JP2014502020A - 固体酸化物形燃料電池システム及び固体酸化物形燃料電池システム運用方法 - Google Patents
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Abstract
固体酸化物形燃料電池システム（１０）は、固体酸化物形燃料電池スタック（１２）及び電気化学素子（１４）を備える。固体酸化物形燃料電池スタック（１２）は、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）を有し、また、各固体酸化物形燃料電池（１６）は、電解質（１８）、アノード（２０）及びカソード（２２）を有する。酸化剤供給源（２４）は、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のカソード（２２）に酸化剤を供給するようにされ、また、燃料供給源（２６）は少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のアノード（２０）に燃料を供給するようにされる。電気化学素子（１４）は、電解質（３４）、アノード（３６）及びカソード（３８）を有する。少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のアノード（２０）から、電気化学素子（１４）のアノード（３６）に未使用の燃料の一部を供給する手段（２８、５０、５２）、及び少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のアノード（２０）から、電気化学素子（１４）のカソード（３８）に未使用の燃料の一部を供給する手段（３２、５０、５８）がある。使用に際し、電気化学素子（１４）は、電気化学素子（１４）のカソード（３８）において未使用の燃料から酸素を取り除くようにされ、さらに、電気化学素子（１４）は、電解質（３４）を通して電気化学素子（１４）のカソード（３８）における未使用の燃料から、電気化学素子（１４）のアノード（３６）における未使用の燃料に酸素を移送するようにされる。電気化学素子（１４）は、電気化学素子（１４）のアノード（３４）における未使用の燃料を酸化させるようにされる。また、電気化学素子（１４）のカソード（３８）から少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のアノード（２０）に酸素の減少した未使用の燃料の一部を供給する手段（３２、６０、６２、６８）がある。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本発明は、高温燃料電池システム、特に固体酸化物形燃料電池システムに関するものである。
既知の固体酸化物形燃料電池システムにおいては、固体酸化物形燃料電池のアノードから出る排ガスの第一の部分は、新規の燃料を処理するための蒸気を供給するために、固体酸化物形燃料電池のアノードに供給される新規の燃料を伴い、固体酸化物形燃料電池のアノードに戻して再使用される。さらに、固体酸化物形燃料電池のアノードから出る排ガスの第二の部分は、燃焼器に供給され、この燃焼器で燃やされる。燃焼した排ガスは、固体酸化物形燃料電池で電気化学反応が生じるのに適した温度となるように、反応物及び固体酸化物形燃料電池を加熱するのに使用される。
しかしながら、燃焼器で燃やされる燃料の量は、電気化学反応のために反応物と固体酸化物形燃料電池を適温まで加熱するのに必要とされるものより多く、全体的な変換効率を減少させる。固体酸化物形燃料電池における燃料の完全な電気化学的変換は、低効率で行われるであろう。固体酸化物形燃料電池の排気の際に酸化性の雰囲気が生成されることは、固体酸化物形燃料電池システムの設計上の問題を生じさせると共に、例えば、耐酸化性の材料を要するといった、固体酸化物形燃料電池システムの材料選択における問題を生じさせるであろう。
従って、本発明は、上記の問題を軽減し、望ましくは克服するため、新たな固体酸化物形燃料電池システムを提供しようとするものである。
しかしながら、燃焼器で燃やされる燃料の量は、電気化学反応のために反応物と固体酸化物形燃料電池を適温まで加熱するのに必要とされるものより多く、全体的な変換効率を減少させる。固体酸化物形燃料電池における燃料の完全な電気化学的変換は、低効率で行われるであろう。固体酸化物形燃料電池の排気の際に酸化性の雰囲気が生成されることは、固体酸化物形燃料電池システムの設計上の問題を生じさせると共に、例えば、耐酸化性の材料を要するといった、固体酸化物形燃料電池システムの材料選択における問題を生じさせるであろう。
従って、本発明は、上記の問題を軽減し、望ましくは克服するため、新たな固体酸化物形燃料電池システムを提供しようとするものである。
かくして、本発明は、固体酸化物形燃料電池システムを提供するものであり、この固体酸化物形燃料電池システムは、
固体酸化物形燃料電池スタック及び電気化学素子を備え、前記固体酸化物形燃料電池スタックは、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池を有し、各固体酸化物形燃料電池は、電解質、アノード及びカソードを有し、
少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードに酸化剤を供給するようになされる酸化剤供給源と、
少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードに燃料を供給するようになされる燃料供給源とを備え、
前記電気化学素子は、電解質、アノード及びカソードを有し、
前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードから電気化学素子のカソードに未使用の燃料の一部を供給する手段と、
前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードから未使用の燃料の一部を前記電気化学素子のアノードに供給する手段とを備え、
それによって前記電気化学素子は、この電気化学素子のカソードにおける未使用の燃料から酸素を取り除くようになされ、また前記電気化学素子は、この電気化学素子のカソードにおける未使用の燃料から、この電気化学素子のアノードにおける未使用の燃料まで、電解質を通して酸素を移送するようになされており、
さらに、酸素の減少した未使用の燃料の一部を、前記電気化学素子のカソードから前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードに供給する手段を、
備えるものである。
固体酸化物形燃料電池スタック及び電気化学素子を備え、前記固体酸化物形燃料電池スタックは、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池を有し、各固体酸化物形燃料電池は、電解質、アノード及びカソードを有し、
少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードに酸化剤を供給するようになされる酸化剤供給源と、
