JPH0845523A - 燃料電池／ガスタービン複合発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】固体電解質型燃料電池と発電機を駆動するガス
タービンとを組合せて発電を行い、発電効率を向上させ
る。 【構成】加圧空気４２，４３と燃料とを固体電解質膜３
３を介して反応させ電力３４を発生する燃料電池３と、
それから排出される燃料排ガス３１１および空気排ガス
３２１を燃焼させ燃焼ガス７１を生成する燃焼器７と、
前記燃焼ガス７１を作動ガスとして発電機８３を駆動す
るガスタービン８１と、前記加圧空気４２，４３を生成
する空気圧縮機４と、それと前記燃料電池３との間に介
装され前記ガスタービン８１の排気で前記加圧空気４
２，４３を加熱する空気側再熱交換器５１とを具えた燃
料電池／ガスタービン複合発電システム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質型燃料電池
と発電機を駆動するガスタービンとを組合せて発電を行
い、発電効率を向上させた燃料電池／ガスタービン複合
発電システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体電解質型燃料電池は、８００から１
０００℃の温度で作動するセラミックスで構成された燃
料電池である。このような、固体電解質型燃料電池（以
下単に燃料電池という）は作動温度が高いため、燃料電
池から排出される空気排ガス、および燃料排ガス温度は
高温となり、これらの排ガス熱をガスタービン、蒸気タ
ービンなどのボトミングサイクルで回収して発電するこ
とによって、高い発電効率が得られる利点を有するもの
である。

【０００３】また、これらの燃料電池では、燃料極にニ
ッケルを用いることにより、燃料として直接メタンなど
の炭化水素と水蒸気を供給することで、燃料電池の内部
で水蒸気改質反応を起こして水素、一酸化炭素を発生さ
せ、これを燃料として用いるようにした、いわゆる内部
改質を行うことも可能である。改質反応は吸熱反応であ
るために、燃料電池で発生した熱を吸熱して、燃料の発
熱量を増加させることができるので、これによっても発
電効率を向上させることができる。

【０００４】図２は、天然ガスを燃料電池の燃料として
使用し、燃料電池から排出される高温の排ガスの熱をガ
スタービン、蒸気タービンからなるボトミングサイクル
で回収し、高い発電効率が得られるようにした、従来の
燃料電池、ガスタービン、および蒸気タービンからな
る、複合発電システムの一例を示すブロック図である。
同図において、圧力１０ata の燃料としての天然ガス０
１は、後述する燃焼排ガス０７５により、燃料予熱器０
２で２００℃まで予熱された後、天然ガス０１の炭素原
子等量の１．５〜３．０倍のモル数の蒸気０９４１と混
合され、燃料電池０３の燃料極０３１側へ供給される。

【０００５】また、外部から取り入れられた空気０４１
は、後述する高圧ガスタービン０８１、および低圧ター
ビン０８２で駆動される空気圧縮機０４で、１０ata の
加圧空気０４２にされた後、一次空気予熱器０５で、高
圧タービン０８１を出た燃焼ガス０７２により、５００
℃まで加熱された後、２次空気予熱器０６で、燃料電池
０３からの燃料排ガス０３１１および空気排ガス０３２
１と、さらに熱交換して、９００℃の加圧空気０４４と
なり、燃料電池０３の空気極０３２側へ供給される。

【０００６】燃料極０３１側へ供給された天然ガス０１
は、燃料電池０３の燃料極０３１側に含まれるニッケル
を触媒として、水蒸気０９４１と反応して、水素と一酸
化炭素となる。これらの燃料と加圧空気０４４中の酸素
が、燃料電池０３の固体電解質膜０３３を介して反応
し、直流電力０３４を発生させる。また、燃料電池０３
に供給された、天然ガス０１、および加圧空気０４４の
すべては燃料電池０３で消費されず、供給された天然ガ
ス０１の１５％から２０％に相当する燃料排ガス０３１
１、および燃料電池０３で消費されず、燃料電池０３か
ら排出される空気排ガス３２１は、前述の通り２次空気
予熱器０６による加圧空気０４３の加熱に使用された
後、燃焼器０７に導入され、ここで燃焼される。

