JP2004087351A - 燃料電池−ガスタービン発電設備及び複合発電設備 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスタービン４を最大の膨張比で作動させる。
【解決手段】ＳＯＦＣ１に供給する空気を加熱する空気加熱器１１で熱回収された排ガスがガスタービン４で膨張されて排熱回収ボイラ６に送られ、ガスタービン４の排ガスの保有熱を排熱回収ボイラ６で回収し、ガスタービン４を最大の膨張比で作動させることを可能にし、能力に見合った状態でガスタービン４を作動させて出力を高めて効率を向上させる。
【選択図】 図１
【解決手段】ＳＯＦＣ１に供給する空気を加熱する空気加熱器１１で熱回収された排ガスがガスタービン４で膨張されて排熱回収ボイラ６に送られ、ガスタービン４の排ガスの保有熱を排熱回収ボイラ６で回収し、ガスタービン４を最大の膨張比で作動させることを可能にし、能力に見合った状態でガスタービン４を作動させて出力を高めて効率を向上させる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池（固体電解質燃料電池）とガスタービンを組み合わせた燃料電池−ガスタービン発電設備及び燃料電池−ガスタービン発電設備と蒸気タービン設備を組み合わせた複合発電設備に関する。
【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電池反応させて発電を行う装置であり、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ガスの温度は高く、排出ガスの熱エネルギーをガスタービン及び蒸気タービン等のボトミ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。
【０００３】
特に、高温型燃料電池｛運転温度が約１０００℃の固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）や運転温度が約６５０ ℃の溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）｝では排出ガスの温度が高いので、このような高温型燃料電池とガスタービンとを組み合わせたガスタービン発電設備では、高効率で発電を実施することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池（例えば、ＳＯＦＣ）とガスタービンとを組み合わせたタービン発電設備では、圧縮機からの圧縮空気が反応用の空気として燃料電池に送られるが、圧縮空気の温度を燃料電池の運転温度に近づける（昇温させる）手段が種々考えられている。
【０００５】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池とガスタービンとを組み合わせたタービン発電設備において、圧縮空気の温度を燃料電池の運転温度に効率よく昇温させることができるガスタービン発電設備を提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、圧縮空気の温度を燃料電池の運転温度に効率よく昇温させることができるガスタービン発電設備と蒸気タービン設備を組み合わせた複合発電設備を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の燃料電池−ガスタービン発電設備は、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気が加熱される熱交換手段と、熱交換手段で加熱された圧縮空気が供給され供給された圧縮空気中の酸素と燃料とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池と、燃料電池からの排空気及び排ガスが混合されて燃焼され燃焼ガスを熱交換手段での圧縮空気の加熱媒体とする混合手段と、熱交換手段で熱交換された燃焼ガスが膨張されるガスタービンとを備えたことを特徴とする。
【０００８】
そして、請求項１に記載のガスタービン発電設備において、
燃料電池は固体電解質燃料電池であり、
固体電解質燃料電池は、
容器上部の内部に設けられる燃料室と、
燃料室の下部に設けられ燃料室管板により仕切られる排ガス室と、
排ガス室の下部に設けられ排ガス室管板により仕切られる電池室と、
電池室の下部に排空気室管板により仕切られて設けられる排空気室と、
排空気室の下部に設けられ空気室管板により仕切られる空気室と、
両端が開放され上端部が燃料室に開口して配されると共に下部が電池室に配される燃料内管と、
下端が閉じられると共に上端が開放されて燃料内管の外側に配され下端部が燃料内管の開口を覆うと共に上端部が排ガス室に開口して配される多孔質状の燃料外管と、
排空気室管板に設けられる多数の排空気排出孔と、
両端が開放され上端部が電池室の上方に配され下端部が空気室に開口する空気加熱管と、
燃料外管の外周に配される電池とを備え
燃料室に燃料が供給されることにより燃料内管を通って下端部から燃料外管に燃料が送られると共に空気室に空気が供給されることにより空気加熱管を流通して電池室に空気が送られ、
多孔質状の燃料外管の壁部を通過した燃料と空気中の酸素とが電解質を介して電池反応されて発電され、
燃料外管内の未燃燃料を含む排ガスが燃料外管を流通して排ガス室に送られると共に電池室の排空気が排空気排出孔を通過して排空気室に送られ、
空気加熱管を流通する空気が発電の反応熱により加熱される
ことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
固体電解質燃料電池は、
排空気室から排出される排空気の一部を空気室に再循環させる再循環系を備え、空気室に供給される空気に排空気を混入して空気の温度を高めることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２もしくは請求項３に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
固体電解質燃料電池は、
燃料外管の外壁には燃料極及び電解質及び空気極が設けられ、
燃料極が燃料を改質する改質触媒となり、
燃料改質反応による吸熱により発電の反応熱の一部を回収すると共に発電の反応熱の残りで空気加熱管を流通する空気を加熱して発電の反応熱を全て回収除去することを特徴とする。
【００１１】
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１乃至請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備と、燃料電池−ガスタービン発電設備のガスタービンの排気ガスの熱回収を行って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する蒸気タービンと、蒸気タービンの排気を復水する復水手段と、復水手段からの復水を排熱回収ボイラに給水する給水手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の一実施形態例に係る燃料電池−ガスタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統を示してある。
【００１３】
図に示すように、燃料電池−ガスタービン発電設備は、燃料電池としての固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）１とガスタービン２とで構成されている。ガスタービン２は圧縮機３及びタービン４及び発電機５で構成され、タービン４の排ガスは排熱回収ボイラ６で熱回収されて煙突２１から大気に放出される。ＳＯＦＣ１は、空気（酸素）と燃料ｆとを電解質を介して電池反応させて発電するものである。
【００１４】
