(57)【要約】【課題】燃料電池とガスタービンの両方を適切な温度で運転することができる発電装置を提供する。【解決手段】発電装置１００は、空気を圧縮するコンプレッサＣと、コンプレッサＣによって圧縮された空気を加熱する第１熱交換器Ｒ１と、第１熱交換器Ｒ１によって加熱された空気が供給される空気極Ｃａ、および燃料が供給される燃料極Ａｎを有し、前記空気中の酸素と前記燃料とを反応させることによって発電する燃料電池１７と、空気極Ｃａからの排気を加熱する第２熱交換器Ｒ２と、第２熱交換器Ｒ２によって加熱された前記排気、および燃料極Ａｎからの排気を混合して燃焼させる燃焼器ＣＣと、燃焼器ＣＣからの燃焼ガスによって駆動されるタービンＴとを備える。タービンＴからの排気は、第２熱交換器Ｒ２に供給されて空気極Ｃａからの前記排気を加熱した後、第１熱交換器Ｒ１に供給されてコンプレッサＣによって圧縮された前記空気を加熱する。【選択図】図１
2014231816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサによって圧縮された前記空気を加熱する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器によって加熱された前記空気が供給される空気極、および燃料が供給される燃料極を有し、前記空気中の酸素と前記燃料とを反応させることによって発電する燃料電池と、
前記空気極からの排気を加熱する第２熱交換器と、
前記第２熱交換器によって加熱された前記排気、および前記燃料極からの排気を混合して燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
を備え、
前記タービンからの排気は、前記第２熱交換器に供給されて前記空気極からの前記排気を加熱した後、前記第１熱交換器に供給されて前記コンプレッサによって圧縮された前記空気を加熱する、発電装置。
【請求項２】
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である、請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記第１熱交換器および前記第２熱交換器は、一体化されている、請求項１または２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記タービンの入口における前記燃焼ガスの温度は、１０００℃以上である、請求項１から３のいずれかに記載の発電装置。
【請求項５】
前記タービンの入口における前記燃焼ガスの温度は、１２００℃以上である、請求項４に記載の発電装置。
【請求項６】
前記タービンのロータの少なくとも一部はセラミックス製の部材によって構成されている、請求項１から５のいずれかに記載の発電装置。
【請求項７】
前記タービンのロータを冷却するための冷却機構をさらに備えている、請求項１から６のいずれかに記載の発電装置。
【請求項８】
前記燃焼器の少なくとも一部はセラミックス製の部材によって構成されている、請求項１から７のいずれかに記載の発電装置。
【請求項９】
前記タービンからの排気を加熱媒体として前記燃料電池の前記燃料極からの排気を加熱する第３熱交換器をさらに備える、請求項１から６のいずれかに記載の発電装置。
【請求項１０】
前記第２熱交換器および前記第３熱交換器は一体化されている、請求項９に記載の発電装置。
【請求項１１】
前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、前記第３熱交換器は、一体化されている、請求項１０に記載の発電装置。
【請求項１２】
前記燃料電池の前記空気極をバイパスする第１の配管と、
前記第１の配管内を流れる流体の流量を調整するための第１の弁と、
をさらに備える、請求項１から１１のいずれかに記載の発電装置。
【請求項１３】
前記第２熱交換器の低温側の流路をバイパスする第２の配管と、
前記第２の配管内を流れる流体の流量を調整するための第２の弁と、
をさらに備える、請求項１から１２のいずれかに記載の発電装置。
【請求項１４】
前記第１熱交換器の低温側の流路をバイパスする第３の配管と、
前記第３の配管内を流れる流体の流量を調整するための第３の弁と、
をさらに備える、請求項１から１３のいずれかに記載の発電装置。
【請求項１５】
前記第１熱交換器を通過した前記タービンからの前記排気を熱源とするランキンサイクル発電装置をさらに備える、請求項１から１４のいずれかに記載の発電装置。
【請求項１６】
前記タービンおよび前記コンプレッサに軸を介して連結した発電機をさらに備える請求項１から１５のいずれかに記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、燃料電池とガスタービンとを組み合わせた複合発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンのコンプレッサによって圧縮した空気を燃料電池に供給し、燃料電池からの高温高圧の排ガスを利用してガスタービンを駆動する複合発電装置が知られている。そのような発電装置によれば、燃料電池セルに供給される空気の高圧化による燃料電池の高効率化に加え、ガスタービンの余剰軸動力によって駆動される発電機の出力が得られるため、単体の燃料電池またはガスタービンに比べて高い発電効率を達成できる。このような複合発電装置は、例えば非特許文献１、２に開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】「ガスタービン・固体酸化物形燃料電池ハイブリッドシステムの性能に対する燃料組成の影響」、君島真仁、日本機械学会熱工学コンファレンス論文集、2005、pp271-272
