JP4666910B2

JP4666910B2 - 冷却タービン一体型燃料電池ハイブリッド発電装置

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Publication number: JP4666910B2
Application number: JP2003424272A
Authority: JP
Inventors: ロナルド・エス・バンカー; シェラパ・バラン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: CA2452990A1; AU2003264576A1; KR20040057947A; CN1514507A; US7153599B2; JP2004204849A; US20040121207A1; EP1437785A2; EP1437785A3

Description

本発明は一般に発電装置に関し、特に、一体型燃料電池を含むハイブリッド発電装置に関する。

いくつかのハイブリッド発電システムにおいては、発電装置における発電容量（効率）を増加させるために、燃料電池が従来のガスタービンと一体化されている。例えば、固体酸化物燃料電池などの周知の燃料電池は、改質天然ガスなどの気体燃料を空気と反応させて、電力と、高温ガスとを発生する複数の固体燃料電池を含む。ガスタービン圧縮機は、高い圧力で動作する燃料電池に対して空気を供給し、燃料電池は高温ガスを発生し、ガスはタービン内で膨張する。燃料電池スタックの排出空気は燃料電池スタックの排出燃料と組み合わされ、その結果として生じる放熱は発電装置のガスタービン部分において仕事に変換される。従って、電力は固体酸化物燃料電池発電装置とタービンの双方により発生されることになる。例えば、特許文献１を参照。しかし、周知のこのようなシステムはいくつかの点で不都合である。

例えば、燃料電池スタックは、電気を発生するためにスタック内部で発生する物理的プロセス及び熱力学的プロセスにより課される狭い温度限界の範囲内で動作することを要求される。通常、燃料電池の入口空気流れを許容しうる温度まで上昇させるために、再生式熱交換器が使用される。再生式熱交換器によって発電装置は、用途によっては非常に高価且つ相当に複雑となる。

更に、燃料電池の許容しうる入口温度に達した後、一様な燃料電池スタック温度及び出口温度を維持するのに、燃料電池において化学的に電気を発生させるために要求される量をかなり上回る量の空気を供給することが必要になる場合が多い。燃料電池において一様な温度を維持するためにこのような過剰な空気を供給すると、大きな圧縮損失を招く結果を生じがちである。過剰な空気の供給は発電装置のタービン部分の入口温度を低下させ、システム全体の熱力学的効率が損なわれる。

加えて、固体酸化物燃料電池は、通常、燃料電池の入口へ送られる燃料の全てを変換するわけではない。燃料電池からの出口流れの組成は平衡種と共に主にＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂及びＨ₂Ｏを含む。一部消費された燃料を燃焼させるための手段がない場合、それらの成分の熱含量は浪費されてしまい、そのため、発電装置の熱力学的効率は低下する。更に、燃料電池の燃料が完全に変換されないと、燃焼されなかった炭化水素が大気中に放出されるという望ましくない事態も起こりうる。
米国特許第５，４１３，８７９号

放出を減少させ且つ熱力学的効率を向上させた、より低コストの発電装置を提供することが望ましいであろう。

１つの面においては、ハイブリッド発電装置が提供される。発電装置はタービンと、前記タービンにより駆動される圧縮機と、前記圧縮機と流れ連通し、タービン排気から圧縮空気へ熱を伝達するように構成された復熱装置と、前記復熱装置と流れ連通する少なくとも１つの燃料電池とを具備する。復熱装置は前記燃料電池に新鮮な空気を供給する。

別の面においては、ハイブリッド発電装置が提供される。発電装置は圧縮機と、前記圧縮機を駆動するタービンと、前記圧縮機と流れ連通し、タービン排気から圧縮空気へ熱を伝達する復熱装置とを具備する。空気の供給を受けるために、少なくとも１つの燃料電池スタックが前記復熱装置と流れ連通し、燃料電池スタックは陰極入口及び陰極出口を具備し、前記陰極入口は圧縮空気を受け入れるために前記復熱装置と流れ連通している。送風機は、前記陰極入口に入る前に陰極排気を前記復熱装置からの空気と混合するように構成されている。

別の面においては、ハイブリッド発電装置が提供される。発電装置は圧縮機と、前記圧縮機と流れ連通する復熱装置と、空気の供給を受けるために前記復熱装置と流れ連通する固体酸化物燃料電池スタックとを具備する。燃料電池スタックは陰極入口及び陰極出口を具備し、前記陰極入口は圧縮空気を受け入れるために復熱装置と流れ連通している。陰極出口と陰極入口は陰極再循環流路を介して互いに流れ連通しており、復熱装置は、前記陰極入口に入る前に前記タービンの排気から圧縮空気へ熱を伝達するように構成されている。

