JPH07201349A - 燃料電池サイクルに基づく間接燃焼型のガスタービンサイクル - Google Patents
燃料電池サイクルに基づく間接燃焼型のガスタービンサイクルInfo
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- JPH07201349A JPH07201349A JP6287597A JP28759794A JPH07201349A JP H07201349 A JPH07201349 A JP H07201349A JP 6287597 A JP6287597 A JP 6287597A JP 28759794 A JP28759794 A JP 28759794A JP H07201349 A JPH07201349 A JP H07201349A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 燃料電池サイクルに基づく間接燃焼型のガス
タービンサイクルを提供する。 【構成】 間接燃焼型のガスタービンサイクル１２は、
燃料電池サイクル１３に基づき、ガスタービン２６から
排出される加熱された空気を燃料電池１４のカソード３
２において直接利用し、燃料電池１４の中で電気化学的
な反応を行わせて電力を発生させる。カソード３２の熱
いリサイクルガスが、ガスタービンサイクル１２で使用
される圧縮空気を間接的に加熱するために必要とされる
熱量のかなりの部分をもたらす。燃料電池１４からの熱
いガスを燃焼器５０の中で用い、該燃焼器５０の所要燃
料量、並びに、該燃焼器から放出されるＮＯｘ量を共に
減少させる。カソード３２からの熱いガスの一部を空気
加熱機能から解放し、吸収式冷凍サイクル６７、又は、
蒸気を発生させるための蒸気タービンサイクル６３で使
用することができる。
タービンサイクルを提供する。 【構成】 間接燃焼型のガスタービンサイクル１２は、
燃料電池サイクル１３に基づき、ガスタービン２６から
排出される加熱された空気を燃料電池１４のカソード３
２において直接利用し、燃料電池１４の中で電気化学的
な反応を行わせて電力を発生させる。カソード３２の熱
いリサイクルガスが、ガスタービンサイクル１２で使用
される圧縮空気を間接的に加熱するために必要とされる
熱量のかなりの部分をもたらす。燃料電池１４からの熱
いガスを燃焼器５０の中で用い、該燃焼器５０の所要燃
料量、並びに、該燃焼器から放出されるＮＯｘ量を共に
減少させる。カソード３２からの熱いガスの一部を空気
加熱機能から解放し、吸収式冷凍サイクル６７、又は、
蒸気を発生させるための蒸気タービンサイクル６３で使
用することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に、燃料電池サイク
ルと組合わされた間接燃焼型のガスタービンサイクルに
関し、より詳細には、燃料電池サイクルが間接燃焼型の
ガスタービンサイクルの基礎となるような複合型サイク
ルに関する。本発明は、米国エネルギ省によって授与さ
れた契約番号ＤＥ−ＡＣ０５−８４−ＯＲ２１４００に
従って、合衆国政府の援助を受けてなされたものであ
る。合衆国政府は、本発明に関してある権利を有する。
ルと組合わされた間接燃焼型のガスタービンサイクルに
関し、より詳細には、燃料電池サイクルが間接燃焼型の
ガスタービンサイクルの基礎となるような複合型サイク
ルに関する。本発明は、米国エネルギ省によって授与さ
れた契約番号ＤＥ−ＡＣ０５−８４−ＯＲ２１４００に
従って、合衆国政府の援助を受けてなされたものであ
る。合衆国政府は、本発明に関してある権利を有する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービン及び燃料電池は、電力を発
生するために使用される周知の機構である。従来、ガス
タービンサイクル及び燃料電池サイクルは各々、電力の
コジェネレーションを行うための蒸気タービンサイクル
に基づいていた。溶融炭酸塩燃料電池の如き燃料電池を
用いると共に、蒸気サイクルに基づくサイクルを採用し
た場合には、通常、コンプレッサを用いて加圧された空
気の流れを燃料電池のカソードへ供給する。燃料電池の
性能を向上させるために、二酸化炭素を空気流に加え、
その結果生じた混合物が、燃料電池のアノードに導入さ
れた燃料と電気化学的な反応を起こす。燃料電池は、電
気エネルギを発生すると共に、適宜な発電機に接続され
た蒸気タービンサイクルが蒸気を発生するために使用さ
れる熱いガスの流れを発生する。
生するために使用される周知の機構である。従来、ガス
タービンサイクル及び燃料電池サイクルは各々、電力の
コジェネレーションを行うための蒸気タービンサイクル
に基づいていた。溶融炭酸塩燃料電池の如き燃料電池を
用いると共に、蒸気サイクルに基づくサイクルを採用し
た場合には、通常、コンプレッサを用いて加圧された空
気の流れを燃料電池のカソードへ供給する。燃料電池の
性能を向上させるために、二酸化炭素を空気流に加え、
その結果生じた混合物が、燃料電池のアノードに導入さ
れた燃料と電気化学的な反応を起こす。燃料電池は、電
気エネルギを発生すると共に、適宜な発電機に接続され
た蒸気タービンサイクルが蒸気を発生するために使用さ
れる熱いガスの流れを発生する。
【０００３】そのような燃料電池及び蒸気タービンが複
合された構造の変形例は、蒸気タービンサイクルではな
くガスタービンに基づく燃料電池を使用し、これによ
り、カソードの排出流の中の残留熱エネルギをガスター
ビンの中に直接抽出して電力を発生させている。そのよ
うな装置は、本件出願人に係る１９９０年５月１日に発
行されたグメインドル外（Ｇｍｅｉｎｄｌ ｅｔ ａ
ｌ）の米国特許第４，９２１，７６５号に記載されてお
り、該米国特許は本明細書中において参照される。
合された構造の変形例は、蒸気タービンサイクルではな
くガスタービンに基づく燃料電池を使用し、これによ
り、カソードの排出流の中の残留熱エネルギをガスター
ビンの中に直接抽出して電力を発生させている。そのよ
うな装置は、本件出願人に係る１９９０年５月１日に発
行されたグメインドル外（Ｇｍｅｉｎｄｌ ｅｔ ａ
ｌ）の米国特許第４，９２１，７６５号に記載されてお
り、該米国特許は本明細書中において参照される。
【０００４】ガスタービンサイクル及び燃料電池サイク
ルの別の変形例においては、直接燃焼型のガスタービン
サイクルが燃料電池サイクルと組合わされ、ガスタービ
ンを駆動するために使用される熱いガスの流れを発生
し、従って、ガスタービンサイクル及び燃料電池サイク
ルの両方において電力を発生する。
ルの別の変形例においては、直接燃焼型のガスタービン
サイクルが燃料電池サイクルと組合わされ、ガスタービ
ンを駆動するために使用される熱いガスの流れを発生
し、従って、ガスタービンサイクル及び燃料電池サイク
ルの両方において電力を発生する。
【０００５】上述の如きガスタービンに基づく燃料電池
サイクル、あるいは、燃料電池サイクルと組合わされて
タービン駆動ガスを発生する直接燃焼型のガスタービン
サイクルを用いた従来周知の複合型サイクルは、電力の
コジェネレーションを可能とするが、そのように組合わ
されたサイクルは、電力変換を高い効率で促進させる特
別の能力を有するとは考えられていない。その欠点を示
す基本的な理由は、本件出願人の上記米国特許に記載さ
れるような溶融炭酸塩燃料電池の如き現在入手可能な燃
料電池は、約６気圧程度までの圧力において作動できる
だけであり、従って、ガスタービンを効率的に作動させ
るために必要な圧力よりも低い圧力のタービン駆動ガス
流をもたらす。
サイクル、あるいは、燃料電池サイクルと組合わされて
タービン駆動ガスを発生する直接燃焼型のガスタービン
サイクルを用いた従来周知の複合型サイクルは、電力の
コジェネレーションを可能とするが、そのように組合わ
されたサイクルは、電力変換を高い効率で促進させる特
別の能力を有するとは考えられていない。その欠点を示
す基本的な理由は、本件出願人の上記米国特許に記載さ
