JPH09129255A - 間接燃焼ガスタービンおよび２重化された燃料電池の複合サイクルの電力発生システム - Google Patents

間接燃焼ガスタービンおよび２重化された燃料電池の複合サイクルの電力発生システム

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JPH09129255A
JPH09129255A JP8279177A JP27917796A JPH09129255A JP H09129255 A JPH09129255 A JP H09129255A JP 8279177 A JP8279177 A JP 8279177A JP 27917796 A JP27917796 A JP 27917796A JP H09129255 A JPH09129255 A JP H09129255A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 改善された燃料電池一体式発電システムを提
供することである。 【解決手段】 タービンを駆動するために加熱され、加
圧されたガス流を受け取るためのガス入り口手段と、排
気ガスを供給するためのガス排気手段とを有するオフベ
ース燃焼ガスタービン、前記タービンの加圧されたガス
流の圧力に相当する圧力の加圧空気の流れを発生するた
めのコンプレッサ手段、前記コンプレッサ手段からの加
圧された空気の流れを受け取るための陰極手段と、前記
ガス流の圧力に相当する圧力で第１の燃料流を受け取る
ための陽極手段と、電力、加熱された陰極および陽極を
生成する手段とを含む第１燃料電池、および陰極手段
と、陽極手段と陰極流および陽極流とを生成する手段と
を含む第２燃料電池から構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、概して、一体式の
燃料電池発電力プラントに関し、より詳しくは、サイク
ルが直流式の運転構成として熱的に一貫するように、第
１燃料電池サイクルが間接燃焼ガスタービンサイクルの
上流に位置し、第２燃料電池サイクルが該間接燃焼ガス
タービンサイクルの下流に位置する複合サイクルに関す
る。アメリカ合衆国政府は、アメリカ合衆国デパートメ
ント オブ エナジーと発明者の間の雇用者対被雇用者
関係に従って、本発明に関する権利を有する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】ガス
タービンと燃料電池は、発電設備として従来からよく知
られた機構である。ガスタービンと燃料電池は、従来か
ら、それぞれ発電のコ ジェネレーション用として、蒸
気タービンサイクルと組み合わされてきた。燃料電池を
用いたサイクルでは、システムを加圧するのに、コンプ
レッサを用いて圧縮空気流を燃料電池の陰極に提供して
いた。下記に示す、ガスタービンの下流に設けた溶融炭
酸塩燃料電池からの排気流によって空気流を加熱する、
本件出願人の米国特許第５，４４９，５６８号より以前
は、圧縮空気からは充分な利点が得られなかった。燃料
電池の効率を高めるために、二酸化炭素が空気流に加え
られ、得られた混合物は、燃料電池の陽極において燃料
と電気化学反応を起こす。この燃料電池は電気エネルギ
ーを発生して、高温ガス流を提供し、この高温ガス流
は、適当な発電機と結合された蒸気タービンサイクルの
ための蒸気を得るのに用いられる。
【０００３】このような複合サイクルの変形例として、
蒸気タービンサイクルの代わりにガスタービンと組み合
わされた燃料電池があり、このばあい、陰極排気流に含
まれる残留熱エネルギーをガスタービン中に直接抽出し
て発電することができる。そのようなシステムについて
は、本願にも参考として採用されている、１９９０年５
月１日付でグルマインドルら（Ｇｍｅｉｎｄｌ ｅｔ
ａｌ）に与えられた本件出願人の米国特許第４，９２
