JP2016505197A - 発電システム - Google Patents
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Abstract
電力を生産する発電システムにおいて、供給された反応物を反応させ、電力を生産する燃料電池システムと、燃料電池システムで生成された生成物を循環させる循環システムと、を含み、該循環システムは、該燃料電池システムで生成された生成物のうち少なくとも一部を、該燃料電池システムの反応物として再供給するように構成される発電システムである。【選択図】図１
Description
本発明は、発電システムに係り、さらに詳細には、供給された反応物を反応させ、電力を生産する燃料電池システム、及び前記燃料電池システムで生成された生成物を循環させる循環システムを含み、前記循環システムは、前記燃料電池システムで生成された生成物のうち少なくとも一部を、前記燃料電池システムの反応物に再供給するように構成される、電力を生産する発電システムに関する。
燃料電池は、炭化水素燃料に保存された化学エネルギーを電子化学的反応によって、電気エネルギーに直接変換する装置である。一般的に、燃料電池は、電気的に充電されたイオンを導電させる電解質によって分離される、アノード極及びカソード極を含む。溶融炭酸塩燃料電池は、二酸化炭素を含むガスを酸化させる間、アノード極を介して反応物燃料ガスを通過させることによって作動し、酸素は、カソード極を通過する。
このような燃料電池の使用は、前記ガスの反応によって、所定の生成物を放出することができる。しかし、そのような生成物は、地球温暖化及び大気変化の要因になる多量の二酸化炭素を含んでいるために、環境に悪影響を及ぼす。従って、そのような二酸化炭素を捕集して処理することは、燃料電池の普及及び使用のために重要な要因になる。
本発明が解決しようとする課題は、供給された反応物を反応させ、電力を生産する燃料電池システム、及び前記燃料電池システムで生成された生成物を循環させる循環システムを含み、前記循環システムは、前記燃料電池システムで生成された生成物のうち少なくとも一部を、前記燃料電池システムの反応物に再供給するように構成される、電力を生産する発電システムを提供することである。
前述の目的を達成するために、本発明による発電システムは、電力を生産する発電システムにおいて、前記発電システムは、供給された反応物を反応させ、電力を生産する燃料電池システム、及び前記燃料電池システムで生成された生成物を循環させる循環システムを含み、前記循環システムは、前記燃料電池システムで生成された生成物のうち少なくとも一部を、前記燃料電池システムの反応物に再供給するように構成される。
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、前記燃料発電システムは、反応物の反応が行われるアノード極、及びカソード極を含み、前記アノード極には、水素が供給され、前記カソード極には、酸素及び二酸化炭素が供給されるように構成される。
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、前記循環システムは、前記燃料電池システムで生成された生成物のうち少なくとも一部を分離し、前記燃料電池システムの反応物として再供給する分離装置を含んで構成される。
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、前記分離装置は、前記燃料電池システムで生成された生成物のうち二酸化炭素を分離し、前記燃料電池システムに再供給するように構成される。
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、前記分離装置は、沸点の差を利用する相分離装置として構成される。
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、燃焼システムをさらに含み、前記燃焼システムは、前記燃料電池システムの後端に配置され、前記生成物に含まれた酸素及び水素を反応させ、水及び二酸化炭素を生成するように構成される。
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、前記燃焼システムは、所定の触媒を使用する触媒燃焼システムでもって構成される。
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、前記発電システムは、タービンを含み、前記タービンの回転で電力を生産するタービン発電システムをさらに含み、前記タービン発電システムは、前記燃焼システムの後端に配置され、前記燃焼システムで生成された水及び二酸化炭素のうち少なくとも一つを使用してタービンを回転させ、電力を生産するように構成される。
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、前記燃焼システムで生成された生成物の熱と外部の熱とを交換する熱交換装置をさらに含むように構成される。
