JP2014519177A - Hybrid system of fuel cell and reciprocating gasoline / diesel engine - Google Patents

Hybrid system of fuel cell and reciprocating gasoline / diesel engine Download PDF

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ウォーカー，デイビッド・ジェイムズ
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Abstract

ハイブリッド燃料電池プラントは、燃料電池と、炭化水素燃料と、蒸気とを燃料電池の上流側で互いに混合する燃料電池と燃料改質器とを含んでいる。改質器は炭化水素燃料及び蒸気を、水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び二酸化炭素（ＣＯ2）を含む改質された燃料流に部分的又は全面的に変換する。燃料電池は改質された燃料流を大気作動圧で、又はそれ以上の圧力で受け、更に酸素（Ｏ2）と窒素（Ｎ2）とを含む空気流を大気作動圧で、又はそれ以上の圧力で受け、希薄空気、非酸化ＣＯ、及び残留Ｈ2を含む高温排気流を生成する。希薄空気のＯ2モル分率は燃料電池流入空気のＯ2モル分率よりも低い。改質された燃料及び空気流が大気圧以上の圧力で受けられると、高温排気流は大気圧以上の圧力で生成される。内燃又は外燃エンジンは、燃料電池発電プラントの効率を高めるため、加圧された燃料電池の高温排気流に応動して、直接又は間接的に電力を生成する。
【選択図】図１The hybrid fuel cell plant includes a fuel cell, a fuel fuel, and a fuel reformer that mix hydrocarbon fuel and steam with each other upstream of the fuel cell. The reformer converts hydrocarbon fuel and steam partially or fully into a reformed fuel stream containing hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), and carbon dioxide (CO 2 ). The fuel cell receives the reformed fuel stream at or above atmospheric operating pressure, and further receives an air stream containing oxygen (O 2 ) and nitrogen (N 2 ) at or above atmospheric operating pressure. Under pressure, it produces a hot exhaust stream containing lean air, non-oxidized CO, and residual H 2 . O 2 mole fraction of lean air is lower than O 2 mole fraction of the fuel cell inlet air. When the reformed fuel and air stream is received at a pressure above atmospheric pressure, a hot exhaust stream is generated at a pressure above atmospheric pressure. An internal combustion or external combustion engine generates power directly or indirectly in response to a pressurized fuel cell hot exhaust stream to increase the efficiency of the fuel cell power plant.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は一般に燃料電池発電プラントに関し、より具体的には有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）などのランキンサイクルが組み込まれ、燃料電池のアノードの下流側の内燃又は外燃エンジンを使用し、又、従来の燃料電池発電プラントで達成できるよりも高いプラントの全体的効率を達成するために燃料電池から出る変換されない燃料により駆動される燃料電池発電プラントに関する。   The present invention relates generally to fuel cell power plants, and more specifically, incorporates a Rankine cycle, such as an organic Rankine cycle (ORC), uses an internal combustion or external combustion engine downstream of the anode of the fuel cell, The present invention relates to a fuel cell power plant driven by unconverted fuel that exits the fuel cell to achieve a higher overall plant efficiency than can be achieved with the fuel cell power plant.

燃料電池は、発電で比較的高い効率と低公害性の可能性が実証されている電気化学的エネルギ変換デバイスである。燃料電池は一般に、例えばインバータを介して交流電流（ＡＣ）に変換され得る直流電流（ＤＣ）を提供する。ＤＣ又はＡＣ電圧は、モータ、照明、及び多くの電気器具及びシステムに給電するために使用することができる。燃料電池は固定式、準固定式、又は携帯式の用途で動作されてもよい。固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などのある種の燃料電池は、工業用及び自治体のニーズを満たす電気を提供する大規模な発電システムで動作されてもよい。別の燃料電池は、例えば自動車への給電などのより小規模な携帯式の用途に有用であることがある。   A fuel cell is an electrochemical energy conversion device that has demonstrated the potential for relatively high efficiency and low pollution in power generation. Fuel cells generally provide a direct current (DC) that can be converted to an alternating current (AC), for example, via an inverter. The DC or AC voltage can be used to power motors, lights, and many appliances and systems. The fuel cell may be operated in fixed, semi-fixed, or portable applications. Certain fuel cells, such as solid oxide fuel cells (SOFC), may be operated on large scale power generation systems that provide electricity to meet industrial and municipal needs. Another fuel cell may be useful for smaller portable applications such as powering an automobile, for example.

燃料電池は、イオン導電層をまたいで燃料と酸化剤とを電気化学的に結合することによって電気を生成する。燃料電池の電解質とも呼ばれるこのイオン導電層は液体でも固体でもよい。一般的なタイプの燃料電池は、リン酸（ＰＡＦＣ）、溶解炭酸塩（ＭＣＦＣ）、プロトン交換膜（ＰＥＭＦＣ）、及び固体酸化物（ＳＯＦＣ）を含んでおり、一般に全てがこれらの電解質にちなんで名付けられている。実際には、燃料電池は、有効な電圧又は電流で発電するために燃料電池アセンブリ内に電気的に直列に集積されている。したがって、相互接続構造を使用して隣接する燃料電池を直列又は並列に接続又は結合してもよい。   Fuel cells generate electricity by electrochemically combining fuel and oxidant across an ion conductive layer. This ion conductive layer, also called fuel cell electrolyte, may be liquid or solid. Common types of fuel cells include phosphoric acid (PAFC), dissolved carbonate (MCFC), proton exchange membrane (PEMFC), and solid oxide (SOFC), generally all named after these electrolytes. It is named. In practice, fuel cells are integrated electrically in series within a fuel cell assembly for generating power at an effective voltage or current. Thus, an interconnect structure may be used to connect or couple adjacent fuel cells in series or in parallel.

