JP3679120B2 - 超高効率のタービン及び燃料電池の結合体 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明はガス又は蒸気によるタービン、特にこのような装置を用いた高い能力を有する動力システムに関する。
高性能ガスタービン動力システムが従来存在し、知られている。従来のガスタービン動力システムはコンプレッサと、燃焼器と、機械的タービンとを含み、多くの場合それらがインラインで（直列的に）接続、例えば同じ軸上に接続されている。従来のガスタービンでは、空気はコンプレッサに入り、望ましい圧力まで昇圧されて出る。この高圧気流は燃焼器に入ってそこで燃料と反応し、選択された高い温度まで加熱される。この加熱された気流はガスタービンに入り断熱膨張して仕事を行なう。この一般的な種類のガスタービンの欠点の一つは、多くの場合、タービンのシステム効率が、例えば２５％と、メガワット能力のシステムでは比較的低いことである。
この問題を解決するのに従来採用されてきた方法の一つが、熱を回収するレキュペレータを用いることである。この回収された熱は一般的には、気流が燃焼器に入る前に気流を更に加熱するのに使われる。多くの場合、レキュペレータはガスタービンのシステム効率を３０％程まで向上させる。この解決法の短所はレキュペレータが比較的高価であり、動力システムの全コストを高くすることである。
従来採用されているもう一つの方法は、システムをかなり高圧高温で運転することで、システム効率を上げる方法である。しかしながら、実際のシステム効率の増加はごく僅かであり、一方システムは高温及び高圧用の機械部品に関連するコスト増加を伴ってしまう。
さらに別の従来の方法としては、１００ＭＷを越える動力を有する工場で用いられているもので、タービンの高温の排気を熱回収蒸気発生器と熱結合させて、ガスタービンと蒸気タービンとを組み合わせる方法を採るものもある。この組み合わせ式循環法は、システムの運転効率をおよそ５５％まで向上させる。しかしながら、この効率でもまだかなり低い。
このように、この技術分野では高性能の動力システムが求められている。特に、電気化学コンバータの好ましい性質を一体化して用いることのできる、改良型ガスタービン動力システムはこの産業の大きな発展を促すであろう。より具体的には、専用の熱処理システム設置のコストを削減し、システムの動力効率全体を著しく高める一体型の電気化学コンバータとガスタービンシステムは、この技術分野での大きな進展となるであろう。
発明の要約
本発明は、電気化学コンバータをガスタービンと一体化させた動力システムを提供する。電気化学コンバータ及びガスタービンは、発電用のかなり高い効率、例えば７０％の効率の動力システムを構成する。
本発明のガスタービン動力システムは、第一媒体を圧縮するコンプレッサと、該コンプレッサと流体連通し、該第一媒体及び第二媒体を受け取るよう構成された電気化学コンバータとを含む。該コンバータは、該第一及び第二媒体の間の電気科学的反応を行なわせて、選択された高温度の排気を生じるよう形成される。該動力システムは更に、該電気化学コンバータと流体連通し、かつコンバータの排気を受け取るタービンを含み、該タービンは電気化学コンバータの排気を動力発生用の回転運動に変換する。
本発明の態様の一つによれば、この動力システムは更に、タービンの回転エネルギーを受け取ると共にタービンの回転エネルギーに応答して電気を発生する発電機を含む。電気化学コンバータは、一定の高温及び多様な圧力で運転するよう構成されていると好ましい。
もう一つの態様によれば、この動力システムは更に、該電気化学コンバータと熱連結し、コンバータの排気から廃熱を抽出すると共にその廃熱をタービンに移送する熱交換要素を含む。
更にもう一つの態様によれば、この電気化学コンバータは、第一及び第二媒体をコンバータの運転温度まで内部加熱する内部加熱要素を含む。もう一つの態様において、該コンバータは、一方の面に酸化剤電極材料、対向する面に燃料電極材料を有する円形の電解質層を含む複数の平板状又は管状コンバータ要素から構成される。
別の態様によれば、この電気化学コンバータは、一方の面に酸化剤電極材料、対向する面に燃料電極材料を有する複数の電解質プレートと、該電解質プレートに電気的接触を行なう複数の連絡プレートとを含む複数の積層コンバータ要素であって、連係プレート及び電解質プレートを交互に積層することでアセンブリされた複数の積層コンバータ要素を有する電気化学コンバータアセンブリを含む。別の態様では、この積層コンバータ要素は、積層と軸方向に連結し、かつ第一及び第二媒体を受け取るよう構成された複数のマニホルドと、このマニホルドに連結し、かつ第一及び第二媒体の少なくとも一部分をコンバータの運転温度まで加熱する媒体加熱要素とをさらに含む。
さらに別の態様によれば、この連係プレートは熱伝導性コネクタプレートであり、そして媒体加熱要素は熱伝導性を有しかつ一体形成された、連係プレートに一体的に形成された延長表面を含み、この延長表面は軸方向マニホルド内に延びている。別の実施例では、積層コンバータ要素は、電解質プレートと連係プレートとの間に介在させた複数のスペーサプレートを含み、媒体加熱要素は、熱伝導性を有しかつ一体的に形成された、複数の軸方向マニホルド内に延びるスペーサプレートの延長表面を含む。
