JP2004071488A - 燃料電池発電設備及びタービン発電設備及びガスエンジン発電設備及び複合発電設備 - Google Patents
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Abstract
【課題】上流側からの排気燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を変更して運転をすることがきる燃料電池発電設備とする。
【解決手段】複数段の燃料電池部１を配列し、空気系のみを直列に接続し、最上流側の燃料電池部１ａに空気を供給したあと下流の燃料電池には隣接する上流側の燃料電池部からの排出空気を順次供給する空気供給手段を設ける一方、燃料電池部１にはそれぞれ並列に独立して燃料を供給する燃料供給系統を設け、燃料電池部の燃料系の排出を各々個別に排出させる燃料排出系統を設け、燃料電池発電部の付加を自由に変更して運転をすることができる燃料電池発電設備とする。
【選択図】 図２
【解決手段】複数段の燃料電池部１を配列し、空気系のみを直列に接続し、最上流側の燃料電池部１ａに空気を供給したあと下流の燃料電池には隣接する上流側の燃料電池部からの排出空気を順次供給する空気供給手段を設ける一方、燃料電池部１にはそれぞれ並列に独立して燃料を供給する燃料供給系統を設け、燃料電池部の燃料系の排出を各々個別に排出させる燃料排出系統を設け、燃料電池発電部の付加を自由に変更して運転をすることができる燃料電池発電設備とする。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電設備及び燃料電池発電設備とガスタービンとを組み合わせて発電を行うタービン発電設備に関する。
【０００２】
また、本発明は、燃料電池発電設備を組み合わせたガスエンジンに関する。
【０００３】
更に、本発明は、燃料電池発電設備とガスタービンとを組み合わせて発電を行うタービン発電設備と蒸気タービンとを組み合わせた複合発電設備、及び燃料電池発電設備を組み合わせたガスエンジンと蒸気タービンとを組み合わせた複合発電設備に関する。
【０００４】
【従来の技術】
燃料電池（ＦＣ）発電設備は、空気と燃料とを電解質膜を介して電気化学的に反応させて発電を行う装置で、通常のタービンやエンジンよりは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。また、ＦＣ発電設備では、空気と燃料とを電気化学的に反応させて発電を行うＦＣ発電部や排出ガスから高温の熱エネルギーをも回収して利用できる。
【０００５】
これらの熱エネルギーは、ガスタービンのトッピングサイクルや蒸気タービンのボトミングサイクルにより回収利用して効率向上に役立てるシステムが種々検討され、ＦＣ発電設備にガスタービン及び蒸気タービンを組み合わせた複合発電設備が効率の高いシステムとして期待されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようなタービン発電設備では、複数のＦＣ発電部を直列に配置して上流側のＦＣ発電部から排出される排出ガスを下流側のＦＣ発電部に供給して発電することが考えられている。そして、それぞれのＦＣ発電部に燃料を個別に供給するが、燃料供給量を各ＦＣ発電部で協調（同量供給）させるため、ＦＣ発電設備でのターンダウン比（最大出力／最低出力：の比）を大きくとれず、つまり電気出力の制御幅が小さい。
【０００７】
下流側のＦＣ発電部には上流側のＦＣ発電部から排出される燃料及び空気が供給されるようになっているため、一部のＦＣ発電部の発電を停止もしくは部分運転を行なうために燃料ガスの供給を制御（停止）しても、上流側から流入する排出燃料の影響を受けてしまう。
【０００８】
従って、複数のＦＣ発電部を直列に配置したタービン発電設備では、燃料電池の一部を個別に部分負荷運転させることが困難で、運用の自由度が著しく制約されているのが現状である。
【０００９】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池発電部を直列に配置した設備であっても、上流側からの排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を変更して運転をすることがきる燃料電池発電設備を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池発電部を直列に配置した設備であっても、上流側からの排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を変更して運転をすることがきる燃料電池発電設備を備えたガスタービン発電設備を提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池発電部を直列に配置した設備であっても、上流側からの排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を変更して運転をすることがきる燃料電池発電設備を備えたガスエンジン発電設備を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池発電部を直列に配置した設備であっても、上流側からの排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を変更して運転をすることがきる燃料電池発電設備を備えた複合発電設備を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の燃料電池発電設備の構成は、空気と燃料とを電解質膜を介して電気化学反応させて発電する複数段の燃料電池部を配列し、最上流の燃料電池部に空気を供給する空気供給手段を設け、下流側の燃料電池部の作動用空気として隣接する上流側の燃料電池部からの排出空気を供給する空気供給手段を設け、燃料電池部にそれぞれ並列に独立して燃料を供給する燃料供給手段を設け、各燃料電池部からの排出燃料をひとつにまとめる燃料排出系統を設けたことを特徴とする。
【００１４】
また、上記目的を達成するための本発明の燃料電池発電設備の構成は、空気と燃料とを電解質膜を介して電気化学反応させて発電する少なくとも３段の燃料電池部を配列し、最上流の燃料電池部に空気を供給する空気供給手段を設け、下流側の燃料電池部の作動用空気として隣接する上流側の燃料電池部からの排出空気を供給する空気供給手段を設け、最下流の燃料電池部以外の燃料電池部にそれぞれ並列に独立して燃料を供給する燃料供給手段を設け、各並列燃料電池部からの排出燃料をまとめて最下流の燃料電池部の作動用燃料として供給する燃料供給系統を設けたことを特徴とする。
【００１５】
そして、空気供給系統からの空気を所定温度に制御する空気温度制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１６】
また、空気温度制御手段は、各燃料電池部に対応して個別に設けられ、燃料電池部の排出空気を所定温度に制御して下流側の燃料電池部に供給されることを特徴とする。
【００１７】
また、空気供給系統からの空気を所定温度に制御する供給空気温度制御手段と、燃料電池部に対応して排出空気を所定温度に制御する排出空気温度制御手段とを対応させて構成、もしくは、排出空気温度制御手段を単独に構成したことを特徴とする。
【００１８】
また、燃料供給手段からの燃料を所定温度に制御する燃料温度制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１９】
上記目的を達成するための本発明のタービン発電設備は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池発電設備の空気供給系統に圧縮空気を供給する圧縮機と、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池発電設備の燃料電池部の排気燃料及び排出空気の燃焼ガスにより作動されるガスタービンとを備えたことを特徴とする。
【００２０】
上記目的を達成するための本発明のガスエンジン発電設備は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池発電設備の燃料電池部の排出空気で作動するガスエンジン及び排出燃料で作動するタービンを備えたことを特徴とする。
【００２１】
上記目的を達成するための本発明の複合発電設備は、請求項７に記載のタービン発電設備と、タービン発電設備のガスタービンの排気ガスにより蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで発生した蒸気により作動される蒸気タービンとを備えたことを特徴とする。
【００２２】
そして、ガスエンジンから排出される排気ガスにより燃焼タービンを作動させさらに蒸気を発生させる排熱回収部と、排熱回収部で発生した蒸気により作動される蒸気タービンとを備えたことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本願発明の燃料電池発電設備を備えたガスタービン設備は、図１に基本概念構成を示すように、空気と燃料ｆ（燃料ガス）とを電解質膜を介して電気化学的に反応させて発電を行う複数段（基本概念では２段：必要に応じて無燃料の燃料電池部を備えることもある）の燃料電池部１ａ，１ｂが配置されて構成されている。それぞれの燃料電池部１ａ，１ｂには、各燃料電池部で必要な量の燃料ｆ１，ｆ２がそれぞれ独立して個別に供給（並列）され（燃料供給手段）、それぞれの燃料電池部１ａ，１ｂには、空気が直列に供給されるようになっている。
【００２４】
燃料電池部１ａ，１ｂには圧縮機２で圧縮された空気が上流側の燃料電池部１ａに供給され、燃料電池部１ａからの排出空気が後流側の燃料電池部１ｂに供給される（空気供給手段）。燃料電池部１ａ，１ｂでは、空気と燃料ｆとの電気化学反応により発電が行なわれる（燃料電池発電設備）。
【００２５】
各燃料電池部１ａ，１ｂからの排出燃料は個別に排出されて（燃料ガス排出手段）燃焼器３または無燃料の燃料電池部１ｃに供給され、燃料電池部１ｃには燃料電池部１ｂからの空気が供給される。燃料電池部１ｃの下流の燃焼器３で排出燃料及び排出空気から生成する燃焼ガスはタービン４を作動させる。タービン４の出力から圧縮動力を差し引いた状態にてガスタービンＧの発電機６で電気力が取り出される。
【００２６】
尚、各燃料電池部１ａ，１ｂからの排出燃料及び燃料電池部１ｂからの排出空気を直接燃焼器３に投入して最終段の燃料電池部を省く構成としてもよい。また、各燃料電池部１ａ，１ｂからの排出燃料及び燃料電池部１ｂからの排出空気を供給する先は、ガスエンジン等ガスタービンＧ以外の機器でも構成可能である。
【００２７】
このように構成されたガスタービン設備では、燃料電池部１ａ，１ｂでの発電及び発電機６での発電を併せて実施することが可能になる。そして、燃料電池部１ａ，１ｂには燃料ｆ１，ｆ２がそれぞれ独立して個別に供給される。燃料電池部１ａ，１ｂの燃料系統を連結して直列にすると、後流側の燃料電池部１ｂに上流側の燃料電池部１ａの排出燃料が供給されてその影響を受けてしまう。本発明では、１００％新鮮な燃料を供給できる上に、例えば、燃料電池部１ａを部分負荷運転もしくは停止運転をした場合でも、燃料電池部１ｂの作動条件は燃料電池部１ａの排出燃料と連結されないためそれに左右されず、一定の運用条件を維持することができる。
【００２８】
このため、燃料電池発電部１ａ，１ｂを配置して新鮮な燃料を投入する設備とすることによって、上流側の燃料電池の運用の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部１ｂの負荷を自由に設定、並びに、変更して運転をすることが可能になる。更に、燃料電池発電部１ｃでは燃料電池発電部１ａ，１ｂの未燃燃料を使用して新鮮な燃料を投入しないので、燃料電池発電部１ｃの燃料利用率を燃料電池発電部１ａ，１ｂと同値としても燃料電池系統全体の燃料利用率を高めることが可能となる。
【００２９】
【実施例】
以下図面に基づいて本発明の燃料電池発電設備を備えた複合発電設備を説明する。図２には本発明の第１実施例に係る複合発電設備の概略系統を示してある。尚、図１に相当する部位には同一符号を付してある。
【００３０】
図２に示した第１実施例における複合発電設備２５は、圧縮機２及び燃焼器３及びタービン４を有するガスタービン１１（タービン発電設備）と、ガスタービン１１のタービン４の排気の熱で蒸気を発生させる排熱回収ボイラ１２と、排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気で作動させる蒸気タービン１４とで構成されている。
【００３１】
そして、ガスタービン１１の圧縮機２からの圧縮空気が燃料電池（ＦＣ）発電設備７の作動空気として空気供給系１３から図示しない加熱手段により所定温度（例えば、１０００℃程度）に加熱されて供給される。また、燃料ｆがＦＣ発電設備７の作動用燃料として燃料供給系２０から供給される。燃料を予め改質する場合は改質器（図示しない外部改質器）を経由して供給される。ＦＣ発電設備７の排気（排出空気及び排出燃料）が燃焼器３に供給される。燃焼器３には排気と共に燃料ｆｃが供給され、燃焼器３の燃焼ガスがタービン４で膨張される。タービン４には発電機５が連結され、タービン４の作動により発電が行われる。
【００３２】
蒸気タービン系統には通常のシステムが構成される。つまり、タービン４の排気は排熱回収ボイラ１２に送られ、熱回収されて煙突ＳＴＣＫから大気に放出される。排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気は蒸気タービン１４に送られて仕事が行われる。蒸気タービン１４には発電機１５が連結され、蒸気タービン１４の作動により発電が行われる。蒸気タービン１４の排気蒸気は復水器１６で復水され、排熱回収ボイラ１２に送られて発生蒸気とされる。
【００３３】
ＦＣ発電設備７は、空気と燃料ｆとを電解質膜を介して電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅが直列に配置されたものである。そして、燃料電池部１ａと燃料電池部１ｂの空気極の間が空気極排気部８ａで連通し、燃料電池部１ｂと燃料電池部１ｃの空気極の間が空気極排気部８ｂで連通し、燃料電池部１ｃと燃料電池部１ｄの空気極の間が空気極排気部８ｃで連通し、燃料電池部１ｄと燃料電池部１ｅの空気極の間が空気極排気部８ｄで連通している。つまり、下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに上流側の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出空気を供給する排出空気供給手段が構成されている。更に、燃料電池部１ｅの空気極排気部８ｅが排出空気通路１７により燃焼器３につながっている。
【００３４】
燃料ｆは図示しない燃料温度制御予熱により予熱されて、あるいは、必要に応じて改質されて、燃料供給路２０から燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに分配され、分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄから必要な量の燃料ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４が燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料極にそれぞれ供給される。分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄにはそれぞれ制御弁６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが設けられ、個別に燃料の供給量が制御される。つまり、最下流側の燃料電池部１ｅ以外の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ独立して燃料ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４を個別に供給する燃料供給系が構成されている。
【００３５】
燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料極排気部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄからは通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを介して排出燃料がそれぞれ排気され、通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは合流路２２に合流されてそれぞれの排出燃料が燃料電池部１ｅの燃料極に合流して供給される。つまり、最下流の燃料電池部１ｅの作動用燃料として、最下流の燃料電池部１ｅ以外の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出燃料が供給される（排気ガス排出手段）。燃料電池部１ｅの燃料極排気部１０ｅが排出燃料通路１８により燃焼器３につながっている。
【００３６】
尚、燃料電池部１は、図２の状態に限らず、新鮮な燃料が供給される複数の燃料電池部と、新鮮な燃料が供給されない１つの燃料電池部の組み合わせで配置することが可能である。また、排出空気通路１７、排出燃料通路１８の排出空気及び排出燃料を別途燃焼部で燃焼させ、燃焼後の排出ガスを燃焼器３に供給することも可能である。
【００３７】
上記構成の複合発電設備２５では、圧縮機２で圧縮された空気は図示しない加熱手段により所定温度に加熱され、空気供給路１３から最上流側の燃料電池部１ａに供給される。燃料ｆ（必要により水蒸気や水を混入した燃料、あるいは改質した燃料）は図示しない予熱手段で予熱され（及び改質され）、燃料供給系２０から分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを経由して燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ必要な量が供給される。
【００３８】
空気供給路１３から空気最上流側の燃料電池部１ａに供給された空気は、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅで順次作動用の空気として使用され、酸素濃度が低下して最下流側の燃料電池部１ｅに供給される。例えば、燃料電池部１の段数を決める場合、燃料電池部１ｅの出口側の酸素濃度は数％程度とする。燃焼器３では必要な酸素濃度（例えば、２％）が確保される。燃焼器３出口の酸素濃度を０に近づける場合、圧縮機２からの圧縮空気中の酸素を大略使用し尽くすことも可能になる。
【００３９】
燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ供給される燃料（図１のｆ１，ｆ２に相当）には、同量の燃焼前の燃料（例えば、重量を２０と仮定する）が供給される。燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料利用率（燃料の消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄで発電のために消費される燃料の重量は１６となり、重量４の残燃料はそれぞれ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄから合流路２２を通って（重量が１６となって）最下流側の燃料電池部１ｅに供給される。
【００４０】
そして、燃料電池部１ｅからの排出燃料は燃焼器３に送られる。燃料電池部１ｅの燃料利用率（燃料ガスの消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料電池部１ｅで発電のために消費される燃料の重量は１２．８となり、残燃料が３．２となる。燃料の総重量（２０＋２０＋２０＋２０）８０に対して残燃料が３．２となり、このため、燃料利用率は、７６．８／８０で９６％となる。従って、上述した実施例では、燃料電池部分（新鮮な燃料が供給される燃料電池部４個と、新鮮な燃料が無投入の燃料電池部１個）の燃料利用率を高めることが可能となる。
【００４１】
ＦＣ発電設備７で作動を終えた排出空気及び排出燃料は、排出空気通路１７及び排出燃料通路１８から燃焼器３に供給され燃焼する。また、必要に応じて燃料ｆｃと共に燃焼器３で燃焼される。燃焼器３を出た高温の燃焼ガスはタービン４に供給され、膨張して出力に転換された後排出される。タービン４の排気は排熱回収ボイラ１２に送られ、排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気は蒸気タービン１４に送られて発電出力に転換される。タービン４及び蒸気タービン１４と連結された発電機５及び発電機１５から電力が取り出されると共に、ＦＣ発電設備７からも電力が取り出される。
【００４２】
尚、排出空気通路１７及び排出燃料通路１８からの排出空気及び排出燃料は予めアフターバーナーで燃焼させた後に燃焼器３に供給することも可能である。
【００４３】
一方、上述した複合発電設備２５のＦＣ発電設備７で、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの一部の負荷を低減したり、一部の燃料電池を停止したり、更には、全ての燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの負荷を協調して増減することができる。この場合、負荷増減もしくは停止に該当する燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，の分配路９の制御弁６を独立して制御し、該当する燃料電池に所望の燃料量を供給（燃料の停止を含む）する。燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄには、空気上流側の燃料電池の排出燃料は供給されないので、負荷を変えようとする燃料電池の作動条件がその上流側の燃料電池の燃料量に左右されずに運用できる。
【００４４】
このことから、部分負荷運転もしくは負荷低減運転において、燃料電池（新鮮な燃料が供給されるもの）を自由な燃料量で各々独立して運転することができる。
【００４５】
尚、上述した実施例では、ＦＣ発電設備７とガスタービン１１とを組み合わせ、ＦＣ発電設備７の作動空気をガスタービン１１の圧縮機２から供給し、ＦＣ発電設備７からの排出ガスを燃焼器３で燃焼するようにしたタービン発電設備を例に挙げて説明したが、ＦＣ発電設備７に供給される空気の供給源及びＦＣ発電設備７から排出される排出ガスの供給先は図示例に限定されるものではなく、他の任意の系統とすることも可能である。
【００４６】
図３に基づいて本発明の第２実施例を説明する。
【００４７】
図３には本発明の第２実施例に係る複合発電設備の概略系統を示してある。尚、図２に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。図３に示した第２実施例の複合発電設備は、圧縮機２からの空気供給系１３に、圧縮空気を所定温度に加熱するための空気熱交換器を備えたもので、空気熱交換器の熱源を別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）及び燃料電池の排出空気により得ている。また、燃料ｆを加熱する燃料熱交換器を備えたもので、燃料熱交換器の熱源を別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）及び燃料電池の排出燃料により得ている。
【００４８】
図に示した第２実施例における複合発電設備２６は、圧縮機２及び燃焼器３及びタービン４を有するガスタービン１１（タービン発電設備）と、ガスタービン１１のタービン４の排気との間で蒸気を発生させる排熱回収ボイラ１２と、排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気が作動流体となって供給される蒸気タービン１４とで構成されている。
【００４９】
そして、ガスタービン１１の圧縮機２からの圧縮空気が燃料電池（ＦＣ）発電設備７の作動空気として空気供給手段（及び空気供給系１３）から供給され、また、燃料ｆがＦＣ発電設備７の作動用燃料として燃料供給系２０から供給される。ＦＣ発電設備７の排出流体（排出空気及び排出燃料）が燃焼器３で燃焼し、所定のタービン入口温度となる。
【００５０】
空気供給系１３には別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）により加熱するための空気熱交換器３１及び燃料電池排出空気を熱媒体として圧縮空気を加熱する空気熱交換器３２が設けられている。これら空気熱交換器３１，３２により圧縮空気が燃料電池作動のための所定温度（例えば、９００ ℃〜１１００℃）に加熱されてＦＣ発電設備７に供給される。
【００５１】
燃料供給系２０には別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）により予熱する燃料熱交換器３３及び排出燃料を熱媒体として燃料ｆを予熱する燃料熱交換器３４が設けられている。燃料熱交換器３３，３４により燃料が所定の温度に予熱されてＦＣ発電設備７に供給される。
【００５２】
ＦＣ発電設備７の排出流体（排出空気及び排出燃料）が燃焼器３で燃焼される。必要に応じて燃焼器３には排出流体と共に燃料ｆｃが供給されてタービン入口温度を所定値とする。タービン４の出力は発電機５で電気出力として取り出され、発電が行われる。
【００５３】
タービン４の排気は空気熱交換器３１、燃料熱交換器３３の熱源に用いられる他、排熱回収ボイラ１２に送られ、熱回収されたのち煙突ＳＴＣＫから大気に放出される。排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気は蒸気タービン１４に送られる。蒸気タービン１４には発電機１５が連結され、発電出力が取り出される。蒸気タービン１４の排気蒸気は復水器１６で復水され、改めて給水として排熱回収ボイラ１２に送られる。
【００５４】
ＦＣ発電設備７は、空気と燃料ｆとを電解質膜を介して電気化学反応させて発電を行う燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅが配置されている。燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅは、燃料供給系が並列に配置され、空気供給系が直列に配置されている。燃料電池部１ａと燃料電池部１ｂの空気極の間が空気極排気部８ａで連通し、燃料電池部１ｂと燃料電池部１ｃの空気極の間が空気極排気部８ｂで連通し、燃料電池部１ｃと燃料電池部１ｄの空気極の間が空気極排気部８ｄで連通し、燃料電池部１ｄと燃料電池部１ｅの空気極の間が空気極排気部８ｄで連通している。つまり、下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに上流側の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出空気を供給する排出空気供給系が構成されている。更に、燃料電池部１ｅの空気極排気部８ｅが排出空気通路１７により燃焼器３につながっている。
【００５５】
燃料電池部１ａからの排出空気は空気熱交換器３２ａを経由して燃料電池部１ｂに送られ、燃料電池部１ｂからの排出空気は空気熱交換器３２ｂを経由して燃料電池部１ｃに送られる。また、燃料電池部１ｃからの排出空気は空気熱交換器３２ｃを経由して燃料電池部１ｄに送られ、燃料電池部ｄからの排出空気は空気熱交換器３２ｄを経由して燃料電池部１ｅに送られる。そして、燃料電池部１ｅからの排出空気は空気熱交換器３２ｅに送られる。圧縮機２からの圧縮空気は、空気熱交換器３１及び空気熱交換器３２ｅ，３２ｄ，３２ｃ，３２ｂ，３２ａでそれぞれ排出空気との間で順に熱交換されて所定温度に加熱され、空気最上流側の燃料電池部１ａに供給される。
【００５６】
空気熱交換器３２を設けることにより、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出空気が熱回収により冷却されて下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの所定の作動温度の空気を得る。
【００５７】
燃料ｆは燃料供給系２０から燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに分配され、分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄから所定量の燃料ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４が燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料極にそれぞれ供給される。分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄにはそれぞれ制御弁６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが設けられ、個別に燃料の供給が制御される。つまり、最下流側の燃料電池部１ｅ以外の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ独立して燃料ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４を個別に供給する燃料供給系統が構成されている。
【００５８】
燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料極排気部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄからは通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを介して排出燃料がそれぞれ排気され、通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは合流路２２に合流されてそれぞれの排出燃料が燃料電池部１ｅの燃料極に合流して供給される。つまり、最下流の燃料電池部１ｅの作動用燃料として、最下流の燃料電池部１ｅ以外の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出燃料が供給される。燃料電池部１ｅの燃料極排気部１０ｅが排出燃料通路１８により燃焼器３につながっている。
【００５９】
燃料電池部１ａ〜１ｄの排出燃料は燃料熱交換器３４ａを経由して燃料電池部１ｅに送られ、燃料電池部１ｅの排出燃料は燃料熱交換器３４ｂを経由して燃焼器３に送られる。また、燃料熱交換器３４ｂの上流側における燃料供給系２０には燃料熱交換器３３が設けられている。燃料ｆは燃料熱交換器３３及び燃料熱交換器３４ｂ，３４ａで順に予熱されたのち燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに分配される。
【００６０】
燃料熱交換器３４ａを設けることにより、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出燃料が熱回収によって冷却され下流側の燃料電池部１ｅの所定の作動温度の燃料を得ることが可能になる。また、燃料熱交換器３４ｂを設けることにより、燃料電池部１ｅの排出燃料を燃料ｆの加熱源に利用する。燃料熱交換器３３はタービン４の排気（各燃料電池よりも低温）を加熱源としており、燃料ｆを最初に加熱（予熱）するために使用する。
【００６１】
尚、燃料電池部１は、図３の状態に限らず、新鮮な燃料が供給される複数の燃料電池部と、新鮮な燃料が供給されない１つの燃料電池部の組み合わせで配置することが可能である。また、排出空気通路１７、排出燃料通路１８の排出空気及び排出燃料を別途燃焼部で燃焼させ、燃焼後の排出ガスを燃焼器３に供給することも可能である。
【００６２】
上記構成の複合発電設備２６では、圧縮機２で圧縮された空気は空気熱交換器３１及び空気熱交換器３２ｅ，３２ｄ，３２ｃ，３２ｂ，３２ａでそれぞれ排出空気との間で順に熱交換されて加熱され、空気供給系１３の最上流側の燃料電池部１ａに供給される。燃料（ガス）ｆは燃料熱交換器３３で予熱及び燃料熱交換器３４ｂ，３４ａで順に加熱され、燃料供給系２０から並列の分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを通って燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ必要な量が供給される。
【００６３】
空気供給路１３の最上流側の燃料電池部１ａに供給される空気は、空気熱交換器３２の熱回収で加熱されて所定の作動温度に制御される。燃料電池部１ａの排出空気は、燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅで順次作動用の空気として使用され、酸素濃度が低下して最下流側の燃料電池部１ｅに供給される。例えば、燃料電池部１の段数を決める場合、燃料電池部１ｅの出口側の酸素濃度は数％程度とする。燃焼器３では必要な酸素濃度（例えば、２％）が確保される。燃焼器３出口の酸素濃度を０に近づける場合、圧縮機２からの圧縮空気中の酸素を大略使用し尽くすことも可能になる。
【００６４】
燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ供給される燃料（図１のｆ１，ｆ２に相当）には、同量の燃焼前の燃料（例えば、重量を２０と仮定する）が供給される。燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料利用率（燃料の消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄで発電のために消費される燃料の重量は１６となり、重量４の残燃料はそれぞれ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄから合流路２２を通って（重量が１６となって）最下流側の燃料電池部１ｅに供給される。
【００６５】
そして、燃料電池部１ｅからの排出燃料は燃焼器３に送られる。燃料電池部１ｅの燃料利用率（燃料ガスの消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料電池部１ｅで発電のために消費される燃料の重量は１２．８となり、残燃料が３．２となる。燃料の総重量（２０＋２０＋２０＋２０）８０に対して残燃料が３．２となり、このため、燃料利用率は、７６．８／８０で９６％となる。従って、上述した実施例では、燃料電池部分（新鮮な燃料が供給される燃料電池部４個と、新鮮な燃料が無投入の燃料電池部１個）の燃料利用率を高めることが可能となる。
【００６６】
ＦＣ発電設備７で作動を終えた排出空気及び排出燃料は、排出空気通路１７及び排出燃料通路１８から燃焼器３に供給され燃焼する。また、必要に応じて燃料ｆｃと共に燃焼器３で燃焼される。燃焼器３を出た高温の燃焼ガスはタービン４に供給され、膨張して出力に転換された後排出される。タービン４の排気は排熱回収ボイラ１２に送られ、排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気は蒸気タービン１４に送られて発電出力に転換される。タービン４及び蒸気タービン１４と連結された発電機５及び発電機１５から電力が取り出されると共に、ＦＣ発電設備７からも電力が取り出される。
【００６７】
一方、上述した複合発電設備２５のＦＣ発電設備７で、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの一部の負荷を低減したり、一部の燃料電池を停止したり、更には、全ての燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの負荷を協調して増減することができる。この場合、負荷増減もしくは停止に該当する燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，の分配路９の制御弁６を独立して制御し、該当する燃料電池に所望の燃料量を供給（燃料の停止を含む）する。燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄには、空気上流側の燃料電池の排出燃料は供給されないので、負荷を変えようとする燃料電池の作動条件がその上流側の燃料電池の燃料量に左右されずに運用できる。
【００６８】
このことから、部分負荷運転もしくは負荷低減運転において、燃料電池（新鮮な燃料が供給されるもの）を自由な燃料量で各々独立して運転することができる。また、空気熱交換器３１，３２及び燃料熱交換器３３，３４での圧縮空気の温度及び燃料ｆの温度は負荷の変更に応じて常に燃料電池投入の所定温度に制御される。
【００６９】
尚、上述した実施例では、ＦＣ発電設備７とガスタービン１１とを組み合わせ、ＦＣ発電設備７の作動空気をガスタービン１１の圧縮機２から供給し、ＦＣ発電設備７からの排出ガスを燃焼器３で燃焼するようにしたタービン発電設備を例に挙げて説明したが、ＦＣ発電設備７に供給される空気の供給源及びＦＣ発電設備７から排出される排出ガスの供給先は図示例に限定されるものではなく、他の任意の系統とすることも可能である。
【００７０】
図４に基づいて本発明の第３実施例を説明する。
【００７１】
図４には本発明の第３実施例に係る複合発電設備の概略系統を示してある。尚、図３に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。図４に示した第３実施例の複合発電設備は、圧縮機２からの空気供給系１３に、圧縮空気を所定温度に加熱するための空気温度制御手段としての空気熱交換器を備えたもので、空気熱交換器の熱源を別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）及び燃料電池の排出空気により得ている。また、後流側の燃料電池部に送られる排出空気を所定温度の作動温度にする空気熱交換器を燃料電池部に対応してそれぞれ備えたもので、空気熱交換器の熱源を個別に別途熱源により得ている。また、第２実施例と同様に、燃料ｆを加熱する燃料熱交換器を備えたもので、燃料熱交換器の熱源を別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）及び燃料電池の排出燃料により得ている。
