(57)【要約】  少なくとも電気エネルギーを生成するための複数の高温燃料電池、特に固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を直列に接続して成るシステムは、空気用の空気源と、天然ガス等の燃料用の燃料源と、直列に接続され、各燃料電池が燃料用の陽極入口および陽極出口と、空気用の陰極入口および陰極出口と、生成した電気エネルギーを出力するための電気配線とを有する少なくとも第１と第２の高温燃料電池とを備える。第１の燃料電池の陰極入口が空気源に接続され、各燃料電池の陽極入口が燃料源に接続され、前記第１の燃料電池の陰極出口が第２の燃料電池の陰極入口に接続される。システムはさらに、空気源と、前記第１の燃料電池の陰極出口と第２の燃料電池の陰極入口との間にある混合口との間に設けられた迂回空気路を備える。
2010510642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続した少なくとも電気エネルギーを生成するための複数の高温燃料電池、特に固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を有するシステムであって、該システムが、
空気用の空気源と、
天然ガス等の燃料用の燃料源と、
直列に接続され、各燃料電池が燃料用の陽極入口および陽極出口と、空気用の陰極入口および陰極出口と、生成した電気エネルギーを出力するための電気配線とを有する少なくとも第１と第２の高温燃料電池とを備え、
前記第１の燃料電池の陰極入口が前記空気源に接続され、
各燃料電池の陽極入口が前記燃料源に接続され、
前記第１の燃料電池の陰極出口が前記第２の燃料電池の陰極入口に接続されており、前記システムがさらに、
前記空気源と、前記第１の燃料電池の陰極出口と第２の燃料電池の陰極入口との間にある混合口との間に設けられた迂回空気路を備えることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記燃料源が前記第１の燃料電池の陽極入口に接続され、前記第２の燃料電池の陽極入口が前記第１の燃料電池の陽極出口に接続されて、前記第２の燃料電池に燃料が供給されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記システムがさらに追加的な１つ以上の直列接続高温燃料電池を備え、一燃料電池の陰極出口が、空気の供給方向において前段にある燃料電池の陰極出口に接続されており、前記追加燃料電池の各々に対して、前記前段燃料電池の陰極出口と該追加燃料電池の陰極入口との間にある混合口と前記空気源との間に迂回空気路が設けられていることを特徴とする、請求項１または２記載のシステム。
【請求項４】
前記追加燃料電池の陽極入口が前記前段燃料電池の陽極出口に接続されていることを特徴とする、請求項２または３記載のシステム。
【請求項５】
前記空気源と直列燃料電池の最終段の燃料電池の陰極出口との間に空気用の迂回空気路を備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項またはそれ以上に記載のシステム。
【請求項６】
前記空気源と前記第１の燃料電池の陰極入口との間に、前記空気源から出る空気を加熱するための予熱装置、好ましくは燃焼装置を備え、加熱した空気を前記第１の燃料電池に送るように構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項またはそれ以上に記載のシステム。
【請求項７】
前記予熱用燃焼装置が燃料供給のために、直列燃料電池の中の１つ以上の燃料電池、好ましくは最終段の燃料電池の陽極出口に接続されていることを特徴とする、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
直列燃料電池の中の最終段の燃料電池の陽極出口に接続されているタービンをさらに備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項またはそれ以上に記載のシステム。
【請求項９】
該システムが空気を圧縮するための圧縮機アセンブリを備え、前記圧縮機アセンブリは、空気入口と出口とを有する少なくとも１つの圧縮機を有しており、前記出口が前記直列燃料電池の前記第１の燃料電池の陰極入口に接続されて、圧縮空気が前記燃料電池と、１つ以上の迂回空気路と、前記直列燃料電池の関連する混合口へと送られるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項またはそれ以上に記載のシステム。
【請求項１０】
前記圧縮機アセンブリが、
空気入口と出口とを有する低圧圧縮機と、
入口と出口とを有する高圧圧縮機とを備え、
前記低圧圧縮機の出口は一次空気流路を介して前記高圧圧縮機に入口に接続されていることを特徴とする、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記システムが、前記圧縮機アセンブリを駆動する圧縮機タービンアセンブリをさらに備え、前記圧縮機タービンアセンブリは、単独の、または直列に配置された複数の圧縮機タービンから成り、前記圧縮機タービンアセンブリは入口と出口とを有し、前記圧縮機タービンアセンブリの入口が好ましくは前記直列燃料電池の最終段の燃料電池の陰極出口に接続されていることを特徴とする、請求項９または１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記システムが、該システムと関連付けられた電気エネルギーを生成するための発電機に好ましくは接続された、機械的エネルギーを出力するための動力タービンをさらに備えることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項またはそれ以上に記載のシステム。
