(57)【要約】ハイブリッド動力システムは、システムを効率的に動作させつつ、その動作パラメータを制御するための手段を備える。このシステムは、ガスタービンアッセンブリなどの電気−熱同時発生又はボトミング装置と組み合わせた、燃料電池及び熱制御積層体を備えた電気化学変換器システムを含む。このハイブリッド動力システムは、１つ又は複数の流体のシステム内での流れを調節又は制御するために１つ又は複数の流体調節装置を用いる。従って、この流体調節装置により、このシステムは、タービン速度に加え、燃料電池及び／又はガスタービンアッセンブリの出力又は温度を制御できる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電用のハイブリッド動力システム（７０、２００、３７０）であって、
第１媒体を圧縮する１つ又は複数のコンプレッサと、
前記第１媒体と第２媒体とを受け取るように、前記コンプレッサに関連して配置された１つ又は複数の電気化学変換器システムであって、前記第１媒体と前記第２媒体との間の電気化学反応を起こさせ、それにより電気及び燃料電池排気を発生させるように構成された電気化学変換器システムと、
前記電気化学変換器システムと流体連通し、且つ前記排気の少なくとも一部を受け取るように前記電気化学変換器システムに関連して配置された１つ又は複数のタービンであって、前記排気が前記タービンの駆動流体として作用し、タービン排気を発生する１つ又は複数タービンと、
前記電気化学変換器システムの前記排気を用いて、前記タービンの１つ又は複数の動作パラメータを調節するための調節手段を包含した、ハイブリッド動力システム。
【請求項２】
前記調節手段が、前記電気化学変換器システムの前記排気の残りと、前記タービン排気とを結合して、前記タービンの動作パラメータを制御する排気混合物を形成する、請求項１に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項３】
前記調節手段が、前記電気化学変換器システムと前記タービンとの間に設けられるか、或いは、両者と流体連通した調節要素であって、前記タービンを迂回する前記電気化学変換器システムからの排気量を調節するための調節要素を包含した、請求項１に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項４】
前記調節手段が、前記電気化学変換器システムと前記タービンとの間に設けられ且つ、両者と流体連通した調節要素であって、前記タービンに導入される前記電気化学変換器システムからの排気量を調節するための調節要素を包含した、請求項１に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項５】
前記電気化学変換器システム排気を、前記タービンに導入する前に冷却する冷却手段を更に包含した、請求項１に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項６】
前記冷却手段が、前記電気化学変換器システム排気を前記タービンに運ぶための、前記電気化学変換器システムと前記タービンとに連通した流体導管を包含し、更に、前記流体導管が、前記電気化学変換器システム排気を前記タービンに導入する前に、熱を前記システム排気から、放射的、伝導的、又は対流的に移動させるように適合されている、請求項５に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項７】
前記動作パラメータが、タービン速度、タービン出力、又はタービン温度を包含する、請求項１に記載にハイブリッド動力システム。
【請求項８】
前記調節手段が、前記タービンに導入される電気化学変換器システム排気の量を調節するための手段を包含した、請求項１に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項９】
前記電気化学変換器システムと前記タービンとに流体連通した流体調節要素であって、前記タービンに入る電気化学変換器システム排気の量と、前記タービンを迂回する電気化学変換器システム排気の量とを調節するための流体調節要素を更に包含し、前記バイパス部分が、前記タービン排気に結合されるか、環境に排出される、上記請求項の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１０】
前記調節要素が、バルブ、シャトル要素、回転球体、又はダイヤフラムを包含した、請求項８に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１１】
前記調節要素が、三方弁を包含した、請求項８に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１２】
前記タービンが、前記電気化学変換器システム排気の一部のみを受け取る、上記請求項の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１３】
前記タービンと前記電気化学変換器システムとの間に設けられ且つ、前記第１媒体と、前記第２媒体と、前記タービン排気と、前記電気化学変換器システムの前記排気と、前記結合した排気との少なくとも１つを受け取るよう適合された、熱交換要素を更に包含した、上記請求項の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１４】
前記排気混合物を前記熱交換要素に導入するための手段を更に包含し、前記第１媒体と前記第２媒体が前記熱交換要素を通過するときに、前記排気混合物が、これら媒体の少なくとも一方を選択的に加熱する、請求項１３に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１５】
前記圧縮第１媒体が前記熱交換要素を通過した後に、この媒体を前記電気化学変換器システムに導入するための手段を更に包含した、請求項１４に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１６】
前記熱交換要素が、熱交換器とレキュペレータの少なくとも１つとを包含した、請求項１３に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１７】
前記コンプレッサと前記電気化学変換器システムとの間に設けられた第２流体調節要素であって、前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせられる圧縮第１媒体の量を調節するための第２流体調節要素を更に包含した、上記請求項の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１８】
前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせられる圧縮第１媒体の量を制御して、前記タービンの前記動作パラメータを制御するための手段を更に包含した、請求項１７に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１９】
前記電気化学変換器システムに導入される前記第２媒体の量を調節することで、前記電気化学変換器システムが発生する動力を制御するための第３流体調節要素を更に包含した、上記請求項の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２０】
前記電気化学変換器システムと前記タービンとの間に設けられた加熱源であって、前記電気化学変換器システムの前記排気を前記タービンに導入する前に、選択した高温まで加熱するための加熱源を更に包含した、上記請求項の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２１】
前記加熱源が燃焼器を包含した、請求項２０に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２２】
前記電気化学変換器システムが、電気化学変換器と、熱制御積層体及び容器の少なくとも１つとを包含し、前記容器が、前記燃料電池と、オプションで前記熱制御積層体とを収容できる大きさに作製された、上記請求項の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２３】
前記熱制御積層体及び前記燃料電池の前記排気を収集して、前記電気化学変換器システム排気を形成するための手段と、前記電気化学変換器システム排気を、その外部で利用するために、前記容器から排出するための手段とを更に包含した、請求項２２に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２４】
前記熱制御積層体に導入される第１媒体の量を調節するための第４流体調節要素を更に包含した、請求項２２に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２５】
前記第４流体調節要素が、前記コンプレッサと、前記熱交換要素及び前記熱制御積層体の一方との間に配置され、前記熱制御積層体に導入される前記コンプレッサからの圧縮第１媒体の量又は、前記熱交換要素からの第１媒体の量を調節する、請求項２４に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２６】
前記第１媒体を、複数の異なる供給源から前記電気化学変換器システムに導入するための手段を更に包含した、上記請求項の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２７】
前記複数の異なる供給源が、コンプレッサ及び前記熱交換要素を包含した、請求項２６に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２８】
前記コンプレッサから排出される前記第１媒体の少なくとも一部を、前記熱交換要素に導入する前に、前記第４流体調節要素に導入するための手段を更に包含した、請求項２５に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２９】
前記熱交換要素と前記電気化学変換器システムとの間に配置された第５流体調節要素であって、前記熱交換要素を通過し且つ、前記燃料電池に入る第１媒体の量を調節するための第５流体調節要素を更に包含した、請求項２５に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項３０】
前記電気化学変換器システムと前記コンプレッサとの間に配置されたレキュペレータであって、前記排気混合物と、前記第１及び第２媒体の少なくとも一方とを受け取って、その媒体をその排気混合物で加熱するためのレキュペレータと、
前記電気化学変換器システムと、前記タービン及び前記レキュペレータの少なくとも一方との間に配置された逆流形熱交換器であって、前記電気化学変換器システム排気と前記第１及び第２媒体の一方とを受け取って、前記第１及び第２媒体の一方を、前記電気化学変換器システム排気で加熱するための逆流形熱交換器と、を更に包含した請求項１に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項３１】
前記圧縮第１媒体を、前記熱制御積層体に導入する前に、前記熱交換要素からの前記加熱圧縮第１媒体と混合するための手段を更に包含した、請求項２８に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項３２】
前記第１及び第２媒体を、前記熱制御積層体に導入するための手段を更に包含した、請求項２２に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項３３】
前記タービンに付随して設けられ、且つその回転エネルギーを受け取るよう適合された発電機を更に包含し、この発電機が、前記タービンの回転エネルギーに応答して発電する、上記請求項の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項３４】
前記電気化学変換器システムが、燃料電池を含み、前記燃料電池が、１つの面に酸化剤電極材料と反対面に燃料電極材料とを備えた複数の電解質プレートと、前記電解質プレートに電気的に接触する複数の連係プレートと、を含んだ複数の積層変換器要素を備えた電気化学変換器アッセンブリを包含し、前記変換器要素積層体が、連係プレートと前記電解質プレートとを交互に積み重ねて組み立てられている、上記請求項の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項３５】
前記積層変換器要素が、前記積層体に軸方向に付随すると共に、前記第１及び第２媒体を受け取るよう適合された複数のマニホルドと、前記第１及び第２媒体の少なくとも一方を、前記変換器の動作温度まで加熱するための、前記マニホルドに付随した媒体加熱手段とを包含した、請求項３４に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項３６】
前記連係プレートが熱伝導性の連結プレートを包含した、請求項３５に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項３７】
前記媒体加熱手段が、前記軸方向マニホルド内に突出した、前記連係プレートの熱伝導性で一体形成された延長表面を包含した、請求項３５に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項３８】
前記変換器要素積層体が、前記電解質プレートと前記連係プレートとの間に挿入された複数のスペーサプレートを更に包含した、請求項３５に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項３９】
前記電気化学変換器システムが燃料電池を包含し、前記動力システムが、前記燃料電池の動作温度を、約２０℃と約１５００℃との間に維持するための手段を更に包含した、上記請求項の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項４０】
前記電気化学変換器システムが、固体酸化物燃料電池と、溶融炭酸塩燃料電池と、リン酸燃料電池と、アルカリ燃料電池と、固体高分子形燃料電池とからなるグループから選択された燃料電池を包含した、上記請求項の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項４１】
前記電気化学変換器システムが、前記コンプレッサ及び前記タービンに直列インライン式又はオフライン式に設けられている、上記請求項の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項４２】
ハイブリッド動力システムを用いた発電方法であって、
第１媒体を圧縮する段階と、
前記第１媒体を第２媒体と電気化学的に反応させて、排気を発生するための１つ又は複数の電気化学変換器システムを提供する段階と、
前記電気化学変換器システム排気の一部を受け取る１つ又は複数のタービンを提供する段階であって、前記排気が前記タービンの駆動流体として作用し、前記タービンがタービン排気を発生する、提供する段階と、
前記排気の動作パラメータを、前記電気化学変換器システムからの前記排気で調節する段階とを包含した、ハイブリッド動力システムを用いた発電方法。
【請求項４３】
前記調節する段階が、
前記電気化学変換器システム排気の一部を前記タービンに導入する段階と、
前記電気化学変換器システムの前記排気の残りを、前記タービン排気に結合して、前記タービンの動作パラメータを制御するための排気混合物を形成する段階とを更に包含した、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
前記タービン排気と直接混合される前記電気化学変換器システムからの排気量を調節する段階を更に包含した、請求項４２に記載の方法。
【請求項４５】
前記タービンに導入される前記電気化学変換器システムからの排気量を調節する段階を更に包含した、請求項４２に記載の方法。
【請求項４６】
前記電気化学変換器システム排気を、前記タービンに導入する前に冷却する段階を更に包含した、請求項４２に記載の方法。
【請求項４７】
前記電気化学変換器システム排気を前記タービンに導入する前に、この排気から、熱を放射的、伝導的に、又は対流的に移動させる段階を更に包含した、請求項４２に記載の方法。
【請求項４８】
前記第１媒体と、前記第２媒体と、前記タービン排気と、前記電気化学変換器システムの前記排気との内少なくとも１つを受け取る熱交換要素を、前記コンプレッサと前記電気化学変換器システムとの間に設ける段階を更に包含した、請求項４２に記載の方法。
【請求項４９】
前記排気混合物を前記熱交換要素に導入し且つ、前記第１媒体と前記第２媒体が前記熱交換要素を通過するときに、これら媒体の少なくとも一方を選択的に加熱する、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせる圧縮第１媒体の量を調節する段階を更に包含した、請求項４２に記載の方法。
【請求項５１】
前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせられる圧縮第１媒体の量を制御することで、前記タービンの前記動作パラメータを制御する段階を更に包含した、請求項４２に記載の方法。
【請求項５２】
前記電気化学変換器システムに導入される前記第２媒体の量を調節することで、前記電気化学変換器システムが発生する動力を制御する段階を更に包含した、請求項４２に記載の方法。
【請求項５３】
前記電気化学変換器システムを出るそのシステムの排気を、前記タービンに導入する前に、選択した高温まで加熱する段階を更に包含した、請求項４２に記載の方法。
【請求項５４】
燃料電池と、熱制御積層体及び容器の少なくとも一方とを含むように前記電気化学変換器システムを構成する段階を更に包含し、前記容器が、前記燃料電池と、オプションで前記熱制御積層体とを収容するように寸法設定された、請求項４２に記載の方法。
【請求項５５】
前記熱制御積層体及び前記燃料電池の排気を収集して、前記電気化学変換器システム排気を形成する段階と、
前記容器の外部で前記電気化学変換器システム排気を利用するために、この排気を前記容器から排出する段階とを更に包含した、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記熱制御積層体に導入される第１媒体の量を調節する段階を更に包含した、請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
前記熱制御積層体に導入される圧縮第１媒体の量を調節する段階を更に包含した、請求項５４に記載の方法。
【請求項５８】
前記第１媒体を、複数の異なる供給源から前記電気化学変換器システムに導入する段階を更に包含した、請求項４２に記載の方法。
【請求項５９】
発電用のハイブリッド動力システム（２３０）であって、
第１媒体を圧縮する１つ又は複数のコンプレッサと、
前記第１媒体と第２媒体とを受け取るように、前記コンプレッサに関連して配置された１つ又は複数の電気化学変換器システムであって、前記第１媒体と前記第２媒体との間で電気化学反応を起こさせ且つ、電気及び電気化学変換器システム排気を発生させるように構成された電気化学変換器システムと、
前記電気化学変換器システムと流体連通し、且つ前記電気化学変換器システム排気の少なくとも一部を受け取るように、前記電気化学変換器システムに関連して配置された１つ又は複数のタービンであって、前記排気が前記タービンの駆動流体として作用し、電気及びタービン排気を発生する１つ又は複数のタービンと、
前記電気化学変換器システムと前記コンプレッサとの間に配置された１つ又は複数のレキュペレータであって、前記タービン排気又は前記電気化学変換器システム排気の少なくとも一部と、前記第１及び第２媒体の少なくとも一方とを受け取って、前記媒体を前記タービン排気で加熱する１つ又は複数のレキュペレータと、
前記電気化学変換器システムと、前記コンプレッサ及び前記レキュペレータの一方との間に配置されると共に、前記レキュペレータを通過する前記第１及び第２媒体の一方と前記電気化学変換器システム排気とを受け取る１つ又は複数の熱交換器であって、前記媒体が前記電気化学変換器システムに導入される前に、前記電気化学変換器システム排気によって、その交換器を通過する前記媒体を加熱させるに構成されている１つ又は複数の熱交換器と、を包含したハイブリッド動力システム。
【請求項６０】
前記タービンが、前記電気化学変換器システム排気の一部のみを受け取る、請求項５９に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項６１】
前記レキュペレータが、前記第１媒体、前記第２媒体、及び、前記タービン排気又は前記電気化学変換器システム排気を受け取るように適合されている、請求項５９又は６０に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項６２】
前記レキュペレータが、外部逆流形熱交換器及び放射熱交換器の一方を包含した、請求項５９乃至６１の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項６３】
前記コンプレッサと前記電気化学変換器システムとの間に設けられた流体調節要素であって、前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせられる圧縮第１媒体の量を調節するための流体調節要素を更に包含した、請求項５９乃至６２の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項６４】
前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせられる圧縮第１媒体の量を制御して、前記タービンの動作パラメータを制御するための手段を更に包含した、請求項５９乃至６２の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項６５】
前記電気化学変換器システムに導入される前記第２媒体の量を調節することで、前記電気化学変換器システムが発生する動力を制御するための第２流体調節要素を更に包含した、請求項５９乃至６４の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項６６】
前記電気化学変換器システムと前記タービンとの間に設けられた加熱源であって、前記タービンに導入する前に、前記電気化学変換器システムの前記排気の少なくとも一部を、選択した高温まで加熱するための加熱源を更に包含した、請求項５９乃至６５の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項６７】
前記電気化学変換器システムが、燃料電池と、熱制御積層体及び容器の少なくとも一方とを包含し、前記容器が、前記燃料電池と、オプションで前記熱制御積層体とを収容するように寸法設定された、請求項５９乃至６６の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項６８】
前記電気化学変換器システムが、燃料電池と、少なくとも熱制御積層体とを包含し、前記システムが、前記熱制御積層体及び前記燃料電池の排気を収集して、前記電気化学変換器システム排気を形成する、請求項５９に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項６９】
前記熱制御積層体に導入される第１媒体の量を調節するための流体調節要素を更に包含した、請求項６８に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項７０】
前記流体調節要素が、前記コンプレッサと、前記熱交換要素及び前記熱制御積層体の一方との間に配置され、前記熱制御積層体に導入される前記コンプレッサからの圧縮第１媒体の量又は、前記熱交換要素からの第１媒体の量を調節する、請求項６９に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項７１】
前記第１媒体を、複数の異なる供給源から前記電気化学変換器システムに導入するための手段を更に包含した、請求項５９乃至７０の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項７２】
前記レキュペレータが、前記第２媒体と、前記圧縮第１媒体と、前記タービン排気とを受け取るように配置され、更に、前記レキュペレータが、前記第１及び第２媒体がこのレキュペレータを通過するときに、前記タービン排気に、それら媒体を加熱させるように適合されている、請求項５９に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項７３】
ハイブリッド動力システムを用いた発電方法であって、
