JP2004111130A - Thermoelectric ratio changing method for fuel cell-micro gas turbine combined power generation facility - Google Patents

Thermoelectric ratio changing method for fuel cell-micro gas turbine combined power generation facility Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric ratio changing method for a fuel cell-micro gas turbine combined power generation facility capable of changing the thermoelectric ratio according to required power output and thermal output, and supplying necessary utility while generating power at high thermal efficiency. <P>SOLUTION: When generating output P is prioritized, the set generating output PFc of a fuel cell is preferentially set to constantly keep its actual generating output Pfc' at the set generating output Pfc, the set generating output Pgt of a micro gas turbine is set to the remainder, and the rotating speed N of the micro gas turbine is controlled to feedback-control its actual generating output Pgt' to the set generating output Pgt. When thermal output S is prioritized, an excess vapor flow adjusting valve 34 is controlled, and the reduction in vapor pressure P is detected to start the thermal output control of the micro gas turbine to control the turbine inlet temperature TIT. <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の熱電比変更方法に関する。
【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５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、ＣＯ２リサイクルブロアと呼ぶ）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ＣＯ２リサイクルブロア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５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ＣＯ２リサイクルブロア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】
かかるＭＣＦＣ／μＧＴシステムにおける出力制御は、要求発電出力に対し、ＭＣＦＣとマイクロガスタービンの出力合計が要求発電出力となるように燃料流量を調節する制御方法がとられる。この場合、ＭＣＦＣとマイクロガスタービンを組み合わせたシステムは総出力数百ｋＷ級であるため、その用途からコージェネレーションとしての運用も重視されているにもかかわらず、現状の制御方法では、熱出力は発電出力により一義的に決まるため、運用上の制約があった。
【００１２】
すなわち、ＭＣＦＣ／μＧＴシステムからは電力の他にユーティリィティとしての蒸気及び温水（以下「熱出力」と呼ぶ）を取り出すことができるが、従来は、要求発電出力をＭＣＦＣとマイクロガスタービンで発電し、その排熱から熱出力が得られるにすぎず、その熱電比（熱出力と発電出力との比）を変更することができなかった。
【００１３】
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、必要とする電力出力と熱出力に応じて、熱電比を変更することができ、かつ高い熱効率で発電し同時に必要なユーティリティを供給することができる、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の熱電比変更方法を提供することにある。
【００１４】
【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）を有する燃料電池発電装置（２０）と、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発電装置に供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池発電装置からマイクロガスタービンに酸素を含む排ガスを供給する排ガスライン（２６）と、マイクロガスタービンの排ガスで水蒸気を発生させる排熱回収装置（１５）とを備えた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において、要求される発電出力Ｐと熱出力Ｓに応じて、燃料電池とマイクロガスタービンへの供給燃料量Ｆｆｃ，Ｆｇｔを変える制御を行う、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熱電比変更方法が提供される。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、発電出力Ｐを優先させる場合に発電効率の高い燃料電池への供給燃料Ｆｆｃを増やし、熱出力Ｓを優先させる場合にマイクロガスタービンへの供給燃料Ｆｇｔを増やし、これにより余剰蒸気と余剰温水を発生させる。
【００１６】
また、発電出力Ｐを優先させる場合に、燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを優先的に設定してその実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃに一定保持し、マイクロガスタービンの設定発電出力Ｐｇｔをその残余に設定し、マイクロガスタービンの回転数Ｎを制御してその実発電出力Ｐｇｔ’を設定発電出力Ｐｇｔにフィードバック制御する。
【００１７】
また、熱出力Ｓを優先させる場合に、余剰蒸気流量調節弁（３４）を制御し、蒸気圧力Ｐの低下を検出してマイクロガスタービンの熱出力制御を開始し、タービン入口温度ＴＩＴを制御する。
更に、燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを要求される発電出力Ｐとマイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’の差に設定し、燃料電池の実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃにフィードバック制御する。
