JP2019160783A - 発電システムおよびその作動方法 - Google Patents
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Abstract
Description
QNG=mNG*Cpng*(Tout−NG−Tin−NG) (式1)
QW=mW*CpW*(Tout−W−Tin−W) (式2)
102 燃料電池サブシステム
104 パワーエレクトロニクスサブシステム
106 第1の配管
108 第2の配管
110 燃料電池
112 電気的リンク
114 出力電力ポート
116 一端
118 他端
120 一部分
122 予熱された燃料流
200 発電システム
202 燃料電池サブシステム
204 パワーエレクトロニクスシステム
206 第1の配管
208 第2の配管
210 第3の配管
212 第4の配管
214 燃料源
216 水源
218 第1の熱交換器
220 第2の熱交換器
222 第3の熱交換器
224 SOFC
226 入口
228 電力処理ユニット
230 パワーモジュール
232 熱的伝導媒体
234 第1の冷却チャンネル
236 第2の冷却チャンネル
238 水流
240 予熱された水流
242 熱伝導流体
244 熱せられた熱伝導流体
246 熱せられた燃料流
248 水蒸気
302 冷却チャンネル
304 フィン
306 空洞
400 インバータ
402 電力処理ユニット
404 熱伝導媒体
406 第1の冷却チャンネル
408 第2の冷却チャンネル
410 DC−AC電力変換器
502 スイッチングユニット
504 ゲート駆動ユニット
506 入力ポート
508 出力ポート
510、512、514、516、518、520 半導体スイッチ
522、524 DC導体
526、528、530 出力相線
532、534、536、538、540、542 出力端子
600 発電システム
602 燃料電池サブシステム
604 パワーエレクトロニクスサブシステム
606 制御サブシステム
608 第1の配管
610 第2の配管
612 第3の配管
614 第4の配管
616 バイパス配管
618 電力処理ユニット
620a、620b パワーモジュール
622a、622b 熱伝導媒体
624 出力電力ポート
626、628 FCV
630、632 WCV
634 コントローラ
636 予熱された燃料流
638 予熱された水流
640 SOFC
642 第1の熱交換器
644 第2の熱交換器
646 第3の熱交換器
648 熱伝導流体
650 入口
652 熱せられた熱伝導流体
654 熱せられた燃料流
656 水蒸気
658 電気的リンク
660 バイパス弁
Claims (21)
- 電力を発生させるように構成された燃料電池を含む燃料電池サブシステムと、
前記燃料電池サブシステムに電気的に結合されかつ前記燃料電池サブシステムによって発生させられる電力の少なくとも一部分を処理するように構成されたパワーエレクトロニクスサブシステムと、
前記パワーエレクトロニクスサブシステムに流体的に結合されかつ燃料流の少なくとも一部分を前記パワーエレクトロニクスサブシステムに供給するように構成された第1の配管であって、前記パワーエレクトロニクスサブシステムは、前記燃料流の前記一部分を熱して予熱された燃料流を形成するように構成されている、第1の配管と、
前記パワーエレクトロニクスサブシステムと前記燃料電池サブシステムに流体的に結合されかつ前記予熱された燃料流を前記燃料電池サブシステムに供給するように構成された第2の配管を含み、
前記燃料電池は、前記予熱された燃料流を用いて電力を発生させるように構成されている発電システム。 - 前記燃料電池は固体酸化物燃料電池である請求項1記載の発電システム。
- 前記燃料流は炭化水素ガスを含む請求項1記載の発電システム。
- 前記燃料電池サブシステムは、
第1の熱交換器であって、
熱伝導流体を受け、
前記受けられた熱伝導流体を熱して熱せられた熱伝導流体を発生させ、
前記熱せられた熱伝導流体を前記燃料電池に供給するように構成された第1の熱交換器をさらに含む請求項1記載の発電システム。 - 前記燃料電池サブシステムは、
