JP2014123471A - 発電システム及び発電システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電システム及び発電システムの運転方法において、発電効率を維持しつつ、排燃料ガスの経路にかかる負荷を少なくすることができること。
【解決手段】
燃料電池１３と、燃料ガス供給ライン４１と、排燃料ライン４３と、燃料ガス再循環ライン４９と、燃料ガス再循環ライン４９に配置され、排燃料ガスを反応させて排燃料ガスを加熱する加熱手段８０と、燃料電池１３の状態を検出する状態検出部とを有する。制御装置６２は、排燃料ガスがしきい値の温度以下であると判定したら、加熱手段８０による排燃料ガスの加熱量を増加させることを特徴とする発電システム。
【選択図】図２

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及び発電システムの運転方法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およ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、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。

また、特許文献１には、固体酸化物形燃料電池からの排燃料に含まれる一酸化炭素と水蒸気から二酸化炭素と水素に変換するＣＯ変成器を設ける固体酸化物形燃料電池を用いた水素利用システムが記載されている。

特開２００４−１９９９９７号公報

上述した従来の発電システムでは、燃料電池（ＳＯＦＣ）から排出される排燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガスの再循環を行い、排燃料ガスに含まれる残余の燃料成分を有効利用すると共に、燃料ガスの改質に必要となる水（水蒸気）を燃料電池に供給している。ここで、排燃料ガスを再循環する燃料ガス再循環ラインでは定格運転時においては排燃料ガスの温度が高くなることから設置機器の耐熱温度を高めに考慮する必要があり、また、低負荷運転時においては排燃料ガスの温度が低くなることから再循環ラインでドレンが発生する場合がある。これに対しては、例えば、特許文献１に記載されているように、燃料ガスの排流路にＣＯ変成器による発熱を利用しているが、その後、冷却して循環することが開示されている。このように、高温の排燃料ガスを再循環させることで、排燃料ガスが他の機器の機械的強度や健全性に与える負担が増加する。また、燃料ガスを燃焼させて加熱したり、蒸気を用いて加熱したりすると、加熱に熱源が必要となるため、発電効率が低下する。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、発電効率を維持しつつ、排燃料ガスの経路にかかる負荷を少なく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、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記燃焼電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排燃料ガスが排出される排燃料ラインと、排燃料ラインから排出された排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに供給する燃料ガス再循環ラインと、前記燃料ガス再循環ラインに配置され、前記排燃料ガスを反応させて前記排燃料ガスを加熱する加熱手段と、前記燃料電池の状態を検出する状態検出部と、前記状態検出部の検出結果に基づいて、前記加熱手段による加熱量を制御する制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記状態検出部の検出結果に基づいて、前記排燃料ガスがしきい値の温度以下であると判定したら、前記加熱手段による排燃料ガスの加熱量を増加させることを特徴とする。

従って、燃料ガス再循環ラインを流れる排燃料ガスの温度を調整することができ、排燃料ガスを所定の温度範囲に維持することができる。これにより、燃料ガス再循環ラインでドレンが発生したり、排燃料ガスが他の機器に与える負担が増加することを抑制したりすることができる。また、化学反応で排燃料ガスを反応させることで加熱するため、排燃料ガスの熱量の低下を抑制することができる。これにより、発電効率を維持することができる。以上より、発電効率を維持しつつ、排燃料ガスの経路にかかる負荷を少なくすることができる。

本発明の発電システムでは、前記加熱手段は、ＣＯシフト反応器を備えることを特徴とする。

従って、排燃料ガス中に含まれる不燃成分である一酸化炭素を二酸化炭素に変換させる際に生じる熱で排燃料ガスを加熱することができる。これにより、発電効率を維持しつつ、排燃料ガスを加熱することができる。

本発明の発電システムでは、前記加熱手段は、前記ＣＯシフト反応器が配置された第１分岐ラインと、前記ＣＯシフト反応器をバイパスする第２分岐ラインと、を備え、前記制御装置は、前記第１分岐ラインの流量と、前記第２分岐ラインの流量と、を調整して、前記排燃料ガスの加熱量を調整することを特徴とする。

