(57)【要約】固体酸化物形燃料電池システム（１０）は、固体酸化物（５）形燃料電池スタック（１２）と、ガスタービン・エンジン（１４）とを備える。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、個々の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）を含む。ガスタービン・エンジン（１４）は、コンプレッサ（６０）及びタービン（６２）を備える。コンプレッサ（６０）は、カソード（２２）に酸化剤を供給するよう構成される。アノード（２０）に燃料を供給する手段（２８、３０、２４）が存在する。固体酸化物形燃料電池（１６）から利用されなかった酸化剤（４９）の一部をカソード（２２）に供給する手段が存在する。少なくとも酸化剤（４９）を供給する手段は、燃焼器（４６）及び排出装置（５８）を備える。燃焼器（４６）は、固体酸化物形燃料電池（１６）からの利用されなかった燃料の少なくとも一部を燃焼させるよう構成されるとともに、コンプレッサ（６０）により供給される酸化剤を予熱するために、コンプレッサ（６０）によりカソード（２２）に供給される酸化剤に、燃焼器（４６）の生成物を供給するよう構成される。
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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・エンジン（１４）を備え、前記固体酸化物形燃料電池スタック（１２）が、電解質（１８）、アノード（２０）及びカソード（２２）をそれぞれ備える少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）を備え、前記ガスタービン・エンジン（１４）が、前記少なくとも１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構成されるコンプレッサ（６０）と、該コンプレッサ（６０）を駆動するよう構成されたタービン（６２）とを備え、
更に、
前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）のアノード（２０）に燃料を供給する手段（２８、３０、２４）と、
前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）から前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）の前記カソード（２２）に対し、利用されなかった酸化剤（４９）の少なくとも一部（５２）を供給する手段と
を備えた固体酸化物形燃料電池システム（１０）であって、
前記利用されなかった酸化剤（４９）の少なくとも一部（５２）を供給する前記手段が、燃焼器（４６）を備え、該燃焼器（４６）が、前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）からの前記利用されなかった燃料の少なくとも一部（４４）を、前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）からの前記利用されなかった酸化剤の前記少なくとも一部（５２）のなかで燃焼させるよう構成されるとともに、前記コンプレッサ（６０）により供給される前記酸化剤を予熱するために、前記燃焼器（４６）の前記生成物を、前記コンプレッサ（６０）により前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）の前記カソード（２２）に供給される前記酸化剤に供給するように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、前記固体酸化物形燃料電池スタック（１２）が複数の固体酸化物形燃料電池を含むシステム。
【請求項３】
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であって、前記利用されなかった酸化剤の第２の部分（５４）が、前記タービン（６２）を駆動するために前記タービン（６２）に供給されるシステム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、前記コンプレッサ（６０）により供給される前記酸化剤を予熱するために、前記タービン排気（６２）ガスから、前記コンプレッサ（６０）から前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）の前記カソード（２２）に供給される前記酸化剤へと熱を伝達する熱交換器（７０）が設けられるシステム。
【請求項５】
請求項１又は２記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、前記燃焼器（４６）が、前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）からの前記利用されなかった燃料の少なくとも一部（４４）を、前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）からの全ての前記利用されなかった酸化剤のなかで燃焼させるよう構成されるシステム。
【請求項６】
