記載されるのとは異なる順序で、実行されてもよい。また、様々なブロックは、所望の実装に基づいて、より少ないブロックに組み合わせられ、追加ブロックに分割され、および／または削除されてもよい。
【0085】
なお、本明細書に開示されるこれらのプロセスおよび方法ならびにおよびその他のプロセスおよび方法について、フローチャートは本例の１つの可能な実践の機能性および動作を示すことは、理解されるべきである。これに関して、各ブロックまたは各ブロックの部分は、モジュール、セグメント、またはプログラムコードの一部を表すことができ、これはプロセス内の特定の論理機能またはステップを実施するためにプロセッサによって実行可能な１つ以上の命令を含む。プログラムコードは、たとえばディスクまたはハードドライブを含む記憶装置など、任意のタイプのコンピューター読み取り可能な媒体またはデータストレージに記憶されてもよい。さらに、プログラムコードは、機械可読形式のコンピューター読み取り可能な記憶媒体上で、またはその他の非一時的媒体または製造品上で、符号化され得る。コンピューター読み取り可能な媒体は、たとえばレジスタメモリ、プロセッサキャッシュ、およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）のように短期間データを記憶するコンピューター読み取り可能な媒体など、非一時的コンピューター読み取り可能な媒体またはメモリを含み得る。コンピューター読み取り可能な媒体はまた、たとえば読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、光または磁気ディスク、コンパクトディスク読み取り専用メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）のような二次または永続的長期ストレージなど、非一時的媒体も含み得る。コンピューター読み取り可能な媒体はまた、その他いずれの揮発性または不揮発性記憶システムであってもよい。コンピューター読み取り可能な媒体は、たとえば有形のコンピューター読み取り可能な記憶媒体と見なされてもよい。
【0086】
加えて、図８、図９、図１０、図１１、図１２、図１３、および図１４の各ブロックおよび各ブロックの部分は、プロセス内の特定の論理機能を実行するために配線された回路を表してもよい。代替実践は本開示の例の範囲に含まれるものであり、この中で機能は、当業者によって理解されるように、包含される機能性に応じて、実質的に共起的または逆の順序を含む、図示または議論されるのとは異なる順序で実行されてもよい。
【0087】
本明細書に開示されるシステム、装置、および方法の異なる例は、様々な構成要素、形態、および機能性を含む。本明細書に開示されるシステム、装置、および方法の様々な実施形態は、本明細書に開示されるシステム、装置、および方法のその他の実施形態のいずれかの構成要素、形態、および機能性のうちのいずれも、いずれの組合せまたはいずれのサブコンビネーションでも含んでよく、このような可能性の全ては本開示の範囲に含まれるよう意図されることは、理解すべきである。
【0088】
さらに、本開示は、以下の条項による実施形態を備える。
【0089】
条項１．固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）効率を向上させるシステムであって、システムは、
一連のＳＯＦＣスタックと、
一連のＳＯＦＣスタックを通る燃料流路と、
一連のＳＯＦＣスタックを通る空気流路と、を備え、
一連のＳＯＦＣスタックの２つの連続するＳＯＦＣスタック間では、
燃料流路において、２つの連続するＳＯＦＣスタックの第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出燃料が２つの連続するＳＯＦＣスタックの第２ＳＯＦＣスタック内に入力され、
空気流路において、第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出空気は第２ＳＯＦＣスタックに入力され、
燃料流路は、２つの連続するＳＯＦＣスタック間の燃料流路内に燃料を注入するために配置された燃料入口を備える、システム。
一連のＳＯＦＣスタックと、
一連のＳＯＦＣスタックを通る燃料流路と、
一連のＳＯＦＣスタックを通る空気流路と、を備え、
一連のＳＯＦＣスタックの２つの連続するＳＯＦＣスタック間では、
燃料流路において、２つの連続するＳＯＦＣスタックの第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出燃料が２つの連続するＳＯＦＣスタックの第２ＳＯＦＣスタック内に入力され、