れるような溶融炭酸塩燃料電池の如き現在入手可能な燃
料電池は、約６気圧程度までの圧力において作動できる
だけであり、従って、ガスタービンを効率的に作動させ
るために必要な圧力よりも低い圧力のタービン駆動ガス
流をもたらす。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的すなわち
対象は、燃料電池サイクルに基づき、電力変換を効率的
に行う最適な圧力において、ガスタービンを作動するこ
とができる間接燃焼型のガスタービンサイクルを提供す
ることにある。
対象は、燃料電池サイクルに基づき、電力変換を効率的
に行う最適な圧力において、ガスタービンを作動するこ
とができる間接燃焼型のガスタービンサイクルを提供す
ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記複合型サイクル構造
においては、ガスタービンは、該ガスタービンの効率的
な作動を行わせるのに適当な圧力を有し、且つ間接加熱
される空気によって駆動され、一方、ガスタービンの入
口における圧力よりもかなり低い圧力を有するガスター
ビンから排出される熱い空気は、電気化学的な反応を起
こすために燃料電池サイクルにおいて直接利用される。
本発明においては、ガスタービンから排出される熱い空
気の温度及び圧力は、燃料電池サイクルの効率的な作動
に必要とされる温度及び圧力に実質的に合致するように
容易に設定することができる。
においては、ガスタービンは、該ガスタービンの効率的
な作動を行わせるのに適当な圧力を有し、且つ間接加熱
される空気によって駆動され、一方、ガスタービンの入
口における圧力よりもかなり低い圧力を有するガスター
ビンから排出される熱い空気は、電気化学的な反応を起
こすために燃料電池サイクルにおいて直接利用される。
本発明においては、ガスタービンから排出される熱い空
気の温度及び圧力は、燃料電池サイクルの効率的な作動
に必要とされる温度及び圧力に実質的に合致するように
容易に設定することができる。
【０００８】概括的に言えば、燃料電池サイクルに基づ
く本発明の間接燃焼型のガスタービン装置すなわちガス
タービンサイクルは、圧縮空気の流れをもたらすコンプ
レッサ手段と、上記圧縮空気の流れを受け取るために上
記コンプレッサ手段に接続された間接式の熱交換手段
と、上記圧縮空気の流れを間接的に加熱するための加熱
ガスの流れを上記熱交換手段に供給する手段と、上記ガ
スタービン手段を駆動するための圧縮空気の加熱された
流れを受け取るために上記熱交換手段に接続されたガス
タービン手段と、アノード手段、並びに、上記ガスター
ビン手段から排出される加熱された空気の流れを受け取
るために上記ガスタービン手段に接続されたカソード手
段を有する燃料電池手段と、上記アノード手段へ燃料を
供給するために上記アノード手段に接続され、上記加熱
された空気の流れで上記燃料電池手段の中に電気化学的
な反応を起こして電力を発生させると同時に、上記アノ
ード手段に加熱されたガスの流れを発生させる共に、上
記カソード手段に加熱されたガスの流れを発生させる手
段と、上記カソード手段を上記熱交換手段に接続し、上
記加熱されたガスの少なくとも一部を上記熱交換手段へ
供給して上記圧縮空気の流れを間接的に加熱するための
導管手段とを備える。
く本発明の間接燃焼型のガスタービン装置すなわちガス
タービンサイクルは、圧縮空気の流れをもたらすコンプ
レッサ手段と、上記圧縮空気の流れを受け取るために上
記コンプレッサ手段に接続された間接式の熱交換手段
と、上記圧縮空気の流れを間接的に加熱するための加熱
ガスの流れを上記熱交換手段に供給する手段と、上記ガ
スタービン手段を駆動するための圧縮空気の加熱された
流れを受け取るために上記熱交換手段に接続されたガス
タービン手段と、アノード手段、並びに、上記ガスター
ビン手段から排出される加熱された空気の流れを受け取
るために上記ガスタービン手段に接続されたカソード手
段を有する燃料電池手段と、上記アノード手段へ燃料を
供給するために上記アノード手段に接続され、上記加熱
された空気の流れで上記燃料電池手段の中に電気化学的
な反応を起こして電力を発生させると同時に、上記アノ
ード手段に加熱されたガスの流れを発生させる共に、上
記カソード手段に加熱されたガスの流れを発生させる手
段と、上記カソード手段を上記熱交換手段に接続し、上
記加熱されたガスの少なくとも一部を上記熱交換手段へ
供給して上記圧縮空気の流れを間接的に加熱するための
導管手段とを備える。
【０００９】本発明の好ましい実施例においては、燃焼
室手段が燃料電池に接続されて該燃料電池から加熱され
たガスの流れを受け取り、この加熱されたガスの流れは
基本的には上記アノード手段からもたらされる。燃料及
び空気が、外部供給源から上記燃焼室手段に供給され、
上記アノード手段からの加熱されたガスの流れを含む燃
焼生成物の流れを発生する。上記燃焼室手段は上記熱交
換手段に接続され、これにより、上記燃焼生成物の流れ
が、上記圧縮空気の流れを所望のタービン入口温度まで
間接的に加熱するために上記熱交換手段に供給される上
記加熱されたガスの流れの残りをもたらす。
室手段が燃料電池に接続されて該燃料電池から加熱され
たガスの流れを受け取り、この加熱されたガスの流れは
基本的には上記アノード手段からもたらされる。燃料及
び空気が、外部供給源から上記燃焼室手段に供給され、
上記アノード手段からの加熱されたガスの流れを含む燃
焼生成物の流れを発生する。上記燃焼室手段は上記熱交
換手段に接続され、これにより、上記燃焼生成物の流れ
が、上記圧縮空気の流れを所望のタービン入口温度まで
間接的に加熱するために上記熱交換手段に供給される上
記加熱されたガスの流れの残りをもたらす。
【００１０】上記カソード手段からの熱いガスの流れの
一部は、適宜な触媒反応器の中で、上記アノード手段か
らの残留燃料値を含む上記熱いガスの流れと組合わさ
れ、二酸化炭素を発生する。上記触媒反応器からの熱い
ガスの排出流の中の二酸化炭素は、適宜な分離器の中で
そのようなガスから分離され、上記ガスタービンから排
出される上記熱いガスの流れと混合されて上記燃料電池
で使用される。
一部は、適宜な触媒反応器の中で、上記アノード手段か
らの残留燃料値を含む上記熱いガスの流れと組合わさ
れ、二酸化炭素を発生する。上記触媒反応器からの熱い
ガスの排出流の中の二酸化炭素は、適宜な分離器の中で
そのようなガスから分離され、上記ガスタービンから排
出される上記熱いガスの流れと混合されて上記燃料電池
で使用される。
【００１１】本発明の電池の好ましい実施例の変更例に
おいては、別のガスタービン手段を設けることができ、
該別のガスタービン手段は、上記加熱されたガスが圧縮
された空気の流れを間接的に加熱するために上記熱交換
手段の中に導入される前に、上記カソード手段から上記
加熱されたガスの流れを受け取る。
おいては、別のガスタービン手段を設けることができ、
該別のガスタービン手段は、上記加熱されたガスが圧縮
された空気の流れを間接的に加熱するために上記熱交換
手段の中に導入される前に、上記カソード手段から上記
加熱されたガスの流れを受け取る。
【００１２】上記熱交換手段から排出された加熱された
ガスの流れは、蒸気タービンサイクルで使用される蒸気
を発生するために利用されるのが好ましいが、吸収式冷
却器を用いる冷凍装置の如き熱を必要とする他の目的に
使用することもできる。必要に応じて、燃料電池手段の
カソード手段から排出される加熱されたガスの流れの一
部を上記熱交換手段の周囲にバイパスし、蒸気タービン
サイクルで使用される蒸気の発生を促進するか、あるい
は、上記吸収式冷却器で使用されるガスの温度を高める
ことができる。燃料電池を蒸気タービンサイクルに基づ
かせることにより、間接燃焼型のガスタービンサイクル
の熱交換器から排出されるガスから残留熱エネルギを回
収することができ、これにより、約５９％の全サイクル
効率をもたらすと予想される複合型の装置が提供され、
この複合型の装置は、比較的効率が低い蒸気サイクルが