発明の一つの実施例としては、この電気化学コンバータアセンブリは、第一及び第二媒体をコンバータの運転温度まで加熱する廃熱を生じ、この廃熱はこの第一及び第二媒体まで連係プレートによって伝導移送される。
別の態様では、この動力システムはさらに、第一及び第二媒体を電気化学コンバータに導入する前に予熱する予熱要素を含む。この予熱要素は外部再生式熱交換器又は放射熱交換器のいずれかであることが好ましい。発明の別の実施例では、媒体加熱要素又は予熱要素のいずれかを用いて、炭化水素及び改質物質を含む第一及び第二媒体を非複合反応化学種に解離する。
発明の別の態様では、この動力システムは電気化学コンバータ及びタービンと連通するコンバータ排気加熱要素をさらに含む。このコンバータ排気加熱要素は、タービンに導入する前のコンバータの排気を選択された高温まで加熱する。発明の一実施例によれば、加熱要素はコンバータの排気をコンバータの排気温度よりも高い温度に加熱する。排気加熱要素は天然ガス燃焼器であることが好ましい。動力システムはさらに、電気化学コンバータの周囲で圧力容器を形成する再生熱封止要素を含むこともできる。
本発明はさらに、排気及び選択された高温を有する廃熱を発生する電気化学コンバータと、電気化学コンバータと連通する蒸気発生器と、蒸気発生器と連通し、かつ電気を発生するよう形成されたタービンとを含む蒸気タービン動力システムを提供する。
ある態様では、この蒸気タービン動力システムは、コンバータと蒸気発生器との間で放射的に熱交換する熱交換要素を含む。
また別の態様では、この動力システムは、タービンと連結し、かつコンバータの排気を受け取ってそのコンバータの排気の廃熱をタービンに対流移送する熱回収熱交換器をさらに含む。
さらに別の態様では、その電気化学コンバータは複数の積層コンバータ要素を有する電気化学コンバータアセンブリを含む。この積層コンバータ要素は、一方の面に酸化剤電極材料、対向する面に燃料電極材料を有する複数の電解質プレートと、電解質プレートに電気的接触を行なう複数の連係プレートとを含む。積層コンバータ要素は連係プレートと電解質プレートを交互に積層することでアセンブリされる。
別の態様によれば、この積層コンバータ要素は、積層と軸方向で連結し、反応体を受け取るよう構成された複数のマニホルドと、マニホルドと連結し、反応体の少なくとも一部分をコンバータの運転温度まで加熱する反応体加熱要素とをさらに含む。一実施例では、この連係プレートは熱伝導性のコネクタプレートを含み、そしてこの反応体加熱要素は、熱伝導性を有しかつ一体形成された、複数の軸方向マニホルド内に延びた連係プレートの延長表面を含む。
さらに別の態様では、この積層コンバータ要素は、電解質プレートと連係プレートとの間に介在する複数のスペーサプレートをさらに含む。
別の態様によれば、反応体加熱要素は、熱伝導性を有しかつ一体形成された、複数の軸方向マニホルド内に延びるスペーサプレートの延長表面を含む。
本発明の一実施例では、この電気化学コンバータアセンブリは反応体をコンバータの運転温度まで加熱する廃熱を生じる。この廃熱は連係プレートにより反応体に伝導移送される。
別の態様では、この蒸気タービン動力システムは、電気化学コンバータに導入する前の反応体を予熱する予熱要素をさらに含む。この予熱要素は、外部再生式熱交換器又は放射熱交換器を含むことができる。
別の実施例としては、予熱要素又は反応体加熱要素のどちらか一方又は両方が、炭化水素及び改質物質を含む反応体を非複合反応化学種に解離する。
本発明はさらに、投入反応体を受け取ると共に廃熱及び排気を発生するよう構成された電気化学コンバータと、ガスタービンとを含む動力システムを提供する。このガスタービンは、コンプレッサと、選択された高温を有する排気を生じる機械的タービンとを含む。このシステムはさらに、ガスタービンの排気を受け取ると共にガスタービンの排気を作動媒体に放射的に接続する蒸気発生器を含む。このシステムはまた、少なくとも蒸気発生器に連結し、かつ、作動媒体を受け取るよう構成された蒸気タービンを含む。
本発明はさらに、投入反応体を受け取ると共に廃熱及び排気を生じるよう構成された電気化学コンバータと、コンプレッサ及び、選択された高温を有する排気を生じる機械的タービンを含むガスタービンとを含む動力システムを提供する。このシステムはさらに、ガスタービンの排気を受け取り、かつガスタービンの排気を作動媒体に対流接続する蒸気発生器を含む。このシステムはまた、蒸気発生器と連結し、作動媒体を受け取るよう構成された蒸気タービンを含む。一実施例では、動力がこの電気化学コンバータ、蒸気タービン及びガスタービンによって発生される。
【図面の簡単な説明】
本発明の上記及びその他の目的、特徴及び利点は、次の説明ならびに添付の図面から明らかとなるが、この図において、同様な参照符号は異なる視点から見た同じ部品を示すものである。図面は本発明の原理を示し、縮尺は一定ではないが、相対的大きさを示す。
図１は、本発明に基づく、ガスタービンと直列にインラインとなった電気化学コンバータを用いた動力システムの概略ブロック図である。
図２は、本発明に基づく、ガスタービンの線上から外れた電気化学コンバータを用いた、動力システムの変更例の概略ブロック図である。
図３は、本発明に基づく、電気化学コンバータ及び蒸気タービンを用いた動力システムの概略ブロック図である。
図４は、本発明に基づく、ガスタービンと蒸気タービンの両方と、コンバータ排気加熱要素とを用いた、別の動力システムの実施例の概略ブロック図である。