第１媒体を圧縮する段階と、
前記第１媒体及び第２媒体を受け取るように電気化学変換器システムを配置する段階であって、前記電気化学変換器システムが、前記第１媒体と前記第２媒体との間で電気化学反応を起こさせ且つ、電気及び電気化学変換器システム排気を発生させるように構成された、配置する段階と、
タービンを、前記電気化学変換器システムと流体連通させて、前記電気化学変換器システム排気の少なくとも一部を受け取るように配置する段階であって、前記排気が前記タービンの駆動流体として作用し、前記タービンが電気及びタービン排気を発生する、配置する段階と、
前記第１及び第２媒体の一方を、前記タービン排気で加熱する段階と、
前記第１及び第２媒体の一方を、前記電気化学変換器システムに導入する前に、前記電気化学変換器システム排気で加熱する段階と、を更に包含した、ハイブリッド動力システムを用いた発電方法。
【請求項７４】
前記第１及び第２媒体の一方を、前記タービン排気で加熱する前記段階が、前記電気化学変換器システムと前記コンプレッサとの間に、前記タービン排気又は前記電気化学変換器システム排気の少なくとも一部及び、前記第１及び第２媒体の少なくとも一方を受け取って、前記媒体を前記排気で加熱するレキュペレータを配置する段階を更に包含した、請求項７２に記載の方法。
【請求項７５】
前記第１及び第２媒体の一方を、前記電気化学変換器システムに導入する前に、前記電気化学変換器システム排気で加熱する前記段階が、前記電気化学変換器システムと前記コンプレッサ及び前記レキュペレータの一方との間に、熱交換器を配置する段階であって、前記熱交換器が、前記レキュペレータ及び前記電気化学変換器システムを通過する前記第１及び第２媒体の一方を受け取るよう構成され、更に、前記熱交換器が、それを通過する前記媒体が前記電気化学変換器システムに導入される前に、前記電気化学変換器システム排気に、その媒体を加熱させる、配置する段階を包含した、請求項７３又は７４に記載の方法。
【請求項７６】
前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせる圧縮第１媒体の量を調節する段階を更に包含した、請求項７３乃至７５の何れかに記載の方法。
【請求項７７】
前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせられる圧縮第１媒体の量を制御して、前記タービンの動作パラメータを制御する段階を更に包含した、請求項７３乃至７５の何れかに記載の方法。
【請求項７８】
前記電気化学変換器システムに導入される前記第２媒体の量を調節することで、前記電気化学変換器システムが発生する動力を制御する段階を更に包含した、請求項７３乃至７６の何れかに記載の方法。
【請求項７９】
前記電気化学変換器システムの前記排気の少なくとも一部を、前記タービンに導入する前に、選択した高温まで加熱する段階を更に包含した、請求項７３乃至７８の何れかに記載の方法。
【請求項８０】
前記電気化学変換器システムが、燃料電池と、少なくとも熱制御積層体とを包含し、前記熱制御積層体及び前記燃料電池の排気を収集して、前記電気化学変換器システム排気を形成する段階を更に包含した、請求項７３乃至７９の何れかに記載の方法。
【請求項８１】
前記熱制御積層体に導入される前記第１媒体の量を調節する段階を更に包含した、請求項８０に記載の方法。
【請求項８２】
前記熱制御積層体に導入される、前記コンプレッサからの圧縮第１媒体の量、又は前記熱交換要素からの第１媒体の量を調節する段階を更に包含した、請求項８０に記載の方法。
【請求項８３】
前記第１媒体を、複数の異なる供給源から前記電気化学変換器システムに導入する段階を更に包含した、請求項７３乃至８２の何れかに記載の方法。
【請求項８４】
発電用のハイブリッド動力システム（７０、２００、２３０、２６０、３７０）であって、
第１媒体を圧縮する１つ又は複数のコンプレッサと、
前記第１媒体と第２媒体とを受け取るように、前記コンプレッサに関連して配置された１つ又は複数の電気化学変換器システムであって、前記第１媒体と第２媒体との間に電気化学反応を起こさせ、且つ電気及び燃料電池排気を発生するように構成された電気化学変換器システムと、
前記電気化学変換器システムと流体連通し、且つ前記排気の一部を受け取るように、前記電気化学変換器システムに関連して配置された１つ又は複数のタービンであって、前記排気が前記タービンの駆動流体として作用し、電気及びタービン排気を発生する１つ又は複数タービンと、
前記電気化学変換器システム排気を、前記タービンに導入する前に冷却するための手段とを包含した、発電用のハイブリッド動力システム。
【請求項８５】
前記冷却手段が、前記タービンの動作パラメータを制御するための手段を包含した、請求項８４に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項８６】
前記冷却手段が、前記電気化学変換器システム排気から、熱を放射的、伝導的、又は対流的に移動させるための手段を包含した、請求項８４又は８５に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項８７】
前記電気化学変換器システムと前記コンプレッサとの間に配置したレキュペレータであって、前記タービン混合物及び前記電気化学変換器システム排気の一方と、前記第１及び第２媒体の少なくとも一方とを受け取るように適合されたレキュペレータを更に包含し、前記排気が、前記レキュペレータを通過するときに前記媒体を加熱する、請求項８４乃至８６の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項８８】
前記レキュペレータが、放射又は向流式熱交換器である、請求項８７に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項８９】
前記レキュペレータが、前記第２媒体と、前記圧縮第１媒体と、前記タービン排気とを受け取るように配置され、更に、前記レキュペレータが、前記第１及び第２媒体がこのレキュペレータを通過するときに、前記タービン排気に、媒体を加熱させるように適合されている、請求項８７に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項９０】
前記動作パラメータが、速度、出力、又は温度を包含する、請求項８５に記載にハイブリッド動力システム。
【請求項９１】
前記電気化学変換器システム及び前記タービンの前記排気と連通した流体調節要素であって、前記タービン排気と結合する前記電気化学変換器システムからの排気の量を調節する流体調節要素を更に包含した、請求項８４乃至９０に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項９２】
前記流体調節要素が、バルブ、シャトル要素、回転球体、又はダイヤフラムを包含した、請求項９１に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項９３】
前記コンプレッサと前記電気化学変換器システムとの間に設けられ且つ、前記第１媒体と、前記第２媒体と、前記タービン排気と、前記電気化学変換器システムの前記排気との少なくとも１つを受け取るよう適合された熱交換要素を更に包含し、前記排気が、前記熱交換要素を通過するときに、前記第１及び第２媒体の少なくとも一方を選択的に加熱する、請求項８４乃至９２に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項９４】
前記圧縮第１媒体が前記熱交換要素を通過した後に、この媒体を前記電気化学変換器システムに導入するための手段を更に包含した、請求項９３に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項９５】
前記コンプレッサと前記電気化学変換器システムとの間に設けられた第２流体調節要素であって、前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせられる、加熱又は非加熱の圧縮第１媒体の量を調節するための第２流体調節要素を更に包含した、請求項８４乃至９４に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項９６】
前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせられる、加熱又は非加熱の圧縮第１媒体の量を制御して、前記タービンの動作パラメータを制御するための手段を更に包含した、請求項９５に記載のハイブリッド動力。
【請求項９７】
前記電気化学変換器システムに導入される前記第２媒体の量を調節することで、前記電気化学変換器システムが発生する動力を制御するための第３流体調節要素を更に包含した、請求項８４乃至９６の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項９８】
前記電気化学変換器システムが、燃料電池と、熱制御積層体と、容器とを包含し、前記容器が、前記燃料電池と前記熱制御積層体とを収容するように寸法設定された、請求項８４乃至９７の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項９９】
前記熱制御積層体及び前記燃料電池の前記排気を収集して、前記電気化学変換器システム排気を形成するための手段と、前記電気化学変換器システム排気を、その外部で使用するために、前記容器から排出するための手段とを更に包含した、請求項９８に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１００】
前記熱制御積層体に導入される第１媒体の量を調節するための第４流体調節要素を更に包含した、請求項８４乃至９９の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１０１】
前記第４流体調節要素が、前記コンプレッサと前記熱制御積層体との間に配置され、前記熱制御積層体に導入される圧縮第１媒体の量を調節する、請求項１００に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１０２】
前記第１媒体を、複数の異なる供給源から前記電気化学変換器システムに導入するための手段を更に包含した、請求項８４乃至１０１の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１０３】
前記電気化学変換器システムと前記コンプレッサとの間に配置されたレキュペレータであって、前記タービン及び／又は電気化学変換器システム排気と、前記第１及び第２媒体の少なくとも一方とを受け取って、その媒体をその排気混合物で加熱するためのレキュペレータ及び／又は、
前記電気化学変換器システムと、前記タービン及び前記レキュペレータの少なくとも一方との間に配置された熱交換器であって、前記電気化学変換器システム排気と前記第１及び第２媒体の一方を受け取って、前記第１及び第２媒体の一方を、前記電気化学変換器システム排気で加熱するための熱交換器を更に包含した請求項８４に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１０４】
前記圧縮第１媒体を、前記熱制御積層体に導入する前に、前記熱交換器からの前記加熱圧縮第１媒体と混合するための手段を更に包含した、請求項１０３に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１０５】
前記第１及び第２媒体を、前記熱制御積層体に導入するための手段を更に包含した、請求項８４乃至１０４の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１０６】
前記タービンに付随して設けられ、且つその回転エネルギーを受け取るよう適合された発電機を更に包含し、この発電機が、前記タービンの回転エネルギーに応答して発電する、請求項８４乃至１０５の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１０７】
ハイブリッド動力システムを用いた発電方法であって、
第１媒体を圧縮する段階と、
前記第１媒体及び第２媒体を受け取るように電気化学変換器システムを提供する段階であって、前記電気化学変換器システムが、前記第１媒体と前記第２媒体との間で電気化学反応を起こさせて、排気を発生させるように構成された、提供する段階と、
前記電気化学変換器システムと流体連通し、且つ前記電気化学変換器システム排気の少なくとも一部を受け取るように、前記電気化学変換器システムに関連して配置されたタービンを配置する段階であって、前記排気が前記タービンの駆動流体として作用し、前記タービンが電気及びタービン排気を発生する、配置する段階と、
前記電気化学変換器システム排気を、前記タービンに導入する前に冷却する段階とを包含した、ハイブリッド動力システムを用いた発電方法。
【請求項１０８】
前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせる、加熱又は非加熱の圧縮第１媒体の量を調節する段階を更に包含した、請求項１０７に記載の方法。
【請求項１０９】
前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせられる、加熱又は非加熱の圧縮第１媒体の量を制御して、前記タービンの動作パラメータを制御する段階を更に包含した、請求項１０７に記載の方法。
【請求項１１０】
前記タービンの動作パラメータを制御する段階を更に包含した、請求項１０７に記載の方法。
【請求項１１１】
前記冷却段階が、前記電気化学変換器システム排気から、熱を放射的、伝導的、又は対流的に移動させる段階を包含した、請求項１０７乃至１１０の何れかに記載の方法。
【請求項１１２】
前記電気化学変換器システムと前記コンプレッサとの間に、前記タービン排気及び前記電気化学変換器システム排気の一方と、前記第１及び第２媒体の少なくとも一方とを受け取るように適合されたレキュペレータを提供する段階を更に包含し、前記排気が、前記レキュペレータを通過するときに前記媒体を加熱する、請求項１０７乃至１１１の何れかに記載の方法。
【請求項１１３】
前記タービン排気と結合される前記電気化学変換器システムからの排気の量を調節する段階を更に包含した、請求項１０７乃至１１２に記載の方法。
【請求項１１４】
前記コンプレッサと前記電気化学変換器システムとの間に設けられた熱交換器であって、前記第１媒体と、前記第２媒体と、前記タービン排気と、前記電気化学変換器システムの前記排気との少なくとも１つを受け取るよう適合され、且つ、前記熱交換器を通過するときに、前記第１及び第２媒体の少なくとも一方を、前記排気の一方で選択的に加熱する熱交換器を配置する段階を更に包含した、請求項１０７乃至１１３の何れかに記載の方法。
【請求項１１５】
前記加熱又は非加熱の圧縮第１媒体が、前記熱交換器を通過した後に、この媒体を前記電気化学変換器システムに導入する段階を更に包含した、請求項１１４に記載の方法。
【請求項１１６】
前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせる、加熱又は非加熱の圧縮第１媒体の量を調節する段階を更に包含した、請求項１０７乃至１１５の何れかに記載の方法。
【請求項１１７】
前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせられる圧縮第１媒体の量を制御して、前記タービンの動作パラメータを制御する段階を更に包含した、請求項１０７乃至１１６の何れかに記載の方法。
【請求項１１８】
前記電気化学変換器システムに導入される前記第２媒体の量を調節することで、前記電気化学変換器システムが発生する動力を制御する段階を更に包含した、請求項１０７乃至１１７の何れかに記載の方法。
【請求項１１９】
前記電気化学変換器システムが、燃料電池と、熱制御積層体と、容器とを包含し、前記容器が、前記燃料電池と前記熱制御積層体とを収容するように寸法設定された、請求項１０７乃至１１８の何れかに記載の方法。
【請求項１２０】
前記熱制御積層体及び前記燃料電池の前記排気を収集して、前記電気化学変換器システム排気を形成する段階と、前記電気化学変換器システム排気を、その外部で利用するために、前記容器から排出する段階とを更に包含した、請求項１１９に記載の方法。
【請求項１２１】
前記熱制御積層体に導入される第１媒体の量を調節する段階を更に包含した、請求項１１９又は１２０の何れかに記載の方法。
【請求項１２２】
前記第１媒体を、複数の異なる供給源から前記電気化学変換器システムに導入する段階を更に包含した、請求項１０７乃至１２１の何れかに記載の方法。
【請求項１２３】
前記圧縮第１媒体を、前記熱制御積層体に導入する前に、熱交換器からの加熱圧縮第１媒体と混合する段階を更に包含した、請求項１１９又は１２０に記載の方法。
【請求項１２４】
前記第１及び第２媒体を、前記熱制御積層体に導入する段階を更に包含した、請求項１１９又は１２０の何れかに記載の方法。
【請求項１２５】
発電用のハイブリッド動力システム（２９０）であって、
第１媒体の少なくとも一部を圧縮して、圧縮媒体を発生する１つ又は複数のコンプレッサと、
前記第１媒体と第２媒体を受け取るように適合された１つ又は複数の電気化学変換器システムであって、前記第１媒体と第２媒体との間に電気化学反応を起こさせ、且つ電気及び燃料電池排気を発生するように構成された１つ又は複数の電気化学変換器システムと、
前記電気化学変換器システムと熱連通し、且つ前記圧縮媒体を受け取るよう適合された１つ又は複数の熱交換器であって、前記電気化学変換器システムと熱交換して、前記圧縮媒体がこの交換器を通過するときに、この媒体を温度調節する１つ又は複数の熱交換器と、
前記熱交換器を出る前記圧縮媒体を受け取るよう構成された１つ又は複数のタービンであって、前記圧縮媒体が、発電目的で前記タービンの駆動流体として作用する、１つ又は複数のタービンとを包含した、発電用のハイブリッド動力システム。
【請求項１２６】
前記タービンの動作パラメータを制御するため、このタービンに導入される圧縮媒体の量を調節するための流体調節要素を更に包含した、請求項１２５に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１２７】
前記熱交換器、前記タービン、又は前記電気化学変換器システムと連通して設けられた流体調節要素であって、前記熱交換器からの前記圧縮媒体の少なくとも一部を、前記電気化学変換器システムの前記排気と結合して、前記タービンの動作パラメータを制御する、流体調節要素を更に包含した、請求項１２５に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１２８】
前記動作パラメータが、速度、出力、又はタービン温度を包含する、請求項１２７に記載にハイブリッド動力システム。
【請求項１２９】
第１媒体及び／又は第２媒体を受け取るように適合された逆流形熱交換器と、前記逆流形熱交換器を出て、前記電気化学変換器システムに導入される前記第１又は第２媒体の量を調節するための付加的流体調節要素とを更に包含した、請求項１２５乃至１２８の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１３０】
前記電気化学変換器システムが、容器内に設けられた熱制御積層体と１つ又は複数の燃料電池とを含み、前記システムが、
逆流形熱交換器、
前記逆流形熱交換器を出て、前記熱制御積層体に導入される前記第１媒体の量を調節するための第１流体調節要素及び／又は、
前記熱交換器を出て、前記燃料電池に導入される前記第１媒体の量を調節するための第２流体調節要素を更に包含した、請求項１２５に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１３１】
前記第１媒体と、前記第２媒体と、前記タービン排気と、前記電気化学変換器システムの前記排気との少なくとも１つを受け取るように適合された逆流形熱交換器を更に包含した、請求項１２５に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１３２】
前記タービンが、このタービンと前記電気化学変換器システムとの間に設けられ且つ、前記第１媒体と、前記第２媒体と、前記タービン排気と、前記電気化学変換器システムの前記排気との少なくとも１つを受け取るよう適合されたレキュペレータであって、前記第１及び第２媒体が、前記レキュペレータを通過するときに、前記第１及び第２媒体の少なくとも一方を加熱する、請求項１２５に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１３３】
前記電気化学変換器システムが、燃料電池と、少なくとも１つの熱制御積層体と、容器とを包含し、前記容器が、前記燃料電池と前記熱制御積層体とを収容するように寸法設定された、請求項１２５乃至１３２の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１３４】
前記熱制御積層体及び前記燃料電池の前記排気を収集して、前記電気化学変換器システム排気を形成するための手段と、前記電気化学変換器システム排気を、その外部で使用するために、前記容器から排出するための手段とを更に包含した、請求項１３３に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１３５】
前記電気化学変換器システムに導入される前記第２媒体の量を調節することで、前記電気化学変換器システムが発生する動力を制御するための第１流体調節要素を更に包含した、請求項１２５乃至１３４の何れかに記載のハイブリッド動力システム。
【請求項１３６】
ハイブリッド動力システムを用いた発電方法であって、
第１媒体の少なくとも一部を圧縮して、圧縮媒体を生成するコンプレッサと、
前記第１媒体及び第２媒体の残りの少なくとも一部を受け取るよう適合された電気化学変換器システムを提供する段階であって、前記電気化学変換器システムが、前記第１媒体と前記第２媒体との間で電気化学反応を起こさせ、且つ排気を発生させるように構成された、提供する段階と、
前記圧縮媒体の温度調節を行うために、前記電気化学変換器システムと前記圧縮媒体との間で熱交換する段階と、
前記加熱圧縮媒体を、この圧縮媒体を受け取るよう構成されたタービンに移動する段階であって、前記圧縮媒体が、前記タービン発電用の駆動流体として作用する、移動する段階とを包含した、ハイブリッド動力システムを用いた発電方法。
【請求項１３７】
前記タービンの動作パラメータを制御するため、前記タービンに導入される圧縮第１媒体の量を調節する段階を更に包含した、請求項１３６に記載の方法。
【請求項１３８】
逆流形熱交換器を出て、前記電気化学変換器システムに導入される第１媒体の量を調節する段階を更に包含した、請求項１３６に記載の方法。
【請求項１３９】
前記電気化学変換器システムが、容器内に熱制御積層体と、１つ又は複数の燃料電池と、前記第１及び／又は第２媒体を受け取るように適合された逆流形熱交換器とを含み、前記逆流形熱交換器を出て、前記熱制御積層体及び／又は前記燃料電池に導入される前記第１媒体の量を調節する段階を更に包含した、請求項１３６に記載の方法。
【請求項１４０】
熱交換する前記段階が、前記電気化学変換器システムと熱連通し、且つ前記圧縮媒体を受け取るように適合された第１熱交換器を提供する段階を包含した、請求項１３６に記載の方法。
【請求項１４１】
前記電気化学変換器システムの前記排気の少なくとも一部を、前記タービンからの排気に結合して、前記タービンの動作パラメータを制御する段階を包含した、請求項１３６乃至１４０の何れかに記載の方法。
【請求項１４２】
前記電気化学変換器システムに導入する前に、前記第１媒体及び前記第２媒体の一方を加熱する段階を更に包含した、請求項１３６乃至１４１の何れかに記載の方法。
【請求項１４３】
前記第１媒体と、前記第２媒体と、前記タービン排気と、前記電気化学変換器システムの前記排気との少なくとも１つを、第２熱交換器に導入する段階を更に包含した、請求項１４２に記載の方法。
【請求項１４４】
前記第１熱交換器を出て、前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせられる圧縮第１媒体の量を調節する段階を更に包含した、請求項１４１に記載の方法。
【請求項１４５】
前記電気化学変換器システムが、燃料電池と、少なくとも１つの熱制御積層体と、容器とを包含し、前記容器が、前記燃料電池及び前記熱制御積層体を収容するように寸法設定され、前記熱制御積層体及び前記燃料電池の前記排気を収集して、前記電気化学変換器システム排気を形成する段階と、前記電気化学変換器システムの外部で利用するため、前記システム排気を前記容器から排出する段階とを更に包含した、請求項１３６乃至１４４の何れかに記載の方法。
【請求項１４６】
