JP5536165B2 - 複合発電システム - Google Patents
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Description
本発明は、複合発電システムに関し、特に他の発電装置と共に複合発電を行う燃料電池に関する。
燃料電池システムは、単独で運転する場合でも高効率運転が可能である。しかし、通常は、発生する熱や排ガスを利用するコジェネレーションシステムを組むことにより、より高効率なシステムとしての利用が考えられている。動作温度の低い固体高分子型やリン酸型の燃料電池では、発生する熱を利用する空調システムや給湯システムを一緒に組む例が、一般的である。一方、動作温度の高い溶融炭酸塩型や固体電解質型の燃料電池では、発生する高温（高圧）の排ガスを用いたガスタービンや蒸気タービンと組み合わせたシステムが提案されており研究が進んでいる。
一方で、溶融炭酸塩型や固体電解質型を用いる発電システムは、実績が非常に少ない。そのため、火力発電プラントのように広く普及するまでには至っていない。また、コジェネレーションシステムについては、他の発電方式のシステムの利用が始まった段階であり、燃料電池を利用したシステムの普及には時間がかかる状況に有る。そして、発電プラントの新設はコストが高くつくため、施設の増強（増設）の需要はあっても、新設の需要は少ない。そして、溶融炭酸塩型や固体電解質型を用いる新型プラントの設置は、技術リスクを伴うため、全くの新規設置の需要は少ない。
複合発電システムに関連する技術が、特開２０００−３３１６９８号公報に開示されている。
従って、本発明の目的は、既存の発電プラントをそのまま利用して、燃料電池との複合発電を構成することが可能な複合発電システムを提供することである。
また、本発明の別の目的は、既存の発電プラントの効率を向上させることが可能な複合発電システムを提供することである。
また、本発明の別の目的は、既存の発電プラントの信頼性を損なうことなく、燃料電池を併設し、複合発電を行なうことが可能な複合発電システムを提供することである。
更に、本発明の別の目的は、低コストで、複合発電を構成することが可能な複合発電システムを提供することである。
また、本発明の他の目的は、既存プラント、あるいは、燃料電池のみを単独で運転することも可能である複合発電システムを提供することである。
更に、本発明の他の目的は、発電を停止することなく継続的に行うことが可能である複合発電システムを提供することである。
以下に、［発明の実施の形態］で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
従って、上記課題を解決するために、本発明の複合発電システムは、予め決められた第１の運転条件に最適化されていて、供給される燃料ガスを用いて発電する既設の発電プラント（３、５３）と、前記第１の運転条件に影響を与えることなく運転可能で、また予め決められた第２の運転条件で最適化されていて、供給される燃料ガスを用いて発電し、残余の燃料ガスを前記既設の発電プラント（３、５３）に供給する新設の燃料電池（４、５２）を含む燃料電池部（２、５１）と、前記燃料電池部（２、５１）と前記発電プラント（３、５３）に燃料ガスを供給可能な燃料ガス分配部（８、５５）と、前記第１の運転条件と前記第２の運転条件とに基づいて前記燃料電池部（２、５１）と前記発電プラント（３、５３）に供給される前記燃料ガスの量を決定し、その決定に基づいて前記燃料ガス分配部（８、５５）を制御する制御部（１００、１０１）とを具備する。
また、本発明の複合発電システムは、前記燃料電池部（２、５１）と前記発電プラント（３、５３）に酸化剤ガスを供給可能な酸化剤ガス分配部（１０、５７）を更に具備し、前記制御部（１００、１０１）は、前記第１の運転条件と前記第２の運転条件とに基づいて前記燃料電池部（２、５１）と前記発電プラント（３、５３）に供給される前記酸化剤ガスの量を決定し、その決定に基づいて前記酸化剤ガス分配部（１０、５７）を制御する。
また、本発明の複合発電システムは、前記発電プラントは、ガスタービン（５）を具備する。
更に、本発明の複合発電システムは、前記発電プラントは、更に、排熱回収ボイラ（４１）を具備する。
更に、本発明の複合発電システムは、前記発電プラントは、ボイラ（５４）を具備する。
更に、本発明の複合発電システムは、前記燃料電池（４、５２）は、固定電解質型燃料電池である。
発明により、既存の発電プラントをそのまま利用して、且つ燃料電池との複合発電システムを構成し、発電プラントの効率を向上させることが可能となる。
以下、本発明である複合発電システムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施例において、ガスタービンとの複合発電に使用される複合発電システムを例に示して説明するが、燃料電池との組合せで複合的に発電が可能な他の発電プラントにおいても、適用可能である。
本実施例において、ガスタービンとの複合発電に使用される複合発電システムを例に示して説明するが、燃料電池との組合せで複合的に発電が可能な他の発電プラントにおいても、適用可能である。
（実施例１）
図１は、本発明である複合発電システムの第１の実施の形態の構成を示す構成図である。
図１は、既設のガスタービン関連設備あるいはそれらの改造したものと、新設の燃料電池トッピングシステムとからなる。
新設の燃料電池トッピングシステムは、燃料ガス分配部８、燃料ガスバイパスライン２３、燃料電池部２、酸化剤ガス分配部Ａ９、酸化剤ガスバイパスラインＡ２７、酸化剤ガス分配部Ｂ１０、燃焼ガスバイパスライン３０、燃焼ガス混合部１１及び制御部１００を具備する。ここで、燃料電池部２は、電池用燃料ガスライン２２−１〜２２−２と電池用酸化剤ガスライン２６−１〜２６−２と燃料電池本体４とを有する。
図１は、本発明である複合発電システムの第１の実施の形態の構成を示す構成図である。
図１は、既設のガスタービン関連設備あるいはそれらの改造したものと、新設の燃料電池トッピングシステムとからなる。
新設の燃料電池トッピングシステムは、燃料ガス分配部８、燃料ガスバイパスライン２３、燃料電池部２、酸化剤ガス分配部Ａ９、酸化剤ガスバイパスラインＡ２７、酸化剤ガス分配部Ｂ１０、燃焼ガスバイパスライン３０、燃焼ガス混合部１１及び制御部１００を具備する。ここで、燃料電池部２は、電池用燃料ガスライン２２−１〜２２−２と電池用酸化剤ガスライン２６−１〜２６−２と燃料電池本体４とを有する。
また、既設のガスタービン関連設備あるいはそれらの改造したものは、燃料ガス供給管２１、酸化剤ガス供給管２４、ガスタービン部３、酸化剤ガスバイパスラインＢ２８、燃焼部７、燃焼ガスライン３１を具備する。ここで、ガスタービン部３は、タービン用酸化剤ガスライン２５−１〜２５−２とタービン用燃焼ガスライン２９−１〜２９−２とガスタービン本体５と発電機６とを有する。そして、ガスタービン本体５は、タービン部５−１とコンプレッサ部５−２と駆動軸５−３を含む。
従来、燃料電池と、ガスタービンのような既存発電プラントとを組み合わせる複合発電システムは、どちらも設備を新設し、且つ同時に組み合わせて運転することが前提である。従って、装置の設計は、同時運転を前提として最適な設計が成される。
しかし、本発明の複合発電システムにおいては、単独運転を前提として設計されている既設のガスタービン（ガスタービン部３）や蒸気タービンのような発電プラントが対象である。そして、それら既存設備に対して、新規に燃料電池（燃料電池部２）を併設し、高効率な複合発電システムとして運用可能にする点が、従来技術と大きく異なる点である。
しかし、本発明の複合発電システムにおいては、単独運転を前提として設計されている既設のガスタービン（ガスタービン部３）や蒸気タービンのような発電プラントが対象である。そして、それら既存設備に対して、新規に燃料電池（燃料電池部２）を併設し、高効率な複合発電システムとして運用可能にする点が、従来技術と大きく異なる点である。
本発明の複合発電システムは、主に、燃料電池部２及び既存設備への対応機器からなる。そして、燃料電池トッピングシステムを既存の発電システムに付加する（トッピングする）ことにより、既設のガスタービンや蒸気タービンのような発電プラントの発電効率を向上させることが可能となる。また、既存の発電プラントのみの運転又は燃料電池のみの運転が可能であり、継続的な発電を行うことが可能である。加えて、既設の発電プラントに対する改良工事が少なく設置が容易である。
