JPH07506214A - 燃料の化学エネルギーを熱エネルギーにおよび同時に直接的に電気エネルギーに変換する方法および装置 - Google Patents

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】 燃料の化学エネルギーを熱エネルギーにおよび同時に直接的に電気エネルギーに 変換する方法および装置 （技術分野） 液体状および気体状燃料のためのバーナによって物質を加熱する目的のためのお よび加温するための装置 化学エネルギーを電気エネルギーに直接的に変換する燃料電池。

本発明は燃料の状態の一部エネルギーキャリャーから出発し、熱−および電気エ ネルギーを同時にしかし相互に全く無関係に供給する目的でエネルギー変換する 方法および装置に関する。

狭義では本発明は、液状−および／または気体状燃料の化学的エネルギーから、 家庭または産業に、あらゆる種類の化学的および冶金学的反応のために熱を供給 するために、バーナによって熱エネルギーにおよび燃料電池によって電気エネル ギーに変換し、その際に一次燃料の化学的に結合するエネルギーの一部分だけを 熱に変換しそして残りを同時に燃料電池により電気エネルギーに直接的に変換し 、その際に熱に転化するためのバーナおよびアフターバーナ、電気エネルギーに 転化するための燃料電池、熱エネルギ一部分を加熱ボイラーまたは蒸気発生器の 形て熱エネルギーの一部を伝達しそして利用する装置および熱の少な（とも１部 を循環系に戻しそして利用する熱交換器を備えている。

（従来技術） 液状−および気体状燃料の為のバーナによって物質を加温する装置は多くの形式 か公知である。この場合には原則として二つの種類に区分される。開放火炎およ び自然なドラフトのあるバーナ、大気圧で運転されるいわゆる常圧バーナ並びに 減圧下で運転されそして天然のチムニ−ドラフト（Ｋａｍ　ｊ　ｎ　ｚ　ｕ　ｇ ）を必要としない送風手段を備えたバーナがある。この場合、制御は常圧バーナ の場合よりも良好に実施できる。

これらのバーナは、燃料の化学的エネルギーを完全に熱に変換するために、専ら 必要とされている。

大規模な発電装置ではいわゆる電力と熱を関連付けることが公知である。この場 合には全ての化学的燃料エネルギーが最初に熱エネルギーに変換されそして次に 一部分が熱力学的機械（蒸気ターヒン、ガスターヒン、内燃機関、スターリング モータ等）によって機械的仕事あるいは電気エネルギーに変換し、残りは消費者 のもとに（大抵は長距離配管を通して）熱として提供される。

化学的エネルギーを電気的エネルギーに直接的に変換するための燃料電池は沢山 のバリエーションが知られている。固体電解質を用いるセラミックの高温燃料電 池は、高い出力および運転条件への良好な適合性に特徴かある。この燃料電池は 低出力域並びに中出力域での使用に適している。

暖房ホイラー（および後に連結された廃熱ホイラー）を備えた、天然ガスが供給 される燃料電池を同時的電気発生のためおよび住宅地域の区域暖房のために有効 熱量の供給のために組み合わせることが既に提案されている。しかしながら、実 地に適する切望される運転法およびこの種の方法を実施するのに必要な装置の製 造について、具体的には殆と知られていない。燃料電池を蒸気タービンおよび排 熱供給のための蒸気装置と組合せることや、更に燃料電池／ガスタービン／蒸気 タービン等の組合せも多く提案されている。しかしこれら全ての方法および装置 は殆と専ら、燃焼によってｉｌられる熱エネルギーを電気エネルギーに大規模に 変換するための効率改善の提案である。この場合に、あるエネルギー量は他のエ ネルギー量に比較的に狭い範囲の中でしか依存していない。この範囲を逸脱する と、必然的に運転が困難になりそして環境破壊をもたらす。特に有効熱量が消費 場所に供給される・＼きである。いわゆる電力と熱との公知の組合せの場合には これか達成されていない。

現在のエネルギー変換法およびそのための装置は全く良くない。慣用のバーナは 熱エネルギーしか提供しない。電力と熱との組合せは大きな効率に結びついてお り、約５０〜２００　ｋＷから初めて一般に工業的に経済的に実施することかて きる。

この種の装置のｉ載面費用は大きい。熱エネルギーからの電気エネルギ一部分の 取り出しは実質的に不可能である。即ち、両方のエネルギーの状態にとって特定 の最小限の市場性が存在しなければならないことが必須条件であり、この条件は 実地において稀にしか満足されない。

家庭および産業に電気エネルギーおよび熱エネルギーを供給する実際的要求がい わゆう慣用のエネルギー変換法および装備よりも良いと評価される方法および装 置を提供するという大きな要求が存在している。

従来技術については以下の文献力弓１用される。

−Ｏ，Ａｎｔｏｎｓｅｎ、Ｗ、ＢａｕｋａｌおよびＷ、Ｆｉｓｃｈｅｒ、”Ｈｏ ｃｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ−Ｂｒｅｎｎｓｔｏｆｆｚｅｌｌｅｎ−Ｂａｔｔｅｒ ｉｅ　ｍｉｔ　ｋｅｒａｍｉｓｃｈｅｎ　Ｅｌｅｋｔｒｏｌｙｔｅｎ（セラミッ ク電解質を用いた高温−燃料電池−バッテリー）”、ＢｒｏｅｎＢｏｖｅｒｉ　 Ｍｉｔｔｅｉｌｕｎｇｅｎ　Ｊａｎｕａｒ／Ｆｅｂｒｕａ１　１９６６、第２１ 〜３０頁。

