JP4212089B2

JP4212089B2 - Combined power generation facilities for fuel cells and micro gas turbines and their startup methods

Info

Publication number: JP4212089B2
Application number: JP2002269733A
Authority: JP
Inventors: 元博近藤; 吉徳竹田; 雄介堀井; 慶一岡林; 新一郎樋口; 和彦伊藤; 秀久谷
Original assignee: IHI Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: IHI Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2002-09-17
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2022-09-17
Also published as: JP2004111127A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備とその起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率かつ環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行われている。
【０００３】
図３は、例えば天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池発電設備の一例を示す構成図である。この図において溶融炭酸塩型燃料電池発電設備は、改質器１０、燃料電池１１、ターボチャージャー１２、排熱回収熱交換器１５等を備え、天然ガス等の燃料１を燃料予熱器１３で予熱して改質器１０の改質室Ｒｅｆに供給し、ここで燃料１を水素を含むアノードガス２に改質する。
燃料電池１１では、アノードガス２と酸素を含むカソードガス３とから電気化学的に発電する。燃料電池１１を出たアノード排ガス４とカソード排ガス７の一部７ａは、燃焼器１７に供給されて燃焼して高温の燃焼排ガス５を発生する。この燃焼排ガス５は、改質器１０の燃焼室に供給され、ここで改質反応に必要な熱を改質室Ｒｅｆに供給する。
【０００４】
改質器１０を出た燃焼排ガス５は、ＣＯ₂ブロア１６（以下、ＣＯ₂リサイクルブロアと呼ぶ）でカソード入口側にリサイクルされ、ターボチャージャー１２から供給される加圧空気６と合流し、カソードガス３となって燃料電池１１のカソード側に供給される。反応後のカソード排ガス７の一部７ｂは、カソードリサイクルライン１８を介してＣＯ₂リサイクルブロア１６の吸引側にリサイクルされ、残り７ｃはターボチャージャー用の燃焼器１４に供給される。燃焼器１４は、起動時や部分負荷時に用いられ、天然ガスをカソード排ガスで燃焼し燃焼排ガスでターボチャージャーを駆動する。
【０００５】
ターボチャージャー１２は、カソード排ガス７ｃ及び燃焼器１４で発生した燃焼排ガスでタービンＴを駆動して圧縮機Ｃで空気を圧縮し、この加圧空気６は前述の燃料電池１１のカソード側上流に供給される。タービンＴを出た排ガスは、排熱回収熱交換器１５に供給され、ここで水蒸気を発生させたのち系外に放出される。発生した水蒸気８は燃料１に混合され改質器１０における改質反応に用いられる。
なお、図３において、１８ａはカソードリサイクルライン１８の流量を制御するための高温流量調節弁、１２ａはタービンＴをバイパスしてガスを流すための流量調節弁である。その他の流量調節弁の説明は省略する。
【０００６】
上述した燃料電池発電設備において、燃料電池１１（溶融炭酸塩型燃料電池、以下単にＭＣＦＣという）はアノード側とカソード側とからなり、次のような電極反応が行われる。
アノード反応（負極反応）Ｈ₂＋ＣＯ₃ ^2-→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂＋２ｅ．．（１）
カソード反応（正極反応）ＣＯ₂＋１／２Ｏ₂＋２ｅ→ＣＯ₃ ^2-．．（２）
【０００７】
すなわちアノード側では、（１）式により水素ガスとＣＯ₃ ^2-とから水と炭酸ガスと電荷が生成され、カソード側では、（２）式により炭酸ガスと酸素と電荷とからＣＯ₃ ^2-が生成される。（１）式右辺はアノードから排出されるアノード排ガス４の成分を表しており、炭酸ガスが含まれている。また（２）式左辺はカソードに供給されるカソードガスの成分を表しており、同じく炭酸ガスが含まれている。このため上述したＣＯ₂リサイクルブロア１６により、改質器で発生したＣＯ₂ガスを燃料電池のカソード側に供給してカソード反応に利用するようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＣＦＣは、運転温度が６００〜７００℃と高いため排ガスが高温となり、この高温ガスのエネルギーを回収するためにタービンへ供給している。タービン動力はＭＣＦＣの反応に必要な空気を供給するためのコンプレッサー動力に変えられる。
この場合、既存のガスタービン発電機は発電出力が１００ｋＷを超えるため、発電出力が数百ｋＷ級のＭＣＦＣの場合、組み合わせるための数十ｋＷ級のガスタービン発電機の代用として、上述したように車両用ターボチャージャーを転用していた。このため、単独起動ができないため、起動時は別途設置する空気コンプレッサーまたは起動用の空気貯槽等が必要であった。また、ターボチャージャーは発電機を備えないため余剰エネルギーが発生する場合でも、発電して発電効率を向上させることができなかった。
【０００９】
一方、近年、発電出力が１００ｋＷに満たない超小型のガスタービン発電機が開発されている。以下、かかる超小型ガスタービン発電機を「マイクロガスタービン」又は単に「μＧＴ」と略称する。
マイクロガスタービンは、大型のガスタービン発電機と同様に、圧縮機、燃焼器、タービン、及び発電機を備えるが、タービン回転数が相対的に高く（例えば３〜１０万ｒｐｍ）、圧縮比が比較的小さく（例えば４〜６程度）永久磁石型同期高速発電機に代表される回転数可変型の発電機を使用する等の特徴を有する。
【００１０】
上述したμＧＴをＭＣＦＣと組み合わせたコンバインド発電設備を、以下「ＭＣＦＣ／μＧＴシステム」と呼ぶ。かかるＭＣＦＣ／μＧＴシステムは、μＧＴの発電機を電動機として用いてμＧＴの単独起動ができるため、ターボチャージャーを用いる場合に比較して、起動用の余分な設備が不要となり、かつ発電により発電効率を向上させることができるメリットがある。
【００１１】
しかし、ＭＣＦＣ／μＧＴシステムでは、μＧＴ自体が、単独運転用に設計・製作されており、その大幅な改造は困難なため、抽気してＭＣＦＣへ加圧空気を供給すると、μＧＴ自体の単独運転が維持できなくなるおそれがあった。
【００１２】
特に、ＭＣＦＣ／μＧＴシステムの起動時には、μＧＴを最初に単独で起動し、その後、空気を抽気してＭＣＦＣに空気を供給して昇圧、昇温する。この場合、ＭＣＦＣの系統は一般的に容量が大きいため昇圧されるまでは時間がかかる。その間、μＧＴのタービン側にガスがほとんど戻ってこないため回収動力が減少し、必要空気量が確保できない可能性がある。
【００１３】
また、ＭＣＦＣから戻るガス中の酸素濃度は運転中に変動する（例えば５〜１５％の範囲）ので、μＧＴの燃焼器における安定燃焼が困難になり、失火するおそれもあった。
更に、μＧＴでは燃料流量の定格流量と最小流量との比であるターンダウン比が小さく（３程度）、定格流量の１／３以下になると失火してしまうおそれがあるので、システムの起動時から定常状態に達する過程で、燃焼量を徐々に低減しても、消火の際の圧力変動が避けがたく、ＭＣＦＣの許容極間差圧（最大１０００ｍｍＡｑ程度）を超えてしまうおそれがあった。
【００１４】
本発明は上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、起動用に余分な設備を必要とせず、燃料電池の起動時から定常運転時まで必要な加圧空気を安定供給することができ、燃料流量を広範囲に調整でき、燃焼量を徐々に低減しても、失火のおそれがなく、かつ消火の際に圧力変動がほとんどなく極間差圧の発生を防止することができる燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備とその起動方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）を有する燃料電池発電装置（２０）と、回転数可変型発電機と燃焼器（２２ａ）を有するマイクロガスタービン（２２）と、マイクロガスタービンから圧縮空気を抽気し前記燃料電池発電装置に供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池発電装置からマイクロガスタービンに酸素を含む排ガスを供給する排ガスライン（２６）と、該排ガスラインに設けられた排ガス用触媒燃焼器（２８）とを備えたコンバインド発電設備であって、発電設備の起動時に、前記燃焼器（２２ａ）に燃料を供給して着火し該燃焼器で発生させた燃焼ガスによってマイクロガスタービンのタービンを回転駆動することによりマイクロガスタービン（２２）を起動して単独運転するタービン起動ステップ（Ａ）と、
起動したマイクロガスタービンから圧縮空気を抽気して燃料電池発電装置（２０）に供給する抽気ステップ（Ｂ）と、前記抽気ステップ（Ｂ）を行った後、排ガス用触媒燃焼器（２８）に燃料を供給して燃焼させる触媒燃焼ステップ（Ｃ）と、前記触媒燃焼ステップ（Ｃ）を行った後、マイクロガスタービンの燃焼器（２２ａ）への燃料供給を漸減させていき、並行して、前記排ガス用触媒燃焼器への燃料供給を漸増させていくことで、マイクロガスタービンの回転を維持し、燃焼器（２２ａ）での燃焼を消火し、触媒燃焼器（２８）の燃焼ガスのみでマイクロガスタービンを回転駆動する燃焼切換ステップ（Ｄ）と、触媒燃焼器への燃料を遮断して燃料電池発電装置（２０）からの排ガスでマイクロガスタービンを回転駆動する排ガス駆動ステップ（Ｅ）と、を行うことを特徴とする燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備が提供される。
