(57)【要約】【課題】燃料電池を備える熱電供給システムにおいて、発電効率を高いものとする。【解決手段】熱電供給システムは、圧縮機１、再生器４、燃焼器３およびタービン２から構成される再生サイクルで発電機５を駆動すると共に、再生サイクルの排気ガスから熱を回収利用するものであり、燃料電池１０とこの燃料電池１０に水素含有ガスを供給するための改質器６とを備える。そして、再生サイクルの再生器４出口空気の一部を改質器６のバーナ７の燃焼用空気として使用するように構成している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、再生器、燃焼器およびタービンから構成される再生サイクルで発電機を駆動すると共に、前記再生サイクルの排気ガスから熱を回収利用する熱電供給システムにおいて、燃料電池とこの燃料電池に水素含有ガスを供給するための改質器とを備え、前記再生サイクルの再生器出口空気の一部を前記改質器のバーナの燃焼用空気として使用することを特徴とする熱電供給システム。
【請求項２】
圧縮機、再生器、燃焼器およびタービンから構成される再生サイクルで発電機を駆動すると共に、前記再生サイクルの排気ガスから熱を回収利用する熱電供給システムにおいて、燃料電池を備え、前記再生サイクルの燃焼器で発生する熱の一部を使用して前記燃料電池に供給する燃料ガスを水素含有ガスに改質するように構成したことを特徴とする熱電供給システム。
【請求項３】
前記再生サイクルの圧縮機から吐出された空気の一部を燃料電池の酸化剤ガスとして使用することを特徴とする請求項１または２に記載の熱電供給システム。
【請求項４】
圧縮機、再生器、燃焼器およびタービンから構成される再生サイクルで発電機を駆動すると共に、前記再生サイクルの排気ガスから熱を回収利用する熱電供給システムにおいて，燃料電池とこの燃料電池に水素含有ガスを供給するための改質器とを備え、前記改質器のバーナの燃焼用空気を前記再生サイクルの排気ガスで予熱するための予熱器を設けたことを特徴とする熱電供給システム。
【請求項５】
前記再生サイクルの圧縮機から吐出された空気の一部を前記改質器のバーナの燃焼用空気と前記燃料電池の酸化剤ガスとして使用することを特徴とする請求項４に記載の熱電供給システム。
【請求項６】
前記再生サイクルの発電機や前記燃料電池で発電した電気を蓄えるための蓄電池を有し、商用電源が使用できない場合のシステム起動には前記蓄電池の電気を利用して前記燃料電池を起動した後、前記燃料電池で発電した電気を使用して前記再生サイクルを起動する事を特徴とする請求項１または４に記載の熱電供給システム。
【請求項７】
前記再生サイクルの発電機や前記燃料電池で発電した電気を蓄えるための蓄電池を有し、商用電源が使用できない場合のシステムの緊急起動には前記蓄電池の電気を利用して前記再生サイクルを起動すると共に、前記蓄電池の電気を使用して燃料電池を起動する事を特徴とする請求項１、２および４の何れかに記載の熱電供給システム。
【請求項８】
前記燃料電池が固体高分子型燃料電池であることを特徴とする請求項１から７の何れかに記載の熱電供給システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電供給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の熱電供給システムとしては、特開平８−２６０９１４号公報（特許文献１）に開示されているように、圧縮機、燃焼器およびタービンから構成される単純サイクルの排気ガスを、燃料電池に水素含有ガスを供給するための燃料改質器の加熱熱源として使用するように構成されたものがある。
【０００３】
また、従来の別の熱電供給システムとしては、特開２００１−３５１６６５号公報（特許文献２）に開示されているように、圧縮機、燃焼器およびタービンから構成される単純サイクルの排気ガスを、燃料改質器で改質する燃料の予熱熱源として使用するように構成されたものがある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２６０９１４号公報
【特許文献２】
