JP2001351641A - Combined generating element - Google Patents
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- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンと固
体電解質型燃料電池から構成されている複合発電装置に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a combined power generation device including a gas turbine and a solid oxide fuel cell.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近時、ガスタービンと固体電解質型燃料
電池（ＳＯＦＣ）（以下、燃料電池と称する）から構成
されている複合発電装置は、高効率発電が期待されるこ
とから各所で検討されている。2. Description of the Related Art In recent years, combined power generation devices composed of a gas turbine and a solid oxide fuel cell (SOFC) (hereinafter referred to as a fuel cell) have been studied in various places because high efficiency power generation is expected. ing.
【０００３】原理的には、ガスタービン圧縮機から供給
される空気と、各供給源から供給される燃料および蒸気
とが燃料電池にて反応して発生する電力と、ガスタービ
ンによって駆動される発電機にて発電される電力との両
方の電力を得るようになっている。[0003] In principle, air supplied from a gas turbine compressor, fuel and steam supplied from each supply source in a fuel cell generate electric power, and electric power generated by a gas turbine drives the electric power. It is designed to obtain both electric power and electric power generated by the machine.
【０００４】図２に示すように、従来の複合発電装置１
ａは、空気及び燃料を水素リッチなガスに改質するため
（水蒸気改質と称する）、ガスタービン圧縮機２によっ
て圧縮された空気ａと、図示しない供給源から供給され
る燃料ｂ及び蒸気ｃとをガスタービン３から排出された
高温の排ガスｄによって予熱（通常、〜５００℃）され
る予熱器４に供給する。[0004] As shown in FIG.
In order to reform air and fuel into a hydrogen-rich gas (referred to as steam reforming), air a compressed by the gas turbine compressor 2 and fuel b and steam c supplied from a supply source (not shown) Is supplied to a preheater 4 which is preheated (usually up to 500 ° C.) by a high-temperature exhaust gas d discharged from the gas turbine 3.
【０００５】その後、前述の投入ガスは、燃料電池５の
燃料改質器６及び空気予熱器７によって更に昇温される
（７５０〜９００℃）。昇温後の空気及び改質燃料は、
燃料電池５を構成するスタック８内に供給され、電解質
９を介して空気極１０から燃料極１１へ酸素ｅが移動し
て燃料中の水素と反応する。After that, the above-mentioned input gas is further heated by the fuel reformer 6 and the air preheater 7 of the fuel cell 5 (750 to 900 ° C.). The heated air and reformed fuel are
Oxygen e is supplied into the stack 8 constituting the fuel cell 5, moves from the air electrode 10 to the fuel electrode 11 via the electrolyte 9, and reacts with hydrogen in the fuel.
【０００６】その際、反応熱は、両者のガス温度を保持
すると共に、一部が電力に変換される。符号１２はイン
バータを示している。そして、余剰空気ｆ及び余剰燃料
ｇは、再び、燃焼器１３に戻って燃焼する。燃焼器１３
の燃焼ガスｈは、前述した予熱器４を通過する間に燃料
電池５に供給される空気ａ、燃料ｂ及び蒸気ｃを予熱
し、しかる後に、ガスタービン３に導入され、当該ガス
タービン３に直結されている発電機１４の発電に寄与す
るようになっている。[0006] At that time, the reaction heat keeps both gas temperatures and a part is converted into electric power. Reference numeral 12 indicates an inverter. Then, the excess air f and the excess fuel g return to the combustor 13 and burn again. Combustor 13
Combustion gas h preheats the air a, the fuel b, and the steam c supplied to the fuel cell 5 while passing through the preheater 4 described above, and thereafter, is introduced into the gas turbine 3, and It contributes to the power generation of the generator 14 directly connected.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】上記のように、燃料電
池５に供給される空気ａ及び燃料ｂは、幾つかの要素、
即ち、予熱器４、燃焼器１３、スタック８、燃焼器１
３、予熱器４及びガスタービン３を経由して最終的に排
ガスとして大気中に放出される。As described above, the air a and the fuel b supplied to the fuel cell 5 have several components,