【００１６】
上記本発明の構成によれば、マイクロガスタービンの発電機を電動機として用いてμＧＴの単独起動ができるため、起動用の余分な設備が不要であり、かつ発電により発電効率を向上させることができる。
また、マイクロガスタービンの燃焼器の他に、燃料電池発電装置からマイクロガスタービンに酸素を含む排ガスを供給する排ガスライン（２６）に設けられた排ガス用触媒燃焼器（２８）を備えるので、２つの燃焼器の併用により、燃料流量を広範囲に調整できる。
更に、触媒燃焼器（２８）は、燃料の流量範囲が非常に広くかつ低酸素濃度でも安定燃焼できるので、燃焼量を徐々に低減しても、失火のおそれがなく、かつ消火の際に圧力変動がほとんどなく極間差圧の発生を防止することができる。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記排ガス用触媒燃焼器（２８）にマイクロガスタービンから圧縮空気を供給する触媒用空気ライン（２８ａ）と、該排ガス触媒燃焼器に燃料を供給する触媒用燃料ライン（２８ｂ）とを備える。
この構成により、排ガス触媒燃焼器内の触媒を予熱した後は、空気ライン（２８ａ）と燃料ライン（２８ｂ）の制御により自由に触媒燃焼量を調節することができる。
【００１８】
また、前記燃料電池発電装置（２０）は、燃料電池（１１）で反応後のアノード排ガス（４）を燃焼させる電池用触媒燃焼器（１７）と、該触媒燃焼器の燃焼排ガス（５）を燃料電池のカソード入口側に循環させるリサイクルブロワ（１６）とを備える。
この構成により、電池用触媒燃焼器（１７）における触媒燃焼により、改質器と燃料電池を加熱して短時間に昇温することができる。
【００１９】
前記空気供給ライン（２４）は、燃料電池のカソードライン（３）に圧縮空気を供給する電池用空気供給ライン（２４ａ）と、電池用触媒燃焼器（１７）に圧縮空気を供給する触媒用空気供給ライン（２４ｂ）とからなる。
この構成により、燃料電池発電装置（２０）の昇温時に、触媒用空気供給ライン（２４ｂ）から直接電池用触媒燃焼器（１７）に触媒燃焼用の空気を供給して、触媒燃焼による昇温を早めることができる。また、昇温後は電池用空気供給ライン（２４ａ）に切り換えて、発電に必要な圧縮空気を燃料電池に供給することができる。
【００２０】
また、本発明によれば、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）を有する燃料電池発電装置（２０）と、回転数可変型発電機と燃焼器（２２ａ）を有するマイクロガスタービン（２２）と、マイクロガスタービンから圧縮空気を抽気し前記燃料電池発電装置に供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池発電装置からマイクロガスタービンに酸素を含む排ガスを供給する排ガスライン（２６）と、該排ガスラインに設けられた排ガス用触媒燃焼器（２８）とを備えたコンバインド発電設備の起動方法であって、前記燃焼器（２２ａ）に燃料を供給して着火し該燃焼器で発生させた燃焼ガスによってマイクロガスタービンのタービンを回転駆動することによりマイクロガスタービン（２２）を起動して単独運転するタービン起動ステップ（Ａ）と、起動したマイクロガスタービンから圧縮空気を抽気して燃料電池発電装置（２０）に供給する抽気ステップ（Ｂ）と、前記抽気ステップ（Ｂ）を行った後、排ガス用触媒燃焼器（２８）に燃料を供給して燃焼させる触媒燃焼ステップ（Ｃ）と、前記触媒燃焼ステップ（Ｃ）を行った後、マイクロガスタービンの燃焼器（２２ａ）への燃料供給を漸減させていき、並行して、前記排ガス用触媒燃焼器への燃料供給を漸増させていくことで、マイクロガスタービンの回転を維持し、燃焼器（２２ａ）での燃焼を消火し、触媒燃焼器（２８）の燃焼ガスのみでマイクロガスタービンを回転駆動する燃焼切換ステップ（Ｄ）と、触媒燃焼器への燃料を遮断して燃料電池発電装置（２０）からの排ガスでマイクロガスタービンを回転駆動する排ガス駆動ステップ（Ｅ）と、を備えることを特徴とする燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の起動方法が提供される。
【００２１】
上記本発明の方法によれば、マイクロガスタービンを単独で起動し、その圧縮空気の一部を抽気して燃料電池発電装置を昇温・昇圧することにより、コンバインド発電設備全体を起動して定常状態にすることができる。
【００２３】
また、この方法によれば、タービン起動ステップ（Ａ）でマイクロガスタービンの単独運転をし、抽気ステップ（Ｂ）で圧縮空気を抽気して燃料電池発電装置（２０）に供給し、触媒燃焼ステップ（Ｃ）で排ガス用触媒燃焼器（２８）で触媒燃焼させ、燃焼切換ステップ（Ｄ）で触媒燃焼器の燃焼ガスのみでマイクロガスタービンを回転駆動し、排ガス駆動ステップ（Ｅ）で燃料電池発電装置（２０）からの排ガスでマイクロガスタービンを回転駆動することができる。
従って、この方法により、起動用に余分な設備を必要とせず、燃料電池の起動時から定常運転時まで必要な加圧空気を安定供給することができ、燃料流量を広範囲に調整でき、燃焼量を徐々に低減しても、失火のおそれがなく、かつ消火の際に圧力変動がほとんどなく極間差圧の発生を防止することができる。
また、この方法により、マイクロガスタービンの回転を維持し、その圧力変動を防止しながら、マイクロガスタービンでの燃焼を消火して触媒燃焼のみに切り換えることができる。
【００２４】
また、前記タービン起動ステップ（Ａ）において、マイクロガスタービンの発電機を電動機として圧縮機を回転駆動し、圧縮した空気を燃焼器に供給し、燃焼器に燃料を供給して着火し、その燃焼ガスによりタービンを回転駆動して自立運転する。
この方法により、マイクロガスタービン単独で、余分な設備を必要とせずに起動して自立運転することができる。
【００２５】
また、前記抽気ステップ（Ｂ）において、マイクロガスタービンの発電機を無負荷かつ回転数一定制御し、抽気可能な最大空気流量を燃料電池発電装置（２０）に供給してこれを昇圧・昇温する。
この方法により、無負荷状態で回転数一定制御するので、圧縮空気の流量を一定に保持したままで燃料流量を最小限度にすることができる。また、抽気可能な最大空気流量（例えば３割程度）を燃料電池発電装置（２０）に供給するので、徐々に昇圧ができると共に、その間の電池用触媒燃焼器（１７）での発熱により昇温もできる。
【００２６】
また、前記触媒燃焼ステップ（Ｃ）において、昇圧・昇温した燃料電池発電装置（２０）からの排ガスにより排ガス用触媒燃焼器（２８）の燃焼触媒を予熱し、次いで燃料を供給して着火する。
この方法により、排ガス用触媒燃焼器（２８）の燃焼触媒を予熱し、かつ燃料の供給でその発熱量を調節できる。
【００２８】
また、前記排ガス駆動ステップ（Ｅ）において、燃料電池発電装置（２０）からの排ガスの温度上昇に応じて触媒燃焼器への燃料を漸減させて、マイクロガスタービンの回転を維持する。
この方法により、マイクロガスタービンの回転を維持し、その圧力変動を防止しながら、触媒燃焼器での燃焼を消火し、燃料電池発電装置（２０）からの排ガスでマイクロガスタービンを回転駆動する定常運転状態に切り換えることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００３０】
図１は、本発明によるコンバインド発電設備の実施形態を示す図である。この図に示すように、本発明のコンバインド発電設備は、燃料電池発電装置２０、マイクロガスタービン２２、空気供給ライン２４、排ガスライン２６、及び排ガス用触媒燃焼器２８を備える。
【００３１】
燃料電池発電装置２０は、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池１１と、燃料電池１１で反応後のアノード排ガス４をカソード排ガス７の一部７ａで燃焼させる電池用触媒燃焼器１７と、触媒燃焼器１７の燃焼排ガス５を燃料電池１１のカソード入口側に循環させるリサイクルブロワ１６とを備える。燃料電池１１はこの例では、溶融炭酸塩型燃料電池である。しかし、本発明はこれに限定されず、高温高圧下が作動するその他の形式の燃料電池でもよい。
図１において、燃料電池発電装置２０は、その他に、改質器１０、燃料予熱器１３等を備えている。かかる燃料電池発電装置２０の構成は、図３に例示した従来の溶融炭酸塩型燃料電池発電設備と同様である。
【００３２】
マイクロガスタービン２２は、回転数可変型発電機を有するガスタービン発電装置である。このマンクロガスタービン２２は、通常のガスタービン発電装置と同様に、機械的に連結された圧縮機Ｃ、タービンＴ及び発電機Ｇと燃焼器２２ａを備える。燃焼器２２ａには、圧縮機Ｃで圧縮した圧縮空気と燃料が供給され、図示しない着火装置により着火して燃料を燃焼させることができる。また、発電機Ｇは、起動時に電動機として短時間用いることができる。
従って、このマイクロガスタービンは、発電機を電動機として用いて単独起動し、燃焼器で燃焼させて、単独で自立運転することができる。
【００３３】
空気供給ライン２４は、マイクロガスタービン２２から圧縮空気を抽気し、燃料電池発電装置２０に供給する。この空気供給ライン２４は、燃料電池のカソードライン３に圧縮空気を供給する電池用空気供給ライン２４ａと、電池用触媒燃焼器１７に圧縮空気を供給する触媒用空気供給ライン２４ｂとからなる。それぞれのライン２４ａ，２４ｂには、流量調節弁２５ａ，２５ｂが設けられ、それぞれ独立に流量調節することができる。
【００３４】
排ガスライン２６は、燃料電池１１のカソード側とマイクロガスタービン２２のタービン入口とを連通するラインであり、燃料電池発電装置２０からマイクロガスタービン２２にカソード排ガス７の一部を供給する。このカソード排ガス７には、通常５〜１５％程度の酸素が含まれる。
