(57)【要約】燃料電池と、膨張サイクル及び圧縮機サイクルを有する熱機関とを有し、熱機関の膨張サイクルからのオキシダント供給ガスを、第１の膨張オキシダント供給ガス及び第２の膨張ガスとに分割するバイパスアセンブリをさらに含み、第１の膨張オキシダント供給ガスは燃料電池に使用され、第２の膨張ガスは燃料電池を迂回するように搬送されるハイブリッド燃料電池システム。
2007505467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイブリッド型の燃料電池システムであって、
アノード部及びカソード部を有する燃料電池と、
オキシダント供給ガスを圧縮して圧縮オキシダント供給ガスを出力する圧縮サイクル及び膨張サイクルを有する熱機関と、
前記カソード部からの排気ガスに反応し、前記圧縮オキシダント供給ガスを加熱する前記熱回収装置とを含み、
前記加熱された圧縮オキシダント供給ガスは、膨張オキシダント供給ガスを発生するとともに、発電機において電気エネルギーへと変換されることになる機械エネルギーを生成するために、前記熱機関における膨張サイクルにおいて膨張されるものであり、さらに、
前記膨張オキシダント供給ガスを、第１の膨張オキシダント供給ガス及び第２の膨張オキシダント供給ガスに分割するバイパスアセンブリを含み、
前記第１の膨張オキシダント供給ガスは、前記燃料電池のカソード部に入力されるオキシダント供給ガスを生成するために使用され、前記第２の膨張オキシダント供給ガスは、前記燃料電池から排除されることを特徴とするハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項２】
前記バイパスアセンブリは、前記第２の膨張オキシダント供給ガスを前記カソード部からの排気ガスに反応させるためのラインへと連通するバイパスラインを含むことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項３】
前記熱機関は、前記カソード部によって要求される最大のガス流より高い温度のガス流でもって動作することを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項４】
前記熱機関は、タービン発電機を含み、該タービン発電機は、前記オキシダント供給ガスを受け入れて前記圧縮サイクルを実行する圧縮器部と、前記加熱された圧縮オキシダント供給ガスを受け入れて前記膨張サイクルを実行する膨張部とを含むことを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池は、高温燃料電池であることを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池は、内部改質型の燃料電池であることを特徴とする請求項５に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池は、炭酸塩型の燃料電池であることを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池には、ほぼ周囲圧力に近い圧力の燃料が供給されることを特徴とする請求項７に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池は、外部改質型の燃料電池または内部改質型の燃料電池の１つであることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池は、炭酸塩型の燃料電池または固体酸化物型の燃料電池の１つであることを特徴とする請求項９に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記バイパスアセンブリは、流量制御弁と、流量検出制御装置とを含み、
前記流量制御弁は、前記熱機関の膨張サイクルからの膨張オキシダント供給ガスを受け入れる入力ポートと、前記第１の膨張オキシダント供給ガスを出力する第１の出力部および前記第２の膨張オキシダント供給ガスを出力する第２の出力部とを有し、
前記流量検出制御装置は、前記第１の膨張オキシダント供給ガスを検出して、前記第１の膨張オキシダント供給ガスおよび前記第２の膨張オキシダント供給ガスを調整するために前記流量制御弁を制御する
