JP2004176685A - 燃料電池とガスタービンのコンバインド発電設備とその起動停止方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスタービン発電機の圧力変動、失速、オーバースピード等、及び、ＦＣ系統側への過大な差圧や圧力変動を与えることなく、ガスタービン発電機の起動・停止、ＦＣ系統からのＧＴ系統のタービンへのガス供給、ＧＴ燃焼器の消火・着火等を行うことができる燃料電池とガスタービンのコンバインド発電設備とその起動停止方法を提供する。
【解決手段】空気供給ライン２４、カソード排ガスライン２６と、カソード排ガスライン遮断弁２６ａ、及び系統間差圧計２６ｂを備え、系統間差圧計２６ｂによる検出差圧が所定の圧力以下の場合に、カソード排ガスライン遮断弁２６ａを開く。また、燃焼器の燃焼中は燃料流量制御で回転速度を制御し、燃焼器の消火前に発電機出力制御に切替え回転速度を一定に保持する。
【選択図】 図２
【解決手段】空気供給ライン２４、カソード排ガスライン２６と、カソード排ガスライン遮断弁２６ａ、及び系統間差圧計２６ｂを備え、系統間差圧計２６ｂによる検出差圧が所定の圧力以下の場合に、カソード排ガスライン遮断弁２６ａを開く。また、燃焼器の燃焼中は燃料流量制御で回転速度を制御し、燃焼器の消火前に発電機出力制御に切替え回転速度を一定に保持する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池とガスタービンのコンバインド発電設備とその起動停止方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池とガスタービンのコンバインド発電設備は、例えば、［特許文献１］に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６１−３９４５９号公報
【０００４】
溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率かつ環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行われている。
【０００５】
図５は、例えば天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池発電設備の一例を示す構成図である。この図において溶融炭酸塩型燃料電池発電設備は、改質器１０、燃料電池１１、ターボチャージャー１２、排熱回収熱交換器１５等を備え、天然ガス等の燃料１を燃料予熱器１３で予熱して改質器１０の改質室Ｒｅｆに供給し、ここで燃料１を水素を含むアノードガス２に改質する。
燃料電池１１では、アノードガス２と酸素を含むカソードガス３とから電気化学的に発電する。燃料電池１１を出たアノード排ガス４とカソード排ガス７の一部７ａは、燃焼器１７に供給されて燃焼して高温の燃焼排ガス５を発生する。この燃焼排ガス５は、改質器１０の燃焼室に供給され、ここで改質反応に必要な熱を改質室Ｒｅｆに供給する。
【０００６】
改質器１０を出た燃焼排ガス５は、ＣＯ２ブロア１６（以下、カソードブロアと呼ぶ）でカソード入口側にリサイクルされ、ターボチャージャー１２から供給される加圧空気６と合流し、カソードガス３となって燃料電池１１のカソード側に供給される。反応後のカソード排ガス７の一部７ｂは、カソードリサイクルライン１８を介してカソードブロア１６の吸引側にリサイクルされ、残り７ｃはターボチャージャー用の燃焼器１４に供給される。燃焼器１４は、起動時や部分負荷時に用いられ、天然ガスをカソード排ガスで燃焼し燃焼排ガスでターボチャージャーを駆動する。
【０００７】
ターボチャージャー１２は、カソード排ガス７ｃ及び燃焼器１４で発生した燃焼排ガスでタービンＴを駆動して圧縮機Ｃで空気を圧縮し、この加圧空気６は前述の燃料電池１１のカソード側上流に供給される。タービンＴを出た排ガスは、排熱回収熱交換器１５に供給され、ここで水蒸気を発生させたのち系外に放出される。発生した水蒸気８は燃料１に混合され改質器１０における改質反応に用いられる。
なお、図５において、１８ａはカソードリサイクルライン１８の流量を制御するための高温流量調節弁、１２ａはタービンＴをバイパスしてガスを流すための流量調節弁である。その他の流量調節弁の説明は省略する。
【０００８】
上述した燃料電池発電設備において、燃料電池１１（溶融炭酸塩型燃料電池、以下単にＭＣＦＣという）はアノード側とカソード側とからなり、次のような電極反応が行われる。
アノード反応（負極反応）Ｈ２＋ＣＯ３ ２−→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ．．（１）
カソード反応（正極反応）ＣＯ２＋１／２Ｏ２＋２ｅ→ＣＯ３ ２−．．（２）
【０００９】
すなわちアノード側では、（１）式により水素ガスとＣＯ３ ２−とから水と炭酸ガスと電荷が生成され、カソード側では、（２）式により炭酸ガスと酸素と電荷とからＣＯ３ ２−が生成される。（１）式右辺はアノードから排出されるアノード排ガス４の成分を表しており、炭酸ガスが含まれている。また（２）式左辺はカソードに供給されるカソードガスの成分を表しており、同じく炭酸ガスが含まれている。このため上述したカソードブロア１６により、改質器で発生したＣＯ２ガスを燃料電池のカソード側に供給してカソード反応に利用するようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＣＦＣは、運転温度が６００〜７００℃と高いため排ガスが高温となり、この高温ガスのエネルギーを回収するためにタービンへ供給している。タービン動力はＭＣＦＣの反応に必要な空気を供給するためのコンプレッサー動力に変えられる。
しかし、上述の例では、高温ガスのエネルギー回収のためにターボチャージャーを用いているため、単独起動ができず、起動時は別途設置する空気コンプレッサーまたは起動用の空気貯槽等が必要であった。また、ターボチャージャーは発電機を備えないため余剰エネルギーが発生する場合でも、発電して発電効率を向上させることができなかった。
【００１１】
そこで、高温ガスのエネルギー回収のためにターボチャージャーに代えてガスタービン発電機（例えば、「マイクロガスタービン」又は「μＧＴ」）を用いることが検討されている。かかるガスタービン発電機は、単独起動ができるため、ターボチャージャーを用いる場合に比較して、起動用の余分な設備が不要となり、かつ発電により発電効率を向上させることができるメリットがある。
【００１２】
しかし、燃料電池とガスタービン発電機を組合わせたコンバインド発電設備の場合、以下の問題点があった。
（１）ガスタービン発電機の起動、停止時間は短時間（数分間）であり、急激に圧力と流量が変動するので、起動、停止時には、圧力変動に弱い燃料電池やこれに関連する機器（ＦＣ系統）とガスタービン発電機を弁等で切り離しておく必要がある。
【００１３】
（２）燃料電池等（ＦＣ系統）とガスタービン発電機（ＧＴ系統）とを組合わせたコンバインド発電設備の起動では、まず、ガスタービン発電機を単独で起動し、次いで、ガスタービン発電機の吐出空気の一部を空気供給弁を介してＦＣ系統へ供給してＦＣ系統を昇圧する。次に、ＦＣ系統の圧力をＦＣ系統下流の圧力調節弁で昇圧速度を制御しながら徐々に昇圧し、ＦＣ系統とＧＴ系統の圧力をそれぞれの系統内に設けられた２つの圧力計（最大圧力１ＭＰａ、計測誤差０．０５ＭＰａ程度）で監視し、ＦＣ系統とＧＴ系統の圧力が同一になった時点で、ＦＣとＧＴの系統間の調節弁を開け、ＦＣ系統からのＧＴ系統のタービンにガス供給する。
