JP6099408B2

JP6099408B2 - 発電システム、及び発電システムの運転方法

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Publication number: JP6099408B2
Application number: JP2013007758A
Authority: JP
Inventors: 森　龍太郎; 龍太郎森; 大澤　弘行; 弘行大澤; 陽喜椋本; 眞竹　徳久; 徳久眞竹
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2033-01-18
Also published as: JP2014137977A; US20140202167A1

Description

本発明は、発電システムに係り、少なくとも燃料電池とガスタービンを備える発電システム、及び発電システムの運転方法に関する。

燃料電池は、低公害で発電効率が高いため、近年、各種分野での利用が期待されている。燃料電池を用いた高効率発電システムとしては、燃料電池が高温で作動することから燃料電池とガスタービンとを連携し、さらにガスタービンからの高温の排ガスを利用する蒸気タービンと連携したコンバインド発電システムが知られている。

上記コンバインド発電システムにおいては、燃料電池はガスタービンの燃焼器の上流に設置され、燃料電池から排出される未燃分の燃料（残燃料）を含む排燃料ガスをガスタービンの燃焼器に導入している。即ち、燃料電池とガスタービンの燃焼器とが配管にて接続されている。これにより全ての燃料を発電用に利用することができる。
一方、空気は空気圧縮機で昇圧して燃料電池に供給され、酸化剤として使用された後、高温排熱とともにガスタービンに送られる。ガスタービンでは高温高圧空気の顕熱・圧力も熱源の一部となって電力に変換され、システム全体では高い発電効率が得られる。

特開２０１０−１４６９３４号公報

ところで、コンバインド発電システムは、起動時など、定常運転以外の段階では、燃料電池から排出される排燃料ガスを前記配管に切替バルブを介して接続されたベントラインより排出し、定常運転が可能な条件になった段階で、排燃料ガスを燃焼器に導入するように切り替えている。
しかしながら、この切り替えの段階で切替バルブ下流の配管が昇温されていない場合には、排燃料ガス中に含まれる水分が配管内にて凝縮して生成される凝縮ドレンが燃焼器に流入してしまう。そして、凝縮ドレンの流入により、燃焼器あるいはタービン羽根が損傷を受けるという問題がある。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、発電システムの燃料電池とガスタービンを連携させる定常運転の切り替え時における燃焼器あるいはタービン羽根の損傷を防止することができる発電システム、及び発電システムの運転方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
即ち、本発明の第一の態様によれば、発電システムの運転方法は、燃料ガスで発電を行う燃料電池と、空気圧縮機、燃焼器、及びタービンを含むガスタービンと、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを前記燃焼器に導入する排燃料ラインと、前記排燃料ラインの途中から分岐している分岐排燃料ラインと、前記分岐排燃料ラインと前記燃焼器のうち一方に排燃料ガスを送る切替器と、前記切替器の下流側の前記排燃料ラインを加熱する加熱手段と、を備える発電システムの運転方法であって、前記切替器を用いて前記排燃料ガスを前記分岐排燃料ラインのみに送る工程と、前記加熱手段を用いて前記排燃料ガスが流れていない前記排燃料ラインを加熱する工程と、を有することを特徴とする。

上記構成によれば、切替器下流側の排燃料ラインに加熱手段が設けられていることによって、排燃料ラインを予熱することができる。そして、排燃料ラインが加熱手段によって予熱されていることから、排燃料ガスに含まれる水分が排燃料ライン内にて凝縮しドレン化することを防止することができる。これにより、凝縮ドレンがガスタービンの燃焼器に流入し、燃焼器あるいはタービンを構成するタービン羽根が損傷することを防止することができる。

上記発電システムにおいて、前記タービンから排出される排気ガスを放出するガスタービン排ガスダクトを備え、前記加熱手段は、前記ガスタービン排ガスダクトを通る排ガスを熱源としていることが好ましい。

上記構成によれば、加熱手段を作動させるためのエネルギーが不要となるため、プラント効率の低下を防ぐことができる。

上記発電システムにおいて、前記排燃料ラインは、前記ガスタービン排ガスダクトの内部を貫通していることが好ましい。

上記構成によれば、より簡素な構成で加熱手段を構成することができる。

本発明の第二の態様によれば、発電システムは、燃料ガスで発電を行う燃料電池と、空気圧縮機、燃焼器、及びタービンを含むガスタービンと、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを前記燃焼器に導入する排燃料ラインと、前記排燃料ラインの途中から分岐している分岐排燃料ラインと、前記分岐排燃料ラインと前記燃焼器のうち一方に排燃料ガスを送る切替器と、前記切替器の下流側の前記排燃料ラインを加熱する加熱手段と、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスを前記燃焼器に導入する排酸化剤ガスラインと、を備え、前記加熱手段は、前記排酸化剤ガスラインを通る排酸化剤ガスを熱源としていることを特徴とする。

