JP2004316535A - 熱電供給システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】熱電供給システムは、圧縮機1、再生器4、燃焼器3およびタービン2から構成される再生サイクルで発電機5を駆動すると共に、再生サイクルの排気ガスから熱を回収利用するものであり、燃料電池10とこの燃料電池10に水素含有ガスを供給するための改質器6とを備える。そして、再生サイクルの再生器4出口空気の一部を改質器6のバーナ7の燃焼用空気として使用するように構成している。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電供給システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の熱電供給システムとしては、特開平8−260914号公報(特許文献1)に開示されているように、圧縮機、燃焼器およびタービンから構成される単純サイクルの排気ガスを、燃料電池に水素含有ガスを供給するための燃料改質器の加熱熱源として使用するように構成されたものがある。
【0003】
また、従来の別の熱電供給システムとしては、特開2001−351665号公報(特許文献2)に開示されているように、圧縮機、燃焼器およびタービンから構成される単純サイクルの排気ガスを、燃料改質器で改質する燃料の予熱熱源として使用するように構成されたものがある。
【0004】
【特許文献1】
特開平8−260914号公報
【特許文献2】
特開2001−351665号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱電供給システムでは、ガスタービンのサイクルとして単純サイクルを使用していたためガスタービンのサイクル効率が低くなり、システム全体の発電効率が低下するという課題があった。また、ガスタービンの排熱を改質器の熱源や改質燃料の予熱に使用するため、ガスタービンのメンテナンスや故障時には燃料電池も運転できない等の課題もあった。本発明は上記課題のうち少なくとも1つを解決するためになされたものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、熱電供給装置においてガスタービンのサイクルを再生サイクルとし、再生サイクルの再生器出口空気の一部を燃料電池用燃料改質器のバーナの燃焼用空気として使用することにより解決される。これにより、ガスタービンのサイクル効率が向上すると共に改質器のバーナに供給する燃料を減少できるため装置全体の発電効率が向上する。また、ガスタービンの排ガスを改質器の熱源としていないため、ガスタービンが停止しても燃料電池の運転が可能となるよう構成できる。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明に係る熱電供給システムの実施の形態を図面に基づいて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
図1は本発明に係る熱電供給システムの一実施例を示す図である。圧縮機1に吸入された外気は、圧縮・昇圧された後、再生器4でタービン2の排気と熱交換して600℃程度に加熱された後、燃焼器3に送られ燃料8(a)と混合して燃焼し950℃程度の高圧ガスとなる。この高温・高圧ガスはタービン2内で膨張する際タービン2を回転させ、圧縮機1と発電機5を駆動する。
タービン2の排ガスは630℃程度であり、再生器4で圧縮機1から吐出された空気と熱交換して230℃程度まで温度が低下した後、熱駆動式冷凍機16の排熱回収機17に流入する。再生器4で600℃まで加熱された圧縮機1出口空気の一部(5%以下)は燃焼用空気として改質器6のバーナ7に供給される。改質器6では、燃料8(b)と水9との混合ガスをバーナ7で加熱して水蒸気改質反応により、水素含有ガスに改質する。この水素含有ガスは、燃料電池10のアノード11側に送られ、ブロワ13でカソード12側に送込まれた空気中の酸素と反応して電気を発生させる。また、アノード側から排出されるオフガス14には未利用分の水素を含むので、ガス圧縮機(図示せず)で再生器4出口空気圧まで昇圧した後改質器6のバーナ7で燃焼させる。なお、別途オフガス14を燃焼させる燃焼器を設ければ、オフガス14をガス圧縮機で昇圧する必要のないことは言うまでもない。さらに、改質器6へ循環する再生器4出口空気の流量を調整するための流量調整弁15を、改質器6のバーナ7出口に設けることにより流量調整弁15における断熱膨張で温度が低下した空気がバーナ7に流入することを防止している。なお、燃料8(a)、8(b)および8(c)は同一でも、またそれぞれ異なってもよい。
