JP2014207719A - 複合発電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】液化天然ガス等の液化燃料ガスを原燃料とする高温型燃料電池とスターリング機関とを組み合わせた複合発電システムにおいて、構成機器の性能に何ら影響を与えることなく総合熱効率をさらに向上することを目的とする。
【解決手段】燃料電池装置２とスターリング機関８とを組み合わせた複合発電システム１において、燃料電池２０またはその改質器２１へ供給される液化燃料ガスを冷熱源とし、スターリング機関８のシリンダ９の低温空間９ｂの作動ガスと熱交換する低温側熱交換器１１を備える。この低温側熱交換器１１では、スターリング機関８のシリンダ９の低温空間９ｂの作動ガスが冷却され、液化燃料ガスが気化される。
【選択図】図１

Description

本発明は、液化燃料ガスを原燃料とする高温型燃料電池とスターリング機関とを含む複合発電システムに関する。
近年の環境に対する関心の高まりのなか、次世代発電装置として燃料電池が注目されている。燃料電池は、一般に、カソード（空気極）、アノード（燃料極）および電解質を備えており、水素などの燃料と酸素の反応を利用して電気を作る装置である。燃料電池では、カソードで電子を受け取った酸素原子が導電イオンとなって電解質へ運ばれて電解質材料と交換反応しながらアノードに到達し、ここで水素と結びつき電子を放出する。燃料電池装置は使用する電解質の種類に応じて数種類に分類されるが、その中でも、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）やＭＣＦＣ（溶融炭酸塩形燃料電池）といった高温型燃料電池は、高温動作が可能なことから高出力密度および高い発電効率が期待できること、高温排熱を改質反応やガスタービンの駆動に有効に使えることから高い発電効率のコージェネレーションシステムやコンバインドサイクル発電システムの構築が可能であることなどの利点があり、特に注目されている。
ＭＣＦＣは、炭素塩（炭酸リチウム、炭酸カリウム）を電解質とし、水素や天然ガスなどを燃料とし、６５０−７００℃の運転温度（＝セル温度）で動作する高温型燃料電池である。また、ＳＯＦＣは、固体酸化物を電解質とし、水素や天然ガスなどを燃料とし、７５０−１０００℃の運転温度で動作する高温型燃料電池である。これらの高温型燃料電池は、電池反応が容易に進行することから、貴金属を使った触媒電極が不要になるとともに、内部改質が可能なことから、水素以外にも、天然ガスや石炭ガスなども燃料とすることが可能である。
昨今の石油価格の高騰により天然ガスの需要が世界的に増大しており、産業用・舶用といった分野へ向けて、高温型燃料電池の燃料として液化天然ガス（ＬＮＧ）の利用が考えられている。液化天然ガスを燃料電池の燃料として使用する場合、−１６０℃以下の低温で貯蔵されている液化天然ガスを気化器で気化し、改質器で天然ガスから水素と一酸化炭素をつくり、これらを燃料電池本体へ供給する。なお、気化器は、通常は空気加温式蒸発器であって、低温の液化天然ガスを空気熱源として気化する蒸発器である。
ところで、燃料電池の発電効率を向上させる目的で、燃料電池を他の発電装置と組み合わせた複合発電システムが知られている。例えば、ＳＯＦＣとガスタービン機関と組み合わせたコンバインドサイクル発電システム（特許文献１、参照）や、ＳＯＦＣとスターリング機関とを組み合わせた複合発電システム（特許文献２、参照）などが知られている。スターリング機関とは、一般に、シリンダとピストンとを備え、外部からの加熱・冷却によってシリンダ内の気体の圧力を変化させてピストンを動作させ、動力を得る仕組みの外燃機関である。スターリング機関は、構造が単純であるため装置が小型化可能である点、高速回転体を備えず且つ燃焼を伴わないので安全性が高い点、爆発燃焼や流体の振動がないので静粛性が高い点などで優れており、航空機や船舶等に搭載される補助的動力源として研究が進められている。
特開２００１−７６７５０号公報 特開２０１０−１７４６８６号公報
特許文献２では、ＳＯＦＣとスターリング機関とを組み合わせた複合発電システムにおいて、スターリング機関のシリンダの高温側（膨張空間側）を燃料電池モジュールの発電室内に配置することが開示されている。かかる構成によれば、スターリング機関のシリンダの高温側が６００−１０００℃の運転温度で発電する固体酸化物形燃料電池セルとともに発電室内に配置されることで、スターリング機関のシリンダ内の作動ガスは燃料電池セルとともに昇温する。しかし、スターリング機関の作動ガスを加熱するためにヒータ等の加熱手段を別途設ける必要はないものの、スターリング機関のシリンダの高温側の配置が上記のように限定される故に、燃料電池モジュールの収容容器が巨大化したり、燃料電池やスターリング機関の配置や形状に制約が生じたりするといった不都合が生じるおそれがある。