特開２００１−３５１６６５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱電供給システムでは、ガスタービンのサイクルとして単純サイクルを使用していたためガスタービンのサイクル効率が低くなり、システム全体の発電効率が低下するという課題があった。また、ガスタービンの排熱を改質器の熱源や改質燃料の予熱に使用するため、ガスタービンのメンテナンスや故障時には燃料電池も運転できない等の課題もあった。本発明は上記課題のうち少なくとも１つを解決するためになされたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、熱電供給装置においてガスタービンのサイクルを再生サイクルとし、再生サイクルの再生器出口空気の一部を燃料電池用燃料改質器のバーナの燃焼用空気として使用することにより解決される。これにより、ガスタービンのサイクル効率が向上すると共に改質器のバーナに供給する燃料を減少できるため装置全体の発電効率が向上する。また、ガスタービンの排ガスを改質器の熱源としていないため、ガスタービンが停止しても燃料電池の運転が可能となるよう構成できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る熱電供給システムの実施の形態を図面に基づいて説明する。各実施例の図における同一符号は同一物または相当物を示す。
図１は本発明に係る熱電供給システムの一実施例を示す図である。圧縮機１に吸入された外気は、圧縮・昇圧された後、再生器４でタービン２の排気と熱交換して６００℃程度に加熱された後、燃焼器３に送られ燃料８（ａ）と混合して燃焼し９５０℃程度の高圧ガスとなる。この高温・高圧ガスはタービン２内で膨張する際タービン２を回転させ、圧縮機１と発電機５を駆動する。
タービン２の排ガスは６３０℃程度であり、再生器４で圧縮機１から吐出された空気と熱交換して２３０℃程度まで温度が低下した後、熱駆動式冷凍機１６の排熱回収機１７に流入する。再生器４で６００℃まで加熱された圧縮機１出口空気の一部（５％以下）は燃焼用空気として改質器６のバーナ７に供給される。改質器６では、燃料８（ｂ）と水９との混合ガスをバーナ７で加熱して水蒸気改質反応により、水素含有ガスに改質する。この水素含有ガスは、燃料電池１０のアノード１１側に送られ、ブロワ１３でカソード１２側に送込まれた空気中の酸素と反応して電気を発生させる。また、アノード側から排出されるオフガス１４には未利用分の水素を含むので、ガス圧縮機（図示せず）で再生器４出口空気圧まで昇圧した後改質器６のバーナ７で燃焼させる。なお、別途オフガス１４を燃焼させる燃焼器を設ければ、オフガス１４をガス圧縮機で昇圧する必要のないことは言うまでもない。さらに、改質器６へ循環する再生器４出口空気の流量を調整するための流量調整弁１５を、改質器６のバーナ７出口に設けることにより流量調整弁１５における断熱膨張で温度が低下した空気がバーナ７に流入することを防止している。なお、燃料８（ａ）、８（ｂ）および８（ｃ）は同一でも、またそれぞれ異なってもよい。
再生器４で圧縮機１の吐出空気と熱交換して２３０℃程度まで温度が低下したタービン２の排ガスは、排熱熱交換器１７を通過して大気へ放出される。排熱熱交換器１７でタービン２の排ガスから回収された熱量は、吸収式冷凍機や吸着式冷凍機等の熱駆動式冷凍機１６の熱源として利用され、熱駆動式冷凍機１６で冷熱を発生する。この冷熱は、ポンプ１８により空気調和機（図示せず）に搬送され冷房に利用される。また、排熱熱交換器１７で回収された熱は、給湯用にも利用できることはいうまでもない。
発電機５で発生する電気は交流であり、燃料電池１０で発生する電気は直流であるので、発電機５で発生した交流はＡＣ／ＤＣコンバータ１９で一旦直流に変換した後、燃料電池１０で発生した直流と共にＤＣ／ＡＣインバータ２０で同一周波数の交流に変換し、変圧器２１を介して商用電源と連携する。
ここで、図１３に示すように、従来の技術に使用されている単純サイクルに対し、本発明で使用した再生サイクルには、圧縮機１から吐出され燃焼器３へ供給される空気をタービン２の排ガスで予熱するための再生器４を増設してある。このため再生サイクルでは単純サイクルに比べ、燃焼器３へ供給する空気の温度を４００℃以上高くできるので、工業熱力学（谷下市松著、裳華房、Ｐ３１８）に記載されたサイクル効率の計算式を使用して圧縮機効率８０％、タービン効率８５％および再生器温度効率９０％の条件で計算すると、図１４に示すように本発明に係る熱電供給システムに使用するガスタービン２の圧力比の範囲３〜４では、再生サイクルは単純サイクルの２倍以上のサイクル効率を持つことになる。例えば、圧力比３．５の場合、再生サイクルの効率は４４％であり、単純サイクルの効率は２０％である。ここで、発電機の効率を９５％、軸受損失等を考慮した機械効率を９５％とすれば、再生サイクルおよび単純サイクルを使用して発電する場合の発電効率は、それぞれ３９．６％および１８．０％となる。
