JP2003123818A - 燃料電池システム及び複合発電システム - Google Patents
燃料電池システム及び複合発電システムInfo
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Abstract
率の向上とシステム全体の効率向上を図る。 【解決手段】第1燃料ガスと第1酸化剤ガスの供給によ
り発電を行なう第1燃料電池1−1と、第1燃料電池か
ら送出される第1使用済み燃料ガスと、第2燃料ガス
と、第2酸化剤ガスの供給により発電を行なう第2燃料
電池1−2/1−3とを具備し、第2燃料ガスの量は、
第1使用済み燃料ガスに含まれる水蒸気の量に基づいて
決定される燃料電池システムを利用する。
Description
及び複合発電システムに関し、特に他の発電装置と共に
複合発電を行う、複数の燃料電池を組み合わせて用いる
燃料電池システムに関する。
向上のために、燃料利用率の向上、燃料供給に伴い必要
となる水蒸気の供給の効率化などが進められている。そ
の方法の一つとして、燃料ガスの再循環がある。それ
は、燃料電池の燃料極側の排ガスを、再び燃料極へ供給
し再利用する方法である。燃料極側の排ガス中には、残
余の燃料ガス及び発電により生成した水蒸気がある。従
って、排ガスを再循環させ再利用することにより、燃料
利用率の向上、水蒸気の供給の効率化を図ることが出来
る。
ガスの再循環システムについて説明する。概略構成の一
例を図6及び図7に示す。ただし、発電された電力の集
電に関わる部分は省略している。図6は、燃料電池シス
テムにおける燃料ガスの再循環システムの概略構成の一
例を示している。改質器102と燃料電池本体103と
を有する燃料電池101、エジェクタ107、燃料導入
管111、燃料供給管A114−1〜燃料供給管C11
4−3、燃料排出管113、燃料循環管112、酸化剤
供給管115を具備する。
スの供給を受けて、電気化学反応(電池反応)により、
発電を行なう。改質器102は、燃料ガスであるメタン
やエタン、ブタン、プロパンなどの有機系炭化水素ガス
を、触媒上で水蒸気と共に反応(水蒸気改質反応)さ
せ、水素を主成分とする改質された燃料ガスを生成す
る。内部に水蒸気改質触媒を含む。燃料電池本体103
は、供給された改質された燃料ガスと酸化剤ガスとを用
いて、電気化学反応(電池反応)により、発電を行な
う。内部に複数の単セルを含む。エジェクタ107は、
内部を流れる第1流体の流れにより負圧を形成し、その
負圧により、第2流体を第1流体の流れに引き込む(吸
い込む)機能を有する。本従来例では、第1流体は、新
たに供給される燃料ガスと水蒸気である。また、第2流
体は、発電後に燃料電池本体103から排出される水蒸
気を含む燃料排ガスである。
新たな燃料ガス及び水蒸気を供給する配管である。一端
部を外部の燃料ガス(水蒸気を含む)供給部(図示せ
ず)に、他端部をエジェクタ107に接続している。燃
料供給管A114−1〜燃料供給管C114−3は、燃
料ガスを燃料電池101へ供給し、使用済みの燃料ガス
を燃料電池101の外部へ排出する配管である。燃料供
給管A114−1は、一端部をエジェクタ107に、他
端部を改質器102に接続している。燃料供給管B11
4−2は、一端部を改質器102に、他端部を燃料電池
本体103に接続している。燃料供給管C114−3
は、一端部を燃料電池本体103に、他端部を燃料循環
管112及び燃料排出管113に接続している。燃料循
環管112は、燃料電池101から排出される燃料排ガ
スの内、再循環するものをエジェクタ107へ再循環す
る。一端部を燃料供給管C114−3と燃料排出管11
3に、他端部をエジェクタ107に接続している。燃料
排出管113は、燃料電池101から排出される燃料排
ガスの内、再循環しないものを外部へ排出する。一端部
を燃料供給管C114−3に、他端部を燃料循環管11
2に接続している。酸化剤供給管115は、燃料電池本
体103に酸化剤ガスを供給する。一端部を外部の酸化
剤ガス供給部(図示せず)に、他端部を燃料電池本体1
03に接続している。
7を通過する。その際、エジェクタ107を通過する流
れによりエジェクタ107に負圧を形成する。そして、
その燃料ガスは、燃料電池101内の改質器102へ供
給される。改質器102では、水蒸気を含む燃料ガスが
触媒により改質され、水素ガス及び水蒸気を主成分とす
る改質された燃料ガスとなる。改質された燃料ガスは、
燃料電池本体103へ供給され、別経路で供給される酸
化剤ガスと共に発電に寄与する。発電に使用された改質
された燃料ガスである燃料排ガスは、発電により水素ガ
スが少なく、水蒸気の量が増加している。その燃料排ガ
スの一部は、エジェクタ107で形成された負圧によ
り、燃料循環管112経由でエジェクタ107へ再循環
される。残りは、外部へ排出される。
の再循環のためには、専用の配管及び機器が必要とな
る。特に、固体電解質型燃料電池(SOFC)では、作
動温度が900〜1000℃である。従って、高温で使
用可能な材料を用いる必要があり、コストがかかる。ま
た、エジェクタ107に再循環する燃料排ガスの量の制
御範囲が狭い。そのため、燃料電池の負荷の変化に効率
的に対応することが難しい。
スの再循環システムの概略構成の他の例を示している。
改質器102と燃料電池本体103とを有する燃料電池
101、ブロワ104、熱交換器105、ヒータ10
6、燃料導入管111、燃料供給管A114−1〜燃料
供給管C114−3、燃料排出管113、燃料循環管A
112−1〜燃料循環管D112−4、酸化剤供給管1
15を具備する。
本体103、燃料排出管113及び酸化剤供給管115
は、図6と同様であるのでその説明を省略する。ブロワ
104は、流体を強制的に流すポンプの機能を有する。
高温では使用できず、流体を低温にして使用する。本従
来例において流体は、燃料電池101から排出された燃
料排ガスである。熱交換器105は、内部を流れる流体
の温度を熱交換により低下させる。本従来例において流
体は、燃料電池101から排出された燃料排ガスであ
る。ヒータ106は、内部を流れる流体の温度を加熱に
より上昇させる。本従来例において流体は、燃料電池1
01から排出された燃料排ガスである。
たな燃料ガス及び水蒸気を燃料供給管A114−1へ供
給する配管である。一端部を外部の燃料ガス(水蒸気を
含む)供給部(図示せず)に、他端部を燃料供給管A1
14−1及び燃料循環管D112−4に接続している。
燃料供給管A114−1〜燃料供給管C114−3は、
燃料ガスを燃料電池101へ供給し、使用済みの燃料ガ
スを燃料電池101の外部へ排出する配管である。燃料
供給管A114−1は、一端部を燃料導入管111及び
燃料循環管D112−4に、他端部を改質器102に接
続している。燃料供給管B114−2は、一端部を改質