【００１８】
また、更に、タービン入口温度ＴＩＴを所定の上限温度以下に制限し、かつマイクロガスタービンの回転数Ｎを所定の上限速度以下に制限する。
【００１９】
上記本発明の熱電比変更方法によれば、燃料電池の発電出力とマイクロガスタービンの発電出力のバランスを変える制御を行うことにより、熱電比を幅広く変えることが可能となる。また、発電効率を優先したシステムでは、部分負荷運転において余剰蒸気・温水を発生できる。更に部分負荷運用において発電効率を優先する場合は発電出力、熱出力ともに可能な限り小さくし、トータルでの供給燃料を最小にする運用となる。一方、熱負荷を優先させる場合には、μＧＴ供給燃料を増やすためμＧＴ負荷は定格となり、余剰蒸気、余剰温水量は最大となる。
【００２０】
【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。
【００２１】
図１は、本発明による熱電比変更方法を適用するコンバインド発電設備を示す図である。この図に示すように、このコンバインド発電設備は、排熱回収熱交換器１５、燃料電池発電装置２０、マイクロガスタービン２２、空気供給ライン２４、排ガスライン２６、及び排ガス用触媒燃焼器２８を備える。
【００２２】
排熱回収熱交換器１５は、マイクロガスタービン２２のタービンＴを出た排ガスから熱回収して水蒸気を発生させ、発生した水蒸気８を燃料１に混合して改質器１０における改質反応に用いるようになっている。
【００２３】
燃料電池発電装置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をカソード排ガス７の一部７ａで燃焼させる電池用触媒燃焼器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。
図１において、燃料電池発電装置２０は、その他に、改質器１０、燃料予熱器１３等を備えている。かかる燃料電池発電装置２０の構成は、図５に例示した従来の溶融炭酸塩型燃料電池発電設備と同様である。
【００２４】
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。
【００２５】
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、燃料電池発電装置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。
【００２６】
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、燃料電池発電装置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。
【００２７】
排ガス用触媒燃焼器２８は、タービン入口より上流側の排ガスライン２６に設けられる。また、この排ガス用触媒燃焼器２８にマイクロガスタービン２２の圧縮機Ｃから圧縮空気を供給する触媒用空気ライン２８ａと、排ガス触媒燃焼器２８に燃料を直接供給する触媒用燃料ライン２８ｂとが設けられている。
排ガス用触媒燃焼器２８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１００℃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、この触媒燃焼器２８に予熱装置を設けて単独で予熱・自己着火できるようにしてもよい。
【００２８】
図２は、図１の一部を省略した主要部分の構成図であり、図３は図２を模式的に示すブロック図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池発電装置２０（ＭＣＦＣ）は、燃料（流量Ｆｆｃ）と水蒸気（流量Ｓｆｃ）がＭＣＦＣ燃料流量調節弁３１と改質蒸気流量調節弁３３からそれぞれ供給されて、発電（発電出力Ｐｆｃ）し、カソード排ガス（流量Ｆｃｇ）をマイクロガスタービン２２に供給する。
マイクロガスタービン２２（μＧＴ）は、燃料（流量Ｆｇｔ）がμＧＴ燃料流量調節弁３２から供給され、圧縮空気（流量Ｆａ）をＭＣＦＣに供給すると同時に発電（発電出力Ｐｇｔ）し、排ガス（流量Ｆｅｇ、温度Ｔｅｇ）を排熱回収熱交換器１５に供給する。
【００２９】
排熱回収熱交換器１５（ＨＲＳＧ）は、排ガスから水蒸気（流量Ｓｆｃ，Ｓｅｘｔ）を発生する。改質用の水蒸気（流量Ｓｆｃ）は、ＭＣＦＣ燃料流量Ｆｆｃに応じてＳｆｃ＝ｆ（Ｆｆｃ）となるように改質蒸気流量調節弁３３が制御される。また、排熱回収熱交換器１５は、排熱回収ボイラであり、その蒸気圧力Ｐｂが所定の設定圧力になるように、余剰蒸気流量調節弁３４と蒸気圧力調節弁３５で制御される。余剰蒸気流量調節弁３４から取り出された水蒸気は、ユーティリティとして用いられ、蒸気圧力調節弁３５を通った水蒸気は排ガスとともに放出されるようになっている。
【００３０】
上述した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は、設計段階において、発電出力を優先させる場合と、熱出力を優先させる場合とがある。発電出力を優先させる設計の場合には、定格負荷時に発電効率が最大となり、かつ余剰蒸気がほとんど発生しないように各機器容量を設定する。従ってこの発電優先設計の場合には、定格負荷時にはユーティリティとしての余剰蒸気は使用できず、部分負荷時においてのみユーティリティが使用できる。
一方、熱出力を優先させる設計の場合には、マイクロガスタービンの容量を発電優先設計の場合よりも大きく設定する。従って、この熱優先設計の場合には、発電と同時に常にユーティリティとして余剰蒸気を使用することができる。
なお、本発明の熱電比変更方法は、上述した発電優先設計と熱優先設計の両方の場合に、適用することができる。
【００３１】
本発明の熱電比変更方法では、要求される発電出力Ｐと熱出力Ｓに応じて、上述した燃料電池発電装置２０（ＭＣＦＣ）とマイクロガスタービン２２への供給燃料量Ｆｆｃ，Ｆｇｔを変える制御を行う。
【００３２】
図４は、本発明の熱電比変更方法を示す制御ブロック図である。この図に示すように、本発明の方法は、発電出力を優先する場合（以下、発電優先制御と呼ぶ）と、熱出力を優先する場合（以下、熱優先制御と呼ぶ）の２つに大別される。この選択は、発電／熱出力切替選択ステップ（Ｓ１）で行う。
【００３３】
発電優先制御では、発電効率の高い燃料電池１１への供給燃料Ｆｆｃを増やし、燃料電池１１で熱効率の高い発電を行い実発電出力Ｐｆｃ’を出力する。また、その不足分のみをマイクロガスタービンの回転数制御で補って全体として要求される発電出力Ｐを発電する。
【００３４】
すなわち、図４において、発電出力制御指令ステップ（Ｓ２）において、要求される発電出力Ｐに応じて、燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを優先的に設定し、マイクロガスタービンの設定発電出力Ｐｇｔをその残余に設定する。次いで、ＭＣＦＣインバータ出力制御ステップ（Ｓ３）において、ＭＣＦＣ燃料流量調節弁３１を制御して、ＭＣＦＣ燃料流量Ｆｆｃを調節する。この燃料流量により、ＭＣＦＣの実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃに一致させ一定保持し、高い熱効率で発電することができる。
一方、μＧＴ回転制御ステップ（Ｓ４）において、マイクロガスタービンの回転数Ｎ（回転速度）を制御し、μＧＴインバータ出力制御ステップ（Ｓ５）でμＧＴ燃料流量調節弁３２を制御して、マイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’を設定発電出力Ｐｇｔにフィードバック制御する。
