JPH0789494B2 - 複合発電プラント - Google Patents
複合発電プラントInfo
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- JPH0789494B2 JPH0789494B2 JP61117520A JP11752086A JPH0789494B2 JP H0789494 B2 JPH0789494 B2 JP H0789494B2 JP 61117520 A JP61117520 A JP 61117520A JP 11752086 A JP11752086 A JP 11752086A JP H0789494 B2 JPH0789494 B2 JP H0789494B2
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- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は複合発電プラントに係り、特に溶融炭酸塩型燃
料電池，ガスタービン発電装置及び蒸気タービン発電装
置から構成された複合発電プラントに関している。
料電池，ガスタービン発電装置及び蒸気タービン発電装
置から構成された複合発電プラントに関している。
従来の溶融炭酸塩型燃料電池は、特公昭58−56231号に
記載のように、燃料電池のアノード出口ガス中に未反応
の燃料成分を改質器で燃焼させ燃料改質に必要な熱の一
部を供給するのに利用しつつ，燃料電池カソードへ空気
を供給するための圧縮機を駆動するターボの熱エネルギ
ーとして利用されるように構成されていた。しかし、燃
料電池のアノード出口ガス中の燃料成分を前記ターボと
は別に設けられたガスタービンの燃料として再燃焼させ
る点については配慮されていなかつた。
記載のように、燃料電池のアノード出口ガス中に未反応
の燃料成分を改質器で燃焼させ燃料改質に必要な熱の一
部を供給するのに利用しつつ，燃料電池カソードへ空気
を供給するための圧縮機を駆動するターボの熱エネルギ
ーとして利用されるように構成されていた。しかし、燃
料電池のアノード出口ガス中の燃料成分を前記ターボと
は別に設けられたガスタービンの燃料として再燃焼させ
る点については配慮されていなかつた。
上記従来技術は、燃料電池で燃料の持つ化学エネルギー
を出来る限り電気エネルギーに変換させて、しかる後に
未反応分としての燃料電池のアノード出口排ガス中の燃
料成分を改質反応やCO2生成リサイクルに利用して、最
終的には燃料電池冷却熱と共にターボを駆動して燃料電
池のカソードへ空気を供給するための空気圧縮機の動力
回収を計り、場合によつては発電も行うものである。こ
の場合のターボによる発電はあくまで補助的なものであ
り、燃料電池本体の発電に対して高々数パーセントら十
数パーセント程度の出力割合にすぎない。
を出来る限り電気エネルギーに変換させて、しかる後に
未反応分としての燃料電池のアノード出口排ガス中の燃
料成分を改質反応やCO2生成リサイクルに利用して、最
終的には燃料電池冷却熱と共にターボを駆動して燃料電
池のカソードへ空気を供給するための空気圧縮機の動力
回収を計り、場合によつては発電も行うものである。こ
の場合のターボによる発電はあくまで補助的なものであ
り、燃料電池本体の発電に対して高々数パーセントら十
数パーセント程度の出力割合にすぎない。
従つて燃料電池発電プラントの規模が小さい場合にはタ
ーボ発電機の容量は相対的に極めて小さなものとなり、
回転体としてのスケールメリツトが生かされず機械的損
失が大きく、設置の効果はなく、経済的なものとはなら
ない。その結果、ターボチヤージだけの相対的に低い発
電プラントとするのが一般的である。
ーボ発電機の容量は相対的に極めて小さなものとなり、
回転体としてのスケールメリツトが生かされず機械的損
失が大きく、設置の効果はなく、経済的なものとはなら
ない。その結果、ターボチヤージだけの相対的に低い発
電プラントとするのが一般的である。
ターボの出力を燃料電池出力に対して相対的に大きくす
る手段としては、ターボの入口ガス温度及び圧力を高く
するか、補助燃焼器を設けて燃料を追加燃焼させる等の
方法が考えられるが、ターボの入口ガス温度及び圧力は
燃料電池本体の運転温度及び圧力に規定されており、燃
料電池本体に対して新たな開発課題を負わせる事にな
る。又補助燃焼器の追加は、アノード出口の低カロリー
ガスをカソード出口の低酸素ガスで高温燃焼させる新た
な技術開発を要求する事になる。従つて従来技術では発
電プラント出力構成比率は燃料電池が大部分を占め、燃
料電池を小規模な出力に限定した場合には、ターボチヤ
ージによる動力回収を行うものの発電は燃料電池のみ
で、プラント出力，効率とも燃料電池に全面的に依存す
る事になる。実績ある従来技術のプラントのトツピング
サイクル的な構成によつて、プラントの中での燃料電池