一般に、燃料電池のコンポーネントは電解質と２つの電極とを含んでいる。電気を生成する反応は一般に、通常は反応を促進するように触媒が配置された電極で行われる。化学反応のための表面積を拡大するために、電極は溝、有孔層などとして構成される。電解質は１つの電極から他の電極へと帯電物質を伝搬し、それ以外は燃料と酸化剤の両方に対して実質的に不透過性である。   In general, fuel cell components include an electrolyte and two electrodes. The reaction that generates electricity is generally performed at an electrode where a catalyst is placed to promote the reaction. In order to increase the surface area for chemical reaction, the electrode is configured as a groove, a perforated layer or the like. The electrolyte propagates charged material from one electrode to the other, and the others are substantially impermeable to both fuel and oxidant.

一般に、燃料電池は水素（燃料）と酸素（酸化剤）とを水に変換して電気を生成する。酸化剤として空気が使用される場合は、空気中の窒素は実質的に不活性であり、通常は燃料電池を透過する。水素燃料は、より入手し易い天然ガス及びその他の炭化水素燃料や原料を改質するなど、炭素系原料の局部的改質（例えばオンサイト蒸気改質）によって提供されてもよい。炭化水素燃料の例には、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、メタノール、合成ガス、及びその他の炭化水素が含まれる。電気化学反応を増強する水素を生成するための炭化水素燃料の改質を燃料電池の動作に組み込んでもよい。更に、このような改質は、燃料電池の内部及び／又は外部で行われてもよい。燃料電池の外部で炭化水素の改質が行われる場合は、関連する外部改質器を燃料電池から離隔して、又はこれに近接して配置してもよい。   In general, a fuel cell generates electricity by converting hydrogen (fuel) and oxygen (oxidant) into water. When air is used as the oxidant, nitrogen in the air is substantially inert and normally passes through the fuel cell. Hydrogen fuel may be provided by local reforming (eg, on-site steam reforming) of carbon-based feedstocks, such as reforming more readily available natural gas and other hydrocarbon fuels and feedstocks. Examples of hydrocarbon fuels include natural gas, methane, ethane, propane, methanol, synthesis gas, and other hydrocarbons. Hydrocarbon fuel reforming to produce hydrogen that enhances the electrochemical reaction may be incorporated into the operation of the fuel cell. Further, such reforming may be performed inside and / or outside the fuel cell. If hydrocarbon reforming is performed outside the fuel cell, the associated external reformer may be located remotely from or in close proximity to the fuel cell.

燃料電池の内部及び／又は外部で炭化水素を改質できる燃料電池システムは、設計と動作が簡略化されるなどの利点をもたらすことができる。例えば、炭化水素の蒸気改質反応は通常は吸熱反応であり、したがって、燃料電池内の内部改質、又は隣接する改質器での外部改質は、通常は燃料電池の吸熱電気化学反応によって発生する熱を利用できる。更に、電気を生成するための燃料電池内の水素と酸素の電気化学反応に活性を有する触媒も、炭化水素燃料の内部改質を促進し得る。例えばＳＯＦＣでは、電気化学反応を持続させるためにニッケル触媒が電極（例えばアノード）に配置されると、活性ニッケル触媒も炭化水素燃料を水素（Ｈ2）と一酸化炭素（ＣＯ）とに改質できる。更に、炭化水素原料を改質すると、水素とＣＯの両方を生成できる。したがって、燃料として（水素に加えて）ＣＯを利用できるＳＯＦＣなどの燃料電池は一般に、改質された炭化水素を利用し、且つ炭化水素燃料の内部及び／又は外部改質のために利用するためにより魅力的な候補である。 A fuel cell system that can reform hydrocarbons inside and / or outside of the fuel cell can provide advantages such as simplified design and operation. For example, hydrocarbon steam reforming reactions are usually endothermic reactions, so internal reforming within a fuel cell, or external reforming in an adjacent reformer, is usually due to an endothermic electrochemical reaction of the fuel cell. The generated heat can be used. Furthermore, a catalyst that is active in the electrochemical reaction of hydrogen and oxygen in the fuel cell to generate electricity can also promote internal reforming of the hydrocarbon fuel. For example, in SOFC, when a nickel catalyst is placed on an electrode (for example, the anode) to sustain an electrochemical reaction, the active nickel catalyst also reforms the hydrocarbon fuel into hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). it can. Furthermore, reforming the hydrocarbon feed can produce both hydrogen and CO. Therefore, fuel cells such as SOFC that can utilize CO as a fuel (in addition to hydrogen) generally utilize reformed hydrocarbons and for internal and / or external reforming of hydrocarbon fuels. Is a more attractive candidate.

炭化水素燃料を電気エネルギに変換数燃料セルの能力は、熱を発生する電池内の損失メカニズムにより、および燃料の部分的使用により限定される。従来の複合サイクル燃料システムにおける炭化水素の一次燃料の改質は、燃料電池の上流側で行われる。次いで、非酸化燃料及び燃焼生成物を含む燃焼電池からの排ガスが排ガスバーナに送られ、そこからの熱を複合サイクルシステムに、場合によっては燃料改質器に取り込むことができる。今日の燃料電池の例は通常、約５０％の変換効率を達成する。   The ability of a fuel cell to convert hydrocarbon fuel to electrical energy is limited by the loss mechanism in the battery that generates heat and by the partial use of the fuel. The reforming of the primary fuel of the hydrocarbon in the conventional combined cycle fuel system is performed upstream of the fuel cell. The exhaust gas from the combustion cell containing non-oxidized fuel and combustion products is then sent to an exhaust gas burner, from which heat can be taken into the combined cycle system and possibly into the fuel reformer. Today's fuel cell examples typically achieve about 50% conversion efficiency.

米国特許出願公開第２００８／１８７７８９号明細書US Patent Application Publication No. 2008/187789

上記に照らして、燃料電池の効率を高めることによって燃料電池プラントの効率を更に高める技術を提供する必要がある。   In light of the above, there is a need to provide technology that further increases the efficiency of a fuel cell plant by increasing the efficiency of the fuel cell.

