JP4745479B2

JP4745479B2 - Combined power plant

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Publication number: JP4745479B2
Application number: JP2000023776A
Authority: JP
Inventors: 正辻
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-02-01
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2020-02-01
Also published as: JP2001216992A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池、ガスタービンおよび蒸気タービンを組み合わせて発電を行うようにした複合発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池（ＦＣ）は、供給される燃料ガスおよび空気から理論的には燃料ガスの保有する熱エネルギーの８０％にも達する高い発電効率で電気エネルギー（実開上は約６０％）を発生させることができると共に、電池本体や排出ガスから回収利用できる熱エネルギーをも発生させることもできる。
従って、これらの熱エネルギーをガスタービン（ＧＴ）のトッピングサイクル、蒸気タービン（ＳＴ）などのボトミングサイクルにより回収して発電に利用すれば、システムから排出される熱（＝システム損失）を小さくすることになり、結果的に高い発電効率が得ることができる。
このため、燃料電池を設けたＦＣ発電部、ガスタービンおよび蒸気タービンを組み合わせた複合発電プラントは、省エネルギー効果の高いものとして期待される。
【０００３】
また、このような複合発電プラントのＦＣ発電部に使用される燃料電池としては、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）等があり、これらの中から所定の作動温度の排ガスをガスタービンの作動ガスとして供給できるものが用いられるようにしている。
さらに、燃料電池は反応ガス、すなわち燃料電池で電気化学反応を起し、電力を発生する燃料ガスおよび空気の供給圧力が高いほど高い発電効率が得られることから、複合発電プラントには、反応ガスを加圧して運転する加圧式ＦＣ発電部が採用される方向にある。
【０００４】
特に、ＦＣ発電部内に設けられた空気極の反応に必要な酸素は、大気中より空気を取り込むことにより供給されるので酸素分圧を高める必要があるが、これは取り込んだ空気を空気圧縮機により昇圧してＦＣ発電部の空気極へ供給することで可能である。
そして、この空気圧縮機の駆動動力源としては、ＦＣ発電部からの排ガス中で燃料を燃焼させて、高温の排ガスを作動流体として駆動させるガスタービンを装備し、このガスタービンに空気圧縮機を同軸接続して駆動する方式、あるいは、このガスタービンで発電機を駆動して電力を発生させ、この電力により駆動される電動機により空気圧縮機を駆動する方式が考えられる。
【０００５】
図１０は、燃料としての天然ガス（以下燃料ガスという）と空気とを使用する内部改質型ＳＯＦＣと、このＳＯＦＣを設けたＦＣ発電部から排出される高温の排ガスの熱をＧＴ発電部で利用するとともに、ＧＴ発電部から排出される排ガスの熱をＧＴ排熱回収部で回収するようにした、複合発電プラントの一例を示す概略構成図である。
【０００６】
図に示すように、この複合発電プラント１０００は、主として、燃料ガス供給部６００と、空気供給部７００と、ＦＣ発電部１００と、ＧＴ発電部４００と、ＧＴ排熱回収部５００とから構成されている。
このうち、ＦＣ発電部１００は、所定温度の燃料ガス３００と、同程度の温度で空気比５〜７の空気３００とを内部に配置した固定電解質で構成される燃料極および空気極へ導入して電気化学反応を起こさせて発電を行い、ＧＴ発電部４００は、大気中から取入れた空気を圧縮してＦＣ発電部１００に供給すると共に発電を行い、ＧＴ排熱回収部５００はＧＴ発電部４００から排出される排ガスでＦＣ発電部１００に供給される燃料ガス、空気の予熱、および燃料ガスを改質する改質蒸気を発生させると共に、図示省略した蒸気タービンで発電を行う駆動蒸気を発生させるようにしている。
【０００７】
また、ＦＣ発電部１００とＧＴ発電部４００との間には、燃焼部２００と、反応ガス加熱部３００とが備えられ、燃焼部２００では、ＦＣ発電部１００に供給され未燃となる燃料ガスおよび空気がＦＣ発電部１００の反応による排ガスＧ１００として燃焼することにより、さらに高温（例えば１２００℃以上）の燃焼ガスＧ₂₀₀を生成し、反応ガス加熱部３００において、ＦＣ発電部１００に供給する燃料ガスＦ₅₄₀及び空気Ａ₅₂₀を、上述した所定温度まで加熱するようにしている。
【０００８】
すなわち、反応ガス加熱部３００は、図に示すように，後述する燃料予熱再生器５２０で中間温度に加熱された燃料ガスＦ₅₂₀を、燃焼ガスＧ₂₀₀の熱を利用してＦＣ発電部１００の入口温度である最終温度にまで加熱する燃料ガス加熱器３２０と、同様に空気予熱再生器５４０で中間温度に加熱された空気Ａ₅₂₀を燃焼ガスＧ₂₀₀の熱を利用して９５０℃にまで加熱する空気加熱器３４０とから構成されている。
【０００９】
一方、ＧＴ発電部４００は、燃焼器４２０と、ガスタービン（ＧＴ）４４０と、空気圧縮機４６０と、発電機４８０とから構成されている。
燃焼器４２０は、燃料ガス供給部６００と反応ガス加熱部３００とに接続されており、反応ガス加熱部３００で燃料ガスＦ₅₄₀および空気Ａ₅₂₀を加熱することにより、冷却（例えば８８０℃程度）された燃焼ガスＧ₃₀₀に燃料ガスの一部Ｆ₄₀₀を供給して混合させ、再燃焼させることにより所定のタービン入口温度の高温の燃焼ガスＧ₄₂₀にしてガスタービン４４０に供給するようにしている。
【００１０】
ガスタービン４４０は、この燃焼ガスＧ₄₂₀を作動流体として駆動され動力を回収し、同軸に接続されている圧縮機４６０を駆動する。
この圧縮機４６０は、空気供給部７００から空気Ａ₇₀₀を吸込んで圧縮してＦＣ発電部１００に供給するとともに、空気圧縮機４６０は発電機４８０とも同軸に接続されており、ガスタービン４４０の駆動により発電機４８０を作動させて電力を発生させる。
【００１１】
また、ＧＴ排熱回収系５００は、前述した空気予熱再生器５２０および燃料ガス予熱再生器５４０からなる予熱再生部５１０と、蒸気発生器５６０と、煙突５８０とから構成されている。
ＧＴ発電部４００のガスタービン４４０から排出される排ガスＧ₄₄₀は、ＧＴ排熱回収部５００の予熱再生部５１０に設けられた空気予熱再生器５２０に送られ、空気予熱再生器５２０では、排ガスＧ₄₄₀の熱を利用して空気圧縮機４６０から吐出された４００℃程度の空気ａ₄₆₀を中間温度にまでに予熱して空気加熱部３４０へ供給する。
【００１２】
また、燃料ガス予熱再生器５４０は、予熱再生部５１０に空気予熱再生器５２０と共に併設されており、排ガスＧ₄₄₀の熱を利用して燃料ガス供給部６００より供給される、約１５℃の燃料ガスＦ₅₀₀を中間温度にまで予熱して燃料ガス加熱部３２０に供給する。燃料ガス予熱再生器５４０から排出される排ガスＧ₅₄₀は、水蒸気発生器５６０に送られ、ここで蒸気を発生させ、発生した水蒸気は、内部改質用として燃料ガスＦ₅₀₀に混合させると共に、図示省略した外部の蒸気タービンに供給され、発電を行うようにしている。
また、蒸気発生器５６０で蒸気を発生させた排ガスＧ₅₆₀（例えば１００℃程度）は煙突５８０から大気中に放出される。
【００１３】
次に、ＳＯＦＣの作動温度を電気化学反応に最適な値に制御した場合における、上述の従来の複合発電プラントの作動について説明する。
【００１４】
まず、燃料ガス供給部６００から供給される約１５℃の天然ガス等からなる燃料ガスＦ₆₀₀は、二手に分岐され、一方の燃料ガスＦ₄₀₀は燃焼器４２０に導入され、排ガスＧ₃₀₀をガスタービン４４０の作動温度に加熱し、他方の燃料ガスＦ₅₀₀は燃料ガス予熱再生器５４０に導入されて中間温度にまで予熱される。
燃料ガス予熱再生器５４０を通過した燃料ガスＦ₅₄₀は、蒸気発生器５６０から供給される蒸気（内部改質用蒸気）Ｓ₅₆₀と所定の蒸気／燃料ガス比のものに混合された後、燃料ガス加熱器３２０に導入されてＦＣ発電部１００に導入される最適供給温度にまで加熱され、ＦＣ発電部１００の燃料極側へ導入される。
【００１５】
一方、空気供給部７００から取り入れられた空気Ａ₇₀₀は、空気圧縮機４６０に導入されて圧縮され、圧縮過程で約４００℃にまで昇温する。
空気圧縮機４６０から吐出された空気Ａ₄₆₀は、空気予熱再生器５２０に導入されて中間温度にまで予熱される。
また、空気予熱再生器５２０で予熱された圧縮空気Ａ₅₂₀は、空気加熱器３４０に導入されて、同様にＦＣ発電部１００の最適作動温度にまで加熱され、ＦＣ発電部１００の空気極側へ導入される。
【００１６】
また、ＦＣ発電部１００内において、燃料極側へ導入された燃料ガスと蒸気との混合ガスＦ₃₀₀は、燃料極の触媒上で反応して、水素Ｈ₂と一酸化炭素ＣＯを生成する。
この水素Ｈ₂、一酸化炭素ＣＯと空気極側の圧縮空気Ａ₄₀₀中の酸素Ｏ₂とは、ＦＣ発電部１００内を仕切るように配置された固体酸化物電解質を介して電気化学反応を起こし、水と二酸化炭素とを生成する。
ここで、ＦＣ発電部１００では、反応熱（エンタルピー変化；ΔＨ）のうち、自由エネルギー変化（ΔＧ）に相当する分から電池の内部抵抗に基づく分を差し引いた分が電気エネルギー（直流電力）に変換され、この電池の内部抵抗に基づく分とエントロピー変化に基づく（−Ｔ・ΔＳ）分とが主に熱として発生することとなる。
この際、水或いは二酸化炭素の生成は、発熱反応であることから、電池反応が進行するに伴いＦＣ発電部１００の温度は上昇する。
【００１７】
ＦＣ発電部１００を通過した燃料極排ガス及び空気極排ガスは混合され、約１０５０℃の排ガスＧ₁₀₀として燃焼部２００に導入される。
この燃焼部２００において、排ガスＧ₁₀₀中に残存する未反応の燃料ガス成分と空気中の酸素とが燃焼反応を起こし、さらに高温の燃焼ガスＧ₂₀₀となる。
この燃焼部２００を通過した高温の燃焼ガスＧ₂₀₀は、反応ガス加熱部３００で二手に分岐され、それぞれ燃料ガス予熱再生器５４０で予熱済みの燃料ガスＦ₅₄₀及び改質蒸気ｓ₅₆₀の混合ガスＦ₅₄₀と、空気予熱再生器５２０で予熱済みの空気Ａ₅₂₀とをＳＯＦＣの最適作動温度まで、熱交換により加熱する。
【００１８】
反応ガス加熱部３００を通過した排ガスＧ₃₀₀は、ＧＴ発電部４００内の燃焼器４２０へ導入される。
この排ガスＧ₃₀₀中には、未燃焼の酸素が存在しており、燃料ガス供給部６００から燃焼器４２０に供給される燃料ガスＦ₄₀₀と混合させることによって再び燃焼し、高温の排ガスＧ₄₂₀としてＧＴ発電部４００に供給される。
燃焼器４２０から排出された高温の排ガスＧ₄₂₀は、ＧＴ発電部４００のガスタービン４４０に導入され、ガスタービン４４０を駆動する。
これにより、ガスタービン４４０が駆動動力源となり、これと同軸に接続された空気圧縮機４６０と発電機４８０とがそれぞれ作動し、ＦＣ発電部１００に最終的供給される空気Ａ₄₆₀および電力を発生させる。
【００１９】
ガスタービン４４０から排出された排ガスＧ₄₄₀は、空気予熱再生器５２０及び燃料ガス予熱再生器５４０に導入され、先に述べたように空気Ａ₄₆₀と改質蒸気ｓ₅₆₀が混入された燃料ガスＦ₅₀₀を熱交換により予熱する。
これらの予熱器５２０，５４０から排出された排ガスＧ₅₄₀は、蒸気発生器５６０に導入され、蒸気発生器５６０内に供給される水を蒸気に変換する。
また、蒸気発生器５６０で発生した蒸気の一部は、先に延べたように改質蒸気ｓ₅₆₀として用いられ、残りの蒸気は、図示しない蒸気タービン等に供給され、蒸気タービンを駆動し、蒸気タービンに直結された発電機を駆動し、電力を発生させる。
さらに、蒸気発生器５６０から排出される約１００℃にまで低温化された排ガスＧ₅₆₀は、煙突５８０から大気中へ放出される。
【００２０】
上述した複合発電プラント１０００のように、燃料電池として比較的に高温で作動するＳＯＦＣ、ＭＣＦＣの他、ＰＡＦＣ等をＦＣ発電部に用いる複合発電プラントにおいては、燃料電池の電気化学反応が発熱反応であることから、作動中にＦＣ発電部１００の温度が上昇することに起因して、電池構成材料の劣化或いは腐食が進行し、燃料電池の寿命が極端に短くなること、および電気抵抗が増えて発電出力が低くなるという不適合が出る。
一方、ＦＣ発電部１００を冷却し過ぎると、燃料電池の電極反応の反応速度が低下すると共に、電解質のイオン導電率も低下するため所望の出力が得られなくなる。従って、作動中のＦＣ発電部１００を所望の作動温度に保持することが極めて重要となる。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の複合発電プラント１０００では、ＦＣ発電部１００を冷却して所望の作動温度に保持するために、最適作動温度（約９５０℃）まで昇温させた空気を電池反応に必要とする分量よりも過剰に供給することにより、ＦＣ発電部の冷却を行っている。
しかしながら、多量の空気を加圧して供給しようとすれば、空気の供給源であるＧＴ発電部４００の圧縮機４６０に極めて多大な駆動用動力が必要となってしまう。
例えば、複合発電プラント１０００の場合、ＦＣ発電部１００に対して供給すべき冷却用の加圧空気は、電池反応に必要とする理論当量比のおよそ５〜７倍にも達している。
このため、空気圧縮機４６０の規模が大きくなり、空気消費量に対するＦＣ発電量が低下してしまうという問題があった。
【００２２】
また、図１０に示す複合発電プラント１０００では、反応ガス加熱部３００、特に、空気加熱器３４０にて、前述したように多量の空気をＦＣ発電部１００の最適作動温度まで昇温させるため、ここで消費されるＦＣ発電部１００の排熱量が大きくなってしまい、ＧＴ発電部４００の入口温度が低下して、ＧＴ発電部４００の出力が低下してしまうという問題がある。
さらに、ＧＴ発電部４００における出力を上げるべく、燃焼器４２０に燃料ガスＦ₄₀₀を供給すれば、余分な燃料ガスＦ₄₀₀がＦＣ発電部１００以外においても消費されることとなり、過剰の空気が燃料電池の反応以外にも消費されることとあわせて、プラント全体の発電効率が低下してしまうという。
【００２３】
本発明は、以上の問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池を所望の作動温度に保持するとともに高い発電効率を達成することができ、さらに、ＦＣ発電部１００の発生熱を効率よく回収して利用することにより、高いプラント効率の複合発電プラントを提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
このため、第１番目の本発明の複合発電プラントは次の手段とした。
【００２５】
（１）空気と燃料ガスとを電解質を介して電気化学反応させて発電するＦＣ発電部と、ＦＣ発電部から排出される空気極排ガス及び燃料極排ガスとを燃焼させて高温の駆動ガスを発生させる燃焼器を有し、供給された空気をＦＣ発電部の空気極に供給するために圧縮する圧縮機及び電力を出力する発電機を駆動ガスにより作動させるガスタービンからなるＧＴ発電部と、ガスタービンからＧＴ排熱回収部に排出される排ガスにより発生させた蒸気で駆動され、電力を出力する蒸気タービンとからなる複合発電プラントにおいて、ＦＣ発電部が直列に複数配置され、前段ＦＣ発電部から排出される排ガスを後段ＦＣ発電部に供給して発電するようにした。また、複合発電プラントは、前段ＦＣ発電部から排出される排ガスを燃焼部の発生熱を利用して昇温させて燃焼ガスを前記後段ＦＣ発電部に供給する燃料ガス加熱部を有することが好ましい。また、複合発電プラントは、前段ＦＣ発電部から排出される排ガスで昇温させる前段の燃料ガス加熱部と、前記後段ＦＣ発電部から排出される排ガスで昇温させる後段の燃料ガス加熱部とは仕様が異なることが好ましい。また、複合発電プラントは、前段ＦＣ発電部に供給する空気を前記燃焼部で加熱された排ガスで加熱する空気加熱部を有することが好ましい。
【００２６】
（ａ）これにより、各段のＦＣ発電部に供給される空気のすべては、１台の圧縮機で供給されるために、ＦＣ発電部１基当たり圧縮動力はＦＣ発電部の基数で割った小さいものにでき、ＦＣ発電部出力当たりの圧縮動力を小さくすることができ、プラント効率を向上させることができる。
また、前段ＦＣ発電部の排ガスを次段のＦＣ発電部に供給して、この排ガスを使用して発電するので、次段のＦＣ発電部に供給する空気／燃料ガスの高温供給、特に、燃料ガス供給に比較して供給流量の大きい空気の高温供給が容易になり、ＦＣ発電部の発電効率を向上させることができ、この点からもプラント効率を向上させることができる。
【００２７】
さらに、ＦＣ発電部が直列に複数配置され、後段ＦＣ発電部には前段ＦＣ発電部で加熱された排ガスが供給されるため、最終段ＦＣ発電部から燃焼器に供給される排ガス温度は、空気／燃料ガスを加熱する反応ガス加熱部を設けるようにした場合でも高くすることができ、ガスタービンを効率の良い稼働状態にするための燃焼器の追い焚きに供給される燃料ガスの量を低減することができ、これによっても、プラント効率を向上させることができる。
【００２８】
また、第２番目の本発明の複合発電プラントは、上述（１）の手段に加え、次の手段とした。
【００２９】
（２）ガスタービンとＧＴ排熱回収部との間に介装され、第１段ＦＣ発電部に供給される空気及び燃料ガスを、ガスタービンから排出される排ガスで予熱し、予熱後の排ガスで蒸気タービンを駆動する蒸気を発生させる蒸気発生部に排出する予熱再生部をＧＴ排熱回収部に設けた。
【００３０】
（ｂ）これにより、上述（ａ）に加え、ＦＣ発電部が直列に複数配置され第１番目のＦＣ発電部にのみ、特に、燃料ガスよりも多量供給される空気の加熱が予熱再生部でなされるので、上段ＦＣ発電部からの排ガスで空気の加熱を行う反応ガス加熱部、特に、空気加熱部の容量を小さくすることができるとともに、最終段ＦＣ発電部から燃焼部に供給される排気ガス温度を高くすることができ、燃焼器の追い焚きのために供給される燃焼ガスの量を、さらに低減することができ、プラント効率をさらに向上させることができる。
【００３１】
また、第３番目の本発明の複合発電プラントは、上述（１）の手段に加え、次の手段とした。
【００３２】
（３）空気供給部及び燃料供給部から第１段ＦＣ発電部に供給される空気、及び第１段ＦＣ発電部若しくは各段のＦＣ発電部に供給される燃料ガスを、所要の温度に加熱できる反応ガス加熱部を設け予熱を行うことのできる段数、具体的には、３段以上の段数にしたＦＣ発電部を設け、予熱再生部を省略できるものにした。
【００３３】
（ｃ）これにより、上述（ａ）に加え、最終段のＦＣ発電部から燃焼器に供給される排気ガス温度を高くすることができ、燃焼器の追い焚きのために供給される燃料ガスの量を低減することができるとともに、ガスタービンからＧＴ排熱回収部に排出される排ガスにより発生できる蒸気量を大きくすることができ、蒸気発生器で発生させた蒸気で駆動され、電力を出力する蒸気タービンの発電量を多くでき、複合発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。
