DE112013005220B4 - Stromerzeugungssystem und Verfahren zum Starten und Betreiben einer Brennstoffzelle in einem Stromerzeugungssystem - Google Patents

Stromerzeugungssystem und Verfahren zum Starten und Betreiben einer Brennstoffzelle in einem Stromerzeugungssystem Download PDF

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Abstract

Stromerzeugungssystem (10), umfassend:eine Gasturbine (11) mit einem Verdichter (21) und einem Brenner (22);eine erste Druckluft-Zufuhrleitung (26), die Druckluft, die vom Verdichter (21) verdichtet worden ist, zum Brenner (22) liefert;eine Brennstoffzelle (13) mit einer Luftelektrode und einer Bren nstoffelektrode;eine zweite Druckluft-Zufuhrleitung (31), die einen Teil der Druckluft (A2), die vom Verdichter (21) verdichtet worden ist, zur Luftelektrode liefert;einen Verstärker (33), der in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung (31) vorgesehen ist, wobei der Verstärker ausgestaltet ist, um den Druck des Teils der Druckluft (A2) zu erhöhen;eine Verstärker-Zirkulationsleitung (60), die mit einer Seite stromaufwärts vom Verstärker (33) und mit einer Seite stromabwärts davon in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung (31) verbunden ist;ein erstes Regelventil (61), das in der Verstärker-Zirkulationsleitung (60) vorgesehen ist;ein zweites Regelventil (63), das zwischen der Verstärker-Zirkulationsleitung (60) und der Brennstoffzelle (13) in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung (31) vorgesehen ist; undeine Steuervorrichtung (62), die ausgestaltet ist, um während des Startens der Brennstoffzelle (13) das zweite Regelventil (63) zu schließen, während sie das erste Regelventil (61) öffnet und den Verstärker (33) aktiviert.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Stromerzeugungssystem, das eine Brennstoffzelle, eine Gasturbine und eine Dampfturbine kombiniert, und ein Verfahren zum Starten und Betreiben der Brennstoffzelle in dem Stromerzeugungssystem.
  • Eine Festoxidbrennstoffzelle (im Folgenden als SOFC bezeichnet) als Brennstoffzelle ist allgemein als hocheffiziente Brennstoffzelle bekannt, die weitverbreitet eingesetzt wird. Eine solche SOFC weist eine hohe Betriebstemperatur auf, um eine Ionenleitfähigkeit zu erhöhen. Somit kann Luft, die aus einem Verdichter einer Gasturbine ausgelassen worden ist, als die Luft genutzt werden, die einer Luftelektrode zugeführt wird (als Oxidationsmittel). Ebenso macht es die SOFC möglich, Hochtemperatur-Brennstoff, der bisher nicht verwendet werden konnte, als Brennstoff für einen Brenner der Gasturbine zu verwenden.
  • So wurden beispielsweise, wie in JP 2009-205930 A beschrieben, verschiedene Kombinationen einer SOFC, einer Gasturbine und einer Dampfturbine als Stromerzeugungssystem vorgeschlagen, das einen hohen Wirkungsgrad der Stromerzeugung erreicht. Das in JP 2009-205930 A beschriebene kombinierte System ist ausgestattet mit einer SOFC, einem Gasturbinenbrenner, der Abgas und Abluft verbrennt, die aus der SOFC ausgelassen werden, und mit einer Gasturbine mit einem Verdichter, der Luft verdichtet, welche der SOFC zugeführt wird.
  • Aus der JP 2000-123853 A ist ein Stromerzeugungssystem mit einem Verdichter, einem Brenner, einer Turbine und einem Brennstoffzellenstapel bekannt. Das Stromerzeugungssystem umfasst ferner eine Druckluft-Zufuhrleitung, die einen Teil der Druckluft, die vom Verdichter verdichtet worden ist, zur Luftelektrode liefert und ein Druckregelventil, das in der Druckluft-Zufuhrleitung vorgesehen ist. Zudem umfasst das Stromerzeugungssystem einen Fühler, der in der Druckluft-Zufuhrleitung vorgesehen ist und einen Druck der zur Luftelektrode gelieferten Druckluft erfasst, und eine Steuervorrichtung, die einen Öffnungsgrad des Regelventils als Reaktion auf eine vom Fühler erfasste Schwankung des Drucks so steuert, dass der Druck der Druckluft, die zur Luftelektrode geliefert wird, konstant gehalten wird.
  • Aus der JP 2007-303559 A ist ein Gaszufuhrsystem für eine Brennstoffzelle mit einer Luftelektrode bekannt. Das Gaszufuhrsystem steuert einen Öffnungsgrad eines Regelventils auf der Grundlage einer Variation eines von einem ersten Detektor und von einem zweiten Detektor erfassten Drucks so, dass ein Druck der Druckluft, die zur Luftelektrode geliefert wird, konstant gehalten wird.
  • In einem herkömmlichen Stromerzeugungssystem wie oben in JP 2009-205930 A beschrieben wird die Gasturbine zuerst in Betrieb genommen, und ein Teil der Luft, die vom Verdichter der Gasturbine verdichtet wird, wird der SOFC zugeführt, so dass die SOFC unter Druck gesetzt wird, und anschließend wird die SOFC gestartet. In einem solchen Fall werden ein Auslassdruck des Verdichters der Gasturbine und ein Einlassdruck des Brenners der Gasturbine, zu der aus der SOFC ausgelassenes Abgas geliefert wird, konstant gehalten, und um dazu einen Druckverlustbetrag zu addieren, um einen Strom zu erzeugen, der die verdichtete Luft zur SOFC liefert, ist es bevorzugt, wenn die verdichtete Luft A2 aufgrund eines Gebläses strömt. Während eines Zeitraums ab dem Betriebsstart bis zu einem Nennbetrieb macht das Gebläse jedoch rasche Schwankungen eines Innendrucks, einer Strömungsrate oder dergleichen durch, so dass der Betrieb instabil ist. Aus diesem Grund wird die Strömungsrate der verdichteten Luft einhergehend mit dem Betriebsstart des Gebläses rasch erhöht, und die verdichtete Luft wird zur SOFC gelenkt, was bewirkt, dass die verdichtete Luft für den Brenner der Gasturbine womöglich nicht ausreicht. Infolgedessen kann ein Brenngas im Brenner aufgrund eines Mangels an Luft für die Verbrennung heiß werden, und im Brenner, in der Turbine und dergleichen ist eine Kühlung aufgrund eines Mangels an Luft für die Kühlung womöglich ungenügend. Um den Mangel an verdichteter Luft für den Brenner der Gasturbine zu verhindern, der dadurch bewirkt wird, dass die Strömungsrate der verdichteten Luft einhergehend mit dem Betriebsstart des Gebläses schnell erhöht wird und die verdichtete Luft zur SOFC gelenkt wird, wurde ein Vorschlag in Betracht gezogen, den Auslass auf der SOFC-Seite des Verdichters der Gasturbine und den Einlass auf der SOFC-Seite des Brenners der Gasturbine zu blockieren. Dadurch wird jedoch der Start des Gebläses verhindert.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die das oben beschriebene Problem lösen soll, ist die Schaffung eines Stromerzeugungssystems und eines Verfahrens zum Starten einer Brennstoffzelle in dem Stromerzeugungssystem, mit denen ein stabiler Start möglich ist, während gleichzeitig einem Luftmangel einer Gasturbine während des Startens der Brennstoffzelle entgegengewirkt wird.
  • Während eines Nennbetriebs des oben beschriebenen herkömmlichen Stromerzeugungssystems ändert die Gasturbine ihren Betriebszustand außerdem als Reaktion auf Stromerzeugungsbedingungen. In einem solchen Fall schwankt der Auslassdruck des Verdichters. Daher ist der Druck der verdichteten Luft, die zur SOFC geliefert wird, instabil. Die SOFC wird vorzugsweise in einem stabilen Zustand betrieben, wo der Druck so geregelt wird, dass er an der Luftelektrode und an der Brennstoffelektrode gleich ist, und wo kein Zwischenfließen zwischen der Luft und Brennstoff stattfindet. Wenn der Druck der zugeführten verdichteten Luft instabil ist, wird der Betriebszustand instabil, und dies kann den Wirkungsgrad der Stromerzeugung herabsetzen.
  • Ein Ziel vorliegenden Erfindung, die das oben beschriebene Problem lösen soll, ist die Schaffung eines Stromerzeugungssystems und eines Verfahrens zum Betreiben der Brennstoffzelle des Stromerzeugungssystems, mit denen es möglich ist, den Druck der verdichteten Luft, die von der Gasturbine zur Brennstoffzelle geliefert wird, konstant zu halten.
  • Ein Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung, mit dem das Ziel erreicht werden soll, umfasst die Merkmale des Patentanspruches 1 aufweisend: eine Gasturbine mit einem Verdichter und einem Brenner; eine erste Druckluft-Zufuhrleitung, die verdichtete Luft bzw. Druckluft, die vom Verdichter verdichtet worden ist, zum Brenner liefert; eine Brennstoffzelle mit einer Luftelektrode und einer Brennstoffelektrode; eine zweite Druckluft-Zufuhrleitung, die einen Teil der Druckluft, die vom Verdichter verdichtet worden ist, zur Luftelektrode liefert; einen Booster bzw. Verstärker, der in der zweiten Druckluft-Zuleitung vorgesehen ist und der den Druck der verdichteten Luft erhöht; eine Verstärker-Zirkulationsleitung, die auf der Seite stromaufwärts vom Verstärker und auf der Seite und stromabwärts davon in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung angeschlossen ist; ein erstes Regelventil, das in der Verstärker-Zirkulationsleitung vorgesehen ist; ein zweites Regelventil, das zwischen der Verstärker-Zirkulationsleitung und der Brennstoffzelle in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung vorgesehen ist; und eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung, die während des Startens der Brennstoffzelle das zweite Regelventil schließt, während sie das erste Regelventil öffnet und den Verstärker aktiviert.
  • Somit zirkuliert während des Startens der Brennstoffzelle die Druckluft in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung, die einen Teil der Druckluft, die vom Verdichter verdichtet worden ist, zur Luftelektrode liefert, von der Seite stromabwärts vom Verstärker zur Seite stromaufwärts davon. Daher besteht zu dieser Zeit kein Mangel an Druckluft, die zum Brenner, zur Turbine und dergleichen geliefert wird. Dadurch kann einer anomalen Verbrennung im Brenner und einer unzureichenden Kühlung in der Turbine entgegengewirkt werden. Infolgedessen wird einem Luftmangel in der Gasturbine entgegengewirkt, so dass ein stabiles Starten möglich wird.
