(57)【要約】【課題】燃料電池発電装置よりバイナリ発電装置に供給した排熱を、発電と熱需要先とに効率よく振り分けて複合発電システム全体の熱エネルギー利用効率の向上を図る。【解決手段】リン酸形燃料電池発電装置１とバイナリ発電装置１１とを組み合わせ、燃料電池発電装置の排熱をバイナリ発電装置に投入して発電する複合発電システムにおいて、バイナリ発電装置にはタービン１２の出口と後段の凝縮器１７との間に熱交換器１８を設け、該熱交換器を介して作動流体から回収した熱を熱需要先に給湯等で利用し、バイナリ発電装置にはタービン出口圧力を調整する手段として、蒸気圧力が異なる二つの出口と、この出口に接続した流量調整弁１９を備え、熱交換器１８を介して熱需要先に給熱する熱需要が少ない場合には、タービン出口圧力を低く設定して発電出力を高め、熱需要が多い場合にはタービン出口圧力を高く設定して発電出力を低めるようにする。【選択図】図１
2010071091.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リン酸形燃料電池発電装置とバイナリ発電装置とを組み合わせ、燃料電池発電装置の排熱をバイナリ発電装置に投入して発電する複合発電システムにおいて、
バイナリ発電装置にはタービンの出口と凝縮器との間に熱交換器を設け、該熱交換器を介してバイナリ発電装置の作動流体から回収した熱を熱需要先に供給するようにしたことを特徴とする複合発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の複合発電システムにおいて、バイナリ発電装置にタービンの出口圧力を調整する制御手段を備え、熱交換器を介して熱需要先に給熱する熱需要が少ない場合には、タービンの出口圧力を低く設定してバイナリ発電装置の発電出力を高め、熱需要が多い場合にはタービンの出口圧力を高く設定して発電出力を低めるように運転制御することを特徴とする複合発電システム。
【請求項３】
請求項２に記載の複合発電システムにおいて、バイナリ発電装置のタービンに出口圧力が異なる二つの作動流体出口を設け、かつこの作動流体出口に流量調整弁を接続してタービンの出口圧力制御手段を構成したことを特徴とする複合発電システム。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか１項に記載の複合発電システムにおいて、バイナリ発電装置は、３流体熱交換器として構成されて作動流体を予熱する予熱器と、予熱器で予熱された作動流体を蒸発させる蒸発器とを有し、リン酸形燃料電池発電装置の燃料改質器バーナーを通過した燃焼排ガス，および燃料電池スタックの空気極を通過した空気極排ガスを、作動流体に対向送流して熱交換するようにバイナリ発電装置の予熱器に通流させて作動流体を予熱し、リン酸形燃料電池発電装置の燃料電池スタックの水冷冷却板を通過した冷却水をバイナリ発電装置の蒸発器に通流させて作動流体を蒸発させる、ことを特徴とする複合発電システム。
【請求項５】
請求項１ないし３の何れか１項に記載の複合発電システムにおいて、バイナリ発電装置は、作動流体を予熱する並列接続された第１、第２の予熱器と、第１、第２の予熱器で予熱された作動流体を蒸発させる蒸発器とを有し、リン酸形燃料電池発電装置の燃料改質器バーナーを通過した燃焼排ガスを第１の予熱器に、また、燃料電池スタックの空気極を通過した空気極排ガスを第２の予熱器に、それぞれ作動流体に対向送流して熱交換するように通流させて作動流体を予熱し、リン酸形燃料電池発電装置の燃料電池スタックの水冷冷却板を通過した冷却水をバイナリ発電装置の蒸発器に通流させて作動流体を蒸発させる、ことを特徴とする複合発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、リン酸形燃料電池発電装置とペンタン，イソペンタン，ヘキサン，アンモニア等の低沸点媒体を作動流体とするバイナリ発電装置とを組み合わせ、燃料電池発電装置の排熱をバイナリ発電装置に投入してタービンを駆動する複合発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
