JP2014088861A - 発電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】発電システムにおいて、ガスタービンの運転状態に拘わらず燃料電池を安定して運転可能とする。
【解決手段】圧縮機２１と燃焼器２２とタービン２３を有するガスタービン１１と、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気を燃焼器２２に供給する第１圧縮空気供給ライン２６と、空気極及び燃料極を有するＳＯＦＣ１３と、圧縮空気を生成可能な圧縮空気供給装置６１と、圧縮空気供給装置６１で圧縮した圧縮空気をＳＯＦＣ１３に供給する第２圧縮空気供給ライン３１とを設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた発電システムに関するものである。
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下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ＳＯＦＣは、イオン伝導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た空気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用することができる。また、ＳＯＦＣは、利用できなかった高温の燃料をガスタービンの燃焼器に燃料として使用することができる。
このため、例えば、下記特許文献１に記載されるように、高効率発電を達成することができる発電システムとして、ＳＯＦＣとガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたものが各種提案されている。この特許文献１に記載されたコンバインドシステムは、ＳＯＦＣと、このＳＯＦＣから排出された排燃料ガスと排出空気とを燃焼するガスタービン燃焼器と、空気を圧縮してＳＯＦＣに供給する圧縮機を有するガスタービンとを設けたものである。
特開２００９−２０５９３０号公報
上述した従来の発電システムにて、定常運転時に、ガスタービンの圧縮機で圧縮した空気は、ガスタービンの燃焼器に供給されると共に、その一部をＳＯＦＣに供給して酸化剤として用いている。この場合、圧縮機で圧縮した空気の圧力は、ガスタービンの運転状態に応じて変動するものであることから、ＳＯＦＣに供給する圧縮空気の圧力もガスタービンの運転状態に応じて変動してしまい、ＳＯＦＣの安定した運転状態を維持することができないおそれがある。例えば、ガスタービンの駆動により発電機を作動しているが、この発電機の周波数が変動した場合、ガスタービンは周波数を所定周波数に維持しようと出力制御を行う。即ち、ガスタービンは、燃料供給量を調整することで出力を調整するが、このとき、圧縮機の出口での圧縮空気の圧力が変動し、ＳＯＦＣに供給する圧縮空気の圧力も変動する。
本発明は、上述した課題を解決するものであり、ガスタービンの運転状態に拘わらず燃料電池を安定して運転可能とする発電システムを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本発明の発電システムは、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、前記圧縮機で圧縮した第１圧縮空気を前記燃焼器に供給する第１圧縮空気供給ラインと、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、第２圧縮空気を生成可能な圧縮空気供給部と、前記圧縮空気供給部で圧縮した第２圧縮空気を前記燃料電池に供給する第２圧縮空気供給ラインと、を有することを特徴とするものである。
従って、ガスタービン圧縮機とは別に圧縮空気供給部を設け、ガスタービン圧縮機で圧縮した第１圧縮空気は、第１圧縮空気供給ラインにより燃焼器に供給され、圧縮空気供給部で圧縮した第２圧縮空気は、第２圧縮空気供給ラインにより燃料電池に供給される。そのため、ガスタービンの運転状態に応じて燃焼器に供給される空気の圧力が変動しても、燃料電池に供給される空気の圧力が変動することはない。その結果、ガスタービンの運転状態に拘わらず燃料電池を安定して運転することができる。
本発明の発電システムでは、前記ガスタービンからの排ガスにより蒸気を生成する排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラで生成された蒸気により駆動する蒸気タービンとが設けられ、前記圧縮空気供給部は、蒸気による駆動する燃料電池用圧縮機と、前記排熱回収ボイラで生成された蒸気を前記燃料電池用圧縮機に供給する蒸気供給ラインとを有することを特徴としている。
