JP6087591B2 - 発電システム及び発電システムにおける燃料電池の起動方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた発電システム及び発電システムにおける燃料電池の起動方法に関するものである。

固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下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ＳＯＦＣは、イオン伝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た空気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用することができる。また、ＳＯＦＣは、利用できなかった高温の燃料をガスタービンの燃焼器に燃料として使用することができる。

このため、例えば、下記特許文献１に記載されるように、高効率発電を達成することができる発電システムとして、ＳＯＦＣとガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたものが各種提案されている。この特許文献１に記載されたコンバインドシステムは、ＳＯＦＣと、このＳＯＦＣから排出された排燃料ガスと排出空気とを燃焼するガスタービン燃焼器と、空気を圧縮してＳＯＦＣに供給する圧縮機を有するガスタービンとを設けたものである。

特開２００９−２０５９３０号公報

上述した従来の発電システムにて、ＳＯＦＣを起動するとき、ガスタービンの圧縮機で圧縮した空気の一部をＳＯＦＣに供給することで、このＳＯＦＣを加圧する。この場合、ＳＯＦＣに供給した圧縮空気は、ＳＯＦＣを加圧するために用いられることから、ガスタービンの燃焼器には戻されない。そのため、燃焼器では、燃焼用空気が不足して燃焼ガスが高温となったり、燃焼器やタービンでは、冷却用空気が不足して十分な冷却が困難となったりする。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、燃料電池の起動時におけるガスタービンでの空気不足を抑制して安定した起動を可能とする発電システム及び発電システムにおける燃料電池の起動方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の発電システムは、燃料電池と、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、前記圧縮機における空気取り込み口に設けられる入口案内翼と、前記圧縮機で圧縮した圧縮空気を前記燃焼器に供給する第１圧縮空気供給ラインと、前記圧縮機で圧縮した圧縮空気の少なくとも一部を前記燃料電池に供給する第２圧縮空気供給ラインと、前記第２圧縮空気供給ラインに設けられる開閉弁と、前記燃料電池の起動時に前記開閉弁を開放すると共に前記入口案内翼の開度を予め設定された基準開度から大きくする制御をする制御部と、を有することを特徴とするものである。

従って、燃料電池の起動時に、第２圧縮空気供給ラインの開閉弁を開放すると共に、ガスタービン圧縮機の入口案内翼の開度を基準開度から大きくする。すると、燃料電池の起動時、ガスタービン圧縮機は、より多くの空気を取り込むことができ、全量の圧縮空気のうちの所定量が燃焼器に送られ、残りの圧縮空気が燃料電池に送られる。そのため、このときに燃焼器やタービンで圧縮空気が不足することがなく、ガスタービンでの空気不足を抑制して安定した起動を可能とすることができる。

本発明の発電システムでは、前記開閉弁は、流量を調整可能な制御弁であって、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記開閉弁を全開状態より小さい初期開度まで開放すると共に、前記入口案内翼の開度を前記ガスタービンの定常運転時より大きい所定開度まで開放する制御をすることを特徴としている。

従って、燃料電池の起動時に、第２圧縮空気供給ラインに設けられる開閉弁を制御弁とすることで、この１つの制御弁の開度を調整するだけで、燃料電池供給に供給する圧縮空気の供給量を調整することができ、構造の簡素化及び低コスト化を可能とすることができる。

本発明の発電システムでは、前記開閉弁は開放時における通過流量の大きい第１開閉弁と通過流量の小さい第２開閉弁とが並列に設けられて構成され、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記第１開閉弁を閉止状態にして前記第２開閉弁を開放状態にすると共に、前記入口案内翼の開度を前記ガスタービンの定常運転時より大きい所定開度まで開放する制御をすることを特徴としている。

従って、第２圧縮空気供給ラインに設けられる開閉弁を通過流量の異なる２つの開閉弁とすることで、第１開閉弁と第２開閉弁の一方を開放して一方を遮断するだけで、燃料電池供給に供給する圧縮空気の供給量を調整することができ、流量制御を簡素化して低コスト化を可能とすることができると共に、流量制御の切替を迅速に行うことができる。

本発明の発電システムでは、前記圧縮機で圧縮した圧縮空気の圧力を検出する第１検出器と、前記第２圧縮空気供給ラインにおける前記開閉弁よりも前記燃料電池側の圧力を検出する第２検出器とが設けられ、前記制御部は、前記第２検出器により検出された第２圧力が前記第１検出器により検出された第１圧力に到達すると、前記開閉弁の開度を大きくすると共に、前記入口案内翼の開度を前記基準開度まで戻す制御をすることを特徴としている。

従って、燃料電池側の第２圧力が圧縮機で圧縮した圧縮空気の第１圧力に到達すると、開閉弁の開度を大きくすると共に入口案内翼の開度を基準開度まで戻すことで、燃焼器への圧縮空気の供給量を一定に維持することができる。