前記第１媒体を、複数の異なる供給源から前記電気化学変換器システムに導入する段階を更に包含した、請求項１３６乃至１４５の何れかに記載の方法。
【請求項１４７】
前記タービン排気と結合される前記電気化学変換器システムからの排気の量を調節する段階を更に包含した、請求項１３６乃至１４６に記載の方法。
【請求項１４８】
前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせる圧縮第１媒体の量を調節する段階を更に包含した、請求項１３６乃至１４７の何れかに記載の方法。
【請求項１４９】
前記電気化学変換器システムに導入される前記第２媒体の量を調節することで、前記電気化学変換器システムが発生する動力を制御する段階を更に包含した、請求項１３６乃至１４７の何れかに記載の方法。
【請求項１５０】
前記電気化学変換器システムに、或いは、前記電気化学変換器システムの一部を形成する熱制御積層体に導入される第１媒体の量を調節する段階を更に包含した、請求項１３６乃至１４７の何れかに記載の方法。
【請求項１５１】
発電用に構成されたハイブリッド動力システムで使用するのに適した、調整媒体を捕捉するためのシステムであって、
電気化学変換器システムで、
第１及び第２媒体を受け取るための１つ又は複数の燃料電池であって、前記電気化学変換器システムが、前記第１媒体と前記第２媒体との間で電気化学反応を起こさせ、且つ燃料電池排気及び電気を発生させる、１つ又は複数の燃料電池と、
前記燃料電池と熱連通して、前記燃料電池の温度を熱調整するための１つ又は複数の熱制御積層体であって、熱制御排気を発生する熱制御積層体と、
前記熱制御積層体及び前記燃料電池の周囲に設けられた圧力容器であって、動作時に、前記燃料電池排気及び前記熱制御排気を収集して、結合排気を形成する圧力容器とを備えた電気化学変換器システムと、
前記圧力容器の外部で利用するために、前記結合排気を前記圧力容器から排出するための手段とを包含した、調整媒体を捕捉するためのシステム。
【請求項１５２】
前記燃料電池のそれぞれが、熱伝導性プレートと交互配置された電解質プレートを含んだ積層体として、複数の燃料電池要素を包含した、請求項１５１に記載のシステム。
【請求項１５３】
前記熱制御積層体のそれぞれが、複数の積み重ねた熱伝導性プレートを包含した、請求項１５１又は１５２に記載のシステム。
【請求項１５４】
前記熱制御積層体が、前記燃料電池と交互組合せされている、請求項１５１乃至１５３の何れかに記載のシステム。
【請求項１５５】
前記熱制御積層体が、熱源又はヒートシンクとして機能するように構成されている、請求項１５１乃至１５４の何れかに記載のシステム。
【請求項１５６】
前記電気化学変換器システムに結合されたガスタービンシステムを更に包含した、請求項１５１乃至１５５の何れかに記載のシステム。
【請求項１５７】
前記結合排気と、前記第１及び第２媒体の少なくとも一方とを受け取るように適合され、前記媒体を、前記排気で加熱するレキュペレータ及び／又は、
前記電気化学変換器システム排気と、前記第１及び第２媒体の少なくとも一方とを受け取るように適合され、前記第１及び第２媒体の少なくとも一方を、前記電気化学変換器システム排気で加熱する逆流形熱交換器を更に包含した、請求項１５１に記載のシステム。
【請求項１５８】
発電用に構成されたハイブリッド動力システムで使用するのに適した、調整媒体を捕捉するための方法であって、
第１及び第２媒体を受け取るための１つ又は複数の燃料電池を備えた電気化学変換器システムを提供する段階であって、前記電気化学変換器システムが、前記第１媒体と前記第２媒体との間で電気化学反応を起こさせ、且つ燃料電池排気及び電気を発生させる、提供する段階と、
前記燃料電池と熱連通して、前記燃料電池の温度を熱調整するための１つ又は複数の熱制御積層体を提供する段階であって、前記熱制御積層体が、熱制御排気を発生する、提供する段階と、
動作時に、前記熱制御積層体及び前記燃料電池の周囲に設けられた圧力容器で、前記燃料電池排気及び前記熱制御排気を収集し、結合排気を形成する段階と、
前記圧力容器の外部で利用するために、前記結合排気を前記圧力容器から排出する段階とを包含した、調整媒体を捕捉するための方法。
【請求項１５９】
前記熱制御積層体を、複数の積み重ねた熱伝導性プレートから作成する段階を包含した、請求項１５８に記載の方法。
【請求項１６０】
前記熱制御積層体を、前記燃料電池と交互組合せする段階を包含した、請求項１５８又は１５９に記載の方法。
【請求項１６１】
前記熱制御積層体を、熱源又はヒートシンクとして動作させるための方法を包含した、請求項１５８乃至１６０の何れかに記載の方法。
【請求項１６２】
ガスタービンシステムを前記電気化学変換器システムに結合する段階を更に包含した、請求項１５８乃至１６１の何れかに記載の方法。
【請求項１６３】
前記第１媒体を圧縮する段階と、
タービンを、前記電気化学変換器システムと流体連通させて、前記容器からの前記結合排気を受け取るように配置する段階であって、前記結合排気が前記タービンの駆動流体として作用し、前記タービンが電気及びタービン排気を発生する、配置する段階とを更に包含した、請求項１５８乃至１６１の何れかに記載の方法。
【請求項１６４】
前記電気化学変換器システムの前記結合排気を、前記タービン排気に結合して、前記タービンの動作パラメータを制御するための排気混合物を形成する段階を更に包含した、請求項１６３に記載の方法。
【請求項１６５】
前記電気化学変換器システムの前記結合排気を、前記タービンに導入する前に冷却する段階を更に包含した、請求項１６４に記載の方法。
【請求項１６６】
前記電気化学変換器システムと熱交換して、前記圧縮第１媒体を温度調節する段階と、前記圧縮媒体を前記タービンに導入する段階であって、前記圧縮媒体が、前記タービンの駆動流体として作用する、導入する段階とを更に包含した、請求項１５８乃至１６５の何れかに記載の方法。
【請求項１６７】
前記タービン排気と結合される前記電気化学変換器システムからの結合排気の量を調節する段階を更に包含した、請求項１６３乃至１６６の何れかに記載の方法。
【請求項１６８】
前記圧縮第１媒体を選択的に加熱する段階と、前記加熱圧縮第１媒体を前記電気化学変換器システムに導入する段階とを更に包含した、請求項１６３乃至１６６の何れかに記載の方法。
【請求項１６９】
前記電気化学変換器システムの前記結合排気と混ぜ合わせる圧縮第１媒体の量を調節する段階を更に包含した、請求項１５８乃至１６８の何れかに記載の方法。
【請求項１７０】
前記電気化学変換器システムの前記結合排気と混ぜ合わせられる、圧縮第１媒体の量を制御して、タービンの動作パラメータを制御する段階を更に包含した、請求項１６９に記載の方法。
【請求項１７１】
前記電気化学変換器システムに導入される前記第２媒体の量を調節することで、前記電気化学変換器システムが発生する動力を制御する段階を更に包含した、請求項１５８乃至１７０の何れかに記載の方法。
【請求項１７２】
前記電気化学変換器システムの前記排気を、前記タービンに導入する前に、選択した高温まで加熱する段階を更に包含した、請求項１６３乃至１７１の何れかに記載の方法。
【請求項１７３】
前記熱制御積層体に導入される第１媒体の量を調節する段階を更に包含した、請求項１５８乃至１７２の何れかに記載の方法。
【請求項１７４】
前記第１媒体を、複数の異なる供給源から前記電気化学変換器システムに導入する段階を更に包含した、請求項１５８乃至１７３の何れかに記載の方法。
【請求項１７５】
前記燃料電池の温度を、ほぼ一定温度に維持する段階を更に包含した、請求項１５８乃至１７４の何れかに記載の方法。
【請求項１７６】
発電用に構成されたハイブリッド動力システムで使用するのに適した、調整媒体を捕捉するためのシステムであって、
電気化学変換器システムで、
第１及び第２媒体を受け取るための１つ又は複数の燃料電池であって、前記電気化学変換器システムが、前記第１媒体と前記第２媒体との間で電気化学反応を起こさせ、且つ燃料電池排気及び電気を発生させる、１つ又は複数の燃料電池と、
前記燃料電池と熱連通して、前記燃料電池の温度を熱調整するための１つ又は複数の熱制御積層体であって、熱源又はヒートシンクとして作用する１つ又は複数の熱制御積層体と、
前記熱制御積層体及び前記燃料電池の周囲に設けられた圧力容器と、を備えた電気化学変換器システムと、
前記圧力容器の外部で利用するために、前記排気を前記圧力容器から排出するための手段とを包含した、調整媒体を捕捉するためのシステム。
【請求項１７７】
前記熱制御積層体が、熱制御排気を発生するよう適合され、前記圧力容器が、動作時に、前記燃料電池排気及び前記熱制御排気を収集して、結合排気を形成する、請求項１７６に記載のシステム。
【請求項１７８】
前記燃料電池のそれぞれが、熱伝導性プレートと交互配置された電解質プレートを含んだ積層体として、複数の燃料電池要素を包含した、請求項１７６又は１７７に記載のシステム。
【請求項１７９】
前記熱制御積層体のそれぞれが、複数の積み重ねた熱伝導性プレートを包含した、請求項１７６乃至１７８の何れかに記載のシステム。
【請求項１８０】
前記熱制御積層体が、前記燃料電池と交互組合せされている、請求項１７６乃至１７９の何れかに記載のシステム。
【請求項１８１】
前記熱制御積層体が、複数の多孔性プレートを包含した、請求項１７６に記載のシステム。
【請求項１８２】
前記熱制御積層体が、前記複数の多孔性プレートと交互配置された複数の熱伝導性プレートを更に包含した、請求項１８１に記載のシステム。
【請求項１８３】
前記熱制御積層体が、流体にそれ自身を通過させる内部ルーメンを備えた多孔性構造体であって、その外表面まで前記流体を通過させる多孔性構造体を包含した、請求項１７６に記載のシステム
【請求項１８４】
前記電気化学変換器システムに結合されたガスタービンシステムを更に包含した、請求項１７６乃至１８３の何れかに記載のシステム。
【請求項１８５】
前記第１媒体を圧縮するコンプレッサと、
前記電気化学変換器システムと流体連通し、且つ前記容器から前記排気を受け取るように、前記電気化学変換器システムに関連して配置したタービンとを更に包含し、前記排気が前記タービンの駆動流体として作用し、前記タービンがタービン排気を発生する、請求項１７６乃至１８０の何れかに記載のシステム。
【請求項１８６】
前記電気化学変換器システムの前記排気を、前記タービン排気に結合して、前記タービンの動作パラメータを制御するための排気混合物を形成するための手段を更に包含した、請求項１８５に記載のシステム。
【請求項１８７】
前記動作パラメータが、速度、出力、又はタービン温度を包含する、請求項１８６に記載にシステム。
【請求項１８８】
前記電気化学変換器システムの前記排気を、前記タービンに導入する前に冷却するための手段を更に包含した、請求項１８６に記載のシステム。
【請求項１８９】
前記電気化学変換器システムと連通し、且つ前記圧縮第１媒体を受け取るように適合された熱交換器であって、前記電気化学変換器システムと熱交換して、前記圧縮第１媒体がそれを通過するときに、この媒体を温度調節する熱交換器を更に包含し、更に、前記タービンが、前記熱交換器を出る前記圧縮媒体を受け取るように構成され、前記圧縮媒体が前記タービンの駆動流体として作用する、１８５乃至１８８の何れかに記載のシステム。
【請求項１９０】
前記電気化学変換器システムの前記排気及び前記タービン排気と連通した流体調節要素であって、前記タービン排気と結合する前記電気化学変換器システムからの排気の量を調節する流体調節要素を更に包含した、請求項１８５乃至１８９の何れかに記載のシステム。
【請求項１９１】
前記コンプレッサと前記電気化学変換器システムとの間に設けられ且つ、前記第１媒体と、前記第２媒体と、前記タービン排気と、前記電気化学変換器システムの前記排気との少なくとも１つを受け取るよう適合された熱交換要素を更に包含し、前記排気が、前記熱交換要素を通過するときに、前記第１及び第２媒体の少なくとも一方を選択的に加熱する、請求項１８５乃至１９０の何れかに記載のシステム。
【請求項１９２】
前記圧縮第１媒体が前記熱交換要素を通過した後に、この媒体を前記電気化学変換器システムに導入するための手段を更に包含した、請求項１９１に記載のシステム。
【請求項１９３】
前記熱交換要素が、外部逆流形熱交換器及び放射熱交換器の一方を包含した、請求項１９１に記載のシステム。
【請求項１９４】
前記コンプレッサと前記電気化学変換器システムとの間に設けられた第２流体調節要素であって、前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせられる圧縮第１媒体の量を調節するための第２流体調節要素を更に包含した、請求項１８５乃至１９３の何れかに記載のシステム。
【請求項１９５】
前記電気化学変換器システムの前記排気と混ぜ合わせられる圧縮第１媒体の量を制御して、前記タービンの前記動作パラメータを制御するための手段を更に包含した、請求項１９４に記載のシステム。
【請求項１９６】
前記電気化学変換器システムに導入される前記第２媒体の量を調節することで、前記電気化学変換器システムが発生する動力を制御するための第３流体調節要素を更に包含した、請求項１７６乃至１９５の何れかに記載のシステム。
【請求項１９７】
前記電気化学変換器システムと前記タービンとの間に設けられた加熱源であって、前記電気化学変換器システムの前記排気を前記タービンに導入する前に、選択した高温まで加熱するための加熱源を更に包含した、請求項１８５乃至１９６の何れかに記載のシステム。
【請求項１９８】
前記熱制御積層体に導入される第１媒体の量を調節するための第４流体調節要素を更に包含した、請求項１７６乃至１９７の何れかに記載のシステム。
【請求項１９９】
前記第１媒体を、複数の異なる供給源から前記電気化学変換器システムに導入するための手段を更に包含した、請求項１７６乃至１９８の何れかに記載のシステム。
【請求項２００】
前記電気化学変換器システムと前記コンプレッサとの間に配置されたレキュペレータであって、前記排気と、前記第１及び第２媒体の少なくとも一方とを受け取って、その媒体をその排気で加熱するためのレキュペレータと、
前記電気化学変換器システムと、前記タービン及び前記レキュペレータの少なくとも一方との間に配置された逆流形熱交換器であって、前記電気化学変換器システム排気と前記第１及び第２媒体の一方とを受け取って、前記第１及び第２媒体の一方を、前記電気化学変換器システム排気で加熱するための逆流形熱交換器と、を更に包含した請求項１８５乃至１９９の何れかに記載のシステム。
【請求項２０１】
前記圧縮第１媒体を、前記熱制御積層体に導入する前に、前記熱交換要素からの前記加熱圧縮第１媒体と混合するための手段を更に包含した、請求項１９１に記載のシステム。
【請求項２０２】
前記タービンに付随して設けられ、且つその回転エネルギーを受け取るよう適合された発電機であって、この発電機が、前記タービンの回転エネルギーに応答して発電する、請求項１８５乃至２０１の何れかに記載のシステム。
【請求項２０３】
前記燃料電池又は前記熱制御積層体が、その内部に軸方向に形成された１つ又は複数のマニホルドを包含した、請求項１７６乃至２０２の何れかに記載のシステム。
【請求項２０４】
前記電気化学変換器システムが、前記燃料電池の動作温度を、約２０℃と約１５００℃との間に維持するための手段を包含した、請求項１７６乃至２０３の何れかに記載のシステム。
【請求項２０５】
前記燃料電池が、固体酸化物燃料電池と、溶融炭酸塩燃料電池と、リン酸燃料電池と、アルカリ燃料電池と、固体高分子形燃料電池とからなるグループから選択された、請求項１７６乃至２０４の何れかに記載のシステム。
【請求項２０６】
前記燃料電池の温度を、ほぼ一定温度に維持するための手段を更に包含した、請求項１７６乃至２０５の何れかに記載のシステム。
【請求項２０７】
発電用に構成されたハイブリッド動力システムで使用するのに適した、排気を捕捉するための方法であって、
第１及び第２媒体を受け取るための、１つ又は複数の燃料電池を備えた電気化学変換器システムであって、前記第１媒体と前記第２媒体との間で電気化学反応を起こさせ、且つ燃料電池排気及び電気を発生させる電気化学変換器システムと、前記燃料電池と熱連通して前記燃料電池の温度を熱調節する１つ又は複数の熱制御積層体とを提供する段階と、
前記熱制御積層体を、熱源又はヒートシンクとして動作させる段階と、
前記電気化学変換器システムからの前記排気を、前記熱制御積層体及び前記燃料電池の周囲に設けられた容器で収集する段階と、
前記圧力容器の外部で利用するために、前記排気を前記圧力容器から排出する段階とを包含した、排気を捕捉するための方法。
【請求項２０８】
発電用のハイブリッド動力システム（７０、２００、３７０）であって、
第１媒体及び／又は第２媒体の少なくとも一部を圧縮するための１つ又は複数のコンプレッサと、
前記第１媒体と前記第２媒体とを受け取るように、前記コンプレッサに関連して配置された１つ又は複数の電気化学変換器システムであって、前記第１媒体と前記第２媒体との間の電気化学反応が、電気と選択した高温の燃料電池排気とを発生するように構成された電気化学変換器システムと、
前記電気化学変換器システム排気、前記第１媒体、及び／又は前記第２媒体の少なくとも一部を受け取るように適合された１つ又は複数の燃焼器であって、前記排気と前記媒体との間で電気化学反応を起こさせて、熱エネルギーを前記電気化学変換器システム排気に付加する１つ又は複数の燃焼器と、
前記電気化学変換器システムと流体連通し、且つ前記電気化学変換器システム排気の少なくとも一部を受け取る１つ又は複数のタービンであって、前記排気がこのタービンの駆動流体として作用し、タービン排気を発生する１つ又は複数タービンと、
前記コンプレッサを出る前記第１及び第２媒体と、前記タービン排気との一方を受け取って、前記媒体を選択的に加熱するための１つ又は複数の熱交換器とを包含した、発電用のハイブリッド動力システム。
【請求項２０９】
前記電気化学変換器システムの前記排気の残りを迂回させ、且つこの排気の残りを前記タービン排気と混ぜ合わせて、前記タービンの動作パラメータを制御するための排気混合物を形成するための手段を更に包含した、請求項２０８に記載のシステム。
【請求項２１０】
発電用のハイブリッド動力システム（７０、３３０、３７０）であって、
第１媒体を圧縮するための１つ又は複数のコンプレッサと、
前記第１媒体と第２媒体とを受け取るように、前記コンプレッサに関連して配置された１つ又は複数の電気化学変換器システムであって、前記第１媒体と前記第２媒体との炭間の電気化学反応を起こさせ、それにより電気及び排気を発生させるように構成された塩電気化学変換器システムと、
前記電気化学変換器システムと流体連通し、且つ前記排気の少なくとも一部を受け取るように、前記電気化学変換器システムに関連して配置された１つ又は複数のタービンであって、前記排気が前記タービンの駆動流体として作用し、タービン排気を発生する１つ又は複数タービンと、
前記タービンと前記電気化学変換器システムとの間に設けられ、且つ前記第１及び第２媒体の少なくとも一方と前記タービン排気とを受け取とる１つ又は複数の熱交換器であって、前記媒体の一方を、前記電気化学変換器システムに導入する前に、前記タービン排気で予熱するための１つ又は複数の熱交換器と、
前記熱交換器に関連して設けられた１つ又は複数の流体調節要素であって、前記熱交換器に導入されるタービン排気の量を調節して、予熱する前記媒体の量を決定するための１つ又は複数の流体調節要素とを包含した、発電用のハイブリッド動力システム
【請求項２１１】
ハイブリッド動力システムを用いた発電方法であって、
第１媒体を圧縮する段階と、
前記圧縮第１媒体と第２媒体とを電気化学的に反応させて、電気及び排気を発生するための１つ又は複数の電気化学変換器システムを提供する段階と、
前記電気化学変換器システムと流体連通し、且つ前記排気の少なくとも一部を受け取るように、前記電気化学変換器システムに関連して配置された１つ又は複数のタービンを提供する段階であって、前記排気が前記タービンの駆動流体として作用し、前記１つ又は複数タービンタービンが排気を発生する、提供する段階と、
前記媒体の一方を、前記電気化学変換器システムに導入する前に、前記タービン排気で予熱する段階と、
前記熱交換器に導入されるタービン排気の量を調節する段階とを包含した、ハイブリッド動力システムを用いた発電方法。
【請求項２１２】
発電用のハイブリッド動力システム（７０、２００、３３０、３７０）であって、
第１媒体を圧縮するための１つ又は複数のコンプレッサと、
前記第１媒体と第２媒体とを受け取るように、前記コンプレッサに関連して配置された１つ又は複数の電気化学変換器システムであって、前記第１媒体と前記第２媒体との間の電気化学反応を起こさせ、それにより電気及び燃料電池排気を発生させるように構成された電気化学変換器システムと、
前記電気化学変換器システムと流体連通し、且つ前記燃料電池排気の少なくとも一部を受け取るように、前記電気化学変換器システムに関連して配置された１つ又は複数のタービンであって、前記排気が前記タービンの駆動流体として作用し、タービン排気を発生する１つ又は複数タービンと、
前記コンプレッサと、前記タービンと、前記電気化学変換器システムとに関連して設けられ、且つ前記第１及び第２媒体の少なくとも一方と前記タービン排気とを受け取とる熱交換器であって、前記媒体の一方を、前記電気化学変換器システムに導入する前に、前記タービン排気で予熱するための熱交換器と、
前記圧縮第１媒体又は前記タービン排気の少なくとも一部に、前記熱交換器を迂回させる調節可能バイパス導管とを包含した、発電用のハイブリッド動力システム。
【請求項２１３】
前記熱交換器及び前記バイパス導管に関連して配置された流体調節要素であって、前記熱交換器に導入されるか、或いは前記熱交換器から出るタービン排気の量を調節して、前記第１又は第２媒体を予熱する量を決定するための、流体調節要素を更に包含した、請求項２１２に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２１４】
前記熱交換器及び前記バイパス導管に関連して設けられた流体調節要素であって、前記熱交換器を通過する圧縮媒体の量を調節するための流体調節要素を更に包含した、請求項２１２に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２１５】
前記バイパス導管が、タービン速度、タービン出力、又はタービン温度の何れかを調節する、請求項２１２に記載にハイブリッド動力システム。
【請求項２１６】
ハイブリッド動力システムであって、
第１媒体を圧縮するためのコンプレッサと、タービンエキスパンダとを取り付けたハウジングを備えたガスタービンアッセンブリと、
前記ハウジングを貫通するよう適合され、且つ前記ハウジングの内部に連通した１つ又は複数の貫通流体導管であって、流体を前記ガスタービンアッセンブリから外部熱源へ、或いは、前記外部熱源から前記ガスタービンアッセンブリへ送るための１つ又は複数の貫通流体導管とを包含した、ハイブリッド動力システム。
【請求項２１７】
前記流体導管に結合して、前記流体導管を前記ガスタービンアッセンブリに結合するためのコネクタを更に包含した、請求項２１６に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２１８】
前記コネクタがベローズを包含した、請求項２１７に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２１９】
前記ガスタービンアッセンブリと前記流体導管とに結合して、前記ガスタービンアッセンブリの流体又は媒体を加熱するための電気化学変換器システムを更に包含した、請求項２１６に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２２０】
前記ガスタービンアッセンブリが、前記ハウジングに形成された外部チャンバであって、圧縮媒体を前記外部熱源に送るための第１貫通流体導管と連通した外部チャンバを包含した、請求項２１６に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２２１】
前記ガスタービンアッセンブリが、前記ハウジングに形成された中間チャンバと、前記ハウジングに結合され、前記外部熱源の前記排気を前記中間チャンバに導入するための第２貫通流体導管とを包含し、前記中間チャンバが前記外部チャンバと連通している、請求項２２０に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２２２】
燃料電池の温度を制御し、且つ発電を行うためのハイブリッド動力システム（７０、２００、２６０、２９０、３３０、３７０）であって、
第１媒体を圧縮するための１つ又は複数のコンプレッサと、
前記第１媒体と第２媒体との間で電気化学反応を起こさせて、それにより電気と燃料電池排気を発生させる１つ又は複数の電気化学変換器システムと、
前記電気化学変換器システムと流体連通して、タービン排気を発生する１つ又は複数のタービンと、