別の面においては、ハイブリッド発電装置が提供される。発電装置は、陰極入口及び陰極出口を具備する固体酸化物燃料電池スタックと、前記陰極入口に空気を供給する復熱装置とを具備し、前記陰極出口は陰極再循環流路に沿って前記陰極入口と流れ連通している。ガスタービン部分はタービンと、前記タービンにより駆動される圧縮機と、前記圧縮機からの空気を受け入れる復熱装置とを具備する。復熱装置は前記タービンからの排気により加熱され、前記タービンの冷却剤流路に冷却空気流れを供給する。前記タービンの冷却剤流路は、前記陰極入口に新鮮な空気を供給するために前記陰極入口と流れ連通している。送風機は、前記陰極出口から前記陰極入口へ空気を再循環させるように構成されている。固体酸化物燃料電池スタックは、改質装置と流れ連通する陽極入口を更に具備する。陽極出口は再循環流路に沿って前記改質装置と流れ連通し、前記陽極出口は前記陰極再循環流路の前で前記改質装置と流れ連通している。テールガスバーナは前記陽極出口及び前記改質装置と流れ連通しており、前記テールガスバーナは前記陽極出口からの排出燃料と使用済み空気の混合物を受け入れる。テールガスバーナは前記タービンへ燃焼ガスを排出する。

別の面においては、陽極と、陰極と、それらの間に挿入された電解質とを具備し、前記陰極は陰極入口及び陰極出口を有する燃料電池を具備する発電装置が提供される。復熱装置は前記陰極入口と流れ連通し、圧縮機は前記復熱装置と流れ連通している。復熱装置は、タービン動作流体から前記復熱装置へ熱を伝達するためのタービン動作流体流路、前記復熱装置からタービン冷却流体流路へ延出する戻り空気流路、前記復熱装置からの空気流れの一部を偏向して、前記復熱装置に戻す再循環流路、及び前記復熱装置から前記陰極入口に至る空気供給流路のうちの少なくとも１つと流れ連通している。

別の面においては、発電装置が提供される。発電装置は、陽極と、陰極と、それらの間に挿入された電解質とを具備し、前記陰極は陰極入口及び陰極出口を有する燃料電池を具備する。復熱装置は前記燃料電池と流れ連通し、圧縮機は前記復熱装置と流れ連通している。ガスタービンは、前記圧縮機からの復熱装置バイパス流路、前記復熱装置からの戻し流路、及び陰極入口流路のうちの少なくとも１つと流れ連通する冷却流体流路を具備し、ガスタービンは、前記復熱装置と流れ連通し、前記復熱装置からの熱を伝達する動作流体流路と、仕事を発生するためのテールガスバーナ排気流路と、仕事を発生するための触媒チャンバ排気流路とを更に具備する。

更に別の面においては、ガスタービンと燃料電池を一体化する方法が提供される。燃料電池は陰極入口と、陰極出口と、陽極入口と、陽極出口とを含む。方法は圧縮機及び復熱装置を利用し、タービンは冷却流体流路と、動作流体流路とを含む。方法は前記復熱装置に圧縮空気の流れを導入することと、復熱装置にタービン排気を導入し、それにより、前記圧縮空気を加熱することと、加熱された圧縮空気を前記復熱装置から前記陰極入口に導入することと、陽極入口に燃料流れを導入することと、燃料電池内部で前記空気流れを前記燃料流れと電気化学的に反応させて、陽極出口流れ、陰極出口流れ及び電力を発生することとから成り、前記陽極出口流れ及び前記陰極出口流れは前記陽極入口流れ及び前記陰極入口流れよりそれぞれ高い温度である。

図１は、互いに前後に並んで電気を発生する燃料電池部分及びタービン部分を含む一体型ガスタービン／燃料電池ハイブリッド発電装置１０の一例を概略的に示す。タービン部分は圧縮機１２と、タービン１４と、タービン１４が圧縮機１２を駆動するためのロータ１６と、発電機１８と、復熱装置２０とを含む。燃料電池部分は燃料ポンプ３０と、脱硫装置３２と、燃料電池スタック３４と、燃料電池スタック３４の燃料改質装置３６と、テールガスバーナ３８と、触媒チャンバ４０と、排気送風機４２とを含む。以下に更に詳細に説明するように、発電装置１０の基本構成要素は良く知られているが、システムの性能及び効率を向上させるために発電装置構成要素を所定の戦略に基づいて再循環流路と接続することにより、周知の装置と比較して効率の改善が得られる。以下に説明する通り、発電装置の効率は、システムの燃料電池部分及びタービン部分において空気流れ及び燃料流れからできる限り多くの仕事を取り出すために燃料電池部分から排出される空気流れ及び燃料流れを再循環させ、且つタービン部分で発生された熱を燃料電池部分のために利用することにより改善される。