本発明の第三の態様によれば、発電システムは、燃料ガスで発電を行う燃料電池と、空気圧縮機、燃焼器、及びタービンを含むガスタービンと、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを前記燃焼器に導入する排燃料ラインと、前記排燃料ラインの途中から分岐している分岐排燃料ラインと、前記分岐排燃料ラインと前記燃焼器のうち一方に排燃料ガスを送る切替器と、前記切替器の下流側の前記排燃料ラインを加熱する加熱手段と、前記空気圧縮機から排出された酸化剤ガスを前記燃料電池に導入する酸化剤ガスラインと、を備え、前記加熱手段は、前記酸化剤ガスラインを通る酸化剤ガスを熱源としていることを特徴とする。

本発明の第四の態様によれば、発電システムは、燃料ガスで発電を行う燃料電池と、空気圧縮機、燃焼器、及びタービンを含むガスタービンと、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを前記燃焼器に導入する排燃料ラインと、前記排燃料ラインの途中から分岐している分岐排燃料ラインと、前記分岐排燃料ラインと前記燃焼器のうち一方に排燃料ガスを送る切替器と、前記切替器の下流側の前記排燃料ラインを加熱する加熱手段と、を備え、前記加熱手段は、前記分岐排燃料ラインを通る排燃料ガスを熱源としていることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池とガスタービンの燃焼器を連結する排燃料ラインに設置されている切替器の下流側に加熱手段を設けることによって、排燃料ラインを燃焼器の手前で予熱することができる。そして、排燃料ラインが加熱手段によって予熱されていることから、排燃料ガスに含まれる水分が排燃料ライン内にて凝縮しドレンが生成することを防止することができる。これにより、凝縮ドレンがガスタービンの燃焼器に流入し、燃焼器あるいはタービンを構成するタービン羽根が損傷することを防止することができる。

本発明の第一実施形態に係るコンバインド発電システムの系統図である。本発明の第一実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成を示す模式図である。本発明の第一実施形態に係るセルスタックの要部断面図である。本発明の第一実施形態に係るカートリッジの断面図である。本発明の第一実施形態に係るカートリッジの斜視図である。本発明の第一実施形態に係る加熱手段の詳細斜視図である。本発明の第二実施形態に係るコンバインド発電システムの系統図である。本発明の第三実施形態に係るコンバインド発電システムの系統図である。本発明の第四実施形態に係るコンバインド発電システムの系統図である。本発明の第五実施形態に係るコンバインド発電システムの系統図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態のコンバインド発電システム１は燃料電池モジュール２と、ガスタービン３とを組み合わせた発電システムである。
ガスタービン３は、外気を吸入して圧縮する空気圧縮機４と、空気圧縮機４の下流側に設けられた燃焼器５と、燃焼器５の下流側に設けられたタービン６とを主な構成要素として有している。さらに、ガスタービン３には、発電機８が接続されている。また、本実施形態のコンバインド発電システム１は、ガスタービン３の排ガスを利用する為に、図示しない排熱回収ボイラおよび蒸気タービンが設置されても良い。

燃焼器５は、空気に燃料ガスを噴射して、高温燃焼ガスを生成する。タービン６は、燃焼器５により生成された高温燃焼ガスの供給を受けて回転駆動力を発生させ、空気圧縮機４を回転駆動させるとともに、発電機８を駆動する。
タービン６には、タービン６を回転駆動した後の高温燃焼ガス、即ち、排ガスが導入されるガスタービン排ガスダクト９が設けられている。ガスタービン排ガスダクト９は、排ガスを外部に導く配管である。ガスタービン排ガスダクト９は、排ガスの全量または一部が導出されるダクトである。

燃料電池モジュール２は圧力容器１０と圧力容器１０の内部に収納された複数のカートリッジ２０１（カートリッジ群２００）とを有している。カートリッジ２０１は、燃料ガスＦ１及び酸化剤ガスＯ１の供給を受けて発電を行うものである。
カートリッジ２０１には、ガスタービン３から酸化剤ガスＯ１を供給する酸化剤ガス配管３３０と、燃料供給部２０から燃料ガスＦ１を供給する燃料配管３１０が接続されている。

燃料ガスＦ１としては、例えば、水素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素系ガス、石炭等の炭素質原料のガス化により得られたガス、又は、これらの２以上の成分を含むガス等が利用される。また、酸化剤ガスＯ１としては、例えば、酸素を１５〜３０ｖｏｌ％含むガス等が利用される。代表的な酸化剤ガスＯ１としては、空気であるが、排燃焼ガスと空気との混合ガスや、酸素と空気との混合ガスを利用してもよい。

さらに、コンバインド発電システム１には、カートリッジ２０１における発電に用いられた後の排酸化剤ガスＯ２を、ガスタービン３の燃焼器５に供給する排酸化剤ガス配管３４０（排酸化剤ガスライン）と、カートリッジ２０１から排出される燃料ガス（排燃料ガスＦ２）を燃焼器５に供給する排燃料配管３２０（排燃料ライン）とが設けられている。排燃料配管３２０には、排燃料配管３２０を流れる排燃料ガスＦ２を加圧するブロア１４が設けられている。ここで、排燃料ガスＦ２とは、発電に用いられた燃料ガスと、発電に用いられなかった燃料ガスとを含むものである。