前記電気化学変換器システムと前記コンプレッサとの間に配置され、且つ前記タービン排気の少なくとも一部、又は前記第１及び第２媒体の一方を受け取るための１つ又は複数の熱交換器と、
前記第１及び第２媒体の何れか又は前記タービン排気の流動を制御して、前記電気化学変換器システムの１つ又は複数の動作パラメータを制御するための１つ又は複数のコントローラとを包含した、ハイブリッド動力システム。
【請求項２２３】
前記第１及び第２媒体の何れかの、前記電気化学変換器システム、前記タービン、又は前記熱交換器への流動を調節するための１つ又は複数の流体調節要素を更に包含した、請求項２２２に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２２４】
前記動作パラメータが、出力又は温度を包含する、請求項２２２に記載にハイブリッド動力システム。
【請求項２２５】
前記電気化学変換器システムが、二次元又は三次元で配列された複数の構成要素を包含した、請求項１、５９、８４、１２５、１５１、１７６、２０８、２１０、２１２、および２２２に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２２６】
発電用のハイブリッド動力システムであって、
前記第１媒体と第２媒体との間で電気化学反応を起こさせ、それにより発電する電気化学変換器システムであって、少なくとも前記第１媒体を受け取るよう適合された熱制御積層体を含んだ電気化学変換器システムと、
前記電気化学変換器システムと流体連通した１つ又はガスタービンアッセンブリと、
前記熱制御積層体に導入される前記第１媒体の量を調節するように配置した流体調節要素であって、前記電気化学変換器システムの温度を調節するための流体調節要素とを包含した、発電用のハイブリッド動力システム。
【請求項２２７】
前記熱制御積層体に導入される前記第１媒体の量を調節するように配置した流体調節要素であって、前記電気化学変換器システムの温度を調節するための流体調節要素を包含した、請求項１、６８、９８、１３３、１５１、及び１７６に記載のハイブリッド動力システム。
【請求項２２８】
ハイブリッド動力システムであって、
第１媒体と第２媒体とを電気化学的に反応させ、それにより発電するよう適合された燃料電池と、
前記燃料電池に導入される前記第１媒体の量を調節するように配置された流体調節要素と、
前記燃料電池に結合され、この電池が発生する電気を直交変換するためのインバータと、
前記流体調節要素と前記インバータとに結合され、前記インバータが発生した出力信号に基づいて、前記流体調節要素を制御するためのコントローラとを包含した、ハイブリッド動力システム。
【請求項２２９】
発電用のハイブリッド動力システムであって、
電気及び排気を発生する電気化学変換器システムと、
前記電気化学変換器システムに結合され、前記電気化学変換システムの前記排気を受け取り、且つこの排気を電気に変換するためのガスタービンアッセンブリであって、電気を発生するための発電機を包含した、ガスタービンアッセンブリと、
前記ガスタービンアッセンブリ及び前記電気化学変換器システムに関連して配置された流体調節要素であって、前記ガスタービンアッセンブリに導入される前記排気の量を調節するための流体調節要素と、
前記流体調節要素と前記発電機とに結合され、前記発電機が発生した出力信号に基づいて前記流体調節要素を制御して、前記ガスタービンアッセンブリに導入する排気の量を調節するためのコントローラとを包含した、ハイブリッド動力システム。
【請求項２３０】
選択した順序でハイブリッド動力システムを動作させる方法であって、
ガスタービンアッセンブリに選択した量の流体を導入することで、このアッセンブリの始動を開始する段階と、
前記流体を、前記ガスタービンアッセンブリに導入する前に加熱する段階と、
前記ガスタービンアッセンブリの前記始動からは独立して、燃料電池の始動加熱を開始する段階とを包含した、ハイブリッド動力システムを動作させる方法。
【請求項２３１】
選択した順序で、ガスタービンアッセンブリ及び燃料電池を備えたハイブリッド動力システムを動作させる方法であって、
ガスタービンアッセンブリへの選択した量の流体の流動を制御することで、このアッセンブリのパラメータを制御する段階と、
前記ガスタービンアッセンブリの前記パラメータの制御からは独立して、前記燃料電池の温度を制御する段階とを包含した、ハイブリッド動力システムを動作させる方法。
【請求項２３２】
選択した順序でハイブリッド動力システムを動作させる方法であって、
（ａ）ガスタービンアッセンブリへの流体の導入を制御することで、このアッセンブリの始動を制御する段階と、
（ｂ）前記流体を前記ガスタービンアッセンブリに導入する前に、その加熱量を制御する段階と、
（ｃ）前記ガスタービンアッセンブリの前記始動からは独立して、始動時に、燃料電池の加熱量を制御する段階とを包含した、ハイブリッド動力システムを動作させる方法。
【請求項２３３】
前記段階（ｂ）が、前記流体に、前記ガスタービンアッセンブリのエキスパンダを迂回させる段階を更に包含した、請求項２３２に記載の方法。
【請求項２３４】
前記段階（ｂ）が、前記流体を、燃焼器又は熱制御積層体で加熱する段階を更に包含した、請求項２３２に記載の方法。
【請求項２３５】
前記段階（ｃ）が、前記燃料電池を、熱制御積層体又は加熱流体で加熱する段階を更に包含した、請求項２３２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
本発明は、燃料電池などの高温電気化学変換器に関し、更に詳細には、電気化学変換器を用いた高性能のエネルギー又は動力システムに関する。
【０００２】
燃料電池のような電気化学変換器は、燃料素材から得られた化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。電気化学変換器において鍵となる構成要素は、その表面に電極を配置した一連の電解質ユニットと、これら電解質ユニット間に配置されて直列電気接続を実現する一連の連係部材である。電解質ユニットは、互いの反対面に燃料電極と酸化剤電極を備えている。各電解質ユニットは、低イオン抵抗を備えたイオン導体なので、変換器の運転条件下で、一方の電極・電解質界面から反対側の電極・電解質界面へのイオン種の移動を許容する。様々な電解質が、こうした変換器に利用可能である。例えば、マグネシア、カルシア（原語：ｃａｌｃｉａ）、又はイットリアなどの化合物で安定化したジルコニアは、高温（典型的には約１０００℃）で運転する際は、これら要件を満たす。電解質材料は、酸素イオンを利用して電流を流す。この電解質は、変換器の短絡を起こす電子に対しては導電性を有するべきではない。ところが、連係部材は優れた電子伝導体でなければならない。反応ガス、電極、及び電解質の相互作用は、電極・電解質界面で起こるが、このためには、電極が、反応ガス化学種の流入及び、生成物化学種の排出を許容するのに十分な多孔性を備えている必要がある。この電気化学変換器は、管状或いは平面形状でよい。
【０００３】
燃料（例えば水素など）が燃料電極上に導入され且つ、酸化剤（例えば空気など）が、酸化剤電極上に導入される際に引き起こされる電気化学反応によって、電極と電解質とを介して、電気が発生する。或いは、電気化学変換器を電解槽モードで作動させることもでき、このモードでは、電気化学変換器は、電気及び投入反応体を消費して、燃料を生成する。
【０００４】
燃料電池などの電気化学変換器が、燃料電池モードで燃料を電気へ変換すると、廃エネルギーが生成され、電気化学変換器を適正な動作温度に維持し、且つこの動力システムの全効率を増大するためには、このエネルギーは適切に処理すべきである。逆に、変換器が、電解槽モードで電気を燃料へ変換する時は、電解質は、その反応を維持するには必ず加熱しなければならない。更に、燃料改質処理は、しばしば燃料電池に用いられるが、これには熱エネルギーを導入する必要がある。適切な動作及び効率のためには、電気化学変換器の熱管理が重要である。
【０００５】
幾つかの熱管理技法では、電気化学変換器の廃熱からエネルギーを抽出するために、変換器を他のエネルギー装置と組み合わせることができる。例えば、スウ（原語：Ｈｓｕ）の米国特許第５，４６２，８１７号には、ボトミング装置が用いるエネルギーを変換器から取り出すための電気化学変換器とボトミング装置との幾つかの組合せが記載されている。
【０００６】
石炭や石油を燃焼する発電所などの、従来の燃焼に基づくエネルギーシステムに関する環境及び政治的懸念によって、電気化学変換器を用いるエネルギーシステムなどの代替エネルギーシステムへの関心が増大している。しかし、電気化学変換器は、従来のエネルギーシステムに対して十分な利点があるにも関わらず、広汎に利用されていない。例えば、伝統的なエネルギーシステムに比べ、燃料電池のような電気化学変換器は、比較的効率が高く、汚染物質を生み出さない。従来のエネルギーシステムへの大規模な投資によって、競合するエネルギーシステムがより広汎に使用されるには、こうしたシステムのすべての利点が現実のものとなる必要がある。従って、伝統的なエネルギーシステムに対する利点を最大化し、広汎に使用される可能性を増加させるためには、電気化学変換器エネルギーシステムが、一層進展することが望ましい。
【０００７】
従来のガスタービンの動力システムが存在し、知られている。従来のガスタービン動力システムは、コンプレッサと、燃焼器と、機械的タービンとを含み、典型的にはそれらが直列的に（例えば同じ軸上に）接続されている。従来のガスタービンでは、空気はコンプレッサに入り、望ましい圧力まで昇圧されて出る。この高圧気流は燃焼器に入り、そこで燃料と反応し、選択された高温まで加熱される。そして、この加熱された気流は、ガスタービンに入り、断熱膨張して仕事を行なう。この一般的な種類のガスタービンの欠点の一つは、メガワット能力のシステムと組み合わせた場合は、タービンのシステム効率が、典型的には例えば約２５％と比較的低いことである。
【０００８】
この問題を解決するのに従来採用されてきた方法の一つが、熱を回収するレキュペレータを用いることである。この回収された熱は、燃焼器に入る前の気流を更に加熱するのに使われる。典型的には、このレキュペレータは、ガスタービンのシステム効率を３０％程まで向上させる。この解決法の短所は、レキュペレータが比較的高価であり、動力システムのコスト全体を大幅に引き上げてしまうことである。
【０００９】
従来採用されているもう一つの方法は、システムを比較的高圧高温で運転することで、システム効率を向上する方法である。しかしながら、実際のシステム効率の増加はごく僅かであり、一方、システムは高温及び高圧用の機械構成要素に付随したコスト増加を伴ってしまう。
【００１０】
従って、本発明の分野では、高性能の動力システムに対する必要性が存在する。特に、その動作パラメータを制御又は調節可能な改良型ガスタービン動力システムは、この産業の大きな発展となるであろう。特に、システム動作を制御し、連結する熱処理システムの提供に関わるコストを削減し、同時に、システムの全体的操作性が著しく向上した電気化学変換器とガスタービンとを一体化したシステムを提供できれば、本発明の分野の大きな発展となるであろう。
【００１１】
発明の概要
本発明は、ハイブリッド動力システムを効率的に動作させつつ、そのシステムの動作パラメータを制御するための方法及び装置を提供することで、上述及びその他の目的を達成する。本発明によれば、燃料電池などの電気化学変換器を、ガスタービンアッセンブリなどの電気−熱同時発生装置又はボトミング装置と組み合わせてハイブリッド動力システムを形成する。この電気化学変換器及びボトミング装置が、燃料を有用な電気エネルギー、機械エネルギー、又は熱エネルギーに変換するための改良型動力システムを形成する。燃料電池と組合せ可能な装置には、ガスタービン、蒸気タービン、熱流体ボイラ、及び熱作動深冷器が含まれる。最後の２つの装置は、暖房、通気、及び空調（ＨＶＡＣ）システムに組み込まれることが多い。
【００１２】
本発明のハイブリッド動力システムは、流体調節装置を用いて、システム中の１つ又は複数の流体流動を調節又は制御する。従って、この流体調節装置により、このシステムは、タービン速度に加え、燃料電池及び／又はガスタービンアッセンブリの出力又は温度を制御できる。
【００１３】
一態様によれば、本発明のハイブリッド動力システムは、システム内の１つ又は複数の流体を選択した様態で移動させる１つ又は複数のバイパス通路を用いる。例えば、流体調節要素及び流体導管を用いて、熱交換器、電気化学変換器システム（又はこのシステムの構成要素）、及びガスタービンアッセンブリ（又はこのアッセンブリの構成要素）を迂回できる。１つ又は複数の流体調節装置を選択した様態で動作させることにより、このシステムは、電気化学変換器システムの出力又はガスタービンアッセンブリの出力を制御できる。
【００１４】
一態様によれば、本発明の電気化学変換器システムは、圧力容器内に取り付けられた熱制御積層体及び燃料電池を含むことができる。この熱制御積層体は、システム要求に従って、熱源又はヒートシンクとして動作可能である。例えば、始動すると、熱制御積層体は、燃料電池に伝達されてこの電池を加熱する熱を発生することで、熱源として動作できる。定常運転時には、熱制御積層体は、燃料電池から熱を除去することでヒートシンクとして動作でき、燃料電池に熱を与えることで熱源として動作できる。熱制御積層体は、任意適切な形状としてよい。
【００１５】
更に別の態様では、本発明のハイブリッド動力システムは、電気化学変換器システムの排気温度を調節するための複数の熱交換器及び流体導管構成を用いる。例えば、このハイブリッド動力システムは、低温のコンプレッサ排気を電気化学変換器システムの高温排気と選択的に混ぜ合わせることによって、ガスタービンアッセンブリの駆動気体の温度を調節する。こうして温度が異なる流体を混ぜ合わせることで、駆動気体の温度が調節され、従って、このアッセンブリの出力が制御される。
【００１６】
更に別の態様では、ハイブリッド動力システムは、ガスタービンアッセンブリ及び／又は電気化学変換器システムの出力を制御するため、温度が異なる流体を選択的に混ぜ合わせる。
【００１７】
図示した実施形態の説明
本発明のハイブリッド動力システムは、ガスタービンアッセンブリの出力などの、システムの動作パラメータを動的に調節又は制御する構成要素を用いる一方、同時にガスタービン及び燃料電池システムの構成要素の適正動作温度を維持する。
【００１８】
図１は、本発明に従った、電気化学変換器システム７２とガスタービンアッセンブリ７４とを組み込んだ統合ハイブリッド動力システム７０の一実施形態を示す。ガスタービンアッセンブリ７４は、コンプレッサ７６、タービンエキスパンダ７８、及び発電機８０を含み、これらは全て軸８２により連結されている。軸８２は、コンプレッサ７６をタービンエキスパンダ７８に、直列インライン式の航空機転用構成で接続する。発電機８０は、任意の適切な連結器によりタービンエキスパンダ７８に接続される。典型的には、ガスタービンアッセンブリ７４は、化石燃料（好適には天然ガス）により動作し、安価且つ清潔に発電する。ガスタービンアッセンブリ７４には、コンプレッサ７６、タービンエキスパンダ７８、及び発電機８０が、軸８２に順番に取り付けられているが、これ以外の順序も可能である。例えば、発電機８０を、コンプレッサ７６とタービンエキスパンダ７８との間に配置することもできる。
【００１９】
本明細書で用いられる場合は、ガスタービン及びガスタービンアッセンブリという語句は、少なくとも５０，０００回の毎分回転数であって、一般的には約７０，０００乃至９０，０００回の毎分回転数で動作するマイクロタービンを含み、あらゆる出力、形状、及び速度のガスタービンを包含することを意図する。適切なガスタービンは、カリフォルニア州ターザナ所在のキャプストーン・タービン・コーポレーション又はカリフォルニア州トランス所在のアライドシグナル社から入手可能である。
【００２０】
空気源から取り込まれた空気８４は、任意適切な流体導管を経てコンプレッサ７６へ導かれ、そこで圧縮且つ加熱された後、排出される。次に、加熱、圧縮、及び加圧された空気８６は、タービンエキスパンダ７８に導入する前に、レキュペレータなどの熱交換器８８に導入できる。例えば、加熱空気８６の一部は、流体導管９０に沿って熱交換器８８に導入でき、そこで、空気は、タービンエキスパンダ７８を出るタービン排気により、伝熱式又は逆流方式で更に加熱される。或いは、加熱圧縮された空気８６の一部又は全部を、流体導管９２に沿って、タービンエキスパンダ７８の入力に導入することも可能である。導管９２には流体調整装置９４を設けて、タービンエキスパンダ７８の入力に導入される加熱圧縮空気８６の量を調整又は調節できる。
【００２１】
本明細書で用いられる場合は、熱交換器又は熱交換要素という用語は、２つ以上の流体間で熱を交換するために設計又は適合させた任意の構造体を含むことを意図する。本発明で用いるよう適合された適切なタイプの熱交換器の例には、レキュペレータ（ガスタービンアッセンブリ７４の外部に取り付けられていても内部に取り付けられていてもよい）、放射熱交換器、逆流形熱交換器、及び再生式熱交換器などがある。
【００２２】
本明細書で用いられる場合は、「流体調整装置」という用語は、流体通路に沿った流体の通過を調節、制御、調整、又は監視するのに適合させた又は設計された任意の構造体を含むことを意図している。適切なタイプの流体調整装置の例には、ダイアフラム、回転球体、ベローズ、並びに二方弁及び三方弁を含んだ多数様々なタイプのバルブなどがある。「調節する」という用語は、本明細書ではこれ以降、流体調整装置のこの作用を記載する際に、説明を簡単にするために用いる。
【００２３】
上述のように、加熱且つ圧縮された空気８６の一部又は全部を、流体導管９０に沿って、熱交換器８８に導入できる。流体調節要素９６を流体導管９０中に設けて、熱交換器に導入される空気の量を調整する。流体調節要素９６を操作して、熱交換器に導入される空気の量を調整でき、この要素を用いて、流体導管９０を通過する空気の一部又は全部を、バイパス導管９８に沿って熱交換器８８を迂回させることもできる。バイパス流体導管９８を通る空気は、タービンエキスパンダ７８を出るタービン排気によって加熱されることはなく、したがって、この段階ではシステム７０により更に加熱されない。
【００２４】
熱交換器８８又はバイパス流体導管９８を出る空気は、更に電気化学変換器システム７２に導入するか、電気化学変換器システム７２の排気と混合できる。一実施態様によれば、図示した電気化学変換器システム７２は、圧力容器１２０内に取り付けられた燃料電池１１２及び熱制御積層体１１６を含む。図示した燃料電池１１２は、溶融炭酸塩燃料電池、リン酸燃料電池、アルカリ燃料電池、及び固体高分子形燃料電池を含む何れかから選択できるが、固体酸化物燃料電池が好ましい。この燃料電池の動作温度は、約２０℃から約１５００℃の間が好ましい。図示した熱制御積層体１１６は、単独で或いは他の温度調整構造体と組み合わせて、燃料電池の温度を制御、調整、又は調節するために、燃料電池と接合する任意に選択した構造体を含むことができる。圧力容器１２０は、燃料電池１１２及び熱制御積層体１１６を収容するために大きさ及び寸法設定された任意適切な圧力容器でよく、同時に、燃料電池１１２及び／又は熱制御積層体１１６の排気を収集する流体収集容器としても機能する。
【００２５】
図１を参照すると、流体調節要素１００を用いて、燃料電池１１２に導入される空気の量を調節できる。従って、流体調節要素１００は、燃料電池１１２を通過する空気の量を調節、調整、又は制御するのに使用できる。燃料電池を通過する加熱空気の量を調整することで、このシステムは、システム又はユーザ必要条件に従ってその出力を調節できる。
【００２６】
熱交換器８８と電気化学変換器システム７２との間に配置された別の流体調節要素１０４を用いて、導管１０７通過する空気の一部又は全部を、熱制御積層体１１６へ導入できる。流体調節要素１００及び１０４を操作して、システムの必要性に従って、燃料電池１１２と熱制御積層体１１６とにこの空気を分配できる。これは、電気化学変換器システム７２の始動時及びシステムを長期間使用する際に、特に望ましい構成である。更に、このシステムは、流体調節要素１０４と１００との間に配置された流体調節要素１０９を利用して、導管１０７へ運ばれ、更に燃料電池１１２へと運ばれる、導管９８を通過する空気量を調整できる。通常の技能を備えた当業者であれば、熱制御積層体１１６は、始動時には加熱装置として動作可能で、システム動作が確立した段階では、冷却装置又はヒートシンクとして動作可能なことは理解するはずである。燃料電池１１２及び／又は圧力容器１２０は、電気化学変換器システム７２が発生した直流電流をインバータ１２５に結合する、入力線１２６を含むことができる。インバータ１２５は、電気化学変換器システム７２が発電したこの直流電流を交流に変換して、その後は送電設備網、電力貯蔵装置、又は電力消費装置に送電できる。このインバータはコントローラ１４０と通信して、システム７０による、インバータ出力に基づいた１つ又は複数の構成要素の調節を可能とする。
【００２７】
熱制御積層体１１６は、燃料電池１１２と熱連通しており、燃料及び空気を受け取るようにも構成されている。熱制御積層体は、空気の存在下で燃料を燃焼して、燃料電池１１２を予熱するための熱を発生させることで、熱要素又は熱源として作用できる。この動作によって、適切な動作温度（典型的には１０００℃）が維持され、これにより、燃料電池１１２は、燃料及び空気を電気化学的に反応させて発電を行うため、これら反応体を継続的に消費する。燃料電池が所望の動作温度に達した時点で、熱制御積層体に供給される燃料を減少又は停止できるが、空気は、燃料電池１１２からの除熱を補助するため、積層体を通過し続ける。この構成では、熱制御積層体は、動作時に、燃料電池からの廃熱を除去する冷却要素又はヒートシンクとして動作する。
【００２８】
図示したハイブリッド動力システム７０は、導管８５を介して燃料を燃料電池１１２へ供給するための手段も提供する。燃料電池において、燃料は、酸素を含んだ気体（典型的には空気）と電気化学的に反応して、電気、廃熱、及び高温の排気ガスを発生する。比較的純粋な燃料素材を生成するためには、この燃料は、改質装置１３２などの任意適切な改質装置により改質できる。図示した改質装置１３２は、電気化学変換器システム７２の外部に設けられているが、変換器システム７２の一部として構成することも可能である。本発明では、多数の異なるタイプの改質装置が考慮されており、とりわけ適した改質装置が、引用して本明細書に援用する、スウの米国特許第５，８５８，３１４号に示され且つ記載されている。図示したシステム７０は、第２コンプレッサ１３４を用いて、燃料電池１１２に導入する前に燃料を圧縮及び加熱できる。図示した改質装置１３２及びコンプレッサ１３４は、本発明のオプションの要素である。
【００２９】
動力システム７０は、燃料バルブ８９及び９１などの１つ又は複数バルブを用いて、燃料電池及び／又は熱制御積層体１１６に送られる燃料の量を制御、調節、又は調整できる。燃料バルブは、これらバルブの動作を制御するコントローラ１４０と通信できる。具体的には、燃料電池及び熱制御積層体それぞれの出力パラメータを調整するため、コントローラは、これら装置に導入される燃料の量を調節できる。一実施態様によれば、コントローラ１４０は、燃料バルブの動作を制御して、電気化学変換器システム７２に導入される燃料の量を、インバータ１２５の出力に基づいて調節する。具体的には、コントローラは、燃料電池の出力又は熱制御積層体が発生する又は受け取る熱エネルギーを、燃料電池の発電量に基づいて調節する。
【００３０】
図示したハイブリッド動力システム７０は、流体導管１０７と電気化学変換器システムの排気導管１２４との間に結合された流体調節装置１０８も含む。導管１２４を通る電気化学変換器システムの排気は、最終的にガスタービンアッセンブリ７４に導入される。電気化学変換器システム７２が発生した電力に加え、ガスタービンアッセンブリ７４も、電気化学変換器システム７２が発生した排気及び廃熱を、利用可能な電力に変換するボトミングサイクルとして機能することで動力を発生する。この結果、ハイブリッド動力システム７０の全効率が向上する。電気化学変換器システム７２から排出される排気は、典型的には、約１０００℃程度である。この温度の排気は、ガスタービンアッセンブリ７４に導入する前に、更に加熱する必要がある場合もある。こうした応用例では、この排気を更に加熱して、排気が、ガスタービンアッセンブリの動作条件により適合するように、付加的燃焼器などの２次加熱構造体を、電気化学変換器システム７２とガスタービンアッセンブリ７４との間に設けることができる。電気化学変換器システムから出る排気は、既にガスタービンアッセンブリ７４によく一致している応用例もあり、この場合、排気には追加加熱を必要としない。更に別の応用例では、電気化学変換器システム７２の排気温度が、所望温度より高いこともあり得る。例えば、特に小型タービンユニットを用いるガスタービンアッセンブリでは、入力駆動気体の温度は、一般に約８００℃から９００℃の範囲内である。従って、電気化学変換器システムから出る１０００℃の排気温度は、ガスタービンアッセンブリ７４の入力駆動温度範囲には適さない。従って、電気化学変換器システム７２の排気温度を調整、制御、又は調節して、動作時のガスタービンアッセンブリ７４の動作温度に一致させるのが望ましい。