動作に際して、圧縮機１２は固定ベーン及び回転ブレードの複数の列を含む多段圧縮機であり、圧縮機１２は周囲空気を導入して、圧縮機１２の出口で圧縮空気流れ５０を発生する。圧縮空気流れ５０は流路に沿って、複数の隔離された流路を含む周知の種類の熱交換器である復熱装置２０に向かって誘導される。圧縮空気流れは１つの復熱装置流路から復熱装置２０に入り、タービン排気流れ５２は別の復熱装置流路により復熱装置２０へ送り込まれ、それにより、圧縮空気流れ５０とタービン排気流れ５２が混合されることなく、タービン排気の熱は圧縮機出口からの圧縮空気流れ５０へ伝達される。従って、圧縮空気流れ５０はタービン排気流れ５２により復熱装置２０内部で加熱されることになる。圧縮空気流れ５０をタービン排気流れ５２によって加熱することにより、燃料電池オキシダントの温度を上昇させるための従来の加熱装置及び／又は再生式熱交換器にかかっていた費用は不要になり、また、タービン排気流れ５２は大気中へ排出される前に冷却される。

タービン１４を更に冷却するために、戻し流路２２は復熱装置２０からの空気流れをタービン１４内の冷却剤流路に供給する。当業者には理解されるであろうが、タービン１４は冷却剤を流通させる機能を有する冷却剤流路と、動作流体を流通させる機能を有する動作流体流路とを含む。冷却剤流路と動作流体流路は、それらの流路の流体が混合するのを防止するために互いに隔離されているが、タービン動作流体流路からタービン冷却剤流路へ熱を伝達できるように、双方の流路は互いに熱伝達関係にある。復熱装置戻し流路２２がタービン冷却剤流路と流体連通しているとき、圧縮機１２からの新鮮な空気は戻し流路２２を通って流れ、タービン１４内に冷却空気流れを供給する。タービンの構造要素に対する熱負荷を減少させることで、タービン１４の動作寿命は長くなり、更に、タービンの性能も向上する。使用中にタービン１４に対して最適の冷却を行うために、戻し流路２２を介してタービン１４へ向かう空気流れを調整しても良い。

別の実施例においては、戻し流路２２の空気の一部を偏向させて、復熱装置２０に戻し、そこでタービン排気５２により再び加熱されるように、再循環流路２４（図１には想像線により示す）を設けても良い。更に別の実施例では、圧縮機１２からの低温の空気を復熱装置バイパス流路２６を介してタービン１４の冷却剤流路へ直接に送り出しても良い。更に、発電装置１０のガスタービン部分の最適の動作を実現するようにタービン１４に対する適切な冷却空気流れ及び再循環空気流れを供給するために、本発明の様々に異なる実施例において復熱装置戻し流路２２、再循環流路２４及び復熱装置バイパス流路２６を様々に様々に組み合わせて採用できるであろうと考えられる。

一実施例では、復熱装置２０からの加熱された圧縮空気流れは戻し流路２２を介してタービン１４の冷却剤流路へ流れ、タービン１４からの熱は戻し流路２２の空気を更に加熱して、燃料電池スタック３４の陰極入口５６と流れ連通する加熱圧縮空気流れ５４を供給し、燃料電池スタック３４にオキシダントを供給する。あるいは、別の実施例においては、加熱圧縮空気はタービン１４を通過せずに、復熱装置２０から空気供給流路２８（図１には想像線により示す）を介して直接に陰極入口５６に供給されても良い。また、更に別の実施例においては、流路５４と流路２８の双方から空気が燃料電池スタック３４に供給されることも可能であろうと認識される。更に別の実施例では、タービン１４に冷却剤流れを供給する戻し流路２２の代わりに又はそれに加えてタービン１４の代替冷却流路又は追加冷却流路を形成するために、流路２８及び／又は流路５４からタービン冷却流路まで再循環流路を延出させても良い。

一実施例では、図２に示すような周知の燃料電池に従って、燃料電池スタック３４は複数の配線部７０を含み、各配線部７０は燃料マニホルドを規定している。各配線部７０は、配線部７０を通してオキシダント又は燃料などの反応物質を流すための少なくとも１つの流れフィールドを更に含む。配線部７０の流れフィールドは、例えば、十分な導電率を有し、酸化に対する耐性を示し、機械的強度を維持し且つ燃料電池の動作条件の下で化学的に安定している金属から形成されている。

