(57)【要約】【課題】起動時に圧縮空気の温度と燃料電池装置１の運転温度とを考慮して燃料電池装置１を効率よく運転することができるタービン発電設備とする。【解決手段】起動時に圧縮機３から燃料電池装置１に供給される圧縮空気を予熱する加熱装置１７を備え、起動時に圧縮空気を予熱することで燃料電池装置１の反応温度に応じた圧縮空気を供給し、起動時に圧縮空気の温度と燃料電池装置１の運転温度とを考慮して燃料電池装置１を効率よく運転することができる燃料電池装置１とガスタービン２とを組み合わせたタービン発電設備とする。【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供給され供給された空気中の酸素と燃料とを電解質を介して化学反応させて発電する燃料電池と、燃料電池からの排気が膨張されるタービンと、燃料電池の起動時に圧縮機から燃料電池に供給される圧縮空気を予熱する予熱手段とを備えたことを特徴とするタービン発電設備。
【請求項２】
請求項１において、
圧縮機の出口側と予熱手段の入口側との間に三方弁を設け、起動時に三方弁により圧縮機の出口側の圧縮空気をタービンの入口側にバイパスさせることを特徴とするタービン発電設備。
【請求項３】
請求項１において、
予熱手段の出口側と燃料電池の入口側との間に三方弁を設け、起動時に三方弁により予熱手段で予熱された圧縮空気をタービンの入口側にバイパスさせることを特徴とするタービン発電設備。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
起動時に燃料電池に供給される燃料の予熱を行う燃料予熱手段を備えたことを特徴とするタービン発電設備。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
予熱手段は、バーナーにより圧縮空気を加熱する加熱手段であることを特徴とするタービン発電設備。
【請求項６】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
予熱手段は、圧縮空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを燃料電池に供給する燃焼手段であることを特徴とするタービン発電設備。
【請求項７】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項において、
予熱手段は、電気ヒータにより圧縮空気を加熱する電気加熱手段であることを特徴とするタービン発電設備。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項において、
燃料電池に供給される燃料は、ガス化炉から供給される燃料ガスであることを特徴とするタービン発電設備。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載のタービン発電設備と、
タービン発電設備のタービンの排気ガスの熱回収を行って蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、
排熱回収ボイラで発生した蒸気により作動する蒸気タービンと、
蒸気タービンの排気を復水する復水手段と、
復水手段からの復水を排熱回収ボイラに給水する給水手段と
を備えたことを特徴とする複合発電設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池設備とガスタービンを組み合わせたタービン発電設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、空気と燃料とを電解質を介して電気化学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。特に、高温型燃料電池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。
【０００３】
