(57)【要約】　　　（修正有）【課題】燃料電池の多段化を行い発電効率の高い複合発電プラントを提供すること。【解決装置】燃料電池を有するＦＣ発電部３０、ガスタービン４２を有するＧＴ発電部４０、蒸気を発生させるＧＴ排熱回収部５０、当該蒸気により駆動され発電を行う蒸気タービンを具備する複合発電プラントにおいて、燃料電池３１〜３６を直列に６段配列し、各段の間に反応ガス熱交換器７１〜７５を設け、１〜５段の燃料電池３１〜３５に反応ガス熱交換器７１〜７５で加熱された燃料ガスＦ３１〜Ｆ２５を供給し、上流側の燃料電池３１〜３５の燃料ガス通路と空気通路から排出される燃料ガス通路排ガスＧ１１Ｆ〜Ｇ１５Ｆと空気通路排ガスＧ１１Ａ〜Ｇ１５Ａをそれぞれ反応ガス熱交換器７１〜７５により冷却して下流側の燃料電池３２〜３６の燃料ガス通路と空気通路に供給し、６段目の燃料電池３６から排出されるＦＣ排ガスＧ３内の未反応の燃料ガスを燃焼器４１により燃焼する。【選択図】　　　図１
2004044458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気を電気化学反応させることで発電する燃料電池を有する燃料電池発電部、当該燃料電池発電部から排出される排ガスを燃焼する燃焼器と当該燃焼器からの高温ガスにより駆動され発電を行うガスタービンを有するガスタービン発電部、当該ガスタービン発電部から排出される排ガスにより蒸気を発生させるガスタービン排熱回収部、当該蒸気により駆動され発電を行う蒸気タービンを具備する複合発電プラントにおいて、
前記燃料電池を直列に６段配列し、各段の間に燃料電池から排出される排ガスにより前記空気と燃料ガスを加熱する熱交換器を設け、
１〜５段の燃料電池の燃料ガス通路に前記熱交換器で加熱された燃料ガスを供給し、上流側の燃料電池の燃料ガス通路と空気通路から排出される燃料ガス通路排ガスと空気通路排ガスをそれぞれ熱交換器により冷却して下流側の燃料電池の燃料ガス通路と空気通路に供給することを特徴とする複合発電プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池、ガスタービン及び蒸気タービンを組み合わせて発電を行う複合発電プラントに関し、更に詳しくは、燃料電池を多段化した複合発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池（ＦＣ）は、供給される燃料ガスに含まれる水素及び一酸化炭素ガスと空気に含まれる酸素から理論的には燃料ガスが保有する化学エネルギーの５０〜６０％に達する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。また、電池本体の排ガスから化学エネルギーを回収することができる。この排ガスからの化学エネルギーをガスタービン（トッピングサイクル）と蒸気タービン（ボトミングサイクル）とにより回収して発電に利用すれば、さらに高い発電効率を得ることができる。このため、燃料電池、ガスタービン及び蒸気タービンを組み合わせて発電を行う複合発電プラントは、省エネルギー効果の非常に高いものとして実用されようとしている。
【０００３】
図３は、燃料電池を組み込んだ複合発電プラントの概略構成例を示す図である。同図に示すように、複合発電プラント１００は、燃料ガス供給部１０、空気供給部２０、燃料電池発電部（ＦＣ発電部）３０、ガスタービン発電部（ＧＴ発電部）４０、ガスタービン排熱回収部（ＧＴ排熱回収部）５０から構成されている。燃料電池を組み込んだ複合発電プラント１００は、燃料としての燃料ガス（例えば、天然ガス）と空気とを使用するＦＣ発電部３０から排出される高温のＦＣ排ガスの熱をＧＴ発電部４０で利用し、このＧＴ発電部４０から排出されるＧＴ排ガスの熱をＧＴ排熱回収部５０で回収するように構成したものである。
【０００４】
ＦＣ発電部３０は、燃料電池３１と反応ガス熱交換器７０等により構成されており、高温の燃料ガスと空気とを電解質膜で分離された燃料ガス通路と空気通路に導入して電気化学反応を起こさせて発電を行う。燃料電池には、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）等がある。複合発電プラント１００では、発電効率を高くするためにこれらの中から温度の高いＦＣ排ガスＧ２をガスタービンの作動流体として供給できる固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）や、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）が主に用いられている。なお、燃料電池は、反応ガス、即ち燃料ガス及び空気の供給圧力が高いほど発電効率が高くなる。
