(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機により圧縮された圧縮空気と気体燃料とを多段の燃料電池に供給して前記圧縮空気中の酸素と前記気体燃料とを反応させ電気化学的に発電し、
各々の前記燃料電池の出口側に前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱するための熱交換器を配設し、
該熱交換器からの排気ガスを燃焼器に供給して燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成し、
該高温の作動ガスを膨張機へ供給して該膨張機を駆動し、
該膨張機の下流に膨張機下流熱交換器を配設し、
該膨張機下流熱交換器からの排気ガスとの熱交換を通じて蒸気を生成し、
該蒸気を蒸気タービンへ供給して前記蒸気タービンを駆動すると共に、
前記膨張機下流熱交換器により前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱し前記多段の燃料電池の出口側の各々の前記熱交換器により前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱した後に前記多段の燃料電池に供給するようにしたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル。
【請求項２】
圧縮機により圧縮された圧縮空気と気体燃料とを燃料電池に供給して前記圧縮空気中の酸素と前記気体燃料とを反応させ電気化学的に発電し、
前記燃料電池からの排気ガスを燃焼器に供給して燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成し、
該高温の作動ガスを膨張機へ供給して該膨張機を駆動し、
前記膨張機の下流に膨張機下流燃料電池を配設し、
該膨張機下流燃料電池からの排気ガスとの熱交換を通じて蒸気を生成し、
該蒸気を蒸気タービンへ供給して前記蒸気タービンを駆動するようにしたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル。
【請求項３】
圧縮機により圧縮された圧縮空気と気体燃料とを燃料電池に供給して前記圧縮空気中の酸素と前記気体燃料とを反応させ電気化学的に発電し、
前記燃料電池からの排気ガスを燃焼器に供給して燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成し、
該高温の作動ガスを膨張機へ供給して該膨張機を駆動し、
該膨張機の下流に熱交換器を配設し、
該熱交換器の下流に膨張機下流燃料電池を配設し、
該膨張機下流燃料電池からの排気ガスとの熱交換を通じて蒸気を生成し、
該蒸気を蒸気タービンへ供給して前記蒸気タービンを駆動するようにしたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル。
【請求項４】
圧縮機により圧縮された圧縮空気と気体燃料とを多段の燃料電池に供給して前記圧縮空気中の酸素と前記気体燃料とを反応させ電気化学的に発電し、
各々の前記燃料電池の出口側に前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱するための熱交換器を配設し、
該熱交換器からの排気ガスを燃焼器に供給して燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成し、
該高温の作動ガスを膨張機へ供給して該膨張機を駆動し、
該膨張機の下流に膨張機下流熱交換器を配設し、
該膨張機下流熱交換器の下流に膨張機下流燃料電池を配設し、
該膨張機下流燃料電池からの排気ガスとの熱交換を通じて蒸気を生成し、
該蒸気を蒸気タービンへ供給して前記蒸気タービンを駆動すると共に、
前記膨張機下流熱交換器により前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱し前記多段の燃料電池の出口側の各々の前記熱交換器により前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱した後に前記多段の燃料電池に供給するようにしたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル。  