【００７２】
図に示した第３実施例における複合発電設備２７は、圧縮機２及び燃焼器３及びタービン４を有するガスタービン１１（タービン発電設備）と、ガスタービン１１のタービン４の排気との間で蒸気を発生させる排熱回収ボイラ１２と、排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気が作動流体となって供給される蒸気タービン１４とで構成されている。
【００７３】
そして、ガスタービン１１の圧縮機２からの圧縮空気が燃料電池（ＦＣ）発電設備７の作動空気として空気供給手段（及び空気供給系１３）から供給され、また、燃料ｆがＦＣ発電設備７の作動用燃料として燃料供給系２０から供給される。ＦＣ発電設備７の排出流体（排出空気及び排出燃料）が燃焼器３で燃焼し、所定のタービン入口温度となる。
【００７４】
空気供給系１３には別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）により加熱するための空気熱交換器３１及び燃料電池排出空気を熱媒体として圧縮空気を加熱する空気熱交換器３２が設けられている。これら空気熱交換器３１，３２により圧縮空気が燃料電池作動のための所定温度（例えば、９００ ℃〜１１００℃）に加熱されてＦＣ発電設備７に供給される。また、燃料電池部にそれぞれ対応して排出空気熱交換器３５が個別に設けられ、後流側の燃料電池部に送られる排出空気及び燃焼器３に送られる排出空気が所定の作動温度及び所定温度にされるようになっている。それぞれの排出空気熱交換器３５には専用の冷却源３６からの冷却媒体が送られる。
【００７５】
燃料供給系２０には別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）により予熱する燃料熱交換器３３及び排出燃料を熱媒体として燃料ｆを予熱する燃料熱交換器３４が設けられている。燃料熱交換器３３，３４により燃料が所定の温度に予熱されてＦＣ発電設備７に供給される。
【００７６】
ＦＣ発電設備７の排出流体（排出空気及び排出燃料）が燃焼器３で燃焼される。必要に応じて燃焼器３には排出流体と共に燃料ｆｃが供給されてタービン入口温度を所定値とする。タービン４の出力は発電機５で電気出力として取り出され、発電が行われる。
【００７７】
タービン４の排気は空気熱交換器３１、燃料熱交換器３３の熱源に用いられる他、排熱回収ボイラ１２に送られ、熱回収されたのち煙突ＳＴＣＫから大気に放出される。排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気は蒸気タービン１４に送られる。蒸気タービン１４には発電機１５が連結され、発電出力が取り出される。蒸気タービン１４の排気蒸気は復水器１６で復水され、改めて給水として排熱回収ボイラ１２に送られる。
【００７８】
ＦＣ発電設備７は、空気と燃料ｆとを電解質膜を介して電気化学反応させて発電を行う燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅが配置されている。燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅは、燃料供給系が並列に配置され、空気供給系が直列に配置されている。燃料電池部１ａと燃料電池部１ｂの空気極の間が空気極排気部８ａで連通し、燃料電池部１ｂと燃料電池部１ｃの空気極の間が空気極排気部８ｂで連通し、燃料電池部１ｃと燃料電池部１ｄの空気極の間が空気極排気部８ｃで連通し、燃料電池部１ｄと燃料電池部１ｅの空気極の間が空気極排気部８ｄで連通している。つまり、下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに上流側の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出空気を供給する排出空気供給系が構成されている。更に、燃料電池部１ｅの空気極排気部８ｅが排出空気通路１７により燃焼器３につながっている。
【００７９】
圧縮機２からの圧縮空気は、空気熱交換器３１で熱交換されたのち各熱交換器で所定温度に加熱され、空気最上流側の燃料電池部１ａに供給される。
【００８０】
燃料電池部１ａからの排出空気は空気熱交換器３５ａを経由して燃料電池部１ｂに送られ、燃料電池部１ｂからの排出空気は空気熱交換器３５ｂを経由して燃料電池部１ｃに送られる。また、燃料電池部１ｃからの排出空気は空気熱交換器３５ｃを経由して燃料電池部１ｄに送られ、燃料電池部ｄからの排出空気は空気熱交換器３５ｄを経由して燃料電池部１ｅに送られる。そして、燃料電池部１ｅからの排出空気は空気熱交換器３５ｅに送られる。
【００８１】
空気熱交換器３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３５ｅには個別に冷却源３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅが設けられ、空気熱交換器３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３５ｅでは燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅからの排出空気がそれぞれ下流側の燃料電池部の所定作動温度に冷却される。尚、空気供給系１３の上流側の空気熱交換器３５ｅ，３５ｄ，３５ｃは、図中に点線で示したように、省略することも可能である。空気熱交換器３５ｃで空気温度が作動温度になるときは、空気熱交換器３５ａ，３５ｂはバイパスして空気を１段目の燃料電池部１ａに供給する。この場合、空気熱交換器３５ａ，３５ｂは別途冷却源３６ａ，３６ｂから冷却媒体を受け入れる。
【００８２】
空気熱交換器３５を設けることにより、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ１ｅからの排出空気が冷却されて下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの所定の作動温度の空気を得ると共に燃焼器３に送られる所定温度に制御され、所定の作動温度の排出空気を各々得ることが可能になる。
【００８３】
燃料ｆは燃料供給系２０から燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに分配され、分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄから所定量の燃料ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４が燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料極にそれぞれ供給される。分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄにはそれぞれ制御弁６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが設けられ、個別に燃料の供給が制御される。つまり、最下流側の燃料電池部１ｅ以外の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ独立して燃料ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４を個別に供給する燃料供給系統が構成されている。
【００８４】
燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料極排気部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄからは通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを介して排出燃料がそれぞれ排気され、通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは合流路２２に合流されてそれぞれの排出燃料が燃料電池部１ｅの燃料極に合流して供給される。つまり、最下流の燃料電池部１ｅの作動用燃料として、最下流の燃料電池部１ｅ以外の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出燃料が集合ののち供給される。燃料電池部１ｅの燃料極排気部１０ｅが排出燃料通路１８により燃焼器３につながっている。
【００８５】
燃料電池部１ａ〜１ｄの排出燃料は燃料熱交換器３４ａを経由して燃料電池部１ｅに送られ、燃料電池部１ｅの排出燃料は燃料熱交換器３４ｂを経由して燃焼器３に送られる。また、燃料熱交換器３４ｂの上流側における燃料供給系２０には燃料熱交換器３３が設けられている。燃料ｆは燃料熱交換器３３及び燃料熱交換器３４ｂ，３４ａで順に予熱されたのち燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに分配される。
【００８６】
燃料熱交換器３４ａを設けることにより、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出燃料が熱回収によって冷却され下流側の燃料電池部１ｅの所定の作動温度の燃料を得ることが可能になる。また、燃料熱交換器３４ｂを設けることにより、燃料電池部１ｅの排出燃料を燃料ｆの加熱源に利用する。燃料熱交換器３３はタービン４の排気（各燃料電池よりも低温）を加熱源としており、燃料ｆを最初に加熱（予熱）するために使用する。
【００８７】
尚、燃料電池部１は、図４の状態に限らず、新鮮な燃料が供給される複数の燃料電池部と、新鮮な燃料が供給されない１つの燃料電池部の組み合わせで配置することが可能である。また、排出空気通路１７、排出燃料通路１８の排出空気及び排出燃料を別途燃焼部で予め燃焼させ、燃焼後の排出ガスを燃焼器３に供給することも可能である。
【００８８】
上記構成の複合発電設備２７では、圧縮機２で圧縮された空気は空気熱交換器３１で熱交換されて加熱され、空気供給系１３から各々の熱交換器を経由して最上流側の燃料電池部１ａに供給される。燃料ｆは燃料熱交換器３３で予熱及び燃料熱交換器３４ｂ，３４ａで順に加熱され、燃料供給系２０から並列の分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを通って燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ必要な量が供給される。
【００８９】
空気供給系１３の最上流側の燃料電池部１ａに供給される空気は、空気熱交換器３５で所定の作動温度に制御される。燃料電池部１ａの排出空気は、燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅで順次作動用の空気として使用され、酸素濃度が低下して最下流側の燃料電池部１ｅに供給される。例えば、燃料電池部１の段数を決める場合、燃料電池部１ｅの出口側の酸素濃度は数％程度とする。燃焼器３では必要な酸素濃度（例えば、２％）が確保される。燃焼器３出口の酸素濃度を０に近づける場合、圧縮機２からの圧縮空気中の酸素を大略使用し尽くすことも可能になる。
【００９０】
燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ供給される燃料（図１のｆ１，ｆ２に相当）には、同量の燃焼前の燃料（例えば、重量を２０と仮定する）が供給される。燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料利用率（燃料の消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄで発電のために消費される燃料の重量は１６となり、重量４の残燃料はそれぞれ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄから合流路２２を通って（重量が１６となって）最下流側の燃料電池部１ｅに供給される。
【００９１】
そして、燃料電池部１ｅからの排出燃料は燃焼器３に送られる。本構成でシステムの燃料利用率が向上する理由を述べる。燃料電池部１ｅの燃料利用率（燃料ガスの消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料電池部１ｅで発電のために消費される燃料の重量は１２．８となり、残燃料が３．２となる。燃料の総重量（２０＋２０＋２０＋２０）８０に対して残燃料が３．２となり、このため、燃料利用率は、７６．８／８０で９６％となる。従って、上述した実施例では、燃料電池部分（新鮮な燃料が供給される燃料電池部４個と、新鮮な燃料が無投入の燃料電池部１個）の燃料利用率を高めることが可能となる。
【００９２】
ＦＣ発電設備７で作動を終えた排出空気及び排出燃料は、排出空気通路１７及び排出燃料通路１８から燃焼器３に供給され燃焼する。また、必要に応じて燃料ｆｃと共に燃焼器３で燃焼される。燃焼器３を出た高温の燃焼ガスはタービン４に供給され、膨張して出力に転換された後排出される。タービン４の排気は排熱回収ボイラ１２に送られ、排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気は蒸気タービン１４に送られて発電出力に転換される。タービン４及び蒸気タービン１４と連結された発電機５及び発電機１５から電力が取り出されると共に、ＦＣ発電設備７からの電力と共にプラント出力を構成する。
【００９３】
一方、上述した複合発電設備２５のＦＣ発電設備７で、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの一部の負荷を低減したり、一部の燃料電池を停止したり、更には、全ての燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの負荷を協調して増減することができる。この場合、負荷増減もしくは停止に該当する燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，の分配路９の制御弁６を独立して制御し、該当する燃料電池に所望の燃料量を供給（燃料の停止を含む）する。燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄには、空気上流側の燃料電池の排出燃料とは無関係に調整されるので、独立して負荷を変えようとする燃料電池の作動条件がその上流、下流側の燃料電池の燃料量に左右されずに運用できる。
【００９４】
このことから、部分負荷運転もしくは負荷低減運転において、燃料電池（新鮮な燃料が供給されるもの）を自由な燃料量で各々独立して運転することができる。また、空気熱交換器３１燃料熱交換器３３，３４での圧縮空気の温度及び燃料ｆの温度は負荷の変更に応じて常に燃料電池投入の所定温度に制御される。
【００９５】
そして、部分負荷運転もしくは負荷低減運転が実施される場合、負荷を変える燃料電池部１の排出空気の熱交換を行なう空気熱交換器３５を個別に温度制御することで、例えば、停止させる燃料電池部１に対応する空気熱交換器３５での温度制御を停止することで、直列に排出される排出空気の温度が負荷の変更に影響されることがない。従って、部分負荷運転もしくは負荷低減運転を更に容易に実施することが可能になる。
【００９６】
尚、上述した実施例では、ＦＣ発電設備７とガスタービン１１とを組み合わせ、ＦＣ発電設備７の作動空気をガスタービン１１の圧縮機２から供給し、ＦＣ発電設備７からの排出ガスを燃焼器３で燃焼するようにしたタービン発電設備を例に挙げて説明したが、ＦＣ発電設備７に供給される空気の供給源及びＦＣ発電設備７から排出される排出ガスの供給先は図示例に限定されるものではなく、他の任意の系統とすることも可能である。
【００９７】
図５に基づいて本発明の第４実施例を説明する。
【００９８】
図５には本発明の第４実施例に係る複合発電設備の概略系統を示してある。尚、図３に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。図５に示した第４実施例の複合発電設備は、図３に示した第２実施例の複合発電設備のガスタービン１１（ガスタービン発電設備）に変えてガスエンジン発電設備を適用した構成となっている。
【００９９】
図５に示した第４実施例における複合発電設備２８は、圧縮機２及び燃焼器３及びタービン４を有するガスタービン１１と、ガスエンジン４２及び発電機４３を有するガスエンジン発電設備４４と、ガスタービン１１のタービン４との間で蒸気を発生させる排熱回収ボイラ１２と、排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気が作動流体となって供給される蒸気タービン１４とで構成されている。
【０１００】
そして、ガスタービン１１の圧縮機２からの圧縮空気が燃料電池（ＦＣ）発電設備７の作動空気として空気供給手段及び空気供給系１３から供給され、また、燃料ｆがＦＣ発電設備７の作動用燃料として燃料供給系２０から供給される。ＦＣ発電設備７の排出流体（排出空気及び排出燃料）がガスエンジン４２で燃焼し、更に、ガスエンジン４２の排出流体が燃焼器３で燃焼して所定のタービン入口温度となる。
【０１０１】
空気供給系１３には別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）により加熱するための空気熱交換器３１及び燃料電池排出空気を熱媒体として圧縮空気を加熱する空気熱交換器３２が設けられている。これら空気熱交換器３１，３２により圧縮空気が燃料電池作動のための所定温度（例えば、９００ ℃〜１１００℃）に加熱されてＦＣ発電設備７に供給される。
【０１０２】
燃料供給系２０には別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）により予熱する燃料熱交換器３３及び排出燃料を熱媒体として燃料ｆを予熱する燃料熱交換器３４が設けられている。燃料熱交換器３３，３４により燃料が所定の温度に予熱されてＦＣ発電設備７に供給される。
【０１０３】
ＦＣ発電設備７の排出流体（排出空気及び排出燃料）がガスエンジン４２で燃焼されて発電機４３で電気出力として取り出される。ガスエンジン４２の排出流体が燃焼器３で燃焼される。必要に応じて燃焼器３には排出流体と共に燃料ｆｃが供給されてタービン入口温度を所定値とする。タービン４の出力は発電機５で電気出力として取り出され、発電が行われる。
【０１０４】
