JP4987285B2 - 固体酸化物燃料電池発電装置とガスタービンの結合システムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービン／固体酸化物燃料電池の一体型システムの運転方法であって、固体酸化物燃料電池発電装置の入口空気が大気圧よりわずかに高く、発電装置の入口空気の温度が固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）発電装置と一体化させるガスタービンを選択するにあたり大きな柔軟性を有するように制御される一体型システムの運転方法に係る。

一般的に、固体酸化物燃料電池発電装置は、改質天然ガスのような気体燃料を空気と反応させて発電を行い、高温の排気ガスを発生させる複数の管状固体燃料電池より成る。従来、固体酸化物燃料電池発電装置とガスタービンの両方により発電が行われるようにそれらの一体化が提案されている。米国特許第５，４１３，８７９号（発明者：Domeracki et al.）に記載されるように、かかるシステムには第２の燃料流が供給されるトッピング燃焼器が用いられ、この燃焼器は後でタービン内で膨張するさらに加熱された高温ガスを発生させる。

この特許のシステムは、加圧ＳＯＦＣ発電装置／ガスタービン（ＰＳＯＦＣ／ＧＴ）のハイブリッドシステムである。このシステムは、ＳＯＦＣの排熱を回収してその熱の一部を電力に変換するため、また、ＳＯＦＣ発電装置を高圧で作動させて電池電圧を増加させる（これはＳＯＦＣ発電装置が高効率で運転されることを意味する）ため、従来型ＳＯＦＣ発電システムより高い効率を得る。しかしながら、かかるシステムは複雑で高価である。

多種多様な一体型ＳＯＦＣ／ガスタービンシステムが提案されているが、例えば、Proceedings of the Power-Gen International ’96, “Solid Oxide Fuel Cell/Gas Turbine Power Plant Cycles and Performance Estimates”, Wayne, L. Lundberg, December 4-6, 1996, Orlando Florida；及び米国特許明細書第５，５７３，８６７号（発明者：Zafred et al.）がある。種々の一体型設計は溶融炭酸塩燃料電池技術にも用いられているが、例えば、米国特許明細書第３，９７２，７３１号（発明者：Bloomfield et al.）及び４，６２２，２７５号（発明者：Noguchi et al.）がある。

最近では、Proceedings of ASME Turbo Expo 2003, “Tubular SOFC Hybrid Power System Status”, June 16-19, 2003, Atlanta, Georgiaにおいて、Stephen E. Veyo及びWayne L. Lundbert 他は、とりわけターボチャージャ付きＳＯＦＣハイブリッドサイクルだけでなく現在設計の大気圧ＳＯＦＣ／ガスタービン（ＡＳＯＦＣ／ＧＴ）ハイブリッドサイクルシステムを記載している。そのＡＳＯＦＣ／ＧＴ設計（図１に示す）では、サイクル空気がガスタービンの圧縮機に取り込まれ、単一の復熱器で回収されたＳＯＦＣの排熱で予熱される。これにより、所定のタービン入口温度（ＴＩＴ）を得るためのガスタービン燃焼器の燃料条件が軽減され、システムのサイクル電気効率が上昇する。ＳＯＦＣモジュールのための酸化剤はタービン排気ガスであるが、これは通常、大気圧よりも約１−３ｐｓｉ高い圧力である。従って、このシステムの利点は、モジュールにとって加圧設計の複雑さ及びコストが不要であり、従来型の大気圧ＳＯＦＣ発電システムの特徴を備えたモジュールを用いることができることである。

ＡＳＯＦＣ／ＧＴサイクルを利用するシステムは特定の電力容量に制限されず、約１００ｋＷｅから数ＭＷｅの範囲の容量を実現可能であると予想される。さらに、約５２％の電気効率（正味ＡＣ／ＬＨＶ）がＡＳＯＦＣ／ＧＴシステムで予想される。このシステムはまた、熱を有効利用する特徴を備えており、熱と電力を組み合わせた能力を有する。上記論文（図１を参照）に示すような構成のＡＳＯＦＣ／ＧＴシステムでは、タービン膨張部の排気ガス温度はＳＯＦＣモジュール入口で必要とされる酸化剤の温度でなければならず、このため、その実現には、ガスタービン定格のガスタービン圧力比とＴＩＴを所要のモジュール入口温度が得られる組み合わせに限定するか、あるいは所要のモジュール入口温度を得るようにガスタービンを設計仕様から外れて運転する必要がある。これにより、特定容量のＡＳＯＦＣ／ＧＴシステムへの使用に適した市販のガスタービンの数が制限されるが、特定のガスタービンを使用するためガスタービンの設計仕様から外れて運転しなければならない場合、システムの電力及び効率性能が減少する。かくして、基本的なＡＳＯＦＣ／ＧＴサイクルを利用する電力システム設計の問題として、燃料電池が正しい温度で作動し続けるようにＡＳＯＦＣ発電装置が入口で必要とする空気温度と空気流量の組み合わせを正確に与えるガスタービンを探して購入するのが困難なことがある。

