JPH0318627A - 電気的エネルギ発生装置 - Google Patents

電気的エネルギ発生装置

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JPH0318627A
JPH0318627A JP2137291A JP13729190A JPH0318627A JP H0318627 A JPH0318627 A JP H0318627A JP 2137291 A JP2137291 A JP 2137291A JP 13729190 A JP13729190 A JP 13729190A JP H0318627 A JPH0318627 A JP H0318627A
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fuel
compressor
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ルドルフ ヘンドリクス
Hendrik J Ankersmit
ヘンドリック ジャン アンカースミット
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は電気的エネルギを発生する方法および装置に関
する, 〈従来の技術および発明が解決しようとする課題〉 産業界において高効率でさらに環境汚染を最小として電
気的エネルギを発生せしめる装置が要望されている.例
えば内燃機関またはガスタービンつきの各種の装置が提
案されているが、これらの効率は約35%であり,有害
排出物、特に排気ガス中のNOガスが問題となっている
.本発明は上述2つの問題、効率と有害排出物とについ
て著しい改良を達成する方法および装置を得ることを目
的とする. く課題を解決するための手段〉 本発明は各種実施例によって公知のガス状媒体、例えば
空気を使用して電気的エネルギを発生する方法に基づい
ており、ガス状媒体は開放回路内を始めに少くとも1つ
の圧縮機ユニットを、更にガスタービンを通過せしめら
れて炎管ガス熱交換器を経由して排出せしめられる.本
発明によれば圧縮状態のガス状媒体は炎管ガス熱交換器
を経由することによって少くとも1回その温度を上昇せ
しめられ,その後に圧縮機ユニットに連結された1つ以
上のタービンを通過せしめられてエネルギが解放され、
回路内のガス流は還元剤としての燃料と共に燃料電池内
を酸化剤として通過し、ガスタービン内での機械的エネ
ルギの発生に先立ってまたは発生後に燃料電池内に電気
的エネルギを発生せしめる. 本発明は下記の改良を含む. 圧縮機タービンには従来と相違してガスタービンまたは
別の燃焼装置の排気ガスが供給されるものでなく,主と
して圧縮空気を炎管ガス熱交換器によって温度を上昇せ
しめて使用する.上述圧縮機タービンから比較的低い圧
力と温度で排出されるガス状媒体は燃料電池内の燃焼ガ
ス(酸化剤)として還元剤(天然ガス等)と共に使用さ
れる. ガス状媒体(酸化剤)の圧力を還元剤の圧力と同様に燃
料電池の入口で低くする、これは装置に柔軟性をあたえ
る. く作・ 用〉 本発明によれば高い電気的効率が達成され、従来に対比
して理論的カルノーサイクルへの良好な近似が達成され
る.第2に、この熱回路はカルノーサイクルによって限
定されるが、この限定のない電気化学系を含んでおり、
これによって効率を少くとも55〜70%とすることを
可能とし、温度も1000℃程度となされる.更に,本
発明の方法によれば所謂消費された燃料(還元剤)内に
利用可能の熱量値があって例えば燃焼器内で利用可能で
ある.さらに,燃焼器を通過後にガスタービンに入る空
気とガスとの混合物は環境的に不適当ではない.詳細に
は炎管ガス内に著しく少量の有毒NOx(50g r/
GJ)が存在することがある.燃料電池内における触媒
的変換は有毒生成物を発生せず、従って本発明の方法は
実質的に環境汚染がない。さらに,効率が従来の動力装
置の35%から本発明により55〜70%に増加するこ
とは環境汚染の減少に効果的である。従来技術に対比し
て同一量の電気的エネルギを発生するための燃料の使用
量が約1/2である.これによって対応的にCOtの量
が減少する.燃料電池の使用は電気的エネルギの発生と
高温ガスの生或との2つの効果を有する. 本発明は上述方法を達成する、すなわちガス流を使用し
て電気的エネルギを発生する装置に関しており、少くと
も1つのタービンに連結された圧縮機ユニットを含む複
数の機械的素子と、その下流に炎管ガス熱交換器を有す
る出力軸を具えた少くとも1つのガスタービン(動力タ
ービン)とを含んでいる.本発明によるこの装置は機械
的素子の相互連結がガス流の開放回路を与え,その圧力
は最初に圧縮機ユニットで増大し、温度が炎管ガス熱交
換器で上昇し、その後にガス流はバーナ室を経由して圧
縮機タービンを通り,最終的にいくらかの過圧力でガス
タービンに流れるが、このとき、該ガスタービンを始め
に上流にまたはその後に下流に流れるとき回路内に設け
た燃料電池を流れる酸化剤として作用する. 本発明による燃料電池は同一空気量について効率の付加
的な増大とバーナ室における燃料消費量のいくらかの減
少を生ずる.これは電池の廃熱がバーナ室の熱量の増大
となることによる.高温の燃料電池(例えば固体酸化物
燃料電池SOFCなどの場合の1000℃程度)の場合
にはガスタービンのバーナ室は実質的に不要である.燃
料電池からの直流はそのまま使用してもよく,交流に変
換して使用してもよい.この直流をガスタービンの電気
的発電機に供給してもよい. 上述本発明の装置は公知のタービン素子を含みこれらは
工業的に既に充分開発されているから,組立が容易であ
り、CO8汚染の量が公知の装置、例えば内燃機関.ボ
イラ蒸気タービン装置、ガスタービン装置などに対比し
て約1/2となる.また、NOX排出量も50%以上減
少する。従来の熱および動力装It(全エネルギ的装置
)において達或することができなかったものである。
燃料電池として2つの形式が本発明に好適である。1つ
は溶融カーボネート燃料電池MCFCで作動温度は約6
50℃である.第2のものは燐酸燃料電池PAFCで作
動温度は約200℃である.固体酸化物燃料電池SOF
Cも使用可能であり、その作動温度は約1000℃であ
る。これらはそれぞれ(1〉リーバフスキ等(H.A.
