JP3901578B2 - 発電装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンと固体電解質型燃料電池とを一体に備えた発電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
特表2001−516935号公報には、ターボマシンと燃料電池とを組み合わせたハイブリッド電力システムが記載されている。ターボマシンはコンバスタで燃料を燃焼させて発生した高圧ガスでパワータービンを回転させることでジェネレータを駆動して発電を行い、燃料電池はターボマシンのコンプレッサおよび復熱器を通過して加熱された空気と燃料とを反応させて発電を行う。
【0003】
米国特許第6213234号明細書には、ガスタービンエンジンで駆動される燃料電池およびジェネレータを備えた車両が記載されている。車両を駆動するのに必要な最大電力の約50%未満を燃料電池から供給することで、燃料電池を無闇に大型化することなく燃料消費量の節減を図り、また車両の必要電力が小さいときに、燃料電池は必要電力の全てあるいは大部分を効率的に供給する。
【0004】
米国特許第6255010号明細書には、ガスタービンエンジン、燃料電池およびジェネレータを含む発電装置を共通の圧力容器内に収納して加圧状態で運転するものが記載されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ガスタービンエンジンと燃料電池とを分離して配置するとシステム全体の寸法が大型化する問題があるため、ガスタービンエンジンのケーシングの内部に燃料電池を収納してコンパクト化を図ることが考えられる。しかしながら、ガスタービンエンジンに燃料電池を単純に組み合わせてもシステムのコンパクト化には限界があり、しかも運転時に数百度の高温になるガスタービンエンジンおよび燃料電池の熱膨張を効果的に吸収することが難しいため、両者の熱応力が増加して発電効率の低下や耐久性の低下の要因となる可能性がある。
【0006】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ガスタービンエンジンと固体電解質型燃料電池とを一体に備えた発電装置をコンパクト化するとともに、発電効率および耐久性の向上を図ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に記載された発明によれば、ガスタービンエンジンと固体電解質型燃料電池とを一体に備えた発電装置であって、ガスタービンエンジンはコンプレッサホイール、タービンホイール、熱交換器および燃焼器を含み、コンプレッサホイールは圧縮空気を熱交換器を介して固体電解質型燃料電池および燃焼器に供給し、タービンホイールは固体電解質型燃料電池および燃焼器からの排ガスにより駆動されてコンプレッサホイールを駆動し、熱交換器はタービンホイールからの排ガスとコンプレッサホイールからの圧縮空気との間で熱交換を行うものにおいて、コンプレッサホイール、タービンホイール、熱交換器、燃焼器および固体電解質型燃料電池はコンプレッサホイールおよびタービンホイールよりなる回転部の軸線を共有する軸対称な形状であり、かつ前記回転部に対して前記軸線方向の一方側に熱交換器および固体電解質型燃料電池を順次配置したことを特徴とする発電装置が提案される。
【0008】
上記構成によれば、ガスタービンエンジンの構成要素であるコンプレッサホイール、タービンホイール、熱交換器および燃焼器と固体電解質型燃料電池とを、コンプレッサホイールおよびタービンホイールよりなる回転部の軸線を共有する軸対称な形状にし、かつ回転部に対して軸線方向の一方側に熱交換器および固体電解質型燃料電池を順次配置したので、発電装置全体をコンパクト化できるだけでなく、熱交換器や固体電解質型燃料電池に入る圧縮空気や排ガスの流速を均一化し、更に圧縮空気や排ガスの流れをスムーズにして圧力損失を減少させることで発電効率を高めることができる。また上記軸対称の配置により、発電装置の熱膨張により発生する熱応力を最小限に抑えて発電効率の向上および耐久性の向上を図ることができる。
【0009】
また請求項2に記載された発明によれば、請求項1の構成に加えて、熱交換器および固体電解質型燃料電池は前記軸線を中心とする円環状であることを特徴とする発電装置が提案される。
【0010】
上記構成によれば、熱交換器および固体電解質型燃料電池が回転部の軸線を中心とする円環状であるため、熱交換器および固体電解質型燃料電池の半径方向内側の空間にガスタービンエンジンの構成要素を収納してコンパクト化を図ることができ、しかもガスタービンエンジンが発生する熱を半径方向外側の熱交換器および固体電解質型燃料電池で回収することができる。
