JP2014137984A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池とガスタービンを連携した発電システムにおいて、ガスタービン側の内圧変動を燃料電池側に与えず、燃料電池に供給される空気の圧力変化を抑制する。
【解決手段】ガスタービン３の燃焼器５の上流に設置され、燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とで発電を行う燃料電池２と、負荷に接続されているガスタービン３と、ガスタービン３からの排ガスで駆動して、燃料電池２に酸化剤ガスＯ１を供給する排気タービン２３と、を備える発電システム１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電システムに係り、特に燃料電池とガスタービンを連携した発電システムに関する。

燃料電池は、低公害で発電効率が高いため、近年、各種分野での利用が期待されている。燃料電池を用いた高効率発電システムとしては、燃料電池とガスタービンとを連携したコンバインド発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記コンバインド発電システムにおいては、燃料電池はガスタービンの燃焼器の上流に設置され、燃料電池から排出される燃料（残燃料）を含む排燃料ガスをガスタービンの燃焼器に導入している。即ち、燃料電池とガスタービンの燃焼器とが配管にて接続されている。これにより全ての燃料を発電用に利用することができる。
一方、空気（酸化剤ガス）は、空気圧縮機で昇圧されて燃料電池に供給されると共に発電に利用され、燃料電池との熱交換により加熱された空気が燃焼空気としてガスタービンの燃焼器に導入される。ガスタービンでは高温高圧の燃焼排ガスがタービンを駆動することで電力に変換されるので、システム全体では高い発電効率が得られる。

特開２０１０−１４６９３４号公報

ところで、上述したように、燃料電池とガスタービンを用いるコンバインド発電システムでは、ガスタービンの空気圧縮機から吐出される空気の一部が燃料電池に供給され、燃料電池の排燃料／排空気をガスタービンの燃焼器に戻して燃焼させる系統となっている。 即ち、ガスタービンの運転圧力は、ガスタービンに接続された発電機などの負荷変化に応じて変動するため、この変動に伴い、以下のような問題が発生する。

まず、ガスタービンの負荷変動に伴う圧力変化（燃焼器出口圧力）に対し、燃料電池側の圧力変化も追従させる必要が生じる。即ち、ガスタービンの燃焼器出口の圧力が変動することによって、燃料電池側の圧力も変動することになり、燃料電池の空気極と燃料極間で行っている圧力制御に影響が及んでしまう。

また、燃料電池側の圧力追従性が、ガスタービンの負荷変化に制限を与える可能性がある。即ち、燃料電池側の圧力制御に遅れが生じると、ガスタービンの負荷変化の速度も遅くなってしまう可能性がある。

燃料電池を構成する圧力容器の内容積は、ガスタービンの内容積に対して大きいため、ガスタービンの圧力変化時には、ガスタービンの燃焼器へ流入する空気の流量変化が発生し、ガスタービンの運転に支障をきたす可能性がある。即ち、ガスタービンの圧力上昇時には、ガスタービンの圧縮機から吐出された空気は、燃料電池の圧力容器の加圧に費やされ、燃焼器側への流入量が低下してしまう可能性がある。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、燃料電池とガスタービンとを使用する発電システムにおいて、ガスタービン側の内圧変動を燃料電池側に与えず、燃料電池に供給される空気の圧力変化を抑制する発電システムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
即ち、本発明の発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行う燃料電池と、負荷に接続されているガスタービンと、前記ガスタービンからの排ガスで駆動して、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する排気タービンと、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、燃料電池に排気タービンの動力によって酸化剤ガスが供給されるため、ガスタービン側の内圧変動を燃料電池側に与えず、燃料電池に供給される酸化剤ガスの圧力変化を抑制することができる。

上記発電システムにおいて、前記ガスタービンのタービンから排出される前記排ガスを放出する排ガスラインと、前記排ガスラインを介して前記排ガスが供給される排ガス燃焼器と、を備え、前記排気タービンは、前記排ガス燃焼器で生成される高温燃焼ガスで駆動されることが好ましい。