頭記のリン酸形燃料電池は、オンサイト型コージェネレーションシステムとしての実用化が進められている。
【０００３】
周知のように、リン酸形燃料電池は、都市ガス，ＬＰガスなどの原燃料を改質装置により水素リッチな燃料ガスに改質した上で、この燃料ガスと空気を燃料電池本体の燃料極，空気極にそれぞれ供給することで発電を行うものである。このリン酸形燃料電池の運転温度は２００℃前後であり、燃料電池発電装置の排熱回収により熱出力として９０℃前後の温水（以下、「高温水」と称する）と、５０℃程度の温水（以下、「低温水」と称する）が得られることから、燃料電池発電装置の排熱回収で得た「高温水」を暖房，給湯、および吸収式冷凍機を用いた冷房などに利用し、また「低温水」は給湯用に利用するコージェネレーションシステムが既に実用化されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、暖房、冷房用として利用する熱需要には季節によって大幅な変動がある。また、需要家によっては必要な熱需要量が小さく、燃料電池発電装置からの熱供給量が常に熱需要を上回って過剰になる場合がある。こうした熱需要と熱供給のアンバランスは燃料電池発電装置のエネルギー利用効率を低下させ、コージェネレーションシステムとしての経済性を損なうことにつながる。
【０００５】
一方、電気は熱と比べて利用性の高いエネルギーであることから、燃料電池発電装置の排熱を利用して発電を行えば、燃料電池発電装置のエネルギー効率，経済性はさらに向上する。かかる点、炭化水素やアンモニアなどの低沸点媒体を作動流体とするバイナリ発電は低温熱源を用いて蒸気化させた作動流体でタービンを駆動して発電が行えることから、これまでにも燃料電池の排熱を熱源としてバイナリ発電を行う複合発電技術が提案されている（例えば、特許文献１，特許文献２参照）。
【０００６】
次に、現在実用化されているリン酸形燃料電池のコージェネレーションシステムのフローシートを図４に示す。図４において、１はリン酸形燃料電池発電装置、２は燃料改質器、２ａはバーナー、３は燃料電池スタック、３ａ，３ｂ，３ｃはそれぞれ燃料極，空気極，水冷式の冷却板である。なお、燃料改質器２，燃料電池スタックの構造，機能に付いては周知であり、ここでは詳細な説明は省略する。
【０００７】
また、前記燃料電池発電装置１の排熱を回収して熱利用するために、図示のコージェネレーションシステムでは、前記冷却板３ｃの冷却水循環回路に熱交換器４を設け、冷却板３ｃを通過した高温の冷却排水Ａとの熱交換により昇温した水を熱交換器４の二次側管路４ａより熱需要先（熱利用設備）に供給し、暖房，給湯、あるいは吸収式冷凍機を用いた冷房などに利用するようにしている。
【０００８】
また、燃料電池スタック３の空気極を通過した空気極排ガスＢ、および燃料改質器２のバーナー２ａの燃焼排ガスＣは水回収器（気液分離器）５に導いて気液分離した上で排ガスは系外に排出し、ここで回収した水は流量調整弁７を介して前記燃料電池スタック冷却板３ｃの冷却水循環回路に介挿した熱交換器８，および熱回収用の熱交換器９に送流し、熱交換器９で熱交換した低温水を二次側管路９ａより熱需要先に給湯して熱利用するようにしている。なお、図中で６は水回収器５に付設した放熱器、１０は燃料改質器２のバーナー２ａに付設して燃焼空気，バーナー燃料を予熱する熱交換器である。
【０００９】
上記の燃料電池・コージェネレーションシステムでは、リン酸形燃料電池発電装置１の発電出力を１００ｋＷとして、燃料電池スタック３の冷却板３ｃを通過した冷却排水Ａは、熱交換器４，８，９を通じて熱交換器４，９の二次側にそれぞれ４０ｋＷ，９０ｋＷの熱量を受け渡し、この熱交換器で熱回収した「高温水」，「低温水」を熱需要先に供給して利用する。また、空気極排ガスＢおよび燃焼排ガスＣは水回収器５で水分を除去した後、放熱器６を通じて排熱８２ｋＷが系外（大気側）に放出される。なお、熱需要が減少して熱交換器４，９からの熱回収量が殆どゼロの運転状態では、冷却排水Ａの保有熱量９０ｋＷを排熱処理するために、放熱器６を通じて系外に放出する放熱量は最大で１７２ｋＷ（８２ｋＷ＋９０ｋＷ）となる。
