(57)【要約】  吸気３０を圧縮する圧縮機１と、圧縮機からの圧縮空気３１を加熱する再生熱交換器４と、再生熱交換器からの圧縮空気を電池燃料６０の反応熱で加熱し、電池燃料の反応生成物である水を含む高温ガス３３を生成する燃料電池１０と、燃料電池からの高温ガスで駆動され、再生熱交換器に熱源となる排ガス３５を排出するタービン２と、再生熱交換器からの排ガス中の水を凝縮して回収する熱交換器１４と、熱交換器で回収された水が貯蔵される給水タンク２０と、吸気３０及び圧縮空気３１に対して、給水タンク２０の水を供給する給水ポンプ５０とを備える。  これにより、燃料電池１０で生じた水を利用してガスタービンの吸気等に水噴霧できるので、コストを抑制しながら出力向上と高効率化を図ることができる。
2010013316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気を圧縮する圧縮機と、
この圧縮機からの圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、
この再生熱交換器からの圧縮空気を電池燃料の反応熱で加熱し、電池燃料の反応生成物である水を含む高温ガスを生成する燃料電池と、
この燃料電池からの高温ガスで駆動され、前記再生熱交換器に熱源となる排ガスを排出するタービンと、
前記再生熱交換器からの排ガス中の水を凝縮して回収する熱交換器と、
この熱交換器で回収された水が貯蔵される給水タンクと、
前記圧縮機の吸気、及び前記圧縮機から前記燃料電池に供給される圧縮空気に対して、前記給水タンクの水を供給する給水ポンプ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２】
請求項１記載のハイブリッド発電システムにおいて、
前記燃料電池を起動し、
前記給水タンクの水量が、前記圧縮機の吸気に供給するための水量として最低限必要な値に達した以後に、前記給水ポンプを利用して前記吸気に水噴霧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】
請求項１記載のハイブリッド発電システムにおいて、
前記燃料電池を起動し、
前記給水タンクの水量が、前記圧縮機から前記再生熱交換器に供給される圧縮空気に供給するための水量として最低限必要な値に達した以後に、前記給水ポンプを利用して前記圧縮空気に水噴霧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４】
請求項１記載のハイブリッド発電システムにおいて、
前記燃料電池を起動し、
前記給水タンクの水量が、前記圧縮機の吸気、及び前記圧縮機から前記再生熱交換器に供給される圧縮空気に供給するための水量として最低限必要な値に達した以後に、前記給水ポンプを利用して前記吸気及び前記圧縮空気に水噴霧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５】
請求項１記載のハイブリッド発電システムにおいて、
前記タービンのシャフトを支持する水潤滑軸受と、
前記給水タンクから供給される水が貯蔵される循環水タンクと、
この循環水タンク内の水を前記水潤滑軸受に循環供給する循環ポンプとをさらに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６】
請求項５記載のハイブリッド発電システムにおいて、
前記循環水タンクの水量が、前記水潤滑軸受を利用するための水量として最低限必要な値以上に保持されるように、前記給水タンクの水を前記循環水タンクに供給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７】
請求項５記載のハイブリッド発電システムにおいて、
前記燃料電池を起動し、
前記循環水タンクの水量が、前記水潤滑軸受を利用するための水量として最低限必要な値に達した以後に、前記圧縮機、前記再生熱交換器、及び前記タービンを有するガスタービンを起動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８】
請求項７記載のハイブリッド発電システムにおいて、