タービン４の排気は排熱回収ボイラ１２に送られ、熱回収されたのち煙突ＳＴＣＫから大気に放出される。排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気は蒸気タービン１４に送られる。蒸気タービン１４には発電機１５が連結され、発電出力が取り出される。蒸気タービン１４の排気蒸気は復水器１６で復水され、改めて給水として排熱回収ボイラ１２に送られる。
【０１０５】
ＦＣ発電設備７は、空気と燃料ｆとを電解質膜を介して電気化学反応させて発電を行う燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅが配置されている。燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅは、燃料供給系が並列に配置され、空気供給系が直列に配置されている。燃料電池部１ａと燃料電池部１ｂの空気極の間が空気極排気部８ａで連通し、燃料電池部１ｂと燃料電池部１ｃの空気極の間が空気極排気部８ｂで連通し、燃料電池部１ｃと燃料電池部１ｄの空気極の間が空気極排気部８ｃで連通し、燃料電池部１ｄと燃料電池部１ｅの空気極の間が空気極排気部８ｄで連通している。つまり、下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに上流側の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出空気を供給する排出空気供給系が構成されている。更に、燃料電池部１ｅの空気極排気部８ｅが排出空気通路１７により空気熱交換器３１及び燃料熱交換器３３を経由してガスエンジン４２につながっている。
【０１０６】
燃料電池部１ａからの排出空気は空気熱交換器３２ａを経由して燃料電池部１ｂに送られ、燃料電池部１ｂからの排出空気は空気熱交換器３２ｂを経由して燃料電池部１ｃに送られる。また、燃料電池部１ｃからの排出空気は空気熱交換器３２ｃを経由して燃料電池部１ｄに送られ、燃料電池部ｄからの排出空気は空気熱交換器３２ｄを経由して燃料電池部１ｅに送られる。そして、燃料電池部１ｅからの排出空気は空気熱交換器３２ｅに送られる。圧縮機２からの圧縮空気は、空気熱交換器３１及び空気熱交換器３２ｅ，３２ｄ，３２ｃ，３２ｂ，３２ａでそれぞれ排出空気との間で順に熱交換されて所定温度に加熱され、空気最上流側の燃料電池部１ａに供給される。
【０１０７】
空気熱交換器３２を設けることにより、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出空気が熱回収により冷却されて下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの所定の作動温度の空気を得る。
【０１０８】
燃料ｆは燃料供給系２０から燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに分配され、分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄから所定量の燃料ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４が燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料極にそれぞれ供給される。分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄにはそれぞれ制御弁６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが設けられ、個別に燃料の供給が制御される。つまり、最下流側の燃料電池部１ｅ以外の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ独立して燃料ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４を個別に供給する燃料供給系統が構成されている。
【０１０９】
燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料極排気部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄからは通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを介して排出燃料がそれぞれ排気され、通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは合流路２２に合流されてそれぞれの排出燃料が燃料電池部１ｅの燃料極に合流して供給される。つまり、最下流の燃料電池部１ｅの作動用燃料として、最下流の燃料電池部１ｅ以外の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出燃料が供給される。燃料電池部１ｅの燃料極排気部１０ｅが排出燃料通路１８により燃焼器３につながっている。
【０１１０】
燃料電池部１ａ〜１ｄの排出燃料は燃料熱交換器３４ａを経由して燃料電池部１ｅに送られ、燃料電池部１ｅの排出燃料は燃料熱交換器３４ｂを経由して燃焼器３に送られる。また、燃料熱交換器３４ｂの上流側における燃料供給系２０には燃料熱交換器３３が設けられている。燃料ｆは燃料熱交換器３３及び燃料熱交換器３４ｂ，３４ａで順に予熱されたのち燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに分配される。
【０１１１】
燃料熱交換器３４ａを設けることにより、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出燃料が熱回収によって冷却され下流側の燃料電池部１ｅの所定の作動温度の燃料を得ることが可能になる。また、燃料熱交換器３４ｂを設けることにより、燃料電池部１ｅの排出燃料を燃料ｆの加熱源に利用する。燃料熱交換器３３は最後尾の燃料電池１ｅの排出空気を加熱源としており、燃料ｆを最初に加熱（予熱）するために使用する。
【０１１２】
尚、燃料電池部１は、図５の状態に限らず、新鮮な燃料が供給される複数の燃料電池部と、新鮮な燃料が供給されない１つの燃料電池部の組み合わせで配置することが可能である。また、排出空気通路１７、排出燃料通路１８の排出空気及び排出燃料を別途燃焼部で燃焼させ、燃焼後の排出ガスを燃焼器３に供給することも可能である。この場合は、排出空気通路１７は２分され、ガスエンジン供給と別途燃焼の２通りに使用される。
【０１１３】
上記構成の複合発電設備２８では、圧縮機５で圧縮された空気は空気熱交換器３１及び空気熱交換器３２ｅ，３２ｄ，３２ｃ，３２ｂ，３２ａでそれぞれ排出空気との間で順に熱交換されて加熱され、空気供給系１３の下流、つまり最上流側の燃料電池部１ａに供給される。燃料ｆは燃料熱交換器３３で予熱及び燃料熱交換器３４ｂ，３４ａで順に加熱され、燃料供給系２０から分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを通って燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ必要な量が供給される。
【０１１４】
空気供給路１３の最上流側の燃料電池部１ａに供給される空気は、空気熱交換器３２の熱回収で加熱されて所定の作動温度に制御される。燃料電池部１ａの排出空気は、燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅで順次作動用の空気として使用され、酸素濃度が低下して最下流側の燃料電池部１ｅに供給される。例えば、燃料電池部１の段数を決める場合、燃料電池部１ｅの出口側の酸素濃度はガスエンジン４２の作動に必要な値、また、その排気は燃焼器３での必要な酸素濃度（例えば、２％）が確保される。燃焼器３出口の酸素濃度を０に近づけることにより、圧縮機２からの圧縮空気中の酸素を大略使用し尽くすことも可能になる。
【０１１５】
燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ供給される燃料（図１のｆ１，ｆ２に相当）には、同量の燃焼前の燃料（例えば、重量を２０と仮定する）が供給される。燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料利用率（燃料の消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄで発電のために消費される燃料の重量は１６となり、重量４の残燃料はそれぞれ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄから合流路２２を通って（重量が１６となって）最下流側の燃料電池部１ｅに供給される。
【０１１６】
そして、燃料電池部１ｅからの排出燃料は燃焼器３に送られる。燃料電池部１ｅの燃料利用率（燃料ガスの消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料電池部１ｅで発電のために消費される燃料の重量は１２．８となり、残燃料が３．２となる。燃料の総重量（２０＋２０＋２０＋２０）８０に対して残燃料が３．２となり、このため、燃料利用率は、７６．８／８０で９６％となる。従って、上述した実施例では、燃料電池部分（新鮮な燃料が供給される燃料電池部４個と、新鮮な燃料が無投入の燃料電池部１個）の燃料利用率を高めることが可能となる。
【０１１７】
ＦＣ発電設備７で作動を終えて熱回収された排出空気及び排出燃料は、排出空気通路１７及び排出燃料通路１８からガスエンジン４２に供給され、燃焼ガスはは燃焼器３に供給されて燃焼される。燃焼器３を出た高温の燃焼ガスはタービン４に供給され、膨張して出力に転換された後排出される。タービン４の排気は排熱回収ボイラ１２に送られ、排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気は蒸気タービン１４に送られて発電出力に転換される。タービン４及び蒸気タービン１４と連結された発電機５及び発電機１５並びにＦＣ発電設備７からも電力が取り出される。
【０１１８】
一方、上述した複合発電設備２５のＦＣ発電設備７の燃料系が併列であることから、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの一部の負荷を増減したり、一部の燃料電池を停止したり、更には、全ての燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの負荷を協調して増減するなど自由な運用ができる。この場合、負荷増減もしくは停止に該当する燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，の分配路９の制御弁６を独立して制御できるため、該当する燃料電池に所望の燃料量を供給（燃料の停止を含む）が可能である。燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄには、空気上流側の燃料電池の排出燃料が供給されないので、負荷を変えようとする燃料電池の作動条件がその上流側の燃料電池の燃料量に左右されることがなく運用できる。
【０１１９】
このことから、部分負荷運転もしくは負荷低減運転において、燃料電池（新鮮な燃料が供給されるもの）を自由な燃料量で各々独立して運転することができる。また、空気熱交換器３１，３２及び燃料熱交換器３３，３４での圧縮空気の温度及び燃料ｆの温度は負荷の変更に応じて常に燃料電池投入の所定温度に制御される。
【０１２０】
尚、上述した実施例では、ＦＣ発電設備７の構成を図３に示した第２実施例を例に挙げて説明したが、ＦＣ発電設備７としては、図４に示した第３実施例の構成を適用することも可能である。
【０１２１】
【発明の効果】
本発明の燃料電池発電設備の構成は、空気と燃料とを電解質膜を介して電気化学反応させて発電する複数段の燃料電池部を配列し、最上流の燃料電池部に空気を供給する空気供給手段を設け、下流側の燃料電池部の作動用空気として隣接する上流側の燃料電池部からの排出空気を供給する空気供給手段を設け、燃料電池部にそれぞれ並列に独立して燃料を供給する燃料供給手段を設け、各燃料電池部からの排出燃料をひとつにまとめる燃料排出系統を設けたので、燃料電池発電部の排出空気系を直列に配置した設備において、上流側からの排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を変更して運転をすることがきる燃料電池発電設備とすることが可能になる。
【０１２２】
本発明の燃料電池発電設備の構成は、空気と燃料とを電解質膜を介して電気化学反応させて発電する少なくとも３段の燃料電池部を配列し、最上流の燃料電池部に空気を供給する空気供給手段を設け、下流側の燃料電池部の作動用空気として隣接する上流側の燃料電池部からの排出空気を供給する空気供給手段を設け、最下流の燃料電池部以外の燃料電池部にそれぞれ並列に独立して燃料を供給する燃料供給手段を設け、各並列燃料電池部からの排出燃料をまとめて最下流の燃料電池部の作動用燃料として供給する燃料供給系統を設けたので、燃料電池発電部の排出空気系を直列に配置した設備であっても、上流側からの排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を変更して運転をすることがき、しかも未燃の排出燃料を減少させることができる燃料電池発電設備とすることが可能になる。
【０１２３】
そして、空気供給系統からの空気を所定温度に制御する空気温度制御手段を設けたので、際上流の燃料電池への空気を所定の作動温度に制御することが可能になる。
【０１２４】
また、空気温度制御手段は、各燃料電池部に対応して個別に設けられ、燃料電池部の排出空気を所定温度に制御して下流側の燃料電池部に供給するので、各燃料電池部毎に個別に空気を所定の作動温度に制御することが可能になる。
【０１２５】
また、空気供給系統からの空気を所定温度に制御する供給空気温度制御手段と、燃料電池部に対応して排出空気を所定温度に制御する排出空気温度制御手段とを対応させて構成、もしくは、排出空気温度制御手段を単独に構成したので、各燃料電池部毎に空気を所定の作動温度に制御することが可能になる。
【０１２６】
つまり、空気供給系統からの空気を所定温度に制御する供給空気温度制御手段と、各燃料電池部の排出空気を所定温度に制御する排出空気温度制御手段とを熱的に平衡させて構成し、もしくは、排出空気温度制御を単独の冷却源と組み合わせて構成することにより、各燃料電池個別の運用に対応して各々の反応用空気を所定の作動温度に独立して制御することが可能になる。
【０１２７】
また、燃料供給手段からの燃料を所定温度に制御する燃料温度制御手段を設けたので、燃料供給手段からの燃料をシステム内の加熱流体と組み合わせた燃料温度制御手段となり、燃料を所定の温度に制御することができる。
【０１２８】
本発明のタービン発電設備は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池発電設備の空気供給系統に圧縮空気を供給する圧縮機と、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池発電設備の燃料電池部の排出燃料及び排出空気の燃焼ガスにより作動されるガスタービンとを備えたので、燃料電池発電部の排出空気系を直列に配置した設備においても、上流側の排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を自由に変更して運転をすることがきる燃料電池発電設備を備えたタービン発電設備とすることが可能になる。
【０１２９】
本発明のガスエンジン発電設備は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池発電設備の燃料電池部の排出空気で作動するガスエンジン及び排出燃料で作動するガスタービンを備えたので、高効率のガスエンジン発電ののちにガスタービン発電を行なって、ガスタービン単独と連結するよりもシステム効率を高めることができる。
【０１３０】
本発明の複合発電設備は、請求項７に記載のタービン発電設備と、タービン発電設備のタービンの排気ガスにより蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで発生した蒸気により作動される蒸気タービンとを備えたので、燃料電池発電部の排出空気系を直列に配置した設備においても、上流側からの排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を自由に変更して運転をすることがきる燃料電池発電設備を備えたガスタービンの複合発電設備とすることが可能になる。
【０１３１】
そして、ガスエンジンから排出される排気ガスにより燃焼タービンを作動させさらに蒸気を発生させる排熱回収部と、排熱回収部で発生した蒸気により作動される蒸気タービンとを備えたので、燃料電池発電部の排出空気系を直列に配置した設備においても、上流側からの排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を自由に変更して運転をすることがきる燃料電池発電設備を備えた蒸気タービンを有する複合発電設備とすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例に係る燃料電池発電設備の概略系統図。
【図２】本発明の第１実施例に係る複合発電設備の概略系統図。
【図３】本発明の第２実施例に係る複合発電設備の概略系統図。
【図４】本発明の第３実施例に係る複合発電設備の概略系統図。
【図５】本発明の第４実施例に係る複合発電設備の概略系統図。
【符号の説明】
１ 燃料電池部
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ 発電機
６ 制御弁
７ 燃料電池（ＦＣ）発電部
８ 空気極排気部
９ 分配路
１０ 燃料極排気部
１１ ガスタービン
１２ 排熱回収ボイラ
１３ 空気供給路
１４ 蒸気タービン
１５ 発電機
１６ 復水器
１７ 排出空気通路
１８ 排出燃料通路
２０ 燃料供給路
２１ 通路
２２ 合流路
２５，２６，２７，２８ 複合発電設備
３１，３２，３５ 空気熱交換器
３３，３４ 燃料熱交換器
３６ 冷却源
４１ 圧縮機
４２ ガスエンジン
４３ 発電機
４４ ガスエンジン発電設備
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電設備及び燃料電池発電設備とガスタービンとを組み合わせて発電を行うタービン発電設備に関する。
【０００２】
また、本発明は、燃料電池発電設備を組み合わせたガスエンジンに関する。
【０００３】
更に、本発明は、燃料電池発電設備とガスタービンとを組み合わせて発電を行うタービン発電設備と蒸気タービンとを組み合わせた複合発電設備、及び燃料電池発電設備を組み合わせたガスエンジンと蒸気タービンとを組み合わせた複合発電設備に関する。
【０００４】
【従来の技術】
燃料電池（ＦＣ）発電設備は、空気と燃料とを電解質膜を介して電気化学的に反応させて発電を行う装置で、通常のタービンやエンジンよりは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。また、ＦＣ発電設備では、空気と燃料とを電気化学的に反応させて発電を行うＦＣ発電部や排出ガスから高温の熱エネルギーをも回収して利用できる。
