JP2012195173A - Fuel cell and gas turbine combined power generation system and start method of fuel cell thereof - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell and gas turbine combined power generating system capable of performing boosting operation in a short time when a fuel cell is started, and a start method of the fuel cell thereof.SOLUTION: A fuel cell and gas turbine combined power generation system comprises: a discharge air passage Lwhich supplies discharge air 18A discharged from a compressor 14 of a gas turbine 11 to the SOFC13 side; an exhaust air passage Lwhich supplies exhaust air 18B exhausted from the SOFC13 to a gas turbine combustor 16; a fuel gas passage Lwhich supplies a fuel gas 31 to the SOFC13 side; an exhaust fuel gas passage Lwhich supplies an exhaust fuel gas 31A exhausted from the fuel electrode side of the SOFC13 to the gas turbine combustor 16; a communication passage Lwhich branches from the discharge air passage Land temporarily introduces the discharge air 18A into the fuel gas passage L; and replacement gas supply means for supplying a nitrogen gas 41 which replaces the discharge air 18A temporarily introduced into the fuel gas passage L.

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池及びガスタービンが結合された燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムにおける燃料電池の起動方法に関する。   The present invention relates to a method for starting a fuel cell in a fuel cell / gas turbine combined power generation system in which a solid oxide fuel cell and a gas turbine are combined.

固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）は、用途の広い高効率な燃料電池として知られている。
この固体酸化物形燃料電池は、イオン導電率を高めるために作動温度が高くされているので、ガスタービンの圧縮機から吐出され、かつガスタービンの排ガス熱を利用して高温とされた吐出空気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用できる。また、固体酸化物形燃料電池で利用できなかった高温の燃料をガスタービンの燃焼器の燃料として使用できる等、ガスタービンとの相性がよい。 BACKGROUND ART A solid oxide fuel cell (SOFC) is known as a highly efficient fuel cell having a wide range of uses.
Since this solid oxide fuel cell has a high operating temperature in order to increase ionic conductivity, the discharge air discharged from the compressor of the gas turbine and heated to high temperature using the exhaust gas heat of the gas turbine Can be used as air (oxidant) to be supplied to the air electrode side. In addition, high-temperature fuel that could not be used in the solid oxide fuel cell can be used as a fuel for the combustor of the gas turbine.

このため、たとえば、特許文献１及び２に示されるように、高効率を達成できる発電システムとして固体酸化物形燃料電池とガスタービンとを組み合わせたコンバインド発電システムが提案されている。   For this reason, for example, as shown in Patent Documents 1 and 2, a combined power generation system combining a solid oxide fuel cell and a gas turbine has been proposed as a power generation system capable of achieving high efficiency.

特開２００３−３６８７２号公報JP 2003-36872 A

ところで、固体酸化物形燃料電池とガスタービンとのコンバインド発電システムにおける起動において、従来は燃料側と空気側との差圧を管理値内に保持しながら、昇圧をおこなっている。この場合、差圧制御の追従する範囲内での昇圧速度となるので、その昇圧時間がかかる、という問題がある。
特に、大型のコンバインド発電システムにおいては、昇圧時間が著しく長くなるので、短時間で昇圧することが切望されている。 By the way, in the start-up in the combined power generation system of the solid oxide fuel cell and the gas turbine, conventionally, the pressure is increased while maintaining the differential pressure between the fuel side and the air side within the control value. In this case, since the pressure increase speed is within the range that the differential pressure control follows, there is a problem that the pressure increase time is required.
In particular, in a large-scale combined power generation system, since the boosting time becomes remarkably long, it is desired to boost the voltage in a short time.

本発明は、前記問題に鑑み、燃料電池の起動の際に短時間で昇圧操作ができる燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム及びその燃料電池の起動方法を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell / gas turbine combined power generation system capable of performing a boosting operation in a short time when starting the fuel cell, and a method for starting the fuel cell.

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、空気極および燃料極を有する固体酸化物形燃料電池と、ガスタービンとを備えた燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムであって、ガスタービン圧縮機からの吐出空気を前記空気極に供給する吐出空気流路と、前記空気極側から排出される排出空気をガスタービン燃焼器に供給する排出空気流路と、燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス流路と、前記燃料極側から排出される排燃料ガスをガスタービン燃焼器に供給する排燃料ガス流路と、前記吐出空気流路から分岐され、吐出空気を前記燃料ガス流路内に一時的に導入する連通流路と、前記燃料ガス流路に置換ガスを供給する置換ガス供給手段とを具備し、前記置換ガス供給手段により置換ガスを前記燃料ガス流路内に導入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記置換ガスで置換するように構成したことを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムにある。   A first invention of the present invention for solving the above-described problem is a fuel cell / gas turbine combined power generation system including a solid oxide fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, and a gas turbine, A discharge air flow path for supplying discharge air from a gas turbine compressor to the air electrode; a discharge air flow path for supplying discharge air discharged from the air electrode side to a gas turbine combustor; and fuel gas for the fuel A fuel gas flow path for supplying to the electrode, an exhaust fuel gas flow path for supplying the exhaust fuel gas discharged from the fuel electrode side to the gas turbine combustor, and a branch from the discharge air flow path, and discharging air to the fuel A communication channel that is temporarily introduced into the gas channel; and a replacement gas supply unit that supplies a replacement gas to the fuel gas channel, and the replacement gas is supplied into the fuel gas channel by the replacement gas supply unit. In Input to a certain atmosphere of the fuel gas flow passage to the fuel cell and gas turbine combined power generation system characterized by being configured to replace at the replacement gas.