前記ガスタービンを起動した後であって、前記給水タンクの水量が、前記圧縮機の吸気、及び前記圧縮機から前記再生熱交換器に供給される圧縮空気に供給するための水量として最低限必要な値に達した以後に、前記給水ポンプを起動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９】
請求項１記載のハイブリッド発電システムにおいて、
前記燃料電池からの高温ガスに燃焼燃料を加えて燃焼し、前記タービンに供給するための燃焼ガスを生成する燃焼器をさらに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１０】
吸気を圧縮する圧縮機と、
この圧縮機からの圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、
この再生熱交換器からの圧縮空気を電池燃料の反応熱で加熱し、電池燃料の反応生成物である水を含む高温ガスを生成する燃料電池と、
この燃料電池からの高温ガスで駆動され、前記再生熱交換器に熱源となる排ガスを排出するタービンと、
前記再生熱交換器からの排ガス中の水を凝縮して回収する熱交換器と、
この熱交換器で回収された水が貯蔵される給水タンクとを備えるハイブリッド発電システムの運転方法であって、
前記燃料電池を起動し、
前記給水タンクの水量が、前記圧縮機の吸気、及び前記圧縮機から前記再生熱交換器に供給される圧縮空気に供給するための水量として最低限必要な値に達した以後に、前記給水タンクの水を前記吸気及び前記圧縮空気に対して供給することを特徴とするハイブリッド発電システムの運転方法。
【請求項１１】
吸気を圧縮する圧縮機と、
この圧縮機からの圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、
この再生熱交換器からの圧縮空気を電池燃料の反応熱で加熱し、電池燃料の反応生成物である水を含む高温ガスを生成する燃料電池と、
この燃料電池からの高温ガスで駆動され、前記再生熱交換器に熱源となる排ガスを排出するタービンと、
前記再生熱交換器からの排ガス中の水を凝縮して回収する熱交換器と、
この熱交換器で回収された水が貯蔵される給水タンクと、
前記圧縮機の吸気、及び前記圧縮機から前記燃料電池に供給される圧縮空気に対して、前記給水タンクの水を供給する給水ポンプと、
前記タービンのシャフトを支持する水潤滑軸受と、
前記給水タンクから供給される水が貯蔵される循環水タンクと、
この循環水タンク内の水を前記水潤滑軸受に供給する循環ポンプとを備えるハイブリッド発電システムの運転方法であって、
前記燃料電池を起動し、
前記循環水タンクの水量が、前記水潤滑軸受を利用するための水量として最低限必要な値に達した以後に、前記圧縮機、前記再生熱交換器、及び前記タービンを有するガスタービンを起動することを特徴とするハイブリッド発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービンと燃料電池によって発電するハイブリッド発電システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
総合効率の良い分散電源として、マイクロガスタービンや燃料電池が開発されている。燃料電池は、基本的には水素と酸素の反応により発電するシステムであり、反応生成物として水を生成する。燃料電池は、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、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大幅に高い。【０００３】
近年、更なる発電効率の向上を図るため、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が開発されてきている。通常のガスタービンでは燃焼器により作動媒体を昇温するが、このハイブリッド発電システムは、作動媒体の昇温の一部あるいは全てを燃焼器に代わって燃料電池が行うので、システム全体の発電効率を向上させることができる。【０００４】
ところで、ガスタービン単体の出力向上と高効率化を図る技術として、外部から取得した水をガスタービンの吸気や圧縮空気に噴霧する加湿設備を備えたものが提案されている（例えば、特開２００２−１３８８５２号公報参照）。