図５は、本発明の一連の電気化学コンバータを封入した圧力容器の、一部を切り欠いた平面図である。
図６は、本発明の電気化学コンバータの基本セル単位の斜視図である。
図７は、本発明の電気化学コンバータの基本セル単位の変更例の斜視図である。
図８は、図６のセル単位の断面図である。
図９は、本発明に基づく電気化学コンバータを用いた多軸ガスタービン動力システムの概略図である。
図１０は、本発明による動力システムの結合式動力システム効率を図で示したものである。
図示された実施例の説明
図１は本発明に基づくガスタービン動力システムを示す。図示されたインラインの、空気誘導式ガスタービン動力システム７０は電気化学コンバータ７２及びガスタービンアセンブリを含む。ガスタービンは、コンプレッサ７６、タービン８０、及び発電機８４を含む。空気源７３から取り込まれた空気は、適した導管を経てコンプレッサ７６へ導かれ、そこで圧縮かつ加熱された後排出されて電気化学コンバータ７２内に導かれる。燃料７４は予熱器６８に導かれて、そこでコンバータ運転温度よりも低い、選択された高温に予熱される。加熱された空気及び燃料は投入反応体として働き、電気化学コンバータ７２を駆動する。
コンバータ７２はコンプレッサ７６が導入した圧縮空気と燃料７４とを加熱して高温の排気を生じる。この排気はガスタービン８０に導かれ、ここでこの熱エネルギーは回転エネルギーへと変換された後に発電機８４へ送り込まれる。具体的には、タービンは高温の排気を（タービン軸を介して）回転運動へと変換するのであり、この回転運動が、発電のための仕事をする。発電機８４は商用及び住居用に用いられる電力を生じる。ガスタービンの燃焼器として電気化学コンバータを用いることの利点の一つは、コンバータが更なる発電機として機能することである。図示の電気接続線８８Ａ及び８８Ｂから、発電機８４とコンバータ７２の両方から電気が得られることが分かる。ガスタービンの構成要素及び発電機は公知の技術であり、市販されている。当業者であれば、特に本説明及び図面を参照すれば、ガスタービンの構成要素の作用、並びに電気化学コンバータとガスタービンの一体化を容易に理解できるであろう。例えば、当業者であれば、コンバータ７２を、本発明のガスタービンの燃焼器を完全に又は部分的に代替して用いることができることが理解されよう。
図２は、電気化学コンバータ７２‘がガスタービンから別の軸上（オフライン上）に接続されている動力システム９０を示す。空気源７３’から取り込まれた空気はコンプレッサ７６‘によって圧縮され、排出された後は別の軸上のコンバータ７２’に導入される。燃料源７４‘から取り込まれた燃料はコンバータに導入され、この空気及び燃料はそれによって消費される。コンバータは燃料を熱解離させて成分となる非複合反応化学種、典型的にはＨ2及びＣＯにし、高温の排気を生じる。この排気は、発電機８４’に接続されたガスタービン８０’に導かれる。図示の発電機８４‘及びコンバータ７２’を使って図示の推進モータ８６に動力を提供することができる。システム９０は更に、コンバータ７２へ導入する前の反応体を予熱するために、図１の予熱器と同様な予熱器を用いることができる。
図３は、電気化学コンバータ７２“、熱回収蒸気発生器１０８（ＨＲＳＧ）、及び蒸気タービン１１２を図示のように接続して用いた動力システム９５を示す。蒸気発生器１０８は投入された反応体、例えば空気及び燃料を、コンバータ７２‘の運転温度よりも低い、選択された所望の高温まで予熱することで予熱器として働く。コンバータは投入された反応体を使って廃熱及び熱せられた排気９１を生じる。この排気９１を何らかの適した手段、例えば流体導管によって蒸気発生器１０８に運ぶこともできる。熱せられた排気は、蒸気タービン１１２用に蒸気を発生するために蒸気タービンに典型的に伴う作動媒体、例えば水などを付随的に加熱する一方、再生熱交換によって反応体７３、７４が予熱されるのを助ける。変更例においては、蒸気発生器１０８は、多くの場合炭化水素及び改質物質を非錯体の反応体化学種へ改質することを含む、熱解離による燃料の改質を行なう改質装置を内部に含む。
図４は、電気化学コンバータ、ガスタービン、及び蒸気タービンを用いた変更例の動力システム１００を示す。図示の動力システム１００は第二燃焼器１０４、蒸気発生器１０８‘、及び蒸気タービン１１２’を含む。燃料源７４からの燃料及び一般的には流体溜め（図示せず）によって供給される改質のための水１０２は、電気化学コンバータ７２“に導かれる。水１０２及びコンバータ７２”の生じた廃熱は投入された燃料、例えば化石燃料が、使用できる非複合反応化学種、例えば分子水素や一酸化炭素に改質されるのを助ける。空気源７３から取り込まれた空気はコンプレッサ又はブロワ７６”を経てコンバータ７２“に導かれ、投入燃料と結合してコンバータ７２”に動力を提供するのが好ましい。コンバータ７２“は、典型的にはおよそ摂氏１０００度という高温の排気を生じるが、この排気は、ガスタービン８０”の吸気口の所定の温度要件を満たすよう、選択された高温、例えば摂氏１３００度まで第二燃焼器１０４によって更に加熱される。ガスタービンの生じる排気８１は、続くボトミング蒸気タービン１１２での使用のために熱回収蒸気発生器１０８へ送られる。蒸気タービンの出力口は電気を発生させる発電機８４“に接続されている。電気接続線８８Ａ‘及び８８Ｂ’によって電気化学コンバータ７２”及び発電機８４“の両方から電力が直接得られることが分かる。