尚、図中の符号で２０はＳＯＦＣ１で得られた直流の電力を交流に変換する直交変換器である。
【００１５】
排熱回収ボイラ６では排ガスの排熱により蒸気を発生し、発生した蒸気は蒸気タービン７に送られて蒸気タービン７で動力が回収される。蒸気タービン７の排気蒸気は復水手段としての復水器８で復水され、復水は給水手段としての給水ポンプ９により排熱回収ボイラ６に給水される（複合発電設備）。
【００１６】
ＳＯＦＣ１へ供給される空気は、圧縮機３で圧縮された圧縮空気が送られる。圧縮機３で圧縮された圧縮空気は熱交換手段としての空気加熱器１１に送られ、空気加熱器１１で加熱された空気が空気供給管１２からＳＯＦＣ１に供給される。燃料ｆは脱硫装置１３で硫黄分が除去された後、燃料供給管１４から通常運転時はＳＯＦＣ１に供給される。
【００１７】
ＳＯＦＣ１の未反応分を含有する排ガスは、排ガス排出管１５を経て混合手段としての排ガス排空気混合器１６に供給される。また、ＳＯＦＣ１の未反応酸素を含有する排空気は、空気排出管１７を経て排ガス排空気混合器１６に供給される。排ガス排空気混合器１６では、未反応分を含有する排ガスと未反応酸素を含有する排空気とが混合され、未反応燃料が燃焼する。
【００１８】
未反応燃料の燃焼により高温になった燃焼ガス（排ガス）は空気加熱器１１に導入され、空気加熱器１１でＳＯＦＣ１へ供給される圧縮空気と熱交換される。排ガスの保有熱により空気加熱器１１の出口における供給空気を必要温度に加熱してＳＯＦＣ１に供給する。空気加熱器１１で熱交換された排ガスはタービン４に供給されて膨張される。
【００１９】
空気供給管１２には起動時に低温空気を加熱する起動用燃焼器１８が設置され、起動用燃焼器１８には燃料分岐路２２から燃料が投入される。尚、図中２３は起動時に燃料分岐路２２を開く制御弁である。起動時は制御弁２３を開いて燃料分岐路２２から起動用燃焼器１８に燃料が供給される。
【００２０】
排ガス排空気混合器１６には燃料分岐路２４が接続され、排熱回収ボイラ６の発生蒸気または温水の増量に応じ、制御弁２５の開閉制御により必要な燃料が投入される。
【００２１】
上記構成のガスタービン発電設備を備えた複合発電設備では、燃料供給管１４から燃料ｆがＳＯＦＣ１に供給されると共に、圧縮機３で圧縮されて空気加熱器１１で所定温度に加熱された空気が空気供給管１２からＳＯＦＣ１に供給される。ＳＯＦＣ１では空気中の酸素及び燃料ｆの電池反応により発電が行われる。
【００２２】
未反応分を含有する排ガスは、排ガス排出管１５を経て混合手段としての排ガス排空気混合器１６に供給され、未反応酸素を含有する排空気は、空気排出管１７を経て排ガス排空気混合器１６に供給される。排ガス排空気混合器１６では、未反応分を含有する排ガスと未反応酸素を含有する排空気とが混合され、未反応燃料が燃焼して高温の燃焼ガスが生成される。
【００２３】
生成された燃焼ガス（排ガス）によりタービン４が作動し、タービン４の排ガスが排熱回収ボイラ６で熱回収されて蒸気が発生される。発生した蒸気は蒸気タービン７に送られて動力が回収され、蒸気タービン７の排気蒸気は復水器８で復水されて給水ポンプ９により排熱回収ボイラ６に給水される。
【００２４】
上記構成の燃料電池−ガスタービン発電設備では、空気加熱器１１で熱回収された排ガスがガスタービン４で膨張されて排熱回収ボイラ６に送られるので、ガスタービン４の排ガスの保有熱を排熱回収ボイラ６で回収することができる。このため、ガスタービン４を最大の膨張比で作動させることが可能になり、能力に見合った状態でガスタービン４を作動させて出力を高めて効率を向上させることができる。
【００２５】
因みに、ガスタービン４で膨張された排ガスによりＳＯＦＣ１に供給される空気の加熱を行う等によりガスタービン４の排ガスを別途熱回収する構成とした場合、ガスタービン４の排ガスの温度を加熱のために高く維持させる必要があり、最大の膨張比に対して余力がある状態で作動させることになる。このため、ガスタービン４の能力に対して膨張比を抑制した状態で使用するか、膨張比の小さなガスタービンを適用せざるを得ないことになる。
【００２６】
図２乃至図４に基づいて上述した複合発電設備のガスタービン設備に適用されるＳＯＦＣ１の詳細な構成を説明する。図２には複合発電設備のガスタービン設備に適用されるＳＯＦＣ１の概略構成を表す斜視状況、図３には複合発電設備のガスタービン設備に適用されるＳＯＦＣ１の概略断面、図４には電池管の詳細を表す断面を示してある。
【００２７】
図２、図３に示すように、ＳＯＦＣ３１は高温｛電解質がＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）の場合は９００〜１０００℃｝で作動する燃料電池であり、断熱・保温材で内貼りされた容器（ケーシング）３２に収納される。ケーシング３２の内部は、上部より、燃料室管板３３、排ガス室管板３４、排空気室管板３５及び空気室管板３６で仕切られ、燃料室３７、排ガス室３８、電池室３９、排空気室４０及び空気室４１が形成されている。排空気室管板３５には電池室３９と排空気室４０とを連通する多数の排空気排出孔３５ａが設けられている。
【００２８】
電池室３９の内部には電池管４２が多数配設され、電池管４２は燃料外管４３と燃料内管４４の２重管構造で構成されている。２重管構造の電池管１２の内管１４及び外管１３はそれぞれ燃料室管板３３及び排ガス室管板３４で支持されている。
【００２９】
燃料内管４４は両端部が開放状態にされ、燃料外管１３は下端部が閉じられて上端部のみが開放状態にされている。燃料内管１４は両端が開放され上端部が燃料室３７に開口して配されると共に下端部が電池室３９に配されている。燃料外管１３は燃料内管１４の外側に配置され、下端部が燃料内管１４の開口を覆い上端部が排ガス室３８に開口している。燃料外管１３は多孔質状の材料で形成されている。
【００３０】
電池室３９の内部には両端が開口状態とされた空気加熱管４５が多数配設され、空気加熱管４５は排ガス室３８、排空気室管板３５及び空気室管板３６を貫通して下端が空気室４１に開口した状態で空気室管板３６に支持されている。空気加熱管４５の入口部にはそれぞれ絞り４６が設けられ、空気室４１からそれぞれの空気加熱管４５に供給される空気の圧力が均一に維持されるようになっている。
【００３１】
尚、均一維持機構としては、空気室４１の流路面積を変化させてそれぞれの空気加熱管４５に供給される空気の圧力を均一に維持する機構を採用することも可能である。
【００３２】
燃料室３７には燃料供給管１４が接続され、排ガス室３８には排ガス排出管１５が接続されている。また、排空気室４０には空気排出管１７が接続され、空気室４１には空気供給管１２が接続されている。
【００３３】
図３に示すように、空気排出管１７と空気供給管１２との間には反応を終えた高温の排空気の一部を再循環させる再循環管５１が設けられ、高温の排空気の一部が空気室４１（空気加熱管４５の入口側）に混入されて空気加熱管４５に供給される空気の温度が高められる。
【００３４】
再循環管５１の合流部位における空気供給管１２には空気供給管１２内の圧力を高くするエジェクター５２が設けられ、エジェクター５２により空気排出管１７と空気供給管１２に圧力差が形成される。エジェクター５２により形成される圧力差により空気排出管１７の排空気の一部が再循環管５１に導かれて空気供給管１２に送られる。
【００３５】
尚、エジェクター５２に代えて空気供給管１２に昇圧通風機等を設けることも可能である。
【００３６】
図１、図２に示すように、電池管４２の燃料外管４３の表面には燃料極、電解質、空気極を備えた電池５３が形成されている。そして、燃料極が燃料を改質する触媒となっており、電池管４２に送られた燃料が内部改質（吸熱反応）されるようになっている。
【００３７】
