(57)【要約】      （修正有）【課題】経済性に優れ、安定した燃焼を得ることが可能な燃料電池複合発電システムを提供する。【解決手段】燃焼器１２は、化学反応後の圧縮空気である排出圧縮空気が燃料電池３１から供給されるとともに、燃料ガスを圧縮することによって生成された第２の圧縮燃料ガスが供給され、第２の圧縮燃料ガスが排出圧縮空気に含まれる酸素を用いて燃焼することによって第１の燃焼ガスを生成する。ガスタービン１３は、燃焼器１２から供給された第１の燃焼ガスで駆動する。第２の燃焼器１４は、ガスタービン１３から排出された燃焼ガスである排出燃焼ガスが供給されるとともに、化学反応後の圧縮燃料ガスである未燃燃料ガスが燃料電池から供給され、未燃燃料ガスが排出燃焼ガスに含まれる酸素を用いて燃焼することによって第２の燃焼ガスを生成する。ガスタービン１５は、燃焼器１４から供給された第２の燃焼ガスで駆動する。【選択図】図１
2016171001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮することによって、圧縮空気を生成する空気圧縮機と、
前記空気圧縮機から前記圧縮空気が供給されるとともに、燃料ガスを圧縮することによって生成された第１の圧縮燃料ガスが供給され、前記圧縮空気と前記第１の圧縮燃料ガスとの化学反応により発電する燃料電池と、
前記化学反応後の前記圧縮空気である排出圧縮空気が前記燃料電池から供給されるとともに、燃料ガスを圧縮することによって生成された第２の圧縮燃料ガスが供給され、前記第２の圧縮燃料ガスが前記排出圧縮空気に含まれる酸素を用いて燃焼することによって第１の燃焼ガスを生成する第１の燃焼器と、
前記第１の燃焼器から供給された前記第１の燃焼ガスで駆動する第１のガスタービンと、
前記第１のガスタービンから排出された燃焼ガスである排出燃焼ガスが供給されるとともに、前記化学反応後の前記圧縮燃料ガスである未燃燃料ガスが前記燃料電池から供給され、前記未燃燃料ガスが前記排出燃焼ガスに含まれる酸素を用いて燃焼することによって第２の燃焼ガスを生成する第２の燃焼器と、
前記第２の燃焼器から供給された前記第２の燃焼ガスで駆動する第２のガスタービンと、
を備える燃料電池複合発電システム。
【請求項２】
前記未燃燃焼ガスに加えて、燃料ガスを圧縮することによって生成された第３の圧縮燃料ガスも、前記第２の燃焼器に供給される、請求項１に記載の燃料電池複合発電システム。
【請求項３】
前記燃料電池より排出される前記未燃燃料ガスを、前記燃料電池に再び循環させる再循環ブロアーを更に備え、
前記再循環ブロアーにより循環する前記未燃燃料ガスの一部を前記第１の燃焼器に供給する、請求項１に記載の燃料電池複合発電システム。
【請求項４】
前記空気圧縮機と、前記第１の燃焼器と、前記第１のガスタービンと、前記第２の燃焼器と、前記第２のガスタービンとにより、再熱式のガスタービン発電システムが構成されている、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の燃料電池複合発電システム。
【請求項５】
空気を圧縮することによって、第１の圧縮空気を生成する第１の空気圧縮機と、
前記第１の空気圧縮機から前記第１の圧縮空気が供給されるとともに、燃料ガスを圧縮することによって生成された第１の圧縮燃料ガスが供給され、前記第１の圧縮空気と前記第１の圧縮燃料ガスとの化学反応により発電する燃料電池と、
前記化学反応後の前記圧縮空気である排出圧縮空気が前記燃料電池から供給されるとともに、燃料ガスを圧縮することによって生成された第２の圧縮燃料ガスが供給され、前記第２の圧縮燃料ガスが前記排出圧縮空気に含まれる酸素を用いて燃焼することによって第１の燃焼ガスを生成する第１の燃焼器と、
前記第１の燃焼器から供給された前記第１の燃焼ガスで駆動する第１のガスタービンと、
を備えるとともに、
空気を圧縮することによって、前記第１の圧縮空気よりも圧力の低い第２の圧縮空気を生成する第２の空気圧縮機と、
前記第２の空気圧縮機から前記第２の圧縮空気が供給されるとともに、前記化学反応後の前記圧縮燃料ガスである未燃燃料ガスが前記燃料電池から供給され、前記未燃燃料ガスが前記第２の圧縮空気に含まれる酸素を用いて燃焼することによって第２の燃焼ガスを生成する第２の燃焼器と、
前記第２の燃焼器から供給された前記第２の燃焼ガスで駆動する第２のガスタービンと、
を備える燃料電池複合発電システム。
【請求項６】
