JPH06504873A - 電気エネルギーと機械エネルギーを併せて発生するための方法と装置 - Google Patents

電気エネルギーと機械エネルギーを併せて発生するための方法と装置

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JPH06504873A
JPH06504873A JP3515443A JP51544391A JPH06504873A JP H06504873 A JPH06504873 A JP H06504873A JP 3515443 A JP3515443 A JP 3515443A JP 51544391 A JP51544391 A JP 51544391A JP H06504873 A JPH06504873 A JP H06504873A
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ヘンドリクス，ルドルフ
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マンネスマン・アクチエンゲゼルシャフト
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 電気エネルギーと機械エネルギーを併せて発生ずるための方法と装置 技術分野 本発明は請求の範囲第１項の上位概念に記載の電気エネルギーと機械エネルギー を併せて発生するための方法及びその実施のための装置に関する。
背景技術 大多数の火力発電所では電気エネルギー発生のためにまず初めにボイラー装置で 化石燃料の燃焼により過熱蒸気が発生させ、過熱蒸気を蒸気タービンで減圧しそ の際に機械エネルギーに変換する。蒸気タービンは発電機に連結され、発電機は 機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。電気エネルギーへの変換率は９０ ％をかなり越える。これに対して使用燃料の化学結合エネルギーの機械エネルギ ーへの変換率は比較的小さい、何故ならば大型タービンではタービン効率自体が 鰻高約３７％であり加熱ボイラーでも損失を覚悟しなければならないからである 。
従って多数の場合に今までは燃焼放出熱の約３５％しか実質的に電気発生のため に利用できず、約６５％は廃熱として失われるか又は純粋な加熱目的にしか利用 できなかった。
最近になって機械又は電気効率の大幅な上昇が、機械エネルギーへの熱エネルギ ーの変換のためにガスタービンと蒸気タービンの組合せを使用し、高温燃焼ガス をまずガスタービンで減圧し、蒸気タービンのための蒸気発生にこのガスタービ ンの排気ガスの熱を利用することにより実現された。付加的な改善方法は、蒸気 タービンから流出する減圧された蒸気をそれぞれの前置ガスタービンの燃焼室に 戻し、これによりガスタービンの駆動のための体積流を大きくすることから成る 。この措置により（５０ＭＷを越える）大型装置での熱エネルギーから機械エネ ルギーへの変換効率を約４８−５０％台にすることが可能となった。
ヨーロッパ特許出願公開３１８１２２第号公報から、例えば電流発生に利用可能 な機械エネルギーが部分的に蒸気タービンにより得られるのではなく、ガスター ビンのみにより得られるガス状燃料から機械エネルギーを発生する方法及び装置 が公知である。例えば５Ｏ−３０００ＫＷの出力領域のために設けられているこ のガスタービンは使用熱エネルギー（低位発熱量）を基準として約４２％の効率 に達する。このために、まず初めに圧縮機で燃焼空気が圧縮されるようになって いる。圧縮燃焼空気は次いで排気ガス熱交換器で加熱され、圧縮機のみを駆動す る第１のガスタービンを介して部分的に減圧されから燃焼室に供給され、燃焼室 で燃料がこの燃焼空気と一緒に燃焼される。
燃焼の際に発生する高温排気ガスは、実際に利用可能な機械エネルギーを供給す る第２のガスタービンを駆動する。第２のガスタービンから流出するまだ高温の 排気ガスは、圧縮燃焼空気の加熱のための排気ガス熱交換器を作動するために用 いられる。
未公開のドイツ特許出願第４００３２１０．８号明細書では出願人により、発電 機により電気エネルギーに変換可能な機械エネルギーを発生するための方法が提 案されている。この方法では炭化水素化合物ベースの初期燃料がまず初めに水蒸 気改質装置でエネルギー的見地からより高価な高濃度Ｈ２含有ガスに変換され、 次いでこの高濃度Ｈ２含有ガスは１つ又は複数の燃焼室で燃焼される。燃焼は圧 縮０２含有ガス（例えば圧縮空気）を用いて行われる０発生高温燃焼ガスは、外 部へ放出可能な機械エネルギーを発生するガスタービンで減圧されその際に対応 して冷却され次いで水蒸気改質装置の間接加熱に使用される。水蒸気改質装置で さらに冷却された燃焼ガスは次いで別の間接熱交換器での圧縮燃焼ガスの加熱の ために用いられる。これにより圧縮燃焼空気は、燃焼のために利用される前にガ スタービンで部分的に減圧されることが可能でありこれにより圧縮空気発生のた めの所要駆動エネルギーを供給するほどに多量のエネルギーを得る。この方法の 別の１つの変形では、圧縮され間接熱交換器により加熱された燃焼空気がまず初 めに燃焼室へ案内され、そこで高濃度Ｈ２含有ガスの一部と一緒に燃焼され、従 ってさらに高温のガスがガスタービンで減圧される。
