(57)【要約】【課題】燃料電池の昇温時において、ガスタービンの燃焼を安定させつつ、燃料電池を昇温させる。【解決手段】圧縮機２１と燃焼器２２を有するガスタービン１１と、空気極及び燃料極を有し、空気極において触媒燃焼が可能なＳＯＦＣ１３と、ＳＯＦＣ１３の空気極側から排出される排空気Ａ３を、燃焼器２２に供給する排空気ライン３４及び排酸化性ガス供給ライン３６と、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａ２を、ＳＯＦＣ１３の空気極に供給する第２圧縮空気供給ライン３１と、ＳＯＦＣ１３の空気極において触媒燃焼させるための燃料ガスＬ４を供給する触媒燃焼用燃料ガス供給ライン６１と、燃焼器２２に供給される排空気Ａ３に含まれる燃料ガスＬ４の未燃成分を燃焼させる燃焼触媒７１と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、
空気極及び燃料極を有し、前記空気極において触媒燃焼が可能な燃料電池と、
前記燃料電池の前記空気極側から排出される排酸化性ガスを、前記燃焼器に供給する排酸化性ガス供給ラインと、
前記圧縮機で圧縮された圧縮酸化性ガスを、前記燃料電池の前記空気極に供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、
前記燃料電池の前記空気極において触媒燃焼させるための燃料ガスを供給する触媒燃焼用燃料ガス供給ラインと、
前記燃焼器に供給される前記排酸化性ガスに含まれる前記燃料ガスの未燃成分を燃焼させる燃焼部と、を備えることを特徴とする発電システム。
【請求項２】
前記燃焼部は、前記排酸化性ガス供給ラインに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記燃焼部は、燃焼触媒であることを特徴とする請求項１または２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記燃焼触媒の触媒活性は、前記空気極の触媒活性よりも高いことを特徴とする請求項３に記載の発電システム。
【請求項５】
圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、
空気極及び燃料極を有し、前記空気極において触媒燃焼が可能な燃料電池と、
前記燃料電池の前記空気極側から排出される排酸化性ガスを、前記燃焼器に供給する排酸化性ガス供給ラインと、
前記圧縮機で圧縮された圧縮酸化性ガスを、前記燃料電池の前記空気極に供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、
前記燃料電池の前記空気極において触媒燃焼させるための燃料ガスを供給する触媒燃焼用燃料ガス供給ラインと、
前記排酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記燃焼器に供給される前記排酸化性ガスに含まれる前記燃料ガスの未燃成分を燃焼させる燃焼部と、を備える発電システムの運転方法であって、
前記圧縮酸化性ガス供給ラインから前記圧縮酸化性ガスを前記燃料電池に供給する初期昇温工程と、
前記触媒燃焼用燃料ガス供給ラインから前記燃料ガスを前記空気極へ供給する触媒燃焼用燃料ガス供給工程と、
前記空気極において前記燃料ガスを触媒燃焼させて、前記燃料電池を昇温させる燃料電池昇温工程と、
前記燃料電池の前記空気極側から排出される前記排酸化性ガスに含まれる前記燃料ガスの未燃成分を、前記燃焼部において燃焼させる未燃成分燃焼工程と、を含むことを特徴とする発電システムの運転方法。
【請求項６】
圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、
空気極及び燃料極を有し、前記空気極において触媒燃焼が可能な燃料電池と、
前記燃料電池の前記空気極側から排出される排酸化性ガスを、前記燃焼器に供給する排酸化性ガス供給ラインと、
前記圧縮機で圧縮された圧縮酸化性ガスを、前記燃料電池の前記空気極に供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、
前記燃料電池の前記空気極において触媒燃焼させるための燃料ガスを供給する触媒燃焼用燃料ガス供給ラインと、
前記圧縮酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記燃焼器に供給される前記排酸化性ガスに含まれる前記燃料ガスの未燃成分を燃焼させる燃焼部と、を備える発電システムの運転方法であって、
前記圧縮酸化性ガス供給ラインから前記圧縮酸化性ガスを前記燃料電池に供給する初期昇温工程と、
前記触媒燃焼用燃料ガス供給ラインから前記空気極へ供給される前記燃料ガスを、前記燃焼部において燃焼させることで、予め未燃成分となる前記燃料ガスを燃焼させる未燃成分燃焼工程と、
燃焼させた前記燃料ガスを前記空気極へ供給する触媒燃焼用燃料ガス供給工程と、
前記空気極において前記燃料ガスを触媒燃焼させて、前記燃料電池を昇温させる燃料電池昇温工程と、を含むことを特徴とする発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも燃料電池とガスタービンとを組み合わせた発電システム及び発電システムの運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池としての固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下ＳＯＦＣ）は、用途の広い高効率な燃料電池として知られている。このＳＯＦＣは、イオン導電率を高めるために作動温度が高くされているので、ガスタービンの圧縮機から吐出された空気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用することができる。また、ＳＯＦＣは、利用できなかった高温の燃料及び排熱をガスタービンの燃焼器において燃料及び酸化性ガスとして使用することができる。また、ＳＯＦＣのほかに作動温度が高い燃料電池として溶融炭酸塩形燃料電池が知られており、ＳＯＦＣと同様にガスタービンとの連携による排熱利用が検討されている。
【０００３】
このため、例えば、下記特許文献１に記載されるように、高効率発電を達成することができる発電システムとして、ＳＯＦＣとガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたものが各種提案されている。この特許文献１に記載されたコンバインドシステムは、ＳＯＦＣと、このＳＯＦＣから排出された排燃料ガスと排出空気とを燃焼するガスタービン燃焼器と、空気を圧縮してＳＯＦＣに供給する圧縮機を有するガスタービンとを設けたものである。