【００３１】
一実施態様によれば、流体調節装置１０８はコントローラ１４０が制御して、導管１０７内の一部又は全部の空気を、電気化学変換器システム７２を迂回させることができ、従って導管１２４を通る排気と混合できる。流体調節装置１０８を通過する空気は、導管１２４内に集められた排気及びそれを通過する排気よりも低温である。よって、流体調節装置１０８は、この排気を、熱交換器８８を出る選択量の低温の流体に混合することで、排気温度を調整して、排気温度をガスタービンアッセンブリ７４の動作要件に適するようにする。よって、導管１０７を通過する加熱及び加圧された空気は、後にタービンエキスパンダ７８に導入するための低温排気とするため、進路変更して排気に再導入可能である。この構成の大きな利点は、これが、電気化学変換器システム７２の排気温度を調整又は調節するための比較的洗練され且つ機械的に複雑でない解決法だという点である。電気化学変換器システム７２の排気温度を制御又は調整する他の技法も存在し、後に詳述する。
【００３２】
上述のように、ハイブリッド動力システム７０へ入力されるのは、酸素を含んだ気体（典型的には空気）及び、燃料（主としてメタンからなり、典型的には天然ガス）である。従って、この空気及び燃料が、電気化学変換器システム７２の反応体として作用する。投入酸化剤反応体は、燃料電池１１２内の燃料を酸化するのに用い、これらはコンプレッサ７６及び１３４により圧縮及び加熱される。圧縮、加熱、及び加圧された空気８６は、次に、タービンエキスパンダ７８を出るタービン排気によって、熱交換器８８内で加熱される。この酸素含有ガスは、典型的には空気だが、酸素を一部除去した空気や酸素を増強したその他の酸素含有流体でもよい。酸素及び燃料反応体は燃料電池１１２により消費され、次に燃料電池が、電気と圧力容器１２０に捕捉される排気とを発生する。
【００３３】
熱制御積層体１１６は、これも圧力容器１２０により捕捉される排気を発生する。熱制御積層体の排気は、圧力容器１２０内で燃料電池の排気と混ざり合い、電気化学変換器システム７２を出て、後に流体導管１２４を通る結合排気を形成する。燃料電池１１２及び熱制御積層体１１６の好適な設計構成は、後に詳述する。
【００３４】
上述のように、このタービンは、燃料電池ほど高温で作動しなくてもよい。従って、駆動気体温度は、タービンエキスパンダ７８に導入する前に下げることが必要な場合がある。熱交換器８８と電気化学変換器システム７２との間に設けられた流体調節要素１０８を作動して、流体導管１０７を通過する空気の一部又は全部を、電気化学変換器システム７２を迂回させ且つ、流体導管１２４と混合させることができる。他の実施形態では、流体導管９２に配置したオプションの流体調節装置９４を作動することで、加熱及び加圧空気８６が、熱交換器８８又は電気化学変換器システム７２を迂回し、タービンエキスパンダ７８の入力において駆動気体と直接混ざり合うことができる。
【００３５】
流体調節装置９４及び１０８のような進路変更用の流体調節要素を設ける重要な利点は、これらが、ハイブリッド動力システム７０（特にガスタービンアッセンブリ７４）の動作パラメータをある程度制御可能とする点である。例えば、ガスタービンアッセンブリ７８に導入される駆動気体の温度を選択的に制御することで、このシステムは、ガスタービンアッセンブリ７４が発生する動力のような、システム全体の出力を制御可能である。更に、燃料電池１１２が発生する出力は、それに導入される燃料の量を調節して調節可能であり、よって、電気化学変換器システム７２の出力が制御される。
【００３６】
図１を再び参照すると、図示したハイブリッド動力システム７０は、流体導管１２４に配置した流体調節要素１４２を更に含む。図示した流体調節要素１４２は、複数の選択機能を果たす。例えば、この流体調節要素は、流体導管１２４を通過し、後にタービンエキスパンダ７８に導入される排気量を調節又は制御できる。流体調節要素１４２は、流体導管１２４内の排気が、タービンエキスパンダに達するのを禁止又は防止もする一方、同時に、大気に排出される排気量を制御又は調節したり、流体導管１２４を通過する排気と混ざり合う外部流体の量を制御又は調節する。従って、流体調節要素１４２は、付加的流体を混ざり合わせて、導管１４２を通過する排気の温度調節を可能とする。装置１４２により、このシステムは、ハイブリッド動力システム７０の後段に導入される流体量も厳密に調節できる。
【００３７】
タービンエキスパンダ７８へ流体導管１２４内の排気を導入する前に、この排気を更に加熱するために、ハイブリッド動力システム７０は、流体調節装置１４２の下流に配置されたオプションの２次燃焼器１４４を更に含むことができる。２次燃焼器１４４は、ガスタービンアッセンブリ７４が、電気化学変換器システム７２により発生される排気の温度よりも高温で動作する使用例においては特に望ましい。この排気は、次にタービンエキスパンダ７８に導入されるタービン駆動気体となる。この駆動気体は、タービンエキスパンダを通過中に、発電のため膨張し、従って減圧し、後にエキスパンダからタービン排気として流体導管１４６を介して排除される。
【００３８】
電気化学変換器システム７２が発生した排気は、ハイブリッド動力システム７０の駆動気体となり、最終的にはタービンエキスパンダ７８に導入される。このタービンは、排気を断熱的に膨張させ、排気の熱エネルギーを回転エネルギーに変換する。タービンエキスパンダ７８、発電機８０、及びコンプレッサ７６は、共通軸に配置できるので、発電機８０は、交流又は直流電流を発電し、コンプレッサは、上述のように投入空気反応体を圧縮する。通常の技能を備えた当業者であれば、この発電機が発生する電気の周波数が、少なくとも１０００Ｈｚであり、典型的には、１２００乃至１６００Ｈｚであることは容易に理解するはずである。発電機８０が発生する交流電流は、整流器などの適切な手段により整流でき、この交流電流を直流電流に変換する。この直流電流は、インバータ１２５による変換に先立って、電気化学変換器システム７２が発生する直流電流と直接結合できる。この構成では、電気化学変換器システム７２は、ガスタービンアッセンブリの外部燃焼器として機能し、一方、このアッセンブリは、システム７０のボトミングプラントとして機能する。
【００３９】
図示したハイブリッド動力システム７０は、システム７０の動作流体に対する制御性を一層高める、直列結合された流体調節装置１４８及び１５０を更に含む。流体調節装置１４８は、流体導管１４６内を通過するタービン排気の量を調節し、同時に、タービンエキスパンダ７８をバイパスし、且つタービン排気と直接混ざり合う駆動気体の量を調節する。タービンを出る排気量を調節することで、システム７０は、ガスタービンアッセンブリ７４の出力を調節できる。従って、流体調節装置１４８は、ガスタービンの出力制御によって、ガスタービンアッセンブリ７４の動作パラメータを制御する追加機構を提供する。
【００４０】
更に、コントローラ１４０は、発電機８０に結合して、システム７０の１つ又は複数の構成要素の動作を監視又は制御する。例えば、コントローラは、タービンエキスパンダ７８に導入される排気の量を調節して、ガスタービンアッセンブリ７４の出力を制御する。コントローラ１４０は、流体調節装置１４８の動作を制御して、排気の流れを調節できる。一実施態様によれば、コントローラ１４０は、流体調節装置１４８の動作を制御して、発電機の出力に基づいて、タービンに導入される駆動気体の量を調節できる。従って、システムは、駆動気体入力を発電機出力の関数として調節することで、ガスタービンアッセンブリの出力を調節できる。具体的には、コントローラは、発電機出力に基づいて、流体調節装置１４８を調節できる。
【００４１】
更に、図示した流体調節装置１５０は、熱交換器１８８に導入される流体導管１４６を通過するガスタービン排気の量を調節する。図示した流体調節装置１５０は、流体調節装置１５４と協働して、システムの要求及び要件に応じて、熱交換器を通過するタービン排気量を制御する。よって、ハイブリッド動力システム７０は、熱交換器８８を通過する高温排気の量を調節するための構成要素を提供する。従って、これが、システム動作中に熱交換器を通過する空気の復熱量を、バルブ９６で調節又は制御する。例えば、熱交換器を通過する空気の温度は、熱交換器を通過するタービン排気の量を調節することで調節又は制御できる。よって、システム７０は、燃料電池１１２の加熱を独立して調節する一方、同時に、ガスタービンアッセンブリ７４が、適切な動作条件及び／又は温度を維持できるようにする。通常の技能を備えた当業者であれば、熱交換器を通過する空気が電気化学変換器システム７２へ導入される前に、タービン排気が、この空気を予熱することは容易に理解するはずである。通常の技能を備えた当業者であれば、熱交換器８８内の空気反応体を逆流方式で予熱できるように、ハイブリッド動力システム７０を構成できることも理解するはずである。ガスタービンアッセンブリ７４の動作パラメータを動作時に制御する機能を備えた、このシステムの他の構成及び配列も、通常の技能を備えた当業者であれば、本明細書の教示を参考として実現できるはずである。例えば、このシステムは、熱交換器８８とタービンエキスパンダ７８との間に、任意の数（所望なら、１つ又はゼロなど）流体調節要素を設けることができる。よって、図示したハイブリッド動力システム７０の動作における異なる段階において、熱交換器を通過する空気を最適且つ所望の量で確実に予熱できるように、流体調節装置１５０及び１５４を、選択した計画的な方式に基づいて調節又は制御できる。
【００４２】
コントローラ１４０を設けて、任意選択したユーザ定義順序に従って、流体調節装置９４，９６，１００，１０４，１０８，１４２，１５０，及び１５４に加え、投入燃料及び空気反応体も制御できる。更に、制御装置１４０は、ガスタービンアッセンブリ７４又は電気化学変換器システム７２を調節するために接続できる。このコントローラは、工業用ラダーロジックコントローラ、マイクロプロセッサ、独立型計算装置、ネットワーク構成に結合された計算装置、或いは、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、このハイブリッド動力システムの制御を実現するその他の適切な処理装置などの任意の従来設計装置でよい。
【００４３】
図１のハイブリッド動力システムの１つの利点は、これにより、高効率でコンパクトな電気化学変換器を、ボトミングプラントとして機能するガスタービンアッセンブリに直接統合することで、発電が高効率システムで可能となることである。電気化学変換器システム７２を、ガスタービンアッセンブリ７４に統合することで、約７０％又はそれを超える全出力効率を備えたハイブリッド動力システム７０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体で得られた効率に比べて著しく増加したものである。図示したハイブリッド動力システムは、燃料電池１１２を組み込んで、電力及び高度な熱エネルギーを提供する一方、燃料電池の利益を享受できる。例えば、燃料電池が低ＮＯｘ源として動作するので、従来のガスタービン発電プラントに比べて環境面の性能が向上する。
【００４４】
電気化学変換器とガスタービンアッセンブリとの組合せによる高いシステム効率が、図２にグラフとして示されている。このグラフの縦軸は、全システム効率をパーセントで示し、横軸は、このハイブリッドシステムの出力比を示す。この出力比は、電気化学変換器とガスタービンの能力の合計（ＦＣ＋ＧＴ）をガスタービンの応力（ＧＴ）で除した商として定義されている。グラフの線１６０は、５０％の効率を有する燃料電池と、２５％の効率を有するガスタービンとを用いれば、全システム効率が６０％を越えることが出来ることを示している。同様に、グラフの線１６２は、５５％の効率を有する燃料電池と、３５％の効率を有するガスタービンとを用いれば、全システム効率が６０％を越えることができ、出力比によっては７０％に近づき或いはそれを超えるうることをも示している。又、グラフの線１６０及び１６２は、電気化学変換器及びガスタービンの能力及び効率を選択することで、全システム効率を最大にすることができることも示している。更に、このグラフは、ガスタービンを電気化学変換器に合わせると、システム効率がそれに応じて大きく増加することを示しているが、この結果はこれまで未知であった。例えば、前述のように、電気化学変換器を用いたガスタービン動力システムは、それを構成するガスタービンと電気化学変換器の能力及び効率並びに、ハイブリッド動力システム７０の動作及び構成方法次第では、６０％を越え７０％に迫り、更にはそれを上回る全システム効率を有する。
【００４５】
上述のように、ガスタービンアッセンブリ７４は、単軸の、直列に位置合わせした構成を備えることができる。本発明では、図１のハイブリッド動力システム７０に用いることを意図した、その他の構成も考慮されている。例えば、ガスタービンアッセンブリ７４は、複数軸設計を組み込むこともできる。図３は、電気化学変換器を多軸形ガスタービンシステムに統合した動力システム１７０の部分実施形態を概略的に示した図である。図１の残りの構成要素も、この実施形態に組み込み可能だが、分かり易くするため図示していない。図示したハイブリッドシステム１７０は、一対のコンプレッサＣ１及びＣ２、一対のタービンＴ１及びＴ２、発電機１７２、中間冷却器１７４、及び１つ又は複数の電気化学変換器１７６を含んだ従来の燃焼タービンシステムでよい。一対の軸１７８及び１８０が、タービンＴ１及びＴ２を、機械的コンプレッサＣ１及びＣ２にそれぞれ接続している。
【００４６】
図示されているように、引入れ口から入った空気は、コンプレッサＣ１にその引入れ口から入り、そこで圧縮される。圧縮された空気は、次にコンプレッサをその排気口から出て、中間冷却器１７４に入り、この中間冷却器は、圧縮空気がそこから出る前に、この空気の温度を低下させる。中間冷却器１７４は、水等の冷却流体を、その取水口を通じて流体源（図示せず）から受け取り、吐水口からその水を排出する。
【００４７】
冷却された圧縮空気は、次にコンプレッサＣ２に入り、第１電気化学変換器１７６に導入される前に、このコンプレッサで再び圧縮される。この空気は、電気化学変換器１７６とコンプレッサＣ２との間を流体通路１８２を通って運ばれる。空気は、電気化学変換器に導入されると、燃料源（図示せず）から取り込まれた燃料と直ちに反応し、電気を発生する。
【００４８】
電気化学変換器の排気は、流体通路１８４を通ってタービンＴ２に導かれ、タービンＴ２からの排気は、第２電気化学変換器１７６に導かれる。第２変換器は電気を発生し、排気を、タービンＴ１に導かれる前に再加熱する。タービンＴ１の排気は、後の利用のために、流体通路１８６を通じてシステム１７０から運び去られることが好ましい。タービンＴ１の回転エネルギーは、動力軸アッセンブリ１７８を介して機械的コンプレッサＣ１と発電機１７２との間で分割されることが好ましい。発電機１７２を用いて、様々な住宅用及び商用電気を発生させることが可能である。図示されたシステム１７０は、一対の電気化学変換器１７６を用いてはいるが、通常の技能を備えた当業者であれば、一方の変換器のみ用いて、他方の変換器は従来の燃焼器に替えてもよいことは理解するはずである。
【００４９】
上記設計以外にも変形例が存在し、それらは、通常の技能を備えた当業者の認識する範囲内にあると考えられる。例えば、一連のガスタービンアッセンブリを用いてもよく、又、任意の数のコンプレッサ、燃焼器、及びタービンを用いてもよい。更に本発明は、単一軸ガスタービン、複軸ガスタービン、復熱式ガスタービン、中間冷却ガスタービン、及び再熱式ガスタービンを含む、ほとんどの種類のガスタービンへの電気化学変換器の統合化を包含することが意図されている。最も広い態様においては、本発明は、電気化学交換器と従来のガスタービンとを組み合わせたハイブリッド動力システムを包含する。本発明の好適な実施態様の一つでは、交換器は、ガスタービン動力システムの１つ又は複数の燃焼器を完全又は部分的に代替する。
【００５０】
燃料電池１１２が容器１２０内に収容されていれば、電気化学変換器のガスタービンへの直接的な一体化が容易になる。好適なタイプの変換器収容体を図４に示すが、この図では、再生熱又は復熱封入容器としても機能しうる圧力容器１２０が、後に詳述する一連の積層燃料電池アッセンブリ１２２を収容している。圧力容器１２０は、排気吐出用マニホルド１２４、電気コネクタ１２６、及び投入反応体マニホルド１２８及び１３０を含む。好適な実施例では、酸化剤反応体は、マニホルド１３０を通って常駐（原語：ｒｅｓｉｄｅｎｔ）燃料電池アッセンブリに導入され、一方、燃料反応体は、燃料マニホルド１２８を通って導入される。
【００５１】
積み重ねた燃料電池アレイ１２２は、排気ガスを圧力容器１２０の内部へ排出可能である。この圧力容器と組み合わせて使用するボトミング装置に適した排気ガスの圧力は、コンプレッサ７６又は１３４等のポンプを用いて制御するか、スウの米国特許第５，９４８，２２１号（その内容は引用して、本明細書に援用するものとする）に図示及び記載されているようなブロワを用いて制御して、選択的に投入反応体を積層燃料電池アッセンブリ１１２に注入し、従って、このアッセンブリ１１２から排気ガスを取り出すことができる。
【００５２】
上述のように、この電気化学変換器は、温度を上げた状態で、且つ周囲圧力又は昇圧状態で運転可能である。この電気化学変換器は、引用して本明細書に援用する米国特許第４，８５３，１００号に示され且つ記載された種類のものと同様に、交互組合せ型熱交換器を含みうる燃料電池システムであることが好ましい。
【００５３】
圧力容器１２０は、内壁１３８から離間した外壁１３６を含むことができ、よって、それらの間に環帯を形成する。この環帯は、圧力容器の外表面を適切な温度に維持するための断熱材１３９で充填してもよい。或いは、環帯は、圧力容器と熱交換を行う熱交換要素を収容又は形成できる。熱交換器の一実施形態では、環帯及び壁１３８及び１３６が、内部に熱交換用流体を循環させるための熱交換ジャケットを形成可能である。これら壁部により形成される熱交換器は、圧力容器と熱交換を行い、且つ外表面を適切な温度に維持する補助となる。言うまでもなく、環帯をクーリングジャケットとして使用したとしても、圧力容器内部からの熱損失を減少させ、或いは、圧力容器の外表面の適切な温度維持の助けとなる、環帯以外の個所に配置した断熱材の付加的使用を排除するものではない。
【００５４】
本発明の一実施形態では、壁１３６及び１３８により形成されるクーリングジャケットのような圧力容器の熱交換器内で循環される熱交換用流体は、マニホルド１２８内を流れる空気投入反応体のような投入反応体である。この実施形態では、これらマニホルドは、本質的には、圧力容器１２０の上部に隣接した環帯部分と流体連通した引き入れ口である。その他のマニホルド（図示しない）が、空気投入反応体が燃料電池積層体１２２に適切に導入できるように、環帯を、燃料電池積層体１２２に流体接続している。壁１３６及び１３８により形成されたクーリングジャケットにより空気投入反応体を予熱すると、廃熱を再生補足することで投入反応体を予熱して、効率を高めたり、圧力容器１２０の外表面を冷却するなどの幾つかの効果がある。
【００５５】
この圧力容器は、１又は２気圧で動作するよう設計された容器又は、１０００ポンド／平方インチまでの大幅な高圧まで耐えるよう設計された容器を含むことを意図した、「正圧容器」でよい。低圧容器が有用なのは、電気化学変換器と組み合わせて使用されるボトミング装置が、例えば、熱作動冷却器又はボイラを組み込んだＨＶＡＣシステムである場合である。高圧容器は、例えば、図示したハイブリッド動力システム７０と共に用いるのに有用である。
【００５６】
燃料電池は、水素又は一酸化炭素分子などの、選択された燃料化学種の化学的ポテンシャルを利用して、電力と共に酸化分子を生じる。分子水素又は一酸化炭素分子を供給するのに要するコストは、従来の化石燃料を供給するのに比較して高くつくため、燃料を処理又は改質する処理段階を用いて、石炭や天然ガス等の化石燃料を、水素及び一酸化炭素を多く含む反応ガス混合物に変換することもできる。その結果、専用の又は燃料電池内に配置した燃料処理器を用いて、蒸気、酸素、又は二酸化炭素を（吸熱反応により）利用して、化石燃料を非錯体（原語：ｎｏｎ−ｃｏｍｐｌｅｘ）の反応ガスに改質する。
【００５７】
図５乃至７は、従来のガスタービンとの統合に特に適した、燃料電池セル１１２及び燃料電池積層体１２２の基本セル単位１０を示す。セル単位１０は、電解質プレート２０及び連係プレート３０を含む。一実施形態では、電解質プレート２０を、安定化ジルコニア材料ＺｒＯ２（Ｙ２Ｏ３）などのセラミックから製作可能であり、このプレート２０上に、多孔性の酸化剤電極材料２０Ａ及び多孔性の燃料電極材料２０Ｂが配置されている。典型的な酸化剤電極材料としては、例えばＬａＭｎＯ３（Ｓｒ）のような灰チタン材料がある。典型的な燃料電極材料としては、例えばＺｒＯ２／ＮｉやＺｒＯ２／ＮｉＯのようなサーメットがある。
【００５８】
連係プレート３０は、導電性及び熱伝導性の連結材料から構成されていることが好ましい。このような材料の例としては、ニッケル合金、プラチナ合金、炭化珪素やＬａ（Ｍｎ）ＣｒＯ３などの非金属導体、及び好ましくは米国Ｉｎｃｏ社製のＩｎｃｏｎｅｌがある。連係プレート３０は、隣接した電解質プレート間の電気コネクタとしても作用し、また燃料及び酸化剤反応体の仕切りとしても機能する。図７に最も明確に示されているように、連係プレート３０は、中央開口部３２及び同心で半径方向の外側に向かって間隔をおいて配置された一組の中間開口部３４を備える。更に、外側の三番目の開口部３６が一組、プレート３０の外側円柱部分又は円周部に沿って配置されている。
【００５９】
また、連係プレート３０は、型押された表面３８を備える。図７に示したように、この型押された表面には、一連のディンプル４０が設けられているのが好ましい。このディンプル４０は、一連の連結した反応体流動通路を構成する。連係プレート３０は、その両面にディンプル加工されていることが好ましい。中間及び外側の組の開口部３４及び３６それぞれには、選択された数の開口部を設けてあるのが図示されているが、通常の技能を備えた当業者であれば、システムと反応体流動の必要条件に応じて、任意数量の開口部又は分布パターンを採用できることが分かるであろう。
【００６０】
同様に、電解質プレート２０には、連係プレート３０の開口部３２、３４及び３６に対応する位置に、中央開口部２２及び一組の中間及び外側開口部２４及び２６がそれぞれ設けられている。
【００６１】
図６を参照すると、スペーサプレート５０が、電解質プレート２０と連係プレート３０との間に挿入可能である。スペーサプレート５０は、連係プレート３０と同様に、一連の連結した反応体流動通路を構成する波形表面５２を備えるのが好ましい。スペーサプレート５０の、連結プレート及び電解質プレートの開口部に対応する位置には、図示のように、同心の開口部５４、５６及び５８が複数設けられている。更に、この構成では、連係プレート３０には反応体流動通路が設けられていない。スペーサプレート５０は、ニッケルなどの導電性物質からなることが好ましい。
【００６２】
図示した電解質プレート２０、連係プレート３０、及びスペーサプレート５０は、いかなる所望の幾何学的形状としてもよい。更に、図示のマニホルドを有するプレートは、反復的又は非反復的パターンで外側に延出させてもよく、そのため点線で示してある。
【００６３】
図７を参照すると、電解質プレート２０と連係プレート３０が、それぞれの開口部を一列に並べて交互に積層されると、これらの開口部は（積層に対して）軸方向のマニホルドを形成し、このマニホルドは、セル単位に投入反応体を供給し、使用済み燃料を排出する。具体的には、一列に並んだ中央開口部２２、３２、２２’は投入酸化剤マニホルド１７を構成し、一列に並んだ同心の開口部２４、３４、２４’は投入燃料マニホルド１８を構成し、更に、一列に並んだ外側開口部２６、３６、２６’は使用済み燃料マニホルド１９を構成する。
【００６４】
連係プレート３０の型押し加工表面３８は、図７の断面図に示すように、両表面がおおむね波形に加工されている。この波形加工は、投入反応体を連係プレートの外周部に移動させる反応体流動通路を構成する。また、連係プレートは、各軸方向マニホルド内及び連係プレートの外周に沿って延びた加熱表面又はリップ構造体を有する。具体的には、連係プレート３０は、その外周端部に沿って形成された、平らで環状の延長表面３１Ａを備えている。好適な一実施形態では、図示の加熱表面３１Ａは、電解質プレート２０の外周端部を越えて延出している。更に、連係プレートは、軸方向マニホルド内に延びる延長加熱表面を備えている。例えば、端部３１Ｂは、軸方向マニホルド１９内に延出し且つ収容されており、端部３１Ｃは、軸方向マニホルド１８内に延出し且つ収容されており、更に、端部３１Ｄは、軸方向マニホルド１７内に延出し且つ収容されている。この延長加熱表面は、連係プレートと一体的に形成することも可能であるし、それに結合したり取り付けたりすることもできる。この加熱表面は、連係プレートと同じ材料で形成する必要はなく、電気化学変換器の動作温度に耐えうる適切な熱伝導性材料であれば、いかなる材料から構成してもよい。一代替実施形態では、この延長加熱表面をスペーサプレートに一体的に形成したり、このプレートに結合することも可能である。