図１の各構成について説明する。
燃料ガス供給管２１は、燃料ガス分配部８に接続している。そして、図示しない燃料供給部より燃料ガスを燃料ガス分配部８へ供給する配管である。
燃料ガス分配部８は、燃料ガス供給管２１と燃料ガスバイパスライン２３と電池用燃料ガスライン２２−１とに接続している。そして、燃料ガス供給管２１から供給された燃料ガスを、燃料電池部２向けとガスタービン部３向け（＝燃焼部７向け）とに分配し送出する。分配の割合（量）は、制御部１００により制御される。
燃料ガスバイパスライン２３は、一端部を燃料ガス分配部８に、他端部を燃焼部７に接続している。そして、燃料ガス分配部８から送出された燃料ガスを燃焼部７へ送る配管である。
燃料ガス供給管２１は、燃料ガス分配部８に接続している。そして、図示しない燃料供給部より燃料ガスを燃料ガス分配部８へ供給する配管である。
燃料ガス分配部８は、燃料ガス供給管２１と燃料ガスバイパスライン２３と電池用燃料ガスライン２２−１とに接続している。そして、燃料ガス供給管２１から供給された燃料ガスを、燃料電池部２向けとガスタービン部３向け（＝燃焼部７向け）とに分配し送出する。分配の割合（量）は、制御部１００により制御される。
燃料ガスバイパスライン２３は、一端部を燃料ガス分配部８に、他端部を燃焼部７に接続している。そして、燃料ガス分配部８から送出された燃料ガスを燃焼部７へ送る配管である。
酸化剤ガス供給管２４は、酸化剤ガス分配部Ａ９に接続している。そして、図示しない酸化剤供給部より酸化剤ガスを酸化剤ガス分配部Ａ９へ供給する配管である。
酸化剤ガス分配部Ａ９は、酸化剤ガス供給管２４と酸化剤ガスバイパスラインＡ２７とタービン用酸化剤ガスライン２５−１とに接続している。そして、酸化剤ガス供給管２４から供給された酸化剤ガスを、燃料電池部２向け（但し、ガスタービン部３が停止中の場合）とガスタービン部３向けとに分配し送出する。分配の割合（量）は、制御部１００により制御される。
酸化剤ガスバイパスラインＡ２７は、一端部を酸化剤ガス分配部Ａ９に、他端部を酸化剤ガス分配部Ｂ１０に接続している。そして、酸化剤ガス分配部Ａ９から送出された酸化剤ガスを酸化剤ガス分配部Ｂ１０に送る配管である。これは、ガスタービン部３が停止し、且つ燃料電池部３が稼動中に、燃料電池へ酸化剤ガスを送るための管である。
酸化剤ガス分配部Ａ９は、酸化剤ガス供給管２４と酸化剤ガスバイパスラインＡ２７とタービン用酸化剤ガスライン２５−１とに接続している。そして、酸化剤ガス供給管２４から供給された酸化剤ガスを、燃料電池部２向け（但し、ガスタービン部３が停止中の場合）とガスタービン部３向けとに分配し送出する。分配の割合（量）は、制御部１００により制御される。
酸化剤ガスバイパスラインＡ２７は、一端部を酸化剤ガス分配部Ａ９に、他端部を酸化剤ガス分配部Ｂ１０に接続している。そして、酸化剤ガス分配部Ａ９から送出された酸化剤ガスを酸化剤ガス分配部Ｂ１０に送る配管である。これは、ガスタービン部３が停止し、且つ燃料電池部３が稼動中に、燃料電池へ酸化剤ガスを送るための管である。
酸化剤ガス分配部Ｂ１０は、酸化剤ガスバイパスラインＡ２７とタービン用酸化剤ガスライン２５−２と電池用酸化剤ガスライン２６−１と酸化剤ガスバイパスラインＢ２８とに接続している。そして、ガスタービン部３が稼動中の場合、タービン用酸化剤ガスライン２５−２からの加圧された酸化剤ガスを電池用酸化剤ガスライン２６−１へ供給し、運転状況に応じて、一部を燃焼部７へ直接供給する。ガスタービン部３が停止中であって燃料電池部２が動いている場合、酸化剤ガスバイパスラインＡ２７からの酸化剤ガスを電池用酸化剤ガスライン２６−１へ供給する。分配の割合（量）は、制御部１００により制御される。
酸化剤ガスバイパスラインＢ２８は、酸化剤ガス分配部Ｂ１０と燃焼部７とに接続されている。そして、酸化剤ガス分配部Ｂ１０からの酸化剤ガスを燃焼部７へ送る配管である。
酸化剤ガスバイパスラインＢ２８は、酸化剤ガス分配部Ｂ１０と燃焼部７とに接続されている。そして、酸化剤ガス分配部Ｂ１０からの酸化剤ガスを燃焼部７へ送る配管である。
燃焼部７は、電池用燃料ガスライン２２−２と、電池用酸化剤ガスライン２６−２と、酸化剤ガスバイパスラインＢ２８と、燃料ガスバイパスライン２３とタービン用燃焼ガスライン２９−１と燃焼ガスバイパスライン３０とに接続している。燃料電池部２からの使用済みの燃料ガスである排燃料ガス（電池用燃料ガスライン２２−２経由）、使用済みの酸化剤ガスである排酸化剤ガス（電池用酸化剤ガスライン２６−２経由）、酸化剤ガス分配部Ｂ１０からの酸化剤ガス（酸化剤ガスバイパスラインＢ２８経由、但し、運転状況に応じて）、燃料ガス分配部８からの燃料ガス（燃料ガスバイパスライン２３経由、但し、運転状況に応じて）の供給を受けて、それらを燃焼する燃焼装置である。燃焼により形成される高温・高圧の燃焼ガスはガスタービン部３（タービン用燃焼ガスライン２９−１経由）へ送出される。ガスタービン部３が停止中の場合には、燃焼ガス混合部１１（燃焼ガスバイパスライン３０経由）へ送出される。燃焼の制御は、制御部１００により行なわれる。
燃焼ガスバイパスライン３０は、一端部を燃焼部７に、他端部を燃焼ガス混合部１１に接続している。そして、燃料電池部２の単独運転時には、燃焼部７で生成した燃焼ガスを燃焼ガス混合部１１へ送る配管である。
燃焼ガス混合部１１は、燃焼ガスバイパスライン３０とタービン用燃焼ガスライン２９−２とが接続されている。それらから供給された燃焼ガスをまとめて、燃焼ガスライン３１へ送出する。
燃焼ガスライン３１は、一端部を燃焼ガス混合部１１に接続されている。そこから供給された燃焼ガスを外部あるいは他の設備へ送出するための管である。
燃焼ガス混合部１１は、燃焼ガスバイパスライン３０とタービン用燃焼ガスライン２９−２とが接続されている。それらから供給された燃焼ガスをまとめて、燃焼ガスライン３１へ送出する。
燃焼ガスライン３１は、一端部を燃焼ガス混合部１１に接続されている。そこから供給された燃焼ガスを外部あるいは他の設備へ送出するための管である。
制御部１００は、発電プラント（本実施例では、ガスタービン部３）の運転条件（第１の運転条件）と、燃料電池部２の運転条件（第２の運転条件）とに基づいて、燃料電池部２とガスタービン部３に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの量を決定する。そして、その決定に基づいて燃料ガス分配部８における燃料ガスの分配の制御を行なう。それと共に、酸化剤ガス分配部Ｂ１０における高温高圧の酸化剤ガスの分配の制御を行なう。また、ガスタービン部３の運転条件に基づいて、燃焼部７の燃焼を制御する。そして、既設のガスタービンの運転と、燃料電池の運転とが、効率良く運転できるように制御を行なう。
燃料電池部２は、燃料ガス及び酸化剤ガスにより、電気化学作用で発電を行う燃料電池である。溶融炭酸塩型や固体電解質型の燃料電池である。本実施例では、固体電解質型である。後述の第２の運転条件により、最適な運転（高効率運転）が可能である。
ここで、燃料電池部２の燃料電池本体４は、電池用燃料ガスライン２２−１を経由して燃料ガスを供給され、且つ電池用酸化剤ガスライン２６−１経由で酸化剤ガスを供給される。そして、燃料電池本体４は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いた電気化学反応により発電を行なう。発電後、使用済みの排燃料ガスを電池用燃料ガスライン２２−２経由で、使用済みの排酸化剤ガスを電池用酸化剤ガスライン２６−２経由で、それぞれ燃焼部７へ送出する。
ここで、燃料電池部２の燃料電池本体４は、電池用燃料ガスライン２２−１を経由して燃料ガスを供給され、且つ電池用酸化剤ガスライン２６−１経由で酸化剤ガスを供給される。そして、燃料電池本体４は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いた電気化学反応により発電を行なう。発電後、使用済みの排燃料ガスを電池用燃料ガスライン２２−２経由で、使用済みの排酸化剤ガスを電池用酸化剤ガスライン２６−２経由で、それぞれ燃焼部７へ送出する。
