JP4745479B2 - 複合発電プラント - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池、ガスタービンおよび蒸気タービンを組み合わせて発電を行うようにし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、供給される燃料ガスおよび空気から理論的には燃料ガスの保有する熱エネルギーの８０％にも達する高い発電効率で電気エネルギー（実開上は約６０％）を発生させることができると共に、電池本体や排出ガスから回収利用できる熱エネルギーをも発生させることもできる。
従って、これらの熱エネルギーをガスタービン（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、システムから排出される熱（＝システム損失）を小さくすることになり、結果的に高い発電効率が得ることができる。
このため、燃料電池を設けたＦＣ発電部、ガスタービンおよび蒸気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る。
【０００３】
また、このような複合発電プラントのＦＣ発電部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）等があり、これら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ようにしている。
さらに、燃料電池は反応ガス、すなわち燃料電池で電気化学反応を起し、電力を発生する燃料ガスおよび空気の供給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加圧式ＦＣ発電部が採用される方向にある。
【０００４】
特に、ＦＣ発電部内に設けられた空気極の反応に必要な酸素は、大気中より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るが、これは取り込んだ空気を空気圧縮機により昇圧してＦＣ発電部の空気極へ供給することで可能である。
そして、この空気圧縮機の駆動動力源としては、ＦＣ発電部からの排ガス中で燃料を燃焼させて、高温の排ガスを作動流体として駆動させ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させ、この電力により駆動される電動機により空気圧縮機を駆動する方式が考えられる。
【０００５】
図１０は、燃料としての天然ガス（以下燃料ガスという）と空気とを使用する内部改質型ＳＯＦＣと、このＳＯＦＣを設けたＦＣ発電部から排出される高温の排ガスの熱をＧＴ発電部で利用するとともに、ＧＴ発電部から排出される排ガスの熱をＧＴ排熱回収部で回収するようにした、複合発電プラントの一例を示す概略構成図である。
【０００６】
図に示すように、この複合発電プラント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排熱回収部５００とから構成されている。
このうち、ＦＣ発電部１００は、所定温度の燃料ガス３００と、同程度の温度で空気比５〜７の空気３００とを内部に配置した固定電解質で構成される燃料極および空気極へ導入して電気化学反応を起こさせて発電を行い、ＧＴ発電部４００は、大気中から取入れた空気を圧縮してＦＣ発電部１００に供給すると共に発電を行い、ＧＴ排熱回収部５００はＧＴ発電部４００から排出される排ガスでＦＣ発電部１００に供給される燃料ガス、空気の予熱、および燃料ガスを改質する改質蒸気を発生させると共に、図示省略した蒸気タービンで発電を行う駆動蒸気を発生させるようにしている。
【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、燃焼部２００では、ＦＣ発電部１００に供給され未燃となる燃料ガスおよび空気がＦＣ発電部１００の反応による排ガスＧ１００として燃焼することにより、さらに高温（例えば１２００℃以上）の燃焼ガスＧ200 を生成し、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Ｆ540 及び空気Ａ520 を、上述した所定温度まで加熱するようにしている。
【０００８】
すなわち、反応ガス加熱部３００は、図に示すように，後述する燃料予熱再生器５２０で中間温度に加熱された燃料ガスＦ520 を、燃焼ガスＧ200 の熱を利用してＦＣ発電部１００の入口温度である最終温度にまで加熱する燃料ガス加熱器３２０と、同様に空気予熱再生器５４０で中間温度に加熱された空気Ａ520 を燃焼ガスＧ200 の熱を利用して９５０℃にまで加熱する空気加熱器３４０とから構成されている。
【０００９】
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で燃料ガスＦ540 および空気Ａ520 を加熱することにより、冷却（例えば８８０℃程度）された燃焼ガスＧ300 に燃料ガスの一部Ｆ400 を供給して混合させ、再燃焼させることにより所定のタービン入口温度の高温の燃焼ガスＧ420 にしてガスタービン４４０に供給するようにしている。
【００１０】
ガスタービン４４０は、この燃焼ガスＧ420 を作動流体として駆動され動力を回収し、同軸に接続されている圧縮機４６０を駆動する。
この圧縮機４６０は、空気供給部７００から空気Ａ700 を吸込んで圧縮してＦＣ発電部１００に供給するとともに、空気圧縮機４６０は発電機４８０とも同軸に接続されており、ガスタービン４４０の駆動により発電機４８０を作動させて電力を発生させる。
【００１１】
また、ＧＴ排熱回収系５００は、前述した空気予熱再生器５２０および燃料ガス予熱再生器５４０からなる予熱再生部５１０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、ＧＴ排熱回収部５００の予熱再生部５１０に設けられた空気予熱再生器５２０に送られ、空気予熱再生器５２０では、排ガスＧ440 の熱を利用して空気圧縮機４６０から吐出された４００℃程度の空気ａ460 を中間温度にまでに予熱して空気加熱部３４０へ供給する。
【００１２】
また、燃料ガス予熱再生器５４０は、予熱再生部５１０に空気予熱再生器５２０と共に併設されており、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、約１５℃の燃料ガスＦ500 を中間温度にまで予熱して燃料ガス加熱部３２０に供給する。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、ここで蒸気を発生させ、発生した水蒸気は、内部改質用として燃料ガスＦ500 に混合させると共に、図示省略した外部の蒸気タービンに供給され、発電を行うようにしている。
また、蒸気発生器５６０で蒸気を発生させた排ガスＧ560 （例えば１００℃程度）は煙突５８０から大気中に放出される。
【００１３】
次に、ＳＯＦＣの作動温度を電気化学反応に最適な値に制御した場合における、上述の従来の複合発電プラントの作動について説明する。
【００１４】
まず、燃料ガス供給部６００から供給される約１５℃の天然ガス等からなる燃料ガスＦ600 は、二手に分岐され、一方の燃料ガスＦ400 は燃焼器４２０に導入され、排ガスＧ300 をガスタービン４４０の作動温度に加熱し、他方の燃料ガスＦ500 は燃料ガス予熱再生器５４０に導入されて中間温度にまで予熱される。
燃料ガス予熱再生器５４０を通過した燃料ガスＦ540 は、蒸気発生器５６０から供給される蒸気（内部改質用蒸気）Ｓ560 と所定の蒸気／燃料ガス比のものに混合された後、燃料ガス加熱器３２０に導入されてＦＣ発電部１００に導入される最適供給温度にまで加熱され、ＦＣ発電部１００の燃料極側へ導入される。
【００１５】
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、圧縮過程で約４００℃にまで昇温する。
空気圧縮機４６０から吐出された空気Ａ460 は、空気予熱再生器５２０に導入されて中間温度にまで予熱される。
また、空気予熱再生器５２０で予熱された圧縮空気Ａ520 は、空気加熱器３４０に導入されて、同様にＦＣ発電部１００の最適作動温度にまで加熱され、ＦＣ発電部１００の空気極側へ導入される。
【００１６】
また、ＦＣ発電部１００内において、燃料極側へ導入された燃料ガスと蒸気との混合ガスＦ300 は、燃料極の触媒上で反応して、水素Ｈ2 と一酸化炭素ＣＯを生成する。
この水素Ｈ2 、一酸化炭素ＣＯと空気極側の圧縮空気Ａ400 中の酸素Ｏ2 とは、ＦＣ発電部１００内を仕切るように配置された固体酸化物電解質を介して電気化学反応を起こし、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（−Ｔ・ΔＳ）分と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。
【００１７】
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 中に残存する未反応の燃料ガス成分と空気中の酸素とが燃焼反応を起こし、さらに高温の燃焼ガス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、それぞれ燃料ガス予熱再生器５４０で予熱済みの燃料ガスＦ540 及び改質蒸気ｓ560 の混合ガスＦ540 と、空気予熱再生器５２０で予熱済みの空気Ａ520 とをＳＯＦＣの最適作動温度まで、熱交換により加熱する。
【００１８】
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、未燃焼の酸素が存在しており、燃料ガス供給部６００から燃焼器４２０に供給される燃料ガスＦ400 と混合させること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。
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とがそれぞれ作動し、ＦＣ発電部１００に最終的供給される空気Ａ460 および電力を発生させる。
【００１９】
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、先に述べたように空気Ａ460 と改質蒸気ｓ560 が混入された燃料ガスＦ500 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内に供給される水を蒸気に変換する。
また、蒸気発生器５６０で発生した蒸気の一部は、先に延べたように改質蒸気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、蒸気タービンを駆動し、蒸気タービンに直結された発電機を駆動し、電力を発生させる。
さらに、蒸気発生器５６０から排出される約１００℃にまで低温化された排ガスＧ560 は、煙突５８０から大気中へ放出される。
【００２０】
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の他、ＰＡＦＣ等をＦＣ発電部に用いる複合発電プラントにおいては、燃料電池の電気化学反応が発熱反応であることから、作動中にＦＣ発電部１００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こと、および電気抵抗が増えて発電出力が低くなるという不適合が出る。
一方、ＦＣ発電部１００を冷却し過ぎると、燃料電池の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。従って、作動中のＦＣ発電部１００を所望の作動温度に保持することが極めて重要となる。
【００２１】
【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、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とする分量よりも過剰に供給することにより、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は、電池反応に必要とする理論当量比のおよそ５〜７倍にも達している。
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。
【００２２】
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、特に、空気加熱器３４０にて、前述したように多量の空気をＦＣ発電部１００の最適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における出力を上げるべく、燃焼器４２０に燃料ガスＦ400 を供給すれば、余分な燃料ガスＦ400 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。
【００２３】
本発明は、以上の問題に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発電部１００の発生熱を効率よく回収して利用することにより、高いプラント効率の複合発電プラントを提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
このため、第１番目の本発明の複合発電プラントは次の手段とした。
【００２５】
（１）空気と燃料ガスとを電解質を介して電気化学反応させて発電するＦＣ発電部と、ＦＣ発電部から排出される空気極排ガス及び燃料極排ガスとを燃焼させて高温の駆動ガスを発生させる燃焼器を有し、供給された空気をＦＣ発電部の空気極に供給するために圧縮する圧縮機及び電力を出力する発電機を駆動ガスにより作動させるガスタービンからなるＧＴ発電部と、ガスタービンからＧＴ排熱回収部に排出される排ガスにより発生させた蒸気で駆動され、電力を出力する蒸気タービンとからなる複合発電プラントにおいて、ＦＣ発電部が直列に複数配置され、前段ＦＣ発電部から排出される排ガスを後段ＦＣ発電部に供給して発電するようにした。また、複合発電プラントは、前段ＦＣ発電部から排出される排ガスを燃焼部の発生熱を利用して昇温させて燃焼ガスを前記後段ＦＣ発電部に供給する燃料ガス加熱部を有することが好ましい。また、複合発電プラントは、前段ＦＣ発電部から排出される排ガスで昇温させる前段の燃料ガス加熱部と、前記後段ＦＣ発電部から排出される排ガスで昇温させる後段の燃料ガス加熱部とは仕様が異なることが好ましい。また、複合発電プラントは、前段ＦＣ発電部に供給する空気を前記燃焼部で加熱された排ガスで加熱する空気加熱部を有することが好ましい。
【００２６】
（ａ）これにより、各段のＦＣ発電部に供給される空気のすべては、１台の圧縮機で供給されるために、ＦＣ発電部１基当たり圧縮動力はＦＣ発電部の基数で割った小さいものにでき、ＦＣ発電部出力当たりの圧縮動力を小さくすることができ、プラント効率を向上させることができる。
また、前段ＦＣ発電部の排ガスを次段のＦＣ発電部に供給して、この排ガスを使用して発電するので、次段のＦＣ発電部に供給する空気／燃料ガスの高温供給、特に、燃料ガス供給に比較して供給流量の大きい空気の高温供給が容易になり、ＦＣ発電部の発電効率を向上させることができ、この点からもプラント効率を向上させることができる。
【００２７】
さらに、ＦＣ発電部が直列に複数配置され、後段ＦＣ発電部には前段ＦＣ発電部で加熱された排ガスが供給されるため、最終段ＦＣ発電部から燃焼器に供給される排ガス温度は、空気／燃料ガスを加熱する反応ガス加熱部を設けるようにした場合でも高くすることができ、ガスタービンを効率の良い稼働状態にするための燃焼器の追い焚きに供給される燃料ガスの量を低減することができ、これによっても、プラント効率を向上させることができる。
【００２８】
また、第２番目の本発明の複合発電プラントは、上述（１）の手段に加え、次の手段とした。
【００２９】
（２）ガスタービンとＧＴ排熱回収部との間に介装され、第１段ＦＣ発電部に供給される空気及び燃料ガスを、ガスタービンから排出される排ガスで予熱し、予熱後の排ガスで蒸気タービンを駆動する蒸気を発生させる蒸気発生部に排出する予熱再生部をＧＴ排熱回収部に設けた。
【００３０】
（ｂ）これにより、上述（ａ）に加え、ＦＣ発電部が直列に複数配置され第１番目のＦＣ発電部にのみ、特に、燃料ガスよりも多量供給される空気の加熱が予熱再生部でなされるので、上段ＦＣ発電部からの排ガスで空気の加熱を行う反応ガス加熱部、特に、空気加熱部の容量を小さくすることができるとともに、最終段ＦＣ発電部から燃焼部に供給される排気ガス温度を高くすることができ、燃焼器の追い焚きのために供給される燃焼ガスの量を、さらに低減することができ、プラント効率をさらに向上させることができる。
【００３１】
また、第３番目の本発明の複合発電プラントは、上述（１）の手段に加え、次の手段とした。
【００３２】
（３）空気供給部及び燃料供給部から第１段ＦＣ発電部に供給される空気、及び第１段ＦＣ発電部若しくは各段のＦＣ発電部に供給される燃料ガスを、所要の温度に加熱できる反応ガス加熱部を設け予熱を行うことのできる段数、具体的には、３段以上の段数にしたＦＣ発電部を設け、予熱再生部を省略できるものにした。
【００３３】
（ｃ）これにより、上述（ａ）に加え、最終段のＦＣ発電部から燃焼器に供給される排気ガス温度を高くすることができ、燃焼器の追い焚きのために供給される燃料ガスの量を低減することができるとともに、ガスタービンからＧＴ排熱回収部に排出される排ガスにより発生できる蒸気量を大きくすることができ、蒸気発生器で発生させた蒸気で駆動され、電力を出力する蒸気タービンの発電量を多くでき、複合発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。
【００３４】
また、第４番目の本発明の複合発電プラントは、上述（１）の手段に加え、次の手段とした。
【００３５】
（４）ＦＣ発電部のうちの少なくとも第１段ＦＣ発電部が、従来のＦＣ発電部より低温の空気及び燃料ガスで作動させることのできる冷却方式の冷却ＦＣ発電部にされたものにした。
【００３６】
（ｄ）これにより、上述（ａ）に加え、第１段冷却ＦＣ発電部に供給される空気及び燃焼ガスの温度は、従来の９５０℃から６００〜７００℃にすることができ、反応ガス加熱部は圧縮機から供給される空気を加熱する第１段空気加熱部及び第２段以降のＦＣ発電部に供給される、燃料ガスを加熱する燃料ガス加熱部の設置のみでよくなるとともに、最終段のＦＣ発電部から燃焼器に供給される排気ガス温度を高くすることができ、燃焼器の追い焚きのために供給される燃料ガスの量を低減することができ、更には、燃料ガスを改質する改質蒸気を、前段ＦＣ発電部からの排ガスで発生させることができ、ＧＴ排熱回収部に排出される排ガスにより発生できる蒸気量を大きくすることができ、蒸気発生器で発生させた蒸気で駆動され、電力を出力する蒸気タービンの発電量を多くできるようになり、複合発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。
【００３７】
また、第５番目の本発明の複合発電プラントは、上述（１）の手段に加え、次の手段とした。
【００３８】