  • Das Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise einen Fühler auf, der den Druck und/oder die Strömungsrate der Druckluft im Verstärker erfasst, und die Steuer- bzw. Regeleinrichtung öffnet das zweite Regelventil, während sie das erste Regelventil schließt, sobald der Druck und/oder die Strömungsrate, der bzw. die vom Strömungsratenfühler erfasst wird bzw. werden, einen vorgegebenen Wert erreicht.
  • Somit wird die verdichtete Luft zur Brennstoffzelle gelenkt, sobald sich die Strömungsrate der verdichteten Luft in einem Gebläse stabilisiert hat, wodurch einem Luftmangel in der Gasturbine auf angemessene Weise entgegengewirkt wird.
  • Außerdem beinhaltet ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Starten einer Brennstoffzelle in einem Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung die Merkmale des Patentanspruches 3, folgende Schritte aufweisend: Das Aktivieren eines Verstärkers, der vor einer Luftelektrode der Brennstoffzelle vorgesehen ist, beim Starten der Brennstoffzelle, um den Druck eines Teils der Druckluft, die von einem Verdichter der Gasturbine verdichtet wird, zu erhöhen, und um diesen Teil der verdichteten Luft von einer Seite stromabwärts zu einer Seite stromaufwärts vom Verstärker umzuwälzen; und das Liefern der verdichteten Luft zur Luftelektrode der Brennstoffzelle, sobald der Druck und/oder die Strömungsrate des Teils der verdichteten Luft, der vom Verdichter der Gasturbine verdichtet wird, einen vorgegebenen Wert erreicht, während der Druck der verdichteten Luft mit dem Verstärker erhöht wird.
  • Somit wird während des Startens der Brennstoffzelle einem Luftmangel in der Gasturbine entgegengewirkt, so dass ein stabiles Starten ohne Mangel an Druckluft im Brenner, in der Turbine und dergleichen möglich wird.
  • Ein alternatives Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung, mit dem die oben genannten Ziele erreicht werden sollen, umfasst die Merkmale des Patentanspruches 4, unter anderen Folgendes aufweisend: eine Gasturbine mit einem Verdichter und einem Brenner; eine Brennstoffzelle mit einer Luftelektrode und einer Brennstoffelektrode; eine Druckluft-Zufuhrleitung, die einen Teil der Druckluft, die vom Verdichter verdichtet wird, zur Luftelektrode liefert; ein Druckregelventil, das in der Druckluft-Zufuhrleitung vorgesehen ist; einen Fühler, der in der Druckluft-Zufuhrleitung vorgesehen ist und der einen Druck der Druckluft, die zur Luftelektrode geliefert wird, erfasst; und eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung, die einen Öffnungsgrad des Druckregelventils gemäß Schwankungen des Drucks, der vom Fühler erfasst wird, so steuert, dass der Druck der Druckluft, die zur Luftelektrode geliefert wird, konstant gehalten wird.
  • Wenn ein Auslassdruck des Verdichters der Gasturbine schwankt, wird somit der Druck der Druckluft durch Steuern des Öffnungsgrads des Druckregelventils ausgeglichen. Somit wird der Druck der Druckluft, die von der Gasturbine zur Brennstoffzelle geliefert wird, konstant gehalten. Infolgedessen läuft die Brennstoffzelle mit der Druckluft, die einen stabilen Druck aufweist, wodurch es möglich wird, dass die Brennstoffzelle einen stabilen Betriebszustand aufweist und somit auf stabile Weise Elektrizität erzeugen kann.
  • Im Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung besteht das Druckregelventil vorzugsweise aus mehreren Regelventilen, die parallel angeordnet sind.
  • Wenn der Öffnungsgrad des Druckregelventils gesteuert wird, wird somit beispielsweise zuerst ein Regelventil mit einem kleineren Strömungsraten-Einstellbereich gesteuert, und dann wird ein Regelventil mit einem größeren Strömungsraten-Einstellbereich gesteuert. Dadurch, dass die Steuerung auf diese Weise durchgeführt wird, kann das Regelventil, das den vergleichsweise kleineren Strömungsraten-Einstellbereich aufweist, den Bereich der Instabilität im Betrieb ergänzen, wenn der Betrieb des Regelventils mit dem vergleichsweise großen Strömungsraten-Einstellbereich anfängt. Infolgedessen wird die Steuerung, mit welcher der Druck der Druckluft konstant gehalten wird, übergangslos und exakt durchgeführt. Auch wenn die mehreren Regelventile den gleichen Strömungsraten-Einstellbereich aufweisen, kann die Steuerung, mit welcher der Druck der Druckluft konstant gehalten wird, durch sequenzielles Steuern des Öffnungsgrads übergangslos und exakt durchgeführt werden.
  • Außerdem beinhaltet ein alternatives erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle in einem Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung die Merkmale des Patentanspruches 6, unter anderen folgende Schritte aufweisend: Das Liefern eines Teils der Druckluft, die von einem Verdichter der Gasturbine verdichtet wird, zu einer Luftelektrode der Brennstoffzelle; und das Einstellen einer Strömungsrate der Druckluft, wenn der Druck der zur Brennstoffzelle gelieferten Druckluft schwankt, so dass der Druck der Druckluft konstant gehalten wird.
  • Somit wird die Strömungsrate der Druckluft auch dann, wenn der Auslassdruck des Verdichters der Gasturbine schwankt, so eingestellt, dass der Druck der Druckluft konstant gehalten wird. Somit wird der Druck der Druckluft, die von der Gasturbine zur Brennstoffzelle geliefert wird, konstant gehalten. Infolgedessen läuft die Brennstoffzelle mit der Druckluft, die einen stabilen Druck aufweist, wodurch es möglich wird, dass die Brennstoffzelle einen stabilen Betriebszustand aufweist und somit auf stabile Weise Elektrizität erzeugen kann.
  • Gemäß dem Stromerzeugungssystem und dem Verfahren zum Starten einer Brennstoffzelle in einem Stromerzeugungssystem der vorliegenden Erfindung wird ein Teil der Druckluft, die von einem Verdichter einer Gasturbine verdichtet wird, von einem Verstärker, der vor einer Luftelektrode der Brennstoffzelle vorgesehen ist, einer Druckerhöhung unterzogen und wird zur Brennstoffzelle geliefert, nachdem er von der Seite stromabwärts vom Verstärker zur Seite stromaufwärts davon zirkuliert ist. Auf diese Weise kann somit einem Luftmangel in der Gasturbine entgegengewirkt werden und ein stabiles Starten ist möglich. Um den Mangel an verdichteter Luft für den Brenner der Gasturbine zu verhindern, der dadurch bewirkt wird, dass die Strömungsrate der verdichteten Luft einhergehend mit dem Betriebsstart des Gebläses schnell erhöht wird und die verdichtete Luft zur SOFC gelenkt wird, wird außerdem zugelassen, dass das Gebläse auch dann startet, wenn der Auslass auf der Brennstoffzellenseite des Verdichters der Gasturbine und der Einlass auf der Brennstoffzellenseite des Brenners der Gasturbine blockiert sind.
  • Gemäß dem Stromerzeugungssystem und dem Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzelle des Stromerzeugungssystems der vorliegenden Erfindung kann der Druck der Druckluft, die von der Gasturbine zur Brennstoffzelle geliefert wird, durch Einstellen der Strömungsrate der Druckluft konstant gehalten werden, auch wenn der Auslassdruck des Verdichters der Gasturbine schwankt.
    • 1 ist eine Skizze, die eine Zufuhrleitung für Druckluft in einem Stromerzeugungssystem gemäß einer Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt.
    • 2 ist ein Zeitdiagramm, das die Zeit zeigt, zu der Druckluft während des Startens einer Festoxidbrennstoffzelle im Stromerzeugungssystem der Ausführungsform 1 geliefert wird.
    • 3 ist eine Konfigurationsskizze, die das Stromerzeugungssystem der Ausführungsform 1 darstellt.
    • 4 ist eine Skizze, die eine Zufuhrleitung für Druckluft in einem Stromerzeugungssystem gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung darstellt.
    • 5 ist ein Ablaufschema der Zufuhr von Druckluft während des Betriebs einer Festoxidbrennstoffzelle im Stromerzeugungssystem einer Ausführungsform 2. 6 ist eine Skizze, die eine Zufuhrleitung für Druckluft in einem anderen Stromerzeugungssystem gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung darstellt.
    • 7 ist eine Konfigurationsskizze, die das Stromerzeugungssystem der Ausführungsform 2 darstellt.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform eines Stromerzeugungssystems und eines Verfahrens zum Starten einer Brennstoffzelle in dem Stromerzeugungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend ausführlich unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Man beachte, dass die vorliegende Erfindung durch die Ausführungsform nicht beschränkt wird und dass, wenn mehrere Ausführungsformen vorhanden ist, die vorliegende Erfindung eine Gestaltung, welche diese Ausführungsformen kombiniert, einschließen soll.
  • Das Stromerzeugungssystem der Ausführungsform 1 ist ein Triple Combined Cycle (eingetragenes Warenzeichen), in dem eine Festoxidbrennstoffzelle (im Folgenden als SOFC bezeichnet), eine Gasturbine und eine Dampfturbine kombiniert sind. Dieser Triple Combined Cycle ist in der Lage, Elektrizität in den drei Stufen SOFC, Gasturbine und Dampfturbine zu gewinnen, und zwar dadurch, dass die SOFC stromaufwärts von einer kombinierten Gasturbinenzyklus (GTCC)-Stromerzeugung angeordnet ist, und ist somit in der Lage, einen außerordentlich hohen Wirkungsgrad der Stromerzeugung zu erreichen. Man beachte, dass sich die folgende Beschreibung auf eine Festoxidbrennstoffzelle bezieht, die als die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung verwendet wird; jedoch soll dies keine Beschränkung auf diese Art einer Brennstoffzelle bedeuten.
  • 1 ist eine Skizze, die eine Zufuhrleitung für Druckluft in dem Stromerzeugungssystem gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung darstellt. 2 ist ein Zeitdiagramm, das die Zeit zeigt, zu der Druckluft während des Startens der SOFC im Stromerzeugungssystem gemäß Ausführungsform 1 geliefert wird. 3 ist eine Konfigurationsskizze, die das Stromerzeugungssystem gemäß Ausführungsform 1 darstellt.
  • In der Ausführungsform 1 weist ein Stromerzeugungssystem 10, wie in 3 dargestellt, eine Gasturbine 11 und einen Stromgenerator 12, eine SOFC 13 und eine Dampfturbine 14 und einen Stromgenerator 15 auf. Das Stromerzeugungssystem 10 kombiniert Strom von der Gasturbine 11, Strom von der SOFC 13 und Strom von der Dampfturbine 14 und ist somit so gestaltet, dass es einen hohen Wirkungsgrad der Stromerzeugung erreicht.
