JP2003328773A - 発電装置 - Google Patents

発電装置

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JP2003328773A JP2002141039A JP2002141039A JP2003328773A JP 2003328773 A JP2003328773 A JP 2003328773A JP 2002141039 A JP2002141039 A JP 2002141039A JP 2002141039 A JP2002141039 A JP 2002141039A JP 2003328773 A JP2003328773 A JP 2003328773A
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    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガスタービンエンジンと固体電解質型燃料電
池とを一体に備えた発電装置において、廃熱を有効利用
して発電効率の向上を図る。 【解決手段】 発電装置はガスタービンエンジンGTと
固体電解質型燃料電池FCとを一体に備えており、ガス
タービンエンジンGTの熱交換器20および燃焼器27
と、固体電解質型燃料電池FCとを、コンプレッサホイ
ール17およびタービンホイール18よりなる回転部3
3の軸線L上に配置し、タービンホイール18と燃焼器
27との間に形成した空間34の半径方向外側に熱交換
器20および固体電解質型燃料電池FCを配置する。前
記空間34に排出される固体電解質型燃料電池FCある
いは燃焼器27の廃熱を熱交換器20および固体電解質
型燃料電池FCで効果的に回収して外部への熱逃げを抑
制し、発電装置の発電効率を向上させて燃料消費量を削
減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンエン
ジンと固体電解質型燃料電池とを一体に備えた発電装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】特表2001−516935号公報に
は、ターボマシンと燃料電池とを組み合わせたハイブリ
ッド電力システムが記載されている。ターボマシンはコ
ンバスタで燃料を燃焼させて発生した高圧ガスでパワー
タービンを回転させることでジェネレータを駆動して発
電を行い、燃料電池はターボマシンのコンプレッサおよ
び復熱器を通過して加熱された空気と燃料とを反応させ
て発電を行う。
【0003】米国特許第6213234号明細書には、
ガスタービンエンジンで駆動される燃料電池およびジェ
ネレータを備えた車両が記載されている。車両を駆動す
るのに必要な最大電力の約50%未満を燃料電池から供
給することで、燃料電池を無闇に大型化することなく燃
料消費量の節減を図り、また車両の必要電力が小さいと
きに、燃料電池は必要電力の全てあるいは大部分を効率
的に供給する。
【0004】米国特許第6255010号明細書には、
ガスタービンエンジン、燃料電池およびジェネレータを
含む発電装置を共通の圧力容器内に収納して加圧状態で
運転するものが記載されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ガスタービ
ンエンジンと固体電解質型燃料電池とを一体に備えた発
電装置の燃料消費量を削減して発電効率を向上させるに
は、その廃熱を有効に利用することが必要であるが、ガ
スタービンエンジンと固体電解質型燃料電池とを離間し
て配置したり、ガスタービンエンジンに燃料電池を単純
に組み合わるだけでは廃熱を有効に利用することは困難
である。
【0006】本発明は前述の事情に鑑みてなされたもの
で、ガスタービンエンジンと固体電解質型燃料電池とを
一体に備えた発電装置において、廃熱を有効利用して発
電効率の向上を図ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に記載された発明によれば、ガスタービン
エンジンと固体電解質型燃料電池とを一体に備えた発電
装置であって、ガスタービンエンジンはコンプレッサホ