少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードに燃料を供給するようになされる燃料供給源とを備え、
前記電気化学素子は、電解質、アノード及びカソードを有し、
前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードから電気化学素子のカソードに未使用の燃料の一部を供給する手段と、
前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードから未使用の燃料の一部を前記電気化学素子のアノードに供給する手段とを備え、
それによって前記電気化学素子は、この電気化学素子のカソードにおける未使用の燃料から酸素を取り除くようになされ、また前記電気化学素子は、この電気化学素子のカソードにおける未使用の燃料から、この電気化学素子のアノードにおける未使用の燃料まで、電解質を通して酸素を移送するようになされており、
さらに、酸素の減少した未使用の燃料の一部を、前記電気化学素子のカソードから前記少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードに供給する手段を、
備えるものである。
電気化学素子のアノードにおける未使用の燃料及び酸素の一部を燃焼器に供給する手段が存在し得る。
少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードからの未使用の燃料の一部を燃焼器に供給する手段があり、電気化学素子は、電解質を通して、電気化学素子のカソードにおける未使用の燃料から、電気化学素子のアノードに酸素を移送するようになされ、また、電気化学素子のアノードにおける未使用の燃料及び酸素の一部を燃焼器に供給する手段が存在し得る。
前記固体酸化物形燃料電池システムは、ガスタービン機関を備え得る。このガスタービン機関は圧縮機と、圧縮機を駆動するようになされたタービンを備える。この圧縮機は、酸化剤の少なくとも一部を、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードに供給するようになされる。
電気化学素子のカソードから、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードに、酸素の減少した未使用燃料の一部を供給する手段は、電気化学素子のカソードからの酸素の減少した未使用燃料の一部と、燃料供給源によって供給される燃料とを混合する手段を備え得る。
電気化学素子のカソードからの、酸素の減少した未使用燃料の一部を、燃料供給源によって供給される燃料と混合する手段は、燃料エゼクタを備え得る。
前記固体酸化物形燃料電池システムは、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードからの未使用の酸化剤の一部を、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードに戻して供給する手段を備え得る。
少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードからの未使用の酸化剤の一部を、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードに戻して供給する手段は、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードからの未使用の酸化剤の一部を酸化剤供給源によって供給される酸化剤と混合する手段を備え得る。
少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードからの未使用の酸化剤の一部を、酸化剤供給源によって供給される酸化剤と混合する手段は、酸化剤エゼクタを備え得る。
前記固体酸化物形燃料電池システムは、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードからの未使用の酸化剤の一部を、燃焼器に供給する手段を備え得る。
前記固体酸化物形燃料電池システムは、燃焼器からガスタービン機関のタービンに排ガスを供給する手段を備え得る。
燃焼器からガスタービン機関のタービンに排ガスを供給する手段は、熱交換器を備え得る。
少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードからの未使用の酸化剤の一部を、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードに戻して供給する手段は、熱交換器を含む。
前記固体酸化物形燃料電池スタックは、電気化学素子に電気を供給するようになされ得る。
前記ガスタービン機関のタービンは、発電機を駆動するようになされ得る。
前記発電機は、電気化学素子に電気を供給するようになされ得る。
本発明は、さらなる固体酸化物形燃料電池システムを提供するものであり、固体酸化物形燃料電池システムは、
固体酸化物形燃料電池スタック及び電気化学素子を備え、前記固体酸化物形燃料電池スタックは、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池を有し、各固体酸化物形燃料電池は、電解質、アノード及びカソードを有し、
酸化剤を少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードに供給するようになされる酸化剤供給源と、
燃料を少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードに供給するようになされる燃料供給源と、
少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードからの未使用の燃料の一部を燃焼器に供給する手段と、
少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードからの未使用の燃料の一部を、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードに戻して供給する手段とを備え、
前記電気化学素子は、電解質、アノード及びカソードを有し、未使用の燃料の一部を燃焼器に供給する前記手段は、前記電気化学素子のアノードに未使用の燃料を供給するようになされ、また、未使用の燃料の一部を少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードに戻して供給する前記手段は、前記電気化学素子のカソードに未使用の燃料を供給するようになされ、それによって前記電気化学素子は、電気化学素子のカソードで未使用の燃料から酸素を取り除くようになされており、前記電気化学素子は、電解質を通じて、電気化学素子のカソードにおける未使用の燃料から、電気化学素子のアノードにおける未使用の燃料に酸素を移送するようになされ、また、前記電気化学素子は、電気化学素子のアノードで未使用の燃料を酸化させるようになされている。
固体酸化物形燃料電池スタック及び電気化学素子を備え、前記固体酸化物形燃料電池スタックは、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池を有し、各固体酸化物形燃料電池は、電解質、アノード及びカソードを有し、