【００３４】
また、第４番目の本発明の複合発電プラントは、上述（１）の手段に加え、次の手段とした。
【００３５】
（４）ＦＣ発電部のうちの少なくとも第１段ＦＣ発電部が、従来のＦＣ発電部より低温の空気及び燃料ガスで作動させることのできる冷却方式の冷却ＦＣ発電部にされたものにした。
【００３６】
（ｄ）これにより、上述（ａ）に加え、第１段冷却ＦＣ発電部に供給される空気及び燃焼ガスの温度は、従来の９５０℃から６００〜７００℃にすることができ、反応ガス加熱部は圧縮機から供給される空気を加熱する第１段空気加熱部及び第２段以降のＦＣ発電部に供給される、燃料ガスを加熱する燃料ガス加熱部の設置のみでよくなるとともに、最終段のＦＣ発電部から燃焼器に供給される排気ガス温度を高くすることができ、燃焼器の追い焚きのために供給される燃料ガスの量を低減することができ、更には、燃料ガスを改質する改質蒸気を、前段ＦＣ発電部からの排ガスで発生させることができ、ＧＴ排熱回収部に排出される排ガスにより発生できる蒸気量を大きくすることができ、蒸気発生器で発生させた蒸気で駆動され、電力を出力する蒸気タービンの発電量を多くできるようになり、複合発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。
【００３７】
また、第５番目の本発明の複合発電プラントは、上述（１）の手段に加え、次の手段とした。
【００３８】
（５）ＦＣ発電部若しくは冷却ＦＣ発電部からなる発電部が直列に複数配置されるとともに、前段発電部から後段発電部に排出される燃料極排ガスと空気極排ガスとが、別々に後段発電部の燃料極及び空気極に各々供給され、発電するようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項４の複合発電プラント。
なお、別々に後段発電部の燃料極及び空気極に各々供給され発電して、最終段発電部から排出される燃料極排ガスと空気極排ガスとは、最終段発電部の後流側に設けた燃焼部で燃焼させた後、燃焼器に供給するようにしても良く、又は燃焼器出口温度をコントロールするために、燃料ガス供給部から燃焼器に供給される燃料ガスとともに、別々に燃焼器に供給するようにしてもよい。
【００３９】
（ｅ）これにより、前段発電部から後段発電部の空気極に排出される空気極排ガスが高温になり、上述（ａ）〜（ｄ）と同様の作用、効果に加え、前段発電部から後段発電部の燃料極に排出される高温の燃料極排ガスに、各段の発電部に供給される燃料ガスは、混合されて加熱されるために、燃料ガス加熱部を小型にできるとともに、燃料極排ガスとともに排出される未反応の燃料ガスは、後段発電部の燃料ガスとして使用されるため、後段発電部に供給される燃料ガスを低減することができ、さらには、後段発電部燃料極に供給される燃料極排ガスには、発電時に発生する蒸気が含まれているために、この蒸気を後段発電部に供給される燃料ガスの改質蒸気として使用できるため、第２段以降の発電部に供給される燃料ガスを改質するための改質蒸気の量を、低減若しくは０にすることができ、複合発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の複合発電プラントの実施の一形態を説明する。
なお、以下の説明では、図１０に示したものと同一または類似部材には同一符号を付し、説明は省略する。
【００４１】
図１は本発明に係る複合発電プラントの実施の第１形態を示すブロック図である。
【００４２】
図に示すように、本実施の形態の複合発電プラント１０は、主として、第１段ＦＣ発電部２１と第２段ＦＣ発電部２２とが直列に接続された２段のＦＣ発電部からなり、導入された燃料ガスｆと空気ａ_61a中の酸素との電気化学反応により発電を行うＦＣ発電部２０、各ＦＣ発電部２０から排出される未反応の燃料ガスｆ、空気ａ_61aを含む排ガスｇ₂₀を再燃焼させて、さらに高温にする第１段燃焼部３１、第２段燃焼部３２とからなる燃焼部３０、燃焼部３０で高温にされ排出される排ガスｇ₃₁，ｇ₃₂で各ＦＣ発電部２０に供給する燃料ガスｆおよび第１段ＦＣ発電部２１に供給する空気ａ_61aを加熱する第１段反応ガス加熱部６１、第２段反応ガス加熱部６２とからなる反応ガス加熱部６０、第２段反応ガス加熱部６２から排出される排ガスｇ₆₂を追加された燃料ガスｆ_cを燃焼させることにより、加熱し、昇温させた排ガスｇ₄₂₀で駆動され発電を行うとともに、導入された空気ａを圧縮して第１段ＦＣ発電部２１に供給するＧＴ発電部４０、各ＦＣ発電部２０およびＧＴ発電部４０に燃料ガスｆを供給する燃料ガス供給部８０、ＧＴ発電部４０に空気ａ_61aを供給する空気供給部７００、ＧＴ発電部４０からの排ガスｇ₄₀で燃料ガス供給部８０および空気供給部７００から供給される燃料ガスｆおよび空気ａ₄₆₀を予熱する予熱再生部５０を設け、予熱再生部５０からの排ガスｇ₅₀で燃料改質用の蒸気ｓ₁，ｓ₂等を発生させるとともに、蒸気タービン駆動用蒸気Ｓ_Tを発生させるＧＴ排熱回収部７０とからなる。
【００４３】
ＦＣ発電部２０は、最前段には図１０に示すＦＣ発電部１００と同様の第１段ＦＣ発電部２１が設置されると共に、ＦＣ発電部２１の後流側に直列に接続され、第１段ＦＣ発電部２１から排出される排ガスｇ₂₁を導入するようにした第２段ＦＣ発電部２２を設けるようにしている。
なお、本実施の形態ではＦＣ発電部２０は、２段からなるものを示しているが、第１段ＦＣ発電部２１に供給される空気量によっては、第ｎ段ＦＣ発電部（但しｎ＞３）を設け、最後段の反応ガス加熱部６２ｎから排出される排ガス中の酸素濃度が０％近くにする第ｎ段ＦＣ発電部２０ｎを設けることができる。
【００４４】
しかし、本実施の形態の以下の説明では説明を簡単にするため、第２段ＦＣ発電部２２より後流側に、さらに第ｎ段ＦＣ発電部２ｎが配置されるケースにおいては、第２段ＦＣ発電部より後流側に配置されるＦＣ発電部２０、ｎは第２段ＦＣ発電部２７で代表させるものとし、また後述するＦＣ発電部２０を３段以上設けることに付随して第２段ＦＣ発電部２２の後流側設置する燃焼部３０ｎ、反応ガス加熱部６０ｎは第２段燃焼部２２、第２段反応ガス加熱部６２で代表させるものとする。
【００４５】
このように直列に複数段にわたって設けるようにしたＦＣ発電部２０の各々には、天然ガス等からなる燃料ガスｆ₁と空気ａ_61a中の酸素とを固体酸化物電解質を介して電気化学反応を起こさせて発電する内部改質型ＳＯＦＣのスタックを備えている。
また、第１段ＦＣ発電部２１には燃料改質温度（例えば９５０℃）にまで加熱された高圧の空気ａ_61aと燃料供給部８０から供給される燃料ガスｆ₁に改質蒸気ｓ₁が混合されて改質され９５０℃にまで加熱された、改質燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）_61fが導入されて、これらが電気化学反応を起こして電力を発生する従来型のＦＣ発電部を採用するようにした。
【００４６】
さらに、第２段ＦＣ発電部２２には第１段ＦＣ発電部２１からの排ガスｇ₆₁と、燃料供給部８０から供給される燃料ガスｆ₂に改質蒸気ｓ₂が混合され、同様に９５０℃に加熱された改質燃料ガス（ｆ₂＋ｓ₂）_62fが導入されて、同様に電力を発生する従来型のＦＣ発電部を採用している。
また、第３段目以降にＦＣ発電部２０ｎを設けるようにした場合においても同様に、前段ＦＣ発電部３０からの排ガスｇ_30n-1と改質蒸気（ｆ＋ｓ）_60n-1fが導入されて、同様に電力を発生をする第１段、第２段ＦＣ発電部２１，２２と同様のＦＣ発電部２０ｎを設けるようにしている。
また、電力を発生させた各ＦＣ発電部２０からの排ガスｇ₂₀は、空気冷却しながら電力発生したのちも高温にあるが各ＦＣ発電部２０から次の後流機器へ排出される。
【００４７】
次に、燃焼部３０は複数段にわたって設けられた各ＦＣ発電部２０の下流側にそれぞれ配置され、各前段のＦＣ発電部２０から排出される排ガスｇ₂₀中の未反応の燃料ガスｆと空気ａ_61a中の酸素とを燃焼させて高温の燃焼ガスｇ₃₀（ｇ₃₁，ｇ₃₂……）を生成するためのものである。
【００４８】
また、反応ガス加熱部６１，６２の各々は、燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆと空気加熱部６１ａ，６２ａとから構成され、燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆは、その内部において、各段のＦＣ発電部２０の燃料極に供給される改質燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）_61f，（ｆ₂＋ｓ₂）_62fを、前段のＦＣ発電部２０の発生熱および燃焼部３１，３２の発生熱を利用して、改質燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）₅₄₀，（ｆ₂＋ｓ₂）_iをＦＣ発生部２０に導入する所望の改質温度（例えば９５０℃）の（ｆ₁＋ｓ₁）_61f，（ｆ₂＋ｓ₂）_62fに昇温させる。
【００４９】
但し、第１段ＦＣ発電部２１の下流側に配置される燃料ガス加熱部６１ｆで加熱する改質燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）₅₄₀と第２段ＦＣ発電部２２の下流側に配置される燃料加熱部６２ｆで加熱する改質燃料ガス（ｆ₂＋ｓ₂）とでは、仕上り温度は同じであるが各燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆの入口部での温度条件および流量が異ることから、燃料ガス加熱部６１ｆと燃料ガス加熱部６２ｆとの仕様は異るものとなっている。
一方、空気加熱部６１ａ，６２ａは、第１段ＦＣ発電部２１の空気極に供給される空気ａ_61aを各段の燃焼部３１，３２で加熱された排ガスで順次加熱するようにしている。
【００５０】
この空気加熱部６１ａ，６２ａに供給される空気流量は、第１段ＦＣ発電部２１に供給される空気流量で、前述したように、ＦＣ発電部２１，２２のそれぞれ後流側に設けられる燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆの仕様が異り、しかも各段のＦＣ発電部２１，２２から排出される排ガスｇ₂₁，ｇ₂₂流量が異るにも拘わらず、第２段ＦＣ発電部２２に流入させる排ガス温度が９５０℃をキープできるように、各段の空気加熱部６２ａ，６１ａで順次昇温させるとともに、第１段空気加熱部６１ａの出口温度が９５０℃になるような仕様のものにする必要がある。
【００５１】
次に、ＧＴ発電部４０は最終段の反応ガス加熱部６２から排出される排ガスｇ₆₂に燃料供給部８０からの燃料ｆｃを供給して、排ガスｇ₆₂中に残存する酸素と燃焼させて排ガスｇ₆₂を所定のタービン入口温度にまで昇温する燃焼器４２０およびその排気ガスｇ₄₂₀で駆動されて空気供給部７００から導入されて空気ａを圧縮して第１段ＦＣ発電部２１に供給する空気圧縮機４６０、空気圧縮機４６０を駆動した余剰の動力で発電機４８０を駆動して電力を発生させるガスタービン４４０とからなり、図１０に示すＧＴ発電部４００の同様の構成のものを設けるようにしている。
【００５２】
次に、予熱再生部５０は、後述する排熱回収部７０に併設され、ガスタービン４４０から排出される排ガスｇ₄₄₀で圧縮機４６０から吐出される空気ａ₄₄₀を加熱する空気予熱再生部５００と燃料供給部８０からの燃料ガスｆ₁および後述するＧＴ排熱回収部７０に設けられた改質用蒸気発生用ＨＲＳＧ７１からの改質用蒸気ｓ₁を混合し、第１段反応ガス加熱部６１に供給される改質燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）₅₄₀を中間温度に加熱する燃料ガス予熱再熱部５４０とからなる。
【００５３】
また、ＧＴ排熱回収部７０は、前述した予熱再生部５０、改質用蒸気ｓ₁およびｓ₂を発生させる改質用蒸気発生器７１が設けられるとともに、改質用蒸気発生器７１と並列に配置された蒸気発生器（ＨＲＧＳ）７２で発生させ、図では省略した蒸気タービンを駆動し電力を発生させる余剰蒸気を発生させるようにしている。
【００５４】
本実施の形態の複合発電部プラント１０は上述のように構成され、燃料供給部８０から第１段目のＦＣ発電部２１の燃料極に供給される約１５℃の燃料ガスｆ₁は、改質用蒸気発生器７１からの改質蒸気ｓ₁と混合され、改質燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）となって燃料ガス予熱再生器５４０および燃焼ガス加熱部６１ａによって加熱され、９５０℃の改質燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）_61fとなって供給される。
さらに、空気供給部７００から圧縮機４６０に導入された空気ａは、圧縮により約４００℃にまで昇温された後、空気予熱再生器５２０、空気加熱部６２ａ、空気加熱部６１ａにより９５０℃にまで昇温された加熱空気ａ_61aとなって第１段目のＦＣ発電部２１の空気極に供給される。
【００５５】
改質燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）_61fおよび加熱空気ａ_61aがそれぞれ燃料極および空気極に供給された第１段ＦＣ発電部２１では、燃料極へ導入された改質燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）_61fは、燃料極の触媒上で反応して、水素および酸化炭素を生成する。
この反応は吸熱反応であるため、この内部改質反応によっても第１段ＦＣ発電部２１の発生熱を吸熱することができる。
また、空気極へ導入された圧縮空気ａ_61a中の酸素は、Ｏ^2-イオンとなり、固体酸化物電解質内を伝導して燃料極に移動し、前述した水素及び一酸化炭素と電気化学反応を起こし、水と二酸化炭素とを生成する。
【００５６】
ここで、その反応熱のうち、自由エネルギー変化に相当する分から電池の内部抵抗に基づく分を差し引いた分が電気エネルギー（直流電力）に変換され、残りの分が熱として発生することとなる。
燃料極における水或いは二酸化炭素の生成は発熱反応であり、この発熱を空気冷却してＦＣ作動温度（例えば１０５０℃）に保持される。
【００５７】
また、第１段目ＦＣ発電部２１を通過した燃料極排ガス及び空気極排ガスは混合され、排ガスｇ₂₁として燃焼部３０を構成する第１段燃焼部３１に導入される。この燃焼部３１において、排ガス中に残存する未反応の燃料ガスｆ₁と燃料極で発生した水素、一酸化炭素と空気極から排出される余剰空気中の酸素Ｏ₂とは、高温のもとで容易に燃焼反応を起こし、燃焼ガスｇ₃₁となり、第１段反応ガス加熱部６１に導入され、反応ガス加熱部６１の燃焼ガス加熱部６１ｆおよび空気加熱部６１ａを通過する燃料（ｆ₁＋ｓ₁）₅₄₀および空気ａ_62aと熱交換し、これらを共に第１段ＦＣ発電部２１に導入するＦＣ作動温度の改質用燃料（ｆ₁＋ｓ₁）_61fおよび空気ａ_61aにしたのち、ＦＣ作動の高温の状態で第２段ＦＣ発電部２２の空気極に供給される。
【００５８】
第１段反応ガス加熱部６１から排出される排ガスｇ₆₁が導入される第２段ＦＣ発電部２１には、燃料供給部８０から供給される約１５℃の燃料ガスｆ₂に改質用蒸発器７１からの改質蒸気ｓ₂が添加され、第２段反応ガス加熱部６２ｆで昇温された改質用燃料ガス（ｆ₂＋ｓ₂）_62fが導入され、第２段ＦＣ発電部２２部内の燃料極で反応して、水素および一酸化炭素を生成する。
また、空気極に供給され排ガスｇ₆₁中の未反応の酸素は、第１段ＦＣ発電部２１と同様に、新たに導入された改質燃料ガス（ｆ₂＋ｓ₂）_62fと電気化学反応を起こし、電力を発生させるとともに、ＦＣ発電部２２を通過した燃料極排ガス及び空気極排ガスは混合され、排ガスｇ₂₂として第２段燃焼部３２に導入される。
【００５９】
この燃焼部３２においても、排ガスｇ₃₂中に残存する未反応の燃料ガスｆ₂成分と空気ａ_61a中の未反応の酸素Ｏ₂とは、高温のもとで容易に燃焼反応を起こして燃焼ガスｇ₃₂となり、反応ガス加熱部６２に導入され、反応ガス加熱部６２の燃焼ガス加熱部６２ｆおよび空気加熱部６２ａを通過する、改質燃料（ｆ₂＋ｓ₂）および空気ａ₅₂₀と熱交換し、改質用燃料ガス（ｆ₂＋ｓ₂）を第２段ＦＣ発電部３２に導入するため高温の改質燃料（ｆ₂＋ｓ₂）_62fにするとともに、空気予熱再生器４２０から供給された空気ａ₅₂₀を第１段空気加熱部６１ａにて第１段ＦＣ発電部２１の所望の温度にまで加熱する。
このように改質用燃料ガス（ｆ₂＋ｓ₂）および空気ａ₅₂₀を加熱することにより、減温されて、第２反応ガス加熱部６２から排出される排ガスｇ₆₂は、ＧＴ発電部４０の燃焼器４２０に供給される。
【００６０】
また、この燃焼器４２０には燃料供給部８０から燃料ガスｆ_cが供給されるようになっており、燃焼器４２０では、この燃料ｆ_cおよび排ガス中ｇ₆₂中に残存している空気ａ_61a中の酸素とが燃焼して、所定温度の燃焼ガスとしてガスタービン４４０に供給され、出力を発生させて、圧縮機４６０を駆動させて第１段ＦＣ発電部２１に供給される空気ａを圧縮するとともに、発電機４８０を作動させて電力を発生させる。
【００６１】
ガスタービン４２０から排出される排ガスｇ₄₄₀は、ＧＴ排熱回収部７０に併設された予熱再生部５０に供給されて、空気予熱再生器５２０で圧縮機４６０で圧縮され吐出された約４００℃の空気ａ₄₆₀を、第２段の空気加熱部６２ａ入口温度にまで加熱された空気ａ₅₂₀にするとともに、燃料ガス予熱再生器５４０で燃料供給部８０から供給された、燃料ガスｆ₁と改質用蒸気発生器７１からの改質蒸気ｓ₁とが混合された改質用燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）を第１段燃料ガス加熱部６１ｆ入口温度にまで加熱された改質用燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₂）₅₄₀にする。
【００６２】
さらに、予熱再生部５０から排出される排ガスｇ₅₀（約５００℃）は、ＧＴ排熱回収部７０に設けられた改質用蒸気発生器７１で、第１段ＦＣ発電部２１に供給される燃料ガスｆ₁が燃料ガス予熱部５４０に供給される前に混合され、燃料ガスｆ₁を改質燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）にする改質蒸気ｓ₁、および第２段のＦＣ発電部２２に供給される燃料ガスｆ₂が第２段の燃焼ガス加熱部ａ_62fに供給される前に混合され、燃料ガスｆ₂を改質燃料ガス（ｆ₂＋ｓ₂）にする改質蒸気ｓ₂を発生させる。
【００６３】
また、ＧＴ排熱回収部７０に供給されて改質蒸気ｓ₁，ｓ₂の発生に使用されない余剰の排ガスｇ₅₀は、改質用蒸気発生器７１と並列に設置された蒸気発生器（ＨＲＳＧ）７２に供給され、図示省略した発電を行う蒸気タービンを駆動するための蒸気ｓ_Tを発生させる。
このようにして改質蒸気ｓ₁，ｓ₂および蒸気タービン駆動蒸気ｓ_Tを発生させ、約１００℃にまで減温された排ガスｇ₇₀は煙突５８０から外部へ排出される。