【非特許文献１】製品カタログ“燃料電池発電システム”、［online］、２００４年３月、富士電機システムズ株式会社、［平成２０年６月１３日検索］、インターネット＜ＵＲＬ： HYPERLINK "http://www.fesys.co.jp/sougou/seihin/p27/pdf/K106b.pdf" www.fesys.co.jp/sougou/seihin/p27/pdf/K106b.pdf＞
【特許文献１】実開平５-１２６０３号公報（図２）
【特許文献２】特開２００５-１３３７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前記の特許文献１，特許文献２では燃料電池の排熱を利用してバイナリ発電を行う複合発電システムの基本構成について開示されているものの、システムの排熱を回収して給湯などに利用するコージェネレーションについての開示はなく、燃料電池発電装置の排熱を熱源として発電を行うバイナリ発電装置で電力に変換されなかった熱エネルギーは、全てバイナリ発電装置の凝縮器より系外に放出するようにしている。
【００１１】
一方、図４で述べた燃料電池発電装置のコージェネレーションシステムに特許文献１，２に開示されているバイナリ発電装置を組み合わせて複合発電システム構成し、燃料電池発電装置の排熱の一部を回収して熱需要先で消費しつつ、排熱の残りをバイナリ発電装置に供給して発電を行う場合、バイナリ発電装置の発電出力は少なくなり、しかもバイナリ発電装置で電力に変換されなかった熱エネルギーはそのまま凝縮器より系外に放出されるので熱エネルギーの利用効率が低下してしまい、このままでは複合発電システムのメリットが充分に活かされない。
【００１２】
かかる点、燃料電池発電装置の排熱を全てバイナリ発電装置に供給して発電するようにし、かつバイナリ発電装置で電力に変換されなかった熱エネルギーは系外に捨てずに、例えば凝縮器などから回収して熱需要先に供給するようにコージェネレーションシステムを組めば、複合発電システムの総合的な熱エネルギー利用効率がさらに向上することは容易に推測される。
【００１３】
しかしながら、リン酸形燃料電池発電装置を特定してその排熱をバイナリ発電装置に供給して発電するには、燃料電池からの排熱の供給処理面で次記のような配慮が必要となる。すなわち、リン酸形燃料電池発電装置からの排熱には、燃料電池スタックを運転温度に冷却する冷却排水，空気極での電極反応に伴う空気極からの排ガス、および燃料改質器バーナーからの燃焼排ガスがあり、しかも冷却排水，空気極排ガス，燃焼排ガスはそれぞれ温度や熱量が異なる。
【００１４】
この点について、具体的な数値を基に補足説明すると、リン酸形燃料電池の排熱で最も熱量が大きいのは電池冷却水である。燃料電池スタックの冷却板を通過した冷却水は温度が約１５０℃であり、かつこの冷却排水は他の排ガスと比べて熱容量が大きいことから、バイナリ発電装置の作動流体（低沸点媒質）を蒸発させる蒸発器の熱源に向いている。なお、発電出力が１００ｋＷのリン酸形燃料電池を供試モデルとすると、燃料電池スタックを冷却した冷却排水の保有熱量は約９０ｋＷであり、この熱量（９０ｋＷ）を熱源としてバイナリ発電装置の蒸発器の熱源として作動流体（イソペンタン）を蒸気に変えてタービンに送り込むには、蒸発器の前段に設けた予熱器で作動流体を予熱するのに約５０ｋＷの熱量が必要で、この作動流体の予熱に必要な熱量はリン酸形燃料電池発電装置の空気極排ガスないし燃料改質器バーナーの燃焼排ガスより得ることになる。
【００１５】
この場合に、燃料改質器バーナーの燃焼排ガス温度は約２００℃の高温であるが気体であることから熱容量が小さく、またこの燃焼排ガスを２００℃から１００℃まで温度変化した場合の熱量変化は２３ｋＷ程度である。したがって、この燃焼排ガス単独では作動流体の予熱に必要な熱量が足らない。なお、排ガスの温度変化を大きくすれば予熱器に与える熱量を増やすことも可能であるが，気体の熱伝達率は液体より低いために予熱器の伝熱面積を大きくしなければならず、予熱器が大型化して設備コストが増加してしまう。
