JP5730223B2

JP5730223B2 - コンバインド発電システム

Info

Publication number: JP5730223B2
Application number: JP2012017331A
Authority: JP
Inventors: 古賀　重徳; 重徳古賀; 雄一寺本
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2032-01-30
Also published as: JP2013157218A

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池及びガスタービンが結合された固体酸化物形燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの固体酸化物形燃料電池の起動方法に関する。

固体酸化物形燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＳＯＦＣ）は、用途の広い高効率な燃料電池として知られている。この固体酸化物形燃料電池は、固体電解質のイオン導電性を高めるために作動温度が高く設定されているため、ガスタービンとの相性がよい。このため、例えば、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。

特開２００３−３６８７２号公報

このようなコンバインド発電システムでは、ガスタービン単独運転の状態から固体酸化物形燃料電池を起動する場合、ガスタービンの圧縮機からガスタービンの燃焼器に供給されている吐出空気の一部を固体酸化物形燃料電池に供給して、固体酸化物燃料電池を昇圧する必要がある。この時、ガスタービンの運転状態を可能な限り変化させないように、固体酸化物形燃料電池に供給する吐出空気をごく少量としていたために、固体酸化物形燃料電池の起動に時間がかかるという問題があった。

本発明は、上述の問題に鑑み、ガスタービンの吐出空気を用いて固体酸化物形燃料電池の起動を行うに際して、起動時間の短縮を図ることができるコンバインド発電システムを提供することを目的とする。

本発明のコンバインド発電システムは、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、空気極及び燃料極を有する固体酸化物形燃料電池と、前記圧縮機で圧縮された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た排出空気を前記燃焼器に供給する排出空気供給ラインと、前記空気供給ラインと前記排出空気供給ラインとに接続され、前記空気供給ラインを流れる前記吐出空気の一部又は全部を、前記固体酸化物形燃料電池をバイパスして前記排出空気供給ラインに供給するバイパス流路とを有し、前記空気供給ラインには、前記圧縮機側から順に、前記空気供給ラインと前記バイパス流路との接続部と、前記吐出空気の流量を調整する第一流量調整弁とが介装され、前記排出空気供給ラインには、前記固体酸化物形燃料電池側から順に、前記排出空気の流れを遮断する第一開閉弁と、前記排出空気供給ラインと前記バイパス流路との接続部とが介装され、前記バイパス流路には、第二流量調整弁が介装され、更に、前記ガスタービンの出力の値を測定する出力測定装置と、前記空気供給ラインの前記バイパス流路との接続部下流側の圧力の値を測定する圧力測定装置と、前記固体酸化物形燃料電池に供給される前記吐出空気の流量を測定する流量測定装置と、前記出力測定装置、前記圧力測定装置及び前記流量測定装置から出力されるそれぞれの測定値が入力されて、前記第一流量調整弁及び前記第二流量調整弁の開度を調整する制御装置とを有し、前記第一流量調整弁と前記第一開閉弁とは全閉とされ、かつ前記第二流量調整弁が開放された起動前の状態から、前記制御装置は、前記出力測定装置の測定値が、前記ガスタービンの下限出力となるように前記第一流量調整弁の開度を調整し、前記圧力測定装置の測定値が目標の圧力に達すると、前記第一開閉弁を開くと共に、前記流量測定装置の測定値に応じて前記第二流量調整弁の開度を調整して起動することを特徴とする。
本発明のコンバインド発電システムにおいては、前記第一流量調整弁の開度は、前記固体酸化物形燃料電池の圧力上昇に伴い大きくなるよう調整され、前記圧力測定装置の測定値が、目標の圧力よりも低い所定の圧力に達すると、前記第一流量調整弁の開度の変化率を大きくすることが好ましい。

このようなコンバインド発電システムによれば、ガスタービンの出力がガスタービンの許容できる下限の出力となるように制御することで、固体酸化物形燃料電池を起動する際に固体酸化物形燃料電池に供給される圧縮機からの吐出空気の量を多くすることで、ＳＯＦＣの昇圧時間を、従来よりも大幅に短縮することができる。その結果、固体酸化物形燃料電池の起動時間を短縮化することができ、燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの効率の向上に寄与する。