器102に、他端部を燃料電池本体103に接続してい
る。燃料供給管C114−3は、一端部を燃料電池本体
103に、他端部を燃料循環管A112−1及び燃料排
出管113に接続している。燃料循環管A112−1〜
燃料循環管D112−4は、燃料電池101から排出さ
れる燃料排ガスの内、再循環するものをブロワ104経
由で燃料電池101へ再循環する。燃料循環管A112
−1は、一端部を燃料供給管C114−3と燃料排出管
113に、他端部を熱交換器105に接続している。燃
料循環管B112−2は、一端部を熱交換器105に、
他端部をブロワ104に接続している。燃料循環管C1
12−3は、一端部をブロワ104に、他端部をヒータ
106に接続している。燃料循環管D112−4は、一
端部をヒータ106に、他端部を燃料導入管111及び
燃料供給管A114−1に接続している。
に供給される。その際、再循環した燃料排ガス(水蒸気
を含む)が途中で混合される。そして、その燃料ガス
は、燃料電池101内の改質器102へ供給される。改
質器102では、水蒸気を含む燃料ガスが触媒により改
質され、水素ガス及び水蒸気を主成分とする改質された
燃料ガスとなる。改質された燃料ガスは、燃料電池本体
103へ供給され、別経路で供給される酸化剤ガスと共
に発電に寄与する。発電に使用された改質された燃料ガ
スである燃料排ガスは、発電により水素ガスが少なく、
水蒸気の量が増加している。その燃料排ガスの一部は、
ブロワ104で形成された流れにより、熱交換器105
に入る。そしてそこで温度を下げられ、ブロワ104を
経由する。その後、ヒータ106に達し、燃料電池10
1に供給するのに必要な温度に昇温される。そして、再
循環された燃料排ガスは再び新規の燃料ガスと共に、燃
料電池へ供給される。残りは、外部へ排出される。
の再循環のためには、専用の配管及び機器が必要とな
る。特に、固体電解質型燃料電池(SOFC)では、作
動温度が900〜1000℃である。従って、高温で使
用可能な材料を用いる必要がある。従って、コストがか
かる。また、ブロワ104の稼動のための動力が必要で
ある。更に、再循環する燃料排ガスを、一度降温し、再
び昇温する必要があり、熱のロスが発生する。従って、
効率が低下する。
に、燃料電池システム全体としての効率の向上が求めら
れている。それらを達成するために、燃料利用率の向上
と、燃料供給に伴い必要となる水蒸気の供給の効率化が
求められている。また、低コストでの効率の向上と、高
い運転制御性が求められている。
は、システム全体の効率を向上することが可能な燃料電
池システム及び複合発電システムを提供することであ
る。
池における燃料利用率の向上を図ることが可能な燃料電
池システム及び複合発電システムを提供することであ
る。
料電池において、燃料供給に伴い必要となる水蒸気の供
給の効率化を図ることが可能な燃料電池システム及び複
合発電システムを提供することである。
水蒸気の供給の効率化を低コストで行なうことが可能な
燃料電池システム及び複合発電システムを提供すること
である。
不可追従性の高い燃料電池システム及び複合発電システ
ムを提供することである。
形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決す
るための手段を説明する。これらの番号・符号は、[特
許請求の範囲]の記載と[発明の実施の形態]との対応
関係を明らかにするために付加されたものである。ただ
し、それらの番号・符号を、[特許請求の範囲]に記載
されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならな
い。
明の燃料電池システムは、第1燃料ガスと第1酸化剤ガ
スの供給により発電を行なう第1燃料電池(1−1)
と、前記第1燃料電池から送出される第1使用済み燃料
ガスと、第2燃料ガスと、第2酸化剤ガスの供給により
発電を行なう第2燃料電池(1−2/1−3)とを具備
する。
第1燃料ガスは、前記第2燃料電池(1−2/1−3)
から送出される第2使用済み燃料ガスを含む。
第2燃料ガスの量は、前記第1使用済み燃料ガスに含ま
れる水蒸気の量に基づいて決定される。
第1燃料電池(1−1)及び前記第2燃料電池(1−
2)の少なくとも一方が、予め設定された燃料利用率に
基づいて運転される。
第2酸化剤ガスが、更に、前記第1燃料電池(1−1)
から送出される使用済み第1酸化剤ガスを含む。
第2燃料電池(1−2/1−3)が、ガス的に直列に接
続された複数の燃料電池(1−2、1−3)から成り、
各々の前記燃料電池(1−2、1−3)は、前段の前記
燃料電池(1−2)又は前記第1燃料電池(1−1)か
ら送出される使用済み燃料ガスと、燃料ガスと酸化剤ガ
スの供給により発電を行ない、前記燃料ガスの量は、前
記使用済み燃料ガスに含まれる水蒸気の量に基づいて決
定される。
酸化剤ガスが、前段の前記燃料電池(1−2)又は前記
第1燃料電池(1−1)から送出される使用済み酸化剤
ガスを含む。
電システムは、上記のいずれか一項に記載の燃料電池シ
ステム(50)と、前記燃料電池システム(50)から
の排燃料ガス及び排酸化剤ガスを用いるガスタービン
(65)と、前記ガスタービン(65)により稼動する
第1発電機(84−1)とを具備する。
ガスタービン(65)の燃焼排ガスを用いる排熱回収ボ
イラ(52)と、前記排熱回収ボイラ(52)により稼
動する蒸気タービン(53)と、前記蒸気タービン(5
3)により稼動する第2発電機(84−2)とを更に具
備する。
ネレーションシステムは、上記のいずれか一項に記載の
燃料電池システム(50)と、前記燃料電池システム
(50)からの排燃料ガス及び排酸化剤ガスを燃焼する
排ガス燃焼器(51)と、前記排ガス燃焼器(51)か
らの排出ガスを用いる排熱回収ボイラ(52)と、前記
排熱回収ボイラ(52)で加熱された水及び蒸気を用い
る設備とを具備する。
テムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明す
る。本実施例において、燃料電池の内、円筒型の固体酸
化物型燃料電池(SOFC)に関して例を示して説明す
る。ただし、他の構造(平板型、球型など)を有する他
の種類(溶融炭酸塩型、リン酸型など)の燃料電池にお
いても適用が可能である。なお、各実施の形態において
同一又は相当部分には同一の符号を付して説明する。
ムの実施の形態の構成に関して、図面を参照して説明す
る。図1は、本発明である燃料電池システムの実施の形
態の構成を示す図である。燃料電池システム50は、第
1燃料電池1−1〜第3燃料電池1−3、第1燃料導入
管A4−1〜第1燃料導入管B4−2、第2燃料導入管
A5−1〜第2燃料導入管B5−2、第3燃料導入管A
6−1〜第3燃料導入管B6−2、第1燃料弁12〜第
3燃料弁14、第1燃料供給管A21−1〜第1燃料供