酸化剤ガス配管３３０は、ガスタービン３の空気圧縮機４において圧縮された酸化剤ガスをカートリッジ２０１に導く配管である。
排燃料配管３２０には、排燃料ガスＦ２の一部を燃料配管３１０に戻して、燃料電池モジュール２に再循環させる燃料再循環配管３２５が接続されている。即ち、燃料再循環配管３２５の一方の端部は排燃料配管３２０に接続され、他方の端部は燃料配管３１０に接続されている。燃料再循環配管３２５には、燃料再循環配管３２５を流れる排燃料ガスＦ２を加圧する燃料再循環ブロア１５が設けられている。

排燃料配管３２０には、カートリッジ２０１から燃焼器５に向かって順に、燃料再循環配管３２５との接続部、切替バルブ１６（切替器）が設けられている。切替バルブ１６からは、ベント配管１７（分岐排燃料ライン）が分岐している。ベント配管１７は、排燃料配管３２０を流れる排燃料ガスＦ２の少なくとも一部を外部に放出する配管である。切替バルブ１６は、排燃料配管３２０を流れる排燃料ガスＦ２を燃焼器５とベント配管１７のうち一方に送る弁であって、ベント配管１７から外部に放出される排燃料ガスＦ２の流量又は圧力を制御する調整弁である。

また、酸化剤ガス配管３３０からは、酸化剤ガスＯ１を排酸化剤ガス配管３４０へ分岐する空気分岐配管１８が設けられている。さらに、燃料配管３１０からは、燃料ガスＦ１を燃焼器５に直接導入する燃料分岐配管１９が設けられている。

そして、本実施形態のコンバインド発電システム１においては、切替バルブ１６の下流側の排燃料配管３２０に加熱器２３が設けられている。加熱器２３の熱源は、ガスタービン排ガスダクト９に導入される高温の排ガスである。即ち、排燃料配管３２０が、ガスタービン排ガスダクト９の内部を通過するように構成されている。
具体的には、図６に示すように、ガスタービン排ガスダクト９に排燃料配管３２０が通過可能であり、かつ、ガスタービン排ガスダクト９の気密性を確保するトンネル状の管状孔９ａが形成されており、排燃料配管３２０は、その外周面が管状孔９ａの内周面に接するように配置されている。

次に、燃料電池モジュール２の詳細構造について説明する。
図２に示すように、燃料電池モジュール２は、容器中心軸Ａｖを中心として容器中心軸方向Ｄｖに延びる円筒形状の圧力容器１０と、この圧力容器１０内に配置されている複数のカートリッジ２０１を有している。

圧力容器１０は、例えば、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約５ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用される。このため、この圧力容器１０は、耐圧性を考慮して、円筒形状の胴部１１と、胴部１１の中心軸方向における両端部に形成されている半球状の鏡部１２とを有している。この圧力容器１０は、全体として円筒形状を成し、その容器中心軸Ａｖが上下方向に延びるよう設置されている。また、この圧力容器１０は、耐圧性と共に、酸化剤ガスＯ１中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性も要求されるため、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス系材で形成されている。

カートリッジ２０１は、複数のセルスタックの束で構成されている。図３に示すように、セル集合体であるセルスタック１０１は、円筒形状（又は管形状）の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されているインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１１２と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。セルスタック１０１は、さらに、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５のうちで、基体管１０３の軸方向において最も端に形成されている燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されているリード膜１１５を有する。なお、本実施形態においては、円筒形状のセルスタックにて説明しているが、円筒に限らず、平板形、偏平円筒形等のセルスタックを利用しても良い。

本実施形態では、この円筒形状（又は管形状）のセルスタック１０１の内周側に燃料ガスＦ１が通り、外周側に酸化剤ガスＯ１が通る。

基体管１０３は、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、Ｙ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ_２（ＹＳＺ）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等のいずれかで形成されている多孔質体である。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持する役目を担っている。さらに、この基体管１０３は、内周側に供給された燃料ガスＦ１を基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料電池セル１０５に拡散させる役目も担っている。

燃料極１１２は、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で形成されている。この場合、燃料極１１２は、燃料極１１２の成分であるＮｉが燃料ガスＦ１に対して触媒として作用する。この触媒としての作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガスＦ１中に、例えば、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気とが含まれている場合、これら相互を反応させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する作用である。

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３系酸化物で形成されている。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される酸化剤ガスＯ１中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ^２−）を生成する。

固体電解質１１１は、例えば、主としてＹＳＺで形成されている。このＹＳＺは、ガスを通しにくい気密性と、高温下での高い酸素イオン導電性とを有している。この固体電解質１１１は、空気極１１３で生成された酸素イオン（Ｏ^２−）を燃料極１１２に移動させる。

前述の燃料極１１２では、固体電解質１１１との界面付近において、改質により得られた水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１から供給された酸素イオン（Ｏ^２−）とが反応し、水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。この燃料電池セル１０５では、この反応過程で酸素イオンから電子が放出されて、発電が行われる。