【請求項１３】
前記動力タービンが、前記圧縮機タービンアセンブリの出口に接続されている入口と排ガス出口とを有することを特徴とする、請求項１１および１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記圧縮機タービンアセンブリの出口と前記動力タービンの入口との間に、燃焼装置が配置されていることを特徴とする、請求項１１および１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記圧縮機タービンアセンブリの出口と前記動力タービンの入口との間に、１つ以上の高温燃料電池、好ましくは請求項１に記載の直列高温燃料電池が配置されていることを特徴とする、請求項１１および１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記システムが、その入口端が前記動力タービンの排ガス出口に接続された排ガスパイプシステムを備えることを特徴とする、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
前記システムが二次空気流路を備え、前記低圧圧縮機の出口から出る圧縮空気のうち、一次空気流は一次空気流路を介して前記高圧圧縮機に流れ、二次空気流は前記二次空気流路に入るように、前記二次空気流路がその入口端において低圧圧縮機の出口と高圧圧縮機の入口との間に接続されており、好ましくは前記二次空気流路がその出口端において、前記圧縮機タービンアセンブリの出口と前記動力タービンの入口とをつなぐ線に接続されていることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１８】
前記システムが、好ましくは請求項１７に記載の二次空気流路に水を噴射するための水噴射手段を備えることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項またはそれ以上に記載のシステム。
【請求項１９】
前記二次空気流路に二次空気流の圧力を昇圧するためのファンが組み込まれていることを特徴とする、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
前記システムが熱交換器を備え、該熱交換器は、水噴射手段が設けられる場合は好ましくはその水噴射手段の下流において、排ガスパイプシステム内の排ガスと二次空気流との間で熱交換を行うことを特徴とする、請求項１６および１７に記載のシステム。
【請求項２１】
排ガスパイプシステムが、前記タービン、好ましくは動力タービンの出口に接続されている一次排ガス経路と二次排ガス経路とを含んで成り、一次排ガス流が一次排ガス経路へ入り、二次排ガス流が二次排ガス経路に入るように構成されており、熱交換器または復熱装置が前記一次排ガス経路から前記直列高温燃料電池への空気供給源への熱交換を行い、二次空気流が利用される場合はその二次空気流が二次排ガス流と二次空気流との間で熱交換を行うことを特徴とする、請求項１〜２０のいずれか１項またはそれ以上に記載のシステム。
【請求項２２】
前記直列高温燃料電池用の燃料を加熱するために熱交換器が設けられていることを特徴とする、請求項１〜２１のいずれか１項またはそれ以上に記載のシステム。
【請求項２３】
前記システムが、蒸気を発生するための蒸気発生装置を１つまたはそれ以上備え、
前記蒸気発生装置は、排ガスから出る熱を利用して蒸気を発生するために、熱交換器または復熱装置が設けられる場合は好ましくはその下流において排ガスパイプシステムに接続されており、
前記蒸気発生装置の出口が、１つまたはそれ以上の燃料電池の陽極出口、好ましくは直列燃料電池の中の一燃料電池の陽極出口と次段の燃料電池の陽極入口との間をつなぐ線に設けた混合口に接続されていることを特徴とする、請求項１〜２２のいずれか１項またはそれ以上に記載のシステム。
【請求項２４】
前記システムが蒸気を発生するための蒸気発生装置を備え、
前記蒸気発生装置は、排ガスから出る熱を利用して蒸気を発生するために好ましくは前記排ガスパイプシステムに接続されており、
前記蒸気発生装置が直列燃料電池の最終段の燃料電池の陰極出口に接続された出口を有し、該出口が好ましくはタービンに接続されており、
好ましくは温度制御手段が設けられて、前記タービンへ供給される蒸気温度が実質的に一定となるように供給蒸気の制御ができるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜２３のいずれか１項またはそれ以上に記載のシステム。
【請求項２５】
前記システムが、前記低圧圧縮機の出口と前記高圧圧縮機の入口との間に一次空気流を冷却するための第４の熱交換器を備え、前記第４の熱交換器が好ましくは前記給水を加熱するために、該システムの蒸気発生装置の給水用導管および／または水噴射手段に組み込まれていることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
【請求項２６】
前記圧縮機タービンアセンブリが単独の圧縮機タービンを有し、該圧縮機タービンは、圧縮機、例えば低圧圧縮機および設けられている場合は高圧圧縮機と共通のシャフト上に装着されていることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