【０００４】
一方で、例えば、下記特許文献２に記載されるように、燃料電池の起動時に、燃料電池の空気極に、炭化水素ガス及び酸素を供給する燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、燃料電池の起動時に、炭化水素ガス等の燃料ガスを空気極において触媒燃焼させることにより、燃料電池を昇温している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２０５９３０号公報
【特許文献２】特開２０１１−２９０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１のコンバインドシステムに、特許文献２の燃料電池システムを適用する場合、空気極において触媒燃焼させた排出空気は、ガスタービン燃焼器に流入することになる。この場合、ＳＯＦＣの起動時は、空気極の温度が低いことから、空気極の触媒活性が低く、触媒燃焼により投入された燃料ガスを完全燃焼させることが難しい。このため、ＳＯＦＣから排出される排出空気には、燃料ガスの未燃成分が含まれる。そして、燃料ガスの未燃成分が含まれる排出空気が、ガスタービン燃焼器に流入することから、ガスタービン燃焼器の燃焼が好適な燃焼条件から外れることとなり、ガスタービンの出力制御に影響を及ぼす可能性がある。
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するものであり、燃料電池の昇温時において、ガスタービンの燃焼を安定させつつ、燃料電池を昇温させることができる発電システム及び発電システムの運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するための本発明の発電システムは、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、空気極及び燃料極を有し、前記空気極において触媒燃焼が可能な燃料電池と、前記燃料電池の前記空気極側から排出される排酸化性ガスを、前記燃焼器に供給する排酸化性ガス供給ラインと、前記圧縮機で圧縮された圧縮酸化性ガスを、前記燃料電池の前記空気極に供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、前記燃料電池の前記空気極において触媒燃焼させるための燃料ガスを供給する触媒燃焼用燃料ガス供給ラインと、前記燃焼器に供給される前記排酸化性ガスに含まれる前記燃料ガスの未燃成分を燃焼させる燃焼部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
従って、燃料電池の昇温時、圧縮酸化性ガス供給ラインによって、圧縮機で圧縮した圧縮酸化性ガスを空気極に供給することができる。また、触媒燃焼用燃料ガス供給ラインによって、空気極において触媒燃焼させるための燃料ガスを、空気極に供給することができる。このため、燃料ガスが空気極において、触媒作用により酸化反応や燃焼反応が促進されて触媒燃焼することで、燃料電池を昇温することができる。そして、燃料電池の空気極側から排出される排酸化性ガスに含まれる燃料ガスの未燃成分は、燃焼部によって燃焼させることができる。よって、燃焼部により燃料ガスの未燃成分が燃焼した排酸化性ガスを、燃焼器に流入させることができるため、ガスタービンの燃焼器における燃焼を、安定的なものにすることができる。これにより、ガスタービンの燃焼器における燃焼を好適な燃焼条件とすることで、ＮＯｘの発生を低減したり、燃焼による燃焼器への局所的な負荷を低減したり、ガスタービンの出力制御への影響を抑制することができる。ここで、触媒燃焼とは、酸化反応や燃焼反応を含めた総称として燃焼と記載する。また、ガスタービンの出力制御への影響としては、未燃成分が燃焼器内で燃焼および失火することによる燃焼器における温度変動又は圧力変動等の外乱が想定される。
【００１０】
本発明の発電システムでは、前記燃焼部は、前記排酸化性ガス供給ラインに設けられていることを特徴とする。
【００１１】
従って、燃焼部は、燃料電池の空気極側から排出された排酸化性ガスに含まれる燃料ガスの未燃成分を燃焼させることができる。
【００１２】
本発明の発電システムでは、前記燃焼部は、燃焼触媒であることを特徴とする。
【００１３】
従って、燃焼部を燃焼触媒とすることで、燃焼部に流入する排酸化性ガスに含まれる燃料ガスの未燃成分の濃度が、燃焼限界となる濃度より薄い場合であっても、好適に燃焼させることができる。また、排酸化性ガス中の燃料ガスの未燃成分の燃焼によるので、排酸化性ガスの温度は、著しく高温化することがなく、排酸化性ガスの温度を好適に制御することができる。
【００１４】
本発明の発電システムでは、前記燃焼触媒の触媒活性は、前記空気極の触媒活性よりも高いことを特徴とする。
【００１５】
従って、空気極の低温での触媒活性が十分でなく、空気極における燃料ガスの触媒燃焼が不十分であったとしても、燃焼触媒は、燃焼反応や酸化反応が促進される低温での触媒活性が、空気極の触媒活性よりも高いため、排酸化性ガスに含まれる燃料ガスの未燃成分を好適に燃焼させることができる。
【００１６】
また、本発明の発電システムの運転方法は、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、空気極及び燃料極を有し、前記空気極において触媒燃焼が可能な燃料電池と、前記燃料電池の前記空気極側から排出される排酸化性ガスを、前記燃焼器に供給する排酸化性ガス供給ラインと、前記圧縮機で圧縮された圧縮酸化性ガスを、前記燃料電池の前記空気極に供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、前記燃料電池の前記空気極において触媒燃焼させるための燃料ガスを供給する触媒燃焼用燃料ガス供給ラインと、前記排酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記燃焼器に供給される前記排酸化性ガスに含まれる前記燃料ガスの未燃成分を燃焼させる燃焼部と、を備える発電システムの運転方法であって、前記圧縮酸化性ガス供給ラインから前記圧縮酸化性ガスを前記燃料電池に供給する初期昇温工程と、前記触媒燃焼用燃料ガス供給ラインから前記燃料ガスを前記空気極へ供給する触媒燃焼用燃料ガス供給工程と、前記空気極において前記燃料ガスを触媒燃焼させて、前記燃料電池を昇温させる燃料電池昇温工程と、前記燃料電池の前記空気極側から排出される前記排酸化性ガスに含まれる前記燃料ガスの未燃成分を、前記燃焼部において燃焼させる未燃成分燃焼工程と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