イール、タービンホイール、熱交換器および燃焼器を含
み、コンプレッサホイールは圧縮空気を熱交換器を介し
て固体電解質型燃料電池および燃焼器に供給し、タービ
ンホイールは固体電解質型燃料電池および燃焼器からの
排ガスにより駆動されてコンプレッサホイールを駆動
し、熱交換器はタービンホイールからの排ガスとコンプ
レッサホイールからの圧縮空気との間で熱交換を行うも
のにおいて、熱交換器、燃焼器および固体電解質型燃料
電池をコンプレッサホイールおよびタービンホイールよ
りなる回転部の軸線上に配置し、タービンホイールと燃
焼器との間に固体電解質型燃料電池あるいは燃焼器から
タービンホイールに向けて排ガスを排出する空間を形成
し、この空間の半径方向外側に熱交換器および固体電解
質型燃料電池を配置したことを特徴とする発電装置が提
案される。
【0008】上記構成によれば、コンプレッサホイール
およびタービンホイールよりなる回転部の軸線上に熱交
換器、燃焼器および固体電解質型燃料電池を配置し、固
体電解質型燃料電池あるいは燃焼器からタービンホイー
ルに向けて排ガスを排出する空間の半径方向外側に熱交
換器および固体電解質型燃料電池を配置したので、前記
空間に排出される固体電解質型燃料電池あるいは燃焼器
の廃熱を熱交換器および固体電解質型燃料電池で効果的
に回収して外部への熱逃げを抑制し、発電装置の発電効
率を向上させて燃料消費量を削減することができる。
【0009】また請求項2に記載された発明によれば、
請求項1の構成に加えて、コンプレッサホイールから熱
交換器に圧縮空気を導く第1圧縮空気通路を、タービン
ホイールから熱交換器に排ガスを導く排ガス通路の半径
方向外側に配置するとともに、熱交換器から固体電解質
型燃料電池に圧縮空気を導く第2圧縮空気通路を前記空
間の半径方向外側に配置したことを特徴とする発電装置
が提案される。
【0010】上記構成によれば、コンプレッサホイール
から熱交換器に圧縮空気を導く第1圧縮空気通路をター
ビンホイールから熱交換器に排ガスを導く排ガス通路の
半径方向外側に配置したので、比較的高温の排ガスが通
る排ガス通路から逃げる熱を比較的低温の圧縮空気が通
る圧縮空気通路で回収して発電効率を一層高めることが
でき、更に熱交換器から固体電解質型燃料電池に圧縮空
気を導く第2圧縮空気通路を前記空間の半径方向外側に
配置したので、前記空間に排出される排ガスの熱を第2
圧縮空気通路で回収して発電効率を一層高めることがで
きる。
【0011】また請求項3に記載された発明によれば、
請求項2の構成に加えて、第2圧縮空気通路を固体電解
質型燃料電池の半径方向外側に配置したことを特徴とす
る発電装置が提案される。
【0012】上記構成によれば、第2圧縮空気通路を固
体電解質型燃料電池の半径方向外側に配置したので、固
体電解質型燃料電池が発生する熱を第2圧縮空気通路で
回収して発電効率を一層高めることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【0014】図1および図2は本発明の第1実施例を示
すもので、図1は発電装置の縦断面図、図2は図1の2
−2線断面図である。
【0015】図1および図2には、ガスタービンエンジ
ンGTに固体電解質型燃料電池FCを一体化した発電装
置が示される。ガスタービンエンジンGTは概略カップ
状の前部ケーシング11を備えており、前部ケーシング
11の内面に沿うように形成された第1圧縮空気通路1
2の上流側に、図示せぬエアクリーナおよびサイレンサ
に連なる吸気通路13が接続される。吸気通路13の中
央を貫通して一対のベアリング14,15で支持された
回転軸16には、遠心式のコンプレッサホイール17と
遠心式のタービンホイール18とが隣接して同軸に固定
される。コンプレッサホイール17の外周に放射状に形
成された複数のコンプレッサブレード17a…は前記吸
気通路13に臨んでおり、これらコンプレッサブレード
17a…の直下流に位置する第1圧縮空気通路12に複
数のコンプレッサディフューザ19…が設けられる。回
転軸16の前端にはタービンホイール18により駆動さ
れるジェネレータGEが設けられる。
【0016】前部ケーシング11の後端に円環状に形成
された伝熱型の熱交換器20が配置される。熱交換器2