従って、定格条件で膨張部の排気温度が好ましくなくてもガスタービンを使用できるように基本的なＡＳＯＦＣ／ＧＴサイクルを設計変更する必要があるが、これにより、ガスタービン膨張部の排気温度を制御する目的で設計仕様から外れて運転する必要性をなくすことができる。本発明の主要目的の１つは、酸化剤温度をガスタービンと、連携するＳＯＦＣモジュールの間で容易に制御できるようにするシステムの設計変更を提供することである。ＡＳＯＦＣ／ＧＴにおけるガスタービンをＳＯＦＣモジュールの運転条件に左右される度合いが少ないようにする必要がある。

発明の概要

上記した必要性の充足及び目的の達成は、大気圧固体酸化物燃料電池発電装置と、燃焼器、圧縮機及び膨張部を有するガスタービンの結合システムを運転する方法であって、燃料電池発電装置に燃料を供給すると共に、入口酸化剤をガスタービンの圧縮機に通して第１の酸化剤の流れ及び第２の酸化剤の流れを流出させ、第１の酸化剤の流れを流量制御弁に通し、それに続いて第１の熱交換器に通した後、第２の酸化剤の流れと混合させ、第１の酸化剤の流れと第２の酸化剤の流れの混合流を第２の熱交換器に固体酸化物燃料電池発電装置の高温の排気ガスに対して向流関係で通し、それに続いてガスタービンの燃焼器に通し、それに続いてガスタービンの膨張部に通した後、固体酸化物燃料電池発電装置に流入させる前に、第１の熱交換器に第１の酸化剤の流れに対して向流関係で通して冷却することにより、燃料電池発電装置への流入点の温度を流量制御弁により制御される第１の酸化剤の流れの流量に応じた値に制御することを特徴とする固体酸化物燃料電池発電装置とガスタービンの結合システムの運転方法により実現される。

本発明はまた、大気圧固体酸化物燃料電池発電装置と、圧縮機及び膨張部を有するガスタービンの結合システムであって、入口酸化剤を圧縮機に通して第１の流れ及び第２の流れを流出させ、第１の流れを流量制御弁に通して第１の熱交換器に流入させることにより加熱した後、第２の流れに流入させて流量制御されさらに加熱された酸化剤の流れを形成させ、この酸化剤の流れを第２の熱交換器に通してさらに加熱することにより、流量制御されさらに加熱された酸化剤の流れを形成させ、この酸化剤の流れをガスタービンの燃焼器に通すことにより膨張して冷却された酸化剤の流れを形成させ、この酸化剤の流れを好ましくは第１の熱交換器である別の熱交換器に通してさらに冷却することにより、燃料電池発電装置の供給酸化剤に必要な温度と圧力を有する流量制御され熱が調整された供給酸化剤の流れを形成させ、この酸化剤の流れを固体酸化物電解質の両側に電極を有する複数の管状固体酸化物燃料電池を有し酸化剤及び燃料に作用して発電を行う固体酸化物燃料電池発電装置に流入させ、供給空気流を酸化剤入口の温度に関して調整及び制御する結合システムに係る。

このシステムは、ＡＳＯＦＣ／ＧＴシステムに使用する候補機種となるガスタービンの種類／数を増加することにより、システム設計者に大きな柔軟性、制御性及びオプションを与える。第１の熱交換器（復熱器）と結合される流量制御弁は、ＳＯＦＣの入口点の温度を制御する。用語「大気圧」は、大気圧の１．０乃至約１．２（１４．７乃至１７．７ｐｓｉａ）を意味する。

ＳＯＦＣ発電装置の空気入口温度は、ＳＯＦＣ発電装置の動作点によるが、約５００℃と約７００℃の間の範囲内にある。ＳＯＦＣ発電装置の空気入口の空気質量流量は、発電装置の容量に応じて１ｋｇ／秒及びそれより大きい。容量が大きくなれば流量条件も高くなる。