この方法により機械エネルギーへの従来の燃料（例えば天然ガス又はバイオガス ）のエネルギー（低位発熱量Ｈ，）の変換の際の効率が是認可能なコストで（約 ３ＭＷの出力までの）小型装置の場合には少なくとも５０％上昇し大型装置では 少な（とも５５％上昇することが可能となる。
通常はこのような方法においては発生機械エネルギーが最終的には電流に変換さ れる。すなわちこの形態のエネルギーは最も簡単に任意のエネルギー需要存在場 所へ搬送可能であり、比較的簡単な方法で高い効率で再び別の（例えば機械的又 は熱的）エネルギー形態に戻されることが可能である。他方、電流又は機械エネ ルギーへの燃料の変換の際のＣＯ２及びその他の（Ｎｏ、　、ＳＯ，等の）有害 物質の発生を減じることへの要求が強まっている事情を考慮しなければならない 、ＣＯ２成分に関してこの要求は、発生排気ガスからＣＯ２を分離するためにコ ストをかけたくないならば使用燃料の化学結合エネルギーの変換を今までよりは るかに効率的な方法で行うことが可能な場合にのみ実現可能である。すなわち純 粋に経済的な理由だけでなく環境保護の理由からもエネルギー変換の効率を高め る必要がある。
技術的課題 本発明の課題は、電気エネルギーと機械エネルギーへの燃料の化学結合エネルギ ー（低位発熱量Ｈ，）の変換が最低６０％及び可及的最高６５％強で行われるこ とを可能にする方法及びこの方法を実施する装置を提供することにある。
上記課題は請求の範囲第１項の特徴部分に記載の特徴を有する方法により解決さ れる。この方法は本発明により請求の範囲第２項−第２１項の特徴部分により有 利に実施可能である。この方法を実施するための装置は請求の範囲第２２項の特 徴部分に記載の特徴を有し、請求の範囲第２３項−第４４項の特徴部分に記載の 特徴により有利に実施可能である。
本発明の基礎となる知見は、従来の燃料を（例えば水蒸気改質等の）発熱反応に よりまず初めに廃熱利用のもとにより高価な高濃度Ｈ２含有撚料に変換し次いで 少なくとも部分的に燃料として燃料電池で電気エネルギーの直接発生のために使 用することにある０元の高濃度Ｈ２含有ガスの残留Ｈ２及びその他の可燃残留成 分（ＣＯ及び変換されなかった炭化水素化合物）は燃焼装置へ供給される。燃焼 装置に到来したガスは、この方法において生じた異なるガス流の混合気から成る こともあり、−次使用された燃料の成分により付加的に濃厚化されることもある 。その際に発生する高温燃焼ガスはガスタービン系で減圧され機械エネルギーの 発生又は（発電機との結合の場合には）付加的な電気エネルギーの発生に利用さ れる０重要なのは、本方法で解放された熱エネルギーが廃熱エネルギーの系統的 利用により可及的最大利用可能レベルで大幅に最終目標のエネルギー形態に変換 されることにある。これは特に、ガスタービン系で減圧された燃焼ガス又はその 部分流がまず初めに水蒸気改質処理の加熱に使用され、次いで燃焼ガス発生に所 要の圧縮０２含有ガスの加熱にさらに使用されることにより実現される。
大幅に冷却された燃焼ガスを外部環境へ放出する前に燃焼ガスは、電気エネルギ ーと機械エネルギー発生に加えて力／熱結合の意味で純粋に加熱目的（例えば建 物の暖房、温室等）に使用されことが可能であり、これによりエネルギー利用効 率をさらに高めるが可能である。使用燃料の低位発熱量を基準として本発明の方 法の電気的効率は実施例に依存して６０−８０％（典型的には６５−７５％）に 上昇することが可能である０本発明は、所要燃焼ガス発生のために１つ又は複数 のガスタービン、１つ又は複数の水蒸気改質装置、１つ又は複数の燃料電池、１ つ又は複数の燃焼室により実施可能である。付加的に１つ又は複数の水蒸気改質 装置、１つ又は複数の蒸気タービンが設けられていることも可能である。互いに 同一の装置が回路技術的に互いに直列又は並列に配置されていることが可能であ る。燃料電池とは本明細書では統合接続された燃料電池素子の各組合せのことで ある。
図面の簡単な説明 次に第１図−第５図に示されている実施例に基づいて本発明の詳細な説明する０ 図はそれぞれ本発明の全装置又はその一部を示している。
発明の最良の実施形態 第１図の本発明の装置は、２つの圧縮機段に１及びに２から成る圧縮機系Ｋを有 する。圧縮機系に内では０２　含有ガス（有利には空気）がより高圧に圧縮され る。このガスは導管１により吸込まれ導管２を介して第１の圧縮機段Ｋｌから第 ２の圧縮機段に２へ到達する。
導管２の途中には熱交換器が挿入接続されている。
この熱交換器は、部分圧縮された０２含有ガスを中間冷却し除去熱を冷却回路３ を介して外部へ放出する。
放出熱は必要ならば本発明の方法の外部で加熱目的に使用可能である。
しかしこの熱は例えば本発明の方法の内部で処理蒸気の発生のための水の予熱に 基本的にも利用可能である。圧縮機系Ｋが１段又は３段以上でも実施可能である ことは自明である。
圧縮された０２含有ガスは最後の圧縮機段に２を導管４を介して出て、間接加熱 される熱交換器Ｗに到達する。温度上昇実現後に０２　含有圧縮ガスは導管５を 通って燃焼室Ｂに案内される。燃焼室Ｂ内でガスは、導管１５を介して供給され るＨ２及び場合によってはその他の成分含有ガスと発熱反応して高温圧縮燃焼ガ スを発生させるｅＨ２含有ガスの他に（少なくとも一時的に）−次燃料（例えば 天然ガス）とも−緒に燃焼可能である。高温燃焼ガスは燃焼室Ｂを導管６を介し て出て、ガスタービンＴ内で燃料電池ＦＣの作動圧力の近くまで減圧される。ガ スタービンＴで発生する機械エネルギーは一部は（例えば機械結合を介して）圧 縮機系にの駆動に利用され他の一部は結合されている発電機Ｇで交流電流の発生 に利用される。