【特許文献１】特開２００２−１３８８５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、この技術が記載されている上記文献には、加湿設備をハイブリッド発電システムに適用する場合の方法については何の開示もされていない。【０００６】
また、ハイブリッド発電システムに加湿設備を導入する際の障害となり得る具体的な問題の１つとして、加湿設備の導入及び維持に付随するコストの問題がある。まず、加湿設備で吸気等に水噴霧を常時行うと、その給水分の水を確保するためのランニングコストが問題となる。上記技術には、このランニングコストの低減を図るために、ガスタービンの排気から水分を回収して再利用するための水回収装置が設けられているが、この場合には水回収装置の設置に付随するイニシャルコストが次の問題となる。【０００７】
そのため、ハイブリッド発電システムに加湿設備を導入しようとする場合、それに付随するコストと比較して、水噴霧による発電効率の向上の程度が低いとときには、加湿設備の導入が見合わされることも予想される。この問題は外部から水を導入できない場所・状況では、さらに顕著なものとなる。【０００８】
本発明の目的は、コストを抑制しながら出力向上と高効率化を図ることができるハイブリッド発電システム及びその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するために、吸気を圧縮する圧縮機と、この圧縮機からの圧縮空気を加熱する再生熱交換器と、この再生熱交換器からの圧縮空気を電池燃料の反応熱で加熱し、電池燃料の反応生成物である水を含む高温ガスを生成する燃料電池と、この燃料電池からの高温ガスで駆動され、前記再生熱交換器に熱源となる排ガスを排出するタービンと、前記再生熱交換器からの排ガス中の水を凝縮して回収する熱交換器と、この熱交換器で回収された水が貯蔵される給水タンクと、前記圧縮機の吸気、及び前記圧縮機から前記燃料電池に供給される圧縮空気に対して、前記給水タンクの水を供給する給水ポンプとを備えるものとする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池で生じた水を利用してガスタービンの吸気等に水噴霧できるので、コストを抑制しながら出力向上と高効率化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施の形態であるハイブリッド発電システムのシステム構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池１０の構成図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に関する比較例であるハイブリッド発電システムのシステム構成図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に関する比較例である高湿分空気利用再生サイクルガスタービンのシステム構成図。
【図５】本発明の第１の実施の形態であるハイブリッド発電システムに係るシステム起動スケジュールの説明図。
【図６】本発明の第２の実施の形態であるハイブリッド発電システムのシステム構成図。
【図７】本発明の第３の実施の形態であるハイブリッド発電システムのシステム構成図。
【図８】本発明の第３の実施の形態であるハイブリッド発電システムに係るシステム起動スケジュールの説明図。
【符号の説明】
【００１２】
１      圧縮機
２      タービン
３      燃焼器
４      再生熱交換器
７      水潤滑軸受
１０      燃料電池
１４      熱交換器
１５      電力
２０      給水タンク
２１      循環水タンク
３０      吸気
３１      圧縮空気
３２      圧縮空気
３３      高温ガス
３４      燃焼ガス
３５      排ガス
３７      冷媒
４１      給水ライン
４２      給水ライン
４３      給水ライン
５０      給水ポンプ
５５      噴霧装置
５６      増湿装置
６０      電池燃料
６１      燃焼燃料
７０      給水タンク水量設定値
７１      給水ポンプ起動時刻
