JP5123453B2 - タービン発電設備 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電設備とタービンとを組み合わせて発電を行うタービン発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池（ＦＣ）発電設備は、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を行う装置で、高い発電効率で電気エネルギーを発生させることができる。また、ＦＣ発電設備は、空気と燃料ガスとを電気化学反応させて発電を行うＦＣ発電部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。
【０００３】
従って、熱エネルギーをガスタービンのトッピングサイクルや蒸気タービンのボトミングサイクルにより回収して発電に利用することが種々検討され、ＦＣ発電設備、ガスタービン及び蒸気タービンを組み合わせた複合発電設備（タービン発電設備）が省エネルギー効率の高い設備として期待されている。
【０００４】
ＦＣ発電設備では、燃料ガスとしてメタン等の天然ガスが使用され、燃料ガスは蒸気により改質されて水素分が空気の酸素分と反応して発電が行われるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなタービン発電設備では、複数のＦＣ発電部を直列に配置して前段ＦＣ発電部から排出される排出ガスを後段ＦＣ発電部に供給して発電することが考えられている。複数のＦＣ発電部を直列に配置した場合、最上流側のＦＣ発電部に全てのＦＣ発電部で必要な量の燃料ガスとこの燃料ガスの改質に必要な量の蒸気を供給するようになっている。燃料ガスの改質のためには、即ち、燃料ガス中の炭素を分離して水素を得るためには、一般に、燃料ガス中の炭素分のモル比の約３倍の蒸気量が必要となっている。このため、複数のＦＣ発電部を直列に配置した従来のタービン発電設備では、多量の改質用の蒸気が必要となっていた。
【０００７】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池発電部を直列に配置した設備であっても、燃料ガスの改質のための蒸気量を多量に必要としない燃料電池発電設備を備えたタービン発電設備を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明のタービン発電設備の構成は、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燃料電池部と、吸入空気を圧縮して燃料電池部に導入する圧縮機及び燃料電池部の排気により作動されるガスタービンを有するタービン発電部と、ガスタービンの排気ガスにより蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで発生した蒸気により作動される蒸気タービンを有する蒸気タービン発電部とからなるタービン発電設備において、複数の燃料電池部を直列に配置し、それぞれの燃料電池部に各燃料電池部で必要な量の燃料ガスをそれぞれ導入する燃料導入手段を設け、最上流の燃料電池部に導入される燃料ガスを改質するための蒸気を、排熱回収ボイラ及び蒸気タービンから抽気された蒸気を前記最上流の燃料電池部から排出される燃料ガスにより予熱して、前記最上流の燃料電池部に供給する蒸気供給手段を設け、下流側の燃料電池部の燃料ガスには、隣接する上流側の燃料電池部で燃料ガスを改質した蒸気及び電気化学反応により生じた水分（蒸気）が供給され、燃料ガスが改質されることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本願発明の参考例の燃料電池発電設備は、図１に概略構成を示すように、空気と燃料ガスｆとを電解質を介して電気化学反応させて発電を行う燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅが直列に配置されて構成されている。それぞれの燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅには、各燃料電池部で必要な量の燃料ガスｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５がそれぞれ導入されるようになっている。最上流の燃料電池部１ａに導入される燃料ガスｆ１を改質するための蒸気Ｓｔが燃料ガスｆ１に供給される。
【００１４】
燃料電池部１における蒸気Ｓｔの供給の態様としては、図２(a) に示すように、電解質５１を挟んで燃料通路５２及び空気通路５３を設け、燃料通路５２の燃料ガスｆに蒸気Ｓｔを直接供給することが可能である。また、図２(b) に示すように、電解質５１を挟んで燃料通路５２及び空気通路５３を設けると共に、燃料通路５２の内部に改質用通路５４を設け、改質用通路５４に燃料ガスｆと蒸気Ｓｔを供給して燃料ガスｆの改質を行い、改質された燃料を燃料通路５２に送給することが可能である。
【００１５】
下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅにそれぞれ導入される燃料ガスｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５には、隣接する上流側の燃料電池部で燃料ガスを改質した蒸気（最上流の燃料電池部１ａに導入される燃料ガスｆ１を改質するための蒸気Ｓｔがそのまま送られる）及び電気化学反応により生じた水分（蒸気）が供給され、燃料ガスｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５が改質される。このため、燃料電池発電設備の全体に対して供給する蒸気Ｓｔは、最上流の燃料電池部１ａに導入される燃料ガスｆ１の炭素分のモル比の３倍程度の量だけとなって、燃料ガスｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５の総計の炭素分のモル比の３倍量は必要としない。
