WO2010089883A1

WO2010089883A1 - ハイブリッド発電システム

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Publication number: WO2010089883A1
Application number: PCT/JP2009/052094
Authority: WO
Inventors: 康岩井; 晋中野; 忠晴岸部
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2011-08-06

Abstract

燃料電池を作動させるのに適した作動温度と酸化剤流量を提供しつつ、ガスタービンを効率良く動作させることを可能にするハイブリッド発電システムを提供することにある。ハイブリッド発電システムは、燃料電池(3)とガスタービン(5)を備える。熱交換器は、ガスタービンの排ガスを用いて、圧縮機で加圧した空気を昇温するものであり、高温側熱交換器(2)と低温側熱交換器(10)部とから構成される。配管(52G)は、低温側熱交換器(10)の流出口側からガスタービン(5)に前空気を供給する。配管(52F)は、高温側熱交換器(2)の流出口側から燃料電池(3)に空気を供給する。制御装置(12)は、燃料電池のコールドスタート時に、流量制御弁(V3)を全閉の状態から徐々に開くように制御して、配管(52G)を流れる空気の流量を減じて、配管(52F)を流れる熱交換器供給空気の温度を昇温する。

Description

ハイブリッド発電システム

　本発明は、燃料電池と再生サイクルガスタービンのハイブリッド発電システムに係り、特に、発電効率の向上したハイブリッド発電システムに関する。

　近年、燃料電池とガスタービンを組み合わせたハイブリッド発電システムの開発が盛んになってきている。

　燃料電池は、基本的には水素を酸素と反応させて発電するシステムであり、熱サイクルを利用して発電するガスタービンやレシプロエンジンとは異なり、電気化学反応を利用して直接発電するシステムであるため、ガスタービンなどと比べ発電効率が格段に高い。

　そのため、燃料電池をガスタービン発電システムと組み合わせることで、発電効率を大幅に向上できる。なぜなら、ガスタービンでは燃料を燃焼させることにより作動流体を昇温させるが、ガスタービンと燃料電池のハイブリッドシステムでは、燃料電池において電気化学反応により高効率で発電した上、その反応エネルギのうち電気に変換されたエネルギを除いた残りのエネルギを熱として放出して作動流体を昇温させた後、加熱した作動流体のエネルギをタービンで動力として回収できるためである。

　また、再生熱交換器でガスタービン排ガスの熱を回収して空気を昇温させる再生サイクルガスタービンを用いたり、圧縮機入口空気を冷却する機器を付加したりすることにより、さらに発電効率を改善させることができる燃料電池ハイブリッドシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、ガスタービンの吸気量が燃料電池の必要とする流量より多い場合、再生熱交換器出口空気の一部を燃料電池に供給せず、バイパスさせて直接ガスタービン燃焼器に供給する構成が知られている。

[規則91に基づく訂正 31.07.2009]　
特開２００５－３８８１７号公報

　燃料電池を作動させるためには、燃料の他に適切な作動温度と酸化剤流量を提供する必要がある。しかし、ガスタービンに燃料電池を組み合わせるハイブリッド発電システムでは、燃料電池に適切な作動温度と酸化剤流量を提供しようとすると、以下の問題が生じる。即ち、ひとつのガスタービン機種に対して、吸気量はある程度の幅はあっても定格状態でほぼ一定であり、ガスタービンの熱効率を向上させるためタービン排ガスの熱回収を効率良く行う再生熱交換器を用いれば、再生熱交換器の出口酸化剤温度も同様にほぼ一定に定まるが、この温度は必ずしも燃料電池の運転に適した温度とは限らない。

　本発明の目的は、燃料電池を作動させるのに適した作動温度と酸化剤流量を提供しつつ、ガスタービンを効率良く動作させることを可能にするハイブリッド発電システムを提供することにある。

　（１）上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池とガスタービンのハイブリッド発電システムであって、圧縮機で加圧した酸化剤を燃料電池用とガスタービン用に分岐させ、かつ前記酸化剤をそれぞれ前記燃料電池と前記ガスタービンとに異なる温度と流量で供給できるように排ガスとの熱交換器を配置したものである。　
　かかる構成により、燃料電池を作動させるのに適した作動温度と酸化剤流量を提供しつつ、ガスタービンを効率良く動作させ得るものとなる。

[規則91に基づく訂正 31.07.2009]　
　（２）上記（１）において、好ましくは、前記ガスタービンは、再生サイクルガスタービンであり、前記熱交換器は、再生熱交換器である。

　（３）上記（１）において、好ましくは、前記熱交換器は、前記ガスタービンの排ガスを用いて、前記圧縮機で加圧した酸化剤を昇温するものであり、高温側熱交換器部と低温側熱交換器部とから構成され、前記低温側熱交換器部の流出口側から前記ガスタービンに前記酸化剤を供給する第１の配管と、前記高温側熱交換器部の流出口側から前記燃料電池に前記酸化剤を供給する第２の配管と、前記第１の配管に設けられた第１の流量制御弁と、前記第２の配管に設けられた第２の流量制御弁とを備えるようにしたものである。　
　（４）上記（３）において、好ましくは、前記燃料電池のコールドスタート時に、前記第１の流量制御弁を全閉の状態から徐々に開くように制御する制御手段を備え、前記第１の配管を流れる酸化剤の流量を減じて、前記第２の配管を流れる熱交換器供給酸化剤の温度を昇温するようにしたものである。

