JP5836044B2 - 高温型燃料電池を有するガスタービンコンバインド発電システムおよび高温型燃料電池を有するガスタービンコンバインド発電システムの運転方法 - Google Patents
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Description
このような高温型燃料電池は、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、ガスタービンシステム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、高温型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することもできる。
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。
また、上記各特許文献には記載されていないが、燃料極に酸素が存在すると、燃料極が再酸化されるおそれがあるため、起動前に燃料極側を不活性ガスでパージする工程を設けることが知られている。しかし、不活性ガスによるパージを実施すると起動時間が長くなってしまい、また、窒素等の不活性ガスを供給する設備が別途必要となるという課題がある。
すなわち、本発明にかかる高温型燃料電池を有するガスタービンコンバインド発電システムは、圧縮機、燃焼器、ガスタービン、及び発電機を備えたガスタービンシステムとともに用いられる高温型燃料電池において、燃料ガスおよび空気が供給されて発電する高温型燃料電池本体と、燃料ガス源から前記高温型燃料電池本体へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、前記高温型燃料電池本体から排出された燃料ガスを前記燃焼器へと導く燃料ガス排出流路と、該燃料ガス排出流路と前記燃料ガス供給流路との間に設けられ、該燃料ガス排出流路から分岐して該燃料ガス供給流路へ接続するように設ける燃料ガス再循環流路と、前記圧縮機からの吐出空気を前記高温型燃料電池本体へ供給する空気供給流路と、前記高温型燃料電池本体から排出された空気を前記燃焼器へと導く空気排出流路とを備え、前記燃料ガス供給流路、前記燃料ガス再循環流路との接続部よりも上流側の前記燃料ガス排出流路、および前記燃料ガス再循環流路の少なくともいずれか1つには、前記圧縮機からの吐出空気を供給可能とするように前記空気供給流路から分岐された連通空気流路が接続され、かつ、前記高温型燃料電池本体を昇温するための昇温用燃焼器が設けられ、前記高温型燃料電池本体の空気極側の空気系統および燃料極側の燃料系統を昇圧する際に、前記圧縮機からの吐出空気を前記空気供給流路へ供給するとともに、前記連通空気流路へ供給することによって、前記空気系統および前記燃料系統をともに均圧化して昇圧することを特徴とする。
さらに、本発明では、燃料ガス供給流路、燃料ガス再循環流路との接続部よりも上流側の燃料ガス排出流路、および燃料ガス再循環流路の少なくともいずれか1つに、昇温用燃焼器を設けることとした。これにより、燃料系統に残存する空気中の酸素を用いて燃料ガスを燃焼させることができ、高温型燃料電池本体の昇温に用いることができる。
また、燃料系統中に残存する空気中の酸素を昇温用燃焼器によって消費することができるので、燃料極側に残存する空気をパージするために窒素等の置換ガスを供給する設備を省略することができる。
なお、高温型燃料電池としては、典型的には、固体酸化物形燃料電池(SOFC)や溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)が挙げられる。
また、昇温用燃焼器としては、比較的低い温度でかつ低酸素濃度で安定燃焼できるものが好ましく、例えば触媒燃焼器が好適である。
さらに、本発明では、昇温用燃焼器によって、高温型燃料電池本体の燃料極側に供給された空気を用いて燃料ガスを燃焼させて高温型燃料電池本体を昇温させるとともに、燃料極側に残存する空気を消費することとしたので、燃料系統を短時間に昇温できることに加え、燃料極側に残存する空気をパージするために置換ガスを供給する工程を省略することができる。
さらに、昇温用燃焼器により、燃料系統に残存する空気中の酸素を用いて燃料ガスを燃焼させて高温型燃料電池本体を昇温させることとしたので、温度制御することが可能であり燃料電池本体を再酸化させることなく、短時間に昇温することが可能となる。
