JP5762068B2 - 燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム及びその燃料電池の起動方法 - Google Patents

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燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムにおける燃料電池の起動方法に関する。

固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：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、イオン導電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、かつ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及び２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

ところで、固体酸化物形燃料電池とガスタービンとのコンバインド発電システムにおける起動において、従来は燃料側と空気側との差圧を管理値内に保持しながら、昇圧をおこなっている。この場合、差圧制御の追従する範囲内での昇圧速度となるので、その昇圧時間がかかる、という問題がある。
特に、大型のコンバインド発電システムにおいては、昇圧時間が著しく長くなるので、短時間で昇圧することが切望されている。

本発明は、前記問題に鑑み、燃料電池の起動の際に短時間で昇圧操作ができる燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム及びその燃料電池の起動方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、空気極および燃料極を有する固体酸化物形燃料電池と、ガスタービンとを備えた燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムであって、ガスタービン圧縮機からの吐出空気を前記空気極に供給する吐出空気流路と、前記空気極側から排出される排出空気をガスタービン燃焼器に供給する排出空気流路と、燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス流路と、前記燃料極側から排出される排燃料ガスをガスタービン燃焼器に供給する排燃料ガス流路と、前記吐出空気流路から分岐され、吐出空気を前記燃料ガス流路内に一時的に導入する連通流路と、前記連通流路に介装され、前記吐出空気流路を流れる前記吐出空気の流量を調整する制御弁と、前記燃料ガス流路に置換ガスを供給する置換ガス供給手段とを具備し、前記置換ガス供給手段により置換ガスを前記燃料ガス流路内に導入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記置換ガスで置換するように構成したことを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムにある。

第２の発明は、前記置換ガスが、タービンからの排燃焼ガスであることを特徴とする第１に記載の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムにある。

第３の発明は、第１又は２に記載の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムにおいて、燃料電池起動の際に、連通流路を介して吐出空気流路、排出空気流路、燃料ガス流路及び排燃料ガス流路に、吐出空気を供給することで燃料極側流路と空気極側流路とを均圧化しつつ昇圧を行い、次いで、前記連通流路に導入する吐出空気を停止し、吐出空気を前記燃料ガス流路及び前記排燃料ガス流路内に封じ込め、次いで、置換ガス導入することにより、封じ込めた吐出空気を前記置換ガスで置換し、その後燃料ガスを前記燃料ガス流路に導入することを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの燃料電池の起動方法にある。

本発明によれば、燃料電池の起動に際し、燃料側と空気側とを連通させ、吐出空気を用いて両者を均圧化して昇圧を行い、その後置換ガスにより置換し、その後燃料ガスを供給するので、昇圧時間を短縮することができる。

図１−１は、実施例１に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。 図１−２は、実施例１に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。 図１−３は、実施例１に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。 図１−４は、実施例１に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。 図２−１は、実施例２に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。 図２−２は、実施例２に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。 図２−３は、実施例２に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。 図２−４は、実施例２に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例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。

本発明による実施例１に係る燃料電池・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１−１から図１−４は、本実施例に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。
図１−１に示すように、燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム（固体酸化物形燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」という）１３及びガスタービン１１が結合されたシステム）１０Ａは、ガスタービン１１の圧縮機１４からの吐出空気１８ＡをＳＯＦＣ１３側に供給する吐出空気流路（空気供給ライン）Ｌ₂と、ＳＯＦＣ１３から排出される排出空気１８Ｂをガスタービン燃焼器１６に供給する排出空気流路（排出空気供給ライン）Ｌ₃と、燃料ガス３１をＳＯＦＣ１３側に供給する燃料ガス流路Ｌ₅と、ＳＯＦＣ１３の燃料極側から排出される排燃料ガス１３Ａをガスタービン燃焼器１６に供給する排燃料ガス流路Ｌ₆と、前記吐出空気流路（空気供給ライン）Ｌ₂から分岐され、吐出空気１８Ａを燃料ガス流路Ｌ₅内に一時的に導入する連通流路Ｌ₁₀と、前記燃料ガス流路Ｌ₅に一時的に導入された吐出空気１８Ａを置換する置換ガス（例えば窒素ガス）４１を供給する置換ガス供給手段とを具備する。

