(57)【要約】【課題】  常圧・高温型の燃料電池からの電池排ガスの熱エネルギーを有効利用できるとともに、緊急時の保護装置を別途必要とすることなく、しかも、構造材料や配管材料として軽量で加工容易なものを用いて、コストの低減を図ることができる燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステムを提供する。【解決手段】  常圧・高温型の燃料電池１から排出される電池排ガスＧ１を燃焼させる燃焼器２と、燃焼器２から排出されるほぼ常圧の燃焼ガスＧ２を負圧にまで膨張させるタービン３と、タービン３からの排気Ｇ３を昇圧する圧縮機４と、前記タービン３からの高温の排気Ｇ３と燃料電池１に供給される低温の空気Ａとの間で熱交換する熱交換器５とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
常圧・高温型の燃料電池から排出される電池排ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から排出されるほぼ常圧の燃焼ガスを負圧にまで膨張させるタービンと、
前記タービンからの排気を昇圧する圧縮機と、
前記タービンからの高温の排気と燃料電池に供給される低温の空気との間で熱交換する熱交換器とを備えた燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステム。
【請求項２】
請求項１において、前記圧縮機からの排気を前記低温の空気に混入させる燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステム。
【請求項３】
請求項１または２において、さらに、前記熱交換器を出た排気を冷却して前記圧縮機に供給する冷却器を備えた燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかにおいて、さらに、前記圧縮機と同軸に設けられて、圧縮機からの排気を圧縮する第二圧縮機と、この第二圧縮機に供給される排気を冷却する第二冷却器とを備えた燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかにおいて、さらに、前記タービンを出た排気から熱回収して蒸気を生成する蒸発器と、燃料を前記蒸気を用いて改質して前記燃料電池に供給する改質器とを備えた燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステム。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかにおいて、さらに、前記燃料電池に供給される空気の一部を前記燃焼器に導入する空気導入分岐通路を備えた燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステム。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかにおいて、さらに、前記燃焼器に前記電池排ガスとは別の燃料を供給する燃料供給器を備えた燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステム。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかにおいて、前記タービンを第一タービンとし、さらに、前記第一タービンと同軸に設けられた第二タービンと、第二タービンからの排気に燃料を供給して燃焼させて前記第一タービンに供給する第二燃焼器とを備え、前記第一タービンからの排気が前記熱交換器に供給される燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステム。
【請求項９】
常圧・高温型の燃料電池から排出される電池排ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器から排出されるほぼ常圧の燃焼ガスを負圧にまで膨張させるタービンと、
前記タービンからの排気を昇圧し、前記燃料電池に供給する圧縮機と、
空気を前記燃焼器に供給する空気供給通路とを備えた燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステム。