図１乃至４に示された動力システムのもたらす利点は、効率の高い小型電気化学コンバータをボトミングプラントの構成成分と直接一体化したことで、電力を効率の高いシステムから得られることである。電気化学コンバータをガスタービンと図１乃至４に示した方法で一体化したことで、約７０％という全動力効率を有するガスタービン動力システムが生まれる。このシステム効率は、従来のガスタービンシステム及び従来の電気化学システム単体で得られた効率に比べて著しく増加したものである。図示のガスタービンシステムは電気化学コンバータが組み込まれたことで高い熱エネルギーと電力を提供できる上に、電気化学コンバータの長所をも利用することができる。例えば、コンバータをＮＯｘの低い熱源で運転するので、従来のガスタービンによる発電プラントに比べて環境面でより優れたものとすることができる。
電気化学コンバータ及びガスタービンシステム結合体の高いシステム効率が、図１０にグラフで描かれている。グラフの縦軸は全システム効率をパーセントで示し、横軸はこのハイブリッドシステムの動力比を示す。動力比は、電気化学コンバータとガスタービンの大きさの合計（ＦＣ＋ＧＴ）をガスタービンの大きさ（ＧＴ）で除した商と定義されている。グラフの線２００は、５０％の効率を有する燃料電池と２５％の効率を有するガスタービンを用いれば、全システム効率が６０％を越えることが出来るのを示している。同様に、グラフの線２１０は、５５％の効率を有する燃料電池と３５％の効率を有するガスタービンを用いれば、全システム効率が６０％を越えることができ、動力比によっては７０％に近づくこともあることを示している。グラフの線２００及び２１０はまた、電気化学コンバータ及びガスタービンの大きさ及び効率を選択することで、全システム効率を最大にすることができることを示している。さらにこのグラフから分かることは、ガスタービンを電気化学コンバータに組み込むとシステム効率がそれに応じて大きく増加することであるが、この結果はこれまで未知であった。例えば、前述のように、電気化学コンバータを用いたガスタービン動力システムは、それを構成するガスタービンと電気化学コンバータの大きさ及び効率いかんでは、６０％を越え７０％に迫る全システム効率を有する。
図９は、電気化学コンバータを多軸ガスタービンシステムに統合化した動力システム３００を概略的に示した図である。図示したガスタービンシステムは従来の燃焼タービンシステムでもよい。図示のハイブリッドシステム３００は、一対のコンプレッサＣ１及びＣ２、一対のタービンＴ１及びＴ２、発電機３０５、中間冷却器３１０、及び少なくとも一つの電気化学コンバータ３２０を含む。一対の軸３２２、３２４がタービンＴ１及びＴ２をそれぞれ機械的コンプレッサＣ１及びＣ２に接続している。
図示されるように、吸気口から入った空気はコンプレッサＣ１にその吸気口から入り、そこで圧縮される。圧縮された空気は次にコンプレッサをその排気口から出て中間冷却器３１０に入り、この中間冷却器３１０は圧縮空気の温度をその空気が中間冷却器を出る前に減じる。中間冷却器３１０はその取水口を通じて流体源（図示せず）から水等の冷却流体を受け取り、吐水口からその水を排出する。
冷却された圧縮空気は次にコンプレッサＣ２に入り、第一電気化学コンバータ３２０に導びかれる前にこのコンプレッサＣ２で再び圧縮される。この空気はコンバータ３２０とコンプレッサＣ２の間を流体通路３２８を通って運ばれる。空気は、コンバータに導かれるとすぐ燃料源（図示せず）から取り込まれた燃料と反応し、電気発生のために電気化学コンバータ３２０によって消費される。
コンバータの排気は流体通路３３０を通ってタービンＴ２に導かれ、このタービンＴ２からの排気は第二コンバータ３２０に導かれる。第二コンバータは電気を発生し、タービンＴ１に導かれる前の排気を再加熱する。タービンＴ１の排気は、次の利用に向けて、流体通路３３２を通じてシステム３００から運び去られることが好ましい。タービンＴ１の回転エネルギーは、動力軸アセンブリ３２２を介して機械的コンプレッサＣ１と発電機３０５との間で分割されることが好ましい。発電機３０５を用いて様々な家庭用及び商業用の電気を発生させることが可能である。図示されたシステム３００は一対の電気化学コンバータ３２０を用いてはいるが、当業者であれば、コンバータは一つのみ用い、他のコンバータを従来の燃焼器に替えてもよいことは理解されるであろう。
上記設計の他の変形例が存在し、かつ当業者の認識する範囲内にあると思われる。例えば、一連のガスタービンアセンブリを用いてもよく、いかなる数のコンプレッサ、燃焼器、及びタービンを用いてもよい。本発明は更に、単一軸ガスタービン、複軸ガスタービン、再生ガスタービン、中間冷却ガスタービン、及び再熱ガスタービンを含むほとんどの種類のガスタービンに電気化学コンバータを統合化することを包含するよう意図されている。本発明のもっとも広い態様においては、本発明は電気化学コンバータ及び従来のガスタービンを組み合わせたハイブリッド動力システムを包含する。発明の好適な実施例の一つでは、コンバータは、ガスタービン動力システムの少なくとも一つの燃焼器に完全に又は部分的に替えられている。