上記構成によれば、排気タービンに導入されるエネルギーが排ガス燃焼器によって増強されるため、排気タービンの動力を向上させることができる。

上記発電システムにおいて、前記燃料電池から排出される排燃料ガスが導入される排燃料ラインと、前記燃料電池から排出される排酸化剤ガスが導入される排酸化剤ガスラインと、前記排燃料ラインを介して前記排燃料ガスが供給されるとともに、前記排酸化剤ガスラインを介して前記排酸化剤ガスが供給される排燃料燃焼器を備えることが好ましい。

上記構成によれば、燃料電池から排出される排燃料ガスが排燃料燃焼器にて燃焼され、排燃料燃焼器の下流側に設置された例えば排熱回収ボイラで熱回収されるため、発電システムの効率を向上させることができる。

上記発電システムにおいて、前記排ガスラインと、前記排酸化剤ガス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流れる排ガスの流量を調整する排ガス流量調整手段と、を備えることが好ましい。

上記構成によれば、ガスタービンの運転状態によらず、排気タービンへ供給される排ガスの量を一定にすることで、排気タービンの運転状態を一定とすることができる。例えば、ガスタービンから排出される排ガスが多量であった場合、バイパスラインを介して排ガスを排酸化剤ガスラインに導入させることができ、ガスタービンの運転状態が燃料電池へ及ぼす影響を小さくすることができる。

上記発電システムにおいて、前記排燃料ラインと、前記排ガス燃焼器とを接続する分岐排燃料ラインと、前記第分岐排燃料ラインを流れる排燃料ガスの流量を調整する排燃料流量調整手段と、を備えることが好ましい。

上記構成によれば、排気タービンに供給される高温燃焼ガスを生成する排ガス燃焼器に燃料電池の排燃料ガスが使用できるため、発電システムの効率をさらに向上させることができる。

上記発電システムにおいて、前記排気タービンに接続された発電機を備え、前記発電機を前記排気タービンの駆動用のモータとして使用することが好ましい。

本発明によれば、燃料電池とガスタービンとを使用する発電システムにおいて、ガスタービン側の内圧変動を燃料電池側に与えず、燃料電池に供給される空気の圧力変化を抑制することができる。また、燃料電池の運転圧力をガスタービンよりも低くすることができるので、耐圧性能を緩和し、信頼性が高く、低コストの燃料電池システムを提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る発電システムの系統図である。 本発明の第一実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成を示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係るセルスタックの要部断面図である。 本発明の第一実施形態に係るカートリッジの断面図である。 本発明の第一実施形態に係るカートリッジの斜視図である。 本発明の第二実施形態に係る発電システムの系統図である。 本発明の第三実施形態に係る発電システムの系統図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の発電システム１は燃料電池モジュール２と、ガスタービン３とを組み合わせた発電システムである。
ガスタービン３は、外気を吸入して圧縮する空気圧縮機４と、空気圧縮機４の下流側に設けられた燃焼器５と、燃焼器５の下流側に設けられたタービン６とを主な構成要素として有している。さらに、ガスタービン３には、発電機８が接続されている。また、燃焼器５には、第二燃料供給部３１より燃料ガスが供給されるようになっている。

燃焼器５は、空気圧縮機４で圧縮された空気に燃料ガスを噴射して、高温燃焼ガスを生成する。タービン６は、燃焼器５により生成された高温燃焼ガスの供給を受けて回転駆動力を発生させ、圧縮機４を回転駆動させるとともに、発電機８を駆動する。タービン６には、タービン６を回転駆動した後の高温燃焼ガス、即ち、排ガスが導入される排ガス配管９（排ガスライン）が設けられている。
排ガス配管９の下流側には、排ガス燃焼器２２が配置されている。排ガス燃焼器２２は、第三燃料供給部３２より燃料ガスが供給されるようになっている。

