(57)【要約】エネルギシステムは、コンバータを備え、コンバータは回収管内に配設され、回収管は、コンバータによって生成された排気を回収し、必要に応じて、ガスタービン組立体等のボトミング装置に供給する。ボトミング装置は、コンバータによって生成された廃熱からエネルギを抽出し、エネルギシステムの効率を高める。コンバータは、天然ガス、灯油、メタノール、プロパン、ガソリン、軽油又は他の化学製品等の炭化水素用の蒸気改質器、一部酸化改質器又は自己熱改質器としても動作する。化学コンバータは、電気化学装置としても動作する。コンバータが燃料電池として動作する場合、水素又は炭化水素燃料の供給により電力が生成される。電解質セルとして動作する場合、電気エネルギは、保存用の化学的資源又は媒体を生成するために消費される。エネルギシステムは、商業、工業又は発電用途のための、加圧され、加熱された蒸気、又は熱流体、又は気体媒体を生成する熱プラントを含んでいてもよく、この熱プラントとして用いてもよい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力、化学資源、調整された熱媒体のうちの少なくとも１つを生成するエネルギシステムであって、
回収管と、
前記回収管内に配設された１以上のコンバータと、
前記回収管内に、前記コンバータに熱伝導可能に配設された熱制御スタックと、
前記回収管に接続され、当該エネルギシステムの適正な動作を保証するために当該エネルギシステムのパラメータを監視する１以上のセンサとを備える、エネルギシステム。
【請求項２】
前記コンバータが、電気化学コンバータを備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項３】
前記電気化学コンバータが、固体酸素燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、燐酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池、陽子交換膜型燃料電池のうちのいずれか１つを備える、請求項２に記載のエネルギシステム。
【請求項４】
前記コンバータが、化学コンバータを備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項５】
前記化学コンバータが、改質器を備える、請求項４に記載のエネルギシステム。
【請求項６】
前記化学コンバータが、蒸気改質器、部分酸化改質器、自己熱交換改質器、空力加熱改質器のうちの１つを備える、請求項４に記載のエネルギシステム。
【請求項７】
前記コンバータが、熱コンバータを備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項８】
前記熱コンバータが、蒸気生成器、蒸気過熱器、加熱流体ヒータ、気体媒体ヒータのうちの１つを備える、請求項７に記載のエネルギシステム。
【請求項９】
化学反応器、電気化学反応器、熱反応器のうちの少なくとも１つを含む複数のコンバータを更に備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１０】
前記センサが、紫外線センサを備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１１】
前記センサが、赤外線センサを備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１２】
前記センサが、ガスセンサを備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１３】
前記センサが、酸素センサを備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１４】
ガスセンサと、少なくとも紫外線センサ及び赤外線センサのうちの１つとを含む複数のセンサを更に備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１５】
前記コンバータが、最高約１５００℃までの温度と、最高約１５００ｐｓｉまでの圧力において動作するよう構成された、請求項１記載のエネルギシステム。
【請求項１６】
前記コンバータが、改質器を備え、該改質器が、燃料を改質するために該改質器上に配設された触媒材料を有するキャリアを備えた、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１７】
前記コンバータが、燃料電池を備え、該燃料電池が、燃料を電力に電気化学的に変換するために該燃料電池上に配設された電極材料を有する電解質を備えた、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１８】
前記熱制御スタックが、熱源又はヒートシンクとして動作するよう構成された、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１９】
前記センサが、前記回収管内に回収された排気内の酸素を感知する酸素センサを備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項２０】
前記センサが、前記熱制御スタックの温度状態を感知するための、熱電対、サーモスタット、赤外線センサのうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項２１】
前記赤外線センサが、前記熱制御スタックが燃焼器として動作している際、該熱制御スタックにおける炎の有無を検出する、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項２２】
前記センサが、前記熱制御スタックの温度状態を感知する紫外線センサを備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項２３】
前記紫外線センサが、前記熱制御スタックの熱エネルギを感知する、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項２４】
前記少なくとも１つのコンバータ及び前記熱制御スタックが、排気を生成し、前記回収管が、前記排気を回収する、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項２５】
前記回収管が、該回収管にパージガスを導入するための導入口を更に備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項２６】
前記回収管内の選択された流体をパージする手段を更に備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項２７】
前記回収管が、チャンバを形成する外側の筐体と、該チャンバ内に配設され該筐体との間に孤立した空隙を形成する断熱材とを備え、当該エネルギシステムが、前記チャンバと前記空隙における選択された流体をパージする手段を更に備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項２８】
前記コンバータが、燃料セル及び改質器の両方として機能する、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項２９】
前記センサに接続されたコントローラと、前記センサからの出力信号に基づいて前記回収管への反応物の供給を制御する手段とを更に備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項３０】
前記コンバータ及び熱制御スタックのいずれか一方に、改質剤、燃料反応物、酸化剤反応物のうちの少なくともいずれか１つの反応物を供給する手段を更に備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項３１】
前記改質剤が、水、酸素、空気、二酸化炭素のうちの少なくとも１つを備える、請求項３０に記載のエネルギシステム。
【請求項３２】
前記コンバータ又は熱制御スタックに反応物を供給する手段を更に備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項３３】
前記コンバータ及び熱制御スタックが、排気を生成し、該排気をボトミング装置に供給する手段を更に備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項３４】
前記回収管に流体的に接続されたガスタービン組立体を更に備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項３５】
前記コンバータ及び熱制御スタックが、排気を生成し、前記回収管が、該排気を回収し、該排気が、前記ガスタービン組立体用の駆動ガスを構成する、請求項３４に記載のエネルギシステム。
【請求項３６】
前記センサが、温度センサを備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項３７】
前記コンバータに導入する前に、改質剤と１以上の反応物とを混合する混合器を更に備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項３８】
前記混合器が、筐体と、該筐体に設けられた複数のポートとを備える、請求項３７に記載のエネルギシステム。
【請求項３９】
前記ポートが、前記反応物と前記改質剤とを前記筐体内の混合領域で混合し、改質混合物を生成するよう構成された、請求項３８に記載のエネルギシステム。
【請求項４０】
前記混合器が、前記混合領域において、燃料と上記とを混合し、該混合器が、前記改質混合物を排出するポートを備える、請求項３９に記載のエネルギシステム。
【請求項４１】
前記複数のポートのうち一対のポートが、流体を導入及び排出し、前記混合領域に隣接する冷却領域を形成し、該流体が、前記改質混合物を構成する前記反応物及び前記改質剤から隔離された、請求項４０に記載のエネルギシステム。
【請求項４２】
前記コンバータが、動作において反応物を反応生成物に改質する平板状の改質器を備え、該改質器が、
１以上の触媒材料を含む複数の触媒板と、熱伝導性材料により形成された複数の伝導板とを備え、該触媒板及び伝導板が、交互に積層されて改質構造を構成し、該伝導板が、平面方向に熱を伝導して改質プロセスを補助する、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項４３】
前記改質プロセスが、１以上の改質反応を含み、該改質反応が、２以上の反応物間の化学反応を触媒作用的に補助すること、及び単一の反応物の熱解離を触媒作用的に補助することを含んだ、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項４４】
前記改質構造が、該改質構造に反応物を導入するための少なくとも１つの軸方向マニホルドと、該改質構造から反応生成物を排出するための少なくとも１つのマニホルドとを備えた、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項４５】
前記改質構造が、外部環境と熱エネルギを交換するための、露出された外周面を備えた、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項４６】
前記改質構造が、該改質構造に反応物を導入するための少なくとも１つの軸方向反応物マニホルドと、該改質構造の外周部から反応生成物を排出するための外周排出手段とを備えた、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項４７】
前記積層された改質構造の周囲に配設され、外周軸方向マニホルドを形成する、熱伝導性を有する気密筐体と、
前記反応生成物を前記外周軸方向マニホルドに導入する手段とを更に備え、前記反応生成物が前記気密筐体に回収される、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項４８】
輻射、伝導、対流のいずれかによって、外部環境と前記伝導板との間で熱エネルギを交換させる手段を備える熱伝導性を有する気密筐体を更に備える、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項４９】
前記改質構造の外表面が、気密筐体の内表面に接し、該気密筐体が、前記伝導板に熱エネルギを伝導する、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項５０】
加圧改質プロセスのための円筒構造の気密筐体を更に備える、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項５１】
前記伝導板が、該伝導板の平面方向に略等温状態を実現する手段を備えた、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項５２】
前記改質構造が、該改質構造に反応物を導入するための少なくとも１つの軸方向反応物マニホルドを備え、前記伝導板が、該伝導板に一体に形成され、前記軸方向反応物マニホルド内に拡張し、導入されてくる反応物を予熱する拡張手段を備えた、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項５３】
前記伝導板及び前記触媒板のうちの少なくとも一方が、前記反応物を流通させる流通手段を有する平面状の表面を備えた、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項５４】
前記改質構造内に形成された軸方向マニホルドと、
前記伝導板と前記触媒板との間に形成された流通手段と、
前記伝導板と前記触媒板との間に形成された流通手段により流通される反応物フローの圧力低下を、前記軸方向マニホルドにおける反応物フローの圧力低下より実質的に大きくする手段とを更に備える、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項５５】
前記触媒板と前記伝導板との間に形成され、該触媒板及び伝導板のいずれか一方の表面において前記反応物を流通させる流路を更に備え、該流路が、実質的に均一な圧力低下を維持し、前記改質構造の軸に沿った反応物の実質的に均一なフローを実現した、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項５６】
前記改質構造の軸に沿って、実質的に均一な温度状態を実現する手段を更に備える、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項５７】
前記触媒板が、多孔質改質材料から形成され、該多孔質改質材料が、導入されてくる反応物を少なくとも板の一部に通過させる流通手段を構成した、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項５８】
前記伝導板が、多孔質改質材料から形成され、該多孔質改質材料が、導入されてくる反応物を少なくとも板の一部に通過させる流通手段を構成した、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項５９】
前記伝導板が、炭化珪素及び合成材料を含む非金属材料のうちの少なくとも１つから形成された、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項６０】
前記伝導板が、アルミニウム、銅、鉄、鋼合金、ニッケル、ニッケル合金、クロム、クロム合金、プラチナ、プラチナ合金を含む、少なくとも１つの金属から形成された、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項６１】
前記触媒板が、触媒材料コーティングを有するセラミック支持板から形成された、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項６２】
前記触媒板が、触媒材料コーティングを有する金属支持板から形成された、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項６３】
前記触媒材料が、プラチナ、パラジウム、ニッケル、酸化ニッケル、鉄、酸化鉄、クロム、酸化クロム、コバルト、酸化コバルト、銅、酸化銅、亜鉛、酸化亜鉛、モリブデン、酸化モリブデン、並びに他の適切な遷移金属及びその酸化物からなるグループから選択された、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項６４】
前記触媒板が、プラチナ、ニッケル、酸化ニッケル、クロム、酸化クロムのうちの少なくとも１つから形成された、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項６５】
前記反応物が、炭化水素物質と、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２のうちの少なくとも１つとを含んだ、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項６６】
前記反応物が、アルカン（パラフィン系炭化水素）、アルコール（水酸基）が結合された炭化水素、カルボキシル基が結合された炭化水素、カルボニル基が結合された炭化水素、アルケンが結合された炭化水素（オレフィン炭化水素）、エーテルが結合された炭化水素、エステルが結合された炭化水素、アミンが結合された炭化水素、芳香族誘導体が結合された炭化水素、及びこの他の有機誘導体が結合された炭化水素のうちの少なくとも１つを含んだ、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項６７】
前記改質器から排出される反応生成物を外部の燃料電池に供給する手段を更に備える、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項６８】