【0011】
また請求項3に記載された発明によれば、請求項1の構成に加えて、コンプレッサホイールから熱交換器に圧縮空気を導く圧縮空気通路を、タービンホイールから熱交換器に排ガスを導く排ガス通路の半径方向外側に配置したことを特徴とする発電装置が提案される。
【0012】
上記構成によれば、圧縮空気通路を排ガス通路の半径方向外側に配置したので、比較的高温の排ガスが通る排ガス通路から逃げる熱を比較的低温の圧縮空気が通る圧縮空気通路で回収して発電効率を一層高めることができる。
【0013】
また請求項4に記載された発明によれば、請求項1の構成に加えて、固体電解質型燃料電池は前記軸線を中心とする円環状であり、その半径方向内側の空間に燃焼器を配置したことを特徴とする発電装置が提案される。
【0014】
上記構成によれば、円環状の固体電解質型燃料電池の半径方向内側の空間に燃焼器を配置したので、燃焼器が発生する熱を固体電解質型燃料電池で回収し、特に始動初期の固体電解質型燃料電池を早期に活性化して発電効率を向上させることができる。
【0015】
尚、実施例の第1圧縮空気通路12は本発明の圧縮空気通路に対応する。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【0017】
図1および図2は本発明の第1実施例を示すもので、図1は発電装置の縦断面図、図2は図1の2−2線断面図である。
【0018】
図1および図2には、ガスタービンエンジンGTに固体電解質型燃料電池FCを一体化した発電装置が示される。ガスタービンエンジンGTは概略カップ状の前部ケーシング11を備えており、前部ケーシング11の内面に沿うように形成された第1圧縮空気通路12の上流側に、図示せぬエアクリーナおよびサイレンサに連なる吸気通路13が接続される。吸気通路13の中央を貫通して一対のベアリング14,15で支持された回転軸16には、遠心式のコンプレッサホイール17と遠心式のタービンホイール18とが隣接して同軸に固定される。コンプレッサホイール17の外周に放射状に形成された複数のコンプレッサブレード17a…は前記吸気通路13に臨んでおり、これらコンプレッサブレード17a…の直下流に位置する第1圧縮空気通路12に複数のコンプレッサディフューザ19…が設けられる。回転軸16の前端にはタービンホイール18により駆動されるジェネレータGEが設けられる。
【0019】
前部ケーシング11の後端に円環状に形成された伝熱型の熱交換器20が配置される。熱交換器20は多数枚の金属薄板を放射方向に配置することで圧縮空気通路と排ガス通路とを円周方向に交互に形成したもので、後端外周寄りの位置に第1圧縮空気通路12の下流端に連なる圧縮空気入口21を備えるとともに前端内周寄りの位置に圧縮空気出口22を備え、前端外周寄りの位置に排ガス入口23を備えるとともに後端内周寄りの位置に大気に連なる排ガス出口24を備える。熱交換器20は、実線矢印で示す比較的に低温の圧縮空気と、破線矢印で示す比較的に高温の排ガスとを相互に逆方向に流すことにより、その流路の全長に亘って圧縮空気および排ガス間の温度差を大きく保って熱交換効率を向上させている。
【0020】
熱交換器20の内周面から後方に向けて段付き円筒状の後部ケーシング25が接続されており、後部ケーシング25の後半部に円環状に形成された固体電解質型燃料電池FCが収納される。後部ケーシング25の内周面に沿って形成された第2圧縮空気通路26は、その上流端が熱交換器20の圧縮空気出口22に連なり、その下流端が固体電解質型燃料電池FCの外周部に連なっている。固体電解質型燃料電池FCの半径方向内側に単缶型の燃焼器27が配置されており、その後端に燃料噴射ノズル28が設けられる。第2圧縮空気通路26の中間部分に固体電解質型燃料電池FCをバイパスする開口を開閉する開閉弁29…が設けられる。
【0021】
回転軸16の後端に設けられたタービンホイール18の外周に放射状に形成された複数のタービンブレード18a…から延びる排ガス通路30が熱交換器20の排ガス入口23に接続されており、この排ガス通路30の半径方向外側が前記第1圧縮空気通路12によって覆われる。タービンホイール18の後面を覆うように遮熱板31が配置されており、遮熱板31の外周部にタービンブレード18a…に臨むタービンノズル32…が設けられる。
【0022】