インターコネクタ１０７は、例えば、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ_３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物で形成されている。このインターコネクタ１０７は、燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とが混合しないように緻密な膜で、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１１２とを電気的に接続する。つまり、このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５同士を電気的に直列接続する。

リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で形成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により電気的に直列接続されている複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出する役目を担っている。

カートリッジ２０１は、図４及び図５に示すように、複数のセルスタック１０１と、複数のセルスタック１０１の束の一方の端部を覆う第一カートリッジヘッダ２２０ａと、複数のセルスタック１０１の束の他方の端部を覆う第二カートリッジヘッダ２２０ｂと、を有している。複数のセルスタック１０１は、互いに平行で且つその長手方向における互いの位置が揃って、全体として円柱形状を成している。また、第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、円柱形状を成している複数のセルスタック１０１の束の外径よりわずかに大きな外径の円筒形状を成している。このため、カートリッジ２０１は、全体として、セルスタック１０１の長手方向に長い円柱形状を成している。

第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、いずれも、複数のセルスタック１０１の束の端部が開口２２８から内部に入り込む円筒形状のケーシング２２９ａ，２２９ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの開口２２８を塞ぐ断熱体２２７ａ，２２７ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの内部空間をセルスタック１０１の長手方向で２つの空間に仕切る管板２２５ａ，２２５ｂと、を有している。管板２２５ａ，２２５ｂ等は、インコネル（ニッケル基合金に対するスペシャルメタルズ社の登録商標）等の高温耐久性のある金属材料で形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂ及び断熱体２２７ａ，２２７ｂには、複数のセルスタック１０１の端部のそれぞれが挿通可能な貫通孔が形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂは、その貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の端部をシール部材又は接着剤２３７を介して支持する。このため、この管板２２５ａ，２２５ｂには貫通孔が形成されているものの、この管板２２５ａ，２２５ｂを基準にしてケーシング２２９ａ，２２９ｂ内の一方の空間に対する他方の空間の気密性が確保されている。断熱体２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内径は、ここに挿通されるセルスタック１０１の外径よりも大きく形成されている。つまり、断熱体２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の外周面との間には隙間２３５ａ，２３５ｂが存在する。

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、燃料ガスＦ１が供給される燃料ガス供給室２１７を形成している。このケーシング２２９ａには、燃料配管３１０からの燃料ガスＦ１を燃料ガス供給室２１７に導くための燃料ガス供給孔２３１ａが形成されている。この燃料ガス供給室２１７内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。燃料配管３１０から燃料ガス供給室２１７に導かれた燃料ガスＦ１は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に流れ込む。この際、燃料ガスＦ１は、燃料ガス供給室２１７により、複数のセルスタック１０１の各基体管１０３に対してほぼ均等流量に配分される。このため、複数のセルスタック１０１における各発電量の均一化を図ることができる。

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、セルスタック１０１の基体管１０３内を通過した燃料ガスＦ１が流れ込む燃料ガス排出室２１９を形成している。このケーシング２２９ｂには、燃料ガス排出室２１９に流れ込んだ排燃料ガスＦ２を排燃料配管３２０に導くための燃料ガス排出孔２３１ｂが形成されている。この燃料ガス排出室２１９内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。複数のセルスタック１０１の各基体管１０３内を通過した燃料ガスＦ１は、前述したように、燃料ガス排出室２１９に流入した後、排燃料配管３２０を通って、圧力容器１０外へ排出される。

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと断熱体２２７ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、酸化剤ガス供給室２１６を形成している。このケーシング２２９ｂには、酸化剤ガス配管３３０からの酸化剤ガスＯ１を酸化剤ガス供給室２１６に導くための酸化剤ガス供給孔２３３ｂが形成されている。この酸化剤ガス供給室２１６内に導かれた酸化剤ガスＯ１は、断熱体２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ｂから、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５へと流出する。

第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５には、複数のセルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置されている。このため、この発電室２１５では、燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とが電気化学的反応して、発電が行われる。なお、この発電室２１５で、セルスタック１０１の長手方向における中央部付近の温度は、燃料電池モジュール２の定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気になる。また、この発電室２１５は、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間であって、外周側が後述の内側断熱材１１６で囲まれた空間である。

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと断熱体２２７ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、発電室２１５を通った排酸化剤ガスＯ２が流入する空気排出室２１８を形成している。このケーシング２２９ａには、空気排出室２１８に流れ込んだ排酸化剤ガスＯ２を排酸化剤ガス配管３４０に導くための空気排出孔２３３ａが形成されている。発電室２１５中の酸化剤ガスＯ１は、断熱体２２７ａの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ａから空気排出室２１８内に流入した後、排酸化剤ガス配管３４０を通って、圧力容器１０外へ排酸化剤ガスＯ２として排出される。