【非特許文献２】「マイクロガスタービン・固体酸化物形燃料電池ハイブリッドシステムのサイクル解析」、上地英之、君島真仁、笠木伸英、日本機械学会論文集（B編）、2002、68巻、666号、pp336-345
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の複合発電装置には、燃料電池およびガスタービンの両方を適切な温度で運転することが困難であるという課題があった。
【０００５】
本願の限定的ではない例示的なある実施形態は、燃料電池とガスタービンの両方を適切な温度で運転することができる発電装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の一態様に係る発電装置は、空気を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサによって圧縮された前記空気を加熱する第１熱交換器と、前記第１熱交換器によって加熱された前記空気が供給される空気極、および燃料が供給される燃料極を有し、前記空気中の酸素と前記燃料とを反応させることによって発電する燃料電池と、前記空気極からの排気を加熱する第２熱交換器と、前記第２熱交換器によって加熱された前記排気、および前記燃料極からの排気を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備える。前記タービンからの排気は、前記第２熱交換器に供給されて前記空気極からの前記排気を加熱した後、前記第１熱交換器に供給されて前記コンプレッサによって圧縮された前記空気を加熱する。
【０００７】
上述の一般的かつ特定の態様は、システム、方法およびコンピュータプログラムを用いて実装され、またはシステム、方法およびコンピュータプログラムの組み合わせを用いて実現され得る。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様に係る発電装置によれば、燃料電池とガスタービンの両方を適切な温度で運転することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示の例示的な実施形態１における発電装置のサイクル系統図
【図２Ａ】実施形態１における熱交換器Ｒ１、Ｒ２の構成例を示す図
【図２Ｂ】実施形態１における熱交換器Ｒ１、Ｒ２の他の構成例を示す図
【図３Ａ】比較例の複合発電装置をある条件で動作させたときのサイクル系統図
【図３Ｂ】図３Ａのサイクルにおける温度−エントロピー線図
【図４Ａ】例示的な実施形態１における発電装置をある条件で動作させたときのサイクル系統図
【図４Ｂ】図４Ａのサイクルにおける温度−エントロピー線図
【図５】比較例の複合発電装置におけるサイクル系統図（セル温度を下げた場合）
【図６】実施形態１におけるサイクル系統図（セル温度を下げた場合）
【図７Ａ】一体型プレートフィン熱交換器の例を示す図
【図７Ｂ】一体型シェルアンドチューブ熱交換器の例を示す図
【図８】本開示の例示的な実施形態２におけるサイクル系統図
【図９Ａ】実施形態２における熱交換器Ｒ２、Ｒ３の構成例を示す図
【図９Ｂ】実施形態２における熱交換器Ｒ２、Ｒ３の他の構成例を示す図
【図１０】実施形態２の変形例におけるサイクル系統図
【図１１Ａ】実施形態２における熱交換器Ｒ２、Ｒ３の他の構成例を示す図
【図１１Ｂ】実施形態２における熱交換器Ｒ２、Ｒ３のさらに他の構成例を示す図
【図１２Ａ】熱交換器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３が一体化された例を示す図
【図１２Ｂ】熱交換器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３が一体化された他の例を示す図
【図１３】例示的な実施形態３における発電装置のサイクル系統図
【図１４】例示的な実施形態３の変形例におけるサイクル系統図
【図１５】他の実施形態における発電装置を示す図
【図１６】非特許文献１に記載された従来技術を示すサイクル系統図
【図１７】非特許文献２に記載された従来技術を示すサイクル系統図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本開示の具体的な実施形態を説明する前に、まず、本発明者らが見出した従来の複合発電装置における課題と、当該課題を解決するための構成の概要とを説明する。
【００１１】
図１６および図１７は、それぞれ、非特許文献１および非特許文献２に開示された燃料電池・マイクロガスタービン複合発電装置を示す図である。図中の数値は、総出力３０ｋＷを想定した場合のサイクル解析結果に基づいている。図１６、１７に示す複合発電装置は、固体酸化物形燃料電池のスタック（以下、単に「燃料電池」または「ＳＯＦＣ」と称することがある。）と、ＳＯＦＣに圧縮した空気を供給するコンプレッサと、ＳＯＦＣのカソード（空気極）およびアノード（燃料極）からの排ガスを混合して燃焼させる燃焼器（Ｃｏｍｂｕｓｔｏｒ）と、燃焼器からの排ガスによって駆動されるタービンとを備えている。タービンおよびコンプレッサは、軸を介して発電機に連結されており、タービンの回転により、発電機による発電およびコンプレッサによる空気の圧縮が行われる。図１６、１７に示される複合発電サイクルでは、タービンからの排ガスの温度がコンプレッサによって圧縮された空気の温度よりも高温であるため、その排熱を回収してカソード入口の圧縮空気を加熱するための再生熱交換器（Ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ）が設けられている。
【００１２】