本発明の例示的実施形態は、ハイブリッド燃料電池プラントであって、
燃料電池と、
炭化水素燃料と蒸気とを燃料電池の上流側で互いに混合し、炭化水素燃料と蒸気とを、水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び二酸化炭素（ＣＯ2）を含む形質された燃料流に部分的又は全面的に変換するように構成された燃料改質器であって、燃料電池は改質された燃料流を大気作動圧で、又はそれ以上の圧力で受け、更に酸素（Ｏ2）と窒素（Ｎ2）とを含む空気流を大気作動圧で、又はそれ以上の圧力で受け、燃料電池は改質された燃料流と空気流とに応動して希薄空気、非酸化ＣＯ、及び残留Ｈ2とを含む高温排気流を生成し、
希薄空気のＯ2モル分率は燃料電池流入空気のＯ2モル分率よりも低い燃料改質器と、
燃料電池によって生成された高温排気流に応動して電気を生成するように構成された内燃又は外燃エンジンと、
燃料電池によって生成された高温排気流と燃焼エンジンによって生成された高温排ガスの少なくとも一方から回収された熱によって駆動されるランキンサイクルと、を備えるハイブリッド燃料電池プラントからなっている。 An exemplary embodiment of the present invention is a hybrid fuel cell plant comprising:
A fuel cell;
Hydrocarbon fuel and steam were mixed with each other upstream of the fuel cell, and the hydrocarbon fuel and steam were characterized including hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), and carbon dioxide (CO 2 ). A fuel reformer configured to partially or fully convert to a fuel stream, wherein the fuel cell receives the reformed fuel stream at atmospheric operating pressure or above and further oxygen ( An air stream containing O 2 ) and nitrogen (N 2 ) is received at or above atmospheric working pressure, and the fuel cell reacts to the reformed fuel stream and air stream to produce lean air, non-oxidized Producing a high temperature exhaust stream comprising CO and residual H 2 ;
O 2 mole fraction of lean air with low fuel reformer than O 2 mole fraction of the fuel cell inlet air,
An internal or external combustion engine configured to generate electricity in response to a hot exhaust stream generated by a fuel cell;
The hybrid fuel cell plant includes a high temperature exhaust stream generated by the fuel cell and a Rankine cycle driven by heat recovered from at least one of the high temperature exhaust gas generated by the combustion engine.

別の実施形態によれば、ハイブリッド燃料電池プラントによって電力を生成する方法は、
外部改質器によって炭化水素系燃料を燃料電池プラントの上流側の蒸気流と共に改質し、そこから大気作動圧で、又はそれ以上の圧力で実質的に純粋な水素燃料流を生成するステップと、
大気作動圧で、又はそれ以上の圧力で空気流を生成するステップと、
改質された燃料及び空気流に応動して、希薄空気流のＯ2モル分率が燃料電池流入空気のＯ2モル分率よりも低くなるように、一酸化炭素と残留水素とを含み、更に希薄空気流を含む高温排気流を燃料電池によって生成するステップであって、改質された燃料及び空気流が大気圧以上の圧力で燃料電池に流入すると、大気圧以上の圧力で高温排気流が生成されるステップと、
燃料電池の高温排気流に応動して燃焼エンジンを駆動し、電力を生成するステップと、
燃焼エンジンによって生成された燃料電池の高温排気流と高温排気の両方から回収された排熱に応動してランキンサイクルにより電力を生成し、６０％以上の効率を有する燃料電池プラントを提供するステップと、を含んでいる。 According to another embodiment, a method for generating power by a hybrid fuel cell plant comprises:
Reforming the hydrocarbonaceous fuel with a vapor stream upstream of the fuel cell plant by an external reformer to produce a substantially pure hydrogen fuel stream therefrom at atmospheric operating pressure or above; ,
Generating an air flow at or above atmospheric working pressure;
In response to the reformed fuel and air stream, including carbon monoxide and residual hydrogen such that the O 2 mole fraction of the lean air stream is lower than the O 2 mole fraction of the fuel cell inlet air; A step of generating a high temperature exhaust stream including a lean air stream by the fuel cell, wherein the reformed fuel and air stream flows into the fuel cell at a pressure above atmospheric pressure; Is generated, and
Driving the combustion engine in response to the high temperature exhaust flow of the fuel cell to generate electricity;
Providing a fuel cell plant having an efficiency of 60% or more by generating electric power by Rankine cycle in response to exhaust heat recovered from both the high temperature exhaust flow and the high temperature exhaust of the fuel cell generated by the combustion engine; , Including.

本発明の上記の、及びその他の特徴、態様、及び利点は、図面全体を通して同一の字号が同一の部品を示す添付図面を参照した以下の詳細な説明から明らかになる。   The above and other features, aspects, and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings, in which like characters represent like parts throughout the drawings.

燃料電池によって生成される希薄空気が欠乏している場合は、追加の空気が燃焼エンジンに供給される、下流側の燃焼エンジンに供給するために使用される希薄空気を含む高温排気流を生成するために、加圧された改質燃料で動作する燃料電池を使用する一実施形態によるハイブリッド燃料電池プラントを示す概略図である。When the lean air produced by the fuel cell is deficient, additional air is fed to the combustion engine, producing a hot exhaust stream containing the lean air used to feed the downstream combustion engine FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a hybrid fuel cell plant according to an embodiment that uses a fuel cell that operates with pressurized reformed fuel. 下流側の燃焼エンジンに供給するために使用される高温排気流を生成するために、加圧された改質燃料で動作する燃料電池を使用し、且つ追加の電力を生成するために、燃料電池及び／又は燃焼エンジンの両方によって生成された排気ガスによって駆動される有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）をも使用するハイブリッド燃料電池プラントを示す概略図である。A fuel cell operating with pressurized reformed fuel is used to generate a hot exhaust stream that is used to supply a downstream combustion engine, and a fuel cell for generating additional power 1 is a schematic diagram illustrating a hybrid fuel cell plant that also uses an organic Rankine cycle (ORC) driven by exhaust gas generated by both combustion and / or combustion engines.

上記の図面は代替実施形態を示しているが、説明で議論するように、本発明の別の実施形態も考えられる。いずれの場合も、本開示は限定するためにではなく、例示するために本発明の例示的実施形態を提示するものである。本発明の原理の範囲と趣旨に含まれるその他の多くの修正及び実施形態が当業者によって考案できる。   Although the above drawings show alternative embodiments, as discussed in the description, other embodiments of the invention are also contemplated. In any case, this disclosure presents exemplary embodiments of the present invention for purposes of illustration and not limitation. Many other modifications and embodiments within the scope and spirit of the principles of the present invention can be devised by those skilled in the art.

