JP2014123473A - 発電システム及び発電システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の起動時において、ガスタービンの燃焼器における燃焼を安定させる。
【解決手段】圧縮機２１と燃焼器２２を有するガスタービン１１と、空気極及び燃料極を有するＳＯＦＣ１３と、ＳＯＦＣ１３の空気極側から排出される排空気Ａ３を、燃焼器２２に供給する排空気ライン３４及び排酸化性ガス供給ライン３６と、排空気ライン３４に設けられ、燃焼器２２に供給される排空気Ａ３を昇温する昇温用燃焼器６１と、を備える。この昇温用燃焼器６１は、燃料を燃焼させることで排空気Ａ３を昇温する。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも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及び発電システムの運転方法に関するものである。

燃料電池としての固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下ＳＯＦＣ）は、用途の広い高効率な燃料電池として知られている。このＳＯＦＣは、イオン導電率を高めるために作動温度が高くされているので、ガスタービンの圧縮機から吐出された空気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用することができる。また、ＳＯＦＣは、利用できなかった高温の燃料及び排熱をガスタービンの燃焼器において燃料及び酸化性ガスとして使用することができる。また、ＳＯＦＣの他に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による排熱利用が検討されている。

このため、例えば、下記特許文献１に記載されるように、高効率発電を達成することができる発電システムとして、ＳＯＦＣとガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたものが各種提案されている。この特許文献１に記載されたコンバインドシステムは、ＳＯＦＣと、このＳＯＦＣから排出された排燃料ガスと排出空気とを燃焼するガスタービン燃焼器と、空気を圧縮してＳＯＦＣに供給する圧縮機を有するガスタービンとを設けたものである。

また、例えば、ＳＯＦＣとガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた発電システムとして、特許文献２に記載される複合発電設備が知られている。複合発電設備は、ＳＯＦＣ（燃料電池）に供給されるガスタービンの圧縮機からの圧縮空気と、ＳＯＦＣから排出された排空気との間で熱交換する高温熱交換器が設けられている。この高温熱交換器は、燃料電池の発電時において、燃料電池内で昇温された排空気の熱を回収し、回収した熱によりＳＯＦＣに供給される圧縮空気を加熱している。

特開２００９−２０５９３０号公報 特開２００４−１１９２３９号公報

上述した特許文献１及び特許文献２の発電システムは、ＳＯＦＣの起動時において、ガスタービンの圧縮機により圧縮された空気（圧縮空気）が、圧縮機からＳＯＦＣに供給される。このとき、ＳＯＦＣの起動時は、ＳＯＦＣの内部の温度が低くなっている。このため、ＳＯＦＣに供給された圧縮空気は、ＳＯＦＣやＳＯＦＣとガスタービンを連結する配管によって冷やされる。そして、ＳＯＦＣで冷やされた排空気は、ガスタービンの燃焼器に供給される。冷やされた排空気が、ガスタービンの燃焼器に供給されると、ガスタービン燃焼器での燃焼が好適な燃焼条件から外れることとなり、ガスタービンの出力制御に影響を及ぼす可能性がある。なお、特許文献２に記載された高温熱交換器は、燃料電池の発電時において、燃料電池内で昇温された排空気の熱を回収し、回収した熱によりＳＯＦＣに供給される圧縮空気を加熱するものであるから、上記の課題を解決するものではない。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、発電システムの起動時であって、燃料電池の起動初期にガスタービンの燃焼器における燃焼を好適な燃焼条件とすることで、未燃成分の増大や失火等の燃焼不良の発生を防止し、ガスタービンの出力制御への影響を抑制することができる発電システム及び発電システムの運転方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の発電システムは、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池の前記空気極側から排出される排酸化性ガスを、前記燃焼器に供給する排空気ライン又は排酸化性ガス供給ラインと、前記排空気ライン又は前記排酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記燃焼器に供給される前記排酸化性ガスを所定の温度へ昇温する昇温部と、を備えることを特徴とする。

従って、昇温部は、排空気ライン又は排酸化性ガス供給ラインを通って、ガスタービンの燃焼器に供給される排酸化性ガスを昇温することができる。このため、燃焼器には、昇温された排酸化性ガスが供給される。よって、燃焼器は、昇温された排酸化性ガスを用いて、燃焼を行うことができることから、ガスタービンの燃焼器における燃焼を、安定的なものにすることができる。これにより、ガスタービンの燃焼器における燃焼を安定させることで、未燃成分の増大や失火を抑制したりすることができる。

本発明の発電システムでは、前記昇温部は、前記燃料電池から排出される前記排酸化性ガスを、燃料を燃焼させることで昇温する昇温用燃焼器であることを特徴とする。

従って、昇温用燃焼器は、燃料を燃焼させることで、排酸化性ガスを昇温することができる。このため、昇温用燃焼器は、燃料を燃焼させることで発生した熱によって、排酸化性ガスを直接昇温することができるため、排酸化性ガスの昇温を迅速に行うことができる。なお、昇温用燃焼器としては、燃料を触媒燃焼させる触媒燃焼器を用いてもよいし、燃料を燃焼させるバーナを用いてもよい。また、昇温用燃焼器は、低下した排酸化性ガスの温度域にて良好に燃焼する様に設計される。

本発明の発電システムでは、前記昇温部は、前記燃料電池から排出される前記排酸化性ガスを、熱媒との熱交換により昇温する熱交換器であることを特徴とする。

従って、熱交換器は、排酸化性ガスと熱媒との間で熱交換することにより、排酸化性ガスを昇温することができる。このため、熱交換器は、排酸化性ガスに含まれる酸素等の成分を変化させることなく、排酸化性ガスを昇温することができる。

