(57)【要約】【課題】燃料電池複合ガスタービンシステムの設計自由度を高くすること。【解決手段】ガスタービン１０は、圧縮機２と、燃焼器４と、タービン６とを備えている。圧縮機２で作られた圧縮空気の一部は、途中の圧縮段２ａから抽気され、配管４０によって燃料電池２０へ送られる。残りの圧縮空気は燃焼用空気として燃焼器４へ送られて、ここで天然ガス、軽油、重軽油等の燃料が供給されて燃焼し、高温・高圧の燃焼ガスを発生する。この燃焼ガスはタービン６に噴射されてこれを回転させる。タービン６を構成するタービン軸８には発電機３０が接続されており、タービン６が回転することによって発電機３０が駆動されるので電力が発生する。タービン６を駆動した後の燃焼ガスは排気としてガスタービン１０の外部へ排出される。【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、当該圧縮機で生成された圧縮空気に燃料を供給して燃焼ガスを生成する燃焼器と、当該燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンとを有するガスタービンと、
燃料と、前記圧縮機から供給される空気とで電気化学反応を起こさせて電力を発生する燃料電池と、
前記圧縮機と前記燃料電池とをつなぎ、前記圧縮機で生成される圧縮空気の一部を前記燃料電池に供給する空気供給系と、
を備えたことを特徴とする燃料電池複合ガスタービンシステム。
【請求項２】
作動流体を圧縮する圧縮機と、当該圧縮機で圧縮された作動流体に燃料と酸化剤とを供給して燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器と、当該燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンとを有するガスタービンと、
酸化剤と、燃料および前記圧縮機から供給される作動流体とで電気化学反応を起こさせて電力を発生する燃料電池と、
前記圧縮機と前記燃料電池とをつなぎ、前記圧縮機で圧縮される作動流体の一部を前記燃料電池に導く作動流体供給系と、
前記燃料電池の排気を前記ガスタービンの排気と合流させる排気合流部を有し、当該合流部で前記燃料電池の排気と前記ガスタービンの排気とを混合させてから両者の混合流体を前記圧縮機の入口へ戻す混合流体循環系と、
ガスタービン排気、燃料電池排気、前記混合流体の排気系統から排気の一部を取り出す抽気手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池複合ガスタービンシステム。
【請求項３】
さらに、上記ガスタービンおよび上記燃料電池に供給する燃料および酸化剤は水素を一部に含む液体燃料および酸素を含む液化酸化剤であり、これを高圧で気化させ、その膨張させる際の膨張エネルギーによって駆動される膨張タービンを備え、当該膨張タービンを駆動した後の気化した燃料および気化した酸化剤を上記ガスタービンの燃焼器と上記燃料電池とに供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。
【請求項４】
さらに、上記ガスタービンの排気または上記燃料電池の下流機器の排気の一方または両方を利用して上記液体燃料および液化酸化剤を気化させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。
【請求項５】
上記圧縮機は静翼列と動翼列からなる圧縮段を複数備え、この複数の圧縮段によって段階的に空気または作動流体を圧縮するものであり、上記燃料電池に供給される空気または作動流体は、この圧縮機の途中における圧縮段から抽気されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。
【請求項６】
上記燃料電池に供給される空気または作動流体は、上記圧縮機の出口つまり上記燃焼器の入口から抽気されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。
【請求項７】
さらに、上記ガスタービンのタービンは、静翼列と動翼列とからなる翼列段を複数備えるものであって、上記燃料電池の排気を上記ガスタービンの翼列段に供給してタービンを駆動することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。
【請求項８】
さらに、上記燃料電池の排気によって駆動される燃料電池用タービンを上記燃料電池の後段に備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。
【請求項９】
さらに、上記燃料電池用タービンの排気を熱源流体として供給する熱交換手段を上記燃料電池の後段に備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。
【請求項１０】
さらに、上記燃料電池の排気に燃料を供給してこの排気を燃焼させた後に、当該排気の燃焼ガスを上記燃料電池用タービンへ供給してこれを駆動する燃焼手段を、上記燃料電池と上記燃料電池用タービンとの間に備えたことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。
【請求項１１】
さらに、上記燃料電池の排気を利用して上記燃料電池の作動流体を加熱する燃料電池排気・流体加熱手段を備えたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。
【請求項１２】
さらに、上記燃料電池の排気の一部に上記燃料電池の作動流体を加え、これらを排気循環手段によって上記燃料電池に循環させることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。
【請求項１３】
上記燃料電池排気・流体加熱手段は、複数の管を同心円状に組合せて最内層の管に熱源流体である燃料電池の排ガスを流し、その外側には被加熱流体を流して両者の間で熱交換させることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。
【請求項１４】
さらに、上記燃料電池と上記燃料電池排気・流体加熱手段とを有する燃料電池装置段を複数段直列に配列し、後段の燃料電池装置段に設けられた燃料電池排気・流体加熱手段によって加熱された燃料電池の作動流体を前段の燃料電池装置段に設けられた燃料電池排気・流体加熱手段に供給して加熱し、且つ燃料電池の作動流体を加熱した後の燃料電池排気を後段の燃料電池装置段に設けられた燃料電池に供給することを特徴とする請求項１１または１３に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。
【請求項１５】
さらに、ガスタービンの排気によって蒸気を生成する蒸気発生手段と、
この排熱回収手段で生成される蒸気によって上記燃料電池の作動流体を加熱する蒸気・流体加熱手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。
【請求項１６】
さらに、上記燃料電池排気・流体加熱手段の上段に上記の蒸気・流体加熱手段を備え、上記蒸気・流体加熱手段で加熱した後における燃料電池の作動流体を上記燃料電池排気・流体加熱手段で加熱することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。
【請求項１７】
さらに、上記燃料電池の作動流体を上記ガスタービンの排気によって加熱するガスタービン排気流体加熱手段を、予備加熱に用いることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池を備えたタービンシステムに関し、さらに詳しくは、システム設計の自由度を高くでき、システム効率をより高くできる燃料電池複合ガスタービンシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は電気化学反応によって、つまり水素を含む燃料を酸素と反応させる際の電解質膜での移動電子から直接電力を取り出すものである。これは、蒸気タービンやガスタービンを使用した従来の火力発電方式のように熱変換、機械的変換が存在せず、また、高い発電効率を得ることができる。また、構造上機械的部分や可動部分がなく、また、燃焼反応が９５０〜１０５０℃の範囲の定温度で進行するため、ＮＯｘが低く環境に対する負荷も小さい。このような燃料電池の高効率、低環境負荷を引き出す発電プラントが計画されている。
【０００３】
現状において燃料電池のみで発電設備を作ろうとすると、従来の火力発電設備と比較して極めて大規模な設備が必要となり、設置費用のおよび設置スペースの関係上現実的でない。そこで、蒸気タービンやガスタービンを使用した従来の火力発電方式の改善技術として燃料電池発電設備を複合させることが検討されている。
【０００４】
図１８は、一般的な燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム９００では、ガスタービン９１０の圧縮機９０２で作られた圧縮空気を全量燃料電池９２０へ供給する。そして、同時に供給される燃料との電気化学反応によって、燃料電池９２０から電力を発生する。反応後の排気は、再燃焼器９０５へ送られてここで未燃の燃料を燃焼して、高温の燃焼ガスを得る。この燃焼ガスはタービン９０６へ供給されてこれを駆動する。ガスタービン９１０には発電機９３０が接続されているので、タービン９０６が回転すると同時に発電機９３０が駆動されて電力が発生する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ガスタービン９１０が大型の場合、圧縮機９０２で作られる圧縮空気は２０ａｔａ程度である。一方、燃料電池９２０は一般に、大気圧から３．０ａｔａ程度の圧力下で作動し、高くとも５．０ａｔａ程度までの圧力下で作動する。このため、ガスタービンの圧縮機９０２で作られた圧縮空気を直接燃料電池９２０へ送るためには小型のガスタービンを用いることになる。したがって、高性能の大型ガスタービンと燃料電池を組み合わせるには現在の燃料電池を高圧作動に改善しなければならない。
【０００６】
また、低圧作動の燃料電池複合ガスタービンシステムでは、圧縮機９０２で生成される圧縮空気すべてを燃料電池９２０へ供給する。大型ガスタービンの場合は、燃料電池９２０の規模が極めて大きくなってしまい、燃料電池９２０の設置スペースが極めて巨大なものとなってしまう。この発明は、ガスタービンの能力の一部を燃料電池に活用することで、システム設計の自由度を高くすることとした。すなわち、従来の複合発電システムの一部の圧縮空気を用いて燃料電池を作動させる燃料電池複合ガスタービンシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、空気を圧縮する圧縮機と、当該圧縮機で生成された圧縮空気に燃料を供給して燃焼ガスを生成する燃焼器と、当該燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンとを有するガスタービンと、燃料と、前記圧縮機から供給される空気とで電気化学反応を起こさせて電力を発生する燃料電池と、前記圧縮機と前記燃料電池とをつなぎ、前記圧縮機で生成される圧縮空気の一部を前記燃料電池に供給する空気供給系とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
従来の燃料電池複合ガスタービンシステムでは、ガスタービンの圧縮機で生成された圧縮空気の全量すべてを燃料電池へ投入していた。このため、燃料電池の仕様が制限されて、システムを設計する際の自由度が低かった。また、燃料電池の運転に合わせて、これに最適な圧力と流量とで圧縮機で生成される圧縮空気を供給すると、ガスタービンの効率を低下させてしまう。一方、ガスタービンの運転条件に合わせた圧力と流量とで圧縮空気を燃焼器へ供給すると、燃料電池の規模が極めて大きくなり、システムとして現実的ではなくなってしまう。
【０００９】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、燃料電池とガスタービンとを組み合わせたものであり、ガスタービンの燃焼器へ供給するガスタービンの圧縮機で生成された圧縮空気の一部を燃料電池に供給するようにしてある。これによって、燃料電池の仕様に合致した圧縮機からの空気量と空気圧力とを供給できる。
【００１０】
このため、燃料電池に必要な空気量や空気圧力が小さい場合であっても、必要な空気流量のバランスを容易に得ることができるので、燃料電池複合ガスタービンシステムの設計においてあらゆる仕様の燃料電池を自由度高く組み合わせることができる。また、燃料電池およびガスタービンの運転条件に適した流量と圧力とで圧縮空気を供給できるので、燃料電池およびガスタービンそれぞれにより高い効率を発揮させることができる。これによって、燃料電池複合ガスタービンシステム全体としての効率も従来よりも高くできる。
【００１１】
さらに、燃焼器へ供給する圧縮空気の一部を燃料電池に供給するようにしてあるので、燃料電池とガスタービンとを別個に制御できる。これによって、ガスタービンの作動状況に関わらず燃料電池を起動・停止できる。また、負荷変動に対しては燃料電池を一定出力で運転し、ガスタービンの出力を増減すればよい。
【００１２】