また、燃料系統中に残存する空気中の酸素を昇温用燃焼器によって消費することができるので、燃料極側に残存する空気をパージするために窒素等の置換ガスを供給する設備や工程を要することなく短時間の起動が実現できる。
さらに、昇温用燃焼器による昇温工程後に、燃料電池本体の自己発熱による昇温工程を開始することで、各工程間でガスを置換するロスがなく効率的かつに短時間に昇温を完了させることが可能となる。
図1には、本実施形態の高温型燃料電池ガスタービンコンバインド発電システム1が示されている。高温型燃料電池ガスタービンコンバインド発電システム1は、高温型燃料電池である固体酸化物形燃料電池(以下「SOFC」という。)3と、ガスタービンシステム5とを備えている。
燃焼器9には、ガスタービン用燃料ガス源9aからメタンを主成分とする都市ガス等が供給されるようになっている。また、燃焼器9には、燃料ガス排出流路L2を介して、SOFC本体15から導かれる燃料排出ガスも導かれるようになっている。さらに、燃焼器9には、空気排出流路L5を介して、SOFC本体15から導かれる排出空気が導かれるようになっている。
発電機13にて発電された電力は、図示しない電力線を介して外部の電力系統へと導かれるようになっている。
圧縮機7及びガスタービン11の下流側には、ガス−ガス熱交換を行う再生熱交換器17が設けられている。この再生熱交換器17によってガスタービン11から排出される排ガスから排熱を回収することで、圧縮機7から吐出される吐出空気が加熱されるようになっている。
再生熱交換器17によって加熱された吐出空気は、空気供給流路L4を通り、SOFC本体15の空気極へと導かれるようになっている。
燃料極膜は、例えば、ニッケル/イットリア安定化ジルコニアで形成されている。電解質膜は、例えば、イットリア安定化ジルコニアで形成されている。空気極膜は、例えば、ランタンマンガネートで形成されている。インターコネクタ膜は、隣り合うセル同士を電気的に接続し、例えば、ランタンクロマイトで形成されている。
なお、燃料電池用燃料ガス源22からの燃料ガスは、図示しない所定の昇圧手段によって、SOFC本体15の通常運転時に必要とされる圧力以上に昇圧されている。
燃料系統用触媒燃焼器30には、例えばプラチナやパラジウムを主成分とする燃焼触媒が充填されており、比較的低い温度でかつ低酸素濃度で安定燃焼できる特性を有している。
燃料系統用触媒燃焼器30の下流には、温度センサ31が設けられている。この温度センサ31によって、燃料系統用触媒燃焼器30の直後のガス温度が検出されるようになっており、これにより、燃料系統用触媒燃焼器30における燃焼の有無が確認できるようになっている。
空気排出流路L5には、排出空気の送出および停止を行う排出空気開閉弁48が設けられている。
図2には、起動開始時に行う昇圧工程が示されている。この昇圧工程は、先ずガスタービンシステム5を先に起動し、圧縮機7の吐出空気を用いて空気系統21だけでなく燃料系統22も昇圧するものである。
同図において、弁が全開放の時あるいは流量調整時には弁が白抜きで表示され、弁が全閉鎖の時には弁が黒塗りで表示されている(図3乃至図5も同様)。また、流体が流れる流路は太線で示され、流体が流れない流路は細線で示されている(図3乃至図5も同様)。
同図に示されているように、連通空気流路L7の連通空気用開閉弁45及び連通空気用流量調整弁46は開いている。これにより、圧縮機7からの吐出空気が連通空気流路L7を介して燃料系統20へと導かれる。すなわち、連通空気流路L7から合流点44へと導かれた吐出空気は、燃料系統用触媒燃焼器30を通り分岐点23にて燃料ガス再循環流路L3へと分岐した後、燃料ガス再循環ブロワ34によって燃料ガス供給流路L1へと導かれ、合流点24にて合流する。燃料ガス供給流路L1に合流した吐出空気は、SOFC本体15の燃料極側へと流れ、次いで燃料ガス排出流路L2へと流れる。これにより、圧縮機7からの吐出空気による燃料ガス系統20の昇圧が行われる。
燃料系統20への燃料ガスの供給は行わないので、供給燃料ガス開閉弁26及び供給燃料ガス流量調整弁27は閉鎖されている。同様に、空気系統21への燃料ガスの供給は行わないので、空気系統用燃料ガス開閉弁40及び空気系統用燃料ガス流量調整弁41は閉鎖されている。
燃料ガス排出流路L2の分岐点23にて分岐せずに燃焼器9へと導かれた吐出空気は、ガスタービン用燃料ガス源9aから供給される燃料ガスの燃焼用空気として用いられる。
