JP2014107206A

JP2014107206A - 発電システム及び発電システムの運転方法

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Publication number: JP2014107206A
Application number: JP2012261063A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Osawa; 弘行大澤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2014-06-09
Anticipated expiration: 2032-11-29
Also published as: JP6081167B2

Abstract

【課題】ＳＯＦＣの起動時において、ＳＯＦＣの内部でのドレンの発生を抑制する。
【解決手段】圧縮機２１と燃焼器２２を有するガスタービン１１と、空気極及び燃料極を有するＳＯＦＣ１３と、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａ２を、ＳＯＦＣ１３の空気極に供給する第２圧縮空気供給ライン３１と、第２圧縮空気供給ライン３１に設けられ、圧縮空気Ａ２中の凝縮性ガスの少なくとも一部を分離して除去する凝縮器６１と、第２圧縮空気供給ライン３１に設けられ、圧縮空気Ａ２の流れ方向において、凝縮器６１の上流側の第２圧縮空気供給ライン３１と、凝縮器６１の下流側の第２圧縮空気供給ライン３１との間で熱交換を行う再生熱交換器６２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも燃料電池とガスタービンとを組み合わせた発電システム及び発電システムの運転方法に関するものである。

燃料電池としての固体酸化物形燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：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及び排熱をガスタービンの燃焼器において燃料及び酸化性ガスとして使用することができる。また、ＳＯＦＣの他に作動温度が高い燃料電池として溶融炭酸塩形燃料電池が知られており、ＳＯＦＣと同様にガスタービンとの連携による排熱利用が検討されている。

このため、例えば、下記特許文献１及び下記特許文献２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及び特許文献２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号公報特開２００４−２２０９４１号公報

上述した特許文献１及び特許文献２の発電システムは、起動時において、ガスタービンの圧縮機により圧縮された空気（圧縮空気）が、圧縮機からＳＯＦＣに供給される。ここで、圧縮空気は、圧縮機により昇温・昇圧される一方で、起動時におけるＳＯＦＣは、その内部の温度が低くなっている。このため、起動時において、圧縮空気が圧縮機からＳＯＦＣに供給されると、圧縮空気に含まれる水蒸気等の凝縮性ガスが、ドレンとなってＳＯＦＣの内部にて凝縮する。例えば、大気温度３５℃、相対湿度７５％の空気を圧力比２０で圧縮する場合は、飽和温度は約９５℃まで上昇することになる。従い、圧縮空気Ａ２の温度が温度の低い部位に接触することで、容易に飽和温度以下となり、ＳＯＦＣ１３の内部でドレンが発生しやすくなる。ＳＯＦＣの内部にドレンが発生すると、ＳＯＦＣが劣化する可能性がある。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、燃料電池の起動時において、燃料電池の内部におけるドレンの発生を抑制することができる発電システム及び発電システムの運転方法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、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記圧縮機で圧縮された圧縮酸化性ガスを、前記燃料電池の前記空気極に供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、前記圧縮酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記圧縮酸化性ガス中から、凝縮性ガスの少なくとも一部を分離して除去する凝縮器と、前記圧縮酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記圧縮酸化性ガスの流れ方向において、前記凝縮器の上流側の前記圧縮酸化性ガス供給ラインと、前記凝縮器の下流側の前記圧縮酸化性ガス供給ラインとの間で熱交換を行う再生熱交換器と、を備えることを特徴とする。

