(57)【要約】  複合サイクル燃料電池は、排ガスを発生させるアノードを含む固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）等の燃料電池を含む。燃料電池の下流において炭化水素燃料と燃料電池排ガスとを混合する炭化水素燃料改質システムは、炭化水素燃料を部分的又は全面的に水素（Ｈ2）と一酸化炭素（ＣＯ）とに変換する。燃料通路は、改質燃料の第１の部分を燃料電池アノードの入口へと向かわせる。有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）等の冷却器は、任意で、改質燃料の残りの部分から熱を除去すると共に改質燃料の冷却された残りの部分を、改質燃料の冷却された残りの部分に応動して駆動されるレシプロガスエンジン又はガスタービンなどの外燃又は内燃機関であってよいボトミングサイクルに送給するように構成される。  【選択図】図１
2014512078.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排ガスを発生させるように構成されるアノードを含む燃料電池であって、前記アノードが入口と出口とを含む、燃料電池と、
前記燃料電池の下流において炭化水素燃料と前記燃料電池排ガスとを混合すると共に前記炭化水素燃料を部分的又は全面的に水素（Ｈ2）と一酸化炭素（ＣＯ）とに変換するように構成され、且つ、更に前記改質燃料を第１の部分と残りの部分とに分けるように構成される炭化水素燃料改質システムと、
前記改質燃料の前記第１の部分を前記アノードの前記入口へと向かわせるように構成される燃料通路と、
前記改質燃料の前記残りの部分から熱を除去するように構成される冷却器と、
前記改質燃料の前記冷却された残りの部分に応動して駆動される外燃又は内燃機関を含むボトミングサイクルと
を含む、複合サイクル燃料電池。
【請求項２】
前記燃料電池が固体酸化物燃料電池を含む、請求項１に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項３】
前記冷却器が、発電するように構成される第１の有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）と対応する作動流体とを含む、請求項１に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項４】
前記ボトミングサイクルが、前記第１のＯＲＣ作動流体に熱を伝達して、前記第１のＯＲＣにより発生する電力の生成量を増大させるように構成される、請求項３に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項５】
前記燃焼機関がレシプロガスエンジンを含む、請求項１に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項６】
前記燃焼機関がガスタービンを含む、請求項１に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項７】
前記改質燃料の前記第１の部分から熱を除去するように構成される第２の有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）と、
前記第２のＯＲＣと共働して、前記改質燃料の前記第１の部分を前記アノードの前記入口へと向かわせる前に前記改質燃料の前記第１の部分から水分と二酸化炭素とを除去することにより精製燃料を生成するように構成される燃料精製装置とを更に含む、請求項１に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項８】
前記精製燃料から熱を抽出すると共に、前記改質器に流入する前記炭化水素燃料とそれから生じる燃料電池排ガスとを更に加熱するように構成される復熱器を更に含む、請求項７に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項９】
排ガスを発生させるように構成されるアノードを含む燃料電池であって、前記アノードは入口と出口とを含む、燃料電池と、
前記燃料電池の下流において炭化水素燃料と前記燃料電池排ガスとを混合すると共に前記炭化水素燃料を部分的又は全面的に水素（Ｈ2）と一酸化炭素（ＣＯ）とに変換するように構成され、且つ、更に前記改質燃料を第１の部分と残りの部分とに分けるように構成される炭化水素燃料改質システムと、
前記改質燃料の前記第１の部分を前記燃料電池アノードの前記入口へと向かわせるように構成される燃料通路と、
共働して前記改質燃料の前記残りの部分から熱を除去することで発電するように構成される第１の有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）及び対応する作動流体と、