【請求項２７】
前記圧縮機タービンアセンブリが発電機を駆動し、前記圧縮機アセンブリの１つまたはそれ以上の圧縮機を駆動するために、電動モータが前記発電機に連結して設けられていることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
【請求項２８】
前記直列高温燃料電池が下流に配置された（ガス）タービンと結合されており、該タービンが、タービンに供給される媒体の中間圧縮機による冷却、再生、再加熱と、水噴射と、蒸気噴射と、タービンの単独シャフトまたは多シャフトによる実施とのうち、１つまたはそれ以上の態様を備えることを特徴とする、請求項１〜２７のいずれか１項またはそれ以上に記載のシステム。
【請求項２９】
前記直列高温燃料電池が、熱風乾燥工程等の乾燥工程を確立するために乾燥システムに使用されたり、あるいは化学工業において加熱炉等の燃焼容器と組み合わされたシステムに使用されることを特徴とする、請求項１〜２８のいずれか１項またはそれ以上に記載のシステム。
【請求項３０】
前記システムが熱と電力を生成する熱電システムであることを特徴とする、請求項１〜２９のいずれか１項またはそれ以上に記載のシステム。
【請求項３１】
前記直列高温燃料電池が、例えば電力を生成するための単独型発電システムとして実施されることを特徴とする、請求項１〜３０のいずれか１項またはそれ以上に記載のシステム。
【請求項３２】
前記システムが、排ガス用の圧縮機、例えば冷却水を用いた水カーテンを排ガスが１回以上通過するように構成された圧縮機を備え、前記冷却水は該システムの１つ以上の水噴射手段および／または蒸気発生装置に戻されることを特徴とする、請求項１〜３１のいずれか１項またはそれ以上に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも電気エネルギーを生成するために、直列接続された複数の高温燃料電池、特に固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）型燃料電池を具備するシステムに係る。
【背景技術】
【０００２】
高温燃料電池が「大規模（分散型）発電」に適することは、先行技術から知られている。このタイプの燃料電池は、現在のところＳＯＦＣだけでなくＭＣＦＣ（溶融炭酸塩型燃料電池）をも包含するものと見なされているが、動作温度が６００℃を超え、ＳＯＦＣ燃料電池の場合は６５０〜１０００℃が好ましい。空気が燃料電池に酸素供給する働きをするが、水素供給のために使用する燃料としては、既に生産された天然ガスや水素を使用することができる。
【０００３】
この種の燃料電池を組み入れた既知のシステムは、特に満足できるというものではない。本発明はこの種の燃料電池の構造および製造に関するものではなく、燃料電池を発電用としてシステムに組み入れる方法に関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、高温燃料電池を効率的に利用できるシステムを提供することにある。
【０００５】
本発明の別の目的は、システムの改良につながる方策を提案することにある。
【０００６】
特に、本発明の目的は、既知のシステムに比べて効率の良いシステムを提供することにある。本発明の別の目的は、システムから出る排ガスの熱を最適に利用できるようにする方策を提案することにある。
【０００７】
本発明のさらに別の目的は、既知のシステムより汚染排出物の少ないシステムを提供することにある。
【０００８】
さらに別の目的は、システムの一つ以上の構成要素にとって最適な動作条件を創出することができ、そのことが当該構成要素を技術的に実施する上で特に有利であるシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、請求項１に記載のシステムを提供する。例えば、燃料電池は約９００℃の空気を供給する空気源を対象としたものである。請求項の方策によると、第１の燃料電池の陰極出口から出る例えば温度１１００度程度の排水を、例えば６００℃程度の「冷気」と混合して、第２の燃料電池へ送る空気の温度を再度９００℃にすることができる。これによって、電池毎に最適な条件が提供されるシステムに相当な燃料電池の電力を組み入れることが可能となる。
【００１０】
直列の中に２つ以上の高温燃料電池を設けて良いことは明らかであるが、その場合は燃料電池ごとに「空気混合法」を行い、各燃料電池が順々に適正な温度で供給される空気を受け取る。
【００１１】
好ましくは、燃料源を第１の燃料電池の陽極入口に接続し、第１の燃料電池の陽極出口を第２の燃料電池の陽極入口に接続する。こうすることで、燃料電池への燃料の供給という意味での「直列接続」となる。
【００１２】
システムは、空気源と第１の燃料電池の陰極入口との間に、空気源から出る空気を加熱するための予熱用燃焼装置を備え、加熱された空気を第１の燃料電池に送るようにするのが好ましい。この予熱用燃焼装置は、特にシステムの始動時にも有用である。
【００１３】
有利な実施形態では、予熱用燃焼装置が直列燃料電池の中の１つ以上の燃料電池、好ましくは第１の燃料電池の陽極出口に接続される。
【００１４】
有利な実施形態では、システムは直列燃料電池の最終段の燃料電池の陰極出口に接続されるタービンを具備し、そこから出る高温ガスのエネルギーをタービンの駆動に使用できるようにする。
【００１５】