【請求項１０】
請求項９において、さらに、前記圧縮機からの排気とタービンからの排気との間で熱交換を行う排気熱交換器を備えた燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステム。
【請求項１１】
請求項９または１０において、さらに、前記空気供給通路から分岐して空気の一部を前記燃料電池に供給する電池用空気通路を備えた燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステム。
【請求項１２】
請求項１１において、さらに、前記空気供給通路と電池用空気通路の分岐点に両通路への空気分配量を調整する調整弁を備えた燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、常圧・高温型の燃料電池と常圧タービンとを組み合わせて効率的な発電を行う燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のハイブリッドシステムとして、高圧型燃料電池と、発電機を駆動するガスタービンとを組み合わせたものが知られている (特許文献１、 ２参照) 。
【特許文献１】特開平８―４５５２３号公報（図１および全文)
【特許文献２】特開平１０―１２２５５号公報（図１および全文)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来のハイブリッドシステムは、加圧側へ動作するガスタービンと、その圧縮機出口圧力と同等または高い圧力で運転される高圧型の燃料電池が使用されているため、次のような問題がある。つまり、ハイブリッドシステムの全体を小型化するとき、小型のガスタービンに対して大容量の高温高圧容器の中に燃料電池を格納するので、緊急時のシャットダウン処理などを適切に行って、高温高圧ガスを速やかに系外に放出するための保護装置が必要となり、小型システムにおいてはコスト負担が大きくなる。また、緊急停止時の差圧変動を燃料電池の構造強度上の許容範囲内に収めるシステム構成や制御技術が必要となるので、さらなるコスト増大を招く。さらに、前記高温高圧の容器や高温高圧配管を用いる必要があるので、システム全体のコストが増大する。
【０００４】
そこで、本発明は、高温型の燃料電池から排出される電池排ガスの熱エネルギーを有効利用でき、しかも、緊急時の保護装置などを別途必要とすることのない簡易な構造の燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の第１構成にかかる燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステムは、常圧・高温型の燃料電池から排出される電池排ガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスを負圧にまで膨張させるタービンと、前記タービンからの排気を昇圧する圧縮機と、前記タービンからの高温の排気と燃料電池に供給される低温の空気との間で熱交換する熱交換器とを備えている。ここで、常圧とは、システムの設置環境の圧力を言い、負圧とはそれよりも低い圧力を言う。
【０００６】
前記燃料電池において、燃料と空気が電解質を介して反応することにより電力が発生し、このとき生成される高温の電池排ガスが燃焼器に送られて燃焼される。燃焼器からのほぼ常圧の燃焼ガスはタービンに送られて、このタービンが駆動される。前記燃焼ガスは、タービンを通過することにより負圧にまで膨張し、この膨張した排気が圧縮機に送られて昇圧される。前記タービンにおいて膨張した排気は、前記熱交換器に送られて燃料電池に供給される低温の空気と熱交換され、低温となった排気が前記圧縮機へと送られるので、圧縮効率が高められてガスタービンの効率が向上する。一方、熱交換により高温となった空気が燃料電池に送られ、その発電効率が高められる。以上のように、常圧・高温型の燃料電池と常圧タービンとを組み合わせているから、燃料電池からの高温の電池排ガスの熱エネルギーを有効利用しながら、システム全体に高い圧力が発生することがなく、したがって、従来の緊急時の保護装置などを別途必要とせず、しかも、構造材料や配管材料として軽量で加工容易なものを用いて、コストを低減することができる。