燃料電池スタック３４は、陽極７４、陰極７６、及び陽極７４と陰極７６との間に配置された電解質７８を具備する少なくとも１つの燃料電池ユニット７２を更に含む。電解質７８は燃料とオキシダントの双方に関して不透過性である。一実施例では、燃料電池ユニット７０は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、セリア添加ジルコニア又はマンガン酸ランタンストロンチウムガリウムなどの酸素イオン伝導固体電解質を含む固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）ユニットであるが、それに代わる実施例においては、燃料電池ユニット７０は、例えば、陽子交換膜（ＰＥＭ）電解質、溶融炭酸塩電解質又は燃料電池スタック３４に使用するのに適する他の周知の電界質材料を含んでいても良いと考えられる。ここで説明し且つ図示するような燃料電池スタック３４は単なる例示を目的として記載されているにすぎず、本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに多様な燃料電池がここで説明する流路方式により利益を受けることは理解される。

陽極７４はそれぞれ対応する配線部７０に隣接して配置され、配線部７０と電気的に接続すると共に、流体連通するように構成されている。配線部７０の流れフィールドは電気的接続と流体連通の双方を成立させ、燃料取り入れマニホルドから陽極７４の表面に沿って燃料排出マニホルドへ燃料流れを誘導するように構成されている。同様に、陰極７６も配線部７０に隣接して配置され、配線部７０と電気的に接続すると共に、流体連通するように構成されている。配線部７０の流れフィールドは陰極７６に対して電気的接続を成立させ、空気などのオキシダント流れを陰極７６の表面に沿って誘導するように構成されている。配線部７０は、燃料が陰極７６に沿って流れ、オキシダントが陽極７５に沿って流れるのを防止するために、複数の密封機能を含む。

燃料電池スタック３４でより大きな電圧を発生するために、燃料電池スタック３４は縦スタックとして配列された複数の平面燃料電池ユニット７２を含む。当業者には認識されるであろうが、図２に示す３つの平面燃料電池ユニット７２から成る特定の構成は単なる例示を目的として示されているにすぎず、スタック３４に含まれる平面燃料電池ユニット７２の特定の数はスタック３４に要求されるパワーによって異なる。図示されている実施例においては、２対の隣接する平面燃料電池ユニット７２の各対は１つの配線部７０を共有しており、配線部７０は隣接する平面燃料電池ユニット７０のうちの一方のユニットの陽極７４に電気的に接続されると共に、それと流体連通しており、また、他方の隣接する平面燃料電池ユニット７２の陰極７６に電気的に接続されると共に、それと流体連通している。この特定の実施例の場合、隣接する平面燃料電池ユニット７２が共有している各々の配線部７０は、その両側に、隣接する平面燃料電池ユニット７０の隣接する陽極７４と陰極７６に対する電気的接続及び流体連通を成立させるための流れフィールドを含む。図示されている実施例は平面燃料電池ユニットを含むが、他の実施例においては、管状燃料電池ユニット（これに限定されない）を含む他の周知の燃料電池ユニットを採用することも可能であろう。

燃料電池ユニット３４を閉鎖し、平面燃料電池ユニット７２から電流を収集するために、燃料電池スタック３４は、最上部の平面燃料電池ユニット７２の上に配置された上部エンドプレート８０と、最下方の平面燃料電池ユニット７２の下に配置された底部エンドプレート８２とを含む。エンドプレート８０、８２は電流を収集するためのものであり、この例の上部エンドプレート８０及び底部エンドプレート８２はフェライトステンレス鋼から形成されている。更に、エンドプレート８０、８２は燃料電池スタック３４を被覆して、燃量及びオキシダントが燃料電池スタック１０を迂回するのを防止している。図示されている実施例では、２つのエンドプレート８０、８２の間の電位は燃料電池スタック３４の総電圧であり、個々の燃料電池ユニット７２の電圧の和に等しい。

図３に示すように、複数の燃料電池スタック３４は、それぞれ、空気などのオキシダントを受け入れ、排出するように構成された入口５６及び出口１０６を有する容器１０２を含む１つのモジュール１００として一体化されても良い。複数の燃料電池スタック３４が容器１０２の内部にリング形に配列されている。少なくとも１つの燃料電池スタック３４は燃料流れを受け入れる燃料入口１０８を有し、少なくとも１つの燃料スタック３４は燃料流れを排出する燃料出口１１０を有する。１つのスタックから別のスタックに燃料流れを供給するために、配管１１２がスタック３４を接続している。各燃料電池スタック３４は、燃料電池スタック３４の配線部７０（図２に示す）から燃料流れを受け入れ、排出するための燃料取り入れマニホルド及び燃料排出マニホルドと、配線部７０からオキシダント流れを受け入れ、排出するためのオキシダント取り入れマニホルド及びオキシダント排出マニホルドとを含む。

