JP2004060574A - 複合発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、燃焼器の各部位が十分に冷却されて燃焼器に燃料電池から排出される高温の排ガスを供給される燃料電池とガスタービンとによる複合発電システムを提供することを目的とする。
【解決手段】ＳＯＦＣ３のカソードから燃料ガスを含む高温の排ガスが燃焼器４に供給されるとともに、ＳＯＦＣ３のアノードから空気を含む高温の排ガスが燃焼器４に供給される。このとき、圧縮機１で圧縮された圧縮空気の一部がオリフィス１３を介して燃焼器４に供給されて、燃焼器４の冷却を行う。この燃焼器４の冷却を行った圧縮空気は、ＳＯＦＣ３からの排ガスに含まれる圧縮空気とともに、ＳＯＦＣ３からの排ガスに含まれる燃料ガスの燃焼に利用される。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンを備えた複合発電システムに関するもので、特に、燃料電池を利用してエネルギー効率を高くした複合発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガスタービンを備えた発電システムにおいて、更にエネルギー効率を高くするために、蒸気タービンや燃料電池などと組み合わせた様々な形態の複合発電システムが提供されている。このようなガスタービンを備えた複合発電システムにおいて、燃料電池が高い発電効率で電気エネルギーを発生するとともに燃料電池からの排ガスの熱エネルギーをガスタービン及び蒸気タービンで回収する事ができるので、システムから排出される熱（＝システム損失）を更に小さくすることになり、期待されている。
【０００３】
このように燃料電池とガスタービンを備えた従来の複合発電システムを、図１０に示す。図１０の複合発電システムは、空気を圧縮する圧縮機１０１と、燃焼器１０４によって生成された燃焼ガスによって回転されるガスタービン（ＧＴ）１０２と、圧縮機１０１からの空気と改質水蒸気を含む燃料ガスによって発電を行う固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）１０３と、ＳＯＦＣ１０３からの排ガスを燃焼させて燃焼ガスを発生する燃焼器１０４と、ＧＴ１０２からの排ガスによる熱エネルギーを利用して高温蒸気を発生させる排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）１０５と、ＨＲＳＧ１０５で生成された蒸気によって回転される蒸気タービン（ＳＴ）１０６とを備える。ＧＴ１０２及びＳＴ１０６が回転することで、発電機１０７が回転して発電が行われるとともに、ＳＯＦＣ１０３によっても発電が行われる。
【０００４】
この複合発電システムにおいて、ＳＯＦＣ１０３のアノード側は循環用ファン１０８により空気極循環ガスが循環し、圧縮機１０１からの圧縮空気が補充供給され、補充に見合った空気極排ガスが排出される。又、ＳＯＦＣ１０３のカソード側では循環用ファン１１０により燃料極循環ガスが循環し、燃料予熱器１０９からの燃料ガス及びＨＲＳＧ１０５からの改質蒸気とが補充供給され、補充に見合った燃料極排ガスが排出される。空気極排ガス及び燃料極排ガスはそれぞれ燃焼器１０４に供給される。
【０００５】
燃焼器１０４においては燃料排ガス中の残燃料と燃料予熱器１０９からの燃料ガスとが空気極排ガス中の酸素と反応燃焼し高温ガスとなりＧＴ１０２を駆動する。そして、ＧＴ１０２からの排ガスがＨＲＳＧ１０５に供給され復水器１１１からの水が加熱されて、蒸気が生成される。この蒸気の一部がＳＴ１０６に与えられてＳＴ１０６が回転するとともに、残りが改質蒸気として燃料ガスと混合されＳＯＦＣ１０３の燃料極循環路へ補充供給される。又、ＧＴ１０２からの排ガスは、ＨＲＳＧ１０５で冷却され、煙突１１２から大気中へ放出される。
【０００６】
このようなＧＴ１０２とＳＯＦＣ１０３とによる複合発電システムによると、ＳＯＦＣ１０３で発電し排出された高温の排ガスを燃焼器１０４に供給するので、燃焼器１０４に燃料予熱器１０９から燃焼器へ直接供給する燃料ガス量が少なくても燃焼ガス温度をＧＴ１０２を駆動する値に維持できるので、高いシステム効率とすることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の複合発電システムにおいて、ＳＯＦＣ１０２の動作温度として最適な温度が略１０００℃であるため、１０００℃前後の温度の燃料ガスや圧縮空気がＳＯＦＣ１０３を循環する。又、図１０のように、ＳＯＦＣ１０３から燃焼器１０４に供給される排ガスを冷却することなく利用することで、その温度を高くすることができるため、燃焼器１０４へ供給する燃料量を低く押さえることができる。