前記炭化水素燃料と、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２のうちの少なくとも１つとが、触媒作用的に吸熱改質されてＨ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２が生成され、該吸熱改質に必要なエネルギが、外部燃料電池から、前記伝導板による平面方向の熱伝導によって供給される、請求項６５に記載のエネルギシステム。
【請求項６９】
前記炭化水素燃料及びＯ２が、触媒作用的に燃焼及び改質されてＨ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２が生成され、吸熱改質に必要なエネルギが、外部燃料電池の発熱燃焼及び吸熱反応の少なくとも一方から、前記伝導板による平面方向の熱伝導によって補充される、請求項６５に記載のエネルギシステム。
【請求項７０】
前記炭化水素燃料及びＯ２が、水蒸気及び改質剤の存在下で触媒作用的に燃焼され、Ｈ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２が生成される、請求項６５又は６６に記載のエネルギシステム。
【請求項７１】
前記ＣＯ及びＨ２Ｏが、触媒作用的にシフト反応し、ＣＯ２及びＨ２が生成される、請求項６５及び６６に記載のエネルギシステム。
【請求項７２】
前記改質構造が、実質的に円筒形状の形状を備えた、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項７３】
前記改質構造が、円筒形状の形状を備え、前記触媒板及び前記伝導板の少なくとも一方が約１インチ乃至約２０インチの直径と、約０．００２インチ乃至約０．２インチの厚みとを有した、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項７４】
前記改質構造が、実質的に直方体状の形状を備え、該改質構造の側面に取り付けられたマニホルドを介して、反応物が導入及び排出される、請求項４２に記載のエネルギシステム。
【請求項７５】
前記コンバータが、動作において反応物を反応生成物に改質する改質器を備え、該改質器が、
１以上の触媒材料間に挿入された多孔質の熱伝導性材料を備え、該熱伝導性材料が、熱エネルギを伝導して改質プロセスを補助する、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項７６】
前記コンバータが、動作において反応物を反応生成物に改質する平板状の改質器を備え、該改質器が、
改質プロセスを促進するために、１以上の触媒材料間に挿入された多孔質の熱伝導性材料からなる複数の板を備え、該板が互いに積層されて改質構造が形成され、該板が、該板の平面方向に熱エネルギを伝導して、改質プロセスを補助する、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項７７】
前記改質構造が、該改質構造に反応物を導入するための少なくとも１つの軸方向マニホルドと、該改質構造から反応生成物を排出するための少なくとも１つのマニホルドとを備えた、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項７８】
前記改質構造が、外部環境と熱エネルギを交換するための、露出された外周面を備えた、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項７９】
前記改質構造が、該改質構造に反応物を導入するための少なくとも１つの軸方向反応物マニホルドと、該改質構造の外周部から反応生成物を排出するための外周排出手段とを備えた、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項８０】
前記積層された改質構造の周囲に配設され、外周軸方向マニホルドを形成する、熱伝導性を有する気密筐体と、
前記反応生成物を前記外周軸方向マニホルドに導入する手段とを更に備え、前記反応生成物が前記気密筐体に回収される、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項８１】
輻射、伝導、対流のいずれかによって、外部環境と前記改質構造との間で熱エネルギを交換させる手段を備える熱伝導性を有する気密筐体を更に備える、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項８２】
前記改質構造の外表面が、気密筐体の内表面に接し、該気密筐体が、該改質構造に熱エネルギを伝導する、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項８３】
加圧改質プロセスのための円筒構造の気密筐体を更に備える、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項８４】
前記改質構造が、該改質構造の平面方向に略等温状態を実現する手段を備えた、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項８５】
前記改質構造が、該改質構造に反応物を導入するための少なくとも１つの軸方向反応物マニホルドを備え、該改質構造が、該改質構造に一体に形成され、前記軸方向反応物マニホルド内に拡張し、導入されてくる反応物を予熱する拡張手段を備えた、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項８６】
前記改質構造が、前記反応物を流通させる流通手段を備えた、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項８７】
前記改質構造内に形成された軸方向マニホルドと、
該改質構造の平面方向に反応物を流通させる流通手段と、
前記流通手段により、前記軸方向マニホルドにおける反応物フロー圧力低下よりも実質的に大きい反応物フロー圧力低下を生み出す手段とを更に備える、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項８８】
前記流通手段が、実質的に均一な圧力低下を維持し、前記改質構造の軸に沿った反応物の実質的に均一なフローを実現した、請求項８６に記載のエネルギシステム。
【請求項８９】
前記改質構造の軸に沿って、実質的に均一な温度状態を実現する手段を更に備える、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項９０】
前記熱伝導性材料が、炭化珪素及び合成材料を含む非金属材料のうちの少なくとも１つから形成された、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項９１】
前記熱伝導性材料が、アルミニウム、銅、鉄、鋼合金、ニッケル、ニッケル合金、クロム、クロム合金、プラチナ、プラチナ合金、及びこの他の耐火金属を含む、少なくとも１つの金属から形成された、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項９２】
前記触媒材料が、プラチナ、パラジウム、ニッケル、酸化ニッケル、鉄、酸化鉄、クロム、酸化クロム、コバルト、酸化コバルト、銅、酸化銅、亜鉛、酸化亜鉛、モリブデン、酸化モリブデン、並びに他の適切な遷移金属及びその酸化物からなるグループから選択された、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項９３】
前記反応物が、炭化水素物質と、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２のうちの少なくとも１つとを含んだ、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項９４】
前記改質器から排出される反応生成物を外部の燃料電池に供給する手段を更に備える、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項９５】
前記反応物が、炭化水素燃料と、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２のうちの少なくとも１つとを含み、触媒作用的に吸熱改質されてＨ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２が生成され、該吸熱改質に必要なエネルギが、外部燃料電池から、前記熱伝導性材料を介して供給される、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項９６】
前記反応物が、炭化水素燃料及びＯ２を含み、触媒作用的に燃焼及び改質されてＨ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２が生成され、吸熱改質に必要なエネルギが、外部燃料電池の発熱燃焼及び吸熱反応の少なくとも一方から、前記熱伝導性材料を介して補充される、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項９７】
前記反応物が炭化水素燃料及びＯ２を含み、Ｈ２Ｏ及び改質剤の存在下で触媒作用的に燃焼され、Ｈ２、ＣＯ、Ｈ２Ｏ、ＣＯ２が生成される、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項９８】
前記改質構造が、実質的に円筒形状の形状を備えた、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項９９】
前記改質構造が、約１インチ乃至約２０インチの直径を有した円筒形状の形状を備えた、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項１００】
前記改質構造が、実質的に直方体状の形状を備え、該改質構造の側面に取り付けられたマニホルドを介して、反応物が導入及び排出される、請求項７５又は７６に記載のエネルギシステム。
【請求項１０１】
前記熱制御スタックが、炭化水素燃料を酸化させて熱エネルギを生成し、該熱制御スタックが、
熱伝導性材料から形成された複数の伝導板と、１以上の酸化触媒材料を有する複数の触媒板とを交互に積層して構成された燃焼器構造体を備え、
前記触媒板の触媒材料が、反応生成物を生成するための炭化水素燃料の酸化を促進し、
前記伝導板が、酸化プロセスにおいて生じた熱エネルギを、輻射、伝導、対流のいずれかによって、周囲の媒体に伝導する、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１０２】
前記改質構造が、外部環境と熱エネルギを交換するための、露出された外周面を備えた、請求項１０１に記載のエネルギシステム。
【請求項１０３】
前記熱制御スタックが、該熱制御スタックに反応物を導入するための少なくとも１つの軸方向反応物マニホルドと、該熱制御スタックの外周部から反応生成物を排出するための外周排出手段とを備えた、請求項１０１に記載のエネルギシステム。
【請求項１０４】
前記熱制御スタックの周囲に配設され、輻射、伝導、対流のいずれかによって、外部環境及び前記伝導板との間で熱エネルギを交換させる手段とを備える熱伝導性筐体を更に備える、請求項１０１に記載のエネルギシステム。
【請求項１０５】
前記熱制御スタックの外表面が、該熱制御スタックの周囲に配設された前記熱伝導性筐体の内表面に接し、該熱伝導性筐体が、動作において、前記伝導板から熱エネルギを伝導する、請求項１０１に記載のエネルギシステム。
【請求項１０６】
前記伝導板が、該伝導板の平面方向に略等温状態を実現する手段を備えた、請求項１０１に記載のエネルギシステム。
【請求項１０７】
前記伝導板が、該伝導板に反応物を導入するための少なくとも１つの軸方向反応物マニホルドを備え、該伝導板が、該伝導板に一体に形成され、前記軸方向反応物マニホルド内に拡張し、導入されてくる炭化水素燃料を予熱する拡張手段を備えた、請求項１０１に記載のエネルギシステム。
【請求項１０８】
前記伝導板及び前記触媒板の少なくとも一つの平面状の表面が、前記炭化水素燃料を流通させる流通手段を有する、請求項１０１に記載のエネルギシステム。
【請求項１０９】
前記熱制御スタック内に形成された軸方向マニホルドと、
前記伝導板及び前記触媒板の少なくとも一つの平面状の表面に形成され、前記炭化水素燃料を該表面上に流通させる流通手段と、
前記流通手段により流通される反応物フローの圧力低下を、前記軸方向マニホルドにおける反応物フローの圧力低下より実質的に大きくする手段とを更に備える、請求項１０１に記載のエネルギシステム。
【請求項１１０】
前記流通手段が、実質的に均一な圧力低下を維持し、前記熱制御スタックの軸に沿った反応物の実質的に均一なフローを提供する、請求項１０８に記載のエネルギシステム。
【請求項１１１】
前記熱制御スタックの外表面に沿って実質的に均一な温度状態を提供する手段を更に備える、請求項１０１に記載のエネルギシステム。
【請求項１１２】
前記触媒板が、多孔質触媒材料から形成され、該多孔質触媒材料が、反応物を前記板の一部に通過させる流通手段を構成した、請求項１０８に記載のエネルギシステム。
【請求項１１３】
前記熱伝導板が、多孔質伝導材料から形成され、該多孔質伝導材料が、反応物を前記板の一部に通過させる流通手段を構成した、請求項１０８に記載のエネルギシステム。
【請求項１１４】
前記伝導板が、炭化珪素から形成された、請求項１０１に記載のエネルギシステム。
【請求項１１５】
前記伝導板が、少なくとも１つの耐熱金属から形成された、請求項１０１に記載のエネルギシステム。
【請求項１１６】
前記触媒板が、触媒材料コーティングを有するセラミック支持板から形成された、請求項１０１に記載のエネルギシステム。
【請求項１１７】
前記触媒材料が、プラチナ、ニッケル、酸化ニッケル、クロム、酸化クロムの中の少なくとも一つからなるグループから選択された、請求項１１６に記載のエネルギシステム。
【請求項１１８】
前記触媒板が、プラチナ、ニッケル、酸化ニッケル、クロム、酸化クロムのうちの少なくとも１つから形成された、請求項１０１に記載のエネルギシステム。
【請求項１１９】
前記炭化水素燃料が、前記軸方向マニホルドへの導入前又は前記軸方向マニホルド内への導入前に、酸化剤反応物に予め混合される、請求項１０１に記載のエネルギシステム。
【請求項１２０】
前記熱制御スタックが、実質的に円筒形状の形状を備えた、請求項１０１に記載のエネルギシステム。
【請求項１２１】
前記熱制御スタックが、円筒形状を備え、前記触媒板及び前記伝導板の少なくとも一方が約１インチ乃至約２０インチの直径と、約０．００２インチ乃至約０．２インチの厚みとを有した、請求項１０１に記載のエネルギシステム。
【請求項１２２】
前記熱制御スタックが、
燃焼構造体を形成するために一つ以上の触媒材料の間に散在した、多孔質かつ熱伝導性材料を備え、
前記触媒材料が、反応生成物を生成するための炭化水素燃料の酸化を促進し、
前記熱伝導性材料が、酸化プロセスにおいて生じた熱エネルギを、輻射、伝導、対流のいずれかによって、周囲の媒体に伝導することができる、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１２３】
前記熱制御スタックが、
１以上の触媒材料間に散在した多孔質かつ熱伝導性材料からなる複数の板であって、該板は燃焼構造体を形成するために積層された複数の板を備え、
前記触媒材料が、反応生成物を生成するための炭化水素燃料の酸化を促進し、
前記熱伝導性材料が、酸化プロセスにおいて生じた熱エネルギを、輻射、伝導、対流のいずれかによって、周囲の媒体に伝導する、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１２４】
前記コンバータが、平板状の電気化学コンバータを備え、該電気化学コンバータが、
その両面に反応性材料が配設された複数の気密性電解質板であって、該板は燃料流通面を有し、燃焼触媒、改質触媒、シフト触媒、燃料電極材料のうち少なくとも一つからなるグループから選択される、該板上に配設された反応性材料を備えた複数の気密性電解質板を備え、
前記気密性電解質板が、酸化剤電極材料からなるグループから選択された反応物材料が配設された酸化剤フロー面を有し、
熱伝導性材料から形成された複数の気密性の伝導板であって、積層板組立体を構成するため前記電解質板と、前記伝導板とが、交互に積層された伝導性板を備え、
前記積層板組立体内において、前記電解質板の燃料フロー面上で、炭化水素燃料を予熱及び改質する内部改質手段であって、前記改質が、前記積層板組立体の燃料電池反応部から熱を伝導することができる伝導板によって補助される手段を備えた、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１２５】
前記電解質板が、酸素イオンの伝導などの、電気分解的なイオン伝導機能を有する、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１２６】
前記コンバータが、化学変換及び生成を行い、酸素を消費して電力を生成する、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１２７】
前記伝導板の面が、燃焼触媒、改質触媒、シフト触媒、燃料電極材料からなるグループのうちの少なくとも１つの材料が配設された燃料フロー面に対向した、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１２８】
燃焼触媒、改質触媒、シフト触媒、燃料電極材料からなるグループのうちの少なくとも１つの材料が適用されたフロー調整部材が、前記電解質板と前記伝導板との間に配設された、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１２９】
