(57)【要約】      （修正有）【課題】高圧ガスが輸送／配送され、ガス配送ライン又はガス輸送ラインに対応する低圧のガスに減圧され、且つ、高圧ガスが減圧される前に予熱器を使用して高圧ガスを加熱するガス配送システムにおいて使用される燃料電池ハイブリッド発電システム及び方法を提供する。【解決手段】燃料電池ハイブリッド発電システム１０において、エネルギー回収発電機１２は、予熱された高圧ガスに応答し、電気出力を発生する一方で低圧ガスを生成するために、予熱された高圧ガスの圧力を低下するように構成される。発電システムには、燃料電池発電装置１１が更に含まれ、燃料電池発電装置は、廃熱を生成する一方で電気出力を発生するように構成され、予熱器１４が生成した廃熱を利用して、高圧ガスを加熱できるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超高圧ガスが輸送／配送され、その後、ガス配送ライン又はガス輸送ラインに対応する低圧に減圧され、且つ、前記超高圧ガスが減圧される前に前記超高圧ガスを予熱するために予熱器が使用されるガス輸送システム又はガス配送システムにおいて使用するための燃料電池ハイブリッド発電システムであって、
前記予熱された超高圧ガスに応答し、前記予熱された超高圧ガスのガス圧力を低下させ、前記ガス配送ラインに対応する前記低圧ガスを生成し、且つ、電気出力を発生するように構成されたエネルギー回収発電機と、
電気出力を発生するように構成された燃料電池発電装置と、
前記エネルギー回収発電機及び前記燃料電池発電装置の前記電気出力に応答して、連結電気出力を発生する電気構体と
を具備することを特徴とする燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項２】
前記燃料電池発電装置は、前記予熱器が前記超高圧ガスを予熱できるように、前記電気出力を発生する間に廃熱を生成し且つ前記予熱器が前記廃熱を使用するように更に構成さていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項３】
前記エネルギー回収発電機は、回転膨張装置と、前記回転膨張装置に結合された発電機とを具備することを特徴とする請求項２記載の燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項４】
前記回転膨張装置は、ターボエキスパンダ及び往復動エキスパンダのうち一方を具備することを特徴とする請求項３記載の燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項５】
前記燃料電池発電装置は、燃料供給ガス及び酸化剤供給ガスを受け取り且つ前記燃料供給ガス及び前記酸化剤供給ガスの電気化学変換によって前記電気出力及び前記廃熱を生成するように構成された燃料電池モジュールを具備することを特徴とする請求項３記載の燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項６】
前記燃料電池発電装置は、排気酸化剤ガスを含有する排気ガスを出力し、前記排気ガスは、前記予熱器が利用できるようにされる前記燃料電池発電装置の前記廃熱の少なくとも一部を形成することを特徴とする請求項５記載の燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項７】
前記燃料電池供給ガスは、前記低圧ガス、前記超高圧ガス及び前記エネルギー回収発電機から発生するシール漏れガスの回収によって供給されるガスのうち１つ以上を含むことを特徴とする請求項５記載の燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項８】
前記燃料電池モジュールは、内部改質型燃料電池の１つ以上のスタック及び非内部改質型燃料電池の１つ以上のスタックのうち１つ以上を具備することを特徴とする請求項５記載の燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項９】
前記燃料電池の各々は、高温燃料電池、低温燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池、燐酸燃料電池及びＰＥＭ燃料電池のうち１つを具備することを特徴とする請求項８記載の燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項１０】
前記電気構体は、前記発電機の前記電気出力及び前記燃料電池モジュールの前記電気出力を受け取り、前記連結電気出力を発生することを特徴とする請求項５記載の燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項１１】
前記燃料電池モジュールの前記電気出力はＤＣ出力であり、
前記発電機の前記電気出力はＡＣ出力及びＤＣ出力のうち一方であり、
前記電気構体は、前記燃料電池発電装置の任意ＤＣ出力をＡＣ出力に変換するＤＣ／ＡＣ変換器と、前記発電機の任意のＡＣ出力を前記ＤＣ／ＡＣ変換器の前記ＡＣ出力と連結する連結器とを具備することを特徴とする請求項１０記載の燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項１２】