しかし、ＦＣとＧＴの系統間の調節弁を開けた際に、調節弁の前後差圧が配管の圧損や圧力計の計測誤差により、最大０．１ＭＰａ程度となる可能性があり、圧力の状態によってはＦＣ側から急激に大量のガスが流入し、ＧＴ運転の外乱になり、圧力変動、失速、オーバースピード等の問題を引き起こすおそれがあった。また逆に、ＦＣ系統側の圧力が低い場合にはＧＴ燃焼器からの高温ガスがＦＣ系統側に逆流し、許容極間差圧が小さい（例えば５ｋＰａ程度）燃料電池に過大な差圧が作用し、ダメージを与えるおそれがあった。
【００１４】
（３）また、燃料電池等（ＦＣ系統）とガスタービン発電機（ＧＴ系統）とを組合わせたコンバインド発電設備では、発電効率が最大となるポイントは、燃料電池が定格運転時であり、かつガスタービン発電機はＦＣ系統からの排ガスのみで運転する状態である。このとき、ＧＴ用燃焼器は消火した状態にある。
そのため、コンバインド発電設備の起動過程においては、ガスタービン発電機の単独での起動、ＦＣ系統昇温用のガス供給、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）の熱源として、ＧＴ燃焼器で燃焼させ、その後、起動過程の負荷上昇時プラント定格負荷近傍でＧＴ燃焼器は最小燃料流量から消火させる。
しかし、ＧＴ燃焼器の最小燃料流量は、定格の１０％前後と比較的大きく、そのため、ＧＴ燃焼器の消火により、タービン入口エネルギーが急激に減少し、タービンの回転速度減少による圧力変動あるいは失速によるトリップのおそれがあった。またこのタービンの急激な圧力変動によりＦＣ系統に悪影響を及ぼすおそれもあった。
さらに、ＧＴ燃焼器は、コンバインド発電設備の負荷下降時には逆に点火する必要があり、この点火の際にも、タービン入口エネルギーの急激な増加により、タービンの回転速度増加による圧力変動とＦＣ系統への悪影響のおそれがあった。
【００１５】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、（１）ガスタービン発電機の起動又は停止を、圧力変動に弱い燃料電池やこれに関連する機器（ＦＣ系統）に影響を及ぼすことなく行うことができ、（２）ガスタービン発電機の圧力変動、失速、オーバースピード等のおそれ、及び、ＦＣ系統側に過大な差圧が作用せず、燃料電池にダメージを与えるおそれがなく、ＦＣとＧＴの系統間の調節弁を開いてＦＣ系統からのＧＴ系統のタービンにガス供給することができ、（３）ＧＴ燃焼器の消火又は着火を、タービンの回転速度の変動がなくスムースに行うことができ、これにより、圧力変動に弱いＦＣ系統への影響を回避することができる、燃料電池とガスタービンのコンバインド発電設備とその起動停止方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）を有する燃料電池モジュール（２０）と、圧縮機、燃焼器、タービン及び発電機を有するガスタービン発電機（２２）と、該ガスタービン発電機から圧縮空気を前記燃料電池モジュールに供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池モジュールからガスタービン発電機にカソード排ガス（７）を供給するカソード排ガスライン（２６）と、該カソード排ガスラインを開閉可能なカソード排ガスライン遮断弁（２６ａ）と、該カソード排ガスライン遮断弁の前後差圧を検出する系統間差圧計（２６ｂ）とを備える、ことを特徴とする燃料電池とガスタービンのコンバインド発電設備が提供される。
【００１７】
また本発明によれば、ガスタービン発電機（２２）から圧縮空気を燃料電池モジュール（２０）に供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池モジュールからガスタービン発電機にカソード排ガス（７）を供給するカソード排ガスライン（２６）と、該カソード排ガスラインを開閉可能なカソード排ガスライン遮断弁（２６ａ）と、該カソード排ガスライン遮断弁の前後差圧を検出する系統間差圧計（２６ｂ）とを備え、系統間差圧計（２６ｂ）による検出差圧が所定の圧力以下の場合に、前記カソード排ガスライン遮断弁（２６ａ）を開く、ことを特徴とする燃料電池とガスタービンのコンバインド発電設備の起動停止方法が提供される。
【００１８】
上記本発明の装置及び方法によれば、カソード排ガスライン遮断弁（２６ａ）の前後差圧を検出する系統間差圧計（２６ｂ）を備えるので、配管の圧損の影響を受けず、かつＦＣ系統とＧＴ系統の運転圧力が高い（例えば０．４ＭＰａ程度）であっても、その差圧を高精度（例えば±０．５ｋＰａ以下）に検出することができる。
また、この系統間差圧計（２６ｂ）による検出差圧が所定の圧力以下（例えば１ｋＰａ以下）の場合に、カソード排ガスライン遮断弁（２６ａ）を開くので、ＦＣとＧＴの系統間の調節弁を開けた際でも、前後の差圧が非常に小さいので、急激なガス流入および逆流が防止でき、ＦＣとＧＴともに安定運転が行える。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態によれば、燃料電池モジュール（２０）内のガスを排気する燃料電池ガス排気ライン（２９）と、該燃料電池ガス排気ラインに設けられＦＣ系統の圧力を調節するＦＣ系統圧力調節弁（２９ａ）とを更に備える。また、燃料電池モジュール（２０）内のガスを排気する燃料電池ガス排気ライン（２９）に設けられＦＣ系統の圧力を調節するＦＣ系統圧力調節弁（２９ａ）を備え、該ＦＣ系統圧力調節弁により前記系統間差圧計（２６ｂ）の上流側圧力を調節する。
【００２０】
かかる装置及び方法によれば、ＦＣ系統圧力調節弁（２９ａ）の開度により、ＦＣ系統の圧力を調節し、系統間差圧計（２６ｂ）の上流側圧力を精密に調節することができる。
【００２１】
また、前記ガスタービン発電機は、燃料流量で回転速度を制御する燃料流量制御と、発電機出力で回転速度を制御する発電機出力制御の両方が可能であり、前記燃焼器の燃焼中は燃料流量制御で回転速度を制御し、燃焼器の消火前に発電機出力制御に切替え回転速度を一定に保持する。
【００２２】
上記本発明の装置及び方法によれば、燃焼器の燃焼中は燃料流量制御で回転速度を制御して回転速度を一定に保持することができる。また、燃焼器の消火前に発電機出力制御に切替えるので、応答性の高い発電機出力（インバータ）で回転速度を制御し回転速度を一定に保持することができる。従ってこの切替時にタービン入口エネルギーの急変があっても、回転速度の変化がほとんどなく、タービンの圧力変動や失速によるトリップを防ぎ、ＦＣ系統への影響を回避することができる。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記燃焼器の消火中は発電機出力制御で回転速度を制御し、燃焼器の着火後に燃料流量制御に切替え回転速度を一定に保持する。
【００２４】
この方法により、燃焼器の着火時にも、タービンの回転速度の変動がなくスムースに行うことができ、これにより、圧力変動に弱いＦＣ系統への影響を回避することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２６】
図１は、本発明によるコンバインド発電設備の実施形態を示す図である。この図に示すように、本発明のコンバインド発電設備は、燃料電池モジュール２０、ガスタービン発電機２２、空気供給ライン２４、カソード排ガスライン２６、及びガスタービンのタービン排ガスライン２８を備える。
