特表 2023-503995 燃料電池モジュールのアセンブリおよびそれを使用するシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-02-01

(54)【発明の名称】燃料電池モジュールのアセンブリおよびそれを使用するシステム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20230125BHJP

   H01M 8/04007 20160101ALI20230125BHJP

   H01M 8/2475 20160101ALI20230125BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20230125BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20230125BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/04007

H01M8/2475

H01M8/04746

H01M8/04701

H01M8/04 Z

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022530808

(86)(22)【出願日】2019-11-26

(85)【翻訳文提出日】2022-07-22

(86)【国際出願番号】 US2019063333

(87)【国際公開番号】W WO2021107933

(87)【国際公開日】2021-06-03

(31)【優先権主張番号】16/695,368

(32)【優先日】2019-11-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】390023630

【氏名又は名称】エクソンモービル・テクノロジー・アンド・エンジニアリング・カンパニー

【氏名又は名称原語表記】ＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ

(71)【出願人】

【識別番号】502197161

【氏名又は名称】フュエルセル エナジー， インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＦＵＥＬＣＥＬＬ ＥＮＥＲＧＹ， ＩＮＣ．

(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】100221501

【弁理士】

【氏名又は名称】式見 真行

(72)【発明者】

【氏名】デイビス，キース イー

(72)【発明者】

【氏名】ハーシュコウィッツ，フランク

(72)【発明者】

【氏名】ハン，ルー

(72)【発明者】

【氏名】サットン，クレイ・アール

(72)【発明者】

【氏名】ルバス，ポール ジェイ

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126FF10

5H127AA04

5H127BA05

5H127BB02

5H127DC02

5H127DC06

5H127DC22

5H127DC26

5H127EE02

5H127EE03

5H127EE29

(57)【要約】

燃料電池スタックアセンブリ、熱交換器、ならびに燃料電池スタックアセンブリおよび熱交換器を含むハウジングを含む燃料電池モジュールアセンブリを提供する。熱交換器は外部供給源からプロセスガスを受け、かつ、プロセスガスを燃料電池スタックアセンブリにアウトプットするように構成され、かつ、燃料電池スタックアセンブリからプロセスガスを受け、かつ、該プロセスガスをアウトプットするように構成されている。
第１の端部を有するモジュールアセンブリ、モジュールアセンブリを保持するように構成されたラック構造、プラントのバランス、ならびにプラント装置のバランスおよびモジュールアセンブリの第１の端部の間に流体連絡を提供するように構成されたダクトを含む燃料電池発電プラントを提供する。モジュールアセンブリおよびラック構造は、モジュールアセンブリの第１の端部から離れる方向でモジュールアセンブリを除去できるように構成されている。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池スタックアセンブリ、熱交換器ならびにハウジングを含む燃料電池モジュールアセンブリであって：燃料電池スタックアセンブリは燃料電池スタックおよび複数のマニホールドを含み、燃料電池スタックは第１のプロセスガスを受け、アウトプットするように構成され、複数のマニホールドは第１のマニホールドおよび第２のマニホールドを含み、第１のマニホールドは第１のプロセスガスを燃料電池スタックに供給するように構成され、第２のマニホールドは燃料電池スタックからアウトプットされた第１のプロセスガスを受けるように構成され、熱交換器は外部供給源から第１のプロセスガスを受け、第１のプロセスガスを第１のマニホールドにアウトプットするように構成され、かつ、第１のプロセスガスを第２のマニホールドから受け、第１のプロセスガスをアウトプットするように構成され、ハウジングは燃料電池スタックアセンブリおよび熱交換器を取り囲むことを特徴とする、燃料電池モジュールアセンブリ。

【請求項2】

燃料電池スタックは第２のプロセスガスを受け、アウトプットするようにさらに構成され、複数のマニホールドは第３のマニホールドおよび第４のマニホールドを含み、第３のマニホールドは第２のプロセスガスを燃料電池スタックに供給するように構成され、第４のマニホールドは燃料電池スタックからアウトプットされた第２のプロセスガスを受けるように構成され、熱交換器は第２の外部供給源から第２のプロセスガスを受け、第２のプロセスガスを第３のマニホールドにアウトプットするようにさらに構成され、かつ、第４のマニホールドから第２のプロセスガスを受け、第２のプロセスガスをアウトプットするように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池モジュールアセンブリ。

【請求項3】

ハウジングはハウジングの第１の端部に位置する複数のポートを含み、複数のポートは熱交換器に流体的に接続し、かつ、第１のポート、第２のポート、第３のポートおよび第４のポートを含み、第１のポートは外部供給源から第１のプロセスガスを受けるように構成され、第２のポートはハウジングから第１のプロセスガスをアウトプットするように構成され、第３のポートは第２の外部供給源から第２のプロセスガスを受けるように構成され、第４のポートはハウジングから第２のプロセスガスをアウトプットするように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池モジュールアセンブリ。

【請求項4】

熱交換器は第１の温度で外部供給源から第１のプロセスガスを受け、第２の温度で第１のプロセスガスを燃料電池スタックアセンブリにアウトプットするようにさらに構成され、第１の温度は第２の温度よりも約８５％～約９５％低く、熱交換器は第３の温度で燃料電池スタックアセンブリから第１のプロセスガスを受け、第４の温度で第１のプロセスガスをアウトプットするようにさらに構成され、第４の温度は第３の温度よりも約７０％～約８０％低いことを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池モジュールアセンブリ。

【請求項5】

熱交換器は第５の温度で第２の外部供給源から第２のプロセスガスを受け、第６の温度で燃料電池スタックアセンブリに第２のプロセスガスをアウトプットするようにさらに構成され、第５の温度は第６の温度よりも約７５％～約８５％低く、熱交換器は第７の温度で燃料電池スタックアセンブリから第２のプロセスガスを受け、かつ、第８の温度で第２のプロセスガスをアウトプットするようにさらに構成され、第８の温度は第７の温度よりも約７０％～約８０％低いことを特徴する、請求項４に記載の燃料電池モジュールアセンブリ。