前記予熱器は、熱伝達流体ループを有する熱交換器を具備し、前記熱交換器は、前記熱伝達流体ループを介して前記超高圧ガスを予熱するために前記超高圧ガスを受け取り、
前記燃料電池発電装置は、前記予熱器の前記熱伝達流体ループが前記廃熱を利用するように構成されることを特徴とする請求項５記載の燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項１３】
前記熱伝達流体ループはグリコールループを具備することを特徴とする請求項１２記載の燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項１４】
前記燃料電池発電装置は、燃料供給ガス及び酸化剤供給ガスを受け取り且つ前記燃料供給ガス及び前記酸化剤供給ガスの電気化学変換によって前記電気出力及び前記廃熱を生成するように構成された燃料電池モジュールを具備することを特徴とする請求項２記載の燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項１５】
前記燃料電池発電装置は、排気酸化剤ガスを含有する排気ガスを出力し、前記排気ガスは、前記予熱器が利用できるようにされる前記燃料電池発電装置の前記廃熱の少なくとも一部を形成することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項１６】
前記燃料電池供給ガスは、前記低圧ガス、前記超高圧ガス及び前記エネルギー回収発電機から発生するシール漏れガスの回収によって供給されるガスのうち１つ以上を含むことを特徴とする請求項１４記載の燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項１７】
前記燃料電池モジュールは、内部改質型燃料電池の１つ以上のスタック及び非内部改質型燃料電池の１つ以上のスタックのうち１つ以上を具備することを特徴とする請求項１４記載の燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項１８】
前記燃料電池の各々は、高温燃料電池、低温燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池、燐酸燃料電池及びＰＥＭ燃料電池のうち１つを具備することを特徴とする請求項１７記載の燃料電池ハイブリッド発電システム。
【請求項１９】
超高圧ガスが輸送／配送され、その後、ガス配送ライン又はガス輸送ラインに対応する低圧に減圧されるガス配送システムにおいて使用するためのステーションであって、
前記超高圧ガスを予熱するために使用される予熱器と、
燃料電池ハイブリッド発電システムであり、前記予熱された前記超高圧ガスに応答するように及び前記ガス配送ライン又は前記ガス輸送ラインに対応する前記低圧ガスを生成し且つ電気出力を発生するために前記予熱された前記超高圧ガスのガス圧力を低下するように構成されたエネルギー回収発電機と、電気出力を発生するように構成された燃料電池発電装置と、前記エネルギー回収発電機及び前記燃料電池発電装置の前記電気出力に応答して連結電気出力を発生する電気構体とを具備する燃料電池ハイブリッド発電システムと
を具備することを特徴とするステーション。
【請求項２０】
配電網及び１つ以上の負荷のうち１つ以上が、前記連結電気出力を利用するユニットを更に具備することを特徴とする請求項１９記載のステーション。
【請求項２１】
前記燃料電池発電装置は、前記予熱器が前記超高圧ガスを予熱できるように、前記電気出力を発生している間に廃熱を生成し且つ前記予熱器が前記廃熱を使用するように構成されていることを特徴とする請求項１９記載のステーション。
【請求項２２】
前記エネルギー回収発電機は、回転膨張装置と、前記回転膨張装置に結合された発電機とを具備することを特徴とする請求項２１記載のステーション。
【請求項２３】
前記回転膨張装置は、ターボエキスパンダ及び往復動エキスパンダのうち一方を具備することを特徴とする請求項２２記載のステーション。
【請求項２４】
前記燃料電池発電装置は、燃料供給ガス及び酸化剤供給ガスを受け取り且つ前記燃料供給ガス及び前記酸化剤供給ガスの電気化学変換によって前記電気出力及び前記廃熱を生成するように構成された燃料電池モジュールを具備することを特徴とする請求項２２記載のステーション。
【請求項２５】
前記燃料電池発電装置は、排気酸化剤ガスを含有する排気ガスを出力し、前記排気ガスは、前記予熱器が利用できるようにされる前記燃料電池発電装置の前記廃熱の少なくとも一部を形成することを特徴とする請求項２４記載のステーション。
【請求項２６】
前記燃料電池供給ガスは、前記低圧ガス、前記超高圧ガス及び前記エネルギー回収発電機から発生するシール漏れガスの回収によって供給されるガスのうち１つ以上を含むことを特徴とする請求項２４記載のステーション。
【請求項２７】
前記燃料電池モジュールは、内部改質型燃料電池の１つ以上のスタック及び非内部改質型燃料電池の１つ以上のスタックのうち１つ以上を具備することを特徴とする請求項２４記載のステーション。
