JP2011023304A - コンバインド発電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料ガスおよび酸化剤の供給を受けて発電する固体酸化物形燃料電池2と、同軸に連結された圧縮機31およびタービン部33と、圧縮機31により圧縮された空気を用いて固体酸化物形燃料電池2から排出された燃料ガスに含まれる未燃燃料を燃焼させる燃焼器32と、を有するガスタービン3と、ガスタービン3により回転駆動される発電機4と、が設けられ、圧縮機31により圧縮された空気を燃焼器32に導く圧縮空気流路35は、少なくとも一部が固体酸化物形燃料電池2の内部に配置されていることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
その一方で、空気分離装置により分離された窒素は、SOFCの燃料極における酸化防止のために、SOFCの運転停止時に燃料極に供給されている。
すると、SOFCのサブモジュールの構成、例えば、SOFCのセルの配置等によって、セルにおいて発生した熱が放熱されやすいセルと、放熱されにくいセルとに分かれる場合がある。
本発明のコンバインド発電システムは、燃料ガスおよび酸化剤の供給を受けて発電する固体酸化物形燃料電池と、同軸に連結された圧縮機およびタービン部と、前記圧縮機により圧縮された空気を用いて前記固体酸化物形燃料電池から排出された燃料ガスに含まれる未燃燃料を燃焼させる燃焼器と、を有するガスタービンと、該ガスタービンにより回転駆動される発電機と、前記圧縮機により圧縮された空気を前記燃焼器に導く圧縮空気流路と、が設けられ、前記圧縮空気流路は、少なくとも一部が前記固体酸化物形燃料電池の内部に配置されていることを特徴とする。
圧縮空気流路を流れる圧縮された空気の流量を調節するパラメータとしては、固体酸化物形燃料電池の内部の温度、例えばセルの温度を例示することができる。
その一方で、固体酸化物形燃料電池による発電が行われる定常運転時には、酸素を酸化剤として供給することにより、固体酸化物形燃料電池における発電効率を高めることができる。
図1は、本実施形態に係るSOFCコンバインド発電システムの概略を説明する図である。
本実施形態では、高温燃料ガスとして、加熱された天然ガス(NG)を用いる例に適用して説明する。
例えば、円筒状に形成された基体管の円周面上に、径方向内側から外側に向かって燃料極、電解質および空気極が積層され、かつ、環状に形成されたセルを、基体管の長手方向に並べて配置した複数のセルを、平行に並べて配置したサブモジュールや、燃料極、電解質および空気極を順に繰り返して積層したセルを有するサブモジュールなどを挙げることができる。
この燃料ガス供給流路52には、気化した燃料ガスを所定の温度まで加熱する燃料ガス加熱部(図示せず)が設けられている。
この酸素ガス供給流路53には、酸素製造部5において分離された酸素を所定の温度まで加熱する酸素ガス加熱部(図示せず)が設けられている。さらに、酸素ガス供給流路53には、後述するバイパス流路38が接続されている。
酸素製造部5には、圧縮空気供給流路37と、液化燃料供給流路51と、酸素ガス供給流路53と、燃料ガス供給流路52と、が接続されている。
圧縮空気供給流路37の一方の端部は圧縮空気流路35に接続され、他方の端部は酸素製造部5に接続されている。さらに、圧縮空気供給流路37にはバイパス流路38が接続され、圧縮空気供給流路37とバイパス流路38との接続部には、第2調節弁(第2接続部)39が設けられている。
なお、第2調節弁39としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。さらに、本実施形態では、一つの第2調節弁39により酸素製造部5に流入する圧縮空気の流量と、バイパス流路38に流入する圧縮空気の流量を調節する例に適用して説明しているが、少なくとも二つの第2調節弁39をそれぞれ、バイパス流路38と、圧縮空気供給流路37と、に配置してもよく、特に限定するものではない。
本実施形態では、液化燃料として液化天然ガス(LNG)を用いる例に適用して説明する。
ガスタービン3には、圧縮機31と、燃焼器32と、タービン部33と、回転軸34と、が主に設けられている。
なお、圧縮機31の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
圧縮空気流路35の一方の端部は圧縮機31に接続され、他方の端部は燃焼器32に接続されている。さらに、圧縮空気流路35における圧縮機31とSOFC2との間には、圧縮空気の少なくとも一部を酸素製造部5に導く圧縮空気供給流路37が接続され、当該接続とSOFC2との間には第1調節弁36が設けられている。
第1調節弁36の開度を制御するパラメータとしては、SOFC2の温度、例えばサブモジュール21の温度などを例示することができる。
燃焼器32には、燃料ガス排出流路54と、酸素ガス排出流路55と、圧縮空気流路35と、が接続されている。
なお、燃焼器32の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