【００２７】
燃料電池モジュール２０は、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池１１と、燃料電池１１で反応後のアノード排ガス４とカソード排ガス７の一部７ａを混合する混合器１９と、混合した燃料ガスを燃焼させる触媒燃焼器１７と、触媒燃焼器１７の燃焼排ガス５を燃料電池１１のカソード入口側に循環させるリサイクルブロワ１６とを備える。
燃料電池１１はこの例では、溶融炭酸塩型燃料電池である。しかし、本発明はこれに限定されず、高温高圧下で作動するその他の形式の燃料電池でもよい。
触媒燃焼器１７には、燃焼触媒が充填されている。この燃焼触媒は、比較的低い温度（例えば４００℃前後）で自己着火でき、かつ燃料の流量範囲が非常に広くかつ低酸素濃度でも安定燃焼できる特性を有している。
なお、図１において、燃料電池モジュール２０は、その他に、改質器１０、燃料予熱器１３等を備えている。
【００２８】
ガスタービン発電機２２は、機械的に連結された圧縮機Ｃ、タービンＴ及び発電機Ｇと燃焼器２２ａを備える。燃焼器２２ａには、圧縮機Ｃで圧縮した圧縮空気と燃料が供給され、図示しない着火装置により着火して燃料を燃焼させることができる。また、発電機Ｇは、起動時に電動機として短時間用いることができる。従って、このガスタービン発電機２２は、発電機を電動機として用いて単独起動し、燃焼器で燃焼させて、単独で自立運転することができる。
【００２９】
本発明において、燃料流量で回転速度を制御する「燃料流量制御」と、発電機出力で回転速度を制御する「発電機出力制御」の両方が可能なガスタービン発電機が用いられる。
かかるガスタービン発電機として、例えば、「マイクロガスタービン」を用いることができる。
【００３０】
空気供給ライン２４は、ガスタービン発電機２２から圧縮空気を抽気し、燃料電池モジュール２０に供給する。この空気供給ライン２４は、燃料電池のカソードライン３に圧縮空気を供給する電池用空気供給ライン２４ａと、電池用触媒燃焼器１７に圧縮空気を供給する触媒用空気供給ライン２４ｂとからなる。それぞれのライン２４ａ，２４ｂには、カソード空気供給弁２５ａと加熱空気供給弁２５ｂが設けられ、それぞれ独立に流量調節することができる。
【００３１】
カソード排ガスライン２６は、燃料電池１１のカソード側とガスタービン発電機２２のタービン入口とを連通するラインであり、燃料電池モジュール２０からガスタービン発電機２２にカソード排ガス７の一部を供給する。このカソード排ガス７には、通常５〜１５％程度の酸素が含まれる。
【００３２】
本発明において、カソード排ガスライン２６を開閉可能なカソード排ガスライン遮断弁２６ａと、カソード排ガスライン遮断弁２６ａの前後差圧を検出する系統間差圧計２６ｂとを備える。カソード排ガスライン遮断弁２６ａは、応答性の高い電磁バタフライ弁が好ましいが、その他の形式の弁（例えば遠隔ゲート弁）であってもよい。系統間差圧計２６ｂは、ＦＣ系統及びＧＴ系統の最大圧力（最大０．１ＭＰａ程度）に耐える耐圧強度を有し、許容極間差圧に相当する微小差圧（例えば５ｋＰａ程度）を高精度（例えば±０．５ｋＰａ以下）で検出可能な差圧計を用いる。この系統間差圧計２６ｂには、例えば圧電変換式（ピエゾ式）又は歪検出式の差圧計を用いることができる。
【００３３】
ガスタービンのタービン排ガスライン２８は、排ガスから熱回収する排熱回収熱交換器１５に排ガスを供給する排熱回収ライン２８ａと、排熱回収熱交換器をバイパスするバイパスライン２８ｂとを有する。
【００３４】
排熱回収熱交換器１５は、ガスタービン発電機を出た燃焼排ガスから熱回収して水蒸気を発生させる。発生した水蒸気８は燃料１に混合され改質器１０における改質反応に用いられる。また、熱回収後の燃焼排ガスは、水回収熱交換器３３で冷却・凝縮され、水回収タンク３４で気液分離し、分離した排ガスは大気中に排気され、回収して水は水処理装置３５で水処理した、排熱回収熱交換器１５の給水として用いられる。
【００３５】
図１に示すように、バイパスライン２８ｂの途中には、起動用空気予熱器３０が設けられている。この起動用空気予熱器３０は、ガスガスの間接熱交換器であり、タービン排ガスライン２８を流れる高温の燃焼排ガスと触媒用空気供給ライン２４ｂを流れる抽気空気との間で熱交換し、抽気空気を予熱するようになっている。
更に、排熱回収ライン２８ａとバイパスライン２８ｂにはそれぞれの排ガス流量を調節する排熱回収弁３２ａとバイパス弁３２ｂが設けられている。
【００３６】
また、本発明では、燃料電池モジュール２０内のガスを排気する燃料電池ガス排気ライン２９と、燃料電池ガス排気ライン２９に設けられＦＣ系統の圧力を調節するＦＣ系統圧力調節弁２９ａとを備える。燃料電池ガス排気ライン２９は、この例では、改質器１０を出た燃焼排ガス５をタービン排ガスライン２８に導くラインであるが、本発明はこれに限定されず、燃料電池モジュール２０内のガスを排気できるラインであればよい。
【００３７】
図２は図１の模式図であり、特に起動停止時に関係する機器を示している。また、図３は、本発明による起動方法を示すフロー図である。以下、図２、図３を用い、本発明の起動停止方法を説明する。
【００３８】
図３において、ＦＣ系統が停止中（Ｓ０１）には、圧力は常温又は作動温度以下の低温であり、温度も常温又は作動温度以下の低温である。同様にＧＴ系統が停止中（Ｓ０２）には、吐出圧力と吐出流量は０である。また、この起動スタートの直前の停止状態では、カソード空気供給弁２５ａ、加熱空気供給弁２５ｂ、カソード排ガスライン遮断弁２６ａ、ＦＣ系統圧力調節弁２９ａはすべて閉じている。
【００３９】
また、図１において、排熱回収装置１５にタービン排ガスを供給する排熱回収弁３２ａを全閉にし、起動用空気予熱器３０にタービン排ガスを供給するバイパス弁３２ｂを全開にして、起動用空気予熱器３０にガスタービン発電機２２の排ガス全量を供給するように切り換えておく。
【００４０】
起動時に起動スタート（Ｓ１）の信号により、ガスタービンが単独起動し、自立運転を開始する（Ｓ２）。この際、ガスタービン発電機２２の発電機Ｇを電動機として圧縮機Ｃを回転駆動し、圧縮した空気を燃焼器２２ａに供給し、燃焼器２２ａに燃料を供給して着火し、その燃焼ガスによりタービンＴを回転駆動して自立運転するのがよい。このガスタービン発電機の起動は短時間（数分間）で完了し、急激に圧力と流量が上昇し、所定の回転速度に達する。
【００４１】
なおこの間、カソード空気供給弁２５ａ、加熱空気供給弁２５ｂ、カソード排ガスライン遮断弁２６ａ、ＦＣ系統圧力調節弁２９ａはすべて閉じているので、圧力変動に弱い燃料電池やこれに関連する機器（ＦＣ系統）は、ガスタービン発電機から切り離されており、影響を全く受けない。
【００４２】
次に、加熱空気供給弁２５ｂを開き、加圧空気をＦＣ系統に供給する（Ｓ３）。この加圧空気の供給（Ｓ３）により、起動したガスタービン発電機２２から圧縮空気を抽気し、ライン２４ｂを介して起動用空気予熱器３０で燃焼排ガスにより圧縮空気を予熱し、燃料電池モジュール２０の触媒燃焼器１７に供給し、燃料電池モジュール２０を昇圧・昇温する（Ｓ４）。また、同時にＦＣ系統圧力調節弁２９ａの開度により、ＦＣ系統の圧力を制御する（Ｓ４）。
【００４３】
並行して、ガスタービン発電機を燃焼器２２ａへの燃料流量でガスタービンの回転速度を制御する「燃料流量制御」に以降し、ガスタービン単独の発電を開始する（Ｓ５）。