前記燃料電池より排出される前記未燃燃料ガスを、前記燃料電池に再び循環させる再循環ブロアーを更に備え、
前記再循環ブロアーにより循環する前記未燃燃料ガスの一部を前記第２の燃焼器に供給する、請求項１に記載の燃料電池複合発電システム。
【請求項７】
前記第１の空気圧縮機と、前記第１の燃焼器と、前記第１のガスタービンで、第１のガスタービン発電システムが構成されており、
前記第２の空気圧縮機と、前記第２の燃焼器と、前記第２のガスタービンで、前記第１のガスタービン発電システムよりも動作圧力の低い第２のガスタービン発電システムが構成されている、請求項５又は請求項６に記載の燃料電池複合発電システム。
【請求項８】
空気を圧縮することによって、圧縮空気を生成する空気圧縮ステップと、
前記圧縮空気が供給されるとともに、燃料ガスを圧縮することによって生成された第１の圧縮燃料ガスが供給され、前記圧縮空気と前記第１の圧縮燃料ガスとの化学反応により燃料電池が発電する発電ステップと、
前記化学反応後の前記圧縮空気である排出圧縮空気が前記燃料電池から供給されるとともに、燃料ガスを圧縮することによって生成された第２の圧縮燃料ガスが供給され、前記第２の圧縮燃料ガスが前記排出圧縮空気に含まれる酸素を用いて燃焼することによって第１の燃焼ガスを生成する第１燃焼ステップと、
前記第１の燃焼ガスで第１のガスタービンが駆動する第１駆動ステップと、
前記第１のガスタービンから排出された燃焼ガスである排出燃焼ガスが供給されるとともに、前記化学反応後の前記圧縮燃料ガスである未燃燃料ガスが前記燃料電池から供給され、前記未燃燃料ガスが前記排出燃焼ガスに含まれる酸素を用いて燃焼することによって第２の燃焼ガスを生成する第２燃焼ステップと、
前記第２の燃焼ガスで第２のガスタービンが駆動する第２駆動ステップと、
を備える燃料電池複合発電システムの運転方法。
【請求項９】
空気を圧縮することによって、第１の圧縮空気を生成する第１空気圧縮ステップと、
前記第１の圧縮空気が供給されるとともに、燃料ガスを圧縮することによって生成された第１の圧縮燃料ガスが供給され、前記第１の圧縮空気と前記第１の圧縮燃料ガスとの化学反応により燃料電池が発電する発電ステップと、
前記化学反応後の前記圧縮空気である排出圧縮空気が前記燃料電池から供給されるとともに、燃料ガスを圧縮することによって生成された第２の圧縮燃料ガスが供給され、前記第２の圧縮燃料ガスが前記排出圧縮空気に含まれる酸素を用いて燃焼することによって第１の燃焼ガスを生成する第１燃焼ステップと、
前記第１の燃焼ガスで第１のガスタービンが駆動する第１駆動ステップと、
を備えるとともに、
空気を圧縮することによって、前記第１の圧縮空気よりも圧力の低い第２の圧縮空気を生成する第２空気圧縮ステップと、
前記第２の圧縮空気が供給されるとともに、前記化学反応後の前記圧縮燃料ガスである未燃燃料ガスが前記燃料電池から供給され、前記未燃燃料ガスが前記第２の圧縮空気に含まれる酸素を用いて燃焼することによって第２の燃焼ガスを生成する第２燃焼ステップと、
前記第２の燃焼ガスで第２のガスタービンが駆動する第２駆動ステップと、
を備える燃料電池複合発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池複合発電システム、およびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン発電システムは、一般的に、空気圧縮機と、燃焼器と、ガスタービンと、を備える。ガスタービン発電システムでは、外気が空気圧縮機にて圧縮され、この圧縮空気が燃焼器に供給される。燃焼器には、この圧縮空気とともに燃料ガスが供給され、この燃料ガスと圧縮空気との燃焼によって燃焼ガスが生成される。そして、この燃焼ガスでガスタービンは発電機を駆動する。
【０００３】
近年、ガスタービン発電システムを燃料電池とを組み合わせることでエネルギーの高効率化を図った燃料電池複合発電システムが提案されている（特許文献１参照）。燃料電池複合発電システムでは、外気が、ガスタービン発電システムの空気圧縮機で圧縮され、この圧縮空気が燃料電池に供給される。また、燃料ガスが燃料圧縮機で圧縮され、この圧縮燃料ガスも燃料電池に供給される。そして、圧縮空気と圧縮燃料ガスとの化学反応により燃料電池は発電する。この化学反応後には、高温高圧の空気と未反応の可燃性成分を有する未燃燃料ガスとが燃料電池から排出され、これらはガスタービン発電システムの燃焼器に供給される。この燃焼器において未燃燃料ガスを燃焼させることでガスタービンを駆動させることが可能となる。
