(57)【要約】【課題】燃料電池に供給される空気の流量を適正に制御することができる燃料電池−ガスタービン発電設備を提供する。【解決手段】空気を圧縮する圧縮機３と、圧縮機３で圧縮された圧縮空気が加熱される熱交換手段と、熱交換手段で加熱された圧縮空気が空気極側に供給されると共に燃料が燃料極側に供給され供給された圧縮空気中の酸素と燃料とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池と、燃料電池からの排空気及び排燃料ガスが送られる燃焼器８と、燃焼器８からの燃焼ガスが膨張されることで駆動され圧縮機３と同軸状態に設けられるガスタービン４と、熱交換手段の上流側における圧縮空気の流量を調整する流量調整手段と、燃料電池からの排燃料ガスを冷却する冷却手段とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮する圧縮機と、
圧縮機で圧縮された圧縮空気が加熱される熱交換手段と、
熱交換手段で加熱された圧縮空気が空気極側に供給されると共に燃料が燃料極側に供給され供給された圧縮空気中の酸素と燃料とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池と、
燃料電池からの排空気及び排燃料ガスが送られる燃焼器と、
燃焼器からの燃焼ガスが膨張されることで駆動され圧縮機と同軸状態に設けられるガスタービンと、
熱交換手段の上流側における圧縮空気の流量を調整する流量調整手段と、
燃料電池からの排燃料ガスを冷却する冷却手段と
を備えた
ことを特徴とする燃料電池−ガスタービン発電設備。
【請求項２】
空気を圧縮する圧縮機と、
圧縮機で圧縮された圧縮空気が加熱される熱交換手段と、
熱交換手段で加熱された圧縮空気が空気極側に供給されると共に燃料が燃料極側に供給され供給された圧縮空気中の酸素と燃料とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池と、
燃料電池からの排空気及び排燃料ガスが送られる燃焼器と、
燃焼器からの燃焼ガスが膨張されることで駆動され圧縮機と同軸状態に設けられるガスタービンと、
ガスタービンの駆動力を電力に変換する発電機と、
設備の停止時に燃料電池の燃料極側にパージガスを供給するパージガス供給手段と、
設備の停止時に発電機をモータ駆動させて圧縮機からの圧縮空気を燃料電池の空気極側に冷却空気として供給するモータ駆動手段と、
熱交換手段の上流側における圧縮空気の流量を調整する流量調整手段と、
燃料電池からの排燃料ガスを冷却する冷却手段と、
流量調整手段の上流側における圧縮空気を冷却手段の冷媒とするためのバイパス流路と、
冷却手段の後流側の排燃料ガスを燃料電池の燃料極側に供給される燃料に合流させる循環系と
を備えた
ことを特徴とする燃料電池−ガスタービン発電設備。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、
燃料電池は固体電解質形燃料電池である
ことを特徴とする燃料電池−ガスタービン発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池（固体電解質形燃料電池）とガスタービンを組み合わせた燃料電池−ガスタービン発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、空気と燃料とを電解質を介して電気電池反応させて発電を行う装置であり、高い発電効率で電気エネルギーを発生させることができる。この燃料電池から排出される排出ガスの温度は高く、排出ガスの熱エネルギーをガスタービン及び蒸気タービン等のボトミングサイクルにより回収して発電に利用することにより、システム損失を小さくすることができ、高い発電効率を得ることができる。
【０００３】
特に、高温型燃料電池｛運転温度が約１０００℃の固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）や運転温度が約６５０℃の溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）｝では排出ガスの温度が高いので、このような高温型燃料電池とガスタービンとを組み合わせた燃料電池−ガスタービン発電設備では、高効率で発電を実施することができる。
【０００４】