ＳＯＦＣのアノードでは、発電反応に伴って燃料（メタンなど）の濃度が下流になるほど低下する。燃料の濃度にムラや変動が生じた場合でも出口付近のセルで燃料の枯渇が生じないように、燃料は一定割合の未反応分が残るような濃度（一般的に燃料利用率８０％前後）でアノードに供給される。カソードに供給される酸素についても、発電のための化学反応（以下、「発電反応」または「電池反応」と呼ぶことがある。）に必要な流量よりも多く供給される。これは、発電反応による排熱によって高温になるセルを、カソードを通過する空気で冷却することにより、セル温度を一定に保つためである。
【００１３】
アノードから排出される未反応の燃料は、カソードからの排気と混合され、燃焼器で燃焼される。燃焼器から排出された高温高圧のガスによってタービンが駆動される。この際、タービン入口の温度が高いほど、ガスタービンによる発電効率が高くなる。
【００１４】
しかし、燃焼器による排ガスの温度上昇ΔＴｃｃ（図１６の例では、８７３℃−８００℃＝７３℃）は、カソード排気の空気流量と未反応燃料との混合比によって決まるため、一定以上の増加が難しい。未反応燃料の流量はＳＯＦＣの発電出力から決まり、空気流量は前述のとおり、セルの発熱と冷却とが釣り合うように決定される。カソード入口温度を下げ、セル温度との温度差を大きくすることで空気流量を減少させることは可能である（空燃比低下→ΔＴｃｃ増加）。しかし、そのようにすると、再生熱交換器の温度効率が低下する、即ちタービンの排ガスから回収される熱エネルギが犠牲になるため、系全体の発電効率が低下してしまう。燃焼器に燃料を余分に噴射することによってもΔＴｃｃが増加するが、燃料の使用量が増加するため、発電効率が低下する。
【００１５】
非特許文献１のサイクル（図１６）では、タービン入口温度を低く抑えるため、非特許文献２のサイクル（図１７）と比較して空気流量を増加させている（０．０３８４ｋｇ／ｓ→０．０６５ｋｇ／ｓ）。このため、図１６に示すサイクルでは、図１７に示すサイクルと比較してコンプレッサによる仕事が増加し、発電効率が相対的に低いガスタービンによる発電量の割合が増加する。その結果、全体の発電効率が低下してしまう。
【００１６】
結局、発電効率を最高にするという条件の元では、図１７に示す非特許文献２のサイクルのように、ΔＴｃｃは１５０℃から２００℃前後となる。即ち、タービン入口での燃焼ガスの温度をＴＩＴ、セル温度をＴｃｅｌｌとするとき、ＴＩＴ≒Ｔｃｅｌｌ＋２００℃という設計上の拘束条件が存在する。
【００１７】
セル温度は、ＳＯＦＣの発電効率とスタックの耐久性との兼ね合いによって決まり、典型的には７００℃〜１０００℃である。タービン入口温度は、高いほどガスタービンの発電効率が高くなるが、上記の制約により、セル温度と独立に決定することができないという課題があった。
【００１８】
本発明者らは、上記の知見に基づき、この課題を解決する新たな燃料電池・ガスタービン複合発電装置を完成させた。本発明の実施形態によれば、カソードに供給される空気だけでなく、カソードから排出される空気もタービンからの排熱によって加熱することにより、セル温度Ｔｃｅｌｌとタービン入口温度ＴＩＴとの差を大きくすることができる。これにより、例えば、ＳＯＦＣの作動温度を上げることなくタービン入口温度ＴＩＴを高くす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。あるいは、発電効率を下げることなく、ＳＯＦＣの作動温度を下げることが可能となるため、燃料電池スタックの低コスト化や長寿命化を実現することができる。
【００１９】
本開示の実施形態の概要は以下のとおりである。
【００２０】
（１）本開示の一態様に係る発電装置は、空気を圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサによって圧縮された前記空気を加熱する第１熱交換器と、前記第１熱交換器によって加熱された前記空気が供給される空気極、および燃料が供給される燃料極を有し、前記空気中の酸素と前記燃料とを反応させることによって発電する燃料電池と、前記空気極からの排気を加熱する第２熱交換器と、前記第２熱交換器によって加熱された前記排気、および前記燃料極からの排気を混合して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンとを備える。前記タービンからの排気は、前記第２熱交換器に供給されて前記空気極からの前記排気を加熱した後、前記第１熱交換器に供給されて前記コンプレッサによって圧縮された前記空気を加熱する。
【００２１】
（２）ある実施形態において、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である。
【００２２】
（３）ある実施形態において、前記第１熱交換器および前記第２熱交換器は、一体化されている。
【００２３】
（４）ある実施形態において、前記タービンの入口における前記燃焼ガスの温度は、１０００℃以上である。
【００２４】
（５）ある実施形態において、前記タービンの入口における前記燃焼ガスの温度は、１２００℃以上である。
【００２５】
（６）ある実施形態において、前記タービンのロータの少なくとも一部はセラミックス製の部材によって構成されている。
【００２６】
（７）ある実施形態において、前記タービンのロータを冷却するための冷却機構をさらに備えている。
【００２７】
（８）ある実施形態において、前記燃焼器の少なくとも一部はセラミックス製の部材によって構成されている。
【００２８】
（９）ある実施形態において、前記タービンからの排気を加熱媒体として前記燃料電池の前記燃料極からの排気を加熱する第３熱交換器をさらに備える。
【００２９】
（１０）ある実施形態において、前記第２熱交換器および前記第３熱交換器は一体化されている。
【００３０】
（１１）ある実施形態において、前記第１熱交換器、前記第２熱交換器、前記第３熱交換器は、一体化されている。