【００３５】
言い換えれば、このμＧＴ回転制御ステップ（Ｓ４）では、マイクロガスタービンの回転数Ｎ（回転速度）を変化させて、マイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’を調節する。
なお、このμＧＴ回転制御ステップ（Ｓ４）において、マイクロガスタービンの保護のため、タービン入口温度ＴＩＴを所定の上限温度以下に制限し、かつマイクロガスタービンの回転数Ｎを所定の上限速度以下に制限する。
【００３６】
従って、この発電優先制御では、要求される発電出力Ｐを燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電として高い効率で発電することができる。なお、この発電優先制御では、排熱回収熱交換器１５に供給される排ガスの熱エネルギーは、なんら制御されない。そのため、発生した水蒸気から改質用の水蒸気（流量Ｓｆｃ）を優先的に改質蒸気流量調節弁３３から燃料電池に供給し、その残りの水蒸気のみをユーティリティとして用いることができる。
【００３７】
図４に示すように、ユーティリティ用の水蒸気の流量（Ｓｅｘｔ）は、余剰蒸気流量調節弁開指令ステップ（Ｓ６）において、余剰蒸気流量調節弁３４の開度を制御して調節される。また、Ｓ６ステップに応じて、蒸気圧力調節弁閉ステップ（Ｓ７）において、蒸気圧力が一定になるように蒸気圧力調節弁３５の開度が制御される。
このＳ６，Ｓ７ステップは、発電優先制御と熱優先制御の両方で行われ、蒸気圧力を一定に保持できる限りでは、発電優先制御においても、要求される熱出力Ｓを余剰蒸気流量調節弁３４から供給することができる。しかし、発電優先制御では、余剰蒸気流量調節弁３４の開度は、蒸気圧力を一定に保持できる範囲に限定され、それ以上にユーティリティを供給できなくなる。
【００３８】
一方、熱優先制御では、マイクロガスタービンへの供給燃料Ｆｇｔを増やし、これにより余剰蒸気と余剰温水を発生させる。
すなわち、発電／熱出力切替選択ステップ（Ｓ１）で熱優先制御が選択されると、上述のようにユーティリティ用の水蒸気の流量（Ｓｅｘｔ）が、余剰蒸気流量調節弁開指令ステップ（Ｓ６）において、余剰蒸気流量調節弁３４の開度を制御して調節され、更に、蒸気圧力調節弁閉ステップ（Ｓ７）において、蒸気圧力が一定になるように蒸気圧力調節弁３５の開度が制御される。
【００３９】
熱優先制御では、余剰蒸気流量調節弁３４の開度は、蒸気圧力を一定に保持できる範囲に限定されない。そのため、余剰蒸気流量調節弁３４を更に開き、蒸気圧力調節弁３５を限界まで閉じると、蒸気圧力Ｐが低下する。蒸気圧力低下ステップ（Ｓ８）において、この圧力低下を検出し、熱出力制御指令ステップ（Ｓ９）でマイクロガスタービンの熱出力制御を開始し、タービン入口温度制御ステップ（Ｓ１０）でタービン入口温度ＴＩＴを制御する。
【００４０】
言い換えれば、このタービン入口温度制御ステップ（Ｓ１０）では、マイクロガスタービンのタービン入口温度ＴＩＴを変化させて、マイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’を調節する。
なお、このタービン入口温度制御ステップ（Ｓ１０）においても、マイクロガスタービンの保護のため、タービン入口温度ＴＩＴを所定の上限温度以下に制限し、かつマイクロガスタービンの回転数Ｎを所定の上限速度以下に制限する。
【００４１】
一方、μＧＴ回転制御ステップ（Ｓ４）において、マイクロガスタービンの回転数Ｎ（回転速度）を制御し、μＧＴインバータ出力制御ステップ（Ｓ５）でμＧＴ燃料流量調節弁３２を制御して、マイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’を設定発電出力Ｐｇｔにフィードバック制御する。
なお、このμＧＴ回転制御ステップ（Ｓ４）において、マイクロガスタービンの保護のため、タービン入口温度ＴＩＴを所定の上限温度以下に制限し、かつマイクロガスタービンの回転数Ｎを所定の上限速度以下に制限する。
【００４２】
また、熱優先制御では、燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを要求される発電出力Ｐとマイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’の差に設定し、燃料電池の実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃにフィードバック制御する。
【００４３】
従って、この熱優先制御では、要求される熱出力をマイクロガスタービンのタービン入口温度ＴＩＴを変化させて、マイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’を調節し、残りの発電出力Ｐを燃料電池で発電して、発電出力と熱出力をコンバインド発電として高い効率で発電することができる。
【００４４】
表１は、本発明の熱電比変更方法の実施例である。この例は、発電出力を優先させる設計の場合のものであり、定格負荷時に発電効率が最大（発電端効率５５％）となり、かつ余剰蒸気がほとんど発生しない（余剰蒸気量ゼロ）ように各機器容量が設定されている。
【００４５】
【表１】

Figure 2004111130
【００４６】
この表からわかるように、部分負荷時には、発電重視（発電優先制御）と熱重視（熱優先制御）を行うことができ、発電重視では、発電端出力１４０ｋｗをＭＣＦＣ出力で発揮し、高い発電端効率（４４％）を得ることができる。また、熱重視では、余剰蒸気量１６５ｋｇ／ｈをユーティリティとして使用しながら、同時に１２１ｋｗの発電端出力を得ることができる。
【００４７】
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。
【００４８】
【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の熱電比変更方法によれば、必要とする電力出力と熱出力に応じて、熱電比を変更することができ、かつ高い熱効率で発電し同時に必要なユーティリティを供給することができる、優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱電比変更方法を適用するコンバインド発電設備を示す図である。
【図２】図１の一部を省略した主要部分の構成図である。
【図３】図２を模式的に示すブロック図である。
【図４】本発明の熱電比変更方法を示す制御ブロック図である。
【図５】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（ＨＲＳＧ）、１６　リサイクルブロア、
１７　電池用触媒燃焼器、１８　カソードリサイクルライン、
１８ａ　高温流量調節弁、２０　燃料電池発電装置（ＭＣＦＣ）、
２２　マイクロガスタービン（μＧＴ）、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　排ガスライン、２８　排ガス用触媒燃焼器、
２８ａ　触媒用空気ライン、２８ｂ　触媒用燃料ライン、
３１　ＭＣＦＣ燃料流量調節弁、３２　μＧＴ燃料流量調節弁、
３３　改質蒸気流量調節弁、３４　余剰蒸気流量調節弁、
３５　蒸気圧力調節弁[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for changing the thermoelectric ratio of a combined power generation facility of a fuel cell and a micro gas turbine.