燃料電池又は間接燃焼型のガスタービンに基づく従来周
知の複合型の装置の約５５％の評価効率に比較して、大
幅な改善を示す。
ガスの流れは、蒸気タービンサイクルで使用される蒸気
を発生するために利用されるのが好ましいが、吸収式冷
却器を用いる冷凍装置の如き熱を必要とする他の目的に
使用することもできる。必要に応じて、燃料電池手段の
カソード手段から排出される加熱されたガスの流れの一
部を上記熱交換手段の周囲にバイパスし、蒸気タービン
サイクルで使用される蒸気の発生を促進するか、あるい
は、上記吸収式冷却器で使用されるガスの温度を高める
ことができる。燃料電池を蒸気タービンサイクルに基づ
かせることにより、間接燃焼型のガスタービンサイクル
の熱交換器から排出されるガスから残留熱エネルギを回
収することができ、これにより、約５９％の全サイクル
効率をもたらすと予想される複合型の装置が提供され、
この複合型の装置は、比較的効率が低い蒸気サイクルが
燃料電池又は間接燃焼型のガスタービンに基づく従来周
知の複合型の装置の約５５％の評価効率に比較して、大
幅な改善を示す。
【００１３】また、燃料電池のカソードから供給される
熱い排ガスを用いてガスタービンサイクルの熱交換器に
おいて圧縮空気を加熱することにより、入口において圧
縮空気を約８７１°Ｃ乃至１，４２７°Ｃ（約１，６０
０乃至２６００°Ｆ）の範囲の適宜なガスタービン作動
温度、好ましくは約１，２６０°Ｃ（約２，３００°
Ｆ）の温度まで上昇させるに必要な熱量の約３５−４０
％がもたらされる。この構成は、コンプレッサの排出空
気を所望のガスタービン入口温度まで加熱するに必要な
所要燃料量を大幅に低減する。
熱い排ガスを用いてガスタービンサイクルの熱交換器に
おいて圧縮空気を加熱することにより、入口において圧
縮空気を約８７１°Ｃ乃至１，４２７°Ｃ（約１，６０
０乃至２６００°Ｆ）の範囲の適宜なガスタービン作動
温度、好ましくは約１，２６０°Ｃ（約２，３００°
Ｆ）の温度まで上昇させるに必要な熱量の約３５−４０
％がもたらされる。この構成は、コンプレッサの排出空
気を所望のガスタービン入口温度まで加熱するに必要な
所要燃料量を大幅に低減する。
【００１４】上記燃料電池のアノードからの排気ガスを
上記燃焼器で用いることにより、比較的高いＮＯｘを生
成するという上記燃焼器の通常の傾向が十分に低下す
る。アノードの排気ガスは、実質的に非燃焼性の反応ガ
スから形成されるので、上記燃焼器で発生する燃焼ガス
と混合するのに有用な温度の低ＮＯｘの流れが形成さ
れ、これにより、燃焼器におけるＮＯｘの発生を十分に
低減すると共に、燃焼器からガスタービン装置の熱交換
器へ排出される燃焼生成物の体積を増やすことができ
る。
上記燃焼器で用いることにより、比較的高いＮＯｘを生
成するという上記燃焼器の通常の傾向が十分に低下す
る。アノードの排気ガスは、実質的に非燃焼性の反応ガ
スから形成されるので、上記燃焼器で発生する燃焼ガス
と混合するのに有用な温度の低ＮＯｘの流れが形成さ
れ、これにより、燃焼器におけるＮＯｘの発生を十分に
低減すると共に、燃焼器からガスタービン装置の熱交換
器へ排出される燃焼生成物の体積を増やすことができ
る。
【００１５】蒸気タービンサイクルに基づく燃料電池サ
イクルとは対照的に、燃料電池サイクルに基づく間接燃
焼型のガスタービンサイクルを用いることにより、多く
のハードウエアの制約が解消される。例えば、燃料電池
サイクルに基づく間接燃焼型のガスタービンサイクルを
用いた場合には、ガスタービンは、使用可能な熱量をよ
り効率的なブレイトンサイクルへ移行させる柔軟性をも
たらすと共に、燃料電池で使用される空気を加熱するた
めに必要とされる別個の熱交換器を必要としない。
イクルとは対照的に、燃料電池サイクルに基づく間接燃
焼型のガスタービンサイクルを用いることにより、多く
のハードウエアの制約が解消される。例えば、燃料電池
サイクルに基づく間接燃焼型のガスタービンサイクルを
用いた場合には、ガスタービンは、使用可能な熱量をよ
り効率的なブレイトンサイクルへ移行させる柔軟性をも
たらすと共に、燃料電池で使用される空気を加熱するた
めに必要とされる別個の熱交換器を必要としない。
【００１６】本発明の別のまた他の目的は、以下にある
いは請求の範囲に記載する例示的な実施例及び変更例を
理解することにより明らかとなり、また、本明細書に記
載しない種々の利点は、本発明を実施することにより当
業者に明らかとなろう。
いは請求の範囲に記載する例示的な実施例及び変更例を
理解することにより明らかとなり、また、本明細書に記
載しない種々の利点は、本発明を実施することにより当
業者に明らかとなろう。
【００１７】以下に説明する本発明の好ましい実施例及
びその変更例は、図示及び説明の目的で選択されたもの
である。そのような好ましい実施例及び図１に示す変更
例は、本発明の全体を網羅するものでもなく、また、本
発明を図示の形態に厳密に限定するものでもない。好ま
しい実施例及び図示の実施例は、本発明の原理及びその
用途並びに実際の使用を最も良く説明し、当業者が、意
図する特定の用途に最も良く適合する種々の実施例及び
変更例として本発明を利用できるようにするために選択
したものである。
びその変更例は、図示及び説明の目的で選択されたもの
である。そのような好ましい実施例及び図１に示す変更
例は、本発明の全体を網羅するものでもなく、また、本
発明を図示の形態に厳密に限定するものでもない。好ま
しい実施例及び図示の実施例は、本発明の原理及びその
用途並びに実際の使用を最も良く説明し、当業者が、意
図する特定の用途に最も良く適合する種々の実施例及び
変更例として本発明を利用できるようにするために選択
したものである。
【００１８】
【実施例】以下に説明する本発明の複合型の間接燃焼型
ガスタービンサイクル及び燃料電池サイクルに使用され
る燃料電池は、溶融炭酸塩燃料電池として説明するが、
その理由は、溶融炭酸塩燃料電池は、本発明の複合型の
サイクル構造に使用できるように適正に開発されている
からである。溶融炭酸塩燃料電池は一般に、アルカリ金
属の炭酸塩、並びに、そのようなアルカリ金属の炭酸塩
とＬｉＡｌＯ2の如き適宜な材料との混合物から形成さ
れる電解質によって、多孔性の酸化ニッケル等から成る
カソードから分離された多孔性のニッケル等から成るア
ノードを有している。電解質を溶融状態まで加熱する
と、アノードに通された水素、燃料ガス、又は天然ガス
の如き燃料が、カソードに通された酸素及び二酸化炭素
と共に、電気を発生する電気化学的な反応を行う。この
電気化学的な反応はまた、反応ガスの熱い流れをアノー
ド及びカソードに発生する。溶融炭酸塩燃料電池の詳細
な説明は、本件出願人の上記米国特許に記載されてい
る。本発明に採用される燃料電池サイクルは、溶融炭酸
塩燃料電池であるのが好ましいが、通常の固体酸化物電
池の如き他のタイプの燃料電池を容易に用いることがで
きることが明らかである。
ガスタービンサイクル及び燃料電池サイクルに使用され
る燃料電池は、溶融炭酸塩燃料電池として説明するが、
その理由は、溶融炭酸塩燃料電池は、本発明の複合型の
サイクル構造に使用できるように適正に開発されている
からである。溶融炭酸塩燃料電池は一般に、アルカリ金
属の炭酸塩、並びに、そのようなアルカリ金属の炭酸塩
とＬｉＡｌＯ2の如き適宜な材料との混合物から形成さ
れる電解質によって、多孔性の酸化ニッケル等から成る
カソードから分離された多孔性のニッケル等から成るア
ノードを有している。電解質を溶融状態まで加熱する
と、アノードに通された水素、燃料ガス、又は天然ガス
の如き燃料が、カソードに通された酸素及び二酸化炭素
と共に、電気を発生する電気化学的な反応を行う。この
電気化学的な反応はまた、反応ガスの熱い流れをアノー
ド及びカソードに発生する。溶融炭酸塩燃料電池の詳細
な説明は、本件出願人の上記米国特許に記載されてい
る。本発明に採用される燃料電池サイクルは、溶融炭酸
塩燃料電池であるのが好ましいが、通常の固体酸化物電
池の如き他のタイプの燃料電池を容易に用いることがで