  • Die Gasturbine 11 weist einen Verdichter 21, einen Brenner 22 und eine Turbine 23 auf. Der Verdichter 21 und die Turbine 23 sind so verbunden, dass sie durch eine Drehwelle 24 gemeinsam gedreht werden können. Der Verdichter 21 verdichtet Luft A, die von einer Luftansaugleitung 25 erhalten wird. Der Brenner 22 kombiniert und verbrennt Druckluft A1, die vom Verdichter 21 durch eine erste Druckluft-Zufuhrleitung 26 geliefert wird, und Brenngas L1, das von einer ersten Brenngas-Zufuhrleitung 27 geliefert wird. Die Turbine 23 wird durch Abgas (Brenngas) G, das vom Brenner 22 durch eine Abgas-Zufuhrleitung 28 geliefert wird, zum Drehen gebracht. Obgleich nicht dargestellt, wird die Turbine 23 durch ein Gehäuse hindurch mit der Druckluft A1 beliefert, die vom Verdichter 21 verdichtet wird, und kühlt Turbinenblätter und dergleichen unter Verwendung dieser Druckluft A1 als Kühlluft. Der Stromgenerator 12 ist koaxial zur Turbine 23 vorgesehen und ist in der Lage, Strom zu erzeugen, während sich die Turbine 23 dreht. Man beachte, dass beispielsweise Flüssigerdgas (LNG) als Brenngas L1 verwendet wird, das zum Brenner 22 geliefert wird.
  • Die SOFC 13 wird mit heißem Brenngas als Reduktionsmittel und mit heißer Luft (Oxidierungsgas) als Oxidationsmittel beliefert, das bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur reagiert, um Strom zu erzeugen. Die SOFC 13 besteht aus einer Luftelektrode, einem festen Elektrolyten und einer Brennstoffelektrode, die in einem Druckbehälter untergebracht sind. Ein Teil der Druckluft A2, die vom Verdichter 21 verdichtet worden ist, wird zur Luftelektrode geliefert, und Brenngas wird zur Brennstoffelektrode geliefert, so dass Strom erzeugt wird. Man beachte, dass hierbei als Brenngas L2, das zur SOFC 13 geliefert wird, beispielsweise Flüssigerdgas (LNG), Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO), ein Kohlenwasserstoffgas wie Methan (CH4), Gas, das in einer Vergasungsanlage für kohlenstoffhaltiges Material wie Kohle oder dergleichen hergestellt wird, verwendet wird. Ebenso beinhaltet das Oxidierungsgas, das zur SOFC 13 geliefert wird, ungefähr 15 % bis 30 % Sauerstoff. In der Regel ist Luft ausreichend. Jedoch können zusätzlich zu Luft ein Gasgemisch aus Verbrennungsabgas und Luft, ein Gasgemisch aus Sauerstoff und Luft oder dergleichen verwendet werden (im Folgenden wird das Oxidierungsgas, das zur SOFC 13 geliefert wird, als Luft bezeichnet).
  • Die SOFC 13 ist mit einer zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 31 verbunden, die von der ersten Druckluft-Zufuhrleitung 26 abzweigt, so dass sie in der Lage ist, einen Teil der Druckluft A2, die vom Verdichter 21 verdichtet wird, zu einem Einführungsteil der Luftelektrode zu liefern. Diese zweite Druckluft-Zufuhrleitung 31 ist in der Luftströmungsrichtung mit einem Regelventil 32, das das zuzuführende Luftvolumen einstellen kann, sowie mit einem Gebläse (Verstärker) 33 versehen, das (der) in der Lage ist, den Druck der Druckluft A2 zu erhöhen. Das Regelventil 32 ist in der Luftströmungsrichtung der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 31 auf der stromaufwärtigen Seite vorgesehen. Das Gebläse 33 ist auf der Seite stromabwärts vom Regelventil 32 vorgesehen. Die SOFC 13 ist mit einer Abluftleitung 34 verbunden, die Abluft A3, die von der Luftelektrode genutzt worden ist, entlässt. Diese Abluftleitung 34 verzweigt sich in eine Ausfuhrleitung 35, welche die Abluft A3, die von der Luftelektrode genutzt worden ist, nach außen entlässt, und in eine Druckluft-Zirkulationsleitung 36, die mit dem Brenner 22 verbunden ist. Die Ausfuhrleitung 35 ist mit einem Regelventil 37 versehen, das in der Lage ist, das Luftvolumen, das entlassen werden soll, einzustellen. Die Druckluft-Zirkulationsleitung 36 ist mit einem Regelventil 38 versehen, das in der Lage ist, das Luftvolumen, das zirkulieren soll, einzustellen.
  • Die SOFC 13 ist außerdem mit einer zweiten Brenngas-Zufuhrleitung 41 versehen, die das Brenngas L2 zum Einführungsteil der Brennstoffelektrode liefert. Die zweite Brenngas-Zufuhrleitung 41 ist mit einem Regelventil 42 versehen, das in der Lage ist, das Brenngasvolumen, das geliefert werden soll, einzustellen. Die SOFC 13 ist mit einer Brenngas-Abfuhrleitung 43 verbunden, die abgeführtes Brenngas L3, das von der Brennstoffelektrode genutzt worden ist, entlässt. Die Brennstoff-Abfuhrleitung 43 verzweigt sich in eine Ausfuhrleitung 44, die eine Entlassung nach außen durchführt, und in eine Zufuhrleitung 45 für abgeführtes Brenngas, die mit dem Brenner 22 verbunden ist. Die Ausfuhrleitung 44 ist mit einem Regelventil 46 versehen, das in der Lage ist, das Brenngasvolumen, das entlassen werden soll, einzustellen. Die Zufuhrleitung 45 für abgeführtes Brenngas ist in der Brenngasströmungsrichtung mit einem Regelventil 47, das in der Lage ist, das zuzuführende Brenngasvolumen einzustellen, und mit einem Gebläse 48 versehen, das in der Lage ist, den Druck des Brenngases zu erhöhen. Das Regelventil 47 ist in der Strömungsrichtung des Brenngases L3 in der Leitung 45 für die Zufuhr von abgeführtem Brenngas auf der stromaufwärtigen Seite vorgesehen. Das Gebläse 48 ist in der Strömungsrichtung des Brenngases L3 stromabwärts vom Regelventil 47 vorgesehen.
  • Die SOFC 13 ist außerdem mit einer Brenngas-Rückführungsleitung 49 versehen, welche die Brenngas-Abfuhrleitung 43 und die zweite Brenngas-Zufuhrleitung 41 verbindet. Die Brenngas-Rückführungsleitung 49 ist mit einem Rückführungsgebläse 50 versehen, welches das abgeführte Abgas L3 aus der Brenngas-Abfuhrleitung 43 in die zweite Brennstoff-Zufuhrleitung 41 zurückführt.
  • Die Dampfturbine 14 dreht eine Turbine 52 mit Dampf, der von einem Wärmerückgewinnungs- bzw. Abhitze-Dampferzeuger (HRSG) 51 erzeugt wird. Dieser Abhitze-Dampferzeuger 51 ist mit einer Abgasleitung 53 aus der Gasturbine 11 (Turbine 23) verbunden und erzeugt Dampf S durch einen Wärmetausch zwischen Luft und heißem Abgas G. Die Dampfturbine 14 (Turbine 52) ist mit einer Dampf-Zufuhrleitung 54 und einer Wasser-Zufuhrleitung 55 zwischen der Turbine und dem Abhitze-Dampferzeuger 51 versehen. Weiter ist die Wasser-Zufuhrleitung 55 mit einem Kondensator 56 und einer Wasserförderpumpe 57 versehen. Der Stromgenerator 15 ist koaxial zur Turbine 52 vorgesehen und ist in der Lage, Strom zu erzeugen, während sich die Turbine 52 dreht. Man beachte, dass das Abgas G, das vom Abhitze-Dampferzeuger 51 zurückgewonnen wird, in die Atmosphäre abgegeben wird, nachdem etwaige toxische Materialien entfernt worden sind.
  • Nun wird der Betrieb des Stromerzeugungssystems 10 der Ausführungsform 1 beschrieben. Wenn das Stromerzeugungssystem 10 gestartet wird, werden die Gasturbine 11, die Dampfturbine 14 und die SOFC 13 in der Reihenfolge ihrer Nennung gestartet.
  • Zuerst verdichtet der Verdichter 21 in der Gasturbine 11 die Luft A, der Brenner 22 mischt die verdichtete Luft A1 mit dem Brenngas L1 und verbrennt die Gasmischung, und die Turbine 23 dreht sich aufgrund des Abgases G. Somit beginnt der Stromgenerator 12 mit der Erzeugung von Strom. Dann dreht sich die Turbine 52 in der Dampfturbine 14 aufgrund des Dampfes S, der vom Abhitze-Dampferzeuger 51 erzeugt wird. Somit beginnt der Stromgenerator 15 mit der Erzeugung von Strom.
  • Anschließend wird in der SOFC 13 zuerst die verdichtete Luft A2 zugeführt, und es beginnen eine Verstärkung des Drucks sowie ein Temperaturanstieg. Das Regelventil 32 wird bis zu einem vorgegebenen Grad geöffnet, während das Regelventil 37 der Ausfuhrleitung 35 und das Regelventil 38 der Druckluft-Zirkulationsleitung 36 geschlossen werden und das Gebläse 33 der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 31 angehalten wird. Dann wird ein Teil der Druckluft A2, die vom Verdichter 21 verdichtet wird, aus der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 31 zur SOFC 13 geliefert. Somit wird der Druck auf der Seite der SOFC 13 durch die Zufuhr von Druckluft A2 erhöht.
  • Dagegen wird in der SOFC 13 das Brenngas L2 zur Brennstoffelektrodenseite geliefert, um den Druck zu erhöhen. Während das Regelventil 46 der Ausfuhrleitung 44 und das Regelventil 47 der Zufuhrleitung 45 für abgeführtes Brenngas geschlossen werden und das Gebläse 48 angehalten wird, wird das Regelventil 42 der zweiten Brenngas-Zufuhrleitung 41 geöffnet und das Rückführungsgebläse 50 der Brenngas-Rückführungsleitung 49 wird angetrieben. Dann wird das Brenngas L2 aus der zweiten Brenngas-Zufuhrleitung 41 zur SOFC 13 geliefert, und das abgeführte Brenngas L3 wird von der Brenngas-Rückführungsleitung 49 zurückgeführt. Somit wird der Druck auf der Seite der SOFC 13 durch die Zufuhr von Brenngas L2 erhöht.
