(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極及び燃料極を有する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と、ガスタービンとを備えた燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムであって、
ガスタービンの圧縮機からの吐出空気をＳＯＦＣ側に供給するノルマルクローズの自動弁を介装した吐出空気流路と、
ＳＯＦＣから排出される排出空気をガスタービン燃焼器に供給する排出空気流路と、
前記排出空気流路から分岐され、外部に排出空気を放出するノルマルオープンの自動弁及び第１のオリフィスを介装した分岐排出空気流路と、
燃料ガスをＳＯＦＣ側に供給するノルマルクローズの自動弁を介装した燃料ガス流路と、
ＳＯＦＣの燃料極側から排出される排燃料ガスをガスタービン燃焼器に供給するノルマルクローズの自動弁を介装した排燃料ガス流路と、
前記排燃料ガス流路から分岐され、ノルマルオープンの自動弁及び第２のオリフィスを介装した分岐排燃料ガス流路と、
燃料ガス流路のノルマルクローズの自動弁と、ＳＯＦＣとの間に導入されるパージガスを供給するパージガス供給手段と、
前記分岐排出空気流路のノルマルオープンの自動弁と前記第１のオリフィスとの間に前記分岐排燃料ガス流路が合流する合流部とを具備し、
前記パージガス供給手段は、
パージガスボンベと、該パージガスボンベからパージガスを前記燃料ガス流路に供給するノルマルオープンの自動弁を介装したパージガス供給ラインと、
前記ノルマルオープンの自動弁の前流側に介装された第３のオリフィスと、
前記第３のオリフィスの前後に設けられた減圧弁及び背圧弁と
を有することを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記分岐排燃料ガス流路と前記分岐排出空気流路との合流部に、触媒装置を設けてなることを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記第２のオリフィスに逆火防止装置を設けてなることを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
前記吐出空気流路のノルマルクローズの自動弁の後流側に、冷却空気を導入する冷却空気供給手段を設けてなることを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
前記排燃料ガス流路から排燃料ガスを燃料ガス流路側に再循環させる再循環ブロア及びノルマルクローズの自動弁を介装した再循環流路を設け、
前記パージガス供給手段からのパージガスを前記燃料ガス流路及び前記再循環流路に供給することを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一つに記載の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムを用い、
燃料電池停止の際に、
ノルマルオープンの自動弁を開くと共に、
ノルマルクローズの自動弁を閉とし、
前記パージガス供給手段から燃料ガス流路にパージガスを供給し、
前記分岐排出空気流路の前記第１のオリフィスを介して排出される排出空気に、パージガスを前記第２のオリフィスを介して合流させ、同一箇所から合流したガスを降圧させつつ外部に排出することを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの燃料電池の停止方法。
【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及びガスタービンが結合された燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム及びその燃料電池の停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、かつガスタービンの排ガス熱を利用して高温とされた吐出空気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用できる。また、ＳＯＦＣで利用できなかった高温の燃料をガスタービンの燃焼器の燃料として使用できる等、ガスタービンとの相性がよい。
【０００３】
このため、たとえば、特許文献１に示されるように、高効率を達成できる発電システムとしてＳＯＦＣとガスタービンとを組み合わせたコンバインド発電システムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３６８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＳＯＦＣとガスタービンとのコンバインド発電システムにおけるインターロック発生後の操作として、（１）燃料側のガスパージ、（２）冷却操作、が挙げられる。