また、請求項２に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、作動流体を圧縮する圧縮機と、当該圧縮機で圧縮された作動流体に燃料と酸化剤とを供給して燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器と、当該燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンとを有するガスタービンと、酸化剤と、燃料および前記圧縮機から供給される作動流体とで電気化学反応を起こさせて電力を発生する燃料電池と、前記圧縮機と前記燃料電池とをつなぎ、前記圧縮機で圧縮される作動流体の一部を前記燃料電池に導く作動流体供給系と、前記燃料電池の排気を前記ガスタービンの排気と合流させる排気合流部を有し、当該合流部で前記燃料電池の排気と前記ガスタービンの排気とを混合させてから両者の混合流体を前記圧縮機の入口へ戻す混合流体循環系と、ガスタービン排気、燃料電池排気、前記混合流体の排気系統から排気の一部を取り出す抽気手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、燃料電池とガスタービンとを組み合わせたものであり、ガスタービンの燃焼器へ供給するガスタービンの圧縮機で生成された圧縮作動流体の一部を燃料電池に供給するようにしてある。そして、燃料電池とガスタービンとの排気を合流させて、ガスタービンの圧縮機へ再び供給するようにしてある。このため、燃料電池およびガスタービンの燃焼器には適切な圧力で適切な流量の排気を供給できるので、燃料電池およびガスタービンは各々高い効率で運転させることができる。また、燃料電池およびガスタービンの排気を再びガスタービンの圧縮機へ戻して作動流体として利用するので、ガスタービン排気等の作動流体が持つエネルギーをより多く回収できる。つまり、システム外へ排出される排気が持ち出す損失熱量を低減できるので、システム損失を小さく抑えることができる。
【００１４】
また、請求項３に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項２に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記ガスタービンおよび上記燃料電池に供給する燃料および酸化剤は水素を一部に含む液体燃料および酸素を含む液化酸化剤であり、これを高圧で気化させ、その膨張させる際の膨張エネルギーによって駆動される膨張タービンを備え、当該膨張タービンを駆動した後の気化した燃料および気化した酸化剤を上記ガスタービンの燃焼器と上記燃料電池とに供給することを特徴とする。
【００１５】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項２に係る燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、ガスタービンおよび燃料電池の燃料と酸化剤とに、それぞれ液体燃料と液化酸化剤とを使用する。そして、その高温・高圧の気体を膨張タービンによって取り出すようにしてある。このように、液体燃料等を燃焼させる前に膨張仕事を取り出すので、システム全体の効率をさらに高くできる。
【００１６】
ここで、請求項４に係る燃料電池複合ガスタービンシステムのように、さらに、上記ガスタービンの排気または上記燃料電池の下流機器の排気の一方または両方を利用して上記液体燃料および液化酸化剤を気化させるようにしてもよい。このようにすれば、液体燃料等を気化させるために燃料電池やガスタービンの排気を利用するので、別個に気化設備を設ける必要がない。これによって、燃料電池等の排気が持つ熱エネルギーを有効利用できる。
【００１７】
なお、液体燃料等を気化させる際には、燃料電池の排気等と液体燃料等とを直接熱交換させてもよいし、燃料電池の排気等を例えば排熱回収ボイラ等に導いて、ここで発生させた蒸気によって液体燃料等を加熱してもよい。このようにすると、液体燃料等の気化に最も適切な温度の熱源を選択できるので、熱源と液体燃料等とが熱交換する際における損失をより小さく抑えることができる。なお、液体燃料には例えば液化天然ガス、ジメチルエーテル、メタノール等のクリーン燃料が使用でき、また、液化酸化剤には例えば液体酸素や液体空気が使用できる。
【００１８】
また、請求項５に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、上記圧縮機は静翼列と動翼列からなる圧縮段を複数備え、この複数の圧縮段によって段階的に空気または作動流体を圧縮するものであり、上記燃料電池に供給される空気または作動流体は、この圧縮機の途中における圧縮段から抽気されることを特徴とする。
【００１９】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、ガスタービン圧縮機の途中段から圧縮空気または圧縮作動流体を抽気して、燃料電池へ供給するようにしてある。このため、圧縮機の抽気する圧縮段を選択すれば、燃料電池の仕様に応じて最適な圧力の空気や作動流体を供給できるので、燃料電池を最適な作動条件の下で作動させることができる。さらに、弁等の流量調整によって燃料電池へ供給する空気等の流量を調整できるので、燃料電池の規模に応じた最適な流量で空気等を供給できる。
【００２０】
また、従来のように圧縮機出口から抽気していたときには、燃料電池に適した圧力にするために小型のガスタービンを組み合わせる必要があったが、この燃料電池複合ガスタービンシステムでは高性能の大型ガスタービンとの組合せが自由に行える。その分従来よりもガスタービンの効率を高くしてシステム全体の効率を高くできる。
【００２１】
また、請求項６に係る燃料電池複合ガスタービンシステムのように、上記燃料電池に供給される空気または作動流体は、上記圧縮機の出口つまり上記燃焼器の入口から抽気されるようにしてもよい。この場合であっても、燃料電池の排気をガスタービン燃焼器に戻さないため、流体の取出／合流機構を設けなくて良い。この場合は、流体取出機構のみで良く、ガスタービンの構造を改変する必要がない。
【００２２】
また、請求項７に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記ガスタービンのタービンは、静翼列と動翼列とからなる翼列段を複数備えるものであって、上記燃料電池の排気を上記ガスタービンの翼列段に供給してタービンを駆動することを特徴とする。
【００２３】
従来の燃料電池複合ガスタービンシステムでは、燃料電池の排気をガスタービンの燃焼器へ混入させるものがあった。このようにすると、燃料電池排気と均一に希釈することが困難となり、タービン入口における燃焼ガス温度に偏差がついてしまう。この燃料電池複合ガスタービンシステムは、燃料電池の排気をガスタービンのタービン途中段へ供給し、ガスタービンの燃焼器へは直接戻さないようにしてある。このため、タービンの翼列段のうち、最も適当な圧力・温度条件を持つ翼列段に燃料電池排気を混入する。これによって、燃料電池の排気で独立したタービンを作用させることを省けるので機器の簡素化に役立つ。
【００２４】
また、請求項８に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記燃料電池の排気によって駆動される燃料電池用タービンを上記燃料電池の後段に備えたことを特徴とする。この燃料電池複合ガスタービンシステムは、燃料電池の排気によって駆動される燃料電池用タービンを備えている。これによって、燃料電池の排気が持つ熱エネルギーを回収し運動エネルギーとして取り出すことができるので、システム全体の効率をより高くできる。
【００２５】
また、請求項９に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記燃料電池用タービンの排気を熱源流体として供給する熱交換手段を上記燃料電池の後段に備えたことを特徴とする。この燃料電池複合ガスタービンシステムは、熱交換手段を燃料電池の後段に設け、燃料電池の排気を熱源流体としてこれに供給するようにしてある。これによって、燃料電池の排気が持つ熱エネルギーを回収できるので、システム全体の効率をより高くできる。この熱交換手段で熱源流体と熱交換させる被加熱流体は、例えば燃料電池の作動流体である空気、酸素、水素を含む燃料がある。
【００２６】
また、請求項１０に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項８に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記燃料電池の排気に燃料を供給してこの排気を燃焼させた後に、当該排気の燃焼ガスを上記燃料電池用タービンへ供給してこれを駆動する燃焼手段を、上記燃料電池と上記燃料電池用タービンとの間に備えたことを特徴とする。
【００２７】
一般に燃料電池は起動から定格運転までに時間を要し、定格運転に移行するまでは安定して高温の排気を得ることが難しい。したがって、燃料電池の起動から定格運転に移行するまでの期間は、燃料電池用タービンから安定した出力を得ることができない。この燃料電池複合ガスタービンシステムは、燃料電池と燃料電池用タービンとの間に燃焼手段を設け、ここで燃料電池の排気に燃料を与えて燃焼させてから燃料電池用タービンへ供給するようにしてある。これによって、燃焼手段で燃料電池の排気を燃焼させることができるので、燃料電池からの排気温度が安定しない期間であっても、十分に温度の高い燃焼ガスを燃料電池用タービンへ供給できる。したがって、燃料電池の状態に関わらず、安定した燃料電池用タービンの出力を得ることができる。
【００２８】
また、請求項１１に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記燃料電池の排気を利用して上記燃料電池の作動流体を加熱する燃料電池排気・流体加熱手段を備えたことを特徴とする。この燃料電池複合ガスタービンシステムは、例えば燃料電池の作動流体加熱手段として熱交換器を用いて、これに燃料電池からの排気を供給し、当該排気と作動流体との間で熱交換させて作動流体を加熱する。これによって、燃料電池の排気を利用して燃料電池の作動温度に適した温度の作動流体を供給でき、また、燃料電池の排気が持つ熱エネルギーを有効に回収してシステム効率を高くできる。なお、燃料電池の排気を利用する形態には、燃料電池の排気で直接作動流体を加熱する他に、燃料電池の排気で蒸気等を生成し、この蒸気によって間接的に作動流体を加熱してもよい。
【００２９】
また、請求項１２に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記燃料電池の排気の一部に上記燃料電池の作動流体を加え、これらを排気循環手段によって上記燃料電池に循環させることを特徴とする。
【００３０】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、燃料電池で電気化学反応を終えた後の燃料等に消費した燃料成分等を補給して再び燃料電池に循環させる。このような構成としたので、燃料電池に供給する新しい作動流体を予熱するための熱交換器等を要しない。
【００３１】
また、請求項１３に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１１に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、上記燃料電池排気・流体加熱手段は、複数の管を同心円状に組合せて最内層の管に熱源流体である燃料電池の排ガスを流し、その外側には被加熱流体を流して両者の間で熱交換させることを特徴とする。
【００３２】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、複数の管を同心円状に組合せて最内層の管に燃料電池の排気を流し、その外側に被加熱流体である燃料電池の作動流体や蒸気を流して両者の間で熱交換させることによって、燃料電池の排気や作動流体を供給する配管と熱交換手段とを共用させるようにしてある。このため、配管の設置スペースを有効に利用でき、また、この配管の寸法によっては燃料電池の作動流体を加熱する熱交換器その他の原料加熱手段が不要になるため、システムの構成を簡略化できる。また、低温の作動流体を最外層とすることで、断熱設計、支持設計をやりやすくしている。
【００３３】
また、請求項１４に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１１または１３に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記燃料電池と上記燃料電池排気・流体加熱手段とを有する燃料電池装置段を複数段直列に配列し、後段の燃料電池装置段に設けられた燃料電池排気・流体加熱手段によって加熱された燃料電池の作動流体を前段の燃料電池装置段に設けられた燃料電池排気・流体加熱手段に供給して加熱し、且つ燃料電池の作動流体を加熱した後の燃料電池排気を後段の燃料電池装置段に設けられた燃料電池に供給することを特徴とする。
【００３４】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、燃料電池を直列に複数配置し、上流側の燃料電池の排気によってこの燃料電池へ供給する作動流体を加熱し、加熱後の燃料電池排気を前記燃料電池の下流側に配置される燃料電池へ供給する。そして、上段の燃料電池で電気化学反応での残余である燃料と酸素成分とを後段の燃料電池で電気化学反応に使用する。このように、燃料電池の排気に残存する燃料と酸素成分によりタービン入口温度が上昇するので、システム効率をより高くできる。また、複数段の燃料電池の後段に設けられた複数段の熱交換器によって、燃料と空気とを段階的に昇温させるため、燃料電池排気と燃料等との熱交換量を分配設計することができる。
