JP2007123275A - 液体またはガス燃料のポンプ場に電力を供給するｓｏｆｃシステム - Google Patents

Abstract

【課題】パイプライン（１０）に結合された輸送装置（３０）を駆動するための燃料電池システム（１００）を提供すること。
【解決手段】燃料電池システム（１００）は、パイプライン（１０）と通じた燃料電池スタック（１２０）と、燃料電池スタック（１２０）と通じたタービンエンジン（１３０）と、輸送装置（３０）と通じたＤＣモータ（１７０）とを含むことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、全体的に燃料電池システムに関し、より詳しくは、燃料輸送ラインのポンプ場に原動力を供給するために使用される燃料電池システムに関する。

燃料輸送ラインは、長距離にわたって液体またはガスの燃料を輸送するためのポンプ場が必要である。燃料輸送ラインは、しばしば遠隔の領域中にあるので、ポンプまたはコンプレッサを駆動するための電力の入手性が、しばしば限られる、または全く利用できない。ガスタービンが、一般に、そのような遠隔の領域中では使用され、一方、配電網への接続が可能な場合、電動機が好まれる。

よく知られるように、燃料電池システムは、燃料またはガス流を電力に変換することができる。燃料電池システムは、燃料輸送ラインとともに使用することが過去に考慮された。既知のユニットには、パイプラインの燃料送出用、または天然ガスの圧縮および廃熱発電用の電力を供給する燐酸燃料電池（ＰＡＦＣ）または溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）が含まれる。そのような既知のシステムは、一般に高圧下で動作し、一般にターボコンプレッサを使用する必要があった。これらのシステムからの正味エネルギーは、ポンプまたはコンプレッサを運転するために使用されるＤＣ電力であった。これら既知のシステムは、一般に効率が限られていた。

したがって、燃料輸送ラインに沿った遠隔のポンプ場に配置することができる、改良された燃料電池システムに対する要望がある。好ましいのは、改良された燃料電池システムが、向上した効率で電力および／または機械力を供給し、一方、望ましくない排出物の量を限定することができることである。

本発明は、上記従来技術の課題を解決することを目的の一つとする。

したがって、本出願は、パイプラインの輸送装置を駆動するための燃料電池システムについて述べる。燃料電池システムは、パイプラインと通じた燃料電池スタックと、燃料電池スタックと通じたタービンエンジンと、輸送装置と通じたＤＣモータとを含むことができる。

燃料電池スタックは、固体酸化物型燃料電池スタックとすることができる。燃料電池スタックは、多数の燃料電池スタックを含むことができる。燃料電池システムは、さらに、パイプラインおよび燃料電池スタックと通じた燃料プロセッサを含むことができる。ガスタービンエンジンが、燃料電池スタックに圧縮空気を供給するためのコンプレッサと、燃料電池スタックから燃焼ガスを受け入れるためのタービンと、コンプレッサおよびタービンを接続する駆動軸とを含むことができる。輸送装置は、駆動軸に接続することができる。ＤＣモータも、駆動軸に接続することができる。

燃料電池システムは、さらに、燃料電池スタックおよびＤＣモータと通じたＤＣ電力調節器を含むことができる。燃料電池システムは、ガスタービンエンジンおよび燃料電池スタックと通じた熱交換器も含むことができる。燃料電池システムは、ＤＣモータが、ＤＣ発電機を介して燃料電池スタックから、およびガスタービンエンジンから電力を受け取るように、ガスタービンエンジンおよびＤＣモータと通じたＤＣ発電機を含むことができる。燃料電池システムは、輸送装置とＤＣモータの間に配置された駆動軸を含むことができる。

本出願は、燃料電池スタックと、ガスタービンエンジンと、ＤＣモータとを有するハイブリッド型燃料電池システムによる、流体をその中に有するパイプライン用の輸送装置を駆動するための方法についても述べる。この方法は、パイプラインから流体を燃料電池スタックに供給するステップと、ガスタービンエンジンから空気を燃料電池スタックに供給するステップと、燃料電池スタック中で発電するステップと、電力をＤＣモータに供給するステップと、燃料電池スタックからの排気ガスによってガスタービンを駆動するステップと、ＤＣモータおよび／またはガスタービンエンジンによって輸送装置を駆動するステップとを含む。

ハイブリッド型燃料電池システムは、輸送装置と通じた駆動軸を含み、この方法は、ガスタービンエンジンおよびＤＣモータ両方によって駆動軸を駆動するステップを含むことができる。ハイブリッド型燃料電池システムは、ガスタービンエンジンおよびＤＣモータと通じたＤＣ発電機を含むことができ、この方法は、ＤＣ発電機によって発電するステップと、ＤＣモータに電力を供給するステップとを含むことができる。