従って、初期昇温工程において、圧縮酸化性ガスを空気極へ供給し、触媒燃焼用燃料ガス供給工程において、燃料ガスを空気極へ供給し、燃料電池昇温工程において、燃料電池を昇温させ、未燃成分燃焼工程において、燃料電池の空気極側から排出される排酸化性ガスに含まれる燃料ガスの未燃成分を燃焼させることができる。このため、未燃成分が燃焼した排酸化性ガスを、燃焼器に流入させることができるため、ガスタービンの燃焼器における燃焼を、安定的なものにすることができる。これにより、ガスタービンの燃焼器における燃焼を好適な燃焼条件とすることで、ＮＯｘの発生を低減したり、燃焼による燃焼器への局所的な負荷を低減したり、ガスタービンの出力制御への影響を抑制することができる。
【００１８】
また、本発明の他の発電システムの運転方法は、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、空気極及び燃料極を有し、前記空気極において触媒燃焼が可能な燃料電池と、前記燃料電池の前記空気極側から排出される排酸化性ガスを、前記燃焼器に供給する排酸化性ガス供給ラインと、前記圧縮機で圧縮された圧縮酸化性ガスを、前記燃料電池の前記空気極に供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、前記燃料電池の前記空気極において触媒燃焼させるための燃料ガスを供給する触媒燃焼用燃料ガス供給ラインと、前記圧縮酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記燃焼器に供給される前記排酸化性ガスに含まれる前記燃料ガスの未燃成分を燃焼させる燃焼部と、を備える発電システムの運転方法であって、前記圧縮酸化性ガス供給ラインから前記圧縮酸化性ガスを前記燃料電池に供給する初期昇温工程と、前記触媒燃焼用燃料ガス供給ラインから前記空気極へ供給される前記燃料ガスを、前記燃焼部において燃焼させることで、予め未燃成分となる前記燃料ガスを燃焼させる未燃成分燃焼工程と、燃焼させた前記燃料ガスを前記空気極へ供給する触媒燃焼用燃料ガス供給工程と、前記空気極において前記燃料ガスを触媒燃焼させて、前記燃料電池を昇温させる燃料電池昇温工程と、を含むことを特徴とする。
【００１９】
従って、初期昇温工程において、圧縮酸化性ガスを空気極へ供給し、未燃成分燃焼工程において、燃料電池の空気極において発生する未燃成分となる燃料ガスを予め燃焼させ、触媒燃焼用燃料ガス供給工程において、燃料ガスを空気極へ供給し、燃料電池昇温工程において、燃料電池を昇温させることができる。このため、燃料ガスの未燃成分が低減された排酸化性ガスを、燃焼器に流入させることができるため、ガスタービンの燃焼器における燃焼を、安定的なものにすることができる。これにより、ガスタービンの燃焼器における燃焼を好適な燃焼条件とすることで、ＮＯｘの発生を低減したり、燃焼による燃焼器への局所的な負荷を低減したり、ガスタービンの出力制御への影響を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の発電システム及び発電システムの運転方法によれば、ガスタービンの燃焼器に流入する排酸化性ガスに含まれる燃料ガスの未燃成分を燃焼させることができる。このため、未燃成分が低減された排酸化性ガスを、燃焼器に流入させることができるため、ガスタービンの燃焼器における燃焼を、安定的なものにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、実施例１の発電システムを表す概略構成図である。
【図２】図２は、ＳＯＦＣのセルスタックを表す概略構成図である。
【図３】図３は、実施例２の発電システムを表す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る発電システム及び発電システムの運転方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
【実施例１】
【００２３】
実施例１の発電システムは、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと称する。）とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたトリプルコンバインドサイクル（Triple Combined Cycle：登録商標）である。このトリプルコンバインドサイクルは、ガスタービンコンバインドサイクル発電（ＧＴＣＣ）の上流側にＳＯＦＣを設置することにより、ＳＯＦＣ、ガスタービン、蒸気タービンの３段階で電気を取り出すことができるため、極めて高い発電効率を実現することができる。なお、以下の説明では、本発明の燃料電池として固体酸化物形燃料電池を適用して説明するが、この形式の燃料電池に限定されるものではない。
【００２４】
図１は、実施例１の発電システムを表す概略構成図である。実施例１において、図１に示すように、発電システム１０は、ガスタービン１１及び発電機１２と、ＳＯＦＣ１３と、蒸気タービン１４及び発電機１５とを有している。この発電システム１０は、ガスタービン１１による発電と、ＳＯＦＣ１３による発電と、蒸気タービン１４による発電とを組み合わせることで、高い発電効率を得るように構成したものである。
【００２５】
ガスタービン１１は、圧縮機２１、燃焼器２２、タービン２３を有しており、圧縮機２１とタービン２３は、回転軸２４により一体回転可能に連結されている。圧縮機２１は、空気取り込みライン２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。燃焼器２２は、圧縮機２１から第１圧縮空気供給ライン２６を通して供給された圧縮空気Ａ１と、第１燃料ガス供給ライン２７から供給された燃料ガスＬ１とを混合して燃焼する。タービン２３は、燃焼器２２から排ガス供給ライン２８を通して供給された排ガス（燃焼ガス）Ｇにより回転する。なお、図示しないが、タービン２３は、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａ１が車室を通して供給され、この圧縮空気Ａ１を冷却空気として翼などを冷却する。発電機１２は、タービン２３と同軸上に設けられており、タービン２３が回転することで発電することができる。なお、ここで、燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１及び後述する燃料ガスＬ２、燃料ガスＬ４の各燃料ガスは、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素ガス、石炭など炭素質原料のガス化設備により製造したガスを用いることが可能である。