図面を参照して本明細書記載する実施形態は、有利に６０％以上の燃料電池プラント効率をもたらし、これも本明細書に記載する燃焼エンジンの原理を用いた特定の実施形態では７０％以上高い効率さえもたらす。出力電力が１００ｋＷの最小のガソリンエンジンを含め、燃料電池の下流側ではどのサイズの燃焼エンジンを使用してもよいため、本明細書に記載の燃料電池と燃焼エンジンとを複合した実施形態を容易に配備して分散型エネルギを有利に提供することができる。   The embodiments described herein with reference to the drawings advantageously provide a fuel cell plant efficiency of 60% or greater, which is also 70% or greater in certain embodiments using the combustion engine principles described herein. Even high efficiency. Any size combustion engine can be used downstream of the fuel cell, including a gasoline engine with a minimum output power of 100 kW, thus simplifying the combined embodiment of the fuel cell and combustion engine described herein. Can be advantageously deployed to provide distributed energy.

議論されるように、本発明の別の実施形態も考えられる。本明細書に記載の原理は、例えば厳密の固体酸素燃料電池又は溶解炭酸塩型燃料電池ではない匹敵する燃料電池技術にも容易に応用できる、本明細書に記載の原理を用いることによって、多様な排熱回収サイクル、及びこれらのサイクルを組み込む方法も可能である。   As discussed, other embodiments of the invention are also contemplated. The principles described herein can be varied by using the principles described herein, which can be readily applied to comparable fuel cell technologies that are not strictly solid oxygen fuel cells or dissolved carbonate fuel cells, for example. A simple exhaust heat recovery cycle and methods incorporating these cycles are also possible.

図１は、加圧された改質燃料１７で動作して、最終的には一実施形態による燃焼エンジン１６に供給される高温排気流１４を生成する、それらに限定されないが、例えば固体酸素燃料電池（ＳＯＦＣ）、又は溶解炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）であってよい燃料電池１２を使用するハイブリッド燃料電池プラント１０を示す概略図である。特定の実施形態によれば、高温排気流１４は燃焼エンジン１６に直接供給されるために使用されてもよく、又は燃焼エンジン１６に供給される前に先ず余剰水を除去するために冷却されてもよい。燃焼エンジン１６は、それらに限定されないが、４気筒往復エンジン、２気筒往復エンジン、２気筒対向ピストンエンジン、又はガスタービンであってもよい。   FIG. 1 operates with pressurized reformed fuel 17 to produce a hot exhaust stream 14 that is ultimately supplied to a combustion engine 16 according to one embodiment, such as, but not limited to, solid oxygen fuel. 1 is a schematic diagram showing a hybrid fuel cell plant 10 using a fuel cell 12 that may be a battery (SOFC) or a dissolved carbonate fuel cell (MCFC). According to certain embodiments, the hot exhaust stream 14 may be used to be fed directly to the combustion engine 16 or first cooled to remove excess water before being fed to the combustion engine 16. Also good. The combustion engine 16 may be, but is not limited to, a 4-cylinder reciprocating engine, a 2-cylinder reciprocating engine, a 2-cylinder opposed piston engine, or a gas turbine.

ＣＨ4などの加圧炭化水素燃料１１は、加圧炭化水素燃料及び蒸気を、燃料電池１２の上流側で水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び二酸化炭素（ＣＯ2）を含む加圧された改質燃料流に部分的に、又は全面的に変換する機能を果たす改質器１８内で加圧上記１３と混合される。燃料電池１２はＨ2、ＣＯ、及びＣＯ2を含む加圧された改質燃料流１７を受け、更には酸素（Ｏ2）及び窒素（Ｎ2）を含む加圧空気流１５を受けて、電気を生成する一方で、加圧された燃料流１７及び加圧された空気流１５に応動して、希薄空気、非酸化ＣＯ、及び残留Ｈ2を含む高温排気流１４を生成する。 Pressurized hydrocarbon fuel 11 such as CH 4 contains pressurized hydrocarbon fuel and steam, hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), and carbon dioxide (CO 2 ) upstream of the fuel cell 12. The pressure is mixed with the pressure 13 in a reformer 18 which functions to convert partially or completely into a pressurized reformed fuel stream. The fuel cell 12 receives a pressurized reformed fuel stream 17 containing H 2 , CO, and CO 2 and further receives a pressurized air stream 15 containing oxygen (O 2 ) and nitrogen (N 2 ), While generating electricity, in response to the pressurized fuel stream 17 and the pressurized air stream 15, a hot exhaust stream 14 containing lean air, non-oxidized CO, and residual H 2 is generated.

高温排気流１４は一般に、蒸気相としてかなりの量の水を含んでいる。したがって、一般に、高温排気流１４を燃焼エンジン１６に供給する前に余剰水を除去することがより望ましい。凝縮器又はフラッシュコンデンサ２２が使用され、大気圧以上の圧力で凝縮器２２に流入するこのような水の一部又は全部が冷却され、除去される。本明細書に記載するようなランキンサイクルを使用して、燃料電池１２及び燃焼エンジン１６の排熱を回収してもよい。   The hot exhaust stream 14 typically contains a significant amount of water as the vapor phase. Therefore, it is generally more desirable to remove excess water before supplying the hot exhaust stream 14 to the combustion engine 16. A condenser or flash condenser 22 is used, and some or all of such water flowing into the condenser 22 at a pressure above atmospheric pressure is cooled and removed. A Rankine cycle as described herein may be used to recover the exhaust heat of the fuel cell 12 and the combustion engine 16.