また、ガスタービン部３は、タービン用酸化剤ガスライン２５−１から酸化剤ガスを供給される。そして、コンプレッサ部５−２の回転力により酸化剤ガスを圧縮し高圧とし、タービン用酸化剤ガスライン２５−２へ送出する。また、燃焼部７で生成された高温高圧の燃焼ガスを、タービン用燃焼ガスライン２９−１経由で供給され、タービン部５−１が回転する。その回転力は駆動軸５−３により、発電機６及びコンプレッサ部５−２へ伝達され、コンプレッサ部５−２が回転し、発電機６が発電する。タービン部５−１から排出された排燃焼ガスは、タービン用燃焼ガスライン２９−２経由で燃焼ガス混合部１１へ送出される。設計時に、最適な運転条件（あるいは運転範囲：第１の運転条件）が決定されており、それに基づいて運転することにより、最適な運転（高効率運転）が可能である。
酸化剤ガスは、酸素を含むガスである。本実施例では、空気である。
燃料ガスは、水素を含むガスや、ＬＮＧ及びＬＰＧのような炭化水素を含む可燃性のガスである。本実施例では、メタンガスである。
燃料ガスは、水素を含むガスや、ＬＮＧ及びＬＰＧのような炭化水素を含む可燃性のガスである。本実施例では、メタンガスである。
ここで、本発明おける燃料の制御の考え方について説明する。
本発明においては、ベースとなる発電プラントに、燃料電池トッピングシステムを追加する。本実施例では、図１に示すように、発電（ベース）プラントとして、ガスタービン（ガスタービンコンバインドサイクル、ＧＴＣＣのガスタービン）、燃料電池トッピングシステムとして、固体電解質型の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という）を追加する。
本発明においては、ベースとなる発電プラントに、燃料電池トッピングシステムを追加する。本実施例では、図１に示すように、発電（ベース）プラントとして、ガスタービン（ガスタービンコンバインドサイクル、ＧＴＣＣのガスタービン）、燃料電池トッピングシステムとして、固体電解質型の燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」という）を追加する。
図１を参照して、発電（ベース）プラントであるガスタービン部３で使用している燃料ガスを、通常と同量ＳＯＦＣへ投入すると、ＳＯＦＣの出力ＷＳＯ（Ｗ）の分の熱量が、下流側のガスタービン部３で不足する。従って、燃料ガス分配部８へ投入する燃料ガスを増量し、ガスタービン部３において燃料ガスが不足し無いようにする。ガスタービン部３へ（タービン用燃焼ガスライン２９−１経由で）投入する燃料（燃焼ガス）の単位時間あたりの発熱量をＱ０とすると、燃料ガス分配部８へ供給される燃料ガスの単位時間あたりの発熱量は、Ｑ＝Ｑ０＋ＷＳＯ となる。
燃料ガスは、全量をＳＯＦＣへ供給しても良いが、ＳＯＦＣの容量が小さく、充分な燃料ガス流量を確保できない場合を考慮し、ＳＯＦＣで使用しない分の内、必要に応じて適当な量の燃料ガスを燃料ガスバイパスライン２３により燃焼部７へバイパスさせる。そして、排燃料ガス及び排酸化剤ガスの燃焼の追い焚き燃料として用いる。
ＳＯＦＣに供給する酸化剤ガス（空気）は、ベースプラントであるガスタービン部３の燃焼部７投入前の空気である。ＳＯＦＣの最大容量はベースプラントが供給可能な空気量で定まる。
なお、概数で述べれば、通常のボイラの場合、投入空気量は理論空気量の１〜１．２倍程度、ガスタービンでは、２〜２．５倍程度であり、ＳＯＦＣの場合は、現状の研究用モジュールで６．７倍、実証プラントで３．３倍程度である。
燃料ガスは、全量をＳＯＦＣへ供給しても良いが、ＳＯＦＣの容量が小さく、充分な燃料ガス流量を確保できない場合を考慮し、ＳＯＦＣで使用しない分の内、必要に応じて適当な量の燃料ガスを燃料ガスバイパスライン２３により燃焼部７へバイパスさせる。そして、排燃料ガス及び排酸化剤ガスの燃焼の追い焚き燃料として用いる。
ＳＯＦＣに供給する酸化剤ガス（空気）は、ベースプラントであるガスタービン部３の燃焼部７投入前の空気である。ＳＯＦＣの最大容量はベースプラントが供給可能な空気量で定まる。
なお、概数で述べれば、通常のボイラの場合、投入空気量は理論空気量の１〜１．２倍程度、ガスタービンでは、２〜２．５倍程度であり、ＳＯＦＣの場合は、現状の研究用モジュールで６．７倍、実証プラントで３．３倍程度である。
複合発電システムの効率は、以下の通り計算される。
発電（ベース）プラントの投入発熱量：Ｑ０（Ｗ）
発電プラントの出力：
Ｗ０＝η０Ｑ０ （１）
発電プラントの発電効率 ：η０
発電プラントの空気比 ：λ０
ＳＯＦＣの出力 ：ＷＳＯ（Ｗ）
ＳＯＦＣの単体効率 ：ηＳＯ
ＳＯＦＣの空気比 ：λＳＯ
ＳＯＦＣの発電プラントに対する出力比：
φ＝ＷＳＯ／Ｗ０ （２）
プラント全体への投入燃料：
Ｑ＝Ｑ０＋ＷＳＯ （３）
プラント全体の出力 ：Ｗ０＋ＷＳＯ
プラント全体の効率：
η＝（Ｗ０＋ＷＳＯ）／（Ｑ０＋ＷＳＯ）
＝η０（１＋φ）／（１＋φη０） （４）
単位燃料発熱量あたりの理論燃焼空気量をｍＡ０（（Ｎｍ３／Ｈｒ）／（Ｗ））とする。
発電プラントの消費空気量 ：λ０ｍＡ０Ｑ０（Ｎｍ３／Ｈｒ）
ＳＯＦＣの消費空気量 ：λＳＯｍＡ０ＷＳＯ（Ｎｍ３／Ｈｒ）
ＳＯＦＣの最大出力容量 ：ＷＳＯ，ｍａｘ（Ｗ）
ＳＯＦＣの最大出力容量時は、発電プラントの空気量を全て使用するので、
λ０ｍＡ０Ｑ０＝λＳＯｍＡ０ＷＳＯ，ｍａｘ／ηＳＯ （５）
ＳＯＦＣの最大出力比：
φｍａｘ＝ＷＳＯ，ｍａｘ／Ｗ０
＝ηＳＯλ０／η０λＳＯ （６）
従って複合発電システムの最大効率は次式で示される。
プラントの最大効率：
ηｍａｘ＝（η０λＳＯ＋ηＳＯλ０）／（λＳＯ＋ηＳＯλ０）
（７）
発電（ベース）プラントの投入発熱量：Ｑ０（Ｗ）
発電プラントの出力：
Ｗ０＝η０Ｑ０ （１）
発電プラントの発電効率 ：η０
発電プラントの空気比 ：λ０
ＳＯＦＣの出力 ：ＷＳＯ（Ｗ）
ＳＯＦＣの単体効率 ：ηＳＯ
ＳＯＦＣの空気比 ：λＳＯ
ＳＯＦＣの発電プラントに対する出力比：
φ＝ＷＳＯ／Ｗ０ （２）
プラント全体への投入燃料：
Ｑ＝Ｑ０＋ＷＳＯ （３）
プラント全体の出力 ：Ｗ０＋ＷＳＯ
プラント全体の効率：
η＝（Ｗ０＋ＷＳＯ）／（Ｑ０＋ＷＳＯ）
＝η０（１＋φ）／（１＋φη０） （４）
単位燃料発熱量あたりの理論燃焼空気量をｍＡ０（（Ｎｍ３／Ｈｒ）／（Ｗ））とする。
発電プラントの消費空気量 ：λ０ｍＡ０Ｑ０（Ｎｍ３／Ｈｒ）
ＳＯＦＣの消費空気量 ：λＳＯｍＡ０ＷＳＯ（Ｎｍ３／Ｈｒ）
ＳＯＦＣの最大出力容量 ：ＷＳＯ，ｍａｘ（Ｗ）
ＳＯＦＣの最大出力容量時は、発電プラントの空気量を全て使用するので、
λ０ｍＡ０Ｑ０＝λＳＯｍＡ０ＷＳＯ，ｍａｘ／ηＳＯ （５）
ＳＯＦＣの最大出力比：
φｍａｘ＝ＷＳＯ，ｍａｘ／Ｗ０
＝ηＳＯλ０／η０λＳＯ （６）
従って複合発電システムの最大効率は次式で示される。
プラントの最大効率：
ηｍａｘ＝（η０λＳＯ＋ηＳＯλ０）／（λＳＯ＋ηＳＯλ０）
（７）
図２に、以上をまとめて、発電プラントの発電効率と燃料電池トッピングシステムの追加により得られる最大発電効率の関係を示す。図２は、縦軸は最大発電効率ηｍａｘであり、横軸は、Ｂａｓｅ（ベース、発電）プラントの効率η０である。また、グラフ上の曲線の内、実線は発電プラントの空気比λ０＝３、破線はλ０＝２、点線はλ０＝１の場合の曲線である。一点鎖線はη０＝ηｍａｘ（燃料電池トッピングシステムの追設無し）を示す。なお、ＳＯＦＣの空気比λＳＯ＝３．３（実証プラントベース）としている。ボイラの空気比は概略１程度で、発電効率は４０％程度、ガスタービンは、２〜３程度で、ＧＴＣＣの発電効率は、現状最大の５０％として、それぞれプロットしている。ボイラへの燃料電池トッピングシステムの追設（実施例２）で約９％、ＧＴＣＣへの追設（実施例１）で、１３〜１７％の発電効率の向上を図ることが出来る。
ＳＯＦＣの運転条件（第２の運転条件）でのＳＯＦＣの出力（ＷＳＯ）と、発電プラントの運転条件（第１の運転条件）に必要な投入発熱量（Ｑ０）とから求められる上記式（３）の条件（Ｑ＝Ｑ０＋ＷＳＯ）を満足する、すなわち、（３）式に基づいて、燃料ガスの供給あるいは運転を制御する。そうすると、発電プラントのヒートバランスの変化は無く、発電プラントは運転制御に制限を受けない。すなわち、ＳＯＦＣの運転条件（第２の運転条件）と、発電プラントの運転条件（第１の運転条件）とが同時に満足されることになる。そして、トッピングＳＯＦＣの追設により既存プラントは出力の増大及び効率の向上を果たすことが出来る。