　（５）上記（３）において、好ましくは、前記第１の配管と前記第２の配管とを接続する第３の配管と、該第３の配管の途中に設けられた第３の開閉弁若しくは流量制御弁と、前記ガスタービンの起動時に、前記第３の開閉弁若しくは流量制御弁を開くように制御する制御手段を備え、前記第２の配管から前記燃料電池に流れる酸化剤の流量を減じて、前記燃料電池の圧力損失を低減するようにしたものである。

　（６）上記（３）において、好ましくは、前記熱交換器は複数の熱交換器で構成され、前記複数の熱交換器の酸化剤側の配管同士を繋ぐ連結配管から分岐して燃料電池用またはガスタービン用の酸化剤を供給するように管路網を形成したものである。

　（７）上記（６）において、好ましくは、前記熱交換器は、前記低温側熱交換器部を構成する第１の熱交換器と、該第１の熱交換器とは独立しており、前記高温側熱交換器部を構成する第２の熱交換器とから構成され、前記第１の熱交換器の流出口側には、前記第１の配管の他に、前記第２の熱交換器の流入口側に接続される第４の配管を備えるようにしたものである。

　（８）上記（３）において、好ましくは、前記熱交換器内で酸化剤側の配管の途中から燃料電池用またはガスタービン用の酸化剤を抽気するように、前記熱交換器を構成したものである。

　（９）上記（８）において、好ましくは、前記熱交換器の酸化剤流入口と酸化剤流出口の間に、前記第１の配管を接続し、前記熱交換器の酸化剤流出口に、前記第２の配管を接続したものである。

　（１０）上記（３）において、好ましくは、前記熱交換器内の酸化剤側の配管を燃料電池用とガスタービン用とで分けて設け、前記燃料電池と前記ガスタービンとに別々に酸化剤を供給できるように、前記熱交換器を構成したものである。

　（１１）上記（１０）において、好ましくは、前記熱交換器内の酸化剤側の配管を前記低温側熱交換器部の配管と、前記高温側熱交換器部の配管とに分けて設け、前記熱交換器の前記低温側熱交換器部の配管の流出口の間に、前記第１の配管を接続し、前記熱交換器の前記高温側熱交換器部の流出口に、前記第２の配管を接続したものである。

　（１２）上記（３）において、好ましくは、前記熱交換器を２つの熱交換器で構成し、前記２つの熱交換器の酸化剤側の配管をそれぞれ前記燃料電池または前記ガスタービンに酸化剤を供給する配管として管路網を形成したものである。

　（１３）上記（１２）において、好ましくは、前記熱交換器は、前記低温側熱交換器部を構成する第１の熱交換器と、該第１の熱交換器とは独立しており、前記高温側熱交換器部を構成する第２の熱交換器とから構成され、前記第１の熱交換器の流出口の間に、前記第１の配管を接続し、前記第２の熱交換器の流出口に、前記第２の配管を接続したものである。

　（１４）上記（１）において、好ましくは、前記燃料電池に供給される酸化剤の一部を分岐し、前記燃料電池を構成する機器の加熱や冷却に利用できるように配管を設けたものである。

　（１５）上記（１４）において、好ましくは、前記熱交換器は、前記ガスタービンの排ガスを用いて、前記圧縮機で加圧した酸化剤を昇温するものであり、高温側熱交換器部と低温側熱交換器部とから構成され、前記低温側熱交換器部の流出口側から前記ガスタービンに前記酸化剤を供給する第１の配管と、前記高温側熱交換器部の流出口側から前記燃料電池に前記酸化剤を供給する第２の配管と、前記第２の配管から分岐するとともに、前記酸化剤を前記燃料電池のセルスタックを収めた格納容器内に供給する第５の配管を備えるようにしたものである。

　本発明によれば、燃料電池を作動させるのに適した作動温度と酸化剤流量を提供しつつ、ガスタービンを効率良く動作させることが可能となる。

本発明の第１の実施形態によるハイブリッド発電システムのシステム構成図である。本発明の第１の実施形態によるハイブリッド発電システムの運転シーケンスを示すタイミングチャートである。本発明の第２の実施形態によるハイブリッド発電システムのシステム構成図である。本発明の第３の実施形態によるハイブリッド発電システムのシステム構成図である。本発明の第３の実施形態によるハイブリッド発電システムの運転シーケンスを示すタイミングチャートである。本発明の第４実施形態によるハイブリッド発電システムに用いる再生熱交換器の構成図である。本発明の第５実施形態によるハイブリッド発電システムに用いる再生熱交換器の構成図である。本発明の第６実施形態によるハイブリッド発電システムに用いる再生熱交換器の構成図である。本発明の第７実施形態によるハイブリッド発電システムに用いる再生熱交換器の構成図である。本発明の第８実施形態によるハイブリッド発電システムに用いる再生熱交換器の構成図である。本発明の第９の実施形態によるハイブリッド発電システムのシステム構成図である。

[規則91に基づく訂正 31.07.2009]　
　以下、図１及び図２を用いて、本発明の第１の実施形態によるハイブリッド発電システムの構成及び動作について説明する。　
　最初に、図１を用いて、本実施形態によるハイブリッド発電システムのシステム構成について説明する。　
　図１は、本発明の第１の実施形態によるハイブリッド発電システムのシステム構成図である。

