JP2004119239A - Fuel cell-gas turbine power generation equipment and combined cycle power generation equipment - Google Patents

Fuel cell-gas turbine power generation equipment and combined cycle power generation equipment Download PDF

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古賀 重徳
Masatoshi Kudome
久留 正敏
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    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell-gas turbine power generation equipment wherein the fuel cell and the gas turbine can be operated at the maximum through put. <P>SOLUTION: This provision has an SOFC1 to generate power by cell-reacting oxygen and fuel in supplied compressed air via an electrolyte after compressed air compressed by a compressor 3 is supplied, a burner 10 to burn exhaust air and tail gas from the fuel cell 1, a gas turbine 4 in which burning gas from the burner 10 is expanded, and a by-pass path 64 to supply one part of the compressed air compressed by a compressor 3 to the burner 10. Output of the gas turbine 4 is made to increase by increasing amount of supplied air to the burner 10, and inlet temperature of the gas turbine 4 is adjusted appropriately. <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(固体電解質燃料電池)とガスタービンを組み合わせた燃料電池−ガスタービン発電設備及び燃料電池−ガスタービン発電設備と蒸気タービン設備を組み合わせた複合発電設備に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、空気と燃料とを電解質を介して電気電池反応させて発電を行う装置であり、高い発電効率で電気エネルギーを発生させることができる。この燃料電池から排出される排出ガスの温度は高く、排出ガスの熱エネルギーをガスタービン及び蒸気タービン等のボトミングサイクルにより回収して発電に利用することにより、システム損失を小さくすることができ、高い発電効率を得ることができる。
【0003】
特に、高温型燃料電池{運転温度が約1000℃の固体電解質燃料電池(SOFC)や運転温度が約650 ℃の溶融炭酸塩燃料電池(MCFC)}では排出ガスの温度が高い。このため、高温型燃料電池とガスタービンとを組み合わせたガスタービン発電設備が従来から種々開発されている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平11−297336号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池(例えば、SOFC)とガスタービンとを組み合わせたタービン発電設備は、高効率で発電を実施することができるものであるが、効率を更に向上させる余地は十分に存在しているのが現状である。
【0006】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池とガスタービンとを組み合わせた燃料電池−ガスタービン発電設備において、燃料電池及びガスタービンを最大限の効率で運転することができる燃料電池−ガスタービン発電設備を提供することを目的とする。
【0007】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池及びガスタービンを最大限の効率で運転することができる燃料電池−ガスタービン発電設備と蒸気タービン設備を組み合わせた複合発電設備を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の燃料電池−ガスタービン発電設備は、
空気を圧縮する圧縮機と、
圧縮機で圧縮された圧縮空気が供給され供給された圧縮空気中の酸素と燃料とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池と、
燃料電池からの排空気及び排ガスを燃焼する燃焼器と、
燃焼器からの燃焼ガスが膨張されるガスタービンと、
圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部を燃焼器に供給するバイパス路と
を備えたことを特徴とする。
【0009】
そして、請求項1に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
燃料電池に供給される圧縮空気は、燃料電池の反応熱により予熱されることで昇温されることを特徴とする。
【0010】
また、請求項1もしくは請求項2に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
燃料電池に供給される圧縮空気には、燃料電池からの排空気の一部が混合されて昇温されることを特徴とする。
【0011】
また、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
圧縮機からの圧縮空気とガスタービンの排気ガスとの間で熱交換を行なって圧縮空気の加熱を行う熱交換器を備えたことを特徴とする。
【0012】
また、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
圧縮機の圧縮比及びガスタービンの膨張比は、圧縮空気と排気ガスの間で熱交換する熱交換器が不要となる状態の圧力比に設定されていることを特徴とする。
【0013】
また、請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
燃料電池は固体電解質燃料電池であり、
固体電解質燃料電池は、
容器上部の内部に設けられる燃料室と、
燃料室の下部に設けられ燃料室管板により仕切られる排ガス室と、
排ガス室の下部に設けられ排ガス室管板により仕切られる電池室と、
電池室の下部に排空気室管板により仕切られて設けられる排空気室と、
排空気室の下部に設けられ空気室管板により仕切られる空気室と、
両端が開放され上端部が燃料室に開口して配されると共に下端部が電池室に配される燃料内管と、
下端が閉じられると共に上端が開放されて燃料内管の外側に配され下部が燃料内管の開口を覆うと共に上端部が排ガス室に開口して配される多孔質状の燃料外管と、
排空気室管板に設けられる多数の排空気排出孔と、
両端が開放され上端部が電池室の上方に配され下端部が空気室に開口する空気加熱管と、
燃料外管の外周に配される電池とを備え
燃料室に燃料が供給されることにより燃料内管を通って下端部から燃料外管に燃料が送られると共に空気室に空気が供給されることにより空気加熱管を流通して電池室に空気が送られ、
多孔質状の燃料外管の壁部を通過した燃料と空気中の酸素とが電解質を介して電池反応されて発電され、
燃料外管内の未燃燃料を含む排ガスが燃料外管を流通して排ガス室に送られると共に電池室の排空気が排空気排出孔を通過して排空気室に送られ、
空気加熱管を流通する空気が発電の反応熱により加熱される
ことを特徴とする。
【0014】
また、請求項6に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
固体電解質燃料電池は、
燃料外管の外壁には電池が設けられ、
燃料極が燃料を改質する改質触媒となり、
燃料改質反応による吸熱により発電の反応熱の一部を回収すると共に発電の反応熱の残りで空気加熱管を流通する空気を加熱して発電の反応熱を全て回収除去することを特徴とする。
【0015】
上記目的を達成するための本発明の複合発電設備は、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備と、燃料電池−ガスタービン発電設備のガスタービンの排気ガスの熱回収を行って蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで発生した蒸気により作動する蒸気タービンと、蒸気タービンの排気を復水する復水手段と、復水手段からの復水を排熱回収ボイラに給水する給水手段とを備えたことを特徴とする。
【0016】
【発明の実施の形態】
燃料電池−ガスタービン発電設備の発電効率は、所定燃料供給量における燃料電池(SOFC)の発電効率とその排ガスおよび排空気を混合し未反応燃料を燃焼した燃焼ガスを駆動流体とするガスタービンの出力により決まる。燃料電池の効率向上には、電池室に供給する燃料及び空気の温度を改質反応および電池反応に適正な温度にすることが必要である。
【0017】
燃料電池効率を一定とすれば、燃料電池−ガスタービン発電設備の効率は、ガスタービンの出力に依存する。即ち、SOFC/ガスタービン/低温熱交プラントシステムでは、プラントの高効率運転には、SOFCの高効率運転条件を確保した上で、最大のガスタービン出力が得られるようにシステム設計および機器設計を行うことが必要である。
【0018】
高効率達成のための作用・効果は以下の通りである。
【0019】
(1)SOFCの高効率化
【0020】
燃料電池管を二重管構造として、燃料(以下、都市ガス等に用いられるメタンガスとする)は二重管内管に供給され、内管を下降する過程において電池反応熱を吸収して、内管出口において燃料改質及び電池反応に必要な温度に加熱される。続いて、外管と内管のアンニュラー部を上昇する過程において燃料改質反応を生じ、電池反応に必要なCO及びH2 を主成分とする改質ガスになり電池反応を行う。燃料の改質反応は吸熱反応であり、電池反応により生じた反応熱のおおよそ50%が改質反応(吸熱反応)に利用される。このように電池管内部で燃料加熱と改質が合理的に行われ、電池反応に適正条件が確保され電池反応が促進される。
【0021】
一方、反応用空気は、電池室内部に設置された内部熱交において、電池反応熱の余剰熱を吸収して電池反応に適正な温度に加熱される。このように燃料及び空気共改質および電池反応に適正な条件が確保されるので、SOFCは高効率発電を行うことができる。
【0022】
(2)ガスタービンの高効率化(高出力化)
【0023】
低温熱交における熱回収量を、高温度効率の低温熱交設置を設置による出口空気温度の上昇とテンパリングエア量の増加により増大することができる。一方、ガスタービンの効率はガスタービンの圧力比に依存するので、圧力比を最適化しガスタービン出力増加(ガスタービン入力の増加と高効率化)を達成することを、下記のシステム設計手法により可能にした。
【0024】
低温熱交温度効率ηt =(出力空気温度−入口空気温度)/(入口ガス温度−入口空気温度)×100%である。
【0025】
▲1▼高温熱交の廃止によるタービン入熱量の増加
【0026】
内部熱交の設置によりSOFCへ供給する空気の必要温度を下げ、低温熱交のみで必要温度を得るように内部熱交を設置し、高温度効率の低温熱交を設置し、ガスタービン圧力比を最適化した。これにより高温熱交が不要になり、ガスタービン燃焼器に供給される排空気の温度低下が生じない。従って、ガスタービン燃焼器に導入する燃焼ガス温度の低下がないので、テンパリングエアの増加が必要となる(増加ができる)。テンパリングエア(SOFCバイパス空気管で供給される低温熱交出口空気)の増加により低温熱交による熱回収量およびタービン駆動流体が増加する。即ち、タービン入熱量が増加する。
【0027】
▲2▼低温熱交における熱回収量の増加
【0028】
ガスタービンの出力は、ガスタービンの入力が大きい程且つ効率が高い程大となる。低温熱交の出口空気温度がSOFC内部熱交の要求温度に到達する条件の下で、熱回収量が最大となる温度効率の高い(現実的な最高温度効率ηRM=90〜95%)再生熱交を設置し、テンパリングエアとして再生熱交出口空気を使用することにより、燃焼器出口ガス温度の低下(テンパリング効果)と共に熱回収量の増加を計った。
【0029】
▲3▼ガスタービンの効率向上
【0030】
ガスタービンの理論サイクル効率ηGTは次式で表されるように、機械効率(次式における圧縮機効率ηC 、タービン効率ηT )を一定とすれば、最高温度最低温度比τ(=タービン入口温度T3 /圧縮機入口温度T1 比)および圧力比φ(=圧縮機出口圧力P2 /圧縮機入口圧力P1 )の関数である断熱膨張温度比ψ(=タービン入口温度T3 /タービンの断熱出口温度T4 ′)に依存する。
ここで、τは一定であるので、ガスタービン効率はψのみに依存する。
【0031】
ηGT=(τηC ηT −ψ)(1−1/ψ)/(ηC τ−ψ+1−ηC 
=(C1 −ψ)(1−1/ψ)/(C2 −ψ)
【0032】
理想サイクルではC1 =C2 であるから、理想サイクル(ブレートンサイクル)の効率は、
ηGT=1−1/ψ=1−1/φ(k−1)/k 
即ち、圧力比を大きくすることによりガスタービン効率は向上する。
ψ=T3 /T4 ′=φ(k−1)/k 、断熱指数k(=Cp/Cv)は一定である。
【0033】
SOFCに内部熱交を設置して、低温熱交出口温度を低下したことにより、低温熱交入口ガス温度T4 ′を下げることができる。即ち、圧力比の高いガスタービン設計が可能となり、ガスタービン効率を向上することができる。
【0034】
以上のシステムおよび機器設計を行うことにより、一定燃料入熱に対しSOFCおよびガスタービンの出力が夫々最大となる最適運転条件を得ることができる。以下に具体的な実施形態例を説明する。
【0035】
第1実施形態例
【0036】
図1には本発明の第1実施形態例に係る燃料電池−ガスタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統を示してある。
【0037】
図に示すように、燃料電池−ガスタービン発電設備は、燃料電池としての固体電解質燃料電池(SOFC)1とガスタービン設備2とで構成されている。ガスタービン設備2は圧縮機3及び燃焼器10及びガスタービン4及び発電機5で構成され、ガスタービン4の排ガスは低温熱交換器61に送られる。
【0038】
低温熱交換器61では圧縮機3で圧縮された圧縮空気がガスタービン4の排ガスにより加熱(熱交換)される。低温熱交換器61で熱回収された排ガスは排熱回収ボイラ6で更に熱回収されて煙突21から大気に放出される。
【0039】
SOFC1は、空気(酸素)と燃料fとを電解質を介して電池反応させて発電するものである。尚、図中の符号で20はSOFC1で得られた直流の電力を交流に変換する直交変換器である。
【0040】
排熱回収ボイラ6では排ガスの排熱により蒸気を発生し、発生した蒸気は蒸気タービン7に送られて蒸気タービン7で動力が回収される。蒸気タービン7の排気蒸気は復水手段としての復水器8で復水され、復水は給水手段としての給水ポンプ9により排熱回収ボイラ6に給水される(複合発電設備)。
【0041】
尚、排熱回収ボイラ6で熱回収される排ガスは低温熱交換器61で熱回収された排ガスとなっているので、蒸気タービン7を駆動する高温の蒸気を発生することができない場合には、過熱手段を備える等して高温の蒸気を生成することができる。また、排熱回収ボイラ6で温水等を生成した場合には給湯設備等を適用することも可能である。
【0042】
SOFC1へ供給される空気は、圧縮機3で圧縮され低温熱交換器61で加熱された圧縮空気が送られる。低温熱交換器61で加熱された圧縮空気は高温熱交換器62で加熱されて空気供給管12からSOFC1へ供給される。SOFC1の電池室1aで反応を終えた排空気は空気排出管17から高温熱交換器62に送られ、SOFC1の排空気により圧縮空気が加熱される。
【0043】
高温熱交換器62で熱回収された排空気は、燃焼器10に供給される。一方、SOFC1の電池室1aには燃料fが脱硫装置63を介して硫黄分が除去された後に燃料供給管14から供給され、反応を終えた未反応分を含有する排ガスは排ガス排出管15から燃焼器10に供給される。
【0044】
低温熱交換器61で加熱された圧縮空気の一部を燃焼器10の入口側における排空気に合流させるバイパス路64が設けられ、バイパス路64にはバイパス空気制御弁65が設けられている。つまり、圧縮機3で圧縮された圧縮空気の一部がバイパス空気制御弁65で流量調整されて燃焼器10に供給される。
【0045】
圧縮機3で圧縮された圧縮空気の一部を燃焼器10に供給することにより、燃焼器10への供給空気量が増加してガスタービン4の出力を向上させることができる。そして、翼冷却構造等が設けられていない無冷却構造のガスタービン4であっても、燃焼温度をガスタービン4の入口温度(例えば、850 ℃〜900 ℃)に適した温度に維持することができる。
【0046】
上記構成のガスタービン発電設備を備えた複合発電設備では、燃料供給管14から燃料fがSOFC1に供給されると共に、圧縮機3で圧縮されて低温熱交換器61及び高温熱交換器62で加熱された空気が空気供給管12からSOFC1に供給される。SOFC1では空気中の酸素及び燃料fの電池反応により発電が行われる。
【0047】
未反応分を含有する排ガスは、排ガス排出管15を経て燃焼器10に供給される。未反応酸素を含有する排空気は高温熱交換器62で熱回収されて燃焼器10に供給される。
【0048】
また、圧縮機3で圧縮された圧縮空気の一部がバイパス空気制御弁65で流量調整されてバイパス路64から燃焼器10に供給される。燃焼器10では、未反応分を含有する排ガスと未反応酸素を含有する排空気とが燃焼され、未反応燃料が燃焼して高温の燃焼ガスが生成される。
【0049】
生成された燃焼ガス(排ガス)によりガスタービン4が作動し、ガスタービン4の排ガスが排熱回収ボイラ6で熱回収されて蒸気が発生される。発生した蒸気は蒸気タービン7に送られて動力が回収され、蒸気タービン7の排気蒸気は復水器8で復水されて給水ポンプ9により排熱回収ボイラ6に給水される。
【0050】
上記構成の燃料電池−ガスタービン発電設備では、圧縮機3で圧縮された圧縮空気の一部がバイパス空気制御弁65で流量調整されてバイパス路64から燃焼器10に供給されるので、燃焼器10への供給空気量が増加してガスタービン4の出力を向上させることができる。そして、翼冷却構造等が設けられていない無冷却構造のガスタービン4は、燃焼温度をガスタービン4の入口温度(例えば、850 ℃〜900 ℃)に適した温度に維持することができる。