【００６５】
連係プレート外周部には、畝等の高さのある構造物が無いので、外部環境と連通する排出ポートがここに構成される。反応体流動通路は、投入反応体マニホルドを外周部に流体的に連通させており、従って、反応体を外部環境、又は、図４に示すように電気化学変換器の周囲に配置された熱容器又は圧力容器に排出可能としている。
【００６６】
図７を再度参照すると、図示した封止材６０を、連係プレート３０のマニホルド接合部分に取り付けて、特定の投入反応体を選択的に、連係プレート表面上、更に電解質プレート２０の合わせ面上を流動させることができる。連係プレート底部３０Ｂは、電解質プレート２０の燃料電極コーティング２０Ｂに接触している。この構成では、封止材が、燃料反応体のみを反応体流動通路に流入させ、燃料電極に接触させるのが好ましい。
【００６７】
図示するように、封止材６０Ａは、投入酸化剤マニホルド１７の周囲に配置され、酸化剤マニホルド１７の効果的な反応体流入バリアとなっている。この封止材によって、電解質プレート２０の燃料電極面２０Ｂに接触する燃料反応体を保全し、また使用済み燃料マニホルド１９を介して排出される使用済み燃料を保全する。
【００６８】
連係プレート３０の上面３０Ａは、燃料投入マニホルド１８及び使用済み燃料マニホルド１９の周囲に配置された封止材６０Ｂを備えている。連係プレート３０の上面３０Ａは、対向する電解質２０’の酸化剤コーティング２０Ｂ’に接触している。このため、投入酸化剤マニホルド１７の接合部には封止材が設けられておらず、従って、酸化剤反応体が反応体流動通路に流入できる。燃料マニホルド１８を完全に囲んでいる封止材６０Ｂは、燃料反応体の過剰な漏れが反応体流動通路に流入するのを防いでおり、それによって酸化剤反応体と燃料反応体の混合を防ぐ。同様に、使用済み燃料マニホルド１９を完全に囲んでいる封止材６０Ｃは、使用済み酸化剤反応体が、使用済み燃料マニホルド１９に流れ込むのを防ぐ。従って、マニホルド１９に注入される使用済み燃料の純度が維持される。
【００６９】
図７を再び参照すると、酸化剤反応体を、電解質プレート及び連係プレートの開口部２２、３２、及び２２’により構成される軸方向マニホルド１７を介して電気化学変換器に導入できる。酸化剤は、連係プレート３０Ａの上面に分配され、また反応体流動通路を介して酸化剤電極表面２０Ａ’上に分配される。その後、使用済み酸化剤は、半径方向で外側に外周端部３１Ａまで流動し、最終的には変換器要素の外周部から排出される。封止材６０Ｃは、酸化剤が、使用済み燃料マニホルド１９に流入するのを防ぐ。軸方向マニホルドを経る酸化剤の流路は、黒い実線の矢印２６Ａで、酸化剤セル単位を経る通路は、黒い実線の矢印２６Ｂで示されている。
【００７０】
燃料反応体は、一列に並んだプレートの開口部２４、３４、及び２４’が構成する燃料マニホルド１８を介して電気化学変換器１０内へ導入される。この燃料は反応体流動通路に導入され、更に、連係プレートの底部３０Ｂ及び電解質プレート２０の燃料電極コーティング２０Ｂ上に分配される。それと共に、封止材６０Ａは、投入酸化剤反応体が反応体流動通路に進入するのを防ぎ、よって、この投入酸化剤反応体が、純粋な燃料／使用済み燃料反応体の混合物に混ざるのを防ぐ。封止材が使用済み燃料マニホルド１９に使用されていないので、使用済み燃料はこのマニホルド１９に流入できる。次に、燃料は、連係プレート３０の環状端部３１Ａから排出される。この燃料反応体の流路は、黒い実線の矢印２６Ｃで示してある。
【００７１】
連結表面のディンプル４０は頂部４０Ａを含み、この頂部４０Ａは、組み付けによって電解質プレートと接触し、これらの間に電気的接続が確立される。
【００７２】
様々な種類の導体を、本発明の薄型の電気連係プレートとして使用できる。こうした物質は、次の要件を満たす必要がある。それらの要件とは、（１）高い導電性及び熱伝導性に加え高強度、（２）使用温度に至る良好な耐酸化性、（３）投入反応体との化学的適合性及び安定性、（４）反応体流動通路に例示されているような、プレート構成を型押しする場合の製造に関する経済性、である。
【００７３】
連係プレート製造に適した材料は、ニッケル合金、ニッケルクロム合金、ニッケルクロム鉄合金、鉄クロムアルミ合金、プラチナ合金、これらの合金とジルコニアやアルミナのような耐火材のサーメット、炭化珪素及びモリブデン二珪化物を含む。
【００７４】
例えば、連係プレートの上面及び底面の型押しパターン加工は、対になった雄型、雌型のダイを少なくとも一組使って、合金シートを型押しすればよい。これらのダイは、連係プレートの所望の型押しパターンに合うように製造してあるのが好ましく、高い作業温度に加え、繰り返しの圧縮動作、更に大量生産に耐えられるように、熱処理によって硬度を高めておくこともできる。連係プレートの型押しパターン加工は、気体通路ネットワーク（例えばディンプル加工連係プレート表面など）の幾何学的複雑があるため、複数の工程で実行するのが好ましい。連係プレートに設けられたマニホルドは、最終工程で打ち抜くのが好ましい。焼なましは、シート材料の過大応力負荷を防ぐため、これらの連続的な工程の間に行なうのが好ましい。この型押し方法によれば、材質の厚さを均等に保つ一方、幾何学的に多様且つ複雑なプレートを製造できる。
【００７５】
他の方法としては、波形連係部材は、適切なマスクを使って、元々平坦な金属プレートの上に電着によって製作できる。炭化珪素製の連係プレートは、あらかじめ一定の型に加工した基板に、真空めっき、結合粉末の焼結、また材料の自己粘着により製作できる。
【００７６】
酸化剤及び燃料反応体は、電気化学変換器内に進入させる前に適した温度まで予熱しておくことが好ましい。この予熱は、伝熱式熱交換器又は放射熱交換器など、変換器に加えられる熱応力の量を減少するのに充分な温度まで反応体を加熱するのに適した加熱構造物であれば、いかなるもので行なってもよい。
【００７７】
本発明の大きな特徴は、図１及び１２乃至１７に示したハイブリッド動力システムが、従来知られている効率を越えるシステム効率で運転することである。本発明のもう一つ別の大きな特徴は、延長加熱表面３１Ｄ及び３１Ｃが、酸化剤マニホルド及び燃料マニホルド１７及び１８内に保持される反応体を、変換器の作動温度まで加熱することである。具体的には、酸化剤マニホルド１７内に突出した延長表面３１Ｄが、酸化剤反応体を加熱し、燃料マニホルド１８内に突出した延長表面３１Ｃが、燃料反応体を加熱する。熱伝導性の高い連係プレート３０においては、投入反応体の加熱が容易となっているが、これは、熱を、燃料電池の内表面（例えば、伝導性連係プレートの中央域）から延長表面又はリップ部分まで伝導させることで、反応体流動通路を移動する前に、投入反応体を運転温度まで加熱することにより達成される。延長表面は、このように熱フィンとして働く。この反応体を加熱する構造により、発電動力システムと統合化できる小型の変換器、そして比較的低コストの高効率システムを得ることができる。これらの原理に基づいて構成された燃料電池構成要素を組み込んだ、そしてガスタービンと組み合わせて使用される電気化学変換器により、システムの形態が比較的シンプルとなった動力システムを得ることができる。【００７８】
代替実施形態では、電解質プレート及び連係プレートを実質的に管状としてもよく、また、酸化剤電極材料を一方の面に、燃料電極材料を反対面に配置することもできる。これらチューブはこの場合、同様の方法で互いに積層できる。
【００７９】
図１及び図８乃至１１を参照すると、図１の熱制御積層体１１６は、使用時に燃料電池を加熱及び／又は冷却するように動作させることができる。上述の図は、明確さのため異なる参照番号を用いて、熱制御積層体１１６の様々な実施形態を示している。本明細書では、熱制御積層体という用語は、燃料電池１１２に対して熱源及び／又はヒートシンクとして機能しうる任意適切な構造体を含むことを意図している。この熱制御積層体は、燃料電池１１２の軸方向長さに沿って発生する、熱の非均一性を減少し或いは除去する等温面としても機能するのが好ましい。これが、本発明の電気化学変換器システム７２の構造的完全性を保全又は向上する。使用時には、熱制御積層体は、圧力容器１２０内に保持され、燃料電池と熱連通している。熱制御積層体は、適切なシステム熱管理を実現するため任意の選択した構成で、燃料電池に関連して取り付け可能である。この目的にとりわけ適した構成は、燃料電池と熱制御積層体とを交互に組み合わせて、所望の熱管理を実行する複数ユニットからなる単一収集体を形成することである。この配列は、長方形又は六角形パターンを形成してよく、或いは、その他適切な二次元又は三次元的にも配列できる。例えば、図１９Ａ乃至１９Ｅに示したように、燃料電池１１２及び熱制御積層体１１６のような電気化学変換器システム７２の構成要素は、図１４Ａ及び１４Ｂに示したような正方形又は長方形の交互組合せ型構成のような、四角形配列にできる。或いは、電気化学変換器システム７２のこれら構成要素は、図１４Ｃ乃至１４Ｅに示したように六角形状に配列することも可能である。上述の交互組合せ型配列は、利用可能な様々なタイプの配列の例に過ぎない。通常の技能を備えた当業者であれば、これら燃料電池及び熱制御積層体は円筒形状を備えているように図示されているが、その他の形状を使用できることは理解するはずである。
【００８０】
図８に示したように、一実施形態によれば、熱制御積層体１１６は、周囲環境（例えば、近接する燃料電池など）から放射熱を受ける、多孔性構造２８を備えた等温構造体（熱交換器）２７として形成できる。酸化剤反応体などの作動流体４４が、内部通路又は流体溜め４２に流入し、半径方向外側に内表面２８Ａから外表面２８Ｂまで浸透する。作動流体４４は、圧力容器１２０などの任意の適した構造体により収集でき、ハイブリッド動力システム７０の他の部材まで運ぶことができる。作動流体４４流量の軸方向及び方位角的均一性を保証するため、作動流体が構造体２８に浸透する際の、半径方向への圧力低下を、作動流体４４が流体溜め４２内を流動する際の圧力よりも高圧に維持する。内部流動分配管を構造体２８内部に取り付けて、流動均一性を高めてもよい。作動流体４４も、何れかの軸端から排出できる。
【００８１】
別の実施形態によれば、本発明による熱制御積層体は、図９に示したように、複数の熱伝導性プレートを用いることもできる。熱制御積層体２９は、図示したように互いの上部に積み重ねた一連のプレート４６を含む。プレート４６は、ニッケル及び燃料セルに典型的に用いられる他の材料などの、適切な熱伝導性材料で作製できる。中央流体通路又は溜め４２は、プレート同士を連結する一方、スペーサがプレート間に配置されて、作動流体４４の、内表面６２Ａから外表面６２Ｂへの流動を許容する。作動流体４４は、プレート６２を連結する溜め４２を通過する。プレート６２は、図示したように実質的に円筒形状を備えていてもよいし、管形状などのその他の任意適切な幾何学形状でもよい。図９の実施形態は、等温燃料電池を構成するのに特に有用である。例えば、セル単位間にスペーサ要素を用いることで、反応体の均一な流動が達成できる。
【００８２】
図１０は、図１のハイブリッド動力システムで用いる、熱制御積層体２５の別の実施形態の端部断面図を示す。積層体２５は、図示したように、好適には軸方向に離間させた３つの同心円の管状構造体を含む。内部ルーメン６４は、スリーブすなわち管６８の内面６８Ａと外面６８Ｂとの間に延伸する複数の通路６６を備えている。多孔性スリーブ構造体２８は、内側管６８を囲み、又、内表面２８Ａ及び外表面２８Ｂを備えている。内表面２８Ａは、内側管６８の外表面と対向密着しているので、横方向通路６６は、多孔性スリーブ２８と流体連通している。横方向通路６６は、等間隔で配置されている。
【００８３】
外側管６９すなわち壁要素は、多孔性スリーブ２８及び内側管６８の周囲に配置してあり、実質的に同軸形状を形成している。外側管６９は、内表面６９Ａ及び外表面６９Ｂを備えている。内側管６８の内部ルーメンは、図１１に示したように、作動流体４４の流体溜めとなる長尺状中央通路６４を形成する。外側管６９Ａの内表面と、多孔性スリーブの外表面２８Ｂとの間の内部空間は、中央通路６４と概ね平行の長尺状第２通路６７を形成する。
【００８４】
内側管６８及び外側管６９は、金属又はセラミックスなどの同じ材料で作製されているのが好ましい。多孔性スリーブ構造体２８はセラミックでよく、作動流体の内部ルーメンから外部ルーメンへの流動を拡散させる。
【００８５】
図１１を参照すると、作動流体４４は、流体溜めとして機能すると共に長手方向軸４１に沿って延伸する、長尺状中央ルーメンすなわち通路６４を介して流れる。作動流体４４は、流体溜め６４に沿って流れる一方、この流体には、横方向通路６６内にも流れ込ませる強制力が働く。スリーブ２８は、横方向通路６６の表面を覆い、通路６６を通過する作動流体４４の一部を受け入れる。作動流体４４は、多孔性スリーブ２８を半径方向外側に浸透して、外部ルーメン６７内へ流入し、そこで、この流体は、冷却を必要とするか他の構造体によって冷却される燃料電池アッセンブリ又はその他のシステムなどの外部熱源によって加熱される。外部ルーメン６７内の作動流体４４は、外側管６９の内表面に沿って流動し、外表面２８Ｂから伝導した熱を吸収する。外側管の外表面６９Ｂは、燃料電池アッセンブリ１１２に直接接触させることで加熱可能であり、或いは、燃料電池１１２と放射結合させて加熱することもできる。このように作動流体４４を外側管６９の内表面６９Ａに配分させることで、作動流体４４と外部環境との間で効果的に熱を伝達できる。内側管６８に沿って横方向通路６６を選択的に離間させることで、第２通路６７内に集められた作動流体４４は、一定温度に保たれる。等温の作動流体４４を内表面６９Ａに沿って均一に配分することで、外側管６９Ｂの外表面に沿って等温状態が形成される。通路寸法及び間隔は、外側管６９及び内側管６８の直径により決定される。
【００８６】
上述の説明は、熱制御積層体２５が、ヒートシンクとして動作することを述べたものである。通常の技能を備えた当業者であれば、熱制御積層体２５は、熱源としても動作可能なことは理解するはずである。例えば、作動流体４４は、冷媒でなく加熱した流体を包含することもできる。加熱流体が、流体溜め３４に沿って流れる際に、熱が、外側管６９Ｂの外表面から外部環境へ伝達される。
【００８７】
本発明の原理を用いて、燃料電池積層体の全長にわたって反応体を均等に分配する、類似の構造体を用いることで、等温燃料電池（及びその他の電気化学変換器）を構成可能であることも理解できるはずである。複数積層体全体の温度も調節可能で、所望なら等温状態にすることもできる。
【００８８】
熱制御積層体の他の実施形態も、本開示の教示を参考にすれば、通常の技能を備えた当業者には自明なはずであり、これら実施形態には、中空の多孔性円筒体の内部に、様々な形状の表面構造体を設けたものを使用することも含まれる。これら表面構造体は、金属又はセラミック製でよく、多孔性円筒体は、ワイヤーメッシュスクリーンなどの任意適切な材料で作製可能である。
【００８９】
図１を再び参照すると、燃料電池１１２を始動すると、熱制御積層体１１６は、電気化学変換器システム７２の始動加熱器として機能する。ハイブリッド動力システム７０の始動運転を開始するため、ガスタービンアッセンブリ７４のコンプレッサ７６は、別個のモータ（図示しない）又はモータとして機能する発電機により作動される。コンプレッサを通過する空気８４は、最終的には熱制御積層体１１６に導入され、圧力容器１２０内で排出される。圧力容器からの排気１２４は、燃焼器１４４を通過し、ガスタービンアッセンブリ７４又は熱交換器８８に導入する前に、燃焼器で更に加熱される。図１に示したように、空気が熱制御積層体１１６を通過した後、適切な燃料が熱制御積層体１１６に導入される。熱制御積層体１１６の空気及び燃料投入体は、例えば２５０℃／時などの所定の燃料電池加熱速度となるように、コントローラ１４０により制御される。熱制御積層体１１６による発熱は、隣接する燃料電池１１２の加熱に役立つ。熱制御積層体は、燃料の自己発火温度に達するまで燃料電池１１２を加熱する。所望なら、ハイブリッド動力システム７０は、燃料電池を適切な動作温度に加熱するまでこの熱待機モードに維持しておくことができる。
【００９０】
燃料電池１１２を、その動作温度まで或いはその付近まで加熱するため、コントローラ１４０は、燃焼器１４４の動作だけでなく、熱制御積層体１１６に導入される燃料及び空気を継続して調節する。一旦、燃料電池１１２が通常の動作温度（典型的には１０００℃）に近づけば、燃料８５及び空気８４は、必要な出力を発生するため燃料電池に導入される。一旦、電気化学変換器システム７２が動作状態となると、熱制御積層体は、この時点で熱源としては動作していないので、熱制御積層体への燃料供給を中断できる。この時点で空気だけを熱制御積層体に通過させることで、積層体は、燃料電池１１２から廃熱を除去することで、集熱機又はヒートシンクとして動作できる。
【００９１】
上述のように、図示した電気化学変換器システム７２は、ガスタービンアッセンブリ７４のタービンエキスパンダ７８に導入される高温の排気ガスを発生する。タービンエキスパンダ７８は、この高温の排気ガスを断熱的に膨張させ、その後、ハイブリッド動力システム７０が使用するタービン排気を発生する。このタービンは、駆動気体の熱エネルギーを回転エネルギーに変換する。すると、この回転エネルギーが軸８５を回転させて、発電機８０により交流電流を発生させる。この電気は、後に商用又は住宅使用のため、電気化学変換器システム７２が発生した電気と結合できる。
【００９２】
定常運転時には、１次供給空気８４は、コンプレッサ７６及び、所望なら熱交換器８８を順次通過して燃料電池１１２に流入し、その後はガスタービンアッセンブリ７４に導入される。タービン排気は、その後、周囲環境から消散されるか周囲環境に排出する。コントローラ１４０は、１つ又は複数のシステム構成要素を選択的に動作制御し且つ温度調節するため、１つ又は複数の流体調節装置を作動して、ハイブリッド動力システム７０の１つ又は複数の動作パラメータを調節できる。例えば、流体調節要素１００及び１０４を制御して、選択した量の空気が、熱制御積層体１１６を通過できるようにして、燃料電池１１２の温度を調節できる。更に、導管１０７を通過する比較的低温の空気を、ガスタービンアッセンブリ７４に導入する前に、導管１２４を通過する高温排気と混合するため、流体調節装置１０８を作動できる。混合する低温及び高温排気ガスの量を調節することで、ガスタービンアッセンブリ７４のタービンエキスパンダ７８の出力又は排気温度などの、１つ又は複数パラメータを選択的に制御できる。従って、流体調節装置１０８を選択的に制御することで、ハイブリッド動力システム７０が、ガスタービンアッセンブリ７４の温度を調節可能となる。
【００９３】
図示したシステム７０の別の動作機能によれば、電気化学変換器システム７２の排気の一部又は全部を周囲の環境に排出するために、コントローラ１４０は、流体調節装置１４２を作動できる。流体調節装置１４２を制御することで、このシステムは、ガスタービンアッセンブリ７４の速度又は出力を有効に制御できる。
【００９４】
通常の技能を備えた当業者であれば、燃料電池１１２の出力に対する制御性を高めるには、空気又は燃料投入体の流動を調節すればよいことは理解するはずである。これは、ハイブリッド動力システム全体の広範囲にわたる動的制御を実現する。燃料の流動が、燃料電池の出力を制御し、同時に動作温度を一定に保つ。更に、電気化学変換器システム７２を迂回する空気の量を制御することで、システム７０は、ガスタービン及び燃料電池の出力を制御する。
【００９５】
このシステムは、タービン排気内に存在する熱エネルギーを取り戻すために、タービン排気を熱交換器８８に通過させることで、高効率システムとしても動作可能である。タービン排気内の熱エネルギーは、熱交換器を通過する反応体を予熱する。例えば、熱交換器８８に空気８４を通過させると、タービン排気内に存在する廃熱を回収することで、この空気が予熱される。又、流体調節装置９６をコントローラ１４０に制御させて、流体導管９０を通過する空気の一部又は全部が、熱交換器８８により予熱できるかを判断できる。
【００９６】
電気化学変換器システム７２を出て、流体調節装置１４２を通過する排気は、流体導管１２４に配置されたオプションの２次燃焼器１４４により更に加熱できる。２次燃焼器１４４は、ガスタービンアッセンブリ７４の投入温度要件に適合した駆動気体を提供するため、排気を更に加熱する。
【００９７】
更に、ガスタービンアッセンブリ７４が発生したタービン排気は、流体導管１４６に設けられた流体調節装置１４８に導入される。流体調節装置１４８は、ガスタービンアッセンブリ７４の流体導管１４６を通過するタービン排気の量を調節する。例えば、流体調節装置１４８は、タービンエキスパンダを迂回し且つ、タービン排気と混合可能な駆動気体の量を調節する。
【００９８】
流体調節装置１５０及び１５４をコントローラ１４０で制御して、熱交換器８８に導入されるタービン排気の量を調節できる。こうすることで、コントローラ１４０は、熱交換器８８を通過する空気の温度を制御し、従って、燃料電池１１２の温度を制御できる。更に、流体調節装置１５４は、空気反応体の温度に対する制御性を高めるため、熱交換器を通過する流体に導入できる外部流体の量を調節する。このシステムは、空気反応体の温度を制御でき、従って燃料電池１１２の出力を制御できる。逆に、流体調節装置１５０又は１５４は、周囲環境に導入すなわち排出される、熱交換器８８を出るタービン排気の量を調節できる。
【００９９】
通常の技能を備えた当業者であれば、電気化学変換器システム７２及び、特に燃料電池１１２は、タービンアッセンブリ７４の燃焼器として機能できることは容易に理解するはずである。しかし、ガスタービンアッセンブリ７４が、その一部として代替燃焼器及び／又はレキュペレータを含みうる代替実施形態も本発明によって考慮されている。ガスタービンアッセンブリ７４が、それ自身の内部燃焼器を含むシステム設計では、ハイブリッド動力システム７０を作動するには、異なる始動手順が必要である。例えば、ガスタービンアッセンブリ７４は、任意適切な始動モータ（図示しない）によって作動させることができる。従って、コンプレッサ７６が、ガスタービンアッセンブリを通る空気を流動させることができる。次に、ガスタービンの燃焼器が、所定の加熱速度に従ってこの空気と反応する燃料を受け取る。バイパス弁のような流体調節装置を、ガスタービンアッセンブリのレキュペレータの出口に配置して、加熱空気を、電気化学変換器システム７２の熱制御積層体１１６に徐々に導入できる。又、熱制御積層体は、燃料源から燃料を受け取り、燃料電池１１２を、その動作温度付近まで予熱するように構成される。この代替システム構成のその他の動作機能は、図１に示し且つ記載したハイブリッド動力システム用のものと同一である。
【０１００】
通常の技能を備えた当業者であれば、任意に選択した組合せの流体調節装置を、図示したハイブリッド動力システム７０内に設けることができることも理解するはずである。結果として、各流体調節装置及び／又は流体通路は、本システムのオプション的な特徴又は一部だと理解できる。
【０１０１】
通常の技能を備えた当業者であれば、燃料電池１１２の温度は、このハイブリッド動力システムを流れる複数流体内の選択したものを用いて制御できることも理解するはずである。特に、燃料電池温度は、コンプレッサ及びガスタービンアッセンブリを出る流体が、中間レキュペレータを通過するときに、制御できる。従って、燃料電池の温度及び／又は出力などの１つ又は複数の動作パラメータを制御又は調節するために、様々な熱管理法を実施できる。例えば、燃料電池を最大限に冷却することが所望であれば、コンプレッサを出る流体は、レキュペレータを迂回させて、燃料電池に直接導入させる。こうすることで、この圧縮流体は予熱されない。
【０１０２】
別の熱管理法によれば、この比較的低温の圧縮流体は、レキュペレータを迂回し、熱制御積層体に導入される。熱制御積層体は、上述のように燃料電池を冷却するように動作する。
【０１０３】
別の熱管理法によれば、コンプレッサ流体の一部は、レキュペレータを迂回し、熱制御積層体に導入され（例えば５０％）、残りの流体は、レキュペレータを通過した後、燃料電池に導入される。
【０１０４】
更に別の熱管理法によれば、このコンプレッサ流体の殆ど又は全ては、レキュペレータを通過し、そこで加熱された後、燃料電池又は熱制御積層体に導入される。或いは、予熱した流体の一部を燃料電池に導入して、残りをガスタービンアッセンブリに導入する前に、燃焼器などの２次加熱源に導入できる。通常の技能を備えた当業者であれば、流体が、これら後者の管理法で加熱されることは理解するはずである。