ことを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記流量制御弁は、前記第１の膨張オキシダント供給ガスによって、前記燃料電池における最適な燃料電池温度分布と最適な酸素濃度とが実現されるよう制御されることを特徴とする請求項１１に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記流量制御弁は、３方弁又は切換え弁の１つことを特徴とする請求項１１に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料電池は、炭酸塩型の燃料電池であり、
前記熱回収装置は、前記カソード部からの排気ガスと、前記第２の膨張オキシダント供給ガスとを受け入れるものであり、
さらに、前記燃料電池システムは、
熱交換器と、
オキシダイザとを含み、
前記熱交換器は、前記膨張オキシダント供給ガスを供給するために前記熱機関の前記膨張サイクルにおいて前記加熱された圧縮オキシダント供給ガスが膨張されるのに先立って、前記熱回収装置から供給された前記加熱された圧縮オキシダント供給ガスへ追加の熱を供給するものであり、
前記オキシダイザは、前記第１の膨張オキシダント供給ガスと、前記アノード部からの排気ガスとを受け入れてオキシダイザ出力ガスを生成するものであり、
前記オキシダイザ出力ガスは、前記熱交換器を通過し、前記カソード部へ入力される前記オキシダント供給ガスとして供給されることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記バイパスアセンブリは、前記第２の膨張オキシダント供給ガスを前記カソード部からの排気ガスに反応させるためのラインへと連通するバイパスラインを含むことを特徴とする請求項１４に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記熱機関は、前記カソード部によって要求される最大のガス流より高い温度のガス流でもって動作することを特徴とする請求項１５に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記熱機関は、タービン発電機を含み、該タービン発電機は、前記オキシダント供給ガスを受け入れて前記圧縮サイクルを実行する圧縮器部と、前記熱交換器を通過してきた前記加熱された圧縮オキシダント供給ガスを受け入れて前記膨張サイクルを実行する膨張部とを含むことを特徴とする請求項１６に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記バイパスアセンブリは、流量制御弁と、流量検出制御装置とを含み、
前記流量制御弁は、前記熱機関の前記圧縮部からの膨張オキシダント供給ガスを受け入れる入力ポートと、前記第１の膨張オキシダント供給ガスを出力する第１の出力部および前記第２の膨張オキシダント供給ガスを出力する第２の出力部とを有し、
前記流量検出制御装置は、前記第１の膨張オキシダント供給ガスを検出して、前記第１の膨張オキシダント供給ガスおよび前記第２の膨張オキシダント供給ガスを調整するために前記流量制御弁を制御する
ことを特徴とする請求項１５に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記流量制御弁は、前記第１の膨張オキシダント供給ガスによって、前記燃料電池における最適な燃料電池温度分布と最適な酸素濃度とが実現されるよう制御されることを特徴とする請求項１８に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記燃料電池は、固体酸化物型の燃料電池であり、
前記熱回収装置は、前記第２の膨張オキシダント供給ガスを受け入れるものであり、
さらに、前記燃料電池システムは、
オキシダイザを含み、
前記オキシダイザは、前記カソード部からの排気ガスを受け入れるとともに、前記アノード部からの排気ガスを受け入れて、前記熱回収装置へと出力される出力ガスを生成する
ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記バイパスアセンブリは、前記第２の膨張オキシダント供給ガスを前記カソード部からの排気ガスに反応させるためのラインへと連通するバイパスラインを含むことを特徴とする請求項２０に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記熱機関は、前記カソード部によって要求される最大のガス流より高い温度のガス流でもって動作することを特徴とする請求項２１に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記熱機関は、タービン発電機を含み、該タービン発電機は、前記オキシダント供給ガスを受け入れて前記圧縮サイクルを実行する圧縮器部と、前記加熱された圧縮オキシダント供給ガスを受け入れて前記膨張サイクルを実行する膨張部とを含むことを特徴とする請求項２２に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項２４】
前記バイパスアセンブリは、流量制御弁と、流量検出制御装置とを含み、
前記流量制御弁は、前記熱機関の膨張サイクルからの膨張オキシダント供給ガスを受け入れる入力ポートと、前記第１の膨張オキシダント供給ガスを出力する第１の出力部および前記第２の膨張オキシダント供給ガスを出力する第２の出力部とを有し、
前記流量検出制御装置は、前記第１の膨張オキシダント供給ガスを検出して、前記第１の膨張オキシダント供給ガスおよび前記第２の膨張オキシダント供給ガスを調整するために前記流量制御弁を制御する
ことを特徴とする請求項２１に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記流量制御弁は、前記第１の膨張オキシダント供給ガスによって、前記燃料電池における最適な燃料電池温度分布と最適な酸素濃度とが実現されるよう制御されることを特徴とする請求項２２に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【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、効率が向上した一体型の燃料電池及びガスタービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、炭化水素燃料に蓄積された化学エネルギーを電気化学反応によって電気エネルギーへと直接変換する装置である。一般に、燃料電池は電解質により分離されたアノード及びカソードを具備し、電解質は帯電イオンを伝導する働きをする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般にハイブリッドシステムと呼ばれる効率の高いシステムを形成するために、燃料電池は、タービン発電機などの熱機関と組み合わされてもよい。従来のハイブリッドシステムにおいては、タービン発電機の圧縮機部により圧縮された空気が加熱され、その後、燃料電池のカソード部へ送り出されるよう、燃料電池は、タービン発電機のコンバスター（燃焼器）が通常占めている位置に配置されるのが普通である。この構成によれば、燃料電池は、高い圧力で動作させられるため、発電装置におけるハードウエアのコストが相当に高くなり、燃料電池において内部改質を使用することも阻害されてしまう。これにより、発電装置のコストは増加し、効率は低下する。また、発電装置が異常を起こした場合、燃料電池は、損傷を招きかねないような圧力差の作用を受ける。さらに、燃料電池の圧力にガスタービンの圧力が上乗せされるので、ガスタービン圧力が燃料電池の圧力とほぼ一致するようなシステム構造への応用が制限される。
【０００４】
これらの欠点を克服するために、別種の構成を採用したハイブリッドシステムが開発された。その構成においては、ガスタービンから排出された加熱空気が燃料電池のカソード部へ送り出されるよう、タービン発電機の底部に燃料電池が配置される。本願の出願人と同一の者へと譲渡された米国特許第６，３６５，２９０号は、そのようなハイブリッド型の燃料電池／ガスタービンシステムを開示している。この場合、燃料電池からの廃熱は、熱機関サイクルを動作させるために熱回収装置により使用され、システムは、熱回収装置において熱交換器により加熱された圧縮オキシダントガス（酸化剤ガス）が熱機関の膨張サイクルで膨張されるように構成される。膨張したオキシダントガスは、その後、オキシダイザ（酸化器）を通過する。オキシダイザは、アノード排気をさらに受け入れる。ガスは、熱交換器を通過し、その後、燃料電池のカソード部へ送り出される。
【０００５】
上述した米国特許第６，３６５，２９０号特許によるシステムの場合、燃料電池は、高温燃料電池であってもよく、相対的に高い効率を実現できる。しかし、システムは、最適の効率を生成するために、燃料電池の大きさとガスタービンの大きさとを一致させることをさらに必要とする。これにより、システムの有用性は制限される。