本発明の発電システムでは、前記熱交換器は、前記排空気ライン又は前記排酸化性ガス供給ラインに設けられる熱交換器本体と、前記熱交換器本体の内部に設けられる前記熱媒が流通する加熱流路と、を有し、前記加熱流路に接続される熱交換用燃焼器をさらに備え、前記熱交換用燃焼器は、燃料を燃焼させることで発生する燃焼ガスを、前記熱媒として、前記加熱流路に供給することを特徴とする。

従って、熱交換用燃焼器は、燃焼ガスを熱媒として供給することができる。このとき、熱交換用燃焼器は、常圧で燃料を燃焼できることから、熱交換用燃焼器として、一般的な燃焼器を適用することができ、また、熱交換用燃焼器周りも平易な構成にすることができる。

本発明の発電システムでは、前記熱交換器は、前記排空気ライン又は前記排酸化性ガス供給ラインに設けられる熱交換器本体と、前記熱交換器本体の内部に設けられる前記熱媒が流通する加熱流路と、を有し、前記加熱流路に接続される高温熱源をさらに備え、前記高温熱源は、熱媒を前記加熱流路に供給することを特徴とする。

従って、発電システムに設けられる高温熱源を活用して、熱媒により排酸化性ガスを昇温することができる。なお、高温熱源の熱媒としては、発電システムに設けられる起動用ボイラからの蒸気、排熱回収ボイラからの蒸気、圧縮機からの圧縮空気、ガスタービンからの排ガス等がある。

本発明の発電システムでは、前記排酸化性ガスの流れ方向において、前記昇温部の下流側の前記排空気ライン又は前記排酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記排酸化性ガスの温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出結果に基づいて、前記昇温部による前記排酸化性ガスの昇温量を制御する制御装置と、をさらに備えることを特徴とする。

従って、制御装置は、排酸化性ガスの温度が所定の温度となるように、排酸化性ガスの昇温量を制御することができる。このため、燃料電池から排出される排酸化性ガスの温度が変化しても、昇温部により昇温された排酸化性ガスの温度を所定の温度に保つことができるため、燃焼器に供給される排酸化性ガスの温度を安定させることができる。

また、本発明の発電システムの運転方法は、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記燃料電池の前記空気極側から排出される排酸化性ガスを、前記燃焼器に供給する排空気ライン又は排酸化性ガス供給ラインと、前記排空気ライン又は前記排酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記燃焼器に供給される前記排酸化性ガスを昇温する昇温部とを備える発電システムの運転方法であって、前記燃料電池の前記空気極側から排出される前記排酸化性ガスを、所定の温度になるように前記昇温部において昇温させる昇温工程を含むことを特徴とする。

従って、昇温工程では、排空気ライン又は排酸化性ガス供給ラインを通ってガスタービンの燃焼器に供給される排酸化性ガスを、昇温部により昇温することができる。このため、燃焼器には、昇温された排酸化性ガスが供給される。よって、燃焼器は、昇温された排酸化性ガスを用いて、燃焼を行うことができることから、ガスタービンの燃焼器における燃焼を、安定的なものにすることができる。これにより、ガスタービンの燃焼器における燃焼を安定させることで、未燃成分の増大や失火を抑制したりすることができる。

本発明の発電システムの運転方法では、前記発電システムは、前記排酸化性ガスの流れ方向において、前記昇温部の下流側の前記排空気ライン又は前記排酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記排酸化性ガスの温度を検出する温度センサと、前記温度センサの検出結果に基づいて、前記昇温部による前記排酸化性ガスの昇温量を制御する制御装置と、をさらに備え、前記昇温工程では、前記温度センサの検出結果に基づいて、前記昇温部による前記排酸化性ガスの昇温量を制御することを特徴とする。

従って、昇温工程では、排酸化性ガスの温度が所定の温度となるように、制御部により昇温部を制御することができる。このため、燃料電池から排出される排酸化性ガスの温度が変化しても、昇温部により昇温された排酸化性ガスの温度を所定の温度に保つことができるため、燃焼器に供給される排酸化性ガスの温度を安定させることができる。

本発明の発電システム及び発電システムの運転方法によれば、ガスタービンの燃焼器に供給される排酸化性ガスを昇温することができる。このため、燃焼器は、昇温された排酸化性ガスを用いて、燃焼を行うことができることから、ガスタービンの燃焼器における燃焼を、安定的なものにすることができる。

図１は、実施例１の発電システムを表す概略構成図である。 図２は、ＳＯＦＣの温度変化に関するタイムチャートである。 図３は、実施例２の発電システムを表す概略構成図である。 図４は、実施例３の発電システムを表す概略構成図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る発電システム及び発電システムの運転方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

実施例１の発電システムは、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと称する。）とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたトリプルコンバインドサイクル（Triple Combined Cycle：登録商標）である。このトリプルコンバインドサイクルは、ガスタービンコンバインドサイクル発電（ＧＴＣＣ）の上流側にＳＯＦＣを設置することにより、ＳＯＦＣ、ガスタービン、蒸気タービンの３段階で電気を取り出すことができるため、極めて高い発電効率を実現することができる。なお、以下の説明では、本発明の燃料電池として固体酸化物形燃料電池を適用して説明するが、この形式の燃料電池に限定されるものではない。

図１は、実施例１の発電システムを表す概略構成図である。実施例１において、図１に示すように、発電システム１０は、ガスタービン１１及び発電機１２と、ＳＯＦＣ１３と、蒸気タービン１４及び発電機１５とを有している。この発電システム１０は、ガスタービン１１による発電と、ＳＯＦＣ１３による発電と、蒸気タービン１４による発電とを組み合わせることで、高い発電効率を得るように構成したものである。