空気流路において、第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出空気は第２ＳＯＦＣスタックに入力され、
燃料流路は、２つの連続するＳＯＦＣスタック間の燃料流路内に燃料を注入するために配置された燃料入口を備える、システム。
【0090】
条項２．２つの連続するＳＯＦＣスタック間で、燃料流路は、（ｉ）燃料入口によって注入された燃料と、（ｉｉ）第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出燃料とを備える燃料混合物を改質する燃料改質器をさらに備える、条項１に記載のシステム。
【0091】
条項３．燃料改質器は水蒸気改質器を含む、条項２に記載のシステム。
【0092】
条項４．燃料流路および空気流路は、２つの連続するＳＯＦＣスタック間で、燃料流路からの燃料と空気流路からの空気とが混合しないように別個の経路であり、
燃料流路および空気流路は、燃料改質器によって実行される改質反応に熱を供給するために空気流路と燃料流路との間で熱が伝達されるように、共同設置および配置されている、条項２に記載のシステム。
燃料流路および空気流路は、燃料改質器によって実行される改質反応に熱を供給するために空気流路と燃料流路との間で熱が伝達されるように、共同設置および配置されている、条項２に記載のシステム。
【0093】
条項５．２つの連続するＳＯＦＣスタック間で、燃料流路は、燃料改質器が改質する燃料混合物を混合する燃料ミキサをさらに備える、条項２に記載のシステム。
【0094】
条項６．２つの連続するＳＯＦＣスタック間で、空気流路は、２つの連続するＳＯＦＣスタック間の空気流路内に空気を注入するために配置された空気入口を備える、条項１に記載のシステム。
【0095】
条項７．２つの連続するＳＯＦＣスタック間で、空気流路は、（ｉ）空気入口によって注入された空気と、（ｉｉ）第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出空気とを含む空気混合物を混合する空気ミキサをさらに備える、条項６に記載のシステム。
【0096】
条項８．２つの連続するＳＯＦＣスタック間で、燃料流路は、（ｉ）燃料入口によって注入された燃料と、（ｉｉ）第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出燃料とを備える燃料混合物を改質する燃料改質器をさらに備える、条項６に記載のシステム。
【0097】
条項９．一連のＳＯＦＣスタックは、一連のＳＯＦＣスタック内で順次最初に配置された初期ＳＯＦＣスタックを備え、システムは、燃料流路の一部として、
初期燃料入力を受け入れ、初期燃料入力を改質し、次いで初期ＳＯＦＣスタック内に初期燃料入力を供給する初期燃料改質器をさらに備える、条項１に記載のシステム。
初期燃料入力を受け入れ、初期燃料入力を改質し、次いで初期ＳＯＦＣスタック内に初期燃料入力を供給する初期燃料改質器をさらに備える、条項１に記載のシステム。
【0098】
条項１０．初期燃料改質器は、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）改質器または水蒸気改質器を含む、条項９に記載のシステム。
【0099】
条項１１．固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）効率を向上させるシステムであって、システムは、
一連のＳＯＦＣスタックと、
一連のＳＯＦＣスタックを通る燃料流路と、
一連のＳＯＦＣスタックを通る空気流路と、を備え、
一連のＳＯＦＣスタックの２つの連続するＳＯＦＣスタック間では、
燃料流路において、２つの連続するＳＯＦＣスタックの第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出燃料が２つの連続するＳＯＦＣスタックの第２ＳＯＦＣスタック内に入力され、
空気流路において、第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出空気は第２ＳＯＦＣスタックに入力され、
空気流路は、２つの連続するＳＯＦＣスタック間の空気流路内に空気を注入するために配置された空気入口を備える、システム。
一連のＳＯＦＣスタックと、
一連のＳＯＦＣスタックを通る燃料流路と、
一連のＳＯＦＣスタックを通る空気流路と、を備え、
一連のＳＯＦＣスタックの２つの連続するＳＯＦＣスタック間では、