【００６４】
本実施の形態の複合発電プラント１０は、従来の複合発電プラントが図１０に示すように、ＦＣ発電部１００に空気Ａを供給する圧縮機４６０がＦＣ発電部１基に対して１台を設けるようにしていたのに対して、ＦＣ発電部２０を２台直列に設け、第２段ＦＣ発電部２２の空気極に供給する空気として第１段ＦＣ発電部２１の排ガスｇ₂₁を利用するようにし、ＦＣ発電部２１、ＦＣ発電部２１に対して、１台の圧縮機４６０を共通に用いるようにしたため、ＦＣ発電部１基当りの圧縮動力が基数で割った約１／２に小さくでき、ＦＣ発電部２０出力当りの圧縮動力分の目減りを小さくできる。
【００６５】
なお、ＦＣ発電部を２基とせずに、最終段ＦＣ発電部２０ｎからの排気中のＯ₂を安定下限迄のｎ基のＦＣ発電部を多数直列に配置して、１基当りのＦＣ発電部２０の圧縮動力は約１／ｎにもなり、さらに小さくすることもできる。排ガスｇ_n中のＯ₂を安定下限値にした場合、最終段のＦＣ発電部からの排気ガスｇを加熱する燃焼器４２０には、供給される燃料ガスｆ_cの燃焼に必要な空気を別途供給するか、又は燃焼器４２０を設置せず、９５０℃の排ガスｇ_nでガスタービン４４０を駆動して低い効率でガスタービン効率を稼動させる必要がある。
【００６６】
さらに、上段のＦＣ発電部２０の排気ガスを次段のＦＣ発電部２０の空気として空気極へ投入するようにしたので、第２段ＦＣ発電部へ供給する空気を加熱するための第１段空気加熱部に相当する空気加熱部の設置が不要になる。
【００６７】
また、本実施の形態の複合発電プラント１０では１段目のＦＣ発電部２１への投入空気９５０℃は、約４００℃の圧縮機吐出空気ａ₅₂₀を数回に分けて予熱再生部５０，２つの反応ガス加熱部６１，６２で昇温し、例えば、＋２００℃×３の昇温をすれば良いので、１基当りのＦＣ発電部２０から排出される排気ガスの冷却される程度を小さくし、排気温度を高くした後段のＦＣ発電部２０の作動に好適な温度にして送気でき、さらには、最終段のＦＣ発電部からガスタービン４４０に送気される排ガス温度を高温（１０００℃以上）にできるため、ＧＴ燃料が少くなりこれによっても、複合発電プラント効率η_ccが向上する。
【００６８】
即ち、空気圧縮機４６０から吐出された空気ａ₅₂₀（約５５０℃）を、図１０に示す空気加熱部３４０だけで９５０℃にまで加熱するようにした場合には、空気加熱部３４０で＋４００℃（５５０→９５０℃）の熱交換をすることから、空気加熱部３４０から排出される排気が７００〜８００℃と低くなるために、燃焼器４２０の追焚専用の燃料ガスｆ_cが多くなるためη_ccが低くなるが、本実施の形態の複合発電プラント１０では、このような不適合を解消することができ、図１０に示す従来の複合発電プラントの効率η_ccが５０％程度であったものを、本実施の形態のものでは、約５５％あるいはそれ以上にまで向上させることができる。
【００６９】
次に、図２は本発明の複合発電プラントの実施の第２形態を示す図で、本実施の形態の複合発電プラント１１は、図１に示す実施の第１形態の複合発電プラント１０に比較して、第３段ＦＣ発電部２３、第３段燃焼部３３および第３段反応ガス加熱部６３を設けて、実施の第１形態ではＧＴ排熱回収部７０に設けるようにしていた予熱再生部５０を削除するとともに、燃料供給部８０から第１段〜第３段発電部２１，２２，２３に各々供給される燃料ガスｆ₁，ｆ₂，ｆ₃には、燃料供給部８０出口側から供給される燃料ガスｆに改質蒸気ｓを一括して混合した後、改質燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁），（ｆ₂＋ｓ₂），（ｆ₃，ｓ₃）に分流するようにしたものである。
【００７０】
すなわち、空気圧縮機４６０から第１段発電部２１に供給される空気量は、１基のＦＣ発電部に必要とする空気比の４〜５倍が供給されるが、第３段ＦＣ発電部２３を設けるようにしたことにより、第３段反応ガス加熱部６３が設置できるようになり、これにより、圧縮機４６０から吐出される約４００℃の圧縮空気ａ₄₆₀は、３つの反応ガス加熱部６０で＋２００℃×３＝６００℃の昇温を行うことができ、実施の第１形態においてＧＴ排熱回収部７００に設けるようにしていた、予熱再生部５０を設けなくても、第１段発電部２１に必要とする９５０℃にまで反応ガスを昇温できるとともに、ＦＣ発電部１基当りのＦＣ発電部２０から排出される排気ガスｇの冷却される程度を小さくし、各反応ガス加熱部３０から排出される排気ガスｇを高温に保持して、後段ＦＣ発電部の空気極に供給することができるようにした。
【００７１】
なお、本実施の形態の複合発電プラントでは、第１段ＦＣ発電部２１に供給される改質用燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）_61fの温度を９５０℃にするために、第１段空気加熱部６１ａの加熱容量を小さくすることによって、燃焼部３１から排出される排気ガスｇ₃₁を燃料ガス加熱部６１ｆにより多く供給するようにするとともに、第１段空気加熱部６１ａの加熱容量の削減は、第２段空気加熱部６２ａ、第３段空気加熱部６３ａの加熱でカバーする。第２段ＦＣ発電部２１、第３段ＦＣ発電部２２にそれぞれ供給される改質燃料ガス（ｆ₂＋ｓ₂），（ｆ₃，ｓ₃）と略同量の改質燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）を第１段ＦＣ発電部２１に供給する。
【００７２】
これにより、前述した実施の第１形態と同様の作用、効果が得られることに加え、第３段ＦＣ発電部２３、第３段反応ガス加熱部６３を設け、さらには予熱再生部５０を廃止したことにより、ガスタービン４４０からの排ガスｇ₄₀を蒸気タービンによる発電に多量に利用できることから、η_ccを６０％程度にまで向上させることができる。
【００７３】
次に、図３は本発明の複合発電プラントの実施の第３形態を示すブロック図である。
図に示すように、本実施の複合発電プラントでは、実施の第１形態、第２形態と同様にＦＣ発電部を直列にして複数段連結して、後段のＦＣ発電部の空気系は上段の排気系と連結され、上段ＦＣ発電部で発生した熱エネルギーを利用するようにすると共に、第１段ＦＣ発電部は、９５０℃より低温の６００〜７００℃の燃料ガスおよび空気を供給し、ＦＣ発電部２０から熱回収する反応ガス熱交換部２４で９５０℃まで加熱して燃料電池に供給して、発電させることのできるようにした冷却投入型の冷却第１段ＦＣ発電部２１Ａを設けるようにして、各段ＦＣ発電部２０に９５０℃の空気を供給するための空気加熱部６１ａは、第１段ＦＣ発電部である冷却第１段ＦＣ発電部２１Ａの後流側にだけ設けるようにしている。
【００７４】
即ち、本実施の形態の複合発電プラント１２では、第１段ＦＣ発電部として、低温状態（例えば６００〜７００℃程度）で供給された改質用燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）_61f、および同様の温度にされて第１段空気加熱部６１ａから供給される空気ａ_61aを、それぞれ燃料極、空気極にそれぞれ供給するに好適な温度（９５０℃）にまで加熱し、ＦＣ本体を冷却する、燃料ガス熱交換部と空気熱交換部とからなる反応ガス熱交換部２４を設けた冷却第１段ＦＣ発電部２１Ａを採用した。
【００７５】
これにより、冷却第１段発電部２１Ａに圧縮機４６０から供給される空気ａ₄₆₀は、実施の第１形態および実施の第２形態のように空気加熱部６２ａ，６３ａ又は空気予熱再生部５２０により加熱することなく、第１段空気加熱器６１ａにより空気圧縮機４６０から吐出された約４００℃の空気を、６００〜７００℃に加熱した低温状態で冷却第１段発電部２１Ａに供給できるようになり、実施の第１形態および第２形態で設けるようにした第２段，第３段空気加熱部６２ａ，６３ａ又は空気予熱再生部５２０の設置が不要になる。
【００７６】
また、本実施の形態では第１段反応ガス加熱部６１の後流側、第２段燃料ガス加熱部６２ｆおよび第３段燃料ガス加熱部６３ｆの後流側には、蒸気発生器７２から抽出された水を、反応ガス加熱部６１，６２ｆ，６３ｆから排出される排ガスｇで加熱し、改質蒸気ｓ₁，ｓ₂，ｓ₃にするための改質用蒸気発生器７１ｆ₁，７１ｆ₂，７１ｆ₃が設けられている。
【００７７】
このように、第２段反応ガス加熱部６２，第３段反応ガス加熱部６３から空気加熱部６２ａ，空気加熱部６３ａを不要にできることにより、新たに改質用蒸気発生器７１ｆ₂，７１ｆ₃を設置するにも拘わらず、燃焼器４２０の供給される排ガスｇ_71f3の温度は昇温することができる。燃焼器４２０では、排ガスｇ_71f3から更に昇温する値が４００℃（９５０→１３５０℃）から１５０℃（１２００→１３５０℃）にまで低減することができ、これは燃焼器４２０に供給する燃料ガスｆ_cの量を６割以上低減することに相当する。
【００７８】
また、ガスタービン４４０からの排気ガスｇ₄₄₀は、実施の第２形態と同様にＧＴ排熱回収部７０にそのまま供給され、しかも、改質用蒸気発生器７１による改質蒸気ｓ₁，ｓ₂，ｓ₃が第１段反応ガス加熱部６１，第２段燃料ガス加熱部６２ｆ，第３段燃料ガス加熱部６３ｆからの排ガスｇ₆₁，ｇ_62f，ｇ_63fによって発生させるようにしたことにより、蒸気発生器７２により発生できる蒸気エネルギーを増大させることができ、図示省略した蒸気タービンで駆動される発電機による発電量を大きくすることができる。
【００７９】
このように、本実施の形態の複合発電プラント１２では、実施の第１形態と同様の作用、効果が得られることに加え、第１段ＦＣ発電部を冷却第１段ＦＣ発電部２１Ａにしたことにより、冷却第１段部ＦＣ発電部２１Ａに供給される空気ａ_61aおよび改質燃料ガス（ｓ₁＋ｆ₁）_61fは、低温状態で供給できるようになり、第２段、第３段空気加熱部６２ａ，６３ａ又は空気予熱再生部５２０の設置が不要になる。
【００８０】
また、空気加熱部６２ａ、空気加熱部６３ａが不要にできることから、燃焼器４２０に供給される排ガスｇ_71f3の温度は、数百℃昇温でき、燃焼器４２０で与えるべき温度上昇を小さくすることができ、つまり燃焼器４２０に供給する燃料ガスｆ_cの量をさらに低減できる。
また、第１段反応ガス加熱部６１の後流側と、第２段燃料ガス加熱部６２ｆおよび第３段燃料ガス加熱部６３ｆの後流側に改質蒸気ｓ₁，ｓ₂，ｓ₃に発生させる改質用蒸気発生器７１ｆ₁７１ｆ₂，７１ｆ₃が設けているので、ガスタービン４４０からの排気ガスｇ₄₀は、ＧＴ排熱回収部７０にそのまま供給され、蒸気発生器７２により発生させ、蒸気タービンで使用できる蒸気エネルギーを増大させることができ、蒸気タービンで駆動される発電機による発電量を大きくすることができるので、複合発電プラント効率を実施の第２形態のものに比較して、さらに向上させることができる。
【００８１】
次に、図４は本発明の複合発電プラントの実施の第４形態を示すブロック図である。
図に示すように、本実施の形態では実施の第１形態〜第３形態で示されたもののように、第１段ＦＣ発電部２１〜第３段ＦＣ発電部２３は直列に連結されているが、各ＦＣ発電部２１〜２３からそれぞれ排出される空気系の排ガスと燃料系の排ガスは混合されず、下段ＦＣ発電部の空気系を上流段ＦＣ発電部の空気排出系と連結するとともに、上流段ＦＣ発電部の燃料系を上流段ＦＣ発電部の燃料排出系と連結し、空気排出系から排出される排ガス中の酸素と燃料排出系から排出される排ガス中の燃料ガスは、第３段ＦＣ発電部２３の後流側で混合され、燃焼部３０Ａで燃焼させて燃焼器４２０へ供給するようにした。
【００８２】
通常、ＦＣ発電部に供給される燃料ガスは、当該ＦＣ発電部における燃料極における反応に必要な燃料ガス量より、余剰（例えば１０％）に投入するようにしているため、これらの余剰燃料を後段ＦＣ発電部の燃料ガスとして利用することを可能にしたものである。
図に示すように、空気供給部７００から圧縮機４６０に導入された空気ａは、圧縮されて約４００℃にまで昇温された後、空気予熱再生器２０、空気加熱部６２ａ、空気加熱部６１ａにより改質温度（９５０℃）にまで昇温された加熱空気ａ_61aとなって第１段目のＦＣ発電部２１の空気極に供給される。
【００８３】
また、燃料供給部から第１段目のＦＣ発電部２１の燃料極に供給される燃料ガスｆ₁は、燃料ガス予熱再生器５４０によって加熱された後、改質用蒸気発生器７１からの改質蒸気ｓ₁と混合され、改質用燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）となって第１段ＦＣ発電部２１燃焼ガス加熱部６１ｆによって加熱された後、９５０℃の改質用燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）_61fとなって供給される。
改質用燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）_61fおよび加熱空気ａ_61aがそれぞれ燃料極および空気極に供給された第１段ＦＣ発電部２１では、燃料極へ導入された改質用燃料ガス（ｆ₁＋ｓ₁）_61fは、燃料極の触媒上で反応して、水素および一酸化炭素を生成する。
【００８４】
この反応は吸熱反応であるため、この内部改質反応によってもＦＣ発電部２１の発生熱を吸熱することができる。
また、空気極へ導入された圧縮空気ａ_61a中の酸素は、Ｏ^2-イオンとなり、固体酸化物電解質を伝導して、これらの水素及び一酸化炭素と電気化学反応を起こし、水と二酸化炭素とを生成する。
ここで、その反応熱のうち、自由エネルギー変化に相当する分から電池の内部抵抗に基づく分を差し引いた分が電気エネルギー（直流電力）に変換され、残りの分が熱として発生することとなる。
水或いは二酸化炭素の生成は発熱反応であるため空気で冷却するがその結果、第１段ＦＣ発電部２１の温度は所望の作動温度（例えば１０５０℃）に保持される。
【００８５】
また、第１段ＦＣ発電部２１を通過した燃料極排ガスｇ₁及び空気極排ガスａ₁は、第１段反応ガス加熱部６１に導入され、反応ガス加熱部６１の燃焼ガス加熱部６１ｆおよび空気加熱部６１ａを通過する改質用燃料（ｆ₁＋ｓ₁）₅₄₀および空気ａ_62aに熱交換され、改質用燃料（ｆ₁＋ｓ₁）₅₄₀および空気ａ_62aを１段目のＦＣ発電部２１に導入する改質用燃料（ｆ₁＋ｓ₁）_61fおよび空気ａ_61aにするとともに、第２段ＦＣ発電部２２に必要とされる高温の状態で第１段反応ガス加熱部６１から排出され、第２段ＦＣ発電部２２の燃料極および空気極に供給されることとなる。
【００８６】
第２段ＦＣ発電部２２では、第１段燃料ガス加熱部６１ｆからの排ガスｇ₁に、第２段燃料ガス加熱部で燃料供給部８０から供給された燃料ガスｆ₂に改質蒸気ｓ₂が混合されて加熱された改質燃料ガス（ｆ₂＋ｓ₂）が加えられて改質燃料ガスが燃料極に供給され、さらに第１段空気加熱部６２ａからの排ガスａ₁が空気極に供給されて第１段ＦＣ発電部２１内と同様な電気化学反応を起し、燃料極排ガスｇ₂及び空気極排ガスａ₂を別々に排出する。
【００８７】
燃料極排ガスｇ₂は、燃料供給部８０からの燃料ガスｆ₂に改質蒸気ｓ₂が混合された改質用燃料ガス（ｆ₂＋ｓ₂）を第２段燃料ガス部６２ｆで所定値に加熱した後、第３段ＦＣ発電部２３の燃料極に供給され、また空気極排ガスａ₂は空気予熱再生部５２０からの空気ａ₅₂₀を第１段空気加熱部６１ａの入口温度にまで昇温させた後、第３段ＦＣ発電部２３の空気極に供給されて第１段ＦＣ発電部２１内と同様な電気化学反応を起し、燃料極排ガスｇ₃及び空気極排ガスａ₃を排出する。
【００８８】
燃料極排ガスｇ₃中には、第１段ＦＣ発電部２１〜第３段発電部２３には、前述したように若干余剰の燃料ガスが供給されるようにしているため、燃料ガスｆが残存しており、また空気極排ガスａ₃中には、第１段ＦＣ発電部２１に、第１段ＦＣ発電部２１〜第３段発電部２３での電気化学反応に必要とする空気量以上の余剰空気が供給されているため空気ａが残存しており、これらが供給され混合された燃焼部３０Ａでは燃焼が生じ、燃焼器４２０に供給されることになる。
【００８９】
これにより、燃料供給部８０から供給される燃料ガスｆ_cを大幅に減少させることができ、複合発電プラントの効率を向上させることができる。
また、本実施の形態の複合発電プラントは、上述の構成にしたことにより上述したように、ＦＣ発電部に供給される燃料は、余剰投入するようにしているが、この余剰燃料は、後段ＦＣ発電部の燃料ガスとして利用することを可能になるほか、排気ガスｇ中にＨ₂Ｏが含まれるため、第２段ＦＣ発電部２２に供給する改質燃料ガス（ｆ₂＋ｓ₂）にするために燃料ガスｆ₂に混入する改質用のｓ₂蒸気量を小さくすることができる。
【００９０】
さらに、余剰蒸気も後段のＦＣ発電部に流れ、さらに、燃焼によるＨ₂Ｏも付加されるので、バランスによっては第２段ＦＣ発電部２２の後流側に設けられる第３段目以降のＦＣ発電部には、改質蒸気の投入が不要になり熱の利用率が、さらに向上することが期待できる。
即ち、第１〜第３実施の形態のように各ＦＣ発電部２１，２２，２３の後流側に設けるようにした燃焼部３１〜３３で熱に変換させることなく前段ＦＣ発電部から排出される燃料を後段ＦＣ発電部の原料として活用できるようになる。
【００９１】
また、第１段燃料ガス加熱部６１ｆと第２段発電部２２入口との間における改質用燃料ガス（ｆ₂＋ｓ₂）の混合で、第２段発電部２２への送給燃料ガス温度を維持することができるようにすることも可能になり、前述した第２段燃料ガス加熱部６２ｆを省略できるとともに、第３段発電部２３に供給する燃料ガスｆ₃を加熱する第３段燃料ガス加熱部６３ｆも同様の理由で省略することも可能になる。
【００９２】
なお、上記実施の形態では第３段発電部２３から排出される排ガスｇ₃，ａ₃を燃焼部３１Ａで燃焼させて燃焼器４２０へ送気するようにしているが、燃焼部３０Ａを省略して、燃焼器４２０へ直接第３段発電部２３からの空気極排ガスａ₃、燃料極排ガスｇ₃および燃料供給部８０からの燃料ガスｆ_cをそれぞれ投入するようにすることもできる。
これは、従来のリサイクル技術（燃料系のアノードリサイクル、空気系のカソードリサイクル）に相当する流体条件を２段発電部２２以降に実現していると考えて良く、従来のＦＣ発電部で必要とされたリサイクル循環ファンが不要であるとともに、燃焼生成物のＨ₂Ｏを後段ＦＣ発電部の改質用蒸気（後段）に活用でき特に３段目以降のＦＣ発電部２０では別途蒸気の生成が不要になる。
【００９３】
次に、図５は本発明の複合発電プラントの実施の第５形態を示すブロック図である。
図に示すように、本実施の形態では実施の第４形態と同様に、下流段ＦＣ発電部の空気系を上流段ＦＣ発電部の空気排出系と連結するとともに、上流段ＦＣ発電部の燃料系を上流段ＦＣ発電部の燃料排出系と連結し、空気排出系から排出される排ガス中ａ₃の酸素と燃焼排出系から排出される排ガス中の燃料ガスは、別々に第３段ＦＣ発電部２３から燃焼器４２０へ供給するようにした。
また、第３段ＦＣ発電部２３から燃焼器４２０へ供給される燃料ガスｇ₃の一部は、リサイクルガスｇ_rとして、熱交換器９２とリサイクル循環ファン９６とからなるリサイクル循環部９０へ供給するようにした。
【００９４】
