JP2017525099A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
本発明は、燃料及び酸化剤を混合させる改善した構成を有する燃料電池システムに関する。本発明は、高温燃料電池システム、とくに固体酸化物形燃料電池システムに関する。エジェクタには、未使用酸化剤の一部、未使用燃料の一部、及び一次酸化剤の一部のために３つの流入口を設ける。エジェクタは、混合物がエジェクタ内に滞留する時間を混合物点火に要する時間よりも短くするよう迅速に、未使用酸化剤の一部、未使用燃料の一部、及び一次酸化剤の一部を混合して取り込む。【選択図】図１
Description
本発明は、燃料及び酸化剤を混合させる改善した構成を有する燃料電池システムに関する。本発明は、高温燃料電池システム、とくに固体酸化物形燃料電池システムに関する。
燃料電池は、燃料を酸化することから直接的に電気を取り出す電気化学的変換デバイスである。燃料電池は、それらの電解質材料によって特徴付けられ、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：solid oxide fuel cell）は固体酸化物又はセラミックによる電解質を有する。
現行では、固体酸化物形燃料電池の主な変形例としては、チューブ状固体酸化物形燃料電池（Ｔ-ＳＯＦＣ）、平面状固体酸化物形燃料電池（Ｐ-ＳＯＦＣ）及びモノリシック固体酸化物形燃料電池（Ｍ-ＳＯＦＣ）がある。
チューブ状固体酸化物形燃料電池は、内側電極及び外側電極を有するチューブ状固体酸化物電解質部材を備える。一般的に、内側電極はカソードであり、外側電極はアノードである。酸化剤ガスをチューブ状固体酸化物電解質部材の内側のカソードに供給し、また燃料ガスをチューブ状固体酸化物電解質部材の外側のアノードに供給する。（これは逆にしてもよい。）チューブ状固体酸化物形燃料電池は、簡単なセル積層（スタック）構成を可能にし、またほぼシール部がない。しかし、このチューブ状固体酸化物形燃料電池の製造は、極めて精緻であり、人的資源集約的であり、またコストがかかる。さらに、このタイプの固体酸化物形燃料電池は、チューブ状セルの比較的大きな直径による長い電流導通路に起因して電力密度が比較的低い。
モノリシック固体酸化物形燃料電池には２つの変形例がある。第１変形例は、２つの大きな表面上に電極を有する平面状酸化物電解質部材を有するものである。第２変形例は、２つの大きな表面上に電極を有する波形酸化物電解質部材を有するものである。モノリシック固体酸化物形燃料電池は、より簡単なテープ成形及びカレンダー圧延による作製プロセスを難なく受け入れることができ、かつより高い電力密度を約束する。このタイプの固体酸化物形燃料電池は、未焼結状態でモノリス（一枚岩）状にあるすべての燃料電池層を同時に焼結する必要がある。しかし、この結果、深刻な収縮及び亀裂の問題を招く結果となる。このタイプの固体酸化物形燃料電池は、マニホルド化及びシール化するのが容易ではない。
平面状固体酸化物形燃料電池も、テープ成形及びカレンダー圧延による作製プロセスを難なく受け入れることができる。現行では、性能に制限がある厚さ１５０〜２００ミクロンの自己支持固体酸化物電解質部材を必要とする。平面状固体酸化物形燃料電池は、さらに、耐熱衝撃性に限界がある。
固体酸化物形燃料電池は、動作温度を約５００℃〜約１１００℃にして、内部電気抵抗を低く維持する必要がある。
ＳＯＦＣはアノードループ及びカソードループを有し、アノードループには燃料（一般的にはメタン）の流れを供給し、またカソードループには酸化剤（一般的には空気）の流れを供給する。課題はこのような高温を維持することであり、また多数の解決法が提案されてきた。
熱を発生する１つの有用な方法は、燃料流がＳＯＦＣスタックのアノードを通過した後に燃料流内にまだ存在しているいかなる燃料をも燃やすことである。燃焼器を使用して、アノードループの出口で残存燃料を酸化し尽すことができる。この燃焼器は、さらに、カソードループから入来するホットな酸化剤の形態をとることもできる。燃焼器は、一般的に、燃料流及び酸化剤流における極めて制限された圧力損失しか生じないよう設計する。燃焼生成物はエジェクタによって運ばれて熱交換器の熱サイドに供給され、新鮮な燃料及び／又は酸化剤が熱交換器の冷サイドで予加熱される。