コンプレッサホイール17およびタービンホイール18で構成される回転部33を支持する回転軸16の軸線Lに対して、ガスタービンエンジンGTの構成要素(つまりコンプレッサホイール17、タービンホイール18、熱交換器20および燃焼器27)および固体電解質型燃料電池FCは軸対称な形状を有している。そして回転部33の軸線L方向後方に形成された空間34の半径方向外側に円環状の熱交換器20が配置され、更に熱交換器20の軸線L方向後方に円環状の固体電解質型燃料電池FCが配置され、固体電解質型燃料電池FCの半径方向内側に燃焼器27が配置される。
【0023】
公知の固体電解質型燃料電池FCは、円環状の薄板よりなる多数のセルを、それと同形のセパレータを挟んで軸線L方向に重ね合わせたもので、各々のセルはセラミックス系の固体電解質の両側面にカソード(空気極)およびアノード(燃料極)を積層してなる。セパレータに形成した通路を通してカソードおよびアノードにそれぞれ空気および燃料を供給し、それらが固体電解質の界面で反応することで電気エネルギーが発生する。
【0024】
次に、上記構成を備えた本発明の実施例の作用について説明する。
【0025】
発電装置の運転中に、吸気通路13から吸い込まれてコンプレッサホイール17により圧縮された空気は第1圧縮空気通路12を経て熱交換器20に送られ、そこで高温の排ガス(約800°C)との間で熱交換することにより排ガスの温度近くまで加熱される。熱交換器20を通過した高温の圧縮空気は第2圧縮空気通路26を経て固体電解質型燃料電池FCに達し、固体電解質型燃料電池FCを半径方向外側から半径方向内側に通過する。一方、固体電解質型燃料電池FCに供給された天然ガス等の燃料(白抜き矢印参照)は、高温の固体電解質型燃料電池FCにおいてH2 およびCOに内部改質され、熱交換器20から供給された空気と反応することで発電が行われる。
【0026】
発電装置の始動時には固体電解質型燃料電池FCが活性化していないため、燃焼器27を一時的に作動させて固体電解質型燃料電池FCを活性化温度まで昇温させる。即ち、コンプレッサホイール17からの圧縮空気を熱交換器20から固体電解質型燃料電池FCを経て燃焼器27に供給し、その圧縮空気に燃料噴射ノズル28から噴射した燃料を混合して燃焼させると、高温の排ガスが熱交換器20に供給されて熱交換が行われるようになり、固体電解質型燃料電池FCに供給される圧縮空気の温度が上昇する。また燃焼器27で発生した排ガスによりタービンホイール18が駆動されるため、コンプレッサホイール17による空気の吸入および圧縮が有効に行われて固体電解質型燃料電池FCに供給される圧縮空気の温度が更に上昇する。
【0027】
その結果、固体電解質型燃料電池FCに供給される圧縮空気の温度が所定温度(例えば、500°C〜600°C)に達すると、燃料噴射ノズル28からの燃料の噴射を停止して燃焼器27を不作動にしても、固体電解質型燃料電池FCの温度が活性化温度に達することで発電装置の運転が継続される。また開閉弁29…の開度を変化させて固体電解質型燃料電池FCを通過する圧縮空気量とバイパスする圧縮空気量との比率を制御することで、固体電解質型燃料電池FCの温度を制御したり、固体電解質型燃料電池FCにおける圧力損失を低減したりすることができる。
【0028】
尚、燃焼器27を軸線L方向に移動自在に設け、始動時に燃焼器27を後部ケーシング25の内部に突出させ、始動後に燃焼器27を後部ケーシング25の外部に退避させれば、始動後の発電装置の運転中に固体電解質型燃料電池FCからの排ガスが燃焼器27と干渉せずにスムーズに流れるようになり、発電効率の更なる向上を期待することができる。
【0029】
しかして、タービンホイール18の回転軸16により駆動されるジェネレータGEで発電された電力と、固体電解質型燃料電池FCで発電された電力とが統合されて出力される。燃料の持つ化学エネルギーのうち、約50%が固体電解質型燃料電池FCで電気エネルギーに変換され、約15%がジェネレータGEで電気エネルギーに変換されるため、発電装置の効率は65%に達して極めて高いものとなる。
【0030】
さて、コンプレッサホイール17およびタービンホイール18よりなる回転部33の軸線Lに対して、コンプレッサホイール17、タービンホイール18、熱交換器20、燃焼器27および固体電解質型燃料電池FCが軸対称に配置されているため、ガスタービンエンジンGTおよび固体電解質型燃料電池FCの内部の圧縮空気や排ガスの流れが軸対称になって円周方向に均一化されるため、熱交換器20に流入する圧縮空気および排ガスの流速を均一化し、かつ固体電解質型燃料電池FCに流入する圧縮空気の流速を均一化することができるので、熱交換器20における熱交換効率の向上および固体電解質型燃料電池FCにおける発電効率の向上に寄与することができる。また発電装置の前記軸対称配置により、圧力損失が減少して発電効率の向上および燃料消費量の低減が可能となる。更に、ガスタービンエンジンGTおよび固体電解質型燃料電池FCの内部の温度分布も軸対称になって各部材の熱歪みが最小限に抑えられ、コンプレッサホイール17やタービンホイール18のスムーズな回転が確保されるとともに、熱応力によるセラミック製部品の損傷等が防止されて耐久性が向上する。更に、ケーシングや通路のような部品も軸対称化することができるので、それらを板金等の薄肉材料で製作することが可能となって軽量化が達成されるばかりか、ヒートマスの減少によって冷間始動時の熱損失を減少させて燃費消費量の更なる低減が可能となる。
