(57)【要約】固体酸化物形燃料電池システム（１０）は、固体酸化物形燃料電池スタック（１２）及びガスタービン機関（１４）を備える。固体酸化物形燃料電池スタック（１２）は、複数の固体酸化物形燃料電池（１６）を備える。ガスタービン機関（１４）は、圧縮機（２４）及びタービン（２６）を備える。圧縮機（２４）は、酸化剤エゼクタ（６０）を介して、燃料電池（１６）のカソード（２２）に酸化剤を供給し、酸化剤エゼクタ（６０）は、燃料電池（１６）のカソード（２２）からの未利用の酸化剤の一部を、圧縮機（２４）からの酸化剤と共に、燃料電池（１６）のカソード（２２）に戻して供給する。電池システム（１０）は、追加圧縮機（６４）と、追加圧縮機（６４）を駆動するようになされる電動機（６６）と、冷却器（７０）と、復熱器（７２）とをさらに備える。圧縮機（２４）は、冷却器（７０）を介して、追加圧縮機（６４）に酸化剤を供給し、追加圧縮機（６４）は、復熱器（７２）を介して、酸化剤エゼクタ（６０）に酸化剤を供給する。固体酸化物形燃料電池スタック（１２）は、タービン（２６）に排ガスを供給し、タービン（２６）は、復熱器（７２）を通って流れる酸化剤を加熱するために、復熱器（７２）を介して排ガスを供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池スタック（１２）及びガスタービン機関（１４）を備え、
前記固体酸化物形燃料電池スタック（１２）が、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）を備え、
各固体酸化物形燃料電池（１６）が、電解質（１８）と、アノード（２０）と、カソード（２２）とを備えており、
前記ガスタービン機関（１４）が、圧縮機（２４）と、前記圧縮機（２４）を駆動するようになされるタービン（２６）とを備え、
前記圧縮機（２４）が、酸化剤混合器（６０）を介して、前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）の前記カソード（２２）に酸化剤を供給するようになされ、
前記酸化剤混合器（６０）が、前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）の前記カソード（２２）からの未利用の前記酸化剤の一部を、前記圧縮機（２４）からの前記酸化剤と共に、前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）の前記カソード（２２）に戻して供給するようになされており、
追加圧縮機（６４）と、前記追加圧縮機（６４）を駆動するようになされる電動機（６６）とをさらに備え、
前記圧縮機（２４）が、前記追加圧縮機（６４）に酸化剤を供給するようになされ、
前記追加圧縮機（６４）が、前記酸化剤混合器（６０）に酸化剤を供給するようになされ、
前記固体酸化物形燃料電池スタック（１２）が、前記タービン（２６）に排ガスを供給するようになされている、
固体酸化物形燃料電池システム（１０）。
【請求項２】
固体酸化物形燃料電池システム（１０）であって、
冷却器（７０）と、復熱器（７２）とをさらに備え、
前記圧縮機（２４）が、前記冷却器（７２）を介して、前記追加圧縮機（６４）に酸化剤を供給するようになされ、
前記追加圧縮機（６４）が、前記復熱器（７２）を介して、前記酸化剤混合器（６０）に酸化剤を供給するようになされ、
前記固体酸化物形燃料電池スタック（１２）が、前記タービン（２６）に排ガスを供給するようになされ、
前記タービン（２６）が、前記復熱器（７２）を通って流れる前記酸化剤を加熱するために、前記復熱器（７２）を介して前記排ガスを供給するようになされている、
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）の前記カソード（２２）は、燃焼器（５２）に前記未利用の酸化剤の一部を供給するようになされ、
前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）の前記アノード（２２）は、燃焼器（５２）に前記未利用の燃料の一部を供給するようになされ、
前記燃焼器（５２）は、前記タービン（２６）に前記燃焼器（５２）排ガスの少なくとも一部を供給するようになされる、
請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃焼器（５２）は、前記タービン（２６）に前記燃焼器（５２）排ガスの一部を供給するようになされる、
請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃焼器（５２）は、熱交換器（８２）を通る第一の流路（８６）に、前記燃焼器（５２）排ガスの前記一部を供給するようになされ、
前記酸化剤混合器（６０）は、前記熱交換器（８２）を通る第二の流路（１００）を通じて、前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）の前記カソード（２２）からの前記未利用の酸化剤の前記一部を、前記圧縮機（２４）からの前記酸化剤と共に、前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）の前記カソード（２２）に戻して供給するようになされる、