１，７６５号明細書に記載されている。
【０００４】ガスタービンと燃料電池の複合サイクルの
他の例では、直接燃焼ガスタービンサイクルが燃料電池
サイクルに複合されており、得られた高温ガス流をガス
タービンの駆動に用い、これによって、ガスタービンサ
イクルと燃料電池サイクルの双方にて発電を行ってい
る。
【０００５】これらの従来から知られた複合サイクルは
発電のコ ジェネレーションを提供するが、これらのシ
ステムは高効率の電力変換率を得ることはできなかっ
た。この欠点の第１の理由は、前述した出願人の特許に
記載されている溶融炭酸塩燃料電池等といった、現状で
入手可能な燃料電池は、高々６気圧の圧力で運転できる
に過ぎず、タービンを駆動するガス流として提供できる
圧力は、ガスタービンの効率的な運転に必要な圧力とし
ては不足であったためである。
【０００６】これらのタイプの複合サイクルの効率を改
善する目的で、ガスタービンの最適な圧力による運転で
効率的な電力変換が得られるように、間接燃焼ガスター
ビンサイクルが溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）の下流
に設けられたものがある。この複合サイクルの構成で
は、ガスタービンは、間接的に加熱された空気により、
タービンの効率的な運転に適した圧力で駆動され、一
方、タービンの吸気口での圧力よりも著しく低圧のター
ビンの排気は、燃料電池内の電気化学的反応に直接利用
された。そのようなシステムについては、本願にも参考
として採用されている、１９９５年９月１２日付でミチ
ェリら（Ｍｉｃｈｅｌｉ ｅｔ ａｌ）に与えられた本
件出願人の米国特許第５，４４９，５６８号明細書に記
載されている。
【０００７】叙上の特許のシステムには、ガスタービン
に圧縮され予熱された空気流を提供するためのコンプレ
ッサが設けられている。溶融炭酸塩燃料電池の隔室から
補助燃料が排気とともに燃焼室に供給され、この燃焼室
から高温ガス流が提供される間接熱交換器にて圧縮空気
が加熱される。陰極隔室の燃料入口はガスタービンの排
気口と連結されており、前記排気口から排出される加熱
空気流を受け入れる。主燃料は、気体状の炭化水素燃料
の形態で、燃料電池の陽極隔室入口に供給される。この
燃料は電池の陽極で水素と一酸化炭素に改質（ｒｅｆｏ
ｒｍ）され、陰極に供給された加熱空気流と電気化学反
応を起こして、電気エネルギーのガルバーニ生産を行
う。陽極で加熱されたガスと陰極の排気は、熱交換器に
供給される加圧空気流用の熱の少なくとも一部を提供す
ることに用いられる。
【０００８】ＭＣＦＣの運転のために充分なだけのＣＯ
2を得るために、陰極からの高温ガス流の一部は、適当
な触媒反応器中で陽極からの残留燃料価を含む高温ガス
流と結合され、二酸化炭素を生産する。触媒反応器から
の高温ガスの排気流に含まれる二酸化炭素は、ＣＯ2分
離器で分離されて、ガスタービンから排出された高温空
気流と混合され、燃料電池の陰極反応隔室に供給され
る。
【０００９】熱交換器から排出された高温ガス流からの
熱価（ｈｅａｔ ｖａｌｕｅ）は、システムの効率をさ
らに向上させる種々の方法を用いることで、さらに発電
に利用できる。また、燃料電池からの高温排気ガスを、
ガスタービンサイクルの熱交換器内の圧縮空気を部分的
に加熱するために用いることによって、入口における圧
縮空気をガスタービン駆動に適した１６００°から２６
００°Ｆの範囲の温度にまで昇温するのに必要な熱の約
３５〜４０％が得られる。この構成は、コンプレッサか
らの排出空気を望ましいガスタービン入口温度まで加熱
するのに要する燃料を著しく低減させる。
【００１０】蒸気タービンを下流に備えた燃料電池に比
べれば、燃料電池を下流に備えた間接燃焼式ガスタービ
ンサイクルを用いることで、機器上の多くの制限が克服
されたが、熱量の付加のためにシステムに補助燃料を供