尚、高温型燃料電池としては、運転温度が約１０００℃の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）や運転温度が約６５０　℃の溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池（例えば、ＳＯＦＣ）とガスタービンとを組み合わせたタービン発電設備では、圧縮機からの圧縮空気が反応用の空気として燃料電池に送られるが、圧縮空気の温度と燃料電池の運転温度に差があり、効率良く燃料電池を運転するためには、起動時に圧縮空気の温度を燃料電池の運転温度に近づける工夫が必要である。
【０００５】
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、起動時に圧縮空気の温度と燃料電池の運転温度とを考慮して燃料電池を効率よく運転することができるタービン発電設備を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の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供給され供給された空気中の酸素と燃料とを電解質を介して化学反応させて発電する燃料電池と、燃料電池からの排気が膨張されるタービンと、燃料電池の起動時に圧縮機から燃料電池に供給される圧縮空気を予熱する予熱手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
そして、圧縮機の出口側と予熱手段の入口側との間に三方弁を設け、起動時に三方弁により圧縮機の出口側の圧縮空気をタービンの入口側にバイパスさせることを特徴とする。
【０００８】
また、予熱手段の出口側と燃料電池の入口側との間に三方弁を設け、起動時に三方弁により予熱手段で予熱された圧縮空気をタービンの入口側にバイパスさせることを特徴とする。
【０００９】
また、起動時に燃料電池に供給される燃料の予熱を行う燃料予熱手段を備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、予熱手段は、バーナーにより圧縮空気を加熱する加熱手段であることを特徴とする。
【００１１】
また、予熱手段は、圧縮空気と燃料とを燃焼させて燃焼ガスを燃料電池に供給する燃焼手段であることを特徴とする。
【００１２】
また、予熱手段は、電気ヒータにより圧縮空気を加熱する電気加熱手段であることを特徴とする。
【００１３】
また、燃料電池に供給される燃料は、ガス化炉から供給される燃料ガスであることを特徴とする。
【００１４】
上記目的を達成するための本発明の複合発電設備は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載のタービン発電設備と、タービン発電設備のタービンの排気ガスの熱回収を行って蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで発生した蒸気により作動する蒸気タービンと、蒸気タービンの排気を復水する復水手段と、復水手段からの復水を排熱回収ボイラに給水する給水手段とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の第１実施形態例に係るタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統を示してある。
【００１６】
図に示すように、タービン発電設備は、燃料電池としての燃料電池装置１とガスタービン２とで構成されている。ガスタービン２は圧縮機３及び燃焼器２２及びタービン４及び発電機５で構成され、タービン４の排気ガスは排熱回収ボイラ６で熱回収されて大気に放出される。排熱回収ボイラ６では排気ガスの排熱により蒸気を発生し、発生した蒸気は蒸気タービン７に送られて蒸気タービン７で動力が回収される。蒸気タービン７の排気蒸気は復水手段としての復水器８で復水され、復水は給水手段としての給水ポンプ９により排熱回収ボイラ６の図示しないドラムに給水される（複合発電設備）。
【００１７】
燃料電池装置１は、空気（酸素）と燃料ｆとを電解質を介して化学反応させて発電する燃料電池部１１を備えている。燃料電池部１１は、燃料ｆと、酸化剤として酸素を固体電解質膜を介して反応させて発電するようになっている。燃料電池部１１で反応を終えた排出空気が排出空気ライン１２ａから燃焼器２２に送られ、燃料電池部１１で反応を終えた排出燃料が排出燃料ライン１２ｂから燃焼器２２に送られ、燃焼される。燃焼器２２の燃焼ガスはタービン４で膨張されてタービン４の排気ガスが排熱回収ボイラ６で回収される。
