JP2004022230A - Fuel cell compound gas turbine system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To increase a design freedom of a fuel cell compound gas turbine system. <P>SOLUTION: A gas turbine 10 comprises a compressor 2, a combustor 4, and a turbine 6. A part of compressed air generated by the compressor 2 is extracted from an intermediate compression stage 2a and sent to a fuel cell 20 by a pipe 40. The remaining compressed air is sent to the combustor 4 as combustion air, and thereat fuel such as natural gas, kerosene, and heavy light oil is supplied and burnt and generates high temperature and high pressure combustion gas. This combustion gas is injected to the turbine 6 to turns this. A generator 30 is connected to a turbine shaft 8 constituting the turbine 6, and by the revolution of the turbine 6, the generator 30 is driven and electric power is generated. The combustion gas after driving the turbine 6 is discharged to the outside of the gas turbine 10 as exhaust gas. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池を備えたタービンシステムに関し、さらに詳しくは、システム設計の自由度を高くでき、システム効率をより高くできる燃料電池複合ガスタービンシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は電気化学反応によって、つまり水素を含む燃料を酸素と反応させる際の電解質膜での移動電子から直接電力を取り出すものである。これは、蒸気タービンやガスタービンを使用した従来の火力発電方式のように熱変換、機械的変換が存在せず、また、高い発電効率を得ることができる。また、構造上機械的部分や可動部分がなく、また、燃焼反応が９５０〜１０５０℃の範囲の定温度で進行するため、ＮＯｘが低く環境に対する負荷も小さい。このような燃料電池の高効率、低環境負荷を引き出す発電プラントが計画されている。
【０００３】
現状において燃料電池のみで発電設備を作ろうとすると、従来の火力発電設備と比較して極めて大規模な設備が必要となり、設置費用のおよび設置スペースの関係上現実的でない。そこで、蒸気タービンやガスタービンを使用した従来の火力発電方式の改善技術として燃料電池発電設備を複合させることが検討されている。
【０００４】
図１８は、一般的な燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム９００では、ガスタービン９１０の圧縮機９０２で作られた圧縮空気を全量燃料電池９２０へ供給する。そして、同時に供給される燃料との電気化学反応によって、燃料電池９２０から電力を発生する。反応後の排気は、再燃焼器９０５へ送られてここで未燃の燃料を燃焼して、高温の燃焼ガスを得る。この燃焼ガスはタービン９０６へ供給されてこれを駆動する。ガスタービン９１０には発電機９３０が接続されているので、タービン９０６が回転すると同時に発電機９３０が駆動されて電力が発生する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ガスタービン９１０が大型の場合、圧縮機９０２で作られる圧縮空気は２０ａｔａ程度である。一方、燃料電池９２０は一般に、大気圧から３．０ａｔａ程度の圧力下で作動し、高くとも５．０ａｔａ程度までの圧力下で作動する。このため、ガスタービンの圧縮機９０２で作られた圧縮空気を直接燃料電池９２０へ送るためには小型のガスタービンを用いることになる。したがって、高性能の大型ガスタービンと燃料電池を組み合わせるには現在の燃料電池を高圧作動に改善しなければならない。
【０００６】
また、低圧作動の燃料電池複合ガスタービンシステムでは、圧縮機９０２で生成される圧縮空気すべてを燃料電池９２０へ供給する。大型ガスタービンの場合は、燃料電池９２０の規模が極めて大きくなってしまい、燃料電池９２０の設置スペースが極めて巨大なものとなってしまう。この発明は、ガスタービンの能力の一部を燃料電池に活用することで、システム設計の自由度を高くすることとした。すなわち、従来の複合発電システムの一部の圧縮空気を用いて燃料電池を作動させる燃料電池複合ガスタービンシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、空気を圧縮する圧縮機と、当該圧縮機で生成された圧縮空気に燃料を供給して燃焼ガスを生成する燃焼器と、当該燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンとを有するガスタービンと、燃料と、前記圧縮機から供給される空気とで電気化学反応を起こさせて電力を発生する燃料電池と、前記圧縮機と前記燃料電池とをつなぎ、前記圧縮機で生成される圧縮空気の一部を前記燃料電池に供給する空気供給系とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
従来の燃料電池複合ガスタービンシステムでは、ガスタービンの圧縮機で生成された圧縮空気の全量すべてを燃料電池へ投入していた。このため、燃料電池の仕様が制限されて、システムを設計する際の自由度が低かった。また、燃料電池の運転に合わせて、これに最適な圧力と流量とで圧縮機で生成される圧縮空気を供給すると、ガスタービンの効率を低下させてしまう。一方、ガスタービンの運転条件に合わせた圧力と流量とで圧縮空気を燃焼器へ供給すると、燃料電池の規模が極めて大きくなり、システムとして現実的ではなくなってしまう。
【０００９】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、燃料電池とガスタービンとを組み合わせたものであり、ガスタービンの燃焼器へ供給するガスタービンの圧縮機で生成された圧縮空気の一部を燃料電池に供給するようにしてある。これによって、燃料電池の仕様に合致した圧縮機からの空気量と空気圧力とを供給できる。
【００１０】
このため、燃料電池に必要な空気量や空気圧力が小さい場合であっても、必要な空気流量のバランスを容易に得ることができるので、燃料電池複合ガスタービンシステムの設計においてあらゆる仕様の燃料電池を自由度高く組み合わせることができる。また、燃料電池およびガスタービンの運転条件に適した流量と圧力とで圧縮空気を供給できるので、燃料電池およびガスタービンそれぞれにより高い効率を発揮させることができる。これによって、燃料電池複合ガスタービンシステム全体としての効率も従来よりも高くできる。
【００１１】
さらに、燃焼器へ供給する圧縮空気の一部を燃料電池に供給するようにしてあるので、燃料電池とガスタービンとを別個に制御できる。これによって、ガスタービンの作動状況に関わらず燃料電池を起動・停止できる。また、負荷変動に対しては燃料電池を一定出力で運転し、ガスタービンの出力を増減すればよい。
【００１２】
また、請求項２に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、作動流体を圧縮する圧縮機と、当該圧縮機で圧縮された作動流体に燃料と酸化剤とを供給して燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器と、当該燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンとを有するガスタービンと、酸化剤と、燃料および前記圧縮機から供給される作動流体とで電気化学反応を起こさせて電力を発生する燃料電池と、前記圧縮機と前記燃料電池とをつなぎ、前記圧縮機で圧縮される作動流体の一部を前記燃料電池に導く作動流体供給系と、前記燃料電池の排気を前記ガスタービンの排気と合流させる排気合流部を有し、当該合流部で前記燃料電池の排気と前記ガスタービンの排気とを混合させてから両者の混合流体を前記圧縮機の入口へ戻す混合流体循環系と、ガスタービン排気、燃料電池排気、前記混合流体の排気系統から排気の一部を取り出す抽気手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、燃料電池とガスタービンとを組み合わせたものであり、ガスタービンの燃焼器へ供給するガスタービンの圧縮機で生成された圧縮作動流体の一部を燃料電池に供給するようにしてある。そして、燃料電池とガスタービンとの排気を合流させて、ガスタービンの圧縮機へ再び供給するようにしてある。このため、燃料電池およびガスタービンの燃焼器には適切な圧力で適切な流量の排気を供給できるので、燃料電池およびガスタービンは各々高い効率で運転させることができる。また、燃料電池およびガスタービンの排気を再びガスタービンの圧縮機へ戻して作動流体として利用するので、ガスタービン排気等の作動流体が持つエネルギーをより多く回収できる。つまり、システム外へ排出される排気が持ち出す損失熱量を低減できるので、システム損失を小さく抑えることができる。
【００１４】
また、請求項３に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項２に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記ガスタービンおよび上記燃料電池に供給する燃料および酸化剤は水素を一部に含む液体燃料および酸素を含む液化酸化剤であり、これを高圧で気化させ、その膨張させる際の膨張エネルギーによって駆動される膨張タービンを備え、当該膨張タービンを駆動した後の気化した燃料および気化した酸化剤を上記ガスタービンの燃焼器と上記燃料電池とに供給することを特徴とする。
【００１５】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項２に係る燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、ガスタービンおよび燃料電池の燃料と酸化剤とに、それぞれ液体燃料と液化酸化剤とを使用する。そして、その高温・高圧の気体を膨張タービンによって取り出すようにしてある。このように、液体燃料等を燃焼させる前に膨張仕事を取り出すので、システム全体の効率をさらに高くできる。
【００１６】
ここで、請求項４に係る燃料電池複合ガスタービンシステムのように、さらに、上記ガスタービンの排気または上記燃料電池の下流機器の排気の一方または両方を利用して上記液体燃料および液化酸化剤を気化させるようにしてもよい。このようにすれば、液体燃料等を気化させるために燃料電池やガスタービンの排気を利用するので、別個に気化設備を設ける必要がない。これによって、燃料電池等の排気が持つ熱エネルギーを有効利用できる。
【００１７】
なお、液体燃料等を気化させる際には、燃料電池の排気等と液体燃料等とを直接熱交換させてもよいし、燃料電池の排気等を例えば排熱回収ボイラ等に導いて、ここで発生させた蒸気によって液体燃料等を加熱してもよい。このようにすると、液体燃料等の気化に最も適切な温度の熱源を選択できるので、熱源と液体燃料等とが熱交換する際における損失をより小さく抑えることができる。なお、液体燃料には例えば液化天然ガス、ジメチルエーテル、メタノール等のクリーン燃料が使用でき、また、液化酸化剤には例えば液体酸素や液体空気が使用できる。
【００１８】
また、請求項５に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、上記圧縮機は静翼列と動翼列からなる圧縮段を複数備え、この複数の圧縮段によって段階的に空気または作動流体を圧縮するものであり、上記燃料電池に供給される空気または作動流体は、この圧縮機の途中における圧縮段から抽気されることを特徴とする。
【００１９】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、ガスタービン圧縮機の途中段から圧縮空気または圧縮作動流体を抽気して、燃料電池へ供給するようにしてある。このため、圧縮機の抽気する圧縮段を選択すれば、燃料電池の仕様に応じて最適な圧力の空気や作動流体を供給できるので、燃料電池を最適な作動条件の下で作動させることができる。さらに、弁等の流量調整によって燃料電池へ供給する空気等の流量を調整できるので、燃料電池の規模に応じた最適な流量で空気等を供給できる。
【００２０】
また、従来のように圧縮機出口から抽気していたときには、燃料電池に適した圧力にするために小型のガスタービンを組み合わせる必要があったが、この燃料電池複合ガスタービンシステムでは高性能の大型ガスタービンとの組合せが自由に行える。その分従来よりもガスタービンの効率を高くしてシステム全体の効率を高くできる。
【００２１】
また、請求項６に係る燃料電池複合ガスタービンシステムのように、上記燃料電池に供給される空気または作動流体は、上記圧縮機の出口つまり上記燃焼器の入口から抽気されるようにしてもよい。この場合であっても、燃料電池の排気をガスタービン燃焼器に戻さないため、流体の取出／合流機構を設けなくて良い。この場合は、流体取出機構のみで良く、ガスタービンの構造を改変する必要がない。
【００２２】
また、請求項７に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記ガスタービンのタービンは、静翼列と動翼列とからなる翼列段を複数備えるものであって、上記燃料電池の排気を上記ガスタービンの翼列段に供給してタービンを駆動することを特徴とする。
【００２３】
従来の燃料電池複合ガスタービンシステムでは、燃料電池の排気をガスタービンの燃焼器へ混入させるものがあった。このようにすると、燃料電池排気と均一に希釈することが困難となり、タービン入口における燃焼ガス温度に偏差がついてしまう。この燃料電池複合ガスタービンシステムは、燃料電池の排気をガスタービンのタービン途中段へ供給し、ガスタービンの燃焼器へは直接戻さないようにしてある。このため、タービンの翼列段のうち、最も適当な圧力・温度条件を持つ翼列段に燃料電池排気を混入する。これによって、燃料電池の排気で独立したタービンを作用させることを省けるので機器の簡素化に役立つ。
【００２４】
また、請求項８に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記燃料電池の排気によって駆動される燃料電池用タービンを上記燃料電池の後段に備えたことを特徴とする。この燃料電池複合ガスタービンシステムは、燃料電池の排気によって駆動される燃料電池用タービンを備えている。これによって、燃料電池の排気が持つ熱エネルギーを回収し運動エネルギーとして取り出すことができるので、システム全体の効率をより高くできる。
【００２５】
また、請求項９に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記燃料電池用タービンの排気を熱源流体として供給する熱交換手段を上記燃料電池の後段に備えたことを特徴とする。この燃料電池複合ガスタービンシステムは、熱交換手段を燃料電池の後段に設け、燃料電池の排気を熱源流体としてこれに供給するようにしてある。これによって、燃料電池の排気が持つ熱エネルギーを回収できるので、システム全体の効率をより高くできる。この熱交換手段で熱源流体と熱交換させる被加熱流体は、例えば燃料電池の作動流体である空気、酸素、水素を含む燃料がある。
【００２６】
また、請求項１０に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項８に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記燃料電池の排気に燃料を供給してこの排気を燃焼させた後に、当該排気の燃焼ガスを上記燃料電池用タービンへ供給してこれを駆動する燃焼手段を、上記燃料電池と上記燃料電池用タービンとの間に備えたことを特徴とする。
【００２７】
一般に燃料電池は起動から定格運転までに時間を要し、定格運転に移行するまでは安定して高温の排気を得ることが難しい。したがって、燃料電池の起動から定格運転に移行するまでの期間は、燃料電池用タービンから安定した出力を得ることができない。この燃料電池複合ガスタービンシステムは、燃料電池と燃料電池用タービンとの間に燃焼手段を設け、ここで燃料電池の排気に燃料を与えて燃焼させてから燃料電池用タービンへ供給するようにしてある。これによって、燃焼手段で燃料電池の排気を燃焼させることができるので、燃料電池からの排気温度が安定しない期間であっても、十分に温度の高い燃焼ガスを燃料電池用タービンへ供給できる。したがって、燃料電池の状態に関わらず、安定した燃料電池用タービンの出力を得ることができる。
【００２８】
また、請求項１１に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記燃料電池の排気を利用して上記燃料電池の作動流体を加熱する燃料電池排気・流体加熱手段を備えたことを特徴とする。この燃料電池複合ガスタービンシステムは、例えば燃料電池の作動流体加熱手段として熱交換器を用いて、これに燃料電池からの排気を供給し、当該排気と作動流体との間で熱交換させて作動流体を加熱する。これによって、燃料電池の排気を利用して燃料電池の作動温度に適した温度の作動流体を供給でき、また、燃料電池の排気が持つ熱エネルギーを有効に回収してシステム効率を高くできる。なお、燃料電池の排気を利用する形態には、燃料電池の排気で直接作動流体を加熱する他に、燃料電池の排気で蒸気等を生成し、この蒸気によって間接的に作動流体を加熱してもよい。
【００２９】
また、請求項１２に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記燃料電池の排気の一部に上記燃料電池の作動流体を加え、これらを排気循環手段によって上記燃料電池に循環させることを特徴とする。
【００３０】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、燃料電池で電気化学反応を終えた後の燃料等に消費した燃料成分等を補給して再び燃料電池に循環させる。このような構成としたので、燃料電池に供給する新しい作動流体を予熱するための熱交換器等を要しない。
【００３１】
また、請求項１３に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１１に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、上記燃料電池排気・流体加熱手段は、複数の管を同心円状に組合せて最内層の管に熱源流体である燃料電池の排ガスを流し、その外側には被加熱流体を流して両者の間で熱交換させることを特徴とする。
【００３２】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、複数の管を同心円状に組合せて最内層の管に燃料電池の排気を流し、その外側に被加熱流体である燃料電池の作動流体や蒸気を流して両者の間で熱交換させることによって、燃料電池の排気や作動流体を供給する配管と熱交換手段とを共用させるようにしてある。このため、配管の設置スペースを有効に利用でき、また、この配管の寸法によっては燃料電池の作動流体を加熱する熱交換器その他の原料加熱手段が不要になるため、システムの構成を簡略化できる。また、低温の作動流体を最外層とすることで、断熱設計、支持設計をやりやすくしている。
【００３３】
また、請求項１４に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１１または１３に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記燃料電池と上記燃料電池排気・流体加熱手段とを有する燃料電池装置段を複数段直列に配列し、後段の燃料電池装置段に設けられた燃料電池排気・流体加熱手段によって加熱された燃料電池の作動流体を前段の燃料電池装置段に設けられた燃料電池排気・流体加熱手段に供給して加熱し、且つ燃料電池の作動流体を加熱した後の燃料電池排気を後段の燃料電池装置段に設けられた燃料電池に供給することを特徴とする。
【００３４】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、燃料電池を直列に複数配置し、上流側の燃料電池の排気によってこの燃料電池へ供給する作動流体を加熱し、加熱後の燃料電池排気を前記燃料電池の下流側に配置される燃料電池へ供給する。そして、上段の燃料電池で電気化学反応での残余である燃料と酸素成分とを後段の燃料電池で電気化学反応に使用する。このように、燃料電池の排気に残存する燃料と酸素成分によりタービン入口温度が上昇するので、システム効率をより高くできる。また、複数段の燃料電池の後段に設けられた複数段の熱交換器によって、燃料と空気とを段階的に昇温させるため、燃料電池排気と燃料等との熱交換量を分配設計することができる。
【００３５】
また、請求項１５に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、ガスタービンの排気によって蒸気を生成する蒸気発生手段と、この排熱回収手段で生成される蒸気によって上記燃料電池の作動流体を加熱する蒸気・流体加熱手段とを備えたことを特徴とする。
【００３６】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、ガスタービンの排気を蒸気発生手段に供給して蒸気を生成し、この蒸気によって燃料電池の作動流体を加熱するようにしてある。このため、燃料電池作動流体加熱量が少ないうちは生成蒸気で蒸気タービンを運用でき、蒸気の利用比率を自由に制御できる。なお、燃料電池の作動温度によっては、蒸気・流体加熱手段を単独で使用して燃料電池の作動流体を加熱してもよいし、さらに燃料電池排気・流体加熱手段によって作動流体を加熱してもよい。
【００３７】
また、請求項１６に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１５に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記燃料電池排気・流体加熱手段の上段に上記の蒸気・流体加熱手段を備え、上記蒸気・流体加熱手段で加熱した後における燃料電池の作動流体を上記燃料電池排気・流体加熱手段で加熱することを特徴とする。
【００３８】
このようにすれば、蒸気によって予め昇温した作動流体をより高温の燃料電池排気で加熱するので、より燃料電池排気の温度と近い温度の作動流体を得ることができる。
【００３９】
また、請求項１７に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記燃料電池の作動流体を上記ガスタービンの排気によって加熱するガスタービン排気流体加熱手段を、予備加熱に用いることを特徴とする。
【００４０】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、燃料電池の予熱にガスタービンの排気が供給される作動流体加熱手段を配置し、これにガスタービンの排気を供給して燃料電池の作動流体を加熱するようにしてある。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００４２】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１００は、ガスタービン１０の圧縮機２の途中から圧縮空気の一部を燃料電池２０に供給し、残りをガスタービン１０の燃焼用空気としてガスタービン１０の燃焼器４へ供給する点に特徴がある。
【００４３】
ガスタービン１０は、圧縮機２と、燃焼器４と、タービン６とを備えている。圧縮機２で作られた圧縮空気の一部は途中の圧縮段２ａから抽気され、空気供給系の配管４０を通って、酸化剤として燃料電池２０へ送られる。残りの圧縮空気は燃焼用空気として燃焼器４へ送られて、ここで天然ガス、軽油、重軽油等の燃料が供給されて燃焼し、高温・高圧の燃焼ガスを発生する。この燃焼ガスはタービン６を回転させる。ガスタービン１０を構成するタービン軸８には発電機３０が接続されており、タービン６が回転することによって発電機３０が駆動されて電力が発生する。タービン６を駆動した後の燃焼ガスは排気ｇとしてガスタービン１０の外部へ排出される。
【００４４】
なお、図１（ｂ）に示す燃料電池複合ガスタービンシステム１０１のように、圧縮機２の出口（燃焼器４の前）から燃料電池２０に供給する空気を抽気するようにしてもよい。この場合には、ガスタービン１０の車室から抽気することになる。
【００４５】
この実施の形態においては、ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ：固体酸化物型）の燃料電池２０を用いている。また、ＳＯＦＣ型の燃料電池は、燃料電池自体の発電効率が高く、さらに作動温度も１０００℃前後と高いため、発電後の排気が持つ熱エネルギーを回収・利用することができる。ガスタービンを作動させることでシステム全体としての効率をさらに高くできる。なお、この発明に使用できる燃料電池はこのＳＯＦＣに限らない。今後出てくる燃料電池も含め、この発明の思想で構成できる燃料電池はこの技術の範囲にある。
【００４６】
燃料電池２０には、ガスタービン１０の圧縮機２から抽気された酸化剤である圧縮空気と燃料ｆとが供給され、ここで電気化学反応が起こって電力を発生する。この圧縮空気は、空気中に含まれる酸素を燃料電池２０の酸化剤として使用するものであり、純粋な酸素を混合したものや純酸素を供給してもよい。また、燃料ｆは、水素を主成分とするものであり、メタンガスや天然ガス、液化天然ガス、ジメチルエーテル、メタノールあるいは石炭ガス化ガス等である。以下、燃料電池２０に供給する空気や酸素等の酸化剤とメタンガスや天然ガス等の燃料とをまとめて作動流体とよぶ場合もある。
【００４７】
燃料電池２０の排気は高温・高圧の熱エネルギーを持っているため、これをガスタービン１０に備えられているタービン６の途中の翼列段６ａへ供給して、燃料電池２０の排気が持つ熱エネルギーをガスタービン１０の出力として回収する。なお、このタービン６は、静翼列と動翼列とからなる翼列段を複数備えており、燃料電池２０の排気は二段目以降の翼列段へ供給される。
【００４８】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１００および１０１では、ガスタービン１０の圧縮機２から圧縮空気を抽気して燃料電池２０に供給する。このため、燃料電池２０が必要とする空気量が少ない場合でも燃料電池複合ガスタービンシステムを構成することができる。また、燃料電池２０の種類や仕様等に応じて燃料電池２０に供給する空気量を任意に選択でき、また、圧縮機２からの抽気位置を適切に選択することで、燃料電池２０に供給する空気圧力も自由に選択できる。これによって、燃料電池２０の仕様の制約は全くなくなり、燃料電池複合ガスタービンシステム１００等の設計が容易になり、また、ガスタービン作動条件を制約しないことから高いシステム効率を得ることができる。
【００４９】
さらに、燃料電池複合ガスタービンシステム１００および１０１では、燃料電池２０からの排気をガスタービン１０の燃焼器４へ戻さないので、タービン６の入口における燃焼ガスの温度偏差は従来ガスタービンと何ら変わらない。燃焼器４へ戻すときは温度偏差増大の傾向を持つ。このように、燃料電池２０の排気を燃焼器４の燃焼ガスへ混合する際における熱損失がないので、従来の燃料電池複合ガスタービンシステム９００よりもガスタービンの効率を高くできる。また、タービン６に複数段備えられている翼列段のうち、最も適当な温度条件を持つ翼列段に燃料電池排気を供給できる。このように、燃料電池の排気をガスタービンのタービン６へ供給する際における熱損失を低減することにより、従来の燃料電池複合ガスタービンシステム９００よりもタービン効率低下を低くして、システム効率を高くできる。
【００５０】
また、燃料電池２０の排気をガスタービン１０の燃焼器４へ戻さないので、従来の燃料電池複合ガスタービンシステム９００（図１８参照）のように、起動用の再燃焼器９０５を設ける必要がない。つまり、通常のガスタービンと同じ構成とできるため、まずガスタービン１０を起動し、これが安定運転に入ってから燃料電池２０に供給する空気を抽気して燃料電池２０を作動させるという運用ができる。これによって、システムの立ち上がりはまずガスタービン、次に燃料電池の順次起動が可能になる。なお、この場合には、図示はしないが配管４０（図１参照）の途中に弁等の流量調整手段を設け、これの開度を調整することによって燃料電池２０へ供給される圧縮空気量を調整する。このようにすれば、簡単な手段で燃料電池２０へ供給する圧縮空気量を微調整できる。
【００５１】
また、電力需要が少なくなった場合には燃料電池２０へ供給する空気を一定として、ガスタービン１０のみを部分負荷で発電する等、柔軟な運用ができる。さらに、燃料電池複合ガスタービンシステム９００で必要だったガスタービン起動用の再燃焼器９０５も不要になるのでシステムの構成・制御を簡単にできる。
【００５２】
（変形例）
図２は、実施の形態１の変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０２は、上記実施の形態１に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１００等（図１参照）と略同一の構成であるが、燃料電池２０の排気をガスタービン１０のタービン６の途中段に供給するのではなく、熱交換手段によって燃料電池２０の排気が持つ熱エネルギーを回収する点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。なお、つぎの説明においては、圧縮機２の途中段から燃料電池用の空気を抽気しているが、燃料電池複合ガスタービンシステム１０１（図１（ｂ）参照）のように、圧縮機２の出口と燃焼器４との途中から抽気するようにしてもよい。
