JP2013157218A - Starting method of solid oxide fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a starting method of the solid oxide fuel cell of a solid oxide fuel cell/gas turbine combined power generation system in which the starting time can be shortened.SOLUTION: The starting method of a solid oxide fuel cell (SOFC) where the solid oxide fuel cell is boosted by supplying a part of discharge air 18A, supplied to a combustor from a compressor of a gas turbine, to the solid oxide fuel cell includes a step for monitoring the output of the gas turbine 11, and a step for controlling the amount of the discharge air 18A supplied to the solid oxide fuel cell so that the output of the gas turbine is the allowable lowermost output.

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固体酸化物形燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの固体酸化物形燃料電池の起動方法に関する。   The present invention relates to a method for starting a solid oxide fuel cell of a solid oxide 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、固体電解質のイオン導電性を高めるために作動温度が高く設定されているため、ガスタービンとの相性がよい。このため、例えば、特許文献１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。   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 is set to have a high operating temperature in order to increase the ionic conductivity of the solid electrolyte, it is compatible with the gas turbine. For this reason, for example, as shown in Patent Document 1, 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

このようなコンバインド発電システムでは、ガスタービン単独運転の状態から固体酸化物形燃料電池を起動する場合、ガスタービンの圧縮機からガスタービンの燃焼器に供給されている吐出空気の一部を固体酸化物形燃料電池に供給して、固体酸化物燃料電池を昇圧する必要がある。この時、ガスタービンの運転状態を可能な限り変化させないように、固体酸化物形燃料電池に供給する吐出空気をごく少量としていたために、固体酸化物形燃料電池の起動に時間がかかるという問題があった。   In such a combined power generation system, when starting a solid oxide fuel cell from the state of gas turbine single operation, a part of the discharge air supplied from the compressor of the gas turbine to the combustor of the gas turbine is solid-oxidized. It is necessary to boost the solid oxide fuel cell by supplying it to the physical fuel cell. At this time, in order not to change the operating state of the gas turbine as much as possible, the amount of discharge air supplied to the solid oxide fuel cell is very small, so it takes time to start the solid oxide fuel cell. was there.

本発明は、上述の問題に鑑み、ガスタービンの吐出空気を用いて固体酸化物形燃料電池の起動を行うに際して、起動時間の短縮を図ることができる固体酸化物形燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの固体酸化物形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-described problems, the present invention provides a solid oxide fuel cell / gas turbine combined power generation capable of shortening the start-up time when starting the solid oxide fuel cell using the discharge air of the gas turbine. It is an object of the present invention to provide a method for starting a solid oxide fuel cell of a system.

本発明の固体酸化物形燃料電池の起動方法は、ガスタービンの圧縮機から燃焼器に供給されている吐出空気の一部を、固体酸化物形燃料電池に供給して前記固体酸化物形燃料電池を昇圧する固体酸化物形燃料電池の起動方法において、前記ガスタービンの出力を監視する工程と、前記ガスタービンの出力が該ガスタービンの許容できる下限の出力となるように、前記固体酸化物形燃料電池に供給する前記吐出空気の量を制御する工程とを有することを特徴とする。   In the solid oxide fuel cell start-up method of the present invention, a part of the discharge air supplied from the compressor of the gas turbine to the combustor is supplied to the solid oxide fuel cell, and the solid oxide fuel cell is supplied. In the starting method of the solid oxide fuel cell for boosting the battery, the step of monitoring the output of the gas turbine, and the solid oxide so that the output of the gas turbine becomes an allowable lower limit output of the gas turbine. And a step of controlling the amount of the discharge air supplied to the fuel cell.

このような起動方法によれば、ガスタービンの出力がガスタービンの許容できる下限の出力となるように制御することで、固体酸化物形燃料電池を起動する際に固体酸化物形燃料電池に供給される圧縮機からの吐出空気の量を多くすることで、ＳＯＦＣの昇圧時間を、従来よりも大幅に短縮することができる。その結果、固体酸化物形燃料電池の起動時間を短縮化することができ、燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの効率の向上に寄与する。   According to such a start-up method, the gas turbine output is controlled so as to be an allowable lower limit output of the gas turbine, so that the solid oxide fuel cell is supplied when starting the solid oxide fuel cell. By increasing the amount of discharged air from the compressor, the SOFC pressure-up time can be significantly shortened compared to the conventional case. As a result, the start-up time of the solid oxide fuel cell can be shortened, which contributes to the improvement of the efficiency of the fuel cell / gas turbine combined power generation system.

