JP2004111129A - Fuel cell-micro gas turbine combined power generation facility and its starting method - Google Patents

Fuel cell-micro gas turbine combined power generation facility and its starting method Download PDF

Info

Publication number
JP2004111129A
JP2004111129A JP2002269740A JP2002269740A JP2004111129A JP 2004111129 A JP2004111129 A JP 2004111129A JP 2002269740 A JP2002269740 A JP 2002269740A JP 2002269740 A JP2002269740 A JP 2002269740A JP 2004111129 A JP2004111129 A JP 2004111129A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
turbine
fuel cell
gas turbine
gas
exhaust gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2002269740A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4212322B2 (en
Inventor
Motohiro Kondo
近藤　元博
Masataka Yamaguchi
山口　正隆
Yoshinori Takeda
竹田　吉徳
Keiichi Okabayashi
岡林　慶一
Shinichiro Higuchi
樋口　新一郎
Kazuhiko Ito
伊藤　和彦
Hidehisa Tani
谷　秀久
Shogo Sonoda
薗田　章吾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IHI Corp
Toyota Motor Corp
Toyota Turbine and Systems Inc
Original Assignee
IHI Corp
Toyota Motor Corp
Toyota Turbine and Systems Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IHI Corp, Toyota Motor Corp, Toyota Turbine and Systems Inc filed Critical IHI Corp
Priority to JP2002269740A priority Critical patent/JP4212322B2/en
Publication of JP2004111129A publication Critical patent/JP2004111129A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4212322B2 publication Critical patent/JP4212322B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Control Of Turbines (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell-micro gas turbine combined power generation facility capable of heating a catalytic combustor to a desired temperature (self-ignitable ≥400°C) in a short time without consuming additional fuel in starting, thereby shortening the starting time without impairing heat efficiency; and its starting method. <P>SOLUTION: This facility has a fuel cell module 20 having a fuel cell 11 and the catalytic combustor 17, a micro gas turbine 22 having a revolution-variable generator, an air supply line 24 for evacuating compressed air from the micro gas turbine and supplying it to the fuel cell module, and a turbine exhaust gas line 28 for the micro gas turbine. The facility further comprises a starting air preheater 30 for performing a heat exchange between the turbine exhaust gas line 28 and a catalyst air supplying line 24b. The micro gas turbine is started, and the compressed air is evacuated, preheated by the exhaust gas of the micro gas turbine, and supplied to the catalytic combustor 17. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備とその起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率かつ環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行われている。
【０００３】
図４は、例えば天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池発電設備の一例を示す構成図である。この図において溶融炭酸塩型燃料電池発電設備は、改質器１０、燃料電池１１、ターボチャージャー１２、排熱回収熱交換器１５等を備え、天然ガス等の燃料１を燃料予熱器１３で予熱して改質器１０の改質室Ｒｅｆに供給し、ここで燃料１を水素を含むアノードガス２に改質する。
燃料電池１１では、アノードガス２と酸素を含むカソードガス３とから電気化学的に発電する。燃料電池１１を出たアノード排ガス４とカソード排ガス７の一部７ａは、燃焼器１７に供給されて燃焼して高温の燃焼排ガス５を発生する。この燃焼排ガス５は、改質器１０の燃焼室に供給され、ここで改質反応に必要な熱を改質室Ｒｅｆに供給する。
【０００４】
改質器１０を出た燃焼排ガス５は、ＣＯ２ブロア１６（以下、カソードブロアと呼ぶ）でカソード入口側にリサイクルされ、ターボチャージャー１２から供給される加圧空気６と合流し、カソードガス３となって燃料電池１１のカソード側に供給される。反応後のカソード排ガス７の一部７ｂは、カソードリサイクルライン１８を介してカソードブロア１６の吸引側にリサイクルされ、残り７ｃはターボチャージャー用の燃焼器１４に供給される。燃焼器１４は、起動時や部分負荷時に用いられ、天然ガスをカソード排ガスで燃焼し燃焼排ガスでターボチャージャーを駆動する。
【０００５】
ターボチャージャー１２は、カソード排ガス７ｃ及び燃焼器１４で発生した燃焼排ガスでタービンＴを駆動して圧縮機Ｃで空気を圧縮し、この加圧空気６は前述の燃料電池１１のカソード側上流に供給される。タービンＴを出た排ガスは、排熱回収熱交換器１５に供給され、ここで水蒸気を発生させたのち系外に放出される。発生した水蒸気８は燃料１に混合され改質器１０における改質反応に用いられる。
なお、図３において、１８ａはカソードリサイクルライン１８の流量を制御するための高温流量調節弁、１２ａはタービンＴをバイパスしてガスを流すための流量調節弁である。その他の流量調節弁の説明は省略する。
【０００６】
上述した燃料電池発電設備において、燃料電池１１（溶融炭酸塩型燃料電池、以下単にＭＣＦＣという）はアノード側とカソード側とからなり、次のような電極反応が行われる。
アノード反応（負極反応）Ｈ２＋ＣＯ３ ２−→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ．．（１）
カソード反応（正極反応）ＣＯ２＋１／２Ｏ２＋２ｅ→ＣＯ３ ２−．．（２）
【０００７】
すなわちアノード側では、（１）式により水素ガスとＣＯ３ ２−とから水と炭酸ガスと電荷が生成され、カソード側では、（２）式により炭酸ガスと酸素と電荷とからＣＯ３ ２−が生成される。（１）式右辺はアノードから排出されるアノード排ガス４の成分を表しており、炭酸ガスが含まれている。また（２）式左辺はカソードに供給されるカソードガスの成分を表しており、同じく炭酸ガスが含まれている。このため上述したカソードブロア１６により、改質器で発生したＣＯ２ガスを燃料電池のカソード側に供給してカソード反応に利用するようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＣＦＣは、運転温度が６００〜７００℃と高いため排ガスが高温となり、この高温ガスのエネルギーを回収するためにタービンへ供給している。タービン動力はＭＣＦＣの反応に必要な空気を供給するためのコンプレッサー動力に変えられる。
この場合、既存のガスタービン発電機は発電出力が１００ｋＷを超えるため、発電出力が数百ｋＷ級のＭＣＦＣの場合、組み合わせるための数十ｋＷ級のガスタービン発電機の代用として、上述したように車両用ターボチャージャーを転用していた。このため、単独起動ができないため、起動時は別途設置する空気コンプレッサーまたは起動用の空気貯槽等が必要であった。また、ターボチャージャーは発電機を備えないため余剰エネルギーが発生する場合でも、発電して発電効率を向上させることができなかった。
【０００９】
一方、近年、発電出力が１００ｋＷに満たない超小型のガスタービン発電機が開発されている。以下、かかる超小型ガスタービン発電機を「マイクロガスタービン」又は単に「μＧＴ」と略称する。
マイクロガスタービンは、大型のガスタービン発電機と同様に、圧縮機、燃焼器、タービン、及び発電機を備えるが、タービン回転数が相対的に高く（例えば３〜１０万ｒｐｍ）、圧縮比が比較的小さく（例えば４〜６程度）永久磁石型同期高速発電機に代表される回転数可変型の発電機を使用する等の特徴を有する。
【００１０】
上述したμＧＴをＭＣＦＣと組み合わせたコンバインド発電設備を、以下「ＭＣＦＣ／μＧＴシステム」と呼ぶ。かかるＭＣＦＣ／μＧＴシステムは、μＧＴの発電機を電動機として用いてμＧＴの単独起動ができるため、ターボチャージャーを用いる場合に比較して、起動用の余分な設備が不要となり、かつ発電により発電効率を向上させることができるメリットがある。
【００１１】
上述した改質器１０における反応（改質反応）は吸熱反応であり、熱源が必要である。この熱源を供給するため改質器の上流側の燃焼器１７には触媒燃焼器が用いられている。触媒燃焼器は、比較的低温で自己着火ができる特徴を有するが、それにもかかわらずメタンを主成分の燃料ガス（都市ガス等）の場合、触媒燃焼器を４００℃以上まで加熱しなければ自己着火ができない。
そのため、ＭＣＦＣ／μＧＴシステムの起動時には、μＧＴを最初に単独で起動し、その後、くうきを抽気してＭＣＦＣに空気を供給し、かつこの空気を加熱して触媒燃焼器を４００℃以上まで加熱する必要がある。
しかし、触媒燃焼器の昇温速度を速めるため、μＧＴの圧縮機からの抽気空気で燃料を燃焼させて燃焼ガスを触媒燃焼器に導入すると、燃料を触媒燃焼器の加熱のために余分に消費することとなり、その分、エネルギー損失が増加し、システムの熱効率が低下する。
【００１２】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、起動時に余分な燃料を消費することなく触媒燃焼器を短時間に所望の温度（自己着火可能な約４００℃以上）まで加熱でき、これにより、熱効率を損なうことなしに起動時間を短縮することができる燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備とその起動方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）と燃料電池で反応後のアノード排ガス（４）を燃焼させる触媒燃焼器（１７）とを有する燃料電池モジュール（２０）と、圧縮機、燃焼器、タービン及び回転数可変型発電機を有するマイクロガスタービン（２２）と、マイクロガスタービンから圧縮空気を抽気し前記燃料電池モジュールに供給する空気供給ライン（２４）と、マイクロガスタービンのタービン排ガスライン（２８）とを備え、前記空気供給ライン（２４）は、触媒燃焼器（１７）に圧縮空気を供給する触媒用空気供給ライン（２４ｂ）を有し、更に、前記タービン排ガスライン（２８）と触媒用空気供給ライン（２４ｂ）との間で熱交換する起動用空気予熱器（３０）を備える、ことを特徴とする燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備が提供される。
【００１４】
上記本発明の構成によれば、マイクロガスタービンの発電機を電動機として用いてμＧＴの単独起動ができるため、起動用の余分な設備が不要である。また、起動後は、μＧＴの発電を併用でき、発電効率を向上することができる。
また、起動用空気予熱器（３０）で、タービン排ガスライン（２８）と触媒用空気供給ライン（２４ｂ）との間で熱交換し、マイクロガスタービンの排ガスで触媒燃焼器（１７）に供給する圧縮空気を予熱できるので、起動時に余分な燃料を消費することなく触媒燃焼器を短時間に所望の温度（自己着火可能な約４００℃以上）まで加熱でき、これにより、熱効率を損なうことなしに起動時間を短縮することができる。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記タービン排ガスライン（２８）は、排ガスから熱回収する排熱回収熱交換器（１５）に排ガスを供給する排熱回収ライン（２８ａ）と、排熱回収熱交換器をバイパスするバイパスライン（２８ｂ）とを有し、該バイパスラインに前記起動用空気予熱器（３０）は設けられており、排熱回収ライン（２８ａ）とバイパスライン（２８ｂ）にはそれぞれの排ガス流量を調節する排熱回収弁（３２ａ）とバイパス弁（３２ｂ）が設けられている。
この構成により、排熱回収弁（３２ａ）とバイパス弁（３２ｂ）の開度を調節して、触媒燃焼器を短時間に加熱して着火し、次いで触媒燃焼器（１７）における触媒燃焼により、改質器と燃料電池を加熱して短時間に昇温することができる。
【００１６】
また、本発明によれば、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）と燃料電池で反応後のアノード排ガス（４）を燃焼させる触媒燃焼器（１７）とを有する燃料電池モジュール（２０）と、圧縮機、燃焼器、タービン及び回転数可変型発電機を有するマイクロガスタービン（２２）と、マイクロガスタービンから圧縮空気を抽気し前記燃料電池モジュールに供給する空気供給ライン（２４）と、マイクロガスタービンのタービン排ガスライン（２８）とを備え、マイクロガスタービンを起動し、圧縮空気を抽気し、マイクロガスタービンの排ガスで予熱して触媒燃焼器（１７）に供給することを特徴とする燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の起動方法が提供される。
【００１７】