【０００６】
従って、本発明の目的は、燃料電池とタービンとの電力バランスに関して、従来よりも優れた融通性を有する改良されたハイブリッド燃料電池およびタービンシステムを提供することである。
【０００７】
本発明の別の目的は、効率を向上しかつ電力出力を増加するハイブリッド燃料電池／タービンシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の原理によれば、上記の目的及び他の目的は、アノード部及びカソード部を有する燃料電池と、オキシダント供給ガスを圧縮する圧縮機サイクル及び膨張サイクルを有する熱機関と、燃料電池のカソード部からの排気ガスに反応する熱回収装置とを具備するハイブリッド燃料電池システムにおいて実現される。熱回収装置は、圧縮されたオキシダント供給ガスに熱を供給し、オキシダント供給ガスは、熱機関の膨張サイクルにおいて膨張されて、膨張オキシダント供給ガスを発生するとともに、発電機において電気エネルギーに変換されることになる機械エネルギーを生成する。バイパスアセンブリは、膨張オキシダント供給ガスを、第１の膨張オキシダント供給ガス及び第２の膨張オキシダント供給ガスに分割し、第１の膨張オキシダント供給ガスは、燃料電池のカソード部に入力されるオキシダント供給ガスを生成するために使用され、第２の膨張オキシダント供給ガスは、燃料電池から除去される。
【０００９】
以下に開示される本発明の実施形態において、バイパスアセンブリは、熱機関の膨張サイクルからの膨張オキシダント供給ガスを受け入れる入力ポートと、第１の膨張オキシダント供給ガスを出力する第１の出力部及び第２の膨張オキシダント供給ガスを出力する第２の出力部とを有する制御自在のバイパス弁を含む。第１の出力部は、燃料電池に至るラインと連通し、第２の出力部は、カソード排気ガスに反応するラインと連通するバイパスラインと連通する。バイパスラインは、バイパスアセンブリの一部を形成する。バイパスアセンブリは、第２の膨張オキシダントガスを検出し、第１及び第２の膨張オキシダントガスを制御自在に配分するためにバイパス弁を調整するガス流量検出器／制御装置などの制御手段をさらに含む。このように、熱機関の圧縮サイクルと燃料電池を、それぞれ最高の効率で動作させることができる。
【００１０】
また、炭酸塩燃料電池及び固体酸化物燃料電池を使用する本発明の実施形態が開示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の上記の特徴及び面並びにその他の特徴及び面は、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、さらに明らかになるであろう。
【００１２】
図１は、本発明の原理に従ったハイブリッド型の燃料電池システム１に係る第１の実施形態を示す。システム１は、アノード部２Ａ及びカソード部２Ｂを有する高温燃料電池２を含む。図示されるように、高温燃料電池２は、内部改質型又は直接炭酸塩型の燃料電池である。なお、外部改質型の燃料電池が採用されてもよい。燃料電池２のＤＣ出力は、ＡＣ出力５Ａを発生するために、ＤＣ／ＡＣ変換器５に供給される。
【００１３】
ハイブリッドシステム１は、熱機関３を含む。熱機関３は、ガス圧縮サイクルを実行するためのガス圧縮機部３Ａと、ガス膨張サイクルを実行するためのガスデコンプレッション又はガス膨張部３Ｂとを有するタービン発電機として示されている。熱機関３は、発電機３Ｃをさらに含む。発電機３Ｃは熱機関３に接続されており、膨張サイクルにより生成された機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。ガスタービン又はスターリングサイクルエンジンなどの熱機関が、典型的な熱機関として採用されてもよい。
【００１４】
ハイブリッドシステム１は、熱回収装置（「ＨＲＵ」）４をさらに具備する。熱回収装置４は、ほぼ周囲圧力に近い圧力の燃料及び水を、それぞれ対応する燃料供給源及び水供給源（図示せず）から受け入れる。熱回収装置４は、燃料電池２のカソード部２Ｂから、約１，１５０〜１，２００度Ｆの加熱排気ガスをさらに受け入れる。この加熱排気ガスは、消費されなかったオキシダントガス並びに燃焼生成物、すなわち、二酸化炭素及び水を含む。