幾つかの固体酸化物形燃料電池システムにおいて、燃焼生成物は、新鮮酸化剤と直接混合し、また次に固体酸化物形燃料電池のカソードに供給して十分な温度上昇を生じ、これによって固体酸化物形燃料電池が必要な動作温度となるようにする。しかし、固体酸化物形燃料電池のカソードに供給される燃焼生成物に存在するスチームのような幾つかの燃焼生成物は、固体酸化物形燃料電池の性能及び耐久性を損なうことが分かってきた。
特許文献１（国際公開第２００７／１２８９６３号）は、第１封止端縁及び第２開放端縁を有する複数個の封止燃料ダクトを備えた燃料バーナーについて記載している。燃料ダクトは互いにほぼ平行に配列して、複数個の酸化剤通路を形成する。燃料ダクト及び酸化剤通路は、燃料が酸化剤と混ざり合ってバーナーにおける低圧力低下をバーナーにもたらすことができるよう構成する。しかし、複数個の燃料ダクトプレートを錯綜して複雑な様態に配列することは、製造するのが高額かつ困難である。
特許文献２（国際公開第２０１２／０１３４６０号）は、固体酸化物形燃料電池スタック及びガスタービンエンジンを備える固体酸化物形燃料電池システムを記載しており、ガスタービンエンジンのコンプレッサは、固体酸化物形燃料電池スタックのカソードに酸化剤を供給するよう構成し、また燃料源は固体酸化物形燃料電池スタックのアノードに燃料を供給するよう構成する。このシステムは、未使用酸化剤及び未使用燃料を再循環させて燃焼器に供給するよう構成する。熱交換器の利点は、熱を固体酸化物形燃料電池に伝達でき、しかも固体酸化物形燃料電池の性能及び耐久性を損なうことが分かっているスチームのような燃焼生成物を通過させることがない点である。
燃焼器はバーナーの点火を自動発火に依存している。このことは、バーナー外部温度が燃料混合物のための自動発火温度を超えることを必要とし、この自動発火温度は、約６００℃である。この要件は、起動システムの設計に制約をもたらす。さらに、バーナー点火に失敗する間に爆発性混合物が確実に溜まることがないようにするため、バーナーは、バーナーの点火検出を可能にする複雑で高額な安全システムを必要とする。安全システムは、一般的に安全性が厳密な極めて高額な変換器を備える。
本発明の第1態様によれば、高温燃料電池スタック、コンプレッサ及びタービンを備える高温燃料電池システムを提供し、前記高温燃料電池スタックは、少なくとも1個の高温燃料電池を有し、高温燃料電池それぞれは、電解質、アノード及びカソードを含み、前記コンプレッサは、酸化剤の少なくとも一部を前記少なくとも1個の高温燃料電池のカソードに供給するよう構成し、燃料源は、燃料を前記少なくとも1個の高温燃料電池のアノードに供給するよう構成し、前記高温燃料電池スタックは、前記少なくとも1個の高温燃料電池のカソードからの未使用酸化剤の第１部分をエジェクタに供給するよう構成し、前記高温燃料電池スタックは、前記少なくとも1個の高温燃料電池のアノードからの未使用燃料の一部を前記エジェクタに供給するよう構成し、前記コンプレッサは、酸化剤の一部を前記エジェクタに供給するよう構成し、前記エジェクタは、前記コンプレッサから供給される酸化剤の前記一部によって前記未使用酸化剤及び未使用燃料を取り込み、未使用燃料及び酸化剤混合物を形成するよう構成する。
有利には、前記未使用燃料及び酸化剤混合物は、前記エジェクタ外部の前記未使用燃料及び酸化剤混合物を燃焼するための燃焼ゾーンに運ばれるようにする。
前記燃焼ゾーンは、前記未使用燃料及び酸化剤混合物の燃焼からの排ガスを熱交換器の第１入口に供給するよう構成する。
前記熱交換器は、前記熱交換器の第１出口からの排ガスの少なくとも一部を前記タービンに供給するよう構成することができる。
前記コンプレッサからの前記酸化剤の少なくとも一部及び前記少なくとも1個の高温燃料電池の前記カソードからの未使用酸化剤の第２部分を、前記熱交換器の第２入口に供給して、前記少なくとも1個の高温燃料電池のカソードに供給される前記酸化剤を予加熱することができる。
前記熱交換器は、前記コンプレッサからの前記酸化剤の少なくとも一部及び前記少なくとも1個の高温燃料電池のカソードからの未使用酸化剤の第２部分を、前記熱交換器の第２出口から前記少なくとも1個の高温燃料電池のカソードに供給するよう構成する。
３個の入口（すなわち、コンプレッサからの酸化剤、カソードからの未使用酸化剤、及びアノードからの未使用燃料のための）を有するエジェクタ構成によれば、未使用酸化剤及び未使用燃料の極めて高度のせん断混合を生ずる。エジェクタは、コンプレッサからの酸化剤によって駆動され、また入口ノズルのジオメトリは、エジェクタ全体にわたる極めて高速のガス速度を促進するよう構成することができる。エジェクタにわたる混合プロセスは極めて急速であり、混合物内のエネルギー伝達がエジェクタ自体内で生ずるのに十分な時間をとれず、燃料と酸化剤との間のエネルギー伝達におけるミリ秒の遅延は、未使用燃料及び酸化剤混合物がエジェクタから下流の燃焼ゾーンに退出するのに十分な時間であり、その後この燃焼ゾーンにおいて未使用燃料及び酸化剤混合物が燃焼する。
