特許 6057878 コンバインド発電システム及びコンバインド発電システムの運転方法

(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】6057878

(24)【登録日】2016年12月16日

(45)【発行日】2017年1月11日

(54)【発明の名称】コンバインド発電システム及びコンバインド発電システムの運転方法

(51)【国際特許分類】

   F02C 6/08 20060101AFI20161226BHJP

   F02C 6/00 20060101ALI20161226BHJP

   F01D 15/08 20060101ALI20161226BHJP

   F01K 23/10 20060101ALI20161226BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20161226BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20161226BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20161226BHJP

【ＦＩ】

   F02C6/08

   F02C6/00 E

   F01D15/08 C

   F01K23/10 T

   H01M8/00 Z

   H01M8/04 J

   !H01M8/12

【請求項の数】8

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2013-240020(P2013-240020)

(22)【出願日】2013年11月20日

(65)【公開番号】特開2015-98853(P2015-98853A)

(43)【公開日】2015年5月28日

【審査請求日】2015年11月9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）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２５年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「固体酸化物型燃料電池を用いた事業用発電システム要素技術開発」委託研究、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】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100118913

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 邦生

(72)【発明者】

【氏名】椋本 陽喜

(72)【発明者】

【氏名】森 龍太郎

(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】大澤 弘行

【審査官】 瀬戸 康平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−０４３４８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０５５８１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１００２２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３４８７４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／０２１６５１０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ １５／０８

Ｆ０１Ｋ ２３／１０

Ｆ０２Ｃ ６／００

Ｈ０１Ｍ ８／００

ＤＷＰＩ（Ｔｈｏｍｓｏｎ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池と、
前記燃料電池から排出された燃料ガスを燃焼させる第１燃焼器と、前記第１燃焼器から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービンと、前記ガスタービンの駆動により空気を圧縮するガスタービン圧縮機とを備えるガスタービンシステムと、
前記ガスタービンから排出された排ガスから熱を回収し、回収された前記熱を用いて蒸気を発生させる蒸気発生部と、
前記蒸気発生部から供給される蒸気によって駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンの駆動により空気を圧縮する蒸気タービン圧縮機とを備える蒸気タービンシステムと、
前記ガスタービン圧縮機から排出された空気を前記燃料電池に供給するガスタービン排出空気供給ラインと、
前記蒸気タービン圧縮機から排出された空気を前記燃料電池に供給する蒸気タービン排出空気供給ラインと、
前記ガスタービン排出空気供給ライン及び前記蒸気タービン排出空気供給ラインに設置され、前記燃料電池への空気の供給源を、前記ガスタービン圧縮機と前記蒸気タービン圧縮機との間で切り替える切替え部とを備えるコンバインド発電システム。

【請求項2】

前記燃料電池から排出された前記燃料ガスと、前記燃料電池から排出された空気の一部とを燃焼させる第２燃焼器を備え、前記第２燃焼器で発生する燃焼ガスが前記蒸気発生部に供給される請求項１に記載のコンバインド発電システム。

【請求項3】

前記第２燃焼器が前記ガスタービンから排出される前記排ガスを受け入れ、前記第２燃焼器が、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスの一部と、前記燃料電池から排出された空気の一部と、前記ガスタービンから排出される前記排ガスとを燃焼させる請求項２に記載のコンバインド発電システム。

【請求項4】

前記蒸気発生部が、水蒸気、または、水より沸点が低い液体の蒸気を発生させる請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のコンバインド発電システム。

【請求項5】

燃料電池と、
前記燃料電池から排出された燃料ガスの一部を燃焼させる第１燃焼器と、前記第１燃焼器から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービンと、前記ガスタービンの駆動により空気を圧縮するガスタービン圧縮機とを備えるガスタービンシステムと、
前記ガスタービンから排出された排ガスから熱を回収し、回収された前記熱を用いて蒸気を発生させる蒸気発生部と、
前記蒸気発生部から供給される蒸気によって駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンの駆動により空気を圧縮する蒸気タービン圧縮機とを備える蒸気タービンシステムと、
前記ガスタービン圧縮機から排出された空気の一部を前記燃料電池に供給するガスタービン排出空気供給ラインと、
前記蒸気タービン圧縮機から排出された空気を前記燃料電池に供給する蒸気タービン排出空気供給ラインと、
前記ガスタービン排出空気供給ライン及び前記蒸気タービン排出空気供給ラインに設置される切替え部とを備えるコンバインド発電システムの運転方法であって、
前記切替え部が、
前記ガスタービンが負荷変動運転する場合に、前記ガスタービン圧縮機からの空気の供給を遮断するとともに前記蒸気タービン圧縮機からの空気を前記燃料電池に供給させ、
前記ガスタービンが安定負荷運転する場合に、前記ガスタービン圧縮機からの空気を前記燃料電池に供給させるコンバインド発電システムの運転方法。