前記第１のＯＲＣから流出する前記改質燃料の前記冷却された残りの部分に応動して駆動される外燃又は内燃機関を含むボトミングサイクルと
を含む、複合サイクル燃料電池。
【請求項１０】
前記燃料電池が固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を含む、請求項９に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項１１】
前記ボトミングサイクルが、前記第１のＯＲＣ作動流体に熱を伝達して前記第１のＯＲＣにより発生する電力の生成量を増大させるように構成される、請求項９に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項１２】
前記燃焼機関がレシプロガスエンジンを含む、請求項９に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項１３】
前記燃焼機関がガスタービンを含む、請求項９に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項１４】
前記改質燃料の前記第１の部分から熱を除去するように構成される第２の有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）と、
前記第２のＯＲＣと共働して、前記改質燃料の前記第１の部分を前記アノードの前記入口へと向かわせる前に前記改質燃料の前記第１の部分から水分と二酸化炭素とを除去することにより精製燃料を生成するように構成される燃料精製装置とを更に含む、請求項９に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項１５】
前記精製燃料から熱を抽出すると共に、前記改質器に流入する炭化水素燃料とこれによる燃料電池排ガスとを更に加熱するように構成される復熱器を更に含む、請求項１４に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項１６】
熱を発生させるように構成されるアノードを含む燃料電池であって、前記アノードが入口と出口とを含む、燃料電池と、
前記燃料電池の下流において炭化水素燃料と前記燃料電池排ガスとを混合すると共に前記炭化水素燃料を部分的又は全面的に水素（Ｈ2）と一酸化炭素（ＣＯ）とに変換するように構成され、且つ、更に前記改質燃料を第１の部分と残りの部分とに分けるように構成される炭化水素燃料改質システムと、
前記改質燃料の前記第１の部分から熱を除去するように構成される第１の有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）と、
前記第１のＯＲＣと共働で、前記改質燃料の前記第１の部分から水分と二酸化炭素とを除去することにより精製燃料を生成するように構成される燃料精製装置と、
前記精製燃料から熱を抽出すると共に、前記改質器に流入する前記燃料と排ガスとに前記抽出された熱を伝達するように構成される復熱器と、
前記加熱された精製燃料を前記燃料電池アノードの前記入口へと向かわせるように構成される燃料通路と、
前記改質燃料の前記残りの部分から熱を除去すると共にこれにより発電するように構成される第２のＯＲＣと、
前記第２のＯＣＲから流出する前記改質燃料の前記冷却された残りの部分に応動して駆動される外燃又は内燃機関を含むボトミングサイクルと
を含む、複合サイクル燃料電池。
【請求項１７】
前記燃料電池が固体酸化物燃料電池を含む、請求項１６に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項１８】
前記第１のＯＲＣと前記第２のＯＲＣとが、前記改質燃料の前記第１の部分からの熱の除去と前記改質燃料の前記残りの部分からの熱の除去との両方を行うと共にこれにより発電するように構成される単一のＯＲＣとして互いに一体化される、請求項１６に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項１９】
前記ボトミングサイクルが、前記第２のＯＲＣ作動流体に熱を伝達して前記第２のＯＲＣにより発生する電力の生成量を増大させるように構成される、請求項１６に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項２０】
前記燃焼機関がレシプロガスエンジンを含む、請求項１６に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項２１】
前記燃焼機関がガスタービンを含む、請求項１６に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項２２】
排ガスを発生させるように構成されるアノードを含む燃料電池であって、前記アノードが入口と出口を含む燃料電池と、