[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. 5 is a configuration diagram illustrating an example of a molten carbonate fuel cell power generation facility using natural gas as a fuel, for example. 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 CO 2 recycle blower), merges with pressurized air 6 supplied from a turbocharger 12, and The gas 3 is 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 a suction side of a CO 2 recycling 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. 5, reference numeral 18a denotes a high-temperature flow control valve for controlling the flow rate of the cathode recycling 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-mentioned CO 2 recycle blower 16 supplies 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]
In the output control in such an MCFC / μGT system, a control method of adjusting a fuel flow rate so that the total output of the MCFC and the micro gas turbine becomes the required power output with respect to the required power output. In this case, the combined output of the MCFC and the micro gas turbine has a total output of several hundred kW. Therefore, although the operation as a cogeneration is also emphasized from the application, the heat output is not increased by the current control method. Since it is uniquely determined by the power generation output, there were operational restrictions.
[0012]
That is, steam and hot water (hereinafter referred to as “heat output”) as utilities can be taken out of the MCFC / μGT system in addition to electric power, but conventionally, the required power generation output is generated by the MCFC and the micro gas turbine. However, only a heat output can be obtained from the exhaust heat, and the thermoelectric ratio (ratio between heat output and power generation output) cannot be changed.
[0013]
The present invention has been made to solve such a problem. That is, an object of the present invention is to provide a fuel cell and a micro cell which can change the thermoelectric ratio according to the required power output and heat output, and can generate power with high thermal efficiency and simultaneously supply necessary utilities. It is an object of the present invention to provide a method of changing a heat power ratio of a combined power generation facility of a gas turbine.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a fuel cell power generation device (20) having a fuel cell (11) that generates power from an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen, and a micro gas turbine (22) having a variable speed generator An air supply line (24) for extracting compressed air from the micro gas turbine and supplying it to the fuel cell power generator, and an exhaust gas line (26) for supplying exhaust gas containing oxygen from the fuel cell power generator to the micro gas turbine. In a fuel cell equipped with an exhaust heat recovery device (15) for generating water vapor from exhaust gas of a micro gas turbine and a combined power generation facility of a micro gas turbine, the fuel cell and the heat output S are required depending on the required power output P and heat output S. A fuel cell and a micro cell, wherein control is performed to change the amount of fuel Ffc and Fgt supplied to a micro gas turbine. Thermoelectric ratio changing process of combined power generation facility turbines is provided.