【0051】
従って、SOFC1を適用することにより、ガスタービン4の機能を最大限に活用した燃料電池−ガスタービン発電設備及び複合発電設備とすることが可能になる。
【0052】
第2実施形態例
【0053】
図2には本発明の第2実施形態例に係る燃料電池−ガスタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統を示してある。尚、図1に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。第2実施形態例の燃料電池−ガスタービン発電設備は、高温熱交換器62が設けられておらず、SOFCの内部に空気を加熱する空気加熱管45を備えた構成となっている。
【0054】
図に示すように、燃料電池−ガスタービン発電設備は、燃料電池としての固体電解質燃料電池(SOFC)31とガスタービン設備2とで構成されている。ガスタービン設備2は圧縮機3及び燃焼器10及びガスタービン4及び発電機5で構成され、ガスタービン4の排ガスは低温熱交換器61に送られる。
【0055】
低温熱交換器61では圧縮機3で圧縮された圧縮空気がガスタービン4の排ガスにより加熱(熱交換)される。低温熱交換器61で熱回収された排ガスは排熱回収ボイラ6で更に熱回収されて煙突21から大気に放出される。
【0056】
SOFC31は、空気(酸素)と燃料fとを電解質を介して電池反応させて発電するものである。尚、図中の符号で20はSOFC31で得られた直流の電力を交流に変換する直交変換器である。
【0057】
排熱回収ボイラ6では排ガスの排熱により蒸気を発生し、発生した蒸気は蒸気タービン7に送られて蒸気タービン7で動力が回収される。蒸気タービン7の排気蒸気は復水手段としての復水器8で復水され、復水は給水手段としての給水ポンプ9により排熱回収ボイラ6に給水される(複合発電設備)。
【0058】
尚、排熱回収ボイラ6で熱回収される排ガスは低温熱交換器61で熱回収された排ガスとなっているので、蒸気タービン7を駆動する高温の蒸気を発生することができない場合には、加熱手段を備える等して高温の蒸気を生成することができる。また、排熱回収ボイラ6で温水等を生成した場合には給湯設備等を適用することも可能である。
【0059】
SOFC31へ供給される空気は、圧縮機3で圧縮され低温熱交換器61で加熱された圧縮空気が送られる。低温熱交換器61で加熱された圧縮空気は空気供給管12からSOFC31へ供給され、SOFC31の内部に設けられた空気加熱管45(詳細は後述する)で加熱されて反応空気とされる。
【0060】
SOFC31の電池室39で反応を終えた排空気は空気排出管17から燃焼器10に供給される。一方、SOFC31の電池室39には燃料fが脱硫装置63を介して硫黄分が除去された後に燃料供給管14から供給され、反応を終えた未反応分を含有する排ガスは排ガス排出管15から燃焼器10に供給される。
【0061】
低温熱交換器61で加熱された圧縮空気の一部を燃焼器10の入口側における排空気に合流させるバイパス路64が設けられ、バイパス路64にはバイパス空気制御弁65が設けられている。つまり、圧縮機3で圧縮された圧縮空気の一部がバイパス空気制御弁65で流量調整されて燃焼器10に供給される。
【0062】
圧縮機3で圧縮された圧縮空気の一部を燃焼器10に供給することにより、燃焼器10への供給空気量が増加してガスタービン4の出力を向上させることができる。そして、翼冷却構造等が設けられていない無冷却構造のガスタービン4は、燃焼温度をガスタービン4の入口温度(例えば、850 ℃〜900 ℃)に適した温度に維持することができる。
【0063】
上記構成のガスタービン発電設備を備えた複合発電設備では、燃料供給管14から燃料fがSOFC31に供給されると共に、圧縮機3で圧縮されて低温熱交換器61で加熱された空気が空気供給管12からSOFC31に供給される。SOFC31では空気加熱管45で供給空気が加熱された後空気中の酸素及び燃料fの電池反応により発電が行われる。
【0064】
未反応分を含有する排ガスは、排ガス排出管15を経て燃焼器10に供給される。未反応酸素を含有する排空気は高温熱交換器62で熱回収されて燃焼器10に供給される。
【0065】
また、圧縮機3で圧縮された圧縮空気の一部がバイパス空気制御弁65で流量調整されてバイパス路64から燃焼器10に供給される。燃焼器10では、未反応分を含有する排ガスと未反応酸素を含有する排空気とが燃焼され、未反応燃料が燃焼して高温の燃焼ガスが生成される。
【0066】
生成された燃焼ガス(排ガス)によりガスタービン4が作動し、ガスタービン4の排ガスが排熱回収ボイラ6で熱回収されて蒸気が発生される。発生した蒸気は蒸気タービン7に送られて動力が回収され、蒸気タービン7の排気蒸気は復水器8で復水されて給水ポンプ9により排熱回収ボイラ6に給水される。
【0067】
上記構成の燃料電池−ガスタービン発電設備では、圧縮機3で圧縮された圧縮空気の一部がバイパス空気制御弁65で流量調整されてバイパス路64から燃焼器10に供給されるので、燃焼器10への供給空気量が増加してガスタービン4の出力を向上させることができる。そして、翼冷却構造等が設けられていない無冷却構造のガスタービン4は、燃焼温度をガスタービン4の入口温度(例えば、850 ℃〜900 ℃)に適した温度に維持することができる。
【0068】
そして、SOFC31には空気加熱管45が備えられているので、SOFC31への供給空気の温度を低くするすることができ、低温熱交換器61を大型化して温度効率の高い設計にすることができる。低温熱交換器61を大型化して温度効率の高い設計にすることで、ガスタービン4の排ガスの保有熱を圧縮機3の出口空気で回収する際に、大量の圧縮空気を必要温度状態にしてSOFC31側へ供給することができる。従って、圧縮機3で圧縮された圧縮空気の一部を燃焼器10に供給しても、SOFC31で必要な空気量を確保することができる。
【0069】
このように、低温熱交換器61の出口の空気を燃焼器10に混入することにより、ガスタービン4の入口温度を適正温度に制御すると共に、ガスタービン4の排ガスからの熱回収量を最大とし、SOFC31の出力を一定にした条件でガスタービン4の出力を最大にすることができる。
【0070】
従って、SOFC31を適用することにより、ガスタービン4の機能を最大限に活用した燃料電池−ガスタービン発電設備及び複合発電設備とすることが可能になる。
【0071】
図3乃至図5に基づいて上述した複合発電設備のガスタービン発電設備に適用される空気加熱管45を備えたSOFC31の詳細な構成を説明する。図3には複合発電設備のガスタービン設備に適用されるSOFC31の概略構成を表す斜視状況、図4には複合発電設備のガスタービン設備に適用されるSOFC31の概略断面、図5には電池管の詳細を表す断面を示してある。
【0072】
図3、図4に示すように、SOFC31は高温{電解質がYSZ(Yttria Stalized Zirconia)の場合は900〜1000℃}で作動する燃料電池であり、断熱・保温材で内貼りされた容器(ケーシング)32に収納される。ケーシング32の内部は、上部より、燃料室管板33、排ガス室管板34、排空気室管板35及び空気室管板36で仕切られ、燃料室37、排ガス室38、電池室39、排空気室40及び空気室41が形成されている。排空気室管板35には電池室39と排空気室40とを連通する多数の排空気排出孔35aが設けられている。
【0073】
電池室39の内部には電池管42が多数配設され、電池管42は燃料外管43と燃料内管44の2重管構造で構成されている。2重管構造の電池管12の燃料内管44及び燃料外管43はそれぞれ燃料室管板33及び排ガス室管板34で支持されている。
【0074】
燃料内管44は両端部が開放状態にされ、燃料外管43は下端部が閉じられて上端部のみが開放状態にされている。燃料内管44は両端が開放され上端部が燃料室37に開口して配されると共に下端部が電池室39に配されている。燃料外管43は燃料内管44の外側に配置され、下端部が燃料内管44の開口を覆い上端部が排ガス室38に開口している。燃料外管43は多孔質状の材料で形成されている。
【0075】
電池室39の内部には両端が開口状態とされた空気加熱管45が多数配設され、空気加熱管45は排ガス室38、排空気室管板35及び空気室管板36を貫通して下端が空気室41に開口した状態で空気室管板36に支持されている。空気加熱管45の入口部にはそれぞれ絞り46が設けられ、空気室41からそれぞれの空気加熱管45に供給される空気の圧力が均一に維持されるようになっている。
【0076】
尚、均一に維持する機構としては、空気室41の流路面積を変化させてそれぞれの空気加熱管45に供給される空気の圧力を均一に維持する機構を採用することも可能である。
【0077】
燃料室37には燃料供給管14が接続され、排ガス室38には排ガス排出管15が接続されている。また、排空気室40には空気排出管17が接続され、空気室41には空気供給管12が接続されている。
【0078】
図3、図4に示すように、電池管42の燃料外管43の表面には燃料極、電解質、空気極を備えた電池53が形成されている。そして、燃料極が燃料を改質する触媒となっており、電池管42に送られた燃料が内部改質(吸熱反応)されるようになっている。
【0079】
即ち、図5に示すように、電池管42の燃料外管43の表面には燃料極55、電解質56及び空気極57を備えた電池53が形成されている。燃料極55は、例えば、ニッケルサーメットで構成され、燃料極55自身が燃料を改質する触媒となっている。メタン等の燃料は多孔質状の燃料外管43を通過して燃料極55で改質されて水素が使用可能となる。空気中の酸素は電子を受けて酸素イオンとなり、電解質56を燃料側に移動し、燃料極55で電子を放出してH2 O及びCO2 となり、発電が行われる。
【0080】
尚、図5に点線で示したように、電池管42の燃料内管44の外側表面に改質用の触媒59を設け、改質を促進することも可能である。
【0081】
燃料供給管14から燃料室37に供給された燃料は燃料室37から電池管42の燃料内管44に送られ、燃料内管44の下端部で反転し燃料内管44と燃料外管43の間のアンニュラー部を上昇して排ガス室38に送られる。燃料が燃料内管44を下降する過程で電池反応による反応熱を吸収し、アンニュラー部の入口では電池反応に必要な温度に上昇すると共に一部改質が行われ電池反応熱を吸収する。アンニュラー部では改質反応と電池反応が行われる。
【0082】
空気供給管12から空気室41に供給された空気は空気加熱管45に送られて空気加熱管45内を上昇する。空気供給管12には空気排出管17から分岐した排空気の一部が再循環管51を経由して混入され、空気室41の空気を昇温させる。空気は空気加熱管45内を上昇する過程で電池反応熱を吸収し電池反応に必要な温度に加熱されて電池室39に放出される。
【0083】
放出された空気は、電池反応を行いながら電池室39を下降し、排空気室管板35の空気加熱管45の貫通部周囲の間隙及び排空気排出孔35aを通って排空気室40に送られる。
【0084】
上記構成のSOFC31は、2重管構造の電池管42を燃料が流れるようになっており、燃料内管44を下降する過程で反応熱を吸熱し(加熱され)、アンニュラー部を上昇する過程では改質反応により吸熱する構造となっている。また、空気は空気加熱管45を上昇する過程で反応熱を吸熱する機能を有する構造となっている。このため、燃料は最大の内部吸熱機能を有する構造である。
【0085】
上述したSOFC31では、空気および燃料は必要な内部吸熱機能を有するので、空気室41に供給する空気温度及び燃料室37に供給する燃料温度をその分低下することができ、供給空気量を減少することができる。しかも、空気加熱管45から電池室39に放出される空気は適正温度レベルである。
【0086】
また、上述したSOFC31では、電池管42に燃料を通し電池室39に空気を供給する構成としたが、燃料極55と空気極57を入れ替えた構造にすることにより電池管42に空気を通し電池室39に燃料を供給する構成とすることも可能である。この場合、空気加熱管45は反応熱を吸熱できる適宜部位に設けられる。
【0087】
上述した本実施形態例のSOFC31は、SOFC31の内部空気加熱手段(空気加熱管45)で余剰の電池反応熱を吸収して空気加熱を行うので、SOFC31の入口空気温度を下げることができる。このため、供給空気量を減少することができる。空気加熱管45を適正に分布させることにより、熱吸収の均等化が得られると共に、空気加熱管45の数の適正化により電池室39に放出される空気の温度は、電池反応に適正なレベルの温度が得られる。
【0088】
このように、内部空気加熱方式により反応余剰熱を吸収して空気を加熱するので、SOFC31への供給空気の温度を低下させることが可能になり、SOFC31の冷却(反応熱除去)の観点から必要とする空気量を低減することにより、電池内部温度を制御し排空気および排ガスの保有熱を減少し排ガス損失を減少することができる。
【0089】
また、電池管42を二重管として燃料内管44に燃料加熱機能を持たせたことにより、燃料加熱器を経ない低温の燃料を供給しても、電池反応熱を吸熱して電池反応部(燃料内管44の下端部)に燃料が到達する前に電池反応に適正な温度レベルに昇温させることができる。
【0090】
従って電池性能の低下を伴うことなく反応熱の吸熱除去(温度制御)が可能になり、反応熱排出のための空気量増加が減少し効率低下を避けることができる。
【0091】
また、燃料極55に改質機能を有する触媒材料を使用したので、燃料極55で改質機能を持たせることができる。また、例えば、燃料内管44の外面に改質触媒機能を有する材料(触媒59)を塗布または混合することにより、内部改質機能を向上させることができ、改質し難い広範な燃料に対しても内部改質が可能となる。
【0092】
尚、図1に示した燃料電池−ガスタービン発電設備のSOFC1に代えて上述したSOFC31を設けることも可能である。この場合、空気加熱管45を省略して排空気の一部を空気供給管12に混入することだけで空気の温度を高める構造とすることも可能であり、空気加熱管45を省略することで電池室39の簡素化を図ることができる。
【0093】
第3実施形態例
【0094】
図6には本発明の第3実施形態例に係る燃料電池−ガスタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統を示してある。尚、図1に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。第3実施形態例の燃料電池−ガスタービン発電設備は、高温熱交換器62が設けられておらず、空気排出管17と空気供給管12との間に反応を終えた高温の排空気の一部を再循環させる再循環管51が設けられた構成となっている。
【0095】
図に示すように、燃料電池−ガスタービン発電設備は、燃料電池としての固体電解質燃料電池(SOFC)1とガスタービン設備2とで構成されている。ガスタービン設備2は圧縮機3及び燃焼器10及びガスタービン4及び発電機5で構成され、ガスタービン4の排ガスは低温熱交換器61に送られる。
【0096】
低温熱交換器61では圧縮機3で圧縮された圧縮空気がガスタービン4の排ガスにより加熱(熱交換)される。低温熱交換器61で熱回収された排ガスは排熱回収ボイラ6で更に熱回収されて煙突21から大気に放出される。
【0097】
SOFC1は、空気(酸素)と燃料fとを電解質を介して電池反応させて発電するものである。尚、図中の符号で20はSOFC1で得られた直流の電力を交流に変換する直交変換器である。
【0098】
排熱回収ボイラ6では排ガスの排熱により蒸気を発生し、発生した蒸気は蒸気タービン7に送られて蒸気タービン7で動力が回収される。蒸気タービン7の排気蒸気は復水手段としての復水器8で復水され、復水は給水手段としての給水ポンプ9により排熱回収ボイラ6に給水される(複合発電設備)。
【0099】
尚、排熱回収ボイラ6で熱回収される排ガスは低温熱交換器61で熱回収された排ガスとなっているので、蒸気タービン7を駆動する高温の蒸気を発生することができない場合には、加熱手段を備える等して高温の蒸気を生成することができる。また、排熱回収ボイラ6で温水等を生成した場合には給湯設備等を適用することも可能である。
【0100】
SOFC1へ供給される空気は、圧縮機3で圧縮され低温熱交換器61で加熱された圧縮空気が送られる。低温熱交換器61で加熱された圧縮空気は空気供給管12からSOFC1へ供給される。SOFC1の電池室1aで反応を終えた排空気は空気排出管17から燃焼器10に供給される。
【0101】
空気排出管17と空気供給管12との間には反応を終えた高温の排空気の一部を再循環させる再循環管51が設けられ、高温の排空気の一部が流量制御弁71の制御により空気供給管12に混入されてSOFC1に供給される空気の温度が高められる。
【0102】
再循環管51の合流部位における空気供給管12にはエジェクター52が設けられ、エジェクター52により空気排出管17と空気供給管12に静圧差が形成される。エジェクター52により形成される静圧差により空気排出管17の排空気の一部が再循環管51に導かれて空気供給管12に送られる。
【0103】
尚、エジェクター52に代えて再循環管51に昇圧通風機等を設けることも可能である。
【0104】
一方、SOFC31の電池室39には燃料fが脱硫装置63を介して硫黄分が除去された後に燃料供給管14から供給され、反応を終えた未反応分を含有する排ガスは排ガス排出管15から燃焼器10に供給される。
【0105】
低温熱交換器61で加熱された圧縮空気の一部を燃焼器10の入口側における排空気に合流させるバイパス路64が設けられ、バイパス路64にはバイパス空気制御弁65が設けられている。つまり、圧縮機3で圧縮された圧縮空気の一部がバイパス空気制御弁65で流量調整されて燃焼器10に供給される。
【0106】
圧縮機3で圧縮された圧縮空気の一部を燃焼器10に供給することにより、燃焼器10への供給空気量が増加してガスタービン4の出力を向上させることができる。そして、翼冷却構造等が設けられていない無冷却構造のガスタービン4は、燃焼温度をガスタービン4の入口温度(例えば、850 ℃〜900 ℃)に適した温度に維持することができる。
【0107】
上記構成のガスタービン発電設備を備えた複合発電設備では、燃料供給管14から燃料fがSOFC1に供給されると共に、圧縮機3で圧縮されて低温熱交換器61で加熱された空気が空気供給管12からSOFC1に供給される。また、高温の排空気の一部が流量制御弁71の制御により再循環管51から空気供給管12に混入されてSOFC1に供給される。SOFC1では高温の排空気の一部が混入されて供給空気が加熱され、空気中の酸素及び燃料fの電池反応により発電が行われる。
【0108】
未反応分を含有する排ガスは、排ガス排出管15を経て燃焼器10に供給される。未反応酸素を含有する排空気は燃焼器10に供給される。
【0109】
また、圧縮機3で圧縮された圧縮空気の一部がバイパス空気制御弁65で流量調整されてバイパス路64から燃焼器10に供給される。燃焼器10では、未反応分を含有する排ガスと未反応酸素を含有する排空気とが燃焼され、未反応燃料が燃焼して高温の燃焼ガスが生成される。
【0110】