【００２６】
ＳＯＦＣ１３は、還元剤としての高温の燃料ガスと、酸化剤としての高温の空気（酸化性ガス）とが供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行うものである。このＳＯＦＣ１３は、圧力容器内に空気極と固体電解質と燃料極が収容されて構成される。空気極に圧縮機２１で圧縮された一部の圧縮空気Ａ２が供給され、燃料極に燃料ガスＬ２が供給されることで発電を行う。また、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスは、酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である（以下、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスを空気という）。
【００２７】
このＳＯＦＣ１３は、第１圧縮空気供給ライン２６から分岐した第２圧縮空気供給ライン（圧縮酸化性ガス供給ライン）３１が連結され、圧縮機２１が圧縮した一部の圧縮空気（圧縮酸化性ガス）Ａ２を空気極の導入部に供給することができる。この第２圧縮空気供給ライン３１は、供給する空気量を調整可能な制御弁３２と、圧縮空気Ａ２を昇圧可能なブロワ（昇圧機）３３とが空気の流れ方向に沿って設けられている。制御弁３２は、第２圧縮空気供給ライン３１における空気の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ３３は、制御弁３２の下流側に設けられている。なお、制御弁３２とブロワ３３の配置は、図１の配置に限定されることはなく、ブロワや制御弁の形式によって、順序を逆にして配置してもよい。ＳＯＦＣ１３は、空気極で用いられた排空気（排酸化性ガス）Ａ３を排出する排空気ライン３４が連結されている。この排空気ライン３４は、空気極で用いられた排空気Ａ３を外部に排出する排出ライン３５と、燃焼器２２に連結される排酸化性ガス供給ライン３６とに分岐される。つまり、排空気ライン３４と排酸化性ガス供給ライン３６とは、ＳＯＦＣ１３の空気極で用いられた排空気Ａ３を、燃焼器２２に供給する排酸化性ガス供給ラインとして機能する。換言すれば、排酸化性ガス供給ライン３６は、排空気Ａ３の流れ方向の上流側の一部が、排空気ライン３４となっている。排出ライン３５は、排出する空気量を調整可能な制御弁３７が設けられ、排酸化性ガス供給ライン３６は、ＳＯＦＣ１３及びガスタービン１１間の系統を切り離すための遮蔽弁３８が設けられている。
【００２８】
また、ＳＯＦＣ１３は、燃料ガスＬ２を燃料極の導入部に供給する第２燃料ガス供給ライン４１が設けられている。第２燃料ガス供給ライン４１は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４２が設けられている。ＳＯＦＣ１３は、燃料極で用いられた排燃料ガスＬ３を排出する排燃料ライン４３が連結されている。この排燃料ライン４３は、外部に排出する排出ライン４４と、燃焼器２２に連結される排燃料ガス供給ライン４５とに分岐される。排出ライン４４は、排出する燃料ガス量を調整可能な制御弁４６が設けられ、排燃料ガス供給ライン４５は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４７と、燃料を昇圧可能なブロワ４８が排燃料ガスＬ３の流れ方向に沿って設けられている。制御弁４７は、排燃料ガス供給ライン４５における排燃料ガスＬ３の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ４８は、制御弁４７の排燃料ガスＬ３の流れ方向の下流側に設けられている。なお、制御弁４７とブロワ４８の配置は、図１の配置に限定されることはなく、ブロワや制御弁の形式によって、順序を逆にして配置してもよい。
【００２９】
また、ＳＯＦＣ１３は、排燃料ライン４３と第２燃料ガス供給ライン４１とを連結する燃料ガス再循環ライン４９が設けられている。燃料ガス再循環ライン４９は、排燃料ライン４３の排燃料ガスＬ３を第２燃料ガス供給ライン４１に再循環する再循環ブロワ５０が設けられている。
【００３０】
蒸気タービン１４は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）５１で生成された蒸気Ｓによりタービン５２を回転するものである。この排熱回収ボイラ５１は、ガスタービン１１（タービン２３）からの排ガスライン５３が連結されており、空気と高温の排ガスＧとの間で熱交換を行うことで、蒸気Ｓを生成する。蒸気タービン１４（タービン５２）は、排熱回収ボイラ５１との間に、蒸気供給ライン５４と給水ライン５５とが設けられている。そして、給水ライン５５は、復水器５６と給水ポンプ５７とが設けられている。発電機１５は、タービン５２と同軸上に設けられており、タービン５２が回転することで発電することができる。なお、排熱回収ボイラ５１で熱が回収された排ガスＧは、大気へ放出される。なお、本実施例においては、排ガスＧをＨＲＳＧ５１の熱源として利用しているが、排ガスＧはＨＲＳＧ５１以外の各種機器の熱源として利用することも可能である。
【００３１】
ここで、本実施例の発電システム１０の作動について説明する。発電システム１０を起動する場合、ガスタービン１１が起動した後に、蒸気タービン１４及びＳＯＦＣ１３が起動する。
【００３２】
まず、ガスタービン１１にて、圧縮機２１が空気Ａを圧縮し、燃焼器２２が圧縮空気Ａ１と燃料ガスＬ１とを混合して燃焼し、タービン２３が排ガスＧにより回転することで、発電機１２が発電を開始する。次に、蒸気タービン１４にて、排熱回収ボイラ５１により生成された蒸気Ｓによりタービン５２が回転し、これにより発電機１５が発電を開始する。
【００３３】
