(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極側及び陰極側を有し、電力を発電するように構成された少なくとも１つの高温燃料電池スタックと、
前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックの前記陽極側から出力される一つ以上の陽極排気及び前記陽極排気から得られるガスを酸化し、高レベルの熱を発生させるように構成された酸化器と、前記酸化器で発生する前記高レベルの熱を回収するように構成された高レベル熱回収システムと、を備える気体酸化器／高レベル熱回収アセンブリと、
前記陽極排気又は前記陽極排気から得られる前記ガスが前記酸化器に提供される前に前記少なくとも１つの燃料電池スタックの前記陽極側からの出力された前記陽極排気を冷却し、予熱されたオキシダントガスが前記酸化器に提供される前に前記陽極排気の熱を使用し、入力されたオキシダントガスを予熱するように構成された排気レキュペレータと、を備え、
前記気体酸化器／高レベル熱回収アセンブリは、前記入力されたオキシダントガスが前記排気レキュペレータにおいて予熱された後で、前記予熱されたオキシダントガスがさらに前記酸化器において加熱されて高温オキシダントガスを生成し、前記酸化器において前記予熱されたオキシダントガスがさらに加熱された後で、前記高温オキシダントガスが前記気体酸化器／高レベル熱回収アセンブリから前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックの前記陰極側に出力されるように、前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックと結合されている、燃料電池システム。
【請求項２】
前記高レベル熱回収システムが、給水を受け取り、前記酸化器によって発生する前記高レベルの熱を使用し、高圧高温蒸気を発生させるように構成されたボイラーを備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記陽極排気から水を回収し、水が分離された陽極排気を出力するように構成された水移動アセンブリをさらに備え、前記酸化器は前記水が分離された陽極排気を酸化するように構成される、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記排気レキュペレータが、前記水が分離された陽極排気を予熱し、前記加熱された水が分離された陽極排気を前記酸化器に出力するように構成される、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記加熱されたオキシダントガスが前記酸化器に提供される前に前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックから出力された燃料電池オキシダント排気からの廃熱を使用し、前記オキシダントガスを加熱するように構成された加熱器をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池システムが、入力燃料を処理し、前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックに前記処理された燃料を供給するように構成された燃料処理アセンブリをさらに備え、前記燃料処理アセンブリが、水、及び前記ボイラーで発生する前記高圧高温蒸気の第１の部分の内の１つ又は複数を使用し、前記入力燃料を加湿し、前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックによって出力されたオキシダント排気からの廃熱を使用し、加湿された燃料を予熱するように構成された加湿器／熱交換器アセンブリを含む
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池システムが、（ｉ）前記陽極排気から水を回収し、前記入力燃料を加湿するために前記加湿器／熱交換器アセンブリに回収された水を出力し、（ｉｉ）前記酸化器での使用のために水が分離された陽極排気を出力するように構成された水移動アセンブリをさらに備える、請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記高圧高温蒸気の前記第１の部分を膨張させ、前記膨張のプロセスから電力を発電しながら、前記加湿器／熱交換器アセンブリにより低圧の蒸気を出力するように構成されたエキスパンダアセンブリをさらに備え、前記エキスパンダアセンブリによって発電される前記電力が前記燃料電池システムから出力される、又は前記燃料電池システムの中で使用される、請求項６又は請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池システムにオキシダントガスを供給するように構成された送風機をさらに備え、前記送風機が、前記エキスパンダアセンブリによって発電される前記電力が前記送風機によって直接的に使用可能であるように前記エキスパンダアセンブリと直接的に結合される、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記高レベル熱回収システムが、燃料改質アセンブリ、精製装置コーカーユニット、重油蒸留ユニット、及びエキスパンダの内の１つ又は複数に高レベルの熱を提供するように構成される、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池システムを使用して電力と高レベルの熱を生成する方法であって、前記方法は、
陽極側及び陰極側を有する少なくとも１つの高温燃料電池スタックを、電力を発電するように動作させることと、
