JPH06318464A - 燃料電池／ガスタービン複合発電システムの運転方法 - Google Patents
燃料電池／ガスタービン複合発電システムの運転方法Info
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- JPH06318464A JPH06318464A JP5105767A JP10576793A JPH06318464A JP H06318464 A JPH06318464 A JP H06318464A JP 5105767 A JP5105767 A JP 5105767A JP 10576793 A JP10576793 A JP 10576793A JP H06318464 A JPH06318464 A JP H06318464A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【目的】加圧式燃料電池とガスタービンを組合わせた複
合発電システムを実施対象に、改質器に対する使用温度
条件の緩和を図りつつ、しかも発電システムに投入した
原燃料を高い熱効率で電力として回収できるようにした
燃料電池／ガスタービン複合発電システムの運転方法を
提供する。 【構成】燃料改質器２からの改質ガス, および電動機４
で駆動されるコンプレッサ３からの加圧空気を反応ガス
として発電する加圧式燃料電池１と、改質器からの燃焼
排ガス, および補助バーナ８の燃焼ガスタービンを作動
流体として動力を得るガスタービン５と、ガスタービン
の軸出力で駆動される発電機６とで構成した複合発電シ
ステムに対し、燃料電池からのオフ空気量に見合った追
加燃料を原燃料として改質器より過剰供給し、改質器の
反応平衡温度を低めるとともに、併せてガスタービン，
発電機から高い熱効率で大きな追加出力を得る。
合発電システムを実施対象に、改質器に対する使用温度
条件の緩和を図りつつ、しかも発電システムに投入した
原燃料を高い熱効率で電力として回収できるようにした
燃料電池／ガスタービン複合発電システムの運転方法を
提供する。 【構成】燃料改質器２からの改質ガス, および電動機４
で駆動されるコンプレッサ３からの加圧空気を反応ガス
として発電する加圧式燃料電池１と、改質器からの燃焼
排ガス, および補助バーナ８の燃焼ガスタービンを作動
流体として動力を得るガスタービン５と、ガスタービン
の軸出力で駆動される発電機６とで構成した複合発電シ
ステムに対し、燃料電池からのオフ空気量に見合った追
加燃料を原燃料として改質器より過剰供給し、改質器の
反応平衡温度を低めるとともに、併せてガスタービン，
発電機から高い熱効率で大きな追加出力を得る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、リン酸形燃料電池など
を対象とする加圧式燃料電池とガスタービンを組合わせ
た複合発電システムの運転方法に関する。
を対象とする加圧式燃料電池とガスタービンを組合わせ
た複合発電システムの運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】リン酸形燃料電池は電池の動作圧力が高
いほど高い発電効率が得られることから、例えば出力１
０００KW以上の大容量の燃料電池発電プラントにおいて
は、反応ガスを４〜８Kg／cm2 Ｇ程度に加圧して運転す
るようにした加圧式燃料電池が多く採用されている。こ
のために、天然ガスなどを原燃料として加圧式の改質器
により水蒸気改質して得た水素リッチな改質ガスを燃料
電池の燃料極へ供給し、酸化剤は大気より取り込んだ空
気をコンプレッサにより昇圧して燃料電池の空気極へ加
圧供給して発電を行わせるようにしている。
いほど高い発電効率が得られることから、例えば出力１
０００KW以上の大容量の燃料電池発電プラントにおいて
は、反応ガスを４〜８Kg／cm2 Ｇ程度に加圧して運転す
るようにした加圧式燃料電池が多く採用されている。こ
のために、天然ガスなどを原燃料として加圧式の改質器
により水蒸気改質して得た水素リッチな改質ガスを燃料
電池の燃料極へ供給し、酸化剤は大気より取り込んだ空
気をコンプレッサにより昇圧して燃料電池の空気極へ加
圧供給して発電を行わせるようにしている。
【０００３】一方、前記のコンプレッサを駆動するため
に、改質器（運転中には燃料電池からのオフガス，オフ
空気をバーナで燃焼して水蒸気改質（吸熱反応）に必要
な熱量を得るようにしている）からの燃焼排ガスを作動
流体として動力回収するガスタービンを発電システム内
に装備し、このガスタービンにコンプレッサを同軸接続
して駆動するようにした方式（例えば特公昭５８−５６
２３１号公報）、あるいはガスタービンで駆動する発電
機の出力でコンプレッサに連結した電動機を駆動するよ
うにした方式（特開平２−１６８５６９号公報）などが
公知である。
に、改質器（運転中には燃料電池からのオフガス，オフ
空気をバーナで燃焼して水蒸気改質（吸熱反応）に必要
な熱量を得るようにしている）からの燃焼排ガスを作動
流体として動力回収するガスタービンを発電システム内
に装備し、このガスタービンにコンプレッサを同軸接続
して駆動するようにした方式（例えば特公昭５８−５６
２３１号公報）、あるいはガスタービンで駆動する発電
機の出力でコンプレッサに連結した電動機を駆動するよ
うにした方式（特開平２−１６８５６９号公報）などが
