特許 5968234 発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5968234

(24)【登録日】2016年7月15日

(45)【発行日】2016年8月10日

(54)【発明の名称】発電システム

(51)【国際特許分類】

   F02C 6/08 20060101AFI20160728BHJP

   F02C 6/10 20060101ALI20160728BHJP

   F02C 6/00 20060101ALI20160728BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20160728BHJP

   H01M 8/0662 20160101ALI20160728BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20160728BHJP

【ＦＩ】

   F02C6/08

   F02C6/10

   F02C6/00 E

   H01M8/00 Z

   H01M8/06 S

   H01M8/12

【請求項の数】11

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2013-7456(P2013-7456)

(22)【出願日】2013年1月18日

(65)【公開番号】特開2014-137046(P2014-137046A)

(43)【公開日】2014年7月28日

【審査請求日】2015年1月30日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２４年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 固体酸化物形燃料電池を用いた事業用発電システム要素技術開発の研究開発共同研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100134544

【弁理士】

【氏名又は名称】森 隆一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(72)【発明者】

【氏名】椋本 陽喜

(72)【発明者】

【氏名】眞竹 徳久

(72)【発明者】

【氏名】桐木平 勝仁

(72)【発明者】

【氏名】森 龍太郎

(72)【発明者】

【氏名】大澤 弘行

【審査官】 瀬戸 康平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−０２２２３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０６−５０４８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１２−５２２１７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０９２８５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１４６９３４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｋ ２３／１０

Ｆ０２Ｃ ６／００

Ｈ０１Ｍ ８／００

ＤＷＰＩ（Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮部と、
該圧縮部で生成された前記圧縮空気と燃料とから燃焼ガスを生成する燃焼部と、
該燃焼部で生成された前記燃焼ガスで回転駆動するタービン部と、
を有するガスタービンシステムと、
前記圧縮部の昇圧過程における第一中間段で抽気された中間圧縮空気と電池用燃料とにより発電を行う燃料電池システムと、を備え、
前記燃料電池システムから排出される排出空気を、前記圧縮部の昇圧過程における前記第一中間段よりも後段側の第二中間段に供給することを特徴とする発電システム。

【請求項2】

前記排出空気を、前記圧縮部の昇圧過程における前記第一中間段よりも後段側の第二中間段に供給する過程において、排熱回収装置を設けることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。

【請求項3】

前記燃焼部は、
前記圧縮部の出口と前記タービン部の入口との間に設けられ高圧燃焼器と、
該高圧燃焼器よりも低圧側に設けられた低圧燃焼器と
を有し、
前記燃料電池システムから排出される排出燃料を前記低圧燃焼器に供給することを特徴とする請求項２に記載の発電システム。

【請求項4】

前記タービン部は、高圧タービンと低圧タービンとを有し、
前記低圧燃焼器は、該高圧タービンと該低圧タービンとの間に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の発電システム。

【請求項5】

前記低圧燃焼器は、前記タービン部よりも下流側に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の発電システム。

【請求項6】

空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮部と、
該圧縮部で生成された前記圧縮空気と燃料とから燃焼ガスを生成する燃焼部と、
該燃焼部で生成された前記燃焼ガスで回転駆動するタービン部と、
を有するガスタービンシステムと、
前記圧縮部の昇圧過程における第一中間段で抽気された中間圧縮空気と電池用燃料とにより発電を行う燃料電池システムと、を備え、
前記燃焼部は、
前記圧縮部の出口と前記タービン部の入口との間に設けられた高圧燃焼器と、
該高圧燃焼器よりも低圧側に設けられた低圧燃焼器と
を有し、
前記燃料電池システムから排出される排出空気を前記低圧燃焼器に供給することを特徴とする発電システム。

【請求項7】

前記燃料電池システムから排出される排出燃料を前記低圧燃焼器に供給することを特徴とする請求項６に記載の発電システム。

【請求項8】

前記タービン部は、高圧タービンと低圧タービンとを有し、
前記低圧燃焼器は、該高圧タービンと該低圧タービンとの間に設けられていることを特徴とする請求項６又は７に記載の発電システム。

【請求項9】

前記低圧燃焼器は、前記タービン部よりも下流側に設けられていることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の発電システム。

【請求項10】

前記電池用燃料を前記燃料電池システムに供給する電池用燃料供給部と前記燃料電池システムとを接続する電池用燃料供給配管と、
前記燃料電池システムと前記燃焼部とを接続する排出燃料排出配管と、
を接続する再循環配管を設けたことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の発電システム。

【請求項11】

前記ガスタービンシステムは、
前記圧縮部と前記燃焼部と前記タービン部とを有するガスタービンと、
該ガスタービンの排気ガスにより蒸気を生成する廃熱回収ボイラと、
該廃熱回収ボイラで生成された前記蒸気で回転駆動する蒸気タービンと、
を組み合わせたガスタービン蒸気タービン複合システムであることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発電システムに係り、少なくとも燃料電池による発電とガスタービンによる発電とを組み合わせた発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して発電を行うものであって、低公害で発電効率が高いため、近年、各種分野での利用が期待されている。
この燃料電池は、一般的に、水素や一酸化炭素、メタン等の炭化水素系ガス、天然ガス、石炭ガス化ガス等を含む燃料ガスを触媒作用により改質する燃料極と、空気等に含まれる酸化性ガス（酸化剤ガス）から酸素イオンを生成する空気極と、この空気極で生成された酸素イオンを燃料極に移動させる固体電解質とを有する。燃料極と固体電解質との界面付近では、燃料極で改質された燃料ガスと固定電解質からの酸素イオンとが電気化学反応して発電が行われる。

【0003】

また、燃料電池は単独で運転される場合であっても高効率な運転が可能であるが、燃料電池の運転により発生する排出燃料を利用してガスタービンを運転することにより、より高効率な運転を行うことができる。

【0004】

このような燃料電池とガスタービンとを組み合わせた発電システム（燃料電池ガスタービン複合システム）の一例として、例えば、以下の特許文献１に開示されているものがある。

【0005】

特許文献１に記載の燃料電池ガスタービン複合システムは、燃料電池の耐圧容器内に燃料電池の発電モジュールに、ガスタービンのコンプレッサ部において圧縮された高圧の空気（酸化性ガスを含む作動流体）をコンプレッサ部の出口から供給する第１供給配管と、燃料供給部から電池用燃料を供給する第２供給配管と、が接続されている。更に、燃料電池からの排出空気、即ち、発電モジュールにおける発電に用いられた後の空気を、ガスタービンの燃焼器に供給する第１排出配管と、燃料電池からの排出燃料、即ち、発電モジュールにおける発電に用いられた後の電池用燃料の排燃料ガス、及び、発電に用いられなかった電池用燃料の残分である未燃燃料を、ガスタービンの燃焼器に供給する第２排出配管と、が設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０−１４６９３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記特許文献１に記載の燃料電池ガスタービン複合システムでは、ガスタービンのコンプレッサ部（圧縮機）および燃焼器と燃料電池の発電室とが空気及び燃料の供給配管および排出配管によってそれぞれ接続された系統となっている。したがって、ガスタービン側のコンプレッサ部出口や燃焼器出口における高い運転圧力（例えば、約２．５ＭＰａ）に合わせて、燃料電池側も高い運転圧力（例えば、約３ＭＰａ）に設定しておく必要があった。これにより、従来の燃料電池ガスタービン複合システムにおいては、耐圧容器、配管、弁及びブロワ等の周辺機器においても高い耐圧性能（例えば、約２．５ＭＰａ）を満足するように設計しなければならず、設計の自由度が低いという問題があった。

【0008】

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであって、設計の自由度を向上させることができる発電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】

【0009】

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の発電システムは、空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮部と、該圧縮部で生成された前記圧縮空気と燃料とから燃焼ガスを生成する燃焼部と、該燃焼部で生成された前記燃焼ガスで回転駆動するタービン部と、を有するガスタービンシステムと、前記圧縮部の昇圧過程における第一中間段で抽気された中間圧縮空気と電池用燃料とにより発電を行う燃料電池システムと、を備えることを特徴とする。