従って、圧縮酸化性ガス供給ラインによって、圧縮機で圧縮した圧縮酸化性ガスを、燃料電池の空気極に供給することができる。このとき、凝縮器において、圧縮酸化性ガス中に含まれる凝縮性ガスを凝縮し、ドレンとして回収することができる。このため、燃料電池の起動時において、温度の低い燃料電池に、圧縮酸化性ガスが供給された場合でも、凝縮器においてドレンが回収されていることから、燃料電池内においてドレンが発生することを抑制することができる。なお、凝縮器の作動停止としては、例えば、圧縮酸化性ガスの圧力比に応じて、所定時間経過後、又は燃料電池内部の温度が所定温度に達した場合としても良い。また、凝縮器を通過して温度が低くなった圧縮酸化性ガスを、再生熱交換器によって、凝縮器に供給される前の圧縮酸化性ガスにより加熱することができる。このため、燃料電池に供給される圧縮酸化性ガスを昇温することができるため、圧縮酸化性ガスによる燃料電池の昇温を妨げることなく、燃料電池を好適に昇温することができる。なお、凝縮性ガスとしては、例えば、水蒸気であり、ドレンとしては、例えば、水である。

本発明の発電システムでは、前記圧縮酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記凝縮器の上流側において前記再生熱交換器に供給される前の前記圧縮酸化性ガスを加熱する加熱器を、さらに備えることを特徴とする。

従って、加熱器は、圧縮酸化性ガスの温度を上昇させることができるため、再生熱交換器において、凝縮器の下流側の圧縮酸化性ガス供給ラインを通過する圧縮酸化性ガスを、加熱器が無い場合よりも高温に昇温させることができ、燃料電池を迅速に昇温させることができる。なお、加熱器として、燃料ガスを燃焼させることで圧縮酸化性ガスを加熱する燃焼器が適用される場合には、燃料ガスを燃焼させることで発生する水蒸気等の凝縮性ガスも、凝縮器によりドレンとして回収することができる。

また、本発明の発電システムの運転方法は、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記圧縮機で圧縮された圧縮酸化性ガスを、前記燃料電池の前記空気極に供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、前記圧縮酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記圧縮酸化性ガス中から、凝縮性ガスの少なくとも一部を分離して除去する凝縮器と、前記圧縮酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記圧縮酸化性ガスの流れ方向において、前記凝縮器の上流側の前記圧縮酸化性ガス供給ラインと、前記凝縮器の下流側の前記圧縮酸化性ガス供給ラインとの間で熱交換を行う再生熱交換器と、を備える発電システムの運転方法であって、前記凝縮器において、前記圧縮機から前記凝縮器に供給される前記圧縮酸化性ガス中の少なくとも一部を分離して除去する凝縮工程と、前記再生熱交換器において、前記凝縮器の下流側の前記圧縮酸化性ガス供給ラインを通過する前記圧縮酸化性ガスを、前記凝縮器の上流側の前記圧縮酸化性ガス供給ラインにより加熱する再加熱工程と、を含むことを特徴とする。

従って、凝縮工程において、圧縮酸化性ガス中に含まれる凝縮性ガスを凝縮し、ドレンとして回収することができる。このため、燃料電池の起動時において、温度の低い燃料電池に、圧縮酸化性ガスが供給された場合でも、凝縮器においてドレンが回収されていることから、燃料電池内においてドレンが発生することを抑制することができる。また、再加熱工程において、凝縮器を通過して温度が低くなった圧縮酸化性ガスを、凝縮器に供給される前の圧縮酸化性ガスにより加熱することができるため、圧縮酸化性ガスによる燃料電池の昇温を妨げることがなく、燃料電池を好適に昇温することができる。

本発明の発電システム及び発電システムの運転方法によれば、圧縮酸化性ガス供給ラインにおいて、圧縮酸化性ガス中に含まれる凝縮性ガスをドレンとして回収することができる。このため、燃料電池の内部にドレンが発生することを低減することができるため、燃料電池のドレンによる劣化を抑制することができる。

図１は、実施例１の発電システムを表す概略構成図である。図２は、ＳＯＦＣの温度変化に関するタイムチャートである。図３は、実施例２の発電システムを表す概略構成図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る発電システム及び発電システムの運転方法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（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。なお、以下の説明では、本発明の燃料電池として固体酸化物形燃料電池を適用して説明するが、この形式の燃料電池に限定されるものではない。

図１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１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、燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１及び後述する燃料ガスＬ２、燃料ガスＬ４の各燃料ガスは、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素（Ｈ_２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）などの炭化水素ガス、石炭など炭素質原料のガス化設備により製造したガスを用いることが可能である。