また、第１段ＦＣ発電部には、実施の第３形態で採用した低温で作動させることのできる冷却第１段発電部２１Ａを設けるようにして、リサイクル循環部９０からのリサイクルガスｇ_rに改質用蒸気発生器で発生させた改質蒸気ｓ₁を混合した混合ガス（ｇ_r＋ｓ₁）に燃料供給部８０から供給される燃料ガスｆ₁を混合して燃料ガス予熱再生部５４０および燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆを通すことなく、リサイクル循環ガスｇ_rの排熱で加熱した低温の改質用燃料ガス（ｆ₁＋ｇ_r＋ｓ₁）を供給するようにした。
【００９５】
すなわち、発電部に供給するために反応ガスを加熱する反応ガス加熱器は、実施の第３形態と同様の圧縮機４６０からの空気ａ₄₆₀を加熱（２００℃程度）した低温空気ａ_61aを、冷却第１段発電部２１Ａに供給するようにした第１段空気加熱部６１ａだけにして、実施の第４形態における空気予熱再生部５７０および第２段空気加熱部６２ａを省略できるようにした。
【００９６】
また、リサイクル循環ファン９０入口に熱交換器９２を設け、熱交換器９２で生成する蒸気と燃料極ガスｇ₃から分岐させたリサイクルガスｇ_r中の蒸気で冷却第１段ＦＣ発電部２１Ａに供給する改質蒸気をまかなうとともに、燃焼器４２０には燃料極排ガスｇ_r、空気極排ガスａ₃は燃焼部３０Ａで燃焼させることなく、燃料供給部８０からの燃料ガスｆ_cと共に直接別々に投入するようにした。なお、改質用蒸気発生器９２で発生させた蒸気のうち改質蒸気ｓ₁として使用されない蒸気は、蒸気発生器７２からの蒸気とともに蒸気タービンに供給され電力を発生させるようにしている。
【００９７】
これにより、実施の第４形態と同様の作用、効果が得られる他に、第１段発電部として冷却第１段発電部２１Ａとしたために予熱再生部５０、第２段蒸気加熱部６２および第１段、第２段燃焼ガス加熱部６１ｆ，６２ｆが省略でき、これにより空気および燃料ガス供給系の圧力損失がさらに少なくなり、各ＦＣ発電部２１，２２，２３は、より高圧で作動させ発電出力を高くできるので、複合発電プラント効率η_ccが向上し、発電量を増大させることができると共に、燃焼部３０Ａ等機器の省略と相俟って製造コストを低減することができる。
【００９８】
また、冷却第１段発電部２１Ａに供給する改質用燃料ガス（ｆ₁＋ｇ_r＋ｓ₁）は低温で供給できるため、これを加熱する熱交換器９２は、小型化又は省略でき、リサイクル循環ファン９１入口温度を減温して動力節減し、リサイクルガスｇ_rの加熱により発生する水蒸気が十分なときは、余剰に発生する蒸気ｓは蒸気発生器７２で発生する蒸気系統へ供給し、蒸気タービンへ投入することにより蒸気タービンの発電により複合発電プラント効率η_ccを、さらに向上させることもできる。
なお、リサイクルガスｇ_r中の水分は、数１に示すように最大７５ｍｏｌ％（余剰分ゼロで）となる。
【００９９】
【数１】

【０１００】
次に、図６は本発明の複合発電プラントの実施の第６形態を示すブロック図である。
図に示すように、ＦＣ発電部３０は実施の第２形態と同様に従来の第１段ＦＣ発電部３１、第２段ＦＣ発電部３２、第３段ＦＣ発電部３３からなるものとし、ＦＣ発電部３０への燃料ガスｆ₁，ｆ₂，ｆ₃の供給は、実施の第５形態と同様にして、各ＦＣ発電部３１，３２，３３から排出される排ガスｇは、燃料極排ガスｇ₁，ｇ₂，ｇ₃と空気極排ガスａ₁，ａ₂，ａ₃とに分離して後段のＦＣ発電部３２，３３および燃焼器４２０へ供給するようにした。
【０１０１】
また、第１段発電部３１への空気の供給は、実施の第２形態と同様に各段のＦＣ発電部３１，３２，３３の後流側に設けた空気加熱器６３ａ，６２ａ，６１ａで、空気圧縮機４６０から吐出された約４００℃の空気を２００℃ずつ順次加熱して、第１段発電部３１へは９５０℃の空気を供給するようにしている。
さらに、実施の第５形態と同様に第３段ＦＣ発電部２３から排出される高温の排ガスｇ₃は一部抽気して、この抽気したリサイクルガスｇ_rを第１段熱交換器９２Ａおよび第２段熱交換器９２Ｂに供給することにより、第１段ＦＣ発電部３１、第２段ＦＣ発電部３２および第３段ＦＣ発電部３３に供給される燃料ガスｆ₁，ｆ₂，ｆ₃を加熱するようにした。
【０１０２】
なお、第１段熱交換器９１による冷却は、図に示すように、第１段ＦＣ発電部２１に供給する燃料ガスｆ₁で行うが、又は実施の第５形態で示したように蒸気タービン蒸気系統に供給する蒸気を発生させるときの水の加熱によって行うようにしても良い。
これにより、図５に示す実施の第５形態の複合発電プラントと同様の作用、効果が得られることに加え、燃料ガスｆ₁を第１段熱交換９２Ａの冷却媒体として使用した場合は、燃料ガスｆ₁を第１段発電部２１に供給するために、燃料ガスｆ₁を供給温度にする第１段燃料ガス加熱部６１ｆの入口温度が高くなり、第１段燃料加熱部６１ｆを小型化でき、若しくは省略することができるようになる。
【０１０３】
また、第２段ＦＣ発電部２２および第３段ＦＣ発電部２３への燃料ガスｆ₂，ｆ₃を第２段熱交換器９２Ｂの冷却媒体として使用するようにしたことにより、第１段熱交換器９２Ａを省略することが可能になり、これによって燃料ガスｆ₁，ｆ₂，ｆ₃の全てはリサイクルガスｇ_r系で予熱されることになりｉｎ−ｌｉｎｅ混合で生じる冷却を防止できる。
【０１０４】
また、燃焼器４２０にはガスタービン４４０入口温度を最適温度にするために燃料ガスｆ_cを供給するようにしているが、リサイクルガスｇ_rの抽気量を０とするときは燃焼器４２０に供給される第３段ＦＣ発電部２３の排ガスｇ₃の殆んどが排ガスｇ₄として供給され、条件によってはｆｃ＝０とすることも可能になり、複合発電プラント１５の発電効率をより高めることができる。
【０１０５】
次に、図７は本発明の複合発電プラントの実施の第７形態を示すブロック図である。
図に示すように、本実施の形態の複合発電プラント１６では、第１段ＦＣ発電部２１へ供給する燃料ガスｆ₁は、後段ＦＣ発電部２２，２３で使用される燃料ガスｆ₂，ｆ₃を含めて供給する。
すなわち、図４に示す実施の第４形態で各段のＦＣ発電部２０に供給される燃料ガスｆの１０％以上、本実施の形態の如く３段からなるＦＣ発電部２０を有するものでは、３００％が最大値となる燃料ガスｆ₁を第１段発電部２１に投入し、前段ＦＣ発電部における残余の燃料ガスｆ₁で、次段発電部２０の発電を行うようにした。
【０１０６】
これにより、実施の第４形態で必要としていた２段目以降のＦＣ発電部２２，２３へ供給する燃料ガスｆ₂，ｆ₃を加熱する燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆの設置が不要になると共に、実施の第６形態における前段ＦＣ発電部２０から排出される排ガスｇ₁，ｇ₂中に燃料ガスｆ₂，ｆ₃が混入されないので、混入に伴う、次段ＦＣ発電部２２，２３へ供給される排ガスｇの減温が防止され、より高温の排ガスの供給により、第２段，第３段ＦＣ発電部２２，２３の発電効率が向上し、複合発電プラント効率を向上させることができる。
【０１０７】
なお、後段のＦＣ発電部２２，２３で燃料ガスｆが不足するときは、実施の第４形態、第６形態における技術適宜使用して燃料ガスｆをｉｎｌｉｎｅ混合投入するようにすれば良い。
【０１０８】
次に、図８は本発明の複合発電プラントの実施の第８形態を示すブロック図である。
図に示すように、本実施の形態の複合発電プラント１７では、第１段ＦＣ発電部に供給する燃料ガスｆ₁は、実施の第５形態と同様に第３ＦＣ発電部２３から排出される排ガスｇ₃を抽気したリサイクルガスｇ_rを冷却する第１段熱交換９２Ａおよび第１段燃焼ガス加熱部６１ｆで加熱するとともに、第２段ＦＣ発電部２２，第３段ＦＣ発電部２３に供給する燃料ガスｆ₂，ｆ₃は、空気極排ガスラインに設けるようにした第１段燃料ガス加熱部６１ｆおよび第２段燃料ガス加熱６２ｆで加熱して、前段ＦＣ発電部２０から排出される燃料極排ガスｇ₁，ｇ₂中に供給するようにした。
【０１０９】
このように、第２段，第３段ＦＣ発電部２２，２３に供給する燃料ガスｆ₂，ｆ₃は、空気極排ガスａ₁，ａ₂で加熱することを特徴としているが、第２段熱交換部９２Ｂの冷却媒体としても使用して加熱するようにしても良い。
さらに、燃料ガスｆ₁を加熱してリサイクルガスｇ_rを冷却するようにした第１段熱交換器９２Ａは、蒸気タービンに供給される蒸気を発生させる復水ｗを流して冷却することもできる。
【０１１０】
このように、次段ＦＣ発電部２０に燃料ガスｆを個々を混合するようにした場合、燃料極排ガスｇが所定温度以下に減温してしまうときは、熱バランスを取る（加熱する）必要がある不利な点があるが、本実施の形態では燃料ｆ₂，ｆ₃の熱源を空気極排ガスａ₁，ａ₂としているので、次段ＦＣ発電部２０へ供給される燃料極排ガスｇは所定温度に制御しやすく、上述の不利な点は解消することができる。
また、燃料ガスｆ₁を第１段熱交換器９２Ａで加熱するようにしたことにより、図６に示す実施の第６形態と同様に、燃焼ガスｆ₁を第１段発電部２１供給するために供給温度とする第１段燃料ガス加熱部６１ｆの入口温度の入口温度が高くなり、第１段燃料加熱部６１ｆを小型化でき、若しくは省略することができる。
【０１１１】
また、燃料ガスｆ₂，ｆ₃を第２段熱交換器９２Ｂの冷却媒体として使用するようにすれば、燃料極排ガスｇへの燃料ガスｆ₂，ｆ₃の混合で生じる冷却を防止できる温度にまで高めることができる。
【０１１２】
次に、図９は本発明の複合発電プラントの実施の第９形態を示すブロック図である。
図に示すように本実施の形態の複合発電プラント１８は、冷却投入方式である冷却ＦＣ発電部２１Ａ，２１Ｂ………を直列に２段以上配置するとともに、冷却ＦＣ発電部２１Ａ，２１Ｂ……からの燃料極排ガスｇおよび空気極排ガスａを分離した状態で、次段冷却ＦＣ発電部２２Ｂ，……に供給するとともに、最終段冷却ＦＣ発電部２０ｎから排出される排ガスａ_n、ｇ_nも分離した状態で燃焼器４２０へ供給するようにした。
【０１１３】
さらに、冷却第１段ＦＣ発電部２２ａから排出される空気極排ガスａ₁で圧縮機４６０から吐出された空気を加熱する、第１段空気加熱部６１ａおよび燃料供給部８０から供給される燃料ガスｆ₁を加熱する第１段燃料ガス加熱部６１ｆを設けると共に、冷却第２段ＦＣ発電部２２Ａ以降の冷却ＦＣ発電部から排出される空気極排ガスａ₁，ａ₃……で次段の冷却ＦＣ発電部に供給される燃料ガスｆ₂，ｆ₃……を加熱する燃料ガス加熱部６０を設けるようにした。
【０１１４】
すなわち、ＦＣ冷却投入方式を用いることで、冷却ＦＣ発電部２１Ａ，２１Ｂ……２Ｎに投入する空気ａおよび燃料ガス９ｆの温度は、６００〜７００℃の低温とすることができ、さらに冷却ＦＣ発電部２１Ａ，２１Ｂ……から排出される空気極排ガスａ₁，ａ₂……で空気ａおよび燃料ガス９ｆの流体加熱を行うようにした。
なお、燃料ガスｆを空気極排ガスａ₁，ａ₂……で加熱するようにしたのは、空気極排ガスａ₁，ａ₂……ａ_nが燃料極排ガスｇ₁……ｇ_nに比較して多量に冷却ＦＣ発電部から排出されるためである。
【０１１５】
これにより、空気ａ，燃料ガスｆを冷却ＦＣ発電部に供給できる温度にする仕上り温度が低くて良いので、複合発電プラント１８での熱利用が高くとれ、例えば蒸気タービンの出力向上により、より高いη_ccのシステムとすることができる。
なお、燃料ガスｆ₁を改質燃料ガスにする改質用蒸気の投入は、図３に示す実施の第３形態における空気極排ガスａ₁，ａ₂……ａ_nで加熱での水蒸気生成したもの、図１に示す実施の第１形態におけるガスタービン排気での水蒸気生成したもの、あるいは図５〜図８に示す実施の第５形態〜第８形態における、最終段のＦＣ発電部の燃料から排出される燃料極排ガスから分岐されたリサイクルガスｇ_rでの水蒸気生成したもののいずれも利用可能である。
【０１１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の複合発電プラントは、
ＦＣ発電部、ＧＴ発電部、蒸気タービンからなる複合発電プラントにおいて、ＦＣ発電部が直列に複数配置され、前段ＦＣ発電部から排出される排ガスを後段ＦＣ発電部に供給して発電するようにした。
【０１１７】
これにより、各段のＦＣ発電部に供給される空気のすべては１台の圧縮機で供給されるのでＦＣ１基当りの圧縮動力は小さいものにでき、ＦＣ発電部出力当たりの圧縮動力の目減りを少なくできる。
また、次段のＦＣ発電部に供給する空気／燃料ガスの高温供給、特に供給流量の大きい空気の高温供給が容易になり、高温にてＦＣ排気を次段のＧＴ−ＨＲＳＧ−ＳＴ系へ送給できるため（ＧＴ＋ＳＴ）のＣＣ側の発電効率を向上させることができる。
さらに、最終段ＦＣ発電部から燃焼器に供給される排ガス温度を高くでき、ガスタービン入口温度（所定温度）にする燃焼器追い焚き燃料量を低減できる。
これらによりＣＣ部分（ＧＴ＋ＳＴ）のプラント効率を従来の複合発電プラントに比較して、５〜１０％以上向上させることができる。
【０１１８】
また、本発明の複合発電プラントは、ガスタービンとＧＴ排熱回収部との間に介装され、第１段ＦＣ発電部に供給される空気及び燃料ガスをガスタービンから排出される排ガスで予熱し、予熱後の排ガスを蒸気タービンを駆動する蒸気を発生させる蒸気発生部に排出する予熱再生部をＧＴ排熱回収部に設けた。
【０１１９】
これにより、ＦＣ発電部が直列に複数配置された第１番目のＦＣ発電部にのみ、特に、多量供給される空気の加熱が予熱再生部でなされ、上段ＦＣ発電部からの排ガスで空気の加熱を行う反応ガス加熱部の容量を小さくすることができ、最終段ＦＣ発電部から燃焼器に供給される排気ガス温度を高く保持して追い焚きのために供給される燃料ガスの量はさらに低減でき、プラント効率をさらに向上させることができる。
【０１２０】
また、本発明の複合発電プラントは、空気供給部及び燃料供給部から第１段ＦＣ発電部に供給される空気、及び第１段ＦＣ発電部若しくは各段のＦＣ発電部に供給される燃料ガスを、所要の温度にする反応ガス加熱部を設け予熱を行うことのできる３段以上の段数にしたＦＣ発電部を設け、予熱再生部を省略した。
【０１２１】
これにより、最終段のＦＣ発電部から燃焼器に供給される排気ガス温度を高くすることができ、追い焚きのために供給される燃料ガスの量を低減でき、ガスタービンからＧＴ排熱回収部に排出される排ガスにより発生できる蒸気量を多くでき、蒸気で駆動され電力を出力する蒸気タービンの発電量を多くして、複合発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。
【０１２２】
また、本発明の複合発電プラントは、ＦＣ発電部のうちの少なくとも第１段ＦＣ発電部が、従来のＦＣ発電部より低温の空気及び燃料ガスで作動できる冷却ＦＣ発電部にした。
【０１２３】
これにより、冷却ＦＣ発電部に供給する反応ガスは、９５０℃から６００〜７００℃に逓減でき、反応ガス加熱部は圧縮機から供給される空気を加熱する第１段空気加熱部及び第２段以降のＦＣ発電部に供給される燃料ガスを加熱する燃料ガス加熱部の設置のみでよく、最終段ＦＣ発電部から燃焼器に供給される排気ガス温度を高くでき、燃焼器の追い焚きのために供給される燃料ガスの量を低減でき、更には改質蒸気を前段ＦＣ発電部からの排ガスで発生でき、ＧＴ排熱回収部で発生できる蒸気量を多くでき、蒸気で駆動され電力を出力する蒸気タービンの発電量を多くでき、複合発電プラントの発電効率はさらに向上する。
【０１２４】
また、本発明の複合発電プラントは、ＦＣ発電部若しくは冷却ＦＣ発電部からなる発電部が直列に複数配置され、前段発電部から後段発電部に排出される燃料極排ガスと空気極排ガスとが、別々に後段発電部の燃料極及び空気極に各々供給され発電するようにした。
【０１２５】
これにより、前段発電部から後段発電部の空気極に排出される空気極排ガス、および前段発電部から後段発電部の燃料極に排出される燃料極排ガスを高温に保持し、燃料極排ガスとともに排出される未反応の燃料ガスは後段発電部の燃料ガスに使用することも加味されるので、後段発電部に供給すべき燃料ガス量を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合発電プラントの実施の第１形態を示すブロック図、
【図２】本発明の複合発電プラントの実施の第２形態を示すブロック図、
【図３】本発明の複合発電プラントの実施の第３形態を示すブロック図、
【図４】本発明の複合発電プラントの実施の第４形態を示すブロック図、
【図５】本発明の複合発電プラントの実施の第５形態を示すブロック図、
【図６】本発明の複合発電プラントの実施の第６形態を示すブロック図、
【図７】本発明の複合発電プラントの実施の第７形態を示すブロック図、
【図８】本発明の複合発電プラントの実施の第８形態を示すブロック図、
【図９】本発明の複合発電プラントの実施の第９形態を示すブロック図、
【図１０】従来の複合発電プラントの１例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８
複合発電プラント
２０ＦＣ発電部
２１第１段ＦＣ発電部
２１Ａ冷却第１段ＦＣ発電部
２２第２段ＦＣ発電部
２２Ａ冷却第２段ＦＣ発電部
２３第３段ＦＣ発電部
２４反応ガス熱交換部
３０，３０Ａ燃焼部
３１第１段燃焼部
３２第２段燃焼部
３３第３段燃焼部
４０ＧＴ発電部
５０予熱再生部
６０反応ガス加熱部
６１，６１ａ，６１ｂ第１段反応ガス加熱部
６２，６２ａ，６２ｂ第２段反応ガス加熱部
６３第３段反応ガス加熱部
７０ＧＴ排熱回収部
７１，７１ｆ₁，７１ｆ₂，７１ｆ₃ 改質用蒸気発生器
７２蒸気発生器
８０燃料ガス供給部
９０リサイクル循環部
９１リサイクル循環ファン
９２熱交換部
９２Ａ第１段熱交換器
９２Ｂ第２段熱交換器
ａ空気
ｆ燃料ガス
ｇ排ガス
ｓ蒸気
ａ₁，ａ₂，ａ₃ 空気極排ガス
ｇ₁，ｇ₂，ｇ₃ 燃料極排ガス
１００ＦＣ発電部
２００燃焼部
３００反応ガス加熱部
３２０燃料ガス加熱部
３４０空気加熱部
４００ＧＴ発電部
４２０燃焼器
４４０ガスタービン
４６０空気圧縮機
４８０発電機
５００ＧＴ排熱回収部
５２０空気予熱再生器
５４０燃料ガス予熱再生器
５６０蒸気発生器
５８０煙突
６００燃料ガス供給部
７００空気供給部
１０００複合発電プラント[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a combined power plant that generates power by combining a fuel cell, a gas turbine, and a steam turbine.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell (FC) generates electric energy (approximately 60% in actual operation) from the supplied fuel gas and air with a high power generation efficiency that theoretically reaches 80% of the thermal energy held by the fuel gas. It is also possible to generate thermal energy that can be recovered from the battery body and exhaust gas.