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」ともいう）１０Ａには、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、ＳＯＦＣ１３と、が備えられている。

この発電システム１０Ａ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には、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、が備えられている。空気１８を空気導入ラインＬ₁により導入して圧縮する圧縮機１４は、タービン１７と同軸に連結されている。発電機１２は、タービン１７と同軸に連結されている。

圧縮機１４で圧縮され、吐出された吐出空気１８Ａは、吐出空気流路（空気供給ライン）Ｌ₂を通ってＳＯＦＣ１３の空気極の導入部に供給される。
この吐出空気１８ＡはＳＯＦＣ１３で酸化剤として用いられた後、ＳＯＦＣ１３の空気極側から排出空気１８Ｂとして排出される。この排出空気１８Ｂは、排出空気流路（排出空気供給ライン）Ｌ₃を通ってガスタービン燃焼器１６に供給される。

吐出空気流路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、吐出空気１８Ａの流量を調整する制御弁２１が介装されている。なお、本実施例では省略しているが、排出空気流路Ｌ₃の排出空気１８Ｂと吐出空気１８Ａとを熱交換させる空気熱交換器と、吐出空気１８Ａを燃焼する燃焼器とを設けるようにしてもよい。
排出空気流路Ｌ₃には、ＳＯＦＣ１３とガスタービン１１とを切り離す制御弁２２が備えられている。

また、ＳＯＦＣ１３の燃料極には、燃料ガス流路Ｌ₅から高温の燃料ガス３１、たとえば、都市ガス（天然ガス）が供給される。この燃料ガス３１はＳＯＦＣ１３で還元剤として一部が用いられた後、ＳＯＦＣ１３の燃料極側から排燃料ガス３１Ａとして排出される。この排燃料ガス３１Ａは、排燃料ガス流路Ｌ₆を通ってガスタービン燃焼器１６に供給される。
なお、本実施例では省略しているが、燃料ガス流路Ｌ₅には、排燃料ガス流路Ｌ₆の排燃料ガス３１Ａから熱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、排燃料ガス流路Ｌ₆には、排燃料ガス３１Ａの圧力を調整する制御弁３２が備えられている。また、排燃料ガス流路Ｌ₆から排燃料ガス３１Ａを燃料ガス流路Ｌ₅側に再循環させる再循環ブロア３３が介装された再循環流路Ｌ₇が備えられており、排燃料ガス３１Ａの再利用を図っている。

ガスタービン燃焼器１６では、排出空気流路Ｌ₃からの排出空気１８Ｂを用いて排燃料ガス流路Ｌ₆から供給される排燃料ガス３１Ａ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、生成した高温高圧の燃焼ガス１５をタービン１７へ供給する。

燃焼ガス１５の供給を受けたタービン１７では、燃焼ガス１５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１２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１４の駆動源として使用される。燃焼ガス１５は、タービン１７で仕事をした後にはエアヒータ１９で吐出空気１８Ａと熱交換した後、排燃焼ガス１５Ａとして排出される。

なお、上述のように、ＳＯＦＣ１３から排出された排燃料ガス３１Ａの一部を再びＳＯＦＣ１３の燃料極側に戻し、残りの排燃料ガスの一部をガスタービン燃焼器１６に送るように構成されていてもよいし、ＳＯＦＣ１３から排出された排燃料ガス３１Ａの全てをガスタービン燃焼器１６側に送る構成とされていてもよい。

本実施例では、さらに前記吐出空気流路（空気供給ライン）Ｌ₂から分岐され、吐出空気１８Ａを燃料ガス流路Ｌ₅内に一時的に導入する連通流路Ｌ₁₀と、前記燃料ガス流路Ｌ₅に一時的に導入された吐出空気１８Ａを置換する置換ガスである窒素ガス４１を供給する置換ガス供給手段とが備えられている。

