(57)【要約】【課題】大規模な発電施設等に利用する場合であっても、設置や連続運転性等に大きな問題を生じることのない固体酸化物形燃料電池発電設備を提供する。【解決手段】単セル集合体を複数組み付けたカートリッジ１１１を複数組み付けてなるユニット１１２を耐圧容器１１３内に複数配設した固体酸化物形燃料電池モジュール１１０と、カートリッジ１１１内に供給する空気２を予熱する起動用バーナ１３２及び空気予熱器１３３，１３４と、ユニット１１２から排出された燃料ガス１の一部をカートリッジ１１１内に再び供給する再循環ブロア１２４と、ユニット１１２から排出された燃料ガス１の熱を利用して高圧の蒸気４を発生させる高圧蒸気発生器１４１，１４２とを備えた固体酸化物形燃料電池発電設備１００において、起動用バーナ１３２及び空気予熱器１３３，１３４、再循環ブロア１２４、高圧蒸気発生器１４１，１４２をモジュール１１０の耐圧容器１１３内に格納した。【選択図】　　　　図１
2004134263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単セル集合体を複数組み付けて構成されるカートリッジを並列に複数組み付けてなるユニットを耐圧容器内に配設した固体酸化物形燃料電池モジュールと、
前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットの前記カートリッジ内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットの前記カートリッジ内に供給する前記燃料ガスを予熱する燃料ガス予熱手段と、
前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットの前記カートリッジ内に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットの前記カートリッジ内に供給する前記酸化ガスを予熱する酸化ガス予熱手段と、
前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットから排出された前記燃料ガスの一部を前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットの前記カートリッジ内に再び供給する再循環手段と、
前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットから排出された前記燃料ガスの熱を利用して高圧蒸気を発生させる高圧蒸気発生手段と、
前記高圧蒸気発生手段からの高圧蒸気を利用して発電を行う高圧蒸気発電手段と
を備えた固体酸化物形燃料電池発電設備において、
前記酸化ガス予熱手段、前記再循環手段、前記高圧蒸気発生手段が、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記耐圧容器内に格納されている
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電設備。
【請求項２】
請求項１において、
前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットから排出された前記燃料ガスの残りと、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットから排出された前記酸化ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼ガス発生手段と、
前記燃焼ガス発生手段からの前記燃焼ガスを利用して発電を行う燃焼ガス発電手段と
を備えていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電設備。
【請求項３】
請求項２において、
前記燃焼ガス発電手段で利用された前記燃焼ガスの熱を利用して低圧蒸気を発生させる低圧蒸気発生手段と、
前記低圧蒸気発生手段からの低圧蒸気を利用して発電を行う低圧蒸気発電手段と
を備えていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電設備。
【請求項４】
請求項３において、
前記高圧蒸気発電手段及び前記低圧蒸気発電手段から排出された前記蒸気を前記高圧蒸気発生手段及び前記低圧蒸気発生手段に再び供給する蒸気再利用手段を備えている
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電設備。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかにおいて、