【００５３】
図２（ａ）に示すように、この燃料電池複合ガスタービンシステム１０２では、燃料電池２０の下流に熱交換手段である燃料電池用熱交換器５０が備えられている。そして、この燃料電池用熱交換器５０に燃料電池２０の排気を熱源流体として供給し、当該排気が持つ熱エネルギーを回収する。熱エネルギーを回収した後の排気は温度が下がっているので、ガスタービン１０の排気と合流させて系外へ排出する。なお、別々に排気系をもって系外へ排出してもよい。
【００５４】
この燃料電池用熱交換器５０では、ＨＸで燃料電池２０に供給する燃料と空気とを加熱することができる。このようにすると、特に高温下で作動するＳＯＦＣ型の燃料電池を使用する場合には好ましい。また、図２（ｂ）に示すように、ガスタービン１０の排気側のガスタービン用熱交換器５１で燃料と空気を加熱することも可能である。燃料電池用空気・燃料の加熱量が不足するときは、他の熱源としてガスタービン用熱交換器５１も参入させる。
【００５５】
なお、燃料電池用熱交換器５０で熱エネルギーが回収された後における燃料電池２０の排気は、ガスタービン１０に設けられているガスタービン用熱交換器５１の下流に合流させて、あるいは別々に系外へ排出する。
【００５６】
燃料電池やガスタービンの排気は温度が高いため、蒸気を使用する場合と比較して、燃料電池２０の作動流体を作動温度まで加熱することに適している。ここで、燃料電池２０の排熱をガスタービン１０と干渉させずに利用する例が図２（ａ）である。また、２つの熱源を干渉させることなく利用できるのが図２（ｂ）で、共にシステムの設計と運用をやりやすくしている。
【００５７】
（実施の形態２）
図３は、この発明の実施の形態２に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０４は、上記実施の形態１に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１００（図１参照）と略同一の構成であるが、燃料電池２０の排気によって駆動される燃料電池用タービンを燃料電池２０の後段に備えた点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。なお、実施の形態２に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０４においては、上記実施の形態１で開示した燃料電池複合ガスタービンシステム１００等を適用することができる。
【００５８】
燃料電池２０の後段である下流側には燃料電池用タービンである補助タービン１２が備えられており、燃料電池２０の排気によって駆動される。補助タービン１２には発電機３２が接続されているので、補助タービン１２が駆動されると発電機３２から電力が発生する。補助タービン１２を駆動した後の排気は、ガスタービン１０の排気と混合される。なお、別々に排気系をもって排気を系外へ排出してもよい。
【００５９】
実施の形態１に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１００等では燃料電池２０の排気をガスタービン１０等の途中段に供給しているが（図１参照）、この燃料電池複合ガスタービンシステム１０４では、補助タービン１２で燃料電池２０の排気が持つ熱エネルギーを直接出力に変換する。燃料電池２０の作動状況が変化して、燃料電池２０の排気条件（温度や圧力）が変化したときでも、ガスタービン１０はこの影響を受けない。
【００６０】
なお、図３（ｂ）に示すように、補助タービン１２の下流に熱交換手段である燃料電池排気用熱交換器５２を設け、補助タービン１２を駆動した後の排気に残存する熱エネルギーを回収してもよい。このようにすると、燃料電池２０の排気が持つ熱エネルギーをより有効に回収できる。この燃料電池排気用熱交換器５２は、例えば燃料電池２０に供給する空気や燃料を加熱するために使用できる。
【００６１】
また、実施の形態１の変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０３のように（図２（ｂ）参照）、ガスタービン１０のタービン６下流に熱交換手段であるガスタービン用熱交換器５１を設けて、ガスタービン１０の排気が持つ熱エネルギー回収を併用して燃料電池用作動流体（燃料、酸化剤）を加熱してもよい。
【００６２】
（実施の形態３）
図４は、この発明の実施の形態３に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０５は、上記実施の形態２に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０４（図３参照）と略同一の構成であるが、燃料電池２０と燃料電池用タービンである補助タービン１２との間に、燃料電池の排気に燃料を供給して燃焼させる燃焼手段を備えた点が異なる。その他の構成は実施の形態２と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。なお、実施の形態３に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０５においては、上記実施の形態１または２で開示した燃料電池複合ガスタービンシステム１００等を適用することができる。
【００６３】
図４（ａ）に示すように、燃料電池２０と補助タービン１２との間には、燃焼手段である補助タービン用燃焼器１２ｃが備えられている。燃料電池２０の排気はまず補助タービン用燃焼器１２ｃへ導かれてから、補助タービン１２へ噴射される。燃料電池２０の排気温度が低い場合には、補助タービン用燃焼器１２ｃで前記排気に燃料ｆを供給してこれを燃焼させる。これによって、燃料電池２０の排気温度を昇温させてから補助タービン１２へ噴射して、これを駆動する。また、補助タービン用燃焼器１２ｃで燃料電池２０の排気に供給する燃料ｆの量を調整することによって、補助タービン１２に供給する燃焼ガスの温度を調整できる。
【００６４】
補助タービン１２には発電機３２が接続されているので、補助タービン１２が駆動されると電力が発生する。補助タービン１２を駆動した後の燃焼ガスは、ガスタービン１０の排気に混入される。なお、別々に排気系をもっても良い。燃料電池２０の排気温度が十分に高くなっている場合には、補助タービン用燃焼器１２ｃで燃料が供給されずに排気はここをそのまま通って補助タービン１２へ噴射される。
【００６５】
燃料電池２０の起動直後のように、まだ燃料電池２０の排気温度が低い場合には、補助タービン用燃焼器１２ｃでこの排気に燃料ｆを噴射して燃焼させ、高温にしてから補助タービン１２へ噴射する。燃料電池２０の出力が安定し、排気温度が高くなってきたら燃料の供給を下げて、あるいは止めて直接燃料電池２０の排気を補助タービン１２へ供給する。このようにすることで、燃料電池２０の運転状況が変化しても、補助タービン１２の入口温度を一定の温度に維持することができるので、安定して補助タービン１２の出力を得ることができる。
【００６６】
また、一般に燃料電池２０は起動から定格運転までに時間を要するので、定格運転に移行するまでは安定して高温の排気を得ることが難しい。したがって、燃料電池２０の起動から定格運転に移行するまでの期間は、補助タービン用燃焼器１２ｃで補助タービン１２から安定した出力を得ることができない。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０５は、補助タービン用燃焼器１２ｃで燃料電池２０の排気を燃焼させることができるので、燃料電池２０からの排気温度が安定しない期間であっても、十分に温度の高い燃焼ガスを補助タービン１２へ供給できる。したがって、燃料電池２０の状態に関わらず、安定した補助タービン１２の出力を得ることができる。
【００６７】
さらに、夏場の午後のように電力需要が変動し、あるいは上昇するときには、補助タービン用燃焼器１２ｃへ燃料を供給して燃料電池２０の排気を燃焼させることで、補助タービン１２から所与の出力を得ることができる。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０５では、このような補助タービン用燃焼器１２ｃに供給する燃料量を調整することによって補助タービン１２の出力を調整することで、電力需要に応じた柔軟な運用ができる。
【００６８】
ここで、図４（ｂ）に示すように、補助タービン１２の後段やガスタービン１０の後段に熱交換手段である燃料電池排気用熱交換器５２やガスタービン用熱交換器５１を設け、これらの排気が持つ熱エネルギーを回収するようにしてもよい。このようにすれば、排気の持つ熱エネルギーを自由に回収計画できるので、システムの最適化に役立つ。
【００６９】
（実施の形態４）
図５は、この発明の実施の形態４に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０６は、上記実施の形態２に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０４（図３参照）と略同一の構成であるが、つぎの点でこれと異なる。すなわち、この燃料電池複合ガスタービンシステム１０６は、燃料電池２０の排気中に含まれる燃料排気と空気排気とを燃料排気通路４１ｆと空気排気通路４１ａとを使用して別々に排出させ、これを燃料電池２０と補助タービン１２との間に設けた補助タービン用燃焼器１２ｃで混合させる。また、燃料排気通路４１ｆと空気排気通路４１ａとに備えた燃料電池排気・流体加熱手段に燃料電池２０も排気を供給して、燃料電池２０の作動流体である燃料と空気とを燃料電池２０の作動に必要な温度まで加熱する。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。なお、実施の形態４に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０６においては、上記実施の形態１〜３で開示した燃料電池複合ガスタービンシステム１００等を適用することができる。
【００７０】
燃料電池２０で電気化学反応ののちの燃料と空気とは、燃料排気は燃料排気通路４１ｆへ導かれ、空気排気は空気排気通路４１ａへ導かれる。燃料排気通路４１ｆと空気排気通路４１ａとには、燃料電池排気・流体加熱手段である燃料用熱交換器５３ｆと空気用熱交換器５３ａとがそれぞれ設けられている。また、燃料用熱交換器５３ｆには燃料電池２０の作動流体である燃料が供給され、また、空気用熱交換器５３ａには同じく燃料電池２０の作動流体である空気が供給される。そして、電気化学反応後の燃料排気と空気排気との持つ熱エネルギーによって燃料電池２０へ供給する燃料と空気とを加熱する。
【００７１】
燃料電池２０へ供給する作動流体を加熱した後の燃料排気と空気排気は補助タービン用燃焼器１２ｃへ導かれ、ここで両者が混合され、残燃料と残酸素あるときは燃焼が行われる。補助タービン用燃焼器１２ｃでは必要に応じて燃料ｆが供給されて燃焼され補助タービン１２へ供給されてこれを駆動する。補助タービン１２の排気は、熱源流体として第三燃料用熱交換器５４ｆと第三空気用熱交換器５４ａとに供給されて、燃料電池２０の作動流体である燃料と空気とを予熱する。このように、段階的に燃料電池２０の作動流体である燃料と空気とを加熱するので、熱交換１基あたりの熱負荷を少なくできる。
【００７２】
（変形例１）
図６は、実施の形態４の第１変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０７は、上記実施の形態４に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０６（図５参照）と略同一の構成であるが、次の点でこれと異なる。すなわち、燃料電池と燃料電池排気・流体加熱手段とからなる燃料電池装置段を複数段備え、上流の燃料電池段に設けられた燃料電池に供給する作動流体を加熱した後の排気を、つぎの燃料電池段に設けられた燃料電池へ供給する。また、後段の燃料電池装置に設けられた燃料電池排気・流体加熱手段によって加熱された燃料電池の作動流体を、前段の燃料電池装置段に設けられた燃料電池排気・流体加熱手段に供給して加熱する。その他の構成は実施の形態４と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。
【００７３】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１０７には、２個の燃料電池２０ａおよび２０ｂが備えられている。なお、燃料電池の個数は２個に限定されるものではなく、システムの仕様等により燃料電池の個数を適宜変更できる。そして、システムに使用する燃料電池それぞれに対応して、それぞれの燃料電池の後段に燃料用熱交換器と空気用熱交換器が設けられる。すなわち、燃料電池２０ａと燃料電池排気・流体加熱手段である燃料用熱交換器５３ｆおよび空気用熱交換器５３ａとによって、第一段の燃料電池装置段ＦＣ１が構成される。また、燃料電池２０ｂと燃料電池排気・流体加熱手段である第二燃料用熱交換器５５ｆおよび第二空気用熱交換器５５ａと共に、第二段目の燃料電池装置段ＦＣ２が構成される。第一段、すなわち第一段の燃料電池装置段ＦＣ１に設けられている燃料電池２０ａ（以下第一段の燃料電池２０ａ）において電気化学反応を起こした後の燃料排気と空気排気とは、燃料用熱交換器５３ｆと空気用熱交換器５３ａに送られる。そして、ここで燃料電池２０ａに供給する作動流体を加熱する。
【００７４】
なお、上流側の燃料電池２０ａへ供給される作動流体は、補助タービン１２の後段に備えられた第三燃料用熱交換器５４ｆと第三空気用熱交換器５４ａとで加熱される。次に第二段の燃料電池装置段ＦＣ２に設けられている燃料電池２０ｂ（以下第二段の燃料電池２０ｂ）の後段に配置された第二燃料用熱交換器５５ｆと第二空気用熱交換器５５ａとで加熱される。その後、燃料用熱交換器５３ｆと空気用熱交換器５３ａでさらに加熱される。
【００７５】
燃料電池２０ａの作動温度まで加熱された作動流体は、第一段の燃料電池２０ａへ供給されて、ここで電気化学反応を起こして電力を発生する。一方、作動流体を加熱した後の空気排気は、第二段の燃料電池２０ｂへ供給される。第二段の燃料電池２０ｂに供給された作動流体は、ここで電気化学反応を起こして電力を発生する。
【００７６】
なお、第一段の燃料電池２０ａから排出される燃料排気には、第一段の燃料電池２０ａで消費された燃料分を補う分量の燃料が供給されてから第二段の燃料電池２０ｂへ供給される。この新たに供給される燃料は、第二段の燃料電池２０ｂの後段に設けられた第二燃料用熱交換器５５ｆで加熱されてから第二段の燃料電池２０ｂへ供給される。第二段の燃料電池２０ｂに供給された燃料と空気とはここで電気化学反応を起こして電力を発生する。電気化学反応後の燃料排気と空気排気とは、それぞれ第二燃料用熱交換器５５ｆと第二空気用熱交換器５５ａとに供給されて、第二段の燃料電池２０ｂへ供給される燃料と空気用熱交換器５３ａを送給する空気とを加熱する。
【００７７】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１０７は、複数の燃料電池を備え、上段に備えられた燃料電池で電気化学反応を起こした後の燃料排気と空気排気とを、下流段に備えられた燃料電池の作動流体として供給する。そして、上段の燃料電池で電気化学反応に使用されなかった燃料成分と空気成分とを後段の燃料電池で電気化学反応に使用する。このように、燃料と空気とを有効に使用できるので、システム効率をより高くできる。また、燃料電池とその後段に備えられた熱交換手段で構成される燃料電池装置段を複数備えることによって、燃料と空気とを段階的に昇温させるため、熱交換器当たりの熱負荷は小さくなり熱計画しやすい。
【００７８】
（変形例２）
図７は、実施の形態４の第２変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０８は、上記実施の形態４に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０６（図５参照）と略同一の構成であるが、燃料電池２０の作動流体を加熱する熱交換器の代わりに、燃料電池２０の排気の一部に燃料電池の作動流体を加えながら燃料電池２０を循環させる点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。
【００７９】
燃料電池２０に取り付けられている燃料排気通路４１ｆと空気排気通路４１ａとには、燃料通路分岐部分４２ｆと空気通路分岐部分４２ａとが設けられている。この分岐部分から燃料電池２０で電気化学反応を終えた燃料排気と空気排気とが分岐されて、排気循環手段である燃料用ブロワ９７ｆおよび空気用ブロワ９７ａによって再び燃料電池２０へ戻される。このときに、新しい燃料および空気が電気化学反応を終えた燃料排気および空気排気に供給されて、これらと混合される。ここで、電気化学反応を終えた燃料排気および空気排気には、まだ電気化学反応に供することのできる燃料成分（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）とが残存している。したがって、新しい燃料と空気とは、この燃料成分と酸素との残存量を考慮した量を混合する。
【００８０】
例えば、図７（ｂ）に示すように、燃料通路分岐部分４２ｆおよび空気通路分岐部分４２ａ（図７（ａ）参照）には、分岐させる燃料排気と空気排気との量を調整する流量調整手段である三方弁９８が設けられている（なお、図７（ｂ）には空気通路分岐部分４２ａのみ示す）。この三方弁９８の開度を調整することによって、燃料用ブロワ９７ｆ等へ分岐させて燃料電池２０へ再び戻す燃料排気と空気排気との量が調整できる。なお、図示はしないが、三方弁９８の代わりにロータリーバルブや複数の弁を組み合わせて分岐させる燃料排気等の量を調整してもよい。特に、複数の弁を組み合わせた場合には、構造はやや複雑になるが、三方弁９８やロータリーバルブを使用する場合と比較して、より精密に分岐量を制御できる。
【００８１】
燃料通路分岐部分４２ｆおよび空気通路分岐部分４２ａで分岐された燃料排気と空気排気とは、新たな燃料ｆおよび空気ａが混合されて、燃料電池２０へ供給される。そして、燃料電池２０で電気化学反応を起こして電力を発生する。電気化学反応を終えた燃料排気と空気排気とは温度が高いため、これらと混合される新しい燃料と空気との温度が上昇する。なお、混合される新しい燃料等の混合を促進して温度分布を小さくするため、燃料用ブロワ９７ｆや空気用ブロワ９７ａの下流における流路内には、例えば、スワーラ等の攪拌手段を設けることが好ましい。
【００８２】
また、図７（ａ）に示すように、燃料電池用タービンである補助タービン１２の後段に設けた第三燃料用熱交換器５４ｆおよび第三空気用熱交換器５４ａによって、補助タービン１２の排気を利用して新たに燃料電池２０へ供給する燃料と空気とを予熱することができる。この場合、混合後所定温度に管理するとき多量の新たな燃料と空気を混合することが可能となる。
【００８３】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１０８は、燃料電池２０で電気化学反応を終えた後の燃料等に消費した燃料成分等を補給して再び燃料電池２０に循環させる。このような構成としたので、実施の形態４に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０６のように、新しい燃料等を予熱するための燃料用熱交換器５３ｆ等を要しない。
【００８４】
（変形例３）
図８は、実施の形態４の第３変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０９は、上記実施の形態４に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０６（図５参照）と略同一の構成であるが、燃料電池２０の作動流体を加熱する際に、燃料電池２０の排気に加えてガスタービン１０の排気も使用する点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。
【００８５】
燃料電池２０へ供給する作動流体である燃料と空気とは、燃料排気通路４１ｆと空気排気通路４１ａとに設けられた燃料用熱交換器５３ｆと空気用熱交換器５３ａとで加熱される。なお、図８に示すように、燃料電池用タービンである補助タービン１２の排気によって新しい燃料と空気とを予熱しておくことも可能である。
【００８６】
燃料用熱交換器５３ｆおよび空気用熱交換器５３ａと、燃料電池２０とは燃料供給流路４３ｆと空気供給流路４３ａとでつながれている。燃料用タービン排気熱交換器５６ｆと空気用タービン排気熱交換器５６ａとにはガスタービン１０の排気が供給されて、この熱エネルギーによって熱交換器５４ｆ、５４ａと同じ条件で燃料と空気とを加熱する。
【００８７】
ガスタービン１０の排気は温度が高いため、燃料電池２０の種類によっては燃料電池２０の排気を使用する場合よりも高い温度まで作動流体を加熱できる。したがって、燃料電池２０の種類や仕様等によって、燃料電池２０の排気だけでは作動流体を十分に加熱できない場合には、ガスタービン１０の排気を使用することで燃料電池２０の作動に必要な温度まで作動流体を昇温させることができる。
【００８８】
（実施の形態５）
図９は、実施の形態５に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１１０は、上記実施の形態４に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０６（図５参照）と略同一の構成であるが、つぎの点でこれと異なる。すなわち、ガスタービン１０の排気と補助タービン１２の排気との後段に蒸気発生手段であるＨＲＳＧ（Ｈｅａｔ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　Ｓｔｅａｍ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：排熱回収ボイラ）を設け、ここで発生させた蒸気を蒸気タービン１５等に供給してこれらを駆動する。そして、燃料電池２０の作動流体である燃料と空気とをこの蒸気によって加熱する。その他の構成は実施の形態４と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。なお、実施の形態５に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１１０においては、上記実施の形態１〜４で開示した燃料電池複合ガスタービンシステム１００等を適用することができる。
【００８９】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１１０では、ガスタービン１０の排気をガスタービン用ＨＲＳＧ５７へ供給してここで蒸気を生成する。この蒸気は、ガスタービン用ＨＲＳＧ５７と蒸気タービン１５とをつなぐ配管４４を通って蒸気タービン１５へ供給され、これを駆動する。そして、蒸気タービン１５に接続された発電機３４によって電力を発生する。
【００９０】
前記配管４４は途中に設けられた分岐部分４４ｂ（図９（ａ）中点線で囲んだ部分）で、蒸気タービン１５側と第三燃料用熱交換器５４ｆ等側とに分岐されている。ガスタービン用ＨＲＳＧ５７で生成された蒸気の一部は配管４４ａを通って、蒸気原料加熱手段である第三燃料用熱交換器５４ｆおよび第三空気用熱交換器５４ａへ供給される。そして、ここで燃料電池２０の作動流体である燃料と空気とを予熱する。
【００９１】
なお、図示はしないが、上記分岐部分に例えば三方弁やロータリーバルブ等分岐流量調整手段を設け、これによって蒸気タービン１５側と第三燃料用熱交換器５４ｆ等側との蒸気配分量を調整してもよい。このようにすると、蒸気タービン１５の負荷に応じて供給される蒸気量を調整できるので好ましい。また、補助タービン１２に使用するタービン翼を冷却する場合には、ガスタービン１０の圧縮機２で作られた圧縮空気やガスタービン用ＨＲＳＧ５７で作られた蒸気を使用してもよい。
【００９２】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１１０では、燃料電池２０および補助タービン１２を作動させる前にガスタービン１０を起動する。そして、ガスタービン１０、ガスタービン用ＨＲＳＧ５７および蒸気タービン１５からなるガスタービン複合システムを安定させる。その後に、ガスタービン用ＨＲＳＧ５７から供給される蒸気を使って燃料電池２０の作動流体を加熱し、燃料電池２０および補助タービン１２を起動する。
【００９３】
この構成により、ＨＲＳＧ５７から必要な加熱蒸気を、配管４４ａを介して第三空気用熱交換器５４ａと第三燃料用熱交換器５４ｆとに送ることができることから、燃料電池２０および補助タービン１２が定格運転に移行するまでの過渡的な状態においても、燃料電池２０の作動流体を任意に必要な条件で加熱することができる。つまり、燃料電池２０の作動流体を加熱する熱源を独立して併設してあるため、燃料電池２０はその起動から定格運転までガスタービンの影響（干渉）を受けることなく安定して移行でき、システムの信頼性を高くできる。
【００９４】
ここで、図９（ａ）に示すように、燃料電池２０の排気によって駆動される補助タービン１２の後段に補助タービン用ＨＲＳＧ５８を設けて、ここで補助タービン１２の排気が持つ熱エネルギーを回収するようにしてもよい。このようにすると、補助タービン１２の排気が持つ熱エネルギーをより有効に蒸気タービン出力に回収でき、その分、システムの効率を高くできる。
【００９５】
このときには、図９（ａ）に示すように、配管４４ａを介して補助タービン用ＨＲＳＧ５８で生成された蒸気を配管４４へ供給して、ガスタービン用ＨＲＳＧ５７で生成される蒸気とともに蒸気タービン１５でその熱エネルギーを出力に変換する。なお、燃料電池２０の起動にはある程度時間を要するので、燃料電池２０が定格運転となって安定して補助タービン用ＨＲＳＧ５８から蒸気を得ることができるようになるまでは、弁９９を閉じて過渡条件での蒸気を復水器へ逃がす。そして、補助タービン用ＨＲＳＧ５８で十分に蒸気を発生することができるようになってから、弁９９を開けて蒸気タービン１５へ蒸気を供給する。
【００９６】
なお、補助タービン１２の排気温度によっては、補助タービン用ＨＲＳＧ５８で生成される蒸気の条件が蒸気タービン１５の入口蒸気条件と適合しない場合がある。このような場合には、図９（ｂ）に示すように、蒸気タービン１５の低圧蒸気タービン１５Ｌ、中圧蒸気タービン１５Ｉ、高圧蒸気タービン１５Ｈの段落のうち、最も適当な入口条件の蒸気タービンに補助タービン用ＨＲＳＧ５８の蒸気を供給する。図９（ｂ）においては、低圧蒸気タービン１５Ｌに供給している。さらに、図示はしないが補助タービン用ＨＲＳＧ５８で生成される蒸気の温度条件に適した蒸気タービンを別個に用意してもよい。
【００９７】
（実施の形態６）
図１０は、実施の形態６に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１１１は、実施の形態２に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０４（図３参照）と略同一の構成であるが、ガスタービン１０の排気と補助タービン１２の排気とを再びガスタービン１０の圧縮機２へ供給する点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。なお、実施の形態６に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１１１においては、上記実施の形態１〜５で開示した燃料電池複合ガスタービンシステム１００等を適用することができる。
【００９８】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１１１のガスタービン１０は、いわゆるＣＢＣ（Ｃｌｏｓｅｄ　Ｂｒａｙｔｏｎ　Ｃｙｃｌｅ：閉サイクルガスタービン）である。これは、ガスタービン１０の排気と補助タービン１２を駆動した燃料電池２０の排気との混合流体をガスタービン１１の圧縮機２へ作動流体として再び戻すものである。ガスタービン１０の圧縮機２へ戻されたガスタービン排気はここで圧縮された後、圧縮機出口で分岐され、ガスタービン１０の燃焼器４と燃料電池２０とへ供給される。
【００９９】
なお、この例においては、燃料電池２０の作動圧力条件に応じて最適な圧力の作動流体を燃料電池２０に供給するために、圧縮機２の途中段から燃料電池２０へ供給する作動流体を抽気している。また、実施の形態１に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０１（図１（ｂ）参照）のように、圧縮機２の出口と燃焼器４との途中から作動流体を抽気するようにしてもよい。さらに、図示はしないが、圧縮機２で生成された作動流体の一部は必要に応じてガスタービン１０の翼冷却に使用している。
【０１００】
ガスタービン１０の燃焼器４に供給された作動流体には燃料ｆと酸素ｏとが与えられて燃焼し、タービン６を駆動する。そして、タービン６を駆動した後の燃焼ガスは、ガスタービン用熱交換器５１で熱回収される。その後、混合流体循環系である配管４５に設けられた合流部４５ａで燃料電池排気と合流する。
【０１０１】
また、燃料電池２０には燃料電池の作動流体である燃料ｆ１と酸素ｏ１とが供給されて、燃料電池２０へ供給される作動流体と共に燃料電池２０内で電気化学反応を起こして電力を発生する。電気化学反応後の作動流体と燃料ｆ１と酸素ｏ１とは燃料電池排気となって、燃料電池２０の下流に設けられた燃料電池排気用熱交換器５２へ送られる。熱交換器５２においては、ここで燃料電池２０の作動流体の加熱、あるいは蒸気発生によって、燃料電池排気の持つ熱エネルギーを回収する。熱エネルギーが回収された後の燃料電池排気は、混合流体循環系である配管４５へ導かれる。そして、配管４５に設けられた合流部４５ａでガスタービン排気と合流した後、ガスタービン１０の圧縮機２へ作動流体として再び供給される。なお、ここでいう作動流体は、ガスタービン１０の排気と燃料電池２０の排気、あるいは補助タービン１２を駆動したあとの排気との混合流体である。
【０１０２】