また、特許文献２では、スターリング機関のシリンダの低温側（圧縮空間側）を燃料電池モジュールの収容容器の外部に配置することや、シリンダの低温側の周囲に改質器の気化部へ水を供給するための配管を配置することが開示されている。しかしながら、スターリング機関は高温側と低温側の温度差が大きいほど熱力学的サイクル効率が上昇することから、改善の余地が残されている。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、液化天然ガス等の液化燃料ガスを原燃料とする高温型燃料電池とスターリング機関とを組み合わせた複合発電システムにおいて、高温型燃料電池の構成機器やその性能に何ら影響を与えることなく総合熱効率をさらに向上することによって、更なるシステムの高効率化を実現するものを提供することを目的とする。
本発明に係る複合発電システムは、高温型燃料電池と、液化燃料ガスを貯蔵する貯蔵タンクと、貯蔵タンクと高温型燃料電池とを接続し、前記液化燃料ガスが気化した燃料ガスを前記高温型燃料電池へ供給する燃料供給配管と、前記高温型燃料電池へ空気を供給する空気供給配管と、前記高温型燃料電池から排ガスを排出する燃料電池排気配管と、シリンダおよびピストンから成るスターリング機関と、前記燃料供給配管に設けられ、冷熱源である前記液化燃料ガスと前記シリンダの低温側の作動ガスとを熱交換させる低温側熱交換器とを備えているものである。
上記構成によれば、従来は外部へ放出されていた液化燃料ガスの冷熱をスターリング機関で電力や動力といったエネルギーとして回収することができる。しかも、高温型燃料電池を用いる発電システムの構成機器やその性能に何ら影響を与えることなく、スターリング機関を組み合わせて、システムの総合熱効率をさらに向上させることができる。このように発電システムの高効率化を実現することによって、所定量の電気を得るために必要な燃料を削減することができ、燃料コストと二酸化炭素排出量の低減を図ることができる。さらに、スターリング機関のシリンダの低温側の作動ガスが従来の空冷と比較して低い温度で冷却されることから、高温側の作動ガスと低温側の作動ガスの温度差が拡大するほど熱力学的サイクル効率が上昇するスターリング機関のメリットを最大限に活かし、スターリング機関の効率を高めることができる。
前記複合発電システムにおいて、前記低温側交換器は、前記液化燃料ガスと前記シリンダの低温側の作動ガスとを熱交換させることにより、前記液化燃料ガスを気化するように構成されていることがよい。
上記構成によれば、液化燃料ガスを気化させるために従来用いられていた気化器を備える必要がなく、発電システムの構成を単純化することができる。
前記複合発電システムにおいて、前記低温側熱交換器は、前記液化燃料ガスが流入する下部入口および前記液化燃料ガスが気化した燃料ガスが流出する上部出口を有するシェルと、前記シェル内の前記液化燃料ガスの液面レベルを検出する液面計と、前記液面計と接続された監視装置とを備え、前記監視装置は、前記シェル内の前記液化燃料ガスの液面レベルが前記上部出口よりも低い所定の上限レベル以下であるように前記液化燃料ガスの液面レベルを監視するように構成されていることがよい。
上記構成によれば、低温側熱交換器のシェルに流入した液化燃料ガスは必ず気化されて流出する。よって、液化燃料ガスを気化させるために従来用いられていた気化器を備える必要がなく、発電システムの構成を単純化することができる。
前記複合発電システムにおいて、前記燃料電池排気配管に設けられ、高熱源である前記高温型燃料電池からの排ガスと前記シリンダの高温側の作動ガスとを熱交換させる第１の高温側熱交換器を備えていることがよい。
上記構成によれば、液化天然ガスの冷熱および燃料電池排ガスの温熱という何れも外部へ放出されるだけの熱を、スターリング機関で電力や動力といったエネルギーとして回収するので、高温型燃料電池から温熱のみを回収する従来のシステムと比較してシステムの総合熱効率を向上させることができる。さらに、スターリング機関のシリンダの低温側の作動ガスは従来の空冷と比較して低い温度で冷却され、且つ、シリンダの高温側の作動ガスは燃料電池排ガスの高い熱で加熱されることから、高温側の作動ガスと低温側の作動ガスの温度差が拡大するほど熱力学的サイクル効率が上昇するスターリング機関のメリットを最大限に活かし、スターリング機関の効率を高めることができる。
