JP4043314B2

JP4043314B2 - ガス循環システム及び発電システム及びガス循環用ファン

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Publication number: JP4043314B2
Application number: JP2002233819A
Authority: JP
Inventors: 健太郎藤井; 雅久藤本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: JP2004079207A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温ガスを循環させるガス循環システムに関するもので、特に、発電施設において発電に利用されるガスを高温で循環させるガス循環システムに関する。又、本発明は、当該ガス循環システムを利用した発電システム及び当該ガス循環システム内で使用されるガス循環用ファンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ガスタービンを備えた発電システムにおいて、燃料電池と組み合わせ、その排ガスの熱を利用してさらにエネルギー効率を高くした複合発電システムが提案されている。このような燃料電池とガスタービンとを備えた複合発電システムにおいて、燃料電池が高い発電効率で電気エネルギーを発生するとともに、燃料電池本体及び排出ガスからの熱エネルギーを下流のガスタービン、蒸気タービンで利用するので、システム全体から排出される熱（＝システム損失）を小さくすることができる。
【０００３】
このような複合発電システムにおいて用いられる燃料電池周辺の構成は、従来、図７のように構成される。尚、例として、図７には、燃料電池として５段の燃料電池（ＦＣ）１０１ａ〜１０１ｅが利用されたときの構成を示す。図７において、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）などで生成された蒸気と燃料ガスとが混合されて燃料改質器１０２に与えられると、燃料改質器１０２で改質される。この水素を含む改質蒸気と燃料ガス（以下、「改質燃料ガス」と称する）とが、熱交換器１０３ａ〜１０３ｅによってＦＣ１０１ａ〜１０１ｅのカソード側からの排ガスによって加熱される。
【０００４】
そして、熱交換器１０３ａ〜１０３ｅで段階的に加熱された改質燃料ガスが燃料ヘッダ１０５に一時貯蔵される。そして、ＦＣ１０１ａ〜１０１ｅのカソード側に、燃料ヘッダ１０５で一時貯蔵された改質燃料ガスが供給される。又、ＦＣ１０１ｂ〜１０１ｅのカソード側には、それぞれ、ＦＣ１０１ａ〜１０１ｄのカソード側からの燃料極排ガスが熱交換器１０３ａ〜１０３ｄにより冷却されて供給される。そして、ＦＣ１０１ｅのカソード側から排出される燃料極排ガスは、熱交換器１０３ｅにより冷却されて、後続のシステムとなるガスタービン（ＧＴ）の燃焼器に供給される。
【０００５】
又、圧縮機で生成された圧縮空気が熱交換器１０４ａ〜１０４ｅを通じて段階的に加熱された後、ＦＣ１０１ａのアノード側に供給される。そして、ＦＣ１０１ａ〜１０１ｄのアノード側から排出される空気極排ガスが、熱交換器１０４ａ〜１０４ｄにより冷却され、ＦＣ１０１ｂ〜１０１ｅに供給される。そして、ＦＣ１０１ｅのアノード側から排出される排ガスは、熱交換器１０４ｅにより冷却されて、ＧＴの燃焼器に供給される。
【０００６】
