JP4451945B2

JP4451945B2 - 複合発電プラント

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Publication number: JP4451945B2
Application number: JP26954499A
Authority: JP
Inventors: 正辻
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-09-22
Filing date: 1999-09-22
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2019-09-22
Also published as: JP2001090508A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池とガスタービンを組み合わせた複合発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池（ＦＣ）は高い発電効率で電気エネルギーを発生すると共に電池本体及び排出ガスを介して熱エネルギーをも発生する。従って、その排熱をガスタービン（ＧＴ）のトッピングサイクル、蒸気タービン（ＳＴ）などのボトミングサイクルにより回収して発電に利用すれば、さらに高い発電効率が得られる。このため、燃料電池とガスタービンを組み合わせた複合発電プラントは省エネルギー効果の高いものとして期待されている。
【０００３】
このような複合発電プラントに使用される燃料電池としては、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）等の中から所定の作動温度の排ガスをガスタービンの作動ガスとして供給できるものが用いられる。また、燃料電池は反応ガスの圧力が高いほど高い発電効率が得られることから、複合発電プラントには、反応ガスを加圧して運転するようにした加圧式燃料電池が多く採用されている。
【０００４】
特に、空気極の反応に必要な酸素は、空気を取り込むことにより供給されるので酸素分圧を高める必要があり、一般に、大気中より取り込んだ空気を空気圧縮機により昇圧して燃料電池の空気極へ加圧供給する。そして、この空気圧縮機の駆動動力源として燃料電池からの排ガスを燃焼して作動流体とするガスタービンを装備し、このガスタービンに空気圧縮機を同軸接続して駆動する方式、あるいは、このガスタービンで発電機を駆動して電力を発生し、電動機により空気圧縮機を駆動する方式などが知られている。
【０００５】
図１０は、燃料ガスとしての天然ガスと空気とを使用する内部改質型ＳＯＦＣと、このＳＯＦＣから排出される高温の排ガスの熱をＧＴ発電部で回収する従来の複合発電プラントの一例を示す概略構成図である。
【０００６】
同図に示す複合発電プラント１０００は、主として、燃料ガス供給部６００と、空気供給部７００と、ＦＣ発電部１００と、ＧＴ発電部４００と、ＧＴ排熱回収系５００とから構成されている。ＦＣ発電部１００は、燃料ガスと空気とを電解質を介して反応させて発電を行い、ＧＴ発電部４００は、空気を圧縮してＦＣ発電部１００に供給すると共に発電を行う。
【０００７】
また、ＦＣ発電部１００とＧＴ発電部４００との間には、燃焼部２００と、反応ガス加熱部３００とが備えられている。燃焼部２００では、ＦＣ発電部１００の排ガスＧ₁₀₀が燃焼することにより、高温の燃焼ガスＧ₂₀₀が生成され、反応ガス加熱部３００において、ＦＣ発電部１００に供給する燃料ガス及び空気が加熱される。すなわち、反応ガス加熱部３００は、図１０に示すように、燃料ガスを燃焼ガスＧ₂₀₀の熱を利用して加熱する燃料ガス加熱器３２０と、空気を燃焼ガスＧ₂₀₀の熱を利用して加熱する空気加熱器３４０とから構成されている。
【０００８】
一方、ＧＴ発電部４００は、燃焼器４２０と、ガスタービン（ＧＴ）４４０と、空気圧縮機４６０と、発電機４８０とから構成されている。燃焼器４２０は、燃料ガス供給部６００と反応ガス加熱部３００とに接続されており、反応ガス加熱部３００を経由した燃焼ガスＧ₃₀₀に燃料ガスの一部Ｆ₄₀₀を混合させ、再燃焼させて高温の燃焼ガスＧ₄₂₀としてガスタービン４４０に供給する。ガスタービン４４０は、この燃焼ガスＧ₄₂₀を作動流体として動力を回収し、同軸に接続されている圧縮機４６０を駆動する。そして、圧縮機４６０は、空気供給部７００から空気Ａ₇₀₀を吸込んで圧縮する。発電機４８０は、空気圧縮機４６０を介してガスタービン４４０と同軸に接続されており、ガスタービン４４０の動力により作動して電力を発生する。
【０００９】
また、ＧＴ排熱回収系５００は、空気予熱再生器５２０と、燃料ガス予熱再生器５４０と、蒸気発生器５６０と、煙突５８０とから構成されている。ＧＴ発電部４００のガスタービン４４０から排出される排ガスＧ₄₄₀は、空気予熱再生器５２０に送られ、空気予熱再生器５２０は、排ガスＧ₄₄₀の熱を利用して空気圧縮機４６０から吐出された空気Ａ₄₆₀を予熱する。燃料ガス予熱再生器５４０は、空気予熱再生器５２０に併設されており、排ガスＧ₄₄₀の熱を利用して燃料ガス供給部６００より供給される燃料ガスＦ₅₀₀を予熱する。燃料ガス予熱再生器５４０から排出される排ガスＧ₅₄₀は、水蒸気発生器５６０に送られ、ここで発生した水蒸気は、内部改質用として燃料ガスに混合されると共に、外部の蒸気タービン（図示せず）に供給される。蒸気発生器５６０の排ガスＧ₅₆₀は、煙突５８０から大気中に放出される。
【００１０】
次に、ＳＯＦＣの作動温度を反応に最適な値に制御した場合における複合発電プラントの動作について説明する。
【００１１】
まず、燃料ガス供給部６００から供給される燃料ガスとしての天然ガスＦ₆₀₀（１５℃）は、二手に分岐され、一方のＦ₄₀₀は燃焼器４２０に導入され、他方のＦ₅₀₀は燃料ガス予熱再生器５４０に導入されて中間温度（約５５０℃）まで予熱される。燃料ガス予熱再生器５４０を通過した天然ガスＦ₅₄₀は、蒸気発生器５６０から供給される水蒸気（内部改質用蒸気）Ｓ₅₆₀と所定の水蒸気／天然ガス比のもとで混合された後、燃料ガス加熱器３２０に導入されて最適供給温度（約９５０℃）に加熱される。そして、燃料ガス加熱器３２０を通過した最適供給温度の混合ガスＦ₃₀₀はＦＣ発電部１００の燃料極側へ導入される。
【００１２】
一方、空気供給部７００から取り入れられた空気Ａ₇₀₀は、空気圧縮機４６０に導入されて圧縮され、例えば約３７４℃まで昇温する。空気圧縮機４６０を通過した圧縮空気Ａ₄₆₀は、空気予熱再生器５２０に導入されて中間温度まで予熱される。空気予熱再生器５２０を通過した圧縮空気Ａ₅₂₀は、空気加熱器３４０に導入されて最適作動温度に加熱される。そして、空気加熱器３４０を通過した圧縮空気Ａ₃₀₀は、ＦＣ発電部１００の空気極側へ導入される。
【００１３】
ＦＣ発電部１００内において、燃料極側へ導入された天然ガスと水蒸気との混合ガスＦ₃₀₀は、燃料極の触媒上で反応して、水を生成する。また、この水素と空気極側の圧縮空気Ａ₄₀₀中の酸素とは、固体酸化物電解質を介して化学反応を起こし、水と二酸化炭素とを生成する。ここで、ＦＣ発電部１００では、反応熱（エンタルピー変化；ΔＨ）のうち、自由エネルギー変化（ΔＧ）に相当する分から電池の内部抵抗に基づく分を差し引いた分が電気エネルギー（直流電力）に変換され、この電池の内部抵抗に基づく分とエントロピー変化に基づく分（−Ｔ・ΔＳ）分が主に熱として発生することとなる。この際、水或いは二酸化炭素の生成は発熱反応であることから、電池反応が進行するに伴いＦＣ発電部１００の温度は上昇する。
【００１４】
ＦＣ発電部１００を通過した燃料極排ガス及び空気極排ガスは混合され、約１０５０℃の排ガスＧ₁₀₀として燃焼部２００に導入される。この燃焼部２００において、排ガスＧ₁₀₀中に残存する天然ガス成分と酸素とは燃焼反応を起こし、さらに高温（例えば、１１２６〜１２６８℃）の燃焼ガスＧ₂₀₀となる。この燃焼部２００を通過した高温の燃焼ガスＧ₂₀₀は、反応ガス加熱部３００で二手に分岐され、それぞれ予熱済みの天然ガスＦ₅₄₀及び改質用蒸気の混合ガスと、圧縮空気Ａ₅₂₀とをＳＯＦＣの最適作動温度にまで熱交換により加熱する。