請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
前記追加圧縮機（６４）は、前記復熱器（７２）を介して、追加混合器（７４）に酸化剤を供給するようになされ、
前記燃焼器（５２）は、前記追加混合器（７４）に前記燃焼器（５２）排ガスを供給するようになされ、
前記追加混合器（７４は、前記熱交換器（８２）を通る前記第一の流路（８６）に、酸化剤及び前記燃焼器（５２）排ガスを供給するようになされる、
請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項７】
前記熱交換器（８２）は、前記燃焼器（５２）に、前記熱交換器（８２）を通って前記第一の流路（８６）を出ていく前記燃焼器（５２）排ガスの第一部分及び酸化剤を供給するようになされ、
前記熱交換器（８２）は、前記タービン（２６）に、前記熱交換器（８２）を通って前記第一の流路（８６）を出ていく前記燃焼器（５２）排ガスの第二部分及び酸化剤を供給するようになされる、
請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項８】
前記追加混合器（７４）は追加エゼクタである、
請求項６又は７に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項９】
前記追加圧縮機（６４）はファン又はブロワである、
請求項１ないし８のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１０】
前記酸化剤混合器（６０）は酸化剤エゼクタである、
請求項１ないし９のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池システム、特に固体酸化物形燃料電池スタック及びガスタービン機関を備える固体酸化物形燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
国際公開第２００４／０３２２７３号公報には、固体酸化物形燃料電池スタック及びガスタービン機関を備え、固体酸化物形燃料電池スタックのカソードに供給される新たな酸化剤を予熱するために、固体酸化物形燃料電池スタックのカソードを出ていく未利用の酸化剤の一部が、固体酸化物形燃料電池スタックのカソードに供給される新たな酸化剤と共に再循環される、固体酸化物形燃料電池システムが開示されている。ここで新たな酸化剤によって駆動される酸化剤エゼクタは、未利用の酸化剤を固体酸化物形燃料電池スタックのカソードに戻して再循環させるのに用いられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この固体酸化物形燃料電池システムに関する問題は、ガスタービン機関の圧縮機とその膨張機であるタービンとの間の酸化剤エゼクタの部分で、非常に大きな圧力損失が生じるため、その固体酸化物形燃料電池システム用に固有のガスタービン機関を設計するのが必要になることである。ガスタービン機関の固有設計は、固体酸化物形燃料電池システムの総費用を増大させる。
【０００４】
従って、本発明は、上記の問題を軽減し、望ましくは克服するため、新たな固体酸化物形燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かくして、本発明は、固体酸化物形燃料電池スタック及びガスタービン機関を備え、前記固体酸化物形燃料電池スタックが、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池を備え、各固体酸化物形燃料電池が、電解質と、アノードと、カソードとを備えており、前記ガスタービン機関が、圧縮機と、前記圧縮機を駆動するようになされるタービンとを備え、前記圧縮機が、酸化剤混合器を介して、前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池の前記カソードに酸化剤を供給するようになされ、前記酸化剤混合器が、前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池の前記カソードからの未利用の前記酸化剤の一部を、前記圧縮機からの前記酸化剤と共に、前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池の前記カソードに戻して供給するようになされており、追加圧縮機と、前記追加圧縮機を駆動するようになされる電動機とをさらに備え、前記圧縮機が、前記追加圧縮機に酸化剤を供給するようになされ、前記追加圧縮機が、前記酸化剤混合器に酸化剤を供給するようになされ、前記固体酸化物形燃料電池スタックが、前記タービンに排ガスを供給するようになされている、固体酸化物形燃料電池システムを提供するものである。
【０００６】