前記積層板組立体内に配設された複数の軸方向マニホルドを更に備え、前記複数の軸方向マニホルドのうちの少なくとも１つが炭化水素燃料を受け取り、該炭化水素燃料を前記電解質板の一方の面に流通させ、該電解質板の外側のエッジから排出させ、前記複数のマニホルドのうちの少なくとも他の１つが、酸化剤反応物を受け取り、該酸化剤反応物を前記電解質板の他方の面に流通させ、該電解質板の外側のエッジから排出させる、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１３０】
前記積層板組立体が、炭化水素燃料を受け取るよう構成された端部を有する直方体状の形状を備え、前記反応物が前記電解質板の一方の面上の空間に流通され、反対側の端部から排出され、第３の端部が酸化剤反応物を受け取り、該酸化剤反応物が前記電解質板の他方の面上の空間に流通され、第４の端部から排出される、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１３１】
前記伝導板が、前記積層板組立体における平面方向の温度分布を調整して、平面方向において実質的に等温状態を実現する手段を備えた、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１３２】
前記軸方向マニホルドが、前記積層板組立体の軸方向に沿った板間の空間におけるフローの分布を均一に調整し、軸方向の等温状態を実現する手段を提供する、請求項１２９に記載のエネルギシステム。
【請求項１３３】
前記伝導板の熱伝導性材料が、炭化珪素を含む少なくとも非金属材料の１つから形成された、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１３４】
前記熱伝導板が、ニッケル、ニッケル合金、クロム、クロム合金、プラチナ、プラチナ合金のうちの少なくとも１つから形成された、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１３５】
前記伝熱板が、アルミニウム、銅、鉄、鋼合金のうちの少なくとも１つから形成された、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１３６】
前記燃料電極が、ニッケル、ニッケル化合物、クロム、クロム化合物のうちの少なくとも１つから形成された、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１３７】
前記燃料触媒が、プラチナ、プラチナ化合物、ニッケル、ニッケル化合物のうちの少なくとも１つから形成された、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１３８】
前記改質触媒が、ニッケル、ニッケル化合物、クロム、クロム化合物のうちの少なくとも１つから形成された、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１３９】
前記改質触媒が、プラチナ、パラジウム、ニッケル、酸化ニッケル、鉄、酸化鉄、クロム、酸化クロム、コバルト、酸化コバルト、銅、酸化銅、亜鉛、酸化亜鉛、モリブデン、酸化モリブデンのうちの少なくとも１つから形成された、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１４０】
前記電解質板及び前記伝導板の少なくとも一方の表面に形成された燃焼触媒上で、部分酸化が行われる、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１４１】
前記内部改質反応が、前記電解質板及び前記伝導板の少なくとも一方の表面に形成された改質触媒上で行われる、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１４２】
前記燃料電池反応が、前記電解質板の両表面に形成された電極材料上で行われる、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１４３】
前記改質触媒と前記燃料電極材料とが、前記電解質板の表面上で混合されて配設され、動作において、燃料の改質と、電気化学反応とが実質的に同時に行われる、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１４４】
前記燃焼触媒と、前記改質触媒と、前記燃料電極材料とが、前記電解質板の表面上で混合されて配設され、部分酸化と、燃料の改質と、電気化学反応とが実質的に同時に行われる、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１４５】
前記コンバータに導入される炭化水素燃料が、Ｈ２Ｏの存在下で触媒作用的に改質され、Ｈ２及びＣＯが生成され、該改質された燃料が燃料電池反応を受け、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２を含む排気物質が生成され、発熱的な該燃料電池反応において生成された熱が、前記伝導板に平面方向に伝導され、吸熱的な改質反応に利用される、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１４６】
前記コンバータに導入される炭化水素燃料が、Ｏ２により触媒作用的に部分的に燃焼され、Ｈ２及びＣＯが生成され、該部分的に燃焼された炭化水素燃料が、発熱的な燃料電池反応を受け、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２を含む排気物質が生成され、発熱的な該燃料電池反応において生成された熱が、前記伝導板に平面方向に伝導され、弱吸熱的な部分酸化改質反応を補助するのに十分な温度が実現される、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１４７】
前記コンバータに導入される炭化水素燃料が、Ｈ２Ｏの存在下で、Ｏ２により触媒作用的に部分的に燃焼され、Ｈ２及びＣＯが生成され、該部分的に燃焼された炭化水素燃料が、発熱的な燃料電池反応を受け、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２を含む排気物質が生成され、発熱的な該燃料電池反応において生成された熱が、前記伝導板に平面方向に伝導され、弱吸熱的な部分酸化改質反応を補助するのに十分な温度が実現される、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１４８】
前記反応物が、アルカン（パラフィン系炭化水素）、アルコール（水酸基）が結合された炭化水素、カルボキシル基が結合された炭化水素、カルボニル基が結合された炭化水素、アルケンが結合された炭化水素（オレフィン炭化水素）、エーテルが結合された炭化水素、エステルが結合された炭化水素、アミンが結合された炭化水素、芳香族誘導体が結合された炭化水素、及びこの他の有機誘導体が結合された炭化水素のうちの少なくとも１つを含んだ、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１４９】
前記コンバータが、固体酸素燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、燐酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池、陽子交換膜型燃料電池のうちのいずれか１つである、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１５０】
前記電解質板が、ジルコニアを基材とする材料、セリアを基材とする材料、ビスマスを基材とする酸化物、没食子酸ランタン、溶融炭酸塩のうちのいずれか１つ、若しくはこれらの材料の２以上の化合物から形成された、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１５１】
複数のマニホルドのうちの１つのマニホルド内に配設され、該マニホルドを通過する少なくとも１つの反応物の少なくとも一部を加熱する反応物加熱手段を更に備える、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１５２】
前記反応物加熱手段が、前記マニホルドの少なくとも一つの内部へ突出した前記伝導板の表面を熱伝導的かつ一体的に拡張する段階を含む、請求項１５１に記載のエネルギシステム。
【請求項１５３】
前記燃料電池反応が、廃熱を生成し、該廃熱が、相互接続板及び前記拡張された表面によって、該反応物に伝導され、前記反応物を反応温度の近傍に加熱する、請求項１５２に記載のエネルギシステム。
【請求項１５４】
前記積層板組立体の外周部分から、改質された燃料を排出する、外周排気手段を更に備える、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１５５】
前記伝導板及び前記電解質板の少なくとも一方が、軸方向反応物マニホルドから板の表面上に反応物を通過させる反応物流路を備えた、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１５６】
前記反応物流路が、前記板の少なくとも一方の面上において実質的に均一な圧力低下を維持し、該板の面上の反応物のフローを実質的に均一にする手段を備えた、請求項１５５に記載のエネルギシステム。
【請求項１５７】
前記電解質板の反応物コーティングが多孔性であって、該多孔性コーティングが、前記反応物流路を形成した、請求項１５５に記載のエネルギシステム。
【請求項１５８】
前記伝導板と反対側の前記触媒板との間に形成された空間における反応物フローの圧力低下を生成する手段であって、該圧力低下は前記軸方向マニホルドにおける反応物フローの圧力低下より実質的に大きい、反応物フロー圧力低下を生成する手段を更に備える、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１５９】
前記積層板組立体内において、径方向の反応物フローの分布を実質的に均一にする手段を更に備える、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１６０】
前記積層板組立体内は、円筒形状の形状を備え、前記触媒板及び前記伝導板の少なくとも一方が約１インチ乃至約２０インチの直径と、約０．００２インチ乃至約０．２インチの厚みとを有した、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１６１】
前記伝導板が、前記板の一方の端部領域から他方の端部領域に、平面方向に熱を伝導する、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１６２】
前記電解質板が、前記板の表面に沿って互いに隔てられた、選択された反応を行うための複数の領域を有し、該領域が、燃焼領域と、改質領域と、電気化学反応領域とを含んだ、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１６３】
前記伝導板が、前記電解質板及び伝導板の平面方向において、略等温状態を実現する、請求項１２４に記載のエネルギシステム。
【請求項１６４】
前記改質構造が、軸に沿って一方向に延び、該改質構造が反応物を導入するための少なくとも１つの軸方向マニホルドを備えた、請求項４２又は７５記載のエネルギシステム。
【請求項１６５】
前記改質構造が、該改質構造の外周部から反応生成物を排出するための外周排出手段を備えた備える、請求項４２又は７５記載のエネルギシステム。
【請求項１６６】
前記コンバータが、リモートの電源から電力を受け取り、該電力により、該コンバータにおいて化学電気反応が開始され、導入されてくる反応物内に含まれる選択された汚染物質を無害物質に還元する、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１６７】
前記触媒コンバータが、ＮＯＸ及び炭化水素物質を含む選択された汚染物質を含む排気を受け取る手段と、ＮＯＸ及び炭化水素物質をＮ２、Ｏ２、ＣＯ２を含む無害物質に還元する、請求項１６６に記載のエネルギシステム。
【請求項１６８】
前記コンバータが、平板状の触媒コンバータを備え、該触媒コンバータが、
第１炭化水素ガス面に、コンバータ触媒及び第１の電極材料のうちの１つから構成される反応材料を配設し、第２緩衝ガス面に、第２の電極材料から構成される反応材料を配設する、複数の気密性のコンバータ板と、
熱伝導性材料から形成され、前記コンバータ板と前記伝導板とが交互に積層されて、コンバータ組立体を構成する、複数の気密性の伝導板と、
前記コンバータ板の炭酸水素ガス面に炭酸水素ガスを導入し、該コンバータ板の第２緩衝ガス面に緩衝ガスを導入する手段と、
リモート電源から電力を受け取る手段と、
前記炭酸水素ガスを無害物質に変換する手段とを備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１６９】
前記伝導板が、該伝導板の平面方向において、略等温状態を実現する手段を備えた、請求項１６８に記載のエネルギシステム。
【請求項１７０】
前記コンバータ板が、実質的に気密性を有する電解質材料から形成されている、請求項１６８に記載のエネルギシステム。
【請求項１７１】
前記コンバータ板が、気密性を有するイオン伝導体である、請求項１６８に記載のエネルギシステム。
【請求項１７２】
前記コンバータ板の少なくとも一方の面をコーティングする電極材料が、ニッケル又はニッケル化合物を含んだ、請求項１６８に記載のエネルギシステム。
【請求項１７３】
前記コンバータ板の少なくとも一方の面をコーティングする電極材料が、プラチナを含んだ、請求項１６８に記載のエネルギシステム。
【請求項１７４】
前記コンバータ板の少なくとも一方の面をコーティングする電極材料が、パラジウムを含んだ、請求項１６８に記載のエネルギシステム。
【請求項１７５】
前記コンバータ板が受け取る電力が、電気化学反応を開始させ、前記炭化水素ガス内の選択された汚染物質を無害物質に還元する、請求項１６８に記載のエネルギシステム。
【請求項１７６】
前記組立体が、ＮＯＸ及び炭化水素物質の少なくとも一方を含む選択された汚染物質を含む排気を受け取り、前記触媒コンバータが、ＮＯＸ及び炭化水素物質を無害物質に還元する手段を備えた、請求項１６８に記載のエネルギシステム。
【請求項１７７】
前記コンバータ又は前記熱制御スタックが、軸方向マニホルドが内部に形成された、複数の板のスタックを備え、当該エネルギシステムが、該複数の板のスタックを固定するタイロッド組立体を更に備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１７８】
前記タイロッド組立体が、前記マニホルド内又はスタックの外部に軸方向に装着された少なくとも１つのタイロッド部材と、該スタックの両端部に装着された一対の支持板とを備える、請求項１７７に記載のエネルギシステム。
【請求項１７９】
前記タイロッド部材が、低温領域に達するよう延伸され、バネの付勢力によって固定された、請求項１７８に記載のエネルギシステム。
【請求項１８０】
前記コンバータが、燃料電池スタックを備え、前記タイロッド部材が、電気的接続ロッドとして機能する、請求項１７８に記載のエネルギシステム。
【請求項１８１】
前記コンバータ又は前記熱制御スタックが、該コンバータ又は該熱制御スタックを包囲し、加圧動作を実現する、円筒形状の気密性筐体を備える、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１８２】
前記コンバータ及び前記熱制御スタックが、正方形又は六角形のパターンで組み合わされて配設された、請求項１に記載のエネルギシステム。
【請求項１８３】
電力及び化学資源のうちの少なくとも１つを生成するエネルギシステムであって、
回収管と、
前記回収管内に配設された１以上のコンバータと、
前記回収管内に、前記化学コンバータに熱伝導可能に配設された熱制御スタックと、
改質剤を前記コンバータに導入する前に、該改質剤と１以上の反応物とを混合する混合器とを備える、エネルギシステム。
【請求項１８４】
前記混合器が、複数のポートを備える筐体を含む、請求項１８３に記載のエネルギシステム。
【請求項１８５】
前記ポートが、前記反応物と前記改質剤とを前記筐体内の混合領域で混合し、改質混合物を生成するよう構成された、請求項１８４に記載のエネルギシステム。
【請求項１８６】
前記混合器が、前記混合領域において、燃料と上記とを混合し、該混合器が、前記改質混合物を排出するポートを備える、請求項１８５に記載のエネルギシステム。
【請求項１８７】
前記複数のポートのうち一対のポートが、流体を導入及び排出し、前記混合領域に隣接する冷却領域を形成し、該流体が、前記改質混合物を構成する前記反応物及び前記改質剤から隔離された、請求項１８６に記載のエネルギシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願
本特許出願は、２０００年１０月３０日に出願された米国特許仮出願第６０／２４４，２５７号「ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＥＮＥＲＧＹ ＰＯＷＥＲ ＳＹＳＴＥＭ」の一部継続出願であり、この文献の内容は、引用により本願に援用されるものとする。
【０００２】
発明の背景
本発明は、エネルギシステムの構築に関し、詳しくは、化学変換装置（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を用いた高性能エネルギ又は発電システムに関する。化学変換装置は、燃料電池又は電解装置等の電気化学装置であってもよく、改質装置等の化学装置であってもよい。
【０００３】