第２の発明は、前記置換ガスが、タービンからの排燃焼ガスであることを特徴とする第１に記載の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムにある。   According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell / gas turbine combined power generation system according to the first aspect, the replacement gas is exhaust combustion gas from a turbine.

第３の発明は、第１又は２に記載の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムにおいて、燃料電池起動の際に、連通流路を介して吐出空気流路、排出空気流路、燃料ガス流路及び排燃料ガス流路に、吐出空気を供給することで燃料極側流路と空気極側流路とを均圧化しつつ昇圧を行い、次いで、前記連通流路に導入する吐出空気を停止し、吐出空気を前記燃料ガス流路及び前記排燃料ガス流路内に封じ込め、次いで、置換ガス導入することにより、封じ込めた吐出空気を前記置換ガスで置換し、その後燃料ガスを前記燃料ガス流路に導入することを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの燃料電池の起動方法にある。   According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell / gas turbine combined power generation system according to the first or second aspect, when the fuel cell is started, the discharge air flow path, the discharge air flow path, and the fuel gas flow path via the communication flow path In addition, by supplying discharge air to the exhaust fuel gas flow path, the pressure is increased while equalizing the fuel electrode side flow path and the air electrode side flow path, and then the discharge air introduced into the communication flow path is stopped. The discharge air is sealed in the fuel gas flow path and the exhaust fuel gas flow path, and then the replacement gas is introduced to replace the trapped discharge air with the replacement gas, and then the fuel gas is replaced with the fuel gas flow path. The fuel cell startup method of the fuel cell / gas turbine combined power generation system is characterized by being introduced to

本発明によれば、燃料電池の起動に際し、燃料側と空気側とを連通させ、吐出空気を用いて両者を均圧化して昇圧を行い、その後置換ガスにより置換し、その後燃料ガスを供給するので、昇圧時間を短縮することができる。   According to the present invention, when the fuel cell is started, the fuel side and the air side are communicated with each other, the pressure is increased by equalizing the pressure using the discharge air, and then replaced with the replacement gas, and then the fuel gas is supplied. Therefore, the boosting time can be shortened.

図１−１は、実施例１に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。1-1 is a schematic diagram of a fuel cell / gas turbine combined power generation system according to Embodiment 1. FIG. 図１−２は、実施例１に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。FIG. 1-2 is a schematic diagram of a fuel cell / gas turbine combined power generation system according to a first embodiment. 図１−３は、実施例１に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。FIG. 1C is a schematic diagram of a fuel cell / gas turbine combined power generation system according to a first embodiment. 図１−４は、実施例１に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。1-4 is a schematic diagram of a fuel cell / gas turbine combined power generation system according to Embodiment 1. FIG. 図２−１は、実施例２に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。FIG. 2-1 is a schematic diagram of a fuel cell / gas turbine combined power generation system according to a second embodiment. 図２−２は、実施例２に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。FIG. 2-2 is a schematic diagram of a fuel cell / gas turbine combined power generation system according to a second embodiment. 図２−３は、実施例２に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。FIG. 2-3 is a schematic diagram of a fuel cell / gas turbine combined power generation system according to a second embodiment. 図２−４は、実施例２に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。FIG. 2-4 is a schematic diagram of a fuel cell / gas turbine combined power generation system according to a second embodiment.

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same.