固体酸化物形燃料電池システムは、冷却器と、復熱器とをさらに備えてもよく、前記圧縮機は、前記冷却器を介して、前記追加圧縮機に酸化剤を供給するようになされてもよく、前記追加圧縮機は、前記復熱器を介して、前記酸化剤混合器に酸化剤を供給するようになされてもよく、前記固体酸化物形燃料電池スタックは、前記タービンに排ガスを供給するようになされてもよく、前記タービンは、前記復熱器を通って流れる前記酸化剤を加熱するために、前記復熱器を介して前記排ガスを供給するようになされてもよい。
【０００７】
前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池の前記カソードは、燃焼器に前記未利用の酸化剤の一部を供給するようになされてもよく、前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池の前記アノードは、燃焼器に前記未利用の燃料の一部を供給するようになされ、前記燃焼器は、前記タービンに前記燃焼器排ガスの少なくとも一部を供給するようになされる。
【０００８】
前記燃焼器は、前記タービンに前記燃焼器排ガスの一部を供給するようになされてもよい。
【０００９】
前記燃焼器は、熱交換器を通る第一の流路に、前記燃焼器排ガスの前記一部を供給するようになされてもよく、前記酸化剤混合器は、前記熱交換器を通る第二の流路を通じて、前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池の前記カソードからの前記未利用の酸化剤の前記一部を、前記圧縮機からの前記酸化剤と共に、前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池の前記カソードに戻して供給するようになされる。
【００１０】
前記追加圧縮機は、前記復熱器を介して、追加混合器に酸化剤を供給するようになされてもよく、前記燃焼器は、前記追加混合器に前記燃焼器排ガスを供給するようになされ、前記追加混合器は、前記熱交換器を通る前記第一の流路に、酸化剤及び前記燃焼器排ガスを供給するようになされる。
【００１１】
前記熱交換器は、前記燃焼器に、前記熱交換器を通って前記第一の流路を出ていく前記燃焼器排ガスの第一部分及び酸化剤を供給するようになされてもよく、前記熱交換器は、前記タービンに、前記熱交換器を通って前記第一の流路を出ていく前記燃焼器排ガスの第二部分及び酸化剤を供給するようになされる。
【００１２】
前記追加圧縮機はファン又はブロワであってもよい。
【００１３】
前記酸化剤混合器は酸化剤エゼクタであってもよい。前記追加混合器は追加エゼクタであってもよい。
【００１４】
本発明はまた、固体酸化物形燃料電池スタック及びガスタービン機関を備え、前記固体酸化物形燃料電池スタックが、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池を備え、各固体酸化物形燃料電池が、電解質と、アノードと、カソードとを備えており、前記ガスタービン機関が、圧縮機と、前記圧縮機を駆動するようになされるタービンとを備え、前記圧縮機が、酸化剤エゼクタを介して、前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池の前記カソードに酸化剤を供給するようになされ、前記酸化剤エゼクタが、前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池の前記カソードからの前記未利用の酸化剤の一部を、前記圧縮機からの前記酸化剤と共に、前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池の前記カソードに戻して供給するようになされており、追加圧縮機と、前記追加圧縮機を駆動するようになされる電動機とをさらに備え、前記圧縮機が、前記追加圧縮機に酸化剤を供給するようになされ、前記追加圧縮機が、前記酸化剤エゼクタに酸化剤を供給するようになされ、前記固体酸化物形燃料電池スタックが、前記タービンに排ガスを供給するようになされている、固体酸化物形燃料電池システムを提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本発明を、一例として添付された図面に沿って、さらに十分に記述する。
【図１】図１は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池システムである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システム１０は、図１に示すように、固体酸化物形燃料電池スタック１２及びガスタービン機関１４を備える。固体酸化物形燃料電池スタック１２は、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池１６を備え、各固体酸化物形燃料電池１６は、電解質１８、アノード２０及びカソード２２を備える。アノード２０及びカソード２２は、電解質１８の対向する各表面に配置される。
【００１７】
ガスタービン機関１４は、圧縮機２４と、軸２８を介して圧縮機２４を駆動するようにされるタービン２６とを備える。ガスタービン機関１４のタービン２６は、さらに軸２９を介して発電機２７も駆動するようになされる。
