JP2004022430A - 燃料電池／ガスタービン複合発電プラント - Google Patents
燃料電池／ガスタービン複合発電プラント Download PDFInfo
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Abstract
【課題】燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを緊急停止した際に、燃料電池の電解質に機械的応力をかけることなく停止させる。
【解決手段】燃焼電池１０とガスタービン発電装置２０とを組み合わせた発電プラントである。緊急停止時には、圧縮機２１からの圧縮空気を、三方弁Ｖ１１，バイパスラインＬ１１，燃焼器２２を通してタービン２３に送り、燃料電池１０には送らない。また遮断弁Ｖ１，Ｖ１２，Ｖ１３を閉じると共に、遮断弁Ｖ１４，Ｖ１５を開放する。このため、燃料電池１０の燃料流通空間及び空気流通空間は、大気開放となり、両空間の圧力は等しくなる。このため、燃料電池１０の燃料流通空間と空気流通空間との間に備えた電解質には、両空間の圧力差に起因する機械的応力は作用せず、電解質がダメージを受けることはない。
【選択図】 図２
【解決手段】燃焼電池１０とガスタービン発電装置２０とを組み合わせた発電プラントである。緊急停止時には、圧縮機２１からの圧縮空気を、三方弁Ｖ１１，バイパスラインＬ１１，燃焼器２２を通してタービン２３に送り、燃料電池１０には送らない。また遮断弁Ｖ１，Ｖ１２，Ｖ１３を閉じると共に、遮断弁Ｖ１４，Ｖ１５を開放する。このため、燃料電池１０の燃料流通空間及び空気流通空間は、大気開放となり、両空間の圧力は等しくなる。このため、燃料電池１０の燃料流通空間と空気流通空間との間に備えた電解質には、両空間の圧力差に起因する機械的応力は作用せず、電解質がダメージを受けることはない。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池／ガスタービン複合発電プラントに関し、プラントを緊急停止させても、燃料電池内における燃料と空気との圧力差を発生させることなく、安全に停止させることができるように工夫したものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、空気と燃料とを電解質を介して電気化学反応させて発電を行なう装置であり、高い発電効率で電気エネルギーを発生させることができる。この燃料電池から排出される排出空気や排出燃料の温度は高く、この排出空気及び排出燃料の熱を、ガスタービンのトッピングサイクルにより回収して発電に利用することにより、システム損失を小さくすることができ、高い発電効率を得ることができる。特に、高温型燃料電池では、排出空気や排出燃料の温度が高いので、このような高温型燃料電池とガスタービン発電装置とを組み合わせた複合発電プラントでは、高効率で発電ができる。なお、高温型燃料電池としては、運転温度が約１０００°Ｃの固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）や、運転温度が約６５０°Ｃの溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）がある。
【０００３】
図６は、燃料電池とガスタービン発電装置とを組み合わせた燃料電池／ガスタービン複合発電プラントの一般的な例を示している。この燃料電池／ガスタービン複合発電プラントは、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）などの高温型の燃料電池１０と、ガスタービン発電装置２０とを組み合わせて構成されている。ガスタービン発電装置２０は、圧縮機２１と燃焼器２２とタービン２３と発電機２４を備えている。
【０００４】
圧縮機２１にて圧縮した圧縮空気は、圧縮空気ラインＬ１を通して、燃料電池１０に供給される。また、天然ガスなどの燃料は燃料ラインＬ２を通して、燃料電池１０に供給される。燃料ラインＬ２には、遮断弁Ｖ１と調整弁Ｖ２が介装されている。燃料電池１０では、空気流通空間と燃料流通空間との間に電解質が配置されており、空気流通空間に流れる圧縮空気と燃料流通空間に流れる燃料とが、電解質を介して電気化学反応して発電が行なわれる。
【０００５】
定常運転時には、遮断弁Ｖ１を開状態にすると共に、空気流通空間に流れる圧縮空気の圧力に合わせて調整弁Ｖ２の弁開度を調整することにより、燃料流通空間に流れる燃料の圧力調整をしている。このように、定常運転時には、空気流通空間に流れる圧縮空気の圧力と、燃料流通空間に流れる燃料の圧力を等しくしている。このため、電解質は、空気流通空間側と燃料流通空間側から等しい圧力で均等に押され、電解質には、燃料と圧縮空気との圧力差に起因する機械力が作用することはない。
【０００６】
燃料電池１０から排出された排出燃料及び排出空気は高温になっており、それぞれ、排出燃料ラインＬ３及び排出空気ラインＬ４を通って燃焼器２２に送られる。燃焼器２２は、排出燃料を排出空気中で燃焼して高温・高圧ガスを発生し、この高温・高圧ガスを高温・高圧ガスラインＬ５を通してタービン２３に送る。高温・高圧ガスはタービン２３にて膨張し、タービン２３が回転駆動する。タービン２３の回転駆動力により圧縮機２１及び発電機２４が回転し、発電機２４が発電をする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
緊急停止時には、図７に示すように、遮断弁Ｖ１が緊急遮断されると共に、調整弁Ｖ２も閉塞される。このように遮断弁Ｖ１が緊急遮断されると燃料電池１０への燃料供給が直ちに停止されるが、圧縮機２１は直ちに停止することはできず燃料電池１０への圧縮空気の供給は暫くの間は継続する。このため、燃料電池１０の燃料流通空間における燃料の圧力と、空気流通空間における圧縮空気の圧力との間に圧力差が生じ、この圧力差に起因する大きな機械力が電解質に作用する。このため、燃料電池１０の電解質がこの機械力で押されて、機械的に大きな応力を受け、ダメージを受ける恐れがある。
【０００８】
なお、各図において、各弁は、白抜き状態で描いている場合には開状態であり、黒塗り状態で描いている場合には閉状態であることを示している。
【０００９】
本発明は、上記従来技術に鑑み、緊急停止をしても燃料電池の電解質に、燃料と圧縮空気の圧力差に起因する機械的応力を作用させることのない燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の構成は、圧縮機，燃焼器，タービン及び発電機を備えたガスタービン発電装置と、燃料電池とを組み合わせており、
前記燃料電池は、燃料ラインを通して燃料が供給されると共に前記圧縮機で圧縮された空気が圧縮空気ラインを通して供給され、電気化学反応により発電をし、
前記燃焼器は、前記燃料電池から排出された排出燃料及び排出空気がそれぞれ排出燃料ライン及び排出空気ラインを通して供給され、排出燃料を燃焼することにより高温・高圧ガスを発生してこの高温・高圧ガスを前記タービンに送るようにしている燃料電池／ガスタービン複合発電プラントにおいて、
定常時には入口孔と第１の出口孔を繋ぎ第２の出口孔を塞ぐ第１の流通モードにされ、緊急停止時には入口孔と第２の出口孔を繋ぎ第１の出口孔を塞ぐ第２の流通モードにされる三方弁が、入口孔が前記圧縮機側に位置し第１の出口孔が前記燃料電池側に位置する状態にして、前記圧縮空気ラインに介装され、