【００１５】
反応ガス加熱部３００を通過した排ガスＧ₃₀₀は、ＧＴ発電部４００内の燃焼器４２０へ導入される。この排ガスＧ₃₀₀中には、未反応の酸素が存在しており、燃料ガス供給部６００から燃焼器４２０に供給される天然ガスＦ₅₀₀によって再び燃焼し、高温の排ガスＧ₄₂₀としてＧＴ発電部４００に供給される。
【００１６】
燃焼器４２０から排出された高温の排ガスＧ₄₂₀は、ＧＴ発電部４００のガスタービン４４０に導入され、ガスタービン４４０を駆動する。これにより、ガスタービン４４０が駆動動力源となり、これと同軸に接続された空気圧縮機４６０と発電機４８０とがそれぞれ作動する。
【００１７】
ガスタービン４４０から排出された排ガスＧ₄₄₀は、空気予熱再生器５２０及び燃料ガス予熱再生器５４０に導入され、先に述べたように圧縮空気Ａ₅₆₀と天然ガスＦ₉₀₀を熱交換により予熱する。これらの予熱器５２０，５４０から排出された排ガスＧ₅₄₀は、蒸気発生器５６０に導入され、蒸気発生器５６０内の水を水蒸気に変換する。蒸気発生器５６０で発生した蒸気の一部は、先に延べたように内部改質用蒸気Ｓ₅₆₀として用いられ、残りの蒸気は図示しない蒸気タービン等に供給される。蒸気発生器５６０から排出される排ガスＧ₅₆₀は、煙突５８０から大気中へ放出される。
【００１８】
上述した複合発電プラント１０００のように、燃料電池として比較的に高温で作動するＳＯＦＣ、ＭＣＦＣ、ＰＡＦＣ等を用いる複合発電プラントにおいては、燃料電池の電池反応が発熱反応であることから、作動中に燃料電池（ＦＣ発電部）の温度が上昇することに起因して、電池構成材料の劣化或いは腐食が進行し、燃料電池の寿命が極端に短くなるという不具合が生じる。一方、燃料電池（ＦＣ発電部）を冷却し過ぎると電極反応の反応速度が低下すると共に電解質のイオン導電率も低下するため所望の出力が得られなくなるという不具合が生じる。従って、作動中の燃料電池（ＦＣ発電部）の温度上昇を抑制し、所望の作動温度に保持することが極めて重要となる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の複合発電プラント１０００では、燃料電池（ＦＣ発電部１００）を冷却して所望の作動温度に保持するために、最適作動温度（約９５０℃）まで昇温させた空気を電池反応に必要な分量よりも過剰に供給することにより燃料電池（ＦＣ発電部）の冷却を行っている。しかしながら、多量の空気を加圧して供給しようとすれば、空気の供給源であるＧＴ発電部４００の圧縮機４６０に極めて多大な駆動用動力が必要となってしまう。例えば、複合発電プラント１０００の場合、ＦＣ発電部１００に対して供給すべき冷却用の加圧空気の分量は、電池反応に必要な加圧空気の分量のおよそ５〜7倍にも達してしまう。このため、空気圧縮機４６０の規模が大きくなり、空気消費量に対するＦＣ発電量が低下してしまうという問題があった。
【００２０】
また、図１０に示す複合発電プラント１０００では、反応ガス加熱部３００（空気加熱器３４０）にて、多量の空気をＦＣ発電部１００の作動温度まで昇温させるため、ここで消費されるＦＣ発電部１００の排熱量が大きくなってしまい、ＧＴ発電部４００の入口温度が低下してＧＴ発電部４００の出力が低下してしまうという問題がある。さらに、ＧＴ発電部４００の出力を上げるべく、燃焼器４２０に燃料ガスの一部を供給すれば、余分な燃料ガスがＦＣ発電部１００以外においても消費されることとなり、過剰の空気が燃料電池の反応以外にも消費されることとあわせて、プラント全体の発電効率が低下してしまうという問題もある。
【００２１】
本発明は以上の問題を鑑みてなされたものであり、燃料電池を所望の作動温度に保持するとともに高い発電効率を達成することができ、さらにＦＣの発生熱を効率よく回収して利用することのできるプラント効率の高い複合発電プラントを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
複合発電プラントにおいては、空気と燃料ガスとを電解質を介して反応させて発電する燃料電池発電部と、燃料電池発電部から排出される空気極排ガス及び燃料極排ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼部と、燃焼ガスにより駆動されて空気を圧縮して燃料電池に供給すると共に発電するガスタービン発電部とを備えた複合発電プラントにおいて、上記の燃料電池発電部に付設されており、燃料電池発電部の発生熱を利用して空気を所望の温度に昇温させると共に燃料電池発電部を所望の作動温度に保持する空気熱交換部を備えることが好ましい。
【００２３】
この複合発電プラントによれば、燃料電池発電部に付設された空気熱交換部により、空気は燃料電池発電部の発生熱によって直接昇温され、その顕熱によって燃料電池発電部は所望の作動温度に保持されることになる。従って、従来のような過剰なガスの供給を大幅に低減でき、空気の利用率が向上するので、燃料電池発電部の発電効率（発電出力）を増大させることができる。また、燃料電池発電部から排出される高温の排ガスは、直接、ガスタービン発電部に供給できるので、これにより、ガスタービン発電部の出力を上げることが可能となり、ガスタービン発電部の排出ガスも高温で高品位なものとなることから、蒸気タービン等により有効に回収可能となる。
【００２４】
また、燃料電池発電部の排ガスを直接ガスタービン発電部に供給可能となることから、燃料ガスの消費を低減できる。この場合において、上記の空気熱交換部と併せて燃料電池発電部を適度に冷却して所望の作動温度に保持できれば、燃料ガスは、必ずしもＦＣの排熱を利用してＦＣの作動温度まで昇温させる必要はなく、例えば、ガスタービン発電部の圧縮機又はガスタービンの排熱を利用して予熱したやや低温の状態で燃料電池発電部に供給することも可能である。
【００２５】
なお、「燃料電池」とは、高温で作動してその排熱をボトミングサイクルにより回収利用できるものを示し、例えば、ＳＯＦＣ、ＭＣＦＣ、ＰＡＦＣ等が挙げられる。また、「燃料ガス」は、上記のような燃料電池の燃料極反応に利用されるガス（アノード反応ガス）を示す。例えば、水素、一酸化炭素、天然ガス、メタノール等が燃料ガスとして挙げられる。また、本発明の説明に用いられる「空気」は、大気中の空気を示すと共に、上記のような燃料電池の空気極反応に利用される酸素を含むガス（カソード反応ガス）を示すこととする。例えば、純酸素や、酸素に空気成分以外のガス成分が含まれていてもよいこととする。さらに、「燃料極排ガス」及び「空気極排ガス」には、それぞれの電極反応生成物の他に未反応の反応ガス成分が含まれていてもよいものとする。加えて、「発生熱」とは、電池反応の反応熱のうち、電気エネルギーとして出力される分以外の熱に変換される分を示すこととする。
【００２６】
また、上記の複合発電プラントにおいて、燃料電池発電部に付設されており、燃料電池発電部の発生熱を利用して燃料ガスを所望の温度に昇温させると共に燃料電池発電部を所望の作動温度に保持する燃料ガス熱交換部を更に備えると好ましい。
【００２７】
このように、燃料ガス熱交換部を上記の空気熱交換部と併せて設置することにより、空気に加えて燃料ガスも燃料電池発電部の発生熱により直接昇温させられることになり、その顕熱により燃料電池発電部は所望の作動温度に保持されることとなる。また、余分な燃料ガスの供給を低減できるので、燃料ガスの利用率を向上させることが可能となる。さらに、燃料電池発電部からの排熱を効率よくガスタービン発電部において利用することができる。従って、燃料電池発電部の発電効率を更に向上させると共に、ガスタービン発電部の発電効率も向上させることが可能となる。
【００２８】
