JP2001015134A - 燃料電池とガスタービンの複合発電装置 - Google Patents
燃料電池とガスタービンの複合発電装置Info
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- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 ガスタービン／燃料電池の出力比が最適値よ
りずれる場合でも、全体の発電効率を高く維持すること
ができ、かつ、燃料電池が経時変化等により若干性能劣
化した場合でも、発電効率を高く維持することができる
燃料電池とガスタービンの複合発電装置を提供する。 【解決手段】 燃料ガスを水素を含むアノードガスに改
質する改質器（１０）と、アノードガスと酸素を含むカ
ソードガスとから発電する燃料電池（１２）と、カソー
ド排ガスで燃料を燃焼させて高温ガスを発生させるガス
タービン燃焼器（１５）と、該高温ガスで駆動され空気
を圧縮しかつ発電するガスタービン発電機（１６）と、
該ガスタービン発電機のガスタービン排ガスでコンプレ
ッサ出口の空気を予熱する再生熱交換器（２０）とを備
え、これにより、燃料電池に供給する空気温度を調整す
る。
りずれる場合でも、全体の発電効率を高く維持すること
ができ、かつ、燃料電池が経時変化等により若干性能劣
化した場合でも、発電効率を高く維持することができる
燃料電池とガスタービンの複合発電装置を提供する。 【解決手段】 燃料ガスを水素を含むアノードガスに改
質する改質器（１０）と、アノードガスと酸素を含むカ
ソードガスとから発電する燃料電池（１２）と、カソー
ド排ガスで燃料を燃焼させて高温ガスを発生させるガス
タービン燃焼器（１５）と、該高温ガスで駆動され空気
を圧縮しかつ発電するガスタービン発電機（１６）と、
該ガスタービン発電機のガスタービン排ガスでコンプレ
ッサ出口の空気を予熱する再生熱交換器（２０）とを備
え、これにより、燃料電池に供給する空気温度を調整す
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池とガスタ
ービンの複合発電装置に関する。
ービンの複合発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ
環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特
徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システ
ムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行
われている。特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃
料電池を用いた発電設備では、図５に例示するように天
然ガス等の燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改
質する改質器１０と、アノードガス２と酸素を含むカソ
ードガス３とから発電する燃料電池１２とを備えてお
り、改質器１０で作られたアノードガス２は燃料電池１
２に供給され、燃料電池内でその大部分（例えば８０
％）を消費した後、アノード排ガス４として燃焼器１１
に供給される。燃焼器１１ではアノード排ガス中の可燃
成分（水素、一酸化炭素、メタン等）が燃焼し、高温の
燃焼ガスにより改質器１０の加熱室を加熱し改質室内を
通る燃料を改質する。改質室を出た燃焼排ガス５はカソ
ードブロア１４により燃料電池１２のカソード側に循環
供給され、ガスタービン発電機１６から供給される加圧
空気６と合流してカソードガス３となり、燃料電池１２
のカソード側に必要な酸素と二酸化炭素を供給する。燃
料電池内でその一部が反応したカソードガス（カソード
排ガス７）は、循環制御弁１４ａを介して燃料電池１２
の上流側に一部７ｂが循環され、また一部（カソード排
ガス７ａ）は燃焼器１１に供給される。残り７ｃはガス
タービン発電機１６で圧力回収され、排熱回収蒸気発生
装置１８で熱回収されて系外に排出される。なお、この
図で８は水蒸気、９は冷却水、１３は燃料予熱器、１５
はガスタービン燃焼器、１７は給水ポンプである。
環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特
徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システ
ムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行
われている。特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃
料電池を用いた発電設備では、図５に例示するように天
然ガス等の燃料ガス１を水素を含むアノードガス２に改
質する改質器１０と、アノードガス２と酸素を含むカソ
ードガス３とから発電する燃料電池１２とを備えてお
り、改質器１０で作られたアノードガス２は燃料電池１
２に供給され、燃料電池内でその大部分（例えば８０
％）を消費した後、アノード排ガス４として燃焼器１１
に供給される。燃焼器１１ではアノード排ガス中の可燃
成分（水素、一酸化炭素、メタン等）が燃焼し、高温の
燃焼ガスにより改質器１０の加熱室を加熱し改質室内を
通る燃料を改質する。改質室を出た燃焼排ガス５はカソ
ードブロア１４により燃料電池１２のカソード側に循環
供給され、ガスタービン発電機１６から供給される加圧
空気６と合流してカソードガス３となり、燃料電池１２
のカソード側に必要な酸素と二酸化炭素を供給する。燃
料電池内でその一部が反応したカソードガス（カソード
排ガス７）は、循環制御弁１４ａを介して燃料電池１２
の上流側に一部７ｂが循環され、また一部（カソード排
ガス７ａ）は燃焼器１１に供給される。残り７ｃはガス
タービン発電機１６で圧力回収され、排熱回収蒸気発生
装置１８で熱回収されて系外に排出される。なお、この
図で８は水蒸気、９は冷却水、１３は燃料予熱器、１５
はガスタービン燃焼器、１７は給水ポンプである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】一般にガスタービン発
電機１６は、新規の仕様で新設計し開発するのに、長期
の開発期間と多大な開発費用を必要とする。そのため、
上述した複合発電装置は、開発済のガスタービン発電機
を選定し、これに合わせて、溶融炭酸塩型燃料電池を設
計・製作しコンバインドする必要がある。一方で、必要
な発電出力が決まっている場合、ガスタービン発電機と
燃料電池の発電出力が一義的に決まるが、最適なガスタ
ービン／燃料電池の出力比以外では、複合発電装置全体
の発電効率が低下してしまう問題点がある。
電機１６は、新規の仕様で新設計し開発するのに、長期
の開発期間と多大な開発費用を必要とする。そのため、
上述した複合発電装置は、開発済のガスタービン発電機
を選定し、これに合わせて、溶融炭酸塩型燃料電池を設
計・製作しコンバインドする必要がある。一方で、必要
な発電出力が決まっている場合、ガスタービン発電機と
燃料電池の発電出力が一義的に決まるが、最適なガスタ
ービン／燃料電池の出力比以外では、複合発電装置全体
の発電効率が低下してしまう問題点がある。
【０００４】例えば、ガスタービン／燃料電池の出力比
が最適値より大きい場合（燃料電池出力が最適値より小
さい場合）は、ガスタービンコンプレッサの吐出空気全
量を燃料電池に供給すると、燃料電池温度が下がるの
で、燃料電池の最適な運転温度を保つためには改質器で
の発熱量を高めるために燃料電池での燃料利用率を下げ
る必要があり、これにより発電効率が低下してしまう。
が最適値より大きい場合（燃料電池出力が最適値より小
さい場合）は、ガスタービンコンプレッサの吐出空気全
量を燃料電池に供給すると、燃料電池温度が下がるの
で、燃料電池の最適な運転温度を保つためには改質器で
の発熱量を高めるために燃料電池での燃料利用率を下げ
る必要があり、これにより発電効率が低下してしまう。
【０００５】また、この場合にガスタービンコンプレッ
サの吐出空気の一部をガスタービン燃焼器１５に供給
し、一部を燃料電池に供給して燃料電池の最適な運転温
度を保つと、ガスタービン発電機１６の排ガス温度が低
下するため、ガスタービン燃焼器１５に追い焚き燃料１
ａを供給する必要があり、やはり発電効率が低下してし
まう。
サの吐出空気の一部をガスタービン燃焼器１５に供給
し、一部を燃料電池に供給して燃料電池の最適な運転温
度を保つと、ガスタービン発電機１６の排ガス温度が低
下するため、ガスタービン燃焼器１５に追い焚き燃料１
ａを供給する必要があり、やはり発電効率が低下してし
まう。