【００１６】
また、リン酸形燃料電池の空気極を通過した空気極排ガスは、窒素と水蒸気に未反応の酸素が含まれる１５０℃程度の混合ガスであり、この排ガスを温度１００℃まで温度を下げた場合の熱量変化は２３ｋＷ程度であることから、前記した改質器のバーナー燃焼排ガスと同様に、空気極排ガスも単独では作動流体の予熱に必要な熱量を確保できない。このような条件から、燃料電池発電装置にバイナリ発電装置を組み合わせてシステム全体の発電出力を高めるには、前記した燃料電池発電装置からの排熱（冷却排水，空気極排ガス，燃焼排ガスの保有熱）を適切に組み合わせて作動流体の蒸発器，予熱器に供給する必要がある。
【００１７】
一方、燃料電池発電装置の排熱を全てバイナリ発電装置に投入して発電し、バイナリ発電装置で電力に変換されなかった熱を例えば凝縮器から回収して熱需要先の給湯などに利用するようにすれば、バイナリ発電装置の発電量は増加するが、この発電の過程でタービンから出た作動流体の温度，熱量は低下することから、燃料電池発電装置単独のコージェネレーションシステム（非特許文献１参照）と比べて給湯，冷暖房などに利用できる熱量が少なくなる。そのほか、このままでは熱需要の増減にも充分に対応できず、特に熱利用設備の熱需要が減少した場合には系外に放出する放熱量が増加するために、システム全体での総合的な熱エネルギー利用効率が低下する問題がある。
【００１８】
この発明は上記の点に鑑みなされたものであり、リン酸形燃料電池発電装置にバイナリ発電装置を組み合わせた複合発電システムを対象に、その第１の目的は燃料電池発電装置よりバイナリ発電装置に投入した排熱の熱エネルギーを発電とコージェネレーションとして熱利用する熱需要とに効率よく振り分けてシステム全体の総合的な熱エネルギー利用効率の向上化が図れるようにし、また第２の目的はリン酸形燃料電池発電装置から排熱される燃料電池の冷却排水，空気極排ガス，および改質器バーナーの燃焼排ガスをバイナリ発電装置の蒸発器，予熱器に適切に振り分け供給して作動流体を効率よく予熱，蒸発できるようにした複合発電システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために、この発明によれば、リン酸形燃料電池発電装置とバイナリ発電装置とを組み合わせ、燃料電池発電装置の排熱をバイナリ発電装置に投入して発電する複合発電システムにおいて、
（１）前記バイナリ発電装置にはタービンの出口と後段の凝縮器との間に熱交換器を設け、該熱交換器を介してバイナリ発電装置の作動流体から回収した熱を熱需要先に供給するようにする（請求項１）。
（２）前項（１）の複合発電システムにおいて、バイナリ発電装置にタービンの出口圧力を調整する制御手段を備え、熱交換器を介して熱需要先に給熱する熱需要が少ない場合には、タービンの出口圧力を低く設定してバイナリ発電装置の発電出力を高め、熱需要が多い場合には、タービンの出口圧力を高く設定して発電出力を低めるように運転制御する（請求項２）。
（３）前項（２）の複合発電システムにおいて、バイナリ発電装置のタービンに出口圧力が異なる二つの作動流体出口を設け、かつこの作動流体出口に流量調整弁を接続してタ-ビンの出口圧力制御手段を構成する（請求項３）。
（４）前記（１）〜（３）の複合発電システムにおいて、バイナリ発電装置は、３流体熱交換器として構成されて作動流体を予熱する予熱器と、予熱器で予熱された作動流体を蒸発させる蒸発器とを有し、リン酸形燃料電池発電装置の燃料改質器バーナーを通過した燃焼排ガス，および燃料電池スタックの空気極を通過した空気極排ガスを、作動流体に対向送流して熱交換するようにバイナリ発電装置の予熱器に通流させて作動流体を予熱し、リン酸形燃料電池発電装置の燃料電池スタックの水冷冷却板を通過した冷却水をバイナリ発電装置の蒸発器に通流させて作動流体を蒸発させるようにする（請求項４）。