ガスタービン１０の燃焼器４で燃料ｆと酸素ｏとが燃焼し、また、燃料電池２０では燃料ｆ１と酸素ｏ１とが供給されるので、これらの分だけガスタービン１０および燃料電池２０の排気が混合した混合流体（作動流体）の質量が増加する。したがって、圧縮機２の上流に設けられた抽気手段である抽気設備３６によって、系外へ排出する。さらにガスタービン排気系、燃料電池排気系のいずれかの場所を指定して抽気すればよい。
【０１０３】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１１１では、ガスタービン１０の圧縮機２で圧縮した作動流体の一部を燃料電池２０へ供給する。また、ＣＢＣガスタービンによって作動流体を循環させるので作動流体の持つエネルギーをより多く回収でき、さらに、発電効率の高い燃料電池２０を使用するため、両者の相互作用によってシステムの効率を高くすることができる。さらに、ＣＢＣガスタービンからの抽気量は燃料と酸素の量に見合ったもので、通常の煙突への全排気量より大幅に少なく、環境負荷を低減できる。
【０１０４】
なお、図１０（ｂ）は、燃料電池２０の下流に補助タービン１２を備えて、燃料電池排気を補助タービン１２へ供給しこれを駆動する場合を示す。この場合は、燃料電池排気の持つ熱エネルギーを発電出力に変換して回収する。ここで、燃料電池排気の温度が低い場合には、燃料電池２０と補助タービン１２との間に燃焼器を設け、ここで燃料と酸素を供給して補助タービン１２の入口温度を高める。
（変形例）
【０１０５】
図１１は、実施の形態６の変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１１２は、実施の形態６に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１１１（図１０参照）と略同一の構成であるが、さらに、ガスタービン１０および燃料電池２０の燃料および酸化剤として液体燃料と液化酸化剤を用い、これらを液相で加圧して蒸気を生成し膨張タービンを駆動する点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。
【０１０６】
この例においては、液体燃料として液化天然ガス（ＬＮＧ）やＤＭＥ（ジメチルエーテル）、エタノール等を、液体酸化剤として液体酸素（Ｌ−Ｏ２）を使用する。ガスタービン１１の排気は、ガスタービン用ＨＲＳＧ５７と液化天然ガス用熱交換器５１ｍと酸素用熱交換器５１ｏとに供給される。液化天然ガスタンク２６、２８および液体酸素タンク２７、２９から送給した流体は、各気化器Ａ、Ｃ、Ｂ、Ｄで気化される。そして５１ｍ、５２ｍ、５１ｏ、５２ｏで昇温したのち膨張タービンのメタンタービン１６と酸素タービン１７を駆動する。
【０１０７】
メタンタービン１６等を駆動した後の天然ガスと酸素とは、ガスタービン１１の圧縮機２で生成された高温・高圧の圧縮作動流体の一部（翼冷却系）で熱交換して温度を上昇させた後、燃焼器４へ供給されて燃焼する。燃焼器４で燃焼した天然ガスと酸素と作動流体とは、高温・高圧の燃焼ガスとなってタービン６に噴射され、これを駆動する。
【０１０８】
タービン６を駆動したあとのガスタービン排気は、上述したようにガスタービン用ＨＲＳＧ５７と液化天然ガス用熱交換器５１ｍ等とに供給されて熱交換等する。その後、混合流体循環系である配管４５を通り、ここに設けられた合流部４５ａで、後述する燃料電池２０の排気と合流し、作動流体として再び圧縮機２へ戻される。
【０１０９】
ＨＲＳＧ５７では、ガスタービン１１の排気を利用して蒸気を生成する。そして、この蒸気を蒸気タービン（図示せず）に供給してこれを駆動し、蒸気タービン（図示せず）に接続された発電機によって電力を発生する。
【０１１０】
そこで、ＨＲＳＧ５７で生成される何段階かの温度レベルを持つ蒸気のうち、最も温度の低い蒸気を利用して、前記液化天然ガス等を加熱してもよい。このようにすると、ガスタービン１０の排気を使用するよりも加熱量の制御が蒸気量の制御で行えて調整・運用の裕度が高まる。
【０１１１】
次に、燃料電池２０側について説明する。燃料電池２０の作動流体としては、ガスタービン１０の燃料等と同様にある。燃料電池２０の排気は燃料電池用タービンである補助タービン１２へ送られてこれを駆動し、補助タービン１２に接続されている発電機３２によって電力を発生する。補助タービン１２を駆動した後の燃料電池排気は、補助タービン用ＨＲＳＧ５８と燃料用熱交換器５２ｍと酸素用熱交換器５２ｏと蒸気設備３７とに供給される。液化天然ガスタンク２８および液体酸素タンク２９からは、熱交換器ＣとＤへ液化天然ガスおよび液体酸素が供給され、ここで気化される。
【０１１２】
液化天然ガス等は、液相において高圧としたのち気化ならびに昇温する。その高温・高圧の気体によって膨張タービンであるメタンタービン１８と酸素タービン１９とを駆動する。膨張タービンを駆動した後の天然ガスと酸素とは、補助タービン１２の排気と熱交換して温度を上昇させた後、燃料電池２０へ供給され、ここで電気化学反応により発電を行う。なお、このときには、燃料電池２０の作動流体とするため、ガスタービン１０の圧縮機２から圧縮後の流体が供給される。
【０１１３】
燃料電池排気は補助タービン１２へ供給される。補助タービン１２を駆動したあとの排気は、上述したように補助タービン用ＨＲＳＧ５８と天然ガス用熱交換器５２ｍ等と翼冷却蒸気ＨＲＳＧ３７とに供給されて熱回収される。その後、配管４５を通って、熱回収した後のガスタービン排気と合流部４５ａで合流した後、作動流体としてガスタービン１０の圧縮機２へ戻される。
【０１１４】
翼冷却蒸気ＨＲＳＧ３７では、補助タービン１２の排気の一部を用いて、補助タービン１２の翼冷却用蒸気を生成する。ここで、補助タービン１２の翼を冷却した後の蒸気Ｓｃは蒸気タービン（図示せず）に供給して発電を行う。また、翼冷却後の蒸気（Ｓ１）は、ガスタービン用ＨＲＳＧ５７および蒸気タービン（図示せず）へ供給することができる。
【０１１５】
さらに、翼冷却後の蒸気（Ｓ０）を燃料電池２０の冷却に使用するとき、高温の蒸気（Ｓ２）としてＨＲＳＧ５７や蒸気タービン系（図示せず）に供給する。つまり、翼回収熱量と燃料電池２０の冷却回収熱を発電出力に変換することにより、システム効率をさらに向上できる。
【０１１６】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１１２は閉サイクルであるため、ガスタービン１０や燃料電池２０の燃料として液化天然ガス等を供給するとき、その分だけ作動流体の質量が増える。このため、作動流体の質量増加分を抽気設備３６によって系外へ取り出す必要がある。ここで、この系外へ取り出した作動流体を、上述の翼冷却蒸気ＨＲＳＧ３７からの蒸気（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２）に代えて補助タービン１２と燃料電池２０の冷却流体として使用するとき、それ自体は昇温するので熱利用先Ｘにおいて、その回収熱を蒸気系以外に活用することができる。また、循環流体と同一の組成で補助タービン１２と燃料電池２０を冷却するため、蒸気冷却に比べてリークやシールを簡便に処理することができる。
【０１１７】
（実施の形態７）
図１２は、実施の形態７に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１１３は、燃料電池２０の作動流体を加熱する作動流体加熱手段を、燃料電池２０の排気を補助タービン１２や熱交換器５９等へ導くダクト等の配管に組み込んだ点に特徴がある。なお、実施の形態７に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１１３においては、上記実施の形態１〜６で開示した燃料電池複合ガスタービンシステム１００等を適用することができる。
【０１１８】
図１２（ｂ）は、燃料電池２０の排気ｇ１を熱交換器５９へ導くための配管である熱交換ダクト６０を示す断面図である。この熱交換ダクト６０ｆおよび６０ａは、熱源流体である燃料電池２０の排気ｇ１が通る内管６０ｆｉまたは６０ａｉの外側に、被加熱流体である燃料電池２０の作動流体が通る外管６０ｆｏまたは６０ａｏを備えた二重管となっている。なお、この熱交換ダクト６０ｆおよび６０ａは、燃料電池２０の排気ｇ１によって作動流体を加熱する燃料電池排気流体加熱器である。
【０１１９】
図１２（ａ）に示すように、燃料電池２０からは、燃料排気と空気排気が一体に排出しているが、別々に排出しても構成できる。同図（ｂ）および（ｃ）に示すように、それぞれの排気ｇ１は、燃料排気用の熱交換ダクト６０ｆおよび空気排気用の熱交換ダクト６０ａの最内層である内管６０ｆｉおよび内管６０ａｉへ導かれる。内管６０ｆｉおよび内管６０ａｉと外管６０ｆｏおよび外管６０ａｏとの間の空間には、それぞれ被加熱流体である燃料ｆ１と空気ａ１とが供給される。そして、被加熱流体がこの空間を流れる間に燃料排気および空気排気から熱回収して昇温する。温度を上昇させたのち燃料ｆ１と空気ａ１とを燃料電池２０へ供給する。
【０１２０】
また、図１２（ｃ）に示すように、熱交換ダクト６０’の外管６０ｏと内管６０ｉとの間の空間に設けられた仕切り板６０ｔによって、熱交換ダクト６０’の前記空間を二つに仕切り、それぞれの空間に燃料ｆ１と空気ａ１とを流すようにしてもよい。このようにすると、一つの熱交換ダクトによって燃料ｆ１と空気ａ１ととを加熱できるので、熱交換ダクトが一つで済み、設置スペースを小さくできる。このとき、図１３に後述するように、内管６０ｉに伝熱フィンを設けて、排気ｇ１と燃料ｆ１および空気ａ１との伝熱を促進させるなどの工夫をとり入れて、伝熱効率を高めることができる。これにより、熱交換ダクト６０’の外径寸法を小さくでき、また、同じ外径寸法の伝熱ダクトであれば、より熱交換量を大きくできる。
【０１２１】
なお、この熱交換ダクト６０ｆ、６０ａおよび６０’においては、高温の熱源流体である燃料電池２０の排気の外側を低温の被加熱流体である作動流体が取り囲むようにしてある。この結果、支持や断熱処置はより低温の外配管について行えるため、安全性の高い設計ができる。
【０１２２】
温度の高い燃料電池の排気を単独でダクト内を流す場合と比較して外管６０ｏの壁面における伝熱温度勾配を小さくできる。つまり、単独ダクト内を流す場合と比較して、外管６０ｏに作用する熱応力も小さくできるので、外管６０ｏの材料の選択や設計に余裕を持たせることができる。また、内管６０ｉ内には高温の燃料電池排気が流れるが、この外部に燃料ｆ１や空気ａ１で覆うため、この排気を単独ダクト内を流す場合と比較して、内管６０ｉの壁面内における温度勾配を小さくできる。この点においても、内管６０ｉの設計等にも余裕を持たせることができる。
【０１２３】
この熱交換ダクト６０ｆ、６０ａおよび６０では、燃料電池２０の排気を蒸気過熱器６０ｓも含めて補助タービン（図示せず）等に送るために必ず必要となる配管（ダクト）に内蔵するので、設置スペースの節減に有効である。下流の５９では、ＨＲＳＧからの蒸気を加熱（５９Ｓ）するが、空気を加熱（於５９ａ）することも可能である。
【０１２４】
図１３は、実施の形態７に係る熱交換ダクトの他の例を示す説明図である。なお、つぎの説明においては、燃料電池２０の燃料を加熱するための熱交換ダクト６０ｆを例にとって説明するが、他の熱交換ダクト６０ａ、および６０（図１２（ｂ）、（ｃ）参照）にも同様に適用できる。ここで、熱交換ダクト６０ｆ等の伝熱面積を増大させるため、図１３（ａ）に示すように、内管６０ｆｉにフィン１２０を設けてもよい。また、同図（ｂ）のように、内管６０ｉの外側と内側とに伝熱フィン１２１と１２２とを設けてもよい。このようにすると、熱源流体からの伝熱をさらに促進できるので、より熱交換量を大きくできる。
【０１２５】
さらに、同図（ｃ）および（ｄ）に示すように、伝熱フィンをピンフィン１２３としてもよい。伝熱フィンにピンフィン１２３を使用すると、図１３（ｄ）に示すように、ピンフィン１２３を千鳥状に配列できる。これによって、流体を乱流混合させる作用を強くできるのでより伝熱のを促進に有効である。また、同図（ｅ）に示すように、内管壁を波状に構成して伝熱面積を大きくしてもよい。
【０１２６】
図１４は、実施の形態７に係る他の熱交換ダクトを示す説明図である。この熱交換ダクト６１は、熱源流体が通過するダクトの外に被加熱流体を通過させて予備加熱し、さらに熱源流体が通過するダクト内に伝熱管を備えて、予備加熱後の被加熱流体をこの伝熱管に導いてさらに加熱する点に特徴がある。なお、図１４に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等は、図１２（ａ）に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等と対応する。
【０１２７】
この熱交換ダクト６１は、熱源流体である燃料電池２０の排気ｇ１を、熱交換ダクト６１の最内層である内管６１ｉ内へ流すようにしてある。そして、内管６１ｉの外側に、被加熱流体である燃料電池２０の作動流体が通る外管６１ｏを備えた二重管となっている。外管６１ｏと内管６１ｉとの間の空間は、外管６１ｏと内管６１ｉとの間に上流側と下流側との流れを遮断するように設けられた仕切り板６１ｓによって、上流側の空間６１ｕと下流側の空間６１ｄとに区切られている。
【０１２８】
また、熱交換ダクト６１の曲がり部６１ｂｕおよび６１ｂｄには、それぞれ伝熱管群１３０、１３１および１３２が備えられている。ここで、熱源流体である燃料電池２０の排気ｇ１の温度が高い方、すなわち上流側曲がり部６１ｂｕには、伝熱管群１３１および１３２が設けられている。このように、上流側曲がり部６１ｂｕにおいては、二種類の異なる被加熱流体を昇温させる。
【０１２９】
燃料電池２０に供給される空気ａ１は、下流側の空間６１ｄへ供給され、ここで熱源流体である排気ｇ１と熱交換して昇温する。この空気ａ１は、下流側の空間６１ｄから出た後、配管１４０を通って上流側曲がり部６１ｂｕに設けられている伝熱管群１３１へ送られて、ここで温度の高い上流側の排気ｇ１と熱交換する。そして所定の温度まで昇温した後、燃料電池２０へ供給される。
【０１３０】
また、燃料電池２０に供給される燃料改質用の蒸気ｓ１は、下流側曲がり部６１ｂｄに備えられている伝熱管群１３０へ供給され、ここで熱源流体である排気ｇ１と熱交換して昇温する。蒸気ｓ１は、伝熱管群１３０から出た後、１３０Ａで取り出し１４１Ａのもどりが上流側の空間６１ｕへ送られて、ここで内管６１ｉの壁面を介して温度の高い上流側の排気ｇ１と熱交換する。そして所定の温度まで昇温した後、燃料電池２０へ供給される。また、燃料ｆ１は上流側の空間６１ｕ内に設けられている伝熱管群１３３へ導かれ、上流側の空間６１ｕの蒸気ｓ１１およびｓ１２によって加熱される。そして、配管１４２を通って上流側曲がり部６１ｂｕに設けられている伝熱管群１３２へ送られて、ここで排気ｇ１によって加熱された後、燃料電池２０へ供給される。
【０１３１】
この熱交換ダクト６１は、二重管を構成する外管６１ｏと内管６１ｉとの間に相対的に低圧・低温の被加熱流体（空気ａ１と蒸気ｓ１）を流して高温の排気ｇ１と熱交換させる。このため、万一内管６１ｉに亀裂等が発生したときでも、低温の作動流体が緩衝領域を形成して高温の熱源流体が外部へ直接噴出することを防止できるので、安全性が高い。
【０１３２】
また、温度の高い燃料電池２０の排気を単独でダクト内を流す場合と比較して外管６１ｏの壁面内における温度勾配を小さくできる。したがって、温度の高い燃料電池２０の排気を単独でダクト内を流す場合と比較して、外管６１ｏに作用する熱応力も小さくできるので、外管６１ｏの材料の選択や設計に余裕を持たせることができる。さらに、伝熱管群１３０、１３１および１３２は熱交換ダクト６１の曲がり部６１ｂｕおよび６１ｂｄに設けられているため、分解・組立が容易であり、また保守・点検の手間も軽減できる。
【０１３３】
図１５は、実施の形態７に係る他の熱交換ダクトを示す断面図である。この熱交換ダクト６２は、ダクト内を同心円状に多層に仕切り、最も温度の高い流体である熱源流体をダクトの最内層である中心部分に流し、最も温度の低い被加熱流体をダクトの最外層に流し、両者の中間の温度を持つ被加熱流体をダクトの中心と最外層の間へ流す点に特徴がある。なお、図１５に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等は、図１２（ａ）に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等と対応する。
【０１３４】
この熱交換ダクト６２は、燃料電池２０の排気ｇ１を用いて、燃料電池２０に供給する燃料ｆ１と、この燃料とともに燃料電池２０へ供給してこれを改質する蒸気ｓ１と、燃料電池２０に供給する空気ａ１とを流して、これらの間で熱交換させる。最も温度の高い流体である燃料電池２０の排気ｇ１は、熱交換ダクト６２の最内層である第一内管６２ｉ１を流れる。また、最も温度の低い流体である空気ａ１は、熱交換ダクト６２の最外層である、第三内管６２ｉ３と外管６２ｏとの間に形成される空間を流れる。排気ｇ１と空気ａ１との間の温度である燃料ｆ１と蒸気ｓ１とは、その温度に応じて熱交換ダクト６２の第二層１５２または第三層１５３を流れる。この例においては、第二層１５２を蒸気ｓ１が流れ、第三層１５３を燃料ｆ１が流れる。ここで、第二層１５２は第一内管６２ｉ１と第二内管６２ｉ２との間に形成される空間であり、第三層１５３は第二内管６２ｉ２と第三内管６２ｉ３との間に形成される空間である。
【０１３５】
この熱交換ダクト６２は、低温の流体である空気ａ１を最外層に流し、この空気で高温の流体を覆うようにしてある。これによって、万一、第一内管６２ｉ１や第二内管６２ｉ２等が破損したとき、最外層を流れる空気ａ１が緩衝領域となってより高温の流体が外部に噴出することを防止できる。これによって、熱交換ダクト６２の安全性を確保できる。
【０１３６】
また、温度の高い燃料電池２０の排気を単独でダクト内を流す場合と比較して外管６２ｏの壁面内における温度勾配を小さくできる。したがって、温度の高い燃料電池２０の排気を単独でダクト内を流す場合と比較して、外管６２ｏに作用する熱応力も小さくできるので、外管６２ｏの材料の選択や設計に余裕を持たせることができる。
【０１３７】
さらに、排気ｇ１によって加熱された蒸気ｓ１によって間接的に燃料ｆ１が加熱されるため、排気ｇ１による直接加熱に比べ燃料の炭化を抑制して、熱交換ダクト６２内を清浄に維持できる。このため、保守・点検の周期を長くでき、また、熱交換ダクト６２の寿命も延ばすことができる。ここで、蒸気ｓ１と燃料ｆ１とを流す層はここで説明した例に限られず、蒸気ｓ１と燃料ｆ１との温度条件に応じて、両者を流す層を入れ替えてもよい。
【０１３８】
なお、第一内管６２ｉ１や第二内管６２ｉ２等には、図１３に示すような伝熱促進フィン１２０等を設けてもよい。このようにすると、各層を流れる流体同士の伝熱を促進できるため好ましい。また、この熱交換ダクト６２だけでは燃料ｆ１や空気ａ１等の加熱が不十分である場合には、この熱交換ダクト６２の後段に熱交換器等の加熱手段を設け、例えばガスタービンの排気等の高温熱源流体によって、燃料電池２０の作動温度まで燃料ｆ１等を加熱することが好ましい。
【０１３９】
図１６は、実施の形態７に係る他の熱交換ダクトを示す説明図である。この熱交換ダクト６３は、複数流される被加熱流体のうち少なくとも一つについて、熱交換ダクト６３の入口と出口との間で熱源流体を変更する点に特徴がある。なお、図１６に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等は、図１２（ａ）に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等と対応する。
【０１４０】
この熱交換ダクト６３は、予熱部６３ｐと、仕上げ部６３ｆとによって構成されている。予熱部６３ｐは、第一内管６３ｉ１を内部に備えた第二内管６３ｉ２が、外管６３ｏの内部に配置されている。また、第一内管６３ｉ１と第二内管６３ｉ２との間の空間には、第一内管６３ｉ１の周方向に向かって複数本（ここでは三本）の燃料用小配管１５０が配置されている。なお、第一内管６３ｉ１および第二内管６３ｉ２には、図１３に示すような伝熱促進フィン１２０等を設けてもよい。このようにすると、各空間を流れる流体同士の伝熱を促進できるため好ましい。また、燃料用小配管１５０や後述する空気用小配管１５１にも同様に伝熱フィンを設けると、より効率よくこれらの内部を流れる燃料ｆ１や空気ａ１を加熱できるため好ましい。
【０１４１】
仕上げ部６３ｆはその前半と後半とで構造が異なっている。仕上げ部前半６３ｆｕは、仕上げ部入口６３ｆｉから仕上げ部６３ｆの途中までの領域であり、仕上げ部後半６３ｆｄは、仕上げ部６３ｆの途中から仕上げ部出口６３ｆｏまでの領域である。仕上げ部６３ｆ全体は、外管６３ｏの内部に第一内管６３ｉ１を配置した構造である。
【０１４２】
仕上げ部前半６３ｆｕにおける第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間には、上記燃料用小配管１５０が配置されている。さらに、第一内管６３ｉ１の内部には、予熱部６３ｐにおける第二内管６３ｉ２と外管６３ｏとの間の空間を流れる被加熱流体（ここでは空気ａ１）をここに導くための空気用小配管１５１が複数本配置されている。
【０１４３】
図１６（ａ）に示すように、仕上げ部前半６３ｆｕにおいて第一内管６３ｉ１の外側に配置されていた燃料用小配管１５０は、仕上げ部６３ｆの略中心部で第一内管６３ｉ１の内部に入り込むようになっている。また、仕上げ部後半６３ｆｄにおける第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間に形成される空間には、上記空気用小配管１５１が配置されている。
【０１４４】
この熱交換ダクト６３においては、熱源流体である燃料電池２０からの排気ｇ１は仕上げ部６３ｆから予熱部６３ｐへ向かって流れ、被加熱流体である燃料ｆ１と空気ａ１とは、予熱部６３ｐから仕上げ部６３ｆへ向かって流れる。また、燃料ｆ１を改質するために燃料ｆ１とともに燃料電池２０へ供給される蒸気ｓ１も予熱部６３ｐから仕上げ部６３ｆへ向かって流れる。
【０１４５】
次に、この熱交換ダクト６３における熱源流体および被加熱流体の流れについて説明する。燃料電池２０からの排気ｇ１は、熱交換ダクト６３の仕上げ部６３ｆ側から第一内管６３ｉ１へ流れ込む。そして、この第一内管６３ｉ１内を予熱部６３ｐ側に向かって流れる過程で、第一内管６３ｉ１内に配置された燃料用小配管１５０内の燃料ｆ１や第一内管６３ｉ１外部を流れる蒸気ｓ１等と熱交換してこれらを加熱する。なお、最も温度の高い熱源流体である燃料電池２０からの排気ｇ１は、仕上げ部６３ｆ、予熱部６３ｐともにこの熱交換ダクト６３の最内層である第一内管６３ｉ１内を流れる。そして、その外側には、被加熱流体である燃料ｆ１、空気ａ１、蒸気ｆ１のうち少なくとも一つが流れるようになっている。
【０１４６】
被加熱流体である燃料電池２０の作動流体である燃料ｆ１は、燃料用小配管１５０の予熱部６３ｐ側から流れ込む。また、燃料用小配管１５０が配置されている第一内管６３ｉ１と第二内管６３ｉ２との間に形成される空間には蒸気ｓ１が流れており、第一内管６３ｉ１内の排気ｇ１によって加熱される。そして、燃料用小配管１５０内を流れる燃料ｆ１は、この蒸気ｓ１を介して燃料電池２０の排気ｇ１によって間接的に加熱された後、仕上げ部前半６３ｆｕへ流れる。また、燃料電池２０に供給される空気ａ１は、第二内管６３ｉ２と外管６３ｏとの間に形成される空間を、熱交換ダクト６３の予熱部６３ｐから仕上げ部６３ｆへ向かって流れる。その過程で、第二内管６３ｉ２内を流れる蒸気によって加熱されて、仕上げ部前半６３ｆｕへ流入する。また、燃料ｆ１と空気ａ１とを加熱した後の蒸気ｓ１も、仕上げ部前半６３ｆｕへ流れる。
【０１４７】
燃料ｆ１は燃料用小配管１５０内を流れるが、仕上げ部前半６３ｆｕにおいて燃料用小配管１５０は、第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間の空間に配置される。予熱部６３ｐで燃料ｆ１と空気ａ１とを加熱した蒸気ｓ１は、第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間の空間を熱交換ダクト６３の出口に向かって流れる。その過程で、第一内管６３ｉ１内を流れる排気ｇ１から熱を受け取り、燃料用小配管１５０内を流れる燃料ｆ１を加熱する。なお、仕上げ部前半６３ｆｕから仕上げ部後半６３ｆｄに移る部分で、燃料用小配管１５０が配置される場所は、第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間に形成される空間から第一内管６３ｉ１内に変化する。
【０１４８】
仕上げ部前半６３ｆｕに入る際に、空気ａ１は第二内管６３ｉ２と外管６３ｏとの間に形成された空間から複数の空気用小配管１５１へ流れる。そして、この空間を形成していた第二内管６３ｉ２は、図１６（ａ）に示すように、予熱部６３ｐの終端６３ｐｏで外管６３ｏと一体となる。空気用小配管１５１は第一内管６３ｉ１内に配置されているため、空気用小配管１５１内を流れる空気ａは、第一内管６３ｉ１内を流れる排気ｇ１によって燃料電池２０の作動温度まで加熱される。なお、仕上げ部前半６３ｆｕから仕上げ部後半６３ｆｄに移る部分で、空気用小配管１５１が配置される場所は、第一内管６３ｉ１内から第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間に変化する。
【０１４９】
仕上げ部後半６３ｆｄにおいては、燃料用小配管１５０が第一内管６３ｉ１内に配置されており、燃料ｆ１が燃料用小配管１５０内を流れる過程で第一内管６３ｉ１内を流れる排気によって、燃料電池２０の作動温度まで加熱される。一方蒸気ｓ１も、第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間を流れる過程で、第一内管６３ｉ１内を流れる排気ｇ１から熱を受け取って加熱される。そして、加熱後の燃料ｆ１と蒸気ｓ１とが、共に燃料電池２０へ供給される。空気ａ１は第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間に配置される空気用小配管１５１内を流れるが、第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間を流れる蒸気ｓ１は排気ｇ１によって加熱されている。したがって、空気用小配管１５１内を流れる空気ａ１はほとんど温度を下げないで燃料電池２０へ供給される。
【０１５０】
この熱交換ダクト６３には、最外周に不活性流体である空気または蒸気を流す。このため、万一燃料用小配管１５０や排気ｇ１が流れる第一内管６３ｉ１が破損して、内部を流れる燃料ｆ１や排気ｇ１が漏れた場合でも、不活性流体である空気等が緩衝領域となって燃料ｆ１等の反応を防止する。これによって、設備の安全性を高くできる。また、この熱交換ダクト６３は、最外周に温度の低い流体を流し、温度の高い流体である燃料電池２０の排気は、最内周に配置された第一内管６３ｉ１内を流れるようにしてある。このため、温度の高い燃料電池２０の排気を単独でダクト内を流す場合と比較して、外管６３ｏの壁面内における温度勾配を小さくできる。これによって、外管６３ｏの材料選択や設計に余裕を持たせることができる。
【０１５１】
また、この熱交換ダクト６３は、排気等を次の後流機器に送る配管としての役割と熱交換手段としての役割とを同時に果たす。したがって、別途熱交換手段を省略あるいは小型とするので、設備をコンパクトにできる。この熱交換ダクト６３のみでは十分な伝熱性能を発揮できない場合には、小型の熱交換手段を設ける。
【０１５２】
図１７は、実施の形態７に係る他の熱交換ダクトを示す説明図である。なお、図１７においては熱交換ダクト６３ａの上半分のみを表している。この熱交換ダクト６３ａでは、空気用小配管１５１は仕上げ部６３ｆ全領域にわたって第一内管６３ｉ１内に配置されている。なお、仕上げ部後半６３ｆｄにおいては、燃料用小配管１５０も第一内管６３ｉ１内に配置されている。
【０１５３】
仕上げ部前半６３ｆｕまでに蒸気ｓ１で加熱された空気ａは、仕上げ部６３ｆで燃料電池２０の排気ｇ１によって加熱される。また燃料ｆ１は、仕上げ部前半６３ｆｕまでは排気ｇ１よりも温度の低い蒸気ｓ１によって加熱されて、仕上げ部後半６３ｆｄにおいては燃料電池２０の排気ｇ１によって加熱される。これによって、燃料電池２０の作動温度まで空気ａ１と燃料ｆ１との温度を上昇させることができる。
【０１５４】
上記熱交換ダクト６３では、空気ａ１を燃料電池２０へ供給する前に、ガスタービン１０の排気や燃料電池２０の排気等によって、燃料電池２０の作動温度まで昇温させる必要があった。しかし、この熱交換ダクト６３ａによれば、設計を最適化することによって、仕上げ部出口６３ｆｏにおける空気ａ１および燃料ｆ１の温度を、燃料電池２０の作動温度まで上昇させることもできる。これによって、空気ａ１用の熱交換器が不要になるので、その分構成を簡単にでき、また製造コストも低減できる。
【０１５５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１）では、燃料電池とガスタービンとを組み合わせた燃料電池複合ガスタービンシステムで、ガスタービンの燃焼器へ供給するガスタービンの圧縮機で生成された圧縮空気の一部を燃料電池に供給するようにした。これによって、燃料電池の仕様に合致した空気量、圧力をガスタービン（燃焼器、タービン）と独立させて確保できる。つまり、燃料電池に必要な空気量や空気圧力が小さい場合であっても、その必要な量をガスタービンに干渉させずに得ることができるので、燃料電池複合ガスタービンシステムの設計における自由度を高くできる。また、ガスタービンの燃焼器へ供給するガスタービンの圧縮機で生成された圧縮空気の一部を燃料電池に供給するということは、燃料電池とガスタービンの別個の制御を可能としている。つまり、燃料電池の作動状況に関わらずガスタービンを起動および制御できるので、システム運用の自由度を高くできる。
【０１５６】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項２）では、燃料電池とガスタービンとを組み合わせた燃料電池複合ガスタービンシステムで、ガスタービンの燃焼器へ供給するガスタービンの圧縮機で生成された圧縮作動流体の一部を燃料電池に供給すると共に、燃料電池とガスタービンとの排気を合流させて、ガスタービンの圧縮機へ再び供給するようにした。これは、ＣＢＣの性能向上のために燃料電池を併設したもので、本来のＣＢＣの機能としてシステム外へ排出される排気量を低減できるので、環境負荷を低減できる。