【０００６】さらに、新設時にかりにガスタービン／燃
料電池の出力比を最適値に設定できた場合でも、燃料電
池は電気化学反応器であるため、経時変化による性能劣
化は避けられず、劣化により燃料電池での発熱量が増加
すると、燃料電池の温度を所定範囲に保持するためにカ
ソードガス流量を増加する必要が生じる。この場合、上
述した複合発電装置では、カソードリサイクル流量を増
す必要があり、この結果、カソードリサイクルブロア
（カソードブロア１４）の消費動力が増加し、燃料電池
の劣化と共に発電効率が低下する結果となる。
料電池の出力比を最適値に設定できた場合でも、燃料電
池は電気化学反応器であるため、経時変化による性能劣
化は避けられず、劣化により燃料電池での発熱量が増加
すると、燃料電池の温度を所定範囲に保持するためにカ
ソードガス流量を増加する必要が生じる。この場合、上
述した複合発電装置では、カソードリサイクル流量を増
す必要があり、この結果、カソードリサイクルブロア
（カソードブロア１４）の消費動力が増加し、燃料電池
の劣化と共に発電効率が低下する結果となる。
【０００７】本発明は上述した種々の問題点を解決する
ために創案されたものである。すなわち、本発明の主目
的は、ガスタービン／燃料電池の出力比が最適値よりわ
ずかにずれる場合でも、これらを用いた全体の発電効率
を高く維持することができる複合発電装置を提供するこ
とにある。また、本発明の別の目的は、燃料電池が経時
変化等により若干性能劣化した場合でも、発電効率を高
く維持することができる複合発電装置を提供することに
ある。
ために創案されたものである。すなわち、本発明の主目
的は、ガスタービン／燃料電池の出力比が最適値よりわ
ずかにずれる場合でも、これらを用いた全体の発電効率
を高く維持することができる複合発電装置を提供するこ
とにある。また、本発明の別の目的は、燃料電池が経時
変化等により若干性能劣化した場合でも、発電効率を高
く維持することができる複合発電装置を提供することに
ある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、燃料ガ
スを水素を含むアノードガスに改質する改質器（１０）
と、アノードガスと酸素を含むカソードガスとから発電
する燃料電池（１２）と、カソード排ガスで燃料を燃焼
させて高温ガスを発生させるガスタービン燃焼器（１
５）と、該高温ガスで駆動され空気を圧縮しかつ発電す
るガスタービン発電機（１６）と、該ガスタービン発電
機のガスタービン排ガスでコンプレッサ出口の空気を予
熱する再生熱交換器（２０）とを備え、これにより、燃
料電池に供給する空気温度を調整する、ことを特徴とす
る燃料電池とガスタービンの複合発電装置が提供され
る。
スを水素を含むアノードガスに改質する改質器（１０）
と、アノードガスと酸素を含むカソードガスとから発電
する燃料電池（１２）と、カソード排ガスで燃料を燃焼
させて高温ガスを発生させるガスタービン燃焼器（１
５）と、該高温ガスで駆動され空気を圧縮しかつ発電す
るガスタービン発電機（１６）と、該ガスタービン発電
機のガスタービン排ガスでコンプレッサ出口の空気を予
熱する再生熱交換器（２０）とを備え、これにより、燃
料電池に供給する空気温度を調整する、ことを特徴とす
る燃料電池とガスタービンの複合発電装置が提供され
る。
【０００９】本発明の好ましい実施形態によれば、ガス
タービン発電機のコンプレッサ出口の空気をガスタービ
ン燃焼器（１５）と再生熱交換器（２０）に流量制御し
て分岐する第１流量制御弁（２２）と、再生熱交換器
（２０）に分岐した空気を更に再生熱交換器とこれをバ
イパスして燃料電池に供給するラインとに流量制御して
分岐する第２流量制御弁（２４）とを備える。
タービン発電機のコンプレッサ出口の空気をガスタービ
ン燃焼器（１５）と再生熱交換器（２０）に流量制御し
て分岐する第１流量制御弁（２２）と、再生熱交換器
（２０）に分岐した空気を更に再生熱交換器とこれをバ
イパスして燃料電池に供給するラインとに流量制御して
分岐する第２流量制御弁（２４）とを備える。
【００１０】上記本発明の構成によれば、ガスタービン
のタービン出口に設置した再生熱交換器（２０）によ
り、ガスタービン排ガスでコンプレッサ出口の空気を昇
温・調整することができる。従って、ガスタービン／燃
料電池の出力比が最適値より大きい場合でも以下のよう
に発電効率が向上する。 （１）燃料電池に供給される空気の温度を高くすること
