JP2003036872A - 複合発電システム - Google Patents

複合発電システム

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JP2003036872A JP2001220492A JP2001220492A JP2003036872A JP 2003036872 A JP2003036872 A JP 2003036872A JP 2001220492 A JP2001220492 A JP 2001220492A JP 2001220492 A JP2001220492 A JP 2001220492A JP 2003036872 A JP2003036872 A JP 2003036872A
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    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

(57)【要約】 【課題】既存の発電プラントをそのまま利用して、且つ
燃料電池との複合発電システムを構成し、発電プラント
の効率を向上させる。 【解決手段】予め決められた第1の運転条件に最適化さ
れ、供給される燃料ガスを用いて発電する既設の発電プ
ラント3と、前記第1の運転条件に影響を与えることな
く運転可能で、また予め決められた第2の運転条件で最
適化され、供給される燃料ガスを用いて発電し、残余の
燃料ガスを既設の発電プラント3に供給する新設の燃料
電池4を含む燃料電池部2と、燃料電池部2と発電プラ
ント3に燃料ガスを供給可能な燃料ガス分配部8と、前
記第1の運転条件と前記第2の運転条件とに基づいて燃
料電池部2と発電プラント3に供給される前記燃料ガス
の量を決定し、その決定に基づいて燃料ガス分配部8を
制御する制御部100とを具備する複合発電システムを
実施する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、複合発電システム
に関し、特に他の発電装置と共に複合発電を行う燃料電
池に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池システムは、単独で運転する場
合でも高効率運転が可能である。しかし、通常は、発生
する熱や排ガスを利用するコジェネレーションシステム
を組むことにより、より高効率なシステムとしての利用
が考えられている。動作温度の低い固体高分子型やリン
酸型の燃料電池では、発生する熱を利用する空調システ
ムや給湯システムを一緒に組む例が、一般的である。一
方、動作温度の高い溶融炭酸塩型や固体電解質型の燃料
電池では、発生する高温(高圧)の排ガスを用いたガス
タービンや蒸気タービンと組み合わせたシステムが提案
されており研究が進んでいる。
【0003】一方で、溶融炭酸塩型や固体電解質型を用
いる発電システムは、実績が非常に少ない。そのため、
火力発電プラントのように広く普及するまでには至って
いない。また、コジェネレーションシステムについて
は、他の発電方式のシステムの利用が始まった段階であ
り、燃料電池を利用したシステムの普及には時間がかか
る状況に有る。そして、発電プラントの新設はコストが
高くつくため、施設の増強(増設)の需要はあっても、
新設の需要は少ない。そして、溶融炭酸塩型や固体電解
質型を用いる新型プラントの設置は、技術リスクを伴う
ため、全くの新規設置の需要は少ない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、既存の発電プラントをそのまま利用して、燃料電池
との複合発電を構成することが可能な複合発電システム
を提供することである。
【0005】また、本発明の別の目的は、既存の発電プ
ラントの効率を向上させることが可能な複合発電システ
ムを提供することである。
【0006】また、本発明の別の目的は、既存の発電プ
ラントの信頼性を損なうことなく、燃料電池を併設し、
複合発電を行なうことが可能な複合発電システムを提供
することである。
【0007】更に、本発明の別の目的は、低コストで、
複合発電を構成することが可能な複合発電システムを提
供することである。
【0008】また、本発明の他の目的は、既存プラン
ト、あるいは、燃料電池のみを単独で運転することも可
能である複合発電システムを提供することである。
【0009】更に、本発明の他の目的は、発電を停止す
ることなく継続的に行うことが可能である複合発電シス
テムを提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】以下に、[発明の実施の
形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決す
るための手段を説明する。これらの番号・符号は、[特
許請求の範囲]の記載と[発明の実施の形態]との対応
関係を明らかにするために付加されたものである。ただ
し、それらの番号・符号を、[特許請求の範囲]に記載
されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならな
い。
【0011】従って、上記課題を解決するために、本発
明の複合発電システムは、予め決められた第1の運転条
件に最適化されていて、供給される燃料ガスを用いて発
電する既設の発電プラント(3、53)と、前記第1の
運転条件に影響を与えることなく運転可能で、また予め
決められた第2の運転条件で最適化されていて、供給さ
れる燃料ガスを用いて発電し、残余の燃料ガスを前記既
設の発電プラント(3、53)に供給する新設の燃料電
池(4、52)を含む燃料電池部(2、51)と、前記
燃料電池部(2、51)と前記発電プラント(3、5
3)に燃料ガスを供給可能な燃料ガス分配部(8、5
5)と、前記第1の運転条件と前記第2の運転条件とに
基づいて前記燃料電池部(2、51)と前記発電プラン
ト(3、53)に供給される前記燃料ガスの量を決定