−米国特許第４，６９２，２７４号明細書−米国特許第４，３９５，４６８号明 細書−ドイツ特許出願公開第３．７１６，２９７号明細書（本発明の説明） 本発明の課題は、同時にしかし互いに全く無関係に熱エネルギーおよび電気エネ ルギーを組合せて供給するために液体状および気体状燃料の化学的エネルギーを 変換し、電気エネルギーへの変換の際に高効率を達成する方法および装置を提供 することである。か〜る装置は構造か簡単でありそして安価に製造できるへきで ある。更に家庭および産業における出力範囲にとって特に適しておりそして小さ い装置でも大きな総エネルギー変換率および高い運転安定性を保証するへきであ る。

この課題は、冒頭に記載の方法において、過剰圧のもとで供給される一次燃料流 を少なくとも二つの並列に連結された分流に分け、その際に少な（とも一つの分 流毎に別々に制御／調整しそして一方は燃料電池【そしてもう一方はバーナに別 々に供給して、熱エネルギー流からの電気エネルギー流の十分な分離が任意の場 所的および時間的要求の程度によって任意の百分率比で実現し、燃料電池に供給 する酸素キャリヤの流れを燃料電池およびバーナの共通の排ガスによって予備加 熱し、更に上述の排ガスの熱エネルギーが一方においては排ガスのかなりの熱を 十分に放出することによって一次燃料の調製のために、例えば蒸発、適当なガス への転換および水性ガス反応の実施のためにバーナの為に決められた一次燃料の 一部が利用され並びにもう一方においては主として気体状または液体状の熱キャ リヤが利用され、凝縮による排ガスの潜在熱の一部をその水蒸気含存量の少なく とも１部を酸素キャリヤの最初の予備加熱に利用し、そして酸素キャリヤ流を選 択的に制御可能な／調整可能な分流に分けるかまたは全体として工程に導入しそ して燃料電池としての熱力学的理由からセラミックの高温固体電解質を準備し、 この電解質の少なくとも１部を対流、熱伝導および輻射線による熱いバーナ排ガ スの直接的熱伝達によって加熱しそして必要な運転温度に維持することによって 解決される。

更に上記課題は、バーナ並びに燃料電池および更に循環系での熱伝達に役立つ全 部の何らかの熱交換器、予備加熱器、燃料気化器およびコンバータが、気体状媒 体の案内に役立ち、熱水加熱ボイラーおよび／または蒸気発生器および／または 空気加熱器および／またはコンバータとして形成された外方向熱絶縁がされ完全 に密封された容器において場所的に／幾何学的に完全に遮断されそして統合され ており、その際に燃料電池が高温の領域の中央で、環状バーナまたは環状バーナ 室として形成されたバーナおよびアフターバーナによって囲まれて配置されてい ることによって解決される。

（本発明の実施形態） 本発明を図面によって詳細に説明する以下の実施するにより説明するニス１．　 上記方法の物質流の原則的流れのフローシート図２．　燃料電池のための予め圧 縮された酸素キャリヤーおよび予め圧縮された燃焼用空気を用いる上記方法のフ ローシート図３：　燃料電池のための予め圧縮された酸素キャリヤーおよび予め 圧縮されていない燃焼用空気を用いる上記方法のフローシート図４．　燃料電池 のための予め圧縮された酸素キャリヤーおよび気体状燃料媒体として燃料電池の 排ガスの残留含有酸素を単独で用いる上記方法のフローシート 図５．　装置の原則的構造の概略的な縦断面／垂直断面図図６：　酸素キャリヤ 流の為の予備加熱器として容器の縁部の構造を持つ装置の概略的な縦断面／垂直 断面図 図７　熱交換器としての容器の縁部の構造を持つ装置の概略的な縦断面／垂直断 面図 図８．一部か酸素キャリヤ流の為の予備加熱器として、一部が熱交換器として構 成された容器の縁部を持つ装置の概略的な縦断面／垂直断面図図１には方法の物 質流の原則的流れのフローシートが図示されている。■は僅かに過剰の圧で供給 される一次燃料流であり、この場合にはＣＨ，であり、一般には何らかの気体状 または液体状炭化水素Ｃ，Ｈい純粋な水素または一酸化炭素、またはこれらガス の任意の組合せである。−次燃料流ｌは原則として最初に燃料電池の燃料の分流 ２とバーナの為の分流３とに分けられる。分流２のラインには燃料電池分流のた めの制１ａＩｌ／調整一機関４がありそして分流３のラインでは一次燃料のバー ナ用分流のための制ｆａｌｌ／調整一機関５がある。機関４および５は互いに全 く無関係に調整でき且つ予備圧縮（ｐｒｏｒａｍｍｉｅｒｅｎ）でき、その結果 −次燃料流の側から一方は熱エネルギーにそしてもう一方は電気エネルギーへの エネルギー変換の完全な連結解除が全運転領域に渡って過剰または不足状態の様 な燃料流をとのようにも損失することなく保証される。６は酸素キャリヤ室、燃 料室および電解質より成る燃料電池である。熱カ学的埋山がらこの場合にはセラ ミックの高温電解質を用いる燃料電池が使用される。７は化学エネルギーから熱 エネルギーに変換するバーナである。８は最初に大気圧のもとにある供給された 酸素キャリヤ流であり、この場合には一般に空気０！＋４Ｎ、である。