上記本発明の方法によれば、マイクロガスタービンを単独で起動し、その圧縮空気の一部を抽気し、マイクロガスタービンの排ガスで予熱して触媒燃焼器（１７）に供給することにより、起動時に余分な燃料を消費することなく触媒燃焼器を短時間に所望の温度（自己着火可能な約４００℃以上）まで加熱でき、これにより、熱効率を損なうことなしに起動時間を短縮することができる。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態によれば、排熱回収装置（１５）にタービン排ガスを供給する排熱回収弁（３２ａ）を全閉にし、起動用空気予熱器（３０）にタービン排ガスを供給するバイパス弁（３２ｂ）を全開にするバイパス準備ステップ（Ａ）と、マイクロガスタービン（２２）を起動して単独運転するタービン起動ステップ（Ｂ）と、起動したマイクロガスタービンから圧縮空気を抽気し、起動用空気予熱器（３０）で予熱して燃料電池モジュール（２０）の触媒燃焼器（１７）に供給する抽気予熱ステップ（Ｃ）と、排熱回収弁（３２ａ）及びバイパス弁（３２ｂ）を調節して改質器反応部の昇温速度を調整する昇温調整ステップ（Ｄ）とを備える。
【００１９】
この方法によれば、バイパス準備ステップ（Ａ）で排熱回収弁（３２ａ）を全閉にしかつバイパス弁（３２ｂ）を全開にするので、起動用空気予熱器（３０）にマイクロガスタービンの排ガス全量を供給するように切り換えることができる。また、タービン起動ステップ（Ｂ）でマイクロガスタービンの単独運転をし、この排ガス全量を起動用空気予熱器（３０）に供給できる。更に抽気予熱ステップ（Ｃ）で圧縮空気を抽気しこれを起動用空気予熱器（３０）で予熱して触媒燃焼器（１７）に供給して触媒燃焼器を急速加熱できる。次いで、昇温調整ステップ（Ｄ）で排熱回収弁（３２ａ）及びバイパス弁（３２ｂ）を調節して改質器反応部の昇温速度を調整し、触媒燃焼器（１７）における触媒燃焼により、改質器と燃料電池を加熱して短時間に昇温することができる。
【００２０】
また、前記タービン起動ステップ（Ｂ）において、マイクロガスタービンの発電機を電動機として圧縮機を回転駆動し、圧縮した空気を燃焼器に供給し、燃焼器に燃料を供給して着火し、その燃焼ガスによりタービンを回転駆動して自立運転する。この方法により、マイクロガスタービン単独で、余分な設備を必要とせずに起動して自立運転することができる。
【００２１】
また、前記抽気予熱ステップ（Ｃ）において、マイクロガスタービンの発電機を無負荷かつ回転数一定制御し、抽気可能な最大空気流量を燃料電池モジュール（２０）に供給してこれを昇圧・昇温する。
この方法により、無負荷状態で回転数一定制御するので、圧縮空気の流量を一定に保持したままで燃料流量を最小限度にすることができる。また、抽気可能な最大空気流量（例えば３割程度）を燃料電池モジュール（２０）に供給するので、徐々に昇圧ができると共に、その間の触媒燃焼器（１７）での発熱により昇温もできる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２３】
図１は、本発明によるコンバインド発電設備の実施形態を示す図である。この図に示すように、本発明のコンバインド発電設備は、燃料電池モジュール２０、マイクロガスタービン２２、空気供給ライン２４、カソード排ガスライン２６、及びマイクロガスタービンのタービン排ガスライン２８を備える。
【００２４】
燃料電池モジュール２０は、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池１１と、燃料電池１１で反応後のアノード排ガス４とカソード排ガス７の一部７ａを混合する混合器１９と、混合した燃料ガスを燃焼させる触媒燃焼器１７と、触媒燃焼器１７の燃焼排ガス５を燃料電池１１のカソード入口側に循環させるリサイクルブロワ１６とを備える。
燃料電池１１はこの例では、溶融炭酸塩型燃料電池である。しかし、本発明はこれに限定されず、高温高圧下が作動するその他の形式の燃料電池でもよい。
触媒燃焼器１７には、燃焼触媒が充填されている。この燃焼触媒は、例えばＮｉを主成分とする触媒であり、比較的低い温度（例えば４００℃前後）で自己着火でき、かつ燃料の流量範囲が非常に広くかつ低酸素濃度でも安定燃焼できる特性を有している。
なお、図１において、燃料電池モジュール２０は、その他に、改質器１０、燃料予熱器１３等を備えている。
【００２５】
マイクロガスタービン２２は、回転数可変型発電機を有するガスタービン発電装置である。このマンクロガスタービン２２は、通常のガスタービン発電装置と同様に、機械的に連結された圧縮機Ｃ、タービンＴ及び発電機Ｇと燃焼器２２ａを備える。燃焼器２２ａには、圧縮機Ｃで圧縮した圧縮空気と燃料が供給され、図示しない着火装置により着火して燃料を燃焼させることができる。また、発電機Ｇは、起動時に電動機として短時間用いることができる。
従って、このマイクロガスタービンは、発電機を電動機として用いて単独起動し、燃焼器で燃焼させて、単独で自立運転することができる。
【００２６】
空気供給ライン２４は、マイクロガスタービン２２から圧縮空気を抽気し、燃料電池モジュール２０に供給する。この空気供給ライン２４は、燃料電池のカソードライン３に圧縮空気を供給する電池用空気供給ライン２４ａと、電池用触媒燃焼器１７に圧縮空気を供給する触媒用空気供給ライン２４ｂとからなる。それぞれのライン２４ａ，２４ｂには、流量調節弁２５ａ，２５ｂが設けられ、それぞれ独立に流量調節することができる。
【００２７】
カソード排ガスライン２６は、燃料電池１１のカソード側とマイクロガスタービン２２のタービン入口とを連通するラインであり、燃料電池モジュール２０からマイクロガスタービン２２にカソード排ガス７の一部を供給する。このカソード排ガス７には、通常５〜１５％程度の酸素が含まれる。
【００２８】
マイクロガスタービンのタービン排ガスライン２８は、排ガスから熱回収する排熱回収熱交換器１５に排ガスを供給する排熱回収ライン２８ａと、排熱回収熱交換器をバイパスするバイパスライン２８ｂとを有する。
【００２９】
排熱回収熱交換器１５は、マイクロガスタービンを出た燃焼排ガスから熱回収して水蒸気を発生させる。発生した水蒸気８は燃料１に混合され改質器１０における改質反応に用いられる。また、熱回収後の燃焼排ガスは、水回収熱交換器３３で冷却・凝縮され、水回収タンク３４で気液分離し、分離した排ガスは大気中に排気され、回収して水は水処理装置３５で水処理した、排熱回収熱交換器１５の給水として用いられる。
【００３０】
図１に示すように、バイパスライン２８ｂの途中には、起動用空気予熱器３０が設けられている。この起動用空気予熱器３０は、ガスガスの間接熱交換器であり、タービン排ガスライン２８を流れる高温の燃焼排ガスと触媒用空気供給ライン２４ｂを流れる抽気空気との間で熱交換し、抽気空気を予熱するようになっている。
更に、排熱回収ライン２８ａとバイパスライン２８ｂにはそれぞれの排ガス流量を調節する排熱回収弁３２ａとバイパス弁３２ｂが設けられている。
【００３１】
すなわち、本発明のコンバインド発電設備では、マイクロガスタービン２２の圧縮機から触媒燃焼器１７（改質器）へ抽気する空気を積極的に予熱する熱源としてマイクロガスタービンの燃焼排ガスを利用するため、排熱回収弁３２ａをマイクロガスタービンのタービン出口から水回収熱交換器３３の間の排気ラインに設けて、マイクロガスタービンの燃焼排ガスが直接大気放出するのを防ぐ。排熱回収弁３２ａの取付位置は、耐熱性を考慮して最適には排熱回収装置１５の下流側がよい。
また、タービンの燃焼排ガスにより触媒燃焼器１７に抽気する空気を加熱するための起動用空気予熱器３０を設ける。更に、マイクロガスタービンのタービン出口から排熱回収弁３２ａまでのラインの任意の位置より、起動用空気予熱器３０にマイクロガスタービンの燃焼排ガスを導入するライン２８ｂを設ける。
また、マイクロガスタービンの燃焼排ガスの起動用空気予熱器３０への適正な流量調整を行うため、起動用空気予熱器３０から排熱回収弁３２ａと水回収熱交換器３３の間のラインに接続するライン２８ｂにバイパス弁３２ｂを設ける。
一方、マイクロガスタービンの圧縮機から吐出する圧縮空気の一部を起動用空気予熱器３０へ導入し暖めるためのライン２４ｂを設ける。更に、起動用空気予熱器３０で予熱した圧縮空気を燃料電池１１のカソードと混合器１９を結ぶラインに導入し、触媒燃焼器１７の加熱を補助するライン２４ｂを設ける。
【００３２】
図２は、本発明による起動方法を示すフロー図である。この図に示すように、本発明のコンバインド発電設備の起動方法は、バイパス準備ステップ（Ａ）、タービン起動ステップ（Ｂ）、抽気予熱ステップ（Ｃ）、昇温調整ステップ（Ｄ）、排熱回収ステップ（Ｅ）及びコンバインド発電ステップ（Ｆ）からなり、マイクロガスタービンを起動し、圧縮空気を抽気し、マイクロガスタービンの排ガスで予熱して触媒燃焼器１７に供給することにより、燃料電池モジュールを昇温・昇圧する。
【００３３】
バイパス準備ステップ（Ａ）では、排熱回収装置１５にタービン排ガスを供給する排熱回収弁３２ａを全閉にし、起動用空気予熱器３０にタービン排ガスを供給するバイパス弁３２ｂを全開にして、起動用空気予熱器３０にマイクロガスタービン２２の排ガス全量を供給するように切り換える。
【００３４】
タービン起動ステップ（Ｂ）では、マイクロガスタービン２２を起動して単独運転する。このタービン起動ステップ（Ｂ）において、マイクロガスタービン２２の発電機Ｇを電動機として圧縮機Ｃを回転駆動し、圧縮した空気を燃焼器２２ａに供給し、燃焼器２２ａに燃料を供給して着火し、その燃焼ガスによりタービンＴを回転駆動して自立運転するのがよい。
【００３５】
抽気予熱ステップ（Ｃ）では、起動したマイクロガスタービン２２から圧縮空気を抽気し、ライン２４ｂを介して起動用空気予熱器３０で燃焼排ガスにより圧縮空気を予熱し、燃料電池モジュール２０の触媒燃焼器１７に供給する。
この抽気予熱ステップ（Ｃ）において、マイクロガスタービン２２の発電機を無負荷かつ回転数一定制御し、抽気可能な最大空気流量（例えば３割程度）を燃料電池モジュール２０に供給してこれを昇圧・昇温する。この燃料電池モジュール２０の昇圧・昇温の初期には、触媒用空気供給ライン２４ｂから加圧空気を供給して触媒燃焼器１７の触媒燃焼により昇温を積極的に行う。
【００３６】
昇温調整ステップ（Ｄ）では、排熱回収弁３２ａ及びバイパス弁３２ｂを調節して改質器反応部の昇温速度を調整し、触媒燃焼器の着火後の急激な昇温速度を抑制し、改質器１０と燃料電池１１を加熱して短時間に昇温する。また、並行して、排熱回収装置１５にも高温の燃焼排ガスを供給して、この装置を予熱し、改質用水蒸気を回収できるようにする。
【００３７】
排熱回収ステップ（Ｅ）では、排熱回収装置１５により排熱回収して改質用水蒸気を発生させ、この水蒸気８を燃焼ガス１に混合して、改質可能な状態とする。
【００３８】
コンバインド発電ステップ（Ｆ）では、燃料電池モジュール２０での発電を開始し、並行してマイクロガスタービン２２でも発電する。すなわち、このステップでは、マイクロガスタービン２２の燃焼器２２ａが消火されており、マイクロガスタービンは燃料電池モジュール２０からの排ガスで駆動され、排ガスの持つ圧力エネルギーを回収して発電する。
【００３９】
図３は、本発明の実施例を示す温度変化図である。この図において、横軸は起動時のステップであり、縦軸は、各部の温度である。以下、この図に基づき、本発明の起動方法を以下に示す。
ステップ１：マイクロガスタービン２２を起動し、定格回転数の無負荷運転状態に移行する。回転数はタービン入口または出口温度制御により行う。
ステップ２：燃料電池モジュール２０にマイクロガスタービンからの抽気最大空気量を供給し、燃料電池系統の昇圧、昇温を行う。
ステップ３：触媒燃焼器１７の昇温速度の調整はタービン入口または出口温度の設定値を変更して行う。
ステップ４：触媒燃焼器４００℃以上で燃料ガスの燃焼を開始する。
ステップ５：排熱回収装置１５（ＨＲＳＧ）の出口側の排熱回収弁３２ａを開けて通ガスする。
ステップ６：排熱回収装置１５の起動（昇温）を完了し蒸気供給可能な状態となる。
ステップ７：４００℃以上でカソードブロワ１６のブロワ軸シール冷却用の蒸気供給を開始する。
ステップ８：改質器反応部温度４５０〜５００℃にてプロセス蒸気供給開始する。
ステップ９：燃料ガスのプロセス系統への供給により改質開始する。
ステップ１０：燃料電池の電解質の溶融温度（４９０℃）に達する。
ステップ１１：燃料電池の昇温完了（６００℃）。
【００４０】
上述したステップ１〜１１により、燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備を短時間に円滑に起動することができる。また、本発明の構成によれば、マイクロガスタービンの発電機を電動機として用いてμＧＴの単独起動ができるため、起動用の余分な設備が不要である。また、起動後は、μＧＴの発電を併用でき、発電効率を向上することができる。
また、起動用空気予熱器３０で、タービン排ガスライン２８と触媒用空気供給ライン２４ｂとの間で熱交換し、マイクロガスタービンの排ガスで触媒燃焼器１７に供給する圧縮空気を予熱できるので、起動時に余分な燃料を消費することなく触媒燃焼器を短時間に所望の温度（自己着火可能な約４００℃以上）まで加熱でき、これにより、熱効率を損なうことなしに起動時間を短縮することができる。
【００４１】
なお本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４２】
【発明の効果】
上述したように本発明の燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備とその起動方法によれば、起動時に余分な燃料を消費することなく触媒燃焼器を短時間に所望の温度（自己着火可能な約４００℃以上）まで加熱でき、これにより、熱効率を損なうことなしに起動時間を短縮することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるコンバインド発電設備の実施形態を示す図である。
【図２】本発明による起動方法を示す図である。
【図３】本発明の実施例を示す温度変化図である。
【図４】従来の燃料電池発電設備の全体構成図である。
【符号の説明】
１　燃料、２　アノードガス、３　カソードガス、
４　アノード排ガス、５　燃焼排ガス、６　空気、
７，７ａ，７ｂ，７ｃ　カソード排ガス、８　水蒸気、
９　ＣＯ２濃縮ガス、１０　改質器、１１　燃料電池、
１２　ターボチャージャー、１２ａ　流量調節弁、
１３　燃料予熱器、１４　ガスタービン用燃焼器、
１５　排熱回収熱交換器、１６　リサイクルブロア、
１７　触媒燃焼器、１８　カソードリサイクルライン、
１８ａ　高温流量調節弁、１９　混合器、
２０　燃料電池モジュール、２２　マイクロガスタービン、
２４　空気供給ライン、２４ａ　電池用空気供給ライン、
２４ｂ　触媒用空気供給ライン、２６　カソード排ガスライン、
２８　タービン排ガスライン、３０　起動用空気予熱器、
３２ａ　排熱回収弁、３２ｂ　バイパス弁
３３　水回収熱交換器、３４　水回収タンク、
３５　水処理装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a combined power generation facility for a fuel cell and a micro gas turbine and a method for starting the same.
[0002]
[Prior art]
Molten carbonate fuel cells have features that are not found in conventional power generators, such as high efficiency and low environmental impact, and have attracted attention as a power generation system following hydro, thermal, and nuclear power. R & D is under way.
[0003]
FIG. 4 is a configuration diagram showing an example of a molten carbonate fuel cell power generation facility using natural gas as a fuel. In this figure, the molten carbonate fuel cell power generation equipment includes a reformer 10, a fuel cell 11, a turbocharger 12, an exhaust heat recovery heat exchanger 15, and the like, and a fuel 1 such as natural gas is preheated by a fuel preheater 13. Then, the fuel 1 is supplied to the reforming chamber Ref of the reformer 10, where the fuel 1 is reformed into the anode gas 2 containing hydrogen.