【００１８】
圧縮機３で圧縮された空気は圧縮空気ライン１４から燃料電池装置１側に送られる。排出空気ライン１２ａには熱交換器５１が設けられ、圧縮空気ライン１４は熱交換器５１を経由して燃料電池装置１の空気入口側に接続されている。熱交換器５１では排出空気と圧縮空気とが熱交換され、圧縮空気が燃料電池の作動温度（例えば、約１０００℃）まで昇温される。
【００１９】
また、燃料電池装置１側には燃料供給ライン１３から燃料ｆが供給される。排出燃料ライン１２ｂには熱交換器５２が設けられ、燃料供給ライン１３は熱交換器５２を経由して燃料電池装置１の燃料入口側に接続されている。熱交換器５２では排出燃料と燃料ｆとが熱交換され、燃料ｆが燃料電池の作動温度（例えば、約１０００℃）まで昇温される。
【００２０】
燃料供給ライン１３には天然ガス等の炭化水素系燃料や水素の他に燃料ガス化炉１５で重油、軽油、石炭燃料等がガス化された燃料ｆが供給される。
【００２１】
圧縮機３からの圧縮空気を燃料電池装置１側に送る圧縮空気ライン１４には予熱手段としての加熱装置１７が設けられ、燃料電池装置１の起動時（タービン発電設備の起動時）に加熱装置１７により圧縮空気が加熱（予熱）されるようになっている。加熱装置１７は圧縮空気が流通する加熱器１８を備え、バーナー１９により加熱器１８を加熱することで流通する圧縮空気の温度を、例えば、ＳＯＦＣの運転温度である約１０００℃に加熱する。燃料電池装置１の反応が開始されると、圧縮空気は熱交換器５１により、例えば、ＳＯＦＣの運転温度である約１０００℃に加熱されるため、過剰な加熱を抑制するために加熱装置１７の負荷を徐々に低下させる。
【００２２】
尚、圧縮空気の加熱温度はＳＯＦＣの運転温度である約１０００℃に近づいた温度であればよく、圧縮機３の出口温度とＳＯＦＣの運転温度の中間温度（例えば、６５０　℃乃至８００　℃等）の任意の温度に制御することが可能である。
【００２３】
燃料ガス化炉１５からの燃料ｆを燃料電池装置１側に送る燃料供給ライン１３には燃料予熱手段としての燃料加熱装置２５が設けられ、燃料電池装置１の起動時（タービン発電設備の起動時）に燃料加熱装置２５により燃料ｆが加熱（予熱）されるようになっている。燃料加熱装置２５は燃料ｆが流通する燃料加熱器２６を備え、バーナー２７により燃料加熱器２６を加熱することで流通する燃料ｆの温度を、例えば、ＳＯＦＣの運転温度に最適な温度に加熱する。燃料電池装置１の反応が開始されると、燃料ｆは間接冷却により、例えば、ＳＯＦＣの運転温度に最適な温度に加熱されるため、過剰な加熱を抑制するために燃料加熱装置２５の負荷を徐々に低下させる。
【００２４】
上記構成のタービン発電設備を備えた複合発電設備では、燃料電池装置１の燃料電池部１１に燃料供給ライン１３から燃料ｆが供給される。この時、燃料ｆは熱交換器５２で燃料電池の作動温度（例えば、約１０００℃）まで昇温されて供給される。また、燃料電池装置１の燃料電池部１１に圧縮空気ライン１４から圧縮空気が供給される。この時、圧縮空気は熱交換器５１で燃料電池の作動温度（例えば、約１０００℃）まで昇温されて供給される。
【００２５】
燃料電池部１１では圧縮空気中の酸素及び改質された燃料ｆの化学反応により発電が行われる。燃料電池部１１からの排出空気が排出空気ライン１２ａから燃焼器２２に送られると共に、燃料電池部１１からの排出燃料が排出燃料ライン１２ｂから燃焼器２２に送られる。燃料電池部１１からの排出流体（排出空気及び排出燃料）は燃焼器２２で燃焼され、燃焼ガスがタービン４で膨張されてタービン４が駆動し、タービン４の排気ガスが排熱回収ボイラ６で熱回収されて蒸気が発生される。発生した蒸気は蒸気タービン７に送られて蒸気タービンを駆動し、蒸気タービン７の排気は復水器８で復水されて給水ポンプ９により排熱回収ボイラ６の図示しないドラムに給水される。
【００２６】