９は酸素キャリヤ（空気）のための圧縮機（送風機）である。酸素キャリヤ流は 圧縮機の後で二つの流れに分かれる。１０は燃料電池−分流のための制御／調整 一機関てあり、１１は酸素キャリヤのバーナ用分流のための制御／調整一機関で ある。従って１２は燃料電池の為の酸素キャリヤの予備圧縮された分流であり、 １３はバーナのための酸素キャリヤの予備圧縮された分流である。場合によって は、バーナのための特定の酸素キャリヤー分流１３°を圧縮機９の前て既に分流 化する。予備圧縮されていないこの分流１３°はいわゆる常圧バーナの吸引運転 （自然な通気）に相当する。１４は酸素キャリヤ流１２の為の予備加熱器であり 、これは燃料電池６の酸素５ｉｔｉ室に連結されている。１５は酸素電極室の部 分排ガスＣＯ２、Ｎ２）てあり、１６は燃料電池６の燃料電極室の部分排ガス（ Ｈ２０、Ｃ０３）である。１７はバーナ排ガス（Ｎ２０．ＣＯ２）である。これ らのガス全てをバーナ７および燃料電池６からの全排ガス流２５に集める。これ を最初にアフターバーナ２５に案内し、そこで未だ残る燃焼可能な全ての燃料が 熱の発生下に酸化される。全排ガス流２５は一次燃料を供給するためのコンバー ター２６を貫流し、そこでそれのエンタルピーの一部が該コンバーターにとって 決定的な吸熱的変換反応 Ｃ，Ｈ，＋ｎＨｔ　Ｏ−→　ｎｃＯ＋　（ｍ／２＋ｎ）Ｎ２のエネルギー要求に 一致させるために取り去られる。コンバーター２６での一次燃料中への水蒸気の 噴入は記号Ｈ２０て示しである。未だ非常に熱い全排ガス流２５は今度は酸素キ ャリヤの為の予備加熱器１４および燃料気化器２７に到り、燃料気化器２７て液 状の一次燃料は変換される前にガス状蒸気に変換される。排ガスエンタルピーの 主要部分は熱交換器１８中の全ｆＪｉガス流２５から取り去られる。ここて熱キ ャリヤ１９によって装置の本来の有効熱量を利用するかあるいは遠くに運搬する 。この熱伝達のための媒体は熱水、水蒸気または空気であり、区域暖房、工業的 加熱のために、煮沸のために、化学−または物理的プロセスの実施のため等の多 くの用途に役立つ。顕然の最後の残りおよび潜在熱の一部を排ガス縮合−熱交換 器２４の全排ガス流２５から取り出し、これを冷たい酸素キャリヤ流８によって 冷却する。酸素−およびエネルギー流を有効に単離しそして最適に案内すること により、この準断熱的フローシートにて非常に高い総エネルギー変換率が達成さ れる（“効率”と交換できない）。

図２には燃料電池の為の予備圧縮された酸素キャリヤおよび予備圧縮された燃焼 用空気を用いる方法のフローシートか図示されている。記号ｌ、２．３．４．５ ．６および７を付した一次燃料のための全循環系は一般的フローシート図１に対 して変更されていないままである。全酸素キャリヤ流８は圧縮器９のところで高 圧にされ、分岐して、制御／調整一機関ＩＯおよび１１において貫流量に影響を 及はしそして燃料電池６あるいはバーナ７に分流１２および１３として到達する 。後に連結される全ての工程図は図１に従うフローシートと同じま−であり、一 致している。物質流１３’　および１５が欠けている。このフローシートは具体 的実施形態として最も一般的であり且つ全く非常にしばしば出現する場合である 。記号１４．１６．１７．１８．１９．２４．２５．２６．２７および２８は図 １のそれらと全く一致している。

図３には燃料電池の為の予備圧縮された酸素キャリヤおよび予備圧縮されていな い燃焼用空気を用いる方法のフローシートが図示されている。燃焼用空気はいわ ゆる常圧バーナ７に直接的に到達する。これは酸素キャリヤの分流１３°によっ て表されている。このことは天然の通気管（チムニ−ドラフト）の影響のもとて の吸引運転に相当する。従って制ｉ１１／調整一機関１１並びに物質流１３およ び１５は省かれる。記号ｌ、２．３．４．５．６および７を付した一次燃料流の 流れは変更されていないままである。残りの全ての記号は図１のそれらに一致し ている。この図は、制ｆａＴｌ／調整一機関が省かれそして圧縮器９が全流量に 対して比較的に僅かな貫流量の分流１２にしか使用する必要がないので、簡単な 装置であり、経済的に有利である。

図１は燃料電池の為の予備圧縮された酸素キャリヤを用いそして気体状燃料媒体 として燃料電池の排ガスの残留含有酸素を単独で用いる方法のフローシートを図 示している。記号１．２．３．４．５．６および７に相当する一次燃料の流れは 図１に対して変更されていないままである。圧縮器９は貫流量および圧力に関し て、燃料電池６並びにバーナ７に酸素が十分に供給される様に決める。ここにお いて特徴的な物質流としては燃料電池６の酸素電極室の一部排ガス１５か僅かに 過剰圧にてバーナ７に導かれる。制ｉｌｌ／調整一機関１１並びに物質流１３は 省かれている。残りの記号は図４のそれらに一致している。

別の変法を実施するには、図４に従うフローシートを図２に従うそれとまたは図 ３に従うそれと任意の量比の酸素キャリヤ流で組合せることに注意するへきであ る。−次燃料の流れは常に同じままである。各フローシートの組合せは方法の別 の適応性をもたらしている。