上述の態様に係る固体酸化物形燃料電池の起動方法によれば、固体酸化物形燃料電池の昇圧に要する時間を従来よりも短縮することで、コンバインド発電システムの起動時間を短縮し、コンバインド発電システムの発電効率を高めることができる。   According to the solid oxide fuel cell start-up method according to the above-described aspect, the start-up time of the combined power generation system is shortened by shortening the time required for boosting the solid oxide fuel cell, compared with the conventional method. The power generation efficiency of the system can be increased.

図１は、固体酸化物形燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの一態様の概略を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an outline of one aspect of a solid oxide fuel cell / gas turbine combined power generation system. 図２は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の起動時における昇圧挙動を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the pressure increase behavior at the time of starting the solid oxide fuel cell according to the present embodiment. 図３は、従来の固体酸化物形燃料電池の起動時における昇圧挙動を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the pressure increase behavior during startup of a conventional solid oxide fuel cell.

以下、この発明について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明によりこの発明が限定されるものではない。また、以下説明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. The present invention is not limited to the following description. In addition, constituent elements in the following description include those that can be easily assumed by those skilled in the art or that are substantially the same.

本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池・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は、本実施形態の固体酸化物形燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略を示す図である。   A solid oxide fuel cell / gas turbine combined power generation system according to this embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a solid oxide fuel cell / gas turbine combined power generation system according to the present embodiment.

図１に示すように、固体酸化物形燃料電池・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」と称する。）１０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、固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と称する。）１３とを有する。この発電システム１０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。   As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell / gas turbine combined power generation system (hereinafter referred to as “power generation system”) 10 includes a gas turbine 11, a generator 12 driven by the gas turbine 11, And a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) 13. The power generation system 10 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とを有する。タービン１７と圧縮機１４と発電機１２とは、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. Have. The turbine 17, the compressor 14, and the generator 12 are connected coaxially.

ガスタービン燃焼器１６は、ＳＯＦＣ１３から排出される排出空気１３ＢとＳＯＦＣ１３をバイパスして供給される吐出空気１３Ａとの一方又は両方、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）を燃焼させて高温高圧の燃焼ガス１５を生成するものである。タービン１７は、ガスタービン燃焼器１６で生成されて供給される燃焼ガス１５が膨張する際のエネルギーによって回転して軸出力を発生するものである。圧縮機１４は、タービン１７により発生された軸出力の一部又は全部を利用して駆動され空気１８を圧縮するものである。発電機１２は、タービン１７により発生された軸出力の一部又は全部を利用して駆動され、該軸出力を電気エネルギーに変換するものである。   The gas turbine combustor 16 includes one or both of exhaust air 13B discharged from the SOFC 13 and discharge air 13A supplied by bypassing the SOFC 13, and fuel gas 34 supplied separately, for example, city gas (natural gas). Is burned to produce a high-temperature and high-pressure combustion gas 15. The turbine 17 is rotated by energy generated when the combustion gas 15 generated and supplied by the gas turbine combustor 16 is expanded to generate a shaft output. The compressor 14 is driven by utilizing a part or all of the shaft output generated by the turbine 17 and compresses the air 18. The generator 12 is driven using part or all of the shaft output generated by the turbine 17 and converts the shaft output into electrical energy.

ＳＯＦＣ１３は、空気極と固体電解質と燃料極とを有する。また、ＳＯＦＣ１３は、図示しない圧力容器内に配置される。このＳＯＦＣ１３は、空気極に酸化剤としての圧縮空気が供給され、燃料極に還元剤としての燃料ガスが供給されることで発電を行うものである。   The SOFC 13 has an air electrode, a solid electrolyte, and a fuel electrode. The SOFC 13 is disposed in a pressure vessel (not shown). The SOFC 13 generates power by supplying compressed air as an oxidant to the air electrode and supplying fuel gas as a reducing agent to the fuel electrode.

