JP2016525774A - 燃料電池排熱による発電システム - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池排熱による発電システムであって、発電及び排熱生成のための少なくとも一つの燃料電池モジュールと、駆動流体が循環して発電するボトミングサイクル電力ブロックと、少なくとも一つの燃料電池モジュールの排出ガスからの熱をボトミングサイクル電力ブロックの駆動流体へと伝達することにより少なくとも一つの燃料電池モジュール及びボトミングサイクル電力ブロックからの所望のコンバインド電力レベルを生成する排熱熱伝達ユニットとを含む発電システムに関する。

Description

本発明は電力プラントの分野に関する。詳しくは、本発明は、燃料電池排熱による発電システムに関する。

燃料電池は、電気化学的反応から直接発電するとともに、機械的又は回転機械類の排除ゆえに熱機関よりも高効率である。大抵の燃料電池の電気エネルギー変換効率は相対的に高く、燃料の真発熱量（ＬＨＶ）に基づけば、サイズ及び負荷とは無関係に４０〜６０パーセントの範囲にわたる。

固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）及び溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）のような高温燃料電池（ＨＴＦＣ）は、その固有の効率及び低排出ガス潜在性ゆえに、数十年にわたり精力的な研究の対象となっている。

燃料電池は、その高いエネルギー変換効率にもかかわらず、いくつかの有意な欠点に関係する。

第一に、燃料電池システムの、電気に変換されない残留エネルギー量は５０％のオーダーの高いレベルにあるが、これが燃料電池冷却システム及び排出ガス熱による排熱として失われる。燃料電池排熱の一部が利用できるようになれば、電力生産システムのエネルギー効率は有意に増加するだろう。

第二に、高い資本コストを必要とする燃料電池は、高温と、アノード及びカソードの腐食をもたらす許容される電解質タイプとに起因して、寿命が相対的に短く、一般には２〜５年の範囲である。すなわち、ＭＣＦＣ及びＳＯＦＣの効率は経時的に低下し、その電力出力も低下し、当該燃料電池からの排熱が増加する。このような燃料電池の劣化及び貧弱な収益性の結果、商業的な寿命が限られる。燃料電池のリサイクルが望まれる場合、追加の支出が必要となる。したがって、発電用の燃料電池の使用は、今日に至るまでかなり制限されてきた。

先行技術には、劣化した燃料電池から発電するための、いくつかの試みが存在する。すなわち、（ａ）それぞれが低電力出力定格を有する複数の燃料電池のアレイの使用し、負荷が低減される期間中にその一つを不作動にすること、（ｂ）寄生負荷の積層体を使用して電力を調整すること、及び（ｃ）燃料電池を流れる燃料及び酸素／空気の流れを制御することである。

本発明の目的は、一般に通常の寿命を超える期間にわたり燃料電池を有効利用可能な、ハイブリッド燃料電池系電力プラントを与えることにある。

本発明の付加的な目的は、ハイブリッド燃料電池系電力プラントの電力の出力及び効率をさらに増加させることにある。

本発明の付加的な目的は、電力プラントにおける付加的電力のために燃料電池の排熱を有効利用することにある。

説明が進むにつれて、本発明の他の目的及び利点が明らかとなる。

米国特許出願公開第２００３／０２１８３８５（Ａ１）号明細書

本発明は、燃料電池排熱による発電システムであって、発電及び排熱生成のための少なくとも一つの燃料電池モジュール（ＦＣＭ）と、駆動流体が循環して発電するボトミングサイクル電力ブロック（ＢＣＰＢ）と、当該少なくとも一つのＦＣＭの排出ガスからの熱を当該ＢＣＰＢの駆動流体へと伝達することにより当該少なくとも一つのＦＣＭ及び当該ＢＣＰＢから所望のコンバインド電力レベルを生成する排熱熱伝達ユニット（ＷＨＨＴＵ）とを含む発電システムを与える。