給する必要がある点、および、溶融炭酸塩燃料電池の陽
極反応に必要なＣＯ2を得るために陽極−陰極間の循環
系を必要とする点で、これらのタイプの複合サイクルは
未だ不充分であった。このように、燃料電池複合型発電
システムは、熱的な一貫性を改善し、運転効率を高める
余地がある。
【００１１】叙上の要求に鑑みて、本発明の目的は、改
善された燃料電池一体式の発電システムを提供すること
にある。
【００１２】本発明のもう一つの目的は、熱量の付加の
ための補助燃料が不要な、改善された燃料電池複合発電
システムを提供することにある。
【００１３】さらに、本発明の目的は、上記の目的にも
示されているように、タービンサイクルの上流側に固体
酸素燃料電池（ＳＯＦＣ）が設けられ、同下流側にはＭ
ＣＦＣが設けられた、改善された熱的に一貫した発電シ
ステムを提供することにある。
【００１４】本発明の、また別の目的は、上記の目的に
も示されているように、溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦ
Ｃ）の運転に必要なＣＯ2がタービンサイクルの上流側
の固体酸素燃料電池（ＳＯＦＣ）にて得られた後、シス
テム内を溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）の陰極まで縦
続される、改善された熱的に一貫した発電システムを提
供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明のガスタービンお
よび２重化された燃料電池の複合サイクルの電力発生シ
ステムは、当該タービンを駆動するために加熱され、加
圧されたガス流を受け取るためのガス入り口手段と、排
気ガスを供給するためのガス排気手段とを有するオフベ
ース（ｏｆｆ−ｂａｓｅ）燃焼ガスタービン、前記ター
ビンの加圧されたガス流の圧力に相当する圧力の加圧空
気の流れを発生するためのコンプレッサ手段、前記加圧
されたガス流の圧力に相当する温度および圧力で動作す
ることができ、前記コンプレッサ手段から加圧された空
気の流れを受け取るための陰極手段と、前記ガス流の圧
力に相当する圧力で第１の燃料流を受け取るための陽極
手段と、前記ガスタービンのガス入り口手段に加圧ガス
流を供給するためのガス流を遮断して前記加圧された空
気の流れと前記第１の燃料流の一部とを反応させて電力
および加熱された陰極および陽極を生成するための手段
とを含む第１燃料電池、および前記タービンの排気ガス
に相当する温度および圧力で動作することができ、前記
タービンから排気ガス流を受け取るための陰極手段と、
第２の燃料流を受け取るための陰極手段と、前記タービ
ンからの排気ガスと第２の燃料流の一部とを反応させて
電気と、排気ガスの別々の陰極流および陽極流とを生成
する手段とを含む第２燃料電池からなることを特徴とし
ている。
【００１６】本発明は、ガスタービンサイクルと複合さ
れたデュアル燃料電池サイクルを備えた、燃料電池とガ
スタービンの複合サイクルシステムに関し、ここで、第
１燃料電池サイクルは、タービンサイクルの上流側にあ
り、タービンサイクルの上流側にあって主に大気圧で運
転される第２燃料電池サイクル用のＣＯ2を生産するの
に用いられる。第１燃料電池サイクルは、約６から１５
気圧の範囲の気圧で運転される。圧縮空気は間接熱交換
器で加熱されて、加圧された燃料流とともに第１燃料電
池サイクルに供給される。熱交換器には、第２燃料電池
サイクルから流出する過剰燃料を燃料とする低圧燃焼室
からの加熱されたガスが供給される。第１燃料電池サイ
クルからの流出物は高圧燃焼室に送られ、ここで過剰な
燃料が燃焼されて、ガスタービンに向かう加圧されたガ
ス流の温度を、必要な温度にまで高める。タービンの排
気は低圧燃焼室に送られ、ここで、第２燃料電池サイク
ルの陽極から流出する過剰燃料を燃やすのに用いられ、