請求項５記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、前記燃焼器（４６）が、前記コンプレッサ（６０）により供給される前記酸化剤を予熱するために、前記燃焼器（４６）の前記生成物の一部（５６Ｂ）を、前記コンプレッサ（６０）により前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）の前記カソード（２２）に供給される前記酸化剤に供給するよう構成されるシステム。
【請求項７】
請求項６記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、前記燃焼器（４６）の前記生成物の第２の部分（７２）が、前記タービン（６２）を駆動するために前記タービン（６２）に供給されるシステム。
【請求項８】
請求項７記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、前記コンプレッサ（６０）により供給される前記酸化剤を予熱するために、前記燃焼器（４６）の前記生成物から、前記コンプレッサ（６０）から前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）の前記カソード（２２）に供給される前記酸化剤へと熱を伝達するために熱交換器（７４）が設けられるシステム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、更に、前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）からの前記利用されなかった燃料の少なくとも第２の部分（４０）を前記アノード（２０）に供給する手段であって、燃料を供給する前記手段（２８、３０、２４）により供給される前記燃料を予熱するために、前記利用されなかった燃料の前記第２の部分を、燃料を供給する前記手段（２８、３０、２４）により供給される前記燃料に供給するよう構成される手段を備えるシステム。
【請求項１０】
請求項９記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、前記利用されなかった燃料の少なくとも第２の部分（４０）を供給する前記手段が、前記利用されなかった燃料に加圧する手段（４２）と、前記利用されなかった燃料を前記燃料と混合する手段とを備えるシステム。
【請求項１１】
請求項１０記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、前記利用されなかった燃料に加圧する前記手段（４２）、及び前記利用されなかった燃料を前記燃料と混合する手段が排出装置を備えるシステム。
【請求項１２】
請求項１０記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、前記利用されなかった燃料に加圧する手段（４２）が、ポンプ、ファン、送風機又はターボマシンを備え、前記利用されなかった燃料を前記燃料と混合する前記手段がミキサを備えるシステム。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１つに記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、前記利用されなかった酸化剤の少なくとも一部を供給する前記手段が、前記利用されなかった酸化剤に加圧する手段（５８）と、前記利用されなかった酸化剤を前記酸化剤と混合する手段（５８）とを備えるシステム。
【請求項１４】
請求項１３記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、前記利用されなかった酸化剤に加圧する手段（５８）、及び前記利用されなかった酸化剤を前記酸化剤と混合する手段（５８）が排出装置を備えるシステム。
【請求項１５】
請求項１３記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、前記利用されなかった酸化剤に加圧する手段（５８）、及び前記利用されなかった酸化剤を前記酸化剤と混合する手段（５８）が、ポンプ、ファン、送風機又はターボマシン（５８Ａ）と、ミキサ（５８Ｂ）とを備えるシステム。
【請求項１６】
請求項１３〜１５のいずれか１つに記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、前記燃焼器（４６）が、前記利用されなかった酸化剤に加圧する前記手段（５８）及び前記利用されなかった酸化剤を前記酸化剤と混合する手段を介して前記コンプレッサ（６０）により供給される前記酸化剤を予熱するために、前記燃焼器（４６）の前記生成物を、前記コンプレッサ（６０）により前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）の前記カソード（２２）に供給される前記酸化剤に供給するよう構成されるシステム。
【請求項１７】
請求項１１、１４又は１６のいずれか１つに記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、前記排出装置がジェットポンプであるシステム。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか１つに記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、燃料を前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）の前記アノード（２２）に供給する前記手段が改質器を備え、該改質器（７６）が前記燃料を改質するよう構成され、燃料供給源（２８）が前記改質器（７６）に燃料を供給するよう構成され、前記改質器（７６）が改質された燃料を前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）の前記アノード（２０）に供給するよう構成されるシステム。