【０００７】
前記圧縮機からの排気は、前記燃料電池に供給される空気に混入させることが好ましい。このようにすれば、特に後述するMCFC型（溶融炭酸塩型）の燃料電池を用いる場合、従来、リサイクルブロア等によって高圧型の燃料電池に加圧再循環していた排気を、極めて動力の少ない送風機等によって供給できるため、カソード反応率が低い運転条件においても、カソードの二酸化炭素分圧を容易に高められ、発電効率を向上させることができる。
【０００８】
前記熱交換器の下流側には、その排気を冷却して圧縮機に供給する冷却器を配置することが好ましい。この構成によれば、熱交換器からの排気が冷却器により冷却されて圧縮機に送られるので、この圧縮機の効率が高められてガスタービンの効率が向上する。
【０００９】
本発明の一実施形態では、前記圧縮機には、これと同軸上に圧縮機からの排気を圧縮する第二圧縮機を設け、この第二圧縮機に供給される排気を冷却する第二冷却器を設けている。この構成によれば、各圧縮機に供給される排気がそれぞれの冷却器により冷却されるので、各圧縮機の圧縮効率が高められてガスタービンの効率がより向上する。ここで、同軸上とは同一回転軸に結合することを言う。
【００１０】
本発明の他の実施形態では、前記タービンを出た排気から熱回収して蒸気を生成する蒸発器と、その蒸気を用いて燃料を改質して前記燃料電池に供給する改質器とを設けている。この構成によれば、前記蒸発器で生成する蒸気により、つまりシステムの排熱により、燃料が改質される。例えば燃料として天然ガスを使用した場合、これを、ＣＯとＨ2 を大量に含む、燃料電池の燃料として良質なガスに改質できる。
【００１１】
本発明のさらに他の実施形態では、燃料電池に供給される空気の一部を導入する空気導入分岐通路が設けられる。この構成によれば、燃料電池に供給される空気の量が多すぎるとき、この空気の一部が導入分岐通路を経て燃焼器にバイパスされる。つまり、前記燃料電池の上流側の熱交換器に、前記タービンからの排気を十分に冷却するために、燃料電池で必要とする以上の量の空気を送った場合に、その余分の空気を前記導入分岐通路から燃焼器にバイパスさせて、この燃焼器で燃料電池からの電池排ガスとともに燃焼させる。
【００１２】
前記燃焼器には、電池排ガスとは別の燃料を供給する燃料供給器を設けることもできる。この構成によれば、前記燃焼器において燃焼供給器からの燃料を燃焼させることにより、前記電池排ガスの燃焼温度を制御できるので、タービン出力の制御が容易に行える。
【００１３】
本発明のさらに他の実施形態では、前記タービンを第一タービンとし、これと同軸上に第二タービンを設け、これら第一タービンと第二タービンとの間に、第二タービンからの排気に燃料を供給して燃焼させて第一タービンに供給する第二燃焼器を設け、第一タービンからの排気を前記熱交換器に供給する。この構成によれば、第二燃焼器により第二タービンからの排気が燃焼されて、高温の排気が第一タービンに送られるため、この第一タービンの出力が向上する。
【００１４】
また、本発明の第２構成にかかる燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステムは、常圧・高温型の燃料電池から排出される電池排ガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から排出されるほぼ常圧の燃焼ガスを負圧にまで膨張させるタービンと、タービンからの排気を昇圧し、前記燃料電池に供給する圧縮機と、空気を前記燃焼器に供給する空気供給通路とを備えている。
【００１５】
このハイブリッドシステムにおいては、前記第１構成のハイブリッドシステムと同様に、常圧・高温型の燃料電池と常圧タービンとを組み合わせているから、燃料電池からの高温の電池排ガスの熱エネルギーを有効利用しながら、システム全体に高い圧力が発生することがなく、したがって、従来の緊急時の保護装置などを別途必要とせず、しかも、構造材料や配管材料として軽量で加工容易なものを用いて、コストを低減することができる。また、タービンからの排気が圧縮機で昇圧されて燃料電池に供給されるので、循環ブロワなどを必要とすることなく、排気の熱エネルギーを燃料電池で有効利用できる。さらに、特にMCFC型(Molten Carbonate Fuel Cell:溶融炭素塩型) ではカソードに多量のＣＯ2 を必要とするが、前記排気によりＣＯ2 が供給されるので、燃料電池の発電効率が向上する。しかも、空気供給通路から空気を燃焼器に供給することにより、この燃焼器での酸素量を増大させて燃焼効率を高められる。
