JP5185658B2 - コンバインドシステム - Google Patents
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Description
この固体酸化物形燃料電池は、イオン電導率を高めるために作動温度が高くされているので、ガスタービンの圧縮機から吐出され、ガスタービンの排ガス熱を利用して高温とされた吐出空気を空気極側に供給する空気(酸化剤)として使用できる、また、固体酸化物形燃料電池で利用できなかった高温の燃料をガスタービンの燃焼器の燃料として使用できる等、ガスタービンとの相性がよい。
このため、たとえば、特許文献1に示されるように、高効率を達成できる発電システムとして固体酸化物形燃料電池とガスタービンとを組み合わせたコンバインド発電システムが提案されている。
一方、固体酸化物形燃料電池では、発電を行うためには、固体酸化物形燃料電池を、たとえば、600℃程度まで昇温する必要がある。
固体酸化物形燃料電池の運転開始時にこの昇温を吐出空気で行う場合、ガスタービン圧縮機の吐出空気では固体酸化物形燃料電池の昇温に十分な熱量を与えられないので、吐出空気を昇温するために別途燃焼器が備えられている。
このように、突然昇温した吐出空気が固体酸化物形燃料電池に提供されると、固体酸化物形燃料電池に熱衝撃(ヒートショック)がかかるので、機器の損傷等により耐久性が劣化する恐れがある。一方、固体酸化物形燃料電池が発熱し出すと、燃焼器による昇温が不要となる。燃焼器の運転を停止すると、前記と反対に100℃程度一気に降温されることになるので、固体酸化物形燃料電池の熱的自立状態が崩れる等、性能に影響が現れる。
この場合、モータで駆動される圧縮機が発生する吐出空気の圧力は低いので、固体酸化物形燃料電池の系内圧力をそれに合わせる必要がある。このため、固体酸化物形燃料電池とガスタービンとを切り離し、固体酸化物形燃料電池の系内圧力を調整し、再度両者を接続することになるので、作業時間が必要とされる。
本発明にかかるコンバインドシステムは、固体酸化物形燃料電池側に燃焼器を有し、ガスタービンの圧縮機からの吐出空気を前記固体酸化物形燃料電池に供給する空気供給ラインと、前記固体酸化物形燃料電池から排出される排出空気を前記ガスタービンのガスタービン燃焼器に供給する排出空気供給ラインと、を備えた固体酸化物形燃料電池およびガスタービンが結合されたコンバインドシステムであって、前記空気供給ラインの系統には、前記吐出空気を冷却する冷却器が備えられ、前記冷却器は、前記空気供給ラインから分岐し、合流する冷却ラインに備えられていることを特徴とする。
たとえば、固体酸化物形燃料電池の起動時における燃焼器点火による吐出空気の急激な温度上昇に対して、冷却器によってその温度上昇に見合う分だけ冷却することによって、この急激な温度上昇を抑制することができる。その後、冷却器による冷却を徐々に弱めることによって、吐出空気の温度を徐々に、滑らかに上昇させることができる。このように、燃焼器点火に伴う急激な温度上昇を抑制できるので、固体酸化物形燃料電池に与える熱衝撃を抑制することができる。
このように冷却器を用いて吐出空気を冷却できるようにしたことによって、ガスタービンの吐出空気の温度を細かく調整でき、固体酸化物形燃料電池の起動・停止時の熱衝撃を抑制できるとともに操作性を向上させることができる。
しかも、冷却器は、空気供給ラインから分岐し、合流する冷却ライン、言い換えると、空気供給ラインの一部と並列している冷却ラインに備えられているので、吐出空気を冷却ラインに選択的に通すことができる。
このため、固体酸化物形燃料電池の定常運転時に、吐出空気が冷却器を通過しないようにし、吐出空気に対する冷却器による圧損がかからないようにできるので、固体酸化物形燃料電池の運転を安定して行うことができる。
また、前記発明では、前記冷却ラインは、前記空気供給ラインから分岐される空気流量を調整する流量調整弁が備えられていてもよい。
このように、排出空気の温度を所定に維持できると、ガスタービンの燃焼器における燃焼状態の悪化を抑制できるし、燃焼状態を維持するために燃料の投入量を増加させることを不要とできる。
[第一実施形態]
本発明の第一実施形態にかかるSOFCコンバインド発電システムについて、図1を参照して説明する。
図1は、本実施形態にかかるSOFCコンバインド発電システムの概略構成を説明するブロック図である。
SOFCコンバインド発電システム1は、SOFC7による発電と、ガスタービン3による発電とを組み合わせて、高い発電効率を得るように構成したものである。
空気を導入して圧縮する圧縮機9は、タービン13と同軸に連結されている。