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池、ガスタービン、蒸気タービンを含むコンバインドサイクルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、発電に伴うCO2低減に向けて燃料電池が脚光を浴びている。燃料電池には使用する電解質によってリン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)、固体電解質型燃料電池(SOFC)、固体高分子型燃料電池(PEFC)、アルカリ型燃料電池(AFC)などがある。このうち、固体電解質型燃料電池は高い発電効率が期待でき、また作動ガスの温度が約１０００°Ｃと高いために大型の発電設備への応用に好適であると考えられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
然しながら、既述したように作動ガスの温度が約１０００°Ｃと高いために、排ガスの持ち出す顕熱の高さも固体電解質型燃料電池の効率を低下させる原因となっている。また、固体電解質型燃料電池では気体燃料を完全に反応させることができず、これが固体電解質型燃料電池の効率を低下させる１つの原因となっている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、こうした従来の問題点を解決することを技術課題としており、燃料電池、特に固体電解質型燃料電池をトッピングサイクルとした複合サイクルを提供することを目的としている。
そして、本発明はこうした従来の問題点を解決するためになされたもので、特許請求の範囲に記載された各発明は、燃料電池コンバインドサイクルとして、それぞれ以下の（１）〜（４）に述べる各手段を採用したものである。
（１）  圧縮機により圧縮された圧縮空気と気体燃料とを多段の燃料電池に供給して前記圧縮空気中の酸素と前記気体燃料とを反応させ電気化学的に発電し、
各々の前記燃料電池の出口側に前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱するための熱交換器を配設し、
該熱交換器からの排気ガスを燃焼器に供給して燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成し、
該高温の作動ガスを膨張機へ供給して該膨張機を駆動し、
該膨張機の下流に膨張機下流熱交換器を配設し、
該膨張機下流熱交換器からの排気ガスとの熱交換を通じて蒸気を生成し、
該蒸気を蒸気タービンへ供給して前記蒸気タービンを駆動すると共に、
前記膨張機下流熱交換器により前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱し前記多段の燃料電池の出口側の各々の前記熱交換器により前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱した後に前記多段の燃料電池に供給するようにしたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル。
（２）  圧縮機により圧縮された圧縮空気と気体燃料とを燃料電池に供給して前記圧縮空気中の酸素と前記気体燃料とを反応させ電気化学的に発電し、
前記燃料電池からの排気ガスを燃焼器に供給して燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成し、
該高温の作動ガスを膨張機へ供給して該膨張機を駆動し、
前記膨張機の下流に膨張機下流燃料電池を配設し、
該膨張機下流燃料電池からの排気ガスとの熱交換を通じて蒸気を生成し、
該蒸気を蒸気タービンへ供給して前記蒸気タービンを駆動するようにしたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル。
（３）  圧縮機により圧縮された圧縮空気と気体燃料とを燃料電池に供給して前記圧縮空気中の酸素と前記気体燃料とを反応させ電気化学的に発電し、
前記燃料電池からの排気ガスを燃焼器に供給して燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成し、
該高温の作動ガスを膨張機へ供給して該膨張機を駆動し、
該膨張機の下流に熱交換器を配設し、
該熱交換器の下流に膨張機下流燃料電池を配設し、
該膨張機下流燃料電池からの排気ガスとの熱交換を通じて蒸気を生成し、
該蒸気を蒸気タービンへ供給して前記蒸気タービンを駆動するようにしたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル。
（４）  圧縮機により圧縮された圧縮空気と気体燃料とを多段の燃料電池に供給して前記圧縮空気中の酸素と前記気体燃料とを反応させ電気化学的に発電し、