電気化学コンバータ７２が高圧容器１２０内に収容されていれば、電気化学コンバータのガスタービンへの一体化を直接行なうことの助けとなる。コンバータ収容の好適な方法が図５に示されているが、この図では、再生熱の封包物としても働く圧力容器１２０が、後に詳述する一連の積層燃料電池アセンブリ１２２を収容している。圧力容器１２０は排気吐出用マニホルド１２４、電気コネクタ１２６及び投入反応体マニホルド１２８及び１３０を含む。好適な実施例では、酸化剤反応体は中央に位置したマニホルド１３０を通って常駐燃料電池アセンブリに導かれ、そして燃料反応体は容器１２０周辺に位置した燃料マニホルド１２８を通って導かれる。
上述のように、電気化学コンバータは温度を上げた状態、かつ周囲圧力で又は昇圧した状態で運転することが可能である。電気化学コンバータは、ここに参考として編入された米国特許第４，８５３，１００号に示されかつ述べられた種類と同様に、交互組合せ型熱交換器を含むことのできる燃料電池システムであることが好ましい。
燃料電池は典型的には、水又は一酸化炭素分子などの、選択された燃料化学種の化学的ポテンシャルを利用することで燃料を解離して、電力と共に酸化した分子を生じる。分子水素又は一酸化炭素分子を供給するコストは従来の化石燃料を供給するのに比較して高くつくため、燃料処理又は改質手段を用いて、石炭や天然ガス等の化石燃料を水素及び一酸化炭素を多く含む反応ガス混合物に交換することもできる。つまり、専用の又は燃料電池内に配置した燃料処理器を用いて、蒸気、酸素、又は二酸化炭素を（吸熱反応により）利用して化石燃料を非錯体の反応ガスに改質する。
図６乃至８は、従来のガスタービンの一体化に特に適した電気化学コンバータ７２の基本セル単位１０を示す。セル単位１０は電解質プレート２０及び連係プレート３０を含む。一実施例では、電解質プレート２０を、安定化ジルコニア材料ＺｒＯ2（Ｙ2Ｏ3）などのセラミックから製作可能であり、このプレート２０上に多孔質の酸化剤電極材料２０Ａ及び多孔質の燃料電極材料２０Ｂが配置されている。酸化剤電極材料としては、例えばＬａＭｎＯ3（Ｓｒ）のような灰チタン材料がある。燃料電極材料としては、例えばＺｒＯ2／ＮｉやＺｒＯ2／ＮｉＯのようなサーメットがある。
連係プレート３０は導電性及び熱伝導性の連結材料から構成されることが好ましい。このような材料の例としては、ニッケル合金、プラチナ合金、好ましくは米国Ｉｎｃｏ社製のＩｎｃｏｎｅｌのような炭化珪素Ｌａ（Ｍｎ）ＣｒＯ3の非金属合金がある。連係プレート３０は、隣接した電解質プレート間の電気コネクタとしても作用し、また燃料と酸化剤反応体の仕切りとしても作用する。図８にもっとも明確に示されているように、連係プレート３０は中央開口部３２及び同心の半径方向の外側に向かって間隔をおいて配置された一組の開口部３４を備える。さらに、外側の三番目の開口部３６が一組、プレート３０の外側円柱部分又は円周部に沿って配置されている。
また、連係プレート３０は型押された表面３８を備える。図８に示したように、型押された表面には、一連のディンプル４０が設けられているのが好ましい。このディンプル４０は一連の連結した反応体流動通路を構成する。連係プレート３０はその両面にディンプル加工されていることが好ましい。中間及び外側の組の開口部３４及び３６はそれぞれ、選択された数の開口部として描かれているが、当業者であればシステムと反応体流動の必要条件に応じていかなる数量の開口部又は配分パターンをも採用できることが分かるであろう。
同様に、電解質プレート２０には、連係プレート３０の開口部３２、３４及び３６をそれぞれ補足する位置に中央開口部２２、及び一組の中間及び外側開口部２４及び２６が設けられている。
図７を参照すると、スペーサプレート５０を電解質プレート２０と連係プレート３０の間に挿入してもよい。スペーサプレート５０は、連係プレート３０と同様に、一連の連結した反応体流動通路を構成する波形表面５２を備えるのが好ましい。スペーサプレート５０の連結及び電解質プレートの開口部を補足する位置には、図示のように、同心の開口部５４、５６及び５８が複数設けられている。更に、この構成では、連係プレート３０には反応体流動通路が設けられていない。スペーサプレート５０は、ニッケルなどの導電性物質からなることが好ましい。
図示の電解質プレート２０、連係プレート３０、及びスペーサプレート５０はいかなる所望の幾何学的形状としてもよい。更に、図示のマニホルドを有するプレートは反復的又は非反復的パターンで外側に延出させてもよく、そのため点線で示してある。
図８を参照すると、電解質プレート２０と連係プレート３０がそれぞれ開口部を一列に並べて交互に積層されると、これらの開口部は（積層にたいして）軸方向のマニホルドを形成し、このマニホルドはセル単位に投入反応体を供給し、使用済み燃料を排出する。特に、一列に並んだ中央開口部２２、３２、２２‘は投入酸化剤マニホルド１７を構成し、そして一列に並んだ同心の開口部２４、３４、２４’は投入燃料マニホルド１８を構成し、そして一列に並んだ外側開口部２６、３６、２６‘は使用済み燃料マニホルド１９を構成する。