前記燃料電池の下流において炭化水素燃料と前記燃料電池排ガスとを混合すると共に前記炭化水素燃料を部分的又は全面的に水素（Ｈ2）と一酸化炭素（ＣＯ）とに変換して改質燃料を生成するように構成される炭化水素燃料改質システムと、
前記改質燃料から熱を除去するように構成される冷却システムと、
前記冷却された改質燃料の第１の部分を前記アノードの前記入口へと向かわせるように構成される燃料通路と、
前記冷却された改質燃料の残りの部分に応動して駆動される外燃又は内燃機関を含むボトミングサイクルと
を含む、複合サイクル燃料電池。
【請求項２３】
前記冷却システムが、
前記改質燃料を冷却するように構成される冷却器と、
前記冷却器から流出する前記改質燃料流に原動力を付与するように構成される低温ファンと、
前記冷却器に流入する前記改質燃料から熱を除去するように構成されると共に、更に前記冷却器に流入する前記改質燃料から除去された前記熱を前記低温ファンから流出する前記改質燃料に伝達するように構成される高温復熱器と
を含む、請求項２２に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項２４】
前記燃料電池が固体酸化物燃料電池を含む、請求項２２に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項２５】
前記燃焼機関がレシプロガスエンジンを含む、請求項２２に記載の複合サイクル燃料電池。
【請求項２６】
前記燃焼機関がガスタービンを含む、請求項２２に記載の複合サイクル燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に複合サイクル燃料電池システムに関し、特に、従来の複合サイクル燃料電池システムを用いて達成可能な効率よりも高い燃料電池変換効率を達成する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）高効率改質再循環システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電において相対的に高い効率と少ない汚染を潜在的に達成可能なことが実証された電気化学的エネルギー変換装置である。燃料電池は一般に、例えばインバータにより交流（ａｃ）に変換可能な直流（ｄｃ）を供給する。直流又は交流電圧を用いて、モータ、照明、及びあらゆる個数の電気装置及びシステムに動力を供給できる。燃料電池は、定置用、半定置用、又は可搬用の利用形態で運用可能である。固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）等の一部の燃料電池は、産業及び地方自治体の要求を満たすために電力を供給する大規模電力系統で運用可能である。その他の燃料電池には、例えば自動車の動力供給等の、より小規模な可搬用の利用形態に有用なものもある。
【０００３】
燃料電池は、イオン伝導層を横断して燃料と酸化剤とを電気化学的に結合させることにより電気を生成する。燃料電池の電解質ともよばれるこのイオン伝導層は、液体又は固体である。一般的なタイプの燃料電池には、リン酸形（ＰＡＦＣ）と溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）とプロトン交換膜形（ＰＥＭＦＣ）と固体酸化物（ＳＯＦＣ）とが含まれ、いずれもその電解質の名称が一般名称となっている。実用において、燃料電池は、有効な電圧又は電流の発電するために、一般に燃料電池組立体の形態に電気的に直列に積み重ねられる。したがって、隣接する燃料電池を直列又は並列に接続又は結合する相互接続構造が用いられる。
【０００４】
一般に、燃料電池の構成要素には、電解質と２つの電極とが含まれる。電気を生じる反応は一般に、反応を促進させるために一般に触媒が配置された電極において生じる。電極は、化学反応が生じる表面積を増大させるために溝及び多孔層等として構成される。電解質は、帯電した粒子を一方の電極から他方の電極へと運び、それ以外は実質的に燃料及び酸化剤のいずれに対しても不透過性である。
【０００５】
一般に、燃料電池は、水素（燃料）と酸素（酸化剤）を水（副産物）に変換して発電する。副産物の水は、高温動作時に蒸気となって燃料電池から流出する。この排出される蒸気（及びその他の高温排気成分）は、タービン及びその他の用途で追加の電気又は動力を生成するために利用され、発電効率の向上をもたらす。空気を酸化剤として用いる場合、空気中の窒素は実質的に不活性であり、一般に燃料電池を通り抜ける。水素燃料は、より容易に入手可能な天然ガスやその他の炭化水素燃料及び原料の改質等、炭素基原料を現場で改質すること（例えばオンサイトの水蒸気改質）によって得られる。炭化水素燃料の例には、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、メタノール、シンガス及びその他の炭化水素が含まれる。電気化学反応に用いる水素を生成するための炭化水素燃料の改質を燃料電池の作用と組み合わせることができる。更に、このような改質を燃料電池の内部及び／又は外部で行うことができる。炭化水素の改質を燃料電池の外部で行う場合は、関連ある外部改質器を燃料電池から遠く離れて配置しても、燃料電池に隣接して配置してもよい。