【００１６】
ここで、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの燃料利用率（燃料ガスの消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料ガスｆ１中の炭素分の重量を２０と仮定して、燃料電池部１ａで発電のために消費される炭素分の重量は１６となり、残りの炭素分の重量の４は燃料電池部１ｂに送られる。そして、燃料ガスｆ１に供給される改質用の蒸気Ｓｔの量は６０となる。
【００１７】
下流側の燃料電池部１ｂには残りの炭素分の重量の４と燃料ガスｆ２中の炭素分の重量１６とが合わされて炭素分の重量が２０となる。炭素分の重量が２０となった燃料は、燃料ガスｆ１を改質した蒸気Ｓｔ（６０）及び燃料電池部１ａの電気化学反応で得られた水分（蒸気）により改質されて下流側の燃料電池部１ｂに送られる。順次、燃料電池部１ｃ，１ｄ，１ｅでは燃料中の炭素分の重量が２０となって、上流側からの蒸気Ｓｔ（６０）及び上流側の燃料電池部の電気化学反応で得られた水分が加えられて改質される。
【００１８】
最後流の燃料電池部１ｅからの炭素分の重量の４は、別途設けられたタービン発電設備の燃焼器等に回収される。燃料ガスｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５の総計の炭素分が８４（２０＋１６＋１６＋１６＋１６）となり、排出される炭素分が４となり、燃料利用率は、８０／８４で９５％となる。
【００１９】
従って、燃料電池発電設備には、燃料ガスｆ１だけの炭素分に応じた蒸気を供給すればよく、供給する蒸気量を最小限（例えば、６０）にすることができる。また、各燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅは、同一の燃料利用率のものを用いているので、同一構成とすることができる。また、各燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅで燃料の改質がそれぞれ行われているが、改質反応は吸熱反応であるため、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅのそれぞれで冷却が行なわれ、機器の耐久性が向上し信頼性が高まる。また、改質反応は吸熱反応であるため、消費される燃料がその分吸熱されて実質燃料の発熱が増えることになり、燃料の熱回収により発電効率が向上する。
【００２０】
尚、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに導入する燃料量を全て同一にして説明したが、後流側の燃料電池部には電気化学反応で得られた水分（蒸気）が加えられていくため、加えられた水分（蒸気）に応じて燃料量を増加させるようにすることも可能である。これにより、燃料量と改質のための蒸気量の割合を最適にすることが可能となる。この場合、燃料電池部の燃料利用率により増加した燃料量に応じて最後流の燃料電池部１ｅから排出される燃料量も増加するが、排出される燃料の温度をガスタービンの燃焼器に投入する温度にマッチさせて燃焼器に回収する等することで、トータルとしての燃料利用率を低下させずに蒸気量と燃料量との割合を最適にすることが可能である。
【００２１】
因みに、燃料利用率が、８０／８４で９５％となる条件で、各燃料電池部の燃料利用率を８０％とした場合、最上流側の燃料電池部に全ての燃料電池部で必要な量の燃料ガスを導入する従来のものでは、図３に示すように、蒸気量は炭素分８４のモル比の３倍である２５２が必要となる。このため、単純計算で、従来改質のために２５２の蒸気量が必要であったのが、本願発明の参考例では、６０の蒸気量で同等の効率を維持した燃料電池発電設備となる。
【００２２】
【実施例】
以下図面に基づいて本発明の燃料電池発電設備を備えたタービン発電設備を説明する。図４には本発明の参考例に係る燃料電池発電設備を備えたタービン発電設備の概略系統を示してある。尚、図１に相当する部位には同一符号を付してある。
【００２３】
図に示した参考例におけるタービン発電設備２０は、圧縮機２１及び燃焼器２２及びタービン２３を有する燃焼タービン（ガスタービン）２４と、燃焼タービン２４の排気との間で蒸気を発生させる蒸気発生手段（排熱回収ボイラ）２５と、排熱回収ボイラ２５で発生した蒸気が作動流体となって導入される蒸気タービン２６とで構成されている。
【００２４】
そして、ガスタービン２４の圧縮機２１からの圧縮空気が燃料電池（ＦＣ）発電設備２７の作動空気として供給され、ＦＣ発電設備２７の排出ガスが燃焼器２２に導入されて回収される。圧縮機２１で圧縮された空気は任意の割合で燃焼器２２に導入される。燃焼器２２には排出ガスと共に燃料fcが導入され、燃焼器２２の燃焼ガスがタービン２３で膨張される。タービン２３には発電機２８が連結され、タービン２３の作動により発電が行われる。
【００２５】
タービン２３の排気は排熱回収ボイラ２５に送られ、熱回収されて煙突STCKから大気に放出される。排熱回収ボイラ２５で発生した蒸気は蒸気タービン２６に送られて仕事が行われる。蒸気タービン２６には発電機３１が連結され、蒸気タービン２６の作動により発電が行われる。蒸気タービン２６の排気蒸気は復水器３２で復水され、排熱回収ボイラ２５に送られて発生蒸気とされる。
【００２６】
ＦＣ発電設備２７は、空気と燃料ガスｆとを電解質を介して電気化学反応させて発電を行う燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅが直列に配置されている。そして、燃料電池部１ａと燃料電池部１ｂの空気極と燃料極との間がそれぞれ空気極排気部２ａと燃料極排気部３ａとで連通し、燃料電池部１ｂと燃料電池部１ｃの空気極と燃料極との間がそれぞれ空気極排気部２ｂと燃料極排気部３ｂとで連通している。
【００２７】
