JP2014231816A - Power generator including fuel battery and gas turbine - Google Patents

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Naoyoshi Shoyama
直芳 庄山
英俊 田口
Hidetoshi Taguchi
英俊 田口
和之 甲田
Kazuyuki Koda
和之 甲田
護 西部
Mamoru Nishibe
護 西部
晃 小森
Akira Komori
晃 小森
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power generator capable of operating both a fuel battery and a gas turbine at appropriate temperatures.SOLUTION: A power generator 100 comprises: a compressor C compressing air; a first heat exchanger R1 heating the air compressed by the compressor C; a fuel battery 17 having an air electrode Ca to which the air heated by the first heat exchanger R1 is supplied and a fuel electrode An to which fuel is supplied, and generating electric power by causing a reaction between oxygen in the air and the fuel; a second heat exchanger R2 heating exhaust air from the air electrode Ca; a combustion chamber CC mixing up and burning the exhaust air heated by the second heat exchanger R2 and exhaust gas from the fuel electrode An; and a turbine T driven by the combustion gas from the combustion chamber CC. The exhaust gas from the turbine T is supplied to the second heat exchanger R2 to heat the exhaust air from the air electrode Ca, and then supplied to the first heat exchanger R1 to heat the air compressed by the compressor C.

Description

本願は、燃料電池とガスタービンとを組み合わせた複合発電装置に関する。   The present application relates to a combined power generation apparatus in which a fuel cell and a gas turbine are combined.

ガスタービンのコンプレッサによって圧縮した空気を燃料電池に供給し、燃料電池からの高温高圧の排ガスを利用してガスタービンを駆動する複合発電装置が知られている。そのような発電装置によれば、燃料電池セルに供給される空気の高圧化による燃料電池の高効率化に加え、ガスタービンの余剰軸動力によって駆動される発電機の出力が得られるため、単体の燃料電池またはガスタービンに比べて高い発電効率を達成できる。このような複合発電装置は、例えば非特許文献1、2に開示されている。   There is known a combined power generation apparatus that supplies air compressed by a compressor of a gas turbine to a fuel cell and drives the gas turbine using high-temperature and high-pressure exhaust gas from the fuel cell. According to such a power generator, in addition to increasing the efficiency of the fuel cell by increasing the pressure of air supplied to the fuel cell, the output of the generator driven by the surplus shaft power of the gas turbine can be obtained. High power generation efficiency can be achieved as compared with the fuel cell or gas turbine. Such a combined power generator is disclosed in Non-Patent Documents 1 and 2, for example.

「ガスタービン・固体酸化物形燃料電池ハイブリッドシステムの性能に対する燃料組成の影響」、君島真仁、日本機械学会熱工学コンファレンス論文集、2005、pp271-272"Effect of fuel composition on performance of gas turbine / solid oxide fuel cell hybrid system", Masahito Kimishima, JSME Thermal Engineering Conference, 2005, pp271-272 「マイクロガスタービン・固体酸化物形燃料電池ハイブリッドシステムのサイクル解析」、上地英之、君島真仁、笠木伸英、日本機械学会論文集(B編)、2002、68巻、666号、pp336-345"Cycle analysis of micro gas turbine / solid oxide fuel cell hybrid system", Hideyuki Uechi, Masahito Kimishima, Nobuhide Kasaki, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (B), 2002, 68, 666, pp336-345

しかしながら、上述した従来の複合発電装置には、燃料電池およびガスタービンの両方を適切な温度で運転することが困難であるという課題があった。   However, the above-described conventional combined power generation apparatus has a problem that it is difficult to operate both the fuel cell and the gas turbine at an appropriate temperature.

本願の限定的ではない例示的なある実施形態は、燃料電池とガスタービンの両方を適切な温度で運転することができる発電装置を提供する。   One non-limiting exemplary embodiment of the present application provides a power generator that can operate both a fuel cell and a gas turbine at a suitable temperature.

本開示の一態様に係る発電装置は、空気を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサによって圧縮された前記空気を加熱する第1熱交換器と、前記第1熱交換器によって加熱された前記空気が供給される空気極、および燃料が供給される燃料極を有し、前記空気中の酸素と前記燃料とを反応させることによって発電する燃料電池と、前記空気極からの排気を加熱する第2熱交換器と、前記第2熱交換器によって加熱された前記排気、および前記燃料極からの排気を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備える。前記タービンからの排気は、前記第2熱交換器に供給されて前記空気極からの前記排気を加熱した後、前記第1熱交換器に供給されて前記コンプレッサによって圧縮された前記空気を加熱する。   A power generation apparatus according to an aspect of the present disclosure is provided with a compressor that compresses air, a first heat exchanger that heats the air compressed by the compressor, and the air that is heated by the first heat exchanger. A fuel cell that has an air electrode to be supplied and a fuel electrode to which fuel is supplied, and that generates electric power by reacting oxygen in the air with the fuel, and second heat exchange that heats exhaust from the air electrode A combustor for mixing and combusting the exhaust gas heated by the second heat exchanger and the exhaust gas from the fuel electrode, and a turbine driven by combustion gas from the combustor. The exhaust from the turbine is supplied to the second heat exchanger to heat the exhaust from the air electrode, and is then supplied to the first heat exchanger to heat the air compressed by the compressor. .

上述の一般的かつ特定の態様は、システム、方法およびコンピュータプログラムを用いて実装され、またはシステム、方法およびコンピュータプログラムの組み合わせを用いて実現され得る。   The general and specific aspects described above can be implemented using systems, methods and computer programs, or can be implemented using combinations of systems, methods and computer programs.

本発明の一態様に係る発電装置によれば、燃料電池とガスタービンの両方を適切な温度で運転することが可能になる。   According to the power generator according to one aspect of the present invention, both the fuel cell and the gas turbine can be operated at an appropriate temperature.

本開示の例示的な実施形態1における発電装置のサイクル系統図Cycle system diagram of power generator in exemplary embodiment 1 of the present disclosure 実施形態1における熱交換器R1、R2の構成例を示す図The figure which shows the structural example of heat exchanger R1, R2 in Embodiment 1. FIG. 実施形態1における熱交換器R1、R2の他の構成例を示す図The figure which shows the other structural example of heat exchanger R1, R2 in Embodiment 1. FIG. 比較例の複合発電装置をある条件で動作させたときのサイクル系統図Cycle system diagram when the combined power generator of the comparative example is operated under certain conditions 図3Aのサイクルにおける温度−エントロピー線図Temperature-entropy diagram for the cycle of FIG. 3A 例示的な実施形態1における発電装置をある条件で動作させたときのサイクル系統図Cycle system diagram when operating the power generator in exemplary embodiment 1 under certain conditions 図4Aのサイクルにおける温度−エントロピー線図Temperature-entropy diagram for the cycle of FIG. 4A 比較例の複合発電装置におけるサイクル系統図(セル温度を下げた場合)Cycle system diagram of the composite power generator of the comparative example (when the cell temperature is lowered) 実施形態1におけるサイクル系統図(セル温度を下げた場合)Cycle system diagram in the first embodiment (when the cell temperature is lowered) 一体型プレートフィン熱交換器の例を示す図Diagram showing an example of an integrated plate fin heat exchanger 一体型シェルアンドチューブ熱交換器の例を示す図Diagram showing an example of an integrated shell and tube heat exchanger 本開示の例示的な実施形態2におけるサイクル系統図Cycle diagram in exemplary embodiment 2 of the present disclosure 実施形態2における熱交換器R2、R3の構成例を示す図The figure which shows the structural example of heat exchanger R2, R3 in Embodiment 2. FIG. 実施形態2における熱交換器R2、R3の他の構成例を示す図The figure which shows the other structural example of heat exchanger R2, R3 in Embodiment 2. FIG. 実施形態2の変形例におけるサイクル系統図Cycle system diagram in a modification of the second embodiment 実施形態2における熱交換器R2、R3の他の構成例を示す図The figure which shows the other structural example of heat exchanger R2, R3 in Embodiment 2. FIG. 実施形態2における熱交換器R2、R3のさらに他の構成例を示す図The figure which shows the further another structural example of heat exchanger R2, R3 in Embodiment 2. FIG. 熱交換器R1、R2、R3が一体化された例を示す図The figure which shows the example with which heat exchanger R1, R2, R3 was integrated. 熱交換器R1、R2、R3が一体化された他の例を示す図The figure which shows the other example with which heat exchanger R1, R2, R3 was integrated. 例示的な実施形態3における発電装置のサイクル系統図Cycle system diagram of power generator in exemplary embodiment 3 例示的な実施形態3の変形例におけるサイクル系統図Cycle system diagram in modification of exemplary embodiment 3 他の実施形態における発電装置を示す図The figure which shows the electric power generating apparatus in other embodiment. 非特許文献1に記載された従来技術を示すサイクル系統図Cycle system diagram showing the prior art described in Non-Patent Document 1 非特許文献2に記載された従来技術を示すサイクル系統図Cycle system diagram showing the prior art described in Non-Patent Document 2

本開示の具体的な実施形態を説明する前に、まず、本発明者らが見出した従来の複合発電装置における課題と、当該課題を解決するための構成の概要とを説明する。   Before describing a specific embodiment of the present disclosure, first, a problem in a conventional combined power generation device found by the present inventors and an outline of a configuration for solving the problem will be described.