排ガス燃焼器２２の下流側には、排気タービン２３が設けられている。排気タービン２３は、ガスタービン３からの排ガスをエネルギーとして駆動されるものであり、外気を吸入して圧縮する圧縮機２４とタービン２５とを有している。排ガス燃焼器２２にて生成される高温燃焼ガスは、排気タービン２３のタービン２５に導入される。タービン２５は、排ガス燃焼器２２により生成された高温燃焼ガスの供給を受けて回転駆動力を発生させ、圧縮機２４を回転駆動させる。
排気タービン２３には発電機３５を接続してもよい。また、接続した発電機３５は排気タービン２３の駆動用のモータとして使用してもよい。このような構成とすることによって、ガスタービン３からの排気が得られない期間において、燃料電池モジュール２に送風を行うことができる。

燃料電池モジュール２は圧力容器１０と圧力容器１０の内部に収納された複数のカートリッジ２０１とを有している。
カートリッジ２０１は、燃料ガスＦ１及び酸化剤ガスＯ１の供給を受けて発電を行うものであって、燃料電池モジュール２に少なくとも一つ設けられている。
燃料電池モジュール２のカートリッジ２０１には、排気タービン２３の圧縮機２４から酸化剤ガスＯ１を供給する酸化剤ガス配管３３０と、燃料供給部２０から燃料ガスＦ１を供給する燃料配管３１０が接続されている。

燃料ガスＦ１としては、例えば、水素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素系ガス、石炭等の炭素質原料のガス化により得られたガス、又は、これらの２以上の成分を含むガス等が利用される。また、酸化剤ガスＯ１としては、例えば、酸素を１５〜３０ｖｏｌ％含むガス等が利用される。代表的な酸化剤ガスＯ１としては、空気であるが、排燃焼ガスと空気との混合ガスや、酸素と空気との混合ガスを利用してもよい。

発電システム１には、カートリッジ２０１における発電に用いられた後の排酸化剤ガスＯ２が導入される排酸化剤ガス配管３４０（排酸化剤ガスライン）と、カートリッジ２０１から排出される燃料ガス（排燃料ガスＦ２）が導入される排燃料配管３２０（排燃料ライン）とが設けられている。ここで、排燃料ガスＦ２とは、発電に用いられた燃料ガスと、発電に用いられなかった燃料ガスとを含むものである。

また、発電システム１には、排酸化剤ガスＯ２と排燃料ガスＦ２とが供給される排燃料燃焼器２７を備えている。即ち、カートリッジ２０１における発電に用いられた後の排酸化剤ガスＯ２は、排酸化剤ガス配管３４０を介して排燃料燃焼器２７に供給され、カートリッジ２０１から排出される排燃料ガスＦ２は、排燃料配管３２０を介して排燃料燃焼器２７に供給される。さらに、排燃料燃焼器２７には、第四燃料供給部３４より燃料ガスが供給されるようになっている。

また、排気タービン２３から排ガスを排出する、ターボ排ガス配管２８は、排酸化剤ガス配管３４０に接続され、排燃料燃焼器２７に供給される。排燃料燃焼器２７にて生成される高温燃焼ガスは、排熱回収ボイラ２９（ＨＲＳＧ）に供給される。図示しないが、排熱回収ボイラ２９の下流側には、排熱回収ボイラ２９で発生した蒸気により作動する蒸気タービン、蒸気タービンの排気を復水する復水器、復水器からの復水を排熱回収ボイラに給水する給水手段などを接続することができる。

排燃料配管３２０には、排燃料ガスＦ２の一部を燃料配管３１０に戻して、燃料電池モジュール２に再循環させる燃料再循環配管３２５が接続されている。即ち、燃料再循環配管３２５の一方の端部は排燃料配管３２０に接続され、他方の端部は燃料配管３１０に接続されている。燃料再循環配管３２５には、燃料再循環配管３２５を流れる排燃料ガスＦ２を加圧する燃料再循環ブロア１５が設けられている。