また、燃料電池部１ｃと燃料電池部１ｄの空気極と燃料極との間がそれぞれ空気極排気部２ｃと燃料極排気部３ｃとで連通し、更に、燃料電池部１ｄと燃料電池部１ｅの空気極と燃料極との間がそれぞれ空気極排気部２ｄと燃料極排気部３ｄとで連通している。燃料電池部１ｅの空気極と燃料極とは排出ガス通路４，５により燃焼器２２につながっている。
【００２８】
各燃料電池部１を空気極排気部２と燃料極排気部３とで連通したので、燃料電池部１の内部の構造、即ち、発電部や電解質の配置、流体通路の形状等の制約が減少し、燃料電池部１の設計の自由度が増す。
【００２９】
尚、燃料電池部１は２つ乃至４つを直列に配置したり６つ以上を直列に配置することが可能である。また、排出ガス通路４，５の排出ガスを別途燃焼部で燃焼させ、燃焼後の排出ガスを燃焼器２に供給することも可能である。
【００３０】
空気極排気部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄには空気予熱手段としての空気予熱器６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄがそれぞれ備えられ、燃料極排気部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄには燃料予熱手段としての燃料予熱器７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄがそれぞれ備えられている。
【００３１】
圧縮機２１で圧縮された空気は排熱回収ボイラ２５で予熱され、空気導入路８から最上流側の燃料電池部１ａに導入される。空気導入路８は空気予熱器６ｄ，６ｃ，６ｂ，６ａをそれぞれ経由し、空気予熱器６ｄ，６ｃ，６ｂ，６ａでは、最上流側の燃料電池部１ａに導入される空気と作動を終えた排気との間で熱交換が行われて空気が予熱される。このため、特別な熱源を設けることなく圧縮機２１で圧縮された空気を予熱することができる。
【００３２】
燃料ガスｆは排熱回収ボイラ２５で予熱され、燃料導入路９（燃料導入手段）から分配器１０（燃料導入手段）に送られ、分配器１０で適宜割合に分配されて分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅから路燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅにそれぞれ必要な量が導入される。燃料導入路９は燃料予熱器７ｄ，７ｃ，７ｂ，７ａをそれぞれ経由し、分配器１０から燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに導入される燃料ガスと作動を終えた排気との間で熱交換が行われて燃料ガスｆが予熱される。このため、特別な熱源を設けることなく燃料ガスｆを予熱することができる。
【００３３】
排熱回収ボイラ２５の中圧系の高温部から分岐して蒸気供給手段としての蒸気供給路１２が備ええられ、蒸気供給路１２は、分配器１０から最上流側の燃料電池部１ａに燃料ガスｆを導入する分配路９ａにつながれている。分配路９ａに蒸気供給路１２から蒸気Ｓｔが供給されることで、最上流側の燃料電池部１ａに導入される燃料ガスｆ（図１のｆ１に相当）が蒸気Ｓｔ（図１のＳｔに相当）により改質される。蒸気供給路１２は燃料予熱器７ａを経由し、分配路９ａに供給される蒸気Ｓｔが燃料予熱器７ａで予熱される。このため、特別な熱源を設けることなく蒸気Ｓｔを予熱することができる。
【００３４】
上記構成のタービン発電設備２０では、ガスタービン２４の圧縮機２１からの圧縮空気が空気予熱器６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを経由した空気導入路８からＦＣ発電設備２７の作動空気として供給される。また、燃料ガスｆが燃料予熱器７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄを経由した燃料導入路９から分配器１０に送られ、分配器１０から燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに必要量が分配されてそれぞれ導入される（図１のｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５に相当）。また、蒸気供給路１２から導入路１１に蒸気が供給され、最上流側の燃料電池部１ａに導入される燃料ガスｆ（ｆ１）が改質される。
【００３５】
下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅにそれぞれ導入される燃料ガス（図１のｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５に相当）には、隣接する上流側の燃料電池部１で燃料ガスを改質した蒸気（最上流の燃料電池部１ａに導入される燃料ガスｆ１を改質するための蒸気Ｓｔがそのまま送られる）及び電気化学反応により生じた水分（蒸気）が供給され、燃料ガスｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５が改質される。このため、ＦＣ発電設備２７の全体に対して供給する蒸気Ｓｔは、最上流の燃料電池部１ａに導入される燃料ガスｆ１の炭素分のモル比の３倍程度の量（図１の６０に相当）だけとなる。
【００３６】
ＦＣ発電設備２７で作動を終えた作動空気及び作動用燃料の排出ガスは排出ガス通路４，５から燃焼器２２に導入され、排出ガスは燃焼燃料fcと共に燃焼器２２で燃焼される。燃焼器２２の燃焼ガスはタービン２３に導入され、膨張された後排気される。タービン２３の排気は排熱回収ボイラ２５に送られ、排熱回収ボイラ２５で発生した蒸気は蒸気タービン２６に送られて仕事が行われる。タービン２３及び蒸気タービン２６の作動により発電機２８及び発電機３１が作動されて発電が行われると共に、ＦＣ発電設備２７で発電が行われる。
【００３７】