重要なことはエジェクタが高度なせん断混合を行うことができる点であり、これはすなわち、混合プロセスが十分急速でない場合には混合物がエジェクタ内で発火する危険があるからである。
３個の入口付きエジェクタ及び別個の燃焼ゾーンの利点は、自動発火が可能となる前に未使用燃料及び酸化剤の流れを完全に予混合する点である。未使用燃料及び酸化剤の混合物は、この予混合状態でより効率的に燃焼し、また有害な窒素酸化物（ＮＯｘ）ガスの放出を減少する。
さらに、エジェクタ内で未使用燃料及び酸化剤を混合することにより、燃焼器を高温燃料電池システムから省くことができ、これはすなわち、未使用燃料及び酸化剤を混合し、またこの混合物を燃焼ゾーンに送るプロセスをエジェクタが実施するからである。
燃焼ゾーンは、予混合された未使用燃料及び未使用酸化剤を燃焼するための容積部又は専用空間とすることができる。エジェクタ内で形成される混合物は、燃焼ゾーン内で自動発火することができる。
空気力学的再循環ゾーンを燃焼ゾーン内に設けて、均一な非触媒燃焼を安定化することができる。
触媒酸化リアクタをエジェクタ及び燃焼ゾーンの下流に配置することができる。触媒酸化リアクタは、高温燃料電池システムの冷温起動、主に暖機フェーズ中の低温発火の支援を行うことができる。代案として、点火器又はグロープラグを触媒酸化リアクタの代わりに使用して、自動発火温度よりも低い温度での燃焼を達成できるようにする。
単式又は２重式の触媒床リアクタを、触媒酸化リアクタの下流に配置して、一酸化炭素ガス（ＣＯ）の酸化を完遂することができる。
触媒酸化リアクタ及び／又は単式若しくは２重式の触媒床リアクタは熱交換器と組み合わせることができる。代案として、熱交換器はＣＯ変換のための第２触媒床リアクタとして使用することができる。
エジェクタには、一次取込容積部、二次取込容積部、混合容積部及び排出容積部を設けることができる。
一次取込容積部には、一次酸化剤供給源のための第１入口を設けることができる。一次酸化剤供給源は、カソードからの未使用酸化剤及びアノードからの未使用燃料の高度なせん断混合を駆動することができる。
二次取込容積部には、カソードからの未使用酸化剤のための第２入口、及びアノードからの未使用燃料のための第２入口を設けることができる。
混合容積部及び排出容積部は、未使用燃料及び酸化剤の混合物を燃焼ゾーンに向けて運ぶ。燃焼可能な混合物は変換されずにエジェクタを退出でき、これはすなわち、燃焼可能な混合物の発火遅延がエジェクタ内の滞在時間よりも長いからである。
完全な予混合燃焼を達成することができ、このことは、燃焼温度が低下し、またＮＯｘ生成を減らすことができる。燃焼温度が低下することによって、一般的にコンポーネントの耐用時間を最大化することができ、これはすなわち、コンポーネントが少ない熱応力を受けるからである。
さらに、エジェクタ再循環性能は、一次酸化剤源からのより冷たい取込流によって恩恵を受ける。
燃焼ゾーンは、第３取込容積部による急激な拡開を使用してエジェクタからの出口に一体化することができる。エジェクタ出口から燃焼ゾーンへの急激な拡開において、燃焼ゾーンの上流側端部の断面積は、エジェクタ出口断面積の少なくとも２倍とする。一体化燃焼ゾーンを生ずる急激拡開は、ダンプ拡散器に類似の局所流循環を生ずることができる。燃焼可能混合物の流路は、流域における渦流を生じ、このことは燃焼可能混合物の燃焼ゾーンにおける滞留時間を増加することができる。燃焼可能混合物の燃焼ゾーンでの滞留時間が増加する利点は、増加した滞留時間が燃焼反応を規制ゾーン内、例えば、燃焼ゾーン内で維持することができ、また燃焼が燃焼ゾーンの下流域に伝播する可能性を回避する。燃焼が燃焼ゾーンの下流域に伝播する可能性が減少することは、より安全な燃料電池システムを提供する。
燃料をエジェクタに供給する追加の燃料源を配置することができる。この追加燃料源は、高温燃料電池システムの起動に使用する。
高温燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池スタック又は溶融炭酸塩型燃料電池スタックとすることができる。