７２      循環水タンク水量設定値
７３      ガスタービン起動時刻
８０      開閉弁
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。【００１４】
図１は本発明の第１の実施の形態であるハイブリッド発電システムのシステム構成図である。【００１５】
この図に示すハイブリッド発電システムは、噴霧装置５５を通過した吸気３０を圧縮して吐出する圧縮機１と、圧縮機１からの圧縮空気３１を加熱する再生熱交換器４と、再生熱交換器４からの圧縮空気３２を燃料（電池燃料）６０の反応熱で加熱し、電池燃料の反応生成物である水を含む高温ガス３３を生成する燃料電池１０と、燃料電池１０からの高温ガス３３で駆動され、再生熱交換器４に熱源となる排ガス３５を排出するタービン２と、燃料電池１０で生成された水が貯蔵される給水タンク２０と、圧縮機１の吸気３０及び圧縮機１から再生熱交換器４に供給される圧縮空気３１に対して、給水タンク２０の水を供給する給水ポンプ５０を備えている。【００１６】
タービン２は、高温ガス３３によって与えられる駆動力によって、タービン２に連結されている圧縮機１と発電機５を回転させる。再生熱交換器４は、タービン２からの排ガス３５と圧縮空気３１を熱交換させて、圧縮空気３１を加熱するとともに排ガス３５を冷却する。この再生熱交換器４を備えているサイクルを再生サイクルといい、再生熱交換器４を備えていないサイクルより発電効率が高い。再生熱交換器４で冷却された排ガス３６は、燃料電池１０に供給される。次に燃料電池１０について詳しく説明する。【００１７】
図２は本実施の形態に係る燃料電池１０の構成図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する（後の図も同様に扱う）。【００１８】
本実施の形態では、燃料電池１０として、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell（ＳＯＦＣ））を利用した場合について説明する。この種の燃料電池では、燃料（電池燃料）６０として水素を直接利用するのではなく、天然ガス等の炭化水素系燃料を改質して水素をつくり出し、燃料６０として使用する場合がある。【００１９】
この図に示す燃料電池１０は、蒸発器１３と、改質器１２と、電池部１１と、熱交換器１４を備えている。なお、この図では単純化して予熱器等の構成要素は省略している。【００２０】
蒸発器１３は、給水タンク２０からの水を高温ガス３３によって蒸発させるもので、ポンプ５２を介して給水タンク２０と接続されている。本実施の形態の蒸発器１３には電池部１１で発生する高温ガス３３が導入されており、高温ガス３３は給水タンク２０からの水を加熱する熱源として利用されている。蒸発器１３で発生された蒸気は改質器１２に供給される。【００２１】
改質器１２は、蒸発器１３からの蒸気で燃料（例えば、天然ガス）６０を改質するもので、蒸発器１３と接続されている。本実施の形態の改質器１２には、蒸発器１３と同様に、電池部１１で発生する高温ガス３３が導入されており、高温ガス３３は燃料６０を改質する際の熱源として利用されている。改質器１２で改質された燃料６０は電池部１１に供給される。【００２２】
電池部１１は、改質器１２からの燃料６０の化学反応により電力１５を発生させるもので、改質器１２及び再生熱交換器４と接続されている。電池部１１のアノード（図示せず）には改質器１２から燃料６０が供給され、電池部１１のカソード（図示せず）には再生熱交換器４から酸素を含んだ空気（燃料電池吸気）３２が供給されており、これらによる化学反応によって電力１５が発生する。この化学反応の際、アノードでは反応生成物として水（燃料電池排水）が生成され、化学反応で発生した排ガスに水蒸気として含まれる。アノード及びカソードで発生した排ガスは、化学反応で生じた反応熱によって加熱され、高温ガス（燃料電池排気（例えば、６００〜１０００度程度））３３となって電池部１１から排出される。高温ガス３３は、蒸発器１３及び改質器１２等の熱源として利用された後に、タービン２に供給される。【００２３】