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（酸化性ガス）と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。空気極に圧縮機２１で圧縮された一部の圧縮空気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。また、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスは、酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である（以下、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスを空気という）。

このＳＯＦＣ１３は、第１圧縮空気供給ライン２６から分岐した第２圧縮空気供給ライン（圧縮酸化性ガス供給ライン）３１が連結され、圧縮機２１が圧縮した一部の圧縮空気（圧縮酸化性ガス）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３２と、圧縮空気Ａ２を昇圧可能なブロワ（昇圧機）３３とが空気の流れ方向に沿って設けられている。制御弁３２は、第２圧縮空気供給ライン３１における空気の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ３３は、制御弁３２の下流側に設けられている。なお、制御弁３２とブロワ３３の配置は、図１の配置に限定されることはなく、ブロワや制御弁の形式によって、順序を逆にして配置してもよい。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に連結される排酸化性ガス供給ライン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、排酸化性ガス供給ライン３６は、ＳＯＦＣ１３及びガスタービン１１間の系統を切り離すための遮蔽弁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、排燃料ガスＬ３を昇圧可能なブロワ４８が排燃料ガスＬ３の流れ方向に沿って設けられている。制御弁４７は、排燃料ガス供給ライン４５における排燃料ガスＬ３の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ４８は、制御弁４７の排燃料ガスＬ３の流れ方向の下流側に設けられている。なお、制御弁４７とブロワ４８の配置は、図１の配置に限定されることはなく、ブロワや制御弁の形式によって、順序を逆にして配置してもよい。

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Ｓ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とが設けられている。そして、給水ライン５５は、復水器５６と給水ポンプ５７とが設けられている。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Ｇは、大気へ放出される。なお、本実施例においては、排ガスＧをＨＲＳＧ５１の熱源として利用しているが、排ガスＧはＨＲＳＧ５１以外の各種機器の熱源として利用することも可能である。

ここで、本実施例の発電システム１０の作動について説明する。発電システム１０を起動する場合、ガスタービン１１が起動した後に蒸気タービン１４及びＳＯＦＣ１３が起動する。

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。

ＳＯＦＣ１３では、まず、圧縮空気Ａ２を供給して昇圧を開始し、加熱を開始する。排出ライン３５の制御弁３７と排酸化性ガス供給ライン３６の遮断弁３８を閉止し、第２圧縮空気供給ライン３１のブロワ３３を停止した状態もしくはブロワ３３を運転した状態で、制御弁３２もしくは加圧専用の図示されていない制御弁を所定開度だけ開放する。なお、ここで制御弁３２において昇圧速度を制御するための開度調整を行う。すると、圧縮機２１で圧縮した一部の圧縮空気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、その燃料極側に、第２燃料ガス供給ライン４１から燃料ガスＬ２、図示されていない圧縮空気供給ライン３１の分岐から圧縮空気（酸化性ガス）Ａ２、窒素等の不活性ガス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。なお、再循環ブロワ５０は、燃料極側の加圧前に起動していてもよい。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、圧縮空気Ａ２、不活性ガス等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圧縮機２１の出口圧力になると、制御弁３２にてＳＯＦＣ１３への供給空気流量を制御すると共に、ブロワ３３が起動していなければ、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とが目標圧力に到達すると、ＳＯＦＣ１３の昇圧が完了する。

その後、ＳＯＦＣ１３の圧力制御が安定したら、制御弁３７が開となっている場合は閉止する一方、遮断弁３８を開放する。すると、ＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３が排酸化性ガス供給ライン３６から燃焼器２２に供給される。また、排燃料ガスＬ３の成分が燃焼器へ投入可能となったら、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。

ここで、ガスタービン１１の駆動による発電機１２での発電、ＳＯＦＣ１３での発電、蒸気タービン１４の駆動による発電機１５での発電が全て行われることとなり、発電システム１０が定常運転となる。