The fuel cell 11 electrochemically generates power from the anode gas 2 and the cathode gas 3 containing oxygen. A part 7a of the anode exhaust gas 4 and the cathode exhaust gas 7 that has exited the fuel cell 11 is supplied to a combustor 17 and burns to generate a high-temperature combustion exhaust gas 5. The combustion exhaust gas 5 is supplied to the combustion chamber of the reformer 10, where the heat required for the reforming reaction is supplied to the reforming chamber Ref.
[0004]
The combustion exhaust gas 5 exiting the reformer 10 is recycled to a cathode inlet side by a CO 2 blower 16 (hereinafter, referred to as a cathode blower), merges with pressurized air 6 supplied from a turbocharger 12, and forms a cathode gas 3 And supplied to the cathode side of the fuel cell 11. A part 7b of the cathode exhaust gas 7 after the reaction is recycled to the suction side of the cathode blower 16 via a cathode recycling line 18, and the remaining 7c is supplied to a combustor 14 for a turbocharger. The combustor 14 is used at the time of startup or partial load, and burns natural gas with cathode exhaust gas and drives a turbocharger with the combustion exhaust gas.
[0005]
The turbocharger 12 drives the turbine T with the cathode exhaust gas 7c and the combustion exhaust gas generated in the combustor 14 to compress air by the compressor C. The compressed air 6 is supplied to the cathode side upstream of the fuel cell 11 described above. Is done. The exhaust gas that has left the turbine T is supplied to the exhaust heat recovery heat exchanger 15, where it generates steam and is then discharged outside the system. The generated steam 8 is mixed with the fuel 1 and used for the reforming reaction in the reformer 10.
In FIG. 3, reference numeral 18a denotes a high-temperature flow control valve for controlling the flow rate of the cathode recycle line 18, and reference numeral 12a denotes a flow control valve for flowing gas bypassing the turbine T. The description of the other flow control valves is omitted.
[0006]
In the above-described fuel cell power generation equipment, the fuel cell 11 (molten carbonate fuel cell, hereinafter simply referred to as MCFC) has an anode side and a cathode side, and the following electrode reactions are performed.
Anode reaction (negative electrode reaction) H 2 + CO 3 2- → H 2 O + CO 2 + 2e. . (1)
Cathode reaction (cathode reaction) CO 2 + 1 / 2O 2 + 2e → CO 3 2- . . (2)
[0007]
That is, on the anode side, water, carbon dioxide gas and electric charges are generated from hydrogen gas and CO 3 2- according to equation (1), and on the cathode side, CO 3 2- is obtained from carbon dioxide gas, oxygen and electric charges according to equation (2). Is generated. The right side of the equation (1) represents a component of the anode exhaust gas 4 discharged from the anode, and contains carbon dioxide gas. Further, the left side of the expression (2) represents a component of the cathode gas supplied to the cathode, which also contains carbon dioxide gas. For this reason, the above-described cathode blower 16 supplies the CO 2 gas generated in the reformer to the cathode side of the fuel cell and uses it for the cathode reaction.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Since the operating temperature of the MCFC is as high as 600 to 700 ° C., the exhaust gas has a high temperature, and the high temperature gas is supplied to the turbine in order to recover energy. Turbine power is converted to compressor power to supply the air needed for the MCFC reaction.
In this case, the existing gas turbine generator has a power generation output exceeding 100 kW. Therefore, in the case of an MCFC having a power generation output of several hundred kW, as described above, as a substitute for the gas turbine generator of several tens of kW to be combined as described above, The vehicle turbocharger was diverted. For this reason, since it cannot be started independently, a separately installed air compressor or an air storage tank for starting was required at the time of starting. Further, since a turbocharger does not include a generator, even when surplus energy is generated, power generation cannot be performed to improve power generation efficiency.
[0009]
On the other hand, in recent years, ultra-small gas turbine generators having a power generation output of less than 100 kW have been developed. Hereinafter, such a micro gas turbine generator is abbreviated as “micro gas turbine” or simply “μGT”.
A micro gas turbine includes a compressor, a combustor, a turbine, and a generator like a large gas turbine generator, but has a relatively high turbine rotation speed (for example, 300 to 100,000 rpm) and a compression ratio. It is characterized by using a relatively small (for example, about 4 to 6) variable speed generator such as a permanent magnet type synchronous high-speed generator.
[0010]
The combined power generation facility in which the above-mentioned μGT is combined with the MCFC is hereinafter referred to as “MCFC / μGT system”. In such an MCFC / μGT system, since the μGT can be independently started using the μGT generator as a motor, extra starting equipment is not required as compared with the case of using a turbocharger, and power generation efficiency is reduced by power generation. There is a merit that can be improved.
[0011]
The above-described reaction (reforming reaction) in the reformer 10 is an endothermic reaction and requires a heat source. In order to supply this heat source, a catalytic combustor is used in the combustor 17 upstream of the reformer. Catalytic combustors have the characteristic that they can self-ignite at relatively low temperatures. Nevertheless, in the case of methane-based fuel gas (city gas, etc.), self-ignition must be performed unless the catalytic combustor is heated to 400 ° C or higher. Can not ignite.
Therefore, at the time of starting the MCFC / μGT system, the μGT is first started independently, then air is extracted to supply air to the MCFC, and this air is heated to heat the catalytic combustor to 400 ° C. or more. There is a need to.
However, if the fuel is burned with the bleed air from the μGT compressor and the combustion gas is introduced into the catalytic combustor in order to increase the temperature rise rate of the catalytic combustor, the fuel is consumed extra for heating the catalytic combustor. The energy loss increases and the thermal efficiency of the system decreases.
[0012]