前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックの前記陽極側から出力される一つ以上の陽極排気及び前記陽極排気から得られるガスを、酸化器／高レベル熱回収アセンブリの酸化器において酸化させることであって、前記酸化のプロセスの結果として、高レベルの熱を発生させる、ことと、
前記気体酸化器／高レベル熱回収アセンブリの高レベル熱回収システムを使用して、前記酸化のプロセスの結果として発生する前記高レベルの熱を回収することと、
前記陽極排気又は前記陽極排気から得られる前記ガスが前記酸化の工程で酸化される前に前記少なくとも１つの燃料電池スタックの前記陽極側からの出力された前記陽極排気を冷却し、前記陽極排気の熱を使用し、入力されたオキシダントガスを予熱し、前記酸化の工程で使用されるための前記予熱されたオキシダントガスを供給することと、を含み、
前記気体酸化器／高レベル熱回収アセンブリは、前記入力されたオキシダントガスが予熱された後で、前記予熱されたオキシダントガスがさらに前記酸化器において加熱されて高温オキシダントガスを生成し、前記酸化器において前記予熱されたオキシダントガスがさらに加熱された後で、前記高温オキシダントガスが前記酸化器／高レベル熱回収アセンブリから前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックの前記陰極側に出力されるように、前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックと結合されている、方法。
【請求項１２】
高レベルの熱を回収する工程が、前記酸化の工程で発生する前記高レベルの熱を直接的に使用することによって給水から高圧高温蒸気を発生させることを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記陽極排気から水を回収して、水が分離された陽極排気を出力することをさらに含み、
前記酸化器は前記水が分離された陽極排気を酸化する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記陽極排気の前記熱を使用して前記入力されたオキシダントガスを予熱しながら、前記陽極排気の前記熱を使用して前記水が分離された陽極排気を予熱し、前記加熱された水が分離された陽極排気を前記酸化の工程で使用するために供給することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックに処理済みの燃料を供給する前に入力燃料を処理することをさらに含み、前記処理するステップは、水、及び前記高圧高温蒸気の第１の部分の内の１つ又は複数を使用し、前記入力燃料を加湿することと、前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックによって出力されたオキシダント排気からの廃熱を使用し、加湿された燃料を予熱することと、を含む、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、米国特許法第１２０条の下で、内容が全体として参照により本明細書に援用される２０１４年１１月２１日に出願された米国特許出願第１４／５５０，３２０号の優先権を主張する。
【０００２】
本願は燃料電池システムに関し、特に高圧蒸気の生成のために廃熱回収を用いる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池は、電気化学反応によって炭化水素燃料に蓄えられる化学エネルギーを電気エネルギーに直接的に変換する装置である。概して、燃料電池は、電荷を帯びたイオンを伝導するために役立つ電解質によって分離される陽極電極及び陰極電極を含む。溶融炭酸塩型燃料電池及び固体酸化物燃料電池等の高温燃料電池は、反応性燃料ガスに陽極を通過させることによって動作する。一方、二酸化炭素及び酸素を含有するオキシダントガスは陰極を通される。有用な電力レベルを生じさせるためには、いくつかの個々の燃料電池が連続して積み重ねられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高温の燃料電池は、通常、燃料電池のタイプに応じて６００℃（１１００°Ｆ）及び１０００℃（１８００°Ｆ）の温度で動作し、燃料電池によって出力される高温排気の一部として廃熱を産生する。さらに、高温燃料電池は、通常、燃料電池システムに送られる燃料の６０〜８０％を消費し、従来のシステムでは、残りの燃料は燃料電池排気とともに出力され、酸化器又は類似する装置で酸化され、廃熱に変換される。従来の燃料電池システムでは、燃料電池排気からの廃熱は、加湿器／熱交換器で入ってくる燃料を予熱した後に約７５０°Ｆから約２５０°Ｆの冷却システム排気ガスによって回収される。水は燃料電池排気から回収され、回収された水は入ってくる燃料を加湿するために再生利用される。係るシステムの例は、本明細書の同じ譲受人に譲渡された陽極排気水回収特許第８，３６７，２５６号に開示される。
【０００５】
従来のシステムでは、排気から回収可能な熱の最大レベルは約７００°Ｆに制限され、すべての熱を蒸気として回収するには、生成される蒸気の温度上限は約２５０°Ｆである、又は蒸気は約１５ｐｓｉｇの圧力である。約１５ｐｓｉｇより高い圧力での蒸気の生成は回収される廃熱の量を大幅に削減する。さらに、６００ｐｓｉｇを超える高圧蒸気を使用する業界の場合、燃料電池陰極排気の廃熱の７０％超が従来のシステムでは使用できない。さらに、燃料電池排気からの廃熱は、通常５０°Ｆと１５０°Ｆとの間で温度アプローチを用いる熱交換器を使用し、回収される。アプローチ温度が熱回収で考慮されるとき、利用可能な熱の量は追加の５〜２０％削減される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