の出力比率を小さくして開発途上製品によるリスクを低
減すると共に、プラント効率は従来のプラントを上回る
といつたニーズに対する配慮はなされていない。燃料電
池本体の信頼性に対するリスクは、プラント全体の投資
に対するリスクとなる問題が大きかつた。
る手段としては、ターボの入口ガス温度及び圧力を高く
するか、補助燃焼器を設けて燃料を追加燃焼させる等の
方法が考えられるが、ターボの入口ガス温度及び圧力は
燃料電池本体の運転温度及び圧力に規定されており、燃
料電池本体に対して新たな開発課題を負わせる事にな
る。又補助燃焼器の追加は、アノード出口の低カロリー
ガスをカソード出口の低酸素ガスで高温燃焼させる新た
な技術開発を要求する事になる。従つて従来技術では発
電プラント出力構成比率は燃料電池が大部分を占め、燃
料電池を小規模な出力に限定した場合には、ターボチヤ
ージによる動力回収を行うものの発電は燃料電池のみ
で、プラント出力，効率とも燃料電池に全面的に依存す
る事になる。実績ある従来技術のプラントのトツピング
サイクル的な構成によつて、プラントの中での燃料電池
の出力比率を小さくして開発途上製品によるリスクを低
減すると共に、プラント効率は従来のプラントを上回る
といつたニーズに対する配慮はなされていない。燃料電
池本体の信頼性に対するリスクは、プラント全体の投資
に対するリスクとなる問題が大きかつた。
そこで、本発明の目的は、発電プラントの構成の中で、
燃料電池発電出力の内訳比率を実績ある従来技術の発電
出力より相対的に小さくすると共に、プラント効率を当
該従来技術のプラントに比べて高くできる複合発電プラ
ントを提供することにある。
燃料電池発電出力の内訳比率を実績ある従来技術の発電
出力より相対的に小さくすると共に、プラント効率を当
該従来技術のプラントに比べて高くできる複合発電プラ
ントを提供することにある。
上記発明の目的を達成するための本発明の要旨とすると
ころは、ガスタービン発電装置、及び燃料電池とから成
る複合発電プラントに於いて、燃料ガスを改質系を介し
て上記燃料電池のアノードの入口に導き、上記アノード
の出口から排出される排ガスを燃焼器で燃焼させ上記燃
料電池の動作温度よりも高温の燃焼ガスとなし、上記燃
焼ガスで上記タービンを駆動するように構成した複合発
電プラントであり、更に本発明はガスタービン発電装
置，蒸気タービン発合装置及び燃料電池とから成る複合
発電プラントに於いて、燃料ガスを改質系を介して上記
燃料電池のアノードの入口に導き、上記アノードの出口
から排出される排ガスを燃焼器で燃焼させ上記燃料電池
の動作温度よりも高温の燃焼ガスとなし、上記燃焼ガス
で上記ガスタービンを駆動するとともに、上記燃焼ガス
を排熱回収ボイラーに導き、該ボイラーにて高温，高圧
の水蒸気を生成し、上記水蒸気を上記蒸気タービンに導
き蒸気タービンを駆動するように構成した複合発電プラ
ントである。
ころは、ガスタービン発電装置、及び燃料電池とから成
る複合発電プラントに於いて、燃料ガスを改質系を介し
て上記燃料電池のアノードの入口に導き、上記アノード
の出口から排出される排ガスを燃焼器で燃焼させ上記燃
料電池の動作温度よりも高温の燃焼ガスとなし、上記燃
焼ガスで上記タービンを駆動するように構成した複合発
電プラントであり、更に本発明はガスタービン発電装
置，蒸気タービン発合装置及び燃料電池とから成る複合
発電プラントに於いて、燃料ガスを改質系を介して上記
燃料電池のアノードの入口に導き、上記アノードの出口
から排出される排ガスを燃焼器で燃焼させ上記燃料電池
の動作温度よりも高温の燃焼ガスとなし、上記燃焼ガス
で上記ガスタービンを駆動するとともに、上記燃焼ガス
を排熱回収ボイラーに導き、該ボイラーにて高温，高圧
の水蒸気を生成し、上記水蒸気を上記蒸気タービンに導
き蒸気タービンを駆動するように構成した複合発電プラ
ントである。
本発明はメタンなどの高カロリー燃料で運転されるガス
タービン又はガスタービンと蒸気タービンのコンバイン
ドプラントの燃料の発熱量の一部を燃料電池で電気出力
に変換した後に、中・低カロリー燃焼としてガスタービ
ン用燃料に使うものである。
タービン又はガスタービンと蒸気タービンのコンバイン
ドプラントの燃料の発熱量の一部を燃料電池で電気出力
に変換した後に、中・低カロリー燃焼としてガスタービ
ン用燃料に使うものである。
ガスタービンの燃焼温度は発電効率を高める為技術の開
発とともに高温化しつつあり、現在1100℃級の大型ガス
タービン発電プラントが実用化しており今後さらに上昇
する傾向にある。この場合ガスタービンの排ガスは500
〜600℃の高温でこれは排熱回収ボイラを設けてガス顕
熱を回収し蒸気タービンを駆動するコンバインドプラン
トも実用化されている、燃料の発熱量はメタン等では10
000〜13000Kcal/kg程度の高カロリーであるが、同じ高
カロリー用の燃焼器では2500〜3000Kcal/kg程度の高カ
