JP3245060B2 - ガスタービンと統合された固形電解質膜を用いて酸素を生成し、パワーを創生する方法 - Google Patents

ガスタービンと統合された固形電解質膜を用いて酸素を生成し、パワーを創生する方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンと統
合された（一体的に組合わされた）固形電解質膜（メン
ブレン）を用いて酸素を生成し、パワーを創生する方法
に関する。ここで、「パワー」とは、動力又は電力のこ
とをいう。固形電解質膜は、固形電解質イオン伝導体膜
（solid electrolyte ionic ）又は混合型伝導体膜（ m
ixed conductormembrane) を意味する「セリック」（Ｓ
ＥＬＩＣ）膜とも称される。
【０００２】
【従来の技術】パワーを創生するためのガスタービン系
統においては、供給空気（酸素含有ガス）を圧縮し、圧
縮された空気を加熱し、その加熱された圧縮ガスを燃料
とともに燃焼させてガスの温度を更に上昇させ、次い
で、そのガスをタービンに通して膨脹させパワーを創生
する。パワー創生コストに僅かなコストの増大を伴うだ
けで酸素をも生成するためにこのようなガスタービン系
統に酸素生成装置を組み合わせることは、既に知られて
いる。又、追加のパワーを創生するために蒸気パワー発
生系統にガスタービンパワー発生系統を組み合わせるこ
とも周知である。その場合、膨脹した加熱ガスを、蒸気
発生のためにも用いることができる。
【０００３】約５００〜１０００°Ｃの範囲の温度のガ
スから酸素を抽出するためにセリック膜（固形電解質イ
オン伝導体膜又は混合型伝導体膜) を用いることが知ら
れている。ガスから酸素を抽出することに関連していえ
ば、セリック膜（以下、単に「膜」とも称する）にとっ
ての最適作動温度は、セリック膜自体、特にそれが作ら
れている素材の関数である。そして、セリック膜のイオ
ン伝導性は、作動温度の関数であり、作動温度が高くな
るにつれて増大する。
【０００４】約５００〜６００°Ｃより低い作動温度で
は、セリック膜のイオン伝導性が低くなるばかりでな
く、セリック膜の表面の運動制限作用が、酸素フラック
ス（即ち、単位時間当り単位面積当りの酸素の透過量）
を制限する作用もする。このような運動制限は、セリッ
ク膜の供給物側即ち不透過ガス側（面）で気相酸素分子
が移動性酸素イオンに変換し、セリック膜の透過ガス側
（面）で酸素イオンが酸素分子に変換することによって
起る。
【０００５】セリック膜の作動温度を約８５０〜９００
°Ｃより高くすることも、膜の素材や構造上の制限（例
えば、密封、マニホールディング、熱応力等の問題）を
惹起することになるので望ましくない。従って、ガスタ
ービンにおいて通常用いられる作動温度（一般に、１０
００〜１２００°Ｃ）では、そのような制限が一層厳し
くなる。
【０００６】例えば米国特許第４，５４５，７８７号、
５，０３５，７２７号及び５，１７４，８６６号に記載
されているような、ガスタービンと統合されたセリック
膜（固形電解質膜）を用いて酸素を生成し、パワーを創
生する方法は、ガスタービンによるパワー発生段と、セ
リック膜による酸素生成段のその作動温度を最適化する
ことができないという欠点を有する。
【０００７】実際、単一のシステムにおいてセリック膜
とガスタービンを用いて酸素を生成し、パワーを創生す
る試みは、現在までのところ許容しうる最低限の成功を
収めているにすぎない。このような平凡な性能しか達成
し得ない理由の１つは、工程全体を通して用いられる作
動温度にある。例えば、圧縮機から吐出される酸素含有
流れの温度で、あるいは、タービンからの排ガスの温度
で膜を作動させた場合、前者の温度は、セリック膜から
最適の性能を引き出すのに望ましい温度より低く、反対
に、後者の温度は、セリック膜の最適の作動温度より高
い。
【０００８】米国特許第５，０３５，７２７号では、加
熱されから膜を通して酸素を分離する温度が、酸素を除
去された高温圧縮空気（非透過ガス）を膨脹させること
によりパワーを創生するガスタービンのそれと同じ温度
とされる。そのような構成では、（パワーの創生が望ま
しい温度より低い温度で行われるので）タービンの効率
が低下するか、あるいは、セリック膜の作動温度が、最
適の化学的及び機械的統合性を得るのに望ましい温度よ
り高い温度となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、パワー発生系統によって得られる高い燃焼器温度を
利用して酸素生成系統とパワー発生系統のいずれにとっ
ても許容し得る作動温度で酸素生成系統を駆動するよう
にした酸素生成及びパワー発生方法を提供することであ
る。本発明の他の目的は、生成物として酸素とパワーを
能率的に創生する酸素生成及びパワー発生方法を提供す
ることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、圧縮された酸素含有ガス流を燃焼器内で
燃焼させ、その燃焼された圧縮ガス流を固形電解質膜に
接触させて燃焼圧縮ガス流から膜透過生成物酸素流と圧
縮酸素減耗膜不透過ガス流とを生成し、固形電解質膜か
ら回収された前記圧縮酸素減耗ガス流をガスタービン内
で膨脹させることから成る酸素生成及びパワー発生方法
を提供する。パワーは、ガスタービン内で前記ガス流を
膨脹させることによって、及び、又は、熱を用いて蒸気
を発生させることによって創生される。前記圧縮酸素減
耗ガス流を膨脹させる前に第２燃焼器を用いて燃焼させ
ることが好ましい。ここでは、便宜上、圧縮されたガス
流を「圧縮ガス流」と称し、加熱のために燃焼せしめら
れた圧縮ガス流を「燃焼圧縮ガス流」と称することとす
る。本発明で用いられる固形電解質膜には、固形電解質
イオン伝導体膜と混合型伝導体膜があり、それらを総称
して、「固形電解質膜」又は「セリック膜」と称する。
膜透過ガスとは、セリック膜を透過したガス、即ち、
「篩下」のことであり、従って、膜透過生成物酸素流と
は、膜を透過することによってガス流から分離された生
成物（製品）としての酸素流のことをいう。膜不透過ガ
ス流とは、膜を透過せずに保持されたガス、即ち、「篩
上」のことであり、酸素減耗ガスとは、酸素を減少又は
除去されたガスのことである。従って、圧縮酸素減耗膜
不透過ガス流とは、膜を透過せずに保持され、酸素を減
少又は除去された圧縮ガス流のことをいう。
【００１１】変型実施形態として、ガスの流量、酸素含
有量及び温度等の可変パラメータに応じて調節すること
が望ましい場合は、ガス流の一部を主経路をバイパスさ
せて通す代替経路（選択経路）を設けることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の方法は、セリック膜酸素