図16および図17は、それぞれ、非特許文献1および非特許文献2に開示された燃料電池・マイクロガスタービン複合発電装置を示す図である。図中の数値は、総出力30kWを想定した場合のサイクル解析結果に基づいている。図16、17に示す複合発電装置は、固体酸化物形燃料電池のスタック(以下、単に「燃料電池」または「SOFC」と称することがある。)と、SOFCに圧縮した空気を供給するコンプレッサと、SOFCのカソード(空気極)およびアノード(燃料極)からの排ガスを混合して燃焼させる燃焼器(Combustor)と、燃焼器からの排ガスによって駆動されるタービンとを備えている。タービンおよびコンプレッサは、軸を介して発電機に連結されており、タービンの回転により、発電機による発電およびコンプレッサによる空気の圧縮が行われる。図16、17に示される複合発電サイクルでは、タービンからの排ガスの温度がコンプレッサによって圧縮された空気の温度よりも高温であるため、その排熱を回収してカソード入口の圧縮空気を加熱するための再生熱交換器(Recuperator)が設けられている。   FIGS. 16 and 17 are views showing the fuel cell / micro gas turbine combined power generation apparatus disclosed in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, respectively. The numerical values in the figure are based on the cycle analysis results assuming a total output of 30 kW. 16 and 17 includes a stack of solid oxide fuel cells (hereinafter sometimes simply referred to as “fuel cell” or “SOFC”), a compressor that supplies compressed air to the SOFC, and And a combustor for mixing and burning exhaust gas from the cathode (air electrode) and anode (fuel electrode) of the SOFC, and a turbine driven by the exhaust gas from the combustor. The turbine and the compressor are connected to a generator through a shaft, and the generator generates power and the compressor compresses air by the rotation of the turbine. In the combined power generation cycle shown in FIGS. 16 and 17, since the temperature of the exhaust gas from the turbine is higher than the temperature of the air compressed by the compressor, the exhaust heat is recovered and the compressed air at the cathode inlet is heated. A regenerative heat exchanger (Recuperator) is provided.

SOFCのアノードでは、発電反応に伴って燃料(メタンなど)の濃度が下流になるほど低下する。燃料の濃度にムラや変動が生じた場合でも出口付近のセルで燃料の枯渇が生じないように、燃料は一定割合の未反応分が残るような濃度(一般的に燃料利用率80%前後)でアノードに供給される。カソードに供給される酸素についても、発電のための化学反応(以下、「発電反応」または「電池反応」と呼ぶことがある。)に必要な流量よりも多く供給される。これは、発電反応による排熱によって高温になるセルを、カソードを通過する空気で冷却することにより、セル温度を一定に保つためである。   In the SOFC anode, the concentration of fuel (such as methane) decreases as the power generation reaction proceeds. Even if the fuel concentration is uneven or fluctuates, the fuel has a concentration at which a certain percentage of unreacted fuel remains (generally, the fuel utilization rate is around 80%) so that the fuel near the outlet will not be depleted. To the anode. The oxygen supplied to the cathode is also supplied in an amount greater than that required for a chemical reaction for power generation (hereinafter sometimes referred to as “power generation reaction” or “battery reaction”). This is to keep the cell temperature constant by cooling the cell that becomes high temperature due to the exhaust heat generated by the power generation reaction with the air passing through the cathode.

アノードから排出される未反応の燃料は、カソードからの排気と混合され、燃焼器で燃焼される。燃焼器から排出された高温高圧のガスによってタービンが駆動される。この際、タービン入口の温度が高いほど、ガスタービンによる発電効率が高くなる。   Unreacted fuel discharged from the anode is mixed with exhaust from the cathode and burned in a combustor. The turbine is driven by the high-temperature and high-pressure gas discharged from the combustor. At this time, the higher the temperature at the turbine inlet, the higher the power generation efficiency by the gas turbine.

しかし、燃焼器による排ガスの温度上昇ΔTcc(図16の例では、873℃−800℃=73℃)は、カソード排気の空気流量と未反応燃料との混合比によって決まるため、一定以上の増加が難しい。未反応燃料の流量はSOFCの発電出力から決まり、空気流量は前述のとおり、セルの発熱と冷却とが釣り合うように決定される。カソード入口温度を下げ、セル温度との温度差を大きくすることで空気流量を減少させることは可能である(空燃比低下→ΔTcc増加)。しかし、そのようにすると、再生熱交換器の温度効率が低下する、即ちタービンの排ガスから回収される熱エネルギが犠牲になるため、系全体の発電効率が低下してしまう。燃焼器に燃料を余分に噴射することによってもΔTccが増加するが、燃料の使用量が増加するため、発電効率が低下する。   However, since the temperature rise ΔTcc of the exhaust gas by the combustor (873 ° C.−800 ° C. = 73 ° C. in the example of FIG. 16) is determined by the mixing ratio of the cathode exhaust air flow rate and the unreacted fuel, the increase is more than a certain level. difficult. The flow rate of unreacted fuel is determined from the power generation output of the SOFC, and the air flow rate is determined so that the heat generation and cooling of the cell are balanced as described above. It is possible to reduce the air flow rate by lowering the cathode inlet temperature and increasing the temperature difference from the cell temperature (air-fuel ratio decrease → ΔTcc increase). However, in such a case, the temperature efficiency of the regenerative heat exchanger is reduced, that is, the thermal energy recovered from the exhaust gas of the turbine is sacrificed, so that the power generation efficiency of the entire system is reduced. ΔTcc also increases by injecting extra fuel into the combustor, but the amount of fuel used increases, so power generation efficiency decreases.

非特許文献1のサイクル(図16)では、タービン入口温度を低く抑えるため、非特許文献2のサイクル(図17)と比較して空気流量を増加させている(0.0384kg/s→0.065kg/s)。このため、図16に示すサイクルでは、図17に示すサイクルと比較してコンプレッサによる仕事が増加し、発電効率が相対的に低いガスタービンによる発電量の割合が増加する。その結果、全体の発電効率が低下してしまう。   In the cycle of Non-Patent Document 1 (FIG. 16), in order to keep the turbine inlet temperature low, the air flow rate is increased as compared with the cycle of Non-Patent Document 2 (FIG. 17) (0.0384 kg / s → 0. 065 kg / s). For this reason, in the cycle shown in FIG. 16, the work by the compressor increases as compared with the cycle shown in FIG. 17, and the ratio of the amount of power generated by the gas turbine with relatively low power generation efficiency increases. As a result, the overall power generation efficiency is reduced.

結局、発電効率を最高にするという条件の元では、図17に示す非特許文献2のサイクルのように、ΔTccは150℃から200℃前後となる。即ち、タービン入口での燃焼ガスの温度をTIT、セル温度をTcellとするとき、TIT≒Tcell+200℃という設計上の拘束条件が存在する。   After all, under the condition that the power generation efficiency is maximized, ΔTcc is about 150 ° C. to about 200 ° C. as in the cycle of Non-Patent Document 2 shown in FIG. That is, when the temperature of the combustion gas at the turbine inlet is TIT and the cell temperature is Tcell, there is a design constraint that TIT≈Tcell + 200 ° C.

セル温度は、SOFCの発電効率とスタックの耐久性との兼ね合いによって決まり、典型的には700℃〜1000℃である。タービン入口温度は、高いほどガスタービンの発電効率が高くなるが、上記の制約により、セル温度と独立に決定することができないという課題があった。   The cell temperature is determined by a balance between the power generation efficiency of the SOFC and the durability of the stack, and is typically 700 ° C to 1000 ° C. The higher the turbine inlet temperature, the higher the power generation efficiency of the gas turbine, but there is a problem that it cannot be determined independently of the cell temperature due to the above-mentioned restrictions.

本発明者らは、上記の知見に基づき、この課題を解決する新たな燃料電池・ガスタービン複合発電装置を完成させた。本発明の実施形態によれば、カソードに供給される空気だけでなく、カソードから排出される空気もタービンからの排熱によって加熱することにより、セル温度Tcellとタービン入口温度TITとの差を大きくすることができる。これにより、例えば、SOFCの作動温度を上げることなくタービン入口温度TITを高くすることができるため、発電効率を向上させることができる。あるいは、発電効率を下げることなく、SOFCの作動温度を下げることが可能となるため、燃料電池スタックの低コスト化や長寿命化を実現することができる。   Based on the above findings, the present inventors have completed a new fuel cell / gas turbine combined power generator that solves this problem. According to the embodiment of the present invention, not only the air supplied to the cathode but also the air discharged from the cathode is heated by the exhaust heat from the turbine, thereby increasing the difference between the cell temperature Tcell and the turbine inlet temperature TIT. can do. Thereby, for example, since the turbine inlet temperature TIT can be increased without increasing the operating temperature of the SOFC, the power generation efficiency can be improved. Alternatively, since the operating temperature of the SOFC can be lowered without lowering the power generation efficiency, the fuel cell stack can be reduced in cost and extended in life.

本開示の実施形態の概要は以下のとおりである。   The outline | summary of embodiment of this indication is as follows.

(1)本開示の一態様に係る発電装置は、空気を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサによって圧縮された前記空気を加熱する第1熱交換器と、前記第1熱交換器によって加熱された前記空気が供給される空気極、および燃料が供給される燃料極を有し、前記空気中の酸素と前記燃料とを反応させることによって発電する燃料電池と、前記空気極からの排気を加熱する第2熱交換器と、前記第2熱交換器によって加熱された前記排気、および前記燃料極からの排気を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備える。前記タービンからの排気は、前記第2熱交換器に供給されて前記空気極からの前記排気を加熱した後、前記第1熱交換器に供給されて前記コンプレッサによって圧縮された前記空気を加熱する。   (1) A power generation apparatus according to an aspect of the present disclosure includes a compressor that compresses air, a first heat exchanger that heats the air compressed by the compressor, and the heat that is heated by the first heat exchanger. A fuel cell that has an air electrode to which air is supplied and a fuel electrode to which fuel is supplied, and that generates power by reacting oxygen in the air with the fuel; and a heater that heats exhaust from the air electrode Two heat exchangers, a combustor that mixes and burns the exhaust gas heated by the second heat exchanger and the exhaust gas from the fuel electrode, and a turbine that is driven by combustion gas from the combustor. Prepare. The exhaust from the turbine is supplied to the second heat exchanger to heat the exhaust from the air electrode, and is then supplied to the first heat exchanger to heat the air compressed by the compressor. .

