JP2014139424A - 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、燃料電池から排出された排燃料ガスと別の燃料ガスとを適正に燃焼することで、ガスタービン燃焼器での安定燃焼を確保して発電効率を向上可能とする。
【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、ＳＯＦＣ１３と、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気Ａ１を燃焼器２２に供給する第１圧縮空気供給ライン２６と、圧縮機２２で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２をＳＯＦＣ１３に供給する第２圧縮空気供給ライン３１と、ＳＯＦＣ１３から排出される排空気Ａ３を燃焼器２２に供給する排空気供給ライン３６と、燃料ガスＬ１を燃焼器２２に供給する第１燃料ガス供給ライン２７と、燃料ガスＬ２をＳＯＦＣ１３に供給する第２燃料ガス供給ライン４１と、ＳＯＦＣ１３から排出される排燃料ガスＬ３を燃焼器２２に供給する排燃料ガス供給ライン４５と、第１燃料ガス供給ライン２７を通して燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１を加熱する加熱装置としての熱交換器６１を設ける。
【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及び発電システムにおける燃料電池の起動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、イオン伝導率を高めるために作動温度が高くされているので、空気極側に供給する空気（酸化剤）として、ガスタービンの圧縮機から吐出された圧縮空気を使用することができる。また、ＳＯＦＣは、排気された高温の排燃料ガスをガスタービンの燃焼器の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において、ガスタービンは、空気を圧縮してＳＯＦＣに供給する圧縮機と、このＳＯＦＣから排気された排燃料ガスと圧縮空気から燃焼ガスを生成する燃焼器を有したものである。
特開２００９−２０５９３０号公報
上述したように、従来の発電システムでは、燃焼器は、ＳＯＦＣから排気された排燃料ガスと別途供給された燃料ガスから燃焼ガスを生成している。この場合、ＳＯＦＣから排気された排燃料ガスは約４００℃であり、別途供給された燃料ガスは常温（例えば、約１５℃）であることから、両者の間にある大きな温度差が発生する。このため、排燃料ガスや燃料ガスを供給する配管等に熱伸び対策を施す必要がある。また、排燃料ガスと燃料ガスが均一に混ぜるために、燃焼器の上流の配管に混合器を設ける場合がある。この混合器を設けることによって、低カロリーの排燃料ガスと高カロリーの燃料ガスが均一に混ぜることができる。しかしながら、排燃料ガスと燃料ガスには大きな温度差があるため、混合器やその周辺の配管、例えば、排燃料ガスや燃料ガスを混合器に供給する配管等に熱伸び対策を施す必要がある。
本発明は、上述した課題を解決するものであり、排燃料ガスと燃料ガスに大きな温度差があっても、混合器やその周辺の配管の熱伸び対策が不要とすることができ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、燃料電池と、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、前記圧縮機から前記燃焼器に圧縮空気を供給する第１圧縮空気供給ラインと、前記圧縮機から前記燃料電池に圧縮空気を供給する第２圧縮空気供給ラインと、前記燃料電池から排出される排空気を前記燃焼器に供給する排空気供給ラインと、第１の燃料ガスを前記燃焼器に供給する第１燃料ガス供給ラインと、第２の燃料ガスを前記燃料電池に供給する第２燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃焼器に供給する排燃料ガス供給ラインと、前記第１燃料ガス供給ラインを通して前記燃焼器に供給する第１の燃料ガスを加熱する加熱装置と、を有することを特徴とするものである。
従って、第１の燃料ガスは、第１燃料ガス供給ラインを通るときに加熱装置により加熱されることから、排燃料ガスと第１燃料ガスの温度差が減少することとなり、温度が近似した第１の燃料ガスと排燃料ガスが燃焼器に供給されることとなり、ガスタービン燃焼器は、排燃料ガスと第１の燃料ガスを同時に効率良く燃焼することができ、最適な燃焼ガスを生成し、ガスタービン燃焼器での安定燃焼を確保して発電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、前記加熱装置は、熱交換器であることを特徴としている。