Therefore, if these thermal energies are recovered by a bottoming cycle such as a gas turbine (GT) topping cycle or a steam turbine (ST) and used for power generation, the heat discharged from the system (= system loss) can be reduced. As a result, high power generation efficiency can be obtained.
For this reason, a combined power plant combining an FC power generation unit provided with a fuel cell, a gas turbine, and a steam turbine is expected to have a high energy saving effect.
[0003]
In addition, as fuel cells used in the FC power generation section of such a combined power plant, there are solid oxide type (SOFC), molten carbonate type (MCFC), phosphoric acid type (PAFC), etc. The exhaust gas having a predetermined operating temperature can be supplied as the operating gas for the gas turbine.
Furthermore, since the fuel cell causes an electrochemical reaction in the reaction gas, that is, the fuel cell, and the higher the supply pressure of the fuel gas and air that generates electric power, the higher the power generation efficiency, the higher the power generation efficiency. There is a direction in which a pressurized FC power generation unit that operates by pressurizing is used.
[0004]
In particular, the oxygen required for the reaction of the air electrode provided in the FC power generation unit is supplied by taking in air from the atmosphere, so it is necessary to increase the oxygen partial pressure. It is possible to increase the pressure by supplying to the air electrode of the FC power generation unit.
As a driving power source for the air compressor, a gas turbine is provided that burns fuel in the exhaust gas from the FC power generation unit and drives the high-temperature exhaust gas as a working fluid, and the air compressor is installed in the gas turbine. A method of driving by coaxial connection or a method of driving a generator by this gas turbine to generate electric power and driving an air compressor by an electric motor driven by this electric power can be considered.
[0005]
FIG. 10 shows an internal reforming SOFC that uses natural gas (hereinafter referred to as fuel gas) as fuel and air, and the heat of the high-temperature exhaust gas discharged from the FC power generation unit provided with this SOFC in the GT power generation unit. It is a schematic block diagram which shows an example of the combined power plant which utilized and was made to collect | recover the heat | fever of the waste gas discharged | emitted from GT power generation part by GT waste heat recovery part.
[0006]
As shown in the figure, the combined power plant 1000 mainly includes a fuel gas supply unit 600, an air supply unit 700, an FC power generation unit 100, a GT power generation unit 400, and a GT exhaust heat recovery unit 500. ing.
Among these, the FC power generation unit 100 introduces the fuel gas 300 having a predetermined temperature and the air 300 having the same temperature and the air ratio 5 to 7 into the fuel electrode and the air electrode, each of which is composed of a fixed electrolyte. The GT power generation unit 400 compresses the air taken from the atmosphere and supplies it to the FC power generation unit 100 and generates power, and the GT exhaust heat recovery unit 500 generates the GT power generation unit. The exhaust gas discharged from 400 generates fuel gas to be supplied to the FC power generation unit 100, preheating of the air, and reformed steam for reforming the fuel gas, and driving steam for generating power with a steam turbine not shown. I try to let them.
[0007]
In addition, a combustion unit 200 and a reaction gas heating unit 300 are provided between the FC power generation unit 100 and the GT power generation unit 400. In the combustion unit 200, a fuel gas supplied to the FC power generation unit 100 and unburned. Combustion gas G at a higher temperature (for example, 1200 ° C. or higher) as a result of combustion of air and air as exhaust gas G100 due to the reaction of FC power generation unit 100₂₀₀And the fuel gas F supplied to the FC power generation unit 100 in the reaction gas heating unit 300₅₄₀And air A₅₂₀Is heated to the above-mentioned predetermined temperature.
[0008]
That is, as shown in the figure, the reaction gas heating unit 300 is configured to generate a fuel gas F heated to an intermediate temperature by a fuel preheating regenerator 520 described later.₅₂₀, Combustion gas G₂₀₀The fuel gas heater 320 that heats to the final temperature that is the inlet temperature of the FC power generation unit 100 using the heat of the air, and the air A that is heated to an intermediate temperature by the air preheat regenerator 540 similarly₅₂₀Combustion gas G₂₀₀It is comprised from the air heater 340 which heats to 950 degreeC using the heat of this.
[0009]
On the other hand, the GT power generation unit 400 includes a combustor 420, a gas turbine (GT) 440, an air compressor 460, and a generator 480.
The combustor 420 is connected to the fuel gas supply unit 600 and the reaction gas heating unit 300.₅₄₀And air A₅₂₀The combustion gas G cooled (for example, about 880 ° C.) by heating the₃₀₀A part of fuel gas F₄₀₀Are mixed and recombusted to obtain a high-temperature combustion gas G having a predetermined turbine inlet temperature.₄₂₀Thus, the gas turbine 440 is supplied.
[0010]
The gas turbine 440 uses the combustion gas G₄₂₀Is driven as a working fluid to recover the power, and the compressor 460 connected coaxially is driven.
The compressor 460 receives air A from the air supply unit 700.₇₀₀Is compressed and supplied to the FC power generation unit 100, and the air compressor 460 is also coaxially connected to the generator 480, and operates the generator 480 by driving the gas turbine 440 to generate electric power.
[0011]
The GT exhaust heat recovery system 500 includes a preheating regeneration unit 510 including the air preheating regenerator 520 and the fuel gas preheating regenerator 540, a steam generator 560, and a chimney 580.
Exhaust gas G discharged from the gas turbine 440 of the GT power generation unit 400₄₄₀Is sent to the air preheat regenerator 520 provided in the preheat regenerator 510 of the GT exhaust heat recovery unit 500, and the air preheat regenerator 520₄₄₀Air of about 400 ° C. discharged from the air compressor 460 using the heat of₄₆₀Is preheated to an intermediate temperature and supplied to the air heating unit 340.
[0012]
Further, the fuel gas preheat regenerator 540 is provided together with the air preheat regenerator 520 in the preheat regenerator 510, and the exhaust gas G₄₄₀About 15 ° C. fuel gas F supplied from the fuel gas supply unit 600 using the heat of₅₀₀Is preheated to an intermediate temperature and supplied to the fuel gas heating section 320. Exhaust gas G discharged from the fuel gas preheating regenerator 540₅₄₀Is sent to a steam generator 560 where steam is generated, and the generated steam is used as fuel gas F for internal reforming.₅₀₀And is supplied to an external steam turbine (not shown) to generate power.
Further, the exhaust gas G generated by the steam generator 560₅₆₀(For example, about 100 ° C.) is emitted from the chimney 580 to the atmosphere.
[0013]
Next, the operation of the above-described conventional combined power plant when the operating temperature of the SOFC is controlled to an optimum value for the electrochemical reaction will be described.
[0014]
First, a fuel gas F made of natural gas at about 15 ° C. supplied from the fuel gas supply unit 600.₆₀₀Is bifurcated and one fuel gas F₄₀₀Is introduced into the combustor 420 and exhaust gas G₃₀₀Is heated to the operating temperature of the gas turbine 440 and the other fuel gas F is heated.₅₀₀Is introduced into the fuel gas preheat regenerator 540 and preheated to an intermediate temperature.
Fuel gas F that has passed through the fuel gas preheat regenerator 540₅₄₀Is the steam (internal reforming steam) S supplied from the steam generator 560₅₆₀And a mixture having a predetermined steam / fuel gas ratio is introduced into the fuel gas heater 320 and heated to the optimum supply temperature to be introduced into the FC power generation unit 100, to the fuel electrode side of the FC power generation unit 100 be introduced.
[0015]
On the other hand, air A taken in from the air supply unit 700₇₀₀Is introduced into the air compressor 460 and compressed, and the temperature is raised to about 400 ° C. during the compression process.
Air A discharged from the air compressor 460₄₆₀Is introduced into the air preheat regenerator 520 and preheated to an intermediate temperature.
Further, the compressed air A preheated by the air preheat regenerator 520₅₂₀Is introduced into the air heater 340, similarly heated to the optimum operating temperature of the FC power generation unit 100, and introduced to the air electrode side of the FC power generation unit 100.
[0016]
In the FC power generation unit 100, a mixed gas F of fuel gas and steam introduced to the fuel electrode side₃₀₀Reacts on the catalyst of the fuel electrode to produce hydrogen H₂And carbon monoxide CO.
This hydrogen H₂, Carbon monoxide CO and compressed air A on the air electrode side₄₀₀Oxygen O₂Causes an electrochemical reaction through a solid oxide electrolyte disposed so as to partition the inside of the FC power generation unit 100 to generate water and carbon dioxide.
Here, in the FC power generation unit 100, the amount of reaction heat (enthalpy change; ΔH) obtained by subtracting the amount based on the internal resistance of the battery from the amount corresponding to the free energy change (ΔG) is converted into electric energy (DC power). Thus, a part based on the internal resistance of the battery and a part (−T · ΔS) based on the entropy change are mainly generated as heat.
At this time, since the generation of water or carbon dioxide is an exothermic reaction, the temperature of the FC power generation unit 100 increases as the battery reaction proceeds.
[0017]
The fuel electrode exhaust gas and air electrode exhaust gas that have passed through the FC power generation unit 100 are mixed, and the exhaust gas G at about 1050 ° C.₁₀₀Is introduced into the combustion section 200.
In this combustion part 200, the exhaust gas G₁₀₀An unreacted fuel gas component remaining in the atmosphere and oxygen in the air cause a combustion reaction, and a higher temperature combustion gas G₂₀₀It becomes.
High-temperature combustion gas G that has passed through the combustion section 200₂₀₀Are branched into two at the reaction gas heating unit 300 and are preheated by the fuel gas preheating regenerator 540, respectively.₅₄₀And reformed steam₅₆₀Mixed gas F₅₄₀And air A preheated by the air preheat regenerator 520₅₂₀Are heated to the optimum operating temperature of the SOFC by heat exchange.
[0018]
Exhaust gas G that has passed through the reaction gas heating unit 300₃₀₀Is introduced into the combustor 420 in the GT power generation unit 400.
This exhaust gas G₃₀₀There is unburned oxygen in the fuel gas F supplied from the fuel gas supply unit 600 to the combustor 420.₄₀₀It is burned again by mixing with the hot exhaust gas G₄₂₀Is supplied to the GT power generation unit 400.
High temperature exhaust gas G discharged from the combustor 420₄₂₀Is introduced into the gas turbine 440 of the GT power generation unit 400 and drives the gas turbine 440.
As a result, the gas turbine 440 serves as a driving power source, and the air compressor 460 and the generator 480 connected coaxially with the gas turbine 440 operate, respectively, and the air A finally supplied to the FC power generation unit 100₄₆₀And generate power.
[0019]
Exhaust gas G discharged from the gas turbine 440₄₄₀Are introduced into the air preheat regenerator 520 and the fuel gas preheat regenerator 540, and as described above, the air A₄₆₀And reformed steam₅₆₀Gas F mixed with₅₀₀Is preheated by heat exchange.
Exhaust gas G discharged from these preheaters 520 and 540₅₄₀Is introduced into the steam generator 560 and converts water supplied into the steam generator 560 into steam.
In addition, a part of the steam generated by the steam generator 560 is part of the reformed steam s as previously described.₅₆₀The remaining steam is supplied to a steam turbine or the like (not shown), drives the steam turbine, drives a generator directly connected to the steam turbine, and generates electric power.
Further, the exhaust gas G, which is discharged from the steam generator 560 and lowered to about 100 ° C.₅₆₀Are emitted from the chimney 580 into the atmosphere.
[0020]
As in the above-described combined power plant 1000, in a combined power plant that uses a fuel cell such as SOFC and MCFC that operate at a relatively high temperature, as well as PAFC, etc. Therefore, due to the temperature of the FC power generation unit 100 rising during operation, deterioration or corrosion of the battery constituent material proceeds, the life of the fuel cell becomes extremely short, and the electrical resistance increases. The nonconformity that power generation output becomes low comes out.
On the other hand, if the FC power generation unit 100 is cooled too much, the reaction rate of the electrode reaction of the fuel cell is lowered and the ionic conductivity of the electrolyte is also lowered, so that a desired output cannot be obtained. Accordingly, it is extremely important to maintain the FC power generation unit 100 in operation at a desired operating temperature.
[0021]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional combined power plant 1000, in order to cool the FC power generation unit 100 and maintain it at a desired operating temperature, air that has been heated up to an optimal operating temperature (about 950 ° C.) is more than required for the cell reaction. The FC power generation unit is cooled by supplying too much.
However, if a large amount of air is pressurized and supplied, a very large amount of driving power is required for the compressor 460 of the GT power generation unit 400 that is an air supply source.
For example, in the case of the combined power plant 1000, the pressurized air for cooling to be supplied to the FC power generation unit 100 reaches about 5 to 7 times the theoretical equivalent ratio required for the battery reaction.
For this reason, there existed a problem that the scale of the air compressor 460 will become large and FC electric power generation amount with respect to air consumption will fall.
[0022]
Further, in the combined power plant 1000 shown in FIG. 10, the reaction gas heating unit 300, particularly the air heater 340, raises a large amount of air to the optimum operating temperature of the FC power generation unit 100 as described above. As a result, the exhaust heat amount of the FC power generation unit 100 consumed at the time increases, the inlet temperature of the GT power generation unit 400 decreases, and the output of the GT power generation unit 400 decreases.
Further, in order to increase the output of the GT power generation unit 400, the fuel gas F is supplied to the combustor 420.₄₀₀Supply extra fuel gas F₄₀₀However, the power generation efficiency of the entire plant is reduced along with the consumption of excess air other than the reaction of the fuel cell.
[0023]
The present invention has been made in view of the above problems, and can maintain a fuel cell at a desired operating temperature, achieve high power generation efficiency, and efficiently recover heat generated by the FC power generation unit 100. It is an object to provide a combined power plant with high plant efficiency.
[0024]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, the first combined power plant of the present invention is the following means.
[0025]
(1) An FC power generation unit that generates electricity by electrochemically reacting air and fuel gas via an electrolyte, and an air electrode exhaust gas and a fuel electrode exhaust gas discharged from the FC power generation unit are combusted to generate a high temperature driving gas. A GT power generation unit including a combustor that compresses the compressed air to supply the supplied air to the air electrode of the FC power generation unit, and a gas turbine that operates a generator that outputs electric power with a driving gas; In a combined power plant that is driven by steam generated from exhaust gas discharged from a turbine to a GT exhaust heat recovery unit and that outputs steam, a plurality of FC power generation units are arranged in series. The exhaust gas discharged is supplied to the downstream FC power generation unit to generate power.In addition, the combined power plant preferably includes a fuel gas heating unit that raises the temperature of the exhaust gas discharged from the front stage FC power generation unit using heat generated by the combustion unit and supplies combustion gas to the rear stage FC power generation unit. . Further, the combined power plant includes a front-stage fuel gas heating section that raises the temperature with the exhaust gas discharged from the front-stage FC power generation section, and a rear-stage fuel gas heating section that raises the temperature with the exhaust gas discharged from the rear-stage FC power generation section. The specifications are preferably different. Moreover, it is preferable that a combined power plant has an air heating part which heats the air supplied to a front | former stage FC electric power generation part with the waste gas heated by the said combustion part.
[0026]
(A) Thereby, since all of the air supplied to the FC power generation units of each stage is supplied by one compressor, the compression power per FC power generation unit is divided by the number of the FC power generation units. It can be made small, the compression power per FC power generation unit output can be reduced, and the plant efficiency can be improved.
Also, since the exhaust gas from the preceding FC power generation unit is supplied to the next FC generation unit and power is generated using this exhaust gas, high-temperature supply of air / fuel gas supplied to the next FC generation unit, particularly fuel High-temperature supply of air having a large supply flow rate compared to gas supply is facilitated, and the power generation efficiency of the FC power generation unit can be improved. From this point, the plant efficiency can also be improved.
[0027]
Further, a plurality of FC power generation units are arranged in series, and the exhaust gas heated by the preceding FC power generation unit is supplied to the rear stage FC power generation unit. Therefore, the exhaust gas temperature supplied from the final stage FC power generation unit to the combustor is / Even if a reaction gas heating section for heating the fuel gas is provided, it can be increased, and the amount of fuel gas supplied to the reheating of the combustor to bring the gas turbine into an efficient operating state is reduced. This can also improve plant efficiency.
[0028]
The second combined power plant of the present invention is the following means in addition to the means (1).
[0029]
(2) Air and fuel gas that are interposed between the gas turbine and the GT exhaust heat recovery unit and supplied to the first stage FC power generation unit are preheated with the exhaust gas discharged from the gas turbine, and the preheated exhaust gas The GT exhaust heat recovery section is provided with a preheating regeneration section that discharges to a steam generation section that generates steam for driving the steam turbine.
[0030]
(B) Thereby, in addition to the above-mentioned (a), a plurality of FC power generation units are arranged in series, and only the first FC power generation unit is heated by the preheating regeneration unit, in particular, heating of air supplied in a larger amount than fuel gas. Therefore, the reaction gas heating unit that heats the air with the exhaust gas from the upper FC power generation unit, in particular, the capacity of the air heating unit can be reduced, and the exhaust gas supplied from the final FC power generation unit to the combustion unit The gas temperature can be increased, the amount of combustion gas supplied for reheating the combustor can be further reduced, and the plant efficiency can be further improved.
[0031]
The third combined power plant of the present invention is the following means in addition to the above-mentioned means (1).
[0032]
(3) Heating the air supplied from the air supply unit and the fuel supply unit to the first stage FC power generation unit and the fuel gas supplied to the first stage FC power generation unit or the FC power generation unit of each stage to a required temperature A reaction gas heating unit that can be preheated is provided, specifically, an FC power generation unit having three or more stages is provided, and the preheating regeneration unit can be omitted.
[0033]
(C) Thereby, in addition to the above (a), the exhaust gas temperature supplied to the combustor from the FC power generation unit at the final stage can be increased, and the fuel gas supplied for the combustion of the combustor can be increased. The amount of steam that can be generated by the exhaust gas discharged from the gas turbine to the GT exhaust heat recovery unit can be increased and the amount of steam generated by the steam generator can be driven to output electric power. The power generation amount of the steam turbine can be increased, and the power generation efficiency of the combined power plant can be further improved.