本実施例では、燃料電池の起動に際し、燃料側と空気側とを連通流路Ｌ₁₀により一時的に連通させ、吐出空気を用いて両者を均圧化して昇圧を行う。その後不活性ガスである窒素ガス４１より吐出空気１８Ａと置換するようにしているので、従来のように燃料ガスと空気との差圧を管理値内に保持しながら、昇圧する必要がなく、昇圧時間を短縮することができる。

このように、吐出空気１８Ａを用いて空気側と燃料側の系内を一緒に昇圧し、その後窒素ガス４１と置換するだけで良いので、昇圧時間の短縮と昇圧操作の短縮を図ることができる。

ここで、ＳＯＦＣ１３は、図示しない圧力容器の内部に設置されている。

次に、上記の構成からなる燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム１０Ａについて、その運転手順とともに作用を図１−１から図１−４を用いて説明する。

１）ガスタービン及び燃料電池起動操作
図１−１に示すように、停止状態にあるガスタービン１１及びＳＯＦＣ１３の運転を開始する時には、最初にガスタービン１１の運転を開始する。

この状態からガスタービン１１の運転を通常の手順に従って開始すると、圧縮機１４で圧縮され、吐出される吐出空気１８Ａは、吐出空気流路Ｌ₁及び排出空気流路Ｌ₃を経由してガスタービン燃焼器１６に供給される。
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を生成しタービン１７へ供給する。

タービン１７は、供給された燃焼ガス１５を膨張させて回転し、軸出力を発生する。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を駆動する。
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、排燃焼ガス１５Ａとして排出される。このエアヒータ１９により、排出空気１８Ａが加熱され、燃料ガス３４の流量の減少をはかりつつ、定格運転に達し、発電機１２による発電が可能になる。

ガスタービン１１の負荷が順次上昇すると、ガスタービン燃焼器１６に投入される燃料ガス３４の流量が増加することにより燃焼ガス１５の温度が上昇し、エアヒータ１９で熱交換される吐出空気１８Ａの温度が順次高くなる。

そして、本実施例では、ＳＯＦＣ１３の起動の際に、制御弁２１を開いているので、連通流路Ｌ₁₀を介して燃料側の燃料ガス流路Ｌ₅、排燃料ガス流路Ｌ₆及び再循環流路Ｌ₇にも吐出空気１８Ａが導入される（図中、太線）。導入された吐出空気１８Ａは、ガスタービン燃焼器１６に供給され燃焼される。
このように、燃料側と空気側とを連通させ、吐出空気１８Ａを導入することで、両者を均圧化して昇圧を行うことができる。

２）ＳＯＦＣ燃料側の封じ込め操作
次に、図１−２に示すように、所定の圧力に昇圧された後、制御弁２１及び制御弁３２を閉じ、燃料側に吐出空気１８Ａを封じ込める。

３）ＳＯＦＣ燃料側のガス置換操作
次に、図１−３に示すように、制御弁４２が介装された窒素供給流路Ｌ₁₁を介して窒素ガス４１を燃料側の燃料ガス流路Ｌ₅、排燃料ガス流路Ｌ₆及び再循環流路Ｌ₇に導入し、窒素パージを行う（図中、太線一点鎖線）。

この窒素パージの際には、燃料ガス流路Ｌ₅から分岐された排出流路Ｌ₈を介して空気及び窒素を外部に放出している。
この間、吐出空気１８Ａは吐出空気流路Ｌ₂及び排出空気流路Ｌ₃を経由してガスタービン燃焼器１６に供給される。
この置換操作はガス置換のみであるので、瞬時に終了する。

４）ＳＯＦＣ燃料側の燃料ガス置換操作
次に、図１−４に示すように、窒素パージが終了した後、制御弁４２を閉じて、燃料ガス流路Ｌ₅に介装された制御弁３５を開き、燃料ガス３１をＳＯＦＣ１３の燃料極側の排燃料ガス流路Ｌ₆及び再循環流路Ｌ₇に導入する（図中、太線鎖線）。