【０１５７】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項３）では、上記燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、ガスタービンおよび燃料電池の燃料と酸化剤とに、それぞれ液体燃料と液化酸化剤とを使用し、これらを高圧下で気化して得た高温・高圧の気体で膨張タービンを作動させる。この膨張タービン発電出力により、燃料電池複合ガスタービンシステム全体の効率をさらに高めることができる。
【０１５８】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項４）では、当該システムに備えられたガスタービンの排気または燃料電池の排気を利用して、液体燃料または液化酸化剤を加熱するようにした。このため、燃料電池やガスタービンの排気が持つ熱エネルギーも有効に利用できる。
【０１５９】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項５）では、ガスタービン圧縮機の途中段から圧縮空気または圧縮作動流体を抽気して、燃料電池へ供給するようにした。このため、圧縮機の抽気する圧縮段を適切に選択すれば、燃料電池の仕様に対応した最適な圧力の空気や作動流体を供給できる。
【０１６０】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項６）では、燃料電池に供給される空気または作動流体を、上記圧縮機の出口と上記燃焼器の入口との間から抽気するようにした。この場合にはガスタービンの車室から高圧条件の抽気を取り出すことができる。このため、大量の空気を圧縮機の途中段から抽気すると、圧縮機の仕様やガスタービンの運転状況によっては圧縮機の運転が不安定になる場合であっても、安定して燃料電池へ空気を供給できる。したがって、特に燃料電池へ供給する空気量が多い場合に好ましい。
【０１６１】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項７）では、燃料電池の排気をガスタービンのタービン途中段へ供給し、ガスタービンの燃焼器へは直接戻さないようにした。これによって、燃料電池排気を混入させる際におけるタービン入口温度偏差の保持ができ、ガスタービンの安全運転が確保できる。補助タービンをガスタービンの本来のタービンに兼ねさせたものである。
【０１６２】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項８）では、燃料電池の排気によって駆動される燃料電池用タービンを備えた。これによって、ガスタービンとの干渉を行うことなく発電出力を取り出せるので、設計と運転・制御がしやすくなる。
【０１６３】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項９）では、熱交換手段を燃料電池の後段に設け、燃料電池の排気を熱源流体としてこれに供給するようにした。このような構成により、圧力が低くて膨張タービンを作動できないときの熱エネルギー回収方式とした。
【０１６４】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１０）では、燃料電池と燃料電池用タービンとの間に燃焼手段を設け、ここで燃料電池の排気に燃料を与えて燃焼させてから燃料電池用タービンへ供給するようにした。本来のガスタービン構成により燃料電池からの排気温度が安定しない期間であっても、所定の温度の燃焼ガスを燃料電池用タービンへ供給できる。したがって、燃料電池の作動状態に左右されることなく、安定した燃料電池用タービンの出力を得ることができる。
【０１６５】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１１）では、燃料電池の作動流体加熱手段に燃料電池からの排気を供給し、当該排気と熱交換させて作動流体を加熱する。排気のみを熱源とすることなく低温域での加熱もシステム内で確保して、最終の高温を得るためにこの排気を用いて、システムの熱損失を少なくしている。
【０１６６】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１２）は、燃料電池で電気化学反応を終えた後の作動流体（燃料及び空気各系）で消費された成分等を補給して再び燃料電池に循環させるようにした。燃料電池に供給する新しい作動流体は、この排気混合にて温度が所定値まで上昇するので、予熱するための熱交換器等を要しない。
【０１６７】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１３）では、配管の最内層に燃料電池の排気を流し、その外層に被加熱流体である燃料電池の作動流体や蒸気を流して両者の間で熱交換させることによって、燃料電池の排気や作動流体を供給する配管と熱交換手段とを共用させるようにした。これによって、配管の設置スペースを有効に利用でき、また、燃料電池の作動流体を加熱する熱交換器が不要となるとき、システムの構成を簡略化でき、またシステムの設置費用も低減できる。さらに、万一排気を流す最内層を構成する管に亀裂等が発生したときでも、低温の作動流体が緩衝領域を形成して高温の燃料電池排気が外部へ直接噴出することを防止できるので、安全性を高くできる。
【０１６８】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１４）では、燃料電池を直列に複数配置し、上流側の燃料電池の排気によってこの燃料電池へ供給する作動流体を加熱し、加熱後の燃料電池排気を前記燃料電池の下流側に配置される燃料電池へ供給するようにした。そして、上段の燃料電池で電気化学反応に使用されなかった燃料成分と空気成分とを後段の燃料電池で電気化学反応に使用するようにした。このような構成によって、複数段の燃料電池と補助タービンの組合せで高効率が得られる。
【０１６９】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１５）では、ガスタービンと補助タービンの両排気を蒸気発生手段に供給して十分多量の蒸気を生成し、この蒸気によって燃料電池の作動流体を加熱するようにした。このように、まず燃料電池等の排気よりも温度の低い蒸気によって加熱するということは、何よりも燃料電池向けに蒸気を優先して使用し、残りは蒸気発電に活用する点、計画・運用・制御がやりやすく、最適なシステムを決定できるということである。
【０１７０】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１６）では、さらに、上記燃料電池の排気を第二の作動流体加熱手段に供給して、上記作動流体蒸気加熱手段によって加熱された後の作動流体を加熱するようにした。このようにすれば、蒸気によって温度レベルが上昇した作動流体をより温度の高い燃料電池の排気で加熱できるので、より燃料電池排気の温度と近い温度の高温の作動流体を得ることができる
【０１７１】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１７）では、ガスタービンと補助タービンの両排気で直接作動流体を加熱することを実現した。このように、高温のタービンの排気によって加熱するので、燃料電池の排気で最後の仕上げ温度への制御と熱バランス調整が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図２】実施の形態１の変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図６】実施の形態４の第１変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図７】実施の形態４の第２変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図８】実施の形態４の第３変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図９】実施の形態５に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図１０】実施の形態６に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図１１】実施の形態６の変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図１２】実施の形態７に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図１３】実施の形態７に係る熱交換ダクトの他の例を示す説明図である。
【図１４】実施の形態７に係る他の熱交換ダクトを示す説明図である。
【図１５】実施の形態７に係る他の熱交換ダクトを示す断面図である。
【図１６】実施の形態７に係る他の熱交換ダクトを示す説明図である。
【図１７】実施の形態７に係る他の熱交換ダクトを示す説明図である。
【図１８】これまでの燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【符号の説明】
２　圧縮機
４　燃焼器
６　タービン
１０、１１　ガスタービン
１２　補助タービン
１２ｃ　補助タービン用燃焼器
１６、１８　メタンタービン
１７、１９　酸素タービン
２０、２０ａ、２０ｂ　燃料電池
３６　抽気設備
３７　翼冷却蒸気ＨＲＳＧ
４０　配管
４５　配管
４５ａ　合流部
５０　燃料電池用熱交換器
５１　ガスタービン用熱交換器
５２　燃料電池排気用熱交換器
５３ａ　空気用熱交換器
５３ｆ　燃料用熱交換器
５４ａ　第三空気用熱交換器
５４ｆ　第三燃料用熱交換器
５５ａ　第二空気用熱交換器
５５ｆ　第二燃料用熱交換器
５６ａ　空気用タービン排気熱交換器
５６ｆ　燃料用タービン排気熱交換器
５７　ガスタービン用排熱回収ボイラ
５８　補助タービン用排熱回収ボイラ
６０、６１、６２、６３、６３ａ　熱交換ダクト
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、１１３　燃料電池複合ガスタービンシステム[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a turbine system having a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell combined gas turbine system that can increase the degree of freedom in system design and increase the system efficiency.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell directly extracts electric power from mobile electrons in an electrolyte membrane when electrochemically reacting a fuel containing hydrogen with oxygen. This is because there is no heat conversion or mechanical conversion unlike a conventional thermal power generation system using a steam turbine or a gas turbine, and high power generation efficiency can be obtained. Further, since there is no mechanical part or movable part in the structure, and the combustion reaction proceeds at a constant temperature in the range of 950 to 1050 ° C., NOx is low and the load on the environment is small. There is a plan for a power plant that can extract the high efficiency and low environmental load of such a fuel cell.
[0003]
At present, if an attempt is made to generate a power generation facility using only a fuel cell, an extremely large-scale facility is required as compared with a conventional thermal power generation facility, which is not realistic in terms of installation cost and installation space. Therefore, as a technology for improving a conventional thermal power generation system using a steam turbine or a gas turbine, it has been studied to combine fuel cell power generation facilities.
[0004]
FIG. 18 is an explanatory diagram showing a general fuel cell combined gas turbine system. In the fuel cell combined gas turbine system 900, the entire amount of the compressed air generated by the compressor 902 of the gas turbine 910 is supplied to the fuel cell 920. Then, electric power is generated from the fuel cell 920 by an electrochemical reaction with the fuel supplied at the same time. The exhaust gas after the reaction is sent to a reburner 905 where the unburned fuel is burned to obtain high-temperature combustion gas. This combustion gas is supplied to and drives a turbine 906. Since the generator 930 is connected to the gas turbine 910, the generator 930 is driven simultaneously with the rotation of the turbine 906 to generate electric power.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When the gas turbine 910 is large, the compressed air generated by the compressor 902 is about 20ata. On the other hand, the fuel cell 920 generally operates under a pressure from atmospheric pressure to about 3.0 ata, and operates at a pressure of at most about 5.0 ata. Therefore, in order to directly send the compressed air produced by the compressor 902 of the gas turbine to the fuel cell 920, a small gas turbine is used. Therefore, to combine high performance large gas turbines with fuel cells, current fuel cells must be upgraded to high pressure operation.
[0006]
In the low-pressure operation fuel cell combined gas turbine system, all the compressed air generated by the compressor 902 is supplied to the fuel cell 920. In the case of a large gas turbine, the size of the fuel cell 920 becomes extremely large, and the installation space for the fuel cell 920 becomes extremely large. The present invention increases the degree of freedom in system design by utilizing part of the capacity of a gas turbine for a fuel cell. That is, an object of the present invention is to provide a fuel cell combined gas turbine system that operates a fuel cell by using a part of compressed air of a conventional combined power generation system.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a fuel cell combined gas turbine system according to claim 1 generates a combustion gas by supplying fuel to a compressor that compresses air and compressed air generated by the compressor. A gas turbine having a combustor, a turbine driven by combustion gas generated by the combustor, and a fuel that generates an electric power by causing an electrochemical reaction between the fuel and air supplied from the compressor The fuel cell system further includes a battery, and an air supply system that connects the compressor and the fuel cell and supplies a part of the compressed air generated by the compressor to the fuel cell.
[0008]
In the conventional fuel cell combined gas turbine system, the entire amount of the compressed air generated by the compressor of the gas turbine is supplied to the fuel cell. For this reason, the specifications of the fuel cell are limited, and the degree of freedom in designing the system is low. Further, if compressed air generated by the compressor is supplied at an optimum pressure and flow rate in accordance with the operation of the fuel cell, the efficiency of the gas turbine is reduced. On the other hand, if compressed air is supplied to the combustor at a pressure and a flow rate that match the operating conditions of the gas turbine, the size of the fuel cell becomes extremely large, making the system impractical.
[0009]
This fuel cell combined gas turbine system is a combination of a fuel cell and a gas turbine, and supplies a part of the compressed air generated by a compressor of the gas turbine to be supplied to a combustor of the gas turbine to the fuel cell. It is like that. As a result, it is possible to supply the amount of air and the air pressure from the compressor that match the specifications of the fuel cell.
[0010]
Therefore, even when the amount of air and the air pressure required for the fuel cell are small, the balance of the required air flow can be easily obtained. Can be combined with a high degree of freedom. In addition, since compressed air can be supplied at a flow rate and a pressure suitable for the operating conditions of the fuel cell and the gas turbine, higher efficiency can be exerted on each of the fuel cell and the gas turbine. As a result, the efficiency of the fuel cell combined gas turbine system as a whole can be higher than before.
[0011]
Further, since a part of the compressed air supplied to the combustor is supplied to the fuel cell, the fuel cell and the gas turbine can be controlled separately. Thus, the fuel cell can be started / stopped regardless of the operation state of the gas turbine. Further, with respect to load fluctuation, the fuel cell may be operated at a constant output to increase or decrease the output of the gas turbine.
[0012]
Further, the fuel cell combined gas turbine system according to claim 2 is a compressor that compresses a working fluid, and supplies a fuel and an oxidant to the working fluid compressed by the compressor to burn the combustion gas. A gas turbine having a combustor to be generated, a turbine driven by combustion gas generated by the combustor, an oxidant, a fuel and a working fluid supplied from the compressor to cause an electrochemical reaction. A working fluid supply system that connects the compressor and the fuel cell, and that guides a part of the working fluid compressed by the compressor to the fuel cell; An exhaust merging portion for merging with the exhaust gas of the gas turbine, mixing the exhaust gas of the fuel cell and the exhaust gas of the gas turbine at the merging portion, and then returning the mixed fluid of both to the inlet of the compressor; A fluid circulation system, the gas turbine exhaust, the fuel cell exhaust, characterized in that and a bleeding means for taking out a part of the exhaust from the exhaust system of the mixed fluid.
[0013]
This fuel cell combined gas turbine system is a combination of a fuel cell and a gas turbine, and supplies a part of the compressed working fluid generated by the compressor of the gas turbine to the combustor of the gas turbine to the fuel cell. I have to do it. Then, the exhaust of the fuel cell and the exhaust of the gas turbine are merged and supplied again to the compressor of the gas turbine. For this reason, an appropriate flow rate of exhaust gas can be supplied to the combustor of the fuel cell and the gas turbine at an appropriate pressure, so that each of the fuel cell and the gas turbine can be operated with high efficiency. Further, since the exhaust of the fuel cell and the gas turbine is returned to the compressor of the gas turbine and used as the working fluid, more energy of the working fluid such as the gas turbine exhaust can be recovered. That is, the amount of heat lost by the exhaust gas discharged to the outside of the system can be reduced, so that the system loss can be reduced.
[0014]
A fuel cell combined gas turbine system according to a third aspect is the fuel cell combined gas turbine system according to the second aspect, wherein the fuel and the oxidant supplied to the gas turbine and the fuel cell partially include hydrogen. Liquefied oxidizer containing liquid fuel and oxygen, which is vaporized at a high pressure, provided with an expansion turbine driven by expansion energy at the time of expansion, and vaporized fuel and vaporized after driving the expansion turbine. The oxidizing agent is supplied to the combustor of the gas turbine and the fuel cell.