0は多数枚の金属薄板を放射方向に配置することで圧縮
空気通路と排ガス通路とを円周方向に交互に形成したも
ので、後端外周寄りの位置に第1圧縮空気通路12の下
流端に連なる圧縮空気入口21を備えるとともに前端内
周寄りの位置に圧縮空気出口22を備え、前端外周寄り
の位置に排ガス入口23を備えるとともに後端内周寄り
の位置に大気に連なる排ガス出口24を備える。熱交換
器20は、実線矢印で示す比較的に低温の圧縮空気と、
破線矢印で示す比較的に高温の排ガスとを相互に逆方向
に流すことにより、その流路の全長に亘って圧縮空気お
よび排ガス間の温度差を大きく保って熱交換効率を向上
させている。
【0017】熱交換器20の内周面から後方に向けて段
付き円筒状の後部ケーシング25が接続されており、後
部ケーシング25の後半部に円環状に形成された固体電
解質型燃料電池FCが収納される。後部ケーシング25
の内周面に沿って形成された第2圧縮空気通路26は、
その上流端が熱交換器20の圧縮空気出口22に連な
り、その下流端が固体電解質型燃料電池FCの外周部に
連なっている。固体電解質型燃料電池FCの半径方向内
側に単缶型の燃焼器27が配置されており、その後端に
燃料噴射ノズル28が設けられる。第2圧縮空気通路2
6の中間部分に固体電解質型燃料電池FCをバイパスす
る開口を開閉する開閉弁29…が設けられる。
【0018】回転軸16の後端に設けられたタービンホ
イール18の外周に放射状に形成された複数のタービン
ブレード18a…から延びる排ガス通路30が熱交換器
20の排ガス入口23に接続されており、この排ガス通
路30の半径方向外側が前記第1圧縮空気通路12によ
って覆われる。タービンホイール18の後面を覆うよう
に遮熱板31が配置されており、遮熱板31の外周部に
タービンブレード18a…に臨むタービンノズル32…
が設けられる。
【0019】コンプレッサホイール17およびタービン
ホイール18で構成される回転部33を支持する回転軸
16の軸線Lに対して、ガスタービンエンジンGTの構
成要素(つまりコンプレッサホイール17、タービンホ
イール18、熱交換器20および燃焼器27)および固
体電解質型燃料電池FCは軸対称な形状を有している。
そして回転部33の軸線L方向後方に形成された空間3
4の半径方向外側に円環状の熱交換器20が配置され、
更に熱交換器20の軸線L方向後方に円環状の固体電解
質型燃料電池FCが配置され、固体電解質型燃料電池F
Cの半径方向内側に燃焼器27が配置される。
【0020】公知の固体電解質型燃料電池FCは、円環
状の薄板よりなる多数のセルを、それと同形のセパレー
タを挟んで軸線L方向に重ね合わせたもので、各々のセ
ルはセラミックス系の固体電解質の両側面にカソード
(空気極)およびアノード(燃料極)を積層してなる。
セパレータに形成した通路を通してカソードおよびアノ
ードにそれぞれ空気および燃料を供給し、それらが固体
電解質の界面で反応することで電気エネルギーが発生す
る。
【0021】次に、上記構成を備えた本発明の実施例の
作用について説明する。
【0022】発電装置の運転中に、吸気通路13から吸
い込まれてコンプレッサホイール17により圧縮された
空気は第1圧縮空気通路12を経て熱交換器20に送ら
れ、そこで高温の排ガス(約800°C)との間で熱交
換することにより排ガスの温度近くまで加熱される。熱
交換器20を通過した高温の圧縮空気は第2圧縮空気通
路26を経て固体電解質型燃料電池FCに達し、固体電
解質型燃料電池FCを半径方向外側から半径方向内側に
通過する。一方、固体電解質型燃料電池FCに供給され
た天然ガス等の燃料(白抜き矢印参照)は、高温の固体
電解質型燃料電池FCにおいてH2 およびCOに内部改
質され、熱交換器20から供給された空気と反応するこ
とで発電が行われる。
【0023】発電装置の始動時には固体電解質型燃料電
池FCが活性化していないため、燃焼器27を一時的に
作動させて固体電解質型燃料電池FCを活性化温度まで
昇温させる。即ち、コンプレッサホイール17からの圧
縮空気を熱交換器20から固体電解質型燃料電池FCを
経て燃焼器27に供給し、その圧縮空気に燃料噴射ノズ
ル28から噴射した燃料を混合して燃焼させると、高温