本発明による発電システムは、燃料電池システム、及び循環システムを含むことにより、燃料電池システムで生成された生成物を、燃料電池システムの反応物に再使用することができる。従って、全体的な発電システムの発電効率が改善され、環境汚染の原因として作用する生成物の排出を防止することができる。例えば、前記循環システムが、燃料電池システムの生成物のうち二酸化炭素を再循環させる場合、地球温暖化の原因である二酸化炭素の排出を抑制し、汚染源発生抑制に寄与することができる。
また、本発明の一実施形態による発電システムは、分離装置を含む循環システムを含むことにより、燃料電池で生成された生成物の再活用効率がさらに上昇する。一方、二酸化炭素を分離して再使用することにより、環境汚染防止に寄与することができる。
同時に、本発明の一実施形態による発電システムは、燃料電池システム及びタービン発電システムを含んで構成されることにより、ハイブリッド発電システムでもって構成される。これにより、燃料電池を介した電力生産、及び前記燃料電池で発生した高熱の生成物を利用したタービンによる電力生産が共に行われので、電力生産量及びエネルギー活用効率がさらに向上する。
また、本発明の一実施形態による発電システムは、熱交換装置が具備されることにより、発電システムの全体的なエネルギー活用効率がさらに上昇する。
本発明による発電システムは、電力を生産する発電システムにおいて、前記発電システムは、供給された反応物を反応させ、電力を生産する燃料電池システム、及び前記燃料電池システムで生成された生成物を循環させる循環システムを含み、前記循環システムは、前記燃料電池システムで生成された生成物のうち少なくとも一部を、前記燃料電池システムの反応物として再供給するように構成される。
以下、添付された図面を参照し、本発明による望ましい実施形態について説明する。本実施形態は、制限的なものであると意図されたものではない。
本発明の利点、特徴、及びそれらを達成する方法は、添付される図面と共に詳細に説明する実施形態を参照すれば、明確になるであろう。しかし、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態に具現され、ただ、本実施形態は、本発明の開示が完全になされ、本発明が属する技術分野で当業者に、発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は、特許請求の範囲によって定義されるのみである。明細書全体にかけて、同一参照符号は、同一構成要素を指す。
本明細書で使用された用語は、実施形態を説明するためのものであり、本発明を制限するものではない。本明細書で、単数形は、文言で特別に言及しない限り、複数形も含む。明細書で使用される「含む（comprises）」及び／または「含むところの（comprising）」は、言及された構成要素、段階、動作及び／または部材が、一つ以上の他の構成要素、段階、動作及び／または部材の存在または追加を排除するものではない。
取り立てての定義がなければ、本明細書で使用される全ての用語（技術用語及び科学的用語を含む）は、本発明が属する技術分野で当業者に共通して理解される意味として使用されるものである。また、一般的に使用される既定義の用語は、明白に特別に定義されていない限り、理想的にまたは過度に解釈されるものではない。
図１は、本発明による発電システム１を示した概念図であり、図２は、本発明の一実施形態による発電システム１を示した図面である。
本発明による発電システム１は、電力を生産する発電システム１であり、反応物を反応させ、電力を生産する燃料電池システム１００、及び前記燃料電池システム１００で生成された生成物を循環させる循環システム２００を含み、前記循環システム２００は、前記燃料電池システム１００で生成された生成物のうち少なくとも一部を、前記燃料電池システム１００の反応物として再供給するように構成される。
燃料電池システム１００は、所定の反応物の反応による化学エネルギーを介して、電気エネルギーを生産するシステムでもって構成される。すなわち、燃料電池システム１００は、燃料として使用される反応物の酸化によって発生する化学エネルギーを介して、電気エネルギーを生産するシステムであり、前記反応物の反応によって所定の生成物が生成される。前記生成物は、例えば、所定のガスでもある。
一方、ここで、生成物とは、燃料電池システム１００内で、反応物が反応することによって反応を完了して生成された物質以外に、反応効率が１００％ではないことにより、供給された反応物の一部が反応していない状態で排出される反応物を含む概念であり、燃料電池システム１００で排出される全ての物質を意味する。
燃料電池システム１００は、アノード（anode）極１１０、カソード（cathode）極１２０、及び前記アノード極１１０とカソード極１２０との間に位置する電解質を含む。前記燃料電池システム１００は、電解質の種類によりリン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型及び固体高分子型など多様なシステムが使用される、本発明による燃料電池システム１００は、溶融炭酸塩型の燃料電池システム１００が使用される。
前記アノード極１１０は、反応物のうち、所定の燃料が供給される燃料極として機能し、前記燃料は、例えば、水素でもある。前記カソード極１２０は、反応物のうち、酸素と二酸化炭素とが供給される酸素極として機能することができる。これにより、本発明による燃料電池システム１００は、純粋酸素を利用した純酸素燃焼装置として構成される。