特に、システムが、直列燃料電池の最終段の燃料電池の陰極出口、または直列燃料電池の中の１つ以上の他の陰極出口に接続されるタービンを備える場合、空気源とタービンに接続される直列燃料電池の中の前記燃料電池の陰極出口との間に、空気の迂回路を設けると有利である。こうすることで、例えば約９００℃まで温度を下げることが可能となり、このタイプのタービンの構成と動作にとって有利である。
【００１６】
システムは空気を圧縮するための圧縮機アセンブリを備えるのが好ましい。この圧縮機アセンブリは、空気入口と、直列燃料電池の中の第１の燃料電池の陰極入口に接続される出口とを有する少なくとも一つの圧縮機を含み、圧縮空気を直列燃料電池に送るように構成される。
【００１７】
好ましくは、圧縮機アセンブリは、空気入口と出口を有する低圧圧縮機と、入口と出口とを有する高圧圧縮機とを備え、低圧圧縮機の出口が一次空気流路を介して高圧圧縮機の入口に接続されている。
【００１８】
システムは、圧縮機アセンブリを駆動するための圧縮機タービンアセンブリを備えるのが好ましく、この圧縮機タービンアセンブリは１つの圧縮機タービンまたは直列に配置された複数の圧縮機タービンから成り、圧縮機タービンアセンブリは入口と出口とを有し、入口は直列燃料電池の最終段の燃料電池の陰極出口に接続されるのが好ましい。
【００１９】
好ましくは、エネルギーの生成を、機械的エネルギーを出力するための回転シャフト付き動力タービンを好ましくは電気エネルギーを生成するための発電機に接続して成るシステムによって行うようにする。
【００２０】
動力タービンは、圧縮機タービンアセンブリの出口に接続された入口と排ガス出口とを備えるのが好ましい。
【００２１】
本システムにおいては、燃焼装置を圧縮機タービンアセンブリの出口と動力タービンの入口との間に配置することができる。
【００２２】
変形例においては、１つ以上の高温燃料電池、好ましくは上記のような直列の高温燃料電池が圧縮機タービンアセンブリの出口と動力タービンの入口との間に配置される。
【００２３】
動力タービンを備えるシステムの場合、システムはその入口端を動力タービンの排ガス出口に接続された排ガスパイプシステムを備えるのが好ましい。
【００２４】
低圧圧縮機と高圧圧縮機とを備えるシステムの場合、システムは、その入口端が低圧圧縮機の出口と高圧圧縮機の入口との間に接続されている二次空気流路を備えることにより、低圧圧縮機の出口から出る圧縮空気のうち、一次空気流が一次空気流路を介して高圧圧縮機に流れると共に、二次空気流が二次空気流路に入るように構成するのが好ましい。この場合、二次空気流に水を噴射するための水噴射手段を二次空気流路に設けるのが好ましい。また、二次空気流路をその出口端において、圧縮機タービンアセンブリの出口と動力タービンの入口とをつなぐ線に接続するのが好ましい。
【００２５】
二次空気流路には、必要に応じて二次空気流の圧力を高くするためのファンを組み入れても良い。
【００２６】
システムから出る排ガスの熱を利用する熱交換器に関しては、供給する空気を予熱する（部分的に）のが好ましい。熱交換器は例えば圧縮機アセンブリと直列高温燃料電池との間に設けられる。
【００２７】
本発明においては、システムが、蒸気を発生するための蒸気発生装置を１つ以上備えるのが特に好ましく、その場合、蒸気発生装置は排ガスからの熱を蒸気の生成に利用する目的で排ガスパイプシステムに接続するのが好ましい。蒸気発生装置の出口は１つ以上の燃料電池の陽極出口、好ましくは燃料電池の陽極出口と燃料電池の陽極入口とをつなぐ線の混合口に接続される。これによって、その地点においても最適な動作条件を維持することが可能となる。
【００２８】
複数の燃料電池を直列に接続した場合、相互に接続された陽極出口と陽極入口との間でこの種の蒸気の混合がその都度生じることは明らかであろう。
【００２９】
本発明はまた、システムに蒸気を生成するための蒸気発生装置を備え、好ましくは、排ガスから出る熱を利用して蒸気を生成するよう、蒸気発生装置を排ガスパイプシステムに接続し、蒸気発生装置の出口を直列燃料電池の中の最終段の燃料電池の陰極出口に接続するという解決策も提供する。これは、前記出口がタービンに接続されている場合に特に有利であり、また、この解決策は、直列電池の１つ以上の他の陰極出口がタービンに接続されている場合にも利用することができる。
【００３０】
低圧圧縮機と高圧圧縮機を備えるシステムにおいては、低圧圧縮機から出る空気流を一次空気流および二次空気流の中に送り込むことによって、高圧圧縮機にとって最適な動作条件を実現することができる。この際、二次空気流に必要に応じて水も噴射して良い。
【００３１】
変形例の一例として、システムに一次空気流を冷却する冷却手段を設け、この冷却手段を水噴射手段として構成しても良い。この場合二次空気流用の水噴射手段とは独立したものとなる。
【００３２】
一次空気流を二次空気流より大きくするのが好ましい。例えば、低圧圧縮機から出る全空気流量の７０〜９０％を一次空気流、１０〜３０％を二次空気流とする。
【００３３】
システムに任意に設けられる圧縮機タービンアセンブリの下流にて、二次空気流を一次空気流と合流させることにより、前記二次空気流を比較的低圧力に保持することができる。２つの空気流が合流する地点の圧力が低圧圧縮機の出口における圧力より高い場合、補助圧縮機としてのファンを設け、二次空気流の圧力を高くすることができる。このファンの一例として電動ファンが挙げられる。
【００３４】