【０００４】
上述した燃料電池複合発電システムによれば、燃料電池が高圧の空気で化学反応することでエネルギー効率の向上が見込まれる。また、燃料電池から排出された未燃燃料ガスがガスタービン発電システムの燃焼器で燃焼することで、ガスタービンの駆動が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１００２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般的に燃料電池は複数のセラミックセルを備えており、このセラミックセル内における燃料ガスのリーク防止の観点から、また、セラミックセルの破損防止の観点から、圧縮空気と圧縮燃料ガスとの間で大きな圧力差が生じないように供給制御を行う必要がある。
【０００７】
その一方で、ガスタービン発電システムの燃焼器に供給される燃料ガスは、燃焼器内で高速に噴出されなければならないことから、通常、燃焼器内の圧力の１．５倍以上の圧力が必要であると言われている。また、燃料電池における化学反応後の圧縮空気である排出圧縮空気は、高温化されているが、大きな圧力損失はないことから、その圧力は燃料器内でも、燃料電池内の圧力とほぼ同等である。
【０００８】
このため、燃料電池から燃料器に供給する未燃燃料ガスは、再度、燃焼器内の圧力の１．５倍以上に昇圧する必要があることから、設備が大型化してしまい、建設費の押し上げ、発電設備の信頼性の低下、経済性の低下等を招いてしまう。
【０００９】
さらにまた、燃料電池から排出された化学反応後の未燃燃料ガスは発熱量が低く、それだけでは熱量が不足して、安定した燃焼を連続的に得られない可能性もある。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、経済性に優れ、安定した燃焼を得ることが可能な燃料電池複合発電システム、およびその運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一実施形態によれば、燃料電池複合発電システムは、空気圧縮機と、燃料電池と、第１の燃焼器と、第１のガスタービンと、第２の燃焼器と、第２のガスタービンとを備える。空気圧縮機は、空気を圧縮することによって、圧縮空気を生成する。燃料電池は、空気圧縮機から圧縮空気が供給されるとともに、燃料ガスを圧縮することによって生成された第１の圧縮燃料ガスが供給され、圧縮空気と第１の圧縮燃料ガスとの化学反応により発電する。第１の燃焼器は、化学反応後の圧縮空気である排出圧縮空気が燃料電池から供給されるとともに、燃料ガスを圧縮することによって生成された第２の圧縮燃料ガスが供給され、第２の圧縮燃料ガスが排出圧縮空気に含まれる酸素を用いて燃焼することによって第１の燃焼ガスを生成する。第１のガスタービンは、第１の燃焼器から供給された第１の燃焼ガスで駆動する。第２の燃焼器は、第１のガスタービンから排出された燃焼ガスである排出燃焼ガスが供給されるとともに、化学反応後の圧縮燃料ガスである未燃燃料ガスが燃料電池から供給され、未燃燃料ガスが排出燃焼ガスに含まれる酸素を用いて燃焼することによって第２の燃焼ガスを生成する。第２のガスタービンは、第２の燃焼器から供給された第２の燃焼ガスで駆動する。
【００１２】
他の実施形態によれば、燃料電池複合発電システムは、第１の空気圧縮機と、燃料電池と、第１の燃焼器と、第１のガスタービンと、第２の空気圧縮機と、第２の燃焼器と、第２のガスタービンとを備える。第１の空気圧縮機は、空気を圧縮することによって、第１の圧縮空気を生成する。燃料電池は、第１の空気圧縮機から第１の圧縮空気が供給されるとともに、燃料ガスを圧縮することによって生成された第１の圧縮燃料ガスが供給され、第１の圧縮空気と第１の圧縮燃料ガスとの化学反応により発電する。第１の燃焼器は、化学反応後の圧縮空気である排出圧縮空気が燃料電池から供給されるとともに、燃料ガスを圧縮することによって生成された第２の圧縮燃料ガスが供給され、第２の圧縮燃料ガスが排出圧縮空気に含まれる酸素を用いて燃焼することによって第１の燃焼ガスを生成する。第１のガスタービンは、第１の燃焼器から供給された第１の燃焼ガスで駆動する。第２の空気圧縮機は、空気を圧縮することによって、第１の圧縮空気よりも圧力の低い第２の圧縮空気を生成する。第２の空気圧縮機から第２の圧縮空気が供給されるとともに、化学反応後の圧縮燃料ガスである未燃燃料ガスが燃料電池から供給され、未燃燃料ガスが第２の圧縮空気に含まれる酸素を用いて燃焼することによって第２の燃焼ガスを生成する。第２のガスタービンは、第２の燃焼器から供給された第２の燃焼ガスで駆動する。