このとき、ＦＣ１０１ａ〜１０１ｅでは、供給された改質燃料ガスと圧縮空気中の酸素がアノード側とカソード側を隔てる電解質膜にて電気化学的反応を起こすことによって、発電を行う。このようにすることによって、熱交換器１０３ａ〜１０３ｅ，１０４ａ〜１０４ｅにおいて段階的に加熱されるため、ＦＣ１０１ａ〜１０１ｅから排出される排ガスの温度上昇を抑えることができる。よって、ＦＣ１０１ａ〜１０１ｅそれぞれに適温ののガスを供給することができるとともに、後続のシステムに供給するガスの温度を十分高く保つことができ、エネルギー効率を上げることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＦＣの反応最適温度は略１０００℃と高く、従来は、図７のように、ＦＣを多段に構成して、各ＦＣからの排ガスの熱を利用して段階的に加熱するとともに、各ＦＣからの排ガスを次段のＦＣに供給することによって、最適ガス温度のガスを供給していた。よって、供給するガスを段階的に加熱する熱交換器が複数必要となり、システムの規模が大きくなることが課題であった。又、この対策としてＦＣに高温ガスをを循環させる場合、ＦＣからの循環するガス温度が１０００℃以上と高いため、高温のガスを循環させるファンがその温度に耐えらず耐熱対策を必要とすることも課題であった。
【０００８】
このような問題を鑑みて、本発明は、高温ガスの熱を効率的に利用するためのガス循環システムを提供することを目的とする。又、このようなガス循環システムに用いられる高温ガス循環に利用可能なガス循環用ファンを提供することを別の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のガス循環システムは、低温の供給ガスを供給する供給ガス用通路を備えたガス循環用ファンと、該ガス循環用ファンにより高温ガスが循環する循環経路と、前記循環経路外部に設置されるとともに、前記ガス循環用ファンを回転させるモータと、前記ガス循環用ファンに前記モータの回転を伝達するためのモータ軸を覆うとともに前記循環経路に外部から挿入され、前記供給ガスを前記ガス循環用ファンに供給するファン用ケーシングと、を備え、前記循環経路内に前記低温の供給ガスを供給する際、前記供給ガス用通路を通して前記循環経路内へ流入することを特徴とする。
【００１０】
このようなガス循環システムによると、例えば、燃料電池のように電気化学反応を行う装置では、燃料電池に供給するガスを必要回数循環させることにより高い反応度で運転できることとなり、最適な燃料電池システムを構成できる。又、ガス循環用ファンには耐熱性が必要となるが、低温の供給ガスがガス循環用ファンに設けられた供給ガス用通路を通ることで、ガス循環用ファンが供給ガスによって冷却されるため、耐熱材料を採用する必要がなくなる。
【００１３】
又、本発明の発電システムは、上述のガス循環システムを備えるとともに、前記ガス循環システムによって循環される前記高温ガスが前記供給ガスと共に供給され、電気化学反応を行うことで発電する燃料電池を備えることを特徴とする。
【００１４】
このとき、前記燃料電池のアノード側及びカソード側のそれぞれにおいて前記ガス循環システムを備え、改質燃料ガスと空気とがそれぞれのガス循環システムによって循環される。更に、前記燃料電池が、その本体を中央部に備えたタンクに覆われるとともに、セパレーターによって前記燃料電池のアノード側及びカソード側それぞれに対する前記循環経路を前記タンク内に構成するようにしても構わない。
【００１５】
又、上述の発電システムにおいて、前記燃料電池に前記高温ガスが循環するとともに、循環される前記高温ガスの一部が排ガスとして別の発電系統に供給されるようにしても構わない。このとき、例えば、別の発電系統としてガスタービンによる発電システムが備えられ、前記燃料電池の排ガスがガスタービンを回転させる燃焼ガスを生成する燃焼器に供給されるようにしても構わない。
【００１６】
又、本発明の発電システムは、上述のガス循環システムを備えるとともに、前記ガス循環システムからのガスを前記高温ガスとして排出する高温ガス生成部と、該高温ガス生成部から排出される前記高温ガスによって回転されるタービンと、該タービンの回転によって発電する発電機を備えることを特徴とする。このとき、タービンを回転させるための高温ガスが、原子炉によって生成されるようにしても構わない。
