(57)【要約】【課題】大規模な発電施設等に利用する場合でも、エアコンプレッサやガスタービンの作動に問題を生じることなく運転できる複合発電システムを提供する。【解決手段】燃料ガス１と空気２とを反応させて電力を得る燃料電池モジュール１１と、モジュール１１に燃料ガス１を供給する燃料ガス圧縮送給器１２及び燃料ガス予熱器１３と、モジュール１１に空気２を供給するエアコンプレッサ１４及び空気予熱器１５と、モジュール１１から排出された空気２の一部及び燃料ガス１を燃焼させる燃焼器１６と、燃焼器１６からの燃焼ガス５でエアコンプレッサ１４を作動させると共に発電を行うガスタービン１８及び発電機１９と、モジュール１１から排出された空気２の残りを冷却すると共に空気２ａを加えてモジュール１１内に再び供給する空気循環ブロア２２、循熱交換器２３、酸素分離器２１ａ、酸素圧縮送給器２１ｂとを備えて複合発電システム１０を構成した。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとを高温高圧環境下で電気化学的に反応させて電力を得る高温作動形の燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールに燃料ガスを高圧で供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池モジュール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、
前記燃料電池モジュール内に酸化ガスを高圧で供給する酸化ガス供給手段と、
前記燃料電池モジュール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、
前記燃料電池モジュールから排出された前記燃料ガス及び前記酸化ガス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、
前記第一の燃焼ガス発生手段及び前記第二の燃焼ガス発生手段から発生した前記燃焼ガスを利用して前記酸化ガス供給手段を作動させると共に発電を行う燃焼ガス発電手段と、
前記酸化ガス供給手段から前記燃料電池モジュール内に供給される前記酸化ガスに、当該燃料電池モジュールから排出された前記酸化ガスの一部を混合して循環させる酸化ガス循環手段と、
前記酸化ガス循環手段で循環される前記酸化ガスを冷却する循環酸化ガス冷却手段と
を備えていることを特徴とする複合発電システム。
【請求項２】
請求項１において、
前記燃料電池モジュール内に供給する前記酸化ガスに酸素を加える酸素供給手段を備えている
ことを特徴とする複合発電システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記燃焼ガス発電手段から排出された前記燃焼ガスの熱を利用して蒸気を発生させる蒸気発生手段と、
前記蒸気発生手段からの前記蒸気を利用して発電を行う蒸気発電手段と
を備えていることを特徴とする複合発電システム。
【請求項４】
請求項３において、
前記循環酸化ガス冷却手段が、前記蒸気発生手段で発生した前記蒸気と熱交換させることにより前記酸化ガスを冷却するものである
ことを特徴とする複合発電システム。
【請求項５】
請求項３または請求項４において、
前記蒸気発電手段から排出された前記蒸気を前記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
ことを特徴とする複合発電システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）や溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）や固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）等のような高温作動形の燃料電池とガスタービンとを組み合わせた複合発電システムに関し、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】
例えば、円筒型の固体電解質形燃料電池は、多孔性の電極膜により固体電解質膜を挟んで円筒型の多孔性の基体管の外周面上に設けてセルチューブを構成し、基体管の内部に高温高圧の例えば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例えば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】