従って、排熱回収ボイラで生成された蒸気が蒸気供給ラインにより燃料電池用圧縮機に供給されると、この燃料電池用圧縮機は、蒸気により駆動して第２圧縮空気を生成し、この第２圧縮空気が燃料電池に供給される。燃料電池とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた発電システムとし、このシステムの系統内で生成された蒸気により燃料電池用圧縮機を駆動して第２圧縮空気を生成し、この第２圧縮空気を燃料電池に供給することとなり、全体のシステム効率を向上することができる。
本発明の発電システムでは、前記圧縮空気供給部は、燃料電池用圧縮機と、前記燃料電池用圧縮機を駆動する駆動モータとを有することを特徴としている。
従って、駆動モータにより燃料電池用圧縮機を駆動して第２圧縮空気を生成し、この圧縮空気が燃料電池に供給される。駆動モータと燃料電池用圧縮機を設けるだけで、ガスタービンに対して独立して第２圧縮空気を燃料電池に供給することができ、簡単な構成で燃料電池の安定した運転を確保することができる。
本発明の発電システムでは、前記第２圧縮空気供給ラインを開閉可能な第１開閉弁と、前記第１圧縮空気供給ラインと前記第２圧縮空気供給ラインとを接続するバイパスラインと、前記バイパスラインを開閉する第２開閉弁とが設けられることを特徴としている。
従って、燃料電池用圧縮機を駆動して生成された第２圧縮空気をバイパスラインから燃焼器に供給することが可能となり、ガスタービンや燃料電池の運転状態に応じて圧縮空気量を調整することができる。
本発明の発電システムでは、前記第１開閉弁及び第２開閉弁を開閉制御可能な制御部が設けられ、前記制御部は、前記燃料電池の停止時に前記第１開閉弁を閉止する一方、前記第２開閉弁を開放することを特徴としている。
従って、燃料電池の停止時には、第１開閉弁を閉止して圧縮空気供給部から燃料電池への第２圧縮空気の供給を停止し、第２開閉弁を開放して圧縮空気供給部からガスタービン燃焼器への第２圧縮空気の供給を開始することとなり、ガスタービンにおける圧縮空気量を確保してガスタービンを安定して運転することができる。
本発明の発電システムによれば、圧縮機で圧縮した第１圧縮空気を燃焼器に供給可能とすると共に、圧縮空気供給部で圧縮した第２圧縮空気を燃料電池に供給可能とするので、ガスタービンの運転状態に拘わらず燃料電池を安定して運転することができる。
図１は、本発明の実施例１に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図である。 図２は、実施例１の発電システムを表す概略構成図である。 図３は、本発明の実施例２に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図である。
以下に添付図面を参照して、本発明に係る発電システムの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
実施例１の発電システムは、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと称する。）とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたトリプルコンバインドサイクルシステム（登録商標）である。このトリプルコンバインドサイクルシステムは、ガスタービンコンバインドサイクル発電（ＧＴＣＣ）の上流側にＳＯＦＣを設置することにより、ＳＯＦＣ、ガスタービン、蒸気タービンの３段階で電気を取り出すことができるため、極めて高い発電効率を実現することができる。
図１は、本発明の実施例１に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図、図２は、実施例１の発電システムを表す概略構成図である。
実施例１において、図２に示すように、発電システム１０は、ガスタービン１１及び発電機１２と、ＳＯＦＣ１３と、蒸気タービン１４及び発電機１５とを有している。この発電システム１０は、ガスタービン１１による発電と、ＳＯＦＣ１３による発電と、蒸気タービン１４による発電とを組み合わせることで、高い発電効率を得るように構成したものである。