【００３１】
（１２）ある実施形態において、前記発電装置は、前記燃料電池の前記空気極をバイパスする第１の配管と、前記第１の配管内を流れる流体の流量を調整するための第１の弁とをさらに備える。
【００３２】
（１３）ある実施形態において、前記発電装置は、前記第２熱交換器の低温側の流路をバイパスする第２の配管と、前記第２の配管内を流れる流体の流量を調整するための第２の弁とをさらに備える。
【００３３】
（１４）ある実施形態において、前記発電装置は、前記第１熱交換器の低温側の流路をバイパスする第３の配管と、前記第３の配管内を流れる流体の流量を調整するための第３の弁とをさらに備える。
【００３４】
（１５）ある実施形態において、前記発電装置は、前記第１熱交換器を通過した前記タービンからの前記排気を熱源とするランキンサイクル発電装置をさらに備える。
【００３５】
（１６）ある実施形態において、前記発電装置は、前記タービンおよび前記コンプレッサに軸を介して連結した発電機をさらに備える。
【００３６】
以下、より具体的な実施形態を説明する。以下の説明において、共通または類似する要素には同一の参照符号を付している。
【００３７】
（実施形態１）
図１は、本開示の第１の実施形態における燃料電池・ガスタービン複合発電装置１００の概略構成を示す図である。図１に示されるように、本実施形態による発電装置１００は、固体酸化物燃料電池スタック（ＳＯＦＣ）１７と、ガスタービン１８と、その他の補器とを備えている。補器には、燃料ポンプＦＰ、第１の再生熱交換器Ｒ１、および第２の再生熱交換器Ｒ２が含まれる。以下の説明では、「再生熱交換器」の文言を省略して、単に「熱交換器」と呼ぶことがある。図１に示される各要素は、図中の矢印で示されるように配管（流路）によって連結されている。配管内を空気や燃料などの流体が循環することにより、持続的な発電が実現される。
【００３８】
ガスタービン１８は、空気を圧縮するコンプレッサＣと、ＳＯＦＣ１７からの排気を燃焼させる燃焼器ＣＣと、燃焼器ＣＣからの高温高圧の燃焼ガスによって駆動されるタービンＴと、交流電力を発生させる発電機ＭＧとを備えている。コンプレッサＣ、タービンＴ、および発電機ＭＧは、軸１９で連結されており、タービンＴによって生じた回転トルクをコンプレッサＣおよび発電機ＭＧに伝えることができる。これにより、発電および空気の圧縮が行われる。本実施形態におけるガスタービン１８は、例えば発電出力が数十ｋＷ〜数百ｋＷ程度の公知のマイクロガスタービンであり得るが、これに限定されず、より大型のガスタービンであってもよい。
【００３９】
ＳＯＦＣ１７は、空気中の酸素と燃料（メタンなど）との化学反応によって直流電力を生成する電池である。ＳＯＦＣ１７は、空気（Ａｉｒ）が供給されるカソード（空気極）Ｃａと、燃料が供給されるアノード（燃料極）Ａｎと、カソードＣａに流入する酸素分子がイオン化した酸素イオン（Ｏ2-）をカソードＣａからアノードＡｎへ輸送する電解質１６とを備える。これにより、化学反応によって生じた熱を電極間で伝達することができる。アノードＡｎにおける電池反応のためには水素が必要である。このため、燃料ポンプＦＰからアノードＡｎにメタンが供給される。メタンは、アノードＡｎの入口付近において内部改質され、水素を発生させる。
【００４０】
ＳＯＦＣ１７には、例えば円筒縦縞型、円筒横縞型、平板型、円筒平板型といった公知の構成を採用することができる。電解質１６には、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）やペロブスカイト酸化物といった酸素イオン伝導性を有する材料が用いられ得る。電解質１６は、このような酸素イオン導電性セラミックスの他、耐熱性金属によって構成してもよい。燃料極であるアノードＡｎには、水素の吸着・乖離が起こりやすく、かつ電解質１６などの周辺材料と熱膨張性が整合する種々の導電性材料を用いることができる。例えば、電解質１６にＹＳＺを用いる場合、その粉末と、触媒活性に優れた金属（例えばＣｏ、Ｐｔ、Ｒｕなど）とを混合した材料（サーメット）を用いることができる。空気極であるカソードＣａには、導電性および酸素輸送性を有し、酸素乖離反応が生じ易い触媒活性に優れた種々の材料を用いることができる。例えば、Ｍｎ系ぺロブスカイトなどの導電性セラミックスを用いることができる。
【００４１】
本実施形態における発電装置１００は、コンプレッサＣによって圧縮された空気を加熱する第１の再生熱交換機Ｒ１に加え、ＳＯＦＣ１７のカソードＣａからの排気を加熱する第２の再生熱交換機Ｒ２をさらに備えている。図２Ａ、２Ｂは、熱交換機Ｒ１、Ｒ２の構成例を模式的に示す図である。図２Ａに示す例では、熱交換器Ｒ１、Ｒ２は、ともにプレートフィン型の構造を有している。このタイプの熱交換器は、複数のプレートと複数のフィンとを用いて、空気と配管内を流れるタービンＴからの排ガスとの間で熱交換を行う。図２Ｂに示す例では、熱交換器Ｒ１、Ｒ２は、ともにシェルアンドチューブ型の構造を有している。このタイプの熱交換器は、シェル（円筒）の中を流れるタービンＴからの排ガスと、多数のチューブの中を流れる空気との間で熱交換を行う。熱交換器Ｒ１、Ｒ２は、上記以外のタイプの熱交換器であってもよい。熱交換器Ｒ１および熱交換器Ｒ２は、必ずしも同一タイプである必要はなく、互いに異なるタイプの熱交換器を用いることも可能である。
【００４２】
次に、発電装置１００の動作を説明する。
【００４３】
コンプレッサＣから吐出された圧縮空気は、再生熱交換器Ｒ１の低温側に入り、タービンＴの排熱によって予熱された後、カソードＣａへ供給される。カソードＣａに流入する圧縮空気（カソード吸気１０）に含まれる酸素の一部は電池反応によって失われ、残りの圧縮空気（カソード排気１１）は再生熱交換器Ｒ２の低温側に入る。カソード排気１１は、再生熱交換器Ｒ２においてタービンＴの排熱によって加熱された後、燃焼器ＣＣへ流入する。
