JP3751881B2 - 高効率燃料電池システム - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の背景）
本発明は燃料電池システムに関し、詳細には、高効率の燃料電池システムに関する。
【０００２】
近年、燃料電池をタービン発電機と組み合わせることによって高効率のシステムを開発することが燃料電池システムの設計者によって試みられている。このいわゆるハイブリッド・システムでは一般に、通常はタービン発電機の燃焼器によって占められている位置に燃料電池を位置付ける。タービン発電機の圧縮セクションによって空気を圧縮し、加熱し、次いで燃料電池の陰極（カソード：ｃａｔｈｏｄｅ）セクションに送る。燃料電池の陽極(アノード：ａｎｏｄｅ)セクションには加圧した燃料を供給する。
【０００３】
この構成では、燃料電池とタービン発電機の両方が電気を生み出す。具体的には、加圧下で動作する燃料電池が、加圧された燃料および酸化剤ガスを電気化学的に変換して、電気および加圧された燃焼排ガスを生み出す。この燃焼排ガスは次いで、タービン発電機の膨張セクションで膨張して、電気をさらに生み出す。
【０００４】
上記のハイブリッド・システムは効率を高める一方で、いくつかの欠点を有する。欠点の１つは、燃料電池が加圧下で動作することである。高温燃料電池ではこれによって、発電所ハードウェアのコストが大幅に増大する。これによってさらに、燃料電池中での内部改質の使用が妨げられる。これによってさらに発電所のコストが増大し、効率が低下する。最後に、燃料電池を潜在的に有害な圧力差にさらす。
【０００５】
他の欠点は、タービン発電機が、燃料電池の圧力限界内で動作しなければならないことである。この圧力範囲が、タービンの最も効率的な圧力比をもたらすとは限らない。他の欠点は、燃料電池はタービン発電機なしでは動作せず、タービン発電機は燃料電池なしでは動作しないことである。燃料電池とタービン発電機のこのような相互依存はシステムの信頼性を低下させる。
【０００６】
燃料を周囲温度で供給する、内部改質または直接の燃料電池の使用が可能な別のハイブリッド・システムが提案されている。このシステムでは、燃料からの廃熱が、燃焼型タービン発電機の（ブレイトン）サイクルに伝達される。
【０００７】
具体的には、燃料電池の陽極セクションからの陽極排気ガス、およびタービン発電機の膨張セクションによって生み出された低圧酸化剤ガスの一部分（５０パーセント）が、バーナの中で燃やされる。バーナからの出力酸化剤ガスは高温（２，０００°Ｆ）であり、高温で動作するように適合された熱交換器に通される。次いで、熱交換器からの冷却されたより低温の中間温度（１，２５０°Ｆ）のガスが送風機によって運ばれ、タービン発電機の膨張セクションによって生み出された酸化剤ガスの残りの部分（５０パーセント）と結合される。結合された低圧（１５ｐｓｉａ）のガスが次いで、燃料電池の陰極セクションに入力される。
【０００８】
上述のシステムでは、タービンの圧縮セクションが空気を圧縮して高圧（３６０ｐｓｉａ）とし、次いで、結果として生じる加圧ガスが高温熱交換器に供給され、高温に加熱される。加熱された圧縮空気ストリームは、小部の燃料ガス（５パーセント）とともに別のバーナで燃やされ、このバーナの出力（２，０００°Ｆ）がガス・タービンの膨張セクションに送られる。その結果、減圧され、しかし依然として加圧されたより低温（７２０°Ｆ）の出力酸化剤ガスが得られ、このガスが、先に述べたように、燃料電池の陰極セクション用の酸化剤ガスを生み出すのに使用される。
【０００９】
さらに上記のシステムでは、燃料電池の陰極セクションからの排気ガスが熱回収水蒸気発生器に送られる。この水蒸気発生器は、このガス・ストリームから熱を回収して水蒸気タービンに送る水蒸気を生み出す。
【００１０】
上述のシステムは、まだ完全には開発されていない超高温熱交換器の使用を必要とすることを理解されたい。これが、システムの複雑さ、すなわち送風機、再循環ストリームおよび２つのタービンの使用と相まって、商業的に実現可能なハイブリッド・システムとしてのシステムの魅力を減じている。