上述の態様に係るコンバインド発電システムによれば、固体酸化物形燃料電池の昇圧に要する時間を従来よりも短縮することで、コンバインド発電システムの起動時間を短縮し、コンバインド発電システムの発電効率を高めることができる。

図１は、固体酸化物形燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの一態様の概略を示す図である。図２は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の起動時における昇圧挙動を示す図である。図３は、従来の固体酸化物形燃料電池の起動時における昇圧挙動を示す図である。

以下、この発明について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明によりこの発明が限定されるものではない。また、以下説明における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムについて、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の固体酸化物形燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略を示す図である。

図１に示すように、固体酸化物形燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム（以下、「発電システム」と称する。）１０は、ガスタービン１１と、ガスタービン１１により駆動される発電機１２と、固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と称する。）１３とを有する。この発電システム１０は、ＳＯＦＣ１３による発電と、ガスタービン１１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。

ガスタービン１１は、空気１８を圧縮する圧縮機１４と、燃焼ガス１５を生成するガスタービン燃焼器１６と、ガスタービン燃焼器１６から供給された燃焼ガス１５を膨張させて回転するタービン１７とを有する。タービン１７と圧縮機１４と発電機１２とは、同軸に連結されている。

ガスタービン燃焼器１６は、ＳＯＦＣ１３から排出される排出空気１８ＢとＳＯＦＣ１３をバイパスして供給される吐出空気１８Ａとの一方又は両方、及び別途供給される燃料ガス３４、たとえば、都市ガス（天然ガス）を燃焼させて高温高圧の燃焼ガス１５を生成するものである。タービン１７は、ガスタービン燃焼器１６で生成されて供給される燃焼ガス１５が膨張する際のエネルギーによって回転して軸出力を発生するものである。圧縮機１４は、タービン１７により発生された軸出力の一部又は全部を利用して駆動され空気１８を圧縮するものである。発電機１２は、タービン１７により発生された軸出力の一部又は全部を利用して駆動され、該軸出力を電気エネルギーに変換するものである。

ＳＯＦＣ１３は、空気極と固体電解質と燃料極とを有する。また、ＳＯＦＣ１３は、図示しない圧力容器内に配置される。このＳＯＦＣ１３は、空気極に酸化剤としての圧縮空気が供給され、燃料極に還元剤としての燃料ガスが供給されることで発電を行うものである。

また、発電システム１０は、圧縮機１４に空気１８を供給する空気導入ラインＬ₁と、圧縮機１４で圧縮された吐出空気１８ＡをＳＯＦＣ１３の空気極に供給する空気供給ラインＬ₂と、ＳＯＦＣ１３で酸化剤として用いられた排出空気１８Ｂをガスタービン燃焼器１６に供給する排出空気供給ラインＬ₃と、空気供給ラインＬ₂と排出空気供給ラインＬ₃とに接続され、空気供給ラインＬ₂を流れる吐出空気１８Ａの一部又は全部を、ＳＯＦＣ１３をバイパスして排出空気供給ラインＬ₃に供給するバイパス流路Ｌ₄とを有する。

空気供給ラインＬ₂には、圧縮機１４側から順に、タービン１７からの排燃焼ガス１５Ａと吐出空気１８Ａとを熱交換させるエアヒータ（ＡＨ）１９と、空気供給ラインＬ₂とバイパス流路Ｌ₄との接続部と、吐出空気１８Ａの流量を調整する第一流量調整弁２１が介装されている。また排出空気供給ラインＬ₃には、ＳＯＦＣ１３側から順に、ＳＯＦＣ１３からガスタービン燃焼器１６に供給される排出空気１８Ｂの流れを遮断する第一開閉弁２２と、排出空気供給ラインＬ₃とバイパス流路Ｌ₄との接続部とが介装されている。また、バイパス流路Ｌ₄には、第二流量調整弁２４が介装されている。なお、符号Ｌ₈は、排出流路を図示する。