The present invention has been made to solve such a problem. That is, an object of the present invention is to be able to heat a catalytic combustor to a desired temperature (about 400 ° C. or higher at which self-ignition can be performed) in a short time without consuming extra fuel at the time of startup, thereby not impairing thermal efficiency. It is another object of the present invention to provide a fuel cell and a micro gas turbine combined power generation facility capable of shortening the startup time, and a startup method thereof.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel which has the fuel cell (11) which produces | generates by the anode gas containing hydrogen and the cathode gas containing oxygen, and the catalyst combustor (17) which burns the anode exhaust gas (4) reacted by a fuel cell. A battery module (20), a micro gas turbine (22) having a compressor, a combustor, a turbine, and a variable speed generator, and an air supply line for extracting compressed air from the micro gas turbine and supplying the compressed air to the fuel cell module (24) and a turbine exhaust gas line (28) of a micro gas turbine, wherein the air supply line (24) has a catalyst air supply line (24b) for supplying compressed air to a catalytic combustor (17). Further, a starting air preheater (30) for exchanging heat between the turbine exhaust gas line (28) and the catalyst air supply line (24b) is provided. Obtain, fuel cells and combined power generation facility of the micro gas turbine is provided, characterized in that.
[0014]
According to the configuration of the present invention, since the μGT can be independently started using the generator of the micro gas turbine as the electric motor, no extra equipment for starting is required. Further, after the start, the power generation of μGT can be used together, and the power generation efficiency can be improved.
Further, in the starting air preheater (30), heat is exchanged between the turbine exhaust gas line (28) and the catalytic air supply line (24b), and the exhaust gas of the micro gas turbine is supplied to the catalytic combustor (17). Since the compressed air can be preheated, the catalytic combustor can be heated to a desired temperature (about 400 ° C. or more, which is capable of self-ignition) in a short time without consuming extra fuel at the time of startup, thereby without impairing thermal efficiency. The startup time can be reduced.
[0015]
According to a preferred embodiment of the present invention, the turbine exhaust gas line (28) includes an exhaust heat recovery line (28a) that supplies exhaust gas to an exhaust heat recovery heat exchanger (15) that recovers heat from the exhaust gas, and an exhaust heat recovery line. A bypass line (28b) for bypassing the heat exchanger; the start-up air preheater (30) is provided in the bypass line; and the exhaust heat recovery line (28a) and the bypass line (28b) An exhaust heat recovery valve (32a) and a bypass valve (32b) for adjusting the respective exhaust gas flow rates are provided.
With this configuration, the degree of opening of the exhaust heat recovery valve (32a) and the bypass valve (32b) is adjusted to heat the catalytic combustor in a short time and ignite, and then the catalytic combustion in the catalytic combustor (17) causes The reformer and the fuel cell can be heated to raise the temperature in a short time.
[0016]
Further, according to the present invention, a fuel cell (11) that generates electricity using an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen and a catalytic combustor (17) that burns anode exhaust gas (4) reacted by the fuel cell. Fuel gas module (20), a micro gas turbine (22) having a compressor, a combustor, a turbine and a variable speed generator, and air supplied to the fuel cell module by extracting compressed air from the micro gas turbine The system includes a supply line (24) and a turbine exhaust gas line (28) for a micro gas turbine, starts the micro gas turbine, extracts compressed air, and preheats the exhaust gas from the micro gas turbine to the catalytic combustor (17). A method for starting a combined power generation facility for a fuel cell and a micro gas turbine is provided.
[0017]
According to the method of the present invention, the micro gas turbine is started alone, a part of the compressed air is extracted, preheated with the exhaust gas of the micro gas turbine, and supplied to the catalytic combustor (17) to start the micro gas turbine. Sometimes, the catalytic combustor can be heated to a desired temperature (about 400 ° C. or higher at which self-ignition can be performed) in a short time without consuming extra fuel, thereby shortening the startup time without impairing thermal efficiency. .
[0018]
According to a preferred embodiment of the present invention, the exhaust heat recovery valve (32a) that supplies the turbine exhaust gas to the exhaust heat recovery device (15) is fully closed, and the bypass that supplies the turbine exhaust gas to the startup air preheater (30). A bypass preparation step (A) for fully opening the valve (32b), a turbine start step (B) for starting and operating the micro gas turbine (22) independently, and extracting and starting compressed air from the started micro gas turbine The bleed air preheating step (C), which is preheated by the air preheater (30) and supplied to the catalytic combustor (17) of the fuel cell module (20), and the exhaust heat recovery valve (32a) and the bypass valve (32b) are adjusted. (D) for adjusting the rate of temperature rise of the reaction section of the reformer.
[0019]
According to this method, since the exhaust heat recovery valve (32a) is fully closed and the bypass valve (32b) is fully opened in the bypass preparation step (A), the exhaust gas of the micro gas turbine is supplied to the starting air preheater (30). It can be switched to supply the full amount. In addition, the micro gas turbine is operated independently in the turbine start-up step (B), and the entire amount of the exhaust gas can be supplied to the start-up air preheater (30). Further, in the extraction preheating step (C), the compressed air is extracted, preheated by the starting air preheater (30), and supplied to the catalyst combustor (17) to rapidly heat the catalyst combustor. Next, in the temperature rise adjusting step (D), the exhaust heat recovery valve (32a) and the bypass valve (32b) are adjusted to adjust the rate of temperature rise in the reaction section of the reformer. By heating the reformer and the fuel cell, the temperature can be raised in a short time.
[0020]
Further, in the turbine starting step (B), the compressor is rotated by using the generator of the micro gas turbine as an electric motor, compressed air is supplied to the combustor, fuel is supplied to the combustor, and the combustion is performed. The turbine is driven to rotate by the gas to operate independently. According to this method, the micro gas turbine alone can be started up and run independently without requiring extra equipment.
[0021]
In the bleed preheating step (C), the generator of the micro gas turbine is controlled at no load and at a constant rotation speed, and the maximum bleedable air flow rate is supplied to the fuel cell module (20) to increase and raise the flow rate. Warm up.