し、その決定に基づいて前記燃料ガス分配部(8、5
5)を制御する制御部(100、101)とを具備す
る。
【0012】また、本発明の複合発電システムは、前記
燃料電池部(2、51)と前記発電プラント(3、5
3)に酸化剤ガスを供給可能な酸化剤ガス分配部(1
0、57)を更に具備し、前記制御部(100、10
1)は、前記第1の運転条件と前記第2の運転条件とに
基づいて前記燃料電池部(2、51)と前記発電プラン
ト(3、53)に供給される前記酸化剤ガスの量を決定
し、その決定に基づいて前記酸化剤ガス分配部(10、
57)を制御する。
【0013】また、本発明の複合発電システムは、前記
発電プラントは、ガスタービン(5)を具備する。
【0014】更に、本発明の複合発電システムは、前記
発電プラントは、更に、排熱回収ボイラ(41)を具備
する。
【0015】更に、本発明の複合発電システムは、前記
発電プラントは、ボイラ(54)を具備する。
【0016】更に、本発明の複合発電システムは、前記
燃料電池(4、52)は、固定電解質型燃料電池であ
る。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明である複合発電シス
テムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明す
る。本実施例において、ガスタービンとの複合発電に使
用される複合発電システムを例に示して説明するが、燃
料電池との組合せで複合的に発電が可能な他の発電プラ
ントにおいても、適用可能である。
【0018】(実施例1)図1は、本発明である複合発
電システムの第1の実施の形態の構成を示す構成図であ
る。図1は、既設のガスタービン関連設備あるいはそれ
らの改造したものと、新設の燃料電池トッピングシステ
ムとからなる。新設の燃料電池トッピングシステムは、
燃料ガス分配部8、燃料ガスバイパスライン23、燃料
電池部2、酸化剤ガス分配部A9、酸化剤ガスバイパス
ラインA27、酸化剤ガス分配部B10、燃焼ガスバイ
パスライン30、燃焼ガス混合部11及び制御部100
を具備する。ここで、燃料電池部2は、電池用燃料ガス
ライン22−1〜22−2と電池用酸化剤ガスライン2
6−1〜26−2と燃料電池本体4とを有する。
【0019】また、既設のガスタービン関連設備あるい
はそれらの改造したものは、燃料ガス供給管21、酸化
剤ガス供給管24、ガスタービン部3、酸化剤ガスバイ
パスラインB28、燃焼部7、燃焼ガスライン31を具
備する。ここで、ガスタービン部3は、タービン用酸化
剤ガスライン25−1〜25−2とタービン用燃焼ガス
ライン29−1〜29−2とガスタービン本体5と発電
機6とを有する。そして、ガスタービン本体5は、ター
ビン部5−1とコンプレッサ部5−2と駆動軸5−3を
含む。
【0020】従来、燃料電池と、ガスタービンのような
既存発電プラントとを組み合わせる複合発電システム
は、どちらも設備を新設し、且つ同時に組み合わせて運
転することが前提である。従って、装置の設計は、同時
運転を前提として最適な設計が成される。しかし、本発
明の複合発電システムにおいては、単独運転を前提とし
て設計されている既設のガスタービン(ガスタービン部
3)や蒸気タービンのような発電プラントが対象であ
る。そして、それら既存設備に対して、新規に燃料電池
(燃料電池部2)を併設し、高効率な複合発電システム
として運用可能にする点が、従来技術と大きく異なる点
である。
【0021】本発明の複合発電システムは、主に、燃料
電池部2及び既存設備への対応機器からなる。そして、
燃料電池トッピングシステムを既存の発電システムに付
加する(トッピングする)ことにより、既設のガスター
ビンや蒸気タービンのような発電プラントの発電効率を
向上させることが可能となる。また、既存の発電プラン
トのみの運転又は燃料電池のみの運転が可能であり、継
続的な発電を行うことが可能である。加えて、既設の発
電プラントに対する改良工事が少なく設置が容易であ
る。
【0022】図1の各構成について説明する。燃料ガス
供給管21は、燃料ガス分配部8に接続している。そし
て、図示しない燃料供給部より燃料ガスを燃料ガス分配
部8へ供給する配管である。燃料ガス分配部8は、燃料
ガス供給管21と燃料ガスバイパスライン23と電池用
燃料ガスライン22−1とに接続している。そして、燃
料ガス供給管21から供給された燃料ガスを、燃料電池
部2向けとガスタービン部3向け(=燃焼部7向け)と
に分配し送出する。分配の割合(量)は、制御部100
により制御される。燃料ガスバイパスライン23は、一
端部を燃料ガス分配部8に、他端部を燃焼部7に接続し
ている。そして、燃料ガス分配部8から送出された燃料
ガスを燃焼部7へ送る配管である。
【0023】酸化剤ガス供給管24は、酸化剤ガス分配
部A9に接続している。そして、図示しない酸化剤供給
部より酸化剤ガスを酸化剤ガス分配部A9へ供給する配
管である。酸化剤ガス分配部A9は、酸化剤ガス供給管
24と酸化剤ガスバイパスラインA27とタービン用酸
化剤ガスライン25−1とに接続している。そして、酸
化剤ガス供給管24から供給された酸化剤ガスを、燃料
電池部2向け(但し、ガスタービン部3が停止中の場
合)とガスタービン部3向けとに分配し送出する。分配
の割合(量)は、制御部100により制御される。酸化
剤ガスバイパスラインA27は、一端部を酸化剤ガス分
配部A9に、他端部を酸化剤ガス分配部B10に接続し
ている。そして、酸化剤ガス分配部A9から送出された
酸化剤ガスを酸化剤ガス分配部B10に送る配管であ
る。これは、ガスタービン部3が停止し、且つ燃料電池
部3が稼動中に、燃料電池へ酸化剤ガスを送るための管
である。
【0024】酸化剤ガス分配部B10は、酸化剤ガスバ
イパスラインA27とタービン用酸化剤ガスライン25
−2と電池用酸化剤ガスライン26−1と酸化剤ガスバ
イパスラインB28とに接続している。そして、ガスタ
ービン部3が稼動中の場合、タービン用酸化剤ガスライ