【請求項２８】
前記燃料電池の各々は、高温燃料電池、低温燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池、燐酸燃料電池及びＰＥＭ燃料電池のうち１つを具備することを特徴とする請求項２７記載のステーション。
【請求項２９】
前記電気構体は、前記発電機の前記電気出力及び前記燃料電池モジュールの前記電気出力を受け取り、前記連結電気出力を発生することを特徴とする請求項２４記載のステーション。
【請求項３０】
前記燃料電池発電装置の前記電気出力はＤＣ出力であり、
前記発電機の前記電気出力はＡＣ出力及びＤＣ出力のうち一方であり、
前記電気構体は、前記燃料電池発電装置の任意のＤＣ出力をＡＣ出力に変換するＤＣ／ＡＣ変換器と、前記発電機の任意のＡＣ出力を前記ＤＣ／ＡＣ変換器の前記ＡＣ出力と連結する連結器とを具備することを特徴とする請求項２９記載のステーション。
【請求項３１】
前記予熱器は、熱伝達流体ループを有する熱交換器を具備し、前記熱交換器は、前記熱伝達流体ループを介して前記超高圧ガスを予熱するために前記超高圧ガスを受け取り、
前記燃料電池発電装置は、前記予熱器の前記熱伝達流体ループが前記廃熱を利用するように構成されていることを特徴とする請求項２４記載のステーション。
【請求項３２】
前記熱伝達流体ループはグリコールループを具備することを特徴とする請求項３１記載のステーション。
【請求項３３】
前記燃料電池発電装置は、燃料供給ガス及び酸化剤供給ガスを受け取り且つ前記燃料供給ガス及び前記酸化剤供給ガスの電気化学変換によって前記電気出力及び前記廃熱を生成するように構成された燃料電池モジュールを具備することを特徴とする請求項２１記載のステーション。
【請求項３４】
前記燃料電池発電装置は、排気酸化剤ガスを含有する排気ガスを出力し、前記排気ガスは、前記予熱器が利用できるようにされる前記燃料電池発電装置の前記廃熱の少なくとも一部を形成することを特徴とする請求項３３記載のステーション。
【請求項３５】
前記燃料電池供給ガスは、前記低圧ガス、前記超高圧ガス及び前記エネルギー回収発電機から発生するシール漏れガスの回収によって供給されるガスのうち１つ以上を含むことを特徴とする請求項３３記載のステーション。
【請求項３６】
前記燃料電池モジュールは、内部改質型燃料電池の１つ以上のスタック及び非内部改質型燃料電池の１つ以上のスタックのうち１つ以上を具備することを特徴とする請求項３３記載のステーション。
【請求項３７】
前記燃料電池の各々は、高温燃料電池、低温燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池、燐酸燃料電池及びＰＥＭ燃料電池のうち１つを具備することを特徴とする請求項３６記載のステーション。
【請求項３８】
超高圧ガスを輸送する上流側ガス輸送／配送パイプラインと、
低圧ガスを輸送するガス配送ラインと、
前記ガス輸送／配送パイプラインからの前記超高圧ガスを予熱するために使用される予熱器と、
燃料電池ハイブリッド発電システムであり、前記予熱された前記超高圧ガスに応答するように及び前記ガス配送ラインに対応する前記低圧ガスを生成し且つ電気出力を発生するために前記予熱された前記超高圧ガスのガス圧力を低下するように構成されたエネルギー回収発電機と、電気出力を発生するように構成された燃料電池発電装置と、前記エネルギー回収発電機及び前記燃料電池発電装置の前記電気出力に応答して連結電気出力を発生する電気構体とを具備する燃料電池ハイブリッド発電システムとを具備するガス配送システム。
【請求項３９】
前記燃料電池発電装置は、前記予熱器が前記超高圧ガスを予熱できるように、前記電気出力を発生している間に廃熱を生成し且つ前記予熱器が前記廃熱を使用するように更に構成されることを特徴とする請求項３８記載のガス配送システム。
【請求項４０】
前記エネルギー回収発電機は、回転膨張装置と、前記回転膨張装置に結合された発電機とを具備し、
前記燃料電池発電装置は、燃料供給ガス及び酸化剤供給ガスを受け取り且つ前記燃料供給ガス及び前記酸化剤供給ガスの電気化学変換によって前記電気出力及び前記廃熱を生成するように構成された燃料電池モジュールを具備することを特徴とする請求項３９記載のガス配送システム。
【請求項４１】
前記回転膨張装置は、ターボエキスパンダ及び往復動エキスパンダのうち一方を具備することを特徴とする請求項４０記載のガス配送システム。
【請求項４２】
前記燃料電池発電装置は、排気酸化剤ガスを含有する排気ガスを出力し、前記排気ガスは、前記予熱器が利用できるようにされる前記燃料電池発電装置の前記廃熱の少なくとも一部を形成し、
前記燃料電池供給ガスは、前記低圧ガス、前記超高圧ガス及び前記エネルギー回収発電機から発生するシール漏れガスの回収によって供給されるガスのうち１つ以上を含み、
前記燃料電池モジュールは、内部改質型燃料電池の１つ以上のスタック及び非内部改質型燃料電池の１つ以上のスタックのうち１つ以上を具備することを特徴とする請求項４０記載のガス配送システム。
【請求項４３】