また、上記の複合発電プラントにおいて、燃料電池発電部の排気ライン上にそれぞれ設けられており、空気を空気極排ガス又は燃焼ガスにより加熱する空気加熱器と、燃料ガスを前記燃料極排ガス又は前記燃焼ガスにより加熱する燃料ガス加熱器とを更に備えていてよい。
【００２９】
このように、空気加熱器と、燃料ガス加熱器とを備えることにより、プラント起動時において、燃料電池発電部を、自らの排熱を有効に利用して瞬時に所望の作動温度に昇温させることができる。従って、プラント起動時から定常作動状態に至るまでの時間を短縮できると共に、この間のエネルギ損失を最小限にすることが可能となる。また、プラントが定常作動状態である場合には、燃料電池発電部には空気熱交換部と燃料ガス熱交換部が備えられていることから、空気加熱器と燃料ガス加熱器とから、空気と燃料ガスとに対して与えるべき熱量は必要最小限で足りることになる。これにより、例えば、プラントが定常作動状態になった時点で、これらの加熱器の熱交換率を変化させることができる構成や、反応ガス或いは排ガスのパスを切り換え可能な構成等を採用することにより、燃料電池発電部の排ガスを極力高温に保ったままガスタービン発電部に供給することが可能となる。
【００３０】
また、上記の複合発電プラントにおいて、ガスタービン発電部の排気ライン上にそれぞれ設けられており、空気をガスタービン発電部からの排気ガスにより加熱する空気予熱再生器と、燃料ガスをガスタービン発電部からの排気ガスにより加熱する燃料ガス予熱再生器とを更に備えてもよい。
【００３１】
このように、燃料ガス予熱再生器と空気予熱再生器とを備えることにより、ガスタービン発電部の排気温度を下げることが可能となり、煙突排気が低温に維持されるので、プラントシステムロスを低減できる。ガスタービン発電部の発電効率を向上させることができる。また、燃料ガス加熱器と空気加熱器と同様に、プラント起動時においてガスタービン発電部の排熱ひいては燃料電池発電部の排熱を有効に利用して効率良くプラントを定常作動状態にすることが可能となる。
【００３２】
そして、請求項１に記載の本発明による複合発電プラントは、空気と燃料ガスとを電解質を介して反応させて発電する燃料電池発電部と、燃料電池発電部から排出される空気極排ガス及び燃料極排ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼部と、燃焼ガスにより駆動されて空気を圧縮して燃料電池に供給すると共に発電するガスタービン発電部とを備えた複合発電プラントにおいて、燃料電池発電部に付設されており、燃料電池発電部の発生熱を熱交換媒体により回収して利用する共に燃料電池発電部を所望の作動温度に保持する電池発生熱回収系を備え、電池発生熱回収系は、熱交換媒体により回収された熱を利用して燃焼部から排出される燃焼ガスを加熱してガスタービン発電部に供給する燃焼ガス加熱器を有することを特徴とする。
【００３３】
請求項１に記載の複合発電プラントによれば、電池発生熱回収系を燃料電池発電部に付設することにより、燃料電池発電部の発生熱は熱交換媒体により直接回収されることとなり、その結果、燃料電池発電部は所望の作動温度に保持される。また、燃料電池発電部には、電極反応を所望の条件で進行させるために必要とされる量の空気及び燃料ガスのみを供給し、冷却に要する空気の過剰供給を抑える。従って、反応ガスの利用率が向上することになり、燃料電池発電部の発電効率を上げることができる。また、電池発生熱回収系で燃料電池発電部の発生熱を有効利用することにより、プラント効率も向上させることが可能となる。しかも、燃焼ガス加熱器を有する電池発生熱回収系により、燃料電池発電部を所望の作動温度に保持しつつその発生熱を利用してガスタービン発電部の入口における作動ガスの温度を高く設定することが可能となるので、ガスタービン発電部の発電効率を向上させることができる。
【００３４】
また、電池発生熱回収系は、熱交換媒体により回収された熱を利用して水蒸気を発生させる蒸気発生器を有するものであると好ましい。
【００３５】
これにより、燃料電池発電部の発生熱を蒸気タービン等によって有効利用することが可能となる。
【００３６】
また、電池発生熱回収系は、熱交換媒体により回収された熱を利用して空気と燃料ガスとをそれぞれ加熱する反応ガス加熱器を有するものとしてもよい。
【００３７】
これにより、燃料電池発電部を所望の作動温度に保持しつつ、その発生熱を利用して空気と燃料ガスとをそれぞれ加熱することができる。また、燃料電池発電部の排ガスを熱損失の無い高温の状態でガスタービン発電部に直接供給することも可能となる。
【００４０】
また、複合発電プラントにおいては、空気と燃料ガスとを電解質を介して反応させて発電する燃料電池発電部と、燃料電池発電部から排出される空気極排ガス及び燃料極排ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼部と、燃焼ガスにより駆動されて空気を圧縮して燃料電池に供給すると共に発電するガスタービン発電部とを備えた複合発電プラントにおいて、燃料電池発電部の作動温度よりも低温に設定した空気及び燃料ガスをそれぞれ燃料電池発電部に供給し、燃料極内部及空気極内部において電極反応を進行させつつ電極反応による発生熱を前記空気と前記燃料ガスとに吸熱させることにより、燃料電池発電部を所望の作動温度に保持する反応ガス供給手段を備えることが好ましい。
【００４１】
この複合発電プラントでは、燃料電池発電部の燃料極及び空気極は多孔質のガス拡散電極であることから、反応ガス供給手段により燃料電池発電部の作動温度よりも低温に設定された空気と燃料ガスは、電極内の細孔内を進行する過程において微細な反応サイトで発生する発生熱を直接吸熱して電極内を冷却する一方、自らは加熱されることになる。そして、加熱されたこれらの反応ガスは電極内をさらに進行しながら微細な反応サイトで化学反応を起こし、後に続く低温の反応ガスを昇温させることとなる。この結果、ＦＣ発電部を所望の作動温度に保持することが可能となる。また、従来に比べ反応ガスの供給温度を低下させることができ、空気の供給量、すなわち、冷却用にのみ用いられていた過剰な空気の供給を削減可能となる。従って、燃料電池発電部の発電効率を向上させることができ、これに伴って、ガスタービン発電部の空気圧縮機で消費される動力が低減される。さらに、燃料電池発電部から排出される高温の排ガスは、ガスタービン発電部に直接供給できるので、ガスタービン発電部の出力を上げることができ、かつ、その排出ガスも高温で高品位なものとなることから、蒸気タービン等により有効に回収できることとなる。加えて、燃料電池発電部の排ガスを直接ガスタービン発電部に供給できるので、ＧＴ発電部における燃料ガスの消費を低減できる。
【００４２】
ここで、「反応ガス供給手段」とは、燃料電池発電部の作動温度より低温に設定した燃料ガス及び燃料ガスを供給しても、所望の発電条件で燃料電池発電部が作動できるように燃料ガス及び燃料ガスの温度、供給圧、流量等を調節する手段を示すこととする。従って、このような条件の燃料ガス及び燃料ガスを供給するためにプラントに配置される構成要素の全て含むものとする。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明による複合発電プラントの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００４４】
図１は本発明に係る複合発電プラントの好適な実施形態を示す概略構成図である。
【００４５】
〔第１実施形態〕
図１は本発明による複合発電プラントの第１実施形態を示す概略構成図である。同図に示すように、複合発電プラント１０は、主として、燃料ガス供給部８０と、空気供給部９０と、ＦＣ発電部２０と、燃焼部２２と、発電を行うとともに空気を圧縮してＦＣ発電部２０に供給するＧＴ発電部３０と、ＧＴ排熱回収系４０とから構成されている。
【００４６】