公知である。
【０００４】また、前記の特開平２−１６８５６９号公
報に開示の燃料電池発電プラントをベースに、ガスター
ビンの入口側に備えた補助バーナに追加燃料を加えてタ
ービンの出力を増加させ、発電機から電力の形で回収す
るようにした熱効率の高い燃料電池／ガスタービン複合
発電システムが、本発明と同一出願人より特願平５−１
２０５８号として提案されている。
報に開示の燃料電池発電プラントをベースに、ガスター
ビンの入口側に備えた補助バーナに追加燃料を加えてタ
ービンの出力を増加させ、発電機から電力の形で回収す
るようにした熱効率の高い燃料電池／ガスタービン複合
発電システムが、本発明と同一出願人より特願平５−１
２０５８号として提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、先記のよう
燃料電池の動作圧力を高めて電池反応を行わせる加圧式
の燃料電池発電プラントでは、燃料電池の動作圧力に相
応して改質器での改質反応圧力が高まるとともに、改質
反応の平衡温度も上昇することから、それだけ燃料改質
器の構造に要求される耐熱性条件が厳しくなる。
燃料電池の動作圧力を高めて電池反応を行わせる加圧式
の燃料電池発電プラントでは、燃料電池の動作圧力に相
応して改質器での改質反応圧力が高まるとともに、改質
反応の平衡温度も上昇することから、それだけ燃料改質
器の構造に要求される耐熱性条件が厳しくなる。
【０００６】ここで、先記のようにガスタービンに接続
した発電機の出力を電動機に給電してコンプレッサを駆
動するようにした出力５０００KWの燃料電池発電プラン
トを例に、系内での熱勘定から試算した各種データを具
体的な数値で説明すると、原燃料（都市ガス１３Ａ）を
改質器に８５２Ｎｍ3 ／ｈの割合で供給し、燃料電池で
５０００KWの電力を発電している運転状態では、コンプ
レッサは１４０００Ｎｍ3 ／ｈの空気を6.５Kg／cm2 Ｇ
まで圧縮して１２８０KWの電力を消費している。また、
ガスタービンは改質器より２９０℃、１９０００Ｎｍ3
／ｈの燃焼排ガスを受け入れ、ガスタービンに接続した
発電機が１１９０KWの電力を発生している。
した発電機の出力を電動機に給電してコンプレッサを駆
動するようにした出力５０００KWの燃料電池発電プラン
トを例に、系内での熱勘定から試算した各種データを具
体的な数値で説明すると、原燃料（都市ガス１３Ａ）を
改質器に８５２Ｎｍ3 ／ｈの割合で供給し、燃料電池で
５０００KWの電力を発電している運転状態では、コンプ
レッサは１４０００Ｎｍ3 ／ｈの空気を6.５Kg／cm2 Ｇ
まで圧縮して１２８０KWの電力を消費している。また、
ガスタービンは改質器より２９０℃、１９０００Ｎｍ3
／ｈの燃焼排ガスを受け入れ、ガスタービンに接続した
発電機が１１９０KWの電力を発生している。
【０００７】一方、改質器での運転条件として、水蒸気
比（水と原燃料中の炭素の比率）を3.５、改質反応圧力
を7.９Kg／cm2 Abs とし、水素への転換率（改質率）を
９３％（改質器は一般に転換率を８５〜９３％の範囲で
設計，運転するようにしている）とすれば、改質反応の
平衡温度を７８３℃となり、設計上で要求される改質器
の改質管（改質触媒を充填してここに原燃料を通流させ
る）の最高使用温度は９７０℃にもなる。
比（水と原燃料中の炭素の比率）を3.５、改質反応圧力
を7.９Kg／cm2 Abs とし、水素への転換率（改質率）を
９３％（改質器は一般に転換率を８５〜９３％の範囲で
設計，運転するようにしている）とすれば、改質反応の
平衡温度を７８３℃となり、設計上で要求される改質器
の改質管（改質触媒を充填してここに原燃料を通流させ
る）の最高使用温度は９７０℃にもなる。
【０００８】しかしながら、前記のような高温での使用
条件は金属材料にとって極限に近く、このような高温で
使用する耐熱性の高い金属材料も一部の材料メーカーで
開発されているが非常に高価である。そこで、改質器で
の運転条件を変えて反応平衡温度を低く抑えれば、これ
により改質管の最高使用温度が低くなるので設計条件が
緩和され、改質管の材料として高価な金属材料を使わず
に済むか、あるいは改質管の肉厚を薄く設計して改質器
を安価に製作することが可能となる。
条件は金属材料にとって極限に近く、このような高温で
使用する耐熱性の高い金属材料も一部の材料メーカーで
開発されているが非常に高価である。そこで、改質器で
の運転条件を変えて反応平衡温度を低く抑えれば、これ
により改質管の最高使用温度が低くなるので設計条件が
緩和され、改質管の材料として高価な金属材料を使わず
に済むか、あるいは改質管の肉厚を薄く設計して改質器
を安価に製作することが可能となる。
【０００９】本発明は上記の点にかんがみなされたもの
であり、先記した燃料電池／ガスタービン複合発電シス
テムを対象に、改質器に対する使用温度条件の緩和を図
りつつ、しかも発電システムに投入した原燃料の熱量を
高い熱効率で電力の形で回収できるようにした燃料電池
／ガスタービン複合発電システムの運転方法を提供する
ことを目的とする。
であり、先記した燃料電池／ガスタービン複合発電シス
テムを対象に、改質器に対する使用温度条件の緩和を図
りつつ、しかも発電システムに投入した原燃料の熱量を
高い熱効率で電力の形で回収できるようにした燃料電池
／ガスタービン複合発電システムの運転方法を提供する