なお、本実施形態では省略しているが、空気供給ラインＬ₂と排出空気供給ラインＬ₃とには、吐出空気１８Ａと排出空気１８Ｂとを熱交換させる空気熱交換器を設けるようにしてもよい。

また、発電システム１０は、ＳＯＦＣ１３の燃料極に燃料ガス（例えば、都市ガス）３１を供給する燃料ガス供給ラインＬ₅と、ＳＯＦＣ１３で一部が還元剤として用いられた排燃料ガス３１Ａをガスタービン燃焼器１６に供給する排燃料ガス供給ラインＬ_６と、燃料ガス供給ラインＬ₅と排燃料ガス供給ラインＬ₆とに接続され、排燃料ガス供給ラインＬ₆を流れる排燃料ガス３１Ａの一部又は全部を、燃料ガス供給ラインＬ₅に再循環させる再循環ラインＬ₇とを有する。なお、符号Ｌ₉は、排出流路を図示する。

燃料ガス供給ラインＬ₅には、燃料ガス３１の供給量を制御する第三流量調整弁３５が備えられている。また、排燃料ガス供給ラインＬ₆には、ＳＯＦＣ１３側から順に、排燃料ガス供給ラインＬ₆と再循環ラインＬ₇との接続部と、排燃料ガス３１Ａの圧力を調整する圧力制御弁３２が備えられている。また、再循環ラインＬ₇には、再循環ブロア３３が介装されている。なお、本実施形態では省略しているが、燃料ガス供給ラインＬ₅と排燃料ガス供給ラインＬ₆とには、燃料ガス３１と排燃料ガス３１Ａとを熱交換させて、排燃料ガス３１Ａの熱を回収する燃料ガス熱交換器を備えるようにしてもよい。

また、発電システム１０は、出力測定装置３７と、流量測定装置３９と、圧力測定装置４１と、制御装置４３とを有する。出力測定装置３７は、ガスタービン１１の出力の値を測定して制御装置４３にその値を出力するものである。圧力測定装置４１は、空気供給ラインＬ₂のバイパス流路Ｌ₄との接続部下流側（以下、ＳＯＦＣ１３側と称する）の圧力の値を測定して制御装置４３にその値を出力するものである。流量測定装置３９は、ＳＯＦＣ側に供給される吐出空気１８Ａの流量を測定して制御装置４３にその値を出力するものである。制御装置４３は、各測定装置から入力されるそれぞれの値に基づいて、第一流量調整弁２１及び第二流量調整弁２４の開度を調整するものである。

次に、図１及び図２を参照して上述の構成を有する発電システム１０のＳＯＦＣ１３の起動時の動作を説明する。図２は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の起動時における昇圧の挙動を示す図である。このＳＯＦＣ１３の起動前（図２におけるＴ_０までの間）においては、第一流量調整弁２１と第一開閉弁２２と圧力制御弁３２と第三流量調整弁３５とは全閉とされ、バイパス流路Ｌ₄に介装された第二流量調整弁２４のみが開放されている。この状態の下、ガスタービン１１は、以下のように運転されている。

すなわち、圧縮機１４で圧縮され、吐出される吐出空気１８Ａは、空気供給ラインＬ₂と、バイパス流路Ｌ₄及び排出空気供給ラインＬ₃とを経由してガスタービン燃焼器１６に供給されている。ガスタービン燃焼器１６は、この吐出空気１８Ａを用いて別途供給される燃料ガス３４を燃焼させ、高温高圧の燃焼ガス１５を生成してタービン１７へ供給している。

タービン１７は、供給された燃焼ガス３４を膨張させて回転し、ガスタービン１１の軸出力を発生させている。この軸出力は、主として発電機１２の駆動に使用されて電気エネルギーを生成するとともに、一部は圧縮機１４の駆動に使用されている。燃焼ガス１５は、タービン１７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１８Ａを加熱して、排燃焼ガス１５Ａとして排出されている。