前記アノード極１１０では、水素が注入され、酸化反応によって電子が生成され、カソード極１２０では、酸素と二酸化炭素とが供給され、カーボネートイオンが生成される。
前記カーボネートイオンは、アノード極１１０とカソード極１２０との間に位置した電解質を介して、カソード極１２０からアノード極１１０に移動することができる。ここで、アノード極１１０では、カソード極１２０から提供されたカーボネートイオンと水素とが反応し、水及び二酸化炭素が生成される。ここで、水とは、液状以外に、水蒸気のようなガス状も含むが、それらの相に限定されるものではない。また、アノード極１１０で生成された電子は、外部回路を経由して通電されることによって、電力が生産される。
一方、前述のように、燃料電池システム１００の反応効率が１００％ではないので、前記燃料電池システム１００を通過した生成物は、前記反応物である水素、酸素及び二酸化炭素の反応を介して生成される水、並びに二酸化炭素以外に、反応をしないで残留する水素及び酸素を含む。すなわち、生成物は、水素、酸素、水、二酸化炭素を含む。
前記循環システム２００は、前記生成物を循環させるが、前記燃料電池システム１００で生成された生成物のうち少なくとも一部を、前記燃料電池システム１００の反応物として再供給するように構成される。
すなわち、燃料電池システム１００で生成された生成物のうち少なくとも一部を循環させ、燃料電池システム１００で反応物として再使用させる。
例えば、前記循環システム２００は、前記生成物のうち二酸化炭素を分離し、前記分離された二酸化炭素を、前記燃料電池システム１００の反応物として再供給することができる。
本発明による発電システム１は、燃料電池システム１００及び循環システム２００を含むことにより、燃料電池システム１００で生成された生成物を、燃料電池システム１００の反応物に再使用することができる。従って、全体的な発電システム１の発電効率が改善され、環境汚染の原因として作用する生成物の排出を防止することができる。例えば、前述のように、前記循環システム２００が、燃料電池システム１００の生成物のうち二酸化炭素を再循環させる場合、地球温暖化の原因である二酸化炭素の排出を抑制し、汚染源発生抑制に寄与することができる。
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、前記循環システム２００は、前記燃料電池システム１００で生成された生成物のうち、それぞれの成分を分離する分離装置（separator）２１０を含み、循環システム２００は、前記分離装置２１０を介して分離された分離物を、前記燃料電池システム１００の反応物として再供給するように構成されることができる。
前記分離装置２１０は、例えば、所定の相分離装置（phase separator）２１０でもあり、前記相分離装置２１０は、前記生成物に含まれたそれぞれの物質を分離することができる。例えば、前記生成物のうち、二酸化炭素と水とを分離するとき、前記分離装置２１０は、前記二酸化炭素と水との沸点温度差を利用して、二酸化炭素と水蒸気とを分離することができる。分離装置２１０によって、前記二酸化炭素と水とが分離され、循環システム２００は、前記分離された二酸化炭素を、燃料電池システム１００のカソード極１２０に再供給することができる。そのとき、望ましくは、前記分離装置２１０が所定の酸素及び水素をそれぞれ分離することができる構成をさらに有し、前記分離された酸素及び水素を、それぞれアノード極１１０とカソード極１２０とに提供することができるということは言うまでもない。
本発明の一実施形態による発電システム１は、分離装置２１０を含む循環システム２００を含むことにより、燃料電池で生成された生成物の再活用効率がさらに上昇する。一方、前述のように、二酸化炭素を分離して再使用することにより、環境汚染防止に寄与することができる。
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、燃焼システム３００をさらに含み、前記燃焼システム３００は、前記生成物に含まれた水素と酸素とを反応させ、二酸化炭素と水とを生成するように構成される。
すなわち、前述のように、前記燃料電池システム１００の反応効率が１００％ではないために、反応物として使用される酸素及び水素が残留し、生成物に含まれ、前記残留する酸素及び水素を反応させる燃焼システム３００を具備し、前記酸素及び水素から二酸化炭素と水蒸気とを生成することができる。
前記燃焼システム３００は、燃料電池システム１００の後端に設けられ、未反応の酸素及び水素を反応させ、二酸化炭素と水蒸気とを生成することができる。
望ましくは、前記燃焼システム３００は、所定の触媒を使用する触媒燃焼システム３００でもって構成される。
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、前記発電システム１は、タービン発電システム４００をさらに含み、前記タービン発電システム４００は、前記燃焼システム３００で生成された生成物で、タービンを回転させ、電力を生産する。