【請求項6】

前記燃料電池から前記第１燃焼器に燃料を供給できない場合に、前記燃料電池からの前記燃料ガスを第２燃焼器に供給し、前記第２燃焼器で前記燃料電池から排出された燃料と、前記燃料電池から排出された空気の一部とを燃焼させ、前記第２燃焼器で発生する燃焼ガスを前記蒸気発生部に供給する請求項５に記載のコンバインド発電システムの運転方法。

【請求項7】

前記第２燃焼器で、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスの一部と、前記燃料電池から排出された空気の一部と、前記ガスタービンから排出される前記排ガスとを燃焼させる請求項６に記載のコンバインド発電システムの運転方法。

【請求項8】

前記蒸気発生部において発生した水蒸気、または、水より沸点が低い液体の蒸気が前記蒸気タービンに送給される請求項５乃至請求項７のいずれかに記載のコンバインド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、燃料電池及びガスタービンを有するコンバインド発電システム及びコンバインド発電システムの運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に代表される燃料電池は、天然ガス、石油、メタンガス、石炭ガス化ガス等を燃料として運転される燃料電池である。このような燃料電池は７００℃〜１０００℃の作動温度で運転される。そこで、例えば特許文献１に開示されるように、ガスタービンシステムの圧縮器から吐出される高温の圧縮空気を燃料電池の空気極側に供給する酸化剤として使用し、燃料電池における未利用燃料成分を含む高温の排燃料をガスタービンの燃焼器の燃料として使用するコンバインド発電システムを実現することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平４−３２１７０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ガスタービンは、負荷変動に伴ってガスタービンの圧縮機から吐出される空気の流量及び圧力が変動する。このため、特許文献１に例示されるコンバインド発電システムにおいて、燃料電池はガスタービンの負荷変動の影響を受けることになる。

【0005】

しかしながら、燃料電池は供給空気の流量及び圧力の変動に対する追従性が悪い。例えば、ガスタービンの圧縮機からの吐出空気量が増加する場合は、所望の発電量に対して余剰の空気が供給されることになり効率が悪くなるし、燃料電池内のセルが空気により冷却されるために発電による発熱量とのバランスを図ることが困難となり運転制御性が悪化する。また、空気の供給量が低下した場合には、所望の発電量に対して空気流量が不足することで発電性能の低下や発電による発熱量とのバランスを図ることが困難となり運転制御性が悪化する。また圧力が変化した場合には、燃料電池燃料側との圧力差により燃料電池セルが破損する恐れが生じる。

【0006】

一方、供給空気の流量及び圧力の変動が燃料電池に与える影響を小さくするには、ガスタービンの負荷変化速度を遅くするなどの対策が考えられる。しかしながら、早い負荷変化に対応することができるというガスタービンの特性を犠牲にすることになるため、有効な対策ではないと考えられていた。

【0007】

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃料電池がガスタービンの運転状況の影響を受けないコンバインド発電システム及びコンバインド発電システムの運転方法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】

【0008】

本発明の第１の態様は、燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料ガスを燃焼させる第１燃焼器と、前記第１燃焼器から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービンと、前記ガスタービンの駆動により空気を圧縮するガスタービン圧縮機とを備えるガスタービンシステムと、前記ガスタービンから排出された排ガスから熱を回収し、回収された前記熱を用いて蒸気を発生させる蒸気発生部と、前記蒸気発生部から供給される蒸気によって駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンの駆動により空気を圧縮する蒸気タービン圧縮機とを備える蒸気タービンシステムと、前記ガスタービン圧縮機から排出された空気を前記燃料電池に供給するガスタービン排出空気供給ラインと、前記蒸気タービン圧縮機から排出された空気を前記燃料電池に供給する蒸気タービン排出空気供給ラインと、前記ガスタービン排出空気供給ライン及び前記蒸気タービン排出空気供給ラインに設置され、前記燃料電池への空気の供給源を、前記ガスタービン圧縮機と前記蒸気タービン圧縮機との間で切り替える切替え部とを備えるコンバインド発電システムである。