また、発電システム１０は、圧縮機１４に空気１８を供給する空気導入ラインＬ1と、圧縮機１４で圧縮された吐出空気１８ＡをＳＯＦＣ１３の空気極に供給する空気供給ラインＬ2と、ＳＯＦＣ１３で酸化剤として用いられた排出空気１８Ｂをガスタービン燃焼器１６に供給する排出空気供給ラインＬ3と、空気供給ラインＬ2と排出空気供給ラインＬ3とに接続され、空気供給ラインＬ2を流れる吐出空気１８Ａの一部又は全部を、ＳＯＦＣ１３をバイパスして排出空気供給ラインＬ3に供給するバイパス流路Ｌ4とを有する。 In addition, the power generation system 10 includes an air introduction line L 1 that supplies air 18 to the compressor 14, an air supply line L 2 that supplies discharge air 18 A compressed by the compressor 14 to the air electrode of the SOFC 13, and SOFC 13. The exhaust air 18B used as the oxidant is connected to the exhaust air supply line L 3 for supplying the exhaust gas 18B to the gas turbine combustor 16, the air supply line L 2 and the exhaust air supply line L 3 and flows through the air supply line L 2 . A bypass flow path L 4 that supplies part or all of the discharge air 18 A to the exhaust air supply line L 3 by bypassing the SOFC 13 is provided.

空気供給ライン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、空気供給ラインＬ2とバイパス流路Ｌ4との接続部と、吐出空気１８Ａの流量を調整する第一流量調整弁２１が介装されている。また排出空気供給ラインＬ3には、ＳＯＦＣ１３側から順に、ＳＯＦＣ１３からガスタービン燃焼器１６に供給される排出空気１８Ｂの流れを遮断する第一開閉弁２２と、排出空気供給ラインＬ3とバイパス流路Ｌ4との接続部とが介装されている。また、バイパス流路Ｌ4には、第二流量調整弁２４が介装されている。なお、符号Ｌ8は、排出流路を図示する。 The air supply line L 2 includes, in order from the compressor 14 side, an air heater (AH) 19 that exchanges heat between the exhaust combustion gas 15A from the turbine 17 and the discharge air 18A, an air supply line L 2, and a bypass flow path L 4. And a first flow rate adjustment valve 21 that adjusts the flow rate of the discharge air 18A. The exhaust air supply line L 3 includes, in order from the SOFC 13 side, a first on-off valve 22 that shuts off the flow of exhaust air 18B supplied from the SOFC 13 to the gas turbine combustor 16, and an exhaust air supply line L 3 and a bypass flow. A connecting portion with the path L 4 is interposed. Further, a second flow rate adjusting valve 24 is interposed in the bypass flow path L 4 . Reference numeral L 8 illustrates a discharge flow path.

なお、本実施形態では省略しているが、空気供給ラインＬ2と排出空気供給ラインＬ3とには、吐出空気１８Ａと排出空気１８Ｂとを熱交換させる空気熱交換器を設けるようにしてもよい。 Although omitted in the present embodiment, the air supply line L 2 and the exhaust air supply line L 3 may be provided with an air heat exchanger that exchanges heat between the discharge air 18A and the exhaust air 18B. Good.

また、発電システム１０は、ＳＯＦＣ１３の燃料極に燃料ガス（例えば、都市ガス）３１を供給する燃料ガス供給ラインＬ5と、ＳＯＦＣ１３で一部が還元剤として用いられた排燃料ガス３１Ａをガスタービン燃焼器１６に供給する排燃料ガス供給ラインＬ６と、燃料ガス供給ラインＬ5と排燃料ガス供給ラインＬ6とに接続され、排燃料ガス供給ラインＬ6を流れる排燃料ガス３１Ａの一部又は全部を、燃料ガス供給ラインＬ5に再循環させる再循環ラインＬ7とを有する。なお、符号Ｌ9は、排出流路を図示する。 Further, the power generation system 10 includes a gas turbine that supplies a fuel gas supply line L 5 for supplying a fuel gas (for example, city gas) 31 to the fuel electrode of the SOFC 13 and an exhaust fuel gas 31 A partially used as a reducing agent in the SOFC 13. and exhaust fuel gas supply line L 6 supplied to the combustor 16 is connected to the fuel gas supply line L 5 and the exhaust fuel gas supply line L 6, a portion of the exhaust fuel gas 31A passing through the exhaust fuel gas supply line L 6 or all, and a recirculation line L 7 for recirculating the fuel gas supply line L 5. Reference numeral L 9 illustrates a discharge flow path.