きることが明らかである。
【００１９】上に簡単に説明したように、本発明は、燃
料電池サイクルに基づいて複合型のサイクル構造をもた
らす間接燃焼型のガスタービンサイクルに関し、上記複
合型のサイクル構造においては、ガスタービンの排気ガ
スは、約５３８°Ｃ乃至１，０９３°Ｃ（約１，０００
乃至２，０００°Ｆ）の範囲の燃料電池作動温度で効果
的にもたらされ、その温度は、溶融炭酸塩燃料電池に対
しては約５６６°Ｃ（約１，０５０°Ｆ）であり、ま
た、固体酸化物燃料電池に対しては約９８２°Ｃ（約
１，８００°Ｆ）であるのが好ましい。ガスタービンか
らの排気ガス流は、燃料電池のカソードで直接利用さ
れ、燃料電池のアノードに導入される適宜な燃料と共に
電気化学的な反応を行う。一方、燃料電池は、アノード
及びカソードに電気エネルギ、並びに、排気ガス流を発
生し、約５３８°Ｃ乃至１，０９３°Ｃ（約１，０００
乃至２，０００°Ｆ）の温度範囲にある熱いカソード又
はカソードリサイクル流は、ガスタービンサイクルの熱
交換器において使用され、圧縮空気流を所望のガスター
ビン入口温度まで間接的に加熱するために必要な全熱量
の中のかなりの割合をもたらす。アノードの熱い燃料排
気流は、燃料／空気燃焼器において効果的に使用され、
所望のタービン入口温度まで圧縮空気流を間接的に加熱
するために必要な温度まで熱い燃焼生成物の流れを発生
するのに必要な燃焼器の燃料を減少させる。アノードガ
スを燃焼器の中で生成した燃焼生成物と混合することに
より、燃焼器から排出される熱いガス流中のＮＯｘ排出
物もかなり減少する。
料電池サイクルに基づいて複合型のサイクル構造をもた
らす間接燃焼型のガスタービンサイクルに関し、上記複
合型のサイクル構造においては、ガスタービンの排気ガ
スは、約５３８°Ｃ乃至１，０９３°Ｃ（約１，０００
乃至２，０００°Ｆ）の範囲の燃料電池作動温度で効果
的にもたらされ、その温度は、溶融炭酸塩燃料電池に対
しては約５６６°Ｃ（約１，０５０°Ｆ）であり、ま
た、固体酸化物燃料電池に対しては約９８２°Ｃ（約
１，８００°Ｆ）であるのが好ましい。ガスタービンか
らの排気ガス流は、燃料電池のカソードで直接利用さ
れ、燃料電池のアノードに導入される適宜な燃料と共に
電気化学的な反応を行う。一方、燃料電池は、アノード
及びカソードに電気エネルギ、並びに、排気ガス流を発
生し、約５３８°Ｃ乃至１，０９３°Ｃ（約１，０００
乃至２，０００°Ｆ）の温度範囲にある熱いカソード又
はカソードリサイクル流は、ガスタービンサイクルの熱
交換器において使用され、圧縮空気流を所望のガスター
ビン入口温度まで間接的に加熱するために必要な全熱量
の中のかなりの割合をもたらす。アノードの熱い燃料排
気流は、燃料／空気燃焼器において効果的に使用され、
所望のタービン入口温度まで圧縮空気流を間接的に加熱
するために必要な温度まで熱い燃焼生成物の流れを発生
するのに必要な燃焼器の燃料を減少させる。アノードガ
スを燃焼器の中で生成した燃焼生成物と混合することに
より、燃焼器から排出される熱いガス流中のＮＯｘ排出
物もかなり減少する。
【００２０】ガスタービンの熱交換器から排出されたガ
ス流は、特に蒸気タービンサイクルにおいて使用され、
熱いカソードリサイクル流の一部として組合わされる時
には、蒸気を発生させるに十分な残留熱エネルギを有し
ている。
ス流は、特に蒸気タービンサイクルにおいて使用され、
熱いカソードリサイクル流の一部として組合わされる時
には、蒸気を発生させるに十分な残留熱エネルギを有し
ている。
【００２１】図面を参照して更に詳細に説明すると、本
発明の複合型サイクル構造１０は、間接燃焼型のガスタ
ービンサイクル１２と、該ガスタービンサイクル１２に
基づく燃料電池サイクル１３とから構成され。燃料電池
サイクル１３の燃料電池１４は、本件出願人の上述の米
国特許に記載されるタイプの溶融炭酸塩燃料電池であ
る。しかしながら、上述のように、この燃料電池は、固
体酸化物燃料電池の如き他のタイプの燃料電池とするこ
とができることが理解される。その理由は、本発明の複
合型サイクルに固体酸化物燃料電池を用いることにより
得られるサイクル効率は、溶融炭酸塩燃料電池を用いる
ことにより得られるシステム効率と実質的に同様なシス
テム効率をもたらすからである。
発明の複合型サイクル構造１０は、間接燃焼型のガスタ
ービンサイクル１２と、該ガスタービンサイクル１２に
基づく燃料電池サイクル１３とから構成され。燃料電池
サイクル１３の燃料電池１４は、本件出願人の上述の米
国特許に記載されるタイプの溶融炭酸塩燃料電池であ
る。しかしながら、上述のように、この燃料電池は、固
体酸化物燃料電池の如き他のタイプの燃料電池とするこ
とができることが理解される。その理由は、本発明の複
合型サイクルに固体酸化物燃料電池を用いることにより
得られるサイクル効率は、溶融炭酸塩燃料電池を用いる
ことにより得られるシステム効率と実質的に同様なシス
テム効率をもたらすからである。
【００２２】間接燃焼型のガスタービンサイクル１２
は、その入口に空気流を受け入れてその空気流を約５乃
至３０気圧の範囲の圧力、並びに、約１４９°Ｃ乃至４
２７°Ｃ（約３００乃至８００°Ｆ）の範囲の温度まで
圧縮することのできる適宜なタイプのコンプレッサ１６
を備えている。この圧縮空気流は、導管２０を通って熱
交換器２２に入り、該熱交換器において、圧縮空気流
は、後述する複合された熱いガス流によって、約８７１
°Ｃ乃至１，４２７°Ｃ（約１，６００乃至２６００°
Ｆ）の範囲、好ましくは約１，２６０°Ｃ（約２，３０
０°Ｆ）の適宜なガスタービン入口温度まで間接的に加
熱される。熱交換器２２は、圧縮空気を所望の温度範囲
まで加熱することのできる適宜なタイプとすることがで
きる。熱交換器２２は、ガスタービンサイクルが比較的
高い温度を必要とするので、高温金属及び／又はセラミ
ック材料から形成するのが好ましい。熱交換器２２から
排出される圧縮された熱い空気流は、導管２４を介し
て、ガスタービンを駆動するためにガスタービン２６に
搬送される。図示のように、ガスタービン２６は、駆動
軸３０を介して、発電機２８及びコンプレッサ１６に接
続されている。しかしながら、コンプレッサ１６は、ガ
スタービン２６とは独立して、電力源によって駆動する
ことができる。
は、その入口に空気流を受け入れてその空気流を約５乃
至３０気圧の範囲の圧力、並びに、約１４９°Ｃ乃至４
２７°Ｃ（約３００乃至８００°Ｆ）の範囲の温度まで
圧縮することのできる適宜なタイプのコンプレッサ１６
を備えている。この圧縮空気流は、導管２０を通って熱
交換器２２に入り、該熱交換器において、圧縮空気流
は、後述する複合された熱いガス流によって、約８７１
°Ｃ乃至１，４２７°Ｃ（約１，６００乃至２６００°
Ｆ）の範囲、好ましくは約１，２６０°Ｃ（約２，３０
０°Ｆ）の適宜なガスタービン入口温度まで間接的に加
熱される。熱交換器２２は、圧縮空気を所望の温度範囲
まで加熱することのできる適宜なタイプとすることがで
きる。熱交換器２２は、ガスタービンサイクルが比較的
高い温度を必要とするので、高温金属及び／又はセラミ
ック材料から形成するのが好ましい。熱交換器２２から
排出される圧縮された熱い空気流は、導管２４を介し
て、ガスタービンを駆動するためにガスタービン２６に
搬送される。図示のように、ガスタービン２６は、駆動
軸３０を介して、発電機２８及びコンプレッサ１６に接
続されている。しかしながら、コンプレッサ１６は、ガ
スタービン２６とは独立して、電力源によって駆動する
ことができる。
【００２３】燃料電池１４のカソード３２は、導管３４
によってガスタービン２６の出口に接続され、ガスター
ビン２６から排出される熱い空気流を直接受け取るよう
になされている。このタービンの排出物は、燃料電池に
おいて所望の電気化学的反応を起こさせるに十分な約３
１６°Ｃ乃至７０４°Ｃ（約６００乃至１，３００°
Ｆ）の範囲の温度、好ましくは約５６６°Ｃ（約１，０
５０°Ｆ）である。タービンの排出物の温度は、熱交換