また、プラントの発電効率は、ＳＯＦＣの出力が増大するにつれて増加するが、最大値は式（６）で規定される。
また、プラントの発電効率は、ＳＯＦＣの出力が増大するにつれて増加するが、最大値は式（６）で規定される。
次に、本発明である複合発電システムの第１の実施の形態における動作について、図面を参照して説明する。
まず、図１を参照して、起動の動作について説明する。
１）ガスタービンの起動
燃料ガス：
（ｉ）燃料ガスを、燃料ガス供給管２１経由で燃料ガス分配部８へ供給する。供給量は、ガスタービンの従来の起動に際し、初期に供給される燃料ガスの量である。
（ｉｉ）燃料ガス分配部８において、全ての燃料ガスを、燃料ガスバイパスライン２３を経由して燃焼部７へ供給するように設定する。
酸化剤ガス：
（ｉｉｉ）一方、酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給管２４経由で酸化剤ガス分配部Ａ９へ供給する。供給量は、ガスタービンの従来の起動に際し、初期に供給される酸化剤ガスの量である。
（ｉｖ）酸化剤ガス分配部Ａ９において、すべての酸化剤ガスを、タービン用酸化剤ガスライン２５−１経由でガスタービン部３のコンプレッサ部９へ供給するように設定する。
（ｖ）また、コンプレッサ部９を経由した全ての酸化剤ガスを、タービン用酸化剤ガスライン２５−２経由で酸化剤ガス分配部Ｂ１０に送出した後、酸化剤ガス分配部Ｂ１０において、酸化剤ガスバイパスラインＢ２８を経由して燃焼部７へ供給するように設定する。
以上のように、燃料ガス及び酸化剤ガスについて、１００％ＳＯＦＣをバイパスさせ、発電プラントであるガスタービンへ供給するように設定して、ガスタービンを起動する。１００％のバイパスなので、燃料電池を設置していないのと同じである。よって、ガスタービンの起動は、ガスタービンの従来の起動動作を踏襲することが出来る。
２）ガスタービン起動後のＳＯＦＣの起動
（ｖｉ）酸化剤ガス分配部Ｂ１０において、ＳＯＦＣをバイパスする酸化剤ガスの量（酸化剤ガスバイパスラインＢ２８を経由する酸化剤ガス）を少しずつ減少すると共に、ＳＯＦＣへ供給する酸化剤ガス（電池用酸化剤ガスライン２６−１を経由する酸化剤ガス）を徐々に増加させる。
（ｖｉｉ）それに合わせて、燃料ガス分配部８へ供給する燃料ガスの量を少しずつ増加し、増加分をＳＯＦＣへ向けて、電池用燃料ガスライン２２−１へ送出する。
以上のように、ＳＯＦＣの起動は、燃料ガス及び酸化剤ガスを除々に増加させて行なう。この起動プロセス自体は、従来のＳＯＦＣの起動プロセスと同様に行うことが出来る。すなわち、ガスタービンの運転にほとんど影響を与えることなく、ＳＯＦＣを起動することが出来る。
まず、図１を参照して、起動の動作について説明する。
１）ガスタービンの起動
燃料ガス：
（ｉ）燃料ガスを、燃料ガス供給管２１経由で燃料ガス分配部８へ供給する。供給量は、ガスタービンの従来の起動に際し、初期に供給される燃料ガスの量である。
（ｉｉ）燃料ガス分配部８において、全ての燃料ガスを、燃料ガスバイパスライン２３を経由して燃焼部７へ供給するように設定する。
酸化剤ガス：
（ｉｉｉ）一方、酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給管２４経由で酸化剤ガス分配部Ａ９へ供給する。供給量は、ガスタービンの従来の起動に際し、初期に供給される酸化剤ガスの量である。
（ｉｖ）酸化剤ガス分配部Ａ９において、すべての酸化剤ガスを、タービン用酸化剤ガスライン２５−１経由でガスタービン部３のコンプレッサ部９へ供給するように設定する。
（ｖ）また、コンプレッサ部９を経由した全ての酸化剤ガスを、タービン用酸化剤ガスライン２５−２経由で酸化剤ガス分配部Ｂ１０に送出した後、酸化剤ガス分配部Ｂ１０において、酸化剤ガスバイパスラインＢ２８を経由して燃焼部７へ供給するように設定する。
以上のように、燃料ガス及び酸化剤ガスについて、１００％ＳＯＦＣをバイパスさせ、発電プラントであるガスタービンへ供給するように設定して、ガスタービンを起動する。１００％のバイパスなので、燃料電池を設置していないのと同じである。よって、ガスタービンの起動は、ガスタービンの従来の起動動作を踏襲することが出来る。
２）ガスタービン起動後のＳＯＦＣの起動
（ｖｉ）酸化剤ガス分配部Ｂ１０において、ＳＯＦＣをバイパスする酸化剤ガスの量（酸化剤ガスバイパスラインＢ２８を経由する酸化剤ガス）を少しずつ減少すると共に、ＳＯＦＣへ供給する酸化剤ガス（電池用酸化剤ガスライン２６−１を経由する酸化剤ガス）を徐々に増加させる。
（ｖｉｉ）それに合わせて、燃料ガス分配部８へ供給する燃料ガスの量を少しずつ増加し、増加分をＳＯＦＣへ向けて、電池用燃料ガスライン２２−１へ送出する。
以上のように、ＳＯＦＣの起動は、燃料ガス及び酸化剤ガスを除々に増加させて行なう。この起動プロセス自体は、従来のＳＯＦＣの起動プロセスと同様に行うことが出来る。すなわち、ガスタービンの運転にほとんど影響を与えることなく、ＳＯＦＣを起動することが出来る。
３）ＳＯＦＣのみの起動
燃料ガス：
（ｉ）燃料ガスを、燃料ガス供給管２１経由で燃料ガス分配部８へ供給する。供給量は、燃料電池の従来の起動に際し、初期に供給される燃料ガスの量である。
（ｉｉ）燃料ガス分配部８において、全ての燃料ガスを、電池用燃料ガスライン２２−１を経由して燃料電池本体４へ供給するように設定する。
酸化剤ガス：
（ｉｉｉ）一方、酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給管２４経由で酸化剤ガス分配部Ａ９へ供給する。供給量は、燃料電池の従来の起動に際し、初期に供給される酸化剤ガスの量である。
（ｉｖ）酸化剤ガス分配部Ａ９において、すべての酸化剤ガスを、酸化剤ガスバイパスラインＡ２７経由で酸化剤ガス分配部Ｂ１０へ供給するように設定する。
（ｖ）また、酸化剤ガス分配部Ｂ１０を経由した全ての酸化剤ガスを、電池用酸化剤ガスライン２６−１経由で燃料電池本体４へ供給するように設定する。
排燃料ガス及び排酸化剤ガス：
（ｖｉ）燃焼部７に供給された排燃料ガス及び排酸化剤ガスは、燃焼後、全て燃焼ガスバイパスライン３０を経由して、燃焼ガス混合部１１を介して燃焼ガスライン３１経由で外部へ排出する。
以上のように、燃料ガス及び酸化剤ガスについて、１００％ガスタービンをバイパスさせ、ＳＯＦＣへ供給するように設定して、ＳＯＦＣを起動する。１００％のバイパスなので、ガスタービンを設置していないのと同じである。よって、ＳＯＦＣの起動は、ＳＯＦＣの従来の起動動作を踏襲することが出来る。
燃料ガス：
（ｉ）燃料ガスを、燃料ガス供給管２１経由で燃料ガス分配部８へ供給する。供給量は、燃料電池の従来の起動に際し、初期に供給される燃料ガスの量である。
（ｉｉ）燃料ガス分配部８において、全ての燃料ガスを、電池用燃料ガスライン２２−１を経由して燃料電池本体４へ供給するように設定する。
酸化剤ガス：
（ｉｉｉ）一方、酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給管２４経由で酸化剤ガス分配部Ａ９へ供給する。供給量は、燃料電池の従来の起動に際し、初期に供給される酸化剤ガスの量である。
（ｉｖ）酸化剤ガス分配部Ａ９において、すべての酸化剤ガスを、酸化剤ガスバイパスラインＡ２７経由で酸化剤ガス分配部Ｂ１０へ供給するように設定する。
（ｖ）また、酸化剤ガス分配部Ｂ１０を経由した全ての酸化剤ガスを、電池用酸化剤ガスライン２６−１経由で燃料電池本体４へ供給するように設定する。
排燃料ガス及び排酸化剤ガス：
（ｖｉ）燃焼部７に供給された排燃料ガス及び排酸化剤ガスは、燃焼後、全て燃焼ガスバイパスライン３０を経由して、燃焼ガス混合部１１を介して燃焼ガスライン３１経由で外部へ排出する。
以上のように、燃料ガス及び酸化剤ガスについて、１００％ガスタービンをバイパスさせ、ＳＯＦＣへ供給するように設定して、ＳＯＦＣを起動する。１００％のバイパスなので、ガスタービンを設置していないのと同じである。よって、ＳＯＦＣの起動は、ＳＯＦＣの従来の起動動作を踏襲することが出来る。
４）ガスタービンとＳＯＦＣの定常運転