本発明の発電システムでは、前記制御部は、前記第２検出器により検出された第２圧力が前記第１検出器により検出された第１圧力に近づくのに伴って前記入口案内翼の開度を前記基準開度に向けて小さくする制御をすることを特徴としている。

従って、燃料電池側の第２圧力が圧縮機で圧縮した圧縮空気の第１圧力に近づくのに伴って入口案内翼の開度を基準開度に向けて小さくすることで、燃料電池側へ供給される圧縮空気の供給量を徐々に低下させ、第２圧力を第１圧力に高精度に到達させることができ、高精度な圧縮空気の供給制御を行うことができる。

また、本発明の発電システムにおける燃料電池の起動方法は、ガスタービン圧縮機で圧縮した圧縮空気をガスタービン燃焼器に供給する工程と、ガスタービン圧縮機で圧縮した圧縮空気の一部を燃料電池に供給する工程、前記ガスタービン圧縮機における空気取り込み口に設けられる入口案内翼の開度を予め設定された基準開度から大きくする工程と、前記燃料電池の圧力が前記ガスタービン圧縮機で圧縮した圧縮空気の圧力に到達したら前記開閉弁の開度を大きくすると共に前記入口案内翼の開度を前記基準開度まで戻す工程と、を有することを特徴とするものである。

従って、燃料電池の起動時、燃焼器やタービンで圧縮空気が不足することがなく、ガスタービンでの空気不足を抑制して安定した起動を可能とすることができる。

本発明の発電システム及び発電システムにおける燃料電池の起動方法によれば、燃料電池の起動時に、第２圧縮空気供給ラインの開閉弁を開放すると共に、ガスタービン圧縮機の入口案内翼の開度を基準開度から大きくするので、ガスタービンでの空気不足を抑制して安定した起動を可能とすることができる。

図１は、本発明の実施例１に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図である。 図２は、実施例１の発電システムにおけるＳＯＦＣの加圧時における圧縮空気の供給タイミングを表すタイムチャートである。 図３は、実施例１の発電システムを表す概略構成図である。 図４は、本発明の実施例２に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図である。 図５は、実施例２の発電システムにおけるＳＯＦＣの加圧時における圧縮空気の供給タイミングを表すタイムチャートである。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る発電システム及び発電システムにおける燃料電池の起動方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

実施例１の発電システムは、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと称する。）とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたトリプルコンバインドサイクル（Triple Combined Cycle:登録商標）である。このトリプルコンバインドサイクルは、ガスタービンコンバインドサイクル発電（ＧＴＣＣ）の上流側にＳＯＦＣを設置することにより、ＳＯＦＣ、ガスタービン、蒸気タービンの３段階で発電することができるため、極めて高い発電効率を実現することができる。なお、以下の説明では、本発明の燃料電池として固体酸化物形燃料電池を適用して説明するが、この形式の燃料電池に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図、図２は、実施例１の発電システムにおけるＳＯＦＣの加圧時における圧縮空気の供給タイミングを表すタイムチャート、図３は、実施例１の発電システムを表す概略構成図である。

実施例１において、図３に示すように、発電システム１０は、ガスタービン１１及び発電機１２と、ＳＯＦＣ１３と、蒸気タービン１４及び発電機１５とを有している。この発電システム１０は、ガスタービン１１による発電と、ＳＯＦＣ１３による発電と、蒸気タービン１４による発電とを組み合わせることで、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、圧縮機２１、燃焼器２２、タービン２３を有しており、圧縮機２１とタービン２３は、回転軸２４により一体回転可能に連結されている。圧縮機２１は、空気取り込みライン２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。燃焼器２２は、圧縮機２１から第１圧縮空気供給ライン２６を通して供給された圧縮空気Ａ１と、第１燃料ガス供給ライン２７から供給された燃料ガスＬ１とを混合して燃焼する。タービン２３は、燃焼器２２から排ガス供給ライン２８を通して供給された排ガス（燃焼ガス）Ｇにより回転する。なお、図示しないが、タービン２３は、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａ１が車室を通して供給され、この圧縮空気Ａ１を冷却空気として翼などを冷却する。発電機１２は、タービン２３と同軸上に設けられており、タービン２３が回転することで発電することができる。なお、ここでは、燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１として、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を用いている。

ＳＯＦＣ１３は、還元剤としての高温の燃料ガスと酸化剤としての高温の空気（酸化性ガス）が供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行うものである。このＳＯＦＣ１３は、圧力容器内に空気極と固体電解質と燃料極が収容されて構成される。空気極に圧縮機２１で圧縮された一部の圧縮空気Ａ２が供給され、燃料極に燃料ガスが供給されることで発電を行う。なお、ここでは、ＳＯＦＣ１３に供給する燃料ガスＬ２として、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素（Ｈ_２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）などの炭化水素ガス、石炭など炭素質原料のガス化設備により製造したガスを用いている。また、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスは、酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である（以下、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスを空気という）。