[0015]
According to a preferred embodiment of the present invention, the fuel supply Ffc to the fuel cell having high power generation efficiency is increased when the power generation output P is prioritized, and the fuel supply Fgt to the micro gas turbine is increased when the heat output S is prioritized. This generates excess steam and excess hot water.
[0016]
When the power generation output P is prioritized, the set power generation output Pfc of the fuel cell is set preferentially, the actual power generation output Pfc ′ is kept constant at the set power generation output Pfc, and the set power generation output Pgt of the micro gas turbine is set at the same level. The remaining power is set and the actual power output Pgt ′ is feedback-controlled to the set power output Pgt by controlling the rotation speed N of the micro gas turbine.
[0017]
When giving priority to the heat output S, the control unit controls the surplus steam flow control valve (34), detects a decrease in the steam pressure P, starts the heat output control of the micro gas turbine, and controls the turbine inlet temperature TIT. .
Further, the set power generation output Pfc of the fuel cell is set to the difference between the required power generation output P and the actual power generation output Pgt ′ of the micro gas turbine, and the actual power generation output Pfc ′ of the fuel cell is feedback-controlled to the set power generation output Pfc.
[0018]
Further, the turbine inlet temperature TIT is limited to a predetermined upper limit temperature or lower, and the rotation speed N of the micro gas turbine is limited to a predetermined upper limit speed or lower.
[0019]
According to the thermoelectric ratio changing method of the present invention, the thermoelectric ratio can be changed widely by performing control for changing the balance between the power output of the fuel cell and the power output of the micro gas turbine. In addition, a system that prioritizes power generation efficiency can generate excess steam and hot water during partial load operation. Further, when priority is given to the power generation efficiency in the partial load operation, both the power generation output and the heat output are made as small as possible, so that the total supplied fuel is minimized. On the other hand, when giving priority to the heat load, the μGT load is rated to increase the μGT supply fuel, and the amount of excess steam and excess hot water is maximized.
[0020]
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.
[0021]
FIG. 1 is a diagram showing a combined power generation facility to which the thermoelectric ratio changing method according to the present invention is applied. As shown in this figure, the combined power generation equipment includes an exhaust heat recovery heat exchanger 15, a fuel cell power generation device 20, a micro gas turbine 22, an air supply line 24, an exhaust gas line 26, and an exhaust gas catalytic combustor 28. .
[0022]
The exhaust heat recovery heat exchanger 15 recovers heat from the exhaust gas discharged from the turbine T of the micro gas turbine 22 to generate steam, and mixes the generated steam 8 with the fuel 1 for a reforming reaction in the reformer 10. To be used.
[0023]
The fuel cell power generation device 20 includes a fuel cell 11 that generates power using an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen, and a battery catalyst that burns the anode exhaust gas 4 reacted in the fuel cell 11 with a part 7 a of the cathode exhaust gas 7. A combustor 17 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 are provided. 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.
In FIG. 1, the fuel cell power generator 20 further includes a reformer 10, a fuel preheater 13, and the like. The configuration of the fuel cell power generation device 20 is the same as the conventional molten carbonate fuel cell power generation equipment illustrated in FIG.
[0024]
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.
[0025]
The air supply line 24 extracts compressed air from the micro gas turbine 22 and supplies the compressed air to the fuel cell power generator 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.
[0026]
The 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 power generator 20 to the micro gas turbine 22. This cathode exhaust gas 7 usually contains about 5 to 15% of oxygen.
[0027]
The exhaust gas catalytic combustor 28 is provided in the exhaust gas line 26 upstream of the turbine inlet. Further, a catalytic air line 28a for supplying compressed air from the compressor C of the micro gas turbine 22 to the exhaust gas catalytic combustor 28 and a catalytic fuel line 28b for supplying fuel directly to the exhaust gas catalytic combustor 28 are provided. Have been.
The exhaust gas catalytic combustor 28 is filled with a combustion catalyst. This combustion catalyst is, for example, a catalyst containing Ni as a main component, and has characteristics that it can self-ignite at a relatively low temperature (for example, around 100 ° C.), has a very wide fuel flow range, and can perform stable combustion even at a low oxygen concentration. Have. Note that a preheating device may be provided in the catalytic combustor 28 so that preheating and self-ignition can be performed independently.
[0028]
FIG. 2 is a configuration diagram of a main part in which a part of FIG. 1 is omitted, and FIG. 3 is a block diagram schematically showing FIG.
