JP5134186B2

JP5134186B2 - 固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システム

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Publication number: JP5134186B2
Application number: JP2004287004A
Authority: JP
Inventors: 雅正中村; 由則小林; 重徳古賀
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: JP2006100197A

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システムに関する。

燃料電池は、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して発電を行うものである。この燃料電池は、燃料側の電極である燃料極と、空気側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。

このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ
ＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）は、電解質としてジルコニアセラミクッスなどのセラミックスが用いられ、天然ガス，石油，メタノール，石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このＳＯＦＣは、イオン電導率を高めるために作動温度が約９００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。
このＳＯＦＣは、ガスタービンの排気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用でき、しかも、高温で運転されるガスタービンの排気排熱を利用できるため、ガスタービンとの相性がよい。そのため、ＳＯＦＣとガスタービンとを組み合わせるコンバインド発電システム（以下「ＳＯＦＣコンバインド発電システム」と呼ぶ）は、高効率を達成できる発電システムとして期待されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００３−２１７６０２号公報

上述の特許文献１には発電機を駆動するガスタービンと、ガスタービンの排気を酸化剤として利用して発電するＳＯＦＣにより構成されたＳＯＦＣコンバインド発電システムが開示されている。ガスタービンの排気には、燃焼に一部の酸素が消費されるので、残りの酸素、たとえば略１２％の酸素が残存している。上記ＳＯＦＣは、この残存した酸素を酸化剤として発電を行う構成とされている。

従来、ＳＯＦＣに供給する酸化剤としての空気の酸素濃度は、上述のガスタービン排気の酸素濃度（略１２％）でも十分な濃度だと考えられ、ＳＯＦＣは所定の性能を発揮すると考えられていた。
つまり、空気極の外側には十分な量の酸素が貯えられ、空気極から電解質に拡散する酸素の量が不足することがなく、ＳＯＦＣは所定の性能を発揮すると考えられていた。
しかしながら、発明者の後述する円筒型ＳＯＦＣを用いた試験の結果、図４に示すように、ＳＯＦＣに供給する空気の酸素濃度が略１６％以下に低下すると、酸素濃度の低下量に応じてＳＯＦＣの性能（セル電圧）が低下することが確認された。
このように、ＳＯＦＣのセル電圧が低下すると、それにともないＳＯＦＣコンバインド発電システムのシステム効率や出力が低下するという問題があった。
なお、ＳＯＦＣのセル電圧が低下する空気の酸素濃度は、後述するようにＳＯＦＣの構造などにも影響されるため必ずしも略１６％とならないと考えられる。また、セル電圧の低下曲線も同様に、図４に示す曲線に必ずしもならないと考えられる。

また、ＳＯＦＣに供給される空気であるガスタービン排気の酸素濃度が、たとえば略１２％以上であっても、ＳＯＦＣの内部構造によっては、酸素濃度の分布が不均一となり、略１２％よりも酸素濃度が低くなる領域が発生する恐れがあった。
例えば、図５に示す円筒型の構造を有するＳＯＦＣの場合、内部に燃料が流れる円筒型ＳＯＦＣ１０１の外側を、空気がその長手方向に沿って流れている。この構成の場合、空気は円筒型ＳＯＦＣ１０１に沿って流れている間に消費され、下流になるほど酸素濃度が低くなる。そのため、円筒型ＳＯＦＣ１０１の下流側では、供給された酸素濃度（略１２％）よりも低い酸素濃度となり、ＳＯＦＣのセル電圧がさらに低下する恐れがあった。

また、図６に示す平板型の構造を有するＳＯＦＣの場合、平板型ＳＯＦＣ１１１の空気極側の面に、空気が流れる複数の空気流路１１３が形成され、燃料極側の面に、燃料が流れる複数の燃料流路１１５が形成されている。空気は、ヘッダ（図示せず）を介して空気流路１１３に分配されるが、各空気流路１１３に流入する空気の流量は均一でない。そのため、空気流量の少ない空気流路１１３の近傍領域では、酸素の供給量が低下しＳＯＦＣのセル電圧が低下する恐れがあった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、ＳＯＦＣの性能を向上させることにより、システム効率を向上させることができる固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システムは、固体酸化物形燃料電池と、ガスタービンで駆動される発電機とを併用して発電する固体酸化物形燃料電池とを用いたコンバインド発電システムであって、前記固体酸化物形燃料電池の空気極に、前記ガスタービンから排出されるガスタービン排気と、該ガスタービン排気よりも酸素濃度の高い酸化剤とを導入することを特徴とする。
本発明によれば、空気極に、ガスタービン排気およびガスタービン排気よりも酸素濃度の高い酸化剤を導入することにより、固体酸化物形燃料電池の性能を向上させることができる。