このＳＯＦＣ１３は、第１圧縮空気供給ライン２６から分岐した第２圧縮空気供給ライン３１が連結され、圧縮機２１が圧縮した一部の圧縮空気Ａ２を空気極の導入部に供給することができる。この第２圧縮空気供給ライン３１は、供給する空気量を調整可能な制御弁３２と、圧縮空気Ａ２を昇圧可能なブロワ（昇圧機）３３が空気の流れ方向に沿って設けられている。制御弁３２は、第２圧縮空気供給ライン３１における空気の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ３３は、制御弁３２の下流側に設けられている。ＳＯＦＣ１３は、空気極で用いられた排空気Ａ３を排出する排空気ライン３４が連結されている。この排空気ライン３４は、空気極で用いられた排空気Ａ３を外部に排出する排出ライン３５と、燃焼器２２に連結される圧縮空気循環ライン３６とに分岐される。排出ライン３５は、排出する空気量を調整可能な制御弁３７が設けられ、圧縮空気循環ライン３６は、循環する空気量を調整可能な制御弁３８が設けられている。

また、ＳＯＦＣ１３は、燃料ガスＬ２を燃料極の導入部に供給する第２燃料ガス供給ライン４１が設けられている。第２燃料ガス供給ライン４１は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４２が設けられている。ＳＯＦＣ１３は、燃料極で用いられた排燃料ガスＬ３を排出する排燃料ライン４３が連結されている。この排燃料ライン４３は、外部に排出する排出ライン４４と、燃焼器２２に連結される排燃料ガス供給ライン４５とに分岐される。排出ライン４４は、排出する燃料ガス量を調整可能な制御弁４６が設けられ、排燃料ガス供給ライン４５は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４７と、燃料を昇圧可能なブロワ４８が燃料ガスＬ３の流れ方向に沿って設けられている。制御弁４７は、排燃料ガス供給ライン４５における燃料ガスＬ３の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ４８は、制御弁４７の下流側に設けられている。

また、ＳＯＦＣ１３は、排燃料ライン４３と第２燃料ガス供給ライン４１とを連結する燃料ガス再循環ライン４９が設けられている。燃料ガス再循環ライン４９は、排燃料ライン４３の排燃料ガスＬ３を第２燃料ガス供給ライン４１に再循環する再循環ブロワ５０が設けられている。

蒸気タービン１４は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）５１で生成された蒸気によりタービン５２を回転するものである。この排熱回収ボイラ５１は、ガスタービン１１（タービン２３）からの排ガスライン５３が連結されており、空気と高温の排ガスＧとの間で熱交換を行うことで、蒸気Ｓを生成する。蒸気タービン１４（タービン５２）は、排熱回収ボイラ５１との間に蒸気供給ライン５４と給水ライン５５が設けられている。そして、給水ライン５５は、復水器５６と給水ポンプ５７が設けられている。発電機１５は、タービン５２と同軸上に設けられており、タービン５２が回転することで発電することができる。なお、排熱回収ボイラ５１で熱が回収された排ガスは、有害物質を除去されてから大気へ放出される。

ここで、実施例１の発電システム１０の作動について説明する。発電システム１０を起動する場合、ガスタービン１１、蒸気タービン１４、ＳＯＦＣ１３の順に起動する。

まず、ガスタービン１１にて、圧縮機２１が空気Ａを圧縮し、燃焼器２２が圧縮空気Ａ１と燃料ガスＬ１とを混合して燃焼し、タービン２３が排ガスＧにより回転することで、発電機１２が発電を開始する。次に、蒸気タービン１４にて、排熱回収ボイラ５１により生成された蒸気Ｓによりタービン５２が回転し、これにより発電機１５が発電を開始する。

続いて、ＳＯＦＣ１３を起動させるために、ＳＯＦＣ１３を加圧する。ＳＯＦＣ１３を加圧するために、まず、ＳＯＦＣ１３に圧縮空気Ａ２を供給して昇圧を開始すると共に加熱を開始する。排出ライン３５の制御弁３７と圧縮空気循環ライン３６の制御弁３８を閉止し、第２圧縮空気供給ライン３１のブロワ３３を停止した状態で、制御弁３２を所定開度だけ開放する。すると、圧縮機２１で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２が第２圧縮空気供給ライン３１からＳＯＦＣ１３側へ供給される。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、圧縮空気Ａ２が供給されることで圧力が上昇する。