各々の前記燃料電池の出口側に前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱するための熱交換器を配設し、
該熱交換器からの排気ガスを燃焼器に供給して燃焼反応を通じて高温の作動ガスを生成し、
該高温の作動ガスを膨張機へ供給して該膨張機を駆動し、
該膨張機の下流に膨張機下流熱交換器を配設し、
該膨張機下流熱交換器の下流に膨張機下流燃料電池を配設し、
該膨張機下流燃料電池からの排気ガスとの熱交換を通じて蒸気を生成し、
該蒸気を蒸気タービンへ供給して前記蒸気タービンを駆動すると共に、
前記膨張機下流熱交換器により前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱し前記多段の燃料電池の出口側の各々の前記熱交換器により前記圧縮空気および前記気体燃料を加熱した後に前記多段の燃料電池に供給するようにしたことを特徴とする燃料電池コンバインドサイクル。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１は本発明の第１の実施形態によるコンバインドサイクルを示すブロック図であり、コンバインドサイクル１００は、圧縮機１０、膨張機１２、燃焼器１４、発電機１６を有するガスタービン発電機と、膨張機１２の排ガスとの熱交換により蒸気を発生する排ガスボイラまたは廃熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）１８と、ＨＲＳＧ１８からの蒸気により駆動される蒸気タービン２０、蒸気タービン２０に連結された発電機２２、蒸気タービン２０の排気を凝縮する復水器２４を有する蒸気タービン発電機を具備している。第１の実施形態によるコンバインドサイクル１００では、圧縮機１０の出口と燃焼器１４との間に燃料電池（ＦＣ）、好ましくは固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１０２が配設されている。
【０００６】
以下、第１の実施形態の作用を説明する。
圧縮機１０は空気Ａを吸入して所定圧力に圧縮する。圧縮された空気はＦＣ１０２に供給される。ＦＣ１０２には燃料供給源（図示せず）から気体燃料、特に水素ガスが供給される。また、固体電解質型燃料電池は作動ガス温度が１０００°Ｃと比較的高いために内部改質が可能であるので気体燃料として天然ガスを供給することもできる。
【０００７】
ＦＣ１０２に水素を供給する場合、ＦＣ１０２では空気中の酸素と供給された水素ガスとの電気化学反応により電気が発生すると共に水蒸気が発生する。既述したように、固体電解質型燃料電池では供給された気体燃料を完全に反応させることが困難であるために、ＦＣ１０２の排気ガス中には未燃の水素と、反応に関わらなかった酸素が含まれている。ＦＣ１０２に天然ガスを供給する場合、ＦＣ１０２では水素と酸素の電気化学反応に平行して改質反応が行われるので、ＦＣ１０２の排気ガスには未燃の水素に加えて一酸化炭素、二酸化炭素が含まれる。何れの場合にもＦＣ１０２は反応性の排気ガスを生成する。
【０００８】
こうして、ＦＣ１０２からの反応性の排気ガスは、ガスタービン発電機の燃焼器１４に供給され、燃焼器１４において未燃の水素や一酸化炭素が完全に燃焼する。つまり、ガスタービン発電機の燃焼器１４はＦＣ１０２のアフターバーナとしても作用する。また、燃焼器１４へＦＣ１０２の排気ガスが供給されるので、希薄燃料または低カロリーガスを燃焼させる燃焼器であることが好ましい。
【０００９】
次いで、燃焼器１４からの高温の燃焼ガスが作動ガスとして膨張機１２に供給される。この作動ガスは、膨張機１２を駆動した後に温度、圧力を低減してＨＲＳＧ１８に供給され、ＨＲＳＧ１８において水との熱交換を通じて更に温度を低減して、排気ガスＥとして最終的に煙突（図示せず）から大気中に放出される。ＨＲＳＧ１８では膨張機１２からの排気ガスとの熱交換により水蒸気が生成される。この水蒸気は蒸気タービン２０へ供給され、蒸気タービン２０を駆動した後に復水器２４において凝縮され復水としてＨＲＳＧ１８へ再び供給される。
本実施形態によれば、ＦＣ１０２で生じる未燃の気体燃料を有効利用することが可能となる。
【００１０】
次に、図２を参照して本発明の第２の実施形態を説明する。なお、図２において図１の実施形態と同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