本発明による実施例１に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムについて、図面を参照して説明する。図１−１から図１−４は、本実施例に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。
図１−１に示すように、燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム（固体酸化物形燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」という）１３及びガスタービン１１が結合されたシステム）１０Ａは、ガスタービン１１の圧縮機１４からの吐出空気１８ＡをＳＯＦＣ１３側に供給する吐出空気流路（空気供給ライン）Ｌ2と、ＳＯＦＣ１３から排出される排出空気１８Ｂをガスタービン燃焼器１６に供給する排出空気流路（排出空気供給ライン）Ｌ3と、燃料ガス３１をＳＯＦＣ１３側に供給する燃料ガス流路Ｌ5と、ＳＯＦＣ１３の燃料極側から排出される排燃料ガス１３Ａをガスタービン燃焼器１６に供給する排燃料ガス流路Ｌ6と、前記吐出空気流路（空気供給ライン）Ｌ2から分岐され、吐出空気１８Ａを燃料ガス流路Ｌ5内に一時的に導入する連通流路Ｌ10と、前記燃料ガス流路Ｌ5に一時的に導入された吐出空気１８Ａを置換する置換ガス（例えば窒素ガス）４１を供給する置換ガス供給手段とを具備する。 A fuel cell / gas turbine combined power generation system according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIGS. 1-1 to 1-4 are schematic views of a fuel cell / gas turbine combined power generation system according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1A, a fuel cell / gas turbine combined power generation system (a system in which a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) 13 and a gas turbine 11) 10A is compressed by the gas turbine 11. A discharge air flow path (air supply line) L 2 for supplying the discharge air 18A from the compressor 14 to the SOFC 13 side, and a discharge air flow path (discharge air) for supplying the discharge air 18B discharged from the SOFC 13 to the gas turbine combustor 16. Supply line) L 3 , fuel gas flow path L 5 for supplying the fuel gas 31 to the SOFC 13 side, and exhaust fuel gas flow for supplying the exhaust fuel gas 13 A discharged from the fuel electrode side of the SOFC 13 to the gas turbine combustor 16 a road L 6, the discharge air passage branched from (air supply line) L 2, the discharge air 18A temporarily introduced into the fuel gas flow passage L 5 And Tsuryuro L 10, comprising a replacement gas supplying means for supplying a replacement gas (e.g. nitrogen gas) 41 to replace the fuel gas flow passage L 5 temporarily introduced discharge air 18A.

燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム（以下「発電システム」ともいう）１０Ａには、ガスタービン１１と、ガスタービン１１により駆動される発電機１２と、ＳＯＦＣ１３と、が備えられている。   A fuel cell / gas turbine combined power generation system (hereinafter also referred to as “power generation system”) 10 </ b> A includes a gas turbine 11, a generator 12 driven by the gas turbine 11, and an SOFC 13.

この発電システム１０Ａは、ＳＯＦＣ１３による発電と、ガスタービン１１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。   This power generation system 10A is configured to obtain high power generation efficiency by combining power generation by the SOFC 13 and power generation by the gas turbine 11.

ガスタービン１１には、空気１８を圧縮する圧縮機１４と、燃焼ガス１５を生成するガスタービン燃焼器１６と、ガスタービン燃焼器１６から供給された燃焼ガス１５を膨張させて回転するタービン１７と、が備えられている。空気１８を空気導入ラインＬ1により導入して圧縮する圧縮機１４は、タービン１７と同軸に連結されている。発電機１２は、タービン１７と同軸に連結されている。 The gas turbine 11 includes a compressor 14 that compresses air 18, a gas turbine combustor 16 that generates combustion gas 15, and a turbine 17 that rotates by expanding the combustion gas 15 supplied from the gas turbine combustor 16. , Is provided. The compressor 14 that introduces and compresses the air 18 through the air introduction line L 1 is connected to the turbine 17 coaxially. The generator 12 is connected to the turbine 17 coaxially.

圧縮機１４で圧縮され、吐出された吐出空気１８Ａは、吐出空気流路（空気供給ライン）Ｌ2を通ってＳＯＦＣ１３の空気極の導入部に供給される。
この吐出空気１８ＡはＳＯＦＣ１３で酸化剤として用いられた後、ＳＯＦＣ１３の空気極側から排出空気１８Ｂとして排出される。この排出空気１８Ｂは、排出空気流路（排出空気供給ライン）Ｌ3を通ってガスタービン燃焼器１６に供給される。 Is compressed in compressor 14, exhaled discharge air 18A is supplied to the inlet portion of the air electrode of SOFC13 through the discharge air passage (air supply line) L 2.
The discharge air 18A is used as an oxidant in the SOFC 13 and then discharged as exhaust air 18B from the air electrode side of the SOFC 13. The exhaust air 18B is supplied to the gas turbine combustor 16 through the exhaust air passage (exhaust air supply line) L 3.