前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記耐圧容器が長手方向を上下に向けるように配向され、
前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットが前記耐圧容器内で上下方向に直列に複数連結されて配設されている
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池発電設備に関し、特に、事業用や商用の大規模な発電施設で利用する場合に極めて有効なものである。
【０００２】
【従来の技術】
円筒型の固体酸化物形燃料電池は、多孔性の電極膜により固体酸化物電解質膜を挟んだ単セルを多孔性の基体管の外周面上に設けて単セル集合体であるセルチューブを構成し、基体管の内部に高温高圧の水素等を含む燃料ガスを流通させる一方、基体管の外周面に高温高圧の酸素等を含む酸化ガスを流通させることにより、水素と酸素とが固体電解質膜で電気化学的に反応して電極膜から電気を取り出すことができるようになっている。
【０００３】
このような円筒型の固体酸化物形燃料電池は、通常、図５に示すように、上記セルチューブ（１００Ｗ）を並列に複数（数百本程度）組み付けて構成されるカートリッジ１１（数十ｋＷ程度）を水平方向に並列に複数（数十程度）組み付けてユニット１２（数百〜千ｋＷ程度）を構成し、当該ユニット１２を耐圧容器１３（直径約３ｍ程度、長さ約１０ｍ程度）内に出し入れ可能に組み込んだモジュール構造にして使用され、例えば、分散電源として、病院（数百ｋＷレベル）や工場（数千ｋＷレベル）等に利用されている。
【０００４】
ところで、上記燃料電池は、発電効率が高く（約６０％）、排ガスがクリーンであることから、病院や工場等の分散電源として利用するだけでなく、近年、事業用や商用の大規模な発電施設の火力発電設備の一部の代替（十万ｋＷレベル）等として利用することが検討され始めている。このような大規模な固体酸化物形燃料電池発電設備の一例を図６に示す。
【０００５】
図６に示すように、現在考えられている固体酸化物形燃料電池発電設備は、並列に複数（例えば約２６０基）配設される前記固体酸化物形燃料電池モジュール１０と、固体酸化物形燃料電池モジュール１０内の前記ユニット１２のカートリッジ１１内に燃料ガス１を高圧で供給する燃料ガス圧縮送給機２１と、燃料ガス圧縮送給機２１からの燃料ガス１を予熱する燃料ガス予熱器２２と、予熱された燃料ガス１から硫黄化合物を除去する脱硫装置２３と、燃料ガス１に水蒸気６を供給する図示しない水蒸気供給手段と、固体酸化物形燃料電池モジュール１０内の前記ユニット１２のカートリッジ１１内に酸化ガスである空気２を高圧で送給するエアコンプレッサ３１と、このエアコンプレッサ３１からの空気２を起動用バーナ３２からの熱により予熱する起動時用の空気予熱器３３及び運転時用の空気予熱器３４と、前記固体酸化物形燃料電池モジュール１０の前記ユニット１２のカートリッジ１１内から排出されて前記燃料ガス予熱器２２を経由した燃料ガス１からの熱により水３を加熱して高圧の蒸気４を発生させる高圧蒸気発生器４１，４２と、高圧蒸気発生器４１，４２からの前記燃料ガス１の一部を前記脱硫装置２３内に新たな燃料ガス１と共に再度供給する再循環ブロア２４と、この再循環ブロア２４からの残りの前記燃料ガス１と前記固体酸化物形燃料電池モジュール１０のユニット１２のカートリッジ１１内から排出されて前記空気予熱器３４で熱源として利用された空気２とを混合燃焼させて燃焼ガス５を発生させる燃焼器５１と、燃焼器５１からの燃焼ガス５により前記エアコンプレッサ３１及びモータ／ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）６１を作動させるガスタービン５２と、ガスタービン５２から排出された燃焼ガス５からの熱により水３を加熱して低圧の蒸気４を発生させる低圧蒸気発生器４３，４４と、前記高圧蒸気発生器４１，４２からの高圧の蒸気４により発電機６２を作動させる高圧蒸気タービン４５と、前記低圧蒸気発生器４３，４４からの低圧の蒸気４により発電機６３を作動させる低圧蒸気タービン４６と、これら蒸気タービン４５，４６から排出された蒸気４を冷却して水３に戻す復水器４７と、復水器４７からの水３を前記蒸気発生器４１，４３に分配して供給する給水ポンプ４８と、前記低圧蒸気発生器４３，４４から排出された前記燃焼ガス５からの熱により給水ポンプ４８からの水３を予熱する水予熱器４９とを備えている。
【０００６】