前記複合発電システムは、前記空気供給配管へ圧縮した空気を供給する圧縮機と、前記燃料電池排気配管から送られる排気ガスで回転する前記タービンとを具備する、ガスタービン機関を備えることができる。この場合、前記タービンから排ガスを排出するタービン排気配管と、前記タービン排気配管に設けられ、高熱源である前記タービンからの排ガスと前記シリンダの高温側の作動ガスとを熱交換させる第２の高温側熱交換器とを備えていることが望ましい。
上記構成によれば、高温型燃料電池とガスタービンとを組み合わせたコンバインドサイクル発電に、さらにスターリング機関を加えて、より高効率にエネルギーを回収することができる。しかも、スターリング機関は、作動ガスに可燃性ガスを使用する必要がなく且つ燃焼を伴わない機関であり、加えて、スターリング機関では従来放出されていた冷熱と温熱とを利用することから、高温型燃料電池とガスタービンの性能に何ら影響を与えることなくシステムの総合熱効率をさらに向上させることができる。
本発明によれば、従来放出されていた液化天然ガスの冷熱をスターリング機関で電力や動力といったエネルギーとして回収することができる。このように高温型燃料電池とスターリング機関とを組み合わせることによって、高温型燃料電池の構成機器やその性能に何ら影響を与えることなく総合熱効率をさらに向上することができる。しかも、スターリング機関の低温側の作動ガスは、空冷と比較してより低温となるので、スターリング機関の高効率化を実現することができる。
本発明の実施の形態１に係る高温型燃料電池とスターリング機関とを組み合わせた複合発電システムの系統図である。 低温側熱交換器の概略斜視図である。 低温側熱交換器の概略断面図である。 本発明の実施の形態２に係る高温型燃料電池とスターリング機関とガスタービン機関とを組み合わせた複合発電システムの系統図である。
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら、詳細に説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。
〔実施の形態１〕
図１は、本発明の好ましい実施の形態１に係る高温型燃料電池とスターリング機関とを組み合わせた複合発電システムの系統図である。同図に示す実施の形態１に係る複合発電システム１は、燃料電池装置２とスターリング機関８とを組み合わせて発電を行うシステムである。
（燃料電池装置２）
燃料電池装置２は、主に、燃料電池２０（セルスタック）と、燃料電池２０へ燃料を供給する燃料供給系統１９と、燃料電池２０へ空気を供給する空気供給系統１８と、燃料電池２０から取り出した直流電流を交流電流に変換するためのインバータ２８とを備えている。燃料電池装置２は、低温で液化された状態で貯蔵されている燃料ガスを燃料とする高温型燃料電池２０を具備しており、ここでは、燃料電池２０の一例としてＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）を採用している。但し、燃料電池２０はＳＯＦＣに限定されず、高温型燃料電池であり且つ燃料として低温で液化された状態で貯蔵されている燃料ガスを利用するＭＣＦＣ（溶融炭酸塩形燃料電池）であってもよい。なお、上記「低温で液化された状態」において「低温」とは、少なくとも常温よりも低い温度をいう。そして、低温で液化された状態で貯蔵されている燃料ガスとして、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）や液化メタンガス等を挙げることができる。
燃料電池装置２の燃料供給系統１９は、燃料を貯蔵する貯蔵タンク２２、改質器２１、貯蔵タンク２２と改質器２１を接続する原燃料供給配管２３、および、改質器２１と燃料電池２０を接続する燃料供給配管２４等で構成されている。原燃料供給配管２３には、後述するスターリング機関８の低温側熱交換器１１が設けられている。
貯蔵タンク２２には、燃料電池２０の燃料ガスが液化された状態で貯蔵されている。以下では、液化された状態の燃料ガスを「液化燃料ガス」と呼ぶこととする。例えば、燃料ガスが天然ガスの場合は、−１６０℃以下の低温の状態で液化天然ガスとして貯蔵されている。貯蔵タンク２２内の液化燃料ガスは、原燃料供給配管２３を通じるうちに低温側熱交換器１１で気化されて、燃料ガスとして改質器２１へ供給される。