生成系統（単に「セリック膜系統」又は「酸素生成系
統」とも称する）をガスタービンパワー発生系統（単に
「ガスタービン系統」又は「パワー発生系統」とも称す
る）と統合（一体的に組み合わせる）することによって
酸素を生成するとともに、パワーを創生する。セリック
膜酸素生成系統及びガスタービンパワー発生系統は、そ
れぞれの性能を最適にする温度で作動させる。１つ又は
それ以上の燃焼器を能率的に用いてガス流を所望の温度
に加熱する。本発明に従って使用することができるセリ
ック膜については、後述する。
【００１３】本発明は、一般に、任意の酸素含有ガスか
ら酸素を生成し、パワーを創生する技術に適用すること
ができるが、空気から酸素を生成し、パワーを創生する
技術に関連して実施することが好ましい。ここでいう生
成物酸素とは、少くとも約９０％、好ましくは少くとも
約９５％、より好ましくは少くとも約９８％の純度を有
する酸素のことをいう。
【００１４】添付図において、実線は、特定の実施形態
の主経路を表し、鎖線又は１点鎖線は、それぞれの実施
形態の特定の利点を達成するために従うことができる、
主経路の一部をバイパスする代替経路（選択経路）を表
す。後に詳述するように、一般に、流れのほぼ１０％〜
９０％を代替経路の少くとも１つを通して通流させるこ
とができる。（ここでは、説明の便宜上、流体の流れ
と、その流体を通す経路又は導管を同じ参照番号で表す
こととする。）
【００１５】本発明の方法は、ガスタービンパワー発生
サイクルのいろいろな変型に適用することができる。図
１に示される本発明の一実施形態による酸素生及びパワ
ー発生装置１０は、本発明に従って酸素生及びパワー発
生を達成するためにガスタービンと統合されたセリック
膜式分離器ユニット（以下、単に「セリック分離器」と
も称する）１３を有する。この実施形態においては、ラ
ンキンパワー発生サイクルへ導管を通して送る蒸気流１
２５を生成するための熱をセリック膜の透過生成物（膜
を透過した「篩下」生成物、ここでは酸素）及び、又は
ガスタービンの排ガスから回収することができる。
【００１６】本発明の方法によれば、供給ガスである酸
素含有ガス流１１１をガス圧縮機（以下、単に「圧縮
機」とも称する）１１内で圧縮し、約７．０３〜約３
５．１５Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧）（約１００〜約５００
ｐｓｉａ）、好ましくは約１４．０６〜約２８．１２Ｋ
ｇ／ｃｍ2 （絶対圧）（約２００〜約４００ｐｓｉａ）
の範囲の圧力を有する圧縮供給ガス流（単に「供給流」
とも称する）１１２を生成する。
【００１７】圧縮機１１から出た圧縮ガス流１１２を燃
焼器１４へ通し、燃焼器内でセリック膜式分離器ユニッ
ト１３のセリック膜の作動温度にまで燃焼させる。この
作動温度は、約４００〜約１２００°Ｃの範囲、好まし
くは約５００〜約８５０°Ｃの範囲の温度である。
【００１８】このセリック膜作動温度を得るために、燃
焼器１４内でそれに供給される燃料１１３を燃焼させ
る。供給する燃料１１３は、天然ガス、燃料油又は石炭
から得られた燃料ガス等の炭化水素燃料を含む任意の適
当な燃料であってよい。このようにして得られた燃焼圧
縮ガス流１１４を燃焼器１４からセリック膜式分離器ユ
ニット１３へ送る。セリック膜への燃焼、圧縮ガス流１
１４の供給流量は、セリック膜の透過生成物流（膜を透
過した生成物、ここでは酸素の流れ）１１５の所望の流
量に直接対応する（比例する）ように定める。
【００１９】セリック膜式分離器ユニット１３におい
て、燃焼、圧縮ガス流１１４をセリック膜に通すことに
よって燃焼、圧縮ガス流１１４から膜透過生成物（「篩
下」）として酸素が分離除去される。除去される酸素の
量は、通常、酸素含有ガス（燃焼圧縮ガス流１１４）の
酸素含有量の約５％〜約５０％の範囲である。酸素流、
即ち膜透過生成物流１１５は、セリック膜式分離器ユニ
ット１３から抽出して熱交換器１６及び１７を順次に通
して通流させ、順次により低温の生成物酸素流１２１及
び１２２を得る。
【００２０】一方、圧縮された酸素減耗（酸素を減少又
は除去された）膜不透過（「篩上」）排ガス流１１６
（以下、単に「膜排ガス」とも称する）は、セリック膜
式分離器ユニット１３から燃焼器１５へ送る。燃焼器１
５内において、追加の燃料１１３ａを供給して圧縮酸素
減耗膜不透過排ガス流１１６の温度をガスタービン１２
の入口温度にまで昇温させる。燃焼器１５を使用するこ
とにより、セリック分離器１３の作動温度をタービン１
２の作動温度から隔絶することができる。燃焼器１５か
ら燃焼せしめられた圧縮酸素減耗ガス流１１７をタービ
ン１２へ送り、正味パワー１３１（タービン１２の総出
力パワーから圧縮機１１の駆動に消費されるパワーを除
いたパワー）を創生する。タービン１２の最適性能を得
るための作動温度は、通常、約９００°Ｃ〜約２０００
°Ｃ、好ましくは約１０００°Ｃ〜約１７００°Ｃの範
囲である。
【００２１】ガスタービン１２内において、燃焼圧縮酸
素減耗ガス流１１７を膨脹させてパワーを創生する。ガ
スタービン１２は、軸１１０によって圧縮機１１に連結
することができ、それによって圧縮機１１を駆動するこ
とができる。軸以外に、歯車列や電気的接続手段等の他
の慣用の連動機構を用いることもできる。ガスタービン
１２は、圧縮機１１を駆動するための所要パワーのみな
らず、ここに述べられた他のパワー消費機器にパワーを
供給するのにも十分なパワーを創生する。
【００２２】セリック膜式分離器ユニット１３から流出
した酸素流１１５と同様に、膨脹した、酸素減耗ガス流
即ちガスタービン排ガス１１８を熱交換器１６及び１７
に順次に通すことができ、それによって、順次により低
温の排ガス流１１９及び１２０を得ることができる。
【００２３】水流１２３を熱交換器１６に導入して加熱
された水流１２４を生成し、それを熱交換器１７に通し
て実質的に蒸気の流れ１２５を生成することができる。
上述したように、この蒸気流１２５は、ランキンパワー
発生サイクルへ通すのに用いることができる。
【００２４】実際の実施において、燃焼器１４及び、又
は１５及び、又はセリック膜式分離器ユニット１３への
供給流の一部、通常１０％〜９０％をバイパスさせるこ
とが望ましい場合がある。そのための代替経路即ち選択
経路が、図１に鎖線と１点鎖線によって示されている。
例えば、ガス圧縮機から燃焼器へ導入される圧縮ガス流
が多過ぎると、燃焼器内での燃焼が燃料希薄状態での燃
焼となる。燃焼器の主帯域が燃料希薄状態となると、火
炎が不安定になる。その場合は、燃焼器へ供給される圧
縮供給ガス流の一部分をバイパスさせることによって燃
焼器内の条件を好適な燃焼のための燃料／ガス比を得る
ように調節することができる。あるいは又、第１燃焼器