酸化剤を少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードに供給するようになされる酸化剤供給源と、
燃料を少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードに供給するようになされる燃料供給源と、
少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードからの未使用の燃料の一部を燃焼器に供給する手段と、
少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードからの未使用の燃料の一部を、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードに戻して供給する手段とを備え、
前記電気化学素子は、電解質、アノード及びカソードを有し、未使用の燃料の一部を燃焼器に供給する前記手段は、前記電気化学素子のアノードに未使用の燃料を供給するようになされ、また、未使用の燃料の一部を少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードに戻して供給する前記手段は、前記電気化学素子のカソードに未使用の燃料を供給するようになされ、それによって前記電気化学素子は、電気化学素子のカソードで未使用の燃料から酸素を取り除くようになされており、前記電気化学素子は、電解質を通じて、電気化学素子のカソードにおける未使用の燃料から、電気化学素子のアノードにおける未使用の燃料に酸素を移送するようになされ、また、前記電気化学素子は、電気化学素子のアノードで未使用の燃料を酸化させるようになされている。
さらに、本発明は、固体酸化物形燃料電池システムの運用方法を提供するものであり、前記固体酸化物形燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池スタック及び電気化学素子を備え、前記固体酸化物形燃料電池スタックは、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池を有し、各固体酸化物形燃料電池は、電解質、アノード及びカソードを有し、前記電気化学素子は、電解質、アノード及びカソードを有しており、前記方法は、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードに酸化剤を供給すること、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードに燃料を供給すること、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードから電気化学素子のカソードに未使用の燃料の一部を供給すること、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードから電気化学素子のアノードに未使用の燃料の一部を供給すること、電気化学素子のカソードにおける未使用の燃料から酸素を取り除くこと、電気化学素子のカソードにおける未使用の燃料から、電解質を通じて、電気化学素子のアノードにおける未使用の燃料に酸素を移送すること、及び、電気化学素子のカソードから少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードに、酸素の減少した未使用の燃料を供給すること、を含む。
前記方法は、電気化学素子のアノードにおける未使用の燃料及び酸素の一部を燃焼器に供給することを含み得る。
前記方法は、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードからの未使用の燃料の一部を燃焼器に供給すること、電解質を通じて電気化学素子のカソードにおける未使用の燃料から電気化学素子のアノードに酸素を移送すること、及び電気化学素子のアノードにおける未使用の燃料及び酸素の一部を燃焼器に供給することを含み得る。
前記固体酸化物形燃料電池システムは、ガスタービン機関を備え得る。このガスタービン機関は圧縮機と、圧縮機を駆動するようになされたタービンを備える。前記方法は、圧縮機を介して、酸化剤の少なくとも一部を、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードに供給することを含む。
前記方法は、電気化学素子のカソードからの酸素の減少した未使用の燃料の一部と、燃料供給源によって供給された燃料とを混合することを含み得る。
前記方法は、電気化学素子のカソードからの酸素の減少した未使用の燃料の一部と、燃料エゼクタを使用して燃料供給源によって供給された燃料を混合することを含み得る。
前記方法は、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードから、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードに未使用の酸化剤の一部を戻して供給することを含み得る。
前記方法は、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードからの未使用の酸化剤の一部を、酸化剤供給源によって供給された酸化剤と混合することを含み得る。
前記方法は、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードからの未使用の酸化剤の一部を、酸化剤エゼクタを使用して酸化剤供給源によって供給される酸化剤と混合することを含み得る。
前記方法は、電気化学素子のアノードからの未使用の燃料の一部を、燃焼器に供給することを含み得る。
前記方法は、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードからの未使用の酸化剤の一部を、燃焼器に供給することを含み得る。
前記方法は、燃焼器から、ガスタービン機関のタービンに排ガスを供給することを含み得る。
前記方法は、電気化学素子に電気を供給することを含み得る。
前記方法は、ガスタービン機関のタービンを使用して、発電機を駆動することを含み得る。
前記方法は、発電機から電気化学素子に電気を供給することを含み得る。