（５）ＦＣ発電部若しくは冷却ＦＣ発電部からなる発電部が直列に複数配置されるとともに、前段発電部から後段発電部に排出される燃料極排ガスと空気極排ガスとが、別々に後段発電部の燃料極及び空気極に各々供給され、発電するようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項４の複合発電プラント。
なお、別々に後段発電部の燃料極及び空気極に各々供給され発電して、最終段発電部から排出される燃料極排ガスと空気極排ガスとは、最終段発電部の後流側に設けた燃焼部で燃焼させた後、燃焼器に供給するようにしても良く、又は燃焼器出口温度をコントロールするために、燃料ガス供給部から燃焼器に供給される燃料ガスとともに、別々に燃焼器に供給するようにしてもよい。
【００３９】
（ｅ）これにより、前段発電部から後段発電部の空気極に排出される空気極排ガスが高温になり、上述（ａ）〜（ｄ）と同様の作用、効果に加え、前段発電部から後段発電部の燃料極に排出される高温の燃料極排ガスに、各段の発電部に供給される燃料ガスは、混合されて加熱されるために、燃料ガス加熱部を小型にできるとともに、燃料極排ガスとともに排出される未反応の燃料ガスは、後段発電部の燃料ガスとして使用されるため、後段発電部に供給される燃料ガスを低減することができ、さらには、後段発電部燃料極に供給される燃料極排ガスには、発電時に発生する蒸気が含まれているために、この蒸気を後段発電部に供給される燃料ガスの改質蒸気として使用できるため、第２段以降の発電部に供給される燃料ガスを改質するための改質蒸気の量を、低減若しくは０にすることができ、複合発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の複合発電プラントの実施の一形態を説明する。
なお、以下の説明では、図１０に示したものと同一または類似部材には同一符号を付し、説明は省略する。
【００４１】
図１は本発明に係る複合発電プラントの実施の第１形態を示すブロック図である。
【００４２】
図に示すように、本実施の形態の複合発電プラント１０は、主として、第１段ＦＣ発電部２１と第２段ＦＣ発電部２２とが直列に接続された２段のＦＣ発電部からなり、導入された燃料ガスｆと空気ａ61a 中の酸素との電気化学反応により発電を行うＦＣ発電部２０、各ＦＣ発電部２０から排出される未反応の燃料ガスｆ、空気ａ61a を含む排ガスｇ20を再燃焼させて、さらに高温にする第１段燃焼部３１、第２段燃焼部３２とからなる燃焼部３０、燃焼部３０で高温にされ排出される排ガスｇ31，ｇ32で各ＦＣ発電部２０に供給する燃料ガスｆおよび第１段ＦＣ発電部２１に供給する空気ａ61a を加熱する第１段反応ガス加熱部６１、第２段反応ガス加熱部６２とからなる反応ガス加熱部６０、第２段反応ガス加熱部６２から排出される排ガスｇ62を追加された燃料ガスｆc を燃焼させることにより、加熱し、昇温させた排ガスｇ420 で駆動され発電を行うとともに、導入された空気ａを圧縮して第１段ＦＣ発電部２１に供給するＧＴ発電部４０、各ＦＣ発電部２０およびＧＴ発電部４０に燃料ガスｆを供給する燃料ガス供給部８０、ＧＴ発電部４０に空気ａ61a を供給する空気供給部７００、ＧＴ発電部４０からの排ガスｇ40で燃料ガス供給部８０および空気供給部７００から供給される燃料ガスｆおよび空気ａ460 を予熱する予熱再生部５０を設け、予熱再生部５０からの排ガスｇ50で燃料改質用の蒸気ｓ1 ，ｓ2 等を発生させるとともに、蒸気タービン駆動用蒸気ＳT を発生させるＧＴ排熱回収部７０とからなる。
【００４３】
ＦＣ発電部２０は、最前段には図１０に示すＦＣ発電部１００と同様の第１段ＦＣ発電部２１が設置されると共に、ＦＣ発電部２１の後流側に直列に接続され、第１段ＦＣ発電部２１から排出される排ガスｇ21を導入するようにした第２段ＦＣ発電部２２を設けるようにしている。
なお、本実施の形態ではＦＣ発電部２０は、２段からなるものを示しているが、第１段ＦＣ発電部２１に供給される空気量によっては、第ｎ段ＦＣ発電部（但しｎ＞３）を設け、最後段の反応ガス加熱部６２ｎから排出される排ガス中の酸素濃度が０％近くにする第ｎ段ＦＣ発電部２０ｎを設けることができる。
【００４４】
しかし、本実施の形態の以下の説明では説明を簡単にするため、第２段ＦＣ発電部２２より後流側に、さらに第ｎ段ＦＣ発電部２ｎが配置されるケースにおいては、第２段ＦＣ発電部より後流側に配置されるＦＣ発電部２０、ｎは第２段ＦＣ発電部２７で代表させるものとし、また後述するＦＣ発電部２０を３段以上設けることに付随して第２段ＦＣ発電部２２の後流側設置する燃焼部３０ｎ、反応ガス加熱部６０ｎは第２段燃焼部２２、第２段反応ガス加熱部６２で代表させるものとする。
【００４５】
このように直列に複数段にわたって設けるようにしたＦＣ発電部２０の各々には、天然ガス等からなる燃料ガスｆ1 と空気ａ61a 中の酸素とを固体酸化物電解質を介して電気化学反応を起こさせて発電する内部改質型ＳＯＦＣのスタックを備えている。
また、第１段ＦＣ発電部２１には燃料改質温度（例えば９５０℃）にまで加熱された高圧の空気ａ61a と燃料供給部８０から供給される燃料ガスｆ1 に改質蒸気ｓ1 が混合されて改質され９５０℃にまで加熱された、改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f が導入されて、これらが電気化学反応を起こして電力を発生する従来型のＦＣ発電部を採用するようにした。
【００４６】
さらに、第２段ＦＣ発電部２２には第１段ＦＣ発電部２１からの排ガスｇ61と、燃料供給部８０から供給される燃料ガスｆ2 に改質蒸気ｓ2 が混合され、同様に９５０℃に加熱された改質燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）62f が導入されて、同様に電力を発生する従来型のＦＣ発電部を採用している。
また、第３段目以降にＦＣ発電部２０ｎを設けるようにした場合においても同様に、前段ＦＣ発電部３０からの排ガスｇ30n-1 と改質蒸気（ｆ＋ｓ）60n-1fが導入されて、同様に電力を発生をする第１段、第２段ＦＣ発電部２１，２２と同様のＦＣ発電部２０ｎを設けるようにしている。
また、電力を発生させた各ＦＣ発電部２０からの排ガスｇ20は、空気冷却しながら電力発生したのちも高温にあるが各ＦＣ発電部２０から次の後流機器へ排出される。
【００４７】
次に、燃焼部３０は複数段にわたって設けられた各ＦＣ発電部２０の下流側にそれぞれ配置され、各前段のＦＣ発電部２０から排出される排ガスｇ20中の未反応の燃料ガスｆと空気ａ61a 中の酸素とを燃焼させて高温の燃焼ガスｇ30（ｇ31，ｇ32……）を生成するためのものである。
【００４８】
また、反応ガス加熱部６１，６２の各々は、燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆと空気加熱部６１ａ，６２ａとから構成され、燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆは、その内部において、各段のＦＣ発電部２０の燃料極に供給される改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f ，（ｆ2 ＋ｓ2 ）62f を、前段のＦＣ発電部２０の発生熱および燃焼部３１，３２の発生熱を利用して、改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）540 ，（ｆ2 ＋ｓ2 ）i をＦＣ発生部２０に導入する所望の改質温度（例えば９５０℃）の（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f ，（ｆ2 ＋ｓ2 ）62f に昇温させる。
【００４９】
但し、第１段ＦＣ発電部２１の下流側に配置される燃料ガス加熱部６１ｆで加熱する改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）540 と第２段ＦＣ発電部２２の下流側に配置される燃料加熱部６２ｆで加熱する改質燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）とでは、仕上り温度は同じであるが各燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆの入口部での温度条件および流量が異ることから、燃料ガス加熱部６１ｆと燃料ガス加熱部６２ｆとの仕様は異るものとなっている。
一方、空気加熱部６１ａ，６２ａは、第１段ＦＣ発電部２１の空気極に供給される空気ａ61a を各段の燃焼部３１，３２で加熱された排ガスで順次加熱するようにしている。
【００５０】
この空気加熱部６１ａ，６２ａに供給される空気流量は、第１段ＦＣ発電部２１に供給される空気流量で、前述したように、ＦＣ発電部２１，２２のそれぞれ後流側に設けられる燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆの仕様が異り、しかも各段のＦＣ発電部２１，２２から排出される排ガスｇ21，ｇ22流量が異るにも拘わらず、第２段ＦＣ発電部２２に流入させる排ガス温度が９５０℃をキープできるように、各段の空気加熱部６２ａ，６１ａで順次昇温させるとともに、第１段空気加熱部６１ａの出口温度が９５０℃になるような仕様のものにする必要がある。
【００５１】
次に、ＧＴ発電部４０は最終段の反応ガス加熱部６２から排出される排ガスｇ62に燃料供給部８０からの燃料ｆｃを供給して、排ガスｇ62中に残存する酸素と燃焼させて排ガスｇ62を所定のタービン入口温度にまで昇温する燃焼器４２０およびその排気ガスｇ420 で駆動されて空気供給部７００から導入されて空気ａを圧縮して第１段ＦＣ発電部２１に供給する空気圧縮機４６０、空気圧縮機４６０を駆動した余剰の動力で発電機４８０を駆動して電力を発生させるガスタービン４４０とからなり、図１０に示すＧＴ発電部４００の同様の構成のものを設けるようにしている。
【００５２】
次に、予熱再生部５０は、後述する排熱回収部７０に併設され、ガスタービン４４０から排出される排ガスｇ440 で圧縮機４６０から吐出される空気ａ440 を加熱する空気予熱再生部５００と燃料供給部８０からの燃料ガスｆ1 および後述するＧＴ排熱回収部７０に設けられた改質用蒸気発生用ＨＲＳＧ７１からの改質用蒸気ｓ1 を混合し、第１段反応ガス加熱部６１に供給される改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）540 を中間温度に加熱する燃料ガス予熱再熱部５４０とからなる。
【００５３】
また、ＧＴ排熱回収部７０は、前述した予熱再生部５０、改質用蒸気ｓ1 およびｓ2 を発生させる改質用蒸気発生器７１が設けられるとともに、改質用蒸気発生器７１と並列に配置された蒸気発生器（ＨＲＧＳ）７２で発生させ、図では省略した蒸気タービンを駆動し電力を発生させる余剰蒸気を発生させるようにしている。
【００５４】
本実施の形態の複合発電部プラント１０は上述のように構成され、燃料供給部８０から第１段目のＦＣ発電部２１の燃料極に供給される約１５℃の燃料ガスｆ1 は、改質用蒸気発生器７１からの改質蒸気ｓ1 と混合され、改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）となって燃料ガス予熱再生器５４０および燃焼ガス加熱部６１ａによって加熱され、９５０℃の改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f となって供給される。
さらに、空気供給部７００から圧縮機４６０に導入された空気ａは、圧縮により約４００℃にまで昇温された後、空気予熱再生器５２０、空気加熱部６２ａ、空気加熱部６１ａにより９５０℃にまで昇温された加熱空気ａ61a となって第１段目のＦＣ発電部２１の空気極に供給される。
【００５５】
改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f および加熱空気ａ61a がそれぞれ燃料極および空気極に供給された第１段ＦＣ発電部２１では、燃料極へ導入された改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f は、燃料極の触媒上で反応して、水素および酸化炭素を生成する。
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第１段ＦＣ発電部２１の発生熱を吸熱することができる。
また、空気極へ導入された圧縮空気ａ61a 中の酸素は、Ｏ2-イオンとなり、固体酸化物電解質内を伝導して燃料極に移動し、前述した水素及び一酸化炭素と電気化学反応を起こし、水と二酸化炭素とを生成する。
【００５６】
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。
燃料極における水或いは二酸化炭素の生成は発熱反応であり、この発熱を空気冷却してＦＣ作動温度（例えば１０５０℃）に保持される。
【００５７】
また、第１段目ＦＣ発電部２１を通過した燃料極排ガス及び空気極排ガスは混合され、排ガスｇ21として燃焼部３０を構成する第１段燃焼部３１に導入される。この燃焼部３１において、排ガス中に残存する未反応の燃料ガスｆ1 と燃料極で発生した水素、一酸化炭素と空気極から排出される余剰空気中の酸素Ｏ2 とは、高温のもとで容易に燃焼反応を起こし、燃焼ガスｇ31となり、第１段反応ガス加熱部６１に導入され、反応ガス加熱部６１の燃焼ガス加熱部６１ｆおよび空気加熱部６１ａを通過する燃料（ｆ1 ＋ｓ1 ）540 および空気ａ62a と熱交換し、これらを共に第１段ＦＣ発電部２１に導入するＦＣ作動温度の改質用燃料（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f および空気ａ61a にしたのち、ＦＣ作動の高温の状態で第２段ＦＣ発電部２２の空気極に供給される。
【００５８】
第１段反応ガス加熱部６１から排出される排ガスｇ61が導入される第２段ＦＣ発電部２１には、燃料供給部８０から供給される約１５℃の燃料ガスｆ2 に改質用蒸発器７１からの改質蒸気ｓ2 が添加され、第２段反応ガス加熱部６２ｆで昇温された改質用燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）62f が導入され、第２段ＦＣ発電部２２部内の燃料極で反応して、水素および一酸化炭素を生成する。
また、空気極に供給され排ガスｇ61中の未反応の酸素は、第１段ＦＣ発電部２１と同様に、新たに導入された改質燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）62f と電気化学反応を起こし、電力を発生させるとともに、ＦＣ発電部２２を通過した燃料極排ガス及び空気極排ガスは混合され、排ガスｇ22として第２段燃焼部３２に導入される。
【００５９】
この燃焼部３２においても、排ガスｇ32中に残存する未反応の燃料ガスｆ2 成分と空気ａ61a 中の未反応の酸素Ｏ2 とは、高温のもとで容易に燃焼反応を起こして燃焼ガスｇ32となり、反応ガス加熱部６２に導入され、反応ガス加熱部６２の燃焼ガス加熱部６２ｆおよび空気加熱部６２ａを通過する、改質燃料（ｆ2 ＋ｓ2 ）および空気ａ520 と熱交換し、改質用燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）を第２段ＦＣ発電部３２に導入するため高温の改質燃料（ｆ2 ＋ｓ2 ）62f にするとともに、空気予熱再生器４２０から供給された空気ａ520 を第１段空気加熱部６１ａにて第１段ＦＣ発電部２１の所望の温度にまで加熱する。
このように改質用燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）および空気ａ520 を加熱することにより、減温されて、第２反応ガス加熱部６２から排出される排ガスｇ62は、ＧＴ発電部４０の燃焼器４２０に供給される。
【００６０】
また、この燃焼器４２０には燃料供給部８０から燃料ガスｆc が供給されるようになっており、燃焼器４２０では、この燃料ｆc および排ガス中ｇ62中に残存している空気ａ61a 中の酸素とが燃焼して、所定温度の燃焼ガスとしてガスタービン４４０に供給され、出力を発生させて、圧縮機４６０を駆動させて第１段ＦＣ発電部２１に供給される空気ａを圧縮するとともに、発電機４８０を作動させて電力を発生させる。
【００６１】
ガスタービン４２０から排出される排ガスｇ440 は、ＧＴ排熱回収部７０に併設された予熱再生部５０に供給されて、空気予熱再生器５２０で圧縮機４６０で圧縮され吐出された約４００℃の空気ａ460 を、第２段の空気加熱部６２ａ入口温度にまで加熱された空気ａ520 にするとともに、燃料ガス予熱再生器５４０で燃料供給部８０から供給された、燃料ガスｆ1 と改質用蒸気発生器７１からの改質蒸気ｓ1 とが混合された改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）を第１段燃料ガス加熱部６１ｆ入口温度にまで加熱された改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ2 ）540 にする。
【００６２】
さらに、予熱再生部５０から排出される排ガスｇ50（約５００℃）は、ＧＴ排熱回収部７０に設けられた改質用蒸気発生器７１で、第１段ＦＣ発電部２１に供給される燃料ガスｆ1 が燃料ガス予熱部５４０に供給される前に混合され、燃料ガスｆ1 を改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）にする改質蒸気ｓ1 、および第２段のＦＣ発電部２２に供給される燃料ガスｆ2 が第２段の燃焼ガス加熱部ａ62f に供給される前に混合され、燃料ガスｆ2 を改質燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）にする改質蒸気ｓ2 を発生させる。
【００６３】
また、ＧＴ排熱回収部７０に供給されて改質蒸気ｓ1 ，ｓ2 の発生に使用されない余剰の排ガスｇ50は、改質用蒸気発生器７１と並列に設置された蒸気発生器（ＨＲＳＧ）７２に供給され、図示省略した発電を行う蒸気タービンを駆動するための蒸気ｓT を発生させる。
このようにして改質蒸気ｓ1 ，ｓ2 および蒸気タービン駆動蒸気ｓT を発生させ、約１００℃にまで減温された排ガスｇ70は煙突５８０から外部へ排出される。
【００６４】
本実施の形態の複合発電プラント１０は、従来の複合発電プラントが図１０に示すように、ＦＣ発電部１００に空気Ａを供給する圧縮機４６０がＦＣ発電部１基に対して１台を設けるようにしていたのに対して、ＦＣ発電部２０を２台直列に設け、第２段ＦＣ発電部２２の空気極に供給する空気として第１段ＦＣ発電部２１の排ガスｇ21を利用するようにし、ＦＣ発電部２１、ＦＣ発電部２１に対して、１台の圧縮機４６０を共通に用いるようにしたため、ＦＣ発電部１基当りの圧縮動力が基数で割った約１／２に小さくでき、ＦＣ発電部２０出力当りの圧縮動力分の目減りを小さくできる。
【００６５】