（５）前記（１）〜（３）の複合発電システムにおいて、バイナリ発電装置は、作動流体を予熱する並列接続された第１、第２の予熱器と、第１、第２の予熱器で予熱された作動流体を蒸発させる蒸発器とを有し、リン酸形燃料電池発電装置の燃料改質器バーナーを通過した燃焼排ガスを第１の予熱器に、また、燃料電池スタックの空気極を通過した空気極排ガスを第２の予熱器に、それぞれ作動流体に対向送流して熱交換するように通流させて作動流体を予熱し、リン酸形燃料電池発電装置の燃料電池スタックの水冷冷却板を通過した冷却水をバイナリ発電装置の蒸発器に通流させて作動流体を蒸発させるようにする（請求項５）。
【発明の効果】
【００２０】
上記構成になる複合発電システムでは、次記の効果を奏することができる。
（１）バイナリ発電装置にはタービンの出口と後段の凝縮器との間に熱交換器を設け、該熱交換器を介してバイナリ発電装置の作動流体から回収した熱を熱需要先に供給して熱利用することにより、発電システム全体での総合的な熱エネルギー利用効率を高めることができる。
（２）また、バイナリ発電装置には、タービンの出口圧力を調整する制御手段を設けて作動流体の凝縮量を熱回収用の熱交換器と凝縮器との間で制御できるようにし、ここで前記熱交換器より熱回収して給湯などに利用する熱需要が少ない場合には、タービンの出口圧力を低く設定することでタービンの入口／出口の圧力差を増加させてバイナリ発電装置より高い発電出力が得られる。また、前記熱交換器より回収して給湯などに利用する熱需要が増加した場合にはタービンの出口圧力を高く設定することにより、バイナリ発電装置の発電出力は減少するが、タービンから出た圧力の高い作動流体は熱回収用の熱交換器で凝縮するため、この熱交換器からの熱回収量が増加し総合的な熱エネルギー利用効率が向上する。
（３）一方、リン酸形燃料電池発電装置からバイナリ発電装置に投入する排熱については、燃料改質器バーナーを通過した燃焼排ガス，および電池スタックの空気極を通過した空気極排ガスをバイナリ発電装置の予熱器に通流して作動流体を予熱し、燃料電池スタックの水冷冷却板を通過した冷却水をバイナリ発電装置の蒸発器に通流して作動流体を蒸発させるようにし、ここで作動流体の予熱器を、燃焼排ガスと空気極排ガスを作動流体に対向送流して熱交換する３流体熱交換器で構成することにより、各排ガスの保有熱を合わせて作動流体の予熱に必要な熱量を効率よく供給することができる。
（４）また、バイナリ発電装置の予熱器を、並列接続された２つの予熱器にて構成し、リン酸形燃料電池発電装置の燃料改質器バーナーを通過した燃焼排ガス，および電池スタックの空気極を通過した空気極排ガスを異なる予熱器に通流して作動流体を予熱することにより、燃焼排ガスと空気極排ガスの温度が異なる場合でも、各排ガスの保有熱を合わせて作動流体の予熱に必要な熱量を効率よく供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、この発明による複合発電システムの実施の形態を図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。なお、図１はリン酸形燃料電池発電装置と組み合わせた第１実施例のバイナリ発電装置のフローシート、図２はバイナリ発電装置と組み合わせたリン酸形燃料電池発電装置のフローシート、図３は図１に対応する第２実施例のバイナリ発電装置のフローシートであり、各図には図４と対応する部材に同じ符号を付している。
【実施例１】
【００２２】
図１，図２により第１の実施例のシステム構成を説明する。なお、以下に述べる説明文中に表した数値は、発電出力１００ｋＷのリン酸形燃料電池発電装置とこの燃料電池発電装置の排熱を熱源とするバイナリ発電装置を組み合わせた複合発電システムを供試モデルとして試算した排熱，作動流体の熱量，温度，圧力の数値を表している。
【００２３】
まず、図１に示すバイナリ発電装置１１は、低沸点媒質のイソペンタンを作動流体として、作動流体をタービン１２，蒸発器１４，予熱器１５，作動流体の昇圧用ポンプ１６，凝縮器１７，熱回収用の熱交換器１８，熱回収器２０に循環送流してタービンサイクル（ランキンサイクル）を構成している。なお、１３は発電機、１６ａはポンプ１６の駆動モータ、１９は後記するタービン出口圧力制御手段に用いる流量調整弁である。