【００１８】
固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０には、燃料、例えば水素、が燃料マニホールド３０によって供給され、燃料供給源３２、例えば水素の、はダクト３４を通じて、燃料マニホールド３０に燃料を供給するようになされている。カソード２２には、酸化剤、例えば酸素、空気など、が酸化剤マニホールド３６によって供給され、酸化剤供給源３８は、ダクト４０を通じて、酸化剤マニホールド３６に酸化剤を供給するようになされている。圧縮機２４は、ダクト４０部内に位置し、酸化剤マニホールド３６に供給する酸化剤を加圧する。
【００１９】
アノード２０は、未利用燃料収集マニホールド４２を備え、そこに未利用の燃料が放出される。未利用燃料収集マニホールド４２は、未利用の燃料の一部が燃料マニホールド３０に供給され、再循環されるように、ダクト４４及びダクト４６を介して、ダクト３４に接続される。燃料エゼクタ４８は、未利用の燃料収集マニホールド４２から燃料マニホールド３０への未利用の燃料の供給及び再循環を誘発するように設けられる。ダクト４４、ダクト４６、及び燃料エゼクタ４８は、固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０からの未利用の燃料を、固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０に戻して供給し、再循環させる手段５０を形成している。燃料エゼクタ４８は、未利用の燃料を加圧すると共に、その未利用の燃料と、燃料供給源３２によって燃料ダクト３４を通じて燃料マニホールド３０に供給される燃料とを混合する。燃料供給源３２からの燃料のみが、燃料供給源３２と燃料エゼクタ４８との間のダクト３４の第一部分３４Ａに流入する。燃料供給源３２からの燃料、及び燃料エゼクタ４８によって混合された後の固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０からの未利用の燃料の一部は、ダクト３４の第二部分３４Ｂを通じて燃料マニホールド３０に供給される。
【００２０】
未利用燃料収集マニホールド４２は、未利用燃料の第二部分が燃焼器５２に供給されるように、ダクト４４及びさらなるダクト５４を介して燃焼器５２にも接続される。
【００２１】
固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２は、未利用酸化剤収集マニホールド５６を備え、そこに未利用の酸化剤が放出される。未利用酸化剤収集マニホールド５６は、未利用の酸化剤の一部が酸化剤マニホールド３６に供給され、再循環されるように、ダクト５８を介してダクト４０に接続される。酸化剤エゼクタ６０は、未利用酸化剤収集マニホールド５６から酸化剤マニホールド３６への未利用の酸化剤の供給及び再循環を誘発するように設けられる。ダクト４０、ダクト５８、及び酸化剤エゼクタ６０は、固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２からの未利用の酸化剤を、固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２に戻して供給し、再循環させる手段６１を形成している。酸化剤エゼクタ６０は、未利用の酸化剤を加圧すると共に、その未利用の酸化剤と、圧縮機２４によってダクト４０を通じて酸化剤マニホールド３６に供給される酸化剤とを混合する。圧縮機２４は、酸化剤エゼクタ６０を介して、固体酸化物形燃料電池１２のカソード２２に酸化剤を供給するようになされ、酸化剤エゼクタ６０は、固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２からの未利用の酸化剤の一部を、圧縮機２４からの酸化剤と共に、固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２に戻して供給するようになされる。
【００２２】
未利用酸化剤収集マニホールド５６は、未利用の酸化剤の第二部分が燃焼器５２に供給されるように、ダクト５８及びさらなるダクト６２を介して燃焼器５２に接続される。
【００２３】
固体酸化物形燃料電池システム１０は、追加圧縮機６４、電動機６６、冷却器７０、及び復熱器７２をさらに備える。電動機６６は、軸６８を介して追加圧縮機６４を駆動するようになされる。圧縮機２４は、ダクト４０の一部分４０Ａ、冷却器７０、及びダクト４０の一部分４０Ｂを通じて追加圧縮機６４に酸化剤を供給するようになされる。冷却剤Ｃは、冷却器７０を通って流れながら酸化剤を冷却するために、冷却器７０に供給される。
【００２４】
