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

Abstract

【課題】 高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムにおいて、常圧型でも機器保護のための運転制約を遵守して運転・制御を可能にすること。
【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

本発明は、高温型燃料電池による発電とガスタービンによる発電とを組み合わせ、常圧型で運転制御され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関する。

燃料電池は、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して発電を行うものである。この燃料電池は、燃料側の電極である燃料極と、空気側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。
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。

上述したＳＯＦＣは、燃料ガス及び空気を高温にして電池系内に流す必要がある。しかし、従来のＳＯＦＣコンバインド発電システムでは、例えば特許文献１に記載されているように、ガスタービンの圧縮機で圧縮された高圧空気をＳＯＦＣの空気極に導入して発電した後、発電時の反応熱に未反応の燃料ガス及び空気を燃焼させた熱を加えた排熱をガスタービンの駆動に再利用するように構成されているため、高温に加えて高圧とした燃料ガス及び空気を電池系内に流す加圧型のＳＯＦＣとなる。

この従来の加圧型ＳＯＦＣコンバインド発電システムでは、ＳＯＦＣとガスタービンとの組み合わせによって、ガスタービンの圧縮機で圧縮した高圧空気を空気極に導入する構成としたため、同様に燃料ガスも高圧とする加圧型のＳＯＦＣとする必要があった。このような加圧型のＳＯＦＣは、燃料極、空気極及び電解質を圧力容器内に設置する必要があり、また、燃料を加圧して燃料極に供給する圧縮機も必要となるため、常圧で運転できるＳＯＦＣと比較してコスト高になるという不都合があった。

また、ガスタービンは起動性がよく、運転開始から短時間のうちに定格運転を行って発電を開始できるという利点がある。一方、ＳＯＦＣは電解質としてセラミックスを用いているので、急激に運転温度を上げると割れ等の問題が生じるため起動性はよくない。特に、ガスタービンの圧縮機で圧縮された空気をＳＯＦＣに導入しているため、ＳＯＦＣで発電するためにはガスタービンの運転が不可欠となる。そして、ガスタービンが起動されると圧縮により温度上昇した空気が供給されてＳＯＦＣを通過するので、電解質のセラミックスは比較的短時間で加熱されて昇温してしまう。このため、ＳＯＦＣコンバインド発電システムではガスタービンの運転速度を徐々に上昇させる必要があり、結果的にガスタービンの起動性を有効に活用することができず、システム全体としても起動性はよくないという不都合があった。

このため、常圧で運転可能な高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムが、例えば特許文献２に提案されている。この常圧型ＳＯＦＣコンバインド発電システムは、高温型燃料電池の空気極にガスタービンから排出される十分な酸素量を含むガスタービン排気を導入することにより、燃料電池を常圧で運転することができるものである。また、この常圧型ＳＯＦＣコンバインド発電システムでは、ガスタービンや高温型燃料電池の排熱を熱交換により有効に利用して高効率な発電をすることが可能になっている。
特開２００２−２９８８８９号（図１参照） 特開２００３−２１７６０２号（図１参照）

しかしながら、上記従来のＳＯＦＣコンバインド発電システムには、以下の課題が残されている。すなわち、従来の常圧型のＳＯＦＣコンバインド発電システムでは、ガスタービンと燃料電池との起動特性や負荷追従性の違いにより、まだ機器保護のための運転制約があった。例えば、上記特性の相違によって、ガスタービン入口温度、ＳＯＦＣのスタック入口温度やＳＯＦＣの極間差圧を制御することが難しいという不都合がある。また、電源喪失時において、発電所内で必要な電力が供給されず、発電所内の単独運転が困難であった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、常圧型でも機器保護のための運転制約を遵守して運転・制御が可能な高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムは、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、ガスタービンの出力で駆動されて発電する発電機と、圧縮機部から供給されるガスタービン圧縮空気をタービン部へ導入する圧縮空気供給流路と、ガスタービンから排出されたガスタービン排気を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、高温型燃料電池の燃料極を通過した未反応燃料ガスと空気極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と、未反応燃料燃焼器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熱交換器と、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。

このコンバインド発電システムでは、タービン入口温度が目標と異なる場合に排気温度制御手段により燃焼器排気の温度を調整することにより、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、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。特に、ＳＯＦＣの運転状態変化に応じて排気温度制御手段の操作を先行的に動作させることにより、安定したタービン入口温度の制御が可能になる。

また、本発明の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムは、排気温度制御手段が、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補助燃料供給機構を備えていることを特徴とする。
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。

また、本発明の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムは、排気温度制御手段が、少なくとも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。
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。

本発明の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムは、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、ガスタービンの出力で駆動されて発電する発電機と、圧縮機部から供給されるガスタービン圧縮空気をタービン部へ導入する圧縮空気供給流路と、ガスタービンから排出されたガスタービン排気を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、高温型燃料電池の燃料極を通過した未反応燃料ガスと空気極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と、未反応燃料燃焼器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熱交換器と、燃料極に供給される主燃料ガス及び空気極に供給される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。