ハイブリッド燃料電池プラント１０は更に、燃料電池１２の下流側に配置された燃焼エンジン１６に流入する前に凝縮された排気ガス流を圧縮する機能を果たす圧縮機２０を備えている。一般に、燃料電池（ＳＯＦＣ）１２のアノードは、一酸化炭素反応を含むことがある加圧された改質燃料１７の約８０％を利用できる。変換されないＨ2及びＣＯ燃料は、燃料電池１２のアノードから流出して加圧された排気流１４に合流する。図１に示すような燃料電池１２の下流に内燃又は外燃エンジン１６を追加することにより、改質燃料１７の未変換部分が最終的には消費され、追加の電力を生成し、燃料電池プラント１０の創造的な変換効率を著しく高めることが可能になる。 The hybrid fuel cell plant 10 further includes a compressor 20 that functions to compress the exhaust gas stream condensed before entering the combustion engine 16 disposed downstream of the fuel cell 12. In general, the anode of a fuel cell (SOFC) 12 can utilize about 80% of the pressurized reformed fuel 17 that may include a carbon monoxide reaction. Unconverted H 2 and CO fuel flows from the anode of the fuel cell 12 and joins the pressurized exhaust stream 14. By adding an internal combustion or external combustion engine 16 downstream of the fuel cell 12 as shown in FIG. 1, the unconverted portion of the reformed fuel 17 is eventually consumed, generating additional power, and a fuel cell plant Ten creative conversion efficiencies can be significantly increased.

燃焼エンジン１６に流入する燃焼流を豊富化し、エンジン性能を最適にするために追加の燃料１９を燃料電池のアノード排気流１４に追加してもよい。下流側の燃焼のための空気は大気から引き込んでもよく、又は任意選択として燃料電池のカソードの排気から引き込んでもよい。燃料電池のカソードは大気よりもＯ2が少ない流れをもたらし、したがって、下流側の燃焼で大気から引き込んだ空気の代わりに使用すると、ＮＯＸ排出量が低減される。 Additional fuel 19 may be added to the fuel cell anode exhaust stream 14 to enrich the combustion stream entering the combustion engine 16 and optimize engine performance. Air for downstream combustion may be drawn from the atmosphere or, optionally, from the exhaust of the fuel cell cathode. Fuel cell cathodes provide a flow of less O 2 than atmosphere, and therefore, when used instead of air drawn from the atmosphere for downstream combustion, NOx emissions are reduced.

アノードと下流側のエンジン１６の両方で燃焼が行われる圧力は大気圧でもよく、又は大気圧よりも上昇した圧力でもよい。圧力が大気圧以上である場合は、燃料電池のアノードとカソードの全体を通してより高い圧力が保たれる。一実施形態によれば、大気は、図２に示すような燃焼エンジン１６からの排気流によって駆動されるターボチャージャ又は圧縮機−タービンシステム４０によって圧縮される。この加圧空気は、それらに限定されないが、燃料と空気とを予熱し、且つ／又は圧縮機を駆動する動力を生成するために使用可能である。酸素イオンは加圧空気流から移動して、これも圧力上昇したアノード内の燃料と混合され、最終的には下流側で燃焼エンジン１６に供給される加圧アノード排気流１４を生成すると共に電気を生成する。１実施形態によると、凝縮器２２は排気流１４からの余剰水を記載のように除去する。凝縮器２２の下流側に配置された圧縮機２０は、燃焼エンジン１６によって使用される前の排気流の作動圧を更に上昇させる。   The pressure at which combustion is performed in both the anode and the downstream engine 16 may be atmospheric pressure, or may be pressure higher than atmospheric pressure. When the pressure is above atmospheric pressure, a higher pressure is maintained throughout the anode and cathode of the fuel cell. According to one embodiment, the atmosphere is compressed by a turbocharger or compressor-turbine system 40 that is driven by exhaust flow from the combustion engine 16 as shown in FIG. This pressurized air can be used to generate power to preheat fuel and air and / or drive the compressor, but is not limited thereto. Oxygen ions move from the pressurized air stream, which is also mixed with the fuel in the anode that has increased in pressure, and ultimately produces a pressurized anode exhaust stream 14 that is fed downstream to the combustion engine 16 and is electrically Is generated. According to one embodiment, the condenser 22 removes excess water from the exhaust stream 14 as described. A compressor 20 located downstream of the condenser 22 further increases the operating pressure of the exhaust stream before it is used by the combustion engine 16.

図２に示す一実施形態によれば、それに限定されないが、例えばＤＲｅＳＣＯ型ＣＯ2ランキンサイクルなどのランキンサイクル３２は、アノード排気流１４、及び下流側の燃焼エンジン１６から流出する最終的な排気流から同時に熱を回収する。図２は、最終的には燃焼エンジン１６に供給される高温排気流１４を生成するために加圧された改質燃料１７で動作する燃料電池１２を使用し、且つ追加の電力を生成するために燃料電池１２及び／又は燃焼エンジン１６の両方により生成される廃ガスによって駆動される有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）３２を使用する、一実施形態によるハイブリッド燃料電池プラント３０を示す概略図である。ランキンサイクル３２は更に、燃焼エンジン１６によって使用される前に燃料電池の排ガスから水を除去する凝縮器を使用してもよい。 According to one embodiment shown in FIG. 2, the Rankine cycle 32, such as, but not limited to, a DReSCO-type CO 2 Rankine cycle, includes an anode exhaust stream 14 and a final exhaust stream exiting the downstream combustion engine 16. Heat is recovered simultaneously. FIG. 2 uses a fuel cell 12 operating with pressurized reformed fuel 17 to produce a hot exhaust stream 14 that is ultimately supplied to a combustion engine 16 and to generate additional power. 1 is a schematic diagram illustrating a hybrid fuel cell plant 30 according to one embodiment using an organic Rankine cycle (ORC) 32 driven by waste gas produced by both the fuel cell 12 and / or the combustion engine 16. The Rankine cycle 32 may further use a condenser to remove water from the fuel cell exhaust before being used by the combustion engine 16.

図１及び１を参照して記載した上記の実施形態は、燃料の使用効率を高めることによって燃料電池プラントの効率を５０％である現在の実際の限度よりも高めるように動作する。シミュレーションの結果、幾つかの実施形態のハイブリッドシステムの全体的な効率を、ランキンサイクルに起因する効果を除外しても、改質器１８により消費される熱を含めて６５％まで高めることができることが示された。全体的なシステム効率は理論的には７０％以上にすることができる。   The above described embodiment described with reference to FIGS. 1 and 1 operates to increase the efficiency of the fuel cell plant above the current practical limit of 50% by increasing the efficiency of fuel use. Simulation results show that the overall efficiency of some embodiments of the hybrid system can be increased to 65%, including the heat consumed by the reformer 18, even if the effects due to the Rankine cycle are excluded. It has been shown. The overall system efficiency can theoretically be over 70%.