【００１６】
本発明の他の実施形態では、さらに、前記圧縮機からの排気とタービンからの排気との間で熱交換を行う排気熱交換器を備えている。この構成によれば、タービンから排出される高温の排気が、排気熱交換器により熱交換されて低温の排気となって圧縮機の入口側に供給される。これにより、圧縮機での圧縮動力が低減されてタービン効率が高められる。また、圧縮機から排出される排気は、排気熱交換器においてタービンから排出される高温の排気により昇温され、この昇温された排気が燃料電池に供給されるので、燃料電池での発電効率がさらに向上する。
【００１７】
本発明の一実施形態では、さらに、前記空気供給通路から分岐して空気の一部を前記燃料電池に供給する電池用空気通路を備えている。この構成によれば、前記空気供給通路を通る空気の一部が電池用空気通路から燃料電池に供給されるので、この燃料電池の発電効率が高められる。
【００１８】
本発明の他の実施形態では、さらに、前記空気供給通路と電池用空気通路の分岐点に両通路への空気分配量を調整する調整弁を備えている。この構成によれば、燃料電池の種類や容量に応じた空気の供給が行えて、燃料電池の効率を高められる。例えばSOFC型(Solid Oxide Fuel Cell: 固体酸化物型) の燃料電池を用いる場合、そのカソードは、多量の炭酸ガスは要しないが、多くの酸素を必要とするので、前記調整弁の調整により多くの空気を燃料電池に供給する。一方、MCFC型の燃料電池を用いる場合は、カソードが多量の炭酸ガスを必要とするので、前記調整弁の調整により空気の供給を停止または少なくして、前記圧縮機により昇圧されて燃料電池に送られる排気の濃度を高くする。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明の燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステムによれば、常圧・高温型の燃料電池からの電池排ガスの熱エネルギーを有効利用できるとともに、従来のように緊急時の装置などを別途必要とすることなく、しかも、構造材料や配管材料として軽量で加工容易なものを用いて、コストの低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の第一実施形態にかかる燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステムを示すブロック図である。このハイブリッドシステムは、常圧・高温型の燃料電池１と、これから排出されるほぼ常圧の電池排ガスＧ１を燃料とする常圧タービンＡＰＴとを組み合わせている。常圧タービンＡＰＴは、燃料電池１から排出される電池排ガスＧ１を燃焼させる燃焼器２と、その燃焼ガスＧ２を負圧にまで膨張させるタービン３と、このタービン３が発生する動力により駆動されて、タービン３からの排気Ｇ３を昇圧する圧縮機４と、前記タービン３からの高温の排気Ｇ３と燃料電池１に供給される環境からの低温の空気Ａとの間で熱交換する熱交換器５とを備えている。常圧タービンＡＰＴは一軸型であり、タービン３と圧縮機４は同一回転軸１０に結合され、さらに、この回転軸１０に、負荷である発電機４０が結合されている。常圧タービンＡＰＴを二軸型として、第１軸でタービン３と圧縮機４を連結し、第２軸でタービン３と発電機４０を連結することもできる。
【００２１】
図１の第１実施形態では、燃料電池１としてMCFC型(Molten Carbonate Fuel Cell ：溶融炭素塩型) のものを用いており、アノード極１１とカソード極１２およびこれらの間に設けられた電解質層１３を有し、前記アノード極１１に供給される常圧の燃料Ｆから発生するＣＯ，Ｈ2 と前記カソード極１２に供給される常圧の空気Ａ中の酸素とを前記電解質層１３を介して反応させることにより、電力が発生する。燃料Ｆとして、例えば天然ガスが用いられる。