【００１７】
本発明のガス循環用ファンは、モータによって回転されるとともに、高温ガスが循環される循環経路内において、前記高温ガスを一定方向に循環させるガス循環用ファンにおいて、前記モータからの回転が伝達されるモータ軸が挿入されたノズルコーンと、該ノズルコーンの周囲に設けられる複数の翼と、を有し、前記ノズルコーン及び前記複数の翼において、前記低温の供給ガスを通過させて前記循環経路に放出する供給ガス用通路を備えることを特徴とする。
【００２０】
上述のガス循環用ファンにおいて、前記モータが前記循環経路外部に設置されるとき、前記モータ軸を覆うとともに、前記低温ガスを前記ノズルコーン及び前記複数の翼に設けられた前記供給ガス用通路に供給するファン用ケーシングを備えるようにしても構わない。このとき、ファン用ケーシング内部に設けられるモータ軸を支持するための軸受には、低温ガスを通過させるための通気孔が設けられる。又、ファン用ケーシングのモータ側にも軸受が設けられ、この軸受は、ファン用ケーシング内部に供給される低温ガスが漏れないように、シーリングされる。
【００２１】
更に、前記ファン用ケーシングが前記循環経路外部から挿入されて設置されるとともに、前記循環経路外部に備えられた前記低温ガスを供給するガス供給経路の下流側に、前記ファン用ケーシングの前記モータ側が接合される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の燃料電池及びガスタービンを備えた複合発電システムの構成を示すブロック図である。
【００２３】
図１のガス循環システムを利用する複合発電システムは、外部からの大気を圧縮する圧縮機１と、該圧縮機１からの空気が循環経路のアノード側に供給されるとともに改質燃料ガスが循環経路のカソード側に供給されて電気化学反応により発電するＦＣ２（燃料電池）と、循環される空気及び改質燃焼ガスそれぞれの一部がＦＣ排ガスとして供給されるとともにＦＣ排ガスに残っている燃料ガスと酸素を燃焼する燃焼器３と、燃焼器３で燃焼されて生成された燃焼ガスが供給されて回転するガスタービン（ＧＴ）４と、ＧＴ４の回転により発電する発電機５と、蒸気を改質するとともに燃料を混合して改質燃料ガスを生成する燃料改質器６と、循環経路ＦＣ２のアノード側及びカソード側それぞれに高温ガスを循環させるガス循環用ファン７ａ，７ｂと、ガス循環用ファン７ａ，７ｂを回転させるモータ８ａ，８ｂと、ガス循環用ファン７ａを介してＦＣ２のアノード側循環経路へ供給する空気の量と燃焼器３に供給する空気の量とを調節する流量調節器９と、ＦＣ２のアノード側を循環する高温ガスの温度を計測する測温部１０とを備える。
【００２４】
このように構成される複合発電システムでは、ＦＣ２のアノード側は高温ガス（圧縮空気）がガス循環ファン７ａにより循環し、圧縮機１で圧縮された空気が、流量調節器９によって調節されて補充供給される。更に、循環する圧縮空気の一部が排ガスとして排出される。又、ＦＣ２のカソード側では高温ガス（改質燃料ガス）が循環ファン７ｂにより循環し、燃料改質器６により燃料ガスが改質蒸気と混合され改質燃料ガスとなり補充供給される。更に、循環する改質燃料ガスの一部が排ガスとして排出される。
【００２５】
改質燃料ガスと空気がそれぞれ循環するＦＣ２では、電解質膜間で電気化学反応することで、発電が行われる。このＦＣ２のカソード側及びアノード側それぞれを循環する高温ガスの一部が排ガスとなり燃焼器３に供給される。燃焼器３では排ガス中の未反応の燃料及び酸素が燃焼される。この燃焼器３には、圧縮機１からの圧縮空気が流量調節器９によって調節されて供給される。又、図１では省略したが、燃焼器３にはＦＣ２のカソード側の排ガス以外の燃料ガスが供給されて燃焼し、ガスタービン運転に適した温度まで燃焼ガス温度を昇温する。そして、燃焼器３で燃焼により生成された燃焼ガスがＧＴ４に供給されると、ＧＴ４が回転し、発電機５で発電が行われる。又、ＧＴ４が回転することで圧縮機１が回転し、外部からの大気が圧縮される。