添付図面を参照して、図１は従来技術のガスタービン／固体酸化物燃料電池の一体型システムを示す。このシステムの主要コンポーネントは、圧縮機１、タービン膨張部２、これによりタービンが発電機９だけでなく圧縮機を駆動するロータ１２、オプションとして
の燃料加圧機／ポンプ３、及び燃料脱硫器５を有するガスタービンと、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュール発電装置６と、オプションとしての燃焼器８及び熱交換器または復熱器４と、４０及び７０で示す燃料供給部と、２０で示す空気／酸化剤供給部とである。燃料ラインの種々の弁５０を、ＳＯＦＣの直流電力を交流電力に変換する市販の電力コンディショニングシステム５２と共に示す。

ＳＯＦＣ発電モジュール６は、従来型ＳＯＦＣ発電システムと同様に大気圧に近い圧力で運転される。タービンはＳＯＦＣモジュールの排気部２４から回収される熱により間接的に加熱されるが、燃焼器８をシステムにピーク電力運転を行わせるために点火することができる。ＳＯＦＣモジュールはタービン膨張部２の排気からそのモジュール酸化剤入力２２を受ける。従って、タービン燃焼器が点火されない場合、酸化剤は通常、空気であり、点火される場合は汚れた空気である。このサイクルを利用するシステムは、ＳＯＦＣの電気化学的プロセスと、ＳＯＦＣの排熱及びガスタービンの燃料エネルギーのガスタービンによる電力への変換の両方から電力を取り出す。大気圧ハイブリッドシステムの主要な利点は、簡単で低コストの大気圧ＳＯＦＣモジュールのパッケージデザインを依然として利用しながら、かなり高い電気効率を得られることである。

ここでは、サイクル供給空気２０は圧縮機１のところで取り込まれ、復熱器４で回収したＳＯＦＣの廃熱で予熱される。これにより、所定のタービン入口温度にするためのガスタービン燃焼器の燃料条件が緩和され、システムのサイクル電気効率が増加する。ＳＯＦＣモジュール６のモジュール酸化剤２２はタービンの排気であり、これは通常は大気圧により約１乃至３ｐｓｉ高い圧力である。従って、システムの利点は、モジュールが加圧設計の複雑さ及び費用を必要とせず、従来型大気圧ＳＯＦＣ発電システムの特徴を備えたモジュールを使用できることである。

図１に示すように構成されたＡＳＯＦＣ／ＧＴシステムにおいて、タービン膨張部２の排気ガス温度は、ＳＯＦＣモジュール入口で必要とされる温度でなければならないため、この実現のために、ガスタービンの定格の圧力比及びタービン入口温度は必要なモジュール入口温度が得られる組み合わせに限定されるか、またはガスタービンを所要のモジュール入口温度を得るために設計仕様から外れて運転する必要がある。これにより、特定容量のＡＳＯＦＣ／ＧＴシステムの使用に好適な市販のガスタービンの数を制限されることがある。

本発明の新型ＡＳＯＦＣ／ＧＴシステムを示す図２を参照すると、別の熱交換器または復熱器５４及び流量制御弁５６を付加したことにより、ＳＯＦＣモジュールの入口４１における酸化剤温度を調整及び制御することが可能となる。流量の制御はライン６２の流量制御弁（図示せず）により行うことも可能である。モジュールの入口温度設定点を用いることにより、復熱器５４の流量制御弁５６を、比較的低温の圧縮機出口空気６０を復熱器５４の空気入口に分岐させるべく必要に応じてその位置を自動的に調整し、復熱器５４の出口の酸化剤の流れ２２の排気温度の所要の調整に影響を与えるように設計される。これにより、ＡＳＯＦＣ／ＧＴモードのガスタービンの運転特性がＳＯＦＣモジュールの運転条件に依存する度合いが少なくなる。その結果、この方法は、ＡＳＯＦＣ／ＧＴシステムに使用する候補機種としてのガスタービンの数を増加させて、システム設計者に大きい柔軟性及びオプションを与え、それにより、ＳＯＦＣモジュールの入口空気温度のガスタービンの運転条件に対する依存性を少なくするか、なくすることにより、ハイブリッドシステムの性能が高くなるような最適化を可能にする。