【０００６】
燃料電池の内部及び／又は燃料電池に隣接する位置で炭化水素を改質可能な燃料電池システムでは、設計及び運用が簡単である等の利点が得られる。例えば、炭化水素の水蒸気改質反応は一般に吸熱を伴うので、燃料電池内における内部改質又は隣接する改質器における外部改質では、一般に発熱を伴う燃料電池の電気化学反応によって生じる熱を利用できる。更に、電気を生成するための燃料電池内での水素と酸素との電気化学反応で作用する触媒は、炭化水素燃料の内部改質も促進させる。例えば、ＳＯＦＣにおいて、電気化学反応を持続させるためにニッケル触媒を電極（例えばアノード）に配置すると、活性ニッケル触媒が更に、炭化水素燃料を水素と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する。更に、水素とＣＯの両方が炭化水素原料の改質時に生成される。このため、ＣＯを（水素に加えて）燃料として利用可能なＳＯＦＣ等の燃料電池は一般に、改質後の炭化水素の利用と炭化水素燃料の内部及び／又は隣接的改質とを行う、より有力な候補である。
【０００７】
炭化水素燃料を電気エネルギーに変換する燃料電池の性能は、熱を生じる電池内の損失機構と燃料の部分的利用とによって制限される。炭化水素の一次燃料の改質は、従来の複合サイクル燃料電池システムでは、燃料電池の上流で行われる。未燃焼燃料と燃焼生成物を含む、燃料電池からの排ガスは、その後、排ガスバーナに送られ、排ガスバーナからの熱は複合サイクルシステムにおいて燃料改質器に導入される場合もある。現行例の燃料電池は、日常的に約５０％の変換効率を達成する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】欧州特許第１９４７７２３号公報
【発明の概要】
【０００９】
上記に鑑みて、燃料電池効率の向上によって複合サイクル燃料電池システムのプラント効率を更に高める技術を提供する必要がある。
【００１０】
本発明の一実施例は、
排ガスを発生させるように構成されるアノードを含む固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）であって、アノードは入口と出口とを含む固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）と、
ＳＯＦＣの下流において炭化水素燃料をＳＯＦＣ排ガスと混合すると共に炭化水素燃料を部分的又は全面的に水素（Ｈ2）と一酸化炭素（ＣＯ）とに変換するように構成され、尚且つ、改質燃料を第１の部分と残りの部分とに分けるように構成される炭化水素燃料改質システムと、
改質燃料の第１の部分を燃料電池アノードの入口へと向かわせるように構成される燃料通路と、
改質燃料の残りの部分から熱を除去するように構成される冷却器と、
改質燃料の冷却された残りの部分に応動して駆動される外燃又は内燃機関を含むボトミングサイクルと、
を含む複合サイクル燃料電池を含む。
【００１１】
別の実施形態によれば、複合サイクル燃料電池は、
排ガスを発生させるように構成されるアノードを含む燃料電池であって、アノードは入口と出口とを含む燃料電池と、
燃料電池の下流において炭化水素燃料を排ガスと混合すると共に炭化水素燃料を部分的又は全面的に水素（Ｈ2）と一酸化炭素（ＣＯ）とに変換するように構成され、且つ、更に改質燃料を第１の部分と残りの部分とに分けるように構成される炭化水素燃料改質システムと、
改質燃料の第１の部分を燃料電池アノードの入口へと向かわせるように構成される燃料通路と、
改質燃料の残りの部分から熱を除去すると共にそれにより発電するように構成される有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）と、
ＯＲＣから流出する改質燃料の冷却された残りの部分に応動して駆動される外燃又は内燃機関を含むボトミングサイクルと、を含む。
【００１２】
また別の実施形態によれば、複合サイクル燃料電池は、
排ガスを発生させるように構成されるアノードを含む燃料電池であって、アノードは入口と出口とを含む燃料電池と、
燃料電池の下流において炭化水素燃料を燃料電池の排ガスと混合すると共に炭化水素燃料を部分的又は全面的に水素（Ｈ2）と一酸化炭素（ＣＯ）とに変換するように構成され、且つ、更に改質燃料を第１の部分と残りの部分とに分けるように構成される炭化水素燃料改質システムと、
改質燃料の第１の部分から熱を除去するように構成される第１の有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）と、