再生器4で圧縮機1の吐出空気と熱交換して230℃程度まで温度が低下したタービン2の排ガスは、排熱熱交換器17を通過して大気へ放出される。排熱熱交換器17でタービン2の排ガスから回収された熱量は、吸収式冷凍機や吸着式冷凍機等の熱駆動式冷凍機16の熱源として利用され、熱駆動式冷凍機16で冷熱を発生する。この冷熱は、ポンプ18により空気調和機(図示せず)に搬送され冷房に利用される。また、排熱熱交換器17で回収された熱は、給湯用にも利用できることはいうまでもない。
発電機5で発生する電気は交流であり、燃料電池10で発生する電気は直流であるので、発電機5で発生した交流はAC/DCコンバータ19で一旦直流に変換した後、燃料電池10で発生した直流と共にDC/ACインバータ20で同一周波数の交流に変換し、変圧器21を介して商用電源と連携する。
ここで、図13に示すように、従来の技術に使用されている単純サイクルに対し、本発明で使用した再生サイクルには、圧縮機1から吐出され燃焼器3へ供給される空気をタービン2の排ガスで予熱するための再生器4を増設してある。このため再生サイクルでは単純サイクルに比べ、燃焼器3へ供給する空気の温度を400℃以上高くできるので、工業熱力学(谷下市松著、裳華房、P318)に記載されたサイクル効率の計算式を使用して圧縮機効率80%、タービン効率85%および再生器温度効率90%の条件で計算すると、図14に示すように本発明に係る熱電供給システムに使用するガスタービン2の圧力比の範囲3〜4では、再生サイクルは単純サイクルの2倍以上のサイクル効率を持つことになる。例えば、圧力比3.5の場合、再生サイクルの効率は44%であり、単純サイクルの効率は20%である。ここで、発電機の効率を95%、軸受損失等を考慮した機械効率を95%とすれば、再生サイクルおよび単純サイクルを使用して発電する場合の発電効率は、それぞれ39.6%および18.0%となる。
一方、水素・酸素燃料電池の理論出力は水素1kg当り114.29MJ(甲藤好郎:熱力学:養賢堂)であるが、電池内の反応分極や抵抗分極等による電圧降下を考慮すると効率は55%程度となり、出力は62.69MJ/kg(H2)となる。また、メタン(以下、CH4という)1kgの水蒸気改質により0.449kgの水素が発生するが、都市ガス(以下、13Aガスという)1kgにはCH4が0.751kg含まれるので、13Aガスを1kg改質すると、0.375kgの水素が得られる。よって、13Aガス1kgを燃料として62.69×0.375=23.51MJの出力が発生する。このとき、CH4を1kg改質するに必要な熱量は15.78MJであるので、13Aガスを1kg改質して0.375kgの水素を得るには11.85MJの熱量が必要となる。一方、13Aガスの低発熱量は49.8MJ/kgであるので燃料電池10の効率は、23.51/(49.8+11.85)=0.381すなわち38.1%である。
次に、出力100kWの燃料電池10と出力50kWのガスタービン2を組合わせた場合の効率について述べる。このとき、燃料電池10の燃料発熱量は49.8×100/23.51=211.82kW、燃料改質に必要な熱量は11.85×100/23.51=50.40kWである。本発明では、再生器出口の600℃の空気を改質器6のバーナ7の燃焼用空気とするので、改質器6の燃焼温度を950℃とすれば350℃の温度上昇を生じうる熱量を改質器6に投入すればよいことになる。一方、従来の改質器では外気15℃から950℃まで935℃の温度上昇を生じうる熱量を投入する必要があるが、本発明による熱電供給システムでは50.40kw×350/935=18.87kWの熱量を改質器6に投入すればよい。また、再生サイクルの発電効率は39.6%であるので、入力は50kW/0.396=126.26kWとなる。よって、熱電供給システムの出力100kW+50kW=150kWに対し入力は、燃料電池10の燃料211.82kW、改質器6の入力18.87kWおよび再生サイクルの入力126.26kWの計356.95kWとなり、熱電供給システムの発電効率は150/356.95=0.420、すなわち42.0%となる。これは,燃料電池10単体の発電効率38.1%および再生サイクル単体の発電効率39.6%より大きく、本発明により更なる省エネルギー化を達成出来ることがわかる。
