(57)【要約】【課題】  発電効率の向上化を図り、さらに耐久性に優れた発電装置を提供することである。【解決手段】  燃料の流れの上流側（トッピング側）に固体酸化物型燃料電池を設置し、その下流側に発電機を駆動するガスタービンを設置した発電装置において、固体酸化物型燃料電池に、圧縮空気と燃料とを供給し、その排気エネルギーを電気エネルギーとして回収する発電機を回転速度可変タイプの発電機とし、発電機から出力される電力の周波数を所定の周波数に変換できる変換機を備えた装置とした。さらに、部分負荷時において、ガスタービンの圧縮機から固体酸化物型燃料電池に供給される圧縮空気の一部を、ガスタービンの燃焼室下流側の燃焼ガス通路へ導くバイパス通路を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの流れの上流側に固体酸化物型燃料電池を設置し、前記固体酸化物型燃料電池の下流側に発電機を駆動するガスタービンを設置した発電装置において、
前記固体酸化物型燃料電池に、加圧された燃料ガスと、酸素を含む圧縮空気とが供給されており、
前記発電機が回転速度可変タイプの発電機であり、
負荷が変動しても、前記発電機から出力される電力の周波数を所定の周波数に変換することができる変換機を備えたことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
部分負荷時において、前記ガスタービンの圧縮機から固体酸化物型燃料電池に供給される圧縮空気の一部を、ガスタービンの燃焼室下流側の燃焼ガス通路へ導くバイパス通路を設けた請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記ガスタービンの圧縮機として、多段式軸流圧縮機を採用した請求項１又は２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記ガスタービンの燃焼室に、前記固体酸化物型燃料電池経由とは別経路でも燃料が供給されるように、新たに燃料供給通路を設け、
前記燃料供給通路に弁を設け、前記弁の開度を調整することにより燃料の通過量を加減することができ、前記燃料供給通路経由の燃料量を調整することにより前記ガスタービンの燃焼室内の空気過剰率を変更可能にした請求項１〜３のうちのいずれかに記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池とガスタービンとで発電する発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のガスタービンによる発電効率は約４０％程度であり、ガスタービン（ＧＴ）と固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）とを併用する発電システムの発電効率は５３％程度が限界である。図５は、様々な発電システムの発電効率の比較図である。発電装置としては、ガスタービンと固体酸化物型燃料電池との組み合わせが最も発電効率が高いことが、図５から把握することができる。
また、固体酸化物型燃料電池は、負荷が小さくなると温度が低下し、燃料電池としての性能が安定せず、部分負荷時における発電効率は特に改善の余地がある。
【特許文献１】特開２００２−３０５００９公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで本発明では、発電効率の向上化を図り、さらに耐久性に優れた発電装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するため、請求項１の発明では、燃料の流れの上流側に固体酸化物型燃料電池を設置し、前記固体酸化物型燃料電池の下流側に発電機を駆動するガスタービンを設置した発電装置において、前記固体酸化物型燃料電池に、加圧された燃料ガスと、酸素を含む圧縮空気とが供給されており、前記発電機が、回転速度可変タイプの発電機であり、負荷が変動しても、前記発電機から出力される電力の周波数を所定の周波数に変換することができる変換機を備えた。
請求項２の発明では請求項１の発明において、部分負荷時において、前記ガスタービンの圧縮機から固体酸化物型燃料電池に供給される圧縮空気の一部を、ガスタービンの燃焼室下流側の燃焼ガス通路へ導くバイパス通路を設けた。
請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、前記ガスタービンの圧縮機として、多段式軸流圧縮機を採用した。
