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公開番号2025017298
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-05
出願番号2024001271
出願日2024-01-09
発明の名称陰極と陽極の再循環に基づくSOFC/GT/SCO2ハイブリッドシステム
出願人江蘇科技大学,JIANGSU UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
代理人弁理士法人コスモス国際特許商標事務所
主分類H01M 8/04 20160101AFI20250129BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】本発明は、SOFCの恒温運転の実現を前提に、SOFC運転の廃熱を十分利用して発電し、システムの安全で効率的な運転を実現する。
【解決手段】SOFCの陽極の出口におけるガスの流れの一部が改質室に入って改質反応を行い、SOFCの陰極の出口におけるガスの流れの一部が超臨界SCO₂循環に熱量を提供した後にSOFCの陰極に戻り、SOFCの陽極の出口と陰極の出口におけるほかのガスの流れが後燃焼室に入り、排出されたガスは仕事を行って改質反応に必要な熱量を提供し、超臨界SCO₂循環サブシステムは、SOFCの陰極の出口におけるガスの流れの一部の熱量を利用して循環を形成して仕事を行う。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
水ポンプ、第１コンプレッサ、第２コンプレッサ、改質室、ＳＯＦＣ、後燃焼室、第２ターボ、第５熱交換器、第８熱交換器及び超臨界ＣＯ
２
循環サブシステムを含み、前記水ポンプは水を加圧し、前記第１コンプレッサは天然ガスを加圧し、前記加圧後の水と加圧後の天然ガスが加熱された後に改質室に入って改質反応が行われ、前記改質室の出口が前記ＳＯＦＣの陽極に接続されて、ＳＯＦＣに陽極ガスを提供し、空気が前記第２コンプレッサにより加圧された後に加熱されて、前記ＳＯＦＣの陰極に入ってＳＯＦＣに陰極ガスを提供し、前記ＳＯＦＣの陽極の出口の第１部分のガスの流れが前記後燃焼室に入り、前記ＳＯＦＣの陽極の出口の第２部分のガスの流れが前記改質室に戻り、前記ＳＯＦＣの陰極の出口の第１部分のガスの流れが前記後燃焼室に入り、前記ＳＯＦＣの陰極の出口の第２部分のガスの流れが前記第８熱交換器を通って前記ＳＯＦＣの陰極に戻り、前記後燃焼室から排出されたガスは、前記第２ターボによる仕事の後、前記第５熱交換器に入って、改質反応に必要な熱量を前記改質室に供給し、
前記超臨界ＣＯ
２
循環サブシステムは、第１ターボと第３コンプレッサを含み、前記第３コンプレッサにより加圧された二酸化炭素は、前記第１ターボによる膨張仕事が行われた二酸化炭素により加熱された後、また前記第８熱交換器に入り、前記ＳＯＦＣの陰極の出口における第２部分のガスの流れにより加熱された後に、前記第１ターボにさらに入って膨張仕事が行われることを特徴とする陰極と陽極の再循環に基づくＳＯＦＣ／ＧＴ／ＳＣＯ
２
ハイブリッドシステム。
続きを表示（約 1,900 文字）【請求項２】
第７熱交換器を含み、前記第３コンプレッサにより加圧された後の二酸化炭素は、前記第１ターボによる膨張仕事が行われた二酸化炭素により加熱された後の第１部分のガスの流れは、前記第８熱交換器に入って、前記ＳＯＦＣの陰極の出口における第２部分のガスの流れにより加熱され、前記第３コンプレッサにより加熱された二酸化炭素は、前記第１ターボによる膨張仕事が行われた二酸化炭素により加熱された後の第２部分のガスの流れは、前記第７熱交換器に入って、前記ＳＯＦＣの陽極の出口における第２部分のガスの流れにより加熱され、前記第７熱交換器と前記第８熱交換器により加熱された二酸化炭素は合流して前記第１ターボに入って膨張仕事を行うことを特徴とする請求項１に記載の陰極と陽極の再循環に基づくＳＯＦＣ／ＧＴ／ＳＣＯ
２
ハイブリッドシステム。
【請求項３】
前記超臨界ＣＯ
２