本発明の固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システムは、高温燃料ガスおよび高温空気の供給を常圧で受けて発電する固体酸化物形燃料電池と、同軸に連結された圧縮機部およびタービン部と、前記圧縮機部から供されるガスタービン圧縮空気を用いてガスタービン燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器とを備え、前記ガスタービン燃焼器が生成したガスタービン燃焼ガスを前記タービン部で膨張させて回転させるガスタービンと、該ガスタービンの出力で駆動されて発電する発電機と、前記ガスタービンから排出されたガスタービン排気を前記固体酸化物形燃料電池の高温空気として供給するガスタービン排気供給流路と、前記ガスタービン排気よりも酸素濃度の高い酸化剤を前記高温空気に付加する酸化剤供給手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ガスタービン排気供給流路を介して空気極にガスタービン排気を供給するとともに、酸化剤供給手段により空気極にガスタービン排気より酸素濃度の高い酸化剤を空気極に供給することができるため、固体酸化物形燃料電池の性能を向上させることができる。
また、高温空気に付加される酸化剤の量を制御してもよく、酸化剤の量を制御することにより、固体酸化物形燃料電池の発電量を制御することができる。そのため、発電機および固体酸化物形燃料電池の合計発電量であるコンバインド発電システムの発電量を制御するパラメータが１つ増え、コンバインド発電システムの制御性を向上させることができる。

また、上記発明においては、前記酸化剤供給手段により付加される前記酸化剤の量が、前記発電機の発電量に基づき制御されることが望ましい。
本発明によれば、発電機の発電量に基づいて酸化剤の量を制御するため、固体酸化物形燃料電池の発電量を制御することができ、たとえばコンバインド発電システムの発電量を一定に保つことができる。つまり、ガスタービンの出力が上下すると発電機の発電量も上下する。この発電量の上下分を相殺するように、酸化剤の量を調整して固体酸化物形燃料電池の発電量を制御することにより、コンバインド発電システムの発電量を一定に保つことができる。
また、ガスタービンの圧縮機部に吸い込まれる空気の温度に基づいて酸化剤量の制御を行ってもよい。吸い込まれる空気の温度変化によりガスタービンの出力が変化するため、吸い込まれる空気の温度に基づいて酸化剤量の制御を行うことにより上述の作用と同じ作用を奏することができる。

さらに、上記発明においては、前記酸化剤供給手段が、前記酸化剤である酸素を生成する酸素製造装置であることが望ましい。
本発明によれば、酸素製造装置により生成された酸素を空気極に供給することができる。そのため、空気極近傍領域の酸素濃度をガスタービン排気のみを供給した場合よりも高くすることができ、固体酸化物形燃料電池の性能を向上させることができる。さらに、空気極近傍領域の酸素濃度を空気の酸素濃度よりも高くすることができるため、固体酸化物形燃料電池の性能をより向上させることができる。
また、ガスタービン圧縮空気の一部を取り出すことがないため、ガスタービンの出力低下を防止することができ、発電機による発電量低下を防止することができる。

上記発明においては、前記酸化剤供給手段が、前記圧縮機部の圧縮途中段階から取り出した抽出空気を前記酸化剤として前記ガスタービン排気供給流路に供給する抽出空気供給流路であることが望ましい。
本発明によれば、抽出空気供給流路を介して圧縮機部の圧縮途中段階から取り出した抽出空気を空気極に供給することができる。抽出空気はガスタービン排気よりも酸素濃度が高いため、抽出空気を空気極に供給することにより、固体酸化物形燃料電池の性能を向上させることができる。

上記発明においては、前記酸化剤供給手段が、外気を圧縮して前記ガスタービン排気供給流路に供給する外気供給部であることが望ましい。
本発明によれば、外気供給部により供給された外気を空気極に供給することができる。供給された外気はガスタービン排気よりも酸素濃度が高いため、外気を空気極に供給することにより、固体酸化物形燃料電池の性能を向上させることができる。