ン25−2からの加圧された酸化剤ガスを電池用酸化剤
ガスライン26−1へ供給し、運転状況に応じて、一部
を燃焼部7へ直接供給する。ガスタービン部3が停止中
であって燃料電池部2が動いている場合、酸化剤ガスバ
イパスラインA27からの酸化剤ガスを電池用酸化剤ガ
スライン26−1へ供給する。分配の割合(量)は、制
御部100により制御される。酸化剤ガスバイパスライ
ンB28は、酸化剤ガス分配部B10と燃焼部7とに接
続されている。そして、酸化剤ガス分配部B10からの
酸化剤ガスを燃焼部7へ送る配管である。
【0025】燃焼部7は、電池用燃料ガスライン22−
2と、電池用酸化剤ガスライン26−2と、酸化剤ガス
バイパスラインB28と、燃料ガスバイパスライン23
とタービン用燃焼ガスライン29−1と燃焼ガスバイパ
スライン30とに接続している。燃料電池部2からの使
用済みの燃料ガスである排燃料ガス(電池用燃料ガスラ
イン22−2経由)、使用済みの酸化剤ガスである排酸
化剤ガス(電池用酸化剤ガスライン26−2経由)、酸
化剤ガス分配部B10からの酸化剤ガス(酸化剤ガスバ
イパスラインB28経由、但し、運転状況に応じて)、
燃料ガス分配部8からの燃料ガス(燃料ガスバイパスラ
イン23経由、但し、運転状況に応じて)の供給を受け
て、それらを燃焼する燃焼装置である。燃焼により形成
される高温・高圧の燃焼ガスはガスタービン部3(ター
ビン用燃焼ガスライン29−1経由)へ送出される。ガ
スタービン部3が停止中の場合には、燃焼ガス混合部1
1(燃焼ガスバイパスライン30経由)へ送出される。
燃焼の制御は、制御部100により行なわれる。
【0026】燃焼ガスバイパスライン30は、一端部を
燃焼部7に、他端部を燃焼ガス混合部11とに接続して
いる。そして、燃料電池部2の単独運転時には、燃焼部
7で生成した燃焼ガスを燃焼ガス混合部11へ送る配管
である。燃焼ガス混合部11は、燃焼ガスバイパスライ
ン30とタービン用燃焼ガスライン29−2とが接続さ
れている。それらから供給された燃焼ガスをまとめて、
燃焼ガスライン31へ送出する。燃焼ガスライン31
は、一端部を燃焼ガス混合部11に接続されている。そ
こから供給された燃焼ガスを外部あるいは他の設備へ送
出するための管である。
【0027】制御部100は、発電プラント(本実施例
では、ガスタービン部3)の運転条件(第1の運転条
件)と、燃料電池部2の運転条件(第2の運転条件)と
に基づいて、燃料電池部2とガスタービン部3に供給さ
れる燃料ガス及び酸化剤ガスの量を決定する。そして、
その決定に基づいて燃料ガス分配部8における燃料ガス
の分配の制御を行なう。それと共に、酸化剤ガス分配部
B10における高温高圧の酸化剤ガスの分配の制御を行
なう。また、ガスタービン部3の運転条件に基づいて、
燃焼部7の燃焼を制御する。そして、既設のガスタービ
ンの運転と、燃料電池の運転とが、効率良く運転できる
ように制御を行なう。
【0028】燃料電池部2は、燃料ガス及び酸化剤ガス
により、電気化学作用で発電を行う燃料電池である。溶
融炭酸塩型や固体電解質型の燃料電池である。本実施例
では、固体電解質型である。後述の第2の運転条件によ
り、最適な運転(高効率運転)が可能である。ここで、
燃料電池部2の燃料電池本体4は、電池用燃料ガスライ
ン22−1を経由して燃料ガスを供給され、且つ電池用
酸化剤ガスライン26−1経由で酸化剤ガスを供給され
る。そして、燃料電池本体4は、燃料ガス及び酸化剤ガ
スを用いた電気化学反応により発電を行なう。発電後、
使用済みの排燃料ガスを電池用燃料ガスライン22−2
経由で、使用済みの排酸化剤ガスを電池用酸化剤ガスラ
イン26−2経由で、それぞれ燃焼部7へ送出する。
【0029】また、ガスタービン部3は、タービン用酸
化剤ガスライン25−1から酸化剤ガスを供給される。
そして、コンプレッサ部5−2の回転力により酸化剤ガ
スを圧縮し高圧とし、タービン用酸化剤ガスライン25
−2へ送出する。また、燃焼部7で生成された高温高圧
の燃焼ガスを、タービン用燃焼ガスライン29−1経由
で供給され、タービン部5−1が回転する。その回転力
は駆動軸5−3により、発電機6及びコンプレッサ部5
−2へ伝達され、コンプレッサ部5−2が回転し、発電
機6が発電する。タービン部5−1から排出された排燃
焼ガスは、タービン用燃焼ガスライン29−2経由で燃
焼ガス混合部11へ送出される。設計時に、最適な運転
条件(あるいは運転範囲:第1の運転条件)が決定され
ており、それに基づいて運転することにより、最適な運
転(高効率運転)が可能である。
【0030】酸化剤ガスは、酸素を含むガスである。本
実施例では、空気である。燃料ガスは、水素を含むガス
や、LNG及びLPGのような炭化水素を含む可燃性の
ガスである。本実施例では、メタンガスである。
【0031】ここで、本発明おける燃料の制御の考え方
について説明する。本発明においては、ベースとなる発
電プラントに、燃料電池トッピングシステムを追加す
る。本実施例では、図1に示すように、発電(ベース)
プラントとして、ガスタービン(ガスタービンコンバイ
ンドサイクル、GTCCのガスタービン)、燃料電池ト
ッピングシステムとして、固体電解質型の燃料電池(以
下、「SOFC」という)を追加する。
【0032】図1を参照して、発電(ベース)プラント
であるガスタービン部3で使用している燃料ガスを、通
常と同量SOFCへ投入すると、SOFCの出力WSO
(W)の分の熱量が、下流側のガスタービン部3で不足
する。従って、燃料ガス分配部8へ投入する燃料ガスを
増量し、ガスタービン部3において燃料ガスが不足し無
いようにする。ガスタービン部3へ(タービン用燃焼ガ
スライン29−1経由で)投入する燃料(燃焼ガス)の
単位時間あたりの発熱量をQとすると、燃料ガス分配
部8へ供給される燃料ガスの単位時間あたりの発熱量
は、Q=Q+W SO となる。燃料ガスは、全量をS
OFCへ供給しても良いが、SOFCの容量が小さく、
充分な燃料ガス流量を確保できない場合を考慮し、SO