ことを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的は、本発明によ
り、水素生成量を変えずに改質器に供給する原燃料を追
加増量して改質器における水素への転換率，反応平衡温
度を低く抑えるとともに、原燃料の追加増量分に対応す
る未改質燃料の熱量をガスタービンで動力に変換し、発
電機より電力として回収させるようにすることで達成さ
れる。
り、水素生成量を変えずに改質器に供給する原燃料を追
加増量して改質器における水素への転換率，反応平衡温
度を低く抑えるとともに、原燃料の追加増量分に対応す
る未改質燃料の熱量をガスタービンで動力に変換し、発
電機より電力として回収させるようにすることで達成さ
れる。
【００１１】また、前記運転方法の実施に際しては、燃
料電池より出たオフガス，オフ空気の一部を補助バーナ
に供給して燃焼し、その燃焼ガスを改質器の燃焼排ガス
と合わせてガスタービンに供給するのがよい。
料電池より出たオフガス，オフ空気の一部を補助バーナ
に供給して燃焼し、その燃焼ガスを改質器の燃焼排ガス
と合わせてガスタービンに供給するのがよい。
【００１２】
【作用】上記運転方法のように、改質器により原燃料を
水蒸気改質して得た改質ガス中の水素成分の生成量を変
えずに、改質器に供給する原燃料を増量して過剰供給す
ることにより、改質器の運転条件として、水素への転換
率を原燃料の増量分に相応して低め、かつこれに関連し
て改質反応の平衡温度も低い温度にすることができる。
したがって、反応平衡温度が低くなった分だけ、改質器
の構造，特に改質管に対して設計上から要求される最高
使用温度を引き下げることが可能となる。これにより、
改質器を設計する上での材料選定，製作面で大きなメリ
ットが得られる。
水蒸気改質して得た改質ガス中の水素成分の生成量を変
えずに、改質器に供給する原燃料を増量して過剰供給す
ることにより、改質器の運転条件として、水素への転換
率を原燃料の増量分に相応して低め、かつこれに関連し
て改質反応の平衡温度も低い温度にすることができる。
したがって、反応平衡温度が低くなった分だけ、改質器
の構造，特に改質管に対して設計上から要求される最高
使用温度を引き下げることが可能となる。これにより、
改質器を設計する上での材料選定，製作面で大きなメリ
ットが得られる。
【００１３】一方、原燃料の追加増量により改質器から
出るガスには未改質成分が多く含まれるようになるが、
この未改質成分は燃料電池からのオフガスとして改質器
のバーナ，および別置の補助バーナにて燃焼され、ガス
タービンに供給する作動ガスの温度を高めてガスタービ
ンの出力を大幅に増加させる。つまり、原燃料の追加増
量分はガスタービンで高熱効率で動力に変換され、この
ガスタービンで駆動される発電機からは電力の形で回収
される。
出るガスには未改質成分が多く含まれるようになるが、
この未改質成分は燃料電池からのオフガスとして改質器
のバーナ，および別置の補助バーナにて燃焼され、ガス
タービンに供給する作動ガスの温度を高めてガスタービ
ンの出力を大幅に増加させる。つまり、原燃料の追加増
量分はガスタービンで高熱効率で動力に変換され、この
ガスタービンで駆動される発電機からは電力の形で回収
される。
【００１４】なお、コンプレッサより燃料電池へ供給し
た加圧空気に対する燃料電池での酸素利用率を約５０％
とすれば、燃料電池からのオフ空気には9.５％以上の酸
素を含んでおり、このオフ空気の全量を燃焼空気として
消費させることにより、かなりの量の原燃料を追加分と
して改質器より供給した上で、この分を燃料電池のオフ
ガスとして燃焼できる。したがって、このオフ空気を使
って燃料電池のオフガスを改質器のバーナ，および新た
にガスタービンの入口側に追加装備した補助バーナに供
給して燃焼させることにより、ガスタービンの入口ガス
温度は５００〜９００℃に昇温する。しかも、前記のよ
うに原燃料の追加増量に相応するオフガスの燃焼に必要
な空気を全て燃料電池のオフ空気で賄うようにすること
で、空気圧縮のための新たな動力消費の必要がなく、こ
れにより原燃料の追加増量分に対する熱効率は大きく改
善され、燃料電池／ガスタービン発電システム全体での
送電端熱効率が大幅に向上することになる。
た加圧空気に対する燃料電池での酸素利用率を約５０％
とすれば、燃料電池からのオフ空気には9.５％以上の酸
素を含んでおり、このオフ空気の全量を燃焼空気として
消費させることにより、かなりの量の原燃料を追加分と
して改質器より供給した上で、この分を燃料電池のオフ
ガスとして燃焼できる。したがって、このオフ空気を使
って燃料電池のオフガスを改質器のバーナ，および新た
にガスタービンの入口側に追加装備した補助バーナに供
給して燃焼させることにより、ガスタービンの入口ガス
温度は５００〜９００℃に昇温する。しかも、前記のよ
うに原燃料の追加増量に相応するオフガスの燃焼に必要
な空気を全て燃料電池のオフ空気で賄うようにすること
で、空気圧縮のための新たな動力消費の必要がなく、こ
れにより原燃料の追加増量分に対する熱効率は大きく改
善され、燃料電池／ガスタービン発電システム全体での
送電端熱効率が大幅に向上することになる。
【００１５】
【実施例】以下本発明の実施例を図面に基づいて説明す
る。 実施例１：図１において、１はリン酸形加圧式の燃料電
池、２は改質器、３は燃料電池１の空気極に加圧空気を