【発明の効果】
【００１３】
経済性に優れ、安定した燃料を得ることが可能な燃料電池複合発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池複合発電システムの概略的な構成を示すブロック図である。
【図２】第２の実施形態に係る燃料電池複合発電システムの概略的な構成を示すブロック図である。
【図３】第３の実施形態に係る燃料電池複合発電システムの概略的な構成を示すブロック図である。
【図４】第４の実施形態に係る燃料電池複合発電システムの概略的な構成を示すブロック図である。
【図５】第３の実施形態と第４の実施形態とを組み合わせて適用した燃料電池複合発電システムの概略的な構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池複合発電システムの概略的な構成を示す図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池複合発電システム１は、再熱式のガスタービン発電システム１０を備える。より具体的には、ガスタービン発電システム１０は、空気圧縮機１１と、高圧側の燃焼器１２と、高圧側のガスタービン１３と、低圧側の燃焼器１４と、低圧側のガスタービン１５とを備えて構成されている。このことから分かるように、本実施形態に係る再熱式のガスタービン発電システム１０は、高圧側と低圧側の２段の燃焼器１２、１４とガスタービン１３、１５とを備えている。そして、発電機２０が、これら空気圧縮機１１と、高圧側のガスタービン１３と、低圧側のガスタービン１５とに、同軸で直結されている。また、空気圧縮機１１には、空気フィルター２２から、微粒固形物が除去された空気が供給され、この空気圧縮機１１において、例えば、２ＭＰａ程度の圧力になるまで圧縮され、圧縮空気が生成される。この圧縮の過程で、圧縮空気は、例えば４００℃程度になる。
【００１８】
本実施形態においては、高圧側の燃焼器１２が第１の燃焼器を構成しており、高圧側のガスタービン１３が第１のガスタービンを構成しており、低圧側の燃焼器１４が第２の燃焼器を構成しており、低圧側のガスタービン１５が第２のガスタービンを構成している。
【００１９】
また、本実施形態に係る燃料電池複合発電システム１は、さらに、熱交換器３０と、燃料電池３１と、燃料供給設備３２と、燃料圧縮機３３と、水分供給器３４と、制御弁３５とを備える。
【００２０】
熱交換器３０は、燃料電池３１に隣接して設置されており、高圧の空気配管ＰＰ１を介して、空気圧縮機１０から圧縮空気が供給される。この熱交換器３０においては、燃料電池３１から排出される圧縮空気である排出圧縮空気と、空気圧縮機１１から供給された圧縮空気との間で、熱交換が行われ、例えば、９００℃程度まで圧縮空気が加温されて、燃料電池３１に供給される。
【００２１】
燃料電池３１は、例えば、個体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）により構成されており、１０００℃程度で高い効率で動作する。このため、熱交換器３０にて、燃料電池３１に供給される前の圧縮空気を、燃料電池３１から排出される１０００℃程度の排出圧縮空気と熱交換して、例えば、９００℃程度まで加温するのである。
【００２２】
一方、燃料ガスである天然ガスは、ガス会社等の燃料供給設備３２から供給されるが、通常、ガス会社の天然ガスの圧力は、１ＭＰａ以下と低圧である。このため、燃料供給設備３２から出力された燃料ガスは、燃料圧縮機３３に供給され、この燃料圧縮機３３にて、空気圧縮機１１からの圧縮空気と同程度の圧力である２ＭＰａ程度まで圧縮されて、圧縮燃料ガスとした後、高圧の燃料配管ＰＰ２を介して、熱交換器３０に供給される。そして、圧縮燃料ガスは、この熱交換器３０で、燃料電池３１から排出された圧縮燃料ガスである未燃燃料ガスと熱交換されることにより、加温される。例えば、未燃燃料ガスは１０００℃程度であるので、熱交換により、圧縮燃料ガスは９００℃程度まで加温される。この熱交換器３０で加温された後、圧縮空気は燃料電池３１に供給される。
【００２３】
水分供給器３４は、圧縮燃料ガスに水分を供給するための設備であり、燃料配管ＰＰ２を流れる圧縮燃料ガスに必要に応じて、水分を供給する。
【００２４】