熱交換器を設けて、排ガスパイプシステム内の排ガスと二次空気流との間の熱交換を、好ましくは水噴射手段の下流で行うようにするのが良い。これによって、最大限の量の水を二次空気流に導入し、排ガスからの熱を利用してこの水を蒸発させることが可能となる。
【００３５】
なお、本発明において使用する「水噴射」という用語は、水の噴霧化、予熱水または蒸気の噴射等、あらゆる形の水の噴射を含むものとする。
【００３６】
本発明のシステムの利用法として加工設備（石油化学工業等の）、またはビル、住宅地域用の「分散化発電」が挙げられる。
【００３７】
具体的な変形例において、本発明は、１つ以上の天然ガス井に近接する、好ましくはこの種の天然ガス生産井から半径１０ｋｍ以内にある、また必要に応じて天然ガス生産井自体にある「天然ガス生産現場」に配置されるシステムを提供する。例えば、こうすることで、ガス井から出る天然ガスの中で、例えば圧力レベルが低すぎたり、あるいは圧力レベルが低下してしまったために天然ガスの生産においてはもはや有用でなくなった天然ガスを利用することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明によるシステムの非限定的実施例を示す図である。
【図２】図１のシステムの直列高温燃料電池を部分的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明によるシステムのその他の有利な実施形態について、請求項に記載すると共に、添付図面を参照しながら以下に説明する。
【００４０】
図１は本発明による発電用システムを示している。
【００４１】
このシステムは、燃焼に用いる空気用の空気源１、この場合は外気を含む。必要に応じて、酸素を供給し得る別の空気源を設けても良い。
【００４２】
システムはまた、空気を圧縮するための圧縮機アセンブリも備えている。本実施例では、圧縮機アセンブリは、空気入口３と出口４を有する低圧圧縮機２と、入口６と出口を有する高圧圧縮機５とを備え、低圧圧縮機の出口４が高圧圧縮機５の入口６に接続されている。
【００４３】
さらに、図示のシステムは、低圧圧縮機２と高圧圧縮機５を駆動するための圧縮機タービンアセンブリを備え、この場合の圧縮機タービンアセンブリは、単独の圧縮機タービン８から成り、また圧縮機タービンアセンブリは入口９と出口１０を有している。
【００４４】
この例では、空気圧縮機４，５と圧縮機タービン８が単独の共通シャフト１１上に配置されている。
【００４５】
一次空気流路１２が出口４と入口６との間に延びており、この一次流路１２を介して一次空気流が低圧圧縮機２から高圧圧縮機５へと流れる。二次空気流路１３の入口端が前記一次空気流路１２に接続されており、それによって、低圧圧縮機２の出口４から出る圧縮空気のうち、一次空気流が高圧圧縮機５へ流れ、二次空気流は二次空気流路１３に流入する。
【００４６】
低圧圧縮機２からの空気流は、一次空気流の方が二次空気流より大きくなるように分割するのが好ましい。例えば、一次空気流の量を全空気流の８５％とし、二次空気流を１５％とする。２つの空気流の間の比は、例えば二次空気流路の断面を一次空気流路１２の断面に対して特定の比率となるようにすることで一定にすることができる。必要に応じて例えば弁手段等の制御手段を好ましくは二次空気流路１３に設けて、一次空気流路１２に対する二次空気流路１３の断面の大きさを開閉および／または制御するようにしても良い。
【００４７】
二次空気流路１３には、二次空気流に水を噴射するための第１の水噴射手段１５が設けられる。
【００４８】
この場合は熱交換器１７を有する冷却手段が、一次空気流路１２内の一次空気流を冷却する目的で設けられている。
【００４９】
一般に知られているように、水の噴射というのはその方法に関わらず、空気の冷却およびシステム内の質量流を増加するために行われるものであり、それによって様々な利益が得られる。
【００５０】
第１の水噴射手段１５の上流において、二次空気流路１３にファンを設けて、二次空気流の圧力を限定的に上昇させることが可能である。このファンは、低出力として、必要に応じて電気的に駆動しても良い。
【００５１】
システムは熱交換器（または復熱装置）２０を備え、熱交換器２０は、以下に説明するように、圧縮機アセンブリの出口から出る空気を、システムからの排ガスから抽出される熱を用いて加熱する。
【００５２】
この場合、システムは熱交換器２０の下流側の圧縮機アセンブリと圧縮機タービン８との間に、燃料電池の配列を備えており、これをより詳細に示したのが図２である。
【００５３】
システムは、この例では天然ガス、変形例では水素等の燃料用の燃料源２１を備えている。
【００５４】
燃料電池の配列は、少なくとも電気エネルギーを生成するための、直列に接続された複数の高温燃料電池、特に固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）から構成される。
【００５５】
図示の例では、第１、第２、第３の高温燃料電池が示されており、それぞれ参照符号３０，４０，５０が付されている。
【００５６】
これらの燃料電池３０，４０，５０は、以下に示す好適な方法で直列に接続されている。
【００５７】
燃料電池３０，４０，５０の各々が、例えば天然ガス等の燃料用の陽極入口（ａ）と、陽極出口（ｂ）と、空気用の陰極入口（ｃ）と陰極出口（ｄ）の他、生成された電気エネルギーを出力するための電気配線（ｅ）を備えている。
【００５８】
図示の部分は、圧縮機アセンブリから出る加圧空気（この場合は熱交換器２０によって既に予熱されている）を加熱するための予熱用燃焼装置６０を含んでおり、加圧加熱空気を第１の燃料電池３０に送るように構成されている。一例として、この空気は圧力約９バール、温度９００℃である。