一方、ＳＯＦＣ１３では、燃料極側に燃料ガスＬ２を供給して昇圧を開始する。排出ライン４４の制御弁４６と排燃料ガス供給ライン４５の制御弁４７を閉止し、ブロワ４８を停止した状態で、第２燃料ガス供給ライン４１の制御弁４２を開放すると共に、燃料ガス再循環ライン４９の再循環ブロワ５０を駆動する。すると、燃料ガスＬ２が第２燃料ガス供給ライン４１からＳＯＦＣ１３側へ供給されると共に、排燃料ガスＬ３が燃料ガス再循環ライン４９により再循環する。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、燃料ガスＬ２が供給されることで圧力が上昇する。

そして、ＳＯＦＣ１３の空気極側の圧力が圧縮機２１の出口圧力になると、制御弁３２を全開にすると共に、ブロワ３３を駆動する。それと同時に制御弁３７を開放してＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３を排出ライン３５から排出する。すると、圧縮空気Ａ２がブロワ３３により昇圧されてからＳＯＦＣ１３側へ供給される。それと同時に制御弁４６を開放してＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３を排出ライン４４から排出する。そして、ＳＯＦＣ１３における空気極側の圧力と燃料極側の圧力が目標圧力に到達すると、ＳＯＦＣ１３の加圧が完了する。

その後、ＳＯＦＣ１３の反応（発電）が安定し、排空気Ａ３と排燃料ガスＬ３の成分が安定したら、制御弁３７を閉止する一方、制御弁３８を開放する。すると、ＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３が圧縮空気循環ライン３６から燃焼器２２に供給される。また、制御弁４６を閉止する一方、制御弁４７を開放してブロワ４８を駆動する。すると、ＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３が排燃料ガス供給ライン４５から燃焼器２２に供給される。このとき、第１燃料ガス供給ライン２７から燃焼器２２に供給される燃料ガスＬ１を減量する。

ここで、ガスタービン１１の駆動による発電機１２での発電、ＳＯＦＣ１３での発電、蒸気タービン１４の駆動により発電機１５での発電が全て行われることとなり、発電システム１０が定常運転となる。

ところで、一般的な発電システムでは、ＳＯＦＣ１３を起動するとき、ガスタービン１１の圧縮機２１で圧縮した空気の一部を第２圧縮空気供給ライン３１からＳＯＦＣ１３に供給することで加圧している。このため、ガスタービン１１では、ＳＯＦＣ１３の加圧が完了するまでの間、燃焼器２２に供給される圧縮空気やタービン２３に送られる冷却空気が不足してしまうおそれがある。

そこで、実施例１の発電システム１０では、ガスタービン１１の圧縮機２１における空気取り込み口に入口案内翼（ＩＧＶ：Inlet Guide Vane）２１ａが設けられていることから、制御装置（制御部）６１は、ＳＯＦＣ１３の加圧時に、第２圧縮空気供給ライン３１における制御弁（開閉弁）３２を開放すると共に、入口案内翼２１ａの開度を予め設定された基準開度から大きくする制御をする。

即ち、ＳＯＦＣ１３の加圧時に、圧縮機２１における入口案内翼２１ａの開度を大きくすることで、圧縮機２１が生成する圧縮空気量を増加させ、燃焼器２２やタービン２３に送られる圧縮空気量を確保する一方で、ＳＯＦＣ１３に送られる圧縮空気量も確保する。そのため、ガスタービン１１での空気不足を抑制することができる。

詳細に説明すると、図１に示すように、ガスタービン１１にて、燃焼器２２は、発電負荷に応じて燃料ガスと共に燃焼に必要な空気量が設定され、タービン２３は、高温部品を冷却するために必要な空気量が設定される。燃焼器２２とタービン２３で必要な基準空気量が設定されると、この基準空気量に応じた入口案内翼２１ａの基準開度が設定される。一方、第２圧縮空気供給ライン３１における制御弁３２は、流量を調整可能となっている。

また、図１に示すように、第１検出器６２が第１圧縮空気供給ライン２６に設けられている。この第１検出器６２は、ガスタービン１１の圧縮機２１で圧縮した圧縮空気の第１圧力を検出する。また、第２検出器６３がＳＯＦＣ１３に設けられている。この第２検出器６３は、ＳＯＦＣ１３の空気極、つまり、第２圧縮空気供給ライン３１における制御弁３２よりもＳＯＦＣ１３側の第２圧力を検出する。各検出器６２，６３は、検出した第１圧力と第２圧力を制御装置６１に出力する。

ＳＯＦＣ１３の加圧を開始する時に、制御装置６１は、制御弁３２を全開状態より小さい初期開度（例えば、半開）まで開放する制御をする。この制御と共に、制御装置６１は、第１検出器６２により検出された第１圧力がガスタービン１１における基準空気量に応じた基準圧力となるように、入口案内翼２１ａの開度をガスタービンの定常運転時の基準開度より大きい所定開度にする制御をする。このため、圧縮機２１において、燃焼器２２とタービン２３で必要な基準空気量より多い圧縮空気が生成される。