ロリーガスでも安定燃焼が可能な事が知られている。
発とともに高温化しつつあり、現在1100℃級の大型ガス
タービン発電プラントが実用化しており今後さらに上昇
する傾向にある。この場合ガスタービンの排ガスは500
〜600℃の高温でこれは排熱回収ボイラを設けてガス顕
熱を回収し蒸気タービンを駆動するコンバインドプラン
トも実用化されている、燃料の発熱量はメタン等では10
000〜13000Kcal/kg程度の高カロリーであるが、同じ高
カロリー用の燃焼器では2500〜3000Kcal/kg程度の高カ
ロリーガスでも安定燃焼が可能な事が知られている。
燃料電池の燃料として使われる燃料は、溶融炭酸塩型燃
料電池の場合、水素と一酸化炭素を主成分とするガスが
一般的である。これ等はメタン等を改質器にて水蒸気と
反応させ熱を加えて改質して得られる。この場合、1000
〜13000Kcal/kgのメタンの発熱量は吸熱反応による増加
と水蒸気を加えた為の低下を含めて3500〜4000Kcal/kg
位になる。
料電池の場合、水素と一酸化炭素を主成分とするガスが
一般的である。これ等はメタン等を改質器にて水蒸気と
反応させ熱を加えて改質して得られる。この場合、1000
〜13000Kcal/kgのメタンの発熱量は吸熱反応による増加
と水蒸気を加えた為の低下を含めて3500〜4000Kcal/kg
位になる。
従つて、この3500〜4000Kcal/kgの改質後の燃料発熱量
の一部と、電池内部で起きる水蒸気のシフト反応による
水素の発生の両方が電気化学反応として利用可能であ
り、2500〜3000Kcal/kgまで少なくとも約1000Kcal/kgの
差分は燃料電池で利用可能である。これは水蒸気の混合
による相対的低下分を補正すると、当初のメタン燃料の
持つ総発熱量の２〜３割程度の熱量に相当する。
の一部と、電池内部で起きる水蒸気のシフト反応による
水素の発生の両方が電気化学反応として利用可能であ
り、2500〜3000Kcal/kgまで少なくとも約1000Kcal/kgの
差分は燃料電池で利用可能である。これは水蒸気の混合
による相対的低下分を補正すると、当初のメタン燃料の
持つ総発熱量の２〜３割程度の熱量に相当する。
燃料電池においては、電池密度をある値に規定した場合
の電池電圧は燃料利用率の増加に伴い低下する傾向にあ
り、発電出力は増加するが、アノード出入口の熱量差に
対する発電効率は低下傾向にある。この事は燃料電池が
部分負荷で高い熱効率を出す特性とも関連して知られて
いる。
の電池電圧は燃料利用率の増加に伴い低下する傾向にあ
り、発電出力は増加するが、アノード出入口の熱量差に
対する発電効率は低下傾向にある。この事は燃料電池が
部分負荷で高い熱効率を出す特性とも関連して知られて
いる。
従つて、燃料電池を低い燃料利用率で運転する事、電池
での熱損失を減らす効果があり、電池冷却も兼ねている
カソード空気の供給設備は小さなものとなる。燃料電
池，カソードへの空気供給のためには、専用の小さなタ
ーボチヤージを設ける事で充分となる。
での熱損失を減らす効果があり、電池冷却も兼ねている
カソード空気の供給設備は小さなものとなる。燃料電
池，カソードへの空気供給のためには、専用の小さなタ
ーボチヤージを設ける事で充分となる。
本発明を実施例によつて更に説明する。
実施例１ 第１図は本発明の第１の実施例を説明するための図であ
る。
る。
発電システムは、燃料電池発電システムとガスタービン
コンバインド発電システムの複合発電サイクルとして構
成されている。
コンバインド発電システムの複合発電サイクルとして構
成されている。
燃料電池発電システムは、改質器12,燃料電池13および
ターボチヤージ20を中心に構成され燃料電池13で発生し
た直流電力をインバータ17で交流電力に変換して出力を
得る。
ターボチヤージ20を中心に構成され燃料電池13で発生し
た直流電力をインバータ17で交流電力に変換して出力を
得る。
ガスタービンコンバインド発電システムは、ガスタービ
ン29,蒸気タービン34および排熱回収ボイラ36を中心に
構成され発電機33により電気出力を得る。
ン29,蒸気タービン34および排熱回収ボイラ36を中心に
構成され発電機33により電気出力を得る。
燃料電池発電システムの構成と動作を説明する。燃料１
は例えばメタン（CH4）などで蒸気タービン34からは抽
気蒸気28と混合または別々に改質器12に導入されて水蒸
気改質反応により下記の如く水素と一酸化炭素を主成分
とする電池燃料ガス２となる。
は例えばメタン（CH4）などで蒸気タービン34からは抽
気蒸気28と混合または別々に改質器12に導入されて水蒸
気改質反応により下記の如く水素と一酸化炭素を主成分
とする電池燃料ガス２となる。
水蒸気改質反応:CH4＋H2O→3H2＋CO 改質器12での燃料の転換効率は改質反応温度の平衡によ