【００４４】
次いで、ＦＣ系統の圧力が徐々に増加し、系統間差圧計２６ｂによる検出差圧が所定の圧力以下（例えば１ｋＰａ以下）になった時（Ｓ６）に、カソード排ガスライン遮断弁２６ａを開く（Ｓ７）。この弁の開放により、ＦＣ系統からカソード排ガスをガスタービンに導入することができる。また、カソード排ガスライン遮断弁２６ａの前後の差圧が非常に小さいので、急激なガス流入および逆流が防止でき、ＦＣとＧＴともに安定運転が行える。
【００４５】
次いで、ＦＣ系統昇温開始、触媒燃焼開始、改質器改質開始、ＦＣ系統昇温完了、触媒燃焼燃料停止、等のＦＣ系統の発電開始準備を行い（Ｓ８）、加熱空気供給弁２５ｂを閉じ、カソード空気供給弁２５ａを開く（Ｓ９）。改質器改質開始で燃料ガス１は既に供給されているので、このカソード空気供給弁２５ａから反応空気が供給されることにより、燃料電池の部分負荷発電が開始し（Ｓ１０）、ガスタービン発電とのコンバインド発電が開始する。次いで、燃料電池は出力要求に応じて定格負荷運転（Ｓ１１）に移行する。
【００４６】
部分負荷運転（Ｓ１０）から定格負荷運転（Ｓ１１）に移行する途中で、発電負荷が所定の出力に達すると（Ｓ１２）、ガスタービン発電（Ｓ５）を燃料流量制御から発電機出力制御に切替え、回転速度を一定に保持したまま燃焼器の燃焼を消火する（Ｓ１３）。これにより、ガスタービン発電は、燃焼器を使用しない発電（Ｓ１４）に移行し、燃料電池とガスタービンの定格コンバインド発電が開始される。
また、燃焼器の消火前に発電機出力制御に切替えるので、応答性の高い発電機出力（インバータ）で回転速度を制御し回転速度を一定に保持することができる。従ってこの切替時にタービン入口エネルギーの急変があっても、回転速度の変化がほとんどなく、タービンの圧力変動や失速によるトリップを防ぎ、ＦＣ系統への影響を回避することができる。
【００４７】
図４は、本発明による停止方法を示すフロー図である。このフロー図は、起動方法と同様であり、詳細な説明を省略する。この停止方法において、燃焼器の消火中は発電機出力制御で回転速度を制御し、燃焼器の着火後に燃料流量制御に切替え回転速度を一定に保持する（Ｓ２１）。従って、燃焼器の着火時にも、タービンの回転速度の変動がなくスムースに行うことができ、これにより、圧力変動に弱いＦＣ系統への影響を回避することができる。
【００４８】
上述した本発明の装置及び方法によれば、カソード排ガスライン遮断弁２６ａの前後差圧を検出する系統間差圧計２６ｂを備えるので、配管の圧損の影響を受けず、かつＦＣ系統とＧＴ系統の運転圧力が高い（例えば０．４ＭＰａ程度）であっても、その差圧を高精度（例えば±０．５ｋＰａ以下）に検出することができる。
また、この系統間差圧計２６ｂによる検出差圧が所定の圧力以下（例えば１ｋＰａ以下）の場合に、カソード排ガスライン遮断弁２６ａを開くので、ＦＣとＧＴの系統間の調節弁を開けた際でも、前後の差圧が非常に小さいので、急激なガス流入および逆流が防止でき、ＦＣとＧＴともに安定運転が行える。
【００４９】
また、ＦＣ系統圧力調節弁２９ａの開度により、ＦＣ系統の圧力を調節し、系統間差圧計２６ｂの上流側圧力を精密に調節することができる。
【００５０】
さらに、燃焼器の燃焼中は燃料流量制御で回転速度を制御して回転速度を一定の保持することができる。また、燃焼器の消火前に発電機出力制御に切替えるので、応答性の高い発電機出力（インバータ）で回転速度を制御し回転速度を一定に保持することができる。従ってこの切替時にタービン入口エネルギーの急変があっても、回転速度の変化がほとんどなく、タービンの圧力変動や失速によるトリップを防ぎ、ＦＣ系統への影響を回避することができる。
【００５１】
また、燃焼器の着火時にも、タービンの回転速度の変動がなくスムースに行うことができ、これにより、圧力変動に弱いＦＣ系統への影響を回避することができる。
【００５２】
なお本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００５３】
【発明の効果】
上述したように本発明の燃料電池とガスタービンのコンバインド発電設備とその起動停止方法は、（１）ガスタービン発電機の起動又は停止を、圧力変動に弱い燃料電池やこれに関連する機器（ＦＣ系統）に影響を及ぼすことなく行うことができ、（２）ガスタービン発電機の圧力変動、失速、オーバースピード等のおそれ、及び、ＦＣ系統側に過大な差圧が作用せず、燃料電池にダメージを与えるおそれがなく、ＦＣとＧＴの系統間の調節弁を開いてＦＣ系統からのＧＴ系統のタービンにガス供給することができ、（３）ＧＴ燃焼器の消火又は着火を、タービンの回転速度の変動がなくスムースに行うことができ、これにより、圧力変動に弱いＦＣ系統への影響を回避することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるコンバインド発電設備の実施形態を示す図である。
【図２】図１の模式図である。
【図３】本発明による起動方法を示すフロー図である。
【図４】本発明による停止方法を示すフロー図である。
【図５】従来の燃料電池発電設備の全体構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料、２ アノードガス、３ カソードガス、
４ アノード排ガス、５ 燃焼排ガス、６ 空気、
７，７ａ，７ｂ，７ｃ カソード排ガス、８ 水蒸気、
９ ＣＯ２濃縮ガス、１０ 改質器、１１ 燃料電池、
１２ ターボチャージャー、１２ａ 流量調節弁、
１３ 燃料予熱器、１４ ガスタービン用燃焼器、
１５ 排熱回収熱交換器、１６ リサイクルブロア、
１７ 触媒燃焼器、１８ カソードリサイクルライン、
１８ａ 高温流量調節弁、１９ 混合器、
２０ 燃料電池モジュール、２２ ガスタービン発電機、
２４ 空気供給ライン、２４ａ 電池用空気供給ライン、
２４ｂ 触媒用空気供給ライン、
２５ａ カソード空気供給弁、２５ｂ 加熱空気供給弁、
２６ カソード排ガスライン、２６ａ カソード排ガスライン遮断弁、
２６ｂ 系統間差圧計、２８ タービン排ガスライン、
２９ 燃料電池ガス排気ライン、２９ａ ＦＣ系統圧力調節弁、
３０ 起動用空気予熱器、
３２ａ 排熱回収弁、３２ｂ バイパス弁
３３ 水回収熱交換器、３４ 水回収タンク、
３５ 水処理装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池とガスタービンのコンバインド発電設備とその起動停止方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池とガスタービンのコンバインド発電設備は、例えば、［特許文献１］に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭６１−３９４５９号公報
【０００４】
溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率かつ環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行われている。
【０００５】
図５は、例えば天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池発電設備の一例を示す構成図である。この図において溶融炭酸塩型燃料電池発電設備は、改質器１０、燃料電池１１、ターボチャージャー１２、排熱回収熱交換器１５等を備え、天然ガス等の燃料１を燃料予熱器１３で予熱して改質器１０の改質室Ｒｅｆに供給し、ここで燃料１を水素を含むアノードガス２に改質する。