【００２６】
このように動作する複合発電システムにおいて、燃料電池発電では最適電気化学反応を維持するため、ＦＣ２のアノード側とカソード側それぞれに、ほぼ１０００℃の高温ガスを循環させなければならない。そのため、ガス循環用ファン７ａ，７ｂを１０００℃の雰囲気で運転できるものとする必要がある。そこで、高温ガスが循環する循環経路に補充供給される５００℃以下の空気及び改質燃料ガスをガス循環用ファン７ａ，７ｂを通して循環経路に流入させる。
【００２７】
このようにして、圧縮空気及び改質燃料ガスは、ガス循環用ファン７ａ，７ｂそれぞれを冷却した後、ＦＣ２のアノード側及びカソード側において高温ガスが循環する循環経路にそれぞれ補充供給される。そして、ＦＣ２のアノード側に対する循環経路に補充供給される空気流量は測温部１０によって循環ガスの温度が測定され、この測定された温度に応じて、流量調節器９により調整される。
【００２８】
（１）ガス循環用ファンが設置される高温ガス循環経路が循環用パイプの場合
このようなガス循環システムを採用する複合発電システムにおいて、まずガス循環用ファンが設置される高温ガス循環経路がパイプの場合について、説明する。以下では、この場合のガス循環用ファン７（図１のガス循環用ファン７ａ，７ｂに相当する）の構造を、図面を参照して説明する。
【００２９】
１．ガス循環用ファンの第１例
まず、ガス循環用ファン７を回転させるモータ８（図１のモータ８ａ，８ｂに相当する）がガス循環用パイプ内に設置する場合の各部の構造を説明する。図２は、このときのガス循環用ファン７周辺の構造を示すための断面図である。
【００３０】
図２に示すガス循環用ファン７は、高温ガス循環経路の一部である循環用パイプ３０内に設置され、モータ８のモータ軸３３が挿入されたノーズコーン３１と、ノーズコーン３１の周囲に設けられるとともに回転してＸ方向（図左方向）へガス流を生成する複数の翼３２とで構成される。そして、このノーズコーン３１及び翼３２はそれぞれ、ガス循環経路へ補充供給されるガスを通すための供給ガス用通路３１ａ，３２ａが設けられ、この供給ガス用通路３１ａ，３２ａをガスが流れることによりガス循環用ファン７が冷却される。
【００３１】
又、モータ軸３３を支持する軸受３４がガス循環用ファン７側とモータ８側に設置されるとともに、このモータ軸３３を含むモータ８及び軸受３４とを内包するモータ用ケーシング３６が設けられる。そして、モータ軸３３を含むモータ８及び軸受３４を冷却するための冷却水をモータ用ケーシング３６内に供給するための冷却水供給管３７ａと、冷却動作を終えた冷却水が排出される冷却水排出管３７ｂとが、循環用パイプ３０の外部からモータ用ケーシング３６に対して挿入される。
【００３２】
更に、このようなモータ用ケーシング３６を覆うように設けられるとともにその内部にガス循環経路へ補充供給されるガスが供給されるケーシング３５が、その周囲に複数で中空の静翼３８が設けられることによって、循環用パイプ３０の中心部に配置されるように設けられる。この静翼３８は、図３のように、静翼３８の１枚ないし２枚が循環経路へ補充供給されるガスを通すために、補充供給されるガスを放出するガス供給パイプ３９に循環パイプ３０を貫通して接続され、残りの静翼３８は冷却水供給、排出パイプ及びモータのケーブル用ダクトとして利用される。
【００３３】
そして、ケーシング３５において、ガス供給パイプ３９に接続された静翼３８と接続された部分には、循環経路へ補充供給されるガスを静翼３８を通じてケーシング３５内に流入する供給ガス流入口３５ａが複数設けられるとともに、モータ８側には、循環経路へ補充供給されるガスを循環パイプ３０へ放出する複数の供給ガス流出口３５ｂが設けられる。更に、循環用パイプ３０の内壁表面及び静翼３８の外面（高温循環ガス側）に、断熱材４１が設けられる。