【0031】
また円環状に形成した熱交換器20および固体電解質型燃料電池FCを発電装置の最外層部に配置したので、その半径方向内側の空間34にガスタービンエンジンGTの燃焼器27等の構成要素を収納してコンパクト化を図ることができ、かつガスタービンエンジンGTが発生する熱を外側の熱交換器20および固体電解質型燃料電池FCで回収することができる。特に、固体電解質型燃料電池FCの半径方向内側の空間34に燃焼器27を配置したので、発電装置の軸線L方向線向寸法をコンパクト化することができるだけでなく、固体電解質型燃料電池FCで熱を回収することができる。特に、発電装置を始動すべく燃焼器27を作動させたときに、半径方向外側に位置する固体電解質型燃料電池FCを効果的に加熱して早期の活性化を可能にするとともに、燃料消費量の低減に寄与することができる。
【0032】
また軸線Lに沿って前方から後方にコンプレッサホイール17およびタービンホイール18よりなる回転部33と、熱交換器20と、固体電解質型燃料電池FCとが順次配置されているため、発電装置の半径方向寸法をコンパクト化することができるだけでなく、圧縮空気や排ガスの流速を均一化し、流れをスムーズにして圧力損失を減少させ、発電効率を高めることができる。
【0033】
またコンプレッサホイール17から熱交換器20に比較的に低温の圧縮空気を導く第1圧縮空気通路12を、タービンホイール18から熱交換器20に比較的に高温の排ガスを導く排ガス通路30の半径方向外側を覆うように配置したので、高温の排ガス通路30から逃げる熱を低温の第1圧縮空気通路12で回収することで、前部ケーシング11からの熱逃げを防止して発電効率を一層高めることができる。更に、第2圧縮空気通路26が固体電解質型燃料電池FCの半径方向外側を覆うように配置されているので、固体電解質型燃料電池FCが発生する熱を第2圧縮空気通路26で回収して、後部ケーシング25から外部に逃げないようにして発電効率を一層高めることができる。
【0034】
次に、図3および図4に基づいて本発明の第2実施例を説明する。第2実施例は固体電解質型燃料電池FCの形状が第1実施例と異なっており、その他の構成は第1実施例と同一である。
【0035】
第2実施例は、円環状に形成された複数個(例えば、8個)の固体電解質型燃料電池FC…を、回転部33の軸線Lの周囲を囲むように円周方向に等間隔で配置したものである。各々の固体電解質型燃料電池FCはその軸線L1を回転部33の軸線Lと平行にした状態で、後部ケーシング25と円筒状の隔壁41とによって区画された円環状の空間42に収納される。
【0036】
この第2実施例によっても、8個の固体電解質型燃料電池FC…が回転部33の軸線Lに対して軸対称に配置されるため、前述した第1実施例と同様の作用効果を達成することができる。それに加えて、各々の固体電解質型燃料電池FCの直径が第1実施例のものに比べて小さくなるため、そのセルおよびセパレータが小型になって製造が容易になる。
【0037】
次に、図5および図6に基づいて本発明の第3実施例を説明する。第3実施例も固体電解質型燃料電池FCの形状が第1実施例と異なっており、その他の構成は第1実施例と同一である。
【0038】
第3実施例は、円環状に形成された複数個(例えば、12個)の固体電解質型燃料電池FC…を、回転部33の軸線Lの周囲を囲むように軸線L方向に2列に、かつ円周方向に等間隔で配置したものである。各列の6個の固体電解質型燃料電池FC…はその軸線L2…を回転部33の軸線Lに対して放射方向にした状態で、後部ケーシング25と円筒状の隔壁41とによって区画された円環状の空間42に収納される。
【0039】
この第3実施例によっても、12個の固体電解質型燃料電池FC…が回転部33の軸線Lに対して軸対称に配置されるため、前述した第1実施例と同様の作用効果を達成することができる。それに加えて、各々の固体電解質型燃料電池FCの直径が第1実施例のものに比べて小さくなるため、そのセルおよびセパレータが小型になって製造が容易になるだけなく、軸線L方向の固体電解質型燃料電池FC…の列数を任意に増加させることで、同じ発電容量を確保しながら発電装置の外径をコンパクト化することができる。