燃料電池等の電気化学装置は、燃料資源から取り出した化学エネルギを電気エネルギに直接変換する。電気化学装置は、主に、表面に電極が設けられた一連の電解質ユニットと、電解質ユニット間に配設され、各電解質ユニットを直列接続する一連のインタコネクタとから構成される。電解質ユニットは、互いに反対の面に設けられた燃料極と酸化剤極とを備える。各電解質ユニットは、イオン抵抗が低いイオン伝導体であり、これにより、変換装置の作動時には、イオン化物質が一方の電極−電解質界面から他方の電極−電解質界面に伝導される。このような変換装置においては、様々な電解質を用いることができる。例えば、マグネシア、カルシア、イットリア等の化合物によって安定化されたジルコニアは、高温（通常、約１０００℃）の環境で上述のような要求を満たす。電解質材料は、酸素イオンによって電流を通す。電解質は、変換装置の回路に短絡が生じないよう、電子絶縁性を有する必要がある。一方、インタコネクタは、高い電子伝導性を有する必要がある。反応ガスと、電極と、電解質との相互反応は、電極−電解質界面において生じるため、電極は、反応ガス物質を受け入れ、生成物質を排気するために十分な多孔性を有する必要がある。例えば水素等の燃料が燃料極に導入され、例えば空気等の酸化剤が酸化剤極に導入されたときにトリガされる電気化学反応によって、電極及び電解質を介して電力が生成される。電気化学装置は円筒形又は平板形の構成を有していてもよい。
【０００４】
これに代えて、電気化学装置は、電解モード（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｚｅｒ ｍｏｄｅ）で動作してもよく、すなわち、電気化学装置は、電気及び導入されてくる反応物を消費して、燃料を生成するよう機能してもよい。
【０００５】
電気化学装置が燃料電池モードにおいて燃料−電気変換を行う場合、廃棄エネルギが生成され、この廃棄エネルギは、電気化学装置の動作温度を適正に保ち、電力システム全体の効率を高めるために、適切に処理する必要がある。逆に、電気化学装置が電解モードにおいて電気−燃料変換を行う場合、電解質の反応を維持するために、電解質に熱を供給する必要がある。
【０００６】
更に、燃料を改質するために装置を用いる場合、熱エネルギの交換が必要となる。このように、電気化学装置を適正に動作させ、効率性を高めるためには、熱管理が重要である。
【０００７】
例えば石炭又は石油を燃料とする火力発電所等の従来の燃焼式のエネルギシステムに関連する環境的及び行政的課題を解決するために、例えば電気化学装置等を採用したエネルギシステム等の代替的なエネルギシステムへの関心が高まっている。しかしながら、電気化学装置は、従来のエネルギシステムに対する多くの有意義な利点を有しているにもかかわらず、広く普及していない。このような電気化学装置の利点として、例えば、燃料電池等の電気化学装置は、従来のエネルギシステムに比べて、効率性が高く、環境汚染物質を生成しない。したがって、従来のエネルギシステムに対する電気化学システムの利点を最大化し、また、電気化学システムを広範囲の用途で使用できるようにすれば有益である。
【０００８】
また、ガスタービン発電システム等のエネルギ装置も知られている。主なガスタービン発電システムは、コンプレッサと、燃焼器と、機械的タービンとを備える。機械的タービンは、通常、例えば同じ軸に沿って、一列に連結されている。従来のガスタービンにおいては、空気がコンプレッサに供給され、所望の気圧に高められて排出される。この気圧が高められた空気流は、燃焼器に供給され、燃料と反応し、所定の温度に加熱される。加熱された気流は、ガスタービンに供給され、断熱膨張して仕事を行う。このような汎用的なガスタービンの短所の１つは、タービンのシステム効率が比較的低いという点であり、例えばメガワット級の発電容量を有するシステムのシステム効率は、２５％程度である。
【０００９】
したがって、当分野においては、高性能エネルギシステムの実現が望まれている。特に、当分野においては、動作効率が高められるとともに、システムの安全性が高められた電気化学装置及び従来のエネルギ装置を用いた、改善された電力システムの実現が望まれている。
【００１０】
発明の概要
本発明は、改質装置、燃料電池及び／又は熱制御スタックを回収管内に配設し、エネルギシステムの動作の安全性を監視する方法及び装置を提供することにより、上述及びその他の課題を解決する。本発明では、化学変換装置及び熱制御スタックをガスタービン組立体等の熱電併給装置又はボトミング装置に連結してエネルギシステムを構築する。
【００１１】
本発明に係るエネルギシステムは、回収管と、回収管内に配設された１以上の化学変換装置と、回収管内に配設され、化学変換装置に熱伝導可能に連結された熱制御スタックと、反応物を化学変換装置又は熱制御スタックに供給する供給手段と、回収管に接続され、エネルギシステムが適正に動作するよう、エネルギシステムのパラメータを監視する１以上のセンサとを備える。
【００１２】
本発明の一態様によれば、エネルギシステムは、このエネルギシステムによって生成される排気の１以上の構成成分を感知するガスセンサを備えていてもよい。ガスセンサは、例えば、排気中の酸素量を感知する酸素センサであってもよい。
【００１３】
本発明の一態様によれば、センサは、例えば、熱制御スタック等のエネルギシステムの部品の温度状態を感知する紫外線（ＵＶ）センサ又は赤外線（ＩＲ）センサであってもよい。
【００１４】
本発明の一態様によれば、エネルギシステムは、水蒸気等の改質剤を改質装置に導入する前に、この改質剤と、供給された燃料とを混合する混合器を備えていてもよい。
【００１５】
本発明の一態様によれば、化学変換装置は、燃料電池及び改質装置のいずれか一方であってもよく、これらの両方であってもよい。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、回収管によって回収された排気は、例えばガスタービン組立体等のボトミング装置に供給してもよい。
【００１７】
詳細な説明
図１は、本発明の一実施態様であるエネルギシステム７０の構成を示す。エネルギシステム７０は、回収管（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｖｅｓｓｅｌ）１２０内に配設された化学変換システム７２と、任意に、例えばガスタービン組立体７４等であるボトミング装置とを備える。ボトミング装置は、本発明において任意の要素であり、特に設けなくてもよいことは、当業者にとって明らかである。
【００１８】
ガスタービン組立体７４は、化学変換システム７２によって生成された排気の廃熱を機械的エネルギに変換する。ガスタービン組立体７４は、コンプレッサ７６と、タービンエキスパンダ７８と、発電機８４とを備え、これらは全てシャフト８２を介して連結されている。シャフト８２は、コンプレッサ７６とタービンエキスパンダ７８とを直列に、航空転用型構成（ａｅｒｏ−ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）で連結している。発電機８４は、任意の適切な連結方式によってタービンエキスパンダ７８に連結されている。ガスタービン組立体７４は、例えば天然ガス、メタノール、灯油、プロパン、ガソリン、軽油等の炭化水素燃料によって動作し、安価且つクリーンに電力を生成する。なお、この具体例におけるガスタービン組立体７４では、コンプレッサ７６、タービンエキスパンダ７８、発電機８４がシャフト８２を介して順次連結されているが、この順序は変更してもよい。例えば、発電機８４は、コンプレッサ７６とタービンエキスパンダ７８との間に配設してもよい。更に、ガスタービン組立体７４に複数のシャフトを設け、マルチシャフト部材を構成して電力を生成してもよい。
【００１９】
ここで使用するガスタービン及びガスタービン組立体という用語は、例えば、少なくとも５０，０００ＲＰＭ、通常は７０，０００〜９０，０００ＲＰＭで動作するマイクロタービンを含む、あらゆる発電容量、形状及び動作速度を有する全てのガスタービンを包含する。好適なガスタービンは、カリフォルニア州ターザナのカプストン・タービン・コーポレーション社（Ｃａｐｓｔｏｎｅ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）及びカリフォルニア州トランスのアライド・シグナル社（Ａｌｌｉｅｄ Ｓｉｇｎａｌ）等から入手できる。
【００２０】
また、ここで使用するボトミング装置という用語は、化学変換システム７２又は回収管１２０に連結され、これらから排気又は熱エネルギを受け取ることができる、あらゆる適切な構造体を包含する。適切なボトミング装置としては、ガスタービン組立体、蒸気タービン、この他の発電システム、又はこれらの組合せ、若しくは、調節された熱媒体を直接消費するための適切なアダプタ等がある。この実施態様では、ボトミング装置をガスタービンとして示しているが、この他の種類のシステムを設けてもよい。
【００２１】
コンプレッサ７６には、任意の適切な流体導管を介して、例えば酸素又は空気８５等の酸化剤が導入され、コンプレッサ７６は、この酸化剤を圧縮及び加熱して、排出する。加熱され、圧縮され、気圧が高められた空気８６は、例えば復熱装置等である熱交換器１８８に供給され、ここで、タービンエキスパンダ７８から排出されるタービン排気１８４によって更に加熱される。これに代えて、加熱され、気圧が高められた空気８６と燃料９０とを混合した後、この混合気を化学変換システム７２に供給して改質を行ってもよい。当業者には明らかであるが、この実施態様に示すエネルギシステム７０に、システム内の１以上の流体を調整する任意の適切な数の流体調整装置を設け、各要素への流体の供給を調整し、又は化学変換システム７２及びガスタービン組立体７４等の１以上のシステム要素の動作パラメータを調節又は調整してもよい。
【００２２】
また、ここで使用する熱交換器又は熱交換部材という用語は、２以上の流体間で熱を交換できるように設計又は適応化されたあらゆる構造体を包含する。本発明とともに用いて好適な熱交換器としては、ガスタービン組立体７４の内部又は外部に配設された復熱装置、輻射熱交換器、向流熱交換器、再生熱交換器等がある。
【００２３】
この具体例に示すエネルギシステム７０においては、例えば水である改質剤８８と燃料９０とが化学変換システム７２に導入される。詳しくは、改質剤８８は、オプションである前処理段９２に供給され、前処理段９２は、システムの残りの部分に供給する前に改質剤８８をフィルタリングするとともに、改質剤８８からカチオン又はアニオン等の不要なイオンを除去する。処理された改質剤８８は、廃熱回収ボイラ（ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｔｅａｍ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：以下、ＨＲＳＧという。）９４等の熱エネルギ源に供給され、蒸気に変換される。ＨＲＳＧ９４は、復熱装置１８８から排出されたタービン排気を利用して、改質剤８８を熱し、蒸気を生成する。次に、改質剤８８は、化学変換システム７２内の改質器１１０に供給される。ＨＲＳＧ９４は、図に示すように、回収管１２０の外部に配設してもよく、又は回収管１２０内部に配設してもよい。この構成においては、水を蒸気に変換し、又は空気改質剤として使用する場合、空気を適切な温度に加熱するために必要な熱エネルギは、化学変換システム７２の１以上の構成要素から供給することができる。
【００２４】
また、ここで使用する改質剤という用語は、ある化学種を他の化学種に直接又は間接的に変換し、又は変化させるために十分なあらゆる作用剤を包含する。本発明において好適に用いることができる改質剤の具体例としては、水、空気、二酸化炭素、これらの混合気等があり、これらは、化学的処理装置において、燃料を水素や一酸化炭素（ＣＯ）等の反応生成物に変換するために使用できる。
【００２５】
同様に、燃料９０は、オプションである前処理段９６に供給される。前処理段９６は、脱硫ユニット、蒸気改質器及び／又はシフト反応器を備え、燃料９０から硫黄化合物等の不要な成分又は不純物を除去する。なお、燃料内に所定量以上の不要な硫黄が含まれると、化学変換システム７２の燃料電池にとって「有害」であるため、このように硫黄を除去することは重要である。詳しくは、例えば炭酸水素燃料等の燃料内の硫黄は、燃料電池内の燃料極のニッケル触媒の触媒作用を低下させるため、有害であることが知られている。硫黄の有害性は、低温燃料電池及び高温燃料電池の両方で認められている。当業者には明らかであるが、燃料の前処理は、エネルギシステム７０内の他の部位で実行してもよく、又は化学変換システム７２の燃料電池を燃料が通過する際に、この燃料電池において実行してもよい。処理された燃料９９ａは、コンプレッサ９８に供給され、圧縮される。酸化改質法においては、処理された燃料９９ａは、化学変換システム７２に供給される前に、空気反応物に混合してもよい。この実施態様では、空気が反応物として機能するため、水８８は用いる必要がない。更に、自己熱交換改質法においては、処理された燃料９９ａは、空気及び水の両方に混合してもよい。燃料と、水及び／又は空気とは、化学変換システム７２の改質器１１０に供給され、ここで燃料は、水素リッチな燃料に改質される。
【００２６】
エネルギシステム７０は、オプションとして、回収管１２０内に配設された混合器１７６を備えていてもよい。蒸気改質法においては、混合器１７６は、処理された燃料９９ａと水８８（酸化改質法においては、空気８５、自己熱交換改質法においては、水８８と空気８５の両方）を混合して、改質器１１０に供給する。一実施例においては、炭化水素燃料の改質は、水、酸素、二酸化炭素又はこれらの混合気と、後述するような改質器１１０内の適切な化学種とを混合して、水素又は一酸化炭素を生成することにより実現される。蒸気改質法においては、燃料を改質剤（蒸気）に混合することにより、燃料を熱してもよい。ここで、蒸気を燃料に混合する前に、蒸気を過熱（ｓｕｐｅｒｈｅａｔ）し、より温度が低い燃料と混合されることにより、蒸気が液化してしまうことを回避してもよい。ここで、混合器１７６は、天然ガスを使用する際、約７００℃の温度で生じる好ましくない炭素堆積物（カーボンデポジット）の発生原因となる燃料の予期せぬ加熱分解を回避している。この具体例に示す混合器１７６は、蒸発に先立つ供給又は混合領域において液状の蒸気（水）を用いることにより、燃料の加熱分解を回避している。
【００２７】
図１に示すように、エネルギシステム７０は、化学変換システム７２を収納する回収管１２０を備えていてもよい。化学変換システム７２は、例えば改質器１１０、燃料電池１１２、及び／又は熱制御スタック１１６等の１以上の化学コンバータを備える。この具体例に示す改質器１１０は、回収管１２０内に配設され、改質器１１０には、処理された改質剤８８と、処理された燃料９９ａが供給される。この具体例に示す改質器１１０は、改質剤を用いて、燃料を改質し、比較的純度が高い燃料資源を生成する。更に、燃料電池は、例えば水素分子又は一酸化炭素分子等の選択された燃料物質の化学ポテンシャルを利用して、電力と酸化物分子を生成する。水素分子又は一酸化炭素分子の供給コストは、従来の化石燃料の供給コストに比べて高いので、改質器１１０は、例えば石炭、天然ガス、メタノール、灯油、プロパン、ガソリン、軽油等の炭化水素燃料を水素及び一酸化炭素を多く含む反応混合気に変換して利用することもできる。このため、オプションとして、専用の独立した又は燃料電池内に配設された燃料処理器を設け、これにより、（吸熱反応における）蒸気、酸素、二酸化炭素を利用して、化石燃料を非複合反応ガス（ｎｏｎ−ｃｏｍｐｌｅｘ ｒｅａｃｔａｎｔ ｇａｓｅｓ）に改質してもよい。
【００２８】
図２は、改質器１１０の一実施態様の断面図である。改質器１１０は、複数の伝導板１２及び改質板１４を備え、これら伝導板１２及び改質板１４は、交互に積層され、軸２８に沿って延びる改質構造体を形成している。改質器１１０は、伝導板１２及び改質板１４の内表面１２Ａ、１４Ａと流体を流通可能に連結された流体導管１６を備える。改質器１１０は、気密性を有する筐体、ハウジング又は回収管２０に収納されており、回収管２０は、回収管１２０であってもよく、回収管１２０から独立していてもよい。この具体例に示す改質器１１０は、蒸気改質、酸化改質又は自己熱交換改質に用いることができる。改質プロセスに必要な熱は、炭化水素燃料の部分的な酸化によって、内部で発生させてもよく、波線２６で示すように、外部の熱源から、輻射、伝導又は対流によって、改質器１１０に供給してもよい。
【００２９】
改質器１１０において改質すべき反応物は、垂直流体マニホルド１６を介して、改質器１１０に導入される。反応物は、好ましくは、炭化水素燃料と、例えば空気、酸素、水、二酸化炭素又はこれらの混合物とを混合したものであり、この混合は、マニホルド１６を介して改質器１１０に導入される以前に行ってもよく、改質器１１０内で行ってもよい。この具体例に示す改質器１１０は、各気体成分が個別に供給される独立したマニホルドではなく、燃料／改質剤の混合気を改質器１１０に導入するための少なくとも１つのマニホルドを備える。このように、反応物を先に混合した後に改質器１１０に導入する方が、設計を比較的単純にすることができる。
【００３０】
反応物の混合気２２は、例えば流体導管等、任意の適切な手段によって、マニホルド１６に導入される。混合気２２は、隣接する伝導板１２及び改質板１４の間に形成された反応流路２４を介して、改質器１１０の内部に流入する。これらの反応流路２４は、例えばエンボス加工により、表面に刻み目や突起が形成されていてもよく、反応流路２４は、マニホルド１６から改質構造体の外周面１３Ａに亘る実質的に連続する流路を構成する。また、反応流路２４は、多孔性材料から形成された伝導板又は改質板、若しくは燃料改質触媒材料によって被覆された又は燃料改質触媒が表面に形成された伝導板又は改質板を用いて形成してもよい。
【００３１】
これらの様々な板の構造及び構成を図３Ａ〜図３Ｃに示す。図３Ａは、改質板１４及び伝導板１２の積層構造を示している。改質板１４の表面には、改質触媒材料３６が形成されており、改質触媒材料３６は、伝導板１２に直接接触している。この具体例に示す伝導板１２には、エンボス加工により、反応物流路が形成されている。供給された反応物又は反応物の混合気２２は、垂直流体マニホルド１６を介して、反応流路に導入され、この積層板改質器の外周端から排出される。