Liebhafsky and E.J.Caines
)の著書( Fuel calls and fuel
 batterias,1i1ey & Son, N
ew York(1968), Chap.12, p
p524−554(2)アップルパイ等(^.J.Ap
pleby and F.R.Foulks)の著書(
 Fuel Call Handbook, Van 
Nost−rand Reinholt, New W
ork 1989)および(3)@気化学協会誌(Su
pramanian Srinivassen:Jou
rnalof Electrochemical So
ciety, 136(2), February19
89, pages 41c−48c)に記載されてい
る。
開放回路内における燃料電池の位置は望ましくは圧縮機
タービン(CT)と動力タービン(P T)との間とす
るが、さらに下流としてもよく、ガスタービンの下流と
してもよい.これは添付図面に破線で示され後述する.
圧縮機タービンより上流,さらに回路の前方としてもよ
い。
米国特許第4,678,723号明細書には燐酸燃料電
池とガス状混合物を圧縮機ユニットを麿動するタービン
に送る自動温度リフォーマとの組合わせを示し,燃料電
池は水滴で冷却され、噴射される水雲が出力を増大せし
める.圧縮されたガス状混合物の温度を上昇させるため
の排気ガス熱交換器を具えたガスタービンは設けられて
いない.く実 施 例〉 本発明を添付図面と表とを参照して詳述する.第1図な
いし第5図に示す実施例おいて1はガス状媒体,例えば
空気供給を示す.空気は圧縮機ユニット2で始まる開放
回路に導入され、圧縮機ユニット2は低圧圧縮機Cユと
高圧圧縮機C2とこれらを連結する配管3とを含む。配
管3には中間冷却器としての熱交換器■が設けられてい
る。
圧縮機ユニット2は圧縮機タービン4で鄭動され、ター
ビン4は両圧縮機にについて単一のタービンCTである
.両圧縮機を別個のタービンで廓動してもよい。
この開放回路に炎管ガス熱交換器■があって配管5を介
して、電気的エネルギを発生するガスタービン6(動力
タービンPT)に連結される.高圧圧縮機C2は配管7
によって熱交換器■に連結され、そこで加熱されたガス
状媒体1は第1図、第2図、第4図に示す実施例におい
て配管8を経由して圧縮機タービン4に流れる.タービ
ン4からガス状媒体は温度を低下せしめられ配管9を経
て燃料電池10に流れ、該電池の陰極Caに酸化剤とし
て供給される.ガス状媒体は温度をいくらか上昇せしめ
られ、配管11を経て燃焼器12に流れる.なお、燃焼
器12には消費済み燃料の供給配管13も設けられてい
るが、これは後述する.ガスタービン6は電気的発電機
14を疑動する.別法として燃料電池10をガスタービ
ン6の下流としたものが破線で示される.燃料電池をこ
の位置とすると 圧力制御が容易である. 熱交換器■を省略することができる. 第1図ないし第4図の実施例において燃料電池10は溶
融カーボネート燃料電池MCFCであり,この電気的効
率は約55%で、陽極Anには燃料供給15が設けられ
、燃料は水素豊富ガス等の還元剤である.天然ガスを直
接に燃料として使用してもよい.燃料電池10の出力は
端子16に直流として生ずる. 図面には他に3つの熱交換器■、■、■が示される.熱
交換器■は熱交換器Iの排気配管17の最終部分にあっ
て開放回路の端部l8に存在する熱を利用する.第1図
において熱交換器■は3路弁19によって接、断可能と
なされる.弁の一方位置においてガス流は圧縮機タービ
ン4から直接に配管9を経由して燃料電池10に流れる
.弁の他方位置においてガス流またはその一部は熱交換
器■を通り、ガス流は加熱または冷却される.これはあ
る場合に必要である。また、熱交換器■は配管15を通
って供給される燃料を加熱する.FCMC燃料電池を使
用する場合、陰極Caへの供給は充分な量のCO2を有
する空気とする.この場合、装置内におけるCO2の再
循環が容易な解決法である.これは選択的分離技術、例
えば薄膜30を配管5,17または18に設けることに
よって達成される.配管18内で熱交換器■の後で水の
分離後に水蒸気を再循環せしめることによって不活性ガ
スの含有率が増加する.第1図ないし第4図において分
岐配管18′が示され、その制御弁23と熱交換器■と
が再循環系統を概略的に示す.燃料の形式が相違すると