しかしながら、燃料電池の加圧系統では、前記操作時に燃料及び空気側の流量及び均圧化制御を実施する必要があるにもかかわらず、重篤なトリップ等における計装空気、制御装置異常時はガス通気が不能となる、という問題がある。この問題を回避するためには、インターロック発生時用にバックアップ設備を別途設ける等の対応を取る必要があり、コスト増加や設備が大きくなるという問題がある。
【０００６】
また、加圧系統で冷却用の空気を通気する場合には、空気源に大容量コンプレッサを用いることが必要となり、設備が大きくなる、という問題がある。
【０００７】
よって、通常の停止操作及びインターロック発生時における緊急停止操作を兼ね備えた制御が可能な燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの出現が切望されている。
【０００８】
本発明は、前記問題に鑑み、通常の停止操作及びインターロック発生時における緊急停止操作を兼ね備えた制御が可能な燃料電池・ガスタービン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】
【０００９】
上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、空気極及び燃料極を有する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と、ガスタービンとを備えた燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムであって、ガスタービンの圧縮機からの吐出空気をＳＯＦＣ側に供給するノルマルクローズの自動弁を介装した吐出空気流路と、ＳＯＦＣから排出される排出空気をガスタービン燃焼器に供給する排出空気流路と、前記排出空気流路から分岐され、外部に排出空気を放出するノルマルオープンの自動弁及び第１のオリフィスを介装した分岐排出空気流路と、燃料ガスをＳＯＦＣ側に供給するノルマルクローズの自動弁を介装した燃料ガス流路と、ＳＯＦＣの燃料極側から排出される排燃料ガスをガスタービン燃焼器に供給するノルマルクローズの自動弁を介装した排燃料ガス流路と、前記排燃料ガス流路から分岐され、ノルマルオープンの自動弁及び第２のオリフィスを介装した分岐排燃料ガス流路と、燃料ガス流路のノルマルクローズの自動弁と、ＳＯＦＣとの間に導入されるパージガスを供給するパージガス供給手段と、前記分岐排出空気流路のノルマルオープンの自動弁と前記第１のオリフィスとの間に前記分岐排燃料ガス流路が合流する合流部とを具備し、前記パージガス供給手段は、パージガスボンベと、該パージガスボンベからパージガスを前記燃料ガス流路に供給するノルマルオープンの自動弁を介装したパージガス供給ラインと、前記ノルマルオープンの自動弁の前流側に介装された第３のオリフィスと、前記第３のオリフィスの前後に設けられた減圧弁及び背圧弁とを有することを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムにある。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明において、前記分岐排燃料ガス流路と前記分岐排出空気流路との合流部に、触媒装置を設けてなることを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムにある。
【００１２】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記第２のオリフィスに逆火防止装置を設けてなることを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムにある。
【００１３】
第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記吐出空気流路のノルマルクローズの自動弁の後流側に、冷却空気を導入する冷却空気供給手段を設けてなることを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムにある。
【００１４】
第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記排燃料ガス流路から排燃料ガスを燃料ガス流路側に再循環させる再循環ブロア及びノルマルクローズの自動弁を介装した再循環流路を設け、前記パージガス供給手段からのパージガスを前記燃料ガス流路及び前記再循環流路に供給することを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムにある。
【００１５】
