JP2005043046A - ハイブリッド燃料電池−パルスデトネーションパワーシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 サイクル効率を向上させるためにパルスデトネーションを使用するパワーシステムを提供する。
【解決手段】 パワーシステム（１００）は第１の燃料を受け入れる燃料電池モジュール（２０）と、第２の燃料を受け入れて、それを爆発させ、複数のデトネーション生成物を排出し、推進、機械仕事取り出し又は電力発生のための推力を発生させるパルスデトネーション燃焼器（１０）とを含む。燃料電池モジュール（２０）は更に第１の酸化剤を受け入れ、パルスデトネーション燃焼器（１０）は更に第２の酸化剤を受け入れる。
【選択図】 図１

Description

本発明は一般にハイブリッドサイクル発電に関し、特にハイブリッド燃料電池／パルスデトネーションエンジンパワーシステムに関する。

燃料電池、例えば、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣｓ）は、イオン伝導層を介して燃料とオキシダントを電気化学的に組み合わせることにより電気を発生するエネルギー変換装置である。発電に適用される場合、スタックとして配列された多数の燃料電池を使用して、電力を発生する。

燃料電池発電が直面する問題の１つは、全負荷に到達するまでの期間が長いことである。燃料電池の種類によって時定数は異なるが、通常、約１メガワット以上の場合の時定数は数時間から数日にわたる。これに対し、従来の１００メガワット（１００ＭＷ）のガスタービンは約５分未満で低温始動状態から全負荷に到達する。従って、燃料電池を組み込んだパワーシステムの場合には、急速始動オプションを有することが望ましいであろう。

燃料電池発電が直面するもう１つの問題は、燃料電池ユニットに供給される燃料の相当に多くの部分を利用し、それにより、競合しうる燃料効率を実現できるように十分に大きな燃料電池を製造することである。大型燃料電池は高価であり、製造が困難である。従って、小型で、高価でない燃料電池を使用して、競合しうる燃料効率を実現することが望ましいであろう。

パワーシステム設計における更に別の目的は、単純サイクルシステム及び複合サイクルシステムの双方について効率を向上させることである。しかし、高いサイクル効率を達成するためには、材料と冷却技術が許す限り、圧力比及び動作温度を高くすることが必要である。現在、従来の燃焼プロセスの結果として生じる４〜７％の圧力損失を補償するのを助ける、複雑な高圧圧縮機及びタービンを使用して、高い圧力比が実現されている。しかし、それらのシステムは数多くの複雑に回転する機械部品を含んでいる。
米国特許６０６２０１８号公報

近年、航空機エンジンにおいてパルスデトネーションエンジンの使用の可能性を探るための努力が始まっている。パルスデトネーションエンジンは一連の繰り返されるデトネーション又は超音速燃焼事象によって圧力上昇を発生させるという点で好都合である。従って、サイクル効率を向上させるためにパルスデトネーションを使用するパワーシステムを開発することが望ましいであろう。また、パワーシステムは急速始動能力を有することが望ましいであろう。更に、パワーシステムは、小型燃料電池を使用しつつ、競合しうる燃料効率を実現することが望ましいであろう。

簡単には、本発明の一実施例によれば、パワーシステムは第１の燃料を受け入れる燃料電池モジュールと、第２の燃料を受け入れて、それを爆発させ、複数のデトネーション生成物を排出し、推進、機械仕事取り出し又は電力発生のための推力を発生させるパルスデトネーション燃焼器とを含む。

本発明のこれらの特徴、面及び利点並びにその他の特徴、面及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読んだときに更によく理解されるであろう。図面中、同じ図中符号は図面全体を通して同じ部分を表す。

図１を参照してパワーシステム１００を説明する。図１に示すように、パワーシステム１００は第１の燃料を受け入れる燃料電池モジュール２０と、第２の燃料を受け入れて、それを爆発させ、複数のデトネーション生成物を排出し、推進、機械仕事取り出し又は電力発生のための推力を発生させるパルスデトネーション燃焼器１０とを含む。