燃料流路において、２つの連続するＳＯＦＣスタックの第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出燃料が２つの連続するＳＯＦＣスタックの第２ＳＯＦＣスタック内に入力され、
空気流路において、第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出空気は第２ＳＯＦＣスタックに入力され、
空気流路は、２つの連続するＳＯＦＣスタック間の空気流路内に空気を注入するために配置された空気入口を備える、システム。
【0100】
条項１２．２つの連続するＳＯＦＣスタック間で、空気流路は、（ｉ）空気入口から注入された空気と、（ｉｉ）第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出空気とを含む空気混合物を混合する空気ミキサをさらに備える、条項１１に記載のシステム。
【0101】
条項１３．一連のＳＯＦＣスタックは、一連のＳＯＦＣスタック内で順次最初に配置された初期ＳＯＦＣスタックを備え、システムは、燃料流路の一部として、
初期燃料入力を受け入れ、初期燃料入力を改質し、次いで初期ＳＯＦＣスタック内に初期燃料入力を供給する初期燃料改質器をさらに備える、条項１１に記載のシステム。
初期燃料入力を受け入れ、初期燃料入力を改質し、次いで初期ＳＯＦＣスタック内に初期燃料入力を供給する初期燃料改質器をさらに備える、条項１１に記載のシステム。
【0102】
条項１４．一連の固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックを動作させる方法であって、一連のＳＯＦＣスタックは、一連のＳＯＦＣスタックを通る燃料流路と、一連のＳＯＦＣスタックを通る空気流路とを含み、方法は、
一連のＳＯＦＣスタック内の２つの連続するＳＯＦＣスタックの間で、
燃料流路において、２つの連続するＳＯＦＣスタックの第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出燃料を２つの連続するＳＯＦＣスタックの第２ＳＯＦＣスタック内に送達するステップと、
空気流路において、第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出空気を第２ＳＯＦＣスタック内に送達するステップと、
２つの連続するＳＯＦＣスタック間の燃料流路内に燃料を注入するステップと、を備える、方法。
一連のＳＯＦＣスタック内の２つの連続するＳＯＦＣスタックの間で、
燃料流路において、２つの連続するＳＯＦＣスタックの第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出燃料を２つの連続するＳＯＦＣスタックの第２ＳＯＦＣスタック内に送達するステップと、
空気流路において、第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出空気を第２ＳＯＦＣスタック内に送達するステップと、
２つの連続するＳＯＦＣスタック間の燃料流路内に燃料を注入するステップと、を備える、方法。
【0103】
条項１５．２つの連続するＳＯＦＣスタック間で、燃料改質器によって、（ｉ）燃料と、（ｉｉ）第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出燃料とを含む燃料混合物を改質するステップ
をさらに備える、条項１４に記載の方法。
をさらに備える、条項１４に記載の方法。
【0104】
条項１６．２つの連続するＳＯＦＣスタック間で、燃料ミキサによって、燃料改質器が改質する燃料混合物を作成するステップ
をさらに備える、条項１５に記載の方法。
をさらに備える、条項１５に記載の方法。
【0105】
条項１７．２つの連続するＳＯＦＣスタック間の空気流路内に空気を注入するステップ
をさらに備える、条項１４に記載の方法。
をさらに備える、条項１４に記載の方法。
【0106】
条項１８．２つの連続するＳＯＦＣスタック間で、空気ミキサによって、（ｉ）空気と、（ｉｉ）第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出空気とを含む空気混合物を作成するステップであって、これにより、排出空気が第２ＳＯＦＣスタック内に入力される前に、排出空気の温度が低下し、排出空気の酸素含有量が増加する、ステップ
をさらに備える、条項１７に記載の方法。
をさらに備える、条項１７に記載の方法。
【0107】
条項１９．一連のＳＯＦＣスタックは、一連のＳＯＦＣスタック内で順次最初に配置された初期ＳＯＦＣスタックを備え、方法は、
初期燃料改質器によって、初期燃料入力を受け入れるステップと、