According to this method, since the rotation speed is controlled to be constant under no load, the fuel flow rate can be minimized while the flow rate of the compressed air is kept constant. Also, since the maximum air flow rate (for example, about 30%) that can be extracted is supplied to the fuel cell module (20), the pressure can be gradually increased, and the temperature can be increased by heat generated in the catalyst combustor (17) during that time.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, common members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0023]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a combined power generation facility according to the present invention. As shown in this figure, the combined power generation equipment of the present invention includes a fuel cell module 20, a micro gas turbine 22, an air supply line 24, a cathode exhaust line 26, and a turbine exhaust line 28 of the micro gas turbine.
[0024]
The fuel cell module 20 includes a fuel cell 11 that generates power using an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen, and a mixer 19 that mixes a part 7a of the anode exhaust gas 4 and the cathode exhaust gas 7 reacted in the fuel cell 11. A catalytic combustor 17 for burning the mixed fuel gas; and a recycle blower 16 for circulating the combustion exhaust gas 5 from the catalytic combustor 17 to the cathode inlet side of the fuel cell 11.
The fuel cell 11 is a molten carbonate fuel cell in this example. However, the present invention is not limited to this, and other types of fuel cells that operate under high temperature and high pressure may be used.
The catalyst combustor 17 is filled with a combustion catalyst. This combustion catalyst is, for example, a catalyst containing Ni as a main component. Have.
In FIG. 1, the fuel cell module 20 further includes a reformer 10, a fuel preheater 13, and the like.
[0025]
The micro gas turbine 22 is a gas turbine power generator having a variable speed generator. The mancro gas turbine 22 includes a compressor C, a turbine T, a generator G, and a combustor 22a that are mechanically connected, similarly to a normal gas turbine power generator. The compressed air and the fuel compressed by the compressor C are supplied to the combustor 22a, and can be ignited by an ignition device (not shown) to burn the fuel. Further, the generator G can be used for a short time as a motor at the time of startup.
Therefore, this micro gas turbine can be independently started by using the generator as the electric motor, burned by the combustor, and operated independently by itself.
[0026]
The air supply line 24 extracts compressed air from the micro gas turbine 22 and supplies the compressed air to the fuel cell module 20. The air supply line 24 includes a battery air supply line 24a for supplying compressed air to the cathode line 3 of the fuel cell, and a catalyst air supply line 24b for supplying compressed air to the battery catalyst combustor 17. Flow control valves 25a and 25b are provided in the lines 24a and 24b, respectively, so that the flow can be controlled independently.
[0027]
The cathode exhaust gas line 26 is a line that connects the cathode side of the fuel cell 11 and the turbine inlet of the micro gas turbine 22, and supplies a part of the cathode exhaust gas 7 from the fuel cell module 20 to the micro gas turbine 22. This cathode exhaust gas 7 usually contains about 5 to 15% of oxygen.
[0028]
The turbine exhaust gas line 28 of the micro gas turbine has an exhaust heat recovery line 28a that supplies exhaust gas to the exhaust heat recovery heat exchanger 15 that recovers heat from exhaust gas, and a bypass line 28b that bypasses the exhaust heat recovery heat exchanger.
[0029]
The exhaust heat recovery heat exchanger 15 recovers heat from the combustion exhaust gas exiting the micro gas turbine to generate steam. The generated steam 8 is mixed with the fuel 1 and used for the reforming reaction in the reformer 10. Further, the combustion exhaust gas after heat recovery is cooled and condensed in a water recovery heat exchanger 33, gas-liquid separated in a water recovery tank 34, and the separated exhaust gas is exhausted to the atmosphere. It is used as feed water for the exhaust heat recovery heat exchanger 15 treated with water at 35.
[0030]
As shown in FIG. 1, a starting air preheater 30 is provided in the middle of the bypass line 28b. The starting air preheater 30 is an indirect heat exchanger for gas gas, and exchanges heat between high-temperature combustion exhaust gas flowing through the turbine exhaust gas line 28 and bleed air flowing through the catalyst air supply line 24b to convert the bleed air. It is designed to preheat.
Further, the exhaust heat recovery line 28a and the bypass line 28b are provided with an exhaust heat recovery valve 32a and a bypass valve 32b for adjusting the respective exhaust gas flow rates.
[0031]
That is, in the combined power generation equipment of the present invention, since the combustion exhaust gas of the micro gas turbine is used as a heat source for positively preheating the air extracted from the compressor of the micro gas turbine 22 to the catalytic combustor 17 (reformer), An exhaust heat recovery valve 32a is provided in an exhaust line between the turbine outlet of the micro gas turbine and the water recovery heat exchanger 33 to prevent combustion exhaust gas of the micro gas turbine from being directly released to the atmosphere. The mounting position of the exhaust heat recovery valve 32a is optimally downstream of the exhaust heat recovery device 15 in consideration of heat resistance.
Further, a start-up air preheater 30 for heating air extracted to the catalytic combustor 17 by the combustion exhaust gas of the turbine is provided. Further, a line 28b for introducing the combustion exhaust gas of the micro gas turbine into the starting air preheater 30 is provided from an arbitrary position on the line from the turbine outlet of the micro gas turbine to the exhaust heat recovery valve 32a.
In addition, in order to properly adjust the flow rate of the combustion exhaust gas of the micro gas turbine to the start-up air preheater 30, a connection is made from the start-up air preheater 30 to a line between the exhaust heat recovery valve 32a and the water recovery heat exchanger 33. A bypass valve 32b is provided in the line 28b.
On the other hand, a line 24b is provided for introducing a part of the compressed air discharged from the compressor of the micro gas turbine into the starting air preheater 30 to warm it. Further, the compressed air preheated by the starting air preheater 30 is introduced into a line connecting the cathode of the fuel cell 11 and the mixer 19, and a line 24 b for assisting the heating of the catalytic combustor 17 is provided.
[0032]
FIG. 2 is a flowchart showing a starting method according to the present invention. As shown in this figure, the starting method of the combined power generation equipment according to the present invention includes a bypass preparation step (A), a turbine starting step (B), a bleed preheating step (C), a temperature increase adjustment step (D), and an exhaust heat recovery. The fuel cell module comprises a step (E) and a combined power generation step (F). The micro gas turbine is started, compressed air is extracted, preheated with the exhaust gas of the micro gas turbine, and supplied to the catalytic combustor 17. Increase the temperature and pressure.
[0033]