ガスタービン１１は、圧縮機２１、燃焼器２２、タービン２３を有しており、圧縮機２１とタービン２３は、回転軸２４により一体回転可能に連結されている。圧縮機２１は、空気取り込みライン２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。燃焼器２２は、圧縮機２１から第１圧縮空気供給ライン２６を通して供給された圧縮空気Ａ１と、第１燃料ガス供給ライン２７から供給された燃料ガスＬ１とを混合して燃焼する。タービン２３は、燃焼器２２から排ガス供給ライン２８を通して供給された排ガス（燃焼ガス）Ｇにより回転する。なお、図示しないが、タービン２３は、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａ１が車室を通して供給され、この圧縮空気Ａ１を冷却空気として翼などを冷却する。発電機１２は、タービン２３と同軸上に設けられており、タービン２３が回転することで発電することができる。なお、ここで、燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１及び後述する燃料ガスＬ２、燃料ガスＬ４の各燃料ガスは、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素（Ｈ_２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）などの炭化水素ガス、石炭など炭素質原料のガス化設備により製造したガスを用いることが可能である。

ＳＯＦＣ１３は、還元剤としての高温の燃料ガスと、酸化剤としての高温の空気（酸化性ガス）とが供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行うものである。このＳＯＦＣ１３は、圧力容器内に空気極と固体電解質と燃料極が収容されて構成される。空気極に圧縮機２１で圧縮された一部の圧縮空気Ａ２が供給され、燃料極に燃料ガスＬ２が供給されることで発電を行う。また、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスは、酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である（以下、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスを空気という）。

このＳＯＦＣ１３は、第１圧縮空気供給ライン２６から分岐した第２圧縮空気供給ライン（圧縮酸化性ガス供給ライン）３１が連結され、圧縮機２１が圧縮した一部の圧縮空気（圧縮酸化性ガス）Ａ２を空気極の導入部に供給することができる。この第２圧縮空気供給ライン３１は、供給する空気量を調整可能な制御弁３２と、圧縮空気Ａ２を昇圧可能なブロワ（昇圧機）３３とが空気の流れ方向に沿って設けられている。制御弁３２は、第２圧縮空気供給ライン３１における空気の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ３３は、制御弁３２の下流側に設けられている。なお、制御弁３２とブロワ（昇圧機）３３の配置は図１の配置に限定されることはなく、ブロワ（昇圧機）や制御弁の形式によって順序を逆にして配置しても良い。ＳＯＦＣ１３は、空気極で用いられた排空気（排酸化性ガス）Ａ３を排出する排空気ライン３４が連結されている。この排空気ライン３４は、空気極で用いられた排空気Ａ３を外部に排出する排出ライン３５と、燃焼器２２に連結される排酸化性ガス供給ライン３６とに分岐される。つまり、排空気ライン３４と排酸化性ガス供給ライン３６とは、ＳＯＦＣ１３の空気極で用いられた排空気Ａ３を、燃焼器２２に供給するラインとして機能する。排出ライン３５は、排出する空気量を調整可能な制御弁３７が設けられ、排酸化性ガス供給ライン３６は、ＳＯＦＣとガスタービン間の系統を切り離すための遮断弁３８が設けられている。

また、ＳＯＦＣ１３は、燃料ガスＬ２を燃料極の導入部に供給する第２燃料ガス供給ライン４１が設けられている。第２燃料ガス供給ライン４１は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４２が設けられている。ＳＯＦＣ１３は、燃料極で用いられた排燃料ガスＬ３を排出する排燃料ライン４３が連結されている。この排燃料ライン４３は、外部に排出する排出ライン４４と、燃焼器２２に連結される排燃料ガス供給ライン４５とに分岐される。排出ライン４４は、排出する燃料ガス量を調整可能な制御弁４６が設けられ、排燃料ガス供給ライン４５は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４７と、燃料を昇圧可能なブロワ４８が排燃料ガスＬ３の流れ方向に沿って設けられている。制御弁４７は、排燃料ガス供給ライン４５における排燃料ガスＬ３の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ４８は、制御弁４７の排燃料ガスＬ３の流れ方向の下流側に設けられている。なお、制御弁４７とブロワ（昇圧機）４８の配置は図１の配置に限定されることはなく、ブロワ（昇圧機）や制御弁の形式によっては順序を逆にして配置しても良い。

また、ＳＯＦＣ１３は、排燃料ライン４３と第２燃料ガス供給ライン４１とを連結する燃料ガス再循環ライン４９が設けられている。燃料ガス再循環ライン４９は、排燃料ライン４３の排燃料ガスＬ３を第２燃料ガス供給ライン４１に再循環する再循環ブロワ５０が設けられている。

蒸気タービン１４は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）５１で生成された蒸気によりタービン５２を回転するものである。この排熱回収ボイラ５１は、ガスタービン１１（タービン２３）からの排ガスライン５３が連結されており、空気と高温の排ガスＧとの間で熱交換を行うことで、蒸気Ｓを生成する。蒸気タービン１４（タービン５２）は、排熱回収ボイラ５１との間に、蒸気供給ライン５４と給水ライン５５とが設けられている。そして、給水ライン５５は、復水器５６と給水ポンプ５７とが設けられている。発電機１５は、タービン５２と同軸上に設けられており、タービン５２が回転することで発電することができる。なお、排熱回収ボイラ５１で熱が回収された排ガスＧは、大気へ放出される。なお、本実施例においては排ガスＧをＨＲＳＧ５１の熱源として利用しているが、排ガスＧはＨＲＳＧ以外の各種機器の熱源として利用することも可能である。

ここで、本実施例の発電システム１０の作動について説明する。発電システム１０を起動する場合、ガスタービン１１が起動した後に、蒸気タービン１４、ＳＯＦＣ１３が起動する。

まず、ガスタービン１１にて、圧縮機２１が空気Ａを圧縮し、燃焼器２２が圧縮空気Ａ１と燃料ガスＬ１とを混合して燃焼し、タービン２３が排ガスＧにより回転することで、発電機１２が発電を開始する。次に、蒸気タービン１４にて、排熱回収ボイラ５１により生成された蒸気Ｓによりタービン５２が回転し、これにより発電機１５が発電を開始する。

