JP2014163283A - コンバインド発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池とガスタービンを備えるコンバインド発電システムにおいて、ガスタービンの燃焼器にカーボンが堆積するのを防止する。
【解決手段】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、空気圧縮機４、燃焼器５、及びタービン６を含むガスタービン３と、燃料電池２から排出される排燃料ガスＦ２をガスタービンの燃焼器に導く排燃料ライン３２０と、排燃料ラインに追加ガスＡを供給する追加ガス供給手段２２と、を備えるコンバインド発電システム１を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンバインド発電システムに係り、特に燃料電池とガスタービンを備えるコンバインド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。ガスタービンの燃焼器は、燃料電池の排燃料ガスが供給されることを想定した設計となっている。

一方、ガスタービンの圧縮機で昇圧された空気（酸化剤）は燃料電池に供給され、そこで加熱された空気が燃焼空気としてガスタービン燃焼器に送られる。ガスタービンでは高温加圧空気の顕熱・圧力が電力に変換され、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

しかしながら、上述したように、ガスタービンの燃焼器は燃料電池の排燃料ガスが供給されることを想定した設計となっているため、燃料電池からの排燃料ガスが供給されない状態では、ガスタービンの燃焼器にカーボンが堆積する問題がある。即ち、燃焼器の燃料ノズルや燃料配管の内部にカーボンが堆積して燃料の噴出を妨げるおそれがある。

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コンバインド発電システムにおいて、ガスタービンの燃焼器にカーボンが堆積するのを防止できるコンバインド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、本発明のコンバインド発電システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行う燃料電池と、空気圧縮機、燃焼器、及びタービンを含むガスタービンと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記ガスタービンの前記燃焼器に導く排燃料ラインと、前記排燃料ラインに追加ガスを供給する追加ガス供給手段と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、燃料電池から排出される排燃料ガスが、ガスタービンの燃焼器に投入されない状態でも、追加ガス供給手段より供給される追加ガスが燃焼器に流入するため、燃焼器カーボンが堆積するのを防止することができる。

上記コンバインド発電システムにおいて、前記追加ガス供給手段により前記排燃料ラインに前記追加ガスの供給を実行させる制御手段を備えていることが好ましい。

上記コンバインド発電システムにおいて、前記制御手段は、前記排燃料ラインから前記燃焼器に送られる前記排燃料ガスの流量が予め定められた流量以下になると、前記追加ガス供給手段による前記排燃料ラインへの前記追加ガスの供給を実行させることが好ましい。

上記コンバインド発電システムにおいて、前記排燃料ラインの途中から分岐している分岐排燃料ラインと、前記分岐排燃料ラインと前記燃焼器のうち一方に排燃料ガスを送る切替器と、前記排燃料ガスの流量を調整する流量調整手段と、を備え、前記追加ガスは、前記排燃料ライン上であって、前記切替器と前記流量調整手段との間に供給されることが好ましい。

上記構成によれば、定常運転への切り替え時や、コンバインド発電システムが低負荷で運転されている場合など、燃焼器に供給される排燃料ガスの流量が少ない場合においても、追加ガスを添加することによって、流量調整手段の制御性を向上させることができる。

上記コンバインド発電システムにおいて、追加ガス供給手段は、前記追加ガスとして不活性ガスを用いることが好ましい。

上記構成によれば、不活性ガスは常温では化学的に酸素などの他のガスと化合することがないため、これらのガスを確実に燃焼器内から追い出すことができる。

上記コンバインド発電システムにおいて、前記追加ガス供給手段は、前記追加ガスとして蒸気を用いる構成としてもよい。

上記構成によれば、コンバインド発電システムが蒸気の供給系統を有する場合においては、不活性ガスを不用とすることができる。あるいは、別途不活性ガスを供給する場合においては、不活性ガスの保有量を小さくすることができる。