制御弁３５は、燃料配管ＰＰ２から分岐するように接続された燃料配管ＰＰ３に設けられている。燃料配管ＰＰ３は、燃料圧縮機３３で生成された圧縮燃料ガスの一部を高圧側の燃焼器１２に供給するための配管であり、制御弁３５は、制御部４０によりその開度が制御され、これにより、高圧側の燃焼器１２に供給されれる圧縮燃料ガスの流量が制御される。
【００２５】
一方、熱交換器３０で熱交換された未燃燃料ガスは、低圧の燃料配管ＰＰ４を介して、低圧側の燃焼器１４に供給される。この燃料配管ＰＰ４には、制御弁３６が設けられており、制御部４０が制御弁３６の開閉を制御する。すなわち、制御弁３６が開状態になると、燃料電池３１から排出された未燃燃料ガスが全量、低圧側の燃焼器１４に供給される。逆に、制御弁３６が閉状態になると、未燃燃料ガスの低圧側の燃焼器１４への供給が停止する。
【００２６】
さらに、燃料電池複合発電システム１は、蒸気タービン発電システム６０を組み合わせた構成を備える。この蒸気タービン発電システム６０において、ガスタービン発電システム１０の排熱を利用することにより、発電効率をさらに向上させている。
【００２７】
具体的には、蒸気タービン発電システム６０は、蒸気タービン６１と、発電機６２と、復水器６３と、冷却塔６４と、冷却ポンプ６５と、給水ポンプ６６と、を備える。
【００２８】
低圧側のガスタービン１５から排出された排出燃焼ガスは、排熱回収ボイラ７０に供給され、この排熱回収ボイラ７０において回収された熱で水を温めることによって水蒸気が発生する。蒸気タービン６１は、この水蒸気で回転駆動する。発電機６２は、蒸気タービン６１に直結されており、蒸気タービン６１の回転駆動により生じた回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００２９】
復水器６３は、蒸気タービン６１から排出された高温蒸気を水に戻す。冷水塔６４は、この高温蒸気を冷却するための冷却水を貯留している。冷却ポンプ６５は、この冷却水を冷水塔６４から復水器６３へ送り込む。給水ポンプ６６は、復水器６３の水を排熱回収ボイラ７０へ送り込む。
【００３０】
次に、上述した燃料電池複合発電システム１の動作の一例について、再び図１を参照しながら説明する。
【００３１】
まず、空気圧縮機１１が空気フィルター２２から供給された空気を段階的に圧縮することによって、圧縮空気を生成する。これが本実施形態における空気圧縮ステップである。この生成された圧縮空気は、高圧の空気配管ＰＰ１を経由して熱交換器３０に供給される。熱交換器３０では、供給された圧縮空気が、燃料電池３１からの排出圧縮空気との熱交換によって加温されて、燃料電池１５に供給される。本実施形態では、例えば、圧縮空気の圧力は２ＭＰａ程度である。また、熱交換器３０では圧縮空気が９００℃程度に加温される。
【００３２】
空気圧縮機１１の動作に並行して燃料圧縮機３３では、燃料供給設備３２から供給された燃料ガスを圧縮する。これにより、圧縮燃料ガスが生成される。この圧縮燃料ガスは、燃料配管ＰＰ２を経由して熱交換器３０に供給され、この熱交換器３０で、燃料電池３１から排出された未燃燃料ガスとの熱交換によって加温されて、燃料電池３０に供給される。本実施形態では、燃料圧縮機３３は、圧縮燃料ガスの圧力が圧縮空気の圧力（２ＭＰａ）とほぼ等しくなるように、２ＭＰａ程度まで燃料ガスを圧縮する。また、熱交換器３０は、圧縮燃料ガスを圧縮空気の温度とほぼ等しい９００℃程度に加温する。
【００３３】
次に、燃料電池３１が、熱交換器３０を経由して供給された圧縮空気と圧縮燃料ガスとの化学反応により発電する。これが本実施形態における発電ステップである。この燃料電池３１においては、圧縮空気と圧縮燃料ガスは例えば９００℃の高温高圧になっているため、圧縮空気に含まれる酸素と、圧縮燃料ガスに含まれる水素との化学反応が高効率で行われ、大きな発電量を確保することができる。また、燃料電池３１は高温設備であるため、セラミック材を多く使用していることから、圧縮空気と圧縮燃料ガスの圧力差が発生すると、このセラミック材が破損する恐れがある。このため、圧縮空気と圧縮燃料ガスとの間に大きな圧力差が生じないように制御される。
【００３４】
この化学反応後、未燃燃料ガスおよび排気圧縮空気が燃料電池３１から排出される。燃料電池３１から排出された未燃燃料ガスは、熱交換器３０における熱交換によって減温され、低圧の燃料配管ＰＰ４を経由して、低圧側の燃焼器１４に供給される。一方、燃料電池３１から排出された排出圧縮空気は、熱交換器３１における熱交換によって減温され、高圧側の燃焼器１２に供給にされる。本実施形態においては、例えば、この燃焼器１２まで供給された排出圧縮空気は、６００℃程度の高温高圧の空気である。