上述したタービン発電設備では、起動時には圧縮空気及び燃料ｆの温度が低いため、燃料電池装置１での反応が効率よく行われないことになる。このため、起動時には、加熱装置１７のバーナー１９を作動させて加熱器１８で燃料電池部１１に供給される圧縮空気を、例えば、ＳＯＦＣの運転温度である約１０００℃に加熱する。また、起動時には、燃料加熱装置２５のバーナー２７を作動させて燃料加熱器２６で燃料電池部１１に供給される燃料ｆを、例えば、ＳＯＦＣの運転温度に最適な温度に加熱する。
【００２７】
これにより、起動時であっても燃料電池部１１には圧縮空気及び燃料ｆが反応可能な温度に加熱されて供給され、起動直後から燃料電池部１１が効果的に反応して効率よく発電を実施することができ発電効率を高めることが可能になる。
【００２８】
図２、図３に基づいて予熱手段及び燃料予熱手段の他の実施形態例を説明する。図２、図３には他の実施形態例に係る予熱手段及び燃料予熱手段の概略系統を示してある。
【００２９】
図２に示すように、圧縮空気ライン１４（燃料供給ライン１３）には熱交換器３１が設けられ、圧縮空気ライン１４（燃料供給ライン１３）を流通する圧縮空気（燃料ｆ）が熱交換器３１で加熱媒体によって間接的に加熱される。加熱媒体としては、他系統からの蒸気や熱水、または、排熱回収ボイラ６（図１参照）からの蒸気が適用される。
【００３０】
図２に示した熱交換器３１では、ＳＯＦＣの運転温度である約１０００℃の高温にまで加熱することはできないが、簡単な構成で熱源を新たに設けることなく圧縮空気（燃料ｆ）を燃料電池部１１の反応に適した温度に昇温することができる。
【００３１】
図３に示すように、圧縮空気ライン１４（燃料供給ライン１３）には加熱器３２が設けられ、加熱器３２には電気ヒーター３３が設けられている。圧縮空気ライン１４（燃料供給ライン１３）を流通する圧縮空気（燃料ｆ）が加熱器３２で電気ヒーター３３によって加熱される。
【００３２】
図３に示した電気ヒーター３３を備えた加熱器３２では、電気ヒーター３３の能力を制御することで、ＳＯＦＣの運転温度である約１０００℃までの間の任意の温度に圧縮空気（燃料ｆ）を加熱することができる。
【００３３】
図４に基づいて予熱手段の他の実施形態例を説明する。図４には他の実施形態例に係る予熱手段の概略系統を示してある。
【００３４】
図４に示すように、圧縮空気ライン１４には加熱燃焼器３４が設けられ、加熱燃焼器３４には燃料が送られるバーナー３５が設けられている。圧縮空気ライン１４を流通する圧縮空気が加熱燃焼器３４でバーナー３５により燃料と共に燃焼され、加熱燃焼器３４からの燃焼ガスが燃料電池装置１に送られる。
【００３５】
図４に示した加熱燃焼器３４では、燃焼によって圧縮空気がＳＯＦＣの運転温度である約１０００℃の高温に加熱されるので、確実に圧縮空気を高温ガスにして燃料電池装置１に送ることができる。
【００３６】
図５に基づいて本発明の第２実施形態例に係るタービン発電設備を説明する。
【００３７】
図５には本発明の第２実施形態例に係るタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統を示してある。尚、図１に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。
【００３８】
図に示すように、タービン発電設備は、燃料電池としての燃料電池装置１とガスタービン２とで構成されている。ガスタービン２は圧縮機３及び燃焼器２２及びタービン４及び発電機５で構成され、タービン４の排気ガスは排熱回収ボイラ６で熱回収されて大気に放出される。排熱回収ボイラ６では排気ガスの排熱により蒸気を発生し、発生した蒸気は蒸気タービン７に送られて蒸気タービン７で動力が回収される。蒸気タービン７の排気蒸気は復水手段としての復水器８で復水され、復水は給水手段としての給水ポンプ９により排熱回収ボイラ６の図示しないドラムに給水される（複合発電設備）。
【００３９】
燃料電池装置１は、空気（酸素）と燃料ｆとを電解質を介して化学反応させて発電する燃料電池部１１を備えている。燃料電池部１１は、燃料ｆと、酸化剤として酸素を固体電解質膜を介して反応させて発電するようになっている。燃料電池部１１で反応を終えた排出空気が排出空気ライン１２ａから燃焼器２２に送られ、燃料電池部１１で反応を終えた排出燃料が排出燃料ライン１２ｂから燃焼器２２に送られ、燃焼される。燃焼器２２の燃焼ガスはタービン４で膨張されタービン４の排気ガスが排熱回収ボイラ６で回収される。