【０００８】
しかしながら、従来のガスタービンが圧縮機で圧縮された圧縮空気（４００℃あまり）と燃料を燃焼器１０４で燃焼させるのに対し、このシステムの場合、燃焼器１０４に流入するのは１０００℃前後のＳＯＦＣ１０３からの空気極排ガスと燃料極排ガス及び燃料予熱器１０９からの燃料ガスである。高温の排ガスが供給されて燃焼動作が行われるとき、燃焼器１０４を構成する各部位には金属材料が採用されておりその耐熱性が問題となる。この燃焼器１０４の各部位を構成する金属の耐熱温度等にも限界があり、燃焼器１０４は１０００℃前後の排ガス雰囲気中で絶えることができない。
【０００９】
このような問題を鑑みて、本発明は、燃焼器の各部位を十分に冷却して、燃料電池から排出される高温の排ガスに耐えることができる、燃料電池とガスタービンとによる複合発電システム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】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の複合発電システムは、大気を圧縮する圧縮機と、燃料ガス及び前記圧縮機からの圧縮空気がそれぞれカソード及びアノードに供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池からの排ガスを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で燃焼して得られた燃焼ガスによって回転されるガスタービンと、該ガスタービンが回転することによって発電する発電機と、を備える複合発電システムにおいて、前記燃料電池のカソード及びアノードからの高温の排ガスが前記燃焼器に供給されることで、前記燃焼器において、前記燃料電池の排ガスに含まれる燃料ガスと酸素が燃焼されて前記燃焼ガスが生成され、燃焼動作を行う前記燃焼器の各部位に冷却ガスが供給されることを特徴とする。
【００１１】
このような複合発電システムにおいて、前記燃焼器を構成するノズルや内筒や尾筒などの各部位が冷却ガスによって冷却されるため、燃料電池からの高温の排ガスが供給されてもその耐熱性を維持することができる。又、この結果、燃焼器において、燃料電池からの高温の排ガスが利用できるので、システムの熱効率を高くすることができる。
【００１２】
このような複合発電システムにおいて、請求項２に記載するように、前記冷却ガスが、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部とする。この圧縮空気は、燃焼器の冷却に利用した後に燃焼器での燃焼動作に利用することができる。このとき、更に、請求項３に記載するように、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部を更に圧縮して加圧する加圧機を備え、前記冷却ガスを、前記圧縮機からの圧縮空気の一部が前記加圧機によって更に加圧された圧縮空気とすることで、冷却するために長い経路を通過する圧縮空気が十分に供給可能な圧力に加圧することができる。この加圧機として、ブースタファンを用いても構わない。
【００１３】
又、請求項４に記載するように、外部の大気を圧縮して前記冷却ガスとなる圧縮空気を生成する冷却空気用圧縮機を備え、該冷却空気用圧縮機からの圧縮空気が前記燃焼器に供給されて前記燃焼器を冷却するようにしても構わない。
【００１４】
又、請求項５に記載するように、ガスタービンから排出される排ガスの排熱によって蒸気を生成する排熱回収ボイラを備え、該排熱回収ボイラから蒸気の一部が前記冷却ガスとして前記燃焼器に供給される。
【００１５】
このとき、更に、請求項６に記載するように、前記排熱回収ボイラで生成された蒸気によって回転を行うことで前記発電機を回転させる蒸気タービンを備え、該蒸気タービンから排出される蒸気の一部が前記冷却ガスとして前記燃焼器に供給されるようにしても構わない。即ち、ガスタービンからの排ガスの排熱利用が成されて得られた蒸気により蒸気タービンを回転させることで、更に、複合発電システムの熱効率を高くするとともに、この蒸気タービンからの排ガスを燃焼器の冷却ガスとして有効利用することができる。