の排ガスが熱交換器20に供給されて熱交換が行われる
ようになり、固体電解質型燃料電池FCに供給される圧
縮空気の温度が上昇する。また燃焼器27で発生した排
ガスによりタービンホイール18が駆動されるため、コ
ンプレッサホイール17による空気の吸入および圧縮が
有効に行われて固体電解質型燃料電池FCに供給される
圧縮空気の温度が更に上昇する。
【0024】その結果、固体電解質型燃料電池FCに供
給される圧縮空気の温度が所定温度(例えば、500°
C〜600°C)に達すると、燃料噴射ノズル28から
の燃料の噴射を停止して燃焼器27を不作動にしても、
固体電解質型燃料電池FCの温度が活性化温度に達する
ことで発電装置の運転が継続される。また開閉弁29…
の開度を変化させて固体電解質型燃料電池FCを通過す
る圧縮空気量とバイパスする圧縮空気量との比率を制御
することで、固体電解質型燃料電池FCの温度を制御し
たり、固体電解質型燃料電池FCにおける圧力損失を低
減したりすることができる。
【0025】尚、燃焼器27を軸線L方向に移動自在に
設け、始動時に燃焼器27を後部ケーシング25の内部
に突出させ、始動後に燃焼器27を後部ケーシング25
の外部に退避させれば、始動後の発電装置の運転中に固
体電解質型燃料電池FCからの排ガスが燃焼器27と干
渉せずにスムーズに流れるようになり、発電効率の更な
る向上を期待することができる。
【0026】しかして、タービンホイール18の回転軸
16により駆動されるジェネレータGEで発電された電
力と、固体電解質型燃料電池FCで発電された電力とが
統合されて出力される。燃料の持つ化学エネルギーのう
ち、約50%が固体電解質型燃料電池FCで電気エネル
ギーに変換され、約15%がジェネレータGEで電気エ
ネルギーに変換されるため、発電装置の効率は65%に
達して極めて高いものとなる。
【0027】さて、コンプレッサホイール17およびタ
ービンホイール18よりなる回転部33の軸線Lに対し
て、コンプレッサホイール17、タービンホイール1
8、熱交換器20、燃焼器27および固体電解質型燃料
電池FCが軸対称に配置されているため、ガスタービン
エンジンGTおよび固体電解質型燃料電池FCの内部の
圧縮空気や排ガスの流れが軸対称になって円周方向に均
一化されるため、熱交換器20に流入する圧縮空気およ
び排ガスの流速を均一化し、かつ固体電解質型燃料電池
FCに流入する圧縮空気の流速を均一化することができ
るので、熱交換器20における熱交換効率の向上および
固体電解質型燃料電池FCにおける発電効率の向上に寄
与することができる。また発電装置の前記軸対称配置に
より、圧力損失が減少して発電効率の向上および燃料消
費量の低減が可能となる。更に、ガスタービンエンジン
GTおよび固体電解質型燃料電池FCの内部の温度分布
も軸対称になって各部材の熱歪みが最小限に抑えられ、
コンプレッサホイール17やタービンホイール18のス
ムーズな回転が確保されるとともに、熱応力によるセラ
ミック製部品の損傷等が防止されて耐久性が向上する。
更に、ケーシングや通路のような部品も軸対称化するこ
とができるので、それらを板金等の薄肉材料で製作する
ことが可能となって軽量化が達成されるばかりか、ヒー
トマスの減少によって冷間始動時の熱損失を減少させて
燃費消費量の更なる低減が可能となる。
【0028】また円環状に形成した熱交換器20および
固体電解質型燃料電池FCを発電装置の最外層部に配置
したので、その半径方向内側の空間34にガスタービン
エンジンGTの燃焼器27等の構成要素を収納してコン
パクト化を図ることができ、かつガスタービンエンジン
GTが発生する熱を外側の熱交換器20および固体電解
質型燃料電池FCで回収することができる。特に、固体
電解質型燃料電池FCの半径方向内側の空間34に燃焼
器27を配置したので、発電装置の軸線L方向線向寸法
をコンパクト化することができるだけでなく、固体電解
質型燃料電池FCで熱を回収することができる。特に、
発電装置を始動すべく燃焼器27を作動させたときに、
半径方向外側に位置する固体電解質型燃料電池FCを効
果的に加熱して早期の活性化を可能にするとともに、燃
料消費量の低減に寄与することができる。
【0029】また軸線Lに沿って前方から後方にコンプ