その後、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。

以上のように、本発明によれば、燃料電池の起動に際し、燃料側と空気側とを連通流路Ｌ₁₀により連通させ、吐出空気１８Ａで燃料側と空気側とを均圧化して昇圧を行い、その後置換ガスである窒素ガス４１により置換し、その後燃料ガス３１を供給するので、昇圧時間を従来よりも大幅に短縮することができる。これにより、燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの燃料電池起動時の時間の短縮化を図ることができ、システム効率の向上に寄与する。

本発明による実施例２に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム１０Ｂについて、図面を参照して説明する。図２−１から図２−４は、本実施例に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。
実施例１の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム１０Ａでは、吐出空気１８Ａと置換するガスを窒素ガス４１としていたが、実施例２の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム１０Ｂでは、図２−１に示すように、タービン１７からの排燃焼ガス１５Ａを導入する排燃焼ガス置換流路Ｌ₁₂を設けて、ガス置換するようにしている。
なお、排燃焼ガス１５Ａを用いてガス置換する以外は、実施例１と同様に操作するようにすればよいので、図２−１、２−２及び図２−４の説明は省略する。

３）ＳＯＦＣ燃料側のガス置換操作
図２−３に示すように、制御弁５２が介装された排燃焼ガス置換流路Ｌ₁₂を介して排燃焼ガス１５Ａを燃料側の燃料ガス流路Ｌ₅、排燃料ガス流路Ｌ₆及び再循環流路Ｌ₇に導入し、排燃焼ガス１５Ａによるパージを行うようにしている（図中、太線一点鎖線）。

なお、本実施例では、系内の圧力損失分だけ排燃焼ガス１５Ａを昇圧するために、昇圧ブースタ５１を介装させているが、圧力損失が少ない場合には、省略するようにしてもよい。

実施例１のように窒素ガス４１を用いてガス置換する場合には、コンパクトな燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムでは窒素使用量も少ないので可能であるが、大型の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムに適用する場合には、多量の窒素使用量となるので、タービン１７からの排燃焼ガス１５Ａを用いて置換することで、排燃焼ガス１５Ａを有効に使用でき、効率的・経済的である。

本実施例では、置換ガスとして窒素又はタービンからの排燃焼ガスを用いて説明を行ったが、使用される置換ガスは構成する材料や起動温度条件等との関係において燃料極に対して不活性であればよく、当業者において適宜選択することができる。

１０Ａ、１０Ｂ 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
２１、２２ 制御弁
３１ 燃料ガス
３１Ａ 排燃料ガス
４１ 窒素ガス

Claims (3)

1. 空気極および燃料極を有する固体酸化物形燃料電池と、ガスタービンとを備えた燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムであって、
   ガスタービン圧縮機からの吐出空気を前記空気極に供給する吐出空気流路と、
   前記空気極側から排出される排出空気をガスタービン燃焼器に供給する排出空気流路と、
   燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス流路と、
   前記燃料極側から排出される排燃料ガスをガスタービン燃焼器に供給する排燃料ガス流路と、
   前記吐出空気流路から分岐され、吐出空気を前記燃料ガス流路内に一時的に導入する連通流路と、
   前記連通流路に介装され、前記吐出空気流路を流れる前記吐出空気の流量を調整する制御弁と、
   前記燃料ガス流路に置換ガスを供給する置換ガス供給手段とを具備し、
   前記置換ガス供給手段により置換ガスを前記燃料ガス流路内に導入して前記燃料ガス流路の雰囲気を前記置換ガスで置換するように構成したことを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム。
2. 前記置換ガスが、タービンからの排燃焼ガスであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムにおいて、
   燃料電池起動の際に、
   連通流路を介して吐出空気流路、排出空気流路、燃料ガス流路及び排燃料ガス流路に、吐出空気を供給することで燃料極側流路と空気極側流路とを均圧化しつつ昇圧を行い、
   次いで、前記連通流路に導入する吐出空気を停止し、吐出空気を前記燃料ガス流路及び前記排燃料ガス流路内に封じ込め、
   次いで、置換ガス導入することにより、封じ込めた吐出空気を前記置換ガスで置換し、
   その後燃料ガスを前記燃料ガス流路に導入することを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの燃料電池の起動方法。

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