【請求項１９】
請求項１８記載の固体酸化物形燃料電池システムであって、前記利用されなかった酸化剤の少なくとも一部を供給する前記手段が、前記改質器（７６）を加熱するよう構成されるシステム。
【請求項２０】
固体酸化物形燃料電池スタック（１２）及びガスタービン・エンジン（１４）を備え、前記固体酸化物形燃料電池スタック（１２）が、電解質（１８）、アノード（２０）及びカソード（２２）をそれぞれ備える少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）を備え、前記ガスタービン・エンジン（１４）が、前記少なくとも１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構成されるコンプレッサ（６０）と、該コンプレッサを駆動するよう構成されたタービン（６２）とを備え、
更に、
前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）の前記アノード（２０）に燃料を供給する手段（２８、３０、２４）と、
前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）から燃焼器（４６）に前記利用されなかった酸化剤（４９）の少なくとも一部（５２）を供給する前記手段と、
前記利用されなかった燃料の少なくとも一部を前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）から前記燃焼器（４６）に供給する手段であって、前記燃焼器（４６）が前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）からの前記利用されなかった燃料の前記少なくとも一部（４４）を、前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）からの前記利用されなかった酸化剤の前記少なくとも一部（５２）のなかで燃焼させるよう構成されるとともに、前記コンプレッサ（６０）により供給される前記酸化剤を予熱するために、前記燃焼器（４６）の前記生成物を、前記コンプレッサ（６０）により前記少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池（１６）の前記カソード（２２）に供給される前記酸化剤に供給するように構成される手段と
を備える固体酸化物形燃料電池システム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温燃料電池システムに関するものであり、より詳細には、固体酸化物形燃料電池システムに関する。
出願人による欧州特許出願公開第ＥＰ０６６８６２２Ａ１号に開示される１つの既知の固体酸化物形燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池スタックとガスタービン・エンジンとを備える。固体酸化物形燃料電池スタックは複数の固体酸化物形燃料電池を備え、個々の固体酸化物形燃料電池は電解質、アノード及びカソードを備える。ガスタービン・エンジンは、コンプレッサと、コンプレッサを駆動するよう構成されたタービンとを備える。コンプレッサは、固体酸化物形燃料電池のカソードに酸化剤を供給するよう構成されており、固体酸化物形燃料電池のアノードに燃料を供給する手段が存在する。利用されなかった酸化剤の一部は、固体酸化物形燃料電池からカソードに供給される。利用されなかった燃料の一部は、燃焼器において利用されなかった酸化剤の残りの中で燃やされ、燃焼器の生成物がタービンを駆動する。コンプレッサにより供給される酸化剤を予熱するために、燃焼器の生成物から、コンプレッサから少なくとも１つのカソードに供給される酸化剤へと熱を伝達する熱交換器が設けられ得る。
【０００２】
この構成において、燃焼器は高温熱交換器の上流に設置される。
この構成の問題点は、酸化剤が固体酸化物形燃料電池スタックに入る前に必要とされる温度に達するために、燃焼器の生成物から、コンプレッサから固体酸化物形燃料電池に供給される酸化剤へと熱を伝達するための高温熱交換器の利用が必要なことである。
【０００３】
従って、本発明は、上記の問題点を低減し又は完全に克服する新規な固体酸化物形燃料電池システムを提供することを目的とする。
従って、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を備える固体酸化物形燃料電池システムであって、固体酸化物形燃料電池スタックが少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池を備え、個々の固体酸化物形燃料電池が電解質、アノード及びカソードを備え、ガスタービン・エンジンがコンプレッサとコンプレッサを駆動するよう構成されたタービンとを備え、コンプレッサが少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池のカソードに酸化剤を供給するよう構成されるシステムにおいて、少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