で、燃料利用率を下げることなく、より多くの空気を燃
料電池に供給できる。これにより、燃料電池からの高温
のカソード排ガス量が増加すると共に、ガスタービン燃
焼器に供給している低温の圧縮空気をゼロにする、もし
くは減らすことができ、ガスタービン燃焼器に供給して
いる追い焚き燃料を減らすことが可能で、発電効率が向
上する。 （２）燃料電池に供給される空気量が増える分だけ、燃
料電池のカソードリサイクル流量を減らせることから、
カソードリサイクルブロア動力が減少し、さらに発電効
率向上が望める。 （３）再生熱交換器にてガスタービン排ガスの顕熱を回
収して有効に利用することができることから、最終排気
のガス温度が低下して排熱が減少し、発電効率が向上す
る。
のタービン出口に設置した再生熱交換器（２０）によ
り、ガスタービン排ガスでコンプレッサ出口の空気を昇
温・調整することができる。従って、ガスタービン／燃
料電池の出力比が最適値より大きい場合でも以下のよう
に発電効率が向上する。 （１）燃料電池に供給される空気の温度を高くすること
で、燃料利用率を下げることなく、より多くの空気を燃
料電池に供給できる。これにより、燃料電池からの高温
のカソード排ガス量が増加すると共に、ガスタービン燃
焼器に供給している低温の圧縮空気をゼロにする、もし
くは減らすことができ、ガスタービン燃焼器に供給して
いる追い焚き燃料を減らすことが可能で、発電効率が向
上する。 （２）燃料電池に供給される空気量が増える分だけ、燃
料電池のカソードリサイクル流量を減らせることから、
カソードリサイクルブロア動力が減少し、さらに発電効
率向上が望める。 （３）再生熱交換器にてガスタービン排ガスの顕熱を回
収して有効に利用することができることから、最終排気
のガス温度が低下して排熱が減少し、発電効率が向上す
る。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付して使用する。図１は本発
明による燃料電池とガスタービンの複合発電装置の第１
実施形態を示す構成図である。この図において、本発明
の複合発電装置は、燃料ガス１を水素を含むアノードガ
ス２に改質する改質器１０と、アノードガス２と酸素を
含むカソードガス３とから発電する燃料電池１２と、カ
ソード排ガス７で燃料を燃焼させて高温ガスを発生させ
るガスタービン燃焼器１５と、発生した高温ガスで駆動
され空気を圧縮しかつ発電するガスタービン発電機１６
とを備える。
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付して使用する。図１は本発
明による燃料電池とガスタービンの複合発電装置の第１
実施形態を示す構成図である。この図において、本発明
の複合発電装置は、燃料ガス１を水素を含むアノードガ
ス２に改質する改質器１０と、アノードガス２と酸素を
含むカソードガス３とから発電する燃料電池１２と、カ
ソード排ガス７で燃料を燃焼させて高温ガスを発生させ
るガスタービン燃焼器１５と、発生した高温ガスで駆動
され空気を圧縮しかつ発電するガスタービン発電機１６
とを備える。
【００１２】改質器２０は、内部に改質触媒が充填され
た改質室Ｒｅと、改質室Ｒｅを加熱するための加熱室Ｈ
とからなる。加熱室Ｈには、燃焼器１１でアノード排ガ
ス４をカソード排ガス７ａで燃焼させた高温燃焼排ガス
が供給される。加熱室Ｈを通過した燃焼排ガス５は、カ
ソードブロア１４により燃料電池１２のカソード側に循
環供給される。このラインには、ガスタービン発電機１
６から供給される加圧空気６が合流して混入され、カソ
ードガス３として燃焼電池１２のカソード側Ｃに供給さ
れる。
た改質室Ｒｅと、改質室Ｒｅを加熱するための加熱室Ｈ
とからなる。加熱室Ｈには、燃焼器１１でアノード排ガ
ス４をカソード排ガス７ａで燃焼させた高温燃焼排ガス
が供給される。加熱室Ｈを通過した燃焼排ガス５は、カ
ソードブロア１４により燃料電池１２のカソード側に循
環供給される。このラインには、ガスタービン発電機１
６から供給される加圧空気６が合流して混入され、カソ
ードガス３として燃焼電池１２のカソード側Ｃに供給さ
れる。
【００１３】燃料電池１２は、図示しない電解質板、ア
ノード（電極）、カソード（電極）及びセパレータ板と
からなる。電解質板は、焼結したセラミック粉末からな
る平板であり、その隙間に溶融炭酸塩を高温の溶融状態