給管C21−3、第2燃料供給管A22−3〜第2燃料
供給管C22−3、第3燃料供給管A23−1〜第3燃
料供給管C23−3、水蒸気供給管A20−1〜水蒸気
供給管B20−2、水蒸気弁11、第1酸化剤供給管A
28−1〜第1酸化剤供給管B28−2、第2酸化剤供
給管A29−1〜第2酸化剤供給管B29−2、第3酸
化剤供給管A30−1〜第3酸化剤供給管B30−2、
第1酸化剤弁15〜第3酸化剤弁17を具備する。
1−3は、それぞれ第1改質器2−1〜第3改質器2−
3、及び、第1燃料電池本体3−1〜第3燃料電池本体
3−2を具備する。なお、図1の構成は、発電に使用さ
れるガスの流通に関わる構成を示しており、集電に関す
る構成等については、省略している。
料電池において、使用済みの燃料排ガスを再循環するこ
とにより、燃料利用率の向上と燃料ガスへの水蒸気供給
の効率化の効果を得ていた。しかし、本発明において
は、複数の燃料電池(図1では、1−1〜1−3の3
個)を燃料ガスの流通系統に関して直列に接続する。そ
して、2番目以降の燃料電池については、前段の燃料電
池から排出される燃料排ガスと、新規の燃料ガスを混合
して利用する。そうすることにより、同等の効果を得る
ことが可能となる。
料と水蒸気とを投入する。一方、それ以降の燃料電池に
は、前段の燃料電池の燃料排ガス中の水蒸気量に対応し
て、適当な量(その水蒸気により、適切に水蒸気改質が
可能な量)の燃料を投入する。このような操作により、
基本的には燃料ガスの流量のみの管理で発電を行なうこ
とが可能となる。従って、運転の制御性及び負荷追従性
が向上する。また、ブロワやエジェクタ等の機器や高温
配管が不要となり、低コスト化が図れる。
個々の燃料電池を取付け、取外しすることにより、発電
規模の変更をフレキシブルに行なうことが出来る。特
に、最初に小規模発電システムとし、後に発電システム
を増設する場合には、増設が容易であるばかりでなく、
増設するほど燃料利用率を向上することが可能となる。
照して、まず全体の燃料電池システム50について説明
する。第1燃料電池1−1〜第3燃料電池1−3は、燃
料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて、電気化学反応
(電池反応)により、発電を行なう。円筒型や平板型等
の形状を有する固体電解質型や溶融炭酸塩型、リン酸型
等の燃料電池を含む。本実施例では、複数の円筒型の固
体電解質(固体酸化物)型燃料電池(SOFC)を有す
る。各燃料電池同士は、発電する電力に関して互いに独
立していても良いし、少なくとも2つが組み合わされて
いても良い。
それぞれ第1燃料電池1−1〜第3燃料電池1−3に含
まれている。内部に水蒸気改質触媒を有する。燃料ガス
であるメタンやエタン、ブタン、プロパン、ガソリン、
軽油、灯油などの有機系炭化水素(ガス)を、触媒上で
水蒸気と共に反応(水蒸気改質反応)する。そして、水
素を主成分とする改質された燃料ガスを生成する。動作
温度は、水蒸気改質後のガス組成(供給ガス組成、圧
力、温度で熱力学的に定まる)が所望の値となるような
温度である。本実施例では、約900℃である。触媒
は、例えば、担持する金属としてニッケル、ルテニウ
ム、ロジウムなどがあり、担体としてアルミナ、マグネ
シア、ジルコニア、シリカなどがある。そこで、水蒸気
改質反応が行なわれ、水素を主成分とする燃料ガスとな
る。第1改質器2−1〜第3改質器2−3は、後述の第
1燃料電池本体3−1〜第3燃料電池本体3−2に含ま
れていても良い。本実施例では、各燃料電池本体内の燃
料極が各改質器としての機能を有する。
体3−2は、供給される改質された燃料ガスと酸化剤ガ
スとを用いて、電気化学反応(電池反応)により、発電
を行なう。本実施例では、各燃料電池本体は、内部に複
数の単セルを含む複数の円筒型SOFCを有する。一つ
の円筒型SOFCは、円筒型の多孔質セラミックスの基
体管の長手方向の一定の幅毎に、外周面上に燃料極、電
解質、空気極の膜が順に少しずつずらして積層されてい
る。一組の燃料極、電解質、空気極で、一つの単セルを
形成している(図示せず)。それぞれのセル同士は、イ
ンターコネクタ膜で接合されている(図示せず)。
20−2は、第1燃料電池1−1へ新規の水蒸気を供給
する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体を
漏れなく流通可能であれば良い。水蒸気弁11は、水蒸
気供給管A20−1〜水蒸気供給管B20−2経由で供
給される水蒸気の導入及び流量を制御する。制御は、制
御部(図示せず)により行なわれる。水蒸気供給管A2
0−1は、一端部を外部の水蒸気供給部(図示せず)
に、他端部を水蒸気弁11に接続している。水蒸気供給
管B20−2は、一端部を水蒸気弁11に、他端部を第
1燃料導入管B4−2及び第1燃料供給管A21−1に
接続している。
B4−2は、第1燃料電池1−1へ新規の燃料ガスを供
給する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体
を漏れなく流通可能であれば良い。第1燃料弁12は、
第1燃料導入管A4−1〜第1燃料導入管B4−2経由
で供給される燃料ガスの導入及び流量を制御する。制御
は、制御部(図示せず)により行なわれる。第1燃料導
入管A4−1は、一端部を外部の燃料供給部(図示せ
ず)に、他端部を第1燃料弁12に接続している。第1
燃料導入管B4−2は、一端部を第1燃料弁12に、他
端部を水蒸気供給管B20−2及び第1燃料供給管A2
1−1に接続している。
B5−2は、第2燃料電池1−2へ新規の燃料ガスを供
給する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体
を漏れなく流通可能であれば良い。第2燃料弁13は、
第2燃料導入管A5−1〜第2燃料導入管B5−2経由
で供給される燃料ガスの導入及び流量を制御する。制御
は、制御部(図示せず)により行なわれる。第2燃料導
入管A5−1は、一端部を外部の燃料供給部(図示せ
ず)に、他端部を第2燃料弁13に接続している。第2
燃料導入管B5−2は、一端部を第2燃料弁13に、他
端部を第1燃料供給管C21−3及び第2燃料供給管A
22−1に接続している。
B6−2は、第3燃料電池1−3へ新規の燃料ガスを供
給する。これらは、必ずしも管である必要は無く、流体
を漏れなく流通可能であれば良い。第3燃料弁14は、
第3燃料導入管A6−1〜第3燃料導入管B6−2経由
で供給される燃料ガスの導入及び流量を制御する。制御
は、制御部(図示せず)により行なわれる。第3燃料導
入管A6−1は、一端部を外部の燃料供給部(図示せ
ず)に、他端部を第3燃料弁14に接続している。第3
燃料導入管B6−2は、一端部を第3燃料弁14に、他