燃料ガス供給ラインＬ5には、燃料ガス３１の供給量を制御する第三流量調整弁３５が備えられている。また、排燃料ガス供給ラインＬ6には、ＳＯＦＣ１３側から順に、排燃料ガス供給ラインＬ6と再循環ラインＬ7との接続部と、排燃料ガス３１Ａの圧力を調整する圧力制御弁３２が備えられている。また、再循環ラインＬ7には、再循環ブロア３３が介装されている。なお、本実施形態では省略しているが、燃料ガス供給ラインＬ5と排燃料ガス供給ラインＬ6とには、燃料ガス３１と排燃料ガス３１Ａとを熱交換させて、排燃料ガス３１Ａの熱を回収する燃料ガス熱交換器を備えるようにしてもよい。 The fuel gas supply line L 5 is provided with a third flow rate adjustment valve 35 that controls the supply amount of the fuel gas 31. Further, in the exhaust fuel gas supply line L 6 , a connecting portion between the exhaust fuel gas supply line L 6 and the recirculation line L 7 and a pressure control valve 32 for adjusting the pressure of the exhaust fuel gas 31A are sequentially provided from the SOFC 13 side. Is provided. Further, in the recirculation line L 7, recirculation blower 33 is interposed. Although omitted in the present embodiment, the fuel gas supply line L 5 and the exhaust fuel gas supply line L 6 exchange heat between the fuel gas 31 and the exhaust fuel gas 31A so that the exhaust fuel gas 31A A fuel gas heat exchanger for recovering heat may be provided.

また、発電システム１０は、出力測定装置３７と、流量測定装置３９と、圧力測定装置４１と、制御装置４３とを有する。出力測定装置３７は、ガスタービン１１の出力の値を測定して制御装置４３にその値を出力するものである。圧力測定装置４１は、空気供給ラインＬ2のバイパス流路Ｌ4との接続部下流側（以下、ＳＯＦＣ１３側と称する）の圧力の値を測定して制御装置４３にその値を出力するものである。流量測定装置３９は、ＳＯＦＣ側に供給される吐出空気１８Ａの流量を測定して制御装置４３にその値を出力するものである。制御装置４３は、各測定装置から入力されるそれぞれの値に基づいて、第一流量調整弁２１及び第二流量調整弁２４の開度を調整するものである。 In addition, the power generation system 10 includes an output measurement device 37, a flow measurement device 39, a pressure measurement device 41, and a control device 43. The output measuring device 37 measures the output value of the gas turbine 11 and outputs the value to the control device 43. The pressure measuring device 41 measures the pressure value downstream of the connecting portion of the air supply line L 2 with the bypass flow path L 4 (hereinafter referred to as the SOFC 13 side) and outputs the pressure value to the control device 43. is there. The flow rate measuring device 39 measures the flow rate of the discharge air 18A supplied to the SOFC side and outputs the value to the control device 43. The control device 43 adjusts the opening degree of the first flow rate adjustment valve 21 and the second flow rate adjustment valve 24 based on the respective values input from the respective measurement devices.

次に、図１及び図２を参照して上述の構成を有する発電システム１０のＳＯＦＣ１３の起動時の動作を説明する。図２は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の起動時における昇圧の挙動を示す図である。このＳＯＦＣ１３の起動前（図２におけるＴ０までの間）においては、第一流量調整弁２１と第一開閉弁２２と圧力制御弁３２と第三流量調整弁３５とは全閉とされ、バイパス流路Ｌ4に介装された第二流量調整弁２４のみが開放されている。この状態の下、ガスタービン１１は、以下のように運転されている。 Next, with reference to FIG. 1 and FIG. 2, the operation at the time of starting the SOFC 13 of the power generation system 10 having the above-described configuration will be described. FIG. 2 is a diagram showing the behavior of pressure increase at the start-up of the solid oxide fuel cell according to the present embodiment. In prior activation of the SOFC 13 (until T 0 in FIG. 2), a first flow rate control valve 21 and the first shut-off valve 22 and the pressure control valve 32 and the third flow rate adjusting valve 35 is fully closed, a bypass Only the second flow rate adjustment valve 24 interposed in the flow path L 4 is opened. Under this state, the gas turbine 11 is operated as follows.