【００１１】
したがって本発明の目的は、従来技術のシステムの欠点を回避する、前述のハイブリッド型の燃料電池システムを提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、従来技術のシステムよりも単純で、かつ効率的なハイブリッド型の燃料電池システムを提供することにある。
【００１３】
本発明の他の目的は、前述の目的を実現し、高温燃料電池の使用を可能にするハイブリッド型の燃料電池システムを提供することにある。
【００１４】
（発明の概要）
本発明の原理によれば、上記の目的およびその他の目的は、陽極（アノード：ａｎｏｄｅ）および陰極（カソード：ｃａｔｈｏｄｅ）セクションを有する高温燃料電池(ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ)ならびに圧縮および膨張サイクルを有する熱機関を使用した燃料電池システムにおいて実現される。具体的に説明すると、本発明によれば、熱回収ユニットが、燃料および水を燃料供給源および給水源からそれぞれに受け取り、さらに燃料電池の陰極セクションから陰極排気ガスを受け取る。熱回収ユニットからの出力ストリームは加熱された燃料を含み、燃料電池の陽極セクションの燃料供給源の働きをする。
【００１５】
熱回収ユニットは、空気を受け取った熱機関の圧縮サイクルから供給された加圧された酸化剤（ｏｘｉｄａｎｔ）ガスの熱交換器の役割も果たす。加熱された加圧酸化剤ガスは別の熱交換器に通され、そこでさらに加熱され、その後このガスに、熱機関の膨張サイクルが作用する。このサイクルでは、ガスが膨張して低圧となり、オキシダイザに供給される。オキシダイザはさらに、燃料電池の陽極セクションからの排気ガスを受け取る。
【００１６】
オキシダイザの出力ガスは熱交換器に通され、熱機関の圧縮サイクルからこの熱交換機に送られた加圧ガスに熱を与える。冷却されたガスは次いで、燃料電池の陰極セクションに陰極供給ガスとして供給される。
【００１７】
この構成のハイブリッド・システムによってシステムの複雑さは大幅に低減する。同時に、従来の装置を使用できる温度で熱交換操作を実行することができる。さらに、燃料ガスの加圧が必要なく、酸化剤ガスは、熱機関が供給する加圧のみで供給される。このシステムのこれらの利点およびその他の利点を以下でより詳細に論じる。
【００１８】
本発明の上記の特徴およびその他の特徴ならびに本発明の態様は、添付の図面に関連した以下の詳細な説明を読むといっそう明らかとなろう。
【００１９】
（詳細な説明）
図１に、本発明の原理に基づくハイブリッド(ｈｙｂｒｉｄ)燃料電池システム１を示す。システム１は、陽極セクション２Ａおよび陰極セクション２Ｂを有する高温燃料電池２を含む。図示のとおり、高温燃料電池２は、内部改質(ｉｎｔｅｒｎａｌｌｙ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ)または直接(ｄｉｒｅｃｔ)の炭酸塩(ｃａｒｂｏｎａｔｅ)燃料電池である。ただし、外部改質(ｅｘｔｅｒｎａｌｌｙ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ)の炭酸塩燃料電池も使用することができる。さらに、例えば内部改質または外部改質の固体酸化物（ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ）燃料電池など、他のタイプの高温燃料電池も使用することができる。
【００２０】
ハイブリッド・システム１はさらに、ガス圧縮サイクルを実行するための圧縮セクション３Ａおよびガス膨張サイクルを実行するためのガス減圧または膨張セクション３Ｂを有する、例示的にタービン発電機として図示された熱機関３を含む。代表的な熱機関は例えば、圧縮ガスの排除または膨張セクションへのガスの再導入が可能な適当な大きさのガス・タービンである。スターリング（Ｓｔｅｒｌｉｎｇ）サイクル・エンジンなどの他の熱機関も使用することができる。
【００２１】