(2)ある実施形態において、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である。   (2) In one embodiment, the fuel cell is a solid oxide fuel cell.

(3)ある実施形態において、前記第1熱交換器および前記第2熱交換器は、一体化されている。   (3) In one embodiment, the first heat exchanger and the second heat exchanger are integrated.

(4)ある実施形態において、前記タービンの入口における前記燃焼ガスの温度は、1000℃以上である。   (4) In a certain embodiment, the temperature of the said combustion gas in the inlet_port | entrance of the said turbine is 1000 degreeC or more.

(5)ある実施形態において、前記タービンの入口における前記燃焼ガスの温度は、1200℃以上である。   (5) In a certain embodiment, the temperature of the said combustion gas in the inlet_port | entrance of the said turbine is 1200 degreeC or more.

(6)ある実施形態において、前記タービンのロータの少なくとも一部はセラミックス製の部材によって構成されている。   (6) In a certain embodiment, at least one part of the rotor of the said turbine is comprised by the member made from ceramics.

(7)ある実施形態において、前記タービンのロータを冷却するための冷却機構をさらに備えている。   (7) In one embodiment, a cooling mechanism for cooling the rotor of the turbine is further provided.

(8)ある実施形態において、前記燃焼器の少なくとも一部はセラミックス製の部材によって構成されている。   (8) In a certain embodiment, at least one part of the said combustor is comprised with the member made from ceramics.

(9)ある実施形態において、前記タービンからの排気を加熱媒体として前記燃料電池の前記燃料極からの排気を加熱する第3熱交換器をさらに備える。   (9) In a certain embodiment, it further has the 3rd heat exchanger which heats the exhaust_gas | exhaustion from the said fuel electrode of the said fuel cell by making the exhaust_gas | exhaustion from the said turbine into a heating medium.

(10)ある実施形態において、前記第2熱交換器および前記第3熱交換器は一体化されている。   (10) In one embodiment, the second heat exchanger and the third heat exchanger are integrated.

(11)ある実施形態において、前記第1熱交換器、前記第2熱交換器、前記第3熱交換器は、一体化されている。   (11) In one embodiment, the first heat exchanger, the second heat exchanger, and the third heat exchanger are integrated.

(12)ある実施形態において、前記発電装置は、前記燃料電池の前記空気極をバイパスする第1の配管と、前記第1の配管内を流れる流体の流量を調整するための第1の弁とをさらに備える。   (12) In one embodiment, the power generation device includes: a first pipe that bypasses the air electrode of the fuel cell; and a first valve that adjusts a flow rate of a fluid flowing in the first pipe. Is further provided.

(13)ある実施形態において、前記発電装置は、前記第2熱交換器の低温側の流路をバイパスする第2の配管と、前記第2の配管内を流れる流体の流量を調整するための第2の弁とをさらに備える。   (13) In an embodiment, the power generator is configured to adjust a flow rate of a fluid flowing in the second pipe and a second pipe that bypasses a low-temperature-side flow path of the second heat exchanger. And a second valve.

(14)ある実施形態において、前記発電装置は、前記第1熱交換器の低温側の流路をバイパスする第3の配管と、前記第3の配管内を流れる流体の流量を調整するための第3の弁とをさらに備える。   (14) In one embodiment, the power generator is configured to adjust a flow rate of a fluid flowing in the third pipe and a third pipe that bypasses a low-temperature-side flow path of the first heat exchanger. And a third valve.

(15)ある実施形態において、前記発電装置は、前記第1熱交換器を通過した前記タービンからの前記排気を熱源とするランキンサイクル発電装置をさらに備える。   (15) In an embodiment, the power generation device further includes a Rankine cycle power generation device that uses the exhaust from the turbine that has passed through the first heat exchanger as a heat source.

(16)ある実施形態において、前記発電装置は、前記タービンおよび前記コンプレッサに軸を介して連結した発電機をさらに備える。   (16) In one embodiment, the power generator further includes a generator connected to the turbine and the compressor via a shaft.

以下、より具体的な実施形態を説明する。以下の説明において、共通または類似する要素には同一の参照符号を付している。   Hereinafter, more specific embodiments will be described. In the following description, common or similar elements are given the same reference numerals.

(実施形態1)
図1は、本開示の第1の実施形態における燃料電池・ガスタービン複合発電装置100の概略構成を示す図である。図1に示されるように、本実施形態による発電装置100は、固体酸化物燃料電池スタック(SOFC)17と、ガスタービン18と、その他の補器とを備えている。補器には、燃料ポンプFP、第1の再生熱交換器R1、および第2の再生熱交換器R2が含まれる。以下の説明では、「再生熱交換器」の文言を省略して、単に「熱交換器」と呼ぶことがある。図1に示される各要素は、図中の矢印で示されるように配管(流路)によって連結されている。配管内を空気や燃料などの流体が循環することにより、持続的な発電が実現される。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a combined fuel cell / gas turbine power generation apparatus 100 according to the first embodiment of the present disclosure. As shown in FIG. 1, the power generation apparatus 100 according to the present embodiment includes a solid oxide fuel cell stack (SOFC) 17, a gas turbine 18, and other auxiliary devices. The auxiliary equipment includes a fuel pump FP, a first regenerative heat exchanger R1, and a second regenerative heat exchanger R2. In the following description, the term “regenerative heat exchanger” may be omitted and simply referred to as “heat exchanger”. Each element shown in FIG. 1 is connected by a pipe (flow path) as indicated by an arrow in the figure. Sustained power generation is realized by circulating a fluid such as air or fuel in the pipe.

ガスタービン18は、空気を圧縮するコンプレッサCと、SOFC17からの排気を燃焼させる燃焼器CCと、燃焼器CCからの高温高圧の燃焼ガスによって駆動されるタービンTと、交流電力を発生させる発電機MGとを備えている。コンプレッサC、タービンT、および発電機MGは、軸19で連結されており、タービンTによって生じた回転トルクをコンプレッサCおよび発電機MGに伝えることができる。これにより、発電および空気の圧縮が行われる。本実施形態におけるガスタービン18は、例えば発電出力が数十kW〜数百kW程度の公知のマイクロガスタービンであり得るが、これに限定されず、より大型のガスタービンであってもよい。   The gas turbine 18 includes a compressor C that compresses air, a combustor CC that combusts exhaust gas from the SOFC 17, a turbine T that is driven by high-temperature and high-pressure combustion gas from the combustor CC, and a generator that generates AC power. MG. The compressor C, the turbine T, and the generator MG are connected by a shaft 19 and can transmit the rotational torque generated by the turbine T to the compressor C and the generator MG. As a result, power generation and air compression are performed. The gas turbine 18 in the present embodiment may be a known micro gas turbine having a power generation output of, for example, about several tens kW to several hundreds kW, but is not limited thereto, and may be a larger gas turbine.

SOFC17は、空気中の酸素と燃料(メタンなど)との化学反応によって直流電力を生成する電池である。SOFC17は、空気(Air)が供給されるカソード(空気極)Caと、燃料が供給されるアノード(燃料極)Anと、カソードCaに流入する酸素分子がイオン化した酸素イオン(O2-)をカソードCaからアノードAnへ輸送する電解質16とを備える。これにより、化学反応によって生じた熱を電極間で伝達することができる。アノードAnにおける電池反応のためには水素が必要である。このため、燃料ポンプFPからアノードAnにメタンが供給される。メタンは、アノードAnの入口付近において内部改質され、水素を発生させる。 The SOFC 17 is a battery that generates DC power by a chemical reaction between oxygen in the air and fuel (such as methane). The SOFC 17 includes a cathode (air electrode) Ca to which air (Air) is supplied, an anode (fuel electrode) An to which fuel is supplied, and oxygen ions (O 2− ) obtained by ionizing oxygen molecules flowing into the cathode Ca. And an electrolyte 16 transported from the cathode Ca to the anode An. Thereby, the heat generated by the chemical reaction can be transferred between the electrodes. Hydrogen is required for the cell reaction at the anode An. For this reason, methane is supplied from the fuel pump FP to the anode An. Methane is internally reformed near the inlet of the anode An to generate hydrogen.

SOFC17には、例えば円筒縦縞型、円筒横縞型、平板型、円筒平板型といった公知の構成を採用することができる。電解質16には、例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)やペロブスカイト酸化物といった酸素イオン伝導性を有する材料が用いられ得る。電解質16は、このような酸素イオン導電性セラミックスの他、耐熱性金属によって構成してもよい。燃料極であるアノードAnには、水素の吸着・乖離が起こりやすく、かつ電解質16などの周辺材料と熱膨張性が整合する種々の導電性材料を用いることができる。例えば、電解質16にYSZを用いる場合、その粉末と、触媒活性に優れた金属(例えばCo、Pt、Ruなど)とを混合した材料(サーメット)を用いることができる。空気極であるカソードCaには、導電性および酸素輸送性を有し、酸素乖離反応が生じ易い触媒活性に優れた種々の材料を用いることができる。例えば、Mn系ぺロブスカイトなどの導電性セラミックスを用いることができる。   For the SOFC 17, for example, a known configuration such as a cylindrical vertical stripe type, a cylindrical horizontal stripe type, a flat plate type, or a cylindrical flat plate type can be adopted. For the electrolyte 16, for example, a material having oxygen ion conductivity such as yttria stabilized zirconia (YSZ) or perovskite oxide can be used. The electrolyte 16 may be made of a heat resistant metal in addition to such oxygen ion conductive ceramics. For the anode An that is the fuel electrode, various conductive materials that are likely to cause hydrogen adsorption / dissociation and that have a thermal expansion matching with the surrounding materials such as the electrolyte 16 can be used. For example, when YSZ is used for the electrolyte 16, a material (cermet) obtained by mixing the powder and a metal (for example, Co, Pt, Ru, etc.) excellent in catalytic activity can be used. For the cathode Ca, which is an air electrode, various materials having conductivity and oxygen transportability and excellent in catalytic activity that easily cause an oxygen dissociation reaction can be used. For example, conductive ceramics such as Mn-based perovskite can be used.