【００４４】
燃料（メタン）は、燃料ポンプＦＰによって高圧化され、アノードＡｎへ供給される。電解質１６から流入した酸素イオンと、燃料ポンプＦＰから供給された燃料の一部（この割合を燃料利用率Ｕｆという）とが、アノードＡｎにおける電池反応の反応物である。この電池反応による水および二酸化炭素などの生成物は、燃料の未反応分と共にアノード排気１２として排出される。アノード排気１２は高温の水蒸気を含んでおり、その一部はアノードＡｎの入口へ還流され、燃料ポンプＦＰの吐出ガスと混合される。燃料と混合された水蒸気は、アノードＡｎにおける燃料改質に必要な成分である。還流されないアノード排気１２は燃焼器ＣＣに流入する。
【００４５】
アノードＡｎの入口では、還流されたアノード排気１２の一部と燃料ポンプＦＰから供給されるメタンとが反応する。この際、ＳＯＦＣ１７の各セルから発生する熱を利用して反応が進行する。ここで生じる反応は、以下の式（１）、（２）で表される。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ      （１）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→Ｈ2＋ＣＯ2        （２）
【００４６】
式（１）で表される改質反応は吸熱反応であり、式（２）で表されるシフト反応は発熱反応である。
【００４７】
アノードＡｎの内部では、水素と電解質１６から輸送された酸素イオンとが反応し、水蒸気が発生するとともに、電子が外部回路に放出される。これにより、電力が発生する。この際、改質反応によって生じた一酸化炭素と酸素イオンとの反応により、二酸化炭素も発生する。すなわち、アノードＡｎでは、以下の式（３）、（４）で表される反応が生じる。
Ｈ2＋Ｏ2-→Ｈ2Ｏ＋２ｅ-      （３）
ＣＯ＋Ｏ2-→ＣＯ2＋２ｅ-      （４）
【００４８】
これらの反応によって生じた水蒸気および二酸化炭素は、未反応の燃料とともにアノード排気１２として排出される。
【００４９】
燃焼器ＣＣでは、カソード排気１１（酸素）とアノード排気１２（未反応燃料）とが燃焼する。図１の例では、燃料として、アノード排気１２中の未反応燃料のみが利用されるが、これに加えて燃料ポンプＦＰまたは他の燃料ポンプから燃料を燃焼器ＣＣに直接供給してもよい。燃焼の結果、カソード排気の温度はΔＴｃｃ上昇し、タービン入口温度ＴＩＴの高温高圧ガスが生成される。この高温高圧ガスがタービンＴを駆動する。タービンの駆動によって膨張した排ガス（タービン排ガス）は、再生熱交換器Ｒ２、Ｒ１の高温側の流路をこの順に流れ、その間に冷却されて発電装置１００から排出される。
【００５０】
以上のように、本実施形態の発電装置１００は、空気を圧縮するコンプレッサＣと、コンプレッサＣによって圧縮された前記空気を加熱する第１の再生熱交換器Ｒ１と、第１の再生熱交換器Ｒ１によって加熱された空気が供給される空気極（カソードＣａ）、および燃料が供給される燃料極（アノードＡｎ）を有し、空気中の酸素と燃料とを反応させることによって発電する燃料電池（ＳＯＦＣ）１７と、空気極からの排気を加熱する第２の再生熱交換器Ｒ２と、第２の再生熱交換器Ｒ２によって加熱された排気、および燃料極からの排気を混合して燃焼させる燃焼器ＣＣと、燃焼器ＣＣからの燃焼ガスによって駆動されるタービンＴとを備える。発電装置１００は、タービンからの排気が、第２の再生熱交換器Ｒ２に供給されて空気極からの排気を加熱した後、第１の再生熱交換器Ｒ１に供給されてコンプレッサＣによって圧縮された空気を加熱するように構成されている。
【００５１】
以上の構成により、ガスタービン１８の余剰軸動力によって駆動される発電機ＭＧの電気出力と、ＳＯＦＣ１７の電気出力とが、複合発電装置１００の電気出力として利用される。本実施形態では、再生熱交換器Ｒ２が設けられているため、これによる熱交換が生じない非特許文献１、２などの従来技術と比較して、タービン入口温度ＴＩＴを高くすることができる。タービン入口温度ＴＩＴは、燃焼器ＣＣやタービンＴを構成する材料などの種々の条件によって変動するが、例えば、１０００℃以上、１５００℃以下に設定され得る。ある例では、タービン入口温度ＴＩＴは、１２００℃以上、１５００℃以下に設定され得る。これにより、ガスタービン発電機ＭＧの発電効率が増加するため、従来よりも高効率な発電が可能となる。
【００５２】
また、本実施形態によれば、タービン入口温度ＴＩＴを下げることなく、つまりガスタービン発電機ＭＧの発電効率を下げることなく、ＳＯＦＣ１７の作動温度を下げることもできる。このため、スタックの低コスト化および長寿命化を図ることができる。
【００５３】
以下、従来技術と比較した本実施形態の具体的な効果をＴ−ｓ線図を用いて説明する。
【００５４】
図３Ａは、非特許文献１、２と同様の構成を有する複合発電装置をある条件下で動作させたときのサイクル系統図である。図３Ｂは、この複合発電装置におけるＴ−ｓ線図である。この例では、総出力を１００ｋＷ、タービン入口温度ＴＩＴを９００℃、セル温度Ｔｃｅｌｌを７４６℃、コンプレッサＣによる圧縮前後の空気の圧力比を３、改質前の水蒸気とメタンとのモル数の比（Ｓ／Ｃ比）を４に設定し、１５℃の空気を０．２２１ｋｇ／ｓの流量で供給した場合を想定している。この条件下では、発電効率ηは６２．４％である。
【００５５】
この発電装置を循環する空気の状態は、（１）→（２）→（３）→（４）→（５）→（６）→（７）→（１）のサイクルで変化する。このサイクルを「基本サイクル」と呼ぶことにする。再生熱交換器Ｒ１で交換される熱量をＱ１とする。
【００５６】