本発明はまた、気化器及びタービンを有するコンバインド燃料電池ランキンサイクル電力プラントの出力電力を制御する方法であって、当該燃料電池の排出ガスからの熱をランキンサイクル電力ブロックの駆動流体へと伝達するステップと、当該伝達された熱の量を、電力プラント関連流量制御コンポーネントの動作制御により制御し、ひいては当該ランキンサイクル電力ブロックのタービンへと供給される駆動流体蒸気の量を制御することにより、コンバインド燃料電池ランキンサイクル電力プラントの電力出力の経時的な劣化又は低減の割合を低減又は遅延させるとともに、コンバインド燃料電池ランキンサイクル電力プラントにおいて必要とされる燃料電池のオーバーホールの間隔を延長させるステップとを含む方法にも関する。

本発明の一実施形態に係るハイブリッド燃料電池電力プラントの模式的な例示である。 間接加熱排熱回収ユニットを備えたハイブリッド燃料電池ＯＲＣ電力プラントの模式的な例示である。 直接加熱排熱回収ユニットを備えたハイブリッド燃料電池ＯＲＣ電力プラントの模式的な例示である。

本発明の新規なハイブリッド燃料電池電力プラントは、これまで先行技術のハイブリッド燃料電池系電力プラントにおいては利用されていなかった熱を、すなわち劣化した燃料電池から回収する電力ブロックを用いる。

燃料電池の電力変換効率が経時的に減少すると、劣化した燃料電池から排出される排熱は、それに応じて増加する。劣化した燃料電池からの出力電力の減少を少なくとも部分的に補償するべく、本発明に係る排熱熱伝達ユニット（ＷＨＨＴＵ）が、燃料電池排出ガスが放出される出力ポートに設けられる。制御可能なＷＨＨＴＵが、当該排出ガスからの熱をボトミングサイクル電力ブロック（ＢＣＰＢ）の駆動流体へと伝達するべく適合される。

図１は、本発明の一実施形態に係るハイブリッド燃料電池電力プラント１０を模式的に例示する。電力プラント１０は、定置型燃料電池モジュール５及びボトミングサイクル電力ブロック（ＢＣＰＢ）１５を含む。ＢＣＰＢ１５の駆動流体は、燃料電池モジュール５の出力ポート７から放出される排出ガス（ＥＧ）に関連する熱交換器の中に存在する。ＥＧから与えられるＢＣＰＢ駆動流体への熱エネルギーの付加的流入が、燃料電池モジュール５及びＢＣＰＢ１５からのコンバインド電力レベルをもたらす。そのエネルギー効率は、燃料電池モジュール５及びＢＣＰＢ１５が本発明による教示の態様でコンバインされていない場合には達成し得ないエネルギー効率よりも高い。

ＢＣＰＢ駆動流体への熱エネルギーの十分な流入を与えるべく、ＷＨＨＴＵ１２は、導管１４に関連する熱交換器の中に配置される。導管１４は、燃料電池モジュール５の出力ポート７と流体的に連通する。その結果、ＢＣＰＢ駆動流体へと熱が伝達されることによって、燃料電池ＥＧの高い熱容量が適切に回復される。

ＷＨＨＴＵ１２の熱出力は、燃料電池ＥＧの熱容量の変化に応答する。燃料電池ＥＧの熱容量が増加すると、ＷＨＨＴＵ１２の熱出力も増加する。燃料電池モジュール５が発電して排熱を生成するべくオンラインである場合、ＷＨＨＴＵ１２は一般に、全熱容量で動作し、かつ、燃料電池モジュール５の劣化を少なくとも部分的に補償し、燃料電池ＥＧの熱容量が結果的に増加する。しかしながら、ＢＣＰＢ１５の発電器が、予測される電圧出力の低下すなわちドル−ピングを受ける場合には時々、ＷＨＨＴＵ１２の熱容量を調整する必要がある。そうであっても、ＢＣＰＢ１５の電力出力は、適切な電力出力への電力プラント１０の総電力出力を調整するべく、タービンバイパス弁を制御することによって制御することができる。代替的に、所望の場合には、ＥＧ流の一部をバイパス煙突へ向けることができる。

ＢＣＰＢ１５は、任意の熱力学サイクルのもとで動作することができる。ＥＧによって加熱可能な駆動流体と、加熱された駆動流体が発電するべく膨張可能なタービン又は任意の他の膨張器とを有するＢＣＰＢ１５は有利には、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）のもとで動作する。ＯＲＣは、やはり本発明の範囲内にある有機駆動流体、蒸気ランキンサイクル又は他の熱力学サイクルの独特な特徴に基づいて動作する。

燃料電池モジュール５は、ＳＯＦＣ及びＭＣＦＣのような、ただしこれらに限られない任意の高温燃料電池であり得る。これは、ＢＣＰＢ駆動流体の熱容量を増加させるのに適切な十分に高い温度、例えば３７５℃のＥＧを生成する。例示されるのは一つのみの燃料電池モジュール５であるが、燃料電池モジュール５が、高レベルの電力を生成させるべく直列又は並列でコンバイン可能な燃料電池の積層体を含み得ることがわかる。

同様に、例示されるのは一つのみのＷＨＨＴＵ１２であるが、複数のＷＨＨＴＵも展開することができる。例えばその一つが、所望に応じて各燃料電池に対応する。各ＷＨＨＴＵからの放出物がコンバインされ、増加した熱伝達を増加させるべく所与のＢＣＰＢコンポーネントへと送達される。そのように所望される場合、熱伝達媒体を様々なＷＨＨＴＵへと送達する単数のサイクルポンプを用いることができる。

燃料電池は、２つの電極が電解質中の荷電イオンを通過させる電気化学的プロセスによって、直流電流を生成する。ＢＣＰＢ１５の発電器は交流電流を発生させるが、電力プラント１０は、燃料電池モジュール５及びＢＣＰＢ１５双方の電力出力を、直流電流を交流電流に変換する電力調整インバータを使用してコンバインさせ、その後、そのコンバインド出力を電力供給網へと送る。代替的に、燃料電池モジュール５が生成する直流電流は、交流電流へと変換されるが、電力供給網へと、ＢＣＰＢ１５が生成する交流電流と並列して送ることができる。

任意の所与時刻における電力プラント１０のコンバインド又は総電気出力は、所定値となる。しかしながら、時間経過に伴い、燃料電池モジュール５の電力出力は、燃料電池の劣化又はそのエネルギー効率の低減ゆえに低下し、ひいては燃料電池モジュール５から発生する排熱が、それに対応して増加する。したがって、ＢＣＰＢ１５は、電力の増加をもたらし、少なくとも部分的に燃料電池劣化を補償する。

制御器１７は、燃料電池ＥＧの現行熱容量を示すデータを受信し、当該受信データに応答して電力プラント１０のコンバインド電気出力を最大化させるべく、電力プラント流量制御コンポーネントの動作を制御することができる。

有利には、ＷＨＲＵ１２の導管１４に沿って熱流束センサ１９を展開し、当該センサに適用されるＥＧが供給する総発熱率を測定することができる。代替的に、有利には熱流束センサ１９を、出力ポート７の上流側の燃料電池モジュール５の導管９に沿って配置することができる。制御器１７は、センサ１９からの信号Ｗを受信して、ＥＧの熱容量が先の読みから、予め決められたしきい値を上回って増加したことを決定した後、信号Ｗが当該データを示す場合、制御信号Ｃを流量制御コンポーネント２２へと送信する。これにより、ＢＣＰＢ１５の電力出力が増加する。すなわち、排熱レベルの増加を利用するＢＣＰＢ１５の使用により、劣化した燃料電池モジュール５が生成する電力レベルの低減を補償することができる。

わかることだが、制御器１７は、温度関連データのような熱関連データを検出するべく適合された任意の他のタイプのセンサと通信することもできる。

流量制御コンポーネント２２は、ＢＣＰＢ１５のバイパス弁であり得る。これは、ＥＧの増加した熱容量の利用が低下するように、ＢＣＰＢ１５のタービンへの駆動流体蒸気流量を通常低下させるべく動作可能である。その結果、低減した量の駆動流体がタービンにおいて膨張し、ひいては生成される電力が低下する。代替的に、流量制御コンポーネント２２は、熱伝達媒体の流量を増加させるべく動作可能なＷＨＨＴＵ１２のポンプとなり得る。代替的に、これらの手段は、ＥＧの増加した熱容量の利用を増加させるように使用することができる。

そのように所望される場合、流量制御コンポーネントは、例えばバイパス弁のような、そのように所望される場合にＥＧの温度及び流量を制御又は改変するべくＥＧの一部を分流する分流器となり得る。

図２は、一般に番号４０で示されるハイブリッド燃料電池ＯＲＣ電力プラントの一実施形態を例示する。電力プラント４０は、燃料電池モジュール２５、ＯＲＣブロック３５、及び、排熱オイル加熱器（ＷＨＯＨ）として構成された間接加熱ＷＨＨＴＵ４５を含む。

ＯＲＣブロック３５において、予熱器３６からの有機駆動流体が、導管３１を介して気化器３７へと流れ、気化した駆動流体が、導管３２を介して蒸気タービン３８へと流れる。ここで、当該流体は膨張し、蒸気の膨張ゆえに回転シャフトの動力をもたらし、さらには、蒸気タービン３８に結合された発電器３９によって交流電力をもたらす。選択に応じて、蒸気タービン３８を発電器３９に結合するべくギアを使用することができ又はできない。膨張した駆動流体蒸気は、導管３３を介してタービン３８から、随意的に復熱器４１のシェル側へと排出された後、導管３４を介して水冷又は空冷の凝縮器４２へと流れ、液体状態すなわち凝縮体となるまで冷却される。

サイクルポンプ４３が、凝縮器４２からの有機凝縮体を、導管４９を介して復熱器４１のチューブ側へと送達した後、導管５１を介して予熱器３６へと送達する。有機凝縮体は、復熱器４１におけるタービン排気により、さらには予熱器３６及び気化器３７における熱オイル熱伝達媒体により、加熱を受ける。

燃料電池モジュール２５から放出されかつ所定熱容量を有する排出ガスＥＧ又は排熱が、排出ライン２７を介してＷＨＨＴＵ４５へと流れる。閉ループを循環する熱オイル又は任意の他の適切な熱伝達媒体が、導管５６を介してＷＨＨＴＵ４５へと送達され、ＥＧからの熱を吸収した後、超清浄な排出ガスが排出煙突４８を介して大気へと排出される。

加熱された熱オイルは、気化器３７へと導入されて駆動流体の気化を引き起こす。熱が枯渇した熱オイルは、導管５７を介して予熱器３６へと流れる。これにより、液体状態の有機駆動流体の熱容量が増加又は予熱され、その後、導管５６に動作可能に接続された熱オイルサイクルポンプ５９が、当該熱オイルをＷＨＨＴＵ４５へと送達する。

所望されて、又は代替的に、非常時のような安全上の目的から、電力プラント４０のコンバインド電力レベルを低減する場合、排出ライン２７に配置された分流器弁２９が作動され、ＥＧの一部又はすべてがバイパス煙突２６へと分流される。バイパス煙突２６からは、ＥＧが周囲空気へと排出される。分流器弁２９は、オペレータの裁量により手動で作動し、又は代替的に、予め決められた事象に応答して制御器１７（図１）により自動で作動することができる。ＥＧのバイパス煙突２６への分流は、当然のことながら、ＯＲＧ駆動流体への熱流入の低減をもたらす。

時々、ＷＨＨＴＵ４５が全容量で動作されていても、すなわち分流器弁２９が開であっても、ＯＲＣブロック３５の電力出力低減が命じられる不測の非常事態が発生する。タービンへの駆動流体蒸気の質量流量を低減するべく、導管５３に動作可能に接続されたバイパス弁５４が、所望の程度まで開とされた後、それに対応する量の駆動流体蒸気が導管５３を介して凝縮器４２へと流れる。凝縮器４２は、導管３３及び３４を介してタービン３８から排出された蒸気負荷に加えバイパス有機流体蒸気によっても与えられる駆動流体の増加した負荷を、十分に冷却するように設計される。さらに、すなわち付加的に、タービン制御弁５２は調整することができる。

他方、ＷＨＨＴＵ４５が、付加的な量の熱をＯＲＧブロックへと供給することが所望される場合、例えば、ＥＧにおいてさらなる熱が利用可能な場合、有利なことに制御器１７（図１）は、導管５６を介して高流量の熱オイルを循環させる制御信号を熱オイルサイクルポンプ５９へと送信することができる。その間、バイパス弁５４は、さらなる蒸気を蒸気タービン３８へと供給するべく、制御器１７からの制御信号により部分的に又は完全に閉となる。例えば、ＷＨＨＴＵ４５は、燃料電池モジュール２５の効率が低下している期間にわたり、例えば、燃料電池モジュールが劣化して高温の排出ガスＥＧにおいてさらなる熱が利用可能となる場合、付加的な量の熱をＯＲＣブロック３５へと供給することができる。代替的に、燃料電池効率の一時的な低減が発生し得る。それに対応してＥＧの熱容量が増加するので、蒸気タービン３８の電力出力も一時的に増加する。

図３は、一般に番号６０で示されるハイブリッド燃料電池ＯＲＣ電力プラントの他の実施形態を例示する。電力プラント６０は、燃料電池モジュール６５、ＯＲＣブロック７５、及び直接加熱ＷＨＨＴＵ８０を含む。

燃料電池モジュール６５から放出されかつ所定熱容量を有する排出ガスＥＧ又は排熱が、排出ライン６７を介してＷＨＨＴＵ８０へと流れる。これは、駆動流体熱交換器への高温ガスであり、排出煙突８８を介して周囲空気へと排出される。

ＷＨＨＴＵ８０のチューブ側を通って流れる有機駆動流体が、ＥＧからの熱を吸収して気化する。ＷＨＨＴＵ８０から出るときに生成された駆動流体蒸気は、バイパス弁７１が閉の場合、導管６１を介して蒸気タービン７８へと流れる。駆動流体蒸気はその後、タービン７８内で膨張し、当該蒸気の膨張による回転シャフトの動力をもたらし、蒸気タービン７８に結合された発電器７９によって交流電力をもたらす。選択に応じて、蒸気タービン３８を発電器３９に結合するべくギアを使用することができ又はできない。駆動流体蒸気は、導管６２を介してタービン７８から復熱器８２のシェル側へと排出された後、導管６３を介して水冷又は空冷の凝縮器８４へと流れ、液体状態すなわち凝縮体となるまで冷却される。

サイクルポンプ８６が、凝縮器８４からの有機凝縮体を、随意的に導管６４を介して復熱器８２のチューブ側へと送達した後、導管６７を介してＷＨＨＴＵ８０へと送達する。ここで、有機駆動流体凝縮体が気化する。

例えば、ＯＲＣブロック７５の電力出力を低減することが所望される場合、バイパス弁７１は、通常閉であっても、部分的に又は完全に開にされる。その結果、それに対応する量の駆動流体蒸気が導管７１を介して凝縮器８４へと流れる。代替的にすなわち付加的に、タービン制御弁８３は調整することができる。さらに、分流器は、ＥＧの一部を大気へと分流するべく使用することができる。

他方、ＷＨＨＴＵ８０が、付加的な量の熱をＯＲＣブロックへと供給することが所望される場合、例えば、ＥＧにおいてさらなる熱が利用可能な場合、有利なことに制御器１７（図１）は、さらなる蒸気を蒸気タービン７８へと供給するべく、バイパス弁７１へと部分的に又は完全に閉にする制御信号を送信することができる。例えば、ＷＨＨＴＵ８０は、燃料電池モジュール６５の効率が低下している期間にわたり、例えば、燃料電池モジュールが劣化して高温の排出ガスＥＧにおいてさらなる熱が利用可能となる場合、付加的な量の熱をＯＲＣブロック３５へと供給することができる。

図面を参照する上述の説明が有機ランキンサイクル電力ブロックを記載するにもかかわらず、上述の説明は蒸気ランキンサイクルに対しても極めて適用可能であることがわかる。そのような蒸気ランキンサイクルにおいては通常、復熱器は含まれない。

本発明のいくつかの実施形態が説明されたが、本発明は、本発明の要旨から逸脱することなく又は特許請求の範囲から超越することのない、多くの修正例、変形例、適合例によって、かつ、当業者の範囲内にある多数の均等例又は代替ソリューションの使用によって、実行可能となることがわかる。

Claims (16)

1. 燃料電池排熱による発電システムであって、
   ａ）発電及び排熱生成のための少なくとも一つの燃料電池モジュール（ＦＣＭ）と、
   ｂ）発電するべく駆動流体が循環するボトミングサイクル電力ブロック（ＢＣＰＢ）と、
   ｃ）前記少なくとも一つのＦＣＭの排出ガスからの熱を、前記ＢＣＰＢの駆動流体へと伝達することによって、前記少なくとも一つのＦＣＭ及び前記ＢＣＰＢから所望のコンバインド電力レベルをもたらす排熱熱伝達ユニット（ＷＨＨＴＵ）と
   を含む発電システム。
2. 検出された熱データが、予め決められたしきい値を上回って増加した値を示す場合、前記ＢＣＰＢの電力レベルを増加させる制御信号を前記流量制御コンポーネントへと送信するべく動作可能な制御器をさらに含む請求項１に記載の発電システム。
3. 前記少なくとも一つのＦＣＭの劣化に応答して前記排出ガスにおける熱の増加が存在する請求項１に記載の発電システム。
4. 前記排出ガスにおける熱の増加は前記ＢＣＰＢの電力出力の増加を自動的にもたらす請求項３に記載の発電システム。
5. 前記排出ガスにおける熱の増加は前記ＢＣＰＢの電力出力の増加をもたらし、
   前記電力出力の増加はオペレータによって誘導される請求項３に記載の発電システム。
6. 検出された熱データが、予め決められたしきい値を下回って減少した値を示す場合、流量制御コンポーネントが前記ＢＣＰＢの電力レベルの増加を引き起こす請求項３に記載の発電システム。
7. 前記ＢＣＰＢは、少なくとも気化器及びタービンを含む有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）電力ブロックである請求項１に記載の発電システム。
8. 前記ＢＣＰＢは蒸気ランキンサイクル電力ブロックである請求項１に記載の発電システム。
9. 前記熱データは温度データ又は熱流束データである請求項２に記載の発電システム。
10. 前記ＷＨＨＴＵは、前記排出ガスからの熱を前記ＢＣＰＢの駆動流体へと伝達する熱伝達媒体を含む請求項１に記載の発電システム。
11. 前記ＷＨＨＴＵの熱伝達媒体の流量、及び前記蒸気タービンＢＣＰＢ駆動流体へと供給される有機駆動流体蒸気の流量が、前記少なくとも一つのＦＣＭ及び前記ＢＣＰＢ電力ブロックからの予め決められたコンバインド又は総電力レベルをもたらすべく、前記排出ガスにおける熱の増加に応答して調整される請求項１１に記載の発電システム。
12. 前記流量制御コンポーネントは、前記排出ガスの少なくとも一部を分流する分流器である請求項１に記載の発電システム。
13. 前記ＷＨＨＴＵは閉ループ導管ユニットを含み、
    前記閉ループ導管ユニットを通って前記熱伝達媒体が、前記ＢＣＰＢの駆動流体に気化を引き起こす気化器へと流れ、その後、熱が枯渇した熱伝達媒体が、気化される前に前記ＢＣＰＢの駆動流体の熱容量を増加させる予熱器へと流れる請求項１１に記載の発電システム。
14. 前記ＷＨＨＴＵは、前記排出ガスによって前記ＢＣＰＢ駆動流体を直接加熱するべく適合される請求項１に記載の発電システム。
15. 気化器及びタービンを有するコンバインド燃料電池ランキンサイクル電力プラントの出力電力を制御する方法であって、
    ａ）前記燃料電池の排出ガスからの熱をランキンサイクル電力ブロックの駆動流体へと伝達するステップと、
    ｂ）伝達された前記熱の量を、電力プラント関連流量制御コンポーネントの動作により制御し、ひいては前記ランキンサイクル電力ブロックのタービンへと供給される駆動流体蒸気の量を制御することにより、前記コンバインド燃料電池ランキンサイクル電力プラントの電力出力の経時的な劣化又は低減の割合を低減又は遅延させるステップと
    を含む方法。
16. 供給される駆動流体蒸気の量が、前記燃料電池の排出ガスの熱容量に関連するバイパス弁によって制御される請求項１６に記載の方法。
    

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