器２２で起こる熱い空気流の加熱量を制御することによ
り、上記温度範囲において選択された任意の温度に容易
に設定することができる。溶融炭酸塩燃料電池は、約大
気圧から約６気圧までの範囲の圧力で作動することがで
きる。ガスタービン２６から排出される熱い空気は、燃
料電池サイクル１３の作動に効果的に利用することので
きる圧力であるのが好ましい。ガスタービンの排出流の
圧力は、コンプレッサの排出圧力及び排出容積を選択す
ることによって、及び／又は、ガスタービンの前後の圧
力降下を制御することによって、上述の圧力範囲の中で
容易に制御することができる。後に説明するように、カ
ソードのリサイクル流を用いてカソードのリサイクル流
の中で低圧ガスタービンを駆動したい場合には、ガスタ
ービンの排出物の圧力を上記圧力範囲の中で高くするこ
とが効果的であろう。
によってガスタービン２６の出口に接続され、ガスター
ビン２６から排出される熱い空気流を直接受け取るよう
になされている。このタービンの排出物は、燃料電池に
おいて所望の電気化学的反応を起こさせるに十分な約３
１６°Ｃ乃至７０４°Ｃ（約６００乃至１，３００°
Ｆ）の範囲の温度、好ましくは約５６６°Ｃ（約１，０
５０°Ｆ）である。タービンの排出物の温度は、熱交換
器２２で起こる熱い空気流の加熱量を制御することによ
り、上記温度範囲において選択された任意の温度に容易
に設定することができる。溶融炭酸塩燃料電池は、約大
気圧から約６気圧までの範囲の圧力で作動することがで
きる。ガスタービン２６から排出される熱い空気は、燃
料電池サイクル１３の作動に効果的に利用することので
きる圧力であるのが好ましい。ガスタービンの排出流の
圧力は、コンプレッサの排出圧力及び排出容積を選択す
ることによって、及び／又は、ガスタービンの前後の圧
力降下を制御することによって、上述の圧力範囲の中で
容易に制御することができる。後に説明するように、カ
ソードのリサイクル流を用いてカソードのリサイクル流
の中で低圧ガスタービンを駆動したい場合には、ガスタ
ービンの排出物の圧力を上記圧力範囲の中で高くするこ
とが効果的であろう。
【００２４】タービンの排出物からの加熱された空気が
燃料電池１４のカソード３２に入ると同時に、燃料ガス
又は天然ガスの如き気体燃料が、導管３７を介して燃料
電池１４のアノード３６の中に搬送される。この気体燃
料は、カソード３２に供給される空気流の温度に概ね相
当する温度まで予熱され、これにより、炭酸塩電解質を
確実に液化させ、燃料電池１４の中のその後の電気化学
的な反応を容易に継続させるようにするのが好ましい。
上記燃料のそのような予熱は、単一の熱交換器３８を用
い、カソードの排出流をその熱交換器に供給することに
より容易に行うことができる。加熱された燃料及び空気
の流れを燃料電池１４に供給した場合には、電気化学的
な反応が、本件出願人の上述の米国特許に記載されるよ
うに進行し、符号３９で概略的に示すような電気エネル
ギを発生し、同時に、主として二酸化炭素（ＣＯ2 ）か
ら成る反応ガス及び蒸気をアノード３６に生成させ、ま
た、循環したＣＯ2 、水及び汚れた空気をカソード３２
に生成させる。図示のように、アノードの排出流の一部
は、導管４０を介してアノードの燃料入口に循環され、
これにより、アノードの排出流から残留燃料を抽出す
る。
燃料電池１４のカソード３２に入ると同時に、燃料ガス
又は天然ガスの如き気体燃料が、導管３７を介して燃料
電池１４のアノード３６の中に搬送される。この気体燃
料は、カソード３２に供給される空気流の温度に概ね相
当する温度まで予熱され、これにより、炭酸塩電解質を
確実に液化させ、燃料電池１４の中のその後の電気化学
的な反応を容易に継続させるようにするのが好ましい。
上記燃料のそのような予熱は、単一の熱交換器３８を用
い、カソードの排出流をその熱交換器に供給することに
より容易に行うことができる。加熱された燃料及び空気
の流れを燃料電池１４に供給した場合には、電気化学的
な反応が、本件出願人の上述の米国特許に記載されるよ
うに進行し、符号３９で概略的に示すような電気エネル
ギを発生し、同時に、主として二酸化炭素（ＣＯ2 ）か
ら成る反応ガス及び蒸気をアノード３６に生成させ、ま
た、循環したＣＯ2 、水及び汚れた空気をカソード３２
に生成させる。図示のように、アノードの排出流の一部
は、導管４０を介してアノードの燃料入口に循環され、
これにより、アノードの排出流から残留燃料を抽出す
る。
【００２５】燃料電池１４における電気化学的な反応
は、空気中の通常のＣＯ2 濃度を用いて開始させ且つ継
続させることができ、また、燃料電池のより高い効率で
の作動は、ＣＯ2 をタービンの排出流又はコンプレッサ
１６の入口における空気と混合し、これにより、カソー
ド３２におけるＣＯ2 濃度を電気化学的な反応を効率的
に行わせるに適当な濃度にすることにより、行わせるこ
とができる。ＣＯ2 の流れは、適宜な供給源から供給す
ることができる。例えば、符号４１で示す触媒反応器の
如き残留燃料コンバータを用い、白金−ニッケル触媒の
如き適宜な触媒の存在下で、アノードの排出流の中の残
留燃料値を含むアノード及びカソードのガス流の中で気
体反応物質を反応させることにより、ＣＯ2 を発生させ
ることができる。この目的のために、アノード３６から
排出される気体を導管４２を介して触媒反応器４１の中
に入れ、該触媒反応器４１において、導管４３を介して
反応器４１に搬送されるカソード３２からのリサイクル
ガスの一部と上記気体を混合する。触媒反応器４１から
発生するＣＯ2 を含む熱いガスは、反応器４１から排出
されて導管４５を介してＣＯ2 分離器４４の中に搬送さ
れ、これにより、反応ガスの流れからＣＯ2 が分離され
る。反応ガスの流れからのこのＣＯ2 の分離は、ＣＯ2
に対して選択的な透過性を有するセラミック隔膜を用い
る等の適宜な手段によって行うことができる。反応器４
１の排出流から分離されたＣＯ2 の流れは、ＣＯ2 分離
器を導管４６によって導管３４に接続することにより、
カソードへの空気流と混合することができる。燃料電池
の運転開始時の、あるいは、燃料電池の作動の間の電気
化学的な反応のために追加のＣＯ2 が必要とされる場合
には、適宜な供給源（図示せず）からの選択された量の
ＣＯ2 を、ライン４６に接続されたライン４７を介し
て、カソードの空気源に追加することができる。
は、空気中の通常のＣＯ2 濃度を用いて開始させ且つ継
続させることができ、また、燃料電池のより高い効率で
の作動は、ＣＯ2 をタービンの排出流又はコンプレッサ
１６の入口における空気と混合し、これにより、カソー
ド３２におけるＣＯ2 濃度を電気化学的な反応を効率的
に行わせるに適当な濃度にすることにより、行わせるこ
とができる。ＣＯ2 の流れは、適宜な供給源から供給す
ることができる。例えば、符号４１で示す触媒反応器の
如き残留燃料コンバータを用い、白金−ニッケル触媒の
如き適宜な触媒の存在下で、アノードの排出流の中の残
留燃料値を含むアノード及びカソードのガス流の中で気
体反応物質を反応させることにより、ＣＯ2 を発生させ
ることができる。この目的のために、アノード３６から
排出される気体を導管４２を介して触媒反応器４１の中
に入れ、該触媒反応器４１において、導管４３を介して
反応器４１に搬送されるカソード３２からのリサイクル
ガスの一部と上記気体を混合する。触媒反応器４１から
発生するＣＯ2 を含む熱いガスは、反応器４１から排出
されて導管４５を介してＣＯ2 分離器４４の中に搬送さ
れ、これにより、反応ガスの流れからＣＯ2 が分離され
る。反応ガスの流れからのこのＣＯ2 の分離は、ＣＯ2
に対して選択的な透過性を有するセラミック隔膜を用い
る等の適宜な手段によって行うことができる。反応器４
１の排出流から分離されたＣＯ2 の流れは、ＣＯ2 分離
器を導管４６によって導管３４に接続することにより、
カソードへの空気流と混合することができる。燃料電池
の運転開始時の、あるいは、燃料電池の作動の間の電気
化学的な反応のために追加のＣＯ2 が必要とされる場合