かくして、図２に示すように、圧縮機１及び膨張部２を有するガスタービンでは、入口酸化剤（空気）２０が圧縮機１内に流入し、第１の酸化剤（空気）排出流６０及び第２の空気流６２として流出する。第１の空気流６０は流量制御弁５６を通って、第１の熱交換器／復熱器５４へ流入し、膨張した排気ガス流５８を向流冷却して調整された空気流２２を提供する。その後、この流れ６０は接続点６４で第２の空気流６２と合流し、流量制御され加熱された酸化剤の流れ６６となる。この流れ６６は第１の復熱器５４で吸収した熱により予熱された後、第２の熱交換器／復熱器４へ流入し、そこでＳＯＦＣ発電装置からの排気２４により向流加熱される結果、流量制御されさらに加熱された酸化剤（空気）流６８となり、流れ７０から燃料を供給された燃焼器８を通過する。その後、この流量制御されさらに加熱された酸化剤はガスタービン膨張部に流入し、膨張して冷え、流量を制御された酸化剤空気流５８となる。ガスタービン燃焼器が点火される場合、膨張部から出るガス５８はもはや空気でなく、その酸素濃度は幾分減少しており、ある程度のＣＯ₂及びより多くの水蒸気を含む。

流れ５８はここでは比較的低温であり、第１の熱交換器／復熱器５４を通って、流量制御され熱を調整された供給酸化剤流２２となる。この流れは、固体酸化物燃料電池発電装置６の酸化剤入口４１へ送られる。この発電装置６は、各々が固体酸化物電解質の両側に電極を有し燃料電池束を形成するように配列された複数の固体酸化物燃料電池発電装置７２（簡略化のため１つだけを示す）を備えており、これらの燃料電池はＳＯＦＣの入口４１からの酸化剤と燃料４０とに作用して発電を行う。燃料電池の簡単な例、例えば、管状ＳＯＦＣ７２を図３に示すが、このＳＯＦＣは当該技術分野でよく知られているように、電解質７４、空気電極７６、燃料電極７７、相互接続部７８、外側の矢印で示す酸化剤の流れ８０及び燃料の流れを有する。

ＳＯＦＣ発電装置には複数のこれらの燃料電池を用いることができるが、この発電装置は膨張部の排気からわずかに加圧された（１−３ｐｓｉ）空気を受ける手段と、燃料流を受ける手段と、受けた燃料流の少なくとも第１の部分を空気と反応させて発電を行い酸素を含む高温排気ガスを発生させる手段とを有する。ＳＯＦＣ／ガスタービンシステムは、ａ）圧縮された空気及び膨張される空気を発生する圧縮機／膨張部と、ｂ）固体酸化物燃料電池発電装置とを有し、発電装置は、ｉ）膨張部と流体連通関係にある酸化剤／空気入口マニホルドと、ｉｉ）第１の燃料流を受ける手段を備えた燃料入口マニホルドと、ｉｉｉ）空気入口マニホルドと流体連通関係にある複数の固体酸化物燃料電池と、ｉｖ）燃料入口マニホルドと流体連通関係にあり、内部に固体酸化物燃料電池が配置されて、これらの固体酸化物燃料電池により燃料が空気と反応して電気と高温排気ガスを発生させる反応室と、ｖ）少なくとも２つの酸化剤の流れと、ｖｉ）少なくとも２つの熱交換器と、ｖｉｉ）少なくとも１つの流量制御弁とを有し、この弁は第１の酸化剤／空気の流れを第１の熱交換器で加熱して第２の酸化物／空気の流れと混合する前に制御する。この混合済みの酸化剤は第２の熱交換器へ送られる。

図２に示すさらに別の復熱器５４及び流量制御弁５６は、システムの正味交流電力出力及び効率を減少させる傾向がある、システムの圧力降下を増加させる。しかしながら、これらの効果は、設計によって復熱器及び流量制御装置の流れ抵抗を最小限に抑えることにより最小にすることができる。これらの付加的なハードウェアはシステムのコストを増加させるが、これはシステムの出力及び効率性能を改善するガスタービンの選択及び動作に対する制限をなくすことにより少なくとも部分的に補償される。

また、図２に示すように、減損した燃料の燃焼及び空気との熱交換の産物である約８００℃―８５０℃の高温のＳＯＦＣの排気ガス２４は、流量制御された酸化剤６６と向流関係で復熱器４を通過する。この排気ガスは、復熱器４を出ると、熱を有効利用するための熱交換器８２に流入して水８４を加熱するが、それにより高温の水８６が提供されると共に排気ガス８８が冷却される。水ポンプ９０も示してある。熱を有効利用するための熱交換器８２は水を加熱できるが、サイトで使用するために、あるいは冷却効果を与えるために蒸気により駆動される吸収チラーに使用するために蒸気を発生させることが可能であり、あるいは、高温のＳＯＦＣ排気ガスから回収される熱に直接作用する吸収チラーを場所８２に取り付けることができる。これらの熱の利用は、大きなオフィスビルディング、大型のショッピングセンターで使用する小型の数百ｋＷｅまたは数ＭＷｅのコジェネレーションシステムに好適である。あるいは、場所８２で発生される蒸気を用いて蒸気タービンのボトミングサイクルを駆動することが可能であり、これによりさらに多量の電力が作られ、システムの電気的効率がさらに高くなる。また、図示のように、第１の復熱器５４では、第１の酸化剤である圧縮機からの排出流６０を流量制御弁５６に通した後、膨張部からの排出酸化剤５８と向流関係にする。