そして、第２検出器６３により検出された第２圧力が第１検出器６２により検出された第１圧力に近づくのに伴って、制御装置６２は、入口案内翼２１ａの開度を徐々に基準開度より大きい所定開度から基準開度に戻す制御をする。その後、第２検出器６３により検出された第２圧力が第１検出器６２により検出された第１圧力に到達すると、制御装置６１は、制御弁３２の開度を初期開度（例えば、半開）から所定開度（例えば、全開）まで大きくする制御をする。

即ち、ＳＯＦＣ１３の加圧が進行し第２圧力が第１圧力に近づくのに伴って、入口案内翼２１ａの開度を徐々に小さくすることで、圧縮機２１において生成する圧縮空気量が基準空気量まで徐々に低下する。そして、第２圧力が第１圧力に到達しＳＯＦＣ１３の加圧が完了すると、制御弁３２を全開とすると共に、入口案内翼２１ａの開度を基準開度より大きい所定開度から基準開度に戻すことで、圧縮機２１において生成される圧縮空気量が基準空気量に戻る。

ここで、上述した実施例１の発電システム１０におけるＳＯＦＣ１３の起動方法について説明する。

実施例１の発電システム１０におけるＳＯＦＣ１３の起動方法は、ガスタービン１１の圧縮機２１で圧縮した圧縮空気を燃焼器２２に供給する工程と、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気の一部をＳＯＦＣ１３の空気極に供給する工程と、圧縮機２１における空気取り込み口に設けられる入口案内翼２１ａの開度を予め設定された基準開度から大きくする工程と、空気極側の圧力が圧縮機２１で圧縮した圧縮空気の圧力に到達したら入口案内翼２１ａの開度を基準開度まで戻す工程とを有している。

即ち、図２に示すように、時間ｔ１にて、ガスタービン１１が起動し所定時間が経過すると、時間ｔ２にて、ＳＯＦＣ１３の加圧を開始する。入口案内翼２１ａは、時間ｔ１にて、ガスタービン１１の起動と同期してガスタービン１１の運転状態に応じた基準開度（開度１）まで開放される。そして、この時間ｔ２にて、ＳＯＦＣ１３の加圧開始と同期して、制御弁３２を初期開度（例えば、半開）まで開放すると共に、入口案内翼２１ａの開度を基準開度より大きい所定開度（開度２）まで開放する。

すると、ガスタービン１１では、圧縮機２１で圧縮する空気Ａの量が増加し、圧縮機２１から基準空気量の空気Ａ１が燃焼器２２やタービン２３に流れ、圧縮機２１の出口圧力（第１圧力）は低下せずに所定圧力が維持される。一方、ＳＯＦＣ１３では、圧縮機２１で圧縮した空気の一部の圧縮空気Ａ２が第２圧縮空気供給ライン３１を通ってＳＯＦＣ１３に流れることから、ＳＯＦＣ１３の圧力（第２圧力）が徐々に高くなる。

そして、時間ｔ３にて、第２圧力が第１圧力に近づくと、入口案内翼２１ａの開度を基準開度に向けて小さくしてＳＯＦＣ１３に供給する圧縮空気量を低下させる。この場合、第１圧力より所定量より低い所定の第３圧力を予め設定しておき、第２圧力が第３圧力に到達したら、ＳＯＦＣ１３への供給圧縮空気量を低下させればよい。そして、時間ｔ４にて、第２圧力が第１圧力に到達すると、入口案内翼２１ａの開度を基準開度（開度１）にすると共に、制御弁３２を開放（例えば、全開）する。

すると、圧縮空気の供給によるＳＯＦＣ１３の加圧が完了し、制御弁３２を全開にすると共にブロワ３３を駆動することで、圧縮空気Ａ２をブロワ３３により昇圧してＳＯＦＣ１３側へ供給する。このため、ＳＯＦＣ１３の空気極側は、圧力が更に上昇し、目標圧力まで昇圧される。

このように実施例１の発電システムにあっては、圧縮機２１と燃焼器２２とタービン２３を有するガスタービン１１と、圧縮機２１における空気取り込み口に設けられる入口案内翼２１ａと、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気を燃焼器２２に供給する第１圧縮空気供給ライン２６と、空気極及び燃料極を有するＳＯＦＣ１３と、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気の少なくとも一部を空気極に供給する第２圧縮空気供給ライン３１と、第２圧縮空気供給ライン３１に設けられる制御弁３２と、ＳＯＦＣ１３の加圧時に制御弁３２を開放すると共に入口案内翼２１ａの開度を予め設定された基準開度から大きくする制御装置６１とを設けている。