さらに本発明は、固体酸化物形燃料電池システムの運用方法を提供するものであり、前記固体酸化物形燃料電池システムは、固体酸化物形燃料電池スタック及び電気化学素子を備え、前記固体酸化物形燃料電池スタックは、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池を有し、前記各固体酸化物形燃料電池は、電解質、アノード及びカソードを有し、前記電気化学素子は、電解質、アノード及びカソードを有する。この方法は、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のカソードに酸化剤を供給すること、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードに燃料を供給すること、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードからの未使用の燃料の一部を燃焼器に供給すること、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードから、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードに未使用の燃料の一部を戻して供給すること、電気化学素子のアノードを介して未使用の燃料の一部を燃焼器に供給すること、電気化学素子のカソードを介して少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池のアノードに未使用の燃料の一部を戻して供給すること、電気化学素子のカソードにおける未使用の燃料から酸素を除去すること、電気化学素子のカソードにおける未使用の燃料から、電解質を通して電気化学素子のアノードにおける未使用の燃料に酸素を移送すること、及び、電気化学素子のアノードにおける未使用の燃料を酸化すること、を含むものである。
本発明は、以下の添付図面に沿った例を通して、より詳細に記述され得る。
図１は、本発明による第一の固体酸化物形燃料電池システムの概略図である。
図２は、本発明による第二の固体酸化物形燃料電池システムの概略図である。
図３は、本発明による第三の固体酸化物形燃料電池システムの概略図である。
図４は、本発明による第四の固体酸化物形燃料電池システムの概略図である。
固体酸化物形燃料電池システム１０は、図１に示されるように、固体酸化物形燃料電池スタック１２及び電気化学素子１４を備える。固体酸化物形燃料電池スタック１０は、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池１６、好ましくは複数の固体酸化物形燃料電池１６を有し、そして個々の固体酸化物形燃料電池１６は、電解質１８、アノード２０及びカソード２２を有する。
酸化剤供給源２４は、各固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２に酸化剤を供給するようになされる。また、燃料供給源２６は、各固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０に燃料を供給するようになされる。
各固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から燃焼器３０への、未使用燃料の一部の供給手段２８が存在し、また、各固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から各固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０に未使用の燃料の一部を戻す供給手段３２が存在する。
電気化学素子１４は、電解質３４、アノード３６及びカソード３８を備える。
前記固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から燃焼器３０への未使用燃料の一部の供給手段２８は、電気化学素子１４のアノード３６に未使用燃料を供給するようになされており、また、前記固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０に未使用の燃料の一部を戻す供給手段３２は、電気化学素子１４のカソード３８に未使用の燃料の一部を供給するようになされる。
電気化学素子１４は、電気化学素子１４のカソード３８における未使用燃料から酸素を除去するようになされる。電気化学素子１４は、電解質３４を通じて、電気化学素子１４のカソード３８における未使用燃料から、電気化学素子１４のアノード３６の未使用燃料に、酸素を移送するようになされ、また、電気化学素子１４は、電気化学素子１４のアノード３６における未使用の燃料を酸化するのに、電解質３４を通じ移送された酸素を使用するようになされる。電気化学素子１４は、電気化学素子１４のカソード３８における未使用の燃料から酸素を取り除くために電気を供給される。
酸化剤供給源２４は、各固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２に酸化剤を供給するようになされる。また、燃料供給源２６は、各固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０に燃料を供給するようになされる。
各固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から燃焼器３０への、未使用燃料の一部の供給手段２８が存在し、また、各固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から各固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０に未使用の燃料の一部を戻す供給手段３２が存在する。
電気化学素子１４は、電解質３４、アノード３６及びカソード３８を備える。
前記固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から燃焼器３０への未使用燃料の一部の供給手段２８は、電気化学素子１４のアノード３６に未使用燃料を供給するようになされており、また、前記固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０に未使用の燃料の一部を戻す供給手段３２は、電気化学素子１４のカソード３８に未使用の燃料の一部を供給するようになされる。
電気化学素子１４は、電気化学素子１４のカソード３８における未使用燃料から酸素を除去するようになされる。電気化学素子１４は、電解質３４を通じて、電気化学素子１４のカソード３８における未使用燃料から、電気化学素子１４のアノード３６の未使用燃料に、酸素を移送するようになされ、また、電気化学素子１４は、電気化学素子１４のアノード３６における未使用の燃料を酸化するのに、電解質３４を通じ移送された酸素を使用するようになされる。電気化学素子１４は、電気化学素子１４のカソード３８における未使用の燃料から酸素を取り除くために電気を供給される。
前記固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から燃焼器３０への未使用燃料の一部の供給手段２８は、アノード２０からダクト５０及びダクト５２を介して電気化学素子１４のアノード３６に、未使用燃料を供給するようになされる。
ダクト５６は、固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０からの未使用燃料と、電気化学素子１４のカソード３８にある固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０からの未使用燃料から移送された、追加の酸素とを、電気化学素子１４のアノード３６から燃焼器３０に運ぶ。