間接熱交換器への入力空気用の熱を提供する。
【００１７】加えて、第２燃料電池サイクルの陰極から
の流出物の熱エネルギーは、熱回収蒸気発生器（以下、
ＨＲＳＧという）に用いることもできる。熱回収蒸気発
生器（以下、ＨＲＳＧという）もまた、燃料電池サイク
ルに蒸気の形態で必要な水を提供するのに用いられ、Ｃ
Ｈ4燃料の水素への改質を促す。
【００１８】好適な構成では、望ましい条件下で発電を
行うためのみでなく、好ましくは溶融炭酸塩燃料電池
（以下、ＭＣＦＣという）からなる下流側の燃料電池の
効率的な運転に必要なＣＯ2を供給するためにも、一基
の固体酸素燃料電池（以下、ＳＯＦＣという）がシステ
ムと熱的に一体化された状態で配置されている。ＭＣＦ
Ｃは、ＳＯＦＣ、あるいはガスタービンのいずれと比較
しても天然ガスを電力に変換する効率が高いが、ＣＯ2
源を必要とする。
【００１９】是認されたシステム・シミュレーション・
プログラムを用いたばあい、この好適な２重化された燃
料電池とガスタービンの複合サイクルは、その並列でな
く直列で運転される発電サブシステムに起因して、発電
生産において熱力学的に最適なシステムを提供すること
が判明している。このばあい、第１の発電ユニット、す
なわちＳＯＦＣからの未使用の電力は、第２のユニッ
ト、すなわちガスタービンに流下し、第２ユニットから
第３ユニット、すなわち、ＭＣＦＣに流下する。ＳＯＦ
Ｃは約２０００°Ｆにて最適運転されるので、上流位置
が理想的と判明し、一方、ＭＣＦＣは１０００°Ｆで最
適運転されるので、タービンの下流側に用いられる。
【００２０】さらに、燃料電池陽極流から流出する未反
応の水素と一酸化炭素から得られる熱エネルギーのすべ
てを、タービン入口の前方のガス流に加えると、この好
適な構成のサイクル効率は大いに増大する。この構成
は、このエネルギーをタービンに戻すことでタービンの
出力が増大するという、回復形態である。高いサイクル
効率を達成するためには、この燃焼アプローチが重要で
あることが、詳細なシステム分析から判明している。従
来から知られているすべてのＭＣＦＣ複合サイクルで
は、陽極からの未反応燃料は、必要なＣＯ2を提供する
ために、燃焼室から陰極に回収されている。これらの陽
極から陰極への回収流は必要なＣＯ2を提供するが、熱
流の温度が正しい流下に不適切な温度であるために、高
い効率を達成する可能性を無効にする。
【００２１】この熱的に直列の構成を、ネットで７２〜
７４％（ＬＨＶ）の範囲内と定められている最大の効率
を提供するように最適化することができる。タービンの
サイズもまた、効率を最適化したり、システムのコスト
を低減するため、あるいはこれら両者の組み合わせのた
めに選択することができる。システムの分析には、圧力
損失、熱損失、および直流から交流への変換でのロス
が、約６％ポイント見込まれている。
【００２２】本発明に係る、一体式の２重化された燃料
電池およびガスタービン発電システムの概略ブロック図
を唯一の図とする添付図面とともに下記の詳細な説明を
参照すれば、本発明の他の目的、ならびに付随する利点
については、当業者にとって明らかであろう。
【００２３】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態に係る間接燃
焼ガスタービンおよび２重化された燃料電池の複合サイ
クルの電力発生システム（以下、システムという）を添
付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２４】前述し、かつ図に示したように、本発明の
複合型デュアル燃料電池および間接燃焼ガスタービンサ
イクルに用いられている好適な燃料電池は、上流側ユニ
ットとしての固体燃料電池５、およびガスタービン９の
下流側ユニットとしての溶融炭酸塩燃料電池７を含む。
これらの燃料電池は、充分に開発されているので、ここ
では、これらの燃料電池の主な構成部材としての、陽
