JP3835996B2 - 燃料電池コンバインドサイクル - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池、ガスタービン、蒸気タービンを含むコンバインドサイクルに関する。
【0002】
【従来の技術】
近時、発電に伴うCO2低減に向けて燃料電池が脚光を浴びている。燃料電池には使用する電解質によってリン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)、固体電解質型燃料電池(SOFC)、固体高分子型燃料電池(PEFC)、アルカリ型燃料電池(AFC)などがある。このうち、固体電解質型燃料電池は高い発電効率が期待でき、また作動ガスの温度が約1000°Cと高いために大型の発電設備への応用に好適であると考えられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
然しながら、既述したように作動ガスの温度が約1000°Cと高いために、排ガスの持ち出す顕熱の高さも固体電解質型燃料電池の効率を低下させる原因となっている。また、固体電解質型燃料電池では気体燃料を完全に反応させることができず、これが固体電解質型燃料電池の効率を低下させる1つの原因となっている。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は、こうした従来の問題点を解決することを技術課題としており、燃料電池、特に固体電解質型燃料電池をトッピングサイクルとした複合サイクルを提供することを目的としている。
そして、本発明はこうした従来の問題点を解決するためになされたもので、特許請求の範囲に記載された各発明は、燃料電池コンバインドサイクルとして、それぞれ以下の(1)〜(4)に述べる各手段を採用したものである。
(1) 圧縮機により圧縮された圧縮空気と気体燃料とを多段の燃料電池に供給して前記圧縮空気中の酸素と前記気体燃料とを反応させ電気化学的に発電し、
各々の前記燃料電池の出口側に前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱するための熱交換器を配設し、
該熱交換器からの排気ガスを燃焼器に供給して燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成し、
該高温の作動ガスを膨張機へ供給して該膨張機を駆動し、
該膨張機の下流に膨張機下流熱交換器を配設し、
該膨張機下流熱交換器からの排気ガスとの熱交換を通じて蒸気を生成し、
該蒸気を蒸気タービンへ供給して前記蒸気タービンを駆動すると共に、
前記膨張機下流熱交換器により前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱し前記多段の燃料電池の出口側の各々の前記熱交換器により前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱した後に前記多段の燃料電池に供給するようにしたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル。
(2) 圧縮機により圧縮された圧縮空気と気体燃料とを燃料電池に供給して前記圧縮空気中の酸素と前記気体燃料とを反応させ電気化学的に発電し、
前記燃料電池からの排気ガスを燃焼器に供給して燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成し、
該高温の作動ガスを膨張機へ供給して該膨張機を駆動し、
前記膨張機の下流に膨張機下流燃料電池を配設し、
該膨張機下流燃料電池からの排気ガスとの熱交換を通じて蒸気を生成し、
該蒸気を蒸気タービンへ供給して前記蒸気タービンを駆動するようにしたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル。
(3) 圧縮機により圧縮された圧縮空気と気体燃料とを燃料電池に供給して前記圧縮空気中の酸素と前記気体燃料とを反応させ電気化学的に発電し、
前記燃料電池からの排気ガスを燃焼器に供給して燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成し、
該高温の作動ガスを膨張機へ供給して該膨張機を駆動し、
該膨張機の下流に熱交換器を配設し、
該熱交換器の下流に膨張機下流燃料電池を配設し、
該膨張機下流燃料電池からの排気ガスとの熱交換を通じて蒸気を生成し、
該蒸気を蒸気タービンへ供給して前記蒸気タービンを駆動するようにしたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル。
(4) 圧縮機により圧縮された圧縮空気と気体燃料とを多段の燃料電池に供給して前記圧縮空気中の酸素と前記気体燃料とを反応させ電気化学的に発電し、
各々の前記燃料電池の出口側に前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱するための熱交換器を配設し、
該熱交換器からの排気ガスを燃焼器に供給して燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成し、
該高温の作動ガスを膨張機へ供給して該膨張機を駆動し、
該膨張機の下流に膨張機下流熱交換器を配設し、
該膨張機下流熱交換器の下流に膨張機下流燃料電池を配設し、
該膨張機下流燃料電池からの排気ガスとの熱交換を通じて蒸気を生成し、
該蒸気を蒸気タービンへ供給して前記蒸気タービンを駆動すると共に、
