(57)【要約】  燃料電池ハイブリッドシステムは、空気を含む酸化剤供給ガスを圧縮する圧縮手段、及び酸化剤供給ガスを膨張させ、機械的エネルギーを発生させる膨張手段を備える熱機関、燃料ガスの供給を受ける燃料極、酸化剤供給ガスの供給を受ける空気極、及び燃料極から排気される燃料極排ガス中の未反応燃料ガスを燃焼させて酸化剤供給ガスを加熱する触媒燃焼器を備える燃料電池、圧縮手段から排出される酸化剤供給ガスと空気極から排気される空気極排ガスとを熱交換させる第１熱交換器、及び第１熱交換器から排出される酸化剤供給ガスと触媒燃焼器から排出される酸化剤供給ガスとを熱交換させる第２熱交換器を含み、第２熱交換器から排出される酸化剤供給ガスは、膨張手段を経て触媒燃焼器に供給され、触媒燃焼器から排出される酸化剤供給ガスは、第２熱交換器を経て空気極に供給される。【選択図】図１
2015503830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を含む酸化剤供給ガスを圧縮する圧縮手段、及び前記酸化剤供給ガスを膨張させ、機械的エネルギーを発生させる膨張手段を備える熱機関と、
燃料ガスの供給を受ける燃料極、前記酸化剤供給ガスの供給を受ける空気極、及び前記燃料極から排気される燃料極排ガス中の未反応燃料ガスを燃焼させて前記酸化剤供給ガスを加熱する触媒燃焼器を備える燃料電池と、
前記圧縮手段から排出される酸化剤供給ガスと前記空気極から排気される空気極排ガスとを熱交換させる第１熱交換器と、
前記第１熱交換器から排出される酸化剤供給ガスと前記触媒燃焼器から排出される酸化剤供給ガスとを熱交換させる第２熱交換器とを含み、
前記第２熱交換器から排出される酸化剤供給ガスは、前記膨張手段を経て前記触媒燃焼器に供給され、前記触媒燃焼器から排出される酸化剤供給ガスは、前記第２熱交換器を経て前記空気極に供給されることを特徴とする燃料電池ハイブリッドシステム。
【請求項２】
前記第１熱交換器は、前記燃料電池を構成するスタックモジュールの内部に備えられる第１内部熱交換器、及び前記スタックモジュールの外部に備えられる第１外部熱交換器を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池ハイブリッドシステム。 
【請求項３】
前記酸化剤供給ガスを供給する酸化剤供給源から、前記酸化剤供給ガスを前記圧縮手段とともに前記触媒燃焼器にも供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池ハイブリッドシステム。 
【請求項４】
前記酸化剤供給源から前記触媒燃焼器に供給される酸化剤供給ガスの流量を調節する第１調節弁をさらに含むことを特徴とする請求項３記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
【請求項５】
前記酸化剤供給源から前記触媒燃焼器に供給される酸化剤供給ガスを加熱するバーナーをさらに備えることを特徴とする請求項３記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
【請求項６】
前記酸化剤供給ガスを供給する酸化剤供給源から、前記酸化剤供給ガスを前記圧縮手段とともに前記触媒燃焼器から排出される酸化剤供給ガスにも供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池ハイブリッドシステム。 
【請求項７】
前記酸化剤供給源から、前記触媒燃焼器から排出される酸化剤供給ガスに供給される酸化剤供給ガスの流量を調節する第２調節弁をさらに含むことを特徴とする請求項６記載の燃料電池ハイブリッドシステム。 
【請求項８】
前記酸化剤供給源から前記圧縮手段に供給される酸化剤供給ガスの流量を調節する第３調節弁をさらに含むことを特徴とする請求項３または６記載の燃料電池ハイブリッドシステム。 
【請求項９】
前記第１熱交換器から排出される空気極排ガスとの熱交換を介して作動流体を加熱する第３熱交換器、前記第３熱交換器を介して加熱された作動流体を膨張させ、機械的エネルギーを発生させる膨張タービン、前記膨張タービンから排出される作動流体を凝縮させる凝縮器、及び前記凝縮器から排出される作動流体を押送するポンプを備える有機ランキンサイクル(organic rankine cycle)装置をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池ハイブリッドシステム。
【請求項１０】