ガスタービン１１は、圧縮機２１、燃焼器２２、タービン２３を有しており、圧縮機２１とタービン２３は、回転軸２４により一体回転可能に連結されている。圧縮機２１は、空気取り込みライン２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。燃焼器２２は、圧縮機２１から第１圧縮空気供給ライン２６を通して供給された圧縮空気（第１圧縮空気）Ａ１と、第１燃料ガス供給ライン２７から供給された燃料ガスＬ１とを混合して燃焼する。タービン２３は、燃焼器２２から排ガス供給ライン２８を通して供給された排ガス（燃焼ガス）Ｇにより回転する。なお、図示しないが、タービン２３は、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａ１が車室を通して供給され、この圧縮空気Ａ１を冷却空気として翼などを冷却する。発電機１２は、タービン２３と同軸上に設けられており、タービン２３が回転することで発電することができる。なお、ここでは、燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１として、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を用いている。
ＳＯＦＣ１３は、還元剤としての高温の燃料ガスと酸化剤としての高温の空気（酸素ガス）が供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行うものである。このＳＯＦＣ１３は、圧力容器内に空気極と固体電解質と燃料極が収容されて構成される。空気極に圧縮空気が供給され、燃料極に燃料ガスが供給されることで発電を行う。なお、ここでは、ＳＯＦＣ１３に供給する燃料ガスＬ２として、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を用いている。
このＳＯＦＣ１３は、第２圧縮空気供給ライン３１を介して圧縮空気供給装置（圧縮空気供給部）６１が連結されており、圧縮空気供給装置６１が圧縮した圧縮空気（第２圧縮空気）Ａ２を空気極の導入部に供給することができる。この第２圧縮空気供給ライン３１は、供給する空気量を調整可能な制御弁（第１開閉弁）３２と、圧縮空気Ａ２を昇圧可能なブロワ３３が空気の流れ方向に沿って設けられている。ＳＯＦＣ１３は、空気極で用いられた排空気Ａ３を排出する排空気ライン３４が連結されている。この排空気ライン３４は、空気極で用いられた排空気Ａ３を外部に排出する排出ライン３５と、燃焼器２２に連結される圧縮空気循環ライン３６とに分岐される。排出ライン３５は、排出する空気量を調整可能な制御弁３７が設けられ、圧縮空気循環ライン３６は、循環する空気量を調整可能な制御弁３８が設けられている。
また、ＳＯＦＣ１３は、燃料ガスＬ２を燃料極の導入部に供給する第２燃料ガス供給ライン４１が設けられている。第２燃料ガス供給ライン４１は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４２が設けられている。ＳＯＦＣ１３は、燃料極で用いられた排燃料ガスＬ３を排出する排燃料ライン４３が連結されている。この排燃料ライン４３は、外部に排出する排出ライン４４と、燃焼器２２に連結される排燃料ガス供給ライン４５とに分岐される。排出ライン４４は、排出する燃料ガス量を調整可能な制御弁４６が設けられ、排燃料ガス供給ライン４５は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４７と、燃料を昇圧可能なブロワ４８が燃料ガスＬ３の流れ方向に沿って設けられている。
また、ＳＯＦＣ１３は、排燃料ライン４３と第２燃料ガス供給ライン４１とを連結する燃料ガス再循環ライン４９が設けられている。燃料ガス再循環ライン４９は、排燃料ライン４３の排燃料ガスＬ３を第２燃料ガス供給ライン４１に再循環する再循環ブロワ５０が設けられている。
蒸気タービン１４は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）５１で生成された蒸気によりタービン５２を回転するものである。この排熱回収ボイラ５１は、ガスタービン１１（タービン２３）からの排ガスライン５３が連結されており、空気と高温の排ガスＧとの間で熱交換を行うことで、蒸気Ｓを生成する。蒸気タービン１４（タービン５２）は、排熱回収ボイラ５１との間に蒸気供給ライン５４と給水ライン５５が設けられている。そして、給水ライン５５は、復水器５６と給水ポンプ５７が設けられている。発電機１５は、タービン５２と同軸上に設けられており、タービン５２が回転することで発電することができる。なお、排熱回収ボイラ５１で熱が回収された排ガスは、有害物質を除去されてから大気へ放出される。