で保持するようになっている。それぞれ焼結した金属粉
末からなる平板状のアノード及びカソードは、電解質板
を間に挟持する。単一の電池（単セル）は、これらのア
ノード、電解質板及びカソードから構成される。複数の
導電性セパレータ板は、その上下面にガス流路を有し、
その間に単セルを挟持し、アノード及びカソードに沿っ
てそれぞれ水素を含むアノードガスと酸素及び炭酸ガス
を含むカソードガスを流すようになっている。かかる燃
料電池１２を例えば約６５０℃の高温に保持し、アノー
ド及びカソードに沿ってそれぞれアノードガスとカソー
ドガスを流すことにより、次の反応により電気が発電さ
れる。
ノード（電極）、カソード（電極）及びセパレータ板と
からなる。電解質板は、焼結したセラミック粉末からな
る平板であり、その隙間に溶融炭酸塩を高温の溶融状態
で保持するようになっている。それぞれ焼結した金属粉
末からなる平板状のアノード及びカソードは、電解質板
を間に挟持する。単一の電池（単セル）は、これらのア
ノード、電解質板及びカソードから構成される。複数の
導電性セパレータ板は、その上下面にガス流路を有し、
その間に単セルを挟持し、アノード及びカソードに沿っ
てそれぞれ水素を含むアノードガスと酸素及び炭酸ガス
を含むカソードガスを流すようになっている。かかる燃
料電池１２を例えば約６５０℃の高温に保持し、アノー
ド及びカソードに沿ってそれぞれアノードガスとカソー
ドガスを流すことにより、次の反応により電気が発電さ
れる。
【００１４】 アノード反応 Ｈ2＋ＣＯ3 2- →Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2＋２ｅ．．．式１ カソード反応 ＣＯ2＋１／２Ｏ2＋２ｅ→ＣＯ3 2- ．．．式２ 式１、２から明らかなように、アノード反応により二酸
化炭素（ＣＯ2）が生成され、カソード反応により同量
のＣＯ2が消費される。従って、アノード側で発生した
ＣＯ2ガスをカソード側に循環することにより、外部か
らＣＯ2を補給することなく、反応を促進することがで
きる。
化炭素（ＣＯ2）が生成され、カソード反応により同量
のＣＯ2が消費される。従って、アノード側で発生した
ＣＯ2ガスをカソード側に循環することにより、外部か
らＣＯ2を補給することなく、反応を促進することがで
きる。
【００１５】ガスタービン発電機１６は、ガスタービン
Ｔ、コンプレッサＣ、及び発電機Ｇからなり、これらが
同軸又は減速機を介して連結されており、ガスタービン
燃焼器１５で発生した高温ガスでガスタービンＴを駆動
し、ガスタービンＴで駆動されたコンプレッサＣで空気
を圧縮して燃料電池等に供給し、同時に発電機Ｇを駆動
して発電するようになっている。従って、本発明の複合
発電装置では、燃料電池１２とガスタービン１６の両方
で発電が行われる。
Ｔ、コンプレッサＣ、及び発電機Ｇからなり、これらが
同軸又は減速機を介して連結されており、ガスタービン
燃焼器１５で発生した高温ガスでガスタービンＴを駆動
し、ガスタービンＴで駆動されたコンプレッサＣで空気
を圧縮して燃料電池等に供給し、同時に発電機Ｇを駆動
して発電するようになっている。従って、本発明の複合
発電装置では、燃料電池１２とガスタービン１６の両方
で発電が行われる。
【００１６】図１において、本発明の複合発電装置は、
更に、ガスタービン発電機１６のガスタービン排ガスで
コンプレッサ出口の空気を予熱する再生熱交換器２０を
備えている。この再生熱交換器２０は、圧損の小さい蓄
熱式熱交換器が好ましいが、その他の形式の熱交換器で
あってもよい。かかる再生熱交換器２０を用いることに
より、例えば４５０℃〜５００℃前後のガスタービン排
ガス２１ａで５ａｔａ，１５０〜２００℃の圧縮空気２
３ａを４００℃前後まで加熱することができる。
更に、ガスタービン発電機１６のガスタービン排ガスで
コンプレッサ出口の空気を予熱する再生熱交換器２０を
備えている。この再生熱交換器２０は、圧損の小さい蓄
熱式熱交換器が好ましいが、その他の形式の熱交換器で
あってもよい。かかる再生熱交換器２０を用いることに
より、例えば４５０℃〜５００℃前後のガスタービン排
ガス２１ａで５ａｔａ，１５０〜２００℃の圧縮空気２
３ａを４００℃前後まで加熱することができる。
【００１７】上述した本発明の第１実施形態の構成によ
れば、ガスタービンのタービン出口に設置した再生熱交
換器２０により、ガスタービン排ガスでコンプレッサ出