付加的な配管は不要であり、第5図、第6図に示す。遠
心圧縮機24は燃料の噴霧化に使用される. 第2図においてガスタービン6への配管11の分岐11
′に補助バーナ20が設けられ、燃料電池10の陽極か
らの配管13からの前述消費済み燃料によってガス状媒
体を付加的に加熱する.この消費済み燃料は例えば15
%のH2と、CO2と、H.Oと、Ntとを含み、実質
的な加熱能力を有している.さらに、この消費済み燃料
は実質的な温度を有している.このガスは燃焼器12内
または補助バーナ20内(第2図〜第4図)で使用可能
であり,燃料準備部に戻してもよい.配管15内には清
浄化装置21が通常設けられる.燃焼器12内には配管
13からの消費済み燃料による過剰なH2が存在してい
る.付加的な空気が配管22を経由して第1の圧縮機C
1から供給され、完全燃焼を達成する.別法として燃料
の一部を使用して配管15を経由する燃料の状態を例え
ば蒸気リフォーム法によって改善することができる。C
O2の一部は直接陽極に再循環されるから導管18′を
通る流体流は著しく減少せしめられる.第3図は熱力学
的に改善したものを示し,補助バーナ20は配管8内に
おいて高圧力レベル例えば8 8 5 kPa(8 .
 8 5バール)となされ、空気を圧縮機タービン4の
上流で850℃とする.この結果該タービンの下流で例
えば620℃となり、MCFC燃料電池に適当なものと
なる。同時に圧力も例えば2 9 0 kPa(2. 
9 3バール)に減少する。
消費済み燃料の一部を高圧力レベルに移送するために圧
縮機24′がガス温度を677℃から低下せしめて30
℃とする冷却器28を伴って設けられる. 第4図に示す装置において燃料電池10は回路の高圧部
(約900kPa)に設けられている。燃料電池の陽極
Anからの消費済み燃料の一部は配管13を経て配管8
′内の補助バーナ20に送られ、配管8′には燃料電池
の陰極Caからの酸化剤が流れている, 第5図の実施例において燃料電池10はPAFC電池で
作動温度は200℃である。電池は圧縮機タービン4か
らの配管9内で回路の低圧部分に設けられる.タービン
の出口温度,例えば470℃は冷却器■によって200
℃に低下せしめる.実際には両冷却器V、■は一体とな
される,  PAFCすなわち燐酸燃料電池は内部リフ
ォームに適していないから配管工5を通る燃料は水素が
豊富なガスである。第6図において燃料電池10は低圧
圧縮機Cエの下流かつ付加的なバーナ29の下流にあっ
て、温度は137℃から200℃までバーナ29によっ
て上昇せしめられる。
燃料電池としてMCFCまたはPAFCでな< SOF
Cすなわち固体酸化物電池も使用可能である。アルカリ
燃料電池AFCまたはポリマー燃料電池SPFCまたは
SPEFCも使用可能であり、圧縮機および中間冷却器
に近い比較的低温の区域または回復器Iの下流の比較的
低温の排気配管17、18内に設けてもよい.これらの
燃料電池も前述文献に記載されている. 図示実施例において1つまたは複数の遠心圧縮機24が
示され、回路の一部の圧力を上昇せしめまたは燃料をパ
ーナ室12に噴射せしめる.これらの遠心圧縮機は省略
することもできる。
始動時にはモータ25をクラッチ26によって圧縮機ユ
ニット2に連結する.圧縮機を作動速度の約20%の速
度とする.図示しない点火プラグによって燃焼器12内
の図示しないバーナノズル?点火する。配管27を経て
燃料が供給される。
発電機Gは同期して運転せしめられ、タービン6の温度
が上昇する。
本発明の装置は熱および動力発生装置(全エネルギ装置
)の一部を形成するものであって、配管18からのガス
を温室に送ってCO■同化作用を利用してもよい。
第1図の装置における各部の仮想的なデータを表1に示
す。
以下余白 要素 媒体(空気) 圧縮機C1 熱交換器■ 圧縮機C2 熱交換器 I 圧縮機タービン 熱交換器■ MCFC 燃焼器12 動力タービン 熱交換器 ■ 表 1 温度、℃ 15 15−135 135〜25 25〜155 155〜700 700〜470 470−620 620〜670 670〜950 950〜750 750〜250 圧力kPa  (質量流) 100    20.000 kg/h100〜300 300 300〜900 900 900〜250(動力発生) 250 250     3.750 kV 250 250〜100  1.250 k(I1100 合計5,000 kW 効率 57%