また、酸化剤ガス配管３３０からは、酸化剤ガスＯ１を排酸化剤ガス配管３４０へ分岐する空気分岐配管１８が設けられている。空気分岐配管１８は、発電システム１の起動時において、排気タービン２３から供給される酸化剤ガスＯ１をカートリッジ２０１ではなく排燃料燃焼器２７に直接バイパスさせるための配管である。酸化剤ガスＯ１の切り替えは、酸化剤ガス配管３３０及び空気分岐配管１８に設けられた流量調整弁３３によって行われる。

次に、燃料電池モジュール２の詳細構造について説明する。
図２に示すように、燃料電池モジュール２は、容器中心軸Ａｖを中心として容器中心軸方向Ｄｖに延びる円筒形状の圧力容器１０と、この圧力容器１０内に配置されている複数のカートリッジ２０１を有している。

圧力容器１０は、例えば、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約３ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用される。このため、この圧力容器１０は、耐圧性を考慮して、円筒形状の胴部１１と、胴部１１の中心軸方向における両端部に形成されている半球状の鏡部１２とを有している。この圧力容器１０は、全体として円筒形状を成し、その容器中心軸Ａｖが上下方向に延びるよう設置されている。

カートリッジ２０１は、複数のセルスタックの束で構成されている。図３に示すように、セル集合体であるセルスタック１０１は、円筒形状（又は管形状）の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されているインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１１２と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。セルスタック１０１は、さらに、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５のうちで、基体管１０３の軸方向において最も端に形成されている燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されているリード膜１１５を有する。

本実施形態では、この円筒形状（又は管形状）のセルスタック１０１の内周側に燃料ガスＦ１が通り、外周側に酸化剤ガスＯ１が通る。

基体管１０３は、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、Ｙ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ_２（ＹＳＺ）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等のいずれかで形成されている多孔質体である。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持する役目を担っている。さらに、この基体管１０３は、内周側に供給された燃料ガスＦ１を基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料電池セル１０５に拡散させる役目も担っている。

燃料極１１２は、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で形成されている。この場合、燃料極１１２は、燃料極１１２の成分であるＮｉが燃料ガスＦ１に対して触媒として作用する。この触媒としての作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガスＦ１中に、例えば、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気とが含まれている場合、これら相互を反応させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する作用である。

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３系酸化物で形成されている。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される酸化剤ガスＯ１中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ^２−）を生成する。

固体電解質１１１は、例えば、主としてＹＳＺで形成されている。このＹＳＺは、ガスを通しにくい気密性と、高温下での高い酸素イオン導電性とを有している。この固体電解質１１１は、空気極１１３で生成された酸素イオン（Ｏ^２−）を燃料極１１２に移動させる。

前述の燃料極１１２では、固体電解質１１１との界面付近において、改質により得られた水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１から供給された酸素イオン（Ｏ^２−）とが反応し、水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。この燃料電池セル１０５では、この反応過程で酸素イオンから電子が放出されて、発電が行われる。

インターコネクタ１０７は、例えば、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ_３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物で形成されている。このインターコネクタ１０７は、燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とが混合しないように緻密な膜で、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１１２とを電気的に接続する。つまり、このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５同士を電気的に直列接続する。

リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で形成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により電気的に直列接続されている複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出する役目を担っている。

カートリッジ２０１は、図４及び図５に示すように、複数のセルスタック１０１と、複数のセルスタック１０１の束の一方の端部を覆う第一カートリッジヘッダ２２０ａと、複数のセルスタック１０１の束の他方の端部を覆う第二カートリッジヘッダ２２０ｂと、を有している。複数のセルスタック１０１は、互いに平行で且つその長手方向における互いの位置が揃って、全体として円柱形状を成している。また、第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、円柱形状を成している複数のセルスタック１０１の束の外径よりわずかに大きな外径の円筒形状を成している。このため、カートリッジ２０１は、全体として、セルスタック１０１の長手方向に長い円柱形状を成している。