【００１６】
この排ガスを冷却ガスとして利用される蒸気タービンを高圧蒸気タービンとすることによって、燃焼器を冷却するための経路を十分に通過することができる圧力の蒸気を冷却ガスとして供給することができる。
【００１７】
又、請求項７に記載するように、前記排熱回収ボイラで生成された蒸気によって回転を行うことで前記発電機を回転させる蒸気タービンを備え、前記排熱回収ボイラから前記蒸気タービンに給気される蒸気の一部が前記冷却ガスとして前記燃焼器に供給されるようにしても構わない。即ち、排熱回収ボイラから蒸気タービンへ給気される蒸気を燃焼器の冷却ガスとして利用することで、蒸気タービンへ給気する蒸気の一部を加熱することができる。
【００１８】
この給気される蒸気の一部を冷却ガスとして利用される蒸気タービンを中圧蒸気タービンとすることによって、燃焼器を冷却するための経路を十分に通過することができる圧力の蒸気を冷却ガスとして供給することができる。
【００１９】
更に、請求項８に記載するように、前記冷却ガスとなる前記蒸気が前記燃焼器を冷却した後に前記排熱回収ボイラに回収されるようにしても構わないし、又、請求項９に記載するように、前記冷却ガスとなる前記蒸気が前記燃焼器を冷却した後に前記蒸気タービンに給気されるようにしても構わない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の複合発電システムの構成を示すブロック図である。
【００２１】
図１の複合発電システムは、図１０の従来の複合発電システムと同様、空気を圧縮する圧縮機１と、燃焼ガスによって回転するＧＴ２と、化学反応することで電気を発生させるＳＯＦＣ３と、ＳＯＦＣ３からの排ガスと燃料予熱器９からの燃料ガスとの混合ガスを燃焼する燃焼器４と、ＧＴ２からの排ガスによる熱エネルギーにより蒸気を発生するＨＲＳＧ５と、ＨＲＳＧ５からの蒸気によって回転するＳＴ６と、ＧＴ２及びＳＴ６の回転によって発電を行う発電機７とを備える。
【００２２】
又、ＳＯＦＣ３のアノード側の空気極循環ガスを循環させる循環用ファン８と、燃料ガスを加熱するための燃料予熱器９と、ＳＯＦＣ３のカソード側の燃料極循環ガスを循環させる循環用ファン１０と、ＳＴ６から排出される蒸気が復水される復水器１１と、ＨＲＳＧ５で冷却された排ガスを放出する煙突１２とを備える。更に、圧縮機１からの圧縮空気を分岐して燃焼器４を冷却するための空気として利用する際、その流量及び圧力を調整するためのオリフィス１３を備える。
【００２３】
このように構成される複合発電システムは、ＳＯＦＣ３のアノード側では、循環用ファン８により空気極循環ガスが循環し、圧縮機１が回転することで圧縮された圧縮空気が補充供給され、その補充に見合った空気極排ガスが排出される。又、ＳＯＦＣ３のカソード側では、循環用ファン１０により燃料極循環ガスが循環し、燃料予熱器９からの燃料ガス及びＨＲＳＧ５からの改質蒸気とが補充供給され、補充に見合った燃料極排ガスが排出される。この空気極排ガス及び燃料極排ガスはそれぞれ燃焼器４に供給される。
【００２４】
このように、ＳＯＦＣ３内に圧縮空気を含む空気極循環ガスと燃料ガス及び改質蒸気を含む燃料極循環ガスとを供給することで、ＳＯＦＣ３内を略１０００℃雰囲気として、アノード側とカソード側とを隔てる電解質膜にて電気化学反応を起こすことで発電を行う。このようにＳＯＦＣ３で発電が行われる際に電気化学反応が行われてＳＯＦＣ３のアノード側及びカソード側のそれぞれから排出される排ガスは、循環用ファン８，１０によって再度ＳＯＦＣ３のアノード側及びカソード側に供給されるように循環される。
【００２５】
又、ＳＯＦＣ３のアノード側及びカソード側それぞれからの排ガスの一部が、燃焼器４に供給される。このとき、燃料予熱器９で加熱された燃料ガスの一部が燃焼器４に与えられる。燃焼器４では、ＳＯＦＣ３の燃料極排ガスに含まれる燃料ガス及び燃料予熱器９からの燃料ガスを、ＳＯＦＣ３の空気極排ガスに含まれる空気を利用して燃焼させて燃焼ガスをＧＴ２に供給し、ＧＴ２を回転させる。
【００２６】
ＧＴ２を回転させた燃焼ガスがＧＴ２から排出され、排ガスとしてＨＲＳＧ５に供給される。このＨＲＳＧ５ではＧＴ２からの排ガスの排熱を利用して、復水器１１から供給される水を加熱して水蒸気を生成し、ＳＴ６に供給しＳＴ６を回転させる。このＳＴ６を回転させた水蒸気は、ＳＴ６から復水器１１に排出される。又、ＨＲＳＧ５で排熱利用されることで冷却されたＧＴ２からの排ガスは、煙突１２から大気中へ放出される。又、ＨＲＳＧ５からの水蒸気は、改質蒸気としてＳＯＦＣ３にも供給される。