生成された燃焼ガス(排ガス)によりガスタービン4が作動し、ガスタービン4の排ガスが排熱回収ボイラ6で熱回収されて蒸気が発生される。発生した蒸気は蒸気タービン7に送られて動力が回収され、蒸気タービン7の排気蒸気は復水器8で復水されて給水ポンプ9により排熱回収ボイラ6に給水される。
【0111】
上記構成の燃料電池−ガスタービン発電設備では、圧縮機3で圧縮された圧縮空気の一部がバイパス空気制御弁65で流量調整されてバイパス路64から燃焼器10に供給されるので、燃焼器10への供給空気量が増加してガスタービン4の出力を向上させることができる。そして、翼冷却構造等が設けられていない無冷却構造のガスタービン4は、燃焼温度をガスタービン4の入口温度(例えば、850 ℃〜900 ℃)に適した温度に維持することができる。
【0112】
そして、SOFC1には高温の排空気の一部が再循環管51から混入されて供給空気の温度が高められて供給されるので、SOFC1への供給空気の温度を低くするすることができ、低温熱交換器61を大型化して温度効率の高い設計にすることができる。低温熱交換器61を大型化して温度効率の高い設計にすることで、ガスタービン4の排ガスの保有熱を圧縮機3の出口空気で回収する際に、大量の圧縮空気を必要温度状態にしてSOFC31側へ供給することができる。従って、圧縮機3で圧縮された圧縮空気の一部を燃焼器10に供給しても、SOFC1で必要な空気量を確保することができる。
【0113】
このように、低温熱交換器61ので出口の空気を燃焼器10に混入するすることにより、ガスタービン4の入口温度を低く制御すると共に、ガスタービン4の排ガスからの熱回収量を最大とし、SOFC1の出力を一定にした条件でガスタービン4の出力を最大にすることができる。
【0114】
従って、SOFC1を適用することにより、ガスタービン4の機能を最大限に活用した燃料電池−ガスタービン発電設備及び複合発電設備とすることが可能になる。
【0115】
第4実施形態例
【0116】
図7には本発明の第4実施形態例に係る燃料電池−ガスタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統を示してある。尚、図1に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。第4実施形態例の燃料電池−ガスタービン発電設備は、圧縮機及びガスタービンが高圧力比に設定され、低温熱交換器61が設けられていない構成となっている。即ち、圧縮機及びガスタービンが高圧力比に設定され、圧縮機の圧縮空気とガスタービンの排気の間で熱交換する熱交換器が不要となる状態に設定されている。
【0117】
図に示すように、燃料電池−ガスタービン発電設備は、燃料電池としての固体電解質燃料電池(SOFC)1とガスタービン設備81とで構成されている。ガスタービン設備81は圧縮機82及び燃焼器83及びガスタービン84及び発電機85で構成され、ガスタービン84の排ガスは排熱回収ボイラ6で熱回収されて煙突21から大気に放出される。
【0118】
SOFC1は、空気(酸素)と燃料fとを電解質を介して電池反応させて発電するものである。尚、図中の符号で20はSOFC1で得られた直流の電力を交流に変換する直交変換器である。
【0119】
排熱回収ボイラ6では排ガスの排熱により蒸気を発生し、発生した蒸気は蒸気タービン7に送られて蒸気タービン7で動力が回収される。蒸気タービン7の排気蒸気は復水手段としての復水器8で復水され、復水は給水手段としての給水ポンプ9により排熱回収ボイラ6に給水される(複合発電設備)。
【0120】
SOFC1へ供給される空気は、圧縮機82で圧縮され高温熱交換器62で加熱された圧縮空気が送られる。高温熱交換器62で加熱された圧縮空気は空気供給管12からSOFC1へ供給される。SOFC1の電池室1aで反応を終えた排空気は空気排出管17から高温熱交換器62を経由して燃焼器83に供給される。
【0121】
一方、SOFC1の電池室1aには燃料fが脱硫装置63を介して硫黄分が除去された後に燃料供給管14から供給され、反応を終えた未反応分を含有する排ガスは排ガス排出管15から燃焼器83に供給される。
【0122】
圧縮機82で圧縮された圧縮空気の一部を燃焼器83の入口側における排空気に合流させるバイパス路64が設けられ、バイパス路64にはバイパス空気制御弁65が設けられている。つまり、圧縮機82で圧縮された圧縮空気の一部がバイパス空気制御弁65で流量調整されて燃焼器83に供給される。
【0123】
圧縮機82で圧縮された圧縮空気の一部を燃焼器83に供給することにより、燃焼器83への供給空気量が増加してガスタービン84の出力を向上させることができる。そして、翼冷却構造等が設けられていない無冷却構造のガスタービン84は、燃焼温度をガスタービン84の入口温度(例えば、850 ℃〜900 ℃)に適した温度に維持することができる。
【0124】
尚、図中の符号で80は、圧縮機82の圧縮空気をSOFC1に供給して加圧する供給路である。
【0125】
上記構成のガスタービン発電設備を備えた複合発電設備では、燃料供給管14から燃料fがSOFC1に供給されると共に、圧縮機82で圧縮されて高温熱交換器62で加熱された空気が空気供給管12からSOFC1に供給される。SOFC1では空気中の酸素及び燃料fの電池反応により発電が行われる。
【0126】
未反応分を含有する排ガスは、排ガス排出管15を経て燃焼器83に供給される。未反応酸素を含有する排空気は高温熱交換器62で熱回収されて燃焼器83に供給される。
【0127】
また、圧縮機82で圧縮された圧縮空気の一部がバイパス空気制御弁65で流量調整されてバイパス路64から燃焼器83に供給される。燃焼器83では、未反応分を含有する排ガスと未反応酸素を含有する排空気とが燃焼され、未反応燃料が燃焼して高温の燃焼ガスが生成される。
【0128】
生成された燃焼ガス(排ガス)によりガスタービン84が作動し、ガスタービン84の排ガスが排熱回収ボイラ6で熱回収されて蒸気が発生される。発生した蒸気は蒸気タービン7に送られて動力が回収され、蒸気タービン7の排気蒸気は復水器8で復水されて給水ポンプ9により排熱回収ボイラ6に給水される。
【0129】
上記構成の燃料電池−ガスタービン発電設備では、圧縮機82で圧縮された圧縮空気の一部がバイパス空気制御弁65で流量調整されてバイパス路64から燃焼器83に供給されるので、燃焼器83への供給空気量が増加してガスタービン84の出力を向上させることができる。そして、翼冷却構造等が設けられていない無冷却構造のガスタービン84は、燃焼温度をガスタービン84の入口温度(例えば、850 ℃〜900 ℃)に適した温度に維持することができる。そして、SOFC1には高温熱交換器62で加熱された圧縮空気が供給されるので、SOFC1への供給空気の温度を低くするすることができる。
【0130】
従って、SOFC1を適用することにより、ガスタービン84の機能を最大限に活用した燃料電池−ガスタービン発電設備及び複合発電設備とすることが可能になる。
【0131】
第5実施形態例
【0132】
図8には本発明の第5実施形態例に係る燃料電池−ガスタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統を示してある。尚、図2に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。第5実施形態例の燃料電池−ガスタービン発電設備は、圧縮機及びガスタービンが高圧力比に設定され、低温熱交換器61が設けられていない構成となっている。即ち、圧縮機及びガスタービンが高圧力比に設定され、圧縮機の圧縮空気とガスタービンの排気の間で熱交換を行なう熱交換器が不要となる状態に設定されている。
【0133】
図に示すように、燃料電池−ガスタービン発電設備は、燃料電池としての固体電解質燃料電池(SOFC)31とガスタービン設備81とで構成されている。ガスタービン設備81は圧縮機82及び燃焼器83及びガスタービン84及び発電機85で構成され、ガスタービン84の排ガスは排熱回収ボイラ6で熱回収されて煙突21から大気に放出される。
【0134】
SOFC31は、空気(酸素)と燃料fとを電解質を介して電池反応させて発電するものである。尚、図中の符号で20はSOFC31で得られた直流の電力を交流に変換する直交変換器である。
【0135】
排熱回収ボイラ6では排ガスの排熱により蒸気を発生し、発生した蒸気は蒸気タービン7に送られて蒸気タービン7で動力が回収される。蒸気タービン7の排気蒸気は復水手段としての復水器8で復水され、復水は給水手段としての給水ポンプ9により排熱回収ボイラ6に給水される(複合発電設備)。
【0136】
SOFC31へ供給される空気は、圧縮機82で圧縮された圧縮空気が空気供給管12からSOFC31へ供給され、SOFC31の内部に設けられた空気加熱管45で加熱されて反応空気とされる。圧縮機82の出口温度が空気加熱管45の入口における必要温度となるように、空気加熱管45が設計されている。
【0137】
このような機器設計とすることにより、SOFC31の入口側における高温熱交換器の設置が不要となり、システム構成を簡素化することができる。
【0138】
圧縮機82で圧縮された圧縮空気の一部を燃焼器83の入口側における排空気に合流させるバイパス路64が設けられ、バイパス路64にはバイパス空気制御弁65が設けられている。つまり、圧縮機82で圧縮された圧縮空気の一部がバイパス空気制御弁65で流量調整されて燃焼器83に供給される。
【0139】
圧縮機82で圧縮された圧縮空気の一部を燃焼器83に供給することにより、燃焼器83への供給空気量が増加してガスタービン84の出力を向上させることができる。そして、翼冷却構造等が設けられていない無冷却構造のガスタービン84は、燃焼温度をガスタービン84の入口温度(例えば、850 ℃〜900 ℃)に適した温度に維持することができる。
【0140】
上記構成のガスタービン発電設備を備えた複合発電設備では、燃料供給管14から燃料fがSOFC31に供給されると共に、圧縮機82で圧縮された高圧・高温の空気が空気供給管12からSOFC31に供給される。SOFC31では空気加熱管45で供給空気が加熱された後空気中の酸素及び燃料fの電池反応により発電が行われる。
【0141】
未反応分を含有する排ガスは、排ガス排出管15を経て燃焼器83に供給される。未反応酸素を含有する排空気は燃焼器83に供給される。
【0142】
また、圧縮機82で圧縮された圧縮空気の一部がバイパス空気制御弁65で流量調整されてバイパス路64から燃焼器83に供給される。燃焼器83では、未反応分を含有する排ガスと未反応酸素を含有する排空気とが燃焼され、未反応燃料が燃焼して高温の燃焼ガスが生成される。
【0143】
生成された燃焼ガス(排ガス)によりガスタービン84が作動し、ガスタービン84の排ガスが排熱回収ボイラ6で熱回収されて蒸気が発生される。発生した蒸気は蒸気タービン7に送られて動力が回収され、蒸気タービン7の排気蒸気は復水器8で復水されて給水ポンプ9により排熱回収ボイラ6に給水される。
【0144】
上記構成の燃料電池−ガスタービン発電設備では、圧縮機82で圧縮された圧縮空気の一部がバイパス空気制御弁65で流量調整されてバイパス路64から燃焼器10に供給されるので、燃焼器83への供給空気量が増加してガスタービン84の出力を向上させることができる。そして、翼冷却構造等が設けられていない無冷却構造のガスタービン84は、燃焼温度をガスタービン84の入口温度(例えば、850 ℃〜900 ℃)に適した温度に維持することができる。
【0145】
そして、SOFC31には空気加熱管45が備えられ、圧縮機82からは空気加熱管45の入口温度に必要な高圧・高温の圧縮空気が供給されるので、特別な熱交換器等の機器が不要になり、システム構成を簡素化することができる。
【0146】
従って、SOFC31を適用することにより、ガスタービン84の機能を最大限に活用した燃料電池−ガスタービン発電設備及び複合発電設備とすることが可能になる。
【0147】
【発明の効果】
本発明の燃料電池−ガスタービン発電設備は、
空気を圧縮する圧縮機と、
圧縮機で圧縮された圧縮空気が供給され供給された圧縮空気中の酸素と燃料とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池と、
燃料電池からの排空気及び排ガスを燃焼する燃焼器と、
燃焼器からの燃焼ガスが膨張されるガスタービンと、
圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部を燃焼器に供給するバイパス路と
を備えたので、
燃焼器への供給空気量が増加してガスタービンの出力を向上させることができると共に、ガスタービンの入口温度を適正に調整することができる。
【0148】
この結果、燃料電池及びガスタービンを最大限の効率で運転することができる燃料電池−ガスタービン発電設備とすることが可能になる。
【0149】
そして、請求項1に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
燃料電池に供給される圧縮空気は、燃料電池の反応熱により予熱されることで昇温されるので、圧縮空気を所定の作動温度にすることができる。
【0150】
また、請求項1もしくは請求項2に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
燃料電池に供給される圧縮空気には、燃料電池からの排空気の一部が混合されて昇温されるので、圧縮空気を所定の作動温度にすることができる。
【0151】
また、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
圧縮機からの圧縮空気とガスタービンの排気ガスとの間で熱交換を行なって圧縮空気の加熱を行う熱交換器を備えたので、ガスタービンの排気ガスの熱回収により圧縮空気を所定の作動温度にすることができる。
【0152】
また、請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
圧縮機の圧縮比及びガスタービンの膨張比は、圧縮空気と排気ガスの間で熱交換を行なう熱交換器が不要となる高い圧力比に設定されているので、
高圧・高温の圧縮空気を得ることができ、熱交換器等の機器を設けることなく圧縮空気を所定の作動温度にすることができる。
【0153】
また、請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
燃料電池は固体電解質燃料電池であり、
固体電解質燃料電池は、
容器上部の内部に設けられる燃料室と、
燃料室の下部に設けられ燃料室管板により仕切られる排ガス室と、
排ガス室の下部に設けられ排ガス室管板により仕切られる電池室と、
電池室の下部に排空気室管板により仕切られて設けられる排空気室と、
排空気室の下部に設けられ空気室管板により仕切られる空気室と、
両端が開放され上端部が燃料室に開口して配されると共に下端部が電池室に配される燃料内管と、
下端が閉じられると共に上端が開放されて燃料内管の外側に配され下部が燃料内管の開口を覆うと共に上端部が排ガス室に開口して配される多孔質状の燃料外管と、
排空気室管板に設けられる多数の排空気排出孔と、
両端が開放され上端部が電池室の上方に配され下端部が空気室に開口する空気加熱管と、
燃料外管の外周に配される電池とを備え
燃料室に燃料が供給されることにより燃料内管を通って下端部から燃料外管に燃料が送られると共に空気室に空気が供給されることにより空気加熱管を流通して電池室に空気が送られ、
多孔質状の燃料外管の壁部を通過した燃料と空気中の酸素とが電解質を介して電池反応されて発電され、
燃料外管内の未燃燃料を含む排ガスが燃料外管を流通して排ガス室に送られると共に電池室の排空気が排空気排出孔を通過して排空気室に送られ、
空気加熱管を流通する空気が発電の反応熱により加熱されるので、
燃料電池の入口の空気温度を下げることができると共に、必要とする空気量を低減することができる。
【0154】
また、請求項6に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
固体電解質燃料電池は、
燃料外管の外壁には電池が設けられ、
燃料極が燃料を改質する改質触媒となり、
燃料改質反応による吸熱により発電の反応熱の一部を回収すると共に発電の反応熱の残りで空気加熱管を流通する空気を加熱して発電の反応熱を全て回収除去するようにしたので、
低温の燃料を供給しても、電池反応熱を吸熱して燃料を昇温させることができる。
【0155】
本発明の複合発電設備は、請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備と、燃料電池−ガスタービン発電設備のガスタービンの排気ガスの熱回収を行って蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで発生した蒸気により作動する蒸気タービンと、蒸気タービンの排気を復水する復水手段と、復水手段からの復水を排熱回収ボイラに給水する給水手段とを備えたので、
燃料電池及びガスタービンを最大限の効率で運転することができる燃料電池−ガスタービン発電設備と蒸気タービン設備を組み合わせた複合発電設備とすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態例に係る燃料電池−ガスタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統図。
【図2】本発明の第2実施形態例に係る燃料電池−ガスタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統図。
【図3】複合発電設備のガスタービン設備に適用されるSOFC31の概略構成を表す斜視図。
【図4】複合発電設備のガスタービン設備に適用されるSOFC31の概略断面図。
【図5】電池管の詳細を表す断面図。
【図6】本発明の第3実施形態例に係る燃料電池−ガスタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統図。
【図7】本発明の第4実施形態例に係る燃料電池−ガスタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統図。
【図8】本発明の第5実施形態例に係る燃料電池−ガスタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統図。
【符号の説明】
1,31 固体電解質燃料電池(SOFC)
2,81 ガスタービン設備
3,82 圧縮機
4,84 ガスタービン
5,85 発電機
6 排熱回収ボイラ
7 蒸気タービン
8 復水器
9 給水ポンプ
10,83 燃焼器
11 空気加熱器
12 空気供給管
14 燃料供給管
15 排ガス排出管
17 空気排出管
20 直交変換器
21 煙突
32 容器(ケーシング)
33 燃料室管板
34 排ガス室管板
35 排空気室管板
35a  排空気排出孔
36 空気室管板
37 燃料室
38 排ガス室
39 電池室
40 排空気室
41 空気室
42 電池管
43 燃料外管
44 燃料内管
45 空気加熱管
46 絞り
51 再循環管
52 エジェクター
53 電池
55 燃料極
56 電解質
57 空気極
59 触媒
61 低温熱交換器
62 高温熱交換器