FCで使用しない分の内、必要に応じて適当な量の燃料
ガスを燃料ガスバイパスライン23により燃焼部7へバ
イパスさせる。そして、排燃料ガス及び排酸化剤ガスの
燃焼の追い焚き燃料として用いる。SOFCに供給する
酸化剤ガス(空気)は、ベースプラントであるガスター
ビン部3の燃焼部7投入前の空気である。SOFCの最
大容量はベースプラントが供給可能な空気量で定まる。
なお、概数で述べれば、通常のボイラの場合、投入空気
量は理論空気量の1〜1.2倍程度、ガスタービンで
は、2〜2.5倍程度であり、SOFCの場合は、現状
の研究用モジュールで6.7倍、実証プラントで3.3
倍程度である。
【0033】複合発電システムの効率は、以下の通り計
算される。 発電(ベース)プラントの投入発熱量:Q(W) 発電プラントの出力: W=η (1) 発電プラントの発電効率 :η 発電プラントの空気比 :λ SOFCの出力 :WSO(W) SOFCの単体効率 :ηSO SOFCの空気比 :λSO SOFCの発電プラントに対する出力比: φ=WSO/W (2) プラント全体への投入燃料: Q=Q+WSO (3) プラント全体の出力 :W+WSO プラント全体の効率: η=(W+WSO)/(Q+WSO) =η(1+φ)/(1+φη) (4) 単位燃料発熱量あたりの理論燃焼空気量をmA0((N
/Hr)/(W))とする。 発電プラントの消費空気量 :λA0(Nm
/Hr) SOFCの消費空気量 :λSOA0SO(N
/Hr) SOFCの最大出力容量 :WSO,max(W) SOFCの最大出力容量時は、発電プラントの空気量を
全て使用するので、 λA0=λSOA0SO,max/ηSO (5) SOFCの最大出力比: φmax=WSO,max/W =ηSOλ/ηλSO (6) 従って複合発電システムの最大効率は次式で示される。 プラントの最大効率: ηmax=(ηλSO+ηSOλ)/(λSO+ηSOλ) (7)
【0034】図2に、以上をまとめて、発電プラントの
発電効率と燃料電池トッピングシステムの追加により得
られる最大発電効率の関係を示す。図2は、縦軸は最大
発電効率ηmaxであり、横軸は、Base(ベース、
発電)プラントの効率ηである。また、グラフ上の曲
線の内、実線は発電プラントの空気比λ=3、破線は
λ=2、点線はλ=1の場合の曲線である。一点鎖
線はη=ηmax(燃料電池トッピングシステムの追
設無し)を示す。なお、SOFCの空気比λ =3.
3(実証プラントベース)としている。ボイラの空気比
は概略1程度で、発電効率は40%程度、ガスタービン
は、2〜3程度で、GTCCの発電効率は、現状最大の
50%として、それぞれプロットしている。ボイラへの
燃料電池トッピングシステムの追設(実施例2)で約9
%、GTCCへの追設(実施例1)で、13〜17%の
発電効率の向上を図ることが出来る。
【0035】SOFCの運転条件(第2の運転条件)で
のSOFCの出力(WSO)と、発電プラントの運転条
件(第1の運転条件)に必要な投入発熱量(Q)とか
ら求められる上記式(3)の条件(Q=Q+WSO
を満足する、すなわち、(3)式に基づいて、燃料ガス
の供給あるいは運転を制御する。そうすると、発電プラ
ントのヒートバランスの変化は無く、発電プラントは運
転制御に制限を受けない。すなわち、SOFCの運転条
件(第2の運転条件)と、発電プラントの運転条件(第
1の運転条件)とが同時に満足されることになる。そし
て、トッピングSOFCの追設により既存プラントは出
力の増大及び効率の向上を果たすことが出来る。また、
プラントの発電効率は、SOFCの出力が増大するにつ
いれて増加するが、最大値は式(6)で規定される。
【0036】次に、本発明である複合発電システムの第
1の実施の形態における動作について、図面を参照して
説明する。まず、図1を参照して、起動の動作について
説明する。 1)ガスタービンの起動 燃料ガス: 燃料ガスを、燃料ガス供給管21経由で燃料ガス分配
部8へ供給する。供給量は、ガスタービンの従来の起動
に際し、初期に供給される燃料ガスの量である。 燃料ガス分配部8において、全ての燃料ガスを燃料ガ
スバイパスライン23を経由して燃焼部7へ供給するよ
うに設定する。 酸化剤ガス: 一方、酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給管24経由で酸
化剤ガス分配部A9へ供給する。供給量は、ガスタービ
ンの従来の起動に際し、初期に供給される酸化剤ガスの
量である。 酸化剤ガス分配部A9において、すべての酸化剤ガス
を、タービン用酸化剤ガスライン25−1経由でガスタ
ービン部3のコンプレッサ部9へ供給するように設定す
る。 また、コンプレッサ部9を経由した全ての酸化剤ガス
を、タービン用酸化剤ガスライン25−2経由で酸化剤
ガス分配部B10に送出した後、酸化剤ガス分配部B1
0において、酸化剤ガスバイパスラインB28を経由し
て燃焼部7へ供給するように設定する。 以上のように、燃料ガス及び酸化剤ガスについて、10
0%SOFCをバイパスさせ、発電プラントであるガス
タービンへ供給するように設定して、ガスタービンを起
動する。100%のバイパスなので、燃料電池を設置し
ていないのと同じである。よって、ガスタービンの起動
は、ガスタービンの従来の起動動作を踏襲することが出
来る。 2)ガスタービン起動後のSOFCの起動 酸化剤ガス分配部B10において、SOFCをバイパ
スする酸化剤ガスの量(酸化剤ガスバイパスラインB2
8を経由する酸化剤ガス)を少しづつ減少すると共に、
SOFCへ供給する酸化剤ガス(電池用酸化剤ガスライ
ン26−1を経由する酸化剤ガス)を徐々に増加させ
る。 それに合わせて、燃料ガス分配部8へ供給する燃料ガ
スの量を少しずつ増加し、増加分をSOFCへ向けて、
電池用燃料ガスライン22−1へ送出する。以上のよう
に、SOFCの起動は、燃料ガス及び酸化剤ガスを除々
に増加させて行なう。この起動プロセス自体は、従来の
SOFCの起動プロセスと同様に行うことが出来る。す