次に、図２を参照して、ＳＯＦＣ１３の空気極側に導入される圧縮空気Ａ２の温度変化と、ＳＯＦＣ１３の内部の温度変化について説明する。図２は、ＳＯＦＣの温度変化に関するタイムチャートである。

図２は、その横軸が時間となっており、その縦軸が温度となっている。ＳＯＦＣ１３の空気極側に導入される圧縮空気Ａ２の温度はＰ１となっており、ＳＯＦＣ１３の内部の温度はＰ２となっている。また、０からｔ１までの時間が起動期間となっており、ｔ１からｔ２までの時間が昇温期間となっており、ｔ２以降が発電期間となっている。

図２に示すように、発電システム１０において、ＳＯＦＣ１３の起動が開始されると、ガスタービン１１の圧縮機２１から圧縮空気Ａ２が供給される。このとき、時間０からｔ１までの起動期間において、ＳＯＦＣ１３に供給される圧縮空気Ａ２の温度Ｐ１は、圧縮機２１において昇温・昇圧されることから、ＳＯＦＣ１３の内部の温度Ｐ２よりも上回っている。一方で、時間０からｔ１までの起動期間において、ＳＯＦＣ１３の内部の温度Ｐ２は、圧縮空気Ａ２及び図示しない昇温手段によって、徐々に昇温されていく。図示しない昇温手段としては、例えば、バーナー等の昇温用の燃焼器を使用するものや、ＳＯＦＣ１３の空気極に燃料ガスを供給するものがあり、空気極の触媒作用により燃料ガスを燃焼させることで、ＳＯＦＣ１３の内部の温度Ｐ２を上昇させることも可能である。

このように、発電システム１０では、ＳＯＦＣ１３の起動時（起動期間中）において、ＳＯＦＣ１３の内部の温度Ｐ２が、ＳＯＦＣ１３に供給される圧縮空気Ａ２の温度Ｐ１よりも低くなっている。このため、圧縮空気Ａ２がＳＯＦＣ１３の空気極側に導入されると、圧縮空気Ａ２が冷やされ、圧縮空気Ａ２に含まれる凝縮性ガスが、ＳＯＦＣ１３の内部にドレンとして発生する可能性がある。例えば、大気温度３５℃、相対湿度７５％の空気を圧力比２０で圧縮する場合は、飽和温度は約９５℃まで上昇することになる。従い、圧縮空気Ａ２の温度が温度の低い部位に接触し、低下しただけで、容易に飽和温度以下となり、ＳＯＦＣ１３の内部でドレンが発生しやすくなる。このため、上記の発電システム１０では、ＳＯＦＣ１３の内部においてドレンが発生することを抑制すべく、ＳＯＦＣ１３の空気極側に供給される圧縮空気Ａ２に含まれる凝縮性ガスの少なくとも一部を分離して除去している。

再び、図１を参照するが、実施例１の発電システム１０は、凝縮器６１と、再生熱交換器６２とを有している。凝縮器６１は、第２圧縮空気供給ライン３１に設けられ、圧縮空気Ａ２中に含まれる凝縮性ガスを凝縮して、ドレンＤとして回収している。なお、凝縮性ガスとしては、例えば、水蒸気であり、ドレンＤとしては、水である。凝縮器６１は、凝縮器本体６１ａと、冷却ライン６１ｂと、ドレン排出ライン６１ｃとを有している。凝縮器本体６１ａには、第２圧縮空気供給ライン３１が接続されており、第２圧縮空気供給ライン３１から供給された圧縮空気Ａ２が、凝縮器本体６１ａの内部において流通する。冷却ライン６１ｂは、その内部に冷却材が流通しており、凝縮器本体６１ａの内部に設けられている。冷却材としては、例えば、水等の冷却水、図示しない復水器で発生した復水、または燃料等がある。ドレン排出ライン６１ｃは、凝縮器本体６１ａに接続されており、回収したドレンＤを排出する。