空気は、まずコンプレッサＣによって圧縮され（（１）→（２））、再生熱交換器Ｒ１における昇温過程（（２）→（３））を経てＳＯＦＣ１７のカソードへ入る。この空気は、燃料電池スタックの排熱によってセル温度Ｔｃｅｌｌまで上昇し（（３）→（４））、カソード排気となって燃焼器ＣＣへ入る。燃焼器ＣＣにおいて、カソード排気は未反応燃料を含むアノード排気と混合され、燃焼して最高温度に達する（（４）→（５））。タービンＴにおける膨張過程（（５）→（６））の後、再生熱交換器Ｒ１を通って排熱が回収され（（６）→（７））、排気される。熱交換器Ｒ１を設けることにより、熱交換器Ｒ１がない場合に比べ、図３Ｂの（２）（３）（６）（７）で囲まれる面積の分だけ、サイクル全体でなされる仕事が増加する。
【００５７】
図４Ａは、本実施形態における複合発電装置を上記と同じ外気温度、セル温度で動作させたときのサイクル系統図である。図４Ｂは、この複合発電装置におけるＴ−ｓ線図である。この例では、圧力比やＳ／Ｃ比などのパラメータは上記の例と同じ値に設定されているが、セル温度Ｔｃｅｌｌを上記の例と同じく７４６℃にするため、空気流量を０．１３２ｋｇ／ｓに低下させている。熱交換器Ｒ２が設けられているため、タービン入口温度ＴＩＴは１２００℃まで上昇し、カソード吸気は５６０℃に低下している。このサイクルでは、発電効率ηは６３．９％である。本実施形態におけるサイクルは、（１）→（２）→（３）→（４）→（４’）→（５’）→（６’）→（６’’）→（７）→（１）で表される。図４Ｂには、比較のため、図２Ａの構成における状態（５）、（６）が記載されている。熱交換器Ｒ１で交換される熱量をＱ１、熱交換器Ｒ２で交換される熱量をＱ２としている。
【００５８】
状態（１）〜（４）の過程は、図３Ａ、３Ｂに示す構成における状態（１）〜（４）と同様の過程である。本実施形態では、カソード排気が燃焼器ＣＣに入る前に、再生熱交換器Ｒ２によって加熱される（（４）→（４’））。このため、ここで交換された熱の分だけ最高温度、即ちタービン入口温度ＴＩＴが上昇する。タービンＴでの膨張過程（（５’）→（６’））を経た後、タービンＴからの排気は、再生熱交換器Ｒ２における排熱回収過程（（６’）→（６’’））および再生熱交換器Ｒ１における排熱回収過程（（６’’）→（７））によって順次温度が低下し、外部に排出される。
【００５９】
本実施形態では、基本サイクルと比較して、図４Ｂの（５）（５’）（６’）（６）で囲まれる面積の分だけ単位流量あたりの発電出力が増加する。燃料流量は減少するため、発電効率が向上する。なお、図４Ａに示す例では、排気温度が基本サイクルよりも高くなっているが、空気流量が約半分となっているため、排熱量（エンタルピー）は低下している。また、空気流量の減少により、ＳＯＦＣ１７およびガスタービン１６の双方を小型化することができる。このため、電気出力と装置寸法との比である出力密度が向上する。
【００６０】
また、再生熱交換器Ｒ１、Ｒ２の熱交換量を任意に設計できるため、燃料電池のセル温度Ｔｃｅｌｌと、タービン入口温度ＴＩＴとを任意に設定することができ、設計自由度が向上する。例えば、タービン入口温度ＴＩＴを変えずに燃料電池のセル温度Ｔｃｅｌｌを低下させることができる。その場合の具体例を、図５、６を参照しながら説明する。
【００６１】
図５に示す例は、図３Ａ、３Ｂに示した基本サイクルと比較してセル温度Ｔｃｅｌｌを１４６℃下げて６００℃にした例である。この例では、空気流量を０．３０８ｋｇ／ｓに増加させている。セル温度Ｔｃｅｌｌの低下に連動してタービン入口温度ＴＩＴも１８０℃低下して７２０℃になっている。結果として、発電効率が６２．４％から５８．６％へと３．８％低下した。
【００６２】
図６に示す例は、本実施形態の構成において、セル温度Ｔｃｅｌｌを６００℃まで下げた例である。この例では、空気流量は０．１８３ｋｇ／ｓである。セル温度Ｔｃｅｌｌは上記と同様に６００℃まで下がっているが、タービン入口温度ＴＩＴは９００℃のままである。このため、発電効率の落ち幅を２．５（＝６２．４−５９．９）％に抑えながらも、セルスタック材料の低コスト化および長寿命化が可能となる。
【００６３】
このように、本実施形態によれば、タービン入口温度ＴＩＴおよびセル温度Ｔｃｅｌｌを柔軟に決定することができるため、高効率化および低コスト化・長寿命化の両立が可能となる。従来の構成で同様のことを実現するためには、個々の構成要素の性能や耐久性を高める必要があった。本実施形態によれば、個々の構成要素は従来のものを使用しながらも、上記のように、従来にない優れた特性を実現することができる。
【００６４】
続いて、本実施形態の変形例を説明する。
【００６５】
上記のように、本実施形態によれば、タービン入口温度ＴＩＴを１０００℃を超えるほどの高温にすることもできる。そのような高温状態では、金属製のタービンＴや燃焼器ＣＣを用いた場合、それらの耐熱温度を超えてしまう場合がある。そのような場合、タービンＴのロータおよび燃焼器ＣＣの少なくとも一部にセラミックス（例えば窒化珪素）製の部材を使用してもよい。あるいは、タービンＴのロータを冷却する冷却機構（冷却翼など）が設けられていてもよい。これにより、耐熱性が向上するため、例えば１２００℃を超える高温状態での動作も可能になる。
【００６６】
本実施形態における再生熱交換器Ｒ１、Ｒ２は、物理的に分離されているが、再生熱交換器Ｒ１と再生熱交換器Ｒ２とは、一体化されていてもよい。図７Ａ、７Ｂは、一体化された熱交換器の例を示す図である。図７Ａはプレートフィン型の熱交換器を示し、図７Ｂはシェルアンドチューブ型の熱交換器を示している。図示される熱交換器Ｒ１、Ｒ２の配置は逆であってもよい。すなわち、カソード排気１１を加熱する熱交換器Ｒ１の後段にカソード吸気を加熱する熱交換器Ｒ２が設けられた一体型熱交換器を用いてもよい。一体化することにより、装置の小型化、配管の簡略化、低コスト化といった効果を得ることができる。