上述の式（３）を満足するように、投入燃料ガスを制御して運転する。すなわち、Ｑ＝Ｑ０＋ＷＳＯにおいて、ガスタービンの運転についてはＱ０を制御し、燃料電池の運転についてはＷＳＯを制御する。この制御は、外部から供給する燃料ガスの量、燃料ガス分配部８での燃料ガスの分配、外部から供給する酸化剤ガスの量、酸化剤ガス分配部Ｂ１０での酸化剤ガスの分配などにより行なわれる。
そうすることにより、ガスタービンは燃料電池トッピングシステムを追設していない場合と同様に、運転の制御に制約を受けず、そのパフォーマンスを十分に発揮することが出来る。燃料電池についても同様に、運転の制約を受けず、燃料電池本来の効率を発揮することが出来る。
上述の式（３）を満足するように、投入燃料ガスを制御して運転する。すなわち、Ｑ＝Ｑ０＋ＷＳＯにおいて、ガスタービンの運転についてはＱ０を制御し、燃料電池の運転についてはＷＳＯを制御する。この制御は、外部から供給する燃料ガスの量、燃料ガス分配部８での燃料ガスの分配、外部から供給する酸化剤ガスの量、酸化剤ガス分配部Ｂ１０での酸化剤ガスの分配などにより行なわれる。
そうすることにより、ガスタービンは燃料電池トッピングシステムを追設していない場合と同様に、運転の制御に制約を受けず、そのパフォーマンスを十分に発揮することが出来る。燃料電池についても同様に、運転の制約を受けず、燃料電池本来の効率を発揮することが出来る。
なお、停止方法については、起動方法の逆を行なえば良いので、その説明を省略する。
本発明においては、既存のガスタービンに対して、燃料電池トッピングシステムを導入することにより、ガスタービンの運転制御に影響を与えることなく、容易に発電規模及び発電効率を向上させることが可能となる。
燃料電池の単独運転を考慮し無い場合（ガスタービンの単独運転は考慮）には、図１において、燃料電池部２及びその周辺機器（燃料ガス分配部８、燃料ガスバイパスライン２３、酸化剤ガス分配部Ｂ１０、及び制御部１００）の新設（追加）、及び、酸化剤ガスバイパスラインＢ２８（本来ガスタービンの圧縮機−燃焼部勘の配管）、燃焼部７（本来ガスタービンの燃焼部）の改造により、実施可能である。
燃料電池の単独運転を考慮し無い場合（ガスタービンの単独運転は考慮）には、図１において、燃料電池部２及びその周辺機器（燃料ガス分配部８、燃料ガスバイパスライン２３、酸化剤ガス分配部Ｂ１０、及び制御部１００）の新設（追加）、及び、酸化剤ガスバイパスラインＢ２８（本来ガスタービンの圧縮機−燃焼部勘の配管）、燃焼部７（本来ガスタービンの燃焼部）の改造により、実施可能である。
また、図３に示すように、燃焼ガスライン３１の先に、排熱回収ボイラ４１を設置し、その排燃焼ガスのエネルギーの有効利用を図ることも可能である。
図３において、排熱回収ボイラシステム４０は、排熱回収ボイラ４１と、蒸気循環ライン４７−１〜４７−４、蒸気タービン４２、発電機４３、復水器４４、循環ポンプ４５、排気塔４６からなる。
図３において、排熱回収ボイラシステム４０は、排熱回収ボイラ４１と、蒸気循環ライン４７−１〜４７−４、蒸気タービン４２、発電機４３、復水器４４、循環ポンプ４５、排気塔４６からなる。
燃焼ガスライン３１経由で送出された排燃焼ガスは、排熱回収ボイラ４１において、水と熱交換して水蒸気を発生させる。熱交換後の排燃焼ガスは、排気塔４６から排気される。
排熱回収ボイラ４１で生成した蒸気は、蒸気循環ライン４７−１を経由して、蒸気タービン４２へ供給される。蒸気タービン４２は、供給された蒸気のエネルギーを回転エネルギーとして受け取る。そして、その回転エネルギーを利用して、発電機４３を回転させて発電を行なう。
蒸気タービン４２を出た蒸気は、蒸気循環ライン４７−２を介して、復水器４４にて液体の水となる。その後、循環ポンプ４５により、蒸気循環ライン４７−３から吸い出され、蒸気循環ライン４７−４を経由して、排熱回収ボイラ４１へ送りこまれる。
排熱回収ボイラ４１で生成した蒸気は、蒸気循環ライン４７−１を経由して、蒸気タービン４２へ供給される。蒸気タービン４２は、供給された蒸気のエネルギーを回転エネルギーとして受け取る。そして、その回転エネルギーを利用して、発電機４３を回転させて発電を行なう。
蒸気タービン４２を出た蒸気は、蒸気循環ライン４７−２を介して、復水器４４にて液体の水となる。その後、循環ポンプ４５により、蒸気循環ライン４７−３から吸い出され、蒸気循環ライン４７−４を経由して、排熱回収ボイラ４１へ送りこまれる。
（実施例２）
次に、本発明である複合発電システムの第２の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図４には、本発明である複合発電システムの第２の実施の形態の構成を示す構成図である。本実施例では、燃料電池トッピングシステムを、火力発電システムに組み合わせる。すなわち、既設の火力発電部５３のボイラ部５４及びその関連設備に、新設の燃料電池トッピングシステムを組み合わせている。
次に、本発明である複合発電システムの第２の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図４には、本発明である複合発電システムの第２の実施の形態の構成を示す構成図である。本実施例では、燃料電池トッピングシステムを、火力発電システムに組み合わせる。すなわち、既設の火力発電部５３のボイラ部５４及びその関連設備に、新設の燃料電池トッピングシステムを組み合わせている。
図４を参照して、新設の燃料電池トッピングシステムは、燃料ガス分配部５５、燃料ガスバイパスライン６２、燃料電池部５１、燃料ガス混合部５６、酸化剤ガス分配部５７、酸化剤ガスバイパスライン６５、酸化剤ガス混合部５８、より構成されている。また、燃料電池部５１は、電池用燃料ガスライン６０−１〜６０−２、燃料電池本体５２、電池用酸化剤ガスライン６１−１〜６１−２及び制御部１０１を具備する。
一方、既設の火力発電部５３のボイラ部５４及びその関連設備あるいはそれらを改造したものは、ガス供給管５９、ボイラ用燃焼ガスライン６３、酸化剤ガス供給管６４、ボイラ用酸化剤ガスライン６６及び、火力発電部５３を具備する。そして、火力発電部５３は、ボイラ部５４を有する。
燃料ガス供給管５９は、燃料ガス分配部５５に接続している。そして、図示しない燃料供給部より燃料ガスを燃料ガス分配部５５へ供給する配管である。
燃料ガス分配部５５は、燃料ガス供給管５９と燃料ガスバイパスライン６２と電池用燃料ガスライン６０−１とに接続している。そして、燃料ガス供給管５９から供給された燃料ガスを、燃料電池部５１向けと火力発電部５３向け（＝燃焼ガス混合部５６向け）とに分配し送出する。分配の割合（量）は、制御部１０１により制御される。
燃料ガスバイパスライン６２は、一端部を燃料ガス分配部５５に、他端部を燃焼ガス混合部５６に接続している。そして、燃料ガス分配部５５から送出された燃料ガスを燃焼ガス混合部５６へ送る配管である。
燃料ガス混合部５６は、燃料ガスバイパスライン６２と、電池用燃料ガスライン６０−２と、ボイラ用燃焼ガスライン６３に接続されている。そして、燃料ガス分配部５５と燃料電池部５１とから供給された燃料ガスを混合し、ボイラ用燃焼ガスライン６３へ送出する。
ボイラ用燃焼ガスライン６３は、一端部を燃料ガス混合部５６に、他端部をボイラ部５４に接続されている。そして、燃料ガス混合部５６からの燃料ガスをボイラ部５４へ供給する。
燃料ガス分配部５５は、燃料ガス供給管５９と燃料ガスバイパスライン６２と電池用燃料ガスライン６０−１とに接続している。そして、燃料ガス供給管５９から供給された燃料ガスを、燃料電池部５１向けと火力発電部５３向け（＝燃焼ガス混合部５６向け）とに分配し送出する。分配の割合（量）は、制御部１０１により制御される。
燃料ガスバイパスライン６２は、一端部を燃料ガス分配部５５に、他端部を燃焼ガス混合部５６に接続している。そして、燃料ガス分配部５５から送出された燃料ガスを燃焼ガス混合部５６へ送る配管である。
燃料ガス混合部５６は、燃料ガスバイパスライン６２と、電池用燃料ガスライン６０−２と、ボイラ用燃焼ガスライン６３に接続されている。そして、燃料ガス分配部５５と燃料電池部５１とから供給された燃料ガスを混合し、ボイラ用燃焼ガスライン６３へ送出する。
ボイラ用燃焼ガスライン６３は、一端部を燃料ガス混合部５６に、他端部をボイラ部５４に接続されている。そして、燃料ガス混合部５６からの燃料ガスをボイラ部５４へ供給する。