【０００５】
これらの熱エネルギーは、ガスタービンのトッピングサイクルや蒸気タービンのボトミングサイクルにより回収利用して効率向上に役立てるシステムが種々検討され、ＦＣ発電設備にガスタービン及び蒸気タービンを組み合わせた複合発電設備が効率の高いシステムとして期待されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようなタービン発電設備では、複数のＦＣ発電部を直列に配置して上流側のＦＣ発電部から排出される排出ガスを下流側のＦＣ発電部に供給して発電することが考えられている。そして、それぞれのＦＣ発電部に燃料を個別に供給するが、燃料供給量を各ＦＣ発電部で協調（同量供給）させるため、ＦＣ発電設備でのターンダウン比（最大出力／最低出力：の比）を大きくとれず、つまり電気出力の制御幅が小さい。
【０００７】
下流側のＦＣ発電部には上流側のＦＣ発電部から排出される燃料及び空気が供給されるようになっているため、一部のＦＣ発電部の発電を停止もしくは部分運転を行なうために燃料ガスの供給を制御（停止）しても、上流側から流入する排出燃料の影響を受けてしまう。
【０００８】
従って、複数のＦＣ発電部を直列に配置したタービン発電設備では、燃料電池の一部を個別に部分負荷運転させることが困難で、運用の自由度が著しく制約されているのが現状である。
【０００９】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池発電部を直列に配置した設備であっても、上流側からの排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を変更して運転をすることがきる燃料電池発電設備を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池発電部を直列に配置した設備であっても、上流側からの排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を変更して運転をすることがきる燃料電池発電設備を備えたガスタービン発電設備を提供することを目的とする。
【００１１】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池発電部を直列に配置した設備であっても、上流側からの排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を変更して運転をすることがきる燃料電池発電設備を備えたガスエンジン発電設備を提供することを目的とする。
【００１２】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池発電部を直列に配置した設備であっても、上流側からの排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を変更して運転をすることがきる燃料電池発電設備を備えた複合発電設備を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の燃料電池発電設備の構成は、空気と燃料とを電解質膜を介して電気化学反応させて発電する複数段の燃料電池部を配列し、最上流の燃料電池部に空気を供給する空気供給手段を設け、下流側の燃料電池部の作動用空気として隣接する上流側の燃料電池部からの排出空気を供給する空気供給手段を設け、燃料電池部にそれぞれ並列に独立して燃料を供給する燃料供給手段を設け、各燃料電池部からの排出燃料をひとつにまとめる燃料排出系統を設けたことを特徴とする。
【００１４】
また、上記目的を達成するための本発明の燃料電池発電設備の構成は、空気と燃料とを電解質膜を介して電気化学反応させて発電する少なくとも３段の燃料電池部を配列し、最上流の燃料電池部に空気を供給する空気供給手段を設け、下流側の燃料電池部の作動用空気として隣接する上流側の燃料電池部からの排出空気を供給する空気供給手段を設け、最下流の燃料電池部以外の燃料電池部にそれぞれ並列に独立して燃料を供給する燃料供給手段を設け、各並列燃料電池部からの排出燃料をまとめて最下流の燃料電池部の作動用燃料として供給する燃料供給系統を設けたことを特徴とする。
【００１５】
そして、空気供給系統からの空気を所定温度に制御する空気温度制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１６】
また、空気温度制御手段は、各燃料電池部に対応して個別に設けられ、燃料電池部の排出空気を所定温度に制御して下流側の燃料電池部に供給されることを特徴とする。
【００１７】
また、空気供給系統からの空気を所定温度に制御する供給空気温度制御手段と、燃料電池部に対応して排出空気を所定温度に制御する排出空気温度制御手段とを対応させて構成、もしくは、排出空気温度制御手段を単独に構成したことを特徴とする。
【００１８】
また、燃料供給手段からの燃料を所定温度に制御する燃料温度制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１９】
上記目的を達成するための本発明のタービン発電設備は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池発電設備の空気供給系統に圧縮空気を供給する圧縮機と、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池発電設備の燃料電池部の排気燃料及び排出空気の燃焼ガスにより作動されるガスタービンとを備えたことを特徴とする。
【００２０】
上記目的を達成するための本発明のガスエンジン発電設備は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池発電設備の燃料電池部の排出空気で作動するガスエンジン及び排出燃料で作動するタービンを備えたことを特徴とする。
【００２１】
上記目的を達成するための本発明の複合発電設備は、請求項７に記載のタービン発電設備と、タービン発電設備のガスタービンの排気ガスにより蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで発生した蒸気により作動される蒸気タービンとを備えたことを特徴とする。
【００２２】
そして、ガスエンジンから排出される排気ガスにより燃焼タービンを作動させさらに蒸気を発生させる排熱回収部と、排熱回収部で発生した蒸気により作動される蒸気タービンとを備えたことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本願発明の燃料電池発電設備を備えたガスタービン設備は、図１に基本概念構成を示すように、空気と燃料ｆ（燃料ガス）とを電解質膜を介して電気化学的に反応させて発電を行う複数段（基本概念では２段：必要に応じて無燃料の燃料電池部を備えることもある）の燃料電池部１ａ，１ｂが配置されて構成されている。それぞれの燃料電池部１ａ，１ｂには、各燃料電池部で必要な量の燃料ｆ１，ｆ２がそれぞれ独立して個別に供給（並列）され（燃料供給手段）、それぞれの燃料電池部１ａ，１ｂには、空気が直列に供給されるようになっている。
【００２４】
燃料電池部１ａ，１ｂには圧縮機２で圧縮された空気が上流側の燃料電池部１ａに供給され、燃料電池部１ａからの排出空気が後流側の燃料電池部１ｂに供給される（空気供給手段）。燃料電池部１ａ，１ｂでは、空気と燃料ｆとの電気化学反応により発電が行なわれる（燃料電池発電設備）。
【００２５】
各燃料電池部１ａ，１ｂからの排出燃料は個別に排出されて（燃料ガス排出手段）燃焼器３または無燃料の燃料電池部１ｃに供給され、燃料電池部１ｃには燃料電池部１ｂからの空気が供給される。燃料電池部１ｃの下流の燃焼器３で排出燃料及び排出空気から生成する燃焼ガスはタービン４を作動させる。タービン４の出力から圧縮動力を差し引いた状態にてガスタービンＧの発電機６で電気力が取り出される。
【００２６】
尚、各燃料電池部１ａ，１ｂからの排出燃料及び燃料電池部１ｂからの排出空気を直接燃焼器３に投入して最終段の燃料電池部を省く構成としてもよい。また、各燃料電池部１ａ，１ｂからの排出燃料及び燃料電池部１ｂからの排出空気を供給する先は、ガスエンジン等ガスタービンＧ以外の機器でも構成可能である。
【００２７】
このように構成されたガスタービン設備では、燃料電池部１ａ，１ｂでの発電及び発電機６での発電を併せて実施することが可能になる。そして、燃料電池部１ａ，１ｂには燃料ｆ１，ｆ２がそれぞれ独立して個別に供給される。燃料電池部１ａ，１ｂの燃料系統を連結して直列にすると、後流側の燃料電池部１ｂに上流側の燃料電池部１ａの排出燃料が供給されてその影響を受けてしまう。本発明では、１００％新鮮な燃料を供給できる上に、例えば、燃料電池部１ａを部分負荷運転もしくは停止運転をした場合でも、燃料電池部１ｂの作動条件は燃料電池部１ａの排出燃料と連結されないためそれに左右されず、一定の運用条件を維持することができる。
【００２８】
このため、燃料電池発電部１ａ，１ｂを配置して新鮮な燃料を投入する設備とすることによって、上流側の燃料電池の運用の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部１ｂの負荷を自由に設定、並びに、変更して運転をすることが可能になる。更に、燃料電池発電部１ｃでは燃料電池発電部１ａ，１ｂの未燃燃料を使用して新鮮な燃料を投入しないので、燃料電池発電部１ｃの燃料利用率を燃料電池発電部１ａ，１ｂと同値としても燃料電池系統全体の燃料利用率を高めることが可能となる。
【００２９】
【実施例】
以下図面に基づいて本発明の燃料電池発電設備を備えた複合発電設備を説明する。図２には本発明の第１実施例に係る複合発電設備の概略系統を示してある。尚、図１に相当する部位には同一符号を付してある。
【００３０】
図２に示した第１実施例における複合発電設備２５は、圧縮機２及び燃焼器３及びタービン４を有するガスタービン１１（タービン発電設備）と、ガスタービン１１のタービン４の排気の熱で蒸気を発生させる排熱回収ボイラ１２と、排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気で作動させる蒸気タービン１４とで構成されている。
【００３１】
そして、ガスタービン１１の圧縮機２からの圧縮空気が燃料電池（ＦＣ）発電設備７の作動空気として空気供給系１３から図示しない加熱手段により所定温度（例えば、１０００℃程度）に加熱されて供給される。また、燃料ｆがＦＣ発電設備７の作動用燃料として燃料供給系２０から供給される。燃料を予め改質する場合は改質器（図示しない外部改質器）を経由して供給される。ＦＣ発電設備７の排気（排出空気及び排出燃料）が燃焼器３に供給される。燃焼器３には排気と共に燃料ｆｃが供給され、燃焼器３の燃焼ガスがタービン４で膨張される。タービン４には発電機５が連結され、タービン４の作動により発電が行われる。
【００３２】
蒸気タービン系統には通常のシステムが構成される。つまり、タービン４の排気は排熱回収ボイラ１２に送られ、熱回収されて煙突ＳＴＣＫから大気に放出される。排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気は蒸気タービン１４に送られて仕事が行われる。蒸気タービン１４には発電機１５が連結され、蒸気タービン１４の作動により発電が行われる。蒸気タービン１４の排気蒸気は復水器１６で復水され、排熱回収ボイラ１２に送られて発生蒸気とされる。
【００３３】
ＦＣ発電設備７は、空気と燃料ｆとを電解質膜を介して電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅが直列に配置されたものである。そして、燃料電池部１ａと燃料電池部１ｂの空気極の間が空気極排気部８ａで連通し、燃料電池部１ｂと燃料電池部１ｃの空気極の間が空気極排気部８ｂで連通し、燃料電池部１ｃと燃料電池部１ｄの空気極の間が空気極排気部８ｃで連通し、燃料電池部１ｄと燃料電池部１ｅの空気極の間が空気極排気部８ｄで連通している。つまり、下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに上流側の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出空気を供給する排出空気供給手段が構成されている。更に、燃料電池部１ｅの空気極排気部８ｅが排出空気通路１７により燃焼器３につながっている。
【００３４】
燃料ｆは図示しない燃料温度制御予熱により予熱されて、あるいは、必要に応じて改質されて、燃料供給路２０から燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに分配され、分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄから必要な量の燃料ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４が燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料極にそれぞれ供給される。分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄにはそれぞれ制御弁６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが設けられ、個別に燃料の供給量が制御される。つまり、最下流側の燃料電池部１ｅ以外の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ独立して燃料ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４を個別に供給する燃料供給系が構成されている。
【００３５】
燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料極排気部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄからは通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを介して排出燃料がそれぞれ排気され、通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは合流路２２に合流されてそれぞれの排出燃料が燃料電池部１ｅの燃料極に合流して供給される。つまり、最下流の燃料電池部１ｅの作動用燃料として、最下流の燃料電池部１ｅ以外の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出燃料が供給される（排気ガス排出手段）。燃料電池部１ｅの燃料極排気部１０ｅが排出燃料通路１８により燃焼器３につながっている。
【００３６】
尚、燃料電池部１は、図２の状態に限らず、新鮮な燃料が供給される複数の燃料電池部と、新鮮な燃料が供給されない１つの燃料電池部の組み合わせで配置することが可能である。また、排出空気通路１７、排出燃料通路１８の排出空気及び排出燃料を別途燃焼部で燃焼させ、燃焼後の排出ガスを燃焼器３に供給することも可能である。
【００３７】
上記構成の複合発電設備２５では、圧縮機２で圧縮された空気は図示しない加熱手段により所定温度に加熱され、空気供給路１３から最上流側の燃料電池部１ａに供給される。燃料ｆ（必要により水蒸気や水を混入した燃料、あるいは改質した燃料）は図示しない予熱手段で予熱され（及び改質され）、燃料供給系２０から分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを経由して燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ必要な量が供給される。
【００３８】
空気供給路１３から空気最上流側の燃料電池部１ａに供給された空気は、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅで順次作動用の空気として使用され、酸素濃度が低下して最下流側の燃料電池部１ｅに供給される。例えば、燃料電池部１の段数を決める場合、燃料電池部１ｅの出口側の酸素濃度は数％程度とする。燃焼器３では必要な酸素濃度（例えば、２％）が確保される。燃焼器３出口の酸素濃度を０に近づける場合、圧縮機２からの圧縮空気中の酸素を大略使用し尽くすことも可能になる。
【００３９】
燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ供給される燃料（図１のｆ１，ｆ２に相当）には、同量の燃焼前の燃料（例えば、重量を２０と仮定する）が供給される。燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料利用率（燃料の消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄで発電のために消費される燃料の重量は１６となり、重量４の残燃料はそれぞれ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄから合流路２２を通って（重量が１６となって）最下流側の燃料電池部１ｅに供給される。
【００４０】
そして、燃料電池部１ｅからの排出燃料は燃焼器３に送られる。燃料電池部１ｅの燃料利用率（燃料ガスの消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料電池部１ｅで発電のために消費される燃料の重量は１２．８となり、残燃料が３．２となる。燃料の総重量（２０＋２０＋２０＋２０）８０に対して残燃料が３．２となり、このため、燃料利用率は、７６．８／８０で９６％となる。従って、上述した実施例では、燃料電池部分（新鮮な燃料が供給される燃料電池部４個と、新鮮な燃料が無投入の燃料電池部１個）の燃料利用率を高めることが可能となる。
【００４１】
ＦＣ発電設備７で作動を終えた排出空気及び排出燃料は、排出空気通路１７及び排出燃料通路１８から燃焼器３に供給され燃焼する。また、必要に応じて燃料ｆｃと共に燃焼器３で燃焼される。燃焼器３を出た高温の燃焼ガスはタービン４に供給され、膨張して出力に転換された後排出される。タービン４の排気は排熱回収ボイラ１２に送られ、排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気は蒸気タービン１４に送られて発電出力に転換される。タービン４及び蒸気タービン１４と連結された発電機５及び発電機１５から電力が取り出されると共に、ＦＣ発電設備７からも電力が取り出される。
【００４２】
尚、排出空気通路１７及び排出燃料通路１８からの排出空気及び排出燃料は予めアフターバーナーで燃焼させた後に燃焼器３に供給することも可能である。
【００４３】