空気供給流路L4の分岐点43にて分岐せずにSOFC本体15の空気極へと導かれた吐出空気は、空気排出流路L5を通り燃焼器9へと導かれる。これにより、空気系統21の昇圧も同時に行われる。
このように、連通空気流路L7を用いて燃料系統20及び空気系統21を同時に吐出空気によって昇圧することができるので、均圧化した状態での昇圧が可能となる。
燃料系統用触媒燃焼器30では、触媒の作用により、比較的低温でかつ低酸素濃度であっても安定した燃焼が維持される。燃料系統用触媒燃焼器30により燃焼が開始されると、ガス温度が上昇し、温度センサ31によって昇温が確認される。燃料系統用触媒燃焼器30から排出された燃焼ガスは、分岐点23にて一部が分岐され、燃料ガス再循環流路L3を通って燃料ガス供給流路L1へと導かれ、再びSOFC本体15の燃料極へと流れ込む。このような燃焼ガスの循環を行うことにより、燃料系統20の昇温が行われる。
昇温の際には、温度センサ31によって温度をモニタしながら、爆発下限界を考慮して所望の温度となるように、燃料電池用燃料ガス源22から導かれる燃料流量を、供給燃料ガス流量調整弁27の開度を制御することによって調整する。さらに、燃料系統における空気中の酸素を消費した状態でSOFC本体が所望の温度となるようなシステムであることが望ましい。
なお、燃料系統の酸素が消費された状態で温度が所望の温度に到達していない場合に、連通空気流量調整弁46を開くことで燃料系統に空気を追加供給することで触媒燃焼による昇温を調整しても良い。その場合、SOFC本体15の燃料極が再酸化される温度(500℃)を下回るように、温度センサ31をモニタして空気量を調整することが好ましい。
上述のように燃料系統20および空気系統21の昇圧および昇温が完了すると、起動工程が完了し、SOFCの発電運転が開始する。具体的には、図5に示すように、連通空気開閉弁45を全閉鎖として燃料系統20への吐出空気の供給を遮断して、燃料系統20では燃料ガスを供給し循環させ、空気系統21では圧縮機7からの吐出空気を供給し、発電運転状態である850℃〜1000℃まで昇温させる。
連通空気流路L7によって、圧縮機7からの吐出空気を、燃料ガス再循環流路L3への分岐点23よりも上流側の燃料ガス排出流路L2に供給することとしたので、SOFC本体15の燃料極に対して燃料ガスを供給しかつ排出する燃料系統20を、圧縮機7からの吐出空気によって昇圧することができる。この昇圧の際に用いる吐出空気は、空気供給流路L4から分岐された連通空気流路L7から導かれるので、SOFC本体15の空気極に対して空気を供給しかつ排出する空気系統21とともに燃料系統20を均圧化して昇圧を行うことができる。
さらに、燃料ガス再循環流路L3への分岐点23よりも上流側の燃料ガス排出流路L2に、燃料系統用触媒燃焼器30を設けることとした。これにより、燃料系統20に残存する空気中の酸素を用いて燃料ガスを燃焼させることができ、高温型燃料電池本体の所望温度までの昇温に用いることができる。
また、燃料系統20中に残存する空気中の酸素を燃料系統用燃焼器30によって消費することができるので、燃料極側に残存する空気をパージするために窒素等の置換ガスを供給する設備や工程を省略することができる。
また、空気供給流路L4から分岐した連通空気流路L7の燃料系統20側の接続先は、燃料ガス供給流路L1に設けても良い。この場合、連通空気流路L7の燃料系統20側の接続先は、燃料系統用触媒燃焼器30よりも上流側に設ける。これは、燃料系統用触媒燃焼器30に燃焼用の空気を供給するためである。
また、昇温用燃焼器として、触媒燃焼器30,36を一例に挙げて説明したが、触媒燃焼器と同様に比較的低い温度でかつ低酸素濃度で安定燃焼できるものであれば、他の燃焼器であってもよい。
また、触媒燃焼器30,36は、上述した実施形態のように起動時のみに用いるだけでなく、SOFCの通常運転時に用いても良い。例えば、SOFCの通常運転時にSOFC本体15の温度が低下したときは、燃料系統20に連通空気流路L7を介して空気を供給して燃料系統用触媒燃焼器30を作動させ、空気系統用燃料ガス源38から燃料ガスを供給して空気系統用触媒燃焼器36を作動させても良い。なお、この場合、燃料系統用触媒燃焼器30に供給する空気は、連通空気流路L7を用いずに、別途設置した専用の空気流路を用いて供給してもよい。
3 固体酸化物形燃料電池(高温型燃料電池)
5 ガスタービンシステム
7 圧縮機
9 燃焼器
11 ガスタービン
13 発電機
15 SOFC本体(高温型燃料電池本体)
17 再生熱交換器
20 燃料系統