酸化剤ガス供給管６４は、酸化剤ガス分配部５７に接続している。そして、図示しない酸化剤供給部より酸化剤ガスを酸化剤ガス分配部５７へ供給する配管である。
酸化剤ガス分配部５７は、酸化剤ガス供給管６４と酸化剤ガスバイパスライン６５と電池用酸化剤ガスライン６１−１とに接続している。そして、酸化剤ガス供給管６４から供給された酸化剤ガスを、燃料電池部５１向けと火力発電部５３向けとに分配し送出する。分配の割合（量）は、制御部１０１により制御される。
酸化剤ガスバイパスライン６５は、一端部を酸化剤ガス分配部５７に、他端部を酸化剤ガス混合部５８に接続している。そして、酸化剤ガス分配部５７から送出された酸化剤ガスを酸化剤ガス混合部５８に送る配管である。これは、燃料電池部５１が停止し、且つ火力発電部５３が稼動中に、ボイラ部５４へ酸化剤ガスを送るための管である。
酸化剤ガス混合部５８は、酸化剤ガスバイパスライン６５と電池用酸化剤ガスライン６１−２とボイラ用酸化剤ガスライン６６とに接続している。そして、火力発電部５３が稼動中の場合、酸化剤ガスバイパスライン６５及び／又は電池用酸化剤ガスライン６１−２からの酸化剤ガスをボイラ用酸化剤ガスライン６６へ供給する。
ボイラ用酸化剤ガスライン６６は、一端部を酸化剤ガス混合部５８に、他端部をボイラ部５４に接続している。酸化剤ガス混合部５８からの酸化剤ガスを、ボイラ部５４へ供給する。
酸化剤ガス分配部５７は、酸化剤ガス供給管６４と酸化剤ガスバイパスライン６５と電池用酸化剤ガスライン６１−１とに接続している。そして、酸化剤ガス供給管６４から供給された酸化剤ガスを、燃料電池部５１向けと火力発電部５３向けとに分配し送出する。分配の割合（量）は、制御部１０１により制御される。
酸化剤ガスバイパスライン６５は、一端部を酸化剤ガス分配部５７に、他端部を酸化剤ガス混合部５８に接続している。そして、酸化剤ガス分配部５７から送出された酸化剤ガスを酸化剤ガス混合部５８に送る配管である。これは、燃料電池部５１が停止し、且つ火力発電部５３が稼動中に、ボイラ部５４へ酸化剤ガスを送るための管である。
酸化剤ガス混合部５８は、酸化剤ガスバイパスライン６５と電池用酸化剤ガスライン６１−２とボイラ用酸化剤ガスライン６６とに接続している。そして、火力発電部５３が稼動中の場合、酸化剤ガスバイパスライン６５及び／又は電池用酸化剤ガスライン６１−２からの酸化剤ガスをボイラ用酸化剤ガスライン６６へ供給する。
ボイラ用酸化剤ガスライン６６は、一端部を酸化剤ガス混合部５８に、他端部をボイラ部５４に接続している。酸化剤ガス混合部５８からの酸化剤ガスを、ボイラ部５４へ供給する。
燃料電池部５１は、燃料ガス及び酸化剤ガスにより、電気化学作用で発電を行う燃料電池である。溶融炭酸塩型や固体電解質型の燃料電池である。本実施例では、固体電解質型である。実施例１で説明した第２の運転条件（式（３））により、最適な運転（高効率運転）が可能である。
燃料電池部５１の燃料電池本体５２は、電池用燃料ガスライン６０−１を経由して燃料ガスを供給され、且つ電池用酸化剤ガスライン６１−１経由で酸化剤ガスを供給される。そして、燃料電池本体５２は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いた電気化学反応により発電を行なう。発電後、使用済みの排燃料ガスを電池用燃料ガスライン６０−２経由で燃料ガス混合部５６へ、使用済みの排酸化剤ガスを電池用酸化剤ガスライン６１−２経由で酸化剤ガス混合部５８へ、それぞれ送出する。設計時に、最適な運転条件（あるいは運転範囲：第１の運転条件）が決定されており、それに基づいて運転することにより、最適な運転（高効率運転）が可能である。
燃料電池部５１の燃料電池本体５２は、電池用燃料ガスライン６０−１を経由して燃料ガスを供給され、且つ電池用酸化剤ガスライン６１−１経由で酸化剤ガスを供給される。そして、燃料電池本体５２は、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いた電気化学反応により発電を行なう。発電後、使用済みの排燃料ガスを電池用燃料ガスライン６０−２経由で燃料ガス混合部５６へ、使用済みの排酸化剤ガスを電池用酸化剤ガスライン６１−２経由で酸化剤ガス混合部５８へ、それぞれ送出する。設計時に、最適な運転条件（あるいは運転範囲：第１の運転条件）が決定されており、それに基づいて運転することにより、最適な運転（高効率運転）が可能である。
火力発電部５３は、蒸気により蒸気タービンを回転させて発電機を回転し、発電する発電施設である。図４においては、そのうちのボイラ部５４のみを示している。
ボイラ部５４は、火力発電の蒸気タービンを回転させるための蒸気を生成する施設である。図中では、ボイラの外形のみを示している。
ボイラ部５４は、火力発電の蒸気タービンを回転させるための蒸気を生成する施設である。図中では、ボイラの外形のみを示している。
制御部１０１は、発電プラント（本実施例では、火力発電部５３のボイラ部５４）の運転条件（第１の運転条件）と、燃料電池部５１の運転条件（第２の運転条件）とに基づいて、燃料電池部５１と火力発電部５３のボイラ部５４に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの量を決定する。そして、その決定に基づいて燃料ガス分配部５５における燃料ガスの分配の制御を行なう。それと共に、酸化剤ガス分配部５７における酸化剤ガスの分配の制御を行なう。そして、既設のボイラの運転と、燃料電池の運転とが、効率良く運転できるように制御を行なう。
本発明においては、ベースとなる発電プラントに、燃料電池トッピングシステムを追加する。本実施例では、図４に示すように、発電（ベース）プラントとして、ボイラ（火力発電部５３の蒸気タービンを駆動する蒸気を生成するためのボイラ）、燃料電池トッピングシステムとして、ＳＯＦＣを追加する。
発電（ベース）プラントであるボイラ部５４で使用している燃料ガスを、通常と同量ＳＯＦＣへ投入すると、ＳＯＦＣの出力ＷＳＯ（Ｗ）の分の熱量が、下流側のボイラ部５４で不足する。従って、燃料ガス分配部５５へ投入する燃料ガスを増量し、ボイラ部５４において燃料ガスが不足し無いようにする。ボイラ部５４へ（ボイラ用燃焼ガスライン６３経由で）投入する燃料（燃焼ガス）の単位時間あたりの発熱量をＱ０とすると、燃料ガス分配部５５へ供給される燃料ガスの単位時間あたりの発熱量は、Ｑ＝Ｑ０＋ＷＳＯ となる。
燃料ガスは、全量をＳＯＦＣへ供給しても良いが、ＳＯＦＣの容量が小さく、充分な燃料ガス流量を確保できない場合を考慮し、ＳＯＦＣで使用しない分の内、必要に応じて適当な量の燃料ガスを燃料ガスバイパスライン６２により燃料ガス混合部５６へバイパスさせる。そして、ボイラ部５４の燃焼用の燃料ガスとして用いる。
ＳＯＦＣに供給する酸化剤ガス（空気）は、ベースプラントのボイラ部５４へ投入前の空気である。ＳＯＦＣの最大容量はベースプラントが供給可能な空気量で定まる。
なお、概数で述べれば、通常のボイラの場合、投入空気量は理論空気量の１〜１．２倍程度であり、ＳＯＦＣの場合は、現状の研究用モジュールで６．７倍、実証プラントで３．３倍程度である。
発電（ベース）プラントであるボイラ部５４で使用している燃料ガスを、通常と同量ＳＯＦＣへ投入すると、ＳＯＦＣの出力ＷＳＯ（Ｗ）の分の熱量が、下流側のボイラ部５４で不足する。従って、燃料ガス分配部５５へ投入する燃料ガスを増量し、ボイラ部５４において燃料ガスが不足し無いようにする。ボイラ部５４へ（ボイラ用燃焼ガスライン６３経由で）投入する燃料（燃焼ガス）の単位時間あたりの発熱量をＱ０とすると、燃料ガス分配部５５へ供給される燃料ガスの単位時間あたりの発熱量は、Ｑ＝Ｑ０＋ＷＳＯ となる。
燃料ガスは、全量をＳＯＦＣへ供給しても良いが、ＳＯＦＣの容量が小さく、充分な燃料ガス流量を確保できない場合を考慮し、ＳＯＦＣで使用しない分の内、必要に応じて適当な量の燃料ガスを燃料ガスバイパスライン６２により燃料ガス混合部５６へバイパスさせる。そして、ボイラ部５４の燃焼用の燃料ガスとして用いる。
ＳＯＦＣに供給する酸化剤ガス（空気）は、ベースプラントのボイラ部５４へ投入前の空気である。ＳＯＦＣの最大容量はベースプラントが供給可能な空気量で定まる。
なお、概数で述べれば、通常のボイラの場合、投入空気量は理論空気量の１〜１．２倍程度であり、ＳＯＦＣの場合は、現状の研究用モジュールで６．７倍、実証プラントで３．３倍程度である。