【0010】

当該発電システムでは、圧縮部の昇圧過程における第一中間段で抽気された中間圧縮空気と電池用燃料とにより発電を行う燃料電池システムを備えている。このため、燃料電池システム側に供給される圧縮空気の圧力を低くすることができる。これにより、燃料電池システム側の運転圧力を低く抑えることができるので、耐圧容器、配管、弁及びブロワ等の周辺機器に要求される耐圧性能を低くすることができる。

【0011】

ここで、前記発電システムにおいて、前記燃料電池システムから排出される排出燃料を前記燃焼部に供給するとともに、前記燃料電池システムから排出される排出空気を前記圧縮部の昇圧過程における前記第一中間段よりも後段側の第二中間段に供給してもよい。
また、前記燃料電池ガスタービン複合システムにおいて、前記排空気が後段側の第二中間段に供給される前段に排熱を回収する装置を設けてもよい。

【0012】

これにより、従来は捨てられていた燃料電池システムからの排出燃料のカロリーを、ガスタービンシステムの燃焼部での燃焼に有効利用することができる。また、従来は捨てられていた燃料電池システムからの排出空気の酸素を、前記燃焼部での燃焼に有効利用することができる。よって、発電システム全体での効率を向上させることができる。

【0013】

また、前記発電システムにおいて、前記排出空気を、前記圧縮部の昇圧過程における第二中間段に供給してもよい。
また、前記発電システムにおいて、前記燃焼部は、前記圧縮部の出口と前記タービン部の入口との間に設けられた高圧燃焼器と、該高圧燃焼器よりも低圧側に設けられた低圧燃焼器とを有し、前記排出空気を前記低圧燃焼器に供給してもよい。

【0014】

これらにより、従来は捨てられていた燃料電池システムからの排出空気の圧力エネルギーを、ガスタービンシステムの回転駆動のために更に有効利用することができるので発電システム全体での効率を向上させることができる。

【0015】

また、前記発電システムにおいて、前記燃焼部は、前記圧縮部の出口と前記タービン部の入口との間に設けられた高圧燃焼器と、該高圧燃焼器よりも低圧側に設けられた低圧燃焼器とを有し、前記燃料電池システムから排出される排出燃料を前記低圧燃焼器に供給してもよい。
また、前記発電システムにおいて、前記タービン部は高圧タービンと低圧タービンとを有し、前記低圧燃焼器は、該高圧タービンと該低圧タービンとの間に設けられてもよい。
また、前記発電システムにおいて、前記低圧燃焼器は、前記タービン部よりも下流側に設けられてもよい。

【0016】

これらにより、燃料電池システムからの排出燃料をガスタービンシステムの燃焼部に供給する系統内に昇圧用として追加しなければならなかったブロワの動力を従来よりも小さくしたり、圧力損失次第ではブロワを省略したりすることができる。よって、設備コストを低減させることができる。
また、本発明の発電システムは、空気を圧縮して圧縮空気を生成する圧縮部と、該圧縮部で生成された前記圧縮空気と燃料とから燃焼ガスを生成する燃焼部と、該燃焼部で生成された前記燃焼ガスで回転駆動するタービン部と、を有するガスタービンシステムと、前記圧縮部の昇圧過程における第一中間段で抽気された中間圧縮空気と電池用燃料とにより発電を行う燃料電池システムと、を備え、前記燃焼部は、前記圧縮部の出口と前記タービン部の入口との間に設けられた高圧燃焼器と、該高圧燃焼器よりも低圧側に設けられた低圧燃焼器とを有し、前記燃料電池システムから排出される排出空気を前記低圧燃焼器に供給することを特徴とする。
当該発電システムでは、前記燃料電池システムから排出される排出燃料を前記低圧燃焼器に供給してもよい。
当該発電システムでは、前記タービン部は、高圧タービンと低圧タービンとを有し、前記低圧燃焼器は、該高圧タービンと該低圧タービンとの間に設けられていてもよい。
当該発電システムでは、前記タービン部は、高圧タービンと低圧タービンとを有し、前記低圧燃焼器は、該高圧タービンと該低圧タービンとの間に設けられていてもよい。

【0017】

また、前記発電システムにおいて、前記電池用燃料を前記燃料電池システムに供給する電池用燃料供給部と前記燃料電池システムとを接続する電池用燃料供給配管と、前記燃料電池システムと前記燃焼部とを接続する排出燃料排出配管と、を接続する再循環配管を設けてもよい。

【0018】

これにより、燃料電池システムでの発電により生じた水蒸気を捨てることなく、電池用燃料の改質に必要な水蒸気として再利用することができる。また、発電に用いられなかった電池用燃料の未燃分を再循環させることで何度も発電用として再利用することによって、燃料電池システムでの発電に用いられる電池用燃料の発電効率を向上させることができる。

【0019】

また、前記ガスタービンシステムは、前記圧縮部と前記燃焼部と前記タービン部とを有するガスタービンと、該ガスタービンの排気ガスにより蒸気を生成する廃熱回収ボイラと、該廃熱回収ボイラで生成された前記蒸気で回転駆動する蒸気タービンと、を組み合わせたガスタービン蒸気タービン複合システムとしてもよい。
これにより、発電システム全体での発電効率を更に向上させることができる。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、圧縮部の昇圧過程における第一中間段で抽気された中間圧縮空気を燃料電池システムに供給し、燃料電池システムからの排出空気をガスタービンシステムの低圧部に供給するように構成したので、燃料電池システムをガスタービンシステムと同等の圧力とする必要がなく、燃料電池システムの運転圧力を緩和することで信頼性の高い燃料電池ガスタービン複合システムを提供することができる。これによって、燃料電池システムおよびガスタービンシステム双方の設計の自由度を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明に係る第一実施形態における発電システムの概略構成を示す模式図である。

【図2】本発明に係る第二実施形態における発電システムの概略構成を示す模式図である。

【図3】本発明に係る第二実施形態の変形例における発電システムの概略構成を示す模式図である。

【図4】本発明に係る第三実施形態における発電システムの概略構成を示す模式図である。

【図5】本発明に係る第四実施形態における発電システムの概略構成を示す模式図である。

【図6】本発明に係る第四実施形態の変形例における発電システムの概略構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明に係る発電システム（燃料電池ガスタービン複合システム）の各実施形態及び各変形例について、図面を参照して詳細に説明する。

【0023】

「第一実施形態」
まず、本発明に係る燃料電池ガスタービン複合システムの第一実施形態について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池ガスタービン複合システム１の概略構成を示す模式図である。

【0024】

本実施形態の燃料電池ガスタービン複合システム１は、図１に示すように、ガスタービンシステム１０による発電と、燃料電池システム２０による発電とを主に組み合わせて、高い発電効率を得るように構成したものである。以下においては、燃料電池システム２０の燃料電池として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ；Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｃｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を一例に挙げて説明するが、これに限らず作動温度が高い燃料電池として溶融炭酸塩形燃料電池が知られており、ＳＯＦＣと同様にガスタービンとの連携が可能である。

【0025】

ガスタービンシステム１０による発電は、ガスタービンシステム１０の出力を駆動源として、回転軸１６を介して同軸に連結された発電機（不図示）を回転駆動することによってなされる。ガスタービンシステム１０は、酸化性ガスを含む作動流体である空気（外気）Ａｇを吸入及び圧縮して圧縮空気Ａｃを生成する圧縮部（圧縮機）１１と、圧縮部１１で生成された圧縮空気Ａｃと別途供給される燃料Ｆｇとを燃焼させて燃焼ガスＧを生成する燃焼部（燃焼器）１４と、燃焼部１４で生成された燃焼ガスＧを膨張させることで回転駆動するタービン部（タービン）１５とを備えている。また、少なくとも圧縮部１１とタービン部１５とは回転軸１６によって同軸に連結されている。また、本実施形態における圧縮部１１は、低圧圧縮機１２と高圧圧縮機１３の２つの圧縮機を有している。なお、ガスタービンシステム１０の燃料Ｆｇとしては、例えば、天然ガスなど後述する燃料電池システム２０の電池用燃料Ｆｃと同じものを使用することもできる。