１４へ導入される圧縮ガス流の流量が高過ぎる場合は、
そのガス流の一部分を分流して第１燃焼器１４の下流の
第２燃焼器１５及びセリック分離器１３へ導入すること
ができる。
【００２５】第２燃焼器１５内の酸素レベルが該燃焼器
内へ流入してくるガス流の適正な燃焼を維持するのに十
分でない場合は、圧縮機１１から流出する圧縮ガス流の
一部分を第１燃焼器１４並びにセリック分離器１３の両
方をバイパスさせて第２燃焼器１５へ導入することがで
きる。そうすることによって、第２燃焼器１５へ流入し
てくるガス流の酸素含有量を適正なレベルに維持するこ
とができる。以上の説明から分かるように、これらの代
替経路は、本発明の方法及び装置全体に亙って、望まし
い温度、酸素含有量及びガス流の流量を得ることを可能
にする。
【００２６】例えば、圧縮供給ガス流１１２の一部分を
燃焼器１４をバイパスさせて代替又は選択経路１３０を
通して搬送し、供給流１１２の残部を燃焼器１４に通す
ことができる。それによって、燃焼器１４の出口温度を
高くすることができ、従って、燃焼器１４内での燃焼を
より安定した効率的な燃焼とすることができる。燃焼器
１４の下流において、供給流１１２のバイパスさせた一
部分１３０と、供給流１１２の燃焼せしめられた残部と
を丸で囲まれた地点Ａで弁を介して合流させ、それによ
って比較的冷却された合流ガス流の全部をセリック分離
器１３へ送ることができる。あるいは、丸で囲まれた地
点Ａで合流ガス流の一部分１２８を分流し、丸で囲まれ
た地点Ｄで供給流１１２のバイパスさせた一部分１２６
と合流させるようにしてもよい。そのようにして合流さ
れた流れ１２７を丸で囲まれた地点Ｅで圧縮酸素減耗ガ
ス流１１６と合流させ、その合流流れを燃焼器２５へ送
ることができる。更に別の構成として、圧縮された酸素
減耗「篩上」ガス流１１６を丸で囲まれた地点Ｃで分流
し、その一部分のガス流１２９を第２燃焼器１５をバイ
パスさせて通し、丸で囲まれた地点Ｂで第２燃焼器１５
からの燃焼圧縮酸素減耗ガス流１１７と合流させるよう
にすることもできる。
【００２７】このように、供給ガス流の一部分を燃焼器
１４又は１５又はその両方をバイパスさせて通すことに
よって、燃焼器内の燃料／オキシダント比を高くするこ
とができ、それによって、燃焼器のより安定した作動を
維持することができる。それによって、燃焼器１４，１
５の一方又は両方をセリック膜式分離器ユニットの作動
温度より高い温度で作動させることができる。
【００２８】流れ１１６に流れ１２７を合流させるか、
あるいは、流れ１１６に代えて流れ１２７を第２燃焼器
１５へ送給するのは、第２燃焼器１５への供給流の酸素
含有量を増大させることが望ましい場合に有利である。
なぜなら、流れ１２７は、セリック分離器１３へ導入さ
れないので、セリック分離器１３からの流れ１１６より
高い酸素含有量を有しているからである。このような代
替経路を選択することによって、燃焼器１４のサイズを
小さくすることができ、しかも最適な作動条件を維持す
ることができる。
【００２９】流れ１１２（主流れ）に対する流れ１２７
（バイパス流れ）の比率は、第２燃焼器１５内の燃料／
オキシダント比を改良することの必要性など、上述した
ようないろいろな要因に応じて決定することができる。
この比率の変更は、圧縮酸素減耗ガス流１１６に第１燃
焼器１４への供給流１１２の一部分を補充するか、ある
いは、圧縮ガス流１１６を供給流１１２の一部分に置き
換えることによって達成することができる。この補充、
又は置き換えガス流は、供給流１１２から流れ１２６と
して、又は、第１燃焼器１４の下流において流れ１２８
として分流することができる。流れ１２６は、第１燃焼
器１４をバイパスしたものであるのに対して、流れ１２
８は、第１燃焼器１４から流出したものであるから、燃
焼によって高い温度に加熱されている。いずれにして
も、流れ１２６及び１２８は、セリック分離器１３から
の圧縮酸素減耗ガス流１１６より高い酸素濃度を有す
る。
【００３０】図２に示される本発明の第２実施形態によ
る酸素生及びパワー発生装置２０９においては、本発明
に従って酸素生及びパワー発生を達成するためにセリッ
ク膜式分離器ユニット２３がガスタービン２２と統合さ
れている。この実施形態においては、圧縮供給ガス流を
予備加熱するためにセリック膜式分離器ユニット２３及
び、又はガスタービン２２、好ましくは両方からの排ガ
スと向流関係をなすようにして熱交換器に通す。一方、
排ガスは、熱交換器に通されると冷却されるが、その冷
却された排ガスを回収して、ブレイトンパワー発生サイ
クルへ送る蒸気を生成するための熱を得ることができ
る。
【００３１】詳述すれば、この実施形態においては、供
給ガスであるガス流２１１を上述した範囲内の圧力にま
でガス圧縮機２１内で圧縮する。次いで、その圧縮され
た供給ガス流２１２を圧縮機２１から熱交換器２６に通
し、ガスタービンからの排ガス流２２０及びセリック膜
式分離器ユニット２３からの酸素流２１６によって予備
加熱する。
【００３２】熱交換器２６から出てきた、予備加熱され
た圧縮ガス流２１３は、約３００〜約８００°Ｃの範
囲、好ましくは約４００〜約６５０°Ｃの範囲の温度を
有しており、それを燃焼器２４へ通す。燃焼器２４内で
圧縮ガス流２１３を燃料２１４でセリック膜式分離器ユ
ニット２３のセリック膜の上述した作動温度にまで燃焼
させる。このセリック膜作動温度を得るために、燃焼器
２４内でそれに供給される燃料２１４を燃焼させる。
【００３３】このようにして燃焼圧縮ガス流２１５を燃
焼器２４からセリック膜式分離器ユニット２３へ送る。
セリック膜式分離器ユニット２３において、通常、圧縮
ガス流２１５からそれに含有される酸素の約５％〜約５
０％を除去する。セリック膜式分離器ユニット２３への
燃焼、圧縮ガス流２１５の供給流量は、ガスタービン２
２への供給流の上述した比率（％）の範囲内とすべきで
ある。
【００３４】セリック膜式分離器ユニット２３から流出
した酸素流２１６は、熱交換器２６へ通す。熱交換器２
６においてこの酸素流２１６から圧縮ガス流２１２へ熱
が与えられ、酸素流２１６は、冷却された生成物酸素流
２１７として熱交換器から流出する。あるいは別法とし
て、酸素流２１６を別の熱交換器２７に通して、圧縮供
給ガス流２１２の一部分２１２ａと熱交換させ、該一部
分を予備加熱するとともに、冷却された生成物酸素流２
１７ａを得るようにすることもできる。この方法は、あ
る種の物質と望ましくない反応を起すおそれのある高温
で高純度の酸素流２１６を取扱う熱交換器のサイズを小
さくしたい場合に有利である。
【００３５】一方、圧縮酸素減耗膜不透過排ガス流２１
６は、セリック膜式分離器ユニット２３から燃焼器２５
へ送る。燃焼器２５内において、追加の燃料２１４ａを