第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、いずれも、複数のセルスタック１０１の束の端部が開口２２８から内部に入り込む円筒形状のケーシング２２９ａ，２２９ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの開口２２８を塞ぐ断熱体２２７ａ，２２７ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの内部空間をセルスタック１０１の長手方向で２つの空間に仕切る管板２２５ａ，２２５ｂと、を有している。管板２２５ａ，２２５ｂ等は、インコネル（ニッケル基合金に対するスペシャルメタルズ社の登録商標）等の高温耐久性のある金属材料で形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂ及び断熱体２２７ａ，２２７ｂには、複数のセルスタック１０１の端部のそれぞれが挿通可能な貫通孔が形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂは、その貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の端部をシール部材又は接着剤２３７を介して支持する。このため、この管板２２５ａ，２２５ｂには貫通孔が形成されているものの、この管板２２５ａ，２２５ｂを基準にしてケーシング２２９ａ，２２９ｂ内の一方の空間に対する他方の空間の気密性が確保されている。断熱体２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内径は、ここに挿通されるセルスタック１０１の外径よりも大きく形成されている。つまり、断熱体２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の外周面との間には隙間２３５ａ，２３５ｂが存在する。

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、燃料ガスＦ１が供給される燃料ガス供給室２１７を形成している。このケーシング２２９ａには、燃料配管３１０からの燃料ガスＦ１を燃料ガス供給室２１７に導くための燃料ガス供給孔２３１ａが形成されている。この燃料ガス供給室２１７内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。燃料配管３１０から燃料ガス供給室２１７に導かれた燃料ガスＦ１は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に流れ込む。この際、燃料ガスＦ１は、燃料ガス供給室２１７により、複数のセルスタック１０１の各基体管１０３に対してほぼ均等流量に配分される。このため、複数のセルスタック１０１における各発電量の均一化を図ることができる。

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、セルスタック１０１の基体管１０３内を通過した燃料ガスＦ１が流れ込む燃料ガス排出室２１９を形成している。このケーシング２２９ｂには、燃料ガス排出室２１９に流れ込んだ排燃料ガスＦ２を排燃料配管３２０に導くための燃料ガス排出孔２３１ｂが形成されている。この燃料ガス排出室２１９内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。複数のセルスタック１０１の各基体管１０３内を通過した燃料ガスＦ１は、前述したように、燃料ガス排出室２１９に流入した後、排燃料配管３２０を通って、圧力容器１０外へ排出される。

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと断熱体２２７ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、酸化剤ガス供給室２１６を形成している。このケーシング２２９ｂには、酸化剤ガス配管３３０からの酸化剤ガスＯ１を酸化剤ガス供給室２１６に導くための酸化剤ガス供給孔２３３ｂが形成されている。この酸化剤ガス供給室２１６内に導かれた酸化剤ガスＯ１は、断熱体２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ｂから、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５へと流出する。

第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５には、複数のセルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置されている。このため、この発電室２１５では、燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とが電気化学的反応して、発電が行われる。なお、この発電室２１５で、セルスタック１０１の長手方向における中央部付近の温度は、燃料電池モジュール２の定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気になる。また、この発電室２１５は、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間であって、外周側が後述の内側断熱材１６で囲まれた空間である。

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと断熱体２２７ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、発電室２１５を通った排酸化剤ガスＯ２が流入する空気排出室２１８を形成している。このケーシング２２９ａには、空気排出室２１８に流れ込んだ排酸化剤ガスＯ２を排酸化剤ガス配管３４０に導くための空気排出孔２３３ａが形成されている。発電室２１５中の酸化剤ガスＯ１は、断熱体２２７ａの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ａから空気排出室２１８内に流入した後、排酸化剤ガス配管３４０を通って、圧力容器１０外へ排酸化剤ガスＯ２として排出される。

