(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン（ＧＴ）と固体電解質型燃料電池（ＦＣ）とを一体に備えた発電装置であって、
ガスタービンエンジン（ＧＴ）はコンプレッサホイール（１７）、タービンホイール（１８）、熱交換器（２０）および燃焼器（２７）を含み、コンプレッサホイール（１７）は圧縮空気を熱交換器（２０）を介して固体電解質型燃料電池（ＦＣ）および燃焼器（２７）に供給し、タービンホイール（１８）は固体電解質型燃料電池（ＦＣ）および燃焼器（２７）からの排ガスにより駆動されてコンプレッサホイール（１７）を駆動し、熱交換器（２０）はタービンホイール（１８）からの排ガスとコンプレッサホイール（１７）からの圧縮空気との間で熱交換を行うものにおいて、
コンプレッサホイール（１７）、タービンホイール（１８）、熱交換器（２０）、燃焼器（２７）および固体電解質型燃料電池（ＦＣ）はコンプレッサホイール（１７）およびタービンホイール（１８）よりなる回転部（３３）の軸線（Ｌ）を共有する軸対称な形状であり、かつ前記回転部（３３）に対して前記軸線（Ｌ）方向の一方側に熱交換器（２０）および固体電解質型燃料電池（ＦＣ）を順次配置したことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
熱交換器（２０）および固体電解質型燃料電池（ＦＣ）は前記軸線（Ｌ）を中心とする円環状であることを特徴とする、請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
コンプレッサホイール（１７）から熱交換器（２０）に圧縮空気を導く圧縮空気通路（１２）を、タービンホイール（１８）から熱交換器（２０）に排ガスを導く排ガス通路（３０）の半径方向外側に配置したことを特徴とする、請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
固体電解質型燃料電池（ＦＣ）は前記軸線（Ｌ）を中心とする円環状であり、その半径方向内側の空間（３４）に燃焼器（２７）を配置したことを特徴とする、請求項１に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンと固体電解質型燃料電池とを一体に備えた発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特表２００１−５１６９３５号公報には、ターボマシンと燃料電池とを組み合わせたハイブリッド電力システムが記載されている。ターボマシンはコンバスタで燃料を燃焼させて発生した高圧ガスでパワータービンを回転させることでジェネレータを駆動して発電を行い、燃料電池はターボマシンのコンプレッサおよび復熱器を通過して加熱された空気と燃料とを反応させて発電を行う。
【０００３】
米国特許第６２１３２３４号明細書には、ガスタービンエンジンで駆動される燃料電池およびジェネレータを備えた車両が記載されている。車両を駆動するのに必要な最大電力の約５０％未満を燃料電池から供給することで、燃料電池を無闇に大型化することなく燃料消費量の節減を図り、また車両の必要電力が小さいときに、燃料電池は必要電力の全てあるいは大部分を効率的に供給する。
【０００４】
米国特許第６２５５０１０号明細書には、ガスタービンエンジン、燃料電池およびジェネレータを含む発電装置を共通の圧力容器内に収納して加圧状態で運転するものが記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ガスタービンエンジンと燃料電池とを分離して配置するとシステム全体の寸法が大型化する問題があるため、ガスタービンエンジンのケーシングの内部に燃料電池を収納してコンパクト化を図ることが考えられる。しかしながら、ガスタービンエンジンに燃料電池を単純に組み合わせてもシステムのコンパクト化には限界があり、しかも運転時に数百度の高温になるガスタービンエンジンおよび燃料電池の熱膨張を効果的に吸収することが難しいため、両者の熱応力が増加して発電効率の低下や耐久性の低下の要因となる可能性がある。