尚、上述した参考例では、ＦＣ発電設備２７とガスタービン２４とを組み合わせ、ＦＣ発電設備２７の作動空気をガスタービン２４の圧縮機２１から供給し、ＦＣ発電設備２７からの排出ガスを燃焼器２２で回収するようにしたタービン発電設備を例に挙げて説明してが、ＦＣ発電設備２７に供給される作動空気及び蒸気の供給源及びＦＣ発電設備２７から排出される排出ガスの導入先は図示例に限定されるものではなく、他の任意の系統とすることも可能である。
【００３８】
従って、ＦＣ発電設備２７には、燃料ガスｆ１だけの炭素分に応じた蒸気を供給すればよく、供給する蒸気量を最小限にしたタービン発電設備とすることができ、排熱回収ボイラ２５の負担を最小限に抑えて効率低下を抑制することができる。また、各燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅで燃料の改質がそれぞれ行われているが、改質反応は吸熱反応であるため、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅのそれぞれで冷却が行なわれ、機器の耐久性が向上し、タービン発電設備の信頼性が高まる。また、改質反応は吸熱反応であるため、消費される燃料がその分吸熱されて実質燃料の発熱が増えることになり、燃料の熱回収により発電効率が向上し、タービン発電設備の発電効率を向上させることができる。
【００３９】
図５に基づいて本発明の実施例に係るタービン発電設備を説明する。尚、図４に示したＦＣ発電設備２７及びタービン発電設備２０と同一構成部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【００４０】
図５に示したタービン発電設備４１は、蒸気タービン２６の途中段から蒸気を抽気する抽気通路４２を備え、抽気通路４２からの蒸気を燃料予熱器７ａの前流側の蒸気供給路１２に合流させた構成となっている。最上流の燃料電池部１ａに導入される燃料ガスｆ１の改質用の蒸気Ｓｔとして、排熱回収ボイラ２５からの蒸気と蒸気タービン２６の途中段からの蒸気とが用いられる。
【００４１】
燃料電池部１ａに導入する燃料ガスｆ１を改質するための蒸気の圧力は、圧縮機２１で圧縮された空気の圧力とマッチングさせる必要がある。このため、蒸気タービン２６から抽気する圧力を任意にすることで、排熱回収ボイラ２５の任意の圧力（高圧系）の蒸気を供給しても、圧縮機２１で圧縮された空気の圧力とマッチングさせることが可能になり、排熱回収ボイラ２５からの蒸気の圧力の制約を少なくすることができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明のタービン発電設備は、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燃料電池部と、吸入空気を圧縮して燃料電池部に導入する圧縮機及び燃料電池部の排気により作動されるガスタービンを有するタービン発電部と、ガスタービンの排気ガスにより蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで発生した蒸気により作動される蒸気タービンを有する蒸気タービン発電部とからなるタービン発電設備において、複数の燃料電池部を直列に配置し、それぞれの燃料電池部に各燃料電池部で必要な量の燃料ガスをそれぞれ導入する燃料導入手段を設け、最上流の燃料電池部に導入される燃料ガスを改質するための蒸気を排熱回収ボイラから供給する蒸気供給手段を設け、下流側の燃料電池部の燃料ガスには、隣接する上流側の燃料電池部で燃料ガスを改質した蒸気及び電気化学反応により生じた水分（蒸気）が供給され、燃料ガスが改質されるようにしたので、最上流の燃料電池部に導入される燃料ガスを改質するための蒸気により複数の燃料電池部に導入される燃料の改質を行うことができる燃料電池発電設備を備えたタービン発電設備となる。この結果、燃料電池発電部を直列に配置した設備であっても、燃料ガスの改質のため排熱回収ボイラから供給される蒸気量を多量に必要としない燃料電池発電設備を備えたタービン発電設備となり、排熱回収ボイラの負担を最小限に抑えて効率低下を抑制することができる。
【００４９】
また、蒸気供給手段は、排熱回収ボイラからの蒸気及び蒸気タービンからの抽気蒸気を供給するようにしたので、蒸気タービンからの抽気蒸気の圧力を任意とすることで、排熱回収ボイラからの蒸気の圧力に関する制限を抑制すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例に係る燃料電池発電設備の概略系統図。
【図２】燃料電池部の概略構成図。
【図３】従来の燃料電池発電設備の概略系統図。
【図４】 本発明の参考例に係る燃料電池発電設備を備えたタービン発電設備の概略系統図。
【図５】 本発明の実施例に係る燃料電池発電設備を備えたタービン発電設備の概略系統図。
【符号の説明】
１ 燃料電池部
２ 空気極排気部
３ 燃料極排気部
４，５ 排出ガス通路
６ 空気予熱器
７ 燃料予熱器
８ 空気導入路
９ 燃料導入路
１０ 分配器
１２ 蒸気供給路
２０ タービン発電設備
２１ 圧縮機
２２ 燃焼器
２３ タービン
２４ 燃焼タービン（ガスタービン）
２５ 排熱回収ボイラ
２６ 蒸気タービン
２７ 燃料電池（ＦＣ）発電設備
２８，３１ 発電機
３２ 復水器
５１ 電解質
５２ 燃料通路
５３ 空気通路
５４ 改質用通路
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電設備とタービンとを組み合わせて発電を行うタービン発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池（ＦＣ）発電設備は、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を行う装置で、高い発電効率で電気エネルギーを発生させることができる。また、ＦＣ発電設備は、空気と燃料ガスとを電気化学反応させて発電を行うＦＣ発電部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。