従って、加熱装置を熱交換器とすることで、熱を効率的に使用することとなり、別の燃焼器などを不要として高コスト化を抑制することができる。
本発明の発電システムでは、前記熱交換器は、前記排空気供給ラインを流れる排空気と前記第１燃料ガス供給ラインを流れる第１の燃料ガスとの間で熱交換を行うことを特徴としている。
従って、排空気と第１の燃料ガスとを熱交換して第１の燃料ガスを加熱することとなり、第１燃料ガスを効率良く加熱することができ、また、高温の排空気の温度を低下させることができ、この排空気の供給設備を簡素化して製造コストを低減することができる。
本発明の発電システムでは、前記熱交換器は、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスと前記第１燃料ガス供給ラインを流れる第１の燃料ガスとの間で熱交換を行うことを特徴としている。
従って、排燃料ガスと第１の燃料ガスとを熱交換して第１の燃料ガスを加熱することとなり、第１燃料ガスを効率良く加熱することができ、また、排燃料ガスの温度を低下させることで、この排燃料ガスと第１の燃料ガスの温度差を極力減少することができる。
本発明の発電システムでは、前記加熱装置は、排空気供給ラインを流れる排空気と熱交換媒体との間で熱交換を行う第１熱交換器と、前記第１熱交換器で熱交換した熱交換媒体と前記第１燃料ガス供給ラインを流れる第１の燃料ガスとの間で熱交換を行う第２熱交換器とを有することを特徴としている。
従って、第１燃料ガスは、排空気により加熱された熱交換媒体から熱をもらって加熱されることとなり、燃料ガス同士の熱交換を防止して安全性を確保することができる。
本発明の発電システムでは、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスと前記加熱装置により加熱された第１の燃料ガスを混合する混合器が設けられることを特徴としている。
従って、排燃料ガスと加熱された第１の燃料ガスを混合器で混合してから燃焼器に供給することとなり、排燃料ガスと第１の燃料ガスの温度差が減少することで、両者を適正に混合することができ、燃焼器での燃焼効率を向上することができる。
本発明の発電システムによれば、第１燃料ガス供給ラインを通して燃焼器に供給する第１の燃料ガスを加熱する加熱装置を設けるので、排燃料ガスと第１の燃料ガスを効率良く燃焼することができ、最適な燃焼ガスを生成し、ガスタービン燃焼器での安定燃焼を確保して発電効率を向上することができる。
図１は、本発明の実施例１に係る発電システムにおける燃料ガス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燃料ガスの供給ラインを表す概略図である。 図４は、本発明の実施例３に係る発電システムにおける燃料ガス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（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段階で発電することができるため、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、本発明の実施例１に係る発電システムにおける燃料ガス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燃焼ガスＧ１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（酸化性ガス）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。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）、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）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ている。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が圧縮空気Ａ２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における圧縮空気Ａ２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。ＳＯＦＣ１３は、空気極で用いられた圧縮空気Ａ３（排空気）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圧縮空気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、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の下流側に設けられている。