【００３２】
改質触媒材料は、固体材料又は多孔質材料から形成してもよい。図３Ｂは、多孔質の改質材料を用いた場合の改質器１１０の混合気の流れを示している。多孔質改質材料を用いることにより、ここに示す改質器１１０におけるエンボス加工の必要性がなくなる。
【００３３】
図３Ｃに示す他の具体例においては、改質器１１０は、伝熱材料及び改質材料の複合材料からなる複数の積層板（以下、複合板とも呼ぶ。）３８又は単なる柱状構造体を備える。複合板３８は、適切な伝熱材料を適切な改質材料に挟み込むことにより構成してもよい。このように構成されたスタック構造体は、図２、図３Ａ、図３Ｂに示し、上述した改質構造体と実質的に等しい機能を有する。
【００３４】
また、例えば改質板１４を多孔質材料で形成し、この多孔質材料内に改質触媒材料を設け、又は多孔質材料表面を改質触媒材料によって被覆する等、改質器１１０を上述以外の手法で構成してもよいことは、当業者にとって明らかである。多孔質材料を用いることにより、効率性を犠牲にすることなく、改質システムの気密性に関する要求を緩和できるため、この外部改質器において多孔質材料を用いることは有益である。また、従来の反応床改質器（ｒｅａｃｔａｎｔ ｂｅｄ ｒｅｆｏｒｍｅｒ）又は非板状改質器を化学変換システム７２の一部として用いてもよいことは、当業者にとって明らかである。
【００３５】
反応物混合気は、改質スタック構造体１１０において、反応物が反応流路を介して、改質板１４上又は改質板１４内を流通することにより、改質される。改質板１４に設けられた触媒材料は、炭化水素燃料からより単純な反応生成物への改質を促進する。マニホルド１６を介して導入される反応物混合気の蒸気は、炭化水素燃料に加えて、水（Ｈ２Ｏ）、酸素（Ｏ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）を含んでいてもよい。例えば、メタン（ＣＨ４）は、触媒反応により、水素、水、一酸化炭素及び二酸化炭素の混合気に改質することができる。
【００３６】
改質器を蒸気改質器として動作させる場合、改質器には、天然ガス（又はメタン）、若しくは気化された灯油、メタノール、プロパン、ガソリン又は軽油、及び水蒸気を含む反応ガス混合気が供給される。蒸気改質触媒は、外周バンド（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｂａｎｄ）における改質板上に形成できる。改質反応のための熱エネルギは、好ましくは、伝導板１２によって、気密性を有する筐体から動径方向に内部に伝導される。伝導板１２の厚み及び熱伝導率は、吸熱改質反応に必要な熱を得るために十分な動径方向又は平面方向（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）の熱流が実現できるように選択される。伝導板１２は、一体に形成された突出部を有していてもよく、突出部は、軸方向に反応物が流通するマニホルド１６の内側に突出し、これにより、後に詳細に説明するように、導入されてくる反応物を予熱する。
【００３７】
改質器を部分酸化改質器又は自己熱交換改質器として動作させる場合、改質器には、天然ガス（又はメタン）、若しくは気化された灯油、メタノール、プロパン、ガソリン又は軽油、並びに空気、酸素及び／又は水蒸気を含む反応ガス混合気が供給される。ここで、改質板上の外周バンド内に、１以上の種類の改質触媒材料を分布させてもよい。
【００３８】
この具体例に示す改質器１１０は、アルカン（パラフィン系炭化水素）、アルコール（水酸基）が結合された炭化水素、カルボキシル基が結合された炭化水素、カルボニル基が結合された炭化水素、アルケンが結合された炭化水素（オレフィン炭化水素）、エーテルが結合された炭化水素、エステルが結合された炭化水素、アミンが結合された炭化水素、芳香族誘導体が結合された炭化水素、及び他の有機誘導体が結合された炭化水素等の反応物を改質するために用いることもできる。
【００３９】
改質板１４は、約２００℃〜約８００℃の範囲で作用する適切ないかなる改質触媒材料から形成してもよい。改質板１４として使用できる材料としては、例えば、プラチナ、パラジウム、クロム、酸化クロム、ニッケル、酸化ニッケル、化合物を含むニッケル、この他の適切な遷移金属及びこれらの遷移金属の酸化物等が含まれる。改質板１４は、更に、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、改質材料により表面が被覆されたセラミック支持板を有していてもよい。このように、本発明に基づく改質板１４は、炭化水素燃料を適切な反応生成物に改質する改質作用を促進する適切な改質触媒を含む多層改質板構造を備えていてもよい。
【００４０】
伝導板１２は、例えばアルミニウム、銅、鉄、鋼合金、ニッケル、ニッケル合金、クロム、クロム合金、プラチナ等の金属、又は炭化珪素等の非金属及びこの他の合成材料等、適切な伝熱性を有するいかなる材料から形成してもよい。伝導板１２の厚みは、伝導板１２の平面方向の温度傾斜が最小限に抑制され、これにより最適な改質反応のための等温領域が実現され、且つ伝導板１２内の熱応力が軽減されるように選択される。伝導板１２は、各伝導板１２の平面方向において略々等温の状態を保っていることが望ましい。伝導板１２の表面の温度を等温に保つことにより、伝導板１２の表面を介して、実質的に均一な温度で改質用の熱が提供されるため、改質プロセス全体の効率が高まる。
【００４１】
更に、伝導板１２は、反応流路に亘って反応混合気を均等に分布させ、積層構造の軸に沿って（改質構造体の外周面に沿って）等温状態を保つことにより、積層方向において低温点や高温点が生じることを防止する。これにより、改質器１１０の熱特性が向上し、及びシステム全体の性能が向上する。なお、ここで用いる「等温」状態又は領域という用語は、軸方向又は平面方向における変化が僅かであり、実質的に一定の温度を保っている状態又は領域を指す。本発明では、この変化の幅を例えば約５０℃以内としている。
【００４２】
改質された燃料又は反応生成物は、矢印３０で示すように、改質構造体の外周面１３Ａに沿って排気される。外周面側から例えば改質された燃料等の反応生成物を排気することにより、マニホルドによって反応物を比較的に容易に集配できる。排気された流体媒体は、気密性を有する筐体２０によって回収され、更に、この筐体２０から排気管３２を介して排気される。このように、気密性を有する筐体２０は、外周マニホルドとして機能する。
【００４３】
他の実施態様においては、反応混合気２２は、筐体２０によって形成された外周マニホルドに供給され、外周辺側から改質構造体に導入される。この反応物は、改質板１４及び伝導板１２の径に沿って中心方向に流れ、垂直流体マニホルド１６から排気される。
【００４４】
改質された反応混合気を積層構造の外周の少なくとも実質的な一部、好ましくは外周の略々全体から排気することにより、外部に露出する外周面に密閉材料又は断熱材料を設ける必要がなくなる。したがって、本発明に基づく改質器１１０は、小型で、単純で、効率的な構造に設計することができる。
【００４５】
気密性を有する筐体２０は、好ましくは、例えば金属等の熱伝導性を有する材料から形成される。この具体例においては、気密性を有する筐体２０は、外部熱源から径方向に熱エネルギを受け取り、更にこの熱エネルギを径方向に伝導して、改質構造体及び伝導板１２に伝える。伝導板１２は、改質構造体の外周面１３Ａから、反応物マニホルド１６に向けて内部方向に熱を伝導することにより、改質反応に必要な熱エネルギを供給する。なお、筐体２０を独立させて、図１に示す回収管１２０内に設けてもよいことは、当業者にとって明らかである。
【００４６】
他の実施態様においては、改質構造体１０の外周面は、気密性を有する筐体の内周面に接触し、これにより、伝導板に熱エネルギを伝導する。
【００４７】
気密性を有する筐体の形状は、特に加圧改質プロセスを行う場合、円筒形状が好適である。回収管内の圧力は、好ましくは、大気圧から約５０ａｔｍまでの範囲とすることが望ましいが、本発明では、この範囲外の圧力条件をも想定している。
【００４８】
次に、垂直方向における反応物フローの分布を均一にする技術について説明する。反応流路２４は、反応流路２４内の反応物フロー全体の圧力低下が、反応物マニホルド１６内における反応物フローの圧力低下より十分大きく又は優位となるように設計されている。すなわち、反応流路２４の流動抵抗は、軸方向のマニホルド１６の流動抵抗よりも実質的に大きい。好ましい具体例では、反応流路２４内の反応物の流動圧力をマニホルド１６内の反応物の流動圧力の約１０倍としている。このように圧力差を設けることにより、マニホルド１６及び反応流路２４に沿って、軸方向及び径方向における反応物の分布が均一になり、したがって、実質的には、改質構造体の頂部から底部に亘る全体の反応物フローの分布が均一になる。反応物フローの分布を均一にすることにより、改質構造体１０の軸方向に沿った温度条件が均一になる。
【００４９】
本発明の好適な実施態様においては、改質構造体は、柱状構造を有し、各板は、約１インチ〜約２０インチの直径と、約０．００２インチ〜約０．２インチの厚みを有する。ここで使用する柱状構造という用語は、長手軸方向に積層され、反応混合気の導管として機能する少なくとも１つの内部反応物マニホルドを有する様々な幾何学的構造を包含するものとする。
【００５０】
なお、例えばマニホルドを内部又は外部に設けた矩形状又は線形状等、上述以外の幾何学的構造を用いてもよいことは、当業者にとって明らかである。例えば、矩形状の構造を有する板を積層し、反応物を供給及び回収するための外部マニホルドを取り付け、反応物の改質を行ってもよい。
【００５１】
改質構造体１０の板１２、１４の径を比較的小さくすることにより、炭化水素燃料を適切な反応物に改質でき、且つ既存の電力システム及び部材に容易に統合できる小型のプレート型改質器を実現できる。この具体例に示す改質構造体１０は、固体燃料電池等の電気化学装置又は化学コンバータに熱伝導可能に組み込むこともできる。改質された燃料が燃料電池に導入される具体例では、反応に必要とされる熱は、燃料電池から発生する廃熱から供給される。
【００５２】
図４は、本発明の好適な実施の形態として示す電気化学コンバータの内部に組み込まれた改質器の斜視図である。内部改質電気化学コンバータ４０は、交互に積層された電解質板５０と、相互接続板（インタコネクタ）６０とを備える。相互接続板６０は、通常、熱伝導性及び電気伝導性を有する材料から形成される。この構造体には、燃料又は例えば供給反応物等の酸化ガスのための導管として機能する通気孔又はマニホルドが設けられている。図５に示すように、相互接続板６０内には、これらのガスを供給及び回収するための反応物流路が形成されている。
【００５３】
内部改質電気化学コンバータ４０の板５０、６０は、バネにより付勢されたタイロッド組立体４２によって加圧された状態で保持されている。タイロッド組立体４２は、図５に示す中央の酸化剤マニホルド４７に挿入され、ナット４４Ａによって固定されたタイロッド部材４４を備える。内部改質電気化学コンバータ４０の両端に取り付けられている端板４６は、交互に積層された電解質板５０と相互接続板６０を均等な力でクランプし、これらの板間の電気的接触を維持するとともに、この組立体内の適切な部分における気密性を実現している。内部改質電気化学コンバータ４０は、図１に示すコンバータ１１２と同様のものであってもよい。
【００５４】
図４〜図６は、電解質板５０と相互接続板６０とを備える電気化学コンバータ４０の基本セルユニットを示している。一実施態様においては、電解質板５０は、例えば安定化されたジルコニア材料ＺｒＯ２（Ｙ２Ｏ３）、酸素イオン伝導体、多孔性酸化剤電極材料５０Ａ等のセラミック材料と、これらの間に挿入された多孔性燃料電極材料５０Ｂとから形成される。酸化剤電極材料としては、例えば、ＬａＭｎＯ３（Ｓｒ）等の灰チタン石（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）を用いることができる。一方、燃料電極材料としては、例えばＺｒＯ２／ＮｉやＺｒＯ２／ＮｉＯ等のサーメットを用いることができる。
【００５５】
相互接続板６０は、好ましくは、電気伝導性及び熱伝導性を有する材料から形成する。相互接続板６０の材料としては、例えば、アルミニウム、銅、鉄、鋼合金、ニッケル、ニッケル合金、クロム、クロム合金、プラチナ、プラチナ合金等の金属、炭化珪素、Ｌａ（Ｍｎ）ＣｒＯ３及びこの他の電気伝導性を有する非金属等が好適ある。相互接続板６０は、隣り合う電解質板間の電気的コネクタとして機能するとともに、燃料と酸化剤とを隔てる仕切としても機能する。更に、相互接続板６０は、後に詳細に説明するように、板の面方向（例えば、表面に亘って）熱を伝導し、表面を等温に保つ。図４に示すように、相互接続板６０には、中心に開設された中心開口部６２と、径方向において中心から円周の中途部に所定の間隔で同心円状に開設された複数の中途開口部６４とが設けられている。更に、相互接続板６０の外周部又は外縁に沿って、第３の開口部の組である外周開口部６６が設けられている。
【００５６】
また、相互接続板６０は、凹凸が設けられた表面を有していてもよい。凹凸が設けられた表面６０Ａには、周知のエンボス加工技術によって一連の小さな窪み（ｄｉｍｐｌｅｓ）が形成され、この窪みは、一連の連結された反応物流路を形成する。好ましくは、相互接続板６０の両面にこのような窪みを設けるとよい。なお、この具体例では、所定数の中途開口部６４及び外周開口部６６を示しているが、これら開口部の数及び配置パターンは、システム、反応物フロー及びマニホルドの要求に応じて、適宜変更されることは、当業者にとって明らかである。
【００５７】
同様に、電解質板５０は、中心開口部５２と、一組の中途開口部５４と、一組の外周開口部５６とを備え、これらの開口部は、それぞれ相互接続板６０の中心開口部６２、中途開口部６４、外周開口部６６に対応する位置に開設されている。
【００５８】
図５に示すように、電解質板５０と相互接続板６０との間に、反応物フロー調整部材を挟み込んでもよい。フロー調整部材８０は、反応物流路における反応物フローを制限する流動抵抗として機能する。すなわち、フロー調整部材８０により、フローがより均一になる。フロー調整部材８０の材料としては、例えばメッシュ又はスクリーンが好ましいが、この他、いかなる適切な設計を用いて反応物のフローを所定の制御された流速に制限してもよい。また、これに代えて、電解質板５０と相互接続板６０との間にスペーサ板を挟み込んでもよく、若しくは、スペーサ板とフロー調整部材８０とを組み合わせて用いてもよい。
【００５９】
図５に示すように、電解質板５０と相互接続板６０とは、各対応する開口部の位置を揃えて、交互に積層される。これらの開口部は、軸方向（積層方向）にマニホルドを構成し、このマニホルドは、導入される反応物をセルユニットに供給し、及び使用済み燃料を排気する。詳しくは、中心開口部５２は、導入酸化剤マニホルド４７を構成し、中途開口部５４、６４は、導入燃料マニホルド４８を構成し、外周開口部５６、６６は、使用済み燃料マニホルド４９を構成する。
【００６０】
相互接続板６０の外周部にリッジ又は突状構造を設けないことにより、外部環境に接続された排気ポートが実現される。反応物流路は、導入反応物マニホルド４７、４８を改質器４０の外周に流体的に接続し、これにより、反応物をコンバータの外部に排気することができる。
【００６１】
内部改質電気化学コンバータは、円筒状の構成を有する積層板組立体であり、電解質板及び伝導板の少なくとも１つは、約１インチ〜約２０インチの直径と、約０．００２インチ〜約０．２インチの厚みとを有する。
【００６２】
以下、図６を参照して、本発明に基づく内部改質電気化学コンバータ２４０について説明する。内部改質プロセスでは、蒸気が存在する環境において、天然ガス（又はメタン）、若しくは気化された灯油、メタノール、プロパン、ガソリン又は軽油、及び水蒸気を含む反応ガス混合気が供給される。蒸気改質触媒２９０は、電解質板５０上に配設されている燃料電極材料２５０Ｂに先行する外周バンド内に配設されている。改質反応に必要な熱エネルギは、板２６０から改質バンドに動径方向に伝導される。これらの板の厚み及び熱伝導率は、吸熱改質反応及び導入されてくる反応物の予熱のための十分な熱エネルギが内側の改質バンド２９０と、外側の燃料電池バンド（例えば、バンド２５０Ｂ）との間で伝導されるように設計される。
【００６３】
図６に示す内部改質電気化学コンバータ２４０は、部分酸化改質器又は自己熱交換改質器としても機能する。このモードでは、内部改質電気化学コンバータ２４０には、例えば天然ガス（又はメタン）、及び空気、酸素及び／又は蒸気を含む反応混合気が供給される。電解質板２５０上の燃料電極２５０Ｂに先行する外周バンド内には、１以上の種類の触媒が分布している。図６に示すように、電解質板は、燃焼触媒２９２を含む内側のバンドと、水蒸気（蒸気改質）及び二酸化炭素によるメタンの改質を促進する触媒を含む動径方向の外側に位置するバンド２９０とを有する。これらの吸熱改質反応に必要な熱エネルギは、燃焼バンド２９２から改質バンド２９０に動径方向に伝導される。更に、例えばシフト反応等の他の反応のための触媒を組み込んでもよい。伝導板の厚み及び熱伝導率は、吸熱改質反応及び導入されてくる反応物の予熱のための十分な熱エネルギが内側の燃焼バンド２９２と、動径方向の外側に位置するバンド２９０との間で動径方向に伝導されるように設計される。また、板の径に沿って最も外側に示されている燃料電極２５０Ｂによって行われる発熱燃料電池反応から、更なる熱エネルギを受け取ることもできる。
【００６４】
この具体例に示す電気化学コンバータ２４０、燃焼触媒２９２、改質触媒２９０、及びシフト触媒（改質触媒２９０から動径方向の外側に位置するバンドとしても適用できる）は、電解質板及び伝導板の間に設けられるフロー調整部材にも適用できる。この改質器は、反応ガスの生成量を最大化するために、動径方向に比率を変化させて混在された触媒を適用してもよい。