【0009】

本発明の第２の態様は、燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料ガスの一部を燃焼させる第１燃焼器と、前記第１燃焼器から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービンと、前記ガスタービンの駆動により空気を圧縮するガスタービン圧縮機とを備えるガスタービンシステムと、前記ガスタービンから排出された排ガスから熱を回収し、回収された前記熱を用いて蒸気を発生させる蒸気発生部と、前記蒸気発生部から供給される蒸気によって駆動する蒸気タービンと、前記蒸気タービンの駆動により空気を圧縮する蒸気タービン圧縮機とを備える蒸気タービンシステムと、前記ガスタービン圧縮機から排出された空気の一部を前記燃料電池に供給するガスタービン排出空気供給ラインと、前記蒸気タービン圧縮機から排出された空気を前記燃料電池に供給する蒸気タービン排出空気供給ラインと、前記ガスタービン排出空気供給ライン及び前記蒸気タービン排出空気供給ラインに設置される切替え部とを備えるコンバインド発電システムの運転方法であって、前記切替え部が、前記ガスタービンが負荷変動運転する場合に、前記ガスタービン圧縮機からの空気の供給を遮断するとともに前記蒸気タービン圧縮機からの空気を前記燃料電池に供給させ、前記ガスタービンが安定負荷運転する場合に、前記ガスタービン圧縮機からの空気を前記燃料電池に供給させるコンバインド発電システムの運転方法である。

【0010】

本発明では、ガスタービンが負荷変動運転するときの燃料電池の空気を、蒸気タービンシステムから供給する。こうすることで、ガスタービンの負荷変動の影響が燃料電池に及ぶことを防止し、燃料電池を安定して運転させることができる。

【0011】

第１の態様において、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスと、前記燃料電池から排出された空気の一部とを燃焼させる第２燃焼器を備え、前記第２燃焼器で発生する燃焼ガスが前記蒸気発生部に供給される。
この場合、前記第２燃焼器が前記ガスタービンから排出される前記排ガスを受け入れ、前記第２燃焼器が、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスの一部と、前記燃料電池から排出された空気の一部と、前記ガスタービンから排出される前記排ガスとを燃焼させることが好ましい。

【0012】

第２の態様において、前記燃料電池から前記第１燃焼器に燃料を供給できない場合に、前記燃料電池からの前記燃料ガスを第２燃焼器に供給し、前記第２燃焼器で前記燃料電池から排出された燃料と、前記燃料電池から排出された空気の一部とを燃焼させ、前記第２燃焼器で発生する燃焼ガスを前記蒸気発生部に供給する。
この場合、前記第２燃焼器で、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスの一部と、前記燃料電池から排出された空気の一部と、前記ガスタービンから排出される前記排ガスとを燃焼させる。

【0013】

本発明では、蒸気タービンの動力源となる蒸気を、燃料電池から排出された燃料で発生するガスを熱源として発生させている。更には、ガスタービンから排出される排ガスも熱源発生に利用する。このため本発明は、熱効率が高い運転を行うことができるという効果を奏する。

【0014】

第１の態様において、前記蒸気発生部が、水蒸気、または、水より沸点が低い液体の蒸気を発生させることが好ましい。第２の態様において、前記蒸気発生部において発生した水蒸気、または、水より沸点が低い液体の蒸気が前記蒸気タービンに送給されることが好ましい。
本態様に依れば、発生した蒸気をコンバインド発電システム内の蒸気タービンの駆動に利用するので、システムのエネルギー効率を向上させることができる。特に水より沸点が低い液体の上記を利用することは、より低温側の熱を回収することに繋がるので、エネルギー効率が更に向上するので有利である。

【発明の効果】

【0015】

本発明に依れば、ガスタービンの負荷変動の影響が燃料電池に及ぶことを防止することができる。ガスタービンを速い負荷応答で運転することが可能であり、ガスタービンの運転状況に依らずに燃料電池の運転制御を行うことが可能となる。この結果、高効率で安定した発電を実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１実施形態に係るコンバインド発電システムの概略図である。