【０００３】
従って、熱エネルギーをガスタービンのトッピングサイクルや蒸気タービンのボトミングサイクルにより回収して発電に利用することが種々検討され、ＦＣ発電設備、ガスタービン及び蒸気タービンを組み合わせた複合発電設備（タービン発電設備）が省エネルギー効率の高い設備として期待されている。
【０００４】
ＦＣ発電設備では、燃料ガスとしてメタン等の天然ガスが使用され、燃料ガスは蒸気により改質されて水素分が空気の酸素分と反応して発電が行われるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなタービン発電設備では、複数のＦＣ発電部を直列に配置して前段ＦＣ発電部から排出される排出ガスを後段ＦＣ発電部に供給して発電することが考えられている。複数のＦＣ発電部を直列に配置した場合、最上流側のＦＣ発電部に全てのＦＣ発電部で必要な量の燃料ガスとこの燃料ガスの改質に必要な量の蒸気を供給するようになっている。燃料ガスの改質のためには、即ち、燃料ガス中の炭素を分離して水素を得るためには、一般に、燃料ガス中の炭素分のモル比の約３倍の蒸気量が必要となっている。このため、複数のＦＣ発電部を直列に配置した従来のタービン発電設備では、多量の改質用の蒸気が必要となっていた。
【０００７】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池発電部を直列に配置した設備であっても、燃料ガスの改質のための蒸気量を多量に必要としない燃料電池発電設備を備えたタービン発電設備を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明のタービン発電設備の構成は、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燃料電池部と、吸入空気を圧縮して燃料電池部に導入する圧縮機及び燃料電池部の排気により作動されるガスタービンを有するタービン発電部と、ガスタービンの排気ガスにより蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで発生した蒸気により作動される蒸気タービンを有する蒸気タービン発電部とからなるタービン発電設備において、複数の燃料電池部を直列に配置し、それぞれの燃料電池部に各燃料電池部で必要な量の燃料ガスをそれぞれ導入する燃料導入手段を設け、最上流の燃料電池部に導入される燃料ガスを改質するための蒸気を、排熱回収ボイラ及び蒸気タービンから抽気された蒸気を前記最上流の燃料電池部から排出される燃料ガスにより予熱して、前記最上流の燃料電池部に供給する蒸気供給手段を設け、下流側の燃料電池部の燃料ガスには、隣接する上流側の燃料電池部で燃料ガスを改質した蒸気及び電気化学反応により生じた水分（蒸気）が供給され、燃料ガスが改質されることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本願発明の参考例の燃料電池発電設備は、図１に概略構成を示すように、空気と燃料ガスｆとを電解質を介して電気化学反応させて発電を行う燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅが直列に配置されて構成されている。それぞれの燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅには、各燃料電池部で必要な量の燃料ガスｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５がそれぞれ導入されるようになっている。最上流の燃料電池部１ａに導入される燃料ガスｆ１を改質するための蒸気Ｓｔが燃料ガスｆ１に供給される。
【００１４】
燃料電池部１における蒸気Ｓｔの供給の態様としては、図２(a) に示すように、電解質５１を挟んで燃料通路５２及び空気通路５３を設け、燃料通路５２の燃料ガスｆに蒸気Ｓｔを直接供給することが可能である。また、図２(b) に示すように、電解質５１を挟んで燃料通路５２及び空気通路５３を設けると共に、燃料通路５２の内部に改質用通路５４を設け、改質用通路５４に燃料ガスｆと蒸気Ｓｔを供給して燃料ガスｆの改質を行い、改質された燃料を燃料通路５２に送給することが可能である。
【００１５】
下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅにそれぞれ導入される燃料ガスｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５には、隣接する上流側の燃料電池部で燃料ガスを改質した蒸気（最上流の燃料電池部１ａに導入される燃料ガスｆ１を改質するための蒸気Ｓｔがそのまま送られる）及び電気化学反応により生じた水分（蒸気）が供給され、燃料ガスｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５が改質される。このため、燃料電池発電設備の全体に対して供給する蒸気Ｓｔは、最上流の燃料電池部１ａに導入される燃料ガスｆ１の炭素分のモル比の３倍程度の量だけとなって、燃料ガスｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５の総計の炭素分のモル比の３倍量は必要としない。
【００１６】
ここで、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅの燃料利用率（燃料ガスの消費割合）が８０％であると仮定すると、燃料ガスｆ１中の炭素分の重量を２０と仮定して、燃料電池部１ａで発電のために消費される炭素分の重量は１６となり、残りの炭素分の重量の４は燃料電池部１ｂに送られる。そして、燃料ガスｆ１に供給される改質用の蒸気Ｓｔの量は６０となる。
【００１７】