請求項４の発明では請求項１〜３のうちのいずれかの発明において、前記ガスタービンの燃焼室に、前記固体酸化物型燃料電池経由とは別経路でも燃料が供給されるように新たに燃料供給通路を設け、前記燃料供給通路は弁を備えており、前記弁の開度を調整することにより燃料の通過量を加減することができ、前記燃料供給通路経由の燃料量を調整することにより前記ガスタービンの燃焼室内の空気過剰率を変更可能にした。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１の発明では、燃料の流れの上流側に固体酸化物型燃料電池を設置し、固体酸化物型燃料電池の下流側に発電機を駆動するガスタービンを設置した発電装置において、発電機を回転速度可変タイプの発電機とし、さらに回転速度が変化しても発電機から出力される電力の周波数を所定の周波数に変換することができる変換機を備えるようにした。そのため、部分負荷時において固体酸化物型燃料電池の温度低下を回避する目的で、空気の供給量を燃料供給量に応じた量に減らすために圧縮機の回転速度を下げても、排気エネルギ−を電気エネルギーとして回収することができる。また固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の温度低下を回避することができるので、アノード側において燃料の改質が十分に行われ、広い負荷範囲で、６０％程度の高い発電効率を得ることができる。図６は、各種発電装置の部分負荷時における発電効率と負荷率の関係を示すグラフである。図６に示すように、本発明の発電装置は、広範囲の負荷率において従来の発電システムよりも高い発電効率を得ることができる。
【０００６】
請求項２の発明では、ガスタービンの圧縮機から固体酸化物型燃料電池に供給される圧縮空気の一部を、ガスタービンの燃焼室下流側の燃焼ガス通路へ導くバイパス通路を設けたので、部分負荷時においては低温の圧縮空気の一部を固体酸化物型燃料電池へ供給しないようにしたため、固体酸化物型燃料電池の無駄な温度低下を回避することができ、高い発電効率を維持することができる。
【０００７】
請求項３の発明では、ガスタービンの圧縮機として、多段式軸流圧縮機を採用したので、高い発電効率を実現することができる。また、多段式軸流圧縮機のサージングによる破損を回避するために行う抽気により、低温の圧縮空気の一部が固体酸化物型燃料電池へ供給されず、固体酸化物型燃料電池の無用な温度低下を防止することができるため、発電効率を高く維持することができる。
【０００８】
請求項４の発明では、ガスタービンの燃焼室内の空気過剰率を変更可能にしたので、発電装置の起動時においては、着火し易くなるように燃焼室内の空気過剰率をリッチに設定して燃焼させるようにした。また、ＳＯＦＣ６の温度が上昇し、燃焼が安定した段階では、ＳＯＦＣ６から排出される残存燃料だけを燃焼させるようにした。したがって、アノードガスとカソードガスが、ＳＯＦＣ出口で合流して燃焼室に供給されても、起動時には、低温の混合ガスを燃焼させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（請求項１の発明の実施例）
図１は、請求項１の発明を実施した発電装置１００の系統略図である。図１に示すように発電装置１００は、固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣと呼ぶ）６、ガスタービン５０とを備えている。
【００１０】
ＳＯＦＣ６は、カソード３とアノード４とを備えている。カソード３側には、ガスタービン５０の圧縮機１で圧縮された圧縮空気が、圧縮空気通路１６を通って、熱交換器２で昇温されて供給される。
【００１１】
アノード４側には、燃料圧縮機７、改質器５が接続されている。例えばメタンガス（ＣＨ４）からなる燃料ガスが、燃料ガス供給通路２１を経て燃料圧縮機７へ供給され、且つ、燃料圧縮機７で圧縮される。圧縮された燃料ガスは、通路２２を介して改質器５へ導かれる。改質器５では、圧縮された燃料ガスから燃料ガスＨ２(水素)とＣＯ（一酸化炭素）が生成される。この燃料ガスＨ２とＣＯが、通路２３を介してＳＯＦＣ６のアノード４側へ供給される。アノード４から出たＨ２Ｏ成分は、バイパス通路２５を介して改質器５に戻され、燃料改質に寄与する。
【００１２】
カソード３とアノード４との間で発生した直流電力が、配線１８を介して出力される。この直流電力は、ＤＣ／ＡＣ変換機１１で交流電力に変換され、配線２０を介して負荷へ供給される。
【００１３】
一方、アノード４から通路２４を介して、燃料ガスＨ２とＣＯが、ガスタービン５０の燃焼室８へ供給される。また、カソード３を通過した圧縮空気が、通路１７を介して燃焼室８へ供給される。
【００１４】
燃焼室８で燃焼した燃焼ガスが、通路１９を介してタービン９へ供給され、燃焼ガスはタービン９を回転させる。このタービン９を支持する軸１５が、タービン９と共に回転し、軸１５に設置された圧縮機１も同時に回転し、圧縮空気を生成する。また、タービン９を回転させた高温の燃焼ガスは、排気通路２８を通り、途中、熱交換器２を通過して排出される。一方、圧縮機１から排出された圧縮空気は、この熱交換器２内で加熱されてカソード３に入る。