ＦＣ発電部２０は、燃料ガスとしての天然ガスと、空気とを固体酸化物電解質を介して反応させて発電する内部改質型ＳＯＦＣのスタックを備えている。燃焼部２２はＦＣ発電部２０の排ガスＧ₂₀中の未燃分を燃焼させて高温の燃焼ガスＧ₂₂を生成するためのものである。これらＦＣ発電部２０と燃焼部２２との周囲には、反応ガス熱交換部２４が設けられている。
【００４７】
反応ガス熱交換部２４は、燃料ガス熱交換部２４ａと空気熱交換部２４ｂとから構成されている。燃料ガス熱交換部２４ａは、その内部において、燃料極に供給される天然ガスＦ₂₄をＦＣ発電部２０の発生熱を利用して所望の温度に昇温させると共にＦＣ発電部２０を所望の作動温度に保持するためのものであり、空気熱交換部２４ｂは、その内部において、空気極に供給される天然ガスＦ₂₄をＦＣ発電部２０の発生熱を利用して所望の温度に昇温させると共にＦＣ発電部２０を所望の作動温度に保持するためのものである。
【００４８】
一方、ＧＴ発電部３０は、ガスタービン（ＧＴ）３２と、空気圧縮機３４と、発電機３６と、熱交換器３８から構成されている。ガスタービン３２は、燃焼部２２から排出された燃焼ガスＧ₂₂を作動流体として動力を回収する。空気圧縮機３４は、ガスタービン３２と同軸に接続されており、ガスタービン３２の動力により作動して空気供給部９０（例えば、大気を吸気室を介して吸入する。）から空気Ａ₉₀を吸込んで圧縮する。発電機３６は、空気圧縮機３４を介してガスタービン３２と同軸に接続されており、ガスタービン３２の動力により作動して電力を発生する。熱交換器３８は、燃料ガス供給部８０からの天然ガスＦ₈₀を空気圧縮機３４から排出されるガスタービン３２の翼冷却用の圧縮空気Ａ_34aと熱交換させて加熱する。
【００４９】
また、ＧＴ排熱回収系４０は、蒸気発生器（ＨＲＳＧ）４１と、蒸気タービン（ＳＴ）４２と、発電機４３と、復水器４４と、熱交換器４５と、煙突４６とから構成されている。蒸気発生器４１は、ＧＴ発電部３０のガスタービン３２から排出される排ガスＧ₃₂の熱を利用して水蒸気を発生させ、水蒸気の一部Ｓ_41aを天然ガスに混合させる内部改質用蒸気とし、残りの水蒸気Ｓ_41bを外部の蒸気タービン４２に供給する。蒸気タービン４２は、蒸気発生器４１から供給された水蒸気Ｓ_41bを作動流体として動力を回収する。発電機４３は、蒸気タービン４２と同軸に接続されており、蒸気タービン４２の動力により作動して電力を発生する。復水器４４は、蒸気タービン４２からの排出蒸気Ｓ₄₂を復水させ、一部の復水Ｗ_42aを熱交換器４５に送水し、残りの復水Ｗ_42bを蒸気発生器４１に送水する。熱交換器４５は、復水器４４から送水される水Ｗ_42aを空気圧縮機３４からＦＣ発電部２０に向けて供給される圧縮空気Ａ_34bと熱交換させ、水蒸気Ｓ₄₅として蒸気タービン４２に供給する。圧縮空気Ａ_34bは、（１）圧縮機吐出をそのまま用いるてもよく、（２）熱交換機４５で冷却して用いてもよく、また、（１）と（２）を併用して所定温度として用いてもよい。蒸気発生器４１を通過した排ガスＧ₄₁は煙突４６から大気中に放出される。
【００５０】
以下に、ＦＣ発電部（ＳＯＦＣ）２０の作動温度を反応に最適な値に制御した場合における複合発電プラント１０の動作について説明する。
【００５１】
燃料ガス供給部８０から供給される天然ガスＦ₈₀（約１５℃）は、ＧＴ発電部３０内の熱交換器３８に導入され、予熱される。熱交換器３８を通過した天然ガスＦ₃₈は、蒸気発生器４１から供給される内部改質用蒸気Ｓ_41aと混合される。あるいは、ミスをスプレー混合してもよい。内部改質用蒸気Ｓ_41aと混ざり合った天然ガスＦ₃₈は、反応ガス熱交換部２４の燃料ガス熱交換部２４ａに導入される。燃料ガス熱交換部２４ａ内に導入された天然ガスＦ₂₄は、ＦＣ発電部２０の発生熱により最適な作動温度（燃料改質温度）まで直接昇温させられることになり、その顕熱によりＦＣ発電部２０も所望の作動温度に保持されることとなる。そして、最適作動温度まで昇温された天然ガスＦ₂₄が、ＦＣ発電部２０の燃料極に導入される。
【００５２】
一方、空気供給部９０からＧＴ発電部３０内に取り入れられた空気Ａ₉₀（約１５℃）は、空気圧縮機３４により圧縮されると共に所定温度まで昇温させられる。空気圧縮機３４を通過した圧縮空気は二手に分岐され、一方の圧縮空気Ａ_34aは熱交換器３８に導入されて天然ガスＦ₈₀を予熱する。熱交換器３８を通過した圧縮空気Ａ₃₈は翼冷却空気としてガスタービン３２に導入される。もう一方の圧縮空気Ａ₃４ｂは、直接空気熱交換部２４ｂに供給されるか、又は、熱交換器４５に導入され、復水器４４から送水される水Ｗ_42aと熱交換し約１５℃まで冷却される。熱交換器４５を通過した圧縮空気Ａ₄₅は、そのまま、あるいは、圧縮空気Ａ３４ｂと混合して、反応ガス熱交換部２４の空気熱交換部２４ｂに導入される。空気熱交換部２４ｂ内に導入された圧縮空気Ａ₂₄は、ＦＣ発電部２０の発生熱により燃料改質温度（約９５０℃）まで直接昇温されることとなり、その顕熱によりＦＣ発電部２０も所望の作動温度に保持されることとなる。そして、最適作動温度まで昇温された圧縮空気Ａ₂₄は、ＦＣ発電部２０の空気極に導入される。
【００５３】
ＦＣ発電部２０内において、燃料極へ導入された天然ガス及び水蒸気の混合ガスＦ₂₄は、燃料極の触媒上で反応して、水素を生成する。この反応は吸熱反応であるため、この内部改質反応によってもＦＣ発電部２０の発生熱を吸熱することができる。また、空気極の圧縮空気Ａ₂₄中の酸素は、Ｏ^2-イオンとなり、固体酸化物電解質を伝導してこれらの水素及び一酸化炭素と化学反応を起こし、水と二酸化炭素とを生成する。ここで、その反応熱のうち、自由エネルギー変化に相当する分から電池の内部抵抗に基づく分を差し引いた分が電気エネルギー（直流電力）に変換され、残りの分が熱として発生することとなる。水或いは二酸化炭素の生成は発熱反応であるが、ＦＣ発電部２０に備えられた反応ガス熱交換部２４により適度に吸熱されるのでＦＣ発電部２０の温度は所望の作動温度に保持される。
【００５４】
ＦＣ発電部２０を通過した燃料極排ガス及び空気極排ガスは混合され、例えば、排ガスＧ₂₀として燃焼部２２に導入される。この燃焼部２２において、排ガスＧ₂₀中に残存する未反応の天然ガス成分と酸素とは、高温のもとで容易に燃焼反応を起こし、燃焼ガスＧ₂₂となる。ここで、燃焼反応による発熱の一部も反応ガス熱交換部２４内に適度に吸熱される。このようにして、燃焼ガスＧ₂₂は、ＦＣ発電部の所望の作動温度よりも高温の状態で反応ガス熱交換部２４から排出されることとなる。
【００５５】
この複合発電プラント１０では、ＦＣ発電部２０に付設された空気熱交換部２４ｂにより、空気はＦＣ発電部２０の発生熱によって直接昇温され、その顕熱によってＦＣ発電部２０は所望の作動温度に保持されることになる。従って、従来のような過剰なガスの供給を大幅に低減でき、空気の利用率が向上するので、ＦＣ発電部２０の発電効率（発電出力）を上げることが可能となる。つまり、プラント総出力に対して、燃料ガス熱交換部２４ａが上記の空気熱交換部２４ｂと併せて設置されているので、空気に加えて燃料ガスもＦＣ発電部２０の発生熱により直接昇温させられることになり、この顕熱によってもＦＣ発電部２０は所望の作動温度に保持されることとなる。また、燃料ガスの供給を低減できるので、燃料ガスの利用率を向上させることも可能となる。
【００５６】
さらに、燃焼部２２から排出される高温の排ガスＧ₂₂は、熱損失すること無くＧＴ発電部３０に直接供給される。これにより、ＧＴ発電部の出力を上げることが可能となり、ＧＴ発電部３０の排出ガスＧ₃₂も高温で高品位なものとなることから、ＧＴ排熱回収系４０により有効に回収可能となる。すなわち、プラント効率を先に延べた従来の複合発電プラントよりも大幅に向上させることができる。
【００５７】