このような発電設備においては、燃料ガス圧縮送給機２１から燃料ガス１（例えばＬＮＧ等）を高圧で送給して燃料ガス予熱器２２で予熱した後、前記水蒸気供給手段で水蒸気６を加えられてから脱硫装置２３で脱硫して、各モジュール１０のユニット１２の各カートリッジ１１内に送給する一方、Ｍ／Ｇ６１を作動してエアコンプレッサ３１から空気２を高圧で送給して空気予熱器３３，３４で予熱した後、各ユニット１２の各カートリッジ１１内に送給すると、燃料ガス１中の水素と空気２中の酸素とがカートリッジ１１内のセルチューブの固体電解質膜で電気化学的に反応して電極膜から電力を取り出すことができる。
【０００７】
前記モジュール１０から排出された燃料ガス１は、再循環ブロア２４により、前記燃料ガス予熱器２２に送給されて新たな燃料ガス１の予熱の熱源に利用された後、その一部が前記脱硫装置２３に新たな燃料ガス１と共に送給されて未使用分が再び利用されると共に、残りが燃焼器５１内に送給される一方、前記モジュール１０から排出された空気２は、前記空気予熱器３４に送給されて新たな空気２の予熱の熱源に利用された後、上記燃焼器５１内に送給される。
【０００８】
前記燃焼器５１は、上記燃料ガス１及び上記空気２を燃焼させることにより燃焼ガス５を発生させ、ガスタービン５２は、上記燃焼ガス５を送給されることにより、前記エアコンプレッサ３１を駆動させると共に、Ｍ／Ｇ６１を作動させて発電を行う。
【０００９】
前記ガスタービン５２から排出される燃焼ガス５は、前記低圧蒸気発生器４３，４４及び水予熱器４９で熱源として利用された後、外部へ排出される。
【００１０】
他方、前記低圧蒸気発生器４３，４４は、上記燃焼ガス５からの熱により蒸気４を発生させ、低圧蒸気タービン４６は、当該蒸気４により、発電機６３を作動させて発電を行う。
【００１１】
前記低圧蒸気タービン４６から排出される蒸気４は、復水器４７で冷却されて水３に戻される。この水３は、給水ポンプ４８で水予熱器４９に送給されて前記燃焼ガス５からの熱により予熱された後、その一部が前記低圧蒸気発生器４３，４４に再び送給され、残りが前記高圧蒸気発生器４１，４２に送給される。
【００１２】
前記高圧蒸気発生器４１，４２は、前記燃料ガス１からの熱により蒸気４を発生させ、前記高圧蒸気タービン４５は、当該蒸気４により、発電機６２を作動させて発電を行う。
【００１３】
前記高圧蒸気タービン４５から排出される蒸気４は、前記低圧蒸気タービン４６からの蒸気４と共に前記復水器４７で冷却されて水３に戻される。
【００１４】
このため、上記発電設備においては、複数の固体酸化物形燃料電池モジュール１０により発電することができるのはもちろんのこと、これら固体酸化物形燃料電池モジュール１０から排出される高圧の燃料ガス１の廃熱を利用して高圧の蒸気４を発生させ、高圧蒸気タービン４５を作動させて発電機６２により発電することができると共に、上記固体酸化物形燃料電池モジュール１０から排出される燃料ガス１及び空気２を燃焼させた燃焼ガス５でガスタービン５２を作動させることによりＭ／Ｇ６１で発電することができるだけでなく、さらに、上記燃焼ガス５の廃熱を利用して低圧の蒸気４を発生させ、低圧蒸気タービン４６を作動させて発電機６３により発電することができるようになっている。
【００１５】
【特許文献１】
特開２００２−１２４２８９号公報（請求項２，３）
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
前述したような発電設備においては、モジュール１０の数が膨大となってしまい（数百基）、設置スペースに問題を生じてしまうだけでなく、これらモジュール１０と前記空気予熱器３３，３４や前記高圧蒸気発生器４１，４２や前記再循環ブロア２４等のような高温高圧条件下で使用する補機類との間を連結する配管が非常に多くなってしまい、配管作業が煩雑となるばかりか、ヒートロスも多くなってしまい、発電効率の低下を招いてしまう。さらに、膨大な数のモジュール１０のうちの一つのモジュール１０に不具合を生じた場合であっても、上記補機類を含めてすべての機器類を停止して運転を中止しなければならず、連続運転性に難点を生じてしまう。
【００１７】
このような問題は、単セル集合体としてセルチューブを適用した円筒型の固体酸化物形燃料電池モジュールを利用した円筒型の固体酸化物形燃料電池発電設備に限らず、例えば、多孔性の電極膜により固体酸化物電解質膜を挟んだ平板型の単セルを導電性のセパレータを介して直列に複数積層して連結することにより単セル集合体であるセルスタックを構成し、当該セルスタックを複数組み付けてカートリッジを構成して、上述したセルチューブの場合と同様にして構成したユニットを耐圧容器内に出し入れ可能に組み込んだ平板型の固体酸化物形燃料電池モジュールを利用した平板型の固体酸化物形燃料電池発電設備の場合にも生じることである。
【００１８】