ＳＯＦＣ１３では、まず、圧縮空気Ａ２を供給して昇圧を開始し、加熱を開始する。排出ライン３５の制御弁３７と排酸化性ガス供給ライン３６の遮蔽弁３８を閉止し、第２圧縮空気供給ライン３１のブロワ３３を停止した状態もしくはブロワ３３を運転した状態で、制御弁３２もしくは加圧専用の図示されていない制御弁を所定開度だけ開放する。なお、ここで制御弁３２において昇圧速度を制御するための開度調整を行う。すると、圧縮機２１で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２が第２圧縮空気供給ライン３１からＳＯＦＣ１３側へ供給される。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、圧縮空気Ａ２が供給されることで圧力が上昇する。
【００３４】
一方、ＳＯＦＣ１３では、その燃料極側に、第２燃料ガス供給ライン４１から燃料ガスＬ２、図示されていない圧縮空気供給ライン３１の分岐から圧縮空気（酸化性ガス）Ａ２、窒素等の不活性ガスを供給して昇圧を開始する。排出ライン４４の制御弁４６と排燃料ガス供給ライン４５の制御弁４７を閉止し、ブロワ４８を停止した状態で、第２燃料ガス供給ライン４１の制御弁４２を開放すると共に、燃料ガス再循環ライン４９の再循環ブロワ５０を駆動する。なお、再循環ブロワ５０は、燃料極側の加圧前に起動していてもよい。すると、燃料ガスＬ２が第２燃料ガス供給ライン４１からＳＯＦＣ１３側へ供給されると共に、排燃料ガスＬ３が燃料ガス再循環ライン４９により再循環する。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、燃料ガスＬ２、圧縮空気Ａ２、不活性ガス等が供給されることで圧力が上昇する。
【００３５】
そして、ＳＯＦＣ１３の空気極側の圧力が圧縮機２１の出口圧力になると、制御弁３２にてＳＯＦＣ１３への供給空気流量を制御すると共に、ブロワ３３が起動していなければ、ブロワ３３を駆動する。それと同時に遮蔽弁３８を開放してＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３を排酸化性ガス供給ライン３６から燃焼器２２に供給する。このとき、制御弁３７も開放してＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３の一部を排出ライン３５から排出してもよい。すると、圧縮空気Ａ２がブロワ３３によりＳＯＦＣ１３側へ供給される。それと同時に制御弁４６を開放してＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３を排出ライン４４から排出する。そして、ＳＯＦＣ１３における空気極側の圧力と燃料極側の圧力とが目標圧力に到達すると、ＳＯＦＣ１３の昇圧が完了する。
【００３６】
その後、ＳＯＦＣ１３の圧力制御が安定したら、制御弁３７が開となっている場合は閉止する一方、遮蔽弁３８の開放を維持する。このため、ＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３が排酸化性ガス供給ライン３６から燃焼器２２に供給され続ける。また、排燃料ガスＬ３の成分が燃焼器２２へ投入可能な成分となったら、制御弁４６を閉止する一方、制御弁４７を開放してブロワ４８を駆動する。すると、ＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３が排燃料ガス供給ライン４５から燃焼器２２に供給される。このとき、第１燃料ガス供給ライン２７から燃焼器２２に供給される燃料ガスＬ１を減量する。
【００３７】
ここで、ガスタービン１１の駆動による発電機１２での発電、ＳＯＦＣ１３での発電、蒸気タービン１４の駆動による発電機１５での発電が全て行われることとなり、発電システム１０が定常運転となる。
【００３８】
続いて、図２を参照して、ＳＯＦＣ１３に設けられるセルスタックについて説明する。なお、以下の説明では、ＳＯＦＣ１３に適用されるセルスタックとして、円筒形のセルスタックを例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。ここで、図２は、ＳＯＦＣのセルスタックを表す概略構成図である。
【００３９】
図２に示すように、セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を有する。
【００４０】
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスＬ２を基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。
【００４１】
燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスＬ２に対して触媒作用を有する。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガスＬ２、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２−）とを固体電解質１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
【００４２】
固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを有するＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質１１１は、空気極１１３で生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極１０９に移動させるものである。
【００４３】
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成される。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される酸化性ガスとしての圧縮空気Ａ２中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）を生成するものである。また、この空気極１１３は、燃焼反応に寄与する機能（触媒作用による燃焼）を有している。つまり、詳細は後述するが、空気極１１３に燃料ガスＬ４が供給されると、燃料ガスＬ４は、空気極１１３において触媒燃焼することが可能となっている。以上から、空気極１１３は、発電機能を有する触媒であると共に、酸化反応を含む燃焼機能を有する触媒でもある。
【００４４】