63 脱硫装置
64 バイパス路
65 バイパス空気制御弁
71 流量制御弁
80 供給路
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell-gas turbine power generation facility combining a fuel cell (solid electrolyte fuel cell) and a gas turbine, and a combined power generation facility combining a fuel cell-gas turbine power generation facility and a steam turbine facility.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A fuel cell is a device that generates electric power by causing an electric cell reaction between air and fuel via an electrolyte, and can generate electric energy with high power generation efficiency. The temperature of the exhaust gas discharged from the fuel cell is high, and the system energy can be reduced by recovering the thermal energy of the exhaust gas by a bottoming cycle such as a gas turbine and a steam turbine for power generation. Power generation efficiency can be obtained.
[0003]
In particular, the temperature of the exhaust gas is high in a high-temperature fuel cell (a solid electrolyte fuel cell (SOFC) with an operating temperature of about 1000 ° C. or a molten carbonate fuel cell (MCFC) with an operating temperature of about 650 ° C.). For this reason, various types of gas turbine power generation equipment combining a high-temperature fuel cell and a gas turbine have been conventionally developed (for example, see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-11-297336
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Turbine power generation equipment combining a fuel cell (for example, SOFC) and a gas turbine can generate power with high efficiency, but there is still enough room to further improve efficiency. It is.
[0006]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and a fuel cell in which a fuel cell and a gas turbine are combined-a fuel cell capable of operating a fuel cell and a gas turbine with maximum efficiency in a gas turbine power generation facility- It is intended to provide a gas turbine power generation facility.
[0007]
Further, the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a combined power generation facility combining a fuel cell-gas turbine power generation facility and a steam turbine facility capable of operating a fuel cell and a gas turbine with maximum efficiency. The purpose is to do.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the fuel cell-gas turbine power generation equipment of the present invention comprises:
A compressor for compressing air,
A fuel cell in which compressed air compressed by the compressor is supplied and oxygen and fuel in the supplied compressed air are subjected to a cell reaction via an electrolyte to generate power, and
A combustor for burning exhaust air and exhaust gas from the fuel cell,
A gas turbine in which combustion gas from the combustor is expanded;
A bypass for supplying a part of the compressed air compressed by the compressor to the combustor;
It is characterized by having.
[0009]
And in the fuel cell-gas turbine power generation equipment according to claim 1,
The temperature of the compressed air supplied to the fuel cell is raised by being preheated by the reaction heat of the fuel cell.
[0010]
Further, in the fuel cell-gas turbine power generation equipment according to claim 1 or claim 2,
The temperature of the compressed air supplied to the fuel cell is increased by mixing a part of the exhaust air from the fuel cell.
[0011]
Further, in the fuel cell-gas turbine power generation equipment according to any one of claims 1 to 3,
A heat exchanger is provided for performing heat exchange between compressed air from the compressor and exhaust gas of the gas turbine to heat the compressed air.
[0012]
Further, in the fuel cell-gas turbine power generation equipment according to any one of claims 1 to 3,
The compression ratio of the compressor and the expansion ratio of the gas turbine are set to a pressure ratio at which a heat exchanger for exchanging heat between compressed air and exhaust gas is not required.
[0013]
Further, in the fuel cell-gas turbine power generation equipment according to any one of claims 1 to 5,
The fuel cell is a solid oxide fuel cell,
Solid electrolyte fuel cells are
A fuel chamber provided inside the upper part of the container,
An exhaust gas chamber provided at a lower portion of the fuel chamber and separated by a fuel chamber tube sheet;
A battery chamber provided at a lower part of the exhaust gas chamber and separated by an exhaust gas chamber tube sheet;
An exhaust air chamber provided at a lower portion of the battery chamber and partitioned by an exhaust air chamber tube sheet;
An air chamber provided below the exhaust air chamber and partitioned by an air chamber tube sheet;
A fuel inner pipe whose both ends are open and whose upper end is open to the fuel chamber and whose lower end is arranged in the battery chamber,
A porous fuel outer pipe in which the lower end is closed and the upper end is opened to be disposed outside the fuel inner pipe, the lower part covers the opening of the fuel inner pipe, and the upper end is disposed to be open to the exhaust gas chamber,
A large number of exhaust air exhaust holes provided in the exhaust air chamber tube sheet,
An air heating tube whose both ends are open and whose upper end is arranged above the battery chamber and whose lower end is open to the air chamber;
A battery disposed on the outer periphery of the fuel outer tube.
When fuel is supplied to the fuel chamber, fuel is sent from the lower end to the fuel outer pipe through the fuel inner pipe, and air is supplied to the air chamber. Sent,
Fuel passing through the wall of the porous fuel outer tube and oxygen in the air undergo a battery reaction via the electrolyte to generate power,
Exhaust gas containing unburned fuel in the fuel outer tube flows through the fuel outer tube and is sent to the exhaust gas chamber, and exhaust air of the battery chamber is sent to the exhaust air chamber through the exhaust air exhaust hole,
The air flowing through the air heating tube is heated by the reaction heat of power generation
It is characterized by the following.
[0014]
Further, in the fuel cell-gas turbine power generation equipment according to claim 6,
Solid electrolyte fuel cells are
A battery is provided on the outer wall of the fuel outer tube,
The fuel electrode becomes a reforming catalyst for reforming the fuel,
It is characterized by recovering a part of the reaction heat of power generation by heat absorption by the fuel reforming reaction and recovering and removing all the reaction heat of power generation by heating the air flowing through the air heating tube with the remainder of the reaction heat of power generation. .
[0015]
To achieve the above object, a combined power generation facility of the present invention is a fuel cell-gas turbine power generation facility according to any one of claims 1 to 7, and a gas turbine of the fuel cell-gas turbine power generation facility. An exhaust heat recovery boiler that recovers heat of the exhaust gas to generate steam, a steam turbine that operates by using the steam generated by the exhaust heat recovery boiler, a condensing unit that condenses the exhaust of the steam turbine, and a condensing unit. Water supply means for supplying condensed water to the exhaust heat recovery boiler.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The power generation efficiency of the fuel cell-gas turbine power generation equipment is determined by the power generation efficiency of the fuel cell (SOFC) at a predetermined fuel supply amount, the exhaust gas and exhaust air of the gas turbine mixed with the combustion gas obtained by burning the unreacted fuel. Determined by output. In order to improve the efficiency of the fuel cell, it is necessary to adjust the temperature of the fuel and air supplied to the cell chamber to an appropriate temperature for the reforming reaction and the cell reaction.
[0017]
If the efficiency of the fuel cell is fixed, the efficiency of the fuel cell-gas turbine power generation equipment depends on the output of the gas turbine. That is, in the SOFC / gas turbine / low temperature heat exchange plant system, the system design and equipment design are performed so that the maximum gas turbine output is obtained while ensuring the high efficiency operation conditions of the SOFC for the high efficiency operation of the plant. It is necessary to do.
[0018]
The functions and effects for achieving high efficiency are as follows.