前記膨張機下流熱交換器により前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱し前記多段の燃料電池の出口側の各々の前記熱交換器により前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱した後に前記多段の燃料電池に供給するようにしたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
図1は本発明の第1の実施形態によるコンバインドサイクルを示すブロック図であり、コンバインドサイクル100は、圧縮機10、膨張機12、燃焼器14、発電機16を有するガスタービン発電機と、膨張機12の排ガスとの熱交換により蒸気を発生する排ガスボイラまたは廃熱回収蒸気発生器(HRSG)18と、HRSG18からの蒸気により駆動される蒸気タービン20、蒸気タービン20に連結された発電機22、蒸気タービン20の排気を凝縮する復水器24を有する蒸気タービン発電機を具備している。第1の実施形態によるコンバインドサイクル100では、圧縮機10の出口と燃焼器14との間に燃料電池(FC)、好ましくは固体電解質型燃料電池(SOFC)102が配設されている。
【0006】
以下、第1の実施形態の作用を説明する。
圧縮機10は空気Aを吸入して所定圧力に圧縮する。圧縮された空気はFC102に供給される。FC102には燃料供給源(図示せず)から気体燃料、特に水素ガスが供給される。また、固体電解質型燃料電池は作動ガス温度が1000°Cと比較的高いために内部改質が可能であるので気体燃料として天然ガスを供給することもできる。
【0007】
FC102に水素を供給する場合、FC102では空気中の酸素と供給された水素ガスとの電気化学反応により電気が発生すると共に水蒸気が発生する。既述したように、固体電解質型燃料電池では供給された気体燃料を完全に反応させることが困難であるために、FC102の排気ガス中には未燃の水素と、反応に関わらなかった酸素が含まれている。FC102に天然ガスを供給する場合、FC102では水素と酸素の電気化学反応に平行して改質反応が行われるので、FC102の排気ガスには未燃の水素に加えて一酸化炭素、二酸化炭素が含まれる。何れの場合にもFC102は反応性の排気ガスを生成する。
【0008】
こうして、FC102からの反応性の排気ガスは、ガスタービン発電機の燃焼器14に供給され、燃焼器14において未燃の水素や一酸化炭素が完全に燃焼する。つまり、ガスタービン発電機の燃焼器14はFC102のアフターバーナとしても作用する。また、燃焼器14へFC102の排気ガスが供給されるので、希薄燃料または低カロリーガスを燃焼させる燃焼器であることが好ましい。
【0009】
次いで、燃焼器14からの高温の燃焼ガスが作動ガスとして膨張機12に供給される。この作動ガスは、膨張機12を駆動した後に温度、圧力を低減してHRSG18に供給され、HRSG18において水との熱交換を通じて更に温度を低減して、排気ガスEとして最終的に煙突(図示せず)から大気中に放出される。HRSG18では膨張機12からの排気ガスとの熱交換により水蒸気が生成される。この水蒸気は蒸気タービン20へ供給され、蒸気タービン20を駆動した後に復水器24において凝縮され復水としてHRSG18へ再び供給される。
本実施形態によれば、FC102で生じる未燃の気体燃料を有効利用することが可能となる。
【0010】
次に、図2を参照して本発明の第2の実施形態を説明する。なお、図2において図1の実施形態と同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
第2の実施形態によるコンバインドサイクル200は、圧縮機10と燃焼器14との間に配設された熱交換器(HEx)204およびFC202を具備している。膨張機12からの排気ガスはHEx204において圧縮機10からの圧縮空気および燃料供給源からの気体燃料Fと熱交換した後にHRSG18へ供給される。HEx204における熱交換により高温となった圧縮空気および気体燃料はFC202へ供給される。このように、第2の実施形態によれば、HEx204において膨張機12からの排気ガスとの熱交換を通じて空気および気体燃料の温度を高めてFC202へ供給することにより、FC202における電気化学反応が促進される。更に、排気ガスのHRSG18の入口温度が低下するので、HRSG18が生成する蒸気の持つ熱エネルギが小さくなり、復水器24から排気されるエネルギ量が小さくなる。従って、コンバインドサイクル200の総合発電効率が高くなる。
【0011】
次に、図3を参照して本発明の第3の実施形態を説明する。なお、図3において図1、2の実施形態と同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
第3の実施形態によるコンバインドサイクル300は、圧縮機10と燃焼器14との間に配設されたHEx304、306およびFC302を具備している。膨張機12からの排気ガスはHEx306において圧縮機10からの圧縮空気および燃料供給源からの気体燃料Fと熱交換した後にHRSG18へ供給される。HEx306における熱交換により高温となった圧縮空気および気体燃料は、FC302の出口に配設されたHEx304において、FC302の排気ガスとの熱交換により更に高温となってFC302へ供給される。このように、第3の実施形態によれば、第2の実施形態の構成に加えて、FC302の出口に配設されたHEx304を具備しているので、FC302へ供給される空気および気体燃料の温度が更に高くなり、FC302における電気化学反応が促進され、コンバインドサイクル300の総合発電効率が高くなる。