図５は、装置の原則的構造による概略的な縦断面／垂直断面図である。この図は 、全ての本質的構造要素および装備を一つの非常にコンパクトなブロックに−緒 にされておりそして選択された方法に相応してまとめた全ての装置の構造原理を 示している。この装置は好ましくは円筒状のまたは角柱状の容器２ｏより成り、 それの内部には燃料電池およびバーナ並びに種々の熱交換器が配置されており、 それの上部には有効熱装置およびその他の装置が配置されそしてそれのケーシン グには若干の補足的装置か配置されている。酸素キャリヤ流８は管を通して容器 ２０の上部に導かれ、全排ガス流２５を冷却するために排ガス凝縮−熱交換器２ ４を通しそして側位に配置された導管および圧縮器９を通して、下部側位に配置 された制ｆａｌｌ／調整一機関１０およびＩＩに到達する。ＩＩから分流１３は 底部の導管を通ってバーナ７（環状燃焼室として図示されている）に到り、一方 、１０から出発する分流１２は容器２０の縁部２１を上方に案内され、環状に配 置された予備加熱器１４を貫流しそして加熱される場所の中央に組入れられた燃 料電池６を上昇案内される。−次燃料流Ｉは容器２ｏの外壁の上部１／３に在る 管および分岐部を通って制ｆａｉｌ／調整一機関４および５に供給される。分流 ２は水平導管を通って装置内部の燃料気化器２７に到り、この蒸発器はバーナお よび燃料電池からの全排ガス流２５によって加温される。二こがら燃料は中心の 管を通って下方に行きそして、吸熱化学反応（調製、Ｈ２およびｃｏへの変換） を実施するためにコンバーター２６に外の方に放射状に供給される。コンバータ ー２６はバーナ７の直ぐ上に存在し、従って反応に必要どされる温度に曝されて いる。変換された燃料（二次燃料）は初めに内部の方向に放射状に案内されそし て次に中央を垂直に降下して燃料電池６に案内される。燃料電池の分流１５およ び１６は放射状に外の方に流れ、方向を変えそして上方に垂直に案内され、これ をそこで同様に垂直に上方に流れる燃料排ガス１７と混合しそして直ぐ次に連結 されたバーナ２８の中に残留する残留燃料か完全に酸化されるまで互い反応させ る。制御用／調製−ぼ関５を通って案内される燃料の分流３は容器２ｏの外壁に 取付けられた垂直導管を通りそして内部へ、放射状に供給されそしていう上方に 垂直に直接的に環状バーナ７に到る。容器２０の上方で内部方向に著しく拡大し た縁部に、有効熱量の利用に役立つ熱交換器１８か存在しており、ここでは水冷 ジャケット２３として形成されている。熱交換器１８は熱キャリヤ１９によって この場合には水を区域暖房のためにおよび／または使用水の調製のために並流、 交叉流または向流の状感て貫流させる。バーナおよび燃料電池からの全部のｕ１ ガス流２５を加熱するために貫流される。このことはこの図において概略的にだ け図示されている。実際には装置のこの部分は実質的に空間が占めており、導管 を備えておりそして、必要とされる熱伝達面を提供するために“通気管”力慣通 している。

図６には、酸素キャリヤ流の為の予備加熱器として容器の縁部を構成する装置の 概略的な縦断面／垂直断面が図示されている。酸素キャリヤ流８のための導入管 、全排ガス流２５を冷却するための排ガス凝縮−熱交換器２４、燃料気化器２７ および水冷ジャケット部分２３として構成され且つ熱キャリヤ１９によって貫流 される熱交換器１８を備えている容器２ｏの上部全体は図５を変更しないままで ある。同しことが活性の内部機関、例えば燃料電池６、バーナ７、コンバーター ２６、アフターバーナー２８および相応する物質流２．３．１３．１５．１６お よび１７の関連する導管についても言える。右半分の図の配置された導管および 付属品、例えば−次燃料流ｌのための導入管、制御／調整一機関４．５．１゜お よびＩＩ並びに圧縮器９についても図５に対して変更がない。これに対して容器 ２０の縁部２１をここては酸素キャリヤ流（分流１２）のための予備加熱器とし て形成されており、この場合バーナー排ガス１７の熱伝達が中間壁によって外側 に放射状に行われる（この場合には並流と称する）。このことで、この熱の転用 が交叉−または向流原理に従って分流１２の使用法にあまり適合していないこと が自然に判る。

図７は、容器の縁部が熱交換器として構成された装置の縦断面／垂直断面が図示 されている。容器２０の全ての内部および上部は図５の装置の一般的構造原理に 従う説明に一致している。このことは、記号２．３．６．７．８．１４．１５． １６．１７．２３．２４．２５．２６．２７および２８に相応する個々の部分お よび物質流に関して言える。この場合には、容器２ｏの縁部２１は熱キャリヤ＋ ９（熱水）か貫流する有効熱量の熱交換器１８として構成されている。熱はバー ナ排ガス１７によって中間壁を通り熱キャリヤ１９に放射状に外方向に伝達され る。−次燃料流ｌは図５に従って分配されそして制ｉ＆ｌ］／調整一機関４およ び５を通って容器２０の内部の相応する消費場所に案内される。酸素キャリヤ流 ８は圧縮器９の前で分かれ、そこでバーナー７のための特定の分流１３°は圧縮 されることなく直接的に自然な空気用通気管（吸引運転）のために常圧バーナー に供給される。燃料電池６のための特定の分流１２は制御／調整一機関１０およ び容器２０の外壁の垂直導管を通って−Ｆ方に案内され、反転し、予備加熱器１ ４を通して送りそして上方から燃料電池６に供給される。

図８は、一部か酸素キャリヤ流の為の予備加熱器として、一部が熱交換器として 構成された容器の縁部を持つ装置の概略的な縦断面／垂直断面図を示している。

容器２０の内部に配置された個々の部分および物質流の一部は記号２．３．６． ７．８、Ｉ７．２３（一部）、２４．２５．２６．２７および２８は図５と相違 しない。−次燃料流１の入口管および、容器２ｏの右側に固定されている制御／ 調整一機関４および５についても同じことが言える。酸素キャリヤ流８は容器２ ０の右側の圧縮器９て圧縮されモして唯一っの制ｆｉｌ／調整一機関１０を通っ て燃料電池６のための分流１２として、容器２０の縁部の水冷ジャケット２３中 の下半分て途切れており熱キャリヤ１９（熱水）が貫流する熱交換器１８に最初 に供給される。次いて酸素キャリヤ流はその上に在る、容器２０の縁部の予備加 熱器２２に到り、縁部には予備加熱器１４（この場合には並流原理によるもの） が在る。容器２１の全ての縁部は更により外の領域て熱キャリヤ１９を通路中を 上方に案内する。燃料電池６の出口で燃料電極−室の部分排ガス１６は放射状に 外方向に、次いて上方にアフターバーナ２８に案内し、一方、酸素電極室の部分 排ガス１５は中央の導管中を下方に案内され、放射状に外側に案内さねそしてバ ーナ７に外側から供給される。