つて上限値が通常の燃料電池プラントでは80〜90％以上
の転換効率を得るため800〜850℃位の高温とするが一般
的とされている。
つて上限値が通常の燃料電池プラントでは80〜90％以上
の転換効率を得るため800〜850℃位の高温とするが一般
的とされている。
その為には、改質器で燃焼反応を行わせて反応に必要な
熱と温度とを供給するのが一般的であるが、本発明で
は、燃料電池13で利用する燃料中の化学エネルギーはメ
タンなどの燃料の持つ発熱量の20〜30％程度以下なの
で、改質反応の転換効率を20〜50程度で充分な事から反
応温度も500〜700℃程度で可能である。従つて、改質器
12は電池カソード出口ガス９の例えば700℃位のガスの
顕熱を利用する事ができる為、改質器12にバーナや補助
燃料を供給する必要はなくなりシステムは単純化され
る。
熱と温度とを供給するのが一般的であるが、本発明で
は、燃料電池13で利用する燃料中の化学エネルギーはメ
タンなどの燃料の持つ発熱量の20〜30％程度以下なの
で、改質反応の転換効率を20〜50程度で充分な事から反
応温度も500〜700℃程度で可能である。従つて、改質器
12は電池カソード出口ガス９の例えば700℃位のガスの
顕熱を利用する事ができる為、改質器12にバーナや補助
燃料を供給する必要はなくなりシステムは単純化され
る。
燃料電池のアノード14へ送られた燃料ガスはカソード15
の空気および二酸化炭素との間に電解質16を介して電気
化学反応により直流電流を得る。この際、炭酸イオン
（▲CO2- 3▼）が電解質16を通してカソード15からアノ
ード14へ移動しアノード14に水蒸気を生成させる。
の空気および二酸化炭素との間に電解質16を介して電気
化学反応により直流電流を得る。この際、炭酸イオン
（▲CO2- 3▼）が電解質16を通してカソード15からアノ
ード14へ移動しアノード14に水蒸気を生成させる。
アノード;H2＋▲CO2- 3▼→H2O＋CO2＋2e アノード出口ガス３は、ガスタービン燃焼に必要な発熱
量、例えば2500〜3000Kcal/kg以上の発熱量を残してガ
スタービン燃焼器32へ燃料ガス４として供給される。
量、例えば2500〜3000Kcal/kg以上の発熱量を残してガ
スタービン燃焼器32へ燃料ガス４として供給される。
燃料電池のカソードへ供給する空気は、空気圧縮機21に
て大気中の空気６を加圧して、圧縮空気７をアノード出
口ガス３の一部のリサイクルガス５とともにバーナ19で
燃焼させて二酸化炭素を含んだカソード入口ガス８とし
て供給される。カソード15へ供給された二酸化炭素の一
部は、炭酸イオン（▲CO2- 3▼）の形でアノード14へ循
環する。
て大気中の空気６を加圧して、圧縮空気７をアノード出
口ガス３の一部のリサイクルガス５とともにバーナ19で
燃焼させて二酸化炭素を含んだカソード入口ガス８とし
て供給される。カソード15へ供給された二酸化炭素の一
部は、炭酸イオン（▲CO2- 3▼）の形でアノード14へ循
環する。
電解質16は、溶融状態の炭酸塩で一般に650〜700℃位の
温度である。アノード出口ガス3,カソード出口ガス９の
温度も700℃位で、電池の冷却熱を放出している。カソ
ード出口ガス９の顕熱は改質器12にて改質反応および電
池燃料ガス２の加熱に利用された後、ターボ入口ガス10
として供給されターボ22にて動力回収されて圧力・温度
の低い排ガス11として放出される。
温度である。アノード出口ガス3,カソード出口ガス９の
温度も700℃位で、電池の冷却熱を放出している。カソ
ード出口ガス９の顕熱は改質器12にて改質反応および電
池燃料ガス２の加熱に利用された後、ターボ入口ガス10
として供給されターボ22にて動力回収されて圧力・温度
の低い排ガス11として放出される。
ガスタービンコンバインド発電システムは、既に実用化
されている従来のコンバインド発電システムと全く同じ
構成である。
されている従来のコンバインド発電システムと全く同じ
構成である。
ガスタービン29では、大気中の空気23を圧縮機30で加圧
した後、燃焼器32で燃焼ガス４を燃焼した後タービン31
で熱エネルギーを機械エネルギーに変換し発電機33で発
電を行う。タービン31入口の燃焼温度は、現在実用化さ
れている1000〜1100℃位まで高くする事により排ガス24
の温度は500〜550℃位と高くなり排熱回収ボイラ36で蒸
気26を生成する事が可能である。蒸気26の圧力は蒸気サ
イクルの最適化により設計的に選ぶことができるが、40
〜70kg/m2とするのが一般的である。蒸気タービン34
は、ガスタービン29と共有の発電機33を駆動して発電を
行う。
した後、燃焼器32で燃焼ガス４を燃焼した後タービン31
で熱エネルギーを機械エネルギーに変換し発電機33で発
電を行う。タービン31入口の燃焼温度は、現在実用化さ
れている1000〜1100℃位まで高くする事により排ガス24