一方、燃焼部２２から排出された高温の排ガスＧ₂₂は、ＧＴ発電部３０のガスタービン３２に導入され、ガスタービン３２を駆動する。これにより、ガスタービン３２が駆動動力源となり、これと同軸に接続された空気圧縮機３４と発電機３６とがそれぞれ作動する。ガスタービン３２から排出された排ガスＧ₃₂は、蒸気発生器４１に導入され、熱交換により蒸気発生器４１内の水を水蒸気に変換する。蒸気発生器４１で発生した蒸気の一部は、先に延べたように内部改質用蒸気Ｓ_41aとして用いられ、残りの蒸気Ｓ_41bは、蒸気タービン４２に供給される。
【００５８】
そして、蒸気Ｓ_41bは、作動流体として蒸気タービン４２を駆動する。これにより、蒸気タービン４２が駆動動力源となり、これと同軸に接続された発電機４３が作動して電力を発生する。蒸気Ｓ_41bは、蒸気タービン４２でエネルギ回収されて排出蒸気Ｓ₄₂として排出され、復水器４４に導入される。復水器４４から、一部の復水Ｗ_42aが熱交換器４５に送水され、残りの復水Ｗ_42bは蒸気発生器４１に送水される。復水器４４から送水される水Ｗ_42aは、熱交換器４５において空気圧縮機３４からＦＣ発電部２０に向けて供給される圧縮空気Ａ_34bと熱交換させられて気化し、水蒸気Ｓ₄₅として蒸気タービン４２に供給される。一方、蒸気発生器４１から排出される排ガスＧ₄₁は、煙突４６から大気中へ放出される。
【００５９】
なお、上記説明において、燃焼部２２は、ＦＣ発電部２０からの排出ガスＧ₂₀中に残存する天然ガス成分と酸素とが高温のもとで逐次酸化反応を起こす領域を示すものとする。従って、燃焼部２２は、ガスライン上に特別な燃焼用の装置或いは容器等を設けたものには限られず、逐次酸化反応が起こるガスライン中の領域（仮想アフターバーナー）であってもよい。例えば、高温で作動するＳＯＦＣの場合は、逐次酸化反応が起こり易いので燃焼部２２は、仮想アフターバーナーとなり、ＳＯＦＣよりも低温で作動するＭＣＦＣや、ＰＡＦＣ等の場合、後段のＧＴ発電部３０の出力との兼ね合いから必要に応じて燃焼触媒等を備えた装置或いは容器等を必要に応じて設けることとなる。
【００６０】
また、上述した複合発電プラント１０においては、燃焼部２２が反応ガス熱交換部２４内に設けられているが、燃焼部２２は、反応ガス熱交換部２４の外部に設けられていてもよい。燃焼部２２を反応ガス熱交換部２４内に設ければ、ＦＣ発電部２０の発生熱に加えて燃焼部２２の発生熱を利用して燃料ガス及び空気を所望の温度まで十分に昇温させることが可能となる。一方、燃焼部２２を反応ガス熱交換部２４の外部に設ければ、ＦＣ発電部２０の排ガスＧ₂₀の温度をさらに高温の燃焼ガスＧ₂₂にしてＧＴ発電部３０に供給することが可能となる。つまり、燃焼部２２は、使用するＦＣの形式、ＦＣの作動温度、反応ガスの供給温度、反応ガス熱交換部２４の熱交換量、想定されるプラント効率等の条件によりその配置を上記のいずれにするか適宜選択可能である。
【００６１】
さらに、上記の複合発電プラントにおいて、燃料ガス供給部８０から供給される天然ガスＦ₈₀は、ＧＴ発電部３０の熱交換器３８を経由せず、反応ガス熱交換部２４に直接導入されるものであってもよい。また、ＧＴ発電部３０の空気圧縮機３４から供給される空気Ａ_34bは、ＧＴ排熱回収系４０の熱交換器４５を経由せず、反応ガス熱交換部２４に直接導入されるものであってもよい。
【００６２】
図２は、上述した第１実施形態に係る複合発電プラント１０の変形例を示す概略構成図である。同図に示す複合発電プラント１０Ａは、反応ガス加熱器５０を更に備える点で、図１に示した複合発電プラント１０と異なる。
【００６３】
反応ガス加熱器５０は、燃料ガス加熱器５２と空気加熱器５４とから構成されている。燃料ガス加熱器５２は燃焼部２２からの高温の燃焼ガスＧ₂₂を取り込み、その熱を利用してＦＣ発電部２０に供給する燃料ガスを加熱するものである。同様に空気加熱器５４は、燃焼ガスＧ₂₂の熱を利用してＦＣ発電部２０に供給する空気を加熱するものである。
【００６４】
また、この複合発電プラント１０Ａでは、燃焼部２２が反応ガス熱交換部２４の外部に設けられている。これにより、燃焼ガスＧ２２の熱により反応ガス加熱器５０において燃料ガス及び空気を高温に加熱することが可能となる。また、ＧＴ発電部３０には、ガスタービン３２の上流側のガスライン上に燃焼器３１が備えられている。燃焼器３１は、反応ガス加熱器５０から排出される排出ガスＧ₅₀をガスタービン３２に導入する前に高温ガスとするためのものである。反応ガス加熱器５０の熱交換により、降温した排出ガスＧ₅₀を再度昇温させることができる。例えば、特にＳＯＦＣに比較して低温の排出ガスを排出するＭＣＦＣやＰＡＦＣ等のＦＣを使用する場合に、この燃焼器３１を設ければ、ＧＴ発電効率、或いはプラント効率の面で有効である。
【００６５】
以下に、ＦＣ発電部（ＳＯＦＣ）２０の作動温度を反応に最適な値に制御した場合における複合発電プラント１０Ａの動作について説明する。
【００６６】
燃料ガス供給部８０から供給される天然ガスＦ₈₀（約１５℃）は、反応ガス熱交換部２４の燃料ガス熱交換部２４ａに導入される。燃料ガス熱交換部２４ａ内に導入された天然ガスＦ₈₀は、ＦＣ発電部２０の発生熱により直接昇温させられる。燃料ガス熱交換部２４ａから排出された天然ガスＦ_24aは、反応ガス加熱器５０の燃料ガス加熱器５２に導入され、燃焼ガスＧ₂₂と熱交換することにより更に昇温する。燃料ガス加熱器５２を通過した天然ガスＦ₅₂は、蒸気発生器４１から供給される内部改質用蒸気Ｓ_41aと混合される。内部改質用蒸気Ｓ_41aと混ざり合った天然ガスＦ₃₈は、再び反応ガス熱交換部２４の燃料ガス熱交換部２４ａに導入される。燃料ガス熱交換部２４ａ内に導入された天然ガスＦ₂₄は、ＦＣ発電部２０の発生熱により最適作動温度まで直接昇温させられることになり、その顕熱によりＦＣ発電部２０も所望の作動温度に保持されることとなる。そして、最適作動温度まで昇温された天然ガスＦ₂₄が、ＦＣ発電部２０の燃料極に導入される。
【００６７】
これにより、燃料ガス熱交換部２４ａと燃料ガス加熱器５２とを利用して、低温で導入された天然ガスＦ₉₀を最適作動温度まで昇温させることができ、ＦＣ発電部２０も所望の作動温度に保持されることとなる。
【００６８】
一方、空気供給部９０からＧＴ発電部３０内の空気圧縮機３４を経由して供給される圧縮空気Ａ₃₄も上記の天然ガスと同様にして空気熱交換部２４ｂに導入され、空気加熱器５４を経由して再び空気熱交換部２４ｂに導入される。そして、最終的に空気熱交換部２４ｂ内に導入された圧縮空気Ａ₂₄は、ＦＣ発電部２０の発生熱により最適作動温度まで直接昇温されることとなり、ＦＣ発電部２０も所望の作動温度に保持されることとなる。そして、最適作動温度まで昇温された天然ガスＦ₂₄は、ＦＣ発電部２０の空気極に導入される。
【００６９】
このように、空気加熱器５４と、燃料ガス加熱器５２とを備えることにより、プラント起動時において、ＦＣ発電部２０を、自らの排熱、すなわち、反応ガス熱交換部２４の熱と排ガスＧ₂₀に移行する熱を有効に利用して瞬時に所望の作動温度まで昇温させることができる。従って、プラント起動時から定常作動状態に至るまでの時間を短縮できると共に、この間のエネルギ損失を最小限にすることが可能となる。また、プラントが定常作動状態である場合には、ＦＣ発電部２０には空気熱交換部２４ｂと燃料ガス熱交換部２４ａが備えられているので、空気加熱器５４と燃料ガス加熱器５２とから、空気と燃料ガスとに対して与えるべき熱量は必要最小限で足りる。
【００７０】
これにより、例えば、プラントが定常作動状態になった時点で、反応ガス加熱器５０の熱交換率を変化させることができる構成や、ガスラインを燃料ガス及び空気のパスを切り替え可能にするか或いは燃焼部２２の燃焼ガスＧ₂₂のパスを切り換え可能な構成等を採用することにより、燃焼部２２の燃焼ガスを極力高温に保ったままＧＴ発電部３０に供給することが可能となる。この場合においては、ＧＴ発電部３０の燃焼器３１は不要となるので、さらにプラント効率を向上させることができる。
【００７１】
なお、上記の複合発電プラント１０Ａの構成においては、燃料ガス及び空気は、まず反応ガス熱交換部２４に導入され、次に反応ガス加熱器５０に導入されるが、逆の順路、すなわち、まず反応ガス加熱器５０に導入し、次に反応ガス熱交換部に導入してＦＣ発電部２０に供給するようにしてもよい。この場合も、上記と同様の作用効果を得ることができる。