追加圧縮機６４は、酸化剤を加熱するために、ダクト４０の一部分４０Ｃを通じて、復熱器７２に酸化剤を供給するようになされる。加熱された酸化剤の第一部分は、復熱器７２から、ダクト４０の一部分４０Ｄを通じて、酸化剤エゼクタ６０に供給され、加熱された酸化剤の第二部分は、復熱器７２から、ダクト７６を通じて、追加エゼクタ７４に供給される。燃焼器５２は、ダクト７８を通じて、追加エゼクタ７４の第二の入口に高温の排ガスを供給するようになされる。追加エゼクタ７４は、復熱器７２から供給された酸化剤の一部と、燃焼器５２からの高温の排ガスとを混合する。追加エゼクタ７４の出口は、その酸化剤と排ガスの混合物を、ダクト８０を通じて、熱交換器８２に供給するようになされる。高温の排ガスは、熱交換器８２の第一の入口８４に供給され、熱交換器８２内の第一の流路８６を通って熱交換器８２の第一の出口８８へと流れる。その後、高温の排ガスと酸化剤の混合物の一部は、熱交換器８２の第一の出口８８から、ダクト９０を通じて、タービン２６に供給される。高温の排ガスは、タービン２６を駆動し、その後、その高温の排ガスは、ダクト９２を通って復熱器７２に流れ、排気部９４を通じて排出される。酸化剤と高温の排ガスの混合物のさらなる一部は、熱交換器８２の第一の出口８８から、ダクト９６を通じて燃焼器５２に供給される。
【００２５】
酸化剤エゼクタ６０は、追加圧縮機６４によって復熱器７２及びダクト４０の一部分４０Ｄを通じて供給された酸化剤と、酸化剤収集マニホールド５６及びダクト５８から供給された未利用の酸化剤とを、熱交換器８２の第二の入口９８へのダクト４０の一部分４０Ｅ、及び熱交換器８２内の第二の流路１００を通る、熱交換器８２の第二の出口１０２への流れを通じて、供給するようになされる。その追加圧縮機６４からの酸化剤、及び固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２からの未利用の酸化剤の一部は、その後、熱交換器８２第二の出口１０２から、ダクト４０の一部分４０Ｆを通じて、酸化剤マニホールド３６に供給される。
【００２６】
固体酸化物形燃料電池スタック１２は、タービン２６に排ガスを供給するようになされ、タービン２６は、復熱器７２を通って流れる酸化剤を加熱するために、復熱器７２を介して排ガスを供給するようになされる。
【００２７】
本発明の利点は、固体酸化物形燃料電池のカソードからの未利用の酸化剤を固体酸化物形燃料電池のカソードに戻して再循環させるときに、酸化剤エゼクタにより生じる大きな圧力損失を伴いつつ動作する特定のガスタービン機関を開発するよりむしろ、追加圧縮機、電動機、冷却器、及び復熱器を用いることで、市販のガスタービン機関の使用ができることである。追加圧縮機は、特に固体酸化物形燃料電池システムへの入口での酸化剤圧力・空気圧力を高めるため、酸化剤エゼクタを使用して、固体酸化物形燃料電池のカソードからの未利用の酸化剤・未利用の空気を固体酸化物形燃料電池のカソードに戻して再循環を促すことが可能になる。この追加圧縮機を用いることで、圧縮機の圧縮率がタービンの膨張率より大きい先進の非従来型ガスタービン機関と比べて、圧縮機の圧縮率がタービンの膨張率と等しい従来型のガスタービン機関を使用することが可能になる。冷却器は、追加圧縮機によって必要となる追加の電力を減少させ、例えば、その必要な電力を約６０％減らせる。
【００２８】
本発明は、追加圧縮機と圧縮機との間の酸化剤の流路内にある冷却器、及びタービンからの排ガスの流路内でかつ追加圧縮機から酸化剤エゼクタへの酸化剤の流路内にある復熱器に関して記載されているが、本発明は、冷却器を備えずとも、復熱器を備えずとも、又は冷却器と復熱器との両方を備えずとも、同じ程度良好に使用することが可能である。あるいは、冷却器及び復熱器を備えた場合、追加圧縮機６４からの酸化剤の一部を、復熱器７２を通して流さずに、直接ダクト７６を通じて追加エゼクタ７４に供給することも可能であり、また、その追加圧縮機６４からの酸化剤の一部を復熱器７２に供給し、その後ダクト４０Ｄを通じて酸化剤エゼクタ６０に供給することも可能である。
【００２９】
本発明において、燃料供給源２２が、例えば、アルカン、アルケン、アルコールなどの炭化水素燃料の、例えば、メタン、ブタン、プロパン、天然ガス、エタノールなどである場合、ダクト３４の第二部分３４Ｂに燃料改質器を設けて、固体酸化物形燃料電池１６の燃料マニホールド３０及びアノード２０に燃料を供給することも可能である。この燃料改質器は、固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２を出る未利用の酸化剤によって、例えば、酸化剤収集マニホールド５６内あるいはダクト５８内などで、加熱するようになされてもよい。
【００３０】
本発明は、酸化剤エゼクタに関して記載されているが、未利用酸化剤収集マニホールドから供給された未利用の酸化剤を、酸化剤供給源から圧縮機によって供給された新たな酸化剤と混合する、他のタイプの酸化剤混合器を使用することも可能である。本発明は、追加エゼクタに関して記載されているが、他のタイプの追加混合器を使用することも可能である。本発明は、燃料エゼクタに関して記載されているが、未利用燃料収集マニホールドからの未利用の燃料を、燃料供給源からの新たな燃料と混合する、他のタイプの燃料混合器を使用することも可能である。
【図１】
2014530453.tif 000003
【国際調査報告】
2014530453.tif 000004
2014530453.tif 000005