本発明の固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システムによれば、空気極に、ガスタービン排気およびガスタービン排気よりも酸素濃度の高い酸化剤を導入することにより、固体酸化物形燃料電池の性能を向上させることができる。このように固体酸化物形燃料電池の性能を向上させることにより、コンバインド発電システム効率を向上させることができるという効果を奏する。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明における第１の実施形態に係るＳＯＦＣコンバインド発電システムについて図１を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るＳＯＦＣコンバインド発電システムの概略を説明する図である。
ＳＯＦＣコンバインド発電システム（固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システム）１は、図１に示すように、ガスタービン３と、ガスタービン３により駆動される発電機５と、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）７と、から概略構成されている。ＳＯＦＣコンバインド発電システム１は、ＳＯＦＣ７による発電と、ガスタービン３による発電とを組み合わせて、高い発電効率を得るように構成したものである。

ＳＯＦＣ７による発電は、例えば略１０００℃の作動温度となるように加熱して供給される高温燃料ガスおよび高温空気の反応によって行われる。一方の高温燃料ガスは、高温燃料ガス流路３９から供給される。この高温燃料ガス流路３９には第２熱交換器２９が配置されており、後述する高温の燃焼排ガスとの熱交換によって、燃料が所定の温度まで加熱されて高温燃料ガスとなるようにされている。他方の高温空気は、ガスタービン排気供給流路２３から供給される。このガスタービン排気供給流路２３には、第１熱交換器２７が配置されており、後述する高温の燃焼排ガスとの熱交換によって、空気（酸素）を含むガスタービン排気およびガスタービン圧縮空気の混合気体を所定の温度まで加熱するようにされている。

ガスタービン３による発電は、ガスタービン３の出力を駆動源とし、同軸に連結された発電機５を運転することによって行われる。
ガスタービン３は、空気を圧縮する圧縮機部１１と、ガスタービン燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器１３と、ガスタービン燃焼器１３から供給された燃焼ガスを膨張させて回転するタービン部１５とから概略構成されている。
なお、ガスタービン燃料としては、たとえば水素ガスや天然ガスなど、供述したＳＯＦＣ７の燃料と同じものを使用することができる。

空気（外気）を導入して圧縮する圧縮機部１１は、後述するタービン部１５と同軸に連結されている。圧縮機部１１で圧縮されたガスタービン圧縮空気は、ガスタービン圧縮空気流路１７を通ってガスタービン燃焼器１３に供給される。ガスタービン圧縮空気流路１７には第３熱交換器３１が設置されている。この第３熱交換器３１は、ガスタービン圧縮空気と後述する燃焼排ガスとを熱交換させる機能を有しており、燃焼排ガスによって加熱されたガスタービン圧縮空気がガスタービン燃焼器１３に供給される。

ガスタービン燃焼器１３では、ガスタービン圧縮空気を用いてガスタービン燃料を燃焼させ、生成した高温高圧のガスタービン燃焼ガスをタービン部１５へ供給する。なお、ガスタービン燃料はガスタービン燃料流路１９を通ってガスタービン燃焼器１３に供給され、ガスタービン燃焼ガスはガスタービン燃焼ガス流路２１を通ってタービン部１５へ供給される。

ガスタービン燃焼ガスの供給を受けたタービン部１５では、ガスタービン燃焼ガスが膨張する際のエネルギーで回転して軸出力を発生する。この軸出力は、主として発電機５の駆動に使用されて電気エネルギーに変換されるが、一部は圧縮機部１１の駆動源として使用される。
すなわち、ガスタービン３では、空気およびガスタービン燃料から高温高圧のガスタービン燃焼ガスが生成され、このガスタービン燃焼ガスは、タービン部１５で仕事をした後にはガスタービン排気として排出される。

ガスタービン排気は、ガスタービン排気供給流路２３を通ってＳＯＦＣ７の空気極に供給される。また、ガスタービン排気供給流路２３には、酸素を生成する酸素製造装置（酸化剤供給手段）２５が配置され、後述する開閉弁３７ａの上流側のガスタービン排気供給流路２３に生成された酸素が導入される。ガスタービン排気および生成された酸素の混合気体は高温であり、しかも、生成された酸素が付加されたことにより、ＳＯＦＣ７の空気極に必要な酸素量が十分に含まれる。
なお、酸素製造装置２５としては、たとえばＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）や、水電解装置や、深冷分離装置などを用いることができる。

ガスタービン排気供給流路２３の途中には、第１熱交換器２７が配置されている。この第１熱交換器２７は、ガスタービン排気および生成された酸素の混合気体と後述する燃焼排ガスとの間で熱交換させることにより、空気極に供給する混合気体の温度を上昇させる機能を有している。
すなわち、ＳＯＦＣ７に供給される高温空気は、混合気体を第１熱交換器２７で加熱したものが使用される。