には、適宜な供給源（図示せず）からの選択された量の
ＣＯ2 を、ライン４６に接続されたライン４７を介し
て、カソードの空気源に追加することができる。
【００２６】図示のように、通常は、燃料電池１４に供
給される空気及び燃料の温度よりも約６６°Ｃ乃至９３
°Ｃ（約１５０乃至２００°Ｆ）高い温度範囲である約
５３８°Ｃ乃至７０４°Ｃ（約１，０００乃至１，３０
０°Ｆ）の温度範囲にあるアノード及びカソードの排出
ガスが、アノード３６の導管４２並びにカソード３２の
導管４８を介して、燃料電池１４から排出される。カソ
ードの排出導管４８は、熱交換器２２に接続されてお
り、これにより、この高温の廃ガスすなわちカソード３
２に供給されるカソードのリサイクルガスは、ＣＯ2 を
生成するためにアノードの排出流と共に触媒反応器４１
で使用される部分を除いて、熱交換器２２において効果
的に利用され、これにより、圧縮された空気流を約８７
１°Ｃ乃至１，４２７°Ｃ（約１，６００乃至２６００
°Ｆ）の範囲の温度まで間接的に加熱するに必要な熱量
のかなりの割合を供給することができる。例えば、ター
ビンの入口における圧縮空気の温度が約１，２６０°Ｃ
（約２，３００°Ｆ）の好ましい温度である場合には、
カソードの排出流は、圧縮空気の流れを上記温度まで加
熱するに必要とされる熱量の約３５乃至４０％をもたら
すことができる。
給される空気及び燃料の温度よりも約６６°Ｃ乃至９３
°Ｃ（約１５０乃至２００°Ｆ）高い温度範囲である約
５３８°Ｃ乃至７０４°Ｃ（約１，０００乃至１，３０
０°Ｆ）の温度範囲にあるアノード及びカソードの排出
ガスが、アノード３６の導管４２並びにカソード３２の
導管４８を介して、燃料電池１４から排出される。カソ
ードの排出導管４８は、熱交換器２２に接続されてお
り、これにより、この高温の廃ガスすなわちカソード３
２に供給されるカソードのリサイクルガスは、ＣＯ2 を
生成するためにアノードの排出流と共に触媒反応器４１
で使用される部分を除いて、熱交換器２２において効果
的に利用され、これにより、圧縮された空気流を約８７
１°Ｃ乃至１，４２７°Ｃ（約１，６００乃至２６００
°Ｆ）の範囲の温度まで間接的に加熱するに必要な熱量
のかなりの割合を供給することができる。例えば、ター
ビンの入口における圧縮空気の温度が約１，２６０°Ｃ
（約２，３００°Ｆ）の好ましい温度である場合には、
カソードの排出流は、圧縮空気の流れを上記温度まで加
熱するに必要とされる熱量の約３５乃至４０％をもたら
すことができる。
【００２７】圧縮空気の流れを選択されたタービン入口
温度まで間接的に加熱するために熱交換器２２が必要と
する残りの熱量は、燃焼室すなわち燃焼器５０で発生し
て、導管５１を介して熱交換器２２に搬送される燃焼生
成物の熱い流れによってもたらされる。バイオマス（生
物有機体）、石炭、ピート（泥炭）、燃料ガス、天然ガ
ス等の如き適宜な燃料を適宜な供給源（図示せず）から
導管５２を介して燃焼器５０の中に搬送し、該燃焼器に
おいて、適宜な供給源（図示せず）から導管５４を介し
て燃焼器５０に供給される空気の存在下で燃焼させる。
導管５２、５４の中の燃料及び空気は、燃焼器５０の中
で起こる発熱燃焼反応を促進するために、燃焼器５０の
中に導入される前に予熱されるのが好ましい。燃料及び
空気のこの予熱は、燃料及び空気の導管５２、５４の選
択された長さを包囲する間接熱交換器５６を用い、ＣＯ
2 分離器４４からＣＯ2 分離器４４と燃焼器５０との間
に接続される導管５７を介して搬送される熱いガスの一
部を熱交換器５６に接続される導管５８に通すことによ
り、上記間接熱交換器５６の中で容易に行うことができ
る。燃焼器５０の中で使用される燃料及び空気の上記予
熱は、タービンの排気ガスの一部をカソード３２の中に
導入される前に熱交換器５６に通すことにより、更に促
進させるかあるいは完全に行うことができる。
温度まで間接的に加熱するために熱交換器２２が必要と
する残りの熱量は、燃焼室すなわち燃焼器５０で発生し
て、導管５１を介して熱交換器２２に搬送される燃焼生
成物の熱い流れによってもたらされる。バイオマス（生
物有機体）、石炭、ピート（泥炭）、燃料ガス、天然ガ
ス等の如き適宜な燃料を適宜な供給源（図示せず）から
導管５２を介して燃焼器５０の中に搬送し、該燃焼器に
おいて、適宜な供給源（図示せず）から導管５４を介し
て燃焼器５０に供給される空気の存在下で燃焼させる。
導管５２、５４の中の燃料及び空気は、燃焼器５０の中
で起こる発熱燃焼反応を促進するために、燃焼器５０の
中に導入される前に予熱されるのが好ましい。燃料及び
空気のこの予熱は、燃料及び空気の導管５２、５４の選
択された長さを包囲する間接熱交換器５６を用い、ＣＯ
2 分離器４４からＣＯ2 分離器４４と燃焼器５０との間
に接続される導管５７を介して搬送される熱いガスの一
部を熱交換器５６に接続される導管５８に通すことによ
り、上記間接熱交換器５６の中で容易に行うことができ
る。燃焼器５０の中で使用される燃料及び空気の上記予
熱は、タービンの排気ガスの一部をカソード３２の中に
導入される前に熱交換器５６に通すことにより、更に促
進させるかあるいは完全に行うことができる。
【００２８】本発明によれば、約１，０９３°Ｃ乃至
１，５３８°Ｃ（約２，０００°Ｆ乃至２，８００°
Ｆ）の十分な温度、好ましくは約１，４２７°Ｃ（約
２，６００°Ｆ）の温度にある気体燃焼生成物の流れを
形成し、圧縮空気を熱交換器２２の中で約８７１°Ｃ乃
至１，４２７°Ｃ（約１，６００乃至２６００°Ｆ）の
範囲の温度、好ましくは約１，２６０°Ｃ（約２，３０
０°Ｆ）の温度まで間接的に加熱するために燃焼器５０
が必要とする燃料量は、熱交換器２２においてカソード
の排出流を用いることにより十分に低減される。そのよ
うな所要燃料量は、導管５７を介して燃焼器５０に搬送
される燃料電池廃ガスの熱い流れを用いて、燃焼ガスに
熱を加えると共に、燃焼器５０の中で発生する加熱され
たガスの体積を増大させ、更に、燃焼器５０から排出さ
れるガス流の中に存在するＮＯｘの体積を十分に減少さ
せることにより、更に低減される。また、熱交換器５６
の中の燃料及び空気を予熱するために使用される導管５
８中の燃料電池の排ガスを燃焼器５０の中に搬送し、Ｎ
Ｏｘの体積を更に減少させることができる。また、熱交
換器５６を出るガス流は、大気中に排出することができ
る。
１，５３８°Ｃ（約２，０００°Ｆ乃至２，８００°
Ｆ）の十分な温度、好ましくは約１，４２７°Ｃ（約
２，６００°Ｆ）の温度にある気体燃焼生成物の流れを
形成し、圧縮空気を熱交換器２２の中で約８７１°Ｃ乃
至１，４２７°Ｃ（約１，６００乃至２６００°Ｆ）の
範囲の温度、好ましくは約１，２６０°Ｃ（約２，３０
０°Ｆ）の温度まで間接的に加熱するために燃焼器５０
が必要とする燃料量は、熱交換器２２においてカソード
の排出流を用いることにより十分に低減される。そのよ
うな所要燃料量は、導管５７を介して燃焼器５０に搬送
される燃料電池廃ガスの熱い流れを用いて、燃焼ガスに
熱を加えると共に、燃焼器５０の中で発生する加熱され
たガスの体積を増大させ、更に、燃焼器５０から排出さ
れるガス流の中に存在するＮＯｘの体積を十分に減少さ
せることにより、更に低減される。また、熱交換器５６
の中の燃料及び空気を予熱するために使用される導管５
８中の燃料電池の排ガスを燃焼器５０の中に搬送し、Ｎ
Ｏｘの体積を更に減少させることができる。また、熱交
換器５６を出るガス流は、大気中に排出することができ
る。
【００２９】カソード３２及び燃焼器５０によって熱交
換器２２の中に供給される熱いガスの流れを利用して圧
縮空気の流れを加熱した後に、そのようなガスは、熱交
換器２２から排出されると、大気に排出するか、あるい
は、その一部を燃焼器に循環することができる。しかし
ながら、そのような排ガスは、導管６０を介して蒸気タ
ービンサイクル６３のボイラ６２等に入れ、そのような
排ガスから残留熱エネルギを回収し、発電機６６によっ
て電力を発生させるために蒸気タービン６４で使用され