　本実施形態のハイブリッド発電システムは、ガスタービンと燃料電池のハイブリッド構成となっている。

　最初に、本実施形態の特徴を明確にするため、本実施形態のハイブリッド発電システムの基本構成，すなわち、従来から備えられている構成について説明する。

　圧縮機１は、配管５０から供給される，酸化剤である吸気を圧縮して吐出する。再生熱交換器２には、圧縮機１により圧縮された圧縮機吐出空気が配管５１から供給される。なお、再生熱交換器１０は、本実施形態において追加されたものであり、この点については後述する。燃料電池３には、再生熱交換器２の出口空気が配管５２から供給され、また、水素や天然ガスなどの燃料が配管６２から供給される。燃料電池３は、供給された酸化剤（空気）と燃料の電気化学反応により発電する。燃焼器４には、燃料電池３の出口空気が配管５３から供給され、また、未利用燃料や電気化学反応生成物から成る出口排ガスが配管６３から供給され、さらに、配管６１から燃料が供給される。タービン５は、配管５４により供給される燃焼器４の燃焼ガスにより駆動される。発電機９は、圧縮機１と同様にタービン５に連結され、タービン５の駆動力により回転し発電する。

　ここで、配管６１，６２により供給される燃料は、配管６０により供給される燃料を燃料ポンプ８で加圧される。燃料電池３がＳＯＦＣ(Solid Oxide Fuel Cell：固体酸化物形燃料電池)の場合などでは、燃料として水素ではなく天然ガスを供給し、これを改質して使用するシステムがある。天然ガスの改質には蒸気が必要であり、燃料電池３の電気化学反応により生成された水蒸気を含む出口排ガス（配管６３により供給される）の一部をリサイクルし、配管６３Ｒによりリサイクル排ガスとして燃料電池３に戻すことにより、改質に必要な蒸気を供給している。

　このハイブリッド発電システムでは、再生熱交換器２で、配管５５から供給されるタービン排ガスの熱を回収して、配管５１を流れる圧縮機吐出空気を昇温させ（この再生熱交換器２を備えたサイクルを再生サイクルと称する）、配管６１を流れるガスタービン燃料の消費量を抑えることができるため、発電効率が向上している。

　次に、本実施形態の特徴的な構成について説明する。

　本実施形態では、再生熱交換器２に加えて、再生熱交換器１０を備えている。再生熱交換器１０の入口は、配管５１により圧縮機１の吐出口に接続されている。再生熱交換器１０の出口は、配管５２Ａにより、再生熱交換器２の入口に接続されている。再生熱交換器２の出口は、配管５２Ｆにより燃料電池３の入口に接続されている。すなわち、再生熱交換器１０と再生熱交換器２は直列に接続されており、圧縮機１の吐出空気は、最初に、再生熱交換器１０により熱交換され、昇温された後、再生熱交換器２により熱交換され、昇温される。一方、熱源となるガスタービン５からの燃焼ガスは、配管５５により、最初に、再生熱交換器２に供給され、再生熱交換器２により熱交換されることで燃焼ガスの温度が降下した後、再生熱交換器１０に供給される。そこで、以下、再生熱交換器２を高温排ガス側再生熱交換器（高温側熱交換器）２と称し、再生熱交換器１０を低温排ガス側再生熱交換器（低温側熱交換器）１０と称する。

　さらに、本実施形態では、低温側熱交換器１０の出口は、配管５２Ａにより高温側熱交換器２の入口に接続されると共に、配管５２Ｇにより燃焼器４に接続されている。すなわち、圧縮機５１から供給される空気は、低温側熱交換器１０により消音された燃焼器４の供給空気と、高温側熱交換器２の供給空気とに分岐される。これにより、燃焼器４の供給空気を調整することで、燃料電池３の空気量を調整することができ、燃料電池３の運転に適した空気温度まで加熱した出口空気を燃料電池３に供給することができ、燃料電池３の健全な運転とプラント性能の向上が同時に図れる。

　すなわち、燃料電池３のコールドスタート時には、圧縮機吐出空気を配管５２Ｆにより燃料電池３の供給空気として供給し、燃料電池３を経由して空気を燃焼器４に供給してガスタービンを起動することにより、ガスタービン５の排ガスの熱量を最大限回収した空気を配管５２Ｆにより燃料電池３に供給して、燃料電池３の昇温に利用できるため、燃料電池３の起動が早められ、ハイブリッド発電システムの起動時間を短縮することができる。

　このとき、再生サイクルガスタービンが定格運転に到達しても、配管５２Ｆから燃料電池に供給される空気の温度が低く、燃料電池３の始動温度に達しない場合は、低温側熱交換器１０の出口空気の一部を配管５２Ｇにより燃焼器４に抜出すことにより、高温側熱交換器２の流入空気流量を減じて、配管５２Ｆにより燃料電池３に供給される空気の温度を上げることができる。ガスタービンの機種にもよるが、タービン排ガスの温度が６５０℃程度であれば、配管５２Ｆに流れる高温側熱交換器２の被加熱空気は６００℃程度まで昇温でき、電気化学反応を開始できる温度にまで燃料電池３を昇温させることが可能である。ひとたび電気化学反応が開始されれば、その反応熱により燃料電池３は定格運転温度にまで昇温していく。そのため、本実施形態の構成では、燃料電池３を作動温度まで昇温させる助燃装置が不要となる。