【００３５】
また、請求項１５に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、ガスタービンの排気によって蒸気を生成する蒸気発生手段と、この排熱回収手段で生成される蒸気によって上記燃料電池の作動流体を加熱する蒸気・流体加熱手段とを備えたことを特徴とする。
【００３６】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、ガスタービンの排気を蒸気発生手段に供給して蒸気を生成し、この蒸気によって燃料電池の作動流体を加熱するようにしてある。このため、燃料電池作動流体加熱量が少ないうちは生成蒸気で蒸気タービンを運用でき、蒸気の利用比率を自由に制御できる。なお、燃料電池の作動温度によっては、蒸気・流体加熱手段を単独で使用して燃料電池の作動流体を加熱してもよいし、さらに燃料電池排気・流体加熱手段によって作動流体を加熱してもよい。
【００３７】
また、請求項１６に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１５に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記燃料電池排気・流体加熱手段の上段に上記の蒸気・流体加熱手段を備え、上記蒸気・流体加熱手段で加熱した後における燃料電池の作動流体を上記燃料電池排気・流体加熱手段で加熱することを特徴とする。
【００３８】
このようにすれば、蒸気によって予め昇温した作動流体をより高温の燃料電池排気で加熱するので、より燃料電池排気の温度と近い温度の作動流体を得ることができる。
【００３９】
また、請求項１７に係る燃料電池複合ガスタービンシステムは、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、さらに、上記燃料電池の作動流体を上記ガスタービンの排気によって加熱するガスタービン排気流体加熱手段を、予備加熱に用いることを特徴とする。
【００４０】
この燃料電池複合ガスタービンシステムは、燃料電池の予熱にガスタービンの排気が供給される作動流体加熱手段を配置し、これにガスタービンの排気を供給して燃料電池の作動流体を加熱するようにしてある。
【００４１】
【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。
【００４２】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１００は、ガスタービン１０の圧縮機２の途中から圧縮空気の一部を燃料電池２０に供給し、残りをガスタービン１０の燃焼用空気としてガスタービン１０の燃焼器４へ供給する点に特徴がある。
【００４３】
ガスタービン１０は、圧縮機２と、燃焼器４と、タービン６とを備えている。圧縮機２で作られた圧縮空気の一部は途中の圧縮段２ａから抽気され、空気供給系の配管４０を通って、酸化剤として燃料電池２０へ送られる。残りの圧縮空気は燃焼用空気として燃焼器４へ送られて、ここで天然ガス、軽油、重軽油等の燃料が供給されて燃焼し、高温・高圧の燃焼ガスを発生する。この燃焼ガスはタービン６を回転させる。ガスタービン１０を構成するタービン軸８には発電機３０が接続されており、タービン６が回転することによって発電機３０が駆動されて電力が発生する。タービン６を駆動した後の燃焼ガスは排気ｇとしてガスタービン１０の外部へ排出される。
【００４４】
なお、図１（ｂ）に示す燃料電池複合ガスタービンシステム１０１のように、圧縮機２の出口（燃焼器４の前）から燃料電池２０に供給する空気を抽気するようにしてもよい。この場合には、ガスタービン１０の車室から抽気することになる。
【００４５】
この実施の形態においては、ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ：固体酸化物型）の燃料電池２０を用いている。また、ＳＯＦＣ型の燃料電池は、燃料電池自体の発電効率が高く、さらに作動温度も１０００℃前後と高いため、発電後の排気が持つ熱エネルギーを回収・利用することができる。ガスタービンを作動させることでシステム全体としての効率をさらに高くできる。なお、この発明に使用できる燃料電池はこのＳＯＦＣに限らない。今後出てくる燃料電池も含め、この発明の思想で構成できる燃料電池はこの技術の範囲にある。
【００４６】
燃料電池２０には、ガスタービン１０の圧縮機２から抽気された酸化剤である圧縮空気と燃料ｆとが供給され、ここで電気化学反応が起こって電力を発生する。この圧縮空気は、空気中に含まれる酸素を燃料電池２０の酸化剤として使用するものであり、純粋な酸素を混合したものや純酸素を供給してもよい。また、燃料ｆは、水素を主成分とするものであり、メタンガスや天然ガス、液化天然ガス、ジメチルエーテル、メタノールあるいは石炭ガス化ガス等である。以下、燃料電池２０に供給する空気や酸素等の酸化剤とメタンガスや天然ガス等の燃料とをまとめて作動流体とよぶ場合もある。
【００４７】
燃料電池２０の排気は高温・高圧の熱エネルギーを持っているため、これをガスタービン１０に備えられているタービン６の途中の翼列段６ａへ供給して、燃料電池２０の排気が持つ熱エネルギーをガスタービン１０の出力として回収する。なお、このタービン６は、静翼列と動翼列とからなる翼列段を複数備えており、燃料電池２０の排気は二段目以降の翼列段へ供給される。
【００４８】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１００および１０１では、ガスタービン１０の圧縮機２から圧縮空気を抽気して燃料電池２０に供給する。このため、燃料電池２０が必要とする空気量が少ない場合でも燃料電池複合ガスタービンシステムを構成することができる。また、燃料電池２０の種類や仕様等に応じて燃料電池２０に供給する空気量を任意に選択でき、また、圧縮機２からの抽気位置を適切に選択することで、燃料電池２０に供給する空気圧力も自由に選択できる。これによって、燃料電池２０の仕様の制約は全くなくなり、燃料電池複合ガスタービンシステム１００等の設計が容易になり、また、ガスタービン作動条件を制約しないことから高いシステム効率を得ることができる。
【００４９】
さらに、燃料電池複合ガスタービンシステム１００および１０１では、燃料電池２０からの排気をガスタービン１０の燃焼器４へ戻さないので、タービン６の入口における燃焼ガスの温度偏差は従来ガスタービンと何ら変わらない。燃焼器４へ戻すときは温度偏差増大の傾向を持つ。このように、燃料電池２０の排気を燃焼器４の燃焼ガスへ混合する際における熱損失がないので、従来の燃料電池複合ガスタービンシステム９００よりもガスタービンの効率を高くできる。また、タービン６に複数段備えられている翼列段のうち、最も適当な温度条件を持つ翼列段に燃料電池排気を供給できる。このように、燃料電池の排気をガスタービンのタービン６へ供給する際における熱損失を低減することにより、従来の燃料電池複合ガスタービンシステム９００よりもタービン効率低下を低くして、システム効率を高くできる。
【００５０】
また、燃料電池２０の排気をガスタービン１０の燃焼器４へ戻さないので、従来の燃料電池複合ガスタービンシステム９００（図１８参照）のように、起動用の再燃焼器９０５を設ける必要がない。つまり、通常のガスタービンと同じ構成とできるため、まずガスタービン１０を起動し、これが安定運転に入ってから燃料電池２０に供給する空気を抽気して燃料電池２０を作動させるという運用ができる。これによって、システムの立ち上がりはまずガスタービン、次に燃料電池の順次起動が可能になる。なお、この場合には、図示はしないが配管４０（図１参照）の途中に弁等の流量調整手段を設け、これの開度を調整することによって燃料電池２０へ供給される圧縮空気量を調整する。このようにすれば、簡単な手段で燃料電池２０へ供給する圧縮空気量を微調整できる。
【００５１】
また、電力需要が少なくなった場合には燃料電池２０へ供給する空気を一定として、ガスタービン１０のみを部分負荷で発電する等、柔軟な運用ができる。さらに、燃料電池複合ガスタービンシステム９００で必要だったガスタービン起動用の再燃焼器９０５も不要になるのでシステムの構成・制御を簡単にできる。
【００５２】
（変形例）
図２は、実施の形態１の変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０２は、上記実施の形態１に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１００等（図１参照）と略同一の構成であるが、燃料電池２０の排気をガスタービン１０のタービン６の途中段に供給するのではなく、熱交換手段によって燃料電池２０の排気が持つ熱エネルギーを回収する点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。なお、つぎの説明においては、圧縮機２の途中段から燃料電池用の空気を抽気しているが、燃料電池複合ガスタービンシステム１０１（図１（ｂ）参照）のように、圧縮機２の出口と燃焼器４との途中から抽気するようにしてもよい。
【００５３】
図２（ａ）に示すように、この燃料電池複合ガスタービンシステム１０２では、燃料電池２０の下流に熱交換手段である燃料電池用熱交換器５０が備えられている。そして、この燃料電池用熱交換器５０に燃料電池２０の排気を熱源流体として供給し、当該排気が持つ熱エネルギーを回収する。熱エネルギーを回収した後の排気は温度が下がっているので、ガスタービン１０の排気と合流させて系外へ排出する。なお、別々に排気系をもって系外へ排出してもよい。
【００５４】
この燃料電池用熱交換器５０では、ＨＸで燃料電池２０に供給する燃料と空気とを加熱することができる。このようにすると、特に高温下で作動するＳＯＦＣ型の燃料電池を使用する場合には好ましい。また、図２（ｂ）に示すように、ガスタービン１０の排気側のガスタービン用熱交換器５１で燃料と空気を加熱することも可能である。燃料電池用空気・燃料の加熱量が不足するときは、他の熱源としてガスタービン用熱交換器５１も参入させる。
【００５５】
なお、燃料電池用熱交換器５０で熱エネルギーが回収された後における燃料電池２０の排気は、ガスタービン１０に設けられているガスタービン用熱交換器５１の下流に合流させて、あるいは別々に系外へ排出する。
【００５６】
燃料電池やガスタービンの排気は温度が高いため、蒸気を使用する場合と比較して、燃料電池２０の作動流体を作動温度まで加熱することに適している。ここで、燃料電池２０の排熱をガスタービン１０と干渉させずに利用する例が図２（ａ）である。また、２つの熱源を干渉させることなく利用できるのが図２（ｂ）で、共にシステムの設計と運用をやりやすくしている。
【００５７】
（実施の形態２）
図３は、この発明の実施の形態２に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０４は、上記実施の形態１に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１００（図１参照）と略同一の構成であるが、燃料電池２０の排気によって駆動される燃料電池用タービンを燃料電池２０の後段に備えた点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。なお、実施の形態２に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０４においては、上記実施の形態１で開示した燃料電池複合ガスタービンシステム１００等を適用することができる。
【００５８】
燃料電池２０の後段である下流側には燃料電池用タービンである補助タービン１２が備えられており、燃料電池２０の排気によって駆動される。補助タービン１２には発電機３２が接続されているので、補助タービン１２が駆動されると発電機３２から電力が発生する。補助タービン１２を駆動した後の排気は、ガスタービン１０の排気と混合される。なお、別々に排気系をもって排気を系外へ排出してもよい。
【００５９】
実施の形態１に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１００等では燃料電池２０の排気をガスタービン１０等の途中段に供給しているが（図１参照）、この燃料電池複合ガスタービンシステム１０４では、補助タービン１２で燃料電池２０の排気が持つ熱エネルギーを直接出力に変換する。燃料電池２０の作動状況が変化して、燃料電池２０の排気条件（温度や圧力）が変化したときでも、ガスタービン１０はこの影響を受けない。
【００６０】
なお、図３（ｂ）に示すように、補助タービン１２の下流に熱交換手段である燃料電池排気用熱交換器５２を設け、補助タービン１２を駆動した後の排気に残存する熱エネルギーを回収してもよい。このようにすると、燃料電池２０の排気が持つ熱エネルギーをより有効に回収できる。この燃料電池排気用熱交換器５２は、例えば燃料電池２０に供給する空気や燃料を加熱するために使用できる。
【００６１】
また、実施の形態１の変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０３のように（図２（ｂ）参照）、ガスタービン１０のタービン６下流に熱交換手段であるガスタービン用熱交換器５１を設けて、ガスタービン１０の排気が持つ熱エネルギー回収を併用して燃料電池用作動流体（燃料、酸化剤）を加熱してもよい。