端部を第2燃料供給管C22−3及び第3燃料供給管A
23−1に接続している。
管C21−3は、燃料ガスを第1燃料電池1−1へ供給
し、使用済みの燃料ガスである燃料排ガスを第1燃料電
池1−1の外部へ排出する。これらは、必ずしも管であ
る必要は無く、流体を漏れなく流通可能であれば良い。
第1燃料供給管A21−1は、一端部を第1燃料導入管
B4−2及び水蒸気導入管B20−2に、他端部を改質
器2−1に接続している。第1燃料供給管B21−2
は、一端部を改質器2−1に、他端部を第1燃料電池本
体3−1に接続している。第1燃料供給管C21−3
は、一端部を第1燃料電池本体3−1に、他端部を第2
燃料導入管B5−2及び第2燃料供給管A22−1に接
続している。本実施例では、第1燃料電池体本3−1内
に改質器2−1があるため、第1燃料供給管B21−2
は管ではない。
管C22−3は、燃料ガスを第2燃料電池1−2へ供給
し、使用済みの燃料ガスである燃料排ガスを第2燃料電
池1−2の外部へ排出する。これらは、必ずしも管であ
る必要は無く、流体を漏れなく流通可能であれば良い。
第2燃料供給管A22−1は、一端部を第2燃料導入管
B5−2及び第1燃料供給管C21−2に、他端部を改
質器2−2に接続している。第2燃料供給管B22−2
は、一端部を改質器2−2に、他端部を第2燃料電池本
体3−2に接続している。第2燃料供給管C22−3
は、一端部を第2燃料電池本体3−2に、他端部を第3
燃料導入管B6−2及び第3燃料供給管A23−1に接
続している。本実施例では、第2燃料電池体本3−2内
に改質器2−2があるため、第2燃料供給管B22−2
は管ではない。
管C23−3は、燃料ガスを第3燃料電池1−3へ供給
し、使用済みの燃料ガスである燃料排ガスを第3燃料電
池1−3の外部へ排出する。これらは、必ずしも管であ
る必要は無く、流体を漏れなく流通可能であれば良い。
第3燃料供給管A23−1は、一端部を第3燃料導入管
B6−2及び第2燃料供給管C22−3に、他端部を改
質器2−3に接続している。第3燃料供給管B23−2
は、一端部を改質器2−3に、他端部を第3燃料電池本
体3−3に接続している。第3燃料供給管C23−3
は、一端部を第1燃料電池本体3−3に、他端部を外部
の燃料排出部(図示せず)に接続している。本実施例で
は、第3燃料電池体本3−3内に改質器2−3があるた
め、第3燃料供給管B23−2は管ではない。
供給管B28−2は、第1燃料電池本体3−1へ新規の
酸化剤ガス(酸素を含むガス)を供給する。これらは、
必ずしも管である必要は無く、流体を漏れなく流通可能
であれば良い。第1酸化剤弁15は、第1酸化剤供給管
A28−1〜第1酸化剤供給管B28−2経由で供給さ
れる酸化剤ガスの導入及び流量を制御する。制御は、制
御部(図示せず)により行なわれる。第1酸化剤供給管
A28−1は、一端部を第1酸化剤弁15に、他端部を
第1燃料電池本体3−1に接続している。第1酸化剤供
給管B28−2は、一端部を外部の酸化剤供給部(図示
せず)に、他端部を第1酸化剤弁15に接続している。
供給管B29−2は、第2燃料電池本体3−2へ新規の
酸化剤ガス(酸素を含むガス)を供給する。これらは、
必ずしも管である必要は無く、流体を漏れなく流通可能
であれば良い。第2酸化剤弁16は、第2酸化剤供給管
A29−1〜第2酸化剤供給管B29−2経由で供給さ
れる酸化剤ガスの導入及び流量を制御する。制御は、制
御部(図示せず)により行なわれる。第2酸化剤供給管
A29−1は、一端部を第2酸化剤弁16に、他端部を
第2燃料電池本体3−2に接続している。第2酸化剤供
給管B29−2は、一端部を外部の酸化剤供給部(図示
せず)に、他端部を第2酸化剤弁16に接続している。
供給管B30−2は、第3燃料電池本体3−3へ新規の
酸化剤ガス(酸素を含むガス)を供給する。これらは、
必ずしも管である必要は無く、流体を漏れなく流通可能
であれば良い。第3酸化剤弁17は、第3酸化剤供給管
A30−1〜第3酸化剤供給管B30−2経由で供給さ
れる酸化剤ガスの導入及び流量を制御する。制御は、制
御部(図示せず)により行なわれる。第3酸化剤供給管
A30−1は、一端部を第3酸化剤弁17に、他端部を
第3燃料電池本体3−3に接続している。第3酸化剤供
給管B30−2は、一端部を外部の酸化剤供給部(図示
せず)に、他端部を第3酸化剤弁17に接続している。
態の動作に関して、図面を参照して説明する。図2は、
図1の各部における燃料ガス、酸化剤ガス、改質後の燃
料ガス、発電後の燃料ガスの組成(流量比)の一例を示
す表である。すなわち、図2上部に示す図と図1とが対
応しており、図2上部の図の(1)(図2中は○内に数
字1で記載、以下(1)〜(16)で同様)〜(16)
でのガス組成(流量比)が、図2下部の表中に流量比と
して表示されている。表中の数値の単位はNm3/hで
あり、小数点以下一桁のみ表示している。図1と図2と
を参照して動作を説明する。なお、本発明は、図2の表
に示すガス組成(流量)に限られるものでは無い。
ず)より、水蒸気弁11で流量を調節されながら、水蒸
気導入管A20−1−水蒸気導入管B20−2経由で、
第1燃料供給管A21−1へ入る。その時の流量は図2
の表の(1)欄で示されるように、H2O:4.0Nm
3/hである。また、新規の燃料ガス(本実施例ではメ
タン)は、燃料供給部(図示せず)より、第1燃料弁1
2で流量を調節されながら、第1燃料導入管A4−1−
第1燃料供給管B4−2経由で、第1燃料供給管A21
−1へ入る。その時の流量は図2の表の(2)欄で示さ
れるように、CH 4:1.0Nm3/hである。それら
のガスは、第1燃料供給管A21−1で混合されなが
ら、第1燃料電池1−1の改質器2−1へ供給される。
料ガス及び水蒸気の量(流量)は、水蒸気と燃料ガス中
の炭素原子とのモル比(以後「S/C」ともいう)が、
予め定められた値になるように制御部(図示せず)によ
り設定・制御される。本実施例では、S/C=4とし、
水蒸気のモル量と燃料ガス(メタン)中の炭素原子のモ
ル量との比が、4となるように、新規燃料ガスの流量を
設定する。ここでは、図2の表の(3)欄で示されるよ
うに、H2O:4.0(Nm3/h)/CH4:1.0
(Nm3/h)=4となっている。
ガスは、触媒により改質される。そして、水素ガス及び
水蒸気を主成分とする改質された燃料ガスとなる。改質
反応は、 CH4+H2O→CO+3H2 [1] である。ただし、[1]式は完全に反応が進んだ場合で
あるが、実際には完全には進まない。改質された燃料ガ
スの組成は、改質器2−1に供給される全ガスの組成、
改質器2−1内の圧力及び温度で熱力学的に定まる値に
なる。ここでは、簡単のために、[1]式で示す反応が
完全に進んだものとする。その時の流量比は図2の表の
(4)欄で示されるように、H2:H2O:CO=3.