【0012】
次に、図4を参照して本発明の第4の実施形態を説明する。第3の実施形態ではFC302は単一の燃料電池であったが、第4の実施形態では多段の燃料電池を具備している。なお、図4において図1、2、3の実施形態と同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。また、本実施形態ではFCを3段設置した例を示し説明するが、設置されたFCの酸素消費量に応じて段数を増減できる。
【0013】
第4の実施形態によるコンバインドサイクル400は、圧縮機10と燃焼器14との間に配設されたHEx404、408、412および直列に配設された第1段FC402、第2段FC406、第3段FC410を具備している。HEx414は膨張機12の出口に配設され、HEx404、408、412の各々は第1段、第2段、第3段FC402、406、408の出口側に配設されている。
なお、本実施形態ではHExの各々をFCの出口側に設置した例を示し説明したが、必ずしも全てのFCの出口側に設置する必要はなく、いずれかのFCの出口側にHExを設置することでも可能である。
【0014】
膨張機12からの排気ガスは、既述の実施形態と同様にHEx414において圧縮機10からの圧縮空気および燃料供給源からの気体燃料Fと熱交換した後にHRSG18へ供給される。HEx414における熱交換により高温となった圧縮空気および気体燃料は、先ず、FC410の出口に配設されたHEx412においてFC408の排気ガスとの熱交換により更に高温となり、次いで、FC406の出口に配設されたHEx408においてFC406の排気ガスとの熱交換により更に高温となる。このように順次熱交換がなされ、最後に第1段FC402の出口に配設されたHEx404において、第1段FC402の排気ガスとの熱交換により更に高温となって第1段FC402へ供給される。第1段FC402へ供給された空気および気体燃料は、HEx404、FC406、HEx408、FC410、HEx412を順次通過して燃焼器14へ供給され、燃焼器14において最終的に未燃の気体燃料が全て燃焼されて膨張機12の作動ガスとして膨張機12へ供給される。
【0015】
このように、第4の実施形態によれば、第3の実施形態の構成におけるFCおよびHExを多段に配置したもので、このようにすることによって第1段FC402へ供給される空気および気体燃料の温度が更に高くなり、第1段FC402における電気化学反応が促進され、コンバインドサイクル402の総合発電効率が高くなる。
【0016】
次に、図5を参照して本発明の第5の実施形態を説明する。第5の実施形態によるコンバインドサイクル500は、膨張機12の下流のHEx504とHRSG18との間にFC506が配設されている点において、第2の実施形態によるコンバインドサイクル200と異なっており、図5において図1、2、3、4の実施形態と同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
【0017】
HEx504における熱交換により高温となった圧縮空気および気体燃料は高温となってFC502へ供給される。膨張機12からの排気ガスは、HEx504において圧縮機10からの圧縮空気および燃料供給源からの気体燃料Fと熱交換し、温度を低下させてFC506へ供給される。一般的に膨張機12は圧縮機10からの空気により冷却されているので、膨張機12からの排ガス中には多くの酸素が存在する。本実施形態によれば、膨張機12の出口側にFC506を配設したので、この冷却空気に含まれている酸素を有効利用可能となる。このように、第5の実施形態によれば、第2の実施形態の構成に加えて、HEx504の出口に配設されたFC506を具備しているので、この冷却空気に含まれている酸素を有効利用可能となる。
【0018】
本発明の種々の実施形態を説明したが本発明がこれに限定されず種々の修正と変更が可能であることは当業者の当然とするところである。
例えば、第1から第5の実施形態は相互に独立した構成ではなく相互に組み合わせることができる。
【0019】
既述した実施形態では、各コンバインドサイクルは、圧縮機10と膨張機12とを一軸で連結したガスタービン発電機を具備していたが、本発明はこれに限定されず、二軸のガスタービン発電機であってもよい。更に、蒸気タービン発電機とガスタービン発電機とを一軸で連結しても良い。
【0020】
既述した実施形態では燃焼器14へはFC102、202、302、410、502からの排気が供給されているが、本発明はこれに限定されず、燃焼器14へは別途助燃剤を供給するようにしても良い。
【0021】
圧縮機10と膨張機12との間に多段のFC402、406、410を配設した第4の実施形態では、プラントの運転条件によっては、第2段、第3段のFC406、410において十分な気体燃料が供給されない場合も生じうるので、FC406、410には独立の気体燃料供給装置(図示せず)を設けても良い。
【0022】
同様に、第5の実施形態において膨張機12とHRSG18の間に配設されたFC506にも独立の気体燃料供給装置(図示せず)を設けることができる。また、図5では、FC506はHEx504の下流側に配設されているが、両者の順序を入れ換えて、膨張機12の直ぐ下流にFC506を配設し、FC506とHRSG18の間にHEx504を配設するようにしてもよい。
【0023】
【発明の効果】