池のアノードに燃料を供給する手段と、少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池から少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池のカソードに対し、利用されなかった酸化剤の少なくとも一部を供給する手段であって、少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池からの利用されなかった燃料の少なくとも一部を、少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池からの利用されなかった酸化剤の少なくとも一部のなかで燃焼させ、コンプレッサにより供給される酸化剤を予熱するために、コンプレッサにより少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池のカソードに供給される酸化剤に燃焼器の生成物を供給するよう構成された燃焼器を備える手段とを備える固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【０００４】
固体酸化物形燃料電池スタックは、複数の固体酸化物形燃料電池を備えることが望ましい。
利用されなかった酸化剤の第２の部分は、タービンを駆動するために、タービンに供給されることが望ましい。
【０００５】
熱交換器は、コンプレッサにより供給される酸化剤を予熱するために、タービンの排ガスから、コンプレッサから少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池のカソードに供給される酸化剤へと熱を伝達するよう設けられ得る。
【０００６】
代わりに、燃焼器は、少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池からの利用されなかった燃料の少なくとも一部を、少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池からの全ての利用されなかった酸化剤のなかで燃焼させるよう構成される。
【０００７】
燃焼器は、コンプレッサにより供給される酸化剤を予熱するために、燃焼器の生成物の一部を、コンプレッサにより少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池のカソードに供給される酸化剤へと供給するように構成されても良い。
【０００８】
燃焼器の生成物の第２の部分は、タービンを駆動するようタービンに供給されてもよい。
コンプレッサにより供給される酸化剤を予熱するために、燃焼器の生成物から、コンプレッサから少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池のカソードに供給される酸化剤へと熱を伝達する熱交換器が設けられ得る。
【０００９】
更に、少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池からアノードへと利用されなかった燃料の少なくとも第２の部分を供給する手段があってもよい。利用されなかった燃料の第２の部分を供給する手段は、燃料を供給する手段により供給される燃料を予熱するために、燃料を供給する手段により供給される燃料に対し、利用されなかった燃料の第２の部分を供給するよう構成される。
【００１０】
利用されなかった燃料の少なくとも第２の部分を供給する手段は、利用されなかった燃料に加圧する手段と、利用されなかった燃料を燃料と混合する手段とを備えることが望ましい。
【００１１】
利用されなかった燃料に加圧する手段、及び利用されなかった燃料を燃料と混合する手段は、排出装置を備えることが望ましい。
代わりに、利用されなかった燃料に加圧する手段、及び利用されなかった燃料を燃料と混合する手段は、ポンプ、ファン、送風機又はターボマシンと、ミキサとを備える。
【００１２】
利用されなかった酸化剤の少なくとも一部を供給する手段は、利用されなかった酸化剤に加圧する手段と、利用されなかった酸化剤を酸化剤と混合する手段とを備えることが望ましい。
【００１３】
利用されなかった酸化剤に加圧する手段、及び利用されなかった酸化剤を酸化剤と混合する手段は、排出装置を備えることが望ましい。
代わりに、利用されなかった燃料に加圧する手段は、ポンプ、ファン、送風機又はターボマシンを備え、利用されなかった燃料を燃料と混合する手段はミキサを備える。
【００１４】
燃焼器は、利用されなかった酸化剤に加圧する手段、及び利用されなかった酸化剤を酸化剤と混合する手段を介してコンプレッサにより供給される酸化剤を予熱するために、コンプレッサにより少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池のカソードに供給される酸化剤に燃焼器の生成物を供給するよう構成されることが望ましい。
【００１５】
排出装置はジェットポンプであることが望ましい。
燃料を少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池のアノードに供給する手段は改質器を備え、該改質器は燃料を改質するよう構成され、燃料供給源は燃料を改質器に供給するよう構成され、改質器は改質された燃料を少なくとも１つの固体酸化物形燃料電池のアノードに供給するよう構成されることが望ましい。
【００１６】