連係プレート３０のディンプル加工表面３８は、図８の断面図に示すように両表面がおおむね波形に加工されている。この波形加工は投入反応体を連係プレートの外周部に移動させる反応体流体通路を構成する。連係プレートはまた、各軸方向のマニホルド内及び連係プレートの外周に延びた加熱表面又はリップ構造を有する。具体的には、連係プレート３０はその外周端部に沿って形成された、平らで環状に延びる表面３１Ａを備えている。好適な実施例では、図示の加熱表面３１Ａは電解質プレート２０の外周端部を越えて延出している。連係プレートは更に、軸方向マニホルド内に延びる延長加熱表面を備えている。例えば、端部３１Ｂは軸方向マニホルド１９内に延出しかつ収容されており、端部３１Ｃは軸方向マニホルド１８内に延出しかつ収容されており、端部３１Ｄは軸方向マニホルド１７内に延出しかつ収容されている。この延長加熱表面は連係プレートに一体化することも可能であるし、接続したり取り付けたりすることもできる。加熱表面は連係プレートと同じ材料で形成する必要はなく、電気化学コンバータの運転温度に耐えうる熱伝導材料であればいかなる材料から構成してもよい。変更例では、延長加熱表面をスペーサプレートに一体形成したり接続したりすることも可能である。
連係プレート外周部には畝等の高さのある構造物が無いので、外部環境と連通する排出ポートがここに構成される。投入反応体マニホルドは反応体流動通路を介して外周部と流体的に連通しており、反応体を外部環境、又は図５に示すように電気化学コンバータの周囲に配置された熱容器又は圧力容器に排出するのを可能としている。
再度図８を参照すると、図示の封止材６０を連係プレート３０のマニホルド接合部分に塗布して、特定の投入反応体を選択的に、連係プレート表面、更に電解質プレート２０との合わせ面を通過させることができるようにすることができる。連係プレート底部３０Ｂは電解質プレート２０の燃料電極コーティング２０Ｂに接触している。この構成では封止材が燃料反応体のみを反応体流動通路に流入させ、燃料電極に接触させるのが好ましい。
図示するように、封止材６０Ａは、投入酸化剤マニホルド１７の周囲に配置され、酸化剤マニホルド１７の効果的な反応体流入バリアとなっている。この封止材によって、電解質プレート２０の燃料電極面２０Ｂに接触する燃料反応体を保全し、また使用済み燃料マニホルド１９から排出される使用済み燃料を保全する。
連係プレート３０の上面３０Ａは、燃料投入マニホルド１８及び使用済み燃料マニホルド１９の周囲に配置された封止材６０Ｂを備えている。連係プレート３０の上面３０Ａは、対向する電解質２０‘の酸化剤コーティング２０Ｂ’に接触している。このため、投入酸化剤マニホルド１７の接合部には封止材がなく、それにより酸化剤反応体が反応体流動通路に流入できる。燃料マニホルド１８を完全に囲んでいる封止材６０Ｂは、燃料反応体の過剰な漏れが反応体流動通路に流入するのを防いでおり、それによって酸化剤反応体と燃料反応体の混合を防ぐ。同様に、使用済み燃料マニホルド１９を完全に囲んでいる封止材６０Ｃは、使用済み酸化剤反応体が使用済み燃料マニホルド１９に流れ込むのを防ぐ。従って、マニホルド１９を通過する使用済み燃料の純度が維持される。
再度図８を参照すると、酸化剤反応体を、電解質及び連係プレートのそれぞれ開口部２２、３２、及び２２‘により構成される軸方向マニホルド１７を介して電気化学コンバータに導入できる。酸化剤は、連係プレート３０Ａの上面に分配され、また反応体流動通路を介して酸化剤電極表面２０Ａ’上に分配される。その後、使用済み酸化剤は外側へ半径方向に外周端部３１Ａまで流動し、最終的にはコンバータ要素の外周部から排出される。封止材６０Ｃは、酸化剤が使用済み燃料マニホルド１９に流入するのを防ぐ。軸方向マニホルドを経る酸化剤の流動通路は黒い実線の矢印２６Ａで、酸化剤セル単位を経る通路は黒い実線の矢印２６Ｂで示されている。
燃料反応体は、一列に並んだプレートの開口部２４、３４、及び２４‘の構成する燃料マニホルド１８を介して電気化学コンバータ１０内へ導入される。この燃料は反応体流動通路に導入され、連係プレートの底部３０Ｂ及び電解質プレート２０の燃料電極コーティング２０Ｂ上に分配される。それと共に、封止材６０Ａは投入酸化剤反応体が反応体流動通路に進入するのを防ぎ、よってこの投入酸化剤反応体が使用済み燃料と反応体との混合物に混ざるのを防ぐ。使用済み燃料マニホルド１９の箇所に封止材が配備していないことにより、使用済み燃料がこのマニホルド１９に流入できる。燃料は次に連係プレート３０の環状端部３１Ａから排出される。この燃料反応体の流動通路は、黒い実線の矢印２６Ｃで示してある。
連結表面のディンプル４０は頂部４０Ａがあり、この頂部４０Ａは組み立てにより電解質プレートと接触し、これらの間に電気的接続が確立される。
様々な種類の導電物質を、本発明の薄型の電気連係プレートとして使用できる。こうした物質は次の要件を満たす必要がある。その要件とは（１）高い導電性及び熱伝導性だけでなく高強度、（２）使用温度に至るまで良好な耐酸化性、（３）投入反応体との化学的適合性及び安定性、（４）反応体流動通路のようにプレート構成を型押しする場合の製造コスト、である。
連係プレート製造に適した材料はニッケル合金、ニッケルクロム合金、ニッケルクロム鉄合金、鉄クロムアルミ合金、プラチナ合金、これらの合金とジルコニアやアルミナのような耐火材のサーメット、炭化珪素及びモリブデン二珪化物を含む。
連係プレートの上面及び底面の型押しパターン加工は、例えば合金シートを対になった雄型、雌型のダイを少なくとも一組使って型押ししてできる。ダイは連係プレートの所望の型押しパターンに合うように製造してあるのが好ましく、高い作業温度、繰り返しの圧縮動作、更に大量生産に耐えられるように熱処理によって硬度を高めておくこともできる。連係プレートの型押しパターン加工は、気体通路ネットワーク、例えばディンプル加工連係プレート表面などの幾何学的複雑さのため、複数の工程で実行するのが好ましい。連係プレートに設けられたマニホルドは最終工程で打ち抜くのが好ましい。焼なましは、シート材料の最大応力負荷を防ぐため、これらの連続的な工程の間に行なうのが好ましい。この型押し方法によれば、材質の厚さを均等に保つ一方、幾何学的に多様かつ複雑なプレートを製造できる。