空気入口５６及び空気出口１０６は、それぞれ、燃料電池スタック３４の陰極に対してオキシダント流れを供給するので、ここでは空気入口５６を陰極入口と呼び、空気出口１０６を陰極出口と呼ぶ。同様に、燃料入口１０８及び燃料出口１１０は、それぞれ、燃料電池スタック３４の陽極に対して燃料流れを供給するため、ここでは燃料入口１０８を陽極入口と呼び、燃料出口１１０を陽極出口と呼ぶ。

図１に戻って説明を続ける。タービン１４の冷却剤流路からの加熱圧縮空気流れ５４は陰極入口５６を介して燃料電池スタック３４に入り、燃料電池スタック３４の燃料電池ユニットを通って流れ、同様に燃料電池ユニットを通って流れる燃料（後述する）と化学反応を生じながら電気を発生する。使用済み（すなわち、酸素を消耗された）空気１２０は陰極出口１０６を介して燃料電池スタック３４から排出され、その一部は送風機４２などの圧力増加装置と流れ連通する低圧再循環流路１２２へ偏向される。送風機４２は空気の圧力を上昇させ、高圧再循環流路１２４へ空気を放出して、陰極入口５６に至る加熱圧縮空気流れ５４に戻される再循環空気流れを形成する。従って、再循環流路１２４の再循環空気流れは流路接続部１２６で新鮮な空気の流れ５４と混合される。燃料電池スタック３４から排出される再循環使用済み空気と、新鮮な空気５４とを再循環流路１２４を介して混合することは、いくつかの点で好都合である。

例えば、燃料電池スタック３４からの高温の排出空気を再循環させ、それを圧縮機からの新鮮な空気５４と混合することにより、陰極入口５６の空気の温度は直接物質移動及び熱伝達プロセスによって上昇する。従って、従来のシステムのように熱交換器により拡散熱伝達を発生させる必要はなくなる。圧縮空気５０を加熱するための復熱装置２０のタービン排気流れ５２と結合されるので、復熱装置２０のような相当に安価で、さほど複雑でない熱交換器を採用できる。

更に、流路１２４を介する燃料電池スタック排出口１０６からの再循環空気は陰極入口５６における燃料電池スタック３４に対する空気質量流量を増加させ、総システム空気流量をほぼ一定にするのを助けて、システム性能を向上させる。陰極入口５６においてスタック３４に対する空気質量流量が増加すると、スタック内部における温度の均一性が増し、更に、燃料電池スタック３４の性能が向上する。そのため、スタック温度の所定の一定範囲に対してより大きな燃料流量を得ることが可能である。ほぼ一定の総システム空気流量で燃料流量が増すことにより、過剰な空気の総量が減少し、その結果、タービン１４の点火温度が上昇するので、以下に説明するように、相対的なシステム性能が向上する。

更に、十分な量の再循環空気が流路１２４を介して新鮮な供給空気５４と混合されるため、流入する新鮮な空気に対して燃料電池スタックの化学量論的動作の限界に近づくことができるであろう。

また、再循環空気流路１２４は、高温の燃料電池における重大な劣化メカニズムであることがわかっている燃料電池スタック３４のＯ₂の陰極濃度を有効に減少させる。従って、再循環空気流路１２４は高温の燃料電池スタックの性能を向上させると共に、その寿命を延ばすと考えられる。

再循環のために送風機４２へ偏向されなかった陰極排気１２０の部分は改質装置３６へ流れる。改質装置３６では、例えば、蒸気及びニッケル触媒が存在する中で気体炭化水素が水素と、一酸化炭素とに改質される。これにより、陰極排気１２０からの熱が改質装置３６へ伝達され、改質装置３６は流入して来る、より低温の燃料（後述する）を燃料電池スタック３４に入る前に加熱する。異なる実施例においては、燃料の改質は外部燃料改質装置３６又は燃料電池スタック３４と一体である改質装置で実現されても良い。

異なる実施例においては天然ガス又は石炭誘導燃料ガスであっても良い気体燃料は、脱硫装置３２を介して燃料ポンプ３０により送り出される。脱硫装置３２は、一実施例では、燃料が通過するイオウ吸収剤の床を収容した容器を含む。発電装置１０から排出される前に脱硫装置３２内部の燃料を加熱するために、タービン排気５２からの熱が脱硫装置３２へ伝達される。従って、脱硫装置３２の外部加熱装置を設けた複雑な構成や、そのための費用は回避され、タービン排気は発電装置から排出される前に冷却される。