一方、単純サイクルを使用した従来の熱電供給システムではタービン2出口の630℃の排ガスで改質器6を600℃程度まで加熱できるので改質器6への入力は、本発明に係る熱電供給システムと同様18.87kWであるが,単純サイクルの発電効率が18.0%であるので単純サイクルの入力は50kW/0.18=277.78kWとなり出力150kWに対し入力は211.82+18.87+277.78=508.47kWとなるので、熱電供給システムの発電効率は29.5%と燃料電池10単体の発電効率より低くなる。なお、本発明の熱電供給システムでは再生サイクルから改質器6へ循環する空気流量は圧縮機吐出量の5%以下であるので、再生サイクルの出力には影響はない。
図2は本発明の他の実施例を示す図であり、圧縮機1から吐出された空気の一部を流量調整弁23を使用して流量調整した後、燃料電池10のカソード12側へ供給されるように構成した点が図1に示した実施例と異なる。このように構成すると、ブロワ13を省略できるのでシステム構成を簡略化できると共に、補機類の消費電力を低減できるので熱電供給システムの発電効率も向上できる。
図3は本発明の更に他の実施例を示す図であり、改質器6のバーナ7の排ガスをタービン2入口へ循環させるようにした点が図2に示した実施例と異なる。このように構成するとバーナ7の高圧排ガスのエネルギーをタービン2で回収できるのでさらに熱電供給システムの発電効率を向上できる。
図4は本発明の他の実施例を示す図であり、再生サイクルの燃焼器3の一部を使用して改質器6を構成した点が図1に示した実施例と異なる。このように構成すると、改質器6を別置する必要がないので、システム構成をさらに簡略化しコンパクトにできる。
図5は本発明の他の実施例であり、圧縮機1から吐出された空気の一部を流量調整弁23を使用して流量調整した後、燃料電池10のカソード12側へ供給されるように構成した点が図4に示した実施例と異なる。このように構成するとブロワ13を省略できるのでさらにシステム構成を簡略化できると共に、補機類の消費電力を低減できるので熱電供給システムの発電効率も向上できる。
図6は本発明の他の実施例であり、改質器6のバーナ7の燃焼用空気を再生サイクルの再生器4出口排気ガスで予熱するための予熱器24およびブロワ25を設けると共に、燃料電池10のアノード11側のオフガス14をバーナ7に供給するように構成した点が、図1に示した実施例と異なる。このように構成すると、バーナ7内の圧力は大気圧となるので燃料電池10のアノード11側のオフガス14を昇圧することなく、バーナ7で燃焼できるのでオフガス14をガス圧縮機(図示せず)に搬送したり、別途オフガス14を燃焼させる手段を設けたりする必要がなくなる。
図7は本発明の他の実施例であり、圧縮機1から吐出された空気の一部を流量調整弁23と流量調整弁28を使用して流量調整した後、予熱器24および燃料電池10のカソード12側へ供給されるように構成した点が図6に示した実施例と異なる。このように構成するとブロワ13とブロワ25を省略できるのでさらにシステム構成を簡略化できると共に、補機類の消費電力を低減できるので熱電供給システムの発電効率も向上できる。
図8は本発明の他の実施例を示す図であり、蓄電池26を有し燃料電池10およびAC/DCコンバータ19を介して発電機5と結線され、また改質器6のバーナ7に燃焼用空気を供給するためのブロワ25を設け、ブロワ25やブロワ13等の補機類は蓄電池26に蓄えられた電気で駆動されるように構成されている点が図1に示した実施例と異なる。このように構成すると、商用電源が供給されていない地方では、熱電供給システムの起動時にまず蓄電池26の電気を利用してブロワ25やブロワ13等の補機類を運転して燃料電池10を起動した後、燃料電池10で発電した電気を利用して発電機5をモータとして駆動しガスタービン2を始動できるので、蓄電池26を大容量化することなく熱電供給システムの起動が可能となる。