[0034]
The fourth combined power plant of the present invention is the following means in addition to the above-mentioned means (1).
[0035]
(4) At least the first stage FC power generation unit of the FC power generation unit is a cooling type FC generation unit that can be operated with air and fuel gas at a lower temperature than the conventional FC power generation unit.
[0036]
(D) Thereby, in addition to the above (a), the temperature of the air and the combustion gas supplied to the first-stage cooling FC power generation unit can be changed from the conventional 950 ° C. to 600 to 700 ° C., and the reaction gas heating The section only needs to be installed in the first stage air heating section for heating the air supplied from the compressor and the fuel gas heating section for heating the fuel gas supplied to the FC power generation section in the second and subsequent stages. The temperature of the exhaust gas supplied to the combustor from the FC power generation unit can be increased, the amount of fuel gas supplied for reheating the combustor can be reduced, and the fuel gas can be improved. Reformed steam can be generated with the exhaust gas from the previous FC power generation unit, the amount of steam that can be generated with the exhaust gas discharged to the GT exhaust heat recovery unit can be increased, and generated with the steam generator Driven by steam and power Will be able to increase the power generation amount of the steam turbine power, it is possible to further improve the power generation efficiency of the combined cycle power plant.
[0037]
The fifth combined power plant of the present invention is the following means in addition to the above-mentioned means (1).
[0038]
(5) A plurality of power generation units including FC power generation units or cooling FC power generation units are arranged in series, and the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust gas discharged from the front power generation unit to the rear power generation unit are separately separated from the rear power generation unit. The combined power plant according to any one of claims 1 to 4, wherein the combined power plant is supplied to each of the fuel electrode and the air electrode to generate electric power.
In addition, the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust gas that are separately supplied to the fuel electrode and the air electrode of the subsequent power generation unit and generate electric power and discharged from the final power generation unit are provided on the downstream side of the final power generation unit. After combustion in the combustion section, it may be supplied to the combustor, or in order to control the combustor outlet temperature, the fuel gas supplied from the fuel gas supply section to the combustor is separately supplied to the combustor. You may make it supply.
[0039]
(E) Thereby, the air electrode exhaust gas discharged from the front power generation unit to the air electrode of the rear power generation unit becomes a high temperature, and in addition to the same operations and effects as the above-described (a) to (d), The fuel gas supplied to the power generation unit at each stage is mixed with the high-temperature fuel electrode exhaust gas discharged to the fuel electrode of the power generation unit and heated, so that the fuel gas heating unit can be reduced in size and the fuel electrode Since the unreacted fuel gas discharged together with the exhaust gas is used as the fuel gas for the rear power generation unit, the fuel gas supplied to the rear power generation unit can be reduced, and further supplied to the fuel electrode of the rear power generation unit Since the fuel electrode exhaust gas contains steam generated during power generation, this steam can be used as reformed steam for the fuel gas supplied to the subsequent power generation section. To reform the supplied fuel gas The amount of modified steam, can be reduced or 0, it is possible to further improve the power generation efficiency of the combined cycle power plant.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a combined power plant of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the following description, the same or similar members as those shown in FIG.
[0041]
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a combined power plant according to the present invention.
[0042]
As shown in the figure, the combined power plant 10 of the present embodiment mainly comprises a two-stage FC power generation unit in which a first-stage FC power generation unit 21 and a second-stage FC power generation unit 22 are connected in series. Introduced fuel gas f and air a_61aFC power generation unit 20 that generates electric power by an electrochemical reaction with oxygen therein, unreacted fuel gas f discharged from each FC power generation unit 20, air a_61aExhaust gas containing₂₀The combustion part 30 comprising the first stage combustion part 31 and the second stage combustion part 32 that are recombusted to further increase the temperature, and the exhaust gas g that is discharged at a high temperature in the combustion part 30₃₁, G₃₂The fuel gas f supplied to each FC power generation unit 20 and the air a supplied to the first stage FC power generation unit 21_61aThe reaction gas heating unit 60 including the first-stage reaction gas heating unit 61 and the second-stage reaction gas heating unit 62 for heating the exhaust gas g discharged from the second-stage reaction gas heating unit 62₆₂Added fuel gas f_cExhaust gas heated and heated by burning₄₂₀The GT power generation unit 40 that generates power while being driven by the compressor and compresses the introduced air a and supplies the compressed air a to the first-stage FC power generation unit 21, and the fuel that supplies the fuel gas f to each FC power generation unit 20 and the GT power generation unit 40 Air a is supplied to the gas supply unit 80 and the GT power generation unit 40._61aExhaust gas g from air supply unit 700 and GT power generation unit 40₄₀The fuel gas f and air a supplied from the fuel gas supply unit 80 and the air supply unit 700 in FIG.₄₆₀Is provided with a preheating regeneration unit 50 for preheating the exhaust gas g from the preheating regeneration unit 50.₅₀Steam for fuel reforming₁, S₂Etc., and steam S for driving the steam turbine_TAnd a GT exhaust heat recovery unit 70 that generates the.
[0043]
The FC power generation unit 20 is provided with a first-stage FC power generation unit 21 similar to the FC power generation unit 100 shown in FIG. 10 at the foremost stage, and is connected in series to the downstream side of the FC power generation unit 21. Exhaust gas discharged from the stage FC power generation unit 21_{twenty one}The second-stage FC power generation unit 22 is introduced.
In the present embodiment, the FC power generation unit 20 has two stages. However, depending on the amount of air supplied to the first stage FC power generation unit 21, the nth stage FC power generation unit (however, n>3), the n-th stage FC power generation unit 20n can be provided in which the oxygen concentration in the exhaust gas discharged from the last-stage reaction gas heating unit 62n is close to 0%.
[0044]
However, in the following description of the present embodiment, in order to simplify the description, in the case where the n-th stage FC power generation unit 2n is further arranged downstream of the second-stage FC power generation unit 22, the second stage The FC power generation units 20 and n arranged on the downstream side of the FC power generation unit are represented by the second-stage FC power generation unit 27, and the second is accompanied by providing three or more stages of FC power generation units 20 to be described later. The combustion unit 30n and the reaction gas heating unit 60n installed on the downstream side of the stage FC power generation unit 22 are represented by the second stage combustion unit 22 and the second stage reaction gas heating unit 62.
[0045]
Thus, each of the FC power generation units 20 provided in a plurality of stages in series has a fuel gas f made of natural gas or the like.₁And air a_61aIt has an internal reforming SOFC stack that generates electricity by causing an electrochemical reaction with oxygen in the inside through a solid oxide electrolyte.
Further, the first stage FC power generation unit 21 has high-pressure air a heated to a fuel reforming temperature (for example, 950 ° C.)._61aAnd fuel gas f supplied from the fuel supply unit 80₁Reformed steam₁Reformed fuel gas (f) mixed and reformed and heated to 950 ° C.₁+ S₁)_61fWas introduced to adopt a conventional FC power generation unit that generates an electric power by causing an electrochemical reaction.
[0046]
Further, the second stage FC power generation unit 22 has an exhaust gas g from the first stage FC power generation unit 21.₆₁And fuel gas f supplied from the fuel supply unit 80₂Reformed steam₂Are mixed and similarly heated to 950 ° C., the reformed fuel gas (f₂+ S₂)_62fIs adopted, and a conventional FC power generation unit that similarly generates electric power is adopted.
Similarly, in the case where the FC power generation unit 20n is provided after the third stage, the exhaust gas g from the preceding stage FC power generation unit 30 is similarly provided._30n-1And reformed steam (f + s)_60n-1fIs installed, and FC power generation units 20n similar to the first and second stage FC power generation units 21 and 22 that similarly generate electric power are provided.
In addition, the exhaust gas g from each FC power generation unit 20 that generated the power₂₀Is discharged from each FC power generation unit 20 to the next downstream device after the power is generated while air is cooled.
[0047]
Next, the combustion unit 30 is arranged on the downstream side of each FC power generation unit 20 provided over a plurality of stages, and the exhaust gas g discharged from each preceding FC power generation unit 20₂₀Unreacted fuel gas f and air a_61aHigh-temperature combustion gas by burning oxygen₃₀(G₃₁, G₃₂......) for generating.
[0048]
In addition, each of the reaction gas heating units 61 and 62 includes a fuel gas heating unit 61f and 62f and an air heating unit 61a and 62a. The fuel gas heating units 61f and 62f include FC power generation at each stage. Reformed fuel gas (f) supplied to the fuel electrode of the unit 20₁+ S₁)_61f, (F₂+ S₂)_62fUsing the heat generated by the FC power generation unit 20 and the heat generated by the combustion units 31 and 32 in the preceding stage, the reformed fuel gas (f₁+ S₁)₅₄₀, (F₂+ S₂)_iAt the desired reforming temperature (for example, 950 ° C.)₁+ S₁)_61f, (F₂+ S₂)_62fLet the temperature rise.
[0049]
However, the reformed fuel gas (f) heated by the fuel gas heating unit 61f disposed on the downstream side of the first stage FC power generation unit 21₁+ S₁)₅₄₀And a reformed fuel gas (f) heated by a fuel heating unit 62f disposed downstream of the second stage FC power generation unit 22₂+ S₂), The finishing temperature is the same, but the temperature conditions and flow rates at the inlets of the fuel gas heating units 61f and 62f are different, so the specifications of the fuel gas heating unit 61f and the fuel gas heating unit 62f are different. Has become.
On the other hand, the air heating units 61 a and 62 a are air a supplied to the air electrode of the first stage FC power generation unit 21._61aAre sequentially heated by the exhaust gas heated by the combustion sections 31 and 32 of each stage.
[0050]
The air flow rate supplied to the air heating units 61a and 62a is the air flow rate supplied to the first stage FC power generation unit 21, and as described above, the fuel provided on the downstream side of the FC power generation units 21 and 22, respectively. The specifications of the gas heating units 61f and 62f are different, and the exhaust gas g discharged from the FC power generation units 21 and 22 at each stage_{twenty one}, G_{twenty two}In spite of the different flow rates, the air heating units 62a and 61a of each stage sequentially increase the temperature so that the exhaust gas temperature flowing into the second stage FC power generation unit 22 can keep 950 ° C., and the first stage air It is necessary to make the specification that the outlet temperature of the heating unit 61a is 950 ° C.
[0051]
Next, the GT power generation unit 40 detects the exhaust gas g discharged from the reaction gas heating unit 62 in the final stage.₆₂The fuel fc from the fuel supply unit 80 is supplied to the exhaust gas g₆₂Combustion with oxygen remaining in the exhaust gas g₆₂420 and its exhaust gas g for raising the temperature to a predetermined turbine inlet temperature₄₂₀The compressor 480 is driven by the surplus power that drives the air compressor 460 and the air compressor 460 that is driven by the air supply unit 700 to compress the air a and supplies the compressed air a to the first-stage FC power generation unit 21. And a gas turbine 440 that generates electric power, and has the same configuration as the GT power generation unit 400 shown in FIG.
[0052]
Next, the preheating regeneration unit 50 is provided in the exhaust heat recovery unit 70 described later, and the exhaust gas g discharged from the gas turbine 440.₄₄₀The air a discharged from the compressor 460 at₄₄₀The fuel gas f from the air preheating regeneration unit 500 and the fuel supply unit 80 for heating the fuel₁And reforming steam s from the reforming steam generating HRSG 71 provided in the GT exhaust heat recovery section 70 to be described later₁The reformed fuel gas (f) supplied to the first stage reaction gas heating unit 61 is mixed.₁+ S₁)₅₄₀And a fuel gas preheating reheating part 540 for heating the fuel to an intermediate temperature.
[0053]
Further, the GT exhaust heat recovery unit 70 includes the preheating regeneration unit 50, the reforming steam s described above.₁And s₂Is generated by a steam generator (HRGS) 72 arranged in parallel with the reforming steam generator 71 to drive a steam turbine not shown in the figure to generate electric power. The surplus steam to be generated is generated.
[0054]
The combined power generation plant 10 of the present embodiment is configured as described above, and the fuel gas f of about 15 ° C. supplied from the fuel supply unit 80 to the fuel electrode of the first-stage FC power generation unit 21.₁Is the reformed steam s from the reforming steam generator 71₁And the reformed fuel gas (f₁+ S₁) And is heated by the fuel gas preheating regenerator 540 and the combustion gas heating unit 61a, and the reformed fuel gas (f₁+ S₁)_61fSupplied.
Further, the air a introduced into the compressor 460 from the air supply unit 700 is heated to about 400 ° C. by compression, and then heated to 950 ° C. by the air preheating regenerator 520, the air heating unit 62a, and the air heating unit 61a. Heated air heated to a_61aAnd is supplied to the air electrode of the first-stage FC power generation unit 21.
[0055]
Reformed fuel gas (f₁+ S₁)_61fAnd heated air a_61aIs supplied to the fuel electrode and the air electrode, respectively, the reformed fuel gas (f₁+ S₁)_61fReacts on the anode catalyst to produce hydrogen and carbon oxide.
Since this reaction is an endothermic reaction, the heat generated by the first-stage FC power generation unit 21 can also be absorbed by this internal reforming reaction.
Also, the compressed air a introduced into the air electrode_61aThe oxygen inside is O^2-It becomes an ion, conducts in the solid oxide electrolyte, moves to the fuel electrode, causes an electrochemical reaction with the above-described hydrogen and carbon monoxide, and generates water and carbon dioxide.
[0056]
Here, of the reaction heat, a part obtained by subtracting the part based on the internal resistance of the battery from the part corresponding to the change in free energy is converted into electric energy (DC power), and the remaining part is generated as heat.
The generation of water or carbon dioxide at the fuel electrode is an exothermic reaction, and this heat generation is air-cooled and held at the FC operating temperature (for example, 1050 ° C.).
[0057]
Further, the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust gas that have passed through the first-stage FC power generation unit 21 are mixed, and the exhaust gas g_{twenty one}Is introduced into the first stage combustor 31 constituting the combustor 30. In this combustion part 31, unreacted fuel gas f remaining in the exhaust gas₁And hydrogen generated at the fuel electrode, carbon monoxide and oxygen O in the surplus air discharged from the air electrode₂Means that a combustion reaction easily occurs at high temperatures and the combustion gas g₃₁The fuel (f) introduced into the first stage reaction gas heating unit 61 and passing through the combustion gas heating unit 61f and the air heating unit 61a of the reaction gas heating unit 61₁+ S₁)₅₄₀And air a_62aThe fuel for reforming the FC operating temperature (f₁+ S₁)_61fAnd air a_61aAfter that, it is supplied to the air electrode of the second stage FC power generation unit 22 in a high temperature state of FC operation.
[0058]
Exhaust gas g discharged from the first stage reaction gas heating unit 61₆₁Is introduced into the second-stage FC power generation unit 21 at about 15 ° C. supplied from the fuel supply unit 80.₂The reformed steam s from the reforming evaporator 71₂And the reforming fuel gas (f₂+ S₂)_62fIs introduced and reacts with the fuel electrode in the second-stage FC power generation unit 22 to generate hydrogen and carbon monoxide.
The exhaust gas supplied to the air electrode g₆₁The unreacted oxygen contained therein is introduced into the newly introduced reformed fuel gas (f) as in the first-stage FC power generation unit 21.₂+ S₂)_62fThe fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust gas that have passed through the FC power generation unit 22 are mixed together to generate electric power._{twenty two}Is introduced into the second stage combustion section 32.
[0059]
Also in this combustion part 32, exhaust gas g₃₂Unreacted fuel gas remaining in f₂Ingredients and air a_61aUnreacted oxygen O₂Is a combustion gas that easily undergoes a combustion reaction at high temperatures.₃₂And the reformed fuel (f₂+ S₂) And air a₅₂₀Heat exchange with the fuel gas for reforming (f₂+ S₂) Is introduced into the second-stage FC power generation unit 32 at a high temperature reformed fuel (f₂+ S₂)_62fAnd air a supplied from the air preheat regenerator 420₅₂₀Is heated to the desired temperature of the first stage FC power generation section 21 by the first stage air heating section 61a.
Thus, the reforming fuel gas (f₂+ S₂) And air a₅₂₀The exhaust gas g that is reduced in temperature by being heated and discharged from the second reaction gas heating unit 62₆₂Is supplied to the combustor 420 of the GT power generation unit 40.
[0060]
Further, the combustor 420 is supplied with fuel gas f from the fuel supply unit 80._cIs supplied, and in the combustor 420, this fuel f_cAnd in exhaust gas₆₂Remaining air a_61aThe oxygen in the gas burns and is supplied to the gas turbine 440 as combustion gas at a predetermined temperature, generates an output, drives the compressor 460, and compresses the air a supplied to the first stage FC power generation unit 21 At the same time, the generator 480 is operated to generate electric power.
[0061]
Exhaust gas g discharged from the gas turbine 420₄₄₀Is supplied to the preheating regeneration unit 50 provided in the GT exhaust heat recovery unit 70, compressed by the compressor 460 in the air preheating regenerator 520, and discharged at about 400 ° C.₄₆₀The air a heated up to the inlet temperature of the second stage air heating unit 62a₅₂₀In addition, the fuel gas f supplied from the fuel supply unit 80 by the fuel gas preheating regenerator 540₁And reformed steam s from the reforming steam generator 71₁And reforming fuel gas (f₁+ S₁) Is heated to the first stage fuel gas heating section 61f inlet temperature (f)₁+ S₂)₅₄₀To.
[0062]
Further, exhaust gas g discharged from the preheating regeneration unit 50₅₀(About 500 ° C.) is a reforming steam generator 71 provided in the GT exhaust heat recovery unit 70 and the fuel gas f supplied to the first stage FC power generation unit 21₁Before being supplied to the fuel gas preheating unit 540, the fuel gas f₁The reformed fuel gas (f₁+ S₁Reformed steam₁, And fuel gas f supplied to the second-stage FC power generation unit 22₂Is the second stage combustion gas heating section a_62fBefore being supplied to the fuel gas f₂The reformed fuel gas (f₂+ S₂Reformed steam₂Is generated.
[0063]
Further, the reformed steam s is supplied to the GT exhaust heat recovery unit 70.₁, S₂Excess exhaust gas not used for generation₅₀Is supplied to a steam generator (HRSG) 72 installed in parallel with the reforming steam generator 71 and steam s for driving a steam turbine for generating power (not shown)._TIs generated.
In this way, reformed steam₁, S₂And steam turbine driven steam_TExhaust gas that has been reduced to about 100 ° C₇₀Is discharged from the chimney 580 to the outside.
[0064]
In the combined power plant 10 of the present embodiment, as shown in FIG. 10, the conventional combined power plant has one compressor 460 that supplies air A to the FC power generation unit 100 provided for one FC power generation unit. In contrast, the two FC power generation units 20 are provided in series, and the exhaust gas g of the first stage FC power generation unit 21 is supplied as air to the air electrode of the second stage FC power generation unit 22._{twenty one}Since one compressor 460 is commonly used for the FC power generation unit 21 and the FC power generation unit 21, the compression power per unit of the FC power generation unit is divided by the radix. The reduction in compression power per output of the FC power generation unit 20 can be reduced.
[0065]
In addition, without using two FC power generation units, O in the exhaust from the final stage FC power generation unit 20n.₂By arranging a large number of n FC power generation units up to the lower limit of stability in series, the compression power of the FC power generation unit 20 per unit is about 1 / n, which can be further reduced. Exhaust gas_nO inside₂Is set to the lower limit of stability, the fuel gas f supplied to the combustor 420 that heats the exhaust gas g from the FC power generation unit in the final stage_cSeparately supply the air necessary for combustion of the gas, or do not install the combustor 420 and exhaust gas at 950 ° C._nTherefore, it is necessary to operate the gas turbine with low efficiency by driving the gas turbine 440.
[0066]
Further, since the exhaust gas of the upper FC power generation unit 20 is input to the air electrode as the air of the next FC power generation unit 20, the first stage for heating the air supplied to the second stage FC power generation unit Installation of an air heating unit corresponding to the air heating unit is not necessary.