　また、ガスタービンの起動に際して、燃料電池３での圧力損失が大きく燃焼器への空気供給が阻まれる場合など燃料電池３を経由するとガスタービンの起動が妨げられるときは、配管５２Ｂにより、燃料電池３をバイパスさせて、配管５２Ｇにより燃焼器４へ空気供給し、ガスタービンを起動した後、配管５２Ｆにより燃料電池３への空気供給を開始し、燃料電池３を昇温させることにより、ハイブリッド発電システムの起動時間を短縮することができる。配管５２Ｂの途中には、開閉弁Ｖ５が設けられている。開閉弁Ｖ５は、配管５２Ｂを流れる流体の流量を０％と１００％とに２段階に切り替えることができる。開閉弁Ｖ５の開度は、制御装置１２によって制御される。

　また、配管５２Ｆには流量制御弁Ｖ１が設けられ、配管６１Ｆには流量制御弁Ｖ２が設けられ、配管５２Ｇには流量制御弁Ｖ３が設けられ、配管６２には流量制御弁Ｖ４が設けられている。流量制御弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４は、それぞれの配管を流れる流体の流量を０％～１００％まで連続的に切り替えることができる。流量制御弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の開度は、制御装置１２によって制御される。

　制御装置１２は、各部の流量，温度，圧力計測信号７０に基づいて、流量制御弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４及び開閉弁Ｖ５の開度を制御する。

　次に、図２を用いて、本実施形態によるハイブリッド発電システムの運転シーケンスについて説明する。　
　図２は、本発明の第１の実施形態によるハイブリッド発電システムの運転シーケンスを示すタイミングチャートである。

　時刻ｔ０において、制御装置１２は、ガスタービン（ＧＴ）の起動と燃料電池（ＦＣ）の暖気を開始する。このとき、制御装置１２は、流量制御弁Ｖ１を全開とし、流量制御弁Ｖ３，Ｖ４を全閉とし、開閉弁Ｖ５を閉じる。ガスタービン５の回転数の増加と共に、流量制御弁Ｖ１を徐々に開き、配管６１からガスタービン５に供給される燃料量を徐々に増加して、ガスタービン５を起動する。このとき、ガスタービン５の回転数の増加に従って、配管５１を流れる圧縮機１の吐出空気量も増加するため、配管５２Ｆを流れる空気量も増加する。ここで、流量制御弁Ｖ３は全閉であり、開閉弁Ｖ５も閉じているので、圧縮機１の吐出空気量の全量が、低温側熱交換器１０から高温側熱交換器２に送られる。ガスタービン５の排ガスの熱は、熱交換器１０，２により熱回収され、配管５２Ｆにより燃料電池供給空気として燃料電池３に供給され、燃料電池３を昇温する。

　時刻ｔ１において、ガスタービンが定格に達すると、制御装置１２は、配管５２Ｆ，６１を流れる流体の流量を一定とする。

　時刻ｔ２において、燃料電池３のコールドスタートの制御となり、燃料電池３を始動できる温度まで昇温させるために、制御装置１２は、流量制御弁Ｖ３を徐々に開き、配管５２Ｇに流れる空気の量を増加させることで、配管５２Ａ，５２Ｆに流れる空気の流量を減少させる。これにより、高温側熱交換器２による空気の温度上昇が速まり、燃料電池３を昇温させる。

　燃料電池３が始動できる温度に達したならば、時刻ｔ３において、制御装置１２は、流量制御弁Ｖ４を徐々に開いて、燃料電池３に燃料を通し始め、燃料電池３の負荷をとっていく。この際、燃料電池３は電気化学反応の反応熱により自ら発熱し、温度が上昇するため、制御装置１２は、流量制御弁Ｖ３を徐々に閉じていき、配管５２Ｇに流れる空気の量を減少させることで、配管５２Ｆから燃料電池３に供給される空気の流量を再び増加させ、空気温度を適切に調整する。

　そして、時刻ｔ４において、燃料電池３の定格運転が開始すると、制御装置１２は、流量制御弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の開度を一定とする。

　なお、図２には、図示されていないが、前述したように、ガスタービンの起動に際して、ガスタービンの起動が妨げられるときは、配管５２Ｂにより、燃料電池３をバイパスさせて、配管５２Ｇにより燃焼器４へ空気供給し、ガスタービンを起動した後、配管５２Ｆにより燃料電池３への空気供給を開始し、燃料電池３を昇温させることにより、ハイブリッド発電システムの起動時間を短縮することができる。

　以上説明したように、本実施形態によれば、再生熱交換器で加熱した酸化剤を燃料電池用とガスタービン用とで別々に取り出すことにより、各々に異なる温度と流量の酸化剤を供給することが可能となる。そこで、燃料電池にはその運転に適した温度と酸化剤流量の酸化剤を供給し、ガスタービンには残りの酸化剤流量で再生熱交換器での熱回収を十分行ってから供給するよう設計することにより、燃料電池の健全な運転とガスタービンの高効率な運転が両立できる。

　さらに、ハイブリッド発電システムのコールドスタート時に、再生熱交換器において排ガスの熱量を最大限にガスタービン吸気で回収して燃料電池に供給できるようにバイパス流量や抽気流量などを調整することにより、ガスタービンを起動して再生熱交換器で暖められた酸化剤を全量燃料電池の昇温に利用することができ、ハイブリッド発電システムの起動時間を短縮することができるとともに、燃料電池を作動温度まで昇温させる加熱装置も不要となる。