【請求項6】

第１の端部を有し、燃料電池スタックを含むモジュールアセンブリ、設置済みモードの間、モジュールアセンブリを保持するように構成されたラック構造、プラント装置のバランス（balance of plant equipment）、および、設置済みモードの間、プラント装置のバランスおよびモジュールアセンブリの第１の端部の間に流体連絡を提供するように構成されたダクトを含み、モジュールアセンブリおよびラック構造は、除去モードの間、モジュールアセンブリがモジュールアセンブリの第１の端部から離れる方向から離れる方向でラック構造から除去可能なように構成されていることを特徴とする、燃料電池発電プラントシステム。

【請求項7】

ラック構造は第１の端部および第１の端部と反対側の第２の端部を有し、ダクトの少なくとも一部分はラック構造の第１の端部に近接し、設置済みモードの間、モジュールアセンブリの第１の端部はラック構造の第１の端部に近接していることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【請求項8】

モジュールアセンブリおよびラック構造は、除去モードの間、モジュールアセンブリがラック構造の第２の端部から除去可能なように構成されていることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【請求項9】

燃料電池スタックはプロセスガスを受け、アウトプットするように構成され、モジュールアセンブリは：第１のマニホールドおよび第２のマニホールドを含む複数のマニホールドをさらに含み、第１のマニホールドはプロセスガスを燃料電池スタックに供給するように構成され、第２のマニホールドは燃料電池スタックからアウトプットされたプロセスガスを受けるように構成され、熱交換器は第１の温度のプロセスガスを外部供給源から受け、第２の温度のプロセスガスを第１のマニホールドにアウトプットするように構成され、かつ、第３温度のプロセスガスを第２のマニホールドから受け、第４の温度のプロセスガスをアウトプットするように構成されていることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【請求項10】

複数のモジュールアセンブリをさらに含み、ラック構造は複数のモジュールアセンブリを積層配置に保持するように構成され、ラック構造および複数のモジュールアセンブリの各々は、除去モードの間、モジュールアセンブリが同じ方向でラック構造から除去可能なように構成されていることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【請求項11】

モジュールアセンブリを含む複数のモジュールアセンブリをさらに含み；ラック構造は複数のモジュールアセンブリを積層配置で保持するように構成され、ラック構造は複数のモジュールアセンブリに対して積層配置でプラント装置のバランスを保持するように構成されていることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【請求項12】

ダクトは、ラック構造の第１の端部に近接し、かつ、複数のモジュールアセンブリに向けてプラント装置のバランスから離れて延在するように構成された胴体部、およびモジュールアセンブリと連絡するように構成された第１の枝部を含む胴体部から離れて延在する複数の枝部を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【請求項13】

複数のモジュールアセンブリ、ラック構造、プラント装置のバランス、およびダクトがモジュールクラスタを形成し、燃料電池発電プラントがモジュールクラスタを含む複数のモジュールクラスタをさらに含み、除去モードの間、モジュールクラスタは複数のモジュールクラスタの中の他のモジュールクラスタから電気的および／または流体的に分離されるように構成されていることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【請求項14】

複数のモジュールクラスタが並んで配置されてクラスタ群を形成し、クラスタ群が第１の端部を有し、複数のモジュールクラスタの中の各々のラック構造の第１の端部がクラスタ群の第１の端部に存在することを特徴とする、請求項１３に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【請求項15】

クラスタ群を含む複数のクラスタ群をさらに含む、請求項１４に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、一般に、燃料電池モジュールアセンブリおよびそれらのモジュールアセンブリを使用するシステムの分野に関し、より具体的には、クラスタおよびシステムにグループ化できる統合された熱部品を備えた燃料電池モジュールアセンブリおよびそれらのクラスタを使用するシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、電気化学反応を利用して、水素やメタンなどの燃料に蓄えられた化学エネルギーを電気エネルギーに変換するデバイスである。一般に、燃料電池は、燃料と触媒的に反応するためのアノードと、燃焼源から出力される空気または燃料ガスなどの酸化剤と流体連絡するカソードとを含む。

【0003】

燃料電池は通常、スタックした関係で配置される。１つの燃料電池スタック構成は、外部マニホールドスタックを含み、そこでは、燃料電池スタックはその側面が開いたままであり、燃料または酸化剤などの流体は、燃料電池スタックのそれぞれの側面の周辺部分に密封されたマニホールドによって供給される。したがって、マニホールドは、燃料および酸化剤ガスを燃料電池に送達し、スタック内のかかるガスの流れを方向付けるための密閉された通路を提供し、それによって、それらのガスが環境または他のマニホールドのいずれかに漏れるのを防ぐ。このようなマニホールドは、通常、約６５０℃で作動する溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）で使用される。

【0004】

燃料電池スタックにおいて、個々の燃料電池のサイズ（すなわち表面積）や個々の燃料電池の数を不当に増やすことなく出力を向上させるために、複数の燃料電池スタックが電気的および流体的に接続される。多数の燃料電池スタック（最終的な発電所サイトとは別の場所で建設・調整される可能性がある）を含む大型モジュール筐体コンセプトの場合、サイズとコストを考慮してモジュールを輸送することが困難または不可能である。発電所には、これらの大型のモジュール筐体がいくつか含まれることがあり、それは少なくとも２つの課題を示す。第１に、高温のプロセスガス（～６５０℃）をモジュールに供給するために、適切なダクト（ステンレス鋼、絶縁パイプなど）が必要である。第２に、大型モジュール筐体内の個々の燃料電池スタックを修理または交換する間に、燃料電池スタックを含む「ホットゾーン」を開放するとそのゾーンが冷却されるため、すべての燃料電池スタックをオフライン（すなわち、シャットダウン）する必要がある。その結果、残りの燃料電池スタックでは、低温での運転ができなくなる可能性が高い。

【0005】

より低温のプロセスガスを受け取って出力することができる燃料電池モジュールアセンブリを提供し、発電所の残りの燃料電池スタックの混乱を最小限に抑えて燃料電池スタックを交換することができるシステムを提供することが有利であろう。