かなり減圧されたがしかしまだ高温の燃焼ガスは導管７を通って加熱媒体として 間接加熱可能な水蒸気改質装置Ｒに導かれる。水蒸気改質装置Ｒは導管１３を介 して炭化水素ガス（−次燃料）及び蒸気を供給され、これによりその中で高濃度 Ｈ２含有ガスがつくられ、これは導管１４を介して排出される。水蒸気改質装置 Ｒの中でさらに冷却された燃焼ガスはそれでもかなりの熱を有する。従ってこの 燃焼ガスは導管１０を介して熱交換器Ｗに案内され、高圧の０２　含有ガスの温 度を前述のように上昇させる。次いで燃焼ガスは排出される。
その際に残留熱エネルギーを（例えば処理水子熱又は建築暖房に）利用すること も可能なことは自明である０本例では別の利用が最終的な排出の前に実施される 。この利用は、燃焼室Ｂ内での燃焼が０２　過剰状態で行われることを前提条件 として必要とする。すなわち、かなり冷却された燃焼ガスは導管１１を介して燃 料電池ＦＣの陰極ガスとして供給されて燃料電池ＦＣの０２需要を満たす。その 後でこのガスは導管１２を通って排出される。
燃料電池ＦＣが燃料として必要とする高濃度Ｈ２含有ガス導管１４を通って燃料 電池ＦＣの陽極室に供給される。燃料電池ＦＣ内で電気化学的酸化処理により直 流電流が発生して導線１６を通って導出され、必要に応じてインバータ（図示せ ず）により交流電流に変換される。直流は直接に発電機Ｇに供給することも可能 である。
燃料電池ＦＣ内では常に高濃度Ｈ２含有ガスの含有Ｈ２の一部だけしか化学反応 せずまた別の可燃ガス成分（例えばＣＯ及び化学反応しなかった炭化水素）が燃 料電池ＦＣ内にあることもあるので、陽極ガスは燃料電池ＦＣから導管１５を通 って燃料として燃焼室Ｂに供給される。付加的に燃焼室Ｂには一次燃料の一部も 直接にすなわち発熱反応による事前の化学変化なしに供給されることが可能であ り、これにより熱需要を満たすことが可能である。これは特にこの処理の開始に とって有益であり調整の簡単化も実現する。燃料室Ｂ内で必要な圧力に陽極ガス をするために導管１５の途中に圧縮機（図示せず）を設けることが可能である。
しかし反応室を適切な正圧にして水蒸気改質装置Ｒを作動し、これにより十分な 圧力の陽極ガスがすでに導管１４内にあるようにすることも可能である。しかし これは、陽極室と陰極室の間の対応する圧力差を許容する構造的措置を燃料電池 ＦＣに実施することを必要とする。
有利には燃料電池ＦＣの作動は、水蒸気改質装置Ｒの加熱を保証し圧縮機系にの ための駆動エネルギーの需要を満たすためだけでなく、ガスタービンＴでの機械 エネルギーを発生するためにも陽極排気ガスの残留発熱量が十分であるように、 行われる０本発明の方法の排気側端部に燃料電池系ＦＣを配置することは、使用 される燃料電池のタイプが比較的低い作動温度で動作する場合に特に有利である 。燐酸（ＰＡＦＣ）　・アルカリ（ＡＦＣ）　・固体重合体（ＳＰ　（Ｅ）ＦＣ ）のいずれかをベースとする電解質を有する燃料電池が特に通している。
第２図−第５図には、第１図の実施例と基本的には一致する本発明の別の実施例 が略示されている。
従って同一機能の装置構成要素は同一の参照番号により示されている。従って以 下において変更点についてのみ詳細に述べる。
第２図では２つのガスタービンが設けられ、第１のガスタービンＫＴは圧縮機系 にの駆動のみの役割であり第２のガスタービンＴは外部への導出可能な機械エネ ルギーを発生する。このようなガスタービンＫＴ及びＴの間での役割分担の場合 、図示のものとは異なりこれらを１本の共通の軸に配置することも可能である。
第１図との本質的な相違は、燃焼室Ｂが圧縮機駆動タービンＫＴＯ後に配置され ていることにある。従って　、圧縮機駆動タービンＫＴは、熱交換器Ｗ内で十分 高温に加熱された圧縮燃焼空気の部分的減圧のみにより十分に駆動される。別の １つの相違点は、燃料電池ＦＣが本発明の方法の排気側端部に配置されていない ことにある。すなわち燃焼ガスは水蒸気改質装置Ｒの加熱室からの流出の直接後 に導管１０ｄを介して燃料電池系ＦＣの陽極室内に案内され、その後初めて導管 １２ａを通って圧縮燃焼空気の間接加熱のために熱交換器Ｗに到達する。この配 置は、作動温度がより高い燃料電池のタイプ（例えば溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣ ＦＣ）又は固体酸素燃料電池（ＣＯＦＣ）において優先される。
第３図の本発明の変形方法は第２図と同様に２つの分離しているガスタービンＫ Ｔ及びＴを有する。しかし燃料電池系ＦＣの陽極排気ガスの可燃性成分の燃焼は ２つの燃焼室Ｂ１及びＢ２内で行われ、これらはそれぞれ２つのガスタービンＫ Ｔ及びＴの一方の直前に配置されている。
圧縮機駆動タービンＫＴで減圧された本発明の方法のための所要０２　全量を供 給する圧縮ガスは、温度上昇が熱交換器Ｗ内での間接熱交換のみにより行われる より大幅に高いエネルギー水準に燃焼室Ｂ１により高めることが可能であるので 、ガスタービンＫＴは機械エネルギー又は電気エネルギー発生のために用いるこ とも可能である。従って図では（破線により示されている）付加的発電機が圧縮 機駆動タービンＫＴに接続されている。