【００２２】
前記燃料電池１から排出される未反応ガスや余った空気を含む常圧・高温の電池排ガスＧ１は、燃焼器２に送られて燃焼し、その燃焼ガスＧ２がタービン３に送られて、このタービン３を駆動し、その発生動力により圧縮機４と発電機４０が駆動される。また、前記燃焼ガスＧ２はタービン３を通過することより負圧にまで膨張し、この膨張した負圧・中温の排気Ｇ３が前記熱交換器５に送られて、燃料電池１に供給される低温の空気Ａと熱交換される。空気Ａとの熱交換により低温となった排気Ｇ４は前記圧縮機４へと送られ、ここで常圧にまで昇圧される。このとき、排気Ｇ４は低温となっているから、圧縮機４での圧縮効率が高められて常圧タービンＡＰＴの効率が向上する。一方、前記熱交換器５で高温となった空気Ａは、燃料電池１のカソード極１２に供給され、空気Ａ中の酸素が酸化剤となって燃料Ｆの成分と反応するときの化学反応が促進される結果、発電効率が高められる。前記圧縮機４からの排気Ｇ５は、前記燃料電池１に供給される空気Ａに混入される。
【００２３】
上記構成において、前記燃料電池１として常圧・高温型のものを用い、常圧タービンＡＰＴとして常圧型のものを用いているから、燃料電池１からの高温の電池排ガスＧ１の熱エネルギーを常圧タービンＡＰＴで有効利用できる。さらに、システム全体に高い圧力が発生することがないので、従来の緊急時の保護装置などを別途必要とすることがなく、しかも、燃料電池１および常圧タービンＡＰＴの構造材料や配管材料として、軽量で加工容易なものを用いることができるから、コストの低減が図れる。
【００２４】
また、圧縮機１からの排気Ｇ５が燃料電池１に供給される空気Ａに混入されているから、従来、リサイクルブロア等によって高圧型の燃料電池に加圧再循環していた排気Ｇ５を、極めて動力の少ない送風機等によって常圧型の燃料電池１に供給できるため、カソード反応率が低い運転条件においても、カソード極１２の二酸化炭素分圧を容易に高められ、発電効率を向上させることができる。また、本発明では、SOFC型の燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell：固体酸化物型) を使用することも可能であるが、その場合、前記排気Ｇ５は空気Ａに混入することなく、直接系外に排出される。
【００２５】
図２は第２実施形態にかかる燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステムを示している。このハイブリッドシステムは基本的には図１の第１実施形態と同様であって、第１実施形態に対し、前記熱交換器５と圧縮機４との間に水噴霧型の冷却器６を追加している。この構成によれば、前記冷却器６において熱交換器５を出た排気Ｇ４に水が噴霧されて冷却され、水分を含んだ排気Ｇ６となって圧縮機４へと送られ、この圧縮機４内において、排気Ｇ６中の水分の蒸発潜熱により排気Ｇ６が冷却されて低温化される。このため、圧縮機４の圧縮効率が高められて、常圧タービンＡＰＴの効率が向上する。
【００２６】
図３は、第３実施形態にかかる燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステムを示している。このハイブリッドシステムは、図２の第２実施形態に対し、さらに、前記圧縮機４を第一圧縮機とし、この第一圧縮機４と同一回転軸１０上に第二圧縮機４１を結合し、これら第一圧縮機４と第二圧縮機４１の間に、第一冷却器６とは別に、圧縮機４からの排気Ｇ７を冷却する水噴霧型の第二冷却器６１を追加している。この構成によれば、前記第二冷却器６１において圧縮機４を出た排気Ｇ７に水が噴霧されて冷却され、水分を含んだ排気Ｇ８となって第二圧縮機４１に送られ、この第二圧縮機４１内において、排気Ｇ８中の水分の蒸発潜熱により排気Ｇ８が冷却されて低温化される。また第二圧縮機４１を通過した排気Ｇ９は、前記空気Ａに混入されて、燃料電池１での酸素の運搬媒体となる二酸化炭素が回収されてカソード極１２に供給される。このように、２つの圧縮機４，４１に供給される排気Ｇ６，Ｇ８がそれぞれ２つの冷却器６，６１によって冷却されるから、各圧縮機４，４１の圧縮効率が高められて、常圧タービンＡＰＴの効率が向上する。
