JP2005098255A - Power generating device - Google Patents

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Yasuyuki Hamachi
康之 濱地
Mitsuharu Murota
光春 室田
Toshihisa Kanda
俊久 神田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power generating device improving power generation efficiency and demonstrating excellent durability. <P>SOLUTION: In the power generating device having a solid oxide type fuel cell provided in an upstream side (topping side) of fuel flow, a gas turbine driving a generator provided in a downstream thereof, a variable rotation speed type generator is used as the generator supplying compressed air and fuel to the solid oxide type fuel cell and collecting exhaust gas energy as electric energy and a converter which can convert frequency of electric power output from the generator to a predetermined frequency is provided. A bypass passage leading part of the compressed air to be supplied to the solid oxide type fuel cell from a compressor of a gas turbine to a combustion gas passage in a downstream side of a combustion chamber of the gas turbine at a time of partial load is provided. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池とガスタービンとで発電する発電装置に関するものである。   The present invention relates to a power generation apparatus that generates power with a solid oxide fuel cell and a gas turbine.

従来のガスタービンによる発電効率は約４０％程度であり、ガスタービン（ＧＴ）と固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）とを併用する発電システムの発電効率は５３％程度が限界である。図５は、様々な発電システムの発電効率の比較図である。発電装置としては、ガスタービンと固体酸化物型燃料電池との組み合わせが最も発電効率が高いことが、図５から把握することができる。
また、固体酸化物型燃料電池は、負荷が小さくなると温度が低下し、燃料電池としての性能が安定せず、部分負荷時における発電効率は特に改善の余地がある。
特開２００２−３０５００９公報 The power generation efficiency of a conventional gas turbine is about 40%, and the power generation efficiency of a power generation system using a gas turbine (GT) and a solid oxide fuel cell (SOFC) in combination is about 53%. FIG. 5 is a comparison diagram of power generation efficiency of various power generation systems. As the power generation device, it can be understood from FIG. 5 that the combination of the gas turbine and the solid oxide fuel cell has the highest power generation efficiency.
In addition, the solid oxide fuel cell has a temperature that decreases when the load is reduced, the performance as a fuel cell is not stable, and there is room for improvement in power generation efficiency at the time of partial load.
JP 2002-305209 A

そこで本発明では、発電効率の向上化を図り、さらに耐久性に優れた発電装置を提供することを課題としている。   Therefore, an object of the present invention is to improve the power generation efficiency and to provide a power generation device with excellent durability.

上記課題を解決するため、請求項１の発明では、燃料の流れの上流側に固体酸化物型燃料電池を設置し、前記固体酸化物型燃料電池の下流側に発電機を駆動するガスタービンを設置した発電装置において、前記固体酸化物型燃料電池に、加圧された燃料ガスと、酸素を含む圧縮空気とが供給されており、前記発電機が、回転速度可変タイプの発電機であり、負荷が変動しても、前記発電機から出力される電力の周波数を所定の周波数に変換することができる変換機を備えた。
請求項２の発明では請求項１の発明において、部分負荷時において、前記ガスタービンの圧縮機から固体酸化物型燃料電池に供給される圧縮空気の一部を、ガスタービンの燃焼室下流側の燃焼ガス通路へ導くバイパス通路を設けた。
請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、前記ガスタービンの圧縮機として、多段式軸流圧縮機を採用した。
請求項４の発明では請求項１〜３のうちのいずれかの発明において、前記ガスタービンの燃焼室に、前記固体酸化物型燃料電池経由とは別経路でも燃料が供給されるように新たに燃料供給通路を設け、前記燃料供給通路は弁を備えており、前記弁の開度を調整することにより燃料の通過量を加減することができ、前記燃料供給通路経由の燃料量を調整することにより前記ガスタービンの燃焼室内の空気過剰率を変更可能にした。 In order to solve the above-mentioned problems, in the invention of claim 1, a solid oxide fuel cell is installed on the upstream side of the fuel flow, and a gas turbine for driving a generator is installed on the downstream side of the solid oxide fuel cell. In the installed power generator, the solid oxide fuel cell is supplied with pressurized fuel gas and compressed air containing oxygen, and the generator is a variable speed generator. A converter is provided that can convert the frequency of the power output from the generator to a predetermined frequency even when the load fluctuates.
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, at the time of partial load, a part of the compressed air supplied from the compressor of the gas turbine to the solid oxide fuel cell is disposed on the downstream side of the combustion chamber of the gas turbine. A bypass passage leading to the combustion gas passage was provided.
In the invention of claim 3, in the invention of claim 1 or 2, a multistage axial flow compressor is adopted as the compressor of the gas turbine.
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects of the present invention, fuel is newly supplied to the combustion chamber of the gas turbine so as to be supplied by a route different from that via the solid oxide fuel cell. A fuel supply passage is provided, and the fuel supply passage includes a valve. The amount of fuel passing can be adjusted by adjusting the opening of the valve, and the amount of fuel passing through the fuel supply passage is adjusted. Thus, the excess air ratio in the combustion chamber of the gas turbine can be changed.