本実施形態における発電装置100は、コンプレッサCによって圧縮された空気を加熱する第1の再生熱交換機R1に加え、SOFC17のカソードCaからの排気を加熱する第2の再生熱交換機R2をさらに備えている。図2A、2Bは、熱交換機R1、R2の構成例を模式的に示す図である。図2Aに示す例では、熱交換器R1、R2は、ともにプレートフィン型の構造を有している。このタイプの熱交換器は、複数のプレートと複数のフィンとを用いて、空気と配管内を流れるタービンTからの排ガスとの間で熱交換を行う。図2Bに示す例では、熱交換器R1、R2は、ともにシェルアンドチューブ型の構造を有している。このタイプの熱交換器は、シェル(円筒)の中を流れるタービンTからの排ガスと、多数のチューブの中を流れる空気との間で熱交換を行う。熱交換器R1、R2は、上記以外のタイプの熱交換器であってもよい。熱交換器R1および熱交換器R2は、必ずしも同一タイプである必要はなく、互いに異なるタイプの熱交換器を用いることも可能である。   The power generation apparatus 100 in the present embodiment further includes a second regenerative heat exchanger R2 that heats the exhaust gas from the cathode Ca of the SOFC 17 in addition to the first regenerative heat exchanger R1 that heats the air compressed by the compressor C. Yes. 2A and 2B are diagrams schematically illustrating a configuration example of the heat exchangers R1 and R2. In the example shown in FIG. 2A, both heat exchangers R1 and R2 have a plate fin type structure. This type of heat exchanger uses a plurality of plates and a plurality of fins to exchange heat between air and exhaust gas from the turbine T flowing in the pipe. In the example shown in FIG. 2B, the heat exchangers R1 and R2 both have a shell-and-tube structure. This type of heat exchanger exchanges heat between exhaust gas from the turbine T flowing in a shell (cylinder) and air flowing in a number of tubes. The heat exchangers R1 and R2 may be other types of heat exchangers. The heat exchanger R1 and the heat exchanger R2 are not necessarily the same type, and different types of heat exchangers can be used.

次に、発電装置100の動作を説明する。   Next, operation | movement of the electric power generating apparatus 100 is demonstrated.

コンプレッサCから吐出された圧縮空気は、再生熱交換器R1の低温側に入り、タービンTの排熱によって予熱された後、カソードCaへ供給される。カソードCaに流入する圧縮空気(カソード吸気10)に含まれる酸素の一部は電池反応によって失われ、残りの圧縮空気(カソード排気11)は再生熱交換器R2の低温側に入る。カソード排気11は、再生熱交換器R2においてタービンTの排熱によって加熱された後、燃焼器CCへ流入する。   The compressed air discharged from the compressor C enters the low temperature side of the regenerative heat exchanger R1, is preheated by the exhaust heat of the turbine T, and then is supplied to the cathode Ca. Part of the oxygen contained in the compressed air (cathode intake 10) flowing into the cathode Ca is lost by the cell reaction, and the remaining compressed air (cathode exhaust 11) enters the low temperature side of the regenerative heat exchanger R2. The cathode exhaust 11 is heated by the exhaust heat of the turbine T in the regenerative heat exchanger R2, and then flows into the combustor CC.

燃料(メタン)は、燃料ポンプFPによって高圧化され、アノードAnへ供給される。電解質16から流入した酸素イオンと、燃料ポンプFPから供給された燃料の一部(この割合を燃料利用率Ufという)とが、アノードAnにおける電池反応の反応物である。この電池反応による水および二酸化炭素などの生成物は、燃料の未反応分と共にアノード排気12として排出される。アノード排気12は高温の水蒸気を含んでおり、その一部はアノードAnの入口へ還流され、燃料ポンプFPの吐出ガスと混合される。燃料と混合された水蒸気は、アノードAnにおける燃料改質に必要な成分である。還流されないアノード排気12は燃焼器CCに流入する。   The fuel (methane) is increased in pressure by the fuel pump FP and supplied to the anode An. Oxygen ions flowing from the electrolyte 16 and a part of the fuel supplied from the fuel pump FP (this ratio is referred to as a fuel utilization rate Uf) are reactants of the cell reaction at the anode An. Products such as water and carbon dioxide due to the cell reaction are discharged as anode exhaust 12 together with unreacted fuel. The anode exhaust 12 contains high-temperature water vapor, a part of which is recirculated to the inlet of the anode An and mixed with the discharge gas of the fuel pump FP. The water vapor mixed with the fuel is a component necessary for fuel reforming in the anode An. The anode exhaust 12 that is not recirculated flows into the combustor CC.

アノードAnの入口では、還流されたアノード排気12の一部と燃料ポンプFPから供給されるメタンとが反応する。この際、SOFC17の各セルから発生する熱を利用して反応が進行する。ここで生じる反応は、以下の式(1)、(2)で表される。
CH4+H2O→3H2+CO (1)
CO+H2O→H2+CO2 (2)
At the inlet of the anode An, a part of the refluxed anode exhaust 12 reacts with methane supplied from the fuel pump FP. At this time, the reaction proceeds using heat generated from each cell of the SOFC 17. The reaction occurring here is represented by the following formulas (1) and (2).
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO (1)
CO + H 2 O → H 2 + CO 2 (2)

式(1)で表される改質反応は吸熱反応であり、式(2)で表されるシフト反応は発熱反応である。   The reforming reaction represented by the formula (1) is an endothermic reaction, and the shift reaction represented by the formula (2) is an exothermic reaction.

アノードAnの内部では、水素と電解質16から輸送された酸素イオンとが反応し、水蒸気が発生するとともに、電子が外部回路に放出される。これにより、電力が発生する。この際、改質反応によって生じた一酸化炭素と酸素イオンとの反応により、二酸化炭素も発生する。すなわち、アノードAnでは、以下の式(3)、(4)で表される反応が生じる。
2+O2-→H2O+2e- (3)
CO+O2-→CO2+2e- (4)
Inside the anode An, hydrogen and oxygen ions transported from the electrolyte 16 react to generate water vapor, and electrons are released to the external circuit. Thereby, electric power is generated. At this time, carbon dioxide is also generated by the reaction between carbon monoxide and oxygen ions generated by the reforming reaction. That is, in the anode An, reactions represented by the following formulas (3) and (4) occur.
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e (3)
CO + O 2− → CO 2 + 2e (4)

これらの反応によって生じた水蒸気および二酸化炭素は、未反応の燃料とともにアノード排気12として排出される。   Water vapor and carbon dioxide generated by these reactions are discharged as anode exhaust 12 together with unreacted fuel.

燃焼器CCでは、カソード排気11(酸素)とアノード排気12(未反応燃料)とが燃焼する。図1の例では、燃料として、アノード排気12中の未反応燃料のみが利用されるが、これに加えて燃料ポンプFPまたは他の燃料ポンプから燃料を燃焼器CCに直接供給してもよい。燃焼の結果、カソード排気の温度はΔTcc上昇し、タービン入口温度TITの高温高圧ガスが生成される。この高温高圧ガスがタービンTを駆動する。タービンの駆動によって膨張した排ガス(タービン排ガス)は、再生熱交換器R2、R1の高温側の流路をこの順に流れ、その間に冷却されて発電装置100から排出される。   In the combustor CC, the cathode exhaust 11 (oxygen) and the anode exhaust 12 (unreacted fuel) burn. In the example of FIG. 1, only the unreacted fuel in the anode exhaust 12 is used as the fuel, but in addition to this, the fuel may be directly supplied to the combustor CC from the fuel pump FP or another fuel pump. As a result of the combustion, the temperature of the cathode exhaust increases by ΔTcc, and a high-temperature high-pressure gas having a turbine inlet temperature TIT is generated. This high-temperature high-pressure gas drives the turbine T. Exhaust gas (turbine exhaust gas) expanded by the driving of the turbine flows in this order through the flow path on the high temperature side of the regenerative heat exchangers R2 and R1, and is cooled between them and discharged from the power generation apparatus 100.

以上のように、本実施形態の発電装置100は、空気を圧縮するコンプレッサCと、コンプレッサCによって圧縮された前記空気を加熱する第1の再生熱交換器R1と、第1の再生熱交換器R1によって加熱された空気が供給される空気極(カソードCa)、および燃料が供給される燃料極(アノードAn)を有し、空気中の酸素と燃料とを反応させることによって発電する燃料電池(SOFC)17と、空気極からの排気を加熱する第2の再生熱交換器R2と、第2の再生熱交換器R2によって加熱された排気、および燃料極からの排気を混合して燃焼させる燃焼器CCと、燃焼器CCからの燃焼ガスによって駆動されるタービンTとを備える。発電装置100は、タービンからの排気が、第2の再生熱交換器R2に供給されて空気極からの排気を加熱した後、第1の再生熱交換器R1に供給されてコンプレッサCによって圧縮された空気を加熱するように構成されている。   As described above, the power generation apparatus 100 according to this embodiment includes the compressor C that compresses air, the first regenerative heat exchanger R1 that heats the air compressed by the compressor C, and the first regenerative heat exchanger. A fuel cell having an air electrode (cathode Ca) to which air heated by R1 is supplied and a fuel electrode (anode An) to which fuel is supplied, and generating electricity by reacting oxygen in the air and the fuel ( SOFC) 17, the second regenerative heat exchanger R2 that heats the exhaust gas from the air electrode, the exhaust gas heated by the second regenerative heat exchanger R2, and the combustion gas that mixes and combusts the exhaust gas from the fuel electrode And a turbine T driven by the combustion gas from the combustor CC. In the power generation apparatus 100, after the exhaust from the turbine is supplied to the second regenerative heat exchanger R2 to heat the exhaust from the air electrode, the exhaust is supplied to the first regenerative heat exchanger R1 and compressed by the compressor C. It is configured to heat the air.