【００１５】
熱回収装置４は、蒸気を生成する温度まで水を加熱しかつ燃料電池のアノードに流入させるのに適する温度まで燃料を加熱するために使用される。また、熱回収装置４は、熱機関３の圧縮機サイクル３Ａにより圧縮されたオキシダントガスに対して熱交換器として動作し、それにより、圧縮されたオキシダントガスは、９００〜１，１００度Ｆの温度まで加熱される。加熱された圧縮オキシダントガスは、その後、別の熱交換器６へ送り出され、１，４００度Ｆを超える温度までさらに加熱される。熱交換器６で加熱された後、圧縮オキシダントガスは、熱機関３の膨張部３Ｂを通過し、そこで、約１５．５ｐｓｉａの低圧まで膨張され、発電機３Ｃにより電気エネルギーに変換されるべき機械エネルギーを生成する。
【００１６】
膨張したガスの一部（弁９の出力部９Ｃ）は、オキシダイザ７に供給される。オキシダイザ７は、消費されなかったオキシダント並びに燃焼生成物、すなわち、二酸化炭素及び水を含む燃料電池のアノード部２Ａからの排気ガスをさらに受け入れる。オキシダイザからの出力流は、熱交換器６において、燃料電池のカソード部２Ｂに流入させるのに適する温度まで冷却される。
【００１７】
本発明によれば、図１に示されるように、ハイブリッドシステム１はバイパスアセンブリ８をさらに具備する。バイパスアセンブリ８は、タービン膨張部の出口からの膨張したオキシダントガスの一部を、燃料電池２を迂回させて燃料電池のカソード排気流へと誘導する。一例として、バイパスアセンブリ８は、バイパスライン８Ａと、例えば、３方弁又は切換え弁などの制御自在のガス流量制御弁９と、ガス流量検出器／制御装置１０とを含む。
【００１８】
ガス流量制御弁は、熱機関の膨張（タービン）部分３Ｂの出力に結合された入力ポート９Ａ、第１の出力部９Ｂ及び第２の出力部９Ｃを有する。第１の出力部９Ｂは、バイパスライン８Ａと結合し、バイパスライン８Ａは、燃料電池２のカソード部２Ｂからの排気ガスを搬送するラインに接続される。第２の出力部９Ｃは、オキシダイザ７に供給するラインに接続する。流量検出器１０により検出されるバイパスラインのガス流量に基づいて、弁アクチュエータアセンブリ９Ｄ（モータ駆動アクチュエータとして示される）を介して弁９を調整することにより、熱機関３の膨張サイクル３Ｂからの膨張したオキシダントガスを出力部９Ｂ及び９Ｃに制御自在に配分できる。このようにして、システム１の効率を最適にするために、燃料電池２に供給される膨張オキシダントガスの量及び燃料電池を迂回する膨張オキシダントガスの量を調整できる。
【００１９】
特に、出力部９Ｂに結合される膨張オキシダントガスの量が燃料電池２の動作条件に対して十分でありかつ最適であるように、ガス流量制御弁９を調整できる。さらに、出力部９Ｂ及び出力部９Ｃに対するガスの配分比率を調整することで、燃料電池２における最適な燃料電池温度分布及び最適な酸素濃度を実現できる。従って、ガス流量制御弁９及びガス流量検出器１０は、ハイブリッドシステム１の動作中、燃料電池２と熱機関３との間の電力バランスを制御し、最適にするように機能する。
【００２０】
バイパスアセンブリ８を使用することにより、熱機関３は、燃料電池の動作に必要とされるガス流量より多いガス流量で動作でき、その結果、より多くの復熱を実現できることも理解される。従って、熱機関３は、アセンブリ８が設けられない場合に得られると考えられる電力より多くの電力を発生可能である。そのような電力の追加によって、システム１の効率は向上し、コストは削減される。さらに、バイパスアセンブリ８は、燃料電池２の大きさと熱機関３の大きさを一致させる際の制限を低下させることができる。従って、ハイブリッド燃料電池システムは、特定の燃料電池により許容される最大ガス流量より多くのガス流量で動作可能な市販の熱機関を採用できる。
【００２１】
本発明に従ったハイブリッド燃料電池／ガスタービンシステム１に関して、４０ＭＷの発電装置、内部改質型の溶融炭酸塩燃料電池及びガスタービンを使用して、システム解析を実施した。次に、このシステム解析を、’２９０号特許に開示されるようなバイパスラインなしのハイブリッド燃料電池／ガスタービンシステムのシステム解析と比較した。それらのシステムについて、以下の動作特性が予測された。
【００２２】
2007505467.tif 000003
【００２３】