燃料電池とガスタービンとを組み合わせた燃料電池−ガスタービン発電設備としては、例えば、特許文献１等に開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１５１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池（例えば、ＳＯＦＣ）とガスタービンとを組み合わせた燃料電池−ガスタービン発電設備では、設備の停止時には、電池材料である金属（例えば、Ｎｉ）の酸化防止のため、高温状態では燃料側に還元ガスを供給する必要がある。このため、還元ガス節約として設備の停止時に燃料電池を積極的に冷却することが検討されている。
【０００７】
また、運転時には、燃料電池に供給される空気の流量を適正に制御することが種々検討されている。
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池とガスタービンとを組み合わせたタービン発電設備において、設備の停止時に燃料電池の電池材料の高温酸化を防止することができる燃料電池−ガスタービン発電設備を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池とガスタービンとを組み合わせたタービン発電設備において、コストを最小限に抑えて設備の停止時に燃料電池を短時間で冷却することができる燃料電池−ガスタービン発電設備を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、燃料電池に供給される空気の流量を適正に制御することができる燃料電池−ガスタービン発電設備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】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の第１の発明に係る燃料電池−ガスタービン発電設備は、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気が加熱される熱交換手段と、熱交換手段で加熱された圧縮空気が空気極側に供給されると共に燃料が燃料極側に供給され供給された圧縮空気中の酸素と燃料とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池と、燃料電池からの排空気及び排ガスが送られる燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスが膨張されることで駆動され圧縮機と同軸状態に設けられるガスタービンと、熱交換手段の上流側における圧縮空気の流量を調整する流量調整手段と、燃料電池からの排ガスを冷却する冷却手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
上記目的を達成するための本発明の第２の発明に係る燃料電池−ガスタービン発電設備は、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気が加熱される熱交換手段と、熱交換手段で加熱された圧縮空気が空気極側に供給されると共に燃料が燃料極側に供給され供給された圧縮空気中の酸素と燃料とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池と、燃料電池からの排空気及び排ガスが送られる燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスが膨張されることで駆動され圧縮機と同軸状態に設けられるガスタービンと、ガスタービンの駆動力を電力に変換する発電機と、設備の停止時に燃料電池の燃料極側にパージガスを供給するパージガス供給手段と、設備の停止時に発電機をモータ駆動させて圧縮機からの圧縮空気を燃料電池の空気極側に冷却空気として供給するモータ駆動手段と、熱交換手段の上流側における圧縮空気の流量を調整する流量調整手段と、燃料電池からの排ガスを冷却する冷却手段と、流量調整手段の上流側における圧縮空気を冷却手段の冷媒とするためのバイパス流路と、冷却手段の後流側の排ガスを燃料電池の燃料極側に供給される燃料に合流させる循環系とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