供給して圧縮酸素減耗ガス流２１６の温度をガスタービ
ン２２の入口温度にまで昇温させる。タービン２２の作
動温度は、約９００°Ｃ〜約２０００°Ｃ、好ましくは
約１０００°Ｃ〜約１７００°Ｃの範囲である。燃焼器
２５から燃焼圧縮酸素減耗ガス流２１９をタービン２２
へ送る。
【００３６】タービン２２内において、燃焼圧縮酸素減
耗ガス流２１９を膨脹させて正味パワー２３１を創生す
る。図１の実施形態の場合と同様に、ガスタービン２２
は、軸２１０によって圧縮機２１に連結することがで
き、それによって圧縮機２１を駆動することができる。
【００３７】セリック膜式分離器ユニット２３から流出
した酸素流２１６と同様に、膨脹した、酸素減耗ガス流
即ちタービン排ガス（排ガス）２２０を熱交換器２６に
通し、低温の排ガス流２２１を生成する。排ガス流２２
１は、ランキンパワー発生サイクルへ通すための蒸気を
創生するのに用いることができる。
【００３８】図１の装置１０の場合のように、図２の装
置においても、予備加熱された圧縮ガス流２１３の全部
を燃焼器２４へ送り、得られた燃焼圧縮ガス流２１５を
セリック膜式分離器ユニット２３へ通すことができる。
別法として、予備加熱された圧縮ガス流即ち供給流２１
３の一部分２２４を燃焼器２４をバイパスさせて通し、
供給流２１３の残部を燃焼器２４に通して燃焼ガス流２
１５として流出させることができる。燃焼器２４の下流
において、供給流２１３のバイパスさせた一部分２２４
と、供給流２１３の燃焼せしめられた残部とを丸で囲ま
れた地点Ａ２で合流させる。この合流した流れの全部を
セリック分離器２３へ送ってもよく、あるいは、丸で囲
まれた地点Ａ２で合流ガス流れの一部分を分流し、丸で
囲まれた地点Ｄ２で供給流２１３のバイパスさせた一部
分２２２と合流させて合流流れ２２３を形成するように
してもよい。バイパス流れ２２２及び２２４は、燃焼器
２４をバイパスするので、燃焼されず、従って、熱交換
器２６内で加熱されて昇温された温度以上には達しな
い。合流流れ２２３は、セリック膜式分離器ユニット２
３をバイパスするので、セリック膜式分離器ユニット２
３からの圧縮酸素減耗ガス流２１８より高い酸素含有量
を有する。合流流れ２２３は、丸で囲まれた地点Ｅ２で
圧縮酸素減耗ガス流２１８と合流させ、その合流流れを
燃焼器２５へ送ることができる。
【００３９】又、圧縮酸素減耗ガス流２１８を丸で囲ま
れた地点Ｃ２で分流し、その一部分のガス流２２５を第
２燃焼器２５をバイパスさせて通し、丸で囲まれた地点
Ｂ２で第２燃焼器２５からの燃焼圧縮酸素減耗ガス流２
１９と合流させるようにすることもできる。その合流流
れをガスタービン２２へ送る。
【００４０】第１実施形態の場合と同様に、供給ガス流
の一部分を燃焼器２４又は２５又はその両方をバイパス
させて通すことによって、燃焼器内の燃料／オキシダン
ト比を高くすることができ、それによって、燃焼器のよ
り安定した作動を維持することができる。それによっ
て、セリック膜式分離器ユニット又はガスタービンの入
口の温度を望ましい温度に制御することができる。
【００４１】表１は、図２に示された装置及び方法から
２８，３１６ｍ3 ／時（１，０００，０００ＮＣＦＨ）
の酸素を生成する場合の生産パラメータを示す。ここ
で、「ＮＣＦＨ」は、Normal Cubic Feet per Hourの略
であり、常態におけるｆｔ3 ／時を表す。この例では、
セリック膜は、約８００°Ｃ（約１４７０°Ｆ）の好ま
しい温度で作動する。この温度は、回収熱交換器２６か
ら流出した供給ガス流２１３の温度より高いが、ガスタ
ービン２２の入口温度（約１０９４°Ｃ）より低い。圧
縮ガス流２１２の温度は、燃焼器２４に通されることに
よってセリック膜式分離器ユニット２３の作動温度にま
で高められる。
【００４２】
【表１】 供給ガス流211 の流量 ：11.2 x 106NCFH 燃料の種類 ：天然ガス 燃焼器24への燃料流214 の流量 ：1.56 x 105NCFH 燃焼器25への燃料流214aの流量 ：1.4 x 105NCFH セリック膜からの酸素流216 の流量 ：1 x 106NCFH 熱交換器26を通した後の排ガス流221 の温度 ：730 °F (388°C ) 圧縮機21への供給ガス流211 の温度 ：70°F (21 °C ) 熱交換器26を通した後の供給ガス流213 の温度：880 °F (471°C ) 燃焼器24を通した後の圧縮ガス流215 の温度 ：1470°F (800°C ) 燃焼器25を通した後の圧縮ガス流219 の温度 ：2000°F (1094 °C ) タービン22の排ガス流220 の温度 ：900 °F (483°C ) 圧縮機21を通した後の供給ガス流212 の圧力 ：12 atm 酸素生成物流216 の圧力 ：1 atm タービン22の排ガス流220 の圧力 ：1 atm 圧縮機21の等エントロピーにおける効率 ：86% タービン22の等エントロピーにおける効率 ：88% 熱交換器26の効率 ：90% 燃料の発熱量（下限） ：900 BTU/NCFH タービン22の出力パワー ：73.3 Mw 圧縮機21の消費パワー ：40.9 Mw 酸素の生成に消費されるパワー ：3.7 Mw タービン22の正味パワー231 ：32.4 Mw
【００４３】図３に示される本発明の第３実施形態によ
る酸素生成及びパワー発生装置３０９においては、本発
明に従って酸素生成及びパワー発生を達成するためにセ
リック膜式分離器ユニット３３がガスタービン３２と統
合されている。この実施形態においては、圧縮供給ガス
流を予備加熱するためにセリック膜式分離器ユニット３
３からの排ガスをガスタービンに通して膨脹させる前に
熱交換器に通して排ガスから熱を回収する。この回収さ
れた熱を用いてランキンパワー発生サイクル又は他のパ
ワー発生サイクルへ送る蒸気を生成する。
【００４４】この実施形態においては、装置３０９は、
セリック膜式分離器ユニット３３の下流に設けられる第
２燃焼器を備えていない。供給ガスであるガス流３１１
をガス圧縮機３１によって約７．０３〜約３５．１５Ｋ
ｇ／ｃｍ2 （絶対圧）（約１００〜約５００ｐｓｉ
ａ）、好ましくは約１４．０６〜約２８．１２Ｋｇ／ｃ
ｍ2 （絶対圧）（約２００〜約４００ｐｓｉａ）の範囲
の圧力にまで圧縮する。圧縮機３１から流出した圧縮供
給ガス流３１２を燃焼器３４へ通し、燃焼器内でそれに
供給される燃料３２１を燃焼させることによって圧縮供
給ガス流３１２の温度をセリック膜式分離器ユニット３
３のセリック膜の上述した作動温度にまで上昇させる。
【００４５】このようにして得られた燃焼圧縮ガス流３
１３を燃焼器３４からセリック膜式分離器ユニット３３
へ送り、セリック膜式分離器ユニットにおいてガス流３
１３中の酸素の通常１０％〜８０％を除去する。除去さ