この例のパルスデトネーション燃焼器１０は、例えば、図３に示すように、複数のパルスデトネーションチャンバ１６を有する。

ここで使用される用語「パルスデトネーション燃焼器」は、装置内部における一連の繰り返されるデトネーション又は擬似デトネーションから圧力上昇と速度増加の双方を発生させる何らかの装置又はシステムを意味すると理解される。「擬似デトネーション」は、爆燃（又は定圧燃焼）波により発生される圧力上昇及び速度増加より大きな圧力上昇及び速度増加を発生させる超音速乱流燃焼プロセスである。パルスデトネーション燃焼器の典型的な実施例は、燃料／酸化剤混合物、例えば、燃料／空気混合物に点火する手段と、点火プロセスにより開始された圧力波面が内部で合体して、デトネーション波を発生するデトネーションチャンバとを含む。各々のデトネーション又は擬似デトネーションは、火花放電又はレーザーパルスなどの外部点火により開始されるか、あるいは衝撃集束、自己点火などの気体力学プロセス、又は別のデトネーション（クロスファイヤ）により開始される。デトネーションチャンバは、デトネーション波の圧力上昇によって、パルスデトネーション燃焼器の排気から燃焼生成物が放出されて、推力を発生するような幾何学的形状を有する。当業者には知られているように、パルスデトネーションは、デトネーション管、衝撃波管、共振デトネーション空洞及び環状デトネーションチャンバを含む数種類のデトネーションチャンバで実現できるであろう。

パワーシステム設計における第１の目的は効率の向上である。しかし、サイクル効率を高くするためには、圧力比が高いことが要求され、従来、これは、従来の燃焼プロセスの結果として生じる４〜７％の圧力損失を補償するために複雑な高圧圧縮機及びタービンを使用して実現されている。先に説明したパワーシステム１００のボトミングサイクルは、従来の定圧燃焼プロセスとは異なり、反復デトネーションを実行することにより圧力上昇燃焼を実現する。その結果、パワーシステム１００の場合、従来の燃焼ボトミングサイクルを有するハイブリッド燃料電池パワーシステム（図示せず）と比較して、所望の高い圧力を達成するために圧縮機４０により要求されるエネルギーは少なくなる。

燃料電池モジュール２０の一例を図３に関して説明する。図示されるように、この例の燃料電池モジュール２０は、少なくとも１つの燃料電池ユニット２４を含む少なくとも１つの燃料電池スタック２２を含む。この例の燃料電池ユニット２４は陽極（図示せず）と、陰極（図示せず）と、陽極と陰極との間に配置された電解質（図示せず）とを具備する。図３に示される２つの燃料電池スタック２２から成る構造は単なる例であり、燃料電池スタック２２の数及び配置、並びに各スタック２２における燃料電池ユニット２４の数及び配置は、所望の出力及び空間的制約などの特定の用途の必要条件に基づいて変わる。図示される燃料電池モジュール２０は、燃料電池スタック２２に供給するための第１の燃料を受け入れるように構成された入口１２と、燃料電池スタック２からの排出燃料流れを排出するように構成された出口１４とを更に含む。

図３に示すように、例えば、燃料電池モジュール２０は更に第１の酸化剤を受け入れ、パルスデトネーション燃焼器１０は更に第２の酸化剤を受け入れる。「第１の酸化剤」及び「第２の酸化剤」という用語は、ここでは、燃料電池モジュール２０及びパルスデトネーション燃焼器１０が異なる酸化剤を使用できることを指示するために使用されている。例えば、燃料電池モジュール２０とパルスデトネーションモジュール１０は、それぞれ、圧縮空気と酸素（Ｏ_２）を受け入れる。しかし、通常、第１及び第２の酸化剤は圧縮空気から形成されている。特に、図１に示す例のパワーシステム１００は、燃料電池モジュール２０及びパルスデトネーション燃焼器１０のうちの少なくとも一方に圧縮空気を供給するように構成された圧縮機４０を含む。図示される特定の実施例の場合、圧縮機４０は燃料電池モジュール２０とパルスデトネーション燃焼器１０の双方に圧縮空気を供給するように構成されている。更に、デトネーションの開始を強化するために、パルスデトネーション燃焼器１０は、例えば、Ｏ_２などの補助酸化剤を更に受け入れても良い。

先に述べた通り、パルスデトネーション燃焼器１０からの燃焼生成物の放出によって推力が発生する。パワーシステム１００は、この推力により駆動されるタービン３０と、電力を発生する発電機５０とを更に含む。特に、タービン３０はパルスデトネーション燃焼器１０の下流側に配置され、パルスデトネーション燃焼器１０と流体連通している。発電機５０はタービン３０に接続され、軸動力を電気に変換する。言うまでもなく、軸動力はポンプ、ファン又はプロペラ（図示せず）を駆動することを含めて数多くの用途を有する。そのような用途の全ては本発明により包含されている。