もしくは、波形連係プレートは、適切なマスクを使ってもともとは平坦な金属プレートの上に電着によって製作できる。炭化珪素連係プレートは、あらかじめ一定の型に加工した基板に真空めっき、結合粉末の焼結、また材料の自己粘着により製作できる。
酸化剤及び燃料反応体は、電気化学コンバータ内に進入させる前に適した温度まであらかじめ熱しておくことが好ましい。この予熱は、再生式熱交換器又は放射熱交換器など、コンバータに加えられる熱応力の量が減じられるのに充分な温度まで反応体を加熱するのに適した加熱構造物であればいかなるもので行なってもよい。
本発明の大きな特徴は、図１乃至４及び９乃至１０に示したハイブリッド動力システムが、予想外に、従来知られている効率を越えるシステム効率で運転することである。本発明のもう一つ別の大きな特徴は、延長加熱表面３１Ｄ及び３１Ｃが酸化剤マニホルド及び燃料マニホルド１７及び１８内に保持された反応体をコンバータの運転温度まで加熱することである。具体的には、酸化剤マニホルド１７内に延びた延長表面３１Ｄが酸化剤反応体を加熱し、燃料マニホルド１８内に延びた延長表面３１Ｃが燃料反応体を加熱する。熱伝導性の高い連係プレート３０においては投入反応体の加熱が容易となっているが、これは、燃料電池の内表面、つまり伝導性連係プレートの中央域から延長表面又はリップ部分まで熱を伝導的に移送することで、反応体流動通路を移動する前の投入反応体を運転温度まで加熱することによる。延長表面はこのように熱フィンとして働く。この反応体加熱構造により、発電動力システムと統合化できる小型のコンバータ、そして比較的低コストの高効率システムを得ることができる。これらの原則に基づいて構成された燃料電池構成要素を組み込んだ、そしてガスタービンと組み合わせて使用される電気化学コンバータにより、システムの形態が比較的シンプルとなった動力システムを得ることができる。
電気化学コンバータの運転温度は、およそ摂氏２０度から摂氏１５００度の間であることが好ましく、本発明で用いられる燃料電池の種類は、固体酸化物燃料電池、溶融カーボネート燃料電池、アルカリ燃料電池、リン酸燃料電池、及び陽子メンブレーン燃料電池が好ましい。
変更例としては、電解質及び連係プレートをほぼ管状形状としてもよく、また酸化剤電極材料を一方の面に、燃料電極材料を対向面に配置することもできる。両プレートはこの場合、同様の方法で互いに積層できる。
よって、本発明は従来技術への多くの改良点が含まれていることが分かる。上記の構成にたいして幾つかの変更例が本発明の範囲を逸脱することなく可能であるから、この説明に含まれ、また添付の図面に示された全ては、実例として解釈されるべきであり、限定的な意味で解釈されるべきではない。
更に、以下の特許請求の範囲は、ここに説明された本発明の全ての一般的、具体的特徴を網羅するものであり、また本発明の範囲に関する言明をも網羅する。例えば、本発明の端部を延長した連係プレートを利用した電気化学コンバータは、溶融カーボネート、リン酸、アルカリ及び陽子交換メンブレーン電気化学コンバータや同様のコンバータであってもよい。

Claims (23)

1. 積層コンバータプレート要素であって、
   一方の面に酸化剤電極材料及び対向する面に燃料電極材料を有する複数の電解質プレートと、
   前記電解質プレートと電気的接触を行なうための複数の連係プレートであって、前記連係プレート及び前記電解質プレートを交互に積層することでアセンブリされている、複数の連係プレートと、を含む積層コンバータプレート要素と、
   前記積層コンバータプレート要素と軸方向で連結され、かつ反応体を受け取るように構成された少なくとも一つのマニホルドと、
   前記マニホルド内に配置され、前記マニホルド内を通過する際に、前記反応体のうち一方の少なくとも一部分を前記コンバータアセンブリの選択された運転温度まで加熱する反応体加熱手段であって、前記マニホルド内に延びた、熱伝導性を有し、かつ一体的に形成された一つの連係プレートの延長表面を含む反応体加熱手段と、
   を含む電気化学コンバータアセンブリ。
2. 前記連係プレートが熱伝導性の高いコネクタプレートを含む、請求項１に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
3. 前記コンバータアセンブリが、前記反応体を前記運転温度まで加熱する廃熱を発生し、前記廃熱は前記連係プレート及び前記延長表面によって前記反応体に伝導的に移送される、請求項１に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
4. 前記積層コンバータプレート要素が、前記電解質プレートと前記連係プレートとの間に配置された複数のスペーサプレートをさらに含む、請求項１に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
5. 前記内部反応体加熱手段が、前記複数の軸方向マニホルド内に延びた、熱伝導性を有し、かつ一体的に形成された前記スペーサプレートの延長表面を含む、請求項４に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