上記コンバインド発電システムにおいて、前記追加ガス供給手段は、前記追加ガスとして前記ガスタービンの空気圧縮機から吐出される酸化剤ガスを用いる構成としてもよい。

上記構成によれば、不活性ガスを不用とすることができる。あるいは、別途不活性ガスを供給する場合においては、不活性ガスの保有量を小さくすることができる。また、コンバインド発電システムが蒸気の供給系統を有していない場合においても、不活性ガスを不用とすることができる。

上記コンバインド発電システムにおいて、前記追加ガス供給手段は、前記追加ガスとして不活性ガス又は蒸気のうち一方と、前記ガスタービンの空気圧縮機から吐出される空気とを用いる構成としてもよい。

上記構成によれば、ガスタービンの空気圧縮機から吐出される空気に起因する燃料電池の排燃料ガスが、ガスタービンの燃焼器に投入されない状態では、酸化剤ガスが燃焼器の上流側より投入されることによって、燃焼器内にカーボンが堆積することが防止される。また、不活性ガス又は蒸気を混合させることによって、酸化剤ガスが単独で添加される場合と比較して、逆火などの危険性を低減させることができる。

本発明によれば、燃料電池から排出される排燃料ガスが、ガスタービンの燃焼器に投入されない状態でも、追加ガス供給手段より供給される追加ガスが燃焼器に流入するため、燃焼器５カーボンが堆積するのを防止することができる。

本発明の第一実施形態に係るコンバインド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コンバインド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コンバインド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、本実施形態のコンバインド発電システム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。

燃焼器５は、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ガスタービン排ガスダクト９が設けられている。ガスタービン排ガスダクト９は、排ガスを外部に導く配管である。

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る。
カートリッジ２０１には、ガスタービン３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。

さらに、コンバインド発電システム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を、ガスタービン３の燃焼器５に供給する排酸化剤ガス配管３４０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）を燃焼器５に供給する排燃料配管３２０（排燃料ライン）とが設けられている。排燃料配管３２０には、排燃料配管３２０を流れる排燃料ガスＦ２を加圧するブロア１４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。

酸化剤ガス配管３３０は、ガスタービン３の空気圧縮機４において圧縮された酸化剤ガスをカートリッジ２０１に導く配管である。
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。

排燃料配管３２０には、カートリッジ２０１から燃焼器５に向かって順に、燃料再循環配管３２５との接続部、ブロア１４、切替バルブ１６（切替器）、後述する追加ガス供給配管２４との接続部、排燃料流量調整弁２６（流量調整手段）が設けられている。切替バルブ１６からは、ベント配管１７（分岐排燃料ライン）が分岐している。なお、燃料再循環配管３２５の接続部をブロア１４の吐出側とし、ブロア１５を排除してもよい。ベント配管１７は、排燃料配管３２０を流れる排燃料ガスＦ２の少なくとも一部を外部に放出する配管である。切替バルブ１６は、排燃料配管３２０を流れる排燃料ガスＦ２を燃焼器５とベント配管１７のうち一方に送る弁であって、ベント配管１７から外部に放出される排燃料ガスＦ２の流量又は圧力を制御する調整弁である。

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。酸化剤ガス配管３３０上であって、空気分岐配管１８との接続部の下流側には、酸化剤調整弁３０が設けられている。空気分岐配管１８には、酸化剤分岐調整弁３１が設けられている。
また、燃料配管３１０からは、燃料ガスＦ１を燃焼器５に直接導入する燃料分岐配管１９が設けられている。燃料配管３１０上であって、燃料分岐配管１９との接続部の下流側には、燃料調整弁３２が設けられている。燃料分岐配管１９上には、燃料分岐調整弁３３が設けられている。