【0026】

燃料電池システム２０による発電は、例えば発電モジュールの発電部において７００〜１０００℃程度の作動温度であり、電池用燃料Ｆｃと空気に含まれる酸化性ガスが電解質を介して電気化学的に反応することによってなされる。燃料電池システム２０は、耐圧容器２１と、この耐圧容器２１内に配置されている発電モジュール２２とを備えている。発電モジュール２２は、その内部に発電を行うセルスタックが複数集積されているカートリッジ（不図示）が複数収納されたものである。なお、発電モジュール２２はその内部と外部との間、換言すれば、発電モジュール２２の内部空間と該発電モジュール２２及び耐圧容器２１間の空間との間を気密に仕切るものではなく、両空間の間を所定の流量で作動流体が流通可能とするものである。また、発電モジュール２２やその発電部の構成としては公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

【0027】

さらに、発電モジュール２２には、ガスタービンシステム１０の圧縮部１１の昇圧過程における第一の中間圧となる低圧圧縮機１２で圧縮された中間圧縮空気Ａｉ（酸化性ガスを含む作動流体）の一部または全部を、低圧圧縮機１２の最終段の出口（第一中間段）から抽気して供給する第一供給配管（中間圧縮空気供給配管）４０が接続されている。
また、電池用燃料供給部３０から電池用燃料Ｆｃを燃料電池システム２０の発電モジュール２２内へ供給する第二供給配管（電池用燃料供給配管）４１が接続されている。

【0028】

さらに、中間圧縮空気Ａｉが発電モジュール２２における発電に用いられた後、発電モジュール２２から排出される排出空気Ａｏを、ガスタービンシステム１０の圧縮部１１の昇圧過程における第二の中間圧となる高圧圧縮機１３の入口（第二中間段）に供給する第一排出配管（排出空気排出配管）４２が接続されている。
また、燃料電池システム２０での発電に用いられた電池用燃料Ｆｃの排燃料ガス、及び、発電に用いられなかった電池用燃料Ｆｃの未燃燃料（以下、これらを総じて「排出燃料Ｆｏ」と表記する。）を、ガスタービンシステム１０の燃焼部１４に供給する第二排出配管（排出燃料排出配管）４３が接続されている。

【0029】

第一供給配管４０の一方の端部は低圧圧縮機１２の出口（第一中間段）に接続され、他方の端部は発電モジュール２２に接続されている。さらに、第一供給配管４０には、低圧圧縮機１２から発電モジュール２２に向かって順に、分岐配管４６との接続部、第一供給側調整弁５０、第一供給側ブロワ５１が耐圧容器２１の外部に設けられている。

【0030】

第一供給側調整弁５０は、後述する第一排出側調整弁５３とともに、ガスタービンシステム１０と燃料電池システム２０との間の中間圧縮空気Ａｉの流通を制御する弁である。換言すれば、ガスタービンシステム１０と燃料電池システム２０との接続や切り離しを制御するものである。また、発電モジュール２２内に導かれる中間圧縮空気Ａｉの流量を制御することも可能である。

【0031】

第一供給側ブロワ５１は、低圧圧縮機１２の出口と燃料電池２０との間の圧力バランスに応じて、中間圧縮空気Ａｉの圧力が燃料電池システム２０に送り込むために必要な圧力となるように、中間圧縮空気Ａｉの昇圧を行うものである。よって、第一供給側ブロワ５１は必要に応じて設ければよい。なお、第一供給側ブロワ５１としては、公知のブロワを用いることができ、特に限定するものではない。

【0032】

第二供給配管４１の一方の端部は電池用燃料供給部３０に接続され、他方の端部は発電モジュール２２に接続されている。さらに、第二供給配管４１には、電池用燃料供給部３０から発電モジュール２２に向かって順に、第二供給側調整弁５２、再循環配管（電池用燃料再循環配管）４４との接続部が耐圧容器２１の外部に設けられている。

【0033】

第二供給側調整弁５２は、電池用燃料供給部３０と燃料電池システム２０との間の電池用燃料Ｆｃの流通を制御する弁である。換言すれば、電池用燃料供給部３０と燃料電池システム２０との接続や切り離しを制御するものである。また、発電モジュール２２内に導かれる電池用燃料Ｆｃの流量を制御することも可能である。

【0034】

再循環配管４４は、燃料電池システム２０での発電に用いられた後の排出燃料Ｆｏの一部を、第二供給配管４１に戻すことで、発電モジュール２２に再循環させる配管である。換言すれば、再循環配管４４の一方の端部は第二供給配管４１に接続され、他方の端部は後述する第二排出配管４３に接続されている。
排出燃料Ｆｏは、前述の通り、燃料電池システム２０での発電に用いられた後の電池用燃料Ｆｃの排燃料ガス、及び、発電に用いられなかった電池用燃料Ｆｃの未燃燃料からなる。即ち、まだ燃料電池システム２０での発電に用いることのできる電池用燃料Ｆｃの未燃分が残存している。

【0035】

また、燃料電池システム２０での発電によって燃料電池における燃料極側に水蒸気が生じるが、この水蒸気は第二排出配管４３を流れる排出燃料Ｆｏとともに燃料電池システム２０から排出されてしまう。一方、電池用燃料Ｆｃを燃料電池システム２０での発電に用いるためには電池用燃料Ｆｃと水蒸気を燃料極の触媒で反応させることによって改質する必要がある。
再循環配管４４は、排出燃料Ｆｏの一部、及び、それに含まれる水蒸気を、第二供給配管４１に再循環させて、燃料電池システム２０での発電に用いる電池用燃料Ｆｃ、及び、電池用燃料Ｆｃの改質に必要な水蒸気を供給するために設けられている。

【0036】

さらに、再循環配管４４には、再循環配管４４を流れる排出燃料Ｆｏの流量を制御する再循環ブロワ（排出燃料再循環ブロワ）５８が設けられている。
なお、再循環ブロワ５８としては、公知のブロワを用いることができ、特に限定するものではない。

【0037】

第一排出配管４２は、燃料電池システム２０での発電に用いられた後の排出空気Ａｏを、ガスタービンシステム１０の高圧圧縮機１３の入口（第二中間段）に導く配管である。換言すれば、第一排出配管４２の一方の端部は発電モジュール２２に接続され、他方の端部は高圧圧縮機１３の入口に接続されている。さらに、第一排出配管４２には、発電モジュール２２から高圧圧縮機１３の入口に向かって順に、第一排出側調整弁５３、第一排出側ブロワ５４が耐圧容器２１の外部に設けられている。また、第一排出管４２に、排出空気Ａｏの排熱を回収する排熱回収装置６０を設けてもよい。なお、排熱回収装置は排熱の使用用途に応じ公知の排熱回収装置を用いることができ、特に限定するものではない。

【0038】

第一排出側調整弁５３は、前述の第一供給側調整弁５１とともに、ガスタービンシステム１０と燃料電池システム２０との間の排出空気Ａｏの流通を制御する弁である。換言すれば、ガスタービンシステム１０と燃料電池システム２０との接続や切り離しを制御するものである。また、発電モジュール２２から排出される排出空気Ａｏの流量を制御することも可能である。

【0039】

第一排出側ブロワ５４は、燃料電池システム２０と高圧圧縮機１３の入口との間の圧力バランスに応じて、排出空気Ａｏの圧力が高圧圧縮機１３に送り込むために必要な圧力となるように、排出空気Ａｏの昇圧を行うものである。よって、第一排出側ブロワ５４は必要に応じて設ければよい。なお、第一排出側ブロワ５４としては、公知のブロワを用いることができ、特に限定するものではない。

【0040】

第二排出配管４３は、燃料電池システム２０での発電に用いられた後の排出燃料Ｆｏを、ガスタービンシステム１０の燃焼部１４に導く配管である。換言すれば、第二排出配管４３の一方の端部は発電モジュール２２に接続され、他方の端部は燃焼部１４に接続されている。さらに、第二排出配管４３には、発電モジュール２２から燃焼部１４に向かって順に、再循環配管４４との接続部、第二排出側ブロワ５５、ベント配管（排出燃料ベント配管）４５との接続部、第二排出側調整弁５６が耐圧容器２１の外部に設けられている。