[0015]
The fuel cell combined gas turbine system according to claim 2 uses a liquid fuel and a liquefied oxidant as the fuel and the oxidant of the gas turbine and the fuel cell, respectively. Then, the high-temperature and high-pressure gas is taken out by an expansion turbine. As described above, since the expansion work is taken out before burning the liquid fuel or the like, the efficiency of the entire system can be further increased.
[0016]
Here, as in the fuel cell combined gas turbine system according to claim 4, the liquid fuel and the liquefied oxidant are further discharged by using one or both of the exhaust of the gas turbine and the exhaust of downstream equipment of the fuel cell. You may make it evaporate. With this configuration, since the exhaust of the fuel cell or the gas turbine is used to vaporize the liquid fuel or the like, it is not necessary to provide a separate vaporization facility. Thereby, the thermal energy of the exhaust gas of the fuel cell or the like can be effectively used.
[0017]
When the liquid fuel or the like is vaporized, the exhaust gas or the like of the fuel cell may directly exchange heat with the liquid fuel or the like, or the exhaust gas or the like of the fuel cell may be led to, for example, an exhaust heat recovery boiler. The liquid fuel or the like may be heated by the generated steam. With this configuration, the heat source having the most appropriate temperature for vaporizing the liquid fuel or the like can be selected, so that the loss at the time of heat exchange between the heat source and the liquid fuel or the like can be further reduced. Note that a clean fuel such as liquefied natural gas, dimethyl ether, or methanol can be used as the liquid fuel, and a liquid oxygen or liquid air can be used as the liquefied oxidizing agent.
[0018]
A fuel cell combined gas turbine system according to a fifth aspect is the fuel cell combined gas turbine system according to any one of the first to fourth aspects, wherein the compressor includes a stationary blade row and a moving blade row. A plurality of stages are provided, and the air or the working fluid is compressed stepwise by the plurality of compression stages. The air or the working fluid supplied to the fuel cell is extracted from the compression stage in the middle of the compressor. It is characterized by the following.
[0019]
In this fuel cell combined gas turbine system, compressed air or compressed working fluid is extracted from a middle stage of a gas turbine compressor and supplied to a fuel cell. For this reason, if the compression stage in which the compressor is bled is selected, air or working fluid at an optimal pressure can be supplied according to the specifications of the fuel cell, and the fuel cell can be operated under optimal operating conditions. . Further, since the flow rate of air or the like supplied to the fuel cell can be adjusted by adjusting the flow rate of the valve or the like, air or the like can be supplied at an optimum flow rate according to the scale of the fuel cell.
[0020]
Also, when bleeding air from the compressor outlet as in the past, it was necessary to combine a small gas turbine in order to obtain a pressure suitable for the fuel cell. Combination with a gas turbine can be performed freely. As a result, the efficiency of the gas turbine can be made higher than before, and the efficiency of the entire system can be made higher.
[0021]
Further, as in the fuel cell combined gas turbine system according to claim 6, air or working fluid supplied to the fuel cell may be extracted from an outlet of the compressor, that is, an inlet of the combustor. . Even in this case, since the exhaust gas of the fuel cell is not returned to the gas turbine combustor, there is no need to provide a fluid extraction / merging mechanism. In this case, only the fluid take-out mechanism is sufficient, and there is no need to modify the structure of the gas turbine.
[0022]
A fuel cell combined gas turbine system according to a seventh aspect is the fuel cell combined gas turbine system according to any one of the first to sixth aspects, further comprising a turbine of the gas turbine and a dynamic blade. A plurality of cascade stages including a cascade are provided, and the exhaust of the fuel cell is supplied to the cascade stages of the gas turbine to drive the turbine.
[0023]
In a conventional fuel cell combined gas turbine system, there is one in which exhaust gas from a fuel cell is mixed into a combustor of a gas turbine. In this case, it is difficult to uniformly dilute the exhaust gas with the fuel cell exhaust gas, and the combustion gas temperature at the turbine inlet has a deviation. In this fuel cell combined gas turbine system, the exhaust of the fuel cell is supplied to the middle stage of the gas turbine, and is not directly returned to the combustor of the gas turbine. Therefore, the fuel cell exhaust gas is mixed into the cascade stage having the most appropriate pressure and temperature conditions among the cascade stages of the turbine. This eliminates the need for operating an independent turbine with the exhaust of the fuel cell, which helps to simplify the equipment.
[0024]
The fuel cell combined gas turbine system according to claim 8 is the fuel cell combined gas turbine system according to any one of claims 1 to 7, further comprising a fuel cell combined gas turbine system driven by the exhaust of the fuel cell. A turbine is provided at a subsequent stage of the fuel cell. This fuel cell combined gas turbine system includes a fuel cell turbine driven by exhaust of a fuel cell. As a result, the thermal energy of the exhaust of the fuel cell can be recovered and taken out as kinetic energy, so that the efficiency of the entire system can be further increased.
[0025]
A fuel cell combined gas turbine system according to a ninth aspect is the fuel cell combined gas turbine system according to any one of the first to eighth aspects, further comprising supplying the exhaust gas of the fuel cell turbine as a heat source fluid. The heat exchange means is provided at the subsequent stage of the fuel cell. In this fuel cell combined gas turbine system, the heat exchange means is provided at the subsequent stage of the fuel cell, and the exhaust gas of the fuel cell is supplied to this as a heat source fluid. As a result, the thermal energy of the exhaust of the fuel cell can be recovered, so that the efficiency of the entire system can be increased. The fluid to be heated to be exchanged with the heat source fluid by the heat exchange means includes, for example, a fuel containing air, oxygen, and hydrogen which is a working fluid of the fuel cell.
[0026]
The fuel cell combined gas turbine system according to claim 10 is the fuel cell combined gas turbine system according to claim 8, further comprising: supplying fuel to the exhaust of the fuel cell and burning the exhaust. Combustion means for supplying the combustion gas of the exhaust gas to the fuel cell turbine and driving the same is provided between the fuel cell and the fuel cell turbine.
[0027]
In general, a fuel cell requires time from startup to rated operation, and it is difficult to stably obtain high-temperature exhaust until shifting to rated operation. Therefore, a stable output cannot be obtained from the fuel cell turbine during the period from the start of the fuel cell to the transition to the rated operation. In this fuel cell combined gas turbine system, a combustion means is provided between the fuel cell and the fuel cell turbine, and the fuel is supplied to the fuel cell turbine by supplying fuel to the exhaust of the fuel cell and burning it. is there. As a result, the exhaust of the fuel cell can be burned by the combustion means, so that a sufficiently high temperature combustion gas can be supplied to the fuel cell turbine even during a period in which the temperature of the exhaust from the fuel cell is not stable. Therefore, a stable output of the fuel cell turbine can be obtained regardless of the state of the fuel cell.
[0028]
Further, the fuel cell combined gas turbine system according to claim 11 is the fuel cell combined gas turbine system according to any one of claims 1 to 10, further comprising utilizing the exhaust of the fuel cell. And a fuel cell exhaust / fluid heating means for heating the working fluid. This fuel cell combined gas turbine system operates by, for example, using a heat exchanger as a working fluid heating means of the fuel cell, supplying exhaust gas from the fuel cell to the heat exchanger, and exchanging heat between the exhaust gas and the working fluid. Heat the fluid. As a result, the working fluid having a temperature suitable for the operating temperature of the fuel cell can be supplied using the exhaust of the fuel cell, and the thermal energy of the exhaust of the fuel cell can be effectively recovered to increase the system efficiency. In the form of using the exhaust of the fuel cell, in addition to directly heating the working fluid with the exhaust of the fuel cell, steam or the like is generated by the exhaust of the fuel cell, and the working fluid is indirectly heated by the steam. Is also good.
[0029]
The fuel cell combined gas turbine system according to claim 12 is the fuel cell combined gas turbine system according to any one of claims 1 to 10, further comprising: And the fluid is circulated to the fuel cell by exhaust gas circulating means.
[0030]
This fuel cell combined gas turbine system replenishes fuel components and the like that have been consumed in fuel and the like after the electrochemical reaction has been completed in the fuel cell, and circulates the fuel cell again. With this configuration, there is no need for a heat exchanger or the like for preheating new working fluid to be supplied to the fuel cell.
[0031]
The fuel cell combined gas turbine system according to claim 13 is the fuel cell combined gas turbine system according to claim 11, wherein the fuel cell exhaust / fluid heating means comprises a plurality of tubes concentrically combined to form an innermost layer. The exhaust gas of the fuel cell, which is a heat source fluid, flows through the tubes, and the fluid to be heated flows outside the tubes, thereby exchanging heat between the two.
[0032]
In this fuel cell combined gas turbine system, a plurality of tubes are concentrically combined to flow the exhaust of the fuel cell through the innermost tube, and the working fluid or steam of the fuel cell, which is the fluid to be heated, is flown outside the tube. By exchanging heat between them, a pipe for supplying exhaust of the fuel cell and a working fluid and a heat exchange unit are shared. For this reason, the installation space of the piping can be used effectively, and depending on the dimensions of the piping, a heat exchanger or other raw material heating means for heating the working fluid of the fuel cell becomes unnecessary, so that the system configuration can be simplified. . In addition, the use of a low-temperature working fluid as the outermost layer facilitates heat insulation design and support design.
[0033]
The fuel cell combined gas turbine system according to claim 14 is the fuel cell combined gas turbine system according to claim 11 or 13, further comprising the fuel cell and the fuel cell exhaust / fluid heating means. A plurality of device stages are arranged in series, and the working fluid of the fuel cell heated by the fuel cell exhaust / fluid heating means provided in the subsequent fuel cell device stage is supplied to the fuel cell exhaust device provided in the preceding fuel cell device stage. The fuel cell exhaust gas is supplied to the fluid heating means for heating, and the fuel cell exhaust gas after heating the working fluid of the fuel cell is supplied to the fuel cell provided in the subsequent fuel cell device stage.
[0034]
In this fuel cell combined gas turbine system, a plurality of fuel cells are arranged in series, a working fluid supplied to the fuel cell is heated by exhaust of the fuel cell on the upstream side, and the heated fuel cell exhaust gas is discharged downstream of the fuel cell. To the fuel cell located on the side. Then, the fuel and oxygen components remaining in the electrochemical reaction in the upper fuel cell are used for the electrochemical reaction in the subsequent fuel cell. As described above, since the turbine inlet temperature is increased by the fuel and oxygen components remaining in the exhaust of the fuel cell, the system efficiency can be further increased. In addition, in order to raise the temperature of fuel and air stepwise by a plurality of heat exchangers provided at the subsequent stage of the plurality of fuel cells, the amount of heat exchange between the fuel cell exhaust and the fuel is designed to be distributed. Can be.
[0035]
A fuel cell combined gas turbine system according to a fifteenth aspect is the fuel cell combined gas turbine system according to any one of the first to fourteenth aspects, further comprising: steam generating means for generating steam by exhausting the gas turbine. And steam / fluid heating means for heating the working fluid of the fuel cell by the steam generated by the exhaust heat recovery means.
[0036]
In this fuel cell combined gas turbine system, exhaust gas from a gas turbine is supplied to steam generation means to generate steam, and the steam heats a working fluid of the fuel cell. Therefore, the steam turbine can be operated with the generated steam while the fuel cell working fluid heating amount is small, and the steam utilization ratio can be freely controlled. Depending on the operating temperature of the fuel cell, the working fluid of the fuel cell may be heated by using the steam / fluid heating means alone, or the working fluid may be heated by the exhaust / fluid heating means of the fuel cell. Good.
[0037]
A fuel cell combined gas turbine system according to a sixteenth aspect is the fuel cell combined gas turbine system according to the fifteenth aspect, further comprising the steam / fluid heating means above the fuel cell exhaust / fluid heating means. Wherein the working fluid of the fuel cell after being heated by the vapor / fluid heating means is heated by the fuel cell exhaust / fluid heating means.
[0038]
With this configuration, the working fluid whose temperature has been raised in advance by the steam is heated by the higher temperature fuel cell exhaust gas, so that a working fluid having a temperature closer to the temperature of the fuel cell exhaust gas can be obtained.
[0039]
A fuel cell combined gas turbine system according to a seventeenth aspect is the fuel cell combined gas turbine system according to any one of the first to sixteenth aspects, further comprising the step of: The gas turbine exhaust fluid heating means, which is heated by the above, is used for preheating.
[0040]
In this fuel cell combined gas turbine system, a working fluid heating means to which the exhaust gas of the gas turbine is supplied for preheating the fuel cell is arranged, and the exhaust gas of the gas turbine is supplied thereto to heat the working fluid of the fuel cell. It is.
[0041]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited by the embodiment.
[0042]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to Embodiment 1 of the present invention. The fuel cell combined gas turbine system 100 supplies a part of the compressed air to the fuel cell 20 from the middle of the compressor 2 of the gas turbine 10, and uses the remaining part as combustion air for the gas turbine 10 and the combustor 4 of the gas turbine 10. It is characterized in that it is supplied to
[0043]
The gas turbine 10 includes a compressor 2, a combustor 4, and a turbine 6. A part of the compressed air generated by the compressor 2 is extracted from the compression stage 2a on the way, and is sent to the fuel cell 20 as an oxidant through a pipe 40 of an air supply system. The remaining compressed air is sent to the combustor 4 as combustion air, where fuel such as natural gas, light oil, or heavy oil is supplied and burned, generating high-temperature, high-pressure combustion gas. This combustion gas rotates the turbine 6. A generator 30 is connected to a turbine shaft 8 that constitutes the gas turbine 10. The rotation of the turbine 6 drives the generator 30 to generate electric power. The combustion gas after driving the turbine 6 is discharged to the outside of the gas turbine 10 as exhaust gas g.
[0044]
Note that, as in the fuel cell combined gas turbine system 101 shown in FIG. 1B, air supplied to the fuel cell 20 from the outlet of the compressor 2 (in front of the combustor 4) may be extracted. In this case, air is extracted from the cabin of the gas turbine 10.
[0045]
In this embodiment, an SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) fuel cell 20 is used. In addition, the SOFC type fuel cell has high power generation efficiency of the fuel cell itself and high operating temperature of about 1000 ° C., so that heat energy of exhaust gas after power generation can be recovered and used. By operating the gas turbine, the efficiency of the entire system can be further increased. The fuel cell that can be used in the present invention is not limited to this SOFC. Fuel cells that can be configured with the idea of the present invention, including fuel cells that will appear in the future, are within the scope of this technology.
[0046]
The fuel cell 20 is supplied with compressed air, which is an oxidant extracted from the compressor 2 of the gas turbine 10, and a fuel f, where an electrochemical reaction occurs to generate electric power. The compressed air uses oxygen contained in the air as an oxidizing agent for the fuel cell 20, and may be a mixture of pure oxygen or pure oxygen. The fuel f contains hydrogen as a main component, and is methane gas, natural gas, liquefied natural gas, dimethyl ether, methanol, coal gasified gas, or the like. Hereinafter, an oxidizing agent such as air or oxygen supplied to the fuel cell 20 and a fuel such as methane gas or natural gas may be collectively referred to as a working fluid.
[0047]
Since the exhaust gas of the fuel cell 20 has high-temperature and high-pressure thermal energy, the exhaust gas is supplied to the cascade stage 6a in the middle of the turbine 6 provided in the gas turbine 10 so that the heat of the exhaust gas of the fuel cell 20 is Energy is recovered as the output of the gas turbine 10. The turbine 6 has a plurality of cascade stages including a stationary blade row and a moving blade row, and the exhaust gas of the fuel cell 20 is supplied to the second and subsequent blade rows.
[0048]
In the fuel cell combined gas turbine systems 100 and 101, compressed air is extracted from the compressor 2 of the gas turbine 10 and supplied to the fuel cell 20. Therefore, a fuel cell combined gas turbine system can be configured even when the amount of air required by the fuel cell 20 is small. In addition, the amount of air to be supplied to the fuel cell 20 can be arbitrarily selected according to the type and specifications of the fuel cell 20, and the amount of air to be supplied from the compressor 2 is appropriately selected to supply the fuel cell 20. The air pressure can also be freely selected. As a result, there are no restrictions on the specifications of the fuel cell 20, and the design of the fuel cell combined gas turbine system 100 and the like is facilitated, and high system efficiency can be obtained because the operating conditions of the gas turbine are not restricted.
[0049]
Further, in the fuel cell combined gas turbine systems 100 and 101, since the exhaust gas from the fuel cell 20 is not returned to the combustor 4 of the gas turbine 10, the temperature deviation of the combustion gas at the inlet of the turbine 6 is not different from the conventional gas turbine. . When returning to the combustor 4, the temperature deviation tends to increase. As described above, since there is no heat loss when mixing the exhaust gas of the fuel cell 20 with the combustion gas of the combustor 4, the efficiency of the gas turbine can be higher than that of the conventional fuel cell combined gas turbine system 900. Further, the fuel cell exhaust can be supplied to the cascade stage having the most appropriate temperature condition among the cascade stages provided in the turbine 6. Thus, by reducing the heat loss when supplying the exhaust of the fuel cell to the turbine 6 of the gas turbine, the decrease in turbine efficiency is reduced as compared with the conventional fuel cell combined gas turbine system 900, and the system efficiency is increased. it can.
[0050]
Further, since the exhaust gas of the fuel cell 20 is not returned to the combustor 4 of the gas turbine 10, there is no need to provide a recombustor 905 for starting unlike the conventional fuel cell combined gas turbine system 900 (see FIG. 18). . That is, since the configuration can be the same as that of a normal gas turbine, it is possible to operate the fuel cell 20 by starting the gas turbine 10 and then extracting the air to be supplied to the fuel cell 20 after the gas turbine 10 enters a stable operation. As a result, when the system is started, the gas turbine and then the fuel cell can be sequentially started. In this case, although not shown, a flow rate adjusting means such as a valve is provided in the middle of the pipe 40 (see FIG. 1), and the amount of compressed air supplied to the fuel cell 20 can be reduced by adjusting the opening degree. adjust. In this way, the amount of compressed air supplied to the fuel cell 20 can be finely adjusted by simple means.
[0051]
Further, when the power demand decreases, the air supplied to the fuel cell 20 is kept constant, and flexible operation can be performed, such as generating power only at the gas turbine 10 at a partial load. Further, the recombustor 905 for starting the gas turbine, which is required in the fuel cell combined gas turbine system 900, is not required, so that the configuration and control of the system can be simplified.
[0052]
(Modification)
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to a modification of the first embodiment. The fuel cell combined gas turbine system 102 has substantially the same configuration as the fuel cell combined gas turbine system 100 and the like according to the first embodiment (see FIG. 1), but uses the exhaust of the fuel cell 20 as the turbine of the gas turbine 10. 6 in that the heat energy of the exhaust gas of the fuel cell 20 is recovered by the heat exchange means instead of being supplied to the middle stage of the fuel cell 20. The other configuration is the same as that of the first embodiment, and the description thereof will be omitted, and the same components will be denoted by the same reference numerals. In the following description, air for the fuel cell is extracted from the middle stage of the compressor 2. However, as in the fuel cell combined gas turbine system 101 (see FIG. 1B), Bleeding may be performed midway between the outlet and the combustor 4.
[0053]
As shown in FIG. 2A, in the fuel cell combined gas turbine system 102, a fuel cell heat exchanger 50 as a heat exchange means is provided downstream of the fuel cell 20. Then, the exhaust gas of the fuel cell 20 is supplied to the heat exchanger 50 for a fuel cell as a heat source fluid, and the thermal energy of the exhaust gas is recovered. Since the temperature of the exhaust gas after the recovery of the thermal energy has dropped, the exhaust gas is merged with the exhaust gas of the gas turbine 10 and discharged out of the system. In addition, you may discharge | emit outside a system with an exhaust system separately.
[0054]
In the fuel cell heat exchanger 50, the fuel and air supplied to the fuel cell 20 can be heated by the HX. This is preferable particularly when an SOFC type fuel cell operating at a high temperature is used. Further, as shown in FIG. 2B, the fuel and the air can be heated by the gas turbine heat exchanger 51 on the exhaust side of the gas turbine 10. When the heating amount of the air / fuel for the fuel cell is insufficient, the heat exchanger 51 for the gas turbine is also entered as another heat source.
[0055]
In addition, the exhaust gas of the fuel cell 20 after the heat energy is recovered by the fuel cell heat exchanger 50 is combined with the downstream of the gas turbine heat exchanger 51 provided in the gas turbine 10 or separately. Discharge out of the system.
[0056]
Since the temperature of the exhaust gas of the fuel cell or the gas turbine is high, it is more suitable for heating the working fluid of the fuel cell 20 to the operating temperature than when steam is used. Here, an example in which the exhaust heat of the fuel cell 20 is used without causing interference with the gas turbine 10 is shown in FIG. FIG. 2B shows that the two heat sources can be used without causing interference, and both facilitate the design and operation of the system.
[0057]
(Embodiment 2)
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to Embodiment 2 of the present invention. The fuel cell combined gas turbine system 104 has substantially the same configuration as the fuel cell combined gas turbine system 100 (see FIG. 1) according to the first embodiment, but is for a fuel cell driven by the exhaust of the fuel cell 20. The difference is that a turbine is provided at the subsequent stage of the fuel cell 20. The other configuration is the same as that of the first embodiment, and the description thereof will be omitted, and the same components will be denoted by the same reference numerals. The fuel cell combined gas turbine system 104 according to the second embodiment can be applied to the fuel cell combined gas turbine system 104 according to the second embodiment.
[0058]
An auxiliary turbine 12 which is a fuel cell turbine is provided downstream of the fuel cell 20 at a downstream side thereof, and is driven by exhaust gas of the fuel cell 20. Since the generator 32 is connected to the auxiliary turbine 12, when the auxiliary turbine 12 is driven, electric power is generated from the generator 32. The exhaust gas after driving the auxiliary turbine 12 is mixed with the exhaust gas of the gas turbine 10. Exhaust gas may be separately discharged from the system by using a separate exhaust system.
[0059]
In the fuel cell combined gas turbine system 100 and the like according to the first embodiment, the exhaust of the fuel cell 20 is supplied to an intermediate stage of the gas turbine 10 and the like (see FIG. 1). The auxiliary turbine 12 directly converts the thermal energy of the exhaust of the fuel cell 20 into an output. Even when the operating condition of the fuel cell 20 changes and the exhaust conditions (temperature and pressure) of the fuel cell 20 change, the gas turbine 10 is not affected by this.
[0060]
As shown in FIG. 3B, a fuel cell exhaust heat exchanger 52, which is a heat exchange means, is provided downstream of the auxiliary turbine 12, and the heat energy remaining in the exhaust after driving the auxiliary turbine 12 is recovered. May be. In this way, the thermal energy of the exhaust gas of the fuel cell 20 can be more effectively recovered. The fuel cell exhaust heat exchanger 52 can be used, for example, to heat air or fuel supplied to the fuel cell 20.
[0061]
Further, like the fuel cell combined gas turbine system 103 according to the modification of the first embodiment (see FIG. 2B), the gas turbine heat exchanger 51 serving as a heat exchange means is provided downstream of the turbine 6 of the gas turbine 10. May be provided to heat the fuel cell working fluid (fuel, oxidant) together with the recovery of thermal energy of the exhaust gas of the gas turbine 10.
[0062]
(Embodiment 3)
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to Embodiment 3 of the present invention. The fuel cell combined gas turbine system 105 has substantially the same configuration as the fuel cell combined gas turbine system 104 (see FIG. 3) according to the second embodiment, but includes a fuel cell 20 and an auxiliary turbine which is a fuel cell turbine. 12 in that a combustion means for supplying fuel to the exhaust of the fuel cell and burning it is provided. The other configuration is the same as that of the second embodiment, and the description thereof will be omitted, and the same components will be denoted by the same reference numerals. In the fuel cell combined gas turbine system 105 according to the third embodiment, the fuel cell combined gas turbine system 100 disclosed in the first or second embodiment can be applied.
[0063]
As shown in FIG. 4A, an auxiliary turbine combustor 12c as a combustion means is provided between the fuel cell 20 and the auxiliary turbine 12. The exhaust gas of the fuel cell 20 is first guided to the auxiliary turbine combustor 12 c and then injected into the auxiliary turbine 12. When the exhaust gas temperature of the fuel cell 20 is low, the fuel f is supplied to the exhaust gas and burned by the auxiliary turbine combustor 12c. As a result, the exhaust gas temperature of the fuel cell 20 is increased, and then the fuel is injected into the auxiliary turbine 12 to drive it. Further, the temperature of the combustion gas supplied to the auxiliary turbine 12 can be adjusted by adjusting the amount of the fuel f supplied to the exhaust of the fuel cell 20 in the auxiliary turbine combustor 12c.