ガスタービン排気供給流路２３には、第１熱交換器２７の上流側となるタービン部１５から分岐し、燃焼排ガス流路３３に連結される分岐管としてガスタービン排気バイパス流路３５が備えられている。このガスタービン排気バイパス流路３５は、燃焼排ガス流路３３において、第１熱交換器２７と第３熱交換器３１との間に連結されている。
また、ガスタービン排気バイパス流路３５の分岐点より下流側のガスタービン排気供給流路２３およびガスタービン排気バイパス流路３５には、タービン部１５から排出されたガスタービン排気の流路を選択切換えするため、流路切換え手段として開閉弁３７ａ，３７ｂが設けられている。なお、開閉弁３７ａ，３７ｂに代えて、三方弁を使用することもできる。

ＳＯＦＣ７で発電した後、高温燃料ガスおよび高温空気の余剰分はそれぞれが反応熱などの排熱を保有した高温の未反応燃料ガスおよび未反応空気として、未反応燃料ガス流路３９ｂおよび未反応空気流路２３ａを通って未反応燃料燃焼器４１へ導かれる。この未反応燃料燃焼器４１では、未反応燃料ガスが燃焼してより高温の燃焼排ガスとなり、排熱回収流路となる燃焼排ガス流路３３を通って、排熱回収手段となる排熱回収器４３へ供給される。
この排熱回収器４３は、排熱との熱交換によって得られる蒸気や温水などを供給して排熱利用することができる。燃焼排ガス流路３３を流れる燃焼排ガスは、ＳＯＦＣ７における発電時の反応熱に未反応燃料ガスが燃焼して得られた熱エネルギーが加わって高温となる。そこで、高温の燃焼排ガスが有する熱エネルギー（排熱）をより有効に利用するため、排熱回収器４３へ到達する前の燃焼排ガスが第２熱交換器２９、第１熱交換器２７および第３熱交換器３１を通過するように構成されている。

図示の例では、燃焼排ガス流路３３の未反応燃料燃焼器４１から下流側の排熱回収器４３側へ、第２熱交換器２９、第１熱交換器２７および第３熱交換器３１の順に配列してある。第２熱交換器２９は、ＳＯＦＣ７に供給する高温燃料ガスを燃焼排ガスによって所定の温度まで加熱する熱交換器である。第１熱交換器２７は、ＳＯＦＣ７に供給する高温空気を燃焼排ガスによって所定の温度まで加熱する熱交換器である。第３熱交換器３１は、ガスタービン圧縮空気を燃焼排ガスによって所定温度まで加熱する熱交換器である。

次に、上記の構成からなるＳＯＦＣコンバインド発電システム１について、その運転手順とともに作用を説明する。
停止状態にあるガスタービン３及びＳＯＦＣ７の運転を開始する時には、最初に開閉弁３７ａを全閉とし、かつ、開閉弁３７ｂを全開とする。そして、ガスタービン３及びＳＯＦＣ７それぞれについて運転を開始する。ガスタービン３とＳＯＦＣ７の起動性が異なるためである。

この状態からガスタービン３の運転を通常の手順に従って開始すると、ガスタービン排気はガスタービン排気バイパス流路３５及び燃焼排ガス流路３３を通って排熱回収器４３へ供給される。この結果、ガスタービン３は比較的短時間で定格運転に達し、発電機５による発電が可能になる。
すなわち、ガスタービン３の良好な起動性を有効に活用し、短時間のうちに発電が可能となる。なお、排熱回収器４３へ導かれた高温のガスタービン排気から、排熱回収をすることも可能である。

一方、上述したガスタービン３の運転開始とほぼ同時に、ＳＯＦＣ７では起動準備に入る。この起動準備では、セラミックスの電解質を適当な加熱源によって徐々に温度上昇させ、運転（発電）開始の準備をする。このようなＳＯＦＣ７の起動準備中は、ガスタービン３を駆動源とする発電機５の単独発電となる。