一方、本熱電供給システムを非常電源として使用する場合には、大容量の蓄電池26を設置し蓄電池26の電気で発電機5をモータとして駆動しガスタービン2を始動すると同時に燃料電池10も始動することにより燃料電池10の立上がりを待つことなく、負荷側(図示せず)に電力を供給できる。
図9は本発明の他の実施例を示す図であり、蓄電池26を有し燃料電池10およびAC/DCコンバータ19を介して発電機5と結線され、また圧縮機1出口空気を流量調整弁23を介して燃料電池10のカソード12側へ供給する流路を設け、弁27を介してこの流路とバーナ7に燃焼用空気を供給する流路とを連通しブロワ25を設けてバーナ7およびカソード12側へ空気を供給できるようにすると共に、ブロワ25等の補機類は蓄電池26に蓄えられた電気で駆動されるように構成されている点が図2に示した実施例と異なる。このように構成すると、商用電源が供給されていない地方では、まず流量調整弁23を閉じ弁27を開いた後、蓄電池26の電気を利用してブロワ25等の補機類を運転して燃料電池10を起動した後、燃料電池10で発電した電気を利用して発電機5をモータとして駆動してガスタービン2を始動する。ガスタービン2の始動後は、流量調整弁23を開き弁27を閉じブロワ25を停止して再生器4出口空気と圧縮機1の吐出空気を利用して燃料電池10を運転できるので、補機類の消費電力を低減でき熱電供給システムの発電効率が向上する。なお本熱電供給システムを非常電源として使用する場合には、弁27を閉じ、大容量の蓄電池26を設置し蓄電池26の電気で発電機5をモータとして駆動しガスタービン2を始動すると同時に流量調整弁23を開いて、燃料電池10も始動することにより燃料電池10の立上がりを待つことなく、負荷側(図示せず)に電力を供給できるのでブロワ25は不要となる。
図10は本発明の更に他の実施例を示す図であり、蓄電池26を有し燃料電池10およびAC/DCコンバータ19を介して発電機5と結線され、またブロワ13等の補機類は蓄電池26に蓄えられた電気で駆動されるように構成されている点が図4に示した実施例と異なる。このように構成すると、商用電源が供給されていない地方や停電時には蓄電池26に蓄えられた電気で発電機5をモータとして駆動しガスタービン2を始動すると同時に,ブロワ13等の補機類も蓄電池26で運転できるので、熱電供給システムを起動できる。
図11は本発明の他の実施例で、蓄電池26を有し燃料電池10およびAC/DCコンバータ19を介して発電機5と結線され、またブロワ25やブロワ13等の補機類は蓄電池26に蓄えられた電気で駆動されるように構成されている点が図6に示した実施例と異なる。このように構成すると、商用電源が供給されていない地方や停電時には蓄電池26に蓄えられた電気で、まずブロワ25やブロワ13等の補機類を運転し燃料電池10を起動した後、燃料電池10で発電した電気を利用して発電機5をモータとして駆動しガスタービン2を始動できるので、蓄電池26を大容量化することなく熱電供給システムの起動が可能となる。
図12は本発明のさらに他の実施例であり、蓄電池26を有し燃料電池10およびAC/DCコンバータ19を介して発電機5と結線され、またブロワ25等の補機類は蓄電池26に蓄えられた電気で駆動されるように構成されている点が図7に示した実施例と異なる。商用電源が供給されていない地方や停電時に熱電供給システムを起動する場合には、まず流量調整弁23を閉じ蓄電池26に蓄えられた電気でブロワ25等の補機類を運転して燃料電池10を起動した後、燃料電池10で発電した電気を利用して発電機5をモータとして駆動してガスタービン2を始動する。ガスタービン2の始動後は、流量調整弁23を開きブロワ25を停止して圧縮機1から吐出空気され空気の一部を利用して改質器6および燃料電池10を運転できるので、補機類の消費電力を低減でき熱電供給システムの発電効率が向上する。なお本熱電供給システムを非常電源として使用する場合には、大容量の蓄電池26を設置し蓄電池26の電気で発電機5をモータとして駆動しガスタービン2を始動すると同時に流量調整弁23を開いて、燃料電池10も始動することにより燃料電池10の立上がりを待つことなく、負荷側(図示せず)に電力を供給できるのでブロワ25は不要となる。
【0008】
【発明の効果】