[0064]
Since the generator 32 is connected to the auxiliary turbine 12, when the auxiliary turbine 12 is driven, electric power is generated. The combustion gas after driving the auxiliary turbine 12 is mixed into the exhaust gas of the gas turbine 10. Note that a separate exhaust system may be provided. When the exhaust gas temperature of the fuel cell 20 is sufficiently high, the fuel is not supplied by the auxiliary turbine combustor 12c, and the exhaust gas passes through the auxiliary turbine combustor 12c and is injected into the auxiliary turbine 12.
[0065]
When the exhaust gas temperature of the fuel cell 20 is still low, such as immediately after the start of the fuel cell 20, the fuel f is injected into the exhaust gas by the auxiliary turbine combustor 12c and burned. Inject. When the output of the fuel cell 20 becomes stable and the exhaust gas temperature rises, the supply of fuel is reduced or stopped and the exhaust gas of the fuel cell 20 is directly supplied to the auxiliary turbine 12. By doing so, even if the operating condition of the fuel cell 20 changes, the inlet temperature of the auxiliary turbine 12 can be maintained at a constant temperature, so that the output of the auxiliary turbine 12 can be obtained stably. .
[0066]
In addition, since the fuel cell 20 generally requires time from startup to rated operation, it is difficult to stably obtain high-temperature exhaust until the operation shifts to rated operation. Therefore, a stable output from the auxiliary turbine 12 cannot be obtained by the auxiliary turbine combustor 12c during the period from the start of the fuel cell 20 to the transition to the rated operation. Since the fuel cell combined gas turbine system 105 can burn the exhaust gas of the fuel cell 20 in the auxiliary turbine combustor 12c, even if the temperature of the exhaust gas from the fuel cell 20 is not stable, the temperature of the exhaust gas from the fuel cell 20 can be sufficiently increased. High combustion gas can be supplied to the auxiliary turbine 12. Therefore, regardless of the state of the fuel cell 20, a stable output of the auxiliary turbine 12 can be obtained.
[0067]
Further, when the power demand fluctuates or rises as in the afternoon of summer, by supplying fuel to the auxiliary turbine combustor 12c and burning the exhaust of the fuel cell 20, a given output from the auxiliary turbine 12 is obtained. Can be obtained. In the fuel cell combined gas turbine system 105, the output of the auxiliary turbine 12 is adjusted by adjusting the amount of fuel supplied to the auxiliary turbine combustor 12c, so that flexible operation according to the power demand can be performed. .
[0068]
Here, as shown in FIG. 4B, a fuel cell exhaust heat exchanger 52 and a gas turbine heat exchanger 51, which are heat exchange means, are provided downstream of the auxiliary turbine 12 and downstream of the gas turbine 10. The thermal energy of the exhaust gas may be recovered. In this way, the thermal energy of the exhaust gas can be freely recovered and planned, which is useful for optimizing the system.
[0069]
(Embodiment 4)
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to Embodiment 4 of the present invention. The fuel cell combined gas turbine system 106 has substantially the same configuration as the fuel cell combined gas turbine system 104 (see FIG. 3) according to the second embodiment, but differs in the following points. That is, the fuel cell combined gas turbine system 106 separately discharges the fuel exhaust and the air exhaust contained in the exhaust of the fuel cell 20 using the fuel exhaust passage 41f and the air exhaust passage 41a. Mixing is performed by an auxiliary turbine combustor 12c provided between the battery 20 and the auxiliary turbine 12. Further, the fuel cell 20 also supplies exhaust gas to the fuel cell exhaust / fluid heating means provided in the fuel exhaust passage 41f and the air exhaust passage 41a, and the fuel and the air, which are working fluids of the fuel cell 20, are supplied to the fuel cell 20. Heat to the temperature required for operation. The other configuration is the same as that of the first embodiment, and the description thereof will be omitted, and the same components will be denoted by the same reference numerals. In the fuel cell combined gas turbine system 106 according to the fourth embodiment, the fuel cell combined gas turbine system 100 disclosed in the first to third embodiments and the like can be applied.
[0070]
As for the fuel and the air after the electrochemical reaction in the fuel cell 20, the fuel exhaust is guided to the fuel exhaust passage 41f, and the air exhaust is guided to the air exhaust passage 41a. The fuel exhaust passage 41f and the air exhaust passage 41a are provided with a fuel heat exchanger 53f and an air heat exchanger 53a as fuel cell exhaust / fluid heating means, respectively. The fuel, which is the working fluid of the fuel cell 20, is supplied to the fuel heat exchanger 53f, and the air, which is also the working fluid of the fuel cell 20, is supplied to the air heat exchanger 53a. Then, the fuel and the air supplied to the fuel cell 20 are heated by the thermal energy of the fuel exhaust and the air exhaust after the electrochemical reaction.
[0071]
The fuel exhaust and the air exhaust after heating the working fluid supplied to the fuel cell 20 are led to the auxiliary turbine combustor 12c, where they are mixed, and if there is residual fuel and residual oxygen, combustion is performed. In the auxiliary turbine combustor 12c, the fuel f is supplied and burned as needed, supplied to the auxiliary turbine 12, and driven. The exhaust gas from the auxiliary turbine 12 is supplied to the third fuel heat exchanger 54f and the third air heat exchanger 54a as heat source fluids to preheat fuel and air, which are working fluids of the fuel cell 20. As described above, since the fuel and the air, which are the working fluids of the fuel cell 20, are heated step by step, the heat load per heat exchange can be reduced.
[0072]
(Modification 1)
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to a first modification of the fourth embodiment. The fuel cell combined gas turbine system 107 has substantially the same configuration as the fuel cell combined gas turbine system 106 (see FIG. 5) according to the fourth embodiment, but differs in the following points. That is, a plurality of fuel cell device stages including a fuel cell and a fuel cell exhaust / fluid heating means are provided, and the exhaust gas after heating the working fluid supplied to the fuel cell provided in the upstream fuel cell stage is subjected to the following. The fuel is supplied to the fuel cell provided in the fuel cell stage. Further, the working fluid of the fuel cell heated by the fuel cell exhaust / fluid heating means provided in the subsequent fuel cell device is supplied to the fuel cell exhaust / fluid heating device provided in the preceding fuel cell device stage. Heat. The other configuration is the same as that of the fourth embodiment, so that the description thereof will be omitted, and the same components will be denoted by the same reference numerals.
[0073]
The fuel cell combined gas turbine system 107 includes two fuel cells 20a and 20b. The number of fuel cells is not limited to two, and the number of fuel cells can be changed as appropriate according to the specifications of the system. A fuel heat exchanger and an air heat exchanger are provided downstream of each fuel cell corresponding to each fuel cell used in the system. That is, the first fuel cell device stage FC is constituted by the fuel cell 20a and the fuel heat exchanger 53f and the air heat exchanger 53a which are the fuel cell exhaust / fluid heating means. 1 Is configured. Further, together with the fuel cell 20b and the second fuel heat exchanger 55f and the second air heat exchanger 55a which are the fuel cell exhaust / fluid heating means, the second fuel cell device stage FC 2 Is configured. The fuel exhaust and the air exhaust after the electrochemical reaction has occurred in the first stage, that is, the fuel cell 20a provided in the first fuel cell device stage FC1 (hereinafter, the first fuel cell 20a), To the air heat exchanger 53f and the air heat exchanger 53a. Then, the working fluid supplied to the fuel cell 20a is heated here.
[0074]
The working fluid supplied to the fuel cell 20a on the upstream side is heated by the third fuel heat exchanger 54f and the third air heat exchanger 54a provided at the subsequent stage of the auxiliary turbine 12. Next, the second-stage fuel cell device stage FC 2 Is heated by a second fuel heat exchanger 55f and a second air heat exchanger 55a arranged at the subsequent stage of the fuel cell 20b (hereinafter referred to as the second stage fuel cell 20b) provided at the first stage. Thereafter, the fuel is further heated by the fuel heat exchanger 53f and the air heat exchanger 53a.
[0075]
The working fluid heated to the operating temperature of the fuel cell 20a is supplied to the first-stage fuel cell 20a, where an electrochemical reaction occurs to generate electric power. On the other hand, the air exhaust after heating the working fluid is supplied to the second-stage fuel cell 20b. The working fluid supplied to the second-stage fuel cell 20b causes an electrochemical reaction to generate electric power.
[0076]
The fuel exhaust discharged from the first-stage fuel cell 20a is supplied with a sufficient amount of fuel to supplement the fuel consumed by the first-stage fuel cell 20a, and then supplied to the second-stage fuel cell 20b. Is done. The newly supplied fuel is heated by the second fuel heat exchanger 55f provided in the subsequent stage of the second stage fuel cell 20b, and then supplied to the second stage fuel cell 20b. The fuel and air supplied to the second-stage fuel cell 20b cause an electrochemical reaction to generate electric power. The fuel exhaust and the air exhaust after the electrochemical reaction are supplied to the second fuel heat exchanger 55f and the second air heat exchanger 55a, respectively, and the fuel and the fuel supplied to the second-stage fuel cell 20b. The air supplied to the air heat exchanger 53a is heated.
[0077]
This fuel cell combined gas turbine system 107 includes a plurality of fuel cells, and outputs fuel exhaust and air exhaust after an electrochemical reaction has occurred in the fuel cell provided in the upper stage to the fuel cell provided in the downstream stage. Supply as working fluid. Then, the fuel component and the air component not used in the electrochemical reaction in the upper fuel cell are used in the electrochemical reaction in the subsequent fuel cell. As described above, since the fuel and the air can be used effectively, the system efficiency can be increased. In addition, by providing a plurality of fuel cell device stages each including a fuel cell and a heat exchange unit provided in a subsequent stage, the temperature of the fuel and the air is increased in a stepwise manner, so that the heat load per heat exchanger is small. It is easy to plan heat.
[0078]
(Modification 2)
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to a second modification of the fourth embodiment. The fuel cell combined gas turbine system 108 has substantially the same configuration as the fuel cell combined gas turbine system 106 (see FIG. 5) according to the fourth embodiment, but a heat exchanger for heating the working fluid of the fuel cell 20 Instead, the fuel cell 20 is circulated while the working fluid of the fuel cell is added to a part of the exhaust gas of the fuel cell 20. The other configuration is the same as that of the first embodiment, and the description thereof will be omitted, and the same components will be denoted by the same reference numerals.
[0079]
The fuel exhaust passage 41f and the air exhaust passage 41a attached to the fuel cell 20 are provided with a fuel passage branch portion 42f and an air passage branch portion 42a. From this branch portion, the fuel exhaust and the air exhaust that have completed the electrochemical reaction in the fuel cell 20 are branched, and returned to the fuel cell 20 again by the fuel blower 97f and the air blower 97a that are exhaust circulation means. At this time, fresh fuel and air are supplied to the fuel exhaust and the air exhaust that have been subjected to the electrochemical reaction, and mixed therewith. Here, the fuel and air exhausted after the electrochemical reaction have a fuel component (H 2 ) And oxygen (O 2 ) And remain. Therefore, fresh fuel and air are mixed in an amount considering the remaining amount of the fuel component and oxygen.
[0080]
For example, as shown in FIG. 7 (b), the fuel passage branch part 42f and the air passage branch part 42a (see FIG. 7 (a)) have flow rate adjusting means for adjusting the amount of fuel exhaust and air exhaust to be branched. (Only the air passage branch portion 42a is shown in FIG. 7B). By adjusting the degree of opening of the three-way valve 98, the amount of fuel exhaust and air exhaust branched off to the fuel blower 97f and returned to the fuel cell 20 can be adjusted. Although not shown, a rotary valve or a combination of a plurality of valves may be used in place of the three-way valve 98 to adjust the amount of fuel exhaust or the like branched off. In particular, when a plurality of valves are combined, the structure is slightly complicated, but the amount of branching can be controlled more precisely than when using a three-way valve 98 or a rotary valve.
[0081]
The fuel exhaust air and the air exhaust branched at the fuel passage branch portion 42f and the air passage branch portion 42a are mixed with new fuel f and air a and supplied to the fuel cell 20. Then, an electrochemical reaction occurs in the fuel cell 20 to generate electric power. Since the temperature of the fuel exhaust and the air exhaust after the electrochemical reaction is high, the temperature of the new fuel and the air mixed with these increases. In order to promote the mixing of new fuel and the like to be mixed and reduce the temperature distribution, a stirring means such as a swirler may be provided in the flow path downstream of the fuel blower 97f and the air blower 97a. preferable.
[0082]
Further, as shown in FIG. 7A, the exhaust of the auxiliary turbine 12 is performed by the third fuel heat exchanger 54f and the third air heat exchanger 54a provided at the subsequent stage of the auxiliary turbine 12, which is a fuel cell turbine. The fuel and air to be newly supplied to the fuel cell 20 can be preheated by utilizing the above. In this case, a large amount of fresh fuel and air can be mixed when the temperature is controlled to a predetermined temperature after mixing.
[0083]
The fuel cell combined gas turbine system 108 replenishes fuel components and the like consumed in fuel and the like after the electrochemical reaction has been completed in the fuel cell 20 and circulates the fuel cell 20 again. With such a configuration, unlike the fuel cell combined gas turbine system 106 according to the fourth embodiment, the fuel heat exchanger 53f for preheating new fuel or the like is not required.
[0084]
(Modification 3)
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to a third modification of the fourth embodiment. The fuel cell combined gas turbine system 109 has substantially the same configuration as the fuel cell combined gas turbine system 106 (see FIG. 5) according to the fourth embodiment, except that the heating fluid of the fuel cell 20 is heated. The difference is that the exhaust of the gas turbine 10 is used in addition to the exhaust of the fuel cell 20. The other configuration is the same as that of the first embodiment, and the description thereof will be omitted, and the same components will be denoted by the same reference numerals.
[0085]
Fuel and air, which are working fluids supplied to the fuel cell 20, are heated by the fuel heat exchanger 53f and the air heat exchanger 53a provided in the fuel exhaust passage 41f and the air exhaust passage 41a. As shown in FIG. 8, it is also possible to preheat new fuel and air by exhausting the auxiliary turbine 12, which is a fuel cell turbine.
[0086]
The fuel heat exchanger 53f and the air heat exchanger 53a are connected to the fuel cell 20 by a fuel supply channel 43f and an air supply channel 43a. The exhaust gas of the gas turbine 10 is supplied to the fuel turbine exhaust heat exchanger 56f and the air turbine exhaust heat exchanger 56a, and the heat energy heats the fuel and the air under the same conditions as the heat exchangers 54f and 54a. I do.
[0087]
Since the exhaust gas of the gas turbine 10 has a high temperature, the working fluid can be heated to a higher temperature than the case where the exhaust gas of the fuel cell 20 is used, depending on the type of the fuel cell 20. Therefore, when the working fluid cannot be sufficiently heated only by the exhaust of the fuel cell 20 due to the type and specifications of the fuel cell 20, the temperature required for the operation of the fuel cell 20 can be reduced by using the exhaust of the gas turbine 10. The working fluid can be heated.
[0088]
(Embodiment 5)
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to Embodiment 5. The fuel cell combined gas turbine system 110 has substantially the same configuration as the fuel cell combined gas turbine system 106 (see FIG. 5) according to the fourth embodiment, but differs in the following points. That is, an HRSG (heat recovery steam generator: exhaust heat recovery boiler) as steam generation means is provided at a stage subsequent to the exhaust of the gas turbine 10 and the exhaust of the auxiliary turbine 12, and the steam generated here is supplied to the steam turbine 15 and the like. And drive them. Then, the fuel, which is the working fluid of the fuel cell 20, and the air are heated by the steam. The other configuration is the same as that of the fourth embodiment, so that the description thereof will be omitted, and the same components will be denoted by the same reference numerals. In the fuel cell combined gas turbine system 110 according to the fifth embodiment, the fuel cell combined gas turbine system 100 disclosed in the first to fourth embodiments and the like can be applied.
[0089]
In the fuel cell combined gas turbine system 110, the exhaust gas of the gas turbine 10 is supplied to the gas turbine HRSG 57, where steam is generated. The steam is supplied to the steam turbine 15 through a pipe 44 connecting the HRSG 57 for a gas turbine and the steam turbine 15, and drives the steam turbine 15. Then, electric power is generated by a generator 34 connected to the steam turbine 15.
[0090]
The pipe 44 is branched into a steam turbine 15 side and a third fuel heat exchanger 54f and the like at a branch portion 44b (a portion surrounded by a dotted line in FIG. 9A) provided on the way. A part of the steam generated by the gas turbine HRSG 57 is supplied to a third fuel heat exchanger 54f and a third air heat exchanger 54a, which are steam raw material heating means, through a pipe 44a. Then, the fuel, which is the working fluid of the fuel cell 20, and the air are preheated here.
[0091]
Although not shown, a branch flow rate adjusting means such as a three-way valve or a rotary valve is provided at the branch portion, thereby adjusting the steam distribution amount between the steam turbine 15 side and the third fuel heat exchanger 54f side. You may. This is preferable because the amount of steam supplied can be adjusted according to the load on the steam turbine 15. When cooling the turbine blades used in the auxiliary turbine 12, compressed air produced by the compressor 2 of the gas turbine 10 or steam produced by the HRSG 57 for the gas turbine may be used.
[0092]
In the fuel cell combined gas turbine system 110, the gas turbine 10 is started before operating the fuel cell 20 and the auxiliary turbine 12. Then, the gas turbine combined system including the gas turbine 10, the gas turbine HRSG 57, and the steam turbine 15 is stabilized. Thereafter, the working fluid of the fuel cell 20 is heated using the steam supplied from the gas turbine HRSG 57, and the fuel cell 20 and the auxiliary turbine 12 are started.
[0093]
With this configuration, necessary heating steam from the HRSG 57 can be sent to the third air heat exchanger 54a and the third fuel heat exchanger 54f via the pipe 44a, so that the fuel cell 20 and the auxiliary turbine 12 The working fluid of the fuel cell 20 can be arbitrarily heated under necessary conditions even in a transitional state until the operation shifts to the rated operation. In other words, since the heat source for heating the working fluid of the fuel cell 20 is independently provided, the fuel cell 20 can stably transition from its startup to the rated operation without being affected by the gas turbine (interference), Reliability can be increased.
[0094]
Here, as shown in FIG. 9A, an auxiliary turbine HRSG 58 is provided at a stage subsequent to the auxiliary turbine 12 driven by the exhaust of the fuel cell 20, and the thermal energy of the exhaust of the auxiliary turbine 12 is recovered here. You may do so. In this way, the thermal energy of the exhaust gas from the auxiliary turbine 12 can be more effectively recovered to the steam turbine output, and the efficiency of the system can be increased accordingly.
[0095]
At this time, as shown in FIG. 9A, the steam generated by the HRSG 58 for the auxiliary turbine is supplied to the pipe 44 via the pipe 44a, and the steam generated by the HRSG 57 for the gas turbine is supplied to the steam turbine 15 together with the steam generated by the HRSG 57 for the gas turbine. Converts heat energy to output. Since it takes a certain amount of time to start the fuel cell 20, the valve 99 is closed and the transient operation is performed until the fuel cell 20 is in rated operation and stable steam can be obtained from the HRSG 58 for the auxiliary turbine. Release steam under conditions to condenser. Then, the steam is supplied to the steam turbine 15 by opening the valve 99 after the steam can be sufficiently generated by the HRSG 58 for the auxiliary turbine.
[0096]
Note that, depending on the exhaust gas temperature of the auxiliary turbine 12, the condition of the steam generated by the HRSG 58 for the auxiliary turbine may not match the inlet steam condition of the steam turbine 15. In such a case, as shown in FIG. 9B, the steam turbine with the most appropriate inlet condition among the stages of the low-pressure steam turbine 15L, the medium-pressure steam turbine 15I, and the high-pressure steam turbine 15H of the steam turbine 15 is used. The steam of the HRSG 58 for the auxiliary turbine is supplied. In FIG. 9B, the water is supplied to a low-pressure steam turbine 15L. Further, although not shown, a steam turbine suitable for the temperature condition of the steam generated by the auxiliary turbine HRSG 58 may be separately prepared.
[0097]
(Embodiment 6)
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to Embodiment 6. The fuel cell combined gas turbine system 111 has substantially the same configuration as the fuel cell combined gas turbine system 104 (see FIG. 3) according to the second embodiment, but uses the exhaust gas of the gas turbine 10 and the exhaust gas of the auxiliary turbine 12. The difference is that the gas is supplied to the compressor 2 of the gas turbine 10 again. The other configuration is the same as that of the first embodiment, and the description thereof will be omitted, and the same components will be denoted by the same reference numerals. In the fuel cell combined gas turbine system 111 according to the sixth embodiment, the fuel cell combined gas turbine system 100 disclosed in the first to fifth embodiments and the like can be applied.
[0098]
The gas turbine 10 of the fuel cell combined gas turbine system 111 is a so-called CBC (Closed Brayton Cycle: closed cycle gas turbine). This is to return a mixed fluid of the exhaust gas of the gas turbine 10 and the exhaust gas of the fuel cell 20 driving the auxiliary turbine 12 to the compressor 2 of the gas turbine 11 again as a working fluid. The gas turbine exhaust gas returned to the compressor 2 of the gas turbine 10 is compressed here, then branched at the compressor outlet, and supplied to the combustor 4 and the fuel cell 20 of the gas turbine 10.
[0099]
In this example, in order to supply a working fluid at an optimum pressure to the fuel cell 20 according to the working pressure condition of the fuel cell 20, the working fluid supplied to the fuel cell 20 from the middle stage of the compressor 2 is extracted. are doing. Further, as in the fuel cell combined gas turbine system 101 according to the first embodiment (see FIG. 1B), the working fluid may be bled halfway between the outlet of the compressor 2 and the combustor 4. . Further, although not shown, a part of the working fluid generated by the compressor 2 is used for cooling the blades of the gas turbine 10 as necessary.
[0100]
The working fluid supplied to the combustor 4 of the gas turbine 10 is supplied with fuel f and oxygen o, burns, and drives the turbine 6. Then, the combustion gas after driving the turbine 6 is recovered in the gas turbine heat exchanger 51. After that, it merges with the exhaust of the fuel cell at the junction 45a provided in the pipe 45 which is a mixed fluid circulation system.
[0101]
Further, the fuel cell 20 has a fuel f which is a working fluid of the fuel cell. 1 And oxygen o 1 Is supplied, and an electrochemical reaction occurs in the fuel cell 20 together with the working fluid supplied to the fuel cell 20 to generate electric power. Working fluid and fuel f after electrochemical reaction 1 And oxygen o 1 Means a fuel cell exhaust gas, which is sent to a fuel cell exhaust heat exchanger 52 provided downstream of the fuel cell 20. In the heat exchanger 52, the heat energy of the exhaust of the fuel cell is recovered by heating the working fluid of the fuel cell 20 or generating steam. The exhaust of the fuel cell after the recovery of the thermal energy is guided to a pipe 45 which is a mixed fluid circulation system. Then, after merging with the exhaust gas of the gas turbine at the merging portion 45 a provided in the pipe 45, it is supplied again as a working fluid to the compressor 2 of the gas turbine 10. Here, the working fluid is a mixed fluid of the exhaust gas of the gas turbine 10 and the exhaust gas of the fuel cell 20 or the exhaust gas after driving the auxiliary turbine 12.
[0102]
The fuel f and the oxygen o burn in the combustor 4 of the gas turbine 10, and the fuel f 1 And oxygen o 1 Is supplied, the mass of the mixed fluid (working fluid) in which the exhaust gas of the gas turbine 10 and the exhaust of the fuel cell 20 are mixed increases by these amounts. Therefore, the air is discharged out of the system by the bleeding equipment 36 which is a bleeding means provided upstream of the compressor 2. Further, it is only necessary to specify any one of the gas turbine exhaust system and the fuel cell exhaust system to perform bleeding.
[0103]
In the fuel cell combined gas turbine system 111, a part of the working fluid compressed by the compressor 2 of the gas turbine 10 is supplied to the fuel cell 20. Further, since the working fluid is circulated by the CBC gas turbine, more energy of the working fluid can be recovered. Further, since the fuel cell 20 having high power generation efficiency is used, the efficiency of the system can be increased by the interaction between the two. it can. Furthermore, the amount of air extracted from the CBC gas turbine is proportional to the amount of fuel and oxygen, and is significantly smaller than the total amount of exhaust to a normal chimney, thereby reducing the environmental load.