このような固体電解質形燃料電池を始めとして、溶融炭酸塩形燃料電池や固体電解質形燃料電池等のような高温作動形の燃料電池においては、排出される上記ガスが高温高圧であると共に燃焼可能であるため、排出された上記ガスを燃焼させてガスタービンに送給して発電機を作動させることにより、排出ガスを利用してさらに発電できるようにした複合発電システムに利用され始めている。このような複合発電システムの従来の一例を図２に示す。
【０００４】
図２に示すように、従来の複合発電システム１１０は、例えば前述したようなセルチューブを内蔵して燃料ガス１と酸化ガスである空気２とを高温高圧環境下で電気化学的に反応させて電力を得るようにした高温作動形の燃料電池モジュール１１１と、燃料電池モジュール１１１内に燃料ガス１を高圧で供給する燃料ガス圧縮送給機１１２と、燃料電池モジュール１１１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１１４と、燃料電池モジュール１１１内から排出された燃料ガス１及び空気２を燃焼させて燃焼ガス３を発生させる燃焼器１１６と、燃焼器１１６からの燃焼ガス３により前記エアコンプレッサ１１４を作動させると共に発電を行うガスタービン１１８及び発電機１１９と、ガスタービン１１８から排出された燃焼ガス３からの熱により、燃料ガス圧縮送給機１１２からの燃料ガス１及びエアコンプレッサ１１４からの空気２を予熱する燃料ガス予熱器１１３及び空気予熱器１１５とを備えている。
【０００５】
このような複合発電システム１１０においては、燃料ガス圧縮送給機１１２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１１３で予熱した後、前記モジュール１１１内に送給すると共に、エアコンプレッサ１１４から空気２を高圧で送給して空気予熱器１１５で予熱した後、前記モジュール１１１内に送給すると、燃料ガス１中の水素と空気２中の酸素とが当該モジュール１１１内で電気化学的に反応して電力を取り出すことができる。
【０００６】
前記モジュール１１１から排出された燃料ガス１及び空気２は、燃焼器１１６内に送給されて燃焼され、燃焼ガス３となってガスタービン１１８内に送給される。
【０００７】
前記燃焼ガス３は、ガスタービン１１８を介して発電機１１９を作動させて発電を行った後、当該ガスタービン１１８から排出され、前記燃料ガス予熱器１１３及び前記空気予熱器１１５に送給されて新たな燃料ガス１及び空気２の予熱の熱源に利用されてから外部に排出される。
【０００８】
したがって、上記複合発電システム１１０によれば、燃料電池モジュール１１１による発電はもちろんのこと、当該燃料電池モジュール１１１から排出される高温高圧の燃料ガス１及び空気２を燃焼して発生させた燃焼ガス３を利用してガスタービン１１８を作動させて発電機１１９で発電することができ、発電効率を高めることができる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−０４５５２３号公報
【特許文献２】
特開平１１−２９７３３６号公報（請求項１，４〜６）
【非特許文献１】
ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｍｅｃｈ−ｓｅｒｖｅｒ．ｍｅｃｈ．ｋｙｏｔｏ−ｕ．ａｃ．ｊｐ／ｌａｂ／ｙｏｓｈｉｄａ／ｆｃｌｃａ．ｈｔｍ
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述したような複合発電システム１１０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（数百ｋＷレベル）や工場（数千ｋＷレベル）等の分散電源として使用するだけでなく、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（数十万ｋＷレベル）等として利用することが検討され始めている。
【００１１】
しかしながら、上述したような複合発電システム１１０は、エアコンプレッサ１１４とガスタービン１１８との間に、空気２の送給圧力損失を生じる燃料電池モジュール１１１が介在するため、数十万ｋＷレベルの大規模な発電施設に適用しようとすると、エアコンプレッサ１１４とガスタービン１１８との圧力バランスに大きな差を生じてしまい、エアコンプレッサ１１４やガスタービン１１８の作動に問題を生じてしまうおそれがあった。
【００１２】
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、エアコンプレッサやガスタービンの作動に問題を生じることなく運転することができる複合発電システムを提供することを目的とする。
【００１３】