一方、上述した複合発電設備２５のＦＣ発電設備７で、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの一部の負荷を低減したり、一部の燃料電池を停止したり、更には、全ての燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの負荷を協調して増減することができる。この場合、負荷増減もしくは停止に該当する燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，の分配路９の制御弁６を独立して制御し、該当する燃料電池に所望の燃料量を供給（燃料の停止を含む）する。燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄには、空気上流側の燃料電池の排出燃料は供給されないので、負荷を変えようとする燃料電池の作動条件がその上流側の燃料電池の燃料量に左右されずに運用できる。
【００４４】
このことから、部分負荷運転もしくは負荷低減運転において、燃料電池（新鮮な燃料が供給されるもの）を自由な燃料量で各々独立して運転することができる。
【００４５】
尚、上述した実施例では、ＦＣ発電設備７とガスタービン１１とを組み合わせ、ＦＣ発電設備７の作動空気をガスタービン１１の圧縮機２から供給し、ＦＣ発電設備７からの排出ガスを燃焼器３で燃焼するようにしたタービン発電設備を例に挙げて説明したが、ＦＣ発電設備７に供給される空気の供給源及びＦＣ発電設備７から排出される排出ガスの供給先は図示例に限定されるものではなく、他の任意の系統とすることも可能である。
【００４６】
図３に基づいて本発明の第２実施例を説明する。
【００４７】
図３には本発明の第２実施例に係る複合発電設備の概略系統を示してある。尚、図２に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。図３に示した第２実施例の複合発電設備は、圧縮機２からの空気供給系１３に、圧縮空気を所定温度に加熱するための空気熱交換器を備えたもので、空気熱交換器の熱源を別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）及び燃料電池の排出空気により得ている。また、燃料ｆを加熱する燃料熱交換器を備えたもので、燃料熱交換器の熱源を別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）及び燃料電池の排出燃料により得ている。
【００４８】
図に示した第２実施例における複合発電設備２６は、圧縮機２及び燃焼器３及びタービン４を有するガスタービン１１（タービン発電設備）と、ガスタービン１１のタービン４の排気との間で蒸気を発生させる排熱回収ボイラ１２と、排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気が作動流体となって供給される蒸気タービン１４とで構成されている。
【００４９】
そして、ガスタービン１１の圧縮機２からの圧縮空気が燃料電池（ＦＣ）発電設備７の作動空気として空気供給手段（及び空気供給系１３）から供給され、また、燃料ｆがＦＣ発電設備７の作動用燃料として燃料供給系２０から供給される。ＦＣ発電設備７の排出流体（排出空気及び排出燃料）が燃焼器３で燃焼し、所定のタービン入口温度となる。
【００５０】
空気供給系１３には別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）により加熱するための空気熱交換器３１及び燃料電池排出空気を熱媒体として圧縮空気を加熱する空気熱交換器３２が設けられている。これら空気熱交換器３１，３２により圧縮空気が燃料電池作動のための所定温度（例えば、９００ ℃〜１１００℃）に加熱されてＦＣ発電設備７に供給される。
【００５１】
燃料供給系２０には別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）により予熱する燃料熱交換器３３及び排出燃料を熱媒体として燃料ｆを予熱する燃料熱交換器３４が設けられている。燃料熱交換器３３，３４により燃料が所定の温度に予熱されてＦＣ発電設備７に供給される。
【００５２】
ＦＣ発電設備７の排出流体（排出空気及び排出燃料）が燃焼器３で燃焼される。必要に応じて燃焼器３には排出流体と共に燃料ｆｃが供給されてタービン入口温度を所定値とする。タービン４の出力は発電機５で電気出力として取り出され、発電が行われる。
【００５３】
タービン４の排気は空気熱交換器３１、燃料熱交換器３３の熱源に用いられる他、排熱回収ボイラ１２に送られ、熱回収されたのち煙突ＳＴＣＫから大気に放出される。排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気は蒸気タービン１４に送られる。蒸気タービン１４には発電機１５が連結され、発電出力が取り出される。蒸気タービン１４の排気蒸気は復水器１６で復水され、改めて給水として排熱回収ボイラ１２に送られる。
【００５４】
ＦＣ発電設備７は、空気と燃料ｆとを電解質膜を介して電気化学反応させて発電を行う燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅが配置されている。燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅは、燃料供給系が並列に配置され、空気供給系が直列に配置されている。燃料電池部１ａと燃料電池部１ｂの空気極の間が空気極排気部８ａで連通し、燃料電池部１ｂと燃料電池部１ｃの空気極の間が空気極排気部８ｂで連通し、燃料電池部１ｃと燃料電池部１ｄの空気極の間が空気極排気部８ｄで連通し、燃料電池部１ｄと燃料電池部１ｅの空気極の間が空気極排気部８ｄで連通している。つまり、下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに上流側の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出空気を供給する排出空気供給系が構成されている。更に、燃料電池部１ｅの空気極排気部８ｅが排出空気通路１７により燃焼器３につながっている。
【００５５】
燃料電池部１ａからの排出空気は空気熱交換器３２ａを経由して燃料電池部１ｂに送られ、燃料電池部１ｂからの排出空気は空気熱交換器３２ｂを経由して燃料電池部１ｃに送られる。また、燃料電池部１ｃからの排出空気は空気熱交換器３２ｃを経由して燃料電池部１ｄに送られ、燃料電池部ｄからの排出空気は空気熱交換器３２ｄを経由して燃料電池部１ｅに送られる。そして、燃料電池部１ｅからの排出空気は空気熱交換器３２ｅに送られる。圧縮機２からの圧縮空気は、空気熱交換器３１及び空気熱交換器３２ｅ，３２ｄ，３２ｃ，３２ｂ，３２ａでそれぞれ排出空気との間で順に熱交換されて所定温度に加熱され、空気最上流側の燃料電池部１ａに供給される。
【００５６】
空気熱交換器３２を設けることにより、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出空気が熱回収により冷却されて下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの所定の作動温度の空気を得る。
【００５７】
燃料ｆは燃料供給系２０から燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに分配され、分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄから所定量の燃料ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４が燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料極にそれぞれ供給される。分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄにはそれぞれ制御弁６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが設けられ、個別に燃料の供給が制御される。つまり、最下流側の燃料電池部１ｅ以外の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ独立して燃料ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４を個別に供給する燃料供給系統が構成されている。
【００５８】
燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料極排気部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄからは通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを介して排出燃料がそれぞれ排気され、通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは合流路２２に合流されてそれぞれの排出燃料が燃料電池部１ｅの燃料極に合流して供給される。つまり、最下流の燃料電池部１ｅの作動用燃料として、最下流の燃料電池部１ｅ以外の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出燃料が供給される。燃料電池部１ｅの燃料極排気部１０ｅが排出燃料通路１８により燃焼器３につながっている。
【００５９】
燃料電池部１ａ〜１ｄの排出燃料は燃料熱交換器３４ａを経由して燃料電池部１ｅに送られ、燃料電池部１ｅの排出燃料は燃料熱交換器３４ｂを経由して燃焼器３に送られる。また、燃料熱交換器３４ｂの上流側における燃料供給系２０には燃料熱交換器３３が設けられている。燃料ｆは燃料熱交換器３３及び燃料熱交換器３４ｂ，３４ａで順に予熱されたのち燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに分配される。
【００６０】
燃料熱交換器３４ａを設けることにより、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出燃料が熱回収によって冷却され下流側の燃料電池部１ｅの所定の作動温度の燃料を得ることが可能になる。また、燃料熱交換器３４ｂを設けることにより、燃料電池部１ｅの排出燃料を燃料ｆの加熱源に利用する。燃料熱交換器３３はタービン４の排気（各燃料電池よりも低温）を加熱源としており、燃料ｆを最初に加熱（予熱）するために使用する。
【００６１】
尚、燃料電池部１は、図３の状態に限らず、新鮮な燃料が供給される複数の燃料電池部と、新鮮な燃料が供給されない１つの燃料電池部の組み合わせで配置することが可能である。また、排出空気通路１７、排出燃料通路１８の排出空気及び排出燃料を別途燃焼部で燃焼させ、燃焼後の排出ガスを燃焼器３に供給することも可能である。
【００６２】
上記構成の複合発電設備２６では、圧縮機２で圧縮された空気は空気熱交換器３１及び空気熱交換器３２ｅ，３２ｄ，３２ｃ，３２ｂ，３２ａでそれぞれ排出空気との間で順に熱交換されて加熱され、空気供給系１３の最上流側の燃料電池部１ａに供給される。燃料（ガス）ｆは燃料熱交換器３３で予熱及び燃料熱交換器３４ｂ，３４ａで順に加熱され、燃料供給系２０から並列の分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを通って燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ必要な量が供給される。
【００６３】
空気供給路１３の最上流側の燃料電池部１ａに供給される空気は、空気熱交換器３２の熱回収で加熱されて所定の作動温度に制御される。燃料電池部１ａの排出空気は、燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅで順次作動用の空気として使用され、酸素濃度が低下して最下流側の燃料電池部１ｅに供給される。例えば、燃料電池部１の段数を決める場合、燃料電池部１ｅの出口側の酸素濃度は数％程度とする。燃焼器３では必要な酸素濃度（例えば、２％）が確保される。燃焼器３出口の酸素濃度を０に近づける場合、圧縮機２からの圧縮空気中の酸素を大略使用し尽くすことも可能になる。
【００６４】
燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ供給される燃料（図１のｆ１，ｆ２に相当）には、同量の燃焼前の燃料（例えば、重量を２０と仮定する）が供給される。燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料利用率（燃料の消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄで発電のために消費される燃料の重量は１６となり、重量４の残燃料はそれぞれ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄから合流路２２を通って（重量が１６となって）最下流側の燃料電池部１ｅに供給される。
【００６５】
そして、燃料電池部１ｅからの排出燃料は燃焼器３に送られる。燃料電池部１ｅの燃料利用率（燃料ガスの消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料電池部１ｅで発電のために消費される燃料の重量は１２．８となり、残燃料が３．２となる。燃料の総重量（２０＋２０＋２０＋２０）８０に対して残燃料が３．２となり、このため、燃料利用率は、７６．８／８０で９６％となる。従って、上述した実施例では、燃料電池部分（新鮮な燃料が供給される燃料電池部４個と、新鮮な燃料が無投入の燃料電池部１個）の燃料利用率を高めることが可能となる。
【００６６】
ＦＣ発電設備７で作動を終えた排出空気及び排出燃料は、排出空気通路１７及び排出燃料通路１８から燃焼器３に供給され燃焼する。また、必要に応じて燃料ｆｃと共に燃焼器３で燃焼される。燃焼器３を出た高温の燃焼ガスはタービン４に供給され、膨張して出力に転換された後排出される。タービン４の排気は排熱回収ボイラ１２に送られ、排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気は蒸気タービン１４に送られて発電出力に転換される。タービン４及び蒸気タービン１４と連結された発電機５及び発電機１５から電力が取り出されると共に、ＦＣ発電設備７からも電力が取り出される。
【００６７】
一方、上述した複合発電設備２５のＦＣ発電設備７で、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの一部の負荷を低減したり、一部の燃料電池を停止したり、更には、全ての燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの負荷を協調して増減することができる。この場合、負荷増減もしくは停止に該当する燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，の分配路９の制御弁６を独立して制御し、該当する燃料電池に所望の燃料量を供給（燃料の停止を含む）する。燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄには、空気上流側の燃料電池の排出燃料は供給されないので、負荷を変えようとする燃料電池の作動条件がその上流側の燃料電池の燃料量に左右されずに運用できる。
【００６８】
このことから、部分負荷運転もしくは負荷低減運転において、燃料電池（新鮮な燃料が供給されるもの）を自由な燃料量で各々独立して運転することができる。また、空気熱交換器３１，３２及び燃料熱交換器３３，３４での圧縮空気の温度及び燃料ｆの温度は負荷の変更に応じて常に燃料電池投入の所定温度に制御される。
【００６９】
尚、上述した実施例では、ＦＣ発電設備７とガスタービン１１とを組み合わせ、ＦＣ発電設備７の作動空気をガスタービン１１の圧縮機２から供給し、ＦＣ発電設備７からの排出ガスを燃焼器３で燃焼するようにしたタービン発電設備を例に挙げて説明したが、ＦＣ発電設備７に供給される空気の供給源及びＦＣ発電設備７から排出される排出ガスの供給先は図示例に限定されるものではなく、他の任意の系統とすることも可能である。
【００７０】
図４に基づいて本発明の第３実施例を説明する。
【００７１】
図４には本発明の第３実施例に係る複合発電設備の概略系統を示してある。尚、図３に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。図４に示した第３実施例の複合発電設備は、圧縮機２からの空気供給系１３に、圧縮空気を所定温度に加熱するための空気温度制御手段としての空気熱交換器を備えたもので、空気熱交換器の熱源を別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）及び燃料電池の排出空気により得ている。また、後流側の燃料電池部に送られる排出空気を所定温度の作動温度にする空気熱交換器を燃料電池部に対応してそれぞれ備えたもので、空気熱交換器の熱源を個別に別途熱源により得ている。また、第２実施例と同様に、燃料ｆを加熱する燃料熱交換器を備えたもので、燃料熱交換器の熱源を別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）及び燃料電池の排出燃料により得ている。
【００７２】
図に示した第３実施例における複合発電設備２７は、圧縮機２及び燃焼器３及びタービン４を有するガスタービン１１（タービン発電設備）と、ガスタービン１１のタービン４の排気との間で蒸気を発生させる排熱回収ボイラ１２と、排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気が作動流体となって供給される蒸気タービン１４とで構成されている。
【００７３】
そして、ガスタービン１１の圧縮機２からの圧縮空気が燃料電池（ＦＣ）発電設備７の作動空気として空気供給手段（及び空気供給系１３）から供給され、また、燃料ｆがＦＣ発電設備７の作動用燃料として燃料供給系２０から供給される。ＦＣ発電設備７の排出流体（排出空気及び排出燃料）が燃焼器３で燃焼し、所定のタービン入口温度となる。
【００７４】
空気供給系１３には別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）により加熱するための空気熱交換器３１及び燃料電池排出空気を熱媒体として圧縮空気を加熱する空気熱交換器３２が設けられている。これら空気熱交換器３１，３２により圧縮空気が燃料電池作動のための所定温度（例えば、９００ ℃〜１１００℃）に加熱されてＦＣ発電設備７に供給される。また、燃料電池部にそれぞれ対応して排出空気熱交換器３５が個別に設けられ、後流側の燃料電池部に送られる排出空気及び燃焼器３に送られる排出空気が所定の作動温度及び所定温度にされるようになっている。それぞれの排出空気熱交換器３５には専用の冷却源３６からの冷却媒体が送られる。
【００７５】
燃料供給系２０には別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）により予熱する燃料熱交換器３３及び排出燃料を熱媒体として燃料ｆを予熱する燃料熱交換器３４が設けられている。燃料熱交換器３３，３４により燃料が所定の温度に予熱されてＦＣ発電設備７に供給される。