【００６２】
（実施の形態３）
図４は、この発明の実施の形態３に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０５は、上記実施の形態２に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０４（図３参照）と略同一の構成であるが、燃料電池２０と燃料電池用タービンである補助タービン１２との間に、燃料電池の排気に燃料を供給して燃焼させる燃焼手段を備えた点が異なる。その他の構成は実施の形態２と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。なお、実施の形態３に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０５においては、上記実施の形態１または２で開示した燃料電池複合ガスタービンシステム１００等を適用することができる。
【００６３】
図４（ａ）に示すように、燃料電池２０と補助タービン１２との間には、燃焼手段である補助タービン用燃焼器１２ｃが備えられている。燃料電池２０の排気はまず補助タービン用燃焼器１２ｃへ導かれてから、補助タービン１２へ噴射される。燃料電池２０の排気温度が低い場合には、補助タービン用燃焼器１２ｃで前記排気に燃料ｆを供給してこれを燃焼させる。これによって、燃料電池２０の排気温度を昇温させてから補助タービン１２へ噴射して、これを駆動する。また、補助タービン用燃焼器１２ｃで燃料電池２０の排気に供給する燃料ｆの量を調整することによって、補助タービン１２に供給する燃焼ガスの温度を調整できる。
【００６４】
補助タービン１２には発電機３２が接続されているので、補助タービン１２が駆動されると電力が発生する。補助タービン１２を駆動した後の燃焼ガスは、ガスタービン１０の排気に混入される。なお、別々に排気系をもっても良い。燃料電池２０の排気温度が十分に高くなっている場合には、補助タービン用燃焼器１２ｃで燃料が供給されずに排気はここをそのまま通って補助タービン１２へ噴射される。
【００６５】
燃料電池２０の起動直後のように、まだ燃料電池２０の排気温度が低い場合には、補助タービン用燃焼器１２ｃでこの排気に燃料ｆを噴射して燃焼させ、高温にしてから補助タービン１２へ噴射する。燃料電池２０の出力が安定し、排気温度が高くなってきたら燃料の供給を下げて、あるいは止めて直接燃料電池２０の排気を補助タービン１２へ供給する。このようにすることで、燃料電池２０の運転状況が変化しても、補助タービン１２の入口温度を一定の温度に維持することができるので、安定して補助タービン１２の出力を得ることができる。
【００６６】
また、一般に燃料電池２０は起動から定格運転までに時間を要するので、定格運転に移行するまでは安定して高温の排気を得ることが難しい。したがって、燃料電池２０の起動から定格運転に移行するまでの期間は、補助タービン用燃焼器１２ｃで補助タービン１２から安定した出力を得ることができない。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０５は、補助タービン用燃焼器１２ｃで燃料電池２０の排気を燃焼させることができるので、燃料電池２０からの排気温度が安定しない期間であっても、十分に温度の高い燃焼ガスを補助タービン１２へ供給できる。したがって、燃料電池２０の状態に関わらず、安定した補助タービン１２の出力を得ることができる。
【００６７】
さらに、夏場の午後のように電力需要が変動し、あるいは上昇するときには、補助タービン用燃焼器１２ｃへ燃料を供給して燃料電池２０の排気を燃焼させることで、補助タービン１２から所与の出力を得ることができる。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０５では、このような補助タービン用燃焼器１２ｃに供給する燃料量を調整することによって補助タービン１２の出力を調整することで、電力需要に応じた柔軟な運用ができる。
【００６８】
ここで、図４（ｂ）に示すように、補助タービン１２の後段やガスタービン１０の後段に熱交換手段である燃料電池排気用熱交換器５２やガスタービン用熱交換器５１を設け、これらの排気が持つ熱エネルギーを回収するようにしてもよい。このようにすれば、排気の持つ熱エネルギーを自由に回収計画できるので、システムの最適化に役立つ。
【００６９】
（実施の形態４）
図５は、この発明の実施の形態４に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０６は、上記実施の形態２に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０４（図３参照）と略同一の構成であるが、つぎの点でこれと異なる。すなわち、この燃料電池複合ガスタービンシステム１０６は、燃料電池２０の排気中に含まれる燃料排気と空気排気とを燃料排気通路４１ｆと空気排気通路４１ａとを使用して別々に排出させ、これを燃料電池２０と補助タービン１２との間に設けた補助タービン用燃焼器１２ｃで混合させる。また、燃料排気通路４１ｆと空気排気通路４１ａとに備えた燃料電池排気・流体加熱手段に燃料電池２０も排気を供給して、燃料電池２０の作動流体である燃料と空気とを燃料電池２０の作動に必要な温度まで加熱する。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。なお、実施の形態４に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０６においては、上記実施の形態１〜３で開示した燃料電池複合ガスタービンシステム１００等を適用することができる。
【００７０】
燃料電池２０で電気化学反応ののちの燃料と空気とは、燃料排気は燃料排気通路４１ｆへ導かれ、空気排気は空気排気通路４１ａへ導かれる。燃料排気通路４１ｆと空気排気通路４１ａとには、燃料電池排気・流体加熱手段である燃料用熱交換器５３ｆと空気用熱交換器５３ａとがそれぞれ設けられている。また、燃料用熱交換器５３ｆには燃料電池２０の作動流体である燃料が供給され、また、空気用熱交換器５３ａには同じく燃料電池２０の作動流体である空気が供給される。そして、電気化学反応後の燃料排気と空気排気との持つ熱エネルギーによって燃料電池２０へ供給する燃料と空気とを加熱する。
【００７１】
燃料電池２０へ供給する作動流体を加熱した後の燃料排気と空気排気は補助タービン用燃焼器１２ｃへ導かれ、ここで両者が混合され、残燃料と残酸素あるときは燃焼が行われる。補助タービン用燃焼器１２ｃでは必要に応じて燃料ｆが供給されて燃焼され補助タービン１２へ供給されてこれを駆動する。補助タービン１２の排気は、熱源流体として第三燃料用熱交換器５４ｆと第三空気用熱交換器５４ａとに供給されて、燃料電池２０の作動流体である燃料と空気とを予熱する。このように、段階的に燃料電池２０の作動流体である燃料と空気とを加熱するので、熱交換１基あたりの熱負荷を少なくできる。
【００７２】
（変形例１）
図６は、実施の形態４の第１変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０７は、上記実施の形態４に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０６（図５参照）と略同一の構成であるが、次の点でこれと異なる。すなわち、燃料電池と燃料電池排気・流体加熱手段とからなる燃料電池装置段を複数段備え、上流の燃料電池段に設けられた燃料電池に供給する作動流体を加熱した後の排気を、つぎの燃料電池段に設けられた燃料電池へ供給する。また、後段の燃料電池装置に設けられた燃料電池排気・流体加熱手段によって加熱された燃料電池の作動流体を、前段の燃料電池装置段に設けられた燃料電池排気・流体加熱手段に供給して加熱する。その他の構成は実施の形態４と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。
【００７３】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１０７には、２個の燃料電池２０ａおよび２０ｂが備えられている。なお、燃料電池の個数は２個に限定されるものではなく、システムの仕様等により燃料電池の個数を適宜変更できる。そして、システムに使用する燃料電池それぞれに対応して、それぞれの燃料電池の後段に燃料用熱交換器と空気用熱交換器が設けられる。すなわち、燃料電池２０ａと燃料電池排気・流体加熱手段である燃料用熱交換器５３ｆおよび空気用熱交換器５３ａとによって、第一段の燃料電池装置段ＦＣ１が構成される。また、燃料電池２０ｂと燃料電池排気・流体加熱手段である第二燃料用熱交換器５５ｆおよび第二空気用熱交換器５５ａと共に、第二段目の燃料電池装置段ＦＣ２が構成される。第一段、すなわち第一段の燃料電池装置段ＦＣ１に設けられている燃料電池２０ａ（以下第一段の燃料電池２０ａ）において電気化学反応を起こした後の燃料排気と空気排気とは、燃料用熱交換器５３ｆと空気用熱交換器５３ａに送られる。そして、ここで燃料電池２０ａに供給する作動流体を加熱する。
【００７４】
なお、上流側の燃料電池２０ａへ供給される作動流体は、補助タービン１２の後段に備えられた第三燃料用熱交換器５４ｆと第三空気用熱交換器５４ａとで加熱される。次に第二段の燃料電池装置段ＦＣ２に設けられている燃料電池２０ｂ（以下第二段の燃料電池２０ｂ）の後段に配置された第二燃料用熱交換器５５ｆと第二空気用熱交換器５５ａとで加熱される。その後、燃料用熱交換器５３ｆと空気用熱交換器５３ａでさらに加熱される。
【００７５】
燃料電池２０ａの作動温度まで加熱された作動流体は、第一段の燃料電池２０ａへ供給されて、ここで電気化学反応を起こして電力を発生する。一方、作動流体を加熱した後の空気排気は、第二段の燃料電池２０ｂへ供給される。第二段の燃料電池２０ｂに供給された作動流体は、ここで電気化学反応を起こして電力を発生する。
【００７６】
なお、第一段の燃料電池２０ａから排出される燃料排気には、第一段の燃料電池２０ａで消費された燃料分を補う分量の燃料が供給されてから第二段の燃料電池２０ｂへ供給される。この新たに供給される燃料は、第二段の燃料電池２０ｂの後段に設けられた第二燃料用熱交換器５５ｆで加熱されてから第二段の燃料電池２０ｂへ供給される。第二段の燃料電池２０ｂに供給された燃料と空気とはここで電気化学反応を起こして電力を発生する。電気化学反応後の燃料排気と空気排気とは、それぞれ第二燃料用熱交換器５５ｆと第二空気用熱交換器５５ａとに供給されて、第二段の燃料電池２０ｂへ供給される燃料と空気用熱交換器５３ａを送給する空気とを加熱する。
【００７７】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１０７は、複数の燃料電池を備え、上段に備えられた燃料電池で電気化学反応を起こした後の燃料排気と空気排気とを、下流段に備えられた燃料電池の作動流体として供給する。そして、上段の燃料電池で電気化学反応に使用されなかった燃料成分と空気成分とを後段の燃料電池で電気化学反応に使用する。このように、燃料と空気とを有効に使用できるので、システム効率をより高くできる。また、燃料電池とその後段に備えられた熱交換手段で構成される燃料電池装置段を複数備えることによって、燃料と空気とを段階的に昇温させるため、熱交換器当たりの熱負荷は小さくなり熱計画しやすい。
【００７８】
（変形例２）
図７は、実施の形態４の第２変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０８は、上記実施の形態４に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０６（図５参照）と略同一の構成であるが、燃料電池２０の作動流体を加熱する熱交換器の代わりに、燃料電池２０の排気の一部に燃料電池の作動流体を加えながら燃料電池２０を循環させる点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。
【００７９】
燃料電池２０に取り付けられている燃料排気通路４１ｆと空気排気通路４１ａとには、燃料通路分岐部分４２ｆと空気通路分岐部分４２ａとが設けられている。この分岐部分から燃料電池２０で電気化学反応を終えた燃料排気と空気排気とが分岐されて、排気循環手段である燃料用ブロワ９７ｆおよび空気用ブロワ９７ａによって再び燃料電池２０へ戻される。このときに、新しい燃料および空気が電気化学反応を終えた燃料排気および空気排気に供給されて、これらと混合される。ここで、電気化学反応を終えた燃料排気および空気排気には、まだ電気化学反応に供することのできる燃料成分（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）とが残存している。したがって、新しい燃料と空気とは、この燃料成分と酸素との残存量を考慮した量を混合する。
【００８０】
例えば、図７（ｂ）に示すように、燃料通路分岐部分４２ｆおよび空気通路分岐部分４２ａ（図７（ａ）参照）には、分岐させる燃料排気と空気排気との量を調整する流量調整手段である三方弁９８が設けられている（なお、図７（ｂ）には空気通路分岐部分４２ａのみ示す）。この三方弁９８の開度を調整することによって、燃料用ブロワ９７ｆ等へ分岐させて燃料電池２０へ再び戻す燃料排気と空気排気との量が調整できる。なお、図示はしないが、三方弁９８の代わりにロータリーバルブや複数の弁を組み合わせて分岐させる燃料排気等の量を調整してもよい。特に、複数の弁を組み合わせた場合には、構造はやや複雑になるが、三方弁９８やロータリーバルブを使用する場合と比較して、より精密に分岐量を制御できる。