なお、ＦＣ発電部を２基とせずに、最終段ＦＣ発電部２０ｎからの排気中のＯ2 を安定下限迄のｎ基のＦＣ発電部を多数直列に配置して、１基当りのＦＣ発電部２０の圧縮動力は約１／ｎにもなり、さらに小さくすることもできる。排ガスｇn 中のＯ2 を安定下限値にした場合、最終段のＦＣ発電部からの排気ガスｇを加熱する燃焼器４２０には、供給される燃料ガスｆc の燃焼に必要な空気を別途供給するか、又は燃焼器４２０を設置せず、９５０℃の排ガスｇn でガスタービン４４０を駆動して低い効率でガスタービン効率を稼動させる必要がある。
【００６６】
さらに、上段のＦＣ発電部２０の排気ガスを次段のＦＣ発電部２０の空気として空気極へ投入するようにしたので、第２段ＦＣ発電部へ供給する空気を加熱するための第１段空気加熱部に相当する空気加熱部の設置が不要になる。
【００６７】
また、本実施の形態の複合発電プラント１０では１段目のＦＣ発電部２１への投入空気９５０℃は、約４００℃の圧縮機吐出空気ａ520 を数回に分けて予熱再生部５０，２つの反応ガス加熱部６１，６２で昇温し、例えば、＋２００℃×３の昇温をすれば良いので、１基当りのＦＣ発電部２０から排出される排気ガスの冷却される程度を小さくし、排気温度を高くした後段のＦＣ発電部２０の作動に好適な温度にして送気でき、さらには、最終段のＦＣ発電部からガスタービン４４０に送気される排ガス温度を高温（１０００℃以上）にできるため、ＧＴ燃料が少くなりこれによっても、複合発電プラント効率ηccが向上する。
【００６８】
即ち、空気圧縮機４６０から吐出された空気ａ520 （約５５０℃）を、図１０に示す空気加熱部３４０だけで９５０℃にまで加熱するようにした場合には、空気加熱部３４０で＋４００℃（５５０→９５０℃）の熱交換をすることから、空気加熱部３４０から排出される排気が７００〜８００℃と低くなるために、燃焼器４２０の追焚専用の燃料ガスｆc が多くなるためηccが低くなるが、本実施の形態の複合発電プラント１０では、このような不適合を解消することができ、図１０に示す従来の複合発電プラントの効率ηccが５０％程度であったものを、本実施の形態のものでは、約５５％あるいはそれ以上にまで向上させることができる。
【００６９】
次に、図２は本発明の複合発電プラントの実施の第２形態を示す図で、本実施の形態の複合発電プラント１１は、図１に示す実施の第１形態の複合発電プラント１０に比較して、第３段ＦＣ発電部２３、第３段燃焼部３３および第３段反応ガス加熱部６３を設けて、実施の第１形態ではＧＴ排熱回収部７０に設けるようにしていた予熱再生部５０を削除するとともに、燃料供給部８０から第１段〜第３段発電部２１，２２，２３に各々供給される燃料ガスｆ1 ，ｆ2 ，ｆ3 には、燃料供給部８０出口側から供給される燃料ガスｆに改質蒸気ｓを一括して混合した後、改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ），（ｆ2 ＋ｓ2 ），（ｆ3 ，ｓ3 ）に分流するようにしたものである。
【００７０】
すなわち、空気圧縮機４６０から第１段発電部２１に供給される空気量は、１基のＦＣ発電部に必要とする空気比の４〜５倍が供給されるが、第３段ＦＣ発電部２３を設けるようにしたことにより、第３段反応ガス加熱部６３が設置できるようになり、これにより、圧縮機４６０から吐出される約４００℃の圧縮空気ａ460 は、３つの反応ガス加熱部６０で＋２００℃×３＝６００℃の昇温を行うことができ、実施の第１形態においてＧＴ排熱回収部７００に設けるようにしていた、予熱再生部５０を設けなくても、第１段発電部２１に必要とする９５０℃にまで反応ガスを昇温できるとともに、ＦＣ発電部１基当りのＦＣ発電部２０から排出される排気ガスｇの冷却される程度を小さくし、各反応ガス加熱部３０から排出される排気ガスｇを高温に保持して、後段ＦＣ発電部の空気極に供給することができるようにした。
【００７１】
なお、本実施の形態の複合発電プラントでは、第１段ＦＣ発電部２１に供給される改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f の温度を９５０℃にするために、第１段空気加熱部６１ａの加熱容量を小さくすることによって、燃焼部３１から排出される排気ガスｇ31を燃料ガス加熱部６１ｆにより多く供給するようにするとともに、第１段空気加熱部６１ａの加熱容量の削減は、第２段空気加熱部６２ａ、第３段空気加熱部６３ａの加熱でカバーする。第２段ＦＣ発電部２１、第３段ＦＣ発電部２２にそれぞれ供給される改質燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ），（ｆ3 ，ｓ3 ）と略同量の改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）を第１段ＦＣ発電部２１に供給する。
【００７２】
これにより、前述した実施の第１形態と同様の作用、効果が得られることに加え、第３段ＦＣ発電部２３、第３段反応ガス加熱部６３を設け、さらには予熱再生部５０を廃止したことにより、ガスタービン４４０からの排ガスｇ40を蒸気タービンによる発電に多量に利用できることから、ηccを６０％程度にまで向上させることができる。
【００７３】
次に、図３は本発明の複合発電プラントの実施の第３形態を示すブロック図である。
図に示すように、本実施の複合発電プラントでは、実施の第１形態、第２形態と同様にＦＣ発電部を直列にして複数段連結して、後段のＦＣ発電部の空気系は上段の排気系と連結され、上段ＦＣ発電部で発生した熱エネルギーを利用するようにすると共に、第１段ＦＣ発電部は、９５０℃より低温の６００〜７００℃の燃料ガスおよび空気を供給し、ＦＣ発電部２０から熱回収する反応ガス熱交換部２４で９５０℃まで加熱して燃料電池に供給して、発電させることのできるようにした冷却投入型の冷却第１段ＦＣ発電部２１Ａを設けるようにして、各段ＦＣ発電部２０に９５０℃の空気を供給するための空気加熱部６１ａは、第１段ＦＣ発電部である冷却第１段ＦＣ発電部２１Ａの後流側にだけ設けるようにしている。
【００７４】
即ち、本実施の形態の複合発電プラント１２では、第１段ＦＣ発電部として、低温状態（例えば６００〜７００℃程度）で供給された改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f 、および同様の温度にされて第１段空気加熱部６１ａから供給される空気ａ61a を、それぞれ燃料極、空気極にそれぞれ供給するに好適な温度（９５０℃）にまで加熱し、ＦＣ本体を冷却する、燃料ガス熱交換部と空気熱交換部とからなる反応ガス熱交換部２４を設けた冷却第１段ＦＣ発電部２１Ａを採用した。
【００７５】
これにより、冷却第１段発電部２１Ａに圧縮機４６０から供給される空気ａ460 は、実施の第１形態および実施の第２形態のように空気加熱部６２ａ，６３ａ又は空気予熱再生部５２０により加熱することなく、第１段空気加熱器６１ａにより空気圧縮機４６０から吐出された約４００℃の空気を、６００〜７００℃に加熱した低温状態で冷却第１段発電部２１Ａに供給できるようになり、実施の第１形態および第２形態で設けるようにした第２段，第３段空気加熱部６２ａ，６３ａ又は空気予熱再生部５２０の設置が不要になる。
【００７６】
また、本実施の形態では第１段反応ガス加熱部６１の後流側、第２段燃料ガス加熱部６２ｆおよび第３段燃料ガス加熱部６３ｆの後流側には、蒸気発生器７２から抽出された水を、反応ガス加熱部６１，６２ｆ，６３ｆから排出される排ガスｇで加熱し、改質蒸気ｓ1 ，ｓ2 ，ｓ3 にするための改質用蒸気発生器７１ｆ1 ，７１ｆ2 ，７１ｆ3 が設けられている。
【００７７】
このように、第２段反応ガス加熱部６２，第３段反応ガス加熱部６３から空気加熱部６２ａ，空気加熱部６３ａを不要にできることにより、新たに改質用蒸気発生器７１ｆ2 ，７１ｆ3 を設置するにも拘わらず、燃焼器４２０の供給される排ガスｇ71f3の温度は昇温することができる。燃焼器４２０では、排ガスｇ71f3から更に昇温する値が４００℃（９５０→１３５０℃）から１５０℃（１２００→１３５０℃）にまで低減することができ、これは燃焼器４２０に供給する燃料ガスｆc の量を６割以上低減することに相当する。
【００７８】
また、ガスタービン４４０からの排気ガスｇ440 は、実施の第２形態と同様にＧＴ排熱回収部７０にそのまま供給され、しかも、改質用蒸気発生器７１による改質蒸気ｓ1 ，ｓ2 ，ｓ3 が第１段反応ガス加熱部６１，第２段燃料ガス加熱部６２ｆ，第３段燃料ガス加熱部６３ｆからの排ガスｇ61，ｇ62f ，ｇ63f によって発生させるようにしたことにより、蒸気発生器７２により発生できる蒸気エネルギーを増大させることができ、図示省略した蒸気タービンで駆動される発電機による発電量を大きくすることができる。
【００７９】
このように、本実施の形態の複合発電プラント１２では、実施の第１形態と同様の作用、効果が得られることに加え、第１段ＦＣ発電部を冷却第１段ＦＣ発電部２１Ａにしたことにより、冷却第１段部ＦＣ発電部２１Ａに供給される空気ａ61a および改質燃料ガス（ｓ1 ＋ｆ1 ）61f は、低温状態で供給できるようになり、第２段、第３段空気加熱部６２ａ，６３ａ又は空気予熱再生部５２０の設置が不要になる。
【００８０】
また、空気加熱部６２ａ、空気加熱部６３ａが不要にできることから、燃焼器４２０に供給される排ガスｇ71f3の温度は、数百℃昇温でき、燃焼器４２０で与えるべき温度上昇を小さくすることができ、つまり燃焼器４２０に供給する燃料ガスｆc の量をさらに低減できる。
また、第１段反応ガス加熱部６１の後流側と、第２段燃料ガス加熱部６２ｆおよび第３段燃料ガス加熱部６３ｆの後流側に改質蒸気ｓ1 ，ｓ2 ，ｓ3 に発生させる改質用蒸気発生器７１ｆ1 ７１ｆ2 ，７１ｆ3 が設けているので、ガスタービン４４０からの排気ガスｇ40は、ＧＴ排熱回収部７０にそのまま供給され、蒸気発生器７２により発生させ、蒸気タービンで使用できる蒸気エネルギーを増大させることができ、蒸気タービンで駆動される発電機による発電量を大きくすることができるので、複合発電プラント効率を実施の第２形態のものに比較して、さらに向上させることができる。
【００８１】
次に、図４は本発明の複合発電プラントの実施の第４形態を示すブロック図である。
図に示すように、本実施の形態では実施の第１形態〜第３形態で示されたもののように、第１段ＦＣ発電部２１〜第３段ＦＣ発電部２３は直列に連結されているが、各ＦＣ発電部２１〜２３からそれぞれ排出される空気系の排ガスと燃料系の排ガスは混合されず、下段ＦＣ発電部の空気系を上流段ＦＣ発電部の空気排出系と連結するとともに、上流段ＦＣ発電部の燃料系を上流段ＦＣ発電部の燃料排出系と連結し、空気排出系から排出される排ガス中の酸素と燃料排出系から排出される排ガス中の燃料ガスは、第３段ＦＣ発電部２３の後流側で混合され、燃焼部３０Ａで燃焼させて燃焼器４２０へ供給するようにした。
【００８２】
通常、ＦＣ発電部に供給される燃料ガスは、当該ＦＣ発電部における燃料極における反応に必要な燃料ガス量より、余剰（例えば１０％）に投入するようにしているため、これらの余剰燃料を後段ＦＣ発電部の燃料ガスとして利用することを可能にしたものである。
図に示すように、空気供給部７００から圧縮機４６０に導入された空気ａは、圧縮されて約４００℃にまで昇温された後、空気予熱再生器２０、空気加熱部６２ａ、空気加熱部６１ａにより改質温度（９５０℃）にまで昇温された加熱空気ａ61a となって第１段目のＦＣ発電部２１の空気極に供給される。
【００８３】
また、燃料供給部から第１段目のＦＣ発電部２１の燃料極に供給される燃料ガスｆ1 は、燃料ガス予熱再生器５４０によって加熱された後、改質用蒸気発生器７１からの改質蒸気ｓ1 と混合され、改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）となって第１段ＦＣ発電部２１燃焼ガス加熱部６１ｆによって加熱された後、９５０℃の改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f となって供給される。
改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f および加熱空気ａ61a がそれぞれ燃料極および空気極に供給された第１段ＦＣ発電部２１では、燃料極へ導入された改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f は、燃料極の触媒上で反応して、水素および一酸化炭素を生成する。
【００８４】
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２１の発生熱を吸熱することができる。
また、空気極へ導入された圧縮空気ａ61a 中の酸素は、Ｏ2-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電気化学反応を起こし、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ため空気で冷却するがその結果、第１段ＦＣ発電部２１の温度は所望の作動温度（例えば１０５０℃）に保持される。
【００８５】
また、第１段ＦＣ発電部２１を通過した燃料極排ガスｇ1 及び空気極排ガスａ1 は、第１段反応ガス加熱部６１に導入され、反応ガス加熱部６１の燃焼ガス加熱部６１ｆおよび空気加熱部６１ａを通過する改質用燃料（ｆ1 ＋ｓ1 ）540 および空気ａ62a に熱交換され、改質用燃料（ｆ1 ＋ｓ1 ）540 および空気ａ62a を１段目のＦＣ発電部２１に導入する改質用燃料（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f および空気ａ61a にするとともに、第２段ＦＣ発電部２２に必要とされる高温の状態で第１段反応ガス加熱部６１から排出され、第２段ＦＣ発電部２２の燃料極および空気極に供給されることとなる。
【００８６】
第２段ＦＣ発電部２２では、第１段燃料ガス加熱部６１ｆからの排ガスｇ1 に、第２段燃料ガス加熱部で燃料供給部８０から供給された燃料ガスｆ2 に改質蒸気ｓ2 が混合されて加熱された改質燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）が加えられて改質燃料ガスが燃料極に供給され、さらに第１段空気加熱部６２ａからの排ガスａ1 が空気極に供給されて第１段ＦＣ発電部２１内と同様な電気化学反応を起し、燃料極排ガスｇ2 及び空気極排ガスａ2 を別々に排出する。
【００８７】
燃料極排ガスｇ2 は、燃料供給部８０からの燃料ガスｆ2 に改質蒸気ｓ2 が混合された改質用燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）を第２段燃料ガス部６２ｆで所定値に加熱した後、第３段ＦＣ発電部２３の燃料極に供給され、また空気極排ガスａ2 は空気予熱再生部５２０からの空気ａ520 を第１段空気加熱部６１ａの入口温度にまで昇温させた後、第３段ＦＣ発電部２３の空気極に供給されて第１段ＦＣ発電部２１内と同様な電気化学反応を起し、燃料極排ガスｇ3 及び空気極排ガスａ3 を排出する。
【００８８】
燃料極排ガスｇ3 中には、第１段ＦＣ発電部２１〜第３段発電部２３には、前述したように若干余剰の燃料ガスが供給されるようにしているため、燃料ガスｆが残存しており、また空気極排ガスａ3 中には、第１段ＦＣ発電部２１に、第１段ＦＣ発電部２１〜第３段発電部２３での電気化学反応に必要とする空気量以上の余剰空気が供給されているため空気ａが残存しており、これらが供給され混合された燃焼部３０Ａでは燃焼が生じ、燃焼器４２０に供給されることになる。
【００８９】
これにより、燃料供給部８０から供給される燃料ガスｆc を大幅に減少させることができ、複合発電プラントの効率を向上させることができる。
また、本実施の形態の複合発電プラントは、上述の構成にしたことにより上述したように、ＦＣ発電部に供給される燃料は、余剰投入するようにしているが、この余剰燃料は、後段ＦＣ発電部の燃料ガスとして利用することを可能になるほか、排気ガスｇ中にＨ2 Ｏが含まれるため、第２段ＦＣ発電部２２に供給する改質燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）にするために燃料ガスｆ2 に混入する改質用のｓ2 蒸気量を小さくすることができる。
【００９０】
さらに、余剰蒸気も後段のＦＣ発電部に流れ、さらに、燃焼によるＨ2 Ｏも付加されるので、バランスによっては第２段ＦＣ発電部２２の後流側に設けられる第３段目以降のＦＣ発電部には、改質蒸気の投入が不要になり熱の利用率が、さらに向上することが期待できる。
即ち、第１〜第３実施の形態のように各ＦＣ発電部２１，２２，２３の後流側に設けるようにした燃焼部３１〜３３で熱に変換させることなく前段ＦＣ発電部から排出される燃料を後段ＦＣ発電部の原料として活用できるようになる。
【００９１】
また、第１段燃料ガス加熱部６１ｆと第２段発電部２２入口との間における改質用燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）の混合で、第２段発電部２２への送給燃料ガス温度を維持することができるようにすることも可能になり、前述した第２段燃料ガス加熱部６２ｆを省略できるとともに、第３段発電部２３に供給する燃料ガスｆ3 を加熱する第３段燃料ガス加熱部６３ｆも同様の理由で省略することも可能になる。
【００９２】
なお、上記実施の形態では第３段発電部２３から排出される排ガスｇ3 ，ａ3 を燃焼部３１Ａで燃焼させて燃焼器４２０へ送気するようにしているが、燃焼部３０Ａを省略して、燃焼器４２０へ直接第３段発電部２３からの空気極排ガスａ3 、燃料極排ガスｇ3 および燃料供給部８０からの燃料ガスｆc をそれぞれ投入するようにすることもできる。
これは、従来のリサイクル技術（燃料系のアノードリサイクル、空気系のカソードリサイクル）に相当する流体条件を２段発電部２２以降に実現していると考えて良く、従来のＦＣ発電部で必要とされたリサイクル循環ファンが不要であるとともに、燃焼生成物のＨ2 Ｏを後段ＦＣ発電部の改質用蒸気（後段）に活用でき特に３段目以降のＦＣ発電部２０では別途蒸気の生成が不要になる。
【００９３】
次に、図５は本発明の複合発電プラントの実施の第５形態を示すブロック図である。
図に示すように、本実施の形態では実施の第４形態と同様に、下流段ＦＣ発電部の空気系を上流段ＦＣ発電部の空気排出系と連結するとともに、上流段ＦＣ発電部の燃料系を上流段ＦＣ発電部の燃料排出系と連結し、空気排出系から排出される排ガス中ａ3 の酸素と燃焼排出系から排出される排ガス中の燃料ガスは、別々に第３段ＦＣ発電部２３から燃焼器４２０へ供給するようにした。
また、第３段ＦＣ発電部２３から燃焼器４２０へ供給される燃料ガスｇ3 の一部は、リサイクルガスｇr として、熱交換器９２とリサイクル循環ファン９６とからなるリサイクル循環部９０へ供給するようにした。
【００９４】
また、第１段ＦＣ発電部には、実施の第３形態で採用した低温で作動させることのできる冷却第１段発電部２１Ａを設けるようにして、リサイクル循環部９０からのリサイクルガスｇr に改質用蒸気発生器で発生させた改質蒸気ｓ1 を混合した混合ガス（ｇr ＋ｓ1 ）に燃料供給部８０から供給される燃料ガスｆ1 を混合して燃料ガス予熱再生部５４０および燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆを通すことなく、リサイクル循環ガスｇr の排熱で加熱した低温の改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｇr ＋ｓ1 ）を供給するようにした。