そして、本実施形態のコンバインド発電システム１においては、排燃料配管３２０上であって、切替バルブ１６と排燃料流量調整弁２６との間に、追加ガスＡを導入するための追加ガス供給装置２２（（追加ガス供給手段））が設けられている。具体的には、追加ガス供給装置２２は、追加ガス供給部２３と、排燃料配管３２０の切替バルブ１６と排燃料流量調整弁２６との間に接続された追加ガス供給配管２４と、追加ガス供給配管２４を流れる追加ガスＡの流量を調整する追加ガス流量調整弁２５と、追加ガス流量調整弁２５を制御する制御装置２７（制御手段）が設けられている。
制御装置２７は、追加ガス供給装置２２の追加ガス流量調整弁２５を制御することにより、排燃料配管３２０に追加ガスの供給を実行させる装置である。
追加ガスＡは、例えば窒素（Ｎ２）ガスなどの不活性ガス（パージガス）である。

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５ＭＰa、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。また、この圧力容器１０は、耐圧性と共に、酸化剤ガスＯ１中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性も要求される場合はため、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス系材で形成してもよい。

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も作用する。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１１６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を排空気配管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、排空気配管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コンバインド発電システム１の動作について説明する。
まず、起動時におけるコンバインド発電システム１の動作について説明する。
まず、コンバインド発電システム１の起動時には、燃料電池モジュール２の起動に先立ち、ガスタービン３が起動される。即ち、図示しない起動装置によりタービン６及び圧縮機４が回転駆動されて、圧縮機４から圧縮空気が燃焼器５に送られ始めると、燃料供給が開始される。
ここで、ガスタービン３は、燃料供給部２０から燃料分岐配管１９を介して供給される燃料ガスＦ１、及び空気供給部２１から供給される酸化剤ガスＯ１によって作動する。また、空気圧縮機４を経由した全ての酸化剤ガスＯ１が、空気分岐配管１８を介して燃焼器５へ供給される。これら燃料ガスＦ１及び酸化剤ガスＯ１の供給量は、酸化剤調整弁３０、酸化剤分岐調整弁３１、燃料調整弁３２、及び燃料分岐調整弁３３によって調整される。

また、追加ガス供給部２３から追加ガス供給配管２４を介して追加ガスＡが添加される。追加ガスＡの流量は、追加ガス流量調整弁２５によって適宜調整される。この状態においては、燃料電池モジュール２は起動していないか、起動中であるため、切替バルブ１６は、排燃料配管３２０を流れる流体をベント配管１７に導入している。切替バルブ１６の下流側の排燃料配管３２０には排燃料ガスＦ２は導入されていない。

次に、ガスタービン３起動後の燃料電池モジュール２の起動について説明する。
まず、空気分岐配管１８に流入される酸化剤ガスＯ１の量を少しずつ減少させるとともに、燃料電池モジュール２に供給される酸化剤ガスＯ１を徐々に増加させる。これに合わせて、燃料供給部２０より供給される燃料ガスＦ１の量を少しずつ増加させ、増加分を燃料電池モジュール２に向けて送出させる。

このように、燃料電池モジュール２の起動は、燃料ガスＦ１及び酸化剤ガスＯ１を徐々に増加させて行う。そして燃料電池モジュール２の温度が室温から上昇し、作動温度までに上昇すると、燃料電池モジュール２の定常運転が開始される。すると、切替バルブ１６が切り替えられ、排燃料ガスＦ２が燃焼器５に導入される。
定常運転への切り替え後、追加ガス供給部２３より供給される追加ガスＡは、排燃料ガスＦ２の流量に応じて徐々に低減され、最終的には追加ガスＡの添加は停止される。

次に、定常運転されている場合の発電方法について説明する。
コンバインド発電システム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は空気供給部２１より酸化剤ガスＯ１を吸入して圧縮する。圧縮された酸化剤ガスＯ１は空気圧縮機４から酸化剤ガス配管３３０を介して燃料電池モジュール２のカートリッジ２０１に流入する。

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を介して燃焼器５に導入される。

一方、排燃料ガスＦ２は、排燃料配管３２０を介して燃焼器５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を介して燃料供給配管３０１に流入する。