【０００７】燃焼後９４７度になった燃焼ガス０７１
で、高圧ガスタービン０８１と低圧ガスタービン０８２
を作動させ、前述の空気圧縮機０４を駆動するととも
に、発電機０８３を駆動して発電を行う。また、高圧ガ
スタービン０８１を出た燃焼ガス０７２は一次空気予熱
器０５に導入され、前述の通り加圧空気０４２を予熱し
た後、低圧ガスタービン０８２に導入され、低圧ガスタ
ービン０８２を作動させた燃焼排ガス０７４の一部０７
５が、前述の燃料予熱器０２の加熱に用いられ、残り０
７６は排ガスボイラー０９で蒸気を発生させる。

【０００８】排ガスボイラー０９で発生した蒸気０９４
は、１部０９４１が、前述した天然ガス０１に混合さ
れ、内部改質用蒸気として用いられ、残りの蒸気０９４
２は蒸気タービン０９１を作動させ、発電機０９２を駆
動して発電を行う。蒸気タービン０９１を作動させた排
気０９４３は復水器０９３で復水する。復水器０９３を
出た復水０９４４は、外部から補給される給水０９４５
と共に排ガスボイラー０９に供給される。また、排ガス
ボイラー０９から出た燃焼排ガス０７８は、燃料予熱器
０１からの燃焼排ガス０７７と混合した後、煙突０１０
から大気へ放出される。この複合発電システムの発電効
率は６５％で、出力の内訳は固体電解質型燃料電池７９
％、ガスタービン１９％、蒸気タービン２％である。

【０００９】しかし、このような燃料電池、ガスタービ
ン、蒸気タービンを複合した発電システムでは、次のよ
うな不具合がある。

【００１０】（１）蒸気タービンの蒸気温度が低く、発
電効率が低いため、復水器からの排熱が多い。

【００１１】（２）機器の数が多くコスト増加になる。

【００１２】（３）蒸気タービンの容量に制限があり、
小容量では蒸気タービンをつけることができず、その
分、発電効率が悪くなる。

【００１３】（４）固体電解質型燃料電池の燃料入り口
温度と、出口温度の差が大きく、燃料電池に大きな温度
勾配が発生する。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した従
来の燃料電池を含む複合発電システムの不具合を解消す
るため、再生熱交換器の温度効率向上によって、ガスタ
ービンにおける発電量を増加させて、上述従来発電シス
テムの不具合の要因となっている、蒸気タービンのシス
テムへの採用を止めても、発電システム全体としての発
電効率を損うことのない、燃料電池／ガスタービン複合
発電システムを提供することを課題とする。

【００１５】また、本発明は、燃料電池に大きな温度勾
配を発生させることのない、燃料電池／ガスタービン複
合発電システムを提供することを課題とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の燃料
電池／ガスタービン複合発電システムは、次の手段とし
た。

【００１７】（１）固体電解質膜の両側に加圧空気と燃
料とを供給し、加圧空気中の酸素イオンを固体電解質膜
中に通過させ、固体電解質膜の反対側に供給された燃料
と反応させて電力を発生できる、燃料電池を設けた。

【００１８】（２）燃料電池に供給された圧縮空気、お
よび燃料のうち、燃料電池で消費されず燃料電池から排
出される空気排ガス、および燃料排ガスを燃焼させて燃
焼ガスを発生する燃焼器を設けた。

【００１９】（３）燃焼ガスで作動し、発電機を駆動さ
せて発電を行うガスタービンを設けた。

【００２０】（４）外部から導入し、燃料電池に供給す
る加圧空気を生成する空気圧縮機を設けた。

【００２１】（５）空気圧縮機から吐出される加圧空気
を、ガスタービンを作動させた燃焼排ガスで加熱する空
気側再生熱交換器を設けた。

【００２２】また、他の本発明の燃料電池／ガスタービ
ン複合発電システムは、上記手段に加え、次の手段とし
た。

【００２３】（６）燃料電池に供給される燃料を、燃料
電池内での発電時に生じる熱によって加熱された燃料排
ガスで、発電時の作動温度近くまで加熱する燃料側再生
熱交換器を設けた。

【００２４】

【作用】本発明の燃料電池／ガスタービン複合発電シス
テムは、上述の（１）〜（５）の手段により、 （１）空気側再生熱交換器は温度効率を向上させて熱回
収を行うので、ガスタービンの発電効率が向上する。こ
れにより、従来使用されている蒸気タービンによる発電
を行わなくても、ボトミングサイクルの効率は従来シス
テムに比べ向上し、システム全体としての発電効率を向
上させることができる。