【0041】

第二排出側ブロワ５５は、燃料電池システム２０と燃焼部１４の入口との間の圧力バランスに応じて、排出燃料Ｆｏの圧力が燃焼部１４に送り込むために必要な圧力となるように、排出燃料Ｆｏの昇圧を行うものである。なお、第二排出側ブロワ５５としては、公知のブロワを用いることができ、特に限定するものではない。

【0042】

ベント配管４５は、第二排出配管４３を流れる排出燃料Ｆｏの少なくとも一部を、必要に応じて外部に放出するための配管である。ベント配管４５には、第二排出側調整弁５６とともにベント配管４５から外部に放出される排出燃料Ｆｏの流量または圧力を制御するベント調整弁５７が設けられている。

【0043】

第二排出側調整弁５６及びベント調整弁５７により、第二排出配管４３を流れる排出燃料Ｆｏの流通を制御できる。詳述すれば、ベント調整弁５７が開かれ、第二排出側調整弁５６が閉じられた状態の場合、第二排出配管４３を流れる排出燃料Ｆｏはベント配管４５から外部へ放出される。一方、ベント調整弁５７が閉じられ、第二排出側調整弁５６が開かれた状態の場合、第二排出配管４３を流れる排出燃料Ｆｏは燃焼部１４に供給される。

【0044】

耐圧容器２１は、内部に発電モジュール２２などを収納する容器である。また、耐圧容器２１は、耐圧性を考慮して、例えば、円筒形状の胴部と、胴部の中心軸方向における両端部に形成されている半球状の鏡部とを有している。この耐圧容器２１は、全体として円筒形状を成し、その容器中心軸が上下方向に延びるよう設置されている。また、この耐圧容器２１は、耐圧性と共に、酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性も要求されるため、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス系材で形成されている。
なお、耐圧容器２１としては、公知の耐圧性を有する容器であればよく、特に限定するものではない。

【0045】

電池用燃料Ｆｃとしては、例えば、水素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素系ガス、天然ガス、石炭等の炭素質原料のガス化により得られたガス、又は、これらの２以上の成分を含むガス等が利用される。また、酸化性ガスとしては、例えば、酸素を１５〜３０vol％含むガス等が利用される。代表的な酸化性ガスとしては、空気Ａｇが好適であるが、燃焼ガスＧ（排気ガス）と空気Ａｇとの混合ガスや、酸素と空気Ａｇとの混合ガスなどを利用してもよい。

【0046】

ガスタービンシステム１０は、図１に示すように、少なくとも燃料電池システム２０の発電モジュール２２に圧縮された空気を導くものである。圧縮部１１の低圧圧縮機１２は、回転軸１６により回転駆動されることで、その入口から吸入した空気Ａｇを圧縮する。また、低圧圧縮機１２は、圧縮部１１の昇圧過程における第一の中間圧である中間圧縮空気Ａｉの一部または全部を、低圧圧縮機１２の出口（第一中間段）から第一供給配管４０を介して発電モジュール２２に、また、第一供給配管４０及び分岐配管４６を介して、低圧圧縮機１２の下流側かつ高圧側に設けられた高圧圧縮機１３の入口に供給するものである。

【0047】

分岐配管４６は、低圧圧縮機１２の出口から送り出された中間圧縮空気Ａｉの一部または全部を、高圧圧縮機１３の入口に導く配管である。換言すれば、分岐配管４６の一方の端部は、第一供給配管４０における低圧圧縮機１２の出口と第一供給側調整弁５０との間に接続され、他方の端部は、高圧圧縮機１３の入口に接続されている。なお、第一供給配管４０に設けられた第一供給側調整弁５０により、第一供給配管４０及び分岐配管４６を流れる圧縮された空気の流量を調整することができる。

【0048】

圧縮部１１の高圧圧縮機１３は、回転軸１６により回転駆動されることで、低圧圧縮機１２の出口から第一供給配管４０及び分岐配管４６を介して、その入口に供給された中間圧縮空気Ａｉと、燃料電池システム２０での発電に用いられた後、発電モジュール２２から第一排出配管４２を介して、その入口に供給された排出空気Ａｏとを昇圧して圧縮空気Ａｃを生成する。また、高圧圧縮機１３は、その最終段出口、即ち、圧縮部１１の出口から圧縮空気供給通路４７を介して昇圧した圧縮空気Ａｃを燃焼部１４に供給する。
なお、圧縮部１１の低圧圧縮機１２及び高圧圧縮機１３としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

【0049】

圧縮空気供給通路４７は、高圧圧縮機１３の出口から送り出された圧縮空気Ａｃを燃焼部１４に導く通路または配管である。換言すれば、圧縮空気供給通路４７の一方の端部は高圧圧縮機１３の出口に接続され、他方の端部は燃焼部１４の入口に接続されている。

【0050】

燃焼部１４は、図１に示すように、圧縮部１１とタービン部１５との間に設けられる。また、燃焼部１４は、燃料電池システム２０での発電に用いられた後の排出燃料Ｆｏと、燃料Ｆｇと、高圧圧縮機１３の出口から送り出された圧縮空気Ａｃとが供給され、排出燃料Ｆｏに含まれる未燃燃料及び排燃料ガスと燃料Ｆｇとを燃焼させるものである。

【0051】

燃焼部１４には、燃料電池システム２０での発電に用いられた後の排出燃料Ｆｏが流れる第二排出配管４３と、燃料Ｆｇが流れる燃料供給配管４８と、高圧圧縮機１３の出口から送り出された圧縮空気Ａｃが流れる圧縮空気供給通路４７が接続されている。更に、燃焼部１４における燃焼により生成された高温高圧の燃焼ガスＧをタービン部１５に導く燃焼ガス排出通路４９が接続されている。
なお、燃焼部１４としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

【0052】

燃焼ガス排出通路４９は、燃焼部１４の出口から排出された燃焼ガスＧをタービン部１５の入口に導く通路または配管である。換言すれば、燃焼ガス排出通路４９の一方の端部は燃焼部１４の出口に接続され、他方の端部はタービン部１５の入口に接続されている。

【0053】

タービン部１５は、図１に示すように、燃焼部１４の下流側に設けられるとともに、燃焼部１４により生成された燃焼ガスＧの供給を受けて回転駆動力を発生させ、回転軸１６を介して、この回転駆動力を圧縮部１１及び発電機に伝達するものである。タービン部１５には、タービン部１５を回転駆動した後の燃焼ガスＧ、つまり、排気ガスが流入するタービン排気部１７が接続されている。タービン排気部１７は、排気ガスを外部に導く通路または配管である。または、タービン排気部１７の下流側に設けられた廃熱回収ボイラ（不図示）や煙突（不図示）を介して、排気ガスを外部に導いてもよい。
なお、タービン部１５としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

【0054】

次に、上記の構成からなる燃料電池ガスタービン複合システム１における発電方法について説明する。

【0055】

ガスタービンシステム１０の運転により、圧縮部１１の低圧圧縮機１２は外部から空気Ａｇを吸入して圧縮することで中間圧縮空気Ａｉを生成する。中間圧縮空気Ａｉとは、圧縮部１１の昇圧過程、即ち、低圧圧縮機１２の入口から高圧圧縮機１３の出口までの昇圧過程における中間の圧力（第一の中間圧）にまで圧縮された状態である。この生成された中間圧縮空気Ａｉは低圧圧縮機１２の出口から第一供給配管４０に流入する。このとき、第一供給側調整弁５０の開度に応じて、中間圧縮空気Ａｉのうち燃料電池システム２０の発電に必要な量の中間圧縮空気Ａｉが第一供給側調整弁５０及び第一供給側ブロワ５１を通過して発電モジュール２２内に収納された発電セルに供給される。残りの中間圧縮空気Ａｉが存在する場合は、分岐配管４６を通過して高圧圧縮機１３に供給される。