【0040】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【0041】
【発明の効果】
以上のように請求項1に記載された発明によれば、ガスタービンエンジンの構成要素であるコンプレッサホイール、タービンホイール、熱交換器および燃焼器と固体電解質型燃料電池とを、コンプレッサホイールおよびタービンホイールよりなる回転部の軸線を共有する軸対称な形状にし、かつ回転部に対して軸線方向の一方側に熱交換器および固体電解質型燃料電池を順次配置したので、発電装置全体をコンパクト化できるだけでなく、熱交換器や固体電解質型燃料電池に入る圧縮空気や排ガスの流速を均一化し、更に圧縮空気や排ガスの流れをスムーズにして圧力損失を減少させることで発電効率を高めることができる。また上記軸対称の配置により、発電装置の熱膨張により発生する熱応力を最小限に抑えて発電効率の向上および耐久性の向上を図ることができる。
【0042】
また請求項2に記載された発明によれば、熱交換器および固体電解質型燃料電池が回転部の軸線を中心とする円環状であるため、熱交換器および固体電解質型燃料電池の半径方向内側の空間にガスタービンエンジンの構成要素を収納してコンパクト化を図ることができ、しかもガスタービンエンジンが発生する熱を半径方向外側の熱交換器および固体電解質型燃料電池で回収することができる。
【0043】
また請求項3に記載された発明によれば、圧縮空気通路を排ガス通路の半径方向外側に配置したので、比較的高温の排ガスが通る排ガス通路から逃げる熱を比較的低温の圧縮空気が通る圧縮空気通路で回収して発電効率を一層高めることができる。
【0044】
また請求項4に記載された発明によれば、円環状の固体電解質型燃料電池の半径方向内側の空間に燃焼器を配置したので、燃焼器が発生する熱を固体電解質型燃料電池で回収し、特に始動初期の固体電解質型燃料電池を早期に活性化して発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】発電装置の縦断面図
【図2】図1の2−2線断面図
【図3】第2実施例に係る発電装置の縦断面図
【図4】図3の4−4線断面図
【図5】第3実施例に係る発電装置の縦断面図
【図6】図5の6−6線断面図
【符号の説明】
12 第1圧縮空気通路(圧縮空気通路)
17 コンプレッサホイール
18 タービンホイール
20 熱交換器
27 燃焼器
30 排ガス通路
33 回転部
34 空間
FC 固体電解質型燃料電池
GT ガスタービンエンジン
L 軸線

Claims (4)

  1. ガスタービンエンジン(GT)と固体電解質型燃料電池(FC)とを一体に備えた発電装置であって、
    ガスタービンエンジン(GT)はコンプレッサホイール(17)、タービンホイール(18)、熱交換器(20)および燃焼器(27)を含み、コンプレッサホイール(17)は圧縮空気を熱交換器(20)を介して固体電解質型燃料電池(FC)および燃焼器(27)に供給し、タービンホイール(18)は固体電解質型燃料電池(FC)および燃焼器(27)からの排ガスにより駆動されてコンプレッサホイール(17)を駆動し、熱交換器(20)はタービンホイール(18)からの排ガスとコンプレッサホイール(17)からの圧縮空気との間で熱交換を行うものにおいて、
    コンプレッサホイール(17)、タービンホイール(18)、熱交換器(20)、燃焼器(27)および固体電解質型燃料電池(FC)はコンプレッサホイール(17)およびタービンホイール(18)よりなる回転部(33)の軸線(L)を共有する軸対称な形状であり、かつ前記回転部(33)に対して前記軸線(L)方向の一方側に熱交換器(20)および固体電解質型燃料電池(FC)を順次配置したことを特徴とする発電装置。
  2. 熱交換器(20)および固体電解質型燃料電池(FC)は前記軸線(L)を中心とする円環状であることを特徴とする、請求項1に記載の発電装置。
  3. コンプレッサホイール(17)から熱交換器(20)に圧縮空気を導く圧縮空気通路(12)を、タービンホイール(18)から熱交換器(20)に排ガスを導く排ガス通路(30)の半径方向外側に配置したことを特徴とする、請求項1に記載の発電装置。
  4. 固体電解質型燃料電池(FC)は前記軸線(L)を中心とする円環状であり、その半径方向内側の空間(34)に燃焼器(27)を配置したことを特徴とする、請求項1に記載の発電装置。
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