【００３５】
ガスタービン発電システム１０の高圧側の燃焼器１２においては、燃料圧縮機３３から供給された圧縮燃料ガスが、燃料電池３１から供給された排出圧縮空気に含まれる酸素を用いて燃料し、燃焼ガスが生成される。これが本実施形態における第１燃焼ステップである。この燃焼ガスが高圧側のガスタービン１３を駆動する。これが本実施形態における第１駆動ステップである。
【００３６】
さらに、高圧側のガスタービン１３から排出された燃焼ガスである排出燃焼ガスは、低圧側の燃焼器１４に供給される。低圧側の燃焼器１４には、燃料電池３１からの未燃燃料ガスも供給されており、この未燃燃料ガスが、排出燃焼ガスに含まれる酸素を用いて燃焼し、再び燃焼ガスが生成される。これが本実施形態における第２燃焼ステップである。この燃焼ガスが低圧側のガスタービン１５を駆動する。これが本実施形態における第２駆動ステップである。
【００３７】
低圧側のガスタービン１５から排出された燃焼ガスである排出燃焼ガスは、ガスタービン１５で仕事をしているが、依然、例えば６００℃程度の温度を保っている。このため、本実施形態では、低圧側のガスタービン１５から排出された排出燃焼ガスを排熱回収ボイラ７０に供給し、蒸気タービン発電システム６０を駆動させて発電効率を高めている。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池複合発電システム１によれば、燃料電池３１から排出された低圧の未燃燃料ガスを、昇圧することなく、再熱式のガスタービン発電システム１０における低圧側の燃焼器１４に供給することとしたので、従来必要とされていた昇圧のための圧縮機を設ける必要がなくなる。すなわち、従来、燃料電池３１からの未燃燃料ガスの圧力を高めるために、ガスタービン発電システムの燃焼器に未燃燃料ガスを供給する前段に未燃燃料ガス用の圧縮機を設ける必要があったが、本実施形態に係る燃料電池複合発電システム１によれば、この圧縮機を設ける必要がなくなるのである。このため、燃料電池複合発電システム１の設備を簡素化することで、経済性に優れ、発電効率の高い燃料電池複合発電システムを得ることが可能となる。
【００３９】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る燃料電池複合発電システムについて説明する。図２は、第２の実施形態に係る燃料電池複合発電システムの概略的な構成を示す図である。上述した第１の実施形態に係る燃料電池複合発電システム１と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４０】
図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池複合発電システム１は、第１の実施形態に係る燃料電池複合発電システム１の構成に加えて、燃料配管ＰＰ２０と、制御弁１００とをさらに備える。
【００４１】
燃料配管ＰＰ２０は、高圧の燃料配管ＰＰ２から分岐するように燃料配管ＰＰ２に接続されており、燃料圧縮機３３から供給された圧縮燃料ガスの一部を分岐して、低圧側の燃焼器１４に供給する。制御弁１００は、この燃料配管ＰＰ２０に設けられており、圧縮燃料ガスの流量を制御するとともに減圧をして、低圧側の燃焼器１４に供給する。すなわち、制御部４０は、制御弁１００の開度を制御し、所望の圧力の圧縮燃料ガスを所望の流量で、ガスタービン発電システム１０の低圧側の燃焼器１４に供給する。本実施形態においては、例えば、燃料電池３１から排出された未燃燃料ガスの圧力と同程度の圧力に、圧縮燃料ガスを減圧する。
【００４２】
以上のように燃料電池複合発電システム１を構成することで、未燃燃料ガスに加えて、高カロリーの燃料ガスも低圧側の燃焼器１４に供給することが可能になる。これは、低圧側の燃焼器１４に供給される未燃燃料ガスに含まれる水素やメタン等の成分は微量であり、カロリーが低いため、必ずしも燃焼器１４の安定燃焼に十分であるとはいえない可能性もある。このため、高いカロリーを有する未使用の燃料ガスである圧縮燃料ガスの一部を、未燃燃料ガスとともに、低圧側の燃焼器１４に供給することにより、より燃焼安定性に優れ、幅広い運用が可能な燃料電池複合発電システム１を得ることができるのである。