脱硫された燃料１３０は脱硫装置３２から改質装置３６へ流れ、そこで燃料は燃料電池スタック３４の燃料電池に入る前に改質される。例えば、燃料はメタン又は天然ガスから燃料電池で反応するのに許容される組成（例えば、水素、ＣＯ₂及び水）へと組成を変えるように改質される。処理が済んだ後、改質済み燃料１３２は改質装置３６から陽極入口１０８へ流れ、スタック３４の燃料電池に入る。燃料電池で消費された後、使用済み燃料１３４は陽極排出口１１０を介して燃料電池スタック３４から排出される。排出された燃料１３４の一部は再循環燃料流れ流路１３６へ偏向されて、接続部１３７で新鮮な脱硫燃料１３０と混合される。再循環流路１３６を介して高温の排出燃料を再循環させることにより、外部燃料加熱装置を設ける必要が更になくなり、未使用の燃料が燃料電池スタック３４に再度導入されるため、システムにおける燃料効率が向上する。排出燃料の再循環は、例えば、当業者は理解するであろう送風機、エジェクタポンプ、別の圧力上昇装置などによって実現されることが可能であろう。別の及び／又はこれに代わる実施例においては、改質を容易にするために燃料に蒸気を導入しても良い。

再循環流れ流路１３６へ偏向されなかった排出燃料１３４の部分はテールガスバーナ３８へ送り出され、そこで燃焼される。燃料電池スタック３４からの使用済み（すなわち、酸素を消費された）空気１３９の一部もテールガスバーナ３８へ送り出され、使用済み空気１３９と排出燃料１３４の混合物がテールガスバーナ３８で燃焼される。テールガスバーナ３８へ流れない使用済み空気１３９の部分はテールガスバーナバイパス流路により触媒チャンバ４０へ誘導され、そこで空気が清浄化される。触媒チャンバ４０からの清浄化された空気は、タービン１４の動作流体流路に入る前にテールガスバーナ３８の排気１３８と混合されて、清浄化排気流れ１４２を形成する。この排気流れ１４２はガスタービン１４へ送り出されることにより、発電装置１０からの放出を減少させる。

触媒チャンバ４０は一実施例では好都合であると考えられるが、触媒チャンバが設けられていなくとも本発明の利点は本発明の範囲から逸脱することなく認められることは理解される。

テールガスバーナ３８における使用済み空気１３９と排出燃料１３４の噴射を制御することにより、燃料／空気混合物が希薄であり、可燃性限界内にあることを保証できる。従って、排出燃料流れ１３４に残留している燃料成分のほとんどはテールガスバーナで燃焼されるため、システムで燃料は完全に利用されることになり、発電装置１０からの排出物の中で燃料が放出される事態は阻止される。

テールガスバーナ３８及び触媒チャンバ４０からの高温排気１４２はガスタービン１４の動作流体流路へ送り出され、排気の熱力学的膨張によって仕事が発生し、仕事は原動力を加えてタービンを駆動し、その結果、タービンは発電機１８において電気を発生する。発電機１８及び燃料電池スタック３４からの電気は適切な形態に変換されて、図１にはグリッド１４４として示される配電電源網に供給される。

少なくとも先に述べた理由により、発電装置１０は周知のシステムと比較して総合的により高い発電装置性能を示す一方、燃料電池スタックを所望の温度に維持するための従来の熱交換器に関連する複雑さや費用を回避しつつ、再循環流れによってタービンの構造冷却及び燃料電池スタックの温度制御の改善を実現している。燃料電池スタックの陰極排気の再循環により、燃料電池に対する入口空気温度の制御も容易になり、その結果、燃料電池スタック内部における温度上昇及び温度の均一性を更に精密に制御できる。燃料電池スタックの陰極排気の再循環はタービン部分の入口温度を上昇させて、タービン内で発生する仕事を増加させ、陰極側の酸化を減少させることにより性能保持能力を向上させ、化学量論的条件での燃料電池スタック動作を可能にし、且つ発電装置排気を大気中へ排出する前の排気後処理を簡単にする。

図４は、発電装置１０（図１に示す）の基本構成要素を共有する一体型燃料電池ハイブリッド発電装置２００の第２の実施例の概略図であり、図中、同じ要素は同じ図中符号により示されている。

発電装置２００のガスタービン部分では、圧縮機１２は圧縮空気を復熱装置２０に供給し、復熱装置２０内部の圧縮空気は先に説明したようにタービン排気５２により加熱される。戻し流路２２は、圧縮空気２２を更に加熱して、加熱された空気流れを燃料電池スタック３４の陰極入口５６へ発生するために、タービン１４と熱伝達関係で加熱された圧縮空気２２を送り出す。別の及び／又はこれに代わる実施例においては、タービン１４の構造的冷却及び燃料電池スタック３４の陰極入口５６における入口空気温度の温度制御を容易にするために、復熱装置再循環流路２４（図４には想像線で示す）、復熱装置バイパス流路２６（図４には想像線で示す）及び／又は陰極空気供給流路２８（図４には想像線で示す）を設けても良い。燃料電池スタック３４内で、空気は先に説明したように燃料と反応して、電気を発生する。