燃焼器５では、排燃料ガスＦ２が燃焼され、高温の排気ガスが生成される。高温の排気ガスは、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によって回転駆動力を発生させ、ロータ７の一端に設けられたタービン６の駆動力がロータ７の他端に設けられた圧縮機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。
このように、コンバインド発電システム１では、燃料電池モジュール２とガスタービン３とで発電が行われる。

また、コンバインド発電システム１が低負荷で運転され、排燃料ガスＦ２の流量が少なくなる場合においても、追加ガスＡが添加される。追加ガスＡの流量は、排燃料ガスＦ２の流量に応じて追加ガスＡの流量が調整されて排燃料配管３２０に添加される。即ち、排燃料ガスＦ２の流量が少ない場合には追加ガスＡの流量を増加させ、排燃料ガスＦ２の流量が多くなるにしたがって、追加ガスＡの流量を減少させる。

上記実施形態によれば、燃料電池モジュール２の排燃料ガスＦ２が、ガスタービン３の燃焼器５に投入されない状態でも、追加ガス供給部２３より供給される追加ガスＡが燃焼器５に流入するため、燃焼器５にカーボンが堆積するのを防止することができる。

また、定常運転への切り替え時や、コンバインド発電システム１が低負荷で運転されている場合など、燃焼器５に供給される排燃料ガスＦ２の流量が少ない場合においても、追加ガスＡを添加することによって、排燃料流量調整弁２６の制御性を向上させることができる。

なお、上記実施形態においては、追加ガスＡを窒素ガスとしたが、窒素ガスの代替として水蒸気を採用することも可能である。即ち、追加ガス供給部２３において水蒸気が生成され、追加ガス供給配管２４を介して、排燃料配管３２０に水蒸気が供給される。
このような形態とすることによって、コンバインド発電システム１が蒸気の供給系統を有する場合においては、窒素ガスの供給部を不用とすることができる。あるいは、別途窒素ガスを供給する場合においては、窒素ガスの保有量を小さくすることができる。

（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態に係るコンバインド発電システム１Ｂ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、本実施形態のコンバインド発電システム１Ｂは、追加ガス供給装置２２を酸化剤ガス配管３３０から分岐された分岐酸化剤配管３５と、分岐酸化剤配管３５上に設けられた酸化剤流量調整弁３６としたシステムである。酸化剤流量調整弁３６は、分岐酸化剤配管３５から供給される酸化剤ガスＯ１の流量を調整する弁である。

分岐酸化剤配管３５は、ガスタービン３から吐出される酸化剤ガスＯ１の一部を排燃料配管３２０に添加するように構成されている。即ち、分岐酸化剤配管３５は、酸化剤ガス配管３３０と、排燃料配管３２０上であって、切替バルブ１６と排燃料流量調整弁２６との間に接続されている。

上記実施形態によれば、窒素ガスの供給部を不用とすることができる。あるいは、別途窒素ガスを供給する場合においては、窒素ガスの保有量を小さくすることができる。

（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、本実施形態のコンバインド発電システム１Ｃは、第一実施形態のコンバインド発電システム１に加えて、酸化剤ガス配管３３０から分岐された分岐酸化剤配管３５Ｃと、分岐酸化剤配管３５Ｃ上に設けられた酸化剤流量調整弁３６Ｃを加えたシステムである。分岐酸化剤配管３５Ｃは、第二実施形態の分岐酸化剤配管３５とは異なり、排燃料配管３２０上であって排燃料流量調整弁２６と燃焼器５との間に供給されている。即ち、第三実施形態の追加ガスＡは、不活性ガスと、ガスタービンの空気圧縮機から吐出される空気である。

分岐酸化剤配管３５Ｃは、ガスタービン３から吐出される酸化剤ガスＯ１の一部を排燃料配管３２０に添加するように構成されている。即ち、分岐酸化剤配管３５Ｃは、酸化剤ガス配管３３０と、排燃料配管３２０上であって、排燃料流量調整弁２６燃焼器５との間に接続されている。また、分岐酸化剤配管３５Ｃ上には、分岐酸化剤配管３５Ｃから供給される酸化剤ガスＯ１の流量を調整する酸化剤流量調整弁３６Ｃが設けられている。