吐出空気流路Ｌ2には、圧縮機１４側から順に、タービン１７からの排燃焼ガス１５Ａと吐出空気１８Ａとを熱交換させるエアヒータ（ＡＨ）１９と、吐出空気１８Ａの流量を調整する制御弁２１が介装されている。なお、本実施例では省略しているが、排出空気流路Ｌ3の排出空気１８Ｂと吐出空気１８Ａとを熱交換させる空気熱交換器と、吐出空気１８Ａを燃焼する燃焼器とを設けるようにしてもよい。
排出空気流路Ｌ3には、ＳＯＦＣ１３とガスタービン１１とを切り離す制御弁２２が備えられている。 An air heater (AH) 19 that exchanges heat between the exhaust combustion gas 15A from the turbine 17 and the discharge air 18A and a control valve that adjusts the flow rate of the discharge air 18A are provided in the discharge air flow path L 2 in order from the compressor 14 side. 21 is interposed. Although not shown in this embodiment, the the exhaust air 18B of the exhaust air channel L 3 and discharge air 18A to be provided and the air heat exchanger for heat exchange, and a combustor for burning air discharged 18A May be.
The exhaust air flow path L 3 is provided with a control valve 22 that separates the SOFC 13 and the gas turbine 11.

また、ＳＯＦＣ１３の燃料極には、燃料ガス流路Ｌ5から高温の燃料ガス３１、たとえば、都市ガス（天然ガス）が供給される。この燃料ガス３１はＳＯＦＣ１３で還元剤として一部が用いられた後、ＳＯＦＣ１３の燃料極側から排燃料ガス３１Ａとして排出される。この排燃料ガス３１Ａは、排燃料ガス流路Ｌ6を通ってガスタービン燃焼器１６に供給される。
なお、本実施例では省略しているが、燃料ガス流路Ｌ5には、排燃料ガス流路Ｌ6の排燃料ガス３１Ａから熱回収する燃料ガス熱交換器を備えるようにしてもよい。 Further, the fuel electrode of the SOFC 13, the hot fuel gas 31 from the fuel gas flow passage L 5, for example, town gas (natural gas) is supplied. A part of the fuel gas 31 is used as a reducing agent in the SOFC 13 and then discharged from the fuel electrode side of the SOFC 13 as exhaust fuel gas 31A. The exhaust fuel gas 31A is supplied to the gas turbine combustor 16 through the exhaust fuel gas flow passage L 6.
Although omitted in the present embodiment, the fuel gas flow path L 5 may be provided with a fuel gas heat exchanger for recovering heat from the exhaust fuel gas 31A of the exhaust fuel gas flow path L 6 .

また、排燃料ガス流路Ｌ6には、排燃料ガス３１Ａの圧力を調整する制御弁３２が備えられている。また、排燃料ガス流路Ｌ6から排燃料ガス３１Ａを燃料ガス流路Ｌ5側に再循環させる再循環ブロア３３が介装された再循環流路Ｌ7が備えられており、排燃料ガス３１Ａの再利用を図っている。 Further, the exhaust fuel gas passage L 6 is provided with a control valve 32 for adjusting the pressure of the exhaust fuel gas 31A. In addition, a recirculation flow path L 7 in which a recirculation blower 33 for recirculating the exhaust fuel gas 31A from the exhaust fuel gas flow path L 6 to the fuel gas flow path L 5 is provided is provided. 31A is being reused.

ガスタービン燃焼器１６では、排出空気流路Ｌ3からの排出空気１８Ｂを用いて排燃料ガス流路Ｌ6から供給される排燃料ガス３１Ａ及び別途供給される燃料ガス３４、たとえば、都市ガス（天然ガス）を燃焼させ、生成した高温高圧の燃焼ガス１５をタービン１７へ供給する。 In the gas turbine combustor 16, the exhaust air flow path L 3 fuel gas is exhausted fuel gas 31A and separately supplied is supplied from the exhaust fuel gas flow passage L 6 with exhaust air 18B from 34, for example, city gas ( Natural gas) is combusted, and the generated high-temperature and high-pressure combustion gas 15 is supplied to the turbine 17.

燃焼ガス１５の供給を受けたタービン１７では、燃焼ガス１５が膨張する際のエネルギーで回転して軸出力を発生する。この軸出力は、主として発電機１２の駆動に使用されて電気エネルギーに変換されるが、一部は圧縮機１４の駆動源として使用される。燃焼ガス１５は、タービン１７で仕事をした後にはエアヒータ１９で吐出空気１８Ａと熱交換した後、排燃焼ガス１５Ａとして排出される。   In the turbine 17 to which the supply of the combustion gas 15 is received, the shaft rotates by the energy generated when the combustion gas 15 expands to generate a shaft output. This shaft output is mainly used for driving the generator 12 and converted into electric energy, but a part thereof is used as a drive source for the compressor 14. The combustion gas 15 is discharged as exhaust combustion gas 15A after exchanging heat with the discharge air 18A by the air heater 19 after working in the turbine 17.