【００２４】
このバイナリ発電装置１１では、上記のタービンサイクルを循環する作動流体の流量は０．３２ｋｇ／ｓｅｃであり、ポンプ１６で１１００ｋＰａに昇圧された後、予熱器１５を経由して蒸発器１４に送られ、蒸発器１４で蒸発した作動流体の蒸気がタービン１２を駆動して発電機１３より発電出力を得る。また、タービン１２から出た作動流体の蒸気は、熱回収器２０で予熱器１５に向かう作動流体と熱交換して熱エネルギーの一部を回収した後に、熱交換器１８，凝縮器１７を通流して凝縮，液化して再びポンプ１６に戻る。また、前記の熱交換器１８では二次管路１８ａに外部から給水し、作動流体との熱交換により昇温した温水を熱需要先に給湯して熱利用する。
【００２５】
ここで、前記の蒸発器１４にはリン酸形燃料電池発電装置１の燃料電池スタック３で水冷冷却板を通過した高温の冷却排水Ａを供給して予熱器１５を通過した作動流体を蒸発させる。また、予熱器１５には、リン酸形燃料電池発電装置１から排熱する空気極排ガスＢ，および燃料改質器２のバーナー燃焼排ガスＣを通流して作動流体を予熱するようにし、この実施例では予熱器１５に次記構成になるプレート積層型の３流体熱交換器を採用している。
【００２６】
すなわち、予熱器１５はシェル（外殻ケース）の中に２枚の薄鋼板を接合した流路板を積層して構成した熱交換ブロック１５ａ，１５ｂを内蔵し、それぞれに空気極排ガスＢ，燃焼排ガスＣを通流して作動流体と熱交換させる。これにより、作動流体は、空気極排ガスＢ，燃焼排ガスＣからそれぞれ２３ｋＷずつ合計４６ｋＷの熱量を受けて６７℃から１１５℃まで昇温する。
【００２７】
また、蒸発器１４では、作動流体が燃料電池スタック３の冷却板を通過した１５０℃の冷却排水Ａと熱交換し、ここで冷却排水Ａより９０ｋＷの熱量を受けた作動流体は１２５℃の蒸気となってタービン１２に送られる。
【００２８】
一方、タービン１２は小形容量のラジアルタービンであり、該タービン１２には最終段の排気口（出口圧力：１５０ｋＰａ）と、タービンの中圧段に抽気口１２ａ（出口圧力：２５０ｋＰａ）を備えた二つの出口を備えている。また、この二つのタービン出口の間には流量調整弁（三方弁）１９を接続しており、この構成でタービン１２の各出口を通過する作動流体の流量を変えてタービン１２の出口圧力を可変制御するようにしている。なお、流量調整弁１９はＯＮ／ＯＦＦの切換制御を行うもの，あるいは連続的に流量比率を調整するものでもよい。
【００２９】
次に前記構成のバイナリ発電装置１１に組み合わせて複合発電システムを構成するリン酸形燃料電池１のフローシートを図２に示す。このリン酸形燃料電池発電装置１は図４で述べた構成と基本的に同じであり、燃料電池スタック３の冷却板３ｃを通過した高温の冷却排水Ａを図１に示した蒸発器１４に循環送水して作動流体を蒸発させる。一方、空気極３ｂを通過した空気極排ガスＢ，および燃料改質器２のバーナー燃焼排ガスＣは図１における予熱器１５に供給して作動流体を予熱する。
【００３０】
また、バイナリ発電装置１１の予熱器１５を通過した水蒸気を含む空気極排ガスＢと燃焼排ガスＣは図４の燃料電池発電装置と同様に水回収器（気液分離器）５に送られ、ここで水との直接接触式熱交換により冷却されて水分を分離除去した後に、排気としてシステム系外（大気側）に放出される。
【００３１】
上記の構成で、流量調整弁１９がタービン１２の抽気口１２ａを閉じてタービン出口圧力を１５０ｋＰａに設定した場合には、発電機１３の発電出力が１０ｋＷである。一方、流量調整弁１９がタービン１２の抽気口１２ａを全開（排気口を全閉）してタービンの出口圧力を２５０ｋＰａに設定した場合には、タービン１２の入口／出口間の熱落差が減少して発電機１３の発電出力は７．３ｋＷとなる。これにより、リン酸形燃料電池の発電出力は１００ｋＷであるので、バイナリ発電装置１１の発電出力（１０ｋＷ，あるいは７．３ｋＷ）を加えた複合発電システムの発電出力は、リン酸形燃料電池発電装置の単独に比べて発電出力が７〜１０％増加することになる。