  • Sobald der Druck auf der Luftelektrodenseite der SOFC 13 einen Auslassdruck des Verdichters 21 erreicht, wird dann das Regelventil 32 ganz geöffnet und das Gebläse 33 wird angetrieben. Das Regelventil 37 wird gleichzeitig geöffnet und die Abluft A3 aus der SOFC 13 wird aus der Ausfuhrleitung 35 entlassen. Dann wird die verdichtete Luft A2 vom Gebläse 33 zur SOFC 13 geliefert. Das Regelventil 46 wird gleichzeitig geöffnet und das abgeführte Abgas L3 aus der SOFC 13 wird aus der Ausfuhrleitung 44 entlassen. Sobald der Druck auf der Luftelektrodenseite und der Druck auf der Brennstoffelektrodenseite der SOFC 13 einen Solldruck erreichen, wird dann die Verstärkung des Drucks für die SOFC 13 beendet.
  • Sobald sich die Reaktion (Stromerzeugung) in der SOFC 13 stabilisiert hat und die Bestandteile der Abluft A3 und des abgeführten Abgases L3 stabil geworden sind, wird danach das Regelventil 37 geschlossen und das Regelventil 38 wird geöffnet. Dann wird die Abluft A3 aus der SOFC 13 durch die Druckluft-Zirkulationsleitung 36 zum Brenner 22 geliefert. Während das Regelventil 46 geschlossen wird, wird das Regelventil 47 geöffnet, und das Gebläse 48 wird angetrieben. Dann wird das abgeführte Abgas L3 aus der SOFC 13 durch die Brenngas-Abfuhrleitung 45 zum Brenner 22 geliefert. An dieser Stelle wird das Brenngas L1, das durch die erste Brenngas-Zufuhrleitung 27 zum Brenner 22 geliefert wird, verringert.
  • Hierbei sind die Stromerzeugung durch den Stromgenerator 12 aufgrund des Antreibens der Gasturbine 11, die Stromerzeugung durch die SOFC 13 und die Stromerzeugung durch den Stromgenerator 15 aufgrund des Antreibens der Dampfturbine 14 alle aktiv, so dass das Stromerzeugungssystem 10 in einem stationären Betriebszustand ist.
  • Wenn die SOFC 13 nun in einem typischen Stromerzeugungssystem gestartet wird, wird ein Teil der Luft, die vom Verdichter 21 der Gasturbine 11 verdichtet wird, durch die zweite Druckluft-Zufuhrleitung 31 zur SOFC 13 geliefert, so dass die Verstärkung des Drucks erfolgt. In der Ausführungsform 1 werden dann der Auslassdruck des Verdichters 21 und der Einlassdruck des Brenners 22, zu dem das aus der SOFC 13 ausgelassene Abgas geliefert wird, konstant gehalten, und um dazu einen Druckverlustbetrag zu addieren, um einen Strom zu erzeugen, der die verdichtete Luft A2 zur SOFC 13 liefert, strömt die verdichtete Luft A2 aufgrund des Gebläses 33. Während eines Zeitraums ab einem Betriebsstart bis zu einem Nennbetrieb macht das Gebläse 33 jedoch rasche Schwankungen eines Innendrucks, einer Strömungsrate und dergleichen durch, so dass der Betrieb instabil ist. Daher weist die Druckluft A2 eine Strömungsrate auf, die während des Betriebsstarts des Gebläses 33 rasch ansteigt, und wird dann zur SOFC 13 gelenkt. Für die Gasturbine 11 stellt dies ein Risiko dafür dar, dass die Druckluft A1, die zum Brenner 22 geliefert wird, und die Kühlluft, die zur Turbine 23 gelenkt wird, möglicherweise nicht ausreichen.
  • Wie in 1 dargestellt, ist das Stromerzeugungssystem 10 der Ausführungsform 1 als solches mit einer Verstärker-Zirkulationsleitung 60 und einem Regelventil (einem ersten Regelventil) 61 an der Position des Gebläses 33 versehen. Eine Steuervorrichtung (Steuer- bzw. Regeleinrichtung) 62 ist so gestaltet, dass sie ein Regelventil 61 öffnet, wenn das Gebläse 33 während des Startens der SOFC 13 aktiviert wird.
  • Anders ausgedrückt bewirkt das Öffnen des Regelventils 61 während des Startens der SOFC 13, wenn das Gebläse 33 aktiviert wird, dass ein Teil der Druckluft A2, die vom Verdichter 21 der Gasturbine 11 verdichtet wird, aufgrund des Gebläses 33 strömt, während er durch die Verstärker-Zirkulationsleitung 60 zirkuliert. Wenn dies durchgeführt wird, bis sich der Betrieb des Gebläses 33 stabilisiert hat, stabilisiert sich dann wiederum die Strömungsrate der Druckluft A2, die zur SOFC 13 gelenkt wird. Daher kann einem Luftmangel in der Gasturbine 11 entgegengewirkt werden.
  • Genauer gesagt ist die Verstärker-Zirkulationsleitung 60, wie in 1 dargestellt ist, entlang der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 31 stromaufwärts vom Gebläse 33 und stromabwärts davon angeschlossen, wodurch eine Umgehung des Gebläses 33 ermöglicht wird. Das Regelventil 61 ist an der Verstärker-Zirkulationsleitung 60 vorgesehen. Hierbei wird das Gebläse 33 von einem Antriebsmotor 33a angetrieben. Ebenso weist das Gebläse 33 einen Druckfühler 33b auf, der den Druck der Druckluft A2 erfasst, die durch einen Auslass davon strömt.
  • Ferner ist das Regelventil (das zweite Regelventil) 63 an der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 31 zwischen der Verstärker-Zirkulationsleitung 60 und der SOFC 13 vorgesehen.
  • Ebenso ist ein erster Fühler 64 an der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 31 zwischen dem Verdichter 21 und dem Regelventil 32 vorgesehen. Dieser erste Fühler 64 erfasst auf der Seite stromaufwärts vom Regelventil 32 einen ersten Druck der Druckluft A2, die vom Verdichter 21 der Gasturbine 11 verdichtet wird.
  • Außerdem ist ein zweiter Fühler 65 an der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 31 zwischen der Verstärker-Zirkulationsleitung 60 und dem Regelventil 32 vorgesehen. Dieser zweite Fühler 65 erfasst auf der Seite stromabwärts vom Regelventil 32 einen zweiten Druck der Druckluft A2, die vom Verdichter 21 der Gasturbine 11 verdichtet wird.
  • Ebenso ist ein dritter Fühler 66 an der SOFC 13 vorgesehen. Dieser dritte Fühler 66 erfasst einen dritten Druck an der Luftelektrode der SOFC 13, das heißt, näher an der SOFC 13 als am Regelventil 63 an der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 31.
  • Die Steuervorrichtung 62 ist in der Lage, einen Öffnungsgrad des Regelventils 61 und des Regelventils 63 einzustellen, und ist außerdem in der Lage, das Starten und Anhalten des Gebläses 33 mit dem Antriebsmotor 33a zu steuern. Außerdem ist die Steuervorrichtung 62 in der Lage, einen Öffnungsgrad des Regelventils 32, des Regelventils 37 und des Regelventils 38 einzustellen. Ferner empfängt die Steuervorrichtung 62 eine Eingabe des ersten Drucks, des zweiten Drucks und des dritten Drucks, die von den Fühlern 64, 65, 66 erfasst werden. Außerdem empfängt die Steuervorrichtung 62 eine Eingabe des Drucks, der vom Druckfühler 33b im Gebläse 33 erfasst wird.
  • Dann steuert die Steuervorrichtung 62, welche die Eingabe des ersten Drucks, des zweiten Drucks und des dritten Drucks, die von den Fühlern 64, 65 bzw. 66 erfasst werden, und des vom Druckfühler 33b im Gebläse 33 erfassten Drucks empfängt, den Antriebsmotor 33a, das Regelventil 61, das Regelventil 63, das Regelventil 32, das Regelventil 37 und das Regelventil 38 gemäß diesen Eingaben.
  • Hier wird das Verfahren zum Starten der SOFC 13 im Stromerzeugungssystem 10 der Ausführungsform 1, das von der oben beschriebenen Steuervorrichtung 62 gesteuert wird, beschrieben.
  • Wie in 2 dargestellt ist, wird zu einem Zeitpunkt t1 die Gasturbine 11 gestartet, und eine Stromerzeugung durch die Gasturbine 11 beginnt zu einem Zeitpunkt t2, der erreicht wird, sobald eine vorgegebene Zeit abgelaufen ist. Während des Zeitraums zwischen dem Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt t2 wird das Gebläse 33 angehalten (wird der Antriebsmotor 33a angehalten), werden die Regelventile 32, 37, 38, 63 geschlossen und ist das Regelventil 61 offen (kann aber auch geschlossen werden).
  • Dann wird zum Zeitpunkt t2 ein Startbefehl abgerufen, um die SOFC 13 zu starten. In diesem Fall kann die Gasturbine 11 in einem Niederlastbetriebszustand oder einem Nenn-Betriebszustand sein. Zum Zeitpunkt t2 ist das Regelventil 32 bis zu einem vorgegebenen Grad offen, der kleiner ist als ganz offen, während das Regelventil 63 offen ist. Dann wird der Druck vom Regelventil 32 über die Verstärker-Zirkulationsleitung 60 zur zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 31, die SOFC 13, die Druckluft-Zirkulationsleitung 36 bis zum Regelventil 38 und die Ausführleitung 35 bis zum Regelventil 37 erhöht.
  • Später werden zu einem Zeitpunkt t3, wenn ein zweiter Druck P2 des zweiten Fühlers 65 einem ersten Druck P1 des ersten Fühlers 64 gleich wird, die Regelventile 32, 61 geöffnet, das Regelventil 63 wird geschlossen (oder kann teilweise geschlossen werden, wobei es bis zu einem vorgegebenen Grad offen bleibt), und das Gebläse 33 wird aktiviert (der Antriebsmotor 33a wird angetrieben. Dann zirkuliert ein Teil der verdichteten Luft A2, die vom Verdichter 21 verdichtet wird, durch die Verstärker-Zirkulationsleitung 60 von der Seite stromabwärts vom Gebläse 33 zur Seite stromaufwärts davon. Hierbei unterdrückt das Regelventil 63 die Zufuhr der Druckluft A2 zur SOFC 13 und lässt die Druckluft A2 durch die Verstärker-Zirkulationsleitung 60 zirkulieren. Das Regelventil 63 kann teilweise geschlossen werden, während es bis zu einem gewissen Grad offen bleibt, oder es kann geschlossen werden. Dadurch wird die Zirkulation der Druckluft A2 sichergestellt, so dass die Wirkung der Druckluft A2, die aufgrund des Gebläses 33 einen erhöhten Druck aufweist, auf die SOFC 13 (d.h. Schwankungen des Drucks der SOFC 13 (des dritten Drucks P3)) sicher unterdrückt werden kann.