極、陰極、および電解質のみを示す。これらのタイプの
燃料電池の詳細に関するこれ以上の情報は、フューエル
セルズ ハンドブック、ＤＯＥ刊（ＭＥＴＣ−９４−
１００６）、１９９４年１月（“Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ
Ｈａｎｄｂｏｏｋ”，Ｊａｎｕａｒｙ１９９４ ｉｓ
ｓｕｅｄ ｂｙ ＤＯＥ／ＭＥＴＣ−９４−１００６）
に示されている。この参考文献は本願でも参考に用いら
れている。
【００２５】図１を参照すると、ＳＯＦＣ５は、２層の
有孔電極１１および１３を有し、これらは、あいだに配
置された固体酸化物セラミック電解質１５に接着され
て、選択透過バリアを形成している。水素の形態をとっ
た燃料が、陽極ガス流チャンネル１７を介して前記バリ
アの陽極１１側に供給され、一方、酸化体（ここでは空
気）が、陰極ガス流チャンネル１９を介して前記バリア
の陰極１３側に供給される。ほとんどの反応物はバリア
を通過できないが、酸素イオンは固体酸素格子を流通で
きる。電解質は有孔の、導電性の金属または半導体セラ
ミック材料である。通常は、燃料電極（陽極１１）は、
ニッケル−ジルコニアのサーメットか同類のもので形成
されており、空気電極（陰極１３）は、ストロンチウム
をドープしたランタンマンガナイトか同類のもので形成
されており、固体酸素電解質１５はイットリア安定化ジ
ルコニアか同類のもので形成されている。電池は、同心
状の円筒配列で形成されており、多数の電池同士が負荷
２１を介して直列に接続され、積層を形成している。Ｓ
ＯＦＣは１４００°から２３００°Ｆの範囲で運転され
る。
【００２６】適した燃料は水素を含み、メタンＣＨ4の
ような単純な炭化水素で良い。この応用例では、ＣＨ4
が燃料入力ライン２３を介して燃料電池の陽極ガスチャ
ンネル１７に供給され、このチャンネル内で、触媒とし
て働く陽極内のニッケルの存在下で、水（すなわち蒸
気）と反応して内的に改質される。この反応によって得
られる水素は、電気化学反応を起こして、各電極ガス流
チャンネルに反応ガスの高温流を生み出す。この工程の
結果得られたＣＯ2は、後述されるように、ＭＣＦＣの
陰極に供給され、ＭＣＦＣ７の運転に必要な追加ＣＯ2
のほとんどを提供する。残りは、システム内の燃焼室か
ら供給される。通常、ＭＣＦＣは電気化学反応の化学量
論から約２：１の比率のＣＯ2とＯ2を含んだ酸化体を必
要とする。空気はこの比率を持っていないので、効率的
な運転のためには、陰極反応チャンバーに補充のＣＯ2
を加える必要がある。
【００２７】一般に、ＭＣＦＣ７は、有孔のニッケルか
同類のもので形成された陽極２４と、有孔のニッケル酸
化物か同類のもので形成された陰極２５を有し、これら
陽極２４と陰極２５とは、アルカリ金属カーボネート
と、通常はリチウムアルミネート（ＬｉＡｌＯ2）でで
きた有孔のセラミックのマトリクス内に含有されたそれ
らの混合物とで形成された溶融電解質２６によって隔離
されている。ＭＣＦＣ燃料電池は通常、層状の配列から
なり、多数の燃料電池が負荷２９を介して直列に接続さ
れて、積層を形成している。
【００２８】電解質が溶融状態に加熱されると、前述し
たように陽極における内的改質を介して燃料ガスまたは
天然ガスから派生した水素などの燃料は、陰極の水素と
の電気化学反応を受けて発電する。この電気化学反応か
らは陽極および陰極で反応ガスの高温流が生産され、こ
れは後述するように、複合サイクルシステムに利用され
る。ＭＣＦＣは、約１０００°から１１５０°Ｆの温度
範囲で運転される。
【００２９】間接燃焼ガスタービン９は、駆動軸３４に
よってコンプレッサ３３と発電機３６に連結されてい
る。コンプレッサ３３は、吸気口で空気流３５を受け入
れることが可能で、この空気流を約６から２５気圧の範
囲の圧力まで加圧し、約３００°から８００°Ｆの範囲