改質器２１は、燃料ガスを水蒸気と共に触媒上で反応させて水素（H2）と二酸化炭素CO2（一部、一酸化炭素（CO））に変換することにより、燃料電池２０の燃料を作るものである。改質器２１で生成された改質ガスは、燃料供給配管２４を通じて燃料電池２０へ送られる。なお、燃料ガスに硫黄成分が含まれている場合は、改質器２１で改質する前に燃料ガスの硫黄成分が予め脱硫器で除去される。また、ＳＯＦＣでは一酸化炭素も燃料として利用されるため、本実施の形態に係る燃料電池装置２はＣＯ変成器を備えないが、発電に一酸化炭素が利用されない場合は、改質器２１で発生した一酸化炭素の濃度を低減するＣＯ変成器を改質器２１の下流側に備えてもよい。また、ＳＯＦＣでは燃料電池２０内で水蒸気改質反応を生じさせることが可能であるため、複合発電システム１から改質器２１を省くこともできる。
燃料電池装置２の空気供給系統１８は、ブロワ２６、ブロワ２６と燃料電池２０を接続する空気供給配管２７、および、空気供給配管２７に設けられた熱回収器２５等を備えている。
空気供給配管２７へは、燃料電池２０の発電量に応じてブロワ２６により外部の空気が供給される。熱回収器２５は、空気供給配管２７を通じて燃料電池２０へ送られる空気を、燃料電池２０からの廃熱を回収して加熱するものである。ブロワ２６で空気供給配管２７へ送られた空気は、空気供給配管２７を通じるうちに熱回収器２５で加熱されて、高温の空気となって燃料電池２０へ送られる。
燃料電池２０は複数の単セルからなるセルスタックであり、各単セルは、空気極（カソード）と、電解質となる固体酸化物と、燃料極（アノード）とを備えている。燃料極には、改質器２１から燃料供給配管２４を通じて改質ガスが送られる。一方、空気極には、空気供給配管２７を通じて空気が送られる。そして、燃料電池２０では、改質ガスに含まれる水素または水素および一酸化炭素と、空気に含まれる酸素（O2）とを利用して、発電が行われる。具体的には、空気極で酸素が酸素イオン（O2-）になり、酸素イオンが固体酸化物電解質を通り、燃料極で水素と反応して水を生成する。ここで、固体酸化物は電子を通さないので、燃料極で生じた電子（e-）が回路を移動して、空気極で再び酸素をイオン化することによって回路に電流が流れる。この電流は燃料電池２０に接続されたインバータ２８で直流電流から交流電流へ変換される。このようにして、燃料電池２０では燃料が持つエネルギーの半分程度が電気となり、残り半分は熱となり排ガスに伴って燃料電池２０から排出される。
燃料電池２０で発生した高温（７００−１０００℃程度）の排ガスは、燃料電池２０に接続された電池排気配管２９を通じて排出される。電池排気配管２９には、スターリング機関８の高温側熱交換器７が設けられており、排ガスの持つ熱は高温側熱交換器７で高温側の作動ガスを加熱するために利用される。なお、図示しないが、燃料電池２０で発生した高温の排ガスは、熱回収器２５へ送られて空気を加熱するための熱源として利用され、また、改質器２１へ送られて燃料ガスから水素や一酸化炭素などの燃料を取り出す際に必要となる熱の熱源として利用される。
（スターリング機関８）
図１に例示されたスターリング機関８は、複数組のピストン１０とシリンダ９を備えた複動形（ダブルアクテイング形）のものである。図１の上側にはスターリング機関８の基本的な構成として、互いに接続された２本のシリンダ９を示し、それ以外のピストン１０とシリンダ９の図示は省略している。
スターリング機関８の各シリンダ９の内部空間はピストン１０（ディスプレーサピストン）によって長手方向に二分されている。各シリンダ９の二分された内部空間のうち一方の空間は高温空間９ａ又は膨張空間と呼ばれ、他方の空間は低温空間９ｂ又は圧縮空間と呼ばれる。各シリンダ９の高温空間９ａは、燃料電池２０から電池排気配管２９を通じて送られる高温の排ガスを高熱源として利用する高温側熱交換器７と接続されている。高温側熱交換器７では、高温空間９ａ内の作動ガスが加熱される。一方、各シリンダ９の低温空間９ｂは、原燃料供給配管２３を通じて送られる低温の液化燃料ガスを冷熱源として利用する低温側熱交換器１１と接続されている。低温側熱交換器１１では、低温空間９ｂ内の作動ガスが冷却される。そして、隣接する２本のシリンダ９，９の、一方のシリンダ９の高温空間９ａと、他方のシリンダ９の低温空間９ｂとは、連通パイプ９ｅを介して連通されている。各連通パイプ９ｅには、当該連通パイプ９ｅを通じて移動する作動ガスの熱を蓄える再生器１３が設けられている。