第６の発明は、第１乃至５のいずれか一つに記載の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムを用い、燃料電池停止の際に、ノルマルオープンの自動弁を開くと共に、ノルマルクローズの自動弁を閉とし、前記パージガス供給手段から燃料ガス流路にパージガスを供給し、前記分岐排出空気流路の前記第１のオリフィスを介して排出される排出空気に、パージガスを前記第２のオリフィスを介して合流させ、同一箇所から合流したガスを降圧させつつ外部に排出することを特徴とする燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの燃料電池の停止方法にある。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、通常の停止操作及びインターロック発生時における緊急停止操作を兼ね備えた制御が可能となり、システム故障等の重篤な場合においても燃料電池の損傷を防止するパージ、冷却操作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、実施例１に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。
【図２】図２は、実施例２に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。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。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【実施例１】
【００１９】
本発明による実施例１に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムについて、図面を参照して説明する。図１は、本実施例に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムの概略図である。
図１に示すように、燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム（ＳＯＦＣ１３及びガスタービン１１が結合されたシステム）１０Ａは、ガスタービン１１の圧縮機１４からの吐出空気１８ＡをＳＯＦＣ１３側に供給するノルマルクローズの自動弁２１を介装した吐出空気流路（空気供給ライン）Ｌ2と、ＳＯＦＣ１３から排出される排出空気１８Ｂをガスタービンの燃焼器１６に供給するノルマルクローズの自動弁２２を介装した排出空気流路（排出空気供給ライン）Ｌ3と、排出空気流路（排出空気供給ライン）Ｌ3から分岐され、外部に排出空気１８Ｂを放出するノルマルオープンの自動弁６３及び第１のオリフィス８１を介装した分岐排出空気流路Ｌ4と、燃料ガス３１をＳＯＦＣ１３側に供給するノルマルクローズの自動弁３５を介装した燃料ガス流路Ｌ5と、ＳＯＦＣ１３の燃料極側から排出される排燃料ガス３１Ａをガスタービン燃焼器１６に供給するノルマルクローズの自動弁３２を介装した排燃料ガス流路Ｌ6と、排燃料ガス流路Ｌ6から分岐されノルマルオープンの自動弁５３及び第２のオリフィス８２を介装した分岐排燃料ガス流路Ｌ7と、燃料ガス流路Ｌ5とノルマルクローズの自動弁３５とＳＯＦＣ１３との間に導入されるパージガス７０を供給するパージガス供給手段７１と、分岐排出空気流路Ｌ4のノルマルオープンの自動弁６３と前記第１のオリフィス８１との間に前記分岐排燃料ガス流路Ｌ7が合流する合流部８５とを具備するものである。なお、図１中、符号、１３ＡはＳＯＦＣ容器を図示する。
【００２０】
燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム（以下「発電システム」ともいう）１０Ａには、ガスタービン１１と、ガスタービン１１により駆動される発電機Ｇと、ＳＯＦＣ１３と、が備えられている。
【００２１】
この発電システム１０Ａは、ＳＯＦＣ１３による発電と、ガスタービン１１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。
【００２２】
ガスタービン１１には、空気１８を圧縮する圧縮機１４と、燃焼ガス１５を生成するガスタービン燃焼器１６と、ガスタービン燃焼器１６から供給された燃焼ガス１５を膨張させて回転するタービン１７と、が備えられている。空気１８を空気導入ラインＬ1により導入して圧縮する圧縮機１４は、タービン１７と同軸に連結されている。発電機１２は、タービン１７と同軸に連結されている。
【００２３】
圧縮機１４で圧縮され、吐出された吐出空気１８Ａは、吐出空気流路（空気供給ライン）Ｌ2を通ってＳＯＦＣ１３の空気極の導入部に供給される。
この吐出空気１８ＡはＳＯＦＣ１３で酸化剤として用いられた後、ＳＯＦＣ１３の空気極側から排出空気１８Ｂとして排出される。この排出空気１８Ｂは、排出空気流路（排出空気供給ライン）Ｌ3を通ってガスタービン燃焼器１６に供給される。
【００２４】
吐出空気流路Ｌ2には、圧縮機１４側から順に、タービン１７からの排燃焼ガス１５Ａと吐出空気１８Ａとを熱交換させるエアヒータ（ＡＨ）１９と、ＳＯＦＣ１３とガスタービン１１とを切り離すノルマルクローズの自動弁２１が介装されている。なお、本実施例では省略しているが、排出空気流路Ｌ3の排出空気１８Ｂと吐出空気１８Ａとを熱交換させる空気熱交換器と、吐出空気１８Ａを燃焼する燃焼器とを設けるようにしてもよい。