前記固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０に未使用燃料の一部を戻す供給手段３２は、アノード２０からダクト５０及びダクト５８を介して、電気化学素子１４のカソード３８に未使用燃料を供給するようになされる。
ダクト６０は、固体酸化物形燃料電池１６のアノードからの未使用燃料で、電気化学素子１４によって酸素を取り除かれたものを、電気化学素子１４のカソード３８から燃料エゼクタ６２の第二の入口６４に運ぶ。燃料は、燃料供給源２６から燃料エゼクタ６２の第一の入口６６に供給される。燃料エゼクタ６２の出口は、新規の燃料及び固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０からの未使用の燃料の一部を、ダクト６８及び改質器６９を介して固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０に供給するようになされる。改質器６９は燃料を改質するようになされる。
ダクト５６は、固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０からの未使用燃料と、電気化学素子１４のカソード３８にある固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０からの未使用燃料から移送された、追加の酸素とを、電気化学素子１４のアノード３６から燃焼器３０に運ぶ。
前記固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０に未使用燃料の一部を戻す供給手段３２は、アノード２０からダクト５０及びダクト５８を介して、電気化学素子１４のカソード３８に未使用燃料を供給するようになされる。
ダクト６０は、固体酸化物形燃料電池１６のアノードからの未使用燃料で、電気化学素子１４によって酸素を取り除かれたものを、電気化学素子１４のカソード３８から燃料エゼクタ６２の第二の入口６４に運ぶ。燃料は、燃料供給源２６から燃料エゼクタ６２の第一の入口６６に供給される。燃料エゼクタ６２の出口は、新規の燃料及び固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０からの未使用の燃料の一部を、ダクト６８及び改質器６９を介して固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０に供給するようになされる。改質器６９は燃料を改質するようになされる。
固体酸化物形燃料電池システム１０は、ガスタービン機関４０を備える。ガスタービン機関４０は、圧縮機４２と、圧縮機４２を駆動するように配されたタービン４４を備える。圧縮機４２は、酸化剤の少なくとも一部を固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２に供給するようになされる。酸化剤供給源２４は、圧縮機４２を介して固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２に酸化剤を供給するようになされる。タービン４４は発電機４６を駆動するようになされ得る。
さらに、固体酸化物形燃料電池システム１０は、固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２から固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２に未使用の酸化剤の一部を戻す供給手段４８を備える。この固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２から固体酸化物形燃料電池１６のカソードに未使用の酸化剤の一部を戻す供給手段４８は、カソード２２からダクト７０及びダクト７４を介して、酸化剤エゼクタ７６の第二の入口７８に未使用の酸化剤を供給するようになされる。酸化剤は、酸化剤供給源２４からガスタービン機関４０の圧縮機４２及びダクト８２を介して、酸化剤エゼクタ７６の第一の入口８０に供給される。酸化剤エゼクタ７６の出口は、新規な酸化剤、及び固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２からの未使用の酸化剤の一部を、ダクト８４を介して固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２に供給するようになされる。
改質器６９は、未使用の酸化剤が改質器６９における改質反応のための熱を供給するように、ダクト７０でカソード２２からの未使用の酸化剤と熱交換の関係をなす配置とされる。
改質器６９は、未使用の酸化剤が改質器６９における改質反応のための熱を供給するように、ダクト７０でカソード２２からの未使用の酸化剤と熱交換の関係をなす配置とされる。
固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２からの未使用の酸化剤の一部は、固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２からダクト７０及びダクト７２を介して燃焼器３０に供給される。固体酸化物形燃料電池１６のアノード２２から燃焼器３０に供給される未使用の燃料の一部は、高温ガスを生成するために、固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２から供給される未使用の酸化剤の一部により燃焼し、生じた高温ガスは、圧縮機４２及び発電機４６を動かすために、ダクト８６を介してガスタービン機関４０のタービン４４に供給される。その後、高温ガスはタービン４４から排出ダクト８８を介して周囲雰囲気中に排出される。
電気化学素子１４は、固体酸化物形燃料電池スタック１２、発電機４６、あるいは別の適切な電源、例えば、バッテリーや電気的ネットワーク、により電気を供給され得る。
本発明は、固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０に戻して再使用される未使用燃料から酸素及び酸化剤を取り除き、固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０に戻して再使用される燃料の量あるいは割合を増加させ、その結果、燃料供給源２６によって固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０に供給される燃料の量あるいは割合を低減させるものである。これは、燃料供給源２６によって供給される燃料の高率の利用をもたらし、固体酸化物形燃料電池スタック１２の出口における可燃性燃料の実質的な分圧を維持し、その結果、固体酸化物形燃料電池システム１０の全体的な効率が増加する。
燃料供給源２６は、水素の供給源となり得るものであり、その場合、燃料エゼクタ６２と固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０との間のダクト６８における、改質器６９は不要である。仮に、固体酸化物形燃料電池１６が、固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０における燃料を改質する場合、燃料エゼクタ６２と固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０との間のダクト６８における、改質器６９は不要である。燃料供給源２６は、合成ガスの供給源、又は炭化水素の改質により製造される同様のガス混合体の供給源であってもよい。前記合成ガスは、水素と一酸化炭素の混合物であり、メタンを含むこともある。