このようなことから、本発明は、事業用や商用の大規模な発電施設等に利用する場合であっても、設置や連続運転性等に大きな問題を生じることのない固体酸化物形燃料電池発電設備を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明による固体酸化物形燃料電池発電設備は、単セル集合体を複数組み付けて構成されるカートリッジを並列に複数組み付けてなるユニットを耐圧容器内に配設した固体酸化物形燃料電池モジュールと、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットの前記カートリッジ内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットの前記カートリッジ内に供給する前記燃料ガスを予熱する燃料ガス予熱手段と、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットの前記カートリッジ内に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットの前記カートリッジ内に供給する前記酸化ガスを予熱する酸化ガス予熱手段と、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットから排出された前記燃料ガスの一部を前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットの前記カートリッジ内に再び供給する再循環手段と、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットから排出された前記燃料ガスの熱を利用して高圧蒸気を発生させる高圧蒸気発生手段と、前記高圧蒸気発生手段からの高圧蒸気を利用して発電を行う高圧蒸気発電手段とを備えた固体酸化物形燃料電池発電設備において、前記酸化ガス予熱手段、前記再循環手段、前記高圧蒸気発生手段が、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記耐圧容器内に格納されていることを特徴とする。
【００２０】
第二番目の発明による固体酸化物形燃料電池発電設備は、第一番目の発明において、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットから排出された前記燃料ガスの残りと、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットから排出された前記酸化ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼ガス発生手段と、前記燃焼ガス発生手段からの前記燃焼ガスを利用して発電を行う燃焼ガス発電手段とを備えていることを特徴とする。
【００２１】
第三番目の発明による固体酸化物形燃料電池発電設備は、第二番目の発明において、前記燃焼ガス発電手段で利用された前記燃焼ガスの熱を利用して低圧蒸気を発生させる低圧蒸気発生手段と、前記低圧蒸気発生手段からの低圧蒸気を利用して発電を行う低圧蒸気発電手段とを備えていることを特徴とする。
【００２２】
第四番目の発明による固体酸化物形燃料電池発電設備は、第三番目の発明において、前記高圧蒸気発電手段及び前記低圧蒸気発電手段から排出された前記蒸気を前記高圧蒸気発生手段及び前記低圧蒸気発生手段に再び供給する蒸気再利用手段を備えていることを特徴とする。
【００２３】
第五番目の発明による固体酸化物形燃料電池発電設備は、第一番目から第四番目の発明のいずれかにおいて、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記耐圧容器が長手方向を上下に向けるように配向され、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットが前記耐圧容器内で上下方向に直列に複数連結されて配設されていることを特徴とする。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明による固体酸化物形燃料電池発電設備を円筒型の固体酸化物形燃料電池発電設備に適用した場合の実施の形態を図１〜４を用いて説明する。図１は、固体酸化物形燃料電池発電設備の全体概略構成図、図２は、図１の円筒型の固体酸化物形燃料電池モジュールの全体概略構成図、図３は、図２の内部概略構成図、図４は、図２の水平方向断面図である。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００２５】