前記燃料電池の各々は、高温燃料電池、低温燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池、燐酸燃料電池及びＰＥＭ燃料電池のうち１つを具備することを特徴とする請求項４２記載のガス配送システム。
【請求項４４】
前記予熱器は、熱伝達流体ループを有する熱交換器を具備し、前記熱交換器は、前記熱伝達流体ループを介して前記超高圧ガスを予熱するために前記超高圧ガスを受け取り、
前記燃料電池発電装置は、前記熱伝達流体を加熱するために、前記予熱器が前記酸化剤排気ガスを利用するように構成されることを特徴とする請求項４２記載のガス配送システム。
【請求項４５】
前記熱伝達流体ループはグリコールループを具備することを特徴とする請求項４４記載のガス配送システム。
【請求項４６】
配電網及び１つ以上の負荷のうち１つ以上が前記連結電気出力を利用するユニットを更に具備することを特徴とする請求項３８記載のガス配送システム。
【請求項４７】
超高圧ガスが輸送／配送され、その後、ガス配送ライン又はガス輸送ラインに対応する低圧に減圧されるガス配送システムと共に使用するための方法であって、
前記超高圧ガスが減圧される前に、前記超高圧ガスを予熱するステップと、
前記低圧ガスを生成し且つ電気出力を発生するように、前記予熱された超高圧ガスの圧力を低下するためにエネルギー回収発電機を使用するステップと、
電気出力を発生するために燃料電池発電装置を使用するステップと、
連結電気出力を発生するために、前記エネルギー回収発電機及び前記燃料電池発電装置の前記電気出力を連結するステップと
を備えることを特徴とする方法。
【請求項４８】
配電網及び負荷のうち１つ以上が前記連結電気出力を利用するステップを更に備えることを特徴とする請求項４７記載の方法。
【請求項４９】
前記超高圧ガスを加熱するために、前記電気出力を発生している間に、前記燃料電池発電装置を使用して廃熱を生成し、且つ、前記廃熱を前記予熱のステップにおいて使用することを特徴とする請求項４７記載の方法。
【請求項５０】
前記エネルギー回収発電機は、回転膨張装置と、前記回転膨張装置に結合された発電機とを具備し、
前記燃料電池発電装置は、燃料供給ガス及び酸化剤供給ガスを受け取り且つ前記燃料供給ガス及び前記酸化剤供給ガスの電気化学変換によって前記電気出力及び前記廃熱を生成するように構成された燃料電池モジュールを具備することを特徴とする請求項４９記載の方法。
【請求項５１】
前記回転膨張装置は、ターボエキスパンダ及び往復動エキスパンダのうち一方を具備することを特徴とする請求項５０記載の方法。
【請求項５２】
前記燃料電池発電装置は、排気酸化剤ガスを含有する排気ガスを出力し、前記排気ガスは、前記予熱器が利用できるようにされる前記燃料電池発電装置の前記廃熱の少なくとも一部を形成し、
前記燃料電池供給ガスは、前記低圧ガス、前記超高圧ガス及び前記エネルギー回収発電機から発生するシール漏れガスの回収によって供給されるガスのうち１つを含み、
前記燃料電池モジュールは、内部改質型燃料電池の１つ以上のスタック及び非内部改質型燃料電池の１つ以上のスタックのうち１つ以上を具備することを特徴とする請求項５０記載の方法。
【請求項５３】
前記燃料電池の各々は、高温燃料電池、低温燃料電池、溶融炭酸塩燃料電池、固体酸化物燃料電池、燐酸燃料電池及びＰＥＭ燃料電池のうち１つを具備することを特徴とする請求項５２記載の方法。
【請求項５４】
前記予熱するステップは、熱伝達流体ループを介して前記超高圧ガスを予熱するために、前記熱伝達流体ループによって前記超高圧ガスを熱交換するステップと、
前記熱伝達流体を加熱するために、前記熱交換ステップが前記酸化剤排気ガスを利用可能とするステップと
を備えることを特徴とする請求項５２記載の方法。
【請求項５５】
前記熱伝達流体ループはグリコールループを具備することを特徴とする請求項５４記載の方法。
【請求項５６】
前記低圧ガスは、５０ｐｓｉｇから５８ｐｓｉｇの圧力を有し、
前記超高圧ガスは、前記低圧ガスの前記圧力の２倍から２０倍高い圧力を有することを特徴とする請求項４７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、ガス・ディストリビューション（配送）システムのための燃料電池ハイブリッド発電システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のガス配送システムにおいて、例えば本出願の譲受人であるEnbridge, Inc.などの公益事業体により供給される天然ガスは、超高圧の輸送パイプライン及び配送パイプラインを介して輸送される。ガスを配送するために、この超高圧ガスは、通常は下流側圧力の２〜２０倍の高さである上流側圧力から通常は５０〜８０ｐｓｉｇである低い圧力まで減圧される。それらの超高圧パイプラインは、都市ゲートステーション（都市関門局）へガスを配達するか、又は都市センターの中で地区ステーション（地区局）へガスを配達する。天然ガスのユーザ又は顧客に向けて低圧でガスを配送できるように、ステーションはガス圧力を低下させる。通常、都市ゲートステーション又は地区ステーションは「減圧ステーション」又は「圧力低下ステーション」と呼ばれる。それらのステーションは、超高圧ガスから所望の低圧への必要な減圧を実行しなければならない。