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。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。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、排ガスライン５３から供給される高温の排ガスＧ２と給水ライン５５から供給される水との間で熱交換を行うことで、蒸気Ｓを生成する。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Ｇ２は、有害物質を除去されてから大気へ放出される。
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。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。
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が燃焼ガスＧ１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を起動させるために、圧縮機２１から圧縮空気Ａ２を供給してＳＯＦＣ１３の加圧を開始すると共に加熱を開始する。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の空気極側は、圧縮空気Ａ２が供給されることで圧力が上昇する。
一方、ＳＯＦＣ１３の燃料極側では、燃料ガスＬ２を供給して加圧を開始する。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の燃料極側は、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を駆動する。それと同時に制御弁３７を開放してＳＯＦＣ１３からの圧縮空気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の加圧が完了する。
その後、ＳＯＦＣ１３の反応（発電）が安定し、圧縮空気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からの圧縮空気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。
ところで、ガスタービン１１にて、燃焼器２２は、ＳＯＦＣ１３から排出された排燃料ガスＬ３と別途供給された燃料ガスＬ１との混合ガスを燃焼し、燃焼ガスを生成してタービン２３に送っている。この場合、ＳＯＦＣ１３から排出された排燃料ガスＬ３は約４００℃であり、燃料ガスＬ１は常温（例えば、約１５℃）であることから、両者の間には大きな温度差がある。そのため、燃焼器２２内で高温の排燃料ガスＬ３と低温の燃料ガスＬ１を十分に混合することが困難となる。
そこで、実施例１の発電システム１０では、図１に示すように、第１燃料ガス供給ライン２７を通して燃焼器２２に供給する燃料ガス（第１の燃料ガス）Ｌ１を加熱する加熱装置として熱交換器６１を設けている。この熱交換器６１は、排空気供給ライン３６を流れる排空気Ａ３と第１燃料ガス供給ライン２７を流れる燃料ガスＬ１との間で熱交換を行うものである。
詳細に説明すると、燃焼器２２は、圧縮機２１により圧縮された圧縮空気Ａ１が第１空気供給ライン２６から供給されると共に、ＳＯＦＣ１３から排気された圧縮空気Ａ３が圧縮空気循環ライン３６から熱交換器６１を介して供給される。この圧縮空気Ａ３は約６００℃の高温になるため、熱交換器６１は、高温の圧縮空気Ａ３と常温の燃料ガスＬ１との間で熱交換を行い、加熱した燃料ガスＬ１を燃焼器２２に供給する。
そのため、燃料ガスＬ１は、圧縮空気Ａ３により加熱されることで排燃料ガスＬ３に近い温度となり、燃料ガスＬ１と排燃料ガスＬ３は、燃焼器２２で適正に混合される。また、圧縮空気Ａ３は、燃料ガスＬ１を加熱することで温度が低下し、圧縮空気Ａ１と圧縮空気Ａ３は、燃焼器２２で適正に混合される。その結果、燃焼器２２は、燃料ガスＬ１、排燃料ガスＬ３、圧縮空気Ａ１、圧縮空気Ａ３を効率良く混合して燃焼することができる。