ＳＯＦＣ７の起動準備が完了すると、開閉弁３７ａを開とし、かつ、開閉弁３７ｂを閉とする。さらに酸素製造装置２５により生成された酸素の供給を開始する。この結果、ガスタービン排気および生成された酸素の混合気体はガスタービン排気供給流路２３を通ってＳＯＦＣ７の空気極に導かれる。この混合気体は、タービン部１５で膨張して常圧となった高温のガス流体と、生成された酸素との混合気体であり、この混合気体の酸素濃度が少なくともＳＯＦＣ７の性能（セル電圧）を低下させない濃度となるように混合される。
さらに、ＳＯＦＣ７の燃料極には高温燃料ガス流路３９から高温燃料ガスの供給も開始されるので、ＳＯＦＣ７では高温燃料ガスと高温空気とが反応して発電が開始される。なお、このような発電開始直後は、作動温度がまだ所定値より低いため、イオン電導率が低く所定の発電量が得られない。
なお、ガスタービン排気および生成された酸素の混合気体の酸素濃度は、上述のように空気の酸素濃度と等しい略２１％としてもよいし、さらに高い酸素濃度となるように生成された酸素の付加割合を増やしてもよい。

ＳＯＦＣ７の発電が開始されると、反応熱によってたとえば１０００℃程度に温度上昇した高温の未反応燃料ガス及び空気（ガスタービン排気と生成された酸素との混合気体）がＳＯＦＣ７から流出して未反応燃料燃焼器４１で燃焼する。こうしてより一層高温（たとえば１２００℃程度）となった燃焼排ガスは燃焼排ガス流路３３を通って第２熱交換器２９に導かれ、高温燃料ガスを所定値（たとえば９００℃程度）まで加熱する。第２熱交換器２９でたとえば１１００℃程度までわずかに温度が低下した燃焼排ガスは、さらに燃焼排ガス流路３３を通って第１熱交換器２７に導かれ、たとえば５００〜６００℃程度で排出されたガスタービン排気を所定値（たとえば９００℃程度）まで加熱する。この後、たとえば７００℃程度まで温度低下した燃焼排ガスが燃焼排ガス流路３３を通って第３熱交換器３１に導かれ、たとえば３００℃程度のガスタービン圧縮空気を加熱して温度上昇させる。なお、第３熱交換器３１を通過してたとえば４００℃程度に温度低下した燃焼排ガスは、誘引ファン４５により燃焼排ガス流路３３を通って排熱回収器４３へ導かれる。

この結果、第３熱交換器３１で燃焼排ガスに加熱されたガスタービン圧縮空気は、圧縮機部１１を出た温度（たとえば３００℃程度）より高温となってガスタービン燃焼器１３に供給されるので、ガスタービン燃焼器１３に供給するガスタービン燃料の供給量を低減することができる。すなわち、タービン部１５の駆動に必要な高温（たとえば９５０℃程度）で圧力の高いガスタービン燃焼ガスを、ガスタービン燃焼器１３におけるガスタービン燃料の燃焼のみに頼ることなく、第３熱交換器３１による加熱によっても得ることができる。
なお、第３熱交換器３１の加熱量が十分にあってガスタービン圧縮空気の温度調整が可能であれば、ガスタービン３の単独運転時を除いて、ガスタービン燃料を全く消費しない運転、換言すればガスタービン燃焼器１３が不要の運転が可能になる場合もある。

また、たとえば９５０℃程度でタービン部１５に供給されて仕事をし、約５００〜６００℃程度まで温度低下して排出されたガスタービン排気と酸素製造装置２５により生成された酸素との混合気体は、第１熱交換器２７でたとえば１１００℃程度の燃焼排ガスに加熱されて所定値（たとえば９００℃程度）まで温度上昇した状態でＳＯＦＣ７に供給される。この結果、高温燃料ガス及び高温空気となる混合気体が共に９００℃程度の高温でそれぞれ燃料極及び空気極に供給されるので、ＳＯＦＣ７をイオン電導率の高い高温で作動させることができ、良好な発電効率を得ることができる。なお、ＳＯＦＣ７で発電された直流電力は、通常は直流・交流変換装置（図示せず）によって交流に変換されてから供給される。

なお、上述のように、ＳＯＦＣ７に供給する高温空気であるガスタービン排ガスと酸素製造装置２５により生成された酸素との混合気体の酸素濃度を常に一定にしてもよいし、条件に応じて上記混合気体の酸素濃度を所定の条件に応じて変化させてもよい。
たとえば、何らかの原因によりガスタービン３の出力が低下し、発電機５の発電量が低下した場合、上記混合気体の酸素濃度を高くしてＳＯＦＣ７の発電量を増加させることにより、ＳＯＦＣコンバインド発電システム１全体としての発電量を一定に保つことができる。ガスタービン３の出力が低下する原因としては吸い込む空気の温度変化が考えられる。吸い込み空気の温度が高くなると空気の密度が薄くなり、ガスタービン３の出力は低下する。
逆に、ガスタービン３の出力が増加し、発電機５の発電量が増加したときには、上記混合気体の酸素濃度を低くしてＳＯＦＣ５の発電量を低下させることにより、ＳＯＦＣコンバインド発電システム１全体としての発電量を一定に保つことができる。混合気体の酸素濃度の下限は、ガスタービン排ガスの酸素濃度（たとえば、略１２％）であり、このとき酸素製造装置２５は停止される。