従って、ＳＯＦＣ１３の加圧を開始する時に、第２圧縮空気供給ライン３１の制御弁３２を開放すると共に、圧縮機２１の入口案内翼２１ａの開度を基準開度から大きくする。すると、圧縮機２１は、より多くの空気を取り込んで圧縮し、生成される圧縮空気量が増加する。そして、生成された全量の圧縮空気のうちの燃焼器２２及びタービン２３で必要な基準空気量が送られ、残りの圧縮空気がＳＯＦＣ１３に送られる。そのため、このときに燃焼器２２やタービン２３で圧縮空気が不足することがなく、燃焼器２２での異常燃焼やタービン２３での冷却不足を抑制することができる。その結果、ガスタービン１１での空気不足を抑制し、ガスタービン１１を安定して運転しつつ、ＳＯＦＣ１３を可能とすることができる。

実施例１の発電システムでは、流量を調整可能な制御弁３２を設け、制御装置６１は、ＳＯＦＣ１３の加圧時に、制御弁３２を全開状態より小さい初期開度まで開放すると共に、入口案内翼３１ａの開度をガスタービン１１の定常運転時より大きい所定開度まで開放する。従って、ＳＯＦＣ１３の加圧時に、第２圧縮空気供給ライン３１に設けられる１つの制御弁３２の開度を調整するだけで、ＳＯＦＣ１３に供給する圧縮空気の供給量を調整することができ、構造の簡素化及び低コスト化を可能とすることができる。

実施例１の発電システムでは、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気の第１圧力を検出する第１検出器６２と、ＳＯＦＣ１３の第２圧力を検出する第２検出器６３とを設け、制御装置６１は、第２圧力が第１圧力に到達したら、制御弁３２の開度を大きくすると共に、入口案内翼２１ａの開度を基準開度まで戻している。従って、ＳＯＦＣ１３の加圧が完了したら入口案内翼２１ａの開度を基準開度まで戻すことで、燃焼器２２やタービン２３への圧縮空気の供給量を一定に維持することができる。

実施例１の発電システムでは、制御装置６１は、第２圧力が第１圧力に近づくのに伴って入口案内翼２１ａの開度を基準開度に向けて小さくしている。従って、ＳＯＦＣ１３へ供給される圧縮空気の供給量を徐々に低下させることで、第２圧力を第１圧力に高精度に到達させることができ、高精度な圧縮空気の供給制御を行うことができる。

また、実施例１の発電システムにおけるＳＯＦＣ１３の起動方法にあっては、ガスタービン１１の圧縮機２１で圧縮した圧縮空気を燃焼器２２に供給する工程と、圧縮器２１で圧縮した圧縮空気をＳＯＦＣ１３の空気極に供給する工程と、圧縮機２１における入口案内翼２１ａの開度を予め設定された基準開度から大きく変更する工程と、空気極側の圧力が圧縮機２１で圧縮した圧縮空気の圧力に到達したら制御弁３２の開度を大きくすると共に入口案内翼２１ａの開度を基準開度まで戻す工程とを有している。

従って、ＳＯＦＣ１３の加圧を開始する時、燃焼器２２やタービン２３で圧縮空気が不足することがなく、ガスタービン１１での空気不足を抑制し、ガスタービン１１を安定して運転しつつ、ＳＯＦＣ１３を安定して加圧することができる。なお、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気の一部をＳＯＦＣ１３の空気極に供給するように構成したが、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気の全部をＳＯＦＣ１３の空気極に供給するようにしてもよい。

図４は、本発明の実施例２に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図、図５は、実施例２の発電システムにおけるＳＯＦＣの加圧時における圧縮空気の供給タイミングを表すタイムチャートである。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

実施例２の発電システムでは、第２圧縮空気供給ライン３１に、本発明の開閉弁として、開放時における通過流量の大きい第１遮断弁（第１開閉弁）７１と、開放時における通過流量の小さい第２遮断弁（第２開閉弁）７２とが並列に設けている。即ち、第２圧縮空気供給ライン３１に第１遮断弁７１が設けられ、第２圧縮空気供給ライン３１における第１遮断弁７１の迂回路３１ａに第２遮断弁７２が設けられている。制御装置６１は、ＳＯＦＣ１３の加圧時に、第１遮断弁７１を閉止状態にして第２遮断弁７２を開放状態にすると共に、入口案内翼２１ａの開度をガスタービン１１の定常運転時より大きい所定開度まで開放するようにしている。この場合、第１遮断弁７１と第２遮断弁（第２開閉弁）７２は、全開時の第１遮断弁７１における圧縮空気の通過流量が、全開時の第２遮断弁７２における圧縮空気の通過流量より大きくなるように設定されている。