高圧蒸気の生成及び／又は燃料電池廃熱からの他の目的のための高レベル（＞８００°Ｆ）の廃熱の回収を可能にする改善された廃熱回収を用いる燃料電池システムを提供することが本発明の目的である。
【０００７】
システム水を独立させることによって、及び動作に電力を必要とする従来の水準備構成要素を排除する又は置き換えることによって燃料電池システムの全体的な効率を改善することが、本発明のさらなる目的である。
【０００８】
これらの目的及び他の目的は、陽極側及び陰極側を有し、発電するように適応された少なくとも１つの高温燃料電池スタック、並びに少なくとも１つの高温燃料電池スタックから出力される排気及び排気から得られるガスの内の１つ又は複数を酸化し、高レベルの熱を発生させるように適応された酸化器、及び酸化器アセンブリで発生する高レベルの熱を回収するように適応された高レベル熱回収システムを含んだ気体酸化器／高レベル熱回収アセンブリを備える、電力及び高圧高温蒸気を発生させるため、及び／又は他の目的のための高レベル（＞８００°Ｆ）の廃熱の回収のための燃料電池システムで実現される。いくつかの実施形態では、高レベル熱回収アセンブリは給水を受け取り、酸化器によって発生する廃熱を使用し、高圧高温蒸気を発生させるように適応されたボイラー（又は他の高レベル熱回収システム）を含む。他の実施形態では、高レベル熱回収システムは、燃料改質アセンブリ、精製装置コーカーユニット、重油蒸留ユニット、及びエキスパンダの内の１つ又は複数に高レベルの熱を提供する。特定の実施形態では、排気は陽極排気であり、酸化器は少なくとも１つの高温燃料電池スタックから出力される陽極排気、及び陽極排気から得られるガスの内の１つ又は複数を酸化する。
【０００９】
いくつかの実施形態では、システムは、排気又は陽極排気から得られるガスが酸化器に提供される前に少なくとも１つの燃料電池スタックから出力される排気を冷却し、加熱されたオキシダントガスが酸化器に提供される前に陽極排気の熱を使用し、入力オキシダントガスを予熱するように適応された陽極排気レキュペレータ、及び排気から水を回収し、水の大部分が排気ガスから除去された、水が分離された排気を出力するように適応された水移動アセンブリの内の１つ又は複数も含み、排気から得られるガスは水が分離された排気を含む。排気レキュペレータは、水が分離された排気を予熱し、酸化器に加熱された水が分離された排気を出力するようにさらに適応されてよい。
【００１０】
特定の実施形態では、燃料電池システムは、加熱されたオキシダントガスが酸化器に提供される前に少なくとも１つの高温燃料電池スタックから出力されるオキシダント排気（陰極排気）からの廃熱を使用し、オキシダントガスを加熱するように適応された加熱器又は熱レキュペレータをさらに含む。
【００１１】
特定の実施形態では、燃料電池システムは、少なくとも１つの高温燃料電池スタックに処理済みの燃料を供給する前に入力燃料を処理するための燃料処理アセンブリも含んでよく、燃料処理アセンブリは、水及びボイラーで発生する高圧高温蒸気の第１の部分の内の１つ又は複数を使用し、入力燃料を加湿し、少なくとも１つの高温燃料電池スタックによって出力されるオキシダント排気からの廃熱を使用し、加湿された燃料を予熱するように適応された加湿器／熱交換器アセンブリを含む。また、システムは、入力燃料を加湿するための加湿器／熱交換器アセンブリに回収された水を出力し、酸化器での使用のために水が分離された陽極排気を出力するために陽極排気から水を回収するための水移動アセンブリを含んでよい。いくつかの実施形態では、燃料電池システムは、膨張プロセスから発電しながら、高圧高温蒸気の第１の部分を膨張させ、加湿器／熱交換器アセンブリにより低圧の蒸気を出力するためのエキスパンダアセンブリを含む。係る実施形態では、エキスパンダアセンブリによって発電される電力はシステムから出力されてよい、又はシステムの中で使用されてよい。さらに、システムはシステムにオキシダントガスを供給するための送風機を含んでよく、送風機は、エキスパンダアセンブリによって発電される電力が送風機によって直接的に使用されるようにエキスパンダアセンブリと直接的に結合される。いくつかの実施形態では、気体酸化器／ボイラーアセンブリは、気体酸化器／ボイラーアセンブリが少なくとも１つの高温燃料電池スタックの陰極側に高温オキシダントガスを出力するように、少なくとも１つの高温燃料スタックと結合される。
【００１２】
燃料電池システムを使用し、電力及び高圧高温蒸気を発生させる方法が説明される。方法は、発電するために陽極側及び陰極側を有する少なくとも１つの高温燃料電池スタックを操作するステップと、少なくとも１つの高温燃料電池スタックから出力される陽極排気及び／又は酸化器の陽極排気から得られるガスの内の１つ又は複数を酸化し、一方で酸化プロセスの結果として廃熱を発生させるステップと、及び酸化するステップで発生する廃熱を直接的に使用することによって給水から高圧高温蒸気を発生させるステップと、を含む。燃料電池システムに関して上述された他の特徴は、方法に組み込まれてよい。高レベルの熱入力を必要とする他のシステムが、蒸気発生の代わりに使用できるだろう。
【００１３】
本発明の上記及び他の特徴及び態様は、添付図面と併せて以下の発明を実施するための形態を読むとより明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】水回収を含んだ、本発明に従って燃料電池廃熱を活用する高圧蒸気発生システムのブロック図である。