発電室２１５の高温化に伴って、各カートリッジヘッダ２２０ａ，２２０ｂの管板２２５ａ，２２５ｂが高温化する。第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂの断熱体２２７ａ，２２７ｂは、この管板２２５ａ，２２５ｂが高温化による強度低下や酸化剤ガスＯ１中に含まれている酸化剤による腐食を抑える。さらに、この断熱体２２７ａ，２２７ｂは、管板２２５ａ，２２５ｂの熱変形も抑える。

前述したように、発電室２１５中の酸化剤ガスＯ１と、この発電室２１５に配置されている複数のセルスタック１０１の内側を通る燃料ガスＦ１とは、セルスタック１０１における複数の燃料電池セル１０５で電気化学反応する。この結果、複数の燃料電池セル２０５で発電が行われる。

複数の燃料電池セル２０５での発電で得られた直流電流は、複数の燃料電池セル２０５相互間に設けられているインターコネクタ１０７を経て、セルスタック１０１の端部側へ流れ、このセルスタック１０１のリード膜１１５に流れ込む。そして、この直流電流は、リード膜１１５から、集電板（不図示）を介して、カートリッジ２０１の集電棒（不図示）に流れ、カートリッジ２０１外部へ取り出される。複数の集電棒は、互いに直列及び／又は並列接続されている。集電棒のうち、最も下流側の集電棒は、例えば、図示されていないインバータに接続されている。カートリッジ２０１外部に取り出された直流電流は、直列及び／又は並列接続されている複数の集電棒を経て、例えば、インバータに流れ、ここで交流電流に変換されて、電力負荷へと供給される。

セルスタック１０１の内周側を流れる燃料ガスＦ１とセルスタック１０１の外周側を流れる酸化剤ガスＯ１とは、このセルスタック１０１を介して熱交換する。この結果、燃料ガスＦ１は、酸化剤ガスＯ１により加熱され、酸化剤ガスＯ１は、逆に燃料ガスＦ１により冷却される。本実施形態では、これら燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる。このため、燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１との熱交換率が高まり、燃料ガスＦ１による酸化剤ガスＯ１の冷却効率、及び酸化剤ガスＯ１による燃料ガスＦ１の加熱効率が高まる。よって、本実施形態において、酸化剤ガスＯ１は、第一カートリッジヘッダ２２０ａを形成する管板２２５ａ等が座屈変形等しない温度に冷却されてから、この第一カートリッジヘッダ２２０ａの酸化剤ガス排出室２１８に流れ込む。また、本実施形態において、燃料ガスＦ１は、発電室２１５内のセルスタック１０１内で、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温される。

なお、本実施形態では、燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる、つまり燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とが逆向きに流れるが、必ずしもこの必要はなく、例えば、燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とがセルスタック１０１の内周側と外周側で同じ向きに流れてもよいし、酸化剤ガスＯ１が燃料ガスＦ１の流れに対して直交する方向に流れてもよい。

円柱形状の複数のカートリッジ２０１は、図２に示すように、いずれも、カートリッジ中心軸Ａｃが圧力容器１０の容器中心軸Ａｖと平行になるよう、圧力容器１０内に配置されている。つまり、本実施形態では、カートリッジ中心軸Ａｃは、容器中心軸Ａｖと同様、上下方向に延びている。

なお、カートリッジ２０１の構成は上記したものに限らず、カートリッジを圧力容器の中心軸と直交する方向に延びるように配置してもよい。また、カートリッジは円柱形状に限らず、角柱形状としてもよい。

次に、上記の構成からなるコンバインド発電システム１の動作について説明する。
コンバインド発電システム１を起動する場合、ガスタービン３が起動した後に燃料電池モジュール２が起動する。まず、ガスタービン３にて、空気圧縮機４が空気供給部２１から導入される酸化剤ガスＯ１を圧縮し、燃焼器５が酸化剤ガスＯ１と燃料供給部２０から燃料分岐配管１９を介して供給される燃料ガスＦ１とを混合して燃焼し、タービン６が燃焼排ガスにより回転することで発電機８が発電を開始する。また、ガスタービン３の起動時においては、空気圧縮機４により燃料電池モジュール２に送給される全ての酸化剤ガスＯ１を、空気分岐配管１８を介して燃焼器５へ供給するように設定されている。

燃料電池モジュール２では、まず、酸化剤ガスＯ１を供給して昇圧を開始し、加熱を開始する。その際、空気分岐配管１８に流入される酸化剤ガスＯ１の量を少しずつ減少させるとともに、燃料電池モジュール２に供給される酸化剤ガスＯ１を徐々に増加させる。一方、燃料電池モジュール２では、燃料極側に燃料ガスＦ１、図示されていない酸化剤ガス配管３３０の分岐から圧縮空気を供給するか、窒素等の不活性ガスを供給して昇圧を開始する。酸化剤ガスＯ１は、空気圧縮機４で圧縮されることで約３５０〜４００℃で排出されることから、燃料電池モジュール２の加熱も行われる。
このように、燃料電池モジュール２の起動は、燃料ガスＦ１及び酸化剤ガスＯ１を徐々に増加させて昇圧しながら加熱することで行う。燃料電池モジュール２は、酸化剤ガスＯ１の供給および燃料電池モジュール２の内部での燃焼等により加熱される。そして燃料電池モジュール２の圧力が所定圧力に達し、カートリッジ２０１の圧力制御が安定したことを確認したら、切替バルブ１６を切り替え、排燃料ガスＦ２が燃焼器５に導入される。