下流側の燃料電池部１ｂには残りの炭素分の重量の４と燃料ガスｆ２中の炭素分の重量１６とが合わされて炭素分の重量が２０となる。炭素分の重量が２０となった燃料は、燃料ガスｆ１を改質した蒸気Ｓｔ（６０）及び燃料電池部１ａの電気化学反応で得られた水分（蒸気）により改質されて下流側の燃料電池部１ｂに送られる。順次、燃料電池部１ｃ，１ｄ，１ｅでは燃料中の炭素分の重量が２０となって、上流側からの蒸気Ｓｔ（６０）及び上流側の燃料電池部の電気化学反応で得られた水分が加えられて改質される。
【００１８】
最後流の燃料電池部１ｅからの炭素分の重量の４は、別途設けられたタービン発電設備の燃焼器等に回収される。燃料ガスｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５の総計の炭素分が８４（２０＋１６＋１６＋１６＋１６）となり、排出される炭素分が４となり、燃料利用率は、８０／８４で９５％となる。
【００１９】
従って、燃料電池発電設備には、燃料ガスｆ１だけの炭素分に応じた蒸気を供給すればよく、供給する蒸気量を最小限（例えば、６０）にすることができる。また、各燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅは、同一の燃料利用率のものを用いているので、同一構成とすることができる。また、各燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅで燃料の改質がそれぞれ行われているが、改質反応は吸熱反応であるため、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅのそれぞれで冷却が行なわれ、機器の耐久性が向上し信頼性が高まる。また、改質反応は吸熱反応であるため、消費される燃料がその分吸熱されて実質燃料の発熱が増えることになり、燃料の熱回収により発電効率が向上する。
【００２０】
尚、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに導入する燃料量を全て同一にして説明したが、後流側の燃料電池部には電気化学反応で得られた水分（蒸気）が加えられていくため、加えられた水分（蒸気）に応じて燃料量を増加させるようにすることも可能である。これにより、燃料量と改質のための蒸気量の割合を最適にすることが可能となる。この場合、燃料電池部の燃料利用率により増加した燃料量に応じて最後流の燃料電池部１ｅから排出される燃料量も増加するが、排出される燃料の温度をガスタービンの燃焼器に投入する温度にマッチさせて燃焼器に回収する等することで、トータルとしての燃料利用率を低下させずに蒸気量と燃料量との割合を最適にすることが可能である。
【００２１】
因みに、燃料利用率が、８０／８４で９５％となる条件で、各燃料電池部の燃料利用率を８０％とした場合、最上流側の燃料電池部に全ての燃料電池部で必要な量の燃料ガスを導入する従来のものでは、図３に示すように、蒸気量は炭素分８４のモル比の３倍である２５２が必要となる。このため、単純計算で、従来改質のために２５２の蒸気量が必要であったのが、本願発明の参考例では、６０の蒸気量で同等の効率を維持した燃料電池発電設備となる。
【００２２】
【実施例】
以下図面に基づいて本発明の燃料電池発電設備を備えたタービン発電設備を説明する。図４には本発明の参考例に係る燃料電池発電設備を備えたタービン発電設備の概略系統を示してある。尚、図１に相当する部位には同一符号を付してある。
【００２３】
図に示した参考例におけるタービン発電設備２０は、圧縮機２１及び燃焼器２２及びタービン２３を有する燃焼タービン（ガスタービン）２４と、燃焼タービン２４の排気との間で蒸気を発生させる蒸気発生手段（排熱回収ボイラ）２５と、排熱回収ボイラ２５で発生した蒸気が作動流体となって導入される蒸気タービン２６とで構成されている。
【００２４】
そして、ガスタービン２４の圧縮機２１からの圧縮空気が燃料電池（ＦＣ）発電設備２７の作動空気として供給され、ＦＣ発電設備２７の排出ガスが燃焼器２２に導入されて回収される。圧縮機２１で圧縮された空気は任意の割合で燃焼器２２に導入される。燃焼器２２には排出ガスと共に燃料fcが導入され、燃焼器２２の燃焼ガスがタービン２３で膨張される。タービン２３には発電機２８が連結され、タービン２３の作動により発電が行われる。
【００２５】
タービン２３の排気は排熱回収ボイラ２５に送られ、熱回収されて煙突STCKから大気に放出される。排熱回収ボイラ２５で発生した蒸気は蒸気タービン２６に送られて仕事が行われる。蒸気タービン２６には発電機３１が連結され、蒸気タービン２６の作動により発電が行われる。蒸気タービン２６の排気蒸気は復水器３２で復水され、排熱回収ボイラ２５に送られて発生蒸気とされる。
【００２６】
ＦＣ発電設備２７は、空気と燃料ガスｆとを電解質を介して電気化学反応させて発電を行う燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅが直列に配置されている。そして、燃料電池部１ａと燃料電池部１ｂの空気極と燃料極との間がそれぞれ空気極排気部２ａと燃料極排気部３ａとで連通し、燃料電池部１ｂと燃料電池部１ｃの空気極と燃料極との間がそれぞれ空気極排気部２ｂと燃料極排気部３ｂとで連通している。
【００２７】
また、燃料電池部１ｃと燃料電池部１ｄの空気極と燃料極との間がそれぞれ空気極排気部２ｃと燃料極排気部３ｃとで連通し、更に、燃料電池部１ｄと燃料電池部１ｅの空気極と燃料極との間がそれぞれ空気極排気部２ｄと燃料極排気部３ｄとで連通している。燃料電池部１ｅの空気極と燃料極とは排出ガス通路４，５により燃焼器２２につながっている。
【００２８】
各燃料電池部１を空気極排気部２と燃料極排気部３とで連通したので、燃料電池部１の内部の構造、即ち、発電部や電解質の配置、流体通路の形状等の制約が減少し、燃料電池部１の設計の自由度が増す。
【００２９】
尚、燃料電池部１は２つ乃至４つを直列に配置したり６つ以上を直列に配置することが可能である。また、排出ガス通路４，５の排出ガスを別途燃焼部で燃焼させ、燃焼後の排出ガスを燃焼器２に供給することも可能である。