ＳＯＦＣ１３では、まず、圧縮空気Ａ２を供給して昇圧を開始し、加熱を開始する。排出ライン３５の制御弁３７と排酸化性ガス供給ライン３６の遮断弁３８を閉止し、第２圧縮空気供給ライン３１のブロワ３３を停止した状態もしくはブロワ３３を運転した状態で、制御弁３２もしくは加圧専用の図示されていない制御弁を所定開度だけ開放する。なお、ここで昇圧速度を制御するための開度調整を行う。すると、圧縮機２１で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２が第２圧縮空気供給ライン３１からＳＯＦＣ１３側へ供給される。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、圧縮空気Ａ２が供給されることで圧力が上昇する。

一方、ＳＯＦＣ１３では、燃料極側に燃料ガスＬ２、窒素等の不活性ガスを供給して昇圧を開始する。ここで、図示されていないが、圧縮空気ラインの分岐から圧縮空気（酸化性ガス）を供給することで燃料極側を昇圧することも可能である。排出ライン４４の制御弁４６と排燃料ガス供給ライン４５の制御弁４７を閉止し、ブロワ４８を停止した状態で、第２燃料ガス供給ライン４１の制御弁４２を開放すると共に、燃料ガス再循環ライン４９の再循環ブロワ５０を駆動する。なお、再循環ブロワ５０は燃料極側の加圧前に起動していても良い。すると、燃料ガスＬ２が第２燃料ガス供給ライン４１からＳＯＦＣ１３側へ供給されると共に、排燃料ガスＬ３が燃料ガス再循環ライン４９により再循環する。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、燃料ガスＬ２、不活性ガス、空気等が供給されることで圧力が上昇する。

そして、ＳＯＦＣ１３の空気極側の圧力が圧縮機２１の出口圧力になると、制御弁３２にてＳＯＦＣへの供給空気流量を制御すると共に、ブロワ３３が起動していなければブロワ３３を駆動する。それと同時に遮断弁３８を開放してＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３を排酸化性ガス供給ライン３６から燃焼器２２に供給する。このとき、制御弁３７も開放してＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３の一部を排出ライン３５から排出してもよい。すると、圧縮空気Ａ２がブロワ３３によりＳＯＦＣ１３側へ供給される。それと同時に制御弁４６を開放してＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３を排出ライン４４から排出する。そして、ＳＯＦＣ１３における空気極側の圧力と燃料極側の圧力とが目標圧力に到達すると、ＳＯＦＣ１３の昇圧が完了する。

その後、ＳＯＦＣ１３の圧力制御が安定したら、制御弁３７が開となっている場合は閉止する一方、遮断弁３８の開放を維持する。このため、ＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３が排酸化性ガス供給ライン３６から燃焼器２２に供給され続ける。また、排燃料ガスＬ３の成分が燃焼器へ投入可能な成分となったら、制御弁４６を閉止する一方、制御弁４７を開放してブロワ４８を駆動する。すると、ＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３が排燃料ガス供給ライン４５から燃焼器２２に供給される。このとき、第１燃料ガス供給ライン２７から燃焼器２２に供給される燃料ガスＬ１を減量する。

ここで、ガスタービン１１の駆動による発電機１２での発電、ＳＯＦＣ１３での発電、蒸気タービン１４の駆動により発電機１５での発電が全て行われることとなり、発電システム１０が定常運転となる。

次に、図２を参照して、ＳＯＦＣ１３の空気極側に導入される圧縮空気Ａ２の温度変化と、ＳＯＦＣ１３から排出される排空気Ａ３の温度変化について説明する。図２は、ＳＯＦＣの温度変化に関するタイムチャートである。

図２は、その横軸が時間となっており、その縦軸が温度となっている。ＳＯＦＣ１３の空気極側に導入される圧縮空気Ａ２の温度はＴ１となっており、ＳＯＦＣ１３から排出される排空気Ａ３の温度はＴ２となっている。また、０からｔ１までの時間が起動期間となっており、ｔ１からｔ２までの時間が昇温期間となっており、ｔ２以降が発電期間となっている。

図２に示すように、発電システム１０において、ＳＯＦＣ１３の起動が開始されると、ガスタービン１１の圧縮機２１から圧縮空気Ａ２が供給される。このとき、時間０からｔ１までの起動期間において、ＳＯＦＣ１３に供給される圧縮空気Ａ２の温度Ｔ１は、圧縮機２１において昇温・昇圧される。このため、起動時において、ＳＯＦＣ１３に供給される圧縮空気Ａ２の温度Ｔ１は、ガスタービン１１に依存するが３００〜６５０℃程度である。一方で、時間０からｔ１までの起動期間において、ＳＯＦＣ１３の内部は、圧縮空気Ａ２の温度Ｔ１より低くなっている。このため、ＳＯＦＣ１３の内部を通過して排出される排空気Ａ３は、ＳＯＦＣ１３の内部で熱交換されるため、ＳＯＦＣ１３に供給される圧縮空気Ａ２の温度Ｔ１よりも１００℃以上低くなっている。また、時間ｔ２以降におけるＳＯＦＣ１３から排出される排空気Ａ３の温度Ｔ２は、例えば、５５０℃〜６５０℃に設定されている。よって、燃焼器２２は、発電期間（時間ｔ２以降）で安定して燃焼することが望ましく、発電期間（時間ｔ２以降）の排空気Ａ３の温度Ｔ２が好適な燃焼条件として設定されており、上記の排空気Ａ３の温度Ｔ２と同様に、５５０〜６５０℃としている。