That is, the preheater 4, the combustor 13, the stack 8, the combustor 1
3. Via the preheater 4 and the gas turbine 3, it is finally released into the atmosphere as exhaust gas.
【０００８】ところで、上記空気ａは、燃料電池５の冷
却、つまり、燃料電池５を所定温度に維持するために、
冷却に必要な空気量を加味して過剰な空気が供給される
ようになっているが、一般に、電解質９内の反応によっ
て消費される酸素量と供給空気中の酸素量とは、適切な
比が求められる（空気利用率）。この相対関係が燃料電
池の部分負荷時に崩れると、燃料電池内は極めて異常な
事態を呈することになる。The air a is used to cool the fuel cell 5, that is, to maintain the fuel cell 5 at a predetermined temperature.
Although excess air is supplied in consideration of the amount of air required for cooling, in general, the amount of oxygen consumed by the reaction in the electrolyte 9 and the amount of oxygen in the supply air are adjusted to an appropriate ratio. Is required (air utilization rate). If the relative relationship is broken at the time of partial load of the fuel cell, an extremely abnormal situation occurs in the fuel cell.
【０００９】すなわち、ガスタービンは、通常発電時、
一定回転数を維持しているため、供給空気量も一定であ
る。したがって、部分負荷時は、相対的に過剰空気率が
更に上昇し、反応温度（上記燃料電池の場合、約１００
０℃）を維持できないことために、負荷の追従が困難に
なる。That is, when the gas turbine normally generates power,
Since the constant rotation speed is maintained, the supply air amount is also constant. Therefore, at the time of partial load, the excess air ratio further increases, and the reaction temperature (about 100% in the case of the above fuel cell).
0 ° C.), it is difficult to follow the load.
【００１０】燃料過多の場合は、排ガス温度などを検出
して反応温度異常高の指令によって燃料の供給量を絞る
機構（図示せず）が別途設置されている。In the case of excessive fuel, a mechanism (not shown) for detecting the exhaust gas temperature or the like and reducing the amount of supplied fuel by a command for an abnormally high reaction temperature is provided separately.
【００１１】一般に、ガスタービンは、風量調整機構を
具備する必要が生じてくる。即ち、可変静翼、あるいは
インレットガイドベーンを設けることによって調整を計
ることが行われているが、後者の場合は、制御範囲が狭
いという問題がある。また、数十ｋＷ〜１５０ｋＷ程度
の超小型ガスタービンにあっては、このような機構を製
作すること、並びに、制御性能の信頼性が極めて低いこ
とにより、超小型ガスタービンと上記燃料電池から構成
される複合発電には問題があった。Generally, it is necessary for a gas turbine to have an air volume adjusting mechanism. That is, the adjustment is performed by providing a variable stationary blade or an inlet guide vane, but in the latter case, there is a problem that the control range is narrow. Further, in the case of a micro gas turbine of about several tens of kW to 150 kW, since such a mechanism is manufactured and the reliability of the control performance is extremely low, the micro gas turbine is composed of the micro gas turbine and the fuel cell. Combined power generation had problems.
【００１２】本発明は、係る従来の問題に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、ガスタービン
と固体電解質型燃料電池から構成されている複合発電装
置でありながら、部分負荷時の性能向上を計ることがで
きる複合発電装置を提供することにある。The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a combined power generation apparatus including a gas turbine and a solid oxide fuel cell, but with a partial load. It is an object of the present invention to provide a combined power generation device capable of improving the performance of the hybrid power generation system.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の複合発電装置は、ガスタービンと固体電解
質型燃料電池から構成され、かつ、前記ガスタービンが
単独駆動空気圧縮機と発電機駆動膨張タービンから構成
されている。In order to achieve the above object, a combined power generation device according to the present invention comprises a gas turbine and a solid oxide fuel cell. It consists of a machine driven expansion turbine.