【００３４】
このように構成することによって、補充供給ガス供給パイプ３９より供給された空気又は改質燃料ガスは、供給パイプ３９、静翼３８を経由して、供給ガス流入口３５ａよりケーシング３５に流入し、ケーシング３５を冷却する。そして、ケーシング３５内に供給された空気又は改質燃料ガスの一部が、ノーズコーン３１及び翼３２それぞれに設けられた供給ガス用通路３１ａ，３２ａを通過して、ガス循環用ファン７を冷却する。
【００３５】
又、ケーシング３５内に供給された空気又は改質燃料ガスの残りが、供給ガス流出口３５ｂより循環経路の一部である循環パイプ３０に補充供給される。更に、供給ガス用通路３１ａ，３２ａを通過してガス循環用ファン７を冷却した空気又は改質燃料ガスが、循環経路の一部である循環パイプ３０に補充供給される。このとき、翼３２とケーシング３５との間にできる隙間からも、空気又は改質燃料ガスが放出される。
【００３６】
又、モータ用ケーシング３６内のモータ８は、冷却水供給管３７ａより供給される冷却水によって冷却されると、この冷却水は、冷却水排出管３７ｂより外部に排出される。このように、モータ８及び軸受け３４を水により冷却するのは、ケーシング３５内に供給される補充供給用のガスの温度が５００℃前後と高く、供給されたガスではモータ８及び軸受け３４を適切な温度に冷却できないためである。
【００３７】
このように、低温の供給ガス及び冷却水をケーシング３５内に供給することによって、ガス循環用ファン７及びモータ８を冷却することができるので、高温となる排ガスを循環させる循環用パイプ３０内に設けても、循環ファンを構成する材料の耐熱温度にまで冷却できる。
【００３８】
２．ガス循環用ファンの第２例
次に、ガス循環用ファン７を回転させるモータ８がガス循環用パイプ外に設置する場合の各部の構造を説明する。図４は、このときのガス循環用ファン７周辺の構造を示すための断面図である。尚、図４において、図２と同一の目的で使用する部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３９】
ガス循環用ファン７は、供給ガス用通路３１ａが設けられたノズルコーン３１の周囲に、供給ガス用通路３２ａが設けられた翼３２が複数備えられることによって構成される。このガス循環用ファン７は、ノズルコーン３１にモータ８のモータ軸３３が挿入されることで、モータ８の回転力が伝わり回転して、高温ガスをＹ方向に循環させる。そして、モータ軸３３を支持するために、モータ軸３３が中心に挿入された軸受４５が備えられる。この軸受４５には、循環経路の一部である循環用パイプ３０に補充供給されるガスを通過させるための通気孔４５ａが複数設けられる。
【００４０】
又、モータ軸３３及び軸受４５を覆うように構成されるとともに循環経路に補充供給されるガスをガス循環用ファン７内に供給するためのケーシング４２が、領域３０ａにおいて循環用パイプ３０に嵌合されるように、循環用パイプ３０の外部より接続設置される。このケーシング４２は、Ｌ字型になって循環用パイプ３０の外部で屈曲し、この屈曲部４２ａにモータ８のモータ軸３３が挿入される軸受４６が備えられる。この軸受４６として、循環経路に補充供給されるガスが外部に漏れないようにシールされた構造の軸受が使用される。
【００４１】
又、ケーシング４２には、フランジ４３が備えられて、ガス供給パイプ３９に設けられたフランジ４４とフランジ４３が接合されることで、ケーシング４２とガス供給パイプ３９が接続される。更に、このように構成されるケーシング４２は、循環用パイプ３０内において、その周囲に静翼３８が設けられることで、循環用パイプ３０の中心に位置するように支持される。そして、循環用パイプ３０の内壁表面及び静翼３８の表面には、断熱材４１が備えられる。尚、ケーシング４２の支持強度が十分であれば、ケーシング４２の支持部材として採用される静翼３８は不要である。