前記有機ランキンサイクル装置は、前記ポンプから排出される作動流体と前記膨張タービンから排出される作動流体とを熱交換させる第４熱交換器をさらに含むことを特徴とする請求項９記載の燃料電池ハイブリッドシステム。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池ハイブリッドシステムに関し、より詳しくは、燃料電池を熱機関と連携させ、または燃料電池を熱機関だけでなく有機ランキンサイクル装置とも連携させ、システム全体の効率を向上させた燃料電池ハイブリッドシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、炭化水素燃料に貯蔵された化学エネルギーを電気化学反応により電気エネルギーに直接変換する装置である。すなわち、燃料電池は、燃料極での水素酸化反応と空気極での酸素還元反応とにより、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。このような反応のため、燃料電池スタックの燃料極には燃料ガス(水素)を供給しなければならず、燃料電池スタックの空気極には空気(酸素)を供給しなければならない。また、このような反応で電気を生産する燃料電池システムは、主に燃料電池スタック(Stack)、MBOP(Mechanical Balance of Plant)、EBOP(Electrical Balance of Plant)で構成される。燃料電池スタックは、電気化学反応で電気を生産する構成であり、MBOPは、燃料電池スタックに水素と酸素を供給する構成であり、EBOPは、燃料電池スタックからの直流電気をインバータ(inverter)などを介して交流電気に変換して、必要な場所に供給する構成である。 
【０００３】
一方、溶融炭酸塩形燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell、MCFC)のような高温型燃料電池は、次のような過程を介して電気を生産する。図3を参照し、これに対してより詳述すると、天然ガス(Natural Gas)のような燃料ガスは、通常硫黄を含んでいるが、このような硫黄は、後述する改質器20の改質触媒に悪影響を及ぼす。これにより、燃料ガスは、先ず脱硫器(図示せず)を介して脱硫されなければならない。さらに、後述する改質器20で起こる改質反応は水を必要とするが、液状の水は改質触媒に損傷を与え得るので、改質器20には、燃料ガスとともに気相の水が供給されなければならない。これにより、燃料ガスは、加湿熱交換器10を経ながら加湿される。加湿熱交換器10は、燃料電池スタックの空気極44から排気される高温の空気極排ガスを用いて、液状の水を気化させる。このように脱硫され加湿された燃料ガスは、前改質器(Pre-Reformer)20で水素に改質される。このような水素は、熱交換器30での熱を介して必要な温度に加熱される。その後、水素は、燃料電池スタックの燃料極42に供給される。 
【０００４】
また、燃料電池スタックの空気極44には、前述したように、空気(酸素)が供給されなければならない。このため、燃料電池は、通常、大気のような酸化剤供給源(Air Source)から酸化剤供給ガスを空気極44に供給する。ここで、酸化剤供給ガスは空気であってもよく、場合によっては、空気極排ガス中の一部を再循環させ空気と混合させたガスであってもよい。但し、このような酸化剤供給ガスは、空気極44に供給されるため適当な温度に加熱される必要がある。このような加熱のため、燃料極排ガス中の未反応燃料ガスを燃焼させて酸化剤供給ガスを加熱する触媒燃焼器50を用いる。このように加熱された酸化剤供給ガスは、燃料電池スタックの空気極44に供給される。 
【０００５】
ところが、このような過程を介して電気を生産する溶融炭酸塩形燃料電池は、電気だけでなく熱も生産するため、溶融炭酸塩形燃料電池などの高温型燃料電池を用いる燃料電池システムでは、このような熱を如何に用いるかによって、システム全体の効率が異なってくる。これにより、システム全体の効率を向上させるために、このような熱を用いる方法が現在多様に講じられている。一例として、このような熱を暖房の熱源として用いる方法が試みられたりする。しかし、このような熱を暖房の熱源として用いるためには、これらの暖房の熱源を必要とする場所から遠くない場所に燃料電池システムが設置されなければならないとの限界が存在する。
【０００６】