次に、定常運転されている場合の発電方法について説明する。
コンバインド発電システム１が定常運転されている場合には、酸化剤ガスＯ１は空気圧縮機４に圧縮され、酸化剤ガス配管３３０を介して燃料電池モジュール２のカートリッジ２０１に供給される。

一方、燃料供給部２０より供給された燃料ガスＦ１は、燃料配管３１０を介して燃料電池モジュール２のカートリッジ２０１に供給される。カートリッジ群２００は、酸化剤ガスＯ１、及び燃料ガスＦ１を用いて発電を行う。発電に使用された排酸化剤ガスＯ２は、カートリッジ群２００から排酸化剤ガス配管３４０を介して燃焼器５に導入される。

一方、排燃料ガスＦ２は、排燃料配管３２０を介して燃焼器５に導入される。ここで、排燃料ガスＦ２は、高温化での発電反応により水が生成されることから、水蒸気を含有している。この排燃料ガスＦ２の一部は、燃料再循環ブロア１５が駆動していることによって、燃料再循環配管３２５を介して燃料配管３１０に流入する。

燃焼器５では、排燃料ガスＦ２が燃焼され、高温の排気ガスが生成される。高温の排気ガスは、燃焼器５からタービン６に導入され、タービン６を回転駆動させる。
タービン６では、導入された高温の排気ガスから回転駆動力を発生させ、空気圧縮機４を回転駆動する。回転駆動力は発電機８にも伝達され、発電が行われる。
このように、コンバインド発電システム１では、燃料電池モジュール２とガスタービン３とで発電が行われる。

上記実施形態によれば、切替バルブ１６の燃焼器側から燃焼器５の入口側に至る間の排燃料配管３２０に加熱器２３が設けられていることによって、排燃料配管３２０を予熱することができる。
そして、排燃料配管３２０が加熱器２３によって予熱されていることから、排燃料ガスＦ２に含まれる水分が低温状態の排燃料配管３２０内に接触することで凝縮しドレンを生成することを防止することができる。これにより、凝縮ドレンがガスタービン３の燃焼器５に流入し、燃焼器５あるいはタービン６を構成するタービン羽根が損傷することを防止することができる。

また、排燃料配管３２０がガスタービン排ガスダクト９内に配置されていることから、ガスタービン３を起動することで加熱器２３を作動させるため、コンバインド発電システムにおける燃料電池とガスタービンとの連携する前に排燃料配管３２０を予熱することができる。加熱器２３は、電力などのエネルギーが不要であるため、プラント効率の低下を防ぐことができる。
さらに、ガスタービン排ガスダクト９の内部に排燃料配管３２０を貫通させる構造とすることにより、より簡素な構成で加熱器２３を構成することができる。

なお、ガスタービン排ガスダクト９を熱源とする方法は、上記方法に限ることはなく、ガスタービン排ガスダクト９を流れる排ガスの一部を小径管に分岐させ、小径管を排燃料配管３２０の周囲に配置する構成としてもよい。

（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態に係るコンバインド発電システムを図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。

第一実施形態に係るコンバインド発電システム１の加熱器２３がガスタービン排ガスダクト９を熱源としていることに対して、本実施形態のコンバインド発電システム１Ｂは、排酸化剤ガス配管３４０を熱源としている。
具体的には、図７に示すように、排酸化剤ガス配管３４０と排燃料配管３２０とは、その一部が並設されており、排酸化剤ガス配管３４０と排燃料配管３２０とに跨るように熱交換器２４が設けられている。熱交換器２４は、排酸化剤ガス配管３４０と排燃料配管３２０との間で熱交換を行うものである。換言すれば、熱交換器２４は、排酸化剤ガス配管３４０の熱を利用して、排燃料配管３２０を予熱するものである。即ち、本実施形態の加熱器２３は、排酸化剤ガス配管３４０を熱源としている。

上記実施形態によれば、切替バルブ１６の燃焼器側から燃焼器５の入口側に至る間の排燃料配管３２０が、高温熱源である排酸化剤ガス配管３４０によって予熱されることによって、排燃料ガスＦ２に含まれる水分が排燃料配管３２０内にて凝縮しドレン化することを防止することができる。

なお、排酸化剤ガス配管３４０と排燃料配管３２０との熱交換は、熱交換器２４を用いることに限ることはなく、排酸化剤ガス配管３４０と排燃料配管３２０とを並設させた状態で保温を施工することにより、排酸化剤ガス配管３４０の熱が排燃料配管３２０に輻射及び自然対流で伝達される構成としてもよい。
さらに、排酸化剤ガス配管３４０を流れる排酸化剤ガスＯ２の一部を小径管に分岐させ、小径管を排燃料配管３２０の周囲に配置する構成としてもよい。

（第三実施形態）
以下、本発明の第三実施形態に係るコンバインド発電システムを図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。