【図2】第２実施形態に係るコンバインド発電システムの概略図である。

【図3】第３実施形態に係るコンバインド発電システムの概略図である。

【図4】第４実施形態に係るコンバインド発電システムの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係るコンバインド発電システムの概略図である。コンバインド発電システム１は、発電設備として燃料電池１０、ガスタービンシステム２０及び蒸気タービンシステム３０を有する。

【0018】

燃料電池１０は、例えば固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。ＳＯＦＣは、圧力容器と、圧力容器の内部に収容されているＳＯＦＣ本体とから構成されている。燃料電池１０には、燃料電池１０の燃料極側に燃料ガスを供給する燃料系統と、燃料電池の空気極側に酸化ガスとしての空気を供給する空気系統とが接続する。本実施形態において、燃料ガスは例えば都市ガス等である。
燃料電池１０には図示されない発電機が接続されている。

【0019】

ＳＯＦＣ本体は特に限定されるものではないが、例えば複数の円筒型のセラミックス製の燃料電池セル管を備える。セル管は、基体管の外表面に複数のセルが軸線方向に並べられて形成された構成である。セルは、基体管側から燃料極膜、固体電解質膜及び空気極膜が積層されて構成され、隣接するセル間はインターコネクタで電気的に接続される。円筒型のＳＯＦＣ本体の場合、基体管内側が燃料極側に相当し、基体管外側が空気極側に相当する。燃料ガスが基体管内側を流通し、酸素を含む酸化剤ガスが基体管外側を流通する。

【0020】

ガスタービンシステム２０は、燃料ガスを燃焼させる燃焼器（第１燃焼器）２１と、燃焼器２１から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービン２２と、ガスタービン２２の駆動により空気を圧縮する圧縮機（ガスタービン圧縮機）２３とを備える。ガスタービン２２と圧縮機２３とは軸２４により結合される。ガスタービン２２には、タービンの回転力によって駆動する発電機（不図示）が結合される。

【0021】

ガスタービン２２のガス下流側に、蒸気発生部が設けられる。本実施形態では、蒸気発生部は排ガスボイラ４０である。排ガスボイラ４０は、蒸気タービンシステム３０の蒸気タービン３１と連絡する。

【0022】

蒸気タービンシステム３０は、蒸気発生部で発生した蒸気により駆動する蒸気タービン３１と、蒸気タービンの駆動により空気を圧縮する圧縮機（蒸気タービン圧縮機）３２とを備える。蒸気タービン３１と圧縮機３２とは軸３３により結合される。蒸気タービン３１には、タービンの回転力によって駆動する発電機（不図示）が結合される。
なお、本実施形態の蒸気タービンシステム３０は、蒸気タービン３１と圧縮機３２の接続が切り離せる構造としてもよい。
更には、蒸気タービン３１と圧縮機３２の間に、変速機が設置される、または、発電機と接続した蒸気タービンが別に設置されるなどの構成としてもよい。このような構成では、発電機の回転数維持と、圧縮機３２の回転数変化による送風能力変化を両立できる。

【0023】

燃料系統は、燃料ガス源５０から燃料電池１０の燃料極側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインＬ１と、燃料電池１０の燃料極側から排出された燃料ガスを燃焼器２１に導く第１燃料ガス排出ラインＬ２とを備える。燃料ガス供給ラインＬ１には、燃料ガス源５０から燃料電池１０に供給する燃料ガスの流量を調整する流量調整弁５１が設置される。第１燃料ガス排出ラインＬ２には、燃料ガスを燃焼器２１に押し込むための昇圧ブロア５２が設けられる。昇圧ブロア５２の下流に、燃焼器２１へ供給する燃料ガスの流量を調整する流量調整弁５３が設置される。

【0024】

燃料系統は、第１燃料ガス排出ラインＬ２の中途位置から分岐して燃料ガス供給ラインＬ１へと合流する燃料ガス再循環ラインＬ３を備える。燃料ガス再循環ラインＬ３には、燃料ガスを燃料ガス供給ラインＬ１に押し込むための再循環ブロア５４が設けられる。
燃料系統は、図示しない燃料ガス源から燃焼器２１に補助燃料ガスを供給する補助燃料ガス供給経路Ｌ４を備える。