【０００６】
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ガスタービンエンジンと固体電解質型燃料電池とを一体に備えた発電装置をコンパクト化するとともに、発電効率および耐久性の向上を図ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、ガスタービンエンジンと固体電解質型燃料電池とを一体に備えた発電装置であって、ガスタービンエンジンはコンプレッサホイール、タービンホイール、熱交換器および燃焼器を含み、コンプレッサホイールは圧縮空気を熱交換器を介して固体電解質型燃料電池および燃焼器に供給し、タービンホイールは固体電解質型燃料電池および燃焼器からの排ガスにより駆動されてコンプレッサホイールを駆動し、熱交換器はタービンホイールからの排ガスとコンプレッサホイールからの圧縮空気との間で熱交換を行うものにおいて、コンプレッサホイール、タービンホイール、熱交換器、燃焼器および固体電解質型燃料電池はコンプレッサホイールおよびタービンホイールよりなる回転部の軸線を共有する軸対称な形状であり、かつ前記回転部に対して前記軸線方向の一方側に熱交換器および固体電解質型燃料電池を順次配置したことを特徴とする発電装置が提案される。
【０００８】
上記構成によれば、ガスタービンエンジンの構成要素であるコンプレッサホイール、タービンホイール、熱交換器および燃焼器と固体電解質型燃料電池とを、コンプレッサホイールおよびタービンホイールよりなる回転部の軸線を共有する軸対称な形状にし、かつ回転部に対して軸線方向の一方側に熱交換器および固体電解質型燃料電池を順次配置したので、発電装置全体をコンパクト化できるだけでなく、熱交換器や固体電解質型燃料電池に入る圧縮空気や排ガスの流速を均一化し、更に圧縮空気や排ガスの流れをスムーズにして圧力損失を減少させることで発電効率を高めることができる。また上記軸対称の配置により、発電装置の熱膨張により発生する熱応力を最小限に抑えて発電効率の向上および耐久性の向上を図ることができる。
【０００９】
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、熱交換器および固体電解質型燃料電池は前記軸線を中心とする円環状であることを特徴とする発電装置が提案される。
【００１０】
上記構成によれば、熱交換器および固体電解質型燃料電池が回転部の軸線を中心とする円環状であるため、熱交換器および固体電解質型燃料電池の半径方向内側の空間にガスタービンエンジンの構成要素を収納してコンパクト化を図ることができ、しかもガスタービンエンジンが発生する熱を半径方向外側の熱交換器および固体電解質型燃料電池で回収することができる。
【００１１】
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、コンプレッサホイールから熱交換器に圧縮空気を導く圧縮空気通路を、タービンホイールから熱交換器に排ガスを導く排ガス通路の半径方向外側に配置したことを特徴とする発電装置が提案される。
【００１２】
上記構成によれば、圧縮空気通路を排ガス通路の半径方向外側に配置したので、比較的高温の排ガスが通る排ガス通路から逃げる熱を比較的低温の圧縮空気が通る圧縮空気通路で回収して発電効率を一層高めることができる。
【００１３】
また請求項４に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、固体電解質型燃料電池は前記軸線を中心とする円環状であり、その半径方向内側の空間に燃焼器を配置したことを特徴とする発電装置が提案される。
【００１４】
上記構成によれば、円環状の固体電解質型燃料電池の半径方向内側の空間に燃焼器を配置したので、燃焼器が発生する熱を固体電解質型燃料電池で回収し、特に始動初期の固体電解質型燃料電池を早期に活性化して発電効率を向上させることができる。