実施例Ｉ 図２および６参照 化学エネルギーを熱エネルギーおよび同時に直接的に電気エネルギーに転換する 方法は図６の装置において図２のフローシートに従って実施する。この目的のた めに円筒状の垂直軸容器２０を使用する。この容器の外側にはセラミック繊維で 断熱されたスチール製の二重ジャケットが酸素キャリヤ流（空気二〇。＋４Ｎ２ ）のための予備加熱器１４として約２／３の高さまで形成されている。上ｌ／３ には排ガス圧縮−熱交換器２４、熱キャリヤＩ　９　（Ｈ２Ｏ）が貫流するため の円筒状熱水容器の状態の有効熱量のための熱交換器１８および燃料気化器２７ より成る。この装置は蒸発を条件とする一次燃料流１　（Ｃ，Ｈ，）として、市 販の硫黄不含の軽油を用いて運転する。容器２ｏの約半分の高さに、−次燃料を 供給するためのコンバーター２６か該容器２ｏの内部に納められており、この− 次燃料は水蒸気噴霧下に反応して実質的にｃｏとＨ２との混合物をもたらす。こ の反応は吸熱的に進行するので、コンバーター２６は燃料電池６の中央に配置さ れたハソテリー、バーナ７およびアフターバーナ２８の直ぐ近くに在る。燃料電 池６は有効片面１００ｍｍＸＩ　００ｍｍの板状の固体電解質のあるセラミック 高温電池である。これは全部で２列の各５０個の電池であり、各列は集められて 一つの集合体として存在している。電解質板状体は垂直に立っておりそしてガス 状媒体かその上方から下方に接触する。この電気的直列回路で＋０２Ｖの総無負 荷電圧が得られる。４０Ａの公称電流（電流密度＝０．２Ａ／ｃｍ２）の場合に 電圧は７０Ｖてあり、これは１．４ｋＷの直流出力が得られる。この直流電流は 整流器で２２０ｖの交流電流に変換される。燃料電池６の平均温度は８８０″Ｃ である。

この平均温度は制御／調整一機関４および１ｏに作用するサーモスタットによっ て狭い範囲に一定に維持される。

酸素キャリヤ流８はこの場合には、圧縮器において問題なく運転するのに必要な 程度に加圧される大気中空気より成る。この場合には、ガス状媒体の物質流は、 −次燃料の化学エネルギーの１５％か電気エネルギーに変換され、残りが熱エネ ルギーに変換されるように調整する。その際にこの方法では、燃料電池６中で消 費されていない全二次燃料をアフターバーナ２８で燃焼するように案内する。

アフターバーナはコンバーター２５中で必要とされる熱エネルギーの主要部分を 発生する。これによって熱損失が減少しそして装置の出力が向上する。

−次燃料流１の化学的出力は約９．４ｋＷてあり、電気的な直流出力は１．　ｋ Ｗてあり、熱的出力（有効熱量）は７．８ｋＷである。従ってエネルギーの全変 換率は約９８％である。−次燃料流ｌは平均値０．７５ｋｇ／時（軽油）である 図３および７参照 この方法は図３のフローシートに従い図７に記載の装置で実施する。常圧ハーす ７によってガス加熱するためのいわゆる圧縮ボイラーは、容器２０の熱交換器１ ８（水冷ジャケット）として記載されている縁部２１の内側の下方部分の内部に 挿入物を存しており、その挿入物はそれの下部にさし込み開口を有している。

このさし込み部にはセラミック高温燃料電池６のバテリーが組入れられている。

このバッテリーは有効片面１００ｍｍＸ１００ｍｍの板状の固体電解質を持つ２ 列の各５０個の個々の電池で構成されている。それの面に垂直に配置された燃料 電池は１列に電気的に連結されており、これは全部のバッテリーの総負荷電圧１ ０３ボルトを発生する。２ＯＡの公称電流（電流密度＝０．２Ａ／ｃｍ”　）の 負荷下に電圧は７２Ｖてあり、これは１．４４ｋＷの直流出力に相当する。この 直流電流は整流器で２２０Ｖの交流電流に変換され、公のネットに供給される。

燃料電池の温度は平均して８７０°Ｃてあり、サーモスタットによって狭い範囲 で一定に維持される。サーモスタットは燃料（２）の供給に作用する制ｉＩＩ／ 調整一機関４並びに空気の供給のための制御／調整一機関１０を制御する。

この燃料電池６は天然ガス（−次燃料流の入口ｌ）および空気（酸素キャリヤ流 の入口８）を用いて運転される。燃料気化器２７がバイパスされているので、気 化は関係なくなる。この気体状媒体の供給は燃料電池６の理論必要量から見て大 過剰で行い、その結果化学的エネルギーの一部分（この場合には約ｌＯ％）が電 気エネルギーに変換される。遥かに多い部分は、残留燃料を完全に酸化するため に、独立した常圧バーナ７および、燃料電池６の後に連結されたアフターバーナ ２８において熱に変換される。残留燃料が高い温度水準で存在する部分は、燃料 電池６のための空気の分流１２の予備加熱（１４）に役立ち、低い温度水準で存 在する部分は水冷ジャケットとして記載された熱交換器１８を加熱するのに役立 つ。既に冷却した燃焼ガスを後続の排ガス凝縮−熱交換器２４に供給しそして約 ５０°Ｃにまて冷却する。この場合、燃焼の際に生じる水蒸気の一部を凝縮して 水とする。発生する凝縮熱は酸素キャリヤ流８に供給する。