【００２７】
このようにして動作する際、圧縮機１で圧縮されて得られた圧縮空気の一部がオリフィス１３で流量及び圧力が調整されて、燃焼器４に供給される。このオリフィス１３を介して燃焼器４に供給される略４００℃の圧縮空気は、燃焼器４を構成する各部位を冷却するための冷却空気として利用される。この冷却空気が燃焼器４の各部位に設けられた空気流路に流れ込むことによって、高温の燃料ガス及び圧縮空気を含むＳＯＦＣ３の排ガスが供給される燃焼器４が冷却される。そして、燃焼器４では、各部位を冷却した冷却空気は、そのまま燃焼器４内の燃料ガスの燃焼に利用される。
【００２８】
このように、冷却空気が供給されて各部位が冷却される燃焼器４は、図２のように構成される。図２の燃焼器４は、その上流側に、中央部に配置されるパイロットノズル３１と、パイロットノズル３１の周囲に等間隔に配置される複数のメインノズル３２とを備え、又、このパイロットノズル３１及びメインノズル３２が挿入されるとともに燃焼室３５を備える内筒３３と、内筒３３が挿入される尾筒３４とを備える。
【００２９】
又、この燃焼器４において、内筒３３の筒状部位及び尾筒３４は、例えば、冷却空気となる圧縮空気を通過するための二重構造とされる。この内筒３３及び尾筒３４の構造の例として、図３のような構成が挙げられる。即ち、内筒３３及び尾筒３４は、内筒３３及び尾筒３４の外側に設けられた金属板４１と、冷却空気を通すための冷却空気通過溝４３と冷却空気通過溝４３を通過して冷却作用を行った冷却空気を内筒３３及び尾筒３４の内側に排出するための冷却空気排出孔４４とが設けられた金属板４２とによって、二重筒構造とされる。又、内筒３３及び尾筒３４のそれぞれには、図２のように、冷却空気を導入するための冷却空気入口管３３ａ，３４ａが設けられている。尚、図２の矢印が、内筒３３及び尾筒３４を冷却する圧縮空気の流れを示す。
【００３０】
即ち、内筒３３及び尾筒３４は、燃焼器４にオリフィス１３を介して供給される冷却空気となる圧縮機１からの圧縮空気が金属板４１に接合された冷却空気入口管３３ａ，３４ａを通じて導入される。この導入された冷却空気は、金属板４２に構成された冷却空気通過溝４３と金属板４１によって形成された経路を通過することで、内筒３３及び尾筒３４の温度が上昇することを防ぐ。このようにして、内筒３３及び尾筒３４の加熱を防ぐために冷却空気通過溝４３を通過して冷却作用を行った冷却空気を、金属板４２の冷却空気排出孔４４より内筒３３及び尾筒３４の内側に排出する。尚、内筒３３の内側に排出された冷却空気は、燃焼器４内における燃料ガスの燃焼に利用される。
【００３１】
又、内筒３３には、パイロットノズル３１及びメインノズル３２それぞれの先端に圧縮空気を誘導するためのスワラーが設けられているが、このスワラーについても、内筒３３の筒状部位に供給された冷却空気を通すための導入孔がレーザーなどで形成され、オリフィス１３より与えられる冷却空気で冷却されるような構造とされる。又、パイロット火炎を拡散燃焼して誘導する内筒３３に付属されるパイロットコーン３１ａについても、二重構造として、内筒３３の筒状部位に供給された冷却空気が通過するように構成される。
【００３２】
更に、パイロットノズル３１及びメインノズル３２についても、ＳＯＦＣ３からの排ガスとなる空気及び燃料ガスのみが供給されるのではなく、オリフィス１３を介して供給される冷却空気となる圧縮機１からの圧縮空気も供給される。以下に、メインノズル３２を代表して、その構造を以下に説明する。図４は、メインノズル３２の構成を示す断面図である。
【００３３】
図４のメインノズル３２は、オリフィス１３からの冷却空気が通る冷却空気導入管５１と、冷却空気導入管５１の周囲に燃料ガスが含まれるＳＯＦＣ３のカソードからの排ガスを通過させる燃料ガス導入管５２と、燃料ガス導入管５２の周囲に空気が含まれるＳＯＦＣ３のアノードからの排ガスを通過させるための排ガス空気導入管５３とから構成される三重管構成とされる。又、ノズルの先端部５４に、冷却空気導入管５１の内部を通って供給された冷却空気を内筒３３の内部に噴出する冷却空気噴出口５１ａと、冷却空気導入管５１と燃料ガス導入管５２との間を通って供給された燃料ガスを内筒３３の内部に噴出する燃料ガス噴出口５２ａと、燃料ガス導入管５２と排ガス空気導入管５３との間を通って供給された空気を内筒３３の内部に噴出する排ガス空気噴出口５３ａと、が設けられる。