【０００３】
通常、ガス圧力の低下は、各減圧ステーションにおいて減圧弁を介して達成される。圧力の低下に伴って、定エンタルピー膨張に起因する冷媒効果が起こる。この効果は、任意の気体化合物（プロパン、圧縮空気など）が非常に大きな圧力低下と大容量の流量とを同時に受けた場合に起こる冷却に類似している。プロパンバーベキューの動作によって、これを物理的に表現できる。プロパンバーベキューにおいては、加圧されたプロパンが貯蔵シリンダから排出される場合、プロパンは圧力低下を受ける。大容量流量条件の下で、この冷媒効果は貯蔵シリンダの外面を低温にする。極端な条件においては、冷媒効果の結果、シリンダの周囲に霜が堆積する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述のように、大量のガス流れが非常に大きな圧力降下を受ける天然ガスパイプラインにおいても、同じ冷却効果又は冷媒効果が起こる。ガスパイプラインに対するこの冷却効果は大量の霜を形成する。霜は、パイプラインシステムの保全性に悪影響を及ぼし且つ／又は地方自治体の道路認可基準の範囲内にある任意のパイプライン付近の舗装道路を動かしてしまうため、そのような冷却効果は望ましくない。この非常に急激な冷却は、輸送されるガス又は燃料の中の水和物（水分）に関しても制御の問題を引き起こす。それらの問題を排除するために、通常、ガス供給会社は、超高圧ガスが減圧ステーションへ配達される前にガスを予熱する。通常、この予熱は、天然ガスボイラを介して熱を供給される熱伝達流体ループ（通常はグリコールループ）を有する予熱器又は熱交換器にガスを通すことにより達成される。予熱器の熱伝達流体ループの加熱された熱流体は、超高圧ガスを十分に加熱するので、減圧ステーションにおいて超高圧ガスが減圧される時点で、ガスの温度は、凍結温度を超える温度、すなわち３２°Ｆ又は０℃を超える温度に維持される。
【０００５】
超高圧天然ガスを減圧ステーションへ配達する前にガスを加熱する必要があるため、相当に大きなエネルギーが要求され、そのためガス配送システムの総効率が低下することは明らかである。また、減圧ステーションでガス圧力が低下することにより非常に大きなエネルギーが発生するが、今日に至るまで、このエネルギーは利用されず無駄になっていた。
【０００６】
従って、本発明の目的は、超高圧ガス配送／輸送ラインから供給されるガスの圧力を低下するための有効且つ費用効率のよい方法を提供することを目的とするガス配送システムにおいて使用するためのシステム及び方法を提供することである。
【０００７】
本発明の別の目的は、ガス圧力を低下する際に発生されるエネルギーがシステム効率を向上するために利用される上述の種類のシステム及び方法を提供することである。
【０００８】
本発明の更なる目的は、大気中への汚染物質放出量の削減に寄与する構成要素を利用する上述の種類のシステム及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以下に説明される本発明の実施形態においては、超高圧ガスが輸送／配送され、その後、ガス配送ライン又はガス輸送ラインに対応する低圧に減圧され且つ超高圧ガスが減圧される前に超高圧ガスを加熱するために予熱器が使用されるガス配送システムで使用可能である燃料電池ハイブリッド発電システム及び方法において、上記の目的及び他の目的は実現される。特に、燃料電池ハイブリッド発電システムはエネルギー回収発電機を有する。エネルギー回収発電機は、予熱された超高圧ガスに応答し、電気出力を発生する一方で低圧ガスを生成するために、予熱された超高圧ガスのガス圧力を低下するように構成される。発電システムには燃料電池発電装置が更に含まれる。燃料電池発電装置は、廃熱を生成する一方で電気出力を発生するように構成される。燃料電池発電装置は、予熱器が超高圧ガスを加熱できるように、予熱器が廃熱を利用できるように更に構成される。発電システムの電気ユニット又は電気構体は、エネルギー回収発電機及び燃料電池発電装置の電気出力に応答し、連結電気出力を発生する。オプションで、燃料電池発電装置は、発電装置の燃料供給源として低圧（又は高圧）ガスの一部を利用するように更に構成される。
【００１０】
本発明のある特定の実施形態においては、エネルギー回収発電機は、膨張によって超高圧ガスの圧力を低下し、その結果、機械的出力を生成する回転膨張装置の形態をとる。機械的出力は発電機を駆動する。それらの実施形態のうちいくつかの実施形態においては、燃料電池発電装置は、低圧ガスにより供給される入力燃料を内部改質するように構成される燃料電池モジュールを利用する。オプションで、燃料電池モジュールは内部改質型燃料電池のスタックを含んでもよく、更に、オプションで、それらの燃料電池は内部改質型溶融炭酸塩燃料電池であってもよい。
【００１１】