本発明の方法の別の１つの可能な変形は、複数のガスタービン及び複数の燃焼室 だけでなく複数の水蒸気改質装置も利用することから成る。これらの水蒸気改質 装置は例えば並列に接続可能である。しかし特に有利には第３図に破線で示され ているように直列接続にする。第１の水蒸気改質装置Ｒ１は圧縮機駆動タービン ＫＴの直接背後に接続されている。まだ大量の０２を含有して水蒸気改質装置Ｒ １の加熱室から流出する冷却された燃焼ガスは導管８を介して第２の燃焼室Ｂ２ に導入される。導管１５により吸込まれた陽極排気ガスの一方の部分流１５ｂは この燃焼室Ｂ２で燃焼され、他方の部分流１５ａは第１の燃焼室Ｂ１で燃焼され る。第１の燃焼室Ｂ２での燃焼により高温の燃焼ガス流が発生する。この燃焼ガ ス流は、第１の燃焼室Ｂｌから流出する燃焼ガスに比して対応してより大きい流 量を有する。
この高温の燃焼ガス流は導管９を通ってガスタービンＴに導かれ燃料電池ＦＣの 所定作動圧力よりやや上まで減圧され導管１０にさらに導かれる。しかし次いで 燃焼ガスは導管１０の導管部分区間１０ａを通って案内されるのではなく、破線 により示されている導管１０ｃを介して第２の水蒸気改質装置Ｒ２の加熱室に導 かれ熱放出後に導管１０ｄを介して導管１０の導管部分区間１０ｂに戻される。
この導管１０は第１図と同様に熱交換器Ｗに直接つながっている。水蒸気改質装 置Ｒ２へのガス状炭化水素及び蒸気の供給は、破線により示されている導管１３ ａを介して行われる。水蒸気改質装置Ｒ２で発生した高濃度Ｈ２含有ガスは導管 １４ａを通って導管１４へ案内され、水蒸気改質装置Ｒ１で発生した高濃度Ｈ２ 含有ガスと一緒に導管部分区間１４ｂを介して燃料電池系ＦＣの陽極室へ案内さ れる。燃料電池系ＦＣが複数の個々の燃料電池から成ることが可能であるのは自 明である。
第３図には本発明の方法の別の２つの実施例も示されている。これらの実施例は 多（の場合に有利であることがある０例えば高濃度Ｈ２含有ガスは、燃料電池Ｆ Ｃへの供給前にＨ２含有量増加のために１つ又は複数の反応器５でＣＯ／Ｈ２シ フト反応にかけられることもある。これは発熱性反応である。反応の際、ＣＯと 水蒸気の化学反応によりＣＯ２とＨ２が発生してＨ２含有量の増加が生じる。加 えて、特定のガス成分（例えばＣｏ）に対して敏感である燃料電池の場合、（例 えば膜又は圧力変化用吸着ＰＳＡによる）対応するガス精製装置Ｐを設ける。こ のようなガス精製装置は燃料電池効率の上昇のためにも有利である。第３図に示 されていないが、可燃性成分を含む場合には分離ガスは有利には燃焼室Ｂ１及び Ｂ２に直接供給される。
第４図には、エネルギー発生のための付加的な水蒸気タービン処理も一緒に含む 、本発明の実施例が示されている。これにより７０−８０％台まで機械及び電気 エネルギーへの使用−次燃料のエネルギー（低位発熱量）の変換の全効率を大幅 に上昇することが可能になる。第３図と異なり圧縮機系にでの燃焼空気の圧縮は 中間冷却なしにすなわち１段で行われる。それでもできるだけ高い圧縮率を得る ために、導管１によりすでに予冷された空気を吸込むと有利である。さらに、水 蒸気改質装置Ｒ１及びＲ２で発生された高濃度Ｂ２ガス流（導管１４及び１４ａ ）が合流案内される導管１４ｂの途中には熱交換器Ｗｌが挿入接続されている。
熱交換器ｗｉは、（燃料電池ＦＣからの）導管１５及び（ガス精製装置Ｐからの ）導管１７を通って到来した可燃性の高濃度Ｂ２含有ガスの熱に間接熱交換をさ せて予熱する。予熱された高濃度Ｈ２含有ガスは導管１５ａ及び１５ｂを介して 水蒸気改質装置Ｒ１及びＲ２の燃焼室に導かれる。
第４図が第３図とさらに異なる点は、水蒸気改質装置Ｄ＋　及びＢ２　にある、 これらは高温燃焼ガスとの間接熱交換ににより炭化水素／蒸気混合気（水蒸気改 質装置への供給材料）発生のために好適に使用可能な新鮮な蒸気を発生する（図 示せず）０発生蒸気の別の有利な使用方法としてタービン羽根冷却と、質量流の 増加のために燃焼室Ｂｌ及びＢ２へ蒸気を導入することがある。
水蒸気改質装置Ｄ１　が導管１１及びＩｌａの途中に挿入接続され燃焼ガスが燃 料電池ＦＣの作動温度へほぼ冷却されるのに対して、水蒸気改質装置Ｄ２　は導 管１２ｃの途中に挿入接続され導管１２ｃを通って陰極排気ガスの一部のみが（ 導管１２ａを介して）案内される。陰極排気ガスの他方の一部は副流で導管１２ ｂを加熱媒体として間接被加熱式空気予熱器Ｌｗ２に到達し次いで再び導管１２ ｃに案内される０本発明のこの実施例では燃焼排気ガスの０２　含有量は、燃料 電池系ＦＣへの陰極ガスの供給を単独で保証するために通常は十分でない、従っ て付加的に新鮮な空気が導管１８を通って燃料電池系ＦＣの陰極室へ案内される 。
圧縮機■により作動圧力にされるこの付加空気流を燃料電池系ＦＣの作動温度へ ほぼ加熱するために空気予熱器ＬＷ２の他に空気予熱器ＬＷ＋　も設けられる。
空気予熱器Ｌ　Ｗ　＋　は加熱側で、大幅に冷却された燃焼ガスの排気に用いら れる導管１２の途中に挿入接続される。
本発明のこの変形は第１図−第３図の実施例の範囲内でも使用可能である。しか しエネルギーの可及的最大の変換効率の面での重要な進歩は本発明の方法への水 蒸気タービン処理の付加的組込により特に実現される。第４図では、本質的にこ のために設けられている装置技術的補足が破線により囲まれて強調されている。