凝縮器６１は、第２圧縮空気供給ライン３１から凝縮器本体６１ａの内部に圧縮空気Ａ２が供給されると、冷却ライン６１ｂにより圧縮空気Ａ２を冷却する。すると、冷却された圧縮空気Ａ２は、圧縮空気Ａ２に含まれる凝縮性ガスが凝縮することでドレンＤとなって発生する。発生したドレンＤは、図示しないバルブを開として、ドレン排出ライン６１ｃにより凝縮器本体６１ａの外部に排出され、ドレンＤの排出後は、図示しないバルブを閉として、ＳＯＦＣ１３の内部圧力を維持させる。また、発生したドレンＤは、凝縮器本体６１ａのドレン水位を適正範囲に収まるように制御しながら連続的又は間欠的に図示しないバルブを開にすることで抜き出すことも可能である。一方で、ドレンＤが回収された後の圧縮空気Ａ２は、第２圧縮空気供給ライン３１を通ってＳＯＦＣ１３へ向けて供給される。

再生熱交換器６２は、第２圧縮空気供給ライン３１に設けられ、凝縮器６１の上流側の第２圧縮空気供給ライン３１と、凝縮器６１の下流側の第２圧縮空気供給ライン３１との間で熱交換を行っている。再生熱交換器６２は、熱交換器本体６２ａを有し、熱交換器本体６２ａの内部に、凝縮器６１の下流側の第２圧縮空気供給ライン３１が設けられている。熱交換器本体６２ａには、凝縮器６１の上流側の第２圧縮空気供給ライン３１が接続されている。

再生熱交換器６２は、凝縮器６１の上流側の第２圧縮空気供給ライン３１から熱交換器本体６２ａの内部に圧縮空気Ａ２が供給されると、供給された圧縮空気Ａ２により、凝縮器６１の下流側の第２圧縮空気供給ライン３１を加熱する。つまり、再生熱交換器６２は、凝縮器６１によって冷却される前の圧縮空気Ａ２により、凝縮器６１によって冷却された後の圧縮空気Ａ２を加熱している。なお、再生熱交換器６２は、熱交換器本体６２ａの内部にドレンＤが発生しても、熱交換器本体６２ａの内部における圧縮空気Ａ２の流通を妨げないような構成とするか、又はドレンが発生しない運転温度に制御することが望ましい。

次に、実施例１の発電システム１０の運転方法について説明する。この発電システム１０の運転方法は、ＳＯＦＣ１３を起動するときに行われる運転方法である。この発電システム１０の運転方法は、凝縮工程と、再加熱工程とを含んでいる。

発電システム１０が起動され、制御弁３２が所定開度に開弁されることで、ＳＯＦＣ１３に圧縮機２１から圧縮空気Ａ２が供給される。すると、圧縮空気Ａ２は、再生熱交換器６２の熱交換器本体６２ａの内部に供給される。熱交換器本体６２ａの内部に供給された圧縮空気Ａ２は、熱交換器本体６２ａの内部を流通した後、凝縮器６１に供給される。

凝縮工程では、凝縮器６１に供給された圧縮空気Ａ２中の凝縮性ガスをドレンＤとして回収する。つまり、凝縮工程では、第２圧縮空気供給ライン３１から凝縮器本体６１ａの内部に圧縮空気Ａ２が供給されると、冷却ライン６１ｂにより圧縮空気Ａ２を冷却し、圧縮空気Ａ２に含まれる凝縮性ガスを凝縮させる。そして、凝縮工程では、凝縮させた凝縮性ガスをドレンＤとして、ドレン排出ライン６１ｃから凝縮器本体６１ａの外部に排出する。ドレンＤが回収された後の圧縮空気Ａ２、つまり、凝縮性ガスを除去（除湿）した圧縮空気Ａ２は、凝縮器本体６１ａの内部から第２圧縮空気供給ライン３１に供給される。