熱交換器（排熱回収熱交換器）１４は、再生熱交換器４からの排ガス３６と冷媒３７を熱交換して排ガス３６中の水分（燃料電池排水）を凝縮・回収するもので、再生熱交換器４と接続されている。熱交換器１４で回収された水は、給水ライン４０を介して給水タンク２０に貯蔵される。一方、熱交換器１４で冷却された排ガス３９は外部へ放出される。なお、排ガス３６を冷却する冷媒３７の具体例としては、空気があるが、給水タンク２０に貯蔵された水の一部を利用しても良い。この場合には、給水タンク２０の水の一部を熱交換器１４に循環供給する循環系統を別途構成することが好ましい。また、当該循環系統にラジエータを設置すれば、熱交換器１４の冷媒温度を降下させることができるので、効率的に排ガス３６中から水を凝縮・回収することができる。【００２４】
また、熱交換器１４と給水タンク２０の間、もしくは給水タンク２０と給水ポンプ５０の間等には逆浸透膜等の純水化装置（図示せず）を設けることが好ましい。このように純水化装置を設けると、回収した水に含まれる不純物を除去することができるので、その水をシステム内の各所に供給しても、圧縮機１等の構成要素が損傷することを防止することができる。【００２５】
なお、ここでは燃料電池１０として、ＳＯＦＣを利用した場合について説明したが、溶融炭酸塩形燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell（ＭＣＦＣ））を利用しても良い。【００２６】
ここで図１に戻る。図１に示す発電システムは、給水ライン４１と、給水ライン４２と、噴霧装置５５と、増湿装置５６を備えている。【００２７】
給水ライン４１は、噴霧装置５５に水を供給するもので、給水ポンプ５０を介して給水タンク２０と接続されている。給水ライン４２は、増湿装置５６に水を供給するもので、給水ポンプ５０を介して給水タンク２０と接続されている。給水タンク２０内の水は、給水ポンプ５０によって昇圧されて、噴霧装置５５及び増湿装置５６に供給される。【００２８】
噴霧装置５５は、水噴霧式吸気冷却（Water Atomizing inlet air Cooling（ＷＡＣ））を行うもので、圧縮機１の上流側に設置されている。このように吸気３０に水を噴霧すると、吸気３０の温度を低下させ圧縮機１の吸込流量を増加させること、圧縮機１の駆動動力を低下させること等の効果を得ることができる。【００２９】
増湿装置５６は、圧縮空気３１に水を噴霧して増湿空気とすることで加湿タービン（Humid Air Turbine（ＨＡＴ））を構成するもので、圧縮機１と再生熱交換器４の間に設置されている。このように圧縮空気３１を増湿すると、圧縮空気３１の温度が低下するため排気３６の温度が低下し、再生熱交換器４によるタービン排ガス３５の熱回収が増加するので熱効率が向上する等の効果を得ることができる。なお、増湿装置５６の具体例としては増湿塔がある。この増湿塔は、塔内を下方から上方に向かって通過する空気に対して上方から散水し、空気の湿分を増加させるものである。【００３０】
次に本実施の形態の作用及び効果について、比較例を参照しながら説明する。【００３１】
図３は本実施の形態の比較例であるハイブリッド発電システムのシステム構成図であり、図４は本実施の形態の比較例である高湿分空気利用再生サイクルガスタービンのシステム構成図である。【００３２】
図３に示すハイブリッド発電システムは、ガスタービンと燃料電池を組み合わせたもので、吸気３０への水噴霧や圧縮空気３１の増湿を行うことなく燃料電池１０で発生した高温ガス３３をタービン２に供給している。即ち、図３のシステムは、本実施の形態に係るハイブリッド発電システムから給水タンク２０、給水ポンプ５０、給水ライン４１、噴霧装置５５、給水ライン４２、及び増湿装置５６を省略したものに相当し、燃料電池１０で反応生成物として得られた水４９を外部へ排水している点で本実施の形態のものと異なっている。こうしたハイブリッド発電システムでは、燃料電池１０での化学反応で得られた熱は、排気として外部に排出される間に発電に利用不可能な温度にまで回収されている。そのためハイブリッド発電システムを、熱回収の観点からシステムの更なる出力向上と高効率化を図ることは難しかった。【００３３】
ハイブリッド発電システムに関する技術ではないが、燃料６１を燃焼器３で燃焼するガスタービン単体の出力向上と高効率化を図る技術としては、図４に示したシステムのように、外部から取得した水４６をガスタービンの吸気３０や圧縮空気３１に噴霧する噴霧装置５５及び増湿装置５６（以下、適宜「加湿設備」と称す）を備えたものがある。【００３４】
こうした加湿設備５５，５６をハイブリッド発電システムに導入する際の障害となり得る具体的な問題の１つとして、加湿設備５５，５６の導入及び維持に付随するコストの問題がある。まず、加湿設備５５，５６で吸気等に水を常時噴霧すると、その給水分の水を確保するためのランニングコストが問題となる。例えば、特開２００２−１３８８５２号公報記載のシステムには、このランニングコストの低減を図るためにガスタービンの排気から水分を回収して再利用するための水回収装置が設けられているが、この場合には水回収装置の設置に付随するイニシャルコストが次の問題となる。そのため、ハイブリッド発電システムに加湿装置５５，５６を導入しようとする場合、それに付随するコストと比較して、水噴霧による発電効率の向上の程度が低いとときには、加湿設備５５，５６の導入が見合わされることも予想される。外部から水を導入できない場所・状況では、この問題はさらに顕著なものとなる。【００３５】
これに対して、本実施の形態のハイブリッド発電システムは、燃料電池１０で生成された水が貯蔵される給水タンク２０と、吸気３０及び圧縮空気３１に対して水タンク２０の水を供給する給水ポンプ５０を備えている。これにより、燃料電池１０の反応生成物である水を排水として捨てることなく熱交換器１４で回収してガスタービンで噴霧水等として利用することで、熱だけでなく水の利用の面でもハイブリッド化を実現している。なお、あるシステム例では、改質器１２で改質用蒸気として使用される水量は熱交換器１４で凝縮・回収された水分の３分の２程度であり、残りの３分の１の水量の範囲内で噴霧装置５５及び増湿装置５６への供給分を賄えるという知見を発明者らは得ている。【００３６】
このように燃料電池１０で発生した水を利用すると、給水分の水を確保するためのランニングコストの低減はもちろんのこと、排ガス３６から水分を回収する水回収装置を別途設ける必要が無くなるので、水回収装置及びこれに付随する設備のイニシャルコストも低減することができる。したがって、本実施の形態によれば、システムのランニングコストに加えてイニシャルコストも低減しながら、出力向上と高効率化を実現できるという顕著な効果を奏することができる。特に、本実施の形態は、燃料電池１０の燃料６０が確保できれば水を生成することができるので、水を外部から導入できない場所・状況においても容易にシステムを運用できるというメリットがある。次に、水を外部から導入できない場所・状況における本実施の形態のシステムの起動方法について具体的に説明する。【００３７】
図５は、本実施の形態のハイブリッド発電システムに係るシステム起動スケジュールの説明図である。【００３８】
この図の縦軸は水量及び電気出力を示し、横軸はシステム起動時からの経過時間を示している。縦軸における設定値７０は、噴霧装置５５及び増湿装置５６を介して吸気３０及び圧縮空気３１に水を供給するために、給水タンク２０の水量として最低限必要な値である。給水タンク２０内の水量を計測する手段としては、例えば、レベルゲージがある。ここでは、給水タンク２０内の水量が設定値７０以上に保持されれば、本実施の形態に係るハイブリッド発電システムの出力及び効率向上を図ることができるものとする。また、横軸における時刻７１は、給水ポンプ５０を起動した時刻を示している。【００３９】
水を外部から導入できない場所・状況では、当初、給水タンク２０内は空（または設定値７０未満）であり、噴霧装置５５及び増湿装置５６で水噴霧することができない。したがって、この図に示すように、まず、給水ライン４１及び給水ライン４２に給水することなく（即ち、給水ポンプ５０を起動することなく）、ガスタービン（圧縮機１、再生熱交換器４、タービン２等）と燃料電池１０を起動する。燃料電池１０を起動すると、その内部で発生した水が給水タンク２０に溜まり、時間経過とともに水量が増加する。その後、給水タンク２０の水量が設定値７０に達した以後に、給水ポンプ５０を起動して水噴霧を開始する（時刻７１）。この時刻７１以後は、噴霧装置５５及び増湿装置５６で水噴霧することができるので、図５に示すようにシステムの電気出力を向上させることができる。【００４０】
このようにシステムを起動させれば、燃料電池１０で発生する水を利用することにより、水の少ない地域でも本実施の形態に係るハイブリッド発電システムを運用することができる。すなわち、給水ポンプ５０が起動された時刻７１以後は、噴霧装置５５及び増湿装置５６による出力及び効率の向上効果を発揮することができる。【００４１】
なお、給水タンク２０の水量をセンシングし、その水量が設定値７０に達したら給水ポンプ５０に起動信号を送信する制御装置を設け、給水ポンプ５０の起動を自動制御しても良い。【００４２】
また、上記では噴霧装置５５及び増湿装置５６に同時に給水する場合について説明したが、噴霧装置５５に給水を開始するための給水タンク２０の設定値と、増湿装置５６に給水を開始するための給水タンク２０の設定値を個別に設定し、噴霧装置５５と増湿装置５６に給水を開始する時刻に時間差を設けても構わない。この場合には、給水ライン４１と給水ライン４２に個別に給水できる構成とする必要があるが、その構成の具体例としては、給水ライン４１，４２の両方に給水ポンプ等の給水手段を設けるものや、給水ライン４１，４２の一方に給水ポンプを取り付け、他方には弁を取り付けるもの等がある。【００４３】
さらに、システムが熱交換器１４の冷媒３７として給水タンク２０の水を循環供給する循環系統を備えている場合には、システム起動時から冷媒３７用の水量が溜まるまで間、冷媒３７として空気を利用すれば良い。【００４４】
次に本発明の第２の実施の形態について説明する。  
図６は本発明の第２の実施の形態であるハイブリッド発電システムのシステム構成図である。【００４５】
この図に示すハイブリッド発電システムは、燃料電池１０とタービン２の間に燃焼器３を備えている点で第１の実施の形態のものと異なる。燃焼器３は、燃料電池１０からの高温ガス３３に燃料（燃焼燃料）６１を加えて燃焼し、タービン２に供給するための燃焼ガス３４を生成するものである。【００４６】
このように燃料電池１０の下流側に燃焼器３を設けると、高温ガス３３の温度を燃焼反応で昇温できるので、燃料６１の量を調節する等して所望の温度の燃焼ガス３４を得ることができる。また、燃焼器３を設けると、高温ガス３３内に未反応の燃料（電池燃料）６０が残留している場合にもこれらを燃焼することができるので、燃料６０の使用率を向上させることができる。なお、燃焼ガス３４の温度が高い方がガスタービンの出力と効率は一般に向上するが、燃焼ガス３４の温度をどの程度にするかは、ガスタービンの設計やハイブリッド発電システムのトータルのシステム設計による。【００４７】
次に本発明の第３の実施の形態について説明する。  
図７は本発明の第３の実施の形態であるハイブリッド発電システムのシステム構成図である。【００４８】
この図に示すハイブリッド発電システムは、主に、タービン２のシャフトを支持する水潤滑軸受７と、給水タンク２０から供給される水が貯蔵される循環水タンク２１と、循環水タンク２１内の水を水潤滑軸受７に循環供給する循環ポンプ５１を備えている点で第１の実施の形態のものと異なる。なお、この図に示したシステムには燃焼器３が備えられているが、タービン２の入口温度が燃料電池１０からの高温ガス３３の温度で充分な場合には、第１の実施の形態と同様に燃焼器３を省略しても良い。【００４９】
水潤滑軸受７は、発電機ロータ６の両端に設置されている。水潤滑軸受７には、給水ライン４４が接続されており、循環ポンプ５１によって循環水タンク２１内の水が循環供給されている。給水ライン４４を介して水潤滑軸受７に供給された水は、その後、排水ライン４５を介して排水され、循環水タンク２１内に戻る。ハイブリッド発電システムに比較的小型（例えば、数百ｋＭＷ）かつ高速回転するタービンが利用される場合において、軸受として水潤滑軸受７を採用すると、潤滑油を利用したときよりも軸受損失を低下することができ、高効率化を図ることができる。また、水潤滑軸受７を用いれば、油を一切使用しない、いわゆるオイルフリーのシステムを構築することができる。これにより、油を使用できない環境（例えば、食品工場等）にもハイブリッド発電システムを構築することができるようになるので、システムの環境特性が向上する。【００５０】
循環水タンク２１は、給水ライン４３を介して給水タンク２０と接続されている。水潤滑軸受７に循環供給される潤滑水は、循環中に蒸発したり、漏れが生じたりするので、徐々に減少していく。給水ライン４３は、この潤滑水の減少分を補うためのものである。また、給水ライン４３には開閉弁８０が設けられている。【００５１】
開閉弁８０は、循環水タンク２１の水量が、水潤滑軸受７を利用するための水量として最低限必要な値（図８における設定値７２）以上に保持されるように開かれる。開閉弁８０が開かれると、給水タンク２１の水が給水ライン４３を介して循環水タンク２１に供給される。この場合、給水タンク２０と循環水タンク２１の高さの関係によっては、水の自重で水タンク２０から循環水タンク２１に自然に水が流れることがある。この場合に潤滑水が減少したときには、開閉弁８０を開くだけで水を補給することができる。また、これとは逆に、水の自重で循環水タンク２１に自然に水が流れない場合には、給水ポンプを給水ライン４３に設置し、そのポンプを必要に応じて作動させる必要がある。【００５２】
上記のように構成される実施の形態によれば、水潤滑軸受７の継続的な使用によって潤滑水が減少しても、給水ライン４３を介して給水タンク２０中の水（燃料電池１０で生成された水）を供給することができる。これにより、循環水の補充用に水を別途用意することなくオイルフリーのシステムを構築することができる。これは、外部から水を導入できない場所・状況において特に有利なメリットとなる。また、上記各実施の形態と比較して、燃料電池１０で生成された水の消費量を増加することができるので、水の利用率が一層向上したハイブリッドシステムを構築することができる。次に、水を外部から導入できない場所・状況における本実施の形態のシステムの起動方法について具体的に説明する。【００５３】
図８は、本実施の形態のハイブリッド発電システムに係るシステム起動スケジュールの説明図である。【００５４】
この図の縦軸は循環水タンク２１の水量、並びにガスタービン及び燃料電池１０の動作状態を示し、横軸はシステム起動時からの経過時間を示している。縦軸における設定値７２は、水潤滑軸受７を利用するための循環水タンク２１の水量として最低限必要な値である。循環水タンク２１内の水量を計測する手段としては、例えば、レベルゲージがある。また、横軸における時刻７３は、ガスタービンを起動した時刻を示している。【００５５】
水を外部から導入できない場所・状況では、当初、循環水タンク２１内は空（または設定値７２未満）であり、水潤滑軸受７を利用することができず、ガスタービンを起動できない。したがって、この図に示すように、まず、ガスタービンは停止したまま、燃料電池１０のみを起動する。燃料電池１０を起動すると、その内部で発生した水が給水タンクに溜まるので、その水を給水ライン４３を介して循環水タンク２１に供給する。循環水タンク２１の水量が増加して設定値７０に達したら、それ以後に循環ポンプ５１を起動して水潤滑系統を運転し、ガスタービンを起動する（時刻７３）。このようにシステムを起動させれば、燃料電池１０で発生する水を利用することにより、水の少ない地域でも本実施の形態に係るオイルフリーなハイブリッド発電システムを運用することができるので、システムの環境特性は一層向上する。【００５６】
なお、このとき、システムに具備されている燃料電池が燃料改質を必要としないタイプのものであれば、燃料電池の作動中に改質用蒸気のための水を利用する必要がない。そのため、給水タンク２０内の水のすべてを循環水タンク２１に供給することができるので、上記で説明した燃料電池１０の場合より、早くガスタービンを起動することができる。【００５７】
また、ガスタービンを起動した時点（時刻７３）で、噴霧装置５５及び増湿装置５６に供給するために必要な量の水が給水タンク２０内にない場合には、図５を用いて説明した例のように、必要な水量が溜まった以後に水噴霧を開始すれば良い。さらに、図５に関連して説明したように、循環水タンク２１の水量をセンシングし、その水量が設定値７２に達したらガスタービンに起動信号を送信する制御装置を設け、ガスタービンの起動を自動制御しても良いのはいうまでもない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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