【００３５】
排ガス用触媒燃焼器２８は、タービン入口より上流側の排ガスライン２６に設けられる。また、この排ガス用触媒燃焼器２８にマイクロガスタービン２２の圧縮機Ｃから圧縮空気を供給する触媒用空気ライン２８ａと、排ガス触媒燃焼器２８に燃料を直接供給する触媒用燃料ライン２８ｂとが設けられている。
排ガス用触媒燃焼器２８には、燃焼触媒が充填されている。この燃焼触媒は、例えばＮｉを主成分とする触媒であり、比較的低い温度（例えば１００℃前後）で自己着火でき、かつ燃料の流量範囲が非常に広くかつ低酸素濃度でも安定燃焼できる特性を有している。なお、この触媒燃焼器２８に予熱装置を設けて単独で予熱・自己着火できるようにしてもよい。
【００３６】
図２は、本発明による起動方法を示すフロー図である。この図に示すように、本発明の燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の起動方法は、タービン起動ステップ（Ａ）、抽気ステップ（Ｂ）、触媒燃焼ステップ（Ｃ）、燃焼切換ステップ（Ｄ）、排ガス駆動ステップ（Ｅ）、及びコンバインド発電ステップ（Ｆ）からなり、マイクロガスタービンを起動し、圧縮空気を抽気して燃料電池発電装置を昇温・昇圧する。
【００３７】
タービン起動ステップ（Ａ）では、マイクロガスタービン２２を起動して単独運転する。このタービン起動ステップ（Ａ）において、マイクロガスタービン２２の発電機Ｇを電動機として圧縮機Ｃを回転駆動し、圧縮した空気を燃焼器２２ａに供給し、燃焼器２２ａに燃料を供給して着火し、その燃焼ガスによりタービンＴを回転駆動して自立運転するのがよい。
【００３８】
抽気ステップ（Ｂ）では、起動したマイクロガスタービン２２から圧縮空気を抽気して燃料電池発電装置２０に供給する。この抽気ステップ（Ｂ）において、マイクロガスタービン２２の発電機を無負荷かつ回転数一定制御し、抽気可能な最大空気流量（例えば３割程度）を燃料電池発電装置２０に供給してこれを昇圧・昇温する。なお、燃料電池発電装置２０の昇圧・昇温の初期には、触媒用空気供給ライン２４ｂから加圧空気を供給して触媒燃焼により昇温を積極的に行うのがよい。
【００３９】
触媒燃焼ステップ（Ｃ）では、排ガス用触媒燃焼器２８に燃料を供給して燃焼させる。この触媒燃焼ステップ（Ｃ）において、昇圧・昇温した燃料電池発電装置２０からの排ガスにより排ガス用触媒燃焼器２８の燃焼触媒を予熱し、次いで燃料を供給して着火する。なお、独立した予熱装置を備える場合には、この予熱装置で予熱して着火してもよい。
【００４０】
燃焼切換ステップ（Ｄ）では、マイクロガスタービン２２の燃焼器２２ａでの燃焼（火炎燃焼）を消火し、触媒燃焼器２８の燃焼ガスのみでマイクロガスタービン２２を回転駆動する。この燃焼切換ステップ（Ｄ）において、マイクロガスタービン２２への燃料供給を漸減させて燃焼を消火し、同時に排ガス用触媒燃焼器２８への燃料供給を漸増させて、マイクロガスタービンの回転を維持し、吐出圧力の変動を防止するのがよい。
【００４１】
排ガス駆動ステップ（Ｅ）では、触媒燃焼器２８への燃料を遮断して燃料電池発電装置２０からの排ガスでマイクロガスタービン２２を回転駆動する。この排ガス駆動ステップ（Ｅ）において、燃料電池発電装置２０からの排ガスの温度上昇に応じて触媒燃焼器２８への燃料を漸減させて、マイクロガスタービンの回転を維持し、吐出圧力の変動を防止するのがよい。
【００４２】
コンバインド発電ステップ（Ｆ）は、燃料電池発電装置２０とマイクロガスタービン２２の両方で発電する定常状態である。このステップでは、マイクロガスタービン２２の燃焼器２２ａと触媒燃焼器２８の両方が消火されており、マイクロガスタービンは燃料電池発電装置２０からの排ガスで駆動され、排ガスの持つ圧力エネルギーを回収して発電する。
【００４３】
上述した本発明のコンバインド発電設備によれば、マイクロガスタービンの発電機を電動機として用いてμＧＴの単独起動ができるため、起動用の余分な設備が不要であり、かつ発電により発電効率を向上させることができる。
また、マイクロガスタービンの燃焼器の他に、燃料電池発電装置からマイクロガスタービンに酸素を含む排ガスを供給する排ガスライン２６に設けられた排ガス用触媒燃焼器２８を備えるので、２つの燃焼器の併用により、燃料流量を広範囲に調整できる。
更に、触媒燃焼器２８は、燃料の流量範囲が非常に広くかつ低酸素濃度でも安定燃焼できるので、燃焼量を徐々に低減しても、失火のおそれがなく、かつ消火の際に圧力変動がほとんどなく極間差圧の発生を防止することができる。
【００４４】
また、上述した本発明のコンバインド発電設備の起動方法によれば、タービン起動ステップ（Ａ）でマイクロガスタービンの単独運転をし、抽気ステップ（Ｂ）で圧縮空気を抽気して燃料電池発電装置２０に供給し、触媒燃焼ステップ（Ｃ）で排ガス用触媒燃焼器２８で触媒燃焼させ、燃焼切換ステップ（Ｄ）で触媒燃焼器の燃焼ガスのみでマイクロガスタービンを回転駆動し、排ガス駆動ステップ（Ｅ）で燃料電池発電装置２０からの排ガスでマイクロガスタービンを回転駆動することができる。
従って、この方法により、起動用に余分な設備を必要とせず、燃料電池の起動時から定常運転時まで必要な加圧空気を安定供給することができ、燃料流量を広範囲に調整でき、燃焼量を徐々に低減しても、失火のおそれがなく、かつ消火の際に圧力変動がほとんどなく極間差圧の発生を防止することができる。
【００４５】
なお本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４６】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、余剰エネルギーはマイクロガスタービンにて発電し、プラントとしての発電効率を高めることが可能となる。また、触媒燃焼器を併設し、小流量の燃料ガスを空気又はＭＣＦＣからの排ガスで燃焼可能な系統とするので、発電効率を高めるためにプラント定格負荷時にマイクロガスタービンの燃焼器を消火することができ、触媒燃焼器を含む燃焼器のターンダウン比を大きくでき、点火／消火時の圧力変動を小さいすることができる。
また、本発明の方法により、一般的なマイクロガスタービンとＭＣＦＣをコンバインドした場合でも起動が行えるようになり、ＭＣＦＣの昇圧、昇温のための専用空気コンプレッサー等、追加機器及び制御が不要となり、コスト低減、コンパクト化に寄与できる。
【００４７】
従って、本発明の燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備とその起動方法は、起動用に余分な設備を必要とせず、燃料電池の起動時から定常運転時まで必要な加圧空気を安定供給することができ、燃料流量を広範囲に調整でき、燃焼量を徐々に低減しても、失火のおそれがなく、かつ消火の際に圧力変動がほとんどなく極間差圧の発生を防止することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるコンバインド発電設備の実施形態を示す図である。
【図２】本発明による起動方法を示す図である。
【図３】従来の燃料電池発電設備の全体構成図である。
【符号の説明】
１燃料、２アノードガス、３カソードガス、
４アノード排ガス、５燃焼排ガス、６空気、
７，７ａ，７ｂ，７ｃカソード排ガス、８水蒸気、
９ＣＯ₂濃縮ガス、１０改質器、１１燃料電池、
１２ターボチャージャー、１２ａ流量調節弁、
１３燃料予熱器、１４ガスタービン用燃焼器、
１５排熱回収熱交換器、１６リサイクルブロア、
１７電池用触媒燃焼器、１８カソードリサイクルライン、
１８ａ高温流量調節弁、２０燃料電池発電装置、
２２マイクロガスタービン、２４空気供給ライン、
２４ａ電池用空気供給ライン、２４ｂ触媒用空気供給ライン、
２６排ガスライン、２８排ガス用触媒燃焼器、
２８ａ触媒用空気ライン、２８ｂ触媒用燃料ライン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a combined power generation facility for a fuel cell and a micro gas turbine, and a startup method thereof.
[0002]
[Prior art]
Molten carbonate fuel cells have characteristics that are not found in conventional power generators, such as high efficiency and low environmental impact, and are attracting attention as power generation systems following hydropower, thermal power, and nuclear power. In earnest research and development is underway.
[0003]
FIG. 3 is a configuration diagram showing an example of a molten carbonate fuel cell power generation facility using, for example, natural gas as a fuel. In this figure, the molten carbonate fuel cell power generation facility includes a reformer 10, a fuel cell 11, a turbocharger 12, an exhaust heat recovery heat exchanger 15, etc., and a fuel preheater 13 preheats fuel 1 such as natural gas. Then, it is supplied to the reforming chamber Ref of the reformer 10, where the fuel 1 is reformed into the anode gas 2 containing hydrogen.