【００４３】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る燃料電池複合発電システムについて説明する。図３は、第３の実施形態に係る燃料電池複合発電システムの概略的な構成を示す図である。上述した第１の実施形態に係る燃料電池複合発電システム１と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４４】
図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池複合発電システム１は、第１の実施形態に係る燃料電池複合発電システム１の構成に加えて、燃料配管ＰＰ３０と、循環ブロアー２００とをさらに備える。
【００４５】
燃料配管ＰＰ３０の一端は、熱交換器３０に接続された燃料配管ＰＰ４から分岐するように燃料配管ＰＰ４に接続されており、その他端は、燃料配管ＰＰ２に合流するように燃料配管ＰＰ２に接続されている。また、燃料配管ＰＰ３０には、循環ブロアー２００が設けられており、燃料電池３１から排出された未燃燃料ガスの再循環を可能にしている。
【００４６】
具体的には、燃料電池３１から排出された未燃燃料ガスは、熱交換器３０を通過後、循環ブロアー２００で昇圧されて、燃料配管ＰＰ３０と燃料配管ＰＰ２を経由して、再び熱交換器３０に供給され、加温された後、燃料電池３１に再び供給される。その一方で、燃料電池３１から排出された未燃燃料ガスの一部は、第１の実施形態と同様に、ガスタービン発電システム１０における低圧側の燃焼器１４に供給される。
【００４７】
以上のように燃料電池複合発電システム１を構成することで、未燃燃料ガスの使用効率を高めることが可能になる。すなわち、燃料電池複合発電システム１に未燃燃料ガスの循環ラインを追加的に設けることにより、燃料電池３１から排出された未燃燃料ガスが再び燃料電池３１に供給され、未燃燃料ガスに含まれる可燃性ガスの成分をさらに減少させることができる。このため、より高い効率の燃料電池３１を得ることができる。
【００４８】
しかも、循環ブロアー２００は、比較的低圧の未燃燃料ガスを循環させるだけの動力で足り、従来必要とされていた高圧の未燃燃料ガス用の圧縮機と比べて、小さな動力で駆動させることができる。これにより、燃料電池複合発電システム１における全体の動力の損失が小さくなり、高効率化を実現できる。
【００４９】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係る燃料電池複合発電システムについて説明する。図４は、第４の実施形態に係る燃料電池複合発電システムの概略的な構成を示す図である。上述した第１の実施形態に係る燃料電池複合発電システム１と同様の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００５０】
図４に示すように、本実施形態に係る燃料電池複合発電システム１は、第１の実施形態に係る燃料電池複合発電システム１と異なり、高圧のガスタービン発電システム３００と、この高圧のガスタービン発電システム３００よりも作動圧力が低い、低圧のガスタービン発電システム４００とを備えている。すなわち、第１の実施形態における再熱式のガスタービン発電システム１０に代えて、２台のガスタービン発電システム３００、４００を備えている。
【００５１】
高圧のガスタービン発電システム３００は、高圧空気圧縮機３１１と、高圧燃焼器３１２と、高圧ガスタービン３１３とを備えている。高圧空気圧縮機３１１には、空気フィルター３２２から、微粒固形物が除去された空気が供給され、この高圧空気圧縮機３１１において、例えば、２ＭＰａ程度まで高圧に圧縮され、圧縮空気が生成される。これが本実施形態における第１空気圧縮ステップである。この生成された圧縮空気は、熱交換器３０を介して、燃料電池３１に供給される。
【００５２】
高圧燃焼器３１２には、燃料電池３１から排出された圧縮空気である排出圧縮空気が供給されるとともに、燃料圧縮機３３から圧縮燃料ガスが供給される。そして、高圧燃焼器３１２では、この圧縮燃料ガスが排出圧縮空気に含まれる酸素を用いて燃焼することにより、高圧燃焼ガスが生成される。これが本実施形態における第１燃焼ステップである。
【００５３】
高圧ガスタービン３１３には、高圧燃焼器３１２から高圧燃焼ガスが供給され、この高圧燃焼ガスにより高圧ガスタービン３１３は駆動する。これが本実施形態における第１駆動ステップである。これら高圧空気圧縮機３１１と高圧ガスタービン３１３とは、発電機３２０に同軸で直結しており、高圧ガスタービン３１３が駆動することで、発電機３２０により発電が行われる。