なわち、ガスタービンの運転にほとんど影響を与えるこ
となく、SOFCを起動することが出来る。
【0037】3)SOFCのみの起動 燃料ガス: 燃料ガスを、燃料ガス供給管21経由で燃料ガス分配
部8へ供給する。供給量は、燃料電池の従来の起動に際
し、初期に供給される燃料ガスの量である。 燃料ガス分配部8において、全ての燃料ガスを電池用
燃料ガスライン22−1を経由して燃料電池本体4へ供
給するように設定する。 酸化剤ガス: 一方、酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給管24経由で酸
化剤ガス分配部A9へ供給する。供給量は、燃料電池の
従来の起動に際し、初期に供給される酸化剤ガスの量で
ある。 酸化剤ガス分配部A9において、すべての酸化剤ガス
を、酸化剤ガスバイパスラインA27経由で酸化剤ガス
分配部B10へ供給するように設定する。 また、酸化剤ガス分配部B10を経由した全ての酸化
剤ガスを、電池用酸化剤ガスライン26−1経由で燃料
電池本体4へ供給するように設定する。 排燃料ガス及び排酸化剤ガス: 燃焼部7に供給された排燃料ガス及び排酸化剤ガス
は、燃焼後、全て燃焼ガスバイパスライン30を経由し
て、燃焼ガス混合部11を介して燃焼ガスライン31経
由で外部へ排出する。 以上のように、燃料ガス及び酸化剤ガスについて、10
0%ガスタービンをバイパスさせ、SOFCへ供給する
ように設定して、SOFCを起動する。100%のバイ
パスなので、ガスタービンを設置していないのと同じで
ある。よって、SOFCの起動は、SOFCの従来の起
動動作を踏襲することが出来る。
【0038】4)ガスタービンとSOFCの定常運転 上述の式(3)を満足するように、投入燃料ガスを制御
して運転する。すなわち、Q=Q+WSOにおいて、
ガスタービンの運転についてはQを制御し、燃料電池
の運転についてはWSOを制御する。この制御は、外部
から供給する燃料ガスの量、燃料ガス分配部8での燃料
ガスの分配、外部から供給する酸化剤ガスの量、酸化剤
ガス分配部B10での酸化剤ガスの分配などにより行な
われる。そうすることにより、ガスタービンは燃料電池
トッピングシステムを追設していない場合と同様に、運
転の制御に制約を受けず、そのパフォーマンスを十分に
発揮することが出来る。燃料電池についても同様に、運
転の制約を受けず、燃料電池本来の効率を発揮すること
が出来る。
【0039】なお、停止方法については、起動方法の逆
を行なえば良いので、その説明を省略する。
【0040】本発明においては、既存のガスタービンに
対して、燃料電池トッピングシステムを導入することに
より、ガスタービンの運転制御に影響を与えることな
く、容易に発電規模及び発電効率を向上させることが可
能となる。燃料電池の単独運転を考慮し無い場合(ガス
タービンの単独運転は考慮)には、図1において、燃料
電池部2及びその周辺機器(燃料ガス分配部8、燃料ガ
スバイパスライン23、酸化剤ガス分配部B10、及び
制御部100)の新設(追加)、及び、酸化剤ガスバイ
パスラインB28(本来ガスタービンの圧縮機−燃焼部
勘の配管)、燃焼部7(本来ガスタービンの燃焼部)の
改造により、実施可能である。
【0041】また、図3に示すように、燃焼ガスライン
31の先に、排熱回収ボイラ41を設置し、その排燃焼
ガスのエネルギーの有効利用を図ることも可能である。
図3において、排熱回収ボイラシステム40は、排熱回
収ボイラ41と、蒸気循環ライン47−1〜47−4、
蒸気タービン42、発電機43、復水器44、循環ポン
プ45、排気塔46からなる。
【0042】燃焼ガスライン31経由で送出された排燃
焼ガスは、排熱回収ボイラ41において、水と熱交換し
て水蒸気を発生させる。熱交換後の排燃焼ガスは、排気
塔46から排気される。排熱回収ボイラで41で生成し
た蒸気は、蒸気循環ライン47−1を経由して、蒸気タ
ービン42へ供給される。蒸気タービン42は、供給さ
れた蒸気のエネルギーを回転エネルギーとして受け取
る。そして、その回転エネルギーを利用して、発電機4
3を回転させて発電を行なう。蒸気タービン42を出た
蒸気は、蒸気循環ライン47−2を介して、復水器44
にて液体の水となる。その後、循環ポンプ45により、
蒸気循環ライン47−3から吸い出され、蒸気循環ライ
ン47−4を経由して、排熱回収ボイラ41へ送りこま
れる。
【0043】(実施例2)次に、本発明である複合発電
システムの第2の実施の形態について、図面を参照して
説明する。図4には、本発明である複合発電システムの
第2の実施の形態の構成を示す構成図である。本実施例
では、燃料電池トッピングシステムを、火力発電システ
ムに組み合わせる。すなわち、既設の火力発電部53の
ボイラ部54及びその関連設備に、新設の燃料電池トッ
ピングシステムとを組み合わせている。
【0044】図4を参照して、新設の燃料電池トッピン
グシステムは、燃料ガス分配部55、燃料ガスバイパス
ライン62、燃料電池部51、燃料ガス混合部56、酸
化剤ガス分配部57、酸化剤ガスバイパスライン65、
酸化剤ガス混合部58、より構成されている。また、燃
料電池部51は、電池用燃料ガスライン60−1〜60
−2、燃料電池本体52、電池用酸化剤ガスライン61
−1〜61−2及び制御部101を具備する。
【0045】一方、既設の火力発電部53のボイラ部5
4及びその関連設備あるいはそれらを改造したものは、
ガス供給管59、ボイラ用燃焼ガスライン63、酸化剤
ガス供給管64、ボイラ用酸化剤ガスライン66及び、
火力発電部53を具備する。そして、火力発電部53
は、ボイラ部54を有する。
【0046】燃料ガス供給管59は、燃料ガス分配部5
5に接続している。そして、図示しない燃料供給部より
燃料ガスを燃料ガス分配部55へ供給する配管である。
燃料ガス分配部55は、燃料ガス供給管59と燃料ガス
バイパスライン62と電池用燃料ガスライン60−1と
に接続している。そして、燃料ガス供給管59から供給