【０１０５】
図１２は、図１のハイブリッド動力システムの代替実施形態を示す。図示したハイブリッド動力システム２００は、ガスタービンアッセンブリ１９３の出力を制御する。この実施形態の記載は、上述のシステム７０に幾つかの点で類似したものである。システム２００は、空気１９０を、空気源から任意適切な流体導管を介してコンプレッサ１９２に導入し、この空気は、そこで圧縮、加圧、及び加熱された後、排出される。加熱及び加圧した空気は、流体導管２０２によって、レキュペレータのような熱交換器２０６に導入でき、後に詳述するように、この空気は、ガスタービンアッセンブリ１９３から排出された排気によって予熱される。
【０１０６】
燃料２０８は、オプションで熱交換器２０６を通過させた後、電気化学変換器システム２１２に導入できる。又、この燃料は、熱交換器においてガスタービン排気により予熱される。加熱された空気１９０及び燃料２０８は、投入反応体として働き、適切なマニホルドを介して電気化学変換器２１２に導入される。電気化学変換器システム２１２は、図１の電気化学変換器システム７２と同じもでよい。電気化学変換器システム２１２は、燃料及び酸化剤反応体を処理して、ある動作モードでは、電気と高温排気に付随する廃熱とを発生する。この電気は、交流電源（図示しない）によって交流に変換できる直流である。電気化学変換器システム２１２が発生した排気は、適切な流体導管すなわちマニホルド２１４によって、ガスタービンエキスパンダ１９６に結合されるが、オプションでは直接結合できる。タービンエキスパンダ１９６は、電気化学変換器システムが発生した排気を断熱的に膨張させ、且つこの熱エネルギーを回転エネルギーへと変換すると、その後、これは発電機１９８へ送り込まれる。発電機１９８は、商用及び住宅用の電気を発生する。この構成では、電気化学変換器システム２１２は、ガスタービンアッセンブリ１９３の燃焼器として機能し、このガスタービンはボトミングサイクルプラントとして機能する。
【０１０７】
電気化学変換器システム２１２をガスタービンの燃焼器として用いる利点の一つは、この変換器システムが、付加的発電機として機能することである。図示した電気結線２２２は、システム２１２から電気を取り出す。ガスタービン及び発電機の構成要素は、公知の技術であり、市販されている。通常の技能を備えた当業者であれば、特に本明細書の説明及び図面を参照すれば、これら電気化学変換器とガスタービンの結合様態は容易に理解できるであろう。
【０１０８】
更に、ガスタービンアッセンブリは高温排気を発生し、この排気は後に利用するため、流体マニホルド２１８によって捕捉し、導管で送ることができる。一実施態様によれば、このタービン排気は、熱交換器２０６を通過する。燃料２０８及び加熱空気も、熱交換器２０６を通過させる。タービン排気に付随する廃熱は、この空気及び燃料を、電気化学変換器システム２１２に導入する前に予熱する役割を果たす。好適には、入ってくる投入体と、出て行く排気との間で顕熱交換（原語：ｓｅｎｓｉｂｌｅ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ）が行われて、これら気体間での対流熱交換が最適化されるか、所定量の熱が復熱される。例えば、こうしなければシステム外に伝達されてしまう、排気に付随した廃熱が、入ってくる反応体気体により吸収される。この結果、反応体を加熱するのに用いられ且つ、排気流動中に存在する廃熱の少なくとも一部が、連続的に回収される。この熱交換機構を用いることで、システムが失う熱量が減少し、従って全システム効率が向上する。
【０１０９】
電気化学変換器システム２１２は、高温及び高圧で運転される。この電気化学変換器は、引用して本明細書に援用する米国特許第４，８５３，１００号に示され且つ記載された種類のものと同様に、交互組合せ型熱交換器を含みうる燃料電池システムであることが好ましい。
【０１１０】
図示した電気化学変換器システム２１２は、選択した動作温度で動作する燃料電池（図１及び５乃至７に示したように）及び、オプションの熱制御積層体を含むことができる。好適な一実施形態によれば、この燃料電池は、動作温度が約１０００℃の固体酸化物燃料電池であり、従って、およそこの程度の温度の排気を発生する。小型タービンユニットのようなある種のガスタービンには、１０００℃未満で、通常約９００℃の入力流体が必要である。この流体温度要件は、電気化学変換器システム２１２が排出する高温排気を、ガスタービンアッセンブリ１９３の入力温度要件に適合する温度レベルに調節しなければならないことを意味する。本発明は、この変換器システムの排気温度を選択した度合いで制御するのに適した多数の方法を提供することで、この温度の不適合性問題に対処する。
【０１１１】
図１２を再度参照すると、ハイブリッド動力システム２００は、ガスタービンアッセンブリ１９３に導入される排気の温度を調節するだけでなく、システム２００に導入される燃料の量を調節するための、複数の流体調節装置及び１つのコントローラ２２０を更に含んでいる。図示したハイブリッド動力システム２００は、コンプレッサ流体導管２０２と排気流体導管２１４との間に結合された第１流体調節装置２０４を含む。この流体調節装置は、コンプレッサ１９２から排出される加熱空気の一部を、ガスタービンエキスパンダ２０に導入する前に、電気化学変換器システム２１２の更に加熱された排気に直接混合、或いは混ぜ合わせることを可能としている。
【０１１２】
本発明の分野で知られているように、従来のガスタービンは、一定の最高温度までの投入作動流体に耐えうる。ガスタービンアッセンブリ１９３は低温で動作可能だが、このタービンの出力もそれに従って低くなる。従って、ガスタービン１４の投入最高温度要件が９００℃であれば、電気化学変換器システムの高温排気は、このガスタービンの動作要件に適合するように、少なくともこの温度水準まで或いはそれ以下に下げる必要がある。これに従えば、コンプレッサ１９２から排出される空気の温度は、電気化学変換器システム２１２の排気温度より典型的には低くなる。バイパス弁２０４はコントローラ２２０が制御して、一部又は全部の空気をバイパス導管２２４を通過せ、電気化学変換器システム２１２の高温排気と混合させ、この排気を冷却させることができる。排気と混合する空気の量を調節することで、得られる排気流体を所望の温度に調整できる。一実施態様によれば、この排気温度は、ユーザが選択した又は予め記憶した温度条件に従って、最高タービン温度に或いはそれより低温に調節される。上述の例では、電気化学変換器システム２１２の高温排気は、約９００℃或いはそれ以下に冷却できる。
【０１１３】
図１２を更に参照すると、流体調節装置２０４は、任意適切な通信リンクによりコントローラ２２０に結合できる。コントローラ２２０は、ユーザ定義又は所定の手順に従って、流体調節装置２０４を動作させるためのプログラム命令を格納した適切な記憶装置を含むことができる。コントローラ２２０は、格納された順序通りにこの装置を選択的に開閉して、所定量の空気を、電気化学変換器システム２１２が発生した高温排気と混合させることができる。流体調節装置２０４を通過する空気の量は、電気化学変換器システム２１２の所望の出力と、ガスタービンアッセンブリ１９３と、所望のシステム効率との関数である。また、所望のシステム効率を得るには、エキスパンダ１９６へ投入される流体量及び温度を調節しつつ、ガスタービンを所望の出力で動作させなければならないこともある。
【０１１４】
図示したハイブリッド動力システム２００は、電気化学変換器システム２１２に導入される燃料の量を調節する燃料調整用の流体調節装置２１０も含む。この流体調節装置２１０は、任意適切な通信リンクを介してコントローラ２２０とフィードバック通信する。コントローラ２２０及び装置２１０は、電気化学変換器システムに導入される燃料の量を調節し、従って、ハイブリッド動力システム２００の動作温度を下げることなく電気化学変換器システムの出力を調整する。これによって、電気化学変換器システム２１２は、最適システム効率で或いはそれに近い水準で動作を継続できる。更に、電気化学変換器システム２１２の出力を調節することで、コントローラ２２０は、ガスタービンの出力と、従って、システム２００全体の出力を調節できる。
【０１１５】
更に、図示したコントローラは、空気及び燃料溜めに結合して、ハイブリッド動力システム２００に送出される空気及び燃料の量を制御することもできる。こうして、コントローラ２２０は、このシステムのためのモジュール式計算センターとして機能し、様々な方法でプログラムして、システム２００の出力を制御するために反応体の流動を制御できる。
【０１１６】
更に、システム２００は、変換器システム２１２とタービンエキスパンダ１９６との間に、タービンに導入する前に、排気を更に加熱するためのオプションの燃焼器２１６を設けてもよい。燃焼器２１６が、タービンエキスパンダ１９６の駆動気体の温度に対する制御性を一層高めることができる。
【０１１７】
図示したハイブリッド動力システム２００の大きな利点は、効率の高い小型の電気化学変換器をボトミングプラントの構成要素と統合したことで、効率の高いシステムから電力が得られることである。電気化学変換器システム２１２をガスタービンアッセンブリ１９３に統合したことで、約７０％又はそれを超える全出力効率を備えたハイブリッド動力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で得られた効率に比べて著しく増加したものである。図示のハイブリッド動力システムは、電気化学変換器が組み込まれたことで、高度な熱エネルギーと電力を提供できる上に、電気化学変換器の長所をも利用することができる。例えば、変換器を低ＮＯｘ熱源で運転するので、従来のガスタービンによる発電プラントに比べて、環境面でより優れたものとすることができる。
【０１１８】
図示したハイブリッド動力システム２００の制御部分（流体調節装置２０４及び２１０、コントローラ２２０を含む）の大きな利点は、システム２００の出力を最大化、最適化、増加、又は減少させるように特定のシステム構成要素を調節することで、全システム効率を更に増加できることである。更に、図示したエネルギーシステム１０は、電気化学変換器システム１２及びガスタービンアッセンブリ１４の出力を完全に制御できる。
【０１１９】
図１３は、図１及び１２のハイブリッド動力システムの代替実施形態を示す。図示したハイブリッド動力システム２３０は、ガスタービンアッセンブリ２５８の出力を制御する。この実施形態の記載は、上述のシステム７０に幾つかの点で類似したものである。システム２３０は、空気２３２を、空気源から任意適切な流体導管を介してコンプレッサ２３４に導入し、この空気は、そこで圧縮、加圧、及び加熱された後、排出される。加熱及び加圧した空気は、流体導管２４２によって、レキュペレータのような熱交換器２４４に導入でき、後に詳述するように、ここで、この空気は、ガスタービンアッセンブリ２５８から排出された排気によって予熱される。
【０１２０】
燃料２４６は、オプションで熱交換器２４４を通過させた後、電気化学変換器システム２５０に導入できる。又、燃料は、熱交換器においてガスタービン排気により予熱される。加熱された空気２３２及び燃料２４６は、電気化学変換器システム２５０への投入反応体として作用する。電気化学変換器システム２５０は、図１及び１２の電気化学変換器システム７２と同じものでよい。
【０１２１】
電気化学変換器システム２５０は、燃料及び酸化剤反応体を処理して、ある動作モードでは、電気と高温排気に付随する廃熱とを発生する。典型的には、この電気は、交流電源（図示しない）によって交流に変換できる直流電流である。電気化学変換器システム２５０が発生した排気は、別の熱交換器２４８を通過して、電気化学変換器システム２５０に入る空気（又は燃料）を更に加熱する。電気化学変換器システム２５０を出る高温排気の温度は、熱交換器２４８に導入される空気の温度より高温となりうる。この構成では、システムは、電気化学変換器システム２５０及びガスタービンアッセンブリ２５８からの廃熱を回収して、システム効率を制御する。
【０１２２】
熱交換器２４８から出る排気は、流体導管２５４によって、ガスタービンエキスパンダ２３８に結合されるが、オプションでは直接結合できる。タービンエキスパンダ２３８は、電気化学変換器システム２５０が発生した排気を断熱的に膨張させ、且つこの熱エネルギーを回転エネルギーへと変換すると、その後、これは発電機２４０へ送り込まれる。発電機２４０は、商用及び住宅用の電気を発生する。この構成では、電気化学変換器システム２５０は、ガスタービンアッセンブリ２５８の燃焼器として機能し、このガスタービンはボトミングサイクルプラントとして機能する。
【０１２３】
ガスタービンの燃焼器として電気化学変換器システム２５０を用いる利点の一つは、この変換器システムが更なる発電機として機能することである。図示した電気結線２５２は、システム２３０から電気を取り出す。ガスタービン及び発電機の構成要素は、公知の技術であり、市販されている。通常の技能を備えた当業者であれば、特に本明細書の説明及び図面を参照すれば、電気化学変換器とガスタービンがどのように結合されているかは容易に理解できるであろう。
【０１２４】
更に、ガスタービンアッセンブリ２５８は加熱排気を発生し、この排気は、後に利用するため、流体マニホルド２５６によって捕捉し且つ導管で送ることができる。一実施態様によれば、タービン排気は、熱交換器２４４を通過する。燃料２４６及び加熱空気も、熱交換器２４４を通過させることができる。タービン排気に付随する廃熱は、この燃料及び空気を、電気化学変換器システム２５０に導入する前に予熱する役割を果たす。好適には、入ってくる投入体と、出て行くタービン排気との間で顕熱交換が行われ、これら気体間での対流熱交換が最適化されるか、所定量の熱が復熱される。例えば、こうしなければシステム外に伝達されてしまう排気に付随した廃熱が、入ってくる反応体気体により吸収される。この結果、反応体を加熱するのに用いられ且つ、タービン排気流動中に存在する廃熱の少なくとも一部が、連続的に回収される。この熱交換機構を用いることで、システムが失う熱量が減少し、従って全システム効率が向上する。図示したハイブリッド動力システムは、第２熱交換器２４８を使って、それを通過する１つ又は複数の反応体を交換器システム２５０の排気で予熱することにより、廃熱を更に再捕捉する。
【０１２５】
電気化学変換器システム２５０は、高温及び高圧で運転される。電気化学変換器は、引用して本明細書に援用する米国特許第４，８５３，１００号に示され且つ記載された種類のものと同様に、交互組合せ型熱交換器を含みうる燃料電池システムであることが好ましい。
【０１２６】
図示した電気化学変換器システム２５０は、選択した動作温度で動作する燃料電池（図１及び５乃至７に示したように）、及びオプションの熱制御積層体を含むことができる。好適な一実施形態によれば、この燃料電池は、動作温度が約１０００℃の固体酸化物燃料電池であり、従って、およそこの程度の温度の排気を発生する。小型タービンユニットのようなある種のガスタービンには、１０００℃或いはその温度未満の入力流体が必要である。この流体温度要件は、電気化学変換器システム２１２が排出する高温排気を、ガスタービンアッセンブリ２５８の入力温度要件に適合する温度レベルに調節しなければならないことを意味する。本発明は、この変換器システムの排気温度を選択した度合いで制御することで、この温度要求すなわち不適合性問題に対処する。
【０１２７】
本発明の分野で知られているように、従来のガスタービンは、一定の最高温度までの投入作動流体に耐えうる。ガスタービンアッセンブリ２５８は低温で動作可能だが、このタービンの出力もそれに従って低くなる。従って、ガスタービン２５８の投入最高温度要件が、約８００℃と約９００℃との間であれば、電気化学変換器システムの高温排気は、このガスタービンの動作要件に適合するように、少なくともこの温度水準まで下げる必要がある。これに従えば、電気化学変換器システム２５０から排出される空気の温度は、入ってくる反応体の予熱に利用できるので、排気の温度全体が低くなる。熱交換量を調節することで、得られる排気流体を所望の温度に調整できる。一実施態様によれば、この排気温度は、ユーザが選択した又は予め記憶した温度条件に従って、最高タービン温度に或いはそれより低温に調節又は制御できる。上述の例では、この高温排気は、約９００℃或いはそれ以下に冷却できる。
【０１２８】
図示したハイブリッド動力システム２３０の大きな利点は、効率の高い小型の電気化学変換器をガスタービンボトミングプラントと統合したことで、効率の高いシステムから電力が得られることである。このように電気化学変換器システム２５０をガスタービンアッセンブリ２５８に統合したことで、約７０％又はそれを超える全出力効率を備えたハイブリッド動力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で得られた効率に比べて著しく増加したものである。
【０１２９】
図１４は、図１、１２及び１３のハイブリッド動力システムの代替実施形態を示す。図示したハイブリッド動力システム２６０は、ガスタービンアッセンブリ２８６の出力を制御する。この実施形態の記載は、上述のシステム７０、２００、及び２３０に幾つかの点で類似したものである。図示したハイブリッド動力システム２６０は、空気２６２を、空気源から任意適切な流体導管を介してコンプレッサ２６４に導入し、この空気は、そこで圧縮、加圧、及び加熱された後、排出される。加熱及び加圧した空気は、流体導管２７０によって、レキュペレータのような熱交換器２７２に導入でき、後に詳述するように、この空気は、ガスタービンアッセンブリ２８６から排出された排気によって予熱される。
【０１３０】
燃料２７４は、オプションで熱交換器２７２を通過させた後、電気化学変換器システム２７８に導入できる。又、燃料は、熱交換器内でガスタービン排気により予熱される。加熱された空気及び燃料は、電気化学変換器システムへの投入反応体として作用する。変換器システム２７８は、図１、１２、及び１３の電気化学変換器システム７２、２１２、及び２５０と同じものでよい。
【０１３１】
電気化学変換器システム２７８は、燃料及び酸化剤反応体を処理して、ある動作モードでは、電気と高温排気に付随する廃熱とを発生する。典型的には、この電気は、交流電源（図示しない）によって交流に変換できる直流電流である。電気化学変換器システム２７８が発生する排気は、流体導管２８２によって、ガスタービンエキスパンダ２６６に結合されるが、オプションでは直接結合できる。タービンエキスパンダ２６６は、電気化学変換器システム２７８が発生した排気を断熱的に膨張させ、且つこの熱エネルギーを回転エネルギーへと変換すると、その後、これは発電機２６８へ送り込まれる。発電機２６８は、商用及び住宅用の電気を発生する。この構成では、電気化学変換器システム２７８は、ガスタービンアッセンブリ２８６の燃焼器として機能し、このガスタービンは、ボトミングサイクルプラントとして機能する。
【０１３２】
電気化学変換器システム２７８をガスタービンの燃焼器として用いる利点の一つは、この変換器システムが、付加的な発電機として機能することである。図示した電気結線２８０は、システム２６０から電気を取り出す。これらガスタービン及び発電機の構成要素は公知の技術であり、市販されている。通常の技能を備えた当業者であれば、特に本明細書の説明及び図面を参照すれば、電気化学変換器とガスタービンがどのように結合されているかは容易に理解できるであろう。
【０１３３】
更に、ガスタービンアッセンブリ２８６は加熱排気を発生し、この排気は、後に利用するため流体マニホルド２８４によって捕捉し、導管で送ることができる。一実施態様によれば、タービン排気は、熱交換器２７２を通過する。燃料及び加熱空気も、熱交換器２７２を通過させることができる。タービン排気に付随する廃熱は、この燃料及び／又は空気を、電気化学変換器システム２７８に導入する前に予熱する役割を果たす。好適には、入ってくる投入体と、出て行くタービン排気との間で顕熱交換が行われ、これら気体間での対流熱交換が最適化されるか、所定量の熱が復熱される。例えば、こうしなければシステム外に伝達されてしまう、排気に付随した廃熱が、入ってくる反応体気体により吸収される。この結果、反応体を加熱するのに用いられ且つ、タービン排気流動中に存在する廃熱の少なくとも一部が、連続的に回収される。この熱交換機構を用いることで、システムが失う熱量が減少し、従って全システム効率が向上する。
【０１３４】
電気化学変換器システム２７８は、高温及び高圧で運転される。電気化学変換器は、引用して本明細書に援用する米国特許第４，８５３，１００号に示され且つ記載された種類のものと同様に、交互組合せ型熱交換器を含みうる燃料電池システムであることが好ましい。
【０１３５】
図示した電気化学変換器システム２７８は、選択した動作温度で動作する燃料電池（図１及び５乃至７に示したように）、及びオプションの熱制御積層体を含むことができる。好適な一実施形態によれば、この燃料電池は、動作温度が約１０００℃の固体酸化物燃料電池であり、従って、およそこの程度の温度の排気を発生する。小型タービンユニットのようなある種のガスタービンには、温度が１０００℃未満（例えば、８００℃と９００℃との間）の入力流体が必要である。この流体温度要件は、電気化学変換器システム２７８が排出する高温排気を、ガスタービンアッセンブリ２８６の入力温度要件に適合する温度レベルに調節しなければならないことを意味する。本発明は、この電気化学変換器システムの排気温度を選択した度合いで制御することで、この温度要求すなわち不適合性問題に対処する。
【０１３６】
本発明の分野で知られているように、従来のガスタービンは、一定の最高温度までの投入作動流体に耐えうる。ガスタービンアッセンブリ２５８は低温で動作可能だが、このタービンの出力もそれに従って低くなる。従って、ガスタービン２５８の投入最高温度要件が、約８００℃と約９００℃との間であれば、電気化学変換器システムの高温排気は、このガスタービンの動作要件に適合するように、少なくともこの温度水準まで下げる必要がある。これに従えば、変換器システム２７８から排出される排気の温度は、この要求範囲より高くなる。従って、このシステムは、タービンエキスパンダに導入する前に、必要な量の熱を散逸させなければならない。一実施態様によれば、流体導管は、対流、伝導、又は放射によって、排気から必要な熱量を散逸するように寸法及び大きさを定めてある。流体導管２８２は、任意の所望の方法で大きさ及び寸法を設定してよく、又、直線状、湾曲状、ヘビ状、及びその他の適切な様態で構成すればよい。この流体導管内の排気と、周囲又はその他環境との熱交換の量を調節することで、得られる排気流体を所望の温度に調整できる。一実施態様によれば、この排気温度は、ユーザが選択した又は予め記憶した温度条件に従って、最高タービン温度に、或いはそれより低温に調節又は制御できる。
【０１３７】
図示したシステム２６０は、１００ｋＷ未満のものような比較的小型の動力システムにとりわけ有用であって、この場合は、このシステムの表面積対体積比は高く、熱損失が、システムの熱収支で支配的要素となる。
【０１３８】
図示したハイブリッド動力システム２６０の大きな利点の１つは、高効率の小型電気化学変換器をガスタービンアッセンブリと統合したことで、効率の高いシステムから電力が得られることである。電気化学変換器システム２７８をこうしてガスタービンアッセンブリ２８６に統合することで、７０％を超える全出力効率を備えたハイブリッド動力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で得られた効率に比べて著しく増加したものである。
【０１３９】
図１５は、図１及び１２乃至１４のハイブリッド動力システムの代替実施形態を示す。図示したハイブリッド動力システム２９０は、ガスタービンアッセンブリ１９３の出力を制御する。この実施形態の記載は、上述のハイブリッド動力システム７０、２００、２３０、及び２６０に、少なくとも幾つかの点で類似したものである。システム２９０は、空気２９２を、空気源から任意適切な流体導管を介してコンプレッサ２９４に導入し、この空気は、そこで圧縮、加圧、及び加熱された後、排出される。この加熱及び加圧した空気は、流体導管３００を介して熱交換器３０２に導入でき、そこで、電気化学変換器システム３２０が発生した廃熱で加熱される。次に、この加熱空気は、ガスタービンアッセンブリ３０６のタービンエキスパンダ２９６に導入されるが、ここで、この空気はエキスパンダ駆動気体として作用する。
【０１４０】