また、いくつかの実施形態においては、電気アセンブリ（構体）の連結電気出力は、配電網及び／又は負荷により利用可能にされる。更に、ある特定の実施形態においては、予熱器は、超高圧ガスを加熱する熱伝達流体ループを有する熱交換器を利用し、発電装置の排気ガスは、発電装置の廃熱の少なくとも一部を形成する酸化剤排気ガスを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の上記の特徴及び面並びに他の特徴及び面は、添付の図面と関連させて以下の詳細な説明を読むことにより更に明らかになるであろう。
【００１３】
図１は、ガス配送システム１００と関連して使用される燃料電池ハイブリッド発電システム１０を概略的に示す。ガス配送システム１００は、超高圧ガス輸送ライン又は超高圧ガス配送ライン１０１を含む。ライン１０１は、通常、超高圧の天然ガスを１つ以上の減圧ステーション１０２へ輸送する。減圧ステーション１０２において、超高圧ガスはライン１０１から取り出され、通常は約５０〜６０ｐｓｉｇである低圧まで減圧される。その後、低圧ガスは、減圧ステーション１０２から１つ以上のガス配送ライン１０３に結合される。ガス配送ライン１０３は、ユーザの場所までガスを配達するか又はユーザの場所まで配達するためにガスを利用可能な状態にする。
【００１４】
減圧ステーション１０２において、燃料電池ハイブリッド発電システム１０は、ライン１０１からステーションに供給される超高圧ガスの圧力を低下する。発電システム１０は燃料電池発電装置１１を採用する。図示される実施形態の場合、燃料電池発電装置１１は、ガス配送ライン１０３からガスを供給され、このガスを発電装置の燃料供給ガスとして利用するように構成される。特に、燃料電池発電装置１１は、この燃料供給ガス及び酸化剤供給ガスを使用し、電気化学変換によって電気出力を発生する。電気出力は、電気構体又は電気ユニット１３に供給される。
【００１５】
燃料電池発電装置１１における電気化学変換処理は、放出物質が０に近い廃熱を更に生成する。この廃熱は予熱器ユニット１４に供給される。予熱器１４は、ライン１０１からの超高圧ガスが燃料電池ハイブリッド発電システム１０により減圧される前に超高圧ガスを加熱するために使用される。図示される実施形態の場合、予熱器は、ガス配送システム１００に含まれるものとして示される。しかし、予熱器１４が配送システム１００に設置されない場合には、予熱器１４を発電システム１０に含めることができる。
【００１６】
超高圧ガスが予熱された後、ガスは、適切なライン又は配管を経て発電システム１０のエネルギー回収発電機１２に結合される。エネルギー回収発電機１２は、予熱された超高圧ガスの圧力を所望の低圧まで減圧し、そのガスを配送ライン１０３へ配達する。この減圧と同時に、減圧の結果として、エネルギー回収発電機は電気出力を更に発生する。この電気出力も電気構体１３に供給される。
【００１７】
電気構体１３は、燃料電池発電装置１１及びエネルギー回収発電機１２の電気出力を調整し且つ最適化する。その後、システムは、１つ以上の電気負荷及び／又は消費者により最終的に使用される配電網が連結出力を利用できるようにする。
【００１８】
図１のガス配送システム１００において、特に、燃料電池ハイブリッド発電システム１０の使用により実現される減圧ステーション１０２によって、ガス配送システム１００の総効率は改善される。特に、エネルギー回収発電機１２において、ガスの減圧に伴って有用な電力が発生され、この電力は、最終的に使用するために電気構体１３に結合される。エネルギー回収発電機１２からの電力は、燃料電池発電装置１１の安定した一定の電力により更に補足される。それらの電力を連結した結果、電気構体１３から出力される連結電力を所望の最低レベルに確実に維持できる。また、燃料電池発電装置１１からの廃熱は予熱器１４において利用されるので、予熱のためにボイラを使用する必要が少なくなるか又はボイラは完全に不要になる。更に、燃料電池発電装置の放出物質が０に近い廃熱は、ボイラの任意の放出物質を相殺するように作用する。構体１３は、放出物質の減少及びシステムの燃料効率を最適化する補助システム制御部として機能する。
【００１９】
図２は、本発明のある特定の実施形態において使用可能である燃料電池発電装置１１及び電気構体１３を示す概略図である。図示されるように、発電装置１１は、ＤＣ電力部を形成する複数の燃料電池モジュール１１Ａを含む。各モジュール１１Ａは、オプションで、改質をほとんど又は全く伴わない燃料供給源である天然ガス、メタン又は他の炭化水素燃料によって直接動作するように構成される。それらのガスは、燃料電池モジュール自体の中で直接改質可能である。この目的のために、各モジュール１１Ａは、燃料電池の１つ以上の内部改質型スタックを含むことができる。使用可能な内部改質型燃料電池の例は、溶融炭酸塩内部改質型燃料電池である。
【００２０】
燃料供給ガスを改質する燃料電池モジュールを使用する場合、発電装置１１の内部又はシステム中の他の場所に別個の改質装置を設ける必要は少なくなる。発電装置１１がガス配送システム１００と共に使用される場合、配送ライン１０３からの低圧天然ガスを燃料電池モジュール１１Ａの燃料供給ガスとして使用できるので、発電装置１１における直接改質も非常に大きな利点である。
【００２１】