【００１５】
尚、実施例の第１圧縮空気通路１２は本発明の圧縮空気通路に対応する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。
【００１７】
図１および図２は本発明の第１実施例を示すもので、図１は発電装置の縦断面図、図２は図１の２−２線断面図である。
【００１８】
図１および図２には、ガスタービンエンジンＧＴに固体電解質型燃料電池ＦＣを一体化した発電装置が示される。ガスタービンエンジンＧＴは概略カップ状の前部ケーシング１１を備えており、前部ケーシング１１の内面に沿うように形成された第１圧縮空気通路１２の上流側に、図示せぬエアクリーナおよびサイレンサに連なる吸気通路１３が接続される。吸気通路１３の中央を貫通して一対のベアリング１４，１５で支持された回転軸１６には、遠心式のコンプレッサホイール１７と遠心式のタービンホイール１８とが隣接して同軸に固定される。コンプレッサホイール１７の外周に放射状に形成された複数のコンプレッサブレード１７ａ…は前記吸気通路１３に臨んでおり、これらコンプレッサブレード１７ａ…の直下流に位置する第１圧縮空気通路１２に複数のコンプレッサディフューザ１９…が設けられる。回転軸１６の前端にはタービンホイール１８により駆動されるジェネレータＧＥが設けられる。
【００１９】
前部ケーシング１１の後端に円環状に形成された伝熱型の熱交換器２０が配置される。熱交換器２０は多数枚の金属薄板を放射方向に配置することで圧縮空気通路と排ガス通路とを円周方向に交互に形成したもので、後端外周寄りの位置に第１圧縮空気通路１２の下流端に連なる圧縮空気入口２１を備えるとともに前端内周寄りの位置に圧縮空気出口２２を備え、前端外周寄りの位置に排ガス入口２３を備えるとともに後端内周寄りの位置に大気に連なる排ガス出口２４を備える。熱交換器２０は、実線矢印で示す比較的に低温の圧縮空気と、破線矢印で示す比較的に高温の排ガスとを相互に逆方向に流すことにより、その流路の全長に亘って圧縮空気および排ガス間の温度差を大きく保って熱交換効率を向上させている。
【００２０】
熱交換器２０の内周面から後方に向けて段付き円筒状の後部ケーシング２５が接続されており、後部ケーシング２５の後半部に円環状に形成された固体電解質型燃料電池ＦＣが収納される。後部ケーシング２５の内周面に沿って形成された第２圧縮空気通路２６は、その上流端が熱交換器２０の圧縮空気出口２２に連なり、その下流端が固体電解質型燃料電池ＦＣの外周部に連なっている。固体電解質型燃料電池ＦＣの半径方向内側に単缶型の燃焼器２７が配置されており、その後端に燃料噴射ノズル２８が設けられる。第２圧縮空気通路２６の中間部分に固体電解質型燃料電池ＦＣをバイパスする開口を開閉する開閉弁２９…が設けられる。
【００２１】
回転軸１６の後端に設けられたタービンホイール１８の外周に放射状に形成された複数のタービンブレード１８ａ…から延びる排ガス通路３０が熱交換器２０の排ガス入口２３に接続されており、この排ガス通路３０の半径方向外側が前記第１圧縮空気通路１２によって覆われる。タービンホイール１８の後面を覆うように遮熱板３１が配置されており、遮熱板３１の外周部にタービンブレード１８ａ…に臨むタービンノズル３２…が設けられる。
【００２２】
コンプレッサホイール１７およびタービンホイール１８で構成される回転部３３を支持する回転軸１６の軸線Ｌに対して、ガスタービンエンジンＧＴの構成要素（つまりコンプレッサホイール１７、タービンホイール１８、熱交換器２０および燃焼器２７）および固体電解質型燃料電池ＦＣは軸対称な形状を有している。そして回転部３３の軸線Ｌ方向後方に形成された空間３４の半径方向外側に円環状の熱交換器２０が配置され、更に熱交換器２０の軸線Ｌ方向後方に円環状の固体電解質型燃料電池ＦＣが配置され、固体電解質型燃料電池ＦＣの半径方向内側に燃焼器２７が配置される。
【００２３】