通常はほぼ雰囲気圧力へ減圧されている燃焼ガスは水蒸気改質装置Ｄ２又は空気 予熱器ＬＷ２貫流後に空気予熱器ＬＷ１　に流入する前に分離装置ＭＤ（例えば フィルタ膜）で２つの異なる部分流すなわち導管１２を通って排気される本当の 排気ガス流と分離装置ＭＤから別個の導管２３を通って排気される蒸気流に分離 される０重要なことは、この分離装置ＭＤが、燃焼ガスに含まれている水成分を （例えば凝縮器により）液状でではなくガス状で分離する点である。この蒸気は その圧力が低いことに起因して低圧蒸気入口を通って蒸気タービンＴＤに供給さ れてそこで負圧に減圧される。これは、蒸気タービンＴＤに導管１９を介して接 続されている凝縮器Ｃが真空で作動されることにより可能となる。分離装置ＭＤ での燃焼排気ガス流のガス状成分の分離なしにはａ検器内の所要真空は技術的及 び経済的に有益な方法では維持することができない。
加えて蒸気タービンＴＤは導管２２を介して高圧蒸気を印加される。この蒸気は 、他の図で特別には示されず説明されていない燃料電池系ＦＣの範囲内で発生さ れる。このための冷却液として、凝縮器Ｃで発生され導管２０及び導管２２ａを 介して燃料電池系ＦＣの冷却系に供給される凝縮液の一部が使用される。過剰の 凝縮液は導管２１を通って排出され例えば水蒸気改質装置Ｄ１　及びＢ２　での 蒸気発生のために又は貴重な無機質除去水として他の処理工程で使用可能である 。
本発明の方法はＢ２からＢ２０への連続的酸化を基礎としているので必然的に過 剰水ひいては有益な副産物が発生される。
低圧蒸気及びより高圧の蒸気の減圧により発生する機械エネルギーは本例の場合 には、蒸気タービンＴＤに接続されている発電機ＣＤにより交流電流に変換され る。２つの発電機ＣＤ及びＧが１つの装置に合体される又は機械的に互いに連結 されることが可能であるのは自明である。
水蒸気改質装置り、及びＢ２　で発生された蒸気は前述のタービン羽根の冷却と 燃焼室Ｂｌ及びＢ２への導入に（燃焼ガスの温度の調整にも）使用される０発生 蒸気を本発明の方法の外部で使用することも可能である。しかしそのような場合 には、機械又は電気エネルギーに変換された一次燃料化学結合エネルギーの割合 が必然的に減少する。
第１図−第４図に示されている実施例では（例えばＰＡＦＣタイプの場合に）陰 極排気ガスが燃料電池系ＦＣ内での発生Ｈ２０を含むことが前提にされている。
しかしこれは常にそうでなければならない訳ではない。
第５図は全装置略示図内の対応部分でアルカリ電解質（ＡＦＣ）ベースの燃料電 池系が動作する変形を示す。
この場合にも確かに導管１４を介して高濃度Ｈ２含有ガスが陽極室に供給される 。しかし、燃料電池ＦＣで発生した蒸気は陽極排気ガスとして導管１５を介して 燃料電池ＦＣから出る。従って蒸気を得るために導管１５に分離装置ＭＤ２　が 接続されている０分離蒸気は導管２３ｂを通って例えば再び蒸気タービン（図示 せず）で減圧され、これに対してガス状部分は導管１５ｃを介してその可燃成分 の利用のために燃焼室（図示せず）に供給される。
燃焼室からの燃焼ガスは、アルカリ燃料電池の寿命を著しく損なう成分を含むの でこの燃焼ガスは好適には陰極ガスとして燃料電池ＦＣの０２供給のために使用 される。このために、圧縮機Ｖで作動圧力に圧縮され空気予熱器ＬＷで燃焼ガス の熱により間接的な方法で予熱される新鮮な空気が好適には使用される。圧縮機 ■及び空気予熱器ＬＷは給気管１８の途中に挿入接続されている。燃焼ガスに含 まれる水蒸気を利用可能にするために導管部分区間１１と１２の間に（例えば膜 フィルタ等の）分離装置Ｍ　Ｄ　＋　が配置されている。
分離蒸気は導管２３ａを介して排気され例えば蒸気タービンで減圧される。
本発明の方法の効率は、第４図と同様の装置構成の次の実施例で明瞭となり、従 って再度の詳細な説明はほぼ不要である。しかし、使用される炭化水素／水蒸気 混合気が熱交換器Ｗで水蒸気改質装置Ｒ１及びＲ２のための予熱温度に加熱され ることを述べておく０本発明のこの好適な実施例は別個に図示されていない。
すてに予冷された空気が導管１を通って圧縮機Ｋに供給される。水蒸気改質装置 Ｄ＋　で発生された蒸気は一部は圧縮機駆動タービンＫＴの羽根の冷却に使用さ れ他の一部は燃焼室Ｂ１に供給される。これに対応して、水蒸気改質装置Ｄ２　 で発生された蒸気は一部はガスタービンＴの羽根の冷却に使用されか又は第２の 燃焼室Ｂ２に導かれる０発生蒸気の他の一部は双方の水蒸気改質装置Ｒ１及びＲ ２への供給材料として用いられる。処理経過は、重要な処理パラメータを記載の 次の表から得られる： 使用燃料：　天然ガス （大部分ＣＨ，） 圧縮＠に： 入口温度　４℃ 出口温度　１６０　”Ｃ 出口圧力　ｄｂａｒ 熱交換器Ｗ： 燃焼空気の温度上昇　４０５に 燃焼ガスの温度降下　３０５に 燃焼室Ｂ１： 燃焼による温度上昇　６８５に 圧縮機駆動タービンＫＴ： 入口温度　１２５０℃ タービンを介しての圧力比　１．４５ 出口温度　１１５０℃ 水蒸気改質装置Ｒ１： 過熱された炭化水素／蒸気混合気の入口温度５５０°Ｃ 燃焼ガス出口温度　６１０°Ｃ 高濃度Ｈ２含有ガスの出口温度　７２０°Ｃ燃焼室Ｂ２： 燃焼による温度上昇　５９５に ガスタービンＴ： 入口温度　１２０５℃ 圧力比　２．４７ 出ロ温度　９８０℃ 水蒸気改質装置Ｒ２： 炭化水素／蒸気混合気の入口温度　５５０℃燃焼ガスの出口温度　６１０℃ 高濃度Ｈ２含有ガスの出口温度　７２０℃蒸気発生器り、： 水入口温度　１５℃ 蒸気蒸気温度　２９０°Ｃ 蒸気圧力　４．