熱回収ユニット４は、燃料供給源および給水源（図示せず）から燃料および水を受け取る。燃料は周囲の圧力に近い圧力で送達される。熱回収ユニット４へはさらに、燃料電池２の陰極セクション２Ｂから加熱された（約１１５０から１２００°Ｆ）排気ガスが送達される。このガスは、消費されなかった酸化剤ガスならびに燃焼生成物（すなわち二酸化炭素と水）を含む。
【００２２】
熱回収ユニット４で、水は、水蒸気が発生する温度まで加熱され、燃料は、燃料電池の陽極セクションへの入力に適した温度（９００〜１０００°Ｆ）に加熱される。水蒸気および加熱された燃料は次いで、燃料電池陽極セクション２Ａに対する入力ストリームとして供給される。燃料電池のこのセクションでは、燃料と水蒸気が内部的に改質されて燃料電池２用の水素ガスが生み出される。
【００２３】
熱回収ユニット４は、燃料電池の陰極セクション２Ｂに供給する酸化剤の熱交換器の役割も果たす。熱機関３の圧縮セクション３Ａに導入された空気は（２５０ｐｓｉａまで）加圧され、熱回収ユニット４に通され、加熱される（１０００から１１００°Ｆ）。加熱された空気は次いで別の熱交換器６に運ばれ、さらに加熱される（１５００から１６００°Ｆ）。加熱された加圧酸化剤は次いで熱機関３の膨張セクション３Ｂに通され、そこで膨張して低圧（約１５．５ｐｓｉａ）となる。
【００２４】
膨張したガスは次いでオキシダイザ（ｏｘｉｄｉｚｅｒ）７に供給される。オキシダイザ７はさらに、燃料電池２の陽極セクション２Ａから排気ガスを受け取る。この排気ガスは、消費されなかった酸化剤および燃焼生成物（すなわち二酸化炭素と水）を含む。オキシダイザからの出力ストリームは、熱交換器６を通すことによって、燃料電池２の陰極セクション２Ｂへ酸化剤ガスとして入力するのに適当な温度まで冷却される（１０００〜１１００°Ｆ）。
【００２５】
ハイブリッド・システム１は、高温燃料電池２を利用したシステムにおいて高い効率を実現するための単純化されたシステムであることを理解されたい。このシステムは、陽極燃料ストリームに対して周囲の圧力に近い圧力および陰極ガス・ストリームに対して比較的に低い圧力を利用する。この低圧は、熱機関３の働きだけによって達成されたものである。さらに、熱交換器の温度は、従来の高温熱交換装置の温度範囲に収まっている。
【００２６】
この熱機関サイクルは非燃焼型であり、燃料電池からの廃熱を使用することによって達成される。これによって最も高い効率が得られる。これは、一次燃料消費が全て、システムのより効率的な構成要素である燃料電池２で生じているためである。さらに先に述べたとおり、陰極および陽極再循環が必要ないので、ガス再循環送風機は使用しない。ガスの供給は、燃料については通常のガス圧で、空気については熱機関の圧縮セクションによって実施される。供給された燃料ガスは、約１５ｐｓｉａ以上に加圧する必要はない。このことは、加圧ガス・ラインから離れて位置する発電所システムにとって有利である。燃料電池ガスを高圧で供給する必要がないので、燃料は、周囲の圧力に近い圧力で送達される広範囲にわたる燃料を含むことができる。代表的な燃料は例えば、配電システムにおけるゴミの埋立てガス、バイオマス・ガスおよび天然ガスである。
【００２７】
追加の水蒸気ボトミング・サイクルを使用しなくても高効率が達成される。このことは、高圧ボイラの必要性および高圧ボイラの不在時操作に関する不安を排除する。
【００２８】
最後に、燃料システム２とタービン発電機３は互いに十分に独立しており、どちらか一方だけでも動作することができる。これによってタービンの圧力比を、燃料圧とは独立に設定することができる。このことがこのハイブリッド・システムを、より適合性および信頼性の高いものとしている。
【００２９】
ハイブリッド・システム１のシステム分析を、ある仮定の商業用製品（すなわちサイズ２０ＭＷのプラント、内部改質の炭酸塩燃料電池および軸方向ガス・タービン）を使用して実施し、このシステムについて見積られた以下の動作特性を得た。
【００３０】
燃料電池：
ＤＣ電力： １７．６２ＭＷ
総ＡＣ電力： １７．２１ＭＷ
正味ＡＣ電力： １７．００ＭＷ
タービン