これらの実施形態は更に、燃料電池プラントの効率を、従来のガスタービンを使用して達成可能である以上に高め、ひいては従来の技術よりも燃料電池システムを選択する根拠を作り出す。１００ｋＷの最小のガソリンエンジンを含め、燃料電池１２の下流側でどのサイズの燃焼エンジンを使用してもよいため、燃料電池と燃焼エンジン１０、３０の複合システムは、本明細書に記載のように分散型エネルギ生成用に容易に配備することができる。従来の燃料電池発電プラントは、燃焼エンジンとランキンサイクルとを組み込んだ高圧燃料電池を使用する可能性、及び燃焼エンジンのＮＯｘ排出量を低減するために、燃料電池カソードによって生成される希薄空気を同時に生成し、使用することを認識していなかった。   These embodiments further increase the efficiency of the fuel cell plant beyond that achievable using conventional gas turbines, thus creating a basis for selecting a fuel cell system over the prior art. Since any size combustion engine may be used downstream of the fuel cell 12, including a 100 kW minimum gasoline engine, the combined fuel cell and combustion engine 10,30 system is as described herein. Can be easily deployed for distributed energy generation. Conventional fuel cell power plants simultaneously use lean air generated by the fuel cell cathode to reduce the possibility of using a high pressure fuel cell incorporating a combustion engine and Rankine cycle and to reduce NOx emissions of the combustion engine. Did not recognize that it was generated and used.

要約して説明すると、本明細書にハイブリッド燃料電池プラント１０、３０を記載した。これらの実施形態は各々、燃料電池１２の上流側で加圧された改質燃料１１と加圧された蒸気１３とを上昇した圧力で互いに混合し、且つ炭化水素燃料１１と蒸気１３とを水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び二酸化炭素（ＣＯ2）を含む改質された燃料流１７に部分的に、又は全面的に変換するように構成された燃料電池１２と燃料改質器１８とを備えている。燃料電池１２は、Ｈ2、ＣＯ、及びＣＯ2を含む改質された燃料流１７を受けるように構成され、更に酸素（Ｏ2）及び窒素（Ｎ2）を含む加圧された空気流１５を上昇した圧力で受け、加圧された改質燃料流１７と加圧された空気流１５とに応動して希薄空気、非酸化ＣＯ、及び残留Ｈ2を含む高温排気流１４を生成するように構成されている。往復ガソリンエンジンでよい内燃又は外燃エンジン１６は、高温排気流を１４に応動して直接、又は排気流１４からの水の除去、及び／又は排気流１４の圧縮の後に電力を生成する。 In summary, the hybrid fuel cell plant 10, 30 has been described herein. In each of these embodiments, the reformed fuel 11 and the pressurized steam 13 pressurized on the upstream side of the fuel cell 12 are mixed with each other at an increased pressure, and the hydrocarbon fuel 11 and the steam 13 are mixed with hydrogen. A fuel cell 12 and a fuel reformer configured to partially or fully convert into a reformed fuel stream 17 comprising (H 2 ), carbon monoxide (CO), and carbon dioxide (CO 2 ). And a quality device 18. The fuel cell 12 is configured to receive a reformed fuel stream 17 that includes H 2 , CO, and CO 2 , and a pressurized air stream 15 that further includes oxygen (O 2 ) and nitrogen (N 2 ). In response to the pressurized reformed fuel stream 17 and the pressurized air stream 15 to produce a hot exhaust stream 14 containing lean air, non-oxidized CO, and residual H 2. It is configured. An internal combustion or external combustion engine 16, which may be a reciprocating gasoline engine, generates power directly in response to a hot exhaust stream 14 or after removal of water from the exhaust stream 14 and / or compression of the exhaust stream 14.

本明細書に本発明のある特定の特徴を図示し、説明したが、当業者には多くの修正と変更が想到される。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨に含まれるかかる修正及び変更を全て網羅することを意図するものである。   While certain features of the invention have been illustrated and described herein, many modifications and changes will occur to those skilled in the art. Accordingly, the appended claims are intended to cover all such modifications and changes as fall within the true spirit of this invention.

Claims (25)