各シリンダ９のピストン１０は、各々連接棒１０ａによりクランク軸１２に接続されており、互いに位相のずれを有して往復動作することができる。隣接する２組のシリンダ９およびピストン１０において、一方のピストン１０が低温空間９ｂ側へ移動すると、一方のシリンダ９内の作動ガスは他方のシリンダ９の高温空間９ａへ流れ込む。この他方のシリンダ９の高温空間９ａへ流れ込んだ作動ガスが高温側熱交換器７で加熱されて膨張すると、他方のピストン１０が低温空間９ｂ側へ移動するとともに、これにクランク軸１２で接続されている一方のピストン１０が高温空間９ａ側へ移動する。このようなピストン１０の一連の動作により、連通されている高温空間９ａと低温空間９ｂとの間で、再生器１３を介して作動ガスが移動するとともに、クランク軸１２から回転力が出力される。クランク軸１２からの出力は、例えば図示しないクランク軸１２に連結された発電機や複合発電システム１の補機の駆動に用いられる。
ここで、低温側熱交換器１１の構造について詳細に説明する。図２は、低温側熱交換器１１の概略斜視図であり、図３は、低温側熱交換器１１の概略断面図である。図２および図３に示すように、低温側熱交換器１１は、多管式熱交換器であって、シェル３５と、シェル３５に内挿されたチューブバンドル３６とを備えている。
シェル３５は円筒状であって、その下部には液化燃料ガスの入口３５ａ（下部入口）が設けられており、この入口３５ａは原燃料供給配管２３の上流側配管２３ａを介して貯蔵タンク２２と接続されている。また、シェル３５の頂部には燃料ガス（気体）の出口３５ｂ（上部出口）が設けられており、この出口３５ｂは原燃料供給配管２３の下流側配管２３ｂを介して改質器２１と接続されている。
シェル３５には液化燃料ガスの液面レベルを検出するための液面計３７が設けられている。液面計３７は、低温環境下で液化燃料ガスの液面レベルを計測するための公知の液面計（例えば、静電容量式または磁気検出式などの接触式センサ、光学式などの非接触式センサ等）を用いることができる。液面計３７は監視装置３８と接続されており、監視装置３８は液面計３７で検出された液化燃料ガスの液面レベルを常時監視している。シェル３５の出口３５ｂが頂部に設けられることにより通常はシェル３５から原燃料供給配管２３の下流側配管２３ｂへ気体のみが流出するが、液化燃料ガスの液面レベルが満水に近い上限レベルとなれば液体も流出するおそれがある。そこで、監視装置３８は、原燃料供給配管２３の下流側配管２３ｂへ気体のみを流出させるために、シェル３５内の液化燃料ガスの液面レベルを常時計測し、液面レベルが予め設定された上限レベルとなれば警告を発するように構成されている。この「上限レベル」は、シェル３５の上部に設けられた出口３５ｂよりも低いレベルであって、これによりシェル３５から燃料ガス（気体）のみが流出し、液化燃料ガス（液体）が流出しないように液面レベルが監視されることとなる。
チューブバンドル３６は、伝熱管である複数のチューブ４１と、各チューブ４１の入口側と接続された入口側ヘッド４２と、各チューブ４１の出口側と連通する出口側ヘッド４３とで構成されている。各チューブ４１の周囲には、熱交換効率を高めるためのフィン（図示略）が設けられている。入口側ヘッド４２と出口側ヘッド４３は、スターリング機関８のシリンダ９の低温空間９ｂと接続管９ｄ（図１参照）を介して接続されている。
上記構成の低温側熱交換器１１において、スターリング機関８のピストン１０が移動することによりシリンダ９の低温空間９ｂから接続管９ｄを介してチューブバンドル３６の入口側ヘッド４２へ流入した作動ガスは、チューブ４１および出口側ヘッド４３を通じて、シリンダ９の低温空間９ｂへ流入する。このとき、チューブ４１の周囲に存在する液化燃料ガスとチューブ４１内を流れる作動ガスとが熱交換することにより、作動ガスは冷却され、液化燃料ガスは気化する。このように、低温側熱交換器１１では液化燃料ガスの蒸発潜熱により作動ガスが冷却される。そして、気化された燃料ガスは、配管２３ａを通じて改質器２１へ送られる。
以上説明した複合発電システム１では、燃料電池装置２から排出される温熱（高熱）と冷熱を共に回収して、スターリング機関８の作動ガスの加熱および冷却のために使用している。このように従来は外部へ放出されていた温熱と冷熱の両者をスターリング機関８で電力や動力といったエネルギーとして回収するので、システムの総合熱効率を向上することができる。しかも、スターリング機関８では従来放出されていた冷熱および温熱を利用していることから、燃料電池装置２にスターリング機関８を組み合わせることは、燃料電池装置２の構成機器の性能に何ら影響を与えないので、燃料電池装置２とスターリング機関８との間で特別な調整などは必要とされず複合発電システム１を容易に構築することができる。