従って、分岐ラインに供給する排燃料ガスのバランスを調整することで、加熱量を調整することができるため、簡単な構成で加熱量を調整することができる。

本発明の発電システムでは、前記燃料ガス供給ラインと前記排燃料ラインとの間で熱交換を行い、前記燃料ガス供給ラインを流れる前記燃料ガスを加熱し、前記排燃料ラインを流れる前記排燃料ガスを冷却する燃料予熱器をさらに有することを特徴とする。

従って、排燃料ガスに含まれる熱を好適に利用することができ、排燃料ガスを流す配管や機器にかかる負荷を低減することができる。

本発明の発電システムでは、前記状態検出部は、前記燃料ガス再循環ラインを流れる排燃料ガスの温度を検出する温度検出部であることを特徴とする。

従って、温度に基づいて判定を行うことで、燃料電池から排出される排燃料ガスをより正確に把握することができ、排燃料の加熱量を適切に制御することができる。

本発明の発電システムでは、前記状態検出部は、前記燃焼電池の負荷を検出する負荷検出部であり、前記制御装置は、前記状態検出部が検出した負荷に基づいて、前記排燃料ガスの加熱量を制御することを特徴とする。

従って、燃料電池の負荷に基づいて判定を行うことで、燃料電池から排出される排燃料ガスをより正確に把握することができ、排燃料の加熱量を適切に制御することができる。

本発明の発電システムでは、前記燃料ガス再循環ラインに配置され、前記排燃料ラインから前記燃料ガス供給ラインに向けて前記排燃料ガスを送る再循環ブロワを有し、前記加熱手段は、前記再循環ブロワよりも前記燃料ガス供給ライン側の前記燃料ガス再循環ラインに配置されていることを特徴とする。

従って、加熱される前の排燃料ガスを循環させることができ、再循環ブロワにかかる負荷を小さくすることができる。

また、本発明の発電システムの運転方法は、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記燃焼電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排燃料ガスが排出される排燃料ラインと、排燃料ラインから排出された排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに供給する燃料ガス再循環ラインと、を有する発電システムの運転方法であって、前記燃料電池の状態を検出する工程と、前記燃料ガス再循環ラインを流れる前記排燃料ガスの加熱量を決定する工程と、決定した加熱量に基づいて、前記排燃料ガスを反応させ、前記排燃料ガスを加熱する工程と、を有することを特徴とする。

従って、燃料ガス再循環ラインを流れる排燃料ガスの温度を調整することができ、排燃料ガスを所定の温度範囲に維持することができる。これにより、燃料ガス再循環ラインでドレンが発生したり、排燃料ガスが他の機器に与える負担が増加することを抑制したりすることができる。また、化学反応で排燃料ガスを反応させることで加熱するため、排燃料ガスの熱量の低下を抑制することができる。これにより、発電効率を維持しつつ、排燃料ガスの経路にかかる負荷を少なくすることができる。

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、燃料ガス再循環ラインを流れる排燃料ガスの温度を調整することができ、排燃料ガスを所定の温度範囲に維持することができる。これにより、燃料ガス再循環ラインでドレンが発生したり、排燃料ガスが他の機器に与える負担が増加することを抑制したりすることができる。また、排燃料ガス中の成分を利用して化学反応により加熱する手段を用いるため、加熱する手段に供給される排燃料ガスの流量により排燃料ガスの温度を調整することができる。これにより、発電効率を維持しつつ、排燃料ガスの経路にかかる負荷を少なくすることができる。

図１は、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。 図２は、本発明の一実施例に係る発電システムにおけるＳＯＦＣの周囲の装置構成を示す概略図である。 図３は、本実施例の発電システムの駆動動作の一例を示すフローチャートである。