以上示したように、本発明によるハイブリッド燃料電池／ガスタービンシステム１の動作の結果、’２９０号特許のハイブリッド燃料電池／ガスタービンシステムと比較して、効率は２．９％向上し、電力出力は４％増加した。さらに、本発明のハイブリッドシステム１は、’２９０号特許のハイブリッドシステムより強力なガスタービンの採用が可能であり、その結果、より高いガスタービン電力出力を発生できた。
【００２４】
図２は、本発明の原理に従ったハイブリッド燃料電池システム１１の第２の実施形態を示す。この実施形態においては、採用される高温燃料電池は、固体酸化物燃料電池１２である。燃料電池１２は、アノード部１２Ａ及びカソード部１２Ｂを有する。図２に示されるように、固体酸化物燃料電池１２は、内部改質型の固体酸化物燃料電池である。しかし、外部改質型の固体酸化物燃料電池が採用されてもよい。燃料電池１２のＤＣ出力は、ＡＣ出力２１Ａを生成するために、ＤＣ／ＡＣ変換器２１に供給される。
【００２５】
固体酸化物ハイブリッドシステム１１は、タービン発電機として示される熱機関１３を具備する。熱機関１３は、ガス圧縮サイクルを実行するガス圧縮機部１３Ａと、ガス膨張サイクルを実行するガス膨張部１３Ｂとを有する。熱機関１３は、発電機１３Ｃをさらに含む。発電機１３Ｃは、ガス膨張部１３Ｂに結合され、ガス膨張サイクルにおいて生成された機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００２６】
固体酸化物ハイブリッドシステム１１は、熱回収装置（「ＨＲＵ」）１４及びオキシダイザ１７をさらに具備する。オキシダイザ１７は、消費されなかったオキシダントガスを含む燃料電池１２のカソード部１２Ｂからの加熱排気ガスと、消費されなかった燃料並びに反応副産物、すなわち、二酸化炭素及び水を含む燃料電池１２のアノード部１２Ａからの排気ガスの一部とを受け取る。オキシダイザの出力流は、熱回収装置１４に供給される。
【００２７】
熱回収装置１４は、熱機関１３の圧縮機サイクル１３Ａにより圧縮されたオキシダントガスに対して熱交換器として動作し、それにより、圧縮されたオキシダントガスは、オキシダイザ出力により、１，４００度Ｆを超える高温まで加熱される。加熱された圧縮オキシダントガスは、その後、熱機関１３の膨張部１３Ｂを通過し、そこで、約１５．５ｐｓｉａの低圧まで膨張される。それにより、発電機１３Ｃにより電気エネルギーに変換されるべき機械エネルギーが生成される。膨張したガスの一部（弁９の出力部９Ｃ）は、その後、固体酸化物燃料電池１２のカソード１２Ｂに供給される。
【００２８】
本発明の第２の実施形態によれば、図２に示されるように、ハイブリッド固体酸化物燃料電池システムは、バイパスアセンブリ１８をさらに具備する。バイパスアセンブリ１８は、タービン膨張部の出口からの膨張したオキシダントガスの一部を、燃料電池１２及びオキシダイザ１７を迂回させてオキシダイザ排気流れへ誘導する。一例として、バイパスアセンブリは、バイパスライン１８Ａと、例えば、３方弁又は切換え弁などの制御自在のガス流量制御弁１９と、ガス流量検出器／制御装置２０とを具備する。
【００２９】
ガス流量制御弁１９は、入力ポート１９Ａと、出力ポート１９Ｂ及び１９Ｃと、弁アクチュエータアセンブリモータ１９Ｄ（モータ駆動アクチュエータとして示される。）とを具備する。入力ポート１９Ａは、熱機関の膨張部１３Ｂの出力に結合される。第１の出力部１９Ｂは、バイパスライン１８Ａと結合され、バイパスライン１８Ａは、オキシダイザ１７からのオキシダイザ排気ガスを熱回収装置１４へ搬送するラインに接続される。あるいは、バイパスラインは、オキシダイザ１７からの排気ではなく、カソード１２Ｂからの排気に接続されてもよい。第２の出力部１９Ｃは、固体酸化物燃料電池１２のカソード部１２Ｂへの供給ラインに接続する。ガス流量検出器２０により検出されるバイパスラインのガス流量に基づいて、モータ１９Ｄを介してガス流量制御弁１９を調整することにより、熱機関１３の膨張サイクル１３Ｂからの膨張オキシダントガスを出力部１９Ｂ及び１９Ｃに制御自在に配分できる。このようにして、図１の実施形態の場合と同様に、システム１１の効率を最適にしかつシステムの動作中に燃料電池１２と熱機関１３との間の電力バランスを制御して最適にするために、固体酸化物燃料電池１２に供給される膨張オキシダントガスの量及び燃料電池１２を迂回する膨張オキシダントガスの量を調整できる。
【００３０】