本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池発電設備は、図１に示すように、並列に複数（例えば数基）配設される前記固体酸化物形燃料電池モジュール１１０と、固体酸化物形燃料電池モジュール１１０内の前記ユニット１１２のカートリッジ１１１内に燃料ガス１を高圧で供給する燃料ガス供給手段である燃料ガス圧縮送給機１２１と、燃料ガス圧縮送給機１２１からの燃料ガス１を予熱する燃料ガス予熱手段である燃料ガス予熱器１２２と、予熱された燃料ガス１から硫黄化合物を除去する脱硫手段である脱硫装置１２３と、燃料ガス１に水蒸気６を供給する図示しない水蒸気供給手段と、固体酸化物形燃料電池モジュール１１０内の前記ユニット１１２のカートリッジ１１１内に酸化ガスである空気２を高圧で送給する酸化ガス供給手段であるエアコンプレッサ１３１と、前記固体酸化物形燃料電池モジュール１１０の耐圧容器１１３の内部に格納されて前記エアコンプレッサ１３１からの空気２を予熱する起動時用の空気予熱手段である起動用バーナ１３２及び空気予熱器１３３並びに運転時用の空気予熱手段である空気予熱器１３４と、前記固体酸化物形燃料電池モジュール１１０の耐圧容器１１３の内部に格納されて前記ユニット１１２のカートリッジ１１１内から排出された燃料ガス１からの熱により水３を加熱して高圧の蒸気４を発生させる高圧蒸気発生手段である高圧蒸気発生器１４１，１４２と、前記固体酸化物形燃料電池モジュール１１０の耐圧容器１１３の内部に格納されて高圧蒸気発生器１４１，１４２からの前記燃料ガス１の一部を前記ユニット１１２のカートリッジ１１１内に再度供給すると共に、残りを前記燃料ガス予熱器１２２に供給して熱源とさせる再循環手段である再循環ブロア１２４と、前記ユニット１１２のカートリッジ１１１内から排出されて前記空気予熱器１３４で熱源として利用された空気２と前記燃料ガス予熱器１２２で熱源として利用された燃料ガス１とを混合燃焼させて燃焼ガス５を発生させる燃焼ガス発生手段である燃焼器１５１と、燃焼器１５１からの燃焼ガス５により前記エアコンプレッサ１３１を作動させると共に発電を行う燃焼ガス発電手段であるガスタービン１５２及びモータ／ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）１６１と、ガスタービン１５２から排出された燃焼ガス５からの熱により水３を加熱して低圧の蒸気４を発生させる低圧蒸気発生手段である低圧蒸気発生器１４３，１４４と、前記高圧蒸気発生器１４１，１４２からの高圧の蒸気４により発電機１６２を作動させる高圧蒸気タービン１４５と、前記低圧蒸気発生器１４３，１４４からの低圧の蒸気４により発電を行う低圧蒸気タービン１４６及び発電機１６３と、これら蒸気タービン１４５，１４６から排出された蒸気４を冷却して水３に戻す復水器１４７と、復水器１４７からの水３を前記蒸気発生器１４１，１４３に分配して供給する給水ポンプ１４８と、前記低圧蒸気発生器１４３，１４４から排出された前記燃焼ガス５からの熱により給水ポンプ１４８からの水３を予熱する水予熱器１４９とを備えている。
【００２６】
なお、本実施の形態においては、復水器１４７，給水ポンプ１４８，水予熱器１４９等により蒸気再利用手段を構成している。
【００２７】
また、上記固体酸化物形燃料電池モジュール１１０は、図２，３に示すように、単セル集合体であるセルチューブ（１００Ｗ）を並列に複数（約千本弱程度）組み付けて構成されるカートリッジ１１１（約百ｋＷ弱程度）を並列に複数（例えば１６台）組み付けてなるユニット１１２（約千ｋＷ）を耐圧容器１１３内に配設した固体酸化物形燃料電池モジュール１１０において、耐圧容器１１３が長手方向を上下に向けるように配向され（直径約９ｍ、高さ約３０ｍ）、ユニット１１２が耐圧容器１１３内で上下方向に直列に複数（例えば８層）連結されて配設されたもの（一万ｋＷレベル）である。
【００２８】
また、図４に示すように、前記ユニット１１２が、水平断面形状でロ字型をなすように前記カートリッジ１１１を配列して組み付けられて、水平方向中央部に第一の作業スペース１１１ａを有すると共に、図２に示すように、上下方向に隣り合うユニット１１２の間に第二の作業スペース１１１ｂを有するように当該ユニット１１２が耐圧容器１１３内に配設されている。上記ユニット１１２は、耐圧容器１１３内に受台１１４ａを介して支持された格子状をなす支持梁１１４に着脱可能に支承されている。
【００２９】
また、図４に示すように、前記ユニット１１２を構成する各カートリッジ１１１の配列位置と当該ユニット１１２の第一の作業スペース１１１ａとの間で当該カートリッジ１１１を搬送するカートリッジ搬送手段１１５が第二の作業スペース１１１ｂに配設されている。上記カートリッジ搬送手段１１５は、前記ユニット１１２を構成する各カートリッジ１１１の配列位置と当該ユニット１１２の第一の作業スペース１１１ａとの間を連絡するレールと、レールに沿って移動可能に設けられたホイストとを備えてなっている。
【００３０】