このコンバインド発電システムでは、スタック入口温度制御手段により、燃料極に供給される主燃料ガス及び空気極に供給される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ことにより、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、本発明の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムは、スタック入口温度制御手段が、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燃料側起動用燃焼器を備えていることを特徴とする。
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。

また、本発明の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムは、スタック入口温度制御手段が、ガスタービン排気供給流路に設けられ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。
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。

また、本発明の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムは、スタック入口温度制御手段が、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、バイパス流路に設けられ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。
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。

本発明の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムは、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、ガスタービンの出力で駆動されて発電する発電機と、圧縮機部から供給されるガスタービン圧縮空気をタービン部へ導入する圧縮空気供給流路と、ガスタービンから排出されたガスタービン排気を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、高温型燃料電池の燃料極を通過した未反応燃料ガスと空気極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と、未反応燃料燃焼器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熱交換器と、燃料極に供給される主燃料ガス及び空気極に供給される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。

このコンバインド発電システムでは、スタック入口圧力制御手段により、燃料極に供給される主燃料ガス及び空気極に供給される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ことにより、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（極間差圧）を制御することができる。

また、本発明の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムは、スタック入口圧力制御手段が、主燃料ガスを燃料極に供給する主燃料供給流路と、未反応燃料ガスの一部を主燃料供給流路に戻す燃料再循環流路と、燃料再循環流路に設けられ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燃料流量制御手段とを備えていることを特徴とする。
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。

また、本発明の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムは、スタック入口圧力制御手段が、ガスタービン排気供給流路に設けられ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。
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。

さらに、本発明の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムは、排気流量制御手段が、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、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分岐流量を制御することが好ましい。
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。

また、本発明の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムは、電力系統に接続され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、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。
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。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
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。

以下、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の第１実施形態を、図１を参照しながら説明する。

本実施形態のコンバインド発電システムは、図１に示すように、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（ＳＯＦＣ）１と、同軸に連結された圧縮機部２及びタービン部３を有するガスタービン４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とを備えている。すなわち、このコンバインド発電システムは、ＳＯＦＣ１による発電と、ガスタービン４による発電とを組み合わせて高い発電効率を得るように構成したものである。

ＳＯＦＣ１による発電は、例えば約１０００℃程度の作動温度となるように加熱して供給される高温燃料ガス及び高温空気の反応によって発電される。また、ガスタービン４による発電は、ガスタービン４の出力を駆動源とし、同軸に連結された発電機５を運転することによってなされる。このガスタービン４は、圧縮機部２で主空気を圧縮空気とし、圧縮空気供給流路６を介して導入した圧縮空気とガスタービン燃料とを燃焼させ、この燃焼ガスを膨張させてタービン部３を回転させることにより発電機５を運転する。なお、ガスタービン燃料としては、例えば天然ガスなど、ＳＯＦＣ１の燃料と同じものを使用することができる。

また、このコンバインド発電システムは、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ＳＯＦＣ１の空気極１Ａに供給するガスタービン排気供給流路７と、ＳＯＦＣ１の燃料極１Ｂを通過した未反応燃料ガスを流通させる未反応燃料ガス流路８と、空気極１Ａを通過した未反応空気を流通させる未反応空気流路９と、未反応燃料ガス流路８と未反応空気流路９とガスタービン排気供給流路７からの分岐流路１０とに接続され未反応燃料ガスと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を煙突へ排気する燃焼器排気流路１２と、燃焼器排気流路１２及び圧縮空気供給流路６の途中に設けられ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とを備えている。なお、空気極１Ａ及び燃料極１Ｂは、単セルを積み重ねたスタックを構成している。

さらに、本実施形態のコンバインド発電システムは、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１１に供給する補助燃料供給機構（排気温度制御手段）１４と、少なくとも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に加圧供給する加圧空気供給機構（排気温度制御手段）１５とを備えている。
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。

前記圧縮機部２には、主空気を流量制御して供給する主空気制御弁（主空気流量制御機構）１８が接続されている。
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。

前記燃焼器排気流路１２には、高温再生熱交換器１３よりも下流に燃焼器排気の排熱を回収する排熱回収ボイラ２１が設けられている。排熱回収ボイラ２１では、排熱との熱交換によって得られる蒸気や温水などを供給して排熱を利用することができる。
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。

前記燃料極１Ｂの入口には、主燃料ガス流路２５が接続され、主燃料ガス流路２５には、主燃料ガスの流量を可変制御する主燃料ガス制御弁２６が設けられている。
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。

なお、本実施形態のコンバインド発電システムは、図示しないが、電力系統に接続されＳＯＦＣ１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発電機５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を備えている。