そして、第１の発明又は第２の発明に記載の燃料電池−ガスタービン発電設備において、燃料電池は固体電解質形燃料電池であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の第１の発明に係る燃料電池−ガスタービン発電設備は、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気が加熱される熱交換手段と、熱交換手段で加熱された圧縮空気が空気極側に供給されると共に燃料が燃料極側に供給され供給された圧縮空気中の酸素と燃料とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池と、燃料電池からの排空気及び排ガスが送られる燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスが膨張されることで駆動され圧縮機と同軸状態に設けられるガスタービンと、熱交換手段の上流側における圧縮空気の流量を調整する流量調整手段と、燃料電池からの排ガスを冷却する冷却手段とを備えたので、温度が高くない圧縮空気の流量を制御することができ、燃料電池に供給される空気の流量を適正に制御することが可能になる。
【００１５】
本発明の第２の発明に係る燃料電池−ガスタービン発電設備は、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気が加熱される熱交換手段と、熱交換手段で加熱された圧縮空気が空気極側に供給されると共に燃料が燃料極側に供給され供給された圧縮空気中の酸素と燃料とを電解質を介して電池反応させて発電する燃料電池と、燃料電池からの排空気及び排ガスが送られる燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスが膨張されることで駆動され圧縮機と同軸状態に設けられるガスタービンと、ガスタービンの駆動力を電力に変換する発電機と、設備の停止時に燃料電池の燃料極側にパージガスを供給するパージガス供給手段と、設備の停止時に発電機をモータ駆動させて圧縮機からの圧縮空気を燃料電池の空気極側に冷却空気として供給するモータ駆動手段と、熱交換手段の上流側における圧縮空気の流量を調整する流量調整手段と、燃料電池からの排ガスを冷却する冷却手段と、流量調整手段の上流側における圧縮空気を冷却手段の冷媒とするためのバイパス流路と、冷却手段の後流側の排ガスを燃料電池の燃料極側に供給される燃料に合流させる循環系とを備えたので、設備の停止時に燃料電池の燃料極側にパージガスを供給することにより電池材料の高温酸化を防止することが可能になると共に、設備の停止時にモータ駆動手段により発電機をモータ駆動させて圧縮機からの圧縮空気を燃料電池の空気極側に冷却空気として供給することにより、コストを最小限に抑えて設備の停止時に燃料電池を短時間で冷却することが可能になり、温度が高くない圧縮空気の流量を制御すると共に圧縮空気を冷却手段の冷媒として燃料電池からの排ガスを冷却することにより、エネルギーを有効に活用して燃料電池に供給される空気の流量を適正に制御することが可能になる。
【００１６】
そして、第１の発明又は第２の発明に係る燃料電池−ガスタービン発電設備において、燃料電池は固体電解質形燃料電池であるので、固体電解質形燃料電池とガスタービンを組み合わせた効率のよい設備とすることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１には本発明の一実施形態例に係る燃料電池−ガスタービン発電設備の概略系統を示してある。
【００１８】
図に示すように、燃料電池−ガスタービン発電設備は、燃料電池としての固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）１とタービン設備２とで構成されている。タービン設備２は圧縮機３及びガスタービン４及び起動用のモータ機能を備えた発電機５で構成され、ガスタービン４の排ガスは、例えば、図示しない排熱回収ボイラで熱回収される。ＳＯＦＣ１は、空気（酸素）と燃料とを電解質を介して電池反応させて発電するものである。
【００１９】
ＳＯＦＣ１へ供給される空気は、圧縮機３で圧縮された圧縮空気が送られる。圧縮機３で圧縮された圧縮空気は熱交換手段としての第１空気予熱器６に送られ、第１空気予熱器６では圧縮空気がガスタービン４の排ガスとの間で熱交換されて加熱される。第１空気予熱器５で加熱された圧縮空気が内部空気予熱器１１で予熱されてＳＯＦＣ１の空気極側に供給される。燃料は脱硫等の処理が施された後ＳＯＦＣ１の燃料極側に供給される。