  • Wenn dann zum Zeitpunkt t4 ein Druck P des Gebläses 33 einen vorgegebenen Wert des Drucks für das Gebläse 33 in einem Nennbetrieb erreicht, wird das Regelventil 61 allmählich geschlossen, während das Gebläse 33 weiterhin angetrieben wird. Zu dieser Zeit werden das Regelventil 63 und das Regelventil 37 allmählich geöffnet. Dann wird die Druckluft A2, die aufgrund des Gebläses 33 einen erhöhten Druck aufweist, zur SOFC 13 geliefert. Zu dieser Zeit ist das Gebläse 33 im Nennbetrieb und arbeitet somit stabil. Daher wird die Strömungsrate der Druckluft A2, die zur SOFC 13 gelenkt wird, stabilisiert. Zu dieser Zeit kann außerdem das allmähliche Öffnen des Regelventils 63 und des Regelventils 37 rasche Schwankungen des dritten Drucks P3 des dritten Fühlers 66, das heißt des Drucks der SOFC 13, unterdrücken. Dabei strömt in der SOFC 13 die Druckluft A2 durch die zweite Druckluft-Zufuhrleitung 31 zur SOFC 13, so dass der Druck der SOFC 13 (der dritte Druck P3) allmählich steigt.
  • Dann wird zu einem Zeitpunkt t5, wenn der Druck der SOFC 13 (der dritte Druck P3) einen für die SOFC 13 vorgegebenen Druck erreicht, das Regelventil 61 geschlossen und das Regelventil 63 wird geöffnet, während das Gebläse 33 weiterhin angetrieben wird. Bis zu einem Zeitpunkt t6, zu dem der Betrieb der SOFC 13 stabilisiert wird, wird dann das Regelventil 38 allmählich geöffnet und das Regelventil 37 wird allmählich geschlossen. Demgemäß wird die Abluft A3, die im Nennbetrieb aus der SOFC 13 entlassen wird, aus der Abluftleitung 34 durch die Druckluft-Zirkulationsleitung 36 zum Brenner 22 geliefert. Vorausgesetzt, dass sich der Betrieb des Gebläses 33 stabilisiert hat, wird diese Abluft A3 auf stabile Weise und ohne schnelle Schwankungen zum Brenner 22 geliefert. Daher werden in der Gasturbine 11 die Druckluft A1 vom Verdichter 21, die zum Brenner 22 geliefert wird, die Kühlluft, die zur Turbine 23 gelenkt wird, und dergleichen stabil und weder im Überschuss noch in zu geringer Menge zugeführt.
  • Man beachte, dass die Steuervorrichtung 62 den Druck, der vom Druckfühler 33b des Gebläses 33 erfasst wird, als Eingabe empfängt, und zum Zeitpunkt t4, wenn der Druck P des Gebläses 33 einen vorgegebenen Druckwert für das Gebläse 33 im Nennbetrieb erreicht, das Regelventil 61 allmählich schließt, während das Gebläse 33 weiterhin angetrieben wird. Das Gebläse 33 kann statt dieses Druckfühlers 33b auch einen Strömungsratenfühler aufweisen, der die Strömungsrate der Druckluft A2 erfasst, die durch seinen Auslass strömt. In einem solchen Fall empfängt die Steuervorrichtung 62 die Strömungsrate, die vom Strömungsratenfühler des Gebläses 33 erfasst wird, als Eingabe und schließt zum Zeitpunkt t4, wenn die Strömungsrate des Gebläses 33 eine vorgegebene Strömungsrate für das Gebläse 33 im Nennbetrieb erreicht, das Regelventil 61 allmählich, während das Gebläse 33 weiterhin angetrieben wird.
  • Somit weist das Stromerzeugungssystem der Ausführungsform 1 Folgendes auf: Die Gasturbine 11 mit dem Verdichter 21 und dem Brenner 22; die erste Druckluft-Zufuhrleitung 26, welche die Druckluft A1, die vom Verdichter 21 verdichtet worden ist, zum Brenner 22 liefert; die SOFC 13 mit der Luftelektrode und der Brennstoffelektrode; die zweite Druckluft-Zufuhrleitung 31, die einen Teil der Druckluft A2, die vom Verdichter 21 verdichtet worden ist, zur Luftelektrode liefert; das Gebläse 33, das in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 31 vorgesehen ist und den Druck der Druckluft A2 verstärkt; die Verstärker-Zirkulationsleitung 60, die auf der Seite stromaufwärts vom Gebläse 33 und mit der Seite stromabwärts davon an die zweite Druckluft-Zufuhrleitung 31 angeschlossen ist; das Regelventil 61, das in der Verstärker-Zirkulationsleitung 60 vorgesehen ist; das Regelventil 63, das zwischen der Verstärker-Zirkulationsleitung 60 und der SOFC 13 in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 31 vorgesehen ist; und die Steuervorrichtung 62, die das Gebläse 33 durch Schließen des Regelventils 63 und gleichzeitiges Öffnen des Regelventils 61 während des Startens der SOFC 13 aktiviert.
  • Somit zirkuliert während des Startens der SOFC 13 die Druckluft A2 von der Seite stromabwärts vom Gebläse 33 zur Seite stromaufwärts davon entlang der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 31, die einen Teil der Druckluft A2, die vom Verdichter 21 verdichtet wird, zur Luftelektrode liefert. Daher besteht zu dieser Zeit kein Mangel an Druckluft A2, die zum Brenner 22, zur Turbine 23 und dergleichen geliefert wird. Dadurch kann einer anomalen Verbrennung im Brenner 22 und einer unzureichenden Kühlung in der Turbine 23 entgegengewirkt werden. Infolgedessen wird einem Luftmangel in der Gasturbine 11 entgegengewirkt, so dass ein stabiles Starten möglich wird.
  • In dem Stromerzeugungssystem der Ausführungsform 1 ist das Gebläse 33 mit dem Fühler 33b versehen, der den Druck und/oder die Strömungsrate der Druckluft A2 erfasst, und wenn der Druck und/oder die Strömungsrate, der bzw. die vom Fühler 33b erfasst wird bzw. werden, einen vorgegebenen Wert erreicht, öffnet die Steuervorrichtung 62 das Regelventil 63, während es das Regelventil 61 schließt. Demgemäß wird die Druckluft A2 in Richtung der SOFC 13 geleitet, sobald sich der Druck und/oder die Strömungsrate der Druckluft A2 im Gebläse 33 stabilisiert hat bzw. haben, wodurch ein Mangel an Luft in der Gasturbine 11 auf angemessene Weise unterdrückt werden kann.
  • Ebenso beinhaltet ein Verfahren zum Starten einer Brennstoffzelle in dem Stromerzeugungssystem der Ausführungsform 1 die folgenden Schritte: Das Verstärken des Drucks eines Teils der Druckluft A2, die vom Verdichter 21 der Gasturbine 11 verdichtet wird, durch Aktivieren des Gebläses 33, das vor der Luftelektrode der SOFC 13 vorgesehen ist, sobald die SOFC 13 gestartet wird, während gleichzeitig dieser Teil der verdichteten Luft A2 von der Seite stromabwärts vom Gebläse 33 zur Seite stromaufwärts davon zirkuliert; und das Liefern der Druckluft A2 zur Luftelektrode der SOFC 13, während der Druck mit dem Gebläse 33 verstärkt wird, wenn der Druck und/oder die Strömungsrate dieses Teils der Druckluft A2, die vom Verdichter 21 der Gasturbine 11 verdichtet wird, einen vorgegebenen Wert erreicht bzw. erreichen.
  • Somit wird während des Startens der SOFC 13 einem Luftmangel in der Gasturbine 11 entgegengewirkt, so dass ein stabiles Starten ohne Mangel an Druckluft A1 im Brenner 22, in der Turbine 23 und dergleichen möglich wird.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform eines Stromerzeugungssystems und eines Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzelle in dem Stromerzeugungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend ausführlich unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Man beachte, dass die vorliegende Erfindung durch die Ausführungsform nicht beschränkt wird, und dass, wenn mehrere Ausführungsformen vorhanden ist, die vorliegende Erfindung eine Gestaltung, welche diese Ausführungsformen kombiniert, einschließen soll.
  • Das Stromerzeugungssystem der Ausführungsform 2 ist ein Triple Combined Cycle, das eine Festoxidbrennstoffzelle (im Folgenden als SOFC bezeichnet), eine Gasturbine und eine Dampfturbine kombiniert. Dieser Triple Combined Cycle ist in der Lage, Elektrizität in den drei Stufen SOFC, Gasturbine und Dampfturbine zu gewinnen, und zwar dadurch, dass die SOFC stromaufwärts von einer kombinierten Gasturbinenzyklus (GTCC)-Stromerzeugung angeordnet ist, und ist somit in der Lage, einen außerordentlich hohen Wirkungsgrad der Stromerzeugung zu erreichen. Man beachte, dass sich die folgende Beschreibung auf eine Festoxidbrennstoffzelle bezieht, die als die Brennstoffzelle der vorliegenden Erfindung verwendet wird; jedoch soll dies keine Beschränkung auf diese Art einer Brennstoffzelle bedeuten.
  • 4 ist eine Skizze, die eine Zufuhrleitung für Druckluft in dem Stromerzeugungssystem gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung darstellt. 5 ist ein Ablaufschema der Zufuhr von Druckluft während des Betriebs einer Festoxidbrennstoffzelle im Stromerzeugungssystem einer Ausführungsform 2. 6 ist eine Skizze, die eine Zufuhrleitung für Druckluft in einem anderen Stromerzeugungssystem gemäß einer Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung darstellt. 7 ist eine Konfigurationsskizze, die das Stromerzeugungssystem der Ausführungsform 2 darstellt.
  • In der Ausführungsform 2 weist ein Stromerzeugungssystem 110, wie in 7 dargestellt, eine Gasturbine 111 und einen Stromgenerator 112, eine SOFC 113 und eine Dampfturbine 114 und einen Stromgenerator 115 auf. Das Stromerzeugungssystem 110 kombiniert Strom von der Gasturbine 111, Strom von der SOFC 113 und Strom von der Dampfturbine 114, und ist somit so gestaltet, dass es einen hohen Wirkungsgrad der Stromerzeugung erreicht.