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。

本実施例の発電システムは、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、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。本実施例において、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、燃料電池（ＳＯＦＣ）１３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、ここでは、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（圧縮酸化性ガス）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３１が連結され、圧縮機２１が圧縮した一部の圧縮空気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（昇圧機）３３の配置は図１の配置に限定されることはなく、ブロワ（昇圧機）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（排酸化性ガス）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、循環する空気量を調整可能な遮断弁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（昇圧機）４８の配置は図１の配置に限定されることはなく、ブロワ（昇圧機）や制御弁の形式によっては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（再循環送風機）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ＨＲＳＧ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、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を停止した状態で、制御弁３２を所定開度だけ開放する。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、燃料極側に燃料ガスＬ２、図示されていない圧縮空気ラインの分岐から圧縮空気（酸化性ガス）を供給して昇圧を開始する。発電システム１０は、燃料極にのパージガスを供給するパージガス供給手段を設け、燃料極にパージガスを供給することで、ＳＯＦＣ１３の燃料極側を昇圧させるようにしてもよい。ここで、パージガスとしては、窒素等の不活性ガスを用いることができる。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良い。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、空気、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を全開にすると共に、ブロワ３３が起動していなければブロワ３３を駆動する。それと同時に遮断弁３８を開放してＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３を排酸化性ガス供給ライン３６から燃焼器２２に供給する。このとき、制御弁３７も開放してＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３の一部を排出ライン３５から排出してもよい。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な成分となったら、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の駆動により発電機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。

図２は、本発明の一実施例に係る発電システムにおけるＳＯＦＣの周囲の装置構成を示す概略図である。以下、図２を用いて、発電システム１０についてより詳細に説明する。一般的な発電システムでは、ＳＯＦＣ１３から排燃料ライン４３に排出される排燃料ガスＬ３を燃料ガス再循環ライン４９で第２燃料ガス供給ライン４１に供給することで、排燃料ガスＬ３を再循環させる。再循環させる排燃料ガスの温度が低くなり飽和温度を下回ると、再循環ライン４９内でドレンが発生する恐れがある。また、排燃料ライン４３から排出される排燃料ガスは、高温であるため排燃料ガスを流通させるラインや、排燃料ガスを送る再循環ブロワ５０の機械的強度や構成部品の酸化耐久性等に掛かる負担が大きくなる。

そこで、本実施例の発電システム１０では、図２に示すように、第２燃料ガス供給ライン４１からＳＯＦＣ１３に供給された燃料ガスとＳＯＦＣ１３から排燃料ライン４３に排出された排燃料ガスとの間で熱交換を行い、燃料ガスを加熱し、排燃料ガスを冷却する燃料予熱器７０と、温度検出部７２、７４と、負荷検出部７６と、燃料ガス再循環ライン４９を流れる排燃料ガスの温度を調整する加熱手段８０と、を設ける。また、図示しないが、予熱器７０とは別に、排燃料ライン４３であって再循環ブロワ５０の上流側、より詳しくは温度検出部７４の上流側に排燃料ガスを冷却する為の冷却器を設けてもよい。本実施例の発電システム１０は、温度検出部７２、７４及び負荷検出部７６が、ＳＯＦＣ１３の状態を検出する状態検出部となる。発電システム１０の制御装置（制御部）６２は、温度検出部７２、７４及び負荷検出部７６の少なくとも１つの検出結果に基づいて、加熱手段８０による排燃料ガスの加熱（加熱量）を制御する。

燃料予熱器７０は、排燃料ライン４３のＳＯＦＣ１３側の端部の近傍に配置されている。ここで、第２燃料ガス供給ライン４１は、ＳＯＦＣ１３の排燃料ライン４３と熱交換するように配置されている。第２燃料ガス供給ライン４１は、供給された燃料ガスが第１部分ライン４１ａ、燃料予熱器７０の内部に配置された領域、第２部分ライン４１ｂを通過し、ＳＯＦＣ１３に供給される。燃料予熱器７０は、第２燃料ガス供給ライン４１の第１部分ライン４１ａと第２部分ライン４１ｂとの連結領域を含む部分と、排燃料ライン４３と、で熱交換を行う。これにより、燃料予熱器７０は、第２燃料ガス供給ライン４１を流れる燃料ガスを、排燃料ライン４３を流れる排燃料で加熱する。燃料予熱器７０で加熱された燃料ガスは、ＳＯＦＣ１３に供給される。また、燃料予熱器７０は、供給ライン４１を流れる燃料ガスを、排燃料ライン４３を流れる排燃料第２燃料ガスで冷却（減温）する。燃料予熱器７０で冷却された排燃料ガスは、排燃料ライン４３から、排燃料ガス供給ライン４５や燃料ガス再循環ライン４９に供給される。