【０００５】
ＧＴ発電部４０は、空気供給部２０により外気を取り込み空気圧縮機４３により空気Ａ１を圧縮してＦＣ発電部３０に供給するとともに、ＦＣ発電部３０からのＦＣ排ガスＧ２と燃料ガスＦ１を燃焼器４１で燃料させて高温ガスとし、ガスタービン４２を駆動して発電を行う。ＧＴ排熱回収部（排ガスボイラー）５０は、ＧＴ発電部４０から排出されるＧＴ排ガスＧ４により、燃料ガスを改質する蒸気Ｓ２を発生し、図示しない蒸気タービンで発電を行うために必要な蒸気Ｓ１を発生させる。
【０００６】
反応ガス熱交換器７０は、燃料ガス熱交換器７０ａと空気熱交換器７０ｂで構成されている。燃料ガス熱交換器７０ａは、燃料ガスＦ１を燃料電池３１の燃料ガス通路からのＦＣ燃料ガス通路排ガスＧ１Ｆの熱を利用することにより、燃料電池３１の入口温度（例えば、９５０℃）にまで加熱する。同様に空気熱交換器７０ｂは、空気Ａ１を燃料電池３１の空気通路からＦＣ空気通路排ガスＧ１Ａの熱を利用することにより、燃料電池３１の入口温度（例えば、９５０℃）にまで加熱する。
【０００７】
ＧＴ発電部４０は、燃焼器４１、ガスタービン（ＧＴ）４２、空気圧縮機４３及び発電機４４により構成されている。燃焼器４１は、燃料ガス供給部１０と反応ガス熱交換器７０に接続されており、反応ガス熱交換器７０で燃料ガスＦ１及び空気Ａ１を加熱することで冷却されたＦＣ排ガスＧ２（例えば５００℃程度）を、燃料ガス供給部１０から供給される燃料ガスＦ２と混合して再燃焼する。この再燃焼により、所定のタービン入口温度に昇温された燃焼ガスＧ３は、ガスタービン４２に供給される。
【０００８】
ガスタービン４２には、空気圧縮機４３及び発電機４４が同軸に接続されている。燃焼ガスＧ３を作動流体としてガスタービン４２が駆動する。このガスタービン４２の駆動により、空気圧縮機４３及び発電機４４が駆動する。空気圧縮機４３は、ガスタービン４２の駆動により空気供給部２０から空気Ａ１を吸い込んで圧縮し、反応ガス熱交換器７０の空気熱交換器７０ｂを介してＦＣ発電部３０の燃料電池３１に空気Ａ１を供給する。一方、発電機４４は、ガスタービン４２の駆動により作動し発電を行う。
【０００９】
ＧＴ排熱回収部５０は、蒸気発生器５１、煙突５２により構成されている。蒸気発生器５１は、ガスタービン４２から排出されるＧＴ排ガスＧ４により蒸気を発生させ、この発生した蒸気Ｓ１は図示しない蒸気タービン発電部の蒸気タービンに供給されるとともに、その一部の蒸気Ｓ２を内部改質用に燃料ガスＦ１に混合させる。ここで、図示しない蒸気タービン発電部は、供給された蒸気を作動流体として蒸気タービンを駆動し発電を行う。また、蒸気発生器５１から排出された排ガスＧ５（例えば１００℃）は、煙突５２から大気中に放出される。
【００１０】
次に上記従来の複合発電プラント１００の動作について説明する。なお、以下の動作説明は、ＦＣ発電部３０の燃料電池３１を内部改質型ＳＯＦＣとし、この内部改質型ＳＯＦＣの作動温度を電気化学反応に最適な値に制御した場合におけるものとする。
【００１１】
約１５℃の天然ガス等からなる燃料ガスＦ１は、ＧＴ排熱回収部５０の蒸気発生器５１から供給される蒸気（内部改質用蒸気）Ｓ２と所定の比率のもとに混合され、反応ガス熱交換器７０の燃料ガス熱交換器７０ａに導入される。導入された燃料ガスＦ１（燃料ガスと蒸気の混合ガス）は、燃料電池３１の燃料ガス通路からのＦＣ燃料ガス通路排ガスＧ１Ｆの熱を利用することにより、燃料電池３１の最適作動温度にまで加熱され、加熱された燃料ガスＦ１は、ＦＣ発電部３０の燃料電池３１の燃料通路に導入される。一方、一部の燃料ガスＦ２は、燃料ガス供給部１０からＧＴ発電部４０の燃焼器４１に供給され、反応ガス熱交換器７０で燃料ガスＦ１及び空気Ａ１を加熱することで冷却されたＦＣ排ガスＧ２と混合され所定のタービン入口温度にまで昇温する。
【００１２】
空気供給部２０から取り入れられた空気Ａ１は、ＧＴ発電部４０の空気圧縮機４３に導入され、この空気圧縮機４３での圧縮過程により断熱圧縮され約４００℃の圧縮空気となる。圧縮された空気Ａ１は、反応ガス熱交換器７０の空気熱交換器７０ｂに導入され、燃料電池３１の空気通路からのＦＣ空気通路排ガスＧ１Ａの熱を利用することにより、燃料電池３１の最適作動温度にまで加熱される。加熱された空気Ａ１は、燃料電池３１の空気通路に導入される。
【００１３】