第一実施形態に係るコンバインド発電システム１の加熱器２３がガスタービン排ガスダクト９を熱源としていることに対して、本実施形態のコンバインド発電システム１Ｃは、酸化剤ガス配管３３０を熱源としている。
具体的には、図８に示すように、酸化剤ガス配管３３０と排燃料配管３２０とは、その一部が並設されており、酸化剤ガス配管３３０と排燃料配管３２０とに跨るように熱交換器２４Ｃが設けられている。熱交換器２４Ｃは、酸化剤ガス配管３３０と排燃料配管３２０との間で熱交換を行うものである。換言すれば、熱交換器２４Ｃは、酸化剤ガス配管３３０の熱を利用して、排燃料配管３２０を予熱するものである。即ち、本実施形態の加熱器２３は、酸化剤ガス配管３３０を熱源としている。

上記実施形態によれば、切替バルブ１６の燃焼器側から燃焼器５の入口側に至る間の排燃料配管３２０が、高温熱源である酸化剤ガス配管３３０によって予熱されることによって、排燃料ガスＦ２に含まれる水分が排燃料配管３２０内にて凝縮しドレンを生成することを防止することができる。

なお、第二実施形態と同様に、酸化剤ガス配管３３０と排燃料配管３２０との熱交換は、熱交換器２４Ｃを用いることに限ることはなく、酸化剤ガス配管３３０と排燃料配管３２０とを並設させた状態で保温を施工することにより、酸化剤ガス配管３３０の熱が排燃料配管３２０に輻射及び自然対流で伝達される構成としてもよい。
さらに、酸化剤ガス配管３３０を流れる酸化剤ガスＯ１の一部を小径管に分岐させ、小径管を排燃料配管３２０の周囲に配置する構成としてもよい。

（第四実施形態）
以下、本発明の第四実施形態に係るコンバインド発電システムを図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。

本実施形態のコンバインド発電システム１Ｄは、ベント配管１７を熱源としている。
具体的には、図９に示すように、ベント配管１７と排燃料配管３２０とは、その一部が並設されており、ベント配管１７と排燃料配管３２０とに跨るように熱交換器２４Ｄが設けられている。即ち、本実施形態の加熱器２３は、ベント配管１７を熱源としている。

上記実施形態によれば、切替バルブ１６の燃焼器側から燃焼器５の入口側に至る間の排燃料配管３２０が、高温熱源であるベント配管１７によって予熱されることによって、排燃料ガスＦ２に含まれる水分が排燃料配管３２０内にて凝縮しドレンを生成することを防止することができる。

なお、ベント配管１７と排燃料配管３２０との熱交換は、熱交換器２４Ｄを用いることに限ることはなく、ベント配管１７と排燃料配管３２０とを並設させた状態で保温を施工することにより、ベント配管１７の熱が排燃料配管３２０に輻射及び自然対流で伝達される構成としてもよい。
さらに、ベント配管１７を流れる排燃料ガスＦ２の一部を小径管に分岐させ、小径管を排燃料配管３２０の周囲に配置する構成としてもよい。

（第五実施形態）
以下、本発明の第五実施形態にかかるコンバインド発電システムを図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。

図１０に示すように、本実施形態のコンバインド発電システム１Ｅは、排燃料配管３２０（排燃料ライン）に導入される排燃料ガスＦ２に対して、排燃料配管３２０（排燃料ライン）にドレン分離器２５を設けている。ドレン分離器２５を設けることにより、ドレンを分離した排燃料ガスＦ２を下流側に供給することで、切替バルブ１６の燃焼器側から燃焼器５の入口側に至る間の排燃料配管３２０におけるドレンの生成を防止している。

ドレン分離器２５は、排燃料ガスＦ２を冷却して、排燃料ガスＦ２に含まれる水分を取り除いてから切替バルブ１６よりも下流側の排燃料配管３２０（排燃料ライン）に供給される。ここで、ドレン分離器２５は、排燃料配管３２０の切替バルブ１６よりも上流側に設置されるのが好ましい。
ドレン分離器２５における冷却手段としては、排燃料ガスＦ２よりも低温の冷却材を流路２６に供給して、排燃料ガスＦ２と熱交換することでドレンを凝縮させている。冷却材としては、特に限定されないが、ＬＮＧまたはコンバインド発電システムの蒸気タービンの複水を用いることで、排燃料ガスＦ２の熱をシステム内で回収することで、コンバインド発電システムとしての効率向上に寄与させても良い。
ドレン分離器２５により凝縮されたドレンは、ドレン流路２７により排出されても良いし、燃料ガスＦ１に添加される水分として再利用しても良い。