の温度は500〜550℃位と高くなり排熱回収ボイラ36で蒸
気26を生成する事が可能である。蒸気26の圧力は蒸気サ
イクルの最適化により設計的に選ぶことができるが、40
〜70kg/m2とするのが一般的である。蒸気タービン34
は、ガスタービン29と共有の発電機33を駆動して発電を
行う。
蒸気タービン34からの排気は、復水器35で海水等の冷却
水36により冷却され復水された後、ボイラ給水27として
排熱回収ボイラへ送られ循環系を構成する。改質用蒸気
28は、蒸気タービン34より必要な圧力で抽気される。
尚、ガスタービン排ガスは、排熱回収ボイラ36で顕熱回
収した後、充分に低い温度の排ガス25として大気放出さ
れる。
水36により冷却され復水された後、ボイラ給水27として
排熱回収ボイラへ送られ循環系を構成する。改質用蒸気
28は、蒸気タービン34より必要な圧力で抽気される。
尚、ガスタービン排ガスは、排熱回収ボイラ36で顕熱回
収した後、充分に低い温度の排ガス25として大気放出さ
れる。
ガスタービン燃焼器32では、高温の燃焼であり高・中カ
ロリーガス燃焼の場合にはNOxの発生が有り、環境対策
上NOx低減措置が一般に計られている。これには、燃焼
器に水又は蒸気を注入する方式が知られている。本発明
のシステム構成では燃料ガス４中に改質用に使用した水
蒸気の大部分と燃料電池13で生成した水蒸気の大部分が
含まれているので、NOx対策のために必要な水蒸気は通
常のガスタービンコンバインドサイクル以上に充分に確
保されている。
ロリーガス燃焼の場合にはNOxの発生が有り、環境対策
上NOx低減措置が一般に計られている。これには、燃焼
器に水又は蒸気を注入する方式が知られている。本発明
のシステム構成では燃料ガス４中に改質用に使用した水
蒸気の大部分と燃料電池13で生成した水蒸気の大部分が
含まれているので、NOx対策のために必要な水蒸気は通
常のガスタービンコンバインドサイクル以上に充分に確
保されている。
又、アノードの出口ガス３は、温度が燃料電池13の反応
温度とほぼ同レベルであり、700℃近い温度である為、
ガスタービン燃料ガス４として発熱量が低いにもかかわ
らず、高いガス顕熱分は燃料所要熱量は節約される。
温度とほぼ同レベルであり、700℃近い温度である為、
ガスタービン燃料ガス４として発熱量が低いにもかかわ
らず、高いガス顕熱分は燃料所要熱量は節約される。
従つて、性能及び環境対策の観点からも、現在実用化さ
れているガスタービンコンバインドプラント並の特性を
有する事ができる。
れているガスタービンコンバインドプラント並の特性を
有する事ができる。
燃料電池13での燃料利用率を、ガスタービン燃料ガス４
の発熱量が燃焼器32に必要な値以上に確保する為の手段
は、燃料１の流量37に比例した値以下で燃料電池出力18
を得る様インバータ17に制御信号38を与える比較的簡単
な方法で達成できる。
の発熱量が燃焼器32に必要な値以上に確保する為の手段
は、燃料１の流量37に比例した値以下で燃料電池出力18
を得る様インバータ17に制御信号38を与える比較的簡単
な方法で達成できる。
未反応の燃料は、アノード14を通過してガスタービン燃
焼器32で完全燃焼されるので、問題なく有効な利用が行
われる。又、バーナ19へ供給されるアノード出口ガス５
の流量は、燃料電池出力18に比例して制御すれば二酸化
炭素のリサイクルに必要な流量は確保できる。
焼器32で完全燃焼されるので、問題なく有効な利用が行
われる。又、バーナ19へ供給されるアノード出口ガス５
の流量は、燃料電池出力18に比例して制御すれば二酸化
炭素のリサイクルに必要な流量は確保できる。
第２図は、従来のガスタービンコンバインド発電のシス
テム構成の一例を示す。蒸気タービン34とガスタービン
29は共有の発電機33を駆動して発電を行う例を示してい
るが、各々単独の発電機を駆動する場合もある。蒸気タ
ービン抽気蒸気28は、NOx対策用として燃焼器32へ噴射
注入するが、燃料１の流量の２倍程は注入出来る様計画
されているのが一般的である。燃料１は常温のままガス
タービン燃焼器32へ供給され、1000〜1100℃の高温で燃
焼される。NOxの環境規制が厳しい日本では、排熱回収
ボイラ36には通常脱硝装置が組込まれる。
テム構成の一例を示す。蒸気タービン34とガスタービン
29は共有の発電機33を駆動して発電を行う例を示してい
るが、各々単独の発電機を駆動する場合もある。蒸気タ
ービン抽気蒸気28は、NOx対策用として燃焼器32へ噴射
注入するが、燃料１の流量の２倍程は注入出来る様計画
されているのが一般的である。燃料１は常温のままガス
タービン燃焼器32へ供給され、1000〜1100℃の高温で燃
焼される。NOxの環境規制が厳しい日本では、排熱回収
ボイラ36には通常脱硝装置が組込まれる。
実施例２ 第３図は、本発明の他の実施例を説明する図である。