  • Die Gasturbine 111 weist einen Verdichter 121, einen Brenner 122 und eine Turbine 123 auf. Der Verdichter 121 und die Turbine 123 sind so verbunden, dass sie durch eine Drehwelle 124 gemeinsam gedreht werden können. Der Verdichter 121 verdichtet Luft A100, die von einer Luftansaugleitung 125 erhalten wird. Der Brenner 122 kombiniert und verbrennt Druckluft A101, die vom Verdichter 121 durch eine erste Druckluft-Zufuhrleitung 126 geliefert wird, und Brenngas L101, das von einer ersten Brenngas-Zufuhrleitung 127 geliefert wird. Die Turbine 123 wird durch Abgas (Brenngas) G100, das vom Brenner 122 durch eine Abgas-Zufuhrleitung 128 geliefert wird, zum Drehen gebracht. Auch wenn dies nicht dargestellt ist, wird die Turbine 123 durch ein Gehäuse mit der Druckluft A101 beliefert, die vom Verdichter 121 verdichtet wird, und kühlt Turbinenblätter und dergleichen unter Verwendung dieser Druckluft A101 als Kühlluft. Der Stromgenerator 112 ist koaxial zur Turbine 123 vorgesehen und ist in der Lage, Strom zu erzeugen, während sich die Turbine 123 dreht. Man beachte, dass beispielsweise Flüssigerdgas (LNG) als Brenngas L101 verwendet wird, das zum Brenner 122 geliefert wird.
  • Die SOFC 113 wird mit heißem Brenngas als Reduktionsmittel und mit heißer Luft (Oxidierungsgas) als Oxidationsmittel beliefert, die bei einer vorgegebenen Betriebstemperatur reagieren, um Strom zu erzeugen. Die SOFC 113 besteht aus einer Luftelektrode, einem festen Elektrolyten und einer Brennstoffelektrode, die in einem Druckbehälter untergebracht sind. Druckluft A102, die vom Verdichter 121 verdichtet worden ist, wird zur Luftelektrode geliefert, und Brenngas wird zur Brennstoffelektrode geliefert, so dass Strom erzeugt wird. Man beachte, dass hierbei als Brenngas L102, das zur SOFC 113 geliefert wird, beispielsweise Flüssigerdgas (LNG), Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO), ein Kohlenwasserstoffgas wie Methan (CH4), Gas, das in einer Vergasungsanlage für kohlenstoffhaltiges Material wie Kohle oder dergleichen hergestellt wird, verwendet wird. Ebenso beinhaltet das Oxidierungsgas, das zur SOFC 113 geliefert wird, ungefähr 15 % bis 30 % Sauerstoff. In der Regel ist Luft ausreichend. Jedoch können zusätzlich zu Luft ein Gasgemisch aus Verbrennungsabgas und Luft, ein Gasgemisch aus Sauerstoff und Luft oder dergleichen verwendet werden (im Folgenden wird das Oxidierungsgas, das zur SOFC 113 geliefert wird, als Luft bezeichnet).
  • Die SOFC 113 ist mit einer zweiten Druckluft-Zufuhrleitung Druckluft-Zufuhrleitung) 131 verbunden, die von der ersten Druckluft-Zufuhrleitung 126 abzweigt, so dass sie in der Lage ist, einen Teil der Druckluft A102, die vom Verdichter 121 verdichtet wird, zu einem Einführungsteil der Luftelektrode zu liefern. Diese zweite Druckluft-Zufuhrleitung 131 ist in der Luftströmungsrichtung mit einem Regelventil 132, das das zuzuführende Luftvolumen einstellen kann, sowie mit einem Gebläse 133 versehen, das in der Lage ist, den Druck der Druckluft A2 zu verstärken. Das Regelventil 132 ist in der Luftströmungsrichtung auf der stromaufwärtigen Seite der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 131 vorgesehen. Das Gebläse 133 ist auf der Seite stromabwärts vom Regelventil 132 vorgesehen. Die SOFC 113 ist mit einer Abluftleitung 134 verbunden, die Abluft A103, die von der Luftelektrode genutzt worden ist, entlässt. Diese Abluftleitung 134 verzweigt sich in eine Ausfuhrleitung 135, welche die Abluft A103, die von der Luftelektrode genutzt worden ist, nach außen entlässt, und in eine Druckluft-Zirkulationsleitung 136, die mit dem Brenner 122 verbunden ist. Die Ausfuhrleitung 135 ist mit einem Regelventil 137 versehen, das in der Lage ist, das Luftvolumen, das entlassen werden soll, einzustellen. Die Druckluft-Zirkulationsleitung 136 ist mit einem Regelventil 138 versehen, das in der Lage ist, das Luftvolumen, das zirkulieren soll, einzustellen.
  • Die SOFC 113 ist außerdem mit einer zweiten Brenngas-Zufuhrleitung 141 versehen, die das Brenngas L102 zum Einführungsteil der Brennstoffelektrode liefert. Die zweite Brenngas-Zufuhrleitung 141 ist mit einem Regelventil 142 versehen, das in der Lage ist, das Brenngasvolumen, das geliefert werden soll, einzustellen. Die SOFC 113 ist mit einer Brenngas-Abfuhrleitung 143 verbunden, die abgeführtes Brenngas L103, das von der Brennstoffelektrode genutzt worden ist, entlässt. Die Brennstoff-Abfuhrleitung 143 verzweigt sich in eine Ausfuhrleitung 144, die eine Entlassung nach außen durchführt, und in eine Zufuhrleitung 145 für abgeführtes Brenngas, die mit dem Brenner 122 verbunden ist. Die Ausfuhrleitung 144 ist mit einem Regelventil 146 versehen, das in der Lage ist, das Brenngasvolumen, das entlassen werden soll, einzustellen. Die Zufuhrleitung 145 für abgeführtes Brenngas ist in der Brenngasströmungsrichtung mit einem Regelventil 147, das in der Lage ist, das zuzuführende Brenngasvolumen einzustellen, und mit einem Gebläse 148 versehen, das in der Lage ist, den Druck des Brenngases zu erhöhen. Das Regelventil 147 ist in der Luftströmungsrichtung des Brenngases L103 in der Leitung 145 für die Zufuhr von abgeführtem Brenngas auf der stromaufwärtigen Seite vorgesehen. Das Gebläse 148 ist in der Strömungsrichtung des Brenngases L103 stromabwärts vom Regelventil 147 vorgesehen.
  • Die SOFC 113 ist außerdem mit einer Brenngas-Rückführungsleitung 149 versehen, welche die Brenngas-Abfuhrleitung 143 und die zweite Brenngas-Zufuhrleitung 141 verbindet. Die Brenngas-Rückführungsleitung 149 ist mit einem Rückführungsgebläse 150 versehen, welches das abgeführte Abgas L103 aus der Brenngas-Abfuhrleitung 143 in die zweite Brennstoff-Zufuhrleitung 141 zurückführt.
  • Die Dampfturbine 114 dreht eine Turbine 152 mit Dampf, der von einem Wärmerückgewinnungs- bzw. Abhitze-Dampferzeuger (HRSG) 151 erzeugt wird. Dieser Abhitze-Dampferzeuger 151 ist mit einer Abgasleitung 153 aus der Gasturbine 111 (Turbine 123) verbunden und erzeugt Dampf S100 durch einen Wärmetausch zwischen Luft und heißem Abgas G100. Die Dampfturbine 114 (Turbine 152) ist mit einer Dampf-Zufuhrleitung 154 und einer Wasser-Zufuhrleitung 155 zwischen der Turbine und dem Abhitze-Dampferzeuger 151 versehen. Ebenso ist die Wasser-Zufuhrleitung 155 mit einem Kondensator 156 und einer Wasserförderpumpe 157 versehen. Der Stromgenerator 115 ist koaxial zur Turbine 152 vorgesehen und ist in der Lage, Strom zu erzeugen, während sich die Turbine 152 dreht. Man beachte, dass das Abgas G100, das vom Abhitze-Dampferzeuger 151 zurückgewonnen wird, in die Atmosphäre abgegeben wird, nachdem etwaige toxische Materialien entfernt worden sind.
  • Nun wird der Betrieb des Stromerzeugungssystems 110 der Ausführungsform 2 beschrieben. Wenn das Stromerzeugungssystem 110 gestartet wird, werden die Gasturbine 111, die Dampfturbine 114 und die SOFC 13 in der Reihenfolge ihrer Nennung gestartet.
  • Zuerst verdichtet der Verdichter 121 in der Gasturbine 111 die Luft A100, der Brenner 122 mischt die verdichtete Luft A101 mit dem Brenngas L101 und verbrennt die Gasmischung, und die Turbine 123 dreht sich aufgrund des Abgases G100. Somit beginnt der Stromgenerator 112 mit der Erzeugung von Strom. Dann dreht sich die Turbine 152 in der Dampfturbine 114 aufgrund des Dampfes S100, der vom Abhitze-Dampferzeuger 151 erzeugt wird. Somit beginnt der Stromgenerator 115 mit der Erzeugung von Strom.
  • Anschließend wird in der SOFC 113 zuerst die verdichtete Luft A102 zugeführt, und es beginnen eine Verstärkung des Drucks sowie ein Temperaturanstieg. Das Regelventil 132 wird bis zu einem vorgegebenen Grad geöffnet, während das Regelventil 137 der Ausfuhrleitung 135 und das Regelventil 138 der Druckluft-Zirkulationsleitung 136 geschlossen werden und das Gebläse 133 der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 131 angehalten wird. Dann wird ein Teil der Druckluft A102, die vom Verdichter 121 verdichtet worden ist, aus der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 131 zur SOFC 113 geliefert. Somit wird der Druck auf der Seite der SOFC 113 durch die Zufuhr von Druckluft A102 erhöht.
  • Dagegen wird in der SOFC 113 das Brenngas L102 zur Brennstoffelektrodenseite geliefert, und die Verstärkung des Drucks beginnt. Während das Regelventil 146 der Ausfuhrleitung 144 und das Regelventil 147 der Zufuhrleitung 145 für abgeführtes Brenngas geschlossen werden und das Gebläse 148 angehalten wird, wird das Regelventil 142 der zweiten Brenngas-Zufuhrleitung 141 geöffnet und das Rückführungsgebläse 150 der Brenngas-Rückführungsleitung 149 wird angetrieben. Dann wird das Brenngas L102 aus der zweiten Brenngas-Zufuhrleitung 141 zur SOFC 113 geliefert, und das abgeführte Brenngas L103 wird von der Brenngas-Rückführungsleitung 149 zurückgeführt. Somit wird der Druck auf der Seite der SOFC 113 durch die Zufuhr des Brenngases L102 erhöht.
  • Sobald der Druck auf der Luftelektrodenseite der SOFSC 113 einen Auslassdruck des Verdichters 121 erreicht, wird dann das Regelventil 132 ganz geöffnet und das Gebläse 133 wird angetrieben. Das Regelventil 137 wird gleichzeitig geöffnet und die Abluft A103 aus der SOFC 113 wird aus der Ausfuhrleitung 135 entlassen. Dann wird die verdichtete Luft A102 vom Gebläse 133 zur SOFC 113 geliefert. Das Regelventil 146 wird gleichzeitig geöffnet und das abgeführte Abgas L103 aus der SOFC 113 wird aus der Ausfuhrleitung 144 entlassen. Sobald der Druck auf der Luftelektrodenseite und der Druck auf der Brennstoffelektrodenseite der SOFC 113 einen Solldruck erreichen, wird dann die Druckverstärkung für die SOFC 113 beendet.
