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特開2025-17298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
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025017298
(43)【公開日】2025-02-05
(54)【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
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04 20160101AFI20250129BHJP
H01M 8/04111 20160101ALI20250129BHJP
H01M 8/04014 20160101ALI20250129BHJP
H01M 8/0606 20160101ALI20250129BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20250129BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04 J
H01M8/04111
H01M8/04014
H01M8/0606
H01M8/12 101
【審査請求】有
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024001271
(22)【出願日】2024-01-09
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2024-09-20
(31)【優先権主張番号】202310907527.1
(32)【優先日】2023-07-24
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(71)【出願人】
【識別番号】520154254
【氏名又は名称】江蘇科技大学
【氏名又は名称原語表記】ＪＩＡＮＧＳＵ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．２ Ｍｅｎｇｘｉ Ｒｏａｄ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２１２００３，Ｃｈｉｎａ
(74)【代理人】
【識別番号】110000291
【氏名又は名称】弁理士法人コスモス国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】姚 寿广
(72)【発明者】
【氏名】夏 民杰
【テーマコード（参考）】
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H126BB06
5H127AA07
5H127AB28
5H127AC15
5H127BA02
5H127BA05
5H127BA12
5H127BA34
5H127BA37
5H127BA47
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB19
5H127BB27
5H127BB37
(57)【要約】 （修正有）
【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
【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ＣＯ２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ＣＯ２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／ＳＣＯ２ハイブリッドシステム。
前記超臨界ＣＯ２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／ＳＣＯ２ハイブリッドシステム。
【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／ＳＣＯ２ハイブリッドシステム。
【請求項3】
前記超臨界ＣＯ２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／ＳＣＯ２ハイブリッドシステム。
【請求項4】
前記超臨界ＣＯ２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／ＳＣＯ２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／ＳＣＯ２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／ＳＣＯ２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／ＳＣＯ２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／ＳＣＯ２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／ＳＣＯ２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／ＳＣＯ２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／ＳＣＯ２ハイブリッドシステムに関する。
【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／ＳＣＯ２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／ＳＣＯ２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ＣＯ２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ＣＯ２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ＣＯ２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ＣＯ２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】
さらに、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。
【0012】
さらに、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。
【0013】
さらに、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。
【0014】
さらに、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。第１熱交換器、第２熱交換器、第３熱交換器、第４熱交換器、第５熱交換器によって、第２ターボから排出されたガスの熱エネルギーが段階的に利用され、システム全体の効率を高める。
【0015】
さらに、第２の分流器と、第３の分流器と、第３のミキサとを含み、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。
【0016】
本発明は従来技術に比べて以下のメリットがある。
【0017】
（１）陽極と陰極の循環を利用して、ＳＯＦＣの動作中に熱を引き出し、ＳＣＯ２循環を駆動して発電し、ＳＯＦＣの温度を制御するために陰極ガスを大量に使用することを回避し、エアコンプレッサの消費電力や投資コストを増やす必要はなく、エアコンプレッサの吸気流量が変わらないことを前提に、ＳＯＦＣ恒温運転を実現する。
【0018】
（２）陽極の循環を利用して、陽極の出口の排ガスによって運ばれた大量の水蒸気を改質室に再循環させ、水とメタンを改質して水素を製造し、改質反応が正常に行われることを確認し、システムに必要な水の流量を減らすことができる。
【0019】
（３）ＳＣＯ２循環により、ＳＯＦＣの廃熱を集めて発電し、熱エネルギーの浪費を回避し、システムの効率を高める。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【発明を実施するための形態】
【0021】
次に、実施例を合わせて本発明をさらに説明し、これらの実施例は、本発明を説明するためのものだけであり、本発明の範囲を限定するものではなく、この説明を読んだ後、当業者による種々の同等の形態での本説明への修正は、すべて本出願に添付された特許請求の範囲によって制限される範囲内に収まることが理解されるべきである。
【0022】
図１に示されるように、本発明の実施例は、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に関し、ここで、ＧＴはガスターボ（ターボ）であり、ＳＣＯ２は超臨界二酸化炭素の循環であり、該システムは、水ポンプ１、第１コンプレッサ２、第２コンプレッサ３、第１熱交換器４、第２熱交換器５、第３熱交換器６、第１ミキサ７、第４熱交換器８、第５熱交換器９、第２ミキサ１０、改質室１１、第３ミキサ１２、第１分離器１３、第６熱交換器１４、冷却器１５、第３コンプレッサ１６、第７熱交換器１７、ＳＯＦＣ１８、第８熱交換器１９、第４ミキサ２０、第１ターボ２１、第２分離器２２、第３分離器２３、後燃焼室２４、第２ターボ２５という部材を含む。
【0023】
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の具体的な構造は、燃料改質サブシステム、ＳＯＦＣ／ＧＴハイブリッドシステムとＳＣＯ２循環サブシステムを含む。
【0024】
燃料改質サブシステムは、主に水ポンプ１、第１コンプレッサ２、第１熱交換器４、第２熱交換器５、第１ミキサ７、第４熱交換器８、第５熱交換器９、第２ミキサ１０と改質室１１を含む。水ポンプ１の出口が第１熱交換器４の冷媒の入口に接続され、第１コンプレッサ２の出口が第２熱交換器５の冷媒の入口に接続され、第１熱交換器４の冷媒の出口及び第２熱交換器５の冷媒の出口がいずれも第１ミキサ７の入口に接続される。第１ミキサ７の出口が第４熱交換器８の冷媒の入口に接続され、第４熱交換器８の冷媒の出口が第２ミキサ１０の入口に接続され、第２ミキサ１０の出口が改質室１１に接続される。後燃焼室２４の出口が第２ターボ２５の入口に接続され、第２ターボ２５の出口が第５熱交換器９の熱媒の入口に接続され、第５熱交換器９の熱媒の出口が第４熱交換器８の熱媒の入口に接続される。第５熱交換器９によって改質室１１の作動に必要な熱量を提供する。第４熱交換器８の熱媒の出口が第３熱交換器６の熱媒の入口に接続され、第３熱交換器６の熱媒の出口が第２熱交換器５の熱媒の入口に接続され、第２熱交換器５の熱媒の出口が第１熱交換器４の熱媒の入口に接続され、第１熱交換器４の熱媒の出口が空気中に排出する。
【0025】
ＳＯＦＣ／ＧＦハイブリッドサブシステムは、主に第２コンプレッサ３、第３熱交換器６、第３ミキサ１２、ＳＯＦＣ１８、第２分離器２２、第３分離器２３、後燃焼室２４と第２ターボ２５を含む。第２コンプレッサ３の出口が第３熱交換器６の冷媒の入口に接続され、第３熱交換器６の冷媒の出口が第３ミキサ１２の入口に接続される。ＳＯＦＣ１８の陰極の入口が第３ミキサ１２の出口に接続され、ＳＯＦＣ１８の陽極の入口が改質室１１の出口に接続される。ＳＯＦＣ１８の陰極の出口が第３分離器２３を介してそれぞれ後燃焼室２４と第８熱交換器１９の熱媒の入口に接続され、第８熱交換器１９の熱媒の出口が第３ミキサ１２の入口に接続される。ＳＯＦＣ１８の陽極の出口が第２分離器２２を介してそれぞれ後燃焼室２４と第７熱交換器１７の熱媒の入口に接続され、第７熱交換器１７の熱媒の出口が第２ミキサ１０の入口に接続される。ＳＯＦＣ１８の陽極の出口及び陰極の出口の一部の熱量が第７熱交換器１７と第８熱交換器１９によって利用される。
【0026】
ＳＣＯ２循環サブシステムは、主に第１分離器１３、第６熱交換器１４、冷却器１５、第１ターボ２１、第８熱交換器１９、第４ミキサ２０及び第３コンプレッサ１６を含む。第３コンプレッサ１６の出口が第６熱交換器１４の冷媒の入口に接続され、第６熱交換器１４の冷媒の出口が第１分離器１３を介してそれぞれ第７熱交換器１７の冷媒の入口と第８熱交換器１９の冷媒の入口に接続され、第７熱交換器１７の冷媒の出口と第８熱交換器１９の冷媒の出口が組み合わされて第４ミキサ２０を介して第１ターボ２１の入口に接続され、第１ターボ２１の出口が第６熱交換器１４の熱媒の入口に接続され、第６熱交換器１４の熱媒の出口が冷却器１５を介して第３コンプレッサ１６の入口に接続される。
【0027】
本実施例において、第３コンプレッサ１６は、多段圧縮段間冷却プロセスを採用し、圧縮段は５段である。第１分離器１３の分離比（第７熱交換器１７の冷媒の入口の流量と第８熱交換器１９の冷媒の入口の流量との比）は２：３であり、第２分離器２２の分離比（ＳＯＦＣ１８の陽極の出口の陽極再循環ガスの流量とＳＯＦＣ１８の陽極の出口から後燃焼室２４に入るガスとの比）は３：２であり、第３分離器２３の分離比（ＳＯＦＣ１８の陰極の出口の陰極再循環ガスの流量とＳＯＦＣ１８の陰極の出口から後燃焼室２４に入るガスとの比）は３：２である。システムはメタンを燃焼とし、吸入された空気は酸素と窒素で構成されており、両者のモル比は０．２１：０．７９である。
【0028】
以下は、本願の実施例で提供される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の動作原理を具体的に説明する。
【0029】
（一）燃料改質サブシステム
水が水ポンプ１により加圧され、かつ第１熱交換器４により加熱されて水蒸気になり、それは、第１コンプレッサ２により加圧され、かつ第２熱交換器５により加熱された天然ガス（メタン）とともに第１ミキサ７で混合され、混合後のガスは、第４熱交換器８によりさらに加熱され、かつ第７熱交換器１７により冷却されたＳＯＦＣ１８の陽極循環ガスとともに第２ミキサ１０で合流し、また改質室１１に入って反応して水素リッチガスを生成する。
水が水ポンプ１により加圧され、かつ第１熱交換器４により加熱されて水蒸気になり、それは、第１コンプレッサ２により加圧され、かつ第２熱交換器５により加熱された天然ガス（メタン）とともに第１ミキサ７で混合され、混合後のガスは、第４熱交換器８によりさらに加熱され、かつ第７熱交換器１７により冷却されたＳＯＦＣ１８の陽極循環ガスとともに第２ミキサ１０で合流し、また改質室１１に入って反応して水素リッチガスを生成する。
【0030】
（二）ＳＯＦＣ／ＧＴハイブリッドサブシステム
空気は第２コンプレッサ３により圧縮され、かつ第３熱交換器６により加熱され、第８熱交換器１９により冷却されたＳＯＦＣ１８の陰極循環ガスとともに第３ミキサ１２で混合される。混合後のガスはＳＯＦＣ１８の陰極に入り、改質室１１の出口から入ったＳＯＦＣ１８の陽極の燃料ガスと電気化学反応を行い、電気エネルギーを生成する。ＳＯＦＣ１８の陽極の出口のガスは、第２分離器２２により２つの流路に分けられ、一方は後燃焼室２４に入って反応し、他方は陽極循環ガスとして第７熱交換器１７で冷却されて第２ミキサ１０に戻る。ＳＯＦＣ１８の陰極の出口のガスは、第３分離器２３により２つの流路に分けられ、一方は後燃焼室２４に入って反応し、他方は陰極循環ガスとして第８熱交換器１９で冷却されて、第３ミキサ１２に戻る。後燃焼室２４に入って燃焼する高温高圧ガスは、第２ターボ２５で膨張仕事を十分行い、次に第５熱交換器９に入って、改質室１１に熱を供給する。その後、さらに第４熱交換器８、第３熱交換器６、第２熱交換器５と第１熱交換器４を通してそれぞれ第１ミキサ７の混合ガス、圧縮された空気、加圧された天然ガス（メタン）及び加圧された水を加熱し、最後に空気中に排出する。
空気は第２コンプレッサ３により圧縮され、かつ第３熱交換器６により加熱され、第８熱交換器１９により冷却されたＳＯＦＣ１８の陰極循環ガスとともに第３ミキサ１２で混合される。混合後のガスはＳＯＦＣ１８の陰極に入り、改質室１１の出口から入ったＳＯＦＣ１８の陽極の燃料ガスと電気化学反応を行い、電気エネルギーを生成する。ＳＯＦＣ１８の陽極の出口のガスは、第２分離器２２により２つの流路に分けられ、一方は後燃焼室２４に入って反応し、他方は陽極循環ガスとして第７熱交換器１７で冷却されて第２ミキサ１０に戻る。ＳＯＦＣ１８の陰極の出口のガスは、第３分離器２３により２つの流路に分けられ、一方は後燃焼室２４に入って反応し、他方は陰極循環ガスとして第８熱交換器１９で冷却されて、第３ミキサ１２に戻る。後燃焼室２４に入って燃焼する高温高圧ガスは、第２ターボ２５で膨張仕事を十分行い、次に第５熱交換器９に入って、改質室１１に熱を供給する。その後、さらに第４熱交換器８、第３熱交換器６、第２熱交換器５と第１熱交換器４を通してそれぞれ第１ミキサ７の混合ガス、圧縮された空気、加圧された天然ガス（メタン）及び加圧された水を加熱し、最後に空気中に排出する。
【0031】
（三）ＳＣＯ２循環サブシステム
第３コンプレッサ１６により圧縮された後の二酸化炭素は、第６熱交換器１４で膨張仕事を行った後の二酸化炭素により加熱されて温度が上昇し、次に第１分離器１３に入って２つの流路に分けられ、一方は第７熱交換器１７で陽極循環ガスにより加熱されて温度が上昇した後に第４ミキサ２０に入り、他方は第８熱交換器１９で陰極循環ガスにより加熱されて温度が上昇した後に第４ミキサ２０で前述のガスと合流する。混合後の高温高圧ガスは、第１ターボ２１で膨張仕事を行い、かつ第６熱交換器１４に入って圧縮された後の二酸化炭素により冷却され、冷却後の二酸化炭素は冷却器１５に入ってさらに冷却され、その後、第３コンプレッサ１６に入って圧縮され、１つの循環を完成する。第１ターボ２１と第２ターボ２５は、発電機を駆動して発電することができる。
第３コンプレッサ１６により圧縮された後の二酸化炭素は、第６熱交換器１４で膨張仕事を行った後の二酸化炭素により加熱されて温度が上昇し、次に第１分離器１３に入って２つの流路に分けられ、一方は第７熱交換器１７で陽極循環ガスにより加熱されて温度が上昇した後に第４ミキサ２０に入り、他方は第８熱交換器１９で陰極循環ガスにより加熱されて温度が上昇した後に第４ミキサ２０で前述のガスと合流する。混合後の高温高圧ガスは、第１ターボ２１で膨張仕事を行い、かつ第６熱交換器１４に入って圧縮された後の二酸化炭素により冷却され、冷却後の二酸化炭素は冷却器１５に入ってさらに冷却され、その後、第３コンプレッサ１６に入って圧縮され、１つの循環を完成する。第１ターボ２１と第２ターボ２５は、発電機を駆動して発電することができる。
【0032】
以下は、本発明の実現可能性をさらに説明するための具体例をあげる。表１にシステムの初期要件が示され、表２にシステムのシミュレーション結果が示される。
【表1】
【表2】
【0033】
該ハイブリッドシステムは、６２６．５３ｋＷの総発電量、５５５．０６ｋＷの正味発電効率と６９．１８％の発電効率を実現でき、ＳＯＦＣ／ＧＴ／ＳＣＯ２ハイブリッドシステムの安全で効率的な動作を実現することに良い指導価値を持っている。
【図1】
【手続補正書】
【提出日】2024-05-17
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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ＣＯ２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ＣＯ２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、
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。
前記超臨界ＣＯ２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、
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。
【請求項2】
前記超臨界ＣＯ２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に記載の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。
【請求項3】
前記超臨界ＣＯ２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２に記載の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。
【請求項4】
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／ＳＣＯ２ハイブリッドシステム。
【請求項5】
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／ＳＣＯ２ハイブリッドシステム。
【請求項6】
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５に記載の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。
【請求項7】
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６に記載の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。
【請求項8】
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７に記載の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。
【請求項9】
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／ＳＣＯ２ハイブリッドシステム。