　次に、図３を用いて、本発明の第２の実施形態によるハイブリッド発電システムの構成及び動作について説明する。　
　図３は、本発明の第２の実施形態によるハイブリッド発電システムのシステム構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

　本実施形態が、図１に示した実施形態と異なるのは、高湿分空気利用としてＷＡＣ（Water Atomizing inlet air Cooling：水噴霧式吸気冷却）とＨＡＴ（Humid Air Turbine：加湿タービン）を備えている点である。ＷＡＣやＨＡＴを使用すると、プラント性能がさらに向上する。即ち、ＷＡＣは、配管５０により圧縮機１に導入される吸気の温度を低下させるため、圧縮機１の駆動に必要な動力を低下させるとともに、圧縮機１の吸込流量を増加させてタービン５の軸出力を増加させることにより、発電効率を向上できる。ＨＡＴは、配管５２から吐出される圧縮機吐出空気の温度を低下させるため、再生熱交換器２の配管５６から排出する排気の温度を低下させて、再生熱交換器２による配管５５から供給されるタービン排ガスの熱回収量を増加させることにより、発電効率を向上できる。

　ここで、給水ポンプ７は、給水タンク６から配管４０により供給される水噴霧供給水を昇圧して、配管４１により供給されるＷＡＣ給水及び配管４２により供給されるＨＡＴ給水として、圧縮機１の入口側及び出口側に供給する。

　また、本実施形態のハイブリッド発電システムでは、燃料電池３で生成され、配管５５からタービン排ガスに排出される水蒸気を、配管４３から供給される冷媒により排気冷却器１１で凝縮・回収し、配管４４により回収水として給水タンク６に溜める構成としている。これにより、配管４４を流れる回収水をＷＡＣ、ＨＡＴに利用できるため、補給水の外部供給コストを抑えつつ、出力向上と高効率化を図ることができる。

　また、給水タンク６で余った水は、配管４５により、抜出水として取り出せる流路構成としているので、電気と水の両方を供給できる発電プラントとなっている。ＷＡＣ給水、ＨＡＴ給水、抜出水は、いずれも、機器の損傷などを防いだり、用途に応じて不純物濃度を低減したりするために、逆浸透膜などによる水処理装置を設置して浄化させる必要が生じる場合がある。

　配管４３から供給される冷媒として外気を用い、タービン排ガスに含まれる水蒸気を空冷の排気冷却器１１で凝縮、回収するハイブリッド発電システムを考えると、外部から水を補給しなくても燃料電池３で生成する水を回収するだけで運転できる発電プラントとなる。また図示してはいないが、配管４５から排出する抜出水を外気で冷却させたものを、冷媒として用いることもできる。

　さらに、ＷＡＣやＨＡＴを用いることで、プラント性能がさらに向上する。

　次に、図４及び図５を用いて、本発明の第３の実施形態によるハイブリッド発電システムの構成及び動作について説明する。　
　図４は、本発明の第３の実施形態によるハイブリッド発電システムのシステム構成図である。なお、図１及び図２と同一符号は、同一部分を示している。図５は、本発明の第３の実施形態によるハイブリッド発電システムの運転シーケンスを示すタイミングチャートである。

　図４に示す本実施形態が、図３に示した実施形態と異なる点は、二段ある再生熱交換器のうち高温側熱交換器２の被加熱空気が配管５２Ｇにより燃焼器４に供給され、低温側熱交換器１０の被加熱空気が配管５２Ｆにより燃料電池３に供給される点にある。また、弁Ｖ５としては、流量制御弁を用いている。

　この構成は、燃料電池３の動作温度が低い場合に有効であり、燃料電池３の運転に適した供給空気５２Ｆの温度を低く抑えながら、高温側熱交換器２で被加熱空気にタービン排ガス５５の熱を十分回収させることができるため、発電効率を向上させることができる。

　図５に示すように、本実施形態のハイブリッド発電システムをコールドスタートさせる時は、時刻ｔ０において、制御装置１２は、ガスタービン（ＧＴ）の起動と燃料電池（ＦＣ）の暖気を開始する。このとき、制御装置１２は、流量制御弁Ｖ１，Ｖ３は全閉として、圧縮機吐出空気５１の全量を高温側熱交換器２に供給する。ガスタービン５の回転数の増加と共に、流量制御弁Ｖ５を徐々に開き、配管６１からガスタービン５に供給される燃料量を徐々に増加して、ガスタービン５を起動する。このとき、ガスタービン５の回転数の増加に従って、配管５２Ａを流れる圧縮機１の吐出空気量も増加するため、配管５２Ｂを流れる空気量も増加する。ここで、流量制御弁Ｖ１は全閉であるので、圧縮機１の吐出空気量の全量が、低温側熱交換器１０から高温側熱交換器２に送られる。ガスタービン５の排ガスの熱は、熱交換器１０，２により熱回収され、配管５２Ｂにより燃料電池供給空気として燃料電池３に供給され、燃料電池３を昇温する。これにより、燃料電池３の起動が早められ、ハイブリッド発電システムの起動時間を短縮することができる
　時刻ｔ１において、ガスタービンが定格に達すると、制御装置１２は、配管５２Ｂ，６１を流れる流体の流量を一定とする。