すなわち、圧縮機１４で圧縮され、吐出される吐出空気１８Ａは、空気供給ラインＬ2と、バイパス流路Ｌ4及び排出空気供給ラインＬ3とを経由してガスタービン燃焼器１６に供給されている。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を生成してタービン１７へ供給している。 That, is compressed by the compressor 14, the discharge air 18A to be discharged, an air supply line L 2, is supplied to the gas turbine combustor 16 through the bypass passage L 4 and the exhaust air supply line L 3 Yes. 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３４を膨張させて回転し、ガスタービン１１の軸出力を発生させている。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の駆動に使用されている。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を加熱して、排燃焼ガス１５Ａとして排出されている。   The turbine 17 expands and rotates the supplied combustion gas 34 to generate the shaft output of the gas turbine 11. This shaft output is mainly used to drive the generator 12 to generate electric energy, and a part is used to drive the compressor 14. The combustion gas 15 maintains a high temperature even after working in the turbine 17, and the discharge air 18 </ b> A is heated by the air heater 19 and is discharged as the exhaust combustion gas 15 </ b> A.

ＳＯＦＣ１３の起動時には、まず、制御装置４３から出力される信号により第一流量調整弁２１が開かれる（図２におけるＴ0）。第一流量調整弁２１が開かれると、バイパス流路Ｌ4を介してガスタービン燃焼器１６に供給されている吐出空気１８Ａの一部が、ＳＯＦＣ１３側へと供給される。この時、ＳＯＦＣ１３側とガスタービン燃焼器１６側に分岐する流路において圧力差が発生し、圧力の低い側に位置する第一流量調整弁２１の開度によりＳＯＦＣ１３側とガスタービン燃焼器１６側に流れる空気量が決定する。第一流量調整弁２１を所定の値まで開き、ガスタービン燃焼器１６に供給される吐出空気１８Ａを減少させると、ガスタービン燃焼器１６への供給空気流量が減ることから、図２に示すようにガスタービン１１の出力は低下する。 When the SOFC 13 is activated, first, the first flow rate adjustment valve 21 is opened by a signal output from the control device 43 (T 0 in FIG. 2). When the first flow rate adjustment valve 21 is opened, a part of the discharge air 18A supplied to the gas turbine combustor 16 through the bypass flow path L 4 is supplied to the SOFC 13 side. At this time, a pressure difference is generated in the flow path branched to the SOFC 13 side and the gas turbine combustor 16 side, and the SOFC 13 side and the gas turbine combustor 16 side are opened by the opening of the first flow rate adjusting valve 21 located on the low pressure side. The amount of air flowing into the is determined. When the first flow rate adjusting valve 21 is opened to a predetermined value and the discharge air 18A supplied to the gas turbine combustor 16 is reduced, the flow rate of air supplied to the gas turbine combustor 16 is reduced. In addition, the output of the gas turbine 11 decreases.

なお、図２におけるＴ0において、第一流量調整弁２１の開度は、制御装置４３によって予め決められた値に制御される。この予め決められた値とは、第一流量調整弁２１を開いた際に、ガスタービン１１の出力が下限の出力となるようにガスタービン燃焼器１６に必要量の空気を供給できる値である。 Note that in the T 0 in FIG. 2, the opening degree of the first flow control valve 21 is controlled to a predetermined value by the control device 43. The predetermined value is a value that can supply the required amount of air to the gas turbine combustor 16 so that the output of the gas turbine 11 becomes the lower limit output when the first flow rate adjustment valve 21 is opened. .

ここで、ガスタービン１１の出力が下限の出力となる値とは、ガスタービン１１が許容できる下限の出力値（例えば定格が１５ＫＷ運転の場合、例えば５ＫＷ運転にする）のことである。このガスタービン１１が許容できる下限の出力とは、圧縮機１４の機動力を確保し、且つガスタービン１１の安定的な運転が可能である出力である。   Here, the value at which the output of the gas turbine 11 becomes the lower limit output is a lower limit output value that the gas turbine 11 can tolerate (for example, when the rating is 15 kW operation, for example, 5 kW operation). The lower limit output that the gas turbine 11 can tolerate is an output that secures the power of the compressor 14 and that allows the gas turbine 11 to be stably operated.