【００６７】
発電装置１００は、上記の燃料ポンプＦＰとは別に、燃料のメタン等を燃焼器ＣＣに直接供給する燃料ポンプをさらに備えていてもよい。あるいは、上記の燃料ポンプＦＰが燃焼器ＣＣにも燃料を供給するように構成されていてもよい。そのような構成によれば、アノードＡｎから排出される未反応の燃料が不足する場合であっても燃焼器ＣＣにおける燃焼が可能になる。
【００６８】
本実施形態におけるＳＯＦＣ１７は、アノードＡｎの入り口で燃料の内部改質が行われるように構成されているが、別途改質器を設けてもよい。また、ＳＯＦＣ１７は、多数のセルが直列接続されたスタックを１つに限らず複数有していてもよい。その場合、複数のスタックにおける各セルのカソードからの排気をまとめて熱交換器Ｒ２に導き、加熱する構成を採用することができる。
【００６９】
（実施形態２）
次に、第２の実施形態を説明する。本実施形態では、発電装置１００が第２の再生熱交換器Ｒ２に加えて、燃焼器ＣＣへ流入するアノード排気１２をタービンＴからの排熱によって加熱する第３の再生熱交換器Ｒ３をさらに備えている点で実施形態１とは異なっている。以下、実施形態１とは異なる点を主に説明し、共通する事項についての説明は省略する。
【００７０】
図８は、本実施形態における発電装置１００のサイクル系統図である。図８に示すように、本実施形態における発電装置１００は、燃焼器ＣＣへ流入するアノード排気１２を通過させ、タービンＴからの排熱によってこれを加熱する第３の再生熱交換器Ｒ３をさらに備えている。このような形態によれば、燃焼器ＣＣへ流入する燃料（メタンが改質された水素）の温度が上昇し、燃焼反応前の熱解離が促進されるため、燃焼器ＣＣにおける燃焼効率が上昇する。
【００７１】
図９Ａ、９Ｂは、熱交換器Ｒ２、Ｒ３の構成例を示す図である。図９Ａは、熱交換器Ｒ２、Ｒ３がプレートフィン型の熱交換器である場合の例を、図９Ｂは、熱交換器Ｒ２、Ｒ３がシェルアンドチューブ型の熱交換器である場合の例を示している。なお、熱交換器Ｒ２、Ｒ３の配置関係は逆でもよい。すなわち、熱交換器Ｒ３がタービンＴからの排気によってアノード排気１２を加熱した後、熱交換器Ｒ２がカソード排気１１を加熱するように、熱交換器Ｒ２、Ｒ３が配置されていてもよい。
【００７２】
熱交換器Ｒ２、Ｒ３は一体化されていてもよい。図１０は、第２の熱交換器Ｒ２と第３の熱交換器Ｒ３とが一体化された例を示す図である。図１１Ａ、１１Ｂは、この場合における熱交換器Ｒ２、Ｒ３の構成例を示す図である。このように熱交換器Ｒ２、Ｒ３が一体化されることにより、装置の小型化、配管の簡略化、低コスト化を図ることができる。
【００７３】
本実施形態では、熱交換器Ｒ２、Ｒ３に加えて、さらに熱交換器Ｒ１も一体化されていてもよい。図１２Ａ、１２Ｂは、そのような熱交換器の例を示す図である。これらの例のように３つの熱交換器を一体化することにより、さらなる装置の小型化、配管の簡略化、低コスト化を実現できる。
【００７４】
なお、各熱交換器は、上記の構成に限定されず、熱交換が可能であればどのような構造を有していてもよい。
【００７５】
（実施形態３）
次に、第３の実施形態を説明する。本実施形態では、ＳＯＦＣ１７の空気極（カソードＣａ）をバイパスする第１の配管１３と、第１の配管の流量を調整するための第１の流量調整弁Ｖ１と、第２の熱交換器Ｒ２の低温側の流路をバイパスする第２の配管１４と、第２の配管の流量を調整するための第２の流量調整弁Ｖ２とが設けられている点で実施形態１と異なっている。以下、実施形態１と異なる点を中心に説明し、共通する事項についての説明は省略する。
【００７６】
図１３は、本実施形態における発電装置１００の構成を示す図である。本実施形態では、発電装置１００は、ＳＯＦＣ１７のセル温度Ｔｃｅｌｌを制御するための流量調整弁Ｖ１と、タービン入口温度ＴＩＴを制御するための流量調整弁Ｖ２とを有する。流量調整弁Ｖ１の開度を変化させることにより、カソードＣａをバイパスする配管１３を流れるカソード排気の流量を調整することができる。また、流量調整弁Ｖ２の開度を変化させることにより、再生熱交換器Ｒ２の低温側の流路をバイパスする配管１４の流量を調整することができる。本実施形態によれば、ＳＯＦＣ１７のセル温度Ｔｃｅｌｌと、タービン入口温度ＴＩＴとを、発電装置１００の運転中に制御することができる。
【００７７】
電力負荷の変動などによって部分負荷運転を行う場合、ＳＯＦＣスタックの発熱量が低下するため、セル温度を一定に保つような空気流量になるようにガスタービン回転数を下げることになる。ただし、ガスタービン回転数が固定である場合や、回転数が可変であっても部分負荷率が５０％以下となるような場合は、所望の空気流量まで下げる事ができない。あるいは、所望の空気流量まで下げることができたとしても、ガスタービンの適正作動範囲から外れるため発電効率が低下してしまう。
【００７８】
本実施形態によれば、流量調整弁Ｖ１の開度を調整することにより、カソードＣａに流入する空気の一部をバイパスさせ、所望のカソード流量を実現することができる。ただし、セル温度Ｔｃｅｌｌを維持するためにカソード流量を減少させすぎると、電池反応に必要な酸素が不足する場合がある。このため、制御は、電池反応に必要な酸素量が確保できる範囲で行われる。
【００７９】
カソードＣａをバイパスする空気の割合が増加すると、再生熱交換器Ｒ２の低温側の入口における温度Ｔｃｅｌｌが低下する（減少量をΔＴとする）。その結果、再生熱交換器Ｒ２の高温側と低温側との温度差が大きくなり、熱交換量が増加して再生熱交換器Ｒ２の低温側の出口における温度が低下する（減少量は上記ΔＴ以下）。これにより、タービン入口温度ＴＩＴも低下する。タービン入口温度ＴＩＴを維持するためには、流量調整弁Ｖ２の開度を下げ、再生熱交換器Ｒ２の低温側流量を増加させればよい。