れ回収される酸素の量は、酸素含有ガス（燃焼圧縮ガス
流３１３）の酸素含有量に依存する。
【００４６】セリック膜式分離器ユニット３３からの酸
素流、即ち膜透過生成物流３１６は、熱交換器３５に通
し、低温の生成物酸素流３１７を得る。一方、セリック
膜式分離器ユニット３３からの圧縮酸素減耗膜不透過排
ガス流３１４も、やはり熱交換器３５に通す。
【００４７】水流３１８を熱交換器３５に導入し、排ガ
ス流３１４及び酸素流３１６からの熱の一部分により蒸
気流３１９を生成する。この回収された熱、即ち、蒸気
流３１９は、ランキンパワー発生サイクル又はその他の
パワー発生サイクルへ通してパワーを創生するのに用い
ることができる。変型実施例として、熱交換器３５を２
つ以上とし、排ガス流３１４と酸素流３１６をそれぞれ
異なる熱交換器に通すようにすることができる。
【００４８】熱交換器３５から流出した低温の圧縮酸素
減耗ガス流３１５をガスタービン３２に導入し、主とし
て空気圧縮機３１を駆動するためのパワーを創生するた
めに圧縮酸素減耗ガス流３１５を膨脹させる。ガスター
ビン３２は、軸３１０によって圧縮機３１に連結するこ
とができ、それによって圧縮機３１を駆動することがで
きる。
【００４９】圧縮供給ガス流３１２中の酸素の一部は燃
焼器３４内で消費されるので、実際の実施において、セ
リック膜式分離器ユニット３３への供給流中の一酸素の
量を増大させることが望ましい場合がある。その場合
は、丸で囲まれた地点Ａ３で燃焼圧縮ガス流３１３に圧
縮供給ガス流３１２の燃焼器３４をバイパスして送られ
た一部分３２０を補充するか、あるいは、燃焼圧縮ガス
流３１３に代えて圧縮供給ガス流３１２のバイパスされ
た一部分３２０を用いることによってその目的を達成す
ることができる。流れ３２０は燃焼器３４をバイパスす
るので、その酸素含有量は、燃焼器３４から流出する流
れ３１３より高い。
【００５０】装置３０９は、所与の供給流３１１に対し
て酸素の生成を最大限にし、かつ、爾後の使用のための
蒸気流３１９を生成し、蒸気流３１９の生成ほどは重要
ではないが、正味タービンパワー３３１を創生すること
が好ましい。タービン３２は、圧縮機３１を駆動するこ
とを主たる目的とする安価なターボ膨脹機である。別法
として、タービン３２の入口温度を高め、正味パワー３
３１を増大させるために、セリック膜式分離器ユニット
３３からの圧縮酸素減耗膜不透過排ガス流３１４の一部
又は全部を熱交換器３５をバイパスして直接タービン３
２へ送ることもできる。更に別の変型例として、随意選
択の第２燃焼器３４０及びそれに供給する追加の燃料を
用いて追加の蒸気を生成し、第２燃焼器による質量流量
の増大によってタービン３２の仕事量を増大させること
ができる。又、第２燃焼器３４０は、圧縮酸素減耗膜不
透過排ガス流３１４中に残留している酸素を利用するこ
とができる。
【００５１】図４〜６に示された酸素生成及びパワー発
生装置４０９，５０９及び６０９は、本発明に従って既
存の従来型ガスタービンパワー発生系統にセリック膜式
分離系統を付加することによって得られたものである。
このセリック膜式分離系統は、セリック膜に対していえ
ば、第１燃焼器と称することができ、パワー発生系統内
の燃焼器に対していえば、第２燃焼器と称することがで
きる追加の燃焼器を含む。
【００５２】図４の第４実施形態においては、圧縮器４
１、燃焼器４７、タービン４８及び軸４１０を含む既存
のガスタービンパワー発生系統に、セリック膜の膜不透
過排ガスをガスタービン内で膨脹させるのに適する適当
な圧力にまで圧縮する追加の圧縮機４６を備えたセリッ
ク膜式分離系統が後付けされている。この圧縮されたセ
リック膜不透過排ガスは、燃焼器４７内で適当な温度に
まで燃焼させた後、タービン内で膨脹させてパワーを創
生させる。
【００５３】供給ガス流４１１は、まず、圧縮機４１内
で圧縮させる。この実施形態においても、セリック膜式
分離器ユニット４４のセリック膜の作動圧力は、上述し
た範囲内である。圧縮されたガス流４１２の一部分は、
弁４３３の制御により回収熱交換器４２に通して約３０
０°Ｃ〜約８００°Ｃの範囲の温度に予備加熱する。圧
縮された供給ガス流４１２の残部４２２は、燃焼器４７
へ通す。
【００５４】熱交換器４２から出てきた、加熱された圧
縮ガス流４１３は、燃焼器４３へ通す。燃焼器４３内で
圧縮ガス流４１３を燃料４２０と共に燃焼させる。燃焼
器４３から流出する燃焼圧縮ガス流４１４は、セリック
膜式分離器ユニット４４のセリック膜の上述した作動温
度に匹敵する温度を有する。この温度を得るために、燃
焼器４３内でそれに供給される燃料４２０を燃焼させ
る。燃焼器４３からの燃焼圧縮ガス流４１４は、セリッ
ク膜式分離器ユニット４４へ送る。
【００５５】このようにして得られた燃焼圧縮ガス流４
１４を燃焼器４３からセリック膜式分離器ユニット４４
へ送る。セリック膜式分離器ユニット４４において燃焼
圧縮ガス流４１４をセリック膜に接触させることによっ
てそのガス流から酸素を除去し、その除去された酸素を
酸素流４１５としてセリック膜式分離器ユニットから抽
出する。一方、圧縮酸素減耗膜不透過排ガス流４１６
は、セリック膜式分離器ユニット４４から冷却のために
熱交換器４２へ通す。次いで、熱交換器４２から出てき
た酸素減耗ガス流４１８を更に冷却するために熱交換器
４５へ通す。熱交換器４５は、追加の圧縮機又はブース
ター４６に受け入れられる最高許容温度に適合するよう
に酸素減耗ガス流４１８の圧縮機又はブースター４６へ
の導入温度を低下させる。
【００５６】熱交換器４５からの低温（ほぼ周囲温度）
の排ガス流４１９をブースター４６へ通し、上述した流
れ４２２の圧力に整合する圧力にまで圧縮する。ブース
ター４６は、熱交換器４２及びセリック膜式分離系統内
のその他の機器を通ることによって生じた圧力降下を補
償することによって逆流を防止する低圧縮比の圧縮機又
はブロアである。このブースター４６のサイズ（能力）
が、望ましい流れを提供するように適正に定められてい
る場合は、制御弁４３３を省除することができる。
【００５７】次いで、ブースター４６からの低温の圧縮
排ガス４２１を丸で囲まれた地点Ａ４で燃料４２０ａと
合流させることができ、その合流した流れを燃焼器４７
へ通して燃焼させ、その流れの温度をガスタービン４８
の作動温度（約９００°Ｃ〜約２００°Ｃの範囲の温
度）にまで上昇させる。先に述べたように供給ガス流４
１２の残部４２２も、燃焼器４７へ通し、ガスタービン
４８の作動温度（約９００〜約２００°Ｃの範囲の温
度）にまで昇温させる。燃焼器４７からの燃焼ガス流４
２３をガスタービン４８へ通す。
【００５８】ガスタービン４８において、燃焼ガス流４
２３を膨脹させ、それによってパワーを創生する。ガス
タービン排ガス流４２７を用いて追加のエネルギーを回