前記三方弁の第２の出口孔と前記燃焼器とがバイパスラインにより接続され、前記排出燃料ライン及び前記排出空気ラインには、それぞれ、定常時には開状態にされ緊急停止時には閉状態にされる排出燃料遮断弁及び排出空気遮断弁が介装されていることを特徴とする。
【００１１】
また本発明の構成は、圧縮機，燃焼器，タービン及び発電機を備えたガスタービン発電装置と、燃料電池とを組み合わせており、
前記燃料電池は、燃料ラインを通して燃料が供給されると共に前記圧縮機で圧縮された空気が圧縮空気ラインを通して供給され、電気化学反応により発電をし、
前記燃焼器は、前記燃料電池から排出された排出燃料及び排出空気がそれぞれ排出燃料ライン及び排出空気ラインを通して供給され、排出燃料を燃焼することにより高温・高圧ガスを発生してこの高温・高圧ガスを前記タービンに送るようにしている燃料電池／ガスタービン複合発電プラントにおいて、
定常時には入口孔と第１の出口孔を繋ぎ第２の出口孔を塞ぐ第１の流通モードにされ、緊急停止時には入口孔と第２の出口孔を繋ぎ第１の出口孔を塞ぐ第２の流通モードにされる三方弁が、入口孔が前記圧縮機側に位置し第１の出口孔が前記燃料電池側に位置する状態にして、前記圧縮空気ラインに介装され、
前記三方弁の第２の出口孔と前記燃焼器とがバイパスラインにより接続され、前記排出燃料ライン及び前記排出空気ラインには、それぞれ、定常時には開状態にされ緊急停止時には閉状態にされる排出燃料遮断弁及び排出空気遮断弁が介装され、
前記排出燃料ラインのうち燃料電池と排出燃料遮断弁との間の部分と、前記排出空気ラインのうち燃料電池と排出空気遮断弁との間の部分が、緊急停止時にのみ大気開放となる大気開放系に接続されていることを特徴とする。
【００１２】
また本発明の構成は、圧縮機，燃焼器，タービン及び発電機を備えたガスタービン発電装置と、燃料電池とを組み合わせており、
前記燃料電池は、燃料ラインを通して燃料が供給されると共に前記圧縮機で圧縮された空気が圧縮空気ラインを通して供給され、電気化学反応により発電をし、
前記燃焼器は、前記燃料電池から排出された排出燃料及び排出空気がそれぞれ排出燃料ライン及び排出空気ラインを通して供給され、排出燃料を燃焼することにより高温・高圧ガスを発生してこの高温・高圧ガスを前記タービンに送るようにしている燃料電池／ガスタービン複合発電プラントにおいて、
定常時には入口孔と第１の出口孔を繋ぎ第２の出口孔を塞ぐ第１の流通モードにされ、緊急停止時には入口孔と第２の出口孔を繋ぎ第１の出口孔を塞ぐ第２の流通モードにされる三方弁が、入口孔が前記圧縮機側に位置し第１の出口孔が前記燃料電池側に位置する状態にして、前記圧縮空気ラインに介装され、
前記三方弁の第２の出口孔と前記燃焼器とがバイパスラインにより接続され、前記排出燃料ライン及び前記排出空気ラインには、それぞれ、定常時には開状態にされ緊急停止時には閉状態にされる排出燃料遮断弁及び排出空気遮断弁が介装され、
前記排出燃料ラインのうち燃料電池と排出燃料遮断弁との間の部分と、前記排出空気ラインのうち燃料電池と排出空気遮断弁との間の部分が、緊急停止事象が発生した時点から時間遅れして大気開放となる大気開放系に接続されていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１４】
＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池／ガスタービン複合発電プラントは、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）などの高温型の燃料電池１０と、ガスタービン発電装置２０とを組み合わせて基本的構成が構築されている。ガスタービン発電装置２０は、圧縮機２１と燃焼器２２とタービン２３と発電機２４を備えている。
【００１５】
圧縮機２１にて圧縮した圧縮空気は、圧縮空気ラインＬ１を通して、燃料電池１０に供給される。また、天然ガスなどの燃料は燃料ラインＬ２を通して、燃料電池１０に供給される。燃料ラインＬ２には、遮断弁Ｖ１と調整弁Ｖ２が介装されている。燃料電池１０では、空気流通空間と燃料流通空間との間に電解質が配置されており、空気流通空間に流れる圧縮空気と燃料流通空間に流れる燃料とが、電解質を介して電気化学反応して発電が行なわれる。
【００１６】
定常運転時には、遮断弁Ｖ１を開状態にすると共に、空気流通空間に流れる圧縮空気の圧力に合わせて調整弁Ｖ２の弁開度を調整することにより、燃料流通空間に流れる燃料の圧力調整をしている。このように、定常運転時には、空気流通空間に流れる圧縮空気の圧力と、燃料流通空間に流れる燃料の圧力を等しくしている。このため、電解質は、空気流通空間側と燃料流通空間側から等しい圧力で均等に押され、電解質には、燃料と圧縮空気との圧力差に起因する機械力が作用することはない。
【００１７】
燃料電池１０から排出された排出燃料及び排出空気は高温になっており、それぞれ、排出燃料ラインＬ３及び排出空気ラインＬ４を通って燃焼器２２に送られる。燃焼器２２は、排出燃料を排出空気中で燃焼して高温・高圧ガスを発生し、この高温・高圧ガスを高温・高圧ガスラインＬ５を通してタービン２３に送る。高温・高圧ガスはタービン２３にて膨張し、タービン２３が回転駆動する。タービン２３の回転駆動力により圧縮機２１及び発電機２４が回転し、発電機２４が発電をする。
【００１８】
三方弁Ｖ１１は、入口孔αと第１の出口孔βと第２の出口孔γを有しており、入口孔αが圧縮機２１側に位置し、第１の出口孔βが燃料電池１０側に位置する状態で、圧縮空気ラインＬ１に介装されている。この三方弁Ｖ１１は、入口孔αと第１の出口孔βを繋ぎ第２の出口孔γを塞ぐ第１の流通モードと、入口孔αと第２の出口孔γを繋ぎ第１の出口孔βを塞ぐ第２の流通モードとが選択される。定常運転時には第１の流通モードが選択され、緊急停止時には第２の流通モードが選択される。
【００１９】
三方弁Ｖ１１の第２の出口孔γと燃焼機２２は、バイパスラインＬ１１により接続されている。
【００２０】
排出燃料ラインＬ３には、排出燃料遮断弁Ｖ１２が介装され、排出空気ラインＬ４には、排出空気遮断弁Ｖ１３が介装されている。
【００２１】
排出燃料ラインＬ３のうち燃料電池１０と排出燃料遮断弁Ｖ１２との間には、大気開放ラインＬ１２が接続されている。この大気開放ラインＬ１２は、大気開放遮断弁Ｖ１４が介装されると共に、大気開放部３０に連結されている。
また、排出空気ラインＬ４のうち燃料電池１０と排出空気遮断弁Ｖ１３との間には、大気開放ラインＬ１３が接続されている。この大気開放ラインＬ１３は、大気開放遮断弁Ｖ１５が介装されると共に、大気開放部３０に連結されている。大気開放部３０は、具体的には煙突等の大気に開放している部材である。
そして、大気開放ラインＬ１２，大気開放遮断弁Ｖ１４，大気開放ラインＬ１３，大気開放遮断弁Ｖ１５及び大気開放部３０により、大気開放系が構成されている。
【００２２】
定常運転時には、各弁は図１に示すように、次のように開閉制御されている。（１）遮断弁Ｖ１及び調整弁Ｖ２が開状態となり、
（２）三方弁Ｖ１１は第１の流通モードが選択されて、入口孔αと第１の出口孔βとが接続され、
（３）遮断弁Ｖ１２，Ｖ１３は開状態となり、
（４）遮断弁Ｖ１４，Ｖ１５は閉状態となる。
【００２３】
したがって、定常運転時には、圧縮空気は、圧縮機２１→圧縮空気ラインＬ１→燃料電池１０→排出空気ラインＬ４→燃焼器２２という経路に沿い流れ、燃料は、燃料ラインＬ２→燃料電池１０→排出燃料ラインＬ３→燃焼器２２という経路に沿い流れる。このため、燃料電池１０にて発電が行なわれる。
また、燃焼器２２では、排出燃料と排出空気とが燃焼されて高温・高圧ガスが発生し、この高温・高圧ガスがタービン２３に送られてタービン２３が回転駆動する。これにより発電機２４により発電が行なわれる。