図２は、組み合わせサイクルパワーシステム１００の別の実施例を示す。図２に示すように、パワーシステム１００はランキンボトムサイクル（又は蒸気タービンボトミングサイクル）を含む。図示されるように、蒸気タービンアセンブリ２００はタービン３０からの排気流れを受け入れ、その排気流れを使用して蒸気を発生し、蒸気を使用して電力を発生する。蒸気タービンアセンブリ２００を取り入れたことで、ハイブリッドパワーシステム１００からの廃熱から追加の電力を取り出せるという利点が生まれる。図２に示す特定の実施例の場合、蒸気タービンアセンブリ２００は、蒸気を使用して電力を発生する蒸気タービン２１０を含む。蒸気タービンアセンブリ２００は、蒸気タービン２１０からの排出蒸気を受け入れ、凝縮して、流体流れを供給する凝縮器２３０と、流体流れを受け入れて、押し出すポンプ２４０とを更に含む。更に、蒸気タービンアセンブリ２００は、タービン３０からの排気流れを受け入れ、ポンプ２４０からの流体流れを受け入れ、排気流れを使用して流体流れから蒸気を生成する熱回収蒸気発生器２５０を含む。

燃料電池モジュール２０及びパルスデトネーション燃焼器１０は、同じ燃料、例えば、リフォーメート又は水素（Ｈ_２）を使用するか、あるいはそれぞれ異なる燃料、例えば、留出燃料又は天然ガスを使用できるであろう。図１に示す特定の実施例の場合、パワーシステム１００は、燃料を受け入れて、それを改質し、リフォーメートを生成する改質装置６０を更に含む。リフォーメートは燃料電池モジュール２０に供給される。特に、図１に示す実施例では、リフォーメートはパルスデトネーション燃焼器１０にも供給される。更に、パルスデトネーション燃焼器１０は、図１に破線で指示するように、燃料電池モジュール２０からのテールガスを受け入れても良い。

燃料電池発電が直面するより重大な技術的問題の１つは、燃料電池ユニットに供給される燃料の相当に多くの部分を利用して、競合しうる燃料効率を実現できるほど十分に大きい燃料電池２４を製造することである。大まかに言うと、約６５％の燃料利用率を実現するためには、燃料の約８０％が使用されなければならない。同様に、約７０％の効率は約８５％の燃料利用率を必要とする。しかし、燃料電池２４においてそのように高い燃料利用率を実現することは、燃料電池ユニットにおける燃料利用の性質上、法外な費用につながる可能性がある。図４に示すように、燃料電池ユニットにより利用される燃料（図４には「ｘ」として示されている）の約８０％は燃料電池ユニットの初めの半分で起こる。従って、パルスデトネーション燃焼器１０に燃料電池モジュール２０からのテールガスを受け入れさせることは、所望の燃料利用率（従って、効率）、例えば、９９％を超えるハイブリッド燃料電池／ＰＤＥシステムの総燃料利用率を実現しつつ、燃料電池ユニット２４の大きさを縮小する（それにより、ユニットの「ｘ」に関わる燃料利用を少なくする）のに好都合である。

ここで使用される用語「改質装置」は、蒸気と改質可能燃料との反応により水素を発生するための装置を表す。改質可能燃料の例には炭化水素、例えば、天然ガス又は留出液燃料がある。改質装置６０の例には触媒改質装置６０がある。蒸気と炭化水素燃料の混合物を改質する場合、そのような改質装置は、通常、燃料及び触媒に応じて、約４３０°Ｃ(８００°Ｆ)から約７６０°Ｃ(１４００°Ｆ)の温度範囲で動作される。改質装置は蒸気と燃料の混合物を反応させて、水、メタン、二酸化炭素、一酸化炭素及び様々な微量物質が少量ずつ含有されている水素（合わせて「リフォーメート」と呼ぶ）を生成する。図１には改質装置６０は１つしか示されていないが、より効率良く水素を生成するために、同じ触媒又は異なる触媒を有する２つ以上の改質装置６０が採用されても良いことを理解すべきである。