＋４．３ｋＷの化学出力に相応して燃料人口１にガスを供給する場合には、１４ ４ｋＷの直流出力および１２．７６ｋＷの熱出力が測定される。ボイラの優れた 断熱効果のために、熱１貝失は実質的に無視できる。排ガスの部分的な凝縮によ って追加的熱回収は約９９％の合計エネルギー利用率となる。電気的エネルギー および熱は工業的作業性の異なる重要性を有しているので、この関係では“総出 力”て表すべきてない。

実施例３ 第４図と第８図を参照 第４図のフローシートの方法を実施するため、第８図の装置を使用した。セラミ ックスのマットで絶縁された円筒状で垂直軸方向のスチール板の容器２ｏには、 水冷ジャケット部２３の下半分の縁部２１に、熱伝達媒体１９　（Ｎ２０）が下 から上に流れる有効熱放出用の熱交換器１８がある。この熱交換器の上では、縁 部の予備加熱部２２の上半分に、下から上に酸素キャリヤ（０２＋４Ｎ２　）の 一部の流れ１２か流れる予備加熱器１４がある。この例では、一部の流れ１２が 給送された元の酸素キャリヤの流れ８と同じものである。この装置の最上部は具 体例１　（第６図参照）とほぼ固しに構成され、この最上部に排出ガス凝縮熱交 換器２４と燃料気化器２７が配設されている。この設備を一次燃料の流れｌ　（ Ｃ，Ｈｌ）である液化ガスで運転する。コンバータ２６．燃料電池６．バーナ７ およびアフターバーナ２８を備えたこの装置の内部構造は、実施例１のものとほ ぼ一致している。それぞれ５０個の要素でスタックに構成された燃料電池は、実 施例１て説明したものと同しである。板状のセルの表面を垂直に配置した全部で ２つのスタックを使用する。直列接続すると、２ＯＡの公称電流（電流密度＝　 ０．２　Ａ／ｃｍ２）て７３Ｖの電圧の下で１．４６ｋＷの直流出力である。燃 料電池の平均温度は約８７５°Ｃである。出力を調整するため、制ｉ＆０／調整 要素４と１０を使用する。

酸素キャリヤの流れ８　（０，＋４Ｎ、　）をただ一つの制御・調整一機関１０ で調整する。環状燃焼室として構成されたバーナやアフターバーナ２８は、燃料 電池６を経由してのみ酸素電極室の一部の＋ＪＰ気ガス＋　５　（０２、Ｎ２　 ）の形にした結合していない酸素か得られる。この場合、−次燃料の化学エネル ギの約８％を電気エネルギに、そして残りを熱に変換するように、ガス状媒体の 物質流を調整する。

一次燃料の流れ１の化学出力は１８．３ｋＷ、直流電気出力は１．４６ｋＷ、有 効熱出力は＋６．４ｋＷてあった。従って、エネルギの全変換率は９７％内外で ある。−次燃料の装填量は約１．８　ｋｇ／ｈの液化ガスである。

この発明はこれ等の実施例に限定されるものてはない。

家庭あるいは産業で熱を提供するため、液体や固体の燃料の化学エネルギを熱エ ネルギに変換し、−次燃料の化学的に束縛されたエネルギの一部のみを熱に、変 換するが、残りを同時に直接電気エネルギに変換するように、バーナて全てのタ イプの化学的および冶金学的な変換と同時に燃料電池で直接電気エネルギに変換 する方法は、過圧下て給送された一次燃料の流れ１を並列に接続した少なくとも 二つの分流２，３に分割して実施される。その場合、少なくとも各一つの分流か 別々に制ｆｉｔ／調整４．５され、場所や時間的な必要性に応して熱エネルギの 流れから電気エネルギの流れを任意のパーセント比率で完全に取り出せるように 、前記分流が一方で燃料電池６に、また他方でバーナ７に別々に導入される。そ して、燃料電池６に供給すべき酸素キャリヤの流れは燃料電池６とバーナ７の共 通の排気ガス２５の逆流中で予熱され、更に、一方で、気化２７．適当なガスへ の変換２６のような処理を行い、水とガスの反応を行うため、バーナ７用の一次 燃料の一部に、そして他方で、主にガスあるいは液状の熱キャリヤ１９に、感知 できる熱を更に排出して、前記排気ガスの熱エネルギを利用する。更に、排気ガ スの潜熱の一部が水蒸気の少なくとも一部の凝縮２４により酸素キャリヤ８を最 初に予熱するために利用される。そして、酸素キャリヤの流れ８を選択的に制御 ／調節てきる分流１２＋１３に分割するか、あるいは全体としてプロセスに導入 する。ぞして、熱力学的な理由から燃料電池６としてセラミックスの高温固体電 解セルか使用され、この電解セルが、少なくとも一部、対流、熱伝導および輻射 によりバーナの高温の排気ガス１７を熱を直接伝えて加熱され、必要な運転温度 に保持される。

この方法の第一の構成では、酸素キャリヤ流８が先ず予め圧縮され９．バーナ７ の少なくとも一つの分流１３とこの流れに並列に接続する燃料電池６の分流１２ とに分割され、−次燃料の付属する分流２，３の各々に、必要に応じて切り離し た状聾で電気と熱のエネルギに完全に無関係に変換するために必要な酸素の分流 が導入されるように、それぞれの分流＋２：１３を別々に制御・調整するｌ０１ ＩＩ０この方法の第二の構成では、バーナのための酸素キャリヤ流８の一部が、 予め圧縮されることな（、常圧バーナ７の自然吸引を利用して分岐され、燃料電 池８用の分流１２のみが予め圧縮され、別々に制御・調整される１０．後者に導 入される。この方法の他の構成では、酸素キャリヤ流８全体を先ず圧縮し９゜制 御／調整し１０．燃料電池に導入し、そこで適当に更に加熱し、酸素電極室の分 割排気ガス流１５の形にした残りの流れとして、燃料電池に直列に後続するバー ナ７に導入する。