【００２４】
一方、緊急停止時には、各弁は図２に示すように、次のように開閉制御される。この開閉制御（５）〜（８）は、緊急停止事象が発生したら、直ちに、しかも、同時に行なう。
（５）遮断弁Ｖ１及び調整弁Ｖ２を閉状態とし、、
（６）三方弁Ｖ１１を第２の流通モードに選択して、入口孔αと第２の出口孔γとを接続し、
（７）遮断弁Ｖ１２，Ｖ１３を閉状態とし、
（８）遮断弁Ｖ１４，Ｖ１５を開状態とする。
【００２５】
このため、緊急停止時には、圧縮空気は、圧縮機２１→三方弁Ｖ１１→バイパスラインＬ１１→燃焼器２２→タービン２３という経路に沿い流れ、燃料電池１０に供給されることはない。また、遮断弁Ｖ１が遮断されるため燃料が燃料電池１０に供給されることはない。
【００２６】
また、燃料電池１０内の燃料流通空間は、大気開放ラインＬ１２及び大気開放部３０を介して大気開放され、同時に、燃料電池１０内の空気流通空間は、大気開放ラインＬ１３及び大気開放部３０を介して大気開放される。したがって、燃料電池１０内の燃料流通空間の圧力及び空気流通空間の圧力は、緊急停止する事象が発生したら、ほぼ同時に大気圧になる。
この結果、燃料電池１０の燃料流通空間と空気流通空間との間に配置された電解質には、燃料と空気との圧力差に起因する機械力が作用することなく、電解質は機械的な応力を受けることはない。したがって、緊急停止をしても、電解質はダメージを受けることが無くなり、安全に緊急停止することができる。
【００２７】
＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。第２の実施の形態は、機器構成は第１の実施の形態と同じであるが、大気開放系の動作タイミングが、第１の実施の形態と異なっている。したがって、ここでは緊急停止事象が発生したときにおける第２の実施の形態の動作状態のみを説明する。
【００２８】
第２の実施の形態では、緊急停止事象が発生したら、まず各弁を第１ステップの開閉制御をし、その後に第２ステップの開閉制御をする。
【００２９】
即ち、緊急停止事象が発生したら、図３に示すように第１ステップの開閉制御（１１）〜（１４）を、直ちに、しかも、同時に行なう。
（１１）遮断弁Ｖ１及び調整弁Ｖ２を閉状態とし、
（１２）三方弁Ｖ１１を第２の流通モードに選択して、入口孔αと第２の出口孔γとを接続し、
（１３）遮断弁Ｖ１２，Ｖ１３を閉状態とし、
（１４）遮断弁Ｖ１４，Ｖ１５の閉状態を維持する。
【００３０】
このため、緊急停止時には、圧縮空気は、圧縮機２１→三方弁Ｖ１１→バイパスラインＬ１１→燃焼器２２→タービン２３という経路に沿い流れ、燃料電池１０に供給されることはない。また、遮断弁Ｖ１が遮断されるため燃料が燃料電池１０に供給されることはない。
【００３１】
また、燃料電池１０内の燃料流通空間の上流側に配置した遮断弁Ｖ１と下流側に配置した遮断弁Ｖ１２が同時に閉状態になるため、燃料流通空間内の燃料圧力は定常時と略同じ圧力に保持される。一方、燃料電池１０内の空気流通空間の上流側に配置した三方弁Ｖ１１の第１の出口孔βが閉塞されると共に、同時に下流側に配置した遮断弁Ｖ１３が閉状態になるため、空気流通空間内の空気圧力は定常時と略同じ圧力に保持される。
【００３２】
したがって、緊急停止事象が発生して第１ステップの開閉制御をしても、空気流通空間の圧縮空気の圧力と、燃料流通空間の燃料の圧力を略等しくすることができる。このため、電解質は、空気流通空間側と燃料流通空間側から略等しい圧力で均等に押され、電解質には、燃料と圧縮空気との圧力差に起因する機械力が作用することはない。
【００３３】
第１ステップの開閉制御が完了したら、その後に図４に示すように第２ステップの開閉制御をする。第２ステップの開閉制御は、例えば大気開放部３０が煙突である場合に、外部環境の空気の流速が一定速度以上であることを条件に開始する。
【００３４】
第２ステップの開閉制御（１５）〜（１８）は、次の通りである。
（１５）遮断弁Ｖ１及び調整弁Ｖ２の閉状態を維持し、
（１６）三方弁Ｖ１１を第２の流通モードに選択して、入口孔αと第２の出口孔γとを接続する状態を維持し、
（１７）遮断弁Ｖ１２，Ｖ１３の閉状態を維持し、
（１８）遮断弁Ｖ１４，Ｖ１５を閉状態から開状態に変更する。
【００３５】
第２ステップの開閉制御では、遮断弁Ｖ１４，Ｖ１５を閉状態から開状態に変更するため、燃料電池１０内の燃料流通空間は、大気開放ラインＬ１２及び大気開放部３０を介して大気開放され、同時に、燃料電池１０内の空気流通空間は、大気開放ラインＬ１３及び大気開放部３０を介して大気開放される。したがって、燃料電池１０内の燃料流通空間の圧力及び空気流通空間の圧力は、第２ステップの開閉制御をすることにより、ほぼ同時に大気圧になる。
【００３６】
この結果、燃料電池１０の燃料流通空間と空気流通空間との間に配置された電解質には、燃料と空気との圧力差に起因する機械力が作用することなく、電解質は機械的な応力を受けることがなくなる。したがって、緊急停止をしても、電解質はダメージを受けることが無くなり、安全に緊急停止することができる。
また、第２ステップに移行した時には、例えば外部環境の空気流通速度が速いので、外部環境に放出した燃料や空気は容易に拡散する。
【００３７】
＜第３の実施の形態＞
図５は本発明の第３の実施の形態にかかる燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを示す。第３の実施の形態は、第１及び第２の実施の形態において、大気開放系を削除した構成となっている。
【００３８】
第３の実施の形態では、緊急停止事象が発生したら
（２１）遮断弁Ｖ１及び調整弁Ｖ２を閉状態とし、、
（２２）三方弁Ｖ１１を第２の流通モードに選択して、入口孔αと第２の出口孔γとを接続し、
（２３）遮断弁Ｖ１２，Ｖ１３を閉状態とする。
【００３９】
このため、燃料電池１０内の燃料流通空間の上流側に配置した遮断弁Ｖ１と下流側に配置した遮断弁Ｖ１２が同時に閉状態になるため、燃料流通空間内の燃料圧力は定常時と略同じ圧力に保持される。一方、燃料電池１０内の空気流通空間の上流側に配置した三方弁Ｖ１１の第１の出口孔βが閉塞されると共に、同時に下流側に配置した遮断弁Ｖ１３が閉状態になるため、空気流通空間内の空気圧力は定常時と略同じ圧力に保持される。
【００４０】
したがって、緊急停止事象が発生して上述した開閉制御をしても、空気流通空間の圧縮空気の圧力と、燃料流通空間の燃料の圧力を略等しくすることができる。このため、電解質は、空気流通空間側と燃料流通空間側から略等しい圧力で均等に押され、電解質には、燃料と圧縮空気との圧力差に起因する機械力が作用することはない。
【００４１】
【発明の効果】
以上実施の形態と共に具体的に説明したように本発明では、圧縮機，燃焼器，タービン及び発電機を備えたガスタービン発電装置と、燃料電池とを組み合わせており、
前記燃料電池は、燃料ラインを通して燃料が供給されると共に前記圧縮機で圧縮された空気が圧縮空気ラインを通して供給され、電気化学反応により発電をし、
前記燃焼器は、前記燃料電池から排出された排出燃料及び排出空気がそれぞれ排出燃料ライン及び排出空気ラインを通して供給され、排出燃料を燃焼することにより高温・高圧ガスを発生してこの高温・高圧ガスを前記タービンに送るようにしている燃料電池／ガスタービン複合発電プラントにおいて、
定常時には入口孔と第１の出口孔を繋ぎ第２の出口孔を塞ぐ第１の流通モードにされ、緊急停止時には入口孔と第２の出口孔を繋ぎ第１の出口孔を塞ぐ第２の流通モードにされる三方弁が、入口孔が前記圧縮機側に位置し第１の出口孔が前記燃料電池側に位置する状態にして、前記圧縮空気ラインに介装され、