ＦＣ発電部３０の燃料電池３１において、燃料ガス通路へ導入された燃料ガスＦ１（燃料ガスと蒸気の混合ガス）は、燃料ガス通路の触媒上で反応し、水素Ｈ２と一酸化炭素ＣＯを生成する。この水素Ｈ２、一酸化炭素ＣＯは、空気通路側へ導入された空気Ａ１（圧縮空気）の酸素Ｏ２と燃料電池内を仕切るように配置された固体酸化物電解質膜を介して電気化学反応を起こし、水Ｈ２Ｏと二酸化炭素ＣＯ２を生成する。ここで、燃料電池３１では、反応熱（エンタルピー変化：ΔＨ）のうち、自由エネルギー変化（ΔＧ）に相当する分から燃料電池３１の内部抵抗に基づく分を差し引いた分が電気エネルギー（直流電力）に変換され、この燃料電池３１の内部抵抗に基づく分とエントロピー変化に基づく（−Ｔ・ΔＳ）分とが熱エネルギーに変換される。この熱エネルギー変換により電池反応が進行するに伴い燃料電池３１の温度は上昇する。
【００１４】
この結果、燃料電池３１の燃料ガス通路排ガスＧ１Ｆと空気通路排ガスＧ１Ａは、約１０５０℃まで昇温され、それぞれ燃料ガス熱交換器７０ａで燃料ガスＦ１（燃料ガスと蒸気の混合ガス）、空気熱交換器７０ｂで空気Ａ１を燃料電池３１の最適作動温度まで、加熱するための熱源となる。
【００１５】
反応ガス熱交換器７０において、燃料ガスＦ１及び空気Ａ１を加熱することで冷却されたＦＣ排ガスＧ２は、ＧＴ発電部４０の燃焼器４１へ導入される。燃焼器４１において、導入されたＦＣ排ガスＧ２は、燃料ガス供給部１０から供給される燃料ガスＦ２と混合・燃焼し、高温の排ガスＧ３となりガスタービン４２の作動流体としてこのガスタービン４２を駆動する。ガスタービン４２が駆動することにより、同軸に接続された空気圧縮機４３は空気供給部２０からの空気Ａ１を圧縮し、発電機４４は電力を発生させる。
【００１６】
ＧＴ発電部４０のガスタービン４２から排出されるＧＴ排ガスＧ４は、ＧＴ排熱回収部５０の蒸気発生器５１に導入され、この蒸気発生器５１に導入される水を蒸気に変換する。発生した蒸気Ｓ１は、図示しない蒸気タービン発電部の蒸気タービン等に供給され、蒸気タービンを駆動し、この蒸気タービンに直結された発電機を駆動することで電力を発生させる。また、一部の蒸気Ｓ２は内部改質用に燃料ガスＦ１に混合される。蒸気発生器５１から排出される約１００℃にまで温度が低下した排ガスＧ５は、煙突５２から大気中に放出される。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の複合発電プラント１００では、反応ガス熱交換器７０において、燃料ガスＦ１及び空気Ａ１をＦＣ発電部３０の燃料電池３１の最適作動温度まで昇温させるために、ＦＣ発電部３０から排出されるＦＣ排ガスＧ２の排熱量を大きく消費し、温度が低下する。従って、ＧＴ発電部４０のガスタービン４２の入口温度が低下する結果、ＧＴ発電部４０の発電能力が低下してしまうという問題がある。この対策として、上記ＧＴ発電部４０の発電能力を正常な状態とするため燃焼器４１に投入する燃料ガスＦ２を増加することとなる。従って、余分な燃料ガスをＦＣ発電部３０以外において消費することとなり、複合発電プラント１００全体の発電効率が低下してしまうという問題となる。
【００１８】
上記の問題点を解決するために、燃料電池の多段化、即ち燃料電池を直列に複数配列する複合発電プラントを提案する。図４は、ＳＯＦＣ段数と複合発電プラントの発電効率との関係を示す図である。ここで、同図に示す再熱とは、燃焼器に燃料ガスを供給し燃焼させる場合であり、非再熱とは、燃料ガスを燃焼器に供給せずＳＯＦＣから排出される排ガス内の未燃焼の燃料ガスのみを燃焼させる場合をいう。同図に示すように、ＳＯＦＣの段数を増やすことで、複合発電プラントの発電効率は上昇し、例えばＳＯＦＣを直列に５段配列した場合では、発電効率は非再熱で７６％ＬＨＶ（６８％ＨＨＶ）となった。
【００１９】
図５は、直列に５段配列されている燃料電池に燃料ガス及び空気を供給する場合を示す図である。同図に示すように、同じ発電容量の燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ５を直列に配列するような場合は、各燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ５に燃料ガスを均等に供給していた。燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ５の燃料利用率が８０％とすると、燃料電池ＦＣ１においては、空気Ａと燃料ガス５Ｆが電気化学反応を起こし、燃料ガスが４Ｆ消費され、燃料電池ＦＣ１から排出される排ガスは、未反応の燃料ガスを１Ｆ含むことになる。燃料電池ＦＣ２では、燃料電池ＦＣ１からの燃料ガス１Ｆを含む排ガスと燃料ガスが電気化学反応を起こし、燃料ガスが４Ｆ消費され、燃料電池ＦＣ２から排出される排ガスは、未反応の燃料ガスを２Ｆ含むことになる。上記と同様に、燃料電池ＦＣ３からは未反応の燃料ガスを３Ｆ含む排ガスが排出され、燃料電池ＦＣ４からは未反応の燃料ガスを４Ｆ含む排ガスが排出され、最終段である燃料電池ＦＣ５からは未反応の燃料ガスを５Ｆ含む排ガスが排出される。燃料電池ＦＣ５から排出される排ガスは、燃焼器４１に導入され燃焼反応を起こすが、この排ガスに含まれる未反応の燃料ガスが５Ｆと多いため、燃料電池段数を増やすことができる。