【００４０】
圧縮機３で圧縮された空気は圧縮空気ライン１４から燃料電池装置１側に送られる。排出空気ライン１２ａには熱交換器５１が設けられ、圧縮空気ライン１４は熱交換器５１を経由して燃料電池装置１の空気入口側に接続されている。熱交換器５１では排出空気と圧縮空気とが熱交換され、圧縮空気が燃料電池の作動温度（例えば、約１０００℃）まで昇温される。
【００４１】
また、燃料電池装置１側には燃料供給ライン１３から燃料ｆが供給される。排出燃料ライン１２ｂには熱交換器５２が設けられ、燃料供給ライン１３は熱交換器５２を経由して燃料電池装置１の燃料入口側に接続されている。熱交換器５２では排出燃料と燃料ｆとが熱交換され、燃料ｆが燃料電池の作動温度（例えば、約１０００℃）まで昇温される。
【００４２】
燃料供給ライン１３には天然ガス等の炭化水素系燃料や水素の他に燃料ガス化炉１５で重油、軽油、石炭燃料等がガス化された燃料ｆが供給される。
【００４３】
圧縮機３からの圧縮空気を燃料電池装置１側に送る圧縮空気ライン１４には予熱手段としての加熱装置１７が設けられ、燃料電池装置１の起動時（タービン発電設備の起動時）に加熱装置１７により圧縮空気が加熱（予熱）されるようになっている。加熱装置１７は圧縮空気が流通する加熱器１８を備え、バーナー１９により加熱器１８を加熱することで流通する圧縮空気の温度を、例えば、ＳＯＦＣの運転温度である約１０００℃に加熱する。燃料電池装置１の反応が開始されると、圧縮空気は熱交換器５１により、例えば、ＳＯＦＣの運転温度である約１０００℃に加熱されるため、過剰な加熱を抑制するために加熱装置１７の負荷を徐々に低下させる。
【００４４】
尚、圧縮空気の加熱温度はＳＯＦＣの運転温度である約１０００℃に近づいた温度であればよく、圧縮機３の出口温度とＳＯＦＣの運転温度の中間温度（例えば、６５０　℃乃至８００　℃等）の任意の温度に制御することが可能である。
【００４５】
加熱装置１７の上流側（圧縮機３側）における圧縮空気ライン１４には三方弁３７が設けられ、三方弁３７には燃焼器２２の上流側（燃料電池装置１側）における排出空気ライン１２ａにつながるバイパス路３８が設けられている。通常運転時は、圧縮機３からの圧縮空気は加熱装置１７側に送られ、設備の起動時は、圧縮機３からの圧縮空気は燃焼器２２側に送られる。設備の起動後は、圧縮機３からの圧縮空気が運転状況に応じて徐々に加熱装置１７側に切り換えられる。
【００４６】
図中の符号で３９，４０は逆止弁で、排出空気ライン１２ａからバイパス路３８側へのガスの流入及びバイパス路３８から排出空気ライン１２ａ側への流体の流入が阻止されるようになっている。
【００４７】
燃料ガス化炉１５からの燃料ｆを燃料電池装置１側に送る燃料供給ライン１３には燃料予熱手段としての燃料加熱装置２５が設けられ、燃料電池装置１の起動時（タービン発電設備の起動時）に燃料加熱装置２５により燃料ｆが加熱（予熱）されるようになっている。燃料加熱装置２５は燃料ｆが流通する燃料加熱器２６を備え、バーナー２７により燃料加熱器２６を加熱することで流通する燃料ｆの温度を、例えば、ＳＯＦＣの運転温度に最適な温度に加熱する。燃料電池装置１の反応が開始されると、燃料ｆは熱交換器５２により、例えば、ＳＯＦＣの運転温度に最適な温度に加熱されるため、過剰な加熱を抑制するために燃料加熱装置２５の負荷を徐々に低下させる。
【００４８】
上記構成のタービン発電設備を備えた複合発電設備では、燃料電池装置１の燃料電池部１１に燃料供給ライン１３から燃料ｆが供給される。この時、燃料ｆは熱交換器５２で燃料電池の作動温度（例えば、約１０００℃）まで昇温されて供給される。また、燃料電池装置１の燃料電池部１１に圧縮空気ライン１４から圧縮空気が供給される。この時、圧縮空気は熱交換器５１で燃料電池の作動温度（例えば、約１０００℃）まで昇温されて供給される。
【００４９】
燃料電池部１１では圧縮空気中の酸素及び改質された燃料ｆの化学反応により発電が行われる。燃料電池部１１からの排出空気が排出空気ライン１２ａから燃焼器２２に送られると共に、燃料電池部１１からの排出燃料が排出燃料ライン１２ｂから燃焼器２２に送られる。燃料電池部１１からの排出流体（排出空気及び排出燃料）は燃焼器２２で燃焼され、燃焼ガスがタービン４で膨張されてタービン４が駆動し、タービン４の排気ガスが排熱回収ボイラ６で熱回収されて蒸気が発生される。発生した蒸気は蒸気タービン７に送られて蒸気タービンを駆動し、蒸気タービン７の排気は復水器８で復水されて給水ポンプ９により排熱回収ボイラ６の図示しないドラムに給水される。