る蒸気を発生させるのが好ましい。
換器２２の中に供給される熱いガスの流れを利用して圧
縮空気の流れを加熱した後に、そのようなガスは、熱交
換器２２から排出されると、大気に排出するか、あるい
は、その一部を燃焼器に循環することができる。しかし
ながら、そのような排ガスは、導管６０を介して蒸気タ
ービンサイクル６３のボイラ６２等に入れ、そのような
排ガスから残留熱エネルギを回収し、発電機６６によっ
て電力を発生させるために蒸気タービン６４で使用され
る蒸気を発生させるのが好ましい。
【００３０】本発明の変更例においては、熱交換器２２
から排出されたガスは、吸収式冷却器を用いて冷凍装置
６７において熱源として使用される。
から排出されたガスは、吸収式冷却器を用いて冷凍装置
６７において熱源として使用される。
【００３１】上述のように、燃料電池サイクル１３及び
蒸気タービンサイクル６３と組み合わせて間接加熱型の
ガスタービンサイクル１２を用いることにより、その結
果生ずる３つの電力発生源が、蒸気タービンサイクルに
基づく燃料電池サイクル、あるいは、燃料電池サイクル
を用いる間接加熱型ガスタービンサイクルに基づく燃料
電池サイクルに比較して、全サイクル効率が約６％増大
する。
蒸気タービンサイクル６３と組み合わせて間接加熱型の
ガスタービンサイクル１２を用いることにより、その結
果生ずる３つの電力発生源が、蒸気タービンサイクルに
基づく燃料電池サイクル、あるいは、燃料電池サイクル
を用いる間接加熱型ガスタービンサイクルに基づく燃料
電池サイクルに比較して、全サイクル効率が約６％増大
する。
【００３２】本発明の別の変更例においては、約２乃至
６気圧程度の大気圧よりも高い圧力で燃料電池１４を作
動させることにより、カソードの排出流は、加圧された
条件で低圧タービンを駆動するのに適した圧力となる。
図示のように、発電機７０を有する低圧タービン６８
が、カソードの排出流の一部又は全部を受け取るため
に、導管７２によってカソード排出導管に接続されてい
る。タービン６８からの排気ガスは、上述のように熱交
換器２２において空気を加熱する目的で、導管７４を介
して導管４８に戻すのが好ましい。勿論、そのような低
圧ガスタービンを用いることにより、カソードの排出流
の温度はカソードの出口における温度よりも低い温度ま
で減少し、これにより、燃焼器５０は、熱交換器２２の
所要熱量の中の大きな割合をもたらす必要がある。
６気圧程度の大気圧よりも高い圧力で燃料電池１４を作
動させることにより、カソードの排出流は、加圧された
条件で低圧タービンを駆動するのに適した圧力となる。
図示のように、発電機７０を有する低圧タービン６８
が、カソードの排出流の一部又は全部を受け取るため
に、導管７２によってカソード排出導管に接続されてい
る。タービン６８からの排気ガスは、上述のように熱交
換器２２において空気を加熱する目的で、導管７４を介
して導管４８に戻すのが好ましい。勿論、そのような低
圧ガスタービンを用いることにより、カソードの排出流
の温度はカソードの出口における温度よりも低い温度ま
で減少し、これにより、燃焼器５０は、熱交換器２２の
所要熱量の中の大きな割合をもたらす必要がある。
【００３３】ガスタービンサイクル１２の熱交換器２２
から排出されるガスの温度は、約５３８°Ｃ（約１，０
００°Ｆ）よりも低くなる傾向があり、これにより、品
質が低く効率の低い蒸気に基づくサイクルが生ずる。し
かしながら、約７０４°Ｃ乃至８１６°Ｃ（約１３００
°Ｆ乃至１５００°Ｆ）の燃料電池の排出物の一部を上
記熱交換器の排出流に分流することにより、蒸気サイク
ルの性能を大幅に向上させることができる。本発明のこ
の変更例が図示されており、この変更例においては、カ
ソードの熱い排気ガスの一部が、導管７６を介して熱交
換器２２の周囲にバイパスされ、次に、ボイラ６２で使
用するために、熱交換器２２から排出されるガスと混合
される。カソードの熱いガスの一部を熱交換器の周囲に
バイパスすることにより、熱交換器２２において効果的
に利用することのできる温度よりも高い温度のガスを燃
焼器５０に発生させることなく、ボイラ６２において蒸
気を効率的に発生させることができる。
から排出されるガスの温度は、約５３８°Ｃ（約１，０
００°Ｆ）よりも低くなる傾向があり、これにより、品
質が低く効率の低い蒸気に基づくサイクルが生ずる。し
かしながら、約７０４°Ｃ乃至８１６°Ｃ（約１３００
°Ｆ乃至１５００°Ｆ）の燃料電池の排出物の一部を上
記熱交換器の排出流に分流することにより、蒸気サイク
ルの性能を大幅に向上させることができる。本発明のこ
の変更例が図示されており、この変更例においては、カ
ソードの熱い排気ガスの一部が、導管７６を介して熱交
換器２２の周囲にバイパスされ、次に、ボイラ６２で使
用するために、熱交換器２２から排出されるガスと混合
される。カソードの熱いガスの一部を熱交換器の周囲に
バイパスすることにより、熱交換器２２において効果的
に利用することのできる温度よりも高い温度のガスを燃
焼器５０に発生させることなく、ボイラ６２において蒸
気を効率的に発生させることができる。
【００３４】燃料電池サイクルに基づくと共に、蒸気タ
ービンサイクルを更に採用した間接燃焼型のガスタービ
ンサイクルは、上述のような従来周知の複合型サイクル
に比較して比較的高い効率で作動する複合型サイクル技
術において大幅な改善を提供することが分かる。また、
間接燃焼型のガスタービンサイクルを燃料電池サイクル
に基づかせることにより、燃料電池サイクルのカソード
に所望の体積及び圧力の空気源を供給すると共に、燃料
電池内で生ずる電気化学的な反応に必要な温度まで加熱
し、これにより、燃料電池の作動に従来必要とされた別
個のエアコンプレッサ及びエアヒータを使用する必要が
なくなる。
ービンサイクルを更に採用した間接燃焼型のガスタービ
ンサイクルは、上述のような従来周知の複合型サイクル
に比較して比較的高い効率で作動する複合型サイクル技
術において大幅な改善を提供することが分かる。また、
間接燃焼型のガスタービンサイクルを燃料電池サイクル
に基づかせることにより、燃料電池サイクルのカソード
に所望の体積及び圧力の空気源を供給すると共に、燃料
電池内で生ずる電気化学的な反応に必要な温度まで加熱
し、これにより、燃料電池の作動に従来必要とされた別
個のエアコンプレッサ及びエアヒータを使用する必要が
なくなる。
【図１】本発明の燃料電池サイクルに基づく複合型の間
接燃焼型ガスタービンサイクルを詳細に示す図である。
接燃焼型ガスタービンサイクルを詳細に示す図である。
１０ 複合型サイクル構造 １２ 間接燃焼型のガスタービンサイクル １３ 燃料電池サイクル １４ 燃料電池 １６ コンプレッサ ２２ 間接型の熱交換器 ２６ ガスタービン ３２ カソード ３４ 導管 ３６ アノード ４４ 二酸化炭素分離器（ＣＯ2 分離器） ４８ 導管 ５０ 燃焼器 ５６ 熱交換器 ６２ ボイラ（蒸気発生手段） ６３ 蒸気タービンサイクル ６７ 吸収式冷凍サイクル ６８ ガスタービン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ポール エル． ミシェーリ アメリカ合衆国 26505、ウエスト バー ジニア 州 モーガンタウン パークウエ イ ドライブ Ｅ３ (72)発明者 マーク シー． ウィリアムズ アメリカ合衆国 26505、ウエスト バー ジニア 州 モーガンタウン ジェファー ソン ストリート 421 (72)発明者 エドワード エル． パーソンズ アメリカ合衆国 26505、ウエスト バー ジニア 州 モーガンタウン コリンズ フェリィ 3557、 アパートメントＥ−１
Claims (11)
- 【請求項１】 燃料電池サイクルに基づく間接燃焼型の
ガスタービンサイクルにおいて、圧縮空気の流れをもた
らすコンプレッサ手段と、前記圧縮空気の流れを受け取
るために前記コンプレッサ手段に接続された間接熱交換
手段と、前記圧縮空気の流れを間接的に加熱するために