上述の混合気体の酸素濃度の制御方法としては、たとえばガスタービン３の出力あるいは発電機５の発電量に基づいて制御してもよいし、圧縮機部１１に吸い込まれる空気の温度に基づいて制御してもよい。
このように、酸素濃度の制御によってもＳＯＦＣコンバインド発電システム１の発電量を制御することができるため、ＳＯＦＣコンバインド発電システム１の制御方法が１つ増え、システムの制御性を向上させることができる。

上記の構成によれば、酸素製造装置２５により生成された酸素をガスタービン排ガスに付加した混合気体を空気極に供給することができる。そのため、空気極近傍領域の酸素濃度をガスタービン排気のみを供給した場合よりも高くすることができ、ＳＯＦＣ７の性能（セル電圧）を向上させることができる。
例えば、図５に示した円筒型ＳＯＦＣ１０１の場合であっても、供給する混合気体の酸素濃度を高くしているため、下流における混合気体の酸素濃度を十分に保つことができ、ＳＯＦＣのセル電圧を向上させることができる。また、図６に示した平板型ＳＯＦＣ１１１の場合であっても、混合気体の流量が少ない領域でも酸素の供給量を十分に保つことができ、ＳＯＦＣのセル電圧を向上させることができる。

さらには、酸素製造装置２５から供給する酸素の量を増やすことにより、混合気体の酸素濃度を空気の酸素濃度（略２１％）よりも高くすることができるため、ＳＯＦＣ７の性能をより向上させることができる。
また、ガスタービン３の圧縮機部１１に吸い込まれた空気の一部を取り出すことがないため、ガスタービン３の出力低下を防止することができ、発電機５による発電量低下を防止することができる。

ＳＯＦＣ７の排熱を有効利用して高温燃料ガス、高温空気及びガスタービン圧縮空気の加熱を行うと共に、排熱回収器４３での排熱利用も行われるので、ガスタービン３の起動性を損なうことなくＳＯＦＣコンバインド発電システム１としての発電効率やエネルギー利用効率（燃料等の投入エネルギーに対する発電量等出力の割合）を向上させることができる。
また、高温燃料ガスや高温空気の加熱に要する熱エネルギーを節約でき、しかも、ガスタービン燃焼器１３におけるガスタービン燃料の消費量も節約できるので、この点からも発電効率やシステム全体のエネルギー利用効率の向上を図ることができる。

さらに、ＳＯＦＣ７の空気極に供給される高温空気である混合気体についても、ガスタービン３のタービン部１５から排出される常圧のタービン排気および酸素製造装置２５により生成された酸素を使用する構造に変更したので、ＳＯＦＣ７を加圧型とする必要がなくなる。このため、圧力容器の使用や高温燃料ガスを加圧する圧縮機が不要になるなど、取り扱いやコスト面で有利になる。

なお、上述したＳＯＦＣコンバインド発電システム１では、第１熱交換器２７、第２熱交換器２９及び第３熱交換器３１を設置しているが、必ずしも全てを設ける必要はなく、少なくともいずれか１つの熱交換器を設置して排熱を有効利用する構成も可能である。
つまり、ＳＯＦＣ７の排熱を有効に利用して効率を向上させる観点からみれば、これら熱交換器を全て設けた構成が最も好ましい形態であるが、コンバインド発電システム１の効率は低下する方向になるものの、１つあるいは２つの熱交換器を省略してもよい。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図２を参照して説明する。
本実施の形態のＳＯＦＣコンバインド発電システムの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、ガスタービン排気供給流路に酸化剤を付加する方法が異なっている。よって、本実施の形態においては、図２を用いてガスタービン排気供給流路の周辺のみを説明し、第１熱交換器等の説明を省略する。
図２は、本実施形態に係るＳＯＦＣコンバインド発電システムの概略を説明する図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。