以上の構成により、ガスタービン18の余剰軸動力によって駆動される発電機MGの電気出力と、SOFC17の電気出力とが、複合発電装置100の電気出力として利用される。本実施形態では、再生熱交換器R2が設けられているため、これによる熱交換が生じない非特許文献1、2などの従来技術と比較して、タービン入口温度TITを高くすることができる。タービン入口温度TITは、燃焼器CCやタービンTを構成する材料などの種々の条件によって変動するが、例えば、1000℃以上、1500℃以下に設定され得る。ある例では、タービン入口温度TITは、1200℃以上、1500℃以下に設定され得る。これにより、ガスタービン発電機MGの発電効率が増加するため、従来よりも高効率な発電が可能となる。   With the above configuration, the electrical output of the generator MG driven by the surplus shaft power of the gas turbine 18 and the electrical output of the SOFC 17 are used as the electrical output of the combined power generator 100. In the present embodiment, since the regenerative heat exchanger R2 is provided, the turbine inlet temperature TIT can be increased as compared with the conventional techniques such as Non-Patent Documents 1 and 2 in which heat exchange does not occur. The turbine inlet temperature TIT varies depending on various conditions such as the material composing the combustor CC and the turbine T, and may be set to 1000 ° C. or more and 1500 ° C. or less, for example. In an example, the turbine inlet temperature TIT may be set to 1200 ° C. or higher and 1500 ° C. or lower. As a result, the power generation efficiency of the gas turbine generator MG increases, so that power generation with higher efficiency than before can be performed.

また、本実施形態によれば、タービン入口温度TITを下げることなく、つまりガスタービン発電機MGの発電効率を下げることなく、SOFC17の作動温度を下げることもできる。このため、スタックの低コスト化および長寿命化を図ることができる。   Further, according to the present embodiment, the operating temperature of the SOFC 17 can be lowered without lowering the turbine inlet temperature TIT, that is, without lowering the power generation efficiency of the gas turbine generator MG. For this reason, it is possible to reduce the cost and extend the life of the stack.

以下、従来技術と比較した本実施形態の具体的な効果をT−s線図を用いて説明する。   Hereinafter, the specific effect of this embodiment compared with a prior art is demonstrated using a Ts diagram.

図3Aは、非特許文献1、2と同様の構成を有する複合発電装置をある条件下で動作させたときのサイクル系統図である。図3Bは、この複合発電装置におけるT−s線図である。この例では、総出力を100kW、タービン入口温度TITを900℃、セル温度Tcellを746℃、コンプレッサCによる圧縮前後の空気の圧力比を3、改質前の水蒸気とメタンとのモル数の比(S/C比)を4に設定し、15℃の空気を0.221kg/sの流量で供給した場合を想定している。この条件下では、発電効率ηは62.4%である。   FIG. 3A is a cycle system diagram when a combined power generation apparatus having a configuration similar to that of Non-Patent Documents 1 and 2 is operated under certain conditions. FIG. 3B is a Ts diagram in this combined power generation device. In this example, the total output is 100 kW, the turbine inlet temperature TIT is 900 ° C., the cell temperature Tcell is 746 ° C., the pressure ratio of the air before and after compression by the compressor C is 3, the ratio of the number of moles of steam and methane before reforming It is assumed that (S / C ratio) is set to 4 and air at 15 ° C. is supplied at a flow rate of 0.221 kg / s. Under this condition, the power generation efficiency η is 62.4%.

この発電装置を循環する空気の状態は、(1)→(2)→(3)→(4)→(5)→(6)→(7)→(1)のサイクルで変化する。このサイクルを「基本サイクル」と呼ぶことにする。再生熱交換器R1で交換される熱量をQ1とする。   The state of the air circulating through the power generator changes in a cycle of (1) → (2) → (3) → (4) → (5) → (6) → (7) → (1). This cycle is called a “basic cycle”. Let Q1 be the amount of heat exchanged in the regenerative heat exchanger R1.

空気は、まずコンプレッサCによって圧縮され((1)→(2))、再生熱交換器R1における昇温過程((2)→(3))を経てSOFC17のカソードへ入る。この空気は、燃料電池スタックの排熱によってセル温度Tcellまで上昇し((3)→(4))、カソード排気となって燃焼器CCへ入る。燃焼器CCにおいて、カソード排気は未反応燃料を含むアノード排気と混合され、燃焼して最高温度に達する((4)→(5))。タービンTにおける膨張過程((5)→(6))の後、再生熱交換器R1を通って排熱が回収され((6)→(7))、排気される。熱交換器R1を設けることにより、熱交換器R1がない場合に比べ、図3Bの(2)(3)(6)(7)で囲まれる面積の分だけ、サイクル全体でなされる仕事が増加する。   The air is first compressed by the compressor C ((1) → (2)), and enters the cathode of the SOFC 17 through a temperature raising process ((2) → (3)) in the regenerative heat exchanger R1. This air rises to the cell temperature Tcell due to the exhaust heat of the fuel cell stack ((3) → (4)), and becomes cathode exhaust and enters the combustor CC. In the combustor CC, the cathode exhaust is mixed with the anode exhaust containing unreacted fuel, and burns to reach the maximum temperature ((4) → (5)). After the expansion process in the turbine T ((5) → (6)), exhaust heat is recovered through the regenerative heat exchanger R1 ((6) → (7)) and exhausted. By providing the heat exchanger R1, the work performed in the entire cycle is increased by the area surrounded by (2), (3), (6), and (7) in FIG. 3B, compared to the case without the heat exchanger R1. To do.

図4Aは、本実施形態における複合発電装置を上記と同じ外気温度、セル温度で動作させたときのサイクル系統図である。図4Bは、この複合発電装置におけるT−s線図である。この例では、圧力比やS/C比などのパラメータは上記の例と同じ値に設定されているが、セル温度Tcellを上記の例と同じく746℃にするため、空気流量を0.132kg/sに低下させている。熱交換器R2が設けられているため、タービン入口温度TITは1200℃まで上昇し、カソード吸気は560℃に低下している。このサイクルでは、発電効率ηは63.9%である。本実施形態におけるサイクルは、(1)→(2)→(3)→(4)→(4’)→(5’)→(6’)→(6’’)→(7)→(1)で表される。図4Bには、比較のため、図2Aの構成における状態(5)、(6)が記載されている。熱交換器R1で交換される熱量をQ1、熱交換器R2で交換される熱量をQ2としている。   FIG. 4A is a cycle system diagram when the combined power generation apparatus according to the present embodiment is operated at the same outside air temperature and cell temperature as described above. FIG. 4B is a Ts diagram in this combined power generation device. In this example, parameters such as the pressure ratio and the S / C ratio are set to the same values as in the above example. However, in order to set the cell temperature Tcell to 746 ° C., the air flow rate is 0.132 kg / s. Since the heat exchanger R2 is provided, the turbine inlet temperature TIT is increased to 1200 ° C., and the cathode intake air is decreased to 560 ° C. In this cycle, the power generation efficiency η is 63.9%. In the present embodiment, the cycle is (1) → (2) → (3) → (4) → (4 ′) → (5 ′) → (6 ′) → (6 ″) → (7) → (1 ). FIG. 4B shows the states (5) and (6) in the configuration of FIG. 2A for comparison. The amount of heat exchanged by the heat exchanger R1 is Q1, and the amount of heat exchanged by the heat exchanger R2 is Q2.

状態(1)〜(4)の過程は、図3A、3Bに示す構成における状態(1)〜(4)と同様の過程である。本実施形態では、カソード排気が燃焼器CCに入る前に、再生熱交換器R2によって加熱される((4)→(4’))。このため、ここで交換された熱の分だけ最高温度、即ちタービン入口温度TITが上昇する。タービンTでの膨張過程((5’)→(6’))を経た後、タービンTからの排気は、再生熱交換器R2における排熱回収過程((6’)→(6’’))および再生熱交換器R1における排熱回収過程((6’’)→(7))によって順次温度が低下し、外部に排出される。   The process of states (1) to (4) is the same process as states (1) to (4) in the configuration shown in FIGS. 3A and 3B. In the present embodiment, the cathode exhaust is heated by the regenerative heat exchanger R2 ((4) → (4 ′)) before entering the combustor CC. For this reason, the maximum temperature, that is, the turbine inlet temperature TIT increases by the amount of heat exchanged here. After undergoing the expansion process ((5 ′) → (6 ′)) in the turbine T, the exhaust from the turbine T is exhausted heat recovery process ((6 ′) → (6 ″)) in the regenerative heat exchanger R2. Further, the temperature is sequentially lowered by the exhaust heat recovery process ((6 ″) → (7)) in the regenerative heat exchanger R1, and is discharged to the outside.

本実施形態では、基本サイクルと比較して、図4Bの(5)(5’)(6’)(6)で囲まれる面積の分だけ単位流量あたりの発電出力が増加する。燃料流量は減少するため、発電効率が向上する。なお、図4Aに示す例では、排気温度が基本サイクルよりも高くなっているが、空気流量が約半分となっているため、排熱量(エンタルピー)は低下している。また、空気流量の減少により、SOFC17およびガスタービン16の双方を小型化することができる。このため、電気出力と装置寸法との比である出力密度が向上する。   In this embodiment, compared with the basic cycle, the power generation output per unit flow rate is increased by the area surrounded by (5), (5 '), (6'), and (6) in FIG. 4B. Since the fuel flow rate is reduced, the power generation efficiency is improved. In the example shown in FIG. 4A, the exhaust gas temperature is higher than that in the basic cycle, but since the air flow rate is about half, the exhaust heat amount (enthalpy) is reduced. Moreover, both the SOFC 17 and the gas turbine 16 can be reduced in size by reducing the air flow rate. For this reason, the output density, which is the ratio between the electrical output and the device dimensions, is improved.