燃料；池６に導入する一次燃料の流れ１の分流２は組成と量に関して燃料電池６ に前置されている８１横４により制御・調整されるので、燃料電池６を通過した 後、未だ酸化可能な成分が残っていて、それに応した燃料電極室の分割排気ガス １６か付加的な残留燃料としてバーナ７に導入されるように、この方法が実行さ れると有利である。燃料電池６の運転を開始するため、先ず一次燃料の分流２を 完全に遮断し４．電気エネルギの導入を止め、ただ一部では、対流、熱伝導およ び輻射によりバーナの高温の排気ガス１７の熱を直接伝えて、他の部分てはバー ナの排気ガス１７により間接的に加熱された酸素キャリヤの分流１２により燃料 電池６が運転温度にされると有利である。

液体や固体の燃料の化学エネルギを熱エネルギと同時に直接電気エネルギに変換 する上記の方法を実施する装置には、一つのバーナ７と熱に変換するため一つの アフターバーナ２８．電気エネルギに変換する燃料電池６．加熱ボイラーあるい は蒸気発生器の形にしだ熱エネルギ成分を伝達して利用する一つの装置１８゜お よび循環路中の熱の少なくとも一部を戻して利用する少なくとも一つの熱交換器 かある。その場合、バーナ７や燃料電池６．更には循環路内の熱伝達部に使用さ れる熱交換器＋８＋２４．予備加熱器１４．燃料気化器２７およびコンバータ２ ６全体が、外部に対して熱絶縁され、完全に遮断され、ガス状媒体の案内に使用 され、温水の加熱ボイラーおよび／または蒸気発生器および／または空気加熱機 １８および／またはコンバータ２６として形成された一つの容器２９の中に場所 的ないしは幾何学的に全部導入され、組み込まれている。そして、燃料電池６は 高温領域の中心に環状バーナあるいは環状バーナ室として形成された）１−す７ およびアフターバーナ２８により取り囲まれた状怒て配置されている。

支持ハウジングである容器２０の縁部２１が空気流の形にして導入すべき酸素キ ャリヤ流の予（ｉ加熱器１４；２４として、あるいは加熱ボイラーおよび／また は熱水発生器の水冷ジャケットの形の熱交換器１８として、および／または直接 空気加熱機として、および／または他の媒体の熱交換器として、あるいは一部導 入すべき酸素キャリヤ流１２の予熱機１４として、一部、水冷ジャケットあるい は蒸気ジャケットの形の熱交換器１８として、および／または過加熱機あるいは 空気加熱機として形成されているので、酸素キャリヤ流１２の予熱部２２を場所 的に水冷ジャケット部２３の上あるいは下、または水冷ジャケット２３の内部あ るいは外部に、または幾何学的に垂直方向あるいは水平方向に水冷ジャケットに 入れ子にし、互いに捩じらせて、またはジグザグに配置し、熱力学的に見て、直 列あるいは並列に配置された熱交換器＋４；１８；２４．あるいはただ一つの多 重熱交換器１４／＋８／２４を設け、酸素キャリヤ流１２を圧縮するために必要 な送風機９を容器２０に直接フランジ接続し、運転ユニットとしてこの容器に接 続しているように、装置を構成すると有利である。