第2の熱交換器であって、
前記予熱された燃料流を受け、
前記受けられた予熱された燃料流を熱して熱せられた燃料流を発生させ、
前記熱せられた燃料流を前記燃料電池に供給するように構成された第2の熱交換器をさらに含む請求項1記載の発電システム。 - 前記パワーエレクトロニクスサブシステムは、
電力処理ユニットであって、
パワーモジュールと、
前記パワーモジュールに熱的に接して設けられた熱伝導媒体と、
前記熱伝導媒体に熱的に接して設けられた第1の冷却チャンネルであって、
前記燃料流の前記一部分を受ける前記第1の配管と、
前記予熱された燃料流を前記第2の熱交換器に供給する第2の配管であって、前記予熱された燃料流は、前記第1の冷却チャンネルを介した前記熱伝導媒体から前記燃料流の前記一部分への熱伝導によって形成される、第2の配管に流体的に結合されている第1の冷却チャンネルを含む電力処理ユニットをさらに含む請求項5記載の発電システム。 - 前記電力処理ユニットは少なくとも1つのDC−AC電力変換器と外部パワーエレクトロニクス回路を含む請求項6記載の発電システム。
- 前記電力処理ユニットは、前記熱伝導媒体に熱的に接して設けられた第2の冷却チャンネルをさらに含み、前記第2の冷却チャンネルは、前記燃料電池サブシステムに流体的に結合されおり、かつ、水を受け、予熱された水流を前記燃料電池サブシステムに供給するように構成されており、前記予熱された水流は、前記第2の冷却チャンネルを介した前記熱伝導媒体から水への熱伝導によって形成される請求項6記載の発電システム。
- 前記燃料電池サブシステムは、
第3の熱交換器であって、
前記予熱された水流を受けおよび前記受けられた予熱された水流を熱して、水蒸気を発生させ、
前記水蒸気を前記燃料電池に供給するように構成された第3の熱交換器をさらに含む請求項8記載の発電システム。 - 前記パワーエレクトロニクスサブシステムと前記燃料電池サブシステムに流体的に結合された制御サブシステムであって、
前記第1の冷却チャンネルに流体的に結合された燃料制御弁と、
前記第2の冷却チャンネルに流体的に結合された水制御弁と、
前記燃料制御弁と前記水制御弁に作動可能に結合されて前記予熱された水流と前記予熱された燃料流の前記燃料電池サブシステムへの供給を選択的に制御するコントローラを含む制御サブシステムをさらに含む請求項8記載の発電システム。 - 前記コントローラは、前記燃料電池サブシステムの作動状態、前記発電システムの負荷、前記熱伝導媒体の温度、前記第1の冷却チャンネルを通した前記燃料流の前記一部分の流量、前記第1の冷却チャンネル内の燃料流の圧力、またはそれらの組合せに基づいて、前記燃料制御弁と前記水制御弁のうちの1つ以上を選択的に制御するように構成されている請求項10記載の発電システム。
- 直流(DC)電力を発生させるように構成された固体酸化物燃料電池(SOFC)を含む燃料電池サブシステムと、
前記燃料電池サブシステムに電気的に結合されかつ前記SOFCによって発生させられた前記DC電力を交流(AC)電力に変換するように構成されたインバータと、
前記インバータに流体的に結合されかつ燃料流の少なくとも一部分を前記インバータに供給するように構成された第1の配管であって、前記インバータは、前記燃料流の前記一部分を熱して予熱された燃料流を形成するように構成されている、第1の配管と、
前記インバータと前記燃料電池サブシステムに流体的に結合されかつ前記予熱された燃料流を前記燃料電池サブシステムに供給するように構成された第2の配管を含み、
前記SOFCは、前記予熱された燃料流を用いて前記DC電力を発生させるように構成されている発電システム。 - 前記燃料電池サブシステムは、
第1の熱交換器であって、
熱伝導流体を受け、
前記受けられた熱伝導流体を熱して熱せられた熱伝導流体を発生させ、
前記熱せられた熱伝導流体を前記SOFCに供給するように構成された第1の熱交換器をさらに含む請求項12記載の発電システム。 - 前記燃料電池サブシステムは、
第2の熱交換器であって、
前記予熱された燃料流を受け、
前記受けられた予熱された燃料流を熱して熱せられた燃料流を発生させ、