発電室２１５の高温化に伴って、各カートリッジヘッダ２２０ａ，２２０ｂの管板２２５ａ，２２５ｂが高温化する。第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂの断熱体２２７ａ，２２７ｂは、この管板２２５ａ，２２５ｂが高温化による強度低下や酸化剤ガスＯ１中に含まれている酸化剤による腐食を抑える。さらに、この断熱体２２７ａ，２２７ｂは、管板２２５ａ，２２５ｂの熱変形も抑える。

前述したように、発電室２１５中の酸化剤ガスＯ１と、この発電室２１５に配置されている複数のセルスタック１０１の内側を通る燃料ガスＦ１とは、セルスタック１０１における複数の燃料電池セル１０５で電気化学反応する。この結果、複数の燃料電池セル２０５で発電が行われる。

複数の燃料電池セル２０５での発電で得られた直流電流は、複数の燃料電池セル２０５相互間に設けられているインターコネクタ１０７を経て、セルスタック１０１の端部側へ流れ、このセルスタック１０１のリード膜１１５に流れ込む。そして、この直流電流は、リード膜１１５から、集電板（不図示）を介して、カートリッジ２０１の集電棒（不図示）に流れ、カートリッジ２０１外部へ取り出される。複数の集電棒は、互いに直列及び／又は並列接続されている。集電棒のうち、最も下流側の集電棒は、例えば、図示されていないインバータに接続されている。カートリッジ２０１外部に取り出された直流電流は、直列及び／又は並列接続されている複数の集電棒を経て、例えば、インバータに流れ、ここで交流電流に変換されて、電力負荷へと供給される。

セルスタック１０１の内周側を流れる燃料ガスＦ１とセルスタック１０１の外周側を流れる酸化剤ガスＯ１とは、このセルスタック１０１を介して熱交換する。この結果、燃料ガスＦ１は、酸化剤ガスＯ１により加熱され、酸化剤ガスＯ１は、逆に燃料ガスＦ１により冷却される。本実施形態では、これら燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる。このため、燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１との熱交換率が高まり、燃料ガスＦ１による酸化剤ガスＯ１の冷却効率、及び酸化剤ガスＯ１による燃料ガスＦ１の加熱効率が高まる。よって、本実施形態において、酸化剤ガスＯ１は、第一カートリッジヘッダ２２０ａを形成する管板２２５ａ等が座屈変形等しない温度に冷却されてから、この第一カートリッジヘッダ２２０ａの酸化剤ガス排出室２１８に流れ込む。また、本実施形態において、燃料ガスＦ１は、発電室２１５内のセルスタック１０１内で、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温される。

なお、本実施形態では、燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる、つまり燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とが逆向きに流れるが、必ずしもこの必要はなく、例えば、燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とがセルスタック１０１の内周側と外周側で同じ向きに流れてもよいし、酸化剤ガスＯ１が燃料ガスＦ１の流れに対して直交する方向に流れてもよい。

円柱形状の複数のカートリッジ２０１は、図２に示すように、いずれも、カートリッジ中心軸Ａｃが圧力容器１０の容器中心軸Ａｖと平行になるよう、圧力容器１０内に配置されている。つまり、本実施形態では、カートリッジ中心軸Ａｃは、容器中心軸Ａｖと同様、上下方向に延びている。

なお、カートリッジ２０１の構成は上記したものに限らず、カートリッジを圧力容器の中心軸と直交する方向に延びるように配置してもよい。また、カートリッジは円柱形状に限らず、角柱形状としてもよい。

次に、上記の構成からなる発電システム１の動作について説明する。
発電システム１が定常運転されている場合には、ガスタービン３の運転により、空気圧縮機４は外部より空気を吸入して圧縮する。圧縮された空気は燃焼器５に流入する。燃焼器５には、第二燃料供給部３１より燃料ガスが供給されており、この燃料ガスが燃焼されることによって、高温燃焼ガスが生成される。高温燃焼ガスは、燃焼器５からタービン６に導入され、タービン６を回転駆動させる。タービン６は、導入された高温燃焼ガスの
供給を受けて回転駆動力を発生させ、圧縮機４を回転駆動させる。回転駆動力は発電機８にも伝達され、発電が行われる。