第１図の実施例との相違点は、改質器12を排熱回収ボイ
ラ36の中又は前に設けてガスタービン排ガス24の顕熱回
収を行う点である。ガスタービン排ガス24は500〜550℃
と燃料電池のカソード出口９の700℃前後に比べて低い
為、改質器12での転換効率が小さな値で運転される。タ
ーボチヤージ20は、燃料電池13での燃料利用率が低く、
吸気供給量も小さく小型となる。
ラ36の中又は前に設けてガスタービン排ガス24の顕熱回
収を行う点である。ガスタービン排ガス24は500〜550℃
と燃料電池のカソード出口９の700℃前後に比べて低い
為、改質器12での転換効率が小さな値で運転される。タ
ーボチヤージ20は、燃料電池13での燃料利用率が低く、
吸気供給量も小さく小型となる。
実施例３ 第４図は、本発明のもう一つの実施例を説明する図であ
る。先の２つの実施例が外部改質型の燃料電池13である
のに対して、本図では内部改質型燃料電池39を設置して
いるため、改質器は設置されていない。燃料１は抽気蒸
気28と混合した後、燃料ガス２として燃料電池アノード
へ供給される。電池では改質反応と電気化学反応が両方
行われるため、吸熱反応と発熱反応の熱収支からアノー
ド出口３とカソード出口９の温度を約700℃位にとる
と、冷却を兼ねているカソード供給空気７の流量は大幅
に減少する。ターボ22で駆動用ガス10が燃料電池のカソ
ード出口ガス９だけで不足な場合には、ガスタービン29
の圧縮機30より抽出空気40をターボ入口へ導入して、圧
縮機を駆動するに必要な動力回収を行つている。圧縮機
30よりの抽気は出口でも中間段でも可能で、所要圧力の
関係から設計的に選択する事ができる。
る。先の２つの実施例が外部改質型の燃料電池13である
のに対して、本図では内部改質型燃料電池39を設置して
いるため、改質器は設置されていない。燃料１は抽気蒸
気28と混合した後、燃料ガス２として燃料電池アノード
へ供給される。電池では改質反応と電気化学反応が両方
行われるため、吸熱反応と発熱反応の熱収支からアノー
ド出口３とカソード出口９の温度を約700℃位にとる
と、冷却を兼ねているカソード供給空気７の流量は大幅
に減少する。ターボ22で駆動用ガス10が燃料電池のカソ
ード出口ガス９だけで不足な場合には、ガスタービン29
の圧縮機30より抽出空気40をターボ入口へ導入して、圧
縮機を駆動するに必要な動力回収を行つている。圧縮機
30よりの抽気は出口でも中間段でも可能で、所要圧力の
関係から設計的に選択する事ができる。
本発明によれば、従来のガスタービンコンバインド発電
システムに比べて、燃料電池複合発電システムの熱効率
は、燃料電池の出力に応じて相対的に高くなる効果があ
る。
システムに比べて、燃料電池複合発電システムの熱効率
は、燃料電池の出力に応じて相対的に高くなる効果があ
る。
第５図は、本発明の熱効率向上の効果を概念的に示した
もので、ガスタービンコンバインド発電をベースにする
と、約40％程度の送電端熱効率に対して、半分位の出力
を燃料電池で発電する場合でも約２％相対値の効率向上
が、又、ガスタービンコンバインド発電の20％程度を燃
料電池発電で出力する場合でも約１％相対値程度の大幅
な効率向上が原理的に可能である。しかも、ガスタービ
ンコンバインド発電の出力比率が大きい事から燃料電池
の信頼性に基づくプラント全体へのリスクは小さなもの
とする事ができる。
もので、ガスタービンコンバインド発電をベースにする
と、約40％程度の送電端熱効率に対して、半分位の出力
を燃料電池で発電する場合でも約２％相対値の効率向上
が、又、ガスタービンコンバインド発電の20％程度を燃
料電池発電で出力する場合でも約１％相対値程度の大幅
な効率向上が原理的に可能である。しかも、ガスタービ
ンコンバインド発電の出力比率が大きい事から燃料電池
の信頼性に基づくプラント全体へのリスクは小さなもの
とする事ができる。
コンバインド発電の出力と燃料電池発電の出力の合計し
たプラント出力をコンバインド発電の出力で割つた比
は、コンバインド発電のみの点42から燃料電池80％燃料
利用率とした将来の目標システムの点43を結んだ線41の
上に各出力比の値は示される。燃料電池でコンバインド
の50％出力を出す出力比1.5の点44及び、20％の出力を
出す出力比1.2の点45では前記に示した向上量が示され
ている。
たプラント出力をコンバインド発電の出力で割つた比
は、コンバインド発電のみの点42から燃料電池80％燃料
利用率とした将来の目標システムの点43を結んだ線41の
上に各出力比の値は示される。燃料電池でコンバインド
の50％出力を出す出力比1.5の点44及び、20％の出力を
出す出力比1.2の点45では前記に示した向上量が示され
ている。
第１図は本発明の一実施例の燃料電池複合発電サイクル
構成図、第２図は従来の一例のガスタービンコンバイン
ドサイクル構成図、第３図は本発明の他の実施例のサイ