一方、水素・酸素燃料電池の理論出力は水素１ｋｇ当り１１４．２９ＭＪ（甲藤好郎：熱力学：養賢堂）であるが、電池内の反応分極や抵抗分極等による電圧降下を考慮すると効率は５５％程度となり、出力は６２．６９ＭＪ／ｋｇ（Ｈ２）となる。また、メタン（以下、ＣＨ４という）１ｋｇの水蒸気改質により０．４４９ｋｇの水素が発生するが、都市ガス（以下、１３Ａガスという）１ｋｇにはＣＨ４が０．７５１ｋｇ含まれるので、１３Ａガスを１ｋｇ改質すると、０．３７５ｋｇの水素が得られる。よって、１３Ａガス１ｋｇを燃料として６２．６９×０．３７５＝２３．５１ＭＪの出力が発生する。このとき、ＣＨ４を１ｋｇ改質するに必要な熱量は１５．７８ＭＪであるので、１３Ａガスを１ｋｇ改質して０．３７５ｋｇの水素を得るには１１．８５ＭＪの熱量が必要となる。一方、１３Ａガスの低発熱量は４９．８ＭＪ／ｋｇであるので燃料電池１０の効率は、２３．５１／（４９．８＋１１．８５）＝０．３８１すなわち３８．１％である。
次に、出力１００ｋＷの燃料電池１０と出力５０ｋＷのガスタービン２を組合わせた場合の効率について述べる。このとき、燃料電池１０の燃料発熱量は４９．８×１００／２３．５１＝２１１．８２ｋＷ、燃料改質に必要な熱量は１１．８５×１００／２３．５１＝５０．４０ｋＷである。本発明では、再生器出口の６００℃の空気を改質器６のバーナ７の燃焼用空気とするので、改質器６の燃焼温度を９５０℃とすれば３５０℃の温度上昇を生じうる熱量を改質器６に投入すればよいことになる。一方、従来の改質器では外気１５℃から９５０℃まで９３５℃の温度上昇を生じうる熱量を投入する必要があるが、本発明による熱電供給システムでは５０．４０ｋｗ×３５０／９３５＝１８．８７ｋＷの熱量を改質器６に投入すればよい。また、再生サイクルの発電効率は３９．６％であるので、入力は５０ｋＷ／０．３９６＝１２６．２６ｋＷとなる。よって、熱電供給システムの出力１００ｋＷ＋５０ｋＷ＝１５０ｋＷに対し入力は、燃料電池１０の燃料２１１．８２ｋＷ、改質器６の入力１８．８７ｋＷおよび再生サイクルの入力１２６．２６ｋＷの計３５６．９５ｋＷとなり、熱電供給システムの発電効率は１５０／３５６．９５＝０．４２０、すなわち４２．０％となる。これは，燃料電池１０単体の発電効率３８．１％および再生サイクル単体の発電効率３９．６％より大きく、本発明により更なる省エネルギー化を達成出来ることがわかる。
一方、単純サイクルを使用した従来の熱電供給システムではタービン２出口の６３０℃の排ガスで改質器６を６００℃程度まで加熱できるので改質器６への入力は、本発明に係る熱電供給システムと同様１８．８７ｋＷであるが，単純サイクルの発電効率が１８．０％であるので単純サイクルの入力は５０ｋＷ／０．１８＝２７７．７８ｋＷとなり出力１５０ｋＷに対し入力は２１１．８２＋１８．８７＋２７７．７８＝５０８．４７ｋＷとなるので、熱電供給システムの発電効率は２９．５％と燃料電池１０単体の発電効率より低くなる。なお、本発明の熱電供給システムでは再生サイクルから改質器６へ循環する空気流量は圧縮機吐出量の５％以下であるので、再生サイクルの出力には影響はない。
図２は本発明の他の実施例を示す図であり、圧縮機１から吐出された空気の一部を流量調整弁２３を使用して流量調整した後、燃料電池１０のカソード１２側へ供給されるように構成した点が図１に示した実施例と異なる。このように構成すると、ブロワ１３を省略できるのでシステム構成を簡略化できると共に、補機類の消費電力を低減できるので熱電供給システムの発電効率も向上できる。
図３は本発明の更に他の実施例を示す図であり、改質器６のバーナ７の排ガスをタービン２入口へ循環させるようにした点が図２に示した実施例と異なる。このように構成するとバーナ７の高圧排ガスのエネルギーをタービン２で回収できるのでさらに熱電供給システムの発電効率を向上できる。
図４は本発明の他の実施例を示す図であり、再生サイクルの燃焼器３の一部を使用して改質器６を構成した点が図１に示した実施例と異なる。このように構成すると、改質器６を別置する必要がないので、システム構成をさらに簡略化しコンパクトにできる。