[0067]
In the combined power plant 10 of the present embodiment, the input air 950 ° C. to the first-stage FC power generation unit 21 is about 400 ° C. compressor discharge air a₅₂₀Is heated up by the preheating regeneration unit 50 and the two reaction gas heating units 61 and 62, for example, + 200 ° C. × 3. The exhaust gas to be cooled can be sent to a temperature suitable for the operation of the subsequent FC power generation unit 20 by reducing the degree to which the exhaust gas is cooled and raising the exhaust temperature, and further, from the FC power generation unit at the final stage to the gas turbine 440. Since the exhaust gas temperature to be sent can be increased to a high temperature (1000 ° C or higher), GT fuel is reduced, which also reduces the combined power plant efficiency η_ccWill improve.
[0068]
That is, the air a discharged from the air compressor 460₅₂₀(About 550 ° C.) is heated to 950 ° C. only by the air heating unit 340 shown in FIG. 10, the air heating unit 340 performs heat exchange of + 400 ° C. (550 → 950 ° C.). The exhaust gas discharged from the air heating unit 340 is as low as 700 to 800 ° C._cΗ_ccHowever, in the combined power plant 10 of the present embodiment, such incompatibility can be eliminated, and the efficiency η of the conventional combined power plant shown in FIG._ccCan be improved to about 55% or more in the present embodiment.
[0069]
Next, FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the combined power plant of the present invention. The combined power plant 11 of the present embodiment is compared with the combined power plant 10 of the first embodiment shown in FIG. Then, the third-stage FC power generation unit 23, the third-stage combustion unit 33, and the third-stage reaction gas heating unit 63 are provided, and in the first embodiment, preheat regeneration that is provided in the GT exhaust heat recovery unit 70 The fuel gas f supplied from the fuel supply unit 80 to the first to third power generation units 21, 22, and 23 is deleted.₁, F₂, F_ThreeThe reformed steam gas (f) is mixed with the fuel gas f supplied from the outlet side of the fuel supply unit 80 in a lump.₁+ S₁), (F₂+ S₂), (F_Three, S_Three).
[0070]
That is, the amount of air supplied from the air compressor 460 to the first stage power generation unit 21 is 4 to 5 times the air ratio required for one FC power generation unit, but the third stage FC power generation unit 23, the third-stage reaction gas heating unit 63 can be installed, and thereby, the compressed air a of about 400 ° C. discharged from the compressor 460 is provided.₄₆₀Can increase the temperature of + 200 ° C. × 3 = 600 ° C. with the three reaction gas heating units 60, and the preheat regeneration unit 50, which was provided in the GT exhaust heat recovery unit 700 in the first embodiment, Even if it is not provided, the reaction gas can be heated up to 950 ° C. required for the first-stage power generation unit 21 and the exhaust gas g discharged from the FC power generation unit 20 per one FC power generation unit is cooled. The exhaust gas g discharged from each reaction gas heating unit 30 is kept at a high temperature so that it can be supplied to the air electrode of the downstream FC power generation unit.
[0071]
In the combined power plant of the present embodiment, the reforming fuel gas (f₁+ S₁)_61fThe exhaust gas g discharged from the combustion unit 31 is reduced by reducing the heating capacity of the first stage air heating unit 61a in order to set the temperature of the gas to 950 ° C.₃₁Is supplied to the fuel gas heating unit 61f, and the reduction of the heating capacity of the first stage air heating unit 61a is covered by the heating of the second stage air heating unit 62a and the third stage air heating unit 63a. Reformed fuel gas (f) supplied to the second stage FC power generation unit 21 and the third stage FC power generation unit 22, respectively.₂+ S₂), (F_Three, S_ThreeAbout the same amount of reformed fuel gas (f)₁+ S₁) To the first stage FC power generation unit 21.
[0072]
Thereby, in addition to obtaining the same operation and effect as the first embodiment described above, the third-stage FC power generation unit 23 and the third-stage reaction gas heating unit 63 are provided, and the preheating regeneration unit 50 is abolished. Exhaust gas from the gas turbine 440₄₀Can be used in large quantities for power generation by steam turbines._ccCan be improved to about 60%.
[0073]
FIG. 3 is a block diagram showing a third embodiment of the combined power plant of the present invention.
As shown in the figure, in the combined power plant of the present embodiment, the FC power generation units are connected in series in a plurality of stages in the same manner as in the first and second embodiments, and the air system of the subsequent FC power generation unit is the upper stage. The first stage FC power generation unit is connected to an exhaust system and uses heat energy generated in the upper FC generation unit, and the first stage FC power generation unit supplies fuel gas and air at a temperature lower than 950 ° C. and 600 to 700 ° C. There is provided a cooling first-stage cooling first-stage FC power generation unit 21A that can be heated to 950 ° C. by the reaction gas heat exchange unit 24 that recovers heat from the power generation unit 20 and supplied to the fuel cell to generate power. Thus, the air heating unit 61a for supplying 950 ° C. air to each stage FC power generation unit 20 is provided only on the downstream side of the cooling first stage FC power generation unit 21A, which is the first stage FC power generation unit. ing.
[0074]
That is, in the combined power plant 12 of the present embodiment, the reforming fuel gas (f) supplied in the low temperature state (for example, about 600 to 700 ° C.) is used as the first stage FC power generation unit.₁+ S₁)_61f, And air a which is supplied from the first stage air heating unit 61a at the same temperature_61aIs heated to a temperature (950 ° C.) suitable for supply to the fuel electrode and the air electrode, respectively, and the FC main body is cooled, and the reaction gas heat exchange unit 24 composed of a fuel gas heat exchange unit and an air heat exchange unit is provided. The cooling first stage FC power generation unit 21A provided with the above was adopted.
[0075]
Thereby, the air a supplied from the compressor 460 to the cooling first-stage power generation unit 21A.₄₆₀Were discharged from the air compressor 460 by the first stage air heater 61a without being heated by the air heating units 62a, 63a or the air preheating regeneration unit 520 as in the first and second embodiments. The air at about 400 ° C. can be supplied to the cooled first stage power generation unit 21A in a low temperature state heated to 600 to 700 ° C., and is provided in the first and second embodiments. Installation of the three-stage air heating units 62a and 63a or the air preheating regeneration unit 520 becomes unnecessary.
[0076]
Further, in the present embodiment, the downstream side of the first stage reaction gas heating unit 61 and the downstream side of the second stage fuel gas heating unit 62f and the third stage fuel gas heating unit 63f are extracted from the steam generator 72. The heated water is heated with the exhaust gas g discharged from the reaction gas heating units 61, 62f, 63f, and the reformed steam s₁, S₂, S_ThreeReforming steam generator 71f₁, 71f₂, 71f_ThreeIs provided.
[0077]
Thus, the air heater 62a and the air heater 63a can be eliminated from the second-stage reaction gas heating section 62 and the third-stage reaction gas heating section 63, so that a new reforming steam generator 71f is obtained.₂, 71f_ThreeThe exhaust gas g supplied to the combustor 420 despite the installation of_71f3The temperature of can be raised. In the combustor 420, the exhaust gas g_71f3Further, the value of the temperature can be further reduced from 400 ° C. (950 → 1350 ° C.) to 150 ° C. (1200 → 1350 ° C.), which is the fuel gas f supplied to the combustor 420._cThis corresponds to a reduction of 60% or more.
[0078]
Also, exhaust gas g from the gas turbine 440₄₄₀Is supplied as it is to the GT exhaust heat recovery unit 70 as in the second embodiment, and the reformed steam s by the reforming steam generator 71 is supplied.₁, S₂, S_ThreeExhaust gas g from the first stage reaction gas heating section 61, the second stage fuel gas heating section 62f, and the third stage fuel gas heating section 63f₆₁, G_62f, G_63fTherefore, the steam energy that can be generated by the steam generator 72 can be increased, and the amount of power generated by a generator driven by a steam turbine (not shown) can be increased.
[0079]
As described above, in the combined power plant 12 of the present embodiment, in addition to obtaining the same operations and effects as in the first embodiment, the first-stage FC power generation unit is replaced with the cooling first-stage FC power generation unit 21A. The air a supplied to the cooling first stage FC power generation unit 21A_61aAnd reformed fuel gas (s₁+ F₁)_61fCan be supplied in a low temperature state, and the installation of the second stage, third stage air heating units 62a and 63a or the air preheating regeneration unit 520 becomes unnecessary.
[0080]
Moreover, since the air heating part 62a and the air heating part 63a can be made unnecessary, the exhaust gas g supplied to the combustor 420_71f3Can be raised by several hundred degrees Celsius, and the temperature rise to be given by the combustor 420 can be reduced, that is, the fuel gas f supplied to the combustor 420_cCan be further reduced.
Further, the reformed steam s is provided on the downstream side of the first stage reaction gas heating unit 61 and on the downstream side of the second stage fuel gas heating unit 62f and the third stage fuel gas heating unit 63f.₁, S₂, S_ThreeReforming steam generator 71f₁71f₂, 71f_ThreeSince exhaust gas is provided, the exhaust gas g from the gas turbine 440₄₀Is supplied to the GT exhaust heat recovery unit 70 as it is, is generated by the steam generator 72, can increase the steam energy that can be used in the steam turbine, and increases the amount of power generated by the generator driven by the steam turbine. Therefore, the combined power plant efficiency can be further improved as compared with that of the second embodiment.
[0081]
Next, FIG. 4 is a block diagram showing a fourth embodiment of the combined power plant of the present invention.
As shown in the figure, in the present embodiment, the first-stage FC power generation unit 21 to the third-stage FC power generation unit 23 are connected in series as shown in the first to third embodiments. However, the exhaust gas of the air system and the exhaust gas of the fuel system that are respectively discharged from each of the FC power generation units 21 to 23 are not mixed, and the air system of the lower FC power generation unit is connected to the air exhaust system of the upstream FC power generation unit, The fuel system of the upstream FC power generation unit is connected to the fuel discharge system of the upstream FC power generation unit, and oxygen in the exhaust gas discharged from the air discharge system and the fuel gas in the exhaust gas discharged from the fuel discharge system are It was mixed on the downstream side of the stage FC power generation unit 23, burned in the combustion unit 30 </ b> A, and supplied to the combustor 420.
[0082]
Normally, the fuel gas supplied to the FC power generation unit is supplied in surplus (for example, 10%) from the amount of fuel gas required for the reaction at the fuel electrode in the FC power generation unit. It can be used as fuel gas for the latter-stage FC power generation section.
As shown in the figure, after the air a introduced from the air supply unit 700 to the compressor 460 is compressed and heated to about 400 ° C., the air preheating regenerator 20, the air heating unit 62a, the air heating unit Heated air a heated to the reforming temperature (950 ° C.) by 61a_61aAnd is supplied to the air electrode of the first-stage FC power generation unit 21.
[0083]
Further, the fuel gas f supplied from the fuel supply unit to the fuel electrode of the first-stage FC power generation unit 21₁Is reformed steam s from the reforming steam generator 71 after being heated by the fuel gas preheating regenerator 540.₁And reforming fuel gas (f₁+ S₁) And heated by the first-stage FC power generation unit 21 combustion gas heating unit 61f, and then the reforming fuel gas (f₁+ S₁)_61fSupplied.
Fuel gas for reforming (f₁+ S₁)_61fAnd heated air a_61aAre supplied to the fuel electrode and the air electrode, respectively, the reforming fuel gas (f₁+ S₁)_61fReacts on the anode catalyst to produce hydrogen and carbon monoxide.
[0084]
Since this reaction is an endothermic reaction, the heat generated by the FC power generation unit 21 can also be absorbed by this internal reforming reaction.
Also, the compressed air a introduced into the air electrode_61aThe oxygen inside is O^2-It becomes ions and conducts through the solid oxide electrolyte to cause an electrochemical reaction with these hydrogen and carbon monoxide to produce water and carbon dioxide.
Here, of the reaction heat, a part obtained by subtracting the part based on the internal resistance of the battery from the part corresponding to the change in free energy is converted into electric energy (DC power), and the remaining part is generated as heat.
Since the generation of water or carbon dioxide is an exothermic reaction, it is cooled with air. As a result, the temperature of the first stage FC power generation unit 21 is maintained at a desired operating temperature (eg, 1050 ° C.).
[0085]
Further, the fuel electrode exhaust gas g that has passed through the first stage FC power generation unit 21₁And cathode exhaust gas a₁Is introduced into the first stage reaction gas heating unit 61, and passes through the combustion gas heating unit 61f and the air heating unit 61a of the reaction gas heating unit 61 for reforming fuel (f₁+ S₁)₅₄₀And air a_62aHeat exchanged into the reforming fuel (f₁+ S₁)₅₄₀And air a_62aIs introduced into the first-stage FC power generation unit 21 (f)₁+ S₁)_61fAnd air a_61aAnd is discharged from the first-stage reaction gas heating unit 61 at a high temperature required for the second-stage FC power generation unit 22 and supplied to the fuel electrode and the air electrode of the second-stage FC power generation unit 22. It becomes.
[0086]
In the second stage FC power generation unit 22, the exhaust gas g from the first stage fuel gas heating unit 61f₁The fuel gas f supplied from the fuel supply unit 80 in the second stage fuel gas heating unit₂Reformed steam₂The reformed fuel gas (f) mixed and heated₂+ S₂) Is added to supply the reformed fuel gas to the fuel electrode, and further, the exhaust gas a from the first stage air heating unit 62a.₁Is supplied to the air electrode to cause an electrochemical reaction similar to that in the first stage FC power generation unit 21, and the fuel electrode exhaust gas g₂And cathode exhaust gas a₂Are discharged separately.
[0087]
Fuel electrode exhaust gas g₂The fuel gas f from the fuel supply unit 80₂Reformed steam₂Reforming fuel gas (f)₂+ S₂) Is heated to a predetermined value by the second stage fuel gas section 62f, and then supplied to the fuel electrode of the third stage FC power generation section 23, and the air electrode exhaust gas a₂Is the air a from the air preheating regeneration unit 520₅₂₀Is raised to the inlet temperature of the first stage air heating unit 61a and then supplied to the air electrode of the third stage FC power generation unit 23 to cause the same electrochemical reaction as in the first stage FC power generation unit 21. , Fuel electrode exhaust gas g_ThreeAnd cathode exhaust gas a_ThreeIs discharged.
[0088]
Fuel electrode exhaust gas g_ThreeSome of the fuel gas f remains in the first-stage FC power generation unit 21 to the third-stage power generation unit 23 as described above because a slight excess of fuel gas is supplied as described above. Air electrode exhaust gas a_ThreeSince the surplus air more than the air amount required for the electrochemical reaction in the first stage FC power generation unit 21 to the third stage power generation unit 23 is supplied to the first stage FC power generation unit 21, the air a Remains, and combustion occurs in the combustor 30A in which these are supplied and mixed, and supplied to the combustor 420.
[0089]
Thus, the fuel gas f supplied from the fuel supply unit 80_cCan be significantly reduced, and the efficiency of the combined power plant can be improved.
In addition, as described above, the combined power plant according to the present embodiment is configured so that the fuel supplied to the FC power generation unit is excessively supplied. In addition to being able to be used as fuel gas for the power generation section, H in the exhaust gas g₂Since O is contained, the reformed fuel gas (f) supplied to the second stage FC power generation unit 22₂+ S₂) To make fuel gas f₂For reforming mixed in₂The amount of steam can be reduced.
[0090]
Furthermore, surplus steam also flows to the downstream FC power generation unit, and further, H₂Since O is also added, depending on the balance, it is not necessary to supply reformed steam to the third and subsequent FC power generation units provided on the downstream side of the second stage FC power generation unit 22, and the heat utilization rate is increased. It can be expected to improve further.
That is, it is discharged from the preceding stage FC power generation unit without being converted into heat by the combustion units 31 to 33 provided on the downstream side of each FC power generation unit 21, 22, 23 as in the first to third embodiments. Can be used as a raw material for the downstream FC power generation section.
[0091]
Further, the reforming fuel gas (f) between the first stage fuel gas heating section 61f and the second stage power generation section 22 inlet₂+ S₂)), It is possible to maintain the temperature of the fuel gas supplied to the second-stage power generation unit 22, and the second-stage fuel gas heating unit 62f described above can be omitted, and the third Fuel gas f supplied to the stage power generation unit 23_ThreeThe third-stage fuel gas heating unit 63f for heating the fuel can be omitted for the same reason.
[0092]
In the above embodiment, exhaust gas g discharged from the third stage power generation unit 23._Three, A_ThreeIs combusted in the combustor 31A and supplied to the combustor 420, but the combustor 30A is omitted and the air electrode exhaust gas a from the third stage power generator 23 is directly supplied to the combustor 420._Three, Fuel electrode exhaust gas g_ThreeAnd fuel gas f from the fuel supply unit 80_cCan also be introduced.
This may be considered that the fluid conditions corresponding to the conventional recycling technology (fuel-based anode recycling, air-based cathode recycling) are realized after the second-stage power generation unit 22 and are necessary for the conventional FC power generation unit. The recycled circulation fan is not necessary and the combustion product H₂O can be used for the reforming steam (rear stage) of the subsequent stage FC power generation section, and in particular, in the FC power generation section 20 after the third stage, it is not necessary to generate steam separately.
[0093]
FIG. 5 is a block diagram showing a fifth embodiment of the combined power plant of the present invention.
As shown in the figure, in the present embodiment, as in the fourth embodiment, the air system of the downstream FC power generation unit is connected to the air discharge system of the upstream FC power generation unit, and the fuel of the upstream FC power generation unit is connected. System connected to the fuel discharge system of the upstream FC power generation unit,_ThreeThe fuel gas in the exhaust gas discharged from the oxygen and the combustion exhaust system was separately supplied from the third stage FC power generation unit 23 to the combustor 420.
Further, the fuel gas g supplied from the third stage FC power generation unit 23 to the combustor 420_ThreePart of recycled gas_rAs described above, the heat is supplied to the recycle circulation unit 90 including the heat exchanger 92 and the recycle circulation fan 96.
[0094]
In addition, the first-stage FC power generation unit is provided with the cooling first-stage power generation unit 21A that can be operated at the low temperature employed in the third embodiment, so that the recycle gas g from the recycle circulation unit 90 is provided._rReformed steam generated by reforming steam generator₁Mixed gas (g_r+ S₁) The fuel gas f supplied from the fuel supply unit 80₁The recycle circulating gas g without passing through the fuel gas preheating regeneration unit 540 and the fuel gas heating units 61f and 62f_rLow-temperature reforming fuel gas (f₁+ G_r+ S₁).
[0095]
That is, the reaction gas heater that heats the reaction gas to supply it to the power generation unit is the same as the air a from the compressor 460 in the third embodiment.₄₆₀Low temperature air a heated (about 200 ° C)_61aSo that the air preheating regeneration unit 570 and the second stage air heating unit 62a in the fourth embodiment can be omitted by using only the first stage air heating unit 61a that is supplied to the cooling first stage power generation unit 21A. did.
[0096]
In addition, a heat exchanger 92 is provided at the inlet of the recycle circulation fan 90, and steam generated in the heat exchanger 92 and the fuel electrode gas g_ThreeRecycled gas branched from_rThe reformed steam supplied to the cooling first stage FC power generation unit 21A is covered by the steam inside, and the combustor 420 has a fuel electrode exhaust gas g._rAir electrode exhaust gas a_ThreeThe fuel gas f from the fuel supply unit 80 is not burned in the combustion unit 30A._cAnd put it separately separately. Of the steam generated by the reforming steam generator 92, reformed steam s.₁The steam that is not used as the steam is supplied to the steam turbine together with the steam from the steam generator 72 to generate electric power.