第１のＯＲＣと共働して、改質燃料の第１の部分から水と二酸化炭素とを除去することにより精製燃料を生成するように構成される燃料精製装置と、
精製燃料から熱を抽出すると共に抽出された熱を改質システムに流入する燃料と排ガスとに伝達するように構成される復熱器と、
加熱された精製燃料を燃料電池アノードの入口へと向かわせるように構成される燃料通路と、
改質燃料の残りの部分から熱を除去すると共にそれにより発電するように構成される第２のＯＲＣと、
第２のＯＲＣから流出する改質燃料の冷却された残りの部分に応動して駆動される外燃又は内燃機関を含むボトミングサイクルと、を含む。
【００１３】
更に別の実施形態によれば、複合サイクル燃料電池は、
排ガスを発生させるように構成されるアノードを含む燃料電池であって、アノードは入口と出口とを含む燃料電池と、
燃料電池の下流で炭化水素燃料を燃料電池の排ガスと混合すると共に炭化水素燃料を部分的又は全面的に水素（Ｈ2）と一酸化炭素（ＣＯ）とに変換して改質燃料を生成するように構成される炭化水素燃料改質システムと、
改質燃料から熱を除去するように構成される冷却システムと、
冷却された改質燃料の第１の部分をアノードの入口へと向かわせるように構成される燃料通路と、
冷却された改質燃料の残りの部分に応動して駆動される外燃又は内燃機関を含むボトミングサイクルと、を含む。
【００１４】
本発明の上記及びその他の特徴、態様、及び利点は、図面全体を通して同様の符号が同様の部分を表す添付図面と併せて以下の詳細な説明を読むことにより明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一実施形態に係る、改質器がレシプロエンジンボトミングサイクルへの供給を行う再循環を有する改質燃料で動作する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いる複合サイクル発電装置を示す略図である。
【図２】別の実施形態に係る、改質器がレシプロエンジンボトミングサイクルへの供給を行う再循環を有する改質燃料で動作する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いる複合サイクル発電装置を示す略図である。
【図３】また別の実施形態に係る、改質器がレシプロエンジンボトミングサイクルへの供給を行う再循環を有する改質燃料で動作する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いる複合サイクル発電装置を示す略図である。
【図４】更に別の実施形態に係る、改質器がレシプロエンジンボトミングサイクルへの供給を行う再循環を有する改質燃料で動作する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いる複合サイクル発電装置を示す略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
上記の図面に様々な実施形態を示すが、本明細書に記載のように、本発明のその他の実施形態も考えられる。いかなる場合も、本開示は本発明の実施例を限定としてではなく説明として提示している。当業者は、本発明の原理の範囲内及び趣旨の範囲内に含まれる数々のその他の改変態様及び実施形態を考案することができる。
【００１７】
本明細書に図面を参照して説明する実施形態は、有利には、再循環機能を用いる特定の実施形態では６５％を超える発電効率をもたらす。本明細書に記載の再循環機能がもたらす利点には、別途の給水が不要になる、改質器への自動給水が含まれるが、これに制限されるわけではない。
【００１８】
本明細書に記載のように、本発明のその他の実施形態も考えられる。本明細書に記載の原理は、例えば、厳密には固体酸化物燃料電池ではない類似の燃料電池技術にも同様に容易に適用可能である。幅広く様々な排熱回収サイクル及びこれらのサイクルを統合する方法も、本明細書に記載の原理を用いて得ることができる。
【００１９】
図１は、一実施形態に係る、改質器１４がレシプロエンジンボトミングサイクルへの供給を行う再循環を有する改質燃料で動作する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）１２を用いる複合サイクル発電装置１０を示す略図である。ＣＨ4等の炭化水素燃料１１は、図１に示す点１５において燃料電池アノード１３の下流でシステム１０に導入される。燃料１１は、改質器１４内において、改質反応を促進させるために任意で燃料電池１２が放出する熱の一部を用いて部分的又は全面的にＨ2とＣＯとに変換される。改質燃料流の一部は、戻り通路１７を介して燃料電池アノード１３の入口へと導かれ、改質燃料流の残りの部分は、流入する燃料流１１への復熱器内での熱伝達により冷却された後、適切な冷却器１８によって冷却され、その後、例えばレシプロ４ストローク、レシプロ２ストローク、対向ピストン２ストローク、又はガスタービンを含んでよいがこれらに制限されない外燃又は内燃機関１６を駆動するために用いられる。