【0056】

その一方で、電池用燃料供給部３０から供給された電池用燃料Ｆｃは、第二供給配管４１を発電モジュール２２に向かって流れ、発電モジュール２２内に収納された発電セルに供給される。

【0057】

発電モジュール２２の発電セルは、中間圧縮空気Ａｉ及び電池用燃料Ｆｃを用いて発熱を伴って発電を行う。排出空気Ａｏは、発電により発生した熱を吸収して昇温された後、発電モジュール２２から第一排出配管４２に流入する。第一排出配管４２に流入した排出空気Ａｏは、第一排出側調整弁５３及び第一排出側ブロワ５４を通過して高圧圧縮機１３に供給され、分岐配管４６を介して高圧圧縮機１３の入口に供給された中間圧縮空気Ａｉとともに更に高圧な状態へと圧縮される。

【0058】

その一方で、排出燃料Ｆｏは、第二排出配管４３に流入し、燃焼部１４に向かって流れる。このとき、必要に応じて再循環ブロワ５８を駆動することで、第二排出配管４３に流入した排出燃料Ｆｏの一部、及び、排出燃料Ｆｏに含まれる水蒸気が、再循環配管４４を介して第二供給配管４１に戻される。

【0059】

残りの排出燃料Ｆｏは、第二排出配管４３を介して燃焼部１４に流入する。燃焼部１４では、排出燃料Ｆｏ及び燃料Ｆｇが燃焼され、高温高圧の燃焼ガスＧが生成される。燃焼ガスＧは、燃焼部１４からタービン部１５に流入し、タービン部１５を回転駆動させる。

【0060】

タービン部１５では、流入した燃焼ガスＧから回転駆動力を発生させ、発生した回転駆動力を回転軸１６に伝達する。回転軸１６は、伝達された回転駆動力を圧縮部１１に伝達して圧縮部１１を回転駆動するとともに、発電機に伝達して発電機を回転駆動することで発電を行う。

【0061】

タービン部１５を回転駆動した後の燃焼ガスＧは、排気ガスとしてタービン排気部１７に流入した後、外部へ煙突などを介して排出される。または、タービン排気部１７から廃熱回収ボイラなどを通過させることで熱回収してから外部へ排出してもよい。この場合、廃熱回収ボイラにて回収した熱エネルギーを利用して蒸気を発生させ、その蒸気によって蒸気タービン（不図示）及び発電機を回転駆動させることで、更に発電効率を向上させることができる。

【0062】

なお、ガスタービンシステム１０は、必ずしも、圧縮部１１、燃焼部１４及びタービン部１５を有するガスタービン単体のみに限られる必要はなく、圧縮部１１、燃焼部１４及びタービン部１４を有するガスタービンと、蒸気タービンと、廃熱回収ボイラとを組み合わせたガスタービン蒸気タービン複合システムとしてもよい。この場合、ガスタービンと蒸気タービンとは、回転軸や減速装置等を介して連結されてもよいし、連結されていなくてもよい。また、連結されない場合は、それぞれに発電機を接続することができる。
なお、廃熱回収ボイラ、蒸気タービン及び発電機としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

【0063】

本実施形態によれば、圧縮部１１の昇圧過程における第一中間段で抽気された第一の中間圧の中間圧縮空気Ａｉを、燃料電池システム２０での発電に用いる酸化性ガスとして供給するため、圧縮部の最終段出口で取り出された高圧の圧縮空気を燃料電池システムに供給し、高圧の圧縮空気で燃焼することで最適化されたガスタービンシステムの燃焼器に燃料電池システムでの圧力損失を考慮した排出空気を供給する必要がある従来の燃料電池ガスタービン複合システムに比較して、燃料電池システム２０側に供給される圧縮空気の圧力を低くすることができる。これにより、耐圧容器２１や、発電モジュール２２に接続される配管４０〜４２、該配管４０〜４２に設けられた弁及びブロワ等の周辺機器５０〜５４に要求される耐圧性能を低くすることができる。これにより、設計の自由度の向上を図ることが可能となる。

【0064】

ここで、従来においては、燃料供給部から燃料電池の発電モジュールへ電池用燃料を供給する配管容積が大きく、かつ、ガスタービンシステムと連携するのに求められる圧力まで昇圧するために、電池用燃料（燃料ガス）の流量が多く、燃料電池システムの起動や停止に多大な時間を要していた。また、それに伴い燃料電池の運転速度や負荷変化速度の鈍化を招くという問題があった。
これに対して本実施形態では、燃料電池システム２０側の運転圧力を下げることにより、電池用燃料供給部３０から発電室２２への第二供給配管４１内に内封される電池用燃料Ｆｃの流量を低下することができる。よって、燃料電池システム２０の運転速度や負荷変化速度の鈍化を抑制することができる。

【0065】

また、排出空気Ａｏをガスタービンシステム１０の圧縮部１１の昇圧過程における第二中間段に供給するため、従来よりも運転圧力を緩和することができる。よって、燃料電池ガスタービン複合システム１全体での効率を向上させることができる。

【0066】

また、本実施形態によれば、第二供給配管４１と第二排出配管４３とを接続する再循環配管４４を設けたため、燃料電池システム２０での発電により生じた水蒸気を捨てることなく、電池用燃料Ｆｃの改質に必要な水蒸気として再利用することができる。また、発電に用いられなかった電池用燃料Ｆｃの未燃分を再循環させることで何度も発電用として再利用することによって、燃料電池システム２０での発電に用いられる電池用燃料Ｆｃの発電効率を向上させることができる。

【0067】

「第二実施形態」
次に、本発明に係る燃料電池ガスタービン複合システムの第二実施形態について、図２を参照して説明する。

【0068】

本実施形態の燃料電池ガスタービン複合システムは、第一実施形態とは、ガスタービンシステムの燃焼部及びタービン部と第二排出配管の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図２を用いて燃焼部、タービン部及び第二排出配管の周辺のみを説明することとし、第一実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。

【0069】

図２は、本実施形態に係る燃料電池ガスタービン複合システム１０１の概略構成を示す模式図である。

【0070】

燃料電池ガスタービン複合システム１０１におけるガスタービンシステム１１０には、図２に示すように、燃焼部１１４及びタービン部１１５が設けられている。
燃焼部１１４には、高圧燃焼器１１４ａ及び低圧燃焼器１１４ｂが設けられている。また、タービン部１１５には、高圧タービン１１５ａ及び低圧タービン１１５ｂが設けられている。
なお、燃焼部１１４の高圧燃焼器１１４ａ及び低圧燃焼器１１４ｂと、タービン部１１５の高圧タービン１１５ａ及び低圧タービン１１５ｂとしては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

【0071】

高圧燃焼器１１４ａは、圧縮部１１（高圧圧縮機１３）の出口とタービン部１１５（高圧タービン１１５ａ）の入口との間に設けられている。また、高圧燃焼器１１４ａには、燃料Ｆｇを供給する燃料供給配管１４８ａと、高圧圧縮機１３の出口から送り出された高圧の圧縮空気Ａｃを供給する圧縮空気供給通路４７が接続されている。また、高圧燃焼器１１４ａには、供給された燃料Ｆｇと圧縮空気Ａｃが、高圧燃焼器１１４ａにおいて燃焼することにより生成された高圧の燃焼ガスＧを、高圧タービン１１５ａの入口に向けて供給する第一燃焼ガス排出通路１４９ａが接続されている。

【0072】

低圧燃焼器１１４ｂは、高圧燃焼器１１４ａよりも下流側かつ低圧側となる、高圧タービン１１５ａの出口と低圧タービン１１５ｂの入口との間に設けられている。また、低圧燃焼器１１４ｂには、燃料電池システム２０での発電に用いられた後の排出燃料Ｆｏを供給する第二排出配管１４３と、燃料Ｆｇを供給する燃料供給配管１４８ｂと、高圧タービン１１５ａの出口から送り出された燃焼ガスＧを供給する第二燃焼ガス排出通路１４９ｂが接続されている。また、低圧燃焼器１１４ｂには、供給された排出燃料Ｆｏと燃料Ｆｇと高圧燃焼器１１４ａで生成され、高圧ガスタービン１１５ａにより膨張した燃焼ガスＧとが、低圧燃焼器１１４ｂにおいて燃焼することにより生成された燃焼ガスＧを、低圧タービン１１５ｂの入口に向けて供給する第三燃焼ガス排出通路１４９ｃが接続されている。