各燃料電池モジュール１１Ａは廃熱を更に生成する。この廃熱は酸化剤排気ガスを含み、図２に示されるように、燃料電池モジュール１１Ａから熱回収ユニット１１Ｂに結合される。熱回収ユニット１１Ｂは、この廃熱をフルー（排気）ガスとして排出する。先に述べたように、この排気ガスは、ライン１０１からの超高圧ガスを予熱するために予熱器１４により使用される。廃熱が排出される前に、同様に発電装置１１に含まれる燃料／水処理ユニット１１Ｃにおいて処理された後の供給燃料及び供給水を処理するために、廃熱の一部が使用される。燃料／水処理ユニット１１Ｃは、燃料及び水を処理するための燃料清浄化反応炉及び他の燃料処理反応炉（例えば天然ガスをピークカットする脱酸反応炉）を含む。
【００２２】
燃料電池モジュール１１Ａへ配達するための適切な温度の燃料／蒸気混合物を生成するために、処理後の燃料及び水は更に処理される。この目的のために、ユニット１１Ｂは、関連する局所制御装置を有するパッケージ化触媒反応炉及び低温酸化剤（空気）供給送風機を含む。
【００２３】
図２の発電装置１１として使用できる燃料電池発電装置は、本出願の譲受人の中の一社であるFuelCell Energy, Inc.によりDFC(R) 3000の製品名で現在製造されている。この譲受人によりDFC(R) 1500及びDFC300MAの製品名で製造されている他の発電装置も、発電装置１１として使用するのに適する。
【００２４】
また、内部改質型溶融炭酸塩燃料電池は、燃料電池モジュール１１Ａにおいて使用可能な燃料電池の１つの種類の例であるが、本発明の原理は、あらゆる種類の燃料電池に適用されることを意図する。従って、モジュール１１Ａにおいて内部改質が実行されるか又は実行されないかに関わらず、他の種類の高温燃料電池及び低温燃料電池の双方を使用することは本発明の意図の範囲内である。使用可能な燃料電池の例は、固体酸化物燃料電池、燐酸燃料電池及びＰＥＭ燃料電池を含むが、それらに限定されない。
【００２５】
モジュール１１Ａが非内部改質型燃料電池を含む場合、供給燃料が燃料電池モジュールに供給される前に供給燃料を改質するために、燃料電池発電装置１１又はシステム中の他の場所に追加の改質機器が追加されなければならないであろう。
【００２６】
次に、電気構体１３は、図２に示されるように、電力調整ユニット１３Ａ、システム制御ユニット１３Ｂ及び発電装置１３Ｃを含む。電力調整ユニット１３Ａは、図３に更に詳細に示される。電力調整ユニット１３Ａは、燃料電池モジュール１１ＡのＤＣ出力をＡＣ出力に変換するＤＣ／ＡＣ変換器１３ＡＡを含む。図３に示されるように、エネルギー回収発電機１２の電気出力は、ＤＣ／ＡＣ変換器１３ＡＡの出力端子に更に供給され、そこで変換器の出力と連結される。その後、連結出力は、ＡＣ負荷及び／又は配電ユニット２０１に供給される。配電ユニット２０１はＡＣ出力を送電線システム２０２に結合し、ＡＣ出力は最終的に消費者により使用される。
【００２７】
尚、電力調整システム１３Ａは、図３に示される形態とは異なる形態で構成されてもよい。従って、例えば、エネルギー回収発電機１２のＡＣ出力がＤＣ／ＡＣ変換器１３ＡＡの出力端子に供給される代わりに、ＡＣ出力がＤＣ出力に変換され、その後、ＤＣ／ＡＣ変換器１３ＡＡの入力端子において燃料電池モジュールの出力と連結されることも可能であろう。別の代替構成は、ＤＣ出力が変換器１３ＡＡの入力端子に供給される前にＤＣ出力のレベルを上げるために、燃料電池モジュール１１Ａの出力端子にＤＣ／ＤＣ変換器を含める構成であろう。第３の代替構成は、特に小型のエネルギー回収発電機に対応し、エネルギー回収発電機からのＤＣ出力を供給し、この出力をＤＣ／ＡＣ変換器１３ＡＡの入力端子において燃料電池モジュール１１Ａの出力と連結する構成であろう。
【００２８】
電気構体１３の発電装置１３Ｃは、燃料電池発電装置１１の熱回収ユニット及び他の機器に電力を供給する機器を含む。図示されるように、発電装置１３Ｃは、この電力をエネルギー回収発電機１２からのＡＣ電力の一部から取り出す。図示されてはいないが、燃料電池モジュールの電気出力の一部からも追加電力を取り出すことができる。発電装置１３Ｃは、電圧降下中又は停電中に制御システム及び他の発電装置構成要素に対する電力を維持するためのバックアップとして、バッテリにより支援される無停電電源装置を更に含む。
【００２９】
制御システムユニット１３Ｃは、システムの種々の構成要素を制御する基本制御装置を含む。特に、エネルギー回収発電機の電力プロファイルは、回収されるパイプラインガスエネルギーからの資源の可用性の変動に関連して出力が可変である風力発電と同様である。燃料電池発電装置の燃料電池スタックからの電気が結合されるので、燃料電池ハイブリッド発電システム１０は、電気構体１３における最適化制御システムによって発電システム自体の発電プロファイルを安定させることができる。制御システムは、
（i）最大年間電気生成のための最適化電気歩留まり
（ii）エネルギー回収発電機からの出力が優先される最適化燃料効率
（iii）燃料電池発電装置からの出力が優先され且つエネルギー回収発電機の出力が燃料電池発電装置の燃料電池の利用可能熱出力に整合される最適化放出物質削減
を含む３つの動作モードのうち１つの動作モードで、燃料電池ハイブリッド発電システムの動作パラメータを確定させる。
