JP2012227064A - 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停止方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】SOFC13から排出される排出空気18Bを燃焼器16に供給する自動弁22を介装した排出空気流路L3と、排出空気流路L3から分岐され、外部に排出空気18Bを放出する自動弁63及び第1のオリフィス81を介装した分岐排出空気流路L4と、燃料極側から排出される排燃料ガス31Aをガスタービン燃焼器16に供給する自動弁32を介装した排燃料ガス流路L6と、排燃料ガス流路L6から分岐され自動弁53及び第2のオリフィス82を介装した分岐排燃料ガス流路L7と、燃料ガス流路L5と自動弁35とSOFCとの間に導入されるパージガス70を供給するパージガス供給手段71と、分岐排出空気流路L4のノルマルオープンの自動弁63と前記第1のオリフィス81との間に前記分岐排燃料ガス流路L7が合流する合流部85とを具備する。
【選択図】図1
Description
このSOFC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、SOFC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。
しかしながら、燃料電池の加圧系統では、前記操作時に燃料及び空気側の流量及び均圧化制御を実施する必要があるにもかかわらず、重篤なトリップ等における計装空気、制御装置異常時はガス通気が不能となる、という問題がある。この問題を回避するためには、インターロック発生時用にバックアップ設備を別途設ける等の対応を取る必要があり、コスト増加や設備が大きくなるという問題がある。
図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(SOFC13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側に供給するノルマルクローズの自動弁21を介装した吐出空気流路(空気供給ライン)L2と、SOFC13から排出される排出空気18Bをガスタービンの燃焼器16に供給するノルマルクローズの自動弁22を介装した排出空気流路(排出空気供給ライン)L3と、排出空気流路(排出空気供給ライン)L3から分岐され、外部に排出空気18Bを放出するノルマルオープンの自動弁63及び第1のオリフィス81を介装した分岐排出空気流路L4と、燃料ガス31をSOFC13側に供給するノルマルクローズの自動弁35を介装した燃料ガス流路L5と、SOFC13の燃料極側から排出される排燃料ガス31Aをガスタービン燃焼器16に供給するノルマルクローズの自動弁32を介装した排燃料ガス流路L6と、排燃料ガス流路L6から分岐されノルマルオープンの自動弁53及び第2のオリフィス82を介装した分岐排燃料ガス流路L7と、燃料ガス流路L5とノルマルクローズの自動弁35とSOFC13との間に導入されるパージガス70を供給するパージガス供給手段71と、分岐排出空気流路L4のノルマルオープンの自動弁63と前記第1のオリフィス81との間に前記分岐排燃料ガス流路L7が合流する合流部85とを具備するものである。なお、図1中、符号、13AはSOFC容器を図示する。
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。
排出空気流路L3には、SOFC13とガスタービン11とを切り離すノルマルクローズの自動弁22が備えられている。
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。
そして、パージガス供給手段71から燃料ガス流路L5にパージガス70を供給し、分岐排出空気流路L9の第1のオリフィス81を介して排出される排出空気18Bに、パージガス70を第2のオリフィス82を介して合流させつつ、同一箇所から合流したガスを降圧させつつ外部に排出するようにしている。
パージガス70の供給流量は、第3のオリフィス83の前後に設けた減圧弁73及び背圧弁74を調整して圧力を規定することで、一定流量通気できる系統としている。
また、ノルマルクローズの自動弁とは、計装空気若しくは電源が断となる際に、閉となるバルブをいう。
また、排出空気18Bの降圧速度は、分岐排出空気流路L4に介装した第1のオリフィス81により調整するようにしている。
そして、排燃料ガス流路L6の下流側を、分岐排出空気流路L4と、の第1のオリフィス81の上流側と合流部85で接続し、空気出口と燃料出口を同圧とするようにしている。
なお、排燃料ガス流路L6のノルマルオープンの自動弁53の下流側に第2のオリフィス82を設置し、通気するパージガスの圧損分だけ燃料側の圧力が、空気側の圧力と同圧以上の状態とするようにしている。
パージガス量と作用させたい差圧から第2のオリフィス82の径を選定し、作用させる差圧は、SOFC13の破損に至らない範囲とするのが好ましい。