【００５９】
図１および図２から分かるように、第１の燃料電池３０の陰極入口（ｃ）は予熱用燃焼装置６０に接続されている。
【００６０】
第１の燃料電池３０の陰極出口（ｄ）が第２の燃料電池４０の陰極入口（ｃ）に接続され、第２の燃料電池４０の陰極出口（ｄ）が図示の例では第３の、すなわち直列の燃料電池の中の最終段の燃料電池５０の陰極入口（ｃ）に接続されている。
【００６１】
さらに、この好適な配置においては、第１の燃料電池３０の陽極入口（ａ）が燃料源２１に接続される。第１の燃料電池３０の陽極出口（ｂ）が第２の燃料電池４０の陽極入口（ａ）に接続され、第２の燃料電池４０の陽極出口（ｂ）は第３の燃料電池５０の陽極入口（ａ）に接続されている。
【００６２】
本実施例では、第３の燃料電池５０の陽極出口（ｂ）が前記燃焼装置に燃料を送る予熱用燃焼装置６０に接続されている。
【００６３】
この他にも空気用の迂回空気路３１が図示されており、迂回空気路３１はこの場合には圧縮機アセンブリおよび熱交換器２０の下流にある空気源１と、第１の燃料電池３０の陰極出口（ｄ）と第２の燃料電池４０の陰極入口（ｃ）との間にある混合口３１との間に設けられている。
【００６４】
同様の迂回空気路４１が、この場合は圧縮機アセンブリおよび熱交換器２０の下流にある空気源１と、第２の燃料電池４０の陰極出口（ｄ）と第３の燃料電池５０の陰極入口（ｃ）との間にある混合口４２との間にも設けられている。
【００６５】
本実施例では、さらに別の迂回空気路５１が、この場合は圧縮機アセンブリおよび熱交換器２０の下流にある空気源１と、第３の燃料電池５０、この場合では直列燃料電池の最終段の燃料電池５０の陰極出口（ｄ）にある混合口５２との間に設けられている。
【００６６】
その結果として、複数の高温燃料電池が直列に接続され、各燃料電池の陰極入口が、空気供給方向においてその前段の燃料電池の陰極出口に接続された状態となると共に、連続する燃料電池の相互に接続された陰極出口と陰極入口との間にある混合口と空気源との間には迂回空気路が設けられた構成となる。
【００６７】
システムはまた、動力タービン７０も備えており、本実施例の動力タービン７０は、例えば発電機７２を駆動するための機械的エネルギーを出力する回転シャフト７１を有している。
【００６８】
動力タービン７０は、本実施例では圧縮機タービン８の出口に接続された入口７３を有している。
【００６９】
前記圧縮機タービン８と動力タービン７０との間には、好ましくは上記のような構造を有するさらに別の直列高温燃料電池１００が設けられている。あるいはまた、低圧燃焼装置を設けても良い。
【００７０】
動力タービン７０は排ガス出口７５も備えている。
【００７１】
この設備は排ガスパイプシステムも備えており、その入口端８０が動力タービン７０の排ガス出口７５に接続されている。図面では、分かり易いようにこれを２カ所に示している。
【００７２】
本実施例では、二次空気流路１３の出口端１３ｂが、圧縮機タービン８の出口１０と高温燃料電池の直列構造１００またはその代わりにこの位置に配置された低圧燃焼装置の入口との間を結ぶ線に接続されている。
【００７３】
排ガスパイプシステムは、一次排ガス経路８２と二次排ガス経路８１とを備えており、これら２つの経路８１，８２が動力タービン７０の出口７５に接続されて、一次排ガス流が一次排ガス経路８２に流入し、二次排ガス流が二次排ガス経路８１に流入するように構成されている。
【００７４】
一次排ガス流を二次排ガス流より大きくするのが好ましい。例えば、これら排ガス流の比が、一次空気流と二次空気流の比とほぼ同じになるようにする。
【００７５】
二次空気流の熱交換器９０が、好ましくは水噴射手段１５の下流において、排ガスパイプシステム内の排ガスと二次空気流との間で熱交換を行う。
【００７６】
燃料加熱用の熱交換器９１は、直列高温燃料電池に送られる燃料と排ガス流との間で熱交換を行う。前記熱交換器９１は二次排ガス流の中に組み込むのが望ましい。
【００７７】
熱交換器２０（復熱装置とも称する）は、一次経路８２内の一次排ガス流と、直列燃料電池に流れる空気流との間の熱交換を、この場合は予熱用燃焼装置６０の上流で行う。
【００７８】
上記の熱交換器は、排ガスが排出される前に、排ガスからの熱を最大限抽出できるように構成するのが好ましい。図中６３に示すように、全ての排ガス流がここで合流する。
【００７９】
ここに示したシステムにおいては、水噴射１５が行われる個所またはその付近において、排ガス流と二次空気流との間の熱交換がこの場合は熱交換器６４によって行われる。
【００８０】
必要に応じて、排ガスパイプシステムの出口付近で水を噴射することにより、噴射水を回収し、その水を以前に噴射した水と共に取集することができる。
【００８１】
好適な実施形態においては、排ガスを凝縮器に通すのであるが、この際好ましくは排ガスが一つ以上の冷却水から成るカーテンを通るようにする。これによって噴射水と蒸気が回収できるようになると共に、排ガスのスクラブ処理が行われ、システムは事実上何も排出することなく機能することとなる。
【００８２】
一変形例においては、二次空気流と燃料の適正な混合物を燃焼させる目的で、低圧燃焼装置が二次空気流路１３に配置される。
【００８３】