固体酸化物形燃料電池システム１１０は、図２に示されるように、固体酸化物形燃料電池スタック１２及び電気化学素子１４を備える。図２に示される固体酸化物形燃料電池システム１１０は、図１に示されるものと本質的に同じであり、同様の構成部分は同様の符号で示される。図２は熱交換器９０が備え付けられる点で図１と異なる。燃焼器３０とガスタービン機関４０のタービン４４との間のダクト８６は、熱交換器９０の第一の流路又は流路群９２を経由して延長され、また、酸化剤エゼクタ７６と固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２との間のダクト８４は、熱交換器９０の第二の流路又は流路群９４を経由して延長される。
熱交換器９０の第一及び第二の流路（群）９２、９４は、固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２へ供給される酸化剤を予熱するために、第一の流路（群）９２の高温ガスから、第二の流路（群）９４の酸化剤へ熱を移動させるようになされる。
熱交換器９０の第一及び第二の流路（群）９２、９４は、固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２へ供給される酸化剤を予熱するために、第一の流路（群）９２の高温ガスから、第二の流路（群）９４の酸化剤へ熱を移動させるようになされる。
固体酸化物形燃料電池システム２１０は、図３に示されるように、固体酸化物形燃料電池スタック１２及び電気化学素子１４を備える。図３に示される固体酸化物形燃料電池システム２１０は、図１に示されるものと本質的に同じであり、同様の構成部分は同様の符号で示される。図３は、固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から燃焼器３０への未使用燃料の一部の供給手段２８Ｃ、すなわち、アノード２０からダクト５０及びダクト５２を介して、未使用の燃料を電気化学素子１４のアノード３６に供給するようになされるもの、をさらに含む。
ダクト５６は、固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０からの未使用燃料と、電気化学素子１４のカソード３８にある固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０からの未使用燃料から移送された、追加の酸素とを、電気化学素子１４のアノード３６から燃焼器３０に運ぶ。
前記固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から固体酸化物形燃料電池１６のアノード１６に未使用の燃料の一部を戻す供給手段３２は、アノード２０からダクト５０及びダクト５８を介して、電気化学素子１４のカソード３８に未使用燃料を供給するようになされる。図３は、ダクト５２にある固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０からの未使用燃料の一部を、ダクト５７を介して燃焼器３０に直接供給するために、ダクト５２、５６を相互接続するダクト５７が備え付けられる点で異なる。
ダクト５６は、固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０からの未使用燃料と、電気化学素子１４のカソード３８にある固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０からの未使用燃料から移送された、追加の酸素とを、電気化学素子１４のアノード３６から燃焼器３０に運ぶ。
前記固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から固体酸化物形燃料電池１６のアノード１６に未使用の燃料の一部を戻す供給手段３２は、アノード２０からダクト５０及びダクト５８を介して、電気化学素子１４のカソード３８に未使用燃料を供給するようになされる。図３は、ダクト５２にある固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０からの未使用燃料の一部を、ダクト５７を介して燃焼器３０に直接供給するために、ダクト５２、５６を相互接続するダクト５７が備え付けられる点で異なる。
固体酸化物形燃料電池システム３１０は、図４に示されるように、固体酸化物形燃料電池スタック１２及び電気化学素子１４を備える。図４に示される固体酸化物形燃料電池システム３１０は、図１に示されるものと本質的に同じであり、同様の構成部分は同様の符号で示される。
図４は、固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から燃焼器３０への未使用燃料の一部の供給手段２８Ｆで、電気化学素子１４のアノード３６にその未使用燃料を供給するようになされるもの、及び、固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０に未使用燃料の一部を戻す供給手段３２Ｆで、電気化学素子１４のカソード３８にその未使用燃料の一部を供給するようになされるもの、を含む。
ダクト５６Ｆは、固体酸化物形燃料電池１６のアノード３６からの未使用燃料と、電気化学素子１４のカソード３８にある固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０からの未使用燃料から移送された、追加の酸素とを、電気化学素子１４のアノード３６から燃焼器３０に運ぶ。
ダクト１０６は、燃焼器３０からエゼクタ１００の第二の入口１０２に、高温の排ガスを供給する。また、エゼクタ１００は、燃焼器３０からの高温の排ガス、及び、電気化学素子１４のアノード３６からの酸素を、ダクト１０８及びダクト７２Ｅを介して、熱交換器９０を貫く第一の流路９２に供給する。
固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２からの未使用の酸化剤の一部は、固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２からダクト７０及びダクト７２Ｅを介して、熱交換器９０の第一の流路９２に供給される。固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２からの未使用の酸化剤の一部は、酸化剤エゼクタ７６の第二の入口７８に再び供給される。
熱交換器９０を貫く第一の流路９２を出る高温ガスの第一の部分は、ダクト１１２及びダクト１１４を介してガスタービン機関４０のタービン４４に、圧縮機４２及び発電機４６を駆動するために供給される。その後、高温ガスはタービン４４を出て、排出ダクト８８を介して周囲雰囲気中に排出される。熱交換器９０を貫く第一の流路９２を出る高温ガスの第二の部分は、ダクト１１２及びダクト１１６を介して燃焼器３０に供給される。ダクト１１８は、圧縮機４２によりダクト８２に供給される酸化剤の一部を、エゼクタ１００の第一の入口１０４に供給する。