いずれの場合にも、上述した構成は、本発明の適用用途を表す数多くの可能な特定の実施形態の一例を示すにすぎないことが理解されるべきである。本発明の趣旨の範囲から逸脱せずに、本発明の原理に従って、多数の多様な他の構成を容易に考案できる。従って、例えば、陽子伝導燃料電池などの他の高温燃料電池にも本発明の原理を適応できる。さらに、本発明の原理は、大気圧燃料電池並びに高圧燃料電池の双方に適用できる。高圧燃料電池の場合、熱機関の膨張部は、オキシダントガスを燃料電池の動作圧力まで膨張する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本発明の原理に従った炭酸塩燃料電池を使用する改良されたハイブリッド燃料電池／タービンシステムを示す図である。
【図２】図２は、本発明の原理に従った固体酸化物燃料電池を使用する改良されたハイブリッド燃料電池／タービンシステムを示す図である。
【図１】
2007505467.tif 000004
【図２】
2007505467.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成18年5月17日(2006.5.17)
【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】
ハイブリッド型の燃料電池システムであって、
アノード部及びカソード部を有する燃料電池と、
オキシダント供給ガスを圧縮して圧縮オキシダント供給ガスを出力する圧縮サイクル及び膨張サイクルを有する熱機関と、
前記カソード部からの排気ガスに反応し、前記圧縮オキシダント供給ガスを加熱する前記熱回収装置とを含み、
前記加熱された圧縮オキシダント供給ガスは、膨張オキシダント供給ガスを発生するとともに、発電機において電気エネルギーへと変換されることになる機械エネルギーを生成するために、前記熱機関における膨張サイクルにおいて膨張されるものであり、さらに、
前記膨張オキシダント供給ガスを、第１の膨張オキシダント供給ガス及び第２の膨張オキシダント供給ガスに分割するバイパスアセンブリを含み、
前記第１の膨張オキシダント供給ガスは、前記燃料電池のカソード部に入力されるオキシダント供給ガスを生成するために使用され、前記第２の膨張オキシダント供給ガスは、前記燃料電池から排除されることを特徴とするハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項２】
前記バイパスアセンブリは、前記第２の膨張オキシダント供給ガスを前記カソード部からの排気ガスに反応させるためのラインへと連通するバイパスラインを含み、
前記熱機関は、前記カソード部によって要求される最大のガス流より高い温度のガス流でもって動作するものであり、
前記熱機関は、タービン発電機を含み、該タービン発電機は、前記オキシダント供給ガスを受け入れて前記圧縮サイクルを実行する圧縮器部と、前記加熱された圧縮オキシダント供給ガスを受け入れて前記膨張サイクルを実行する膨張部とを含み、
前記燃料電池は、高温燃料電池であることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池は、内部改質型の燃料電池であることを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池は、炭酸塩型の燃料電池であることを特徴とする請求項３に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池には、ほぼ周囲圧力に近い圧力の燃料が供給されることを特徴とする請求項４に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項６】
前記バイパスアセンブリは、前記第２の膨張オキシダント供給ガスを前記カソード部からの排気ガスに反応させるためのラインへと連通するバイパスラインを含み、
前記熱機関は、前記カソード部によって要求される最大のガス流より高い温度のガス流でもって動作するものであり、
前記燃料電池は、外部改質型の燃料電池または内部改質型の燃料電池の１つであることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池は、炭酸塩型の燃料電池または固体酸化物型の燃料電池の１つであることを特徴とする請求項６に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項８】