21 空気系統
22 燃料電池用燃料ガス源
23 分岐点
24 合流点
26 供給燃料ガス開閉弁
27 供給燃料ガス流量調整弁
30 燃料系統用触媒燃焼器(昇温用燃焼器)
31 温度センサ
32 排出燃料ガス流量調整弁
34 燃料ガス再循環ブロワ
36 空気系統用触媒燃焼器
38 空気系統用燃料ガス源
40 空気系統用燃料ガス開閉弁
41 空気系統用燃料ガス流量調整弁
43 分岐点
44 合流点
45 連通空気用開閉弁
46 連通空気用流量調整弁
48 排出空気開閉弁
L1 燃料ガス供給流路
L2 燃料ガス排出流路
L3 燃料ガス再循環流路
L4 空気供給流路
L5 空気排出流路
L6 空気系統用燃料ガス供給流路
L7 連通空気流路
Claims (4)
- 圧縮機、燃焼器、ガスタービン、及び発電機を備えるガスタービンシステムと高温型燃料電池を有するコンバインド発電システムにおいて、
燃料ガスおよび空気が供給されて発電する高温型燃料電池本体と、
燃料ガス源から前記高温型燃料電池本体へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
前記高温型燃料電池本体から排出された燃料ガスを前記燃焼器へと導く燃料ガス排出流路と、
該燃料ガス排出流路から分岐して燃料ガス供給流路へ接続するように設けられる燃料ガス再循環流路と、
前記圧縮機からの吐出空気を前記高温型燃料電池本体へ供給する空気供給流路と、
前記高温型燃料電池本体から排出された空気を前記燃焼器へと導く空気排出流路と、を備え、
前記燃料ガス供給流路、前記燃料ガス再循環流路との接続部よりも上流側の前記燃料ガス排出流路、および前記燃料ガス再循環流路の少なくともいずれか1つには、前記圧縮機からの吐出空気を供給可能とするように前記空気供給流路から分岐された連通空気流路が接続され、かつ、前記高温型燃料電池本体を昇温するための昇温用燃焼器が設けられ、
前記高温型燃料電池本体の空気極側の空気系統および燃料極側の燃料系統を昇圧する際に、前記圧縮機からの吐出空気を前記空気供給流路へ供給するとともに、前記連通空気流路へ供給することによって、前記空気系統および前記燃料系統をともに均圧化して昇圧することを特徴とするコンバインド発電システム。 - 圧縮機、燃焼器、ガスタービン、及び発電機を備えたガスタービンシステムと、該ガスタービンシステムと高温型燃料電池とを備えたコンバインド発電システムの運転方法において、
前記高温型燃料電池は、
燃料ガスおよび空気が供給されて発電する高温型燃料電池本体と、
前記高温型燃料電池本体へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、
前記高温型燃料電池本体から排出された燃料ガスを前記燃焼器へと導く燃料ガス排出流路と、
該燃料ガス排出流路から分岐して燃料ガス供給流路へ接続するように設けられる燃料ガス再循環流路と、
前記圧縮機からの吐出空気を前記高温型燃料電池本体へ供給する空気供給流路と、
前記高温型燃料電池本体から排出された空気を前記燃焼器へと導く空気排出流路と、を備え、
前記燃料ガス供給流路、前記燃料ガス再循環流路との接続部よりも上流側の前記燃料ガス排出流路、および前記燃料ガス再循環流路の少なくともいずれか1つには、前記圧縮機からの吐出空気を供給可能とするように前記空気供給流路から分岐された連通空気流路が接続され、かつ、昇温用燃焼器が設けられ、
前記圧縮機からの吐出空気を前記空気供給流路へ供給するとともに、前記連通空気流路へ供給することによって、前記高温型燃料電池本体の空気極側の空気系統および燃料極側の燃料系統をともに均圧化して昇圧する昇圧工程と、
前記昇温用燃焼器によって、前記高温型燃料電池本体の燃料系統に供給された空気を用いて燃料ガスを燃焼させて該高温型燃料電池本体を昇温させる昇温工程と、を含むことを特徴とするコンバインド発電システムの運転方法。 - 前記昇温用燃焼器は、触媒燃焼器とされ、
前記昇温工程は、前記高温型燃料電池本体の温度が500℃以下の温度領域で実施することを特徴とする請求項2記載のコンインド発電システムの運転方法。 - 前記昇温工程の後に、前記燃料ガス供給流路より燃料ガスを供給し、前記空気供給流路より空気を供給し、前記高温型燃料電池本体の発電による発熱により燃料電池本体を昇温する昇温工程を含むことを特徴とする請求項2または3記載のコンバインド発電システムの運転方法。
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