タービン６から排出される排ガスは、排ガス燃焼器２２に導入され、排ガス燃焼器２２では、第三燃料供給部３２より供給される燃料ガスが燃焼され、高温燃焼ガスが生成される。高温燃焼ガスは、排気タービン２３のタービン２５に導入され、タービン２５を回転駆動させ、圧縮機２４を回転駆動させる。これにより、圧縮機２４に供給された空気が圧縮される。圧縮された空気は、酸化剤ガス配管３３０を介して燃料電池モジュール２のカートリッジ２０１に供給される。即ち、カートリッジ２０１には、排気タービン２３によって圧縮された空気が酸化剤ガスＯ１として供給される。

一方、燃料供給部２０より供給された燃料ガスＦ１は、燃料配管３１０を介して燃料電池モジュール２のカートリッジ２０１に供給される。カートリッジ２０１は、酸化剤ガスＯ１、及び燃料ガスＦ１を用いて発電を行う。発電に使用された排酸化剤ガスＯ２は、カートリッジ２０１から排酸化剤ガス配管３４０を介して排燃料燃焼器２７に導入される。
一方、排燃料ガスＦ２は、排燃料配管３２０を介して排燃料燃焼器２７に導入される。排燃料ガスＦ２の一部は、燃料再循環ブロア１５が駆動していることによって、燃料再循環配管３２５を介して燃料配管３１０に流入する。
排燃料燃焼器２７では、第四燃料供給部３４より供給される燃料ガスとともに排燃料ガスＦ２が燃焼され、高温燃焼ガスが生成される。高温燃焼ガスは、排燃料燃焼器２７から排熱回収ボイラ２９に導入され熱回収が行われる。

上記実施形態によれば、燃料電池モジュール２のカートリッジ２０１に供給される酸化剤ガスＯ１が、排気タービン２３を介して供給されるため、発電システム１の運転中にガスタービン３側の内圧変動が、燃料電池モジュール２側に影響しない。これにより、ガスタービン３側は、燃料電池モジュール２とは関係なく、コンバインド発電システムにおいても早い負荷追従性を確保することができる。

また、ガスタービン３側の運転圧力によらず、燃料電池モジュール２側の運転圧力を設定することにより、燃料電池モジュール２の運転圧力を低く抑えることで、機器の耐圧を下げることができる。
なお、燃料電池モジュール２の運転圧力としては、数ｋＰａから数１００ｋＰａの範囲であれば問題ない。運転圧力を下げることによって、配管の薄肉化、圧力容器不要、制御機器の低級化、排気タービンの動力低減が可能である。

さらに、ガスタービン３側の運転圧力によらず、燃料電池モジュール２の運転圧力を下げることにより、断熱設計の高度化を抑制することができる。また、燃料電池モジュール２の運転圧力の低下に伴い圧力容器１０に内封されるガス量も低下されるため、燃料電池モジュールの負荷変化速度の向上を図ることができる。

（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態に係る発電システムを図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。

図６に示すように、本実施形態の発電システム１Ｂは、第一実施形態の発電システム１に加えて、タービン６の排ガス配管９に排ガス燃焼器２２と排気タービン２３のタービン２５とをバイパスするバイパス配管５０（バイパスライン）と、バイパス配管５０を流れる排ガスの流量を調整する排ガス流量調整弁５１（排ガス流量調整手段）とを設けたシステムである。即ち、バイパス配管５０は、排ガス配管９と排燃料配管３２０とを接続する配管である。