ここに示した設備では、第１の蒸気発生装置１１０と任意に設けられる第２蒸気発生装置１２０も示されており、これらの装置が蒸気を提供する。蒸気の発生は、排ガスから熱を抽出することによって、部分的または好ましくは全面的に行われる。この場合、好ましい例としては、この抽出が排ガス流の下流において復熱装置２０によって、この場合は一次排ガス経路から行われる。
【００８４】
システムの１つ以上の蒸気発生装置１１０，１２０によって獲得された蒸気は、この場合は蒸気発生装置の出口と不図示の蒸気経路とを経由して、システム内の１つ以上の燃料電池の陽極出口（ｂ）からの流出流に送られる。これによって、前記流出流の冷却を行えると共に、システム内での動力の変換が可能となり、効率が増す。
【００８５】
図面（特に図２）では、直列燃料電池の中のある燃料電池の陽極出口とその次の燃料電池の陽極入口とをつなぐ線に蒸気混合口１１１，１１２が示されている。また、直列燃料電池の最終段の燃料電池５０の陽極出口（ｂ）にも蒸気混合口１１３が設けられていることが分かる。
【００８６】
蒸気発生装置は、好ましくは直列燃料電池の最終段の燃料電池５０の陰極出口（ｄ）に接続される。特に、この実施例のようにタービン８も前記出口に接続される場合にそうするのが好ましい。この場合、温度制御手段を設けるのが好ましく、そうすることで前記タービン８へ供給される蒸気の温度を実質的に一定にするように供給蒸気を制御することが可能となる。本実施例では、蒸気混合口１１４がこの目的で設けられている。
【００８７】
一変形例においては、単独の圧縮機タービンの代わりに複数の圧縮機タービンを設け、例えば１つの圧縮機タービンで低圧圧縮機を駆動し、別の圧縮機タービンで高圧圧縮機を駆動するようにすることができる。
【００８８】
別の変形例では、圧縮機タービンで発電機を駆動することが可能であり、また、発電機に連結された電動モータを圧縮機アセンブリの１つ以上の圧縮機を駆動する目的で設けることができる。
【００８９】
二次空気流への水の噴射、および排ガスから抽出した熱の前記二次空気流への供給は、図示の方法とは異なる方法で行うこともできる。例えば、１つ以上の熱交換器を水噴射手段の上流に配置するか、あるいは水噴射手段を熱交換器と同じ場所に配置することができる。あるいは水噴射手段を熱交換器の間に配置しても良い。
【００９０】
上でも述べたように、水噴射は、状況に応じて例えば噴霧化した水や蒸気など、広範囲の方法で行うことができる。これに関連して、不利にはなるものの、水を上述の蒸気噴射個所において噴射することも可能である。
【００９１】
非限定的な例として、図１に示した設備において見られる温度を以下に示す。  
低圧圧縮機２から出る空気の温度：１２５°Ｃ
復熱装置２０下流の空気流の温度：９バールで６４Ｏ０Ｃ
予熱用燃焼装置６０から後の空気流の温度：９０００Ｃ
各燃料電池の陽極出口（ｄ）における空気流の温度：１１０００Ｃ
迂回空気路の３２，４２，５２において混合した後の空気流の温度：９０００Ｃ
動力タービン出口における排ガス流の温度：６４００Ｃ
燃料電池３０の電力：２１０ＫＷ
燃料電池４０の電力：３８０ＫＷ
燃料電池５０の電力：６９０ＫＷ
【図１】
2010510642.tif 000003
【図２】
2010510642.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成21年11月19日(2009.11.19)
【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】
直列に接続した少なくとも電気エネルギーを生成するための複数の高温燃料電池、特に固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）を有するシステムであって、該システムが、
空気用の空気源と、
天然ガス等の燃料用の燃料源と、
直列に接続され、各燃料電池が燃料用の陽極入口および陽極出口と、空気用の陰極入口および陰極出口と、生成した電気エネルギーを出力するための電気配線とを有する少なくとも第１と第２の高温燃料電池とを備え、
前記第１の燃料電池の陰極入口が前記空気源に接続され、
各燃料電池の陽極入口が前記燃料源に接続され、
前記第１の燃料電池の陰極出口が前記第２の燃料電池の陰極入口に接続されており、前記システムがさらに、
前記空気源と、前記第１の燃料電池の陰極出口と第２の燃料電池の陰極入口との間にある混合口との間に設けられた迂回空気路を備えることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記燃料源が前記第１の燃料電池の陽極入口に接続され、前記第２の燃料電池の陽極入口が前記第１の燃料電池の陽極出口に接続されて、前記第２の燃料電池に燃料が供給されることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記システムがさらに追加的な１つ以上の直列接続高温燃料電池を備え、一燃料電池の陰極出口が、空気の供給方向において前段にある燃料電池の陰極出口に接続されており、前記追加燃料電池の各々に対して、前記前段燃料電池の陰極出口と該追加燃料電池の陰極入口との間にある混合口と前記空気源との間に迂回空気路が設けられていることを特徴とする、請求項１または２記載のシステム。
【請求項４】
前記追加燃料電池の陽極入口が前記前段燃料電池の陽極出口に接続されていることを特徴とする、請求項２または３記載のシステム。
【請求項５】
前記空気源と直列燃料電池の最終段の燃料電池の陰極出口との間に空気用の迂回空気路を備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