パワーシステム１００の特定の一実施例では、パルスデトネーション燃焼器１０は独立モードで動作し、改質装置６０は、パルスデトネーション燃焼器１０を独立モードで動作させるためにリフォーメートをパルスデトネーション燃焼器１０に供給する。「独立」とは、他方のモジュール、この場合には燃料電池モジュール２０が電力を発生していない間に、該当するモジュール、この場合にはパルスデトネーション燃焼器１０が動作することを表している。例えば、一実施例では、燃料電池モジュール２０がウォームアップモードにある間に、パルスデトネーション燃焼器１０は独立モードで動作する。発電に使用するのに適する大型燃料電池ユニット２４は遅い時定数を有し、燃料電池及び負荷の種類に応じて、全負荷状態になるまでに数時間から数日の長い時間を要する。そのように長い遅延は発電に適用される場合には望ましくない。従って、燃料電池モジュール２０がウォームアップ中であるか、又は保守などの他の理由によりオフライン状態である間に、パルスデトネーション燃焼器１０は独立して動作可能であることが望ましい。同様に、例えば、保守のためにパルスデトネーション燃焼器１０がオフライン状態である間に発電が継続するように、燃料電池モジュール２０も独立モードで動作可能であることが望ましい。

更に、パワーシステム１００の過渡応答を増加させるために、パルスデトネーション燃焼器１０及びタービン３０はパワーシステム１００の公称定常動作に要求される大きさより大型であることが望ましい。この大型化された実施例は、燃料電池の寿命の劣化を補償する。すなわち、パルスデトネーション燃焼器１０とタービン３０が必要サイズより大型であるため、燃料電池ユニット２４が劣化したときに、より高い出力で動作されることが可能である。加えて、ピーキング動作の場合、パルスデトネーション燃焼器１０とタービン３０を全出力で動作させることにより、総合効率の損失を最小限に抑えて、より多くの電力を発生できる。

本発明のいくつかの特徴のみを図示し、説明したが、当業者には数多くの変形及び変更が明白であろう。特許請求の範囲に示された図中符号は本発明の範囲を狭めようとするのではなく、本発明の理解を容易にすることを意図されている。

燃料電池モジュールと、タービン／発電機を駆動するパルスデトネーション燃焼器とを含むハイブリッドパワーシステムを示す図。 燃料電池モジュールと、タービン／発電機を駆動するパルスデトネーション燃焼器と、ランキンボトムサイクルとを含むハイブリッドパワーシステムの他の実施例を示す図。 図１及び図２の燃料電池モジュール及びパルスデトネーション燃焼器を示す図。 １つの燃料電池ユニットにおける燃料利用分布の一例を示す図。

符号の説明

１０…パルスデトネーション燃焼器、１６…パルスデトネーションチャンバ、２０…燃料電池モジュール、２２…燃料電池スタック、２４…燃料電池ユニット、３０…タービン、４０…圧縮機、５０…発電機、６０…改質装置、１００…パワーシステム、２００…蒸気タービンアセンブリ、２１０…蒸気タービン、２３０…凝縮器、２４０…ポンプ、２５０…熱回収蒸気発生器

Claims (10)

1. 第１の燃料を受け入れる燃料電池モジュール（２０）と、
   第２の燃料を受け入れて、それを爆発させ、複数のデトネーション生成物を排出するパルスデトネーション燃焼器（１０）とを具備するパワーシステム（１００）。
2. 前記燃料電池モジュール（２０）は更に第１の酸化剤を受け入れ、前記パルスデトネーション燃焼器（１０）は更に第２の酸化剤を受け入れる請求項１記載のパワーシステム（１００）。
3. 第２の燃料は第１の燃料に前記燃料電池モジュール（２０）からのテールガスを加えたものである請求項２記載のパワーシステム（１００）。
4. 前記燃料電池モジュール（２０）及び前記パルスデトネーション燃焼器（１０）のうちの少なくとも一方に圧縮空気を供給するように構成された圧縮機（４０）を更に具備する請求項２記載のパワーシステム（１００）。
5. 前記パルスデトネーション燃焼器（１０）の下流側に配置されたタービン（３０）を更に具備し、前記タービンは前記パルスデトネーション燃焼器と流体連通している請求項２記載のパワーシステム（１００）。
6. 前記タービン（３０）に接続された発電機（５０）を更に具備し、前記発電機は電気を発生する請求項５記載のパワーシステム（１００）。
7. 前記タービン（３０）からの排気流れを受け入れて、排気流れを使用して蒸気を発生し、その蒸気を使用して動力を発生する蒸気タービンアセンブリ（２００）を更に具備する請求項６記載のパワーシステム（１００）。
8. 燃料を受け入れて、それを改質し、リフォーメートを生成する改質装置（６０）を更に具備し、第１の燃料はリフォーメートから形成されている請求項２記載のパワーシステム（１００）。
9. 前記パルスデトネーション燃焼器（１０）は独立モードで動作する請求項１記載のパワーシステム（１００）。
10. 前記燃料電池モジュール（２０）は独立モードで動作する請求項９記載のパワーシステム（１００）。

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