[0104]
FIG. 10B shows a case where the auxiliary turbine 12 is provided downstream of the fuel cell 20 and the fuel cell exhaust is supplied to the auxiliary turbine 12 and driven. In this case, the thermal energy of the fuel cell exhaust is converted into a power generation output and collected. Here, when the temperature of the fuel cell exhaust gas is low, a combustor is provided between the fuel cell 20 and the auxiliary turbine 12, where fuel and oxygen are supplied to increase the inlet temperature of the auxiliary turbine 12.
(Modification)
[0105]
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to a modification of the sixth embodiment. The fuel cell combined gas turbine system 112 has substantially the same configuration as the fuel cell combined gas turbine system 111 (see FIG. 10) according to the sixth embodiment, but further includes the fuel and oxidation of the gas turbine 10 and the fuel cell 20. The difference is that a liquid fuel and a liquefied oxidant are used as agents, and these are pressurized in a liquid phase to generate steam and drive an expansion turbine. The other configuration is the same as that of the first embodiment, and the description thereof will be omitted, and the same components will be denoted by the same reference numerals.
[0106]
In this example, liquefied natural gas (LNG), DME (dimethyl ether), ethanol or the like is used as a liquid fuel, and liquid oxygen (LO) is used as a liquid oxidant. 2 ). The exhaust gas from the gas turbine 11 is supplied to the gas turbine HRSG 57, the liquefied natural gas heat exchanger 51m, and the oxygen heat exchanger 51o. Fluids supplied from the liquefied natural gas tanks 26 and 28 and the liquid oxygen tanks 27 and 29 are vaporized by the vaporizers A, C, B and D. After the temperature is raised at 51 m, 52 m, 51 o, and 52 o, the methane turbine 16 and the oxygen turbine 17 of the expansion turbine are driven.
[0107]
The natural gas and oxygen after driving the methane turbine 16 and the like heat exchange with a part (blade cooling system) of the high-temperature and high-pressure compressed working fluid generated by the compressor 2 of the gas turbine 11 to increase the temperature. After that, it is supplied to the combustor 4 and burns. The natural gas, oxygen, and working fluid burned in the combustor 4 become high-temperature and high-pressure combustion gas and are injected into the turbine 6 to drive the same.
[0108]
The gas turbine exhaust after driving the turbine 6 is supplied to the gas turbine HRSG 57 and the liquefied natural gas heat exchanger 51m and the like to exchange heat as described above. Thereafter, the fuel gas passes through a pipe 45 which is a mixed fluid circulation system, merges with the exhaust of the fuel cell 20 described later at a junction part 45a provided here, and is returned to the compressor 2 again as a working fluid.
[0109]
The HRSG 57 generates steam using the exhaust gas of the gas turbine 11. The steam is supplied to and driven by a steam turbine (not shown), and electric power is generated by a generator connected to the steam turbine (not shown).
[0110]
Therefore, the liquefied natural gas or the like may be heated by using the steam having the lowest temperature among the steams having several temperature levels generated by the HRSG 57. In this case, the amount of heating can be controlled by controlling the amount of steam rather than using the exhaust gas of the gas turbine 10, so that the latitude in adjustment and operation is increased.
[0111]
Next, the fuel cell 20 will be described. The working fluid of the fuel cell 20 is the same as the fuel of the gas turbine 10 and the like. The exhaust gas of the fuel cell 20 is sent to and drives the auxiliary turbine 12 which is a fuel cell turbine, and the generator 32 connected to the auxiliary turbine 12 generates electric power. The fuel cell exhaust after driving the auxiliary turbine 12 is supplied to the auxiliary turbine HRSG 58, the fuel heat exchanger 52m, the oxygen heat exchanger 52o, and the steam equipment 37. Liquefied natural gas and liquid oxygen are supplied from the liquefied natural gas tank 28 and the liquid oxygen tank 29 to the heat exchangers C and D, where they are vaporized.
[0112]
The liquefied natural gas or the like is vaporized and heated after the pressure is increased in the liquid phase. The methane turbine 18 and the oxygen turbine 19, which are expansion turbines, are driven by the high-temperature and high-pressure gas. The natural gas and oxygen after driving the expansion turbine exchange heat with the exhaust gas of the auxiliary turbine 12 to increase the temperature, and then are supplied to the fuel cell 20, where power is generated by an electrochemical reaction. At this time, the compressed fluid is supplied from the compressor 2 of the gas turbine 10 so as to be used as the working fluid of the fuel cell 20.
[0113]
Fuel cell exhaust is supplied to the auxiliary turbine 12. The exhaust gas after driving the auxiliary turbine 12 is supplied to the auxiliary turbine HRSG 58, the natural gas heat exchanger 52m, etc., and the blade cooling steam HRSG 37 to recover heat, as described above. Then, after passing through the pipe 45 and merging at the junction 45a with the gas turbine exhaust gas after heat recovery, it is returned to the compressor 2 of the gas turbine 10 as a working fluid.
[0114]
The blade cooling steam HRSG 37 generates steam for cooling the blades of the auxiliary turbine 12 by using a part of the exhaust gas of the auxiliary turbine 12. Here, the steam Sc after cooling the blades of the auxiliary turbine 12 is supplied to a steam turbine (not shown) to generate power. In addition, the steam (S 1 ) Can be supplied to a gas turbine HRSG 57 and a steam turbine (not shown).
[0115]
Furthermore, the steam (S 0 ) Is used to cool the fuel cell 20, the high-temperature steam (S 2 ) To the HRSG 57 and a steam turbine system (not shown). In other words, the system efficiency can be further improved by converting the amount of heat recovered from the blades and the heat recovered from cooling the fuel cell 20 into a power generation output.
[0116]
Since the fuel cell combined gas turbine system 112 is in a closed cycle, when liquefied natural gas or the like is supplied as fuel for the gas turbine 10 or the fuel cell 20, the mass of the working fluid increases accordingly. For this reason, it is necessary to take out the mass increase of the working fluid to the outside of the system by the bleeding equipment 36. Here, the working fluid taken out of the system is converted into steam (S 0 , S 1 , S 2 ) Is used as a cooling fluid for the auxiliary turbine 12 and the fuel cell 20, the temperature of the fuel itself rises, and therefore, at the heat utilization destination X, the recovered heat can be used for purposes other than the steam system. In addition, since the auxiliary turbine 12 and the fuel cell 20 are cooled with the same composition as the circulating fluid, leaks and seals can be processed more easily than steam cooling.
[0117]
(Embodiment 7)
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to Embodiment 7. In this fuel cell combined gas turbine system 113, a working fluid heating means for heating the working fluid of the fuel cell 20 is incorporated in a pipe such as a duct for guiding exhaust gas from the fuel cell 20 to the auxiliary turbine 12, the heat exchanger 59, and the like. There is a feature. In the fuel cell combined gas turbine system 113 according to the seventh embodiment, the fuel cell combined gas turbine system 100 and the like disclosed in the first to sixth embodiments can be applied.
[0118]
FIG. 12B shows the exhaust g of the fuel cell 20. 1 FIG. 7 is a cross-sectional view showing a heat exchange duct 60 that is a pipe for guiding the heat exchange to a heat exchanger 59. The heat exchange ducts 60f and 60a are connected to the exhaust g of the fuel cell 20 as a heat source fluid. 1 Outside the inner tube 60fi or 60ai through which the working fluid of the fuel cell 20, which is the fluid to be heated, passes. The heat exchange ducts 60f and 60a are connected to the exhaust g of the fuel cell 20. 1 This is a fuel cell exhaust fluid heater that heats the working fluid with the fuel cell.
[0119]
As shown in FIG. 12A, fuel exhaust and air exhaust are integrally discharged from the fuel cell 20, but they may be separately discharged. As shown in FIGS. 2B and 2C, each exhaust g 1 Are guided to the inner tubes 60fi and 60ai which are the innermost layers of the heat exchange duct 60f for fuel exhaust and the heat exchange duct 60a for air exhaust. In the space between the inner pipe 60fi and the inner pipe 60ai and the outer pipe 60fo and the outer pipe 60ao, the fuel f, which is the fluid to be heated, is provided. 1 And air a 1 Are supplied. Then, while the heated fluid flows through this space, heat is recovered from the fuel exhaust and the air exhaust to increase the temperature. Fuel f after raising temperature 1 And air a 1 Are supplied to the fuel cell 20.
[0120]
Further, as shown in FIG. 12 (c), a partition plate 60t provided in a space between the outer tube 60o and the inner tube 60i of the heat exchange duct 60 'divides the space of the heat exchange duct 60' into two. And fuel in each space 1 And air a 1 May be passed. In this way, the fuel f 1 And air a 1 Can be heated, so that only one heat exchange duct is required and the installation space can be reduced. At this time, as will be described later with reference to FIG. 1 And fuel f 1 And air a 1 The heat transfer efficiency can be increased by taking measures such as promoting heat transfer with the heat exchanger. Thus, the outer diameter of the heat exchange duct 60 'can be reduced, and the amount of heat exchange can be further increased if the heat transfer ducts have the same outer diameter.
[0121]
In the heat exchange ducts 60f, 60a and 60 ′, the outside of the exhaust of the fuel cell 20, which is a high-temperature heat source fluid, is surrounded by a low-temperature working fluid, which is a heated fluid. As a result, since the support and the heat insulation treatment can be performed on the outer pipe at a lower temperature, a highly safe design can be achieved.
[0122]
The heat transfer temperature gradient on the wall surface of the outer tube 60o can be reduced as compared with the case where the exhaust gas of the fuel cell having a high temperature flows alone in the duct. That is, the thermal stress acting on the outer tube 60o can be reduced as compared with the case of flowing in the single duct, so that the material selection and design of the outer tube 60o can be given a margin. The high-temperature fuel cell exhaust gas flows through the inner pipe 60i. 1 And air a 1 Therefore, the temperature gradient in the wall surface of the inner pipe 60i can be reduced as compared with the case where the exhaust gas flows through the single duct. Also in this regard, the design and the like of the inner tube 60i can be given a margin.
[0123]
In the heat exchange ducts 60f, 60a and 60, since the exhaust gas of the fuel cell 20 including the steam superheater 60s is built in a pipe (duct) which is always required to send the exhaust gas to an auxiliary turbine (not shown), etc. Effective for saving space. At 59 downstream, the steam from the HRSG is heated (59S), but it is also possible to heat the air (at 59a).
[0124]
FIG. 13 is an explanatory diagram showing another example of the heat exchange duct according to the seventh embodiment. In the following description, the heat exchange duct 60f for heating the fuel of the fuel cell 20 will be described as an example, but other heat exchange ducts 60a and 60 (see FIGS. 12B and 12C). The same can be applied to Here, in order to increase the heat transfer area of the heat exchange duct 60f and the like, as shown in FIG. 13A, fins 120 may be provided on the inner pipe 60fi. Further, as shown in FIG. 3B, heat transfer fins 121 and 122 may be provided on the outside and inside of the inner tube 60i. In this case, the heat transfer from the heat source fluid can be further promoted, so that the heat exchange amount can be further increased.
[0125]
Further, the heat transfer fins may be pin fins 123 as shown in FIGS. When the pin fins 123 are used as the heat transfer fins, the pin fins 123 can be arranged in a staggered manner as shown in FIG. As a result, the effect of turbulent mixing of the fluid can be enhanced, which is effective in promoting heat transfer. Further, as shown in FIG. 5E, the inner pipe wall may be formed in a wave shape to increase the heat transfer area.
[0126]
FIG. 14 is an explanatory diagram showing another heat exchange duct according to the seventh embodiment. The heat exchange duct 61 allows the fluid to be heated to pass outside the duct through which the heat source fluid passes, and preheats the heat. Further, the heat exchange duct 61 includes a heat transfer tube in the duct through which the heat source fluid passes. It is characterized in that it is guided to the heat transfer tube for further heating. Note that the exhaust g shown in FIG. 1 And fuel f 1 Etc. are the exhaust g shown in FIG. 1 And fuel f 1 Corresponds to etc.
[0127]
The heat exchange duct 61 is provided for exhaust g of the fuel cell 20 which is a heat source fluid. 1 Flows into the inner tube 61i which is the innermost layer of the heat exchange duct 61. And it is a double pipe provided with an outer pipe 61o through which the working fluid of the fuel cell 20, which is the fluid to be heated, passes outside the inner pipe 61i. The space between the outer pipe 61o and the inner pipe 61i is separated from the upstream space by a partition plate 61s provided between the outer pipe 61o and the inner pipe 61i so as to block the flow between the upstream side and the downstream side. 61u and a downstream space 61d.
[0128]
The bent portions 61bu and 61bd of the heat exchange duct 61 are provided with heat transfer tube groups 130, 131 and 132, respectively. Here, the exhaust g of the fuel cell 20, which is a heat source fluid, 1 The heat transfer tube groups 131 and 132 are provided at the side where the temperature is higher, that is, at the upstream bent portion 61bu. As described above, in the upstream bent portion 61bu, two different types of fluid to be heated are heated.
[0129]
Air a supplied to the fuel cell 20 1 Is supplied to the space 61d on the downstream side, where the exhaust g 1 Exchanges heat with and raises the temperature. This air a 1 After exiting from the downstream space 61d, is sent to the heat transfer tube group 131 provided in the upstream bent portion 61bu through the pipe 140, where the high-temperature upstream exhaust g 1 Heat exchange with After the temperature is raised to a predetermined temperature, the fuel is supplied to the fuel cell 20.
[0130]
Further, the fuel reforming steam s supplied to the fuel cell 20 1 Is supplied to the heat transfer tube group 130 provided in the downstream side bent portion 61bd, where the exhaust g 1 Exchanges heat with and raises the temperature. Steam s 1 Is taken out from the heat transfer tube group 130, taken out at 130A, the return of 141A is sent to the upstream space 61u, where the high temperature upstream exhaust g is passed through the wall surface of the inner tube 61i. 1 Heat exchange with After the temperature is raised to a predetermined temperature, the fuel is supplied to the fuel cell 20. Also, the fuel f 1 Is led to the heat transfer tube group 133 provided in the upstream space 61u, and the steam s in the upstream space 61u is 11 And s 12 Heated by Then, the gas is sent to the heat transfer tube group 132 provided in the upstream bent portion 61bu through the pipe 142, where the exhaust g 1 Is heated, and then supplied to the fuel cell 20.
[0131]
The heat exchange duct 61 has a relatively low-pressure and low-temperature fluid to be heated (air a) between an outer pipe 61o and an inner pipe 61i that constitute a double pipe. 1 And steam 1 ) And hot exhaust g 1 And heat exchange. Therefore, even in the event that a crack or the like occurs in the inner tube 61i, it is possible to prevent the low-temperature working fluid from forming a buffer region and directly eject the high-temperature heat source fluid to the outside, so that the safety is high.
[0132]
Further, the temperature gradient in the wall surface of the outer tube 61o can be reduced as compared with the case where the exhaust gas of the fuel cell 20 having a high temperature flows alone in the duct. Therefore, the thermal stress acting on the outer tube 61o can be reduced as compared with the case where the exhaust gas of the fuel cell 20 having a high temperature flows alone in the duct, so that the material and the design of the outer tube 61o have a margin. be able to. Further, since the heat transfer tube groups 130, 131, and 132 are provided at the bent portions 61bu and 61bd of the heat exchange duct 61, disassembly and assembly are easy, and labor for maintenance and inspection can be reduced.
[0133]
FIG. 15 is a sectional view showing another heat exchange duct according to the seventh embodiment. The heat exchange duct 62 divides the inside of the duct concentrically into multiple layers, allows the heat source fluid, which is the highest temperature fluid, to flow to the center portion, which is the innermost layer of the duct, and transfers the fluid to be heated, which has the lowest temperature, to the outermost layer of the duct. And the heated fluid having an intermediate temperature between the two flows between the center of the duct and the outermost layer. The exhaust g shown in FIG. 1 And fuel f 1 Etc. are the exhaust g shown in FIG. 1 And fuel f 1 Corresponds to etc.
[0134]
The heat exchange duct 62 is provided for the exhaust g of the fuel cell 20. 1 Is used to supply the fuel f to the fuel cell 20 1 And the steam s which is supplied to the fuel cell 20 together with the fuel to reform the fuel. 1 And air a to be supplied to the fuel cell 20 1 And heat is exchanged between them. Exhaust g of fuel cell 20, which is the hottest fluid 1 Is a first inner pipe 62i which is the innermost layer of the heat exchange duct 62. 1 Flows through. Also, air a, which is the fluid with the lowest temperature, 1 Is the third inner tube 62i that is the outermost layer of the heat exchange duct 62. 3 And the outer tube 62o. Exhaust g 1 And air a 1 The temperature of the fuel f 1 And steam 1 Means flowing through the second layer 152 or the third layer 153 of the heat exchange duct 62 according to the temperature. In this example, the second layer 152 is steam s 1 Flows through the third layer 153 as fuel f 1 Flows. Here, the second layer 152 is the first inner tube 62i. 1 And the second inner tube 62i 2 And the third layer 153 is a second inner tube 62i. 2 And the third inner tube 62i 3 Is a space formed between
[0135]
This heat exchange duct 62 is provided with air a which is a low temperature fluid. 1 To the outermost layer, and the air covers the high-temperature fluid. By this, the first inner pipe 62i 1 And the second inner pipe 62i 2 The air flowing through the outermost layer when 1 Can serve as a buffer region to prevent a higher-temperature fluid from being ejected to the outside. Thereby, the safety of the heat exchange duct 62 can be ensured.
[0136]
Further, the temperature gradient in the wall surface of the outer tube 62o can be reduced as compared with the case where the exhaust gas of the fuel cell 20 having a high temperature flows alone in the duct. Therefore, the thermal stress acting on the outer tube 62o can be reduced as compared with the case where the exhaust gas of the high-temperature fuel cell 20 flows through the duct alone, so that the material and the design of the outer tube 62o have a margin. be able to.
[0137]
Furthermore, exhaust g 1 Steam heated by 1 Indirectly by fuel f 1 Is heated, the exhaust g 1 Thus, the carbonization of the fuel is suppressed as compared with the direct heating by the above, and the inside of the heat exchange duct 62 can be kept clean. For this reason, the maintenance and inspection cycle can be lengthened, and the life of the heat exchange duct 62 can be extended. Where steam s 1 And fuel f 1 Is not limited to the example described here. 1 And fuel f 1 Depending on the temperature conditions of the above, the layers through which both flow may be exchanged.
[0138]
In addition, the first inner pipe 62i 1 And the second inner pipe 62i 2 For example, heat transfer promoting fins 120 as shown in FIG. 13 may be provided. This is preferable because heat transfer between the fluids flowing through the respective layers can be promoted. In addition, the fuel f 1 And air a 1 If the heating of the fuel cell 20 is not sufficient, a heating means such as a heat exchanger is provided at the subsequent stage of the heat exchange duct 62, and the fuel is heated to the operating temperature of the fuel cell 20 by a high-temperature heat source fluid such as a gas turbine exhaust. f 1 And the like are preferably heated.
[0139]
FIG. 16 is an explanatory diagram illustrating another heat exchange duct according to the seventh embodiment. The heat exchange duct 63 is characterized in that at least one of the plurality of heated fluids to be heated changes a heat source fluid between an inlet and an outlet of the heat exchange duct 63. Note that the exhaust g shown in FIG. 1 And fuel f 1 Etc. are the exhaust g shown in FIG. 1 And fuel f 1 Corresponds to etc.
[0140]
The heat exchange duct 63 includes a preheating section 63p and a finishing section 63f. The preheating unit 63p includes a first inner pipe 63i. 1 The second inner tube 63i having the inside 2 Are arranged inside the outer tube 63o. In addition, the first inner pipe 63i 1 And the second inner tube 63i 2 Between the first inner pipe 63i 1 A plurality (three in this case) of fuel small pipes 150 are arranged in the circumferential direction of the fuel cell. The first inner tube 63i 1 And the second inner tube 63i 2 May be provided with heat transfer enhancing fins 120 as shown in FIG. This is preferable because heat transfer between fluids flowing in each space can be promoted. Also, if heat transfer fins are similarly provided in the small fuel pipe 150 and the small air pipe 151 to be described later, the fuel f flowing through these inside can be more efficiently. 1 And air a 1 Is preferred because it can be heated.
[0141]
The structure of the finishing portion 63f differs between the first half and the second half. The finishing part first half 63fu is a region from the finishing part entrance 63fi to the middle of the finishing part 63f, and the finishing part latter half 63fd is a region from the middle of the finishing part 63f to the finishing part outlet 63fo. The entire finishing portion 63f is provided inside the outer tube 63o with the first inner tube 63i. 1 Are arranged.
[0142]
The first inner pipe 63i in the first half 63fu of the finishing part 1 The small fuel pipe 150 is arranged between the outer pipe 63o. Further, the first inner tube 63i 1 Inside the second inner pipe 63i in the preheating unit 63p 2 To be heated (here, air a) 1 ) Are provided here.
[0143]
As shown in FIG. 16A, in the first half 63fu of the finishing part, the first inner pipe 63i is formed. 1 The small fuel pipe 150 disposed outside the first inner pipe 63i is located substantially at the center of the finishing section 63f. 1 It is designed to get inside. In addition, the first inner pipe 63i in the finishing part latter half 63fd. 1 The small air pipe 151 is arranged in a space formed between the outer pipe 63o.
[0144]
In this heat exchange duct 63, exhaust g from the fuel cell 20 which is a heat source fluid 1 Flows from the finishing section 63f toward the preheating section 63p, and the fuel f, which is the fluid to be heated, 1 And air a 1 Flows from the preheating section 63p toward the finishing section 63f. Also, the fuel f 1 To reform the fuel f 1 Supplied to the fuel cell 20 together with the steam s 1 Also flows from the preheating section 63p toward the finishing section 63f.
[0145]
Next, the flow of the heat source fluid and the fluid to be heated in the heat exchange duct 63 will be described. Exhaust g from fuel cell 20 1 Is a first inner pipe 63i from the finishing portion 63f side of the heat exchange duct 63. 1 Flow into And this first inner tube 63i 1 In the process of flowing through the inside toward the preheating portion 63p, the first inner pipe 63i 1 F in the fuel small pipe 150 arranged in the 1 And the first inner pipe 63i 1 Steam flowing outside 1 These are heated by exchanging heat with the like. Note that the exhaust g from the fuel cell 20, which is the heat source fluid having the highest temperature, 1 The first inner pipe 63i, which is the innermost layer of the heat exchange duct 63, is used for both the finishing section 63f and the preheating section 63p. 1 Flowing inside. The fuel f, which is the fluid to be heated, 1 , Air a 1 , Steam f 1 At least one of them flows.
[0146]
Fuel f which is a working fluid of the fuel cell 20 which is a fluid to be heated 1 Flows from the preheating section 63p side of the small fuel pipe 150. Further, the first inner pipe 63i in which the small fuel pipe 150 is disposed. 1 Is formed in the space formed between the first inner pipe 63i2 and the second inner pipe 63i2. 1 Flows through the first inner tube 63i 1 Exhaust inside 1 Heated by The fuel f flowing through the small fuel pipe 150 1 Is this steam 1 Through the exhaust g of the fuel cell 20 1 And then flows to the first half 63fu of the finishing part. Further, the air a supplied to the fuel cell 20 1 Is the second inner tube 63i 2 In the space formed between the heat exchange duct 63 and the outer tube 63o, the heat flows from the preheating portion 63p to the finishing portion 63f. In the process, the second inner pipe 63i 2 It is heated by the steam flowing inside and flows into the first half 63fu of the finishing part. Also, the fuel f 1 And air a 1 And steam after heating 1 Also flows to the first half 63fu of the finishing section.
[0147]
Fuel f 1 Flows through the small fuel pipe 150, but in the first half 63fu of the finishing part, the small fuel pipe 150 1 And the outer tube 63o. Fuel f in preheating section 63p 1 And air a 1 And heated steam s 1 Is the first inner tube 63i 1 It flows through the space between the outer tube 63o and the outlet of the heat exchange duct 63. In the process, the first inner pipe 63i 1 Exhaust g flowing inside 1 From the fuel and flows through the small fuel pipe 150 1 Heat. In the part where the first half 63fu of the finishing section is shifted to the second half 63fd of the finishing section, the location where the small fuel pipe 150 is disposed is the first inner pipe 63i. 1 From the space formed between the first inner pipe 63i and the outer pipe 63o. 1 Changes within.