本発明によれば、排ガスとの熱交換により蒸気を発生して、この蒸気により蒸気タービンを駆動するようにしたので、排ガスの持ち出す顕熱が低減され熱効率が高くなる。また、燃料電池の下流に燃焼器を配設し、該燃焼器により燃料電池からの排気ガスを燃焼させるようにしたので、気体燃料を完全に反応させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態による燃料電気コンバインドサイクルのブロック図である。
【図2】本発明の第2の実施形態による燃料電気コンバインドサイクルのブロック図である。
【図3】本発明の第3の実施形態による燃料電気コンバインドサイクルのブロック図である。
【図4】本発明の第4の実施形態による燃料電気コンバインドサイクルのブロック図である。
【図5】本発明の第5の実施形態による燃料電気コンバインドサイクルのブロック図である。
【符号の説明】
10…圧縮機
12…膨張機
14…燃焼器
16…発電機
18…排ガスボイラ(HRSG)
20…蒸気タービン
22…発電機
102…燃料電池
202…燃料電池
204…熱交換
302…燃料電池
304…熱交換
306…熱交換
402…燃料電池
404…熱交換
406…燃料電池
408…熱交換
410…燃料電池
412…熱交換
502…燃料電池
504…熱交換
506…燃料電池
Claims (4)
- 圧縮機により圧縮された圧縮空気と気体燃料とを多段の燃料電池に供給して前記圧縮空気中の酸素と前記気体燃料とを反応させ電気化学的に発電し、
各々の前記燃料電池の出口側に前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱するための熱交換器を配設し、
該熱交換器からの排気ガスを燃焼器に供給して燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成し、
該高温の作動ガスを膨張機へ供給して該膨張機を駆動し、
該膨張機の下流に膨張機下流熱交換器を配設し、
該膨張機下流熱交換器からの排気ガスとの熱交換を通じて蒸気を生成し、
該蒸気を蒸気タービンへ供給して前記蒸気タービンを駆動すると共に、
前記膨張機下流熱交換器により前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱し前記多段の燃料電池の出口側の各々の前記熱交換器により前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱した後に前記多段の燃料電池に供給するようにしたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル。 - 圧縮機により圧縮された圧縮空気と気体燃料とを燃料電池に供給して前記圧縮空気中の酸素と前記気体燃料とを反応させ電気化学的に発電し、
前記燃料電池からの排気ガスを燃焼器に供給して燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成し、
該高温の作動ガスを膨張機へ供給して該膨張機を駆動し、
前記膨張機の下流に膨張機下流燃料電池を配設し、
該膨張機下流燃料電池からの排気ガスとの熱交換を通じて蒸気を生成し、
該蒸気を蒸気タービンへ供給して前記蒸気タービンを駆動するようにしたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル。 - 圧縮機により圧縮された圧縮空気と気体燃料とを燃料電池に供給して前記圧縮空気中の酸素と前記気体燃料とを反応させ電気化学的に発電し、
前記燃料電池からの排気ガスを燃焼器に供給して燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成し、
該高温の作動ガスを膨張機へ供給して該膨張機を駆動し、
該膨張機の下流に熱交換器を配設し、
該熱交換器の下流に膨張機下流燃料電池を配設し、
該膨張機下流燃料電池からの排気ガスとの熱交換を通じて蒸気を生成し、
該蒸気を蒸気タービンへ供給して前記蒸気タービンを駆動するようにしたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル。 - 圧縮機により圧縮された圧縮空気と気体燃料とを多段の燃料電池に供給して前記圧縮空気中の酸素と前記気体燃料とを反応させ電気化学的に発電し、
各々の前記燃料電池の出口側に前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱するための熱交換器を配設し、
該熱交換器からの排気ガスを燃焼器に供給して燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成し、
該高温の作動ガスを膨張機へ供給して該膨張機を駆動し、
該膨張機の下流に膨張機下流熱交換器を配設し、
該膨張機下流熱交換器の下流に膨張機下流燃料電池を配設し、
該膨張機下流燃料電池からの排気ガスとの熱交換を通じて蒸気を生成し、
該蒸気を蒸気タービンへ供給して前記蒸気タービンを駆動すると共に、
前記膨張機下流熱交換器により前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱し前記多段の燃料電池の出口側の各々の前記熱交換器により前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱した後に前記多段の燃料電池に供給するようにしたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル。
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