請求項１の発明では、燃料の流れの上流側に固体酸化物型燃料電池を設置し、固体酸化物型燃料電池の下流側に発電機を駆動するガスタービンを設置した発電装置において、発電機を回転速度可変タイプの発電機とし、さらに回転速度が変化しても発電機から出力される電力の周波数を所定の周波数に変換することができる変換機を備えるようにした。そのため、部分負荷時において固体酸化物型燃料電池の温度低下を回避する目的で、空気の供給量を燃料供給量に応じた量に減らすために圧縮機の回転速度を下げても、排気エネルギ−を電気エネルギーとして回収することができる。また固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の温度低下を回避することができるので、アノード側において燃料の改質が十分に行われ、広い負荷範囲で、６０％程度の高い発電効率を得ることができる。図６は、各種発電装置の部分負荷時における発電効率と負荷率の関係を示すグラフである。図６に示すように、本発明の発電装置は、広範囲の負荷率において従来の発電システムよりも高い発電効率を得ることができる。   According to the first aspect of the present invention, in the power generator in which the solid oxide fuel cell is installed upstream of the fuel flow and the gas turbine for driving the generator is installed downstream of the solid oxide fuel cell, the generator Is a variable rotation speed generator, and further includes a converter that can convert the frequency of the electric power output from the generator to a predetermined frequency even when the rotation speed changes. Therefore, for the purpose of avoiding the temperature drop of the solid oxide fuel cell at the partial load, the exhaust energy can be reduced even if the rotational speed of the compressor is reduced in order to reduce the air supply amount to an amount corresponding to the fuel supply amount. Can be recovered as electrical energy. Moreover, since the temperature drop of the solid oxide fuel cell (SOFC) can be avoided, the reforming of the fuel is sufficiently performed on the anode side, and a high power generation efficiency of about 60% can be obtained in a wide load range. it can. FIG. 6 is a graph showing the relationship between power generation efficiency and load factor at the time of partial load of various power generation devices. As shown in FIG. 6, the power generation device of the present invention can obtain higher power generation efficiency than the conventional power generation system in a wide range of load factors.

請求項２の発明では、ガスタービンの圧縮機から固体酸化物型燃料電池に供給される圧縮空気の一部を、ガスタービンの燃焼室下流側の燃焼ガス通路へ導くバイパス通路を設けたので、部分負荷時においては低温の圧縮空気の一部を固体酸化物型燃料電池へ供給しないようにしたため、固体酸化物型燃料電池の無駄な温度低下を回避することができ、高い発電効率を維持することができる。   In the invention of claim 2, since a bypass passage is provided for guiding a part of the compressed air supplied from the compressor of the gas turbine to the solid oxide fuel cell to the combustion gas passage on the downstream side of the combustion chamber of the gas turbine, Since part of the low-temperature compressed air is not supplied to the solid oxide fuel cell during partial load, it is possible to avoid a wasteful temperature drop of the solid oxide fuel cell and maintain high power generation efficiency. be able to.

請求項３の発明では、ガスタービンの圧縮機として、多段式軸流圧縮機を採用したので、高い発電効率を実現することができる。また、多段式軸流圧縮機のサージングによる破損を回避するために行う抽気により、低温の圧縮空気の一部が固体酸化物型燃料電池へ供給されず、固体酸化物型燃料電池の無用な温度低下を防止することができるため、発電効率を高く維持することができる。   In the invention of claim 3, since the multistage axial flow compressor is adopted as the compressor of the gas turbine, high power generation efficiency can be realized. Also, due to the extraction performed to avoid damage due to the surging of the multistage axial compressor, a part of the low-temperature compressed air is not supplied to the solid oxide fuel cell, and the useless temperature of the solid oxide fuel cell Since the decrease can be prevented, the power generation efficiency can be kept high.

請求項４の発明では、ガスタービンの燃焼室内の空気過剰率を変更可能にしたので、発電装置の起動時においては、着火し易くなるように燃焼室内の空気過剰率をリッチに設定して燃焼させるようにした。また、ＳＯＦＣ６の温度が上昇し、燃焼が安定した段階では、ＳＯＦＣ６から排出される残存燃料だけを燃焼させるようにした。したがって、アノードガスとカソードガスが、ＳＯＦＣ出口で合流して燃焼室に供給されても、起動時には、低温の混合ガスを燃焼させることができる。   In the invention of claim 4, since the excess air ratio in the combustion chamber of the gas turbine can be changed, when the power generator is started, the excess air ratio in the combustion chamber is set to be rich so that ignition is easy. I tried to make it. In addition, when the temperature of the SOFC 6 rises and the combustion is stabilized, only the residual fuel discharged from the SOFC 6 is burned. Therefore, even when the anode gas and the cathode gas merge at the SOFC outlet and are supplied to the combustion chamber, the low-temperature mixed gas can be combusted at the time of startup.

（請求項１の発明の実施例）
図１は、請求項１の発明を実施した発電装置１００の系統略図である。図１に示すように発電装置１００は、固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣと呼ぶ）６、ガスタービン５０とを備えている。 (Embodiment of Invention of Claim 1)
FIG. 1 is a schematic system diagram of a power generator 100 embodying the invention of claim 1. As shown in FIG. 1, the power generation apparatus 100 includes a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as SOFC) 6 and a gas turbine 50.

ＳＯＦＣ６は、カソード３とアノード４とを備えている。カソード３側には、ガスタービン５０の圧縮機１で圧縮された圧縮空気が、圧縮空気通路１６を通って、熱交換器２で昇温されて供給される。   The SOFC 6 includes a cathode 3 and an anode 4. Compressed air compressed by the compressor 1 of the gas turbine 50 is supplied to the cathode 3 side through the compressed air passage 16 and heated by the heat exchanger 2.