レッサホイール17およびタービンホイール18よりな
る回転部33と、熱交換器20と、固体電解質型燃料電
池FCとが順次配置されているため、発電装置の半径方
向寸法をコンパクト化することができるだけでなく、圧
縮空気や排ガスの流速を均一化し、流れをスムーズにし
て圧力損失を減少させ、発電効率を高めることができ
る。
【0030】またコンプレッサホイール17から熱交換
器20に比較的に低温の圧縮空気を導く第1圧縮空気通
路12を、タービンホイール18から熱交換器20に比
較的に高温の排ガスを導く排ガス通路30の半径方向外
側を覆うように配置したので、高温の排ガス通路30か
ら逃げる熱を低温の第1圧縮空気通路12で回収するこ
とで、前部ケーシング11からの熱逃げを防止して発電
効率を一層高めることができる。更に、第2圧縮空気通
路26が固体電解質型燃料電池FCの半径方向外側を覆
うように配置されているので、固体電解質型燃料電池F
Cが発生する熱を第2圧縮空気通路26で回収して、後
部ケーシング25から外部に逃げないようにして発電効
率を一層高めることができる。
【0031】次に、図3および図4に基づいて本発明の
第2実施例を説明する。第2実施例は固体電解質型燃料
電池FCの形状が第1実施例と異なっており、その他の
構成は第1実施例と同一である。
【0032】第2実施例は、円環状に形成された複数個
(例えば、8個)の固体電解質型燃料電池FC…を、回
転部33の軸線Lの周囲を囲むように円周方向に等間隔
で配置したものである。各々の固体電解質型燃料電池F
Cはその軸線L1を回転部33の軸線Lと平行にした状
態で、後部ケーシング25と円筒状の隔壁41とによっ
て区画された円環状の空間42に収納される。
【0033】この第2実施例によっても、8個の固体電
解質型燃料電池FC…が回転部33の軸線Lに対して軸
対称に配置されるため、前述した第1実施例と同様の作
用効果を達成することができる。それに加えて、各々の
固体電解質型燃料電池FCの直径が第1実施例のものに
比べて小さくなるため、そのセルおよびセパレータが小
型になって製造が容易になる。
【0034】次に、図5および図6に基づいて本発明の
第3実施例を説明する。第3実施例も固体電解質型燃料
電池FCの形状が第1実施例と異なっており、その他の
構成は第1実施例と同一である。
【0035】第3実施例は、円環状に形成された複数個
(例えば、12個)の固体電解質型燃料電池FC…を、
回転部33の軸線Lの周囲を囲むように軸線L方向に2
列に、かつ円周方向に等間隔で配置したものである。各
列の6個の固体電解質型燃料電池FC…はその軸線L2
…を回転部33の軸線Lに対して放射方向にした状態
で、後部ケーシング25と円筒状の隔壁41とによって
区画された円環状の空間42に収納される。
【0036】この第3実施例によっても、12個の固体
電解質型燃料電池FC…が回転部33の軸線Lに対して
軸対称に配置されるため、前述した第1実施例と同様の
作用効果を達成することができる。それに加えて、各々
の固体電解質型燃料電池FCの直径が第1実施例のもの
に比べて小さくなるため、そのセルおよびセパレータが
小型になって製造が容易になるだけなく、軸線L方向の
固体電解質型燃料電池FC…の列数を任意に増加させる
ことで、同じ発電容量を確保しながら発電装置の外径を
コンパクト化することができる。
【0037】以上、本発明の実施例を詳述したが、本発
明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行う
ことが可能である。
【0038】
【発明の効果】以上のように請求項1に記載された発明
によれば、コンプレッサホイールおよびタービンホイー
ルよりなる回転部の軸線上に熱交換器、燃焼器および固
体電解質型燃料電池を配置し、固体電解質型燃料電池あ
るいは燃焼器からタービンホイールに向けて排ガスを排
出する空間の半径方向外側に熱交換器および固体電解質
型燃料電池を配置したので、前記空間に排出される固体
電解質型燃料電池あるいは燃焼器の廃熱を熱交換器およ
び固体電解質型燃料電池で効果的に回収して外部への熱
逃げを抑制し、発電装置の発電効率を向上させて燃料消
費量を削減することができる。