【0025】

コンバインド発電システム１は、蒸気発生部（図１では排ガスボイラ４０）のガス上流側に、燃焼器（第２燃焼器）７０を備える。燃料系統は、第１燃料ガス排出ラインＬ２の中途位置で分岐する第２燃料ガス排出ラインＬ５を有し、第２燃料ガス排出ラインＬ５は燃焼器７０に接続する。燃料電池１０から排出された燃料ガスの一部が、第２燃料ガス排出ラインＬ５を通じて燃焼器７０に供給される。第２燃料ガス排出ラインＬ５には、燃焼器７０へ供給する燃料ガスの流量を調整する流量調整弁５５が設置される。

【0026】

空気系統は、燃料電池１０の空気極側に空気を供給する燃料電池空気供給ラインＬ６と、燃料電池１０の空気極側から排出された空気をガスタービンシステム２０の燃焼器２１に導く第１燃料電池空気排出ラインＬ７とを備える。図１において、第１燃料電池空気排出ラインＬ７は符号Ｂで繋がっている。第１燃料電池空気排出ラインＬ７には、燃料電池１０から燃焼器２１に供給する空気の流量を調整する流量調整弁５６が設置される。

【0027】

空気系統は、燃料電池１０の空気極側から排出された空気の一部を燃焼器７０に供給する第２燃料電池空気排出ラインＬ８を備える。第２燃料電池空気排出ラインＬ８には、燃料電池１０から燃焼器７０に供給する空気の流量を調整する流量調整弁５７が設置される。

【0028】

空気系統は、ガスタービンシステム２０の圧縮機２３に空気を供給する空気供給ラインＬ９と、圧縮機２３から排出される空気を燃料電池１０の空気極側に導くガスタービン排出空気供給ラインＬ１０とを備える。ガスタービン排出空気供給ラインＬ１０は符号Ａで繋がっており、端部は燃料電池空気供給ラインＬ６に結合する。ガスタービン排出空気供給ラインＬ１０の途中に昇圧ブロア５８が設置される。

【0029】

ガスタービン排出空気供給ラインＬ１０は中途位置で分岐し、ガスタービン排出空気供給ラインＬ１０に補助空気供給ラインＬ１１が接続しても良い。補助空気供給ラインＬ１１が設置される場合は、補助空気供給ラインＬ１１の途中位置で第１燃料電池空気排出ラインＬ７が合流する。補助空気供給ラインＬ１１にガスタービンシステム２０の圧縮機２３から燃焼器２１に供給する補助空気の流量を調整する流量調整弁５９が設置されても良い。

【0030】

空気系統は、蒸気タービンシステム３０の圧縮機３２に空気を供給する空気供給ラインＬ１２と、圧縮機３２から排出される空気を燃料電池１０の空気極側に導く蒸気タービン排出空気供給ラインＬ１３とを備える。蒸気タービン排出空気供給ラインＬ１３の端部は、燃料電池空気供給ラインＬ６に結合する。

【0031】

コンバインド発電システム１は、ガスタービン排出空気供給ラインＬ１０及び蒸気タービン排出空気供給ラインＬ１３に、燃料電池への空気の供給源をガスタービンシステム２０または蒸気タービンシステム３０に切り替える切替え部６０を備える。切替え部６０は、ガスタービン排出空気供給ラインＬ１０の昇圧ブロア５８の下流側の中途位置に、ガスタービンシステム２０の圧縮機２３から供給する空気の流量を調整する供給空気流量調整弁６１を備える。切替え部６０は、蒸気タービン排出空気供給ラインＬ１３の中途位置に、蒸気タービンシステム３０の圧縮機３２から供給する空気の流量を調整する供給空気流量調整弁６２を備える。供給空気流量調整弁６１，６２は、それぞれ図示しない制御部に接続する。

【0032】

燃料電池１０に供給する空気を昇温する必要がある場合には、燃料電池空気供給ラインＬ６の中途位置に、熱交換器または燃焼器を設置することができる。熱交換器が設置される場合は、燃料電池空気供給ラインＬ６を流通する空気は、燃料電池本体から排出される空気（第１燃料電池空気排出ラインＬ７または第２燃料電池空気排出ラインＬ８を流通する空気）、または、第１燃料ガス排出ラインＬ２を流通する燃料ガスと熱交換する。