排出空気流路Ｌ3には、ＳＯＦＣ１３とガスタービン１１とを切り離すノルマルクローズの自動弁２２が備えられている。
【００２５】
また、ＳＯＦＣ１３の燃料極には、燃料ガス流路Ｌ5から燃料ガス３１、例えば都市ガス（天然ガス）等が供給される。この燃料ガス３１はＳＯＦＣ１３で還元剤として一部が用いられた後、ＳＯＦＣ１３の燃料極側から排燃料ガス３１Ａとして排出される。この排燃料ガス３１Ａは、排燃料ガス流路Ｌ6を通ってガスタービン燃焼器１６に供給される。
なお、本実施例では省略しているが、燃料ガス流路Ｌ5には、排燃料ガス流路Ｌ6の排燃料ガス３１Ａから熱回収する燃料ガス熱交換器を備えるようにしてもよい。
【００２６】
また、排燃料ガス流路Ｌ6には、排燃料ガス３１Ａの圧力を調整するノルマルクローズの自動弁３２が備えられている。また、排燃料ガス流路Ｌ6から排燃料ガス３１Ａを燃料ガス流路Ｌ5側に再循環させる再循環ブロア３３が介装された再循環流路Ｌ8が備えられており、排燃料ガス３１Ａの再利用を図っている。
【００２７】
ガスタービン燃焼器１６では、排出空気流路Ｌ3からの排出空気１８Ｂを用いて排燃料ガス流路Ｌ6から供給される排燃料ガス３１Ａ及び別途供給される燃料ガス３４、たとえば、都市ガス（天然ガス）を燃焼させ、生成した高温高圧の燃焼ガス１５をタービン１７へ供給する。
【００２８】
燃焼ガス１５の供給を受けたタービン１７では、燃焼ガス１５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、主として図示しない発電機１２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１４の駆動源として使用される。燃焼ガス１５は、タービン１７で仕事をした後にはエアヒータ１９で吐出空気１８Ａと熱交換すべく、排燃焼ガス１５Ａとして排出される。
【００２９】
なお、上述のように、ＳＯＦＣ１３から排出された排燃料ガス３１Ａの一部を再びＳＯＦＣ１３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１６に送るように構成されていてもよいし、ＳＯＦＣ１３から排出された排燃料ガス３１Ａの全てをガスタービン燃焼器１６側に送る構成とされていてもよい。
【００３０】
ここで、本実施例では、パージガス供給手段７１としては、パージガスボンベ７１ａと、パージガスボンベ７１ａからパージガス７０を燃料ガス流路Ｌ5とに供給するノルマルオープンの自動弁７５を介装したパージガス供給ラインＬ11と、パージガス供給ラインＬ11のノルマルオープンの自動弁７５の前流側に介装された第３のオリフィス８３と、第３のオリフィス８３の前後に設けられた減圧弁７３及び背圧弁７４とを具備する。
【００３１】
そして、重篤なトリップが発生した場合には、ノルマルオープンの自動弁５３，６３を開くと共に、ノルマルクローズの自動弁３５、３２、２２を閉とする。
そして、パージガス供給手段７１から燃料ガス流路Ｌ5にパージガス７０を供給し、分岐排出空気流路Ｌ9の第１のオリフィス８１を介して排出される排出空気１８Ｂに、パージガス７０を第２のオリフィス８２を介して合流させつつ、同一箇所から合流したガスを降圧させつつ外部に排出するようにしている。
【００３２】
ここで、パージガス７０の供給は、パージガスボンベ７１ａからとし、ノルマルオープンの自動弁７５が開となることで、パージガス７０を供給するようにしている。
パージガス７０の供給流量は、第３のオリフィス８３の前後に設けた減圧弁７３及び背圧弁７４を調整して圧力を規定することで、一定流量通気できる系統としている。
【００３３】
ここで、ノルマルオープンの自動弁とは、計装空気若しくは電源が断となる際に、開となるバルブをいう。
また、ノルマルクローズの自動弁とは、計装空気若しくは電源が断となる際に、閉となるバルブをいう。
【００３４】
本実施例では、空気の外部からの供給は行わず、ＳＯＦＣ容器１３Ａ内の空気（加圧分）をブローするようにしている。
また、排出空気１８Ｂの降圧速度は、分岐排出空気流路Ｌ4に介装した第１のオリフィス８１により調整するようにしている。
【００３５】
また、燃料ガス３１側においては、排燃料ガス流路Ｌ6からノルマルオープンの自動弁５３を介装して、従来実施していた内圧制御を取りやめている。
そして、排燃料ガス流路Ｌ6の下流側を、分岐排出空気流路Ｌ4と、の第１のオリフィス８１の上流側と合流部８５で接続し、空気出口と燃料出口を同圧とするようにしている。
なお、排燃料ガス流路Ｌ6のノルマルオープンの自動弁５３の下流側に第２のオリフィス８２を設置し、通気するパージガスの圧損分だけ燃料側の圧力が、空気側の圧力と同圧以上の状態とするようにしている。
パージガス量と作用させたい差圧から第２のオリフィス８２の径を選定し、作用させる差圧は、ＳＯＦＣ１３の破損に至らない範囲とするのが好ましい。