【発明の概要】

【0006】

本発明の１つの実施形態によれば、燃料電池スタックアセンブリ、熱交換器、ならびに燃料電池スタックアセンブリおよび熱交換器を囲むハウジングを含む燃料電池モジュールアセンブリを提供する。燃料電池スタックアセンブリは、第１のプロセスガスを受け取って出力するように構成された燃料電池スタックと、第１のプロセスガスを燃料電池スタックに供給するように構成された第１のマニホールドと、燃料電池スタックからの第１のプロセスガスの出力を受け取るように構成された第２のマニホールドとを含む複数のマニホールドを有する。熱交換器は、外部供給源から第１のプロセスガスを受け取り、第１のプロセスガスを第１のマニホールドに出力するように構成され、第２のマニホールドから第１プロセスガスを受け取り、第１プロセスガスを出力するように構成されている。

【0007】

本発明の１つの実施形態によれば、第１の端部を有し、燃料電池スタックを収容するモジュールアセンブリと、設置モード中に、モジュールアセンブリを保持するように構成されたラッキング構造と、プラント装置のバランス（balance of plant equipment）と、設置モード中に、プラント装置のバランスとモジュールアセンブリの第１の端部との間に流体通信を行うように構成されたダクトとを含む、燃料電池発電所システムが提供される。モジュールアセンブリおよびラック構造は、取り外しモードの間、モジュールアセンブリがラック構造から燃料電池モジュールの第１の端部から離れる方向に取り外し得るように構成される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池モジュールアセンブリの透視図である。

【0009】

図２は、実施形態に係るモジュールクラスタの透視図である。

【0010】

図３は、実施形態に係る複数のラッキング構造を含むクラスタ群の透視図である。

【0011】

図４は、実施形態に係る複数のクラスタ群を含む発電所システムの透視図である。

【0012】

図５は、実施形態に係る取り外しモードまたは設置モードの間の燃料電池モジュールアセンブリおよびラッキング構造の透視図である。

【0013】

図６は、実施形態に係る、ダクトに結合された燃料電池モジュールアセンブリのクローズアップ透視図である。

【0014】

図７は、図４の発電所システムの切欠側面立面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明は、例えばラック構造において他の燃料電池モジュールアセンブリとの関係で積層してもよく、水平方向に抽出（または設置）してもよい燃料電池モジュールアセンブリを提供し、その結果、従来の燃料電池発電所と比較してより高い出力密度のプラント（例えば、ＭＷ／エーカー）をもたらす。本発明の燃料電池モジュールアセンブリは、発電所のモジュール化を可能にし、これは、発電所の建設にかかる時間やコストを削減し大きさを小さくしつつ、発電所の発電能力の柔軟性を高めてもよい。また、本発明の燃料電池モジュール集合体は、熱交換器（または熱復水器など）を含んでもよく、これにより、本発明の燃料電池モジュールは、従来の燃料電池モジュールと比較してより低温のプロセスガスを受け取り、出力してよく、ひいては、従来の燃料電池発電プラントと比較してより小さく安価なダクト（例えば、小径ダクト、安価ダクト材料）を有する発電プラントを構築することができてもよい。本発明の燃料電池モジュールアセンブリは、モジュールアセンブリの制御可能なユニット（例えば、モジュールクラスタ）に使用されてもよい。複数の制御可能なユニットを有する発電所は、特定のモジュールアセンブリがサービスされるとき、その特定のモジュールアセンブリの制御可能なユニットのみがオフラインにされる必要があり、残りの制御可能なユニットはオンラインでかつ発電に利用可能なままであってよいので、稼働状態を維持する（すなわち、電力を生成する）ことが可能である。

【0016】

本発明は、１つ以上の燃料電池スタックと１つ以上の熱交換器とを含む燃料電池モジュールアセンブリを提供する。燃料電池モジュールアセンブリは、１つ以上の燃料電池スタックおよび１つ以上の熱交換器を包囲する外装ハウジングを含んでもよい。図１に描かれた本発明の一実施形態について、以下に説明する。しかし、本発明は、図１の特定の描写に限定されないことが理解されよう。

【0017】

図１は、本発明の１つの実施形態による燃料電池モジュールアセンブリ１００の透視図を示す。モジュールアセンブリ１００は、複数の燃料電池スタックアセンブリ（スタックアセンブリ）１０１、熱交換器１０２、第１の格納容器壁１０３および第２の格納容器壁１０４を含んでもよい。１つの実施形態では、外側長手方向格納壁（図示せず）が、第１および第２の格納壁を接続して、モジュールアセンブリ１００（例えば、ハウジング）の密閉されたエンクロージャを形成する。別の実施形態では、外側長手方向封じ込め壁（図示せず）は、モジュールアセンブリ１００内に含まれるコンポーネントおよびアセンブリの周囲に筐体を形成する。筐体は、燃料電池モジュールアセンブリのサブアセンブリを囲むのに適した任意の形状を有してよく、および／または１つ以上の燃料電池モジュールアセンブリを保持するように構成されたラック構造から燃料電池モジュールを設置または除去もしくは取り外すことを可能にするために適している。例えば、筐体は、正方形、長方形、または円形のフットプリントを有していてもよく、立方体または円筒の形状を有していてもよい。図１に示された第１および第２の格納容器壁１０３、１０４は円形の外周を有するが、本発明はそのように限定されるものではない。第１および第２の格納容器壁１０３、１０４の外周は、正方形、長方形または他の形状を有してもよく、互いに同じであっても異なっていてもよい。モジュールアセンブリ１００はまた、円筒形または管状のハウジングの場合の単一の円筒形の壁とは対照的に、複数の長手方向の格納容器壁を有していてもよい。例えば、モジュールアセンブリ１００は、矩形立方体形状または他の形状を有していてもよい。