【００２７】
図２および図３に示した冷却器６，６１として、水噴霧器からなる直接型に代えて、容器内に冷却水管を配置した間接型の冷却器を用いることもできる。
【００２８】
図４は、第４実施形態にかかる燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステムを示している。このハイブリッドシステムは、図１の第１実施形態に対して、タービン３の下流側に、その排気Ｇ３から熱回収して蒸気を生成する蒸発器７を接続し、この蒸発器７で生成した蒸気Ｓを用いて前記燃料電池１の天然ガスのような燃料Ｆを分解して改質する改質器８を追加している。この構成によれば、前記蒸発器７で生成された蒸気Ｓにより前記燃料ＦがＣＯ，Ｈ2 などに分解改質されて燃料電池１に供給される。つまりハイブリッドシステムの排熱を利用して燃料Ｆの改質を行うことができる。
【００２９】
図５は、第５実施形態にかかる燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステムを示している。このハイブリッドシステムは、図１の第１実施形態に対して、前記燃焼器２の上流側に、燃料電池１に供給される空気Ａの一部を導入する空気導入分岐通路９を追加している。この構成によれば、燃料電池１に供給される空気Ａの量が過大であるとき、この空気Ａの一部が、燃料電池１をバイパスし、導入分岐通路９を経て燃焼器２に直接供給される。つまり、前記燃料電池１の上流側の熱交換器５には、前記タービン３からの排気Ｇ３を十分に低温化するために、燃料電池１で必要とする以上の量の空気Ａが供給されており、この余分の空気Ａを前記導入分岐通路９から燃焼器２にバイパスさせて、燃焼器２で燃料電池１からの電池排ガスＧ１とともに燃焼させる。
【００３０】
図６は、第６実施形態にかかる燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステムを示している。このハイブリッドシステムは、図１の第１実施形態に対して、前記燃焼器２に気体または液体の燃料Ｆ１を供給する噴射ノズルのような燃料供給器２０を追加している。この構成によれば、前記燃焼器２において燃料供給器２０からの燃料Ｆ１を燃焼させることにより、前記電池排ガスＧ１の燃焼温度、つまりタービン３に供給される排気Ｇ２の温度を制御することができるので、タービン出力の制御が容易に行える。例えば、前記燃焼器２で十分な温度上昇が得られないようなとき、前記燃料供給器２０からの燃料Ｆ１で追い炊きすることにより、前記タービン３に供給される排気Ｇ３の温度を上昇させて、タービン出力を高めることができる。
【００３１】
図７は、第７実施形態にかかる燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステムを示している。このハイブリッドシステムは、図３の第３実施形態に対し、前記タービン３を第一タービンとし、この第一タービン３と同一回転軸上に第二タービン３１を結合するとともに、これら第一タービン３と第二タービン３１との間に、気体または液体の燃料Ｆ２が供給される第二燃焼器２１を追加し、さらに、第一タービン３からの排気Ｇ１２を熱交換器５に供給するようにしている。この構成によれば、前記第二タービン３１からの排気Ｇ１０が前記第二燃焼器２１で燃料Ｆ２により燃焼されて、高温の排気Ｇ１１が前記タービン３に送られる。このため、第一タービン３の出力が向上する。
【００３２】
図８は本発明の第８実施形態にかかる燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステムのブロック図を示している。このハイブリッドシステムは、図１の第１実施形態と同様に、燃焼器（反応器）２、タービン３および圧縮機４を備えており、圧縮機４の出口と前記燃料電池１のカソード極１２との間に排ガス通路５０を設けるとともに、前記燃焼器２に環境からの空気Ａ１を供給する空気供給通路５１を設けている。
【００３３】