【００３６】
パージガスの準備する量としては、系内をパージするのに必要な量とし、冷却に必要な時間を掛けて通気することとしている。
降圧中に燃料側のパージが終了し、ガス流れが悪くなった場合でも、ＳＯＦＣ１３の燃料側の圧力は、空気出口部（空気側の第１のオリフィス８１上部）と同圧となるため、ＳＯＦＣ１３の破損には至らないものとなる。
【００３７】
また、燃料ガス流路Ｌ5の燃料側系統内にパージガス７０を通気し、ＳＯＦＣ容器１３Ａ内の空気（加圧分）をブローすることで空気の熱量分を排気させ、最低限の冷却を行うようにしている。
【００３８】
この結果、本実施例によれば、例えばシステム故障等の重篤な状態でも、パージガスによるパージ及び冷却を実施することが可能となる。
【００３９】
これに対して、通常の停止の場合には以下のように行う。
通常停止の最終段階は、燃料系パージとなるため、燃料側においては、重篤なトリップ時の動作と基本的には同じ操作となる。
ただし、制御装置が使用できる状態であるので、パージガス７０のガス量や燃料側の内圧をより細かく調整可能となる。
また、通常運転用に不活性供給ガスライン（図示せず）を別途設置している場合には、その不活性ガス供給ラインからガスを供給するようにしてもよい。
【００４０】
また、合流部８５において、排燃料ガス３１Ａと空気とによる燃焼を防止するため、排燃料流量と排空気流量の比率を考慮して（爆発範囲外とする）パージガス流量を設定するようにするのが好ましい。
【００４１】
これに対し、合流部８５に触媒等を設置し、排燃料ガス３１Ａを触媒燃焼処理するようにしてもよい。
【００４２】
この際、燃料側への逆火を防止するため、第２のオリフィス８２フレームアレスタ等の逆火防止装置を設置するのが好ましい。
なお、このフレームアレスタの設置により、適度な差圧が発生する場合には、第２のオリフィスを不要とすることもできる。
【００４３】
また、パージガス７０の投入位置を再循環流路Ｌ8とし、再循環ブロワ３３のラインパージ、軸封・冷却の機能を兼ねるようにしてもよい。この際、再循環ブロワ３３の前段側にはノルマルクローズの自動弁を設置するようにして、ラインを閉とすればよい。
【００４４】
さらに、停止後の再起動に備えて、ＳＯＦＣ１３を高温状態で保持したい場合には、燃料側にパージに必要な分のガスを通気させた後、封じ込め状態とするようにすればよい。具体的には、ノルマルオープンの自動弁７５、５３を閉としてパージガスを封印させる。
【００４５】
空気側の操作も同様であり、停止後の再起動に備えて、ＳＯＦＣ１３を高温状態で保持したい場合には、空気側を封じ込め状態とするようにすればよい。具体的には、ノルマルオープンの自動弁６３を閉としてパージガスを封印させる。
【００４６】
以上、本実施例によれば、通常の停止操作及びインターロック発生時における緊急停止操作を兼ね備えた制御が可能となり、システム故障等の重篤な場合においてもパージ、冷却が可能となる。
【００４７】
さらに、重篤なトリップ等におけるインターロック発生時用にバックアップ設備を別途設けることが必要なくなり、コンパクトな燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システムを提供することができる。
【実施例２】
【００４８】
本発明による実施例２に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム１０Ｂについて、図面を参照して説明する。
実施例１の燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム１０Ａでは、吐出空気１８Ａのみで冷却しているが、本実施例では、別途空気を供給するようにしている。
【００４９】
本実施例に係る燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム１０Ｂでは、実施例１において、さらに吐出空気流路（空気供給ライン）Ｌ2に冷却空気９１をブロア９２により外部から供給する自動弁９３を介装した空気供給ラインL12を設けている。
【００５０】
そして、常圧まで降温後にブロワ９２等の送風機から冷却空気９１を投入し、内部の冷却促進を図るようにしている。
【符号の説明】
【００５１】
１０Ａ、１０Ｂ  燃料電池・ガスタービンコンバインド発電システム
１１  ガスタービン
１２  発電機
１３  固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
１４  圧縮機
１５  燃焼ガス
１６  ガスタービン燃焼器
１７  タービン
１８  空気
１８Ａ  吐出空気
１８Ｂ  排出空気
２１、２２  自動弁
３１  燃料ガス
３１Ａ  排燃料ガス
８１  第１のオリフィス
８２  第２のオリフィス
８３  第３のオリフィス
【図１】
0005794819.tif 000002
【図２】
0005794819.tif 000003