【００７２】
図３は、上述した図１の複合発電プラントの他の変形例を示す概略構成図である。同図に示す複合発電プラント１０Ｂは、反応ガス加熱器５０に加えて、更に、反応ガス予熱再生器６０を備える点で、図１の複合発電プラント１０と異なる。
【００７３】
反応ガス加熱器５０は、図２で説明した複合発電プラント１０における反応ガス加熱器と同様のものであり、同様の作用効果を奏するものである。反応ガス予熱再生器６０は、ＧＴ発電部３０とＧＴ排熱回収系４０との間の排気ライン上に設けられており、燃料ガス予熱再生器６２と空気予熱再生器６４とから構成されている。燃料ガス予熱再生器６２は、燃料ガスをＧＴ発電部３０の排気ガスＧ₃₂により加熱するものである。空気予熱再生器６４は、空気をＧＴ発電部３０の排気ガスＧ₃₂により加熱するものである。
【００７４】
このように、燃料ガス予熱再生器６２と空気予熱再生器６４とを備えることにより、ＧＴ発電部３０の排気温度を下げることが可能となり、煙突排気が低温に維持されるので、プラントシステムロスを低減できる。また、燃料ガス加熱器５２と空気加熱器５４と同様に、プラント起動時においてＧＴ発電部３０の排熱ひいてはＦＣ発電部２０の排熱を有効に利用して速やかにしかも効率良くプラントを定常作動状態にすることが可能となる。
【００７５】
〔第２実施形態〕
図４は本発明による複合発電プラントの第２実施形態を示す概略構成図である。
同図に示すように、複合発電プラント１１は、主として、燃料ガス供給部８０と、空気供給部９０と、ＦＣ発電部２０と、燃焼部（仮想アフターバーナー）２２と、発電を行うとともに空気を圧縮してＦＣ発電部２０に供給するＧＴ発電部３０と、ＧＴ排熱回収系４０と、電池発生熱回収系７０とから構成されている。
【００７６】
ＦＣ発電部２０は、燃料ガスとしての天然ガスと、空気とを固体酸化物電解質を介して反応させて発電する内部改質型ＳＯＦＣのスタックを備えている。燃焼部２２はＦＣ発電部２０の排ガスＧ₂₀を燃焼させて高温の燃焼ガスＧ₂₂を生成するためのものである。
【００７７】
電池発生熱回収系７０は、電池発生熱交換部７２と、電池発生熱利用系７４とから構成されており、電池発生熱交換部７２と電池発生熱利用系７４とは、両者の間を循環する熱交換媒体Ｍ₇₀とにより熱的に接続されている。電池発生熱交換部７２は、ＦＣ発電部２０の周囲に設けられており、電池発生熱交換部７２の内部を循環する熱交換媒体Ｍ₇₀によりＦＣ発電部２０の発生熱を回収する。電池発生熱利用系７４は、ＦＣ発電部２０の外部に配置されており、電池発生熱利用系７４の内部を循環する熱交換媒体Ｍ₇₀により電池発生熱交換部７２から供給されるＦＣ発電部２０の発生熱を利用する。このようにして、電池発生熱回収系７０は、ＦＣ発電部２０の発生熱を利用すると共にＦＣ発電部２０を所望の作動温度に保持する。
【００７８】
また、燃焼部２２とＧＴ発電部３０との間には、反応ガス加熱器５０と、蒸気発生器９５と、水供給部９６が備えられている。反応ガス加熱器５０は、燃料ガスを燃焼ガスＧ₂₂の熱を利用して加熱する燃料ガス加熱器５２と、空気を燃焼ガスＧ₂₂の熱を利用して加熱する空気加熱器５４とから構成されている。水供給部９６は蒸気発生器９５に接続されており蒸気発生器９５に対して水Ｗ₉₆を供給する。蒸気発生器９５は、反応ガス加熱器５０に接続されており、反応ガス加熱器５０から排出される排ガスＧ₅₀の熱を利用して水供給部９６から供給された水Ｗ₉₆を水蒸気Ｓ₉₅に変換する。この水蒸気Ｓ₉₅は内部改質用水蒸気として燃料ガス供給部８０から供給される天然ガスＦ₅₀と混合される。
【００７９】
一方、ＧＴ発電部３０は、燃焼器３１と、ガスタービン（ＧＴ）３２と、空気圧縮機３４と、発電機３６から構成されている。燃焼器３１は、燃料ガス供給部８０と蒸気発生器９５とに接続されており、蒸気発生器９５を経由した燃焼ガスＧ₉₅に燃料ガスの一部Ｆ₃₀を混合させ、再燃焼させて高温の燃焼ガスＧ₃₁としてガスタービン３２に供給する。ガスタービン３２は、燃焼器３１から排出された燃焼ガスＧ₃₁を作動流体として動力を回収する。空気圧縮機３４は、ガスタービン３２と同軸に接続されており、ガスタービン３２の動力により作動して空気供給部９０から空気Ａ₉₀を吸込んで圧縮する。発電機３６は、空気圧縮機３４を介してガスタービン３２と同軸に接続されており、ガスタービン３２の動力により作動して電力を発生する。
【００８０】
また、ＧＴ排熱回収系４０は、蒸気発生器（ＨＲＳＧ）４１と、蒸気タービン（ＳＴ）４２と、煙突４６とから構成されている。蒸気発生器４１は、ＧＴ発電部３０のガスタービン３２から排出される排ガスＧ₃₂の熱を利用して水蒸気Ｓ₄₁を発生させて外部の蒸気タービン（図示せず）等に供給する。蒸気発生器４１を通過した排ガスＧ₄₁は煙突４６から大気中に放出される。
【００８１】
以下に、ＦＣ発電部（ＳＯＦＣ）２０の作動温度を反応に最適な値に制御した場合における複合発電プラント１１動作について説明する。
【００８２】
まず、燃料ガス供給部８０から供給される天然ガスＦ₈₀（約１５℃）は、二手に分岐され、一方のＦ₃₀は燃焼器３１に導入され、他方のＦ₅₀は、蒸気発生器９５から供給される水蒸気（内部改質用蒸気）Ｓ₉₅と混合された後、燃料ガス加熱器５２に導入されて最適作動温度に加熱される。そして、燃料ガス加熱器５２を通過した最適作動温度の混合ガスＦ₅₂はＦＣ発電部２０の燃料極側へ導入される。
【００８３】
一方、空気供給部９０からＧＴ発電部３０内に取り入れられた空気Ａ₉₀（約１５℃）は、空気圧縮機３４により圧縮されると共に所定温度まで昇温させられる。空気圧縮機３４を通過した圧縮空気Ａ₃₄は、空気加熱器５４に導入されて最適作動温度に加熱される。そして、空気加熱器５４を通過した最適作動温度の圧縮空気Ａ₅₄は、ＦＣ発電部２０の空気極側へ導入される。
【００８４】
ＦＣ発電部２０内において、燃料極へ導入された天然ガス及び水蒸気の混合ガスＦ₂₄は、内部改質反応を起こして水素と一酸化炭素となる。この反応は吸熱反応であるため、この内部改質反応によってもＦＣ発電部２０の発生熱を吸熱することができる。また、空気極の圧縮空気Ａ₅₄中の酸素は、Ｏ^2-イオンとなり、固体酸化物電解質を伝導してこれらの水素及び一酸化炭素と化学反応を起こし、水或いは二酸化炭素を生成する。この反応により、電気エネルギーと熱が発生する。発生した熱のうち、ＦＣ発電部２０の電極内部を通過する燃料ガス及び空気に移行した分は、燃焼部２２の燃焼熱とあわせて、反応ガス加熱器５０以降の構成要素の熱回収に利用される。また、発生した熱のうち、ＦＣ発電部２０の外表面に接する電池発生熱交換部７２に移行した分は、電池発生熱交換部７２を通過する熱交換媒体Ｍ₇₀を介して電池発生熱利用系７４により熱回収されることとなる。これにより、水或いは二酸化炭素の生成は発熱反応であるにもかかわらず、ＦＣ発電部２０に備えらた電池発生熱回収系７０により適度に吸熱されるのでＦＣ発電部２０の温度は所望の作動温度に保持される。
【００８５】
このように、電池発生熱回収系７０をＦＣ発電部２０に付設することにより、ＦＣ発電部２０の発生熱は熱交換媒体Ｍ₇₀により直接回収されることとなり、その結果、ＦＣ発電部２０は所望の作動温度に保持されることとなる。また、ＦＣ発電部２０には、電極反応を所望の条件で進行させるために必要とされるだけの量の空気及び燃料ガスのみを供給すればよい。従って、反応ガスの利用率が向上することになり、ＦＣ発電部２０の発電効率を上げることができる。また、電池発生熱回収系７０の電池発生熱利用系７４においてＦＣ発電部２０の発生熱を有効利用することにより、プラント効率も向上させることが可能となる。
【００８６】
図５は、図４に示した複合発電プラントにおける電池発生熱回収系７０の第１態様を示す概略構成図である。
【００８７】