５ｂａｒ 燃焼ガスの温度降下　１３０　”Ｃ 燃料電池：　タイプ　ＰＡＦＣ 陰極ガス入口温度　１７５°Ｃ 陰極ガス出口温度　２００℃ 陽極入口温度　１７５℃ 陽極出ロ温度　２００℃ 高圧蒸気発生による燃料電池の冷却 空気過熱器ＬＷ２： 空気の入口温度　１５℃ 空気の温度上昇　１６０　”Ｃ 燃焼ガス部分流の温度降下　１５０に 水蒸気改質装置Ｄ２　＋ 水入口温度　１５°Ｃ 蒸気出口温度　１８５°Ｃ 蒸気圧力　３ｂａｒ 燃焼ガス部分流温度下降　１００に 蒸気タービンＴＤ： 高圧蒸気入口温度　１６５°Ｃ 高圧蒸気入ロ圧力　６．５ｂａｒ 低圧蒸気入口温度　１００℃ 低圧蒸気入口圧力　１ｂａｒ 圧縮機圧力　０．１５ｂａｒ 電カニ ガスタービンＴの発電機　１８６０ＫＷ、Ｌ蒸気タービンＴＤの発電機ＧＤ　１ ９３５ＫＷ、。
燃料電池ＦＣ１６３７５ＫＷ□ 低位発熱量ベースの電気的効率：　７５．２％化石燃料から電気又は機械エネル ギーを発生するための公知の方法に比して本発明の方法は大幅に高い効率を有し 、電力を基準として対応して大幅に僅がな量のＣ０ｚＬか放出しないだけでなく 、加えて酸化窒素量が最小の排気ガスを放出する。さらに副産物として、他の目 的に使用可能な貴重な処理水が得られる。
第３図及び第４図のそれぞれに２重に（直列に接続されて）設けられている装置 組合せ“燃焼室／タービン／水蒸気改質装置”が実際上同一の構造でありケーシ ングに組込可能であり、従って全接続が比較的複雑であるにもかかわらず比較的 簡単かつ小コストで本発明の装置の実現が可能である点が特別の利点である。
城下雲のＵ藷室提出書 饋世／７′１筋聞　ｒ旙Ｔ１ ７７日　１ニー　Ｗ　ＶＪ　Ｗ　Ｉｔ／＼　２　Ｊ＜　Ｗ　Ｗ（特許法第１８４ 条の８）

Claims (44)

    【特許請求の範囲】
  1. １．−発熱反応を間接加熱する際に少なくとも１つの段で炭化水素化合物の発熱 反応によるＨ２含有ガスを発生する段階と、 −増圧された高温の圧力を有する燃焼ガスを発生するための少なくとも１つの燃 焼段でＨ２含有ガスの一部を導入する段階と、 −Ｏ２含有ガスを圧縮する段階と、 −間接熱交換により圧縮Ｏ２含有ガスを加熱する段階と、 −圧縮され加熱されたＯ２含有ガスを１つ又は複数の燃焼段に尊人する段階と、 −少なくとも１つのガスタービンで高温燃焼ガスを少なくとも部分的に減圧して 機械エネルギーを発生する段階と、 −発熱反応の１つ又は複数の段を間接加熱するために少なくとも部分的に減圧さ れた燃焼ガス又はその部分流を利用する段階と、 −部分的に冷却された燃焼ガスの発熱反応の少なくとも１つの段を圧縮Ｏ２含有 ガス加熱のために利用する段階と、 −すでに加熱されたＯ２含有ガスを圧縮機駆動タービンユニットで部分的に減圧 するか、又は発生機械エネルギーの一部を取出すことにより、Ｏ２含有ガスを圧 縮するための駆動エネルギーを供給する段階を適用して、 燃料を酸化することにより電気エネルギーと機械エネルギーを併せて発生するた めの方法において、−発熱反応における発生Ｈ２含有ガスの少なくとも一部が、 まず初めに電気エネルギー発生の際に陽極ガスとして燃料電池糸を貫流案内され る段階と、−燃料電池系の残留Ｈ２含有陽極排気ガスが増圧された圧力を有する 燃焼ガスの発生のために用いられる段階を有することを特徴とする電気エネルギ ーと機械エネルギーを併せて発生するための方法。
  2. ２．増圧された圧力を有する燃焼ガスの発生が過剰Ｏ２により行われることと、 圧縮Ｏ２含有ガスヘの熱放出の前又は後で燃焼ガスが陰極ガスとして燃料電池系 へ供給されることを特徴とする請求の範囲第１項記載の電気エネルギーと機械エ ネルギーを併せて発生するための方法。
  3. ３．増圧された燃焼ガスの発生が少なくとも２つの段で行われることを特徴とす る請求の範囲第１項又は第２項に記載の電気エネルギーと機械エネルギーを併せ て発生するための方法。
  4. ４．各燃焼段の後で燃焼ガスの少なくとも部分的な減圧が複数のガスタービンの それぞれでおこなわれることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の電気エネル ギーと機械エネルギーを併せて発生するための方法。
  5. ５．少なくとも部分的に減圧された燃焼ガスが、それぞれのガスタービンで、複 数の発熱反応を行う段の１つを間接加熱するために用いられることを特徴とする 請求の範囲第３項又は第４項に記載の電気エネルギーと機械エネルギーを併せて 発生するための方法。
  6. ６．発熱反応の異なる段で発生されたＨ２含有ガス部分量が集められ次いで燃料 電池系の陽極室へ供給されることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の電気エ ネルギーと機械エネルギーを併せて発生するための方法。
  7. ７．発生Ｈ２含有ガスが燃料電池系への供給前にＣＯ／Ｈ２シフト反応にかけら れることを特徴とする請求の範囲第１項から第６項のうちのいずれか１つの項に 記載の電気エネルギーと機械エネルギーを併せて発生するための方法。
  8. ８．ガス成分を分離する精製装置に発生Ｈ２含有ガスが燃料電池系への供給前に かけれることと、可燃性成分を含む分離ガス成分が燃焼ガス発生の際に一緒に用 いられることを特徴とする請求の範囲第１項から第７項のうちのいずれか１つの 項に記載の電気エネルギーと機械エネルギーを併せて発生するための方法。