【0018】

モジュールアセンブリ１００の第１の端部Ａ（「プロセス端部」ともいう）に位置する第１の格納容器壁１０３は、燃料供給ガス、燃料排気、酸化剤供給ガス、および酸化剤排気などのプロセスガスを受け取りおよび出力するための開口または導管（例えば、ポート、配管、ダクト）を含んでもよい。プロセスガスは、燃料電池システムに入り、燃料電池システム内で処理され、燃料電池システムから排出されるガス流を指すこともある。例えば、アノードプロセスガスは、アノードフィードガスとして燃料電池システムに入り、燃料電池のアノードで電気化学的に処理され、アノード排気として燃料電池システムから排出される。同様に、カソードプロセスガスは、カソードフィードガスとして燃料電池システムに入り、燃料電池のカソードで電気化学的に処理され、カソード排気として燃料電池システムから排出される。図１に示すように、第１の格納容器壁１０３は、アノードプロセスガス（フィード）を受け入れるためのアノード入力ポート１１０、アノードプロセスガス（排気）を出力するためのアノード出力ポート１１１、カソードプロセスガス（フィード）を受け入れるためのカソード入力ポート１２０、およびカソードプロセスガス（排気）を出力するためのカソード出力ポート１２１を備えている。

【0019】

モジュールアセンブリ１００の第２の端部Ｂ（「電気端部」または「抽出端部」とも呼ばれる）に位置する第２の格納容器壁１０４は、モジュールアセンブリ１００内に含まれるコンポーネントおよびサブアセンブリへの制御信号を受信／出力するため、および／または燃料電池スタックサブアセンブリ１０１によって生成される電力を出力するための電気的接続を含んでよい。電気的接続は、モジュールアセンブリ１００を支持する発電所内の他の電気部品、制御センター、および／または他のアセンブリに電気的に接続する、接点、コネクタ、ポート、プラグなどを含んでもよい。別の実施形態では、前記電気的接続は、モジュールアセンブリ１００のプロセス端部（例えば、第１の格納容器壁１０３上またはその近傍）に配置されてもよい。後述するように、ラック構造内に設置された場合、モジュールアセンブリ１００は、例えばクレーン、滑車システムなどを用いてモジュールアセンブリ１００の第２の端部をラック構造から引き離すことによってラック構造から抽出されてもよい。１つの実施形態において、第２の格納容器壁１０４は、フック、突起、または抽出機構（例えば、クレーン、滑車システムなど）に接続する（または結合する）のに適した他の構造的特徴を含んでもよい。

【0020】

図１に示すように、モジュールアセンブリ１００は、４つのスタックアセンブリ１０１を含む。しかしながら、本発明は、それに限定されない。モジュールアセンブリ１００は、より少ない数のスタックアセンブリ１０１を含んでもよいし、より多くのスタックアセンブリ１０１を含んでもよい。図１の実施形態では、スタックアセンブリ１０１は水平に配向され、スタックアセンブリ１０１内に含まれる燃料電池スタックは、水平に積層された複数の燃料電池（各セルはアノード、マトリックス、およびカソードを有する）を有する。マニホールドは、各スタックアセンブリ１０１の側面に沿って横方向に延びる。マニホールドは、スタックアセンブリ１０１内の燃料電池のアノードおよびカソードへまたはカソードからプロセスガスを運ぶ。特定の実施形態では、動作中、マニホールドは、高温のプロセスガスをスタックアセンブリ１０１内に含まれる燃料電池に搬送するように構成されたダクトとして機能する。実施形態において、複数のマニホールドは、第１のマニホールドおよび第２のマニホールドを含み、第１のマニホールドは、燃料電池スタックにプロセスガスを供給するように構成され、第２のマニホールドは、燃料電池スタックからのプロセスガス出力を受けるように構成される。

【0021】

図１に示すように、モジュールアセンブリ１００は、２つの熱交換器１０２を含み、これらは、第１の格納容器壁１０３とスタックアセンブリ１０１との間に配置されている。しかしながら、本発明は、それほど限定されない。モジュールアセンブリ１００は、より少ないまたはより多くの熱交換器１０２を含んでいてもよい。別の実施形態では、熱交換器１０２は、スタックアセンブリ１０１の長さにまたがっていてもよい。例えば、複数の熱交換器１０２は、スタックアセンブリ１０１の下、上、または長手方向軸に沿って配置されてもよい。この実施形態では、熱交換器（単数または複数）１０２の所定の単位は、スタックアセンブリ１０１の所定のサイズまたは電力密度に対して適切にサイズ設定されてもよい。このような実施形態では、モジュールアセンブリ１００内の横方向空間のより高い割合が、発電のために（すなわち、燃料電池を用いて）使用されてもよい。実施形態において、熱交換器は、外部供給源からプロセスガスを受け取り、プロセスガスを（第１のマニホールドを介して）燃料電池スタックに出力するように構成され、燃料電池スタックからプロセスガスを受け取り（第２のマニホールドを介して）、プロセスガスをモジュール排気流として（例えば、後処理装置に向かってモジュールアセンブリ１０１から離排気として周囲環境に）出力するように構成される。

【0022】

上述のように、ＭＣＦＣなどの燃料電池は、約５７０℃～６７０℃で動作する。従来のＭＣＦＣ発電所では、従来のＭＣＦＣモジュールに入るプロセスガスは約６５０℃であるべきであり、それらのモジュールに入るダクトは、その温度でプロセスガスを運ぶことができなければならない（そしてそれらのガスに対応する体積を収容しなければならない）。このような温度に耐えるためには、ダクトにステンレス鋼や断熱材などの高価な材料が必要となる場合がある。熱交換器（または熱復水器など）を本発明の燃料電池モジュールアセンブリに統合することによって、動作中に、より低い温度のプロセスガスをモジュール自体に供給することができる。例えば、本発明のモジュールへのカソード入力（酸化剤供給ガス）は、周囲温度付近または動作温度より８５％～９５％低い温度（例えば、約２０℃～６５℃）であってもよい；本モジュールからのカソード出力（酸化剤排気）は、動作温度（例えば、約１００℃～１５０℃）より７０％～８０％低くてもよく；本モジュールへのアノード入力（燃料供給ガス）は、動作温度（例えば、約１１０℃～１５０℃）より７５％～８５％低くてもよく；本モジュールからのアノード出力（燃料排気）は、動作温度（例えば、約１５０℃～２００℃）より７０％～８０％低くてもよい。実施形態では、モジュールアセンブリに統合された熱交換器は、燃料電池の動作温度未満でプロセスガスの凝縮温度以上の温度で供給ガスを受け、排気ガスを出力し、燃料電池の動作温度程度またはその近くで供給ガスを出力して排気ガスを受けるように構成される。一つの実施形態では、動作中、熱交換器において、燃料電池から出るプロセスガスは、モジュールアセンブリに入るプロセスガスを加熱してもよく、モジュールアセンブリから出るプロセスガスは、モジュールアセンブリに入るプロセスガスによって冷却されてもよい。