[0019]
(1) High efficiency of SOFC
[0020]
The fuel cell tube has a double tube structure, and fuel (hereinafter referred to as methane gas used for city gas, etc.) is supplied to the inner tube of the double tube, and absorbs the reaction heat of the cell in the process of descending the inner tube, and At the outlet, it is heated to the temperature required for fuel reforming and cell reactions. Subsequently, a fuel reforming reaction occurs in the process of raising the annular portions of the outer tube and the inner tube, and CO and H required for the cell reaction are increased.2And a battery reaction is performed. The fuel reforming reaction is an endothermic reaction, and approximately 50% of the reaction heat generated by the cell reaction is used for the reforming reaction (endothermic reaction). In this way, fuel heating and reforming are performed rationally inside the battery tube, and appropriate conditions are ensured for the battery reaction, and the battery reaction is promoted.
[0021]
On the other hand, the reaction air absorbs excess heat of the battery reaction heat and is heated to a temperature appropriate for the battery reaction in internal heat exchange installed inside the battery chamber. As described above, appropriate conditions for the fuel and air co-reforming and the battery reaction are ensured, so that the SOFC can perform high-efficiency power generation.
[0022]
(2) High efficiency of gas turbine (high output)
[0023]
The amount of heat recovered in the low-temperature heat exchange can be increased by increasing the outlet air temperature and increasing the amount of tempering air by installing the high-temperature efficiency low-temperature heat exchange installation. On the other hand, since the efficiency of a gas turbine depends on the pressure ratio of the gas turbine, it is possible to optimize the pressure ratio and achieve an increase in gas turbine output (increase in gas turbine input and higher efficiency) by the following system design method. I made it.
[0024]
Low temperature heat exchange efficiency ηt= (Output air temperature-inlet air temperature) / (inlet gas temperature-inlet air temperature) x 100%.
[0025]
(1) An increase in turbine heat input due to the abolition of high-temperature heat exchange
[0026]
Reduce the required temperature of the air supplied to the SOFC by installing internal heat exchange, install internal heat exchange to obtain the required temperature only with low temperature heat exchange, install high temperature efficiency low temperature heat exchange, and install gas turbine pressure ratio Optimized. This eliminates the need for high-temperature heat exchange, so that the temperature of exhaust air supplied to the gas turbine combustor does not decrease. Therefore, since there is no decrease in the temperature of the combustion gas introduced into the gas turbine combustor, it is necessary to increase (can increase) the tempering air. An increase in tempering air (low-temperature heat exchange outlet air supplied by the SOFC bypass air pipe) increases the amount of heat recovered by low-temperature heat exchange and the turbine drive fluid. That is, the turbine heat input increases.
[0027]
(2) Increase in heat recovery in low-temperature heat exchange
[0028]
The output of the gas turbine increases as the input of the gas turbine increases and as the efficiency increases. Under the condition that the outlet air temperature of the low-temperature heat exchange reaches the required temperature of the internal heat exchange of the SOFC, the temperature efficiency at which the amount of heat recovery is maximized is high (realistic maximum temperature efficiency ηRM= 90-95%) By installing the regenerative heat exchanger and using the regenerative heat exchanger outlet air as the tempering air, the decrease in the combustor outlet gas temperature (tempering effect) and the increase in the amount of heat recovery were measured.
[0029]
(3) Improving gas turbine efficiency
[0030]
Theoretical cycle efficiency η of gas turbineGTIs given by the mechanical efficiency (compressor efficiency η in the following equation)C, Turbine efficiency ηT) Is constant, the maximum / minimum temperature ratio τ (= turbine inlet temperature T3/ Compressor inlet temperature T1Ratio) and pressure ratio φ (= compressor outlet pressure P2/ Compressor inlet pressure P1) (= Turbine inlet temperature T)3/ Temperature insulation outlet temperature T of turbine4').
Here, since τ is constant, the gas turbine efficiency depends only on ψ.
[0031]
ηGT= (ΤηCηT−ψ) (1-1 / ψ) / (η)Cτ-ψ + 1-ηC)
= (C1−ψ) (1-1 / ψ) / (C2−ψ)
[0032]
C in the ideal cycle1= C2Therefore, the efficiency of the ideal cycle (Brayton cycle) is
ηGT= 1-1 / ψ = 1-1 / φ(K-1) / k
That is, the gas turbine efficiency is improved by increasing the pressure ratio.
ψ = T3/ T4'= Φ(K-1) / k, The adiabatic index k (= Cp / Cv) is constant.
[0033]
By installing internal heat exchange in the SOFC and lowering the low temperature heat exchange outlet temperature, the low temperature heat exchange inlet gas temperature T4'Can be lowered. That is, a gas turbine with a high pressure ratio can be designed, and the gas turbine efficiency can be improved.
[0034]
By performing the above-described system and equipment design, it is possible to obtain optimal operating conditions under which the outputs of the SOFC and the gas turbine are maximized for a fixed fuel heat input. Hereinafter, specific embodiments will be described.
[0035]
First embodiment example
[0036]
FIG. 1 shows a schematic system of a combined power generation facility including a fuel cell-gas turbine power generation facility according to a first embodiment of the present invention.
[0037]
As shown in the figure, the fuel cell-gas turbine power generation equipment includes a solid oxide fuel cell (SOFC) 1 as a fuel cell and a gas turbine equipment 2. The gas turbine facility 2 includes a compressor 3, a combustor 10, a gas turbine 4, and a generator 5, and exhaust gas from the gas turbine 4 is sent to a low-temperature heat exchanger 61.
[0038]
In the low-temperature heat exchanger 61, the compressed air compressed by the compressor 3 is heated (heat exchange) by the exhaust gas of the gas turbine 4. The exhaust gas whose heat has been recovered by the low-temperature heat exchanger 61 is further recovered by the exhaust heat recovery boiler 6 and discharged from the chimney 21 to the atmosphere.
[0039]
The SOFC 1 generates power by causing a battery reaction between air (oxygen) and the fuel f via an electrolyte. Reference numeral 20 in the figure denotes an orthogonal transformer for converting DC power obtained by the SOFC 1 into AC.
[0040]
The exhaust heat recovery boiler 6 generates steam by the exhaust heat of the exhaust gas, and the generated steam is sent to the steam turbine 7 where the power is recovered. Exhaust steam from the steam turbine 7 is condensed by a condenser 8 as condensing means, and the condensed water is supplied to the exhaust heat recovery boiler 6 by a water supply pump 9 as water supplying means (combined power generation equipment).
[0041]
Since the exhaust gas recovered by the exhaust heat recovery boiler 6 is the exhaust gas recovered by the low-temperature heat exchanger 61, if the high-temperature steam for driving the steam turbine 7 cannot be generated, High-temperature steam can be generated by, for example, providing a superheating means. Further, when hot water or the like is generated by the exhaust heat recovery boiler 6, a hot water supply facility or the like can be applied.
[0042]
The air supplied to the SOFC 1 is compressed by the compressor 3 and heated by the low-temperature heat exchanger 61. The compressed air heated by the low-temperature heat exchanger 61 is heated by the high-temperature heat exchanger 62 and supplied from the air supply pipe 12 to the SOFC 1. The exhaust air that has completed the reaction in the battery chamber 1a of the SOFC 1 is sent from the air exhaust pipe 17 to the high-temperature heat exchanger 62, and the compressed air is heated by the exhaust air of the SOFC 1.
[0043]
The exhaust air recovered by the high-temperature heat exchanger 62 is supplied to the combustor 10. On the other hand, the fuel f is supplied to the battery chamber 1a of the SOFC 1 from the fuel supply pipe 14 after the sulfur content is removed via the desulfurization device 63, and the exhaust gas containing the unreacted components after the reaction is discharged from the exhaust gas discharge pipe 15. It is supplied to the combustor 10.
[0044]
A bypass 64 is provided for joining a part of the compressed air heated by the low-temperature heat exchanger 61 to the exhaust air at the inlet side of the combustor 10, and a bypass air control valve 65 is provided in the bypass 64. That is, a part of the compressed air compressed by the compressor 3 is supplied to the combustor 10 with its flow rate adjusted by the bypass air control valve 65.
[0045]
By supplying a part of the compressed air compressed by the compressor 3 to the combustor 10, the amount of air supplied to the combustor 10 increases, and the output of the gas turbine 4 can be improved. Further, even in the case of the gas turbine 4 having the non-cooling structure without the blade cooling structure or the like, the combustion temperature can be maintained at a temperature suitable for the inlet temperature of the gas turbine 4 (for example, 850 ° C. to 900 ° C.). it can.
[0046]
In the combined power generation facility equipped with the gas turbine power generation facility having the above-described configuration, the fuel f is supplied from the fuel supply pipe 14 to the SOFC 1, compressed by the compressor 3 and heated by the low-temperature heat exchanger 61 and the high-temperature heat exchanger 62. The supplied air is supplied from the air supply pipe 12 to the SOFC 1. In the SOFC 1, power is generated by a cell reaction between oxygen and fuel f in the air.
[0047]
Exhaust gas containing unreacted components is supplied to the combustor 10 through an exhaust gas discharge pipe 15. The exhaust air containing unreacted oxygen is recovered in the high-temperature heat exchanger 62 and supplied to the combustor 10.
[0048]
A part of the compressed air compressed by the compressor 3 is adjusted in flow rate by the bypass air control valve 65 and supplied to the combustor 10 from the bypass passage 64. In the combustor 10, exhaust gas containing unreacted components and exhaust air containing unreacted oxygen are burned, and unreacted fuel is burned to generate high-temperature combustion gas.
[0049]
The gas turbine 4 is operated by the generated combustion gas (exhaust gas), and the exhaust gas of the gas turbine 4 is recovered by the exhaust heat recovery boiler 6 to generate steam. The generated steam is sent to the steam turbine 7 to recover power, and the exhaust steam of the steam turbine 7 is condensed by the condenser 8 and supplied to the exhaust heat recovery boiler 6 by the water supply pump 9.
[0050]
In the fuel cell-gas turbine power generation facility having the above-described configuration, a part of the compressed air compressed by the compressor 3 is adjusted in flow rate by the bypass air control valve 65 and supplied to the combustor 10 from the bypass passage 64, so that the combustor The amount of air supplied to the gas turbine 10 increases, and the output of the gas turbine 4 can be improved. The gas turbine 4 having the non-cooled structure without the blade cooling structure or the like can maintain the combustion temperature at a temperature suitable for the inlet temperature of the gas turbine 4 (for example, 850 ° C. to 900 ° C.).
[0051]
Therefore, by applying the SOFC 1, a fuel cell-gas turbine power generation facility and a combined power generation facility that make full use of the function of the gas turbine 4 can be provided.
[0052]
Second Embodiment Example
[0053]
FIG. 2 shows a schematic system of a combined power generation facility including a fuel cell-gas turbine power generation facility according to a second embodiment of the present invention. The same members as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. The fuel cell-gas turbine power generation equipment of the second embodiment has a configuration in which the high-temperature heat exchanger 62 is not provided and the SOFC has an air heating pipe 45 for heating air inside.
[0054]
As shown in the figure, the fuel cell-gas turbine power generation equipment includes a solid oxide fuel cell (SOFC) 31 as a fuel cell and a gas turbine equipment 2. The gas turbine facility 2 includes a compressor 3, a combustor 10, a gas turbine 4, and a generator 5, and exhaust gas from the gas turbine 4 is sent to a low-temperature heat exchanger 61.
[0055]
In the low-temperature heat exchanger 61, the compressed air compressed by the compressor 3 is heated (heat exchange) by the exhaust gas of the gas turbine 4. The exhaust gas whose heat has been recovered by the low-temperature heat exchanger 61 is further recovered by the exhaust heat recovery boiler 6 and discharged from the chimney 21 to the atmosphere.
[0056]
The SOFC 31 generates power by causing a cell reaction between air (oxygen) and the fuel f via an electrolyte. Reference numeral 20 in the drawing denotes an orthogonal transformer for converting DC power obtained by the SOFC 31 into AC.
[0057]
The exhaust heat recovery boiler 6 generates steam by the exhaust heat of the exhaust gas, and the generated steam is sent to the steam turbine 7 where the power is recovered. Exhaust steam from the steam turbine 7 is condensed by a condenser 8 as condensing means, and the condensed water is supplied to the exhaust heat recovery boiler 6 by a water supply pump 9 as water supplying means (combined power generation equipment).
[0058]
Since the exhaust gas recovered by the exhaust heat recovery boiler 6 is the exhaust gas recovered by the low-temperature heat exchanger 61, if the high-temperature steam for driving the steam turbine 7 cannot be generated, High-temperature steam can be generated by, for example, providing a heating means. Further, when hot water or the like is generated by the exhaust heat recovery boiler 6, a hot water supply facility or the like can be applied.
[0059]
The air supplied to the SOFC 31 is compressed by the compressor 3 and is heated by the low-temperature heat exchanger 61. The compressed air heated by the low-temperature heat exchanger 61 is supplied from the air supply pipe 12 to the SOFC 31, and is heated by an air heating pipe 45 (details will be described later) provided inside the SOFC 31 to become reaction air.
[0060]
The exhaust air that has completed the reaction in the battery chamber 39 of the SOFC 31 is supplied to the combustor 10 from the air exhaust pipe 17. On the other hand, the fuel f is supplied to the battery chamber 39 of the SOFC 31 from the fuel supply pipe 14 after the sulfur content is removed via the desulfurization device 63, and the exhaust gas containing the unreacted components after the reaction is discharged from the exhaust gas discharge pipe 15. It is supplied to the combustor 10.
[0061]
A bypass 64 is provided for joining a part of the compressed air heated by the low-temperature heat exchanger 61 to the exhaust air at the inlet side of the combustor 10, and a bypass air control valve 65 is provided in the bypass 64. That is, a part of the compressed air compressed by the compressor 3 is supplied to the combustor 10 with its flow rate adjusted by the bypass air control valve 65.
[0062]
By supplying a part of the compressed air compressed by the compressor 3 to the combustor 10, the amount of air supplied to the combustor 10 increases, and the output of the gas turbine 4 can be improved. The gas turbine 4 having the non-cooled structure without the blade cooling structure or the like can maintain the combustion temperature at a temperature suitable for the inlet temperature of the gas turbine 4 (for example, 850 ° C. to 900 ° C.).
[0063]
In the combined power generation facility including the gas turbine power generation facility having the above-described configuration, the fuel f is supplied from the fuel supply pipe 14 to the SOFC 31, and the air compressed by the compressor 3 and heated by the low-temperature heat exchanger 61 is supplied by air. It is supplied from the pipe 12 to the SOFC 31. In the SOFC 31, after the supply air is heated by the air heating pipe 45, power is generated by a cell reaction of oxygen and fuel f in the air.
[0064]
Exhaust gas containing unreacted components is supplied to the combustor 10 through an exhaust gas discharge pipe 15. The exhaust air containing unreacted oxygen is recovered in the high-temperature heat exchanger 62 and supplied to the combustor 10.
[0065]
A part of the compressed air compressed by the compressor 3 is adjusted in flow rate by the bypass air control valve 65 and supplied to the combustor 10 from the bypass passage 64. In the combustor 10, exhaust gas containing unreacted components and exhaust air containing unreacted oxygen are burned, and unreacted fuel is burned to generate high-temperature combustion gas.