ハイブリッド燃料電池プラントであって、
燃料電池と、
炭化水素燃料と蒸気とを前記燃料電池の上流側で互いに混合し、前記炭化水素燃料と前記蒸気とを、水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び二酸化炭素（ＣＯ2）を含む形質された燃料流に部分的又は全面的に変換するように構成された燃料改質器であって、前記燃料電池が、前記改質された燃料流を大気作動圧で、又はそれ以上の圧力で受け、更に酸素（Ｏ2）と窒素（Ｎ2）とを含む空気流を大気作動圧で、又はそれ以上の圧力で受け、前記燃料電池が、改質された前記燃料流と空気流とに応動して希薄空気、非酸化ＣＯ、及び残留Ｈ2とを含む高温排気流を生成し、前記希薄空気のＯ2モル分率が燃料電池流入空気のＯ2モル分率よりも低い燃料改質器と、
前記燃料電池によって生成された高温排気流に応動して電気を生成するように構成された内燃又は外燃エンジンと、
前記燃料電池によって生成された前記高温排気流と前記燃焼エンジンによって生成された高温排ガスの両方から回収された熱によって駆動されるランキンサイクルと、を備えるハイブリッド燃料電池プラント。 A hybrid fuel cell plant,
A fuel cell;
Hydrocarbon fuel and steam are mixed with each other upstream of the fuel cell, and the hydrocarbon fuel and steam contain hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), and carbon dioxide (CO 2 ). A fuel reformer configured to partially or fully convert into a traited fuel stream, wherein the fuel cell is configured to pressure the reformed fuel stream at atmospheric operating pressure or higher. And receiving an air stream containing oxygen (O 2 ) and nitrogen (N 2 ) at an atmospheric operating pressure or higher, and the fuel cell includes the reformed fuel stream and air stream To produce a high-temperature exhaust stream containing lean air, non-oxidized CO, and residual H 2 , wherein the O 2 mole fraction of the lean air is lower than the O 2 mole fraction of the fuel cell inflow air. The genitalia,
An internal combustion or external combustion engine configured to generate electricity in response to a hot exhaust stream generated by the fuel cell;
A hybrid fuel cell plant comprising: a Rankine cycle driven by heat recovered from both the hot exhaust stream generated by the fuel cell and the hot exhaust gas generated by the combustion engine. 前記燃料電池が固体燃料電池からなる請求項１に記載のハイブリッド燃料電池プラント。   The hybrid fuel cell plant according to claim 1, wherein the fuel cell is a solid fuel cell. 前記燃料電池が溶解炭酸塩型燃料電池からなる請求項１に記載のハイブリッド燃料電池プラント。   The hybrid fuel cell plant according to claim 1, wherein the fuel cell is a dissolved carbonate fuel cell. 前記燃料電池が、固体酸素燃料電池と溶解炭酸塩型燃料電池の両方からなる請求項１に記載のハイブリッド燃料電池プラント。   The hybrid fuel cell plant according to claim 1, wherein the fuel cell comprises both a solid oxygen fuel cell and a dissolved carbonate fuel cell. 前記ランキンサイクルがＤＲｅＳＣＯ型のＣＯ2ランキンサイクルからなる請求項１に記載のハイブリッド燃料電池プラント。 The hybrid fuel cell plant according to claim 1, wherein the Rankine cycle comprises a DReSCO type CO 2 Rankine cycle. 前記ランキンサイクルが有機ランキンサイクルからなる請求項１に記載のハイブリッド燃料電池プラント。   The hybrid fuel cell plant according to claim 1, wherein the Rankine cycle is an organic Rankine cycle. 圧縮空気を生成するために、前記燃焼エンジンによって生成された高温ガスにより駆動されるターボチャージャ又は圧縮機−タービンシステムを更に備える請求項１に記載のハイブリッド燃料電池プラント。   The hybrid fuel cell plant of claim 1, further comprising a turbocharger or a compressor-turbine system driven by hot gas produced by the combustion engine to produce compressed air. 前記燃料電池３カソードに流入する圧縮空気を更に加熱するため、前記燃焼エンジンにより生成された前記燃料電池の高温排気流と高温排ガスの少なくとも一方から熱を抽出するように構成された復熱装置を更に備える請求項７に記載のハイブリッド燃料電池プラント。   A recuperator configured to extract heat from at least one of a high-temperature exhaust gas flow and a high-temperature exhaust gas generated by the combustion engine to further heat the compressed air flowing into the cathode of the fuel cell 3; The hybrid fuel cell plant according to claim 7 further provided. 燃料電池により生成された加圧排気流を、燃焼エンジンにより使用される前に更に圧縮するように構成された圧縮機を更に備える請求項１に記載のハイブリッド燃料電池プラント。   The hybrid fuel cell plant of claim 1, further comprising a compressor configured to further compress the pressurized exhaust stream generated by the fuel cell before being used by the combustion engine. 前記燃料電池により生成された加圧排気流を、前記燃焼エンジンにより使用される前に冷却し、更に前記燃料電池により生成された加圧排気流から水を除去するように構成された凝縮器を更に備える請求項１に記載のハイブリッド燃料電池プラント。   The apparatus further comprises a condenser configured to cool the pressurized exhaust stream generated by the fuel cell prior to use by the combustion engine and to remove water from the pressurized exhaust stream generated by the fuel cell. The hybrid fuel cell plant according to claim 1. 前記燃焼エンジンが往復ガソリンエンジンからなる請求項１に記載のハイブリッド燃料電池プラント。   The hybrid fuel cell plant according to claim 1, wherein the combustion engine is a reciprocating gasoline engine. 前記燃焼エンジンがガスタービンからなる請求項１に記載のハイブリッド燃料電池プラント。   The hybrid fuel cell plant according to claim 1, wherein the combustion engine is a gas turbine. 前記改質器、燃料電池、燃焼エンジン、及びランキンサイクルが共に、約６０％以上の効率で動作する燃料電池プラントを提供するように構成される請求項１に記載のハイブリッド燃料電池プラント。   The hybrid fuel cell plant of claim 1, wherein the reformer, fuel cell, combustion engine, and Rankine cycle are all configured to provide a fuel cell plant that operates at an efficiency of about 60% or greater. 前記改質器、燃料電池、及びランキンサイクルが共に、約６５％以上の効率で動作する燃料電池プラントを提供するように構成される請求項１に記載のハイブリッド燃料電池プラント。   The hybrid fuel cell plant of claim 1, wherein the reformer, fuel cell, and Rankine cycle are both configured to provide a fuel cell plant that operates with an efficiency of about 65% or greater. 前記改質器、燃料電池、及びランキンサイクルが共に、約７０％以上の効率で動作する燃料電池プラントを提供するように構成される請求項１に記載のハイブリッド燃料電池プラント。   The hybrid fuel cell plant of claim 1, wherein the reformer, fuel cell, and Rankine cycle are both configured to provide a fuel cell plant that operates with an efficiency of about 70% or greater. 前記改質器、燃料電池、及びランキンサイクルが共に、約５０％から約７５％の間の効率で動作する燃料電池プラントを提供するように構成される請求項１に記載のハイブリッド燃料電池プラント。     The hybrid fuel cell plant of claim 1, wherein the reformer, fuel cell, and Rankine cycle are both configured to provide a fuel cell plant that operates with an efficiency of between about 50% and about 75%. ハイブリッド燃料電池プラントによって電力を生成する方法であって、