【図２】水回収を含まない、図１の高圧システム発生システムの実施形態のブロック図である。
【図３】降下蒸気タービンからの発電を用いる、図１の高圧蒸気発生システムの第３の実施形態のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１から図３は、高圧高温蒸気の生成のために燃料電池廃熱を活用する高圧蒸気発生システム１００の異なる実施形態を示す。高圧蒸気発生システム１００は１つ又は複数の燃料電池スタック１０２を含み、該燃料電池スタック１０２のそれぞれは燃料供給経路１０３から燃料を受け取り、陽極排気を出力するように適応された陽極側１０４、及びオキシダントガスを受け取り、陰極排気を出力するように適応された陰極側１０６、並びに燃料電池排気、又は燃料電池排気から得られるガス、空気若しくはオキシダントガス、及び水を受け取り、システム１００の外部での使用のための高圧過熱蒸気及び燃料電池陰極１０６での使用に適したオキシダントガスを発生させるように適応された陽極ガス酸化器（ＡＧＯ）／ボイラーアセンブリ１０８を含む。図１から図３に示されるシステムでは、ＡＧＯ／ボイラーアセンブリで使用される燃料電池排気又は燃料電池排気から得られるガスは陽極排気ガスである。図１から図３に示されるように、ＡＧＯ／ボイラーアセンブリ１０８はＡＧＯ１０９、酸化器、及びＡＧＯ燃焼ボイラー１１０を含む。ＡＧＯ１０９は陽極排気、又は陽極排気から得られるガス、及び空気若しくはオキシダントガスを受け取り、受け取ったガスを酸化して燃料電池陰極側１０６での使用に適した高温オキシダントガスを生成させる。図１から図３に示されるように、ＡＧＯ１０９に供給される前に、空気又はオキシダントガスは送風機１１２又は類似する装置を使用し、熱交換器１１４に運ばれ、燃料電池スタック１０２の陰極側１０６から出力される陰極排気等、加熱されたガス又は流体を使用し、熱交換器１１４で予熱される。ボイラー１１０はボイラー給水を受け取り、約１０００〜２０００Ｆの温度でＡＧＯ１０９から出力される高温オキシダントガスから熱を回収し、高温オキシダントガスから回収された熱を使用して、やはり過熱されることがある高圧蒸気を生じさせる。熱がボイラー１１０の高温オキシダントガスから回収された後、高温オキシダントガスは燃料電池スタック１０２の陰極側１０６に運ばれる。スタック１０２の陰極側１０６で受け取られるオキシダントガスの温度は、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）システムの場合約１０００Ｆである。
【００１６】
図１は、燃料電池スタック１０２の陽極側１０４から出力される陽極排気からの水の回収を活用する高圧蒸気発生システム１００の第１の実施形態を示す。示されるように、システム１００は、天然ガス又は給水設備１１６からの水と混合される他の適切な燃料等の燃料を供給され、燃料電池スタック１０２からの廃熱を使用し、加湿器／熱交換器１１８で予熱される。示されている例示的な実施形態では、スタック１０２の陰極側１０６から出力される陰極排気は燃料と水との混合物を予熱するために陰極排気の廃熱が使用される加湿器／熱交換器１１８に運ばれる。加湿器／熱交換器１１８から出力される、予熱され、加湿された燃料は次いで、燃料が改質触媒の存在下で改質される又は部分的に改質される事前改質装置１２０に出力される。事前改質装置１２０から出力された事前改質燃料は、次いで燃料電池スタック１０２の陽極側１０４に供給される。
【００１７】
図１では、燃料電池で電気化学反応を受けた後、陽極排気は燃料電池スタック１０２の陽極側１０４から出力される。水素、一酸化炭素、並びに二酸化炭素及び水を有するメタン等の未使用の燃料を含む陽極排気は、入力空気又はオキシダントガス及び／又は水が分離された陽極排気ガスを除去された水の大部分で予熱しながら、陽極排気を冷却する陽極ガスレキュペレータ１２２に出力される。冷却された陽極排気は次いで、陽極排気をさらに冷却し、凝縮によって陽極排気から水を分離するための調節器／冷却器１１６を含んだ水移動アセンブリに運ばれる。水移動アセンブリの構成は、システム、周囲温度等の運転条件に応じて変わることがあることが理解される。例えば、本明細書の出願人に譲渡され、参照により本明細書に援用される米国特許第８，３６７，２５６号は、陽極排気から水を分離するために使用できる適切な水移動アセンブリを説明する。水移動アセンブリ１１６は、陽極排気から分離される水を出力し、該陽極排気のすべて又は一部分は図１に示されるように、燃料を加湿するために提供されてよい、及び／又は後の使用のために蓄えられてよい。水移動アセンブリ１１６は、未使用の燃料（Ｈ２、ＣＨ４）、二酸化炭素及び一酸化炭素並びに回収されていない水の痕跡を含み、加熱のために陽極ガスレキュペレータ１２２に、及びその後ＡＧＯ／ボイラーアセンブリ１０８に運ばれる水が分離された陽極排気を出力してもよい。上述されたように、アセンブリ１０８のＡＧＯ１０９は水が分離された陽極排気及び空気若しくはオキシダントガスを受け取り、空気若しくはオキシダントガスで陽極排気中の未使用の燃料を酸化する、又は燃焼する。酸化プロセス中に酸化器１０９で産生される熱は、高圧／過熱蒸気を出力するようにＡＧＯ燃焼ボイラー１１０で水を加熱するために使用される。また、ＡＧＯ／ボイラーアセンブリ１０８は、燃料電池スタック１０２の陰極側１０６に高温酸化ガスを出力する。
【００１８】