  9. ９．燃焼ガス発生の際に付加的に例えば天然ガス等の一次燃料が使用されること を特徴とする請求の範囲第１項から第８項のうちのいずれか１つの項に記載の電 気エネルギーと機械エネルギーを併せて発生するための方法。
  10. １０．機械又は電気エネルギーの発生とは独立している加熱目的のための燃料電 池系の陰極排気ガスの残留熱が用いられることを特徴とする請求の範囲第１項か ら第８項のうちのいずれか１つの項に記載の電気エネルギーと機械エネルギーを 併せて発生するための方法。
  11. １１．燃料電池系で及び／又は燃焼ガス発生の際に生じる水が燃料電池排気ガス （陰極又は陽極排気ガス）及び／又は燃焼ガスから少なくとも部分的に分離され ることを特徴とする請求の範囲第１項から第１０項のうちのいずれか１つの項に 記載の電気エネルギーと機械エネルギーを併せて発生するための方法。
  12. １２．水の分離が水蒸気の形で行われることを特徴とする請求の範囲第１１項に 記載の電気エネルギーと機械エネルギーを併せて発生するための方法。
  13. １３．燃料電池系が水蒸気を発生しつつ冷却されることを特徴とする請求の範囲 第１項から第１２項のうちのいずれか１つの項に記載の電気エネルギーと機械エ ネルギーを併せて発生するための方法。
  14. １４．水蒸気が蒸気タービン処理での作業に用いられることを特徴とする請求の 範囲第１２項又は第１３項に記載の電気エネルギーと機械エネルギーを併せて発 生するための方法。
  15. １５．処理水を得るために雰囲気圧力より低い圧力に水蒸気が蒸気タービン処理 での減圧後に凝縮されることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の電気エネ ルギーと機械エネルギーを併せて発生するための方法。
  16. １６．燃焼ガスに含まれる熱の一部が間接熱交換による水蒸気発生のために用い られることを特徴とする請求の範囲第１項から第１５項のうちのいずれか１つの 項に記載の電気エネルギーと機械エネルギーを併せて発生するための方法。
  17. １７．水蒸気の少なくとも一部がタービン羽根冷却に用いられることを特徴とす る請求の範囲第１２項から第１６項のうちのいずれか１つの項に記載の電気エネ ルギーと機械エネルギーを併せて発生するための方法。
  18. １８．燃焼ガスを発生する燃焼室に水蒸気の少なくとも一部が案内されることを 特徴とする請求の範囲第１２項から第１７項のうちのいずれか１つの項に記載の 電気エネルギーと機械エネルギーを併せて発生するための方法。
  19. １９．蒸気改質として行われる炭化水素発熱反応のための使用材料として水蒸気 の一部が用いられることを特徴とする請求の範囲第１２項から第１８項のうちの いずれか１つの項に記載の電気エネルギーと機械エネルギーを併せて発生するた めの方法。
  20. ２０．発生機械エネルギーが発電機系により交流電流に変換されることを特徴と する請求の範囲第１項から第９項のうちのいずれか１つの項に記載の電気エネル ギーと機械エネルギーを併せて発生するための方法。
  21. ２１．燃料電池系で発生された直流電流が交流電流に変換される請求の範囲第１ 項から第１０項のうちのいずれか１つの項に記載の電気エネルギーと機械エネル ギーを併せて発生するための方法。
  22. ２２．第１項に記載の方法を実施するための装置であって、 −Ｏ２含有ガスを圧縮するための圧縮系（Ｋ）と、−圧縮Ｏ２含有ガスを間接加 熱するための熱交換器（Ｗ）と、 −Ｈ２含有ガスを少なくとも部分的に燃焼するための少なくとも１つの燃焼室（ Ｂ、Ｂ１、Ｂ２）と、−本装置の外部での利用のための機械エネルギーと圧縮機 糸（Ｋ）のための駆動エネルギーを供給する少なくとも１つのガスタービン（Ｋ Ｔ、Ｔ）から成るガスタービン系と、 −加熱されたＯ２含有圧縮ガスが高温燃焼ガスの形で直接に及び／又は燃焼室（ Ｂ、Ｂ１、Ｂ２）のうちの少なくとも１つを貫流後に間接的にガスタービン（Ｋ Ｔ、Ｔ）に供給される際に介在する導管系（５、６）と、 −ガスタービン（ＫＴ、Ｔ）の高温排気ガスにより間接的に加熱可能な高濃度Ｈ ２ガスを発生するための発熱反応のための少なくとも１つの反応器（Ｒ、Ｒ１、 Ｒ２）と、 −Ｈ２含有ガスを燃焼室（Ｂ、Ｂ１、Ｂ２）に供給する導管系（１５、１５ａ、 １５ｂ、１５ｃ）と、−圧縮Ｏ２含有ガスを加熱するために、熱交換器（Ｗ）に 直接的に、又は少なくとも１つの反応器（Ｒ、Ｒ１、Ｒ２）での熱放出の後で間 接的に、タービン排気ガスを供給する導管系（１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、 １０ｄ）を、具備する装置において、−燃料電池系（ＦＣ）の陽極室に高濃度Ｈ ２ガスを供給する導管系（１４、１４ａ、１４ｂ）が設けられていることと、Ｈ ２含有ガス（陽極ガス）のための陽極室の出口が燃焼室（Ｂ、Ｂ１、Ｂ２）への 導管系（１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）に接続されていることを特徴とする装 置。
  23. ２３．少なくとも１つの反応器（Ｒ）からのタービン排気ガスがＯ２含有ガスと して燃料電池系（ＦＣ）の陰極室へ供給される際に介在する導管系（１０ｄ）が 設けられていることを特徴とする請求の範囲第２２項に記載の装置。