【００７６】
ＦＣ発電設備７の排出流体（排出空気及び排出燃料）が燃焼器３で燃焼される。必要に応じて燃焼器３には排出流体と共に燃料ｆｃが供給されてタービン入口温度を所定値とする。タービン４の出力は発電機５で電気出力として取り出され、発電が行われる。
【００７７】
タービン４の排気は空気熱交換器３１、燃料熱交換器３３の熱源に用いられる他、排熱回収ボイラ１２に送られ、熱回収されたのち煙突ＳＴＣＫから大気に放出される。排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気は蒸気タービン１４に送られる。蒸気タービン１４には発電機１５が連結され、発電出力が取り出される。蒸気タービン１４の排気蒸気は復水器１６で復水され、改めて給水として排熱回収ボイラ１２に送られる。
【００７８】
ＦＣ発電設備７は、空気と燃料ｆとを電解質膜を介して電気化学反応させて発電を行う燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅが配置されている。燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅは、燃料供給系が並列に配置され、空気供給系が直列に配置されている。燃料電池部１ａと燃料電池部１ｂの空気極の間が空気極排気部８ａで連通し、燃料電池部１ｂと燃料電池部１ｃの空気極の間が空気極排気部８ｂで連通し、燃料電池部１ｃと燃料電池部１ｄの空気極の間が空気極排気部８ｃで連通し、燃料電池部１ｄと燃料電池部１ｅの空気極の間が空気極排気部８ｄで連通している。つまり、下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに上流側の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出空気を供給する排出空気供給系が構成されている。更に、燃料電池部１ｅの空気極排気部８ｅが排出空気通路１７により燃焼器３につながっている。
【００７９】
圧縮機２からの圧縮空気は、空気熱交換器３１で熱交換されたのち各熱交換器で所定温度に加熱され、空気最上流側の燃料電池部１ａに供給される。
【００８０】
燃料電池部１ａからの排出空気は空気熱交換器３５ａを経由して燃料電池部１ｂに送られ、燃料電池部１ｂからの排出空気は空気熱交換器３５ｂを経由して燃料電池部１ｃに送られる。また、燃料電池部１ｃからの排出空気は空気熱交換器３５ｃを経由して燃料電池部１ｄに送られ、燃料電池部ｄからの排出空気は空気熱交換器３５ｄを経由して燃料電池部１ｅに送られる。そして、燃料電池部１ｅからの排出空気は空気熱交換器３５ｅに送られる。
【００８１】
空気熱交換器３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３５ｅには個別に冷却源３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ，３６ｅが設けられ、空気熱交換器３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，３５ｅでは燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅからの排出空気がそれぞれ下流側の燃料電池部の所定作動温度に冷却される。尚、空気供給系１３の上流側の空気熱交換器３５ｅ，３５ｄ，３５ｃは、図中に点線で示したように、省略することも可能である。空気熱交換器３５ｃで空気温度が作動温度になるときは、空気熱交換器３５ａ，３５ｂはバイパスして空気を１段目の燃料電池部１ａに供給する。この場合、空気熱交換器３５ａ，３５ｂは別途冷却源３６ａ，３６ｂから冷却媒体を受け入れる。
【００８２】
空気熱交換器３５を設けることにより、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ１ｅからの排出空気が冷却されて下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの所定の作動温度の空気を得ると共に燃焼器３に送られる所定温度に制御され、所定の作動温度の排出空気を各々得ることが可能になる。
【００８３】
燃料ｆは燃料供給系２０から燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに分配され、分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄから所定量の燃料ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４が燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料極にそれぞれ供給される。分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄにはそれぞれ制御弁６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが設けられ、個別に燃料の供給が制御される。つまり、最下流側の燃料電池部１ｅ以外の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ独立して燃料ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４を個別に供給する燃料供給系統が構成されている。
【００８４】
燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料極排気部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄからは通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを介して排出燃料がそれぞれ排気され、通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは合流路２２に合流されてそれぞれの排出燃料が燃料電池部１ｅの燃料極に合流して供給される。つまり、最下流の燃料電池部１ｅの作動用燃料として、最下流の燃料電池部１ｅ以外の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出燃料が集合ののち供給される。燃料電池部１ｅの燃料極排気部１０ｅが排出燃料通路１８により燃焼器３につながっている。
【００８５】
燃料電池部１ａ〜１ｄの排出燃料は燃料熱交換器３４ａを経由して燃料電池部１ｅに送られ、燃料電池部１ｅの排出燃料は燃料熱交換器３４ｂを経由して燃焼器３に送られる。また、燃料熱交換器３４ｂの上流側における燃料供給系２０には燃料熱交換器３３が設けられている。燃料ｆは燃料熱交換器３３及び燃料熱交換器３４ｂ，３４ａで順に予熱されたのち燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに分配される。
【００８６】
燃料熱交換器３４ａを設けることにより、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出燃料が熱回収によって冷却され下流側の燃料電池部１ｅの所定の作動温度の燃料を得ることが可能になる。また、燃料熱交換器３４ｂを設けることにより、燃料電池部１ｅの排出燃料を燃料ｆの加熱源に利用する。燃料熱交換器３３はタービン４の排気（各燃料電池よりも低温）を加熱源としており、燃料ｆを最初に加熱（予熱）するために使用する。
【００８７】
尚、燃料電池部１は、図４の状態に限らず、新鮮な燃料が供給される複数の燃料電池部と、新鮮な燃料が供給されない１つの燃料電池部の組み合わせで配置することが可能である。また、排出空気通路１７、排出燃料通路１８の排出空気及び排出燃料を別途燃焼部で予め燃焼させ、燃焼後の排出ガスを燃焼器３に供給することも可能である。
【００８８】
上記構成の複合発電設備２７では、圧縮機２で圧縮された空気は空気熱交換器３１で熱交換されて加熱され、空気供給系１３から各々の熱交換器を経由して最上流側の燃料電池部１ａに供給される。燃料ｆは燃料熱交換器３３で予熱及び燃料熱交換器３４ｂ，３４ａで順に加熱され、燃料供給系２０から並列の分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを通って燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ必要な量が供給される。
【００８９】
空気供給系１３の最上流側の燃料電池部１ａに供給される空気は、空気熱交換器３５で所定の作動温度に制御される。燃料電池部１ａの排出空気は、燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅで順次作動用の空気として使用され、酸素濃度が低下して最下流側の燃料電池部１ｅに供給される。例えば、燃料電池部１の段数を決める場合、燃料電池部１ｅの出口側の酸素濃度は数％程度とする。燃焼器３では必要な酸素濃度（例えば、２％）が確保される。燃焼器３出口の酸素濃度を０に近づける場合、圧縮機２からの圧縮空気中の酸素を大略使用し尽くすことも可能になる。
【００９０】
燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ供給される燃料（図１のｆ１，ｆ２に相当）には、同量の燃焼前の燃料（例えば、重量を２０と仮定する）が供給される。燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料利用率（燃料の消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄで発電のために消費される燃料の重量は１６となり、重量４の残燃料はそれぞれ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄから合流路２２を通って（重量が１６となって）最下流側の燃料電池部１ｅに供給される。
【００９１】
そして、燃料電池部１ｅからの排出燃料は燃焼器３に送られる。本構成でシステムの燃料利用率が向上する理由を述べる。燃料電池部１ｅの燃料利用率（燃料ガスの消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料電池部１ｅで発電のために消費される燃料の重量は１２．８となり、残燃料が３．２となる。燃料の総重量（２０＋２０＋２０＋２０）８０に対して残燃料が３．２となり、このため、燃料利用率は、７６．８／８０で９６％となる。従って、上述した実施例では、燃料電池部分（新鮮な燃料が供給される燃料電池部４個と、新鮮な燃料が無投入の燃料電池部１個）の燃料利用率を高めることが可能となる。
【００９２】
ＦＣ発電設備７で作動を終えた排出空気及び排出燃料は、排出空気通路１７及び排出燃料通路１８から燃焼器３に供給され燃焼する。また、必要に応じて燃料ｆｃと共に燃焼器３で燃焼される。燃焼器３を出た高温の燃焼ガスはタービン４に供給され、膨張して出力に転換された後排出される。タービン４の排気は排熱回収ボイラ１２に送られ、排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気は蒸気タービン１４に送られて発電出力に転換される。タービン４及び蒸気タービン１４と連結された発電機５及び発電機１５から電力が取り出されると共に、ＦＣ発電設備７からの電力と共にプラント出力を構成する。
【００９３】
一方、上述した複合発電設備２５のＦＣ発電設備７で、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの一部の負荷を低減したり、一部の燃料電池を停止したり、更には、全ての燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの負荷を協調して増減することができる。この場合、負荷増減もしくは停止に該当する燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，の分配路９の制御弁６を独立して制御し、該当する燃料電池に所望の燃料量を供給（燃料の停止を含む）する。燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄには、空気上流側の燃料電池の排出燃料とは無関係に調整されるので、独立して負荷を変えようとする燃料電池の作動条件がその上流、下流側の燃料電池の燃料量に左右されずに運用できる。
【００９４】
このことから、部分負荷運転もしくは負荷低減運転において、燃料電池（新鮮な燃料が供給されるもの）を自由な燃料量で各々独立して運転することができる。また、空気熱交換器３１燃料熱交換器３３，３４での圧縮空気の温度及び燃料ｆの温度は負荷の変更に応じて常に燃料電池投入の所定温度に制御される。
【００９５】
そして、部分負荷運転もしくは負荷低減運転が実施される場合、負荷を変える燃料電池部１の排出空気の熱交換を行なう空気熱交換器３５を個別に温度制御することで、例えば、停止させる燃料電池部１に対応する空気熱交換器３５での温度制御を停止することで、直列に排出される排出空気の温度が負荷の変更に影響されることがない。従って、部分負荷運転もしくは負荷低減運転を更に容易に実施することが可能になる。
【００９６】
尚、上述した実施例では、ＦＣ発電設備７とガスタービン１１とを組み合わせ、ＦＣ発電設備７の作動空気をガスタービン１１の圧縮機２から供給し、ＦＣ発電設備７からの排出ガスを燃焼器３で燃焼するようにしたタービン発電設備を例に挙げて説明したが、ＦＣ発電設備７に供給される空気の供給源及びＦＣ発電設備７から排出される排出ガスの供給先は図示例に限定されるものではなく、他の任意の系統とすることも可能である。
【００９７】
図５に基づいて本発明の第４実施例を説明する。
【００９８】
図５には本発明の第４実施例に係る複合発電設備の概略系統を示してある。尚、図３に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。図５に示した第４実施例の複合発電設備は、図３に示した第２実施例の複合発電設備のガスタービン１１（ガスタービン発電設備）に変えてガスエンジン発電設備を適用した構成となっている。
【００９９】
図５に示した第４実施例における複合発電設備２８は、圧縮機２及び燃焼器３及びタービン４を有するガスタービン１１と、ガスエンジン４２及び発電機４３を有するガスエンジン発電設備４４と、ガスタービン１１のタービン４との間で蒸気を発生させる排熱回収ボイラ１２と、排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気が作動流体となって供給される蒸気タービン１４とで構成されている。
【０１００】
そして、ガスタービン１１の圧縮機２からの圧縮空気が燃料電池（ＦＣ）発電設備７の作動空気として空気供給手段及び空気供給系１３から供給され、また、燃料ｆがＦＣ発電設備７の作動用燃料として燃料供給系２０から供給される。ＦＣ発電設備７の排出流体（排出空気及び排出燃料）がガスエンジン４２で燃焼し、更に、ガスエンジン４２の排出流体が燃焼器３で燃焼して所定のタービン入口温度となる。
【０１０１】
空気供給系１３には別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）により加熱するための空気熱交換器３１及び燃料電池排出空気を熱媒体として圧縮空気を加熱する空気熱交換器３２が設けられている。これら空気熱交換器３１，３２により圧縮空気が燃料電池作動のための所定温度（例えば、９００ ℃〜１１００℃）に加熱されてＦＣ発電設備７に供給される。
【０１０２】
燃料供給系２０には別途熱源（例えば、ガスタービン４の排気）により予熱する燃料熱交換器３３及び排出燃料を熱媒体として燃料ｆを予熱する燃料熱交換器３４が設けられている。燃料熱交換器３３，３４により燃料が所定の温度に予熱されてＦＣ発電設備７に供給される。
【０１０３】
ＦＣ発電設備７の排出流体（排出空気及び排出燃料）がガスエンジン４２で燃焼されて発電機４３で電気出力として取り出される。ガスエンジン４２の排出流体が燃焼器３で燃焼される。必要に応じて燃焼器３には排出流体と共に燃料ｆｃが供給されてタービン入口温度を所定値とする。タービン４の出力は発電機５で電気出力として取り出され、発電が行われる。
【０１０４】
タービン４の排気は排熱回収ボイラ１２に送られ、熱回収されたのち煙突ＳＴＣＫから大気に放出される。排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気は蒸気タービン１４に送られる。蒸気タービン１４には発電機１５が連結され、発電出力が取り出される。蒸気タービン１４の排気蒸気は復水器１６で復水され、改めて給水として排熱回収ボイラ１２に送られる。
【０１０５】
ＦＣ発電設備７は、空気と燃料ｆとを電解質膜を介して電気化学反応させて発電を行う燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅが配置されている。燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅは、燃料供給系が並列に配置され、空気供給系が直列に配置されている。燃料電池部１ａと燃料電池部１ｂの空気極の間が空気極排気部８ａで連通し、燃料電池部１ｂと燃料電池部１ｃの空気極の間が空気極排気部８ｂで連通し、燃料電池部１ｃと燃料電池部１ｄの空気極の間が空気極排気部８ｃで連通し、燃料電池部１ｄと燃料電池部１ｅの空気極の間が空気極排気部８ｄで連通している。つまり、下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに上流側の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出空気を供給する排出空気供給系が構成されている。更に、燃料電池部１ｅの空気極排気部８ｅが排出空気通路１７により空気熱交換器３１及び燃料熱交換器３３を経由してガスエンジン４２につながっている。
【０１０６】
燃料電池部１ａからの排出空気は空気熱交換器３２ａを経由して燃料電池部１ｂに送られ、燃料電池部１ｂからの排出空気は空気熱交換器３２ｂを経由して燃料電池部１ｃに送られる。また、燃料電池部１ｃからの排出空気は空気熱交換器３２ｃを経由して燃料電池部１ｄに送られ、燃料電池部ｄからの排出空気は空気熱交換器３２ｄを経由して燃料電池部１ｅに送られる。そして、燃料電池部１ｅからの排出空気は空気熱交換器３２ｅに送られる。圧縮機２からの圧縮空気は、空気熱交換器３１及び空気熱交換器３２ｅ，３２ｄ，３２ｃ，３２ｂ，３２ａでそれぞれ排出空気との間で順に熱交換されて所定温度に加熱され、空気最上流側の燃料電池部１ａに供給される。
【０１０７】
空気熱交換器３２を設けることにより、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出空気が熱回収により冷却されて下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの所定の作動温度の空気を得る。