前記熱せられた燃料流を前記SOFCに供給するように構成された第2の熱交換器をさらに含む請求項12記載の発電システム。 - 前記インバータは、
電力処理ユニットであって、
1つ以上のパワーモジュールに対応する1つ以上の半導体スイッチの配列を含むDC−AC電力変換器と、
前記1つ以上のパワーモジュールに熱的に接して設けられた熱伝導媒体と、
前記熱伝導媒体に熱的に接して設けられた第1の冷却チャンネルであって、
前記燃料流の前記一部分を受ける前記第1の配管と、
前記予熱された燃料流を前記第2の熱交換器に供給する前記第2の配管であって、前記予熱された燃料流は、前記第1の冷却チャンネルを介した前記熱伝導媒体から前記燃料流の前記一部分への熱伝導によって形成される、前記第2の配管に流体的に結合されている第1の冷却チャンネルを含む電力処理ユニットをさらに含む請求項14記載の発電システム。 - 前記電力処理ユニットは、前記熱伝導媒体に熱的に接して設けられた第2の冷却チャンネルをさらに含み、前記第2の冷却チャンネルは、前記燃料電池サブシステムに流体的に結合されており、かつ、水を受け、予熱された水流を前記燃料電池サブシステムに供給するように構成されており、前記予熱された水流は、前記第2の冷却チャンネルを介した前記熱伝導媒体から水への熱伝導によって形成される請求項15記載の発電システム。
- 前記インバータと前記燃料電池サブシステムに流体的に結合された制御サブシステムであって、
前記第1の冷却チャンネルに流体的に結合された燃料制御弁と、
前記第2の冷却チャンネルに流体的に結合された水制御弁と、
前記燃料制御弁と前記水制御弁に作動可能に結合されて、前記燃料電池サブシステムの作動状態、前記発電システムの負荷、前記熱伝導媒体の温度、前記第1の冷却チャンネルを通した前記燃料流の前記一部分の流量、前記第1の冷却チャンネル内の前記燃料流の圧力、またはそれらの組合せに基づいて、前記予熱された水流と前記予熱された燃料流の前記燃料電池サブシステムへの供給を選択的に制御するコントローラを含む制御サブシステムをさらに含む請求項16記載の発電システム。 - 発電システムを作動させる方法であって、
前記発電システムは、電力を発生させるように構成された燃料電池と前記燃料電池サブシステムに電気的に結合されたパワーエレクトロニクスサブシステムを含む燃料電池サブシステムを含み、
前記方法は、
前記パワーエレクトロニクスサブシステムによって、燃料流の少なくとも一部分を受けること、
前記パワーエレクトロニクスサブシステムによって、前記燃料流の少なくとも前記一部分を熱して予熱された燃料流を形成すること、
前記パワーエレクトロニクスサブシステムによって、前記予熱された燃料流を前記燃料電池サブシステムに供給すること、
前記燃料電池によって、前記予熱された燃料流を用いて前記電力を発生させること、
前記パワーエレクトロニクスサブシステムによって、前記燃料電池サブシステムによって発生させられた前記電力の少なくとも一部分を処理することを含む方法。 - 前記燃料電池サブシステムに設けられた第1の熱交換器によって、熱伝導流体を受けること、
前記第1の熱交換器によって、前記熱伝導流体を熱して熱せられた熱伝導流体を発生させること、
前記第1の熱交換器によって、前記熱せられた熱伝導流体を前記燃料電池に供給することをさらに含む請求項18記載の方法。 - 前記燃料電池サブシステムに設けられた第2の熱交換器によって、前記パワーエレクトロニクスサブシステムから前記予熱された燃料流を受けること、
前記第2の熱交換器によって、前記予熱された燃料流を熱して熱せられた燃料流を発生させること、
前記第2の熱交換器によって、前記熱せられた燃料流を前記燃料電池に供給することをさらに含む請求項18記載の方法。 - 前記燃料電池サブシステムに設けられた第3の熱交換器によって、前記パワーエレクトロニクスサブシステムから予熱された水流を受けること、
前記第3の熱交換器によって、前記予熱された水流を熱して水蒸気を発生させること、
前記第3の熱交換器によって、前記水蒸気を前記燃料電池に供給することをさらに含む請求項18記載の方法。
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