上記実施形態によれば、ガスタービン３の運転状態によらず、排気タービン２３へ供給される排ガスの量を一定にすることで、排気タービン２３の運転状態を一定とすることができる。例えば、ガスタービン３から排出される排ガスが多量であった場合、バイパス配管５０を介して排ガスを排酸化剤ガス配管３４０に導入させることができ、ガスタービン３の運転状態が燃料電池へ及ぼす影響を小さくすることができる。

なお、バイパス配管５０を流れる排ガスの流量を調整する手段としては、バイパス配管５０を開閉するダンパを採用することもできる。

（第三実施形態）
以下、本発明の第三実施形態に係るコンバインド発電システムを図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。

図７に示すように、本実施形態の発電システム１Ｃは、第二実施形態の発電システム１Ｂに加えて、排燃料配管３２０と、排ガス燃焼器２２とを接続する分岐排燃料配管５２（分岐排燃料ライン）と、分岐排燃料配管５２を流れる排燃料ガスの流量を調整する排燃料流量調整弁５３（排燃料流量調整手段）とを設けたシステムである。

上記実施形態によれば、排気タービン２３に供給される高温燃焼ガスを生成する排ガス燃焼器２２に燃料電池モジュール２の排燃料ガスＦ２が使用できるため、発電システムの効率をさらに向上させることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記各実施形態では、燃焼器５、排ガス燃焼器２２、及び排燃料燃焼器２７にそれぞれ独立した燃料供給部を設ける構成としたが、上記各々の燃焼器と燃料供給部２０とを配管を介して接続し、燃料ガスを燃料供給部２０から供給する構成としてもよい。

１ 発電システム
２ 燃料電池モジュール（燃料電池）
３ ガスタービン
４ 空気圧縮機
５ 燃焼器
６ タービン
８ 発電機（負荷）
９ 排ガス配管（排ガスライン）
２２ 排ガス燃焼器
２３ 排気タービン
２７ 排燃料燃焼器
３５ 発電機
５０ バイパス配管（バイパスライン）
５１ 排ガス流量調整弁（排ガス流量調整手段）
５２ 分岐排燃料配管（分岐排燃料ライン）
５３ 排燃料流量調整弁（排燃料流量調整手段）
３１０ 燃料配管（燃料ライン）
３２０ 排燃料配管（排燃料ライン）
３３０ 酸化剤ガス配管（酸化剤ガスライン）
３４０ 排酸化剤ガス配管（排酸化剤ガスライン）
Ｆ１ 燃料ガス
Ｆ２ 排燃料ガス
Ｏ１ 酸化剤ガス
Ｏ２ 排酸化剤ガス

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行う燃料電池と、
   負荷に接続されているガスタービンと、
   前記ガスタービンからの排ガスで駆動して、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する排気タービンと、を備えることを特徴とする発電システム。
2. 前記ガスタービンのタービンから排出される前記排ガスを放出する排ガスラインと、
   前記排ガスラインを介して前記排ガスが供給される排ガス燃焼器と、を備え、
   前記排気タービンは、前記排ガス燃焼器で生成される高温燃焼ガスで駆動されることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 前記燃料電池から排出される排燃料ガスが導入される排燃料ラインと、
   前記燃料電池から排出される排酸化剤ガスが導入される排酸化剤ガスラインと、
   前記排燃料ラインを介して前記排燃料ガスが供給されるとともに、前記排酸化剤ガスラインを介して前記排酸化剤ガスが供給される排燃料燃焼器を備えることを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
4. 前記排ガスラインと、前記排酸化剤ガス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流れる排ガスの流量を調整する排ガス流量調整手段と、を備えることを特徴とする請求項３に記載の発電システム。
5. 前記排燃料ラインと、前記排ガス燃焼器とを接続する分岐排燃料ラインと、
   前記分岐排燃料ラインを流れる排燃料ガスの流量を調整する排燃料流量調整手段と、を備えることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の発電システム。
6. 前記排気タービンに接続された発電機を備え、
   前記発電機を前記排気タービンの駆動用のモータとして使用することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発電システム。

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