図５は本発明の他の実施例であり、圧縮機１から吐出された空気の一部を流量調整弁２３を使用して流量調整した後、燃料電池１０のカソード１２側へ供給されるように構成した点が図４に示した実施例と異なる。このように構成するとブロワ１３を省略できるのでさらにシステム構成を簡略化できると共に、補機類の消費電力を低減できるので熱電供給システムの発電効率も向上できる。
図６は本発明の他の実施例であり、改質器６のバーナ７の燃焼用空気を再生サイクルの再生器４出口排気ガスで予熱するための予熱器２４およびブロワ２５を設けると共に、燃料電池１０のアノード１１側のオフガス１４をバーナ７に供給するように構成した点が、図１に示した実施例と異なる。このように構成すると、バーナ７内の圧力は大気圧となるので燃料電池１０のアノード１１側のオフガス１４を昇圧することなく、バーナ７で燃焼できるのでオフガス１４をガス圧縮機（図示せず）に搬送したり、別途オフガス１４を燃焼させる手段を設けたりする必要がなくなる。
図７は本発明の他の実施例であり、圧縮機１から吐出された空気の一部を流量調整弁２３と流量調整弁２８を使用して流量調整した後、予熱器２４および燃料電池１０のカソード１２側へ供給されるように構成した点が図６に示した実施例と異なる。このように構成するとブロワ１３とブロワ２５を省略できるのでさらにシステム構成を簡略化できると共に、補機類の消費電力を低減できるので熱電供給システムの発電効率も向上できる。
図８は本発明の他の実施例を示す図であり、蓄電池２６を有し燃料電池１０およびＡＣ／ＤＣコンバータ１９を介して発電機５と結線され、また改質器６のバーナ７に燃焼用空気を供給するためのブロワ２５を設け、ブロワ２５やブロワ１３等の補機類は蓄電池２６に蓄えられた電気で駆動されるように構成されている点が図１に示した実施例と異なる。このように構成すると、商用電源が供給されていない地方では、熱電供給システムの起動時にまず蓄電池２６の電気を利用してブロワ２５やブロワ１３等の補機類を運転して燃料電池１０を起動した後、燃料電池１０で発電した電気を利用して発電機５をモータとして駆動しガスタービン２を始動できるので、蓄電池２６を大容量化することなく熱電供給システムの起動が可能となる。
一方、本熱電供給システムを非常電源として使用する場合には、大容量の蓄電池２６を設置し蓄電池２６の電気で発電機５をモータとして駆動しガスタービン２を始動すると同時に燃料電池１０も始動することにより燃料電池１０の立上がりを待つことなく、負荷側（図示せず）に電力を供給できる。
図９は本発明の他の実施例を示す図であり、蓄電池２６を有し燃料電池１０およびＡＣ／ＤＣコンバータ１９を介して発電機５と結線され、また圧縮機１出口空気を流量調整弁２３を介して燃料電池１０のカソード１２側へ供給する流路を設け、弁２７を介してこの流路とバーナ７に燃焼用空気を供給する流路とを連通しブロワ２５を設けてバーナ７およびカソード１２側へ空気を供給できるようにすると共に、ブロワ２５等の補機類は蓄電池２６に蓄えられた電気で駆動されるように構成されている点が図２に示した実施例と異なる。このように構成すると、商用電源が供給されていない地方では、まず流量調整弁２３を閉じ弁２７を開いた後、蓄電池２６の電気を利用してブロワ２５等の補機類を運転して燃料電池１０を起動した後、燃料電池１０で発電した電気を利用して発電機５をモータとして駆動してガスタービン２を始動する。ガスタービン２の始動後は、流量調整弁２３を開き弁２７を閉じブロワ２５を停止して再生器４出口空気と圧縮機１の吐出空気を利用して燃料電池１０を運転できるので、補機類の消費電力を低減でき熱電供給システムの発電効率が向上する。なお本熱電供給システムを非常電源として使用する場合には、弁２７を閉じ、大容量の蓄電池２６を設置し蓄電池２６の電気で発電機５をモータとして駆動しガスタービン２を始動すると同時に流量調整弁２３を開いて、燃料電池１０も始動することにより燃料電池１０の立上がりを待つことなく、負荷側（図示せず）に電力を供給できるのでブロワ２５は不要となる。