【００８１】
燃料通路分岐部分４２ｆおよび空気通路分岐部分４２ａで分岐された燃料排気と空気排気とは、新たな燃料ｆおよび空気ａが混合されて、燃料電池２０へ供給される。そして、燃料電池２０で電気化学反応を起こして電力を発生する。電気化学反応を終えた燃料排気と空気排気とは温度が高いため、これらと混合される新しい燃料と空気との温度が上昇する。なお、混合される新しい燃料等の混合を促進して温度分布を小さくするため、燃料用ブロワ９７ｆや空気用ブロワ９７ａの下流における流路内には、例えば、スワーラ等の攪拌手段を設けることが好ましい。
【００８２】
また、図７（ａ）に示すように、燃料電池用タービンである補助タービン１２の後段に設けた第三燃料用熱交換器５４ｆおよび第三空気用熱交換器５４ａによって、補助タービン１２の排気を利用して新たに燃料電池２０へ供給する燃料と空気とを予熱することができる。この場合、混合後所定温度に管理するとき多量の新たな燃料と空気を混合することが可能となる。
【００８３】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１０８は、燃料電池２０で電気化学反応を終えた後の燃料等に消費した燃料成分等を補給して再び燃料電池２０に循環させる。このような構成としたので、実施の形態４に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０６のように、新しい燃料等を予熱するための燃料用熱交換器５３ｆ等を要しない。
【００８４】
（変形例３）
図８は、実施の形態４の第３変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１０９は、上記実施の形態４に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０６（図５参照）と略同一の構成であるが、燃料電池２０の作動流体を加熱する際に、燃料電池２０の排気に加えてガスタービン１０の排気も使用する点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。
【００８５】
燃料電池２０へ供給する作動流体である燃料と空気とは、燃料排気通路４１ｆと空気排気通路４１ａとに設けられた燃料用熱交換器５３ｆと空気用熱交換器５３ａとで加熱される。なお、図８に示すように、燃料電池用タービンである補助タービン１２の排気によって新しい燃料と空気とを予熱しておくことも可能である。
【００８６】
燃料用熱交換器５３ｆおよび空気用熱交換器５３ａと、燃料電池２０とは燃料供給流路４３ｆと空気供給流路４３ａとでつながれている。燃料用タービン排気熱交換器５６ｆと空気用タービン排気熱交換器５６ａとにはガスタービン１０の排気が供給されて、この熱エネルギーによって熱交換器５４ｆ、５４ａと同じ条件で燃料と空気とを加熱する。
【００８７】
ガスタービン１０の排気は温度が高いため、燃料電池２０の種類によっては燃料電池２０の排気を使用する場合よりも高い温度まで作動流体を加熱できる。したがって、燃料電池２０の種類や仕様等によって、燃料電池２０の排気だけでは作動流体を十分に加熱できない場合には、ガスタービン１０の排気を使用することで燃料電池２０の作動に必要な温度まで作動流体を昇温させることができる。
【００８８】
（実施の形態５）
図９は、実施の形態５に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１１０は、上記実施の形態４に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０６（図５参照）と略同一の構成であるが、つぎの点でこれと異なる。すなわち、ガスタービン１０の排気と補助タービン１２の排気との後段に蒸気発生手段であるＨＲＳＧ（Ｈｅａｔ　Ｒｅｃｏｖｅｒｙ　Ｓｔｅａｍ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：排熱回収ボイラ）を設け、ここで発生させた蒸気を蒸気タービン１５等に供給してこれらを駆動する。そして、燃料電池２０の作動流体である燃料と空気とをこの蒸気によって加熱する。その他の構成は実施の形態４と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。なお、実施の形態５に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１１０においては、上記実施の形態１〜４で開示した燃料電池複合ガスタービンシステム１００等を適用することができる。
【００８９】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１１０では、ガスタービン１０の排気をガスタービン用ＨＲＳＧ５７へ供給してここで蒸気を生成する。この蒸気は、ガスタービン用ＨＲＳＧ５７と蒸気タービン１５とをつなぐ配管４４を通って蒸気タービン１５へ供給され、これを駆動する。そして、蒸気タービン１５に接続された発電機３４によって電力を発生する。
【００９０】
前記配管４４は途中に設けられた分岐部分４４ｂ（図９（ａ）中点線で囲んだ部分）で、蒸気タービン１５側と第三燃料用熱交換器５４ｆ等側とに分岐されている。ガスタービン用ＨＲＳＧ５７で生成された蒸気の一部は配管４４ａを通って、蒸気原料加熱手段である第三燃料用熱交換器５４ｆおよび第三空気用熱交換器５４ａへ供給される。そして、ここで燃料電池２０の作動流体である燃料と空気とを予熱する。
【００９１】
なお、図示はしないが、上記分岐部分に例えば三方弁やロータリーバルブ等分岐流量調整手段を設け、これによって蒸気タービン１５側と第三燃料用熱交換器５４ｆ等側との蒸気配分量を調整してもよい。このようにすると、蒸気タービン１５の負荷に応じて供給される蒸気量を調整できるので好ましい。また、補助タービン１２に使用するタービン翼を冷却する場合には、ガスタービン１０の圧縮機２で作られた圧縮空気やガスタービン用ＨＲＳＧ５７で作られた蒸気を使用してもよい。
【００９２】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１１０では、燃料電池２０および補助タービン１２を作動させる前にガスタービン１０を起動する。そして、ガスタービン１０、ガスタービン用ＨＲＳＧ５７および蒸気タービン１５からなるガスタービン複合システムを安定させる。その後に、ガスタービン用ＨＲＳＧ５７から供給される蒸気を使って燃料電池２０の作動流体を加熱し、燃料電池２０および補助タービン１２を起動する。
【００９３】
この構成により、ＨＲＳＧ５７から必要な加熱蒸気を、配管４４ａを介して第三空気用熱交換器５４ａと第三燃料用熱交換器５４ｆとに送ることができることから、燃料電池２０および補助タービン１２が定格運転に移行するまでの過渡的な状態においても、燃料電池２０の作動流体を任意に必要な条件で加熱することができる。つまり、燃料電池２０の作動流体を加熱する熱源を独立して併設してあるため、燃料電池２０はその起動から定格運転までガスタービンの影響（干渉）を受けることなく安定して移行でき、システムの信頼性を高くできる。
【００９４】
ここで、図９（ａ）に示すように、燃料電池２０の排気によって駆動される補助タービン１２の後段に補助タービン用ＨＲＳＧ５８を設けて、ここで補助タービン１２の排気が持つ熱エネルギーを回収するようにしてもよい。このようにすると、補助タービン１２の排気が持つ熱エネルギーをより有効に蒸気タービン出力に回収でき、その分、システムの効率を高くできる。
【００９５】
このときには、図９（ａ）に示すように、配管４４ａを介して補助タービン用ＨＲＳＧ５８で生成された蒸気を配管４４へ供給して、ガスタービン用ＨＲＳＧ５７で生成される蒸気とともに蒸気タービン１５でその熱エネルギーを出力に変換する。なお、燃料電池２０の起動にはある程度時間を要するので、燃料電池２０が定格運転となって安定して補助タービン用ＨＲＳＧ５８から蒸気を得ることができるようになるまでは、弁９９を閉じて過渡条件での蒸気を復水器へ逃がす。そして、補助タービン用ＨＲＳＧ５８で十分に蒸気を発生することができるようになってから、弁９９を開けて蒸気タービン１５へ蒸気を供給する。
【００９６】
なお、補助タービン１２の排気温度によっては、補助タービン用ＨＲＳＧ５８で生成される蒸気の条件が蒸気タービン１５の入口蒸気条件と適合しない場合がある。このような場合には、図９（ｂ）に示すように、蒸気タービン１５の低圧蒸気タービン１５Ｌ、中圧蒸気タービン１５Ｉ、高圧蒸気タービン１５Ｈの段落のうち、最も適当な入口条件の蒸気タービンに補助タービン用ＨＲＳＧ５８の蒸気を供給する。図９（ｂ）においては、低圧蒸気タービン１５Ｌに供給している。さらに、図示はしないが補助タービン用ＨＲＳＧ５８で生成される蒸気の温度条件に適した蒸気タービンを別個に用意してもよい。
【００９７】
（実施の形態６）
図１０は、実施の形態６に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１１１は、実施の形態２に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０４（図３参照）と略同一の構成であるが、ガスタービン１０の排気と補助タービン１２の排気とを再びガスタービン１０の圧縮機２へ供給する点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。なお、実施の形態６に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１１１においては、上記実施の形態１〜５で開示した燃料電池複合ガスタービンシステム１００等を適用することができる。
【００９８】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１１１のガスタービン１０は、いわゆるＣＢＣ（Ｃｌｏｓｅｄ　Ｂｒａｙｔｏｎ　Ｃｙｃｌｅ：閉サイクルガスタービン）である。これは、ガスタービン１０の排気と補助タービン１２を駆動した燃料電池２０の排気との混合流体をガスタービン１１の圧縮機２へ作動流体として再び戻すものである。ガスタービン１０の圧縮機２へ戻されたガスタービン排気はここで圧縮された後、圧縮機出口で分岐され、ガスタービン１０の燃焼器４と燃料電池２０とへ供給される。
【００９９】
なお、この例においては、燃料電池２０の作動圧力条件に応じて最適な圧力の作動流体を燃料電池２０に供給するために、圧縮機２の途中段から燃料電池２０へ供給する作動流体を抽気している。また、実施の形態１に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１０１（図１（ｂ）参照）のように、圧縮機２の出口と燃焼器４との途中から作動流体を抽気するようにしてもよい。さらに、図示はしないが、圧縮機２で生成された作動流体の一部は必要に応じてガスタービン１０の翼冷却に使用している。
【０１００】
ガスタービン１０の燃焼器４に供給された作動流体には燃料ｆと酸素ｏとが与えられて燃焼し、タービン６を駆動する。そして、タービン６を駆動した後の燃焼ガスは、ガスタービン用熱交換器５１で熱回収される。その後、混合流体循環系である配管４５に設けられた合流部４５ａで燃料電池排気と合流する。
【０１０１】
また、燃料電池２０には燃料電池の作動流体である燃料ｆ１と酸素ｏ１とが供給されて、燃料電池２０へ供給される作動流体と共に燃料電池２０内で電気化学反応を起こして電力を発生する。電気化学反応後の作動流体と燃料ｆ１と酸素ｏ１とは燃料電池排気となって、燃料電池２０の下流に設けられた燃料電池排気用熱交換器５２へ送られる。熱交換器５２においては、ここで燃料電池２０の作動流体の加熱、あるいは蒸気発生によって、燃料電池排気の持つ熱エネルギーを回収する。熱エネルギーが回収された後の燃料電池排気は、混合流体循環系である配管４５へ導かれる。そして、配管４５に設けられた合流部４５ａでガスタービン排気と合流した後、ガスタービン１０の圧縮機２へ作動流体として再び供給される。なお、ここでいう作動流体は、ガスタービン１０の排気と燃料電池２０の排気、あるいは補助タービン１２を駆動したあとの排気との混合流体である。
【０１０２】
ガスタービン１０の燃焼器４で燃料ｆと酸素ｏとが燃焼し、また、燃料電池２０では燃料ｆ１と酸素ｏ１とが供給されるので、これらの分だけガスタービン１０および燃料電池２０の排気が混合した混合流体（作動流体）の質量が増加する。したがって、圧縮機２の上流に設けられた抽気手段である抽気設備３６によって、系外へ排出する。さらにガスタービン排気系、燃料電池排気系のいずれかの場所を指定して抽気すればよい。
【０１０３】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１１１では、ガスタービン１０の圧縮機２で圧縮した作動流体の一部を燃料電池２０へ供給する。また、ＣＢＣガスタービンによって作動流体を循環させるので作動流体の持つエネルギーをより多く回収でき、さらに、発電効率の高い燃料電池２０を使用するため、両者の相互作用によってシステムの効率を高くすることができる。さらに、ＣＢＣガスタービンからの抽気量は燃料と酸素の量に見合ったもので、通常の煙突への全排気量より大幅に少なく、環境負荷を低減できる。