【０１０８】
燃料ｆは燃料供給系２０から燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに分配され、分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄから所定量の燃料ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４が燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料極にそれぞれ供給される。分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄにはそれぞれ制御弁６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが設けられ、個別に燃料の供給が制御される。つまり、最下流側の燃料電池部１ｅ以外の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ独立して燃料ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４を個別に供給する燃料供給系統が構成されている。
【０１０９】
燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料極排気部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄからは通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄを介して排出燃料がそれぞれ排気され、通路２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは合流路２２に合流されてそれぞれの排出燃料が燃料電池部１ｅの燃料極に合流して供給される。つまり、最下流の燃料電池部１ｅの作動用燃料として、最下流の燃料電池部１ｅ以外の燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出燃料が供給される。燃料電池部１ｅの燃料極排気部１０ｅが排出燃料通路１８により燃焼器３につながっている。
【０１１０】
燃料電池部１ａ〜１ｄの排出燃料は燃料熱交換器３４ａを経由して燃料電池部１ｅに送られ、燃料電池部１ｅの排出燃料は燃料熱交換器３４ｂを経由して燃焼器３に送られる。また、燃料熱交換器３４ｂの上流側における燃料供給系２０には燃料熱交換器３３が設けられている。燃料ｆは燃料熱交換器３３及び燃料熱交換器３４ｂ，３４ａで順に予熱されたのち燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄに分配される。
【０１１１】
燃料熱交換器３４ａを設けることにより、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄからの排出燃料が熱回収によって冷却され下流側の燃料電池部１ｅの所定の作動温度の燃料を得ることが可能になる。また、燃料熱交換器３４ｂを設けることにより、燃料電池部１ｅの排出燃料を燃料ｆの加熱源に利用する。燃料熱交換器３３は最後尾の燃料電池１ｅの排出空気を加熱源としており、燃料ｆを最初に加熱（予熱）するために使用する。
【０１１２】
尚、燃料電池部１は、図５の状態に限らず、新鮮な燃料が供給される複数の燃料電池部と、新鮮な燃料が供給されない１つの燃料電池部の組み合わせで配置することが可能である。また、排出空気通路１７、排出燃料通路１８の排出空気及び排出燃料を別途燃焼部で燃焼させ、燃焼後の排出ガスを燃焼器３に供給することも可能である。この場合は、排出空気通路１７は２分され、ガスエンジン供給と別途燃焼の２通りに使用される。
【０１１３】
上記構成の複合発電設備２８では、圧縮機５で圧縮された空気は空気熱交換器３１及び空気熱交換器３２ｅ，３２ｄ，３２ｃ，３２ｂ，３２ａでそれぞれ排出空気との間で順に熱交換されて加熱され、空気供給系１３の下流、つまり最上流側の燃料電池部１ａに供給される。燃料ｆは燃料熱交換器３３で予熱及び燃料熱交換器３４ｂ，３４ａで順に加熱され、燃料供給系２０から分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを通って燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ必要な量が供給される。
【０１１４】
空気供給路１３の最上流側の燃料電池部１ａに供給される空気は、空気熱交換器３２の熱回収で加熱されて所定の作動温度に制御される。燃料電池部１ａの排出空気は、燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅで順次作動用の空気として使用され、酸素濃度が低下して最下流側の燃料電池部１ｅに供給される。例えば、燃料電池部１の段数を決める場合、燃料電池部１ｅの出口側の酸素濃度はガスエンジン４２の作動に必要な値、また、その排気は燃焼器３での必要な酸素濃度（例えば、２％）が確保される。燃焼器３出口の酸素濃度を０に近づけることにより、圧縮機２からの圧縮空気中の酸素を大略使用し尽くすことも可能になる。
【０１１５】
燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにそれぞれ供給される燃料（図１のｆ１，ｆ２に相当）には、同量の燃焼前の燃料（例えば、重量を２０と仮定する）が供給される。燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの燃料利用率（燃料の消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄで発電のために消費される燃料の重量は１６となり、重量４の残燃料はそれぞれ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄから合流路２２を通って（重量が１６となって）最下流側の燃料電池部１ｅに供給される。
【０１１６】
そして、燃料電池部１ｅからの排出燃料は燃焼器３に送られる。燃料電池部１ｅの燃料利用率（燃料ガスの消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料電池部１ｅで発電のために消費される燃料の重量は１２．８となり、残燃料が３．２となる。燃料の総重量（２０＋２０＋２０＋２０）８０に対して残燃料が３．２となり、このため、燃料利用率は、７６．８／８０で９６％となる。従って、上述した実施例では、燃料電池部分（新鮮な燃料が供給される燃料電池部４個と、新鮮な燃料が無投入の燃料電池部１個）の燃料利用率を高めることが可能となる。
【０１１７】
ＦＣ発電設備７で作動を終えて熱回収された排出空気及び排出燃料は、排出空気通路１７及び排出燃料通路１８からガスエンジン４２に供給され、燃焼ガスはは燃焼器３に供給されて燃焼される。燃焼器３を出た高温の燃焼ガスはタービン４に供給され、膨張して出力に転換された後排出される。タービン４の排気は排熱回収ボイラ１２に送られ、排熱回収ボイラ１２で発生した蒸気は蒸気タービン１４に送られて発電出力に転換される。タービン４及び蒸気タービン１４と連結された発電機５及び発電機１５並びにＦＣ発電設備７からも電力が取り出される。
【０１１８】
一方、上述した複合発電設備２５のＦＣ発電設備７の燃料系が併列であることから、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの一部の負荷を増減したり、一部の燃料電池を停止したり、更には、全ての燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの負荷を協調して増減するなど自由な運用ができる。この場合、負荷増減もしくは停止に該当する燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，の分配路９の制御弁６を独立して制御できるため、該当する燃料電池に所望の燃料量を供給（燃料の停止を含む）が可能である。燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄには、空気上流側の燃料電池の排出燃料が供給されないので、負荷を変えようとする燃料電池の作動条件がその上流側の燃料電池の燃料量に左右されることがなく運用できる。
【０１１９】
このことから、部分負荷運転もしくは負荷低減運転において、燃料電池（新鮮な燃料が供給されるもの）を自由な燃料量で各々独立して運転することができる。また、空気熱交換器３１，３２及び燃料熱交換器３３，３４での圧縮空気の温度及び燃料ｆの温度は負荷の変更に応じて常に燃料電池投入の所定温度に制御される。
【０１２０】
尚、上述した実施例では、ＦＣ発電設備７の構成を図３に示した第２実施例を例に挙げて説明したが、ＦＣ発電設備７としては、図４に示した第３実施例の構成を適用することも可能である。
【０１２１】
【発明の効果】
本発明の燃料電池発電設備の構成は、空気と燃料とを電解質膜を介して電気化学反応させて発電する複数段の燃料電池部を配列し、最上流の燃料電池部に空気を供給する空気供給手段を設け、下流側の燃料電池部の作動用空気として隣接する上流側の燃料電池部からの排出空気を供給する空気供給手段を設け、燃料電池部にそれぞれ並列に独立して燃料を供給する燃料供給手段を設け、各燃料電池部からの排出燃料をひとつにまとめる燃料排出系統を設けたので、燃料電池発電部の排出空気系を直列に配置した設備において、上流側からの排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を変更して運転をすることがきる燃料電池発電設備とすることが可能になる。
【０１２２】
本発明の燃料電池発電設備の構成は、空気と燃料とを電解質膜を介して電気化学反応させて発電する少なくとも３段の燃料電池部を配列し、最上流の燃料電池部に空気を供給する空気供給手段を設け、下流側の燃料電池部の作動用空気として隣接する上流側の燃料電池部からの排出空気を供給する空気供給手段を設け、最下流の燃料電池部以外の燃料電池部にそれぞれ並列に独立して燃料を供給する燃料供給手段を設け、各並列燃料電池部からの排出燃料をまとめて最下流の燃料電池部の作動用燃料として供給する燃料供給系統を設けたので、燃料電池発電部の排出空気系を直列に配置した設備であっても、上流側からの排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を変更して運転をすることがき、しかも未燃の排出燃料を減少させることができる燃料電池発電設備とすることが可能になる。
【０１２３】
そして、空気供給系統からの空気を所定温度に制御する空気温度制御手段を設けたので、際上流の燃料電池への空気を所定の作動温度に制御することが可能になる。
【０１２４】
また、空気温度制御手段は、各燃料電池部に対応して個別に設けられ、燃料電池部の排出空気を所定温度に制御して下流側の燃料電池部に供給するので、各燃料電池部毎に個別に空気を所定の作動温度に制御することが可能になる。
【０１２５】
また、空気供給系統からの空気を所定温度に制御する供給空気温度制御手段と、燃料電池部に対応して排出空気を所定温度に制御する排出空気温度制御手段とを対応させて構成、もしくは、排出空気温度制御手段を単独に構成したので、各燃料電池部毎に空気を所定の作動温度に制御することが可能になる。
【０１２６】
つまり、空気供給系統からの空気を所定温度に制御する供給空気温度制御手段と、各燃料電池部の排出空気を所定温度に制御する排出空気温度制御手段とを熱的に平衡させて構成し、もしくは、排出空気温度制御を単独の冷却源と組み合わせて構成することにより、各燃料電池個別の運用に対応して各々の反応用空気を所定の作動温度に独立して制御することが可能になる。
【０１２７】
また、燃料供給手段からの燃料を所定温度に制御する燃料温度制御手段を設けたので、燃料供給手段からの燃料をシステム内の加熱流体と組み合わせた燃料温度制御手段となり、燃料を所定の温度に制御することができる。
【０１２８】
本発明のタービン発電設備は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池発電設備の空気供給系統に圧縮空気を供給する圧縮機と、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池発電設備の燃料電池部の排出燃料及び排出空気の燃焼ガスにより作動されるガスタービンとを備えたので、燃料電池発電部の排出空気系を直列に配置した設備においても、上流側の排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を自由に変更して運転をすることがきる燃料電池発電設備を備えたタービン発電設備とすることが可能になる。
【０１２９】
本発明のガスエンジン発電設備は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池発電設備の燃料電池部の排出空気で作動するガスエンジン及び排出燃料で作動するガスタービンを備えたので、高効率のガスエンジン発電ののちにガスタービン発電を行なって、ガスタービン単独と連結するよりもシステム効率を高めることができる。
【０１３０】
本発明の複合発電設備は、請求項７に記載のタービン発電設備と、タービン発電設備のタービンの排気ガスにより蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで発生した蒸気により作動される蒸気タービンとを備えたので、燃料電池発電部の排出空気系を直列に配置した設備においても、上流側からの排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を自由に変更して運転をすることがきる燃料電池発電設備を備えたガスタービンの複合発電設備とすることが可能になる。
【０１３１】
そして、ガスエンジンから排出される排気ガスにより燃焼タービンを作動させさらに蒸気を発生させる排熱回収部と、排熱回収部で発生した蒸気により作動される蒸気タービンとを備えたので、燃料電池発電部の排出空気系を直列に配置した設備においても、上流側からの排出燃料の影響を受けることなく下流側の燃料電池発電部の負荷を自由に変更して運転をすることがきる燃料電池発電設備を備えた蒸気タービンを有する複合発電設備とすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態例に係る燃料電池発電設備の概略系統図。
【図２】本発明の第１実施例に係る複合発電設備の概略系統図。
【図３】本発明の第２実施例に係る複合発電設備の概略系統図。
【図４】本発明の第３実施例に係る複合発電設備の概略系統図。
【図５】本発明の第４実施例に係る複合発電設備の概略系統図。
【符号の説明】
１ 燃料電池部
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
５ 発電機
６ 制御弁
７ 燃料電池（ＦＣ）発電部
８ 空気極排気部
９ 分配路
１０ 燃料極排気部
１１ ガスタービン
１２ 排熱回収ボイラ
１３ 空気供給路
１４ 蒸気タービン
１５ 発電機
１６ 復水器
１７ 排出空気通路
１８ 排出燃料通路
２０ 燃料供給路
２１ 通路
２２ 合流路
２５，２６，２７，２８ 複合発電設備
３１，３２，３５ 空気熱交換器
３３，３４ 燃料熱交換器
３６ 冷却源
４１ 圧縮機
４２ ガスエンジン
４３ 発電機
４４ ガスエンジン発電設備
Claims (10)
- 空気と燃料とを電解質膜を介して電気化学反応させて発電する複数段の燃料電池部を配列し、
最上流の燃料電池部に空気を供給する空気供給手段を設け、
下流側の燃料電池部の作動用空気として隣接する上流側の燃料電池部からの排出空気を供給する空気供給手段を設け、
燃料電池部にそれぞれ並列に独立して燃料を供給する燃料供給手段を設け、
各燃料電池部からの排出燃料をひとつにまとめる燃料排出系統を設けたことを特徴とする燃料電池発電設備。 - 空気と燃料とを電解質膜を介して電気化学反応させて発電する少なくとも３段の燃料電池部を配列し、
最上流の燃料電池部に空気を供給する空気供給手段を設け、
下流側の燃料電池部の作動用空気として隣接する上流側の燃料電池部からの排出空気を供給する空気供給手段を設け、
最下流の燃料電池部以外の燃料電池部にそれぞれ並列に独立して燃料を供給する燃料供給手段を設け、
各並列燃料電池部からの排出燃料をまとめて最下流の燃料電池部の作動用燃料として供給する燃料供給系統を設けたことを特徴とする燃料電池発電設備。 - 請求項１もしくは請求項２において、
空気供給系統からの空気を所定温度に制御する空気温度制御手段を設けたことを特徴とする燃料電池発電設備。 - 請求項３において、
空気温度制御手段は、各燃料電池部に対応して個別に設けられ、燃料電池部の排出空気を所定温度に制御して下流側の燃料電池部に供給されることを特徴とする燃料電池発電設備。 - 請求項１もしくは請求項２において、
空気供給系統からの空気を所定温度に制御する供給空気温度制御手段と、燃料電池部に対応して排出空気を所定温度に制御する排出空気温度制御手段とを対応させて構成、もしくは、排出空気温度制御手段を単独に構成したことを特徴とする燃料電池発電設備。 - 請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、
燃料供給手段からの燃料を所定温度に制御する燃料温度制御手段を設けたことを特徴とする燃料電池発電設備。 - 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池発電設備の空気供給系統に圧縮空気を供給する圧縮機と、
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池発電設備の燃料電池部の排出燃料及び排出空気の燃焼ガスにより作動されるガスタービンと
を備えたことを特徴とするタービン発電設備。 - 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池発電設備の燃料電池部の排出空気で作動するガスエンジン及び排出燃料で作動するタービンを備えたことを特徴とするガスエンジン発電設備。
- 請求項７に記載のタービン発電設備と、
タービン発電設備のガスタービンの排気ガスにより蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、
排熱回収ボイラで発生した蒸気により作動される蒸気タービンと、
を備えたことを特徴とする複合発電設備。 - 請求項８に記載のガスエンジン発電設備と、
ガスエンジンから排出される排気ガスにより燃焼タービンを作動させさらに蒸気を発生させる排熱回収部と、
排熱回収部で発生した蒸気により作動される蒸気タービンと
を備えたことを特徴とする複合発電設備。
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