クル構成図、第４図は本発明の他の実施例のサイクル構
成図、第５図は本発明の効果の一例を表わす図表。 １……燃料、２……電池燃料ガス、３……アノード出口
ガス、４……燃料ガス、５……リサイクルガス、６……
空気、７……加圧空気、８……カソード入口ガス、９…
…カソード出口ガス、10……ターボ入口ガス、11……タ
ーボ排ガス、12……改質器、13……燃料電池、14……ア
ノード、15……カソード、16……電解質、17……インバ
ータ、18……電気出力信号、19……バーナ、20……ター
ボチヤージ、21……圧縮機、22……ターボ、23……空
気、24……タービン排ガス、25……排ガス、26……蒸
気、27……給水、28……抽気蒸気、29……ガスタービ
ン、30……圧縮機、31……タービン、32……燃焼器、33
……発電機、34……蒸気タービン、35……復水器、36…
…冷却水、37……燃料流量信号、38……演算器、39……
内部改質型燃料電池、40……抽気空気、41……送電端熱
効率、42……ガスタービンコンバインド発電のみの点、
43……燃料電池燃料利用率80％の発電の点、44……出力
比1.5の点、45……出力比1.2の点。
構成図、第２図は従来の一例のガスタービンコンバイン
ドサイクル構成図、第３図は本発明の他の実施例のサイ
クル構成図、第４図は本発明の他の実施例のサイクル構
成図、第５図は本発明の効果の一例を表わす図表。 １……燃料、２……電池燃料ガス、３……アノード出口
ガス、４……燃料ガス、５……リサイクルガス、６……
空気、７……加圧空気、８……カソード入口ガス、９…
…カソード出口ガス、10……ターボ入口ガス、11……タ
ーボ排ガス、12……改質器、13……燃料電池、14……ア
ノード、15……カソード、16……電解質、17……インバ
ータ、18……電気出力信号、19……バーナ、20……ター
ボチヤージ、21……圧縮機、22……ターボ、23……空
気、24……タービン排ガス、25……排ガス、26……蒸
気、27……給水、28……抽気蒸気、29……ガスタービ
ン、30……圧縮機、31……タービン、32……燃焼器、33
……発電機、34……蒸気タービン、35……復水器、36…
…冷却水、37……燃料流量信号、38……演算器、39……
内部改質型燃料電池、40……抽気空気、41……送電端熱
効率、42……ガスタービンコンバインド発電のみの点、
43……燃料電池燃料利用率80％の発電の点、44……出力
比1.5の点、45……出力比1.2の点。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 服部 洋市 茨城県日立市幸町３丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 横須賀 建志 東京都千代田区神田駿河台４丁目６番地 株式会社日立製作所内 (72)発明者 杉田 成久 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−195880（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−5974（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−104541（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−79675（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−177565（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−128175（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭43−8500（ＪＰ，Ｂ１)
Claims (3)
- 【請求項１】カソード側にターボチャージを備えた溶融
炭酸塩型燃料電池と、該溶融炭酸塩型燃料電池のアノー
ドに供給する燃料を改質する改質器と、該溶融炭酸塩型
燃料電池のアノードから排気されたガスを燃料として駆
動されるガスタービン発電装置とを組み合わせた複合発
電プラントにおいて、前記アノードから排気されたガス
の一部を取り込み前記ターボチャージの圧縮機からの圧
縮空気で燃焼するバーナと、該バーナで燃焼されたガス
を前記溶融炭酸塩型燃料電池のカソードに供給する経路
と、該カソードからの排気ガスを前記改質器の燃焼部に
通したあと前記ターボチャージのターボに供給し該ター
ボを駆動する経路とを設けたことを特徴とする複合発電
プラント。 - 【請求項２】カソード側にターボチャージを備えた溶融
炭酸塩型燃料電池と、該溶融炭酸塩型燃料電池のアノー
ドに供給する燃料を改質する改質器と、該溶融炭酸塩型
燃料電池のアノードから排気されたガスを燃料として駆