0:3.0:1.0(Nm3/h)となる。
第1燃料電池本体3−1の燃料極へ供給される。一方、
酸化剤ガスは、酸化剤供給部(図示せず)より、第1酸
化剤弁15で流量を調節されながら、第1酸化剤導入管
B28−2−第1酸化剤導入管A28−1経由で、第1
燃料電池本体3−1の空気極へ供給される。その時の酸
化剤ガス(酸素)の流量は図2の表の(14)欄で示さ
れるように、O2:1.0Nm3/hである。
料ガスと酸化剤ガスとを用いる電解質を介した電気化学
反応(電池反応)により発電を行なう。発電反応は、 2H2+O2→2H2O [2] 2CO+O2→2CO2 [3] である。[2]及び[3]式より発電により水素ガス及
び一酸化炭素ガス消費され、水蒸気及び二酸化炭素ガス
が生成する。図2の表において、H2:1.5Nm3/
h、CO:0.5Nm3/hが消費され、新たにH
2O:1.5Nm3/h、CO2:0.5Nm3/hが
生成される。この時、H2とCOをそれぞれ50%使用
している。すなわち、第1燃料電池1−1単体での燃料
利用率は50%である。
電に使用された、改質された燃料ガスの残余分と水蒸気
との混合ガス)は、水素ガスが減少し、水蒸気の量が増
加する。第1燃料排ガスは、第1燃料供給管C21−3
により、第1燃料電池本体3−1(第1燃料電池1−
1)から排出される。その時の流量比は図2の表の
(5)欄で示されるように、H2:H2O:CO:CO
2=1.5:4.5:0.5:0.5(Nm3/h)と
なる。なお、第1酸化剤排ガス(第1燃料電池1−1の
発電に使用された、酸化剤ガスの残余分)もまた、配管
(図示せず)経由で、第1燃料電池本体3−1(第1燃
料電池1−1)から排出される。
−1)から排出された第1燃料排ガス((5)の組成)
は、第1燃料供給管C21−3経由で第2燃料供給管A
22−1へ入る。また、新規の燃料ガス(本実施例では
メタン)は、燃料供給部(図示せず)より、第2燃料弁
13で流量を調節されながら、第2燃料導入管A5−1
−第2燃料供給管B5−2経由で、第2燃料供給管A2
2−1へ入る。
施例では第1燃料電池1−1の場合と同様、S/C=4
となるように決定される。すなわち、新規燃料ガスの流
量は、第1燃料排ガス中に含まれる水蒸気の量に基づい
て、第1燃料排ガス中の水蒸気のモル量と新規の燃料ガ
ス(メタン)中の炭素原子のモル量との比が4となるよ
うに、制御部(図示せず)により設定・制御される。こ
こでは、図2の表の(6)欄で示されるように、C
H4:1.1Nm3/hである。それらのガスは、第2
燃料供給管A22−1で混合されながら、第2燃料電池
1−2の改質器2−2へ供給される。
1燃料供給管C21−3の途中に水蒸気量を測定するセ
ンサや簡易ガスクロメータ(図示せず)を設置する方法
や、第1燃料電池1−1に供給した燃料ガス及び水蒸気
の流量、改質器2−1における改質条件、第1燃料電池
1−1に供給した酸化剤ガスの流量、第1燃料電池1−
1において発電した電力量に基づいて、計算で求める方
法などがある。
ガス(第1燃料排ガス+新規の燃料ガス)の組成は、図
2の表の(7)欄で示されるように、H2:H2O:C
O:CO2:CH4=1.5:4.5:0.5:0.
5:1.1(Nm3/h)となる。この燃料ガスは、触
媒により改質される。そして、水素ガス及び水蒸気を主
成分とする改質された燃料ガスとなる。改質反応は、上
記[1]式の説明の通りである。この時の改質された燃
料ガスの組成は、図2の表の(8)欄で示されるよう
に、H2:H2O:CO:CO2=4.8:3.4:
1.6:0.5(Nm3/h)となる。
第2燃料電池本体3−2の燃料極へ供給される。一方、
酸化剤ガスは、酸化剤供給部(図示せず)より、第2酸
化剤弁16で流量を調節されながら、第2酸化剤導入管
B29−2−第2酸化剤導入管A29−1経由で、第2
燃料電池本体3−2の空気極へ供給される。その時の酸
化剤ガス(酸素)の流量は図2の表の(15)欄で示さ
れるように、O2:1.6Nm3/hである。
料ガスと酸化剤ガスとを用いる電解質を介した電気化学
反応(電池反応)により発電を行なう。発電反応は、
[2]及び[3]で説明した通りである。図2の表にお
いて、H2:H2O:CO:CO2=4.8:3.4:
1.6:0.5(Nm3/h)である。発電により水素
ガス及び一酸化炭素ガス消費され、水蒸気及び二酸化炭
素ガスが生成する。図2の表において、H2:2.4N
m3/h、CO:0.8Nm3/hが消費され、新たに
H2O:2.4Nm3/h、CO2:0.8Nm3/h
が生成される。この時、H2とCOをそれぞれ50%使
用している。すなわち、第2燃料電池1−2単体での燃
料利用率は50%である。
電に使用された、改質された燃料ガスの残余分と水蒸気
との混合ガス)は、水素ガスが減少し、水蒸気の量が増
加する。第2燃料排ガスは、第2燃料供給管C22−3
により、第2燃料電池本体3−2(第2燃料電池1−
2)から排出される。その時の流量比は図2の表の
(9)欄で示されるように、H2:H2O:CO:CO
2=2.4:5.8:0.8:1.3(Nm3/h)と
なる。なお、第2酸化剤排ガス(第2燃料電池1−2の
発電に使用された、酸化剤ガスの残余分)もまた、配管
(図示せず)経由で、第2燃料電池本体3−2(第2燃
料電池1−2)から排出される。
−2)から排出された第2燃料排ガス((9)の組成)
は、第2燃料供給管C22−3経由で第3燃料供給管A
23−1へ入る。また、新規の燃料ガス(本実施例では
メタン)は、燃料供給部(図示せず)より、第3燃料弁
14で流量を調節されながら、第3燃料導入管A6−1
−第3燃料供給管B6−2経由で、第3燃料供給管A2
3−1へ入る。
燃料電池1−2の場合と同様、S/C=4となるように
決定される。すなわち、新規燃料ガスの流量は、第2燃
料排ガス中に含まれる水蒸気の量に基づいて、第2燃料
排ガス中の水蒸気のモル量と新規の燃料ガス(メタン)
中の炭素原子のモル量との比が4となるように、制御部
(図示せず)により設定・制御される。ここでは、図2
の表の(10)欄で示されるように、CH4:1.4N
m3/hである。それらのガスは、第3燃料供給管A2
3−1で混合されながら、第3燃料電池1−3の改質器
2−3へ供給される。
2燃料供給管C22−3の途中に水蒸気量を測定するセ
ンサや簡易ガスクロメータ(図示せず)を設置する方法
や、第2燃料電池1−2に供給した燃料ガス及び水蒸気
の流量、改質器2−2における改質条件、第2燃料電池
1−2に供給した酸化剤ガスの流量、第2燃料電池1−
2において発電した電力量に基づいて、計算で求める方
法などがある。
ガス(第2燃料排ガス+新規の燃料ガス)の組成は、図
2の表の(11)欄で示されるように、H2:H2O:
CO:CO2:CH4=2.4:5.8:0.8:1.