即ち、ＳＯＦＣ１３の加圧時に、圧縮機２１における入口案内翼２１ａの開度を大きくすることで、圧縮機２１が生成する圧縮空気量が増加し、燃焼器２２とタービン２３に送られる圧縮空気量を確保する一方で、ＳＯＦＣ１３に送られる圧縮空気量を確保する。そのため、ガスタービン１１での空気不足を抑制することができる。

詳細に説明すると、図４に示すように、ガスタービン１１にて、燃焼器２２は、発電負荷に応じて燃料ガスと共に燃焼に必要な空気量が設定され、タービン２３は、高温部品を冷却するために必要な空気量が設定される。燃焼器２２とタービン２３で必要な基準空気量が設定されると、この基準空気量に応じた入口案内翼２１ａの基準開度が設定される。一方、第２圧縮空気供給ライン３１は、全開時に圧縮空気の通過流量が相違する２つの遮断弁７１，７２が並列に設けられている。制御装置６１は、ＳＯＦＣ１３の加圧時に、通過流量の小さい第２遮断弁７２だけを開放する制御をすると共に、入口案内翼２１ａの開度をガスタービンの定常運転時の基準開度より大きい所定開度にする制御をする。

また、制御装置６１は、第２検出器６３により検出された第２圧力が第１検出器６２により検出された第１圧力に到達すると、第２遮断弁７２を閉止して第１遮断弁７１を開放すると共に、入口案内翼２１ａの開度を基準開度より大きい所定開度から基準開度まで戻す制御をする。

ここで、上述した実施例２の発電システムにおけるＳＯＦＣ１３の起動方法について説明する。

図５に示すように、時間ｔ１にて、ガスタービン１１が起動し所定時間が経過すると、時間ｔ２にて、ＳＯＦＣ１３の加圧を開始する。入口案内翼２１ａは、時間ｔ１にて、ガスタービン１１の起動と同期してガスタービン１１の運転状態に応じた基準開度（開度１）まで開放される。そして、この時間ｔ２にて、ＳＯＦＣ１３の加圧開始と同期して、第２遮断弁７２を開放すると共に、入口案内翼２１ａの開度を基準開度より大きい所定開度（開度２）まで開放する。

すると、ガスタービン１１では、圧縮機２１で圧縮する空気Ａの量が増加し、圧縮機２１から基準空気量の空気Ａ１が燃焼器２２やタービン２３に流れ、圧縮機２１の出口圧力（第１圧力）は低下せずに所定圧力が維持される。一方、ＳＯＦＣ１３では、圧縮機２１で圧縮した空気の一部の圧縮空気Ａ２が第２圧縮空気供給ラインを通ってＳＯＦＣ１３に流れることから、ＳＯＦＣ１３の圧力（第２圧力）が徐々に高くなる。

時間ｔ３にて、第２圧力が第１圧力に近づくと、入口案内翼２１ａの開度を基準開度に向けて小さくしてＳＯＦＣ１３に供給する圧縮空気量を低下させる。そして、時間ｔ４にて、第２圧力が第１圧力に到達すると、入口案内翼２１ａの開度を基準開度（開度１）にすると共に、第１遮断弁７１を開放して第２遮断弁７２を閉止する。すると、圧縮空気の供給によるＳＯＦＣ１３の加圧が完了し、第１遮断弁７１を開放にすると共にブロワ３３を駆動することで、圧縮空気Ａ２をブロワ３３により昇圧してＳＯＦＣ１３側へ供給する。このため、ＳＯＦＣ１３の空気極側は、圧力が更に上昇し、目標圧力まで昇圧される。

このように実施例２の発電システムにあっては、圧縮機２１と燃焼器２２とタービン２３を有するガスタービン１１と、圧縮機２１における空気取り込み口に設けられる入口案内翼２１ａと、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気を燃焼器２２に供給する第１圧縮空気供給ライン２６と、空気極及び燃料極を有するＳＯＦＣ１３と、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気の少なくとも一部を空気極に供給する第２圧縮空気供給ライン３１と、第２圧縮空気供給ライン３１に並列に設けられる通過流量の異なる第１、第２遮断弁７１，７２と、ＳＯＦＣ１３の起動時に通過流量の少ない第２遮断弁７２だけを開放すると共に入口案内翼２１ａの開度を予め設定された基準開度から大きくする制御装置６１とを設けている。