このような限界を克服するために、このような熱を熱機関(例えば、ガスタービン)や有機ランキンサイクル(Organic Rankine Cycle、ORC)装置で活用する方法が講じられたりもする。ここで熱機関は、熱エネルギーを機械的エネルギーに変換させる装置をいい、有機ランキンサイクル装置は、中低温の廃熱を動力として回収しタービンを回す装置をいう。しかし、このような方法等でも燃料電池と熱機関を連携させる過程で、または燃料電池と有機ランキンサイクル装置を連携させる過程で、燃料電池から生産される熱を効率的に用いることができないとの限界を現している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明は、前記のような問題点を解決するために案出されたものであって、本発明の課題は、燃料電池を熱機関と連携させるか、または燃料電池を熱機関だけでなく有機ランキンサイクル装置と連携させつつ、燃料電池から生産される熱を効率的に用いることができる燃料電池ハイブリッド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】
本発明に係る燃料電池ハイブリッドシステムは、空気を含む酸化剤供給ガスを圧縮する圧縮手段、及び酸化剤供給ガスを膨張させ、機械的エネルギーを発生させる膨張手段を備える熱機関、燃料ガスの供給を受ける燃料極、酸化剤供給ガスの供給を受ける空気極、及び燃料極から排気される燃料極排ガス中の未反応燃料ガスを燃焼させて酸化剤供給ガスを加熱する触媒燃焼器を備えた燃料電池、圧縮手段から排出される酸化剤供給ガスと空気極から排気される空気極排ガスとを熱交換させる第１熱交換器、及び第１熱交換器から排出される酸化剤供給ガスと触媒燃焼器から排出される酸化剤供給ガスとを熱交換させる第2熱交換器を含む。また、第２熱交換器から排出される酸化剤供給ガスは、膨張手段を経て触媒燃焼器に供給され、触媒燃焼器から排出される酸化剤供給ガスは、第２熱交換器を経て空気極に供給される。 
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池ハイブリッドシステムは、空気極から排気される空気極排ガスが有する熱だけでなく、触媒燃焼器から排出される酸化剤供給ガスが有する熱も熱機関に伝達するため、熱機関で必要とする熱を充分に確保することができるだけでなく、燃料電池からの熱を無駄なく活用することができるので、システム全体の効率も向上させることができ、熱機関に伝達して残った熱までも有機ランキンサイクル装置に伝達するので、システム全体の効率をさらに向上させることができるとの効果がある。 
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池ハイブリッドシステムを示しているブロック図である。
【図２】本発明の他の実施例に係る燃料電池ハイブリッドシステムを示しているブロック図である。
【図３】溶融炭酸塩形燃料電池の基本的な構成を示しているブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下では、図を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。ところが、本発明が以下の実施例により制限されるか限定されるものではない。 
【００１２】
図１は、本発明の一実施例に係る燃料電池ハイブリッドシステムを示しているブロック図である。図１で示しているように、本実施例に係るハイブリッドシステムは、燃料電池100と熱機関200を全て含む。先ず、熱機関200に対して詳述すると、本実施例に係る熱機関200は、圧縮手段210と膨張手段220を備える。圧縮手段210は、大気のような酸化剤供給源(Air Source)から酸化剤供給ガスの供給を受けて圧縮させる構成である。参考までに、本実施例に係る圧縮手段210は、気体を圧縮する通常の圧縮器(compressor)であり得る。 
【００１３】
このように圧縮された酸化剤供給ガスは、第１熱交換器510を介して加熱される。このため、第１熱交換器510は、圧縮手段210から排出される酸化剤供給ガスと空気極144から排気される空気極排ガスとを熱交換させて酸化剤供給ガスを加熱する。空気極排ガスは非常に高い温度を有しているため、酸化剤供給ガスを加熱するのに充分である。ところが、このような第１熱交換器510は、第１内部熱交換器512と第１外部熱交換器514から成され得る。第１内部熱交換器512は、燃料電池100を構成するスタックモジュール(Stack Module)の内部に備えられる熱交換器であり、第１外部熱交換器514は、スタックモジュールの外部に備えられる熱交換器である。このように、熱交換器をスタックモジュールの内部と外部にそれぞれ備えると、スタックモジュールの熱交換効率を向上させることができるとのメリットがある。 
【００１４】