次に、制御装置４３は、出力測定装置３７から入力されるガスタービン１１の出力の値が所定の値を保つように第一流量調整弁２１の開度を制御する（図２におけるＴ0からＴ2）。その結果、図２のＴ0からＴ1の間における第一流量調整弁２１の開度は、ガスタービン燃焼器１６側に供給される吐出空気１８Ａの流量が一定となるように、ＳＯＦＣ１３側の圧力上昇と共におおよそ一定の変化率で大きくなる傾向となる。 Next, the control device 43 controls the opening degree of the first flow rate adjustment valve 21 so that the output value of the gas turbine 11 input from the output measurement device 37 maintains a predetermined value (from T 0 in FIG. 2). T 2). As a result, the opening degree of the first flow rate adjustment valve 21 between T 0 and T 1 in FIG. 2 is such that the flow rate of the discharge air 18A supplied to the gas turbine combustor 16 side is constant. It tends to increase at a roughly constant rate of change with increasing pressure.

ＳＯＦＣ１３側の圧力が所定の圧力に達すると（図２におけるＴ1）、第一流量調整弁２１の開度の変化率が大きくなる。これは、ＳＯＦＣ１３側の圧力が高くなり、ＳＯＦＣ１３側へ供給するために必要な第一流量調整弁２１の開度が大きくなるからである。 When the pressure on the SOFC 13 side reaches a predetermined pressure (T 1 in FIG. 2), the rate of change of the opening degree of the first flow rate adjustment valve 21 increases. This is because the pressure on the SOFC 13 side increases, and the opening of the first flow rate adjustment valve 21 necessary for supplying the SOFC 13 side increases.

圧力測定装置４１によって測定されるＳＯＦＣ１３側の圧力が目標の圧力に達するとＳＯＦＣ１３の昇圧が完了する（図２におけるＴ2）。次に、制御装置４３は、第一開閉弁２２を開いて、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。また、制御装置４３は、流量測定装置４３から入力されるＳＯＦＣ１３側への吐出空気の流量が最適な値となるように第二流量調整弁２４の開度を調整する。 When the pressure on the SOFC 13 side measured by the pressure measuring device 41 reaches the target pressure, the pressure increase of the SOFC 13 is completed (T 2 in FIG. 2 ). Next, the control device 43 opens the first on-off valve 22 and supplies the exhaust air 18 </ b> B exhausted from the SOFC 13 to the gas turbine combustor 16. Further, the control device 43 adjusts the opening degree of the second flow rate adjusting valve 24 so that the flow rate of the discharge air input to the SOFC 13 side input from the flow rate measuring device 43 becomes an optimum value.

ガスタービン燃焼器１６に、吐出空気１８Ａ及び排出空気１８Ｂが十分に供給され、ガスタービン１１が定格運転に至ると、エアヒータ１９においてタービン１７の排燃焼ガス１５Ａで加熱される吐出空気１８Ａは、例えば６００℃程度まで昇温する。ＳＯＦＣ１３は、この吐出空気１８Ａにより発電可能な温度（例えば、６００℃）にまで昇温される。その後、ＳＯＦＣ１３は、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。   When the discharge air 18A and the exhaust air 18B are sufficiently supplied to the gas turbine combustor 16 and the gas turbine 11 reaches the rated operation, the discharge air 18A heated by the exhaust combustion gas 15A of the turbine 17 in the air heater 19 is, for example, The temperature is raised to about 600 ° C. The SOFC 13 is heated to a temperature at which electric power can be generated (for example, 600 ° C.) by the discharge air 18A. Thereafter, the SOFC 13 reacts with the discharge air 18A supplied to the air electrode and the fuel gas 31 supplied separately to the fuel electrode, and starts to generate electric energy.

本実施形態のコンバインド発電システムの運転方法は、ＳＯＦＣを起動する際に、ガスタービンを最低出力に保持することで、ＳＯＦＣに供給する空気量を最大化し、ＳＯＦＣの昇圧を早めることで、ＳＯＦＣの起動時間を短縮でき、コンバインド発電システム自体の起動を早めることができるので、システム全体の発電効率を高めることができる。   The operation method of the combined power generation system according to the present embodiment maintains the gas turbine at the minimum output when starting the SOFC, thereby maximizing the amount of air supplied to the SOFC and increasing the pressure of the SOFC. Since the start-up time can be shortened and the start-up of the combined power generation system itself can be accelerated, the power generation efficiency of the entire system can be increased.

［比較例］
本実施形態に係る発電システム１０にて、従来の起動方法を利用した場合にＳＯＦＣ１３の昇圧にかかる時間を確認した結果を、図３を参照して説明する。図３は、従来の固体酸化物形燃料電池の起動時における昇圧の挙動を示す図である。 [Comparative example]
In the power generation system 10 according to the present embodiment, the result of confirming the time taken to boost the SOFC 13 when the conventional startup method is used will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram showing the behavior of pressure increase during startup of a conventional solid oxide fuel cell.