【００３４】
このように構成されたメインノズル３２において、供給された冷却空気が冷却空気導入管５１の中心に設けられた冷却空気供給部５１ｂを通過して、ノズルの先端部５４に冷却空気が導かれてメインノズル３２を冷却すると、先端部５４に設けられた冷却空気噴出口５１ａより冷却空気が噴出される。又、供給されたＳＯＦＣ３のカソードからの排ガスが、冷却空気導入管５１と燃料ガス導入管５２との間に構成される燃料ガス供給部５２ｂを通過して、ノズルの先端部５４に燃料ガスが導かれて、先端部５４に設けられた燃料ガス噴出口５２ａより噴出される。更に、供給されたＳＯＦＣ３のアノードからの排ガスが、燃料ガス導入管５２と排ガス空気導入管５３との間に構成される排ガス空気供給部５３ｂを通過して、ノズルの先端部５４に排ガスとなる空気が導かれて、先端部５４に設けられた排ガス空気噴出口５３ａより噴出される。
【００３５】
このように、燃料ガス噴出口５２ａより噴出される燃料ガスは、メインノズル３２の周囲を通過して供給される圧縮空気と、冷却空気噴出口５１ａより噴出される冷却空気と、排ガス空気噴出口５３ａより噴出されるＳＯＦＣ３からの排ガスとなる空気によって、燃焼される。尚、メインノズル３２についてのみを説明したが、パイロットノズルについても同様に、ノズルの先端まで冷却空気を導入させる冷却空気導入管と、冷却空気導入管の周囲にＳＯＦＣ３からのカソード排ガスを通過させる燃料ガス導入管と、燃料ガス導入管の周囲にＳＯＦＣ３からのアノード排ガスを通過させる排ガス空気導入管とを設ける構成とすることで、パイロットノズルが冷却空気で冷却される構造とすることができる。
【００３６】
このように、本実施形態によると、圧縮機１によって圧縮されたら略４００℃の圧縮空気を冷却空気として、燃焼器４の各部位の冷却に利用することで、燃焼器４に供給されるＳＯＦＣ３から排出される排ガスによる燃焼器４の各部位の熱疲労を抑制し、耐熱効果を高めている。又、燃焼器４を圧縮空気で冷却して高温の燃料ガスを供給することができるため、燃料予熱器９から供給する燃料ガスの量を少なくすることができるため、システム全体の熱効率を高くすることができる。
【００３７】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図５は、本実施形態の複合発電システムの構成を示すブロック図である。尚、図５の複合発電システムにおいて、図１の複合発電システムと同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３８】
図５の複合発電システムは、図１の複合発電システムと異なり、圧縮機１からの圧縮空気を分岐して得られる燃焼器４を冷却するための冷却空気を更に高圧に圧縮するためのブースタファン１４を、オリフィス１３の代わりに備える。このブースタファン１４は、外部のモータ１５によって回転動作させる。その他の構成については、第１の実施形態と同一で、ＳＯＦＣ３内での化学反応による発電と、ＧＴ２及びＳＴ６の回転による発電機７による発電とが行われる。又、ＳＯＦＣ３の排ガスを利用して燃焼器４が燃焼動作を行い、燃焼ガスをＧＴ２に供給する。
【００３９】
又、このとき、燃焼機４の各部位は、第１の実施形態と同様、例えば、図３に示す内筒又は図４に示すメインノズルなどのような二重筒構造や三重管構造などの構成とされて、ブースタファン１４で圧縮された冷却空気が通るような構成とされる。このようにブースタファン１４で更に高圧とした冷却空気を燃焼器４に与えるため、燃焼器４に細かく長い経路として作成された冷却空気用の通路内を十分に冷却空気を通すことができる。
【００４０】
上述の第１及び第２の実施形態において、燃焼器４を冷却するための冷却するために圧縮機１で得られた圧縮空気を分岐して得られた圧縮空気を、冷却空気クーラを利用して冷却するようにしても構わない。又、外部からの空気を冷却空気として利用するために、圧縮機１とは異なる圧縮機を設けて、この別に設けた圧縮機で圧縮された外部空気を燃焼器４に供給するようにしても構わない。更に、燃焼器４を構成する各部位について、図３及び図４のような構造に限定するものではなく、冷却空気が通過した後に燃焼ガスの燃焼に利用されるような構造とするものであればよい。