本発明の第２態様によれば、高温燃料電池システムに使用するための燃料再循環装置を提供し、この燃料再循環装置は、エジェクタ及び燃焼ゾーンを備え、前記エジェクタは、一次酸化剤用の第１入口と、未使用酸化剤用の第２入口と、及び未使用燃料のための第３入口をと有する。
本発明の実施形態を以下に添付図面につきさらに説明する。
記載される実施形態において、同様の特徴には同様の参照符号を付して示すが、幾つかの場合において１００の整数倍の増分で示す。例えば、異なる図面で３０及び２３０を使用してエジェクタを示す。
図１は、固体酸化物形燃料電池スタック２、コンプレッサ１４及びタービン１２を備える固体酸化物形燃料電池システム１を示す。固体酸化物形燃料電池スタック２は、電解質、アノード及びカソードを有する少なくとも１個の固体酸化物形燃料電池を含む。コンプレッサ１４は、酸化剤の少なくとも一部５２を酸化剤源６から少なくとも１個の固体酸化物形燃料電池のカソードに供給するよう構成し、また燃料源４は、燃料を少なくとも１個の固体酸化物形燃料電池のアノードに供給するよう構成する。固体酸化物形燃料電池スタック２は、少なくとも１個の固体酸化物形燃料電池におけるカソードからの未使用酸化剤の第１部分５４をエジェクタ３０に供給するよう構成し、固体酸化物形燃料電池スタック２は、少なくとも１個の固体酸化物形燃料電池におけるアノードからの未使用燃料の第１部分５６をエジェクタ３０に供給するよう構成する。コンプレッサ１４は、酸化剤の一部３６を酸化剤源６からエジェクタ３０に供給するよう構成する。タービン１２は、シャフト１３によりコンプレッサ１４を駆動するよう構成し、またタービン１２は、さらに、発電機１１を駆動するよう構成する。
燃料源４は、エジェクタ５により固体酸化物形燃料電池スタック２における少なくとも１個の固体酸化物形燃料電池のアノードに燃料を供給し、少なくとも１個の固体酸化物形燃料電池のアノードからの未使用燃料の第２部分５８をエジェクタ５に供給して、少なくとも１個の固体酸化物形燃料電池のアノードに再循環させるよう構成する。
エジェクタ３０は、固体酸化物形燃料電池スタック２における固体酸化物形燃料電池のカソードからの未使用酸化剤、固体酸化物形燃料電池のアノードからの未使用燃料、及びコンプレッサ１４から供給される酸化剤を取り込んで混合し、またこの混合物を燃焼のための燃焼ゾーン４４に供給する。燃焼ゾーン４４は、予混合した未使用燃料及び未使用酸化剤を燃焼させるための容積部とする。エジェクタ３０内で形成される混合物は燃焼ゾーン４４内で自動発火する。
燃焼ゾーン４４は、燃焼生成物を熱交換器１６の第１入口１７に供給するよう構成する。しかし、中間コンポーネント、例えば、他の空気力学的再循環ゾーン５０を設けて均一な非触媒燃焼を安定化させることができる。
触媒酸化リアクタ４６をエジェクタ３０及び燃焼ゾーン４４の下流に配置する。この触媒酸化リアクタ４６は固体酸化物形燃料電池システム１の冷間起動を支援する。このことは、固体酸化物形燃料電池システム１の暖機フェーズ又は起動中における低温での点火に有益である。代案として、点火器又はグロープラグを触媒酸化リアクタの代わりに使用して、自動発火温度よりも低い温度での燃焼を達成できるようにする。
単式又は２重式の触媒床リアクタ４８を、触媒酸化リアクタ４６の下流に配置して、一酸化炭素ガス（ＣＯ）の酸化を完遂して二酸化炭素ガス（ＣＯ２）にすることができる。
触媒酸化リアクタ４６及び／又は単式若しくは２重式の触媒床リアクタは熱交換器１６と組み合わせることができる。代案として、触媒酸化リアクタ４６内での燃焼が不完全である場合、熱交換器１６は、ＣＯからＣＯ２に変換するための第２触媒床リアクタとして使用することができる。触媒酸化リアクタ、単式若しくは２重式の触媒床リアクタ又は第２触媒床リアクタとして使用される熱交換器は、熱交換器内のそれぞれ対応する流路の表面に塗布した触媒を有する。ＣＯからＣＯ２への変換を完遂するため、触媒をコーティングした表面上での長い滞留時間を必要とする。熱交換器を触媒酸化リアクタ、単式若しくは２重式の触媒床リアクタ又は第２触媒床リアクタとして使用することの利点は、熱交換器が熱交換器内の流路に起因する極めて大きな表面積を与える、及びひいては変換反応を生ずるための流路における触媒コーティング表面の大きな表面積を与える点である。さらに、熱交換器と、触媒酸化リアクタ、単式若しくは２重式の触媒床リアクタ又は第２触媒床リアクタとの組合せは、コスト節約になる。