このように、発電システム１０では、ＳＯＦＣ１３の起動時（起動期間中）において、ＳＯＦＣ１３から排出される排空気Ａ３の温度Ｔ２が、ＳＯＦＣ１３に供給される圧縮空気Ａ２の温度Ｔ１よりも低くなっている。このため、ガスタービン１１の燃焼器２２には、低温の排空気Ａ３が供給される。この場合、燃焼器２２は、発電期間で供給される５５０〜６５０℃の排空気Ａ３や圧縮空気Ａ２と比較して低温となる５０〜３００℃の排空気Ａ３を用いて燃料ガスＬ１及び排燃料ガスＬ３を燃焼させることになるため、燃焼器２２における燃焼条件から大幅に外れることから、燃焼が安定でなくなり、未燃成分の増加や最悪の場合失火する可能性がある。そこで、上記の発電システム１０では、燃焼器２２に供給される排空気Ａ３を昇温している。

再び、図１を参照するが、実施例１の発電システム１０は、排空気ライン３４に設けられる昇温用燃焼器６１を有している。昇温用燃焼器６１は、例えば、供給される燃料ガスＬ４を燃焼させるバーナである。ここで、排空気ライン３４は高圧となっていることから、昇温用燃焼器６１としてバーナを適用する場合には、高圧下で燃料ガスＬ４を燃焼させることが可能なバーナを用いることがよい。そして、バーナは、燃料ガスＬ４を燃焼させることで、低温の排空気Ａ３を昇温する。

なお、昇温用燃焼器６１は、例えば、触媒燃焼器を用いてもよい。昇温用燃焼器６１として触媒燃焼器を適用する場合、触媒燃焼器は、白金（Ｐｔ）系またはパラジウム（Ｐｄ）系の触媒を用いた、ガス流れへの圧力損失が少なく反応表面積が多いハニカム構造やペレット構造、粒状構造等にしてもよい。また、触媒燃焼器は、その活性温度が、ＳＯＦＣ１３の空気極の活性温度よりも低くすることが好ましい。そして、触媒燃焼器は、燃料ガスＬ４を触媒燃焼させることで、低温の排空気Ａ３を昇温してもよい。

昇温用燃焼器６１には、昇温用燃料ガス供給ライン６２が接続されている。昇温用燃料ガス供給ライン６２は、昇温用燃焼器６１へ向けて燃料ガスＬ４を供給する。昇温用燃料ガス供給ライン６２は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁６３が設けられている。

昇温用燃焼器６１に燃料ガスＬ４が供給されると、昇温用燃焼器６１は、燃焼ガスＬ４と、酸化性ガスとしての排空気Ａ３とを酸化反応させることで、燃料ガスＬ４を燃焼させる。そして、燃料ガスＬ４を燃焼させることで発生した熱により、排空気Ａ３を昇温する。

また、発電システム１０は、排空気Ａ３の流れ方向において、昇温用燃焼器６１の下流側の排空気ライン３４に、温度センサ６５が設けられている。温度センサ６５は、昇温用燃焼器６１において昇温された排空気Ａ３の温度を検出している。

ここで、発電システム１０には、制御装置７０が設けられている。制御装置７０は、発電システム１０の各部を制御することで、発電システム１０の運転を制御している。この制御装置７０には、制御弁６３と温度センサ６５とが接続されている。なお、図示はしないが、この制御装置７０には、制御弁６３及び温度センサ６５の他、各種制御弁及び各機器が接続されている。

制御装置７０は、温度センサ６５の検出結果に基づいて、制御弁６３を制御している。具体的に、制御装置７０は、温度センサ６５で検出された排空気Ａ３の温度が、所定の温度となるように、制御弁６３の開度をフィードバック制御（例えば、ＰＩＤ制御）する。つまり、制御装置７０は、温度センサ６５により検出した検出温度が、予め設定した所定の温度よりも高ければ、制御弁６３の開度を閉弁側に制御する。一方で、制御装置７０は、温度センサ６５により検出した検出温度が、予め設定した所定の温度以下であれば、制御弁６３の開度を開弁側に制御する。このように、制御装置７０は、制御弁６３を制御することで、昇温用燃焼器６１に供給する燃料ガスＬ４の供給量を制御し、これにより、昇温用燃焼器６１による排空気Ａ３の昇温量を制御する。ここで、所定の温度とは、例えば、発電期間以降にＳＯＦＣ１３を経由して燃焼器２２に供給される圧縮空気Ａ３の温度であり、５５０〜６５０℃の温度である。

次に、実施例１の発電システム１０の運転方法について説明する。この発電システム１０の運転方法は、ＳＯＦＣ１３を昇温及び昇圧させて、ＳＯＦＣ１３が発電可能な状態に至る過程において、ＳＯＦＣ１３から排出される排空気Ａ３を所定の温度まで昇温するときに行われる。

発電システム１０が起動され、制御弁３２が所定開度に開弁されることで、ＳＯＦＣ１３に圧縮機２１から圧縮空気Ａ２が供給され、かつ、遮断弁３８が開弁されることで、ＳＯＦＣ１３を経由して燃焼器２２へ排空気Ａ３が供給されると、圧縮空気の昇温工程が実行される。つまり、昇温工程は、ＳＯＦＣ１３から排出される排空気Ａ３の温度が、ＳＯＦＣ１３に導入される圧縮空気Ａ２の温度よりも低い場合に実行される。

昇温工程では、制御装置７０が、温度センサ６５の検出温度が所定の温度となるように制御弁６３を所定の開度に制御し、昇温用燃料ガス供給ライン６２から燃料ガスＬ４を昇温用燃焼器６１に供給する。そして、昇温工程では、昇温用燃焼器６１において供給された燃料ガスＬ４を燃焼させることで、排空気Ａ３を昇温する。つまり、昇温工程では、昇温用燃焼器６１において、供給された燃料ガスＬ４と酸化性ガスとしての排空気Ａ３とを酸化反応させることで燃料ガスＬ４を燃焼させ、燃料ガスＬ４を燃焼させることで発生した熱により、排空気Ａ３を昇温する。