In the bypass preparation step (A), the exhaust heat recovery valve 32a for supplying the turbine exhaust gas to the exhaust heat recovery device 15 is fully closed, and the bypass valve 32b for supplying the turbine exhaust gas to the starting air preheater 30 is fully opened to start. The operation is switched so that the entire amount of exhaust gas from the micro gas turbine 22 is supplied to the service air preheater 30.
[0034]
In the turbine start-up step (B), the micro gas turbine 22 is started and operated independently. In this turbine start-up step (B), the compressor C is rotationally driven using the generator G of the micro gas turbine 22 as an electric motor, compressed air is supplied to the combustor 22a, and fuel is supplied to the combustor 22a to ignite. It is preferable that the turbine T be driven to rotate by the combustion gas to perform an independent operation.
[0035]
In the extraction preheating step (C), compressed air is extracted from the activated micro gas turbine 22, and the compressed air is preheated by the combustion exhaust gas in the starting air preheater 30 via the line 24b. 17.
In the bleed preheating step (C), the generator of the micro gas turbine 22 is controlled with no load and the rotation speed constant, and the maximum bleedable air flow rate (for example, about 30%) is supplied to the fuel cell module 20 and Increase pressure and temperature. In the initial stage of pressurizing and raising the temperature of the fuel cell module 20, pressurized air is supplied from the catalyst air supply line 24b to positively increase the temperature by catalytic combustion of the catalytic combustor 17.
[0036]
In the temperature increase adjusting step (D), the exhaust heat recovery valve 32a and the bypass valve 32b are adjusted to adjust the temperature increase rate of the reaction section of the reformer, thereby suppressing the rapid temperature increase rate after ignition of the catalytic combustor. Then, the reformer 10 and the fuel cell 11 are heated to raise the temperature in a short time. At the same time, high-temperature combustion exhaust gas is also supplied to the exhaust heat recovery device 15 to preheat the device and recover the reforming steam.
[0037]
In the exhaust heat recovery step (E), the exhaust heat is recovered by the exhaust heat recovery device 15 to generate reforming steam, and the steam 8 is mixed with the combustion gas 1 so as to be in a reformable state.
[0038]
In the combined power generation step (F), power generation in the fuel cell module 20 is started, and power is also generated in the micro gas turbine 22 in parallel. That is, in this step, the combustor 22a of the micro gas turbine 22 is extinguished, the micro gas turbine is driven by the exhaust gas from the fuel cell module 20, and recovers the pressure energy of the exhaust gas to generate power.
[0039]
FIG. 3 is a temperature change diagram showing the embodiment of the present invention. In this figure, the horizontal axis is the step at the time of startup, and the vertical axis is the temperature of each part. Hereinafter, based on this figure, the starting method of the present invention will be described below.
Step 1: Activate the micro gas turbine 22 and shift to the no-load operation state at the rated speed. The rotation speed is controlled by controlling the temperature at the inlet or outlet of the turbine.
Step 2: The maximum amount of extracted air from the micro gas turbine is supplied to the fuel cell module 20, and the pressure and temperature of the fuel cell system are increased.
Step 3: The temperature rise rate of the catalytic combustor 17 is adjusted by changing the set value of the turbine inlet or outlet temperature.
Step 4: The combustion of the fuel gas is started at 400 ° C. or higher in the catalytic combustor.
Step 5: The exhaust heat recovery valve 32a on the outlet side of the exhaust heat recovery device 15 (HRSG) is opened to pass gas.
Step 6: The startup (temperature rise) of the exhaust heat recovery device 15 is completed, and the steam can be supplied.
Step 7: At 400 ° C. or higher, supply of steam for cooling the blower shaft seal of the cathode blower 16 is started.
Step 8: Process steam supply is started at a temperature of 450 to 500 ° C. in the reformer reaction section.
Step 9: The reforming is started by supplying the fuel gas to the process system.
Step 10: The melting temperature of the electrolyte of the fuel cell (490 ° C.) is reached.
Step 11: temperature rise of the fuel cell is completed (600 ° C.).
[0040]
According to steps 1 to 11 described above, the combined power generation equipment of the fuel cell and the micro gas turbine can be started smoothly in a short time. Further, according to the configuration of the present invention, since the μGT can be independently activated using the generator of the micro gas turbine as the electric motor, no extra equipment for activation is required. Further, after the start, the power generation of μGT can be used together, and the power generation efficiency can be improved.
In addition, the starting air preheater 30 can exchange heat between the turbine exhaust gas line 28 and the catalytic air supply line 24b, and can preheat the compressed air supplied to the catalytic combustor 17 with the exhaust gas of the micro gas turbine. Sometimes, the catalytic combustor can be heated to a desired temperature (about 400 ° C. or higher at which self-ignition can be performed) in a short time without consuming extra fuel, thereby shortening the startup time without impairing thermal efficiency. .
[0041]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes can be made without departing from the gist of the present invention.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the combined power generation equipment for a fuel cell and a micro gas turbine of the present invention and the method of starting the same, the catalyst combustor can be heated to a desired temperature (self-ignition possible in a short time without consuming extra fuel at the time of startup. (Approximately 400 ° C. or more), thereby having an excellent effect that the startup time can be shortened without impairing the thermal efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a combined power generation facility according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a starting method according to the present invention.
FIG. 3 is a temperature change diagram showing an example of the present invention.
FIG. 4 is an overall configuration diagram of a conventional fuel cell power generation facility.
[Explanation of symbols]
1 fuel, 2 anode gas, 3 cathode gas,
4 anode exhaust gas, 5 combustion exhaust gas, 6 air,
7, 7a, 7b, 7c cathode exhaust gas, 8 steam,
9 CO2 concentrated gas, 10 reformer, 11 fuel cell,
12 turbocharger, 12a flow control valve,
13 fuel preheater, 14 gas turbine combustor,
15 Exhaust heat recovery heat exchanger, 16 Recycle blower,
17 Catalytic combustor, 18 Cathode recycling line,
18a high temperature flow control valve, 19 mixer,
20 fuel cell module, 22 micro gas turbine,
24 air supply line, 24a battery air supply line,
24b catalyst air supply line, 26 cathode exhaust gas line,
28 Turbine exhaust gas line, 30 Starting air preheater,
32a exhaust heat recovery valve, 32b bypass valve 33 water recovery heat exchanger, 34 water recovery tank,
35 Water treatment equipment