図４は、固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から燃焼器３０への未使用燃料の一部の供給手段２８Ｆで、電気化学素子１４のアノード３６にその未使用燃料を供給するようになされるもの、及び、固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０から固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０に未使用燃料の一部を戻す供給手段３２Ｆで、電気化学素子１４のカソード３８にその未使用燃料の一部を供給するようになされるもの、を含む。
ダクト５６Ｆは、固体酸化物形燃料電池１６のアノード３６からの未使用燃料と、電気化学素子１４のカソード３８にある固体酸化物形燃料電池１６のアノード２０からの未使用燃料から移送された、追加の酸素とを、電気化学素子１４のアノード３６から燃焼器３０に運ぶ。
ダクト１０６は、燃焼器３０からエゼクタ１００の第二の入口１０２に、高温の排ガスを供給する。また、エゼクタ１００は、燃焼器３０からの高温の排ガス、及び、電気化学素子１４のアノード３６からの酸素を、ダクト１０８及びダクト７２Ｅを介して、熱交換器９０を貫く第一の流路９２に供給する。
固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２からの未使用の酸化剤の一部は、固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２からダクト７０及びダクト７２Ｅを介して、熱交換器９０の第一の流路９２に供給される。固体酸化物形燃料電池１６のカソード２２からの未使用の酸化剤の一部は、酸化剤エゼクタ７６の第二の入口７８に再び供給される。
熱交換器９０を貫く第一の流路９２を出る高温ガスの第一の部分は、ダクト１１２及びダクト１１４を介してガスタービン機関４０のタービン４４に、圧縮機４２及び発電機４６を駆動するために供給される。その後、高温ガスはタービン４４を出て、排出ダクト８８を介して周囲雰囲気中に排出される。熱交換器９０を貫く第一の流路９２を出る高温ガスの第二の部分は、ダクト１１２及びダクト１１６を介して燃焼器３０に供給される。ダクト１１８は、圧縮機４２によりダクト８２に供給される酸化剤の一部を、エゼクタ１００の第一の入口１０４に供給する。
Claims (23)
- 固体酸化物形燃料電池スタック（１２）を備え、
当該固体酸化物形燃料スタックは、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）を有し、各固体酸化物形燃料電池は、電解質（１８）、アノード（２０）、及びカソード（２２）を有し、
少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のカソード（２２）に酸化剤を供給するようになされる酸化剤供給源（２４）と、
少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のアノード（２０）に燃料を供給するようになされる燃料供給源（２６）とを備え、
電気化学素子（１４）により特徴付けられる固体酸化物形燃料電池システム（１０）であり、
前記電気化学素子（１４）は、電解質（３４）、アノード（３６）及びカソード（３８）を有し、
少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のアノード（２０）から電気化学素子（１４）のカソード（３８）に未使用の燃料の一部を供給する手段（３２、５０、５８）と、
少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のアノード（２０）から電気化学素子（１４）のアノード（３６）に未使用の燃料の一部を供給する手段（２８、５０、５２）とを備え、
それにより電気化学素子（１４）は、電気化学素子（１４）のカソード（３８）における未使用の燃料から酸素を取り除くようになされ、
前記電気化学素子（１４）は、電解質（３４）を通じて電気化学素子（１４）のカソード（３８）の未使用の燃料から電気化学素子（１４）のアノード（３６）における未使用の燃料に酸素を移送するようになされ、
そして、酸素の減少した未使用の燃料の一部を、電気化学素子（１４）のカソード（３８）から少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のアノード（２０）に供給する手段（３２、５０、６２、６８）を備える、
固体酸化物形燃料電池システム。 - 電気化学素子（１４）のアノード（３６）における、未使用の燃料及び酸素の一部を、燃焼器（３０）に供給する手段（２８、５６）を備える、
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 - 少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のアノード（２０）からの未使用の燃料の一部を燃焼器（３０）に供給する手段（２８）を備え、
前記電気化学素子（１４）が、電解質（３４）を通じて電気化学素子（１４）のカソード（３８）における未使用の燃料から電気化学素子（１４）のアノード（３６）に酸素を移送するようになされ、
また、電気化学素子（１４）のアノード（３６）における未使用の燃料及び酸素の前記一部を燃焼器（３０）に供給する手段（５６）を備える、
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 - ガスタービン機関（４０）を備え、
当該ガスタービン機関（４０）は、圧縮機（４２）及び圧縮機（４２）を駆動するためのタービン（４４）を有し、
前記圧縮機（４２）は、酸化剤の少なくとも一部を、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のカソード（２２）に供給するようになされる、
請求項１ないし３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。 - 少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のカソード（２２）から、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のカソード（２２）に、未使用の酸化剤の一部を戻して供給する手段（４８）を備える、
請求項１ないし４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。 - 少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のカソード（２２）から燃焼器（３０）に、未使用の酸化剤の一部を供給する手段（７０、７２）を備える、