【００２０】
図２は、別の実施形態に係る、改質器１４がレシプロエンジンボトミングサイクルへの供給を行う再循環を有する改質燃料で動作する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）１２を用いる複合サイクル発電装置２０を示す略図である。ＣＨ4等の炭化水素燃料１１は図２に示す点１５において燃料電池アノード１３の下流でシステム２０に導入される。燃料１１は、改質器１４内において、改質反応を促進させるために任意で燃料電池１２が放出する熱の一部を用いて部分的又は全面的にＨ2とＣＯとに変換される。改質燃料流の一部は戻り通路１７を介して燃料電池アノード１３の入口へと導かれ、改質燃料流の残りの部分は、最初に復熱器によって燃料流１１を暖める工程において、その後は有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）２２を通過する際に熱除去により冷却される。冷却された燃料流は、その後、例えばレシプロ４ストローク、レシプロ２ストローク、対向ピストン２ストローク、又はガスタービンを含んでよいがこれらに制限されない外燃又は内燃機関１６を駆動するために用いられる。
【００２１】
一実施形態によれば、ＯＲＣ２２を有利に用いて追加の発電を行える。別の実施形態によれば、燃焼機関１６の排気の熱を、戻り通路２４を介してＯＲＣ２２の作動流体に伝達して、ＯＲＣ２２によって達成される発電を更に増大させることができる。
【００２２】
図３は、また別の実施形態に係る、改質器１４がレシプロエンジンボトミングサイクルへの供給を行う再循環を有する改質燃料で動作する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）１２を用いる複合サイクル発電装置３０を示す略図である。ＣＨ4等の炭化水素燃料１１は図３に示す点１５において燃料電池アノード１３の下流でシステム３０に導入される。燃料１１は、改質器１４内において、改質反応を促進させるために任意で燃料電池１２が放出する熱の一部を用いて部分的又は全面的にＨ2とＣＯとに変換される。改質燃料流の一部は戻り通路１７を介して燃料電池アノード１３の入口へと導かれる。
【００２３】
改質燃料流の一部分を燃料電池アノード１３の入口へと向かわせる／再循環させる前に、再循環される部分は、最初にＯＲＣ３２により、次に、圧縮、熱遮断及び膨張工程を含んでよいがこれらに制限されない燃料精製装置３６により冷却される。その結果として達成される冷却により、Ｈ2Ｏ及びＣＯ2を含む燃焼生成物が凝縮されて結果的に得られる燃料流から分離される。固体又は液体ＣＯ2は、その後、貯蔵されるか、又は液状の形態で高圧に加圧されて、最終的に隔離される。この工程は実質的にＯＲＣ３２において再循環１７の燃料流の熱から得られる電力によって駆動される。
【００２４】
改質燃料流の残りの部分は、任意で、有機ランキンサイクル（ＯＲＣ）３４を通過する時に熱除去により冷却される。この冷却された燃料流は、その後、例えばレシプロ４ストローク、レシプロ２ストローク、対向ピストン２ストローク又はガスタービンを含んでよいがこれらに制限されない外燃又は内燃機関１６を駆動させるために用いられる。
【００２５】
一実施形態によれば、ＯＲＣ３４を有利に用いて追加の発電を行える。別の実施形態によれば、燃焼機関１６の排気の熱を、戻り通路２４を介してＯＲＣ３４の作動流体に伝達して、ＯＲＣ３４によって達成される電力の生成を更に増進させることができる。別の実施形態によれば、単一のＯＲＣを用いて再循環燃料流と残りの燃料流との両方を得ることができる。
【００２６】
複合サイクル発電装置３０は更に復熱器３８を含む。炭化水素の一次燃料の改質は、本明細書に述べたように、従来の複合サイクル燃料電池システムでは燃料電池の上流で行われる。従来の複合サイクル燃料電池システムにおいて、未燃焼燃料と燃焼性生物とを含む、燃料電池からの排ガスは、その後、排ガスバーナに送られ、排ガスバーナからの熱は複合サイクルシステムにおいて燃料改質器に導入される場合もある。これに対して、複合サイクル発電装置３０で用いられる一次燃料１１は、燃料電池１２の下流においてアノード排ガスと組み合わされると共に改質器１４に送られる。吸熱性の改質反応では、アノード排ガスから直接且つ／又は熱交換機３８を介して且つ／又はアノード１３と改質器１４との間での直接的な熱交換により熱が供給される。
【００２７】