【００２０】
一方、ＦＣ発電部の燃料電池の段数は、以下の問題点から上限がある。図６は、ＳＯＦＣ段数と酸素濃度の関係を示す図である。同図に示すように、ＳＯＦＣの段数を増やすと排ガス内に含まれる酸素濃度は低下する。例えば、段数を５段にすると、５段目のＳＯＦＣ入口における酸素濃度は８Ｖｏｌ％程度、５段目のＳＯＦＣ出口における酸素濃度は５Ｖｏｌ％弱となり、さらに燃焼器４１出口においては、１．５７Ｖｏｌ％にまで低下する。燃焼器４１において燃料ガスを燃焼させるために必要な酸素濃度は、２Ｖｏｌ％程度であり、段数を７段にすると７段目のＳＯＦＣ入口における酸素濃度は２Ｖｏｌ％程度、７段目のＳＯＦＣ出口における酸素濃度は１Ｖｏｌ％未満となり、燃焼器４１において燃料ガスを燃焼させることができなくなる。つまり、７段目のＳＯＦＣから排出される排ガス内に含まれる未反応の燃料ガスが燃焼器で燃焼されず、外部に排出されることとなり、複合発電プラントの発電効率が低下することとなる。従って、燃料器４１における燃料ガスの燃焼に必要な酸素濃度を考慮すると、ＦＣ発電部の燃料電池の段数は６段までとなる。
【００２１】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、燃料電池の多段化を行い発電効率の高い複合発電プラントを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は、燃料ガスと空気を電気化学反応させることで発電する燃料電池を有する燃料電池発電部、当該燃料電池発電部から排出される排ガスを燃焼する燃焼器と当該燃焼器からの高温ガスにより駆動され発電を行うガスタービンを有するガスタービン発電部、当該ガスタービン発電部から排出される排ガスにより蒸気を発生させるガスタービン排熱回収部、当該蒸気により駆動され発電を行う蒸気タービンを具備する複合発電プラントにおいて、燃料電池を直列に６段配列し、各段の間に燃料電池から排出される排ガスにより前記空気と燃料ガスをそれぞれ加熱する燃料ガス熱交換器と空気熱交換器を設ける。１段目の燃料電池の空気通路へは、圧縮機からの空気が各燃料電池間に設けられた空気熱交換器を下流側から上流側に向かって順次通過することにより加熱昇温されながら供給される。１段目の燃料電池の燃料ガス通路へは、燃料ガスが１段目と２段目の間の燃料ガス熱交換器を通過することにより加熱昇温され供給される。２段目から５段目の燃料電池の燃料ガス通路へは、各燃料電池の下流側に設けられた燃料ガス熱交換器を通過することにより加熱昇温された燃料ガスと上流側の燃料ガス熱交換器を通過することにより冷却された燃料電池の排ガス（燃料ガス通路側の排ガス）とが合流して供給される。６段目の燃料電池の燃料ガス通路へは、５段目の燃料電池の排ガス（燃料ガス通路側の排ガス）が５段目と６段目の間の燃料ガス熱交換器を通過することにより冷却されて供給される。２段目から６段目の燃料電池の空気通路へは、各燃料電池の上流側の燃料電池の排ガス（空気通路側の排ガス）が上流側に設けられた空気熱交換器を通過することにより冷却されて供給される。
【００２３】
この発明では、燃料電池を直列に６段配列し、各段の間に燃料電池から排出される排ガスにより前記空気と燃料ガスを加熱する熱交換器を設け、１〜５段の燃料電池の燃料ガス通路に熱交換器で加熱された燃料ガスを供給し、上流側の燃料電池の燃料ガス通路と空気通路から排出される燃料ガス通路排ガスと空気通路排ガスをそれぞれ熱交換器により冷却して下流側の燃料電池の燃料ガス通路と空気通路に供給するので、６段目の燃料電池には燃料ガスを供給せず、燃料電池から排出される排ガス内の未反応の燃料ガスは減り、この排ガスをガスタービンの最適入口温度になるように燃焼器で燃焼させても、６段目の燃料電池から排出される排ガスの未燃焼の燃料ガスをほぼ完全に燃焼することができる。これにより、複合発電プラントに供給する燃料ガスの供給量を減らすことができ、発電効率を高くすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
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、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの或いは実質的に同一のものが含まれる。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものが含まれるものとする。