3:1.4(Nm3/h)となる。この燃料ガスは、触
媒により改質される。そして、水素ガス及び水蒸気を主
成分とする改質された燃料ガスとなる。改質反応は、上
記[1]式の説明の通りである。この時の改質された燃
料ガスの組成は、図2の表の(12)欄で示されるよう
に、H2:H2O:CO:CO2=6.7:4.4:
2.2:1.3(Nm 3/h)となる。
は、第3燃料電池本体3−3の燃料極へ供給される。一
方、酸化剤ガスは、酸化剤供給部(図示せず)より、第
3酸化剤弁17で流量を調節されながら、第3酸化剤導
入管B30−2−第3酸化剤導入管A30−1経由で、
第3燃料電池本体3−3の空気極へ供給される。その時
の酸化剤ガス(酸素)の流量は図2の表の(16)欄で
示されるように、O2:2.2Nm3/hである。
料ガスと酸化剤ガスとを用いる電解質を介した電気化学
反応(電池反応)により発電を行なう。発電反応は、
[2]及び[3]で説明した通りである。発電により水
素ガス及び一酸化炭素ガス消費され、水蒸気及び二酸化
炭素ガスが生成する。図2の表において、H2:3.3
Nm3/h、CO:1.1Nm3/hが消費され、新た
にH2O:3.3Nm3/h、CO2:1.1Nm3/
hが生成される。この時、H2とCOをそれぞれ50%
使用している。すなわち、第3燃料電池1−3単体での
燃料利用率は50%である。
電に使用された、改質された燃料ガスの残余分と水蒸気
との混合ガス)は、水素ガスが減少し、水蒸気の量が増
加する。第3燃料排ガスは、第3燃料供給管C23−3
により、第3燃料電池本体3−3(第3燃料電池1−
3)から排出される。その時の流量比は図2の表の(1
3)欄で示されるように、H2:H2O:CO:CO2
=3.4:7.7:1.1:2.4(Nm3/h)とな
る。なお、第3酸化剤排ガス(第3燃料電池1−3の発
電に使用された、酸化剤ガスの残余分)もまた、配管
(図示せず)経由で、第3燃料電池本体3−3(第3燃
料電池1−3)から排出される。
料排ガスについて、他の機器(図示せず)と熱交換をす
ることにより、その熱を有効利用することが可能であ
る。例えば、第1燃料電池1−1〜第3燃料電池1−3
へ供給される新規の燃料ガス及び酸化剤ガスの加熱用
や、他のコジェネレーション設備である。また、第1燃
料電池1−1〜第3燃料電池1−3〜排出される第1酸
化剤排ガス〜第3酸化剤排ガスについても同様である。
消費燃料流量との関係から、第1燃料電池1−1での燃
料利用率は、49.5%と計算される。第1燃料電池1
−1及び第2燃料電池1−2を合わせた場合には、6
1.4%の燃料利用率となる。更に、第1燃料電池1−
1から第3燃料電池1−3までの総合燃料利用率は、6
8.1%となる。すなわち、燃料電池を複数直列(ガス
系)に接続することにより、単独の燃料電池の場合に比
較して、燃料利用率が著しく向上している事がわかる。
燃料ガスが、第2燃料電池1−2及び第3燃料電池1−
3において再利用される。同様に、第2燃料電池1−2
で使用した燃料ガスが、第3燃料電池1−3において再
利用される。従って、図6や図7で示す燃料ガスの再循
環と同様の効果(燃料利用率の向上)を得ることが出来
る。加えて、ブロワやエジェクタ等の付属機器や高温用
の配管を用いる必要が無い。また、基本的に燃料流量の
みの管理となるため、運転制御性及び付加追従性が向上
する。
電池1−1〜第3燃料電池1−3)が接続されている
が、本発明の燃料電池システムは、必ずしも3つに限ら
れるものではない。2つ以上であれば、上記効果を得る
ことが可能である。また、4つ以上の燃料電池を付加す
ることも可能である。付加により燃料利用率の更なる向
上が可能となる。
システム50の第3燃料供給管C23−3から排出され
る第3燃料排ガスを、再循環することも可能である。こ
の場合、水蒸気導入管B20−2の途中にエジェクタ3
3を設ける。そして、第3燃料供給管C23−3の途中
から配管を分岐(再循環管A32−1〜再循環管C32
−3)し、エジェクタ33と接続する。そして、第3燃
料排ガスを再循環したい場合には、再循環管A32−1
〜再循環管C32−3の途中に設置された再循環弁A1
8及び再循環弁B19を開とする。
とが可能となる。また、燃料ガスへ供給する水蒸気を効
率的に供給することが可能となる。
ムを利用した複合発電システムの実施の形態の構成に関
して、図面を参照して説明する。図3は、本発明である
複合発電システムの実施の形態の構成を示す図である。
複合発電システムは、燃料電池システム50、ガスター
ビンシステム65、蒸気タービンシステム66、燃料供
給導入管60、燃料排出管61、酸化剤排出管62、酸
化剤導入管A64−1〜酸化剤導入管C64−3、導入
弁68、燃焼ガス供給管B63−2、蒸気供給ライン7
6を具備する。ここで、ガスタービンシステム65は、
燃焼器51、圧縮機57とタービン58とを有するガス
タービン56、発電機A84−1、回転軸59、燃焼ガ
ス供給管A63−1を具備する。また、蒸気タービンシ
ステム66は、排熱回収ボイラ52、蒸気タービン5
3、発電機B84−2、回転軸67、復水器54、ポン
プ55、循環管A71−1〜循環管D71−4、排出管
72を具備する。
実施例1の燃料電池システム50を用いるので、燃料利
用率の向上と燃料ガスへの水蒸気供給の効率化が図ら
れ、かつ、付属機器や高温用配管を用いない低コストな
システムである。すなわち、低コストで効率的な燃料電
池システム50を使用している。従って、それを用いた
複合発電システムにおいても、低コストかつ高効率なシ
ステムとすることが可能となる。
照して、燃料電池システムを利用した複合発電システム
について説明する。燃料電池システム50は、実施例1
で説明した燃料電池システム50である。従って、その
説明を省略する。燃料導入管60は、燃料供給部(図示
せず)から燃料電池システム50へ燃料ガスを供給す
る。これは、実施例1における第1燃料導入管A4−
1、第2燃料導入管A5−1及び第3燃料導入管A6−
1に対応する。図3中では、代表的に1つの燃料導入管
を示している。一端部を燃料供給部(図示せず)に、他
端部を燃料電池システム50に接続している。蒸気供給
ライン76は、排熱回収ボイラ52(後述)から燃料電
池システム50へ水蒸気を供給する。水蒸気は、排燃焼
ガス(ガスタービン58からの排ガス)中の水蒸気を使
用する。すなわち、蒸気供給ライン76は、排燃焼ガス
の一部を燃料電池システム50へ供給する。これは、実
施例1における水蒸気導入管A20−1に対応する。一
端部を蒸気タービンシステム66の排熱回収ボイラ52
に、他端部を燃料電池システム50に接続している。酸
化剤導入管B64−2は、ガスタービンシステム65か
ら燃料電池システム50へ酸化剤ガス(本実施例では空
気)を供給する。これは、実施例1における第1酸化剤
供給管B28−2、第2酸化剤供給管B29−2及び第
3酸化剤供給管B30−2に対応する。一端部をガスタ