ＳＯＦＣ発電装置にはある流量の空気流が必要なのは確かであるが、それはガスタービンの回転速度を制御することにより得られる。弁５６は平行なライン６０と６２の間で分割される流れを調整するが、２２及び４１のような点で全体の流量制御を行うために使用されない。ガスタービンの動作点（回転速度）は流量を設定し（ポンプのように）、ＳＯＦＣの流れ抵抗はＳＯＦＣにおける圧力を設定するが、ＳＯＦＣ発電装置及び復熱器４の圧力降下は小さいことが知られているため大気圧に近いものとなる。再び、本発明のハードウェア（ライン６０、弁５６、復熱器５４）はライン２２及び点４１における温度を制御するように意図されているにすぎない。本発明の流量制御は、ライン６０と６２の間における流れの分割に係るにすぎない。上述したように、ＳＯＦＣ発電装置への空気流量の全体的な制御はガスタービンの速度制御により行われる。

本発明はその思想または本質的な属性から逸脱することなくある特定の態様で実現可能であるため、本発明の範囲を示すものとしては上記の詳細な説明でなくて頭書の特許請求の範囲を参照すべきである。

従来技術の基本的なＡＳＯＦＣ／ＧＴ発電システムサイクルを示す概略図である。 本発明により酸化剤温度が制御されるＡＳＯＦＣ／ＧＴ発電システムサイクルの概略図である。 管状固体酸化物燃料電池を示す単純化した三次元図である。

Claims (8)

1. 大気圧固体酸化物燃料電池発電装置（６）と、燃焼器（８）、圧縮機（１）及び膨張部（２）を有するガスタービンの結合システムを運転する方法であって、燃料電池発電装置（６）に燃料（４０）を供給すると共に、入口酸化剤（２０）をガスタービンの圧縮機（１）に通して第１の酸化剤の流れ（６０）及び第２の酸化剤の流れ（６２）を流出させ、第１の酸化剤の流れ（６０）を流量制御弁（５６）に通し、それに続いて第１の熱交換器（５４）に通した後、第２の酸化剤の流れ（６２）と混合させ、第１の酸化剤の流れと第２の酸化剤の流れの混合流（６６）を第２の熱交換器（４）に固体酸化物燃料電池発電装置（６）の高温の排気ガス（２４）に対して向流関係で通し、それに続いてガスタービンの燃焼器（８）に通し、それに続いてガスタービンの膨張部（２）に通した後、固体酸化物燃料電池発電装置（６）に流入させる前に、第１の熱交換器（５４）に第１の酸化剤の流れ（６０）に対して向流関係で通して冷却することにより、燃料電池発電装置（６）への流入点（４１）の温度を流量制御弁（５６）により制御される第１の酸化剤の流れ（６０）の流量に応じた値に制御することを特徴とする固体酸化物燃料電池発電装置とガスタービンの結合システムの運転方法。
2. 固体酸化物燃料電池発電装置（６）への流入点（４１）の温度は５００℃と７００℃の間である請求項１の運転方法。
3. 固体酸化物燃料電池発電装置（６）の動作圧力は１．０乃至１．２大気圧であり、流量制御弁が第２の流れ（６２）にも存在する請求項１の運転方法。
4. 燃料（４０）をガスタービンの燃焼器（８）にも供給する請求項１の運転方法。
5. 固体酸化物燃料電池発電装置（６）は固体酸化物電解質（７４）の両側に電極を有する複数の管状固体酸化物燃料電池（７２）を有し、これらの燃料電池は酸化剤及び燃料に作用して発電を行う請求項１の運転方法。
6. 燃料（４０）を脱硫器（５）に通した後、固体酸化物燃料電池発電装置（６）へ流入させる請求項１の運転方法。
7. 第２の熱交換器（４）からの排気ガス（２４）を第３の熱交換器（８２）に通して水（８４）を加熱する請求項１の運転方法。
8. 入口酸化剤（２０）は空気であり、燃料（４０）は天然ガスより成る請求項１の運転方法。

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