本実施形態において、ドレンを分離した排燃料ガスＦ２を加熱器２３により加熱することで、燃焼器において安定した燃焼が実現できる。本実施形態では加熱器２３として、排燃料配管３２０（排燃料ライン）に設置された触媒燃焼による加熱が適用される。触媒燃焼させるために必要な空気としては、図示しない酸化剤ガス配管３３０（酸化剤ガスライン）から分岐されて供給しても良いし、別途設けられた空気供給ラインを用いてもよい。ここで、触媒燃焼とは酸化反応や燃焼反応を含めた総称として燃焼と記載する。なお、本実施形態における加熱手段としては、触媒燃焼以外にもバーナー等の一般的な燃焼方法を適用することも可能であるまた、加熱手段として、第一実施形態乃至第四実施形態のいずれかまたは複数を適用することができる。

排燃料ガスＦ２は、ドレン分離器２５によりドレンが分離されると共に、加熱器２３によりドレン分離により冷却された排燃料を加熱していることから、コンバインド発電システムの起動過程において、排燃料ガスＦ２が低温の排燃料配管３２０（排燃料ライン）に流入することで凝縮されるドレンの生成を防止することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、加熱器２３として、電気ヒーターなどの独立した熱源を採用して、排燃料配管３２０を予熱する構成としてもよい。

１コンバインド発電システム
２燃料電池モジュール（燃料電池）
３ガスタービン
４空気圧縮機
５燃焼器
６タービン
９ガスタービン排ガスダクト
１６切替バルブ（切替器）
１７ベント配管（分岐排燃料ライン）
２３加熱器（加熱手段）
２４熱交換器
２５ドレン分離器
２６流路
２７ドレン流路
３１０燃料配管（燃料ライン）
３２０排燃料配管（排燃料ライン）
３３０酸化剤ガス配管（酸化剤ガスライン）
３４０排酸化剤ガス配管（排酸化剤ガスライン）
Ｆ１燃料ガス
Ｆ２排燃料ガス
Ｏ１酸化剤ガス
Ｏ２排酸化剤ガス

Claims

燃料ガスで発電を行う燃料電池と、
空気圧縮機、燃焼器、及びタービンを含むガスタービンと、
前記燃料電池から排出された排燃料ガスを前記燃焼器に導入する排燃料ラインと、
前記排燃料ラインの途中から分岐している分岐排燃料ラインと、
前記分岐排燃料ラインと前記燃焼器のうち一方に排燃料ガスを送る切替器と、
前記切替器の下流側の前記排燃料ラインを加熱する加熱手段と、を備える発電システム
の運転方法であって、
前記切替器を用いて前記排燃料ガスを前記分岐排燃料ラインのみに送る工程と、
前記加熱手段を用いて前記排燃料ガスが流れていない前記排燃料ラインを加熱する工程
と、を有することを特徴とする発電システムの運転方法。
前記発電システムは、
前記タービンから排出される排気ガスを放出するガスタービン排ガスダクトを備え、
前記加熱手段は、前記ガスタービン排ガスダクトを通る排ガスを熱源としていることを
特徴とする請求項１に記載の発電システムの運転方法。
前記排燃料ラインは、前記ガスタービン排ガスダクトの内部を貫通していることを特徴
とする請求項２に記載の発電システムの運転方法。
燃料ガスで発電を行う燃料電池と、
空気圧縮機、燃焼器、及びタービンを含むガスタービンと、
前記燃料電池から排出された排燃料ガスを前記燃焼器に導入する排燃料ラインと、
前記排燃料ラインの途中から分岐している分岐排燃料ラインと、
前記分岐排燃料ラインと前記燃焼器のうち一方に排燃料ガスを送る切替器と、
前記切替器の下流側の前記排燃料ラインを加熱する加熱手段と、
前記燃料電池から排出された酸化剤ガスを前記燃焼器に導入する排酸化剤ガスラインと
、を備え、
前記加熱手段は、前記排酸化剤ガスラインを通る排酸化剤ガスを熱源としていることを
特徴とする発電システム。
燃料ガスで発電を行う燃料電池と、
空気圧縮機、燃焼器、及びタービンを含むガスタービンと、
前記燃料電池から排出された排燃料ガスを前記燃焼器に導入する排燃料ラインと、
前記排燃料ラインの途中から分岐している分岐排燃料ラインと、
前記分岐排燃料ラインと前記燃焼器のうち一方に排燃料ガスを送る切替器と、
前記切替器の下流側の前記排燃料ラインを加熱する加熱手段と、
前記空気圧縮機から排出された酸化剤ガスを前記燃料電池に導入する酸化剤ガスライン
と、を備え、
前記加熱手段は、前記酸化剤ガスラインを通る酸化剤ガスを熱源としていることを特徴
とする発電システム。
燃料ガスで発電を行う燃料電池と、
空気圧縮機、燃焼器、及びタービンを含むガスタービンと、
前記燃料電池から排出された排燃料ガスを前記燃焼器に導入する排燃料ラインと、
前記排燃料ラインの途中から分岐している分岐排燃料ラインと、
前記分岐排燃料ラインと前記燃焼器のうち一方に排燃料ガスを送る切替器と、
前記切替器の下流側の前記排燃料ラインを加熱する加熱手段と、を備え、
前記加熱手段は、前記分岐排燃料ラインを通る排燃料ガスを熱源としていることを特徴
とする発電システム。