ここで、上述した実施例１の発電システム１０における圧縮空気の供給系統について詳細に説明する。実施例１の発電システム１０では、図１に示すように、圧縮空気を生成可能な圧縮空気供給装置（圧縮空気供給部）６１と、この圧縮空気供給装置６１で圧縮した圧縮空気をＳＯＦＣ１３に供給する第２圧縮空気供給ライン３１を設けている。
即ち、ガスタービン１１の圧縮機２１とは別に、単独駆動が可能な圧縮空気供給装置６１を設け、圧縮機２１は、第１圧縮空気供給ライン２６により燃焼器２２（タービン２３）だけに圧縮空気を供給し、圧縮空気供給装置６１は、第２圧縮空気供給ライン３１によりＳＯＦＣ１３だけに圧縮空気を供給する。すると、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気の全量が燃焼器２２やタービン２３に送られ、圧縮空気供給装置６１で圧縮された圧縮空気の全量がＳＯＦＣ１３に送られる。そのため、ガスタービン１１での運転状態の変動がＳＯＦＣ１３に伝達されず、ＳＯＦＣ１３を安定して運転することができる。即ち、ＳＯＦＣ１３は、空気極に圧縮空気Ａ２が供給され、燃料極に燃料ガスＬ２が供給されることで発電を行う。この場合、ＳＯＦＣ１３は、空気極の圧力と燃料極の圧力をほぼ均一にしないと、空気極と燃料極との間で圧縮空気Ａ２や燃料ガスＬ２の流通が生じ、温度が変動してしまう。本実施例では、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａ１がＳＯＦＣ１３には供給されず、圧縮空気供給装置６１で圧縮された圧縮空気Ａ２のみがＳＯＦＣ１３に供給されることから、ＳＯＦＣ１３は空気極の圧力が変動することはなく、ＳＯＦＣ１３を安定して運転することができる。
圧縮空気供給装置６１は、ＳＯＦＣ用圧縮機（燃料電池用圧縮機）６２とＳＯＦＣ用蒸気タービン（燃料電池用蒸気タービン）６３が連結軸６４により一体回転可能に連結されて構成されている。そして、第２圧縮空気供給ライン３１は、一端部がＳＯＦＣ用圧縮機６２に接続され、他端部がＳＯＦＣ１３に接続されており、ＳＯＦＣ用圧縮機６２は、空気取り込みライン６５から取り込んだ空気を圧縮する。また、ＳＯＦＣ用圧縮機６２は、排熱回収ボイラ５１で生成された蒸気によりＳＯＦＣ用蒸気タービン６３を回転することで駆動し、空気を圧縮することができる。即ち、蒸気供給ライン６６は、一端部が排熱回収ボイラ５１から蒸気タービン１４（タービン５２）に蒸気を供給する蒸気供給ライン５４に接続され、他端部がＳＯＦＣ用蒸気タービン６３に接続されている。蒸気供給ライン６６は、供給する蒸気量を調整可能な制御弁６７が設けられている。
制御装置６８は、少なくとも、制御弁３２と制御弁６７の開度を調整可能であると共に、ブロワ３３の駆動及び停止を制御可能となっている。そのため、制御装置６８は、ＳＯＦＣ１３の定常運転時に、制御弁３２，６７を開放し、排熱回収ボイラ５１で生成された蒸気を蒸気供給ライン５４からＳＯＦＣ用蒸気タービン６３に供給してＳＯＦＣ用圧縮機６２を駆動する。
また、第１圧縮空気供給ライン２６と第２圧縮空気供給ライン３１とを接続するバイパスライン７１が設けられ、このバイパスライン７１に圧縮空気の流量を調整可能な制御弁（第２開閉弁）７２が設けられている。制御装置６８は、この制御弁７２の開度を調整可能となっている。具体的に、制御装置６８は、ＳＯＦＣ１３の定常運転時に、制御弁７２を閉止することで、圧縮空気供給装置６１で生成された圧縮空気Ａ２は、ガスタービン１１には供給されず、ＳＯＦＣ１３だけに供給される。一方、ＳＯＦＣ１３の停止時に、制御弁７２を開放する一方、制御弁３２を閉止することで、圧縮空気供給装置６１で生成された圧縮空気は、ＳＯＦＣ１３には供給されず、ガスタービン１１だけに供給される。
ここで、実施例１の発電システム１０の作動について説明する。図１及び図２に示すように、発電システム１０を起動する場合、ガスタービン１１、蒸気タービン１４、ＳＯＦＣ１３の順に起動する。なお、制御装置６８は、制御弁３２と制御弁６７だけでなく、その他の制御弁も制御可能となっている。
まず、ガスタービン１１にて、圧縮機２１が空気Ａを圧縮し、燃焼器２２が圧縮空気Ａ１と燃料ガスＬ１とを混合して燃焼し、タービン２３が排ガスＧにより回転することで、発電機１２が発電を開始する。次に、蒸気タービン１４にて、排熱回収ボイラ５１により生成された蒸気Ｓによりタービン５２が回転し、これにより発電機１５が発電を開始する。