【００３２】
また、タービン１２を通過した作動流体の蒸気温度は約９５℃であり、その熱エネルギーの一部は熱回収器２０（図１参照）で予熱器１５に向かう作動流体との熱交換により消費された後に作動流体は後段の熱交換器１８に送られ、該熱交換器１８で回収した熱が熱需要先に給熱される。
【００３３】
ここで、熱需要の増加に合わせてタービン１２の出口圧力を２５０ｋＰａに設定した場合には、作動流体は熱交換器１８を通過する過程でその二次側管路１８ａを流れる水に放熱して蒸気の大半が凝縮する（蒸気は性質上、圧力が高くなると液化する凝縮温度が高くなる）。これにより、熱交換器１８では最大で約１００ｋＷの熱回収が可能となる。また、作動流体は熱交換器１８で凝縮することから、後段の凝縮器１７で系外に放熱処理される熱量は最小で約２９ｋＷに減少する。なお、この運転状態では、タービン１２の出口圧力を１５０ｋＰａから２５０ｋＰａに高めたことで、バイナリ発電装置１１の発電出力は、先記のように１０ｋＷから７．３ｋＷに低下する。
【００３４】
一方、熱需要が減少し、これに合わせて流量調整弁１９がタービン１２の抽気口１２ａを閉じてタービン出口圧力を１５０ｋＰａに設定すると、この場合には作動流体の凝縮処理が凝縮器６で行われるために系外に排出する放熱量は最大で１２６ｋＷとなるが、バイナリ発電装置１１の発電出力は７．３ｋＷから１０ｋＷに増加する。
【００３５】
以上述べたように、リン酸形燃料電池発電装置１からの排熱を熱源とするバイナリ発電装置１１に熱交換器１８を設け、該熱交換器１８を介して回収した熱を熱需要先で給湯などに利用するようにコージェネレーションシステムを組み、かつその熱需要の増減変動に合わせてタービン１２の出口圧力を調整することにより、複合発電システム全体で高い熱エネルギー利用効率を維持しつつ、発電出力を増加させることができる。
【実施例２】
【００３６】
次に、先記した実施例１とは異なる実施例として、バイナリ発電装置１１の予熱器を変更した第２実施例のバイナリ発電装置のフローシートを図３に示す。すなわち、先記の実施例１では予熱器１５を３流体熱交換器で構成しているが、この実施例では予熱器として２台のシェルアンドチューブ形の予熱器１５−１，１５−２を並列に接続し、予熱器１５−１には燃料電池スタック３の空気極排ガスＢを、他方の予熱器１５−２には燃料改質器２のバーナー燃焼排ガスＣを通流して作動流体を予熱するようにしており、その他の構成は図１と同様である。この実施例は、例えば空気極排ガスＢと燃焼排ガスＣのガス温度が異なる場合に適用され、予熱器１５−１，１５−２を通過した作動流体を合流して蒸発器１４に送り込む。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の燃料電池発電システムにおける第１実施例のバイナリ発電装置のフローシート
【図２】図１のバイナリ発電装置と組み合わせたリン酸形燃料電池発電装置のフローシート
【図３】図１に対応する第２実施例のバイナリ発電装置のフローシート
【図４】従来実施されている燃料電池・コージェネレーションシステムのフローシート
【符号の説明】
【００３８】
１    燃料電池発電装置
２    燃料改質器
２ａ  バーナー
３    燃料電池スタック
３ｂ  空気極
３ｃ  冷却板
５    水回収器
６    放熱器
１０    熱交換器
１１    バイナリ発電装置
１２    タービン
１２ａ  抽気口
１３    発電機
１４    蒸発器
１５，１５−１，１５−２  予熱器
１６    ポンプ
１７    凝縮器
１９    流量調整弁
Ａ    冷却排水
Ｂ    空気極排ガス
Ｃ    バーナー燃焼排ガス
【図１】
2010071091.tif 000003
【図２】
2010071091.tif 000004
【図３】
2010071091.tif 000005
【図４】
2010071091.tif 000006