複合サイクル発電装置３０では、１つには改質器１４から流出する燃料流が全面的に改質されるため、この燃料流の品質が燃料電池１３から流出する排ガスより実質的に高くなることから、燃料品質が従来の複合サイクル燃料電池システムを用いて達成可能な燃料品質より有利に向上する。このため、燃焼機関２４等のボトミングサイクル機関の燃焼器に送られる燃料が全面的に改質されて、燃料電池１３の廃熱を可能な限り効率的に用いることができるようになる。更に、有利な点として、燃料が全面的に改質されるため、複合サイクル発電装置のボトミングサイクルでは、燃料電池の冷却のために必要な空気流量が少なくなる。
【００２８】
図４は、一実施形態に係る、改質器１４がレシプロエンジンのボトミングサイクルへの供給を行う再循環を有する改質燃料で動作する固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）１２を用いる複合サイクル発電装置４０を示す略図である。ＣＨ4等の炭化水素燃料１１は図４に示す点１５において燃料電池アノード１３の下流でシステム４０に導入される。燃料１１は、改質反応を促進させるために任意で燃料電池１２が放出する熱の一部を用いて、改質器１４内で部分的又は全面的にＨ2とＣＯとに変換される。改質燃料流の一部は戻り通路１７を介して燃料電池アノード１３の入口へと導かれ、改質燃料流の残りの部分は、流入する燃料流１１への高温復熱器９内における熱伝達により冷却された後、適切な冷却器１８と低温ファン１９とによって冷却され、その後、例えばレシプロ４ストローク、レシプロ２ストローク、対向ピストン２ストローク、又はガスタービンを含んでよいがこれらに制限されない外燃又は内燃機関１６の駆動に用いられる。
【００２９】
低温ファン１９の使用は、有利な点として、使用するのにより費用がかかる高温ファンの使用より低費用であることが分かる。低温ファン１９は、改質燃料流の再循環流を、図４に示すように反時計回りの動きで確実に生じさせる機能を果たす。高温復熱器９は、低温ファン１９に流入する流れから熱を除去するよう作用する。この熱は、その後、低温ファン１９から流出する流れに伝達される。これらの機能によって、有利には、高温燃料流を再循環させて燃料電池１２に戻す一方で、低温の流れに原動力を付与することができる。図４に示すように、復熱器９は、流入する天然ガス燃料流１１の加熱にも用いられる。
【００３０】
本明細書に記載の実施形態は、有利には、流れを再循環させてアノード排気部からアノード入口に戻すことにより６５％よりも高い全体燃料利用率を達成した。更に、改質段階を再循環ループに含めることにより、アノード排気流に含まれる水分のみを用いて改質器の水分要件を満たすことができ、システム３０に追加の水を導入しなくてもよい。
【００３１】
本明細書に記載の実施形態は、有利には、燃料電池アノード１３の下流において改質を行う。改質段階が燃料電池１２の排気部とボトミングサイクル燃料入口との間の点で行われるため、改質燃料の幾らかをボトミングサイクルに直接供給することができる。改質器１４は、ボトミングサイクルに供給される燃料と燃料電池１２の燃料とを改質するため、燃料電池１２からより多くの熱を取り込む。１つの態様によれば、改質器１４は燃料電池１２の余剰熱をより多く利用して燃料濃度を現在の最新の複合サイクル燃料電池システムにおいて可能な濃度より高くすることによって、全体としてのシステム効率を高めることができる。
【００３２】
本明細書に記載の実施形態は、有利には、レシプロガスエンジンをボトミングサイクルとして用いる。レシプロガスエンジンは、例えばガスタービンよりも従来的に燃料に柔軟なので、改質器１４の設計においてガスタービンをボトミングサイクルとして用いる場合よりも高い柔軟性が得られる。
【００３３】
要約すると、本明細書において、複合サイクル燃料電池の実施形態とそれらに付随する利点を説明した。これらの実施形態の各々は、排ガスを発生させるアノードを含む固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を含む。炭化水素燃料改質システムは、ＳＯＦＣの下流で炭化水素燃料とＳＯＦＣ排ガスとを混合すると共に、炭化水素燃料を部分的又は全面的に水素（Ｈ2）と一酸化炭素（ＣＯ）とに変換する。改質燃料は第１の部分と残りの部分とに分けられる。燃料通路は、改質燃料の第１の部分をＳＯＦＣアノードの入口へと向かわせる。冷却器又は冷却器／低温ファン複合体等の冷却システムは、任意で、改質燃料の残りの部分から熱を除去すると共に改質燃料の冷却された残りの部分を、改質燃料の冷却された残りの部分に応動して駆動されるレシプロガスエンジンを含むボトミングサイクルへと送給するように構成される。
【００３４】
本発明の特定の機能のみを本明細書に例示及び説明したが、当業者には多くの改変及び変更が想到されよう。したがって、添付の特許請求の範囲は本発明の概念の範囲内に含まれるこうした全ての改変を網羅することを意図している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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