公知の固体電解質型燃料電池ＦＣは、円環状の薄板よりなる多数のセルを、それと同形のセパレータを挟んで軸線Ｌ方向に重ね合わせたもので、各々のセルはセラミックス系の固体電解質の両側面にカソード（空気極）およびアノード（燃料極）を積層してなる。セパレータに形成した通路を通してカソードおよびアノードにそれぞれ空気および燃料を供給し、それらが固体電解質の界面で反応することで電気エネルギーが発生する。
【００２４】
次に、上記構成を備えた本発明の実施例の作用について説明する。
【００２５】
発電装置の運転中に、吸気通路１３から吸い込まれてコンプレッサホイール１７により圧縮された空気は第１圧縮空気通路１２を経て熱交換器２０に送られ、そこで高温の排ガス（約８００°Ｃ）との間で熱交換することにより排ガスの温度近くまで加熱される。熱交換器２０を通過した高温の圧縮空気は第２圧縮空気通路２６を経て固体電解質型燃料電池ＦＣに達し、固体電解質型燃料電池ＦＣを半径方向外側から半径方向内側に通過する。一方、固体電解質型燃料電池ＦＣに供給された天然ガス等の燃料（白抜き矢印参照）は、高温の固体電解質型燃料電池ＦＣにおいてＨ2 およびＣＯに内部改質され、熱交換器２０から供給された空気と反応することで発電が行われる。
【００２６】
発電装置の始動時には固体電解質型燃料電池ＦＣが活性化していないため、燃焼器２７を一時的に作動させて固体電解質型燃料電池ＦＣを活性化温度まで昇温させる。即ち、コンプレッサホイール１７からの圧縮空気を熱交換器２０から固体電解質型燃料電池ＦＣを経て燃焼器２７に供給し、その圧縮空気に燃料噴射ノズル２８から噴射した燃料を混合して燃焼させると、高温の排ガスが熱交換器２０に供給されて熱交換が行われるようになり、固体電解質型燃料電池ＦＣに供給される圧縮空気の温度が上昇する。また燃焼器２７で発生した排ガスによりタービンホイール１８が駆動されるため、コンプレッサホイール１７による空気の吸入および圧縮が有効に行われて固体電解質型燃料電池ＦＣに供給される圧縮空気の温度が更に上昇する。
【００２７】
その結果、固体電解質型燃料電池ＦＣに供給される圧縮空気の温度が所定温度（例えば、５００°Ｃ〜６００°Ｃ）に達すると、燃料噴射ノズル２８からの燃料の噴射を停止して燃焼器２７を不作動にしても、固体電解質型燃料電池ＦＣの温度が活性化温度に達することで発電装置の運転が継続される。また開閉弁２９…の開度を変化させて固体電解質型燃料電池ＦＣを通過する圧縮空気量とバイパスする圧縮空気量との比率を制御することで、固体電解質型燃料電池ＦＣの温度を制御したり、固体電解質型燃料電池ＦＣにおける圧力損失を低減したりすることができる。
【００２８】
尚、燃焼器２７を軸線Ｌ方向に移動自在に設け、始動時に燃焼器２７を後部ケーシング２５の内部に突出させ、始動後に燃焼器２７を後部ケーシング２５の外部に退避させれば、始動後の発電装置の運転中に固体電解質型燃料電池ＦＣからの排ガスが燃焼器２７と干渉せずにスムーズに流れるようになり、発電効率の更なる向上を期待することができる。
【００２９】
しかして、タービンホイール１８の回転軸１６により駆動されるジェネレータＧＥで発電された電力と、固体電解質型燃料電池ＦＣで発電された電力とが統合されて出力される。燃料の持つ化学エネルギーのうち、約５０％が固体電解質型燃料電池ＦＣで電気エネルギーに変換され、約１５％がジェネレータＧＥで電気エネルギーに変換されるため、発電装置の効率は６５％に達して極めて高いものとなる。
【００３０】
さて、コンプレッサホイール１７およびタービンホイール１８よりなる回転部３３の軸線Ｌに対して、コンプレッサホイール１７、タービンホイール１８、熱交換器２０、燃焼器２７および固体電解質型燃料電池ＦＣが軸対称に配置されているため、ガスタービンエンジンＧＴおよび固体電解質型燃料電池ＦＣの内部の圧縮空気や排ガスの流れが軸対称になって円周方向に均一化されるため、熱交換器２０に流入する圧縮空気および排ガスの流速を均一化し、かつ固体電解質型燃料電池ＦＣに流入する圧縮空気の流速を均一化することができるので、熱交換器２０における熱交換効率の向上および固体電解質型燃料電池ＦＣにおける発電効率の向上に寄与することができる。