第２の実施形態によるコンバインドサイクル２００は、圧縮機１０と燃焼器１４との間に配設された熱交換器（ＨＥｘ）２０４およびＦＣ２０２を具備している。膨張機１２からの排気ガスはＨＥｘ２０４において圧縮機１０からの圧縮空気および燃料供給源からの気体燃料Ｆと熱交換した後にＨＲＳＧ１８へ供給される。ＨＥｘ２０４における熱交換により高温となった圧縮空気および気体燃料はＦＣ２０２へ供給される。このように、第２の実施形態によれば、ＨＥｘ２０４において膨張機１２からの排気ガスとの熱交換を通じて空気および気体燃料の温度を高めてＦＣ２０２へ供給することにより、ＦＣ２０２における電気化学反応が促進される。更に、排気ガスのＨＲＳＧ１８の入口温度が低下するので、ＨＲＳＧ１８が生成する蒸気の持つ熱エネルギが小さくなり、復水器２４から排気されるエネルギ量が小さくなる。従って、コンバインドサイクル２００の総合発電効率が高くなる。
【００１１】
次に、図３を参照して本発明の第３の実施形態を説明する。なお、図３において図１、２の実施形態と同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
第３の実施形態によるコンバインドサイクル３００は、圧縮機１０と燃焼器１４との間に配設されたＨＥｘ３０４、３０６およびＦＣ３０２を具備している。膨張機１２からの排気ガスはＨＥｘ３０６において圧縮機１０からの圧縮空気および燃料供給源からの気体燃料Ｆと熱交換した後にＨＲＳＧ１８へ供給される。ＨＥｘ３０６における熱交換により高温となった圧縮空気および気体燃料は、ＦＣ３０２の出口に配設されたＨＥｘ３０４において、ＦＣ３０２の排気ガスとの熱交換により更に高温となってＦＣ３０２へ供給される。このように、第３の実施形態によれば、第２の実施形態の構成に加えて、ＦＣ３０２の出口に配設されたＨＥｘ３０４を具備しているので、ＦＣ３０２へ供給される空気および気体燃料の温度が更に高くなり、ＦＣ３０２における電気化学反応が促進され、コンバインドサイクル３００の総合発電効率が高くなる。
【００１２】
次に、図４を参照して本発明の第４の実施形態を説明する。第３の実施形態ではＦＣ３０２は単一の燃料電池であったが、第４の実施形態では多段の燃料電池を具備している。なお、図４において図１、２、３の実施形態と同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。また、本実施形態ではＦＣを３段設置した例を示し説明するが、設置されたＦＣの酸素消費量に応じて段数を増減できる。
【００１３】
第４の実施形態によるコンバインドサイクル４００は、圧縮機１０と燃焼器１４との間に配設されたＨＥｘ４０４、４０８、４１２および直列に配設された第１段ＦＣ４０２、第２段ＦＣ４０６、第３段ＦＣ４１０を具備している。ＨＥｘ４１４は膨張機１２の出口に配設され、ＨＥｘ４０４、４０８、４１２の各々は第１段、第２段、第３段ＦＣ４０２、４０６、４０８の出口側に配設されている。
なお、本実施形態ではＨＥｘの各々をＦＣの出口側に設置した例を示し説明したが、必ずしも全てのＦＣの出口側に設置する必要はなく、いずれかのＦＣの出口側にＨＥｘを設置することでも可能である。
【００１４】
膨張機１２からの排気ガスは、既述の実施形態と同様にＨＥｘ４１４において圧縮機１０からの圧縮空気および燃料供給源からの気体燃料Ｆと熱交換した後にＨＲＳＧ１８へ供給される。ＨＥｘ４１４における熱交換により高温となった圧縮空気および気体燃料は、先ず、ＦＣ４１０の出口に配設されたＨＥｘ４１２においてＦＣ４０８の排気ガスとの熱交換により更に高温となり、次いで、ＦＣ４０６の出口に配設されたＨＥｘ４０８においてＦＣ４０６の排気ガスとの熱交換により更に高温となる。このように順次熱交換がなされ、最後に第１段ＦＣ４０２の出口に配設されたＨＥｘ４０４において、第１段ＦＣ４０２の排気ガスとの熱交換により更に高温となって第１段ＦＣ４０２へ供給される。第１段ＦＣ４０２へ供給された空気および気体燃料は、ＨＥｘ４０４、ＦＣ４０６、ＨＥｘ４０８、ＦＣ４１０、ＨＥｘ４１２を順次通過して燃焼器１４へ供給され、燃焼器１４において最終的に未燃の気体燃料が全て燃焼されて膨張機１２の作動ガスとして膨張機１２へ供給される。
【００１５】
このように、第４の実施形態によれば、第３の実施形態の構成におけるＦＣおよびＨＥｘを多段に配置したもので、このようにすることによって第１段ＦＣ４０２へ供給される空気および気体燃料の温度が更に高くなり、第１段ＦＣ４０２における電気化学反応が促進され、コンバインドサイクル４０２の総合発電効率が高くなる。
【００１６】