【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複合発電システムは、燃料ガスと酸化ガスとを高温高圧環境下で電気化学的に反応させて電力を得る高温作動形の燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに燃料ガスを高圧で供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池モジュール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、前記燃料電池モジュール内に酸化ガスを高圧で供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料電池モジュール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、前記燃料電池モジュールから排出された前記燃料ガス及び前記酸化ガス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、前記第一の燃焼ガス発生手段及び前記第二の燃焼ガス発生手段から発生した前記燃焼ガスを利用して前記酸化ガス供給手段を作動させると共に発電を行う燃焼ガス発電手段と、前記酸化ガス供給手段から前記燃料電池モジュール内に供給される前記酸化ガスに、当該燃料電池モジュールから排出された前記酸化ガスの一部を混合して循環させる酸化ガス循環手段と、前記酸化ガス循環手段で循環される前記酸化ガスを冷却する循環酸化ガス冷却手段とを備えていることを特徴とする。
【００１４】
第二番目の発明による複合発電システムは、第一番目の発明において、前記燃料電池モジュール内に供給する前記酸化ガスに酸素を加える酸素供給手段を備えていることを特徴とする。
【００１５】
第三番目の発明による複合発電システムは、第一番目または第二番目の発明において、前記燃焼ガス発電手段から排出された前記燃焼ガスの熱を利用して蒸気を発生させる蒸気発生手段と、前記蒸気発生手段からの前記蒸気を利用して発電を行う蒸気発電手段とを備えていることを特徴とする。
【００１６】
第四番目の発明による複合発電システムは、第三番目の発明において、前記循環酸化ガス冷却手段が、前記蒸気発生手段で発生した前記蒸気と熱交換させることにより前記酸化ガスを冷却するものであることを特徴とする。
【００１７】
第五番目の発明による複合発電システムは、第三番目または第四番目の発明において、前記蒸気発電手段から排出された前記蒸気を前記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。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明による複合発電システムの実施の形態を図１を用いて説明する。図１は、複合発電システムの全体概略構成図である。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。
【００１９】
図１に示すように、本実施の形態に係る複合発電システム１０は、燃料ガス１と酸化ガスである空気２とを高温高圧環境下で電気化学的に反応させて電力を得る高温作動形の燃料電池モジュール１１と、燃料電池モジュール１１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器１２と、燃料電池モジュール１１内に供給する燃料ガス１を予熱する燃料ガス予熱手段である燃料ガス予熱器１３と、燃料電池モジュール１１内に空気２を高圧で供給する酸化ガス供給手段であるエアコンプレッサ１４と、燃料電池モジュール１１内に供給する空気２を予熱する酸化ガス予熱手段である空気予熱器１５と、燃料電池モジュール１１から排出された燃料ガス１及び空気２を燃焼させて燃焼ガス３を発生させる燃焼ガス発生手段である燃焼器１６と、燃焼器１６から発生した燃焼ガス５を利用して前記エアコンプレッサ１４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１８及び発電機１９と、燃料電池モジュール１１内に供給する空気２に酸素２ａを加える酸素供給手段である酸素分離器２１ａ及び酸素圧縮送給器２１ｂと、エアコンプレッサ１４から燃料電池モジュール１１内に供給される空気２に、当該燃料電池モジュール１１から排出された前記空気２の一部を混合して循環させる酸化ガス循環手段である空気循環ブロア２２と、空気循環ブロア２２で循環される空気２を冷却する循環酸化ガス冷却手段である熱交換器２３とを備えている。
【００２０】