利用されなかった酸化剤の少なくとも一部を供給する手段は、改質器を加熱するよう構成されることが望ましい。
本発明は、以下において、添付の図面を参照した例示により、更に完全に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池システム１０が図１に示される。固体酸化物形燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池スタック１２とガスタービン・エンジン１４とを備える。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、個々の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の対向する表面に置かれる。
【００１８】
ガスタービン・エンジン１４は、コンプレッサ６０及びタービン６２を備え、タービン６２はシャフト６４を介してコンプレッサ６０を駆動するよう構成される。
アノード２０には、燃料マニフォールド２４により例えば水素のような燃料が供給され、例えば水素のような燃料の供給源２８は、ダクト３０を介して燃料マニフォールド２４に燃料を供給するよう構成される。カソード２２には、酸化剤マニフォールド２６により例えば酸素、空気などのような酸化剤が供給され、酸化剤供給源３２は、ダクト３４を介して酸化剤マニフォールド２６に酸化剤を供給するよう構成されている。
【００１９】
アノード２０には、未利用燃料回収マニフォールド３６が設けられ、利用されなかった燃料が該マニフォールドに排出される。未利用燃料回収マニフォールド３６は、ダクト３８及び４０を介してダクト３０に接続され、利用されなかった燃料の一部が燃料マニフォールド２４に供給即ち再循環される。燃料排出装置４２は、未利用燃料回収マニフォールド３６から燃料マニフォールド２４への利用されなかった燃料の供給即ち再循環を促すよう設けられる。ダクト３８、４０及び燃料排出装置４２は、利用されなかった燃料が固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０へ戻るよう供給即ち再循環する手段３７を形成する。燃料排出装置４２は、利用されなかった燃料に加圧し、該燃料を、燃料供給源２８からダクト３０を介して燃料マニフォールド２４に供給される燃料と混合する。
【００２０】
未利用燃料回収マニフォールド３６は、また、ダクト３８及び更なるダクト４４を介して燃焼器４６にも接続され、利用されなかった燃料の第２の部分が燃焼器４６に供給される。
【００２１】
カソード２２には、未利用酸化剤回収マニフォールド４８が設けられ、利用されなかった酸化剤が該マニフォールドに排出される。未利用酸化剤回収マニフォールド４８は、ダクト５０及び５２、燃焼器４６、及びダクト５６を介してダクト３４に接続され、利用されなかった酸化剤の一部が酸化剤マニフォールド２６に供給即ち再循環される。酸化剤排出装置５８は、未利用酸化剤回収マニフォールド４８から酸化剤マニフォールド２６への利用されなかった酸化剤の供給即ち再循環を促すよう設けられる。ダクト５０、５２及び５６並びに酸化剤排出装置５８は、利用されなかった酸化剤が固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２から固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２へと戻るよう供給即ち再循環する手段４９を形成する。
【００２２】
燃焼器４６に供給される利用されなかった燃料の第２の部分は、燃焼器４６に供給される利用されなかった酸化剤の一部のなかで燃焼されて、高温のガスを生成する。燃焼器４６内で生成された高温のガスは、利用されなかった酸化剤とともにダクト５６及び酸化剤排出装置５８を通ってダクト３４へ流れ、そこから酸化剤マニフォールド２６に流れるよう構成される。燃焼器４６の生成物である高温のガス及び利用されなかった酸化剤は、燃焼器４６及びダクト５６により酸化剤排出装置５８に供給される。酸化剤排出装置５８は、コンプレッサ６２により供給される酸化剤を予熱するために、燃焼器４６の生成物に加圧し、燃焼器４６の生成物を、コンプレッサ６０からダクト３４を介して酸化剤マニフォールド２６に供給される酸化剤と混合する。
【００２３】
未利用酸化剤回収マニフォールド４８は、ダクト５０及び更なるダクト５４を介してタービン６２とも接続され、利用されなかった酸化剤の第２の部分がタービン６２に供給される。利用されなかった酸化剤の第２の部分は、タービン６２を駆動する。利用されなかった酸化剤の第２の部分は、次いでダクト６６を流れ、排気口６８から排出される。
【００２４】
ダクトは、単純なパイプであってもよく、又は、燃料、酸化物等を固体酸化物形燃料電池システムの１つの要素から他の要素へと運ぶ他の構成であってもよい。
従来技術において、燃焼器は、高温熱交換器を用いて未利用酸化剤回収マニフォールドから酸化剤マニフォールドに供給される利用されなかった酸化剤を間接的に加熱する。
【００２５】
この構成の利点は、未利用酸化剤回収マニフォールドから酸化剤マニフォールドへと供給される利用されなかった酸化剤を燃焼器が直接加熱するために、高温熱交換器が不要なことである。これにより、固体酸化物形燃料電池システムの単純化が可能となり、部品数が減り、コストが低減され、保守性が向上させられる。熱交換器を有しておらず、酸化剤排出装置が変動するパラメータにより良く対応する能力を有しているために、固体酸化物形燃料電池システムは、より良い負荷追従能力を有すると信じられている。更に、この構成は、単純でローテクなガスタービンの使用を可能とする。加えて、燃焼器における利用されなかった燃料の燃焼は、例えば一酸化炭素、又は水即ち水蒸気のような高温のガスを生成し、それらはカソードに供給される。固体酸化物形燃料電池スタックからの漏れが発生した場合には、フレーム温度の低下が起こるので、固体酸化物形燃料電池スタックへのダメージが低減される。