【００１５】
タービン９の回転により、発電機１０が駆動される。軸１５の回転速度によって発電機１０の発電周波数は異なるが、例えば周波数ＡＣ５００〜８００Ｈｚの交流電力が、配線２６を介してＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換機１２に供給される。
【００１６】
図７は、従来型の誘導式発電機、及び永久磁石式の高速発電機の部分負荷効率を示すグラフである。図７から、周波数変換装置を持った永久磁石式高速発電機では、負荷が部分負荷になれば回転速度を下げることによって発電効率の低下を防ぎ、その発電効率は従来の誘導式発電機の発電効率を上回るっていることがわかる。
【００１７】
ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換機１２は、供給された交流電力の周波数を、例えば６０Ｈｚ（関西地方等）の一定周波数に変換し、配線２７を介して負荷へ出力する。軸１５の回転数が変化すると、発電機１０の出力電力の周波数も変動するが、この変動した周波数を所定の一定値（例えば６０Ｈｚ）に変換するＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換機１２により、最終的には一定周波数の出力電力が得られる。
【００１８】
図８は、発電装置１００の負荷率と送電端熱効率の関係を示すグラフである。図１に示す軸１５の回転速度（所定時間当たりの回転数）が一定のまま負荷が小さくなると、熱効率が悪化することが、図８において右上から左下へ延びる破線で示されている。
【００１９】
しかし、発電装置１００は、回転速度可変タイプの発電機１０とＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換機１２とが設けてあるので、負荷が小さくなった時（つまり部分負荷になった時）においても、熱効率を悪化させることなく軸１５（図１）の回転速度（所定時間当たりの回転数）を小さく設定することができる。
【００２０】
「軸１５の回転速度が小さくなる」とは、つまり、燃焼室８に供給される燃料ガス量と圧縮空気量とが減少することを意味している。圧縮空気通路１６を通過する圧縮空気量が減少すると、圧縮空気が熱交換器２内に滞在する時間が長くなり、熱交換器２内で高温の排気ガスから熱が十分に伝達され、昇温した圧縮空気がＳＯＦＣ６に供給される。
【００２１】
図９は、熱交換器２における空気流量と温度効率の関係を示すグラフである。部分負荷時において、圧縮空気の流量が減少する(流量比が小さくなる)と、温度効率は設計点(定格点)より高くなる。回転速度を下げることにより圧縮後の空気温度は低下するが、熱交換器２内において、圧縮空気と排気ガスとの熱交換が定格点到達時よりも効率良く行われることにより、圧縮空気の温度は、定格点到達時の温度と同程度となり、この高温の圧縮空気がカソード３に送られる。
【００２２】
負荷が変化しても、このようにしてＳＯＦＣ６の温度をほぼ一定に保つことができるので、ＳＯＦＣ６を保護することができ、ＳＯＦＣ６は、従来よりも長時間の使用に耐えることができる。
【００２３】
燃料ガスや空気を加圧状態で使用すると、熱効率が向上することがわかっている。図１０は、圧力比１．４（非加圧状態）に設定した場合と、圧力比５（加圧状態）に設定した場合の送電端熱効率を比較したグラフである。圧力比を１．０に設定すると、タービン９（図１）が回転せず、ガスタービン５０は発電を行うことができないため、ここでは圧力比１．４を非加圧状態としている。
【００２４】
図１０に示すように、圧力比５の加圧状態にすることでガスタービン５０（ＧＴ）の熱効率は、１．０％から１１．６％まで大幅に向上し、ＳＯＦＣ６の熱効率も４９．７％から５０．９％に向上しているのがわかる。つまり、発電装置１００全体の熱効率としては、５０．７％から６２．５％に向上することがわかる。
【００２５】
ＳＯＦＣ６は、温度変化が大きくなると耐久性が悪化する。したがって、発電装置１００の稼働中は、可能な限りＳＯＦＣ６の温度が変化しないようにするのが好ましい。負荷が減少した際に、図１に示す発電装置１００は、ＳＯＦＣ６へ供給する燃料ガスと空気の量を減少させ、引いては燃焼室８での燃焼量を低減させてタービン９（軸１５）の回転速度を落とす。
【００２６】
発電機１０は、回転速度可変タイプなので、軸１５の回転速度が下がっても発電することができる。このとき発電された電力の周波数は、例えば定格時に発電された電力の周波数と比較して低くなるが、ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換機１２が、この周波数の変動を吸収し、例えば６０Ｈｚの一定周波数の電力に変換することができる。