また、図２に示すように、耐圧容器１１３の上部には、当該耐圧容器１１３の内部と外部とを連通して前記カートリッジ１１１の通過可能なカートリッジ用マンホール１１３ａが設けられている。耐圧容器１１３の下部には、当該耐圧容器１１３の内部と外部とを連通して作業者の通行可能な点検用マンホール１１３ｂが設けられている。
【００３１】
また、図２，３に示すように、耐圧容器１１３の内部の最下段の前記ユニット１１２よりも下方には、前述した再循環ブロア１２４、起動用バーナ１３２、空気予熱器１３３，１３４、高圧蒸気発生器１４１，１４２等のような高温高圧条件で使用する補機類が格納されている。
【００３２】
このような固体酸化物形燃料電池モジュール１１０を備えた発電設備１００においては、燃料ガス圧縮送給機１２１から燃料ガス１（例えばＬＮＧ等）を高圧で送給して燃料ガス予熱器１２２で予熱した後、前記水蒸気供給手段で水蒸気６を加えられてから脱硫装置１２３で脱硫して、各モジュール１１０のユニット１１２の各カートリッジ１１１内に送給する一方、Ｍ／Ｇ１６１を作動してエアコンプレッサ１３１から空気２を高圧で送給して各モジュール１１０内の空気予熱器１３３，１３４で予熱した後、ユニット１１２の各カートリッジ１１１内に送給すると、燃料ガス１中の水素と空気２中の酸素とがカートリッジ１１１内のセルチューブの固体電解質膜で電気化学的に反応して電極膜から電力を取り出すことができる。
【００３３】
前記モジュール１１０から排出された燃料ガス１は、再循環ブロア１２４により、その一部がモジュール１１０内に再び送給されて未使用分が再利用されると共に、残りが前記燃料ガス予熱器１２２に送給されて新たな燃料ガス１の予熱の熱源に利用された後、燃焼器１５１内に送給される一方、前記モジュール１１０から排出された空気２は、前記空気予熱器１３４に送給されて新たな空気２の予熱の熱源に利用された後、上記燃焼器１５１内に送給される。
【００３４】
前記燃焼器１５１は、上記燃料ガス１及び上記空気２を燃焼させることにより燃焼ガス５を発生させ、ガスタービン１５２は、上記燃焼ガス５を送給されることにより、前記エアコンプレッサ１３１を駆動させると共に、Ｍ／Ｇ１６１を作動させて発電を行う。
【００３５】
前記ガスタービン１５２から排出される燃焼ガス５は、前記低圧蒸気発生器１４３，１４４及び水予熱器１４９で熱源として利用された後、外部へ排出される。
【００３６】
他方、前記低圧蒸気発生器１４３，１４４は、上記燃焼ガス５からの熱により蒸気４を発生させ、低圧蒸気タービン１４６は、当該蒸気４により、発電機１６３を作動させて発電を行う。
【００３７】
前記低圧蒸気タービン１４６から排出される蒸気４は、復水器１４７で冷却されて水３に戻される。この水３は、給水ポンプ１４８で水予熱器１４９に送給されて前記燃焼ガス５からの熱により予熱された後、その一部が前記低圧蒸気発生器１４３，１４４に再び送給され、残りが各モジュール１１０内の前記高圧蒸気発生器１４１，１４２に送給される。
【００３８】
前記高圧蒸気発生器１４１，１４２は、前記燃料ガス１からの熱により蒸気４を発生させ、前記高圧蒸気タービン１４５は、当該蒸気４により、発電機１６２を作動させて発電を行う。
【００３９】
前記高圧蒸気タービン１４５から排出される蒸気４は、前記低圧蒸気タービン１４６からの蒸気４と共に前記復水器１４７で冷却されて水３に戻される。
【００４０】
つまり、本実施の形態に係る発電設備１００は、複数の固体酸化物形燃料電池モジュール１１０により発電するのはもちろんのこと、これら固体酸化物形燃料電池モジュール１１０から排出される高圧の燃料ガス１の廃熱を利用して高圧の蒸気４を発生させ、高圧蒸気タービン１４５を作動させて発電機１６２により発電すると共に、上記固体酸化物形燃料電池モジュール１１０から排出される燃料ガス１及び空気２を燃焼させた燃焼ガス５でガスタービン１５２を作動させることによりＭ／Ｇ１６１で発電するだけでなく、さらに、上記燃焼ガス５の廃熱を利用して低圧の蒸気４を発生させ、低圧蒸気タービン１４６を作動させて発電機１６３により発電するようにしているのである。
【００４１】
このため、本実施の形態に係る発電設備１００においては、複数の固体酸化物形燃料電池モジュール１１０での発電で排出される燃料ガス１及び空気２自身並びに廃熱を有効に利用することができるので、発電効率を高めることができる。
【００４２】
また、固体酸化物形燃料電池モジュール１１０の耐圧容器１１３内に再循環ブロア１２４、起動用バーナ１３２、空気予熱器１３３，１３４、高圧蒸気発生器１４１，１４２等のような高温高圧条件下で使用する補機類を格納するようにしたので、当該補機を包囲するケーシングや当該補機を繋ぐ配管等に高断熱性や高耐圧性が要求されなくなると共に、高温高圧のガス１，２を固体酸化物形燃料電池モジュール１１０の耐圧容器１１３内から取り出さずに済ますことができる。