前記空気源と前記第１の燃料電池の陰極入口との間に、前記空気源から出る空気を加熱するための予熱装置、好ましくは燃焼装置を備え、加熱した空気を前記第１の燃料電池に送るように構成されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記予熱用燃焼装置が燃料供給のために、直列燃料電池の中の１つ以上の燃料電池、好ましくは最終段の燃料電池の陽極出口に接続されていることを特徴とする、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
直列燃料電池の中の最終段の燃料電池の陽極出口に接続されているタービンをさらに備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
該システムが空気を圧縮するための圧縮機アセンブリを備え、前記圧縮機アセンブリは、空気入口と空気出口とを有する少なくとも１つの圧縮機を有しており、前記空気出口が前記直列燃料電池の前記第１の燃料電池の陰極入口に接続されて、圧縮空気が前記第１の燃料電池と、前記１つ以上の迂回空気路と、前記直列燃料電池の関連する混合口へと送られるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記システムが、前記圧縮機アセンブリを駆動する圧縮機タービンアセンブリをさらに備え、前記圧縮機タービンアセンブリは、１つ以上の圧縮機タービンから成り、前記圧縮機タービンアセンブリは入口と出口とを有し、前記圧縮機タービンアセンブリの入口が前記直列燃料電池の最終段の燃料電池の陰極出口に接続されていることを特徴とする、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記システムが、機械的エネルギーを出力するための動力タービンをさらに備え、前記動力タービンが、前記圧縮機タービンアセンブリの出口に接続されている入口と排ガス出口とを有し、前記システムは排ガスパイプシステムを備え、その入口端が前記動力タービンの排ガス出口に接続されていることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記圧縮機タービンアセンブリの出口と前記動力タービンの入口との間に、１つ以上の高温燃料電池、好ましくは請求項１に記載の直列高温燃料電池が配置されていることを特徴とする、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記システムが前記排ガスパイプシステムと前記圧縮機アセンブリの空気出口から直列高温燃料電池へ供給される空気の間に熱交換器を備え、第１の燃料電池の陰極入口に供給された空気と前記１つ以上の混合口に供給された空気を予熱することを特徴とする、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記排ガスパイプシステムが、前記動力タービンの出口に接続されている一次排ガス経路と二次排ガス経路とを含んで成り、一次排ガス流が一次排ガス経路へ入り、二次排ガス流が二次排ガス経路に入るように構成されており、前記熱交換器が前記一次排ガス経路から前記直列高温燃料電池への空気供給源への熱交換を行い、前記システムが二次空気流路を備え、低圧圧縮機の出口から出る圧縮空気のうち、一次空気流は一次空気流路を介して高圧圧縮機に流れ、二次空気流は前記二次空気流路に入るように、前記二次空気流路がその入口端において前記低圧圧縮機の出口と前記高圧圧縮機の入口との間に接続されており、前記二次空気流路がその出口端において、前記圧縮機タービンアセンブリの出口と前記動力タービンの入口とをつなぐ線に接続され、可能ならば更なる熱交換器が二次排ガス流と二次空気流との間で熱交換を行うことを特徴とする、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記システムが、蒸気を発生するための蒸気発生装置を１つまたはそれ以上備え、
前記蒸気発生装置は、排ガスから出る熱を利用して蒸気を発生するために、熱交換器または復熱装置が設けられる場合は好ましくはその下流において排ガスパイプシステムに接続されており、
前記蒸気発生装置の出口が、１つまたはそれ以上の燃料電池の陽極出口、好ましくは直列燃料電池の中の一燃料電池の陽極出口と次段の燃料電池の陽極入口との間をつなぐ線に設けた混合口に接続されていることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記システムが蒸気を発生するための蒸気発生装置を備え、
前記蒸気発生装置は、排ガスから出る熱を利用して蒸気を発生するために好ましくは前記排ガスパイプシステムに接続されており、
前記蒸気発生装置が直列燃料電池の最終段の燃料電池の陰極出口に接続された出口を有し、該出口が好ましくはタービンに接続されており、
好ましくは温度制御手段が設けられて、前記タービンへ供給される蒸気温度が実質的に一定となるように供給蒸気の制御ができるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記圧縮機タービンアセンブリが単独の圧縮機タービンを有し、該圧縮機タービンは、圧縮機、例えば低圧圧縮機および設けられている場合は高圧圧縮機と共通のシャフト上に装着されていることを特徴とする、請求項１０に記載のシステム。
【国際調査報告】
2010510642.tif 000005
2010510642.tif 000006
2010510642.tif 000007