【0033】

図１のコンバインド発電システム１では、ガスタービン２２から排出された燃焼ガスは、燃焼ガス搬送ラインＬ１５を通じて燃焼器７０に導かれる。燃焼器７０は、燃焼器７０で発生する排ガスをコンバインド発電システム１の系外に排出する排ガス排出ラインＬ１４に接続する。図１のコンバインド発電システム１では、排ガス排出ラインＬ１４の中途経路に排ガスボイラ４０が設置される。

【0034】

排ガスボイラ４０と蒸気タービン３１とは、上記搬送ラインＬ１６により結合される。図１において、上記搬送ラインＬ１６は符号Ｃで繋がっている。

【0035】

図１のコンバインド発電システム１を用いて、本実施形態に係るコンバインド発電システムの運転方法を以下に説明する。
まず、ガスタービン２２が安定負荷運転を行っている場合を説明する。
安定負荷運転時おけるガスタービンシステムの出力電力に応じた負荷と、燃料電池の出力に応じた負荷とから、発電に必要な燃料ガス量及び空気量が決定される。決定された燃料ガス量を供給するように、燃料ガス源５０から燃料ガス供給ラインＬ１を介して燃料ガスが燃料電池１０に供給される。

【0036】

切替え部６０の制御部は供給空気流量調整弁６１を開放する。空気供給ラインＬ９を通じて圧縮機２３に吸い込まれた空気は、圧縮機２３で圧縮された後に、ガスタービン排出空気供給ラインＬ１０を通じて燃料電池１０に導かれる。切替え部６０は、供給空気流量調整弁６１の開度を調整して、ガスタービン排出空気供給ラインＬ９及び燃料電池空気供給ラインＬ６を介して、所定量の空気を燃料電池１０に供給する。この時、切替え部６０の制御部は供給空気流量調整弁６２を閉鎖して、蒸気タービンシステム３０からの空気の供給を遮断する。または、必要により供給空気流量調整弁６２を開放し、蒸気タービンシステム３０からの空気を追加投入してもよい。
所定量の燃料ガス及び空気が導かれた燃料電池１０内で、発電が行われる。

【0037】

燃料ガス排出ラインＬ２の流量調整弁５３が開放されている。反応を終えた燃料ガスは、未反応の燃料ガスとともに燃料ガス排出ラインＬ２を介して燃料電池１０から排出される。排出燃料ガスの一部は再循環ラインＬ３を介して燃料電池１０に送給されて、燃料電池１０での発電に再利用される。残りの燃料ガスは燃焼器２１に導かれる。なお、第２燃料ガス排出ラインＬ５の流量調整弁５５は閉鎖する。または、必要により流量調整弁５５を開放し、燃焼器２１に導かれる燃料ガスの一部を燃焼器７０側へ供給しても良い。

【0038】

反応を終えた空気の一部は、第１燃料電池空気排出ラインＬ７を介して燃焼器２１に導かれる。この時、流量調整弁５６が燃焼器２１に導かれる空気の流量を調整する。

【0039】

燃焼器２１において、排出燃料ガスは、補助燃料ガス供給ラインＬ４から導かれた補助燃料ガスとともに、第１燃料電池空気排出ラインＬ７から導かれた排出空気とが燃焼し、燃焼ガスが発生する。

【0040】

燃焼器２１で発生した高温高圧の燃焼ガスは、ガスタービン２２へと導かれ、ガスタービン２２を回転駆動する。このガスタービン２２の回転駆動により、図示しない発電機が駆動されて発電が行われる。ガスタービン２２の回転駆動は軸２４を介して圧縮機２３に伝えられる。これにより圧縮機２３が駆動して空気の圧縮が行われる。
ガスタービン２２から排出された燃焼ガスは、燃焼ガス搬送ラインＬ１５を介して燃焼器７０に導かれる。

【0041】

燃料電池１０での反応を終えた空気の残りは、第２燃料電池空気排出ラインＬ８を介して燃焼器７０に導かれる。

【0042】

燃焼器７０において、燃焼ガスと空気とが燃焼し、排ガスが発生する。発生した排ガスは排ガス排出ラインＬ１４を通じて排ガスボイラ４０に送給される。
排ガスボイラ４０において、排ガスボイラ４０内を流通する復水と排ガスとの間で熱交換が行われる。
熱交換後の排ガスは、排ガス排出ラインＬ１４を通じて図示しない煙突からコンバインド発電システム１の系外に排出される。排ガスボイラ４０で加熱された復水は蒸気となり、上記搬送ラインＬ１６を通じて蒸気タービン３１へと導かれる。