再加熱工程では、凝縮器６１の下流側の第２圧縮空気供給ライン３１を通過する圧縮空気Ａ２を、凝縮器６１の上流側の第２圧縮空気供給ライン３１を通過する圧縮空気Ａ２により加熱する。つまり、再加熱工程では、凝縮器６１の上流側の第２圧縮空気供給ライン３１から熱交換器本体６２ａの内部に圧縮空気Ａ２が供給されると、供給された圧縮空気Ａ２により、凝縮器６１の下流側の第２圧縮空気供給ライン３１を流通する圧縮空気Ａ２を加熱する。このため、凝縮器６１で冷却された圧縮空気Ａ２は、再生熱交換器６２により加熱され、再生熱交換器６２により加熱された圧縮空気Ａ２が、ＳＯＦＣ１３の空気極側の導入部に供給される。これと併せて、凝縮器６１入口の圧縮空気Ａ２温度を低下させることで、凝縮器６１による冷却量を低減できる。

なお、凝縮器６１による圧縮空気Ａ２中の凝縮性ガスの除去は、起動期間が経過する、つまり時間ｔ１を過ぎることで終了となる。つまり、時間ｔ１が経過すると、凝縮器６１の作動を停止、すなわち、冷却材の流通を停止させることにより、凝縮器６１による圧縮空気Ａ２中の凝縮性ガスの除去を終了する。なお、凝縮器６１による圧縮空気Ａ２中の凝縮性ガスの除去は、ＳＯＦＣ１３の内部の温度Ｐ２が所定の温度以上となることで終了してもよい。時間ｔ１は、ＳＯＦＣ１３において内部温度のアンバランスを考慮した設定温度（例えば、圧縮空気Ａ２が圧力比２０で圧縮されている場合であれば約１００℃）以上に、ＳＯＦＣ１３の内部温度が達する為に必要な経過時間であって、発電システム１０におけるＳＯＦＣ１３の設置容量で異なるが１〜３時間であることが望ましい。つまり、凝縮器６１の作動の停止は、ＳＯＦＣ１３の内部において、ドレンが発生しない条件となる場合であれば、いずれのタイミングで凝縮器６１への冷却材の供給停止もしくは凝縮器６１をバイパスしてもよい。以上から、凝縮器６１の作動を停止させることで、凝縮器６１による冷却の取り止めによるＳＯＦＣ１３へ供給される圧縮空気Ａ２温度の上昇およびそれに伴う昇温速度の加速や凝縮器６１を作動させるための動力が必要な場合は動力を抑制することができる。

このように実施例１の発電システム１０にあっては、圧縮機２１と燃焼器２２を有するガスタービン１１と、空気極及び燃料極を有するＳＯＦＣ１３と、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａ２を、ＳＯＦＣ１３の空気極に供給する第２圧縮空気供給ライン３１と、第２圧縮空気供給ライン３１に設けられ、圧縮空気Ａ２中から、凝縮性ガスの少なくとも一部を分離して除去する凝縮器６１と、第２圧縮空気供給ライン３１に設けられ、圧縮空気Ａ２の流れ方向において、凝縮器６１の上流側の第２圧縮空気供給ライン３１と、凝縮器６１の下流側の第２圧縮空気供給ライン３１との間で熱交換を行う再生熱交換器６２と、を備える。

従って、第２圧縮空気供給ライン３１によって、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気Ａ２を、ＳＯＦＣ１３の空気極に供給することができる。このとき、凝縮器６１において、圧縮空気Ａ２中に含まれる凝縮性ガスを凝縮し、ドレンＤとして回収することができる。このため、ＳＯＦＣ１３の起動時において、内部温度の低いＳＯＦＣ１３に、圧縮空気Ａ２が供給された場合でも、凝縮器６１においてドレンＤが回収されていることから、ＳＯＦＣ１３内においてドレンＤが発生することを抑制することができる。また、凝縮器６１を通過して温度が低くなった圧縮空気Ａ２を、再生熱交換器６２によって、凝縮器６１に供給される前の圧縮空気Ａ２により加熱することができるため、圧縮空気Ａ２によるＳＯＦＣ１３の昇温を妨げることがない。