アノード４側には、燃料圧縮機７、改質器５が接続されている。例えばメタンガス（ＣＨ４）からなる燃料ガスが、燃料ガス供給通路２１を経て燃料圧縮機７へ供給され、且つ、燃料圧縮機７で圧縮される。圧縮された燃料ガスは、通路２２を介して改質器５へ導かれる。改質器５では、圧縮された燃料ガスから燃料ガスＨ２(水素)とＣＯ（一酸化炭素）が生成される。この燃料ガスＨ２とＣＯが、通路２３を介してＳＯＦＣ６のアノード４側へ供給される。アノード４から出たＨ２Ｏ成分は、バイパス通路２５を介して改質器５に戻され、燃料改質に寄与する。 A fuel compressor 7 and a reformer 5 are connected to the anode 4 side. For example, fuel gas composed of methane gas (CH 4 ) is supplied to the fuel compressor 7 through the fuel gas supply passage 21 and is compressed by the fuel compressor 7. The compressed fuel gas is guided to the reformer 5 through the passage 22. In the reformer 5, fuel gas H 2 (hydrogen) and CO (carbon monoxide) are generated from the compressed fuel gas. The fuel gases H 2 and CO are supplied to the anode 4 side of the SOFC 6 through the passage 23. The H 2 O component emitted from the anode 4 is returned to the reformer 5 through the bypass passage 25 and contributes to fuel reforming.

カソード３とアノード４との間で発生した直流電力が、配線１８を介して出力される。この直流電力は、ＤＣ／ＡＣ変換機１１で交流電力に変換され、配線２０を介して負荷へ供給される。   DC power generated between the cathode 3 and the anode 4 is output via the wiring 18. This DC power is converted to AC power by the DC / AC converter 11 and supplied to the load via the wiring 20.

一方、アノード４から通路２４を介して、燃料ガスＨ２とＣＯが、ガスタービン５０の燃焼室８へ供給される。また、カソード３を通過した圧縮空気が、通路１７を介して燃焼室８へ供給される。 On the other hand, fuel gas H 2 and CO are supplied from the anode 4 to the combustion chamber 8 of the gas turbine 50 through the passage 24. The compressed air that has passed through the cathode 3 is supplied to the combustion chamber 8 through the passage 17.

燃焼室８で燃焼した燃焼ガスが、通路１９を介してタービン９へ供給され、燃焼ガスはタービン９を回転させる。このタービン９を支持する軸１５が、タービン９と共に回転し、軸１５に設置された圧縮機１も同時に回転し、圧縮空気を生成する。また、タービン９を回転させた高温の燃焼ガスは、排気通路２８を通り、途中、熱交換器２を通過して排出される。一方、圧縮機１から排出された圧縮空気は、この熱交換器２内で加熱されてカソード３に入る。   The combustion gas burned in the combustion chamber 8 is supplied to the turbine 9 through the passage 19, and the combustion gas rotates the turbine 9. The shaft 15 that supports the turbine 9 rotates together with the turbine 9, and the compressor 1 installed on the shaft 15 also rotates at the same time to generate compressed air. The high-temperature combustion gas that has rotated the turbine 9 passes through the exhaust passage 28 and passes through the heat exchanger 2 and is discharged. On the other hand, the compressed air discharged from the compressor 1 is heated in the heat exchanger 2 and enters the cathode 3.

タービン９の回転により、発電機１０が駆動される。軸１５の回転速度によって発電機１０の発電周波数は異なるが、例えば周波数ＡＣ５００〜８００Ｈｚの交流電力が、配線２６を介してＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換機１２に供給される。   The generator 10 is driven by the rotation of the turbine 9. Although the power generation frequency of the generator 10 varies depending on the rotational speed of the shaft 15, for example, AC power having a frequency of AC 500 to 800 Hz is supplied to the AC / DC / AC converter 12 via the wiring 26.

図７は、従来型の誘導式発電機、及び永久磁石式の高速発電機の部分負荷効率を示すグラフである。図７から、周波数変換装置を持った永久磁石式高速発電機では、負荷が部分負荷になれば回転速度を下げることによって発電効率の低下を防ぎ、その発電効率は従来の誘導式発電機の発電効率を上回るっていることがわかる。   FIG. 7 is a graph showing partial load efficiencies of a conventional induction generator and a permanent magnet type high-speed generator. From FIG. 7, in the permanent magnet type high-speed generator having the frequency converter, when the load becomes a partial load, the rotation speed is reduced to prevent the generation efficiency from being lowered, and the generation efficiency is the power generation of the conventional induction generator. It turns out that it exceeds efficiency.

ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換機１２は、供給された交流電力の周波数を、例えば６０Ｈｚ（関西地方等）の一定周波数に変換し、配線２７を介して負荷へ出力する。軸１５の回転数が変化すると、発電機１０の出力電力の周波数も変動するが、この変動した周波数を所定の一定値（例えば６０Ｈｚ）に変換するＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換機１２により、最終的には一定周波数の出力電力が得られる。   The AC / DC / AC converter 12 converts the frequency of the supplied AC power into, for example, a constant frequency of 60 Hz (Kansai region or the like), and outputs it to the load via the wiring 27. When the rotation speed of the shaft 15 changes, the frequency of the output power of the generator 10 also fluctuates. The AC / DC / AC converter 12 that converts this fluctuating frequency to a predetermined constant value (for example, 60 Hz) finally Output power with a constant frequency is obtained.