【００２７】
したがって、必要な負荷が減少した際には、ＳＯＦＣ６の温度変化をほぼゼロにして耐久性の悪化を阻止し、反応する空気量（酸素量）と燃料の量とを減少させ、軸１５の回転速度を低下させることで発電量を低減させるようにする。
【００２８】
圧縮機１としては、遠心圧縮機を採用するのが好ましい。遠心圧縮機は、チョークからサージングまでの使用可能な回転速度範囲を広くとることができ、軸１５の回転速度の変化に対応し易く、本発明を実施するのに適している。一般に、大型の発電装置で熱効率を優先する場合には軸流圧縮機が適しているが、小型の発電装置で広い作動範囲が必要な場合には遠心圧縮機が適している。
【００２９】
（請求項２の発明の実施例）
図２は、請求項２の発明を実施した発電装置２００の系統略図である。発電装置２００は、ガスタービン５０ａにおいて、圧縮空気通路１６と通路１９とを接続するバイパス通路１４が設けてある構成が、図１の発電装置１００の構成と相違している。その他の構成で発電装置１００の構成と同じ構成には、同じ符号を付してある。
【００３０】
図２に示すように、バイパス通路１４には弁１３が設けてある。この弁１３の開度を調整することにより、熱交換器２へ送られる圧縮空気の量を調整することができるようになっている。このバイパス通路１４から圧縮空気の一部を逃がすことにより、出力を低下させる（つまり、部分負荷にする）ことができる。弁１３の開度の調整は、ＣＰＵ制御される図示しない制御機構により行う。
【００３１】
規格上の問題等により、圧縮機１の単位時間当たりの回転数を所望する回転数まで下げることができない場合には、請求項２の発明を実施することにより、ＳＯＦＣ６の温度低下を阻止しながら出力を低下させることができる。つまり、圧縮機１としては、高い熱効率が得られる軸流圧縮機を採用することができる。熱効率は良好であるが作動範囲の広くない軸流圧縮機でも、抽気を兼ねたバイパス通路１４を設けることにより、ＳＯＦＣの温度を下げずに部分負荷運転が可能となる。
【００３２】
図１１は、バイパス通路１４に一部の圧縮空気を通した場合の負荷率と送電端熱効率の関係を示すグラフである。軸１５の回転速度を一定のまま負荷を下げると、熱効率も同時に下がってしまう。しかし、バイパス通路１４の弁１３（バイパス弁）を開くと、熱効率は、負荷率５０％程度までは却って上昇しており、負荷率３０％くらいまでは熱効率は６０％以上を呈する。図１１において、CellとはＳＯＦＣ６を指す。
【００３３】
（請求項３の発明の実施例）
図３は、請求項３の発明を実施した発電装置３００の系統略図である。発電装置３００は、ガスタービン５０ｂにおいて、多段式に軸流圧縮機１、１ａが設けてある構成のみが、図１の発電装置１００の構成と相違しており、その他の構成は発電装置１００の構成と同じである。したがって、発電装置１００の構成と同じ構成には、同じ符号を付してある。多段式軸流圧縮機は、遠心式圧縮機よりも効率が高く、特に、大型のガスタービンでは多段式軸流圧縮機が採用されることが多い。
【００３４】
多段式軸流圧縮機には、サージングに備えて、圧縮機１と１ａを接続する通路３１の空気抜きができるように、弁１３ａを備えた通路３２が設けてある。サージングにより多段式圧縮機が破損することを回避するため、弁１３ａから圧縮空気の一部が排出される（抽気される）が、これが、熱交換器２における温度効率の向上に寄与する。特に、部分負荷時において、熱効率の向上は顕著である。また、多段式軸流圧縮機を備えたガスタービンにおいては、抽気することで、ＳＯＦＣ６の温度低下を抑制することができる。
【００３５】
（請求項４の発明の実施例）
図４は、請求項４の発明を実施した発電装置４００の系統略図である。発電装置４００は、燃料圧縮機７から燃料ガスを直接ガスタービン５０ｃの燃焼室８に供給可能な通路２４ａが設けてある構成が、図１の発電装置１００の構成と大きく相違しており、発電装置１００の構成と同じ構成には、同じ符号を付してある。
【００３６】
通路２４ａには弁１３ｂが設けてある。発電装置４００の起動時には、この弁１３ｂを開き、燃料圧縮機７から燃料ガスを直接燃焼室８内へ導き、燃焼室８内の空気過剰率をλ＝１．７程度までリッチ側に設定し、着火し易くする。ＳＯＦＣ６の温度が上昇すると、弁１３ｂを閉じ、ＳＯＦＣ６からの残存燃料だけを燃焼させるようにする。
【００３７】
また、図４に示すように、アノ−ド４から排出されたアノードガスを、通路２５ａ、バイパス通路２９を介してカソード３側の圧縮空気通路１７内のカソードガスと合流させた後、燃焼器８に流入させる。図１〜図３の場合のように、アノードガスとカソードガスを別々に燃焼器８に導くのが困難な場合には、図４に示すように両者を予め混合して燃焼器８へ導く。始動時のようなＳＯＦＣ６の温度が低い場合には、この混合ガスを燃焼させるのが困難なため、別途に燃料ラインとして通路２４ａを設けて、燃焼可能な混合気（リッチな空気過剰率）にして燃焼させる。アノード４から排出されたＨ２Ｏ成分は、通路２５ａ、バイパス通路２９及び燃料ガス供給通路２２を介して改質器５へ戻される。