温度検出部７２は、燃料ガス再循環ライン４９の、加熱手段８０よりも下流側、かつ、第２燃料ガス供給ライン４１との連結部の上流側となる位置に配置されている。温度検出部７２は、加熱手段８０を通過し、第２燃料ガス供給ライン４１に供給される前の排燃料ガスの温度を検出する。

温度検出部７４は、燃料ガス再循環ライン４９の、排燃料ライン４３との連結部よりも下流側、かつ、再循環ブロワ５０及び第２燃料ガス供給ライン４１との連結部の上流側となる位置に配置されている。温度検出部７２は、排燃料ライン４３から供給され（つまり燃料予熱器７０で冷却され）、加熱手段８０を通過する前の排燃料ガスの温度を検出する。温度検出部７２、７４は、検出結果、つまり検出した温度の情報を制御装置６２に送る。

負荷検出部７６は、ＳＯＦＣ１３の負荷を検出する。負荷検出部７６は、負荷として、ＳＯＦＣ１３が取り出した電力、つまり発電量、出力を検出してもよいし、制御装置６２からＳＯＦＣ１３に入力させる制御情報を検出してもよい。負荷検出部７６は、検出した負荷の情報を制御装置６２に送る。

加熱手段８０は、燃料ガス再循環ライン４９の再循環ブロワ５０よりも下流側に配置されている。ここで、燃料ガス再循環ライン４９は、加熱手段８０が配置されている領域が、第１分岐ライン４９ａと第２分岐ライン４９ｂとに分岐されている。燃料ガス再循環ライン４９は、加熱手段８０が配置されている領域の上流で第１分岐ライン４９ａと第２分岐ライン４９ｂに分岐し、加熱手段８０が配置されている領域の下流側で第１分岐ライン４９ａと第２分岐ライン４９ｂが合流して１本のラインとなる。

加熱手段８０は、ＣＯシフト反応器８１と、制御弁８２、８４と、を有する。ＣＯシフト反応器８１は、第１分岐ライン４９ａに設置されている。ＣＯシフト反応器８１は、通過する排燃料ガスにＣＯシフト反応を生じさせる。つまり、排燃料ガスに含まれる一酸化炭素と水を反応させ、二酸化炭素と水素を生成する（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）。ＣＯシフト反応器８１は、この反応で生じる生成熱によって排燃料ガスを加熱する。ＣＯシフト反応器８１は、ＣＯシフト反応を促進させる触媒を含み、排燃料ガスが流れる経路中に触媒を配置することで、排燃料ガスにＣＯシフト反応を生じさせる。なお、ＣＯシフト反応器８１は、触媒としてＣＯシフト反応の触媒機能を備える燃焼触媒を用いることもできる。燃焼触媒を用いた場合、ＣＯシフト反応とともに排燃料ガスの燃焼を生じさせることができ、排燃料のカロリーは低減するが加熱量をより大きくすることができる。ＣＯシフト反応器８１は、ＣＯシフト反応を生じさせた排燃料ガスＬ３ａを第１分岐管４９ａに排出する。

制御弁８２は、第１分岐ライン４９ａに設置されている。制御弁８２は、開閉を切り換えることで、第１分岐ライン４９ａに排燃料ガスが流れるか流れないかを切り替え、開度を調整することで、第１分岐ライン４９ａを流れる排燃料ガスの流量を制御する。制御弁８４は、第２分岐ライン４９ｂに設置されている。制御弁８４は、開閉を切り換えることで、第２分岐ライン４９ｂに排燃料ガスが流れるか流れないかを切り替え、開度を調整することで、第２分岐ライン４９ｂを流れる排燃料ガスの流量を制御する。