即ち、図４に示すように、電池管４２の燃料外管４３の表面には燃料極５５、電解質５６及び空気極５７を備えた電池５３が形成されている。燃料極５５は、例えば、ニッケルサーメットで構成され、燃料極５５自身が燃料を改質する触媒となっている。メタン等の燃料は多孔質状の燃料外管４３を通過して燃料極５５で改質されて水素が使用可能となる。空気中の酸素は電子を受けて酸素イオンとなり、電解質５６を燃料側に移動し、燃料極５５で電子を放出してＨ２ Ｏ及びＣＯとなり、発電が行われる。
【００３８】
尚、図４に点線で示したように、電池管４２の燃料内管４４の外側表面に改質用の触媒５９を設け、改質を促進することも可能である。
【００３９】
燃料供給管１４から燃料室３７に供給された燃料は燃料室３７から電池管４２の燃料内管４４に送られ、燃料内管４４の下端部で反転し燃料内管４４と燃料外管４３の間のアンニュラー部を上昇して排ガス室３８に送られる。燃料が燃料内管４４を下降する過程で電池反応による反応熱を吸収し、アンニュラー部の入口では電池反応に必要な温度に上昇すると共に一部改質が行われ電池反応熱を吸収する。アンニュラー部では改質反応と電池反応が行われる。
【００４０】
空気供給管１２から空気室４１に供給された空気は空気加熱管４５に送られて空気加熱管４５内を上昇する。空気供給管１２には空気排出管１７から分岐した排空気の一部が再循環管５１を経由して混入され、空気室４１の空気を昇温させる。空気は空気加熱管４５内を上昇する過程で電池反応熱を吸収し電池反応に必要な温度に加熱されて電池室３９に放出される。
【００４１】
放出された空気は、電池反応を行いながら電池室３９を下降し、排空気室管板３５の空気加熱管４５の貫通部周囲の間隙及び排空気排出孔３５ａを通って排空気室４０に送られる。
【００４２】
上記構成のＳＯＦＣ１は、２重管構造の電池管４２を燃料が流れるようになっており、燃料内管４４を下降する過程で反応熱を吸熱し（加熱され）、アンニュラー部を上昇する過程では改質反応により吸熱する構造となっている。また、空気は空気加熱管４５を上昇する過程で反応熱を吸熱する機能を有する構造となっている。このため、燃料は最大の内部吸熱機能を有する構造である。
【００４３】
上述したＳＯＦＣ１では、空気および燃料は必要な内部吸熱機能を有するので、空気室４１に供給する空気温度及び燃料室３７に供給する燃料温度をその分低下することができ、供給空気量を減少することができる。しかも、空気加熱管４５から電池室３９に放出される空気は適正温度レベルである。
【００４４】
また、空気排出管１７から分岐した排空気の一部を再循環管５１を経由して空気供給管１２に混入しているので、供給空気の電池室３９の入口温度が上昇し、電池室３９内の温度分布をより均一化することができる。
【００４５】
尚、再循環管５１及びエジェクター５２を省略して排空気の一部を空気供給管１２に混入しない構造とすることも可能である。排空気の一部を混入しない場合であっても、供給される空気は空気加熱管４５を通過する過程で反応熱を吸熱して温度を高めることができる。
【００４６】
また、空気加熱管４５を省略して排空気の一部を空気供給管１２に混入することだけで空気の温度を高める構造とすることも可能である。この場合、電池室３９の簡素化を図ることができる。
【００４７】
また、上述したＳＯＦＣ１では、電池管４２に燃料を通し電池室３９に空気を供給する構成としたが、電池管４２に空気を通し電池室３９に燃料を供給する構成とすることも可能である。この場合、空気加熱管４５は反応熱を吸熱できる適宜部位に設けられる。
【００４８】
上述した本実施形態例のＳＯＦＣ１は、ＳＯＦＣ１の内部空気加熱手段（空気加熱管４５）で余剰の電池反応熱を吸収して空気加熱を行うので、ＳＯＦＣ１の入口空気温度を下げることができる。このため、供給空気量を減少することができる。空気加熱管４５を適正に分布させることにより、熱吸収の均等化が得られると共に、空気加熱管４５の数の適正化により電池室３９に放出される空気の温度は、電池反応に適正なレベルの温度が得られる。
【００４９】
このように、内部空気加熱方式により反応余剰熱を吸収して空気を加熱するので、ＳＯＦＣ１への供給空気の温度を低下させることが可能になり、ＳＯＦＣ１の冷却（反応熱除去）の観点から必要とする空気量を低減することにより、電池内部温度を制御し排空気および排ガスの保有熱を減少し排ガス損失を減少することができる。
【００５０】
また、排空気の再循環により、ＳＯＦＣ１の入口空気温度を上げることができるので、電池室３９の内部の温度をより均一化することができる。特に、電池室３９に空気加熱管４５を設置しない場合において、電池室３９の入口空気を適正温度レベルに上げることができる。
【００５１】
また、電池管４２を二重管として燃料内管４４に燃料加熱機能を持たせたことにより、燃料加熱器を経ない低温の燃料を供給しても、電池反応熱を吸熱して電池反応部（燃料内管４４の下端部）に燃料が到達する前に電池反応に適正な温度レベルに昇温させることができる。
【００５２】
従って電池性能の低下を伴うことなく反応熱の吸熱除去（温度制御）が可能になり、反応熱排出のための空気量増加が減少し効率低下を避けることができる。
【００５３】
また、燃料極５５に改質機能を有する触媒材料を使用したので、燃料極５５で改質機能を持たせることができる。また、例えば、燃料内管４４の外面に改質触媒機能を有する材料（触媒５９）を塗布または混合することにより、内部改質機能を向上させることができ、改質し難い広範な燃料に対しても内部改質が可能となる。
【００５４】
上述したように、ＳＯＦＣ１は、入口の空気温度を下げることができるので、図１に示した空気加熱器１１における入口側と出口側の燃焼ガスの温度差を少なくしてガスタービン４に供給する排ガスの温度を高くすることができる。このため、高温の排ガスをガスタービン４に供給して出力を向上させることが可能になる。
【００５５】
また、ＳＯＦＣ１は、必要とする空気量を低減することができるので、圧縮空気が送られる図１に示した空気加熱器１１を少ない容量とすることができる。このため、空気加熱器１１を小型化してコスト低減を図ることが可能になる。
【００５６】
従って、ＳＯＦＣ１を適用することにより、ガスタービン２の機能を最大限に活用した燃料電池−ガスタービン発電設備及び複合発電設備とすることが可能になる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明の燃料電池−ガスタービン発電設備は、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気が加熱される熱交換手段と、熱交換手段で加熱された圧縮空気が供給され供給された圧縮空気中の酸素と燃料とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池と、燃料電池からの排空気及び排ガスが混合されて燃焼され燃焼ガスを熱交換手段での圧縮空気の加熱媒体とする混合手段と、熱交換手段で熱交換された燃焼ガスが膨張されるガスタービンとを備えたので、熱交換手段で熱回収された排ガスがガスタービンで膨張されて排熱回収ボイラに送られ、ガスタービンの排ガスの保有熱を排熱回収ボイラで回収することができる。
【００５８】
この結果、ガスタービンを最大の膨張比で作動させることが可能になり、能力に見合った状態でガスタービンを作動させて出力を高めて効率を向上させることができる。
【００５９】
そして、請求項１に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
燃料電池は固体電解質燃料電池であり、
固体電解質燃料電池は、
容器上部の内部に設けられる燃料室と、
燃料室の下部に設けられ燃料室管板により仕切られる排ガス室と、
排ガス室の下部に設けられ排ガス室管板により仕切られる電池室と、
電池室の下部に排空気室管板により仕切られて設けられる排空気室と、
排空気室の下部に設けられ空気室管板により仕切られる空気室と、
両端が開放され上端部が燃料室に開口して配されると共に下部が電池室に配される燃料内管と、