図８は、発電装置１００の負荷率と送電端熱効率の関係を示すグラフである。図１に示す軸１５の回転速度（所定時間当たりの回転数）が一定のまま負荷が小さくなると、熱効率が悪化することが、図８において右上から左下へ延びる破線で示されている。   FIG. 8 is a graph showing the relationship between the load factor of the power generation apparatus 100 and the power transmission end thermal efficiency. A broken line extending from the upper right to the lower left in FIG. 8 indicates that the thermal efficiency deteriorates when the load decreases while the rotation speed of the shaft 15 shown in FIG. 1 (the number of rotations per predetermined time) remains constant.

しかし、発電装置１００は、回転速度可変タイプの発電機１０とＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換機１２とが設けてあるので、負荷が小さくなった時（つまり部分負荷になった時）においても、熱効率を悪化させることなく軸１５（図１）の回転速度（所定時間当たりの回転数）を小さく設定することができる。   However, since the power generation device 100 includes the variable speed generator 10 and the AC / DC / AC converter 12, even when the load becomes small (that is, when it becomes a partial load), the thermal efficiency is improved. The rotation speed (the number of rotations per predetermined time) of the shaft 15 (FIG. 1) can be set small without deteriorating the.

「軸１５の回転速度が小さくなる」とは、つまり、燃焼室８に供給される燃料ガス量と圧縮空気量とが減少することを意味している。圧縮空気通路１６を通過する圧縮空気量が減少すると、圧縮空気が熱交換器２内に滞在する時間が長くなり、熱交換器２内で高温の排気ガスから熱が十分に伝達され、昇温した圧縮空気がＳＯＦＣ６に供給される。   “The rotational speed of the shaft 15 is reduced” means that the amount of fuel gas and the amount of compressed air supplied to the combustion chamber 8 are reduced. When the amount of compressed air passing through the compressed air passage 16 decreases, the time during which the compressed air stays in the heat exchanger 2 increases, and heat is sufficiently transferred from the high-temperature exhaust gas in the heat exchanger 2 to raise the temperature. The compressed air thus supplied is supplied to the SOFC 6.

図９は、熱交換器２における空気流量と温度効率の関係を示すグラフである。部分負荷時において、圧縮空気の流量が減少する(流量比が小さくなる)と、温度効率は設計点(定格点)より高くなる。回転速度を下げることにより圧縮後の空気温度は低下するが、熱交換器２内において、圧縮空気と排気ガスとの熱交換が定格点到達時よりも効率良く行われることにより、圧縮空気の温度は、定格点到達時の温度と同程度となり、この高温の圧縮空気がカソード３に送られる。   FIG. 9 is a graph showing the relationship between the air flow rate and the temperature efficiency in the heat exchanger 2. When the flow rate of compressed air decreases (partial flow ratio decreases) at the partial load, the temperature efficiency becomes higher than the design point (rated point). Although the air temperature after compression decreases by lowering the rotation speed, the heat exchange between the compressed air and the exhaust gas is performed more efficiently in the heat exchanger 2 than when the rated point is reached. Becomes approximately the same as the temperature when the rated point is reached, and this high-temperature compressed air is sent to the cathode 3.

負荷が変化しても、このようにしてＳＯＦＣ６の温度をほぼ一定に保つことができるので、ＳＯＦＣ６を保護することができ、ＳＯＦＣ６は、従来よりも長時間の使用に耐えることができる。   Even if the load changes, the temperature of the SOFC 6 can be kept substantially constant in this way, so that the SOFC 6 can be protected, and the SOFC 6 can withstand longer use than before.

燃料ガスや空気を加圧状態で使用すると、熱効率が向上することがわかっている。図１０は、圧力比１．４（非加圧状態）に設定した場合と、圧力比５（加圧状態）に設定した場合の送電端熱効率を比較したグラフである。圧力比を１．０に設定すると、タービン９（図１）が回転せず、ガスタービン５０は発電を行うことができないため、ここでは圧力比１．４を非加圧状態としている。   It has been found that using fuel gas or air in a pressurized state improves thermal efficiency. FIG. 10 is a graph comparing power transmission end thermal efficiency when the pressure ratio is set to 1.4 (non-pressurized state) and when the pressure ratio is set to 5 (pressurized state). When the pressure ratio is set to 1.0, the turbine 9 (FIG. 1) does not rotate, and the gas turbine 50 cannot generate power, so the pressure ratio 1.4 is not pressurized here.

図１０に示すように、圧力比５の加圧状態にすることでガスタービン５０（ＧＴ）の熱効率は、１．０％から１１．６％まで大幅に向上し、ＳＯＦＣ６の熱効率も４９．７％から５０．９％に向上しているのがわかる。つまり、発電装置１００全体の熱効率としては、５０．７％から６２．５％に向上することがわかる。   As shown in FIG. 10, the thermal efficiency of the gas turbine 50 (GT) is greatly improved from 1.0% to 11.6% by setting the pressure ratio at a pressure ratio of 5, and the thermal efficiency of the SOFC 6 is also 49.7. It can be seen that the percentage is improved from 5% to 50.9%. That is, it can be seen that the thermal efficiency of the entire power generation apparatus 100 is improved from 50.7% to 62.5%.