【0043】

排ガスボイラ４０で発生した蒸気は、蒸気タービン３１を回転駆動する。この蒸気タービン３１の回転駆動により、図示しない発電機が駆動されて発電が行われる。蒸気タービン３１から排出された蒸気は、図示されない復水器に導かれる。復水器で蒸気が冷却されて復水にされた後、排ガスボイラ４０に再度供給される。

【0044】

蒸気タービン３１の回転駆動は軸３３を介して圧縮機３２に伝えられる。これにより、圧縮機３２が駆動して空気の圧縮が行われる。ガスタービン２２の安定負荷運転時では、蒸気タービンシステム３０の圧縮機３２で発生した圧縮空気は、図示しない経路から排出される。また、蒸気タービンシステム３０の蒸気タービン３１と圧縮機３２が切り離せる構造としている場合は、圧縮機を切り離してもよい。また、発電機と接続した蒸気タービンを別に設置している場合は、蒸気タービンシステム３０への蒸気供給を停止しても良い。

【0045】

次に、ガスタービン２２が負荷変動運転に移行した場合を説明する。
ガスタービン２２が負荷変動運転に移行すると、ガスタービン２２から燃料電池１０に送給される空気の流量が変動する。切替え部６０の制御部は、ガスタービン２２が負荷変動運転となったと判断した場合、供給空気流量調整弁６１を閉鎖し、ガスタービンシステム２０の圧縮機２３からの空気の供給を遮断する。この場合、ガスタービン２２の圧縮機２３で圧縮された空気は、燃料電池１０を経由せず、補助空気供給ラインＬ１１を経由して燃焼器２１に供給される。

【0046】

切替え部６０の制御部は、ガスタービン２２から燃料電池１０への空気供給を遮断するのと同時に、供給空気流量調整弁６２を開放する。これにより、蒸気タービンシステム３０で発生する圧縮空気が、蒸気タービン排出空気供給ラインＬ１３及び燃料電池空気供給ラインＬ６を介して燃料電池１０に導かれる。切替え部６０の制御部は、供給空気流量調整弁６２の開度を調整し、所定量の空気を燃料電池１０に送給する。

【0047】

以上のように、ガスタービン２２の負荷変動運転時には蒸気タービン３１から空気を燃料電池１０に送給することにより、燃料電池１０は安定した運転を継続する。

【0048】

負荷変動運転時では、ガスタービン２２内の圧力が変動する。ガスタービン２２内の圧力が燃料電池１０内よりも低ければ、燃料電池１０からの燃料ガスを燃焼器２１に押し込むことができる。しかし、ガスタービン２２内の圧力が上昇すると、昇圧ブロア５２を用いても燃料ガスを燃焼器２１に押し込むことができる範囲を超える場合がある。この場合は、第１燃料ガス排出ラインＬ２の流量調整弁５３が閉鎖され、第２燃料ガス排出ラインＬ５の流量調整弁５５が開放される。燃料電池１０から排出された燃料ガスは、第２燃料ガス排出ラインＬ２を通じて燃焼器７０に導かれる。ガスタービン２２は、補助燃料ガス供給ラインＬ４から導かれた補助燃料ガスにより運転が継続される。

【0049】

空気側も同様に、ガスタービン２２内の圧力が上昇した場合、燃料電池１０から排出される空気を燃焼器２１に押し込むことが出来なくなる。この場合は、第１燃料電池空気排出ラインＬ７の流量調整弁５６が閉鎖され、燃料電池１０から排出される空気の全量が第２燃料電池空気排出ラインＬ８を介して燃焼器７０に導かれる。

【0050】

燃焼器７０において、燃料電池１０から送給される空気を用いて、ガスタービン２２の燃焼ガス及び燃料電池１０からの燃料ガスが燃焼される。燃焼器７０の排ガスが排ガスボイラ４０に導かれ、燃焼により生じた熱が回収される。

【0051】

ガスタービン２２が負荷変動運転から安定負荷運転に移行すると、切替え部６０の制御部は供給空気流量調整弁６２を閉鎖するとともに供給空気流量調整弁６１を開放する。これにより、ガスタービン２２の圧縮機２３から燃料電池１０への空気の供給を開始する。