本出願のこれらおよび他の特徴は、図面および添付の請求項とともに、実施形態の以下の詳細な記述を検討した際、当業者に明らかになるはずである。

ここで、いくつかの図面にわたって同様の番号が同様の部品を示す図面を参照し、本明細書に記載する実施形態は、既存の燃料輸送ラインおよび装置とともに使用するように企図される。具体的には、本明細書に記載する実施形態は、既存のパイプライン１０とともに使用するように企図される。パイプライン１０は、天然ガス、燃料や他のタイプの流体１５を搬送することができる。上記に述べたように、多数のポンプ場２０をパイプライン１０に沿って配置することができる。各ポンプ場２０は、パイプライン１０と通じた、１つまたは複数の輸送装置３０を有することができる。輸送装置３０は、天然ガスの輸送のためのガスコンプレッサ４０、燃料および他の液体のためのポンプまたは同様なタイプの装置とすることができる。

図１に、本明細書に述べるガスコンプレッサシステム１００を示す。以下でより詳しく述べるように、ガスコンプレッサシステム１００は、燃料電池とガスタービン両方を組み合わせたハイブリッド型燃料電池電力システムとすることができる。この開示の目的で、システム１００によって発生される正味エネルギーは、コンプレッサ４０を運転するために使用する機械力の形とすることができる。

ガスコンプレッサシステム１００は、パイプライン１０と通じた燃料プロセッサ１１０を含むことができる。燃料プロセッサ１１０は、従来の燃料改質器または同様のタイプの装置とすることができる。

燃料プロセッサ１１０は、次いで、燃料電池スタック１２０と連通することができる。燃料電池スタック１２０は、好ましくは固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）スタックであるが、しかし他のタイプの燃料電池システムをここで使用することもできる。燃料電池スタック１２０は、実際、直列にまたは別の方法で配置される多数の燃料電池スタックを含むことができる。各燃料電池スタック１２０は、多数の個々の燃料電池を含む。任意の数の個々の燃料電池またはスタックをここで使用することができる。燃料電池スタック１２０は、加圧する、または加圧しなくてもよい。燃料電池スタック１２０は、約５ＭＷで、６０％を越えるまたはそれより高い効率を有することができる。

知られるように、燃料および空気は、燃料電池スタック１２０内で反応して、ＤＣ電力を発電する。次いで、使用済み燃料および空気が燃焼されて熱い燃焼ガスを発生することができる。この燃焼ガスは、燃料プロセッサ、燃料プリヒータ、スタートアップ発電機および復熱装置のために、ならびに以下に述べるように機械力を生成するために使用することができる。任意の目的の組合せを、ここで使用することができる。次いで、燃焼ガスは、大気中に放出される、または他の方法で使用することができる。燃焼されない場合、カソード排ガスを同様に使用することができる。

燃料電池スタック１２０は、ガスタービンエンジン１３０と連通することができる。ガスタービンエンジン１３０は、一般に、共通の駆動軸１６０上に配置された空気コンプレッサ１４０と、ガスタービン１５０とを含む。熱交換器１６５も、コンプレッサ１４０、ガスタービン１５０および燃料電池スタック１２０と連通することできる。流入空気が、コンプレッサ１４０中で圧縮され、次いで通過して熱交換器２１０内で加熱される。加熱圧縮空気が、燃料電池スタック１２０に送られて、燃料プロセッサ１１０からの燃料と反応する。一度反応するおよび／または燃焼すると、熱い燃焼ガスが燃料電池スタック１２０から流出し、ガスタービン１５０を駆動する。そのようにして、ガスタービン１５０は、駆動軸１６０を回転して空気コンプレッサ１４０および外部負荷を駆動する。熱い燃焼ガスは、ガスタービン１５０から流出し、熱交換器１６５を通って戻り、次いで大気に放出される、または別の方法で使用することができる。そのようにして、熱交換器１６５を通過する燃焼ガスは、流入空気流を加熱する。

この実施形態では、ＤＣモータ１７０を駆動軸１６０上に配置することもできる。ＤＣモータ１７０は、従来の設計のものとすることができる。ＤＣモータ１７０は、燃料電池スタック１２０からＤＣ電力調節器１８０を介してＤＣ電力を供給される。ＤＣ電力調節器１８０は、従来の設計のものとすることができ、ＤＣモータ１７０へのスパイク保護を実施することができる。したがって、駆動軸１６０は、タービン１５０およびＤＣモータいずれかで、またはその両方で駆動することができる。

駆動軸１６０は、ガスコンプレッサ４０に直接接続することができる。したがって、駆動軸１６０は、コンプレッサ４０を駆動して、パイプライン１０内でガスを圧縮する。そのようにして、ガスタービンエンジン１３０からの機械的エネルギーは、コンプレッサ４０へ直接伝達され、燃料電池スタック１２０によって発電されるＤＣ電力も、ＤＣモータ１７０を介して機械的エネルギーに変換される。駆動軸１６０上に配置される要素は、任意の順序で配置することができる。任意の数のガスコンプレッサシステム１００を使用することができる。

図２に、ガスコンプレッサシステム２００の他の実施形態が示してある。ガスコンプレッサ２００は、一般に、上記に述べたガスコンプレッサシステム１００の燃料プロセッサ１１０と、燃料電池スタック１２０と、ガスタービンエンジン１３０と、熱交換器１６５と、ＤＣモータ１７０と、ＤＣ電力調節器１８０とを含む。駆動軸１６０上にＤＣモータ１７０を配置する代わりに、ガスコンプレッサシステム２００は、駆動軸１６０上に配置される別個のＤＣ発電機２１０を含む。ＤＣ発電機２１０は、従来の設計のものとすることができ、駆動軸１６０の機械的エネルギーをＤＣ電力に変換する。