ＳＯＦＣコンバインド発電システム（固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システム）６１は、図２に示すように、ガスタービン３と、ガスタービン３により駆動される発電機５と、ＳＯＦＣ７と、から概略構成されている。
ガスタービン３とＳＯＦＣ７とを連結するガスタービン排気供給流路２３には、圧縮機部１１の圧縮途中段階と開閉弁３７ａの上流側のガスタービン排気供給流路２３とを連結する抽出空気供給流路（酸化剤供給手段）６２が配置され、圧縮機部１１の圧縮途中段階から抽出された空気がガスタービン排気供給流路２３に導入される。
ガスタービン排気および抽出空気の混合気体は高温であり、しかも、ガスタービン排気より酸素濃度が高い抽出空気（略２１％）が付加されたことにより、ＳＯＦＣ７の空気極に必要な酸素量が十分に含まれる。

次に、上記の構成からなるＳＯＦＣコンバインド発電システム６１について、その運転手順とともに作用を説明する。
ガスタービン３の運転を開始する手順は、第１の実施形態と同一であるため説明を省略する。
ただし、この段階において、抽出空気供給流路６２を図示しない開閉弁により閉じていてもよい。抽出空気供給流路６２を閉じることにより、圧縮機部１１に吸い込まれた空気の全量をガスタービン燃焼器１３に供給することができ、ガスタービン３の出力を向上させることができる。そのため、発電機５による発電量をより増やすことができる。

ＳＯＦＣ７の起動準備についても、第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
ＳＯＦＣ７の起動準備が完了すると、開閉弁３７ａを開とし、かつ、開閉弁３７ｂを閉とする。この結果、ガスタービン排気および抽出空気の混合気体はガスタービン排気供給流路２３を通ってＳＯＦＣ７の空気極に導かれる。この混合気体は、タービン部１５で膨張して常圧となった高温のガス流体と、圧縮機部１１の圧縮途中段階から抽出された抽出空気の一部と、の混合気体であり、この混合気体の酸素濃度が少なくともＳＯＦＣ７の性能（セル電圧）が低下しない濃度となるように混合される。さらに、ＳＯＦＣ７の燃料極には高温燃料ガス流路３９から高温燃料ガスの供給も開始されるので、ＳＯＦＣ７では高温燃料ガスと高温空気とが反応して発電が開始される。
ＳＯＦＣ７の発電以後の運用手順および作用は、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

上記の構成によれば、抽出空気供給流路６２を介して圧縮機部１１の圧縮途中段階から取り出した抽出空気をガスタービン排ガスに付加した混合気体を空気極に供給することができる。そのため、空気極近傍領域の酸素濃度をガスタービン排気のみを供給した場合よりも高くすることができ、ＳＯＦＣ７の性能（セル電圧）を向上させることができる。

〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図３を参照して説明する。
本実施の形態のＳＯＦＣコンバインド発電システムの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、ガスタービン排気供給流路に酸化剤を付加する方法が異なっている。よって、本実施の形態においては、図３を用いてガスタービン排気供給流路の周辺のみを説明し、第１熱交換器等の説明を省略する。
図３は、本実施形態に係るＳＯＦＣコンバインド発電システムの概略を説明する図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。

ＳＯＦＣコンバインド発電システム（固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システム）７１は、図３に示すように、ガスタービン３と、ガスタービン３により駆動される発電機５と、ＳＯＦＣ７と、から概略構成されている。
ガスタービン３とＳＯＦＣ７とを連結するガスタービン排気供給流路２３には、外気（空気）を所定圧力に圧縮してガスタービン排気供給流路に供給する外気供給部（酸化剤供給手段）７２が配置され、開閉弁３７ａの下流側のガスタービン排気供給流路２３に圧縮された外気が導入される。ガスタービン排気および圧縮された外気の混合気体は高温であり、しかも、ガスタービン排気より酸素濃度が高い圧縮された外気（略２１％）が付加されたことにより、ＳＯＦＣ７の空気極に必要な酸素量が十分に含まれる。
なお、外気供給部７２としては、コンプレッサなどにより外気を圧縮するものを用いることができる。

次に、上記の構成からなるＳＯＦＣコンバインド発電システム７１について、その運転手順とともに作用を説明する。
ガスタービン３の運転を開始する手順は、第１の実施形態と同一であるため説明を省略する。