前記タービン３からの排気Ｇ３は、圧縮機４により昇圧されて、その排気Ｇ２２が排ガス通路５０から燃料電池１のカソード極１２に直接供給される。これにより、循環ブロワなどを必要とすることなく、排気Ｇ２２の熱エネルギーを燃料電池１で有効利用できる。また、特にMCFC型ではカソード１２に多量のＣＯ2 を必要とするが、前記排気Ｇ２２によりＣＯ2 が供給されるので、燃料電池１の発電効率が向上する。また、前記空気供給通路５１から空気Ａ１が燃焼器２へと供給されることにより、この燃焼器２での酸素量が増大して、燃料電池１からの排ガスＧ１との反応効率、つまり燃焼効率を高められる。
【００３４】
この実施形態では、前記燃料電池１のアノード極１１に供給する燃料Ｆの改質を行う燃料改質器５２を設けられている。この燃料改質器５２と燃料電池１のカソード極１２の下流側との間に排ガス分岐通路５３を設け、カソード極１２から燃焼器２に供給される高温の排ガスＧ１の一部Ｇ２０を燃料改質器５２に送って、燃料Ｆの改質を行うようにしている。
【００３５】
また、前記空気供給通路５１に供給する空気Ａ１を予熱する空気予熱器５４を設けるとともに、この空気予熱器５４と前記燃料改質器５２との間に排ガス通路５５を設け、空気予熱器５４において燃料改質器５２からの排ガスＧ２１と熱交換することにより空気Ａ１を予熱して、この予熱した空気Ａ１を空気供給通路５１から燃焼器２に供給している。これにより、燃焼器２での燃焼効率がさらに高められる。天然ガスのような燃料Ｆは、燃料改質器５２においてカソード極１２からの排ガスＧ２０を利用してＣＯ，Ｈ2 などに分解改質されて燃料電池１に供給される。
【００３６】
また、圧縮機４からの排気Ｇ３とタービン３からの排気Ｇ５との間で熱交換を行う排気熱交換器５６を設けている。タービン３から排出される高温の排気Ｇ３は、排気熱交換器５６により熱交換されて低温化される。さらに、前記排気熱交換器５６と圧縮機４との間に水噴霧型の冷却器５７が配置されており、排気Ｇ４はこの冷却器５７で冷却されてより低温化されたのち、圧縮機４に供給される。これにより、圧縮機４での圧縮動力が低減される。また、圧縮機４から排出される排気Ｇ５は、排気熱交換器５６においてタービン３から排出される高温の排気Ｇ３により昇温され、この昇温された排気Ｇ２２が燃料電池１のカソード極１２に供給される。これにより燃料電池１での発電効率がさらに高められる。このとき、前記排気熱交換器５６からカソード極１２に供給される排気Ｇ２２の一部を、図８の点線で示すように、前記燃料改質器５２に送って、その熱エネルギーを燃料Ｆの改質に用いるようにしてもよい。
【００３７】
次に、図８の第８実施形態にかかるハイブリッドシステムによる排気の状態変化を具体的な数値を挙げて説明する。下記に示す数値の単位、Ｐ( 圧力) はbar 、Ｔ( 温度) は℃、Ｇ( 流量) はｋｇ／ｈである。なお、下記の数値は、セル発電出力２５０ｋＷ、プラント発電出力３００ｋＷの場合を示している。
【００３８】
燃料Ｆ(1.08 Ｐ、32.0Ｔ、120 Ｇ) は、前記燃料改質器５２で改質されて燃料電池１のアノード極１１に送られ、この燃料電池１での発電に寄与した後にアノード極１１から排ガスＧ１ａが、カソード極１２からの排ガスＧ１ｃとともに燃焼器２に供給されて燃焼される。このとき、燃料改質器５２からアノード極１１に送られる燃料Ｆは、1.06Ｐ、580 Ｔ、120 Ｇ、アノード極１１からの排ガスＧ１ａは、1.05Ｐ、650 Ｔ、620 Ｇ、カソード極１２からの排ガスＧ１ｃは、1.05Ｐ、650 Ｔ、2500Ｇである。これらアノード極１１およびカソード極１２からの排ガスＧ１ａ，Ｇ１ｃは燃焼器２に供給され、カソード極１２からの排ガスＧ１ｃの一部が排ガス分岐通路５３から燃料改質器５２に送られて、その熱エネルギーにより燃料の改質に寄与する。燃焼器２に供給される排ガスＧ１ｃは、1.04Ｐ、650 Ｔ、1180Ｇ、燃料改質器５２に送られる排ガスＧ２０は、1.04Ｐ、650 Ｔ、1320Ｇである。燃焼器２からタービン３に送られる排ガスＧ２は、0.99Ｐ、820 Ｔ、3000Ｇ、タービン３の出口から排出される排ガスＧ３は、0.33Ｐ、600 Ｔ、3000Ｇ、排気熱交換器５６から冷却器５７を経て圧縮機４に送られる排ガスＧ４は、0.31Ｐ、40.0Ｔ、3000Ｇ、圧縮機４を出て排気熱交換器５６で昇温され、さらに排ガス通路５０からカソード極１２に送られる排気Ｇ２２は、1.06Ｐ、580 Ｔ、3000Ｇである。