また、再生熱交換器R1、R2の熱交換量を任意に設計できるため、燃料電池のセル温度Tcellと、タービン入口温度TITとを任意に設定することができ、設計自由度が向上する。例えば、タービン入口温度TITを変えずに燃料電池のセル温度Tcellを低下させることができる。その場合の具体例を、図5、6を参照しながら説明する。   Further, since the heat exchange amounts of the regenerative heat exchangers R1 and R2 can be arbitrarily designed, the cell temperature Tcell of the fuel cell and the turbine inlet temperature TIT can be arbitrarily set, and the degree of freedom in design is improved. For example, the cell temperature Tcell of the fuel cell can be lowered without changing the turbine inlet temperature TIT. A specific example in that case will be described with reference to FIGS.

図5に示す例は、図3A、3Bに示した基本サイクルと比較してセル温度Tcellを146℃下げて600℃にした例である。この例では、空気流量を0.308kg/sに増加させている。セル温度Tcellの低下に連動してタービン入口温度TITも180℃低下して720℃になっている。結果として、発電効率が62.4%から58.6%へと3.8%低下した。   The example shown in FIG. 5 is an example in which the cell temperature Tcell is lowered by 146 ° C. to 600 ° C. as compared with the basic cycle shown in FIGS. 3A and 3B. In this example, the air flow rate is increased to 0.308 kg / s. The turbine inlet temperature TIT is also decreased by 180 ° C. to 720 ° C. in conjunction with the decrease in the cell temperature Tcell. As a result, the power generation efficiency decreased by 3.8% from 62.4% to 58.6%.

図6に示す例は、本実施形態の構成において、セル温度Tcellを600℃まで下げた例である。この例では、空気流量は0.183kg/sである。セル温度Tcellは上記と同様に600℃まで下がっているが、タービン入口温度TITは900℃のままである。このため、発電効率の落ち幅を2.5(=62.4−59.9)%に抑えながらも、セルスタック材料の低コスト化および長寿命化が可能となる。   The example shown in FIG. 6 is an example in which the cell temperature Tcell is lowered to 600 ° C. in the configuration of the present embodiment. In this example, the air flow rate is 0.183 kg / s. The cell temperature Tcell has dropped to 600 ° C. as described above, but the turbine inlet temperature TIT remains at 900 ° C. For this reason, it is possible to reduce the cost and extend the life of the cell stack material while suppressing the decrease in power generation efficiency to 2.5 (= 62.4-59.9)%.

このように、本実施形態によれば、タービン入口温度TITおよびセル温度Tcellを柔軟に決定することができるため、高効率化および低コスト化・長寿命化の両立が可能となる。従来の構成で同様のことを実現するためには、個々の構成要素の性能や耐久性を高める必要があった。本実施形態によれば、個々の構成要素は従来のものを使用しながらも、上記のように、従来にない優れた特性を実現することができる。   Thus, according to the present embodiment, the turbine inlet temperature TIT and the cell temperature Tcell can be determined flexibly, so that both high efficiency and low cost / long life can be achieved. In order to achieve the same thing with the conventional configuration, it was necessary to improve the performance and durability of each component. According to this embodiment, while using individual components as described above, it is possible to achieve excellent characteristics that are not found in the past as described above.

続いて、本実施形態の変形例を説明する。   Then, the modification of this embodiment is demonstrated.

上記のように、本実施形態によれば、タービン入口温度TITを1000℃を超えるほどの高温にすることもできる。そのような高温状態では、金属製のタービンTや燃焼器CCを用いた場合、それらの耐熱温度を超えてしまう場合がある。そのような場合、タービンTのロータおよび燃焼器CCの少なくとも一部にセラミックス(例えば窒化珪素)製の部材を使用してもよい。あるいは、タービンTのロータを冷却する冷却機構(冷却翼など)が設けられていてもよい。これにより、耐熱性が向上するため、例えば1200℃を超える高温状態での動作も可能になる。   As described above, according to the present embodiment, the turbine inlet temperature TIT can be increased to a high temperature exceeding 1000 ° C. In such a high temperature state, when the metal turbine T and the combustor CC are used, their heat resistant temperatures may be exceeded. In such a case, ceramic (for example, silicon nitride) members may be used for at least part of the rotor of the turbine T and the combustor CC. Or the cooling mechanism (cooling blade etc.) which cools the rotor of the turbine T may be provided. Thereby, since heat resistance improves, the operation | movement in the high temperature state over 1200 degreeC becomes possible, for example.

本実施形態における再生熱交換器R1、R2は、物理的に分離されているが、再生熱交換器R1と再生熱交換器R2とは、一体化されていてもよい。図7A、7Bは、一体化された熱交換器の例を示す図である。図7Aはプレートフィン型の熱交換器を示し、図7Bはシェルアンドチューブ型の熱交換器を示している。図示される熱交換器R1、R2の配置は逆であってもよい。すなわち、カソード排気11を加熱する熱交換器R1の後段にカソード吸気を加熱する熱交換器R2が設けられた一体型熱交換器を用いてもよい。一体化することにより、装置の小型化、配管の簡略化、低コスト化といった効果を得ることができる。   The regenerative heat exchangers R1 and R2 in the present embodiment are physically separated, but the regenerative heat exchanger R1 and the regenerative heat exchanger R2 may be integrated. 7A and 7B are diagrams illustrating an example of an integrated heat exchanger. FIG. 7A shows a plate fin type heat exchanger, and FIG. 7B shows a shell and tube type heat exchanger. The arrangement of the heat exchangers R1 and R2 shown in the figure may be reversed. That is, an integrated heat exchanger in which a heat exchanger R2 for heating the cathode intake air is provided at a subsequent stage of the heat exchanger R1 for heating the cathode exhaust 11 may be used. By integrating, effects such as downsizing of the apparatus, simplification of piping, and cost reduction can be obtained.

発電装置100は、上記の燃料ポンプFPとは別に、燃料のメタン等を燃焼器CCに直接供給する燃料ポンプをさらに備えていてもよい。あるいは、上記の燃料ポンプFPが燃焼器CCにも燃料を供給するように構成されていてもよい。そのような構成によれば、アノードAnから排出される未反応の燃料が不足する場合であっても燃焼器CCにおける燃焼が可能になる。   The power generation apparatus 100 may further include a fuel pump that directly supplies fuel methane or the like to the combustor CC, in addition to the fuel pump FP. Alternatively, the fuel pump FP may be configured to supply fuel to the combustor CC. According to such a configuration, combustion in the combustor CC is possible even when there is a shortage of unreacted fuel discharged from the anode An.

本実施形態におけるSOFC17は、アノードAnの入り口で燃料の内部改質が行われるように構成されているが、別途改質器を設けてもよい。また、SOFC17は、多数のセルが直列接続されたスタックを1つに限らず複数有していてもよい。その場合、複数のスタックにおける各セルのカソードからの排気をまとめて熱交換器R2に導き、加熱する構成を採用することができる。   The SOFC 17 in the present embodiment is configured such that internal reforming of fuel is performed at the entrance of the anode An, but a reformer may be provided separately. Further, the SOFC 17 is not limited to one but may have a plurality of stacks in which many cells are connected in series. In that case, it is possible to adopt a configuration in which exhausts from the cathodes of the cells in the plurality of stacks are collectively led to the heat exchanger R2 and heated.

(実施形態2)
次に、第2の実施形態を説明する。本実施形態では、発電装置100が第2の再生熱交換器R2に加えて、燃焼器CCへ流入するアノード排気12をタービンTからの排熱によって加熱する第3の再生熱交換器R3をさらに備えている点で実施形態1とは異なっている。以下、実施形態1とは異なる点を主に説明し、共通する事項についての説明は省略する。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment will be described. In the present embodiment, in addition to the second regenerative heat exchanger R2, the power generation apparatus 100 further includes a third regenerative heat exchanger R3 that heats the anode exhaust 12 flowing into the combustor CC by exhaust heat from the turbine T. It differs from Embodiment 1 in the point provided. Hereinafter, differences from the first embodiment will be mainly described, and descriptions of common matters will be omitted.

図8は、本実施形態における発電装置100のサイクル系統図である。図8に示すように、本実施形態における発電装置100は、燃焼器CCへ流入するアノード排気12を通過させ、タービンTからの排熱によってこれを加熱する第3の再生熱交換器R3をさらに備えている。このような形態によれば、燃焼器CCへ流入する燃料(メタンが改質された水素)の温度が上昇し、燃焼反応前の熱解離が促進されるため、燃焼器CCにおける燃焼効率が上昇する。   FIG. 8 is a cycle system diagram of the power generation device 100 according to the present embodiment. As shown in FIG. 8, the power generation apparatus 100 according to the present embodiment further includes a third regenerative heat exchanger R3 that passes the anode exhaust 12 flowing into the combustor CC and heats the anode exhaust 12 by exhaust heat from the turbine T. I have. According to such a configuration, the temperature of the fuel (hydrogen with reformed methane) flowing into the combustor CC increases, and thermal dissociation before the combustion reaction is promoted, so the combustion efficiency in the combustor CC increases. To do.