循環サブシステムは、第６熱交換器を含み、前記第３コンプレッサにより加圧された二酸化炭素と、前記第１ターボによる膨張仕事が行われた二酸化炭素とが前記第６熱交換器で熱交換を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の陰極と陽極の再循環に基づくＳＯＦＣ／ＧＴ／ＳＣＯ
２
ハイブリッドシステム。
【請求項４】
前記超臨界ＣＯ
２
循環サブシステムは冷却器を含み、前記冷却器は前記第６熱交換器と前記第３コンプレッサとの間に接続され、前記第１ターボによる膨張仕事が行われた二酸化炭素は、前記第６熱交換器により熱交換冷却が行われた後、前記冷却器により冷却されて前記第３コンプレッサに入ることを特徴とする請求項３に記載の陰極と陽極の再循環に基づくＳＯＦＣ／ＧＴ／ＳＣＯ
２
ハイブリッドシステム。
【請求項５】
前記第３コンプレッサは、多段圧縮段間冷却プロセスを採用することを特徴とする請求項１に記載の陰極と陽極の再循環に基づくＳＯＦＣ／ＧＴ／ＳＣＯ
２
ハイブリッドシステム。
【請求項６】
第１ミキサと第４熱交換器を含み、前記加圧後の水と加圧後の天然ガスは前記第１ミキサにより混合され、前記第１ミキサの出口が前記第４熱交換器の冷媒の入口に接続され、前記第４熱交換器の冷媒の出口が前記改質室に接続され、前記第５熱交換器の出口が前記第４熱交換器の熱媒の入口に接続されることを特徴とする請求項１に記載の陰極と陽極の再循環に基づくＳＯＦＣ／ＧＴ／ＳＣＯ
２
ハイブリッドシステム。
【請求項７】
第３熱交換器を含み、前記第２コンプレッサの出口が前記第３熱交換器の冷媒の入口に接続され、前記第４熱交換器の熱媒の出口が前記第３熱交換器の熱媒の入口に接続されることを特徴とする請求項６に記載の陰極と陽極の再循環に基づくＳＯＦＣ／ＧＴ／ＳＣＯ
２
ハイブリッドシステム。
【請求項８】
第２熱交換器を含み、前記第１コンプレッサの出口が前記第２熱交換器の冷媒の入口に接続され、前記第２熱交換器の冷媒の出口が前記第１ミキサに接続され、前記第３熱交換器の熱媒の出口が前記第２熱交換器の熱媒の入口に接続されることを特徴とする請求項７に記載の陰極と陽極の再循環に基づくＳＯＦＣ／ＧＴ／ＳＣＯ
２
ハイブリッドシステム。
【請求項９】
第１熱交換器を含み、前記水ポンプの出口が前記第１熱交換器の冷媒の入口に接続され、前記第１熱交換器の冷媒の出口が前記第１ミキサに接続され、前記第２熱交換器の熱媒の出口が前記第１熱交換器の熱媒の入口に接続されることを特徴とする請求項８に記載の陰極と陽極の再循環に基づくＳＯＦＣ／ＧＴ／ＳＣＯ
２
ハイブリッドシステム。
【請求項１０】
第２分流器と、第３分流器と、第３ミキサとを含み、前記第２分流器は、前記ＳＯＦＣの陽極の出口におけるガスの流れを第１部分と第２部分に分けることに用いられ、前記第３分流器は、前記ＳＯＦＣの陰極の出口のガスの流れを第１部分と第２部分に分けることに用いられ、前記第３ミキサは、加圧加熱後の空気と、前記第８熱交換器を通った前記ＳＯＦＣの陰極の出口におけるガスの流れの第２部分とを混合して前記ＳＯＦＣの陰極に送ることに用いられることを特徴とする請求項１に記載の陰極と陽極の再循環に基づくＳＯＦＣ／ＧＴ／ＳＣＯ
２
ハイブリッドシステム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池及び動力装置の技術分野に関し、特に陰極と陽極の再循環に基づくＳＯＦＣ／ＧＴ／ＳＣＯ
２
ハイブリッドシステムに関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
ＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）は、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換でき、カルノーサイクルに制限されず、エネルギー変換効率が高い。現在では、ほとんどのＳＯＦＣは６００～１０００°Ｃの範囲で動作し、ＳＯＦＣによって化学エネルギーを電気エネルギーに変換するプロセスは発熱プロセスであるため、システムを安全に動作させることを確保するように、どのようにＳＯＦＣを一定の温度範囲内で動作させるのがよいかを検討する必要があり、現在の一般的な解決手段は、ＳＯＦＣ陰極の空気の流れを増やすことにより、ＳＯＦＣ動作から余分な熱を取り除くことであるが、このプロセスは、エアコンプレッサのエネルギー消費量を増やして、システムの効率を低下させる。