【０１０４】
なお、図１０（ｂ）は、燃料電池２０の下流に補助タービン１２を備えて、燃料電池排気を補助タービン１２へ供給しこれを駆動する場合を示す。この場合は、燃料電池排気の持つ熱エネルギーを発電出力に変換して回収する。ここで、燃料電池排気の温度が低い場合には、燃料電池２０と補助タービン１２との間に燃焼器を設け、ここで燃料と酸素を供給して補助タービン１２の入口温度を高める。
（変形例）
【０１０５】
図１１は、実施の形態６の変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１１２は、実施の形態６に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１１１（図１０参照）と略同一の構成であるが、さらに、ガスタービン１０および燃料電池２０の燃料および酸化剤として液体燃料と液化酸化剤を用い、これらを液相で加圧して蒸気を生成し膨張タービンを駆動する点が異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なのでその説明を省略すると共に、同一の構成要素には同一の符号を付する。
【０１０６】
この例においては、液体燃料として液化天然ガス（ＬＮＧ）やＤＭＥ（ジメチルエーテル）、エタノール等を、液体酸化剤として液体酸素（Ｌ−Ｏ２）を使用する。ガスタービン１１の排気は、ガスタービン用ＨＲＳＧ５７と液化天然ガス用熱交換器５１ｍと酸素用熱交換器５１ｏとに供給される。液化天然ガスタンク２６、２８および液体酸素タンク２７、２９から送給した流体は、各気化器Ａ、Ｃ、Ｂ、Ｄで気化される。そして５１ｍ、５２ｍ、５１ｏ、５２ｏで昇温したのち膨張タービンのメタンタービン１６と酸素タービン１７を駆動する。
【０１０７】
メタンタービン１６等を駆動した後の天然ガスと酸素とは、ガスタービン１１の圧縮機２で生成された高温・高圧の圧縮作動流体の一部（翼冷却系）で熱交換して温度を上昇させた後、燃焼器４へ供給されて燃焼する。燃焼器４で燃焼した天然ガスと酸素と作動流体とは、高温・高圧の燃焼ガスとなってタービン６に噴射され、これを駆動する。
【０１０８】
タービン６を駆動したあとのガスタービン排気は、上述したようにガスタービン用ＨＲＳＧ５７と液化天然ガス用熱交換器５１ｍ等とに供給されて熱交換等する。その後、混合流体循環系である配管４５を通り、ここに設けられた合流部４５ａで、後述する燃料電池２０の排気と合流し、作動流体として再び圧縮機２へ戻される。
【０１０９】
ＨＲＳＧ５７では、ガスタービン１１の排気を利用して蒸気を生成する。そして、この蒸気を蒸気タービン（図示せず）に供給してこれを駆動し、蒸気タービン（図示せず）に接続された発電機によって電力を発生する。
【０１１０】
そこで、ＨＲＳＧ５７で生成される何段階かの温度レベルを持つ蒸気のうち、最も温度の低い蒸気を利用して、前記液化天然ガス等を加熱してもよい。このようにすると、ガスタービン１０の排気を使用するよりも加熱量の制御が蒸気量の制御で行えて調整・運用の裕度が高まる。
【０１１１】
次に、燃料電池２０側について説明する。燃料電池２０の作動流体としては、ガスタービン１０の燃料等と同様にある。燃料電池２０の排気は燃料電池用タービンである補助タービン１２へ送られてこれを駆動し、補助タービン１２に接続されている発電機３２によって電力を発生する。補助タービン１２を駆動した後の燃料電池排気は、補助タービン用ＨＲＳＧ５８と燃料用熱交換器５２ｍと酸素用熱交換器５２ｏと蒸気設備３７とに供給される。液化天然ガスタンク２８および液体酸素タンク２９からは、熱交換器ＣとＤへ液化天然ガスおよび液体酸素が供給され、ここで気化される。
【０１１２】
液化天然ガス等は、液相において高圧としたのち気化ならびに昇温する。その高温・高圧の気体によって膨張タービンであるメタンタービン１８と酸素タービン１９とを駆動する。膨張タービンを駆動した後の天然ガスと酸素とは、補助タービン１２の排気と熱交換して温度を上昇させた後、燃料電池２０へ供給され、ここで電気化学反応により発電を行う。なお、このときには、燃料電池２０の作動流体とするため、ガスタービン１０の圧縮機２から圧縮後の流体が供給される。
【０１１３】
燃料電池排気は補助タービン１２へ供給される。補助タービン１２を駆動したあとの排気は、上述したように補助タービン用ＨＲＳＧ５８と天然ガス用熱交換器５２ｍ等と翼冷却蒸気ＨＲＳＧ３７とに供給されて熱回収される。その後、配管４５を通って、熱回収した後のガスタービン排気と合流部４５ａで合流した後、作動流体としてガスタービン１０の圧縮機２へ戻される。
【０１１４】
翼冷却蒸気ＨＲＳＧ３７では、補助タービン１２の排気の一部を用いて、補助タービン１２の翼冷却用蒸気を生成する。ここで、補助タービン１２の翼を冷却した後の蒸気Ｓｃは蒸気タービン（図示せず）に供給して発電を行う。また、翼冷却後の蒸気（Ｓ１）は、ガスタービン用ＨＲＳＧ５７および蒸気タービン（図示せず）へ供給することができる。
【０１１５】
さらに、翼冷却後の蒸気（Ｓ０）を燃料電池２０の冷却に使用するとき、高温の蒸気（Ｓ２）としてＨＲＳＧ５７や蒸気タービン系（図示せず）に供給する。つまり、翼回収熱量と燃料電池２０の冷却回収熱を発電出力に変換することにより、システム効率をさらに向上できる。
【０１１６】
この燃料電池複合ガスタービンシステム１１２は閉サイクルであるため、ガスタービン１０や燃料電池２０の燃料として液化天然ガス等を供給するとき、その分だけ作動流体の質量が増える。このため、作動流体の質量増加分を抽気設備３６によって系外へ取り出す必要がある。ここで、この系外へ取り出した作動流体を、上述の翼冷却蒸気ＨＲＳＧ３７からの蒸気（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２）に代えて補助タービン１２と燃料電池２０の冷却流体として使用するとき、それ自体は昇温するので熱利用先Ｘにおいて、その回収熱を蒸気系以外に活用することができる。また、循環流体と同一の組成で補助タービン１２と燃料電池２０を冷却するため、蒸気冷却に比べてリークやシールを簡便に処理することができる。
【０１１７】
（実施の形態７）
図１２は、実施の形態７に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。この燃料電池複合ガスタービンシステム１１３は、燃料電池２０の作動流体を加熱する作動流体加熱手段を、燃料電池２０の排気を補助タービン１２や熱交換器５９等へ導くダクト等の配管に組み込んだ点に特徴がある。なお、実施の形態７に係る燃料電池複合ガスタービンシステム１１３においては、上記実施の形態１〜６で開示した燃料電池複合ガスタービンシステム１００等を適用することができる。
【０１１８】
図１２（ｂ）は、燃料電池２０の排気ｇ１を熱交換器５９へ導くための配管である熱交換ダクト６０を示す断面図である。この熱交換ダクト６０ｆおよび６０ａは、熱源流体である燃料電池２０の排気ｇ１が通る内管６０ｆｉまたは６０ａｉの外側に、被加熱流体である燃料電池２０の作動流体が通る外管６０ｆｏまたは６０ａｏを備えた二重管となっている。なお、この熱交換ダクト６０ｆおよび６０ａは、燃料電池２０の排気ｇ１によって作動流体を加熱する燃料電池排気流体加熱器である。
【０１１９】
図１２（ａ）に示すように、燃料電池２０からは、燃料排気と空気排気が一体に排出しているが、別々に排出しても構成できる。同図（ｂ）および（ｃ）に示すように、それぞれの排気ｇ１は、燃料排気用の熱交換ダクト６０ｆおよび空気排気用の熱交換ダクト６０ａの最内層である内管６０ｆｉおよび内管６０ａｉへ導かれる。内管６０ｆｉおよび内管６０ａｉと外管６０ｆｏおよび外管６０ａｏとの間の空間には、それぞれ被加熱流体である燃料ｆ１と空気ａ１とが供給される。そして、被加熱流体がこの空間を流れる間に燃料排気および空気排気から熱回収して昇温する。温度を上昇させたのち燃料ｆ１と空気ａ１とを燃料電池２０へ供給する。
【０１２０】
また、図１２（ｃ）に示すように、熱交換ダクト６０’の外管６０ｏと内管６０ｉとの間の空間に設けられた仕切り板６０ｔによって、熱交換ダクト６０’の前記空間を二つに仕切り、それぞれの空間に燃料ｆ１と空気ａ１とを流すようにしてもよい。このようにすると、一つの熱交換ダクトによって燃料ｆ１と空気ａ１ととを加熱できるので、熱交換ダクトが一つで済み、設置スペースを小さくできる。このとき、図１３に後述するように、内管６０ｉに伝熱フィンを設けて、排気ｇ１と燃料ｆ１および空気ａ１との伝熱を促進させるなどの工夫をとり入れて、伝熱効率を高めることができる。これにより、熱交換ダクト６０’の外径寸法を小さくでき、また、同じ外径寸法の伝熱ダクトであれば、より熱交換量を大きくできる。
【０１２１】
なお、この熱交換ダクト６０ｆ、６０ａおよび６０’においては、高温の熱源流体である燃料電池２０の排気の外側を低温の被加熱流体である作動流体が取り囲むようにしてある。この結果、支持や断熱処置はより低温の外配管について行えるため、安全性の高い設計ができる。
【０１２２】
温度の高い燃料電池の排気を単独でダクト内を流す場合と比較して外管６０ｏの壁面における伝熱温度勾配を小さくできる。つまり、単独ダクト内を流す場合と比較して、外管６０ｏに作用する熱応力も小さくできるので、外管６０ｏの材料の選択や設計に余裕を持たせることができる。また、内管６０ｉ内には高温の燃料電池排気が流れるが、この外部に燃料ｆ１や空気ａ１で覆うため、この排気を単独ダクト内を流す場合と比較して、内管６０ｉの壁面内における温度勾配を小さくできる。この点においても、内管６０ｉの設計等にも余裕を持たせることができる。
【０１２３】
この熱交換ダクト６０ｆ、６０ａおよび６０では、燃料電池２０の排気を蒸気過熱器６０ｓも含めて補助タービン（図示せず）等に送るために必ず必要となる配管（ダクト）に内蔵するので、設置スペースの節減に有効である。下流の５９では、ＨＲＳＧからの蒸気を加熱（５９Ｓ）するが、空気を加熱（於５９ａ）することも可能である。
【０１２４】
図１３は、実施の形態７に係る熱交換ダクトの他の例を示す説明図である。なお、つぎの説明においては、燃料電池２０の燃料を加熱するための熱交換ダクト６０ｆを例にとって説明するが、他の熱交換ダクト６０ａ、および６０（図１２（ｂ）、（ｃ）参照）にも同様に適用できる。ここで、熱交換ダクト６０ｆ等の伝熱面積を増大させるため、図１３（ａ）に示すように、内管６０ｆｉにフィン１２０を設けてもよい。また、同図（ｂ）のように、内管６０ｉの外側と内側とに伝熱フィン１２１と１２２とを設けてもよい。このようにすると、熱源流体からの伝熱をさらに促進できるので、より熱交換量を大きくできる。
【０１２５】
さらに、同図（ｃ）および（ｄ）に示すように、伝熱フィンをピンフィン１２３としてもよい。伝熱フィンにピンフィン１２３を使用すると、図１３（ｄ）に示すように、ピンフィン１２３を千鳥状に配列できる。これによって、流体を乱流混合させる作用を強くできるのでより伝熱のを促進に有効である。また、同図（ｅ）に示すように、内管壁を波状に構成して伝熱面積を大きくしてもよい。
【０１２６】
図１４は、実施の形態７に係る他の熱交換ダクトを示す説明図である。この熱交換ダクト６１は、熱源流体が通過するダクトの外に被加熱流体を通過させて予備加熱し、さらに熱源流体が通過するダクト内に伝熱管を備えて、予備加熱後の被加熱流体をこの伝熱管に導いてさらに加熱する点に特徴がある。なお、図１４に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等は、図１２（ａ）に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等と対応する。
【０１２７】
この熱交換ダクト６１は、熱源流体である燃料電池２０の排気ｇ１を、熱交換ダクト６１の最内層である内管６１ｉ内へ流すようにしてある。そして、内管６１ｉの外側に、被加熱流体である燃料電池２０の作動流体が通る外管６１ｏを備えた二重管となっている。外管６１ｏと内管６１ｉとの間の空間は、外管６１ｏと内管６１ｉとの間に上流側と下流側との流れを遮断するように設けられた仕切り板６１ｓによって、上流側の空間６１ｕと下流側の空間６１ｄとに区切られている。
【０１２８】
また、熱交換ダクト６１の曲がり部６１ｂｕおよび６１ｂｄには、それぞれ伝熱管群１３０、１３１および１３２が備えられている。ここで、熱源流体である燃料電池２０の排気ｇ１の温度が高い方、すなわち上流側曲がり部６１ｂｕには、伝熱管群１３１および１３２が設けられている。このように、上流側曲がり部６１ｂｕにおいては、二種類の異なる被加熱流体を昇温させる。
【０１２９】
燃料電池２０に供給される空気ａ１は、下流側の空間６１ｄへ供給され、ここで熱源流体である排気ｇ１と熱交換して昇温する。この空気ａ１は、下流側の空間６１ｄから出た後、配管１４０を通って上流側曲がり部６１ｂｕに設けられている伝熱管群１３１へ送られて、ここで温度の高い上流側の排気ｇ１と熱交換する。そして所定の温度まで昇温した後、燃料電池２０へ供給される。
【０１３０】