前記燃料電池システム１００での未反応生成物に残留する酸素及び水素が、前記燃焼システム３００を介して燃焼されれば、水及び二酸化炭素が生成されるが、前記水及び二酸化炭素は、燃焼システム３００によって生成されることにより、高温の熱エネルギーを有するガス状でもあり、前記水は、高温及び高圧の水蒸気状で排出される。それにより、前記ガスの熱エネルギーを使用して電気を生産するように、タービン発電システム４００がさらに具備される。これにより、前記タービン発電システム４００は、前記燃焼システム３００の後端に設けられ、前記高温のガスを介してタービンを回転させ、電気エネルギーを生産することができる。
前述のように、本発明の一実施形態による発電システム１は、燃料電池システム１００及びタービン発電システム４００を含んで構成されることにより、ハイブリッド発電システム１として構成される。これにより、燃料電池を介した電力生産、及び前記燃料電池で発生した高熱の生成物を利用したタービンによる電力生産が共に行われるので、電力生産量及びエネルギー活用効率がさらに向上するのである。
望ましくは、本発明の一実施形態によれば、本発明の発電システム１は、前記燃料電池システム１００で生成された生成物のうち少なくとも一部の熱エネルギーを回収する熱交換装置５００をさらに含むことができる。
前記熱交換装置５００は、前記循環システム２００に連結され、循環システム２００を介して循環される燃料電池システム１００の生成物が有する熱と外部の熱とを交換することができる。
例えば、前記熱交換装置５００は、前記タービン発電システム４００の後端に具備され、タービン発電システム４００を通過したガスの熱と外部の熱とを交換するように具備される。すなわち、前記燃焼システム３００を介して、酸素及び水素が燃焼されて生成される水蒸気と二酸化炭素は、高温のガスとして構成されることにより、前記タービン発電システム４００での電力生産に使用され、前記タービン発電システム４００を通過したガスに残っている熱エネルギーを活用するように、前記熱と外部の熱とを交換する所定の熱交換装置５００が具備される。前記熱交換装置５００は、例えば、所定の配管構造を有するように構成され、前記交換された熱が暖房などに使用されるように構成される。
熱交換装置５００が具備されることにより、本発明による発電システム１の全体的なエネルギー活用効率がさらに上昇する。
以上、望ましい実施形態について図示して説明したが、本発明は、前述の特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を外れることなしに、当該発明が属する技術分野で当業者によって、多様な変形実施が可能であるということは言うまでもなく、そのような変形実施は、本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されることがあってはならない。
Claims (9)
- 電力を生産する発電システムにおいて、
前記発電システムは、
供給された反応物を反応させ、電力を生産する燃料電池システムと、
前記燃料電池システムで生成された生成物を循環させる循環システムと、を含み、
前記循環システムは、
前記燃料電池システムで生成された生成物のうち少なくとも一部を、前記燃料電池システムの反応物として再供給することを特徴とする発電システム。 - 前記燃料電池システムは、
反応物の反応が行われる、アノード極及びカソード極を含み、
前記アノード極には、水素が供給され、
前記カソード極には、酸素及び二酸化炭素が供給されることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。 - 前記循環システムは、
前記燃料電池システムで生成された生成物のうち少なくとも一部を分離し、前記燃料電池システムの反応物として再供給する分離装置を含むことを特徴とする請求項１に記載の発電システム。 - 前記分離装置は、
前記燃料電池システムで生成された生成物のうち二酸化炭素を分離し、前記燃料電池システムに再供給することを特徴とする請求項３に記載の発電システム。 - 前記分離装置は、
沸点の差を利用する相分離装置であることを特徴とする請求項４に記載の発電システム。 - 燃焼システムをさらに含み、
前記燃焼システムは、
前記燃料電池システムの後端に配置され、前記生成物に含まれた酸素及び水素を反応させ、水及び二酸化炭素を生成することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。 - 前記燃焼システムは、
所定の触媒を使用する触媒燃焼システムであることを特徴とする請求項６に記載の発電システム。 - 前記発電システムは、
タービンを含み、前記タービンの回転で電力を生産するタービン発電システムをさらに含み、
前記タービン発電システムは、
前記燃焼システムの後端に配置され、前記燃焼システムで生成された水及び二酸化炭素のうち少なくとも一つを使用してタービンを回転させ、電力を生産することを特徴とする請求項６に記載の発電システム。 - 前記燃焼システムで生成された生成物の熱と外部の熱とを交換する熱交換装置をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
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