次に、図５を参照して本発明の第５の実施形態を説明する。第５の実施形態によるコンバインドサイクル５００は、膨張機１２の下流のＨＥｘ５０４とＨＲＳＧ１８との間にＦＣ５０６が配設されている点において、第２の実施形態によるコンバインドサイクル２００と異なっており、図５において図１、２、３、４の実施形態と同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。
【００１７】
ＨＥｘ５０４における熱交換により高温となった圧縮空気および気体燃料は高温となってＦＣ５０２へ供給される。膨張機１２からの排気ガスは、ＨＥｘ５０４において圧縮機１０からの圧縮空気および燃料供給源からの気体燃料Ｆと熱交換し、温度を低下させてＦＣ５０６へ供給される。一般的に膨張機１２は圧縮機１０からの空気により冷却されているので、膨張機１２からの排ガス中には多くの酸素が存在する。本実施形態によれば、膨張機１２の出口側にＦＣ５０６を配設したので、この冷却空気に含まれている酸素を有効利用可能となる。このように、第５の実施形態によれば、第２の実施形態の構成に加えて、ＨＥｘ５０４の出口に配設されたＦＣ５０６を具備しているので、この冷却空気に含まれている酸素を有効利用可能となる。
【００１８】
本発明の種々の実施形態を説明したが本発明がこれに限定されず種々の修正と変更が可能であることは当業者の当然とするところである。
例えば、第１から第５の実施形態は相互に独立した構成ではなく相互に組み合わせることができる。
【００１９】
既述した実施形態では、各コンバインドサイクルは、圧縮機１０と膨張機１２とを一軸で連結したガスタービン発電機を具備していたが、本発明はこれに限定されず、二軸のガスタービン発電機であってもよい。更に、蒸気タービン発電機とガスタービン発電機とを一軸で連結しても良い。
【００２０】
既述した実施形態では燃焼器１４へはＦＣ１０２、２０２、３０２、４１０、５０２からの排気が供給されているが、本発明はこれに限定されず、燃焼器１４へは別途助燃剤を供給するようにしても良い。
【００２１】
圧縮機１０と膨張機１２との間に多段のＦＣ４０２、４０６、４１０を配設した第４の実施形態では、プラントの運転条件によっては、第２段、第３段のＦＣ４０６、４１０において十分な気体燃料が供給されない場合も生じうるので、ＦＣ４０６、４１０には独立の気体燃料供給装置（図示せず）を設けても良い。
【００２２】
同様に、第５の実施形態において膨張機１２とＨＲＳＧ１８の間に配設されたＦＣ５０６にも独立の気体燃料供給装置（図示せず）を設けることができる。また、図５では、ＦＣ５０６はＨＥｘ５０４の下流側に配設されているが、両者の順序を入れ換えて、膨張機１２の直ぐ下流にＦＣ５０６を配設し、ＦＣ５０６とＨＲＳＧ１８の間にＨＥｘ５０４を配設するようにしてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、排ガスとの熱交換により蒸気を発生して、この蒸気により蒸気タービンを駆動するようにしたので、排ガスの持ち出す顕熱が低減され熱効率が高くなる。また、燃料電池の下流に燃焼器を配設し、該燃焼器により燃料電池からの排気ガスを燃焼させるようにしたので、気体燃料を完全に反応させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による燃料電気コンバインドサイクルのブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による燃料電気コンバインドサイクルのブロック図である。
【図３】本発明の第３の実施形態による燃料電気コンバインドサイクルのブロック図である。
【図４】本発明の第４の実施形態による燃料電気コンバインドサイクルのブロック図である。
【図５】本発明の第５の実施形態による燃料電気コンバインドサイクルのブロック図である。
【符号の説明】
１０…圧縮機
１２…膨張機
１４…燃焼器
１６…発電機
１８…排ガスボイラ（ＨＲＳＧ）
２０…蒸気タービン
２２…発電機
１０２…燃料電池
２０２…燃料電池
２０４…熱交換
３０２…燃料電池
３０４…熱交換
３０６…熱交換
４０２…燃料電池
４０４…熱交換
４０６…燃料電池
４０８…熱交換
４１０…燃料電池
４１２…熱交換
５０２…燃料電池
５０４…熱交換
５０６…燃料電池
【図１】
0003835996.tif 000002
【図２】
0003835996.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003835996.tif 000005
【図５】
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