なお、上述のように、ＳＯＦＣ１３から排出された排燃料ガス３１Ａの一部を再びＳＯＦＣ１３の燃料極側に戻し、残りの排燃料ガスの一部をガスタービン燃焼器１６に送るように構成されていてもよいし、ＳＯＦＣ１３から排出された排燃料ガス３１Ａの全てをガスタービン燃焼器１６側に送る構成とされていてもよい。   As described above, a part of the exhaust fuel gas 31A discharged from the SOFC 13 is returned to the fuel electrode side of the SOFC 13 again, and a part of the remaining exhaust fuel gas is sent to the gas turbine combustor 16. Alternatively, all of the exhaust fuel gas 31A discharged from the SOFC 13 may be sent to the gas turbine combustor 16 side.

本実施例では、さらに前記吐出空気流路（空気供給ライン）Ｌ2から分岐され、吐出空気１８Ａを燃料ガス流路Ｌ5内に一時的に導入する連通流路Ｌ10と、前記燃料ガス流路Ｌ5に一時的に導入された吐出空気１８Ａを置換する置換ガスである窒素ガス４１を供給する置換ガス供給手段とが備えられている。 In the present embodiment, the communication gas flow path L 10 is further branched from the discharge air flow path (air supply line) L 2 and temporarily introduces the discharge air 18A into the fuel gas flow path L 5 , and the fuel gas flow and the replacement gas supplying means for supplying a nitrogen gas 41 is a replacement gas replacing temporarily introduced discharge air 18A to road L 5 are provided.

本実施例では、燃料電池の起動に際し、燃料側と空気側とを連通流路Ｌ10により一時的に連通させ、吐出空気を用いて両者を均圧化して昇圧を行う。その後不活性ガスである窒素ガス４１より吐出空気１８Ａと置換するようにしているので、従来のように燃料ガスと空気との差圧を管理値内に保持しながら、昇圧する必要がなく、昇圧時間を短縮することができる。 In the present embodiment, upon startup of the fuel cell, the fuel side and air side was temporarily communicated by communicating passage L 10, performs boosting both equalization to using discharge air. After that, the discharge gas 18A is replaced by the nitrogen gas 41 which is an inert gas, so that it is not necessary to increase the pressure while maintaining the differential pressure between the fuel gas and the air within the control value as in the prior art. Time can be shortened.

このように、吐出空気１８Ａを用いて空気側と燃料側の系内を一緒に昇圧し、その後窒素ガス４１と置換するだけで良いので、昇圧時間の短縮と昇圧操作の短縮を図ることができる。   In this way, it is only necessary to pressurize the air side and fuel side systems together using the discharge air 18A, and then replace the nitrogen gas 41, so that the pressurization time can be shortened and the boosting operation can be shortened. .

ここで、ＳＯＦＣ１３は、図示しない圧力容器の内部に設置されている。   Here, the SOFC 13 is installed inside a pressure vessel (not shown).

次に、上記の構成からなる燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム１０Ａについて、その運転手順とともに作用を図１−１から図１−４を用いて説明する。   Next, the operation of the fuel cell / gas turbine combined power generation system 10 </ b> A having the above configuration will be described with reference to FIGS. 1-1 to 1-4.

１）ガスタービン及び燃料電池起動操作
図１−１に示すように、停止状態にあるガスタービン１１及びＳＯＦＣ１３の運転を開始する時には、最初にガスタービン１１の運転を開始する。 1) Gas Turbine and Fuel Cell Startup Operation As shown in FIG. 1-1, when the operation of the gas turbine 11 and the SOFC 13 in the stopped state is started, the operation of the gas turbine 11 is first started.

この状態からガスタービン１１の運転を通常の手順に従って開始すると、圧縮機１４で圧縮され、吐出される吐出空気１８Ａは、吐出空気流路Ｌ1及び排出空気流路Ｌ3を経由してガスタービン燃焼器１６に供給される。
ガスタービン燃焼器１６は、この吐出空気１８Ａを用いて別途供給される燃料ガス３４を燃焼させ、高温高圧の燃焼ガス１５を生成しタービン１７へ供給する。 When the operation of the gas turbine 11 is started from this state according to a normal procedure, the discharge air 18A compressed and discharged by the compressor 14 passes through the discharge air flow path L 1 and the discharge air flow path L 3. It is supplied to the combustor 16.
The gas turbine combustor 16 burns fuel gas 34 separately supplied using the discharge air 18 </ b> A, generates high-temperature and high-pressure combustion gas 15, and supplies the combustion gas 15 to the turbine 17.