【００３８】
図１２は、発電装置１００〜４００（以下、代表して発電装置１００とする）の運転時の負荷率と発電効率とを示すグラフである。この図１２により、発電装置１００の運転手順を説明する。
【００３９】
発電装置１００の起動時は、ＳＯＦＣ６は低温であり、発電することができないため、始動後から２０％負荷まではガスタービン５０のみで発電を行う。図１２において、ガスタービン５０の負荷率が２０％負荷に到達するのは、Ａ点である。
【００４０】
定格点Ｂにおけるガスタービン５０の出力割合は約２０％なので、Ａ点とＢ点におけるガスタービン５０の各運転状態はほぼ同じであると言える。そのため、ＳＯＦＣ６のカソード３側に供給される圧縮空気の温度は定格点と変わらず、やがてＳＯＦＣ６のセル全体の温度は、改質の生じる温度（約６００℃）に到達する。
【００４１】
熱的平衡に達すれば、ガスタービン５０の出力（発電量）を下げ、代わりにＳＯＦＣ６の発電量を増やせば、ＳＯＦＣ６のセル温度が徐々に上昇し、最終的にＣ点（タービン９の入口温度制限点、又は熱交換器２の入口温度制限点）に到達する。これで２０％負荷での起動を完了する。
【００４２】
その後、負荷の増加に応じて、ＳＯＦＣ６に燃焼ガスを供給しても、セル温度は直ちには上昇しないため、発電効率が下がって図１２のＤ点に達する。その後、タービン９の入口温度、又は熱交換器２の入口温度が、制限値に達するように軸１５の回転数を下げてガスタービン５０の出力を減らすと、やがてＥ点に達する。
【００４３】
このように、起動時や、負荷の増減時には、ガスタービン５０の発電が先行して負荷を分担することにより、別途加熱装置を設けることなく、この発電装置を起動することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、出力が３０Ｋｗ〜１，０００Ｋｗの程度の陸用の発電装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】請求項１の発明を実施した発電装置の系統略図である。
【図２】請求項２の発明を実施した発電装置の系統略図である。
【図３】請求項３の発明を実施した発電装置の系統略図である。
【図４】請求項４の発明を実施した発電装置の系統略図である。
【図５】従来の様々な様式の発電機の発電効率を示すグラフである。
【図６】各種発電装置の部分負荷時における発電効率と負荷率の関係を示すグラフである。
【図７】従来型の誘導式発電機、及び永久磁石式の高速発電機の部分負荷効率を示すグラフである。
【図８】本発明を実施した発電装置の負荷率と送電端熱効率の関係を示すグラフである。
【図９】熱交換器の温度効率特性を示すグラフである。
【図１０】ＳＯＦＣを加圧し、排気エネルギから電気エネルギを回収することによる効率向上の効果を示すグラフである。
【図１１】本発明を実施した発電装置の負荷率と送電端熱効率の関係を示すグラフである。
【図１２】本発明を実施した発電装置の起動の際の運転モードの変更手順を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４６】
１  圧縮機
２  熱交換器
３  カソード
４  アノード
５  改質器
６  固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）
７  燃料圧縮機
８  燃焼器
９  タービン
１０  発電機
１１  ＤＣ／ＡＣ変換機
１２  ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換機
１３  弁
１４  バイパス通路
１５  軸
１６、１７  圧縮空気通路
１８  配線
１９  通路
２０  配線
２１〜２４  通路
２５  バイパス通路
２６、２７  配線
２８  排気通路
２９  バイパス通路
３１、３２  通路
５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ  ガスタービン
１００、２００、３００、４００  発電装置
【図１】
2005098255.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005098255.tif 000005
【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】
2005098255.tif 000012
【図１１】
2005098255.tif 000013
【図１２】
2005098255.tif 000014