次に、本実施形態のコンバインド発電システムについて、その運転方法を説明する。

まず、主空気制御弁１８を介して主空気を圧縮機部２に導入し圧縮空気とした後、ガス圧縮空気を圧縮空気供給流路６の低温再生熱交換器１９及び高温再生熱交換器１３で加熱してガスタービン燃料と燃焼させ、この燃焼ガスでタービン部３を回転させて発電機５を運転する。
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。

空気極１Ａから出る未反応空気は、分岐流路１０からのガスタービン排気と共に未反応燃料燃焼器１１に供給される。一方、燃料極１Ｂから出る未反応燃料ガスは、補助燃料制御弁１７で流量が制御された補助燃料流路１６からの補助燃料と共に未反応燃料燃焼器１１に供給される。これによって、未反応燃料燃焼器１１で未反応空気及びガスタービン排気と未反応燃料ガス及び補助燃料とが反応して燃焼し、高温の燃焼器排気が燃焼器排気流路１２に供給される。この燃焼器排気は、高温再生熱交換器１３及び排熱回収ボイラ２１を介して煙突から排出されるが、一部は空気再循環流路２３から空気再循環ファン２４で流量制御されて再び未反応燃料燃焼器１１に上記未反応燃料ガスなどと共に導入される。

ここで、例えばタービン入口温度が目標より低い場合、補助燃料供給機構１４により補助燃料の混合比を増加させる若しくは加圧空気供給機構１５により燃焼器排気の流量を減少（インバータ値を減少）させることにより、燃焼器排気の温度を上昇させてタービン入口温度を目標値に制御する。特に、ＳＯＦＣ１の運転状態変化に応じてこれら機構の操作を先行的に動作させることにより、安定したタービン入口温度の制御が可能になる。

すなわち、本実施形態では、補助燃料供給機構１４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１１に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も調整できる。本システムでは、未反応燃料燃焼器１１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。
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。

次に、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の第２実施形態及び第３実施形態を、図２及び図３を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第２実施形態では、図２に示すように、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燃料側起動用燃焼器（スタック入口温度制御手段）３０が燃料再循環流路２２に設けられている点である。すなわち、本実施形態では、燃料側起動用燃焼器３０に接続され起動用空気を起動用空気制御弁３１で流量を可変制御して供給する起動用空気流路３２が設けられている。これにより、起動用空気制御弁３１で起動用空気の流量を可変制御することにより、燃料側起動用燃焼器３０からの未反応燃料ガスの燃焼を調整して燃焼排気温度を制御して主燃料ガス流路２５に導入することができる。したがって、主燃料ガス流路２５内の主燃料ガス温度を制御することができ、スタック入口の燃料側温度を制御することができる。

第３実施形態と第２実施形態との異なる点は、第３実施形態では、図３に示すように、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３３がガスタービン排気供給流路７に設けられている点である。また、第３実施形態のコンバインド発電システムでは、ガスタービン排気供給流路７の途中にバイパス弁３４を介して設けられたバイパス流路３５と、バイパス流路３５に設けられガスタービン排気を冷却する冷却器３６とを備えている。さらに、第３実施形態のコンバインド発電システムでは、空気極１Ａに供給されるガスタービン排気の流量を可変制御するスタック空気流量制御弁（排気流量制御手段、スタック入口圧力制御手段）３７がガスタービン排気供給流路７に設けられている。

前記空気側起動用燃焼器３３は、ガスタービン排気供給流路７においてバイパス流路３５との合流部より下流に設けられ、起動用燃料を供給する起動用燃料流路３８が接続されている。起動用燃料流路３８には、起動用燃料の流量を可変制御する起動用燃料制御弁３９が設けられている。したがって、本実施形態では、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３３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４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。

また、本実施形態では、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ＳＯＦＣ１に供給しないよう、その一部を冷却器３６に供給して冷却しバイパス流体３５と混合することで、ガスタービン４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、これら空気側起動用燃焼器３３及び冷却器３６と上記燃料側起動用燃焼器３０とを組み合わせて制御することにより、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。

さらに、本実施形態では、スタック空気流量制御弁３７の流量制御によってガスタービン排気の一部を分岐流路１０を介して未反応燃料燃焼器１１に流すことにより、空気極１Ａに供給されるガスタービン排気の流量を可変制御することができる。このように、スタック空気流量制御弁３７によって空気極１Ａに供給されるガスタービン排気の流量を可変制御することにより、ガスタービン４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極間差圧を制御することができる。

また、スタック空気流量制御弁３７は、主空気制御弁１８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ように設定されている。すなわち、本実施形態のコンバインド発電システムでは、主空気制御弁１８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。