同図に示す電池発生熱回収系７０Ａは、電池発生熱交換部７２と電池発生熱利用系７４とから構成されており、電池発生熱交換部７２と電池発生熱利用系７４とは、両者の間を循環する熱交換媒体Ｍ₇₀とにより熱的に接続されている。
【００８８】
電池発生熱利用系７４は、蒸気発生器（ＨＲＳＧ）７４ａと、熱交換媒体循環供給手段７４ｂと、蒸気タービン（ＳＴ）７４ｃと、発電機７４ｄと、復水器７４ｅと、ポンプ７４ｆとから構成されている。熱交換媒体循環供給手段７４ｂは、例えば、ポンプ、ブロア等からなり、熱交換媒体Ｍ₇₀を電池発生熱交換部７２と電池発生熱利用系７４との間で循環させる。蒸気発生器７４ａは、熱交換媒体Ｍ₇₀から供給されるＦＣ発電部２０の発生熱を利用して水蒸気を発生させ、水蒸気Ｓ_74aを蒸気タービン７４ｃに供給する。蒸気タービン７４ｃは、蒸気発生器７４ａから供給された水蒸気Ｓ_74aを作動流体として動力を回収する。発電機７４ｄは、蒸気タービン７４ｃと同軸に接続されており、蒸気タービン７４ｃの動力により作動して電力を発生する。復水器７４ｅは、蒸気タービン７４ｃからの排出蒸気Ｓ_74cを復水させる。復水器７４ｅによって再生された水Ｗ_74eはポンプ７４ｆによって蒸気発生器７４ａに送水される。
【００８９】
以上のような構成の電池発生熱回収系７０Ａによれば、ＦＣ発電部２０を所望の作動温度に保持しつつＦＣ発電部２０の発生熱を回収し、回収エネルギを蒸気タービン７４ｃによって電気エネルギーに変換して有効利用することが可能となる。その結果、プラント効率も向上することとなる。
【００９０】
図６は、図４に示した複合発電プラントにおける電池発生熱回収系７０の第２態様を示す概略構成図である。
【００９１】
同図に示す電池発生熱回収系７０Ｂは、電池発生熱交換部７２と電池発生熱利用系７４とから構成されており、電池発生熱交換部７２と電池発生熱利用系７４とは、両者の間を循環する熱交換媒体Ｍ₇₀とにより熱的に接続されている。
【００９２】
電池発生熱利用系７４は、蒸気発生器７４ａと、熱交換媒体循環供給手段７４ｂと、ポンプ７４ｆと、水タンク７４ｇと、蒸気混合器７４ｈから構成されている。熱交換媒体循環供給手段７４ｂは、熱交換媒体Ｍ₇₀を電池発生熱交換部７２と電池発生熱利用系７４との間で循環させる。蒸気発生器７４ａは、熱交換媒体Ｍ₇₀から供給されるＦＣ発電部２０の発生熱を利用して水蒸気を発生させ、水蒸気Ｓ_74aを蒸気混合器７４ｈに供給する。蒸気混合器７４ｈは、蒸気発生器７４ａから供給された水蒸気Ｓ_74aを、ＦＣ発電部２０の排出ガスＧ₇₀と混合させ、ＧＴ発電部３０内のガスタービン３２に作動流体として供給する。
【００９３】
以上のような構成の電池発生熱回収系７０Ｂによれば、ＦＣ発電部２０の発生熱は、排ガスに移行した分も、電極構成材料部に移行した分も最終的にガスタービン３２において回収して有効利用できることとなる。これにより、ガスＦＣ発電部２０を所望の作動温度に保持しつつＦＣ発電部２０の発生熱を回収し、ガスタービン３２によって電気エネルギーに変換して有効利用することが可能となる。その結果、プラント効率も向上することとなる。
【００９４】
図７は、図４に示した複合発電プラントにおける電池発生熱回収系７０の第３態様を示す概略構成図である。
【００９５】
電池発生熱回収系７０Ｃは、電池発生熱交換部７２と電池発生熱利用系７４とから構成されており、電池発生熱交換部７２と電池発生熱利用系７４とは、両者の間を循環する熱交換媒体Ｍ₇₀とにより熱的に接続されている。
【００９６】
電池発生熱利用系７４は、燃料ガス加熱器７４ｉと、空気加熱器７４ｊとから構成されている。燃料ガス加熱器７４ｉと空気加熱器７４ｊとは、図２〜４に示した燃料ガス加熱器５２及び空気加熱器５４と同じ機能を有するものである。この場合には、加熱器７４ｉ，７４ｊは、熱交換媒体Ｍ₇₀を介してＦＣ発電部２０の発生熱を利用して燃料ガス及び空気を昇温させ、ＦＣ発電部２０に供給するものである。
【００９７】
以上のような構成の電池発生熱回収系７０Ｃによれば、ＦＣ発電部２０を所望の作動温度に保持しつつ、その発生熱を利用して空気と燃料ガスとをそれぞれ加熱することができる。また、ＦＣ発電部２０の排ガスを熱損失の無い高温の状態でＧＴ発電部３０に直接供給することも可能となる。その結果、プラント効率も向上することとなる。
【００９８】
図８は、図４に示した複合発電プラントにおける電池発生熱回収系７０の第４態様を示す概略構成図である。
【００９９】
電池発生熱回収系７０Ｄは、電池発生熱交換部７２と電池発生熱利用系７４とから構成されており、電池発生熱交換部７２と電池発生熱利用系７４とは、両者の間を循環する熱交換媒体Ｍ₇₀とにより熱的に接続されている。
【０１００】
電池発生熱利用系７４は、熱交換器７４ｋから構成されている。熱交換器７４ｋは、図２〜３に示した燃焼器３１と同じ機能を有するものであり、この場合、熱交換器７４ｋは、熱交換媒体Ｍ₇₀を介してＦＣ発電部２０の発生熱をＧＴ発電部３０に含まれるガスタービン３２の作動ガスを昇温させるために利用される。
【０１０１】
以上のような構成の電池発生熱回収系７０Ｄによれば、ＦＣ発電部２０を所望の作動温度に保持しつつ、その発生熱を利用してＧＴ発電部３０の入口における作動ガスの温度を高く設定することが可能となる。従って、ＧＴ発電部３０の発電効率を向上させることができる。また一方で、ＦＣ発電部２０の排出ガスを有効に利用して空気と燃料ガスとをそれぞれ加熱することができる。その結果、プラント効率も向上することとなる。
【０１０２】
〔第３実施形態〕
図９は本発明による複合発電プラントの第３実施形態を示す概略構成図である。
同図に示す複合発電プラント１２は、主として、燃料ガス供給部８０と、空気供給部９０と、ＦＣ発電部２０と、燃焼部（仮想アフターバーナー）２２と、発電を行うとともに空気を圧縮してＦＣ発電部２０に供給するＧＴ発電部３０と、ＧＴ排排熱回収系４０と、反応ガス予熱再生器６０とから構成されている。
【０１０３】
この複合発電プラント１２では、燃料ガス供給部８０と、空気供給部９０と、ＦＣ発電部２０と、燃焼部２２と、ＧＴ発電部３０と、反応ガス予熱再生器６０とは、それぞれの作動条件が最適化されており、各機器は、ＦＣ発電部２０に対して、作動温度（例えば、約９５０℃）よりも低温に設定された燃料ガス及び燃料ガスを供給しても、所望の発電条件でＦＣ発電部２０が作動できるように燃料ガス及び燃料ガスの温度、供給圧、流量等を調節する反応ガス供給手段として機能する。
【０１０４】
ＦＣ発電部２０は、燃料ガスとしての天然ガスと、空気とを固体酸化物電解質を介して反応させて発電する内部改質型ＳＯＦＣのスタックを備えている。燃焼部２２はＦＣ発電部２０の排ガスＧ₂₀を燃焼させて高温の燃焼ガスＧ₂₂を生成する。
【０１０５】
一方、ＧＴ発電部３０は、ガスタービン（ＧＴ）３２と、空気圧縮機３４と、発電機３６と、熱交換器３８から構成されている。ガスタービン３２は、燃焼部２２から排出された燃焼ガスＧ₂₂を作動流体として動力を回収する。空気圧縮機３４は、ガスタービン３２と同軸に接続されており、ガスタービン３２の動力により作動して空気供給部９０から空気Ａ₉₀を吸込んで圧縮する。発電機３６は、空気圧縮機３４を介してガスタービン３２と同軸に接続されており、ガスタービン３２の動力により作動して電力を発生する。熱交換器３８は、燃料ガス供給部８０からの天然ガスＦ₈₀を空気圧縮機３４から排出されるガスタービン３２の翼冷却用の圧縮空気Ａ_34aと熱交換させて加熱する。
【０１０６】
反応ガス予熱再生器６０は、ＧＴ発電部３０とＧＴ排排熱回収系４０の間の排気ライン上に設けられており、燃料ガス予熱再生器６２と空気予熱再生器６４とから構成されている。燃料ガス予熱再生器６２は、燃料ガスをＧＴ発電部３０の排気ガスＧ₃₂により加熱するものである。空気予熱再生器６４は、空気をＧＴ発電部３０の排気ガスＧ₃₂により加熱するものである。
【０１０７】