　燃料電池３が始動できる温度に達したならば、時刻ｔ３において、制御装置１２は、流量制御弁Ｖ４を徐々に開いて、配管６２により燃料電池３に供給される燃料量を増やし、流量制御弁Ｖ５を徐々に閉じながら、流量制御弁Ｖ１を徐々に開くことで、燃料電池３に導入する空気を配管５２Ｂからバイパス空気から、配管５２Ｆからの燃料電池供給空気に切り替えながら、空気温度を適切に調整するとともに、燃料電池３の負荷を上げていく。また、このとき、流量制御弁Ｖ３も徐々に開いて、高温側再生熱交換器２の高温空気を燃料器４に供給する。

　以上のように、本実施形態では、再生熱交換器が二段あるため、流量、温度の異なる二種類の空気が取り出せ、起動時や負荷運転時など運転フェーズに応じて運転に適した空気を燃料電池に供給しつつ、発電効率を低下させない運転を可能としている。

　次に、図６を用いて、本発明の第４の実施形態によるハイブリッド発電システムの構成について説明する。なお、本実施形態によるハイブリッド発電システムの全体構成は、図１，図４に示すものと同様である。　
　図６は、本発明の第４実施形態によるハイブリッド発電システムに用いる再生熱交換器の構成図である。

　本実施形態では、再生熱交換器２に空気側配管の途中から抽気する配管５２Ｇを設けており、これを燃焼器４の供給空気とし、再生熱交換器２の出口空気を配管５２Ｆにより燃料電池３の供給空気として、温度の異なる空気をそれぞれに供給できるようにしている。

　図１に示した高温側熱交換器２と低温側熱交換器１０の組みを、本実施形態の再生熱交換器２に取り換えることにより、図１に示した実施形態と同様の効果が得られる。

[規則91に基づく訂正 31.07.2009]　
　また、図６において、配管５２Ｇを燃料電池３の供給空気とし、配管５２Ｆを燃焼器４の供給空気とすることで、この場合の再生熱交換器２を図４に示した実施形態の高温側熱交換器２と低温側熱交換器１０の組みと取り換えることにより、図４に示した実施形態と同様の効果が得られる。

　次に、図７を用いて、本発明の第５の実施形態によるハイブリッド発電システムの構成について説明する。なお、本実施形態によるハイブリッド発電システムの全体構成は、図１，図４に示すものと同様である。　
　図７は、本発明の第５実施形態によるハイブリッド発電システムに用いる再生熱交換器の構成図である。

　本実施形態では、再生熱交換器２の空気側配管を燃料電池用配管５２Ｆとガスタービン用配管５２Ｇとで分けて設け、燃料電池３と燃焼器４とに別々に空気を供給できるように、再生熱交換器２を構成している。

　図７では、配管５２Ｆの側の燃料電池３の供給空気の方が伝熱面積を大きくかつ高温側での熱回収としており、配管５２Ｇの側の燃焼器４の供給空気より高温の空気を供給できるようにしている。図１に示した実施形態の高温側熱交換器２と低温側熱交換器１０の組みを、本実施形態の再生熱交換器２に取り換えることにより、図１に示した実施形態と同様の効果が得られる。

[規則91に基づく訂正 31.07.2009]　
　また、図６に示した実施形態と同様に、図７の配管５２Ｆの燃料電池３の供給空気Ｆと配管５２Ｇの燃焼器４の供給空気の位置を入れ替えてもよいものである。

　次に、図８を用いて、本発明の第６の実施形態によるハイブリッド発電システムの構成について説明する。なお、本実施形態によるハイブリッド発電システムの全体構成は、図１，図４に示すものと同様である。　
　図８は、本発明の第６実施形態によるハイブリッド発電システムに用いる再生熱交換器の構成図である。

　本実施形態では、再生熱交換器２の空気側配管を配管５１による導入位置も含めて燃料電池用とガスタービン用とで分けて設け、配管５２Ｆにより燃料電池３の供給空気を得て、配管５２Ｇにより燃焼器４の供給空気を得て、それぞれ別々に空気を供給できるように、再生熱交換器２を構成している。

　図７では、配管５２Ｆの燃料電池３の供給空気の方が高温側で熱回収しており、配管５２Ｇの燃焼器４の供給空気より高温の空気を供給できるようにしている。図１に示した実施形態の高温側熱交換器２と低温側熱交換器１０の組みを、本実施形態の再生熱交換器２に取り換えることにより、図１に示した実施形態と同様の効果が得られるが、コールドスタート時にはバイパス空気５２Ｂの流量を調節して低温側の熱回収も効率よく行えるように、各部空気流量を調整する必要がある。

[規則91に基づく訂正 31.07.2009]　
　また、図６に示した実施形態と同様に、図８の配管５２Ｆの燃料電池３の供給空気Ｆと配管５２Ｇの燃焼器４の供給空気の位置を入れ替えてもよいものである。

[規則91に基づく訂正 31.07.2009]　
　次に、図９を用いて、本発明の第７の実施形態によるハイブリッド発電システムの構成について説明する。なお、本実施形態によるハイブリッド発電システムの全体構成は、図１，図４に示すものと同様である。　
　図９は、本発明の第７実施形態によるハイブリッド発電システムに用いる再生熱交換器の構成図である。

[規則91に基づく訂正 31.07.2009]　
　本実施形態は、再生熱交換器２の空気側配管は図８と同じであるが、配管５１の圧縮機吐出空気からガスタービン用空気を分岐させた後で再生熱交換器２に導入する前に、配管４２からＨＡＴ給水を噴霧している点が異なる。このように構成することにより、ＨＡＴ運転時に燃料電池３に湿分の少ない空気（配管５２Ｆによる燃料電池３の供給空気）を供給でき、酸化剤として不純物の量を低減できる。