このように実施例１の発電システム１０にあっては、圧縮機２１と燃焼器２２を有するガスタービン１１と、空気極及び燃料極を有するＳＯＦＣ１３と、ＳＯＦＣ１３の空気極側から排出される排空気Ａ３を、燃焼器２２に供給する排空気ライン３４及び排酸化性ガス供給ライン３６と、排空気ライン３４に設けられ、燃焼器２２に供給される排空気Ａ３を昇温する昇温用燃焼器６１と、を備える。

従って、昇温用燃焼器６１は、排空気ライン３４及び排酸化性ガス供給ライン３６を通って、ガスタービン１１の燃焼器２２に供給される排空気Ａ３を昇温することができる。このため、燃焼器２２には、昇温された排空気Ａ３が供給される。よって、燃焼器２２は、昇温された排空気Ａ３を用いて、燃焼を行うことができることから、ガスタービン１１の燃焼器２２における燃焼を、好適な燃焼条件にすることができる。これにより、ガスタービン１１の燃焼器２２における燃焼を安定させることで、未燃成分の増加や失火を抑制し、ガスタービンの出力制御への外乱を抑制することができる。

実施例１の発電システム１０では、昇温用燃焼器６１は、ＳＯＦＣ１３から排出される排空気Ａ３を、燃料ガスＬ４を燃焼させることで昇温させる。従って、昇温用燃焼器６１は、燃料ガスＬ４を燃焼させることで発生した熱によって、排空気Ａ３を直接昇温することができるため、排空気Ａ３の昇温を迅速に行うことができる。なお、上記したように、昇温用燃焼器６１としては、触媒燃焼器を用いてもよいし、バーナを用いてもよい。

実施例１の発電システム１０では、排空気Ａ３の流れ方向において、昇温用燃焼器６１の下流側の排空気ライン３４に設けられ、排空気Ａ３の温度を検出する温度センサ６５と、温度センサ６５の検出結果に基づいて、昇温用燃焼器６１による排空気Ａ３の昇温量を制御する制御装置７０と、をさらに備える。従って、制御装置７０は、排空気Ａ３の温度が所定の温度となるように、制御弁６３を制御することで、排空気Ａ３の昇温量を制御することができる。このため、ＳＯＦＣ１３から排出される排空気Ａ３の温度が変化しても、昇温用燃焼器６１により昇温された排空気Ａ３の温度を所定の温度に保つことができ、燃焼器２２に供給される排空気Ａ３の温度を安定させることができる。

また、実施例１の発電システム１０の運転方法にあっては、圧縮機２１と燃焼器２２を有するガスタービン１１と、空気極及び燃料極を有するＳＯＦＣ１３と、ＳＯＦＣ１３の空気極側から排出される排空気Ａ３を、燃焼器２２に供給する排空気ライン３４及び排酸化性ガス供給ライン３６と、排空気ライン３４に設けられ、燃焼器２２に供給される排空気Ａ３を昇温する昇温用燃焼器６１と、を備える発電システム１０の運転方法であって、ＳＯＦＣ１３の空気極側から排出される排空気Ａ３を、昇温用燃焼器６１において昇温させる昇温工程を含む。

従って、昇温工程では、排空気ライン３４及び排酸化性ガス供給ライン３６を通ってガスタービン１１の燃焼器２２に供給される排空気Ａ３を、昇温用燃焼器６１により昇温することができる。このため、燃焼器２２には、昇温された排空気Ａ３が供給される。よって、燃焼器２２は、昇温された排空気Ａ３を用いて、燃焼を行うことができることから、ガスタービン１１の燃焼器２２における燃焼を、好適な燃焼条件にすることができる。これにより、ガスタービン１１の燃焼器２２における燃焼を安定させることで、未燃成分の増加や失火を抑制し、ガスタービンの出力制御への影響を抑制することができる。

実施例１の発電システム１０の運転方法では、発電システム１０は、排空気Ａ３の流れ方向において、昇温用燃焼器６１の下流側の排空気ライン３４に設けられ、排空気Ａ３の温度を検出する温度センサ６５と、温度センサ６５の検出結果に基づいて、昇温用燃焼器６１による排空気Ａ３の昇温量を制御する制御装置７０と、をさらに備え、昇温工程では、温度センサ６５の検出結果に基づいて、昇温用燃焼器６１による排空気Ａ３の昇温量を制御する。従って、昇温工程では、排空気Ａ３の温度が所定の温度となるように、制御装置７０により昇温用燃焼器６１を制御することができる。このため、ＳＯＦＣ１３から排出される排空気Ａ３の温度が変化しても、昇温用燃焼器６１により昇温された排空気Ａ３の温度を所定の温度に保つことができ、燃焼器２２に供給される排空気Ａ３の温度を安定させることができる。

次に、図３を参照して、実施例２の発電システム８０について説明する。図３は、実施例２の発電システムを表す概略構成図である。なお、実施例２では、実施例１と重複する記載を避けるべく、実施例１と異なる部分について説明する。実施例１では、発電システム１０の排空気ライン３４に昇温用燃焼器６１を設けたが、実施例２では、昇温用燃焼器６１に代えて、発電システム１０の排空気ライン３４に熱交換器８１が設けられている。以下、実施例２の発電システム８０について説明する。

図３に示すように、発電システム８０において、排空気ライン３４には、熱交換器８１が設けられている。熱交換器８１は、熱交換器本体８１ａと、加熱ライン（加熱流路）８１ｂとを有している。熱交換器本体８１ａには、排空気ライン３４が接続されており、排空気ライン３４から供給された排空気Ａ３が、熱交換器本体８１ａの内部で流通する。加熱ライン８１ｂは、その内部に熱媒が流通しており、熱交換器本体８１ａの内部に設けられている。