また、燃料電池２０に供給される燃料改質用の蒸気ｓ１は、下流側曲がり部６１ｂｄに備えられている伝熱管群１３０へ供給され、ここで熱源流体である排気ｇ１と熱交換して昇温する。蒸気ｓ１は、伝熱管群１３０から出た後、１３０Ａで取り出し１４１Ａのもどりが上流側の空間６１ｕへ送られて、ここで内管６１ｉの壁面を介して温度の高い上流側の排気ｇ１と熱交換する。そして所定の温度まで昇温した後、燃料電池２０へ供給される。また、燃料ｆ１は上流側の空間６１ｕ内に設けられている伝熱管群１３３へ導かれ、上流側の空間６１ｕの蒸気ｓ１１およびｓ１２によって加熱される。そして、配管１４２を通って上流側曲がり部６１ｂｕに設けられている伝熱管群１３２へ送られて、ここで排気ｇ１によって加熱された後、燃料電池２０へ供給される。
【０１３１】
この熱交換ダクト６１は、二重管を構成する外管６１ｏと内管６１ｉとの間に相対的に低圧・低温の被加熱流体（空気ａ１と蒸気ｓ１）を流して高温の排気ｇ１と熱交換させる。このため、万一内管６１ｉに亀裂等が発生したときでも、低温の作動流体が緩衝領域を形成して高温の熱源流体が外部へ直接噴出することを防止できるので、安全性が高い。
【０１３２】
また、温度の高い燃料電池２０の排気を単独でダクト内を流す場合と比較して外管６１ｏの壁面内における温度勾配を小さくできる。したがって、温度の高い燃料電池２０の排気を単独でダクト内を流す場合と比較して、外管６１ｏに作用する熱応力も小さくできるので、外管６１ｏの材料の選択や設計に余裕を持たせることができる。さらに、伝熱管群１３０、１３１および１３２は熱交換ダクト６１の曲がり部６１ｂｕおよび６１ｂｄに設けられているため、分解・組立が容易であり、また保守・点検の手間も軽減できる。
【０１３３】
図１５は、実施の形態７に係る他の熱交換ダクトを示す断面図である。この熱交換ダクト６２は、ダクト内を同心円状に多層に仕切り、最も温度の高い流体である熱源流体をダクトの最内層である中心部分に流し、最も温度の低い被加熱流体をダクトの最外層に流し、両者の中間の温度を持つ被加熱流体をダクトの中心と最外層の間へ流す点に特徴がある。なお、図１５に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等は、図１２（ａ）に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等と対応する。
【０１３４】
この熱交換ダクト６２は、燃料電池２０の排気ｇ１を用いて、燃料電池２０に供給する燃料ｆ１と、この燃料とともに燃料電池２０へ供給してこれを改質する蒸気ｓ１と、燃料電池２０に供給する空気ａ１とを流して、これらの間で熱交換させる。最も温度の高い流体である燃料電池２０の排気ｇ１は、熱交換ダクト６２の最内層である第一内管６２ｉ１を流れる。また、最も温度の低い流体である空気ａ１は、熱交換ダクト６２の最外層である、第三内管６２ｉ３と外管６２ｏとの間に形成される空間を流れる。排気ｇ１と空気ａ１との間の温度である燃料ｆ１と蒸気ｓ１とは、その温度に応じて熱交換ダクト６２の第二層１５２または第三層１５３を流れる。この例においては、第二層１５２を蒸気ｓ１が流れ、第三層１５３を燃料ｆ１が流れる。ここで、第二層１５２は第一内管６２ｉ１と第二内管６２ｉ２との間に形成される空間であり、第三層１５３は第二内管６２ｉ２と第三内管６２ｉ３との間に形成される空間である。
【０１３５】
この熱交換ダクト６２は、低温の流体である空気ａ１を最外層に流し、この空気で高温の流体を覆うようにしてある。これによって、万一、第一内管６２ｉ１や第二内管６２ｉ２等が破損したとき、最外層を流れる空気ａ１が緩衝領域となってより高温の流体が外部に噴出することを防止できる。これによって、熱交換ダクト６２の安全性を確保できる。
【０１３６】
また、温度の高い燃料電池２０の排気を単独でダクト内を流す場合と比較して外管６２ｏの壁面内における温度勾配を小さくできる。したがって、温度の高い燃料電池２０の排気を単独でダクト内を流す場合と比較して、外管６２ｏに作用する熱応力も小さくできるので、外管６２ｏの材料の選択や設計に余裕を持たせることができる。
【０１３７】
さらに、排気ｇ１によって加熱された蒸気ｓ１によって間接的に燃料ｆ１が加熱されるため、排気ｇ１による直接加熱に比べ燃料の炭化を抑制して、熱交換ダクト６２内を清浄に維持できる。このため、保守・点検の周期を長くでき、また、熱交換ダクト６２の寿命も延ばすことができる。ここで、蒸気ｓ１と燃料ｆ１とを流す層はここで説明した例に限られず、蒸気ｓ１と燃料ｆ１との温度条件に応じて、両者を流す層を入れ替えてもよい。
【０１３８】
なお、第一内管６２ｉ１や第二内管６２ｉ２等には、図１３に示すような伝熱促進フィン１２０等を設けてもよい。このようにすると、各層を流れる流体同士の伝熱を促進できるため好ましい。また、この熱交換ダクト６２だけでは燃料ｆ１や空気ａ１等の加熱が不十分である場合には、この熱交換ダクト６２の後段に熱交換器等の加熱手段を設け、例えばガスタービンの排気等の高温熱源流体によって、燃料電池２０の作動温度まで燃料ｆ１等を加熱することが好ましい。
【０１３９】
図１６は、実施の形態７に係る他の熱交換ダクトを示す説明図である。この熱交換ダクト６３は、複数流される被加熱流体のうち少なくとも一つについて、熱交換ダクト６３の入口と出口との間で熱源流体を変更する点に特徴がある。なお、図１６に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等は、図１２（ａ）に示した排気ｇ１と燃料ｆ１等と対応する。
【０１４０】
この熱交換ダクト６３は、予熱部６３ｐと、仕上げ部６３ｆとによって構成されている。予熱部６３ｐは、第一内管６３ｉ１を内部に備えた第二内管６３ｉ２が、外管６３ｏの内部に配置されている。また、第一内管６３ｉ１と第二内管６３ｉ２との間の空間には、第一内管６３ｉ１の周方向に向かって複数本（ここでは三本）の燃料用小配管１５０が配置されている。なお、第一内管６３ｉ１および第二内管６３ｉ２には、図１３に示すような伝熱促進フィン１２０等を設けてもよい。このようにすると、各空間を流れる流体同士の伝熱を促進できるため好ましい。また、燃料用小配管１５０や後述する空気用小配管１５１にも同様に伝熱フィンを設けると、より効率よくこれらの内部を流れる燃料ｆ１や空気ａ１を加熱できるため好ましい。
【０１４１】
仕上げ部６３ｆはその前半と後半とで構造が異なっている。仕上げ部前半６３ｆｕは、仕上げ部入口６３ｆｉから仕上げ部６３ｆの途中までの領域であり、仕上げ部後半６３ｆｄは、仕上げ部６３ｆの途中から仕上げ部出口６３ｆｏまでの領域である。仕上げ部６３ｆ全体は、外管６３ｏの内部に第一内管６３ｉ１を配置した構造である。
【０１４２】
仕上げ部前半６３ｆｕにおける第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間には、上記燃料用小配管１５０が配置されている。さらに、第一内管６３ｉ１の内部には、予熱部６３ｐにおける第二内管６３ｉ２と外管６３ｏとの間の空間を流れる被加熱流体（ここでは空気ａ１）をここに導くための空気用小配管１５１が複数本配置されている。
【０１４３】
図１６（ａ）に示すように、仕上げ部前半６３ｆｕにおいて第一内管６３ｉ１の外側に配置されていた燃料用小配管１５０は、仕上げ部６３ｆの略中心部で第一内管６３ｉ１の内部に入り込むようになっている。また、仕上げ部後半６３ｆｄにおける第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間に形成される空間には、上記空気用小配管１５１が配置されている。
【０１４４】
この熱交換ダクト６３においては、熱源流体である燃料電池２０からの排気ｇ１は仕上げ部６３ｆから予熱部６３ｐへ向かって流れ、被加熱流体である燃料ｆ１と空気ａ１とは、予熱部６３ｐから仕上げ部６３ｆへ向かって流れる。また、燃料ｆ１を改質するために燃料ｆ１とともに燃料電池２０へ供給される蒸気ｓ１も予熱部６３ｐから仕上げ部６３ｆへ向かって流れる。
【０１４５】
次に、この熱交換ダクト６３における熱源流体および被加熱流体の流れについて説明する。燃料電池２０からの排気ｇ１は、熱交換ダクト６３の仕上げ部６３ｆ側から第一内管６３ｉ１へ流れ込む。そして、この第一内管６３ｉ１内を予熱部６３ｐ側に向かって流れる過程で、第一内管６３ｉ１内に配置された燃料用小配管１５０内の燃料ｆ１や第一内管６３ｉ１外部を流れる蒸気ｓ１等と熱交換してこれらを加熱する。なお、最も温度の高い熱源流体である燃料電池２０からの排気ｇ１は、仕上げ部６３ｆ、予熱部６３ｐともにこの熱交換ダクト６３の最内層である第一内管６３ｉ１内を流れる。そして、その外側には、被加熱流体である燃料ｆ１、空気ａ１、蒸気ｆ１のうち少なくとも一つが流れるようになっている。
【０１４６】
被加熱流体である燃料電池２０の作動流体である燃料ｆ１は、燃料用小配管１５０の予熱部６３ｐ側から流れ込む。また、燃料用小配管１５０が配置されている第一内管６３ｉ１と第二内管６３ｉ２との間に形成される空間には蒸気ｓ１が流れており、第一内管６３ｉ１内の排気ｇ１によって加熱される。そして、燃料用小配管１５０内を流れる燃料ｆ１は、この蒸気ｓ１を介して燃料電池２０の排気ｇ１によって間接的に加熱された後、仕上げ部前半６３ｆｕへ流れる。また、燃料電池２０に供給される空気ａ１は、第二内管６３ｉ２と外管６３ｏとの間に形成される空間を、熱交換ダクト６３の予熱部６３ｐから仕上げ部６３ｆへ向かって流れる。その過程で、第二内管６３ｉ２内を流れる蒸気によって加熱されて、仕上げ部前半６３ｆｕへ流入する。また、燃料ｆ１と空気ａ１とを加熱した後の蒸気ｓ１も、仕上げ部前半６３ｆｕへ流れる。
【０１４７】
燃料ｆ１は燃料用小配管１５０内を流れるが、仕上げ部前半６３ｆｕにおいて燃料用小配管１５０は、第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間の空間に配置される。予熱部６３ｐで燃料ｆ１と空気ａ１とを加熱した蒸気ｓ１は、第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間の空間を熱交換ダクト６３の出口に向かって流れる。その過程で、第一内管６３ｉ１内を流れる排気ｇ１から熱を受け取り、燃料用小配管１５０内を流れる燃料ｆ１を加熱する。なお、仕上げ部前半６３ｆｕから仕上げ部後半６３ｆｄに移る部分で、燃料用小配管１５０が配置される場所は、第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間に形成される空間から第一内管６３ｉ１内に変化する。
【０１４８】
仕上げ部前半６３ｆｕに入る際に、空気ａ１は第二内管６３ｉ２と外管６３ｏとの間に形成された空間から複数の空気用小配管１５１へ流れる。そして、この空間を形成していた第二内管６３ｉ２は、図１６（ａ）に示すように、予熱部６３ｐの終端６３ｐｏで外管６３ｏと一体となる。空気用小配管１５１は第一内管６３ｉ１内に配置されているため、空気用小配管１５１内を流れる空気ａは、第一内管６３ｉ１内を流れる排気ｇ１によって燃料電池２０の作動温度まで加熱される。なお、仕上げ部前半６３ｆｕから仕上げ部後半６３ｆｄに移る部分で、空気用小配管１５１が配置される場所は、第一内管６３ｉ１内から第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間に変化する。
【０１４９】
仕上げ部後半６３ｆｄにおいては、燃料用小配管１５０が第一内管６３ｉ１内に配置されており、燃料ｆ１が燃料用小配管１５０内を流れる過程で第一内管６３ｉ１内を流れる排気によって、燃料電池２０の作動温度まで加熱される。一方蒸気ｓ１も、第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間を流れる過程で、第一内管６３ｉ１内を流れる排気ｇ１から熱を受け取って加熱される。そして、加熱後の燃料ｆ１と蒸気ｓ１とが、共に燃料電池２０へ供給される。空気ａ１は第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間に配置される空気用小配管１５１内を流れるが、第一内管６３ｉ１と外管６３ｏとの間を流れる蒸気ｓ１は排気ｇ１によって加熱されている。したがって、空気用小配管１５１内を流れる空気ａ１はほとんど温度を下げないで燃料電池２０へ供給される。
【０１５０】
この熱交換ダクト６３には、最外周に不活性流体である空気または蒸気を流す。このため、万一燃料用小配管１５０や排気ｇ１が流れる第一内管６３ｉ１が破損して、内部を流れる燃料ｆ１や排気ｇ１が漏れた場合でも、不活性流体である空気等が緩衝領域となって燃料ｆ１等の反応を防止する。これによって、設備の安全性を高くできる。また、この熱交換ダクト６３は、最外周に温度の低い流体を流し、温度の高い流体である燃料電池２０の排気は、最内周に配置された第一内管６３ｉ１内を流れるようにしてある。このため、温度の高い燃料電池２０の排気を単独でダクト内を流す場合と比較して、外管６３ｏの壁面内における温度勾配を小さくできる。これによって、外管６３ｏの材料選択や設計に余裕を持たせることができる。
【０１５１】
また、この熱交換ダクト６３は、排気等を次の後流機器に送る配管としての役割と熱交換手段としての役割とを同時に果たす。したがって、別途熱交換手段を省略あるいは小型とするので、設備をコンパクトにできる。この熱交換ダクト６３のみでは十分な伝熱性能を発揮できない場合には、小型の熱交換手段を設ける。
【０１５２】
図１７は、実施の形態７に係る他の熱交換ダクトを示す説明図である。なお、図１７においては熱交換ダクト６３ａの上半分のみを表している。この熱交換ダクト６３ａでは、空気用小配管１５１は仕上げ部６３ｆ全領域にわたって第一内管６３ｉ１内に配置されている。なお、仕上げ部後半６３ｆｄにおいては、燃料用小配管１５０も第一内管６３ｉ１内に配置されている。