[0097]
As a result, the same operation and effect as in the fourth embodiment can be obtained, and the preheating regeneration unit 50, the second stage steam heating unit 62, and the first stage power generation unit 21A can be used as the first stage power generation unit. The first-stage and second-stage combustion gas heating sections 61f and 62f can be omitted, thereby further reducing the pressure loss of the air and fuel gas supply system, and the FC power generation sections 21, 22, and 23 are operated at higher pressures to generate power. Since the output can be increased, the combined power plant efficiency η_ccAs a result, the amount of power generation can be increased, and the manufacturing cost can be reduced in combination with the omission of equipment such as the combustion section 30A.
[0098]
Further, the reforming fuel gas (f) supplied to the cooling first stage power generation unit 21A₁+ G_r+ S₁) Can be supplied at a low temperature, the heat exchanger 92 that heats the heat exchanger 92 can be downsized or omitted._rWhen the steam generated by heating is sufficient, the excessively generated steam s is supplied to the steam system generated by the steam generator 72 and input to the steam turbine to generate the combined power plant efficiency η by power generation of the steam turbine._ccCan be further improved.
Recycled gas g_rAs shown in Equation 1, the water content therein is 75 mol% at the maximum (with zero surplus).
[0099]
[Expression 1]

[0100]
Next, FIG. 6 is a block diagram showing a sixth embodiment of the combined power plant of the present invention.
As shown in the figure, the FC power generation unit 30 includes a conventional first-stage FC power generation unit 31, a second-stage FC power generation unit 32, and a third-stage FC power generation unit 33, as in the second embodiment. Fuel gas f to power generation unit 30₁, F₂, F_ThreeIn the same manner as in the fifth embodiment, the exhaust gas g discharged from each of the FC power generation units 31, 32, 33 is the fuel electrode exhaust gas g.₁, G₂, G_ThreeAnd cathode exhaust gas a₁, A₂, A_ThreeThen, it is separated and supplied to the FC power generation units 32 and 33 and the combustor 420 at the subsequent stage.
[0101]
In addition, the supply of air to the first stage power generation unit 31 is performed by the air heaters 63a, 62a, 61a provided on the downstream side of the FC power generation units 31, 32, 33 of each stage as in the second embodiment. The air at about 400 ° C. discharged from the air compressor 460 is sequentially heated by 200 ° C., and 950 ° C. air is supplied to the first stage power generation unit 31.
Further, as in the fifth embodiment, the high-temperature exhaust gas g discharged from the third-stage FC power generation unit 23_ThreeIs partly extracted and this extracted recycling gas g_rIs supplied to the first stage heat exchanger 92A and the second stage heat exchanger 92B, so that the fuel supplied to the first stage FC power generation unit 31, the second stage FC power generation unit 32, and the third stage FC power generation unit 33 is supplied. Gas f₁, F₂, F_ThreeWas heated.
[0102]
The cooling by the first stage heat exchanger 91 is performed by the fuel gas f supplied to the first stage FC power generation unit 21 as shown in the figure.₁However, as shown in the fifth embodiment, it may be performed by heating water when generating steam to be supplied to the steam turbine steam system.
Thereby, in addition to the same operation and effect as the combined power plant of the fifth embodiment shown in FIG. 5, the fuel gas f₁Is used as the cooling medium for the first stage heat exchange 92A, the fuel gas f₁To supply the first stage power generation unit 21 to the fuel gas f₁As a result, the inlet temperature of the first stage fuel gas heating unit 61f that makes the supply temperature higher becomes higher, and the first stage fuel heating unit 61f can be downsized or omitted.
[0103]
Further, the fuel gas f to the second stage FC power generation unit 22 and the third stage FC power generation unit 23₂, F_ThreeIs used as a cooling medium for the second-stage heat exchanger 92B, the first-stage heat exchanger 92A can be omitted, and thereby the fuel gas f₁, F₂, F_ThreeIs all recycled gas_rCooling caused by in-line mixing can be prevented because the system is preheated.
[0104]
Further, the combustor 420 has a fuel gas f in order to make the inlet temperature of the gas turbine 440 an optimum temperature._cRecycle gas g_rWhen the amount of bleed air is 0, the exhaust gas g of the third stage FC power generation unit 23 supplied to the combustor 420_ThreeMost of the exhaust gas_FourFc = 0 depending on conditions, and the power generation efficiency of the combined power plant 15 can be further increased.
[0105]
Next, FIG. 7 is a block diagram showing a seventh embodiment of the combined power plant of the present invention.
As shown in the figure, in the combined power plant 16 of the present embodiment, the fuel gas f supplied to the first stage FC power generation unit 21₁Is the fuel gas f used in the downstream FC power generation units 22, 23₂, F_ThreeIncluding the supply.
That is, in the fourth embodiment shown in FIG. 4, the fuel gas f supplied to each stage of the FC power generation unit 20 is 10% or more, and the three-stage FC power generation unit 20 as in the present embodiment has Fuel gas f with 300% maximum₁To the first stage power generation unit 21 and the remaining fuel gas f in the previous stage FC power generation unit₁Thus, the next-stage power generation unit 20 is configured to generate power.
[0106]
Thereby, the fuel gas f to be supplied to the FC power generation units 22 and 23 in the second and subsequent stages required in the fourth embodiment.₂, F_ThreeThe installation of the fuel gas heating parts 61f and 62f for heating the exhaust gas becomes unnecessary, and the exhaust gas g discharged from the front-stage FC power generation part 20 in the sixth embodiment₁, G₂Fuel gas inside₂, F_ThreeIs not mixed, so that the temperature reduction of the exhaust gas g supplied to the next-stage FC power generation units 22 and 23 due to the mixing is prevented, and the second-stage and third-stage FC power generation units 22, Thus, the power generation efficiency of the power plant 23 can be improved, and the combined power plant efficiency can be improved.
[0107]
In addition, when the fuel gas f is insufficient in the FC power generation units 22 and 23 at the subsequent stage, the fuel gas f may be mixed and input by using the techniques in the fourth and sixth embodiments as appropriate.
[0108]
Next, FIG. 8 is a block diagram showing an eighth embodiment of the combined power plant of the present invention.
As shown in the figure, in the combined power plant 17 of the present embodiment, the fuel gas f supplied to the first stage FC power generation unit₁Is the exhaust gas g discharged from the third FC power generation unit 23 as in the fifth embodiment._ThreeRecycled gas extracted from_rThe first stage heat exchange 92A for cooling the fuel and the first stage combustion gas heating section 61f heat the fuel gas f supplied to the second stage FC power generation section 22 and the third stage FC power generation section 23.₂, F_ThreeIs heated by the first-stage fuel gas heating unit 61f and the second-stage fuel gas heating 62f provided in the air electrode exhaust gas line, and is discharged from the front-stage FC power generation unit 20₁, G₂It was made to supply inside.
[0109]
Thus, the fuel gas f to be supplied to the second and third stage FC power generation units 22 and 23₂, F_ThreeThe air electrode exhaust gas a₁, A₂However, it may be used as a cooling medium for the second stage heat exchanging portion 92B for heating.
Furthermore, fuel gas f₁Recycled gas by heating_rThe first stage heat exchanger 92A configured to cool the steam can also be cooled by flowing the condensate w that generates steam supplied to the steam turbine.
[0110]
In this way, when the fuel gas f is individually mixed in the next-stage FC power generation unit 20, when the temperature of the fuel electrode exhaust gas g decreases to a predetermined temperature or less, it is necessary to balance (heat) the heat. However, in this embodiment, the fuel f₂, F_ThreeThe heat source of the air electrode exhaust gas a₁, A₂Therefore, the fuel electrode exhaust gas g supplied to the next-stage FC power generation unit 20 can be easily controlled to a predetermined temperature, and the above disadvantages can be solved.
Also, fuel gas f₁Is heated by the first stage heat exchanger 92A, so that the combustion gas f is similar to the sixth embodiment shown in FIG.₁The inlet temperature of the inlet temperature of the first stage fuel gas heating section 61f, which is the supply temperature for supplying the first stage power generation section 21, becomes higher, and the first stage fuel heating section 61f can be downsized or omitted. it can.
[0111]
Also, fuel gas f₂, F_ThreeIs used as a cooling medium for the second stage heat exchanger 92B, the fuel gas f to the fuel electrode exhaust gas g₂, F_ThreeThe temperature can be increased to a temperature at which the cooling caused by the mixing can be prevented.
[0112]
FIG. 9 is a block diagram showing a ninth embodiment of the combined power plant of the present invention.
As shown in the figure, the combined power plant 18 of the present embodiment has two or more cooling FC power generation units 21A, 21B,..., Which are cooling input systems, arranged in series, and the cooling FC power generation units 21A, 21B,. In the state where the fuel electrode exhaust gas g and the air electrode exhaust gas a are separated from each other, they are supplied to the next-stage cooling FC power generation unit 22B,._n, G_nAlso, it is supplied to the combustor 420 in a separated state.
[0113]
Further, the cathode exhaust gas a discharged from the cooling first stage FC power generation unit 22a₁The fuel gas f supplied from the first stage air heating unit 61a and the fuel supply unit 80 is used to heat the air discharged from the compressor 460.₁The first stage fuel gas heating unit 61f for heating the air and exhaust gas a discharged from the cooling FC power generation unit after the cooling second stage FC power generation unit 22A₁, A_ThreeThe fuel gas supplied to the next-stage cooling FC power generation unit₂, F_ThreeIs provided with a fuel gas heating section 60 for heating.
[0114]
That is, by using the FC cooling charging method, the temperatures of the air a and the fuel gas 9f to be input to the cooling FC power generation units 21A, 21B... 2N can be lowered to 600 to 700 ° C. Air electrode exhaust gas a discharged from the sections 21A, 21B...₁, A₂..., fluid heating of air a and fuel gas 9f was performed.
The fuel gas f is used as the air electrode exhaust gas a.₁, A₂…… It was heated at the cathode exhaust gas a₁, A₂...... a_nIs fuel electrode exhaust gas g₁...... g_nThis is because a large amount of gas is discharged from the cooling FC power generation unit as compared with the above.
[0115]
As a result, the finishing temperature at which the air a and the fuel gas f can be supplied to the cooling FC power generation unit may be low, so that the heat utilization in the combined power plant 18 can be increased. For example, the output can be increased by improving the output of the steam turbine. η_ccSystem.
Fuel gas f₁The reforming steam to make the reformed fuel gas is the air electrode exhaust gas a in the third embodiment shown in FIG.₁, A₂...... a_nThe water vapor generated by heating in FIG. 1, the water vapor generated by the gas turbine exhaust in the first embodiment shown in FIG. 1, or the final stage in the fifth to eighth embodiments shown in FIGS. Recycled gas branched from the fuel electrode exhaust gas discharged from the fuel of the FC power generation unit_rAny of the water vapor generated in can be used.
[0116]
【The invention's effect】
As described above, the combined power plant of the present invention is
In a combined power plant composed of an FC power generation unit, a GT power generation unit, and a steam turbine, a plurality of FC power generation units are arranged in series, and exhaust gas discharged from the front-stage FC power generation unit is supplied to the rear-stage FC power generation unit to generate power. .
[0117]
As a result, since all of the air supplied to the FC power generation units at each stage is supplied by a single compressor, the compression power per FC unit can be reduced, and the reduction of the compression power per FC power generation unit output can be reduced. Less.
In addition, high-temperature supply of air / fuel gas supplied to the next-stage FC power generation section, particularly high-temperature supply of air with a large supply flow rate, is facilitated, and FC exhaust is sent to the next-stage GT-HRSG-ST system at high temperatures. Since the power can be supplied, the power generation efficiency on the CC side (GT + ST) can be improved.
Furthermore, the exhaust gas temperature supplied to the combustor from the final stage FC power generation unit can be increased, and the amount of fuel refueled at the combustor to be the gas turbine inlet temperature (predetermined temperature) can be reduced.
By these, the plant efficiency of CC part (GT + ST) can be improved 5-10% or more compared with the conventional combined power plant.
[0118]
The combined power plant of the present invention is interposed between the gas turbine and the GT exhaust heat recovery unit, and preheats the air and fuel gas supplied to the first stage FC power generation unit with the exhaust gas discharged from the gas turbine. In addition, the GT exhaust heat recovery unit is provided with a preheat regeneration unit that discharges the exhaust gas after preheating to a steam generation unit that generates steam for driving the steam turbine.
[0119]
As a result, only the first FC power generation unit in which a plurality of FC power generation units are arranged in series is heated particularly in the preheating regeneration unit, and the air is heated by the exhaust gas from the upper FC power generation unit. The capacity of the reaction gas heating unit that performs the operation can be reduced, and the amount of fuel gas supplied for reheating is further reduced by keeping the exhaust gas temperature supplied from the final stage FC power generation unit to the combustor high. And plant efficiency can be further improved.
[0120]
Further, the combined power plant of the present invention includes air supplied from the air supply unit and the fuel supply unit to the first stage FC power generation unit, and fuel gas supplied to the first stage FC power generation unit or the FC power generation unit of each stage. Is provided with a reaction gas heating section for setting the required temperature, and an FC power generation section having three or more stages capable of performing preheating is provided, and the preheating regeneration section is omitted.
[0121]
As a result, the exhaust gas temperature supplied to the combustor from the FC power generation unit at the final stage can be increased, the amount of fuel gas supplied for reheating can be reduced, and the GT exhaust heat recovery unit from the gas turbine can be reduced. It is possible to increase the amount of steam that can be generated by the exhaust gas discharged to the steam generator, increase the power generation amount of the steam turbine that is driven by steam and outputs electric power, and further improve the power generation efficiency of the combined power plant.
[0122]
In the combined power plant of the present invention, at least the first-stage FC power generation unit of the FC power generation unit is a cooled FC power generation unit that can operate with air and fuel gas at a temperature lower than that of the conventional FC power generation unit.
[0123]
Accordingly, the reaction gas supplied to the cooling FC power generation unit can be gradually decreased from 950 ° C. to 600 to 700 ° C., and the reaction gas heating unit heats the air supplied from the compressor, the first stage air heating unit and the second stage. It is only necessary to install a fuel gas heating unit that heats the fuel gas supplied to the subsequent FC power generation unit, and the exhaust gas temperature supplied from the final stage FC power generation unit to the combustor can be increased, so that the combustor can be replenished. The amount of fuel gas supplied to the engine can be reduced, and reformed steam can be generated from the exhaust gas from the previous stage FC power generation unit. The amount of steam that can be generated at the GT exhaust heat recovery unit can be increased, and it is driven by steam and outputs power. Therefore, the power generation efficiency of the combined power plant can be further improved.
[0124]
Further, in the combined power plant of the present invention, a plurality of power generation units consisting of an FC power generation unit or a cooling FC power generation unit are arranged in series, and the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust gas discharged from the front power generation unit to the rear power generation unit, The power is separately supplied to the fuel electrode and the air electrode of the subsequent power generation unit to generate power.
[0125]
As a result, the air electrode exhaust gas discharged from the front power generation unit to the air electrode of the rear power generation unit and the fuel electrode exhaust gas discharged from the front power generation unit to the fuel electrode of the rear power generation unit are kept at a high temperature and discharged together with the fuel electrode exhaust gas. Since the unreacted fuel gas is used for the fuel gas of the rear power generation unit, the amount of fuel gas to be supplied to the rear power generation unit can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a combined power plant of the present invention;
FIG. 2 is a block diagram showing a second embodiment of the combined power plant of the present invention;
FIG. 3 is a block diagram showing a third embodiment of the combined power plant of the present invention;
FIG. 4 is a block diagram showing a fourth embodiment of the combined power plant of the present invention;
FIG. 5 is a block diagram showing a fifth embodiment of the combined power plant of the present invention;
FIG. 6 is a block diagram showing a sixth embodiment of the combined power plant of the present invention;
FIG. 7 is a block diagram showing a seventh embodiment of the combined power plant of the present invention;
FIG. 8 is a block diagram showing an eighth embodiment of the combined power plant of the present invention;
FIG. 9 is a block diagram showing a ninth embodiment of the combined power plant of the present invention;
FIG. 10 is a block diagram showing an example of a conventional combined power plant.
[Explanation of symbols]
10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18
Combined power plant
20 FC Power Generation Department
21 First stage FC power generation section
21A Cooling first stage FC power generation section
22 Second stage FC power generation section
22A Cooling 2nd stage FC power generation section
23 Third stage FC power generation section
24 Reaction gas heat exchanger
30, 30A combustion section
31 1st stage combustion part
32 Second stage combustion section
33 Third stage combustion section
40 GT power generation unit
50 Preheating regeneration section
60 Reaction gas heating section
61, 61a, 61b First stage reaction gas heating section
62, 62a, 62b Second stage reaction gas heating section
63 Third stage reaction gas heating section
70 GT exhaust heat recovery unit
71, 71f₁, 71f₂, 71f_Three  Steam generator for reforming
72 Steam generator
80 Fuel gas supply unit
90 Recycling Department
91 Recycling fan
92 Heat exchanger
92A 1st stage heat exchanger
92B 2nd stage heat exchanger
a Air
f Fuel gas
g Exhaust gas
s steam
a₁, A₂, A_Three                    Air electrode exhaust gas
g₁, G₂, G_Three                    Fuel electrode exhaust gas
100 FC power generation unit
200 Combustion section
300 Reaction gas heating section
320 Fuel gas heating section
340 Air heating unit
400 GT power generation unit
420 Combustor
440 Gas turbine
460 Air compressor
480 generator
500 GT exhaust heat recovery unit
520 Air preheat regenerator
540 Fuel gas preheat regenerator
560 steam generator
580 Chimney
600 Fuel gas supply unit
700 Air supply unit
1000 Combined power plant

Claims

Combustion that generates high-temperature driving gas by burning an FC power generation unit that generates electricity by electrochemically reacting air and fuel gas via an electrolyte, and air electrode exhaust gas and fuel electrode exhaust gas discharged from the FC power generation unit A GT power generation unit including a compressor that compresses the supplied air into air to be supplied to the air electrode, and a gas turbine that operates a generator that outputs electric power by the driving gas, and the gas turbine In a combined power plant composed of a steam turbine that is driven by steam generated from exhaust gas discharged to the GT exhaust heat recovery unit and outputs electric power, a plurality of the FC power generation units are arranged in series. the exhaust gas discharged by power generation is supplied to the subsequent FC power generation unit, by utilizing the heat generated in the combustion portion of exhaust gas discharged from the preceding FC power generation portion allowed to warm before the combustion gas Combined cycle power plant, characterized in that it comprises a fuel gas heating unit for supplying the subsequent stage FC power generation unit.

2. The specification of the first stage fuel gas heating section that raises the temperature with the exhaust gas discharged from the preceding FC power generation section and the latter stage fuel gas heating section that raises the temperature with the exhaust gas discharged from the latter stage FC power generation section are different. The combined power plant described.

3. The combined power plant according to claim 1, further comprising an air heating unit configured to heat air supplied to the preceding FC power generation unit with exhaust gas heated by the combustion unit.

The air and fuel gas, which are interposed between the gas turbine and the GT exhaust heat recovery unit and are supplied to the first stage FC power generation unit, are preheated with the exhaust gas discharged from the gas turbine. The combined power plant according to any one of claims 1 to 3 , further comprising a preheating regeneration unit that exhausts exhaust gas to the GT exhaust heat recovery unit.

Preheating regeneration provided in the GT exhaust heat recovery unit is provided with a number of FC power generation units capable of heating the air and the fuel gas to a required temperature supplied from the air supply unit and the fuel supply unit to the first stage FC power generation unit. The combined power plant according to any one of claims 1 to 3, wherein a portion is omitted.

At least a first stage FC power generation portion of the FC power generation portion, claim 1, characterized in that it is in the cooling FC power generation unit to operate than conventional FC power generation portion by the air and fuel gas cold 3 A combined power plant according to any one of the above .

A plurality of the FC power generation units are arranged in series, and the fuel electrode exhaust gas and the air electrode exhaust gas discharged from the front stage FC power generation unit to the rear stage FC power generation unit are separately separated from the fuel electrode and the air electrode of the rear stage FC power generation unit. The combined power plant according to any one of claims 1 to 3, wherein each of the combined power plants is supplied with power to generate electric power.