また、上記複合発電システム１０は、ガスタービン１８から排出された燃焼ガス１の熱を利用して蒸気５を発生させる蒸気発生手段である蒸気発生器２４ａ，２４ｂと、蒸気発生器２４ａ，２４ｂからの蒸気５を利用して発電を行う蒸気発電手段である蒸気タービン２５及び発電機２６と、蒸気タービン２５から排出された蒸気５を前記蒸気発生器２４ａ，２４ｂに再び供給するように当該蒸気５を冷却して水４に戻して送給する蒸気再利用手段である復水器２７及び給水ポンプ２８と備えている。
【００２１】
ここで、前記エアコンプレッサ１４は、空気２の一部を前記ガスタービン１８に直接供給して当該ガスタービン１８のブレード等を冷却するようになっている。
【００２２】
また、前記熱交換器２３は、空気循環ブロア２２で循環される前記空気２と蒸気発生器２４ａ，２４ｂで発生した前記蒸気５とを熱交換させることにより、当該空気２の熱を蒸気５の熱源に利用すると同時に当該空気２を冷却するようになっている。
【００２３】
このような複合発電システム１０においては、燃料ガス圧縮送給機１２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１３で予熱してから燃料電池モジュール１１内に送給する一方、エアコンプレッサ１４から空気２を高圧で送給して当該空気２を空気予熱器１５で予熱してから燃料電池モジュール１１内に送給すると、燃料ガス１中の水素と当該空気２中の酸素とが燃料電池モジュール１１内で電気化学的に反応して電力を取り出すことができる。
【００２４】
前記モジュール１１から排出された燃料ガス１が燃焼器１６内に送給されると共に当該モジュール１１から排出された空気２の一部が燃焼器１６内に送給されて燃焼され、燃焼ガス３となってガスタービン１８に送給されることにより、当該ガスタービン１８は、前記エアコンプレッサ１４を駆動させると共に、発電機１９を作動させて発電を行う。このとき、ガスタービン１８内には、前記エアコンプレッサ１４から空気２の一部が直接供給されることにより、ブレード等の冷却が行われる。
【００２５】
前記ガスタービン１８から排出される前記燃焼ガス３は、前記蒸気発生器２４ａ，２４ｂで熱源として利用された後、外部へ排出される。
【００２６】
他方、前記モジュール１１から排出された空気２の残りは、前記空気循環ブロア２２の作動により、前記熱交換器２３に送給されて熱交換されて冷却された後、前記エアコンプレッサ１４からの新たな空気２と共に、前記酸素分離器２１ａで系外の空気２中から分離された酸素２ａを酸素圧縮送給器２１ｂにより加えられて、前記空気予熱器１５内に再び送給されて再利用される。
【００２７】
また、上記燃焼ガス３からの熱により前記蒸気発生器２４ａ，２４ｂで発生した蒸気５は、前記熱交換器２３で前記空気２と熱交換してさらに加熱されると共に当該空気２を冷却した後、蒸気タービン２５に送給される。当該蒸気タービン２５は、発電機２６を作動させて発電を行う。
【００２８】
前記蒸気タービン２５から排出された蒸気４は、復水器２７で冷却されて水４に戻される。この水４は、給水ポンプ２８で蒸気発生器２４ａ，２４ｂ及び熱交換器２３に送給され、前記燃焼ガス３及び前記空気２からの熱により加熱されて、蒸気５となって再び蒸気タービン２５に送給される。
【００２９】
つまり、従来の複合発電システム１１０においては、燃料電池モジュール１１１から排出された空気２のすべてを燃焼させて発生させた燃焼ガス３をガスタービン１８に送給するようにしていたが、本実施の形態に係る複合発電システム１０においては、燃料電池モジュール１１から排出された空気２の一部のみを燃焼させて発生させた燃焼ガス３をガスタービン１８に送給すると共に、残りの空気２を燃料電池モジュール１１内に再び供給するようにしたのである。
【００３０】
このため、本実施の形態に係る複合発電システム１０においては、エアコンプレッサ１４とガスタービン１８との間に、空気２の送給圧力損失を生じる燃料電池モジュール１１が介在していても、エアコンプレッサ１４とガスタービン１８との圧力バランスに大きな差を生じることがない。
【００３１】
したがって、本実施の形態に係る複合発電システム１０によれば、数十万ｋＷレベルの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、エアコンプレッサ１４やガスタービン１８の作動に問題を生じることなく運転することができる。
【００３２】
また、燃料電池モジュール１１内で使用した空気２を当該燃料電池モジュール１１内に再び供給するにあたって、当該空気２に酸素分離器２１ａ及び酸素圧縮送給器２１ｂにより酸素２ａを加えるようにしたので、燃料電池モジュール１１内での発電効率の低下を防止することができる。
【００３３】