口の空気を昇温・調整することができる。従って、ガス
タービン／燃料電池の出力比が最適値より大きい場合で
も以下のように発電効率が向上する。 （１）燃料電池に供給される空気の温度を高くすること
で、燃料利用率を下げることなく、より多くの空気を燃
料電池に供給できる。これにより、燃料電池からの高温
のカソード排ガス量が増加すると共に、ガスタービン燃
焼器に供給している低温の圧縮空気をゼロにする、もし
くは減らすことができ、ガスタービン燃焼器に供給して
いる追い焚き燃料を減らすことが可能で、発電効率が向
上する。 （２）燃料電池に供給される空気量が増える分だけ、燃
料電池のカソードリサイクル流量を減らせることから、
カソードリサイクルブロア動力が減少し、さらに発電効
率向上が望める。 （３）再生熱交換器にてガスタービン排ガスの顕熱を回
収して有効に利用することができることから、最終排気
のガス温度が低下して排熱が減少し、発電効率が向上す
る。
れば、ガスタービンのタービン出口に設置した再生熱交
換器２０により、ガスタービン排ガスでコンプレッサ出
口の空気を昇温・調整することができる。従って、ガス
タービン／燃料電池の出力比が最適値より大きい場合で
も以下のように発電効率が向上する。 （１）燃料電池に供給される空気の温度を高くすること
で、燃料利用率を下げることなく、より多くの空気を燃
料電池に供給できる。これにより、燃料電池からの高温
のカソード排ガス量が増加すると共に、ガスタービン燃
焼器に供給している低温の圧縮空気をゼロにする、もし
くは減らすことができ、ガスタービン燃焼器に供給して
いる追い焚き燃料を減らすことが可能で、発電効率が向
上する。 （２）燃料電池に供給される空気量が増える分だけ、燃
料電池のカソードリサイクル流量を減らせることから、
カソードリサイクルブロア動力が減少し、さらに発電効
率向上が望める。 （３）再生熱交換器にてガスタービン排ガスの顕熱を回
収して有効に利用することができることから、最終排気
のガス温度が低下して排熱が減少し、発電効率が向上す
る。
【００１８】図２は本発明の複合発電装置の第２実施形
態を示す構成図である。この例では、更に、第１流量制
御弁２２と第２流量制御弁２４を備えている。流量制御
弁２２、２４は、それぞれ３方流量制御弁であり、流体
を２方向に分岐しかつそれぞれの流量制御ができるよう
になっている。なお、２つ以上の通常の流量制御弁を組
合わせて同様の機能を果たすようにしてもよい。
態を示す構成図である。この例では、更に、第１流量制
御弁２２と第２流量制御弁２４を備えている。流量制御
弁２２、２４は、それぞれ３方流量制御弁であり、流体
を２方向に分岐しかつそれぞれの流量制御ができるよう
になっている。なお、２つ以上の通常の流量制御弁を組
合わせて同様の機能を果たすようにしてもよい。
【００１９】図２において、第１流量制御弁２２は、ガ
スタービン発電機１６のコンプレッサ出口の空気２３ａ
をガスタービン燃焼器１５への空気２３ｂと再生熱交換
器２０への空気２３ｃに流量制御して分岐する。また第
２流量制御弁２４は、再生熱交換器２０への空気２３ｃ
を更に再生熱交換器２０への空気２５ａとこれをバイパ
スして燃料電池に供給するライン２５ｂとに流量制御し
て分岐するようになっている。
スタービン発電機１６のコンプレッサ出口の空気２３ａ
をガスタービン燃焼器１５への空気２３ｂと再生熱交換
器２０への空気２３ｃに流量制御して分岐する。また第
２流量制御弁２４は、再生熱交換器２０への空気２３ｃ
を更に再生熱交換器２０への空気２５ａとこれをバイパ
スして燃料電池に供給するライン２５ｂとに流量制御し
て分岐するようになっている。
【００２０】上述した本発明の第２実施形態の構成で
は、燃料電池の性能劣化のない運転初期時には再生熱交
換器を全量バイパスして燃料電池に供給する空気温度を
低く抑えることで、燃料電池への供給流量を最小にし、
余剰分はガスタービン燃焼器１５に供給する。燃料電池
の性能劣化と共に再生熱交換器をバイパスする空気量を
減らして燃料電池に供給する空気温度を上げると共に、
供給する空気量を増やすことで、カソードブロア１４の
動力の増加なしに、カソードガス流量を増やすことがで
き、燃料電池の劣化に伴う効率の低下を抑制する働きが
ある。
は、燃料電池の性能劣化のない運転初期時には再生熱交
換器を全量バイパスして燃料電池に供給する空気温度を