Claims (6)

水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）と燃料電池で反応後のアノード排ガス（４）を燃焼させる触媒燃焼器（１７）とを有する燃料電池モジュール（２０）と、圧縮機、燃焼器、タービン及び回転数可変型発電機を有するマイクロガスタービン（２２）と、マイクロガスタービンから圧縮空気を抽気し前記燃料電池モジュールに供給する空気供給ライン（２４）と、マイクロガスタービンのタービン排ガスライン（２８）とを備え、
前記空気供給ライン（２４）は、触媒燃焼器（１７）に圧縮空気を供給する触媒用空気供給ライン（２４ｂ）を有し、
更に、前記タービン排ガスライン（２８）と触媒用空気供給ライン（２４ｂ）との間で熱交換する起動用空気予熱器（３０）を備える、ことを特徴とする燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備。A fuel cell module (20) having a fuel cell (11) that generates electricity using an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen, and a catalytic combustor (17) that burns the anode exhaust gas (4) reacted in the fuel cell; A gas turbine (22) having a compressor, a combustor, a turbine and a variable-speed generator; an air supply line (24) for extracting compressed air from the micro gas turbine and supplying the compressed air to the fuel cell module; A gas turbine exhaust gas line (28);
The air supply line (24) has a catalyst air supply line (24b) for supplying compressed air to a catalytic combustor (17),
Further, a combined power generation of a fuel cell and a micro gas turbine, further comprising a starting air preheater (30) for exchanging heat between the turbine exhaust gas line (28) and the catalyst air supply line (24b). Facility. 前記タービン排ガスライン（２８）は、排ガスから熱回収する排熱回収熱交換器（１５）に排ガスを供給する排熱回収ライン（２８ａ）と、排熱回収熱交換器をバイパスするバイパスライン（２８ｂ）とを有し、該バイパスラインに前記起動用空気予熱器（３０）は設けられており、
排熱回収ライン（２８ａ）とバイパスライン（２８ｂ）にはそれぞれの排ガス流量を調節する排熱回収弁（３２ａ）とバイパス弁（３２ｂ）が設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備。The turbine exhaust gas line (28) includes an exhaust heat recovery line (28a) that supplies exhaust gas to an exhaust heat recovery heat exchanger (15) that recovers heat from the exhaust gas, and a bypass line (28b) that bypasses the exhaust heat recovery heat exchanger. ), And the starting air preheater (30) is provided in the bypass line,
2. The exhaust heat recovery line (28a) and the bypass line (28b) are provided with an exhaust heat recovery valve (32a) and a bypass valve (32b) for adjusting respective exhaust gas flow rates. Combined power generation equipment for the fuel cell and micro gas turbine described. 水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）と燃料電池で反応後のアノード排ガス（４）を燃焼させる触媒燃焼器（１７）とを有する燃料電池モジュール（２０）と、圧縮機、燃焼器、タービン及び回転数可変型発電機を有するマイクロガスタービン（２２）と、マイクロガスタービンから圧縮空気を抽気し前記燃料電池モジュールに供給する空気供給ライン（２４）と、マイクロガスタービンのタービン排ガスライン（２８）とを備え、
マイクロガスタービンを起動し、圧縮空気を抽気し、マイクロガスタービンの排ガスで予熱して触媒燃焼器（１７）に供給する、ことを特徴とする燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の起動方法。A fuel cell module (20) having a fuel cell (11) that generates electricity using an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen, and a catalytic combustor (17) that burns the anode exhaust gas (4) reacted in the fuel cell; A gas turbine (22) having a compressor, a combustor, a turbine and a variable-speed generator; an air supply line (24) for extracting compressed air from the micro gas turbine and supplying the compressed air to the fuel cell module; A gas turbine exhaust gas line (28);
Starting the micro gas turbine, extracting compressed air, preheating with the exhaust gas of the micro gas turbine, and supplying the preheated gas to the catalytic combustor (17). . 排熱回収装置（１５）にタービン排ガスを供給する排熱回収弁（３２ａ）を全閉にし、起動用空気予熱器（３０）にタービン排ガスを供給するバイパス弁（３２ｂ）を全開にするバイパス準備ステップ（Ａ）と、
マイクロガスタービン（２２）を起動して単独運転するタービン起動ステップ（Ｂ）と、
起動したマイクロガスタービンから圧縮空気を抽気し、起動用空気予熱器（３０）で予熱して燃料電池モジュール（２０）の触媒燃焼器（１７）に供給する抽気予熱ステップ（Ｃ）と、
排熱回収弁（３２ａ）及びバイパス弁（３２ｂ）を調節して改質器反応部の昇温速度を調整する昇温調整ステップ（Ｄ）とを備える、ことを特徴とする請求項３に記載の起動方法。Bypass preparation for fully closing the exhaust heat recovery valve (32a) for supplying turbine exhaust gas to the exhaust heat recovery device (15) and fully opening the bypass valve (32b) for supplying turbine exhaust gas to the starting air preheater (30) Step (A),
A turbine start-up step (B) for starting up the micro gas turbine (22) and independently operating;
An extraction preheating step (C) of extracting compressed air from the activated micro gas turbine, preheating the compressed air by a starting air preheater (30), and supplying the compressed air to a catalyst combustor (17) of a fuel cell module (20);
The method according to claim 3, further comprising: a temperature increasing adjustment step (D) of adjusting a temperature increasing rate of the reformer reaction section by adjusting the exhaust heat recovery valve (32a) and the bypass valve (32b). How to start. 前記タービン起動ステップ（Ｂ）において、マイクロガスタービンの発電機を電動機として圧縮機を回転駆動し、圧縮した空気を燃焼器に供給し、燃焼器に燃料を供給して着火し、その燃焼ガスによりタービンを回転駆動して自立運転する、ことを特徴とする請求項４に記載の起動方法。In the turbine starting step (B), the compressor is rotated and driven by using the generator of the micro gas turbine as an electric motor, compressed air is supplied to the combustor, fuel is supplied to the combustor, and the combustor is ignited. The starting method according to claim 4, wherein the turbine is driven to rotate to perform autonomous operation. 前記抽気予熱ステップ（Ｃ）において、マイクロガスタービンの発電機を無負荷かつ回転数一定制御し、抽気可能な最大空気流量を燃料電池モジュール（２０）に供給してこれを昇圧・昇温する、ことを特徴とする請求項４に記載の起動方法。In the bleed preheating step (C), the generator of the micro gas turbine is controlled with no load and the number of revolutions constant, and the maximum bleed air flow is supplied to the fuel cell module (20), and the fuel cell module (20) is pressurized and heated. The starting method according to claim 4, wherein:
JP2002269740A 2002-09-17 2002-09-17 Combined power generation facilities for fuel cells and micro gas turbines and their startup methods Expired - Fee Related JP4212322B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002269740A JP4212322B2 (en) 2002-09-17 2002-09-17 Combined power generation facilities for fuel cells and micro gas turbines and their startup methods