また、上記複合発電システム１において、低温側熱交換器１１で液化燃料ガスが完全に気化され、燃料ガスが原燃料供給配管２３の下流側の配管２３ｂへ流入するように構成されているため、従来の燃料電池装置の燃料供給系統１９が備える気化器を省くことができる。但し、低温側熱交換器１１は、液化燃料ガスの冷熱を利用してシリンダ９の低温空間９ｂの作動ガスを冷却できるものであってもよく、液化燃料ガスの気化にはこだわらない。低温側熱交換器１１から配管２３ｂへ液化燃料ガスが流出するような構成の場合は、原燃料供給配管２３の低温側熱交換器１１よりも下流側に気化器を設ければよい。
さらに、上記複合発電システム１において、スターリング機関８のシリンダ９の低温空間９ｂの作動ガスは、空冷される場合と比較してより低温となる。これにより、シリンダ９の高温空間９ａの作動ガスと低温空間９ｂの作動ガスとの温度差をより拡大することができ、高温側と低温側の温度差が拡大するほど熱力学的サイクル効率が上昇するスターリング機関を高効率化することができる。加えて、スターリング機関８は、シンプルな構造で小型化および軽量化が可能であり、静粛性および信頼性に優れており、さらに、作動ガスに可燃性ガスを使用する必要がなく且つ燃焼を伴わない機関であることから、燃料電池装置２などの他の装置と組み合わせても安全に利用できる。
そして、スターリング機関８の熱効率は、理論上はカルノーサイクルと同じで極めて高く、これを燃料電池装置２と組み合わせて用いることで複合発電システム１の総合的な熱効率の向上を図ることができる。ひいては、電気を得るために必要な燃料を削減することができ、燃料コストと二酸化炭素排出量の低減を図ることができる。
〔実施の形態２〕
図４は、本発明の好ましい実施の形態２に係る高温型燃料電池とスターリング機関とガスタービン機関とを組み合わせた複合発電システムの系統図である。同図に示す実施の形態２に係る複合発電システム１は、燃料電池装置２とスターリング機関８とガスタービン機関３を組み合わせて発電を行うシステムである。つまり、複合発電システム１は、燃料電池装置２とガスタービン機関３を組み合わせたコンバインドサイクル発電システムに、更にスターリング機関８を組み合わせたものである。
本実施の形態２に係る複合発電システム１の燃料電池装置２およびスターリング機関８の構成は前述の実施の形態１に係る複合発電システム１が備えるものとほぼ共通する。そこで、以下の説明において、実施の形態１に係る複合発電システム１が備えるものと同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
（燃料電池装置２）
燃料電池装置２は、主に、高温型燃料電池である燃料電池２０（セルスタック）と、燃料電池２０へ燃料を供給する燃料供給系統１９と、燃料電池２０へ空気を供給する空気供給系統１８と、燃料電池２０から取り出した直流電流を交流電流へ変換するためのインバータ２８とを備えている。
燃料電池装置２の燃料供給系統１９は、燃料を貯蔵する貯蔵タンク２２、改質器２１、貯蔵タンク２２と改質器２１を接続する原燃料供給配管２３、および、改質器２１と燃料電池２０を接続する燃料供給配管２４等で構成されている。原燃料供給配管２３には、後述するスターリング機関８の低温側熱交換器１１が設けられている。貯蔵タンク２２内の液化燃料ガスは、原燃料供給配管２３を通じるうちに低温側熱交換器１１で気化されて、燃料ガスとして改質器２１へ供給される。改質器２１では、燃料ガスから水素や一酸化炭素を含む改質ガスが生成され、生成された改質ガスは燃料供給配管２４を通じて燃料電池２０へ送られる。
燃料電池装置２の空気供給系統１８は、後述するガスタービン機関３の圧縮機（高圧圧縮機５３）と燃料電池２０を接続する空気供給配管５７を備えている。ガスタービン機関３の高圧圧縮機５３から空気供給配管５７へ送られた高温高圧の空気は、高温高圧の空気は、空気供給配管５７を通じて燃料電池２０へ供給される。なお、空気供給配管５７に、燃料電池２０の廃熱を利用して空気供給配管２７の空気を加熱する熱回収器２５を設けることもできる。この場合、ガスタービン機関３の高圧圧縮機５３から空気供給配管５７へ送られた高温高圧の空気は、熱回収器２５で更に加熱されて燃料電池２０へ送られる。