【００４２】
このように構成することによって、ガス供給パイプ３９より供給された空気又は改質燃料ガスは、ガス供給パイプ３９を通じてケーシング４２内に供給され、ケーシング４２内部を冷却する。そして、ケーシング４２に供給されたこの空気又は改質燃料ガスは、軸受４５に備えられた通気孔４５ａを通じて、ガス循環用ファン７の内部に供給される。尚、軸受４５を、通気孔４５ａが設けられた構造としたが、ガスを通過させる構造であれば、他の構造としても構わない。
【００４３】
空気又は改質燃料ガスがガス循環用ファン７に流入すると、ガス循環用ファン７内部の供給ガス用通路３１ａ，３２ａを通過して、ガス循環用ファン７を冷却する。その後、ガス循環用ファン７を冷却した空気又は改質燃料ガスは、循環経路の一部である循環用パイプ３０に放出される。このとき、翼３２とケーシング４２との間にできる隙間からも、空気又は改質燃料ガスが放出される。
【００４４】
このように、低温の供給ガスをケーシング４２内に供給しガス循環用ファン７の通路を流して冷却することができるので、高温となる排ガスを循環させる循環用パイプ３０内に設けても、ガス循環用ファン７の構成材料の耐熱温度にまで冷却できる。又、モータ８は、循環経路外部に備えられるため、特別な冷却システムの必要がない。
【００４５】
（２）ガス循環用ファンがタンク型のＦＣ内に設置された場合
次に、上述のガス循環システムを利用する複合発電システムにおいて、ＦＣ２をタンク収納型とし、このタンク内で圧縮空気と改質燃料ガスそれぞれが循環する循環経路を備えるときに、このタンク収納型ＦＣ内にガス循環用ファン７ａ，７ｂが設置された場合について、説明する。以下では、この場合のタンク型ＦＣの構造を、図面を参照して説明する。
【００４６】
尚、ガス循環用ファン７ａ，７ｂとして、図４のようにモータ８が循環経路外部に設けられとときのガス循環用ファン７が使用されるものとする。そして、図５（ａ）が上部から見たときの断面図であり、図５（ｂ）が側面Ａ側から見たときの断面図であり、図５（ｃ）が側面Ｂ側から見たときの断面図である。
【００４７】
図５に示すように、ＦＣ２の本体が、内壁表面が断熱材に覆われたタンク５０の中心部に設置される。そして、図５（ｂ）において、２つのガス循環用ファン７ａがタンク５０の下部右側に設置されるとともに、図５（ｃ）において、２つのガス循環用ファン７ｂがタンク５０の上部右側に設置される。
【００４８】
又、タンク５０内には、ガス循環用ファン７ａ，７ｂそれぞれに対して、翼３２の回転する周囲を覆う筒部を２つ備えたケーシング５１ａ、５１ｂと、空気を循環させる部屋と改質燃料ガスを循環させる部屋とを仕切るためのセパレータ５２ａ〜５２ｄと、ＦＣ２のカソード側及びアノード側それぞれからの排ガスを排出するための排ガス排出口５３ａ，５３ｂとを備える。
【００４９】
このようにタンク５０内で各部位が構成されるとき、ガス循環用ファン７ａには、補充供給ガス供給パイプ３９ａより供給される圧縮機１からの空気が、ガス循環用ファン７ｂには、補充供給ガス供給パイプ３９ｂより供給される燃料改質器６からの改質燃料ガスが、それぞれ、ケーシング４２ａ，４２ｂを通じて供給される。尚、補充供給ガス供給パイプ３９ａ，３９ｂが図４における補充供給ガス供給パイプ３９に、ケーシング４２ａ，４２ｂが図４におけるケーシング４２に相当する。
【００５０】
ガス循環用ファン７ａに供給された空気は、ガス循環用ファン７ａを冷却した後、ＦＣ２のアノード側の循環経路を循環するガスとともに、図５（ｂ）の矢印方向に循環される。このガス循環用ファン７ａは、ケーシング４２ａ内部で冷却されているモータ軸３３を通じて、外部に設けられたモータ８ａの回転が伝達される。
【００５１】