前記バイパスアセンブリは、前記第２の膨張オキシダント供給ガスを前記カソード部からの排気ガスに反応させるためのラインへと連通するバイパスラインと、
前記熱機関の膨張サイクルからの膨張オキシダント供給ガスを受け入れる入力ポートと、前記第１の膨張オキシダント供給ガスを出力する第１の出力部および前記第２の膨張オキシダント供給ガスを出力する第２の出力部とを有する流量制御弁と、
前記第１の膨張オキシダント供給ガスを検出して、前記第１の膨張オキシダント供給ガスおよび前記第２の膨張オキシダント供給ガスを調整するために前記流量制御弁を制御する前記流量検出制御装置と
を含み、
前記流量制御弁は、３方弁又は切換え弁の１つことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池は、炭酸塩型の燃料電池であり、
前記熱回収装置は、前記カソード部からの排気ガスと、前記第２の膨張オキシダント供給ガスとを受け入れるものであり、
さらに、前記燃料電池システムは、
熱交換器と、
オキシダイザとを含み、
前記熱交換器は、前記膨張オキシダント供給ガスを供給するために前記熱機関の前記膨張サイクルにおいて前記加熱された圧縮オキシダント供給ガスが膨張されるのに先立って、前記熱回収装置から供給された前記加熱された圧縮オキシダント供給ガスへ追加の熱を供給するものであり、
前記オキシダイザは、前記第１の膨張オキシダント供給ガスと、前記アノード部からの排気ガスとを受け入れてオキシダイザ出力ガスを生成するものであり、
前記オキシダイザ出力ガスは、前記熱交換器を通過し、前記カソード部へ入力される前記オキシダント供給ガスとして供給されることを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池は、固体酸化物型の燃料電池であり、
前記熱回収装置は、前記第２の膨張オキシダント供給ガスを受け入れるものであり、
さらに、前記燃料電池システムは、
オキシダイザを含み、
前記オキシダイザは、前記カソード部からの排気ガスを受け入れるとともに、前記アノード部からの排気ガスを受け入れて、前記熱回収装置へと出力される出力ガスを生成する
ことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記バイパスアセンブリは、前記第２の膨張オキシダント供給ガスを前記カソード部からの排気ガスに反応させるためのラインへと連通するバイパスラインを含むことを特徴とする請求項１、９、１０の何れかに記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記熱機関は、前記カソード部によって要求される最大のガス流より高い温度のガス流でもって動作することを特徴とする請求項１１に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記熱機関は、タービン発電機を含み、該タービン発電機は、前記オキシダント供給ガスを受け入れて前記圧縮サイクルを実行する圧縮器部と、前記加熱された圧縮オキシダント供給ガスを受け入れて前記膨張サイクルを実行する膨張部とを含むことを特徴とする請求項１２に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記バイパスアセンブリは、流量制御弁と、流量検出制御装置とを含み、
前記流量制御弁は、前記熱機関の膨張サイクルからの膨張オキシダント供給ガスを受け入れる入力ポートと、前記第１の膨張オキシダント供給ガスを出力する第１の出力部および前記第２の膨張オキシダント供給ガスを出力する第２の出力部とを有し、
前記流量検出制御装置は、前記第１の膨張オキシダント供給ガスを検出して、前記第１の膨張オキシダント供給ガスおよび前記第２の膨張オキシダント供給ガスを調整するために前記流量制御弁を制御する
ことを特徴とする請求項１１に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記流量制御弁は、前記第１の膨張オキシダント供給ガスによって、前記燃料電池における最適な燃料電池温度分布と最適な酸素濃度とが実現されるよう制御されることを特徴とする請求項１４に記載のハイブリッド型の燃料電池システム。
【国際調査報告】
2007505467.tif 000006
2007505467.tif 000007