【００６５】
外部改質器に関連して上述した改質器の特徴は、この内部改質電気化学コンバータにも同様に適用できる。例えば、相互接続板２６０に張出部２７２Ａ、２７２Ｂを設け、これらのうちのいずれかを用いて導入されてくる反応物を予熱してもよい。
【００６６】
本発明に基づく内部改質電気化学コンバータ２４０は、例えば固体酸素燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、アルカリ型燃料電池、燐酸型燃料電池、陽子交換膜型燃料電池等の燃料電池であってもよい。本発明が適用される好適な燃料電池は、固体酸素燃料電池である。本発明に基づく内部改質電気化学コンバータ２４０の動作温度は、好ましくは、６００℃以上であり、より好ましくは９００℃〜１０００℃の範囲であり、更に好ましくは、約１０００℃である。
【００６７】
なお、当業者には明らかであるが、この具体例における燃焼バンド、改質バンド、燃料電極バンドについては、コンバータ２４０を改質器として使用する場合における電気化学処理の相対的位置関係の一例を示しているに過ぎない。
【００６８】
本発明の他の実施様態においては、内部改質電気化学コンバータ２４０は、例えば線形状（ｒｅｃｔｉｌｉｎｅａｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）の構成等、他のいかなる望ましい幾何学的構成を有していてもよい。すなわち、スタック構造体は、矩形の電解質板２５０と、矩形の相互接続板２６０とを備え、板の外部にマニホルドを取り付けてもよい。触媒材料及び電極材料は、反応物のフロー方向に直交するように、電解質板に縞状に設けてもよい。図６に示すように、燃料フロー２２４は、長尺状のバンド２９２、２９０、２５０Ｂに直交する。相互接続板２６０は、吸熱改質触媒バンド２９０と、発熱燃焼触媒バンド２９２と、発熱燃料電池バンド２５０Ｂとに熱を伝導し、図７に示すように、実質的に平面方向に等温な状態を実現する。
【００６９】
図７は、伝導板２６０によって等温に保たれた、例えば炭化水素燃料等の供給された反応物と、図６に示す電解質板２５０上を通過して改質された燃料との温度状態を示している。このグラフの縦軸は、処理中の燃料の温度を示し、横軸は、燃料のフロー方向を示している。波形２１０で示すように、処理において平面方向に熱を伝導する伝導板を用いない改質構造では、燃料の温度は、燃料のフロー方向において、大きく変動する。この図に示すように、導入されてくる燃料は、まず、図６に示す張出部２７２Ａ及び２７２Ｂの表面によって、予熱される。この予熱段階２１２では、燃料の温度がコンバータ２４０の動作温度に向けて上昇する。発熱性の部分酸化又は燃焼段階２１４では、燃料フローが改質段階２１６に到達するまで、燃料の温度は更に上昇する。発熱性の改質段階では、改質反応を持続させるために、大きな熱エネルギが必要となる。次に、燃料は、燃料電池反応段階２１８に入り、燃料は、例えば、比較的温度が高いコンバータ２４０の動作環境によって、再び加熱される。このような正弦波に似た燃料の温度プロファイル２１０は、コンバータ２４０の動作効率全体を低下させるとともに、一部の部品（電解質板２５０）に対して、望ましくない熱ストレスを与える。ここで、コンバータ２４０内に熱伝導性を有するプレート（相互接続板）を設けることにより、温度プロファイルが「平坦化」され、等温プロファイル２２０として示すように、反応の全段階に亘って、コンバータスタック構造の平面方向及び軸方向における実質的な等温状態が実現する。
【００７０】
一動作モードにおいては、内部改質電気化学コンバータは、触媒作用的にＨ２Ｏによって炭化水素燃料を改質し、Ｈ２及びＣＯを生成し、改質された燃料は、燃料電池部（例えば、燃料電極２５０Ｂ）に運ばれて、ここで電気が生成される。また、この反応により、廃棄物Ｈ２Ｏ及びＣＯ２が生成される。発熱燃料電池反応からの熱は、平面的に伝導板に伝導され、吸熱改質反応に利用される。
【００７１】
他の動作モードにおいては、内部改質電気化学コンバータは、触媒作用的に炭化水素燃料を酸化させ、Ｈ２及びＣＯを生成し、続いて、燃料電池部において電力を生成する。この反応により、廃棄物Ｈ２Ｏ及びＣＯ２が生成される。発熱燃料電池反応からの熱は、平面的に伝導板２６０に伝導され、弱発熱性の部分酸化改質反応又は自己熱交換改質反応に利用される。内部改質電気化学コンバータは、例えば、回収管１２０等、加圧処理用に設計された筐体内に設けてもよい。
【００７２】
図４に示す電気化学コンバータ４０（又は図６に示すコンバータ２４０）は、化学的変換及び生成を行うとともに、同時に電力を生成することができる。
【００７３】
この実施態様では、電気化学コンバータ４０、２４０は、電源から電力を受け取り、この電力により、コンバータ内の反応を開始し及び導入されてくる反応物に含まれる選択された汚染物質を無害な物質に変換する。そこで、例えば、電気化学コンバータ４０、２４０は、例えばＮＯＸや炭酸水素物質等の選択された汚染物質を含む排気源に接続することもできる。コンバータ４０、２４０は、触媒反応によって、汚染物質を還元し、Ｎ２、Ｏ２、ＣＯ２を含む無害な物質に変換する。
【００７４】
図１及び図８〜図１１に示すように、図１に示す熱制御スタック１１６は、使用時に、燃料電池１１２を加熱及び／又は冷却することができる。ここで用いる熱制御スタックという用語は、化学変換システム７２用の熱源及びヒートシンクのいずれか一方又はこれらの両方の機能を有することができる適切なあらゆる構造体を包含するものとする。熱制御スタック１１６は、更に、燃料電池１１２の長軸方向に沿った温度のバラツキを緩和又は解消する等温面としても機能させることができる。これにより、本発明に基づく化学変換システム７２の構造的統合性（ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）を維持又は向上させることができる。熱制御スタック１１６は、その使用時には、圧力管１２０内において、燃料電池と熱伝導可能に配設される。熱制御スタック１１６は、適切なシステム熱管理を実現する構成であれば、燃料電池１１２及び改質器１１０に対して、いかなる相対的位置に取り付けてもよい。この目的に適する構成の一例として、改質器、燃料セル、熱制御スタックを組み合わせて、所望の熱管理を実現する単一の回収ユニットを構成してもよい。この構成は、長方形状、多角形状、又はの適切なあらゆる２次元構成、若しくは３次元構成を形成してもよい。図１２Ａ〜図１２Ｅに示すように、例えば改質器１１０、燃料電池１１２、熱制御スタック１１６等の化学変換システム７２の構成要素は、四辺形状の構成を有していてもよく、例えば図１２Ａ及び図１２Ｂに示すような、正方形状又は長方形状に組み合わされた構成を有していてもよい。これに代えて、これらの構成要素は、例えば図１２Ｃ〜図１２Ｅに示すように、多角形状に構成してもよい。
【００７５】
ここで、図１に示すように、燃料電池１１２が生成した排気１１５は、回収管１２０により捕捉又は回収される。回収管１２０内には、燃料電池１１２に熱伝導可能に連結された熱制御スタック１１６が配設されている。この熱制御スタック１１６は、単独で、又は他の温度調整構造体と組み合わせて用いられて、例えば燃料電池等、電気化学変換システム７２の構成要素の温度を制御し、調節し、又は調整するために、いかなる構造により燃料電池１１２に連結してもよい。当業者には明らかであるが、熱制御スタック１１６は、システム起動時における加熱装置としても機能でき、システム動作時におけるヒートシンクとしても機能できる。燃料電池１１２及び／又は回収管１２０は、電気化学変換システム７２によって生成された直流電流をインバータ１１４に供給するための電気導線を備えていてもよい。インバータ１１４は、電気化学変換システム７２によって生成された直流電流を交流電流に変換し、後続するパワーグリッド、電力蓄積装置、電力消費装置等に供給する。
【００７６】
熱制御スタック１１６は、燃料電池１１２と熱伝導可能に接続されているとともに、熱制御スタック１１６には、燃料９９ｂ及び空気も供給される。熱制御スタック１１６は、空気によって燃料を燃焼させ、燃料電池１１２を予熱する加熱素子又は熱源としても機能できる。これにより、通常１０００℃程度の適切な動作温度が維持され、燃料電池１１２は、燃料及び空気を消費して、これらの反応物を電気化学的に反応させて電力を生成する動作を継続する。燃料電池１１２が所望の動作温度に到達すると、熱制御スタック１１６に供給される燃料を低減し、又は燃料の供給を停止してもよく、一方、熱制御スタック１１６への空気の通過を継続することにより、燃料電池１１２の冷却を補助することができる。この構成では、熱制御スタック１１６は、燃料電池１１２の動作中に燃料電池から廃熱を取り除く冷却素子又はヒートシンクとして機能する。
【００７７】
一実施態様においては、図８に示すように、熱制御スタック１１６は、環境（例えば、近傍の燃料電池）から輻射された熱を受け取る多孔質構造体２２８を有する等温構造体（熱交換器）２２７として形成してもよい。例えば酸化剤等の作用流体（ｗｏｒｋｉｎｇ ｆｌｕｉｄ）２４４は、内部流路又は容器２４２を流れ、半径方向に外側に、すなわち内表面２２８Ａから外表面２２８Ｂに透過する。作用流体２４４は、例えば図１に示す回収管１２０等、任意の適切な構造体によって回収してもよく、更に図１に示すエネルギシステム７０等の他の部分に供給してもよい。作用流体２４４の流量を軸方向及び水平方向において均一に保つために、作用流体２４４が多孔質構造体２２８を透過することにより生じる径方向の圧力低下は、作用流体２４４が容器２４２を流通するときの圧力より実質的に大きくなるよう維持される。多孔質構造体２２８内に内部フロー分配チューブを設け、フローの均一性を向上させてもよい。作用流体２４４は、更に、軸方向における端部のいずれかから排出してもよい。
【００７８】
本発明の他の実施態様においては、本発明に基づく熱制御スタック１１６は、図９に示すように、複数の伝導板を備えていてもよい。すなわち、図９に示すように、熱制御スタック１１６は、垂直方向に順次積層された一連のプレートから構成されるスタック２２９を備える。各プレート２４６は、例えばニッケル、又は燃料電池とともに使用されるこの他の材料等、熱伝導性を有する適切ないかなる材料から形成してもよい。各プレート２４６は、中央の流路又は容器２４２に連結されるとともに、プレート２４６間には間隙が設けられ、これにより作用流体２４４は、内表面２６２Ａから外表面２６２Ｂに流れることができる。作用流体２４４は、プレートスタック２６２によって構成される容器２４２を介して流れる。プレートスタック２６２は、図に示すような実質的に円筒状の形状を有していてもよく、又は管状等、他の適切ないかなる幾何学的形状を有していてもよい。図９に示す実施態様は、特に、等温燃料電池の構築に用いて好適である。例えば、セルユニット間にスペーサ部材を挟み込むことにより、反応物の均一なフローが実現できる。
【００７９】
図１０は、図１に示すエネルギシステムにおいて好適に用いられる熱制御スタック１１６の他の実施態様の断面図である。図１０に示すスタック２２５は、好ましくは径方向に間隔をもって配設された３つの同心円状の管状構造体を備える。内側ルーメン（ｉｎｎｅｒ ｌｕｍｅｎ）２６４は、複数の流路２６６を有し、これらの流路２６６は、スリーブ又は管２６８の内表面２６８Ａ及び外表面２６８Ｂ間に延びている。多孔質スリーブ構造体２２８は、内側の管２６８を包囲し、内表面２２８Ａ及び外表面２２８Ｂを有する。内表面２２８Ａは、内側の管２６８の外表面に密接し、これにより、径方向に横断する流路２６６と多孔質スリーブ構造体２２８との間で流体が流通する。この具体例は、径方向に横断する流路２６６は、互いに等間隔に配置されているが、この間隔の大きさはいかなる値であってもよい。
【００８０】
多孔質スリーブ構造体２２８及び内側の管２６８の周囲には、外側の管２６９すなわち外壁部材が配置され、これにより実質的に同心円状の構成が形成されている。外側の管２６９は、内表面２６９Ａと外表面２６９Ｂとを有する。内側の管２６８の内側ルーメン２６４は、図１１に示す作用流体２４４用の容器と同様に機能する延伸された中央流路を形成する。外側の管２６９の内表面２６９Ａと、多孔質スリーブ構造体２２８の外表面２２８Ｂは、中央流路となる内側ルーメン２６４と実質的に平行な延伸された第２の流路である外側ルーメン２６７を形成する。
【００８１】
この内側の管２６８及び外側の管２６９は、例えば金属やセラミック等の好ましくは同じ材料から形成される。多孔質スリーブ構造体２２８は、セラミックから形成してもよく、作用流体は、この多孔質スリーブ構造体２２８を介して、内側ルーメン２６４から外側ルーメン２６７に流通する。
【００８２】
図１１に示すように、作用流体２４４は、長軸２４１に沿って延び、容器として機能する中央の延伸された内側ルーメン又は流路２６４を流れる。作用流体２４４が容器２６４を流れると、この作用流体２４４は、径方向に横断する流路２６６に流れ込む。多孔質スリーブ構造体２２８は、流路２６６の外側に位置し、したがって、流路２６６を流れる作用流体２４４の一部を受け取る。作用流体２４４は、多孔質スリーブ構造体２２８を径に沿って外側に透過して、外側ルーメン２６７に流れ込み、ここで、例えば燃料電池装置や他の冷却を必要とする装置等の外部熱源によって加熱され、又は他の構造によって冷却される。外側ルーメン２６７内の作用流体２４４は、外側の管２６９の内表面２６９Ａに沿って流れ、外表面２６９Ｂからこの内表面２６９Ａに伝導される熱を吸収する。外側の管２６９の外表面２６９Ｂは、燃料電池１１２と直接接する位置に配設され、又は燃料電池１１２から輻射熱を受ける位置に配設されて熱せられる。外側の管２６９の内表面２６９Ａに沿った作用流体２４４の分布により、作用流体２４４と外部環境との間で効率的に熱エネルギを交換できる。内側の管２６８における径方向に横断する流路２６６の間隔を選択的に設定することにより、第２の流路である外側ルーメン２６７内に流れ込む作用流体２４４の温度が一定に維持される。内表面２６９Ａに沿って等温の作用流体２４４を均一に分布させることにより、外側の管２６９の外表面２６９Ｂ全体を等温状態に保つことができる。流路２６６のサイズ及び間隔は、外側の管２６９と内側の管２６８の直径に依存して決定される。
【００８３】
上述の具体例では、ヒートシンクとして機能する熱制御スタック２２５を説明した。ここで、熱制御スタック２２５は、熱源としても使用できることは、当業者にとって明らかである。例えば、作用流体２４４は、冷却剤ではなく、加熱された流体を含んでいてもよい。加熱された流体が容器２６３を流れると、熱は、外側の管２６９の外表面２６９Ｂから外部環境に伝導される。
【００８４】
更に、本発明の原理に基づき、反応物を燃料電池スタックの積層方向に沿って均一に分布させることにより、等温の燃料電池（及び他の電気化学コンバータ）を構築することもできる。本発明によれば、スタック全体の温度を調整可能であり、必要な場合、等温状態にすることができる。
【００８５】
ここに開示する説明に基づいて、当業者は、熱制御スタックの他の実施態様を容易に想到でき、これらの形態には、様々な形状の表面構造を有する中空で多孔質の円筒形部材が含まれる。表面構造は、金属又はセラミックから形成してもよく、多孔質の円筒形部材は、例えばメッシュスクリーン等、適切ないかなる材料から形成してもよい。
【００８６】
図１に示すように、化学変換システム７２の構成要素は、回収管１２０内に配設されている。回収管１２０は、例えば改質器１１０及び／又は燃料電池１１２、並びに熱制御スタック１１６等の任意数の化学コンバータを収納するとともに、燃料電池１１２及び／又は熱制御スタック１１６の排気を回収する回収管としても機能できる容積及び寸法を有する、適切ないかなる容器であってもよい。回収管１２０は、１０気圧までの圧力で動作するよう設計された容器、又はより高い圧力、例えば最大１０００ｐｓｉに耐えるよう設計された容器を含む、「正圧管（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ）」であってもよい。化学コンバータとともに使用されるボトミング装置が、例えば熱活性化型の冷却器又はボイラを組み込んだＨＶＡＣ（暖房・換気・空調コントロール）システムである場合には、より低い圧力に対応する容器が有用である。一方、図に示すようなエネルギシステム７０では、より高い圧力に対応する容器が有用である。この具体例に示す回収管１２０は、例えばガスタービン組立体、蒸気タービン／発電機、熱流体ボイラ、蒸気ボイラ、熱活性型冷却器、ＨＶＡＣシステム等のボトミング装置に適する温度及び圧力で排気を回収する。
【００８７】
図１３は、回収管１２０の好適な具体例を示し、この具体例においては、回収管１２０は、再生式又は復熱式の熱筐体としても機能し、積層された化学コンバータ１２２を収容する。回収管１２０は、排気マニホルド１２４と、電気コネクタ１２６と、反応物供給マニホルド１２８、１３０とを備える。一実施例においては、マニホルド１２８を介して、酸化剤反応物が回収管１２０内の化学コンバータ１２２に導入され、マニホルド１３０からは燃料反応物が導入される。
【００８８】
化学コンバータ１２２は、回収管１２０の内部に排気を排出する。回収管とともに使用されるボトミング装置に適する排気の圧力は、ポンプ、コンプレッサを用いて制御できる。若しくは、この圧力は、引用により本願に援用される、シュー（Ｈｓｕ）による米国特許第５，９４８，２２１号明細書に開示されている、ブロワを用いて、化学コンバータ１２２に導入されてくる反応物、及び化学コンバータ１２２から排出される排気を選択的にポンピングすることにより制御できる。
【００８９】
上述のように、化学コンバータは、高温条件、及び大気圧又は高圧条件下で動作する。化学コンバータは、好ましくは、引用により本願に援用される米国特許第４，８５３，１００号明細書に開示されているものと同様の熱交換器と組み合わされた燃料電池システムである。
【００９０】