ＳＯＦＣ７の起動準備についても、第１の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
ＳＯＦＣ７の起動準備が完了すると、開閉弁３７ａを開とし、かつ、開閉弁３７ｂを閉とする。さらに外気供給部７２を駆動し外気を供給する。この結果、ガスタービン排気および圧縮された外気の混合気体はガスタービン排気供給流路２３を通ってＳＯＦＣ７の空気極に導かれる。この混合気体は、タービン部１５で膨張して常圧となった高温のガス流体と、外気供給部７２に供給された高温の圧縮外気との混合気体であり、この混合気体の酸素濃度が少なくともＳＯＦＣ７の性能（セル電圧）が低下しない濃度となるように混合される。さらに、ＳＯＦＣ７の燃料極には高温燃料ガス流路３９から高温燃料ガスの供給も開始されるので、ＳＯＦＣ７では高温燃料ガスと高温空気とが反応して発電が開始される。
ＳＯＦＣ７の発電以後の運用手順および作用は、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

なお、ＳＯＦＣコンバインド発電システム７１は、上述のようにガスタービン３とＳＯＦＣ７とを組み合わせて運転してもよいし、たとえばガスタービン３がメンテナンスなどの理由で運転できない時には、ＳＯＦＣ７を単独で運転してもよい。
この場合、開閉弁３７ａ，３７ｂを閉じ、外気供給部７２から供給された圧縮外気を高温空気としてＳＯＦＣ７の空気極に導入している。

上記の構成によれば、外気供給部７２により供給された外気をガスタービン排ガスに付加した混合気体を空気極に供給することができる。そのため、空気極近傍領域の酸素濃度をガスタービン排気のみを供給した場合よりも高くすることができ、ＳＯＦＣ７の性能（セル電圧）を向上させることができる。
また、ＳＯＦＣ７の停止時に必要なパージガスを外気供給部７２から供給することが可能であり、ＳＯＦＣコンバインド発電システム７１の簡素化およびコスト低減が図れる。

ガスタービン３の圧縮機部１１に吸い込まれた空気の一部を取り出すことがないため、ガスタービン３の出力低下を防止することができ、発電機５による発電量低下を防止することができる。
少なくともＳＯＦＣ７を単独で運転することができるため、ガスタービン３の状態にかかわらず、ＳＯＦＣコンバインド発電システム７１を運転し発電することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

本発明における第１の実施形態に係るＳＯＦＣコンバインド発電システムの概略を示す図である。本発明における第２の実施形態に係るＳＯＦＣコンバインド発電システムの概略を示す図である。本発明における第３の実施形態に係るＳＯＦＣコンバインド発電システムの概略を示す図である。供給される空気の酸素濃度とＳＯＦＣのセル電圧との関係を示す図である。従来の円筒型ＳＯＦＣの構造を示す模式図である。従来の平板型ＳＯＦＣの構造を示す模式図である。

符号の説明

１，６１，７１ＳＯＦＣコンバインド発電システム（固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システム）
３ガスタービン
５発電機
７ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）
１１圧縮機部
１３ガスタービン燃焼器
１５タービン部
２３ガスタービン排気供給流路
２５酸素製造装置（酸化剤供給手段）
６２抽出空気供給流路（酸化剤供給手段）
７２外気供給部（酸化剤供給手段）

Claims

高温燃料ガスおよび高温空気の供給を常圧で受けて発電する固体酸化物形燃料電池と、
同軸に連結された圧縮機部およびタービン部と、前記圧縮機部から供されるガスタービン圧縮空気を用いてガスタービン燃料を燃焼させるガスタービン燃焼器とを備え、前記ガスタービン燃焼器が生成したガスタービン燃焼ガスを前記タービン部で膨張させて回転させるガスタービンと、
該ガスタービンの出力で駆動されて発電する発電機と、
前記ガスタービンから排出されたガスタービン排気を前記固体酸化物形燃料電池の高温空気として供給するガスタービン排気供給流路と、
前記ガスタービン排気よりも酸素濃度の高い酸化剤を前記高温空気に付加する酸化剤供給手段と、
を備え、
前記酸化剤供給手段により付加される前記酸化剤の量が、前記発電機の発電量に基づき制御されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システム。
前記酸化剤供給手段が、前記酸化剤である酸素を生成する酸素製造装置であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システム。
前記酸化剤供給手段が、前記圧縮機部の圧縮途中段階から取り出した抽出空気を前記酸化剤として前記ガスタービン排気供給流路に供給する抽出空気供給流路であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システム。
前記酸化剤供給手段が、外気を圧縮して前記ガスタービン排気供給流路に供給する外気供給部であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池を用いたコンバインド発電システム。