【０１５３】
仕上げ部前半６３ｆｕまでに蒸気ｓ１で加熱された空気ａは、仕上げ部６３ｆで燃料電池２０の排気ｇ１によって加熱される。また燃料ｆ１は、仕上げ部前半６３ｆｕまでは排気ｇ１よりも温度の低い蒸気ｓ１によって加熱されて、仕上げ部後半６３ｆｄにおいては燃料電池２０の排気ｇ１によって加熱される。これによって、燃料電池２０の作動温度まで空気ａ１と燃料ｆ１との温度を上昇させることができる。
【０１５４】
上記熱交換ダクト６３では、空気ａ１を燃料電池２０へ供給する前に、ガスタービン１０の排気や燃料電池２０の排気等によって、燃料電池２０の作動温度まで昇温させる必要があった。しかし、この熱交換ダクト６３ａによれば、設計を最適化することによって、仕上げ部出口６３ｆｏにおける空気ａ１および燃料ｆ１の温度を、燃料電池２０の作動温度まで上昇させることもできる。これによって、空気ａ１用の熱交換器が不要になるので、その分構成を簡単にでき、また製造コストも低減できる。
【０１５５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１）では、燃料電池とガスタービンとを組み合わせた燃料電池複合ガスタービンシステムで、ガスタービンの燃焼器へ供給するガスタービンの圧縮機で生成された圧縮空気の一部を燃料電池に供給するようにした。これによって、燃料電池の仕様に合致した空気量、圧力をガスタービン（燃焼器、タービン）と独立させて確保できる。つまり、燃料電池に必要な空気量や空気圧力が小さい場合であっても、その必要な量をガスタービンに干渉させずに得ることができるので、燃料電池複合ガスタービンシステムの設計における自由度を高くできる。また、ガスタービンの燃焼器へ供給するガスタービンの圧縮機で生成された圧縮空気の一部を燃料電池に供給するということは、燃料電池とガスタービンの別個の制御を可能としている。つまり、燃料電池の作動状況に関わらずガスタービンを起動および制御できるので、システム運用の自由度を高くできる。
【０１５６】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項２）では、燃料電池とガスタービンとを組み合わせた燃料電池複合ガスタービンシステムで、ガスタービンの燃焼器へ供給するガスタービンの圧縮機で生成された圧縮作動流体の一部を燃料電池に供給すると共に、燃料電池とガスタービンとの排気を合流させて、ガスタービンの圧縮機へ再び供給するようにした。これは、ＣＢＣの性能向上のために燃料電池を併設したもので、本来のＣＢＣの機能としてシステム外へ排出される排気量を低減できるので、環境負荷を低減できる。
【０１５７】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項３）では、上記燃料電池複合ガスタービンシステムにおいて、ガスタービンおよび燃料電池の燃料と酸化剤とに、それぞれ液体燃料と液化酸化剤とを使用し、これらを高圧下で気化して得た高温・高圧の気体で膨張タービンを作動させる。この膨張タービン発電出力により、燃料電池複合ガスタービンシステム全体の効率をさらに高めることができる。
【０１５８】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項４）では、当該システムに備えられたガスタービンの排気または燃料電池の排気を利用して、液体燃料または液化酸化剤を加熱するようにした。このため、燃料電池やガスタービンの排気が持つ熱エネルギーも有効に利用できる。
【０１５９】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項５）では、ガスタービン圧縮機の途中段から圧縮空気または圧縮作動流体を抽気して、燃料電池へ供給するようにした。このため、圧縮機の抽気する圧縮段を適切に選択すれば、燃料電池の仕様に対応した最適な圧力の空気や作動流体を供給できる。
【０１６０】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項６）では、燃料電池に供給される空気または作動流体を、上記圧縮機の出口と上記燃焼器の入口との間から抽気するようにした。この場合にはガスタービンの車室から高圧条件の抽気を取り出すことができる。このため、大量の空気を圧縮機の途中段から抽気すると、圧縮機の仕様やガスタービンの運転状況によっては圧縮機の運転が不安定になる場合であっても、安定して燃料電池へ空気を供給できる。したがって、特に燃料電池へ供給する空気量が多い場合に好ましい。
【０１６１】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項７）では、燃料電池の排気をガスタービンのタービン途中段へ供給し、ガスタービンの燃焼器へは直接戻さないようにした。これによって、燃料電池排気を混入させる際におけるタービン入口温度偏差の保持ができ、ガスタービンの安全運転が確保できる。補助タービンをガスタービンの本来のタービンに兼ねさせたものである。
【０１６２】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項８）では、燃料電池の排気によって駆動される燃料電池用タービンを備えた。これによって、ガスタービンとの干渉を行うことなく発電出力を取り出せるので、設計と運転・制御がしやすくなる。
【０１６３】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項９）では、熱交換手段を燃料電池の後段に設け、燃料電池の排気を熱源流体としてこれに供給するようにした。このような構成により、圧力が低くて膨張タービンを作動できないときの熱エネルギー回収方式とした。
【０１６４】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１０）では、燃料電池と燃料電池用タービンとの間に燃焼手段を設け、ここで燃料電池の排気に燃料を与えて燃焼させてから燃料電池用タービンへ供給するようにした。本来のガスタービン構成により燃料電池からの排気温度が安定しない期間であっても、所定の温度の燃焼ガスを燃料電池用タービンへ供給できる。したがって、燃料電池の作動状態に左右されることなく、安定した燃料電池用タービンの出力を得ることができる。
【０１６５】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１１）では、燃料電池の作動流体加熱手段に燃料電池からの排気を供給し、当該排気と熱交換させて作動流体を加熱する。排気のみを熱源とすることなく低温域での加熱もシステム内で確保して、最終の高温を得るためにこの排気を用いて、システムの熱損失を少なくしている。
【０１６６】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１２）は、燃料電池で電気化学反応を終えた後の作動流体（燃料及び空気各系）で消費された成分等を補給して再び燃料電池に循環させるようにした。燃料電池に供給する新しい作動流体は、この排気混合にて温度が所定値まで上昇するので、予熱するための熱交換器等を要しない。
【０１６７】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１３）では、配管の最内層に燃料電池の排気を流し、その外層に被加熱流体である燃料電池の作動流体や蒸気を流して両者の間で熱交換させることによって、燃料電池の排気や作動流体を供給する配管と熱交換手段とを共用させるようにした。これによって、配管の設置スペースを有効に利用でき、また、燃料電池の作動流体を加熱する熱交換器が不要となるとき、システムの構成を簡略化でき、またシステムの設置費用も低減できる。さらに、万一排気を流す最内層を構成する管に亀裂等が発生したときでも、低温の作動流体が緩衝領域を形成して高温の燃料電池排気が外部へ直接噴出することを防止できるので、安全性を高くできる。
【０１６８】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１４）では、燃料電池を直列に複数配置し、上流側の燃料電池の排気によってこの燃料電池へ供給する作動流体を加熱し、加熱後の燃料電池排気を前記燃料電池の下流側に配置される燃料電池へ供給するようにした。そして、上段の燃料電池で電気化学反応に使用されなかった燃料成分と空気成分とを後段の燃料電池で電気化学反応に使用するようにした。このような構成によって、複数段の燃料電池と補助タービンの組合せで高効率が得られる。
【０１６９】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１５）では、ガスタービンと補助タービンの両排気を蒸気発生手段に供給して十分多量の蒸気を生成し、この蒸気によって燃料電池の作動流体を加熱するようにした。このように、まず燃料電池等の排気よりも温度の低い蒸気によって加熱するということは、何よりも燃料電池向けに蒸気を優先して使用し、残りは蒸気発電に活用する点、計画・運用・制御がやりやすく、最適なシステムを決定できるということである。
【０１７０】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１６）では、さらに、上記燃料電池の排気を第二の作動流体加熱手段に供給して、上記作動流体蒸気加熱手段によって加熱された後の作動流体を加熱するようにした。このようにすれば、蒸気によって温度レベルが上昇した作動流体をより温度の高い燃料電池の排気で加熱できるので、より燃料電池排気の温度と近い温度の高温の作動流体を得ることができる
【０１７１】
また、この発明に係る燃料電池複合ガスタービンシステム（請求項１７）では、ガスタービンと補助タービンの両排気で直接作動流体を加熱することを実現した。このように、高温のタービンの排気によって加熱するので、燃料電池の排気で最後の仕上げ温度への制御と熱バランス調整が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図２】実施の形態１の変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態３に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図６】実施の形態４の第１変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図７】実施の形態４の第２変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図８】実施の形態４の第３変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図９】実施の形態５に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図１０】実施の形態６に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図１１】実施の形態６の変形例に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図１２】実施の形態７に係る燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【図１３】実施の形態７に係る熱交換ダクトの他の例を示す説明図である。
【図１４】実施の形態７に係る他の熱交換ダクトを示す説明図である。
【図１５】実施の形態７に係る他の熱交換ダクトを示す断面図である。
【図１６】実施の形態７に係る他の熱交換ダクトを示す説明図である。
【図１７】実施の形態７に係る他の熱交換ダクトを示す説明図である。
【図１８】これまでの燃料電池複合ガスタービンシステムを示す説明図である。
【符号の説明】
２　圧縮機
４　燃焼器
６　タービン
１０、１１　ガスタービン
１２　補助タービン
１２ｃ　補助タービン用燃焼器
１６、１８　メタンタービン
１７、１９　酸素タービン
２０、２０ａ、２０ｂ　燃料電池
３６　抽気設備
３７　翼冷却蒸気ＨＲＳＧ
４０　配管
４５　配管
４５ａ　合流部
５０　燃料電池用熱交換器
５１　ガスタービン用熱交換器
５２　燃料電池排気用熱交換器
５３ａ　空気用熱交換器
５３ｆ　燃料用熱交換器
５４ａ　第三空気用熱交換器
５４ｆ　第三燃料用熱交換器
５５ａ　第二空気用熱交換器
５５ｆ　第二燃料用熱交換器
５６ａ　空気用タービン排気熱交換器
５６ｆ　燃料用タービン排気熱交換器
５７　ガスタービン用排熱回収ボイラ
５８　補助タービン用排熱回収ボイラ
６０、６１、６２、６３、６３ａ　熱交換ダクト
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２、１１３　燃料電池複合ガスタービンシステム
【図１】
2004022230.tif 000003
【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】
2004022230.tif 000014
【図１３】
2004022230.tif 000015
【図１４】
2004022230.tif 000016
【図１５】
2004022230.tif 000017
【図１６】
2004022230.tif 000018
【図１７】
2004022230.tif 000019
【図１８】
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