【0023】

さらに、プロセスガスの温度が低いため、ダクトに安価な材料（例えば、非絶縁パイプ、亜鉛メッキ鋼）を使用することができる。さらに、本モジュールへのダクトのサイズは、従来のモジュール（同じプロセスガス需要を有する）と比較して小さくすることができる例えば、本モジュールを使用したプラントに配置したダクトは、従来のモジュールを使用したプラント（プロセスガス需要が同じ）に配置されるダクトに比べて２～３倍小さい体積になる可能性がある。プロセスプラントの配管と断熱材は、プラント全体の体積と設置面積の大部分を占め、特に非常に大規模なシステムの場合は、その割合が大きくなる。この本発明の設計により、プロセス温度の低下、配管やダクトの小型化が可能となり、プラント全体の設置面積を大幅に削減することができる。

【0024】

図２は、本発明の一つの実施形態によるモジュールクラスタ２００の透視図である。モジュールクラスタ２００は、複数のモジュールアセンブリ１００（スタックアセンブリ１０１および熱交換器１０２を囲むハウジングと一緒に示される）、プラント装置のバランス２０２、およびダクト３０１（図３および４に示す）を保持するように構成されたラック構造２０１を含んでいてよい。ラック構造２０１およびモジュールアセンブリ１００は、設置済みモード、除去モード、または設置モードで一緒に動作してもよい。設置済みモードでは、ダクト３０１は、プラント装置のバランス２０２とモジュールアセンブリ１００の第１の端部Ａとの間の流体連絡を提供するように構成される。除去モードでは、モジュールアセンブリ１００は、モジュールアセンブリ１００の第１の端部Ａから離れる方向に（例えば、モジュールアセンブリ１００の第２の端部Ｂに向かって）、ラック構造２０１から除去可能である。設置モードでは、モジュールアセンブリ１００は、モジュールアセンブリ１００の第１の端部Ａに向かう方向でラック構造２０１に設置される。

【0025】

ラック構造２０１は、第１の端部Ａ'と、反対側に、第２の端部Ｂ'を有してもよい。設置時、モジュールアセンブリ１００の第１の端部Ａは、ラック構造２０１の第１の端部Ａ'に近接していてもよい。除去の間に、モジュールアセンブリ１００は、ラック構造２０１の第２の端部Ｂ'から除去されてもよい。

【0026】

図２に示すように、ラック構造２０１は、４つのモジュールアセンブリ１００を保持する。しかしながら、本発明は、それほど限定されない。ラック構造２０１は、より少ない数のモジュールアセンブリ１００を保持してもよいし、より多くのモジュールアセンブリ１００を保持してもよい。図２の実施形態では、ラック構造２０１は、複数のモジュールアセンブリ１００およびプラント装置のバランス２０２を積層配置で保持してもよく、ラック構造２０１およびモジュールアセンブリ１００は、除去の間に、モジュールアセンブリ１００がラック構造２０１から同じ方向（例えば、ラック構造２０１の第２の端部Ｂ'から）に除去可能なように構成される。

【0027】

図３は、本発明の１つの実施形態によるクラスタ群３００の透視図である。クラスタ群３００は、複数のモジュールクラスタ２００（ダクト３０１を含む）を含んでもよい。クラスタ群３００は、第１の端部Ａ''および第２の端部Ｂ''を有してもよい。各モジュールクラスタ２００のダクト３０１は、クラスタ群３００の第１の端Ａ''に近接してもよい。１つの実施形態において、各クラスタ群２００に保持されたモジュールアセンブリは、同じ方向で（例えば、クラスタ群３００の第２の端Ｂ''から）除去されてもよい。

【0028】

図３に示すように、クラスタ群３００は、サイドバイサイドに配置された４つのモジュールクラスタ２００を含む。しかし、本発明は、それに限定されるものではない。クラスタ群３００は、より少ない数のモジュールクラスタ２００を含んでもよいし、より多くのモジュールクラスタ２００を含んでもよい。

【0029】

除去モードの間、クラスタ群３００内の単一のモジュールクラスタ２００は、他のモジュールクラスタ２００から電気的および／または流体的に隔離されていてもよい。モジュールクラスタ２００からのモジュールアセンブリ１００を除去する場合、影響を受けるモジュールクラスタ２００は、クラスタ群３００内の残りのモジュールクラスタ２００から「オフライン」または電気的に隔離されてもよく、プロセスガスは影響を受けるモジュールクラスタ２００から遠ざけられることができる。残りのモジュールクラスタ２００は、プロセスガスを受け／出力し、電力を生成するために「オンライン」または利用可能なままであってもよい。

【0030】

図４は、本発明の１つの実施形態による発電所４００の透視図である。発電所４００は、複数のクラスタ群３００、モジュールアセンブリ１００を上昇／下降させ、当該モジュールアセンブリ１００をクラスタ群３００に設置する／それから除去するように構成されたクレーンアセンブリ４０２（または同様の装置）を含んでもよい。クレーンアセンブリ４０２は、クレーンアセンブリ４０２がモジュールアセンブリ１００を上昇／下降させ、当該モジュールアセンブリ１００を設置／除去する際にモジュールアセンブリ１００を保持するように構成されたキャリッジアセンブリ４０１を含んでもよい。