【００２０】
ＳＯＦＣ１の未反応分を含有する燃料側の排ガスは冷却手段としての燃料冷却器７に送られ、燃料冷却器７で冷却された排ガスは燃焼器８に送られる。また、ＳＯＦＣ１の排空気は内部空気予熱器１１で熱回収されて燃焼器８に送られる。更に、ＳＯＦＣ１に送られる燃料の一部が燃焼器８に送られる。
【００２１】
燃料冷却器７の後流側の排ガスの一部は循環系としての循環路９から再循環ブロワ１０を介してＳＯＦＣ１の燃料極側に送られる燃料に合流される。
【００２２】
燃焼器８では、内部空気予熱器１１で熱回収された排空気、燃料冷却器６で冷却された排ガス及び燃料の一部が燃焼され、燃焼ガスがガスタービン４で膨張されて発電機５の発電出力に変換される。ガスタービン４で膨張されて排出される排ガスは第１空気予熱器６で熱回収されて後流側に送られる。第１空気予熱器６と並列に第２空気予熱器１２が設けられ、ガスタービン４で膨張されて排出される排ガスの一部が第２空気予熱器１２で熱回収されて後流側に送られる。
【００２３】
一方、第１空気予熱器６の上流側における圧縮空気の流量を調整する流量調整手段としての流量調整弁１３が設けられ、流量調整弁１３によりＳＯＦＣ１に送られる圧縮空気の量が制御される。
【００２４】
流量調整弁１３は第１空気予熱器６の上流側に設けられているので、第１空気予熱器６で加熱される前の比較的低温（例えば、２００℃）の圧縮空気の流量を制御することになる。このため、耐高温材料の機器を使用する必要がなく高価な機器が不要でコストの増加を抑制することができる。そして、比較的低温の圧縮空気を制御するために、機器構成部材の体積変化が少なく、流量を精度よく制御することが可能になる。因みに、高温の圧縮空気を制御する場合、機器構成部材の体積が大きく変化し、精密な耐高温材料の機器を使用しなければならず、さらに、流量を精度よく制御することが困難である。高温の圧縮空気（例えば、４００℃以上）の圧縮空気の流量を流量調整弁で制御すると、流量調整弁の構成部材の温度変化にともなう体積変化が大きくなり、流量調整弁の締切性が低下してしまう。
【００２５】
流量調整弁１３の上流側における圧縮空気の一部を分岐するバイパス流路１４が設けられ、バイパス流路１４は燃料冷却器７につながれている。バイパス流路１４から送られる圧縮空気により燃料冷却器７では燃料が冷却され、熱交換された圧縮空気は第２空気予熱器１２で予熱されて燃焼器８に送られる。このため、燃料冷却器７の冷却媒体として外部の冷媒を供給する必要がなくなり、エネルギーを有効に利用することでシステム効率の向上が可能になる。
【００２６】
尚、第２空気予熱器１２を設けずに燃料冷却器７で熱交換された圧縮空気を燃焼器８に直接供給することも可能である。また、燃料冷却器７の冷却媒体として外部の冷媒（専用の冷却水等）を適用することも可能である。
【００２７】
上記構成の燃料電池−ガスタービン発電設備では、燃料がＳＯＦＣ１の燃料極に供給されると共に、圧縮機３で圧縮されて流量調整弁１３で流量が所定状態に調整された圧縮空気が第１空気予熱器６及び内部空気予熱器１１で所定温度に加熱されてＳＯＦＣ１に供給される。ＳＯＦＣ１では圧縮空気中の酸素及び燃料の電池反応により発電が行われる。
【００２８】
未反応分を含有する排ガスは、燃料冷却器７で冷却されて燃焼器８に送られ、燃料冷却器７で冷却された排ガスの一部は循環路９から再循環ブロワ１０を介してＳＯＦＣ１の燃料極側に送られる燃料に合流される。未反応酸素を含有する排空気は、内部空気予熱器１１で熱回収されて燃焼器８に送られる。また、燃料の一部が燃焼器８に送られる。
【００２９】
燃焼器８で生成された燃焼ガスはガスタービン４で膨張されてガスタービン４が作動し、ガスタービン４の排ガスが図示しない排熱回収ボイラ等で熱回収されて放出される。
【００３０】
上述した燃料電池−ガスタービン発電設備では、第１空気予熱器６の上流側における圧縮空気の流量が流量調整弁１３により制御されてＳＯＦＣ１に送られるので、第１空気予熱器６で加熱される前の比較的低温（例えば、２００℃）の圧縮空気の流量を制御することになり、流量調整弁１３の構成部材の体積変化が少なく、流量を精度よく制御することが可能になる。また、高温の圧縮空気の流量を制御する必要がないため、安価な流量調整弁１３を適用することが可能になる。
【００３１】