[0066]
The gas turbine 4 is operated by the generated combustion gas (exhaust gas), and the exhaust gas of the gas turbine 4 is recovered by the exhaust heat recovery boiler 6 to generate steam. The generated steam is sent to the steam turbine 7 to recover power, and the exhaust steam of the steam turbine 7 is condensed by the condenser 8 and supplied to the exhaust heat recovery boiler 6 by the water supply pump 9.
[0067]
In the fuel cell-gas turbine power generation facility having the above-described configuration, a part of the compressed air compressed by the compressor 3 is adjusted in flow rate by the bypass air control valve 65 and supplied to the combustor 10 from the bypass passage 64, so that the combustor The amount of air supplied to the gas turbine 10 increases, and the output of the gas turbine 4 can be improved. The gas turbine 4 having the non-cooled structure without the blade cooling structure or the like can maintain the combustion temperature at a temperature suitable for the inlet temperature of the gas turbine 4 (for example, 850 ° C. to 900 ° C.).
[0068]
Further, since the SOFC 31 is provided with the air heating pipe 45, the temperature of the air supplied to the SOFC 31 can be lowered, and the low-temperature heat exchanger 61 can be increased in size and designed to have high temperature efficiency. . By increasing the size of the low-temperature heat exchanger 61 and designing it to have high temperature efficiency, a large amount of compressed air is brought into a required temperature state when the retained heat of the exhaust gas of the gas turbine 4 is recovered by the outlet air of the compressor 3. It can be supplied to the SOFC 31 side. Therefore, even if a part of the compressed air compressed by the compressor 3 is supplied to the combustor 10, the required amount of air can be secured by the SOFC 31.
[0069]
In this way, by mixing the air at the outlet of the low-temperature heat exchanger 61 into the combustor 10, the inlet temperature of the gas turbine 4 is controlled to an appropriate temperature, and the amount of heat recovery from the exhaust gas of the gas turbine 4 is maximized. The output of the gas turbine 4 can be maximized under the condition that the output of the SOFC 31 is kept constant.
[0070]
Therefore, by applying the SOFC 31, it becomes possible to provide a fuel cell-gas turbine power generation facility and a combined power generation facility that make full use of the functions of the gas turbine 4.
[0071]
The detailed configuration of the SOFC 31 including the air heating pipe 45 applied to the gas turbine power generation facility of the combined power generation facility described above will be described with reference to FIGS. 3 to 5. FIG. 3 is a perspective view showing a schematic configuration of the SOFC 31 applied to the gas turbine equipment of the combined power generation facility, FIG. 4 is a schematic cross section of the SOFC 31 applied to the gas turbine equipment of the combined power generation facility, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing details.
[0072]
As shown in FIGS. 3 and 4, the SOFC 31 is a fuel cell that operates at a high temperature {900 to 1000 ° C. when the electrolyte is YSZ (Yttria {Saltized} Zirconia)}. ) 32. The interior of the casing 32 is partitioned from above by a fuel chamber tube sheet 33, an exhaust gas chamber tube sheet 34, an exhaust air chamber tube sheet 35, and an air chamber tube sheet 36, and the fuel chamber 37, the exhaust gas chamber 38, the battery chamber 39, and the exhaust chamber. An air chamber 40 and an air chamber 41 are formed. The exhaust air chamber tube plate 35 is provided with a large number of exhaust air exhaust holes 35a that communicate the battery chamber 39 and the exhaust air chamber 40.
[0073]
A large number of battery tubes 42 are provided inside the battery chamber 39, and the battery tube 42 has a double tube structure of an outer fuel tube 43 and an inner fuel tube 44. The fuel inner tube 44 and the fuel outer tube 43 of the double tube battery tube 12 are supported by a fuel chamber tube plate 33 and an exhaust gas room tube plate 34, respectively.
[0074]
Both ends of the fuel inner tube 44 are open, and the lower end of the fuel outer tube 43 is closed and only the upper end is open. Both ends of the fuel inner tube 44 are open and the upper end thereof is opened to the fuel chamber 37, and the lower end is arranged to the battery chamber 39. The outer fuel tube 43 is disposed outside the inner fuel tube 44, and the lower end portion covers the opening of the inner fuel tube 44 and the upper end portion opens to the exhaust gas chamber 38. The outer fuel tube 43 is formed of a porous material.
[0075]
A large number of air heating pipes 45 having both ends opened are disposed inside the battery chamber 39. The air heating pipes 45 penetrate the exhaust gas chamber 38, the exhaust air chamber tube plate 35, and the air chamber tube plate 36, and the lower end thereof. Are supported by the air chamber tube sheet 36 in a state where they are open to the air chamber 41. Restrictors 46 are provided at the inlet portions of the air heating tubes 45, respectively, so that the pressure of the air supplied from the air chamber 41 to each of the air heating tubes 45 is maintained uniformly.
[0076]
As a mechanism for maintaining uniformity, it is also possible to adopt a mechanism for maintaining uniform pressure of air supplied to each air heating tube 45 by changing the flow area of the air chamber 41.
[0077]
The fuel supply pipe 14 is connected to the fuel chamber 37, and the exhaust gas discharge pipe 15 is connected to the exhaust gas chamber 38. Further, the air discharge pipe 17 is connected to the discharge air chamber 40, and the air supply pipe 12 is connected to the air chamber 41.
[0078]
As shown in FIGS. 3 and 4, a battery 53 having a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode is formed on the surface of the fuel outer tube 43 of the battery tube 42. The fuel electrode serves as a catalyst for reforming the fuel, and the fuel sent to the battery tube 42 is internally reformed (endothermic reaction).
[0079]
That is, as shown in FIG. 5, a battery 53 having a fuel electrode 55, an electrolyte 56 and an air electrode 57 is formed on the surface of the fuel outer tube 43 of the battery tube 42. The fuel electrode 55 is made of, for example, nickel cermet, and the fuel electrode 55 itself is a catalyst for reforming the fuel. Fuel such as methane passes through the porous fuel outer tube 43 and is reformed at the fuel electrode 55, so that hydrogen can be used. Oxygen in the air receives electrons to become oxygen ions, moves the electrolyte 56 to the fuel side, emits electrons at the fuel electrode 55, and2O and CO2And power is generated.
[0080]
As shown by the dotted line in FIG. 5, a reforming catalyst 59 may be provided on the outer surface of the fuel inner tube 44 of the battery tube 42 to promote the reforming.
[0081]
The fuel supplied from the fuel supply pipe 14 to the fuel chamber 37 is sent from the fuel chamber 37 to the fuel inner pipe 44 of the battery pipe 42, and is inverted at the lower end of the fuel inner pipe 44 to form the fuel inner pipe 44 and the fuel outer pipe 43. The ascending annular portion is sent to the exhaust gas chamber 38. The fuel absorbs the reaction heat due to the cell reaction in the process of descending through the fuel inner tube 44, and at the inlet of the annular portion, the temperature rises to the temperature required for the cell reaction and partially reformed to absorb the cell reaction heat. In the annular portion, a reforming reaction and a battery reaction are performed.
[0082]
The air supplied from the air supply pipe 12 to the air chamber 41 is sent to the air heating pipe 45 and rises inside the air heating pipe 45. A part of the exhaust air branched from the air discharge pipe 17 is mixed into the air supply pipe 12 via the recirculation pipe 51 to raise the temperature of the air in the air chamber 41. The air absorbs the battery reaction heat in the process of rising in the air heating tube 45, is heated to a temperature necessary for the battery reaction, and is discharged to the battery chamber 39.
[0083]
The discharged air descends in the battery chamber 39 while performing a battery reaction, and is sent to the exhaust air chamber 40 through the gap around the through portion of the air heating tube 45 of the exhaust air chamber tube plate 35 and the exhaust air exhaust hole 35a. Can be
[0084]
In the SOFC 31 having the above-described structure, fuel flows through the battery tube 42 having a double-tube structure. The SOFC 31 absorbs heat of reaction (heated) in a process of descending the fuel inner tube 44 and in a process of ascending the annular portion. The structure absorbs heat by the reforming reaction. In addition, the air has a function of absorbing the reaction heat in the process of ascending the air heating tube 45. For this reason, the fuel has a structure having a maximum internal heat absorbing function.
[0085]
In the above-described SOFC 31, the air and the fuel have a necessary internal heat absorbing function, so that the temperature of the air supplied to the air chamber 41 and the temperature of the fuel supplied to the fuel chamber 37 can be reduced accordingly, and the amount of supplied air is reduced. be able to. Moreover, the air discharged from the air heating tube 45 to the battery chamber 39 is at an appropriate temperature level.
[0086]
Further, in the above-described SOFC 31, the fuel is passed through the battery tube 42 and air is supplied to the battery chamber 39. However, the fuel electrode 55 and the air electrode 57 are exchanged to allow air to pass through the battery tube 42 A configuration in which fuel is supplied to the chamber 39 is also possible. In this case, the air heating tube 45 is provided at an appropriate portion capable of absorbing the reaction heat.
[0087]
In the above-described SOFC 31 of the present embodiment, since the internal air heating means (air heating pipe 45) of the SOFC 31 absorbs excess battery reaction heat and performs air heating, the inlet air temperature of the SOFC 31 can be reduced. For this reason, the supply air amount can be reduced. By appropriately distributing the air heating tubes 45, equalization of heat absorption can be obtained, and the temperature of the air discharged into the battery chamber 39 by optimizing the number of the air heating tubes 45 can be adjusted to an appropriate level for the battery reaction. Is obtained.
[0088]
As described above, since the air is heated by absorbing the excess heat of the reaction by the internal air heating method, the temperature of the air supplied to the SOFC 31 can be reduced, which is necessary from the viewpoint of cooling the SOFC 31 (removal of the reaction heat). By reducing the amount of air, the temperature inside the battery can be controlled to reduce the retained heat of the exhaust air and the exhaust gas, thereby reducing the exhaust gas loss.
[0089]
In addition, since the fuel tube 44 is provided with a fuel heating function in the fuel inner tube 44 by using the battery tube 42 as a double tube, even if a low-temperature fuel that does not pass through the fuel heater is supplied, the battery reaction portion absorbs heat and reacts. Before the fuel reaches the (lower end of the fuel inner pipe 44), the temperature can be raised to a temperature level appropriate for the cell reaction.
[0090]
Accordingly, it is possible to remove endothermic heat of reaction (temperature control) without deteriorating the battery performance, and it is possible to avoid an increase in the amount of air for exhausting the reaction heat and to avoid a decrease in efficiency.
[0091]
Further, since a catalyst material having a reforming function is used for the fuel electrode 55, the fuel electrode 55 can have a reforming function. Further, for example, by coating or mixing a material having a reforming catalytic function (catalyst 59) on the outer surface of the fuel inner pipe 44, the internal reforming function can be improved, and a wide range of fuels that are difficult to reform can be used. Even this allows internal reforming.
[0092]
It should be noted that the above-described SOFC 31 can be provided instead of the SOFC 1 of the fuel cell-gas turbine power generation facility shown in FIG. In this case, it is also possible to omit the air heating pipe 45 and increase the temperature of the air only by mixing a part of the exhaust air into the air supply pipe 12, and by omitting the air heating pipe 45. The battery chamber 39 can be simplified.
[0093]
Third embodiment example
[0094]
FIG. 6 shows a schematic system of a combined power generation facility including a fuel cell-gas turbine power generation facility according to a third embodiment of the present invention. The same members as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. The fuel cell-gas turbine power generation equipment according to the third embodiment is not provided with the high-temperature heat exchanger 62, and is one of the high-temperature exhaust air that has completed the reaction between the air exhaust pipe 17 and the air supply pipe 12. A recirculation pipe 51 for recirculating the section is provided.
[0095]
As shown in the figure, the fuel cell-gas turbine power generation equipment includes a solid oxide fuel cell (SOFC) 1 as a fuel cell and a gas turbine equipment 2. The gas turbine facility 2 includes a compressor 3, a combustor 10, a gas turbine 4, and a generator 5, and exhaust gas from the gas turbine 4 is sent to a low-temperature heat exchanger 61.
[0096]
In the low-temperature heat exchanger 61, the compressed air compressed by the compressor 3 is heated (heat exchange) by the exhaust gas of the gas turbine 4. The exhaust gas whose heat has been recovered by the low-temperature heat exchanger 61 is further recovered by the exhaust heat recovery boiler 6 and discharged from the chimney 21 to the atmosphere.
[0097]
The SOFC 1 generates power by causing a battery reaction between air (oxygen) and the fuel f via an electrolyte. Reference numeral 20 in the figure denotes an orthogonal transformer for converting DC power obtained by the SOFC 1 into AC.
[0098]
The exhaust heat recovery boiler 6 generates steam by the exhaust heat of the exhaust gas, and the generated steam is sent to the steam turbine 7 where the power is recovered. Exhaust steam from the steam turbine 7 is condensed by a condenser 8 as condensing means, and the condensed water is supplied to the exhaust heat recovery boiler 6 by a water supply pump 9 as water supplying means (combined power generation equipment).
[0099]
Since the exhaust gas recovered by the exhaust heat recovery boiler 6 is the exhaust gas recovered by the low-temperature heat exchanger 61, if the high-temperature steam for driving the steam turbine 7 cannot be generated, High-temperature steam can be generated by, for example, providing a heating means. Further, when hot water or the like is generated by the exhaust heat recovery boiler 6, a hot water supply facility or the like can be applied.
[0100]
The air supplied to the SOFC 1 is compressed by the compressor 3 and heated by the low-temperature heat exchanger 61. The compressed air heated by the low-temperature heat exchanger 61 is supplied from the air supply pipe 12 to the SOFC 1. The exhaust air that has completed the reaction in the battery chamber 1a of the SOFC 1 is supplied to the combustor 10 from the air exhaust pipe 17.
[0101]
A recirculation pipe 51 is provided between the air discharge pipe 17 and the air supply pipe 12 to recirculate a part of the high-temperature exhaust air that has completed the reaction. By the control, the temperature of the air mixed into the air supply pipe 12 and supplied to the SOFC 1 is increased.
[0102]
An ejector 52 is provided in the air supply pipe 12 at the junction of the recirculation pipe 51, and a static pressure difference is formed between the air discharge pipe 17 and the air supply pipe 12 by the ejector 52. A part of the exhaust air from the air discharge pipe 17 is guided to the recirculation pipe 51 and sent to the air supply pipe 12 by the static pressure difference formed by the ejector 52.
[0103]
In addition, it is also possible to provide a booster ventilator etc. in the recirculation pipe 51 instead of the ejector 52.
[0104]
On the other hand, the fuel f is supplied to the battery chamber 39 of the SOFC 31 from the fuel supply pipe 14 after the sulfur content is removed via the desulfurization device 63, and the exhaust gas containing the unreacted components after the reaction is discharged from the exhaust gas discharge pipe 15. It is supplied to the combustor 10.