【００２５】
図１は、この発明にかかる複合発電プラントの概略構成例を示す図である。同図に示すように、この発明にかかる複合発電プラント１は、燃料電池発電部（ＦＣ発電部）３０に燃料電池３１〜３６を直列に６段配列し、各段の燃料電池３１〜３５の間に反応ガス熱交換器７１〜７５が設けられている。なお、本発明にかかる複合発電プラント１の燃料ガス供給部１０、空気供給部２０、ガスタービン発電部（ＧＴ発電部）４０、ガスタービン排熱回収部（ＧＴ排熱回収部）５０の基本的構成は、図５に示す従来の複合発電プラント１００のものと、ほぼ同様であるのでその説明は省略する。
【００２６】
１段目の燃料電池３１は、内部改質型ＳＯＦＣの最適作動温度（例えば、９５０℃）にまで加熱された高圧の空気Ａ２５と改質燃料ガスＦ２１を導入して電気化学反応を起こさせて発電を行う。２段目の燃料電池３２の燃料ガス通路には、１段目の燃料電池３１から排出される燃料ガス通路排ガスＧ１１Ｆを燃料ガス熱交換器７１ａにより例えば１０５０℃から９５０℃まで冷却した燃料ガス通路排ガスＧ２１Ｆと最適作動温度にまで加熱された改質燃料ガスＦ２２とを導入する。一方、燃料電池３２の空気通路には、１段目の燃料電池３１から排出される空気通路排ガスＧ１１Ａを空気熱交換器７１ｂにより例えば１０５０℃から９５０℃まで冷却した空気通路排ガスＧ２１Ａを導入して電気化学反応を起こさせて発電を行う。３段目、４段目、５段目の燃料電池３３〜３５も同様に上流側の燃料電池３２〜３４から排出される燃料ガス通路排ガスＧ１２Ｆ〜Ｇ１４Ｆ及び空気通路排ガスＧ１２Ａ〜Ｇ１４Ａをそれぞれ燃料ガス熱交換器７２ａ〜７４ａ及び空気熱交換器７２ｂ〜７４ｂにより９５０℃まで冷却した燃料ガス通路排ガスＧ２２Ｆ〜Ｇ２４Ｆ、空気通路排ガスＧ２２Ａ〜Ｇ２４Ａ及び最適作動温度にまで加熱された改質燃料ガスＦ２３〜Ｆ２５を導入して電気化学反応を起こさせて発電を行う。６段目の燃料電池３６は、５段目の燃料電池３５から排出される燃料ガス通路排ガスＧ１５Ｆ及び空気通路排ガスＧ１５Ａをそれぞれ燃料ガス熱交換器７５ａ及び空気熱交換器７５ｂにより冷却した燃料ガス通路排ガスＧ２５Ｆ及び空気通路排ガスＧ２５Ａを導入して、燃焼ガス通路排ガスＧ２５Ｆ内の未反応の燃焼ガスと空気通路排ガスＧ２５Ａ内の未反応の酸素に電気化学反応を起こさせて発電を行う。
【００２７】
反応ガス熱交換器７１〜７５は、それぞれ燃料ガス熱交換器７１ａ〜７５ａと空気熱交換器７１ｂ〜７５ｂで構成されている。燃料ガス熱交換器７１ａ〜７５ａは、燃料ガス供給部１０から供給される燃料ガスＦ１に蒸気発生器５１から内部改質用の蒸気Ｓ２が混合され改質された改質燃料ガスＦ２を、燃料電池３１〜３５から排出される燃料ガス通路排ガスＧ１１Ｆ〜Ｇ１５Ｆの熱を利用することで、燃料電池３１〜３５の入口温度（例えば、９５０℃）の改質燃料ガスＦ２１〜Ｆ２５にまで加熱する。空気熱交換器７１ｂ〜７５ｂは、空気圧縮機４３により圧縮された空気Ａ２を、各空気熱交換器７１ｂ〜７５ｂの下流側から上流側に向かって順次通過することで、燃料電池３１〜３５から排出される空気通路排ガスＧ１１Ａ〜Ｇ１５Ａの熱を利用することにより、１段目の燃料電池３１の入口温度（例えば、９５０℃）の空気Ａ２５にまでに加熱昇温する。
【００２８】
次にこの発明にかかる複合発電プラント１の動作について説明する。なお、以下の動作説明は、燃料電池３１〜３６の内部改質型ＳＯＦＣの作動温度を電気化学反応に最適な値に制御した場合におけるものとする。
【００２９】
約１５℃の天然ガス等からなる燃料ガスＦ１は、ＧＴ排熱回収部５０の蒸気発生器５１から供給される内部改質用の蒸気Ｓ２と混合され改質燃料ガスＦ２となり、各反応ガス熱交換器７１〜７５の燃料ガス熱交換器７１ａ〜７５ａに導入される。導入された改質燃料ガスＦ２は、燃料電池３１〜３５から排出される燃料ガス通路排ガスＧ１１Ｆ〜Ｇ１５Ｆの熱を利用することにより、燃料電池３１〜３５の最適作動温度にまで加熱昇温され、加熱された改質燃料ガスＦ２１〜Ｆ２５は、燃料電池３１〜３５の燃料ガス通路に導入される。一方、一部の燃料ガスＦ３は、燃料ガス供給部１０からＧＴ発電部４０の燃焼器４１に供給され、燃料電池３６から排出されたＦＣ排ガスＧ３と混合・燃焼し、所定のタービン入口温度にまで昇温する。
【００３０】