回収管１２０は、内壁１３８から離間して設けられた外壁１３６を備え、この内壁１３８と外壁１３６との間に環状空間を形成してもよい。回収管１２０の外表面を適切な温度に保つために、この環状空間を断熱材１３９で満たしてもよい。これに代えて、環状空間は、回収管１２０と熱を交換する熱交換部材を収容してもよく、環状空間により熱交換部材を形成してもよい。熱交換器の一具体例においては、環状空間と、外壁１３６及び内壁１３８とにより熱交換ジャケット１４９を形成し、この熱交換ジャケット１４９内に熱交換流体を流通させてもよい。外壁１３６及び内壁１３８によって構成される熱交換器は、圧力管と熱を交換し、外表面を適切な温度に維持するのに役立つ。勿論、環状空間を冷却ジャケットとして用いた場合であっても、圧力管内部における熱損失を低減し、及び圧力管の外表面を適切な温度に保つために、環状空間以外の場所で断熱材を用いてもよいことは言うまでもない。
【００９１】
本発明の一実施態様においては、例えば外壁１３６及び内壁１３８によって構成される冷却ジャケットである圧力管熱交換器内に流通する熱交換流体は、例えばマニホルド１２８を流れる空気等の供給された反応物とする。更なるマニホルド（図示せず）は、環状空間と化学コンバータ１２２とを流体が流通可能に接続し、これにより供給された反応物を適正に導入する。外壁１３６及び内壁１３８によって形成された冷却ジャケットにより導入されてくる空気である反応物を予熱することにより、複数の効果を得ることができ、この効果には、供給された空気を予熱して、復熱的に廃熱を捕捉することにより効率を高める効果や、圧力管１２０の外表面を冷却する効果等が含まれる。
【００９２】
他の実施態様においては、断熱材１３９により内壁１３８ではない内壁を形成し、化学コンバータによって生成される排気に常時曝してもよい。このような構成では、化学コンバータ１２２から排気される燃焼していない（例えば、可燃性の）燃料ガスが回収管チャンバ１３４内において潜在的に危険なレベルになるまで蓄積されないようにすることが重要である。動作的な安全性を確保するために、化学変換システム７２の動作前、動作中、又は動作後に、回収管チャンバ１３４内にパージガス１００を導入してもよい。パージガス１００は、回収管チャンバ１３４及び回収管１２０の外壁１３６及び断熱材１３９の間に形成された空隙に存在する好ましくない気体を空気や窒素等の比較的安全な気体によって押し出す。
【００９３】
図１に示すように、エネルギシステム７０は、更に、回収管１２０に接続され、エネルギシステム７０の１以上の構成要素の１以上のパラメータを感知又は検出する１以上のセンサを備える。センサは、例えば、エネルギシステム７０が適正に安全な動作を行っていることを確認するために用いてもよい。この具体例に示すシステムは、オプションとして、回収管１２０及びコントローラ１７４に接続された１以上の温度センサ１７０及び化学センサ１７２を備える。この具体例に示す温度センサ１７０は、例えば回収管１２０内に配設された熱制御スタック１１６等の化学コンバータの１以上のパラメータを感知又は検出する。温度センサ１７０は、熱制御スタック１１６の温度状態を感知又は検出して、この熱制御スタック１１６内で適正な燃焼又は加熱が行われているかを判定する赤外線（ＩＲ）センサ、紫外線（ＵＶ）センサ、若しくは伝熱対又はサーモスタット等であってもよい。温度センサ１７０は、熱制御スタック１１６又は熱制御スタック１１６周囲の炎（ｆｌａｍｅ）からの輻射熱を検出することによって動作する。この輻射熱は、熱制御スタック１１６から放出され、この輻射熱に関する情報は、コントローラ１７４によって相関される。このセンサは、炎（又は輻射熱）の有無を感知することにより、適正な燃焼が行われているか否かを判定する。一具体例においては、エネルギシステム７０は、炎又は適正な燃焼が感知されない場合、熱制御スタック１１６への燃料の供給を停止し、これにより回収管１２０内に、可燃性の燃料が危険なレベルにまで蓄積されることを回避する。この動作は、エネルギシステム７０内の適切な位置に、１以上の流体調整装置を設けることにより実現される。これにより、エネルギシステム７０の危険な動作が回避又は防止される。
【００９４】
また、エネルギシステム７０は、回収管１２０内で回収された排気を感知又は検出する化学センサ１７２を備えていてもよい。化学センサ１７２は、例えば酸素等、排気中の１以上の成分の有無を感知又は検出するガスセンサであってもよい。化学センサ１７２は、コントローラ１７４に接続され、コントローラ１７４は、任意の適切な装置を用いて、１以上の反応物（燃料及び／又は空気）を化学変換システム７２内の１以上の構成要素に供給する。一具体例においては、化学センサ１７２は、排気内の酸素の有無を感知し、化学変換システム７２内で十分な酸素が確実に確保され、燃焼していない燃料が偶発的に回収管１２０内に排気されてしまうことを防止する酸素センサであってもよい。化学センサ１７２は、回収管１２０に接続され、又は排気ストリーム１８０を検査できる位置に配設され、過剰な酸素の有無を検出するセンサであってもよい。
【００９５】
更に、化学センサ１７２によって流体の成分を検出し、化学変換システム７２への流体の供給を調整し、回収管１２０内における、例えば炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物等の汚染物質の生成及び／又は蓄積を効率的且つ容易に防止、回避又は抑制することにより、エネルギシステム７０の動作状態を最適にすることができる。エネルギシステム７０が適正に動作するためには、排気中の酸素濃度が化学量的条件（ｓｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）以上である必要がある。最適な動作を実現するために、酸素レベル又は濃度は、化学的条件に対して調整される。通常の安全で効率的な条件として、排気中の酸素濃度は、約２％から約４％の間に維持され、これは、化学変換システム７２に約１０％から約２０％の過剰な空気反応物を流通させることに対応する。酸素センサは、例えば電気化学センサ等、排気の酸素濃度と、周囲の環境における酸素濃度とを比較することにより酸素の分圧を判定する、いかなる適切なセンサであってもよい。
【００９６】
この具体例に示すエネルギシステム７０は、回収管１２０に接続され、回収管１２０内の選択された温度を検出する１以上の温度センサ１７８を備えていてもよい。温度センサ１７８は、回収管１２０の内部温度、回収管１２０の内部又は外部の排気１８０、若しくは、熱制御スタック１１６、燃料電池１１２及び／又は改質器１１０等の化学変換システム７２の１以上の構成要素の温度を検出する位置に配設することができる。温度センサ１７８は、例えば熱電対等、温度を検出する適切ないかなるセンサであってもよい。温度センサ１７８は、コントローラ１７４に接続され、フィードバックループを形成し、これによりエネルギシステム７０は、１以上のシステム流体のフローを制御して、又は選択されたシステム構成要素の動作を制御して、システム内の温度を調整し、監視し、検出し、維持し、又は変更する。このようにして、この具体例に示すエネルギシステム７０は、所定の温度範囲内で動作し、これにより、安全で効率的なシステム動作を確実に実現する。
【００９７】
コントローラ１７４は、周知のいかなる手法で設計してもよく、例えば、工業用ラダーロジックコントローラ（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｌａｄｄｅｒ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、マイクロプロセッサ、スタンドアローンコンピュータ装置、ネットワーク環境に接続されたコンピュータ装置、及びエネルギシステムの制御を実現する適切なハードウェア、ソフトウェア及び／又は記憶装置を含む他の適切ないかなる処理装置であってもよい。ここで用いる「コンピュータ装置」という用語は、よく定義された手法で特定の命令セットに応答し、及び／又は所定の命令のリストを実行できるプログラミング可能な装置、又はプログラミング不可能な装置を指すものとする。コンピュータ装置は、データ、情報、及びプログラムを少なくとも一時的に格納するための１以上のストレージ装置（例えば、ＲＡＭ又はＲＯＭ）と、データ、情報、及びプログラムを実質的に継続的に格納するためのマスストレージ装置（例えば、ハードディスクドライブ又はテープドライブ）と、コンピュータ装置にデータ及び命令を入力するための入力装置（例えば、キーボード、マウス、スタイラス）と、演算結果を表示又は出力する出力装置（例えば、表示装置、プリンタ、又は赤外線ポート、シリアルポート、デジタルポート）と、特定の命令セットを実行するためのプロセッサを含む中央演算処理装置とを備えていてもよい。
【００９８】
図１に示すように、回収管１２０内に回収された排気１８０は、任意の適切な流体接続管を介して排出され、最終的に、ガスタービン組立体７４に導入される。燃料電池によって生成される電力に加えて、ガスタービン組立体７４は、化学変換システム７２によって生成された排気及び廃熱を有用な電力に変換するボトミング装置として機能することにより、電力を生成し、これによりエネルギシステム７０全体の効率を高めている。化学変換システム７２から排出される排気は、通常、約１０００℃前後の範囲の温度を有する。このような温度の排気は、ガスタービン組立体７４に導入する前に、加熱又は冷却する必要がある場合もある。このような場合、例えば、追加的な燃焼器、又は冷却用流体を追加又は混合するための構造体等の二次的加熱又は冷却構造体を回収管１２０とガスタービン組立体７４との間に設け、排気がガスタービン組立体７４の動作条件により適合するように、排気の温度を調整してもよい。また、他の具体例において、化学変換システム７２内の排気がガスタービン組立体７４における使用に予め適合している場合は、排気を更に加熱し又は冷却する必要はない。また、化学変換システム７２の排気の温度が、所望のレベルより高い場合もある。例えば、比較的小さなタービンユニットを採用したガスタービン組立体では、入力駆動ガスの温度は、通常、８００℃〜９００℃が好ましい。この場合、化学変換システム７２で生成され、回収管１２０に回収される約１０００℃の排気は、ガスタービン組立体の入力駆動ガスの温度に適合しない。そこで、このような場合は、化学変換システム７２の排気の温度を制御又は調整して、ガスタービン組立体７４の動作要求に適合する温度にする必要がある。
【００９９】
化学変換システム７２によって生成され、回収管１２０から排気される排気１８０は、ガスタービン組立体７４用の駆動ガスを構成し、最終的にタービンエキスパンダ７８に導入される。タービンエキスパンダ７８は、排気を断熱膨張させ、排気の熱エネルギを回転エネルギに変換する。上述のように、タービンエキスパンダ７８と、発電機８４と、コンプレッサ７６とは、共通のシャフトを介して連結することができ、発電機８４は、交流又は直流の電力を生成し、コンプレッサは、供給された空気反応物を圧縮する。当業者には容易に理解されるが、発電機８４によって生成される電力の周波数は、少なくとも１０００Ｈｚであり、多くの場合約１２００Ｈｚ〜約１６００Ｈｚである。発電機８４によって生成される交流電流は、例えば整流器などの適切な手段によって整流され、これにより交流電力が直流電力に変換される。この直流電力は、インバータ８４による変換の前に化学変換システム７２によって生成される直流電力と結合してもよい。これに加えて、この構成では、化学変換システム７２は、ガスタービン組立体の外部燃焼器として機能し、この外部燃焼器は、エネルギシステム７０のボトミング装置として機能する。
【０１００】
タービンエキスパンダ７８は、タービン排気１８４として示される排気を生成し、このタービン排気１８４を熱交換器１８８に供給する。更に、コンプレッサ７６から供給される加熱された空気８６の一部を熱交換器１８８に導入してもよく、熱交換器１８８は、熱交換器１８８を通過するタービン排気１８４によって、この空気８６の一部を復熱式又は対流式に更に加熱する。
【０１０１】
熱交換器１８８内のタービン排気１８４は、オプションとして、ＨＲＳＧ９４に流通させてもよく、タービン排気１８４は、改質剤（水）８８を後に改質器１１０に導入するために蒸気に変換する処理を補助する。次に、タービン排気１８４は、他の装置又は周囲環境に排気又は排出してもよい。
【０１０２】
上述のように、エネルギシステム７０には、例えば空気である酸素を含む気体と、例えば基本的にメタンから構成される天然ガスである燃料と、改質剤８８とが供給される。空気及び燃料は、化学変換システム７２における反応物として機能する。供給される酸化剤反応物は、コンプレッサ７６によって圧縮及び加熱され、燃料電池１１２内の燃料を酸化させるために使用される。加熱及び加圧された空気８６は、熱交換器１８８において、タービンエキスパンダ７８のタービン排気１８４によって、更に加熱される。なお、酸素を含むガスは、多くの場合空気であるが、酸素濃度を低めた空気又は酸素濃度を高めた空気等、酸素を含む他の流体であってもよい。空気及び燃料である反応物は、電気化学コンバータ１１２又は熱制御スタック１１６において消費され、これにより電力及び排気が生成され、排気は、回収管１２０に捕捉される。
【０１０３】
図１に示すエネルギシステム７０では、高効率の小型電気化学コンバータと、ボトミング装置又は発電機として機能するガスタービン組立体とを組み合わせることにより、電力を効率的に生成できるという利点がある。化学変換システム７２と、ガスタービン組立体７４とを統合することにより、約７０％又はこれ以上の全体的電力効率を有するハイブリッドシステムが実現する。このシステム効率は、従来のガスタービンシステム及び従来の電気化学システム単独で達成された効率に比べて、著しく高い効率を示している。この具体例に示すハイブリッドシステムは、燃料電池１１２等の電気化学コンバータを組み込み、電力及び高い熱エネルギを生成する。例えば、燃料電池は、ＮＯｘ排出量が少なく、従来のガスタービン発電システムに比べて、高い環境性能を有している。
【０１０４】
本発明の更なる利点として、本発明に基づくエネルギシステムでは、例えば燃料電池及び／又は改質器等の化学コンバータを熱制御スタックとともに回収管内に配設する。この構成により、様々な用途で使用できる、小型で容易に構成及び統合できる組立体を実現できる。
【０１０５】
また、エネルギシステム７０に複数のセンサを設けることにより、回収管１２０によって回収される排気内に可燃性物質が望ましくない潜在的に危険なレベルに蓄積されることを防ぎ、システムを安全に動作させることができる。
【０１０６】
上述の設計は、様々に変形することができ、当業者はこれらの変形例を容易に想到することができる。例えば、複数のガスタービン組立体を用いてもよく、更に、コンプレッサ、燃焼器、タービンをいくつ設けてもよい。更に、電気化学コンバータと、例えば短軸ガスタービン、２軸ガスタービン、復熱式ガスタービン、中間冷却式ガスタービン、再熱式ガスタービン等を含む、殆どの種類のガスタービンとの統合も本発明の意図する範囲内にある。したがって、本発明は、化学コンバータと従来のガスタービンとを組み合わせた化学エネルギシステムを包含する。本発明の好適な具体例においては、コンバータは、コンバータは、部分的に又は全体的に、ガスタービン発電システムの１以上の燃焼器に置換してもよい。
【０１０７】
図１に示すように、化学変換システム７２の起動に伴い、エネルギシステム７０は、パージガス１００を回収管１２０に導入し、回収管チャンバ１３４及び孤立した空隙又は間隙１３２をパージし、回収管１２０に導入される燃料を化学変換システム７２と回収管チャンバ１３４の構成要素に供給する。このパージにより、起動期間に、例えば燃焼していない燃料等の危険な又は潜在的に危険なガスが回収管チャンバ１３４又は孤立した空間に蓄積されることを防止又は回避できる。
【０１０８】
更に、起動時には、熱制御スタック１１６は、化学変換システム７２の起動用ヒータとして機能する。エネルギシステム７０の起動処理を開始するために、ガスタービン組立体７４のコンプレッサ７６は、独立したモータ（図示せず）又はモータとして機能する発電機によって起動される。コンプレッサ７６は、空気８５を圧縮し、この空気は、最終的に、熱制御スタック１１６に供給され、回収管１２０内に排気される。熱制御スタック１１６に空気を流通させた後、図１に示すように、熱制御スタック１１６には、適切な燃料が導入される。熱制御スタック１１６への空気及び燃料の供給は、コントローラ１７４によって、例えば２５０℃／ｈｒ等、回収管チャンバ１３４における所定の加熱率を維持できるように制御される。熱制御スタック１１６によって生成される熱により、隣接する化学コンバータ１１０及び／又は１１２は、燃料の自動点火温度に加熱される。ここで、必要であれば、エネルギシステム７０は、化学コンバータ１１０及び／又は１１２がその適正な動作温度に加熱されるまで、この熱スタンバイモードを維持してもよい。更に、この安定した状態が実現された後は、パージガス１００の供給を停止してもよい。パージガス１００は、拡散又は自然対流により、図３に示す、断熱材１３９と回収管の外壁１３６との間に形成された空隙にも流入する。
【０１０９】
化学変換システム７２は、１以上の改質器とともに、１以上の燃料電池によって電力を生成し、若しくは、改質器１１０のみを用いて、化学的生成を行う。
【０１１０】