タービン１７は、供給された燃焼ガス１５を膨張させて回転し、軸出力を発生する。この軸出力は、主として発電機１２の駆動に使用されて電気エネルギーを生成するとともに一部は圧縮機１４を駆動する。
燃焼ガス１５は、タービン１７で仕事をした後でも高温を保っており、エアヒータ１９で吐出空気１８Ａを加熱し、排燃焼ガス１５Ａとして排出される。このエアヒータ１９により、排出空気１８Ａが加熱され、燃料ガス３４の流量の減少をはかりつつ、定格運転に達し、発電機１２による発電が可能になる。 The turbine 17 expands and rotates the supplied combustion gas 15 to generate a shaft output. This shaft output is mainly used for driving the generator 12 to generate electric energy and partly drives the compressor 14.
The combustion gas 15 maintains a high temperature even after working in the turbine 17, the discharge air 18 </ b> A is heated by the air heater 19, and is discharged as the exhaust combustion gas 15 </ b> A. The air heater 19 heats the exhaust air 18A, reaches the rated operation while reducing the flow rate of the fuel gas 34, and enables the generator 12 to generate power.

ガスタービン１１の負荷が順次上昇すると、ガスタービン燃焼器１６に投入される燃料ガス３４の流量が増加することにより燃焼ガス１５の温度が上昇し、エアヒータ１９で熱交換される吐出空気１８Ａの温度が順次高くなる。   When the load of the gas turbine 11 is sequentially increased, the flow rate of the fuel gas 34 input to the gas turbine combustor 16 is increased, whereby the temperature of the combustion gas 15 is increased, and the temperature of the discharge air 18A heat-exchanged by the air heater 19 is increased. Gradually increases.

そして、本実施例では、ＳＯＦＣ１３の起動の際に、制御弁２１を開いているので、連通流路Ｌ10を介して燃料側の燃料ガス流路Ｌ5、排燃料ガス流路Ｌ6及び再循環流路Ｌ7にも吐出空気１８Ａが導入される（図中、太線）。導入された吐出空気１８Ａは、ガスタービン燃焼器１６に供給され燃焼される。
このように、燃料側と空気側とを連通させ、吐出空気１８Ａを導入することで、両者を均圧化して昇圧を行うことができる。 In this embodiment, since the control valve 21 is opened when the SOFC 13 is activated, the fuel gas flow path L 5 on the fuel side, the exhaust fuel gas flow path L 6, and the recirculation flow path L 10 are connected. in the circulation passage L 7 discharge air 18A is introduced (in the figure, thick lines). The introduced discharge air 18A is supplied to the gas turbine combustor 16 and burned.
In this way, by connecting the fuel side and the air side and introducing the discharge air 18A, the pressure can be increased by equalizing both pressures.

２）ＳＯＦＣ燃料側の封じ込め操作
次に、図１−２に示すように、所定の圧力に昇圧された後、制御弁２１及び制御弁３２を閉じ、燃料側に吐出空気１８Ａを封じ込める。 2) SOFC Fuel Side Containment Operation Next, as shown in FIG. 1-2, after the pressure is increased to a predetermined pressure, the control valve 21 and the control valve 32 are closed, and the discharge air 18A is contained on the fuel side.

３）ＳＯＦＣ燃料側のガス置換操作
次に、図１−３に示すように、制御弁４２が介装された窒素供給流路Ｌ11を介して窒素ガス４１を燃料側の燃料ガス流路Ｌ5、排燃料ガス流路Ｌ6及び再循環流路Ｌ7に導入し、窒素パージを行う（図中、太線一点鎖線）。 3) SOFC Fuel Side Gas Replacement Operation Next, as shown in FIG. 1C, the nitrogen gas 41 is supplied to the fuel side fuel gas flow path L through the nitrogen supply flow path L 11 in which the control valve 42 is interposed. 5 , introduced into the exhaust fuel gas flow path L 6 and the recirculation flow path L 7 , and purged with nitrogen (indicated by a thick dashed line).

この窒素パージの際には、燃料ガス流路Ｌ5から分岐された排出流路Ｌ8を介して空気及び窒素を外部に放出している。
この間、吐出空気１８Ａは吐出空気流路Ｌ2及び排出空気流路Ｌ3を経由してガスタービン燃焼器１６に供給される。
この置換操作はガス置換のみであるので、瞬時に終了する。 At the time of this nitrogen purge, air and nitrogen are discharged to the outside through the discharge flow path L 8 branched from the fuel gas flow path L 5 .
During this time, the discharge air 18A is supplied to the gas turbine combustor 16 via the discharge air flow path L 2 and the discharge air flow path L 3 .
Since this replacement operation is only gas replacement, it is completed instantaneously.

４）ＳＯＦＣ燃料側の燃料ガス置換操作
次に、図１−４に示すように、窒素パージが終了した後、制御弁４２を閉じて、燃料ガス流路Ｌ5に介装された制御弁３５を開き、燃料ガス３１をＳＯＦＣ１３の燃料極側の排燃料ガス流路Ｌ6及び再循環流路Ｌ7に導入する（図中、太線鎖線）。 4) SOFC fuel side of the fuel gas replacement operation Next, as shown in Figure 1-4, after the nitrogen purge is completed, close the control valve 42, the fuel gas flow passage L 5 in interposed control valve 35 And the fuel gas 31 is introduced into the exhaust fuel gas flow path L 6 and the recirculation flow path L 7 on the fuel electrode side of the SOFC 13 (indicated by a thick chain line in the figure).