加熱ガスの流れを供給する手段と、前記加熱された圧縮
空気の加熱された流れを受け取るために前記熱交換手段
に接続されたガスタービン手段と、アノード手段及びカ
ソード手段を有する燃料電池手段と、前記ガスタービン
手段を前記カソード手段に接続し、前記ガスタービン手
段から排出された加熱空気の流れを前記カソード手段へ
搬送する導管手段と、前記アノード手段に接続されて燃
料を前記アノード手段へ供給する燃料供給手段とを備
え、前記アノード手段の前記燃料及び前記カソード手段
の前記加熱空気の流れが、前記燃料電池手段の中で電気
化学的な反応を起こして電気的な出力を発生すると同時
に、前記アノード手段に加熱ガスの流れを発生すると共
に、前記カソード手段に加熱ガスの流れを発生し、更
に、前記カソード手段を前記熱交換手段に接続して前記
加熱ガスの流れを前記熱交換手段へ搬送し、前記加熱ガ
スの流れの少なくとも一部を前記熱交換手段に供給して
前記圧縮空気の流れを間接的に加熱する導管手段を備え
ることを特徴とする燃料電池サイクルに基づく間接燃焼
型のガスタービンサイクル。 - 【請求項２】 請求項１の燃料電池サイクルに基づく間
接燃焼型のガスタービンサイクルにおいて、前記燃料電
池手段が、溶融炭酸塩電池、又は、固体酸化物燃料電池
であることを特徴とする燃料電池サイクルに基づく間接
燃焼型のガスタービンサイクル。 - 【請求項３】 請求項１の燃料電池サイクルに基づく間
接燃焼型のガスタービンサイクルにおいて、前記加熱ガ
スの流れが前記熱交換手段に導入される前に、前記加熱
ガスの流れの少なくとも一部を受け取るようになされた
別のガスタービン手段を備えることを特徴とする燃料電
池サイクルに基づく間接燃焼型のガスタービンサイク
ル。 - 【請求項４】 請求項１の燃料電池サイクルに基づく間
接燃焼型のガスタービンサイクルにおいて、前記アノー
ド手段及び前記カソード手段の少なくとも一方に接続さ
れて該アノード手段及び／又は前記カソード手段から加
熱ガスを受け取るようになされた燃焼室手段と、燃料及
び空気を前記燃焼室手段へ搬送し、前記アノード手段及
び前記カソード手段の前記少なくとも一方からの加熱ガ
スを含む燃焼生成物の流れを発生する手段とを備え、前
記燃焼室手段は、前記熱交換手段に接続され、前記熱交
換手段に供給された加熱ガスの流れのバランスを、前記
圧縮空気の流れを間接的に加熱する前記熱交換手段へ搬
送することを特徴とする燃料電池サイクルに基づく間接
燃焼型のガスタービンサイクル。 - 【請求項５】 請求項４の燃料電池サイクルに基づく間
接燃焼型のガスタービンサイクルにおいて、前記燃料電
池手段は溶融炭酸塩燃料電池であり、前記アノード手段
からの前記加熱ガスは残留燃料値を含み、ＣＯ2 を発生
する触媒反応器が、前記アノード手段から加熱ガスを受
け取るために前記アノード手段に接続されており、前記
カソード手段を前記熱交換手段に接続する前記導管手段
が、前記カソード手段からの加熱ガスの一部を前記反応
器手段へ搬送するために、前記反応器手段に接続されて
おり、前記反応器手段から排出される加熱ガスの流れか
ら二酸化炭素を受け取って該二酸化炭素を分離するため
に、二酸化炭素分離手段が前記反応器手段に接続されて
おり、前記二酸化炭素分離手段が、前記ガスタービン手
段を前記燃料電池手段に接続する導管手段に接続され、
前記カソード手段へ搬送される加熱された空気の流れの
中に二酸化炭素の流れを導入することを特徴とする燃料
電池サイクルに基づく間接燃焼型のガスタービンサイク
ル。 - 【請求項６】 請求項４の燃料電池サイクルに基づく間
接燃焼型のガスタービンサイクルにおいて、蒸気発生手
段及び蒸気タービン手段を有する蒸気タービンサイクル
と、前記蒸気発生手段を前記熱交換手段に接続し、前記
圧縮空気の流れを加熱した後に前記熱交換手段から排出
される加熱ガスの流れを前記熱交換手段から受け取るた
めの導管とを更に備え、前記蒸気タービン手段が、前記
蒸気発生手段から蒸気の流れを受け取るために前記蒸気
発生手段に接続されていることを特徴とする燃料電池サ
イクルに基づく間接燃焼型のガスタービンサイクル。 - 【請求項７】 請求項６の燃料電池サイクルに基づく間
接燃焼型のガスタービンサイクルにおいて、前記カソー
ド手段を前記蒸気発生手段に接続し、前記カソード手段
からの加熱ガスの流れの一部を前記熱交換手段から分流
すると共に、前記分流された一部を前記熱交換手段から
排出された加熱ガスの流れと混合する導管手段を更に備
えることを特徴とする燃料電池サイクルに基づく間接燃
焼型のガスタービンサイクル。 - 【請求項８】 請求項４の燃料電池サイクルに基づく間
接燃焼型のガスタービンサイクルにおいて、前記燃料及
び空気を前記燃焼室手段へ搬送する手段に別の熱交換手
段が接続されており、また、前記燃料電池手段からの加
熱ガスの少なくとも一部を前記別の熱交換手段を通して
搬送し、前記燃焼室手段へ搬送される前記燃料及び空気
を加熱する導管手段を更に備えることを特徴とする燃料
電池サイクルに基づく間接燃焼型のガスタービンサイク
ル。 - 【請求項９】 請求項４の燃料電池サイクルに基づく間
接燃焼型のガスタービンサイクルにおいて、吸収式冷却
器を有する冷凍手段が前記熱交換手段に接続され、該熱
交換手段から残留熱値を含むガスの流れを受け取ること
を特徴とする燃料電池サイクルに基づく間接燃焼型のガ
スタービンサイクル。 - 【請求項１０】 請求項４の燃料電池サイクルに基づく
間接燃焼型のガスタービンサイクルにおいて、前記熱交
換手段が、金属及びセラミック材料の少なくとも一方を
備える熱交換器であることを特徴とする燃料電池サイク
ルに基づく間接燃焼型のガスタービンサイクル。 - 【請求項１１】 請求項４の燃料電池サイクルに基づく
間接燃焼型のガスタービンサイクルにおいて、前記圧縮
空気の流れが、前記熱交換手段において、約８７１°Ｃ
乃至１，４２７°Ｃ（約１，６００乃至２６００°Ｆ）
の範囲の温度まで加熱され、前記ガスタービン手段から
排出される加熱された空気の流れが、約３１６°Ｃ乃至
７０４°Ｃ（約６００乃至１，３００°Ｆ）の範囲の温
度にあり、前記カソード手段の加熱ガスの流れが、約５
３８°Ｃ乃至１，０９３°Ｃ（約１，０００乃至２，０
００°Ｆ）の範囲の温度にあり、前記燃焼生成物の流れ
が、約１，０９３°Ｃ乃至１，５３８°Ｃ（約２，００
０°Ｆ乃至２，８００°Ｆ）の範囲の温度にあることを
特徴とする燃料電池サイクルに基づく間接燃焼型のガス
タービンサイクル。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/141,978 US5449568A (en) | 1993-10-28 | 1993-10-28 | Indirect-fired gas turbine bottomed with fuel cell |
| US08/141,978 | 1993-10-28 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07201349A true JPH07201349A (ja) | 1995-08-04 |
Family
ID=22498061
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6287597A Pending JPH07201349A (ja) | 1993-10-28 | 1994-10-27 | 燃料電池サイクルに基づく間接燃焼型のガスタービンサイクル |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5449568A (ja) |
| JP (1) | JPH07201349A (ja) |
| CA (1) | CA2133809A1 (ja) |
| DE (1) | DE4438624A1 (ja) |
| GB (1) | GB2283284B (ja) |
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