  • Danach wird das Regelventil 137 geschlossen, sobald sich die Reaktion (Stromerzeugung) in der SOFC 113 stabilisiert hat und die Bestandteile der Abluft A103 und des abgeführten Abgases L103 stabil geworden sind, und das Regelventil 138 wird geöffnet. Dann wird die Abluft A103 aus der SOFC 113 durch die Druckluft-Zirkulationsleitung 136 zum Brenner 122 geliefert. Während das Regelventil 146 geschlossen wird, wird das Regelventil 147 geöffnet, und das Gebläse 148 wird angetrieben. Dann wird das abgeführte Abgas L103 aus der SOFC 113 durch die Brenngas-Abfuhrleitung 145 zum Brenner 122 geliefert. An dieser Stelle wird das Brenngas L101, das durch die erste Brenngas-Zufuhrleitung 127 zum Brenner 122 geliefert wird, reduziert.
  • Hierbei sind die Stromerzeugung durch den Stromgenerator 112 aufgrund des Antreibens der Gasturbine 111, die Stromerzeugung durch die SOFC 113 und die Stromerzeugung durch den Stromgenerator 115 aufgrund des Antreibens der Dampfturbine 114 alle aktiv, so dass das Stromerzeugungssystem 110 in einem stationären Betriebszustand ist.
  • Dabei durchläuft die Gasturbine 111 in einem typischen Stromerzeugungssystem Schwankungen des Betriebszustands als Reaktion auf Stromerzeugungsbedingungen. In einem solchen Fall schwankt der Auslassdruck des Verdichters 121. Zum Beispiel wird nach einer Abnahme der Frequenz des Systems die Ausgangsleistung der Gasturbine 111 erhöht, um die Frequenz wiederherzustellen. Das heißt, das Einlassvolumen des Brenngases L101 wird erhöht. Dadurch wird die Einlasstemperatur der Turbine 123 erhöht. Der Auslassdruck des Verdichters 121 steigt als Reaktion darauf. Daher ist der Druck der verdichteten Luft A102, die zur SOFC 113 geliefert wird, instabil. Die SOFC 113 wird vorzugsweise in einem stabilen Zustand betrieben, wo der Druck so geregelt wird, dass er an der Luftelektrode und an der Brennstoffelektrode gleich ist, und wo kein Zwischenfließen zwischen Luft und Brennstoff stattfindet. Wenn der Druck der zugeführten verdichteten Luft A102 instabil ist, wird der Betriebszustand instabil, und dies kann den Wirkungsgrad der Stromerzeugung herabsetzen.
  • Somit wird in dem Stromerzeugungssystem 110 der Ausführungsform 2, wie in 4 dargestellt, der Druck der Druckluft A102, die zur SOFC 113 geliefert wird, durch Bereitstellen des Regelventils (des Druckregelventils) 161 zwischen dem Gebläse 133 und dem Regelventil 132 in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 131 und dadurch, dass die Steuervorrichtung (die Steuer- bzw. Regeleinrichtung) 162 einen Öffnungsgrad eines Regelventils 161 steuert, stabilisiert. Man beachte, dass das Regelventil 161 auch auf der Seite stromaufwärts vom Gebläse 133 in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 131 (näher an der SOFC 113 als am Gebläse 133) vorgesehen sein kann.
  • Das heißt, die Drosselung des Öffnungsgrads des Regelventils 161 wirkt darauf hin, dass die Strömungsrate der Druckluft A102, die zur SOFC 113 geliefert wird, sinkt und der Druck gesenkt wird, während das Öffnen des Regelventils 161 darauf hinwirkt, dass die Strömungsrate der Druckluft A102, die zur SOFC 113 geliefert wird, steigt und der Druck erhöht wird. Um diese Regelung durchführen zu können, ist ein erster Fühler 163a, der einen ersten Druck der Druckluft A102 erfasst, auf der Seite stromaufwärts vom Regelventil 132 in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 131 zwischen dem Regelventil 132 und dem Verdichter 121 vorgesehen. Ferner ist ein zweiter Fühler 163b, der einen zweiten Druck der Druckluft A102 erfasst, auf der Seite stromabwärts vom Regelventil 161 in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 131 zwischen dem Regelventil 161 und dem Gebläse 133 vorgesehen. Dann steuert eine Steuervorrichtung 162 den Öffnungsgrad des Regelventils 161 gemäß dem jeweiligen Druck, der von den Fühlern 163a, 163b erfasst wird. Man beachte, dass der Druck, der als Norm für den Nennbetrieb der SOFC 113 verwendet wird, von einem Fühler (SOFC-Fühler) 164 erfasst wird, der in der SOFC 113 vorgesehen ist, und in die Steuervorrichtung 162 eingegeben wird. Der Fühler 164 erfasst einen Druck an der Luftelektrode der SOFC 113.
  • Hier wird das Verfahren zum Starten der SOFC 113 im Stromerzeugungssystem 110 der Ausführungsform 2, das von der oben beschriebenen Steuervorrichtung 162 gesteuert wird, beschrieben.
  • Nachdem die SOFC 113 einen Nennbetrieb erreicht hat, speichert die Steuervorrichtung 162 einen Druck, der zuvor von dem in der SOFC 113 vorgesehenen Fühler 164 erfasst worden ist, als Normdruck. Um den Normdruck zu erreichen, wird dann der Öffnungsgrad des Regelventils 161 so gesteuert, dass der Druck der Druckluft A102, der jeweils von den Fühlern 163a, 163b erfasst wird, einen vorgegebenen Druck erreicht. Zu dieser Zeit steuert die Steuervorrichtung 162 den Öffnungsgrad des Regelventils 161 so, dass der Druck der Druckluft A102, der vom ersten Fühler 163a erfasst wird, einen vorgegebenen Druck erreicht, und führt eine Bestätigung des vom ersten Fühler 163a erfassten Drucks in Bezug auf den Druck der Druckluft A102 durch, die vom zweiten Fühler 163 erfasst wird.
  • Das heißt, wie in 5 dargestellt ist, steuert die Steuervorrichtung 162 während des Nennbetriebs der SOFC 113, wenn eine vom ersten Fühler 163a erfasste Schwankung des Drucks der Druckluft A102 erfolgt (Ja in Schritt S1), den Öffnungsgrad des Regelventils 161 gemäß dem erfassten Druck (Schritt S2). Wenn dagegen keine Schwankung des Drucks der Druckluft A102, die vom ersten Fühler 163a erfasst wird, gegeben ist (Nein in Schritt S1), gibt die Steuervorrichtung 162 den Druck der Druckluft A102, die vom ersten Detektor 163a erfasst wird, erneut ein und führt eine Überwachung durch. Wenn dann der Druck der Druckluft A102, die vom ersten Fühler 163a erfasst wird, infolge der Steuerung des Öffnungsgrads des Regelventils 161 einen vorgegebenen Druck erreicht (Ja in Schritt S3), beendet die Steuervorrichtung 162 die aktuelle Steuerung, kehrt zu Schritt S1 zurück, gibt den Druck der Druckluft A102, die vom ersten Fühler 163a erfasst wird, erneut ein und führt eine Überwachung durch. Wenn dagegen der Druck der Druckluft A102, die vom ersten Fühler 163a erfasst wird, nicht der vorgegebene Druck ist (Nein in Schritt S3), dann kehrt die Steuervorrichtung 162 zu Schritt S2 zurück und steuert den Öffnungsgrad des Regelventils 161 gemäß dem Druck, der vom ersten Fühler 163a erfasst wird.
  • Somit weist das Stromerzeugungssystem 110 der Ausführungsform 2 Folgendes auf: Die Gasturbine 111 mit dem Verdichter 121 und dem Brenner 122; die SOFC 113 mit der Luftelektrode und der Brennstoffelektrode; die zweite Druckluft-Zufuhrleitung 131, die einen Teil der Druckluft A102, die vom Verdichter 121 verdichtet worden ist, zur Luftelektrode liefert; das Druckregelventil 161, das in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 131 vorgesehen ist; den Fühler 163a, der in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung 131 vorgesehen ist und der einen Druck der Druckluft A102, die zur Luftelektrode geliefert wird, erfasst; und die Steuervorrichtung 162, die den Öffnungsgrad des Druckregelventils 161 gemäß einer Schwankung des Drucks, der vom Fühler 163a erfasst wird, so steuert, dass der Druck der Druckluft A102, die zur Luftelektrode geliefert wird, konstant gehalten wird.
  • Wenn eine Schwankung im Druck der zur Luftelektrode der SOFC 113 gelieferten Druckluft A102 gegeben ist, wird demgemäß der Druck der Druckluft A102 durch Steuern des Öffnungsgrads des Regelventils 161 konstant gehalten. Somit wird der Druck der Druckluft A102, die von der Gasturbine 111 zur SOFC 113 geliefert wird, konstant gehalten. Infolgedessen läuft die SOFC 113 mit der Druckluft A102, die einen konstanten Druck aufweist, wodurch es möglich wird, dass die SOFC 113 einen stabilen Betriebszustand aufweist und somit auf stabile Weise Elektrizität erzeugen kann.
  • Außerdem besteht in dem Stromerzeugungssystem der Ausführungsform 2 das Regelventil 161, wie in 6 dargestellt, vorzugsweise aus mehreren (in der Ausführungsform 2 aus zwei) Regelventilen 161a, 161b, die parallel angeordnet sind. Zum Beispiel kann das Regelventil 161a einen vergleichsweise großen Strömungsraten-Einstellbereich aufweisen, und das Regelventil 161b kann einen vergleichsweise kleinen Strömungsraten-Einstellbereich aufweisen. Beim Steuern des Öffnungsgrads des Regelventils 161 steuert die Steuervorrichtung 162 demgemäß zuerst das Regelventil 161b, das den kleineren Strömungsraten-Einstellbereich aufweist, und steuert dann das Regelventil 161a, das den größeren Strömungsraten-Einstellbereich aufweist. Dadurch, dass die Steuerung auf diese Weise durchgeführt wird, kann das Regelventil 161b, das den vergleichsweise kleineren Strömungsraten-Einstellbereich aufweist, den Bereich der Instabilität des Betriebs ergänzen, wenn der Betrieb des Regelventils 161 mit dem vergleichsweise großen Strömungsraten-Einstellbereich anfängt. Infolgedessen wird die Steuerung, mit welcher der Druck der Druckluft A102 konstant gehalten wird, übergangslos und exakt durchgeführt. Man beachte, dass die mehreren Regelventile 161a, 161b nicht unbedingt den gleichen Strömungsraten-Einstellbereich aufweisen müssen, sondern dass die Steuerung, mit welcher der Druck der Druckluft A102 konstant gehalten wird, durch sequenzielles Steuern des Öffnungsgrads übergangslos und exakt durchgeführt werden kann.