【００１４】上記のように、空気圧縮機を単独運転する
ことにより、部分負荷時の性能向上を計ることができ
る。As described above, by operating the air compressor independently, it is possible to improve the performance under partial load.
【００１５】上記単独駆動空気圧縮機は、制御手段によ
って回転数制御が行われ、所定の空気利用率を維持する
ようになっている。[0015] The single-drive air compressor is controlled by the control means to control the number of revolutions so as to maintain a predetermined air utilization rate.
【００１６】[0016]
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【００１７】図１に示すように、本発明の複合発電装置
１は、空気圧縮機２を電動モーター２６によって単独駆
動する点に特徴がある。電動モーター２６は、インバー
ターなどの制御装置（図示せず）を具備し、部分負荷時
であっても所定の空気利用率を維持するようになってい
る。As shown in FIG. 1, the combined power generator 1 of the present invention is characterized in that the air compressor 2 is independently driven by an electric motor 26. The electric motor 26 includes a control device (not shown) such as an inverter, and maintains a predetermined air utilization rate even at a partial load.
【００１８】一方、発電機１４を駆動するガスタービン
として膨張タービン３ａを適用する。この膨張タービン
３ａから排出された排ガスｄは、排ガスライン１５を経
て大気中に放出されるが、排ガスライン１５には、その
上流から下流に向かって順に助燃バーナ１６、予熱器４
および蒸気発生器１７を設けている。On the other hand, an expansion turbine 3a is applied as a gas turbine for driving the generator 14. The exhaust gas d discharged from the expansion turbine 3a is discharged into the atmosphere through an exhaust gas line 15, and the exhaust gas line 15 has an auxiliary burner 16 and a preheater 4 in order from upstream to downstream.
And a steam generator 17.
【００１９】更に、燃料電池５に供給する燃料ｂは、燃
料圧縮機２０によって昇圧され、蒸気発生器１７で発生
した蒸気ｃは、配管２２を流れる燃料ｂに供給されるよ
うになっている。また、助燃バーナ１６には、燃料ｉが
供給されるようになっている。その他の部品について
は、従来の複合発電装置１ａの部品と同じ部品に同じ符
号を附して詳しい説明を省略する。Further, the fuel b supplied to the fuel cell 5 is pressurized by the fuel compressor 20, and the steam c generated by the steam generator 17 is supplied to the fuel b flowing through the pipe 22. The fuel i is supplied to the auxiliary burner 16. Regarding other components, the same components as those of the conventional combined power generation device 1a are denoted by the same reference numerals, and detailed description is omitted.
【００２０】次に、上記複合発電装置の運転について説
明する。Next, the operation of the above-described combined power generation system will be described.
【００２１】電動モーター２６によって空気圧縮機２を
回転させると、空気圧縮機２によって圧縮された空気ａ
は、燃料電池５内をガスパージングした後、予熱器４、
膨張タービン３および排ガスライン１５を通って大気中
に放出されるが、排ガスライン１５に設けられている助
燃バーナー１６によって投入ガス（空気及び燃料）の予
熱に必要なガス温度レベルまで加熱される。When the air compressor 2 is rotated by the electric motor 26, the air a compressed by the air compressor 2
After gas purging inside the fuel cell 5, the preheater 4,
The gas is discharged into the atmosphere through the expansion turbine 3 and the exhaust gas line 15, and is heated to a gas temperature level required for preheating the input gas (air and fuel) by the auxiliary burner 16 provided in the exhaust gas line 15.
【００２２】やがて、投入ガス、つまり、燃料ｂ及び空
気ａは、改質温度直前程度（例えば、５００〜６００
℃）まで予熱され、これらのガスが燃焼器１３に戻って
きたとき着火され、水蒸気改質及び空気の昇温に必要な
燃焼ガスｈとなる。Eventually, the input gas, that is, the fuel b and the air a will be almost immediately before the reforming temperature (for example, 500 to 600
° C), and when these gases return to the combustor 13, they are ignited and become the combustion gas h necessary for steam reforming and air temperature rise.