図9A、9Bは、熱交換器R2、R3の構成例を示す図である。図9Aは、熱交換器R2、R3がプレートフィン型の熱交換器である場合の例を、図9Bは、熱交換器R2、R3がシェルアンドチューブ型の熱交換器である場合の例を示している。なお、熱交換器R2、R3の配置関係は逆でもよい。すなわち、熱交換器R3がタービンTからの排気によってアノード排気12を加熱した後、熱交換器R2がカソード排気11を加熱するように、熱交換器R2、R3が配置されていてもよい。   9A and 9B are diagrams illustrating a configuration example of the heat exchangers R2 and R3. FIG. 9A shows an example where the heat exchangers R2 and R3 are plate fin type heat exchangers, and FIG. 9B shows an example where the heat exchangers R2 and R3 are shell and tube type heat exchangers. Show. The arrangement relationship between the heat exchangers R2 and R3 may be reversed. That is, the heat exchangers R2 and R3 may be arranged so that the heat exchanger R2 heats the cathode exhaust 11 after the heat exchanger R3 heats the anode exhaust 12 by the exhaust from the turbine T.

熱交換器R2、R3は一体化されていてもよい。図10は、第2の熱交換器R2と第3の熱交換器R3とが一体化された例を示す図である。図11A、11Bは、この場合における熱交換器R2、R3の構成例を示す図である。このように熱交換器R2、R3が一体化されることにより、装置の小型化、配管の簡略化、低コスト化を図ることができる。   The heat exchangers R2 and R3 may be integrated. FIG. 10 is a diagram illustrating an example in which the second heat exchanger R2 and the third heat exchanger R3 are integrated. 11A and 11B are diagrams showing a configuration example of the heat exchangers R2 and R3 in this case. Thus, by integrating the heat exchangers R2 and R3, it is possible to reduce the size of the apparatus, simplify the piping, and reduce the cost.

本実施形態では、熱交換器R2、R3に加えて、さらに熱交換器R1も一体化されていてもよい。図12A、12Bは、そのような熱交換器の例を示す図である。これらの例のように3つの熱交換器を一体化することにより、さらなる装置の小型化、配管の簡略化、低コスト化を実現できる。   In the present embodiment, in addition to the heat exchangers R2 and R3, the heat exchanger R1 may be further integrated. 12A and 12B are diagrams showing examples of such heat exchangers. By integrating three heat exchangers as in these examples, further downsizing of the apparatus, simplification of piping, and cost reduction can be realized.

なお、各熱交換器は、上記の構成に限定されず、熱交換が可能であればどのような構造を有していてもよい。   In addition, each heat exchanger is not limited to said structure, As long as heat exchange is possible, it may have what kind of structure.

(実施形態3)
次に、第3の実施形態を説明する。本実施形態では、SOFC17の空気極(カソードCa)をバイパスする第1の配管13と、第1の配管の流量を調整するための第1の流量調整弁V1と、第2の熱交換器R2の低温側の流路をバイパスする第2の配管14と、第2の配管の流量を調整するための第2の流量調整弁V2とが設けられている点で実施形態1と異なっている。以下、実施形態1と異なる点を中心に説明し、共通する事項についての説明は省略する。
(Embodiment 3)
Next, a third embodiment will be described. In the present embodiment, the first pipe 13 that bypasses the air electrode (cathode Ca) of the SOFC 17, the first flow rate adjustment valve V1 for adjusting the flow rate of the first pipe, and the second heat exchanger R2 This embodiment is different from the first embodiment in that a second pipe 14 that bypasses the low temperature side flow path and a second flow rate adjustment valve V2 for adjusting the flow rate of the second pipe are provided. Hereinafter, the description will focus on the points different from the first embodiment, and description of common matters will be omitted.

図13は、本実施形態における発電装置100の構成を示す図である。本実施形態では、発電装置100は、SOFC17のセル温度Tcellを制御するための流量調整弁V1と、タービン入口温度TITを制御するための流量調整弁V2とを有する。流量調整弁V1の開度を変化させることにより、カソードCaをバイパスする配管13を流れるカソード排気の流量を調整することができる。また、流量調整弁V2の開度を変化させることにより、再生熱交換器R2の低温側の流路をバイパスする配管14の流量を調整することができる。本実施形態によれば、SOFC17のセル温度Tcellと、タービン入口温度TITとを、発電装置100の運転中に制御することができる。   FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration of the power generation device 100 according to the present embodiment. In the present embodiment, the power generation apparatus 100 includes a flow rate adjustment valve V1 for controlling the cell temperature Tcell of the SOFC 17 and a flow rate adjustment valve V2 for controlling the turbine inlet temperature TIT. By changing the opening degree of the flow rate adjusting valve V1, the flow rate of the cathode exhaust flowing through the pipe 13 bypassing the cathode Ca can be adjusted. Moreover, the flow rate of the piping 14 which bypasses the low temperature side flow path of the regenerative heat exchanger R2 can be adjusted by changing the opening degree of the flow rate adjusting valve V2. According to the present embodiment, the cell temperature Tcell of the SOFC 17 and the turbine inlet temperature TIT can be controlled during the operation of the power generation apparatus 100.

電力負荷の変動などによって部分負荷運転を行う場合、SOFCスタックの発熱量が低下するため、セル温度を一定に保つような空気流量になるようにガスタービン回転数を下げることになる。ただし、ガスタービン回転数が固定である場合や、回転数が可変であっても部分負荷率が50%以下となるような場合は、所望の空気流量まで下げる事ができない。あるいは、所望の空気流量まで下げることができたとしても、ガスタービンの適正作動範囲から外れるため発電効率が低下してしまう。   When partial load operation is performed due to fluctuations in electric power load or the like, the amount of heat generated in the SOFC stack decreases, so the gas turbine rotational speed is decreased so that the air flow rate is maintained so as to keep the cell temperature constant. However, when the rotational speed of the gas turbine is fixed, or when the partial load factor is 50% or less even if the rotational speed is variable, it cannot be reduced to a desired air flow rate. Or even if it can reduce to the desired air flow rate, since it remove | deviates from the appropriate operating range of a gas turbine, power generation efficiency will fall.

本実施形態によれば、流量調整弁V1の開度を調整することにより、カソードCaに流入する空気の一部をバイパスさせ、所望のカソード流量を実現することができる。ただし、セル温度Tcellを維持するためにカソード流量を減少させすぎると、電池反応に必要な酸素が不足する場合がある。このため、制御は、電池反応に必要な酸素量が確保できる範囲で行われる。   According to the present embodiment, by adjusting the opening degree of the flow rate adjusting valve V1, a part of the air flowing into the cathode Ca can be bypassed, and a desired cathode flow rate can be realized. However, if the cathode flow rate is decreased too much to maintain the cell temperature Tcell, oxygen necessary for the battery reaction may be insufficient. For this reason, control is performed in a range in which the amount of oxygen necessary for the battery reaction can be secured.

カソードCaをバイパスする空気の割合が増加すると、再生熱交換器R2の低温側の入口における温度Tcellが低下する(減少量をΔTとする)。その結果、再生熱交換器R2の高温側と低温側との温度差が大きくなり、熱交換量が増加して再生熱交換器R2の低温側の出口における温度が低下する(減少量は上記ΔT以下)。これにより、タービン入口温度TITも低下する。タービン入口温度TITを維持するためには、流量調整弁V2の開度を下げ、再生熱交換器R2の低温側流量を増加させればよい。   When the proportion of air that bypasses the cathode Ca increases, the temperature Tcell at the low-temperature inlet of the regenerative heat exchanger R2 decreases (the amount of decrease is ΔT). As a result, the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side of the regenerative heat exchanger R2 becomes large, the heat exchange amount increases, and the temperature at the low temperature side outlet of the regenerative heat exchanger R2 decreases (the decrease amount is the above ΔT). Less than). As a result, the turbine inlet temperature TIT also decreases. In order to maintain the turbine inlet temperature TIT, the opening degree of the flow rate adjustment valve V2 may be decreased and the low temperature side flow rate of the regenerative heat exchanger R2 may be increased.

発電装置100は、図14に示すように、再生熱交換器R1の低温側の流路をバイパスする第3の配管15と、その流量を調整するための第3の流量調整弁V3とをさらに備えていてもよい。このような構成により、再生熱交換器R1による熱交換量およびカソード入口温度を制御することができる。このため、外気温度の変動によってコンプレッサCから吐出される空気の温度が変動した場合でも、流量調整弁V3の開度を調整することにより、カソード入口温度を一定に保つことができる。   As shown in FIG. 14, the power generation apparatus 100 further includes a third pipe 15 that bypasses the flow path on the low temperature side of the regenerative heat exchanger R1, and a third flow rate adjustment valve V3 for adjusting the flow rate. You may have. With such a configuration, it is possible to control the heat exchange amount and the cathode inlet temperature by the regenerative heat exchanger R1. For this reason, even when the temperature of the air discharged from the compressor C fluctuates due to fluctuations in the outside air temperature, the cathode inlet temperature can be kept constant by adjusting the opening of the flow rate adjustment valve V3.

なお、流量調整弁V1、V2、V3の開度の調整は、例えば不図示の流量センサーや制御回路を用いた電子制御によって行われてもよいし、ユーザが手動で調整できるようにしてもよい。また、上記の構成に限らず、流量調整弁V1、V2、V3のうちの1つだけが設けられた構成、流量調整弁V1、V3だけが設けられた構成、または流量調整弁V2、V3だけが設けられた構成を採用してもよい。流量調整弁V1、V2、V3のうちの少なくとも1つが設けられていれば、部分的ではあるが、ある程度の効果を得ることができる。   In addition, adjustment of the opening degree of the flow rate adjusting valves V1, V2, and V3 may be performed by, for example, electronic control using a flow rate sensor or a control circuit (not shown), or may be manually adjusted by the user. . In addition to the above configuration, only one of the flow rate adjustment valves V1, V2, and V3 is provided, only the flow rate adjustment valves V1 and V3 are provided, or only the flow rate adjustment valves V2 and V3. You may employ | adopt the structure provided. If at least one of the flow rate adjusting valves V1, V2, and V3 is provided, a partial effect can be obtained although it is partial.