ＤＣ発電機２１０は、ＤＣ電力調節器１８０と連通することができ、次いでそれは、ＤＣモータ１７０と連通する。次いで、第２の駆動軸２２０が、ＤＣモータ１７０とコンプレッサ４０を接続する。したがって、ガスタービンエンジン１３０および燃料電池スタック１２０によって発電されるＤＣ電力は、第２の駆動軸２２０およびコンプレッサ４０を駆動する。

他の代替実施形態として、ガスコンプレッサシステム２００は、利用できるところでは、ＤＣモータ１７０に接続される電力ライン２３０または別の方法を介して、公共配電網に接続することができる。電力ライン２３０は、バックアップシステムとして働くことができ、または他の方法でＤＣ電源を補足することができる。限られた時間、バッテリバックアップを使用することもできる。

前述の事項が本出願の好ましい実施形態のみに関し、特許請求の範囲およびその等価物によって定められる、本発明の全体的な精神および範囲から逸脱することなく、多数の変更および修正をここで実施することができることは、明らかなはずである。

本明細書に述べる、パイプラインのステーション用のハイブリッド型燃料電池電力システムの概略図である。 ハイブリッド型燃料電池電力システムの代替実施形態の概略図である。

符号の説明

１０ パイプライン
１５ 流体
２０ ポンプ場
３０ 輸送装置
４０ ガスコンプレッサ
１００ ガスコンプレッサシステム
１１０ 燃料プロセッサ
１２０ 燃料電池スタック
１３０ ガスタービンエンジン
１４０ 空気コンプレッサ
１５０ ガスタービン
１６０ 駆動軸
１６５ 熱交換器
１７０ ＤＣモータ
１８０ ＤＣ電力調節器
２００ ガスコンプレッサシステム
２１０ ＤＣ発電機
２２０ 第２の駆動軸
２３０ 電力ライン

Claims (9)

1. パイプライン（１０）に結合された輸送装置（３０）を駆動するための燃料電池システム（１００）であって、
   前記パイプライン（１０）と通じた燃料電池スタック（１２０）と、
   前記燃料電池スタック（１２０）と通じたタービンエンジン（１３０）と、
   前記輸送装置（３０）と通じたＤＣモータ（１７０）と
   を含む、燃料電池システム（１００）。
2. 前記燃料電池スタック（１２０）が、固体酸化物型燃料電池スタックを含む、請求項１記載の燃料電池システム（１００）。
3. 前記ガスタービンエンジン（１３０）が、圧縮空気を前記燃料電池スタック（１２０）へ供給するためのコンプレッサ（１４０）と、前記燃料電池スタック（１２０）から燃焼ガスを受け取るためのタービン（１５０）と、前記コンプレッサ（１４０）および前記タービン（１５０）を接続する駆動軸（１６０）とを含む、請求項１記載の燃料電池システム（１００）。
4. 前記輸送装置（３０）が、前記駆動軸（１６０）に接続される、請求項３記載の燃料電池システム（１００）。
5. 前記ＤＣモータ（１７０）が、前記駆動軸（１６０）に接続される、請求項３記載の燃料電池システム（１００）。
6. さらに、前記ＤＣモータ（１７０）が前記燃料電池スタック（１２０）および前記ガスタービンエンジン（１３０）両方から電力を受け取るように、前記ガスタービンエンジン（１３０）および前記ＤＣモータ（１７０）と通じたＤＣ発電機（２１０）を含む、請求項１記載の燃料電池システム（１００）。
7. さらに、前記輸送装置（３０）および前記ＤＣモータ（１７０）の間に配置された駆動軸（２２０）を含む、請求項６記載の燃料電池システム（１００）。
8. 前記燃料電池スタック（１２０）が、複数の燃料電池スタックを含む、請求項１記載の燃料電池システム（１００）。
9. 燃料電池スタック（１２０）、ガスタービンエンジン（１３０）およびＤＣモータ（１７０）を有するハイブリッド型燃料電池システム（１００）によって、流体をその中に有するパイプライン（１０）のための輸送装置（３０）を駆動する方法であって、
   前記パイプライン（１０）から前記燃料電池スタック（１２０）に前記流体を供給するステップと、
   前記ガスタービンエンジン（１３０）から前記燃料電池スタック（１２０）に空気を供給するステップと、
   前記燃料電池スタック（１２０）中で発電するステップと、
   前記電力を前記ＤＣモータ（１７０）に供給するステップと、
   前記燃料電池スタック（１２０）からの排気ガスによって前記ガスタービンエンジン（１３０）を駆動するステップと、
   前記ＤＣモータ（１７０）および／または前記ガスタービンエンジン（１３０）によって前記輸送装置（３０）を駆動するステップとを含む、方法。

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