The fuel cell 11 generates electrochemical power from the anode gas 2 and the cathode gas 3 containing oxygen. A part 7a of the anode exhaust gas 4 and the cathode exhaust gas 7 exiting the fuel cell 11 is supplied to the combustor 17 and combusted to generate a high-temperature combustion exhaust gas 5. The combustion exhaust gas 5 is supplied to the combustion chamber of the reformer 10, and here, heat necessary for the reforming reaction is supplied to the reforming chamber Ref.
[0004]
The flue gas 5 exiting the reformer 10 is CO₂Blower 16 (hereinafter referred to as CO₂Recycled to the cathode inlet side by a recycle blower), merged with the pressurized air 6 supplied from the turbocharger 12, becomes cathode gas 3 and is supplied to the cathode side of the fuel cell 11. A part 7b of the cathode exhaust gas 7 after the reaction passes through the cathode recycling line 18 to CO 2₂Recycled to the suction side of the recycle blower 16, the remaining 7c is supplied to the combustor 14 for turbocharger. The combustor 14 is used at start-up or partial load, burns natural gas with cathode exhaust gas, and drives a turbocharger with combustion exhaust gas.
[0005]
The turbocharger 12 drives the turbine T with the cathode exhaust gas 7c and the combustion exhaust gas generated in the combustor 14 and compresses the air with the compressor C. The compressed air 6 is supplied to the cathode side upstream of the fuel cell 11 described above. Is done. The exhaust gas exiting the turbine T is supplied to the exhaust heat recovery heat exchanger 15 where steam is generated and then discharged out of the system. The generated steam 8 is mixed with the fuel 1 and used for the reforming reaction in the reformer 10.
In FIG. 3, 18a is a high-temperature flow rate control valve for controlling the flow rate of the cathode recycle line 18, and 12a is a flow rate control valve for bypassing the turbine T and flowing gas. Description of the other flow control valves is omitted.
[0006]
In the fuel cell power generation facility described above, the fuel cell 11 (molten carbonate fuel cell, hereinafter simply referred to as MCFC) is composed of an anode side and a cathode side, and the following electrode reaction is performed.
Anode reaction (negative electrode reaction) H₂+ CO_Three ^2-→ H₂O + CO₂+ 2e. . (1)
Cathode reaction (positive electrode reaction) CO₂+ 1 / 2O₂+ 2e → CO_Three ^2-. . (2)
[0007]
That is, on the anode side, hydrogen gas and CO are expressed by the equation (1)._Three ^2-The water, carbon dioxide gas, and electric charge are generated from the carbon dioxide, and on the cathode side, the carbon dioxide gas, oxygen, and electric charge are_Three ^2-Is generated. The right side of the equation (1) represents a component of the anode exhaust gas 4 discharged from the anode, and contains carbon dioxide gas. The left side of equation (2) represents the component of the cathode gas supplied to the cathode, and similarly contains carbon dioxide gas. For this reason, the above-mentioned CO₂CO generated in the reformer by the recycle blower 16₂Gas is supplied to the cathode side of the fuel cell and used for the cathode reaction.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Since MCFC has a high operating temperature of 600 to 700 ° C., the exhaust gas becomes high temperature, and is supplied to the turbine in order to recover the energy of the high temperature gas. Turbine power is converted into compressor power to supply the air necessary for MCFC reaction.
In this case, since the power generation output of the existing gas turbine generator exceeds 100 kW, in the case of the MCFC with a power generation output of several hundred kW class, as a substitute for the gas turbine generator of several tens kW class to be combined as described above A turbocharger for vehicles was diverted. For this reason, since independent starting cannot be performed, a separate air compressor or a starting air storage tank is required at the time of starting. Moreover, since the turbocharger is not equipped with a generator, even if surplus energy is generated, it was not possible to generate power and improve the power generation efficiency.