【００８０】
発電装置１００は、図１４に示すように、再生熱交換器Ｒ１の低温側の流路をバイパスする第３の配管１５と、その流量を調整するための第３の流量調整弁Ｖ３とをさらに備えていてもよい。このような構成により、再生熱交換器Ｒ１による熱交換量およびカソード入口温度を制御することができる。このため、外気温度の変動によってコンプレッサＣから吐出される空気の温度が変動した場合でも、流量調整弁Ｖ３の開度を調整することにより、カソード入口温度を一定に保つことができる。
【００８１】
なお、流量調整弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の開度の調整は、例えば不図示の流量センサーや制御回路を用いた電子制御によって行われてもよいし、ユーザが手動で調整できるようにしてもよい。また、上記の構成に限らず、流量調整弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３のうちの１つだけが設けられた構成、流量調整弁Ｖ１、Ｖ３だけが設けられた構成、または流量調整弁Ｖ２、Ｖ３だけが設けられた構成を採用してもよい。流量調整弁Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３のうちの少なくとも１つが設けられていれば、部分的ではあるが、ある程度の効果を得ることができる。
【００８２】
（他の実施形態）
本開示における技術は上記の実施形態に限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施形態にも適用可能である。また、上記の実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて新たな実施形態とすることも可能である。以下、他の実施形態を例示する。
【００８３】
以上の実施形態においては、燃料電池として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いているが、他の種類の燃料電池を用いてもよい。例えば、溶融炭酸塩型燃料電池のような高温で動作する他の種類の燃料電池を用いることができる。
【００８４】
発電装置１００は、例えば図１５に示すように、第１熱交換器Ｒ１を通過したタービンＴからの排気を熱源とするランキンサイクル発電装置Ｇをさらに備えていてもよい。熱交換器Ｒ１からの排ガスもまだ十分に高温であるため、この排熱を利用したボトミングサイクルを組み合わせることによって発電効率を更に向上させることができる。ランキンサイクル発電装置Ｇは、例えば他のガスタービンや蒸気タービンによって駆動される発電機を備え得る。そのような発電装置Ｇを追加することにより、タービンＴからの排熱をさらに有効に活用できるため、総合発電効率のさらなる向上が期待できる。なお、図１５の構成では、実施形態３の構成をベースにしているが、実施形態１、２の構成をベースにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本開示の燃料電池・ガスタービン複合発電装置は、定置式発電機、移動電源車、家庭用ＣＨＰ、発電所などの発電装置として有用である。
【符号の説明】
【００８６】
Ｃ  コンプレッサ
Ｔ  タービン
ＭＧ  発電機
ＦＰ  燃料ポンプ
Ｒ１  再生熱交換器
Ｒ２  再生熱交換器
Ｃａ  燃料電池のカソード
Ａｎ  燃料電池のアノード
ＣＣ  燃焼器
Ｖ１  カソード用バイパス流量調整弁
Ｖ２  再生熱交換器Ｒ２用バイパス流量調整弁
Ｖ３  再生熱交換器Ｒ１用バイパス流量調整弁
１０  カソード吸気
１１  カソード排気
１２  アノード排気
１３  カソード用バイパス配管
１４  再生熱交換器Ｒ２用バイパス配管
１５  再生熱交換器Ｒ１用バイパス配管
１６  電解質
１７  固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
１８  ガスタービン
１９  軸
１００  発電装置
【図１】
2014231816.tif 000003
【図２Ａ】
2014231816.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
2014231816.tif 000006
【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
2014231816.tif 000010
【図６】
2014231816.tif 000011
【図７Ａ】
2014231816.tif 000012
【図７Ｂ】
2014231816.tif 000013
【図８】
2014231816.tif 000014
【図９Ａ】
2014231816.tif 000015
【図９Ｂ】
2014231816.tif 000016
【図１０】
2014231816.tif 000017
【図１１Ａ】
2014231816.tif 000018
【図１１Ｂ】
2014231816.tif 000019
【図１２Ａ】
2014231816.tif 000020
【図１２Ｂ】
2014231816.tif 000021
【図１３】
2014231816.tif 000022
【図１４】
2014231816.tif 000023
【図１５】
2014231816.tif 000024
【図１６】
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【図１７】
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