JP2005203223A - 高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 常圧型のSOFC1と、ガスタービン4の出力で駆動されて発電する発電機5と、圧縮機部2から供給されるガスタービン圧縮空気をタービン部3へ導入する圧縮空気供給流路6と、ガスタービン4から排出されたガスタービン排気をSOFC1の高温空気として空気極1Aに供給するガスタービン排気供給流路7と、燃料極1Bを通過した未反応燃料ガスと空気極1Aを通過した未反応空気とガスタービン排気の一部とを導入し燃焼させる未反応燃料燃焼器11と、未反応燃料燃焼器11から排出される燃焼器排気によりガスタービン圧縮空気を熱交換で温度上昇させる高温再生熱交換器13と、燃焼器排気の温度を調整可能な補助燃料供給機構14、加圧空気供給機構15とを備えている。
【選択図】図1
Description
このうち、固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」と呼ぶ)は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、天然ガス,石油,メタノール,石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このSOFCは、イオン電導率を高めるために作動温度が約900〜1000℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。そして、このSOFCは、共通の燃料を使用でき、しかも、高温で運転することからSOFCの排熱を利用できるガスタービンとの相性がよく、SOFCとガスタービンとを組み合わせるコンバインド発電システム、すなわち高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システム(以下「SOFCコンバインド発電システム」と呼ぶ)は、高効率を達成できる発電システムとして期待されている。
すなわち、このコンバインド発電システムでは、補助燃料供給機構により補助燃料を未反応燃料ガスと共にその混合比を可変制御して未反応燃料燃焼器に供給することにより、燃焼器排気温度を調整して熱交換器でガスタービン圧縮空気の温度も調整できるので、タービン入口温度を目標値に制御することができる。また、本システムでは、未反応燃料燃焼器がガスタービン排気の低圧部にあるため、加圧型システムに比べて低圧力での燃料供給が可能になる。
すなわち、このコンバインド発電システムでは、加圧空気供給機構により排熱回収ボイラ出口の低温の燃焼器排気の一部を、その圧力を可変制御して未反応燃料燃焼器に加圧供給することにより、燃焼器排気温度を調整して熱交換器でガスタービン圧縮空気の温度も調整できるので、タービン入口温度を目標値に制御することができる。
すなわち、このコンバインド発電システムでは、燃料側起動用燃焼器により、未反応燃料ガスの一部と起動用空気とを燃焼させ燃焼の排気で主燃料ガスの温度制御を行うので、主燃料ガスと起動用空気との燃焼熱を用いてスタック入口の燃料側温度を制御することができる。
すなわち、このコンバインド発電システムでは、ガスタービン排気の温度が低い場合に、空気側起動用燃焼器により、ガスタービン排気と起動用燃料とを燃焼させることによりガスタービン排気を加熱して、ガスタービンの運転状態と独立してスタック入口の空気側温度を調整することができる。なお、上記燃料側起動用燃焼器を組み合わせることにより、スタック入口の温度差をより容易に制御することが可能になる。
すなわち、このコンバインド発電システムでは、高温型燃料電池の起動初期においては、高温のガスタービン排気を直接燃料電池に供給しないよう、その一部を冷却器に供給して冷却しバイパス側の流体と混合することで、ガスタービンの運転状態と独立してスタック入口の空気側温度を調整することができる。なお、上記燃料側起動用燃焼器を組み合わせることにより、スタック入口の温度差をより容易に制御することが可能になる。
すなわち、このコンバインド発電システムでは、燃料流量制御手段により、未反応燃料ガスの流量を可変制御して主燃料供給流路に供給することにより、スタックに流入する燃料流量を制御し、ガスタービンの運転状況と独立してスタック入口の極間差圧を制御することができる。また、常圧型システムにおけるガスタービン排気の低い圧力でも、燃料循環が可能になり、消費電力の低減が可能になる。
すなわち、このコンバインド発電システムでは、排気流量制御手段により、ガスタービン排気からの分岐流量を制御することにより、スタックに流入する空気流量を制御し、ガスタービンの運転状況の変化によるSOFCへの影響を極力低減した運転が可能になり、スタック入口の極間差圧を制御することができる。
すなわち、このコンバインド発電システムでは、主空気流量制御機構による主空気の流量制御に応じてガスタービン排気の流量を制御することにより、先行的に主空気流量とガスタービン排気流量とを協調動作させることができる。
すなわち、このコンバインド発電システムでは、停電時等の電源喪失時においても、電力切り換え手段により、燃料電池側電力ライン及び発電機側電力ラインの電力系統との接続を少なくとも一つシステム運用電力ラインに任意に切り換え接続することにより、発電所内で必要な電力が供給され、発電所(発電システム)内の単独運転が可能になり、システムの稼働率を向上させることができる。