このように、加熱手段８０は、第１分岐ライン４９ａにＣＯシフト反応器８１と、制御弁８２とを配置し、第２分岐ライン４９ｂに制御弁８４を配置している。これにより、加熱手段８０は、第２分岐ライン４９ｂを第１分岐ライン４９ａのバイパスとして用いることができる。したがって、加熱手段８０は、制御弁８２、８４を制御することで、燃料ガス再循環ライン４９を流れる排燃料ガスＬ３の、第１分岐ライン４９ａを流れる量と第２分岐ライン４９ｂを流れる量とのバランスを制御することができる。つまり、加熱手段８０は、制御弁８２、８４を制御することで、ＣＯシフト反応器８１を通過させ加熱する排燃料ガスＬ３の量と、ＣＯシフト反応器８１を通過させず加熱しない排燃料ガスＬ３の量を制御することができる。これにより、加熱手段８０は、制御弁８２、８４を制御することで、排燃料ガスＬ３の加熱量を制御することができる。

制御装置６２は、温度検出部７２、７４及び負荷検出部７６の検出結果に基づいて、つまり、温度検出部７２、７４及び負荷検出部７６で検出したＳＯＦＣ１３の状態に関連する情報に基づいて、制御弁８２、８４の開閉及び開度を調整する。これにより、制御装置６２は、ＳＯＦＣ１３の状態に基づいて、燃料ガス再循環ライン４９を流れる排燃料ガスの加熱量を制御することができる。

以下、図３を用いて、上述した本実施例の発電システム１０駆動方法について説明する。図３は、本実施例の発電システムの駆動動作の一例を示すフローチャートである。図３に示す駆動動作は、制御装置（制御部）６２が各部の検出結果に基づいて、演算処理を実行することで実現することができる。また、制御装置６２は、図３に示す処理を繰り返し実行する。なお、図３に示す処理は、温度検出部７２、７４で検出した結果に基づいて、加熱手段８０を制御する処理である。

まず、制御装置６２は、排燃料ガスの温度を検出する（ステップＳ１２）。制御装置６２は、温度検出部７２、７４の少なくとも一方で検出した温度の情報を取得する。制御装置６２は、温度を検出したら、排燃料ガスの温度が第１しきい値以下であるかを判定する（ステップＳ１４）。なお、第１しきい値としては、排燃料ガスの飽和温度に３０℃を加えた値が例示される。これは、飽和温度に、温度計測誤差の影響を十分に排除できる１０℃から、飽和温度に到達するに十分な余裕となる５０℃までの所定値を加えた値とし、さらに好ましくは排燃料ガスの温度制御管理の可能な２０℃〜３０℃を加えた値が設定される。

制御装置６２は、排燃料ガスの温度が第１しきい値以下である（ステップＳ１４でＹｅｓ）と判定した場合、ＣＯシフト反応器を通過する排燃料ガスの量を増加させる（ステップＳ１６）。具体的には、制御弁８２の開度を大きくする制御及び制御弁８４の開度を小さくする制御の少なくとも一方の制御を実行することで、第１分岐ライン４９ａを流れる排燃料ガスの量を増加させる。制御装置６２は、ＣＯシフト反応器を通過する排燃料ガスの量を増加させたら、本処理を終了する。

制御装置６２は、温度が第１しきい値以下ではない（ステップＳ１４でＮｏ）、つまり温度が第１しきい値より高いと判定した場合、排燃料ガスの温度が第２しきい値以上であるかを判定する（ステップＳ１８）。ここで、第２しきい値は、第１しきい値よりも高い温度である。