その後、空気極に供給される吐出空気１８Ａと別途燃料極に供給される燃料ガス３１とを反応させ、電気エネルギーを生成し始める。   Thereafter, the discharge air 18A supplied to the air electrode reacts with the fuel gas 31 supplied separately to the fuel electrode to start generating electric energy.

以上のように、本発明によれば、燃料電池の起動に際し、燃料側と空気側とを連通流路Ｌ10により連通させ、吐出空気１８Ａで燃料側と空気側とを均圧化して昇圧を行い、その後置換ガスである窒素ガス４１により置換し、その後燃料ガス３１を供給するので、昇圧時間を従来よりも大幅に短縮することができる。これにより、燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの燃料電池起動時の時間の短縮化を図ることができ、システム効率の向上に寄与する。 As described above, according to the present invention, upon activation of the fuel cell, the fuel side and air side is communicated with the communicating passage L 10, a booster and a fuel side and air side equalized to the discharge air 18A After that, the gas is replaced by the nitrogen gas 41 as the replacement gas, and then the fuel gas 31 is supplied, so that the pressure increase time can be greatly shortened compared to the conventional case. As a result, it is possible to shorten the time for starting the fuel cell of the fuel cell / gas turbine combined power generation system, which contributes to the improvement of the system efficiency.

本発明による実施例２に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム１０Ｂについて、図面を参照して説明する。図２−１から図２−４は、本実施例に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。
実施例１の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム１０Ａでは、吐出空気１８Ａと置換するガスを窒素ガス４１としていたが、実施例２の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム１０Ｂでは、図２−１に示すように、タービン１７からの排燃焼ガス１５Ａを導入する排燃焼ガス置換流路Ｌ12を設けて、ガス置換するようにしている。
なお、排燃焼ガス１５Ａを用いてガス置換する以外は、実施例１と同様に操作するようにすればよいので、図２−１、２−２及び図２−４の説明は省略する。 A fuel cell / gas turbine combined power generation system 10B according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIGS. 2-1 to 2-4 are schematic views of the fuel cell / gas turbine combined power generation system according to the present embodiment.
In the fuel cell / gas turbine combined power generation system 10A of the first embodiment, the gas substituted for the discharge air 18A is the nitrogen gas 41. However, in the fuel cell / gas turbine combined power generation system 10B of the second embodiment, FIG. as shown, the exhaust combustion gas replacement passage L 12 for introducing the exhaust combustion gas 15A from the turbine 17 is provided, so that that gas replacement.
In addition, since it should just be made to operate like Example 1 except gas-substitution using 15 A of exhaust combustion gas, description of FIGS. 2-1, 2-2, and FIGS. 2-4 is abbreviate | omitted.

３）ＳＯＦＣ燃料側のガス置換操作
図２−３に示すように、制御弁５２が介装された排燃焼ガス置換流路Ｌ12を介して排燃焼ガス１５Ａを燃料側の燃料ガス流路Ｌ5、排燃料ガス流路Ｌ6及び再循環流路Ｌ7に導入し、排燃焼ガス１５Ａによるパージを行うようにしている（図中、太線一点鎖線）。 3) SOFC as shown in the fuel side of the gas replacement operation Figure 2-3, the control valve 52 is interposed the exhaust combustion gas replacement passage L fuel gas channel of the fuel side exhaust combustion gases 15A through 12 L 5. Introduced into the exhaust fuel gas flow path L 6 and the recirculation flow path L 7 , purging with the exhaust combustion gas 15A is performed (in the figure, a thick one-dot chain line).

なお、本実施例では、系内の圧力損失分だけ排燃焼ガス１５Ａを昇圧するために、昇圧ブースタ５１を介装させているが、圧力損失が少ない場合には、省略するようにしてもよい。   In this embodiment, the booster booster 51 is interposed in order to boost the exhaust combustion gas 15A by the pressure loss in the system. However, when the pressure loss is small, it may be omitted. .

実施例１のように窒素ガス４１を用いてガス置換する場合には、コンパクトな燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムでは窒素使用量も少ないので可能であるが、大型の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムに適用する場合には、多量の窒素使用量となるので、タービン１７からの排燃焼ガス１５Ａを用いて置換することで、排燃焼ガス１５Ａを有効に使用でき、効率的・経済的である。   When gas replacement is performed using nitrogen gas 41 as in the first embodiment, a compact fuel cell / gas turbine combined power generation system is possible because the amount of nitrogen used is small, but a large fuel cell / gas turbine combined power generation is possible. When applied to the system, a large amount of nitrogen is used. Therefore, by replacing with the exhaust combustion gas 15A from the turbine 17, the exhaust combustion gas 15A can be used effectively, which is efficient and economical. .