【0073】

高圧タービン１１５ａは、第一燃焼ガス排出通路１４９ａを通じて高圧燃焼器１１４ａにより生成された燃焼ガスＧの供給を受けて回転駆動力を発生させ、回転軸１６を介して、この回転駆動力を圧縮部１１及び発電機に伝達するものである。また、高圧タービン１１５ａには、高圧タービン１１５ａを回転駆動した後の燃焼ガスＧが流入する第二燃焼ガス排出通路１４９ｂが接続されている。

【0074】

低圧タービン１１５ｂは、高圧タービン１１５ａよりも下流側かつ低圧側に設けられるとともに、第三燃焼ガス排出通路１４９ｃを通じて低圧燃焼器１１４ｂにより生成された燃焼ガスＧの供給を受けて回転駆動力を発生させ、回転軸１６を介して、この回転駆動力を圧縮部１１及び発電機に伝達するものである。また、低圧タービン１１５ｂには、低圧タービン１１５ｂを回転駆動した後の燃焼ガスＧ、つまり、排気ガスが流入するタービン排気部１７が接続されている。

【0075】

本実施形態によれば、第一実施形態において得られる作用効果に加えて、高圧燃焼器１１４ａよりも低圧側となる低圧燃焼器１１４ｂに排出燃料Ｆｏを供給するため、排出燃料Ｆｏを低圧燃焼器１１４ｂに送り込むために必要な圧力を低くすることができる。
これにより、排出燃料Ｆｏの昇圧を行う第二排出側ブロワ５５を、動力の小さな安価なものに変更することができる。また、第二排出配管１４３での圧力損失を考慮しても、燃料電池システム２０側の圧力の方が低圧燃焼器１１４ｂ側の圧力よりも高ければ、排出燃料Ｆｏの昇圧が不要となるので、第二排出側ブロワ５５を省略することも可能となる。

【0076】

あるいは、図３に示す「第二実施形態の変形例」のように、第二排出側ブロワ５５を省略するとともに、再循環配管４４に設けられていた再循環ブロワ５８を、第二排出配管１４３の再循環配管４４との接続部よりも上流側に設けた燃料電池ガスタービン複合システム１０２としてもよい。こうすることで、第二排出側ブロワ５５を省略したうえで、一つの再循環ブロワ５８によって、排出燃料Ｆｏの再循環と排出燃料Ｆｏの昇圧という二つの機能を兼ねることができる。また、圧力バランス次第では、再循環ブロワ４８を動力の小さな安価なものに変更することも可能となる。

【0077】

「第三実施形態」
次に、本発明に係る燃料電池ガスタービン複合システムの第三実施形態について、図４を参照して説明する。

【0078】

本実施形態の燃料電池ガスタービン複合システムは、第一実施形態とは、ガスタービンシステムの圧縮部、燃焼部及びタービン部と、第一排出配管及び第二排出配管の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図４を用いて、圧縮部、燃焼部、タービン部、第一排出配管及び第二排出配管の周辺のみを説明することとし、第一実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。

【0079】

図４は、本実施形態に係る燃料電池ガスタービン複合システム２０１の概略構成を示す模式図である。

【0080】

燃料電池ガスタービン複合システム２０１におけるガスタービンシステム２１０には、図４に示すように、圧縮部２１１、燃焼部２１４及びタービン部２１５が設けられている。
圧縮部２１１には、低圧圧縮機２１２及び高圧圧縮機２１３が設けられている。また、燃焼部２１４には、高圧燃焼器２１４ａ及び低圧燃焼器２１４ｂが設けられている。また、タービン部２１５には、高圧タービン２１５ａ及び低圧タービン２１５ｂが設けられている。

【0081】

なお、圧縮部２１１の低圧圧縮機２１２及び高圧圧縮機２１３と、燃焼部２１４の高圧燃焼器２１４ａ及び低圧燃焼器２１４ｂと、タービン部２１５の高圧タービン２１５ａ及び低圧タービン２１５ｂとしては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

【0082】

低圧圧縮機２１２は、第一実施形態における低圧圧縮機１２と基本構成は同じであり、その入口から吸入した空気Ａｇを圧縮する。また、低圧圧縮機２１２は、圧縮部２１１の昇圧過程における第一の中間圧である中間圧縮空気Ａｉの一部または全部を、低圧圧縮機２１２の出口（第一中間段）から第一供給配管４０を介して発電モジュール２２に、また、第一供給配管４０及び分岐配管４６を介して高圧圧縮機２１３に供給するものである。なお、供給位置は高圧圧縮機２１３の圧縮過程において、低圧圧縮機２１２の出口圧力より低い位置とする。

【0083】

高圧圧縮機２１３は、第一実施形態における高圧圧縮機１３と基本構成はほぼ同じであるが、空気の供給源が異なっている。即ち、低圧圧縮機２１２の出口から第一供給配管４０及び分岐配管４６を介して、その入口に供給された中間圧縮空気Ａｉと、その入口を介して外部から吸入した空気Ａｇとが供給される。なお、図示しないが、高圧圧縮機２１３の外部から吸入する経路にブロワ等の昇圧機器を設けても良い。よって、第一実施形態のように、燃料電池システム２０の発電モジュール２２からの排出空気Ａｏは吸入しない。また、高圧圧縮機２１３は、その最終段出口、即ち、圧縮部２１１の出口から圧縮空気供給通路４７を介して昇圧した圧縮空気Ａｃを燃焼部２１４（高圧燃焼器２１４ａ）に供給する。

【0084】

高圧燃焼器２１４ａは、第二実施形態における高圧燃焼器１１４ａと基本構成は同じであり、圧縮部２１１（高圧圧縮機２１３）の出口とタービン部２１５（高圧タービン２１５ａ）の入口との間に設けられている。また、高圧燃焼器２１４ａには、燃料Ｆｇを供給する燃料供給配管１４８ａと、高圧圧縮機２１３の出口から送り出された高圧の圧縮空気Ａｃを供給する圧縮空気供給通路４７が接続されている。また、高圧燃焼器２１４ａには、供給された燃料Ｆｇと圧縮空気Ａｃが、高圧燃焼器２１４ａにおいて燃焼することにより生成された高温高圧の燃焼ガスＧを、高圧タービン２１５ａの入口に向けて供給する第一燃焼ガス排出通路１４９ａが接続されている。

【0085】

一方、低圧燃焼器２１４ｂは、高圧燃焼器２１４ａよりも低圧側で、かつ、低圧タービン２１５ｂの入口よりも上流側に設けられている。また、低圧燃焼器２１４ｂには、燃料電池システム２０での発電に用いられた後の排出空気Ａｏ及び排出燃料Ｆｏをそれぞれ供給する第一排出配管２４２及び第二排出配管２４３と、燃料Ｆｇを供給する燃料供給配管１４８ｂとが接続されている。また、低圧燃焼器２１４ｂには、供給された排出空気Ａｏと排出燃料Ｆｏと燃料Ｆｇとが、低圧燃焼器２１４ｂにおいて燃焼することにより生成された燃焼ガスＧを、低圧タービン２１５ｂの入口に向けて供給する第三燃焼ガス排出通路１４９ｃが接続されている。

【0086】

高圧タービン２１５ａは、第一燃焼ガス排出通路１４９ａを通じて高圧燃焼器２１４ａにより生成された燃焼ガスＧの供給を受けて回転駆動力を発生させ、回転軸１６を介して、この回転駆動力を圧縮部２１１及び発電機に伝達するものである。また、高圧タービン２１５ａには、高圧タービン２１５ａを回転駆動した後の燃焼ガスＧが流入するタービン排気部１７ａが接続されている。