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を有するガスタービン１１と、ＳＯＦＣ１３と、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気Ａ１を燃焼器２２に供給する第１圧縮空気供給ライン２６と、圧縮機２２で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２をＳＯＦＣ１３に供給する第２圧縮空気供給ライン３１と、ＳＯＦＣ１３から排出される排空気Ａ３を燃焼器２２に供給する排空気供給ライン３６と、燃料ガスＬ１を燃焼器２２に供給する第１燃料ガス供給ライン２７と、燃料ガスＬ２をＳＯＦＣ１３に供給する第２燃料ガス供給ライン４１と、ＳＯＦＣ１３から排出される排燃料ガスＬ３を燃焼器２２に供給する排燃料ガス供給ライン４５と、第１燃料ガス供給ライン２７を通して燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１を加熱する加熱装置としての熱交換器６１を設けている。
従って、燃料ガスＬ１は、第１燃料ガス供給ライン２７を通るときに熱交換器６１により加熱されることから、排燃料ガスＬ３と燃料ガスＬ１の温度差が減少することとなり、燃焼器２２周辺の配管の熱伸び対策が不要となる。また、燃焼器２２は、温度が近似した燃料ガスＬ１と排燃料ガスＬ３が供給されるため、燃料ガスＬ１と排燃料ガスＬ３を混合し燃焼して燃焼ガスＧ１を生成でき、燃焼器２２での安定燃焼を確保することができる。
この場合、燃料ガスＬ１を熱交換器６１により加熱することで、熱を効率的に使用することとなり、別の燃焼器などを不要として高コスト化を抑制することができる。
実施例１の発電システムでは、熱交換器６１は、排空気供給ライン３６を流れる圧縮空気Ａ３と第１燃料ガス供給ライン２７を流れる燃料ガスＬ１との間で熱交換を行う。従って、圧縮空気Ａ３により燃料ガスＬ１を加熱することとなり、燃料ガス１１を効率良く加熱することができる。また、高温の圧縮空気Ａ３の温度を低下させることができ、この排空気供給ライン３６に使用する配管などの供給設備の材料を特別な材料にする必要がなくなり、構造を簡素化して製造コストを低減することができる。更に、燃焼器２２における入口部分の燃料温度が高くなり、燃焼効率を向上してガスタービン１１の性能を向上することができる。
上述した実施例１において、熱交換器６１は、圧縮空気Ａ３と燃料ガスＬ１との間で熱交換を行う説明をしたが、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスＬ３と燃料ガスＬ１との間で熱交換を行う構成であってもよい。
図３は、本発明の実施例２に係る発電システムにおける燃料ガスの供給ラインを表す概略図である。なお、上述した実施例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の発電システムでは、図３に示すように、実施例１と同様に、第１燃料ガス供給ライン２７を通して燃焼器２２に供給する燃料ガス（第１の燃料ガス）Ｌ１を加熱する加熱装置として熱交換器６１を設けている。この熱交換器６１は、排空気供給ライン３６を流れる圧縮空気Ａ３と第１燃料ガス供給ライン２７を流れる燃料ガスＬ１との間で熱交換を行うものである。また、実施例２の発電システムでは、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスＬ３と熱交換器６１により加熱された燃料ガスＬ１を混合する混合器６２を設けている。
詳細に説明すると、燃焼器２２は、圧縮機２１により圧縮された圧縮空気Ａ１が第１空気供給ライン２６から供給されると共に、ＳＯＦＣ１３から排気された圧縮空気Ａ３が圧縮空気循環ライン３６から熱交換器６１を介して供給される。この圧縮空気Ａ３は約６００℃の高温になるため、熱交換器６１は、高温の圧縮空気Ａ３と常温の燃料ガスＬ１との間で熱交換を行い、加熱した燃料ガスＬ１を混合器６２に供給する。そして、混合器６２は、加熱された燃料ガスＬ１と排燃料ガス供給ライン４５からの排燃料ガスＬ３を混合した後、混合燃料ガスを混合燃料ガス供給ライン６３から燃焼器２２に供給する。
そのため、燃料ガスＬ１は、圧縮空気Ａ３により加熱されることで排燃料ガスＬ３に近い温度となり、燃料ガスＬ１と排燃料ガスＬ３は、混合器６２により適正に混合されてから燃焼器２２に供給される。また、圧縮空気Ａ３は、燃料ガスＬ１を加熱することで温度が低下し、圧縮空気Ａ１と圧縮空気Ａ３は、燃焼器２２で適正に混合される。その結果、燃焼器２２は、燃料ガスＬ１、排燃料ガスＬ３、圧縮空気Ａ１、圧縮空気Ａ３を効率良く混合して燃焼することができる。
