JP5645375B2 - Combined power generation system - Google Patents
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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。 The present invention relates to a combined power generation system using a solid oxide fuel cell.
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。 A fuel cell generates electricity by directly converting chemical energy of fuel into electric energy. This fuel cell is composed of a fuel electrode that is an electrode on the fuel side, an air electrode that is an electrode on the air side, and an electrolyte that passes only ions between them, and there are various types depending on the type of electrolyte. Has been developed.
このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：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℃程度から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。 Among these, solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as “SOFC”) use ceramics such as zirconia ceramics as an electrolyte, and fuel natural gas, petroleum, methanol, coal gasification gas, etc. The fuel cell is operated as This SOFC is known as a high-efficiency high-temperature fuel cell with a wide range of uses, with an operating temperature as high as about 900 ° C. to about 1000 ° C. in order to increase the ionic conductivity.
このＳＯＦＣは、ガスタービンによって加圧された空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ＳＯＦＣの排気排熱をガスタービンの燃焼器に利用できるため、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」と表記する。）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。）。 This SOFC can be used as air (oxidant) for supplying air pressurized by a gas turbine to the air electrode side, and the exhaust heat of SOFC operated at a high temperature can be used for the combustor of the gas turbine. Good compatibility with gas turbine. Therefore, a combined power generation system that combines an SOFC and a gas turbine (hereinafter referred to as “SOFC combined power generation system”) is expected as a power generation system that can achieve high efficiency (see, for example, Patent Document 1).
上述の特許文献１の固体酸化物形燃料電池システムおよび燃料電池コンバインドサイクル発電プラントでは、空気分離装置によって空気を窒素と酸素とに分離し、分離した酸素をＳＯＦＣの空気極に供給しているとともに、天然ガスなどの燃料ガスをＳＯＦＣの燃料極に供給されている。このように、空気極に酸素を供給することにより、空気を供給する場合と比較してＳＯＦＣ本体の運転効率向上が図られている。 In the solid oxide fuel cell system and the fuel cell combined cycle power plant of Patent Document 1 described above, air is separated into nitrogen and oxygen by an air separation device, and the separated oxygen is supplied to the SOFC air electrode. Fuel gas such as natural gas is supplied to the SOFC anode. As described above, by supplying oxygen to the air electrode, the operating efficiency of the SOFC main body is improved as compared with the case of supplying air.
さらに、ＳＯＦＣにおける発電に用いられた後の燃料ガスおよび酸素は、ガスタービンの燃焼器に供給され、ガスタービンによる発電に用いられている。
その一方で、空気分離装置により分離された窒素は、ＳＯＦＣの燃料極における酸化防止のために、ＳＯＦＣの運転停止時に燃料極に供給されている。
Further, the fuel gas and oxygen after being used for power generation in the SOFC are supplied to the combustor of the gas turbine and used for power generation by the gas turbine.
On the other hand, the nitrogen separated by the air separation device is supplied to the fuel electrode when the SOFC is stopped to prevent oxidation at the SOFC fuel electrode.
ＳＯＦＣによる発電時には、ＳＯＦＣのセルから熱が発生している。複数のセルが配列されてＳＯＦＣのサブモジュールが形成されている。
すると、ＳＯＦＣのサブモジュールの構成、例えば、ＳＯＦＣのセルの配置等によって、セルにおいて発生した熱が放熱されやすいセルと、放熱されにくいセルとに分かれる場合がある。
During power generation by the SOFC, heat is generated from the SOFC cell. A plurality of cells are arranged to form an SOFC submodule.
Then, depending on the configuration of the SOFC submodule, for example, the arrangement of the SOFC cells, the heat generated in the cells may be divided into cells that are likely to be dissipated and cells that are difficult to dissipate.
その結果、ＳＯＦＣにおけるセルに温度ムラが発生するおそれがあった。上述のようにＳＯＦＣ（例えば、セル）の温度が約９００℃程度から１０００℃程度に制御された状態で発電を行うものであるため、セルに温度ムラが存在すると、ＳＯＦＣの発電温度を適切な温度範囲に制御することが困難になるという問題がある。また、この温度ムラにより、ＳＯＦＣの長期に渡る安定的な発電に影響を及ぼし、セルの信頼性が損なわれ、場合によってはセルの破壊に至るという問題もある。 As a result, there is a possibility that temperature unevenness occurs in the cell in the SOFC. As described above, power generation is performed in a state where the temperature of the SOFC (for example, a cell) is controlled from about 900 ° C. to about 1000 ° C. Therefore, if temperature unevenness exists in the cell, the power generation temperature of the SOFC is appropriately set. There is a problem that it becomes difficult to control the temperature range. In addition, the temperature unevenness affects the long-term stable power generation of the SOFC, and there is a problem that the reliability of the cell is impaired, and in some cases, the cell is destroyed.