収することもできる。この実施形態においてもやはり、
ガスタービン４８を軸４１０を介して圧縮機４１に連結
することができ、それによって圧縮機４１を駆動するこ
とができる。
【００５９】酸素流４１５は、回収熱交換器４２に通し
て冷却し、冷却された酸素流４１７として流出させるこ
とができる。その冷却された酸素流４１７を熱交換器４
９によって更に冷却し、ほぼ周囲温度の生成物酸素４２
４として回収する。
【００６０】別法として、ブースター４６からの低温の
圧縮排ガス４２１は、燃料４２０ａと合流させることな
く、流れ４２６としてガスノズルを通して直接燃焼器４
７へ導入しもよい。更に別の変型例として、圧縮機４１
からの供給ガス流の一部分４２５をセリック膜式分離系
統をバイパスさせて直接タービン４８へ送り、タービン
４８へのガス流を増大させて燃焼器４７の過負荷を防止
し、タービンの入口温度を低下させることができる。
【００６１】図５の第５実施形態の酸素生成及びパワー
発生装置５０９は、酸素を生成するとともにパワーを創
生するために、本発明に従って在来型のパワー発生系統
に後付けによって統合されたセリック膜式分離系統を含
むものである。ただし、この実施形態では、装置４０９
とは異なり、セリック膜式分離系統からの排ガスを圧縮
する燃焼器は設けられていない。
【００６２】供給ガス流５１１は、まず、圧縮機５１内
で圧縮させる。この実施形態においても、第１実施形態
の場合と同様に、セリック膜式分離器ユニット５４のセ
リック膜の作動圧力は、上述した約７．０３〜約３５．
１５Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対圧）（約１００〜約５００ｐｓ
ｉａ）、好ましくは約１４．０６〜約２８．１２Ｋｇ／
ｃｍ2 （絶対圧）（約２００〜約４００ｐｓｉａ）の範
囲内である。圧縮された供給ガス流５１２の一部分（最
高約５０％まで）は、弁５３３の制御により回収熱交換
器５２に通して約３００°Ｃ〜約８００°Ｃの範囲の温
度に予備加熱する。
【００６３】熱交換器５２から出てきた、加熱された圧
縮ガス流５１３は、燃焼器５３へ通す。燃焼器５３内で
圧縮ガス流５１３を燃料５２０と共に燃焼させる。かく
して、燃焼器５３から流出する燃焼圧縮ガス流５１４
は、セリック膜式分離器ユニット５４のセリック膜の上
述した作動温度にまで昇温されている。別法として、燃
焼器５３の作動を最適化させるために、圧縮ガス流５１
３の一部分５３５を燃焼器５３をバイパスさせることが
できる。
【００６４】燃焼器５３からの燃焼圧縮ガス流５１４
は、セリック膜式分離器ユニット５４へ送る。セリック
膜式分離器ユニット５４において、燃焼圧縮ガス流５１
４をセリック膜に接触させることによってそのガス流中
に含有されている酸素の１０〜８０％を除去し、その除
去された酸素を酸素流５１５としてセリック膜式分離器
ユニットから抽出する。
【００６５】一方、圧縮酸素減耗膜不透過排ガス流５１
６は、セリック膜式分離器ユニット５４から冷却のため
に回収熱交換器５２へ通す。熱交換器５２内で、ガス流
５１６の熱が供給ガス流５１２の一部分と熱交換され、
それによって上述したように後者が予備加熱される。次
いで、熱交換器５２から出てきた酸素減耗ガス流５１７
は、丸で囲まれた地点Ａ５で第２燃焼器５６からの燃焼
圧縮ガス流５２１と合流させることができる。
【００６６】別法として、酸素減耗ガス流５１７は、丸
で囲まれた地点Ｂ５で圧縮供給ガス流５１２の残部５２
２と合流させることができる。この変型例の選択経路に
おいては、ガスタービン５７へ送るガス流（５２２と５
１７の合流流れ）の全部を第２燃焼器５６へ通して燃焼
させ、燃焼器５６から燃焼圧縮ガス流５２１として流出
させる。この変型例は、燃焼器５６への供給ガス流の圧
力を流れ制御器５８を通すなどして制御することが望ま
しい場合に、有利である。このように燃焼器５６への供
給ガス流の流れを制御することによって、追加の熱交換
器（例えば、図４の熱交換器４５）及び圧力調節のため
のガス圧縮機を設ける必要性が回避される。
【００６７】主経路又は選択経路からの合流流れは、ガ
スタービン５７へ送る。ガスタービン５７内でガス流を
膨脹させてパワーを創生する。ガスタービン排ガス流５
２３を用いて追加のエネルギーを回収することもでき
る。実施形態においてもやはり、ガスタービン５７を軸
５１０を介して圧縮機５１に連結することができ、それ
によって圧縮機５１を駆動することができる。
【００６８】セリック膜式分離器ユニット５４からの酸
素流５１５は、回収熱交換器５２に通して冷却し、冷却
された酸素流５１８として流出させることができる。そ
の冷却された酸素流５１８を熱交換器５５によって更に
冷却し、生成物酸素５１９として回収する。
【００６９】第５実施形態の酸素生成及びパワー発生装
置５０９においても、圧縮ガス流を膨脹させるためにガ
スタービンへ導く選択経路においては、第４実施形態の
酸素生成及びパワー発生装置４０９の場合と同様に、圧
縮機５１からの圧縮供給ガス流５１２の残部５２２を燃
焼器５６内で燃焼させて、燃焼器５６からの燃焼圧縮ガ
ス流の温度を約９００°Ｃ〜約２０００°Ｃの範囲にま
で昇温させる。ただし、この実施例では、燃焼器５６の
前に流れ制御器５８を挿入することができる。先に述べ
たように、セリック膜式分離器ユニット５４へ分流され
る圧縮供給ガスの量は、ガス流５２２の圧力降下を制御
する流れ制御器５８を用いて流れ制御器５８の上流で調
節することができる。従って、圧縮供給ガス流５１２の
残部５２２を流れ制御器５８の下流の丸で囲まれた地点
Ｂ５でセリック膜からの排出流れ５１７と合流させるこ
とができる。
【００７０】図６の第６実施形態の酸素生成及びパワー
発生装置６０９においては、供給ガス流６１１を圧縮機
６１内で約７．０３〜約３５．１５Ｋｇ／ｃｍ2 （絶対
圧）（約１００〜約５００ｐｓｉａ）の範囲の圧力にま
で圧縮する。圧縮機６１から流出した圧縮ガス流６１２
を燃焼器６２へ送る。
【００７１】燃焼器６２内でそれに供給される燃料６１
３を燃焼させることによって圧縮供給ガス流６１２の温
度をガスタービン６３の作動温度にまで上昇させる。こ
の実施形態においては、その温度は、約９００°Ｃ〜約
２００°Ｃの範囲である。燃焼器６２から燃焼圧縮ガス
流６１５をガスタービン６３へ送り、ガスタービン６３
内で膨脹させてパワーを創生する。ガスタービン６３
は、軸６１０によって圧縮機６１に連結することがで
き、それによって圧縮機６１を駆動することができる。
ガスタービン６３からの排ガス６１６は、追加のエネル
ギーを回収するために熱回収蒸気発生器へ通すことがで
きる。
【００７２】第２供給ガス流６１８をセリック膜式分離
器ユニット６７へ導入する前に、第２圧縮機６４に通し