従来の起動方法において、ＳＯＦＣ１３の起動時には、まず制御装置４３から出力される信号により第一流量調整弁２１が開かれる（図３におけるＴ0）。この時、第一流量調整弁２１の開度は、ガスタービンの運転状態を可能な限り変化させないよう十分に小さい値に設定されている。 In the conventional activation method, when the SOFC 13 is activated, the first flow rate adjustment valve 21 is first opened by a signal output from the control device 43 (T 0 in FIG. 3). At this time, the opening degree of the first flow rate adjusting valve 21 is set to a sufficiently small value so as not to change the operating state of the gas turbine as much as possible.

次に、第一流量調整弁２１の開度は、制御装置４３によって、ガスタービン１１の運転状態が定格に戻るために十分に長い時間の間一定に保持される（図３におけるＴ0からＴ1）。この時間の経過後、第一流量調整弁２１の開度は、制御装置４３によって、ＳＯＦＣ１３側の圧力が目標の圧力に達するまでの間（図３におけるＴ1からＴ2）徐々に大きくされる。この従来の起動方法によりＳＯＦＣ１３の昇圧にかかる時間は、本発明に係る起動方法と比較して約２倍程度長くかかることが分かる。 Next, the opening degree of the first flow rate adjusting valve 21 is kept constant by the control device 43 for a sufficiently long time so that the operation state of the gas turbine 11 returns to the rated value (from T 0 to T in FIG. 3). 1 ). After the elapse of this time, the opening degree of the first flow rate adjustment valve 21 is gradually increased by the control device 43 until the pressure on the SOFC 13 side reaches the target pressure (from T 1 to T 2 in FIG. 3). . It can be seen that the time required for boosting the SOFC 13 by this conventional startup method is about twice as long as that of the startup method according to the present invention.

本実施形態に係るＳＯＦＣ１３の起動方法によれば、ＳＯＦＣ１３側に供給する吐出空気１８Ａの流量を、ガスタービン１１の出力がガスタービン１１の許容できる下限の出力となるように制御することで、ＳＯＦＣ１３の昇圧時間を、従来よりも大幅に短縮することができる。その結果、ＳＯＦＣ１３の起動時間を短縮化することができ、燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの効率の向上に寄与する。   According to the start-up method of the SOFC 13 according to the present embodiment, the flow rate of the discharge air 18A supplied to the SOFC 13 side is controlled so that the output of the gas turbine 11 becomes the lower limit output allowable for the gas turbine 11, so that the SOFC 13 Can be significantly shortened as compared with the prior art. As a result, the startup time of the SOFC 13 can be shortened, which contributes to improving the efficiency of the fuel cell / gas turbine combined power generation system.

１０ 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
１８Ｃ ＳＯＦＣへ導入される吐出空気
２１ 第一流量調整弁
２２ 第一開閉弁
２４ 第二流量調整弁
３１ 燃料ガス
３１Ａ 排燃料ガス
３７ 出力測定装置
３９ 流量測定装置
４１ 圧力測定装置
４３ 制御装置 10 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 Discharge air 18B Exhaust air 18C Discharge air introduced into SOFC 21 1st flow regulating valve 22 1st on-off valve 24 2nd flow regulating valve 31 Fuel gas 31A Exhaust fuel gas 37 Output measuring device 39 Flow measuring device 41 Pressure measuring device 43 Control device

Claims (1)

ガスタービンの圧縮機から燃焼器に供給されている吐出空気の一部を、固体酸化物形燃料電池に供給して該固体酸化物形燃料電池を昇圧する固体酸化物形燃料電池の起動方法において、
前記ガスタービンの出力が該ガスタービンの許容できる下限の出力となるように、前記固体酸化物形燃料電池に供給する前記吐出空気の量を制御する工程を含むことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の起動方法。 In a starting method of a solid oxide fuel cell, a part of discharge air supplied from a compressor of a gas turbine to a combustor is supplied to the solid oxide fuel cell to boost the pressure of the solid oxide fuel cell. ,
A step of controlling the amount of the discharge air supplied to the solid oxide fuel cell so that the output of the gas turbine is an allowable lower limit output of the gas turbine. How to start a fuel cell.
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