すなわち、本発明に係る高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムによれば、排気温度制御手段により、ガスタービン圧縮空気の温度を調整できるので、SOFCの運転状態と独立してタービン入口温度を目標値に制御することができる。
また、本発明によれば、スタック入口温度制御手段により、燃料極及び空気極の少なくとも一方の温度調整ができ、ガスタービンの運転状態と独立してスタック入口温度を制御することが可能になる。
また、本発明によれば、スタック入口圧力制御手段により、燃料極及び空気極の少なくとも一方の入口流量の調整ができ、ガスタービンの運転状況と独立してスタック入口の燃料側と空気側との圧力差を制御することができる。
このように本発明では、常圧型SOFCコンバインド発電システムにおいて、SOFC及びガスタービンの一方の運転状況と独立して他方側を制御でき、機器保護のための運転制約を遵守した運転が可能になる。
前記補助燃料供給機構14は、未反応燃料ガス流路8の途中に接続された補助燃料流路16と、補助燃料流路16に設けられた補助燃料制御弁17とを備えている。
前記ガスタービン排気供給流路7及び前記圧縮空気供給流路6の途中には、ガスタービン排気とガスタービン圧縮空気との熱交換を行いガスタービン圧縮空気を所望の温度まで加熱する低温再生熱交換器19が設けられている。また、ガスタービン排気供給流路7及び未反応空気流路9の途中には、ガスタービン排気と未反応空気との熱交換を行いガスタービン排気を所望の温度に加熱する空気予熱器20が設けられている。
前記加圧空気供給機構15は、燃焼器排気流路12の排熱回収ボイラ21より下流から分岐して未反応燃料ガス流路8の途中(燃料再循環流路22の分岐部より下流)に接続される空気再循環流路23と、空気再循環流路23に設けられ燃焼器排気をその圧力を可変制御して未反応燃料ガス流路8に加圧供給する空気再循環ファン24とから構成されている。
前記未反応燃料ガス流路8及び前記主燃料ガス流路25の途中には、未反応燃料ガスと主燃料ガスとの熱交換を行い主燃料ガスを所望の温度に加熱する燃料予熱器27が設けられている。
また、未反応燃料ガス流路8からは燃料再循環ファン(燃料流量制御手段、スタック入口圧力制御手段)28を備えた燃料再循環流路22が分岐され、主燃料ガス流路25に接続されている。すなわち、前記燃料再循環ファン28により、未反応燃料ガスの一部は、燃料再循環流路22を介して主燃料ガス流路25に戻される。
タービン部3から排出されるガスタービン排気は、膨張して常圧となった高温のガス流体であり、SOFC1で高温の主燃料ガスと反応するのに必要な酸素量が十分に含まれている。このガスタービン排気を、空気予熱器20で加熱した後、SOFC1の空気極1Aに導入する。一方、主燃料ガス制御弁26を介して主燃料ガスを主燃料ガス流路25に導入し、燃料予熱器27で加熱した後、燃料極1Bに導入する。SOFC1では、空気極1Aのガスタービン排気と燃料極1Bの主燃料ガスとの反応により発電が行われる。なお、発電機5及びSOFC1での発電で生じた電力は、電力系統に送電される。
また、加圧空気供給機構15により一部の燃焼器排気をその圧力を可変制御して未反応燃料燃焼器11に加圧供給することにより、燃焼器排気温度を調整して高温再生熱交換器13でガスタービン圧縮空気の温度を調整できる。したがって、タービン入口温度が目標と異なる場合に、補助燃料供給機構14や加圧空気供給機構15により、燃焼器排気の温度を調整することにより、SOFC1の運転状態と独立してタービン入口温度を目標値に制御することができる。
前記電力切り換え手段42は、燃料電池側電力ラインL2の電力系統L1との接続を切り離してサブ送電ラインL42に切り換え可能な第1切り換えスイッチ部S1と、メイン送電ラインL41の電力系統L1との接続を切り離してサブ送電ラインL42に切り換え可能な第2切り換えスイッチ部S2と、発電機側電力ラインL3の電力系統L1との接続を切り離してサブ送電ラインL42に切り換え可能な第3切り換えスイッチ部S3とを備えている。
Claims (12)
- 高温燃料ガス及び高温空気の供給を常圧で受けて発電する高温型燃料電池と、
同軸に連結された圧縮機部及びタービン部を有するガスタービンと、
該ガスタービンの出力で駆動されて発電する発電機と、
前記圧縮機部から供給されるガスタービン圧縮空気を前記タービン部へ導入する圧縮空気供給流路と、
前記ガスタービンから排出されたガスタービン排気を前記高温型燃料電池の高温空気として高温型燃料電池の空気極に供給するガスタービン排気供給流路と、
前記高温型燃料電池の燃料極を通過した未反応燃料ガスと前記空気極を通過した未反応空気と前記ガスタービン排気の一部とを導入し燃焼させる未反応燃料燃焼器と、
該未反応燃料燃焼器から排出される燃焼器排気により前記ガスタービン圧縮空気を熱交換で温度上昇させる熱交換器と、
前記燃焼器排気の温度を調整可能な排気温度制御手段とを備えていることを特徴とする高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システム。 - 前記排気温度制御手段が、補助燃料を前記未反応燃料ガスと共にその混合比を可変制御して前記未反応燃料燃焼器に供給する補助燃料供給機構を備えていることを特徴とする請求項1に記載の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システム。