As shown in FIGS. 2 and 3, in the fuel cell power generation device 20 (MCFC), fuel (flow rate Ffc) and steam (flow rate Sfc) are supplied from an MCFC fuel flow rate control valve 31 and a reformed steam flow rate control valve 33, respectively. Then, power is generated (power generation output Pfc), and the cathode exhaust gas (flow rate Fcg) is supplied to the micro gas turbine 22.
The micro gas turbine 22 (μGT) is supplied with fuel (flow rate Fgt) from the μGT fuel flow rate control valve 32, supplies compressed air (flow rate Fa) to the MCFC, and simultaneously generates power (power generation output Pgt). The temperature Teg) is supplied to the exhaust heat recovery heat exchanger 15.
[0029]
The exhaust heat recovery heat exchanger 15 (HRSG) generates steam (flow rates Sfc, Sex) from the exhaust gas. The reforming steam flow control valve 33 is controlled so that the reforming steam (flow rate Sfc) becomes Sfc = f (Ffc) in accordance with the MCFC fuel flow rate Ffc. The exhaust heat recovery heat exchanger 15 is an exhaust heat recovery boiler, and is controlled by an excess steam flow control valve 34 and a steam pressure control valve 35 so that the steam pressure Pb becomes a predetermined set pressure. The steam extracted from the surplus steam flow control valve 34 is used as a utility, and the steam passing through the steam pressure control valve 35 is released together with the exhaust gas.
[0030]
In the combined power generation facility of the fuel cell and the micro gas turbine described above, there are a case where a power generation output is prioritized and a case where a heat output is prioritized in a design stage. In the case of the design in which the power generation output is prioritized, the capacity of each device is set so that the power generation efficiency is maximized at the rated load and almost no surplus steam is generated. Therefore, in the case of the power generation priority design, surplus steam as a utility cannot be used at a rated load, and the utility can be used only at a partial load.
On the other hand, in the case of the design in which the heat output is prioritized, the capacity of the micro gas turbine is set to be larger than that in the case of the power generation prioritized design. Therefore, in the case of this heat-priority design, surplus steam can always be used as a utility simultaneously with power generation.
The thermoelectric ratio changing method of the present invention can be applied to both the power generation priority design and the heat priority design described above.
[0031]
In the thermoelectric ratio changing method of the present invention, the control for changing the fuel supply amounts Ffc and Fgt to the fuel cell power generation device 20 (MCFC) and the micro gas turbine 22 described above according to the required power generation output P and heat output S is performed. Do.
[0032]
FIG. 4 is a control block diagram showing the thermoelectric ratio changing method of the present invention. As shown in this figure, the method of the present invention can be broadly divided into two cases, a case where the power generation output is prioritized (hereinafter referred to as power generation priority control) and a case where the heat output is prioritized (hereinafter referred to as heat priority control). Separated. This selection is performed in the power generation / heat output switching selection step (S1).
[0033]
In the power generation priority control, the amount of fuel Ffc supplied to the fuel cell 11 having high power generation efficiency is increased, power generation with high thermal efficiency is performed by the fuel cell 11, and an actual power generation output Pfc 'is output. In addition, only the shortfall is supplemented by the control of the number of revolutions of the micro gas turbine to generate the required power output P as a whole.
[0034]
That is, in FIG. 4, in the power generation output control command step (S2), the set power generation output Pfc of the fuel cell is preferentially set according to the required power generation output P, and the set power generation output Pgt of the micro gas turbine is set. Set to the rest. Next, in the MCFC inverter output control step (S3), the MCFC fuel flow control valve 31 is controlled to adjust the MCFC fuel flow Ffc. With this fuel flow rate, the actual power generation output Pfc ′ of the MCFC is made to match the set power generation output Pfc and is kept constant, so that power can be generated with high thermal efficiency.
On the other hand, in the μGT rotation control step (S4), the number of rotations N (rotation speed) of the micro gas turbine is controlled, and in the μGT inverter output control step (S5), the μGT fuel flow control valve 32 is controlled to control the micro gas turbine. The actual power generation output Pgt ′ is feedback-controlled to the set power generation output Pgt.
[0035]
In other words, in this μGT rotation control step (S4), the actual power generation output Pgt ′ of the micro gas turbine is adjusted by changing the rotation speed N (rotation speed) of the micro gas turbine.
In this μGT rotation control step (S4), in order to protect the micro gas turbine, the turbine inlet temperature TIT is limited to a predetermined upper limit temperature or lower, and the rotation speed N of the micro gas turbine is limited to a predetermined upper limit speed or lower. I do.
[0036]
Therefore, in this power generation priority control, the required power generation output P can be generated with high efficiency as combined power generation of the fuel cell and the micro gas turbine. In the power generation priority control, the thermal energy of the exhaust gas supplied to the exhaust heat recovery heat exchanger 15 is not controlled at all. Therefore, reforming steam (flow rate Sfc) can be preferentially supplied from the generated steam to the fuel cell from the reforming steam flow rate control valve 33, and only the remaining steam can be used as a utility.