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002269740A JP4212322B2 (en) 2002-09-17 2002-09-17 Combined power generation facilities for fuel cells and micro gas turbines and their startup methods

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2004111129A true JP2004111129A (en) 2004-04-08
JP4212322B2 JP4212322B2 (en) 2009-01-21

Family

ID=32267583

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002269740A Expired - Fee Related JP4212322B2 (en) 2002-09-17 2002-09-17 Combined power generation facilities for fuel cells and micro gas turbines and their startup methods

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4212322B2 (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009054477A (en) * 2007-08-28 2009-03-12 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system, and operation method thereof
JP2010164050A (en) * 2009-01-14 2010-07-29 General Electric Co <Ge> Inlet bleed heat system thermal lag mitigation using compressor interstage bleed
JP2017166812A (en) * 2016-03-16 2017-09-21 ゼネラル エレクトリック テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ System and method for heating component of waste heat recovery steam generator
CN112879890A (en) * 2021-02-22 2021-06-01 西安热工研究院有限公司 Automatic starting control method for whole process of coal-fired unit based on electric water feeding pump
CN113079706A (en) * 2018-11-20 2021-07-06 蓝界科技控股公司 Fuel cell system, use thereof and method of operation

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009054477A (en) * 2007-08-28 2009-03-12 Honda Motor Co Ltd Fuel cell system, and operation method thereof
JP2010164050A (en) * 2009-01-14 2010-07-29 General Electric Co <Ge> Inlet bleed heat system thermal lag mitigation using compressor interstage bleed
JP2017166812A (en) * 2016-03-16 2017-09-21 ゼネラル エレクトリック テクノロジー ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ System and method for heating component of waste heat recovery steam generator
CN113079706A (en) * 2018-11-20 2021-07-06 蓝界科技控股公司 Fuel cell system, use thereof and method of operation
CN113079706B (en) * 2018-11-20 2024-05-28 蓝界科技控股公司 Fuel cell system, use thereof and method of operation
CN112879890A (en) * 2021-02-22 2021-06-01 西安热工研究院有限公司 Automatic starting control method for whole process of coal-fired unit based on electric water feeding pump
CN112879890B (en) * 2021-02-22 2022-08-19 西安热工研究院有限公司 Automatic starting control method for whole process of coal-fired unit based on electric water feeding pump

Also Published As

Publication number Publication date
JP4212322B2 (en) 2009-01-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101352198B1 (en) Fuel cell hybrid system
JP6228752B2 (en) Power generation system and method for starting power generation system
JP2005276836A (en) Method and system for start and transient operation of fuel cell-gas turbine combined system
WO2006043494A1 (en) Combined power generation equipment
JP2009205930A (en) Combined system
JP2007066551A (en) Fuel cell system and control method of fuel cell system
JP3804204B2 (en) Fuel cell power generator with multi-stage turbine compressor
JP4212322B2 (en) Combined power generation facilities for fuel cells and micro gas turbines and their startup methods
JP2006100223A (en) Combined power generation system and operation method for combined power generation system
JP4508660B2 (en) Combined power generation system using high-temperature fuel cell
JP4097193B2 (en) Combined power generation facilities for fuel cells and gas turbines and their start / stop methods
JP6049421B2 (en) Power generation system and method for operating power generation system
JP3344439B2 (en) Combustion device and combustion method for turbine compressor
JP4192023B2 (en) Thermoelectric supply system
JP4357819B2 (en) Method for changing the thermoelectric ratio of combined power generation facilities for fuel cells and micro gas turbines
JP4209150B2 (en) Combined power generation facility
JP2000348749A (en) Starting method of fuel cell power generation plant
JP2001351641A (en) Combined generating element
JP4578787B2 (en) Hybrid fuel cell system
JP4212089B2 (en) Combined power generation facilities for fuel cells and micro gas turbines and their startup methods
JP2002305009A (en) Fuel cell type complex power generation device
JP3897149B2 (en) Solid oxide fuel cell and Stirling engine combined system
JP4158131B2 (en) Fuel cell power generator
JPH11354143A (en) Fuel cell power generating set with anode circulation line
JPH10223236A (en) Fuel cell electricity-generating apparatus

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050810

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711

Effective date: 20060518

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20060518

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20081021

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20081028

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20081028

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20111107

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121107

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131107

Year of fee payment: 5

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees