(57)【要約】【課題】  サーマルＮＯｘの発生量を低減するとともに、コンバインド発電システムの効率向上を図ることができる固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システムを提供する。【解決手段】  固体酸化物形燃料電池７と、ガスタービン３で駆動される発電機５とを併用して発電する固体酸化物形燃料電池とを用いたコンバインド発電システムであって、固体酸化物形燃料電池７の空気極に、ガスタービン３から排出されるガスタービン排気を導入し、ガスタービン３のガスタービン燃焼器１３に、固体酸化物形燃料電池７の燃料極から排出される未反応燃料を含む排燃料ガスを導入することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池と、ガスタービンで駆動される発電機とを併用して発電する固体酸化物形燃料電池とを用いたコンバインド発電システムであって、
前記固体酸化物形燃料電池の空気極に、前記ガスタービンから排出されるガスタービン排気を導入し、
前記ガスタービンのガスタービン燃焼器に、前記固体酸化物形燃料電池の燃料極から排出される未反応燃料を含む排燃料ガスを導入することを特徴とする固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システム。
【請求項２】
高温燃料ガスおよび高温空気の供給を常圧で受けて発電する固体酸化物形燃料電池と、
同軸に連結された圧縮機部およびタービン部と、前記圧縮機部から供されるガスタービン圧縮空気を用いてガスタービン燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器とを備え、前記ガスタービン燃焼器が生成したガスタービン燃焼ガスを前記タービン部で膨張させて回転させるガスタービンと、
該ガスタービンの出力で駆動されて発電する発電機と、
前記固体酸化物形燃料電池の燃料極から排出される未反応燃料を含む排燃料ガスを前記ガスタービンのガスタービン燃料として供給する燃料電池排気供給手段と、
前記ガスタービンから排出されたガスタービン排気を前記固体酸化物形燃料電池の高温空気として供給するガスタービン排気供給流路と、
を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システム。
【請求項３】
前記燃料電池排気供給手段が、前記排燃料ガスを圧縮する排燃料圧縮部と、前記排燃料ガスを前記ガスタービン燃焼器に導く排燃料供給流路と、を備えることを特徴とする請求項２記載の固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して発電を行うものである。この燃料電池は、燃料側の電極である燃料極と、空気側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。
【０００３】
このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ
Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）は、電解質としてジルコニアセラミクッスなどのセラミックスが用いられ、天然ガス，石油，メタノール，石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このＳＯＦＣは、イオン電導率を高めるために作動温度が約９００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。
そして、このＳＯＦＣは、高温で運転することからＳＯＦＣの排熱を利用できるガスタービンとの相性がよく、ＳＯＦＣとガスタービンとを組み合わせるコンバインド発電システム、すなわち固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システム（以下「ＳＯＦＣコンバインド発電システム」と呼ぶ）は、高効率を達成できる発電システムとして期待されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−２１７６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の特許文献１には、ガスタービンの圧縮機で圧縮された高圧空気をＳＯＦＣの空気極に導入して発電した後、発電時の反応熱に未反応の燃料ガスおよび空気を燃焼させた熱を加えた排熱をガスタービンの駆動に再利用するＳＯＦＣコンバインド発電システムが開示されている。このＳＯＦＣコンバインド発電システムでは、高温に加えて高圧とした燃料ガスおよび空気を電池系内に流す加圧型ＳＯＦＣが用いられている。
しかしながら、上記の加圧型ＳＯＦＣは、加圧された燃料および空気が供給されるため、燃料極、空気極および電解質を収容する容器には、耐圧性を有する圧力容器を用いる必要があり、更には、燃料および空気を導く配管および継ぎ手なども耐圧性を有するものを用いる必要があった。そのため、後述する常圧型ＳＯＦＣよりも製作が難しくコスト高になるという問題があった。また、加圧型ＳＯＦＣに供給される燃料および空気の圧力を制御する必要があり、かつ、電池（例えば燃料極、空気極、電解質、配管、継ぎ手など）の破損を防止するため燃料および空気の圧力制御をきめ細かく行う必要があるため、後述する常圧型ＳＯＦＣよりも運転が難しいという問題があった。
【０００５】
また、上述の特許文献１には、ガスタービンに純粋な燃料ガスを供給して発電機を駆動し、発電した後、ガスタービンの排気を高温空気としてＳＯＦＣの空気極に供給し、純粋な燃料ガスをＳＯＦＣの燃料極に供給して発電し、ＳＯＦＣから排出された未反応燃料を燃焼させ、熱として回収するＳＯＦＣコンバインド発電システムが開示されている。
このＳＯＦＣコンバインド発電システムでは、高温、かつ、常圧の燃料ガス及び空気（ガスタービン排気）を電池系内に流す常圧型ＳＯＦＣが用いられている。上記コンバインド発電システムの常圧型ＳＯＦＣにおいては、燃料極側から排出される排ガス中にまだ燃焼させることのできる未反応燃料が略２０％残っているため、この未反応燃料を燃焼させて熱（顕熱）の形で回収していた。
しかしながら、未反応燃料の有するエネルギーを顕熱として回収するのは、ヒートロスが大きく未反応燃料のエネルギーを有効に回収できず、コンバインド発電システムの効率を向上させにくいという問題があった。
【０００６】
また、上記コンバインド発電システムにおいて、ガスタービンによる発電効率向上を図るために燃焼温度の高温化が考えられるが、下記の２つの要因のため、燃焼温度の高温化によるガスタービン効率の向上を図り難く、コンバインド発電システムの効率を向上させにくいという問題があった。
１つ目の要因が、燃焼温度を高温化すると局所的な最高火炎温度も上昇するため、燃焼の際に生成されるサーマルＮＯｘが増加し、環境問題上好ましくない点である。このサーマルＮＯｘの発生量は、図２に示すように、最高火炎温度の上昇により指数関数的に増加することが知られている。特に、純粋な燃料ガスを燃焼させる場合には、最高火炎温度が高くなりサーマルＮＯｘが生成されやすくなる。
２つ目の要因が、燃焼温度を高温化すると、タービン入口温度も燃焼温度とともに高温化する。そのため、タービン材料も高温化に耐えられる耐熱温度の高い高級材料を用いる必要が生じていた。特に純粋な燃料ガスを燃焼させると局所的な発熱が強くなり高温スポットが生じやすくなる。そのため、高温スポットの温度に耐えられるタービン材料を用いる必要が生じていた。
【０００７】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、サーマルＮＯｘの発生量を低減するとともに、コンバインド発電システムの効率向上を図ることができる固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システム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】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システムは、固体酸化物形燃料電池と、ガスタービンで駆動される発電機とを併用して発電する固体酸化物形燃料電池とを用いたコンバインド発電システムであって、前記固体酸化物形燃料電池の空気極に、前記ガスタービンから排出されるガスタービン排気を導入し、前記ガスタービンのガスタービン燃焼器に、前記固体酸化物形燃料電池の燃料極から排出される未反応燃料を含む排燃料ガスを導入することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池の燃料極から排出された排燃料ガスをガスタービン燃焼器に導入することにより、ガスタービンを介して排燃料ガスに含まれる未反応燃料のエネルギーを発電に用いることができる。そのため、上記未反応燃料のエネルギーを熱（顕熱）として回収する方法と比較して、ヒートロスを低減させることができることから未反応燃料のエネルギーを効率よく発電に用いることができる。
【００１０】
排燃料ガスは、固体酸化物形燃料電池から排出された未反応燃料を含む温度均一な高温ガスであり、また燃料としての純度が低く発熱量も低減されていることから、燃焼状態が緩慢となるため、ガスタービン燃焼器内の局所的な火炎温度上昇を抑制しつつ全体的な燃焼温度を高くすることができる。そのため、サーマルＮＯｘの生成を抑制するとともに、ガスタービンの効率を向上させることができる。また、局所的な高温領域が生じ難くなるため、局所的な高温領域に対応した耐熱温度の高いガスタービン材料を用いる必要がなくなる。
【００１１】
また、排燃料ガスには、未反応燃料の他に固体酸化物形燃料電池における化学反応で生成された生成物も含まれているため、排燃料ガスを燃焼させた際のガスタービン燃焼器内の局所的な火炎温度上昇を抑制することができ、サーマルＮＯｘの生成を抑制することができる。
【００１２】
固体酸化物形燃料電池の空気極に導入されるガスタービン排気は常圧（略大気圧）であるため、加圧型ＳＯＦＣのように圧力容器内に空気極等を配置する必要がなく、固体酸化物形燃料電池の構造が簡易となる。
【００１３】
また、本発明においては、高温燃料ガスおよび高温空気の供給を常圧で受けて発電する固体酸化物形燃料電池と、同軸に連結された圧縮機部およびタービン部と、前記圧縮機部から供されるガスタービン圧縮空気を用いてガスタービン燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器とを備え、前記ガスタービン燃焼器が生成したガスタービン燃焼ガスを前記タービン部で膨張させて回転させるガスタービンと、該ガスタービンの出力で駆動されて発電する発電機と、前記固体酸化物形燃料電池の燃料極から排出される未反応燃料を含む排燃料ガスを前記ガスタービンのガスタービン燃料として供給する燃料電池排気供給手段と、前記ガスタービンから排出されたガスタービン排気を前記固体酸化物形燃料電池の高温空気として供給するガスタービン排気供給流路と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、燃料電池排気供給手段により排燃料ガスをガスタービン燃焼器に供給することができるため、排燃料ガスに含まれる未反応燃料のエネルギーを効率よく発電に用いることができる。また、サーマルＮＯｘの生成を抑制するとともに、ガスタービンの効率を向上させることができる。
ガスタービン排気供給流路を介して空気極に常圧のガスタービン排気を供給することができるため、加圧型ＳＯＦＣのように圧力容器内に空気極等を配置する必要がなく、固体酸化物形燃料電池の構造が簡易となる。
【００１５】
さらに、上記発明においては、前記燃料電池排気供給手段が、前記排燃料ガスを圧縮する排燃料圧縮部と、前記排燃料ガスを前記ガスタービン燃焼器に導く排燃料供給流路と、を備えることが望ましい。
本発明によれば、排燃料圧縮部により排燃料ガスを圧縮することにより、ガスタービン燃焼器に排燃料ガスを供給しやすくすることができる。ガスタービン燃焼器内は、ガスタービン圧縮空気が供給されているため圧力が高く、圧力差があると排燃料ガスをガスタービン圧縮機に供給しにくい。そのため、常圧で排出される排燃料ガスを排燃料圧縮部により昇圧させて、ガスタービン燃焼器内に供給しやすくすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システムによれば、
固体酸化物形燃料電池の燃料極から排出された排燃料ガスをガスタービン燃焼器に導入することにより、排燃料ガスに含まれる未反応燃料のエネルギーを効率よく発電に用いることができ、コンバインド発電システムの効率向上を図ることができるという効果を奏する。
排燃料ガスをガスタービン燃焼器に導入することにより、ガスタービン燃焼器内の局所的な火炎温度上昇を抑制することができ、サーマルＮＯｘの生成を抑制することができるという効果を奏する。
排燃料ガスは、固体酸化物形燃料電池において高温に加熱されているため、ガスタービン燃焼器内の局所的な火炎温度上昇を抑制しつつ全体的な燃焼温度を高くすることができる。そのため、サーマルＮＯｘの生成を抑制するとともに、コンバインド発電システムの効率向上を図ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
この発明の一実施形態に係るＳＯＦＣコンバインド発電システムについて、図１を参照して説明する。
図１は、本発明に係るＳＯＦＣコンバインド発電システムの概略を説明する図である。
ＳＯＦＣコンバインド発電システム（固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システム）１は、図１に示すように、ガスタービン３と、ガスタービン３により駆動される発電機５と、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）７と、から概略構成されている。ＳＯＦＣコンバインド発電システム１は、ＳＯＦＣ７による発電と、ガスタービン３による発電とを組み合わせて、高い発電効率を得るように構成したものである。
【００１８】
ＳＯＦＣ７による発電は、例えば略１０００℃の作動温度となるように加熱して供給される高温燃料ガスおよび高温空気の反応によって行われる。一方の高温燃料ガスは、高温燃料ガス流路３９から供給される。この高温燃料ガス流路３９には第２熱交換器２９が配置されており、後述する高温のＳＯＦＣ排出空気との熱交換によって、燃料が所定の温度まで加熱されて高温燃料ガスとなるようにされている。他方の高温空気は、ガスタービン排気供給流路２３から供給される。このガスタービン排気供給流路２３には、第１熱交換器２７が配置されており、後述する高温のＳＯＦＣ排出空気との熱交換によって、空気（酸素）を含むガスタービン排気を所定の温度まで加熱するようにされている。
なお、ＳＯＦＣ７に供給される燃料ガスとしては、たとえば水素ガスや天然ガスなどを使用することができる。
【００１９】
ガスタービン３による発電は、ガスタービン３の出力を駆動源とし、同軸に連結された発電機５を運転することによって行われる。
ガスタービン３は、空気を圧縮する圧縮機部１１と、後述する排燃料ガスを燃焼させるガスタービン燃焼器１３と、ガスタービン燃焼器１３から供給された燃焼ガスを膨張させて回転するタービン部１５とから概略構成されている。
【００２０】
空気（外気）を導入して圧縮する圧縮機部１１は、後述するタービン部１５と同軸に連結されている。圧縮機部１１で圧縮されたガスタービン圧縮空気は、ガスタービン圧縮空気流路１７を通ってガスタービン燃焼器１３に供給される。ガスタービン圧縮空気流路１７には第３熱交換器３１が設置されている。この第３熱交換器３１は、ガスタービン圧縮空気と後述するＳＯＦＣ排出空気とを熱交換させる機能を有しており、ＳＯＦＣ排出空気によって加熱されたガスタービン圧縮空気がガスタービン燃焼器１３に供給される。
【００２１】
ガスタービン燃焼器１３では、ガスタービン圧縮空気を用いて排燃料ガスを燃焼させ、生成した高温高圧のガスタービン燃焼ガスをタービン部１５へ供給する。なお、排燃料ガスは後述する排燃料供給流路３８を介してＳＯＦＣ７の燃料極からガスタービン燃焼器１３に供給され、ガスタービン燃焼ガスはガスタービン燃焼ガス流路２１を通ってタービン部１５へ供給される。
【００２２】
ガスタービン燃焼ガスの供給を受けたタービン部１５では、ガスタービン燃焼ガスが膨張する際のエネルギーで回転して軸出力を発生する。この軸出力は、主として発電機５の駆動に使用されて電気エネルギーに変換されるが、一部は圧縮機部１１の駆動源として使用される。
すなわち、ガスタービン３では、空気および排燃料ガスから高温高圧のガスタービン燃焼ガスが生成され、このガスタービン燃焼ガスは、タービン部１５で仕事をした後にはガスタービン排気として排出される。
【００２３】
ガスタービン排気は、ガスタービン排気供給流路２３を通ってＳＯＦＣ７の空気極に供給される。ガスタービン排気は高温であり、しかも、ＳＯＦＣ７の空気極に必要な酸素量が含まれている。
ガスタービン排気供給流路２３の途中には、第１熱交換器２７が配置されている。この第１熱交換器２７は、ガスタービン排気と後述するＳＯＦＣ排出空気との間で熱交換させることにより、空気極に供給するガスタービン排気の温度を上昇させる機能を有している。
すなわち、ＳＯＦＣ７に供給される高温空気は、ガスタービン排気を第１熱交換器２７で加熱したものが使用される。
【００２４】
ガスタービン排気供給流路２３には、第１熱交換器２７の上流側となるタービン部１５から分岐し、ＳＯＦＣ排出空気流路３３に連結される分岐管としてガスタービン排気バイパス流路３５が備えられている。このガスタービン排気バイパス流路３５は、ＳＯＦＣ排出空気流路３３において、第１熱交換器２７と第３熱交換器３１との間に連結されている。
また、ガスタービン排気バイパス流路３５の分岐点より下流側のガスタービン排気供給流路２３およびガスタービン排気バイパス流路３５には、タービン部１５から排出されたガスタービン排気の流路を選択切換えするため、流路切換え手段として開閉弁３７ａ，３７ｂが設けられている。なお、開閉弁３７ａ，３７ｂに代えて、三方弁を使用することもできる。
【００２５】
ＳＯＦＣ７で発電した後、燃料極側から未反応の高温燃料ガスを含む排燃料ガスが排出される。反応熱などの排熱を保有した高温の排燃料ガスは、排燃料供給流路（燃料電池排気供給手段）３８を通って、排燃料圧縮部（燃料電池排気供給手段）４０に圧縮・昇圧されてガスタービン燃焼器１３に導入される。空気極側からは、未反応の高温空気を含むＳＯＦＣ排出空気が排出される。反応熱などの排熱を保有した高温のＳＯＦＣ排出空気は、排熱回収流路となるＳＯＦＣ排出空気流路３３を通って、排熱回収手段となる排熱回収器４３へ供給される。
【００２６】
なお、上述のように、排燃料圧縮部４０はＳＯＦＣ７から排出された排燃料ガスの全てをガスタービン燃焼器１３に送る構成されていてもよいし、ＳＯＦＣ７から排出された排燃料ガスの一部を再びＳＯＦＣ７の燃料極側に戻し、残りの排燃料ガスの一部をガスタービン燃焼器１３に送るように構成されていてもよい。
あるいは、もともとＳＯＦＣから排出された排燃料ガスを再びＳＯＦＣの燃料極側に循環させる排燃料ガス循環流路を有するＳＯＦＣコンバインド発電システムにおいて、排燃料ガス循環流路を流れる排燃料ガスの少なくとも一部をガスタービン燃焼器に送るように構成されていてもよい。
【００２７】
なお、上述のように、ガスタービン燃焼器１３にＳＯＦＣ７から排出された排燃料ガスのみを供給する構成でもよいし、ガスタービン燃焼器１３に直接燃料を供給するガスタービン燃料流路１９を付加してもよい。ガスタービン燃料流路１９からの燃料供給は、所定の期間のみ行い他の期間は供給しなくてもよいし、常に供給してもよく、特に限定するものではない。
【００２８】
この排熱回収器４３は、排熱との熱交換によって得られる蒸気や温水などを供給して排熱利用することができる。さらに、高温のＳＯＦＣ排出空気が有する熱エネルギー（排熱）をより有効に利用するため、排熱回収器４３へ到達する前のＳＯＦＣ排出空気が第２熱交換器２９、第１熱交換器２７および第３熱交換器３１を通過するように構成されている。
【００２９】
図示の例では、ＳＯＦＣ７から下流側の排熱回収器４３側へ、第２熱交換器２９、第１熱交換器２７および第３熱交換器３１の順に配列してある。第２熱交換器２９は、ＳＯＦＣ７に供給する高温燃料ガスをＳＯＦＣ排出空気によって所定の温度まで加熱する熱交換器である。第１熱交換器２７は、ＳＯＦＣ７に供給する高温空気をＳＯＦＣ排出空気によって所定の温度まで加熱する熱交換器である。第３熱交換器３１は、ガスタービン圧縮空気をＳＯＦＣ排出空気によって所定温度まで加熱する熱交換器である。
【００３０】
次に、上記の構成からなるＳＯＦＣコンバインド発電システム１について、その運転手順とともに作用を説明する。
停止状態にあるガスタービン３及びＳＯＦＣ７の運転を開始する時には、最初に開閉弁３７ａを全開とし、かつ、開閉弁３７ｂを全閉とする。そして、ガスタービン３及びＳＯＦＣ７それぞれについて運転を開始する。
【００３１】
この状態からガスタービン３の運転を通常の手順に従って開始すると、ガスタービン排気はガスタービン排気供給流路２３、ＳＯＦＣ７及びＳＯＦＣ排出空気流路３３を通って排熱回収器４３へ供給される。この結果、ガスタービン３は比較的短時間で定格運転に達し、発電機５による発電が可能になる。
すなわち、ガスタービン３の良好な起動性を有効に活用し、短時間のうちに発電が可能となる。なお、排熱回収器４３へ導かれた高温のガスタービン排気から、排熱回収をすることも可能である。
【００３２】
一方、ＳＯＦＣ７には、ガスタービン３の運転開始にともないガスタービン排気がガスタービン排気供給流路２３を通って空気極側に導かれる。このガスタービン排気は、タービン部１５で膨張して常圧となった高温のガス流体である。ガスタービン排気により、ＳＯＦＣ７の温度は徐々に上昇させられる。
ＳＯＦＣ７の燃料極側には、高温燃料ガス流路３９を介して高温燃料ガスが導かれる。ＳＯＦＣ７に高温空気としてのガスタービン排気と高温燃料ガスとが供給されると、ＳＯＦＣ７では高温燃料ガスと高温空気とが反応して発電が開始されるとともに、反応熱が発生する。
【００３３】
ＳＯＦＣ７の温度（作動温度）が低いときには、ＳＯＦＣ７にて開放される燃料ガスのエネルギーにおける熱（反応）に変換される割合が高い。そのため、反応熱によりＳＯＦＣ７の温度がより上昇しやすくなる。また、ＳＯＦＣ７の温度が高くなり、定常作動温度（たとえば略１０００℃）に近づくと、ＳＯＦＣ７にて開放される燃料ガスのエネルギーにおける熱（反応）に変換される割合が低くなり、電気に変換される割合が高くなる。そのため、ＳＯＦＣ７の温度上昇が鈍くなるとともに熱の出入りのバランスがとれ、ＳＯＦＣ７は定常運転状態となる。
【００３４】
ＳＯＦＣ７の発電が開始されると、反応熱によってたとえば１０００℃程度に温度上昇した高温の未反応燃料ガスを含む排燃料ガス及び未反応空気を含むＳＯＦＣ排出空気がＳＯＦＣ７から流出する。排燃料ガスは排燃料供給流路３８に流入し、排燃料圧縮部４０で圧縮・昇圧されてガスタービン燃焼器１３に導入される。
排燃料ガスに残っている未反応燃料ガスの割合は略２０％であり、排燃料ガスに含まれる成分としては、水素，一酸化炭素，水蒸気，二酸化炭素などが挙げられる。この内、水素および一酸化炭素が未反応燃料ガスの成分であり、水蒸気および二酸化炭素がＳＯＦＣ７の燃料極における化学反応の生成物である。
【００３５】
排燃料圧縮部４０により、ガスタービン燃焼器１３内と略同等の圧力（例えば大型のガスタービンの場合には、略１．５ＭＰａ〜略２．０ＭＰａ（１５ｋｇｆ／ｃｍ２〜２０ｋｇｆ／ｃｍ２））に昇圧された排燃料ガスは、ガスタービン燃焼器１３内に供給され、排燃料ガス中の未反応燃料ガスが燃焼する。排燃料ガスは、水蒸気および二酸化炭素などのＳＯＦＣ７の生成物を含み、未反応燃料ガスの割合が略２０％であることから、燃焼による局所的な発熱が弱くなる。また、排燃料ガスは、ＳＯＦＣ７における反応熱により高温となっているため、未反応燃料ガスがガスタービン燃焼器１３内で燃焼することにより、より高温で温度分布の均一な燃焼ガスを生成する。
なお、排燃料圧縮部４０により消費される動力は、排燃料ガスの流量が多くないため、ＳＯＦＣコンバインド発電システム１の効率に影響を与えるほど大きくならない。
【００３６】
ＳＯＦＣ７から流出したＳＯＦＣ排出空気はＳＯＦＣ排出空気流路３３を通って第２熱交換器２９に導かれ、高温燃料ガスを所定温度まで加熱する。第２熱交換器２９でたとえば８００℃程度までわずかに温度が低下したＳＯＦＣ排出空気は、さらにＳＯＦＣ排出空気流路３３を通って第１熱交換器２７に導かれ、たとえば５００〜６００℃程度で排出されたガスタービン排気を所定温度まで加熱する。この後、たとえば５００〜６００℃程度まで温度低下したＳＯＦＣ排出空気がＳＯＦＣ排出空気流路３３を通って第３熱交換器３１に導かれ、たとえば３００℃程度のガスタービン圧縮空気を加熱して温度上昇させる。なお、第３熱交換器３１を通過してたとえば４００℃程度に温度低下したＳＯＦＣ排出空気は、誘引ファン４５によりＳＯＦＣ排出空気流路３３を通って排熱回収器４３へ導かれる。
【００３７】
この結果、第３熱交換器３１でＳＯＦＣ排出空気に加熱されたガスタービン圧縮空気は、圧縮機部１１を出た温度（たとえば３００℃程度）より高温となってガスタービン燃焼器１３に供給されるので、ガスタービン燃焼器１３に供給するガスタービン燃料の供給量を低減することができる。すなわち、タービン部１５の駆動に必要な高温で圧力の高いガスタービン燃焼ガスを、ガスタービン燃焼器１３における排燃料ガスの燃焼のみに頼ることなく、第３熱交換器３１による加熱によっても得ることができる。
【００３８】
また、たとえば９５０℃程度でタービン部１５に供給されて仕事をし、約５００〜６００℃程度まで温度低下して排出されたガスタービン排気は、第１熱交換器２７でたとえば７００℃程度の排燃料ガスに加熱されて所定温度まで温度上昇した状態でＳＯＦＣ７に供給される。この結果、高温燃料ガス及び高温空気となるガスタービン排気が共に加熱されてそれぞれ燃料極及び空気極に供給されるので、ＳＯＦＣ７をイオン電導率の高い高温で作動させることができ、良好な発電効率を得ることができる。なお、ＳＯＦＣ７で発電された直流電力は、通常は直流・交流変換装置（図示せず）によって交流に変換されてから供給される。
【００３９】
上記の構成によれば、燃料ガスを最初に効率の最も高いＳＯＦＣ７に供給し、ＳＯＦＣ７から排出された未反応燃料ガスを含む排燃料ガスを次に効率の高いガスタービンに供給し、最後に最も効率の低い熱交換器でエネルギーを回収している。そのため、燃料ガスのエネルギーを効率よく発電に用いることができ、コンバインド発電システム１の効率を向上させることができる。
【００４０】
ＳＯＦＣ７の燃料極から排出された排燃料ガスをガスタービン燃焼器１３に導入することにより、ガスタービンを介して排燃料ガスに含まれる未反応燃料のエネルギーを発電に用いることができる。そのため、未反応燃料のエネルギーを熱（顕熱）として回収する方法と比較してヒートロスなどのエネルギー損失を低減させることができるため、未反応燃料のエネルギーを効率よく発電に用いることができ、ＳＯＦＣコンバインド発電システム１の効率を向上させることができる。
【００４１】
排燃料ガスには、未反応燃料の他にＳＯＦＣ７における反応で生成された生成物も含まれているため、排燃料ガスを燃焼させた際のガスタービン燃焼器１３内の局所的な火炎温度上昇を抑制することができる。そのため、サーマルＮＯｘの生成を抑制することができる。
また、局所的な高温領域が生じ難くなるため、燃焼ガスが流入するタービン部１５を形成する材料の耐熱温度よりも高い温度領域が形成され難くなる。そのため、タービン部１５の不具合発生を防止することができるとともに、ガスタービン３の製造が容易になる。
【００４２】
排燃料ガスは、ＳＯＦＣ７において高温に加熱されているため、ガスタービン燃焼器１３内の局所的な火炎温度上昇を抑制しつつ全体的な燃焼温度を高くすることができる。そのため、サーマルＮＯｘの生成を抑制するとともにガスタービン３の効率を向上させることができ、コンバインド発電システム１の効率を向上させることができる。
【００４３】
ＳＯＦＣ７のＳＯＦＣ排出空気に含まれる排熱を有効利用して高温燃料ガス、高温空気及びガスタービン圧縮空気の加熱を行うと共に、排熱回収器４３での排熱利用も行われるので、ガスタービン３の起動性を損なうことなくＳＯＦＣコンバインド発電システム１としての発電効率やエネルギー利用効率（燃料等の投入エネルギーに対する発電量等出力の割合）を向上させることができる。
また、高温燃料ガスや高温空気の加熱に要する熱エネルギーを節約でき、しかも、ガスタービン燃焼器１３におけるガスタービン燃料の消費量も節約できるので、この点からも発電効率やシステム全体のエネルギー利用効率の向上を図ることができる。
【００４４】
さらに、ＳＯＦＣ７の空気極に供給される高温空気についても、ガスタービン３のタービン部１５から排出される常圧のタービン排気を使用する構造であるので、ＳＯＦＣ７を加圧型とする必要がなくなる。このため、圧力容器の使用が不要になるなど簡略化を図ることができ、取り扱いやコスト面で有利になる。
【００４５】
なお、上述したＳＯＦＣコンバインド発電システム１では、第１熱交換器２７、第２熱交換器２９及び第３熱交換器３１を設置しているが、必ずしも全てを設ける必要はなく、少なくともいずれか１つの熱交換器を設置して排熱を有効利用する構成も可能である。
つまり、ＳＯＦＣ７の排熱を有効に利用して効率を向上させる観点からみれば、これら熱交換器を全て設けた構成が最も好ましい形態であるが、コンバインド発電システム１の効率は低下する方向になるものの、１つあるいは２つの熱交換器を省略してもよい。
【００４６】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明における第１の実施形態に係るＳＯＦＣコンバインド発電システムの概略を示す図である。
【図２】燃焼時における最高火炎温度とサーマルＮＯｘ発生量との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  ＳＯＦＣコンバインド発電システム（固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システム）
３  ガスタービン
５  発電機
７  ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）
１１  圧縮機部
１３  ガスタービン燃焼器
１５  タービン部
２３  ガスタービン排気供給流路
３８  排燃料供給流路（燃料電池排気供給手段）
４０  排燃料圧縮部（燃料電池排気供給手段）
【図１】
2006097638.tif 000003
【図２】
2006097638.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成16年10月27日(2004.10.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2006097638.tif 000005