下端が閉じられると共に上端が開放されて燃料内管の外側に配され下端部が燃料内管の開口を覆うと共に上端部が排ガス室に開口して配される多孔質状の燃料外管と、
排空気室管板に設けられる多数の排空気排出孔と、
両端が開放され上端部が電池室の上方に配され下端部が空気室に開口する空気加熱管と、
燃料外管の外周に配される電池とを備え
燃料室に燃料が供給されることにより燃料内管を通って下端部から燃料外管に燃料が送られると共に空気室に空気が供給されることにより空気加熱管を流通して電池室に空気が送られ、
多孔質状の燃料外管の壁部を通過した燃料と空気中の酸素とが電解質を介して電池反応されて発電され、
燃料外管内の未燃燃料を含む排ガスが燃料外管を流通して排ガス室に送られると共に電池室の排空気が排空気排出孔を通過して排空気室に送られ、
空気加熱管を流通する空気が発電の反応熱により加熱されるので、
入口の空気温度を下げることができると共に、必要とする空気量を低減することができるので、熱交換手段における入口側と出口側の燃焼ガスの温度差を少なくしてガスタービンに供給する排ガスの温度を高くすることができ、圧縮空気が送られる熱交換手段を少ない容量とすることができる。
【００６０】
このため、高温の排ガスをガスタービンに供給して出力を向上させることが可能になると共に、熱交換手段を小型化してコスト低減を図ることが可能になる。
【００６１】
従って、燃料電池とガスタービンとを組み合わせた燃料電池−ガスタービン発電設備において、圧縮空気の温度を燃料電池の運転温度に効率よく昇温させることができるガスタービン発電設備となる。
【００６２】
また、請求項２に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
固体電解質燃料電池は、
排空気室から排出される排空気の一部を空気室に再循環させる再循環系を備え、空気室に供給される空気に排空気を混入して空気の温度を高めるようにしたので、
排空気の再循環により、入口の空気温度を上げることができ、電池室の内部の温度をより均一化することができる固体電解質燃料電池を備えたガスタービン設備となる。
【００６３】
また、請求項２もしくは請求項３に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
固体電解質燃料電池は、
燃料外管の外壁には燃料極及び電解質及び空気極が設けられ、
燃料極が燃料を改質する改質触媒となり、
燃料改質反応による吸熱により発電の反応熱の一部を回収すると共に発電の反応熱の残りで空気加熱管を流通する空気を加熱して発電の反応熱を全て回収除去するようにしたので、
燃料加熱器を経ない低温の燃料を供給しても、電池反応熱を吸熱して電池反応部に燃料が到達する前に電池反応に適正な温度レベルに昇温させることができ、電池性能の低下を伴うことなく反応熱の吸熱除去（温度制御）が可能になり、反応熱排出のための空気量増加が減少し効率低下を避けることができる固体電解質燃料電池を備えた燃料電池−ガスタービン発電設備となる。
【００６４】
本発明の複合発電設備は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備と、燃料電池−ガスタービン発電設備のガスタービンの排気ガスの熱回収を行って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する蒸気タービンと、蒸気タービンの排気を復水する復水手段と、復水手段からの復水を排熱回収ボイラに給水する給水手段とを備えたので、
ガスタービンを最大の膨張比で作動させることが可能になり、能力に見合った状態でガスタービンを作動させて出力を高めて効率を向上させることができる燃料電池−ガスタービン発電設備を備えた複合発電設備となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る燃料電池−ガスタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統図。
【図２】複合発電設備の燃料電池−ガスタービン発電設備に適用されるＳＯＦＣ１の概略構成を表す斜視図。
【図３】複合発電設備の燃料電池−ガスタービン発電設備に適用されるＳＯＦＣ１の概略断面図。
【図４】電池管の詳細を表す断面図。
【符号の説明】
１ 固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）
２ ガスタービン
３ 圧縮機
４ タービン
５ 発電機
６ 排熱回収ボイラ
７ 蒸気タービン
８ 復水器
９ 給水ポンプ
１１ 空気加熱器
１２ 空気供給管
１３ 脱硫装置
１４ 燃料供給管
１５ 排ガス排出管
１６ 排ガス排空気混合器
１７ 空気排出管
１８ 起動用燃焼器
２０ 直交変換器
２１ 煙突
２２，２４ 燃料分岐路
２３，２５ 制御弁
３２ 容器（ケーシング）
３３ 燃料室管板
３４ 排ガス室管板
３５ 排空気室管板
３５ａ 排空気排出孔
３６ 空気室管板
３７ 燃料室
３８ 排ガス室
３９ 電池室
４０ 排空気室
４１ 空気室
４２ 電池管
４３ 燃料外管
４４ 燃料内管
４５ 空気加熱管
４６ 絞り
５１ 再循環管
５２ エジェクター
５３ 電池
５５ 燃料極
５６ 電解質
５７ 空気極
５９ 触媒
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池（固体電解質燃料電池）とガスタービンを組み合わせた燃料電池−ガスタービン発電設備及び燃料電池−ガスタービン発電設備と蒸気タービン設備を組み合わせた複合発電設備に関する。
【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電池反応させて発電を行う装置であり、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ガスの温度は高く、排出ガスの熱エネルギーをガスタービン及び蒸気タービン等のボトミ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。
【０００３】
特に、高温型燃料電池｛運転温度が約１０００℃の固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）や運転温度が約６５０ ℃の溶融炭酸塩燃料電池（ＭＣＦＣ）｝では排出ガスの温度が高いので、このような高温型燃料電池とガスタービンとを組み合わせたガスタービン発電設備では、高効率で発電を実施することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池（例えば、ＳＯＦＣ）とガスタービンとを組み合わせたタービン発電設備では、圧縮機からの圧縮空気が反応用の空気として燃料電池に送られるが、圧縮空気の温度を燃料電池の運転温度に近づける（昇温させる）手段が種々考えられている。
【０００５】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池とガスタービンとを組み合わせたタービン発電設備において、圧縮空気の温度を燃料電池の運転温度に効率よく昇温させることができるガスタービン発電設備を提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、圧縮空気の温度を燃料電池の運転温度に効率よく昇温させることができるガスタービン発電設備と蒸気タービン設備を組み合わせた複合発電設備を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の燃料電池−ガスタービン発電設備は、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気が加熱される熱交換手段と、熱交換手段で加熱された圧縮空気が供給され供給された圧縮空気中の酸素と燃料とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池と、燃料電池からの排空気及び排ガスが混合されて燃焼され燃焼ガスを熱交換手段での圧縮空気の加熱媒体とする混合手段と、熱交換手段で熱交換された燃焼ガスが膨張されるガスタービンとを備えたことを特徴とする。