  • Ebenso weist das Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzelle im Stromerzeugungssystem der Ausführungsform 2 die folgenden Schritte auf: Liefern eines Teils der Druckluft A102, die vom Verdichter 121 in der Gasturbine 11 verdichtet worden ist, zur Luftelektrode der SOFC 113; und Einstellen einer Strömungsrate der Druckluft A102, wenn eine Schwankung des Drucks der zur SOFC 113 gelieferten Druckluft A102 gegeben ist, so dass der Druck der Druckluft A102 konstant gehalten wird.
  • Auch wenn eine Schwankung im Druck der zur Luftelektrode der SOFC 113 gelieferten Druckluft A102 gegeben ist, wird demgemäß der Druck der Druckluft A102 durch Einstellen der Strömungsrate der Druckluft A102 konstant gehalten. Somit wird der Druck der Druckluft A102, die von der Gasturbine 111 zur SOFC 113 geliefert wird, konstant gehalten. Infolgedessen läuft die SOFC 113 mit der Druckluft A102, die einen konstanten Druck aufweist, wodurch es möglich wird, dass die SOFC 113 einen stabilen Betriebszustand aufweist und somit auf stabile Weise Elektrizität erzeugen kann.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Stromerzeugungssystem
    11
    Gasturbine
    12
    Stromgenerator
    13
    SOFC (Festoxidbrennstoffzelle: Brennstoffzelle)
    14
    Dampfturbine
    15
    Stromgenerator
    21
    Verdichter
    22
    Brenner
    23
    Turbine
    26
    Erste Druckluft-Zufuhrleitung
    31
    Zweite Druckluft-Zufuhrleitung
    32
    Regelventil
    33
    Gebläse (Booster)
    33b
    Druckfühler (Fühler)
    34
    Abluftleitung
    35
    Ausführleitung
    36
    Druckluft-Zirkulationsleitung
    37
    Regelventil
    38
    Regelventil
    60
    Verstärker-Zirkulationsleitung
    61
    Regelventil (erstes Regelventil)
    62
    Steuervorrichtung (Steuer- bzw. Regeleinrichtung)
    63
    Regelventil (Zweites Regelventil)
    64
    Erster Fühler
    65
    Zweiter Fühler
    66
    Dritter Fühler
    A1
    Druckluft
    A2
    Druckluft
    110
    Stromerzeugungssystem
    111
    Gasturbine
    112
    Stromgenerator
    113
    SOFC (Festoxidbrennstoffzelle: Brennstoffzelle)
    114
    Dampfturbine
    115
    Stromgenerator
    121
    Verdichter
    22
    Brenner
    123
    Turbine
    131
    Zweite Druckluft-Zufuhrleitung (Druckluft-Zufuhrleitung)
    161
    Regelventil (Druckregelventil)
    161a,
    161b Regelventil
    162
    Steuervorrichtung (Steuer- bzw. Regeleinrichtung)
    163
    Fühler
    164
    Fühler
    A101
    Druckluft
    A102
    Druckluft

Claims (6)

  1. Stromerzeugungssystem (10), umfassend: eine Gasturbine (11) mit einem Verdichter (21) und einem Brenner (22); eine erste Druckluft-Zufuhrleitung (26), die Druckluft, die vom Verdichter (21) verdichtet worden ist, zum Brenner (22) liefert; eine Brennstoffzelle (13) mit einer Luftelektrode und einer Bren nstoffelektrode; eine zweite Druckluft-Zufuhrleitung (31), die einen Teil der Druckluft (A2), die vom Verdichter (21) verdichtet worden ist, zur Luftelektrode liefert; einen Verstärker (33), der in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung (31) vorgesehen ist, wobei der Verstärker ausgestaltet ist, um den Druck des Teils der Druckluft (A2) zu erhöhen; eine Verstärker-Zirkulationsleitung (60), die mit einer Seite stromaufwärts vom Verstärker (33) und mit einer Seite stromabwärts davon in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung (31) verbunden ist; ein erstes Regelventil (61), das in der Verstärker-Zirkulationsleitung (60) vorgesehen ist; ein zweites Regelventil (63), das zwischen der Verstärker-Zirkulationsleitung (60) und der Brennstoffzelle (13) in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung (31) vorgesehen ist; und eine Steuervorrichtung (62), die ausgestaltet ist, um während des Startens der Brennstoffzelle (13) das zweite Regelventil (63) zu schließen, während sie das erste Regelventil (61) öffnet und den Verstärker (33) aktiviert.
  2. Stromerzeugungssystem (10) nach Anspruch 1, ferner einen Fühler (33b) umfassend, der einen Druck und/oder eine Strömungsrate des Teils der Druckluft (A2) im Verstärker (33) erfasst, wobei die Steuervorrichtung (62) ausgestaltet ist, um das zweite Regelventil (63) zu öffnen, während sie das erste Regelventil (61) schließt, sobald der Druck und/oder die Strömungsrate, der oder die von dem Fühler (33b) erfasst wird oder werden, einen vorgegebenen Wert erreicht.
  3. Verfahren zum Starten einer Brennstoffzelle (13) in einem Stromerzeugungssystem (10), die folgenden Schritte umfassend: Das Aktivieren eines Verstärkers (33), der vor einer Luftelektrode der Brennstoffzelle (13) vorgesehen ist, beim Starten der Brennstoffzelle (13), um den Druck eines Teils der Druckluft (A2), die von einem Verdichter (21) einer Gasturbine (11) verdichtet worden ist, zu verstärken und um diesen Teil der Druckluft (A2) von einer Seite stromabwärts vom Verstärker (33) zu einer Seite stromaufwärts davon zirkulieren zu lassen; und das Liefern des Teils der verdichteten Luft (A2) zur Luftelektrode der Brennstoffzelle (13), sobald der Druck und/oder die Strömungsrate dieses Teils der Druckluft (A2), die vom Verdichter (21) der Gasturbine (11) verdichtet worden ist, einen vorgegebenen Wert erreicht hat, während der Druck der Druckluft mit dem Verstärker (33) erhöht wird.
  4. Stromerzeugungssystem (110), umfassend: eine Gasturbine (111) mit einem Verdichter (121) und einem Brenner (122); eine erste Druckluft-Zufuhrleitung (126), durch die ein Teil von Druckluft (A101), die vom Verdichter (121) verdichtet worden ist, zu dem Brenner (122) geliefert wird; eine Brennstoffzelle (113) mit einer Luftelektrode und einer Bren nstoffelektrode; eine zweite Druckluft-Zufuhrleitung (131), durch die ein anderer Teil der Druckluft (A102), die vom Verdichter (121) verdichtet worden ist, zur Luftelektrode geliefert wird; ein Druckregelventil (161), das in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung (131) vorgesehen ist; einen ersten Fühler (163a), der in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung (131) auf einer Seite stromaufwärts des Druckregelventils (161) zwischen dem Druckregelventil (161) und dem Verdichter (121) vorgesehen ist, wobei der erste Fühler (163a) einen ersten Druck des zur Luftelektrode gelieferten anderen Teils der Druckluft (A2) erfasst; einen zweiten Fühler (163b), der in der zweiten Druckluft-Zufuhrleitung (131) auf einer Seite stromabwärts des Druckregelventils (161) zwischen dem Druckregelventil (161) und einem Gebläse (133) vorgesehen ist, wobei der zweite Fühler (163b) einen zweiten Druck des zur Luftelektrode gelieferten anderen Teils der Druckluft (A2) erfasst; und eine Steuervorrichtung (162), die ausgestaltet ist, um während eines Nennbetriebs der Brennstoffzelle (113) einen Öffnungsgrad des Druckregelventils (161) als Reaktion auf eine vom ersten Fühler (163b) erfasste Schwankung des ersten Drucks so zu steuern, dass der Druck des anderen Teils der Druckluft (A102), die zur Luftelektrode geliefert wird, konstant gehalten wird, wobei die Steuervorrichtung (162) den Öffnungsgrad des Druckregelventils (161) so steuert, dass der erste Druck des anderen Teils der Druckluft (A102), der von dem ersten Fühler (163a) erfasst wird, einen vorgegebenen Druck erreicht, und eine Bestätigung des von dem ersten Fühler (163a) erfassten ersten Drucks in Bezug auf den zweiten Druck des anderen Teils der Druckluft (A102) durchführt, der von dem zweiten Fühler (163b) erfasst wird.
  5. Stromerzeugungssystem (110) nach Anspruch 4, wobei das Druckregelventil (161) aus mehreren Regelventilen (161a,161b) besteht, die parallel angeordnet sind.
  6. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle (113) in einem Stromerzeugungssystem (110), die folgenden Schritte umfassend: Das Liefern eines Teils von Druckluft (A101), die von einem Verdichter (121) einer Gasturbine (111) verdichtet worden ist, zu einem Brenner (122) der Gastrubine (111); Das Liefern von einem anderen Teil der Druckluft (A102), die von dem Verdichter (121) der Gasturbine (111) verdichtet worden ist, zu einer Luftelektrode der Brennstoffzelle (113) über eine Druckluft-Zufuhrleitung (131), in der ein Druckregelventil (161) vorgesehen ist; und während eines Nennbetriebs der Brennstoffzelle (113), das Einstellen einer Strömungsrate des anderen Teils der Druckluft (A102) so, dass der Druck des anderen Teils der Druckluft (A102) konstant gehalten wird, wenn ein erster Druck des anderen Teils der Druckluft (A102), die zu der Brennstoffzelle (113) geliefert wird, und der auf einer Seite stromaufwärts des Druckregelventils (161) zwischen dem Druckregelventil (161) und dem Verdichter (121) durch einen einen ersten Fühler (163a) erfasst wird, schwankt, wobei der Öffnungsgrad des Druckregelventils (161) so gesteuert wird, dass der erste Druck des anderen Teils der Druckluft (A102), der von dem ersten Fühler (163a) erfasst wird, einen vorgegebenen Druck erreicht, und eine Bestätigung des von dem ersten Fühler (163a) erfassten Drucks in Bezug auf einen zweiten Druck des anderen Teils der Druckluft (A102) durchgeführt wird, der von einem zweiten Fühler (163b) erfasst wird, der in der Druckluft-Zufuhrleitung (131) auf einer Seite stromabwärts des Druckregelventils (161) zwischen dem Druckregelventil (161) und einem Gebläse (133) vorgesehen ist.
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