制御装置６２は、温度が第２しきい値以上である（ステップＳ１８でＹｅｓ）と判定した場合、ＣＯシフト反応器を通過する排燃料ガスの量を減少させる（ステップＳ２０）。具体的には、制御弁８２の開度を小さくする制御及び制御弁８４の開度を大きくする制御の少なくとも一方の制御を実行することで、第１分岐ライン４９ａを流れる排燃料ガスの量を減少させる。制御装置６２は、ＣＯシフト反応器を通過する排燃料ガスの量を減少させたら、本処理を終了する。

制御装置６２は、温度が第２しきい値以上ではない（ステップＳ１８でＮｏ）、つまり温度が第２しきい値未満と判定した場合、そのまま、本処理を終了する。

このように本実施例の発電システム１０は、加熱手段８０を用いて、燃料ガス再循環ライン４９を流れる排燃料ガスの温度を制御し、燃料ガス再循環ライン４９を流れる排燃料ガスを所定の温度範囲とすることで、燃料ガス再循環ライン４９でドレンが発生したり、排燃料ガスが高温となり、他の機器に与える負担が増加することを抑制したりすることができる。これにより、排燃料ガスの経路にかかる負荷を少なくすることができる。

本実施例の発電システム１０は、ＣＯシフト反応器８１を用いて、排燃料ガス中の成分を利用して、排燃料ガスを化学反応により加熱する手段を用いるため、加熱する手段に供給される排燃料ガスの流量により排燃料ガスの温度を調整することができる。これにより、排燃料ガスが飽和温度以下となることでドレンが発生することを抑制し、発電効率を維持しつつ、安定した運転を行うことができる。

また、発電システム１０は、排燃料ガスＬ３の加熱手段を燃料ガス再循環ライン４９の再循環ブロワ５０よりも下流側に設けることで、高温の排燃料ガスＬ３による排燃料ライン４３及び燃料ガス再循環ライン４９に設置される機器の熱的な負荷を小さくすることができると共に、燃料ガス再循環ライン４９でドレンの発生を抑制することで、燃料電池（ＳＯＦＣ）１３も含めた系統でのドレンによる悪影響を防止することができる。

また、発電システム１０は、燃料予熱器７０を設け、燃料供給ライン４１から供給される燃料ガスを加熱するとともに、排燃料ライン４３のガスを冷却することで、排燃料ライン４３および燃料ガス再循環ライン４９の温度を低下させ、設備費用を低減するとともに再循環送風機５０の所要動力を低減できるため、ＳＯＣＦ１３での発電をより効率よく実行することができる。以上のように、発電システム１０は、燃料予熱器７０で熱交換を行うことで、排燃料ガスに含まれる熱を好適に利用することができる。

加熱手段８０は、加熱機構が配置された第１分岐ライン４９ａと加熱機構をバイパスする第２分岐ライン４９ｂとを設け、それぞれの経路に供給する排燃料ガスのバランスを調整しては排燃料ガスの加熱量を調整したがこれに限定されない。加熱手段は、加熱動作のＯＮとＯＦＦが切り換え可能な加熱機構を用い、経路を１本としてもよい。

本実施例の発電システム１０は、温度の検出結果に基づいてフィードバック制御で加熱量を調整することに限定されず、フィードフォワード制御（先行制御）で処理を行ってもよい。

本実施例の発電システム１０は、加熱手段８０が排燃料ガスを加熱する機構として、ＣＯシフト反応器８１を備えることで、排燃料ガス中に含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変換させる際に生じる熱で排燃料ガスを加熱することができる。これにより、発電効率を維持しつつ、排燃料ガスを加熱することができる。なお、加熱手段８０は、燃料ガスを反応（化学反応）させて熱を発生させる機構であればよく、加熱する機構は、ＣＯシフト反応器８１に限定されない。例えば、効率が低下する場合があるが燃焼触媒を用いてもよい。また、加熱手段８０として、化学反応させる機構の上流又は下流に冷却する冷却機構を設けることで、加熱手段８０による温度調整機能をさらに備えてもよい。