また発電装置の前記軸対称配置により、圧力損失が減少して発電効率の向上および燃料消費量の低減が可能となる。更に、ガスタービンエンジンＧＴおよび固体電解質型燃料電池ＦＣの内部の温度分布も軸対称になって各部材の熱歪みが最小限に抑えられ、コンプレッサホイール１７やタービンホイール１８のスムーズな回転が確保されるとともに、熱応力によるセラミック製部品の損傷等が防止されて耐久性が向上する。更に、ケーシングや通路のような部品も軸対称化することができるので、それらを板金等の薄肉材料で製作することが可能となって軽量化が達成されるばかりか、ヒートマスの減少によって冷間始動時の熱損失を減少させて燃費消費量の更なる低減が可能となる。
【００３１】
また円環状に形成した熱交換器２０および固体電解質型燃料電池ＦＣを発電装置の最外層部に配置したので、その半径方向内側の空間３４にガスタービンエンジンＧＴの燃焼器２７等の構成要素を収納してコンパクト化を図ることができ、かつガスタービンエンジンＧＴが発生する熱を外側の熱交換器２０および固体電解質型燃料電池ＦＣで回収することができる。特に、固体電解質型燃料電池ＦＣの半径方向内側の空間３４に燃焼器２７を配置したので、発電装置の軸線Ｌ方向線向寸法をコンパクト化することができるだけでなく、固体電解質型燃料電池ＦＣで熱を回収することができる。特に、発電装置を始動すべく燃焼器２７を作動させたときに、半径方向外側に位置する固体電解質型燃料電池ＦＣを効果的に加熱して早期の活性化を可能にするとともに、燃料消費量の低減に寄与することができる。
【００３２】
また軸線Ｌに沿って前方から後方にコンプレッサホイール１７およびタービンホイール１８よりなる回転部３３と、熱交換器２０と、固体電解質型燃料電池ＦＣとが順次配置されているため、発電装置の半径方向寸法をコンパクト化することができるだけでなく、圧縮空気や排ガスの流速を均一化し、流れをスムーズにして圧力損失を減少させ、発電効率を高めることができる。
【００３３】
またコンプレッサホイール１７から熱交換器２０に比較的に低温の圧縮空気を導く第１圧縮空気通路１２を、タービンホイール１８から熱交換器２０に比較的に高温の排ガスを導く排ガス通路３０の半径方向外側を覆うように配置したので、高温の排ガス通路３０から逃げる熱を低温の第１圧縮空気通路１２で回収することで、前部ケーシング１１からの熱逃げを防止して発電効率を一層高めることができる。更に、第２圧縮空気通路２６が固体電解質型燃料電池ＦＣの半径方向外側を覆うように配置されているので、固体電解質型燃料電池ＦＣが発生する熱を第２圧縮空気通路２６で回収して、後部ケーシング２５から外部に逃げないようにして発電効率を一層高めることができる。
【００３４】
次に、図３および図４に基づいて本発明の第２実施例を説明する。第２実施例は固体電解質型燃料電池ＦＣの形状が第１実施例と異なっており、その他の構成は第１実施例と同一である。
【００３５】
第２実施例は、円環状に形成された複数個（例えば、８個）の固体電解質型燃料電池ＦＣ…を、回転部３３の軸線Ｌの周囲を囲むように円周方向に等間隔で配置したものである。各々の固体電解質型燃料電池ＦＣはその軸線Ｌ１を回転部３３の軸線Ｌと平行にした状態で、後部ケーシング２５と円筒状の隔壁４１とによって区画された円環状の空間４２に収納される。
【００３６】
この第２実施例によっても、８個の固体電解質型燃料電池ＦＣ…が回転部３３の軸線Ｌに対して軸対称に配置されるため、前述した第１実施例と同様の作用効果を達成することができる。それに加えて、各々の固体電解質型燃料電池ＦＣの直径が第１実施例のものに比べて小さくなるため、そのセルおよびセパレータが小型になって製造が容易になる。
【００３７】
次に、図５および図６に基づいて本発明の第３実施例を説明する。第３実施例も固体電解質型燃料電池ＦＣの形状が第１実施例と異なっており、その他の構成は第１実施例と同一である。
【００３８】