ところで、高温型燃料電池であるＳＯＦＣ１は運転温度が約１０００℃の固体電解質形燃料電池でるため、設備の停止時には約１０００℃の高温の状態となっている。ＳＯＦＣ１は保温性がよく冷却されにくく、高温の状態ではＳＯＦＣ１の電池材料（例えば、Ｎｉ）が高温に晒されて酸化が生じる虞がある。従って、設備の停止時にはＳＯＦＣ１に対して酸化防止及び短時間での冷却を行なう必要がある。
【００３２】
このため、本実施形態例の燃料電池−ガスタービン発電設備には、設備の停止時にＳＯＦＣ１の燃料極側に還元ガス（例えば、Ｈ，Ｎ）を供給する還元ガス供給手段が設けられている。また、短時間で冷却を行なうために圧縮機３からの圧縮空気をＳＯＦＣ１の空気極側に冷却空気として供給するモータ駆動手段が設けられている。
【００３３】
還元ガス供給手段を説明する。
【００３４】
図に示すように、ＳＯＦＣ１の燃料極側には還元ガス流路２１が接続され、設備の停止時に還元ガス流路２１から還元ガス（例えば、Ｈ，Ｎ）がＳＯＦＣ１の燃料極に供給される。
【００３５】
このため、設備の停止時にＳＯＦＣ１の電池材料（例えば、Ｎｉ）が高温に晒される状況になっていても、還元ガスにより高温酸化を防止することが可能になる。また、還元ガス自体によりＳＯＦＣ１を冷却することもできる。
【００３６】
モータ駆動手段を説明する。
【００３７】
図に示すように、起動用のモータ機能を備えた発電機５には通常の制御機能とは別に、発電機５を起動時とは異なる状態でモータ駆動（長時間でのモータ駆動）させるモータ制御手段２３が備えられている。設備の停止時には、モータ制御手段２３により発電機５がモータ駆動され、圧縮機３からの圧縮空気がＳＯＦＣ１の空気極側に冷却用の空気として供給される。
【００３８】
このため、設備の停止時にＳＯＦＣ１に冷却用の空気が送られることになり、短時間にＳＯＦＣ１の冷却を行なうことができる。そして、専用の冷却空気供給手段を設けずに発電機５を起動時とは異なる状態でモータ駆動させているので、冷却のための機器（ボンベや送風機）を別途設置することなく、最小限の設備の追加（発電機５の制御系）を行なうだけでＳＯＦＣ１への冷却空気の供給を行なうことができる。このため、高温状態で還元ガスを供給し続ける必要がなくなり、還元ガス量を削減することができる。
【００３９】
上述した燃料電池−ガスタービン発電設備では、還元ガス供給手段及びモータ駆動手段を備えたので、設備の停止時にＳＯＦＣ１の電池材料（例えば、Ｎｉ）の高温酸化を防止することができると共に設備コストや機器構成を増加させることなく短時間でＳＯＦＣ１を冷却することが可能になる。
【００４０】
尚、モータ制御手段２３により発電機５をモータ駆動して、圧縮機３からの圧縮空気をＳＯＦＣ１の空気極側に冷却用の空気として供給する場合、配管の圧損関係により冷却用の空気はＳＯＦＣ１の空気極側に送られる。図に示したように、バイパス流路１４に、例えば、遮断弁２５を設け、モータ制御手段２３により発電機５をモータ駆動する際にバイパス流路１４を遮断し、冷却用の空気がＳＯＦＣ１を経由せずに燃焼器８側に送られることを積極的に防止することも可能である。
【００４１】
また、図２に示したように、第１空気予熱器６と第２空気予熱器１２とを直列に配設することも可能である。また、還元ガス供給手段及びモータ駆動手段のいずれかを設けた設備とすることも可能である。更に、還元ガス供給手段及びモータ駆動手段を設けずに、第１空気予熱器６の上流側に流量調整弁１３を設け、バイパス流路１４を通して圧縮機３からの圧縮空気を燃料冷却器７の冷媒として適用する構成の設備とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態例に係る燃料電池−ガスタービン発電設備の概略系統図。
【図２】本発明の他の実施形態例に係る燃料電池−ガスタービン発電設備の概略系統図。
【符号の説明】
【００４３】
１  固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）
２  タービン設備
３  圧縮機
４  ガスタービン
５  発電機
６  第１空気予熱器
７  燃料冷却器
８  燃焼器
９  循環路
１０  再循環ブロワ
１１  内部空気予熱器
１２  第２空気予熱器
１３  流量調整弁
１４  バイパス流路
２１  還元ガス流路
２３  モータ制御手段
２５  遮断弁
【図１】
2008066307.tif 000003
【図２】
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