[0009]
On the other hand, in recent years, ultra-compact gas turbine generators whose power generation output is less than 100 kW have been developed. Hereinafter, such a micro gas turbine generator is abbreviated as “micro gas turbine” or simply “μGT”.
The micro gas turbine includes a compressor, a combustor, a turbine, and a generator, like a large gas turbine generator, but has a relatively high turbine speed (for example, 3 to 100,000 rpm) and a compression ratio. A relatively small (for example, about 4-6) permanent magnet type synchronous high-speed generator is used, and a variable speed generator is used.
[0010]
The combined power generation facility in which the above-described μGT is combined with the MCFC is hereinafter referred to as “MCFC / μGT system”. Such an MCFC / μGT system can use a μGT generator as an electric motor to start μGT independently. Therefore, compared to the case where a turbocharger is used, extra equipment for starting is unnecessary, and power generation efficiency is improved by power generation. There is a merit that can be improved.
[0011]
However, in the MCFC / μGT system, the μGT itself is designed and manufactured for single operation, and it is difficult to drastically modify it. Therefore, when compressed air is supplied to the MCFC by extracting air, the single operation of the μGT itself is not possible. There was a risk that it could not be maintained.
[0012]
In particular, when the MCFC / μGT system is started, the μGT is first started alone, and then air is extracted and supplied to the MCFC to increase the pressure and raise the temperature. In this case, since the MCFC system generally has a large capacity, it takes time until the voltage is boosted. In the meantime, since the gas hardly returns to the turbine side of the μGT, the recovery power is reduced, and there is a possibility that the necessary air amount cannot be secured.
[0013]
Further, since the oxygen concentration in the gas returning from the MCFC fluctuates during operation (for example, in the range of 5 to 15%), stable combustion in the μGT combustor becomes difficult and there is a risk of misfire.
Furthermore, in μGT, the turndown ratio, which is the ratio between the rated flow rate and the minimum flow rate of the fuel flow rate, is small (about 3), and there is a risk of misfire if it falls below 1/3 of the rated flow rate. Even in the process of reaching the steady state, even if the combustion amount is gradually reduced, pressure fluctuation during fire extinguishing is unavoidable, and there is a possibility that the allowable pressure difference between MCFCs (about 1000 mmAq at the maximum) may be exceeded.
[0014]
The present invention has been made to solve the various problems described above. That is, the object of the present invention is that it does not require extra equipment for starting, can stably supply the required pressurized air from the start of the fuel cell to the steady operation, can adjust the fuel flow rate in a wide range, Even if the amount of combustion is gradually reduced, there is no risk of misfire and there is almost no pressure fluctuation during fire extinguishing. It is to provide an activation method.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
  According to the present invention, a fuel cell power generator (20) having a fuel cell (11) that generates power using an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen, and a variable speed generatorAnd combustor (22a)A micro gas turbine (22) having air, an air supply line (24) for extracting compressed air from the micro gas turbine and supplying the compressed gas to the fuel cell power generator, and supplying exhaust gas containing oxygen from the fuel cell power generator to the micro gas turbine And an exhaust gas catalytic combustor (28) provided in the exhaust gas line.In the combined power generation facility, when the power generation facility is started, the fuel is supplied to the combustor (22a) to ignite, and the micro gas turbine turbine is rotationally driven by the combustion gas generated by the combustor to thereby generate the micro gas. A turbine starting step (A) for starting the turbine (22) and operating it alone;
  After performing the extraction step (B) for extracting compressed air from the activated micro gas turbine and supplying it to the fuel cell power generation device (20), and the extraction step (B), the exhaust gas catalytic combustor (28) is supplied with fuel. After performing the catalyst combustion step (C) for supplying and burning the catalyst, and the catalyst combustion step (C), the fuel supply to the combustor (22a) of the micro gas turbine is gradually reduced. By gradually increasing the fuel supply to the exhaust gas catalytic combustor, the rotation of the micro gas turbine is maintained, the combustion in the combustor (22a) is extinguished, and only the combustion gas in the catalytic combustor (28) is micro-controlled. Combustion switching step (D) for rotationally driving the gas turbine, and exhaust gas driving for rotationally driving the micro gas turbine with the exhaust gas from the fuel cell power generation device (20) by shutting off the fuel to the catalytic combustor Perform the step (E), theA combined power generation facility for a fuel cell and a micro gas turbine is provided.
[0016]
According to the configuration of the present invention, since the μGT can be started independently using the generator of the micro gas turbine as an electric motor, no extra equipment for starting is required, and power generation efficiency can be improved by power generation. .
In addition to the combustor of the micro gas turbine, the exhaust gas catalytic combustor (28) provided in the exhaust gas line (26) for supplying the exhaust gas containing oxygen from the fuel cell power generator to the micro gas turbine is provided. The fuel flow rate can be adjusted over a wide range by using two combustors.
Furthermore, since the catalytic combustor (28) has a very wide fuel flow range and can perform stable combustion even at a low oxygen concentration, there is no risk of misfire even if the combustion amount is gradually reduced, and the pressure during fire extinguishing is low. There is almost no fluctuation and the generation of the differential pressure between the electrodes can be prevented.
[0017]
According to a preferred embodiment of the present invention, a catalyst air line (28a) for supplying compressed air from a micro gas turbine to the exhaust gas catalytic combustor (28), and a catalyst for supplying fuel to the exhaust gas catalytic combustor. And a fuel line (28b).
With this configuration, after preheating the catalyst in the exhaust gas catalytic combustor, the amount of catalytic combustion can be freely adjusted by controlling the air line (28a) and the fuel line (28b).
[0018]
The fuel cell power generation device (20) includes a catalyst combustor (17) for burning the anode exhaust gas (4) after reaction in the fuel cell (11), and a combustion exhaust gas (5) of the catalyst combustor. A recycle blower (16) that is circulated to the cathode inlet side of the fuel cell.
With this configuration, the reformer and the fuel cell can be heated and heated in a short time by catalytic combustion in the catalytic combustor (17) for the battery.
[0019]
The air supply line (24) includes a battery air supply line (24a) for supplying compressed air to the cathode line (3) of the fuel cell, and a catalyst air for supplying compressed air to the battery catalytic combustor (17). It consists of a supply line (24b).
With this configuration, when the temperature of the fuel cell power generation device (20) is increased, air for catalytic combustion is directly supplied from the catalyst air supply line (24b) to the catalytic combustor (17) for the cell, and the temperature is increased due to catalytic combustion. Can be expedited. In addition, after the temperature rise, the air can be switched to the battery air supply line (24a) to supply the compressed air necessary for power generation to the fuel cell.
[0020]
  In addition, according to the present invention, the fuel cell power generator (20) having the fuel cell (11) that generates power using the anode gas containing hydrogen and the cathode gas containing oxygen, and the variable speed generatorAnd combustor (22a)A micro gas turbine (22) having air, an air supply line (24) for extracting compressed air from the micro gas turbine and supplying the compressed gas to the fuel cell power generator, and supplying exhaust gas containing oxygen from the fuel cell power generator to the micro gas turbine An exhaust gas line (26) for exhaust gas and a catalytic combustor (28) for exhaust gas provided in the exhaust gas lineA method for starting a combined power generation facility, in which a fuel is supplied to the combustor (22a), ignited, and a turbine of the micro gas turbine is rotationally driven by the combustion gas generated by the combustor. 22) a turbine starting step (A) for starting and operating alone, an extraction step (B) for extracting compressed air from the activated micro gas turbine and supplying it to the fuel cell power generator (20), and the extraction step ( After performing B), after performing the catalytic combustion step (C) in which fuel is supplied to the exhaust gas catalytic combustor (28) and burning, and the catalytic combustion step (C), the combustor of the micro gas turbine ( The fuel supply to 22a) is gradually decreased, and in parallel, the fuel supply to the exhaust gas catalytic combustor is gradually increased, so that the micro gas turbine Combustion switching step (D) for maintaining the rotation, extinguishing the combustion in the combustor (22a), and rotationally driving the micro gas turbine only with the combustion gas of the catalytic combustor (28), and the fuel to the catalytic combustor An exhaust gas driving step (E) for cutting and rotating the micro gas turbine with the exhaust gas from the fuel cell power generation device (20).A starting method of a combined power generation facility for a fuel cell and a micro gas turbine is provided.