　本実施形態の場合は、図９の配管５２Ｆの燃料電池３の供給空気と配管５２Ｇの燃焼器４の供給空気の位置を入れ替え、ガスタービン用空気の再生熱交換器２への導入前にＨＡＴ給水を噴霧する構成とし、図４に示した実施形態に適用することもできるが、ＨＡＴを吹いて温度低下させた空気が再生熱交換器２の高温側に導入されるため、低温側での熱回収が不十分となるおそれがある。

　次に、図１０を用いて、本発明の第８の実施形態によるハイブリッド発電システムの構成について説明する。なお、本実施形態によるハイブリッド発電システムの全体構成は、図１，図４に示すものと同様である。　
　図１０は、本発明の第８実施形態によるハイブリッド発電システムに用いる再生熱交換器の構成図である。

　本実施形態は、再生熱交換器を二段の熱交換器で構成し、それぞれを燃料電池供給空気加熱用とガスタービン供給空気加熱用に使用しており、図８に示した実施形態の再生熱交換器２を二段に切り分けた構成となっている。よって本実施形態は、図８に示した実施形態と同じ効果が得られる。

　また、ＨＡＴ給水４２の噴霧位置を図９に示した実施形態と同じにすることもでき、その場合は、図９に示した実施形態と同じ効果が得られる。

　次に、図１１を用いて、本発明の第９の実施形態によるハイブリッド発電システムの構成及び動作について説明する。　
　図１１は、本発明の第９の実施形態によるハイブリッド発電システムのシステム構成図である。なお、図１及び図３と同一符号は、同一部分を示している。

　本実施形態は、図３に示した実施形態において、配管５２Ｆを流れる燃料電池３の供給空気の一部を分岐して、燃料電池３のセルスタックを収めた格納容器内に、配管５２Ｓにより燃料電池格納容器内供給空気として供給し、燃料電池セルをその外側からも加熱または冷却できるようにしたものである。

　このように構成することにより、ハイブリッド発電システムのコールドスタート時に、燃料電池３を昇温させるために供給する燃料電池供給空気を、燃料電池３のセルスタックの内外両面に通すことができ、燃料電池セルの加熱を促進できるため、ハイブリッド発電システムの起動時間を短縮できる。

　また、燃料電池のクールダウン時に、燃料電池供給空気に低温の空気を供給すれば、同様に燃料電池セルスタックの内外両面から冷却が可能であり、燃料電池のクールダウンに要する時間を短縮できる。

符号の説明

１…圧縮機
２…高温排ガス側再生熱交換器（高温側熱交換器）
３…燃料電池
４…燃焼器
５…タービン
６…給水タンク
７…給水ポンプ
８…燃料ポンプ
９…発電機
１０…低温排ガス側再生熱交換器（低温側熱交換器）
１１…排気冷却器（水回収装置）
１２…制御装置
４０…水噴霧供給水
４１…ＷＡＣ（Water Atomizing inlet air Cooling：水噴霧式吸気冷却）給水
４２…ＨＡＴ（Humid Air Turbine：加湿タービン）給水
４３…冷媒
４４…排気冷却器回収水
４５…給水タンク抜出水
５０…吸気
５１…圧縮機吐出空気
５２…再生熱交換器出口空気
５２Ａ…高温側熱交換器供給空気
５２Ｂ…バイパス空気
５２Ｃ…低温側熱交換器出口空気
５２Ｆ…燃料電池供給空気
５２Ｇ…燃焼器供給空気
５２Ｈ…高温側熱交換器出口空気
５２Ｓ…燃料電池格納容器内供給空気
５３…燃料電池出口空気
５３Ｒ…燃料電池リサイクル空気
５４…燃焼器燃焼ガス
５５…タービン排ガス
５６…再生熱交換器排気
６０…燃料
６１…燃焼器供給燃料
６２…燃料電池供給燃料
６３…燃料電池出口排ガス
６３Ｒ…燃料電池リサイクル排ガス
７０…各部流量、温度、圧力計測信号