燃料電池２０では、改質ガスに含まれる水素または水素および一酸化炭素と、空気に含まれる酸素とを利用して、発電が行われる。発電された電気は、燃料電池２０に接続されたインバータ２８で直流から交流に変換される。また、燃料電池２０で発生した高温の排ガスは、燃料電池２０に接続された電池排気配管５８を通じて排出される。
（ガスタービン機関３）
ガスタービン機関３は、多段式のガスタービン機関であって、それぞれ空気を吸入して（吸気）圧縮する前段の中圧圧縮機５２と後段の高圧圧縮機５３とを備えている。中圧圧縮機５２と高圧圧縮機５３で圧縮された高温高圧の空気は、空気供給配管５７を通じて燃料電池２０へ供給される。なお、本実施の形態では中圧圧縮機５２と高圧圧縮機５３の二段の圧縮機を備えているが、これらは一体化された一つの圧縮機であってもよい。
燃料電池２０からの排ガスは、電池排気配管５８を通じて燃焼器５４へ供給される。燃焼器５４では、供給された排ガスに対し燃料を噴射して、排ガスを燃焼させる。そして、燃焼器５４からの高温（１２００℃程度）の燃焼ガスは、燃焼ガス供給配管５９を通じてタービン５５（高圧タービン５５ａ）へ送られ、タービン５５を駆動する。タービン５５は、前段の高圧タービン５５ａと後段の中圧タービン５５ｂとを備えており、それぞれがシャフト５６ａ，５６ｂを介して高圧圧縮機５３と中圧圧縮機５２とを駆動する。タービン５５の回転運動エネルギーは、発電や推力や駆動力に利用される。一方、タービン５５からの高温（２００−５００℃程度）の排ガスは、タービン排気配管６０を通じて排出される。なお、本実施の形態では高圧タービン５５ａと中圧タービン５５ｂの二段のタービン５５を備えているが、これらは一体化された一つのタービンであってもよい。この場合は、タービンの構造に合わせてシャフト５６ａ，５６ｂも一体化される。
（スターリング機関８）
スターリング機関８は、複数組のピストン１０とシリンダ９を備えた複動形（ダブルアクテイング形）のものである。各シリンダ９の内部空間はピストン１０によって長手方向に高温空間９ａと低温空間９ｂとに二分されている。各シリンダ９の高温空間９ａは、ガスタービン機関３からタービン排気配管６０を通じて送られる高温の排ガスを高熱源として利用する高温側熱交換器７Ａと接続されている。高温側熱交換器７Ａでは、高温空間９ａ内の作動ガスが加熱される。一方、各シリンダ９の低温空間９ｂは、原燃料供給配管２３を通じて送られる低温の液化燃料ガスを冷熱源として利用する低温側熱交換器１１と接続されている。低温側熱交換器１１では、低温空間９ｂ内の作動ガスが冷却される。そして、隣接する２本のシリンダ９，９において、一方のシリンダ９，９の高温空間９ａと、他方のシリンダ９の低温空間９ｂとは、連通パイプ９ｅを介して連通されている。各連通パイプ９ｅには、当該連通パイプ９ｅを通じて移動する作動ガスの熱を蓄える再生器１３が設けられている。
各シリンダ９のピストン１０は、各々連接棒１０ａによりクランク軸１２に接続されており、互いに位相のずれを有して往復動作することができる。このようなピストン１０の動作により、連通されている高温空間９ａと低温空間９ｂとの間で、再生器１３を介して作動ガスが移動するとともに、クランク軸１２から回転力が出力される。クランク軸１２からの出力は、例えば図示しない発電機や複合発電システム１の補機の駆動に用いられる。
以上説明した実施の形態２に係る複合発電システム１では、ガスタービン機関３から排出される温熱と燃料電池装置２から排出される冷熱とを回収して、スターリング機関８の作動ガスの加熱および冷却のために使用している。このように従来は外部へ放出されていた温熱と冷熱の両者を回収して利用するので、システムの総合熱効率を向上することができる。しかも、燃料電池装置２とガスタービン機関３とを組み合わせたコンバインドサイクル発電システムにスターリング機関８を組み合わせることによって、燃料電池装置２およびガスタービン機関３の構成機器の性能に何ら影響を与えることがないので、燃料電池装置２およびガスタービン機関３とスターリング機関８との間で特別な調整などは必要とされず複合発電システム１を容易に構築することができる。