燃料電池１１では、アノードガス２と酸素を含むカソードガス３とから電気化学的に発電する。燃料電池１１を出たアノード排ガス４とカソード排ガス７の一部７ａは、燃焼器１７に供給されて燃焼して高温の燃焼排ガス５を発生する。この燃焼排ガス５は、改質器１０の燃焼室に供給され、ここで改質反応に必要な熱を改質室Ｒｅｆに供給する。
【０００６】
改質器１０を出た燃焼排ガス５は、ＣＯ２ブロア１６（以下、カソードブロアと呼ぶ）でカソード入口側にリサイクルされ、ターボチャージャー１２から供給される加圧空気６と合流し、カソードガス３となって燃料電池１１のカソード側に供給される。反応後のカソード排ガス７の一部７ｂは、カソードリサイクルライン１８を介してカソードブロア１６の吸引側にリサイクルされ、残り７ｃはターボチャージャー用の燃焼器１４に供給される。燃焼器１４は、起動時や部分負荷時に用いられ、天然ガスをカソード排ガスで燃焼し燃焼排ガスでターボチャージャーを駆動する。
【０００７】
ターボチャージャー１２は、カソード排ガス７ｃ及び燃焼器１４で発生した燃焼排ガスでタービンＴを駆動して圧縮機Ｃで空気を圧縮し、この加圧空気６は前述の燃料電池１１のカソード側上流に供給される。タービンＴを出た排ガスは、排熱回収熱交換器１５に供給され、ここで水蒸気を発生させたのち系外に放出される。発生した水蒸気８は燃料１に混合され改質器１０における改質反応に用いられる。
なお、図５において、１８ａはカソードリサイクルライン１８の流量を制御するための高温流量調節弁、１２ａはタービンＴをバイパスしてガスを流すための流量調節弁である。その他の流量調節弁の説明は省略する。
【０００８】
上述した燃料電池発電設備において、燃料電池１１（溶融炭酸塩型燃料電池、以下単にＭＣＦＣという）はアノード側とカソード側とからなり、次のような電極反応が行われる。
アノード反応（負極反応）Ｈ２＋ＣＯ３ ２−→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ．．（１）
カソード反応（正極反応）ＣＯ２＋１／２Ｏ２＋２ｅ→ＣＯ３ ２−．．（２）
【０００９】
すなわちアノード側では、（１）式により水素ガスとＣＯ３ ２−とから水と炭酸ガスと電荷が生成され、カソード側では、（２）式により炭酸ガスと酸素と電荷とからＣＯ３ ２−が生成される。（１）式右辺はアノードから排出されるアノード排ガス４の成分を表しており、炭酸ガスが含まれている。また（２）式左辺はカソードに供給されるカソードガスの成分を表しており、同じく炭酸ガスが含まれている。このため上述したカソードブロア１６により、改質器で発生したＣＯ２ガスを燃料電池のカソード側に供給してカソード反応に利用するようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＣＦＣは、運転温度が６００〜７００℃と高いため排ガスが高温となり、この高温ガスのエネルギーを回収するためにタービンへ供給している。タービン動力はＭＣＦＣの反応に必要な空気を供給するためのコンプレッサー動力に変えられる。
しかし、上述の例では、高温ガスのエネルギー回収のためにターボチャージャーを用いているため、単独起動ができず、起動時は別途設置する空気コンプレッサーまたは起動用の空気貯槽等が必要であった。また、ターボチャージャーは発電機を備えないため余剰エネルギーが発生する場合でも、発電して発電効率を向上させることができなかった。
【００１１】
そこで、高温ガスのエネルギー回収のためにターボチャージャーに代えてガスタービン発電機（例えば、「マイクロガスタービン」又は「μＧＴ」）を用いることが検討されている。かかるガスタービン発電機は、単独起動ができるため、ターボチャージャーを用いる場合に比較して、起動用の余分な設備が不要となり、かつ発電により発電効率を向上させることができるメリットがある。
【００１２】
しかし、燃料電池とガスタービン発電機を組合わせたコンバインド発電設備の場合、以下の問題点があった。
（１）ガスタービン発電機の起動、停止時間は短時間（数分間）であり、急激に圧力と流量が変動するので、起動、停止時には、圧力変動に弱い燃料電池やこれに関連する機器（ＦＣ系統）とガスタービン発電機を弁等で切り離しておく必要がある。
【００１３】
（２）燃料電池等（ＦＣ系統）とガスタービン発電機（ＧＴ系統）とを組合わせたコンバインド発電設備の起動では、まず、ガスタービン発電機を単独で起動し、次いで、ガスタービン発電機の吐出空気の一部を空気供給弁を介してＦＣ系統へ供給してＦＣ系統を昇圧する。次に、ＦＣ系統の圧力をＦＣ系統下流の圧力調節弁で昇圧速度を制御しながら徐々に昇圧し、ＦＣ系統とＧＴ系統の圧力をそれぞれの系統内に設けられた２つの圧力計（最大圧力１ＭＰａ、計測誤差０．０５ＭＰａ程度）で監視し、ＦＣ系統とＧＴ系統の圧力が同一になった時点で、ＦＣとＧＴの系統間の調節弁を開け、ＦＣ系統からのＧＴ系統のタービンにガス供給する。
しかし、ＦＣとＧＴの系統間の調節弁を開けた際に、調節弁の前後差圧が配管の圧損や圧力計の計測誤差により、最大０．１ＭＰａ程度となる可能性があり、圧力の状態によってはＦＣ側から急激に大量のガスが流入し、ＧＴ運転の外乱になり、圧力変動、失速、オーバースピード等の問題を引き起こすおそれがあった。また逆に、ＦＣ系統側の圧力が低い場合にはＧＴ燃焼器からの高温ガスがＦＣ系統側に逆流し、許容極間差圧が小さい（例えば５ｋＰａ程度）燃料電池に過大な差圧が作用し、ダメージを与えるおそれがあった。
【００１４】
（３）また、燃料電池等（ＦＣ系統）とガスタービン発電機（ＧＴ系統）とを組合わせたコンバインド発電設備では、発電効率が最大となるポイントは、燃料電池が定格運転時であり、かつガスタービン発電機はＦＣ系統からの排ガスのみで運転する状態である。このとき、ＧＴ用燃焼器は消火した状態にある。
そのため、コンバインド発電設備の起動過程においては、ガスタービン発電機の単独での起動、ＦＣ系統昇温用のガス供給、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）の熱源として、ＧＴ燃焼器で燃焼させ、その後、起動過程の負荷上昇時プラント定格負荷近傍でＧＴ燃焼器は最小燃料流量から消火させる。
しかし、ＧＴ燃焼器の最小燃料流量は、定格の１０％前後と比較的大きく、そのため、ＧＴ燃焼器の消火により、タービン入口エネルギーが急激に減少し、タービンの回転速度減少による圧力変動あるいは失速によるトリップのおそれがあった。またこのタービンの急激な圧力変動によりＦＣ系統に悪影響を及ぼすおそれもあった。
さらに、ＧＴ燃焼器は、コンバインド発電設備の負荷下降時には逆に点火する必要があり、この点火の際にも、タービン入口エネルギーの急激な増加により、タービンの回転速度増加による圧力変動とＦＣ系統への悪影響のおそれがあった。