ＳＯＦＣ１３の起動時には、まず、制御装置４３から出力される信号により第一流量調整弁２１が開かれる（図２におけるＴ₀）。第一流量調整弁２１が開かれると、バイパス流路Ｌ₄を介してガスタービン燃焼器１６に供給されている吐出空気１８Ａの一部が、ＳＯＦＣ１３側へと供給される。この時、ＳＯＦＣ１３側とガスタービン燃焼器１６側に分岐する流路において圧力差が発生し、圧力の低い側に位置する第一流量調整弁２１の開度によりＳＯＦＣ１３側とガスタービン燃焼器１６側に流れる空気量が決定する。第一流量調整弁２１を所定の値まで開き、ガスタービン燃焼器１６に供給される吐出空気１８Ａを減少させると、ガスタービン燃焼器１６への供給空気流量が減ることから、図２に示すようにガスタービン１１の出力は低下する。

なお、図２におけるＴ₀において、第一流量調整弁２１の開度は、制御装置４３によって予め決められた値に制御される。この予め決められた値とは、第一流量調整弁２１を開いた際に、ガスタービン１１の出力が下限の出力となるようにガスタービン燃焼器１６に必要量の空気を供給できる値である。

ここで、ガスタービン１１の出力が下限の出力となる値とは、ガスタービン１１が許容できる下限の出力値（例えば定格が１５ＫＷ運転の場合、例えば５ＫＷ運転にする）のことである。このガスタービン１１が許容できる下限の出力とは、圧縮機１４の機動力を確保し、且つガスタービン１１の安定的な運転が可能である出力である。

次に、制御装置４３は、出力測定装置３７から入力されるガスタービン１１の出力の値が所定の値を保つように第一流量調整弁２１の開度を制御する（図２におけるＴ₀からＴ₂）。その結果、図２のＴ₀からＴ₁の間における第一流量調整弁２１の開度は、ガスタービン燃焼器１６側に供給される吐出空気１８Ａの流量が一定となるように、ＳＯＦＣ１３側の圧力上昇と共におおよそ一定の変化率で大きくなる傾向となる。

ＳＯＦＣ１３側の圧力が所定の圧力に達すると（図２におけるＴ₁）、第一流量調整弁２１の開度の変化率が大きくなる。これは、ＳＯＦＣ１３側の圧力が高くなり、ＳＯＦＣ１３側へ供給するために必要な第一流量調整弁２１の開度が大きくなるからである。

圧力測定装置４１によって測定されるＳＯＦＣ１３側の圧力が目標の圧力に達するとＳＯＦＣ１３の昇圧が完了する（図２におけるＴ₂）。次に、制御装置４３は、第一開閉弁２２を開いて、ＳＯＦＣ１３から排出される排出空気１８Ｂをガスタービン燃焼器１６に供給する。また、制御装置４３は、流量測定装置４３から入力されるＳＯＦＣ１３側への吐出空気の流量が最適な値となるように第二流量調整弁２４の開度を調整する。

ガスタービン燃焼器１６に、吐出空気１８Ａ及び排出空気１８Ｂが十分に供給され、ガスタービン１１が定格運転に至ると、エアヒータ１９においてタービン１７の排燃焼ガス１５Ａで加熱される吐出空気１８Ａは、例えば６００℃程度まで昇温する。ＳＯＦＣ１３は、この吐出空気１８Ａにより発電可能な温度（例えば、６００℃）にまで昇温される。その後、ＳＯＦＣ１３は、空気極に供給される吐出空気１８Ａと別途燃料極に供給される燃料ガス３１とを反応させ、電気エネルギーを生成し始める。

本実施形態のコンバインド発電システムの運転方法は、ＳＯＦＣを起動する際に、ガスタービンを最低出力に保持することで、ＳＯＦＣに供給する空気量を最大化し、ＳＯＦＣの昇圧を早めることで、ＳＯＦＣの起動時間を短縮でき、コンバインド発電システム自体の起動を早めることができるので、システム全体の発電効率を高めることができる。

［比較例］
本実施形態に係る発電システム１０にて、従来の起動方法を利用した場合にＳＯＦＣ１３の昇圧にかかる時間を確認した結果を、図３を参照して説明する。図３は、従来の固体酸化物形燃料電池の起動時における昇圧の挙動を示す図である。