なお、タービン部33の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
SOFCコンバインド発電システム1により発電が行われる場合には、第1調節弁36が開かれ、第2調節弁39は圧縮空気を酸素製造部5のみに導いている。
酸素製造部5において圧縮空気から分離された酸素は、酸素ガス供給流路53を介してSOFC2のサブモジュール21の空気極に供給される。このとき、酸素ガスは、酸素ガス加熱部(図示せず)により所定の温度まで加熱され、高温酸素ガスとなる。
燃料ガスも同様に、燃料ガス供給流路52を介してサブモジュール21の燃料極に供給される。このとき、燃料ガスは、燃料ガス加熱部(図示せず)により所定の温度まで加熱され、高温燃料ガスとなる。
このとき、高温燃料ガスに含まれる燃料の一部のみが発電に用いられ、サブモジュール21から排出される高温燃料ガスには未燃燃料が残存している。高温酸素ガスについても同様に、高温酸素ガスに含まれる酸素の一部のみが発電に用いられ、サブモジュール21から排出される高温酸素ガスには未反応の酸素が残存している。
ここで、発電時におけるSOFC2の温度は約900℃であり、圧縮空気の温度は約200℃から約500℃であるため、SOFC2は圧縮空気流路35を流れる圧縮空気により冷却される。これにより、SOFC2の内部、例えばサブモジュール21等の温度分布が均一化される。
その一方で、圧縮空気はSOFC2により加熱され温度が上昇する。
圧縮機31は回転軸34により回転駆動され、空気(外気)を導入して圧縮する。発電機4は回転軸34により回転駆動され、発電を行う。
すると、第2調節弁39が切り替えられ、バイパス流路38のみに導かれていた圧縮空気が、酸素製造部5のみに導かれる。酸素製造部5では、深冷分離法を用いて圧縮空気から酸素が分離される。分離された酸素は、酸素ガス供給流路53を介してSOFC2に供給される。
これにより、SOFC2には高温燃料ガスと高温酸素ガスとが供給されることになる。
SOFC2の空気極には、バイパス流路38および酸素ガス供給流路53を介して圧縮空気が導かれる。そして、空気極の周囲の酸素ガスが圧縮空気に置換されると、SOFC2の降温が開始され、SOFC2の運転が停止される。
その一方で、SOFC2による発電が行われる定常運転時には、酸素を酸化剤として供給することにより、SOFC2における発電効率を高めることができる。
さらに、サブモジュール21から排出された高温の酸素ガスを、再びサブモジュール21に導入するため、新たにサブモジュール21に導入する酸素ガスの流量が減り、当該新たな酸素ガスを昇温させるために消費される動力を減らすことができる。
すなわち、複数のサブモジュール21から排出された酸素ガスを一つの循環配管に集め、当該循環配管から酸素ガス供給流路53のそれぞれに排出された酸素ガスを流入させることにより、新たな酸素ガスと排出された酸素ガスとの混合ガスをサブモジュール21に供給する実施例であってもよい。
このとき、上流側のサブモジュール21から排出された酸素ガスは、循環配管により下流側に配置されたサブモジュール21に供給される。下流側のサブモジュール21には、上流側のサブモジュール21から排出された酸素ガスと、新たな酸素ガスとの混合ガスが供給される。
さらに、セルから排出された高温の酸素ガスを、再びセルに導入するため、新たにセルに導入する酸素ガスの流量が減り、当該新たな酸素ガスを昇温させるために消費される動力を減らすことができる。
2 SOFC(固体酸化物形燃料電池)
3 ガスタービン
4 発電機
5 酸素製造部(酸素分離部)
31 圧縮機
32 燃焼器
33 タービン部
34 回転軸
35 圧縮空気流路
36 第1調節弁
39 第2調節弁(第2接続部)
Claims (4)
- 固体酸化物形燃料電池と、
同軸に連結された圧縮機およびタービン部と、燃焼器と、を有するガスタービンと、
該ガスタービンにより回転駆動される発電機と、
前記圧縮機により圧縮された空気を前記燃焼器に導く圧縮空気流路と、
が設けられ、
前記圧縮空気流路は、少なくとも一部が前記固体酸化物形燃料電池の内部に配置されていることを特徴とするコンバインド発電システム。 - 前記圧縮空気流路には、内部を流れる圧縮された空気の流量を調節する第1調節部が設けられていることを特徴とする請求項1記載のコンバインド発電システム。
- 前記圧縮機により圧縮された空気から酸素を分離し、該酸素を前記酸化剤として前記固体酸化物形燃料電池に供給するとともに、
液化燃料を気化させて前記燃料ガスとして前記固体酸化物形燃料電池に供給する酸素分離部が設けられ、
前記液化燃料を気化させる際の潜熱を用いて前記空気から前記酸素を分離することを特徴とする請求項1または2に記載のコンバインド発電システム。 - 前記酸素分離部に圧縮された空気を供給する流路と、前記酸素を前記固体酸化物形燃料電池に供給する流路とを繋ぐバイパス流路と、
前記酸素分離部および前記バイパス流路に流入する圧縮された空気の流量を調節する第2調節部と、
がさらに設けられていることを特徴とする請求項3記載のコンバインド発電システム。
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