[0021]
According to the method of the present invention, the micro gas turbine is started up alone, a part of the compressed air is extracted, and the temperature of the fuel cell power generation device is increased and the pressure is raised. Can be in a state.
[0023]
  Also,According to this method, the micro gas turbine is operated independently in the turbine start-up step (A), the compressed air is extracted in the extraction step (B) and supplied to the fuel cell power generation device (20), and the catalytic combustion step (C ) In the exhaust gas catalytic combustor (28), in the combustion switching step (D), the micro gas turbine is rotationally driven only by the combustion gas of the catalytic combustor, and in the exhaust gas driving step (E), the fuel cell power generator ( The micro gas turbine can be rotationally driven by the exhaust gas from 20).
  Therefore, with this method, it is possible to stably supply the necessary pressurized air from the start of the fuel cell to the steady operation without requiring extra equipment for start-up, the fuel flow rate can be adjusted over a wide range, and the combustion amount Even if the pressure is gradually reduced, there is no risk of misfire, and there is almost no pressure fluctuation during fire extinguishing, so that the generation of differential pressure between the electrodes can be prevented.
  Further, by this method, the combustion in the micro gas turbine can be extinguished and switched to only catalytic combustion while maintaining the rotation of the micro gas turbine and preventing the pressure fluctuation.
[0024]
Further, in the turbine start-up step (A), the compressor is rotated by using the generator of the micro gas turbine as an electric motor, the compressed air is supplied to the combustor, the fuel is supplied to the combustor, and ignition is performed. The turbine is driven by gas to rotate independently.
By this method, the micro gas turbine can be started up and operated independently without requiring extra equipment.
[0025]
Further, in the extraction step (B), the generator of the micro gas turbine is controlled with no load and the rotation speed is constant, and the maximum air flow rate that can be extracted is supplied to the fuel cell power generation device (20) to increase or decrease the pressure. Warm up.
By this method, since the rotation speed is controlled to be constant in an unloaded state, the fuel flow rate can be minimized while the compressed air flow rate is kept constant. Further, since the maximum air flow rate (for example, about 30%) that can be extracted is supplied to the fuel cell power generation device (20), the pressure can be gradually increased, and the temperature is increased by the heat generated in the battery catalytic combustor (17) during that time. You can also.
[0026]
Further, in the catalytic combustion step (C), the combustion catalyst of the exhaust gas catalytic combustor (28) is preheated by the exhaust gas from the fuel cell power generation device (20) whose pressure has been increased and raised, and then fuel is supplied to ignite. .
By this method, the combustion catalyst of the exhaust gas catalytic combustor (28) can be preheated and the amount of heat generated can be adjusted by supplying fuel.
[0028]
Further, in the exhaust gas driving step (E), the fuel to the catalytic combustor is gradually decreased according to the temperature rise of the exhaust gas from the fuel cell power generation device (20), and the rotation of the micro gas turbine is maintained.
By this method, while maintaining the rotation of the micro gas turbine and preventing its pressure fluctuation, the combustion in the catalytic combustor is extinguished and the micro gas turbine is rotationally driven by the exhaust gas from the fuel cell power generation device (20). It can be switched to the operating state.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to a common member and the overlapping description is abbreviate | omitted.
[0030]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a combined power generation facility according to the present invention. As shown in this figure, the combined power generation facility of the present invention includes a fuel cell power generation device 20, a micro gas turbine 22, an air supply line 24, an exhaust gas line 26, and an exhaust gas catalytic combustor 28.
[0031]
The fuel cell power generation apparatus 20 includes a fuel cell 11 that generates power using an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen, and a battery catalyst that burns the anode exhaust gas 4 after reaction in the fuel cell 11 with a part 7a of the cathode exhaust gas 7. A combustor 17 and a recycle blower 16 that circulates the combustion exhaust gas 5 of the catalytic combustor 17 to the cathode inlet side of the fuel cell 11 are provided. In this example, the fuel cell 11 is a molten carbonate fuel cell. However, the present invention is not limited to this, and other types of fuel cells that operate under high temperature and high pressure may be used.
In FIG. 1, the fuel cell power generator 20 further includes a reformer 10, a fuel preheater 13, and the like. The configuration of the fuel cell power generation apparatus 20 is the same as that of the conventional molten carbonate fuel cell power generation facility illustrated in FIG.
[0032]
The micro gas turbine 22 is a gas turbine power generator having a variable speed generator. The mangrove gas turbine 22 includes a compressor C, a turbine T, a generator G, and a combustor 22a that are mechanically connected, as in a normal gas turbine power generator. The combustor 22a is supplied with compressed air and fuel compressed by the compressor C, and can be ignited by an ignition device (not shown) to burn the fuel. Further, the generator G can be used as a motor for a short time at the time of startup.
Therefore, this micro gas turbine can be independently operated by being independently started using a generator as an electric motor and burned by a combustor.
[0033]
The air supply line 24 extracts compressed air from the micro gas turbine 22 and supplies the compressed air to the fuel cell power generator 20. The air supply line 24 includes a battery air supply line 24 a that supplies compressed air to the cathode line 3 of the fuel cell, and a catalyst air supply line 24 b that supplies compressed air to the battery catalyst combustor 17. The lines 24a and 24b are provided with flow rate control valves 25a and 25b, respectively, which can independently control the flow rate.
[0034]
The exhaust gas line 26 communicates the cathode side of the fuel cell 11 and the turbine inlet of the micro gas turbine 22, and supplies a part of the cathode exhaust gas 7 from the fuel cell power generator 20 to the micro gas turbine 22. The cathode exhaust gas 7 usually contains about 5 to 15% oxygen.
[0035]
The exhaust gas catalytic combustor 28 is provided in the exhaust gas line 26 upstream from the turbine inlet. The exhaust gas catalytic combustor 28 is provided with a catalyst air line 28 a for supplying compressed air from the compressor C of the micro gas turbine 22 and a catalyst fuel line 28 b for directly supplying fuel to the exhaust gas catalytic combustor 28. It has been.
The exhaust gas catalytic combustor 28 is filled with a combustion catalyst. This combustion catalyst is, for example, a catalyst containing Ni as a main component, and is capable of self-ignition at a relatively low temperature (for example, around 100 ° C.), has a very wide fuel flow range, and can stably burn even at a low oxygen concentration. Have. Note that a preheating device may be provided in the catalytic combustor 28 so that it can be preheated and self-ignited independently.
[0036]
FIG. 2 is a flow diagram illustrating the activation method according to the present invention. As shown in this figure, the method for starting a combined power generation facility for a fuel cell and a micro gas turbine according to the present invention includes a turbine starting step (A), an extraction step (B), a catalytic combustion step (C), and a combustion switching step (D). ), An exhaust gas driving step (E), and a combined power generation step (F). The micro gas turbine is started, and compressed air is extracted to raise the temperature and pressure of the fuel cell power generation device.
[0037]
In the turbine starting step (A), the micro gas turbine 22 is started and operated independently. In this turbine start-up step (A), the compressor C is rotationally driven using the generator G of the micro gas turbine 22 as an electric motor, the compressed air is supplied to the combustor 22a, and the fuel is supplied to the combustor 22a for ignition. The turbine T is preferably driven to rotate independently by the combustion gas.
[0038]
In the extraction step (B), compressed air is extracted from the activated micro gas turbine 22 and supplied to the fuel cell power generator 20. In this extraction step (B), the generator of the micro gas turbine 22 is controlled with no load and at a constant rotational speed, and the maximum air flow rate (for example, about 30%) that can be extracted is supplied to the fuel cell power generator 20. Increase the pressure and raise the temperature. In addition, at the initial stage of pressure increase / temperature increase of the fuel cell power generation apparatus 20, it is preferable to positively increase the temperature by catalytic combustion by supplying pressurized air from the catalyst air supply line 24b.
[0039]
In the catalytic combustion step (C), fuel is supplied to the exhaust gas catalytic combustor 28 and burned. In this catalytic combustion step (C), the combustion catalyst of the exhaust gas catalytic combustor 28 is preheated with the exhaust gas from the fuel cell power generator 20 whose pressure has been increased and raised, and then fuel is supplied to ignite. When an independent preheating device is provided, the preheating device may preheat and ignite.