【００４１】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。図６は、本実施形態の複合発電システムの構成を示すブロック図である。尚、図６の複合発電システムにおいて、図１の複合発電システムと同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４２】
本実施形態の複合発電システムは、第１及び第２の実施形態と異なり、燃焼器４を冷却するための気体として、圧縮空気でなく蒸気を使用する。図６の複合発電システムは、ＳＴ６として、高圧蒸気タービン（ＨＳＴ）６ｈと、中圧蒸気タービン（ＩＳＴ）６ｉと、低圧蒸気タービン（ＬＳＴ）６ｌとを備える。このＨＳＴ６ｈ及びＩＳＴ６ｉ及びＬＳＴ６ｌを回転させる蒸気が、ＨＲＳＧ５から供給される。
【００４３】
又、ＨＲＳＧ５において復水器１１から給水された水より生成された蒸気がＬＳＴ６ｌに供給される蒸気とされ、又、復水器１１から給水された水より生成された更に高圧の蒸気がＩＳＴ６ｉに供給される蒸気とされる。又、復水器１１から給水された水より生成された更に高圧の蒸気がＨＳＴ６ｈに供給される蒸気とされる。
【００４４】
このようにＬＳＴ６ｌ及びＩＳＴ６ｉ及びＨＳＴ６ｈのそれぞれに供給される蒸気が生成されるとき、ＨＳＴ６ｈを回転させた後に排気される蒸気をＨＲＳＧ５で加熱することで昇温して、ＩＳＴ６ｉに供給される。又、ＩＳＴ６ｉを回転させた後に排気される蒸気をＨＲＳＧ５で加熱することで昇温して、ＬＳＴ６ｌに供給される。そして、ＬＳＴ６ｌを回転された後に排気される蒸気は、復水器１１に供給されて復水される。
【００４５】
このとき、ＨＳＴ６ｈからの排気となる蒸気の一部を、燃焼器４を冷却するための冷却用蒸気として燃焼器４に供給する。このように冷却用蒸気として、ＨＳＴ６ｈを回転させた後に排気される蒸気を利用することによって、十分に冷却作用のある蒸気を燃焼器４に供給させることができる。又、ＨＳＴ６ｈからの排気となる蒸気が利用されるため、その蒸気の圧力が十分に高いので、燃焼器４の冷却させるための長い経路を十分に通過させることができる。
【００４６】
このように複合発電システムが動作させるために、燃焼器４の構成が、図７のようになる。尚、図７のような構成の燃焼器４において、図２の構成と同一の構成となる部分については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。図７の燃焼器４は、冷却作用を行うための水蒸気を導入するための冷却蒸気入口管３３ｂ，３４ｂと、冷却作用を行った水蒸気を回収するための冷却蒸気排出管３３ｃ、３４ｃとが内筒３３及び尾筒３４に設けられる。又、内筒３３及び尾筒３４は、図３と異なり、その内側に設けられる冷却空気通過溝を備える金属板に、冷却空気排出孔が設けられない。尚、図７の矢印が内筒３３及び尾筒３４を冷却する蒸気の流れを示す。
【００４７】
よって、内筒３３及び尾筒３４を冷却するためのＨＳＴ６ｈからの排気となる蒸気が冷却蒸気入口管３３ｂ，３４ｂより供給されると、内筒３３及び尾筒３４に設けられた図３の冷却空気通過溝に相当する冷却蒸気通過溝を通過して内筒３３及び尾筒３４を冷却する。このように内筒３３及び尾筒３４を冷却した蒸気は、冷却蒸気排出管３３ｃ，３４ｃより排出されて、ＨＲＳＧ５に回収される。
【００４８】
又、パイロットノズル３１及びメインノズル３２に供給される冷却蒸気となるＨＳＴ６ｈからの排気となる蒸気は、パイロットノズル３１及びメインノズル３２の先端まで供給されて冷却が行われると、先端部で折り返して燃料ガス及び冷却蒸気が供給される上流側に導かれた後に排出され、ＨＲＳＧ５に回収される。このように冷却蒸気が供給された後に排出されるためのパイロットノズル３１及びメインノズル３２の構成を、図８のような構成のメインノズル３２を代表して説明する。
【００４９】
図８のメインノズル３２は、冷却蒸気を通過させる冷却蒸気導入管５５と、冷却蒸気導入管５５の周囲にＳＯＦＣ３のカソード排ガスを通過させる燃料ガス導入管５２と、燃料ガス導入管５２の周囲にＳＯＦＣ３のアノード排ガスを通過させる排ガス空気導入管５３と、冷却蒸気導入管５５内に設けられるとともに冷却蒸気を先端部５７まで供給する冷却蒸気供給路５５ａと先端部５７まで供給された冷却蒸気を排出する冷却蒸気排出路５５ｂとを形成するための仕切部５６とから構成される四重管構成とされる。
【００５０】