図１に示されるように、空気又は他の適切なオキシダントガスは送風機１１２又は類似する装置を使用し、システム１００に供給される。空気は、低レベルの熱を含んだ燃料電池スタックからの廃熱を使用し、予熱される。図１の実施形態では、空気は、陽極排気ガスの廃熱を使用し、陽極ガスレキュペレータ１２２で最初に予熱され、その後陰極排気の廃熱を使用し、熱交換器１１４で加熱される。予熱された空気は次いで、水が分離された陽極排気中の未使用の燃料との燃焼／酸化反応のためにＡＧＯ１０９に提供される。ＡＧＯ１０９は、１０００〜２０００Ｆの温度で非常に高温のオキシダントガスを生成させ、このことが入力ボイラー給水から高圧／過熱蒸気を発生させるためのボイラー１１０に熱を提供する。上述されたように、ＡＧＯ／ボイラーアセンブリ１０８から出力される高温オキシダントガスは、燃料電池スタック１０２の陰極側１０６に運ばれる。図１に示され、上述されたように、スタック１０２の陰極側は、予熱され、加湿された燃料を生じさせるために燃料と水との混合物を予熱するための加湿器／熱交換器１１８で、及びＡＧＯ／ボイラーアセンブリ１０８に空気を運ぶ前に圧縮空気を予熱するための熱交換器１１４で使用される陰極排気を出力する。
【００１９】
図２は、簡略化された配置構成を有し、水回収を含まない高圧蒸気発生システム１００の別の実施形態を示す。図２のシステム１００で使用される構成要素は上述されたように実質的に同じであり、図１と同じ参照番号を使用し、名前を付けられる。図２のシステム１００では、入力燃料及び水は、陰極排気からの廃熱を使用して加熱及び加湿された燃料を生成する加湿器／熱交換器１１８に運ばれる。加湿器／熱交換器１１８から出力される加熱及び加湿された燃料は、燃料を改質する又は部分的に改質するために、及び燃料電池陽極側１０４に改質された又は部分的に改質された燃料を出力するために事前改質装置１２０に出力される。図２では、燃料電池スタック１０２の陽極側１０４から出力された陽極排気は、ＡＧＯ１０９で高温オキシダントガスを生成させ、高圧蒸気を発生させるための、及び蒸気を過熱するためのボイラー１１０の高温オキシダントガスから高レベルの熱を回収するＡＧＯ／ボイラーアセンブリ１０８に運ばれる。ＡＧＯ／ボイラーアセンブリ１０８から出力された高温オキシダントガスは、スタックの陰極側１０６に提供される。
【００２０】
図２に示されるように、スタックの陰極側から出力される陰極排気は、陰極排気から熱を回収する加湿器／熱交換器１１８に、及び入ってくる空気又はオキシダントガスを予熱するための熱交換器１１４に提供される。また、図２に示され、上述されたように、システムに入れられる空気又はオキシダントガスは送風機１１２等を使用し、空気又はオキシダントガスが予熱される熱交換器１１４に供給され、その後、予熱された空気はＡＧＯ／ボイラーアセンブリ１０８に提供される。
【００２１】
図３は、システム１００から高圧／過熱蒸気をエクスポートすることに加えて、システム１００でＡＧＯ／ボイラーアセンブリ１０８によって発生する高圧高温蒸気の一部分を使用することによる追加の効率を含む高圧蒸気発生システム１００を示す。図３のシステムは、図１に関して上述された構成部品のすべてを含み、図１でと実質的に同じ配置構成に配置される。図３に示されるように、スタック１０２の陽極側１０４から出力された陽極排気は陽極ガスレキュペレータ１２２で冷却され、その後、水が凝縮によって陽極排気から分離される調節器／冷却器１１６でさらに冷却される。本実施形態の調節器／冷却器１１６は、水が分離された陽極排気を出力する。図３に図示されていないが、調節器／冷却器１１６で分離される水のいくらか又はすべてはボイラー給水としての使用のために入力燃料を部分的に加湿するために出力されてよい、又はシステム内若しくはシステム１００外での後の使用のために収集されてよい。入力燃料を加湿することは、蒸気タービンからの低圧排気蒸気を燃料ガスへのフィードと混合することによって達成される。
【００２２】
また、図３のシステム１００は、ＡＧＯ／ボイラーアセンブリ１０８で発生する高圧／過熱蒸気の第１の所定の部分を受け取り、蒸気の第１の所定部分を膨張させてより低圧の蒸気を生じさせる蒸気タービン等を含んだプロセス蒸気エキスパンダ１２４も含む。特定の実施形態では、高圧／過熱蒸気の第１の所定部分は、燃料を加湿するためのＡＧＯ／ボイラーアセンブリ１０８によって生じる。示されるように、高圧／過熱蒸気の残りの第２の部分は、システム１００からのエクスポートのためにＡＧＯ／ボイラーアセンブリ１０８から出力される。任意選択で、蒸気のすべては凝縮器を有する蒸気タービンで電力を生み出すために使用されてよい。この場合、燃料加湿に必要とされる蒸気の一部分は、燃料ストリームの中への注入に必要とされる圧力で蒸気エキスパンダから抽出される。
【００２３】
図３では、エキスパンダ１２４から出力されるより低圧の蒸気は入力燃料と混合され、燃料と蒸気との混合物が燃料を過熱するために加湿器／熱交換器１１８に供給される。エキスパンダ１２４の膨張プロセスは、システム１００から出力される、及び／又はシステム１００の構成部品（複数可）によって使用される追加の電力を発電する。いくつかの例示的な実施形態では、エキスパンダ１２４によって発電される電力のいくらか又はすべては、送風機１１２の動作に提供される。特定の実施形態では、プロセスガスエキスパンダ１２４からの電力は、エキスパンダ及び送風機１１２の直接的な結合を通して送風機１１２によって直接的に使用される。このようにして、送風機を操作するための別個の発電機は排除できる。さらに本システムでは凝縮器システムが必要ないので、エキスパンダ１２４での膨張プロセスは、非常に低い＄／ｋＷ費用で約３％分、システムによって発電される正味電力を引き上げる。さらに、エキスパンダ１２４から出力されるより低圧の蒸気を、燃料を加湿するために使用すると、加湿器／熱交換器１１８での水の蒸発によって除去される熱の排除につながり、このようにしてより高いレベルへの空気の予熱を可能にすることによってＡＧＯ／ボイラーアセンブリ１０８によって発生する高圧蒸気の量をさらに増加させる。