発電機5は、タービン13と同軸に連結されている。
この吐出空気はSOFC7で酸化剤として用いられた後、SOFC7の空気極側から排出空気として排出される。
この排出空気は、排出空気流路(排出空気供給ライン)17を通ってガスタービン燃焼器11に供給される。
排出空気流路17には、空気熱交換器23の下流側にSOFC7とガスタービン3とを切り離す第一開閉弁27が備えられている。
冷却装置31は、これに限らず水冷式のもの等、適宜形式のものが用いられてもよい。
冷却流路29の冷却装置31の上流側には、分岐点Cが設けられている。分岐点Cと排出空気流路17における第一開閉弁27の下流側に設けられた合流点Dとを接続するバイパス流路39が備えられている。バイパス流路39には、吐出空気の流量を調整する第三流量調整弁41が備えられている。
燃料ガス流路43には、排燃料ガス流路45の排燃料ガスから熱回収する燃料ガス熱交換器47が備えられている。排燃料ガス流路45には、排燃料ガスの圧力を調整する圧力制御弁49が備えられている。
燃焼ガスの供給を受けたタービン13では、燃焼ガスが膨張する際のエネルギーで回転して軸出力を発生する。この軸出力は、主として発電機5の駆動に使用されて電気エネルギーに変換されるが、一部は圧縮機9の駆動源として使用される。
燃焼ガスは、タービン13で仕事をした後には排燃焼ガスとして排出される。
あるいは、もともとSOFC7から排出された排燃料ガスを再びSOFC7の燃料極側に循環させる排燃料ガス循環流路を有するSOFCコンバインド発電システム1において、排燃料ガス循環流路を流れる排燃料ガスの少なくとも一部をガスタービン燃焼器11に送るように構成されていてもよい。
停止状態にあるガスタービン3およびSOFC7の運転を開始する時には、最初にガスタービン3の運転を開始する。
このとき、第一流量調整弁21、第一開閉弁27、第二流量調整弁33および圧力制御弁49は全閉とされ、第三流量調整弁41のみが開放されている。
ガスタービン燃焼器11は、この吐出空気を用いて別途供給される燃料ガスを燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成しタービン13へ供給する。
燃焼ガスは、タービン13で仕事をした後でも高温を保っており、エアヒータ19で吐出空気を加熱し、排燃焼ガスとして排出される。
その結果、ガスタービン3の負荷が順次上昇し、比較的短時間で定格運転に達し、発電機5による発電が可能になる。
吐出空気によってSOFC7を暖めるためにタイミングを見て第一流量調整弁21を開き吐出空気の一部をSOFC7へ供給する。少し遅れて第一開閉弁27を開いて、SOFC7から排出される排出空気をガスタービン燃焼器11へ供給する。
そして、第三流量調整弁41を徐々に閉め、一方で第一流量調整弁21を徐々に開き、最終的には、第一流量調整弁21のみが開いた状態とする。これにより順次昇温される吐出空気をSOFC7へ供給してSOFC7を徐々に昇温する。
このとき、燃焼器25を着火するタイミングで、冷却装置31によって燃焼器25に至る吐出空気の温度を低下させる。すなわち、第二流量調整弁33を開き、吐出空気の一部が冷却流路29を通過するようにし、かつ、モータ35によってファン37を回転する。
燃焼器25が点火されると、吐出空気は、たとえば、100℃程度一気に昇温されるが、冷却装置31によって燃焼器25に至る吐出空気の温度を、たとえば、100℃程度低下させておけば、燃焼器25を出てSOFC7へ供給される吐出空気の温度は変動しないこととなる。
さらに、燃焼器25に投入される燃料ガスの量を増加させることによって吐出空気は500℃程度からさらに昇温されてSOFC7に供給される。
また、燃焼器25の点火に伴う急激な温度上昇を抑制できるので、SOFC7に与える熱衝撃を抑制することができ、損傷等が発生するのを抑制することができる。
なお、この時点では圧力制御弁49は閉じられており、排燃料ガス流路45に供給されるSOFC7の燃料極から排出される排燃料ガスは図示しない排気ラインから排出され、ガスタービン燃焼器11には供給されていない。
これに伴いSOFC7からの排出空気の温度が上昇するが、この熱量は空気熱交換器23によって吐出空気と熱交換され一部回収される。
この場合、燃焼器25への燃料ガスの供給を徐々に少なくし点火時の最低投入量とする。これにより、燃焼器25から出る吐出空気の温度は、たとえば、600℃程度から500℃程度まで降温する。
これにより、最低量の燃料ガスとされている燃焼器25から出てSOFC7に供給される吐出空気の温度は、たとえば、500℃程度から400℃程度まで徐々に降温される。