従って、ＳＯＦＣ１３の加圧を開始する時に、第２圧縮空気供給ライン３１の第２遮断弁７２を開放すると共に、圧縮機２１の入口案内翼２１ａの開度を基準開度から大きくする。すると、圧縮機２１は、より多くの空気を取り込んで圧縮し、生成される圧縮空気量が増加する。そして、生成された全量の圧縮空気のうちの燃焼器２２及びタービン２３で必要な基準空気量が送られ、残りの圧縮空気がＳＯＦＣ１３に送られる。そのため、このときに燃焼器２２やタービン２３で圧縮空気が不足することがなく、燃焼器２２での異常燃焼やタービン２３での冷却不足を抑制することができる。その結果、ガスタービン１１での空気不足を抑制し、ガスタービン１１を安定して運転しつつ、ＳＯＦＣ１３を安定して起動することができる。

実施例２の発電システムでは、開放時における通過流量の大きい第１遮断弁７１と通過流量の小さい第２遮断弁７２とを並列に設け、制御装置６１は、ＳＯＦＣ１３の加圧時に、第１遮断弁７１を閉止状態にして第２遮断弁７２を開放状態にすると共に、入口案内翼２１ａの開度をガスタービンの定常運転時より大きい所定開度まで開放している。従って、第２圧縮空気供給ライン３１に通過流量の異なる２つの遮断弁７１，７２を設けることで、各遮断弁７１，７２を開閉するだけで、ＳＯＦＣ１３に供給する圧縮空気の供給量を調整することができ、流量制御を簡素化して低コスト化することができると共に、流量制御の切替を迅速に行うことができる。

１０ 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 蒸気タービン
１５ 発電機
２１ 圧縮機
２２ 燃焼器
２３ タービン
２６ 第１圧縮空気供給ライン
２７ 第１燃料ガス供給ライン
３１ 第２圧縮空気供給ライン
３２ 制御弁（開閉弁）
３３ ブロワ
３４ 排空気ライン
３６ 圧縮空気循環ライン
４１ 第２燃料ガス供給ライン
４２ 制御弁
４３ 排燃料ライン
４５ 排燃料ガス供給ライン
４９ 燃料ガス再循環ライン
６１ 制御装置（制御部）
６２ 第１検出器
６３ 第２検出器
７１ 第１遮断弁（第１開閉弁）
７２ 第２遮断弁（第２開閉弁）

Claims (6)

1. 燃料電池と、
   圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、
   前記圧縮機における空気取り込み口に設けられる入口案内翼と、
   前記圧縮機で圧縮した圧縮空気を前記燃焼器に供給する第１圧縮空気供給ラインと、
   前記圧縮機で圧縮した圧縮空気の少なくとも一部を前記燃料電池に供給する第２圧縮空気供給ラインと、
   前記燃料電池から排出された排空気を前記燃焼器に供給する圧縮空気循環ラインと、
   前記第２圧縮空気供給ラインに設けられる開閉弁と、
   前記燃料電池の起動時に前記開閉弁を開放すると共に前記入口案内翼の開度を予め設定された基準開度から大きくする制御をする制御部と、
   を有することを特徴とする発電システム。
   
2. 前記開閉弁は流量を調整可能な制御弁であって、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記開閉弁を全開状態より小さい初期開度まで開放すると共に、前記入口案内翼の開度を前記ガスタービンの定常運転時より大きい所定開度まで開放する制御をすることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 前記開閉弁は開放時における通過流量の大きい第１開閉弁と通過流量の小さい第２開閉弁とが並列に設けられて構成され、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記第１開閉弁を閉止状態にして前記第２開閉弁を開放状態にすると共に、前記入口案内翼の開度を前記ガスタービンの定常運転時より大きい所定開度まで開放する制御をすることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
4. 前記圧縮機で圧縮した圧縮空気の圧力を検出する第１検出器と、前記第２圧縮空気供給ラインにおける前記開閉弁よりも前記燃料電池側の圧力を検出する第２検出器とが設けられ、前記制御部は、前記第２検出器により検出された第２圧力が前記第１検出器により検出された第１圧力に到達すると、前記開閉弁の開度を大きくすると共に、前記入口案内翼の開度を前記基準開度まで戻す制御をすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の発電システム。
5. 前記制御部は、前記第２検出器により検出された第２圧力が前記第１検出器により検出された第１圧力に近づくのに伴って前記入口案内翼の開度を前記基準開度に向けて小さくする制御をすることを特徴とする請求項４に記載の発電システム。
6. ガスタービン圧縮機で圧縮した圧縮空気をガスタービン燃焼器に供給する工程と、
   ガスタービン圧縮機で圧縮した圧縮空気の一部を燃料電池に供給する工程と、
   前記ガスタービン圧縮機における空気取り込み口に設けられる入口案内翼の開度を予め設定された基準開度から大きくする工程と、
   前記燃料電池の圧力が前記ガスタービン圧縮機で圧縮した圧縮空気の圧力に到達したら前記入口案内翼の開度を前記基準開度に戻す工程と、
   を有することを特徴とする発電システムにおける燃料電池の起動方法。

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