[0148]
When entering the first half 63fu of the finishing section, the air a 1 Is the second inner tube 63i 2 From the space formed between the outer pipe 63o and the plurality of small air pipes 151. Then, the second inner tube 63i that has formed this space 2 Is integrated with the outer tube 63o at the terminal end 63po of the preheating portion 63p, as shown in FIG. The small air pipe 151 is the first inner pipe 63i. 1 The air a flowing through the small air pipe 151 is disposed in the first inner pipe 63i. 1 Exhaust g flowing inside 1 As a result, the fuel cell 20 is heated to the operating temperature. In the part where the first half of the finishing section 63fu is shifted to the second half of the finishing section 63fd, the place where the small air pipe 151 is disposed is the first inner pipe 63i. 1 From the inside the first inner tube 63i 1 And the outer tube 63o.
[0149]
In the latter half 63fd, the small fuel pipe 150 is connected to the first inner pipe 63i. 1 And the fuel f 1 Flows through the small fuel pipe 150 in the first inner pipe 63i. 1 The exhaust gas flowing through the inside heats the fuel cell 20 to the operating temperature. Meanwhile, steam s 1 Also the first inner tube 63i 1 In the process of flowing between the first inner pipe 63i and the outer pipe 63o. 1 Exhaust g flowing inside 1 Heat is received from the heat. And the fuel f after heating 1 And steam 1 Are supplied to the fuel cell 20 together. Air a 1 Is the first inner tube 63i 1 Flows through the small air pipe 151 disposed between the first inner pipe 63i and the outer pipe 63o. 1 S flowing between the outer pipe 63o 1 Is the exhaust g 1 Is heated by. Therefore, the air a flowing through the small air pipe 151 1 Is supplied to the fuel cell 20 almost without lowering the temperature.
[0150]
In the heat exchange duct 63, air or steam, which is an inert fluid, flows through the outermost periphery. For this reason, the small fuel pipe 150 and the exhaust g 1 The first inner pipe 63i through which air flows 1 Is damaged and the fuel flowing inside 1 And exhaust g 1 Leaks, the air or the like, which is an inert fluid, becomes a buffer region and the fuel f 1 And other reactions are prevented. This can increase the safety of the equipment. In addition, the heat exchange duct 63 allows a low-temperature fluid to flow through the outermost periphery, and exhausts the fuel cell 20, which is a high-temperature fluid, from the first inner pipe 63i disposed at the innermost periphery. 1 It flows inside. Therefore, the temperature gradient in the wall surface of the outer tube 63o can be reduced as compared with the case where the exhaust gas of the fuel cell 20 having a high temperature flows through the duct alone. Thereby, a margin can be given to the material selection and design of the outer tube 63o.
[0151]
Further, the heat exchange duct 63 simultaneously functions as a pipe for sending exhaust gas or the like to the next downstream device and as a heat exchange unit. Therefore, since the heat exchange means is separately omitted or reduced in size, the equipment can be made compact. If sufficient heat transfer performance cannot be achieved with the heat exchange duct 63 alone, a small heat exchange means is provided.
[0152]
FIG. 17 is an explanatory diagram showing another heat exchange duct according to the seventh embodiment. FIG. 17 shows only the upper half of the heat exchange duct 63a. In this heat exchange duct 63a, the small air pipe 151 has the first inner pipe 63i over the entire area of the finishing part 63f. 1 Is located within. In the latter half 63fd of the finishing part, the small fuel pipe 150 is also replaced by the first inner pipe 63i. 1 Is located within.
[0153]
Steam s by 63fu in the first half of the finishing section 1 The air a heated by the fuel cell 20 is exhausted from the fuel cell 20 by the finishing part 63f. 1 Heated by Fuel f 1 Means exhaust g up to 63fu 1 Lower temperature steam 1 And the exhaust g of the fuel cell 20 in the latter half 63fd. 1 Heated by This allows the air a to reach the operating temperature of the fuel cell 20. 1 And fuel f 1 And the temperature can be raised.
[0154]
In the heat exchange duct 63, the air a 1 Before the fuel gas was supplied to the fuel cell 20, it was necessary to raise the temperature to the operating temperature of the fuel cell 20 by exhausting the gas turbine 10, exhausting the fuel cell 20, or the like. However, according to this heat exchange duct 63a, by optimizing the design, the air a at the finishing section outlet 63fo can be reduced. 1 And fuel f 1 Can be raised to the operating temperature of the fuel cell 20. Thereby, the air a 1 Since a heat exchanger is not required, the structure can be simplified and the manufacturing cost can be reduced.
[0155]
【The invention's effect】
As described above, the fuel cell combined gas turbine system according to the present invention (Claim 1) is a fuel cell combined gas turbine system that combines a fuel cell and a gas turbine, and supplies a gas turbine to a combustor of the gas turbine. A part of the compressed air generated by the compressor is supplied to the fuel cell. As a result, it is possible to secure the amount of air and the pressure that meet the specifications of the fuel cell independently of the gas turbine (combustor, turbine). In other words, even when the amount of air or air pressure required for the fuel cell is small, the required amount can be obtained without causing interference with the gas turbine, so that the degree of freedom in the design of the fuel cell combined gas turbine system is reduced. Can be higher. Further, supplying a part of the compressed air generated by the compressor of the gas turbine to the combustor of the gas turbine to the fuel cell enables the fuel cell and the gas turbine to be controlled separately. That is, since the gas turbine can be started and controlled regardless of the operation state of the fuel cell, the degree of freedom in system operation can be increased.
[0156]
In the fuel cell combined gas turbine system according to the present invention (claim 2), the fuel cell combined gas turbine system is a fuel cell combined gas turbine system combining a fuel cell and a gas turbine, and includes a gas turbine compressor supplied to a gas turbine combustor. A part of the generated compressed working fluid is supplied to the fuel cell, and the exhaust of the fuel cell and the gas turbine are merged and supplied again to the compressor of the gas turbine. This is provided with a fuel cell in order to improve the performance of the CBC, and as the original function of the CBC, the amount of exhaust discharged to the outside of the system can be reduced, so that the environmental load can be reduced.
[0157]
Further, in the fuel cell combined gas turbine system according to the present invention (claim 3), in the fuel cell combined gas turbine system, a liquid fuel and a liquefied oxidant are respectively added to the fuel and the oxidant of the gas turbine and the fuel cell. The expansion turbine is operated with high-temperature and high-pressure gas obtained by vaporizing these under high pressure. This expansion turbine power generation output can further increase the efficiency of the entire fuel cell combined gas turbine system.
[0158]
In the fuel cell combined gas turbine system according to the present invention (claim 4), the liquid fuel or the liquefied oxidant is heated by using the exhaust of the gas turbine or the exhaust of the fuel cell provided in the system. did. For this reason, the thermal energy of the exhaust of the fuel cell or the gas turbine can be effectively used.
[0159]
In the fuel cell combined gas turbine system according to the present invention (claim 5), compressed air or compressed working fluid is extracted from the middle stage of the gas turbine compressor and supplied to the fuel cell. For this reason, by appropriately selecting the compression stage from which the compressor extracts air, it is possible to supply air or working fluid at an optimum pressure corresponding to the specifications of the fuel cell.
[0160]
In the fuel cell combined gas turbine system according to the present invention (claim 6), the air or the working fluid supplied to the fuel cell is extracted from between the outlet of the compressor and the inlet of the combustor. did. In this case, bleed air under high pressure conditions can be extracted from the cabin of the gas turbine. For this reason, if a large amount of air is extracted from the middle stage of the compressor, even if the operation of the compressor becomes unstable depending on the specifications of the compressor and the operating conditions of the gas turbine, the air is stably supplied to the fuel cell. Can be supplied. Therefore, it is particularly preferable when the amount of air supplied to the fuel cell is large.
[0161]
Further, in the fuel cell combined gas turbine system according to the present invention (claim 7), the exhaust of the fuel cell is supplied to the middle stage of the gas turbine, and is not directly returned to the combustor of the gas turbine. This makes it possible to maintain the turbine inlet temperature deviation when mixing the fuel cell exhaust gas, thereby ensuring safe operation of the gas turbine. The auxiliary turbine also serves as the original turbine of the gas turbine.
[0162]
The fuel cell combined gas turbine system according to the present invention (claim 8) includes a fuel cell turbine driven by the exhaust of the fuel cell. As a result, the power generation output can be taken out without interference with the gas turbine, so that design, operation, and control are facilitated.
[0163]
Further, in the fuel cell combined gas turbine system according to the present invention (claim 9), the heat exchange means is provided at the subsequent stage of the fuel cell, and the exhaust gas of the fuel cell is supplied to the fuel cell as a heat source fluid. With such a configuration, a thermal energy recovery system is used when the pressure is low and the expansion turbine cannot be operated.
[0164]
Also, in the fuel cell combined gas turbine system according to the present invention (claim 10), a combustion means is provided between the fuel cell and the fuel cell turbine, and the fuel is supplied to the exhaust of the fuel cell and burned. It was supplied to the fuel cell turbine. Even during a period in which the exhaust gas temperature from the fuel cell is not stabilized due to the original gas turbine configuration, combustion gas at a predetermined temperature can be supplied to the fuel cell turbine. Therefore, a stable output of the fuel cell turbine can be obtained without being affected by the operation state of the fuel cell.
[0165]
Further, in the fuel cell combined gas turbine system according to the present invention (claim 11), exhaust gas from the fuel cell is supplied to the working fluid heating means of the fuel cell, and heat is exchanged with the exhaust gas to heat the working fluid. Heating in a low temperature range is ensured in the system without using only the exhaust gas as a heat source, and the exhaust gas is used to obtain a final high temperature, thereby reducing the heat loss of the system.
[0166]
Further, the fuel cell combined gas turbine system according to the present invention (Claim 12) replenishes components and the like consumed by the working fluid (fuel and air systems) after the electrochemical reaction in the fuel cell and re-supply the components. It was circulated to the fuel cell. Since the temperature of the new working fluid supplied to the fuel cell rises to a predetermined value due to the exhaust gas mixing, a heat exchanger or the like for preheating is not required.
[0167]
In the fuel cell combined gas turbine system according to the present invention (claim 13), the exhaust of the fuel cell flows through the innermost layer of the pipe, and the working fluid or steam of the fuel cell, which is the fluid to be heated, flows through the outer layer. By exchanging heat between the pipes, the pipes for supplying the exhaust of the fuel cell and the working fluid and the heat exchange means are shared. As a result, the installation space of the piping can be effectively used, and when the heat exchanger for heating the working fluid of the fuel cell becomes unnecessary, the configuration of the system can be simplified and the installation cost of the system can be reduced. Furthermore, even in the event that a crack or the like occurs in the tube constituting the innermost layer through which the exhaust gas flows, the low-temperature working fluid can form a buffer region and prevent the high-temperature fuel cell exhaust gas from directly ejecting to the outside. Safety can be improved.
[0168]
Also, in the fuel cell combined gas turbine system according to the present invention (claim 14), a plurality of fuel cells are arranged in series, and the working fluid supplied to the fuel cell is heated by the exhaust of the fuel cell on the upstream side. Is supplied to a fuel cell disposed downstream of the fuel cell. Then, the fuel component and the air component not used in the electrochemical reaction in the upper fuel cell are used in the electrochemical reaction in the subsequent fuel cell. With such a configuration, high efficiency can be obtained by a combination of a multi-stage fuel cell and an auxiliary turbine.
[0169]
Further, in the fuel cell combined gas turbine system according to the present invention (claim 15), both exhausts of the gas turbine and the auxiliary turbine are supplied to the steam generation means to generate a sufficiently large amount of steam, and the steam operates the fuel cell. The fluid was heated. In this way, heating with steam that is lower in temperature than the exhaust of a fuel cell or the like means that steam is given priority to fuel cells and the rest is used for steam power generation. It is easy to control and can determine the optimal system.
[0170]
Further, in the fuel cell combined gas turbine system according to the present invention (claim 16), the exhaust of the fuel cell is further supplied to the second working fluid heating means, and the exhaust gas is heated by the working fluid vapor heating means. The working fluid was heated. With this configuration, the working fluid whose temperature level has been increased by the steam can be heated by the exhaust of the fuel cell having a higher temperature, so that a high-temperature working fluid having a temperature closer to the temperature of the exhaust of the fuel cell can be obtained.
[0171]
In the fuel cell combined gas turbine system according to the present invention (claim 17), the working fluid is directly heated by the exhaust gas of both the gas turbine and the auxiliary turbine. As described above, since the fuel is heated by the exhaust gas from the high-temperature turbine, it is easy to control the final finishing temperature and adjust the heat balance with the exhaust gas from the fuel cell.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to a modification of the first embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to a first modification of the fourth embodiment.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to a second modification of the fourth embodiment.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to a third modification of the fourth embodiment.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to a fifth embodiment.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to a sixth embodiment.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to a modification of the sixth embodiment.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing a fuel cell combined gas turbine system according to a seventh embodiment.
FIG. 13 is an explanatory diagram showing another example of the heat exchange duct according to the seventh embodiment.
FIG. 14 is an explanatory diagram showing another heat exchange duct according to the seventh embodiment.
FIG. 15 is a sectional view showing another heat exchange duct according to the seventh embodiment.
FIG. 16 is an explanatory diagram showing another heat exchange duct according to the seventh embodiment.
FIG. 17 is an explanatory diagram showing another heat exchange duct according to the seventh embodiment.
FIG. 18 is an explanatory view showing a conventional fuel cell combined gas turbine system.
[Explanation of symbols]
2 Compressor
4 Combustor
6 Turbine
10,11 Gas turbine
12 Auxiliary turbine
12c Combustor for auxiliary turbine
16, 18 Methane turbine
17, 19 Oxygen turbine
20, 20a, 20b Fuel cell
36 Bleed equipment
37 wing cooling steam HRSG
40 piping
45 piping
45a junction
50 Heat exchanger for fuel cells
51 Heat exchanger for gas turbine
52 Exhaust heat exchanger for fuel cell
53a Heat exchanger for air
53f fuel heat exchanger
54a Heat exchanger for third air
54f heat exchanger for third fuel
55a Heat exchanger for second air
55f heat exchanger for second fuel
56a Turbine exhaust heat exchanger for air
56f Turbine exhaust heat exchanger for fuel
57 Waste heat recovery boiler for gas turbine
58 Waste heat recovery boiler for auxiliary turbine
60, 61, 62, 63, 63a Heat exchange duct
100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, 113 Fuel Cell Combined Gas Turbine System

Claims (17)

空気を圧縮する圧縮機と、当該圧縮機で生成された圧縮空気に燃料を供給して燃焼ガスを生成する燃焼器と、当該燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンとを有するガスタービンと、
燃料と、前記圧縮機から供給される空気とで電気化学反応を起こさせて電力を発生する燃料電池と、
前記圧縮機と前記燃料電池とをつなぎ、前記圧縮機で生成される圧縮空気の一部を前記燃料電池に供給する空気供給系と、
を備えたことを特徴とする燃料電池複合ガスタービンシステム。A gas having a compressor that compresses air, a combustor that supplies fuel to compressed air generated by the compressor to generate combustion gas, and a turbine that is driven by the combustion gas generated by the combustor A turbine,
A fuel cell that generates an electric power by causing an electrochemical reaction between the fuel and air supplied from the compressor,
An air supply system that connects the compressor and the fuel cell and supplies a part of the compressed air generated by the compressor to the fuel cell;
A fuel cell combined gas turbine system comprising: 作動流体を圧縮する圧縮機と、当該圧縮機で圧縮された作動流体に燃料と酸化剤とを供給して燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器と、当該燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンとを有するガスタービンと、
酸化剤と、燃料および前記圧縮機から供給される作動流体とで電気化学反応を起こさせて電力を発生する燃料電池と、
前記圧縮機と前記燃料電池とをつなぎ、前記圧縮機で圧縮される作動流体の一部を前記燃料電池に導く作動流体供給系と、
前記燃料電池の排気を前記ガスタービンの排気と合流させる排気合流部を有し、当該合流部で前記燃料電池の排気と前記ガスタービンの排気とを混合させてから両者の混合流体を前記圧縮機の入口へ戻す混合流体循環系と、
ガスタービン排気、燃料電池排気、前記混合流体の排気系統から排気の一部を取り出す抽気手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池複合ガスタービンシステム。A compressor that compresses a working fluid, a combustor that generates a combustion gas by supplying fuel and an oxidant to the working fluid compressed by the compressor and burns the combustion fluid, and a combustion gas that is generated by the combustor A gas turbine having a turbine driven by
An oxidizing agent, a fuel cell that generates an electric power by causing an electrochemical reaction between the fuel and a working fluid supplied from the compressor,
A working fluid supply system that connects the compressor and the fuel cell and guides a part of the working fluid compressed by the compressor to the fuel cell;
An exhaust merging section for merging the exhaust gas of the fuel cell with the exhaust gas of the gas turbine; mixing the exhaust gas of the fuel cell and the exhaust gas of the gas turbine at the merging section; A mixed fluid circulation system returning to the inlet of the
Gas turbine exhaust, fuel cell exhaust, extraction means for extracting a part of the exhaust from the exhaust system of the mixed fluid,
A fuel cell combined gas turbine system comprising: さらに、上記ガスタービンおよび上記燃料電池に供給する燃料および酸化剤は水素を一部に含む液体燃料および酸素を含む液化酸化剤であり、これを高圧で気化させ、その膨張させる際の膨張エネルギーによって駆動される膨張タービンを備え、当該膨張タービンを駆動した後の気化した燃料および気化した酸化剤を上記ガスタービンの燃焼器と上記燃料電池とに供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。Further, the fuel and the oxidizing agent supplied to the gas turbine and the fuel cell are a liquid fuel partially containing hydrogen and a liquefied oxidizing agent containing oxygen. 3. The fuel cell according to claim 2, further comprising a driven expansion turbine, wherein the gasified fuel and the vaporized oxidant after driving the expansion turbine are supplied to a combustor of the gas turbine and the fuel cell. Fuel cell combined gas turbine system. さらに、上記ガスタービンの排気または上記燃料電池の下流機器の排気の一方または両方を利用して上記液体燃料および液化酸化剤を気化させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。4. The fuel cell combined gas turbine according to claim 3, wherein the liquid fuel and the liquefied oxidant are vaporized by using one or both of the exhaust gas of the gas turbine and the exhaust gas of a downstream device of the fuel cell. system. 上記圧縮機は静翼列と動翼列からなる圧縮段を複数備え、この複数の圧縮段によって段階的に空気または作動流体を圧縮するものであり、上記燃料電池に供給される空気または作動流体は、この圧縮機の途中における圧縮段から抽気されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。The compressor includes a plurality of compression stages including a stationary blade row and a moving blade row. The compressor compresses air or working fluid stepwise by the plurality of compression stages. The air or working fluid supplied to the fuel cell is The fuel cell combined gas turbine system according to any one of claims 1 to 4, wherein air is extracted from a compression stage in the middle of the compressor. 上記燃料電池に供給される空気または作動流体は、上記圧縮機の出口つまり上記燃焼器の入口から抽気されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。The fuel cell composite gas according to any one of claims 1 to 4, wherein air or working fluid supplied to the fuel cell is extracted from an outlet of the compressor, that is, an inlet of the combustor. Turbine system. さらに、上記ガスタービンのタービンは、静翼列と動翼列とからなる翼列段を複数備えるものであって、上記燃料電池の排気を上記ガスタービンの翼列段に供給してタービンを駆動することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。Further, the turbine of the gas turbine includes a plurality of blade stages including a stationary blade row and a moving blade row, and supplies exhaust gas from the fuel cell to the blade rows of the gas turbine to drive the turbine. The fuel cell combined gas turbine system according to any one of claims 1 to 6, wherein: さらに、上記燃料電池の排気によって駆動される燃料電池用タービンを上記燃料電池の後段に備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。The fuel cell combined gas turbine system according to any one of claims 1 to 7, further comprising a fuel cell turbine driven by exhaust of the fuel cell, provided at a subsequent stage of the fuel cell. さらに、上記燃料電池用タービンの排気を熱源流体として供給する熱交換手段を上記燃料電池の後段に備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。The fuel cell combined gas turbine according to any one of claims 1 to 8, further comprising heat exchange means for supplying exhaust gas of the fuel cell turbine as a heat source fluid at a subsequent stage of the fuel cell. system. さらに、上記燃料電池の排気に燃料を供給してこの排気を燃焼させた後に、当該排気の燃焼ガスを上記燃料電池用タービンへ供給してこれを駆動する燃焼手段を、上記燃料電池と上記燃料電池用タービンとの間に備えたことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。Further, after supplying fuel to the exhaust gas of the fuel cell and burning the exhaust gas, the combustion means for supplying the combustion gas of the exhaust gas to the fuel cell turbine and driving the fuel cell turbine includes the fuel cell and the fuel cell. 9. The fuel cell combined gas turbine system according to claim 8, wherein the fuel cell combined gas turbine system is provided between the fuel cell turbine and the battery turbine. さらに、上記燃料電池の排気を利用して上記燃料電池の作動流体を加熱する燃料電池排気・流体加熱手段を備えたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。The fuel cell according to any one of claims 1 to 10, further comprising a fuel cell exhaust / fluid heating means for heating the working fluid of the fuel cell using the exhaust of the fuel cell. Combined gas turbine system. さらに、上記燃料電池の排気の一部に上記燃料電池の作動流体を加え、これらを排気循環手段によって上記燃料電池に循環させることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。11. The fuel cell according to claim 1, further comprising: adding a working fluid of the fuel cell to a part of the exhaust of the fuel cell, and circulating the working fluid to the fuel cell by an exhaust circulation unit. Fuel cell combined gas turbine system. 上記燃料電池排気・流体加熱手段は、複数の管を同心円状に組合せて最内層の管に熱源流体である燃料電池の排ガスを流し、その外側には被加熱流体を流して両者の間で熱交換させることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。The fuel cell exhaust / fluid heating means comprises a plurality of tubes concentrically combined to flow the exhaust gas of the fuel cell, which is a heat source fluid, into the innermost tube, and to flow the fluid to be heated outside the tube, thereby generating heat between the two. The fuel cell combined gas turbine system according to claim 11, wherein the system is replaced. さらに、上記燃料電池と上記燃料電池排気・流体加熱手段とを有する燃料電池装置段を複数段直列に配列し、後段の燃料電池装置段に設けられた燃料電池排気・流体加熱手段によって加熱された燃料電池の作動流体を前段の燃料電池装置段に設けられた燃料電池排気・流体加熱手段に供給して加熱し、且つ燃料電池の作動流体を加熱した後の燃料電池排気を後段の燃料電池装置段に設けられた燃料電池に供給することを特徴とする請求項１１または１３に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。Further, a plurality of fuel cell device stages having the fuel cell and the fuel cell exhaust / fluid heating means were arranged in series, and heated by a fuel cell exhaust / fluid heating device provided in a subsequent fuel cell device stage. The working fluid of the fuel cell is supplied to the fuel cell exhaust / fluid heating means provided in the fuel cell device stage of the preceding stage to heat it, and the fuel cell exhaust gas after heating the working fluid of the fuel cell is fed to the subsequent fuel cell device. 14. The fuel cell combined gas turbine system according to claim 11, wherein the fuel gas is supplied to a fuel cell provided in a stage. さらに、ガスタービンの排気によって蒸気を生成する蒸気発生手段と、
この排熱回収手段で生成される蒸気によって上記燃料電池の作動流体を加熱する蒸気・流体加熱手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。Further, a steam generating means for generating steam by exhaust of the gas turbine,
Steam / fluid heating means for heating the working fluid of the fuel cell by the steam generated by the exhaust heat recovery means,
The fuel cell combined gas turbine system according to any one of claims 1 to 14, further comprising: さらに、上記燃料電池排気・流体加熱手段の上段に上記の蒸気・流体加熱手段を備え、上記蒸気・流体加熱手段で加熱した後における燃料電池の作動流体を上記燃料電池排気・流体加熱手段で加熱することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。Further, the steam / fluid heating means is provided above the fuel cell exhaust / fluid heating means, and the working fluid of the fuel cell after being heated by the vapor / fluid heating means is heated by the fuel cell exhaust / fluid heating means. The fuel cell combined gas turbine system according to claim 15, wherein: さらに、上記燃料電池の作動流体を上記ガスタービンの排気によって加熱するガスタービン排気流体加熱手段を、予備加熱に用いることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。17. The fuel cell composite according to claim 1, wherein gas turbine exhaust fluid heating means for heating the working fluid of the fuel cell by exhausting the gas turbine is used for preheating. Gas turbine system.
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