この発明の利点 一化学エネルギを熱と電気エネルギに変換することを完全に切り離せる。つまり 場所や時間的な要請に応して出力配分を完全に自由に選択できる。

−出力を簡単に制御てきる。

一有害な排出物がなく、騒音もない。

−設備が小型であってもエネルギ効率が高い。

−環境に負担のかかる有害な廃熱による損失が少ない。

一監視が簡単である。

−コンパクトで場所を節約した構造である。

Ｆｉｇ、　Ｉ Ｆｉｇ、　２ Ｆｉｇ、　３ Ｆｉｇ、　４ Ｆｉｇ、　５ Ｆｉｇ、　６ Ｆｉｇ、　７ Ｆｉｇ、　８ 国際謹審餠失

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．一次燃料の化学的に関係するエネルギーの一部だけを熱に、残りを同時に直 接的に電気エネルギーに変換するようにして、液状−および／または気体状燃料 の化学的エネルギーから、家庭または産業に、あらゆる種類の化学的および冶金 学的反応のために熱を供給するために、バーナによって熱エネルギーにおよび燃 料電池によって同時に直接的に電気エネルギーに変換する方法において、加圧の もとで供給される一次燃料流（１）を少なくとも二つの並列的に連結された分流 （２、３）に分割し、その際に少なくとも一つの分流毎に別々に制御／調整し（ ４；５）そして一方では燃料電池（６）にそしてもう一方をバーナ（７）に別々 に供給して、熱エネルギー流からの電気エネルギー流の十分な分離が任意の場所 的および時間的要求の程度によって任意の百分率比で実現しおよび燃料電池（６ ）に供給する酸素キャリヤの流れ（１２）を燃料電池（６）およびバーナ（７） の共通の排ガス（２５）によって向流状態で予備加熱し、更に上述の排ガスの熱 エネルギーが一方においては排ガスのかなりの熱を十分に放出することによって 一次燃料の調製のために、例えば蒸発（２７）、適当なガスへの変換（２６）お よび水性ガス反応の実施のためにバーナ（７）の為に決められた一次燃料の一部 が利用され並びにもう一方においては主として気体状または液体状の熱キャリヤ （１９）が利用され、凝縮（２４）による排ガスの潜在熱の一部をその水蒸気含 有量の少なくとも１部を酸素キャリヤ（８）の最初の予備加熱に利用し、そして 酸素キャリヤ流（８）を選択的に制御可能な／調整可能な分流（１２、１３）に 分けるかまたは全体として工程に導入しそして燃料電池（６）としての熱力学的 理由からセラミックの高温固体電解質を準備し、この電解質の少なくとも１部を 対流、熱伝導および輻射線による熱いバーナ排ガス（１７）の直接的熱伝達によ って加熱しそして必要な運転温度に維持することを特徴とする、上記方法。 ２．酸素キャリヤ流（８）を最初に予備圧縮し（９）、バーナ（７）のための少 なくとも１つの分流（１３）およびこれに並列に連結された少なくとも１つの分 流（１２）を燃料電池（６）に分けそして各分流（１２、１３）を別々に制御／ 調整し（１０、１１）て、一次燃料のそれぞれに属する分流（２、３）に、要求 の程度次第でデカップリング（Ｅｎｔｋｏｐｐｅｌｕｎｇ）の意味で電気エネル ギーおよび熱エネルギーに全く無関係に転換するのに必要とされる酸素量の分流 を供給する、請求項１に記載の方法。 ３．バーナ（７）の為に決められた酸素キャリヤ流（８）を予備圧縮なしで、常 圧バーナ（７）の自然な上向きドラフトの利用下に分流させそして燃料電池（８ ）の為に決められた分流（１２）だけを予備圧縮し、別に制御／調整し（１０） そしてこの分流（１２）を供給する、請求項１に記載の方法。 ４．酸素キャリヤ（８）を全体として最初に圧縮し（９）、制御／調整し（１０ ）、燃料電池（６）に供給し、そこで適当に更に加熱しそして酸素電極室の部分 排ガス流（１５）の形の残留流として燃料電池の後に一列に連結されたバーナ（ ７）に案内する、請求項１に記載の方法。 ５．燃料電池（６）に供給される、一次燃料流（１）の分流（２）は組成および 量に関して燃料電池（６）の前に連結された機関（４）によって制御／調製され て、燃料電池（６）を貫流した後に更に酸化可能な成分が残っておりそして燃料 電極室の対応する部分排ガス流（１６）をバーナ（７）に追加的な残留燃料とし て供給する、請求項１に記載の方法。 ６．燃料電池（６）の運転開始のために最初に一次燃料の分流（２）を完全に遮 断し（４）そして燃料電池（６）を電気エネルギーの供給を避けながら、一部分 だけを対流、熱伝導および輻射線による熱いバーナ排ガス（１７）の直接的熱伝 達によって運転温度にし、他の部分はバーナ排ガス（１７）により直接的に加熱 された酸素キャリヤ分流（１２）によって運転温度にする、請求項１に記載の方 法。 ７．熱への変換のためにバーナ（７）およびアフターバーナ（２８）を、電気エ ネルギーへの変換のために燃料電池（６）を、熱エネルギー部分の転換および利 用のために加熱ボイラーまたは蒸気発生器の形の装置（１８）をおよび熱の少な くとも１部を循環系に戻し利用するために少なくとも１つの熱交換器を装備する 、請求項１に従い液状および／または固体燃料の化学エネルギーを熱エネルギー におよび燃料電池により同時に直接的に電気エネルギーに変換する方法を実施す る装置において、バーナ（７）並びに燃料電池（６）および更に循環系での熱伝 達に役立つ全部の何らかの熱交換器（１８、２４）、予備加熱器（１４）、燃料 気化器（２７）およびコンバータ（２６）が、気体状媒体の案内に役立ち、熱水 加熱ボイラーおよび／または蒸気発生器および／または空気加熱器（１８）およ び／またはコンバータ（２６）として形成された外方向断熱され完全に密封され た容器（２０）において場所的に／幾何学的に完全に遮られそして統合されてお り、その際に燃料電池（６）が高温の領域の中央で、環状バーナまたは環状バー ナ室として形成されたバーナ（７）およびアフターバーナ（２８）によって囲ま れて配置されていることを特徴とする、上記装置。 ８．運搬できるハウジングである容器（２０）の縁部（２１）が空気流の状態の 供給すべき酸素キャリヤ流のための予備加熱器（１４）として形成されておりそ して酸素キャリヤ流（１２）の圧縮のために必要な送風器（９）を容器（２０） に直接的にフランジで取付けそして駆動装置に連結する、請求項７に記載の装置 。 ９．運搬できるハウジングである容器（２０）の縁部（２１）が加熱ボイラーお よび／または熱水発生器の水冷ジャケットの状態の熱交換器（１８）としておよ び／または蒸気発生器および／または過熱器の蒸気ジャケットとしておよび／ま たは直接的な空気加熱器としておよび／または他の媒体のための熱交換器として 形成されている、請求項７に記載の装置。 １０．運搬できるハウジングである容器（２０）の縁部（２１）の一部が供給す べき酸素キャリヤ流（１２）のための予備加熱器（１４）として、一部が水冷ジ ャケットまたは蒸気ジャケットの状態の熱交換器（１８）および／または過熱器 または空気加熱器として形成されており、酸素キャリヤ流（１２）のための予備 加熱部（２２）が場所的に水冷ジャケット部（２３）の上方または下方でまたは 水冷ジャケット部（２３）の内または外でまたは幾何学的に垂直方向または水平 方向で、該水冷ジャケット部と相互に連結するか、互いにねじり合わせるかまた はジグザグに配置されており、その際に熱力学的に見れば、一列にまたは平行状 態で置かれた複数の熱交換器（１４、１８、２４）かまたは唯一つの多重熱交換 器（１４／１８／２４）を備えている、請求項７に記載の装置。