本発明によれば、発電効率の高い熱電供給システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図2】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図3】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図4】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図5】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図6】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図7】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図8】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図9】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図10】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図11】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図12】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図13】ガスタービンのサイクルの構成を比較する図である。
【図14】ガスタービンのサイクル効率の比較を説明する図である。
【符号の説明】
1…圧縮機、2…タービン、3…燃焼器、4…再生器、5…発電機、6…改質器、7…バーナ、8…燃料、10…燃料電池、16…熱駆動式冷凍機、17…排熱回収器。
Claims (8)
- 圧縮機、再生器、燃焼器およびタービンから構成される再生サイクルで発電機を駆動すると共に、前記再生サイクルの排気ガスから熱を回収利用する熱電供給システムにおいて、燃料電池とこの燃料電池に水素含有ガスを供給するための改質器とを備え、前記再生サイクルの再生器出口空気の一部を前記改質器のバーナの燃焼用空気として使用することを特徴とする熱電供給システム。
- 圧縮機、再生器、燃焼器およびタービンから構成される再生サイクルで発電機を駆動すると共に、前記再生サイクルの排気ガスから熱を回収利用する熱電供給システムにおいて、燃料電池を備え、前記再生サイクルの燃焼器で発生する熱の一部を使用して前記燃料電池に供給する燃料ガスを水素含有ガスに改質するように構成したことを特徴とする熱電供給システム。
- 前記再生サイクルの圧縮機から吐出された空気の一部を燃料電池の酸化剤ガスとして使用することを特徴とする請求項1または2に記載の熱電供給システム。
- 圧縮機、再生器、燃焼器およびタービンから構成される再生サイクルで発電機を駆動すると共に、前記再生サイクルの排気ガスから熱を回収利用する熱電供給システムにおいて,燃料電池とこの燃料電池に水素含有ガスを供給するための改質器とを備え、前記改質器のバーナの燃焼用空気を前記再生サイクルの排気ガスで予熱するための予熱器を設けたことを特徴とする熱電供給システム。
- 前記再生サイクルの圧縮機から吐出された空気の一部を前記改質器のバーナの燃焼用空気と前記燃料電池の酸化剤ガスとして使用することを特徴とする請求項4に記載の熱電供給システム。
- 前記再生サイクルの発電機や前記燃料電池で発電した電気を蓄えるための蓄電池を有し、商用電源が使用できない場合のシステム起動には前記蓄電池の電気を利用して前記燃料電池を起動した後、前記燃料電池で発電した電気を使用して前記再生サイクルを起動する事を特徴とする請求項1または4に記載の熱電供給システム。
- 前記再生サイクルの発電機や前記燃料電池で発電した電気を蓄えるための蓄電池を有し、商用電源が使用できない場合のシステムの緊急起動には前記蓄電池の電気を利用して前記再生サイクルを起動すると共に、前記蓄電池の電気を使用して燃料電池を起動する事を特徴とする請求項1、2および4の何れかに記載の熱電供給システム。
- 前記燃料電池が固体高分子型燃料電池であることを特徴とする請求項1から7の何れかに記載の熱電供給システム。
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