【００２４】
図１から図３に示されるシステム１００では、システムによって産生される廃熱は、１０００〜２０００Ｆで非常に高いレベルで捕捉され、このようにして高レベルの熱は高圧蒸気を発生させ、蒸気を過熱するために使用できる。低レベルの廃熱は空気予熱によって捕捉され、低レベルの熱を酸化器での高レベルの熱に変換する。本発明のシステムでは、高レベルの熱は燃料電池陰極入口で、及び具体的には非常に高温のオキシダントガスを生成させるＡＧＯでの酸化反応に続いて捕捉される。さらに、陰極排気の廃熱はＡＧＯに供給される空気を予熱するために使用される。このようにして、陰極排気中のより低レベルの廃熱は、それがＡＧＯ１０９に供給される前に空気を予熱することによって捕捉され、ボイラー１１０で利用可能な高レベルの熱の量を増加させる。燃料電池陰極入口での高レベルの熱の捕捉、及びＡＧＯによって産生される高レベルの熱の量の増加は、高圧蒸気の実際的且つ効率的な生成及び蒸気の過熱を可能にする。
【００２５】
図１から図３に示されるシステム１００の実施形態の電気効率が計算され、燃料電池スタックから出力される陰極排気から廃熱を回収し、スタックの陰極側に熱いオキシダントガスを提供するために陽極排気を酸化する従来の燃料電池システムの電気的効率と比較された。電気的効率は、以下の方程式を使用し、計算された。
【００２６】
【数１】
0006526194.tif 000002
【００２７】
以下の表１は、従来の燃料電池システムの実施形態と比較された図１〜図３のシステムの３つの実施形態の電気的な効率を要約する。
【００２８】
【表１】
0006526194.tif 000003
【００２９】
上記の効率は、弱められるボイラーのより高い効率又はボイラー給水がＡＧＯ燃焼ボイラー１１０に提供される前にボイラー給水を予熱するための陰極排気熱等のより低レベルの熱の使用の追加の利点を含まない。表の結果は、蒸気発生により、熱回収効率が８５％の典型的な蒸気ボイラーにおける燃料の使用量の対応する削減が可能になることを仮定する。
【００３０】
表１から分かるように、図１から図３に示される燃料電池システムの電気効率は、従来のシステムの４７％の電気効率に比較して６２％超まで増加する。これらの改善された効率は、既存の蒸気発生ボイラーを弱める又はオフにすること、及び低正味燃料使用によって実現される。さらに、８０％よりも大きい全体的な効率は、特に低レベルの熱がボイラー加熱要件のために使用される場合に熱電併給（ＣＨＰ）動作で可能である。図１から図３に関して上述されたように、熱交換器１１４は、空気が酸化器に提供される前に、空気をさらに予熱するために陰極排気からの低レベルの熱を使用する。したがって、ボイラー給水予熱による回収に利用可能な低レベルの熱の量は典型的なボイラーにおいてよりもはるかに低く、ボイラー給水加熱用の工業用地での他のソースからの熱の回収が実現可能である。この回収はそれによってさらにシステム全体の効率を増加させるだろう。
【００３１】
さらに、本発明の燃料電池システムは、排出物、特に燃焼排出物の削減を実現し、電力及び高圧高温蒸気の分散発生を実現する。具体的には、燃料電池システムの排出物及び雑音はゼロに近く、図１から図３に示されるシステムは、燃焼加熱等の蒸気発生に使用される従来の加熱源の必要性を削減又は排除する。例えば、図１から図３のシステムがバイオガス燃料で運転されるとき、正味温室効果ＣＯ２排出物はゼロであり、これらのシステムが天然ガス燃料で運転されるとき、温室効果ガス排出物は、システムの高い効率のために従来の発電システム及び蒸気発生システムに比較して大幅に削減される。結果的に、図１から図３のシステムは、人口密度に高い地域又は未達成地域でも、システム排出物及び雑音がゼロに近い又は実質的には削減される、需要に近い蒸気発生を実現する。
【００３２】
また、図１から図３のシステムは、伝送損失を最小限に抑え、グリッド密集を軽減できる。具体的には、図１から図３のシステムは発電するだけではなく、高圧高温蒸気を発生させるために必要とされる電力も削減する。さらに、ソリッドステート電力調整装置は、グリッド変動を補償することによって局所的な電力品質を改善できる。
【００３３】
図１から図３のシステムはきわめて信頼性が高く、１０年以上商業的に操業されてきたＤＦＣ（登録商標）燃料電池を取り込んでいる。さらに、図１から図３のシステムは、再生可能燃料を含んださまざまな燃料を使用し操作可能であり、水分独立であり、正味ゼロの水分平衡を有する。特に、商業的なＤＦＣ（登録商標）燃料電池スタックは、再生可能バイオマス（廃水）から生成される再生可能な嫌気性消化ガス（ＡＤＧ）燃料を使用して動作でき、ＡＤＧ燃料の使用に起因する性能の損失はない。図１から図３のシステム、及び特に図１及び図３に示されるシステムは、システムが補給水を必要とせず、燃料の酸化から生じる水のいくらかを潜在的にエクスポートできるように燃料電池排気から水を回収するための水移動アセンブリを含むことがある。上述されていない他の利点及び優位点は、本発明のシステムによって実現されてよい。
【００３４】
図１から図３に関して上述された特定の実施形態は、ＡＧＯ／高レベル熱回収アセンブリとしてＡＧＯ／ボイラーアセンブリを使用し、アセンブリはＡＧＯ燃焼ボイラーを含む。しかしながら、他の高レベル熱回収システムがＡＧＯ／高レベル回収アセンブリのＡＧＯ燃焼ボイラーの代わりに使用されてよいことも意図される。係る場合、ＡＧＯは、陽極排気又は陽極排気から得られるガスを酸化するため、及び高レベルの熱を発生させるために上述されたように動作する。高レベル熱回収システムは、次いでＡＧＯで発生する高レベルの熱を回収し、加熱を必要とする１つ又は複数のプロセスのために回収された高レベルの熱を使用する。係るプロセスは、天然ガス改質、精製装置コーカーユニット又は重油蒸留ユニットへのフィードの加熱、及びエキスパンダに送られる空気等のガスの加熱等の燃料改質プロセスを含むが、これに限定されるものではない。