【０００８】
そして、請求項１に記載のガスタービン発電設備において、
燃料電池は固体電解質燃料電池であり、
固体電解質燃料電池は、
容器上部の内部に設けられる燃料室と、
燃料室の下部に設けられ燃料室管板により仕切られる排ガス室と、
排ガス室の下部に設けられ排ガス室管板により仕切られる電池室と、
電池室の下部に排空気室管板により仕切られて設けられる排空気室と、
排空気室の下部に設けられ空気室管板により仕切られる空気室と、
両端が開放され上端部が燃料室に開口して配されると共に下部が電池室に配される燃料内管と、
下端が閉じられると共に上端が開放されて燃料内管の外側に配され下端部が燃料内管の開口を覆うと共に上端部が排ガス室に開口して配される多孔質状の燃料外管と、
排空気室管板に設けられる多数の排空気排出孔と、
両端が開放され上端部が電池室の上方に配され下端部が空気室に開口する空気加熱管と、
燃料外管の外周に配される電池とを備え
燃料室に燃料が供給されることにより燃料内管を通って下端部から燃料外管に燃料が送られると共に空気室に空気が供給されることにより空気加熱管を流通して電池室に空気が送られ、
多孔質状の燃料外管の壁部を通過した燃料と空気中の酸素とが電解質を介して電池反応されて発電され、
燃料外管内の未燃燃料を含む排ガスが燃料外管を流通して排ガス室に送られると共に電池室の排空気が排空気排出孔を通過して排空気室に送られ、
空気加熱管を流通する空気が発電の反応熱により加熱される
ことを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
固体電解質燃料電池は、
排空気室から排出される排空気の一部を空気室に再循環させる再循環系を備え、空気室に供給される空気に排空気を混入して空気の温度を高めることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２もしくは請求項３に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
固体電解質燃料電池は、
燃料外管の外壁には燃料極及び電解質及び空気極が設けられ、
燃料極が燃料を改質する改質触媒となり、
燃料改質反応による吸熱により発電の反応熱の一部を回収すると共に発電の反応熱の残りで空気加熱管を流通する空気を加熱して発電の反応熱を全て回収除去することを特徴とする。
【００１１】
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１乃至請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備と、燃料電池−ガスタービン発電設備のガスタービンの排気ガスの熱回収を行って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する蒸気タービンと、蒸気タービンの排気を復水する復水手段と、復水手段からの復水を排熱回収ボイラに給水する給水手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の一実施形態例に係る燃料電池−ガスタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統を示してある。
【００１３】
図に示すように、燃料電池−ガスタービン発電設備は、燃料電池としての固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）１とガスタービン２とで構成されている。ガスタービン２は圧縮機３及びタービン４及び発電機５で構成され、タービン４の排ガスは排熱回収ボイラ６で熱回収されて煙突２１から大気に放出される。ＳＯＦＣ１は、空気（酸素）と燃料ｆとを電解質を介して電池反応させて発電するものである。
【００１４】
尚、図中の符号で２０はＳＯＦＣ１で得られた直流の電力を交流に変換する直交変換器である。
【００１５】
排熱回収ボイラ６では排ガスの排熱により蒸気を発生し、発生した蒸気は蒸気タービン７に送られて蒸気タービン７で動力が回収される。蒸気タービン７の排気蒸気は復水手段としての復水器８で復水され、復水は給水手段としての給水ポンプ９により排熱回収ボイラ６に給水される（複合発電設備）。
【００１６】
ＳＯＦＣ１へ供給される空気は、圧縮機３で圧縮された圧縮空気が送られる。圧縮機３で圧縮された圧縮空気は熱交換手段としての空気加熱器１１に送られ、空気加熱器１１で加熱された空気が空気供給管１２からＳＯＦＣ１に供給される。燃料ｆは脱硫装置１３で硫黄分が除去された後、燃料供給管１４から通常運転時はＳＯＦＣ１に供給される。
【００１７】
ＳＯＦＣ１の未反応分を含有する排ガスは、排ガス排出管１５を経て混合手段としての排ガス排空気混合器１６に供給される。また、ＳＯＦＣ１の未反応酸素を含有する排空気は、空気排出管１７を経て排ガス排空気混合器１６に供給される。排ガス排空気混合器１６では、未反応分を含有する排ガスと未反応酸素を含有する排空気とが混合され、未反応燃料が燃焼する。
【００１８】
未反応燃料の燃焼により高温になった燃焼ガス（排ガス）は空気加熱器１１に導入され、空気加熱器１１でＳＯＦＣ１へ供給される圧縮空気と熱交換される。排ガスの保有熱により空気加熱器１１の出口における供給空気を必要温度に加熱してＳＯＦＣ１に供給する。空気加熱器１１で熱交換された排ガスはタービン４に供給されて膨張される。
【００１９】
空気供給管１２には起動時に低温空気を加熱する起動用燃焼器１８が設置され、起動用燃焼器１８には燃料分岐路２２から燃料が投入される。尚、図中２３は起動時に燃料分岐路２２を開く制御弁である。起動時は制御弁２３を開いて燃料分岐路２２から起動用燃焼器１８に燃料が供給される。
【００２０】
排ガス排空気混合器１６には燃料分岐路２４が接続され、排熱回収ボイラ６の発生蒸気または温水の増量に応じ、制御弁２５の開閉制御により必要な燃料が投入される。
【００２１】
上記構成のガスタービン発電設備を備えた複合発電設備では、燃料供給管１４から燃料ｆがＳＯＦＣ１に供給されると共に、圧縮機３で圧縮されて空気加熱器１１で所定温度に加熱された空気が空気供給管１２からＳＯＦＣ１に供給される。ＳＯＦＣ１では空気中の酸素及び燃料ｆの電池反応により発電が行われる。
【００２２】
未反応分を含有する排ガスは、排ガス排出管１５を経て混合手段としての排ガス排空気混合器１６に供給され、未反応酸素を含有する排空気は、空気排出管１７を経て排ガス排空気混合器１６に供給される。排ガス排空気混合器１６では、未反応分を含有する排ガスと未反応酸素を含有する排空気とが混合され、未反応燃料が燃焼して高温の燃焼ガスが生成される。
【００２３】
生成された燃焼ガス（排ガス）によりタービン４が作動し、タービン４の排ガスが排熱回収ボイラ６で熱回収されて蒸気が発生される。発生した蒸気は蒸気タービン７に送られて動力が回収され、蒸気タービン７の排気蒸気は復水器８で復水されて給水ポンプ９により排熱回収ボイラ６に給水される。
【００２４】
上記構成の燃料電池−ガスタービン発電設備では、空気加熱器１１で熱回収された排ガスがガスタービン４で膨張されて排熱回収ボイラ６に送られるので、ガスタービン４の排ガスの保有熱を排熱回収ボイラ６で回収することができる。このため、ガスタービン４を最大の膨張比で作動させることが可能になり、能力に見合った状態でガスタービン４を作動させて出力を高めて効率を向上させることができる。
【００２５】