供給するコンプレッサ、４はコンプレッサ３の駆動電動
機、５は改質器２の燃焼排ガス路に接続したガスタービ
ン、６はガスタービン５に同軸連結した発電機、８はガ
スタービン５に対しその入口側に新たに追加装備した補
助バーナである。なお、９はガスタービン５の排気側に
接続した排ガス用の煙突である。
る。 実施例１：図１において、１はリン酸形加圧式の燃料電
池、２は改質器、３は燃料電池１の空気極に加圧空気を
供給するコンプレッサ、４はコンプレッサ３の駆動電動
機、５は改質器２の燃焼排ガス路に接続したガスタービ
ン、６はガスタービン５に同軸連結した発電機、８はガ
スタービン５に対しその入口側に新たに追加装備した補
助バーナである。なお、９はガスタービン５の排気側に
接続した排ガス用の煙突である。
【００１６】かかる構成で、コンプレッサ３は電動機４
で駆動され、大気側より取り込んでコンプレッサ３によ
り昇圧した加圧空気が燃料電池１の空気極１ａに供給さ
れる。また、原燃料（都市ガス１３Ａ）は水蒸気改質用
として加える水とともに改質器２に供給して水素リッチ
な改質ガスに改質した後に燃料電池１の燃料極１ｂに供
給され、これにより燃料電池１は改質ガス，加圧空気の
反応ガスの供給を受けて発電する。なお、１ｃは冷却板
であり、燃料電池１の運転中は冷却板１ｃに冷却水を送
流して電池本体を冷却している。また、燃料電池１で消
費されずに燃料電池本体から出たオフガス，オフ空気は
改質器２のバーナ２ａと補助バーナ８とに分配して燃焼
される。そして改質器２ではバーナ２ａでの燃焼により
水蒸気改質に必要な熱量を与える。また、補助バーナ８
での燃焼ガスは改質器２からの燃焼排ガスと合流してガ
スタービン５に導入される。一方、ガスタービン５は前
記のように改質器２からの燃焼排ガス，および補助バー
ナ８で得た燃焼ガスを作動流体として動力を発生し、そ
の軸出力で発電機６を駆動して電力を得るととともに、
発電機６の発生電力は燃料電池１の発生電力と合わせて
電力系統に送電され、同時に発電電力の一部を電動機４
が給電してコンプレッサ３を駆動する。
で駆動され、大気側より取り込んでコンプレッサ３によ
り昇圧した加圧空気が燃料電池１の空気極１ａに供給さ
れる。また、原燃料（都市ガス１３Ａ）は水蒸気改質用
として加える水とともに改質器２に供給して水素リッチ
な改質ガスに改質した後に燃料電池１の燃料極１ｂに供
給され、これにより燃料電池１は改質ガス，加圧空気の
反応ガスの供給を受けて発電する。なお、１ｃは冷却板
であり、燃料電池１の運転中は冷却板１ｃに冷却水を送
流して電池本体を冷却している。また、燃料電池１で消
費されずに燃料電池本体から出たオフガス，オフ空気は
改質器２のバーナ２ａと補助バーナ８とに分配して燃焼
される。そして改質器２ではバーナ２ａでの燃焼により
水蒸気改質に必要な熱量を与える。また、補助バーナ８
での燃焼ガスは改質器２からの燃焼排ガスと合流してガ
スタービン５に導入される。一方、ガスタービン５は前
記のように改質器２からの燃焼排ガス，および補助バー
ナ８で得た燃焼ガスを作動流体として動力を発生し、そ
の軸出力で発電機６を駆動して電力を得るととともに、
発電機６の発生電力は燃料電池１の発生電力と合わせて
電力系統に送電され、同時に発電電力の一部を電動機４
が給電してコンプレッサ３を駆動する。
【００１７】次に、出力５０００KWの燃料電池１にガス
タービン５を組合わせた複合発電システムについて、本
発明の運転方法，並びにその熱勘定をベースに試算した
データを具体的な数値で説明する。まず、比較例（図１
における補助バーナ８の設置なし）として、先記の従来
技術の項で述べたように、原燃料として流量８５２Ｎｍ
3 ／ｈの都市ガス１３Ａを改質器２に供給し、この状態
で燃料電池１が５０００KWの電力を発電している運転状
態では、コンプレッサ３が１４０００Ｎｍ3 ／ｈの空気
を6.５Kg／cm2 Ｇに圧縮して燃料電池１の空気極１ａに
供給しており、電動機４はコンプレッサ３の駆動のため
に１２８０KWの電力を消費している。また、ガスタービ
ン５は改質器２から受け入れた２９０℃，１９０００Ｎ
ｍ3 ／ｈの燃焼排ガスを作動流体として作動し、発電機
６より１１９０KWの電力を発生している。また、改質器
２は水蒸気比を3.５，水素への転換率９３％として運転
すると、図４に表した改質器の特性図から反応平衡温度
は７８３℃となり、この反応平衡温度に対応して改質器
２に組み込まれ１改質管に対する設計上での最高使用温
度は９７０℃となる。なお、図４の図中でＳ／Ｃは水蒸
気比を表した数値である。
タービン５を組合わせた複合発電システムについて、本
発明の運転方法，並びにその熱勘定をベースに試算した
データを具体的な数値で説明する。まず、比較例（図１
における補助バーナ８の設置なし）として、先記の従来
技術の項で述べたように、原燃料として流量８５２Ｎｍ
3 ／ｈの都市ガス１３Ａを改質器２に供給し、この状態
で燃料電池１が５０００KWの電力を発電している運転状
態では、コンプレッサ３が１４０００Ｎｍ3 ／ｈの空気
を6.５Kg／cm2 Ｇに圧縮して燃料電池１の空気極１ａに
供給しており、電動機４はコンプレッサ３の駆動のため
に１２８０KWの電力を消費している。また、ガスタービ
ン５は改質器２から受け入れた２９０℃，１９０００Ｎ
ｍ3 ／ｈの燃焼排ガスを作動流体として作動し、発電機
６より１１９０KWの電力を発生している。また、改質器