【００９５】
すなわち、発電部に供給するために反応ガスを加熱する反応ガス加熱器は、実施の第３形態と同様の圧縮機４６０からの空気ａ460 を加熱（２００℃程度）した低温空気ａ61a を、冷却第１段発電部２１Ａに供給するようにした第１段空気加熱部６１ａだけにして、実施の第４形態における空気予熱再生部５７０および第２段空気加熱部６２ａを省略できるようにした。
【００９６】
また、リサイクル循環ファン９０入口に熱交換器９２を設け、熱交換器９２で生成する蒸気と燃料極ガスｇ3 から分岐させたリサイクルガスｇr 中の蒸気で冷却第１段ＦＣ発電部２１Ａに供給する改質蒸気をまかなうとともに、燃焼器４２０には燃料極排ガスｇr 、空気極排ガスａ3 は燃焼部３０Ａで燃焼させることなく、燃料供給部８０からの燃料ガスｆc と共に直接別々に投入するようにした。なお、改質用蒸気発生器９２で発生させた蒸気のうち改質蒸気ｓ1 として使用されない蒸気は、蒸気発生器７２からの蒸気とともに蒸気タービンに供給され電力を発生させるようにしている。
【００９７】
これにより、実施の第４形態と同様の作用、効果が得られる他に、第１段発電部として冷却第１段発電部２１Ａとしたために予熱再生部５０、第２段蒸気加熱部６２および第１段、第２段燃焼ガス加熱部６１ｆ，６２ｆが省略でき、これにより空気および燃料ガス供給系の圧力損失がさらに少なくなり、各ＦＣ発電部２１，２２，２３は、より高圧で作動させ発電出力を高くできるので、複合発電プラント効率ηccが向上し、発電量を増大させることができると共に、燃焼部３０Ａ等機器の省略と相俟って製造コストを低減することができる。
【００９８】
また、冷却第１段発電部２１Ａに供給する改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｇr ＋ｓ1 ）は低温で供給できるため、これを加熱する熱交換器９２は、小型化又は省略でき、リサイクル循環ファン９１入口温度を減温して動力節減し、リサイクルガスｇr の加熱により発生する水蒸気が十分なときは、余剰に発生する蒸気ｓは蒸気発生器７２で発生する蒸気系統へ供給し、蒸気タービンへ投入することにより蒸気タービンの発電により複合発電プラント効率ηccを、さらに向上させることもできる。
なお、リサイクルガスｇr 中の水分は、数１に示すように最大７５ｍｏｌ％（余剰分ゼロで）となる。
【００９９】
【数１】
【０１００】
次に、図６は本発明の複合発電プラントの実施の第６形態を示すブロック図である。
図に示すように、ＦＣ発電部３０は実施の第２形態と同様に従来の第１段ＦＣ発電部３１、第２段ＦＣ発電部３２、第３段ＦＣ発電部３３からなるものとし、ＦＣ発電部３０への燃料ガスｆ1 ，ｆ2 ，ｆ3 の供給は、実施の第５形態と同様にして、各ＦＣ発電部３１，３２，３３から排出される排ガスｇは、燃料極排ガスｇ1 ，ｇ2 ，ｇ3 と空気極排ガスａ1 ，ａ2 ，ａ3 とに分離して後段のＦＣ発電部３２，３３および燃焼器４２０へ供給するようにした。
【０１０１】
また、第１段発電部３１への空気の供給は、実施の第２形態と同様に各段のＦＣ発電部３１，３２，３３の後流側に設けた空気加熱器６３ａ，６２ａ，６１ａで、空気圧縮機４６０から吐出された約４００℃の空気を２００℃ずつ順次加熱して、第１段発電部３１へは９５０℃の空気を供給するようにしている。
さらに、実施の第５形態と同様に第３段ＦＣ発電部２３から排出される高温の排ガスｇ3 は一部抽気して、この抽気したリサイクルガスｇr を第１段熱交換器９２Ａおよび第２段熱交換器９２Ｂに供給することにより、第１段ＦＣ発電部３１、第２段ＦＣ発電部３２および第３段ＦＣ発電部３３に供給される燃料ガスｆ1 ，ｆ2 ，ｆ3 を加熱するようにした。
【０１０２】
なお、第１段熱交換器９１による冷却は、図に示すように、第１段ＦＣ発電部２１に供給する燃料ガスｆ1 で行うが、又は実施の第５形態で示したように蒸気タービン蒸気系統に供給する蒸気を発生させるときの水の加熱によって行うようにしても良い。
これにより、図５に示す実施の第５形態の複合発電プラントと同様の作用、効果が得られることに加え、燃料ガスｆ1 を第１段熱交換９２Ａの冷却媒体として使用した場合は、燃料ガスｆ1 を第１段発電部２１に供給するために、燃料ガスｆ1 を供給温度にする第１段燃料ガス加熱部６１ｆの入口温度が高くなり、第１段燃料加熱部６１ｆを小型化でき、若しくは省略することができるようになる。
【０１０３】
また、第２段ＦＣ発電部２２および第３段ＦＣ発電部２３への燃料ガスｆ2 ，ｆ3 を第２段熱交換器９２Ｂの冷却媒体として使用するようにしたことにより、第１段熱交換器９２Ａを省略することが可能になり、これによって燃料ガスｆ1 ，ｆ2 ，ｆ3 の全てはリサイクルガスｇr 系で予熱されることになりｉｎ−ｌｉｎｅ混合で生じる冷却を防止できる。
【０１０４】
また、燃焼器４２０にはガスタービン４４０入口温度を最適温度にするために燃料ガスｆc を供給するようにしているが、リサイクルガスｇr の抽気量を０とするときは燃焼器４２０に供給される第３段ＦＣ発電部２３の排ガスｇ3 の殆んどが排ガスｇ4 として供給され、条件によってはｆｃ＝０とすることも可能になり、複合発電プラント１５の発電効率をより高めることができる。
【０１０５】
次に、図７は本発明の複合発電プラントの実施の第７形態を示すブロック図である。
図に示すように、本実施の形態の複合発電プラント１６では、第１段ＦＣ発電部２１へ供給する燃料ガスｆ1 は、後段ＦＣ発電部２２，２３で使用される燃料ガスｆ2 ，ｆ3 を含めて供給する。
すなわち、図４に示す実施の第４形態で各段のＦＣ発電部２０に供給される燃料ガスｆの１０％以上、本実施の形態の如く３段からなるＦＣ発電部２０を有するものでは、３００％が最大値となる燃料ガスｆ1 を第１段発電部２１に投入し、前段ＦＣ発電部における残余の燃料ガスｆ1 で、次段発電部２０の発電を行うようにした。
【０１０６】
これにより、実施の第４形態で必要としていた２段目以降のＦＣ発電部２２，２３へ供給する燃料ガスｆ2 ，ｆ3 を加熱する燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆの設置が不要になると共に、実施の第６形態における前段ＦＣ発電部２０から排出される排ガスｇ1 ，ｇ2 中に燃料ガスｆ2 ，ｆ3 が混入されないので、混入に伴う、次段ＦＣ発電部２２，２３へ供給される排ガスｇの減温が防止され、より高温の排ガスの供給により、第２段，第３段ＦＣ発電部２２，２３の発電効率が向上し、複合発電プラント効率を向上させることができる。
【０１０７】
なお、後段のＦＣ発電部２２，２３で燃料ガスｆが不足するときは、実施の第４形態、第６形態における技術適宜使用して燃料ガスｆをｉｎ ｌｉｎｅ混合投入するようにすれば良い。
【０１０８】
次に、図８は本発明の複合発電プラントの実施の第８形態を示すブロック図である。
図に示すように、本実施の形態の複合発電プラント１７では、第１段ＦＣ発電部に供給する燃料ガスｆ1 は、実施の第５形態と同様に第３ＦＣ発電部２３から排出される排ガスｇ3 を抽気したリサイクルガスｇr を冷却する第１段熱交換９２Ａおよび第１段燃焼ガス加熱部６１ｆで加熱するとともに、第２段ＦＣ発電部２２，第３段ＦＣ発電部２３に供給する燃料ガスｆ2 ，ｆ3 は、空気極排ガスラインに設けるようにした第１段燃料ガス加熱部６１ｆおよび第２段燃料ガス加熱６２ｆで加熱して、前段ＦＣ発電部２０から排出される燃料極排ガスｇ1 ，ｇ2 中に供給するようにした。
【０１０９】
このように、第２段，第３段ＦＣ発電部２２，２３に供給する燃料ガスｆ2 ，ｆ3 は、空気極排ガスａ1 ，ａ2 で加熱することを特徴としているが、第２段熱交換部９２Ｂの冷却媒体としても使用して加熱するようにしても良い。
さらに、燃料ガスｆ1 を加熱してリサイクルガスｇr を冷却するようにした第１段熱交換器９２Ａは、蒸気タービンに供給される蒸気を発生させる復水ｗを流して冷却することもできる。
【０１１０】
このように、次段ＦＣ発電部２０に燃料ガスｆを個々を混合するようにした場合、燃料極排ガスｇが所定温度以下に減温してしまうときは、熱バランスを取る（加熱する）必要がある不利な点があるが、本実施の形態では燃料ｆ2 ，ｆ3 の熱源を空気極排ガスａ1 ，ａ2 としているので、次段ＦＣ発電部２０へ供給される燃料極排ガスｇは所定温度に制御しやすく、上述の不利な点は解消することができる。
また、燃料ガスｆ1 を第１段熱交換器９２Ａで加熱するようにしたことにより、図６に示す実施の第６形態と同様に、燃焼ガスｆ1 を第１段発電部２１供給するために供給温度とする第１段燃料ガス加熱部６１ｆの入口温度の入口温度が高くなり、第１段燃料加熱部６１ｆを小型化でき、若しくは省略することができる。
【０１１１】
また、燃料ガスｆ2 ，ｆ3 を第２段熱交換器９２Ｂの冷却媒体として使用するようにすれば、燃料極排ガスｇへの燃料ガスｆ2 ，ｆ3 の混合で生じる冷却を防止できる温度にまで高めることができる。
【０１１２】
次に、図９は本発明の複合発電プラントの実施の第９形態を示すブロック図である。
図に示すように本実施の形態の複合発電プラント１８は、冷却投入方式である冷却ＦＣ発電部２１Ａ，２１Ｂ………を直列に２段以上配置するとともに、冷却ＦＣ発電部２１Ａ，２１Ｂ……からの燃料極排ガスｇおよび空気極排ガスａを分離した状態で、次段冷却ＦＣ発電部２２Ｂ，……に供給するとともに、最終段冷却ＦＣ発電部２０ｎから排出される排ガスａn 、ｇn も分離した状態で燃焼器４２０へ供給するようにした。
【０１１３】
さらに、冷却第１段ＦＣ発電部２２ａから排出される空気極排ガスａ1 で圧縮機４６０から吐出された空気を加熱する、第１段空気加熱部６１ａおよび燃料供給部８０から供給される燃料ガスｆ1 を加熱する第１段燃料ガス加熱部６１ｆを設けると共に、冷却第２段ＦＣ発電部２２Ａ以降の冷却ＦＣ発電部から排出される空気極排ガスａ1 ，ａ3 ……で次段の冷却ＦＣ発電部に供給される燃料ガスｆ2 ，ｆ3 ……を加熱する燃料ガス加熱部６０を設けるようにした。
【０１１４】
すなわち、ＦＣ冷却投入方式を用いることで、冷却ＦＣ発電部２１Ａ，２１Ｂ……２Ｎに投入する空気ａおよび燃料ガス９ｆの温度は、６００〜７００℃の低温とすることができ、さらに冷却ＦＣ発電部２１Ａ，２１Ｂ……から排出される空気極排ガスａ1 ，ａ2 ……で空気ａおよび燃料ガス９ｆの流体加熱を行うようにした。
なお、燃料ガスｆを空気極排ガスａ1 ，ａ2 ……で加熱するようにしたのは、空気極排ガスａ1 ，ａ2 ……ａn が燃料極排ガスｇ1 ……ｇn に比較して多量に冷却ＦＣ発電部から排出されるためである。
【０１１５】
これにより、空気ａ，燃料ガスｆを冷却ＦＣ発電部に供給できる温度にする仕上り温度が低くて良いので、複合発電プラント１８での熱利用が高くとれ、例えば蒸気タービンの出力向上により、より高いηccのシステムとすることができる。
なお、燃料ガスｆ1 を改質燃料ガスにする改質用蒸気の投入は、図３に示す実施の第３形態における空気極排ガスａ1 ，ａ2 ……ａn で加熱での水蒸気生成したもの、図１に示す実施の第１形態におけるガスタービン排気での水蒸気生成したもの、あるいは図５〜図８に示す実施の第５形態〜第８形態における、最終段のＦＣ発電部の燃料から排出される燃料極排ガスから分岐されたリサイクルガスｇr での水蒸気生成したもののいずれも利用可能である。
【０１１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の複合発電プラントは、
ＦＣ発電部、ＧＴ発電部、蒸気タービンからなる複合発電プラントにおいて、ＦＣ発電部が直列に複数配置され、前段ＦＣ発電部から排出される排ガスを後段ＦＣ発電部に供給して発電するようにした。
【０１１７】
これにより、各段のＦＣ発電部に供給される空気のすべては１台の圧縮機で供給されるのでＦＣ１基当りの圧縮動力は小さいものにでき、ＦＣ発電部出力当たりの圧縮動力の目減りを少なくできる。
また、次段のＦＣ発電部に供給する空気／燃料ガスの高温供給、特に供給流量の大きい空気の高温供給が容易になり、高温にてＦＣ排気を次段のＧＴ−ＨＲＳＧ−ＳＴ系へ送給できるため（ＧＴ＋ＳＴ）のＣＣ側の発電効率を向上させることができる。
さらに、最終段ＦＣ発電部から燃焼器に供給される排ガス温度を高くでき、ガスタービン入口温度（所定温度）にする燃焼器追い焚き燃料量を低減できる。
これらによりＣＣ部分（ＧＴ＋ＳＴ）のプラント効率を従来の複合発電プラントに比較して、５〜１０％以上向上させることができる。
【０１１８】
また、本発明の複合発電プラントは、ガスタービンとＧＴ排熱回収部との間に介装され、第１段ＦＣ発電部に供給される空気及び燃料ガスをガスタービンから排出される排ガスで予熱し、予熱後の排ガスを蒸気タービンを駆動する蒸気を発生させる蒸気発生部に排出する予熱再生部をＧＴ排熱回収部に設けた。
【０１１９】
これにより、ＦＣ発電部が直列に複数配置された第１番目のＦＣ発電部にのみ、特に、多量供給される空気の加熱が予熱再生部でなされ、上段ＦＣ発電部からの排ガスで空気の加熱を行う反応ガス加熱部の容量を小さくすることができ、最終段ＦＣ発電部から燃焼器に供給される排気ガス温度を高く保持して追い焚きのために供給される燃料ガスの量はさらに低減でき、プラント効率をさらに向上させることができる。
【０１２０】
また、本発明の複合発電プラントは、空気供給部及び燃料供給部から第１段ＦＣ発電部に供給される空気、及び第１段ＦＣ発電部若しくは各段のＦＣ発電部に供給される燃料ガスを、所要の温度にする反応ガス加熱部を設け予熱を行うことのできる３段以上の段数にしたＦＣ発電部を設け、予熱再生部を省略した。
【０１２１】
これにより、最終段のＦＣ発電部から燃焼器に供給される排気ガス温度を高くすることができ、追い焚きのために供給される燃料ガスの量を低減でき、ガスタービンからＧＴ排熱回収部に排出される排ガスにより発生できる蒸気量を多くでき、蒸気で駆動され電力を出力する蒸気タービンの発電量を多くして、複合発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。
【０１２２】
また、本発明の複合発電プラントは、ＦＣ発電部のうちの少なくとも第１段ＦＣ発電部が、従来のＦＣ発電部より低温の空気及び燃料ガスで作動できる冷却ＦＣ発電部にした。
【０１２３】
これにより、冷却ＦＣ発電部に供給する反応ガスは、９５０℃から６００〜７００℃に逓減でき、反応ガス加熱部は圧縮機から供給される空気を加熱する第１段空気加熱部及び第２段以降のＦＣ発電部に供給される燃料ガスを加熱する燃料ガス加熱部の設置のみでよく、最終段ＦＣ発電部から燃焼器に供給される排気ガス温度を高くでき、燃焼器の追い焚きのために供給される燃料ガスの量を低減でき、更には改質蒸気を前段ＦＣ発電部からの排ガスで発生でき、ＧＴ排熱回収部で発生できる蒸気量を多くでき、蒸気で駆動され電力を出力する蒸気タービンの発電量を多くでき、複合発電プラントの発電効率はさらに向上する。
【０１２４】
また、本発明の複合発電プラントは、ＦＣ発電部若しくは冷却ＦＣ発電部からなる発電部が直列に複数配置され、前段発電部から後段発電部に排出される燃料極排ガスと空気極排ガスとが、別々に後段発電部の燃料極及び空気極に各々供給され発電するようにした。
【０１２５】
これにより、前段発電部から後段発電部の空気極に排出される空気極排ガス、および前段発電部から後段発電部の燃料極に排出される燃料極排ガスを高温に保持し、燃料極排ガスとともに排出される未反応の燃料ガスは後段発電部の燃料ガスに使用することも加味されるので、後段発電部に供給すべき燃料ガス量を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合発電プラントの実施の第１形態を示すブロック図、
【図２】本発明の複合発電プラントの実施の第２形態を示すブロック図、
【図３】本発明の複合発電プラントの実施の第３形態を示すブロック図、
【図４】本発明の複合発電プラントの実施の第４形態を示すブロック図、
【図５】本発明の複合発電プラントの実施の第５形態を示すブロック図、
【図６】本発明の複合発電プラントの実施の第６形態を示すブロック図、
【図７】本発明の複合発電プラントの実施の第７形態を示すブロック図、
【図８】本発明の複合発電プラントの実施の第８形態を示すブロック図、
【図９】本発明の複合発電プラントの実施の第９形態を示すブロック図、
【図１０】従来の複合発電プラントの１例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８
複合発電プラント
２０ ＦＣ発電部
２１ 第１段ＦＣ発電部
２１Ａ 冷却第１段ＦＣ発電部
２２ 第２段ＦＣ発電部
２２Ａ 冷却第２段ＦＣ発電部
２３ 第３段ＦＣ発電部
２４ 反応ガス熱交換部
３０，３０Ａ 燃焼部
３１ 第１段燃焼部
３２ 第２段燃焼部
３３ 第３段燃焼部
４０ ＧＴ発電部
５０ 予熱再生部
６０ 反応ガス加熱部
６１，６１ａ，６１ｂ 第１段反応ガス加熱部
６２，６２ａ，６２ｂ 第２段反応ガス加熱部
６３ 第３段反応ガス加熱部
７０ ＧＴ排熱回収部
７１，７１ｆ1 ，７１ｆ2 ，７１ｆ3 改質用蒸気発生器
７２ 蒸気発生器
８０ 燃料ガス供給部
９０ リサイクル循環部
９１ リサイクル循環ファン
９２ 熱交換部
９２Ａ 第１段熱交換器
９２Ｂ 第２段熱交換器
ａ 空気
ｆ 燃料ガス
ｇ 排ガス
ｓ 蒸気
ａ1 ，ａ2 ，ａ3 空気極排ガス
ｇ1 ，ｇ2 ，ｇ3 燃料極排ガス
１００ ＦＣ発電部
２００ 燃焼部
３００ 反応ガス加熱部
３２０ 燃料ガス加熱部
３４０ 空気加熱部
４００ ＧＴ発電部
４２０ 燃焼器
４４０ ガスタービン
４６０ 空気圧縮機
４８０ 発電機
５００ ＧＴ排熱回収部
５２０ 空気予熱再生器
５４０ 燃料ガス予熱再生器
５６０ 蒸気発生器
５８０ 煙突
６００ 燃料ガス供給部
７００ 空気供給部
１０００ 複合発電プラント
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池、ガスタービンおよび蒸気タービンを組み合わせて発電を行うようにし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、供給される燃料ガスおよび空気から理論的には燃料ガスの保有する熱エネルギーの８０％にも達する高い発電効率で電気エネルギー（実開上は約６０％）を発生させることができると共に、電池本体や排出ガスから回収利用できる熱エネルギーをも発生させることもできる。
従って、これらの熱エネルギーをガスタービン（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、システムから排出される熱（＝システム損失）を小さくすることになり、結果的に高い発電効率が得ることができる。
このため、燃料電池を設けたＦＣ発電部、ガスタービンおよび蒸気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る。
【０００３】