複合発電システムの効率は、実施例１と同様であるので、その説明を省略する。
図２のグラフ及び、既述の図２の説明で示したように、ＳＯＦＣの空気比λＳＯ＝３．３（実証プラントベース）の場合、ボイラ（空気比は概略１程度で、発電効率は４０％程度）への燃料電池トッピングシステムの追設で約９％の発電効率の向上を図ることが出来る。
ＳＯＦＣが、上記式（３）の条件を満足すれば、ベースプラントのヒートバランスの変化は無く、ベースプラントは運転制御に制限を受けず、トッピングＳＯＦＣの追設により既存プラントは出力の増大及び効率の向上を果たすことが出来る。また、プラントの発電効率は、ＳＯＦＣの出力が増大するにつれて増加するが、最大値は式（６）で規定される。
次に、本発明である複合発電システムの第２の実施の形態の動作について、図面を参照して説明する。
まず、起動の動作について説明する。
１）火力発電部（ボイラ部）の起動
燃料ガス：
（ｉ）燃料ガスを、燃料ガス供給管５９経由で燃料ガス分配部５５へ供給する。供給量は、ボイラ部５４の従来の起動に際し、初期に供給される燃料ガスの量である。
（ｉｉ）全ての燃料ガスを、燃料ガス分配部５５、燃料ガスバイパスライン６２、燃料ガス混合部５６及びボイラ用燃焼ガスライン６３経由でボイラ部５４へ供給するように設定する。
酸化剤ガス：
（ｉｉｉ）一方、酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給管６４経由で酸化剤ガス分配部５７へ供給する。供給量は、ボイラ部５４の従来の起動に際し、初期に供給される酸化剤ガスの量である。
（ｉｖ）全ての酸化剤ガスを、酸化剤ガス分配部５７、酸化剤ガスバイパスライン６５、酸化剤ガス混合部５８及びボイラ用酸化剤ガスライン６６経由でボイラ部５４へ供給するように設定する。
以上のように、燃料ガス及び酸化剤ガスについて、１００％ＳＯＦＣをバイパスさせ、ベースプラントであるボイラ部５４へ供給するように設定して、ボイラ部５４を起動する。１００％のバイパスなので、燃料電池を設置していないのと同じである。よって、ボイラ部５４の起動は、従来の起動動作を踏襲することが出来る。
２）ボイラ部５４を起動後のＳＯＦＣの起動
（ｖ）酸化剤ガス分配部５７において、ＳＯＦＣをバイパスする酸化剤ガスの量（酸化剤ガスバイパスライン６５を経由する酸化剤ガス）を少しずつ減少すると共に、ＳＯＦＣへ供給する酸化剤ガス（電池用酸化剤ガスライン６１−１を経由する酸化剤ガス）を徐々に増加させる。
（ｖｉ）それに合わせて、燃料ガス分配部５５へ供給する燃料ガスの量を少しずつ増加し、増加分をＳＯＦＣへ向けて、電池用燃料ガスライン６０−１へ送出する。この時の燃料は、
以上のように、ＳＯＦＣの起動は、燃料ガス及び酸化剤ガスを除々に増加させて行なう。この起動プロセス自体は、従来のＳＯＦＣの起動プロセスと同様に行うことが出来る。すなわち、ボイラ部５４の運転にほとんど影響を与えることなく、ＳＯＦＣを起動することが出来る。
まず、起動の動作について説明する。
１）火力発電部（ボイラ部）の起動
燃料ガス：
（ｉ）燃料ガスを、燃料ガス供給管５９経由で燃料ガス分配部５５へ供給する。供給量は、ボイラ部５４の従来の起動に際し、初期に供給される燃料ガスの量である。
（ｉｉ）全ての燃料ガスを、燃料ガス分配部５５、燃料ガスバイパスライン６２、燃料ガス混合部５６及びボイラ用燃焼ガスライン６３経由でボイラ部５４へ供給するように設定する。
酸化剤ガス：
（ｉｉｉ）一方、酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給管６４経由で酸化剤ガス分配部５７へ供給する。供給量は、ボイラ部５４の従来の起動に際し、初期に供給される酸化剤ガスの量である。
（ｉｖ）全ての酸化剤ガスを、酸化剤ガス分配部５７、酸化剤ガスバイパスライン６５、酸化剤ガス混合部５８及びボイラ用酸化剤ガスライン６６経由でボイラ部５４へ供給するように設定する。
以上のように、燃料ガス及び酸化剤ガスについて、１００％ＳＯＦＣをバイパスさせ、ベースプラントであるボイラ部５４へ供給するように設定して、ボイラ部５４を起動する。１００％のバイパスなので、燃料電池を設置していないのと同じである。よって、ボイラ部５４の起動は、従来の起動動作を踏襲することが出来る。
２）ボイラ部５４を起動後のＳＯＦＣの起動
（ｖ）酸化剤ガス分配部５７において、ＳＯＦＣをバイパスする酸化剤ガスの量（酸化剤ガスバイパスライン６５を経由する酸化剤ガス）を少しずつ減少すると共に、ＳＯＦＣへ供給する酸化剤ガス（電池用酸化剤ガスライン６１−１を経由する酸化剤ガス）を徐々に増加させる。
（ｖｉ）それに合わせて、燃料ガス分配部５５へ供給する燃料ガスの量を少しずつ増加し、増加分をＳＯＦＣへ向けて、電池用燃料ガスライン６０−１へ送出する。この時の燃料は、
以上のように、ＳＯＦＣの起動は、燃料ガス及び酸化剤ガスを除々に増加させて行なう。この起動プロセス自体は、従来のＳＯＦＣの起動プロセスと同様に行うことが出来る。すなわち、ボイラ部５４の運転にほとんど影響を与えることなく、ＳＯＦＣを起動することが出来る。
３）ＳＯＦＣのみの起動
燃料ガス：
（ｉ）燃料ガスを、燃料ガス供給管５９経由で燃料ガス分配部５５へ供給する。供給量は、燃料電池の従来の起動に際し、初期に供給される燃料ガスの量である。
（ｉｉ）燃料ガス分配部５５において、全ての燃料ガスを、電池用燃料ガスライン６０−１を経由して燃料電池本体５２へ供給するように設定する。
酸化剤ガス：
（ｉｉｉ）一方、酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給管６４経由で酸化剤ガス分配部５７へ供給する。供給量は、燃料電池の従来の起動に際し、初期に供給される酸化剤ガスの量である。
（ｉｖ）酸化剤ガス分配部５７において、すべての酸化剤ガスを、電池用酸化剤ガスライン６１−１経由で燃料電池本体５２へ供給するように設定する。
排燃料ガス及び排酸化剤ガス：
（ｖ）燃料電池本体５２で使用された排燃料ガス及び排酸化剤ガスは、それぞれ電池用燃料ガスライン６０−２及び電池用酸化剤ガスライン６１−２を経由して、燃料電池本体５２から排出される。図４中には示していないが、電池用燃料ガスライン６０−２及び電池用酸化剤ガスライン６１−２の途中に外部へ排燃料ガス及び排酸化剤ガスを排出するラインを設けておく。そうすることにより、そのラインを経由して、全ての排燃料ガス及び排酸化剤ガスを外部へ排出できる。
以上のように、燃料ガス及び酸化剤ガスについて、１００％ボイラ部５４に供給されないようにして、ＳＯＦＣへ供給するように設定して、ＳＯＦＣを起動する。この場合、ボイラ部５４を設置していないのと同じである。よって、ＳＯＦＣの起動は、ＳＯＦＣの従来の起動動作を踏襲することが出来る。
燃料ガス：
（ｉ）燃料ガスを、燃料ガス供給管５９経由で燃料ガス分配部５５へ供給する。供給量は、燃料電池の従来の起動に際し、初期に供給される燃料ガスの量である。
（ｉｉ）燃料ガス分配部５５において、全ての燃料ガスを、電池用燃料ガスライン６０−１を経由して燃料電池本体５２へ供給するように設定する。
酸化剤ガス：
（ｉｉｉ）一方、酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給管６４経由で酸化剤ガス分配部５７へ供給する。供給量は、燃料電池の従来の起動に際し、初期に供給される酸化剤ガスの量である。
（ｉｖ）酸化剤ガス分配部５７において、すべての酸化剤ガスを、電池用酸化剤ガスライン６１−１経由で燃料電池本体５２へ供給するように設定する。
排燃料ガス及び排酸化剤ガス：
（ｖ）燃料電池本体５２で使用された排燃料ガス及び排酸化剤ガスは、それぞれ電池用燃料ガスライン６０−２及び電池用酸化剤ガスライン６１−２を経由して、燃料電池本体５２から排出される。図４中には示していないが、電池用燃料ガスライン６０−２及び電池用酸化剤ガスライン６１−２の途中に外部へ排燃料ガス及び排酸化剤ガスを排出するラインを設けておく。そうすることにより、そのラインを経由して、全ての排燃料ガス及び排酸化剤ガスを外部へ排出できる。
以上のように、燃料ガス及び酸化剤ガスについて、１００％ボイラ部５４に供給されないようにして、ＳＯＦＣへ供給するように設定して、ＳＯＦＣを起動する。この場合、ボイラ部５４を設置していないのと同じである。よって、ＳＯＦＣの起動は、ＳＯＦＣの従来の起動動作を踏襲することが出来る。