陰極出口１０６から排出された使用済み空気１２０は改質装置３６へ送り出される。これにより、陰極排気１２０からの熱は改質装置３６へ伝達され、その結果、改質装置３６は流入して来る、より低温の燃料を燃料電池スタック３４に入る前に加熱する。従って、陰極排気は使用済み清浄化空気１３９として改質装置３６を出る。使用済み空気１３９の一部は、送風機４２と流体連通する低圧再循環流路１２２へ偏向される。送風機４２は空気の圧力を上昇させ、流路１２２の使用済み空気を高圧再循環流路１２４へ放出する。使用済み空気は燃料電池スタック３４に入る前に加熱圧縮空気５４と混合される。陰極排気を再循環流路１２４を介して新鮮な空気５４と混合することの利点は先に述べた通りである。

異なる実施例においては天然ガス又は石炭誘導燃料ガスであっても良い気体燃料は、脱硫装置３２を介して燃料ポンプ３０により押出される。タービン排気５２からの熱は脱硫装置３２へ伝達されて、脱硫装置内部の燃料を発電装置１０から排出される前に加熱する。従って、脱硫装置３２のための外部加熱装置を設けることに関連する複雑さや費用が回避され、タービン排気は発電装置から排出される前に冷却されることになる。

脱硫された燃料１３０は脱硫装置３２から改質装置３６へ流れ、そこで燃料は燃料電池スタック３４の燃料電池に入る前に改質される。例えば、燃料はメタン又は天然ガスから燃料電池で反応するのに許容される組成（例えば、水素、ＣＯ₂及び水）へとその組成を変化させるように改質される。処理が済んだ後、改質された燃料１３２は改質装置３６から陽極入口１０８へ流れ、スタック３４の燃料電池に入る。燃料電池内で消費された後、使用済み燃料１３４は陽極排出口１１０を介して燃料電池スタック３４から排出される。排出燃料１３４の一部は再循環燃料流れ流路１３６へ偏向されて、接続部１３７において新鮮な脱硫燃料１３０と混合される。再循環流路１３６を介して高温の排出燃料を再循環させることにより、外部燃料加熱装置も回避され、消費される前の燃料が燃料電池スタック３４に再び導入されるため、システムにおける燃料効率は向上する。

再循環燃料流れ流路１３６へ偏向されなかった排出燃料１３４の部分はテールガスバーナ３８へ送り出され、そこで燃焼される。燃料電池スタック３４からの使用済み（すなわち、酸素が消耗された）空気１３９の一部もテールガスバーナ３８へ送られ、使用済み空気１３９と排出燃料１３４の混合物がテールガスバーナ３８で燃焼される。燃焼排気１３８はガスタービン１４へ送り出されて、タービン１４に更に熱と圧力を追加する。テールガスバーナ３８へ流れない使用済み空気１３９の部分はテールガスバーナバイパス流路から触媒チャンバ４０へ誘導され、その内部で空気が清浄化される。触媒チャンバ４０からの清浄化空気１４０はタービン１４に入る前にテールガスバーナ３８の排気１３８と混合されて、清浄化排気流れ１４２を形成する。この流れはガスタービン１４の動作流体流路へ送り出されることにより、発電装置２００からの放出を減少させる。

少なくとも先に述べた理由により、発電装置２００は周知のシステムと比較して総合的により高い発電装置性能を示す一方、燃料電池スタックを所望の温度に維持するための従来の熱交換器に関連する複雑さや費用を回避しつつ、再循環流れによってタービンの構造冷却及び燃料電池スタックの温度制御の改善を実現している。燃料電池スタックの陰極排気の再循環により、燃料電池に対する入口空気温度の制御も容易になり、その結果、燃料電池スタック内部における温度上昇及び温度の均一性を更に精密に制御できる。燃料電池スタックの陰極排気の再循環はタービン部分の入口温度を上昇させて、タービン内で発生する仕事を増加させ、陰極側の酸化を減少させることにより性能保持能力を向上させ、化学量論的条件での燃料電池スタック動作を可能にし、且つ発電装置排気を大気中へ排出する前の排気後処理を簡単にする。

発電装置２００を発電装置１０（図１に示す）と比較すると、発電装置２００は発電装置１０に対してよりすぐれた総体的装置性能及び高率を示すが、発電装置１０は発電装置２００よりタービンに対する冷却の点でまさることが解析により実証された。