請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 - 排ガスを燃焼器（３０）からガスタービン機関（４０）のタービン（４４）に供給する手段（８６）を備える、
請求項５又は６に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 - 排ガスを燃焼器（３０）からガスタービン機関（４０）のタービン（４４）に供給する手段として、熱交換器（９０）を備える、
請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 - 固体酸化物形燃料電池（１６）のカソード（２２）から、未使用の酸化剤の一部を、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のカソード（２２）に戻して供給する手段として、熱交換器（９０）を備える、
請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 - 前記固体酸化物形燃料電池スタック（１２）が、電気を電気化学素子（１４）に供給するようになされる、
請求項１ないし９のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。 - 前記ガスタービン機関（４０）のタービン（４４）が、発電機（４６）を駆動するようになされる、
請求項１ないし１０のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。 - 前記発電機（４６）が、電気を電気化学素子（１４）に供給するようになされている、
請求項１１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。 - 固体酸化物形燃料電池システム（１０）の運用方法であり、
前記固体酸化物形燃料電池システム（１０）は、固体酸化物形燃料電池スタック（１２）及び電気化学素子（１４）を備え、
前記固体酸化物形燃料電池スタック（１２）は少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）を有し、各固体酸化物形燃料電池（１６）は、電解質（１８）、アノード（２０）及びカソード（２２）を有し、
前記電気化学素子（１４）は、電解質（３４）、アノード（３６）及びカソード（３８）を有し、
前記方法は、
酸化剤を少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のカソード（２２）に供給すること、
燃料を、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のアノード（２０）に供給すること、
未使用の燃料の一部を、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のアノード（２０）から電気化学素子（１４）のカソード（３８）に供給すること、
未使用の燃料の一部を、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のアノード（２０）から電気化学素子（１４）のアノード（３６）に供給すること、
酸素を、電気化学素子（１４）のカソード（３８）における未使用の燃料から取り除くこと、
酸素を、電解質（３４）を通じて、電気化学素子（１４）のカソード（３８）における未使用の燃料から電気化学素子（１４）のアノード（３６）における未使用の燃料に移送すること、
及び、酸素の減少した未使用の燃料を、電気化学素子（１４）のカソード（３８）から、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のアノード（２０）に供給すること、を含むものである、
固体酸化物形燃料電池システム運用方法。 - 電気化学素子（１４）のアノード（３６）における未使用の燃料及び酸素の一部を、燃焼器（３０）に供給することを含む、
請求項１３に記載の固体酸化物形燃料電池システム運用方法。 - 未使用の燃料の一部を、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のアノード（２０）から燃焼器（３０）に供給すること、
酸素を、電解質（３４）を通じて、電気化学素子（１４）のカソード（３８）における未使用の燃料から、電気化学素子（１４）のアノード（３６）に移送すること、及び、
電気化学素子（１４）のアノード（３６）における未使用の燃料及び酸素の一部を、燃焼器（３０）に供給すること、を含む、
請求項１３に記載の固体酸化物形燃料電池システム運用方法。 - 前記固体酸化物形燃料電池システム（１０）が、ガスタービン機関（４０）を備え、
前記ガスタービン機関（４０）が、圧縮機（４２）、及び圧縮機（４２）を駆動するようになされたタービン（４４）を備えるものであり、
少なくとも酸化剤の一部を、圧縮機（４２）を介して、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のカソード（２２）に供給することを含む方法である、
請求項１３ないし１５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム運用方法。 - 少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のカソード（２２）から、未使用の酸化剤の一部を、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のカソード（２２）に戻して供給することを含む、
請求項１３ないし１６のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム運用方法。 - 未使用の燃料の一部を、電気化学素子（１４）のアノード（３６）から燃焼器（３０）に供給することを含む、
請求項１３ないし１７のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム運用方法。 - 未使用の酸化剤の一部を、少なくとも一つの固体酸化物形燃料電池（１６）のカソード（２２）から燃焼器（３０）に供給することを含む、
請求項１８に記載の固体酸化物形燃料電池システム運用方法。 - 燃焼器（３０）から排ガスをガスタービン機関（４０）のタービン（４４）に供給することを含む、
請求項１８又は請求項１９に記載の固体酸化物形燃料電池システム運用方法。 - 電気化学素子（１４）に電気を供給することを含む、
請求項１３ないし２０のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム運用方法。 - ガスタービン機関（４０）のタービン（４４）を使用して、発電機（４６）を駆動することを含む、
請求項１３ないし２１のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム運用方法。 - 発電機（４６）から電気化学素子（１４）に電気を供給することを含む、
請求項２２に記載の固体酸化物形燃料電池システム運用方法。
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