降圧中に燃料側のパージが終了し、ガス流れが悪くなった場合でも、SOFC13の燃料側の圧力は、空気出口部(空気側の第1のオリフィス81上部)と同圧となるため、SOFC13の破損には至らないものとなる。
通常停止の最終段階は、燃料系パージとなるため、燃料側においては、重篤なトリップ時の動作と基本的には同じ操作となる。
ただし、制御装置が使用できる状態であるので、パージガス70のガス量や燃料側の内圧をより細かく調整可能となる。
また、通常運転用に不活性供給ガスライン(図示せず)を別途設置している場合には、その不活性ガス供給ラインからガスを供給するようにしてもよい。
なお、このフレームアレスタの設置により、適度な差圧が発生する場合には、第2のオリフィスを不要とすることもできる。
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のみで冷却しているが、本実施例では、別途空気を供給するようにしている。
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 自動弁
31 燃料ガス
31A 排燃料ガス
81 第1のオリフィス
82 第2のオリフィス
83 第3のオリフィス
Claims (7)
- 空気極及び燃料極を有する固体酸化物形燃料電池(SOFC)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、
ガスタービンの圧縮機からの吐出空気をSOFC側に供給するノルマルクローズの自動弁を介装した吐出空気流路と、
SOFC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、
前記排出空気流路から分岐され、外部に排出空気を放出するノルマルオープンの自動弁及び第1のオリフィスを介装した分岐排出空気流路と、
燃料ガスをSOFC側に供給するノルマルクローズの自動弁を介装した燃料ガス流路と、
SOFCの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ノルマルクローズの自動弁を介装した排燃料ガス流路と、
前記排燃料ガス流路から分岐され、ノルマルオープンの自動弁及び第2のオリフィスを介装した分岐排燃料ガス流路と、
燃料ガス流路のノルマルクローズの自動弁と、SOFCとの間に導入されるパージガスを供給するパージガス供給手段と、
前記分岐排出空気流路のノルマルオープンの自動弁と前記第1のオリフィスとの間に前記分岐排燃料ガス流路が合流する合流部とを具備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。 - 請求項1において、
前記パージガス供給手段は、
パージガスボンベと、該パージガスボンベからパージガスを前記燃料ガス流路に供給するノルマルオープンの自動弁を介装したパージガス供給ラインと、
前記ノルマルオープンの自動弁の前流側に介装された第3のオリフィスと、
前記第3のオリフィスの前後に設けられた減圧弁及び背圧弁とを具備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。 - 請求項1又は2において、
前記分岐排燃料ガス流路と前記分岐排出空気流路との合流部に、触媒装置を設けてな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。 - 請求項1乃至3のいずれか一つにおいて、
前記第2のオリフィスに逆火防止装置を設けてな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。 - 請求項1乃至4のいずれか一つにおいて、
前記吐出空気流路のノルマルクローズの自動弁の後流側に、冷却空気を導入する冷却空気供給手段を設けてな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。 - 請求項1乃至5のいずれか一つにおいて、
前記排燃料ガス流路から排燃料ガスを燃料ガス流路側に再循環させる再循環ブロア及びノルマルクローズの自動弁を介装した再循環流路を設け、
前記パージガス供給手段からのパージガスを燃料ガス流路の代わりに、前記再循環流路に供給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。 - 請求項1乃至6のいずれか一つに記載の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムを用い、
燃料電池停止の際に、
ノルマルオープンの自動弁を開くと共に、
ノルマルクローズの自動弁を閉とし、
前記パージガス供給手段から燃料ガス流路にパージガスを供給し、
前記分岐排出空気流路の前記第1のオリフィスを介して排出される排出空気に、パージガスを前記第2のオリフィスを介して合流させ、同一箇所から合流したガスを降圧させつつ外部に排出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停止方法。
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