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料ガスＬ２と圧縮空気Ａ２とが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出している。
【００４５】
ところで、上記の発電システム１０において、ＳＯＦＣ１３を起動させて昇温する場合、ＳＯＦＣ１３のセルスタック１０１は低温となっている。このため、発電システム１０では、ＳＯＦＣ１３の昇温時において、セルスタック１０１の温度を、発電が可能な発電活性温度に迅速に昇温させるべく、空気極１１３の燃焼触媒としての機能を活用している。
【００４６】
再び、図１を参照するが、実施例１の発電システム１０は、第２圧縮空気供給ライン３１に接続される触媒燃焼用燃料ガス供給ライン６１が設けられている。触媒燃焼用燃料ガス供給ライン６１は、圧縮空気Ａ２の流れ方向において、ブロワ３３の下流側に接続されている。触媒燃焼用燃料ガス供給ライン６１は、燃料ガスＬ４を、第２圧縮空気供給ライン３１を介して、ＳＯＦＣ１３の空気極１１３に供給している。触媒燃焼用燃料ガス供給ライン６１は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁６２が設けられている。このため、空気極１１３には、圧縮空気Ａ２と共に燃料ガスＬ４が供給される。
【００４７】
空気極１１３に燃料ガスＬ４が供給されると、空気極１１３は、触媒作用により、燃料ガスＬ４と、酸化性ガスとしての圧縮空気Ａ２とを酸化反応させることで、燃料ガスＬ４を燃焼させる。そして、燃料ガスＬ４を燃焼させることで発生した熱により、空気極１１３を含むセルスタック１０１の温度が上昇する。つまり、空気極１１３の触媒作用を利用してセルスタック１０１を直接加熱することができる。一方、円筒形状の燃料電池セル１０５は、その両端部分が支持されながらガスシール性を保有することが好ましく、燃料電池セル１０５の温度分布は、中央部分に対して、両端部分の温度が低くなることが好ましい。空気極１１３へ供給した参加性ガス中の燃料ガスＬ４が徐々に酸化反応していくので、燃料電池セル１０５の中央部分の温度が高くなるので好ましい状況に温度が上昇する利点がある。
【００４８】
また、発電システム１０は、排空気ライン３４に燃焼触媒７１が設けられている。燃焼触媒７１は、例えば、白金（Ｐｔ）系またはパラジウム（Ｐｄ）系の触媒であり、ガス流れへの圧力損失が少なく反応表面積が多いハニカム構造、ペレット構造または粒状構造等となっている。燃焼触媒７１は、ＳＯＦＣ１３の空気極１１３から排出される排空気Ａ３中に含まれる燃料ガスＬ４に起因する未燃成分を燃焼する燃焼部として機能している。燃焼触媒７１の低温での燃焼活性は、空気極１１３の低温での触媒活性よりも高くなっている。このため、ＳＯＦＣ１３を昇温させる過程において、燃焼触媒７１は、空気極１１３よりも低い温度でも、燃焼反応や酸化反応が促進されることから、燃料ガスＬ４に起因する未燃成分を燃焼させることができる。
【００４９】
燃焼触媒７１に排空気Ａ３が供給されると、燃焼触媒７１は、触媒作用により、排空気Ａ３中の燃料ガスＬ４に起因する未燃成分と、排空気Ａ３中の酸素とを酸化反応させることで、燃料ガスＬ４に起因する未燃成分を燃焼させる。このため、燃焼触媒７１を通過した排空気Ａ３は、燃料ガスＬ４に起因する未燃成分が燃焼されるため、ＳＯＦＣ１３の空気極１１３から排出された排空気Ａ３に比して、燃料ガスＬ４に起因する未燃成分が低減される。
【００５０】
次に、実施例１の発電システム１０の運転方法について説明する。この発電システム１０の運転方法は、ＳＯＦＣ１３を起動させて昇温するときに行われる運転方法である。この発電システム１０の運転方法は、初期昇温工程と、触媒燃焼用燃料ガス供給工程と、燃料電池昇温工程と、未燃成分燃焼工程とを含んでいる。
【００５１】
発電システム１０が起動され、制御弁３２が所定開度に開弁されることで、ＳＯＦＣ１３に圧縮機２１から圧縮空気Ａ２が供給され、かつ、遮蔽弁３８が開弁される。これにより、圧縮空気Ａ２がＳＯＦＣ１３に供給されることで、ＳＯＦＣ１３のセルスタック１０１を昇温させる初期昇温工程が実行される。つまり、初期昇温工程は、空気極１１３による触媒燃焼での着火が可能となる温度までＳＯＦＣ１３を昇温させることである。
【００５２】
触媒燃焼用燃料ガス供給工程では、触媒燃焼用燃料ガス供給ライン６１から燃料ガスＬ４を空気極１１３へ供給する。つまり、触媒燃焼用燃料ガス供給工程では、制御弁６２を所定開度に開弁することで、燃料ガスＬ４を、触媒燃焼用燃料ガス供給ライン６１から第２圧縮空気供給ライン３１に供給する。このため、空気極１１３には、第２圧縮空気供給ライン３１から圧縮空気Ａ２と共に燃料ガスＬ４が供給される。
【００５３】
燃料電池昇温工程では、空気極１１３において燃料ガスＬ４を触媒燃焼させることで、セルスタック１０１を昇温させている。つまり、燃料電池昇温工程では、空気極１１３に供給された燃料ガスＬ４と酸化性ガスとしての圧縮空気Ａ２とが、空気極１１３の触媒作用により酸化反応することで、燃料ガスＬ４を燃焼させる。燃料電池昇温工程では、燃料ガスＬ４を燃焼させることで発生した熱により、セルスタック１０１を昇温する。ここで、空気極１１３の温度が比較的低い場合、空気極１１３による触媒燃焼では燃料ガスＬ４に未燃成分が発生するため、未燃成分燃焼工程により燃料ガスＬ４の未燃成分の燃焼が行われる。
【００５４】
未燃成分燃焼工程では、ＳＯＦＣ１３の燃料極１０９側から排出される排空気Ａ３に含まれる燃料ガスＬ４の未燃成分を、燃焼触媒７１において燃焼させている。つまり、未燃成分燃焼工程では、燃焼触媒７１に供給された排空気Ａ３に含まれる燃料ガスＬ４の未燃成分と酸素とが、燃焼触媒７１の触媒作用により酸化反応することで、未燃成分を燃焼させる。そして、燃焼触媒７１により燃料ガスＬ４の未燃成分が燃焼された排空気Ａ３は、排酸化性ガス供給ライン３６によって燃焼器２２に供給される。
【００５５】
なお、触媒燃焼用燃料ガス供給ライン６１による燃料ガスＬ４の空気極１１３への供給は、ＳＯＦＣ１３の昇温が完了することで停止される。つまり、発電システム１０は、ＳＯＦＣ１３の昇温が完了したと判断すると、制御弁６２を閉弁して、燃料ガスＬ４の供給を停止する。ここで、ＳＯＦＣ１３の昇温の完了は、ＳＯＦＣ１３の内部の温度が所定の温度以上となった場合でもよいし、ＳＯＦＣ１３が起動を開始してから、所定の時間が経過した場合であってもよい。
【００５６】