続いて、ＳＯＦＣ１３では、制御弁６７を開放することで、排熱回収ボイラ５１で生成された蒸気を蒸気供給ライン６６から圧縮空気供給装置６１のＳＯＦＣ用蒸気タービン６３に供給する。すると、ＳＯＦＣ用蒸気タービン６３は、この供給された蒸気により回転を開始し、ＳＯＦＣ用圧縮機６２が同期して回転駆動することで、空気取り込みライン６５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。そして、このＳＯＦＣ用圧縮機６２は、圧縮空気Ａ２を第２圧縮空気供給ライン３１からＳＯＦＣ１３に供給して昇圧を開始する。
このとき、排出ライン３５の制御弁３７と圧縮空気循環ライン３６の制御弁３８を閉止し、第２圧縮空気供給ライン３１のブロワ３３を停止した状態で、制御弁３２を開放する。すると、圧縮空気供給装置６１で圧縮した圧縮空気Ａ２が第２圧縮空気供給ライン３１からＳＯＦＣ１３側へ供給される。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、圧縮空気Ａ２が供給されることで圧力が上昇する。
一方、ＳＯＦＣ１３では、燃料極側に燃料ガスＬ２を供給して昇圧を開始する。排出ライン４４の制御弁４６と排燃料ガス供給ライン４５の制御弁４７を閉止し、ブロワ４８を停止した状態で、第２燃料ガス供給ライン４１の制御弁４２を開放すると共に、燃料ガス再循環ライン４９の再循環ブロワ５０を駆動する。すると、燃料ガスＬ２が第２燃料ガス供給ライン４１からＳＯＦＣ１３側へ供給されると共に、排燃料ガスＬ３が燃料ガス再循環ライン４９により再循環する。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、燃料ガスＬ２が供給されることで圧力が上昇する。
そして、ＳＯＦＣ１３の空気極側の圧力が所定圧力になると、制御弁３２を全開にすると共に、ブロワ３３を駆動する。それと同時に制御弁３７を開放してＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３を排出ライン３５から排出する。すると、圧縮空気Ａ２がブロワ３３によりＳＯＦＣ１３側へ供給される。それと同時に制御弁４６を開放してＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３を排出ライン４４から排出する。そして、ＳＯＦＣ１３における空気極側の圧力と燃料極側の圧力が目標圧力に到達すると、ＳＯＦＣ１３の昇圧が完了する。
なお、この実施例では、圧縮空気供給装置６１とブロワ３３を設けたが、圧縮空気供給装置６１を制御することで、ブロワ３３をなくしてもよい。即ち、制御弁６７の開度を調整することで、ＳＯＦＣ用蒸気タービン６３への蒸気の供給量を調整し、ＳＯＦＣ用圧縮機６２が生成する圧縮空気Ａ２の量を調整することで、ＳＯＦＣ１３への圧縮空気Ａ２の供給量を調整してＳＯＦＣ１３を昇圧するようにしてもよい。この場合、ブロワ３３をなくすことで、制御弁３２の開閉制御やブロワ３３の起動制御を不要として低コスト化を可能とすることができる。
その後、ＳＯＦＣ１３の反応（発電）が安定し、排空気Ａ３と排燃料ガスＬ３の成分が安定したら、制御弁３７を閉止する一方、制御弁３８を開放する。すると、ＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３が圧縮空気循環ライン３６から燃焼器２２に供給される。また、制御弁４６を閉止する一方、制御弁４７を開放してブロワ４８を駆動する。すると、ＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３が排燃料ガス供給ライン４５から燃焼器２２に供給される。このとき、第１燃料ガス供給ライン２７から燃焼器２２に供給される燃料ガスＬ１を減量する。
このとき、ガスタービン１１の燃焼器２２とタービン２３は、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気Ａ１の全量が供給され、ＳＯＦＣ１３は、圧縮空気供給装置６１で圧縮した圧縮空気Ａ２の全量が供給される。そのため、ガスタービン１１に出力変動が発生し、圧縮機２１で圧縮した空気Ａ１の圧力が変動しても、ＳＯＦＣ１３に供給される空気Ａ２の圧力が変動することはない。そのため、ＳＯＦＣ１３は、空気極の圧力が変動することはなく、空気極の圧力と燃料極の圧力がほぼ均となり、ガスタービン１１の運転状態に拘わらずＳＯＦＣ１３が安定して運転される。