された燃料ガスを、燃料電池部51向けと火力発電部5
3向け(=燃焼ガス混合部56向け)とに分配し送出す
る。分配の割合(量)は、制御部101により制御され
る。燃料ガスバイパスライン62は、一端部を燃料ガス
分配部55に、他端部を燃焼ガス混合部56に接続して
いる。そして、燃料ガス分配部55から送出された燃料
ガスを燃焼ガス混合部56へ送る配管である。燃料ガス
混合部56は、燃料ガスバイパスライン62と、電池用
燃料ガスライン60−2と、ボイラ用燃焼ガスライン6
3に接続されている。そして、燃料ガス分配部55と燃
料電池部51とから供給された燃料ガスを混合し、ボイ
ラ用燃焼ガスライン63へ送出する。ボイラ用燃焼ガス
ライン63は、一端部を燃料ガス混合部56に、他端部
をボイラ部54に接続されている。そして、燃料ガス混
合部56からの燃料ガスをボイラ部54へ供給する。
【0047】酸化剤ガス供給管64は、酸化剤ガス分配
部57に接続している。そして、図示しない酸化剤供給
部より酸化剤ガスを酸化剤ガス分配部57へ供給する配
管である。酸化剤ガス分配部57は、酸化剤ガス供給管
64と酸化剤ガスバイパスライン65と電池用酸化剤ガ
スライン61−1とに接続している。そして、酸化剤ガ
ス供給管64から供給された酸化剤ガスを、燃料電池部
51向けと火力発電部53向けとに分配し送出する。分
配の割合(量)は、制御部101により制御される。酸
化剤ガスバイパスライン65は、一端部を酸化剤ガス分
配部57に、他端部を酸化剤ガス混合部58に接続して
いる。そして、酸化剤ガス分配部57から送出された酸
化剤ガスを酸化剤ガス混合部58に送る配管である。こ
れは、燃料電池部51が停止し、且つ火力発電部53が
稼動中に、ボイラ部54へ酸化剤ガスを送るための管で
ある。酸化剤ガス混合部58は、酸化剤ガスバイパスラ
イン65と電池用酸化剤ガスライン61−2とボイラ用
酸化剤ガスライン66とに接続している。そして、火力
発電部53が稼動中の場合、酸化剤ガスバイパスライン
65及び/又は電池用酸化剤ガスライン61−2からの
酸化剤ガスをボイラ用酸化剤ガスライン66へ供給す
る。ボイラ用酸化剤ガスライン66は、一端部を酸化剤
ガス混合部58に、他端部をボイラ部54に接続してい
る。酸化剤ガス混合部58からの酸化剤ガスを、ボイラ
部54へ供給する。
【0048】燃料電池部51は、燃料ガス及び酸化剤ガ
スにより、電気化学作用で発電を行う燃料電池である。
溶融炭酸塩型や固体電解質型の燃料電池である。本実施
例では、固体電解質型である。実施例1で説明した第2
の運転条件(式(3))により、最適な運転(高効率運
転)が可能である。燃料電池部51の燃料電池本体52
は、電池用燃料ガスライン60−1を経由して燃料ガス
を供給され、且つ電池用酸化剤ガスライン61−1経由
で酸化剤ガスを供給される。そして、燃料電池本体52
は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いた電気化学反応によ
り発電を行なう。発電後、使用済みの排燃料ガスを電池
用燃料ガスライン60−2経由で燃料ガス混合部56
へ、使用済みの排酸化剤ガスを電池用酸化剤ガスライン
61−2経由で酸化剤ガス混合部58へ、それぞれ送出
する。設計時に、最適な運転条件(あるいは運転範囲:
第1の運転条件)が決定されており、それに基づいて運
転することにより、最適な運転(高効率運転)が可能で
ある。
【0049】火力発電部53は、蒸気により蒸気タービ
ンを回転させて発電機を回転し、発電する発電施設であ
る。図4においては、そのうちのボイラ部54のみを示
している。ボイラ部54は、火力発電の蒸気タービンを
回転させるための蒸気を生成する施設である。図中で
は、ボイラの外形のみを示している。
【0050】制御部101は、発電プラント(本実施例
では、火力発電部53のボイラ部54)の運転条件(第
1の運転条件)と、燃料電池部51の運転条件(第2の
運転条件)とに基づいて、燃料電池部51と火力発電部
53のボイラ部54に供給される燃料ガス及び酸化剤ガ
スの量を決定する。そして、その決定に基づいて燃料ガ
ス分配部55における燃料ガスの分配の制御を行なう。
それと共に、酸化剤ガス分配部57における酸化剤ガス
の分配の制御を行なう。そして、既設のボイラの運転
と、燃料電池の運転とが、効率良く運転できるように制
御を行なう。
【0051】本発明においては、ベースとなる発電プラ
ントに、燃料電池トッピングシステムを追加する。本実
施例では、図4に示すように、発電(ベース)プラント
として、ボイラ(火力発電部53の蒸気タービンを駆動
する蒸気を生成するためのボイラ)、燃料電池トッピン
グシステムとして、SOFCを追加する。発電(ベー
ス)プラントであるボイラ部54で使用している燃料ガ
スを、通常と同量SOFCへ投入すると、SOFCの出
力WSO(W)の分の熱量が、下流側のボイラ部54で
不足する。従って、燃料ガス分配部55へ投入する燃料
ガスを増量し、ボイラ部54において燃料ガスが不足し
無いようにする。ボイラ部54へ(ボイラ用燃焼ガスラ
イン63経由で)投入する燃料(燃焼ガス)の単位時間
あたりの発熱量をQとすると、燃料ガス分配部55へ
供給される燃料ガスの単位時間あたりの発熱量は、Q=
+WSO となる。燃料ガスは、全量をSOFCへ
供給しても良いが、SOFCの容量が小さく、充分な燃
料ガス流量を確保できない場合を考慮し、SOFCで使
用しない分の内、必要に応じて適当な量を燃料ガスを燃
料ガスバイパスライン62により燃料ガス混合部56へ
バイパスさせる。そして、ボイラ部54の燃焼用の燃料
ガスとして用いる。SOFCに供給する酸化剤ガス(空
気)は、ベースプラントのボイラ部54へ投入前の空気
である。SOFCの最大容量はベースプラントが供給可
能な空気量で定まる。なお、概数で述べれば、通常のボ
イラの場合、投入空気量は理論空気量の1〜1.2倍程
度であり、SOFCの場合は、現状の研究用モジュール
で6.7倍、実証プラントで3.3倍程度である。