前記三方弁の第２の出口孔と前記燃焼器とがバイパスラインにより接続され、前記排出燃料ライン及び前記排出空気ラインには、それぞれ、定常時には開状態にされ緊急停止時には閉状態にされる排出燃料遮断弁及び排出空気遮断弁が介装されている構成とした。
このため、緊急停止時には、空気流通空間の圧縮空気の圧力と、燃料流通空間の燃料の圧力は、定常運転時の圧力に略等しくなり、両者の圧力は略一致する。このため燃料電池の電解質は、空気流通空間側と燃料流通空間側から略等しい圧力で均等に押され、電解質には、燃料と圧縮空気との圧力差に起因する機械力が作用することはない。この結果、電解質はダメージを受けることなく、安全に緊急停止することができる。
【００４２】
また本発明では、圧縮機，燃焼器，タービン及び発電機を備えたガスタービン発電装置と、燃料電池とを組み合わせており、
前記燃料電池は、燃料ラインを通して燃料が供給されると共に前記圧縮機で圧縮された空気が圧縮空気ラインを通して供給され、電気化学反応により発電をし、
前記燃焼器は、前記燃料電池から排出された排出燃料及び排出空気がそれぞれ排出燃料ライン及び排出空気ラインを通して供給され、排出燃料を燃焼することにより高温・高圧ガスを発生してこの高温・高圧ガスを前記タービンに送るようにしている燃料電池／ガスタービン複合発電プラントにおいて、
定常時には入口孔と第１の出口孔を繋ぎ第２の出口孔を塞ぐ第１の流通モードにされ、緊急停止時には入口孔と第２の出口孔を繋ぎ第１の出口孔を塞ぐ第２の流通モードにされる三方弁が、入口孔が前記圧縮機側に位置し第１の出口孔が前記燃料電池側に位置する状態にして、前記圧縮空気ラインに介装され、
前記三方弁の第２の出口孔と前記燃焼器とがバイパスラインにより接続され、前記排出燃料ライン及び前記排出空気ラインには、それぞれ、定常時には開状態にされ緊急停止時には閉状態にされる排出燃料遮断弁及び排出空気遮断弁が介装され、
前記排出燃料ラインのうち燃料電池と排出燃料遮断弁との間の部分と、前記排出空気ラインのうち燃料電池と排出空気遮断弁との間の部分が、緊急停止時にのみ大気開放となる大気開放系に接続されている構成とした。
このため、緊急停止時には、空気流通空間の圧縮空気の圧力と、燃料流通空間の燃料の圧力は、直ちに大気圧となり、両者の圧力は略一致する。このため燃料電池の電解質には、燃料と空気との圧力差に起因する機械力が作用することはない。この結果、電解質はダメージを受けることなく、安全に緊急停止することができる。
【００４３】
また本発明では、圧縮機，燃焼器，タービン及び発電機を備えたガスタービン発電装置と、燃料電池とを組み合わせており、
前記燃料電池は、燃料ラインを通して燃料が供給されると共に前記圧縮機で圧縮された空気が圧縮空気ラインを通して供給され、電気化学反応により発電をし、
前記燃焼器は、前記燃料電池から排出された排出燃料及び排出空気がそれぞれ排出燃料ライン及び排出空気ラインを通して供給され、排出燃料を燃焼することにより高温・高圧ガスを発生してこの高温・高圧ガスを前記タービンに送るようにしている燃料電池／ガスタービン複合発電プラントにおいて、
定常時には入口孔と第１の出口孔を繋ぎ第２の出口孔を塞ぐ第１の流通モードにされ、緊急停止時には入口孔と第２の出口孔を繋ぎ第１の出口孔を塞ぐ第２の流通モードにされる三方弁が、入口孔が前記圧縮機側に位置し第１の出口孔が前記燃料電池側に位置する状態にして、前記圧縮空気ラインに介装され、
前記三方弁の第２の出口孔と前記燃焼器とがバイパスラインにより接続され、前記排出燃料ライン及び前記排出空気ラインには、それぞれ、定常時には開状態にされ緊急停止時には閉状態にされる排出燃料遮断弁及び排出空気遮断弁が介装され、
前記排出燃料ラインのうち燃料電池と排出燃料遮断弁との間の部分と、前記排出空気ラインのうち燃料電池と排出空気遮断弁との間の部分が、緊急停止事象が発生した時点から時間遅れして大気開放となる大気開放系に接続されている構成とした。
このため、緊急停止時には、空気流通空間の圧縮空気の圧力と、燃料流通空間の燃料の圧力は、定常運転時の圧力に略等しくなり、両者の圧力は略一致する。このため燃料電池の電解質は、空気流通空間側と燃料流通空間側から略等しい圧力で均等に押され、電解質には、燃料と圧縮空気との圧力差に起因する機械力が作用することはない。この結果、電解質はダメージを受けることなく、安全に緊急停止することができる。
また、その後に大気開放されるため、空気流通空間の圧縮空気の圧力と、燃料流通空間の燃料の圧力は大気圧となり、両者の圧力は略一致し、燃料電池中に残存していた燃料や空気を大気中に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、定常運転の状態で示す構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、緊急停止時の状態で示す構成図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、第１ステップの緊急停止時の状態で示す構成図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、第２ステップの緊急停止時の状態で示す構成図。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、緊急停止時の状態で示す構成図。
【図６】従来の燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、定常運転の状態で示す構成図。
【図７】従来の燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、緊急停止時の状態で示す構成図。
【符号の説明】
１０ 燃料電池
２０ ガスタービン発電装置
２１ 圧縮機
２２ 燃焼器
２３ タービン
２４ 発電機
３０ 大気開放部
Ｌ１ 圧縮空気ライン
Ｌ２ 燃料ライン
Ｌ３ 排出燃料ライン
Ｌ４ 排出空気ライン
Ｌ５ 高温・高圧ライン
Ｌ１１ バイパスライン
Ｌ１２，Ｌ１３ 大気開放ライン
Ｖ１ 遮断弁
Ｖ２ 調整弁
Ｖ１１ 三方弁
Ｖ１２ 排出燃料遮断弁
Ｖ１３ 排出空気遮断弁
Ｖ１４，Ｖ１５ 大気開放遮断弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池／ガスタービン複合発電プラントに関し、プラントを緊急停止させても、燃料電池内における燃料と空気との圧力差を発生させることなく、安全に停止させることができるように工夫したものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、空気と燃料とを電解質を介して電気化学反応させて発電を行なう装置であり、高い発電効率で電気エネルギーを発生させることができる。この燃料電池から排出される排出空気や排出燃料の温度は高く、この排出空気及び排出燃料の熱を、ガスタービンのトッピングサイクルにより回収して発電に利用することにより、システム損失を小さくすることができ、高い発電効率を得ることができる。特に、高温型燃料電池では、排出空気や排出燃料の温度が高いので、このような高温型燃料電池とガスタービン発電装置とを組み合わせた複合発電プラントでは、高効率で発電ができる。なお、高温型燃料電池としては、運転温度が約１０００°Ｃの固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）や、運転温度が約６５０°Ｃの溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）がある。