【００２６】
本発明に係る代わりの固体酸化物形燃料電池システム１１０が図２に示される。固体酸化物形燃料電池システム１１０は、固体酸化物形燃料電池スタック１２とガスタービン・エンジン１４とを備える。固体酸化物形燃料電池システム１１０は、図１に示される固体酸化物形燃料電池システム１０と実質的に同じであり、同様の部分は同様の番号で示される。
【００２７】
固体酸化物形燃料電池システム１１０は、熱交換器７０を有する点で固体酸化物形燃料電池システム１０と異なる。熱交換器７０は低効率熱交換器７０であり、金属又はセラミックで形成され得る。熱交換器７０は、コンプレッサ６０により供給される酸化剤を予熱するために、利用されなかった酸化剤から、コンプレッサ６０により固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２に供給される酸化剤へと熱を伝達するよう設けられる。熱交換器７０は、コンプレッサ６０と酸化剤排出装置５８との間のダクト３４において、コンプレッサ６０から酸化剤マニフォールド２６への酸化剤の流れを予熱するよう構成される。熱交換器７０は、タービン６２と排出口６８との間のダクト６６において、利用されなかった酸化剤の流れから熱を取り出すよう構成される。
【００２８】
この構成の利点は、未利用酸化剤回収マニフォールドから酸化剤マニフォールドに供給される利用されなかった酸化剤を燃焼器が直接加熱するために、高温熱交換器が必要ないことである。これにより、固体酸化物形燃料電池システムの単純化が可能となり、部品数が減らされ、コストが低減されて保守性が向上させられる。
【００２９】
この構成の更なる利点は、熱交換器が低効率であり、タービンの下流に置かれて低い入り口温度を有するために、より効率的で大型なターボマシン、タービン及びコンプレッサが利用できることである。
【００３０】
本発明に係る更なる固体酸化物形燃料電池システム２１０が図３に示される。固体酸化物形燃料電池システム２１０は、固体酸化物形燃料電池スタック１２及びガスタービン１４を備える。固体酸化物形燃料電池システム２１０は図１に示される固体酸化物形燃料電池システム１０と実質的に同じであり、同様の部分は同様の番号で示される。
【００３１】
固体酸化物形燃料電池２１０は、酸化剤回収マニフォールド４８からの全ての利用されなかった酸化剤をダクト５０を介して燃焼器４６に供給する点において、固体酸化物形燃料電池１０と異なる。利用されなかった燃料の第２の部分は、燃焼器４６において、全ての利用されなかった酸化剤のなかで燃焼され、高温のガスを生成する。高温のガス及び利用されなかった酸化剤である燃焼器４６の生成物の第１の部分は、ダクト５６及び５６Ｂを介して酸化剤排出装置５８に供給される。高温のガス及び利用されなかった酸化剤である燃焼器４６の生成物の第２の部分は、タービン６２を駆動するために、ダクト５６及び７２を介してタービン６２に供給される。
【００３２】
熱交換器７４は、コンプレッサ６０により供給される酸化剤を予熱するために、高温のガス及び利用されなかった酸化剤である燃焼器４６の生成物から、コンプレッサ６０から固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２に供給される酸化剤へと熱を伝達するよう設けられる。熱交換器７４は低効率熱交換器７４であり、金属又はセラミックで形成され得る。熱交換器７４は、酸化剤排出装置５８と酸化剤マニフォールド２６との間のダクト３４におけるコンプレッサ６０から酸化剤マニフォールド２６への酸化剤の流れを予熱するよう構成される。熱交換器７４は、燃焼器４６とタービン６２又は酸化剤排出装置５８との間のダクト５６において、高温のガス及び利用されなかった酸化剤である燃焼器４６の生成物の流れから熱を取り出すよう構成される。
【００３３】
この構成の利点は、未利用酸化剤回収マニフォールドから酸化剤マニフォールドへ供給される利用されなかった酸化剤を燃焼器が直接加熱するために、熱交換器の必要性が低減されることである。これにより、固体酸化物形燃料電池システムの単純化が可能となり、コストが低減され、信頼性が向上する。
【００３４】
ガスタービン・エンジンは、コンプレッサ及び／又はタービンに、例えば可変式インレット・ガイドベーンのような可変式ガイドベーンを有し得る。
酸化剤排出装置はジェット・ポンプであり得る。代わりに、燃焼器の生成物に加圧し、コンプレッサにより供給される酸化剤と混合する他の手段が設けられ得る。例えばターボマシン、ファン、ポンプ又は送風機が、燃焼器の生成物に加圧するために設けられ、燃焼器の生成物と酸化剤とを混合するために別個のミキサが設けられ得る。ターボマシンは、出力タービンにより駆動され得る。ファン、ポンプ又は送風機は、出力タービンにより駆動されてもよく、電気的に、又は他の適切な手段により駆動されてもよい。
【００３５】