また、上記複合発電システム１において、スターリング機関８のシリンダ９の低温空間９ｂの作動ガスは、空冷される場合と比較してより低温となる。これにより、シリンダ９の高温空間９ａの作動ガスと低温空間９ｂの作動ガスとの温度差をより拡大することができ、高温側と低温側の温度差が拡大するほど熱力学的サイクル効率が上昇するスターリング機関を高効率化することができる。加えて、スターリング機関８は、シンプルな構造で小型化および軽量化が可能であり、静粛性および信頼性に優れており、さらに、作動ガスに可燃性ガスを使用する必要がなく且つ燃焼を伴わない機関であることから、燃料電池装置２およびガスタービン機関３と組み合わせても安全に利用できる。
そして、スターリング機関８の熱効率は、理論上はカルノーサイクルと同じで極めて高く、これを燃料電池装置２およびガスタービン機関３と組み合わせて用いることで複合発電システム１の総合的な熱効率の向上を図ることができる。ひいては、電気を得るために必要な燃料を削減することができ、燃料コストと二酸化炭素排出量の低減を図ることができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて、様々な設計変更を行うことが可能である。
本発明は、高温型燃料電池とスターリング機関とを組み合わせた複合発電システムにおいて、総合熱効率を高めるために有用である。そして、本発明は、高温型燃料電池とスターリング機関に加え、他の機関を組み合わせた複合発電システムにも適用させることができる。
１ 複合発電システム
２ 燃料電池装置
３ ガスタービン機関
７ 高温側熱交換器（第１の高温側熱交換器）
７Ａ 高温側熱交換器（第２の高温側熱交換器）
８ スターリング機関
９ シリンダ
１０ ピストン
１１ 低温側熱交換器
１２ クランク軸
１３ 再生器
１８ 空気供給系統
１９ 燃料供給系統
２０ 燃料電池（高温型燃料電池）
２１ 改質器
２２ 貯蔵タンク
２３ 原燃料供給配管
２４ 燃料供給配管
２５ 熱回収器
２６ ブロワ
２７ 空気供給配管
２８ インバータ
２９ 電池排気配管
５２ 中圧圧縮機
５３ 高圧圧縮機
５４ 燃焼器
５５ タービン
５７ 空気供給配管
５８ 電池排気配管
５９ 燃焼ガス供給配管
６０ タービン排気配管

Claims (6)

  1. 高温型燃料電池と、
    液化燃料ガスを貯蔵する貯蔵タンクと、
    貯蔵タンクと高温型燃料電池とを接続し、前記液化燃料ガスが気化した燃料ガスを前記高温型燃料電池へ供給する燃料供給配管と、
    前記高温型燃料電池へ空気を供給する空気供給配管と、
    前記高温型燃料電池から排ガスを排出する燃料電池排気配管と、
    シリンダおよびピストンから成るスターリング機関と、
    前記燃料供給配管に設けられ、冷熱源である前記液化燃料ガスと前記シリンダの低温側の作動ガスとを熱交換させる低温側熱交換器とを備えている、
    複合発電システム。
  2. 前記低温側交換器は、前記液化燃料ガスと前記シリンダの低温側の作動ガスとを熱交換させることにより、前記液化燃料ガスを気化するように構成されている、請求項１に記載の複合発電システム。
  3. 前記低温側熱交換器は、前記液化燃料ガスが流入する下部入口および前記液化燃料ガスが気化した燃料ガスが流出する上部出口を有するシェルと、前記シェル内の前記液化燃料ガスの液面レベルを検出する液面計と、前記液面計と接続された監視装置とを備え、
    前記監視装置は、前記シェル内の前記液化燃料ガスの液面レベルが前記上部出口よりも低い所定の上限レベル以下であるように前記液化燃料ガスの液面レベルを監視するように構成されている、請求項１又は請求項２に記載の複合発電システム。
  4. 前記燃料電池排気配管に設けられ、高熱源である前記高温型燃料電池からの排ガスと前記シリンダの高温側の作動ガスとを熱交換させる第１の高温側熱交換器を備えている、
    請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の複合発電システム。
  5. 前記空気供給配管へ圧縮した空気を供給する圧縮機と、前記燃料電池排気配管から送られる排気ガスで回転する前記タービンとを具備する、ガスタービン機関を備えている
    請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の複合発電システム。
  6. 前記タービンから排ガスを排出するタービン排気配管と、
    前記タービン排気配管に設けられ、高熱源である前記タービンからの排ガスと前記シリンダの高温側の作動ガスとを熱交換させる第２の高温側熱交換器とを備えている、
    請求項５に記載の複合発電システム。
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