因みに、ガスタービン４で膨張された排ガスによりＳＯＦＣ１に供給される空気の加熱を行う等によりガスタービン４の排ガスを別途熱回収する構成とした場合、ガスタービン４の排ガスの温度を加熱のために高く維持させる必要があり、最大の膨張比に対して余力がある状態で作動させることになる。このため、ガスタービン４の能力に対して膨張比を抑制した状態で使用するか、膨張比の小さなガスタービンを適用せざるを得ないことになる。
【００２６】
図２乃至図４に基づいて上述した複合発電設備のガスタービン設備に適用されるＳＯＦＣ１の詳細な構成を説明する。図２には複合発電設備のガスタービン設備に適用されるＳＯＦＣ１の概略構成を表す斜視状況、図３には複合発電設備のガスタービン設備に適用されるＳＯＦＣ１の概略断面、図４には電池管の詳細を表す断面を示してある。
【００２７】
図２、図３に示すように、ＳＯＦＣ３１は高温｛電解質がＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）の場合は９００〜１０００℃｝で作動する燃料電池であり、断熱・保温材で内貼りされた容器（ケーシング）３２に収納される。ケーシング３２の内部は、上部より、燃料室管板３３、排ガス室管板３４、排空気室管板３５及び空気室管板３６で仕切られ、燃料室３７、排ガス室３８、電池室３９、排空気室４０及び空気室４１が形成されている。排空気室管板３５には電池室３９と排空気室４０とを連通する多数の排空気排出孔３５ａが設けられている。
【００２８】
電池室３９の内部には電池管４２が多数配設され、電池管４２は燃料外管４３と燃料内管４４の２重管構造で構成されている。２重管構造の電池管１２の内管１４及び外管１３はそれぞれ燃料室管板３３及び排ガス室管板３４で支持されている。
【００２９】
燃料内管４４は両端部が開放状態にされ、燃料外管１３は下端部が閉じられて上端部のみが開放状態にされている。燃料内管１４は両端が開放され上端部が燃料室３７に開口して配されると共に下端部が電池室３９に配されている。燃料外管１３は燃料内管１４の外側に配置され、下端部が燃料内管１４の開口を覆い上端部が排ガス室３８に開口している。燃料外管１３は多孔質状の材料で形成されている。
【００３０】
電池室３９の内部には両端が開口状態とされた空気加熱管４５が多数配設され、空気加熱管４５は排ガス室３８、排空気室管板３５及び空気室管板３６を貫通して下端が空気室４１に開口した状態で空気室管板３６に支持されている。空気加熱管４５の入口部にはそれぞれ絞り４６が設けられ、空気室４１からそれぞれの空気加熱管４５に供給される空気の圧力が均一に維持されるようになっている。
【００３１】
尚、均一維持機構としては、空気室４１の流路面積を変化させてそれぞれの空気加熱管４５に供給される空気の圧力を均一に維持する機構を採用することも可能である。
【００３２】
燃料室３７には燃料供給管１４が接続され、排ガス室３８には排ガス排出管１５が接続されている。また、排空気室４０には空気排出管１７が接続され、空気室４１には空気供給管１２が接続されている。
【００３３】
図３に示すように、空気排出管１７と空気供給管１２との間には反応を終えた高温の排空気の一部を再循環させる再循環管５１が設けられ、高温の排空気の一部が空気室４１（空気加熱管４５の入口側）に混入されて空気加熱管４５に供給される空気の温度が高められる。
【００３４】
再循環管５１の合流部位における空気供給管１２には空気供給管１２内の圧力を高くするエジェクター５２が設けられ、エジェクター５２により空気排出管１７と空気供給管１２に圧力差が形成される。エジェクター５２により形成される圧力差により空気排出管１７の排空気の一部が再循環管５１に導かれて空気供給管１２に送られる。
【００３５】
尚、エジェクター５２に代えて空気供給管１２に昇圧通風機等を設けることも可能である。
【００３６】
図１、図２に示すように、電池管４２の燃料外管４３の表面には燃料極、電解質、空気極を備えた電池５３が形成されている。そして、燃料極が燃料を改質する触媒となっており、電池管４２に送られた燃料が内部改質（吸熱反応）されるようになっている。
【００３７】
即ち、図４に示すように、電池管４２の燃料外管４３の表面には燃料極５５、電解質５６及び空気極５７を備えた電池５３が形成されている。燃料極５５は、例えば、ニッケルサーメットで構成され、燃料極５５自身が燃料を改質する触媒となっている。メタン等の燃料は多孔質状の燃料外管４３を通過して燃料極５５で改質されて水素が使用可能となる。空気中の酸素は電子を受けて酸素イオンとなり、電解質５６を燃料側に移動し、燃料極５５で電子を放出してＨ２ Ｏ及びＣＯとなり、発電が行われる。
【００３８】
尚、図４に点線で示したように、電池管４２の燃料内管４４の外側表面に改質用の触媒５９を設け、改質を促進することも可能である。
【００３９】
燃料供給管１４から燃料室３７に供給された燃料は燃料室３７から電池管４２の燃料内管４４に送られ、燃料内管４４の下端部で反転し燃料内管４４と燃料外管４３の間のアンニュラー部を上昇して排ガス室３８に送られる。燃料が燃料内管４４を下降する過程で電池反応による反応熱を吸収し、アンニュラー部の入口では電池反応に必要な温度に上昇すると共に一部改質が行われ電池反応熱を吸収する。アンニュラー部では改質反応と電池反応が行われる。
【００４０】
空気供給管１２から空気室４１に供給された空気は空気加熱管４５に送られて空気加熱管４５内を上昇する。空気供給管１２には空気排出管１７から分岐した排空気の一部が再循環管５１を経由して混入され、空気室４１の空気を昇温させる。空気は空気加熱管４５内を上昇する過程で電池反応熱を吸収し電池反応に必要な温度に加熱されて電池室３９に放出される。
【００４１】
放出された空気は、電池反応を行いながら電池室３９を下降し、排空気室管板３５の空気加熱管４５の貫通部周囲の間隙及び排空気排出孔３５ａを通って排空気室４０に送られる。
【００４２】
上記構成のＳＯＦＣ１は、２重管構造の電池管４２を燃料が流れるようになっており、燃料内管４４を下降する過程で反応熱を吸熱し（加熱され）、アンニュラー部を上昇する過程では改質反応により吸熱する構造となっている。また、空気は空気加熱管４５を上昇する過程で反応熱を吸熱する機能を有する構造となっている。このため、燃料は最大の内部吸熱機能を有する構造である。
【００４３】
上述したＳＯＦＣ１では、空気および燃料は必要な内部吸熱機能を有するので、空気室４１に供給する空気温度及び燃料室３７に供給する燃料温度をその分低下することができ、供給空気量を減少することができる。しかも、空気加熱管４５から電池室３９に放出される空気は適正温度レベルである。
【００４４】
また、空気排出管１７から分岐した排空気の一部を再循環管５１を経由して空気供給管１２に混入しているので、供給空気の電池室３９の入口温度が上昇し、電池室３９内の温度分布をより均一化することができる。
【００４５】
尚、再循環管５１及びエジェクター５２を省略して排空気の一部を空気供給管１２に混入しない構造とすることも可能である。排空気の一部を混入しない場合であっても、供給される空気は空気加熱管４５を通過する過程で反応熱を吸熱して温度を高めることができる。
【００４６】
また、空気加熱管４５を省略して排空気の一部を空気供給管１２に混入することだけで空気の温度を高める構造とすることも可能である。この場合、電池室３９の簡素化を図ることができる。
【００４７】
また、上述したＳＯＦＣ１では、電池管４２に燃料を通し電池室３９に空気を供給する構成としたが、電池管４２に空気を通し電池室３９に燃料を供給する構成とすることも可能である。この場合、空気加熱管４５は反応熱を吸熱できる適宜部位に設けられる。
【００４８】
上述した本実施形態例のＳＯＦＣ１は、ＳＯＦＣ１の内部空気加熱手段（空気加熱管４５）で余剰の電池反応熱を吸収して空気加熱を行うので、ＳＯＦＣ１の入口空気温度を下げることができる。このため、供給空気量を減少することができる。空気加熱管４５を適正に分布させることにより、熱吸収の均等化が得られると共に、空気加熱管４５の数の適正化により電池室３９に放出される空気の温度は、電池反応に適正なレベルの温度が得られる。