熱交換器１６は、熱交換器１６の第１出口１８からの排ガスの少なくとも一部６０をタービン１２に供給するよう構成する。熱交換器１６は、熱交換器１６の第１出口１８からの排ガスの少なくとも一部６２をエジェクタ３０に供給するよう構成し、これら排ガスの一部は、固体酸化物形燃料電池スタック２の少なくとも１個の固体酸化物形燃料電池におけるカソードからの未使用酸化剤５４とともにエジェクタ３０に供給される。熱交換器１６は、熱を酸化剤に伝達し（酸化剤が固体酸化物形燃料電池スタック２に到達する前に酸化剤を予加熱する）、スチームのような有害燃焼生成物が酸化剤流２２及び固体酸化物形燃料電池スタック２に流入することがないようにすることができる。
コンプレッサ１４からの酸化剤の一部分５２、及び固体酸化物形燃料電池スタック２の少なくとも１個の固体酸化物形燃料電池におけるカソードからの未使用酸化剤の第２部分６４をエジェクタ１５経由で熱交換器１６の第２入口１９に供給し、固体酸化物形燃料電池スタック２の少なくとも１個の固体酸化物形燃料電池におけるカソードに供給される酸化剤流２２を予加熱する。コンプレッサ１４からの酸化剤の一部分５２、及び固体酸化物形燃料電池スタック２の少なくとも１個の固体酸化物形燃料電池におけるカソードからの未使用酸化剤の第２部分６４は、エジェクタ１５内で互いに混ざり合う。
熱交換器１６は、コンプレッサ１４からの酸化剤の少なくとも一部、及び固体酸化物形燃料電池スタック２の少なくとも１個の固体酸化物形燃料電池におけるカソードからの未使用酸化剤の第２部分６４を、熱交換器１６の第２出口２０から固体酸化物形燃料電池スタック２の少なくとも１個の固体酸化物形燃料電池におけるカソードに供給するよう構成する。この構成において、酸化剤流２２は、熱交換器１６を流れる再循環燃料及び再循環酸化剤によって予加熱される。
エジェクタ３０を図２に示す。エジェクタ３０は、一次取込容積部３８、二次取込容積部４０、混合容積部４１及び排出容積部４２を備える。エジェクタ３０は、一次酸化剤の一部３６を一次取込容積部３８に取り込む。この一次取込容積部３８には、一次取込容積部３８に進入する一次酸化剤の一部のための第１入口３７を設ける。一次酸化剤の一部３６は、未使用酸化剤５４及び熱交換器１６からの排ガス６２の組合せ３２と、未使用燃料５６との混合プロセスを駆動し、混合容積部４１及び排出容積部４２内で予混合した混合物を形成する。二次取込容積部４０には、二次取込容積部４０に進入する、未使用燃料供給のための第２入口３５、及び未使用酸化剤供給のための第３入口３３を設ける。第３入口３３は、さらに、熱交換器１６の第１出口１８からの排ガスの一部６２が二次取込容積部４０に進入するための入口でもある。これら第２入口３５及び第３入口３３は、二次取込容積部４０内にできるだけ混合容積部４１に近接させて設ける。一次取込容積部３８は、二次取込容積部４０に向かう方向に収束するダクトを有する、例えば、ダクトの断面積が入口３７から二次取込容積部４０まで減少する。二次取込容積部４０は、混合容積部４１に向かう方向に収束するダクトを有する、例えば、ダクトの断面積が一次取込容積部３８から混合容積部４１まで減少する。一次取込容積部３８及び二次取込容積部４０は、好適には、単一収束ダクトの一部とする。混合容積部４１は、長さに沿って均一断面を有する円筒形ダクトから構成する。しかし、混合容積部４１は、排出容積部４２に向かう方向に拡開するダクトから構成する、例えば、断面積が二次取込容積部４０から排出容積部４２まで増大する。排出容積部４２は、混合容積部４１から離れる方向に拡開するダクトから構成する、例えば、ダクトの断面積が混合容積部４１から排出容積部４２の出口４３まで増大する。排出容積部４２は、未使用燃料及び未使用酸化剤の混合物用のディフューザ（拡散器）を画定する。第２入口３５及び第３入口３３は入口ノズルとすることができる。
３個の入口（すなわち、一次酸化剤、カソードからの未使用酸化剤、アノードからの未使用燃料及び熱交換器からの排ガスの一部用の入口）を有するエジェクタ３０の構成によれば、未使用酸化剤及び未使用燃料の極めて高度のせん断混合を生ずる。入口ノズルのジオメトリは、エジェクタ全体にわたる極めて高速のガス速度を促進する。
一次空気、未使用酸化剤及び未使用燃料のエジェクタ３０内の滞留時間は、燃料及び酸化剤混合物のエネルギー伝達に要する時間よりも短く、したがって、燃焼可能な物質がエジェクタ３０内で燃焼しない。燃料と酸化剤との間のエネルギー伝達におけるミリ秒の遅延は、予混合された燃料及び酸化剤混合物がエジェクタ３０から下流の燃焼ゾーン４４に退出するのに十分な時間であり、その後この燃焼ゾーンにおいて予混合した燃料及び酸化剤混合物が燃焼する。