【0052】複合発電システムの効率は、実施例1と同
様であるので、その説明を省略する。
【0053】図2のグラフ及び、既述の図2の説明で示
したように、SOFCの空気比λ =3.3(実証プ
ラントベース)の場合、ボイラ(空気比は概略1程度
で、発電効率は40%程度)への燃料電池トッピングシ
ステムの追設で約9%の発電効率の向上を図ることが出
来る。
【0054】SOFCが、上記式(3)の条件を満足す
れば、ベースプラントのヒートバランスの変化は無く、
ベースプラントは運転制御に制限を受けず、トッピング
SOFCの追設により既存プラントは出力の増大及び効
率の向上を果たすことが出来る。また、プラントの発電
効率は、SOFCの出力が増大するについれて増加する
が、最大値は式(6)で規定される。
【0055】次に、本発明である複合発電システムの第
2の実施の形態の動作について、図面を参照して説明す
る。まず、起動の動作について説明する。 1)火力発電部(ボイラ部)の起動 燃料ガス: 燃料ガスを、燃料ガス供給管59経由で燃料ガス分配
部55へ供給する。供給量は、ボイラ部54の従来の起
動に際し、初期に供給される燃料ガスの量である。 全ての燃料ガスを、燃料ガス分配部55、燃料ガスバ
イパスライン62、燃料ガス混合部56及びボイラ用燃
焼ガスライン63経由でボイラ部54へ供給するように
設定する。 酸化剤ガス: 一方、酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給管64経由で酸
化剤ガス分配部57へ供給する。供給量は、ボイラ部5
4の従来の起動に際し、初期に供給される酸化剤ガスの
量である。 全ての酸化剤ガスを、酸化剤ガス分配部57、酸化剤
ガスバイパスライン65、酸化剤ガス混合部58及びボ
イラ用用酸化剤ガスライン66経由でボイラ部54へ供
給するように設定する。 以上のように、燃料ガス及び酸化剤ガスについて、10
0%SOFCをバイパスさせ、ベースプラントであるボ
イラ部54へ供給するように設定して、ボイラ部54を
起動する。100%のバイパスなので、燃料電池を設置
していないのと同じである。よって、ボイラ部54の起
動は、従来の起動動作を踏襲することが出来る。 2)ボイラ部54を起動後のSOFCの起動 酸化剤ガス分配部57において、SOFCをバイパス
する酸化剤ガスの量(酸化剤ガスバイパスライン65を
経由する酸化剤ガス)を少しづつ減少すると共に、SO
FCへ供給する酸化剤ガス(電池用酸化剤ガスライン6
1−1を経由する酸化剤ガス)を徐々に増加させる。 それに合わせて、燃料ガス分配部55へ供給する燃料
ガスの量を少しずつ増加し、増加分をSOFCへ向け
て、電池用燃料ガスライン60−1へ送出する。この時
の燃料は、以上のように、SOFCの起動は、燃料ガス
及び酸化剤ガスを除々に増加させて行なう。この起動プ
ロセス自体は、従来のSOFCの起動プロセスと同様に
行うことが出来る。すなわち、ボイラ部54の運転にほ
とんど影響を与えることなく、SOFCを起動すること
が出来る。
【0056】3)SOFCのみの起動 燃料ガス: 燃料ガスを、燃料ガス供給管59経由で燃料ガス分配
部55へ供給する。供給量は、燃料電池の従来の起動に
際し、初期に供給される燃料ガスの量である。 燃料ガス分配部55において、全ての燃料ガスを電池
用燃料ガスライン60−1を経由して燃料電池本体52
へ供給するように設定する。 酸化剤ガス: 一方、酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給管64経由で酸
化剤ガス分配部57へ供給する。供給量は、燃料電池の
従来の起動に際し、初期に供給される酸化剤ガスの量で
ある。 酸化剤ガス分配部57において、すべての酸化剤ガス
を、電池用酸化剤ガスライン61−1経由で燃料電池本
体52へ供給するように設定する。 排燃料ガス及び排酸化剤ガス: 燃料電池本体52で使用された排燃料ガス及び排酸化
剤ガスは、それぞれ電池用燃料ガスライン60−2及び
電池用酸化剤ガスライン61−2を経由して、燃料電池
本体52から排出される。図4中には示していないが、
電池用燃料ガスライン60−2及び電池用酸化剤ガスラ
イン61−2の途中に外部へ排燃料ガス及び排酸化剤ガ
スを排出するラインを設けておく。そうすることによ
り、そのラインを経由して、全ての排燃料ガス及び排酸
化剤ガスを外部へ排出できる。 以上のように、燃料ガス及び酸化剤ガスについて、10
0%ボイラ部54に供給されないして、SOFCへ供給
するように設定して、SOFCを起動する。この場合、
ボイラ部54を設置していないのと同じである。よっ
て、SOFCの起動は、SOFCの従来の起動動作を踏
襲することが出来る。
【0057】4)ガスタービンとSOFCの定常運転 上述(実施例1)の式(3)を満足するように、投入燃
料ガスを制御して運転する。すなわち、Q=Q+W
SOにおいて、ボイラ部54の運転についてはQ を制
御し、燃料電池の運転についてはWSOを制御する。こ
の制御は、外部から供給する燃料ガスの量、燃料ガス分
配部55での燃料ガスの分配、外部から供給する酸化剤
ガスの量、酸化剤ガス分配部57での酸化剤ガスの分配
などにより行なわれる。そうすることにより、ボイラ部
54すなわち火力発電部53は燃料電池トッピングシス
テムを追設していない場合と同様に、運転の制御に制約
を受けず、そのパフォーマンスを十分に発揮することが
出来る。燃料電池についても同様に、運転の制約を受け
ず、燃料電池本来の効率を発揮することが出来る。
【0058】なお、停止方法については、起動方法の逆
を行なえば良いので、その説明を省略する。
【0059】本発明においては、既存のガスタービンに
対して、燃料電池トッピングシステムを導入することに
より、ガスタービンの運転制御に影響を与えることな
く、容易に発電規模及び発電効率を向上させることが可
能となる。燃料電池の単独運転を考慮し無い場合(火力
発電部の単独運転は考慮)には、図4において、燃料電
池2及びその周辺機器(燃料ガス分配部55、燃料ガス