また、ＳＯＦＣ１３の運転が停止したとき、制御装置６８は、ＳＯＦＣ１３の停止時に、制御弁７２を開放する一方、制御弁３２を閉止することで、圧縮空気供給装置６１で生成された圧縮空気Ａ２をＳＯＦＣ１３に供給せずにガスタービン１１に供給する。ＳＯＦＣ１３の定常運転時、圧縮空気供給装置６１で生成された圧縮空気Ａ２は、ＳＯＦＣ１３に供給され、使用後の排空気Ａ３が圧縮空気循環ライン３６からガスタービン１１の燃焼器２２に供給されている。そのため、ＳＯＦＣ１３の運転停止時には、圧縮空気供給装置６１で生成された圧縮空気Ａ２をＳＯＦＣ１３に供給せずに、バイパスライン７１から直接ガスタービン１１の燃焼器２２に供給する。そのため、ガスタービン１１は、ＳＯＦＣ１３の定常運転時と運転停止時とで、ほぼ同量の圧縮空気Ａ２が供給されることとなり、全負荷運転を可能とすることで安定した発電が可能となる。なお、ＳＯＦＣ１３の運転が停止したときは、ガスタービン１１の燃焼器２２にＳＯＦＣ１３から排燃料ガスが供給されないことから、第１燃料ガス供給ライン２７からの燃料ガス量を増加する必要がある。
このように実施例１の発電システムにあっては、圧縮機２１と燃焼器２２とタービン２３を有するガスタービン１１と、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気を燃焼器２２に供給する第１圧縮空気供給ライン２６と、空気極及び燃料極を有するＳＯＦＣ１３と、圧縮空気を生成可能な圧縮空気供給装置６１と、圧縮空気供給装置６１で圧縮した圧縮空気をＳＯＦＣ１３に供給する第２圧縮空気供給ライン３１とを設けている。
従って、ガスタービン１１の圧縮機２１とは別に圧縮空気供給装置６１を設け、圧縮機２１で圧縮した空気Ａ１は、第１圧縮空気供給ライン２６により燃焼器２２に供給され、圧縮空気供給装置６１で圧縮した空気Ａ２は、第２圧縮空気供給ライン３１によりＳＯＦＣ１３に供給される。そのため、ガスタービン１１の運転状態に応じて燃焼器２２に供給される空気の圧力が変動しても、ＳＯＦＣ１３に供給される空気の圧力が変動することはない。その結果、ＳＯＦＣ１３は、空気極の圧力が変動することはなく、空気極の圧力と燃料極の圧力がほぼ均となり、ガスタービン１１の運転状態に拘わらずＳＯＦＣ１３を安定して運転することができる。
実施例１の発電システムでは、ガスタービン１１からの排ガスにより蒸気を生成する排熱回収ボイラ５１と、排熱回収ボイラ５１で生成された蒸気により駆動する蒸気タービン１４を設け、圧縮空気供給装置６１として、ＳＯＦＣ用圧縮機６２と、排熱回収ボイラ５１で生成された蒸気をＳＯＦＣ用蒸気タービン６３に供給する蒸気供給ライン６６を設けている。従って、排熱回収ボイラ５１で生成された蒸気が蒸気供給ライン６６によりＳＯＦＣ用蒸気タービン６３に供給されると、このＳＯＦＣ用蒸気タービン６３は、蒸気により駆動することでＳＯＦＣ用圧縮機６２を駆動して圧縮空気Ａ２を生成し、この圧縮空気Ａ２がＳＯＦＣ１３に供給される。ＳＯＦＣ１３とガスタービン１１と蒸気タービン１４を組み合わせた発電システム１０とし、この発電システム１０の系統内で生成された蒸気によりＳＯＦＣ用圧縮機６２を駆動して圧縮空気Ａ２を生成し、この圧縮空気Ａ２をＳＯＦＣ１３に供給することとなり、全体のシステム効率を向上することができる。
実施例１の発電システムでは、第２圧縮空気供給ライン３１を開閉可能な制御弁３２と、第１圧縮空気供給ライン３６と第２圧縮空気供給ライン３１とを接続するバイパスライン７１と、バイパスライン７１を開閉する制御弁７２を設けている。従って、ＳＯＦＣ用圧縮機６２を駆動して生成された圧縮空気Ａ２をバイパスライン７１から燃焼器２２に供給することが可能となり、ガスタービン１１やＳＯＦＣ１３の運転状態に応じて圧縮空気量を調整することができる。
実施例１の発電システムでは、制御弁３２と制御弁７２を開閉制御可能な制御装置６８を設け、この制御装置６８は、ＳＯＦＣ１３の停止時に制御弁３２を閉止する一方、制御弁７２を開放している。従って、ＳＯＦＣ１３の停止時には、制御弁３２を閉止して圧縮空気供給装置６１からＳＯＦＣ１３への圧縮空気Ａ２の供給を停止し、制御弁７２を開放して圧縮空気供給装置６１からガスタービン１１の燃焼器２２への圧縮空気Ａ２の供給を開始することとなり、ガスタービン１１における圧縮空気量を確保し、ガスタービン１１を安定して運転することができる。
図３は、本発明の実施例２に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図である。なお、本実施例の発電システムの基本的な構成は、上述した実施例１とほぼ同様の構成であり、図２を用いて説明すると共に、上述した実施例１と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