２は水蒸気比を3.５，水素への転換率９３％として運転
すると、図４に表した改質器の特性図から反応平衡温度
は７８３℃となり、この反応平衡温度に対応して改質器
２に組み込まれ１改質管に対する設計上での最高使用温
度は９７０℃となる。なお、図４の図中でＳ／Ｃは水蒸
気比を表した数値である。
【００１８】これに対して、図１の実施例で改質器２に
供給する原燃料を、燃料電池１からのオフ空気（燃料電
池の酸素利用率を５０％とする）を使って全て燃焼でき
る範囲での最大量供給として、１２３０Ｎｍ3 ／ｈに増
量（比較例と比べた原燃料の追加増量分は３７８Ｎｍ3
／ｈ）し、原燃料に添加する水蒸気量を比較例と同じに
すれば水蒸気比は2.５低下する。ここで、改質器２から
比較例と同じく燃料電池１の運転に必要な水素量を得る
ためには、改質器での水素転換率は６４％（比較例では
９３％）でよく、これにより反応平衡温度は図４の特性
図から７０８℃となる。つまり、原燃料を３７８Ｎｍ3
／ｈ追加増量することで、改質器２での反応平衡温度を
比較例と比べて７５℃程低めることができる。
供給する原燃料を、燃料電池１からのオフ空気（燃料電
池の酸素利用率を５０％とする）を使って全て燃焼でき
る範囲での最大量供給として、１２３０Ｎｍ3 ／ｈに増
量（比較例と比べた原燃料の追加増量分は３７８Ｎｍ3
／ｈ）し、原燃料に添加する水蒸気量を比較例と同じに
すれば水蒸気比は2.５低下する。ここで、改質器２から
比較例と同じく燃料電池１の運転に必要な水素量を得る
ためには、改質器での水素転換率は６４％（比較例では
９３％）でよく、これにより反応平衡温度は図４の特性
図から７０８℃となる。つまり、原燃料を３７８Ｎｍ3
／ｈ追加増量することで、改質器２での反応平衡温度を
比較例と比べて７５℃程低めることができる。
【００１９】このことは、改質器２の改質管に対する最
高使用温度を、先記比較例と比べて少なくとも７５℃下
げられることを意味し、これにより改質管の材料に要求
される金属材料の耐熱条件が緩和され、具体的な数値的
で表すと改質管の最高使用温度を８９５℃として設計す
ることができ、これにより改質管の金属材料の肉厚を従
来の２／３まで薄くして製作することできる。また、原
燃料の増量に伴って系内の配管に対する重量流量は増加
するが、改質器での反応平衡温度が低くなるために、そ
の体積流量の増加率は高々１０％程度であって、配管の
設計範囲で十分吸収することが可能である。
高使用温度を、先記比較例と比べて少なくとも７５℃下
げられることを意味し、これにより改質管の材料に要求
される金属材料の耐熱条件が緩和され、具体的な数値的
で表すと改質管の最高使用温度を８９５℃として設計す
ることができ、これにより改質管の金属材料の肉厚を従
来の２／３まで薄くして製作することできる。また、原
燃料の増量に伴って系内の配管に対する重量流量は増加
するが、改質器での反応平衡温度が低くなるために、そ
の体積流量の増加率は高々１０％程度であって、配管の
設計範囲で十分吸収することが可能である。
【００２０】なお、図５は改質管に適用する金属材料と
して、代表的な材料であるインコロイ８００Ｈ，ＨＫ−
４０鋼，ＨＰ−Ｎｂ鋼についての許容応力を、通産省の
火力発電設備の技術基準，および金属材料メーカーのカ
タログから引用して表したものであり、最高使用温度を
９７０℃から８９５℃に低めることにより、許容応力は
比率にして６０〜７０％程度高くなることが判る。
して、代表的な材料であるインコロイ８００Ｈ，ＨＫ−
４０鋼，ＨＰ−Ｎｂ鋼についての許容応力を、通産省の
火力発電設備の技術基準，および金属材料メーカーのカ
タログから引用して表したものであり、最高使用温度を
９７０℃から８９５℃に低めることにより、許容応力は
比率にして６０〜７０％程度高くなることが判る。
【００２１】一方、前記のように改質器２に供給する原
燃料を増量すると、水素転換率の低下から当然のことな
がら改質器２から出る改質ガス中には未改質成分として
メタンを多量に含むようになる。そこで、図示実施例の
ように燃料電池１のオフガスの一部を補助バーナ８に、
残りを改質器２のバーナ２ａに導いて燃焼させることに
より、改質器２での過熱を防止して水蒸気改質に必要な
熱量を与えつつ、一方では改質器２の燃焼排ガスに補助
バーナ８の燃焼ガスを合流させてガスタービン５に導入
する作動ガスの温度を高めることができる。これによ
り、ガスタービン５の入口ガス温度は８００℃（先記の
比較例では２９０℃）に上昇し、この入口ガス温度の上
昇に伴ってガスタービンの出力が増加し、発電機６から
の発電出力は２４９０KWに増加する。つまり、新たに追
加した３７８Ｎｍ3 ／ｈの原燃料の増量分で追加電力１
３００KWが得られたことになり、その追加増量分に対す
る熱効率は２７％（ＨＨＶ基準）に達する。
燃料を増量すると、水素転換率の低下から当然のことな
がら改質器２から出る改質ガス中には未改質成分として
メタンを多量に含むようになる。そこで、図示実施例の
ように燃料電池１のオフガスの一部を補助バーナ８に、
残りを改質器２のバーナ２ａに導いて燃焼させることに
より、改質器２での過熱を防止して水蒸気改質に必要な
熱量を与えつつ、一方では改質器２の燃焼排ガスに補助
バーナ８の燃焼ガスを合流させてガスタービン５に導入
する作動ガスの温度を高めることができる。これによ
り、ガスタービン５の入口ガス温度は８００℃（先記の