バイパスライン62、酸化剤ガス分配部57、酸化剤ガ
スバイパスライン65、ボイラ用酸化剤ガスライン6
6、燃料ガス混合部56、酸化剤ガス混合部58及び制
御部100)の追加により、実施可能である。
【0060】
【発明の効果】発明により、既存の発電プラントをその
まま利用して、且つ燃料電池との複合発電システムを構
成し、発電プラントの効率を向上させることが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明である複合発電システムの第1の実施の
形態の構成を示す図である。
【図2】本発明である複合発電システムにおけるベース
プラントの効率と燃料電池トッピングシステムを追設し
た場合の最大効率との関係を示すグラフである。
【図3】本発明である複合発電システムの第1の実施の
形態の他の構成を示す図である。
【図4】本発明である複合発電システムの第2の実施の
形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
2 燃料電池部 3 ガスタービン部 4 燃料電池本体 5 ガスタービン本体 5−1 タービン部 5−2 コンプレッサ部 5−3 駆動軸 6 発電機 7 燃焼部 8 燃料ガス分配部 9 酸化剤ガス分配部A 10 酸化剤ガス分配部B 11 燃焼ガス混合部 21 燃料ガス供給管 22−1 電池用燃料ガスライン 22−2 電池用燃料ガスライン 23 燃料ガスバイパスライン 24 酸化剤ガス供給管 25−1 タービン用酸化剤ガスライン 25−2 タービン用酸化剤ガスライン 26−1 電池用酸化剤ガスライン 26−2 電池用酸化剤ガスライン 27 酸化剤ガスバイパスラインA 28 酸化剤ガスバイパスラインB 29−1 タービン用燃焼ガスライン 29−2 タービン用燃焼ガスライン 30 燃焼ガスバイパスライン 31 燃焼ガスライン 40 排熱回収ボイラシステム 41 排熱回収ボイラ 42 蒸気タービン 43 発電機 44 復水器 45 循環ポンプ 46 排気塔 47−1 蒸気循環ライン 47−2 蒸気循環ライン 47−3 蒸気循環ライン 47−4 蒸気循環ライン 51 燃料電池部 52 燃料電池本体 53 火力発電部53 54 ボイラ部54 55 燃料ガス分配部 56 燃料ガス混合部 57 酸化剤ガス分配部 58 酸化剤ガス混合部 59 燃料ガス供給管 60−1 電池用燃料ガスライン 60−2 電池用燃料ガスライン 61−1 電池用酸化剤ガスライン 61−2 電池用酸化剤ガスライン 62 燃料ガスバイパスライン 63 ボイラ用燃焼ガスライン 64 酸化剤ガス供給管 65 酸化剤ガスバイパスライン 66 ボイラ用酸化剤ガスライン 100 制御部 101 制御部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/00 H01M 8/00 Z 8/12 8/12 (72)発明者 佃 洋 長崎県長崎市深堀町五丁目717番1号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 橋本 彰 長崎県長崎市飽の浦町1番1号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 (72)発明者 久留 長生 長崎県長崎市飽の浦町1番1号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 (72)発明者 永田 勝巳 長崎県長崎市飽の浦町1番1号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 Fターム(参考) 3G081 BA11 BA20 BB00 BC07 BD00 DA21 DA30 5H026 AA02 AA06 5H027 AA02 AA06 BA09 DD02 MM03 MM08

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】予め決められた第1の運転条件に最適化さ
    れていて、供給される燃料ガスを用いて発電する既設の
    発電プラントと、 前記第1の運転条件に影響を与えることなく運転可能
    で、また予め決められた第2の運転条件で最適化されて
    いて、供給される燃料ガスを用いて発電し、残余の燃料
    ガスを前記既設の発電プラントに供給する新設の燃料電
    池を含む燃料電池部と、 前記燃料電池部と前記発電プラントに燃料ガスを供給可
    能な燃料ガス分配部と、 前記第1の運転条件と前記第2の運転条件とに基づいて
    前記燃料電池部と前記発電プラントに供給される前記燃
    料ガスの量を決定し、その決定に基づいて前記燃料ガス
    分配部を制御する制御部とを具備する複合発電システ
    ム。
  2. 【請求項2】前記燃料電池部と前記発電プラントに酸化
    剤ガスを供給可能な酸化剤ガス分配部を更に具備し、 前記制御部は、前記第1の運転条件と前記第2の運転条
    件とに基づいて前記燃料電池部と前記発電プラントに供
    給される前記酸化剤ガスの量を決定し、その決定に基づ
    いて前記酸化剤ガス分配部を制御する請求項1に記載の
    複合発電システム。
  3. 【請求項3】前記発電プラントは、ガスタービンを具備
    する、 請求項1又は2に記載の複合発電システム。
  4. 【請求項4】前記発電プラントは、更に、排熱回収ボイ
    ラを具備する、 請求項3に記載の複合発電システム。
  5. 【請求項5】前記発電プラントは、ボイラを具備する、 請求項1又は2に記載の複合発電システム。
  6. 【請求項6】前記燃料電池は、固定電解質型燃料電池で
    ある、 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の複合発電システ
    ム。
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