従来の起動方法において、ＳＯＦＣ１３の起動時には、まず制御装置４３から出力される信号により第一流量調整弁２１が開かれる（図３におけるＴ₀）。この時、第一流量調整弁２１の開度は、ガスタービンの運転状態を可能な限り変化させないよう十分に小さい値に設定されている。

次に、第一流量調整弁２１の開度は、制御装置４３によって、ガスタービン１１の運転状態が定格に戻るために十分に長い時間の間一定に保持される（図３におけるＴ₀からＴ₁）。この時間の経過後、第一流量調整弁２１の開度は、制御装置４３によって、ＳＯＦＣ１３側の圧力が目標の圧力に達するまでの間（図３におけるＴ₁からＴ₂）徐々に大きくされる。この従来の起動方法によりＳＯＦＣ１３の昇圧にかかる時間は、本発明に係る起動方法と比較して約２倍程度長くかかることが分かる。

本実施形態に係る発電システム１０によれば、ＳＯＦＣ１３側に供給する吐出空気１８Ａの流量を、ガスタービン１１の出力がガスタービン１１の許容できる下限の出力となるように制御することで、ＳＯＦＣ１３の昇圧時間を、従来よりも大幅に短縮することができる。その結果、ＳＯＦＣ１３の起動時間を短縮化することができ、燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの効率の向上に寄与する。

１０燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム
１１ガスタービン
１２発電機
１３固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
１４圧縮機
１５燃焼ガス
１６ガスタービン燃焼器
１７タービン
１８空気
１８Ａ吐出空気
１８Ｂ排出空気
１８ＣＳＯＦＣへ導入される吐出空気
２１第一流量調整弁
２２第一開閉弁
２４第二流量調整弁
３１燃料ガス
３１Ａ排燃料ガス
３７出力測定装置
３９流量測定装置
４１圧力測定装置
４３制御装置

Claims

圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、
空気極及び燃料極を有する固体酸化物形燃料電池と、
前記圧縮機で圧縮された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た排出空気を前記燃焼器に供給する排出空気供給ラインと、
前記空気供給ラインと前記排出空気供給ラインとに接続され、前記空気供給ラインを流れる前記吐出空気の一部又は全部を、前記固体酸化物形燃料電池をバイパスして前記排出空気供給ラインに供給するバイパス流路とを有し、
前記空気供給ラインには、前記圧縮機側から順に、前記空気供給ラインと前記バイパス流路との接続部と、前記吐出空気の流量を調整する第一流量調整弁とが介装され、
前記排出空気供給ラインには、前記固体酸化物形燃料電池側から順に、前記排出空気の流れを遮断する第一開閉弁と、前記排出空気供給ラインと前記バイパス流路との接続部とが介装され、
前記バイパス流路には、第二流量調整弁が介装され、
更に、前記ガスタービンの出力の値を測定する出力測定装置と、
前記空気供給ラインの前記バイパス流路との接続部下流側の圧力の値を測定する圧力測定装置と、
前記固体酸化物形燃料電池に供給される前記吐出空気の流量を測定する流量測定装置と、
前記出力測定装置、前記圧力測定装置及び前記流量測定装置から出力されるそれぞれの測定値が入力されて、前記第一流量調整弁及び前記第二流量調整弁の開度を調整する制御装置とを有し、
前記第一流量調整弁と前記第一開閉弁とは全閉とされ、かつ前記第二流量調整弁が開放された起動前の状態から、
前記制御装置は、前記出力測定装置の測定値が、前記ガスタービンの下限出力となるように前記第一流量調整弁の開度を調整し、前記圧力測定装置の測定値が目標の圧力に達すると、前記第一開閉弁を開くと共に、前記流量測定装置の測定値に応じて前記第二流量調整弁の開度を調整して起動することを特徴とするコンバインド発電システム。
前記第一流量調整弁の開度は、前記固体酸化物形燃料電池の圧力上昇に伴い大きくなるよう調整され、
前記圧力測定装置の測定値が、目標の圧力よりも低い所定の圧力に達すると、前記第一流量調整弁の開度の変化率を大きくすることを特徴とする請求項１に記載のコンバインド発電システム。