[0037]
As shown in FIG. 4, the flow rate (Sext) of the utility steam is adjusted by controlling the degree of opening of the excess steam flow control valve 34 in the excess steam flow control valve opening command step (S6). Further, in accordance with the step S6, in the steam pressure control valve closing step (S7), the opening of the steam pressure control valve 35 is controlled so that the steam pressure becomes constant.
The S6 and S7 steps are performed in both the power generation priority control and the heat priority control. As long as the steam pressure can be kept constant, the required heat output S is also transmitted from the surplus steam flow control valve 34 in the power generation priority control. Can be supplied. However, in the power generation priority control, the opening degree of the surplus steam flow control valve 34 is limited to a range where the steam pressure can be kept constant, and no more utility can be supplied.
[0038]
On the other hand, in the heat priority control, fuel Fgt supplied to the micro gas turbine is increased, thereby generating excess steam and excess hot water.
That is, when the heat priority control is selected in the power generation / heat output switching selection step (S1), the flow rate (Sext) of the steam for utility is determined in the excess steam flow rate control valve opening command step (S6) as described above. The opening of the surplus steam flow control valve 34 is controlled and adjusted, and further, in the steam pressure control valve closing step (S7), the opening of the steam pressure control valve 35 is controlled so that the steam pressure becomes constant.
[0039]
In the heat priority control, the opening degree of the surplus steam flow control valve 34 is not limited to a range where the steam pressure can be kept constant. Therefore, when the excess steam flow control valve 34 is further opened and the steam pressure control valve 35 is closed to the limit, the steam pressure P decreases. In the steam pressure drop step (S8), this pressure drop is detected, the heat output control of the micro gas turbine is started in the heat output control command step (S9), and the turbine inlet temperature TIT is set in the turbine inlet temperature control step (S10). Control.
[0040]
In other words, in this turbine inlet temperature control step (S10), the actual power generation output Pgt 'of the micro gas turbine is adjusted by changing the turbine inlet temperature TIT of the micro gas turbine.
Also in this turbine inlet temperature control step (S10), the turbine inlet temperature TIT is limited to a predetermined upper limit temperature or lower and the rotation speed N of the micro gas turbine is set to a predetermined upper limit speed or lower for protection of the micro gas turbine. Restrict to
[0041]
On the other hand, in the μGT rotation control step (S4), the number of rotations N (rotation speed) of the micro gas turbine is controlled, and in the μGT inverter output control step (S5), the μGT fuel flow control valve 32 is controlled to control the micro gas turbine. The actual power generation output Pgt ′ is feedback-controlled to the set power generation output Pgt.
In this μGT rotation control step (S4), in order to protect the micro gas turbine, the turbine inlet temperature TIT is limited to a predetermined upper limit temperature or lower, and the rotation speed N of the micro gas turbine is limited to a predetermined upper limit speed or lower. I do.
[0042]
In the heat priority control, the set power output Pfc of the fuel cell is set to the difference between the required power output P and the actual power output Pgt ′ of the micro gas turbine, and the actual power output Pfc ′ of the fuel cell is set to the set power output Pfc. Feedback control.
[0043]
Therefore, in this heat priority control, the required heat output is changed by changing the turbine inlet temperature TIT of the micro gas turbine, the actual power generation output Pgt 'of the micro gas turbine is adjusted, and the remaining power generation output P is generated by the fuel cell. Thus, the power generation output and the heat output can be generated with high efficiency as combined power generation.
[0044]
Table 1 is an example of the thermoelectric ratio changing method of the present invention. This example is a case of a design in which the power generation output is prioritized, and each device is designed so that the power generation efficiency becomes maximum (power generation end efficiency 55%) at the rated load and almost no surplus steam is generated (surplus steam amount is zero). Capacity is set.
[0045]
[Table 1]
Figure 2004111130
[0046]
As can be seen from the table, at the time of partial load, power generation priority (power generation priority control) and heat priority (heat priority control) can be performed. In power generation priority, the power generation terminal output 140 kW is exhibited by the MCFC output, and the high power generation terminal Efficiency (44%) can be obtained. In addition, when heat is emphasized, a power generation end output of 121 kW can be obtained at the same time while using the excess steam amount of 165 kg / h as a utility.
[0047]
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.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, according to the thermoelectric ratio changing method of the combined power generation equipment of the fuel cell and the micro gas turbine of the present invention, the thermoelectric ratio can be changed in accordance with the required power output and heat output, and the thermoelectric ratio can be increased. An excellent effect can be obtained in which power can be generated with thermal efficiency and a necessary utility can be supplied at the same time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a combined power generation facility to which a thermoelectric ratio changing method according to the present invention is applied.