低く抑えることで、燃料電池への供給流量を最小にし、
余剰分はガスタービン燃焼器１５に供給する。燃料電池
の性能劣化と共に再生熱交換器をバイパスする空気量を
減らして燃料電池に供給する空気温度を上げると共に、
供給する空気量を増やすことで、カソードブロア１４の
動力の増加なしに、カソードガス流量を増やすことがで
き、燃料電池の劣化に伴う効率の低下を抑制する働きが
ある。
【００２１】
【実施例】図３は、本発明の複合発電装置において、ガ
スタービン発電機の出力を固定し、燃料電池の出力を可
変にした場合のシミレーション結果である。この図にお
いて、横軸は燃料電池に供給する空気温度、縦軸は発電
出力と発電効率である。
スタービン発電機の出力を固定し、燃料電池の出力を可
変にした場合のシミレーション結果である。この図にお
いて、横軸は燃料電池に供給する空気温度、縦軸は発電
出力と発電効率である。
【００２２】図３から、以下のことがわかる。 （１）燃料電池に供給する空気温度によって、最高の発
電出力が得られるガスタービン／燃料電池の出力比が大
きく変化する。 （２）燃料電池に供給する空気温度を制御しない場合、
ガスタービン発電機の仕様（圧縮比、断熱効率）により
空気温度が決定され、最高の発電出力が得られるガスタ
ービン／燃料電池の出力比は一義的に決まる。例えば圧
縮比４．０のガスタービンを用いた図の例では、空気温
度は１７０℃程度であり、これをそのまま燃料電池に供
給するとき、最高の発電出力が得られるガスタービン／
燃料電池の出力比は、１：１４程度である。 （３）燃料電池に供給する空気温度が高いほど発電出力
が小さいが、発電効率は極大点を持つ。
電出力が得られるガスタービン／燃料電池の出力比が大
きく変化する。 （２）燃料電池に供給する空気温度を制御しない場合、
ガスタービン発電機の仕様（圧縮比、断熱効率）により
空気温度が決定され、最高の発電出力が得られるガスタ
ービン／燃料電池の出力比は一義的に決まる。例えば圧
縮比４．０のガスタービンを用いた図の例では、空気温
度は１７０℃程度であり、これをそのまま燃料電池に供
給するとき、最高の発電出力が得られるガスタービン／
燃料電池の出力比は、１：１４程度である。 （３）燃料電池に供給する空気温度が高いほど発電出力
が小さいが、発電効率は極大点を持つ。
【００２３】図４は、本発明の複合発電装置において、
ガスタービン／燃料電池の出力比を固定した場合のシミ
レーション結果である。横軸は燃料電池に供給する空気
温度、縦軸は発電出力と発電効率である。この図から、
ガスタービン／燃料電池の出力比が規定された場合、燃
料電池に供給する空気温度が高くなるに従って発電効率
が向上することがわかる。例えば、圧縮比４．０のガス
タービンを持ちいた図の例では、ガスタービンコンプレ
ッサの吐出空気の温度は１７０℃程度であり、これをそ
のまま燃料電池に供給するときの発電効率は４０％以下
であるが、これを本発明の構成により４００℃程度まで
加熱して燃料電池に供給することにより、発電効率を４
５％以上に向上させることができる。
ガスタービン／燃料電池の出力比を固定した場合のシミ
レーション結果である。横軸は燃料電池に供給する空気
温度、縦軸は発電出力と発電効率である。この図から、
ガスタービン／燃料電池の出力比が規定された場合、燃
料電池に供給する空気温度が高くなるに従って発電効率
が向上することがわかる。例えば、圧縮比４．０のガス
タービンを持ちいた図の例では、ガスタービンコンプレ
ッサの吐出空気の温度は１７０℃程度であり、これをそ
のまま燃料電池に供給するときの発電効率は４０％以下
であるが、これを本発明の構成により４００℃程度まで
加熱して燃料電池に供給することにより、発電効率を４
５％以上に向上させることができる。
【００２４】なお、本発明は上述した実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できるこ
とは勿論である。
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できるこ
とは勿論である。
【００２５】
【発明の効果】上述したように、本発明の燃料電池とガ
スタービンの複合発電装置は、ガスタービン／燃料電池
の出力比が最適値よりずれる場合でも、これらを用いた
全体の発電効率を高く維持することができ、かつ、燃料
電池が経時変化等により若干性能劣化した場合でも、発