また、発電システム８０は、加熱ライン８１ｂに接続される熱交換用燃焼器８２を有している。熱交換用燃焼器８２には、燃焼用燃料ガス供給ライン８３と、燃焼用空気供給ライン８５とが接続されている。燃焼用燃料ガス供給ライン８３は、熱交換用燃焼器８２へ向けて燃料ガスＬ４を供給する。燃焼用燃料ガス供給ライン８３は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁８４が設けられている。燃焼用空気供給ライン８５は、熱交換用燃焼器８２へ向けて空気Ａを供給する。燃焼用空気供給ライン８５は、供給する空気Ａを昇圧可能なブロワ（昇圧機）８６が設けられている。

熱交換用燃焼器８２に燃料ガスＬ４及び空気Ａが供給されると、熱交換用燃焼器８２は、燃料ガスＬ４を燃焼させることで、燃焼ガスＢを発生させる。このとき、熱交換用燃焼器８２による燃焼は常圧で行われる。そして、熱交換用燃焼器８２は、発生した燃焼ガスＢを熱媒として加熱ライン８１ｂに供給する。

加熱ライン８１ｂに熱媒が供給されると、加熱ライン８１ｂは、熱交換器本体８１ａの内部を流通する排空気Ａ３を加熱することで、排空気Ａ３を昇温する。

この発電システム８０の制御装置７０には、制御弁８４と温度センサ６５とが接続されている。なお、温度センサ６５は、実施例１と同様であるため、説明を省略する。

制御装置７０は、温度センサ６５の検出結果に基づいて、制御弁８４を制御している。具体的に、制御装置７０は、温度センサ６５で検出された排空気Ａ３の温度が、所定の温度となるように、制御弁８４の開度をフィードバック制御（例えば、ＰＩＤ制御）する。つまり、制御装置７０は、温度センサ６５により検出した検出温度が、予め設定した所定の温度よりも高ければ、制御弁８４の開度を閉弁側に制御する。一方で、制御装置７０は、温度センサ６５により検出した検出温度が、予め設定した所定の温度以下であれば、制御弁８４の開度を開弁側に制御する。このように、制御装置７０は、制御弁８４を制御することで、熱交換用燃焼器８２に供給する燃料ガスＬ４の供給量を制御する。これにより、制御装置７０は、熱交換器８１の加熱ライン８１ｂに供給する燃焼ガスＢの流量を制御し、熱交換器８１による排空気Ａ３の昇温量を制御する。

このように実施例２の発電システム８０にあっては、熱交換器８１は、ＳＯＦＣ１３から排出される排空気Ａ３を、熱交換により昇温しており、排空気ライン３４に設けられる熱交換器本体８１ａと、熱交換器本体８１ａの内部に設けられる熱媒が流通する加熱ライン８１ｂと、を有する。従って、熱交換器８１は、熱交換器本体８１ａの内部に供給された排空気Ａ３を、加熱ライン８１ｂにより昇温することができる。このため、熱交換器８１は、排空気Ａ３に含まれる酸素等の成分を変化させることなく、排空気Ａ３を昇温することができる。

また、実施例２の発電システム８０では、加熱ライン８１ｂに接続される熱交換用燃焼器８２は、燃料ガスＬ４を燃焼させることで発生する燃焼ガスＢを、熱媒として、加熱ライン８１ｂに供給する。従って、熱交換用燃焼器８２は、常圧で燃料ガスＬ４を燃焼できることから、熱交換用燃焼器８２として、一般的な燃焼器を適用することができ、また、熱交換用燃焼器８２周りも平易な構成にすることができる。

次に、図４を参照して、実施例３の発電システム９０について説明する。図４は、実施例３の発電システムを表す概略構成図である。なお、実施例３では、実施例２と重複する記載を避けるべく、実施例２と異なる部分について説明する。実施例２では、発電システム８０の熱交換器８１の加熱ライン８１ｂに供給される熱媒が、熱交換用燃焼器８２からの燃焼ガスＢであったが、実施例３では、発電システム９０の熱交換器８１の加熱ライン８１ｂに供給される熱媒が、高温熱源９１からの熱媒となっている。以下、実施例３の発電システム９０について説明する。

図４に示すように、発電システム９０において、排空気ライン３４には、実施例２と同様の熱交換器８１が設けられている。なお、熱交換器８１に係る説明は省略する。熱交換器８１の加熱ライン８１ｂには、熱媒ライン９２が接続されている。熱媒ライン９２は、その一端が高温熱源９１に接続され、その他端が加熱ライン８１ｂに接続されており、高温熱源９１からの熱媒を、加熱ライン８１ｂに供給する。熱媒ライン９２は、供給する熱媒の流量を調整可能な制御弁９３が設けられている。

高温熱源９１は、発電システム９０に設置される熱源であれば、いずれであってもよく、例えば、発電システム９０の起動時に用いられる図示しない起動用ボイラを熱源として用いても良い。高温熱源９１として起動用ボイラを用いる場合、熱媒としては、起動用ボイラで発生する蒸気が用いられる。

つまり、高温熱源９１は、熱媒ライン９２を介して熱交換器８１の加熱ライン８１ｂに熱媒を供給すると、加熱ライン８１ｂは、熱交換器本体８１ａの内部を流通する排空気Ａ３を加熱することで、排空気Ａ３を昇温する。

なお、高温熱源９１の熱媒は、起動用ボイラの蒸気に限らず、排熱回収ボイラ５１の蒸気、ガスタービン１１の圧縮機２１から排出される圧縮空気Ａ２、またはガスタービン１１のタービン２３から排出される排ガスＧ等を用いてもよい。このとき、これらの熱媒を併用してもよく、この場合、熱媒を切り替え可能に構成してもよい。