燃料３１０は、オプションで熱交換器３１４を通過させた後、電気化学変換器システム３２０に導入できる。又、燃料は、熱交換器内でシステム排気により予熱される。同様に、空気３１２は、交換器３１４を通過させ、更に、電気化学変換器システム３２０に導入できる。加熱された空気３１２及び燃料３１０は、電気化学変換器システムへの投入反応体として作用する。電気化学変換器システム３２０に導入される空気及び燃料の量は、流体調節装置３１０及び３１２により、入力端部で調節できる。流体調節装置３１０及び３１２は、電気化学変換器システムに導入される反応体の量を調節することで、このシステムの出力を制御し、従ってシステム２９０の出力も制御する。電気化学変換器システム３２０は、図１の電気化学変換器システム７２と同じものでよい。
【０１４１】
電気化学変換器システム３２０は、燃料及び酸化剤反応体を処理して、ある動作モードでは、電気と高温排気に付随する廃熱とを発生する。電気化学変換器システム３２０が発生する排気は、オプションでタービン排気と結合させてシステム排気とし、これを、入ってくる燃料及び空気反応体を予熱するために、導管３０８を介して熱交換器３１４に送ることができる。システム３２０の排気は、熱交換器に直接結合してもよいし、ガスタービン又はシステム排気と混合してもよい。一実施態様によれば、タービンの排気及び電気化学変換器システムの排気は、熱交換器３１４に別々に接続して、入ってくる反応体を予熱してもよい。システム排気に付随する廃熱は、この空気及び燃料を、電気化学変換器システム３２０に導入する前に予熱する役割を果たす。好適には、入ってくる投入体と、出て行く排気との間で顕熱交換が行われ、これら気体間での対流熱交換が最適化されるか、所定量の熱が復熱される。例えば、こうしなければシステム外に伝達されてしまう排気に付随した廃熱が、入ってくる反応体気体により吸収される。この結果、反応体を加熱するのに用いられ且つ、排気流動中に存在する廃熱の少なくとも一部が、連続的に回収される。この熱交換機構を用いることで、システムが失う熱量が減少し、従って全システム効率が向上する。
【０１４２】
電気化学変換器システム３２０は、熱交換器３０２まで熱を、放射（図示した）、伝導、及び対流の何れかによって運ぶ。導管３００を通過する圧縮空気は、交換器３０２を通過し、更に、電気化学変換器システム３２０が発生した廃熱によって加熱される。熱交換器３０２を通過し且つタービンエキスパンダ２９６に導入される空気の量は、流体調節要素３０４によって調節される。流体調節要素３０４により、この加熱空気の一部又は全部をタービン２９６に導入するか、流体導管３０８に送ることができる。こうすることで、コントローラ３２６は、タービンに導入される駆動気体（例えば、加熱空気）の量を調節でき、従って、ガスタービンアッセンブリ２９６の出力を制御できる。
【０１４３】
タービンエキスパンダ２９６は、電気化学変換器システム３２０が発生した排気を断熱的に膨張させ、且つこの熱エネルギーを回転エネルギーへと変換すると、その後、これは発電機２９８へ送られる。発電機２９８は、商用及び住宅用の電気を発生する。この構成では、電気化学変換器システム３２０は、ガスタービンアッセンブリ３０６の燃焼器として機能し、このガスタービンは、電気化学変換器システム３２０のボトミングサイクルプラントとして機能する。更に、電気化学変換器システム３２０は、高温及び高圧で運転される。一方、圧縮空気を加熱する熱交換器３０２は、一般的に高圧で運転する構成要素である。次に、この圧縮及び加熱された空気は、ガスタービンアッセンブリ３０６の駆動気体として利用される。従って、図示したシステム２９０は、圧縮空気を、周囲圧力サブシステムからの廃熱を利用して、ガスタービンアッセンブリ３０６に適した温度まで加熱する低圧サブシステムを用いる。異質の圧力サブシステム間のこの相互運転（原語：ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｔｉｏｎ）を、システム構成に用いることができ、従って、この相互運転が、システム２９０全体の設計構成及び許容度を緩和させる。
【０１４４】
通常の技能を備えた当業者であれば、熱交換器３０２内で交換される廃熱の量が、システム動作及び効率全体に影響することは理解するはずである。システム２９０は、駆動気体の入力温度を調節することで、ガスタービンアッセンブリ３０６の出力を調節又は調整する。更に、流体調節装置３１０及び３１２は、電気化学変換器システム３２０に導入される反応体の量を調節し、従って燃料電池の出力を制御する。
【０１４５】
図１６は、図１及び１２乃至１５のハイブリッド動力システムの代替実施形態を示す。図示したハイブリッド動力システム３３０は、ガスタービンアッセンブリ３４０の出力及び電気化学変換器システム３５８の出力を制御する。この実施形態の記載は、上述のハイブリッド動力システム７０、２００、２３０、２６０、及び２９０に幾つかの点で類似したものである。図示したハイブリッドシステム３３０は、空気３３２を、空気源から任意適切な流体導管を介してコンプレッサ３３４に導入し、この空気は、そこで圧縮、加圧、及び加熱された後、排出される。この加熱及び加圧した空気は、流体導管３４４を介して熱交換器３５５に導入でき、そこで、電気化学変換器システム３５８が発生した廃熱で加熱される。次に、この加熱空気は、ガスタービンアッセンブリ３４０のタービンエキスパンダ３３６に導入されるが、この空気はここではエキスパンダ駆動気体として作用する。
【０１４６】
燃料３４６は、オプションで熱交換器３５０を通過させた後、電気化学変換器システム３５８に導入できる。又、燃料は、熱交換器においてシステムの排気により予熱される。加熱された空気及び燃料は、電気化学変換器システムへの投入反応体として作用する。変換器システム３５８は、上述の電気化学変換器システムと同じものでよい。
【０１４７】
電気化学変換器システム３５８は、燃料及び酸化剤反応体を処理して、ある動作モードでは、電気と高温排気に付随する廃熱とを発生する。電気化学変換器システム３５８が発生する排気は、流体導管３６０によって、ガスタービンエキスパンダ３３６に結合されるが、オプションでは直接結合できる。タービンエキスパンダ３３６は、電気化学変換器システム３５８が発生した排気を断熱的に膨張させ、且つこの熱エネルギーを回転エネルギーへと変換すると、その後、これは発電機３３８へ送り込まれる。発電機３３８は、商用及び住宅用の電気を発生する。
【０１４８】
導管３４４を通過する圧縮空気は、熱交換器３５０を直接通過するか、或いは、この熱交換器を選択的に迂回して、流体調節要素３５４が、これを熱交換器３５０を出る空気と混合することも可能である。流体調節装置３５４は、熱交換器３５０を出る加熱空気と混合する圧縮空気の量を選択的に調節する。同様に、流体調節要素３５６は、電気化学変換器システム３５８に入る加熱且つ圧縮された空気の量を選択的に調節する。一実施態様によれば、流体調節要素３５４は、圧力容器内に収容された熱制御積層体に導入される空気の量を調節する。次に、流体調節要素３５６は、これも圧力容器内に取り付け可能な燃料電池に導入される空気の量を調節可能である。流体調節要素３５６と３５４を組み合わせると、電気化学変換器システム３５８の出力及び／又は温度を調節できる。
【０１４９】
更に、ガスタービンアッセンブリ３４０は加熱排気を発生し、この排気は、後に利用するため、流体マニホルド３４２によって捕捉し、導管で送ることができる。一実施態様によれば、タービン排気は、熱交換器３５０を通過する。タービン排気に付随する廃熱は、この燃料及び／又は空気を、電気化学変換器システム３５８に導入される前に予熱する役割を果たす。図示したハイブリッド動力システム３３０は、熱交換器３５０を通過する加熱したタービン排気の量を調節するための流体調節要素３５２を含むことができる。熱交換器３５０を通過する排気の量を調節することで、流体調節要素３５２は、投入反応体の温度を調節し、従って、電気化学変換器システム３５８の熱状態を調節する。
【０１５０】
通常の技能を備えた当業者であれば、コントローラを用いて、ハイブリッド動力システム３３０の１つ又は複数の構成要素を調節できることは容易に理解するはずである。
【０１５１】
図１７は、図１及び１２乃至１４のハイブリッド動力システムの代替実施形態を示す。図示したハイブリッド動力システム３７０では、１つ又は複数の流体調節装置を用いて、ガスタービンアッセンブリ３８０の出力を制御する。この実施形態の記載は、上述のハイブリッド動力システムに幾つかの点で類似したものである。システム３７０は、空気３７２を、空気源から任意適切な流体導管を介してコンプレッサ３７４に導入し、この空気は、そこで圧縮、加圧、及び加熱された後、排出される。加熱及び加圧した空気は、流体導管３８２によって、レキュペレータのような熱交換器３９０に導入でき、後に詳述するように、この空気は、ガスタービンアッセンブリ３８０から排出された排気によって予熱される。
【０１５２】
燃料３８６は、オプションで熱交換器３９０を通過させた後、電気化学変換器システム３９６に導入できる。又、燃料は、熱交換器でガスタービン排気により予熱される。加熱された空気及び燃料は、投入反応体として作用し、適切なマニホルドを介して電気化学変換器に導入される。電気化学変換器システム３９６は、上述の電気化学変換器システムと類似又は同じものでよい。電気化学変換器システム３９６は、燃料及び酸化剤反応体を処理して、ある動作モードでは、電気と高温排気に付随する廃熱とを発生する。電気化学変換器システム３９６が発生した排気は、適切な流体導管すなわちマニホルド３９９によって、ガスタービンエキスパンダ３７６に結合される。タービンエキスパンダ３７６は、電気化学変換器システムが発生した排気を断熱的に膨張させ、且つこの熱エネルギーを回転エネルギーへと変換すると、その後、これは発電機３７８へ送り込まれる。発電機３７８は、商用及び住宅用の電気を発生する。この構成では、電気化学変換器システム３９６は、ガスタービンアッセンブリ３８０の燃焼器として機能し、このガスタービンは、ボトミングサイクルプラントとして機能する。
【０１５３】
更に、ガスタービンアッセンブリ３８０は高温排気を発生し、この排気は後に使用するため、流体マニホルド４０６によって捕捉し、導管で送ることができる。一実施態様では、このタービン排気は、熱交換器３９０を通過させる。燃料及び加熱空気も、熱交換器３９０を通過させる。タービン排気に付随する廃熱は、この空気及び燃料を、電気化学変換器システム３９６に導入する前に予熱する役割を果たす。好適には、入ってくる投入体と、出て行く排気との間で顕熱交換が行われ、これら気体間での対流熱交換が最適化されるか、所定量の熱が復熱される。例えば、こうしなければシステム外に伝達されてしまう排気に付随した廃熱が、入ってくる反応体気体により吸収される。この結果、反応体を加熱するのに用いられ且つ、排気流動中に存在する廃熱の少なくとも一部が、連続的に回収される。この熱交換機構を用いることで、システムが失う熱量が減少し、従って全システム効率が向上する。
【０１５４】
図示した電気化学変換器システム３９６は、選択した動作温度で動作する燃料電池（図１及び５乃至７に示したように）及び、オプションの熱制御積層体（図８乃至１１に示したように）を含むことができる。好適な一実施形態によれば、この燃料電池は、動作温度が約１０００℃の固体酸化物燃料電池であり、従って、およそこの程度の温度の排気を発生する。小型タービンユニットのようなある種のガスタービンには、１０００℃未満で通常約９００℃の入力流体が必要である。この流体温度要件は、電気化学変換器システム３９６が排出する高温排気を、ガスタービンアッセンブリ３８０の入力温度要件に適合する温度レベルに調節しなければならないことを意味する。本発明は、この変換器システムの排気温度を選択した度合いで制御するのに適した多数の方法を提供することで、この温度の不適合性問題に対処する。
【０１５５】
図１７を再び参照すると、ハイブリッド動力システム３７０は、ガスタービンアッセンブリ３８０に導入されそれを出る排気温度を調節するだけでなく、電気化学変換器システム３９６に導入される燃料の量を調節するための、複数の流体調節装置及び１つのコントローラ４１０を更に含んでいる。図示したハイブリッド動力システム３７０は、コンプレッサ流体導管３８２と電気化学変換器システムの排気流体導管３９９との間に結合された第１流体調節装置３８４を含む。この流体調節装置３８４は、コンプレッサ３７４から排出されるコンプレッサ空気の一部を、ガスタービンエキスパンダ３７６に導入する前に、電気化学変換器システム３９６の更に加熱された排気に直接混合、或いは混ぜ合わせることを可能としている。
【０１５６】
本発明の分野で知られているように、従来のガスタービンは、一定の最高温度までの投入作動流体に耐えうる。ガスタービンアッセンブリ３８０は低温で動作可能だが、このタービンの出力もそれに従って低くなる。従って、ガスタービンの投入最高温度要件が９００℃であれば、電気化学変換器システムの高温排気は、このガスタービンの動作要件に適合するように、少なくともこの温度水準まで或いはそれ以下に下げればよい。これに従えば、コンプレッサ３７４から排出される空気の温度は、電気化学変換器システム３９６の排気温度より典型的には低くなる。バイパス弁３８４はコントローラ４１０が制御して、一部又は全部の空気がバイパス導管３８５を通過でき、電気化学変換器システム３９６の高温排気と混合し、この排気を冷却することができる。排気と混合する空気の量を調節することで、得られる排気流体を所望の温度に調整できる。一実施態様によれば、この排気温度は、ユーザが選択した又は予め記憶した温度条件に従って、最高タービン温度に或いはそれより低温に調節される。上述の例では、電気化学変換器システム３９６の高温排気は、約９００℃或いはそれ以下に冷却できる。
【０１５７】
図示したハイブリッド動力システム３７０は、電気化学変換器システム３９６に導入される燃料の量を調節する燃料調整用の流体調節装置３８８も含む。流体調節装置３８８は、任意適切な通信リンクを介してコントローラ４１０とフィードバック通信する。更に、コントローラ４１０及び流体調節装置３８８は、電気化学変換器システム３９６に導入される燃料の量を調節し、従ってその出力を制御する。
【０１５８】
図示した電気化学変換器システム３７０は、電気化学変換器システム３９６とタービンエキスパンダ３７６との間に、タービンに導入する前に排気及び／又は圧縮空気を更に加熱するためのオプションの燃焼器３９８を設けてもよい。燃焼器３９８は、タービンエキスパンダ３７６の駆動気体の温度に対する制御性を更に高める。
【０１５９】
導管３８２を通過する圧縮空気は、流体調節要素３９２により、熱交換器３９０を出る空気と選択的に混ぜ合わせることができる。流体調節装置３９２は、熱交換器３９０を出る加熱空気と混合する圧縮空気の量を選択的に調節する。同様に、流体調節要素３９４は、電気化学変換器システム３９６に入る加熱し、圧縮した空気の量を選択的に調節する。一実施態様によれば、流体調節要素３９２は、電気化学変換器システム３９６の熱制御積層体に導入される空気の量を調節する。次に、流体調節要素３９４は、電気化学変換器システム３９６の燃料電池構成要素に導入される空気の量を調節可能である。流体調節要素３９２と３９４を組み合わせると、電気化学変換器システム３５８の温度及び／又は出力を調節でき、従ってシステム３７０全体の温度及び／又は出力も調節する。
【０１６０】
電気化学変換器システム３９６の排気は、ガスタービンアッセンブリ３８０のタービンエキスパンダ３７６に直接結合できるが、これ以外の方法としては、エキスパンダを迂回させて、タービン排気と混合させてもよい。流体調節要素４０４は、導管４０２内を流れるタービン排気と混合する、バイパス導管４００内の電気化学変換器システム３９６の排気の量を調節する。従って、流体調節装置４０４は、導入される駆動気体の量を選択的に調節することで、ガスタービンの出力を制御する。
【０１６１】
図１８は、本発明のハイブリッド動力システムと共に用いるのに適したガスタービンアッセンブリ４５０を示す。図示したガスタービンアッセンブリ４５０は、吸気口４５４が形成された外部ハウジング４５２を含む。この吸気口は、ガスタービンアッセンブリ４５０により使用される酸化剤反応体（一例としては空気）を受け取るよう適合されている。吸気口４５４を通過する空気は、これを圧縮するコンプレッサ４５６に導入される。圧縮された空気は、コンプレッサ４５６を出ると、外部チャンバ４６０の中間部分４５８を通過する。通常の技能を備えた当業者であれば、外部チャンバ４６０は、図１２のレキュペレータ８８と類似した熱交換器として機能し、後にガスタービンアッセンブリ４５０が利用できるように、被圧縮体を予熱することは容易に理解するはずである。外部チャンバ４６０は、このガスタービンアッセンブリの外側部分又は領域に設けられた、外部ハウジング４５２の隔壁部分により形成されている。ガスタービンの外部ハウジング４５２には、ガスタービンアッセンブリ４５０の動作時に、１つ又は複数の内部流体を移送又は運搬するよう適合されたドームキャップ４６２が含まれる。
【０１６２】
圧縮空気は、外部チャンバ４６０を通過し、外部ハウジング４５２のドームキャップ部分４６２を貫通する貫通流体導管４６４に接続される。貫通導管４６４は、外部熱源（上述の電気化学変換器システムなど）と一端で流体連通し、他端では外部チャンバ４６０と連通している。
貫通流体導管４６４は、外部環状チャンバ４６０を出る加熱した圧縮空気を、外部熱源まで運ぶ。コネクタ又はアダプタ４６６を用いて、貫通流体導管４６４を、ガスタービンアッセンブリ４５０の内側部分に接続できる。図示したコネクタ４６６は、ダクト又は導管を、ガスタービンアッセンブリ４５０の１つ又は複数の内部構成要素に接続できるものなら、任意適切な機械的連結器でよい。一実施形態によれば、コネクタ４６６は、流体導管４６４の、ガスタービンアッセンブリ４５０への結合及びアッセンブリ４５０に対する軸方向への選択的な移動を許容するベローズでよい。しかし、本発明では、動作温度又は膨張係数が異なる複数構成要素に起因する熱応力を軽減するための、これ以外のコネクタも考慮されている。
【０１６３】
この圧縮空気は、外部熱源により加熱され、更に、戻り流体導管４６８を介してガスタービンアッセンブリに戻される。戻り流体導管４６８は、コネクタ４７２によって中間チャンバ４７０に結合されている。外部熱源からの排気は、中間チャンバ４７０を通過して、タービンエキスパンダ４７４に導入される。タービンエキスパンダが排気を断熱的に膨張させると、この排気は、内部チャンバ４７６を通過する。内部チャンバ４７６を通過するタービン排気は、ドームキャップ４６２によって外部チャンバ４６０に集められ、この排気は、そこで圧縮空気と熱交換して、この空気が流体導管４６４を介して外部熱源に導入される前に、これを予熱する。次に、タービン排気は、排出口４７８を介してガスタービンアッセンブリ４５０から放出又は排出される。
【０１６４】
通常の技能を備えた当業者であれば、ガスタービンアッセンブリ４５０と共に流体調節構造体を用いて、ガスタービンアッセンブリ４５０の１つ又は複数のパラメータを選択的に制御できることは容易に理解するはずである。一例として、熱源の排気を、内部環状チャンバ４７６を通過するガスタービン排気と選択的に混合又は混ぜ合わせるために、戻り流体導管４６８に開口部を設けることができる。同様に、開口部をドームキャップ４６２に形成して、タービン排気を周囲環境に排出させてもよい。
【０１６５】
通常の技能を備えた当業者であれば、図示したタービンアッセンブリ４５０が、軸４８０のような他の従来の構成要素を含みうることは容易に理解するはずである。ガスタービンアッセンブリ４５０の上述の例は、一例に過ぎず、通常の技能を備えた当業者であれば、これ以外の構成であっても、本発明の範囲から逸脱することなく利用できることは容易に理解できるはずである。具体的には、本発明は、後に外部熱源に送るために上記圧縮空気を抽出し、且つこの熱源の排気をガスタービンアッセンブリに送出可能な１つ又は複数の貫通流体導管を設けることも考慮する。又、通常の技能を備えた当業者であれば、任意に選択した数の貫通流体導管を、軸方向に対称なパターンなどの任意特定の構成で用いて、このガスタービンアッセンブリからの流体を抽出したり、流体をガスタービンアッセンブリに送出できることも理解するはずである。
【０１６６】
通常の技能を備えた当業者であれば、燃料電池の温度、及び１つ又は複数のシステム構成要素、サブシステム、又はアッセンブリの出力を制御しつつ、上述の幾つかの異なるなシステム構成に加えて、様々なシステム流体流動構成及び流体調節要素構成を用いることができることも理解するはずである。
【０１６７】
従って、本発明は、これまでの記載から明らかな目的に含まれる、既に記載した目的を効果的に達成することが分かるはずである。上記の構成に対して幾つかの変更例が、本発明の範囲を逸脱することなく可能であるから、この説明に含まれ、又添付の図面に示された全ては、例示的なものとして解釈されるべきであり、限定的な意味で解釈されるべきではない。
【０１６８】
更に、以下の特許請求の範囲は、ここに説明された本発明の全ての一般的、具体的特徴を網羅するものであり、また本発明の範囲に関する全ての言明をも網羅する。
【０１６９】
本発明を説明してきたが、新規なものと主張し特許証による確保を望むものは以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
本発明の上記及びその他の目的、特徴、及び利点は、次の詳細な説明及び添付の図面から明らかとなるはずである。また、図面の中の類似した参照記号は、これら複数図面を通して同一部材を示す。これら図面は、本発明の原理を表すもので、縮尺は一定ではないが、相対的寸法を示す。
【図１】
本発明の教示に従った、複数の流体調節要素を用いてシステム動作パラメータを調節するハイブリッド動力システムの一実施形態の略ブロック図である。
【図２】
図１のハイブリッド動力システムの結合動力効率を示したグラフである。
【図３】
図１のハイブリッド動力システムで使用可能な多軸形ガスタービン動力システムの概略図である。
【図４】
本発明の教示に従った、図１のハイブリッド動力システムの電気化学変換器を封入した圧力容器の、一部を切り欠いた平面図である。
【図５】
本発明によるハイブリッド動力システムの電気化学変換器システムでの使用に適した電気化学変換器アッセンブリのセル単位の一実施形態の斜視図である。
【図６】
本発明による電気化学変換器のセル単位の代替実施形態の斜視図である。
【図７】
図５のセル単位の断面図である。
【図８】
本発明の教示に従った、燃料電池温度を調節するための多孔性構造体を用いた、図１の熱制御積層体の一実施形態の断面図である。
【図９】
本発明の教示に従った、燃料電池温度を調節するためのプレート式構造体を用いた、図１の熱制御積層体の別の実施形態の断面図である。
【図１０】
本発明の教示に従った、図１の電気化学変換器システムの熱制御積層体の更に別の実施形態の断面図である。
【図１１】
図１０の実施形態の側断面図である。
【図１２】
本発明の教示に従った、電気化学変換器システムの排気がタービンエキスパンダに入る前に、その排気温度を調節するための、図１のハイブリッド動力システムの代替実施形態を示す略ブロック図である。
【図１３】
本発明の教示に従った、電気化学変換器システムの排気温度を調節するための、図１及び１２のハイブリッド動力システムの代替実施形態を示す略ブロック図である。
【図１４】
本発明の教示に従った、電気化学変換器システムの排気温度を調節するための、図１、１２，及び１３のハイブリッド動力システムの代替実施形態を示す略ブロック図である。
【図１５】
本発明の教示に従った、ガスタービンアッセンブリのコンプレッサの排気がタービンエキスパンダに入る前に、その排気温度を調節するための、ハイブリッド動力システムの代替実施形態を示す略ブロック図である。
【図１６】
本発明の教示に従った、入力反応体の流動と電気化学変換器システムの温度とを調節するための、ハイブリッド動力システムの代替実施形態を示す略ブロック図である。
【図１７】
本発明の教示に従った、電気化学変換器システムの入力反応体の温度と、タービンエキスパンダに導入される排気温度とを独立して調節するための、ハイブリッド動力システムの代替実施形態を示す略ブロック図である。
【図１８】
本発明のハイブリッド動力システムと共に使用するのに適した、外部熱源と連通するために外部ハウジングを貫通する流体導管を用いたガスタービンアッセンブリの概略図である。
【図１９】
本発明の教示に従って、電気化学変換器システムに組み込まれる、熱制御積層体及び燃料電池の様々な配列を代表的に示した概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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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）】
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【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】
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