また、このような複合発電プラントのＦＣ発電部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）等があり、これら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ようにしている。
さらに、燃料電池は反応ガス、すなわち燃料電池で電気化学反応を起し、電力を発生する燃料ガスおよび空気の供給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加圧式ＦＣ発電部が採用される方向にある。
【０００４】
特に、ＦＣ発電部内に設けられた空気極の反応に必要な酸素は、大気中より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るが、これは取り込んだ空気を空気圧縮機により昇圧してＦＣ発電部の空気極へ供給することで可能である。
そして、この空気圧縮機の駆動動力源としては、ＦＣ発電部からの排ガス中で燃料を燃焼させて、高温の排ガスを作動流体として駆動させ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させ、この電力により駆動される電動機により空気圧縮機を駆動する方式が考えられる。
【０００５】
図１０は、燃料としての天然ガス（以下燃料ガスという）と空気とを使用する内部改質型ＳＯＦＣと、このＳＯＦＣを設けたＦＣ発電部から排出される高温の排ガスの熱をＧＴ発電部で利用するとともに、ＧＴ発電部から排出される排ガスの熱をＧＴ排熱回収部で回収するようにした、複合発電プラントの一例を示す概略構成図である。
【０００６】
図に示すように、この複合発電プラント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排熱回収部５００とから構成されている。
このうち、ＦＣ発電部１００は、所定温度の燃料ガス３００と、同程度の温度で空気比５〜７の空気３００とを内部に配置した固定電解質で構成される燃料極および空気極へ導入して電気化学反応を起こさせて発電を行い、ＧＴ発電部４００は、大気中から取入れた空気を圧縮してＦＣ発電部１００に供給すると共に発電を行い、ＧＴ排熱回収部５００はＧＴ発電部４００から排出される排ガスでＦＣ発電部１００に供給される燃料ガス、空気の予熱、および燃料ガスを改質する改質蒸気を発生させると共に、図示省略した蒸気タービンで発電を行う駆動蒸気を発生させるようにしている。
【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、燃焼部２００では、ＦＣ発電部１００に供給され未燃となる燃料ガスおよび空気がＦＣ発電部１００の反応による排ガスＧ１００として燃焼することにより、さらに高温（例えば１２００℃以上）の燃焼ガスＧ200 を生成し、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Ｆ540 及び空気Ａ520 を、上述した所定温度まで加熱するようにしている。
【０００８】
すなわち、反応ガス加熱部３００は、図に示すように，後述する燃料予熱再生器５２０で中間温度に加熱された燃料ガスＦ520 を、燃焼ガスＧ200 の熱を利用してＦＣ発電部１００の入口温度である最終温度にまで加熱する燃料ガス加熱器３２０と、同様に空気予熱再生器５４０で中間温度に加熱された空気Ａ520 を燃焼ガスＧ200 の熱を利用して９５０℃にまで加熱する空気加熱器３４０とから構成されている。
【０００９】
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で燃料ガスＦ540 および空気Ａ520 を加熱することにより、冷却（例えば８８０℃程度）された燃焼ガスＧ300 に燃料ガスの一部Ｆ400 を供給して混合させ、再燃焼させることにより所定のタービン入口温度の高温の燃焼ガスＧ420 にしてガスタービン４４０に供給するようにしている。
【００１０】
ガスタービン４４０は、この燃焼ガスＧ420 を作動流体として駆動され動力を回収し、同軸に接続されている圧縮機４６０を駆動する。
この圧縮機４６０は、空気供給部７００から空気Ａ700 を吸込んで圧縮してＦＣ発電部１００に供給するとともに、空気圧縮機４６０は発電機４８０とも同軸に接続されており、ガスタービン４４０の駆動により発電機４８０を作動させて電力を発生させる。
【００１１】
また、ＧＴ排熱回収系５００は、前述した空気予熱再生器５２０および燃料ガス予熱再生器５４０からなる予熱再生部５１０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、ＧＴ排熱回収部５００の予熱再生部５１０に設けられた空気予熱再生器５２０に送られ、空気予熱再生器５２０では、排ガスＧ440 の熱を利用して空気圧縮機４６０から吐出された４００℃程度の空気ａ460 を中間温度にまでに予熱して空気加熱部３４０へ供給する。
【００１２】
また、燃料ガス予熱再生器５４０は、予熱再生部５１０に空気予熱再生器５２０と共に併設されており、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、約１５℃の燃料ガスＦ500 を中間温度にまで予熱して燃料ガス加熱部３２０に供給する。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、ここで蒸気を発生させ、発生した水蒸気は、内部改質用として燃料ガスＦ500 に混合させると共に、図示省略した外部の蒸気タービンに供給され、発電を行うようにしている。
また、蒸気発生器５６０で蒸気を発生させた排ガスＧ560 （例えば１００℃程度）は煙突５８０から大気中に放出される。
【００１３】
次に、ＳＯＦＣの作動温度を電気化学反応に最適な値に制御した場合における、上述の従来の複合発電プラントの作動について説明する。
【００１４】
まず、燃料ガス供給部６００から供給される約１５℃の天然ガス等からなる燃料ガスＦ600 は、二手に分岐され、一方の燃料ガスＦ400 は燃焼器４２０に導入され、排ガスＧ300 をガスタービン４４０の作動温度に加熱し、他方の燃料ガスＦ500 は燃料ガス予熱再生器５４０に導入されて中間温度にまで予熱される。
燃料ガス予熱再生器５４０を通過した燃料ガスＦ540 は、蒸気発生器５６０から供給される蒸気（内部改質用蒸気）Ｓ560 と所定の蒸気／燃料ガス比のものに混合された後、燃料ガス加熱器３２０に導入されてＦＣ発電部１００に導入される最適供給温度にまで加熱され、ＦＣ発電部１００の燃料極側へ導入される。
【００１５】
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、圧縮過程で約４００℃にまで昇温する。
空気圧縮機４６０から吐出された空気Ａ460 は、空気予熱再生器５２０に導入されて中間温度にまで予熱される。
また、空気予熱再生器５２０で予熱された圧縮空気Ａ520 は、空気加熱器３４０に導入されて、同様にＦＣ発電部１００の最適作動温度にまで加熱され、ＦＣ発電部１００の空気極側へ導入される。
【００１６】
また、ＦＣ発電部１００内において、燃料極側へ導入された燃料ガスと蒸気との混合ガスＦ300 は、燃料極の触媒上で反応して、水素Ｈ2 と一酸化炭素ＣＯを生成する。
この水素Ｈ2 、一酸化炭素ＣＯと空気極側の圧縮空気Ａ400 中の酸素Ｏ2 とは、ＦＣ発電部１００内を仕切るように配置された固体酸化物電解質を介して電気化学反応を起こし、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（−Ｔ・ΔＳ）分と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。
【００１７】
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 中に残存する未反応の燃料ガス成分と空気中の酸素とが燃焼反応を起こし、さらに高温の燃焼ガス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、それぞれ燃料ガス予熱再生器５４０で予熱済みの燃料ガスＦ540 及び改質蒸気ｓ560 の混合ガスＦ540 と、空気予熱再生器５２０で予熱済みの空気Ａ520 とをＳＯＦＣの最適作動温度まで、熱交換により加熱する。
【００１８】
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、未燃焼の酸素が存在しており、燃料ガス供給部６００から燃焼器４２０に供給される燃料ガスＦ400 と混合させること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。
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とがそれぞれ作動し、ＦＣ発電部１００に最終的供給される空気Ａ460 および電力を発生させる。
【００１９】
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、先に述べたように空気Ａ460 と改質蒸気ｓ560 が混入された燃料ガスＦ500 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内に供給される水を蒸気に変換する。
また、蒸気発生器５６０で発生した蒸気の一部は、先に延べたように改質蒸気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、蒸気タービンを駆動し、蒸気タービンに直結された発電機を駆動し、電力を発生させる。
さらに、蒸気発生器５６０から排出される約１００℃にまで低温化された排ガスＧ560 は、煙突５８０から大気中へ放出される。
【００２０】
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の他、ＰＡＦＣ等をＦＣ発電部に用いる複合発電プラントにおいては、燃料電池の電気化学反応が発熱反応であることから、作動中にＦＣ発電部１００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こと、および電気抵抗が増えて発電出力が低くなるという不適合が出る。
一方、ＦＣ発電部１００を冷却し過ぎると、燃料電池の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。従って、作動中のＦＣ発電部１００を所望の作動温度に保持することが極めて重要となる。
【００２１】
【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、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とする分量よりも過剰に供給することにより、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は、電池反応に必要とする理論当量比のおよそ５〜７倍にも達している。
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。
【００２２】
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、特に、空気加熱器３４０にて、前述したように多量の空気をＦＣ発電部１００の最適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における出力を上げるべく、燃焼器４２０に燃料ガスＦ400 を供給すれば、余分な燃料ガスＦ400 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。
【００２３】
本発明は、以上の問題に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発電部１００の発生熱を効率よく回収して利用することにより、高いプラント効率の複合発電プラントを提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
このため、第１番目の本発明の複合発電プラントは次の手段とした。
【００２５】
（１）空気と燃料ガスとを電解質を介して電気化学反応させて発電するＦＣ発電部と、ＦＣ発電部から排出される空気極排ガス及び燃料極排ガスとを燃焼させて高温の駆動ガスを発生させる燃焼器を有し、供給された空気をＦＣ発電部の空気極に供給するために圧縮する圧縮機及び電力を出力する発電機を駆動ガスにより作動させるガスタービンからなるＧＴ発電部と、ガスタービンからＧＴ排熱回収部に排出される排ガスにより発生させた蒸気で駆動され、電力を出力する蒸気タービンとからなる複合発電プラントにおいて、ＦＣ発電部が直列に複数配置され、前段ＦＣ発電部から排出される排ガスを後段ＦＣ発電部に供給して発電するようにした。また、複合発電プラントは、前段ＦＣ発電部から排出される排ガスを燃焼部の発生熱を利用して昇温させて燃焼ガスを前記後段ＦＣ発電部に供給する燃料ガス加熱部を有することが好ましい。また、複合発電プラントは、前段ＦＣ発電部から排出される排ガスで昇温させる前段の燃料ガス加熱部と、前記後段ＦＣ発電部から排出される排ガスで昇温させる後段の燃料ガス加熱部とは仕様が異なることが好ましい。また、複合発電プラントは、前段ＦＣ発電部に供給する空気を前記燃焼部で加熱された排ガスで加熱する空気加熱部を有することが好ましい。
【００２６】
（ａ）これにより、各段のＦＣ発電部に供給される空気のすべては、１台の圧縮機で供給されるために、ＦＣ発電部１基当たり圧縮動力はＦＣ発電部の基数で割った小さいものにでき、ＦＣ発電部出力当たりの圧縮動力を小さくすることができ、プラント効率を向上させることができる。
また、前段ＦＣ発電部の排ガスを次段のＦＣ発電部に供給して、この排ガスを使用して発電するので、次段のＦＣ発電部に供給する空気／燃料ガスの高温供給、特に、燃料ガス供給に比較して供給流量の大きい空気の高温供給が容易になり、ＦＣ発電部の発電効率を向上させることができ、この点からもプラント効率を向上させることができる。
【００２７】
さらに、ＦＣ発電部が直列に複数配置され、後段ＦＣ発電部には前段ＦＣ発電部で加熱された排ガスが供給されるため、最終段ＦＣ発電部から燃焼器に供給される排ガス温度は、空気／燃料ガスを加熱する反応ガス加熱部を設けるようにした場合でも高くすることができ、ガスタービンを効率の良い稼働状態にするための燃焼器の追い焚きに供給される燃料ガスの量を低減することができ、これによっても、プラント効率を向上させることができる。
【００２８】
また、第２番目の本発明の複合発電プラントは、上述（１）の手段に加え、次の手段とした。
【００２９】
（２）ガスタービンとＧＴ排熱回収部との間に介装され、第１段ＦＣ発電部に供給される空気及び燃料ガスを、ガスタービンから排出される排ガスで予熱し、予熱後の排ガスで蒸気タービンを駆動する蒸気を発生させる蒸気発生部に排出する予熱再生部をＧＴ排熱回収部に設けた。
【００３０】
（ｂ）これにより、上述（ａ）に加え、ＦＣ発電部が直列に複数配置され第１番目のＦＣ発電部にのみ、特に、燃料ガスよりも多量供給される空気の加熱が予熱再生部でなされるので、上段ＦＣ発電部からの排ガスで空気の加熱を行う反応ガス加熱部、特に、空気加熱部の容量を小さくすることができるとともに、最終段ＦＣ発電部から燃焼部に供給される排気ガス温度を高くすることができ、燃焼器の追い焚きのために供給される燃焼ガスの量を、さらに低減することができ、プラント効率をさらに向上させることができる。
【００３１】
また、第３番目の本発明の複合発電プラントは、上述（１）の手段に加え、次の手段とした。
【００３２】
（３）空気供給部及び燃料供給部から第１段ＦＣ発電部に供給される空気、及び第１段ＦＣ発電部若しくは各段のＦＣ発電部に供給される燃料ガスを、所要の温度に加熱できる反応ガス加熱部を設け予熱を行うことのできる段数、具体的には、３段以上の段数にしたＦＣ発電部を設け、予熱再生部を省略できるものにした。
【００３３】
（ｃ）これにより、上述（ａ）に加え、最終段のＦＣ発電部から燃焼器に供給される排気ガス温度を高くすることができ、燃焼器の追い焚きのために供給される燃料ガスの量を低減することができるとともに、ガスタービンからＧＴ排熱回収部に排出される排ガスにより発生できる蒸気量を大きくすることができ、蒸気発生器で発生させた蒸気で駆動され、電力を出力する蒸気タービンの発電量を多くでき、複合発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。
【００３４】
また、第４番目の本発明の複合発電プラントは、上述（１）の手段に加え、次の手段とした。
【００３５】
（４）ＦＣ発電部のうちの少なくとも第１段ＦＣ発電部が、従来のＦＣ発電部より低温の空気及び燃料ガスで作動させることのできる冷却方式の冷却ＦＣ発電部にされたものにした。
【００３６】
（ｄ）これにより、上述（ａ）に加え、第１段冷却ＦＣ発電部に供給される空気及び燃焼ガスの温度は、従来の９５０℃から６００〜７００℃にすることができ、反応ガス加熱部は圧縮機から供給される空気を加熱する第１段空気加熱部及び第２段以降のＦＣ発電部に供給される、燃料ガスを加熱する燃料ガス加熱部の設置のみでよくなるとともに、最終段のＦＣ発電部から燃焼器に供給される排気ガス温度を高くすることができ、燃焼器の追い焚きのために供給される燃料ガスの量を低減することができ、更には、燃料ガスを改質する改質蒸気を、前段ＦＣ発電部からの排ガスで発生させることができ、ＧＴ排熱回収部に排出される排ガスにより発生できる蒸気量を大きくすることができ、蒸気発生器で発生させた蒸気で駆動され、電力を出力する蒸気タービンの発電量を多くできるようになり、複合発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。
【００３７】
また、第５番目の本発明の複合発電プラントは、上述（１）の手段に加え、次の手段とした。
【００３８】
（５）ＦＣ発電部若しくは冷却ＦＣ発電部からなる発電部が直列に複数配置されるとともに、前段発電部から後段発電部に排出される燃料極排ガスと空気極排ガスとが、別々に後段発電部の燃料極及び空気極に各々供給され、発電するようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項４の複合発電プラント。
なお、別々に後段発電部の燃料極及び空気極に各々供給され発電して、最終段発電部から排出される燃料極排ガスと空気極排ガスとは、最終段発電部の後流側に設けた燃焼部で燃焼させた後、燃焼器に供給するようにしても良く、又は燃焼器出口温度をコントロールするために、燃料ガス供給部から燃焼器に供給される燃料ガスとともに、別々に燃焼器に供給するようにしてもよい。
【００３９】
（ｅ）これにより、前段発電部から後段発電部の空気極に排出される空気極排ガスが高温になり、上述（ａ）〜（ｄ）と同様の作用、効果に加え、前段発電部から後段発電部の燃料極に排出される高温の燃料極排ガスに、各段の発電部に供給される燃料ガスは、混合されて加熱されるために、燃料ガス加熱部を小型にできるとともに、燃料極排ガスとともに排出される未反応の燃料ガスは、後段発電部の燃料ガスとして使用されるため、後段発電部に供給される燃料ガスを低減することができ、さらには、後段発電部燃料極に供給される燃料極排ガスには、発電時に発生する蒸気が含まれているために、この蒸気を後段発電部に供給される燃料ガスの改質蒸気として使用できるため、第２段以降の発電部に供給される燃料ガスを改質するための改質蒸気の量を、低減若しくは０にすることができ、複合発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。