このように実施例１の発電システム１０にあっては、圧縮機２１と燃焼器２２を有するガスタービン１１と、空気極１１３及び燃料極１０９を有し、空気極１１３において触媒燃焼が可能なＳＯＦＣ１３と、ＳＯＦＣ１３の空気極１１３側から排出される排空気Ａ３を、燃焼器２２に供給する排空気ライン３４及び排酸化性ガス供給ライン３６と、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａ２を、ＳＯＦＣ１３の空気極１１３に供給する第２圧縮空気供給ライン３１と、ＳＯＦＣ１３の空気極１１３において触媒燃焼させるための燃料ガスＬ４を供給する触媒燃焼用燃料ガス供給ライン６１と、燃焼器２２に供給される排空気Ａ３に含まれる燃料ガスＬ４の未燃成分を燃焼させる燃焼触媒７１と、を備える。
【００５７】
従って、ＳＯＦＣ１３の昇温時、第２圧縮空気供給ライン３１によって、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気Ａ２を空気極１１３に供給することができる。また、触媒燃焼用燃料ガス供給ライン６１によって、空気極１１３において触媒燃焼させるための燃料ガスＬ４を、空気極１１３に供給することができる。このため、燃料ガスＬ４が空気極１１３において触媒燃焼することで、ＳＯＦＣ１３のセルスタック１０１を昇温することができる。そして、ＳＯＦＣ１３の空気極１１３側から排出される排空気Ａ３に含まれる燃料ガスＬ４の未燃成分は、燃焼触媒７１によって燃焼させることができる。よって、燃焼触媒７１により未燃成分が燃焼した排空気Ａ３を、燃焼器２２に流入させることができるため、ガスタービン１１の燃焼器２２における燃焼を、好適な燃焼条件にすることができる。これにより、ガスタービン１１の燃焼器２２における燃焼を安定させることで、ＮＯｘの発生を低減したり、燃焼による燃焼器２２への局所的な負荷を低減したり、ガスタービン１１の出力制御への影響を抑制することができる。
【００５８】
実施例１の発電システム１０では、燃焼触媒７１を、排空気ライン３４に設けることができる。従って、燃焼触媒７１は、ＳＯＦＣ１３の空気極１１３側から排出された排空気Ａ３に含まれる燃料ガスＬ４に起因する未燃成分を燃焼させることができる。
【００５９】
実施例１の発電システム１０では、燃焼触媒７１を用いることができる。従って、燃焼触媒７１に流入する排空気Ａ３に含まれる燃料ガスＬ４の未燃成分の濃度が、燃焼限界となる濃度より薄い場合であっても、好適に燃焼させることができる。また、排空気Ａ３中の燃料ガスＬ４の未燃成分の燃焼によるので、排空気Ａ３の温度は、大きく高温化することがない。
【００６０】
実施例１の発電システム１０では、燃焼触媒７１の低温での触媒活性を、空気極１１３の低温での触媒活性よりも高くすることができる。従って、空気極１１３の温度が低いことで触媒活性を十分に確保できず、空気極１１３における燃料ガスＬ４の触媒燃焼が不十分であったとしても、燃焼触媒７１の低温での触媒活性は、空気極１１３の触媒活性よりも高いため、排空気Ａ３に含まれる燃料ガスＬ４に起因する未燃成分を好適に燃焼させることができる。
【００６１】
また、実施例１の発電システム１０の運転方法にあっては、第２圧縮空気供給ライン３１から圧縮空気Ａ２をＳＯＦＣ１３に供給する初期昇温工程と、触媒燃焼用燃料ガス供給ライン６１から燃料ガスＬ４を空気極１１３へ供給する触媒燃焼用燃料ガス供給工程と、空気極１１３において燃料ガスＬ４を触媒燃焼させて、ＳＯＦＣ１３のセルスタック１０１を昇温させる燃料電池昇温工程と、ＳＯＦＣ１３の空気極１１３側から排出される排空気Ａ３に含まれる燃料ガスＬ４の未燃成分を、燃焼触媒７１において燃焼させる未燃成分燃焼工程と、を含む。
【００６２】
従って、初期昇温工程において、圧縮空気Ａ２を空気極１１３へ供給し、触媒燃焼用燃料ガス供給工程において、燃料ガスＬ４を空気極１１３へ供給し、燃料電池昇温工程において、ＳＯＦＣ１３のセルスタック１０１を昇温させ、未燃成分燃焼工程において、ＳＯＦＣ１３の空気極１１３側から排出される排空気Ａ３に含まれる燃料ガスＬ４に起因する未燃成分を燃焼させることができる。このため、未燃成分が燃焼した排空気Ａ３を、燃焼器２２に流入させることができるため、ガスタービン１１の燃焼器２２における燃焼を、好適な燃焼条件にすることができる。これにより、ガスタービン１１の燃焼器２２における燃焼を安定させることで、ＮＯｘの発生を低減したり、燃焼による燃焼器２２への局所的な負荷を低減したり、ガスタービン１１の出力制御への影響を抑制することができる。
【実施例２】
【００６３】
次に、図３を参照して、実施例２の発電システム２００について説明する。図３は、実施例２の発電システムを表す概略構成図である。なお、実施例２では、実施例１と重複する記載を避けるべく、実施例１と異なる部分について説明する。実施例１では、発電システム１０の燃焼触媒７１が、排空気ライン３４に設けられたが、実施例２では、燃焼触媒２０１が、第２圧縮空気供給ライン３１に設けられている。以下、実施例２の発電システム２００について説明する。
【００６４】
図３に示すように、発電システム２００において、第２圧縮空気供給ライン３１には、燃焼触媒２０１が設けられている。燃焼触媒２０１には、触媒燃焼用燃料ガス供給ライン６１から燃料ガスＬ４が供給される。燃料ガスＬ４の流れ方向において、制御弁６２の下流側に燃焼触媒２０１が接続されている。燃焼触媒２０１は、実施例１の燃焼触媒７１と同様に構成されている。この燃焼触媒２０１は、空気極１１３において発生する未燃成分となる燃料ガスＬ４を予め燃焼させることで、空気極１１３から排出される排空気Ａ３中に含まれる燃料ガスＬ４に起因する未燃成分を低減している。
【００６５】
燃焼触媒２０１に燃料ガスＬ４が供給されると、燃焼触媒２０１は、触媒作用により、燃料ガスＬ４を燃焼させる。燃焼触媒２０１を通過した燃料ガスＬ４は、第２圧縮空気供給ライン３１を介して、ＳＯＦＣ１３の空気極１１３に供給される。このため、空気極１１３には、圧縮空気Ａ２と共に、燃焼触媒２０１で燃焼した燃料ガスＬ４の未燃成分が供給される。このとき、圧縮空気Ａ２は、燃焼触媒２０１で燃焼されることで発生する熱により、昇温されている。
【００６６】
次に、実施例２の発電システム２００の運転方法について説明する。この発電システム２００の運転方法は、初期昇温工程と、未燃成分燃焼工程と、触媒燃焼用燃料ガス供給工程と、燃料電池昇温工程と、を含んでいる。
【００６７】