【００５０】
上述したタービン発電設備では、設備の起動時には三方弁３７の切り換えにより圧縮機３からの圧縮空気をバイパス路３８から燃焼器２２に送り、燃焼器２２に燃料を投入して燃焼器２２で燃焼ガスを生成し、生成された燃焼ガスをタービン４に送ってタービン４を昇速させる。タービン４の昇速と共に三方弁３７を徐々に切り換えて圧縮空気を加熱装置１７（燃料電池装置１側）に切り換えて送ると共に燃焼器２２側に送る圧縮空気を減量する。この状態で、加熱装置１７のバーナー１９を作動させて加熱器１８で燃料電池部１１に供給される圧縮空気を、例えば、ＳＯＦＣの運転温度である約１０００℃に加熱する。
【００５１】
また、起動時には、燃料加熱装置２５のバーナー２７を作動させて燃料加熱器２６で燃料電池部１１に供給される燃料ｆを、例えば、ＳＯＦＣの運転温度に最適な温度に加熱する。
【００５２】
これにより、設備の起動時にタービン４を昇速させて翼の共振等を抑制すると共に、燃料電池装置１の起動時であっても燃料電池部１１には圧縮空気及び燃料ｆが反応可能な温度に加熱されて供給される。このため、設備の起動直後からタービン４の翼の共振を抑制した状態で、燃料電池部１１が効果的に反応して効率よく発電を実施することができ発電効率を高めることが可能になる。
【００５３】
図６に基づいて本発明の第３実施形態例に係るタービン発電設備を説明する。
【００５４】
図６には本発明の第３実施形態例に係るタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統を示してある。尚、図１、図５に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。
【００５５】
図に示すように、タービン発電設備は、燃料電池としての燃料電池装置１とガスタービン２とで構成されている。ガスタービン２は圧縮機３及び燃焼器２２及びタービン４及び発電機５で構成され、タービン４の排気ガスは排熱回収ボイラ６で熱回収されて大気に放出される。排熱回収ボイラ６では排気ガスの排熱により蒸気を発生し、発生した蒸気は蒸気タービン７に送られて蒸気タービン７で動力が回収される。蒸気タービン７の排気蒸気は復水手段としての復水器８で復水され、復水は給水手段としての給水ポンプ９により排熱回収ボイラ６の図示しないドラムに給水される（複合発電設備）。
【００５６】
燃料電池装置１は、空気（酸素）と燃料ｆとを電解質を介して化学反応させて発電する燃料電池部１１を備えている。燃料電池部１１は、燃料ｆと、酸化剤として酸素を固体電解質膜を介して反応させて発電するようになっている。燃料電池部１１で反応を終えた排出空気が排出空気ライン１２ａから燃焼器２２に送られ、燃料電池部１１で反応を終えた排出燃料が排出燃料ライン１２ｂから燃焼器２２に送られ、燃焼される。燃焼器２２の燃焼ガスはタービン４で膨張されてタービン４の排気ガスが排熱回収ボイラ６で回収される。
【００５７】
圧縮機３で圧縮された空気は圧縮空気ライン１４から燃料電池装置１側に送られる。排出空気ライン１２ａには熱交換器５１が設けられ、圧縮空気ライン１４は熱交換器５１を経由して燃料電池装置１の空気入口側に接続されている。熱交換器５１では排出空気と圧縮空気とが熱交換され、圧縮空気が燃料電池の作動温度（例えば、約１０００℃）まで昇温される。
【００５８】
また、燃料電池装置１側には燃料供給ライン１３から燃料ｆが供給される。排出燃料ライン１２ｂには熱交換器５２が設けられ、燃料供給ライン１３は熱交換器５２を経由して燃料電池装置１の燃料入口側に接続されている。熱交換器５２では排出燃料と燃料ｆとが熱交換され、燃料ｆが燃料電池の作動温度（例えば、約１０００℃）まで昇温される。
【００５９】
燃料供給ライン１３には天然ガス等の炭化水素系燃料や水素の他に燃料ガス化炉１５で重油、軽油、石炭燃料等がガス化された燃料ｆが供給される。
【００６０】