【００４９】
このように、内部空気加熱方式により反応余剰熱を吸収して空気を加熱するので、ＳＯＦＣ１への供給空気の温度を低下させることが可能になり、ＳＯＦＣ１の冷却（反応熱除去）の観点から必要とする空気量を低減することにより、電池内部温度を制御し排空気および排ガスの保有熱を減少し排ガス損失を減少することができる。
【００５０】
また、排空気の再循環により、ＳＯＦＣ１の入口空気温度を上げることができるので、電池室３９の内部の温度をより均一化することができる。特に、電池室３９に空気加熱管４５を設置しない場合において、電池室３９の入口空気を適正温度レベルに上げることができる。
【００５１】
また、電池管４２を二重管として燃料内管４４に燃料加熱機能を持たせたことにより、燃料加熱器を経ない低温の燃料を供給しても、電池反応熱を吸熱して電池反応部（燃料内管４４の下端部）に燃料が到達する前に電池反応に適正な温度レベルに昇温させることができる。
【００５２】
従って電池性能の低下を伴うことなく反応熱の吸熱除去（温度制御）が可能になり、反応熱排出のための空気量増加が減少し効率低下を避けることができる。
【００５３】
また、燃料極５５に改質機能を有する触媒材料を使用したので、燃料極５５で改質機能を持たせることができる。また、例えば、燃料内管４４の外面に改質触媒機能を有する材料（触媒５９）を塗布または混合することにより、内部改質機能を向上させることができ、改質し難い広範な燃料に対しても内部改質が可能となる。
【００５４】
上述したように、ＳＯＦＣ１は、入口の空気温度を下げることができるので、図１に示した空気加熱器１１における入口側と出口側の燃焼ガスの温度差を少なくしてガスタービン４に供給する排ガスの温度を高くすることができる。このため、高温の排ガスをガスタービン４に供給して出力を向上させることが可能になる。
【００５５】
また、ＳＯＦＣ１は、必要とする空気量を低減することができるので、圧縮空気が送られる図１に示した空気加熱器１１を少ない容量とすることができる。このため、空気加熱器１１を小型化してコスト低減を図ることが可能になる。
【００５６】
従って、ＳＯＦＣ１を適用することにより、ガスタービン２の機能を最大限に活用した燃料電池−ガスタービン発電設備及び複合発電設備とすることが可能になる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明の燃料電池−ガスタービン発電設備は、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気が加熱される熱交換手段と、熱交換手段で加熱された圧縮空気が供給され供給された圧縮空気中の酸素と燃料とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池と、燃料電池からの排空気及び排ガスが混合されて燃焼され燃焼ガスを熱交換手段での圧縮空気の加熱媒体とする混合手段と、熱交換手段で熱交換された燃焼ガスが膨張されるガスタービンとを備えたので、熱交換手段で熱回収された排ガスがガスタービンで膨張されて排熱回収ボイラに送られ、ガスタービンの排ガスの保有熱を排熱回収ボイラで回収することができる。
【００５８】
この結果、ガスタービンを最大の膨張比で作動させることが可能になり、能力に見合った状態でガスタービンを作動させて出力を高めて効率を向上させることができる。
【００５９】
そして、請求項１に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
燃料電池は固体電解質燃料電池であり、
固体電解質燃料電池は、
容器上部の内部に設けられる燃料室と、
燃料室の下部に設けられ燃料室管板により仕切られる排ガス室と、
排ガス室の下部に設けられ排ガス室管板により仕切られる電池室と、
電池室の下部に排空気室管板により仕切られて設けられる排空気室と、
排空気室の下部に設けられ空気室管板により仕切られる空気室と、
両端が開放され上端部が燃料室に開口して配されると共に下部が電池室に配される燃料内管と、
下端が閉じられると共に上端が開放されて燃料内管の外側に配され下端部が燃料内管の開口を覆うと共に上端部が排ガス室に開口して配される多孔質状の燃料外管と、
排空気室管板に設けられる多数の排空気排出孔と、
両端が開放され上端部が電池室の上方に配され下端部が空気室に開口する空気加熱管と、
燃料外管の外周に配される電池とを備え
燃料室に燃料が供給されることにより燃料内管を通って下端部から燃料外管に燃料が送られると共に空気室に空気が供給されることにより空気加熱管を流通して電池室に空気が送られ、
多孔質状の燃料外管の壁部を通過した燃料と空気中の酸素とが電解質を介して電池反応されて発電され、
燃料外管内の未燃燃料を含む排ガスが燃料外管を流通して排ガス室に送られると共に電池室の排空気が排空気排出孔を通過して排空気室に送られ、
空気加熱管を流通する空気が発電の反応熱により加熱されるので、
入口の空気温度を下げることができると共に、必要とする空気量を低減することができるので、熱交換手段における入口側と出口側の燃焼ガスの温度差を少なくしてガスタービンに供給する排ガスの温度を高くすることができ、圧縮空気が送られる熱交換手段を少ない容量とすることができる。
【００６０】
このため、高温の排ガスをガスタービンに供給して出力を向上させることが可能になると共に、熱交換手段を小型化してコスト低減を図ることが可能になる。
【００６１】
従って、燃料電池とガスタービンとを組み合わせた燃料電池−ガスタービン発電設備において、圧縮空気の温度を燃料電池の運転温度に効率よく昇温させることができるガスタービン発電設備となる。
【００６２】
また、請求項２に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
固体電解質燃料電池は、
排空気室から排出される排空気の一部を空気室に再循環させる再循環系を備え、空気室に供給される空気に排空気を混入して空気の温度を高めるようにしたので、
排空気の再循環により、入口の空気温度を上げることができ、電池室の内部の温度をより均一化することができる固体電解質燃料電池を備えたガスタービン設備となる。
【００６３】
また、請求項２もしくは請求項３に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
固体電解質燃料電池は、
燃料外管の外壁には燃料極及び電解質及び空気極が設けられ、
燃料極が燃料を改質する改質触媒となり、
燃料改質反応による吸熱により発電の反応熱の一部を回収すると共に発電の反応熱の残りで空気加熱管を流通する空気を加熱して発電の反応熱を全て回収除去するようにしたので、
燃料加熱器を経ない低温の燃料を供給しても、電池反応熱を吸熱して電池反応部に燃料が到達する前に電池反応に適正な温度レベルに昇温させることができ、電池性能の低下を伴うことなく反応熱の吸熱除去（温度制御）が可能になり、反応熱排出のための空気量増加が減少し効率低下を避けることができる固体電解質燃料電池を備えた燃料電池−ガスタービン発電設備となる。
【００６４】
本発明の複合発電設備は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備と、燃料電池−ガスタービン発電設備のガスタービンの排気ガスの熱回収を行って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する蒸気タービンと、蒸気タービンの排気を復水する復水手段と、復水手段からの復水を排熱回収ボイラに給水する給水手段とを備えたので、
ガスタービンを最大の膨張比で作動させることが可能になり、能力に見合った状態でガスタービンを作動させて出力を高めて効率を向上させることができる燃料電池−ガスタービン発電設備を備えた複合発電設備となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る燃料電池−ガスタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統図。