【００３０】
空気極排気部２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄには空気予熱手段としての空気予熱器６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄがそれぞれ備えられ、燃料極排気部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄには燃料予熱手段としての燃料予熱器７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄがそれぞれ備えられている。
【００３１】
圧縮機２１で圧縮された空気は排熱回収ボイラ２５で予熱され、空気導入路８から最上流側の燃料電池部１ａに導入される。空気導入路８は空気予熱器６ｄ，６ｃ，６ｂ，６ａをそれぞれ経由し、空気予熱器６ｄ，６ｃ，６ｂ，６ａでは、最上流側の燃料電池部１ａに導入される空気と作動を終えた排気との間で熱交換が行われて空気が予熱される。このため、特別な熱源を設けることなく圧縮機２１で圧縮された空気を予熱することができる。
【００３２】
燃料ガスｆは排熱回収ボイラ２５で予熱され、燃料導入路９（燃料導入手段）から分配器１０（燃料導入手段）に送られ、分配器１０で適宜割合に分配されて分配路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅから路燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅにそれぞれ必要な量が導入される。燃料導入路９は燃料予熱器７ｄ，７ｃ，７ｂ，７ａをそれぞれ経由し、分配器１０から燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに導入される燃料ガスと作動を終えた排気との間で熱交換が行われて燃料ガスｆが予熱される。このため、特別な熱源を設けることなく燃料ガスｆを予熱することができる。
【００３３】
排熱回収ボイラ２５の中圧系の高温部から分岐して蒸気供給手段としての蒸気供給路１２が備ええられ、蒸気供給路１２は、分配器１０から最上流側の燃料電池部１ａに燃料ガスｆを導入する分配路９ａにつながれている。分配路９ａに蒸気供給路１２から蒸気Ｓｔが供給されることで、最上流側の燃料電池部１ａに導入される燃料ガスｆ（図１のｆ１に相当）が蒸気Ｓｔ（図１のＳｔに相当）により改質される。蒸気供給路１２は燃料予熱器７ａを経由し、分配路９ａに供給される蒸気Ｓｔが燃料予熱器７ａで予熱される。このため、特別な熱源を設けることなく蒸気Ｓｔを予熱することができる。
【００３４】
上記構成のタービン発電設備２０では、ガスタービン２４の圧縮機２１からの圧縮空気が空気予熱器６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを経由した空気導入路８からＦＣ発電設備２７の作動空気として供給される。また、燃料ガスｆが燃料予熱器７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄを経由した燃料導入路９から分配器１０に送られ、分配器１０から燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅに必要量が分配されてそれぞれ導入される（図１のｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５に相当）。また、蒸気供給路１２から導入路１１に蒸気が供給され、最上流側の燃料電池部１ａに導入される燃料ガスｆ（ｆ１）が改質される。
【００３５】
下流側の燃料電池部１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅにそれぞれ導入される燃料ガス（図１のｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５に相当）には、隣接する上流側の燃料電池部１で燃料ガスを改質した蒸気（最上流の燃料電池部１ａに導入される燃料ガスｆ１を改質するための蒸気Ｓｔがそのまま送られる）及び電気化学反応により生じた水分（蒸気）が供給され、燃料ガスｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５が改質される。このため、ＦＣ発電設備２７の全体に対して供給する蒸気Ｓｔは、最上流の燃料電池部１ａに導入される燃料ガスｆ１の炭素分のモル比の３倍程度の量（図１の６０に相当）だけとなる。
【００３６】
ＦＣ発電設備２７で作動を終えた作動空気及び作動用燃料の排出ガスは排出ガス通路４，５から燃焼器２２に導入され、排出ガスは燃焼燃料fcと共に燃焼器２２で燃焼される。燃焼器２２の燃焼ガスはタービン２３に導入され、膨張された後排気される。タービン２３の排気は排熱回収ボイラ２５に送られ、排熱回収ボイラ２５で発生した蒸気は蒸気タービン２６に送られて仕事が行われる。タービン２３及び蒸気タービン２６の作動により発電機２８及び発電機３１が作動されて発電が行われると共に、ＦＣ発電設備２７で発電が行われる。
【００３７】
尚、上述した参考例では、ＦＣ発電設備２７とガスタービン２４とを組み合わせ、ＦＣ発電設備２７の作動空気をガスタービン２４の圧縮機２１から供給し、ＦＣ発電設備２７からの排出ガスを燃焼器２２で回収するようにしたタービン発電設備を例に挙げて説明してが、ＦＣ発電設備２７に供給される作動空気及び蒸気の供給源及びＦＣ発電設備２７から排出される排出ガスの導入先は図示例に限定されるものではなく、他の任意の系統とすることも可能である。
【００３８】