6. 前記コンバータアセンブリに導入する前に前記反応体を予熱する予熱手段をさらに含む請求項１に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
7. 前記予熱手段が、前記コンバータの生じた廃熱によって前記反応体を予熱する外部再生式熱交換器又は放射熱交換器を含む、請求項６に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
8. 複数のマニホルドが前記積層コンバータ要素内に形成され、前記反応体加熱手段が前記軸方向マニホルド内に延びた、熱伝導性を有し、かつ一体的に形成された前記連係プレートの延長表面を含む、請求項１に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
9. 前記電気化学コンバータアセンブリが固体酸化物燃料電池である、請求項１に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
10. 前記電気化学コンバータアセンブリに連結したガスタービンを更に含む、請求項１に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
11. 前記ガスタービンが回転タービン構造物に接続されたコンプレッサを更に含む、請求項１０に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
12. 前記電気化学コンバータアセンブリが前記コンプレッサと前記回転タービン構造物の間に直列的に設けられている請求項１１に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
13. 前記コンプレッサが前記反応体の少なくとも一方を予熱するよう構成された請求項１１に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
14. 前記電気化学コンバータアセンブリが、燃料及び酸化物反応体を含んだ単体の結合排気を生じ、前記単一排気が前記回転タービン構造物に直接接続されている請求項１１に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
15. 前記電気化学コンバータアセンブリが排気を発生し、また前記システムが、前記電気化学コンバータアセンブリと前記回転タービン構造物の間に配備されたコンバータ排気加熱手段であって、前記ガスタービン構造物に導入する前に前記電気化学コンバータアセンブリの前記排気を選択された高温まで加熱するコンバータ排気加熱手段をさらに含む請求項１１に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
16. 前記コンバータ排気加熱手段が天然ガス燃焼器を含む請求項１５に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
17. 前記ガスタービンと連結し、前記ガスタービンの排気を受け取るよう構成された蒸気発生器であって、前記ガスタービンの前記排気を作動媒体に対流結合させる蒸気発生器と、
    前記蒸気発生器と連結し、電気を発生するよう構成された蒸気タービンとをさらに含む請求項１１に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
18. 前記電気化学コンバータアセンブリの周囲に圧力容器を形成する再生熱封止手段をさらに含む請求項１に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
19. 前記電気化学コンバータアセンブリに連結され、電気を発生できるように構成された蒸気タービンをさらに含む請求項１に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
20. 前記蒸気タービンに連結した蒸気発生器をさらに含む請求項１９に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
21. 前記電気化学コンバータアセンブリが高温で運転するよう構成され、さらに前記電気化学コンバータアセンブリが、前記電気化学コンバータアセンブリと前記蒸気発生器との間で放射的に熱交換を行なう熱交換手段を含む、請求項２０に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
22. 前記電気化学コンバータアセンブリが排気を発生し、前記蒸気発生器が作動媒体を含み、さらに前記電気化学コンバータアセンブリの前記排気が前記作動媒体を前記熱交換手段を通して放射的に加熱する、請求項２１に記載の電気化学コンバータアセンブリ。
23. 前記電気化学コンバータアセンブリと流体連通し、かつ前記電気化学コンバータアセンブリの排気を受け取ると共に電気を発生するよう構成されたガスタービンをさらに含み、前記ガスタービンが、前記蒸気発生器と流体連通しており、続く前記蒸気発生器への移送のために選択された高温を有する排気を生じる、請求項２０に記載の電気化学コンバータアセンブリ。

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