また、本実施例の発電システム１０は、温度検出部７２、７４で検出した温度に基づいて制御を実行したが、温度検出部で７２、７４はなく、負荷検出部７６の結果を用いて制御を実行してもよい。この場合、制御装置６２は、負荷検出部７６に基づいて、排燃料ガスの温度を算出する、もしくは規定の温度範囲となる開度に制御弁８２、制御弁８４の開度を設定してもよい。また、発電システム１０は、温度検出７２、７４は、どちらか一方のみを備えていてもよい。

１０ 発電システム
１１ ガスタービン
１２ 発電機
１３ 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、４８ ブロワ（昇圧機）
３４ 排空気ライン
３６ 酸化性ガス供給ライン
４１ 第２燃料ガス供給ライン
４１ａ 第１部分ライン
４１ｂ 第２部分ライン
４２ 制御弁
４３ 排燃料ライン
４４ 排出ライン
４５ 排燃料ガス供給ライン
４７ 制御弁
４９ 燃料ガス再循環ライン
４９ａ 第１分岐ライン
４９ｂ 第２分岐ライン
６２ 制御装置（制御部）
７０ 燃料予熱器
７２、７４ 温度検出部
７６ 負荷検出部
８０ 加熱手段
８１ ＣＯシフト反応器
８２、８４ 制御弁

Claims (8)

1. 空気極及び燃料極を有する燃料電池と、
   前記燃焼電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
   前記燃料電池から排燃料ガスが排出される排燃料ラインと、
   排燃料ラインから排出された排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに供給する燃料ガス再循環ラインと、
   前記燃料ガス再循環ラインに配置され、前記排燃料ガスを反応させて前記排燃料ガスを加熱する加熱手段と、
   前記燃料電池の状態を検出する状態検出部と、
   前記状態検出部の検出結果に基づいて、前記加熱手段による加熱量を制御する制御装置と、を有し、
   前記制御装置は、前記状態検出部の検出結果に基づいて、前記排燃料ガスがしきい値の温度以下であると判定したら、前記加熱手段による排燃料ガスの加熱量を増加させることを特徴とする発電システム。
2. 前記加熱手段は、ＣＯシフト反応器を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。
3. 前記加熱手段は、前記ＣＯシフト反応器が配置された第１分岐ラインと、
   前記ＣＯシフト反応器をバイパスする第２分岐ラインと、を備え、
   前記制御装置は、前記第１分岐ラインの流量と、前記第２分岐ラインの流量と、を調整して、前記排燃料ガスの加熱量を調整することを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
4. 前記燃料ガス供給ラインと前記排燃料ラインとの間で熱交換を行い、前記燃料ガス供給ラインを流れる前記燃料ガスを加熱し、前記排燃料ラインを流れる前記排燃料ガスを冷却する燃料予熱器をさらに有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の発電システム。
5. 前記状態検出部は、前記燃料ガス再循環ラインを流れる排燃料ガスの温度を検出する温度検出部であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の発電システム。
6. 前記状態検出部は、前記燃焼電池の負荷を検出する負荷検出部であり、
   前記制御装置は、前記状態検出部が検出した負荷に基づいて、前記排燃料ガスの加熱量を制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の発電システム。
7. 前記燃料ガス再循環ラインに配置され、前記排燃料ラインから前記燃料ガス供給ラインに向けて前記排燃料ガスを送る再循環ブロワを有し、
   前記加熱手段は、前記再循環ブロワよりも前記燃料ガス供給ライン側の前記燃料ガス再循環ラインに配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の発電システム。
8. 空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記燃焼電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排燃料ガスが排出される排燃料ラインと、排燃料ラインから排出された排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに供給する燃料ガス再循環ラインと、を有する発電システムの運転方法であって、
   前記燃料電池の状態を検出する工程と、
   前記燃料ガス再循環ラインを流れる前記排燃料ガスの加熱量を決定する工程と、
   決定した加熱量に基づいて、前記排燃料ガスを反応させ、前記排燃料ガスを加熱する工程と、を有することを特徴とする発電システムの運転方法。

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