本実施例では、置換ガスとして窒素又はタービンからの排燃焼ガスを用いて説明を行ったが、使用される置換ガスは構成する材料や起動温度条件等との関係において燃料極に対して不活性であればよく、当業者において適宜選択することができる。   In this embodiment, the explanation was made using nitrogen or exhaust combustion gas from the turbine as the replacement gas. However, the replacement gas used is inactive with respect to the fuel electrode in relation to the constituent materials and the starting temperature conditions. Any one can be appropriately selected by those skilled in the art.

１０Ａ、１０Ｂ 燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム
１１ ガスタービン
１２ 発電機
１３ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
１４ 圧縮機
１５ 燃焼ガス
１６ ガスタービン燃焼器
１７ タービン
１８ 空気
１８Ａ 吐出空気
１８Ｂ 排出空気
２１、２２ 制御弁
３１ 燃料ガス
３１Ａ 排燃料ガス
４１ 窒素ガス 10A, 10B Fuel cell / gas turbine combined power generation system 11 Gas turbine 12 Generator 13 Solid oxide fuel cell (SOFC)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 14 Compressor 15 Combustion gas 16 Gas turbine combustor 17 Turbine 18 Air 18A Discharged air 18B Exhaust air 21, 22 Control valve 31 Fuel gas 31A Exhaust fuel gas 41 Nitrogen gas

Claims (3)

空気極および燃料極を有する固体酸化物形燃料電池と、ガスタービンとを備えた燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムであって、
ガスタービン圧縮機からの吐出空気を前記空気極に供給する吐出空気流路と、
前記空気極側から排出される排出空気をガスタービン燃焼器に供給する排出空気流路と、
燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス流路と、
前記燃料極側から排出される排燃料ガスをガスタービン燃焼器に供給する排燃料ガス流路と、
前記吐出空気流路から分岐され、吐出空気を前記燃料ガス流路内に一時的に導入する連通流路と、
前記燃料ガス流路に置換ガスを供給する置換ガス供給手段とを具備し、
前記置換ガス供給手段により置換ガスを前記燃料ガス流路内に導入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記置換ガスで置換するように構成したことを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム。 A fuel cell / gas turbine combined power generation system comprising a solid oxide fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, and a gas turbine,
A discharge air flow path for supplying discharge air from the gas turbine compressor to the air electrode;
An exhaust air flow path for supplying exhaust air discharged from the air electrode side to the gas turbine combustor;
A fuel gas flow path for supplying fuel gas to the fuel electrode;
An exhaust fuel gas flow path for supplying exhaust gas discharged from the fuel electrode side to a gas turbine combustor;
A communication channel branched from the discharge air channel and temporarily introducing the discharge air into the fuel gas channel;
A replacement gas supply means for supplying a replacement gas to the fuel gas flow path;
A fuel cell / gas turbine combined power generation system configured to introduce a replacement gas into the fuel gas flow path by the replacement gas supply means and replace the atmosphere of the fuel gas flow path with the replacement gas. . 前記置換ガスが、タービンからの排燃焼ガスであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム。   The fuel cell / gas turbine combined power generation system according to claim 1, wherein the replacement gas is exhaust combustion gas from a turbine. 請求項１又は２に記載の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムにおいて、
燃料電池起動の際に、
連通流路を介して吐出空気流路、排出空気流路、燃料ガス流路及び排燃料ガス流路に、吐出空気を供給することで燃料極側流路と空気極側流路とを均圧化しつつ昇圧を行い、
次いで、前記連通流路に導入する吐出空気を停止し、吐出空気を前記燃料ガス流路及び前記排燃料ガス流路内に封じ込め、
次いで、置換ガス導入することにより、封じ込めた吐出空気を前記置換ガスで置換し、
その後燃料ガスを前記燃料ガス流路に導入することを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの燃料電池の起動方法。 The fuel cell / gas turbine combined power generation system according to claim 1 or 2,
When starting the fuel cell,
By supplying discharge air to the discharge air flow path, discharge air flow path, fuel gas flow path, and exhaust fuel gas flow path via the communication flow path, the fuel electrode side flow path and the air electrode side flow path are equalized. Boosting while
Next, the discharge air introduced into the communication channel is stopped, and the discharge air is contained in the fuel gas channel and the exhaust fuel gas channel,
Next, by introducing a replacement gas, the discharge gas contained is replaced with the replacement gas,
A fuel cell starting method for a fuel cell / gas turbine combined power generation system, wherein fuel gas is then introduced into the fuel gas flow path.
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