の温度にするのに適したものならば種類を問わない。こ
の圧縮空気流は、導管３７を通じて熱交換器３９に送ら
れ、ここで圧縮空気流は、低圧燃焼室４１から、低圧燃
焼室４１の出力を熱交換器３９の電熱板入力部に連結し
ている導管４３を介して、送られる高温ガス流によって
間接加熱される。図示された流れは、並流であるが、熱
交換手段は向流または十字流が好ましい。圧縮空気は、
約１５００°から２５００°Ｆの範囲の温度に加熱され
る。熱交換器３９は、圧縮空気を所望の温度に加熱でき
るものであれば種類を厭わない。熱交換器３９は、その
比較的高い温度要求から、高温金属、および／または、
セラミック材料で形成されるのが好ましい。熱交換器３
９から排出される高温の圧縮空気流は、導管４５を通じ
てＳＯＦＣ５の陰極ガスチャンネル１９に伝達される。
【００３０】ＳＯＦＣ５の陰極ガスチャンネル１９に加
熱空気が供給されるのに合わせて、ポンプ２３を介して
燃料ＣＨ4が、ＳＯＦＣの運転圧力に等しい圧力、すな
わち、この場合には約５−２０ａｔｍで陽極１７に導入
される。ＣＨ4は、下記に示す一例に限らない種々の方
法でチャンネルに導入された蒸気の形態の水と、陽極チ
ャンネル１７の構造内に存在するニッケルのような触媒
の存在下で反応し、陽極反応に必要な水素およびＣＯ2
を生産する。あるいは、陽極排気流によって加熱される
熱交換器を介して燃料流を通過させることによって、燃
料を再加熱しても良い。
【００３１】水素は、陰極チャンネル１９に進入する予
熱された圧縮空気流によって陰極ガスチャンネル１９に
供給される酸素と電気化学反応を起こす。この電気化学
反応では、電気と水の双方が生産される。約１４００°
から２３００°Ｆという電池の運転温度では、水は急速
に蒸気に変換され、これが陽極チャンネル１７における
ＣＨ4の改質を助ける。しかし、陽極においてすべての
Ｈ2が、また、陰極においてもすべてのＯ2が反応する訳
ではないので、その過剰分は、陽極流の水とＣＯ2、お
よび陰極流中の空気流の残留成分とともに、陽極と陰極
から流れ出る。
【００３２】ＳＯＦＣの陽極および陰極ガス流チャンネ
ル１７，１９からの流出物は、それぞれ導管４９と５１
を通じて高圧燃焼室４７に搬送される。ＳＯＦＣ５の運
転温度で運転される高圧燃焼室４７は、導管５３を介し
てタービン９の入口に供給される加圧高温ガス流に、補
助的な熱を提供する。高圧燃焼室４７としては、ＳＯＦ
Ｃ５の陽極チャンネル１７からの未反応のＨ2とＣＯ
が、高温ガス流をさらに加熱する目的で陽極チャンネル
１９から得られたＯ2存在下で、燃焼されるものであれ
ば、種々の形態を採用することができる。この更に加熱
された、約１８００°から２３００°Ｆの範囲、好まし
くは約２２００°Ｆの高温ガスは、約５から２０ａｔ
ｍ、好ましくは約１０ａｔｍの圧力でタービン９に送ら
れ、タービンを運転し、入力された空気流の圧縮と、発
電機３６による発電の双方を行う。タービンの運転温度
は、ＳＯＦＣ陽極へ供給される燃料の量を調整すること
で変えられる。第１燃料電池の燃料利用に対して過剰燃
料とカットバックを添加することが必要な場合もあり、
これによって、過剰燃料を高温燃焼室に提供して、燃焼
室からガスタービンへのガス温度を高めることができ
る。これによって、熱機関の部品がサイクル全体に対し
て与える効率上の貢献と同様、タービンの働きも増すの
で、サイクルの効率に対して必ずしも大きな害にはなら
ない。
【００３３】ガスタービン９からの排気は、約６００°
から１３００°Ｆの温度範囲、好ましくは約１０００°
Ｆであり、実質的に常圧である。導管５７を介したＭＣ
ＦＣ７の陽極チャンネル排気とともに、タービンからの
この排気は導管５５を介して低温燃焼室４１に供給され
る。ＭＣＦＣ７の陽極排気からの未反応のＨ2とＣＯ
は、低温燃焼室４１にて、タービン排気流５５で獲得可
能な残留酸素の存在下で燃焼される。この低温燃焼室４