エジェクタ３０は、一次酸化剤流３６、未使用酸化剤流５４、未使用燃料流５６及び熱交換器からの排ガスの一部のための入口ノズルのジオメトリに起因して高度なせん断混合が可能である。ノズルが高速流を送給しない場合、混合プロセスが十分急速でなく、混合物がエジェクタ３０内で発火する（すなわち、エジェクタ内でフラッシュバックを生ずる）危険がある
３個の入口付きエジェクタ構成及び別個の燃焼ゾーンの利点は、自動発火が可能となる前に未使用燃料並びに一次及び未使用の酸化剤の流れを完全に予混合する点である。予混合した燃料及び酸化剤は、この予混合状態でより効率的に燃焼し、また有害なモノ窒素酸化物（ＮＯｘ）ガスの放出を減少する。
さらに、エジェクタ内で未使用燃料並びに一次及び未使用の酸化剤を混合することにより、燃焼器を固体酸化物形燃料電池システムから省くことができ、これはすなわち、燃料及び酸化剤を混合して燃焼ゾーンに送るプロセスをエジェクタが実施するからである。
図３は、燃焼ゾーン２４５に結合したエジェクタ２３０を示す。この燃焼ゾーン２４５はエジェクタ２３０の出口２４３に一体化する。エジェクタ２３０の出口２４３から燃焼ゾーン２４５への急激な拡開が存在し、燃焼ゾーンの上流側端部の断面積はエジェクタ２３０の出口２４３の断面積の少なくとも２倍である。エジェクタ２３０の出口２４３から燃焼ゾーン２４５への急激な拡開は、予混合した燃料及び酸化剤混合物が利用できる容積の増加をもたらし、局所流循環を生ずる。燃焼ゾーン２４５内における流れの輪郭（プロファイル）は渦流タイプの流れを形成し、この結果、燃焼ゾーン２４５内での滞留時間が延びる。燃焼ゾーン２４５内での滞留時間が延びることは、予混合した燃料及び酸化剤混合物の燃焼が改善されることに寄与する。
固体酸化物形燃料電池システム１の起動中、追加燃料７をエジェクタ３０に噴射することができ、とくに、二次取込容積部４０内に噴射することができる。燃料７は第２入口３５又は付加的入口（図示せず）を使用してエジェクタ３０内に噴射することができる。固体酸化物形燃料電池システム１の起動中にエジェクタ３０内に噴射される燃料７は、天然ガス、水素、水素及び一酸化炭素混合物、他の適当な炭化水素、又は他の適当な燃料とすることができる。起動中に燃料７を供給でき、また固体酸化物形燃料電池システムの通常動作中には燃料７の供給を阻止できるバルブ９を設ける。燃料７は固体酸化物形燃料電池システム１の起動中に供給し、固体酸化物形燃料電池スタック２を動作温度まで加熱し、この加熱は、熱交換器１６経由で固体酸化物形燃料電池スタック２に供給される酸化剤を加熱することによって行う。
エジェクタ３０は、自動発火条件の温度以上では燃料及び酸化剤ミキサとして作用する。エジェクタ３０は、さらに、自動発火条件未満でも燃料及び酸化剤ミキサとして作用し、また固体酸化物形燃料電池システムの暖機又は起動中に燃料及び酸化剤ミキサとして作用する。
固体酸化物形燃料電池システムの特定実施例において、酸化剤供給源は酸素供給源又は空気供給源とすることができ、また燃料供給源は水素供給源とすることができ、この燃料供給源は、水素を生成する改質装置又は処理装置を有することができる。
固体酸化物形燃料電池から構成する固体酸化物形燃料電池スタックを備える固体酸化物形燃料電池システムにつき本発明を説明したが、本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池から構成される溶融炭酸塩型燃料電池スタックを備える溶融炭酸塩型燃料電池システム、又は高温燃料電池から構成される高温燃料電池スタックを備える他の高温燃料電池システムにも等しく適用することができる。高温燃料電池は、５００℃〜１１００℃の領域の温度で動作し、例えば、固体酸化物形燃料電池は５００℃〜１１００℃、例えば８００℃〜１１００℃の領域における温度で動作し、また溶融炭酸塩型燃料電池は６００℃〜７００℃の領域における温度で動作する。
当業者には、上述のいかなる実施形態につき説明した特徴は異なる実施形態間で互換的に適用可能である。上述の実施形態は、本発明の種々の特徴を説明するための例である。
本明細書の記載及び特許請求の範囲にわたり、用語「備える（comprise）」及び「含む（contain）」並びにそれらの活用形は「限定することなく包含する」を意味し、他の部分、添加物、コンポーネント、整数又はステップを排除することを意図しない（及び排除しない）。