空気供給部２０から取り入れられた空気Ａ１は、ＧＴ発電部４０の空気圧縮機４３に導入され、この空気圧縮機４３での圧縮過程により断熱圧縮され約４００℃の圧縮空気となる。圧縮された空気Ａ２は、５段目の反応ガス熱交換器７５の空気熱交換器７５ｂに導入され、５段目の燃料電池３５から排出される空気通路排ガスＧ１５Ａの熱を利用することにより加熱された空気Ａ２１となり、４段目の反応ガス熱交換器７４の空気熱交換器７４ｂに導入される。導入された空気Ａ２１は、空気熱交換器７４ｂにおいて４段目の燃料電池３４から排出される空気通路排ガスＧ１４Ａの熱を利用することによりさらに加熱された空気Ａ２２となり、３段目の反応ガス熱交換器７３の空気熱交換器７３ｂに導入される。導入された空気Ａ２２は、空気熱交換器７３ｂにおいて３段目の燃料電池３３から排出される空気通路排ガスＧ１３Ａの熱を利用することによりさらに加熱された空気Ａ２３となり、２段目の反応ガス熱交換器７２の空気熱交換器７２ｂに導入される。導入された空気Ａ２３は、空気熱交換器７２ｂにおいて２段目の燃料電池３２から排出される空気通路排ガスＧ１２Ａの熱を利用することによりさらに加熱された空気Ａ２４となり、１段目の反応ガス熱交換器７１の空気熱交換器７１ｂに導入される。導入された空気Ａ２４は、空気熱交換器７１ｂにおいて１段目の燃料電池３１から排出される空気通路排ガスＧ１１Ａの熱を利用することにより１段目の燃料電池３１の最適作動温度（例えば、９５０℃）まで加熱される。加熱された空気Ａ２５は、１段目の燃料電池３１の空気通路に導入される。
【００３１】
１段目の燃料電池３１において、燃料ガス通路へ導入された改質燃料ガスＦ２１は、燃料ガス通路の触媒上で反応し、水素Ｈ２と一酸化炭素ＣＯを生成する。この水素Ｈ２、一酸化炭素ＣＯは、空気通路へ導入された空気Ａ２５（圧縮空気）の酸素Ｏ２と燃料電池３１内を仕切るように配置された固体酸化物電解質膜を介して電気化学反応を起こし、水Ｈ２Ｏと二酸化炭素ＣＯ２を生成する。ここで、１段目の燃料電池３１では、反応熱（エンタルピー変化：ΔＨ）のうち、自由エネルギー変化（ΔＧ）に相当する分から燃料電池３１の内部抵抗に基づく分を差し引いた分が電気エネルギー（直流電力）に変換され、この燃料電池の内部抵抗に基づく分とエントロピー変化に基づく（−Ｔ・ΔＳ）分とが熱エネルギーに変換される。この熱エネルギー変換により電池反応が進行するに伴い、１段目の燃料電池３１の温度は上昇する。
【００３２】
この結果、１段目の燃料電池３１の燃料ガス通路排ガスＧ１１Ｆと空気通路排ガスＧ１１Ａは約１０５０℃まで昇温し、燃料ガス熱交換器７１ａで改質燃料ガスＦ２を、空気熱交換器７１ｂで空気Ａ２４を１段目の燃料電池３１の最適作動温度まで加熱するための熱源となる。１段目の反応ガス熱交換器７１において、燃料ガスＦ２１及び空気Ａ２４を加熱することで冷却された燃料ガス通路排ガスＧ２１Ｆと空気通路排ガスＧ２１Ａは、それぞれ高温の状態のままで２段目の燃料電池３２の燃料ガス通路及び空気通路に導入される。
【００３３】
次に、２段目の燃料電池３２には、上記１段目の反応ガス熱交換器７１から排出される燃料ガス通路排ガスＧ２１Ｆと空気通路排ガスＧ２１Ａがそれぞれ燃料ガス通路及び空気通路に導入されるとともに、２段目の燃料電池３２の最適作動温度である約９５０℃にまで加熱された改質燃料ガスＦ２２が燃料ガス通路に導入される。燃料ガス通路へ導入された燃料ガス通路排ガスＧ２１Ｆ内に含まれる未反応の燃料ガス及び改質燃料ガスＦ２２から生成された水素Ｈ２と一酸化炭素ＣＯは、空気通路へ導入された空気通路排ガスＧ２１Ａの未反応の酸素Ｏ２と固体酸化物電解質膜を介して電気化学反応を起こし発電を行う。
【００３４】
２段目の燃料電池３２から排出される燃料ガス通路排ガスＧ１２Ｆと空気通路排ガスＧ１２Ａは、２段目の反応ガス熱交換器７２に導入される。導入された燃料ガス通路排ガスＧ１２Ｆは、燃料ガス熱交換器７２ａで改質燃料ガスＦ２２を２段目の燃料電池３２の最適作動温度まで加熱するための熱源となる。また、導入された空気通路排ガスＧ１２Ａは、空気熱交換器７２ｂで空気Ａ２３を加熱するための熱源となる。
【００３５】
次に、３段目の燃料電池３３には、上記２段目の反応ガス熱交換器７２から排出される燃料ガス通路排ガスＧ２２Ｆと空気通路排ガスＧ２２Ａがそれぞれ燃料ガス通路及び空気通路に導入されるとともに、３段目の燃料電池３３の最適作動温度である約９５０℃にまで加熱された改質燃料ガスＦ２３が燃料ガス通路に導入される。燃料ガス通路へ導入された燃料ガス通路排ガスＧ２２Ｆ内に含まれる未反応の燃料ガス及び改質燃料ガスＦ２３から生成された水素Ｈ２と一酸化炭素ＣＯは、空気通路へ導入された空気通路排ガスＧ２２Ａの未反応の酸素Ｏ２と固体酸化物電解質膜を介して電気化学反応を起こし発電を行う。
【００３６】