【0031】

図４に示すように、発電所４００は、アノードフィードガスダクト４１０、アノード排気ダクト４１１、カソードフィードガスダクト４２０、およびカソード排気ダクト４２１を含んでもよい。カソードフィードガスの外部供給源は、周囲空気、燃焼源、または二酸化炭素を排出する他の供給源であってもよい。例えば、カソードフィードガスダクト４２０は、排ガス源（例えば、発電施設または産業施設）に流体的に接続されてもよい。カソードプロセスガスは、カソード排気ダクト４２１を介して環境へ排気されてもよい。アノードフィードガスの外部供給源は、任意の炭化水素源（例えば、天然ガスパイプライン、嫌気性消化器など）であってもよい。このようなアノードフィードガスは、１つ以上のガスプロセス／処理アセンブリを通過してもよいことは理解される。そのようなプロセス／処理アセンブリは、プラント装置のバランスの一部であってもよい。モジュールアセンブリ１００から、処理されたアノードガス（アノード排気）は、（例えば、炭素捕捉などのための）後処理アセンブリに送られてよい。プラント装置のバランスは、燃料電池に導入するためのプロセスガスを準備するように構成されたアセンブリと、排気ガスを処理するように構成されたアセンブリ（例えば、炭素捕捉のためなど）とを含んでもよい。

【0032】

図５は、１つの実施形態による、除去モードまたは設置モードの間の（除去または設置される）モジュールアセンブリ１００およびクラスタ群３００の透視図である。この実施形態では、設置モードの間、クレーンまたは他のリフト機構と協働して、キャリッジアセンブリ４０１は、輸送機構（例えば、鉄道車両、トレーラベッドなど）またはステージング領域からモジュールアセンブリ１００を固定し、クラスタ群３００の第２の端部Ｂ''（およびラック構造２０１の第２の端部Ｂ'）に向かってモジュールアセンブリ１００を移動（例えば、上昇、回転、配置など）させてもよい。キャリッジアセンブリ４０１は、モジュールアセンブリ１００が（スライド、プッシュ、プル、並進などによって）開いたラック構造レベル５０１に設置され得るように、モジュールアセンブリ１００を位置決めしてもよい。上述したプロセスは、除去モードの間に逆にしてもよい。

【0033】

ラック構造レベル５０１および／またはモジュールアセンブリ１００は、ラック構造２０１へのモジュールアセンブリ１００の出し入れを可能にするために、レール、トラック、溝、摺動面、ローラーなどを含んでもよい。

【0034】

キャリッジアセンブリ４０１は、重い工業部品または装置（例えば、大型熱交換器）を持ち上げることができ、そのような部品または装置を隆起した構造体に並進させることができる当技術分野で知られている任意のそのようなアセンブリであってよい。キャリッジアセンブリ４０１は、モジュールアセンブリ１００がキャリッジアセンブリ４０１から変位する際に移動する重心を収容するように構成されてもよい。例えば、キャリッジアセンブリ４０１は、キャリッジ構造５０２およびキャリッジプラットフォーム５０３を含んでもよく、これらは、キャリッジ構造５０２が、重量負荷がキャリッジプラットフォーム５０３上またはそこから移動されるときにキャリッジアセンブリ４０１の重心に近接した位置を維持し得るように、互いに対して横方向に移動するように構成される。

【0035】

図６は、本発明の１つの実施形態による、ダクトに接続されたモジュールアセンブリ１００のクラスタ群３００の第１の端部Ａ''（またはラッキング構造体２００の第１の端部Ａ'）付近のクローズアップ透視図を示す。図６に示されているように、モジュールアセンブリ１００の第１の端部Ａに位置するポートは、クラスタ群３００の第１の端部Ａ''（またはラック構造２００の第１の端部Ａ'）の近くに位置するダクトと連絡している。設置モードの間、アノード入力ポート１１０はアノードフィードガスダクト４１０と連絡し、アノード出力ポート１１１はアノード排気ダクト４１１と連絡し、カソード入力ポート１２０はカソードフィードガスダクト４２０と連絡し、カソード出力ポート１２１はカソード排気ダクト４２１と連絡している。モジュールアセンブリ１００上のポートとダクトとの間の連絡は、当該技術分野において知られている任意の手段または方法によってよい。モジュールアセンブリポートとダクトとの間の連絡は、解放可能（例えば、ボルト、ネジ、クランプ、静電気力など）または非解放可能（例えば、溶接）であってよい。好ましい実施形態では、モジュールアセンブリポートとモジュールクラスターダクトの間の連絡は、解放可能である。任意の通信は、周囲の環境から密閉されたモジュールアセンブリポートとモジュールクラスターダクトとの間の流体接続を作り出すことは理解されたい。シール、ガスケットなどを使用して、モジュールアセンブリポートとモジュールクラスターダクトとの間に密閉された接続を形成してもよい。

【0036】

いくつかの実施形態では、モジュールアセンブリポートとモジュールクラスターダクトとの間の連絡は、重力または他の静電気力によって維持されてもよい。例えば、モジュールアセンブリ１００の重量は、モジュールアセンブリポートとモジュールクラスターダクトとの間の接続を固定してもよい。別の例では、モジュールアセンブリ１００は、モジュールアセンブリポートがクラスターダクトの受入端に押し込まれるように、モジュールクラスターダクトに向かって押されてもよい。モジュール組立品ポートとクラスターダクトの受入端との間の密閉された接続を維持するために、モジュール組立品１００に静電気力が加えられてもよい。