【0052】

［第２実施形態］
図２は、本発明の第２実施形態に係るコンバインド発電システムの概略図である。図２において、図１と同じ構成には同じ符号を付す。

【0053】

第２実施形態のコンバインド発電システム１０１では、ガスタービン２２から排出された燃焼ガスが、排ガス排出ラインＬ１４の中途位置で合流する。すなわち、ガスタービン２２から排出された燃料ガスは、燃焼器７０に導かれることなく、直接排ガスボイラ４０に供給される。

【0054】

図２のコンバインド発電システム１０１を用いて運転する場合は、燃焼器７０において燃料電池１０から排出された燃料ガスと空気とが燃焼する。燃焼器７０で発生した排ガスは、排ガス排出ラインＬ１４の中途位置でガスタービン２２の燃焼ガスと合流し、排ガスボイラ４０に送給される。それ以外の工程は、第１実施形態と同じである。

【0055】

［第３実施形態］
図３は、本発明の第３実施形態に係るコンバインド発電システムの概略図である。図３において、図１と同じ構成には同じ符号を付す。

【0056】

コンバインド発電システム２０１は、燃料ガス再循環ラインＬ３の再循環ブロア５４の下流側において、燃料ガス再循環ラインＬ３と第１燃料ガス排出ラインＬ２とが分岐しており、第１燃料ガス排出ラインＬ２に昇圧ブロアが設置されていない。それ以外は、図１のコンバインド発電システム１と同じ構成である。

【0057】

第２実施形態に係るコンバインド発電システム２０１では、再循環ブロア５４が燃料ガス再循環ラインＬ３を通過する燃料ガスの圧力を、燃料ガス供給ラインＬ１に押し込むとともに、燃焼器２１に押し込むことができる圧力まで上昇させる役割を担う。再循環ブロア５４が燃料ガスを十分に昇圧することができれば、図１における昇圧ブロアが必要なくなるため、装置構成が容易となる。

【0058】

［第４実施形態］
図４は、本発明の第４実施形態に係るコンバインド発電システムの概略図である。図４において、図１と同じ構成には同じ符号を付す。

【0059】

第４実施形態のコンバインド発電システム３０１は、排ガスボイラ４０の下流側の排ガス排出ラインＬ１４に蒸気発生部として蒸発器８０が設置される。蒸発器８０は、蒸気タービンシステム３０の蒸気タービン３１と連絡する。また、燃焼器７０の設置位置は排ガスボイラ４０の出口側、蒸発器８０の入り口としても良い。なお、排ガスボイラ４０は、系外の別の装置と連絡する。

【0060】

蒸発器８０は、水より低い沸点を有する液体が内部を流通する。水より低い融点を有する液体とは、例えば炭化水素系媒体や、フロン系媒体である。

【0061】

第４実施形態のコンバインド発電システム３０１では、排ガスボイラ４０で熱回収された後に、蒸発器８０で排ガスと上記液体との間で熱交換が行われる。蒸発器８０での熱交換で発生した蒸気が、上記搬送ラインＬ１７を介して蒸気タービン３１へと導かれる。蒸発器８０で発生した蒸気は、蒸気タービン３１を回転駆動する。蒸気タービン３１から排出された蒸気は、冷却器８１で冷却されて液体にされた後、蒸発器８０に再度供給される。

【0062】

第４実施形態のコンバインド発電システムの運転方法は、蒸気タービン３１が水より沸点が低い液体の上記により駆動される以外は、第１実施形態と同じである。

【0063】

本実施形態によれば、排ガスボイラで回収できない低温側の熱を回収し、コンバインド発電システム内の蒸気タービンの駆動に利用するので、システムのエネルギー効率を向上させることができる。

【符号の説明】

【0064】

１，１０１，２０１，３０１ コンバインド発電システム
１０ 燃料電池
２０ ガスタービンシステム
２１，７０ 燃焼器
２２ ガスタービン
２３，３２ 圧縮機
２４，３３ 軸
３０ 蒸気タービンシステム
３１ 蒸気タービン
４０ 排ガスボイラ
５０ 燃料ガス源
５１，５３，５５，５６，５７，５９ 流量調整弁
５２ 昇圧ブロア
５４ 再循環ブロア
５８ 昇圧ブロア
６０ 切替え部
６１，６２ 供給空気流量調整弁
８０ 蒸発器
８１ 冷却器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】