３段目の燃料電池３３から排出される燃料ガス通路排ガスＧ１３Ｆと空気通路排ガスＧ１３Ａは、３段目の反応ガス熱交換器７３に導入される。導入された燃料ガス通路排ガスＧ１３Ｆは、燃料ガス熱交換器７３ａで改質燃料ガスＦ２３を３段目の燃料電池３３の最適作動温度まで加熱するための熱源となる。また、導入された空気通路排ガスＧ１３Ａは、空気熱交換器７３ｂで空気Ａ２２を加熱するための熱源となる。
【００３７】
次に、４段目の燃料電池３４には、上記３段目の反応ガス熱交換器７３から排出される燃料ガス通路排ガスＧ２３Ｆと空気通路排ガスＧ２３Ａがそれぞれ燃料ガス通路及び空気通路に導入されるとともに、４段目の燃料電池３４の最適作動温度である約９５０℃にまで加熱された改質燃料ガスＦ２４が燃料ガス通路に導入される。燃料ガス通路へ導入された燃料ガス通路排ガスＧ２３Ｆ内に含まれる未反応の燃料ガス及び改質燃料ガスＦ２４から生成された水素Ｈ２と一酸化炭素ＣＯは、空気通路へ導入された空気通路排ガスＧ２３Ａの未反応の酸素Ｏ２と固体酸化物電解質膜を介して電気化学反応を起こし発電を行う。
【００３８】
４段目の燃料電池３４から排出される燃料ガス通路排ガスＧ１４Ｆと空気通路排ガスＧ１４Ａは、４段目の反応ガス熱交換器７４に導入される。導入された燃料ガス通路排ガスＧ１４Ｆは、燃料ガス熱交換器７４ａで改質燃料ガスＦ２４を４段目の燃料電池３４の最適作動温度まで加熱するための熱源となる。また、導入された空気通路排ガスＧ１４Ａは、空気熱交換器７４ｂで空気Ａ２１を加熱するための熱源となる。
【００３９】
次に、５段目の燃料電池３５には、上記４段目の反応ガス熱交換器７４から排出される燃料ガス通路排ガスＧ２４Ｆと空気通路排ガスＧ２４Ａがそれぞれ燃料ガス通路及び空気通路に導入されるとともに、５段目の燃料電池３５の最適作動温度である約９５０℃にまで加熱された改質燃料ガスＦ２５が燃料ガス通路に導入される。燃料ガス通路へ導入された燃料ガス通路排ガスＧ２５Ｆ内に含まれる未反応の燃料ガス及び改質燃料ガスＦ２５から生成された水素Ｈ２と一酸化炭素ＣＯは、空気通路へ導入された空気通路排ガスＧ２５Ａの未反応の酸素Ｏ２と固体酸化物電解質膜を介して電気化学反応を起こし発電を行う。
【００４０】
５段目の燃料電池３５から排出される燃料ガス通路排ガスＧ１５Ｆと空気通路排ガスＧ１５Ａは、５段目の反応ガス熱交換器７５に導入される。導入された燃料ガス通路排ガスＧ１５Ｆは、燃料ガス熱交換器７５ａで改質燃料ガスＦ２５を５段目の燃料電池３５の最適作動温度まで加熱するための熱源となる。また、導入された空気通路排ガスＧ１５Ａは、空気熱交換器７５ｂで空気Ａ２を加熱するための熱源となる。
【００４１】
次に、６段目の燃料電池３６には、上記５段目の反応ガス熱交換器７５から排出される燃料ガス通路排ガスＧ２５Ｆと空気通路排ガスＧ２５Ａがそれぞれ燃料ガス通路及び空気通路に導入される。燃料ガス通路へ導入された燃料ガス通路排ガスＧ２５Ｆ内に含まれる未反応の燃料ガスから生成された水素Ｈ２と一酸化炭素ＣＯは、空気通路へ導入された空気通路排ガスＧ２５Ａの未反応の酸素Ｏ２と固体酸化物電解質膜を介して電気化学反応を起こし発電を行う。
【００４２】
図２は、この発明にかかる直列に６段配列されている燃料電池に燃料ガス及び空気を供給する場合を示す図である。同図に示すように、この発明にかかる複合発電プラントにおいて、同じ発電容量の燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ６を直列に配列し、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ５に燃料ガスを均等に５Ｆ供給すると仮定すると、燃料電池ＦＣ６には、燃料ガスを新たに供給せず、燃料電池ＦＣ５から排出される燃料ガス通路排ガスと空気通路排ガスのそれぞれに含まれる未反応の燃料ガスと酸素とで電気化学反応を起させ発電を行う。燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ５が消費する燃料ガスが４Ｆ（燃料利用率が８０％）だとすると、燃料電池ＦＣ１〜ＦＣ５から排出される燃料ガス通路排ガスには、それぞれ未反応の燃料ガスが１Ｆ、２Ｆ、３Ｆ、４Ｆ、５Ｆ含まれることとなる。燃料電池ＦＣ６では、燃料ガスが４Ｆ消費され、燃料電池ＦＣ６から排出される燃料ガス通路排ガスは、未反応の燃料ガスを１Ｆだけ含むこととなる。この燃料ガス通路排ガスに含まれる未反応の燃料ガスは、燃焼器において完全燃焼することができ、複合発電プラントのプラント効率を高くすることができる。
【００４３】