【００４０】
【発明の実施の形態】
以下、図面により本発明の複合発電プラントの実施の一形態を説明する。
なお、以下の説明では、図１０に示したものと同一または類似部材には同一符号を付し、説明は省略する。
【００４１】
図１は本発明に係る複合発電プラントの実施の第１形態を示すブロック図である。
【００４２】
図に示すように、本実施の形態の複合発電プラント１０は、主として、第１段ＦＣ発電部２１と第２段ＦＣ発電部２２とが直列に接続された２段のＦＣ発電部からなり、導入された燃料ガスｆと空気ａ61a 中の酸素との電気化学反応により発電を行うＦＣ発電部２０、各ＦＣ発電部２０から排出される未反応の燃料ガスｆ、空気ａ61a を含む排ガスｇ20を再燃焼させて、さらに高温にする第１段燃焼部３１、第２段燃焼部３２とからなる燃焼部３０、燃焼部３０で高温にされ排出される排ガスｇ31，ｇ32で各ＦＣ発電部２０に供給する燃料ガスｆおよび第１段ＦＣ発電部２１に供給する空気ａ61a を加熱する第１段反応ガス加熱部６１、第２段反応ガス加熱部６２とからなる反応ガス加熱部６０、第２段反応ガス加熱部６２から排出される排ガスｇ62を追加された燃料ガスｆc を燃焼させることにより、加熱し、昇温させた排ガスｇ420 で駆動され発電を行うとともに、導入された空気ａを圧縮して第１段ＦＣ発電部２１に供給するＧＴ発電部４０、各ＦＣ発電部２０およびＧＴ発電部４０に燃料ガスｆを供給する燃料ガス供給部８０、ＧＴ発電部４０に空気ａ61a を供給する空気供給部７００、ＧＴ発電部４０からの排ガスｇ40で燃料ガス供給部８０および空気供給部７００から供給される燃料ガスｆおよび空気ａ460 を予熱する予熱再生部５０を設け、予熱再生部５０からの排ガスｇ50で燃料改質用の蒸気ｓ1 ，ｓ2 等を発生させるとともに、蒸気タービン駆動用蒸気ＳT を発生させるＧＴ排熱回収部７０とからなる。
【００４３】
ＦＣ発電部２０は、最前段には図１０に示すＦＣ発電部１００と同様の第１段ＦＣ発電部２１が設置されると共に、ＦＣ発電部２１の後流側に直列に接続され、第１段ＦＣ発電部２１から排出される排ガスｇ21を導入するようにした第２段ＦＣ発電部２２を設けるようにしている。
なお、本実施の形態ではＦＣ発電部２０は、２段からなるものを示しているが、第１段ＦＣ発電部２１に供給される空気量によっては、第ｎ段ＦＣ発電部（但しｎ＞３）を設け、最後段の反応ガス加熱部６２ｎから排出される排ガス中の酸素濃度が０％近くにする第ｎ段ＦＣ発電部２０ｎを設けることができる。
【００４４】
しかし、本実施の形態の以下の説明では説明を簡単にするため、第２段ＦＣ発電部２２より後流側に、さらに第ｎ段ＦＣ発電部２ｎが配置されるケースにおいては、第２段ＦＣ発電部より後流側に配置されるＦＣ発電部２０、ｎは第２段ＦＣ発電部２７で代表させるものとし、また後述するＦＣ発電部２０を３段以上設けることに付随して第２段ＦＣ発電部２２の後流側設置する燃焼部３０ｎ、反応ガス加熱部６０ｎは第２段燃焼部２２、第２段反応ガス加熱部６２で代表させるものとする。
【００４５】
このように直列に複数段にわたって設けるようにしたＦＣ発電部２０の各々には、天然ガス等からなる燃料ガスｆ1 と空気ａ61a 中の酸素とを固体酸化物電解質を介して電気化学反応を起こさせて発電する内部改質型ＳＯＦＣのスタックを備えている。
また、第１段ＦＣ発電部２１には燃料改質温度（例えば９５０℃）にまで加熱された高圧の空気ａ61a と燃料供給部８０から供給される燃料ガスｆ1 に改質蒸気ｓ1 が混合されて改質され９５０℃にまで加熱された、改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f が導入されて、これらが電気化学反応を起こして電力を発生する従来型のＦＣ発電部を採用するようにした。
【００４６】
さらに、第２段ＦＣ発電部２２には第１段ＦＣ発電部２１からの排ガスｇ61と、燃料供給部８０から供給される燃料ガスｆ2 に改質蒸気ｓ2 が混合され、同様に９５０℃に加熱された改質燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）62f が導入されて、同様に電力を発生する従来型のＦＣ発電部を採用している。
また、第３段目以降にＦＣ発電部２０ｎを設けるようにした場合においても同様に、前段ＦＣ発電部３０からの排ガスｇ30n-1 と改質蒸気（ｆ＋ｓ）60n-1fが導入されて、同様に電力を発生をする第１段、第２段ＦＣ発電部２１，２２と同様のＦＣ発電部２０ｎを設けるようにしている。
また、電力を発生させた各ＦＣ発電部２０からの排ガスｇ20は、空気冷却しながら電力発生したのちも高温にあるが各ＦＣ発電部２０から次の後流機器へ排出される。
【００４７】
次に、燃焼部３０は複数段にわたって設けられた各ＦＣ発電部２０の下流側にそれぞれ配置され、各前段のＦＣ発電部２０から排出される排ガスｇ20中の未反応の燃料ガスｆと空気ａ61a 中の酸素とを燃焼させて高温の燃焼ガスｇ30（ｇ31，ｇ32……）を生成するためのものである。
【００４８】
また、反応ガス加熱部６１，６２の各々は、燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆと空気加熱部６１ａ，６２ａとから構成され、燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆは、その内部において、各段のＦＣ発電部２０の燃料極に供給される改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f ，（ｆ2 ＋ｓ2 ）62f を、前段のＦＣ発電部２０の発生熱および燃焼部３１，３２の発生熱を利用して、改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）540 ，（ｆ2 ＋ｓ2 ）i をＦＣ発生部２０に導入する所望の改質温度（例えば９５０℃）の（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f ，（ｆ2 ＋ｓ2 ）62f に昇温させる。
【００４９】
但し、第１段ＦＣ発電部２１の下流側に配置される燃料ガス加熱部６１ｆで加熱する改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）540 と第２段ＦＣ発電部２２の下流側に配置される燃料加熱部６２ｆで加熱する改質燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）とでは、仕上り温度は同じであるが各燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆの入口部での温度条件および流量が異ることから、燃料ガス加熱部６１ｆと燃料ガス加熱部６２ｆとの仕様は異るものとなっている。
一方、空気加熱部６１ａ，６２ａは、第１段ＦＣ発電部２１の空気極に供給される空気ａ61a を各段の燃焼部３１，３２で加熱された排ガスで順次加熱するようにしている。
【００５０】
この空気加熱部６１ａ，６２ａに供給される空気流量は、第１段ＦＣ発電部２１に供給される空気流量で、前述したように、ＦＣ発電部２１，２２のそれぞれ後流側に設けられる燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆの仕様が異り、しかも各段のＦＣ発電部２１，２２から排出される排ガスｇ21，ｇ22流量が異るにも拘わらず、第２段ＦＣ発電部２２に流入させる排ガス温度が９５０℃をキープできるように、各段の空気加熱部６２ａ，６１ａで順次昇温させるとともに、第１段空気加熱部６１ａの出口温度が９５０℃になるような仕様のものにする必要がある。
【００５１】
次に、ＧＴ発電部４０は最終段の反応ガス加熱部６２から排出される排ガスｇ62に燃料供給部８０からの燃料ｆｃを供給して、排ガスｇ62中に残存する酸素と燃焼させて排ガスｇ62を所定のタービン入口温度にまで昇温する燃焼器４２０およびその排気ガスｇ420 で駆動されて空気供給部７００から導入されて空気ａを圧縮して第１段ＦＣ発電部２１に供給する空気圧縮機４６０、空気圧縮機４６０を駆動した余剰の動力で発電機４８０を駆動して電力を発生させるガスタービン４４０とからなり、図１０に示すＧＴ発電部４００の同様の構成のものを設けるようにしている。
【００５２】
次に、予熱再生部５０は、後述する排熱回収部７０に併設され、ガスタービン４４０から排出される排ガスｇ440 で圧縮機４６０から吐出される空気ａ440 を加熱する空気予熱再生部５００と燃料供給部８０からの燃料ガスｆ1 および後述するＧＴ排熱回収部７０に設けられた改質用蒸気発生用ＨＲＳＧ７１からの改質用蒸気ｓ1 を混合し、第１段反応ガス加熱部６１に供給される改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）540 を中間温度に加熱する燃料ガス予熱再熱部５４０とからなる。
【００５３】
また、ＧＴ排熱回収部７０は、前述した予熱再生部５０、改質用蒸気ｓ1 およびｓ2 を発生させる改質用蒸気発生器７１が設けられるとともに、改質用蒸気発生器７１と並列に配置された蒸気発生器（ＨＲＧＳ）７２で発生させ、図では省略した蒸気タービンを駆動し電力を発生させる余剰蒸気を発生させるようにしている。
【００５４】
本実施の形態の複合発電部プラント１０は上述のように構成され、燃料供給部８０から第１段目のＦＣ発電部２１の燃料極に供給される約１５℃の燃料ガスｆ1 は、改質用蒸気発生器７１からの改質蒸気ｓ1 と混合され、改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）となって燃料ガス予熱再生器５４０および燃焼ガス加熱部６１ａによって加熱され、９５０℃の改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f となって供給される。
さらに、空気供給部７００から圧縮機４６０に導入された空気ａは、圧縮により約４００℃にまで昇温された後、空気予熱再生器５２０、空気加熱部６２ａ、空気加熱部６１ａにより９５０℃にまで昇温された加熱空気ａ61a となって第１段目のＦＣ発電部２１の空気極に供給される。
【００５５】
改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f および加熱空気ａ61a がそれぞれ燃料極および空気極に供給された第１段ＦＣ発電部２１では、燃料極へ導入された改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f は、燃料極の触媒上で反応して、水素および酸化炭素を生成する。
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第１段ＦＣ発電部２１の発生熱を吸熱することができる。
また、空気極へ導入された圧縮空気ａ61a 中の酸素は、Ｏ2-イオンとなり、固体酸化物電解質内を伝導して燃料極に移動し、前述した水素及び一酸化炭素と電気化学反応を起こし、水と二酸化炭素とを生成する。
【００５６】
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。
燃料極における水或いは二酸化炭素の生成は発熱反応であり、この発熱を空気冷却してＦＣ作動温度（例えば１０５０℃）に保持される。
【００５７】
また、第１段目ＦＣ発電部２１を通過した燃料極排ガス及び空気極排ガスは混合され、排ガスｇ21として燃焼部３０を構成する第１段燃焼部３１に導入される。この燃焼部３１において、排ガス中に残存する未反応の燃料ガスｆ1 と燃料極で発生した水素、一酸化炭素と空気極から排出される余剰空気中の酸素Ｏ2 とは、高温のもとで容易に燃焼反応を起こし、燃焼ガスｇ31となり、第１段反応ガス加熱部６１に導入され、反応ガス加熱部６１の燃焼ガス加熱部６１ｆおよび空気加熱部６１ａを通過する燃料（ｆ1 ＋ｓ1 ）540 および空気ａ62a と熱交換し、これらを共に第１段ＦＣ発電部２１に導入するＦＣ作動温度の改質用燃料（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f および空気ａ61a にしたのち、ＦＣ作動の高温の状態で第２段ＦＣ発電部２２の空気極に供給される。
【００５８】
第１段反応ガス加熱部６１から排出される排ガスｇ61が導入される第２段ＦＣ発電部２１には、燃料供給部８０から供給される約１５℃の燃料ガスｆ2 に改質用蒸発器７１からの改質蒸気ｓ2 が添加され、第２段反応ガス加熱部６２ｆで昇温された改質用燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）62f が導入され、第２段ＦＣ発電部２２部内の燃料極で反応して、水素および一酸化炭素を生成する。
また、空気極に供給され排ガスｇ61中の未反応の酸素は、第１段ＦＣ発電部２１と同様に、新たに導入された改質燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）62f と電気化学反応を起こし、電力を発生させるとともに、ＦＣ発電部２２を通過した燃料極排ガス及び空気極排ガスは混合され、排ガスｇ22として第２段燃焼部３２に導入される。
【００５９】
この燃焼部３２においても、排ガスｇ32中に残存する未反応の燃料ガスｆ2 成分と空気ａ61a 中の未反応の酸素Ｏ2 とは、高温のもとで容易に燃焼反応を起こして燃焼ガスｇ32となり、反応ガス加熱部６２に導入され、反応ガス加熱部６２の燃焼ガス加熱部６２ｆおよび空気加熱部６２ａを通過する、改質燃料（ｆ2 ＋ｓ2 ）および空気ａ520 と熱交換し、改質用燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）を第２段ＦＣ発電部３２に導入するため高温の改質燃料（ｆ2 ＋ｓ2 ）62f にするとともに、空気予熱再生器４２０から供給された空気ａ520 を第１段空気加熱部６１ａにて第１段ＦＣ発電部２１の所望の温度にまで加熱する。
このように改質用燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）および空気ａ520 を加熱することにより、減温されて、第２反応ガス加熱部６２から排出される排ガスｇ62は、ＧＴ発電部４０の燃焼器４２０に供給される。
【００６０】
また、この燃焼器４２０には燃料供給部８０から燃料ガスｆc が供給されるようになっており、燃焼器４２０では、この燃料ｆc および排ガス中ｇ62中に残存している空気ａ61a 中の酸素とが燃焼して、所定温度の燃焼ガスとしてガスタービン４４０に供給され、出力を発生させて、圧縮機４６０を駆動させて第１段ＦＣ発電部２１に供給される空気ａを圧縮するとともに、発電機４８０を作動させて電力を発生させる。
【００６１】
ガスタービン４２０から排出される排ガスｇ440 は、ＧＴ排熱回収部７０に併設された予熱再生部５０に供給されて、空気予熱再生器５２０で圧縮機４６０で圧縮され吐出された約４００℃の空気ａ460 を、第２段の空気加熱部６２ａ入口温度にまで加熱された空気ａ520 にするとともに、燃料ガス予熱再生器５４０で燃料供給部８０から供給された、燃料ガスｆ1 と改質用蒸気発生器７１からの改質蒸気ｓ1 とが混合された改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）を第１段燃料ガス加熱部６１ｆ入口温度にまで加熱された改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ2 ）540 にする。
【００６２】
さらに、予熱再生部５０から排出される排ガスｇ50（約５００℃）は、ＧＴ排熱回収部７０に設けられた改質用蒸気発生器７１で、第１段ＦＣ発電部２１に供給される燃料ガスｆ1 が燃料ガス予熱部５４０に供給される前に混合され、燃料ガスｆ1 を改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）にする改質蒸気ｓ1 、および第２段のＦＣ発電部２２に供給される燃料ガスｆ2 が第２段の燃焼ガス加熱部ａ62f に供給される前に混合され、燃料ガスｆ2 を改質燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）にする改質蒸気ｓ2 を発生させる。
【００６３】
また、ＧＴ排熱回収部７０に供給されて改質蒸気ｓ1 ，ｓ2 の発生に使用されない余剰の排ガスｇ50は、改質用蒸気発生器７１と並列に設置された蒸気発生器（ＨＲＳＧ）７２に供給され、図示省略した発電を行う蒸気タービンを駆動するための蒸気ｓT を発生させる。
このようにして改質蒸気ｓ1 ，ｓ2 および蒸気タービン駆動蒸気ｓT を発生させ、約１００℃にまで減温された排ガスｇ70は煙突５８０から外部へ排出される。
【００６４】
本実施の形態の複合発電プラント１０は、従来の複合発電プラントが図１０に示すように、ＦＣ発電部１００に空気Ａを供給する圧縮機４６０がＦＣ発電部１基に対して１台を設けるようにしていたのに対して、ＦＣ発電部２０を２台直列に設け、第２段ＦＣ発電部２２の空気極に供給する空気として第１段ＦＣ発電部２１の排ガスｇ21を利用するようにし、ＦＣ発電部２１、ＦＣ発電部２１に対して、１台の圧縮機４６０を共通に用いるようにしたため、ＦＣ発電部１基当りの圧縮動力が基数で割った約１／２に小さくでき、ＦＣ発電部２０出力当りの圧縮動力分の目減りを小さくできる。
【００６５】
なお、ＦＣ発電部を２基とせずに、最終段ＦＣ発電部２０ｎからの排気中のＯ2 を安定下限迄のｎ基のＦＣ発電部を多数直列に配置して、１基当りのＦＣ発電部２０の圧縮動力は約１／ｎにもなり、さらに小さくすることもできる。排ガスｇn 中のＯ2 を安定下限値にした場合、最終段のＦＣ発電部からの排気ガスｇを加熱する燃焼器４２０には、供給される燃料ガスｆc の燃焼に必要な空気を別途供給するか、又は燃焼器４２０を設置せず、９５０℃の排ガスｇn でガスタービン４４０を駆動して低い効率でガスタービン効率を稼動させる必要がある。
【００６６】
さらに、上段のＦＣ発電部２０の排気ガスを次段のＦＣ発電部２０の空気として空気極へ投入するようにしたので、第２段ＦＣ発電部へ供給する空気を加熱するための第１段空気加熱部に相当する空気加熱部の設置が不要になる。
【００６７】
また、本実施の形態の複合発電プラント１０では１段目のＦＣ発電部２１への投入空気９５０℃は、約４００℃の圧縮機吐出空気ａ520 を数回に分けて予熱再生部５０，２つの反応ガス加熱部６１，６２で昇温し、例えば、＋２００℃×３の昇温をすれば良いので、１基当りのＦＣ発電部２０から排出される排気ガスの冷却される程度を小さくし、排気温度を高くした後段のＦＣ発電部２０の作動に好適な温度にして送気でき、さらには、最終段のＦＣ発電部からガスタービン４４０に送気される排ガス温度を高温（１０００℃以上）にできるため、ＧＴ燃料が少くなりこれによっても、複合発電プラント効率ηccが向上する。