その後、冷却通路29への吐出空気の導入を停止し、燃焼器25に至る吐出空気の温度を燃焼器25が消火されるタイミングに合わせ、圧縮機9からの吐出空気をそのままSOFC7へ供給するようにする。
これにより、燃焼器25の消火に伴いSOFC7へ供給される吐出空気の温度が一気に低下することを抑制できるので、この急激な温度変化によってSOFC7の熱的自立状態が崩れる等、性能に影響が現れることを抑制することができる。
このようにすると、吐出空気は冷却装置31を通過しないので、吐出空気は冷却器によって圧損を受けることを防止できる。
これにより、吐出空気はスムーズにSOFC7へ供給されるので、SOFC7の運転を安定して行うことができる。
冷却流路29を流れる割合および冷却装置31の冷却性能を調整することによって、SOFC7へ供給する吐出空気の温度を低温にすることができる。たとえば、吐出空気の全量を冷却流路29へ流し、冷却装置31で冷却することにより100℃以下にすることができる。
冷却流路29を流れる割合および冷却装置31の冷却性能を調整し、吐出空気の温度を100℃以下にまで徐々に低下させて吐出空気を供給することによってガスタービン3が運転中であってもSOFC7の温度を低下させることができるので、短時間に、簡単に、かつ、効率的に降温操作を行うことができる。
すなわち、自然冷却のように降温に2週間もかかることはない。また、圧縮機9を別途装備されたモータ、たとえば、発電機5で駆動して温度が低い吐出空気を作り降温するもののように、圧力を揃えるためにSOFC7とガスタービン3とを切り離し、圧力を調整した後、再度両者を接続する作業が不要となる。
次に、本発明の第二実施形態について、図2を用いて説明する。
本実施形態では、第一実施形態と基本的構成は同様であり、冷却通路29の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、この相違点について説明し、その他の部分については重複した説明を省略する。
なお、第一実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図2は、本実施形態にかかるSOFCコンバインド発電システム1の概略構成を説明するブロック図である。
また、バイパス流路39は、吐出空気流路15における分岐点Aよりも下流側に位置する分岐点C0と、排出空気流路17の合流点Dとを接続するように設置されている。
空気熱交換器23は、SOFC7が熱的自立状態となると、SOFC7から排出される比較的高温の排出空気と吐出空気流路15の比較的低温の吐出空気との間で熱交換を行っている。これにより、吐出空気は昇温されて燃焼器25に供給され、一方、排出空気は降温されてガスタービン燃焼器11に供給されている。
したがって、空気熱交換器23を通る排出空気は通常の熱量以上に熱量を奪われることはないので、ガスタービン燃焼器11に供給される排出空気の温度が所定以上に低下することを抑制することができる。これにより、ガスタービン燃焼器11の燃焼状態が悪化し、燃料ガスの投入量が増加する事態を回避することができる。
したがって、たとえば、第一実施形態のように燃焼器25での温度上昇の状態を予想して温度を調整するものと比較して調整精度を向上させることができる。
3 ガスタービン
7 SOFC
9 圧縮機
11 ガスタービン燃焼器
15 吐出空気流路
17 排出空気流路
23 空気熱交換器
25 燃焼器
29 冷却流路
31 冷却装置
Claims (3)
- 固体酸化物形燃料電池側に燃焼器を有し、ガスタービンの圧縮機からの吐出空気を前記固体酸化物形燃料電池に供給する空気供給ラインと、
前記固体酸化物形燃料電池から排出される排出空気を前記ガスタービンのガスタービン燃焼器に供給する排出空気供給ラインと、を備えた固体酸化物形燃料電池およびガスタービンが結合されたコンバインドシステムであって、
前記空気供給ラインの系統には、前記吐出空気を冷却する冷却器が備えられ、
前記冷却器は、前記空気供給ラインから分岐し、合流する冷却ラインに備えられていることを特徴とするコンバインドシステム。 - 前記冷却ラインは、前記空気供給ラインから分岐される空気流量を調整する流量調整弁が備えられていることを特徴とする請求項1に記載のコンバインドシステム。
- 前記冷却ラインは、前記吐出空気と前記排出空気との間で熱交換を行う熱交換器よりも上流側位置で前記空気供給ラインから分岐し、前記熱交換器よりも下流側位置で前記空気供給ラインに合流することを特徴とする請求項1または2に記載のコンバインドシステム。
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