【００２３】こうして徐々に燃料電池５を暖機した後、
燃料電池５による発電を開始するとともに、燃焼器１３
から排出される燃焼ガスｈを予熱器４を通って膨張ター
ビン３ａに導入する。すると、膨張タービン３ａによっ
て発電機１４が回転駆動され、発電機１４による発電が
行われる。After gradually warming up the fuel cell 5 in this manner,
Power generation by the fuel cell 5 is started and the combustor 13
Is introduced into the expansion turbine 3 a through the preheater 4. Then, the generator 14 is rotationally driven by the expansion turbine 3a, and power generation is performed by the generator 14.
【００２４】上記のように、本発明は、ガスタービンに
膨張タービンを適用する一方、電動モーターによって空
気圧縮機を単独駆動させたから、１軸方式に比べて空気
圧縮機を駆動させる分だけ出力が増加する。また、空気
圧縮機の単独駆動を採用することによって起動運転も行
い易くなる。すなわち、ガスタービンターニングのため
の起動モーター、それに伴う嵌脱装置（クラッチ）が不
要になるなど、装置の簡素化が計れる。As described above, in the present invention, while the expansion turbine is applied to the gas turbine, the air compressor is independently driven by the electric motor. To increase. Further, by employing the independent drive of the air compressor, the starting operation can be easily performed. That is, the start-up motor for gas turbine turning and the accompanying disengagement device (clutch) are not required, so that the device can be simplified.
【００２５】[0025]
【発明の効果】上記のように、本発明は、ガスタービン
に膨張タービンを適用する一方、電動モーターによって
空気圧縮機を単独駆動させたから、１軸方式に比べて空
気圧縮機を駆動させる分だけ出力が増加するようになっ
た。また、空気圧縮機の単独駆動を採用することによっ
て起動運転も行い易くなった。すなわち、ガスタービン
ターニングのための起動モーター、それに伴う嵌脱装置
（クラッチ）が不要になるなど、装置の簡素化が計れる
ようになった。As described above, according to the present invention, while the expansion turbine is applied to the gas turbine, the air compressor is driven independently by the electric motor, so that the air compressor is driven as compared with the single shaft type. The output has increased. In addition, the start-up operation can be easily performed by employing the single drive of the air compressor. That is, the start-up motor for gas turbine turning and the accompanying disengagement device (clutch) are not required, and the device can be simplified.
【図１】本発明に係る複合発電装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic view of a combined cycle power generator according to the present invention.
【図２】従来の複合発電装置の概略図である。FIG. 2 is a schematic view of a conventional combined power generation device.
２ 単独駆動空気圧縮機 ３ ガスタービン ３ａ 発電機駆動膨張タービン ５ 固体電解質型燃料電池 2 Single-drive air compressor 3 Gas turbine 3a Generator-driven expansion turbine 5 Solid oxide fuel cell
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｃ 7/36 Ｆ０２Ｃ 7/36 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｎ 8/12 8/12 Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat II (reference) F02C 7/36 F02C 7/36 H01M 8/04 H01M 8/04 N 8/12 8/12
Claims (2)
ら構成され、かつ、前記ガスタービンが単独駆動空気圧
縮機と発電機駆動膨張タービンから構成されている複合
発電装置。1. A combined power generator comprising a gas turbine and a solid oxide fuel cell, wherein the gas turbine comprises a single drive air compressor and a generator driven expansion turbine.
回転数制御する請求項１記載の複合発電装置。2. The combined power generator according to claim 1, wherein the number of revolutions of the independently driven air compressor is controlled by control means.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000173361A JP2001351641A (en) | 2000-06-09 | 2000-06-09 | Combined generating element |
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| JP (1) | JP2001351641A (en) |
Cited By (6)
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- 2000-06-09 JP JP2000173361A patent/JP2001351641A/en not_active Withdrawn
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