【００５４】
同様に、低圧のガスタービン発電システム４００は、低圧空気圧縮機４１１と、低圧燃焼器４１２と、低圧ガスタービン４１３とを備えている。低圧空気圧縮機４１１には、空気フィルター４２２から、微粒固形物が除去された空気が供給され、この低圧空気圧縮機４１１において、例えば、１．５ＭＰａ程度まで圧縮され、圧縮空気が生成される。これが本実施形態における第２空気圧縮ステップである。この生成された圧縮空気は、低圧燃焼器４１２に供給される。
【００５５】
低圧燃焼器４１２には、低圧空気圧縮機４１１からの圧縮空気とともに、燃料電池３１から排出された未燃燃料ガスが燃料配管ＰＰ４を経由して供給される。そして、低圧燃焼器４１２では、この未燃燃料ガスが圧縮空気に含まれる酸素を用いて燃焼することにより、低圧燃焼ガスが生成される。これが本実施形態における第２燃焼ステップである。
【００５６】
低圧ガスタービン４１３には、低圧燃焼器４１２から低圧燃焼ガスが供給され、この低圧燃焼ガスにより低圧ガスタービン４１３は駆動する。これが本実施形態における第２駆動ステップである。これら低圧空気圧縮機４１１と低圧ガスタービン４１３とは、発電機４２０に同軸で直結しており、低圧ガスタービン４１３が駆動することで、発電機４２０による発電が行われる。
【００５７】
また、燃料配管ＰＰ４には、制御弁３６に加えて、制御弁５００が設けられている。上述したように、制御弁３６は、制御部４０からの制御に基づいて開状態と閉状態の２つの状態で切り替わるのみであるが、制御弁５００は、制御部４０からの制御に基づいて、燃料配管ＰＰ４を経由して低圧燃焼器４１２に供給される未燃燃料ガスの流量を制御する。
【００５８】
燃料電池３１については、上述した第１実施形態と同様に、高圧空気圧縮機３１１で生成された圧縮空気が供給されるとともに、燃料圧縮機３３で生成された圧縮燃料ガスが供給される。そして、燃料電池３１は、これら圧縮空気と圧縮燃料ガスとの化学反応により発電する。これが本実施形態における発電ステップである。この化学反応後の圧縮空気は、燃料電池３１から排出されて、熱交換器３０を介して、排出圧縮空気として高圧燃焼器３１２に供給される。また、化学反応後の圧縮燃料ガスも、燃料電池３１から排出されて、熱交換器３０を介して、未燃燃料ガスとして低圧燃焼器４１２に供給される。
【００５９】
このように、再熱式のガスタービン発電システム１０の代替として、作動圧力の異なる２つガスタービン発電システム３００、４００を設けることによっても、上述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。すなわち、燃料電池３１から排出された高温高圧の圧縮空気である排出圧縮空気を高圧のガスタービン発電システム３００の高圧燃焼器３１２に供給し、高圧燃焼器３１２の燃焼に用いるとともに、燃料電池３１から排出された低圧の燃料ガスである未燃燃料ガスを低圧のガスタービン発電システム４００の低圧燃焼器４１２に供給し、低圧燃焼器４１２の燃焼に用いることにより、従来必要とされていた未燃燃料ガス用の圧縮機の設置を不要とすることができる。これにより、経済性に優れ、安定した燃料を得ることが可能な燃料電池複合発電システム１を得ることができる。
【００６０】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
【００６１】
例えば、上述した第３の実施形態と第４の実施形態とを組み合わせて、図５に示すような燃料電池複合発電システム１を構成してもよい。すなわち、高圧のガスタービン発電システム３００と低圧のガスタービン発電システム４００とを備える第４の実施形態に係る燃料電池複合発電システム１に対して、第３の実施形態で示した燃料配管ＰＰ３０と循環ブロアー２００とを追加し、未燃燃料ガスの循環ラインを付加するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１：燃料電池複合発電システム、１０：ガスタービン発電システム、１１：空気圧縮機、１２：燃焼器、１３：ガスタービン、１４：燃焼器、１５：ガスタービン、２０：発電機、３０：熱交換器、３１：燃料電池、３３：燃料圧縮機
【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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