ービンシステム65の圧縮機57に、他端部を燃料電池
システム50に接続している。酸化剤導入管C64−3
は、酸化剤供給部(図示せず)から燃料電池システム5
0へ、複合発電システムの起動時に酸化剤ガスを供給す
る。これは、起動時において、実施例1における第1酸
化剤供給管B28−2、第2酸化剤供給管B29−2及
び第3酸化剤供給管B30−2に対応する。一端部を酸
化剤供給部(図示せず)に、他端部を燃料電池システム
50に接続している。導入弁68は、酸化剤導入管C6
4−3の途中にあり、複合発電システムの起動時に開
く。制御部(図示せず)により、その開閉を制御され
る。これは、起動時において、実施例1における第1酸
化剤弁15〜第3酸化剤弁17に対応する。燃料排出管
61は、燃料電池システム50からガスタービンシステ
ム65へ使用済みの燃料排ガスを供給する。これは、実
施例1における第3燃料供給管C23−3に対応する。
一端部を燃料電池システム50に、他端部をガスタービ
ンシステム65の燃焼器51に接続している。酸化剤排
出管62は、燃料電池システム50からガスタービンシ
ステム65へ使用済みの酸化剤排ガスを供給する。これ
は、実施例1では図示していないが、各燃料電池本体で
使用済みの各酸化剤排ガスの排出管が対応する。一端部
を燃料電池システム50に、他端部をガスタービンシス
テム65の燃焼器51に接続している。
ステム50から送出される燃料排ガス及び酸化剤排ガス
を燃焼し、その燃焼ガスによりタービン58を回転し、
その回転のエネルギーにより発電機A84−1で発電を
行なう。ここで、ガスタービンシステム65の燃焼器5
1は、燃料電池システム50から燃料排ガス及び酸化剤
排ガスの供給を受ける。そして、それらを燃焼し、高温
高圧の燃焼ガスを生成する。生成された燃焼ガスは、ガ
スタービン56へ送出される。ガスタービン56のター
ビン58は、燃焼器51で生成された高温高圧の燃焼ガ
スの供給により、そのエネルギーを回転エネルギーに変
換する(回転する)。そして、その回転エネルギーは回
転軸59により、発電機A84−1及び圧縮機57へ伝
達される。それにより、圧縮機57が酸化剤ガスの圧縮
を行なう。また、発電機A84−1が発電を行なう。タ
ービン58から排出された排燃焼ガスは蒸気タービンシ
ステムへ送出される。圧縮機57は、酸化剤供給部(図
示せず)から酸化剤ガス(酸素を含むガス、本実施例で
は空気)の供給を受けて、回転軸59を介してタービン
58の回転のエネルギーを受け取る。そして、そのエネ
ルギーにより、酸化剤ガスを圧縮して燃料電池システム
50へ送出する。回転軸59は、ガスタービン56の圧
縮機57及びタービン58、発電機A84−1の回転の
軸であり、それらを相互に結合している。それにより、
タービン58の回転を圧縮機57及び発電機A84−1
へ伝達可能である。発電機A84−1は、回転軸59を
介してタービン58の回転のエネルギーを受け取る。そ
して、そのエネルギーを電磁誘導作用で電気エネルギー
へ変換することにより発電を行なう。
で燃焼により生成された燃焼ガスをタービン58に供給
する。一端部を燃焼器51に、他端部をタービン58に
接続している。燃焼ガス供給管B63−2は、タービン
58で使用された燃焼ガスである燃焼排ガスを、排熱回
収ボイラ52に供給する。一端部をタービン58に、他
端部をはい熱回収ボイラ52に接続している。酸化剤導
入管A64−1は、酸化剤供給部(図示せず)から圧縮
機57へ酸化剤(本実施例では空気)を供給する。
ンシステム65から送出される排燃焼ガスを用いて高温
高圧の水蒸気を生成し、そのエネルギーにより蒸気ター
ビン53を回転し、その回転のエネルギーにより発電機
B84−2で発電を行なう。ここで、蒸気タービンシス
テム66の排熱回収ボイラ52は、ガスタービンシステ
ム65から供給される高温の排燃焼ガスを用いて、内部
の配管中の水を高温高圧の水蒸気に変換する。そして、
その水蒸気を蒸気タービン53へ供給する。蒸気タービ
ン53は、排熱回収ボイラ52から供給された高温高圧
の水蒸気のエネルギーを回転のエネルギーに変換する。
その回転のエネルギーは、回転軸67により発電機B8
4−2へ伝達される。回転軸67は、蒸気タービン53
と発電機B84−2の回転の軸であり、それらを相互に
結合している。それにより、蒸気タービン53の回転を
発電機B84−2へ伝達可能である。発電機B84−2
は、回転軸67を介して蒸気タービン53の回転のエネ
ルギーを受け取る。そして、そのエネルギーを電磁誘導
作用で電気エネルギーへ変換することにより発電を行な
う。復水器54は、蒸気タービン53で使用された水蒸
気の温度を下げて水に戻す熱交換器である。熱交換によ
り得られた熱エネルギーは、他の機器により使用可能で
ある。ポンプ55は、復水器54で生成された水を排熱
回収ボイラ52へ供給する。
排熱回収ボイラ52から蒸気タービン53−復水器54
−ポンプ55と経由して、排熱回収ボイラ52に戻る水
(水蒸気)の循環用の流路である。循環管A71−1
は、一端部を排熱回収ボイラ52に、他端部を蒸気ター
ビン53に接続している。循環管B71−2は、一端部
を蒸気タービン53に、他端部を復水器54に接続して
いる。循環管C71−3は、一端部を復水器54に、他
端部をポンプ55に接続している。循環管D71−4
は、一端部をポンプ55に、他端部を排熱回収ボイラ5
2に接続している。排出管72は、排熱回収ボイラ52
において、熱回収された燃焼排ガスを外部へ排出する。
実施例では、空気である。燃料ガスは、水素を含むガス
や、LNG及びLPGのような炭化水素を含む可燃性の
ガスである。本実施例では、メタンガスである。
施の形態における動作について、図面を参照して説明す
る。まず、図3を参照して、起動の動作について説明す
る。 I)ガスタービンシステム65の起動 (1)燃料ガスを、燃料電池システム50経由で燃焼器
51に供給する。この段階では、水蒸気が生成されてい
ないため、燃料電池システム50における発電は行なわ
れない。 (2)一方、酸化剤ガスを、導入弁68−燃料電池シス
テム50経由で燃焼器51に供給する。 (3)ガスタービンシステム65の燃焼器51におい
て、燃料ガス及び酸化剤ガスが燃焼され、高温高圧の燃
焼ガスが生成される。生成された燃焼ガスは、タービン
58に供給される。 (4)供給される高温高圧の燃焼ガスにより、タービン
58が回転される。その回転により、圧縮機57及び発
電機84−1を動作させる。 (5)圧縮機57は、タービン58の回転により回転
し、酸化剤ガス(空気)を吸引し、圧縮し、燃料電池シ
ステム50へ向けて送出する。 (6)発電機A84−1は、タービン58の回転により
回転子が回転して、電磁誘導作用により発電が行なわれ
る。 (7)タービン58において、回転に使用された燃焼ガ
スは、排燃焼ガスとして蒸気タービンシステム66の排