【００３５】
要約すると、本発明は、電力及び高圧高温蒸気を効率的に発生させるための燃料電池システム、並びに燃料電池システムを使用し、電力及び高圧高温蒸気を発生させる方法を対象とする。本発明の燃料電池システムは、以下の特徴の内の１つ又は複数を含む。
【００３６】
１．陽極側及び陰極側を有し、発電するように適応された少なくとも１つの高温燃料電池スタックと、前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックから出力される排気若しくは前記排気から得られるガスの内の１つ又は複数を酸化し、高レベルの熱を発生させるように適応された酸化器、及び前記酸化器で発生する前記高レベルの熱を回収するように適応された高レベル熱回収システムを含んだ気体酸化器／高レベル熱回収アセンブリとを備える、電力及び高圧高温蒸気を発生させるための燃料電池システム。
【００３７】
２．前記高レベル熱回収システムが、給水を受け取り、前記酸化器によって発生する前記高レベルの熱を使用し、高圧高温蒸気を発生させるように適応されたボイラーを備える、点１に記載の燃料電池システム。
【００３８】
３．前記排気が陽極排気であり、前記酸化器が前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックから出力される陽極排気及び前記陽極排気から得られる前記ガスの内の１つ又は複数を酸化する、前記点のいずれかに記載の燃料電池システム。
【００３９】
４．前記排気又は前記排気から得られる前記ガスが前記酸化器に提供される前に前記少なくとも１つの燃料電池スタックから出力される前記排気を冷却し、加熱されたオキシダントガスが前記酸化器に提供される前に前記排気中の熱を使用し、前記入力オキシダントガスを予熱するように適応された排気レキュペレータ、及び前記排気から水を回収し、水が分離された排気を出力するように適応された水移動アセンブリの内の１つ又は複数をさらに含み、前記排気から得られる前記ガスが、前記水が分離された排気を含む、前記点のいずれかに記載の燃料電池システム。
【００４０】
５．前記システムが前記排気レキュペレータ及び前記水移動アセンブリを備え、前記排気レキュペレータが、前記水が分離された排気を予熱し、前記酸化器に前記加熱された水が分離された排気を出力するようにさらに適応される、前記点のいずれかに記載の燃料電池システム。
【００４１】
６．前記加熱されたオキシダントガスが前記酸化器に提供される前に前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックから出力されるオキシダント排気からの廃熱を使用し、前記予熱されたオキシダントガスをさらに加熱するように適応された加熱器をさらに備える、前記点のいずれかに記載の燃料電池システム。
【００４２】
７．前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックに前記処理済みの燃料を供給する前に入力燃料を処理するための燃料処理アセンブリをさらに備え、前記燃料処理アセンブリが、水、及び前記ボイラーで発生する前記高圧高温蒸気の第１の部分の内の１つ又は複数を使用し、前記入力燃料を加湿し、前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックによって出力されるオキシダント排気からの廃熱を使用し、加湿された燃料を予熱するように適応された加湿器／熱交換器アセンブリを含む、前記点のいずれかに記載の燃料電池システム。
【００４３】
８．前記システムは、前記陽極排気から水を回収し、前記入力燃料を加湿するための前記加湿器／熱交換器アセンブリに回収された水を出力し、前記酸化器での使用のために水が分離された陽極排気を出力するように適応された水移動アセンブリをさらに備える、前記点のいずれかに記載の燃料電池システム。
【００４４】
９．高圧高温蒸気の前記第１の部分を膨張させ、前記膨張プロセスから発電しながら、前記加湿器／熱交換器アセンブリにより低圧の蒸気を出力するように適応されたエキスパンダアセンブリをさらに備え、前記エキスパンダアセンブリによって発電される前記電力が前記システムから出力される、又は前記システムの中で使用される、前記点のいずれかに記載の燃料電池システム。
【００４５】
１０．前記システムにオキシダントガスを供給するための送風機をさらに備え、前記エキスパンダアセンブリによって発電される電力が前記送風機によって直接的に使用されるように、前記送風機が前記エキスパンダアセンブリと直接的に結合される、前記点のいずれかに記載の燃料電池システム。
【００４６】
１１．前記気体酸化器／ボイラーアセンブリが、前記気体酸化器／ボイラーアセンブリが前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックの前記陰極側に高温オキシダントガスを出力するように前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックと結合される、前記点のいずれかに記載の燃料電池システム。
【００４７】
１２．前記高レベル熱回収システムが、燃料改質アセンブリ、精製装置コーカーユニット、重油蒸留、及びエキスパンダの内の１つ又は複数に高レベルの熱を提供する、前記点のいずれかに記載の燃料電池システム。
【００４８】
本発明の方法は、以下の特徴の内の１つ又は複数を含む。
【００４９】