ＳＯＦＣ６は、温度変化が大きくなると耐久性が悪化する。したがって、発電装置１００の稼働中は、可能な限りＳＯＦＣ６の温度が変化しないようにするのが好ましい。負荷が減少した際に、図１に示す発電装置１００は、ＳＯＦＣ６へ供給する燃料ガスと空気の量を減少させ、引いては燃焼室８での燃焼量を低減させてタービン９（軸１５）の回転速度を落とす。   The durability of SOFC 6 deteriorates when the temperature change increases. Therefore, it is preferable to keep the temperature of the SOFC 6 from changing as much as possible while the power generation apparatus 100 is in operation. When the load is reduced, the power generation apparatus 100 shown in FIG. 1 reduces the amount of fuel gas and air supplied to the SOFC 6 and thereby reduces the amount of combustion in the combustion chamber 8 to reduce the amount of combustion in the turbine 9 (shaft 15). Reduce the rotation speed.

発電機１０は、回転速度可変タイプなので、軸１５の回転速度が下がっても発電することができる。このとき発電された電力の周波数は、例えば定格時に発電された電力の周波数と比較して低くなるが、ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換機１２が、この周波数の変動を吸収し、例えば６０Ｈｚの一定周波数の電力に変換することができる。   Since the generator 10 is a variable rotation speed type, power can be generated even if the rotation speed of the shaft 15 decreases. The frequency of the electric power generated at this time is lower than, for example, the frequency of the electric power generated at the time of rating, but the AC / DC / AC converter 12 absorbs fluctuations in this frequency and is, for example, a constant frequency of 60 Hz. Can be converted into power.

したがって、必要な負荷が減少した際には、ＳＯＦＣ６の温度変化をほぼゼロにして耐久性の悪化を阻止し、反応する空気量（酸素量）と燃料の量とを減少させ、軸１５の回転速度を低下させることで発電量を低減させるようにする。   Therefore, when the required load is reduced, the temperature change of the SOFC 6 is made almost zero to prevent the deterioration of durability, the amount of reacting air (oxygen amount) and the amount of fuel are reduced, and the shaft 15 rotates. Reduce power generation by reducing the speed.

圧縮機１としては、遠心圧縮機を採用するのが好ましい。遠心圧縮機は、チョークからサージングまでの使用可能な回転速度範囲を広くとることができ、軸１５の回転速度の変化に対応し易く、本発明を実施するのに適している。一般に、大型の発電装置で熱効率を優先する場合には軸流圧縮機が適しているが、小型の発電装置で広い作動範囲が必要な場合には遠心圧縮機が適している。   As the compressor 1, it is preferable to employ a centrifugal compressor. The centrifugal compressor can take a wide range of usable rotational speeds from choke to surging, can easily cope with changes in the rotational speed of the shaft 15, and is suitable for carrying out the present invention. In general, an axial compressor is suitable when a large power generator is prioritized for thermal efficiency, but a centrifugal compressor is suitable when a small power generator requires a wide operating range.

（請求項２の発明の実施例）
図２は、請求項２の発明を実施した発電装置２００の系統略図である。発電装置２００は、ガスタービン５０ａにおいて、圧縮空気通路１６と通路１９とを接続するバイパス通路１４が設けてある構成が、図１の発電装置１００の構成と相違している。その他の構成で発電装置１００の構成と同じ構成には、同じ符号を付してある。 (Embodiment of Invention of Claim 2)
FIG. 2 is a schematic system diagram of a power generator 200 in which the invention of claim 2 is implemented. The power generator 200 is different from the power generator 100 of FIG. 1 in that the gas turbine 50a is provided with a bypass passage 14 that connects the compressed air passage 16 and the passage 19. In other configurations, the same reference numerals are given to the same configurations as those of the power generation device 100.

図２に示すように、バイパス通路１４には弁１３が設けてある。この弁１３の開度を調整することにより、熱交換器２へ送られる圧縮空気の量を調整することができるようになっている。このバイパス通路１４から圧縮空気の一部を逃がすことにより、出力を低下させる（つまり、部分負荷にする）ことができる。弁１３の開度の調整は、ＣＰＵ制御される図示しない制御機構により行う。   As shown in FIG. 2, a valve 13 is provided in the bypass passage 14. The amount of compressed air sent to the heat exchanger 2 can be adjusted by adjusting the opening of the valve 13. By releasing a part of the compressed air from the bypass passage 14, the output can be reduced (that is, a partial load). Adjustment of the opening degree of the valve 13 is performed by a control mechanism (not shown) controlled by the CPU.

規格上の問題等により、圧縮機１の単位時間当たりの回転数を所望する回転数まで下げることができない場合には、請求項２の発明を実施することにより、ＳＯＦＣ６の温度低下を阻止しながら出力を低下させることができる。つまり、圧縮機１としては、高い熱効率が得られる軸流圧縮機を採用することができる。熱効率は良好であるが作動範囲の広くない軸流圧縮機でも、抽気を兼ねたバイパス通路１４を設けることにより、ＳＯＦＣの温度を下げずに部分負荷運転が可能となる。   When the rotational speed per unit time of the compressor 1 cannot be lowered to a desired rotational speed due to a problem in the standard, etc., the temperature of the SOFC 6 is prevented from being lowered by implementing the invention of claim 2. The output can be reduced. That is, as the compressor 1, an axial flow compressor that can obtain high thermal efficiency can be adopted. Even in an axial flow compressor that has good thermal efficiency but does not have a wide operating range, a partial load operation can be performed without lowering the SOFC temperature by providing the bypass passage 14 that also serves as bleed air.