【００１５】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、（１）ガスタービン発電機の起動又は停止を、圧力変動に弱い燃料電池やこれに関連する機器（ＦＣ系統）に影響を及ぼすことなく行うことができ、（２）ガスタービン発電機の圧力変動、失速、オーバースピード等のおそれ、及び、ＦＣ系統側に過大な差圧が作用せず、燃料電池にダメージを与えるおそれがなく、ＦＣとＧＴの系統間の調節弁を開いてＦＣ系統からのＧＴ系統のタービンにガス供給することができ、（３）ＧＴ燃焼器の消火又は着火を、タービンの回転速度の変動がなくスムースに行うことができ、これにより、圧力変動に弱いＦＣ系統への影響を回避することができる、燃料電池とガスタービンのコンバインド発電設備とその起動停止方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）を有する燃料電池モジュール（２０）と、圧縮機、燃焼器、タービン及び発電機を有するガスタービン発電機（２２）と、該ガスタービン発電機から圧縮空気を前記燃料電池モジュールに供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池モジュールからガスタービン発電機にカソード排ガス（７）を供給するカソード排ガスライン（２６）と、該カソード排ガスラインを開閉可能なカソード排ガスライン遮断弁（２６ａ）と、該カソード排ガスライン遮断弁の前後差圧を検出する系統間差圧計（２６ｂ）とを備える、ことを特徴とする燃料電池とガスタービンのコンバインド発電設備が提供される。
【００１７】
また本発明によれば、ガスタービン発電機（２２）から圧縮空気を燃料電池モジュール（２０）に供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池モジュールからガスタービン発電機にカソード排ガス（７）を供給するカソード排ガスライン（２６）と、該カソード排ガスラインを開閉可能なカソード排ガスライン遮断弁（２６ａ）と、該カソード排ガスライン遮断弁の前後差圧を検出する系統間差圧計（２６ｂ）とを備え、系統間差圧計（２６ｂ）による検出差圧が所定の圧力以下の場合に、前記カソード排ガスライン遮断弁（２６ａ）を開く、ことを特徴とする燃料電池とガスタービンのコンバインド発電設備の起動停止方法が提供される。
【００１８】
上記本発明の装置及び方法によれば、カソード排ガスライン遮断弁（２６ａ）の前後差圧を検出する系統間差圧計（２６ｂ）を備えるので、配管の圧損の影響を受けず、かつＦＣ系統とＧＴ系統の運転圧力が高い（例えば０．４ＭＰａ程度）であっても、その差圧を高精度（例えば±０．５ｋＰａ以下）に検出することができる。
また、この系統間差圧計（２６ｂ）による検出差圧が所定の圧力以下（例えば１ｋＰａ以下）の場合に、カソード排ガスライン遮断弁（２６ａ）を開くので、ＦＣとＧＴの系統間の調節弁を開けた際でも、前後の差圧が非常に小さいので、急激なガス流入および逆流が防止でき、ＦＣとＧＴともに安定運転が行える。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態によれば、燃料電池モジュール（２０）内のガスを排気する燃料電池ガス排気ライン（２９）と、該燃料電池ガス排気ラインに設けられＦＣ系統の圧力を調節するＦＣ系統圧力調節弁（２９ａ）とを更に備える。また、燃料電池モジュール（２０）内のガスを排気する燃料電池ガス排気ライン（２９）に設けられＦＣ系統の圧力を調節するＦＣ系統圧力調節弁（２９ａ）を備え、該ＦＣ系統圧力調節弁により前記系統間差圧計（２６ｂ）の上流側圧力を調節する。
【００２０】
かかる装置及び方法によれば、ＦＣ系統圧力調節弁（２９ａ）の開度により、ＦＣ系統の圧力を調節し、系統間差圧計（２６ｂ）の上流側圧力を精密に調節することができる。
【００２１】
また、前記ガスタービン発電機は、燃料流量で回転速度を制御する燃料流量制御と、発電機出力で回転速度を制御する発電機出力制御の両方が可能であり、前記燃焼器の燃焼中は燃料流量制御で回転速度を制御し、燃焼器の消火前に発電機出力制御に切替え回転速度を一定に保持する。
【００２２】
上記本発明の装置及び方法によれば、燃焼器の燃焼中は燃料流量制御で回転速度を制御して回転速度を一定に保持することができる。また、燃焼器の消火前に発電機出力制御に切替えるので、応答性の高い発電機出力（インバータ）で回転速度を制御し回転速度を一定に保持することができる。従ってこの切替時にタービン入口エネルギーの急変があっても、回転速度の変化がほとんどなく、タービンの圧力変動や失速によるトリップを防ぎ、ＦＣ系統への影響を回避することができる。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記燃焼器の消火中は発電機出力制御で回転速度を制御し、燃焼器の着火後に燃料流量制御に切替え回転速度を一定に保持する。
【００２４】
この方法により、燃焼器の着火時にも、タービンの回転速度の変動がなくスムースに行うことができ、これにより、圧力変動に弱いＦＣ系統への影響を回避することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２６】
図１は、本発明によるコンバインド発電設備の実施形態を示す図である。この図に示すように、本発明のコンバインド発電設備は、燃料電池モジュール２０、ガスタービン発電機２２、空気供給ライン２４、カソード排ガスライン２６、及びガスタービンのタービン排ガスライン２８を備える。
【００２７】
燃料電池モジュール２０は、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池１１と、燃料電池１１で反応後のアノード排ガス４とカソード排ガス７の一部７ａを混合する混合器１９と、混合した燃料ガスを燃焼させる触媒燃焼器１７と、触媒燃焼器１７の燃焼排ガス５を燃料電池１１のカソード入口側に循環させるリサイクルブロワ１６とを備える。
燃料電池１１はこの例では、溶融炭酸塩型燃料電池である。しかし、本発明はこれに限定されず、高温高圧下で作動するその他の形式の燃料電池でもよい。
触媒燃焼器１７には、燃焼触媒が充填されている。この燃焼触媒は、比較的低い温度（例えば４００℃前後）で自己着火でき、かつ燃料の流量範囲が非常に広くかつ低酸素濃度でも安定燃焼できる特性を有している。
なお、図１において、燃料電池モジュール２０は、その他に、改質器１０、燃料予熱器１３等を備えている。
【００２８】
ガスタービン発電機２２は、機械的に連結された圧縮機Ｃ、タービンＴ及び発電機Ｇと燃焼器２２ａを備える。燃焼器２２ａには、圧縮機Ｃで圧縮した圧縮空気と燃料が供給され、図示しない着火装置により着火して燃料を燃焼させることができる。また、発電機Ｇは、起動時に電動機として短時間用いることができる。従って、このガスタービン発電機２２は、発電機を電動機として用いて単独起動し、燃焼器で燃焼させて、単独で自立運転することができる。
【００２９】
本発明において、燃料流量で回転速度を制御する「燃料流量制御」と、発電機出力で回転速度を制御する「発電機出力制御」の両方が可能なガスタービン発電機が用いられる。
かかるガスタービン発電機として、例えば、「マイクロガスタービン」を用いることができる。
【００３０】
空気供給ライン２４は、ガスタービン発電機２２から圧縮空気を抽気し、燃料電池モジュール２０に供給する。この空気供給ライン２４は、燃料電池のカソードライン３に圧縮空気を供給する電池用空気供給ライン２４ａと、電池用触媒燃焼器１７に圧縮空気を供給する触媒用空気供給ライン２４ｂとからなる。それぞれのライン２４ａ，２４ｂには、カソード空気供給弁２５ａと加熱空気供給弁２５ｂが設けられ、それぞれ独立に流量調節することができる。
【００３１】