また、実施例１の発電システム１０の運転方法にあっては、圧縮機２１と燃焼器２２を有するガスタービン１１と、空気極及び燃料極を有するＳＯＦＣ１３と、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａ２を、ＳＯＦＣ１３の空気極に供給する第２圧縮空気供給ライン３１と、第２圧縮空気供給ライン３１に設けられ、圧縮空気Ａ２中から、凝縮性ガスの少なくとも一部を分離して除去する凝縮器６１と、第２圧縮空気供給ライン３１に設けられ、圧縮空気Ａ２の流れ方向において、凝縮器６１の上流側の第２圧縮空気供給ライン３１と、凝縮器６１の下流側の第２圧縮空気供給ライン３１との間で熱交換を行う再生熱交換器６２と、を備え、凝縮器６１において、圧縮機２１から凝縮器６１に供給される圧縮空気Ａ２中から、凝縮性ガスの少なくとも一部を分離して除去する凝縮工程と、再生熱交換器６２において、凝縮器６１の下流側の第２圧縮空気供給ライン３１を通過する圧縮空気Ａ２を、凝縮器６１の上流側の第２圧縮空気供給ライン３１により加熱する再加熱工程と、を含む。

従って、凝縮工程において、圧縮空気Ａ２中に含まれる凝縮性ガスを凝縮し、ドレンＤとして回収することができる。このため、ＳＯＦＣ１３の起動時において、内部温度の低いＳＯＦＣ１３に、圧縮空気Ａ２が供給された場合でも、凝縮器６１においてドレンＤが回収されていることから、ＳＯＦＣ１３内においてドレンＤが発生することを抑制することができる。再加熱工程において、凝縮器６１を通過して温度が低くなった圧縮空気Ａ２を、凝縮器６１に供給される前の圧縮空気Ａ２により加熱することができるため、圧縮空気Ａ２によるＳＯＦＣ１３の昇温を妨げることがない。

次に、図３を参照して、実施例２の発電システム７０について説明する。図３は、実施例２の発電システムを表す概略構成図である。なお、実施例２では、実施例１と重複する記載を避けるべく、実施例１と異なる部分について説明する。実施例２では、第２圧縮空気供給ライン３１に加熱器７１が設けられている。実施例２の発電システム７０について説明する。

図３に示すように、発電システム７０において、第２圧縮空気供給ライン３１には、加熱器７１が設けられている。加熱器７１は、圧縮機２１と再生熱交換器６２との間の第２圧縮空気供給ライン３１に設けられている。加熱器７１には、燃料ガスＬ４を供給する起動用燃料ガス供給ライン７２が接続されている。起動用燃料ガス供給ライン７２は、燃料ガスＬ４を、加熱器７１に供給している。起動用燃料ガス供給ライン７２は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁７３が設けられている。

加熱器７１は、起動用燃料ガス供給ライン７２から供給された燃料ガスＬ４を燃焼させることで、圧縮機２１から供給された圧縮空気Ａ２の温度を上昇させている。このため、再生熱交換器６２の熱交換器本体６２ａの内部には、昇温された圧縮空気Ａ２が供給される。熱交換器本体６２ａの内部に昇温された圧縮空気Ａ２が供給されると、再生熱交換器６２は、凝縮器６１の下流側の第２圧縮空気供給ライン３１を、加熱器７１（もしくは燃焼器）が無い場合よりも高温に加熱することができる。よって、再生熱交換器６２からＳＯＦＣ１３に供給される圧縮空気Ａ２を加熱器７１（もしくは燃焼器）が無い場合よりも高温にすることができる。ここで、加熱器７１は、燃料ガスＬ４を燃焼させることで蒸気等の凝縮性ガスが発生する。このとき、加熱器７１で発生した凝縮性ガスは、凝縮器６１において除去される。