燃料排出装置は、ジェット・ポンプであり得る。代わりに、利用されなかった燃料に加圧し、燃料供給源により供給される燃料と混合する他の手段が設けられ得る。例えばターボマシン、ファン、ポンプ又は送風機が、利用されなかった燃料に加圧するために設けられ、利用されなかった燃料を燃料と混合するために別個のミキサが設けられ得る。ターボマシンは、出力タービンにより駆動され得る。ファン、ポンプ又は送風機は、出力タービンにより駆動されてもよく、電気的に、又は他の適切な手段により駆動されてもよい。
【００３６】
本発明に係る更なる固体酸化物形燃料電池システム３１０が図４に示される。固体酸化物形燃料電池システム３１０は、固体酸化物形燃料電池スタック１２とガスタービン・エンジン１４とを備える。固体酸化物形燃料電池システム３１０は、図１に示される固体酸化物形燃料電池システム１０と実質的に同じであり、同様の部分は同様の番号で示される。
【００３７】
固体酸化物形燃料電池システム３１０は、固体酸化物形燃料電池システム３１０においては、高温のガス及び利用されなかった酸化剤である燃焼器４６の生成物が、コンプレッサ６２により供給される酸化剤を予熱するために、まず、燃焼器４６及びダクト５６により、燃焼器４６の生成物に加圧する酸化剤ポンプ５８Ａに供給され、次に、燃焼器４６の生成物とコンプレッサ６０からダクト３４を介して酸化剤マニフォールド２６に供給される酸化剤とを混合するミキサ５８Ｂに供給される点において固体酸化物形燃料電池システム１０と異なる。
【００３８】
固体酸化物形燃料電池システム３１０は、また、燃料供給源２８が例えばメタンのような炭化水素燃料の供給源である点において固体酸化物形燃料電池システム１０と異なる。また、固体酸化物形燃料電池スタック１２は、炭化水素燃料を水素及び一酸化炭素に改質するよう構成された改質器７６を備える。改質器７６は燃料マニフォールド２４の上流に置かれ、改質されていない炭化水素燃料がダクト３４を介して改質器７６に供給されて、改質された燃料である水素及び一酸化炭素が燃料マニフォールド２４に供給される。改質器７６で起こる改質反応は吸熱反応である。改質器７６における吸熱反応に必要な熱は、未利用酸化剤回収マニフォールド４８のすぐ下流にある、利用されなかった酸化剤から改質器７６へと熱を伝達する熱交換器７８により提供される。
【００３９】
ポンプ５８Ａは、ファン、送風機又はターボマシンにより置き換えられ得る。ターボマシンは、タービン６２から排気口６８へとダクト６６を介して流れる琲ガスにより駆動されるよう構成された出力タービンにより駆動され得る。
【００４０】
図４において、例えば、５０キロワットの固体酸化物形燃料電池システム３１０について、コンプレッサ６０の排気口における酸化剤の圧力は９．５バール即ち９５０キロパスカルであり、温度は摂氏３９０度である。酸化剤マニフォールド２６における酸化剤の圧力は７バール即ち７００キロパスカルであり、温度は摂氏８５０度である。未利用酸化剤回収マニフォールド４８における利用されなかった酸化剤の温度は摂氏９５０度である。ダクト５０、５２及び５４における利用されなかった酸化剤の圧力は７バール即ち７００キロパスカルであり、温度は摂氏８６０度である。ダクト５６における燃焼器４６の生成物の圧力は７バール即ち７００キロパスカルであり、温度は摂氏１０５０度である。排気口６８における琲ガスの圧力は１．０１３バール即ち１０１．３キロパスカルであり、温度は摂氏５３０度である。
【００４１】
図４の改質器を図１、２及び３の実施の形態において利用することも可能であり、及び／又は図４のポンプ及びミキサを図１、２及び３で利用することも可能であり得る。
図４において、更なる代替案として、ダクト５６にミキサ５８Ｂへの直接供給を行わせ、ミキサ５８Ｂと酸化剤マニフォールド２６との間のダクト３４にポンプ５８Ａを設けることも可能であり得る。これにより、より低い温度に適応するポンプの利用が可能になる。
【００４２】
本発明を、単一のコンプレッサ及び単一のタービンを備えるガスタービン・エンジンに関して説明したが、ガスタービン・エンジンは低圧コンプレッサ、高圧コンプレッサ、高圧タービン及び低圧タービンを備え得る。代わりに、ガスタービン・エンジンは、低圧コンプレッサ、中圧コンプレッサ、高圧コンプレッサ、高圧タービン、中圧タービン及び低圧タービンを備え得る。コンプレッサは軸流コンプレッサ又は半径流コンプレッサであってよく、同様に、タービンは軸流タービン又は半径流タービンであってよい。
【００４３】
ガスタービンは、例えば交流発電機である発電機を駆動して、更なる電力を提供し得る。発電機は低圧コンプレッサにより駆動されてもよい。
高圧コンプレッサを備えるガスタービン・エンジンの場合、高圧コンプレッサの下流端からの流れを抽気して、抽気した流れを高圧タービンに供給する抽気装置があってもよい。代わりに、高圧コンプレッサの下流端からの流れを抽気して、抽気した流れをガスタービン・エンジンから排出する抽気装置があってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【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を示す。
【図２】図２は、本発明に係る代わりの固体酸化物形燃料電池システムを示す。
【図３】図３は、本発明に係る更なる固体酸化物形燃料電池システムを示す。
【図４】図４は、本発明に係るもう１つの固体酸化物形燃料電池システムを示す。
【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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