て圧縮する。圧縮機６４からの圧縮された供給ガス流６
１９を回収熱交換器６５に通し、熱交換器６５から加熱
された圧縮ガス流６２０を燃焼器６６に導入してセリッ
ク膜式分離器ユニット６７のセリック膜の作動温度にま
で更に加熱する。この実施形態では、その温度は、通
例、４００°Ｃ以上であり、より一般的には、６００°
Ｃ以上である。圧縮ガス流６２０を燃焼圧縮ガス流６２
１の温度にまで昇温するのを助成するために燃焼器６６
へ燃料６１４を供給する。燃焼圧縮ガス流６２１の流量
は、タービン６３に流入するガス流６１５の５％〜２５
％とすることが好ましい。
【００７３】燃焼器６６から流出した燃焼圧縮ガス流６
２１をセリック膜式分離器ユニット６７へ通す。セリッ
ク膜式分離器ユニット６７において、燃焼圧縮ガス流６
２１をセリック膜に接触させることによってそのガス流
中に含有されている酸素の通常１０〜８０％を除去し、
その除去された酸素を酸素流６２２としてセリック膜式
分離器ユニットから抽出する。セリック膜式分離器ユニ
ットからの酸素流６２２は、回収熱交換器６５に通して
冷却し、得られた低温の酸素流６２３を熱交換器６５に
よって更に冷却し、生成物酸素６２４として回収する。
【００７４】一方、セリック膜式分離器ユニット６７か
ら流出した圧縮酸素減耗膜不透過排ガス流６２５は、丸
で囲まれた地点Ａ６で燃料流６１３と合流させて燃焼器
６２へ導入する。燃焼器６２内で、この合流ガスと、上
記圧縮ガス流６１２とを一緒に燃焼させ、燃焼器６２か
らのガス流を上述したようにガスタービン６３へ送る。
ガスタービンは、標準的な条件下で作動する。
【００７５】第６実施形態の酸素生成及びパワー発生装
置６０９においても、第５実施形態の酸素生成及びパワ
ー発生装置５０９の場合と同様に、セリック膜式分離器
ユニットがガスタービンとこのような態様に統合されて
いる場合、ガスタービン６３によって創生されるパワー
を用いてガス圧縮機６１を駆動するために、ガスタービ
ン６３とガス圧縮機６１を軸６１０によって連結するこ
とができる。一実施例においては、ガスタービン６３を
第２圧縮機６４にも機械的に連結することができる。ガ
スタービン６３によって創生される正味パワーは、符号
６３１で示されている。
【００７６】随意選択として、圧縮酸素減耗膜不透過排
ガス流６２５の一部分６２６を燃焼器６２へ導入する前
の圧縮供給ガス流６１２と合流させる（丸で囲まれた地
点Ｂ６参照）か、あるいは、圧縮酸素減耗膜不透過排ガ
ス流６２５の一部分を燃焼器６２から流出した燃焼圧縮
ガス流と合流させる（丸で囲まれた地点Ｃ６参照）こと
ができる。これは、燃焼器６２の前又は後における系内
の温度、稀釈ガスの割合及び酸素濃度を制御するための
追加の融通性が与えられるという点で有利である。又、
必要ならば、熱交換器６５からの圧縮ガス流６２０の一
部分を燃焼器６６をバイパスさせて通すこともできる。
【００７７】一実施例として、圧力制御器６３４によっ
て圧縮酸素減耗膜不透過排ガス流６２５の圧力を制御す
ることによりセリック膜式分離器ユニット６７をタービ
ン６３の作動圧力とは異なる圧力で作動させることがで
きる。圧力制御器６３４を流れ制御板とした場合、セリ
ック膜式分離器ユニット６７は、タービン６３の作動圧
力より高い圧力で作動される。反対に、圧力制御器６３
４を圧縮機又はブロアとした場合は、セリック膜式分離
器ユニット６７をタービン６３の作動圧力より低い圧力
で作動させることができる。
【００７８】本発明に従ってセリック膜式分離系統を後
付けすることができる既存のガスタービンパワー発生系
統としては、米国のジェネラルエレクトリック、ドイツ
のシーメンス、スエーデンのＡＢＢ等の会社から販売さ
れているガスタービンパワー発生系統が挙げられる。そ
れらのガスタービンパワー発生系統に対して施さなけれ
ばならない改変は、セリック膜式分離ユニットへのガス
流の供給を追加することと、ガスを膨脹させるガスター
ビンへ燃焼ガスを供給する燃焼器へのセリック膜排ガス
の供給を追加することなど、ごく僅かである。
【００７９】一般に、ガスタービンをその容量を越えて
作動させることは望ましくないが、そのような事態を防
止するためにガスタービンへガスの流量を調節すること
ができる。例えば、セリック膜式分離ユニットから流出
する圧縮酸素減耗膜不透過排ガス流６２５の流量の増大
を補償するために圧縮機６１からの圧縮ガス流６１２の
流量を減少させることができる。圧縮ガス流６１２の流
量を十分に減少させることができない場合は、セリック
膜式分離ユニットから流出する圧縮酸素減耗膜不透過排
ガス流の一部分を大気へ放出するか、あるいは、セリッ
ク膜式分離ユニットへの圧縮ガス流の供給量を減少させ
ればよい。セリック膜式分離ユニットへの圧縮ガス流の
供給量の最大限度は、セリック膜式分離ユニットへ供給
するためのガスを圧縮するのに用いられるパワーの大き
さによって決定される。本発明の装置は、正味パワー発
生装置であるから、セリック膜式分離系統に要するパワ
ー所要量は、当該装置によって創生されるパワーより少
なくしなければならない。
【００８０】本発明のセラミック式分離器ユニットに用
いられるセリック膜は、欠陥やドーパント（Ｙ，Ｓｒ，
Ｂａ，Ｃａ等）の添加によって惹起された結晶格子中の
酸素空位（空格子点）の存在によって特徴づけられる、
稠密なセラミック酸化物又はセラミック酸化物の混合物
で形成される。結晶格子中の酸素空位は、酸素イオンを
結晶格子を通して搬送する手段によって拡散される。一
般に、空位の高い移動性を達成するには、作動中４００
°Ｃ〜１２００°Ｃ、好ましくは５００°Ｃ〜１０００
°Ｃ、より好ましくは６００°Ｃ〜８００°Ｃの高めら
れた温度を維持すべきである。空位の高い密度と高い移
動性とが相俟って、セリック膜の素材物質を通しての急
速な酸素イオン搬送のための基礎を構成する。酸素イオ
ンだけが結晶格子の空位を占有することができるので、
理想的なセリック膜は、無限の酸素選択度を有するもの
である。そのための好適なセリック膜の素材は、例えば
米国特許第５，３０６，４１１号に記載されている。
【００８１】特定の応用例において選択されたセリック
膜のサイズは、通常、その膜を透過する酸素のフラック
ス（即ち、単位時間当り単位面積当りの酸素透過量）に
関連して決定される。セリック膜分離器ユニットに流入
してくる圧縮ガスから効率的に酸素を除去するために、
より小面積のセリック膜を使用することができるように
酸素フラックス値の高いセリック膜が望ましい。小面積
のセリック膜は、初期設備コストを削減する。
【００８２】セリック膜上の任意の部位での酸素フラッ
クスは、そのセリック膜即ち電解質膜のイオン伝導率、
膜の厚さ、及び、酸素の化学ポテンシャルの差等を含む
多数の因子によって左右される。セリック膜のイオン伝