図１１は、バイパス通路１４に一部の圧縮空気を通した場合の負荷率と送電端熱効率の関係を示すグラフである。軸１５の回転速度を一定のまま負荷を下げると、熱効率も同時に下がってしまう。しかし、バイパス通路１４の弁１３（バイパス弁）を開くと、熱効率は、負荷率５０％程度までは却って上昇しており、負荷率３０％くらいまでは熱効率は６０％以上を呈する。図１１において、CellとはＳＯＦＣ６を指す。   FIG. 11 is a graph showing the relationship between the load factor and the power transmission end thermal efficiency when a part of compressed air is passed through the bypass passage 14. If the load is reduced while the rotational speed of the shaft 15 is kept constant, the thermal efficiency will also decrease at the same time. However, when the valve 13 (bypass valve) of the bypass passage 14 is opened, the thermal efficiency rises up to a load factor of about 50%, and the thermal efficiency reaches 60% or more up to a load factor of about 30%. In FIG. 11, Cell refers to SOFC6.

（請求項３の発明の実施例）
図３は、請求項３の発明を実施した発電装置３００の系統略図である。発電装置３００は、ガスタービン５０ｂにおいて、多段式に軸流圧縮機１、１ａが設けてある構成のみが、図１の発電装置１００の構成と相違しており、その他の構成は発電装置１００の構成と同じである。したがって、発電装置１００の構成と同じ構成には、同じ符号を付してある。多段式軸流圧縮機は、遠心式圧縮機よりも効率が高く、特に、大型のガスタービンでは多段式軸流圧縮機が採用されることが多い。 (Embodiment of Invention of Claim 3)
FIG. 3 is a schematic system diagram of a power generator 300 in which the invention of claim 3 is implemented. The power generator 300 is different from the power generator 100 in FIG. 1 only in the configuration in which the axial compressors 1 and 1a are provided in a multistage manner in the gas turbine 50b. Same as the configuration. Therefore, the same reference numerals are given to the same components as those of the power generation device 100. Multistage axial compressors are more efficient than centrifugal compressors, and in particular, multistage axial compressors are often employed in large gas turbines.

多段式軸流圧縮機には、サージングに備えて、圧縮機１と１ａを接続する通路３１の空気抜きができるように、弁１３ａを備えた通路３２が設けてある。サージングにより多段式圧縮機が破損することを回避するため、弁１３ａから圧縮空気の一部が排出される（抽気される）が、これが、熱交換器２における温度効率の向上に寄与する。特に、部分負荷時において、熱効率の向上は顕著である。また、多段式軸流圧縮機を備えたガスタービンにおいては、抽気することで、ＳＯＦＣ６の温度低下を抑制することができる。   The multi-stage axial flow compressor is provided with a passage 32 provided with a valve 13a so that air can be vented from the passage 31 connecting the compressors 1 and 1a in preparation for surging. In order to avoid damage to the multistage compressor due to surging, a part of the compressed air is discharged (bleed out) from the valve 13a, which contributes to the improvement of the temperature efficiency in the heat exchanger 2. In particular, at the time of partial load, the improvement in thermal efficiency is remarkable. Moreover, in the gas turbine provided with the multistage axial flow compressor, the temperature reduction of the SOFC 6 can be suppressed by extracting.

（請求項４の発明の実施例）
図４は、請求項４の発明を実施した発電装置４００の系統略図である。発電装置４００は、燃料圧縮機７から燃料ガスを直接ガスタービン５０ｃの燃焼室８に供給可能な通路２４ａが設けてある構成が、図１の発電装置１００の構成と大きく相違しており、発電装置１００の構成と同じ構成には、同じ符号を付してある。 (Embodiment of invention of claim 4)
FIG. 4 is a schematic system diagram of a power generator 400 embodying the invention of claim 4. The power generation device 400 is greatly different from the configuration of the power generation device 100 in FIG. 1 in that a configuration in which a passage 24a capable of supplying fuel gas directly from the fuel compressor 7 to the combustion chamber 8 of the gas turbine 50c is provided. The same components as those of the apparatus 100 are denoted by the same reference numerals.

通路２４ａには弁１３ｂが設けてある。発電装置４００の起動時には、この弁１３ｂを開き、燃料圧縮機７から燃料ガスを直接燃焼室８内へ導き、燃焼室８内の空気過剰率をλ＝１．７程度までリッチ側に設定し、着火し易くする。ＳＯＦＣ６の温度が上昇すると、弁１３ｂを閉じ、ＳＯＦＣ６からの残存燃料だけを燃焼させるようにする。   A valve 13b is provided in the passage 24a. When starting up the power generator 400, the valve 13b is opened, the fuel gas is directly guided from the fuel compressor 7 into the combustion chamber 8, and the excess air ratio in the combustion chamber 8 is set to the rich side up to about λ = 1.7. , Make it easy to ignite. When the temperature of the SOFC 6 rises, the valve 13b is closed and only the remaining fuel from the SOFC 6 is burned.