また、ＧＴ排熱回収系４０は、主として、蒸気発生器（ＨＲＳＧ）４１と、煙突４６とから構成されている。蒸気発生器４１は、ＧＴ発電部３０のガスタービン３２から排出される排ガスＧ₃₂の熱を利用して水蒸気Ｓ₄₁を発生させて外部の蒸気タービン（図示せず）等に供給する。蒸気発生器４１を通過した排ガスＧ₄₁は煙突４６から大気中に放出される。
【０１０８】
以下に、ＳＯＦＣの作動温度を反応に最適な値に制御した場合における複合発電プラント１２の動作について説明する。
【０１０９】
燃料ガス供給部８０から供給される天然ガスＦ₈₀（約１５℃）は、ＧＴ発電部３０内の熱交換器３８に導入されて予熱される。熱交換器３８を通過した天然ガスＦ₃₈は、燃料ガス予熱再生器６２に導入され中間温度に加熱される。燃料ガス予熱再生器６２を通過した天然ガスＦ₆₂は、蒸気発生器４１から供給される内部改質用蒸気Ｓ₄₁と混合される。内部改質用蒸気Ｓ₄₁と混ざり合った天然ガスＦ₃₈は、本来の作動温度よりも低温（例えば、約５５０℃）の状態で、ＦＣ発電部２０の燃料極に導入される。
【０１１０】
一方、空気供給部９０からＧＴ発電部３０内に取り入れられた空気Ａ₉₀（約１５℃）は、空気圧縮機３４により圧縮されると共に所定温度（例えば、約３７４℃）まで昇温させられる。空気圧縮機３４を通過した圧縮空気Ａ₃₄の一方Ａ_34aは、熱交換器３８を通過して天然ガスＦ₉₀を予熱した後、翼冷却空気Ａ₃₈としてガスタービン３２に導入される。もう一方の圧縮空気Ａ_34bは、空気予熱再生器６４に導入されて作動温度よりも低温となるように加熱される。そして、空気予熱再生器６４を通過した圧縮空気Ａ₆₄は、ＦＣ発電部２０の空気極側へ導入される。
【０１１１】
ここで、ＦＣ発電部２０の燃料極及び空気極は多孔質のガス拡散電極であることから、上記の反応ガス供給手段によりＦＣ発電部２０の作動温度よりも低温に設定された空気と燃料ガスは、電極内の細孔内を進行する過程において微細な反応サイトで発生する発生熱を直接吸熱して電極内を冷却する一方、自らは加熱されることになる。そして、加熱されたこれらの燃料ガス及び空気は、それぞれ電極内をさらに進行しながら微細な反応サイトで化学反応を起こし、後に続く低温の反応ガスを昇温させることとなる。この結果、ＦＣ発電部２０を所望の作動温度に保持することが可能となる。
【０１１２】
このように、反応ガス供給手段を構成する燃料ガス供給部８０と、空気供給部９０と、ＦＣ発電部２０と、燃焼部２２と、ＧＴ発電部３０と、反応ガス予熱再生器６０との作動条件を、ＦＣ発電部２０に対して、本来の作動温度より低温に設定した燃料ガス及び燃料ガスを供給しても、所望の発電条件でＦＣ発電部２０が作動できるように最適化することにより、ＦＣ発電部２０の発生熱は電極内部で反応ガスにより直接回収されることとなり、その結果、ＦＣ発電部２０は所望の作動温度に保持されることとなる。また、ＦＣ発電部２０には、電極反応を所望の条件で進行させるために必要とされる量の空気及び燃料ガスだけを供給すればよい。従って、反応ガスの利用率が向上することになり、ＦＣ発電部２０の発電効率を上げることができる。
【０１１３】
これに伴って、ＧＴ発電部３０の空気圧縮機３４で消費される動力が低減される。さらに、ＦＣ発電部２０から排出される高温の排ガスは、ＧＴ発電部３０に直接供給できるので、ＧＴ発電部３０の出力を上げることができ、かつ、その排出ガスも高温で高品位なものとなることから、蒸気タービン等により有効に回収できることとなる。加えて、ＦＣ発電部２０の排ガスを直接ＧＴ発電部３０に供給できるので、ＧＴ発電部３０における燃料ガス（燃料ガス）の消費を低減できる。
【０１１４】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、プラント効率を所望の最適値に保持するために、燃料電池発電部、ガスタービン発電部、燃料ガス供給部、空気供給部における作動条件を制御する制御手段を更に設けると好ましい。
【０１１５】
また、上述した各複合発電プラントにおいては、燃料電池としてＳＯＦＣを使用した例について説明したが、本発明に係る複合発電プラントでは、ボトミングサイクルを利用できる燃料電池であれば他の燃料電池も使用可能である。
【０１１６】
さらに、上述した各複合発電プラントにおいては、内部改質型燃料電池を使用した例について説明したが、本発明に係る複合発電プラントは、外部改質器を有する外部改質型燃料電池を用いて構成することも可能である。
【０１１７】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池を所望の作動温度に保持するとともに高い発電効率を達成することができ、さらにＦＣの発生熱を効率よく回収して利用することが可能となるので、プラント効率の高い複合発電プラントを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による複合発電プラントの第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明による複合発電プラントの第１実施形態の変形例を示す概略構成図である。
【図３】本発明による複合発電プラントの第１実施形態の他の変形例を示す概略構成図である。
【図４】本発明による複合発電プラントの第２実施形態を示す概略構成図である。
【図５】本発明による複合発電プラントの第２実施形態に含まれる電池発生熱回収系の第１態様を示す概略構成図である。
【図６】本発明による複合発電プラントの第２実施形態に含まれる電池発生熱回収系の第２態様を示す概略構成図である。
【図７】本発明による複合発電プラントの第２実施形態に含まれる電池発生熱回収系の第３態様を示す概略構成図である。
【図８】本発明による複合発電プラントの第２実施形態に含まれる電池発生熱回収系の第４態様を示す概略構成図である。
【図９】本発明による複合発電プラントの第３実施形態を示す概略構成図である。
【図１０】従来の複合発電プラントの一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１１，１２…複合発電プラント、２０…ＦＣ発電部、２２…燃焼部、２４…反応ガス熱交換部、２４ａ…燃料ガス熱交換部、２４ｂ…空気熱交換部、３０…ＧＴ発電部、３１…燃焼器、３２…ガスタービン、３４…空気圧縮機、３６…発電機、３８…熱交換器、４０…ＧＴ排熱回収系、４１…蒸気発生器、４２…蒸気タービン、４３…発電機、４４…復水器、４５…熱交換器、４６…煙突、５０…反応ガス加熱器、５２…燃料ガス加熱器、５４…空気加熱器、６０…反応ガス予熱再生器、６２…燃料ガス予熱再生器、６４…空気予熱再生器、７０，７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄ…電池発生熱回収系、７２…電池発生熱交換部、７４…電池発生熱利用系、７４ａ…蒸気発生器、７４ｂ…熱交換媒体循環供給手段、７４ｃ…蒸気タービン、７４ｄ…発電機、７４ｅ…復水器、７４ｆ…ポンプ、７４ｇ…水タンク、７４ｈ…蒸気混合器、７４ｉ…燃料ガス加熱器、７４ｊ…空気加熱器、７４ｋ…熱交換器、７６…熱交換媒体、８０…燃料ガス供給部、９０…空気供給部、９５…蒸気発生器、９６…水供給部。

Claims

空気と燃料ガスとを電解質を介して反応させて発電する燃料電池発電部と、前記燃料電池発電部から排出される空気極排ガス及び燃料極排ガスを燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼部と、前記燃焼ガスにより駆動されて空気を圧縮して前記燃料電池に供給すると共に発電するガスタービン発電部とを備えた複合発電プラントにおいて、
前記燃料電池発電部に付設されており、前記燃料電池発電部の発生熱を熱交換媒体により回収して利用する共に前記燃料電池発電部を所望の作動温度に保持する電池発生熱回収系を備え、
前記電池発生熱回収系は、前記熱交換媒体により回収された熱を利用して前記燃焼部から排出される前記燃焼ガスを加熱して前記ガスタービン発電部に供給する燃焼ガス加熱器を有することを特徴とする複合発電プラント。