  24. ２４．熱交換器（Ｗ）からのタービン排気ガスがＯ２含有ガスとして燃料電池系 （ＦＣ）の陰極室に供給される際に介在する導管系（１１、１１ａ）が設けられ ていることを特徴とする請求の範囲第２２項に記載の装置。
  25. ２５．圧縮機糸（Ｋ）が少なくとも２つの圧縮機段（Ｋ１、Ｋ２）からなり圧縮 機段（Ｋ１、Ｋ２）の間に中間冷却機が挿入接続されていることを特徴とする請 求の範囲第２２項から第２４項のうちのいずれか１つの項に記載の装置。
  26. ２６．圧縮機糸（Ｋ）の駆動のための別個のガスタービン（ＫＴ）とこれから分 離されており外部に放出可能な機械エネルギーを発生するためのガスタービン（ Ｔ）の双方が設けられていることを特徴とする請求の範囲第２２項から第２５項 のうちのいずれか１つの項に記載の装置。
  27. ２７．圧縮機系（Ｋ）を駆動するためと外部への放出可能な機械エネルギーを発 生するためのガスタービン（Ｔ）がただ１つ設けられていることを特徴とする請 求の範囲第２２項から第２５項のうちのいずれか１つの項に記載の装置。
  28. ２８．圧縮Ｏ２含有ガスが導管（５）を介して熱交換器（０）から圧縮機駆動タ ービン（ＫＴ）へ直接に案内可能であることを特徴とする請求の範囲第２６項に 記載の装置。
  29. ２９．各ガスタービン（ＫＴ、Ｔ）の直接前にそれぞれ１つの燃焼室（Ｂ１、Ｂ ２）が配置されていることを特徴とする請求の範囲第項２２から第２７項のうち のいずれか１つの項に記載の装置。
  30. ３０．ガスタービン（ＫＴ、Ｔ）が燃焼ガスの流路に関して直列に接続されてい ることを特徴とする請求の範囲第２２項から第２９項のうちのいずれか１つの項 に記載の装置。
  31. ３１．燃料電池系（ＦＣ）への陽極室への高濃度Ｈ２含有ガスの供給のための導 管系（１４、１４ｂ）の途中にＣＯ／Ｈ２シフト反応器（５）が挿入接続されて いることを特徴とする請求の範囲第２２項から第３０項のうちのいずれか１つの 項に記載の装置。
  32. ３２．燃料電池系（ＦＣ）の陽極室への高濃度Ｈ２含有ガスの供給のための導管 系（１４、１４ｂ）の途中に少なくとも１つのガス精製装置（Ｐ）が挿入接続さ れていることを特徴とする請求の範囲第２２項から第３１項のうちのいずれか１ つの項に記載の装置。
  33. ３３．外部へ放出可能な機械エネルギーを発生するためのガスタービン（Ｔ）が 発電機（Ｇ）に接続されていることを特徴とする請求の範囲第２２項から第３２ 項のうちのいずれか１つの項に記載の装置。
  34. ３４．燃料電池系（ＦＣ）が交流電流発生のためのインバータに接続されている ことを特徴とする請求の範囲第２２項から第３３項のうちのいずれか１つの項に 記載の装置。
  35. ３５．燃料電池系（ＦＣ）が発電機（Ｇ）に電気的に接続されていることを特徴 とする請求の範囲第３３項に記載の装置。
  36. ３６．陰極又は陽極排気ガスを燃料電池系（ＦＣ）で発生した水とともに案内す る導管（１２、１２ａ、１５）の途中に、発生水を蒸気として排気ガスから分離 する分離装置（ＭＤ、ＭＤ２）が挿入接続されていることを特徴とする請求の範 囲第２２項から第３５項のうちのいずれか１つの項に記載の装置。
  37. ３７．燃焼ガスを案内する導管（１１、１２）の途中に、燃焼ガスに含まれる水 を蒸気として分離するための分離装置（ＭＤ１）が挿入接続されていることを特 徴とする請求の範囲第２２項から第３６項のうちのいずれか１つの項に記載の装 置。
  38. ３８．燃焼ガスを案内する導管系（１１、１１ａ、１２、１２ａ、１２ｃ）の途 中に少なくとも１つの蒸気発生器（Ｄ１、Ｄ２）が挿入接続されていることを特 徴とする請求の範囲第２２項から第３７項のうちのいずれか１つの項に記載の装 置。
  39. ３９．機械エネルギー発生のための水蒸気の少なくとも一部を減圧することが可 能な蒸気タービン系（ＴＤ）が少なくとも１つ設けられていることを特徴とする 請求の範囲第３６項から第３８項のうちのいずれか１つの項に記載の装置。
  40. ４０．蒸気タービン系（ＴＤ）が発電機（ＧＤ、Ｇ）に電気的に接続されている ことを特徴とする請求の範囲第３９項に記載の装置。
  41. ４１．燃料電池系（ＦＣ）の陰極室が、燃焼ガスにより加熱可能な少なくとも１ つの空気予熱器（ＬＷ、ＬＷ１、ＬＷ２）が途中に挿入接続されている新鮮空気 供給導管（１８）に接続されていることを特徴とする請求の範囲第２２項から第 ４０項のうちのいずれか１つの項に記載の装置。
  42. ４２．負圧により作動可能な圧縮機（Ｃ）が蒸気タービン系（ＴＤ）に接続され ていることを特徴とする請求の範囲第３９項から第４１項のうちのいずれか１つ の項に記載の装置。
  43. ４３．発熱反応のための反応器（Ｒ、Ｒ１、Ｒ２）が水蒸気改質装置として形成 されていることを特徴とする請求の範囲第２２項から第４２項のうちのいずれか １つの項に記載の装置。
  44. ４４．少なくとも１つの反応器（Ｒ、Ｒ１、Ｒ２）で発生された高濃度Ｈ２含有 ガスからの熱を、少なくとも１つの燃焼室（Ｂ、Ｂ１、Ｂ２）に供給するＨ２を 含むガスへ伝達する熱交換器（Ｗ１）が少なくとも１つ設けられていることを特 徴とする請求の範囲第２２項から第４３項のうちのいずれか１つの項に記載の装 置。
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