【００３０】
図４は、本発明のある特定の実施形態、特に、図２に示される燃料電池発電装置を使用する実施形態と共に使用するのに有用であるエネルギー回収発電機１２を示す。図示されるように、ユニット１２は、回転膨張装置（ターボエキスパンダ又は往復動エキスパンダ）１２Ａと、膨張装置の機械的出力により駆動される発電機１２Ｂとを含む。膨張装置の機械エネルギーは、超高圧ガスを膨張することにより取り出され、その結果、圧力は低下する。これにより、発電機が駆動され、電気出力（ＡＣ又はＤＣ）が発生される。CryostarによりTG-200/60-EXの商品名で製造されているターボエキスパンダは、図３の回転膨張装置１２Ａとして使用できるターボエキスパンダの一例である。一方、発電機１２Ｂは、AlsthomによりF2RTCN450L2Cの商品名で製造されているユニットであってもよい。
【００３１】
発電機１２として他のエネルギー回収発電機を使用することも、本発明の意図の範囲内である。従って、例えば、種々の製造業者から商用ユニット、早期商用ユニット、デモンストレーション用ユニット又は原型ユニットとして現在生産されている他の膨張回収機械装置、あるいは開発中であるが現時点では生産されていない他の機械装置も使用可能であろう。エネルギーを有用な発電に変換するためにパイプライン減圧ステーション１０２においてガス圧力の減圧から廃棄エネルギーを回収できる任意の装置は、エネルギー回収発電機１２として使用可能である。
【００３２】
図１に示される予熱器システム１４は、標準的な液体／ガス又はガス／ガス熱伝達流体ループを有する熱交換器を含む標準的な予熱器であってもよい。そのような場合、熱交換器は、熱流体ループを加熱するために発電装置１１から廃熱を受け取る。加熱された熱流体は、ループ経路に沿って進み、超高圧ガスへ熱を伝達することにより、ガスの所望の予熱を実行する。その後、熱流体は経路に沿って進み続け、廃熱により再び加熱される。この過程は継続するので、超高圧ガスは、熱交換器を通過している間に継続的に予熱される。
【００３３】
図１に示されるように、システム１００は、ボイラ１０４及び減圧弁１０５を更に含んでもよい。それらの構成要素は、燃料電池ハイブリッド発電システム１０の代替品として設けられる。発電システム１０の保守中又は他の原因による動作中断中に予熱器１４に熱を供給するため及びライン１０１のガスの減圧を実行するために、それらの構成要素を動作させることができる。
【００３４】
全ての例において、上述の構成は、本発明の適用用途を表す多くの可能な特定の実施形態を例示しているにすぎないことが理解される。本発明の趣旨の範囲から逸脱することなく、本発明の原理に従って多くの多様な他の構成を容易に考案できる。従って、例えば、図１に示される本発明の実施形態においては、燃料電池発電装置は低圧ガス配送ライン１０３から燃料ガスを供給されるが、燃料電池発電装置は、ライン１０１から高圧の燃料ガスを供給されてもよいし、あるいはエネルギー回収発電機１２用に設計されたか又はそれに組み込まれたシール漏れシステムから燃料ガスを供給されてもよい。また、超高圧ガス及び低圧ガスに関して本明細書中に示される圧力及び圧力範囲は単に例示的な例であることを意図し、本発明はそれらの数値により限定されず、高圧から低圧へのガス圧力の低下及び／又は減圧が存在する任意のシステム及び全てのシステムを含むことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、ガス配送システムにおいて使用される燃料電池ハイブリッド発電システムを示す図である。
【図２】図２は、図１の発電システムの燃料電池発電装置及び電気構体を更に詳細に示す図である。
【図３】図３は、図２の電気構体の電力調整システムを更に詳細に示す図である。
【図４】図４は、図１の発電システムのエネルギー回収発電機を更に詳細に示す図である。
【図１】
2014139918.tif 000003
【図２】
2014139918.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年11月7日(2013.11.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超高圧ガスが輸送／配送され、その後、ガス配送ライン又はガス輸送ラインに対応する低圧に減圧され、且つ、前記超高圧ガスが減圧される前に前記超高圧ガスを予熱するために予熱器が使用されるガス輸送システム又はガス配送システムにおいて使用するための燃料電池ハイブリッド発電システムであって、
前記予熱された超高圧ガスに応答し、前記予熱された超高圧ガスのガス圧力を低下させ、前記ガス配送ラインに対応する前記低圧ガスを生成し、且つ、電気出力を発生するように構成されたエネルギー回収発電機と、
電気出力を発生するように構成された燃料電池発電装置と、
前記エネルギー回収発電機及び前記燃料電池発電装置の前記電気出力に応答して、連結電気出力を発生する電気構体と
を具備することを特徴とする燃料電池ハイブリッド発電システム。
【外国語明細書】
2014139918000001.pdf