【００６８】
即ち、空気圧縮機４６０から吐出された空気ａ520 （約５５０℃）を、図１０に示す空気加熱部３４０だけで９５０℃にまで加熱するようにした場合には、空気加熱部３４０で＋４００℃（５５０→９５０℃）の熱交換をすることから、空気加熱部３４０から排出される排気が７００〜８００℃と低くなるために、燃焼器４２０の追焚専用の燃料ガスｆc が多くなるためηccが低くなるが、本実施の形態の複合発電プラント１０では、このような不適合を解消することができ、図１０に示す従来の複合発電プラントの効率ηccが５０％程度であったものを、本実施の形態のものでは、約５５％あるいはそれ以上にまで向上させることができる。
【００６９】
次に、図２は本発明の複合発電プラントの実施の第２形態を示す図で、本実施の形態の複合発電プラント１１は、図１に示す実施の第１形態の複合発電プラント１０に比較して、第３段ＦＣ発電部２３、第３段燃焼部３３および第３段反応ガス加熱部６３を設けて、実施の第１形態ではＧＴ排熱回収部７０に設けるようにしていた予熱再生部５０を削除するとともに、燃料供給部８０から第１段〜第３段発電部２１，２２，２３に各々供給される燃料ガスｆ1 ，ｆ2 ，ｆ3 には、燃料供給部８０出口側から供給される燃料ガスｆに改質蒸気ｓを一括して混合した後、改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ），（ｆ2 ＋ｓ2 ），（ｆ3 ，ｓ3 ）に分流するようにしたものである。
【００７０】
すなわち、空気圧縮機４６０から第１段発電部２１に供給される空気量は、１基のＦＣ発電部に必要とする空気比の４〜５倍が供給されるが、第３段ＦＣ発電部２３を設けるようにしたことにより、第３段反応ガス加熱部６３が設置できるようになり、これにより、圧縮機４６０から吐出される約４００℃の圧縮空気ａ460 は、３つの反応ガス加熱部６０で＋２００℃×３＝６００℃の昇温を行うことができ、実施の第１形態においてＧＴ排熱回収部７００に設けるようにしていた、予熱再生部５０を設けなくても、第１段発電部２１に必要とする９５０℃にまで反応ガスを昇温できるとともに、ＦＣ発電部１基当りのＦＣ発電部２０から排出される排気ガスｇの冷却される程度を小さくし、各反応ガス加熱部３０から排出される排気ガスｇを高温に保持して、後段ＦＣ発電部の空気極に供給することができるようにした。
【００７１】
なお、本実施の形態の複合発電プラントでは、第１段ＦＣ発電部２１に供給される改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f の温度を９５０℃にするために、第１段空気加熱部６１ａの加熱容量を小さくすることによって、燃焼部３１から排出される排気ガスｇ31を燃料ガス加熱部６１ｆにより多く供給するようにするとともに、第１段空気加熱部６１ａの加熱容量の削減は、第２段空気加熱部６２ａ、第３段空気加熱部６３ａの加熱でカバーする。第２段ＦＣ発電部２１、第３段ＦＣ発電部２２にそれぞれ供給される改質燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ），（ｆ3 ，ｓ3 ）と略同量の改質燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）を第１段ＦＣ発電部２１に供給する。
【００７２】
これにより、前述した実施の第１形態と同様の作用、効果が得られることに加え、第３段ＦＣ発電部２３、第３段反応ガス加熱部６３を設け、さらには予熱再生部５０を廃止したことにより、ガスタービン４４０からの排ガスｇ40を蒸気タービンによる発電に多量に利用できることから、ηccを６０％程度にまで向上させることができる。
【００７３】
次に、図３は本発明の複合発電プラントの実施の第３形態を示すブロック図である。
図に示すように、本実施の複合発電プラントでは、実施の第１形態、第２形態と同様にＦＣ発電部を直列にして複数段連結して、後段のＦＣ発電部の空気系は上段の排気系と連結され、上段ＦＣ発電部で発生した熱エネルギーを利用するようにすると共に、第１段ＦＣ発電部は、９５０℃より低温の６００〜７００℃の燃料ガスおよび空気を供給し、ＦＣ発電部２０から熱回収する反応ガス熱交換部２４で９５０℃まで加熱して燃料電池に供給して、発電させることのできるようにした冷却投入型の冷却第１段ＦＣ発電部２１Ａを設けるようにして、各段ＦＣ発電部２０に９５０℃の空気を供給するための空気加熱部６１ａは、第１段ＦＣ発電部である冷却第１段ＦＣ発電部２１Ａの後流側にだけ設けるようにしている。
【００７４】
即ち、本実施の形態の複合発電プラント１２では、第１段ＦＣ発電部として、低温状態（例えば６００〜７００℃程度）で供給された改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f 、および同様の温度にされて第１段空気加熱部６１ａから供給される空気ａ61a を、それぞれ燃料極、空気極にそれぞれ供給するに好適な温度（９５０℃）にまで加熱し、ＦＣ本体を冷却する、燃料ガス熱交換部と空気熱交換部とからなる反応ガス熱交換部２４を設けた冷却第１段ＦＣ発電部２１Ａを採用した。
【００７５】
これにより、冷却第１段発電部２１Ａに圧縮機４６０から供給される空気ａ460 は、実施の第１形態および実施の第２形態のように空気加熱部６２ａ，６３ａ又は空気予熱再生部５２０により加熱することなく、第１段空気加熱器６１ａにより空気圧縮機４６０から吐出された約４００℃の空気を、６００〜７００℃に加熱した低温状態で冷却第１段発電部２１Ａに供給できるようになり、実施の第１形態および第２形態で設けるようにした第２段，第３段空気加熱部６２ａ，６３ａ又は空気予熱再生部５２０の設置が不要になる。
【００７６】
また、本実施の形態では第１段反応ガス加熱部６１の後流側、第２段燃料ガス加熱部６２ｆおよび第３段燃料ガス加熱部６３ｆの後流側には、蒸気発生器７２から抽出された水を、反応ガス加熱部６１，６２ｆ，６３ｆから排出される排ガスｇで加熱し、改質蒸気ｓ1 ，ｓ2 ，ｓ3 にするための改質用蒸気発生器７１ｆ1 ，７１ｆ2 ，７１ｆ3 が設けられている。
【００７７】
このように、第２段反応ガス加熱部６２，第３段反応ガス加熱部６３から空気加熱部６２ａ，空気加熱部６３ａを不要にできることにより、新たに改質用蒸気発生器７１ｆ2 ，７１ｆ3 を設置するにも拘わらず、燃焼器４２０の供給される排ガスｇ71f3の温度は昇温することができる。燃焼器４２０では、排ガスｇ71f3から更に昇温する値が４００℃（９５０→１３５０℃）から１５０℃（１２００→１３５０℃）にまで低減することができ、これは燃焼器４２０に供給する燃料ガスｆc の量を６割以上低減することに相当する。
【００７８】
また、ガスタービン４４０からの排気ガスｇ440 は、実施の第２形態と同様にＧＴ排熱回収部７０にそのまま供給され、しかも、改質用蒸気発生器７１による改質蒸気ｓ1 ，ｓ2 ，ｓ3 が第１段反応ガス加熱部６１，第２段燃料ガス加熱部６２ｆ，第３段燃料ガス加熱部６３ｆからの排ガスｇ61，ｇ62f ，ｇ63f によって発生させるようにしたことにより、蒸気発生器７２により発生できる蒸気エネルギーを増大させることができ、図示省略した蒸気タービンで駆動される発電機による発電量を大きくすることができる。
【００７９】
このように、本実施の形態の複合発電プラント１２では、実施の第１形態と同様の作用、効果が得られることに加え、第１段ＦＣ発電部を冷却第１段ＦＣ発電部２１Ａにしたことにより、冷却第１段部ＦＣ発電部２１Ａに供給される空気ａ61a および改質燃料ガス（ｓ1 ＋ｆ1 ）61f は、低温状態で供給できるようになり、第２段、第３段空気加熱部６２ａ，６３ａ又は空気予熱再生部５２０の設置が不要になる。
【００８０】
また、空気加熱部６２ａ、空気加熱部６３ａが不要にできることから、燃焼器４２０に供給される排ガスｇ71f3の温度は、数百℃昇温でき、燃焼器４２０で与えるべき温度上昇を小さくすることができ、つまり燃焼器４２０に供給する燃料ガスｆc の量をさらに低減できる。
また、第１段反応ガス加熱部６１の後流側と、第２段燃料ガス加熱部６２ｆおよび第３段燃料ガス加熱部６３ｆの後流側に改質蒸気ｓ1 ，ｓ2 ，ｓ3 に発生させる改質用蒸気発生器７１ｆ1 ７１ｆ2 ，７１ｆ3 が設けているので、ガスタービン４４０からの排気ガスｇ40は、ＧＴ排熱回収部７０にそのまま供給され、蒸気発生器７２により発生させ、蒸気タービンで使用できる蒸気エネルギーを増大させることができ、蒸気タービンで駆動される発電機による発電量を大きくすることができるので、複合発電プラント効率を実施の第２形態のものに比較して、さらに向上させることができる。
【００８１】
次に、図４は本発明の複合発電プラントの実施の第４形態を示すブロック図である。
図に示すように、本実施の形態では実施の第１形態〜第３形態で示されたもののように、第１段ＦＣ発電部２１〜第３段ＦＣ発電部２３は直列に連結されているが、各ＦＣ発電部２１〜２３からそれぞれ排出される空気系の排ガスと燃料系の排ガスは混合されず、下段ＦＣ発電部の空気系を上流段ＦＣ発電部の空気排出系と連結するとともに、上流段ＦＣ発電部の燃料系を上流段ＦＣ発電部の燃料排出系と連結し、空気排出系から排出される排ガス中の酸素と燃料排出系から排出される排ガス中の燃料ガスは、第３段ＦＣ発電部２３の後流側で混合され、燃焼部３０Ａで燃焼させて燃焼器４２０へ供給するようにした。
【００８２】
通常、ＦＣ発電部に供給される燃料ガスは、当該ＦＣ発電部における燃料極における反応に必要な燃料ガス量より、余剰（例えば１０％）に投入するようにしているため、これらの余剰燃料を後段ＦＣ発電部の燃料ガスとして利用することを可能にしたものである。
図に示すように、空気供給部７００から圧縮機４６０に導入された空気ａは、圧縮されて約４００℃にまで昇温された後、空気予熱再生器２０、空気加熱部６２ａ、空気加熱部６１ａにより改質温度（９５０℃）にまで昇温された加熱空気ａ61a となって第１段目のＦＣ発電部２１の空気極に供給される。
【００８３】
また、燃料供給部から第１段目のＦＣ発電部２１の燃料極に供給される燃料ガスｆ1 は、燃料ガス予熱再生器５４０によって加熱された後、改質用蒸気発生器７１からの改質蒸気ｓ1 と混合され、改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）となって第１段ＦＣ発電部２１燃焼ガス加熱部６１ｆによって加熱された後、９５０℃の改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f となって供給される。
改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f および加熱空気ａ61a がそれぞれ燃料極および空気極に供給された第１段ＦＣ発電部２１では、燃料極へ導入された改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f は、燃料極の触媒上で反応して、水素および一酸化炭素を生成する。
【００８４】
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２１の発生熱を吸熱することができる。
また、空気極へ導入された圧縮空気ａ61a 中の酸素は、Ｏ2-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電気化学反応を起こし、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ため空気で冷却するがその結果、第１段ＦＣ発電部２１の温度は所望の作動温度（例えば１０５０℃）に保持される。
【００８５】
また、第１段ＦＣ発電部２１を通過した燃料極排ガスｇ1 及び空気極排ガスａ1 は、第１段反応ガス加熱部６１に導入され、反応ガス加熱部６１の燃焼ガス加熱部６１ｆおよび空気加熱部６１ａを通過する改質用燃料（ｆ1 ＋ｓ1 ）540 および空気ａ62a に熱交換され、改質用燃料（ｆ1 ＋ｓ1 ）540 および空気ａ62a を１段目のＦＣ発電部２１に導入する改質用燃料（ｆ1 ＋ｓ1 ）61f および空気ａ61a にするとともに、第２段ＦＣ発電部２２に必要とされる高温の状態で第１段反応ガス加熱部６１から排出され、第２段ＦＣ発電部２２の燃料極および空気極に供給されることとなる。
【００８６】
第２段ＦＣ発電部２２では、第１段燃料ガス加熱部６１ｆからの排ガスｇ1 に、第２段燃料ガス加熱部で燃料供給部８０から供給された燃料ガスｆ2 に改質蒸気ｓ2 が混合されて加熱された改質燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）が加えられて改質燃料ガスが燃料極に供給され、さらに第１段空気加熱部６２ａからの排ガスａ1 が空気極に供給されて第１段ＦＣ発電部２１内と同様な電気化学反応を起し、燃料極排ガスｇ2 及び空気極排ガスａ2 を別々に排出する。
【００８７】
燃料極排ガスｇ2 は、燃料供給部８０からの燃料ガスｆ2 に改質蒸気ｓ2 が混合された改質用燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）を第２段燃料ガス部６２ｆで所定値に加熱した後、第３段ＦＣ発電部２３の燃料極に供給され、また空気極排ガスａ2 は空気予熱再生部５２０からの空気ａ520 を第１段空気加熱部６１ａの入口温度にまで昇温させた後、第３段ＦＣ発電部２３の空気極に供給されて第１段ＦＣ発電部２１内と同様な電気化学反応を起し、燃料極排ガスｇ3 及び空気極排ガスａ3 を排出する。
【００８８】
燃料極排ガスｇ3 中には、第１段ＦＣ発電部２１〜第３段発電部２３には、前述したように若干余剰の燃料ガスが供給されるようにしているため、燃料ガスｆが残存しており、また空気極排ガスａ3 中には、第１段ＦＣ発電部２１に、第１段ＦＣ発電部２１〜第３段発電部２３での電気化学反応に必要とする空気量以上の余剰空気が供給されているため空気ａが残存しており、これらが供給され混合された燃焼部３０Ａでは燃焼が生じ、燃焼器４２０に供給されることになる。
【００８９】
これにより、燃料供給部８０から供給される燃料ガスｆc を大幅に減少させることができ、複合発電プラントの効率を向上させることができる。
また、本実施の形態の複合発電プラントは、上述の構成にしたことにより上述したように、ＦＣ発電部に供給される燃料は、余剰投入するようにしているが、この余剰燃料は、後段ＦＣ発電部の燃料ガスとして利用することを可能になるほか、排気ガスｇ中にＨ2 Ｏが含まれるため、第２段ＦＣ発電部２２に供給する改質燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）にするために燃料ガスｆ2 に混入する改質用のｓ2 蒸気量を小さくすることができる。
【００９０】
さらに、余剰蒸気も後段のＦＣ発電部に流れ、さらに、燃焼によるＨ2 Ｏも付加されるので、バランスによっては第２段ＦＣ発電部２２の後流側に設けられる第３段目以降のＦＣ発電部には、改質蒸気の投入が不要になり熱の利用率が、さらに向上することが期待できる。
即ち、第１〜第３実施の形態のように各ＦＣ発電部２１，２２，２３の後流側に設けるようにした燃焼部３１〜３３で熱に変換させることなく前段ＦＣ発電部から排出される燃料を後段ＦＣ発電部の原料として活用できるようになる。
【００９１】
また、第１段燃料ガス加熱部６１ｆと第２段発電部２２入口との間における改質用燃料ガス（ｆ2 ＋ｓ2 ）の混合で、第２段発電部２２への送給燃料ガス温度を維持することができるようにすることも可能になり、前述した第２段燃料ガス加熱部６２ｆを省略できるとともに、第３段発電部２３に供給する燃料ガスｆ3 を加熱する第３段燃料ガス加熱部６３ｆも同様の理由で省略することも可能になる。
【００９２】
なお、上記実施の形態では第３段発電部２３から排出される排ガスｇ3 ，ａ3 を燃焼部３１Ａで燃焼させて燃焼器４２０へ送気するようにしているが、燃焼部３０Ａを省略して、燃焼器４２０へ直接第３段発電部２３からの空気極排ガスａ3 、燃料極排ガスｇ3 および燃料供給部８０からの燃料ガスｆc をそれぞれ投入するようにすることもできる。
これは、従来のリサイクル技術（燃料系のアノードリサイクル、空気系のカソードリサイクル）に相当する流体条件を２段発電部２２以降に実現していると考えて良く、従来のＦＣ発電部で必要とされたリサイクル循環ファンが不要であるとともに、燃焼生成物のＨ2 Ｏを後段ＦＣ発電部の改質用蒸気（後段）に活用でき特に３段目以降のＦＣ発電部２０では別途蒸気の生成が不要になる。
【００９３】
次に、図５は本発明の複合発電プラントの実施の第５形態を示すブロック図である。
図に示すように、本実施の形態では実施の第４形態と同様に、下流段ＦＣ発電部の空気系を上流段ＦＣ発電部の空気排出系と連結するとともに、上流段ＦＣ発電部の燃料系を上流段ＦＣ発電部の燃料排出系と連結し、空気排出系から排出される排ガス中ａ3 の酸素と燃焼排出系から排出される排ガス中の燃料ガスは、別々に第３段ＦＣ発電部２３から燃焼器４２０へ供給するようにした。
また、第３段ＦＣ発電部２３から燃焼器４２０へ供給される燃料ガスｇ3 の一部は、リサイクルガスｇr として、熱交換器９２とリサイクル循環ファン９６とからなるリサイクル循環部９０へ供給するようにした。
【００９４】
また、第１段ＦＣ発電部には、実施の第３形態で採用した低温で作動させることのできる冷却第１段発電部２１Ａを設けるようにして、リサイクル循環部９０からのリサイクルガスｇr に改質用蒸気発生器で発生させた改質蒸気ｓ1 を混合した混合ガス（ｇr ＋ｓ1 ）に燃料供給部８０から供給される燃料ガスｆ1 を混合して燃料ガス予熱再生部５４０および燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆを通すことなく、リサイクル循環ガスｇr の排熱で加熱した低温の改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｇr ＋ｓ1 ）を供給するようにした。
【００９５】
すなわち、発電部に供給するために反応ガスを加熱する反応ガス加熱器は、実施の第３形態と同様の圧縮機４６０からの空気ａ460 を加熱（２００℃程度）した低温空気ａ61a を、冷却第１段発電部２１Ａに供給するようにした第１段空気加熱部６１ａだけにして、実施の第４形態における空気予熱再生部５７０および第２段空気加熱部６２ａを省略できるようにした。
【００９６】
また、リサイクル循環ファン９０入口に熱交換器９２を設け、熱交換器９２で生成する蒸気と燃料極ガスｇ3 から分岐させたリサイクルガスｇr 中の蒸気で冷却第１段ＦＣ発電部２１Ａに供給する改質蒸気をまかなうとともに、燃焼器４２０には燃料極排ガスｇr 、空気極排ガスａ3 は燃焼部３０Ａで燃焼させることなく、燃料供給部８０からの燃料ガスｆc と共に直接別々に投入するようにした。なお、改質用蒸気発生器９２で発生させた蒸気のうち改質蒸気ｓ1 として使用されない蒸気は、蒸気発生器７２からの蒸気とともに蒸気タービンに供給され電力を発生させるようにしている。
【００９７】