比較例では２９０℃）に上昇し、この入口ガス温度の上
昇に伴ってガスタービンの出力が増加し、発電機６から
の発電出力は２４９０KWに増加する。つまり、新たに追
加した３７８Ｎｍ3 ／ｈの原燃料の増量分で追加電力１
３００KWが得られたことになり、その追加増量分に対す
る熱効率は２７％（ＨＨＶ基準）に達する。
【００２２】なお、通常の開放形ガスタービンの単独設
備で、その入口ガス温度を８００℃とした場合のタービ
ン熱効率は２１％（ＨＨＶ換算）前後であり、燃料電池
／ガスタービン複合発電システムに対して本発明の運転
方法を採用することによりガスタービン単独設備と比べ
て遥かに高い送電端熱効率の得られることが判る。その
理由は、補助バーナへの追加燃料の燃焼に必要な空気を
全て燃料電池１からの排空気で賄い、新たに空気圧縮の
ための動力消費が不要となることによる。
備で、その入口ガス温度を８００℃とした場合のタービ
ン熱効率は２１％（ＨＨＶ換算）前後であり、燃料電池
／ガスタービン複合発電システムに対して本発明の運転
方法を採用することによりガスタービン単独設備と比べ
て遥かに高い送電端熱効率の得られることが判る。その
理由は、補助バーナへの追加燃料の燃焼に必要な空気を
全て燃料電池１からの排空気で賄い、新たに空気圧縮の
ための動力消費が不要となることによる。
【００２３】したがって、設備的には在来の燃料電池発
電プラントに僅かに補助バーナ８を追加装備し、かつガ
スタービン５を入口ガス温度８００℃に適合した仕様の
ものに変更するだけで、発電機６から燃料電池１の発生
電力の凡そ３０％に相当する大きな追加電力が得られる
ことになる。 実施例２：図２は、前記実施例１におけるガスタービン
に対してチェンサイクルを適用した本発明の応用実施例
を示すものであり、図１で述べた構成のほかに、ガスタ
ービン５の出口側に排ガスボイラ１０を新たに追加装備
するとともに、排ガスボイラ１０とガスタービン５の入
口側との間には蒸気管路１１が配管されている。
電プラントに僅かに補助バーナ８を追加装備し、かつガ
スタービン５を入口ガス温度８００℃に適合した仕様の
ものに変更するだけで、発電機６から燃料電池１の発生
電力の凡そ３０％に相当する大きな追加電力が得られる
ことになる。 実施例２：図２は、前記実施例１におけるガスタービン
に対してチェンサイクルを適用した本発明の応用実施例
を示すものであり、図１で述べた構成のほかに、ガスタ
ービン５の出口側に排ガスボイラ１０を新たに追加装備
するとともに、排ガスボイラ１０とガスタービン５の入
口側との間には蒸気管路１１が配管されている。
【００２４】かかる構成で、ガスタービン５の入口温度
を実施例１で述べたように８００℃とすれば、タービン
出口温度は５００℃程度の高温を維持しているので、こ
の排ガスを排ガスボイラ１４へ導びくことにより、ボイ
ラ14から圧力約１０Kg／cm2の蒸気が4.５t/h の割合で
発生する。そして、この発生蒸気を蒸気管路１１を通じ
てガスタービン５の入口に導入することにより、ガスタ
ービン５の発生動力がさらに増加し、発電機６の発生電
力も約６３０KW増大する。これにより、改質器２に供給
したした原燃料の追加増量分（３８７Ｎｍ3 ／ｈ）によ
る発電機６での追加発生電力は１９３０KW（実施例１で
は１３００KW）となり、これにより追加燃料に対する熱
効率は凡そ４０％に向上する。
を実施例１で述べたように８００℃とすれば、タービン
出口温度は５００℃程度の高温を維持しているので、こ
の排ガスを排ガスボイラ１４へ導びくことにより、ボイ
ラ14から圧力約１０Kg／cm2の蒸気が4.５t/h の割合で
発生する。そして、この発生蒸気を蒸気管路１１を通じ
てガスタービン５の入口に導入することにより、ガスタ
ービン５の発生動力がさらに増加し、発電機６の発生電
力も約６３０KW増大する。これにより、改質器２に供給
したした原燃料の追加増量分（３８７Ｎｍ3 ／ｈ）によ
る発電機６での追加発生電力は１９３０KW（実施例１で
は１３００KW）となり、これにより追加燃料に対する熱
効率は凡そ４０％に向上する。
【００２５】なお、図中で点線で示すように、排ガスボ
イラ１０の蒸気管路１１を燃料電池１の冷却板１ｃに供
給するよう配管しておき、燃料電池の起動時に補助バー
ナ８に起動用燃料（都市ガス）を加えて燃焼させれば、
排ガスボイラ１０での発生蒸気を利用して燃料電池本体
を運転温度近くまで昇温させることができる。つまり、
排ガスボイラ１０を燃料電池起動用のボイラと兼用する
ことが可能である。
イラ１０の蒸気管路１１を燃料電池１の冷却板１ｃに供
給するよう配管しておき、燃料電池の起動時に補助バー
ナ８に起動用燃料（都市ガス）を加えて燃焼させれば、
排ガスボイラ１０での発生蒸気を利用して燃料電池本体
を運転温度近くまで昇温させることができる。つまり、
排ガスボイラ１０を燃料電池起動用のボイラと兼用する
ことが可能である。
【００２６】実施例３：図３は複合発電システムにガス
タービンと蒸気タービンとのコンバインドサイクルを適
用した本発明の実施例を示すものである。すなわち、前
記実施例２では排ガスボイラ１０で発生した蒸気をガス
タービン５の入口側に導入してガスタービンの出力を増
加させるようにしたのに対して、この実施例ではガスタ
ービン５と同軸上に復水式蒸気タービン（真空度５ｋP
a) １２を追加設置し、排ガスボイラ１０で発生した蒸