初期燃料改質器によって、初期燃料入力を改質するステップと、
初期燃料改質器によって、初期ＳＯＦＣスタック内に、初期燃料入力を供給するステップと、をさらに備え、
初期燃料改質器は、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）改質器または水蒸気改質器を含む、条項１４に記載の方法。
初期燃料改質器によって、初期燃料入力を受け入れるステップと、
初期燃料改質器によって、初期燃料入力を改質するステップと、
初期燃料改質器によって、初期ＳＯＦＣスタック内に、初期燃料入力を供給するステップと、をさらに備え、
初期燃料改質器は、触媒部分酸化（ＣＰＯＸ）改質器または水蒸気改質器を含む、条項１４に記載の方法。
【0108】
条項２０．一連の固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックを動作させる方法であって、一連のＳＯＦＣスタックは、一連のＳＯＦＣスタックを通る燃料流路と、一連のＳＯＦＣスタックを通る空気流路とを含み、方法は、
一連のＳＯＦＣスタック内の２つの連続するＳＯＦＣスタックの間で、
燃料流路において、２つの連続するＳＯＦＣスタックの第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出燃料を２つの連続するＳＯＦＣスタックの第２ＳＯＦＣスタック内に送達するステップと、
空気流路において、第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出空気を第２ＳＯＦＣスタック内に送達するステップと、
２つの連続するＳＯＦＣスタック間の空気流路内に空気を注入するステップと、を備える、方法。
一連のＳＯＦＣスタック内の２つの連続するＳＯＦＣスタックの間で、
燃料流路において、２つの連続するＳＯＦＣスタックの第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出燃料を２つの連続するＳＯＦＣスタックの第２ＳＯＦＣスタック内に送達するステップと、
空気流路において、第１ＳＯＦＣスタックから出力された排出空気を第２ＳＯＦＣスタック内に送達するステップと、
２つの連続するＳＯＦＣスタック間の空気流路内に空気を注入するステップと、を備える、方法。
【0109】
異なる有利な配置の説明は、例示および説明を目的として提示されてきたが、包括的であるように、または開示された形態の例に限定されるように意図されるものではない。当業者にとって多くの修正例および変形例が明らかになるだろう。さらに、異なる有利な例は、他の有利な例と比較して異なる利点を記載するかも知れない。選択された１つまたは複数の例は、例の原理、実際の用途を説明するため、およびその他の当業者が考えられる特定用途に適するような様々な修正を伴う様々な例のための開示を理解できるようにするために、選択および記載されている。
【符号の説明】
【0110】
１００ システム
１０１ 一連のＳＯＦＣスタック
１０２ 燃料流路
１０４ 空気流路
１０６ ２つの連続するＳＯＦＣスタック
１０８ 排出燃料
１１０ 第１ＳＯＦＣスタック
１１２ 第２ＳＯＦＣスタック
１１４ 排出空気
１１６ 燃料入口
１１８ 燃料
１２０ 初期ＳＯＦＣスタック
１２２ 燃料混合物
１２４ 空気入口
１２６ 空気
１２８ 空気混合物
１３０ 燃料改質器
１３２ 熱
１３４ 燃料ミキサ
１３６ 空気ミキサ
１３８ 初期燃料改質器
１４０ 初期燃料入力
１４２ 熱交換器
１４４ 初期空気入力
１４６ 熱
１４８ 燃料入口
１５０ 燃料
１５２ 燃料改質器
１５４ 空気入口
１５６ 空気
１５８ 排出燃料
１６０ 燃料混合物
１６２ 熱
１６４ 排出空気
１６６ 空気混合物
１０１ 一連のＳＯＦＣスタック
１０２ 燃料流路
１０４ 空気流路
１０６ ２つの連続するＳＯＦＣスタック
１０８ 排出燃料
１１０ 第１ＳＯＦＣスタック
１１２ 第２ＳＯＦＣスタック
１１４ 排出空気
１１６ 燃料入口
１１８ 燃料
１２０ 初期ＳＯＦＣスタック
１２２ 燃料混合物
１２４ 空気入口
１２６ 空気
１２８ 空気混合物
１３０ 燃料改質器
１３２ 熱
１３４ 燃料ミキサ
１３６ 空気ミキサ
１３８ 初期燃料改質器
１４０ 初期燃料入力
１４２ 熱交換器
１４４ 初期空気入力
１４６ 熱
１４８ 燃料入口
１５０ 燃料
１５２ 燃料改質器
１５４ 空気入口
１５６ 空気
１５８ 排出燃料
１６０ 燃料混合物
１６２ 熱
１６４ 排出空気
１６６ 空気混合物
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】