これにより、実施の第４形態と同様の作用、効果が得られる他に、第１段発電部として冷却第１段発電部２１Ａとしたために予熱再生部５０、第２段蒸気加熱部６２および第１段、第２段燃焼ガス加熱部６１ｆ，６２ｆが省略でき、これにより空気および燃料ガス供給系の圧力損失がさらに少なくなり、各ＦＣ発電部２１，２２，２３は、より高圧で作動させ発電出力を高くできるので、複合発電プラント効率ηccが向上し、発電量を増大させることができると共に、燃焼部３０Ａ等機器の省略と相俟って製造コストを低減することができる。
【００９８】
また、冷却第１段発電部２１Ａに供給する改質用燃料ガス（ｆ1 ＋ｇr ＋ｓ1 ）は低温で供給できるため、これを加熱する熱交換器９２は、小型化又は省略でき、リサイクル循環ファン９１入口温度を減温して動力節減し、リサイクルガスｇr の加熱により発生する水蒸気が十分なときは、余剰に発生する蒸気ｓは蒸気発生器７２で発生する蒸気系統へ供給し、蒸気タービンへ投入することにより蒸気タービンの発電により複合発電プラント効率ηccを、さらに向上させることもできる。
なお、リサイクルガスｇr 中の水分は、数１に示すように最大７５ｍｏｌ％（余剰分ゼロで）となる。
【００９９】
【数１】
次に、図６は本発明の複合発電プラントの実施の第６形態を示すブロック図である。
図に示すように、ＦＣ発電部３０は実施の第２形態と同様に従来の第１段ＦＣ発電部３１、第２段ＦＣ発電部３２、第３段ＦＣ発電部３３からなるものとし、ＦＣ発電部３０への燃料ガスｆ1 ，ｆ2 ，ｆ3 の供給は、実施の第５形態と同様にして、各ＦＣ発電部３１，３２，３３から排出される排ガスｇは、燃料極排ガスｇ1 ，ｇ2 ，ｇ3 と空気極排ガスａ1 ，ａ2 ，ａ3 とに分離して後段のＦＣ発電部３２，３３および燃焼器４２０へ供給するようにした。
【０１０１】
また、第１段発電部３１への空気の供給は、実施の第２形態と同様に各段のＦＣ発電部３１，３２，３３の後流側に設けた空気加熱器６３ａ，６２ａ，６１ａで、空気圧縮機４６０から吐出された約４００℃の空気を２００℃ずつ順次加熱して、第１段発電部３１へは９５０℃の空気を供給するようにしている。
さらに、実施の第５形態と同様に第３段ＦＣ発電部２３から排出される高温の排ガスｇ3 は一部抽気して、この抽気したリサイクルガスｇr を第１段熱交換器９２Ａおよび第２段熱交換器９２Ｂに供給することにより、第１段ＦＣ発電部３１、第２段ＦＣ発電部３２および第３段ＦＣ発電部３３に供給される燃料ガスｆ1 ，ｆ2 ，ｆ3 を加熱するようにした。
【０１０２】
なお、第１段熱交換器９１による冷却は、図に示すように、第１段ＦＣ発電部２１に供給する燃料ガスｆ1 で行うが、又は実施の第５形態で示したように蒸気タービン蒸気系統に供給する蒸気を発生させるときの水の加熱によって行うようにしても良い。
これにより、図５に示す実施の第５形態の複合発電プラントと同様の作用、効果が得られることに加え、燃料ガスｆ1 を第１段熱交換９２Ａの冷却媒体として使用した場合は、燃料ガスｆ1 を第１段発電部２１に供給するために、燃料ガスｆ1 を供給温度にする第１段燃料ガス加熱部６１ｆの入口温度が高くなり、第１段燃料加熱部６１ｆを小型化でき、若しくは省略することができるようになる。
【０１０３】
また、第２段ＦＣ発電部２２および第３段ＦＣ発電部２３への燃料ガスｆ2 ，ｆ3 を第２段熱交換器９２Ｂの冷却媒体として使用するようにしたことにより、第１段熱交換器９２Ａを省略することが可能になり、これによって燃料ガスｆ1 ，ｆ2 ，ｆ3 の全てはリサイクルガスｇr 系で予熱されることになりｉｎ−ｌｉｎｅ混合で生じる冷却を防止できる。
【０１０４】
また、燃焼器４２０にはガスタービン４４０入口温度を最適温度にするために燃料ガスｆc を供給するようにしているが、リサイクルガスｇr の抽気量を０とするときは燃焼器４２０に供給される第３段ＦＣ発電部２３の排ガスｇ3 の殆んどが排ガスｇ4 として供給され、条件によってはｆｃ＝０とすることも可能になり、複合発電プラント１５の発電効率をより高めることができる。
【０１０５】
次に、図７は本発明の複合発電プラントの実施の第７形態を示すブロック図である。
図に示すように、本実施の形態の複合発電プラント１６では、第１段ＦＣ発電部２１へ供給する燃料ガスｆ1 は、後段ＦＣ発電部２２，２３で使用される燃料ガスｆ2 ，ｆ3 を含めて供給する。
すなわち、図４に示す実施の第４形態で各段のＦＣ発電部２０に供給される燃料ガスｆの１０％以上、本実施の形態の如く３段からなるＦＣ発電部２０を有するものでは、３００％が最大値となる燃料ガスｆ1 を第１段発電部２１に投入し、前段ＦＣ発電部における残余の燃料ガスｆ1 で、次段発電部２０の発電を行うようにした。
【０１０６】
これにより、実施の第４形態で必要としていた２段目以降のＦＣ発電部２２，２３へ供給する燃料ガスｆ2 ，ｆ3 を加熱する燃料ガス加熱部６１ｆ，６２ｆの設置が不要になると共に、実施の第６形態における前段ＦＣ発電部２０から排出される排ガスｇ1 ，ｇ2 中に燃料ガスｆ2 ，ｆ3 が混入されないので、混入に伴う、次段ＦＣ発電部２２，２３へ供給される排ガスｇの減温が防止され、より高温の排ガスの供給により、第２段，第３段ＦＣ発電部２２，２３の発電効率が向上し、複合発電プラント効率を向上させることができる。
【０１０７】
なお、後段のＦＣ発電部２２，２３で燃料ガスｆが不足するときは、実施の第４形態、第６形態における技術適宜使用して燃料ガスｆをｉｎ ｌｉｎｅ混合投入するようにすれば良い。
【０１０８】
次に、図８は本発明の複合発電プラントの実施の第８形態を示すブロック図である。
図に示すように、本実施の形態の複合発電プラント１７では、第１段ＦＣ発電部に供給する燃料ガスｆ1 は、実施の第５形態と同様に第３ＦＣ発電部２３から排出される排ガスｇ3 を抽気したリサイクルガスｇr を冷却する第１段熱交換９２Ａおよび第１段燃焼ガス加熱部６１ｆで加熱するとともに、第２段ＦＣ発電部２２，第３段ＦＣ発電部２３に供給する燃料ガスｆ2 ，ｆ3 は、空気極排ガスラインに設けるようにした第１段燃料ガス加熱部６１ｆおよび第２段燃料ガス加熱６２ｆで加熱して、前段ＦＣ発電部２０から排出される燃料極排ガスｇ1 ，ｇ2 中に供給するようにした。
【０１０９】
このように、第２段，第３段ＦＣ発電部２２，２３に供給する燃料ガスｆ2 ，ｆ3 は、空気極排ガスａ1 ，ａ2 で加熱することを特徴としているが、第２段熱交換部９２Ｂの冷却媒体としても使用して加熱するようにしても良い。
さらに、燃料ガスｆ1 を加熱してリサイクルガスｇr を冷却するようにした第１段熱交換器９２Ａは、蒸気タービンに供給される蒸気を発生させる復水ｗを流して冷却することもできる。
【０１１０】
このように、次段ＦＣ発電部２０に燃料ガスｆを個々を混合するようにした場合、燃料極排ガスｇが所定温度以下に減温してしまうときは、熱バランスを取る（加熱する）必要がある不利な点があるが、本実施の形態では燃料ｆ2 ，ｆ3 の熱源を空気極排ガスａ1 ，ａ2 としているので、次段ＦＣ発電部２０へ供給される燃料極排ガスｇは所定温度に制御しやすく、上述の不利な点は解消することができる。
また、燃料ガスｆ1 を第１段熱交換器９２Ａで加熱するようにしたことにより、図６に示す実施の第６形態と同様に、燃焼ガスｆ1 を第１段発電部２１供給するために供給温度とする第１段燃料ガス加熱部６１ｆの入口温度の入口温度が高くなり、第１段燃料加熱部６１ｆを小型化でき、若しくは省略することができる。
【０１１１】
また、燃料ガスｆ2 ，ｆ3 を第２段熱交換器９２Ｂの冷却媒体として使用するようにすれば、燃料極排ガスｇへの燃料ガスｆ2 ，ｆ3 の混合で生じる冷却を防止できる温度にまで高めることができる。
【０１１２】
次に、図９は本発明の複合発電プラントの実施の第９形態を示すブロック図である。
図に示すように本実施の形態の複合発電プラント１８は、冷却投入方式である冷却ＦＣ発電部２１Ａ，２１Ｂ………を直列に２段以上配置するとともに、冷却ＦＣ発電部２１Ａ，２１Ｂ……からの燃料極排ガスｇおよび空気極排ガスａを分離した状態で、次段冷却ＦＣ発電部２２Ｂ，……に供給するとともに、最終段冷却ＦＣ発電部２０ｎから排出される排ガスａn 、ｇn も分離した状態で燃焼器４２０へ供給するようにした。
【０１１３】
さらに、冷却第１段ＦＣ発電部２２ａから排出される空気極排ガスａ1 で圧縮機４６０から吐出された空気を加熱する、第１段空気加熱部６１ａおよび燃料供給部８０から供給される燃料ガスｆ1 を加熱する第１段燃料ガス加熱部６１ｆを設けると共に、冷却第２段ＦＣ発電部２２Ａ以降の冷却ＦＣ発電部から排出される空気極排ガスａ1 ，ａ3 ……で次段の冷却ＦＣ発電部に供給される燃料ガスｆ2 ，ｆ3 ……を加熱する燃料ガス加熱部６０を設けるようにした。
【０１１４】
すなわち、ＦＣ冷却投入方式を用いることで、冷却ＦＣ発電部２１Ａ，２１Ｂ……２Ｎに投入する空気ａおよび燃料ガス９ｆの温度は、６００〜７００℃の低温とすることができ、さらに冷却ＦＣ発電部２１Ａ，２１Ｂ……から排出される空気極排ガスａ1 ，ａ2 ……で空気ａおよび燃料ガス９ｆの流体加熱を行うようにした。
なお、燃料ガスｆを空気極排ガスａ1 ，ａ2 ……で加熱するようにしたのは、空気極排ガスａ1 ，ａ2 ……ａn が燃料極排ガスｇ1 ……ｇn に比較して多量に冷却ＦＣ発電部から排出されるためである。
【０１１５】
これにより、空気ａ，燃料ガスｆを冷却ＦＣ発電部に供給できる温度にする仕上り温度が低くて良いので、複合発電プラント１８での熱利用が高くとれ、例えば蒸気タービンの出力向上により、より高いηccのシステムとすることができる。
なお、燃料ガスｆ1 を改質燃料ガスにする改質用蒸気の投入は、図３に示す実施の第３形態における空気極排ガスａ1 ，ａ2 ……ａn で加熱での水蒸気生成したもの、図１に示す実施の第１形態におけるガスタービン排気での水蒸気生成したもの、あるいは図５〜図８に示す実施の第５形態〜第８形態における、最終段のＦＣ発電部の燃料から排出される燃料極排ガスから分岐されたリサイクルガスｇr での水蒸気生成したもののいずれも利用可能である。
【０１１６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の複合発電プラントは、
ＦＣ発電部、ＧＴ発電部、蒸気タービンからなる複合発電プラントにおいて、ＦＣ発電部が直列に複数配置され、前段ＦＣ発電部から排出される排ガスを後段ＦＣ発電部に供給して発電するようにした。
【０１１７】
これにより、各段のＦＣ発電部に供給される空気のすべては１台の圧縮機で供給されるのでＦＣ１基当りの圧縮動力は小さいものにでき、ＦＣ発電部出力当たりの圧縮動力の目減りを少なくできる。
また、次段のＦＣ発電部に供給する空気／燃料ガスの高温供給、特に供給流量の大きい空気の高温供給が容易になり、高温にてＦＣ排気を次段のＧＴ−ＨＲＳＧ−ＳＴ系へ送給できるため（ＧＴ＋ＳＴ）のＣＣ側の発電効率を向上させることができる。
さらに、最終段ＦＣ発電部から燃焼器に供給される排ガス温度を高くでき、ガスタービン入口温度（所定温度）にする燃焼器追い焚き燃料量を低減できる。
これらによりＣＣ部分（ＧＴ＋ＳＴ）のプラント効率を従来の複合発電プラントに比較して、５〜１０％以上向上させることができる。
【０１１８】
また、本発明の複合発電プラントは、ガスタービンとＧＴ排熱回収部との間に介装され、第１段ＦＣ発電部に供給される空気及び燃料ガスをガスタービンから排出される排ガスで予熱し、予熱後の排ガスを蒸気タービンを駆動する蒸気を発生させる蒸気発生部に排出する予熱再生部をＧＴ排熱回収部に設けた。
【０１１９】
これにより、ＦＣ発電部が直列に複数配置された第１番目のＦＣ発電部にのみ、特に、多量供給される空気の加熱が予熱再生部でなされ、上段ＦＣ発電部からの排ガスで空気の加熱を行う反応ガス加熱部の容量を小さくすることができ、最終段ＦＣ発電部から燃焼器に供給される排気ガス温度を高く保持して追い焚きのために供給される燃料ガスの量はさらに低減でき、プラント効率をさらに向上させることができる。
【０１２０】
また、本発明の複合発電プラントは、空気供給部及び燃料供給部から第１段ＦＣ発電部に供給される空気、及び第１段ＦＣ発電部若しくは各段のＦＣ発電部に供給される燃料ガスを、所要の温度にする反応ガス加熱部を設け予熱を行うことのできる３段以上の段数にしたＦＣ発電部を設け、予熱再生部を省略した。
【０１２１】
これにより、最終段のＦＣ発電部から燃焼器に供給される排気ガス温度を高くすることができ、追い焚きのために供給される燃料ガスの量を低減でき、ガスタービンからＧＴ排熱回収部に排出される排ガスにより発生できる蒸気量を多くでき、蒸気で駆動され電力を出力する蒸気タービンの発電量を多くして、複合発電プラントの発電効率をさらに向上させることができる。
【０１２２】
また、本発明の複合発電プラントは、ＦＣ発電部のうちの少なくとも第１段ＦＣ発電部が、従来のＦＣ発電部より低温の空気及び燃料ガスで作動できる冷却ＦＣ発電部にした。
【０１２３】
これにより、冷却ＦＣ発電部に供給する反応ガスは、９５０℃から６００〜７００℃に逓減でき、反応ガス加熱部は圧縮機から供給される空気を加熱する第１段空気加熱部及び第２段以降のＦＣ発電部に供給される燃料ガスを加熱する燃料ガス加熱部の設置のみでよく、最終段ＦＣ発電部から燃焼器に供給される排気ガス温度を高くでき、燃焼器の追い焚きのために供給される燃料ガスの量を低減でき、更には改質蒸気を前段ＦＣ発電部からの排ガスで発生でき、ＧＴ排熱回収部で発生できる蒸気量を多くでき、蒸気で駆動され電力を出力する蒸気タービンの発電量を多くでき、複合発電プラントの発電効率はさらに向上する。
【０１２４】
また、本発明の複合発電プラントは、ＦＣ発電部若しくは冷却ＦＣ発電部からなる発電部が直列に複数配置され、前段発電部から後段発電部に排出される燃料極排ガスと空気極排ガスとが、別々に後段発電部の燃料極及び空気極に各々供給され発電するようにした。
【０１２５】
これにより、前段発電部から後段発電部の空気極に排出される空気極排ガス、および前段発電部から後段発電部の燃料極に排出される燃料極排ガスを高温に保持し、燃料極排ガスとともに排出される未反応の燃料ガスは後段発電部の燃料ガスに使用することも加味されるので、後段発電部に供給すべき燃料ガス量を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合発電プラントの実施の第１形態を示すブロック図、
【図２】本発明の複合発電プラントの実施の第２形態を示すブロック図、
【図３】本発明の複合発電プラントの実施の第３形態を示すブロック図、
【図４】本発明の複合発電プラントの実施の第４形態を示すブロック図、
【図５】本発明の複合発電プラントの実施の第５形態を示すブロック図、
【図６】本発明の複合発電プラントの実施の第６形態を示すブロック図、
【図７】本発明の複合発電プラントの実施の第７形態を示すブロック図、
【図８】本発明の複合発電プラントの実施の第８形態を示すブロック図、
【図９】本発明の複合発電プラントの実施の第９形態を示すブロック図、
【図１０】従来の複合発電プラントの１例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８
複合発電プラント
２０ ＦＣ発電部
２１ 第１段ＦＣ発電部
２１Ａ 冷却第１段ＦＣ発電部
２２ 第２段ＦＣ発電部
２２Ａ 冷却第２段ＦＣ発電部
２３ 第３段ＦＣ発電部
２４ 反応ガス熱交換部
３０，３０Ａ 燃焼部
３１ 第１段燃焼部
３２ 第２段燃焼部
３３ 第３段燃焼部
４０ ＧＴ発電部
５０ 予熱再生部
６０ 反応ガス加熱部
６１，６１ａ，６１ｂ 第１段反応ガス加熱部
６２，６２ａ，６２ｂ 第２段反応ガス加熱部
６３ 第３段反応ガス加熱部
７０ ＧＴ排熱回収部
７１，７１ｆ1 ，７１ｆ2 ，７１ｆ3 改質用蒸気発生器
７２ 蒸気発生器
８０ 燃料ガス供給部
９０ リサイクル循環部
９１ リサイクル循環ファン
９２ 熱交換部
９２Ａ 第１段熱交換器
９２Ｂ 第２段熱交換器
ａ 空気
ｆ 燃料ガス
ｇ 排ガス
ｓ 蒸気
ａ1 ，ａ2 ，ａ3 空気極排ガス
ｇ1 ，ｇ2 ，ｇ3 燃料極排ガス
１００ ＦＣ発電部
２００ 燃焼部
３００ 反応ガス加熱部
３２０ 燃料ガス加熱部
３４０ 空気加熱部
４００ ＧＴ発電部
４２０ 燃焼器
４４０ ガスタービン
４６０ 空気圧縮機
４８０ 発電機
５００ ＧＴ排熱回収部
５２０ 空気予熱再生器
５４０ 燃料ガス予熱再生器
５６０ 蒸気発生器
５８０ 煙突
６００ 燃料ガス供給部
７００ 空気供給部
１０００ 複合発電プラント
Claims (7)
- 空気と燃料ガスとを電解質を介して電気化学反応させて発電するＦＣ発電部と、前記ＦＣ発電部から排出される空気極排ガス及び燃料極排ガスとを燃焼させて高温の駆動ガスを発生させる燃焼器を有し、供給された空気を前記空気極に供給する空気にするため圧縮する圧縮機及び電力を出力する発電機を前記駆動ガスにより作動させるガスタービンからなるＧＴ発電部と、前記ガスタービンからＧＴ排熱回収部に排出される排ガスにより発生させた蒸気で駆動され、電力を出力する蒸気タービンとからなる複合発電プラントにおいて、前記ＦＣ発電部が直列に複数配置され、前段ＦＣ発電部から排出される排ガスを後段ＦＣ発電部に供給して発電し、前段ＦＣ発電部から排出される排ガスを燃焼部の発生熱を利用して昇温させて燃焼ガスを前記後段ＦＣ発電部に供給する燃料ガス加熱部を有することを特徴とする複合発電プラント。
- 前段ＦＣ発電部から排出される排ガスで昇温させる前段の燃料ガス加熱部と、前記後段ＦＣ発電部から排出される排ガスで昇温させる後段の燃料ガス加熱部とは仕様が異なる請求項１に記載の複合発電プラント。
- 前段ＦＣ発電部に供給する空気を前記燃焼部で加熱された排ガスで加熱する空気加熱部を有する請求項１又は２に記載の複合発電プラント。
- 前記ガスタービンと前記ＧＴ排熱回収部との間に介装され、第１段ＦＣ発電部に供給される前記空気及び燃料ガスを前記ガスタービンから排出される前記排ガスで予熱し、予熱後の排ガスを前記ＧＴ排熱回収部に排出する予熱再生部を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の複合発電プラント。
- 空気供給部及び燃料供給部から前記第１段ＦＣ発電部に供給される、前記空気及び燃料ガスを所要の温度に加熱できる段数のＦＣ発電部を設け、前記ＧＴ排熱回収部に設ける予熱再生部を省略したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の複合発電プラント。
- 前記ＦＣ発電部のうちの少なくとも第１段ＦＣ発電部が、従来のＦＣ発電部より低温の前記空気及び燃料ガスで作動する冷却ＦＣ発電部にされていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の複合発電プラント。
- 前記ＦＣ発電部が直列に複数配置されるとともに、前段ＦＣ発電部から後段ＦＣ発電部に排出される前記燃料極排ガスと前記空気極排ガスとが別々に前記後段ＦＣ発電部の燃料極及び空気極に各々供給され、発電することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の複合発電プラント。
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