本明細書の記載及び特許請求の範囲にわたり、単数形は、文脈がそれ以外を必要としない限り、複数形を包含する。とくに、限定されていない物品を使用する場合、文脈がそれ以外を必要としない限り、複数性並びに単一性を想定するものと理解すべきである。
本発明の特定の態様、実施形態又は実施例につき説明した特徴、整数、特性、コンポーネント、化学的成分、グループは、非互換的でない限り、いかなる他の態様、実施形態又は実施例にも適用可能と理解すべきである。本明細書（添付の特許請求の範囲、要約書及び図面を含む）に開示したすべての特徴、及び／又は開示したいかなる方法若しくはプロセスにおけるすべてのステップも、このような特徴及び／又はステップの少なくとも幾つかが相互に排他的な組合せを除いて、任意な組合せとして組み合わせることができる。本発明は、本明細書に開示した任意の新規な１つの特徴若しくは特徴の任意の新規な組合せ、又は開示したいかなる方法若しくはプロセスにおける任意の新規な１つの方法若しくはプロセス、あるいはその任意の新規な組合せに拡張されるものである。
読者は、本件出願に関連して本明細書と同時に又は先立って出願された、また明細書への閲覧が公開されたすべての文書及び文献に傾注すべきであり、またこのようなすべての文書及び文献の内容は、参照によって本明細書に組み入れられるものとする。
１ 固体酸化物形燃料電池システム
２ 固体酸化物形燃料電池スタック
４ 燃料源
５ エジェクタ
６ 酸化剤源
１１ 発電機
１２ タービン
１３ シャフト
１４ コンプレッサ
１５ エジェクタ
１６ 熱交換器
１７ 熱交換器１６の第１入口
１８ 熱交換器１６の第１出口
１９ 熱交換器１６の第２入口
２０ 熱交換器１６の第２出口
２２ 酸化剤流
３０ エジェクタ
３２ 未使用酸化剤５４及び熱交換器１６からの排ガス６２の組合せ
３３ 未使用酸化剤供給のための第３入口
３５ 未使用燃料供給のための第２入口
３６ 一次酸化剤の一部
３７ 一次酸化剤の一部のための第１入口
３８ 一次取込容積部
４０ 二次取込容積部
４１ 混合容積部
４２ 排出容積部
４４ 燃焼ゾーン
４６ 触媒酸化リアクタ
４８ 触媒床リアクタ
５０ 空気力学的再循環ゾーン
５２ コンプレッサ１４からの酸化剤の一部分
５４ 第１部分（未使用酸化剤）
５６ 第１部分（未使用燃料）
５８ 第２部分（未使用燃料）
６０ 熱交換器１６の第１出口１８からの排ガスの少なくとも一部
６２ 第１出口１８からの排ガスの少なくとも一部
６４ 第２部分（未使用酸化剤）
２３０ エジェクタ
２４３ エジェクタ２３０の出口
２４５ 燃焼ゾーン
２ 固体酸化物形燃料電池スタック
４ 燃料源
５ エジェクタ
６ 酸化剤源
１１ 発電機
１２ タービン
１３ シャフト
１４ コンプレッサ
１５ エジェクタ
１６ 熱交換器
１７ 熱交換器１６の第１入口
１８ 熱交換器１６の第１出口
１９ 熱交換器１６の第２入口
２０ 熱交換器１６の第２出口
２２ 酸化剤流
３０ エジェクタ
３２ 未使用酸化剤５４及び熱交換器１６からの排ガス６２の組合せ
３３ 未使用酸化剤供給のための第３入口
３５ 未使用燃料供給のための第２入口
３６ 一次酸化剤の一部
３７ 一次酸化剤の一部のための第１入口
３８ 一次取込容積部
４０ 二次取込容積部
４１ 混合容積部
４２ 排出容積部
４４ 燃焼ゾーン
４６ 触媒酸化リアクタ
４８ 触媒床リアクタ
５０ 空気力学的再循環ゾーン
５２ コンプレッサ１４からの酸化剤の一部分
５４ 第１部分（未使用酸化剤）
５６ 第１部分（未使用燃料）
５８ 第２部分（未使用燃料）
６０ 熱交換器１６の第１出口１８からの排ガスの少なくとも一部
６２ 第１出口１８からの排ガスの少なくとも一部
６４ 第２部分（未使用酸化剤）
２３０ エジェクタ
２４３ エジェクタ２３０の出口
２４５ 燃焼ゾーン
Claims (21)
- 高温燃料電池スタック、コンプレッサ及びタービンを備える高温燃料電池システムであって、前記高温燃料電池スタックは、少なくとも1個の高温燃料電池を有し、高温燃料電池それぞれは、電解質、アノード及びカソードを含み、前記コンプレッサは、酸化剤の少なくとも一部を前記少なくとも1個の高温燃料電池のカソードに供給するよう構成し、燃料源は、燃料を前記少なくとも1個の高温燃料電池のアノードに供給するよう構成し、前記高温燃料電池スタックは、前記少なくとも1個の高温燃料電池のカソードからの未使用酸化剤の第１部分をエジェクタに供給するよう構成し、前記高温燃料電池スタックは、前記少なくとも1個の高温燃料電池のアノードからの未使用燃料の一部を前記エジェクタに供給するよう構成し、前記コンプレッサは、酸化剤の一部を前記エジェクタに供給するよう構成し、前記エジェクタは、前記コンプレッサから供給される酸化剤の前記一部によって前記未使用酸化剤及び未使用燃料を取り込み、未使用燃料及び酸化剤混合物を形成するよう構成する、高温燃料電池システム。