第３実施例は、円環状に形成された複数個（例えば、１２個）の固体電解質型燃料電池ＦＣ…を、回転部３３の軸線Ｌの周囲を囲むように軸線Ｌ方向に２列に、かつ円周方向に等間隔で配置したものである。各列の６個の固体電解質型燃料電池ＦＣ…はその軸線Ｌ２…を回転部３３の軸線Ｌに対して放射方向にした状態で、後部ケーシング２５と円筒状の隔壁４１とによって区画された円環状の空間４２に収納される。
【００３９】
この第３実施例によっても、１２個の固体電解質型燃料電池ＦＣ…が回転部３３の軸線Ｌに対して軸対称に配置されるため、前述した第１実施例と同様の作用効果を達成することができる。それに加えて、各々の固体電解質型燃料電池ＦＣの直径が第１実施例のものに比べて小さくなるため、そのセルおよびセパレータが小型になって製造が容易になるだけなく、軸線Ｌ方向の固体電解質型燃料電池ＦＣ…の列数を任意に増加させることで、同じ発電容量を確保しながら発電装置の外径をコンパクト化することができる。
【００４０】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように請求項１に記載された発明によれば、ガスタービンエンジンの構成要素であるコンプレッサホイール、タービンホイール、熱交換器および燃焼器と固体電解質型燃料電池とを、コンプレッサホイールおよびタービンホイールよりなる回転部の軸線を共有する軸対称な形状にし、かつ回転部に対して軸線方向の一方側に熱交換器および固体電解質型燃料電池を順次配置したので、発電装置全体をコンパクト化できるだけでなく、熱交換器や固体電解質型燃料電池に入る圧縮空気や排ガスの流速を均一化し、更に圧縮空気や排ガスの流れをスムーズにして圧力損失を減少させることで発電効率を高めることができる。また上記軸対称の配置により、発電装置の熱膨張により発生する熱応力を最小限に抑えて発電効率の向上および耐久性の向上を図ることができる。
【００４２】
また請求項２に記載された発明によれば、熱交換器および固体電解質型燃料電池が回転部の軸線を中心とする円環状であるため、熱交換器および固体電解質型燃料電池の半径方向内側の空間にガスタービンエンジンの構成要素を収納してコンパクト化を図ることができ、しかもガスタービンエンジンが発生する熱を半径方向外側の熱交換器および固体電解質型燃料電池で回収することができる。
【００４３】
また請求項３に記載された発明によれば、圧縮空気通路を排ガス通路の半径方向外側に配置したので、比較的高温の排ガスが通る排ガス通路から逃げる熱を比較的低温の圧縮空気が通る圧縮空気通路で回収して発電効率を一層高めることができる。
【００４４】
また請求項４に記載された発明によれば、円環状の固体電解質型燃料電池の半径方向内側の空間に燃焼器を配置したので、燃焼器が発生する熱を固体電解質型燃料電池で回収し、特に始動初期の固体電解質型燃料電池を早期に活性化して発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発電装置の縦断面図
【図２】図１の２−２線断面図
【図３】第２実施例に係る発電装置の縦断面図
【図４】図３の４−４線断面図
【図５】第３実施例に係る発電装置の縦断面図
【図６】図５の６−６線断面図
【符号の説明】
１２        第１圧縮空気通路（圧縮空気通路）
１７        コンプレッサホイール
１８        タービンホイール
２０        熱交換器
２７        燃焼器
３０        排ガス通路
３３        回転部
３４        空間
ＦＣ        固体電解質型燃料電池
ＧＴ        ガスタービンエンジン
Ｌ          軸線
【図１】
0003901578.tif 000002
【図２】
0003901578.tif 000003
【図３】
0003901578.tif 000004
【図４】
0003901578.tif 000005
【図５】
0003901578.tif 000006
【図６】
0003901578.tif 000007