【0037】

図７は、本発明の実施形態に係る発電所４００の切断側面立面図を示す。２つのクラスタ群３００は、クラスタ群３００の第２の端部Ｂ''が互いに向き合い、第２の端部Ｂ''の間にステージング領域７０１を形成するように方向付けられてもよく、これは、オフサイト位置からのモジュールアセンブリ１００の受け取り、（例えば、キャリッジアセンブリ４０１による）モジュールアセンブリ１００の固定、および２つのクラスタ群３００の一方または他方への設置のためにモジュールアセンブリ１００を方向付ける（例えば、モジュールアセンブリ１００の第１の端部Ａがモジュールアセンブリ１００が設置されるクラスタ群３００の方を向くようにモジュールアセンブリ１００を回転することによって）ように収容し得る適当なサイズとしてよい。クレーンアセンブリ４０２は、クレーンアセンブリ４０２がキャリッジアセンブリ４０１をクラスタ群３００に含まれる任意のラック構造２００に近接して配置し得るように、クラスタ群３００の第２の端部Ｂ”の面に沿って並進するように構成されてもよい。クレーンアセンブリ４０２は、クラスタ群３００内の任意のラック構造レベル５０１に近接してキャリッジアセンブリ４０１を上げる（または下げる）ように構成されてもよい。キャリッジアセンブリ４０１およびクレーンアセンブリ４０２は、クラスタ群３００への設置またはクラスタ群３００からの除去のためにモジュールアセンブリ１００を回転させるように構成されてもよい。

【0038】

さらなる態様
態様１．燃料電池スタックアセンブリ、熱交換器、ならびに燃料電池スタックアセンブリおよび熱交換器を含むハウジングを含む燃料電池モジュールアセンブリであって：燃料電池スタックアセンブリは燃料電池スタックを含み、燃料電池スタックは第１のプロセスガスを受け、アウトプットするように構成され、複数のマニホールドは第１のマニホールドおよび第２のマニホールドを含み、第１のマニホールドは第１のプロセスガスを燃料電池スタックに供給するように構成され、第２のマニホールドは第１の燃料電池スタックからアウトプットされたプロセスガスを受けるように構成され、熱交換器は外部供給源から第１のプロセスガスを受け、かつ、第１のプロセスガスを第１のマニホールドにアウトプットするように構成され、かつ、第１のプロセスガスを第２のマニホールドから受け、第１のプロセスガスをアウトプットするように構成され、ハウジングは燃料電池スタックアセンブリおよび熱交換器を取り囲むことを特徴とする、燃料電池モジュールアセンブリ。

【0039】

態様２．燃料電池スタックは第２のプロセスガスを受け、アウトプットするようにさらに構成され、複数のマニホールドは第３のマニホールドおよび第４のマニホールドを含み、第３のマニホールドは第２のプロセスガスを燃料電池スタックに供給するように構成され、第４のマニホールドは第２の燃料電池スタックからアウトプットされたプロセスガスを受けるように構成され、熱交換器は第２の外部供給源から第２のプロセスガスを受け、第２のプロセスガスを第３のマニホールドにアウトプットするようにさらに構成され、第４のマニホールドから第２のプロセスガスを受け、第２のプロセスガスをアウトプットするように構成されることを特徴とする、態様１に記載の燃料電池モジュールアセンブリ。

【0040】

態様３．ハウジングはハウジングの第１の端部に位置する複数のポートを含み、複数のポートは熱交換器に流体的に接続し、かつ、第１のポート、第２のポート、第３のポートおよび第４のポートを含み、第１のポートは外部供給源からの第１のプロセスガスを受けるように構成され、第２のポートはハウジングからの第１のプロセスガスをアウトプットするように構成され、第３のポートは第２の外部供給源から第２のプロセスガスを受けるように構成され、かつ、第４のポートはハウジングから第２のプロセスガスをアウトプットするように構成されていることを特徴とする、態様２に記載の燃料電池モジュールアセンブリ。

【0041】

態様４．熱交換器は第１の温度で外部供給源から第１のプロセスガスを受け、第２の温度で第１のプロセスガスを燃料電池スタックアセンブリにアウトプットするようにさらに構成され、第１の温度は第２の温度よりも約８５％～約９５％低温であることを特徴とする、態様２または３に記載の燃料電池モジュールアセンブリ。

【0042】

態様５．熱交換器は第３の温度で燃料電池スタックアセンブリから第１のプロセスガスを受け、第４の温度で第１のプロセスガスをアウトプットするようにさらに構成され、第４の温度は第３の温度よりも約７０％～約８０％低温であることを特徴とする、態様４に記載の燃料電池モジュールアセンブリ。

【0043】

態様６．熱交換器は第５の温度で第２の外部供給源から第２のプロセスガスを受け、第６の温度で燃料電池スタックアセンブリに第２のプロセスガスをアウトプットするようにさらに構成され、第５の温度は第６の温度よりも約７５％～約８５％低温であることを特徴とする、態様５に記載の燃料電池モジュールアセンブリ。

【0044】

態様７．熱交換器は第７の温度の第２のプロセスガスを燃料電池スタックアセンブリから受け、かつ、第８の温度の第２のプロセスガスをアウトプットするようにさらに構成され、第８の温度は第７の温度よりも約７０％～約８０％であることを特徴する、態様６に記載の燃料電池モジュールアセンブリ。

【0045】

態様８．第１の端部を有し、燃料電池スタックを含むモジュールアセンブリ、モジュールアセンブリを保持するように構成されたラック構造、プラント装置のバランス、および、設置済みモードの間、プラント装置のバランスおよびモジュールアセンブリの第１の端部の間に流体連絡を提供するように構成されたダクトを含み、モジュールアセンブリおよびラック構造は、除去モードの間、モジュールアセンブリがモジュールアセンブリの第１の端部から離れる方向から離れる方向でラック構造から除去可能なように構成されていることを特徴とする、燃料電池発電プラントシステム。

【0046】

態様９．ラック構造は第１の端部および第１の端部と反対側の第２の端部を有し、ダクトの少なくとも一部分はラック構造の第１の端部に近接し、設置済みモードの間、モジュールアセンブリの第１の端部はラック構造の第１の端部に近接していることを特徴とする、態様８に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【0047】