【0087】

低圧タービン２１５ｂは、高圧タービン２１５ａよりも低圧側に設けられるとともに、第三燃焼ガス排出通路１４９ｃを通じて低圧燃焼器２１４ｂにより生成された燃焼ガスＧの供給を受けて回転駆動力を発生させ、回転軸１６を介して、この回転駆動力を圧縮部２１１及び発電機に伝達するものである。また、低圧タービン２１５ｂには、低圧タービン２１５ｂを回転駆動した後の燃焼ガスＧが流入するタービン排気部１７ｂが接続されている。タービン排気部１７ａ，１７ｂに流入した燃焼ガスＧは、互いに合流しながらタービン排気部１７に流入した後、排気ガスとして廃熱回収ボイラに供給されるか、または、外部に放出される。

【0088】

本実施形態によれば、高圧燃焼器２１４ａよりも低圧側となる低圧燃焼器２１４ｂに排出空気Ａｏ及び排出燃料Ｆｏを供給するため、中間圧縮空気Ａｉからの圧力損失分を考慮せずに、排出空気Ａｏを低圧燃焼器２１４ｂに送り込むことができる。これにより、また、中間圧縮空気Ａｉ及び排出空気Ａｏの昇圧が不要となる燃料電池ガスタービン複合システムを提供することができる。

【0089】

「第四実施形態」
次に、本発明に係る燃料電池ガスタービン複合システムの第四実施形態について、図５を参照して説明する。

【0090】

本実施形態の燃料電池ガスタービン複合システムは、第一実施形態とは、ガスタービンシステムの圧縮部、燃焼部及びタービン部と、第一排出配管及び第二排出配管の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図５を用いて、圧縮部、燃焼部、タービン部、第一排出配管及び第二排出配管の周辺のみを説明することとし、第一実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。

【0091】

図５は、本実施形態に係る燃料電池ガスタービン複合システム３０１の概略構成を示す模式図である。

【0092】

燃料電池ガスタービン複合システム３０１におけるガスタービンシステム３１０には、図５に示すように、圧縮部３１１、燃焼部３１４及びタービン部３１５が設けられている。
圧縮部３１１には、低圧圧縮機３１２及び高圧圧縮機３１３が設けられている。また、燃焼部３１４には、高圧燃焼器３１４ａ及び低圧燃焼器３１４ｂが設けられている。また、タービン部３１５には、高圧タービン３１５ａ及び低圧タービン３１５ｂが設けられている。

【0093】

なお、圧縮部３１１の低圧圧縮機３１２及び高圧圧縮機３１３と、燃焼部３１４の高圧燃焼器３１４ａ及び低圧燃焼器３１４ｂと、タービン部３１５の高圧タービン３１５ａ及び低圧タービン３１５ｂとしては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

【0094】

低圧圧縮機３１２、高圧圧縮機３１３、高圧燃焼器３１４ａ及び高圧タービン３１５ａは、第三実施形態における低圧圧縮機２１２、高圧圧縮機２１３、高圧燃焼器２１４ａ及び高圧タービン２１５ａと同じ構成であるため、その説明は省略する。

【0095】

一方、低圧燃焼器３１４ｂは、高圧燃焼器３１４ａよりも低圧側で、かつ、低圧タービン３１５ｂの最終段出口、即ち、タービン部３１５の最終段出口よりも下流側に設けられている。また、低圧燃焼器３１４ｂには、高圧タービン３１５ａから排出された燃焼ガスＧと低圧タービン３１５ｂから排出された排出空気Ａｏとの混合流体を供給するタービン排気部１７ｃと、燃料電池システム２０での発電に用いられた後の排出燃料Ｆｏを供給する第二排出配管３４３と、燃料Ｆｇを供給する燃料供給配管１４８ｂとが接続されている。また、低圧燃焼器３１４ｂには、供給された燃焼ガスＧ、排出空気Ａｏ、排出燃料Ｆｏ及び燃料Ｆｇが、低圧燃焼器３１４ｂにおいて燃焼することにより生成された燃焼ガスＧを、排気ガスとして下流側に設けられた廃熱回収ボイラに向けて供給するタービン排気部１７が接続されている。また、廃熱回収ボイラにて熱回収された燃焼ガスＧは、その後、煙突などを介して外部に放出される。

【0096】

本実施形態の場合、低圧燃焼器３１４ｂでの燃焼により生成された燃焼ガスＧ（排気ガス）の熱エネルギーは、下流側に設けられた廃熱回収ボイラにより熱回収されるが、ガスタービンシステム３１０の回転駆動には寄与しない。しかし、前述のように、廃熱回収ボイラにて回収した熱エネルギーを利用して蒸気を発生させ、その蒸気によって蒸気タービン及び発電機を回転駆動させることで、更に発電効率を向上させることができる。

【0097】

また、低圧タービン３１５ｂは、高圧タービン３１５ａよりも低圧側に設けられるとともに、第一排出配管３４２を通じて燃料電池システム２０での発電に用いられた後の排出空気Ａｏの供給を受けて回転駆動力を発生させ、回転軸１６を介して、この回転駆動力を圧縮部３１１及び発電機に伝達するものである。また、低圧タービン３１５ｂには、低圧タービン３１５ｂを回転駆動した後の排出空気Ａｏが流入するタービン排気部１７ｂが接続されている。

【0098】

高圧タービン３１５ａからタービン排気部１７ａに流入した燃焼ガスＧと、低圧タービン３１５ｂからタービン排気部１７ｂに流入した排出空気Ａｏは、互いに合流しながらタービン排気部１７ｃに流入した後、低圧燃焼器３１４ｂに供給される。タービン排気部１７ｃは、燃焼ガスＧと排出空気Ａｏとの混合流体、所謂、排気ガスを低圧燃焼器３１４ｂに導く配管または通路である。

【0099】

本実施形態によれば、高圧タービン３１５ａよりも低圧側となる低圧タービン３１５ｂに排出空気Ａｏを供給するため、第三実施形態において得られる作用効果と同様に、中間圧縮空気Ａｉからの圧力損失分を考慮せずに、排出空気Ａｏを低圧タービン３１５ｂに送り込むことができる。これにより、中間圧縮空気Ａｉ及び排出空気Ａｏの昇圧が不要となる燃料電池ガスタービン複合システムを提供することができる。

【0100】

また、本実施形態によれば、低圧タービン３１５ｂの最終段出口よりも下流側に設けられた低圧燃焼器３１４ｂに排出燃料Ｆｏを供給するため、排出燃料Ｆｏを低圧燃焼器３１４ｂに送り込むために必要な圧力の制約が小さくなり、圧力をより低くすることができる。これにより、排出燃料Ｆｏを昇圧を必要とせず低圧燃焼器３１に直接供給することができる。

【0101】

なお、本発明の技術範囲は上記の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更や組合せを加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、燃料電池システム２０に用いる燃料電池として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ；Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｃｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）を一例に挙げて説明したが、必ずしもこの限りである必要はなく、他の形式の燃料電池システム及び燃料電池であってもよい。

【0102】

また、上記実施形態では、中間圧縮空気Ａｉが抽気される圧縮部１１，２１１，３１１の昇圧過程における第一の中間圧（第一中間段）の位置を、低圧圧縮機１２，２１２，３１２の出口として説明したが、必ずしもこの限りである必要はなく、圧縮部１１，２１１，３１１の途中、即ち、圧縮部１１，２１１，３１１の入口よりも下流側で、かつ、出口よりも上流側の中間圧（中間段）の位置であればどこでもよい。例えば、第一中間段は低圧圧縮機または高圧圧縮機の中間圧位置、即ち、入口より下流で出口より上流の位置であればどこでもよい。

【0103】

同様に、第一実施形態及び第二実施形態のように、排出空気Ａｏが供給される圧縮部１１の昇圧過程における第二の中間圧（第二中間段）の位置は、必ずしも高圧圧縮機１３の入口である必要はなく、圧縮部１１の入口よりも下流側で、かつ、出口よりも上流側の中間圧（中間段）の位置であればどこでもよい。例えば、第二中間段は低圧圧縮機または高圧圧縮機の中間圧位置、即ち、入口より下流で出口より上流の位置であればどこでもよい。