【０００３】
公開番号ＣＮ１０５２２６３１４Ａの中国特許は、スターリングエンジンを利用して、水中交通道具向けのＳＯＦＣの熱回収と温度制御を行うシステムを開示する。該システムは、ＳＯＦＣと、ＳＯＦＣを中心とする断熱容器と、冷却回路と、スターリングエンジンとにより構成され、ＳＯＦＣシステムの温度制御とＳＯＦＣ廃熱の発電を実現するように、スターリングエンジンの一端を断熱容器内にカップリングし、他端を冷却回路にカップリングする。ところが、現在、スターリングエンジンの出力電力と電力の密度は低く、また、熱源はエンジンの外部から来て、熱の伝達に時間がかかるため、エンジンの出力電力は、熱源の電力の変化によって素早く変化することはできない。
【発明の概要】
【０００４】
上記技術的欠陥について、本発明は、陰極と陽極の再循環に基づくＳＯＦＣ／ＧＴ／ＳＣＯ
２
ハイブリッドシステムを提供することをタスクとし、ＳＯＦＣの動作温度を制御して、システムの効率を高めることを目的とする。
【０００５】
本発明の技術的解決手段は以下のとおりである。陰極と陽極の再循環に基づくＳＯＦＣ／ＧＴ／ＳＣＯ
２
ハイブリッドシステムであって、水ポンプ、第１コンプレッサ、第２コンプレッサ、改質室、ＳＯＦＣ、後燃焼室、第２ターボ、第５熱交換器、第８熱交換器及び超臨界ＣＯ
２
循環サブシステムを含み、前記水ポンプは水を加圧し、前記第１コンプレッサは天然ガスを加圧し、前記加圧後の水と加圧後の天然ガスが加熱された後に改質室に入って改質反応が行われ、前記改質室の出口が前記ＳＯＦＣの陽極に接続されて、ＳＯＦＣに陽極ガスを提供し、空気が前記第２コンプレッサにより加圧された後に加熱されて、前記ＳＯＦＣの陰極に入ってＳＯＦＣに陰極ガスを提供し、前記ＳＯＦＣの陽極の出口の第１部分のガスの流れが前記後燃焼室に入り、前記ＳＯＦＣの陽極の出口の第２部分のガスの流れが前記改質室に戻り、前記ＳＯＦＣの陰極の出口の第１部分のガスの流れが前記後燃焼室に入り、前記ＳＯＦＣの陰極の出口の第２部分のガスの流れが前記第８熱交換器を通って前記ＳＯＦＣの陰極に戻り、前記後燃焼室から排出されたガスは、前記第２ターボによる仕事の後、前記第５熱交換器に入って、改質反応に必要な熱量を前記改質室に供給する。
【０００６】
前記超臨界ＣＯ
２
循環サブシステムは、第１ターボと第３コンプレッサを含み、前記第３コンプレッサにより加圧された二酸化炭素は、前記第１ターボによる膨張仕事が行われた二酸化炭素により加熱された後、また前記第８熱交換器に入り、前記ＳＯＦＣの陰極の出口における第２部分のガスの流れにより加熱された後に、前記第１ターボにさらに入って膨張仕事が行われる。
【０００７】
さらに、第７熱交換器を含み、前記第３コンプレッサにより加圧された後の二酸化炭素は、前記第１ターボによる膨張仕事が行われた二酸化炭素により加熱された後の第１部分のガスの流れは、前記第８熱交換器に入って、前記ＳＯＦＣの陰極の出口における第２部分のガスの流れにより加熱され、前記第３コンプレッサにより加熱された二酸化炭素は、前記第１ターボによる膨張仕事が行われた二酸化炭素により加熱された後の第２部分のガスの流れは、前記第７熱交換器に入って、前記ＳＯＦＣの陽極の出口における第２部分のガスの流れにより加熱され、前記第７熱交換器と前記第８熱交換器により加熱された二酸化炭素は合流して前記第１ターボに入って膨張仕事を行う。
【０００８】
さらに、前記超臨界ＣＯ
２
循環サブシステムは、第６熱交換器を含み、前記第３コンプレッサにより加圧された二酸化炭素と、前記第１ターボによる膨張仕事が行われた二酸化炭素とが前記第６熱交換器で熱交換を行う。
【０００９】
さらに、前記超臨界ＣＯ
２
循環サブシステムは冷却器を含み、前記冷却器は前記第６熱交換器と前記第３コンプレッサとの間に接続され、前記第１ターボによる膨張仕事が行われた二酸化炭素は、前記第６熱交換器により熱交換冷却が行われた後、前記冷却器により冷却されて前記第３コンプレッサに入る。
【００１０】
さらに、前記第３コンプレッサは、多段圧縮段間冷却プロセスを採用する。
（【００１１】以降は省略されています）

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