このとき、ＦＣ２のアノード側の循環経路を循環するガス（アノード側循環ガス）は、ＦＣ２の本体及びタンク５０の内壁及びセパレータ５２ｂ，５２ｃ，５２ｄで囲まれたＦＣ２空気極出口領域５０Ａに流出し、ガス循環用ファン７ａによって図５（ｂ）の矢印方向に循環される。そして、このアノード側循環ガスは、供給ガスととともに、ＦＣ２の本体及びタンク５０の内壁及びスペーサ５２ａ，５２ｃ，５２ｄで囲まれたＦＣ２空気極入口領域５０Ｂに供給され、ＦＣ２のアノード側に流入する。
【００５２】
又、ガス循環用ファン７ｂに供給された改質燃料ガスは、ガス循環用ファン７ｂを冷却した後、ＦＣ２のカソード側の循環経路を循環するガスとともに、図５（ｃ）の矢印方向に循環される。このガス循環用ファン７ｂは、ケーシング４２ｂ内部で冷却されているモータ軸３３を通じて、外部に設けられたモータ８ｂの回転が伝達される。
【００５３】
このとき、ＦＣ２のカソード側の循環経路を循環するガス（カソード側循環ガス）は、ＦＣ２の本体及びタンク５０の内壁及びセパレータ５２ｃで囲まれた燃料極出口領域５０Ｃに流出し、ガス循環用ファン７ｂによって図５（ｃ）の矢印方向に循環される。そして、このカソード側循環ガスは、供給ガスとともにＦＣ２本体上部、タンク天井及びセパレータ５２ａ，５２ｂで囲まれた通路を通り、ＦＣ２の本体及びタンク５０の内壁及びスペーサ５２ｄで囲まれたＦＣ２燃料極入口領域５０Ｄに供給され、ＦＣ２のカソード側に流入する。
【００５４】
尚、ガス循環用ファン７ａ，７ｂとして、図４と同様に構成して、タンク５０外部に設置されたモータ８によって駆動されるガス循環用ファン７が使用されるものとしたが、図２と同様に、タンク５０内部に設置されたモータ８によって駆動されるガス循環用ファン７が使用されるものとしても構わない。このとき、モータ８は、冷却水が供給されるケーシングによって覆われ、冷却水によって冷却される。
【００５５】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図６は、本実施形態の原子力発電システムに利用されたガス循環システムの構成を示すブロック図である。尚、図６のガス循環システムにおいて、図１のガス循環システムと同一の部分については、同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５６】
図６のガス循環システムを利用する原子力発電システムは、供給されたヘリウムガスを高温にするための原子炉７１と、原子炉７１で加熱された高温のヘリウムガスが供給されて回転するタービン７４と、タービン７４から排出されるヘリウムガスを冷却する熱交換器７２とを備える。この原子力発電システムにおいて、圧縮機１が熱交換器７２で冷却されたヘリウムガスを圧縮し原子炉循環系にモータ８によって回転されるガス循環用ファン７の供給ガス用通路を通って供給され、原子炉７１で加熱されたヘリウムガスがタービン７４を駆動しさらに発電機５が発電動作を行う。
【００５７】
このような原子力発電システムにおいて、タービン７４の回転によってヘリウムガスの圧縮を行う圧縮機１から吐出される圧縮されたヘリウムガスが、ガス循環用ファン７を通じて、原子炉７１で加熱されて循環される高温のヘリウムガスとともに、原子炉７１に供給される。このようにすることで、原子炉７１で加熱されるヘリウムガスの温度を効果的に高くすることができるので、プラントの効率を高くすることができる。
【００５８】
又、上述の各実施形態の各システムで利用されたガス循環システムに使用されるガス循環用ファンとして、ファンが用いられるものを代表として説明したが、ブロワが用いられるものとしても構わない。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によると、循環する高温ガスに低温の供給ガスを供給するので、このガス循環システムを利用したシステムにおける熱効率を高くすることができる。又、このとき、ガス循環用ファンが供給ガスによって冷却されるため、ガス循環用ファンの耐熱対策が簡便に実施できる。又、このようなガス循環システムが利用された燃料電池に利用された場合、ガスを燃料電池に供給するためのガスを高温とするための熱交換器が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガス循環システムを利用した複合発電システムの構成を示すブロック図。