【0104】

なお、この場合の流体の流れ方向における第一中間段と第二中間段との前後関係、換言すれば、第一の中間圧と第二の中間圧との大小関係は、圧力の低い方が圧縮部１１のうちの上流側（低圧側）に、圧力の高い方が圧縮部１１のうちの下流側（高圧側）に位置するように設定すればよい。また、必要に応じて、ブロワ５１，５４等により中間圧縮空気Ａｉや排出空気Ａｏを昇圧してもよい。例えば、燃料電池システム２０から排出された排出空気Ａｏが中間圧縮空気Ａｉよりも圧力が低い場合は、ブロワを設けずに第一中間段よりも上流の低圧側に設けた第二中間段にて排出空気Ａｏを供給してもよいし、あるいは、ブロワ５４によって中間圧縮空気Ａｉよりも高い圧力に昇圧した排出空気Ａｏを、第一中間段よりも下流の高圧側に設けた第二中間段にて供給してもよい。一方、燃料電池システム２０から排出された排出空気Ａｏが中間圧縮空気Ａｉよりも圧力が高い場合は、ブロワを設けずに第一中間段よりも下流の高圧側に設けた第二中間段にて排出空気Ａｏを供給すればよい。

【0105】

また、上記実施形態では、圧縮部１１，２１１，３１１は、低圧圧縮機１２，２１２，３１２及び高圧圧縮機１３，２１３，３１３の２つの圧縮機によって構成されていると説明したが、必ずしもこの限りである必要はなく、１つの圧縮機、または、３つ以上の圧縮機によって圧縮部１１，２１１，３１１を構成してもよい。また、低圧圧縮機及び高圧圧縮機のそれぞれが更に複数の圧縮機によって構成されていてもよい。

【0106】

同様に、上記実施形態では、燃焼部１４，１１４，２１４，３１４は、１つの燃焼器１４、または、２つの高圧燃焼器１１４ａ，２１４ａ，３１４ａ及び低圧燃焼器１１４ｂ，２１４ｂ，３１４ｂによって構成されていると説明したが、必ずしもこの限りである必要はなく、３つ以上の燃焼器によって燃焼部１４，１１４，２１４，３１４を構成してもよい。また、低圧燃焼器及び高圧燃焼器のそれぞれが更に複数の燃焼器によって構成されていてもよい。

【0107】

同様に、上記実施形態では、タービン部１５，１１５，２１５，３１５は、１つのタービン１５、または、２つの高圧タービン１１５ａ，２１５ａ，３１５ａ及び低圧タービン１１５ｂ，２１５ｂ，３１５ｂによって構成されていると説明したが、必ずしもこの限りである必要はなく、３つ以上のタービンによってタービン部１５，１１５，２１５，３１５を構成してもよい。また、低圧タービン及び高圧タービンのそれぞれが更に複数のタービンによって構成されていてもよい。

【0108】

例えば、図６に示す「第四実施形態の変形例」のように、３つの燃焼器によって燃焼部４１４を構成してもよい。即ち、本変形例の燃料電池ガスタービン複合システム４０１では、ガスタービンシステム４１０の燃焼部４１４として、第四実施形態における高圧燃焼器３１４ａ及び低圧燃焼器３１４ｂと同じ構成である高圧燃焼器４１４ａ及び低圧燃焼器４１４ｂに加えて、中圧燃焼器４１４ｃを更に設けることができる。詳述すれば、中圧燃焼器４１４ｃを、高圧燃焼器４１４ａよりも低圧側、かつ、低圧燃焼器４１４ｂよりも高圧側の中圧位置であり、低圧タービン３１５ｂの入口よりも上流側の位置に設けることができる。また、中圧燃焼器４１４ｃには、燃料電池システム２０での発電に用いられた後の排出空気Ａｏを供給する第一排出配管３４２と、燃料Ｆｇを供給する燃料供給配管１４８ｃとを接続できる。また、中圧燃焼器４１４ｃには、供給された排出空気Ａｏ及び燃料Ｆｇが、中圧燃焼器４１４ｃにおいて燃焼することにより生成された燃焼ガスＧを、低圧タービン３１５ｂの入口に向けて供給する第四燃焼ガス排出通路１４９ｄを接続できる。

【0109】

また、上記の第二実施形態乃至第四実施形態（変形例を含む）では、圧縮部１１，２１１，３１１及びタービン部１１５，２１５，３１５が、それぞれ低圧側と高圧側の２つに分けられているのに対して、これらは１つの回転軸１６によって連結されていた。しかしながら、必ずしもこの限りである必要はなく、２つの回転軸、即ち、低圧回転軸及び高圧回転軸によって各々を連結させてもよい。詳述すれば、低圧圧縮機と低圧タービンとを低圧回転軸により連結するとともに、高圧圧縮機と高圧タービンとを高圧回転軸により連結することができる。
更には、圧縮部及びタービン部のそれぞれが、例えば、高圧側、中圧側、低圧側の３つに分けられている場合は、１つの回転軸で全てを連結してもよいし、２つまたは３つの回転軸で各々を連結してもよい。
なお、これら１つまたは複数の回転軸の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。

【符号の説明】

【0110】

１ 燃料電池ガスタービン複合システム（発電システム）
１０１ 燃料電池ガスタービン複合システム（発電システム）
１０２ 燃料電池ガスタービン複合システム（発電システム）
２０１ 燃料電池ガスタービン複合システム（発電システム）
３０１ 燃料電池ガスタービン複合システム（発電システム）
４０１ 燃料電池ガスタービン複合システム（発電システム）
１０ ガスタービンシステム
１１０ ガスタービンシステム
２１０ ガスタービンシステム
３１０ ガスタービンシステム
４１０ ガスタービンシステム
１１ 圧縮部
２１１ 圧縮部
３１１ 圧縮部
１２ 低圧圧縮機
２１２ 低圧圧縮機
３１２ 低圧圧縮機
１３ 高圧圧縮機
２１３ 高圧圧縮機
３１３ 高圧圧縮機
１４ 燃焼部
１１４ 燃焼部
２１４ 燃焼部
３１４ 燃焼部
４１４ 燃焼部
１１４ａ 高圧燃焼器
２１４ａ 高圧燃焼器
３１４ａ 高圧燃焼器
４１４ａ 高圧燃焼器
１１４ｂ 低圧燃焼器
２１４ｂ 低圧燃焼器
３１４ｂ 低圧燃焼器
４１４ｂ 低圧燃焼器
１５ タービン部
１１５ タービン部
２１５ タービン部
３１５ タービン部
１１５ａ 高圧タービン
２１５ａ 高圧タービン
３１５ａ 高圧タービン
１１５ｂ 低圧タービン
２１５ｂ 低圧タービン
３１５ｂ 低圧タービン
１６ 回転軸
１７ タービン排気部
１７ａ タービン排気部
１７ｂ タービン排気部
１７ｃ タービン排気部
２０ 燃料電池システム
２１ 耐圧容器
２２ 発電モジュール
３０ 電池用燃料供給部
４０ 第一供給配管（中間圧縮空気供給配管）
４１ 第二供給配管（電池用燃料供給配管）
４２ 第一排出配管（排出空気排出配管）
６０ 排熱回収装置
２４２ 第一排出配管（排出空気排出配管）
３４２ 第一排出配管（排出空気排出配管）
４３ 第二排出配管（排出燃料排出配管）
１４３ 第二排出配管（排出燃料排出配管）
２４３ 第二排出配管（排出燃料排出配管）
３４３ 第二排出配管（排出燃料排出配管）
４４ 再循環配管
４５ ベント配管
４６ 分岐配管
Ａｇ 空気
Ａｉ 中間圧縮空気
Ａｃ 圧縮空気
Ａｏ 排出空気
Ｆｇ 燃料
Ｆｃ 電池用燃料
Ｆｏ 排出燃料
Ｇ 燃焼ガス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】