【００３９】
空気予熱器５４に取り入れられる空気Ａ１は、1.01Ｐ、25.0Ｔ、1200Ｇ、前記燃料改質器５２を通過して空気Ａ１との熱交換に寄与する排ガスＧ２１は、1.02Ｐ、414 Ｔ、1414Ｇ、前記空気供給通路５１から燃焼器２に送られる予熱空気Ａ１は、1.00Ｐ、400 Ｔ、1200Ｇである。これにより、燃料電池１の発電出力２５０ｋＷ、発電効率４８．０％ＬＨＶ、ハイブリットシステム全体の発電出力３００ｋＷ、発電効率５７．６％ＬＨＶという、高出力で高効率の発電システムが得られた。
【００４０】
図９は本発明の第９実施形態にかかる燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステムを示している。燃料電池１はSOEC型である。このハイブリッドシステムは、図８の第８実施形態において、前記空気供給通路５１から分岐して空気Ａ１の一部を前記燃料電池１のカソード極１２に供給する電池用空気通路５８を設けている。また、前記空気供給通路５１と電池用空気通路５８との分岐点には、両通路５１，５８への空気分配量を調整する調整弁５９が設けられている。
【００４１】
この構成によれば、前記空気供給通路５１を通る空気Ａ１の一部が電池用空気通路５８から燃料電池１のカソード極１２に供給される。SOFC型のカソード１２は、ＣＯ2 を必要としないが、多量のＯ2 を必要とするので、酸素量の増大によって発電効率が高められる。また、前記調整弁５９を設けることにより、燃料電池１の容量に応じた適切な量の空気の供給が行えて、燃料電池１の効率を高められる。さらに、燃料電池１の種類に応じた空気の供給調整も可能となる。例えば、MCFC型の燃料電池を用いる場合、効率的な発電を行うには多量のＣＯ2 を必要とするので、前記調整弁５９の調整により空気Ａ１の供給を停止または少なくして、前記圧縮機４により昇圧されて排ガス通路５０から送られる排気Ｇ２２の濃度をできるだけ高くする。一方、SOFC型を用いる場合、ＣＯ2 は不要なので、前記調整弁５９を調整してより多くの空気Ａ１を燃料電池１に供給する。なお、前記調整弁５９は、必ずしも用いる必要はなく、例えば調整弁５９から分岐する前記空気供給通路５１の燃焼器２側と電池用空気通路５８として径の異なる配管などを用いることにより、燃焼器２と燃料電池１に至るそれぞれの空気量を調整することも可能である。
【００４２】
前記各実施形態では、タービン３と圧縮機４とを同一回転軸１０で結合しているが、両者は必ずしも軸結合する必要はなく、圧縮機４を、別途設けたモータなどで駆動するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる燃料電池・常圧タービン・ハイブリッドシステムを示すブロック図である。
【図２】第２実施形態のハイブリッドシステムを示すブロック図である。
【図３】第３実施形態のハイブリッドシステムを示すブロック図である。
【図４】第４実施形態のハイブリッドシステムを示すブロック図である。
【図５】第５実施形態のハイブリッドシステムを示すブロック図である。
【図６】第６実施形態のハイブリッドシステムを示すブロック図である。
【図７】第７実施形態のハイブリッドシステムを示すブロック図である。
【図８】第８実施形態のハイブリッドシステムを示すブロック図である。
【図９】第９実施形態のハイブリッドシステムを示すブロック図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃料電池
２…燃焼器
２０…燃料供給器
２１…第二燃焼器
３…タービン
３…タービン
３１…第二タービン
４…圧縮機
４１…第二圧縮機
５…熱交換器
６…冷却器
６１…第二冷却器
７…蒸発器
８…改質器
９…空気導入分岐通路
５１…空気供給通路
５６…排気熱交換器
５８…電池用空気通路
５９…調整弁
Ａ，Ａ１…空気
Ｆ，Ｆ２…燃料
Ｇ１，Ｇ１ａ，Ｇ１ｃ…電池排ガス
Ｇ２…燃焼ガス
Ｇ３〜１２…排気
ＡＰＴ…常圧タービン
【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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