６段目の燃料電池３６から排出されるＦＣ排ガスＧ３は、ＧＴ発電部４０の燃焼器４１へ導入される。燃焼器４１において、導入されたＦＣ排ガスＧ３は、燃焼し高温ガスＧ４となり、ガスタービン４２の作動流体として、ガスタービン４２を駆動する。ガスタービン４２が駆動することにより、同軸に接続された空気圧縮機４３は空気供給部２０から空気Ａ１を圧縮し、発電機４４は電力を発生させる。なお、ＦＣ排ガスＧ３内の未反応の燃料ガスと酸素の燃焼のみでは、ガスタービン４２の最適入口温度に達しない場合に、燃料ガス供給部１０から供給される燃料ガスＦ３をＦＣ排ガスＧ３に混合して燃焼器４１で燃焼させても良い。また、６段目の燃料電池３６から排出されるＦＣ排ガスＧ３は、燃料ガス通路から排出される燃焼ガス通路排ガスと空気通路から排出される空気通路排ガスを混合したものであるが、燃焼ガス通路排ガスと空気通路排ガスを別々に燃焼器４１に供給しても良い。
【００４４】
ＧＴ発電部４０のガスタービン４２から排出されるＧＴ排ガスＧ５は、ＧＴ排熱回収部５０の蒸気発生器５１に導入され、この蒸気発生器５１に導入される水を蒸気に変換する。発生した蒸気Ｓ１は、図示しない蒸気タービン発電部の蒸気タービン等に供給され、蒸気タービンを駆動し、この蒸気タービンに直結された発電機を駆動することで電力を発生させる。また、一部の蒸気Ｓ２は内部改質用に燃料ガスＦ１に混合される。蒸気発生器５１から排出される約１００℃にまで温度が低下した排ガスＧ６は、煙突５２から大気中に放出される。
【００４５】
上記のように６段目の燃料電池３６には燃料ガスを供給せず、この６段目の燃料電池３６の燃料ガス通路及び空気通路に、それぞれ５段目の燃料電池３５から５段目の反応ガス熱交換器７５を介して排出される燃料ガス通路排ガスＧ２５Ｆ及び空気極排ガス２５Ａを導入し、燃料ガス通路排ガスＧ２５Ｆの未反応の燃料ガスと空気通路排ガスＧ２５Ａの未反応の酸素とで電気化学反応を起させ発電を行うので、６段目の燃料電池３６から排出されるＦＣ排ガスＧ３内の未燃焼の燃料ガスは減り、このＦＣ排ガスＧ３をガスタービンの最適入口温度になるように燃焼器４１で燃料反応させても、６段目の燃料電池３６から排出されるＦＣ排ガスＧ３の未燃焼の燃料ガスを完全燃焼することができる。これにより、複合発電プラント１に供給する燃料ガスの供給量を減らすことができ、発電効率を高くすることができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、燃料電池を直列に６段配列し、各段の間に燃料電池から排出される排ガスにより前記空気と燃料ガスを加熱する熱交換器を設け、１〜５段の燃料電池の燃料ガス通路に熱交換器で加熱された燃料ガスを供給し、上流側の燃料電池の燃料ガス通路と空気通路から排出される燃料ガス通路排ガスと空気通路排ガスをそれぞれ熱交換器により冷却して下流側の燃料電池の燃料ガス通路と空気通路に供給するので、６段目の燃料電池には燃料ガスを供給せず、燃料電池から排出される排ガス内の未反応の燃料ガスは減り、この排ガスをガスタービンの最適入口温度になるように燃焼器で燃焼させても、６段目の燃料電池から排出される排ガスの未燃焼の燃料ガスをほぼ完全に燃焼することができる。これにより、複合発電プラントに供給する燃料ガスの供給量を減らすことができ、発電効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる複合発電プラントの概略構成例を示す図である。
【図２】この発明にかかる直列に６段配列されている燃料電池に燃料ガス及び空気を供給する場合を示す図である。
【図３】燃料電池を組み込んだ複合発電プラントの概略構成例を示す図である。
【図４】ＳＯＦＣ段数と複合発電プラントの発電効率との関係を示す図である。
【図５】直列に５段配列されている燃料電池に燃料ガス及び空気を供給する場合を示す図である。
【図６】ＳＯＦＣ段数と酸素濃度の関係を示す図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　複合発電プラント
１０　　　　　　燃料ガス供給部
２０　　　　　　空気供給部
３０　　　　　　燃料電池発電部（ＦＣ発電部）
３１〜３６　　　燃料電池
４０　　　　　　ガスタービン発電部（ＧＴ発電部）
４１　　　　　　燃焼器
４２　　　　　　ガスタービン（ＧＴ）
４３　　　　　　空気圧縮機
４４　　　　　　発電機
５０　　　　　　ガスタービン排熱回収部（ＧＴ排熱回収部）
５１　　　　　　蒸気発生器
５２　　　　　　煙突
７０〜７５　　　反応ガス熱交換器
７１ａ〜７５ａ　燃料ガス熱交換器
７１ｂ〜７５ｂ　空気熱交換器
１００　　　　　複合発電プラント
【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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