【0039】また請求項2に記載された発明によれば、
コンプレッサホイールから熱交換器に圧縮空気を導く第
1圧縮空気通路をタービンホイールから熱交換器に排ガ
スを導く排ガス通路の半径方向外側に配置したので、比
較的高温の排ガスが通る排ガス通路から逃げる熱を比較
的低温の圧縮空気が通る圧縮空気通路で回収して発電効
率を一層高めることができ、更に熱交換器から固体電解
質型燃料電池に圧縮空気を導く第2圧縮空気通路を前記
空間の半径方向外側に配置したので、前記空間に排出さ
れる排ガスの熱を第2圧縮空気通路で回収して発電効率
を一層高めることができる。
【0040】また請求項3に記載された発明によれば、
第2圧縮空気通路を固体電解質型燃料電池の半径方向外
側に配置したので、固体電解質型燃料電池が発生する熱
を第2圧縮空気通路で回収して発電効率を一層高めるこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】発電装置の縦断面図
【図2】図1の2−2線断面図
【図3】第2実施例に係る発電装置の縦断面図
【図4】図3の4−4線断面図
【図5】第3実施例に係る発電装置の縦断面図
【図6】図5の6−6線断面図
【符号の説明】
12 第1圧縮空気通路 17 コンプレッサホイール 18 タービンホイール 20 熱交換器 26 第2圧縮空気通路 27 燃焼器 30 排ガス通路 33 回転部 34 空間 FC 固体電解質型燃料電池 GT ガスタービンエンジン L 軸線
───────────────────────────────────────────────────── 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 8/12 H01M 8/12

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガスタービンエンジン(GT)と固体電
    解質型燃料電池(FC)とを一体に備えた発電装置であ
    って、 ガスタービンエンジン(GT)はコンプレッサホイール
    (17)、タービンホイール(18)、熱交換器(2
    0)および燃焼器(27)を含み、コンプレッサホイー
    ル(17)は圧縮空気を熱交換器(20)を介して固体
    電解質型燃料電池(FC)および燃焼器(27)に供給
    し、タービンホイール(18)は固体電解質型燃料電池
    (FC)および燃焼器(27)からの排ガスにより駆動
    されてコンプレッサホイール(17)を駆動し、熱交換
    器(20)はタービンホイール(18)からの排ガスと
    コンプレッサホイール(17)からの圧縮空気との間で
    熱交換を行うものにおいて、 熱交換器(20)、燃焼器(27)および固体電解質型
    燃料電池(FC)をコンプレッサホイール(17)およ
    びタービンホイール(18)よりなる回転部(33)の
    軸線(L)上に配置し、タービンホイール(18)と燃
    焼器(27)との間に固体電解質型燃料電池(FC)あ
    るいは燃焼器(27)からタービンホイール(18)に
    向けて排ガスを排出する空間(34)を形成し、この空
    間(34)の半径方向外側に熱交換器(20)および固
    体電解質型燃料電池(FC)を配置したことを特徴とす
    る発電装置。
  2. 【請求項2】 コンプレッサホイール(17)から熱交
    換器(20)に圧縮空気を導く第1圧縮空気通路(1
    2)を、タービンホイール(18)から熱交換器(2
    0)に排ガスを導く排ガス通路(30)の半径方向外側
    に配置するとともに、熱交換器(20)から固体電解質
    型燃料電池(FC)に圧縮空気を導く第2圧縮空気通路
    (26)を前記空間(34)の半径方向外側に配置した
    ことを特徴とする、請求項1に記載の発電装置。
  3. 【請求項3】 第2圧縮空気通路(26)を固体電解質
    型燃料電池(FC)の半径方向外側に配置したことを特
    徴とする、請求項2に記載の発電装置。
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