Claims

（元の請求項１に対応）
　燃料電池とガスタービンのハイブリッド発電システムであって、
　圧縮機で加圧した酸化剤を燃料電池用とガスタービン用に分岐させ、かつ前記酸化剤をそれぞれ前記燃料電池と前記ガスタービンとに異なる温度と流量で供給できるように排ガスとの熱交換器を配置したことを特徴とするハイブリッド発電システム。
（元の請求項２に対応）
　請求項１記載のハイブリッド発電システムにおいて、
　前記ガスタービンは、再生サイクルガスタービンであり、
　前記熱交換器は、再生熱交換器であることを特徴とするハイブリッド発電システム。
（元の請求項２を具体化した構成；配管５２Ｇ，５２Ｆ）
　請求項１記載のハイブリッド発電システムにおいて、
　前記熱交換器は、前記ガスタービンの排ガスを用いて、前記圧縮機で加圧した酸化剤を昇温するものであり、高温側熱交換器部と低温側熱交換器部とから構成され、
　前記低温側熱交換器部の流出口側から前記ガスタービンに前記酸化剤を供給する第１の配管と、
　前記高温側熱交換器部の流出口側から前記燃料電池に前記酸化剤を供給する第２の配管と、
　前記第１の配管に設けられた第１の流量制御弁と、
　前記第２の配管に設けられた第２の流量制御弁とを備えることを特徴とするハイブリッド発電システム。
（請求項３に対して、コールドスタート時の制御動作を特定したもの）
　請求項３記載のハイブリッド発電システムにおいて、
　前記燃料電池のコールドスタート時に、前記第１の流量制御弁を全閉の状態から徐々に開くように制御する制御手段を備え、
　前記第１の配管を流れる酸化剤の流量を減じて、前記第２の配管を流れる熱交換器供給酸化剤の温度を昇温することを特徴とするハイブリッド発電システム。
（請求項３に対して、ガスタービン起動時に、燃料電池の圧力損失を低減する構成と制御動作を特定したもの）
　請求項３記載のハイブリッド発電システムにおいて、
　前記第１の配管と前記第２の配管とを接続する第３の配管と、
　該第３の配管の途中に設けられた第３の開閉弁若しくは流量制御弁と、
　前記ガスタービンの起動時に、前記第３の開閉弁若しくは流量制御弁を開くように制御する制御手段を備え、
　前記第２の配管から前記燃料電池に流れる酸化剤の流量を減じて、前記燃料電池の圧力損失を低減することを特徴とするハイブリッド発電システム。
（元の請求項３に対応）
　請求項３記載のハイブリッド発電システムにおいて、
　前記熱交換器は複数の熱交換器で構成され、
　前記複数の熱交換器の酸化剤側の配管同士を繋ぐ連結配管から分岐して燃料電池用またはガスタービン用の酸化剤を供給するように管路網を形成したことを特徴とするハイブリッド発電システム。
（元の請求項３を具体化した構成）
　請求項６記載のハイブリッド発電システムにおいて、
　前記熱交換器は、前記低温側熱交換器部を構成する第１の熱交換器と、
　該第１の熱交換器とは独立しており、前記高温側熱交換器部を構成する第２の熱交換器とから構成され、
　前記第１の熱交換器の流出口側には、前記第１の配管の他に、前記第２の熱交換器の流入口側に接続される第４の配管を備えることを特徴とするハイブリッド発電システム。
（元の請求項４に対応；図６）
　請求項３記載のハイブリッド発電システムにおいて、
　前記熱交換器内で酸化剤側の配管の途中から燃料電池用またはガスタービン用の酸化剤を抽気するように、前記熱交換器を構成したことを特徴とするハイブリッド発電システム。
（元の請求項４を具体化した構成）
　請求項８記載のハイブリッド発電システムにおいて、
　前記熱交換器の酸化剤流入口と酸化剤流出口の間に、前記第１の配管を接続し、
　前記熱交換器の酸化剤流出口に、前記第２の配管を接続したことを特徴とするハイブリッド発電システム。
（元の請求項５に対応；図７～図９）
　請求項３記載のハイブリッド発電システムにおいて、
　前記熱交換器内の酸化剤側の配管を燃料電池用とガスタービン用とで分けて設け、前記燃料電池と前記ガスタービンとに別々に酸化剤を供給できるように、前記熱交換器を構成したことを特徴とするハイブリッド発電システム。
（元の請求項５を具体化した構成）
　請求項１０記載のハイブリッド発電システムにおいて、
　前記熱交換器内の酸化剤側の配管を前記低温側熱交換器部の配管と、前記高温側熱交換器部の配管とに分けて設け、
　前記熱交換器の前記低温側熱交換器部の配管の流出口の間に、前記第１の配管を接続し、
　前記熱交換器の前記高温側熱交換器部の流出口に、前記第２の配管を接続したことを特徴とするハイブリッド発電システム。
（元の請求項６に対応；図１０）
　請求項３記載のハイブリッド発電システムにおいて、
　前記熱交換器を２つの熱交換器で構成し、前記２つの熱交換器の酸化剤側の配管をそれぞれ前記燃料電池または前記ガスタービンに酸化剤を供給する配管として管路網を形成したことを特徴とするハイブリッド発電システム。
（元の請求項６を具体化した構成）
　請求項１２記載のハイブリッド発電システムにおいて、
　前記熱交換器は、前記低温側熱交換器部を構成する第１の熱交換器と、
　該第１の熱交換器とは独立しており、前記高温側熱交換器部を構成する第２の熱交換器とから構成され、
　前記第１の熱交換器の流出口の間に、前記第１の配管を接続し、
　前記第２の熱交換器の流出口に、前記第２の配管を接続したことを特徴とするハイブリッド発電システム。
（元の請求項７に対応；図１１）
　請求項１記載のハイブリッド発電システムにおいて、
前記燃料電池に供給される酸化剤の一部を分岐し、前記燃料電池を構成する機器の加熱や冷却に利用できるように配管を設けたことを特徴とするハイブリッド発電システム。
（元の請求項７を具体化した構成）
　請求項１４記載のハイブリッド発電システムにおいて、
　前記熱交換器は、前記ガスタービンの排ガスを用いて、前記圧縮機で加圧した酸化剤を昇温するものであり、高温側熱交換器部と低温側熱交換器部とから構成され、
　前記低温側熱交換器部の流出口側から前記ガスタービンに前記酸化剤を供給する第１の配管と、
　前記高温側熱交換器部の流出口側から前記燃料電池に前記酸化剤を供給する第２の配管と、
　前記第２の配管から分岐するとともに、前記酸化剤を前記燃料電池のセルスタックを収めた格納容器内に供給する第５の配管を備えることを特徴とするハイブリッド発電システム。