このように、第１熱交換器510を介して加熱された酸化剤供給ガスは、第２熱交換器520を介してさらに加熱される。このような第２熱交換器520は、第１熱交換器510から排出される酸化剤供給ガスと触媒燃焼器150から排出される酸化剤供給ガスとを熱交換させ、第１熱交換器510を経た酸化剤供給ガスをさらに加熱する。前述したように、触媒燃焼器150は、燃料極142から排気される燃料極排ガス中の未反応燃料ガスを燃焼させて酸化剤供給ガスを加熱するため、触媒燃焼器150から排出される酸化剤供給ガスも、第１熱交換器510から排出される酸化剤供給ガスを加熱するのに充分な温度を有する。 
【００１５】
このような圧縮と加熱の過程を経た高温高圧の酸化剤供給ガスは、膨張手段220で膨張されて機械的エネルギーを発生させる。このような膨張手段220は、高温高圧のガスが膨張されながらタービンを回転させることにより機械的エネルギーを発生させる膨張タービンであり得る。このように、膨張手段220で発生した機械的エネルギーは、圧縮手段210で用いられ得るだけでなく、発電機（generator)230でも用いられ得る。このように膨張手段220で発生した機械的エネルギーが発電機230を駆動させると、燃料電池100でだけでなく熱機関200でも電気を生産することができる。
【００１６】
このように本実施例に係るハイブリッドシステムは、燃料電池100で生産された熱が熱機関200で活用されるため、システム全体の効率が向上され得る。より具体的に、本実施例に係るハイブリッドシステムは、空気極から排気される空気極排ガスが有する熱(第１熱交換器を参照)だけでなく、触媒燃焼器から排出される酸化剤供給ガスが有する熱(第２熱交換器を参照)も熱機関200に伝達するため、熱機関200で必要とする熱を充分に確保することができるだけでなく、燃料電池100からの熱を無駄なく活用することができるので、システム全体の効率も向上させることができる。 
【００１７】
一方、膨張手段220から排出される酸化剤供給ガスは、前述した触媒燃焼器150に供給される。ところが、熱機関200を経た酸化剤供給ガスのみを触媒燃焼器150に供給していれば、空気極144に充分な量の酸化剤供給ガスを供給できないこともある。熱機関200で機械的エネルギーを生産するために必要とする酸化剤供給ガスの量と、燃料電池100で電気を生成するために必要とする酸化剤供給ガスの量とが異なり得るためである。このような問題を解決するため、本実施例に係るハイブリッドシステムは、図１で示しているように、酸化剤供給源から酸化剤供給ガスを圧縮手段210だけでなく、触媒燃焼器150にも供給することができる。このように構成すると、酸化剤供給ガスが熱機関200を経て触媒燃焼器150に供給されることに加えて、選択的に酸化剤供給源から直接、酸化剤供給ガスが触媒燃焼器150に供給され得る。
【００１８】
このとき、酸化剤供給源から触媒燃焼器150に供給される酸化剤供給ガスの流量を調節するために、本実施例に係るシステムは、第１調節弁531をさらに含むことができる。また、酸化剤供給源から触媒燃焼器150に供給される酸化剤供給ガスを加熱するために、本実施例に係るシステムは、バーナー535をさらに備えることができる。燃料電池100が稼動を始めるときや、または燃料電池100にかかる負荷が50％以下のときには、燃料電池100で充分な反応が起こらないため、燃料電池100が動作に必要な温度を維持し難い。これにより、必要な熱を別に供給することが好ましい。このため、本実施例に係るハイブリッドシステムは、前述したバーナー535を利用する。このように、バーナー535を介して酸化剤供給ガスを加熱した後に触媒燃焼器150に供給すると、燃料電池100だけでは必要な温度を維持し難い場合も、酸化剤供給ガスが有する熱から燃料電池100を必要な温度に維持することができる。
【００１９】
一方、本実施例に係るハイブリッドシステムは、酸化剤供給源から酸化剤供給ガスを圧縮手段210だけでなく、触媒燃焼器150から排出される酸化剤供給ガスにも供給することができる。前述したように、酸化剤供給ガスは、触媒燃焼器150を経ながら加熱されるため、酸化剤供給源から供給される酸化剤供給ガスよりも温度が高い。これにより、触媒燃焼器150から排出される酸化剤供給ガスに酸化剤供給源からの酸化剤供給ガスを供給すると、触媒燃焼器150から排出される酸化剤供給ガスの温度を下げることができる。このような点を利用して、酸化剤供給源から供給される酸化剤供給ガスの量を調節すると、触媒燃焼器150から排出される酸化剤供給ガスの温度を調節することができる。
【００２０】