カソード排ガスライン２６は、燃料電池１１のカソード側とガスタービン発電機２２のタービン入口とを連通するラインであり、燃料電池モジュール２０からガスタービン発電機２２にカソード排ガス７の一部を供給する。このカソード排ガス７には、通常５〜１５％程度の酸素が含まれる。
【００３２】
本発明において、カソード排ガスライン２６を開閉可能なカソード排ガスライン遮断弁２６ａと、カソード排ガスライン遮断弁２６ａの前後差圧を検出する系統間差圧計２６ｂとを備える。カソード排ガスライン遮断弁２６ａは、応答性の高い電磁バタフライ弁が好ましいが、その他の形式の弁（例えば遠隔ゲート弁）であってもよい。系統間差圧計２６ｂは、ＦＣ系統及びＧＴ系統の最大圧力（最大０．１ＭＰａ程度）に耐える耐圧強度を有し、許容極間差圧に相当する微小差圧（例えば５ｋＰａ程度）を高精度（例えば±０．５ｋＰａ以下）で検出可能な差圧計を用いる。この系統間差圧計２６ｂには、例えば圧電変換式（ピエゾ式）又は歪検出式の差圧計を用いることができる。
【００３３】
ガスタービンのタービン排ガスライン２８は、排ガスから熱回収する排熱回収熱交換器１５に排ガスを供給する排熱回収ライン２８ａと、排熱回収熱交換器をバイパスするバイパスライン２８ｂとを有する。
【００３４】
排熱回収熱交換器１５は、ガスタービン発電機を出た燃焼排ガスから熱回収して水蒸気を発生させる。発生した水蒸気８は燃料１に混合され改質器１０における改質反応に用いられる。また、熱回収後の燃焼排ガスは、水回収熱交換器３３で冷却・凝縮され、水回収タンク３４で気液分離し、分離した排ガスは大気中に排気され、回収して水は水処理装置３５で水処理した、排熱回収熱交換器１５の給水として用いられる。
【００３５】
図１に示すように、バイパスライン２８ｂの途中には、起動用空気予熱器３０が設けられている。この起動用空気予熱器３０は、ガスガスの間接熱交換器であり、タービン排ガスライン２８を流れる高温の燃焼排ガスと触媒用空気供給ライン２４ｂを流れる抽気空気との間で熱交換し、抽気空気を予熱するようになっている。
更に、排熱回収ライン２８ａとバイパスライン２８ｂにはそれぞれの排ガス流量を調節する排熱回収弁３２ａとバイパス弁３２ｂが設けられている。
【００３６】
また、本発明では、燃料電池モジュール２０内のガスを排気する燃料電池ガス排気ライン２９と、燃料電池ガス排気ライン２９に設けられＦＣ系統の圧力を調節するＦＣ系統圧力調節弁２９ａとを備える。燃料電池ガス排気ライン２９は、この例では、改質器１０を出た燃焼排ガス５をタービン排ガスライン２８に導くラインであるが、本発明はこれに限定されず、燃料電池モジュール２０内のガスを排気できるラインであればよい。
【００３７】
図２は図１の模式図であり、特に起動停止時に関係する機器を示している。また、図３は、本発明による起動方法を示すフロー図である。以下、図２、図３を用い、本発明の起動停止方法を説明する。
【００３８】
図３において、ＦＣ系統が停止中（Ｓ０１）には、圧力は常温又は作動温度以下の低温であり、温度も常温又は作動温度以下の低温である。同様にＧＴ系統が停止中（Ｓ０２）には、吐出圧力と吐出流量は０である。また、この起動スタートの直前の停止状態では、カソード空気供給弁２５ａ、加熱空気供給弁２５ｂ、カソード排ガスライン遮断弁２６ａ、ＦＣ系統圧力調節弁２９ａはすべて閉じている。
【００３９】
また、図１において、排熱回収装置１５にタービン排ガスを供給する排熱回収弁３２ａを全閉にし、起動用空気予熱器３０にタービン排ガスを供給するバイパス弁３２ｂを全開にして、起動用空気予熱器３０にガスタービン発電機２２の排ガス全量を供給するように切り換えておく。
【００４０】
起動時に起動スタート（Ｓ１）の信号により、ガスタービンが単独起動し、自立運転を開始する（Ｓ２）。この際、ガスタービン発電機２２の発電機Ｇを電動機として圧縮機Ｃを回転駆動し、圧縮した空気を燃焼器２２ａに供給し、燃焼器２２ａに燃料を供給して着火し、その燃焼ガスによりタービンＴを回転駆動して自立運転するのがよい。このガスタービン発電機の起動は短時間（数分間）で完了し、急激に圧力と流量が上昇し、所定の回転速度に達する。
【００４１】
なおこの間、カソード空気供給弁２５ａ、加熱空気供給弁２５ｂ、カソード排ガスライン遮断弁２６ａ、ＦＣ系統圧力調節弁２９ａはすべて閉じているので、圧力変動に弱い燃料電池やこれに関連する機器（ＦＣ系統）は、ガスタービン発電機から切り離されており、影響を全く受けない。
【００４２】
次に、加熱空気供給弁２５ｂを開き、加圧空気をＦＣ系統に供給する（Ｓ３）。この加圧空気の供給（Ｓ３）により、起動したガスタービン発電機２２から圧縮空気を抽気し、ライン２４ｂを介して起動用空気予熱器３０で燃焼排ガスにより圧縮空気を予熱し、燃料電池モジュール２０の触媒燃焼器１７に供給し、燃料電池モジュール２０を昇圧・昇温する（Ｓ４）。また、同時にＦＣ系統圧力調節弁２９ａの開度により、ＦＣ系統の圧力を制御する（Ｓ４）。
【００４３】
並行して、ガスタービン発電機を燃焼器２２ａへの燃料流量でガスタービンの回転速度を制御する「燃料流量制御」に以降し、ガスタービン単独の発電を開始する（Ｓ５）。
【００４４】
次いで、ＦＣ系統の圧力が徐々に増加し、系統間差圧計２６ｂによる検出差圧が所定の圧力以下（例えば１ｋＰａ以下）になった時（Ｓ６）に、カソード排ガスライン遮断弁２６ａを開く（Ｓ７）。この弁の開放により、ＦＣ系統からカソード排ガスをガスタービンに導入することができる。また、カソード排ガスライン遮断弁２６ａの前後の差圧が非常に小さいので、急激なガス流入および逆流が防止でき、ＦＣとＧＴともに安定運転が行える。
【００４５】
次いで、ＦＣ系統昇温開始、触媒燃焼開始、改質器改質開始、ＦＣ系統昇温完了、触媒燃焼燃料停止、等のＦＣ系統の発電開始準備を行い（Ｓ８）、加熱空気供給弁２５ｂを閉じ、カソード空気供給弁２５ａを開く（Ｓ９）。改質器改質開始で燃料ガス１は既に供給されているので、このカソード空気供給弁２５ａから反応空気が供給されることにより、燃料電池の部分負荷発電が開始し（Ｓ１０）、ガスタービン発電とのコンバインド発電が開始する。次いで、燃料電池は出力要求に応じて定格負荷運転（Ｓ１１）に移行する。
【００４６】
部分負荷運転（Ｓ１０）から定格負荷運転（Ｓ１１）に移行する途中で、発電負荷が所定の出力に達すると（Ｓ１２）、ガスタービン発電（Ｓ５）を燃料流量制御から発電機出力制御に切替え、回転速度を一定に保持したまま燃焼器の燃焼を消火する（Ｓ１３）。これにより、ガスタービン発電は、燃焼器を使用しない発電（Ｓ１４）に移行し、燃料電池とガスタービンの定格コンバインド発電が開始される。
また、燃焼器の消火前に発電機出力制御に切替えるので、応答性の高い発電機出力（インバータ）で回転速度を制御し回転速度を一定に保持することができる。従ってこの切替時にタービン入口エネルギーの急変があっても、回転速度の変化がほとんどなく、タービンの圧力変動や失速によるトリップを防ぎ、ＦＣ系統への影響を回避することができる。
【００４７】
図４は、本発明による停止方法を示すフロー図である。このフロー図は、起動方法と同様であり、詳細な説明を省略する。この停止方法において、燃焼器の消火中は発電機出力制御で回転速度を制御し、燃焼器の着火後に燃料流量制御に切替え回転速度を一定に保持する（Ｓ２１）。従って、燃焼器の着火時にも、タービンの回転速度の変動がなくスムースに行うことができ、これにより、圧力変動に弱いＦＣ系統への影響を回避することができる。
【００４８】