コントローラ１７４は、必要に応じて、熱制御スタック１１６に導入される反応物の調整を継続して、化学コンバータ１１０及び／又は１１２に温度をその動作温度にまで高め、又は動作温度を維持してもよい。化学コンバータ１１０及び／又は１１２がその通常の動作温度に近い温度、一般的には１０００℃程度になると、燃料電池１１２及び改質器１１０を駆動できるようになる。例えば、コンプレッサ９８から排出される燃料９０は、混合器１７６において、（蒸気改質のために）ＨＲＳＧ９４によって生成された蒸気と混合又はミックスされ、比較的単純な燃料資源が生成される。改質器１１０から排出される改質された燃料は、圧縮された空気８６とともに燃料電池１１２に導入され、燃料電池が始動され、燃料電池から所望の電力が出力される。これに代えて、酸化改質が望ましい場合、改質器１１０に供給される燃料は、水／水蒸気ではなく、空気と混合され、比較的単純な燃料資源が生成される。化学変換システム７２が動作可能な状態となると、熱制御スタック１１６は、熱源として動作させる必要がなくなるため、熱制御スタック１１６への燃料の供給を停止してもよい。この時点で、熱制御スタック１１６に空気のみを流通させることにより、熱制御スタック１１６は、燃料電池１１２から廃熱を取り除く、熱回収器又はヒートシンクとして機能することができる。
【０１１１】
上述のように、この具体例に示す化学変換システム７２は、高温の排気を生成し、この排気は、ガスタービン組立体７４のタービンエキスパンダ７８に導入される。タービンエキスパンダ７８は、燃料電池１１２からの高温の排気を断熱膨張させ、エネルギシステム７０によって使用されるタービン排気１８４を生成する。タービンは、駆動ガスの熱エネルギを回転エネルギに変換し、この回転エネルギによりシャフト８２が回転され、これにより、発電機８４が交流電力を生成する。この電力は、化学変換システム７２によって生成された電力と合わせて、後に商用目的又は住居内での用途に使用される。
【０１１２】
安定状態の動作においては、導入された空気８５は、コンプレッサ７６を通過し、及び必要に応じて熱交換器１８８を通過し、燃料電池１１２に供給され、続いてガスタービン組立体７４に供給される。エネルギシステム７０は、更に、タービン排気１８４を熱交換器１８８に供給し、タービン排気１８４の熱エネルギを再利用する。タービン排気１８４内の熱エネルギは、熱交換器１８８を通過する反応物を予熱する。例えば、熱交換器１８８に空気８５を通過させることにより、空気８５は、タービン排気１８４内の廃熱を再利用することによって予熱される。同様に、タービン排気１８４は、ＨＲＳＧ９４を通過し、水を水蒸気に変換し、この水蒸気は、後に改質器１１０に供給される。
【０１１３】
当業者には明らかであるが、化学変換システム７２、及び特に燃料電池１１２は、ガスタービン組立体７４の燃焼器の代替部品としても機能できる。なお、本発明に含まれる変形例においては、ガスタービン組立体７４は、その構成要素として、燃焼器及び／又は復熱装置を備えていてもよい。ガスタービン組立体７４が内部に自らの燃焼器を備えるこのシステム設計においては、上述とは異なる始動処理によってエネルギシステム７０を起動することができる。例えば、ガスタービン組立体７４は、適切な始動モータ（図示せず）によって駆動してもよい。この場合、コンプレッサ７６は、ガスタービン組立体７４を通過する空気フローを生成することができる。ガスタービンの燃料器は、燃料を受け取り、この燃料は、所定の加熱率に基づいて、空気と反応する。更に、熱制御スタックも燃料源から燃料を受け取り、燃料電池１１２を動作温度に近い温度に加熱する。この変形例に示すシステム構成のこの他の動作的な機能は、上述したエネルギシステム７０と同様である。
【０１１４】
本発明に基づくエネルギシステム７０の他の実施態様においては、エネルギシステム７０は、オプションとして、回収管１２０の周囲に形成された熱ジャケット（ｊａｃｋｅｔ）１９０を備えていてもよい。ここで用いる熱ジャケットという用語は、回収管１２０の周囲に配設され、回収管１２０と熱エネルギを交換できるあらゆる構造を含むものとする。図１に示す熱ジャケット１９０内は、例えば空気又は水等の選択された流体が流通される。熱ジャケット１９０には、コンプレッサ又はブロワが連結されており、このコンプレッサ又はブロワは、選択された圧力によって、冷却用の熱ジャケット１９０内を流通する改質剤を循環させる。この構成では、回収管１２０は、熱ジャケット１９０を流通する空気又は水により、特定の用途に応じて冷却又は加熱される。
【０１１５】
図１４は、本発明に基づくエネルギシステムの他の実施態様を示している。ここに示すエネルギシステム３００は、ガスタービン組立体３０２を備え、ガスタービン組立体３０２は、コンプレッサ３０４と、タービンエキスパンダ３０６と、発電機３０８とを備え、これらは全て、シャフト３１０上に直列に航空転用型構成（ａｅｒｏ−ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）で連結されている。なお、当業者には明らかであるが、これらの構成要素は、シャフト３１０上に様々な構成で配設できる。この具体例に示すエネルギシステム３００においては、例えば空気３１６である導入される反応物は、コンプレッサ３０４に導入され、圧縮される。圧縮された空気３１８は、熱交換器３４０を通過し、回収管３２０に導入される。具体的には、圧縮され、加熱された空気は、例えば燃料３２４等の導入される他の反応物とともに、燃焼器３２２に導入される。燃焼器３２２は、１以上の反応物流体を流通させ、酸素が存在する環境で燃料を燃焼させることができれば、いかなる構造を備えていてもよい。適切な燃焼器として、例えば、図１及び図８〜図１１に示す熱制御スタック１１６を用いてもよい。
【０１１６】
この具体例に示す回収管３２０内には、更に、改質器３１０が収容されており、改質器３１０は、必要に応じて、第２の熱交換器３２６を通過した燃料３２４を受け取る。例えば水である改質剤３２８も熱交換器３２６を通過し、回収管３２０内の改質器３１０に導入される。この具体例に示す改質剤３２８は、改質器３１０内の燃料３２４を改質し、比較的純粋な燃料資源３３０を生成し、この燃料資源３３０は、回収管３２０から排出される。改質された燃料は、熱交換可能に熱交換器３２６を通過する。リホーメートとも呼ばれる比較的純粋な燃料資源３３０は、遠隔に位置する他のユーザに供給され、若しくはここに示すエネルギシステム３００内で利用される。例えば、燃料資源３３０は、熱交換器３２６を通過し、これにより、導入されてくる燃料３２４と水３２８が予熱される。
【０１１７】
同様に、燃焼器３２２内の圧縮された空気３１８は、回収管３２０内に回収され、更に回収管３２０から排出され、ガスタービン組立体３０２のタービンエキスパンダ３０６の駆動ガスとして機能する。フロー３３２は、タービンエキスパンダ３０６によって回転エネルギに変換され、この回転エネルギは、発電機３０８によって電力に変換される。この電力は、電気導線３１２、３１４を介して取り出すことができる。タービンエキスパンダ３０６からの排気３３４又はフロー３３２は、圧縮された空気３１８を燃焼器３２２に導入する前に予熱する目的にも利用できる。
【０１１８】
上述のシステムの変形例が本発明の範囲に包含されることは、当業者にとって明らかである。例えば、図１に示す化学変換システム７２を回収管３２０内に収容し、エネルギ組立体を構成してもよい。エネルギ組立体は、例えば、引用により本願に援用される米国特許第５，９４８，２２１号明細書及び米国特許第６，０５４，２２９号明細書に開示されている、ＨＶＡＣシステム等の多くの様々な異なるシステムに組み込むことができる。
【０１１９】
本発明に基づくエネルギシステムにける使用に適する、図１に示す混合器１７６の一実施態様を図１５に示す。ここに示す混合器１７６は、選択された数のポートを有する筐体１９４を備える。例えば、蒸気改質プロセスにおいては、改質剤となる水８８が導入ポート１９６Ａに導入され、排出ポート１９６Ｂから排出される。水８８は、次に、ＨＲＳＧ９４に導入され、ここで蒸気に変換され、ポート１９６Ｄに導入される。筐体１９４は、更に、ポート１９６Ｃを備え、このポート１９６Ｃには、処理された燃料９９ａ又は処理されていない燃料が供給され、この処理された燃料９９ａ又は処理されていない燃料は、混合領域１９８において、蒸気と混合される。混合された蒸気及び燃料は、ポート１９６Ｅを介して、混合器１７６から排出される。混合器を循環する水８８は、蒸気及び燃料から隔離又は分離されており、混合領域１９８に隣接する冷却領域を流通し、選択された度合いの所定の冷却作用により、燃料が混合器１７６を通過する際に生じる加熱分解を防止、最小化、低減、又は抑制する。当業者には明らかであるが、この具体例では、混合器は、回収管内に配設されているが、混合器を回収管の外部に設け、混合器に改質剤と燃料反応物とが供給されるように、回収管と混合器とを連結してもよい。更に、当業者には明らかであるが、この酸化改質プロセスにおいては、混合器は、燃料と、例えば空気等の酸化剤とを混合してもよく、自己熱交換改質プロセスにおいては、燃料と、酸化剤及び蒸気とを混合してもよい。このような用途では、選択的な冷却は、必要でない場合もある。
【０１２０】
図１６は、本発明に基づくエネルギシステム７０の変形例を示している。図１６において、図１と同じ構成要素には、同様の符号を付している。この具体例に示すエネルギシステム７０は、回収管１２０内に配設された化学変換システム７２を備える。化学変換システム７２は、燃料改質コンバータ１１０と、仕上げ改質コンバータ（ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１１０Ａとを備える。改質器１１０は、例えば空気及び／又は水等の改質剤を用いて燃料を改質し、比較的純粋な燃料資源を生成する。この具体例では、化学コンバータ１１０、１１０Ａは、酸化改質法に基づき、空気を用いて燃料を改質することができる。なお、空気に代えて、水を改質剤として用いてもよく、水と空気の混合物を改質剤として用いてもよいことは、当業者にとって明らかである。この改質器は、回収管１２０から排出することができるリホーメート又は化学出力物質又は燃料資源１１５を生成する。更に、この具体例に示すエネルギシステム７０は、このエネルギシステム７０を適正に動作させるために、筐体に接続され、又は筐体に対して所定の関係を有する一に配設された、選択されたセンサを備える。
【０１２１】
この具体例に示すエネルギシステム７０は、その動作において、例えば燃料９０及び空気８５等である一対のシステム反応物をシステム内に導入する。空気８５は、コンプレッサ７６に圧縮され、これにより、圧縮され、加圧された空気８６が生成され、この空気８６は、オプションとして、熱交換器１８８を通過させてもよく、ここでタービンエキスパンダ７８から排出されるタービン排気１８４によって熱交換的に又は復熱的に加熱され、続いて熱制御スタック１１６及び化学コンバータ１１０、１１０Ａに導入され、ここで酸化改質プロセスにおける改質剤として機能する。
【０１２２】
導入される燃料９０は、まず、例えば脱硫ユニットである第１の前処理段９６を通過した後、圧縮器９８に供給され、圧縮される。この燃料は、次に、化学コンバータ１１０、１１０Ａに導入され、水及び／又は空気によって改質され、化学的排出ポートからリホーメートが排出される。
【０１２３】
例えば水８８等の導入される改質剤は、処理ユニット９２に導入される。この具体例に示す処理ユニット９２は、例えば、水からイオンを除去する脱イオン化ユニットであってもよい。処理された水は、廃熱回収ボイラ９４に導入され、この廃熱回収ボイラ９４において、化学変換システム７２からの熱又は廃熱回収ボイラ９４を通過するタービン排気１８４からの熱によって、蒸気に変換される。この蒸気は、必要に応じて、空気の代わりに混合器１７６に導入してもよく、ここで、蒸気は改質剤として機能し、蒸気改質法に基づく燃料の改質に利用される。この具体例に示す化学コンバータ１１０、１１０Ａは、燃料を改質し、比較的純粋な燃料資源を生成し、この燃料資源は、回収管１２０から排出ポート１１５を介して排出されてエネルギシステム７０の外部で利用され、若しくはエネルギシステム７０内のいずれかの部分で利用される。
【０１２４】
熱制御スタック１１６は、上述した具体例と同様に、回収管１２０内に配設され、始動処理時においては熱源として機能し、安定動作時には、熱制御装置として機能する。この具体例における熱制御スタック１１６は、特定のシステム動作に応じて、空気又は燃料を受け取る。熱制御スタック１１６において生成された排気は、コンバータ１１０の排気とともに、回収管１２０において回収される。回収された排気１８０は、回収管１２０から排気され、ガスタービン組立体７４の一部を構成するタービンエキスパンダ７８に導入される。タービンエキスパンダ７８は、この排気を回転エネルギに変換し、この回転エネルギは電力に変換される。タービンエキスパンダ７８から排出されるタービン排気１８４は、所定のシステム流体を予熱するために、熱交換器１８８及び廃熱回収ボイラ９４を通過する。
【０１２５】
エネルギシステム７０の動作安全性は、センサ１７０、１７２、１７８によって監視することができる。センサ１７０は、紫外線センサ又は赤外線センサであってもよく、回収管１２０に接続され、又は回収管１２０近傍に配設され、例えば炎等、熱制御スタック１１６の所定の温度状態の有無を感知又は検出し、燃料が適正に燃焼していることを確認するセンサであってもよい。
【０１２６】
エネルギシステム７０は、更に酸素センサ等であるガスセンサ１７２を備え、回収管チャンバの酸素レベル又は酸素濃度が適正であることを確認し、これにより燃焼していない可燃ガスが蓄積して危険な又は潜在的に危険な状態になることを防止、抑制又は回避することができる。これにより、チャンバ内に適正且つ適切な量の酸素が存在することが約束される。センサ１７８は、回収管１２０内の温度を検出する。
【０１２７】
図１及び図１６に示すエネルギシステム７０の１以上の構成要素を変更することにより、熱プラントを構成することもできる。例えば、燃料９９ａの供給及び混合器１７６を設けず、燃料９９ｂを熱制御スタック１１６及び燃料改質コンバータ１１０に供給し、仕上げ改質コンバータ１１０Ａを蒸気生成器及び過熱器として機能させてもよい。この場合、排気１１５は、調整された熱媒体である。なお、ここで使用する熱プラントという用語は、調整された熱媒体を生成するあらゆる構造を含むものとする。好適な熱プラントの具体例としては、蒸気生成器、蒸気ボイラ、温水ヒータ（ハイドロニクス）、気体媒体ヒータ、過熱器等が含まれる。熱プラントを採用する場合、ここに示すシステムは、以下のいずれかのものを処理及び提供できる。
１）例えば水蒸気等の加圧され、飽和され、又は過熱された蒸気
２）温水暖房用途における加熱された流体
３）空気等の加熱された気体
【０１２８】
過熱された蒸気、加熱された流体、加熱された気体は、蒸気タービン又はガスタービンに供給されて電力を生成することに加えて、様々な商業用途又は工業用途で利用できる。
【０１２９】
図１７は、例えば発電のための蒸気タービン又はガスタービン、熱用途のための熱交換器、又は調整された熱媒体を直接消費するためのアダプタ等の様々なエネルギシステムに連結できる熱プラントの一部を示している。
【０１３０】
当業者にとっては明らかであるが、化学変換システムは、例えば燃料電池、改質器、熱制御スタック、改質コンバータ、熱プラント等、上述した構成要素をいかなる数でいかなる組合せにより含んでいてもよい。同様に化学変換システム７２は、本発明に基づき、これらの構成要素を１つのみ又は複数個含んでいてもよい。
【０１３１】
以上の説明から明らかなように、本発明により、上述した目的を効率的に達成することができる。本発明の範囲から逸脱することなく、上述の構成を変更することができるため、ここに説明し、又は添付の図面に示した全ての事項は、例示的なものであり、限定的に解釈されるものではない。
【０１３２】
更に、添付の特許請求の範囲は、ここに説明した本発明の包括的及び個別的特徴と、本発明の範囲に関する全ての文言を包含し、換言すれば、これらのうちに含まれているとも言える。
【図面の簡単な説明】
【図１】
回収管内に改質器、燃料電池、熱制御スタックを配設し、使用中の動作安全性を確保するために複数のセンサを設けた、本発明の一具体例として示す多機能エネルギシステムのブロック図である。
【図２】
本発明に基づく化学コンバータシステムにおいて使用される改質器の一実施態様の断面図である。
【図３】
図３Ａ〜図３Ｃは、図２に示す改質器の触媒板及び改質板の様々な実施態様の断面図である。
【図４】
本発明に基づいて組み立てられた、内部改質を行う燃料電池の斜視図である。
【図５】
内部改質を実現する燃料電池コンバータの電解質部材及び相互接続部材をより詳細に示す分解斜視図である。
【図６】
様々な処理バンドが横切るように配設された、電解質部材と相互接続部材の分解斜視図である。
【図７】
吸熱改質バンド、発熱燃焼バンド、発熱燃料電池バンド間に亘る熱伝導を提供する図２に示す改質器の相互接続板により実現された平面方向の等温状態を示すグラフ図である。
【図８】
図１に示す熱制御スタックの他の実施態様の断面図である。
【図９】
複数の板を採用した熱制御スタックの他の実施態様の断面図である。
【図１０】
図１に示す熱制御スタックのさらに他の実施態様の端部断面図である。
【図１１】
図１０に示す熱制御スタックの断面図である。
【図１２】
図１２Ａ〜図１２Ｅは、本発明に基づくエネルギシステムの構成要素の様々な配列を表す図である。
【図１３】
図１に示す本発明に基づくエネルギシステムの回収管の一部を切り欠いて示す斜視図である。
【図１４】
本発明に基づくエネルギシステムの他の実施態様を示す図である。
【図１５】
図１に示す改質器への導入以前に、改質剤及び燃料を混合する、本発明に基づく混合器の斜視図である。
【図１６】
回収管内に燃料プロセッサ、改質器、熱制御スタックを配設し、使用中の動作安全性を確保するために複数のセンサを設けた、本発明の一実施態様として示す多機能エネルギシステムのブロック図である。
【図１７】
発電、熱用途又は出力熱媒体の直接的な消費のために、オプションとして従来の装置に連結することもできる熱プラントの一部を示す図である。
【図１】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004531022.tif 000093
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
2004531022.tif 000095
2004531022.tif 000096