このように実施例２の発電システムにあっては、第１燃料ガス供給ライン２７を通して燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１を加熱する加熱装置として熱交換器６１を設けると共に、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスＬ３と熱交換器６１により加熱された燃料ガスＬ１を混合する混合器６２を設けている。
従って、燃料ガスＬ１は、第１燃料ガス供給ライン２７を通るときに熱交換器６１により加熱されることから、排燃料ガスＬ３と第１燃料ガスＬ１の温度差が減少することとなり、温度が近似した燃料ガスＬ１と排燃料ガスＬ３が混合器６２に供給される。このため、混合器６２の熱伸び対策や混合器６２周辺の配管の熱伸び対策が不要となる。混合器６２では、加熱された燃料ガスＬ１と高温の排燃料ガスＬ３を混合してから燃焼器２２に供給することとなり、排燃料ガスＬ３と燃料ガスＬ１の温度差が減少することで、両者を適正に混合することができる。燃焼器２２では、燃料ガスＬ１と排燃料ガスＬ３の混合燃料ガスを燃焼して燃焼ガスＧ１を生成でき、燃焼器２２での安定燃焼を確保して燃焼効率を向上することができる。また、高温の圧縮空気Ａ３の温度を低下させることができ、この排空気供給ラインに使用する配管などの供給設備の材料を特別な材料にする必要がなくなり、構造を簡素化して製造コストを低減することができる。更に、燃焼器２２における入口部分の燃料温度が高くなり、燃焼効率を向上してガスタービン１１の性能を向上することができる。
上述した実施例２において、熱交換器６１は、圧縮空気Ａ３と燃料ガスＬ１との間で熱交換を行う説明をしたが、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスＬ３と燃料ガスＬ１との間で熱交換を行う構成であってもよい。
図４は、本発明の実施例３に係る発電システムにおける燃料ガスの供給ラインを表す概略図である。なお、上述した実施例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３の発電システムでは、図４に示すように、第１燃料ガス供給ライン２７を通して燃焼器２２に供給する燃料ガス（第１の燃料ガス）Ｌ１を加熱する加熱装置として、排空気供給ライン３６を流れる圧縮空気Ａ３と第１燃料ガス供給ライン２７を流れる燃料ガスＬ１との間で熱交換を行う熱交換器を設けている。この熱交換器は、排空気供給ライン３６を流れる圧縮空気Ａ３と蒸気輸送ライン７１を流れる蒸気（熱交換媒体）との間で熱交換を行う第１熱交換器７２と、第１熱交換器７２で熱交換した蒸気と第１燃料ガス供給ライン２７を流れる燃料ガスＬ１との間で熱交換を行う第２熱交換器７３とを有している。なお、この熱交換媒体としての蒸気は、例えば、排熱回収ボイラ５１で生成された蒸気を用いればよい。
詳細に説明すると、燃焼器２２は、圧縮機２１により圧縮された圧縮空気Ａ１が第１空気供給ライン２６から供給される。ＳＯＦＣ１３から排気された圧縮空気Ａ３は約６００℃の高温であり、圧縮空気循環ライン３６から熱交換器７２に供給される。また、ＳＯＦＣ１３から排気された排燃料ガスＬ３は約４００℃であり、排燃料ガス供給ライン４５から燃焼器２２に供給される。第１熱交換器７２は、排空気供給ライン３６を流れる圧縮空気Ａ３と蒸気輸送ライン７１を流れる蒸気との間で熱交換を行うことで、蒸気を加熱する。続いて、第２熱交換器７３は、加熱された蒸気と第１燃料ガス供給ライン２７を流れる燃料ガスＬ１との間で熱交換を行うことで、燃料ガスＬ１を加熱する。そして、加熱して温度低下した圧縮空気Ａ３が燃焼器２２に供給されると共に、加熱されて温度上昇した燃料ガスＬ１が燃焼器２２に供給される。
このようにして、燃料ガスＬ１は、蒸気を介して圧縮空気Ａ３により加熱されることで温度が上昇する。そのため、燃料ガスＬ１と排燃料ガスＬ３は温度が近似して燃焼器２２で適正に混合される。その結果、燃焼器２２は、燃料ガスＬ１、排燃料ガスＬ３、圧縮空気Ａ１、圧縮空気Ａ３を効率良く混合して燃焼することができる。
このように実施例３の発電システムにあっては、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスＬ３と第１燃料ガス供給ライン２７を流れる燃料ガスＬ１との間で熱交換を行う第１熱交換器７２及び第２熱交換器７３を設けている。
従って、燃料ガスＬ１は、第１燃料ガス供給ライン２７を通るときに第２熱交換器７３により加熱されることから、排燃料ガスＬ３と第１燃料ガスＬ１の温度差が減少することとなり、燃焼器２２周辺の配管の熱伸び対策が不要となる。また、燃焼器２２は、温度が近似した燃料ガスＬ１と排燃料ガスＬ３が供給されるため、燃料ガスＬ１と排燃料ガスＬ３を同時に効率良く燃焼して燃焼ガスＧ１を生成でき、燃焼器２２での安定燃焼を確保することができる。