[0105]
A bypass 64 is provided for joining a part of the compressed air heated by the low-temperature heat exchanger 61 to the exhaust air at the inlet side of the combustor 10, and a bypass air control valve 65 is provided in the bypass 64. That is, a part of the compressed air compressed by the compressor 3 is supplied to the combustor 10 with its flow rate adjusted by the bypass air control valve 65.
[0106]
By supplying a part of the compressed air compressed by the compressor 3 to the combustor 10, the amount of air supplied to the combustor 10 increases, and the output of the gas turbine 4 can be improved. The gas turbine 4 having the non-cooled structure without the blade cooling structure or the like can maintain the combustion temperature at a temperature suitable for the inlet temperature of the gas turbine 4 (for example, 850 ° C. to 900 ° C.).
[0107]
In the combined power generation facility including the gas turbine power generation facility having the above-described configuration, the fuel f is supplied from the fuel supply pipe 14 to the SOFC 1, and the air compressed by the compressor 3 and heated by the low-temperature heat exchanger 61 is supplied by air. It is supplied from the pipe 12 to the SOFC 1. Further, a part of the high-temperature exhaust air is mixed from the recirculation pipe 51 into the air supply pipe 12 under the control of the flow control valve 71 and supplied to the SOFC 1. In the SOFC 1, a part of high-temperature exhaust air is mixed to heat the supply air, and power is generated by a cell reaction of oxygen and fuel f in the air.
[0108]
Exhaust gas containing unreacted components is supplied to the combustor 10 through an exhaust gas discharge pipe 15. Exhaust air containing unreacted oxygen is supplied to the combustor 10.
[0109]
A part of the compressed air compressed by the compressor 3 is adjusted in flow rate by the bypass air control valve 65 and supplied to the combustor 10 from the bypass passage 64. In the combustor 10, exhaust gas containing unreacted components and exhaust air containing unreacted oxygen are burned, and unreacted fuel is burned to generate high-temperature combustion gas.
[0110]
The gas turbine 4 is operated by the generated combustion gas (exhaust gas), and the exhaust gas of the gas turbine 4 is recovered by the exhaust heat recovery boiler 6 to generate steam. The generated steam is sent to the steam turbine 7 to recover power, and the exhaust steam of the steam turbine 7 is condensed by the condenser 8 and supplied to the exhaust heat recovery boiler 6 by the water supply pump 9.
[0111]
In the fuel cell-gas turbine power generation facility having the above-described configuration, a part of the compressed air compressed by the compressor 3 is adjusted in flow rate by the bypass air control valve 65 and supplied to the combustor 10 from the bypass passage 64, so that the combustor The amount of air supplied to the gas turbine 10 increases, and the output of the gas turbine 4 can be improved. The gas turbine 4 having the non-cooled structure without the blade cooling structure or the like can maintain the combustion temperature at a temperature suitable for the inlet temperature of the gas turbine 4 (for example, 850 ° C. to 900 ° C.).
[0112]
Then, a part of the high-temperature exhaust air is mixed into the SOFC 1 from the recirculation pipe 51 to supply the SOFC 1 with the temperature of the supply air increased, so that the temperature of the supply air to the SOFC 1 can be lowered, The heat exchanger 61 can be increased in size and designed to have high temperature efficiency. By increasing the size of the low-temperature heat exchanger 61 and designing it to have high temperature efficiency, a large amount of compressed air is brought into a required temperature state when the retained heat of the exhaust gas of the gas turbine 4 is recovered by the outlet air of the compressor 3. It can be supplied to the SOFC 31 side. Therefore, even if a part of the compressed air compressed by the compressor 3 is supplied to the combustor 10, the necessary amount of air can be secured in the SOFC 1.
[0113]
In this way, by mixing the air at the outlet of the low-temperature heat exchanger 61 into the combustor 10, the inlet temperature of the gas turbine 4 is controlled to be low, and the amount of heat recovery from the exhaust gas of the gas turbine 4 is maximized. The output of the gas turbine 4 can be maximized under the condition that the output of the SOFC 1 is kept constant.
[0114]
Therefore, by applying the SOFC 1, a fuel cell-gas turbine power generation facility and a combined power generation facility that make full use of the function of the gas turbine 4 can be provided.
[0115]
Fourth embodiment example
[0116]
FIG. 7 shows a schematic system of a combined power generation facility including a fuel cell-gas turbine power generation facility according to a fourth embodiment of the present invention. The same members as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. The fuel cell-gas turbine power generation equipment of the fourth embodiment has a configuration in which the compressor and the gas turbine are set to a high pressure ratio and the low-temperature heat exchanger 61 is not provided. That is, the compressor and the gas turbine are set to a high pressure ratio, and the heat exchanger for exchanging heat between the compressed air of the compressor and the exhaust gas of the gas turbine is set to be in a state where it is unnecessary.
[0117]
As shown in the figure, the fuel cell-gas turbine power generation equipment includes a solid oxide fuel cell (SOFC) 1 as a fuel cell and a gas turbine equipment 81. The gas turbine equipment 81 includes a compressor 82, a combustor 83, a gas turbine 84, and a power generator 85. Exhaust gas from the gas turbine 84 is recovered by the exhaust heat recovery boiler 6 and released from the chimney 21 to the atmosphere.
[0118]
The SOFC 1 generates power by causing a battery reaction between air (oxygen) and the fuel f via an electrolyte. Reference numeral 20 in the figure denotes an orthogonal transformer for converting DC power obtained by the SOFC 1 into AC.
[0119]
The exhaust heat recovery boiler 6 generates steam by the exhaust heat of the exhaust gas, and the generated steam is sent to the steam turbine 7 where the power is recovered. Exhaust steam from the steam turbine 7 is condensed by a condenser 8 as condensing means, and the condensed water is supplied to the exhaust heat recovery boiler 6 by a water supply pump 9 as water supplying means (combined power generation equipment).
[0120]
The air supplied to the SOFC 1 is compressed by the compressor 82 and heated by the high-temperature heat exchanger 62 to be sent. The compressed air heated by the high-temperature heat exchanger 62 is supplied from the air supply pipe 12 to the SOFC 1. The exhaust air that has completed the reaction in the battery chamber 1a of the SOFC 1 is supplied from the air discharge pipe 17 to the combustor 83 via the high-temperature heat exchanger 62.
[0121]
On the other hand, the fuel f is supplied to the battery chamber 1a of the SOFC 1 from the fuel supply pipe 14 after the sulfur content is removed via the desulfurization device 63, and the exhaust gas containing the unreacted components after the reaction is discharged from the exhaust gas discharge pipe 15. It is supplied to the combustor 83.
[0122]
A bypass path 64 is provided for joining a part of the compressed air compressed by the compressor 82 to the exhaust air at the inlet side of the combustor 83, and a bypass air control valve 65 is provided in the bypass path 64. That is, a part of the compressed air compressed by the compressor 82 is supplied to the combustor 83 with the flow rate adjusted by the bypass air control valve 65.
[0123]
By supplying a part of the compressed air compressed by the compressor 82 to the combustor 83, the amount of air supplied to the combustor 83 increases, and the output of the gas turbine 84 can be improved. The non-cooled gas turbine 84 having no blade cooling structure or the like can maintain the combustion temperature at a temperature suitable for the inlet temperature of the gas turbine 84 (for example, 850 ° C. to 900 ° C.).
[0124]
Reference numeral 80 in the drawing denotes a supply path for supplying the compressed air of the compressor 82 to the SOFC 1 and pressurizing it.
[0125]
In the combined power generation facility equipped with the gas turbine power generation facility having the above-described configuration, the fuel f is supplied to the SOFC 1 from the fuel supply pipe 14, and the air compressed by the compressor 82 and heated by the high-temperature heat exchanger 62 is supplied by air. It is supplied from the pipe 12 to the SOFC 1. In the SOFC 1, power is generated by a cell reaction between oxygen and fuel f in the air.
[0126]
The exhaust gas containing the unreacted components is supplied to the combustor 83 via the exhaust gas discharge pipe 15. The exhaust air containing unreacted oxygen is recovered in the high-temperature heat exchanger 62 and supplied to the combustor 83.
[0127]
A part of the compressed air compressed by the compressor 82 is adjusted in flow rate by the bypass air control valve 65 and supplied to the combustor 83 from the bypass passage 64. In the combustor 83, exhaust gas containing unreacted components and exhaust air containing unreacted oxygen are burned, and unreacted fuel is burned to generate high-temperature combustion gas.
[0128]
The gas turbine 84 is operated by the generated combustion gas (exhaust gas), and the exhaust gas of the gas turbine 84 is recovered by the exhaust heat recovery boiler 6 to generate steam. The generated steam is sent to the steam turbine 7 to recover power, and the exhaust steam of the steam turbine 7 is condensed by the condenser 8 and supplied to the exhaust heat recovery boiler 6 by the water supply pump 9.
[0129]
In the fuel cell-gas turbine power generation equipment having the above-described configuration, a part of the compressed air compressed by the compressor 82 is adjusted in flow rate by the bypass air control valve 65 and supplied to the combustor 83 from the bypass passage 64, so that the combustor The amount of air supplied to the gas turbine 83 is increased, and the output of the gas turbine 84 can be improved. The non-cooled gas turbine 84 having no blade cooling structure or the like can maintain the combustion temperature at a temperature suitable for the inlet temperature of the gas turbine 84 (for example, 850 ° C. to 900 ° C.). Since the compressed air heated by the high-temperature heat exchanger 62 is supplied to the SOFC 1, the temperature of the air supplied to the SOFC 1 can be reduced.
[0130]
Therefore, by applying the SOFC 1, it becomes possible to provide a fuel cell-gas turbine power generation facility and a combined power generation facility that make full use of the function of the gas turbine 84.
[0131]
Fifth embodiment example
[0132]
FIG. 8 shows a schematic system of a combined power generation facility including a fuel cell-gas turbine power generation facility according to a fifth embodiment of the present invention. The same members as those shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. The fuel cell-gas turbine power generation equipment of the fifth embodiment has a configuration in which the compressor and the gas turbine are set to a high pressure ratio and the low-temperature heat exchanger 61 is not provided. That is, the compressor and the gas turbine are set to have a high pressure ratio, and the heat exchanger for exchanging heat between the compressed air of the compressor and the exhaust of the gas turbine is set to be unnecessary.
[0133]
As shown in the figure, the fuel cell-gas turbine power generation equipment includes a solid electrolyte fuel cell (SOFC) 31 as a fuel cell and a gas turbine equipment 81. The gas turbine equipment 81 includes a compressor 82, a combustor 83, a gas turbine 84, and a power generator 85. Exhaust gas from the gas turbine 84 is recovered by the exhaust heat recovery boiler 6 and released from the chimney 21 to the atmosphere.
[0134]
The SOFC 31 generates power by causing a cell reaction between air (oxygen) and the fuel f via an electrolyte. Reference numeral 20 in the drawing denotes an orthogonal transformer for converting DC power obtained by the SOFC 31 into AC.
[0135]
The exhaust heat recovery boiler 6 generates steam by the exhaust heat of the exhaust gas, and the generated steam is sent to the steam turbine 7 where the power is recovered. Exhaust steam from the steam turbine 7 is condensed by a condenser 8 as condensing means, and the condensed water is supplied to the exhaust heat recovery boiler 6 by a water supply pump 9 as water supplying means (combined power generation equipment).
[0136]
As for the air supplied to the SOFC 31, compressed air compressed by the compressor 82 is supplied from the air supply pipe 12 to the SOFC 31, and is heated by the air heating pipe 45 provided inside the SOFC 31 to be reaction air. The air heating pipe 45 is designed so that the outlet temperature of the compressor 82 becomes the required temperature at the inlet of the air heating pipe 45.
[0137]
With such a device design, it is not necessary to install a high-temperature heat exchanger on the inlet side of the SOFC 31, and the system configuration can be simplified.
[0138]
A bypass path 64 is provided for joining a part of the compressed air compressed by the compressor 82 to the exhaust air at the inlet side of the combustor 83, and a bypass air control valve 65 is provided in the bypass path 64. That is, a part of the compressed air compressed by the compressor 82 is supplied to the combustor 83 with the flow rate adjusted by the bypass air control valve 65.
[0139]
By supplying a part of the compressed air compressed by the compressor 82 to the combustor 83, the amount of air supplied to the combustor 83 increases, and the output of the gas turbine 84 can be improved. The non-cooled gas turbine 84 having no blade cooling structure or the like can maintain the combustion temperature at a temperature suitable for the inlet temperature of the gas turbine 84 (for example, 850 ° C. to 900 ° C.).
[0140]
In the combined power generation facility including the gas turbine power generation facility having the above-described configuration, the fuel f is supplied from the fuel supply pipe 14 to the SOFC 31, and the high-pressure and high-temperature air compressed by the compressor 82 is transmitted from the air supply pipe 12 to the SOFC 31 Supplied. In the SOFC 31, after the supply air is heated by the air heating pipe 45, power is generated by a cell reaction of oxygen and fuel f in the air.
[0141]
The exhaust gas containing the unreacted components is supplied to the combustor 83 via the exhaust gas discharge pipe 15. The exhaust air containing unreacted oxygen is supplied to the combustor 83.
[0142]
A part of the compressed air compressed by the compressor 82 is adjusted in flow rate by the bypass air control valve 65 and supplied to the combustor 83 from the bypass passage 64. In the combustor 83, exhaust gas containing unreacted components and exhaust air containing unreacted oxygen are burned, and unreacted fuel is burned to generate high-temperature combustion gas.
[0143]
The gas turbine 84 is operated by the generated combustion gas (exhaust gas), and the exhaust gas of the gas turbine 84 is recovered by the exhaust heat recovery boiler 6 to generate steam. The generated steam is sent to the steam turbine 7 to recover power, and the exhaust steam of the steam turbine 7 is condensed by the condenser 8 and supplied to the exhaust heat recovery boiler 6 by the water supply pump 9.
[0144]
In the fuel cell-gas turbine power generation equipment having the above-described configuration, a part of the compressed air compressed by the compressor 82 is adjusted in flow rate by the bypass air control valve 65 and supplied to the combustor 10 from the bypass passage 64. The amount of air supplied to the gas turbine 83 can be increased, and the output of the gas turbine 84 can be improved. The non-cooled gas turbine 84 having no blade cooling structure or the like can maintain the combustion temperature at a temperature suitable for the inlet temperature of the gas turbine 84 (for example, 850 ° C. to 900 ° C.).
[0145]
The SOFC 31 is provided with an air heating pipe 45, and high pressure and high temperature compressed air required for the inlet temperature of the air heating pipe 45 is supplied from the compressor 82, so that no special heat exchanger or other equipment is required. And the system configuration can be simplified.
[0146]
Therefore, by applying the SOFC 31, a fuel cell-gas turbine power generation facility and a combined power generation facility that make full use of the function of the gas turbine 84 can be provided.