特許請求の範囲に示される図中符号は本発明の範囲を狭めようとするのではなく、本発明の理解を容易にすることが意図されている。

一体型燃料電池ハイブリッド発電装置の一例の概略図。図１に示す発電装置の燃料電池スタックの一例の概略図。図１に示す発電装置の燃料電池モジュールの一例の斜視図。一体型燃料電池ハイブリッド発電装置の第２の実施例の概略図。

符号の説明

１０…一体型ガスタービン／燃料電池ハイブリッド発電装置、１２…圧縮機、１４…ガスバーナ、１６…ロータ、１８…発電機、２０…復熱装置、２２…戻し流路、２４…再循環流路、２６…復熱装置バイパス流路、３０…燃料ポンプ、３２…脱硫装置、３４…燃料電池スタック、３６…改質装置、３８…テールガスバーナ、４０…触媒チャンバ、４２…排気送風機、５６…陰極入口、７２…燃料電池ユニット、１０６…陰極出口、１０８…陽極入口、１１０…陽極出口、１２２…低圧再循環流路、１２４…高圧再循環流路、１３６…再循環燃料流れ流路、２００…一体型ガスバーナ／燃料電池ハイブリッド発電装置

Claims

ハイブリッド発電装置（１０）であって、
タービン（１４）と、
前記タービンにより駆動される圧縮機（１２）と、
前記圧縮機と流れ連通し、タービン排気（５２）から圧縮空気へ熱を伝達するように構成された復熱装置（２０）と、
前記復熱装置と流れ連通する少なくとも１つの燃料電池（７２）と、
前記復熱装置（２０）と前記タービン（１４）の冷却剤流路との間に戻し流路（２２）と
を具備し、
前記復熱装置は前記戻し流路を介して冷却空気を前記タービンに供給し、
前記ハイブリッド発電装置（１０）は、
前記戻し流路（２２）の空気の一部を偏向させて、前記復熱装置（２０）に戻す再循環流路（２４）と、
前記圧縮機（１２）からの低温の空気を前記タービン（１４）の冷却剤流路へ直接に送り出す復熱装置バイパス流路（２６）と、
前記燃料電池のスタック（３４）の陰極入口（５６）に前記復熱装置（２０）から加熱圧縮空気を直接に供給する空気供給流路（２８）と
を備え、前記復熱装置は前記燃料電池に新鮮な空気を供給する
ハイブリッド発電装置（１０）。
前記燃料電池（７２）は陰極出口（１０６）を具備し、前記陰極入口は圧縮空気を受け入れるために前記復熱装置（２０）と流れ連通している請求項１記載のハイブリッド発電装置（１０）。
前記タービン（１４）の冷却剤流路からの加熱圧縮空気流れ（５４）を前記陰極入口（５６）を介して燃料電池スタック（３４）に入れ、該燃料電池スタックで酸素を消耗された空気（１２０）は該燃料電池スタックの陰極出口（１０６）を介して該燃料電池スタック（３４）から排出され、排出された空気一部は圧力増加装置（４２）と流れ連通する低圧再循環流路（１２２）へ偏向され、圧力を上昇された空気は前記加熱圧縮空気流れ（５４）に戻されることを特徴とする請求項１又は２に記載のハイブリッド発電装置（１０）。
前記陰極出口（１０６）は再循環流路（１２２）に沿って前記陰極入口（１６）と流れ連通している請求項２記載のハイブリッド発電装置（１０）。
改質装置（３６）を更に具備し、前記改質装置は前記陰極出口（１０６）と流れ連通すると共に、前記再循環流路（１２２）と流れ連通し、前記改質装置は前記陰極出口と前記再循環流路との間に配置されている請求項４記載のハイブリッド発電装置（１０）。
前記圧縮機（１２）と前記タービン（１４）との間に延出し、圧縮空気を前記タービンの冷却剤流路へ直接に送り出す復熱装置バイパス流路（２６）を更に具備する請求項１記載のハイブリッド発電装置（１０）。
前記少なくとも１つの燃料電池（７２）は陽極入口（１０８）及び陽極出口（１１０）を具備し、前記陽極出口は再循環流路（１３６）に沿って前記陽極入口と流れ連通している請求項１記載のハイブリッド発電装置（１０）。
前記陽極出口（１１０）と流れ連通するテールガスバーナ（３８）を更に具備し、前記テールガスバーナは陽極排出燃料（１３４）と空気の混合物を受け入れる請求項７記載のハイブリッド発電装置（１０）。
前記少なくとも１つの燃料電池（７２）は固体酸化物燃料電池である請求項１記載のハイブリッド発電装置（１０）。