この場合、圧縮空気Ａ３により燃料ガスＬ１を加熱することで、燃料ガスＬ１を効率良く加熱することができ、排燃料ガスＬ３と燃料ガスＬ１の温度差を極力減少することができる。また、熱交換により圧縮空気Ａ３の温度が低下することで、排空気供給ライン３６に使用する配管などの供給設備の材料を特別な材料にする必要がなくなり、構造を簡素化して製造コストを低減することができる。更に、燃焼器２２における入口部分の燃料温度が高くなり、燃焼効率を向上してガスタービン１１の性能を向上することができる。
実施例３の発電システムでは、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスＬ３と蒸気との間で熱交換を行う第１熱交換器７２と、第１熱交換器７２で熱交換した蒸気と第１燃料ガス供給ライン２７を流れる燃料ガスＬ１との間で熱交換を行う第２熱交換器７３を設けている。従って、燃料ガスＬ１は、排燃料ガスＬ３により加熱された蒸気から熱をもらって加熱されることとなり、燃料ガスＬ１，Ｌ３同士の熱交換を防止して安全性を確保することができる。
上述した実施例３において、熱交換器７２は、圧縮空気Ａ３と蒸気との間で熱交換を行う説明をしたが、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスＬ３と蒸気との間で熱交換を行う構成であってもよい。なお、この実施例３にて、実施例２と同様に、排燃料ガス供給ライン４５を流れる排燃料ガスＬ３と熱交換器６１により加熱された燃料ガスＬ１を混合する混合器を設けてもよい。
また、上述した実施例では、本発明の加熱装置を熱交換器としたが、燃焼器などの加熱装置を用いてもよい。
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（開閉弁）
３３ ブロワ
３４ 排空気ライン
３６ 圧縮空気循環ライン（排空気供給ライン）
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 熱交換器（加熱装置）
６２ 混合器
６３ 混合燃料ガス供給ライン
７１ 蒸気輸送ライン
７２ 第１熱交換器（加熱装置）
７３ 第２熱交換器（加熱装置）

Claims (6)

  1. 燃料電池と、
    圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、
    前記圧縮機から前記燃焼器に圧縮空気を供給する第１圧縮空気供給ラインと、
    前記圧縮機から前記燃料電池に圧縮空気を供給する第２圧縮空気供給ラインと、
    前記燃料電池から排出される排空気を前記燃焼器に供給する排空気供給ラインと、
    第１の燃料ガスを前記燃焼器に供給する第１燃料ガス供給ラインと、
    第２の燃料ガスを前記燃料電池に供給する第２燃料ガス供給ラインと、
    前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃焼器に供給する排燃料ガス供給ラインと、
    前記第１燃料ガス供給ラインを通して前記燃焼器に供給する第１の燃料ガスを加熱する加熱装置と、
    を有することを特徴とする発電システム。
  2. 前記加熱装置は、熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
  3. 前記熱交換器は、前記排空気供給ラインを流れる排空気と前記第１燃料ガス供給ラインを流れる第１の燃料ガスとの間で熱交換を行うことを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
  4. 前記熱交換器は、前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスと前記第１燃料ガス供給ラインを流れる第１の燃料ガスとの間で熱交換を行うことを特徴とする請求項２に記載の発電システム。
  5. 前記加熱装置は、排空気供給ラインを流れる排空気と熱交換媒体との間で熱交換を行う第１熱交換器と、前記第１熱交換器で熱交換した熱交換媒体と前記第１燃料ガス供給ラインを流れる第１の燃料ガスとの間で熱交換を行う第２熱交換器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。
  6. 前記排燃料ガス供給ラインを流れる排燃料ガスと前記加熱装置により加熱された第１の燃料ガスを混合する混合器が設けられることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の発電システム。
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