[0040]
In the combustion switching step (D), the combustion (flame combustion) in the combustor 22a of the micro gas turbine 22 is extinguished, and the micro gas turbine 22 is rotationally driven only by the combustion gas of the catalytic combustor 28. In this combustion switching step (D), the fuel supply to the micro gas turbine 22 is gradually reduced to extinguish the combustion, and at the same time, the fuel supply to the exhaust gas catalytic combustor 28 is gradually increased to maintain the rotation of the micro gas turbine. It is better to prevent fluctuations in the discharge pressure.
[0041]
In the exhaust gas drive step (E), the fuel to the catalytic combustor 28 is shut off, and the micro gas turbine 22 is rotationally driven by the exhaust gas from the fuel cell power generator 20. In this exhaust gas driving step (E), the fuel to the catalytic combustor 28 is gradually reduced in accordance with the temperature rise of the exhaust gas from the fuel cell power generation device 20, and the rotation of the micro gas turbine is maintained to prevent fluctuations in the discharge pressure. It is good to do.
[0042]
The combined power generation step (F) is a steady state in which power is generated by both the fuel cell power generation device 20 and the micro gas turbine 22. In this step, both the combustor 22a and the catalytic combustor 28 of the micro gas turbine 22 are extinguished, and the micro gas turbine is driven by the exhaust gas from the fuel cell power generation device 20 to recover the pressure energy of the exhaust gas. Generate electricity.
[0043]
According to the combined power generation facility of the present invention described above, since the μGT can be started independently using the generator of the micro gas turbine as an electric motor, no extra facility for startup is required and power generation efficiency is improved by power generation. be able to.
Further, in addition to the combustor of the micro gas turbine, the exhaust gas catalytic combustor 28 provided in the exhaust gas line 26 for supplying the exhaust gas containing oxygen from the fuel cell power generator to the micro gas turbine is provided. By using it together, the fuel flow rate can be adjusted over a wide range.
Furthermore, the catalytic combustor 28 has a very wide fuel flow rate range and can perform stable combustion even at low oxygen concentrations. Therefore, even if the combustion amount is gradually reduced, there is no risk of misfire, and pressure fluctuations occur during extinguishing. Almost no generation of the differential pressure between the electrodes can be prevented.
[0044]
Further, according to the above-described method for starting a combined power generation facility of the present invention, the fuel cell power generation device 20 is configured such that the micro gas turbine is operated independently in the turbine starting step (A) and the compressed air is extracted in the extraction step (B). In the catalytic combustion step (C), the exhaust gas catalytic combustor 28 performs catalytic combustion. In the combustion switching step (D), the micro gas turbine is rotationally driven only by the combustion gas of the catalytic combustor, and the exhaust gas driving step (E ), The micro gas turbine can be rotationally driven by the exhaust gas from the fuel cell power generator 20.
Therefore, with this method, it is possible to stably supply the necessary pressurized air from the start of the fuel cell to the steady operation without requiring extra equipment for start-up, the fuel flow rate can be adjusted over a wide range, and the combustion amount Even if the pressure is gradually reduced, there is no risk of misfire, and there is almost no pressure fluctuation during fire extinguishing, so that the generation of differential pressure between the electrodes can be prevented.
[0045]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, surplus energy is generated by the micro gas turbine, and the power generation efficiency of the plant can be increased. In addition, a catalyst combustor is installed to make the system capable of burning a small amount of fuel gas with air or exhaust gas from the MCFC, so the micro gas turbine combustor must be extinguished at the rated load of the plant to increase power generation efficiency. The turndown ratio of the combustor including the catalytic combustor can be increased, and the pressure fluctuation during ignition / extinguishing can be reduced.
In addition, the method of the present invention makes it possible to start even when a general micro gas turbine and MCFC are combined, and no additional equipment and control such as a dedicated air compressor for boosting and heating MCFC are required. Contributes to cost reduction and downsizing.
[0047]
Therefore, the combined power generation facility of the fuel cell and the micro gas turbine according to the present invention and the startup method thereof do not require an extra facility for startup, and stably supply the necessary pressurized air from the start of the fuel cell to the steady operation. It is possible to adjust the fuel flow rate over a wide range, and even if the combustion amount is gradually reduced, there is no risk of misfire, and there is almost no pressure fluctuation during fire extinguishing, so that the generation of differential pressure between the poles can be prevented. It has excellent effects such as being able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a combined power generation facility according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an activation method according to the present invention.
FIG. 3 is an overall configuration diagram of a conventional fuel cell power generation facility.
[Explanation of symbols]
1 fuel, 2 anode gas, 3 cathode gas,
4 anode exhaust gas, 5 combustion exhaust gas, 6 air,
7, 7a, 7b, 7c Cathode exhaust gas, 8 Water vapor,
9 CO₂Concentrated gas, 10 reformer, 11 fuel cell,
12 Turbocharger, 12a Flow control valve,
13 Fuel preheater, 14 Gas turbine combustor,
15 heat recovery heat exchanger, 16 recycle blower,
17 catalytic combustor for battery, 18 cathode recycling line,
18a high-temperature flow control valve, 20 fuel cell power generator,
22 micro gas turbines, 24 air supply lines,
24a battery air supply line, 24b catalyst air supply line,
26 exhaust gas line, 28 exhaust gas catalytic combustor,
28a Air line for catalyst, 28b Fuel line for catalyst

Claims

水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）を有する燃料電池発電装置（２０）と、
回転数可変型発電機と燃焼器（２２ａ）を有するマイクロガスタービン（２２）と、
マイクロガスタービンから圧縮空気を抽気し前記燃料電池発電装置に供給する空気供給ライン（２４）と、
燃料電池発電装置からマイクロガスタービンに酸素を含む排ガスを供給する排ガスライン（２６）と、
該排ガスラインに設けられた排ガス用触媒燃焼器（２８）とを備えたコンバインド発電設備であって、
発電設備の起動時に、
前記燃焼器（２２ａ）に燃料を供給して着火し該燃焼器で発生させた燃焼ガスによってマイクロガスタービンのタービンを回転駆動することによりマイクロガスタービン（２２）を起動して単独運転するタービン起動ステップ（Ａ）と、
起動したマイクロガスタービンから圧縮空気を抽気して燃料電池発電装置（２０）に供給する抽気ステップ（Ｂ）と、
前記抽気ステップ（Ｂ）を行った後、排ガス用触媒燃焼器（２８）に燃料を供給して燃焼させる触媒燃焼ステップ（Ｃ）と、
前記触媒燃焼ステップ（Ｃ）を行った後、マイクロガスタービンの燃焼器（２２ａ）への燃料供給を漸減させていき、並行して、前記排ガス用触媒燃焼器への燃料供給を漸増させていくことで、マイクロガスタービンの回転を維持し、燃焼器（２２ａ）での燃焼を消火し、触媒燃焼器（２８）の燃焼ガスのみでマイクロガスタービンを回転駆動する燃焼切換ステップ（Ｄ）と、
触媒燃焼器への燃料を遮断して燃料電池発電装置（２０）からの排ガスでマイクロガスタービンを回転駆動する排ガス駆動ステップ（Ｅ）と、を行うことを特徴とする燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備。A fuel cell power generation device (20) having a fuel cell (11) for generating electricity with an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen;
A micro gas turbine (22) having a variable speed generator and a combustor (22a) ;
An air supply line (24) for extracting compressed air from a micro gas turbine and supplying the compressed air to the fuel cell power generator;
An exhaust gas line (26) for supplying exhaust gas containing oxygen from the fuel cell power generator to the micro gas turbine;
A combined power generation facility including an exhaust gas catalytic combustor (28) provided in the exhaust gas line ,
When starting up the power generation equipment,
Turbine start-up that supplies fuel to the combustor (22a), ignites, and rotates the micro gas turbine by combustion gas generated by the combustor to start the micro gas turbine (22) for independent operation Step (A);
An extraction step (B) for extracting compressed air from the activated micro gas turbine and supplying it to the fuel cell power generator (20);
After performing the extraction step (B), a catalytic combustion step (C) for supplying and burning fuel to the exhaust gas catalytic combustor (28);
After performing the catalytic combustion step (C), the fuel supply to the combustor (22a) of the micro gas turbine is gradually decreased, and in parallel, the fuel supply to the exhaust gas catalytic combustor is gradually increased. A combustion switching step (D) for maintaining the rotation of the micro gas turbine, extinguishing the combustion in the combustor (22a), and rotating the micro gas turbine only with the combustion gas of the catalytic combustor (28);
An exhaust gas driving step (E) for cutting off fuel to the catalytic combustor and rotationally driving the micro gas turbine with the exhaust gas from the fuel cell power generation device (20) . Combined power generation equipment.