【００２５】また、他の本発明の燃料電池／ガスタービ
ン複合発電システムは、（１）に加え、上述（６）の手
段により、 （２）燃料側再生熱交換器の採用により、燃料電池に供
給される燃料を予熱でき、高温にすることができるので
燃料電池内の温度勾配を緩和できる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の燃料電池／ガスタービン複合
発電システムを、図面にもとずき説明する。図１は、本
発明の燃料電池／ガスタービン複合発電システムの一実
施例を示すブロック図である。

【００２７】図に示すように、貯蔵タンクより供給され
た、圧力１０ata の天然ガス等の燃料１は燃料予熱器２
で、空気側再生熱交換器５１を出た燃焼排ガス７３によ
り２００度まで予熱された燃料１０１となり、燃料１の
炭素原子等量の１．５から３倍のモル数の蒸気発生器９
から供給される蒸気９１と混合された後、燃料電池３の
燃料極３１側へ供給される。この燃料１０１は、燃料電
池３内に設けられた燃料側再生熱交換器３５で、燃料電
池３内の発電時、すなわち、後述する空気極３２へ供給
された加圧空気４３中の酸素イオンＯ^2-が、固体電解質
膜３３を通過して燃料極３１に移動し、改質された燃料
と反応して発電を行うときに発生する作動温度で１００
０℃にまで加熱され、しかも燃料電池３内で消費されず
残った燃料、すなわち燃料排ガス３１１によって、９７
６℃まで加熱された燃料１０２となり、燃料極３１へ供
給される。また、この燃料側再生熱交換器３５における
加熱側の燃料排ガス３１１は５００度まで冷却される。
また、燃料極３１へ供給された燃料１０２は、燃料電池
３の燃料極３１に含まれるニッケルを触媒として、水蒸
気と反応して水素と一酸化炭素に改質された燃料とな
る。

【００２８】一方、外気から取り入れられた空気４１
は、後述するガスタービン８１で駆動される空気圧縮機
４で１０ata に圧縮され、加圧空気４２となり、温度効
率９０％の、ガスタービン８１からの燃焼排ガス７２を
熱源とする、空気側再生熱交換器５１で５６０℃まで加
熱された加圧空気４３となり、燃料電池３の空気極３２
へ供給される。

【００２９】空気極３２へ供給された加圧空気４３中の
酸素は、前述したように空気極３２で電子を奪われ、酸
素イオンＯ^2-となり、固体電解質膜３３を通過して、燃
料極３１へ移動し、燃料極３１へ供給され、水素と一酸
化炭素に改質された燃料と反応し酸化物を生成するとと
もに、電子を放出する発電を行い直流電力３４を発生さ
せる。しかし、燃料極３１へ供給された燃料は、すべて
燃料電池３で消費されず、１５％〜２０％の燃料は、前
述したように燃料排ガス３１１となり、燃料側再生熱交
換器３５で燃料１０２を加熱した後、５００℃まで冷却
されて燃焼器７へ流入する。

【００３０】また、空気極３２へ供給された加圧空気４
３も、すべては燃料電池３で消費されず空気排ガス３２
１となり燃焼器７へ流入する。燃焼器７へ流入した空気
排ガス３２１は、燃料電池３内の発電時の作動温度で８
４４℃まで加熱されており、燃焼器７へ流入した燃料排
ガス３１１を燃焼させ、１０９８℃の燃焼ガス７１を発
生させる。燃焼器７を出た燃焼ガス７１はガスタービン
８１に流入し、ガスタービン８１を作動させる。カズタ
ービン８１は、前述した空気圧縮機４に軸結しており、
空気圧縮機４を前述の通り駆動するとともに、発電機８
３とも軸結しており発電機８３を駆動し発電を行う。

【００３１】また、ガスタービン８１を作動させた燃焼
排ガス７２は、空気側再生熱交換器５１に流入し、ここ
で、前述したように、空気圧縮機４から吐出された加圧
空気４２を加熱した後、燃焼排ガス７３の一部の燃焼排
ガス７４は燃料予熱器２で、前述の通り燃料１の予熱に
用いられ、低温の燃焼排ガス７５となって燃料予熱器２
から流出する。さらに、残りの燃焼排ガス７５は、蒸気
発生器９へ流入し、給水９３を加熱し蒸気９１を発生さ
せる。蒸気９１を発生させた燃焼排ガス７６は、前記燃
料予熱器２からの燃焼排ガス７５と混合した後、煙突２
１から大気へ放出される。また、蒸気発生器９で発生さ
せた蒸気９１は前述の通り、予熱された燃料１０１に混
合されて、燃料極３１における燃料改質に使用される。