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例として示す装置の概略系
統図、第2図は第2の実施例の概略系統図,第3図は第
3の実施例の概略系統図、第4図は第4の実施例の概略
系統図、第5図は第5の実施例の概略系統図,第6図は
第5図の変形例の部分概略系統図である. 2:圧縮機ユニット  4:圧縮機タービン6:ガスタ
ービン  10:燃料電池  12:燃焼器  ■〜■
:熱交換器 C,:低圧圧縮機C2:高圧圧縮機

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、ガス状媒体が始めに少くとも1つの圧縮機ユニット
    を、さらにガスタービンを通過し、炎管ガス熱交換器を
    経由して排出される開放回路を通過することによって電
    気的エネルギを発生せしめる方法にして、圧縮された状
    態のガス状媒体をその後に圧縮機ユニットに連結された
    1つ以上のタービンを通過せしめるためにその温度を上
    昇せしめるために炎管ガス熱交換器を通過せしめ、エネ
    ルギを解放せしめられたガス流は回路内において酸化剤
    として燃料電池を通過し、還元剤としての燃料と共に、
    ガスタービン内での機械的エネルギの発生に先立ってま
    たは発生後に電気的エネルギを燃料電池内に発生せしめ
    ることを特徴とする前記方法。 2、請求項1に記載の方法にして、効率を最適とするた
    めにガス温度調節のためガス流を回路内において1つ以
    上の付加的な熱交換器を通過せしめることを特徴とする
    前記方法。3、請求項1または請求項2に記載の方法に
    して、ガス流のガス状媒体が空気であり、天然ガスが供
    給される蒸気リフォーマからのガス等の水素が豊富なガ
    スを燃料として燃料電池に供給することを特徴とする前
    記方法。 4、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の方
    法にして、燃料電池内に発生する直流がガスタービンに
    連結されえた発電機に供給されることを特徴とする前記
    方法。 5、請求項1ないし請求項4いずれか1項に記載の方法
    を実施するための装置、すなわち、少くとも1つのター
    ビンに連結された圧縮機ユニットを含み更に出力軸を具
    えた少くとも1つのガスタービン(動力タービン)とそ
    の後の炎管ガス熱交換器を含む複数の機械的素子を使用
    するガス流によって電気的エネルギを発生せしめる装置
    にして、前記機械的素子の相互連結は、ガス流の開放回
    路を形成し、その圧力は始めに圧縮機ユニット(2)内
    で増加せしめられ、つぎにその温度が炎管ガス熱交換器
    (1)内で増加せしめられ、ガス流は場合によって燃焼
    室を経由してその後に圧縮機タービン(4)を通過し、
    最終的にいくらか過大圧力でガスタービン(6)方向に
    流れ、このときガス流は該ガスタービンを始めに上流に
    または次に下流に、回路内に設けられた燃料電池(10
    )を酸化剤として通過するようになされていることを特
    徴とする前記装置。 6、請求項5に記載の装置にして、ガスタービンが単一
    流求心型であることを特徴とする前記装置。 7、請求項5または請求項6に記載の装置にして、燃料
    電池がMCSC(溶融カーボネート燃料電池)であるこ
    とを特徴とする前記装置。 8、請求項7に記載の装置にして、前記燃料電池(10
    )の陽極が天然ガス供給源(14)に連結されているこ
    とを特徴とする前記装置。 9、請求項5または請求項6に記載の装置にして、燃料
    電池がPAFC(燐酸燃料電池)であることを特徴とす
    る前記装置。 10、請求項5ないし請求項9のいずれか1項に記載の
    装置にして、付加的なバーナ(12)または燃焼器(2
    0)が燃料電池(10)の陽極の出口ライン(13)に
    連結されて回路内に存在する消費すみ燃料を受取ること
    を特徴とする前記装置。
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