【図２】複合発電設備の燃料電池−ガスタービン発電設備に適用されるＳＯＦＣ１の概略構成を表す斜視図。
【図３】複合発電設備の燃料電池−ガスタービン発電設備に適用されるＳＯＦＣ１の概略断面図。
【図４】電池管の詳細を表す断面図。
【符号の説明】
１ 固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）
２ ガスタービン
３ 圧縮機
４ タービン
５ 発電機
６ 排熱回収ボイラ
７ 蒸気タービン
８ 復水器
９ 給水ポンプ
１１ 空気加熱器
１２ 空気供給管
１３ 脱硫装置
１４ 燃料供給管
１５ 排ガス排出管
１６ 排ガス排空気混合器
１７ 空気排出管
１８ 起動用燃焼器
２０ 直交変換器
２１ 煙突
２２，２４ 燃料分岐路
２３，２５ 制御弁
３２ 容器（ケーシング）
３３ 燃料室管板
３４ 排ガス室管板
３５ 排空気室管板
３５ａ 排空気排出孔
３６ 空気室管板
３７ 燃料室
３８ 排ガス室
３９ 電池室
４０ 排空気室
４１ 空気室
４２ 電池管
４３ 燃料外管
４４ 燃料内管
４５ 空気加熱管
４６ 絞り
５１ 再循環管
５２ エジェクター
５３ 電池
５５ 燃料極
５６ 電解質
５７ 空気極
５９ 触媒
Claims (5)
- 空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気が加熱される熱交換手段と、熱交換手段で加熱された圧縮空気が供給され供給された圧縮空気中の酸素と燃料とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池と、燃料電池からの排空気及び排ガスが混合されて燃焼され燃焼ガスを熱交換手段での圧縮空気の加熱媒体とする混合手段と、熱交換手段で熱交換された燃焼ガスが膨張されるガスタービンとを備えたことを特徴とする燃料電池−ガスタービン発電設備。
- 請求項１に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
燃料電池は固体電解質燃料電池であり、
固体電解質燃料電池は、
容器上部の内部に設けられる燃料室と、
燃料室の下部に設けられ燃料室管板により仕切られる排ガス室と、
排ガス室の下部に設けられ排ガス室管板により仕切られる電池室と、
電池室の下部に排空気室管板により仕切られて設けられる排空気室と、
排空気室の下部に設けられ空気室管板により仕切られる空気室と、
両端が開放され上端部が燃料室に開口して配されると共に下端部が電池室に配される燃料内管と、
下端が閉じられると共に上端が開放されて燃料内管の外側に配され下部が燃料内管の開口を覆うと共に上端部が排ガス室に開口して配される多孔質状の燃料外管と、
排空気室管板に設けられる多数の排空気排出孔と、
両端が開放され上端部が電池室の上方に配され下端部が空気室に開口する空気加熱管と、
燃料外管の外周に配される電池とを備え
燃料室に燃料が供給されることにより燃料内管を通って下端部から燃料外管に燃料が送られると共に空気室に空気が供給されることにより空気加熱管を流通して電池室に空気が送られ、
多孔質状の燃料外管の壁部を通過した燃料と空気中の酸素とが電解質を介して電池反応されて発電され、
燃料外管内の未燃燃料を含む排ガスが燃料外管を流通して排ガス室に送られると共に電池室の排空気が排空気排出孔を通過して排空気室に送られ、
空気加熱管を流通する空気が発電の反応熱により加熱される
ことを特徴とする
燃料電池−ガスタービン発電設備。 - 請求項２に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
固体電解質燃料電池は、
排空気室から排出される排空気の一部を空気室に再循環させる再循環系を備え、空気室に供給される空気に排空気を混入して空気の温度を高めることを特徴とする燃料電池−ガスタービン発電設備。 - 請求項２もしくは請求項３に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
固体電解質燃料電池は、
燃料外管の外壁には電池が設けられ、
燃料極が燃料を改質する改質触媒となり、
燃料改質反応による吸熱により発電の反応熱の一部を回収すると共に発電の反応熱の残りで空気加熱管を流通する空気を加熱して発電の反応熱を全て回収除去することを特徴とする
燃料電池−ガスタービン発電設備。 - 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備と、燃料電池−ガスタービン発電設備のガスタービンの排気ガスの熱回収を行って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する蒸気タービンと、蒸気タービンの排気を復水する復水手段と、復水手段からの復水を排熱回収ボイラに給水する給水手段とを備えたことを特徴とする複合発電設備。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002248118A JP2004087351A (ja) | 2002-08-28 | 2002-08-28 | 燃料電池−ガスタービン発電設備及び複合発電設備 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002248118A JP2004087351A (ja) | 2002-08-28 | 2002-08-28 | 燃料電池−ガスタービン発電設備及び複合発電設備 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004087351A true JP2004087351A (ja) | 2004-03-18 |
Family
ID=32055573
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002248118A Withdrawn JP2004087351A (ja) | 2002-08-28 | 2002-08-28 | 燃料電池−ガスタービン発電設備及び複合発電設備 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004087351A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005317232A (ja) * | 2004-04-27 | 2005-11-10 | Tokyo Gas Co Ltd | 発電装置 |
| CN114132469A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-03-04 | 哈尔滨工程大学 | 一种联合布雷顿循环与sofc的新型混合动力装置 |
-
2002
- 2002-08-28 JP JP2002248118A patent/JP2004087351A/ja not_active Withdrawn
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|---|---|---|---|---|
| JP2005317232A (ja) * | 2004-04-27 | 2005-11-10 | Tokyo Gas Co Ltd | 発電装置 |
| CN114132469A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-03-04 | 哈尔滨工程大学 | 一种联合布雷顿循环与sofc的新型混合动力装置 |
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