１は、ＣＯ2が高濃度の高温ガス流を生産し、これがシ
ステム内をＳＯＦＣ５から高温燃焼室４７へと縦続す
る。このガス流はさらに約１１００°から１４００°Ｆ
の温度範囲、ただし好ましくは１３５０°Ｆ以下に加熱
される。加熱されたガス流は、前述したように、導管４
３を介して熱交換器３９に通され、導管５９からＭＣＦ
Ｃ７の陰極ガスチャンネル２８に送られる。熱交換器か
らのガス流の温度は約１０００°から１１５０°Ｆの温
度範囲で、約１から３ａｔｍの範囲の圧力である。この
ガス流の温度は、図に示すように、ＭＣＦＣ７の陰極へ
供給される燃料によって、あるいは、熱交換器３９での
熱交換経路を変更することで変えられる。
【００３４】ＣＯ2リッチな加熱空気がＭＣＦＣ７の陰
極ガスチャンネル２８に侵入するのと同時に、燃料ガス
や天然ガスといったガス状の燃料が、導管６１を介して
燃料電池の陽極ガスチャンネル２７に送られる。このガ
ス状の燃料は、陰極ガスチャンネル２８に送られるガス
流の温度と同等の温度まで予熱されるのが好ましい。こ
れは、炭酸塩電解質を確実に液化させて、引き続き行わ
れる燃料電池７内での電気化学反応を容易にさせるため
である。燃料を改質温度まで予熱することは、陽極排気
流の一部を経路６３を介して陽極の燃料入口に回収する
ことで達成される。
【００３５】燃料電池７に送られる、加熱された燃料流
およびＣＯ2が高濃度の空気流によって、本件出願人の
前記特許に記載されているとおり、電気化学反応が進行
し、電気エネルギーを生産し、一方、陽極では、主にＣ
Ｏ2と水からなる反応ガスが、陰極では、未反応のＣ
Ｏ2、水および汚染空気が生産される。通常はこのガス
流は１４％のＣＯ2、３％のＯ2、１１％のＨ2Ｏおよび
残りの主体をなすＮ２を含む。ＣＯ2対Ｏ2の比は、燃料
電池の陰極流の全域において、２を上回るべきである。
唯一、ＭＣＦＣのみが汚染されたＯ2条件で運転され
る。システムに供給される酸素の全量は約２３重量％の
酸素を含む入力空気流によってまかなわれる。その１２
から１６重量％はＳＯＦＣ５で消費され、たった１から
３重量％だけが燃焼室４１と４７のそれぞれ消費され、
残った５から７重量％の酸素含有量はＭＣＦＣ７の陰極
に侵入するガス流に含まれる。Ｏ2の約２から３重量％
は、ＭＣＦＣで消費され、残った約３重量％は、ＭＣＦ
Ｃ陰極からの排気流に含まれる。
【００３６】図１に示すように、ＭＣＦＣ７の陰極から
の、約１０００°から１３００°Ｆの温度範囲にある排
気（通常、燃料電池７に供給されるガスと燃料の温度よ
り１５０°から２００°Ｆだけ高い）は、大気中に排出
されても、低温燃焼室４１に回収されてもよく、あるい
は、好ましくは、燃料電池から導管６５を介して、図１
に示したＨＲＳＧのような利用サイクルに排出されるの
がよい。高温ガス流６５はＨＲＳＧのボイラーなど（図
示されず）に供給され、これらのガスに含まれる余熱が
抽出され、一方、発生した蒸気を蒸気タービン６９で用
いて、発電機７１によって発電を行う。さらに、ＨＲＳ
Ｇから、導管７３と７５を通して両方の燃料電池５と７
の燃料電極（陽極）に、それぞれ、前述したＣＨ4をＨ2
に改質するための別々の燃料電池運転温度で、蒸気の形
態で水を提供してもよい。
【００３７】
【発明の効果】叙上の２重化された燃料電池と間接燃焼
ガスタービンの複合、および、蒸気タービンサイクルを
採用した発電源では、サイクル全体としての効率を、従
来から知られている、ガスタービンサイクルまたは間接
燃焼ガスタービンサイクルを上流または下流に複合させ
た燃料電池サイクルに比して、約６％向上させることが
できる。
【００３８】本発明の他の実施の形態では、ＭＣＦＣ７
を大気圧よりも高い、約２から５気圧といった中間圧力
で運転すれば、陰極排気流は低圧タービンを加圧条件下
で駆動するのに適した圧力にできる。これによって、Ｍ
ＣＦＣの寸法と価格を下げることができる。低圧タービ