尚、燃料ガスを含むＳＯＦＣ３のカソードからの排ガスは、冷却蒸気導入管５５と燃料ガス導入管５２との間に構成される燃料ガス供給部５２ｂによって先端部５７まで導入されると、第１の実施形態と同様、燃料ガス噴出口５２ａから内筒３３の内部に噴出される。又、空気を含むＳＯＦＣ３のアノードからの排ガスは、燃料ガス導入管５２と排ガス空気導入管５３との間に構成される排ガス空気供給部５３ｂによって先端部５７まで導入されると、第１の実施形態と同様、排ガス空気噴出口５３ａから内筒３３の内部に噴出される。
【００５１】
このように構成されるメインノズル３２は、冷却空気導入管５５内部における仕切部５６によって構成された冷却蒸気供給路５５ａを、ＨＳＴ６ｈからの排気となる冷却蒸気が通ることによって、ノズルの先端部５７まで冷却蒸気が供給されてノズル全体が冷却される。このような冷却作用を行った冷却蒸気は、冷却蒸気導入管５５内部において仕切部５６により冷却蒸気供給路５５ａの逆側に構成される冷却蒸気排出路５５ｂを通過して排出され、ＨＲＳＧ５に回収される。
【００５２】
このように燃焼器４の各部が構成されることによって、ＨＳＴ６ｈより排出された蒸気が、燃焼器４の各部の冷却に使用された後、燃焼器４から排出されてＨＲＳＧ５に回収される。そして、このＨＲＳＧ５に回収された蒸気は、再び、ＨＲＳＧ５で加熱されて昇温された後、ＩＳＴ６ｉに供給される。
【００５３】
尚、本実施形態において、ＨＳＴから排気される蒸気の一部を冷却蒸気として利用するようにしたが、ＩＳＴから抽気した蒸気を冷却蒸気として利用するようにしても構わない。
【００５４】
＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態について、図面を参照して説明する。図９は、本実施形態の複合発電システムの構成を示すブロック図である。尚、図９の複合発電システムにおいて、図６の複合発電システムと同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５５】
図９の複合発電システムは、図６の複合発電システムと異なり、ＨＲＳＧ５よりＩＳＴ６ｉに供給される蒸気の一部が、冷却蒸気として燃焼器４に供給される。即ち、ＨＳＴ６ｈから排気された蒸気及びＨＲＳＧ５でＬＳＴ６ｌに供給するための蒸気の一部が、燃焼器４に供給される。その他の構成については、図６の複合発電システムと同様の構成とされる。この燃焼器４の冷却蒸気として利用された蒸気は、ＩＳＴ６ｉに供給されてＩＳＴ６ｉを回転させる。
【００５６】
このように構成される複合発電システムは、第３の実施形態と同様、燃焼器４の各部位が図７及び図８のように構成されることによって、燃焼器４に供給される冷却蒸気は燃料器４での冷却作用を行うと、排出されてＩＳＴ６ｉに供給される。尚、本実施形態では、冷却作用を行った冷却蒸気がＩＳＴ６ｉに供給されるものとしたが、ＨＲＳＧ５に回収されて再度昇温されてＩＳＴ６ｉに供給されるようにしても構わない。
【００５７】
上述の第３及び第４の実施形態において、複合発電システム内で発生する蒸気の一部を、燃焼器４を冷却するための冷却蒸気として、燃焼器４に供給しているが、例えば、他の発電システムなどで発生した蒸気などのような外部からの蒸気を、冷却蒸気として燃焼器４に供給するようにしても構わない。更に、燃焼器４を構成する各部位について、図３及び図８のような構造に限定するものではなく、冷却蒸気が通過した後に回収されるような構造とするものであればよい。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によると、燃焼器の各部位が冷却ガスによって冷却されるため、燃料電池からの耐熱限界となる高温の排ガスが供給されても熱疲労を抑止することができる。よって、燃焼器において、燃料電池からの高温の排ガスを利用して燃焼動作が行われ、燃焼機内での熱効率を高くすることができるとともに、複合発電システム全体の効率を上げることができる。又、加圧機や冷却空気用圧縮機で十分に高い圧力の圧縮空気を冷却ガスとして利用することによって、燃焼器を冷却するための長く細い経路に対して、十分に供給することができる。
【００５９】