[0147]
【The invention's effect】
The fuel cell-gas turbine power generation equipment of the present invention is:
A compressor for compressing air,
A fuel cell in which compressed air compressed by the compressor is supplied and oxygen and fuel in the supplied compressed air are subjected to a cell reaction via an electrolyte to generate power, and
A combustor for burning exhaust air and exhaust gas from the fuel cell,
A gas turbine in which combustion gas from the combustor is expanded;
A bypass for supplying a part of the compressed air compressed by the compressor to the combustor;
With
It is possible to improve the output of the gas turbine by increasing the amount of air supplied to the combustor, and to appropriately adjust the inlet temperature of the gas turbine.
[0148]
As a result, it is possible to provide a fuel cell-gas turbine power generation facility that can operate the fuel cell and the gas turbine with maximum efficiency.
[0149]
And in the fuel cell-gas turbine power generation equipment according to claim 1,
Since the temperature of the compressed air supplied to the fuel cell is increased by being preheated by the reaction heat of the fuel cell, the compressed air can be brought to a predetermined operating temperature.
[0150]
Further, in the fuel cell-gas turbine power generation equipment according to claim 1 or claim 2,
Since a part of the exhaust air from the fuel cell is mixed with the compressed air supplied to the fuel cell and the temperature thereof is raised, the compressed air can be brought to a predetermined operating temperature.
[0151]
Further, in the fuel cell-gas turbine power generation equipment according to any one of claims 1 to 3,
A heat exchanger that heats the compressed air by exchanging heat between the compressed air from the compressor and the exhaust gas of the gas turbine is provided. Can be temperature.
[0152]
Further, in the fuel cell-gas turbine power generation equipment according to any one of claims 1 to 3,
Since the compression ratio of the compressor and the expansion ratio of the gas turbine are set to a high pressure ratio that eliminates the need for a heat exchanger that exchanges heat between compressed air and exhaust gas,
High-pressure and high-temperature compressed air can be obtained, and the compressed air can be brought to a predetermined operating temperature without providing equipment such as a heat exchanger.
[0153]
Further, in the fuel cell-gas turbine power generation equipment according to any one of claims 1 to 5,
The fuel cell is a solid oxide fuel cell,
Solid electrolyte fuel cells are
A fuel chamber provided inside the upper part of the container,
An exhaust gas chamber provided at a lower portion of the fuel chamber and separated by a fuel chamber tube sheet;
A battery chamber provided at a lower part of the exhaust gas chamber and separated by an exhaust gas chamber tube sheet;
An exhaust air chamber provided at a lower portion of the battery chamber and partitioned by an exhaust air chamber tube sheet;
An air chamber provided below the exhaust air chamber and partitioned by an air chamber tube sheet;
A fuel inner pipe whose both ends are open and whose upper end is open to the fuel chamber and whose lower end is arranged in the battery chamber,
A porous fuel outer pipe in which the lower end is closed and the upper end is opened to be disposed outside the fuel inner pipe, the lower part covers the opening of the fuel inner pipe, and the upper end is disposed to be open to the exhaust gas chamber,
A large number of exhaust air exhaust holes provided in the exhaust air chamber tube sheet,
An air heating tube whose both ends are open and whose upper end is arranged above the battery chamber and whose lower end is open to the air chamber;
A battery disposed on the outer periphery of the fuel outer tube.
When fuel is supplied to the fuel chamber, fuel is sent from the lower end to the fuel outer pipe through the fuel inner pipe, and air is supplied to the air chamber. Sent,
Fuel passing through the wall of the porous fuel outer tube and oxygen in the air undergo a battery reaction via the electrolyte to generate power,
Exhaust gas containing unburned fuel in the fuel outer tube flows through the fuel outer tube and is sent to the exhaust gas chamber, and exhaust air of the battery chamber is sent to the exhaust air chamber through the exhaust air exhaust hole,
Since the air flowing through the air heating pipe is heated by the reaction heat of power generation,
The temperature of the air at the inlet of the fuel cell can be reduced, and the required amount of air can be reduced.
[0154]
Further, in the fuel cell-gas turbine power generation equipment according to claim 6,
Solid electrolyte fuel cells are
A battery is provided on the outer wall of the fuel outer tube,
The fuel electrode becomes a reforming catalyst for reforming the fuel,
Since part of the heat of the power generation is recovered by the heat absorption by the fuel reforming reaction and the air flowing through the air heating tube is heated with the remainder of the heat of the power generation to collect and remove all the heat of the power generation,
Even when a low-temperature fuel is supplied, the fuel can be heated by absorbing the reaction heat of the cell.
[0155]
A combined cycle power plant of the present invention performs heat recovery of exhaust gas of a gas turbine of a fuel cell-gas turbine power plant and a fuel cell-gas turbine power plant of any one of claims 1 to 7. Heat recovery boiler that generates steam by steam, a steam turbine that is operated by the steam generated by the heat recovery steam generator, condensing means for condensing the exhaust gas of the steam turbine, and condensed heat from the condensing means Water supply means for supplying water to the boiler,
It is possible to provide a combined power generation facility combining a fuel cell-gas turbine power generation facility and a steam turbine facility that can operate the fuel cell and the gas turbine with maximum efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic system diagram of a combined power generation facility including a fuel cell-gas turbine power generation facility according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic system diagram of a combined power generation facility including a fuel cell-gas turbine power generation facility according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view illustrating a schematic configuration of an SOFC 31 applied to a gas turbine facility of the combined cycle power generation facility.
FIG. 4 is a schematic sectional view of an SOFC 31 applied to a gas turbine facility of a combined cycle facility.
FIG. 5 is a sectional view showing details of a battery tube.
FIG. 6 is a schematic system diagram of a combined power generation facility including a fuel cell-gas turbine power generation facility according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic system diagram of a combined power generation facility including a fuel cell-gas turbine power generation facility according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic system diagram of a combined power generation facility including a fuel cell-gas turbine power generation facility according to a fifth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1,31 solid electrolyte fuel cell (SOFC)
2,81 gas turbine equipment
3,82 compressor
4,84 gas turbine
5,85 generator
6 Waste heat recovery boiler
7 Steam turbine
8 cm condenser
9 Water pump
10,83 combustor
11 air heater
12 air supply pipe
14 fuel supply pipe
15 exhaust gas exhaust pipe
17 air discharge pipe
20 ° orthogonal transformer
21 chimney
32 container (casing)
33 fuel chamber tube sheet
34 exhaust gas tube plate
35 ° exhaust air chamber tube sheet
35a Exhaust air exhaust hole
36 air chamber tube sheet
37 fuel room
38 exhaust gas chamber
39 Battery room
40 exhaust air chamber
41 air chamber
42 battery tube
43 fuel outer tube
44 fuel inner tube
45 ° air heating tube
46mm aperture
51 Recirculation pipe
52 ejector
53 battery
55 fuel electrode
56 electrolyte
57 ° air electrode
59 catalyst
61 low temperature heat exchanger
62 high temperature heat exchanger
63mm desulfurizer
64 bypass
65 ° bypass air control valve
71 ° flow control valve
80 supply path

Claims (8)

空気を圧縮する圧縮機と、
圧縮機で圧縮された圧縮空気が供給され供給された圧縮空気中の酸素と燃料とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池と、
燃料電池からの排空気及び排ガスを燃焼する燃焼器と、
燃焼器からの燃焼ガスが膨張されるガスタービンと、
圧縮機で圧縮された圧縮空気の一部を燃焼器に供給するバイパス路と
を備えたことを特徴とする燃料電池−ガスタービン発電設備。
A compressor for compressing air,
A fuel cell in which compressed air compressed by a compressor is supplied and oxygen and fuel in the supplied compressed air are caused to undergo a cell reaction via an electrolyte to generate power, and
A combustor for burning exhaust air and exhaust gas from the fuel cell,
A gas turbine in which combustion gas from the combustor is expanded;
A fuel cell-gas turbine power generation facility, comprising: a bypass for supplying a part of the compressed air compressed by the compressor to the combustor.
請求項1に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
燃料電池に供給される圧縮空気は、燃料電池の反応熱により予熱されることで昇温されることを特徴とする燃料電池−ガスタービン発電設備。
The fuel cell-gas turbine power generation facility according to claim 1,
A fuel cell-gas turbine power generation facility wherein the temperature of compressed air supplied to the fuel cell is raised by being preheated by reaction heat of the fuel cell.
請求項1もしくは請求項2に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
燃料電池に供給される圧縮空気には、燃料電池からの排空気の一部が混合されて昇温されることを特徴とする燃料電池−ガスタービン発電設備。
In the fuel cell-gas turbine power generation facility according to claim 1 or 2,
A fuel cell-gas turbine power generation facility characterized in that a part of the exhaust air from the fuel cell is mixed with the compressed air supplied to the fuel cell to increase the temperature.
請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
圧縮機からの圧縮空気とガスタービンの排気ガスとの間で熱交換を行なって圧縮空気の加熱を行う熱交換器を備えたことを特徴とする燃料電池−ガスタービン発電設備。
The fuel cell-gas turbine power generation facility according to any one of claims 1 to 3,
A fuel cell-gas turbine power generation facility comprising: a heat exchanger that heats compressed air by performing heat exchange between compressed air from a compressor and exhaust gas of a gas turbine.
請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
圧縮機の圧縮比及びガスタービンの膨張比は、圧縮空気と排気ガスの間で熱交換を行なう熱交換器が不要となる圧力比に設定されていることを特徴とする燃料電池−ガスタービン発電設備。
The fuel cell-gas turbine power generation facility according to any one of claims 1 to 3,
Fuel cell-gas turbine power generation wherein the compression ratio of the compressor and the expansion ratio of the gas turbine are set to a pressure ratio that eliminates the need for a heat exchanger for exchanging heat between compressed air and exhaust gas. Facility.
請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
燃料電池は固体電解質燃料電池であり、
固体電解質燃料電池は、
容器上部の内部に設けられる燃料室と、
燃料室の下部に設けられ燃料室管板により仕切られる排ガス室と、
排ガス室の下部に設けられ排ガス室管板により仕切られる電池室と、
電池室の下部に排空気室管板により仕切られて設けられる排空気室と、
排空気室の下部に設けられ空気室管板により仕切られる空気室と、
両端が開放され上端部が燃料室に開口して配されると共に下端部が電池室に配される燃料内管と、
下端が閉じられると共に上端が開放されて燃料内管の外側に配され下部が燃料内管の開口を覆うと共に上端部が排ガス室に開口して配される多孔質状の燃料外管と、
排空気室管板に設けられる多数の排空気排出孔と、
両端が開放され上端部が電池室の上方に配され下端部が空気室に開口する空気加熱管と、
燃料外管の外周に配される電池とを備え
燃料室に燃料が供給されることにより燃料内管を通って下端部から燃料外管に燃料が送られると共に空気室に空気が供給されることにより空気加熱管を流通して電池室に空気が送られ、
多孔質状の燃料外管の壁部を通過した燃料と空気中の酸素とが電解質を介して電池反応されて発電され、
燃料外管内の未燃燃料を含む排ガスが燃料外管を流通して排ガス室に送られると共に電池室の排空気が排空気排出孔を通過して排空気室に送られ、
空気加熱管を流通する空気が発電の反応熱により加熱される
ことを特徴とする
燃料電池−ガスタービン発電設備。
The fuel cell-gas turbine power generation facility according to any one of claims 1 to 5,
The fuel cell is a solid oxide fuel cell,
Solid electrolyte fuel cells are
A fuel chamber provided inside the upper part of the container,
An exhaust gas chamber provided at a lower portion of the fuel chamber and separated by a fuel chamber tube sheet;
A battery chamber provided at a lower portion of the exhaust gas chamber and separated by an exhaust gas tube tube;
An exhaust air chamber provided at a lower portion of the battery chamber and partitioned by an exhaust air chamber tube sheet;
An air chamber provided below the exhaust air chamber and partitioned by an air chamber tube sheet;
A fuel inner pipe whose both ends are open and whose upper end is open to the fuel chamber and whose lower end is arranged in the battery chamber,
A porous fuel outer pipe in which the lower end is closed and the upper end is opened to be disposed outside the fuel inner pipe, the lower part covers the opening of the fuel inner pipe, and the upper end is disposed to be open to the exhaust gas chamber,
A large number of exhaust air exhaust holes provided in the exhaust air chamber tube sheet,
An air heating tube whose both ends are open and whose upper end is arranged above the battery chamber and whose lower end is open to the air chamber;
The fuel is supplied to the fuel chamber by supplying the fuel to the fuel chamber from the lower end to the fuel outer pipe through the fuel inner pipe and the air is supplied to the air chamber. Circulates through the air heating tube to send air to the battery compartment,
Fuel passing through the wall of the porous fuel outer tube and oxygen in the air undergo a battery reaction via the electrolyte to generate power,
Exhaust gas containing unburned fuel in the fuel outer tube flows through the fuel outer tube and is sent to the exhaust gas chamber, and exhaust air of the battery chamber is sent to the exhaust air chamber through the exhaust air exhaust hole,
A fuel cell-gas turbine power generation facility wherein air flowing through an air heating pipe is heated by reaction heat of power generation.
請求項6に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
固体電解質燃料電池は、
燃料外管の外壁には電池が設けられ、
燃料極が燃料を改質する改質触媒となり、
燃料改質反応による吸熱により発電の反応熱の一部を回収すると共に発電の反応熱の残りで空気加熱管を流通する空気を加熱して発電の反応熱を全て回収除去することを特徴とする
燃料電池−ガスタービン発電設備。
The fuel cell-gas turbine power generation facility according to claim 6,
Solid electrolyte fuel cells are
A battery is provided on the outer wall of the fuel outer tube,
The fuel electrode becomes a reforming catalyst for reforming the fuel,
It is characterized by recovering a part of the reaction heat of power generation by heat absorption by the fuel reforming reaction and recovering and removing all the reaction heat of power generation by heating the air flowing through the air heating tube with the remainder of the reaction heat of power generation. Fuel cell-gas turbine power generation equipment.
請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備と、燃料電池−ガスタービン発電設備のガスタービンの排気ガスの熱回収を行って蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで発生した蒸気により作動する蒸気タービンと、蒸気タービンの排気を復水する復水手段と、復水手段からの復水を排熱回収ボイラに給水する給水手段とを備えたことを特徴とする複合発電設備。A fuel cell-gas turbine power generation facility according to any one of claims 1 to 7, and heat recovery of exhaust gas of a gas turbine of the fuel cell-gas turbine power generation facility to generate steam to generate steam. A boiler, a steam turbine operated by steam generated in the heat recovery steam generator, water condensing means for condensing exhaust gas from the steam turbine, and water supply means for supplying condensate from the water condensing means to the heat recovery steam generator. A combined power generation facility characterized by comprising:
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