【０００３】
図６は、燃料電池とガスタービン発電装置とを組み合わせた燃料電池／ガスタービン複合発電プラントの一般的な例を示している。この燃料電池／ガスタービン複合発電プラントは、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）などの高温型の燃料電池１０と、ガスタービン発電装置２０とを組み合わせて構成されている。ガスタービン発電装置２０は、圧縮機２１と燃焼器２２とタービン２３と発電機２４を備えている。
【０００４】
圧縮機２１にて圧縮した圧縮空気は、圧縮空気ラインＬ１を通して、燃料電池１０に供給される。また、天然ガスなどの燃料は燃料ラインＬ２を通して、燃料電池１０に供給される。燃料ラインＬ２には、遮断弁Ｖ１と調整弁Ｖ２が介装されている。燃料電池１０では、空気流通空間と燃料流通空間との間に電解質が配置されており、空気流通空間に流れる圧縮空気と燃料流通空間に流れる燃料とが、電解質を介して電気化学反応して発電が行なわれる。
【０００５】
定常運転時には、遮断弁Ｖ１を開状態にすると共に、空気流通空間に流れる圧縮空気の圧力に合わせて調整弁Ｖ２の弁開度を調整することにより、燃料流通空間に流れる燃料の圧力調整をしている。このように、定常運転時には、空気流通空間に流れる圧縮空気の圧力と、燃料流通空間に流れる燃料の圧力を等しくしている。このため、電解質は、空気流通空間側と燃料流通空間側から等しい圧力で均等に押され、電解質には、燃料と圧縮空気との圧力差に起因する機械力が作用することはない。
【０００６】
燃料電池１０から排出された排出燃料及び排出空気は高温になっており、それぞれ、排出燃料ラインＬ３及び排出空気ラインＬ４を通って燃焼器２２に送られる。燃焼器２２は、排出燃料を排出空気中で燃焼して高温・高圧ガスを発生し、この高温・高圧ガスを高温・高圧ガスラインＬ５を通してタービン２３に送る。高温・高圧ガスはタービン２３にて膨張し、タービン２３が回転駆動する。タービン２３の回転駆動力により圧縮機２１及び発電機２４が回転し、発電機２４が発電をする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
緊急停止時には、図７に示すように、遮断弁Ｖ１が緊急遮断されると共に、調整弁Ｖ２も閉塞される。このように遮断弁Ｖ１が緊急遮断されると燃料電池１０への燃料供給が直ちに停止されるが、圧縮機２１は直ちに停止することはできず燃料電池１０への圧縮空気の供給は暫くの間は継続する。このため、燃料電池１０の燃料流通空間における燃料の圧力と、空気流通空間における圧縮空気の圧力との間に圧力差が生じ、この圧力差に起因する大きな機械力が電解質に作用する。このため、燃料電池１０の電解質がこの機械力で押されて、機械的に大きな応力を受け、ダメージを受ける恐れがある。
【０００８】
なお、各図において、各弁は、白抜き状態で描いている場合には開状態であり、黒塗り状態で描いている場合には閉状態であることを示している。
【０００９】
本発明は、上記従来技術に鑑み、緊急停止をしても燃料電池の電解質に、燃料と圧縮空気の圧力差に起因する機械的応力を作用させることのない燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の構成は、圧縮機，燃焼器，タービン及び発電機を備えたガスタービン発電装置と、燃料電池とを組み合わせており、
前記燃料電池は、燃料ラインを通して燃料が供給されると共に前記圧縮機で圧縮された空気が圧縮空気ラインを通して供給され、電気化学反応により発電をし、
前記燃焼器は、前記燃料電池から排出された排出燃料及び排出空気がそれぞれ排出燃料ライン及び排出空気ラインを通して供給され、排出燃料を燃焼することにより高温・高圧ガスを発生してこの高温・高圧ガスを前記タービンに送るようにしている燃料電池／ガスタービン複合発電プラントにおいて、
定常時には入口孔と第１の出口孔を繋ぎ第２の出口孔を塞ぐ第１の流通モードにされ、緊急停止時には入口孔と第２の出口孔を繋ぎ第１の出口孔を塞ぐ第２の流通モードにされる三方弁が、入口孔が前記圧縮機側に位置し第１の出口孔が前記燃料電池側に位置する状態にして、前記圧縮空気ラインに介装され、
前記三方弁の第２の出口孔と前記燃焼器とがバイパスラインにより接続され、前記排出燃料ライン及び前記排出空気ラインには、それぞれ、定常時には開状態にされ緊急停止時には閉状態にされる排出燃料遮断弁及び排出空気遮断弁が介装されていることを特徴とする。
【００１１】
また本発明の構成は、圧縮機，燃焼器，タービン及び発電機を備えたガスタービン発電装置と、燃料電池とを組み合わせており、
前記燃料電池は、燃料ラインを通して燃料が供給されると共に前記圧縮機で圧縮された空気が圧縮空気ラインを通して供給され、電気化学反応により発電をし、
前記燃焼器は、前記燃料電池から排出された排出燃料及び排出空気がそれぞれ排出燃料ライン及び排出空気ラインを通して供給され、排出燃料を燃焼することにより高温・高圧ガスを発生してこの高温・高圧ガスを前記タービンに送るようにしている燃料電池／ガスタービン複合発電プラントにおいて、
定常時には入口孔と第１の出口孔を繋ぎ第２の出口孔を塞ぐ第１の流通モードにされ、緊急停止時には入口孔と第２の出口孔を繋ぎ第１の出口孔を塞ぐ第２の流通モードにされる三方弁が、入口孔が前記圧縮機側に位置し第１の出口孔が前記燃料電池側に位置する状態にして、前記圧縮空気ラインに介装され、
前記三方弁の第２の出口孔と前記燃焼器とがバイパスラインにより接続され、前記排出燃料ライン及び前記排出空気ラインには、それぞれ、定常時には開状態にされ緊急停止時には閉状態にされる排出燃料遮断弁及び排出空気遮断弁が介装され、
前記排出燃料ラインのうち燃料電池と排出燃料遮断弁との間の部分と、前記排出空気ラインのうち燃料電池と排出空気遮断弁との間の部分が、緊急停止時にのみ大気開放となる大気開放系に接続されていることを特徴とする。
【００１２】
また本発明の構成は、圧縮機，燃焼器，タービン及び発電機を備えたガスタービン発電装置と、燃料電池とを組み合わせており、
前記燃料電池は、燃料ラインを通して燃料が供給されると共に前記圧縮機で圧縮された空気が圧縮空気ラインを通して供給され、電気化学反応により発電をし、
前記燃焼器は、前記燃料電池から排出された排出燃料及び排出空気がそれぞれ排出燃料ライン及び排出空気ラインを通して供給され、排出燃料を燃焼することにより高温・高圧ガスを発生してこの高温・高圧ガスを前記タービンに送るようにしている燃料電池／ガスタービン複合発電プラントにおいて、
定常時には入口孔と第１の出口孔を繋ぎ第２の出口孔を塞ぐ第１の流通モードにされ、緊急停止時には入口孔と第２の出口孔を繋ぎ第１の出口孔を塞ぐ第２の流通モードにされる三方弁が、入口孔が前記圧縮機側に位置し第１の出口孔が前記燃料電池側に位置する状態にして、前記圧縮空気ラインに介装され、
前記三方弁の第２の出口孔と前記燃焼器とがバイパスラインにより接続され、前記排出燃料ライン及び前記排出空気ラインには、それぞれ、定常時には開状態にされ緊急停止時には閉状態にされる排出燃料遮断弁及び排出空気遮断弁が介装され、
前記排出燃料ラインのうち燃料電池と排出燃料遮断弁との間の部分と、前記排出空気ラインのうち燃料電池と排出空気遮断弁との間の部分が、緊急停止事象が発生した時点から時間遅れして大気開放となる大気開放系に接続されていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１４】
＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態にかかる燃料電池／ガスタービン複合発電プラントは、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）などの高温型の燃料電池１０と、ガスタービン発電装置２０とを組み合わせて基本的構成が構築されている。ガスタービン発電装置２０は、圧縮機２１と燃焼器２２とタービン２３と発電機２４を備えている。
【００１５】
圧縮機２１にて圧縮した圧縮空気は、圧縮空気ラインＬ１を通して、燃料電池１０に供給される。また、天然ガスなどの燃料は燃料ラインＬ２を通して、燃料電池１０に供給される。燃料ラインＬ２には、遮断弁Ｖ１と調整弁Ｖ２が介装されている。燃料電池１０では、空気流通空間と燃料流通空間との間に電解質が配置されており、空気流通空間に流れる圧縮空気と燃料流通空間に流れる燃料とが、電解質を介して電気化学反応して発電が行なわれる。
【００１６】
定常運転時には、遮断弁Ｖ１を開状態にすると共に、空気流通空間に流れる圧縮空気の圧力に合わせて調整弁Ｖ２の弁開度を調整することにより、燃料流通空間に流れる燃料の圧力調整をしている。このように、定常運転時には、空気流通空間に流れる圧縮空気の圧力と、燃料流通空間に流れる燃料の圧力を等しくしている。このため、電解質は、空気流通空間側と燃料流通空間側から等しい圧力で均等に押され、電解質には、燃料と圧縮空気との圧力差に起因する機械力が作用することはない。
【００１７】
燃料電池１０から排出された排出燃料及び排出空気は高温になっており、それぞれ、排出燃料ラインＬ３及び排出空気ラインＬ４を通って燃焼器２２に送られる。燃焼器２２は、排出燃料を排出空気中で燃焼して高温・高圧ガスを発生し、この高温・高圧ガスを高温・高圧ガスラインＬ５を通してタービン２３に送る。高温・高圧ガスはタービン２３にて膨張し、タービン２３が回転駆動する。タービン２３の回転駆動力により圧縮機２１及び発電機２４が回転し、発電機２４が発電をする。
【００１８】
三方弁Ｖ１１は、入口孔αと第１の出口孔βと第２の出口孔γを有しており、入口孔αが圧縮機２１側に位置し、第１の出口孔βが燃料電池１０側に位置する状態で、圧縮空気ラインＬ１に介装されている。この三方弁Ｖ１１は、入口孔αと第１の出口孔βを繋ぎ第２の出口孔γを塞ぐ第１の流通モードと、入口孔αと第２の出口孔γを繋ぎ第１の出口孔βを塞ぐ第２の流通モードとが選択される。定常運転時には第１の流通モードが選択され、緊急停止時には第２の流通モードが選択される。
【００１９】
三方弁Ｖ１１の第２の出口孔γと燃焼機２２は、バイパスラインＬ１１により接続されている。
【００２０】
排出燃料ラインＬ３には、排出燃料遮断弁Ｖ１２が介装され、排出空気ラインＬ４には、排出空気遮断弁Ｖ１３が介装されている。
【００２１】
排出燃料ラインＬ３のうち燃料電池１０と排出燃料遮断弁Ｖ１２との間には、大気開放ラインＬ１２が接続されている。この大気開放ラインＬ１２は、大気開放遮断弁Ｖ１４が介装されると共に、大気開放部３０に連結されている。
また、排出空気ラインＬ４のうち燃料電池１０と排出空気遮断弁Ｖ１３との間には、大気開放ラインＬ１３が接続されている。この大気開放ラインＬ１３は、大気開放遮断弁Ｖ１５が介装されると共に、大気開放部３０に連結されている。大気開放部３０は、具体的には煙突等の大気に開放している部材である。
そして、大気開放ラインＬ１２，大気開放遮断弁Ｖ１４，大気開放ラインＬ１３，大気開放遮断弁Ｖ１５及び大気開放部３０により、大気開放系が構成されている。
【００２２】
定常運転時には、各弁は図１に示すように、次のように開閉制御されている。（１）遮断弁Ｖ１及び調整弁Ｖ２が開状態となり、
（２）三方弁Ｖ１１は第１の流通モードが選択されて、入口孔αと第１の出口孔βとが接続され、
（３）遮断弁Ｖ１２，Ｖ１３は開状態となり、
（４）遮断弁Ｖ１４，Ｖ１５は閉状態となる。
【００２３】
したがって、定常運転時には、圧縮空気は、圧縮機２１→圧縮空気ラインＬ１→燃料電池１０→排出空気ラインＬ４→燃焼器２２という経路に沿い流れ、燃料は、燃料ラインＬ２→燃料電池１０→排出燃料ラインＬ３→燃焼器２２という経路に沿い流れる。このため、燃料電池１０にて発電が行なわれる。
また、燃焼器２２では、排出燃料と排出空気とが燃焼されて高温・高圧ガスが発生し、この高温・高圧ガスがタービン２３に送られてタービン２３が回転駆動する。これにより発電機２４により発電が行なわれる。
【００２４】
一方、緊急停止時には、各弁は図２に示すように、次のように開閉制御される。この開閉制御（５）〜（８）は、緊急停止事象が発生したら、直ちに、しかも、同時に行なう。
（５）遮断弁Ｖ１及び調整弁Ｖ２を閉状態とし、、
（６）三方弁Ｖ１１を第２の流通モードに選択して、入口孔αと第２の出口孔γとを接続し、
（７）遮断弁Ｖ１２，Ｖ１３を閉状態とし、
（８）遮断弁Ｖ１４，Ｖ１５を開状態とする。
【００２５】
このため、緊急停止時には、圧縮空気は、圧縮機２１→三方弁Ｖ１１→バイパスラインＬ１１→燃焼器２２→タービン２３という経路に沿い流れ、燃料電池１０に供給されることはない。また、遮断弁Ｖ１が遮断されるため燃料が燃料電池１０に供給されることはない。
【００２６】
また、燃料電池１０内の燃料流通空間は、大気開放ラインＬ１２及び大気開放部３０を介して大気開放され、同時に、燃料電池１０内の空気流通空間は、大気開放ラインＬ１３及び大気開放部３０を介して大気開放される。したがって、燃料電池１０内の燃料流通空間の圧力及び空気流通空間の圧力は、緊急停止する事象が発生したら、ほぼ同時に大気圧になる。
この結果、燃料電池１０の燃料流通空間と空気流通空間との間に配置された電解質には、燃料と空気との圧力差に起因する機械力が作用することなく、電解質は機械的な応力を受けることはない。したがって、緊急停止をしても、電解質はダメージを受けることが無くなり、安全に緊急停止することができる。
【００２７】
＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。第２の実施の形態は、機器構成は第１の実施の形態と同じであるが、大気開放系の動作タイミングが、第１の実施の形態と異なっている。したがって、ここでは緊急停止事象が発生したときにおける第２の実施の形態の動作状態のみを説明する。
【００２８】
第２の実施の形態では、緊急停止事象が発生したら、まず各弁を第１ステップの開閉制御をし、その後に第２ステップの開閉制御をする。
【００２９】
即ち、緊急停止事象が発生したら、図３に示すように第１ステップの開閉制御（１１）〜（１４）を、直ちに、しかも、同時に行なう。
（１１）遮断弁Ｖ１及び調整弁Ｖ２を閉状態とし、
（１２）三方弁Ｖ１１を第２の流通モードに選択して、入口孔αと第２の出口孔γとを接続し、
（１３）遮断弁Ｖ１２，Ｖ１３を閉状態とし、
（１４）遮断弁Ｖ１４，Ｖ１５の閉状態を維持する。
【００３０】
このため、緊急停止時には、圧縮空気は、圧縮機２１→三方弁Ｖ１１→バイパスラインＬ１１→燃焼器２２→タービン２３という経路に沿い流れ、燃料電池１０に供給されることはない。また、遮断弁Ｖ１が遮断されるため燃料が燃料電池１０に供給されることはない。
【００３１】
また、燃料電池１０内の燃料流通空間の上流側に配置した遮断弁Ｖ１と下流側に配置した遮断弁Ｖ１２が同時に閉状態になるため、燃料流通空間内の燃料圧力は定常時と略同じ圧力に保持される。一方、燃料電池１０内の空気流通空間の上流側に配置した三方弁Ｖ１１の第１の出口孔βが閉塞されると共に、同時に下流側に配置した遮断弁Ｖ１３が閉状態になるため、空気流通空間内の空気圧力は定常時と略同じ圧力に保持される。