【００４３】
したがって、本実施の形態の発電設備１００によれば、設備コストを大幅に削減することができると共に、ヒートロス等に伴う発電効率の低下をより確実に抑制することができる。さらに、モジュール１１０のうちの一つのモジュール１１０に不具合を生じた場合であっても、不具合を生じたモジュール１１０内の前記補機類の作動を停止させるだけで済ますことができるので、連続運転が可能となる。
【００４４】
また、固体酸化物形燃料電池モジュール１１０は、耐圧容器１１３が長手方向を上下に向けるように配向され（直径約９ｍ、高さ約３０ｍ）、ユニット１１２が耐圧容器１１３内で上下方向に直列に複数（例えば８層）連結されて配設されているので（一万ｋＷレベル）、事業用や商用の大規模な発電施設の火力発電設備の一部の代替（十万ｋＷレベル）等として利用する場合であっても、敷地内に数基〜数十基立設するだけで済み、広大な設置スペースがなくても対応することができる。
【００４５】
なお、固体酸化物形燃料電池モジュール１１０のメンテナンス等を行う場合には、点検用マンホール１１３ｂから前記作業スペース１１１ａ，１１１ｂに作業者が進入して、各ユニット１１２の各カートリッジ１１１を点検する。このとき、ユニット１１２が、水平断面形状でロ字型をなすように水平方向中央部に第一の作業スペース１１１ａを有すると共に、上下方向に隣り合うユニット１１２の間に第二の作業スペース１１１ｂを有しているので、ユニット１１２を構成するすべてのカートリッジ１１１に簡単にアクセスすることができる。
【００４６】
そして、不具合を生じたカートリッジ１１１を確認したら、当該カートリッジ１１１を有するユニット１１２の第一の作業スペース１１１ａにまで到達させるように耐圧容器１１３の外側からカートリッジ用マンホール１１３ａを介して耐圧容器１１３の内部にクレーンを下降させると共に、ユニット１１２から当該カートリッジ１１１を外し、前記カートリッジ搬送手段１１５のホイストに吊り下げてレールに沿って第一の作業スペース１１１ａにまで搬送して上記クレーンに移し替えた後、当該クレーンを上昇させることにより、目的とするカートリッジ１１１を耐圧容器１１３の外部に容易に搬出することができる。なお、上述と逆の手順を行うことにより、新たなカートリッジ１１１をユニット１１２に組み付け直すことが容易にできる。
【００４７】
なお、本実施の形態では、単セル集合体としてセルチューブを適用した円筒型の固体酸化物形燃料電池モジュールを利用した円筒型の固体酸化物形燃料電池発電設備の場合について説明したが、他の実施の形態として、例えば、多孔性の電極膜により固体酸化物電解質膜を挟んだ平板型の単セルを導電性のセパレータを介して直列に複数積層して連結することにより単セル集合体であるセルスタックを構成し、当該セルスタックを複数組み付けてカートリッジを構成して、上述したセルチューブの場合と同様にして構成したユニットを耐圧容器内に出し入れ可能に組み込んだ平板型の固体酸化物形燃料電池モジュールを利用した平板型の固体酸化物形燃料電池発電設備の場合にも、上述した実施の形態の場合と同様に適用して、上述した実施の形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。
【００４８】
【発明の効果】
第一番目の発明による固体酸化物形燃料電池発電設備は、単セル集合体を複数組み付けて構成されるカートリッジを並列に複数組み付けてなるユニットを耐圧容器内に配設した固体酸化物形燃料電池モジュールと、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットの前記カートリッジ内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットの前記カートリッジ内に供給する前記燃料ガスを予熱する燃料ガス予熱手段と、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットの前記カートリッジ内に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットの前記カートリッジ内に供給する前記酸化ガスを予熱する酸化ガス予熱手段と、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットから排出された前記燃料ガスの一部を前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットの前記カートリッジ内に再び供給する再循環手段と、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットから排出された前記燃料ガスの熱を利用して高圧蒸気を発生させる高圧蒸気発生手段と、前記高圧蒸気発生手段からの高圧蒸気を利用して発電を行う高圧蒸気発電手段とを備えた固体酸化物形燃料電池発電設備において、前記酸化ガス予熱手段、前記再循環手段、前記高圧蒸気発生手段が、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記耐圧容器内に格納されていることから、これらの補機を包囲するケーシングや当該補機を繋ぐ配管等に高断熱性や高耐圧性が要求されなくなると共に、高温高圧のガスを固体酸化物形燃料電池モジュールの耐圧容器内から取り出さずに済ますことができるので、設備コストを大幅に削減することができると共に、ヒートロス等に伴う発電効率の低下をより確実に抑制することができる。さらに、モジュールのうちの一つのモジュールに不具合を生じた場合であっても、不具合を生じたモジュール内の前記補機類の作動を停止させるだけで済ますことができるので、連続運転が可能となる。
【００４９】
第二番目の発明による固体酸化物形燃料電池発電設備は、第一番目の発明において、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットから排出された前記燃料ガスの残りと、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットから排出された前記酸化ガスとを燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼ガス発生手段と、前記燃焼ガス発生手段からの前記燃焼ガスを利用して発電を行う燃焼ガス発電手段とを備えていることから、固体酸化物形燃料電池モジュールから排出される前記ガスを利用してさらに発電を行うことができる。
【００５０】
第三番目の発明による固体酸化物形燃料電池発電設備は、第二番目の発明において、前記燃焼ガス発電手段で利用された前記燃焼ガスの熱を利用して低圧蒸気を発生させる低圧蒸気発生手段と、前記低圧蒸気発生手段からの低圧蒸気を利用して発電を行う低圧蒸気発電手段とを備えていることから、発電に使用された前記燃焼ガスを利用してさらに発電を行うことができる。
【００５１】
第四番目の発明による固体酸化物形燃料電池発電設備は、第三番目の発明において、前記高圧蒸気発電手段及び前記低圧蒸気発電手段から排出された前記蒸気を前記高圧蒸気発生手段及び前記低圧蒸気発生手段に再び供給する蒸気再利用手段を備えていることから、発電に使用された蒸気を繰り返し利用することができる。
【００５２】
第五番目の発明による固体酸化物形燃料電池発電設備は、第一番目から第四番目の発明のいずれかにおいて、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記耐圧容器が長手方向を上下に向けるように配向され、前記固体酸化物形燃料電池モジュールの前記ユニットが前記耐圧容器内で上下方向に直列に複数連結されて配設されていることから、固体酸化物形燃料電池モジュールの発電容量を大きくしながらも、設置面積の増大化を大幅に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体酸化物形燃料電池発電施設の実施の形態の全体概略構成図である。
【図２】図１の固体酸化物形燃料電池モジュールの全体概略構成図である。
【図３】図２の内部概略構成図である。
【図４】図２の水平方向断面図である。
【図５】従来の固体酸化物形燃料電池モジュールの一例の全体概略構成図である。
【図６】現在考えられている固体酸化物形燃料電池発電設備の一例の全体概略構成図である。
【符号の説明】
１　燃料ガス
２　空気
３　水
４　蒸気
５　燃焼ガス
６　水蒸気
１００　発電設備
１１０　固体酸化物形燃料電池モジュール
１１１　カートリッジ
１１１ａ　第一の作業スペース
１１１ｂ　第二の作業スペース
１１２　ユニット
１１３　耐圧容器
１１３ａ　カートリッジ用マンホール
１１３ｂ　点検用マンホール
１１４　支持梁
１１４ａ　受台
１１５　カートリッジ搬送手段
１２１　燃料ガス圧縮送給機
１２２　燃料ガス予熱器
１２３　脱硫装置
１２４　再循環ブロア
１３１　エアコンプレッサ
１３２　起動用バーナ
１３３，１３４　空気予熱器
１４１，１４２　高圧蒸気発生器
１４３，１４４　低圧蒸気発生器
１４５　高圧蒸気タービン
１４６　低圧蒸気タービン
１４７　復水器
１４８　給水ポンプ
１４９　水予熱器
【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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