又、排熱回収ボイラで生成された蒸気によって燃焼器の冷却を行うことによって、排熱回収ボイラで有効に熱利用された蒸気が利用されるので、複合発電システム全体の効率を上げることができる。更に、この冷却用に用いられる蒸気を、排熱回収ボイラから蒸気タービンに供給された後に排出される蒸気とすることによって、有効利用された蒸気が更に燃焼器冷却に利用されるため、複合発電システムの効率を上げることができる。又、蒸気タービンへ抽気される蒸気の一部を燃焼器冷却に利用することで、この抽気される蒸気を加熱することができ、システム効率を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の複合発電システムの構成を示すブロック図。
【図２】第１及び第２の実施形態の複合発電システムにおける燃焼器の構成を示す断面図。
【図３】内筒及び尾筒の構成を示すための図。
【図４】メインノズルの一部の断面図。
【図５】第２の実施形態の複合発電システムの構成を示すブロック図。
【図６】第３の実施形態の複合発電システムの構成を示すブロック図。
【図７】第３及び第４の実施形態の複合発電システムにおける燃焼器の構成を示す断面図。
【図８】メインノズルの一部の断面図。
【図９】第４の実施形態の複合発電システムの構成を示すブロック図。
【図１０】従来の複合発電システムの構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１　圧縮機
２　ＧＴ
３　ＳＯＦＣ
４　燃焼器
５　ＨＲＳＧ
６　ＳＴ
７　発電機
８　循環用ファン
９　燃料予熱器
１０　循環用ファン
１１　復水器
１２　煙突
１３　オリフィス
１４　ブースタファン

Claims (9)

1. 大気を圧縮する圧縮機と、燃料ガス及び前記圧縮機からの圧縮空気がそれぞれカソード及びアノードに供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池からの排ガスを燃焼する燃焼器と、該燃焼器で燃焼して得られた燃焼ガスによって回転されるガスタービンと、該ガスタービンが回転することによって発電する発電機と、を備える複合発電システムにおいて、
   前記燃料電池のカソード及びアノードからの高温の排ガスが前記燃焼器に供給されることで、前記燃焼器において、前記燃料電池の排ガスに含まれる燃料ガスと酸素が燃焼されて前記燃焼ガスが生成され、
   燃焼動作を行う前記燃焼器の各部位に冷却ガスが供給されることを特徴とする複合発電システム。
2. 前記冷却ガスが、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部であることを特徴とする請求項１に記載の複合発電システム。
3. 前記圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部を更に圧縮して加圧する加圧機を備え、
   前記冷却ガスが、前記圧縮機からの圧縮空気の一部が前記加圧機によって更に加圧された圧縮空気であることを特徴とする請求項２に記載の複合発電システム。
4. 外部の大気を圧縮して前記冷却ガスとなる圧縮空気を生成する冷却空気用圧縮機を備え、該冷却空気用圧縮機からの圧縮空気が前記燃焼器に供給されて前記燃焼器を冷却することを特徴とする請求項１に記載の複合発電システム。
5. ガスタービンから排出される排ガスの排熱によって蒸気を生成する排熱回収ボイラを備え、
   該排熱回収ボイラから蒸気の一部が前記冷却ガスとして前記燃焼器に供給されることを特徴とする請求項１に記載の複合発電システム。
6. 前記排熱回収ボイラで生成された蒸気によって回転を行うことで前記発電機を回転させる蒸気タービンを備え、
   該蒸気タービンから排出される蒸気の一部が前記冷却ガスとして前記燃焼器に供給されることを特徴とする請求項５に記載の複合発電システム。
7. 前記排熱回収ボイラで生成された蒸気によって回転を行うことで前記発電機を回転させる蒸気タービンを備え、
   前記排熱回収ボイラから前記蒸気タービンに給気される蒸気の一部が前記冷却ガスとして前記燃焼器に供給されることを特徴とする請求項５に記載の複合発電システム。
8. 前記冷却ガスとなる前記蒸気が前記燃焼器を冷却した後に前記排熱回収ボイラに回収されることを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の複合発電システム。
9. 前記冷却ガスとなる前記蒸気が前記燃焼器を冷却した後に前記蒸気タービンに給気されることを特徴とする請求項７に記載の複合発電システム。

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