上述した本発明の装置及び方法によれば、カソード排ガスライン遮断弁２６ａの前後差圧を検出する系統間差圧計２６ｂを備えるので、配管の圧損の影響を受けず、かつＦＣ系統とＧＴ系統の運転圧力が高い（例えば０．４ＭＰａ程度）であっても、その差圧を高精度（例えば±０．５ｋＰａ以下）に検出することができる。
また、この系統間差圧計２６ｂによる検出差圧が所定の圧力以下（例えば１ｋＰａ以下）の場合に、カソード排ガスライン遮断弁２６ａを開くので、ＦＣとＧＴの系統間の調節弁を開けた際でも、前後の差圧が非常に小さいので、急激なガス流入および逆流が防止でき、ＦＣとＧＴともに安定運転が行える。
【００４９】
また、ＦＣ系統圧力調節弁２９ａの開度により、ＦＣ系統の圧力を調節し、系統間差圧計２６ｂの上流側圧力を精密に調節することができる。
【００５０】
さらに、燃焼器の燃焼中は燃料流量制御で回転速度を制御して回転速度を一定の保持することができる。また、燃焼器の消火前に発電機出力制御に切替えるので、応答性の高い発電機出力（インバータ）で回転速度を制御し回転速度を一定に保持することができる。従ってこの切替時にタービン入口エネルギーの急変があっても、回転速度の変化がほとんどなく、タービンの圧力変動や失速によるトリップを防ぎ、ＦＣ系統への影響を回避することができる。
【００５１】
また、燃焼器の着火時にも、タービンの回転速度の変動がなくスムースに行うことができ、これにより、圧力変動に弱いＦＣ系統への影響を回避することができる。
【００５２】
なお本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００５３】
【発明の効果】
上述したように本発明の燃料電池とガスタービンのコンバインド発電設備とその起動停止方法は、（１）ガスタービン発電機の起動又は停止を、圧力変動に弱い燃料電池やこれに関連する機器（ＦＣ系統）に影響を及ぼすことなく行うことができ、（２）ガスタービン発電機の圧力変動、失速、オーバースピード等のおそれ、及び、ＦＣ系統側に過大な差圧が作用せず、燃料電池にダメージを与えるおそれがなく、ＦＣとＧＴの系統間の調節弁を開いてＦＣ系統からのＧＴ系統のタービンにガス供給することができ、（３）ＧＴ燃焼器の消火又は着火を、タービンの回転速度の変動がなくスムースに行うことができ、これにより、圧力変動に弱いＦＣ系統への影響を回避することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるコンバインド発電設備の実施形態を示す図である。
【図２】図１の模式図である。
【図３】本発明による起動方法を示すフロー図である。
【図４】本発明による停止方法を示すフロー図である。
【図５】従来の燃料電池発電設備の全体構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料、２ アノードガス、３ カソードガス、
４ アノード排ガス、５ 燃焼排ガス、６ 空気、
７，７ａ，７ｂ，７ｃ カソード排ガス、８ 水蒸気、
９ ＣＯ２濃縮ガス、１０ 改質器、１１ 燃料電池、
１２ ターボチャージャー、１２ａ 流量調節弁、
１３ 燃料予熱器、１４ ガスタービン用燃焼器、
１５ 排熱回収熱交換器、１６ リサイクルブロア、
１７ 触媒燃焼器、１８ カソードリサイクルライン、
１８ａ 高温流量調節弁、１９ 混合器、
２０ 燃料電池モジュール、２２ ガスタービン発電機、
２４ 空気供給ライン、２４ａ 電池用空気供給ライン、
２４ｂ 触媒用空気供給ライン、
２５ａ カソード空気供給弁、２５ｂ 加熱空気供給弁、
２６ カソード排ガスライン、２６ａ カソード排ガスライン遮断弁、
２６ｂ 系統間差圧計、２８ タービン排ガスライン、
２９ 燃料電池ガス排気ライン、２９ａ ＦＣ系統圧力調節弁、
３０ 起動用空気予熱器、
３２ａ 排熱回収弁、３２ｂ バイパス弁
３３ 水回収熱交換器、３４ 水回収タンク、
３５ 水処理装置
Claims (7)
- 水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）を有する燃料電池モジュール（２０）と、圧縮機、燃焼器、タービン及び発電機を有するガスタービン発電機（２２）と、該ガスタービン発電機から圧縮空気を前記燃料電池モジュールに供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池モジュールからガスタービン発電機にカソード排ガス（７）を供給するカソード排ガスライン（２６）と、該カソード排ガスラインを開閉可能なカソード排ガスライン遮断弁（２６ａ）と、該カソード排ガスライン遮断弁の前後差圧を検出する系統間差圧計（２６ｂ）とを備える、ことを特徴とする燃料電池とガスタービンのコンバインド発電設備。
- 燃料電池モジュール（２０）内のガスを排気する燃料電池ガス排気ライン（２９）と、該燃料電池ガス排気ラインに設けられＦＣ系統の圧力を調節するＦＣ系統圧力調節弁（２９ａ）とを更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載のコンバインド発電設備。
- 前記ガスタービン発電機は、燃料流量で回転速度を制御する燃料流量制御と、発電機出力で回転速度を制御する発電機出力制御の両方が可能である、ことを特徴とする請求項１に記載のコンバインド発電設備。
- ガスタービン発電機（２２）から圧縮空気を燃料電池モジュール（２０）に供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池モジュールからガスタービン発電機にカソード排ガス（７）を供給するカソード排ガスライン（２６）と、該カソード排ガスラインを開閉可能なカソード排ガスライン遮断弁（２６ａ）と、該カソード排ガスライン遮断弁の前後差圧を検出する系統間差圧計（２６ｂ）とを備え、系統間差圧計（２６ｂ）による検出差圧が所定の圧力以下の場合に、前記カソード排ガスライン遮断弁（２６ａ）を開く、ことを特徴とする燃料電池とガスタービンのコンバインド発電設備の起動停止方法。
- 燃料電池モジュール（２０）内のガスを排気する燃料電池ガス排気ライン（２９）に設けられＦＣ系統の圧力を調節するＦＣ系統圧力調節弁（２９ａ）を備え、該ＦＣ系統圧力調節弁により前記系統間差圧計（２６ｂ）の上流側圧力を調節する、ことを特徴とする請求項４に記載のコンバインド発電設備の起動停止方法。
- 圧縮機、燃焼器、タービン及び発電機を有するガスタービン発電機（２２）と、該ガスタービン発電機（２２）から圧縮空気を燃料電池モジュール（２０）に供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池モジュールからガスタービン発電機にカソード排ガス（７）を供給するカソード排ガスライン（２６）とを備え、
前記ガスタービン発電機は、燃料流量で回転速度を制御する燃料流量制御と、発電機出力で回転速度を制御する発電機出力制御の両方が可能であり、
前記燃焼器の燃焼中は燃料流量制御で回転速度を制御し、燃焼器の消火前に発電機出力制御に切替え回転速度を一定に保持する、ことを特徴とする燃料電池とガスタービンのコンバインド発電設備の起動停止方法。 - 前記燃焼器の消火中は発電機出力制御で回転速度を制御し、燃焼器の着火後に燃料流量制御に切替え回転速度を一定に保持する、ことを特徴とする請求項６に記載のコンバインド発電設備の起動停止方法。
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