例えば、高負荷により、燃料電池スタックの温度が上昇した場合に、酸化剤供給源から供給される酸化剤供給ガスの量を増加させ、空気極144に供給される酸化剤供給ガス(すなわち、触媒燃焼器から排出される酸化剤供給ガス)の温度を下げると、燃料電池スタックの温度も低くなり得る。燃料電池スタックは温度を一定に維持することが必要であるため、このような方法で燃料電池スタックの温度を調節することは非常に有用である。本実施例に係るハイブリッドシステムは、このような温度調節のため、すなわち、触媒燃焼器150から排出される酸化剤供給ガスに供給される酸化剤供給ガスの流量を調節するため、図１で示しているように、第２調節弁532をさらに含むことができる。
【００２１】
また、本実施例に係るシステムは、前述した第１調節弁531と第２調節弁532に加えて、酸化剤供給源から圧縮手段210に供給される酸化剤供給ガスの流量を調節するため、第３調節弁533をさらに含むことができる。第３調節弁533は、結果的に膨張手段220に流入される酸化剤供給ガスの量を調節することができるため、熱機関200で生産される機械的エネルギーの量を調節することができる。結局、本実施例に係るシステムは、前述した３つの弁531、532、533を介して熱機関200で必要とする酸化剤供給ガスの量、燃料電池100で必要とする酸化剤供給ガスの量、また、燃料電池スタックの温度を調節するために必要とする酸化剤供給ガスの量などを調節することができる。参考までに、酸化剤供給源から酸化剤供給ガスを燃料電池100や熱機関200に供給するため、本実施例に係るハイブリッドシステムは、送風機(air blower)540をさらに備えることができる。
【００２２】
一方、空気極144から排気される空気極排ガスは、前述した熱機関200に熱を提供した後にも、ある程度高温を維持する。これにより、このような熱をさらに活用することができれば、システム全体の効率はさらに向上されるはずである。このため、本実施例に係るハイブリッドシステムは、図２で示しているように、中低温の廃熱を動力として回収し、タービンを回す有機ランキンサイクル装置300をさらに含むことができる。図２は、本発明の他の実施例に係る燃料電池ハイブリッドシステムを示しているブロック図である。図２で示しているように、本実施例に係る有機ランキンサイクル装置300は、第１熱交換器510から排出される空気極排ガスとの熱交換を介して作動流体を加熱する第３熱交換器310、第３熱交換器310を介して加熱された作動流体を膨張させ、機械的エネルギーを発生させる膨張タービン320、膨張タービン320から排出される作動流体を凝縮させる凝縮器330、及び凝縮器330から排出される作動流体を押送するポンプ340を備える。
【００２３】
膨張タービン320は、前述した膨張手段220と同様に発生した機械的エネルギーで発電機360を駆動させて電気を発生させることができる。また、凝縮器330は、作動流体を凝縮させるため、外部から冷水の供給を受けることができる。また、本実施例に係る有機ランキンサイクル装置300は、熱交換効率をさらに高めるため、ポンプ340から排出される作動流体と膨張タービン320から排出される作動流体とを熱交換させる第４熱交換器350をさらに含むことができる。参考までに、有機ランキンサイクル装置300は、作動流体として水よりも沸点が低く、蒸気圧が高い有機媒体を用いる。
【００２４】
このように本実施例に係る燃料電池ハイブリッドシステムは、燃料電池100だけでなく、熱機関200、有機ランキンサイクル装置300を介しても電気を生成することができる。また、熱機関200と有機ランキンサイクル装置300で必要とする熱は、燃料電池100から供給され得る。これにより、本実施例に係る燃料電池ハイブリッドシステムは、設置場所にとらわれないながらも、システム全体の効率を向上させることができる。より具体的には、本実施例に係るハイブリッドシステム(図２を参照)は、燃料電池100からの廃熱を熱機関200だけでなく、有機ランキンサイクル装置300でも活用するため、下記表で示しているように、従来の燃料電池のみを含むシステム(図３を参照)に比べて向上された効率を有することができる(下記表は、定格出力時に得られるデータである)。
【００２５】
【表１】
2015503830.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、燃料電池を熱機関と連携させ、または燃料電池を熱機関だけでなく、有機ランキンサイクル装置とも連携させてシステム全体の効率を向上させた燃料電池ハイブリッドシステムに関するものであって、産業上の利用可能性がある。 
【図１】
2015503830.tif 000004
【図２】
2015503830.tif 000005
【図３】
2015503830.tif 000006
【国際調査報告】
2015503830.tif 000007
2015503830.tif 000008
2015503830.tif 000009
2015503830.tif 000010