熱回収ボイラ52へ送出される。 以上の動作により、ガスタービンシステム65が起動さ
れる。
れた排燃焼ガスにより、水及び水蒸気を加熱し、高温高
圧の水蒸気とする。そして、その水蒸気を蒸気タービン
53に供給する。 (2)供給される高温高圧の水蒸気により、蒸気タービ
ン53が回転される。その回転により、発電機B84−
2を動作させる。 (3)発電機B84−2は、蒸気タービン53の回転に
より回転子が回転して、電磁誘導作用により発電が行な
われる。 (4)蒸気タービン53において、回転に使用された水
蒸気は、復水器54へ送出される。 (5)復水器54で水に戻された後、ポンプ55により
強制的に排熱回収ボイラ52に還流する。 以上の動作により、蒸気タービンシステム66が起動さ
れる。 III)燃料電池システム50の起動 (1)高温の水蒸気を含んだ排燃焼ガスが、排熱回収ボ
イラ52から供給される。この時蒸気供給ライン76
(実施例1の水蒸気導入管A20−1)経由で供給され
る排燃焼ガスの量は、その内部に含まれる水蒸気のモル
量と、燃料導入管60(実施例1の第1燃料導入管A4
−1)から供給される燃料ガスのモル比とが予め設定さ
れた値になるように決定される。ただし、燃料導入管6
0(実施例1の第1燃料導入管A4−1)から供給され
る新規の燃料ガスを、調整するようにしても良い。排燃
焼ガスによりにより、燃料ガスが加湿される(水蒸気を
含むようになる)。また、排燃焼ガスにより、燃料電池
システム50内の改質器及び燃料電池本体が加熱され
る。 (2)一方、ガスタービンシステム65の起動により、
酸化剤ガスが圧縮機57に吸引され、燃料電池システム
50へ供給されるようになる。それに伴い、導入弁68
を閉止する。 (3)高温且つ加湿された燃料ガスにより、燃料電池シ
ステム50の温度が上昇することにより、燃料ガスの改
質が行なわれる。そして、燃料電池本体へ改質された燃
料ガスが供給される。 (4)燃料電池本体は、改質された燃料ガスと酸化剤ガ
スとの供給を受けて、外部負荷との接続により発電を行
なう。 以上の動作により、燃料電池システム50が起動され
る。
合発電システムが起動される。なお、本発明は、上記起
動方法に限定されるものでは無い。
料電池システム50、ガスタービンシステム65及び蒸
気タービンシステム66の起動終了時における各動作の
状態を継続して行なわれる。ただし、燃料電池システム
50の動作については、実施例1の動作と同様である。
を行なえば良いので、その説明を省略する。
て、燃料利用率の向上を図ることができる。また、燃料
電池システムでの燃料ガスへの水蒸気を、排熱回収ボイ
ラ(あるいは、ガスタービンでも良い)から得ることに
より、水蒸気供給の効率化を図ることが可能となる。
料排ガスおよび酸化剤排ガスは燃焼器51で燃焼した
後、ガスタービン58へ導入されている。しかし、その
熱を熱交換器により熱回収し、他の熱を利用することが
可能な設備に供給することも可能である。その概念的な
構成図を示したのが図4である。図4においては、燃焼
器51の燃焼ガスは、排ガス供給管83経由で排熱回収
ボイラ52へ直接供給される。そして、排熱回収ボイラ
52において水(水蒸気)と熱交換することにより熱回
収される。熱を回収した水蒸気・温水は、他の設備にお
いて使用される。使用後の水は、再びポンプ55によ
り、排熱回収ボイラ52へ循環される。他の設備として
は、吸収式冷凍器、ヒートポンプ、暖房用熱交換器、給
湯器などがある。これにより、ガスタービンや蒸気ター
ビン以外の設備においても、燃料電池システムの燃料排
ガス及び酸化剤排ガスを有効利用することが可能とな
る。すなわち、コジェネレーションシステムを組むこと
が出来る。
テムにおける燃料利用率の向上と、燃料ガスへの水蒸気
の供給の効率化を図ることが可能となる。
構成を示す図である。
関わるガス組成を示す表である。
構成を示す図である。
態の構成を示す図である。
態の構成を示す図である。
Claims (10)
- 【請求項1】第1燃料ガスと第1酸化剤ガスの供給によ
り発電を行なう第1燃料電池と、 前記第1燃料電池から送出される第1使用済み燃料ガス
と、第2燃料ガスと、第2酸化剤ガスの供給により発電
を行なう第2燃料電池と、 を具備する、 燃料電池システム。 - 【請求項2】前記第1燃料ガスは、前記第2燃料電池か
ら送出される第2使用済み燃料ガスを含む、 請求項1に記載の燃料電池システム。 - 【請求項3】前記第2燃料ガスの量は、前記第1使用済
み燃料ガスに含まれる水蒸気の量に基づいて決定され
る、 請求項1又は2のいずれか一項に記載の燃料電池システ
ム。 - 【請求項4】前記第1燃料電池及び前記第2燃料電池の
少なくとも一方は、予め設定された燃料利用率に基づい
て運転される、 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の燃料電池システ
ム。 - 【請求項5】前記第2酸化剤ガスは、更に、前記第1燃
料電池から送出される使用済み第1酸化剤ガスを含む、 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の燃料電池システ
ム。 - 【請求項6】前記第2燃料電池は、ガス的に直列に接続
された複数の燃料電池から成り、 各々の前記燃料電池は、前段の前記燃料電池又は前記第
1燃料電池から送出される使用済み燃料ガスと、燃料ガ
スと酸化剤ガスの供給により発電を行ない、 前記燃料ガスの量は、前記使用済み燃料ガスに含まれる
水蒸気の量に基づいて決定される、 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の燃料電池システ
ム。 - 【請求項7】前記酸化剤ガスは、前段の前記燃料電池又
は前記第1燃料電池から送出される使用済み酸化剤ガス
を含む、 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の燃料電池システ
ム。 - 【請求項8】請求項1乃至7のいずれか一項に記載の燃
料電池システムと、 前記燃料電池システムからの排燃料ガス及び排酸化剤ガ
スを用いるガスタービンと、 前記ガスタービンにより稼動する第1発電機と、 を具備する複合発電システム。 - 【請求項9】前記ガスタービンの燃焼排ガスを用いる排
熱回収ボイラと、 前記排熱回収ボイラにより稼動する蒸気タービンと、 前記蒸気タービンにより稼動する第2発電機と、 を更に具備する、 請求項8に記載の複合発電システム。 - 【請求項10】請求項1乃至7のいずれか一項に記載の
燃料電池システムと、 前記燃料電池システムからの排燃料ガス及び排酸化剤ガ
スを燃焼する排ガス燃焼器と、 前記排ガス燃焼器からの排出ガスを用いる排熱回収ボイ
ラと、 前記排熱回収ボイラで加熱された水及び蒸気を用いる設
備と、 を具備する、 コジェネレーションシステム。
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