圧縮機パワー： ５．８４ＭＷ
膨張機出力： ９．３２ＭＷ
正味出力： ３．４８ＭＷ
総プラント出力：２０．４１ＭＷ
全ＬＨＶ効率： ７１．０７％
全ての場合に、以上に説明した配置は、本発明の応用を表す多くの可能な特定の実施形態を単に例示するものであることを理解されたい。本発明の原理に基づいて、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、この他の多数のさまざまな配置を容易に考案することができる。したがって例えば、熱機関３を非燃焼型のタービン発電機として示したが、タービン（または間接燃焼型構成）にバーナを提供して、タービンの独立動作を可能にすることもできる。これを、燃料電池の通常の始動バーナの代わりに使用することができる。この熱機関はまた、燃料電池が一定の電力で動作している間に、蓄積された運動エネルギーを利用することによって負荷追従を行うために使用することができる。これは、燃料電池と熱機関が分離された構成によって可能である。さらに、先に述べたとおり、このシステムでは全てのタイプの高温燃料電池を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の原理に基づくハイブリッド型の燃料電池システムを示す図である。

Claims (7)

1. 陽極セクションおよび陰極セクションを有する高温燃料電池と、
   圧縮セクションおよび膨張セクションを有し、前記圧縮セクションにおいて酸化剤供給ガスを圧縮する熱機関と、
   前記燃料電池の前記陰極セクションからの排気ガスと燃料と水とを受け取って、前記燃料電池の前記陽極セクション用の燃料を供給し、前記圧縮された酸化剤ガスを加熱する熱回収ユニットと、
   前記燃料電池の陰極セクションへ入力される酸化剤ガスとして使われるオキシダイザの出力ガス流を熱交換によって冷却し、該熱交換によって得られる熱を前記圧縮され加熱された酸化剤ガスに追加する熱交換器と、
   前記熱交換器でさらに加熱された後に前記熱機関の前記膨張セクションで膨張されて、膨張された酸化剤ガスを提供すると共に、発電機で電気エネルギーに変換するための機械的エネルギーを生み出す前記圧縮され加熱された酸化剤ガスと、
   前記膨張された酸化剤ガスおよび前記燃料電池の前記陽極セクションからの排気ガスを受け取り、前記出力ガス流を生み出す前記オキシダイザと、
   を有することを特徴とするハイブリッド燃料電池システム。
2. 前記熱機関が、前記酸化剤供給ガスを受け取り圧縮サイクルを実行するための圧縮セクションと、前記圧縮され加熱された、さらに加熱された酸化剤ガスを受け取り膨張サイクルを実行するための膨張セクションとを有するタービン発電機を備えたことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド燃料電池システム。
3. 前記燃料電池が内部改質の燃料電池であることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド燃料電池システム。
4. 前記燃料電池が炭酸塩の燃料電池であることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド燃料電池システム。
5. 前記燃料が大気の圧力に近い圧力で供給されることを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド燃料電池システム。
6. 前記燃料電池が、外部改質の燃料電池および内部改質の燃料電池のうちの１つであることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド燃料電池システム。
7. 前記燃料電池が、炭酸塩の燃料電池および固体酸化物の燃料電池のうちの１つであることを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド燃料電池システム。

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