導率を約０．０１Ｓ／ｃｍ（ジーメンス／ｃｍ）、好ま
しくは約０．１Ｓ／ｃｍ、より好ましくは約１．０Ｓ／
ｃｍ以上の高いレベルとすることが、セリック膜の性能
の最適化を可能にする。セリック膜は高い温度下では高
いイオン伝導率をを有し、そのイオン伝導率は温度の上
昇とともに増大するので、セリック膜を十分に高い温度
（通常、約４００°Ｃ以上、好ましくは６００°Ｃ以
上）に維持することが、本発明の方法装置の性能の最適
化に寄与する。高い温度は、又、セリック膜の表面での
イオン交換過程の運動力学を向上させる働きもする。
【００８３】以上、本発明を実施形態に関連して説明し
たが、本発明は、ここに例示した実施形態の構造及び形
状に限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲か
ら逸脱することなく、いろいろな実施形態が可能であ
り、いろいろな変更及び改変を加えることができること
を理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、セリック膜の透過生成物及び、又はガ
スタービンの排気ガスから熱を回収して爾後の使用のた
めの蒸気を生成するようにした、本発明の酸素生成及び
パワー発生装置の概略図である。
【図２】図２は、セリック膜の透過生成物及び、又はガ
スタービンの排気ガスを通す熱交換器に圧縮ガスを通す
ことによって圧縮ガスを予備加熱するようにした本発明
の変型実施形態の概略図である。
【図３】図３は、セリック膜の透過生成物及び保持ガス
（膜を透過せずに保持された非透過ガス）をガスタービ
ンに通す前に熱交換器に通して熱を回収し、爾後の使用
のための蒸気を生成するとともに、タービンの入口温度
を低下させるようにした、単一の燃焼器を有する本発明
の第３実施形態の概略図である。
【図４】図４は、既存のパワー発生系統に、セリック膜
の保持排気ガスの圧力を圧縮空気の圧力に整合するよう
に昇圧させるための圧縮機を備えたセリック膜系統を後
付けした本発明の第４実施形態の概略図である。
【図５】図５は、既存のパワー発生系統に、セリック膜
の保持排気ガスの圧力を圧縮空気の圧力に整合するよう
に減圧させるための減圧部材を備えたセリック膜系統を
後付けした本発明の第５実施形態の概略図である。
【図６】図６は、既存のパワー発生系統にセリック膜系
統を後付けし、パワー発生系統のガスタービンに機械的
に連結された第２圧縮機を用いて追加の空気を圧縮し、
それを酸素生成のためにセリック膜系統へ導入し、セリ
ック膜の保持排気ガスをガスタービンへ戻すようにした
本発明の第６実施形態の概略図である。
【符号の説明】
１０：酸素生成及びパワー発生装置 １１：ガス圧縮機 １２：ガスタービン １３：セリック膜式分離器ユニット １４，１５：燃焼器 １６，１７：熱交換器 １１０：軸 ２０９：酸素生成及びパワー発生装置 ２１：ガス圧縮機 ２２：ガスタービン ２３：セリック膜式分離器ユニット ２４，２５：燃焼器 ２６，２７：熱交換器 ２１０：軸 ３０９：酸素生成及びパワー発生装置 ３１：ガス圧縮機 ３２：ガスタービン ３３：セリック膜式分離器ユニット ３４：燃焼器 ３５：熱交換器 ３１０：軸 ４０９：酸素生成及びパワー発生装置 ４１：ガス圧縮機 ４２：熱交換器 ４３：燃焼器 ４４：セリック膜式分離器ユニット ４５：熱交換器 ４６：圧縮機 ４７：燃焼器 ４８：ガスタービン ４９：熱交換器 ４１０：軸 ４３３：制御弁 ５０９：酸素生成及びパワー発生装置 ５１：ガス圧縮機 ５２：熱交換器 ５３：燃焼器 ５４：セリック膜式分離器ユニット ５５：熱交換器 ５６：燃焼器 ５７：ガスタービン ５８：流れ制御器 ５１０：軸 ５３３：制御弁 ６０９：酸素生成及びパワー発生装置 ６１：ガス圧縮機 ６２：燃焼器 ６３：ガスタービン ６４：第２燃焼器 ６５：熱交換器 ６６：燃焼器 ６７：セリック膜式分離器ユニット ６８：熱交換器 ６１０：軸 ６３４：圧力制御器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レイモンド・フランシス・ドルネビッチ アメリカ合衆国ニューヨーク州クラレン ス・センター、クリークビュー・ドライ ブ5850 (56)参考文献 特開 昭61−77606（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−228403（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B01D 53/22 F02C 6/10 - 6/12

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１圧縮機と、第１燃焼器と、ガスター
    ビンを含むパワー発生系統を準備し、第１圧縮機によっ
    て第１酸素含有ガス流を圧縮し、該圧縮された第１酸素
    含有ガス流を第１燃焼器へ送給して第１燃焼器内で燃焼
    させ、該燃焼させた第１酸素含有ガス流を該ガスタービ
    ン内で膨脹させ、 固形電解質膜を有する少くとも第１分離器に接続させた
    第２燃焼器を準備し、 第１圧縮機と第１燃焼器の間に配置された制御弁を用い
    て前記第１ガス流の少部分を第２燃焼器へ差向け、 第２燃焼器内で少くとも前記第１ガス流の前記少部分を
    １１００°Ｃより低い温度で燃焼させて燃焼加熱された
    圧縮ガス流を生成し、 前記燃焼加熱された圧縮ガス流を１０００°Ｃより低い
    温度で前記固形電解質膜に接触させて該ガス流から圧縮
    酸素減耗膜不透過ガス流と膜透過生成物酸素流とを生成
    し、 前記圧縮酸素減耗膜不透過ガス流を、第１燃焼器による
    燃焼前、燃焼中及び、又は燃焼後の第１酸素含有ガス流
    に混合させ、 前記少部分を除去された後の前記第１ガス流の残部の圧
    力を前記圧縮酸素減耗膜不透過ガス流の圧力に整合させ
    るために、該圧縮酸素減耗膜不透過ガス流を第１酸素含
    有ガス流に混合させる地点の上流で前記制御弁と第１燃
    焼器の間に配置して両者に接続した流れ制御器を用いて
    該第１ガス流の残部の圧力を制御し、 前記混合させたガス流を前記ガスタービン内で９００〜
    ２０００°Ｃの範囲内の温度で膨脹させ、それによって
    パワーを創生することから成る酸素生成及びパワー発生
    方法。
  2. 【請求項２】 ガス流をガスタービン内で膨脹させる前
    記工程の前に、燃焼させた後の前記圧縮酸素減耗膜不透
    過ガス流から熱を回収することを特徴とする請求項１に
    記載の酸素生成及びパワー発生方法。
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