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、発電時における固体酸化物燃料電池の内部温度分布の均一化を図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。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and combined power generation using a solid oxide fuel cell capable of achieving a uniform internal temperature distribution of the solid oxide fuel cell during power generation. The purpose is to provide a system.
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。
本発明のコンバインド発電システムは、燃料ガスおよび酸化剤の供給を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およびタービン部と、前記圧縮機により圧縮された空気を用いて前記固体酸化物形燃料電池から排出された燃料ガスに含まれる未燃燃料を燃焼させる燃焼器と、を有するガスタービンと、該ガスタービンにより回転駆動される発電機と、前記圧縮機により圧縮された空気を前記燃焼器に導く圧縮空気流路と、が設けられ、前記圧縮空気流路は、少なくとも一部が前記固体酸化物形燃料電池の内部に配置されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following means.
The combined power generation system of the present invention uses a solid oxide fuel cell that generates electric power by receiving supply of fuel gas and oxidant, a compressor and a turbine section that are connected coaxially, and air compressed by the compressor. A gas turbine having a combustor for burning unburned fuel contained in the fuel gas discharged from the solid oxide fuel cell, a generator driven to rotate by the gas turbine, and compression by the compressor And a compressed air passage for guiding the compressed air to the combustor, and at least a part of the compressed air passage is disposed inside the solid oxide fuel cell.
本発明によれば、圧縮機により圧縮された空気は、圧縮空気流路により固体酸化物形燃料電池の内部を流れた後に燃焼器に供給される。例えば、固体酸化物形燃料電池による発電（定常運転）が行われている場合には、圧縮された空気の温度は、固体酸化物形燃料電池の作動温度よりも低温であるため、圧縮された空気により、固体酸化物形燃料電池の内部が冷却される。そのため、固体酸化物形燃料電池の構成に関わらず、内部の温度分布の均一化を図ることができる。 According to the present invention, the air compressed by the compressor is supplied to the combustor after flowing through the inside of the solid oxide fuel cell through the compressed air flow path. For example, when power generation (steady operation) is performed by a solid oxide fuel cell, the compressed air temperature is lower than the operating temperature of the solid oxide fuel cell. The inside of the solid oxide fuel cell is cooled by the air. Therefore, the internal temperature distribution can be made uniform regardless of the configuration of the solid oxide fuel cell.
さらに、発電中の固体酸化物形燃料電池を冷却する圧縮された空気は、液体窒素などの冷却材と比較して、ガスタービンの圧縮機から安定して大量に供給することができる。そのため、固体酸化物形燃料電池の内部の温度分布を容易に均一化することができ、かつ、均一化された状態を安定して保つことができる。 Further, compressed air for cooling the solid oxide fuel cell during power generation can be stably supplied in a large amount from a compressor of the gas turbine as compared with a coolant such as liquid nitrogen. Therefore, the temperature distribution inside the solid oxide fuel cell can be easily made uniform, and the uniformed state can be stably maintained.
その一方で、圧縮空気流路を流れる圧縮された空気は、発電中の固体酸化物形燃料電池との熱交換により昇温し、その後、圧縮された空気は燃焼器に流入する。そのため、圧縮された空気が圧縮機から直接燃焼器に供給される場合と比較して、圧縮空気の温度が上げられる為、ガスタービンの燃焼効率が高くなる。 On the other hand, the temperature of the compressed air flowing through the compressed air flow path is raised by heat exchange with the solid oxide fuel cell being generated, and then the compressed air flows into the combustor. Therefore, compared with the case where the compressed air is directly supplied from the compressor to the combustor, the temperature of the compressed air is raised, so that the combustion efficiency of the gas turbine is increased.
上記発明においては、前記圧縮空気流路には、内部を流れる圧縮された空気の流量を調節する第１調節部が設けられていることが望ましい。 In the above invention, it is desirable that the compressed air flow path is provided with a first adjusting unit that adjusts the flow rate of the compressed air flowing inside.
本発明によれば、第１調節部により圧縮空気流路を流れる圧縮された空気の流量を調節することにより、第１調節部が設けられていない場合と比較して、固体酸化物形燃料電池の内部の温度調節が容易となる。
圧縮空気流路を流れる圧縮された空気の流量を調節するパラメータとしては、固体酸化物形燃料電池の内部の温度、例えばセルの温度を例示することができる。
According to the present invention, the solid oxide fuel cell is adjusted by adjusting the flow rate of the compressed air flowing through the compressed air flow path by the first adjusting unit as compared with the case where the first adjusting unit is not provided. It is easy to adjust the temperature inside.