１．発電するために陽極側及び陰極側を有する少なくとも１つの高温燃料電池スタックを操作するステップと、前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックから出力される排気、及び酸化器の前記排気から得られるガスの内の１つ又は複数を酸化し、一方で前記酸化プロセスの結果として高レベルの熱を発生させるステップと、前記酸化プロセスの結果として発生する前記高レベルの熱を回収するステップとを含む、燃料電池システムを使用し、電力及び高圧高温蒸気を発生させる方法。
【００５０】
２．前記高レベルの熱を回収する前記ステップが、前記酸化するステップで発生する前記高レベルの熱を直接的に使用することによって給水から高圧高温蒸気を発生させることを含む、点１に記載の方法。
【００５１】
３．前記排気が陽極排気であり、前記酸化するステップが前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックから出力される陽極排気、及び前記陽極排気から得られる前記ガスの内の１つ又は複数を酸化することを含む、前記点のいずれかに記載の方法。
【００５２】
４．前記排気又は前記排気から得られる前記ガスが前記酸化器ステップで酸化される前に前記少なくとも１つの燃料電池スタックから出力される前記排気を冷却することと、前記排気の少なくとも熱を使用し、入力オキシダントガスを予熱することと、前記酸化するステップでの使用のために前記加熱されたオキシダントガスを提供することと、前記排気から水を回収して水が分離された排気を出力することとの内の１つ又は複数をさらに含み、前記排気から得られる前記ガスが、前記水が分離された排気を含む、前記点のいずれかに記載の方法。
【００５３】
５．前記排気の前記熱を使用し、前記入力オキシダントガスを予熱しながら、前記排気の前記熱を使用し、前記水が分離された排気を予熱することと、前記酸化するステップで使用するために前記加熱された水が分離された排気を提供することとをさらに含む、前記点のいずれかに記載の方法。
【００５４】
６．前記加熱されたオキシダントガスが前記酸化するステップでの使用のために提供される前に、前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックから出力されるオキシダント排気からの廃熱を使用し、前記予熱されたオキシダントガスをさらに加熱することをさらに含む、前記点のいずれかに記載の方法。
【００５５】
７．前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックに処理済みの燃料を供給する前に入力燃料を処理することをさらに含み、前記処理ステップが、水、及び前記発生させるステップで発生する前記高圧高温蒸気の第１の部分の内の１つ又は複数を使用し、前記入力燃料を加湿すること、及び前記少なくとも１つの高温燃料電池スタックによって出力されるオキシダント排気からの廃熱を使用し、加湿された燃料を予熱することを含む、前記点のいずれかに記載の方法。
【００５６】
８．前記陽極排気から水を回収することと、前記処理ステップで前記入力燃料を加湿するために回収された水を出力することと、前記酸化するステップで使用するために水が分離された排気を出力することとをさらに含む、前記点のいずれかに記載の方法。
【００５７】
９．前記発生させるステップで発生する前記高圧高温蒸気の第１の部分を膨張させることと、前記膨張プロセスから発電しながら、前記処理ステップで前記入力燃料を加湿するためにより低圧の蒸気を出力することをさらに含み、前記膨張プロセスから前記膨張させるステップで発電される前記電力が、外部使用のために又は前記燃料電池システムの中での使用のために出力される、前記点のいずれかに記載の方法。
【００５８】
１０．ブロワを使用し、前記システムにオキシダントガスを供給することと、前記ブロワとの直接的な結合を介して、前記ブロワによる直接的な使用のために前記膨張プロセスから前記膨張させるステップで発電される前記電力を提供することとをさらに含む、前記点のいずれかに記載の方法。
【００５９】
１１．前記酸化するステップが高温酸化ガスを生成し、前記高温オキシダントガスが、前記回収するステップで前記高温オキシダントガスの前記高レベルの熱を使用した後に前記少なくとも１つの高温燃料電池の前記陰極側に提供される、前記点のいずれかに記載の方法。
【００６０】
１２．前記酸化するステップで生成される前記高温オキシダントガスが、前記高温オキシダントガスの高レベルの熱が前記回収するステップで使用される前に１０００から２０００Ｆの温度を有し、前記少なくとも１つの高温燃料電池の前記陰極側に提供される前記高温オキシダントガスが約１０００Ｆの温度を有する、前記点のいずれかに記載の方法。
【００６１】
１３．前記回収するステップが、燃料改質アセンブリ、精製装置コーカーユニット、重油蒸留ユニット、及びエキスパンダの内の１つ又は複数に前記高レベルの熱を提供することをさらに含む、前記点のいずれかに記載の方法。
【００６２】
本明細書に上述された追加の特徴は、燃料電池システムに又は燃料電池システムを使用し、電力及び高圧高温蒸気を発生させる方法に含まれてよい。
【００６３】
すべての場合に、上述された配置構成は、本発明の応用を表す多くの考えられる特定の実施形態の例示にすぎないことが理解される。多数の変化した他の配置構成は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明の原理に従って容易に考案できる。
【図１】
0006526194.tif 000004
【図２】
0006526194.tif 000005
【図３】
0006526194.tif 000006