動されるガスタービン発電装置と、該ガスタービン発電
装置のガスタービンからの排気ガスを熱源とするボイラ
で発生した蒸気にて駆動される蒸気タービン発電装置と
を組み合わせた複合発電プラントにおいて、前記アノー
ドから排気されたガスの一部を取り込み前記ターボチャ
ージの圧縮機からの圧縮空気で燃焼するバーナと、該バ
ーナで燃焼されたガスを前記溶融炭酸塩型燃料電池のカ
ソードに供給する経路と、該カソードからの排気ガスを
前記ターボチャージのターボに供給し該ターボを駆動す
る経路とを設けると共に、前記ガスタービンからの排気
ガスを前記改質器の燃焼部に通したあと前記ボイラに供
給すべく前記改質器を前記ボイラの中または前段に設け
たことを特徴とする複合発電プラント。 - 【請求項３】カソード側にターボチャージを備えた内部
改質型の溶融炭酸塩型燃料電池と、該溶融炭酸塩型燃料
電池のアノードから排気されたガスを燃料として駆動さ
れるガスタービン発電装置とを組み合わせた複合発電プ
ラントにおいて、前記アノードから排気されたガスの一
部を取り込み前記ターボチャージの圧縮機からの圧縮空
気で燃焼するバーナと、該バーナで燃焼されたガスを前
記溶融炭酸塩型燃料電池のカソードに供給する経路と、
該カソードからの排気ガスを前記ターボチャージのター
ボに供給し該ターボを駆動する経路と、前記ガスタービ
ン発電装置のガスタービンにて駆動される圧縮機からの
圧縮空気の一部を取り出し前記ターボに供給する経路と
を設けたことを特徴とする複合発電プラント。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61117520A JPH0789494B2 (ja) | 1986-05-23 | 1986-05-23 | 複合発電プラント |
| EP87107407A EP0246649B1 (en) | 1986-05-23 | 1987-05-21 | Integrated power plant and method for operating the plant |
| DE8787107407T DE3765008D1 (de) | 1986-05-23 | 1987-05-21 | Integriertes kraftwerk und verfahren fuer die fuehrung. |
| US07/052,872 US4743516A (en) | 1986-05-23 | 1987-05-22 | Integrated power plant and method for operating the plant |
| CN87103747A CN1012272B (zh) | 1986-05-23 | 1987-05-23 | 综合化发电设备及操作该设备的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61117520A JPH0789494B2 (ja) | 1986-05-23 | 1986-05-23 | 複合発電プラント |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62274563A JPS62274563A (ja) | 1987-11-28 |
| JPH0789494B2 true JPH0789494B2 (ja) | 1995-09-27 |
Family
ID=14713804
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61117520A Expired - Fee Related JPH0789494B2 (ja) | 1986-05-23 | 1986-05-23 | 複合発電プラント |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4743516A (ja) |
| EP (1) | EP0246649B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0789494B2 (ja) |
| CN (1) | CN1012272B (ja) |
| DE (1) | DE3765008D1 (ja) |
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| DE69123042T2 (de) * | 1991-01-21 | 1997-06-05 | Ishikawajima Harima Heavy Ind | System zur Erzeugung von Energie unter Verwendung von Brennstoffzellen mit geschmolzenen Karbonaten |
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