気を蒸気供給路１１を通じて蒸気タービン１２に供給し
て動力回収を行っている。なお、１３は蒸気タービンの
復水器、１４は水回収用熱交換器である。
タービンと蒸気タービンとのコンバインドサイクルを適
用した本発明の実施例を示すものである。すなわち、前
記実施例２では排ガスボイラ１０で発生した蒸気をガス
タービン５の入口側に導入してガスタービンの出力を増
加させるようにしたのに対して、この実施例ではガスタ
ービン５と同軸上に復水式蒸気タービン（真空度５ｋP
a) １２を追加設置し、排ガスボイラ１０で発生した蒸
気を蒸気供給路１１を通じて蒸気タービン１２に供給し
て動力回収を行っている。なお、１３は蒸気タービンの
復水器、１４は水回収用熱交換器である。
【００２７】かかる構成で先記の実施例と同様に改質器
２に供給する原燃料を追加増量して運転を行うと、ガス
タービン５の軸出力に蒸気タービン１２の軸出力が加算
されるので発電機６の発生電力増加分は８８０KW（実施
例２の増加分は６３０KW）となる。したがって、追加燃
料（３８７Ｎｍ3 ／ｈ）による追加電力は２１８０KWと
なり、追加燃料に対する熱効率は４５％まで向上する。
また、この場合にはシステム全体での総合熱効率も試算
上４2.３％となり、加圧式リン酸形燃料電池単独の発電
プラントの熱効率（４1.１％）を上回る高い熱効率が得
られる。
２に供給する原燃料を追加増量して運転を行うと、ガス
タービン５の軸出力に蒸気タービン１２の軸出力が加算
されるので発電機６の発生電力増加分は８８０KW（実施
例２の増加分は６３０KW）となる。したがって、追加燃
料（３８７Ｎｍ3 ／ｈ）による追加電力は２１８０KWと
なり、追加燃料に対する熱効率は４５％まで向上する。
また、この場合にはシステム全体での総合熱効率も試算
上４2.３％となり、加圧式リン酸形燃料電池単独の発電
プラントの熱効率（４1.１％）を上回る高い熱効率が得
られる。
【００２８】なお、近年ではガスタービンの入口温度が
１２００℃クラスものも実用化されるようになってお
り、このようなガスタービンを前記実施例の複合発電シ
ステムに適用する場合には、燃料電池１を酸素利用率５
０％よりも低い範囲で運転し、これに対応して原燃料の
追加増量分をさらに増やすことで、ガスタービンの入口
ガス温度の高温化に対応できる。
１２００℃クラスものも実用化されるようになってお
り、このようなガスタービンを前記実施例の複合発電シ
ステムに適用する場合には、燃料電池１を酸素利用率５
０％よりも低い範囲で運転し、これに対応して原燃料の
追加増量分をさらに増やすことで、ガスタービンの入口
ガス温度の高温化に対応できる。
【００２９】次に、前述の各実施例１，２，３で述べた
各データを表にまとめると次表のようになる。
各データを表にまとめると次表のようになる。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の運転方法に
よれば次記の効果を奏する。 （１）加圧式燃料電池とガスタービンを組合わせた燃料
電池／ガスタービン複合発電システムに対し、改質器に
て燃料電池の運転に必要な水素生成量を確保しながら改
質器に供給する原燃料を追加増量し、ここで改質器の運
転条件である水素への転換率，および改質反応の平衡温
度を低く抑えたことにより、改質器に対して設計面から
要求される最高使用温度を低くめることができる。これ
により、改質器の設計，金属材料の選定，および製作面
で大きなメリットが得られる。
よれば次記の効果を奏する。 （１）加圧式燃料電池とガスタービンを組合わせた燃料
電池／ガスタービン複合発電システムに対し、改質器に
て燃料電池の運転に必要な水素生成量を確保しながら改
質器に供給する原燃料を追加増量し、ここで改質器の運
転条件である水素への転換率，および改質反応の平衡温
度を低く抑えたことにより、改質器に対して設計面から
要求される最高使用温度を低くめることができる。これ
により、改質器の設計，金属材料の選定，および製作面
で大きなメリットが得られる。
【００３２】（２）また、原燃料の追加増量分の熱量
を、ガスタービンに供給される作動ガス温度を高めるよ
うに利用するようにしたので、これにより高い熱効率で
ガスタービンから大きな追加動力が得られ、この追加動
力を発電機より電力として回収することで、複合発電シ
ステム全体での総合熱効率の大幅な向上化が図れる。
を、ガスタービンに供給される作動ガス温度を高めるよ
うに利用するようにしたので、これにより高い熱効率で
ガスタービンから大きな追加動力が得られ、この追加動
力を発電機より電力として回収することで、複合発電シ
ステム全体での総合熱効率の大幅な向上化が図れる。
【図１】本発明の実施例１に対応する複合発電システム
の構成図
の構成図
【図２】本発明の実施例２に対応する複合発電システム
の構成図
の構成図
【図３】本発明の実施例３に対応する複合発電システム
の構成図
の構成図
【図４】水蒸気比をパラメータとする改質器の反応平衡
温度と水素への変換率との関係を表した特性図
温度と水素への変換率との関係を表した特性図
【図５】各種金属材料に対する使用温度と許容応力との
関係を表す図
関係を表す図
１ 燃料電池 １ａ 空気極 １ｂ 燃料極 １ｃ 冷却板 ２ 改質器 ２ａ バーナ ３ コンプレッサ ４ 電動機 ５ ガスタービン ６ 発電機 ８ 補助バーナ １０ 排ガスボイラ １２ 蒸気タービン