また、燃料電池モジュール１１内で使用した空気２を当該燃料電池モジュール１１内に再び供給するにあたって、当該空気２を前記熱交換器２３により冷却するようにしたので、燃料電池モジュール１１内から発生する熱を外部に放出することが確実にでき、燃料電池モジュール１１の作動を安全かつ確実に行うことができると共に、燃料電池モジュール１１の発電効率の低下を確実に防止することができる。
【００３４】
【発明の効果】
第一番目の発明による複合発電システムは、燃料ガスと酸化ガスとを高温高圧環境下で電気化学的に反応させて電力を得る高温作動形の燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールに燃料ガスを高圧で供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池モジュール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、前記燃料電池モジュール内に酸化ガスを高圧で供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料電池モジュール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、前記燃料電池モジュールから排出された前記燃料ガス及び前記酸化ガス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、前記第一の燃焼ガス発生手段及び前記第二の燃焼ガス発生手段から発生した前記燃焼ガスを利用して前記酸化ガス供給手段を作動させると共に発電を行う燃焼ガス発電手段と、前記酸化ガス供給手段から前記燃料電池モジュール内に供給される前記酸化ガスに、当該燃料電池モジュールから排出された前記酸化ガスの一部を混合して循環させる酸化ガス循環手段と、前記酸化ガス循環手段で循環される前記酸化ガスを冷却する循環酸化ガス冷却手段とを備えていることから、酸化ガス供給手段と燃焼ガス発電手段との圧力バランスに大きな差を生じることがないので、数十万ｋＷレベルの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、酸化ガス供給手段や燃焼ガス発電手段の作動に問題を生じることなく運転することができる。
【００３５】
第二番目の発明による複合発電システムは、第一番目の発明において、前記燃料電池モジュール内に供給する前記酸化ガスに酸素を加える酸素供給手段を備えているので、燃料電池モジュールから排出された酸化ガスの一部を当該燃料電池モジュール内に再び供給して再利用する場合であっても、燃料電池モジュール内での発電効率の低下を防止することができる。
【００３６】
第三番目の発明による複合発電システムは、第一番目または第二番目の発明のいずれかにおいて、前記燃焼ガス発電手段から排出された前記燃焼ガスの熱を利用して蒸気を発生させる蒸気発生手段と、前記蒸気発生手段からの前記蒸気を利用して発電を行う蒸気発電手段とを備えているので、発電に使用し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。
【００３７】
第四番目の発明による複合発電システムは、第三番目の発明において、前記循環酸化ガス冷却手段が、前記蒸気発生手段で発生した前記蒸気と熱交換させることにより前記酸化ガスを冷却するものであるので、燃料電池モジュール内から発生する熱を蒸気の加熱用の熱源に再利用することができ、熱エネルギを有効に利用することができる。
【００３８】
第五番目の発明による複合発電システムは、第三番目または第四番目の発明において、前記蒸気発電手段から排出された前記蒸気を前記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ので、蒸気媒体を有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による複合発電システムの実施の形態の全体概略構成図である。
【図２】従来の複合発電システム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
２ａ　酸素
３　燃焼ガス
４　水
５　蒸気
１０　複合発電システム
１１　燃料電池モジュール
１２　燃料ガス圧縮送給器
１３　燃料ガス予熱器
１４　エアコンプレッサ
１５　空気予熱器
１６　燃焼器
１８　ガスタービン
１９　発電機
２１ａ　酸素分離器
２１ｂ　酸素圧縮送給器
２２　空気循環ブロア
２３　熱交換器
２４ａ，２４ｂ　蒸気発生器
２５　蒸気タービン
２６　発電機
２７　復水器
２８　給水ポンプ
【図１】
2004134262.tif 000003
【図２】
2004134262.tif 000004