【図２】ガス循環用ファンとモータの構成の一例を示す断面図。
【図３】図２のガス循環用ファンの構成を示す断面図。
【図４】図２のガス循環用ファンの構成を示す断面図。
【図５】タンク型ＦＣの構成の一例を示す断面図。
【図６】本発明のガス循環システムを利用した発電システムの構成を示すブロック図。
【図７】従来の複合発電システムに用いられる燃料電池周辺の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１圧縮機
２ＦＣ（燃料電池）
３燃焼器
４ＧＴ（ガスタービン）
５発電機
６燃料改質器
７ａ，７ｂガス循環用ファン
８ａ，８ｂモータ
９流量調節器
１０測温部

Claims

低温の供給ガスを供給する供給ガス用通路を備えたガス循環用ファンと、
該ガス循環用ファンにより高温ガスが循環する循環経路と、
前記循環経路外部に設置されるとともに、前記ガス循環用ファンを回転させるモータと、
前記ガス循環用ファンに前記モータの回転を伝達するためのモータ軸を覆うとともに前記循環経路に外部から挿入され、前記供給ガスを前記ガス循環用ファンに供給するファン用ケーシングと、
を備え、
前記循環経路内に前記低温の供給ガスを供給する際、前記供給ガス用通路を通して前記循環経路内へ流入することを特徴とするガス循環システム。
前記ガス循環用ファンが、
前記モータからの回転が伝達されるモータ軸が挿入されたノズルコーンと、
該ノズルコーンの周囲に設けられる複数の翼と、
を有し、
前記ノズルコーン及び前記複数の翼において、低温の供給ガスを通過させて前記循環経路に放出する供給ガス用通路を備えるとともに、
循環経路内において、前記高温ガスを一定方向に循環させることを特徴とする請求項１に記載のガス循環システム。
前記ファン用ケーシングが、前記低温ガスを前記ノズルコーン及び前記複数の翼に設けられた前記供給ガス用通路に供給することを特徴とする請求項２に記載のガス循環システム。
前記循環経路外部に備えられた前記低温ガスを供給するガス供給経路の下流側に、前記ファン用ケーシングの前記モータ側が接合されることを特徴とする請求項３に記載のガス循環システム。
請求項１〜請求項４のいずれかに記載のガス循環システムを備えるとともに、
前記ガス循環システムによって循環される前記高温ガスが前記供給ガスと共に供給され、電気化学反応を行うことで発電する燃料電池を備えることを特徴とする発電システム。
前記燃料電池のアノード側及びカソード側のそれぞれにおいて前記ガス循環システムを備えることを特徴とする請求項５に記載の発電システム。
前記燃料電池が、その本体を中央部に備えたタンクに覆われるとともに、セパレーターによって前記燃料電池のアノード側及びカソード側それぞれに対する前記循環経路を前記タンク内に構成することを特徴とする請求項６に記載の発電システム。
前記燃料電池に前記高温ガスが循環するとともに、循環される前記高温ガスの一部が排ガスとして別の発電系統に供給されることを特徴とする請求項５〜請求項７のいずれかに記載の発電システム。
請求項１〜請求項４のいずれかに記載のガス循環システムを備えるとともに、
供給ガスとともに前記ガス循環システムより供給されたガスを前記高温ガスとして排出する高温ガス生成部と、
該高温ガス生成部から排出される前記高温ガスによって回転されるタービンと、
該タービンの回転によって発電する発電機と、
を備えることを特徴とする発電システム。