従って、ＦＣ発電設備２７には、燃料ガスｆ１だけの炭素分に応じた蒸気を供給すればよく、供給する蒸気量を最小限にしたタービン発電設備とすることができ、排熱回収ボイラ２５の負担を最小限に抑えて効率低下を抑制することができる。また、各燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅで燃料の改質がそれぞれ行われているが、改質反応は吸熱反応であるため、燃料電池部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅのそれぞれで冷却が行なわれ、機器の耐久性が向上し、タービン発電設備の信頼性が高まる。また、改質反応は吸熱反応であるため、消費される燃料がその分吸熱されて実質燃料の発熱が増えることになり、燃料の熱回収により発電効率が向上し、タービン発電設備の発電効率を向上させることができる。
【００３９】
図５に基づいて本発明の実施例に係るタービン発電設備を説明する。尚、図４に示したＦＣ発電設備２７及びタービン発電設備２０と同一構成部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。
【００４０】
図５に示したタービン発電設備４１は、蒸気タービン２６の途中段から蒸気を抽気する抽気通路４２を備え、抽気通路４２からの蒸気を燃料予熱器７ａの前流側の蒸気供給路１２に合流させた構成となっている。最上流の燃料電池部１ａに導入される燃料ガスｆ１の改質用の蒸気Ｓｔとして、排熱回収ボイラ２５からの蒸気と蒸気タービン２６の途中段からの蒸気とが用いられる。
【００４１】
燃料電池部１ａに導入する燃料ガスｆ１を改質するための蒸気の圧力は、圧縮機２１で圧縮された空気の圧力とマッチングさせる必要がある。このため、蒸気タービン２６から抽気する圧力を任意にすることで、排熱回収ボイラ２５の任意の圧力（高圧系）の蒸気を供給しても、圧縮機２１で圧縮された空気の圧力とマッチングさせることが可能になり、排熱回収ボイラ２５からの蒸気の圧力の制約を少なくすることができる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明のタービン発電設備は、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燃料電池部と、吸入空気を圧縮して燃料電池部に導入する圧縮機及び燃料電池部の排気により作動されるガスタービンを有するタービン発電部と、ガスタービンの排気ガスにより蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで発生した蒸気により作動される蒸気タービンを有する蒸気タービン発電部とからなるタービン発電設備において、複数の燃料電池部を直列に配置し、それぞれの燃料電池部に各燃料電池部で必要な量の燃料ガスをそれぞれ導入する燃料導入手段を設け、最上流の燃料電池部に導入される燃料ガスを改質するための蒸気を排熱回収ボイラから供給する蒸気供給手段を設け、下流側の燃料電池部の燃料ガスには、隣接する上流側の燃料電池部で燃料ガスを改質した蒸気及び電気化学反応により生じた水分（蒸気）が供給され、燃料ガスが改質されるようにしたので、最上流の燃料電池部に導入される燃料ガスを改質するための蒸気により複数の燃料電池部に導入される燃料の改質を行うことができる燃料電池発電設備を備えたタービン発電設備となる。この結果、燃料電池発電部を直列に配置した設備であっても、燃料ガスの改質のため排熱回収ボイラから供給される蒸気量を多量に必要としない燃料電池発電設備を備えたタービン発電設備となり、排熱回収ボイラの負担を最小限に抑えて効率低下を抑制することができる。
【００４９】
また、蒸気供給手段は、排熱回収ボイラからの蒸気及び蒸気タービンからの抽気蒸気を供給するようにしたので、蒸気タービンからの抽気蒸気の圧力を任意とすることで、排熱回収ボイラからの蒸気の圧力に関する制限を抑制すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の参考例に係る燃料電池発電設備の概略系統図。
【図２】燃料電池部の概略構成図。
【図３】従来の燃料電池発電設備の概略系統図。
【図４】 本発明の参考例に係る燃料電池発電設備を備えたタービン発電設備の概略系統図。
【図５】 本発明の実施例に係る燃料電池発電設備を備えたタービン発電設備の概略系統図。
【符号の説明】
１ 燃料電池部
２ 空気極排気部
３ 燃料極排気部
４，５ 排出ガス通路
６ 空気予熱器
７ 燃料予熱器
８ 空気導入路
９ 燃料導入路
１０ 分配器
１２ 蒸気供給路
２０ タービン発電設備
２１ 圧縮機
２２ 燃焼器
２３ タービン
２４ 燃焼タービン（ガスタービン）
２５ 排熱回収ボイラ
２６ 蒸気タービン
２７ 燃料電池（ＦＣ）発電設備
２８，３１ 発電機
３２ 復水器
５１ 電解質
５２ 燃料通路
５３ 空気通路
５４ 改質用通路
Claims (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燃料電池部と、吸入空気を圧縮して燃料電池部に導入する圧縮機及び燃料電池部の排気により作動されるガスタービンを有するタービン発電部と、ガスタービンの排気ガスにより蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで発生した蒸気により作動される蒸気タービンを有する蒸気タービン発電部とからなるタービン発電設備において、
複数の燃料電池部を直列に配置し、それぞれの燃料電池部に各燃料電池部で必要な量の燃料ガスをそれぞれ導入する燃料導入手段を設け、
最上流の燃料電池部に導入される燃料ガスを改質するための蒸気を、排熱回収ボイラ及び蒸気タービンから抽気された蒸気を前記最上流の燃料電池部から排出される燃料ガスにより予熱して、前記最上流の燃料電池部に供給する蒸気供給手段を設け、
下流側の燃料電池部の燃料ガスには、隣接する上流側の燃料電池部で燃料ガスを改質した蒸気及び電気化学反応により生じた水分（蒸気）が供給され、燃料ガスが改質されることを特徴とするタービン発電設備。
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