なお、加熱器７１による圧縮空気Ａ２の加熱（昇温）は、加熱器７１による加熱が不要となるタイミング、つまり凝縮器６１を停止する時間ｔ１、および昇温が完了する時間ｔ２の間で停止することとなる。つまり、加熱器７１を停止する際には、制御弁７３が閉弁することで、起動用燃料ガス供給ライン７２からの燃料ガスＬ４の供給を停止する。

このように実施例２の発電システム７０にあっては、第２圧縮空気供給ライン３１に設けられ、凝縮器６１の上流側において再生熱交換器６２に供給される前の圧縮空気Ａ２を加熱する加熱器７１を、さらに備える。従って、加熱器７１は、圧縮空気Ａ２の温度を上昇させることができるため、再生熱交換器６２において、凝縮器６１の下流側の第２圧縮空気供給ライン３１を通過する圧縮空気Ａ２を、加熱器７１を設置しない場合よりも高温にすることができ、ＳＯＦＣ１３を迅速に昇温させることができる。このとき、凝縮器６１は、加熱器７１が燃料ガスＬ４を燃焼させることで発生する蒸気等の凝縮性ガスを、ドレンＤとして回収することができる。

なお、実施例２では、加熱器７１を適用したが、圧縮機２１から供給される圧縮空気Ａ２を昇温可能な加熱器であればよく、特に限定されない。

１０発電システム
１１ガスタービン
１２発電機
１３ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池：燃料電池）
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
３１第２圧縮空気供給ライン
３２制御弁
３３ブロワ（昇圧機）
３４排空気ライン
３５排出ライン
３６排酸化性ガス供給ライン
３７制御弁
３８遮断弁
６１凝縮器
６１ａ凝縮器本体
６１ｂ冷却ライン
６１ｃドレン排出ライン
６２再生熱交換器
６２ａ熱交換器本体
７０発電システム（実施例２）
７１加熱器（実施例２）
７２起動用燃料ガス供給ライン（実施例２）
７３制御弁（実施例２）
Ｌ１燃料ガス
Ｌ２燃料ガス
Ｌ３排燃料ガス
Ｌ４燃料ガス
Ａ１圧縮空気
Ａ２圧縮空気
Ａ３排空気
Ｄドレン

Claims

圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、
空気極及び燃料極を有する燃料電池と、
前記圧縮機で圧縮された圧縮酸化性ガスを、前記燃料電池の前記空気極に供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、
前記圧縮酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記圧縮酸化性ガス中から、凝縮性ガスの少なくとも一部を分離して除去する凝縮器と、
前記圧縮酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記圧縮酸化性ガスの流れ方向において、前記凝縮器の上流側の前記圧縮酸化性ガス供給ラインと、前記凝縮器の下流側の前記圧縮酸化性ガス供給ラインとの間で熱交換を行う再生熱交換器と、を備えることを特徴とする発電システム。
前記圧縮酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記凝縮器の上流側において前記再生熱交換器に供給される前の前記圧縮酸化性ガスを加熱する加熱器を、さらに備えることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、
空気極及び燃料極を有する燃料電池と、
前記圧縮機で圧縮された圧縮酸化性ガスを、前記燃料電池の前記空気極に供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、
前記圧縮酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記圧縮酸化性ガス中から、凝縮性ガスの少なくとも一部を分離して除去する凝縮器と、
前記圧縮酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記圧縮酸化性ガスの流れ方向において、前記凝縮器の上流側の前記圧縮酸化性ガス供給ラインと、前記凝縮器の下流側の前記圧縮酸化性ガス供給ラインとの間で熱交換を行う再生熱交換器と、を備える発電システムの運転方法であって、
前記凝縮器において、前記圧縮機から前記凝縮器に供給される前記圧縮酸化性ガス中の前記凝縮性ガスの少なくとも一部を分離して除去する凝縮工程と、
前記再生熱交換器において、前記凝縮器の下流側の前記圧縮酸化性ガス供給ラインを通過する前記圧縮酸化性ガスを、前記凝縮器の上流側の前記圧縮酸化性ガス供給ラインにより加熱する再加熱工程と、を含むことを特徴とする発電システムの運転方法。