ンの排気はボイラー内の水を沸騰温度まで加熱するのに
使用でき、低圧タービンの中間的な圧力で蒸気を発生で
きる。この方法によって、ガスタービンを低圧発電機に
変換することができ、ＭＣＦＣの下流に蒸気タービンシ
ステムを設置する必要性をなくすることができる。サイ
クルの効率は叙上の好適な実施り形態ほどには高くない
が、このアプローチによってプラントの平衡が低下し、
システムのコスト削減に寄与する。
【００３９】燃料電池を上流と下流に設けた間接燃焼ガ
スタービンの複合サイクルに、さらに蒸気タービンサイ
クルを採用すると、複合サイクル技術に著しい改善がも
たらされ、前述したような従来から知られている複合サ
イクルと比較して高い効率で運転することができる。ま
た、システム内で空気流を縦続させることによって、加
圧空気をまったくそらすことなく、この加圧空気で燃料
電池からの過剰水素を燃焼させるタービンを駆動させる
と、さらに高い発電力と、したがって高い効率が得られ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る間接燃焼ガスタービ
ンおよび２重化された燃料電池の一例を示す説明図。
【符号の説明】
５、７ 燃料電池 ９ ガスタービン １１、２４ 陽極 １３、２５ 陰極 ３３ コンプレッサ ３５ 空気流 ６５ ガス流
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｃ 6/18 Ｆ０２Ｃ 6/18 Ｚ Ｈ０１Ｍ 8/00 Ｈ０１Ｍ 8/00 Ａ (72)発明者 マーク シー ウィリアムズ アメリカ合衆国、26505 ウェストバージ ニア州、モーガンタウン、ジェファースン ストリート 421 (72)発明者 フレデリック エイ ズドホフ アメリカ合衆国、26505 ウェストバージ ニア州、モーガンタウン、ダートマス ド ライブ 18

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガスタービンおよび２重化された燃料電
    池の複合サイクルの電力発生システムであって、当該タ
    ービンを駆動するために加熱され、加圧されたガス流を
    受け取るためのガス入り口手段と、排気ガスを供給する
    ためのガス排気手段とを有するオフベース燃焼ガスター
    ビン、前記タービンの加圧されたガス流の圧力に相当す
    る圧力の加圧空気の流れを発生するためのコンプレッサ
    手段、前記加圧されたガス流の圧力に相当する温度およ
    び圧力で動作することができ、前記コンプレッサ手段か
    ら加圧された空気の流れを受け取るための陰極手段と、
    前記ガス流の圧力に相当する圧力で第１の燃料流を受け
    取るための陽極手段と、前記ガスタービンのガス入り口
    手段に加圧ガス流を供給するためのガス流を遮断して前
    記加圧された空気の流れと前記第１の燃料流の一部とを
    反応させて電力および加熱された陰極および陽極を生成
    するための手段とを含む第１燃料電池、および前記ター
    ビンの排気ガスに相当する温度および圧力で動作するこ
    とができ、前記タービンから排気ガス流を受け取るため
    の陰極手段と、第２の燃料流を受け取るための陰極手段
    と、前記タービンからの排気ガスと第２の燃料流の一部
    とを反応させて電気と、排気ガスの別々の陰極流および
    陽極流とを生成する手段とを含む第２燃料電池からなる
    電力発生システム。
JP8279177A 1995-10-23 1996-10-22 間接燃焼ガスタービンおよび２重化された燃料電池の複合サイクルの電力発生システム Pending JPH09129255A (ja)

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