実施例２の発電システムにおいて、図２及び図３に示すように、ＳＯＦＣ１３は、第２圧縮空気供給ライン３１を介して圧縮空気供給装置（圧縮空気供給部）８１が連結されており、圧縮空気供給装置８１が圧縮した圧縮空気Ａ２を空気極の導入部に供給することができる。即ち、ガスタービン１１の圧縮機２１とは別に、単独駆動が可能な圧縮空気供給装置８１を設け、圧縮機２１は、第１圧縮空気供給ライン２６により燃焼器２２（タービン２３）だけに圧縮空気Ａ１を供給し、圧縮空気供給装置８１は、第２圧縮空気供給ライン３１によりＳＯＦＣ１３だけに圧縮空気Ａ２を供給する。すると、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気の全量が燃焼器２２やタービン２３に送られ、圧縮空気供給装置８１で圧縮された圧縮空気の全量がＳＯＦＣ１３に送られる。そのため、ガスタービン１１での運転状態の変動がＳＯＦＣ１３に伝達されず、ＳＯＦＣ１３を安定して運転することができる。
圧縮空気供給装置８１は、ＳＯＦＣ用圧縮機（燃料電池用圧縮機）８２と駆動モータ８３が連結軸８４により連結されて構成されている。そして、第２圧縮空気供給ライン３１は、一端部がＳＯＦＣ用圧縮機８２に接続され、他端部がＳＯＦＣ１３に接続されており、ＳＯＦＣ用圧縮機８２は、空気取り込みライン８５から取り込んだ空気を圧縮する。また、ＳＯＦＣ用圧縮機８２は、駆動モータ８３に電力を供給することで駆動し、空気を圧縮することができる。
制御装置６８は、少なくとも、制御弁３２と制御弁７２の開度を調整可能であると共に、駆動モータ６３の駆動及び停止を制御可能となっている。そのため、制御装置６８は、ＳＯＦＣ１３の定常運転時に、制御弁３２，６７を開放し、駆動モータ６３を駆動してＳＯＦＣ用圧縮機８２を駆動する。
また、第１圧縮空気供給ライン２６と第２圧縮空気供給ライン３１とを接続するバイパスライン７１が設けられ、このバイパスライン７１に圧縮空気の流量を調整可能な制御弁７２が設けられている。制御装置６８は、ＳＯＦＣ１３の定常運転時に、制御弁７２を閉止することで、圧縮空気供給装置８１で生成された圧縮空気は、ガスタービン１１には供給されず、ＳＯＦＣ１３だけに供給される。一方、ＳＯＦＣ１３の停止時に、制御弁７２を開放する一方、制御弁３２を閉止することで、圧縮空気供給装置８１で生成された圧縮空気は、ＳＯＦＣ１３には供給されず、ガスタービン１１だけに供給される。
上述した発電システムを起動する場合、ガスタービン１１、蒸気タービン１４、ＳＯＦＣ１３の順に起動するが、ガスタービン１１の起動より前にＳＯＦＣ１３を起動してもよい。
ＳＯＦＣ１３を運転するとき、駆動モータ８３を駆動することで、ＳＯＦＣ用圧縮機８２が回転駆動し、空気取り込みライン８５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。そして、このＳＯＦＣ用圧縮機８２は、圧縮空気Ａ２を第２圧縮空気供給ライン３１からＳＯＦＣ１３に供給する。一方、第２燃料ガス供給ライン４１の制御弁４２を開放することで、燃料ガスＬ２を第２燃料ガス供給ライン４１からＳＯＦＣ１３へ供給する。すると、ＳＯＦＣ１３で圧縮空気Ａ２と燃料ガスＬ２が反応して発電が行われる。
このとき、ガスタービン１１の燃焼器２２とタービン２３は、圧縮機２１で圧縮した空気Ａ１の全量が供給され、ＳＯＦＣ１３は、圧縮空気供給装置８１で圧縮した空気Ａ２の全量が供給される。そのため、ガスタービン１１に出力変動が発生し、圧縮機２１で圧縮した空気Ａ１の圧力が変動しても、ＳＯＦＣ１３に供給される空気Ａ２の圧力が変動することはなく、ガスタービン１１の運転状態に拘わらずＳＯＦＣ１３が安定して運転される。
このように実施例２の発電システムにあっては、圧縮機２１と燃焼器２２とタービン２３を有するガスタービン１１と、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気を燃焼器２２に供給する第１圧縮空気供給ライン２６と、空気極及び燃料極を有するＳＯＦＣ１３と、圧縮空気を生成可能な圧縮空気供給装置８１と、圧縮空気供給装置８１で圧縮した圧縮空気をＳＯＦＣ１３に供給する第２圧縮空気供給ライン３１とを設けている。