Claims (2)
- 【請求項１】原燃料を改質器により水蒸気改質して得た
水素リッチな改質ガスと、電動機で駆動するコンプレッ
サにより大気を圧縮して得た空気を反応ガスとして発電
する燃料電池と、燃料電池のオフガス，オフ空気を燃焼
して得た改質器からの燃焼排ガスを作動流体として動力
回収するガスタービンと、ガスタービンの軸出力で駆動
する発電機とを組合わせ、該発電機の出力で前記コンプ
レッサの電動機を駆動するようにした燃料電池／ガスタ
ービン複合発電システムに対し、水素生成量を変えずに
改質器に供給する原燃料を追加増量して改質器における
水素への転換率，反応平衡温度を低く抑えるとともに、
原燃料の追加増量分に対応する未改質燃料の熱量をガス
タービンで動力に変換し、発電機より電力として回収す
るようにしたことを特徴とする燃料電池／ガスタービン
複合発電システムの運転方法。 - 【請求項２】請求項１記載の運転方法において、燃料電
池より出たオフガス，オフ空気の一部を補助バーナに供
給して燃焼し、その燃焼ガスを改質器の燃焼排ガスと合
わせてガスタービンに供給することを特徴とする燃料電
池／ガスタービン複合発電システムの運転方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5105767A JPH06318464A (ja) | 1993-05-07 | 1993-05-07 | 燃料電池／ガスタービン複合発電システムの運転方法 |
| US08/186,512 US5482791A (en) | 1993-01-28 | 1994-01-26 | Fuel cell/gas turbine combined power generation system and method for operating the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5105767A JPH06318464A (ja) | 1993-05-07 | 1993-05-07 | 燃料電池／ガスタービン複合発電システムの運転方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06318464A true JPH06318464A (ja) | 1994-11-15 |
Family
ID=14416337
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5105767A Pending JPH06318464A (ja) | 1993-01-28 | 1993-05-07 | 燃料電池／ガスタービン複合発電システムの運転方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06318464A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002095852A2 (en) * | 2001-05-24 | 2002-11-28 | Clean Energy Systems, Inc. | Combined fuel cell and fuel combustion power generation systems |
| JP2014089846A (ja) * | 2012-10-29 | 2014-05-15 | Central Research Institute Of Electric Power Industry | 熱電併給型調整用電源及び熱電併給システム |
| JP2014139918A (ja) * | 2006-05-16 | 2014-07-31 | Fuelcell Energy Inc | ガス配送システムのための燃料電池ハイブリッド発電システム及び方法 |
-
1993
- 1993-05-07 JP JP5105767A patent/JPH06318464A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2002095852A2 (en) * | 2001-05-24 | 2002-11-28 | Clean Energy Systems, Inc. | Combined fuel cell and fuel combustion power generation systems |
| WO2002095852A3 (en) * | 2001-05-24 | 2003-01-16 | Clean Energy Systems Inc | Combined fuel cell and fuel combustion power generation systems |
| JP2014139918A (ja) * | 2006-05-16 | 2014-07-31 | Fuelcell Energy Inc | ガス配送システムのための燃料電池ハイブリッド発電システム及び方法 |
| JP2014089846A (ja) * | 2012-10-29 | 2014-05-15 | Central Research Institute Of Electric Power Industry | 熱電併給型調整用電源及び熱電併給システム |
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