圧縮機３からの圧縮空気を燃料電池装置１側に送る圧縮空気ライン１４には予熱手段としての加熱装置１７が設けられ、燃料電池装置１の起動時（タービン発電設備の起動時）に加熱装置１７により圧縮空気が加熱（予熱）されるようになっている。加熱装置１７は圧縮空気が流通する加熱器１８を備え、バーナー１９により加熱器１８を加熱することで流通する圧縮空気の温度を、例えば、ＳＯＦＣの運転温度である約１０００℃に加熱する。燃料電池装置１の反応が開始されると、圧縮空気は熱交換器５１により、例えば、ＳＯＦＣの運転温度である約１０００℃に加熱されるため、過剰な加熱を抑制するために加熱装置１７の負荷を徐々に低下させる。
【００６１】
尚、圧縮空気の加熱温度はＳＯＦＣの運転温度である約１０００℃に近づいた温度であればよく、圧縮機３の出口温度とＳＯＦＣの運転温度の中間温度（例えば、６５０　℃乃至８００　℃等）の任意の温度に制御することが可能である。
【００６２】
加熱装置１７の下流側（燃料電池装置１側）における圧縮空気ライン１４には三方弁４５が設けられ、三方弁４５には燃焼器２２の上流側（燃料電池装置１側）における排出空気ライン１２ａにつながるバイパス路３８が設けられている。通常運転時は、圧縮機３からの圧縮空気は加熱装置１７から燃料電池装置１側に送られ、設備の起動時は、圧縮機３からの圧縮空気は加熱装置１７で加熱されて燃焼器２２側に送られる。設備の起動後は、圧縮機３からの圧縮空気が加熱装置１７で加熱され運転状況に応じて徐々に燃料電池装置１側に切り換えられる。
【００６３】
図中の符号で４６，４７は逆止弁で、排出空気ライン１２ａからバイパス路３８側へのガスの流入及びバイパス路３８から排出空気ライン１２ａ側へのガスの流入が阻止されるようになっている。
【００６４】
燃料ガス化炉１５からの燃料ｆを燃料電池装置１側に送る燃料供給ライン１３には燃料予熱手段としての燃料加熱装置２５が設けられ、燃料電池装置１の起動時（タービン発電設備の起動時）に燃料加熱装置２５により燃料ｆが加熱（予熱）されるようになっている。燃料加熱装置２５は燃料ｆが流通する燃料加熱器２６を備え、バーナー２７により燃料加熱器２６を加熱することで流通する燃料ｆの温度を、例えば、ＳＯＦＣの運転温度に最適な温度に加熱する。燃料電池装置１の反応が開始されると、燃料ｆは熱交換器５２により、例えば、ＳＯＦＣの運転温度に最適な温度に加熱されるため、過剰な加熱を抑制するために燃料加熱装置２５の負荷を徐々に低下させる。
【００６５】
上記構成のタービン発電設備を備えた複合発電設備では、燃料電池装置１の燃料電池部１１に燃料供給ライン１３から燃料ｆが供給される。この時、燃料ｆは熱交換器５２で燃料電池の作動温度（例えば、約１０００℃）まで昇温されて供給される。また、燃料電池装置１の燃料電池部１１に圧縮空気ライン１４から圧縮空気が供給される。この時、圧縮空気は熱交換器５１で燃料電池の作動温度（例えば、約１０００℃）まで昇温されて供給される。
【００６６】
燃料電池部１１では圧縮空気中の酸素及び改質された燃料ｆの化学反応により発電が行われる。燃料電池部１１からの排出空気が排出空気ライン１２ａから燃焼器２２に送られると共に、燃料電池部１１からの排出燃料が排出燃料ライン１２ｂから燃焼器２２に送られる。燃料電池部１１からの排出流体（排出空気及び排出燃料）は燃焼器２２で燃焼され、燃焼ガスがタービン４で膨張されてタービン４が駆動し、タービン４の排気ガスが排熱回収ボイラ６で熱回収されて蒸気が発生される。発生した蒸気は蒸気タービン７に送られて蒸気タービンを駆動し、蒸気タービン７の排気は復水器８で復水されて給水ポンプ９により排熱回収ボイラ６の図示しないドラムに給水される。
【００６７】
上述したタービン発電設備では、設備の起動時には、加熱装置１７のバーナー１９を作動させて圧縮機３からの圧縮空気を加熱器１８で加熱し、三方弁４５の切り換えによりバイパス路３８から加熱された圧縮空気を燃焼器２２に送り、燃焼器２２に燃料を投入して燃焼器２２で燃焼ガスを生成し、生成された燃焼ガスをタービン４に送ってタービン４を昇速させる。タービン４の昇速と共に三方弁４５を徐々に切り換えて加熱装置１７で例えば、ＳＯＦＣの運転温度である約１０００℃に加熱された圧縮空気を燃料電池装置１側に切り換えて送ると共に燃焼器２２側に送る圧縮空気を減量する。