態様１０．モジュールアセンブリおよびラック構造は、除去モードの間、モジュールアセンブリがラック構造の第２の端部から除去可能なように構成されていることを特徴とする、態様９に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【0048】

態様１１．燃料電池スタックはプロセスガスを受けかつアウトプットするように構成され、モジュールアセンブリは：第１のマニホールドおよび第２のマニホールドを含む複数のマニホールドをさらに含み、第１のマニホールドはプロセスガスを燃料電池スタックに供給するように構成され、第２のマニホールドは燃料電池スタックからアウトプットされたプロセスガスを受けるように構成され、熱交換器は第１の温度のプロセスガスを外部供給源から受け、かつ、第２の温度のプロセスガスを第１のマニホールドにアウトプットするように構成され、かつ、第３温度のプロセスガスを第２のマニホールドから受け、かつ、第４の温度のプロセスガスをアウトプットするように構成されていることを特徴とする、態様８～１０のいずれか１つに記載の燃料電池発電プラントシステム。

【0049】

態様１２．第１の温度は第２の温度よりも約７５％～約９５％低温であり、第４の温度は第３の温度よりも約７５％～約９５％低温であることを特徴とする、態様１１に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【0050】

態様１３．複数のモジュールアセンブリをさらに含み、ラック構造は複数のモジュールアセンブリを積層配置に保持するように構成され、ラック構造および複数のモジュールアセンブリの各々は、除去モードの間に、モジュールアセンブリは同じ方向でラック構造を除去可能なように構成されていることを特徴とする、態様８～１２のいずれか１つに記載の燃料電池発電プラントシステム。

【0051】

態様１４．モジュールアセンブリを含む複数のモジュールアセンブリをさらに含み；ラック構造は複数のモジュールアセンブリを積層配置に保持するように構成されていることを特徴とする、態様１０に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【0052】

態様１５．ラック構造は複数のモジュールアセンブリに対して積層配置でプラント装置のバランスを保持するように構成されることを特徴とする、態様１４に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【0053】

態様１６．ダクトは、ラック構造の第１の端部に近接し、複数のモジュールアセンブリに向けてプラント装置のバランスから離れて延在するように構成された胴体部、および複数の枝部モジュールアセンブリと連絡するように構成された第１の枝部を含む胴体部から離れて延在する複数の枝部を含むことを特徴とする、態様１５に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【0054】

態様１７．複数のモジュールアセンブリ、ラック構造、プラント装置のバランス、およびダクトがモジュールクラスタを形成することを特徴とする、態様１４～１６のいずれか１つに記載の燃料電池発電プラントシステム。

【0055】

態様１８．モジュールクラスタを含む複数のモジュールクラスタをさらに含むことを特徴とする、態様１７に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【0056】

態様１９．除去モードの間に、モジュールクラスタは、複数のモジュールクラスタの中の他のモジュールクラスタから電気的および／または流体的に分離するように構成されることを特徴とする、態様１８に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【0057】

態様２０．複数のモジュールクラスタが並んで配置されてクラスタ群を形成し、クラスタ群が第１の端部を有し、複数のモジュールクラスタの中の各々のラック構造の第１の端部がクラスタ群の第１の端部に存在することを特徴とする、態様１８または１９に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【0058】

態様２１．クラスタ群を含む複数のクラスタ群をさらに含む、態様２０に記載の燃料電池発電プラントシステム。

【0059】

本明細書で利用されるように、用語「ほぼ」、「約」、「実質的に」、および同様の用語は、本開示の主題が関係する技術分野における当業者によって一般的かつ受け入れられた使用法と調和する広い意味を有することが意図される。これらの用語は、これらの特徴の範囲を提供された正確な数値範囲に制限することなく、記載され特許請求された特定の特徴の説明を可能にすることを意図していることは、この開示を検討する当業者によって理解されるべきである。したがって、これらの用語は、記載され特許請求された主題の実質的でないまたは取るに足らない修正または変更が、添付の請求項に記載された本開示の範囲内にあるとみなされることを示すと解釈されるべきである。

【0060】

様々な実施形態を説明するために本明細書で使用される「例示的」という用語は、かかる実施形態が可能な実施例、表示、および／または例示であることを示すことを意図している（そしてかかる用語は、かかる実施形態が必ずしも特別または最上級の例であることを意味するものではない）ことに留意されたい。

【0061】

本明細書で使用される用語「結合（した）」、「接続（した）」などは、２つの部材が互いに直接的または間接的に接合されることを意味する。そのような接合は、固定的（例えば、永久的）または可動的（例えば、除去可能もしくは解放可能）であってもよい。このような接合は、２つの部材または２つの部材および任意の追加の中間部材が互いに単一のユニット体として一体的に形成されている状態で、または２つの部材もしくは２つの部材および任意の追加の中間部材が互いに取り付けられている状態で達成されてもよい。

【0062】

本明細書における要素の位置（例えば、「上」、「下」、「上方」、「下方」など）への言及は、単に図中の様々な要素の向きを説明するために使用しているにすぎない。様々な要素の向きは、他の例示的な実施形態に従って異なってもよく、そのような変形は本開示によって包含されることが意図されていることに留意されたい。

【0063】

本発明をその好ましい実施形態に関して説明してきたが、当業者には、本発明の範囲および精神の範囲内にある様々な他の実施形態および変形が生じ得ること、ならびにそのような他の実施形態および変形は、対応する請求項によってカバーされることが意図されていることが理解されるであろう。当業者は、本明細書に記載された主題の新規な教示および利点から実質的に逸脱することなく、多くの変更が可能であることを容易に理解するであろう（例えば、種々の要素のサイズ、寸法、構造、形状および割合、パラメータの値、取り付け配置、材料の使用、色、方向、製造プロセスなどにおける変動）。例えば、任意のプロセスまたは方法のステップの順序または配列は、代替的な実施形態に従って変化させるかまたは再順序付けしてもよい。本開示の範囲から逸脱することなく、様々な例示的な実施形態の設計、動作条件および配置において、他の置換、修正、変更および省略を行ってもよい。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【国際調査報告】