FIG. 2 is a configuration diagram of a main part in which a part of FIG. 1 is omitted.
FIG. 3 is a block diagram schematically showing FIG. 2;
FIG. 4 is a control block diagram showing a thermoelectric ratio changing method of the present invention.
FIG. 5 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 (HRSG), 16 Recycling blower,
17 Catalytic combustor for battery, 18 Cathode recycling line,
18a high temperature flow control valve, 20 fuel cell power generator (MCFC),
22 micro gas turbine (μGT), 24 air supply line,
24a battery air supply line, 24b catalyst air supply line,
26 exhaust gas line, 28 exhaust gas catalytic combustor,
28a catalyst air line, 28b catalyst fuel line,
31 MCFC fuel flow control valve, 32 μGT fuel flow control valve,
33 reforming steam flow control valve, 34 surplus steam flow control valve,
35 Steam pressure control valve

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）を有する燃料電池発電装置（２０）と、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発電装置に供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池発電装置からマイクロガスタービンに酸素を含む排ガスを供給する排ガスライン（２６）と、マイクロガスタービンの排ガスで水蒸気を発生させる排熱回収装置（１５）とを備えた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において、
要求される発電出力Ｐと熱出力Ｓに応じて、燃料電池とマイクロガスタービンへの供給燃料量Ｆｆｃ，Ｆｇｔを変える制御を行う、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熱電比変更方法。From a fuel cell power generation device (20) having a fuel cell (11) that generates electricity using an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen, a micro gas turbine (22) having a variable speed generator, and a micro gas turbine. An air supply line (24) for extracting compressed air and supplying it to the fuel cell power generator, an exhaust gas line (26) for supplying exhaust gas containing oxygen from the fuel cell power generator to the micro gas turbine, and an exhaust gas of the micro gas turbine. In a combined power generation facility for a fuel cell and a micro gas turbine including an exhaust heat recovery device (15) for generating steam,
A fuel cell and a micro gas turbine combined power generation system, wherein control is performed to change the amount of fuel Ffc and Fgt supplied to the fuel cell and the micro gas turbine in accordance with the required power generation output P and heat output S; How to change the thermoelectric ratio. 発電出力Ｐを優先させる場合に発電効率の高い燃料電池への供給燃料Ｆｆｃを増やし、熱出力Ｓを優先させる場合にマイクロガスタービンへの供給燃料Ｆｇｔを増やし、これにより余剰蒸気と余剰温水を発生させる、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電比変更方法。When the power generation output P is prioritized, the fuel supply Ffc to the fuel cell with high power generation efficiency is increased, and when the heat output S is prioritized, the fuel supply Fgt to the micro gas turbine is increased, thereby generating excess steam and excess hot water. The method according to claim 1, wherein: 発電出力Ｐを優先させる場合に、燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを優先的に設定してその実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃに一定保持し、マイクロガスタービンの設定発電出力Ｐｇｔをその残余に設定し、マイクロガスタービンの回転数Ｎを制御してその実発電出力Ｐｇｔ’を設定発電出力Ｐｇｔにフィードバック制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電比変更方法。When the power generation output P is prioritized, the set power generation output Pfc of the fuel cell is set preferentially, and the actual power generation output Pfc ′ is kept constant at the set power generation output Pfc, and the set power generation output Pgt of the micro gas turbine is retained. 2. The thermoelectric ratio changing method according to claim 1, wherein the actual power generation output Pgt 'is feedback-controlled to the set power generation output Pgt by setting the rotation speed N of the micro gas turbine. 熱出力Ｓを優先させる場合に、余剰蒸気流量調節弁（３４）を制御し、蒸気圧力Ｐの低下を検出してマイクロガスタービンの熱出力制御を開始し、タービン入口温度ＴＩＴを制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電比変更方法。When giving priority to the heat output S, the control unit controls the surplus steam flow control valve (34), detects a decrease in the steam pressure P, starts the heat output control of the micro gas turbine, and controls the turbine inlet temperature TIT. The method for changing the thermoelectric ratio according to claim 1, wherein 燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを要求される発電出力Ｐとマイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’の差に設定し、燃料電池の実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃにフィードバック制御する、ことを特徴とする請求項４に記載の熱電比変更方法。Setting the fuel cell set power output Pfc to the difference between the required power output P and the actual power output Pgt ′ of the micro gas turbine, and performing feedback control of the fuel cell actual power output Pfc ′ to the set power output Pfc. The method for changing a thermoelectric ratio according to claim 4, wherein: タービン入口温度ＴＩＴを所定の上限温度以下に制限し、かつマイクロガスタービンの回転数Ｎを所定の上限速度以下に制限する、ことを特徴とする請求項３又は４に記載の熱電比変更方法。The method according to claim 3, wherein the turbine inlet temperature TIT is limited to a predetermined upper limit temperature or lower, and the rotation speed N of the micro gas turbine is limited to a predetermined upper limit speed or lower.
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