- 請求項１記載の高温燃料電池システムにおいて、前記エジェクタには、一次取込容積部、二次取込容積部、混合容積部及び排出容積部を設ける、高温燃料電池システム。
- 請求項２記載の高温燃料電池システムにおいて、前記一次取込容積部には、前記コンプレッサからの前記酸化剤用の第１入口を設ける、高温燃料電池システム。
- 請求項２又は３記載の高温燃料電池システムにおいて、前記二次取込容積部には、前記カソードからの未使用酸化剤用の第２入口を設け、さらに、前記アノードからの未使用燃料用の第３入口を設ける、高温燃料電池システム。
- 請求項３又は４記載の高温燃料電池システムにおいて、前記第１入口、前記第２入口及び前記第３入口のそれぞれには、入口ノズルを設ける、高温燃料電池システム。
- 請求項１〜５のうちいずれか一項記載の高温燃料電池システムにおいて、前記混合物は、前記混合物を燃焼させるため前記エジェクタの外部における燃焼ゾーンまで運ばれる、高温燃料電池システム。
- 請求項６記載の高温燃料電池システムにおいて、前記燃焼ゾーンは、前記エジェクタの出口に一体化する、高温燃料電池システム。
- 請求項６又は７記載の高温燃料電池システムにおいて、前記燃焼ゾーンは、前記混合物の燃焼からの燃焼生成物を熱交換器の第１入口に供給するよう構成する、高温燃料電池システム。
- 請求項８記載の高温燃料電池システムにおいて、前記熱交換器は、前記熱交換器の第１出口からの排ガスの少なくとも一部をタービンに供給するよう構成する、高温燃料電池システム。
- 請求項８又は９記載の高温燃料電池システムにおいて、前記コンプレッサからの前記酸化剤の少なくとも一部、及び前記少なくとも１個の高温燃料電池における前記カソードからの未使用酸化剤の少なくとも一部を、前記熱交換器の第２入口に供給する、高温燃料電池システム。
- 請求項８〜１０のうちいずれか一項記載の高温燃料電池システムにおいて、前記熱交換器は、前記コンプレッサからの前記酸化剤の少なくとも一部及び前記少なくとも１個の高温燃料電池における前記カソードからの未使用酸化剤の第２部分を、前記熱交換器の第２出口から前記少なくとも１個の高温燃料電池における前記カソードに供給するよう構成する、高温燃料電池システム。
- 請求項６〜１１のうちいずれか一項記載の高温燃料電池システムにおいて、前記燃焼ゾーンは、容積部又は専用空間とする、高温燃料電池システム。
- 請求項６〜１２のうちいずれか一項記載の高温燃料電池システムにおいて、空気力学的再循環ゾーンを前記燃焼ゾーンに設ける、高温燃料電池システム。
- 請求項６〜１３のうちいずれか一項記載の高温燃料電池システムにおいて、触媒酸化リアクタを前記エジェクタ及び前記燃焼ゾーンの下流に配置する、高温燃料電池システム。
- 請求項６〜１４のうちいずれか一項記載の高温燃料電池システムにおいて、点火器又はグロープラグを前記エジェクタ及び前記燃焼ゾーンの下流に配置する、高温燃料電池システム。
- 請求項１４記載の高温燃料電池システムにおいて、単式又は２重式の触媒床リアクタを前記触媒酸化リアクタの下流に配置する、高温燃料電池システム。
- 請求項１６記載の高温燃料電池システムにおいて、前記触媒酸化リアクタ及び／又は前記単式又は２重式の触媒床リアクタを前記熱交換器に組み合わせる、高温燃料電池システム。
- 請求項１〜１７のうちいずれか一項記載の高温燃料電池システムにおいて、追加の燃料源により燃料を前記エジェクタに供給するよう構成する、高温燃料電池システム。
- 請求項１〜１８のうちいずれか一項記載の高温燃料電池システムにおいて、前記高温燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池スタックとする、高温燃料電池システム。
- 高温燃料電池システムに使用するのに適し、エジェクタ及び燃焼ゾーンを備える燃料再循環装置であって、前記エジェクタは、一次酸化剤用の第１入口と、未使用酸化剤用の第２入口と、及び未使用燃料用の第３入口とを有する、燃料再循環装置。
- 図１〜３につき説明したシステム及び装置。
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