【００６８】
また、起動時には、燃料加熱装置２５のバーナー２７を作動させて燃料加熱器２６で燃料電池部１１に供給される燃料ｆを、例えば、ＳＯＦＣの運転温度に最適な温度に加熱する。
【００６９】
これにより、設備の起動時にタービン４を昇速させて翼の共振等を抑制すると共に、燃料電池装置１の起動時であっても燃料電池部１１には圧縮空気及び燃料ｆが反応可能な温度に加熱されて供給される。このため、設備の起動直後からタービン４の翼の共振を抑制した状態で、燃料電池部１１が効果的に反応して効率よく発電を実施することができ発電効率を高めることが可能になる。
【００７０】
また、燃焼器２２には、起動時には加熱装置１７で加熱された圧縮空気が送られるため、燃焼器２２の容量を抑制することが可能である。また、燃料電池装置１を切り離して１００　％負荷で運用する場合であっても、加熱装置１７で加熱された圧縮空気が送られるため、大きな容量の燃焼器を必要としない。
【００７１】
【発明の効果】
本発明の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供給され供給された空気中の酸素と燃料とを電解質を介して化学反応させて発電する燃料電池と、燃料電池からの排気が膨張されるタービンと、燃料電池の起動時に圧縮機から燃料電池に供給される圧縮空気を予熱する予熱手段とを備えたので、起動時に圧縮空気を予熱することで燃料電池の反応温度に応じた圧縮空気を供給することができる。この結果、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、起動時に圧縮空気の温度と燃料電池の運転温度とを考慮して燃料電池を効率よく運転することができるタービン発電設備とすることが可能になる。
【００７２】
本発明の複合発電設備は、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載のタービン発電設備と、タービン発電設備のタービンの排気ガスの熱回収を行って蒸気を発生させる排熱回収ボイラと、排熱回収ボイラで発生した蒸気により作動する蒸気タービンと、蒸気タービンの排気を復水する復水手段と、復水手段からの復水を排熱回収ボイラに給水する給水手段とを備えたので、起動時に圧縮空気を予熱することで燃料電池の反応温度に応じた圧縮空気を供給することができるタービン発電設備を備えた複合発電設備となる。この結果、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、起動時に圧縮空気の温度と燃料電池の運転温度とを考慮して燃料電池を効率よく運転することができるタービン発電設備を備えた複合発電設備とすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態例に係るタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統図。
【図２】他の実施形態例に係る予熱手段及び燃料予熱手段の概略系統図。
【図３】他の実施形態例に係る予熱手段及び燃料予熱手段の概略系統図。
【図４】他の実施形態例に係る予熱手段の概略系統図。
【図５】本発明の第２実施形態例に係るタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統図。
【図６】本発明の第３実施形態例に係るタービン発電設備を備えた複合発電設備の概略系統図。
【符号の説明】
１　燃料電池装置
２　ガスタービン
３　圧縮機
４　タービン
５　発電機
６　排熱回収ボイラ
７　蒸気タービン
８　復水器
９　給水ポンプ
１１　燃料電池部
１３　燃料供給ライン
１４　圧縮空気ライン
１５　燃料ガス炉
１７　加熱装置
１８，３２　加熱器
１９，２７　バーナー
２２　燃焼器
２５　燃料加熱装置
２６　燃料加熱器
３１　熱交換器
３３　電気ヒータ
３５　バーナー
３７，４５　三方弁
３８　バイパス路
３９，４０，４６，４７　逆止弁
５１，５２　熱交換器
【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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