また、図４に示すように、アノ−ド４から排出されたアノードガスを、通路２５ａ、バイパス通路２９を介してカソード３側の圧縮空気通路１７内のカソードガスと合流させた後、燃焼器８に流入させる。図１〜図３の場合のように、アノードガスとカソードガスを別々に燃焼器８に導くのが困難な場合には、図４に示すように両者を予め混合して燃焼器８へ導く。始動時のようなＳＯＦＣ６の温度が低い場合には、この混合ガスを燃焼させるのが困難なため、別途に燃料ラインとして通路２４ａを設けて、燃焼可能な混合気（リッチな空気過剰率）にして燃焼させる。アノード４から排出されたＨ２Ｏ成分は、通路２５ａ、バイパス通路２９及び燃料ガス供給通路２２を介して改質器５へ戻される。 Further, as shown in FIG. 4, after the anode gas discharged from the anode 4 is merged with the cathode gas in the compressed air passage 17 on the cathode 3 side through the passage 25a and the bypass passage 29, the combustor 8 is allowed to flow. When it is difficult to separately guide the anode gas and the cathode gas to the combustor 8 as in the case of FIGS. 1 to 3, both are mixed in advance and guided to the combustor 8 as shown in FIG. 4. When the temperature of the SOFC 6 is low at the time of starting, it is difficult to burn this mixed gas. Therefore, a separate passage 24a is provided as a fuel line to make a combustible air-fuel mixture (rich air excess ratio). And burn. The H 2 O component discharged from the anode 4 is returned to the reformer 5 through the passage 25a, the bypass passage 29, and the fuel gas supply passage 22.

図１２は、発電装置１００〜４００（以下、代表して発電装置１００とする）の運転時の負荷率と発電効率とを示すグラフである。この図１２により、発電装置１００の運転手順を説明する。   FIG. 12 is a graph showing the load factor and power generation efficiency during operation of power generation apparatuses 100 to 400 (hereinafter, representatively referred to as power generation apparatus 100). The operation procedure of the power generator 100 will be described with reference to FIG.

発電装置１００の起動時は、ＳＯＦＣ６は低温であり、発電することができないため、始動後から２０％負荷まではガスタービン５０のみで発電を行う。図１２において、ガスタービン５０の負荷率が２０％負荷に到達するのは、Ａ点である。   At the time of starting the power generation apparatus 100, the SOFC 6 is at a low temperature and cannot generate power. Therefore, power generation is performed only with the gas turbine 50 up to a 20% load after startup. In FIG. 12, the load factor of the gas turbine 50 reaches 20% load at point A.

定格点Ｂにおけるガスタービン５０の出力割合は約２０％なので、Ａ点とＢ点におけるガスタービン５０の各運転状態はほぼ同じであると言える。そのため、ＳＯＦＣ６のカソード３側に供給される圧縮空気の温度は定格点と変わらず、やがてＳＯＦＣ６のセル全体の温度は、改質の生じる温度（約６００℃）に到達する。   Since the output ratio of the gas turbine 50 at the rated point B is about 20%, it can be said that the operating states of the gas turbine 50 at the points A and B are substantially the same. For this reason, the temperature of the compressed air supplied to the cathode 3 side of the SOFC 6 does not change from the rated point, and the temperature of the entire SOFC 6 cell eventually reaches the temperature at which reforming occurs (about 600 ° C.).

熱的平衡に達すれば、ガスタービン５０の出力（発電量）を下げ、代わりにＳＯＦＣ６の発電量を増やせば、ＳＯＦＣ６のセル温度が徐々に上昇し、最終的にＣ点（タービン９の入口温度制限点、又は熱交換器２の入口温度制限点）に到達する。これで２０％負荷での起動を完了する。   If the thermal equilibrium is reached, the output (power generation amount) of the gas turbine 50 is decreased, and if the power generation amount of the SOFC 6 is increased instead, the cell temperature of the SOFC 6 gradually increases and finally the point C (the inlet temperature of the turbine 9). The limit point or the inlet temperature limit point of the heat exchanger 2) is reached. This completes startup at 20% load.

その後、負荷の増加に応じて、ＳＯＦＣ６に燃焼ガスを供給しても、セル温度は直ちには上昇しないため、発電効率が下がって図１２のＤ点に達する。その後、タービン９の入口温度、又は熱交換器２の入口温度が、制限値に達するように軸１５の回転数を下げてガスタービン５０の出力を減らすと、やがてＥ点に達する。   Thereafter, even if the combustion gas is supplied to the SOFC 6 in accordance with the increase in load, the cell temperature does not rise immediately, so the power generation efficiency decreases and reaches point D in FIG. Thereafter, when the rotational speed of the shaft 15 is decreased so that the inlet temperature of the turbine 9 or the inlet temperature of the heat exchanger 2 reaches the limit value and the output of the gas turbine 50 is reduced, the point E is eventually reached.

このように、起動時や、負荷の増減時には、ガスタービン５０の発電が先行して負荷を分担することにより、別途加熱装置を設けることなく、この発電装置を起動することができる。   Thus, at the time of start-up or when the load is increased or decreased, the power generation can be started without providing a separate heating device by sharing the load in advance of the power generation of the gas turbine 50.

本発明は、出力が３０Ｋｗ〜１，０００Ｋｗの程度の陸用の発電装置に適用することができる。   The present invention can be applied to a land power generator having an output of about 30 Kw to 1,000 Kw.