【００３２】
したがって、緊急停止事象が発生して第１ステップの開閉制御をしても、空気流通空間の圧縮空気の圧力と、燃料流通空間の燃料の圧力を略等しくすることができる。このため、電解質は、空気流通空間側と燃料流通空間側から略等しい圧力で均等に押され、電解質には、燃料と圧縮空気との圧力差に起因する機械力が作用することはない。
【００３３】
第１ステップの開閉制御が完了したら、その後に図４に示すように第２ステップの開閉制御をする。第２ステップの開閉制御は、例えば大気開放部３０が煙突である場合に、外部環境の空気の流速が一定速度以上であることを条件に開始する。
【００３４】
第２ステップの開閉制御（１５）〜（１８）は、次の通りである。
（１５）遮断弁Ｖ１及び調整弁Ｖ２の閉状態を維持し、
（１６）三方弁Ｖ１１を第２の流通モードに選択して、入口孔αと第２の出口孔γとを接続する状態を維持し、
（１７）遮断弁Ｖ１２，Ｖ１３の閉状態を維持し、
（１８）遮断弁Ｖ１４，Ｖ１５を閉状態から開状態に変更する。
【００３５】
第２ステップの開閉制御では、遮断弁Ｖ１４，Ｖ１５を閉状態から開状態に変更するため、燃料電池１０内の燃料流通空間は、大気開放ラインＬ１２及び大気開放部３０を介して大気開放され、同時に、燃料電池１０内の空気流通空間は、大気開放ラインＬ１３及び大気開放部３０を介して大気開放される。したがって、燃料電池１０内の燃料流通空間の圧力及び空気流通空間の圧力は、第２ステップの開閉制御をすることにより、ほぼ同時に大気圧になる。
【００３６】
この結果、燃料電池１０の燃料流通空間と空気流通空間との間に配置された電解質には、燃料と空気との圧力差に起因する機械力が作用することなく、電解質は機械的な応力を受けることがなくなる。したがって、緊急停止をしても、電解質はダメージを受けることが無くなり、安全に緊急停止することができる。
また、第２ステップに移行した時には、例えば外部環境の空気流通速度が速いので、外部環境に放出した燃料や空気は容易に拡散する。
【００３７】
＜第３の実施の形態＞
図５は本発明の第３の実施の形態にかかる燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを示す。第３の実施の形態は、第１及び第２の実施の形態において、大気開放系を削除した構成となっている。
【００３８】
第３の実施の形態では、緊急停止事象が発生したら
（２１）遮断弁Ｖ１及び調整弁Ｖ２を閉状態とし、、
（２２）三方弁Ｖ１１を第２の流通モードに選択して、入口孔αと第２の出口孔γとを接続し、
（２３）遮断弁Ｖ１２，Ｖ１３を閉状態とする。
【００３９】
このため、燃料電池１０内の燃料流通空間の上流側に配置した遮断弁Ｖ１と下流側に配置した遮断弁Ｖ１２が同時に閉状態になるため、燃料流通空間内の燃料圧力は定常時と略同じ圧力に保持される。一方、燃料電池１０内の空気流通空間の上流側に配置した三方弁Ｖ１１の第１の出口孔βが閉塞されると共に、同時に下流側に配置した遮断弁Ｖ１３が閉状態になるため、空気流通空間内の空気圧力は定常時と略同じ圧力に保持される。
【００４０】
したがって、緊急停止事象が発生して上述した開閉制御をしても、空気流通空間の圧縮空気の圧力と、燃料流通空間の燃料の圧力を略等しくすることができる。このため、電解質は、空気流通空間側と燃料流通空間側から略等しい圧力で均等に押され、電解質には、燃料と圧縮空気との圧力差に起因する機械力が作用することはない。
【００４１】
【発明の効果】
以上実施の形態と共に具体的に説明したように本発明では、圧縮機，燃焼器，タービン及び発電機を備えたガスタービン発電装置と、燃料電池とを組み合わせており、
前記燃料電池は、燃料ラインを通して燃料が供給されると共に前記圧縮機で圧縮された空気が圧縮空気ラインを通して供給され、電気化学反応により発電をし、
前記燃焼器は、前記燃料電池から排出された排出燃料及び排出空気がそれぞれ排出燃料ライン及び排出空気ラインを通して供給され、排出燃料を燃焼することにより高温・高圧ガスを発生してこの高温・高圧ガスを前記タービンに送るようにしている燃料電池／ガスタービン複合発電プラントにおいて、
定常時には入口孔と第１の出口孔を繋ぎ第２の出口孔を塞ぐ第１の流通モードにされ、緊急停止時には入口孔と第２の出口孔を繋ぎ第１の出口孔を塞ぐ第２の流通モードにされる三方弁が、入口孔が前記圧縮機側に位置し第１の出口孔が前記燃料電池側に位置する状態にして、前記圧縮空気ラインに介装され、
前記三方弁の第２の出口孔と前記燃焼器とがバイパスラインにより接続され、前記排出燃料ライン及び前記排出空気ラインには、それぞれ、定常時には開状態にされ緊急停止時には閉状態にされる排出燃料遮断弁及び排出空気遮断弁が介装されている構成とした。
このため、緊急停止時には、空気流通空間の圧縮空気の圧力と、燃料流通空間の燃料の圧力は、定常運転時の圧力に略等しくなり、両者の圧力は略一致する。このため燃料電池の電解質は、空気流通空間側と燃料流通空間側から略等しい圧力で均等に押され、電解質には、燃料と圧縮空気との圧力差に起因する機械力が作用することはない。この結果、電解質はダメージを受けることなく、安全に緊急停止することができる。
【００４２】
また本発明では、圧縮機，燃焼器，タービン及び発電機を備えたガスタービン発電装置と、燃料電池とを組み合わせており、
前記燃料電池は、燃料ラインを通して燃料が供給されると共に前記圧縮機で圧縮された空気が圧縮空気ラインを通して供給され、電気化学反応により発電をし、
前記燃焼器は、前記燃料電池から排出された排出燃料及び排出空気がそれぞれ排出燃料ライン及び排出空気ラインを通して供給され、排出燃料を燃焼することにより高温・高圧ガスを発生してこの高温・高圧ガスを前記タービンに送るようにしている燃料電池／ガスタービン複合発電プラントにおいて、
定常時には入口孔と第１の出口孔を繋ぎ第２の出口孔を塞ぐ第１の流通モードにされ、緊急停止時には入口孔と第２の出口孔を繋ぎ第１の出口孔を塞ぐ第２の流通モードにされる三方弁が、入口孔が前記圧縮機側に位置し第１の出口孔が前記燃料電池側に位置する状態にして、前記圧縮空気ラインに介装され、
前記三方弁の第２の出口孔と前記燃焼器とがバイパスラインにより接続され、前記排出燃料ライン及び前記排出空気ラインには、それぞれ、定常時には開状態にされ緊急停止時には閉状態にされる排出燃料遮断弁及び排出空気遮断弁が介装され、
前記排出燃料ラインのうち燃料電池と排出燃料遮断弁との間の部分と、前記排出空気ラインのうち燃料電池と排出空気遮断弁との間の部分が、緊急停止時にのみ大気開放となる大気開放系に接続されている構成とした。
このため、緊急停止時には、空気流通空間の圧縮空気の圧力と、燃料流通空間の燃料の圧力は、直ちに大気圧となり、両者の圧力は略一致する。このため燃料電池の電解質には、燃料と空気との圧力差に起因する機械力が作用することはない。この結果、電解質はダメージを受けることなく、安全に緊急停止することができる。
【００４３】
また本発明では、圧縮機，燃焼器，タービン及び発電機を備えたガスタービン発電装置と、燃料電池とを組み合わせており、
前記燃料電池は、燃料ラインを通して燃料が供給されると共に前記圧縮機で圧縮された空気が圧縮空気ラインを通して供給され、電気化学反応により発電をし、
前記燃焼器は、前記燃料電池から排出された排出燃料及び排出空気がそれぞれ排出燃料ライン及び排出空気ラインを通して供給され、排出燃料を燃焼することにより高温・高圧ガスを発生してこの高温・高圧ガスを前記タービンに送るようにしている燃料電池／ガスタービン複合発電プラントにおいて、
