JP2008078144A

JP2008078144A - 燃料電池−ガスタービン発電設備及び複合発電設備

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Publication number: JP2008078144A
Application number: JP2007267676A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Koga; 重徳古賀; Masatoshi Kudome; 正敏久留
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-10-15
Filing date: 2007-10-15
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: JP4939362B2

Abstract

【課題】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及び複合発電設備を提供する。
【解決手段】空気を圧縮する圧縮機３と、圧縮機３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３１と、燃料電池３１からの排空気及び未反応燃料を含む排ガスを燃焼する燃焼器１０と、燃焼器１０からの燃焼ガスが膨張されるガスタービン４と、発電機５と、圧縮機３で圧縮された圧縮空気の一部を燃焼器１０に供給するバイパス路６４とを備え、圧縮機３の圧縮比及びガスタービン４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する。
【選択図】図２

Description

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。

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。

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）。

特開平１１−２９７３３６号公報

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。

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。

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。

上記目的を達成するための第１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未反応燃料を含む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、
発電機と、
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、
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。

また、第２発明の燃料電池−ガスタービン発電設備は、
第１発明の燃料電池−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。

また、第３発明の燃料電池−ガスタービン発電設備は、
第２発明の燃料電池−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。

また、第４発明の複合発電設備は、第１乃至第３発明のいずれかの燃料電池−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。

第１発明の燃料電池−ガスタービン発電設備によれば、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未反応燃料を含む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、発電機と、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。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。
また、第１発明の燃料電池−ガスタービン発電設備によれば、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。

また、第２発明の燃料電池−ガスタービン発電設備によれば、第１発明の燃料電池−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。

また、第３発明の燃料電池−ガスタービン発電設備によれば、第２発明の燃料電池−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。

また、第４発明の複合発電設備は、第１乃至第３発明のいずれかの燃料電池−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。

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。

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。

高効率達成のための作用・効果は以下の通りである。

（１）ＳＯＦＣの高効率化

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。

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。

（２）ガスタービンの高効率化（高出力化）

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。

低温熱交温度効率η_t＝（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。

（ａ）高温熱交の廃止によるタービン入熱量の増加

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。

（ｂ）低温熱交における熱回収量の増加

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。

（ｃ）ガスタービンの効率向上

ガスタービンの理論サイクル効率η_GT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η_C、タービン効率η_T ）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。

η_GT＝（τη_C η_T −ψ)(１−１／ψ）／（η_C τ−ψ＋１−η_C ）
＝（Ｃ₁ −ψ）（１−１／ψ)／（Ｃ₂ −ψ）

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、
η_GT＝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。

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。

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。

第１実施形態例

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

第２実施形態例

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

第３実施形態例

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

第４実施形態例

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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ことができる。

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。

第５実施形態例

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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。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。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。電池管の詳細を表す断面図。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。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。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

Claims

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未反応燃料を含む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、
発電機と、
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、
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。
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。
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、
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。
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。