外部改質器によって炭化水素系燃料を燃料電池プラントの上流側の蒸気流と共に改質し、そこから大気作動圧で、又はそれ以上の圧力で実質的に純粋な水素燃料流を生成するステップと、
大気作動圧で、又はそれ以上の圧力で空気流を生成するステップと、
前記改質された燃料及び空気流に応動して、希薄空気流のＯ2モル分率が燃料電池流入空気のＯ2モル分率よりも低くなるように、一酸化炭素と残留水素とを含み、更に希薄空気流を含む高温排気流を燃料電池によって生成するステップであって、前記改質された燃料及び空気流が大気圧以上の圧力で前記燃料電池に流入すると、大気圧以上の圧力で高温排気流が生成されるステップと、
前記燃料電池の高温排気流に応動して燃焼エンジンを駆動し、電力を生成するステップと、
前記燃焼エンジンによって生成された燃料電池の高温排気流と高温排気の少なくとも一方から回収された排熱に応動してランキンサイクルにより電力を生成し、５０％から約７５％の間の効率を有する燃料電池プラントを提供するステップと、を含む方法。 A method of generating electric power by a hybrid fuel cell plant, comprising:
Reforming the hydrocarbonaceous fuel with a vapor stream upstream of the fuel cell plant by an external reformer to produce a substantially pure hydrogen fuel stream therefrom at atmospheric operating pressure or above; ,
Generating an air flow at or above atmospheric working pressure;
In response to the reformed fuel and air stream, carbon monoxide and residual hydrogen are included so that the O 2 mole fraction of the lean air stream is lower than the O 2 mole fraction of the fuel cell inlet air. A high temperature exhaust stream including a lean air stream is generated by the fuel cell, and when the reformed fuel and air stream flow into the fuel cell at a pressure higher than atmospheric pressure, A step in which a hot exhaust stream is generated;
Driving a combustion engine in response to the high temperature exhaust flow of the fuel cell to generate electric power;
A fuel having an efficiency of between 50% and about 75%, generating electric power through a Rankine cycle in response to exhaust heat recovered from at least one of the high temperature exhaust flow and high temperature exhaust of the fuel cell generated by the combustion engine Providing a battery plant. 燃焼エンジンを駆動するステップが、往復ガソリンエンジンを駆動するステップを含む請求項１７に記載のハイブリッド燃料電池プラントにより電力を生成する方法。   The method of generating electric power with a hybrid fuel cell plant according to claim 17, wherein driving the combustion engine includes driving a reciprocating gasoline engine. 前記燃焼エンジンによって生成された高温排ガスにより駆動されるターボチャージャ又は圧縮機−タービンシステムによって空気を大気圧以上に圧縮するステップを更に含む請求項１７に記載のハイブリッド燃料電池プラントにより電力を生成する方法。   The method of generating electric power with a hybrid fuel cell plant according to claim 17, further comprising the step of compressing air above atmospheric pressure by a turbocharger or compressor-turbine system driven by hot exhaust gas generated by the combustion engine. . 前記タービボチャージャ又は圧縮機−タービンシステムによって生成された加圧空気を更に加熱するために、前記燃焼エンジンによって生成された燃料電池の高温排気流と高温排ガスの少なくとも一方からの熱を復熱装置によって抽出するステップを更に含む請求項１９に記載のハイブリッド燃料電池プラントにより電力を生成する方法。   In order to further heat the pressurized air generated by the turbocharger or compressor-turbine system, the recuperator recovers heat from at least one of the high temperature exhaust stream and the high temperature exhaust gas of the fuel cell generated by the combustion engine. The method of generating electric power by a hybrid fuel cell plant according to claim 19, further comprising the step of extracting by: 前記燃料電池により生成された前記高温排気流を凝縮し、前記燃焼エンジンによって使用される前に、前記燃料電池により生成された高温排気流から水を除去するステップを更に含む請求項１７に記載のハイブリッド燃料電池プラントにより電力を生成する方法。   18. The method of claim 17, further comprising condensing the hot exhaust stream generated by the fuel cell and removing water from the hot exhaust stream generated by the fuel cell before being used by the combustion engine. A method of generating electric power by a hybrid fuel cell plant. 前記燃料電池により生成された前記凝縮された高温排気流を、前記燃焼エンジンによって使用される前に圧縮するステップを更に含む請求項２１に記載のハイブリッド燃料電池プラントにより電力を生成する方法。   The method of generating electrical power with a hybrid fuel cell plant according to claim 21, further comprising the step of compressing the condensed hot exhaust stream generated by the fuel cell before being used by the combustion engine. 前記高温排気流を生成するステップが、固体酸素燃料電池又は溶解炭酸塩型燃料によって高温排気流を生成するステップを含む請求項１７に記載のハイブリッド燃料電池プラントにより電力を生成する方法。   The method of generating electric power with a hybrid fuel cell plant according to claim 17, wherein generating the high temperature exhaust stream comprises generating a high temperature exhaust stream with a solid oxygen fuel cell or dissolved carbonate type fuel. 前記燃焼エンジンにより生成された前記前記燃料電池の高温排気流と高温排気の少なくとも一方から回収された廃熱に応どうしてランキンサイクルにより電力を生成するステップが、有機ランキンサイクルにより電力を生成するステップを含む請求項１７に記載のハイブリッド燃料電池プラントにより電力を生成する方法。   The step of generating electric power by Rankine cycle in response to waste heat recovered from at least one of the high-temperature exhaust flow and high-temperature exhaust of the fuel cell generated by the combustion engine includes the step of generating electric power by the organic Rankine cycle. A method for generating electric power by a hybrid fuel cell plant according to claim 17. 前記燃焼エンジンにより生成された前記前記燃料電池の高温排気流と高温排気の少なくとも一方から回収された廃熱に応どうしてランキンサイクルにより電力を生成するステップが、ＤＲｅＳＣＯ型ＣＯ2ランキンサイクルにより電力を生成するステップを含む請求項１７に記載のハイブリッド燃料電池プラントにより電力を生成する方法。 The step of generating electric power by Rankine cycle in response to waste heat recovered from at least one of the high-temperature exhaust flow and high-temperature exhaust of the fuel cell generated by the combustion engine generates electric power by the DReSCO-type CO 2 Rankine cycle The method of generating electric power by the hybrid fuel cell plant according to claim 17 including the step of:
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