従って、ガスタービン１１の圧縮機２１とは別に圧縮空気供給装置８１を設け、圧縮機２１で圧縮した空気Ａ１は、第１圧縮空気供給ライン２６により燃焼器２２に供給され、圧縮空気供給装置８１で圧縮した空気Ａ２は、第２圧縮空気供給ライン３１によりＳＯＦＣ１３に供給される。そのため、ガスタービン１１の運転状態に応じて燃焼器２２に供給される空気の圧力が変動しても、ＳＯＦＣ１３に供給される空気の圧力が変動することはない。その結果、ガスタービン１１の運転状態に拘わらずＳＯＦＣ１３を安定して運転することができる。
実施例２の発電システムでは、圧縮空気供給装置８１として、ＳＯＦＣ用圧縮機８２と、ＳＯＦＣ用圧縮機８２を駆動する駆動モータ８３を設けている。従って、駆動モータ８３によりＳＯＦＣ用圧縮機８２を駆動して圧縮空気Ａ２を生成し、この圧縮空気Ａ２がＳＯＦＣ１３に供給される。駆動モータ８３とＳＯＦＣ用圧縮機８２を設けるだけで、ガスタービン１１に対して独立して圧縮空気Ａ２をＳＯＦＣ１３に供給することができ、簡単な構成でＳＯＦＣ１３の安定運転を確保することができる。
なお、上述した実施例にて、本発明の第１開閉弁及び第２開閉弁を流量調整可能な制御弁３２，７２としたが、流量調整不能な遮断弁であってもよい。
１０ 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 蒸気タービン
１５ 発電機
２１ 圧縮機
２２ 燃焼器
２３ タービン
２６ 第１圧縮空気供給ライン
２７ 第１燃料ガス供給ライン
３１ 第２圧縮空気供給ライン
３２ 制御弁（第１開閉弁）
３３ ブロワ
３４ 排空気ライン
３６ 圧縮空気循環ライン
４１ 第２燃料ガス供給ライン
４２ 制御弁
４３ 排燃料ライン
４５ 排燃料ガス供給ライン
４９ 燃料ガス再循環ライン
６１ 圧縮空気供給装置（圧縮空気供給部）
６２ ＳＯＦＣ用圧縮機（燃料電池用圧縮機）
６３ ＳＯＦＣ用蒸気タービン（燃料電池用蒸気タービン）
６６ 蒸気供給ライン
６７ 制御弁
７１ バイパスライン
７２ 制御弁（第２開閉弁）
実施例１の発電システムは、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと称する。）とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたトリプルコンバインドサイクル（Ｔｒｉｐｌｅ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ：登録商標）である。このトリプルコンバインドサイクルは、ガスタービンコンバインドサイクル発電（ＧＴＣＣ）の上流側にＳＯＦＣを設置することにより、ＳＯＦＣ、ガスタービン、蒸気タービンの３段階で電気を取り出すことができるため、極めて高い発電効率を実現することができる。

Claims (5)

  1. 圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、
    前記圧縮機で圧縮した第１圧縮空気を前記燃焼器に供給する第１圧縮空気供給ラインと、
    空気極及び燃料極を有する燃料電池と、
    第２圧縮空気を生成可能な圧縮空気供給部と、
    前記圧縮空気供給部で圧縮した第２圧縮空気を前記燃料電池に供給する第２圧縮空気供給ラインと、
    を有することを特徴とする発電システム。
  2. 前記ガスタービンからの排ガスにより蒸気を生成する排熱回収ボイラと、前記排熱回収ボイラで生成された蒸気により駆動する蒸気タービンとが設けられ、前記圧縮空気供給部は、蒸気による駆動する燃料電池用圧縮機と、前記排熱回収ボイラで生成された蒸気を前記燃料電池用圧縮機に供給する蒸気供給ラインとを有することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
  3. 前記圧縮空気供給部は、燃料電池用圧縮機と、前記燃料電池用圧縮機を駆動する駆動モータとを有することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
  4. 前記第２圧縮空気供給ラインを開閉可能な第１開閉弁と、前記第１圧縮空気供給ラインと前記第２圧縮空気供給ラインとを接続するバイパスラインと、前記バイパスラインを開閉する第２開閉弁とが設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の発電システム。
  5. 前記第１開閉弁及び第２開閉弁を開閉制御可能な制御部が設けられ、前記制御部は、前記燃料電池の停止時に前記第１開閉弁を閉止する一方、前記第２開閉弁を開放することを特徴とする請求項４に記載の発電システム。
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