- 前記排気温度制御手段が、少なくとも一部の前記燃焼器排気をその圧力を可変制御して前記未反応燃料燃焼器に加圧供給する加圧空気供給機構を備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システム。
- 高温燃料ガス及び高温空気の供給を常圧で受けて発電する高温型燃料電池と、
同軸に連結された圧縮機部及びタービン部を有するガスタービンと、
該ガスタービンの出力で駆動されて発電する発電機と、
前記圧縮機部から供給されるガスタービン圧縮空気を前記タービン部へ導入する圧縮空気供給流路と、
前記ガスタービンから排出されたガスタービン排気を前記高温型燃料電池の高温空気として高温型燃料電池の空気極に供給するガスタービン排気供給流路と、
前記高温型燃料電池の燃料極を通過した未反応燃料ガスと前記空気極を通過した未反応空気と前記ガスタービン排気の一部とを導入し燃焼させる未反応燃料燃焼器と、
該未反応燃料燃焼器から排出される燃焼器排気により前記ガスタービン圧縮空気を熱交換で温度上昇させる熱交換器と、
前記燃料極に供給される主燃料ガス及び前記空気極に供給される前記ガスタービン排気の少なくとも一方の温度を可変制御するスタック入口温度制御手段とを備えていることを特徴とする高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システム。 - 前記スタック入口温度制御手段が、前記未反応燃料ガスの一部と起動用空気とを燃焼させ該燃焼の排気で前記主燃料ガスの温度制御を行う燃料側起動用燃焼器を備えていることを特徴とする請求項4に記載の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システム。
- 前記スタック入口温度制御手段が、前記ガスタービン排気供給流路に設けられ前記ガスタービン排気と起動用燃料とを燃焼させる空気側起動用燃焼器を備えていることを特徴とする請求項4又は5に記載の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システム。
- 前記スタック入口温度制御手段が、前記ガスタービン排気供給流路の途中にバイパス弁を介して設けられたバイパス流路と、
該バイパス流路に設けられ前記ガスタービン排気を冷却する冷却器とを備えていることを特徴とする請求項4から6のいずれかに記載の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システム。 - 高温燃料ガス及び高温空気の供給を常圧で受けて発電する高温型燃料電池と、
同軸に連結された圧縮機部及びタービン部を有するガスタービンと、
該ガスタービンの出力で駆動されて発電する発電機と、
前記圧縮機部から供給されるガスタービン圧縮空気を前記タービン部へ導入する圧縮空気供給流路と、
前記ガスタービンから排出されたガスタービン排気を前記高温型燃料電池の高温空気として高温型燃料電池の空気極に供給するガスタービン排気供給流路と、
前記高温型燃料電池の燃料極を通過した未反応燃料ガスと前記空気極を通過した未反応空気と前記ガスタービン排気の一部とを導入し燃焼させる未反応燃料燃焼器と、
該未反応燃料燃焼器から排出される燃焼器排気により前記ガスタービン圧縮空気を熱交換で温度上昇させる熱交換器と、
前記燃料極に供給される主燃料ガス及び前記空気極に供給される前記ガスタービン排気の少なくとも一方の流量を可変制御するスタック入口圧力制御手段とを備えていることを特徴とする高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システム。 - 前記スタック入口圧力制御手段が、前記主燃料ガスを前記燃料極に供給する主燃料供給流路と、
前記未反応燃料ガスの一部を前記主燃料供給流路に戻す燃料再循環流路と、
該燃料再循環流路に設けられ前記未反応燃料ガスの流量を可変制御して前記主燃料供給流路に供給する燃料流量制御手段とを備えていることを特徴とする請求項8に記載の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システム。 - 前記スタック入口圧力制御手段が、前記ガスタービン排気供給流路に設けられ前記ガスタービン排気の流量を制御する排気流量制御手段を備えていることを特徴とする請求項8又は9に記載の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システム。
- 前記排気流量制御手段が、前記圧縮機部に主空気を流量制御して供給する主空気流量制御機構を備え、該主空気流量制御機構による前記主空気の流量制御に応じて前記ガスタービン排気の流量を制御すること特徴とする請求項10に記載の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システム。
- 電力系統に接続され前記高温型燃料電池からの電力を送電する燃料電池側電力ラインと、
電力系統に接続され前記発電機からの電力を送電する発電機側電力ラインと、
発電システム内に電力を供給するシステム運用電力ラインと、
前記燃料電池側電力ライン及び前記発電機側電力ラインの電力系統との接続を少なくとも一つ前記システム運用電力ラインに任意に切り換え接続可能な電力切り換え手段を備えていることを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システム。
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