次に、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の第４実施形態及び第５実施形態を、図４及び図５を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第４実施形態と第３実施形態との異なる点は、第４実施形態では、図４に示すように、燃料極１Ｂに供給される主燃料ガスの流量を可変制御する可変燃料再循環ファン（燃料流量制御手段、スタック入口圧力制御手段）４０が燃料再循環流路２２に設けられている点である。すなわち、第４実施形態のコンバインド発電システムでは、可変燃料再循環ファン４０によって燃料側起動用燃焼器３０への未反応燃料ガスの流量を可変制御することにより、燃料側起動用燃焼器３０からの燃焼排気の流量と共に主燃料ガス流路２５の主燃料ガスの流量も可変制御することができる。したがって、本実施形態では、可変燃料再循環ファン４０によって燃料極１Ｂに供給される主燃料ガスの流量を可変制御することができ、ガスタービン４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極間差圧を制御することができる。

第５実施形態のコンバインド発電システムは、図５に示すように、電力系統Ｌ１に接続されＳＯＦＣ１からの電力を直交変換器４１を介して送電する燃料電池側電力ラインＬ２と、電力系統Ｌ１に接続され発電機５からの電力を送電する発電機側電力ラインＬ３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Ｌ４とを備えている。そして、第５実施形態と第４実施形態との異なる点は、燃料電池側電力ラインＬ２及び発電機側電力ラインＬ３の電力系統Ｌ１との接続を少なくとも一つシステム運用電力ラインＬ４に任意に切り換え接続可能な電力切り換え手段４２を備えている点である。

前記システム運用電力ラインＬ４は、通常時は前記電力系統Ｌ１と発電システム内の電力稼働設備（例えば、燃料再循環ファン２８及び空気再循環ファン２４）とを接続してこれら設備に電力を供給するメイン送電ラインＬ４１と、通常時はどの電力ラインとも接続されていないサブ送電ラインＬ４２とを備えている。
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。

すなわち、本実施形態では、停電時等の電源喪失時において、電力切り換え手段４２によって、第１切り換えスイッチ部Ｓ１、第２切り換えスイッチ部Ｓ２及び第３切り換えスイッチ部Ｓ３を作動させて電力系統Ｌ１との切り離しと、燃料電池側電力ラインＬ２及び発電機側電力ラインＬ３とサブ送電ラインＬ４２との接続と、メイン送電ラインＬ４１とサブ送電ラインＬ４２との接続を行う。そして、まずガスタービン４を起動してガスタービン４からの電力をサブ送電ラインＬ４２を介してメイン送電ラインＬ４１から電力稼働設備（例えば、燃料再循環ファン２８及び空気再循環ファン２４）に供給する。ＳＯＦＣ１はガスタービン４の起動から遅れて電力供給が可能になり、その際にはＳＯＦＣ１からも、サブ送電ラインＬ４２を介してメイン送電ラインＬ４１から電力稼働設備に電力が供給される。

このように本実施形態では、停電時等の電源喪失時においても、電力切り換え手段４２により、燃料電池側電力ラインＬ２及び発電機側電力ラインＬ３の電力系統Ｌ１との接続を少なくとも一つシステム運用電力ラインＬ４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。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

本発明に係る第１実施形態の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムを示す構成図である。 本発明に係る第２実施形態の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムを示す構成図である。 本発明に係る第３実施形態の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムを示す構成図である。 本発明に係る第４実施形態の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムを示す構成図である。 本発明に係る第５実施形態の高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システムを示す構成図である。

符号の説明

１…ＳＯＦＣ（高温型燃料電池）、１Ａ…空気極、１Ｂ…燃料極、２…圧縮機部、３…タービン部、４…ガスタービン、５…発電機、６…圧縮空気供給流路、７…ガスタービン排気供給流路、１１…未反応燃料燃焼器、１３…高温再生熱交換器、１４…補助燃料供給機構（排気温度制御手段）、１５…加圧空気供給機構（排気温度制御手段）、１８…主空気制御弁（主空気流量制御機構）、２１…排熱回収ボイラ、２２…燃料再循環流路、２５…主燃料ガス流路、２８…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）、３０…燃料側起動用燃焼器（スタック入口温度制御手段）、３３…空気側起動用燃焼器、３４…バイパス弁、３５…バイパス流路、３６…冷却器、３７…スタック空気流量制御弁（排気流量制御手段、スタック入口圧力制御手段）、４０…可変燃料再循環ファン（燃料流量制御手段、スタック入口圧力制御手段）、４２…電力切り換え手段、Ｌ１…電力系統、Ｌ２…燃料電池側電力ライン、Ｌ３…発電機側電力ライン、Ｌ４…システム運用電力ライン、Ｌ４１…メイン送電ライン、Ｌ４２…サブ送電ライン、Ｓ１…第１切り換えスイッチ部、Ｓ２…第２切り換えスイッチ部、Ｓ３…第３切り換えスイッチ部

Claims (12)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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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