前記排ガス用触媒燃焼器（２８）にマイクロガスタービンから圧縮空気を供給する触媒用空気ライン（２８ａ）と、該排ガス触媒燃焼器に燃料を供給する触媒用燃料ライン（２８ｂ）とを備えることを特徴とする請求項１に記載のコンバインド発電設備。 A catalyst air line (28a) for supplying compressed air from a micro gas turbine to the exhaust gas catalyst combustor (28); and a catalyst fuel line (28b) for supplying fuel to the exhaust gas catalyst combustor. The combined power generation facility according to claim 1, wherein

前記燃料電池発電装置（２０）は、燃料電池（１１）で反応後のアノード排ガス（４）を燃焼させる電池用触媒燃焼器（１７）と、該触媒燃焼器の燃焼排ガス（５）を燃料電池のカソード入口側に循環させるリサイクルブロワ（１６）とを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のコンバインド発電設備。 The fuel cell power generation device (20) includes a catalyst combustor (17) for burning the anode exhaust gas (4) after reaction in the fuel cell (11), and the combustion exhaust gas (5) of the catalyst combustor as a fuel cell. The combined power generation facility according to claim 1, further comprising a recycle blower (16) that is circulated to the cathode inlet side.

前記空気供給ライン（２４）は、燃料電池のカソードライン（３）に圧縮空気を供給する電池用空気供給ライン（２４ａ）と、電池用触媒燃焼器（１７）に圧縮空気を供給する触媒用空気供給ライン（２４ｂ）とからなる、ことを特徴とする請求項３に記載のコンバインド発電設備。 The air supply line (24) includes a battery air supply line (24a) for supplying compressed air to the cathode line (3) of the fuel cell, and a catalyst air for supplying compressed air to the battery catalytic combustor (17). The combined power generation facility according to claim 3, comprising a supply line (24b).

水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）を有する燃料電池発電装置（２０）と、回転数可変型発電機と燃焼器（２２ａ）を有するマイクロガスタービン（２２）と、マイクロガスタービンから圧縮空気を抽気し前記燃料電池発電装置に供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池発電装置からマイクロガスタービンに酸素を含む排ガスを供給する排ガスライン（２６）と、該排ガスラインに設けられた排ガス用触媒燃焼器（２８）とを備えたコンバインド発電設備の起動方法であって、
前記燃焼器（２２ａ）に燃料を供給して着火し該燃焼器で発生させた燃焼ガスによってマイクロガスタービンのタービンを回転駆動することによりマイクロガスタービン（２２）を起動して単独運転するタービン起動ステップ（Ａ）と、
起動したマイクロガスタービンから圧縮空気を抽気して燃料電池発電装置（２０）に供給する抽気ステップ（Ｂ）と、
前記抽気ステップ（Ｂ）を行った後、排ガス用触媒燃焼器（２８）に燃料を供給して燃焼させる触媒燃焼ステップ（Ｃ）と、
前記触媒燃焼ステップ（Ｃ）を行った後、マイクロガスタービンの燃焼器（２２ａ）への燃料供給を漸減させていき、並行して、前記排ガス用触媒燃焼器への燃料供給を漸増させていくことで、マイクロガスタービンの回転を維持し、燃焼器（２２ａ）での燃焼を消火し、触媒燃焼器（２８）の燃焼ガスのみでマイクロガスタービンを回転駆動する燃焼切換ステップ（Ｄ）と、
触媒燃焼器への燃料を遮断して燃料電池発電装置（２０）からの排ガスでマイクロガスタービンを回転駆動する排ガス駆動ステップ（Ｅ）と、を備えることを特徴とする燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の起動方法。A fuel cell power generator (20) having a fuel cell (11) that generates electricity using an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen, and a micro gas turbine (22) having a variable speed generator and a combustor (22a ) An air supply line (24) for extracting compressed air from the micro gas turbine and supplying it to the fuel cell power generator, an exhaust gas line (26) for supplying exhaust gas containing oxygen from the fuel cell power generator to the micro gas turbine, A start-up method for a combined power generation facility comprising an exhaust gas catalytic combustor (28) provided in the exhaust gas line ,
Turbine start-up that supplies fuel to the combustor (22a), ignites, and rotates the turbine of the micro gas turbine by combustion gas generated by the combustor to start the micro gas turbine (22 ) and operate independently Step (A);
An extraction step (B) for extracting compressed air from the activated micro gas turbine and supplying it to the fuel cell power generator (20);
After performing the extraction step (B), a catalytic combustion step (C) for supplying and burning fuel to the exhaust gas catalytic combustor (28);
After performing the catalytic combustion step (C), the fuel supply to the combustor (22a) of the micro gas turbine is gradually decreased, and in parallel, the fuel supply to the exhaust gas catalytic combustor is gradually increased. A combustion switching step (D) for maintaining the rotation of the micro gas turbine, extinguishing the combustion in the combustor (22a), and rotating the micro gas turbine only with the combustion gas of the catalytic combustor (28);
An exhaust gas drive step (E) for cutting off fuel to the catalytic combustor and rotationally driving the micro gas turbine with exhaust gas from the fuel cell power generator (20) . Startup method for combined power generation facilities.

前記タービン起動ステップ（Ａ）において、マイクロガスタービンの発電機を電動機として圧縮機を回転駆動し、圧縮した空気を燃焼器に供給し、燃焼器に燃料を供給して着火し、その燃焼ガスによりタービンを回転駆動して自立運転する、ことを特徴とする請求項５に記載の起動方法。In the turbine start-up step (A), the compressor is rotated by using the generator of the micro gas turbine as an electric motor, the compressed air is supplied to the combustor, the fuel is supplied to the combustor, and ignition is performed. The start-up method according to claim 5 , wherein the turbine is driven to rotate and is independently operated.

前記抽気ステップ（Ｂ）において、マイクロガスタービンの発電機を無負荷かつ回転数一定制御し、抽気可能な最大空気流量を燃料電池発電装置（２０）に供給してこれを昇圧・昇温する、ことを特徴とする請求項５に記載の起動方法。In the extraction step (B), the generator of the micro gas turbine is controlled with no load and the rotation speed is constant, and the maximum air flow rate that can be extracted is supplied to the fuel cell power generation device (20) to increase and raise the temperature. The startup method according to claim 5 , wherein:

前記触媒燃焼ステップ（Ｃ）において、昇圧・昇温した燃料電池発電装置（２０）からの排ガスにより排ガス用触媒燃焼器（２８）の燃焼触媒を予熱し、次いで燃料を供給して着火する、ことを特徴とする請求項５に記載の起動方法。In the catalytic combustion step (C), the combustion catalyst of the exhaust gas catalytic combustor (28) is preheated by the exhaust gas from the fuel cell power generation device (20) whose pressure has been increased and increased, and then the fuel is supplied and ignited. The startup method according to claim 5 , wherein:

前記排ガス駆動ステップ（Ｅ）において、燃料電池発電装置（２０）からの排ガスの温度上昇に応じて触媒燃焼器への燃料を漸減させて、マイクロガスタービンの回転を維持する、ことを特徴とする請求項５に記載の起動方法。In the exhaust gas driving step (E), the fuel to the catalytic combustor is gradually decreased according to the temperature rise of the exhaust gas from the fuel cell power generation device (20), and the rotation of the micro gas turbine is maintained. The starting method according to claim 5 .