請求項１の発明を実施した発電装置の系統略図である。1 is a system schematic diagram of a power generator embodying the invention of claim 1; 請求項２の発明を実施した発電装置の系統略図である。It is the system | schematic diagram of the electric power generating apparatus which implemented invention of Claim 2. 請求項３の発明を実施した発電装置の系統略図である。It is the system | strain schematic of the electric power generating apparatus which implemented invention of Claim 3. 請求項４の発明を実施した発電装置の系統略図である。It is the system | schematic diagram of the electric power generating apparatus which implemented invention of Claim 4. 従来の様々な様式の発電機の発電効率を示すグラフである。It is a graph which shows the electric power generation efficiency of the generator of various conventional styles. 各種発電装置の部分負荷時における発電効率と負荷率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the power generation efficiency at the time of partial load of various power generators, and a load factor. 従来型の誘導式発電機、及び永久磁石式の高速発電機の部分負荷効率を示すグラフである。It is a graph which shows the partial load efficiency of the conventional induction generator and the permanent magnet type high-speed generator. 本発明を実施した発電装置の負荷率と送電端熱効率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the load factor of the electric power generating apparatus which implemented this invention, and power transmission end thermal efficiency. 熱交換器の温度効率特性を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature efficiency characteristic of a heat exchanger. ＳＯＦＣを加圧し、排気エネルギから電気エネルギを回収することによる効率向上の効果を示すグラフである。It is a graph which shows the effect of the efficiency improvement by pressurizing SOFC and collect | recovering electrical energy from exhaust energy. 本発明を実施した発電装置の負荷率と送電端熱効率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the load factor of the electric power generating apparatus which implemented this invention, and power transmission end thermal efficiency. 本発明を実施した発電装置の起動の際の運転モードの変更手順を示すグラフである。It is a graph which shows the change procedure of the operation mode at the time of starting of the electric power generating apparatus which implemented this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１ 圧縮機
２ 熱交換器
３ カソード
４ アノード
５ 改質器
６ 固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）
７ 燃料圧縮機
８ 燃焼器
９ タービン
１０ 発電機
１１ ＤＣ／ＡＣ変換機
１２ ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換機
１３ 弁
１４ バイパス通路
１５ 軸
１６、１７ 圧縮空気通路
１８ 配線
１９ 通路
２０ 配線
２１〜２４ 通路
２５ バイパス通路
２６、２７ 配線
２８ 排気通路
２９ バイパス通路
３１、３２ 通路
５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ ガスタービン
１００、２００、３００、４００ 発電装置

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Compressor 2 Heat exchanger 3 Cathode 4 Anode 5 Reformer 6 Solid oxide fuel cell (SOFC)
7 Fuel Compressor 8 Combustor 9 Turbine 10 Generator 11 DC / AC Converter 12 AC / DC / AC Converter 13 Valve 14 Bypass Passage 15 Axis 16, 17 Compressed Air Passage 18 Wiring 19 Passage 20 Wiring 21-24 Passage 25 Bypass passage 26, 27 Wiring 28 Exhaust passage 29 Bypass passage 31, 32 Passage 50, 50a, 50b, 50c Gas turbine 100, 200, 300, 400 Power generator

Claims (4)

燃料ガスの流れの上流側に固体酸化物型燃料電池を設置し、前記固体酸化物型燃料電池の下流側に発電機を駆動するガスタービンを設置した発電装置において、
前記固体酸化物型燃料電池に、加圧された燃料ガスと、酸素を含む圧縮空気とが供給されており、
前記発電機が回転速度可変タイプの発電機であり、
負荷が変動しても、前記発電機から出力される電力の周波数を所定の周波数に変換することができる変換機を備えたことを特徴とする発電装置。 In a power generator in which a solid oxide fuel cell is installed upstream of the flow of fuel gas, and a gas turbine that drives a generator is installed downstream of the solid oxide fuel cell,
The solid oxide fuel cell is supplied with pressurized fuel gas and compressed air containing oxygen,
The generator is a variable speed generator;
A power generator comprising a converter capable of converting a frequency of electric power output from the generator into a predetermined frequency even when a load fluctuates. 部分負荷時において、前記ガスタービンの圧縮機から固体酸化物型燃料電池に供給される圧縮空気の一部を、ガスタービンの燃焼室下流側の燃焼ガス通路へ導くバイパス通路を設けた請求項１に記載の発電装置。   2. A bypass passage is provided for guiding a part of compressed air supplied from a compressor of the gas turbine to a solid oxide fuel cell to a combustion gas passage downstream of the combustion chamber of the gas turbine at the time of partial load. The power generator described in 1. 前記ガスタービンの圧縮機として、多段式軸流圧縮機を採用した請求項１又は２に記載の発電装置。   The power generation device according to claim 1 or 2, wherein a multistage axial flow compressor is employed as the compressor of the gas turbine. 前記ガスタービンの燃焼室に、前記固体酸化物型燃料電池経由とは別経路でも燃料が供給されるように、新たに燃料供給通路を設け、
前記燃料供給通路に弁を設け、前記弁の開度を調整することにより燃料の通過量を加減することができ、前記燃料供給通路経由の燃料量を調整することにより前記ガスタービンの燃焼室内の空気過剰率を変更可能にした請求項１〜３のうちのいずれかに記載の発電装置。
In the combustion chamber of the gas turbine, a fuel supply passage is newly provided so that fuel can be supplied even through a route different from that via the solid oxide fuel cell,
A valve is provided in the fuel supply passage, and the amount of fuel passing can be adjusted by adjusting the opening of the valve, and the amount of fuel passing through the fuel supply passage can be adjusted to adjust the amount of fuel passing through the fuel supply passage. The power generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the excess air ratio can be changed.
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