図１０は本発明の更に他の実施例を示す図であり、蓄電池２６を有し燃料電池１０およびＡＣ／ＤＣコンバータ１９を介して発電機５と結線され、またブロワ１３等の補機類は蓄電池２６に蓄えられた電気で駆動されるように構成されている点が図４に示した実施例と異なる。このように構成すると、商用電源が供給されていない地方や停電時には蓄電池２６に蓄えられた電気で発電機５をモータとして駆動しガスタービン２を始動すると同時に，ブロワ１３等の補機類も蓄電池２６で運転できるので、熱電供給システムを起動できる。
図１１は本発明の他の実施例で、蓄電池２６を有し燃料電池１０およびＡＣ／ＤＣコンバータ１９を介して発電機５と結線され、またブロワ２５やブロワ１３等の補機類は蓄電池２６に蓄えられた電気で駆動されるように構成されている点が図６に示した実施例と異なる。このように構成すると、商用電源が供給されていない地方や停電時には蓄電池２６に蓄えられた電気で、まずブロワ２５やブロワ１３等の補機類を運転し燃料電池１０を起動した後、燃料電池１０で発電した電気を利用して発電機５をモータとして駆動しガスタービン２を始動できるので、蓄電池２６を大容量化することなく熱電供給システムの起動が可能となる。
図１２は本発明のさらに他の実施例であり、蓄電池２６を有し燃料電池１０およびＡＣ／ＤＣコンバータ１９を介して発電機５と結線され、またブロワ２５等の補機類は蓄電池２６に蓄えられた電気で駆動されるように構成されている点が図７に示した実施例と異なる。商用電源が供給されていない地方や停電時に熱電供給システムを起動する場合には、まず流量調整弁２３を閉じ蓄電池２６に蓄えられた電気でブロワ２５等の補機類を運転して燃料電池１０を起動した後、燃料電池１０で発電した電気を利用して発電機５をモータとして駆動してガスタービン２を始動する。ガスタービン２の始動後は、流量調整弁２３を開きブロワ２５を停止して圧縮機１から吐出空気され空気の一部を利用して改質器６および燃料電池１０を運転できるので、補機類の消費電力を低減でき熱電供給システムの発電効率が向上する。なお本熱電供給システムを非常電源として使用する場合には、大容量の蓄電池２６を設置し蓄電池２６の電気で発電機５をモータとして駆動しガスタービン２を始動すると同時に流量調整弁２３を開いて、燃料電池１０も始動することにより燃料電池１０の立上がりを待つことなく、負荷側（図示せず）に電力を供給できるのでブロワ２５は不要となる。
【０００８】
【発明の効果】
本発明によれば、発電効率の高い熱電供給システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図２】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図３】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図４】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図５】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図６】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図７】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図８】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図９】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図１０】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図１１】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図１２】本発明の他の実施例に係る、熱電供給システムのシステム構成図である。
【図１３】ガスタービンのサイクルの構成を比較する図である。
【図１４】ガスタービンのサイクル効率の比較を説明する図である。
【符号の説明】
１…圧縮機、２…タービン、３…燃焼器、４…再生器、５…発電機、６…改質器、７…バーナ、８…燃料、１０…燃料電池、１６…熱駆動式冷凍機、１７…排熱回収器。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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