(他の実施形態)
本開示における技術は上記の実施形態に限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施形態にも適用可能である。また、上記の実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて新たな実施形態とすることも可能である。以下、他の実施形態を例示する。
(Other embodiments)
The technology in the present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and can be applied to an embodiment in which changes, replacements, additions, omissions, and the like are appropriately performed. Moreover, it is also possible to combine each component demonstrated by said embodiment into a new embodiment. Hereinafter, other embodiments will be exemplified.

以上の実施形態においては、燃料電池として、固体酸化物形燃料電池(SOFC)を用いているが、他の種類の燃料電池を用いてもよい。例えば、溶融炭酸塩型燃料電池のような高温で動作する他の種類の燃料電池を用いることができる。   In the above embodiment, a solid oxide fuel cell (SOFC) is used as the fuel cell, but other types of fuel cells may be used. For example, other types of fuel cells that operate at high temperatures such as molten carbonate fuel cells can be used.

発電装置100は、例えば図15に示すように、第1熱交換器R1を通過したタービンTからの排気を熱源とするランキンサイクル発電装置Gをさらに備えていてもよい。熱交換器R1からの排ガスもまだ十分に高温であるため、この排熱を利用したボトミングサイクルを組み合わせることによって発電効率を更に向上させることができる。ランキンサイクル発電装置Gは、例えば他のガスタービンや蒸気タービンによって駆動される発電機を備え得る。そのような発電装置Gを追加することにより、タービンTからの排熱をさらに有効に活用できるため、総合発電効率のさらなる向上が期待できる。なお、図15の構成では、実施形態3の構成をベースにしているが、実施形態1、2の構成をベースにしてもよい。   For example, as illustrated in FIG. 15, the power generation apparatus 100 may further include a Rankine cycle power generation apparatus G that uses exhaust gas from the turbine T that has passed through the first heat exchanger R1 as a heat source. Since the exhaust gas from the heat exchanger R1 is still sufficiently high in temperature, the power generation efficiency can be further improved by combining the bottoming cycle using this exhaust heat. The Rankine cycle power generation device G may include a generator driven by, for example, another gas turbine or a steam turbine. By adding such a power generation device G, the exhaust heat from the turbine T can be used more effectively, and further improvement in the total power generation efficiency can be expected. 15 is based on the configuration of the third embodiment, but may be based on the configurations of the first and second embodiments.

本開示の燃料電池・ガスタービン複合発電装置は、定置式発電機、移動電源車、家庭用CHP、発電所などの発電装置として有用である。   The fuel cell / gas turbine combined power generation device of the present disclosure is useful as a power generation device for a stationary generator, a mobile power supply vehicle, a household CHP, a power plant, and the like.

C コンプレッサ
T タービン
MG 発電機
FP 燃料ポンプ
R1 再生熱交換器
R2 再生熱交換器
Ca 燃料電池のカソード
An 燃料電池のアノード
CC 燃焼器
V1 カソード用バイパス流量調整弁
V2 再生熱交換器R2用バイパス流量調整弁
V3 再生熱交換器R1用バイパス流量調整弁
10 カソード吸気
11 カソード排気
12 アノード排気
13 カソード用バイパス配管
14 再生熱交換器R2用バイパス配管
15 再生熱交換器R1用バイパス配管
16 電解質
17 固体酸化物形燃料電池(SOFC)
18 ガスタービン
19 軸
100 発電装置
C Compressor T Turbine MG Generator FP Fuel pump R1 Regenerative heat exchanger R2 Regenerative heat exchanger Ca Fuel cell cathode An An anode of fuel cell CC Combustor V1 Bypass flow adjustment valve for cathode V2 Bypass flow adjustment for regenerative heat exchanger R2 Valve V3 Bypass flow adjustment valve for regenerative heat exchanger R1 10 Cathode intake 11 Cathode exhaust 12 Anode exhaust 13 Bypass piping for cathode 14 Bypass piping for regenerative heat exchanger R2 15 Bypass piping for regenerative heat exchanger R1 16 Electrolyte 17 Solid oxide Fuel cell (SOFC)
18 gas turbine 19 shaft 100 power generator

Claims (16)

空気を圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサによって圧縮された前記空気を加熱する第1熱交換器と、
前記第1熱交換器によって加熱された前記空気が供給される空気極、および燃料が供給される燃料極を有し、前記空気中の酸素と前記燃料とを反応させることによって発電する燃料電池と、
前記空気極からの排気を加熱する第2熱交換器と、
前記第2熱交換器によって加熱された前記排気、および前記燃料極からの排気を混合して燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
を備え、
前記タービンからの排気は、前記第2熱交換器に供給されて前記空気極からの前記排気を加熱した後、前記第1熱交換器に供給されて前記コンプレッサによって圧縮された前記空気を加熱する、発電装置。
A compressor that compresses the air;
A first heat exchanger for heating the air compressed by the compressor;
A fuel cell having an air electrode to which the air heated by the first heat exchanger is supplied, and a fuel electrode to which fuel is supplied, and generating electricity by reacting oxygen in the air and the fuel; ,
A second heat exchanger for heating the exhaust from the air electrode;
A combustor for mixing and combusting the exhaust gas heated by the second heat exchanger and the exhaust gas from the fuel electrode;
A turbine driven by combustion gas from the combustor;
With
The exhaust from the turbine is supplied to the second heat exchanger to heat the exhaust from the air electrode, and is then supplied to the first heat exchanger to heat the air compressed by the compressor. , Power generator.
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である、請求項1に記載の発電装置。   The power generator according to claim 1, wherein the fuel cell is a solid oxide fuel cell. 前記第1熱交換器および前記第2熱交換器は、一体化されている、請求項1または2に記載の発電装置。   The power generator according to claim 1 or 2, wherein the first heat exchanger and the second heat exchanger are integrated. 前記タービンの入口における前記燃焼ガスの温度は、1000℃以上である、請求項1から3のいずれかに記載の発電装置。   The power generator according to any one of claims 1 to 3, wherein a temperature of the combustion gas at an inlet of the turbine is 1000 ° C or higher. 前記タービンの入口における前記燃焼ガスの温度は、1200℃以上である、請求項4に記載の発電装置。   The power generation device according to claim 4, wherein a temperature of the combustion gas at an inlet of the turbine is 1200 ° C. or higher. 前記タービンのロータの少なくとも一部はセラミックス製の部材によって構成されている、請求項1から5のいずれかに記載の発電装置。   The power generator according to any one of claims 1 to 5, wherein at least a part of the rotor of the turbine is made of a ceramic member. 前記タービンのロータを冷却するための冷却機構をさらに備えている、請求項1から6のいずれかに記載の発電装置。   The power generator according to any one of claims 1 to 6, further comprising a cooling mechanism for cooling the rotor of the turbine. 前記燃焼器の少なくとも一部はセラミックス製の部材によって構成されている、請求項1から7のいずれかに記載の発電装置。   The power generator according to any one of claims 1 to 7, wherein at least a part of the combustor is made of a ceramic member. 前記タービンからの排気を加熱媒体として前記燃料電池の前記燃料極からの排気を加熱する第3熱交換器をさらに備える、請求項1から6のいずれかに記載の発電装置。   The power generator according to any one of claims 1 to 6, further comprising a third heat exchanger that heats the exhaust from the fuel electrode of the fuel cell using the exhaust from the turbine as a heating medium. 前記第2熱交換器および前記第3熱交換器は一体化されている、請求項9に記載の発電装置。   The power generation device according to claim 9, wherein the second heat exchanger and the third heat exchanger are integrated. 前記第1熱交換器、前記第2熱交換器、前記第3熱交換器は、一体化されている、請求項10に記載の発電装置。   The power generator according to claim 10, wherein the first heat exchanger, the second heat exchanger, and the third heat exchanger are integrated. 前記燃料電池の前記空気極をバイパスする第1の配管と、
前記第1の配管内を流れる流体の流量を調整するための第1の弁と、
をさらに備える、請求項1から11のいずれかに記載の発電装置。
A first pipe that bypasses the air electrode of the fuel cell;
A first valve for adjusting a flow rate of fluid flowing in the first pipe;
The power generator according to any one of claims 1 to 11, further comprising:
前記第2熱交換器の低温側の流路をバイパスする第2の配管と、
前記第2の配管内を流れる流体の流量を調整するための第2の弁と、
をさらに備える、請求項1から12のいずれかに記載の発電装置。
A second pipe that bypasses the low-temperature channel of the second heat exchanger;
A second valve for adjusting the flow rate of the fluid flowing in the second pipe;
The power generator according to any one of claims 1 to 12, further comprising:
前記第1熱交換器の低温側の流路をバイパスする第3の配管と、
前記第3の配管内を流れる流体の流量を調整するための第3の弁と、
をさらに備える、請求項1から13のいずれかに記載の発電装置。
A third pipe bypassing the low temperature side flow path of the first heat exchanger;
A third valve for adjusting the flow rate of the fluid flowing in the third pipe;
The power generator according to any one of claims 1 to 13, further comprising:
前記第1熱交換器を通過した前記タービンからの前記排気を熱源とするランキンサイクル発電装置をさらに備える、請求項1から14のいずれかに記載の発電装置。   The power generator according to any one of claims 1 to 14, further comprising a Rankine cycle power generator that uses the exhaust from the turbine that has passed through the first heat exchanger as a heat source. 前記タービンおよび前記コンプレッサに軸を介して連結した発電機をさらに備える請求項1から15のいずれかに記載の発電装置。   The power generator according to any one of claims 1 to 15, further comprising a generator connected to the turbine and the compressor via a shaft.
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