４）ガスタービンとＳＯＦＣの定常運転
上述（実施例１）の式（３）を満足するように、投入燃料ガスを制御して運転する。すなわち、Ｑ＝Ｑ０＋ＷＳＯにおいて、ボイラ部５４の運転についてはＱ０を制御し、燃料電池の運転についてはＷＳＯを制御する。この制御は、外部から供給する燃料ガスの量、燃料ガス分配部５５での燃料ガスの分配、外部から供給する酸化剤ガスの量、酸化剤ガス分配部５７での酸化剤ガスの分配などにより行なわれる。
そうすることにより、ボイラ部５４すなわち火力発電部５３は燃料電池トッピングシステムを追設していない場合と同様に、運転の制御に制約を受けず、そのパフォーマンスを十分に発揮することが出来る。燃料電池についても同様に、運転の制約を受けず、燃料電池本来の効率を発揮することが出来る。
上述（実施例１）の式（３）を満足するように、投入燃料ガスを制御して運転する。すなわち、Ｑ＝Ｑ０＋ＷＳＯにおいて、ボイラ部５４の運転についてはＱ０を制御し、燃料電池の運転についてはＷＳＯを制御する。この制御は、外部から供給する燃料ガスの量、燃料ガス分配部５５での燃料ガスの分配、外部から供給する酸化剤ガスの量、酸化剤ガス分配部５７での酸化剤ガスの分配などにより行なわれる。
そうすることにより、ボイラ部５４すなわち火力発電部５３は燃料電池トッピングシステムを追設していない場合と同様に、運転の制御に制約を受けず、そのパフォーマンスを十分に発揮することが出来る。燃料電池についても同様に、運転の制約を受けず、燃料電池本来の効率を発揮することが出来る。
なお、停止方法については、起動方法の逆を行なえば良いので、その説明を省略する。
本発明においては、既存のガスタービンに対して、燃料電池トッピングシステムを導入することにより、ガスタービンの運転制御に影響を与えることなく、容易に発電規模及び発電効率を向上させることが可能となる。
燃料電池の単独運転を考慮し無い場合（火力発電部の単独運転は考慮）には、図４において、燃料電池２及びその周辺機器（燃料ガス分配部５５、燃料ガスバイパスライン６２、酸化剤ガス分配部５７、酸化剤ガスバイパスライン６５、ボイラ用酸化剤ガスライン６６、燃料ガス混合部５６、酸化剤ガス混合部５８及び制御部１００）の追加により、実施可能である。
燃料電池の単独運転を考慮し無い場合（火力発電部の単独運転は考慮）には、図４において、燃料電池２及びその周辺機器（燃料ガス分配部５５、燃料ガスバイパスライン６２、酸化剤ガス分配部５７、酸化剤ガスバイパスライン６５、ボイラ用酸化剤ガスライン６６、燃料ガス混合部５６、酸化剤ガス混合部５８及び制御部１００）の追加により、実施可能である。
２ 燃料電池部
３ ガスタービン部
４ 燃料電池本体
５ ガスタービン本体
５−１ タービン部
５−２ コンプレッサ部
５−３ 駆動軸
６ 発電機
７ 燃焼部
８ 燃料ガス分配部
９ 酸化剤ガス分配部Ａ
１０ 酸化剤ガス分配部Ｂ
１１ 燃焼ガス混合部
２１ 燃料ガス供給管
２２−１ 電池用燃料ガスライン
２２−２ 電池用燃料ガスライン
２３ 燃料ガスバイパスライン
２４ 酸化剤ガス供給管
２５−１ タービン用酸化剤ガスライン
２５−２ タービン用酸化剤ガスライン
２６−１ 電池用酸化剤ガスライン
２６−２ 電池用酸化剤ガスライン
２７ 酸化剤ガスバイパスラインＡ
２８ 酸化剤ガスバイパスラインＢ
２９−１ タービン用燃焼ガスライン
２９−２ タービン用燃焼ガスライン
３０ 燃焼ガスバイパスライン
３１ 燃焼ガスライン
４０ 排熱回収ボイラシステム
４１ 排熱回収ボイラ
４２ 蒸気タービン
４３ 発電機
４４ 復水器
４５ 循環ポンプ
４６ 排気塔
４７−１ 蒸気循環ライン
４７−２ 蒸気循環ライン
４７−３ 蒸気循環ライン
４７−４ 蒸気循環ライン
５１ 燃料電池部
５２ 燃料電池本体
５３ 火力発電部５３
５４ ボイラ部５４
５５ 燃料ガス分配部
５６ 燃料ガス混合部
５７ 酸化剤ガス分配部
５８ 酸化剤ガス混合部
５９ 燃料ガス供給管
６０−１ 電池用燃料ガスライン
６０−２ 電池用燃料ガスライン
６１−１ 電池用酸化剤ガスライン
６１−２ 電池用酸化剤ガスライン
６２ 燃料ガスバイパスライン
６３ ボイラ用燃焼ガスライン
６４ 酸化剤ガス供給管
６５ 酸化剤ガスバイパスライン
６６ ボイラ用酸化剤ガスライン
１００ 制御部
１０１ 制御部
３ ガスタービン部
４ 燃料電池本体
５ ガスタービン本体
５−１ タービン部
５−２ コンプレッサ部
５−３ 駆動軸
６ 発電機
７ 燃焼部
８ 燃料ガス分配部
９ 酸化剤ガス分配部Ａ
１０ 酸化剤ガス分配部Ｂ
１１ 燃焼ガス混合部
２１ 燃料ガス供給管
２２−１ 電池用燃料ガスライン
２２−２ 電池用燃料ガスライン
２３ 燃料ガスバイパスライン
２４ 酸化剤ガス供給管
２５−１ タービン用酸化剤ガスライン
２５−２ タービン用酸化剤ガスライン
２６−１ 電池用酸化剤ガスライン
２６−２ 電池用酸化剤ガスライン
２７ 酸化剤ガスバイパスラインＡ
２８ 酸化剤ガスバイパスラインＢ
２９−１ タービン用燃焼ガスライン
２９−２ タービン用燃焼ガスライン
３０ 燃焼ガスバイパスライン
３１ 燃焼ガスライン
４０ 排熱回収ボイラシステム
４１ 排熱回収ボイラ
４２ 蒸気タービン
４３ 発電機
４４ 復水器
４５ 循環ポンプ
４６ 排気塔
４７−１ 蒸気循環ライン
４７−２ 蒸気循環ライン
４７−３ 蒸気循環ライン
４７−４ 蒸気循環ライン
５１ 燃料電池部
５２ 燃料電池本体
５３ 火力発電部５３
５４ ボイラ部５４
５５ 燃料ガス分配部
５６ 燃料ガス混合部
５７ 酸化剤ガス分配部
５８ 酸化剤ガス混合部
５９ 燃料ガス供給管
６０−１ 電池用燃料ガスライン
６０−２ 電池用燃料ガスライン
６１−１ 電池用酸化剤ガスライン
６１−２ 電池用酸化剤ガスライン
６２ 燃料ガスバイパスライン
６３ ボイラ用燃焼ガスライン
６４ 酸化剤ガス供給管
６５ 酸化剤ガスバイパスライン
６６ ボイラ用酸化剤ガスライン
１００ 制御部
１０１ 制御部
Claims (5)
- 燃料電池と、発電プラントとを有する複合発電システムであって、
発電プラントは少なくともタービン部、コンプレッサ部から成るガスタービン本体と、
前記タービン部に高温・高圧の燃焼ガスを供給する燃焼部と、
前記燃料電池と前記燃焼部とに燃料ガスを分配して供給する燃料ガス分配部と、
前記コンプレッサ部から加圧された酸化剤ガスを前記燃料電池と前記燃焼部とに分配して供給する酸化剤ガス分配部を有し、
前記燃料ガス分配部および前記酸化剤ガス分配部による分配の割合を制御する制御部であって、前記発電プラントと前記燃料電池の運転条件に基づいて前記燃料ガス分配部における分配量を制御し、
前記燃焼部は、前記燃料ガス分配部から燃料ガスの供給を受け、前記酸化剤ガス分配部から酸化剤ガスの供給を受け、前記燃料電池から排燃料ガスおよび排酸化剤ガスの供給を受ける
ことを特徴とする複合発電システム。 - 前記排燃料ガスは、電池用燃料ガスラインを経由して前記燃焼部に供給され、前記排酸化剤ガスは、電池用酸化剤ガスラインを経由して前記燃焼部に供給されることを特徴とする請求項１に記載の複合発電システム。
- 前記制御部は、前記燃料ガス分配部から燃料ガスバイパスラインを経由して前記燃焼部に燃料ガスを送出し、前記酸化剤ガス分配部から酸化剤ガスバイパスラインを経由して前記燃焼部に酸化剤ガスを送出するように制御していることを特徴とする請求項１又は２に記載の複合発電システム。
- 前記制御部は、前記発電プラントの運転条件と前記燃料電池の運転条件に基づいて、前記発電プラントおよび前記燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの量を決定し、前記燃料ガス分配部および前記酸化剤ガス分配部に対して分配の制御を実施することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の複合発電システム。
- 前記制御部は、単位時間当たりの前記発電プラントの発熱量Ｑ０に単位時間当たりの前記燃料電池の発熱量ＷＳＯを加えて供給することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の複合発電システム。
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