この発電システム９０の制御装置７０には、制御弁９３と温度センサ６５とが接続されている。なお、温度センサ６５は、実施例２と同様であるため、説明を省略する。

制御装置７０は、温度センサ６５の検出結果に基づいて、制御弁９３を制御している。具体的に、制御装置７０は、温度センサ６５で検出された排空気Ａ３の温度が、所定の温度となるように、制御弁９３の開度をフィードバック制御（例えば、ＰＩＤ制御）する。つまり、制御装置７０は、温度センサ６５により検出した検出温度が、予め設定した所定の温度よりも高ければ、制御弁９３の開度を閉弁側に制御する。一方で、制御装置７０は、温度センサ６５により検出した検出温度が、予め設定した所定の温度以下であれば、制御弁９３の開度を開弁側に制御する。このように、制御装置７０は、制御弁９３を制御することで、熱交換器８１に供給される熱媒の供給量を制御し、これにより、熱交換器８１による排空気Ａ３の昇温量を制御する。

このように実施例３の発電システム９０にあっては、熱交換器８１の加熱ライン８１ｂに接続される高温熱源９１は、発生した熱媒を加熱ライン８１ｂに供給する。従って、発電システム９０に設けられる高温熱源９１を活用して、排空気Ａ３を昇温することができる。

なお、実施例３では、高温熱源９１からの蒸気を、熱交換器８１の加熱ライン８１ｂに供給し、加熱ライン８１ｂにより排空気Ａ３を昇温した。しかしながら、高温熱源９１からの蒸気を、排空気ライン３４に直接供給して、蒸気により排空気Ａ３を昇温してもよい。

１０ 発電システム
１１ ガスタービン
１２ 発電機
１３ ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池：燃料電池）
１４ 蒸気タービン
１５ 発電機
２１ 圧縮機
２２ 燃焼器
２３ タービン
２６ 第１圧縮空気供給ライン
３１ 第２圧縮空気供給ライン
３２ 制御弁
３３ ブロワ（昇圧機）
３４ 排空気ライン
３５ 排出ライン
３６ 排酸化性ガス供給ライン
３７ 制御弁
３８ 遮断弁
６１ 昇温用燃焼器
６２ 昇温用燃料ガス供給ライン
６３ 制御弁
６５ 温度センサ
７０ 制御装置
８０ 発電システム（実施例２）
８１ 熱交換器
８１ａ 熱交換器本体
８１ｂ 加熱ライン
８３ 燃焼用燃料ガス供給ライン
８５ 燃焼用空気供給ライン
８４ 制御弁
９０ 発電システム（実施例３）
９１ 高温熱源
９２ 熱媒ライン
９３ 制御弁
Ｌ１ 燃料ガス
Ｌ２ 燃料ガス
Ｌ３ 排燃料ガス
Ｌ４ 燃料ガス
Ａ１ 圧縮空気
Ａ２ 圧縮空気
Ａ３ 排空気

Claims (8)

1. 圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、
   空気極及び燃料極を有する燃料電池と、
   前記燃料電池の前記空気極側から排出される排酸化性ガスを、前記燃焼器に供給する排空気ライン又は排酸化性ガス供給ラインと、
   前記排空気ライン又は前記排酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記燃焼器に供給される前記排酸化性ガスを所定の温度へ昇温する昇温部と、を備えることを特徴とする発電システム。
2. 前記昇温部は、前記燃料電池から排出される前記排酸化性ガスを、燃料を燃焼させることで昇温する昇温用燃焼器であることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
3. 前記昇温部は、前記燃料電池から排出される前記排酸化性ガスを、熱媒との熱交換により昇温する熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
4. 前記熱交換器は、前記排空気ライン又は前記排酸化性ガス供給ラインに設けられる熱交換器本体と、前記熱交換器本体の内部に設けられる前記熱媒が流通する加熱流路と、を有し、
   前記加熱流路に接続される熱交換用燃焼器をさらに備え、
   前記熱交換用燃焼器は、燃料を燃焼させることで発生する燃焼ガスを、前記熱媒として、前記加熱流路に供給することを特徴とする請求項３に記載の発電システム。
5. 前記熱交換器は、前記排空気ライン又は前記排酸化性ガス供給ラインに設けられる熱交換器本体と、前記熱交換器本体の内部に設けられる前記熱媒が流通する加熱流路と、を有し、
   前記加熱流路に接続される高温熱源をさらに備え、
   前記高温熱源は、前記熱媒を前記加熱流路に供給することを特徴とする請求項３に記載の発電システム。
6. 前記排酸化性ガスの流れ方向において、前記昇温部の下流側の前記排空気ライン又は前記排酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記排酸化性ガスの温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの検出結果に基づいて、前記昇温部による前記排酸化性ガスの昇温量を制御する制御装置と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の発電システム。
7. 圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、
   空気極及び燃料極を有する燃料電池と、
   前記燃料電池の前記空気極側から排出される排酸化性ガスを、前記燃焼器に供給する排空気ライン又は排酸化性ガス供給ラインと、
   前記排空気ライン又は前記排酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記燃焼器に供給される前記排酸化性ガスを昇温する昇温部と、を備える発電システムの運転方法であって、
   前記燃料電池の前記空気極側から排出される前記排酸化性ガスを、所定の温度になるように前記昇温部において昇温させる昇温工程を含むことを特徴とする発電システムの運転方法。
8. 前記発電システムは、
   前記排酸化性ガスの流れ方向において、前記昇温部の下流側の前記排空気ライン又は前記排酸化性ガス供給ラインに設けられ、前記排酸化性ガスの温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの検出結果に基づいて、前記昇温部による前記排酸化性ガスの昇温量を制御する制御装置と、をさらに備え、
   前記昇温工程では、前記制御装置により、前記温度センサの検出結果に基づいて、前記昇温部による前記排酸化性ガスの昇温量を制御することを特徴とする請求項７に記載の発電システムの運転方法。

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