【００３２】以上、本発明の一実施例について述べた
が、本実施例における発電効率は７０％で、出力の内訳
は、ＳＯＦＣ７３％、ガスタービン２７％である。この
発電効率は、前述した従来の発電システムのものに比較
し、５％向上している。すなわち、従来の発電システム
に使用されている蒸気タービンを廃止することにより、
また、コンデンサーからの熱損失が無くなり、燃焼排ガ
ス７６によって、大気へ放出される熱損失は増えるが、
空気側再生熱交換器５１の温度効率の向上で回収熱が増
加し、ガスタービン８１による発電量が増加するので、
大気に放出されることによる熱損失の増加にも拘わら
ず、発電効率は前述の通り向上している。即ち、再生ガ
スタービンサイクルのみを、燃料電池のボトミングサイ
クルとすることで、ボトミングサイクル効率が、従来シ
ステムより上昇する。

【００３３】このことは、次に示すボトミングサイクル
の入熱、出力、サイクル効率から明らかである。 システム 入熱 出力 ボトミングサイクル効率 従来システム 60939kcal/s 15311kcal/s 25.1％ 本実施例システム 59071kcal/s 19378kcal/s 32.8％ また、本実施例によれば、燃料側再生熱交換器３５によ
り、燃料１０１は加熱されて、燃料電池３の作動温度に
近い９７６℃で燃料電池３に流入するので、燃料電池３
に大きな温度勾配が発生することもなく、燃料電池３を
長寿命化できる。

【００３４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の燃料電池／
ガスタービン複合発電システムによれば、特許請求の範
囲に示す構成により、空気側再生熱交換器の温度効率を
向上させて熱回収できるので、ガスタービンの発電効率
が向上する。これにより、従来使用されている蒸気ター
ビンによる発電を行わなくても、ボトミングサイクルの
効率は従来システムに比べ向上し、システム全体として
の発電効率を向上させることができる。

【００３５】しかも、蒸気タービン使用による種々の不
具合が解消し、機器の数の少い、またコストの低い、発
電システムとすることができる。

【００３６】また、燃料側再生熱交換器の採用により、
燃料電池に供給される燃料を作動温度近くまで予熱で
き、高温にすることができるので、燃料電池内の温度勾
配を緩和でき、これに付随する種々の不具合を解消でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池／ガスタービン複合発電シス
テムの一実施例を示すブロック図、

【図２】従来の固体電解質型燃料電池複合発電システム
の一例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１，１０１，１０２ 燃料としての天然ガス ２ 燃料予熱器 ３ （固体電解質型）燃料電池 ３１ 燃料極 ３２ 空気極 ３３ 固体電解質膜 ３４ 直流電力 ３５ 燃料側再生熱交換器 ３１１ 燃料排ガス ３２１ 空気排ガス ４ 空気圧縮機 ４１ 空気 ４２，４３ 加圧空気 ５１ 空気側再生熱交換器 ７ 燃焼器 ７１ 燃焼ガス ７２〜７７ 燃焼排ガス ８１ ガスタービン ８３ 発電機 ９ 蒸気発生器 ９１ 蒸気 ９３ 給水 １０ 煙突

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加圧空気と燃料とを固体電解質膜を介し
   て反応させ電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池か
   ら排出される燃料排ガスおよび空気排ガスを燃焼させ燃
   焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスを作動ガスと
   して発電機を駆動するガスタービンと、前記加圧空気を
   生成する空気圧縮機と、前記空気圧縮機と前記燃料電池
   との間に介装され前記ガスタービンの排気で前記加圧空
   気を加熱する空気側再生熱交換器とを具えたことを特徴
   とする燃料電池／ガスタービン複合発電システム。
2. 【請求項２】 前記燃料電池に設置され、供給される前
   記燃料を前記燃料排ガスで加熱する燃料側再生熱交換器
   を具えたことを特徴とする請求項１の燃料電池／ガスタ
   ービン複合発電システム。