電効率を高く維持することができる等の優れた効果を有
する。
スタービンの複合発電装置は、ガスタービン／燃料電池
の出力比が最適値よりずれる場合でも、これらを用いた
全体の発電効率を高く維持することができ、かつ、燃料
電池が経時変化等により若干性能劣化した場合でも、発
電効率を高く維持することができる等の優れた効果を有
する。
【図１】本発明の複合発電装置の第１実施形態を示す構
成図である。
成図である。
【図２】本発明の複合発電装置の第２実施形態を示す構
成図である。
成図である。
【図３】ガスタービン発電機の出力を固定し、燃料電池
の出力を可変にした場合のシミレーション結果である。
の出力を可変にした場合のシミレーション結果である。
【図４】ガスタービン／燃料電池の出力比を固定した場
合のシミレーション結果である。
合のシミレーション結果である。
【図５】溶融炭酸塩型燃料電池を用いた従来の発電設備
の全体構成図である。
の全体構成図である。
１ 燃料ガス １ａ ガスタービン追い焚き燃料 ２ アノードガス ３ カソードガス ４ アノード排ガス ５ 燃焼排ガス ６ 空気 ７，７ａ，７ｂ，７ｃ カソード排ガス ８ 蒸気 ９ 冷却水 １０ 改質器 １２ 燃料電池 １３ 燃料予熱器 １４ カソードブロア １５ ガスタービン燃焼器 １６ ガスタービン発電機 １７ 給水ポンプ １８ 排熱回収蒸気発生装置 ２０ 再生熱交換器 ２１ａ 排ガス ２２ 第１流量制御弁 ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ 圧縮空気 ２４ 第２流量制御弁 ２５ａ、２５ｂ 圧縮空気
Claims (2)
- 【請求項１】 燃料ガスを水素を含むアノードガスに改
質する改質器（１０）と、アノードガスと酸素を含むカ
ソードガスとから発電する燃料電池（１２）と、カソー
ド排ガスで燃料を燃焼させて高温ガスを発生させるガス
タービン燃焼器（１５）と、該高温ガスで駆動され空気
を圧縮しかつ発電するガスタービン発電機（１６）と、
該ガスタービン発電機のガスタービン排ガスでコンプレ
ッサ出口の空気を予熱する再生熱交換器（２０）とを備
え、これにより、燃料電池に供給する空気温度を調整す
る、ことを特徴とする燃料電池とガスタービンの複合発
電装置。 - 【請求項２】 ガスタービン発電機のコンプレッサ出口
の空気をガスタービン燃焼器（１５）と再生熱交換器
（２０）に流量制御して分岐する第１流量制御弁（２
２）と、再生熱交換器（２０）に分岐した空気を更に再
生熱交換器とこれをバイパスして燃料電池に供給するラ
インとに流量制御して分岐する第２流量制御弁（２４）
とを備える、ことを特徴とする請求項１に記載の複合発
電装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11182692A JP2001015134A (ja) | 1999-06-29 | 1999-06-29 | 燃料電池とガスタービンの複合発電装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11182692A JP2001015134A (ja) | 1999-06-29 | 1999-06-29 | 燃料電池とガスタービンの複合発電装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001015134A true JP2001015134A (ja) | 2001-01-19 |
Family
ID=16122775
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11182692A Pending JP2001015134A (ja) | 1999-06-29 | 1999-06-29 | 燃料電池とガスタービンの複合発電装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001015134A (ja) |
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1999
- 1999-06-29 JP JP11182692A patent/JP2001015134A/ja active Pending
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