定常時には入口孔と第１の出口孔を繋ぎ第２の出口孔を塞ぐ第１の流通モードにされ、緊急停止時には入口孔と第２の出口孔を繋ぎ第１の出口孔を塞ぐ第２の流通モードにされる三方弁が、入口孔が前記圧縮機側に位置し第１の出口孔が前記燃料電池側に位置する状態にして、前記圧縮空気ラインに介装され、
前記三方弁の第２の出口孔と前記燃焼器とがバイパスラインにより接続され、前記排出燃料ライン及び前記排出空気ラインには、それぞれ、定常時には開状態にされ緊急停止時には閉状態にされる排出燃料遮断弁及び排出空気遮断弁が介装され、
前記排出燃料ラインのうち燃料電池と排出燃料遮断弁との間の部分と、前記排出空気ラインのうち燃料電池と排出空気遮断弁との間の部分が、緊急停止事象が発生した時点から時間遅れして大気開放となる大気開放系に接続されている構成とした。
このため、緊急停止時には、空気流通空間の圧縮空気の圧力と、燃料流通空間の燃料の圧力は、定常運転時の圧力に略等しくなり、両者の圧力は略一致する。このため燃料電池の電解質は、空気流通空間側と燃料流通空間側から略等しい圧力で均等に押され、電解質には、燃料と圧縮空気との圧力差に起因する機械力が作用することはない。この結果、電解質はダメージを受けることなく、安全に緊急停止することができる。
また、その後に大気開放されるため、空気流通空間の圧縮空気の圧力と、燃料流通空間の燃料の圧力は大気圧となり、両者の圧力は略一致し、燃料電池中に残存していた燃料や空気を大気中に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、定常運転の状態で示す構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、緊急停止時の状態で示す構成図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、第１ステップの緊急停止時の状態で示す構成図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、第２ステップの緊急停止時の状態で示す構成図。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、緊急停止時の状態で示す構成図。
【図６】従来の燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、定常運転の状態で示す構成図。
【図７】従来の燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、緊急停止時の状態で示す構成図。
【符号の説明】
１０ 燃料電池
２０ ガスタービン発電装置
２１ 圧縮機
２２ 燃焼器
２３ タービン
２４ 発電機
３０ 大気開放部
Ｌ１ 圧縮空気ライン
Ｌ２ 燃料ライン
Ｌ３ 排出燃料ライン
Ｌ４ 排出空気ライン
Ｌ５ 高温・高圧ライン
Ｌ１１ バイパスライン
Ｌ１２，Ｌ１３ 大気開放ライン
Ｖ１ 遮断弁
Ｖ２ 調整弁
Ｖ１１ 三方弁
Ｖ１２ 排出燃料遮断弁
Ｖ１３ 排出空気遮断弁
Ｖ１４，Ｖ１５ 大気開放遮断弁
Claims (3)
- 圧縮機，燃焼器，タービン及び発電機を備えたガスタービン発電装置と、燃料電池とを組み合わせており、
前記燃料電池は、燃料ラインを通して燃料が供給されると共に前記圧縮機で圧縮された空気が圧縮空気ラインを通して供給され、電気化学反応により発電をし、
前記燃焼器は、前記燃料電池から排出された排出燃料及び排出空気がそれぞれ排出燃料ライン及び排出空気ラインを通して供給され、排出燃料を燃焼することにより高温・高圧ガスを発生してこの高温・高圧ガスを前記タービンに送るようにしている燃料電池／ガスタービン複合発電プラントにおいて、
定常時には入口孔と第１の出口孔を繋ぎ第２の出口孔を塞ぐ第１の流通モードにされ、緊急停止時には入口孔と第２の出口孔を繋ぎ第１の出口孔を塞ぐ第２の流通モードにされる三方弁が、入口孔が前記圧縮機側に位置し第１の出口孔が前記燃料電池側に位置する状態にして、前記圧縮空気ラインに介装され、
前記三方弁の第２の出口孔と前記燃焼器とがバイパスラインにより接続され、
前記排出燃料ライン及び前記排出空気ラインには、それぞれ、定常時には開状態にされ緊急停止時には閉状態にされる排出燃料遮断弁及び排出空気遮断弁が介装されていることを特徴とする燃料電池／ガスタービン複合発電プラント。 - 圧縮機，燃焼器，タービン及び発電機を備えたガスタービン発電装置と、燃料電池とを組み合わせており、
前記燃料電池は、燃料ラインを通して燃料が供給されると共に前記圧縮機で圧縮された空気が圧縮空気ラインを通して供給され、電気化学反応により発電をし、
前記燃焼器は、前記燃料電池から排出された排出燃料及び排出空気がそれぞれ排出燃料ライン及び排出空気ラインを通して供給され、排出燃料を燃焼することにより高温・高圧ガスを発生してこの高温・高圧ガスを前記タービンに送るようにしている燃料電池／ガスタービン複合発電プラントにおいて、
定常時には入口孔と第１の出口孔を繋ぎ第２の出口孔を塞ぐ第１の流通モードにされ、緊急停止時には入口孔と第２の出口孔を繋ぎ第１の出口孔を塞ぐ第２の流通モードにされる三方弁が、入口孔が前記圧縮機側に位置し第１の出口孔が前記燃料電池側に位置する状態にして、前記圧縮空気ラインに介装され、
前記三方弁の第２の出口孔と前記燃焼器とがバイパスラインにより接続され、
前記排出燃料ライン及び前記排出空気ラインには、それぞれ、定常時には開状態にされ緊急停止時には閉状態にされる排出燃料遮断弁及び排出空気遮断弁が介装され、
前記排出燃料ラインのうち燃料電池と排出燃料遮断弁との間の部分と、前記排出空気ラインのうち燃料電池と排出空気遮断弁との間の部分が、緊急停止時にのみ大気開放となる大気開放系に接続されていることを特徴とする燃料電池／ガスタービン複合発電プラント。 - 圧縮機，燃焼器，タービン及び発電機を備えたガスタービン発電装置と、燃料電池とを組み合わせており、
前記燃料電池は、燃料ラインを通して燃料が供給されると共に前記圧縮機で圧縮された空気が圧縮空気ラインを通して供給され、電気化学反応により発電をし、
前記燃焼器は、前記燃料電池から排出された排出燃料及び排出空気がそれぞれ排出燃料ライン及び排出空気ラインを通して供給され、排出燃料を燃焼することにより高温・高圧ガスを発生してこの高温・高圧ガスを前記タービンに送るようにしている燃料電池／ガスタービン複合発電プラントにおいて、
定常時には入口孔と第１の出口孔を繋ぎ第２の出口孔を塞ぐ第１の流通モードにされ、緊急停止時には入口孔と第２の出口孔を繋ぎ第１の出口孔を塞ぐ第２の流通モードにされる三方弁が、入口孔が前記圧縮機側に位置し第１の出口孔が前記燃料電池側に位置する状態にして、前記圧縮空気ラインに介装され、
前記三方弁の第２の出口孔と前記燃焼器とがバイパスラインにより接続され、
前記排出燃料ライン及び前記排出空気ラインには、それぞれ、定常時には開状態にされ緊急停止時には閉状態にされる排出燃料遮断弁及び排出空気遮断弁が介装され、
前記排出燃料ラインのうち燃料電池と排出燃料遮断弁との間の部分と、前記排出空気ラインのうち燃料電池と排出空気遮断弁との間の部分が、緊急停止事象が発生した時点から時間遅れして大気開放となる大気開放系に接続されていることを特徴とする燃料電池／ガスタービン複合発電プラント。
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