発電システム１０が起動され、制御弁３２が所定開度に開弁されることで、ＳＯＦＣ１３に圧縮機２１から圧縮空気Ａ２が供給され、かつ、遮蔽弁３８が開弁される。これにより、圧縮空気Ａ２がＳＯＦＣ１３に供給されることで、ＳＯＦＣ１３のセルスタック１０１を昇温させる初期昇温工程が実行される。つまり、初期昇温工程は、空気極１１３による触媒燃焼での着火が可能となる温度までＳＯＦＣ１３を昇温させることである。ＳＯＦＣ１３を圧縮空気Ａ２のみで必要な温度まで昇温し難い場合には、圧縮空気Ａ２を加熱するために、燃焼触媒２０１で加熱してもよいし、図示しないが、第２圧縮空気供給ライン３１またはＳＯＦＣ１３内にバーナ等の燃焼器、もしくは蒸気等の熱源による加熱器を燃焼触媒２０１とは別に、もしくは燃焼触媒２０１の代わりに設けてもよい。
【００６８】
未燃成分燃焼工程では、触媒燃焼用燃料ガス供給ライン６１から空気極１１３へ供給される燃料ガスＬ４を、燃焼触媒２０１において燃焼させることで、予め未燃成分となる燃料ガスＬ４を燃焼させている。つまり、未燃成分燃焼工程では、制御弁６２を所定開度に開弁することで、燃料ガスＬ４を、燃焼触媒２０１に供給する。未燃成分燃焼工程では、燃焼触媒２０１に供給された燃料ガスＬ４が、燃焼触媒２０１の触媒作用によって燃焼する。このため、未燃成分燃焼工程では、圧縮空気Ａ２が昇温される。
【００６９】
触媒燃焼用燃料ガス供給工程では、燃焼触媒２０１で燃焼した後の燃料ガスＬ４の未燃成分を空気極１１３へ供給する。つまり、触媒燃焼用燃料ガス供給工程では、第２圧縮空気供給ライン３１に設けられる燃焼触媒２０１で燃焼した燃料ガスＬ４の未燃成分を、第２圧縮空気供給ライン３１を介して空気極１１３に供給する。このため、空気極１１３には、第２圧縮空気供給ライン３１から圧縮空気Ａ２と共に、燃焼触媒２０１で燃焼した燃料ガスＬ４の未燃成分が供給される。
【００７０】
燃料電池昇温工程では、空気極１１３において燃料ガスＬ４の未燃成分を触媒燃焼させることで、セルスタック１０１を昇温させている。つまり、燃料電池昇温工程では、空気極１１３に供給された燃料ガスＬ４の未燃成分と酸化性ガスとしての圧縮空気Ａ２とが、空気極１１３の触媒作用により酸化反応することで、燃料ガスＬ４の未燃成分を燃焼させる。燃料電池昇温工程では、燃料ガスＬ４の未燃成分を空気極１１３で触媒燃焼させることで発生した熱により、セルスタック１０１を昇温する。
【００７１】
このように実施例２の発電システム２００にあっては、燃焼触媒２０１を、第２圧縮空気供給ライン３１に設けることができる。従って、燃焼触媒２０１は、触媒燃焼用燃料ガス供給ライン６１からＳＯＦＣ１３の空気極１１３に供給される燃料ガスＬ４を予め燃焼させることができる。このため、燃焼触媒２０１は、空気極１１３において発生する未燃成分となる燃料ガスＬ４を、予め燃焼させることができる。よって、燃焼触媒２０１は、ＳＯＦＣ１３の空気極１１３側から排出された排空気Ａ３に含まれる燃料ガスＬ４に起因する未燃成分を低減することができる。このとき、圧縮空気Ａ２の温度も燃焼触媒２０１による燃焼によって昇温させることができ、また、昇温させた圧縮空気Ａ２を空気極１１３に供給することができるため、ＳＯＦＣ１３のセルスタック１０１をより迅速に昇温することができる。
【００７２】
また、実施例２の発電システム２００の運転方法にあっては、第２圧縮空気供給ライン３１から圧縮空気Ａ２をＳＯＦＣ１３に供給する初期昇温工程と、触媒燃焼用燃料ガス供給ライン６１から空気極１１３へ供給される燃料ガスＬ４を、燃焼触媒２０１において燃焼させることで、未燃成分となる燃料ガスＬ４を予め燃焼させる未燃成分燃焼工程と、燃焼させた燃料ガスＬ４を空気極１１３へ供給する触媒燃焼用燃料ガス供給工程と、空気極１１３において燃料ガスＬ４を触媒燃焼させて、ＳＯＦＣ１３のセルスタック１０１を昇温させる燃料電池昇温工程と、を含む。
【００７３】
従って、初期昇温工程において、圧縮空気Ａ２を空気極１１３へ供給し、未燃成分燃焼工程において、ＳＯＦＣ１３の温度に対応して、空気極１１３において発生する未燃成分となる燃料ガスＬ４を予め燃焼させ、触媒燃焼用燃料ガス供給工程において、燃料ガスＬ４を空気極１１３へ供給し、燃料電池昇温工程において、ＳＯＦＣ１３のセルスタック１０１を昇温させることができる。このため、燃料ガスＬ４に起因する未燃成分が低減された排空気Ａ３を、燃焼器２２に流入させることができるため、ガスタービン１１の燃焼器２２における燃焼を、好適な燃焼条件にすることができる。これにより、ガスタービン１１の燃焼器２２における燃焼を安定させることで、ＮＯｘの発生を低減したり、燃焼による燃焼器２２への局所的な負荷を低減したり、ガスタービンの出力制御への影響を抑制することができる。
【００７４】
なお、実施例１及び２では、燃焼触媒７１，２０１を用いて、排空気Ａ３に含まれる燃料ガスＬ４の未燃成分を燃焼したが、この構成に限定されない。排空気Ａ３に含まれる燃料ガスＬ４の未燃成分の濃度が薄い場合であっても燃焼可能な燃焼部であれば、いずれであってもよい。特に、実施例２の場合、燃焼部として、例えば、バーナ等の燃焼器を適用してもよい。
【００７５】
また、実施例１及び２では、触媒燃焼用燃料ガス供給ライン６１を、第２圧縮空気供給ライン３１に接続したが、この構成に限定されない。ＳＯＦＣ１３の空気極１１３に燃料ガスＬ４を供給可能であれば、いずれの構成であってもよく、例えば、触媒燃焼用燃料ガス供給ライン６１を、ＳＯＦＣ１３の空気極１１３の導入部に直接接続してもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１０  発電システム
１１  ガスタービン
１２  発電機
１３  ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池：燃料電池）
１４  蒸気タービン
１５  発電機
２１  圧縮機
２２  燃焼器
２３  タービン
２６  第１圧縮空気供給ライン
３１  第２圧縮空気供給ライン
３２  制御弁
３３  ブロワ（昇圧機）
３４  排空気ライン
３５  排出ライン
３６  排酸化性ガス供給ライン
３７  制御弁
３８  遮蔽弁
６１  触媒燃焼用燃料ガス供給ライン
６２  制御弁
７１  燃焼触媒
１０１  セルスタック
１０３  基体管
１０５  燃料電池セル
１０７  インターコネクタ
１０９  燃料極
１１１  固体電解質
１１３  空気極
２００  発電システム（実施例２）
２０１  燃焼触媒（実施例２）
Ｌ１  燃料ガス
Ｌ２  燃料ガス
Ｌ３  排燃料ガス
Ｌ４  燃料ガス
Ａ１  圧縮空気
Ａ２  圧縮空気
Ａ３  排空気
【図１】
2014105677.tif 000003
【図２】
2014105677.tif 000004
【図３】
2014105677.tif 000005