次に、上記実施形態のコンバインド発電システム１Ｃによる追加ガスＡの供給方法について説明する。
まず、燃料電池モジュール２の排燃料ガスＦ２が、ガスタービン３の燃焼器５に投入されない状態では、酸化剤ガスＯ１が燃焼器５の上流側より投入される。

定常運転への切替バルブ１６の切り替え時においては、酸化剤ガスＯ１に加えて不活性ガスを適量導入するように、追加ガス流量調整弁２５を調整する。

上記実施形態によれば、燃料電池モジュール２の排燃料ガスＦ２が、ガスタービン３の燃焼器５に投入されない状態では、酸化剤ガスＯ１が燃焼器５の上流側より投入されることによって、燃焼器５内にカーボンが堆積することが防止される。

定常運転への切替バルブ１６の切り替え時においては、排燃料流量調整弁２６の上流側より不活性ガスが投入されることによって、排燃料流量調整弁２６の制御性を向上させることができる。
また、定常運転への切替バルブ１６の切り替え時においては、不活性ガスと酸化剤ガスとの混合気になるので、酸化剤ガスが単独で添加される場合と比較して、逆火などの危険性を低減させることができる。

なお、上記実施形態においては、酸化剤ガスＯ１を排燃料流量調整弁２６と燃焼器５との間の排燃料配管３２０に導入する構成としたが、酸化剤ガスＯ１は、追加ガスＡと同様に切替バルブ１６と排燃料流量調整弁２６の間に導入する構成としてもよい。

１，１Ｂ，１Ｃ コンバインド発電システム
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
１６ 切替バルブ
１７ 分岐排燃料配管（分岐排燃料ライン）
２２ 追加ガス供給装置（追加ガス供給手段）
２６ 排燃料流量調整弁（流量調整手段）
２７ 制御装置（制御手段）
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）
Ａ 追加ガス
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 (8)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとで発電を行う燃料電池と、
   空気圧縮機、燃焼器、及びタービンを含むガスタービンと、
   前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記ガスタービンの前記燃焼器に導く排燃料ラインと、
   前記排燃料ラインに追加ガスを供給する追加ガス供給手段と、を備えることを特徴とするコンバインド発電システム。
2. 前記追加ガス供給手段により前記排燃料ラインに前記追加ガスの供給を実行させる制御手段を備えている請求項１に記載のコンバインド発電システム。
3. 前記制御手段は、前記排燃料ラインから前記燃焼器に送られる前記排燃料ガスの流量が予め定められた流量以下になると、前記追加ガス供給手段による前記排燃料ラインへの前記追加ガスの供給を実行させることを特徴とする請求項２に記載のコンバインド発電システム。
4. 前記排燃料ラインの途中から分岐している分岐排燃料ラインと、
   前記分岐排燃料ラインと前記燃焼器のうち一方に排燃料ガスを送る切替器と、
   前記排燃料ガスの流量を調整する流量調整手段と、を備え、
   前記追加ガスは、前記排燃料ライン上であって、前記切替器と前記流量調整手段との間に供給されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のコンバインド発電システム。
5. 前記追加ガス供給手段は、前記追加ガスとして不活性ガスを用い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コンバインド発電システム。
6. 前記追加ガス供給手段は、前記追加ガスとして蒸気を用いることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のコンバインド発電システム。
7. 前記追加ガス供給手段は、前記追加ガスとして前記ガスタービンの空気圧縮機から吐出される酸化剤ガスを用いることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のコンバインド発電システム。
8. 前記追加ガス供給手段は、前記追加ガスとして不活性ガス又は蒸気のうち一方と、前記ガスタービンの空気圧縮機から吐出される空気とを用いることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のコンバインド発電システム。

Images