Examples of the parameter for adjusting the flow rate of the compressed air flowing through the compressed air flow path include the temperature inside the solid oxide fuel cell, for example, the temperature of the cell.
上記発明においては、前記圧縮機により圧縮された空気から酸素を分離し、該酸素を前記酸化剤として前記固体酸化物形燃料電池に供給するとともに、液化燃料を気化させて前記燃料ガスとして前記固体酸化物形燃料電池に供給する酸素分離部が設けられ、前記液化燃料を気化させる際の潜熱を用いて前記空気から前記酸素を分離することが望ましい。 In the above invention, oxygen is separated from the air compressed by the compressor, the oxygen is supplied to the solid oxide fuel cell as the oxidant, and liquefied fuel is vaporized to form the solid as the fuel gas. It is desirable that an oxygen separation unit for supplying the oxide fuel cell is provided, and the oxygen is separated from the air by using latent heat when the liquefied fuel is vaporized.
本発明によれば、液化燃料を気化させる際の潜熱を用いて、深冷分離法により空気を冷却して酸素を分離することができる。液化燃料の気化潜熱を利用することで、空気から酸素を分離する際に必要となる動力を軽減でき、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おける発電効率が高くなる。 According to the present invention, oxygen can be separated by cooling the air by a cryogenic separation method using latent heat when vaporizing the liquefied fuel. By utilizing the latent heat of vaporization of the liquefied fuel, the power required for separating oxygen from the air can be reduced, and the power generation efficiency in the combined power generation system using the solid oxide fuel cell of the present invention is increased.
その一方で、固体酸化物形燃料電池に供給する酸化剤として酸素を用いることにより、空気を酸化剤に用いる場合と比較して、固体酸化物形燃料電池における発電性能が高くなる。 On the other hand, by using oxygen as the oxidant supplied to the solid oxide fuel cell, the power generation performance in the solid oxide fuel cell is higher than when air is used as the oxidant.
上記発明においては、前記酸素分離部に圧縮された空気を供給する流路と、前記酸素を前記固体酸化物形燃料電池に供給する流路とを繋ぐバイパス流路と、前記酸素分離部および前記バイパス流路に流入する圧縮された空気の流量を調節する第２調節部と、がさらに設けられていることが望ましい。 In the above invention, a bypass channel that connects a channel that supplies compressed air to the oxygen separator, a channel that supplies oxygen to the solid oxide fuel cell, the oxygen separator, and the oxygen separator It is desirable that a second adjustment unit for adjusting the flow rate of the compressed air flowing into the bypass flow path is further provided.
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池に酸素を供給する場合には、バイパス流路への圧縮された空気の流入を止めるとともに、酸素分離部に圧縮された空気が供給される。これにより、酸素分離部において圧縮された空気から酸素が分離され、分離された酸素が固体酸化物形燃料電池に供給される。その一方で、酸素分離部への圧縮された空気の流入を止めるとともに、バイパス流路に圧縮された空気が流入されると、固体酸化物形燃料電池に圧縮された空気が供給される。 According to the present invention, when oxygen is supplied to the solid oxide fuel cell, the compressed air is stopped from flowing into the bypass channel, and the compressed air is supplied to the oxygen separator. As a result, oxygen is separated from the compressed air in the oxygen separator, and the separated oxygen is supplied to the solid oxide fuel cell. On the other hand, when the flow of compressed air to the oxygen separation unit is stopped and compressed air is flowed into the bypass flow path, the compressed air is supplied to the solid oxide fuel cell.
例えば、固体酸化物形燃料電池の起動時や停止時には、固体酸化物形燃料電池に圧縮された空気を供給することにより、固体酸化物形燃料電池における温度分布の不均一化や、固体酸化物形燃料電池の昇温と降温に利用することができる。
その一方で、固体酸化物形燃料電池による発電が行われる定常運転時には、酸素を酸化剤として供給することにより、固体酸化物形燃料電池における発電効率を高めることができる。
For example, when starting or stopping a solid oxide fuel cell, by supplying compressed air to the solid oxide fuel cell, the temperature distribution in the solid oxide fuel cell becomes non-uniform or the solid oxide fuel cell It can be used to raise and lower the temperature of a fuel cell.
On the other hand, at the time of steady operation in which power generation by a solid oxide fuel cell is performed, power generation efficiency in the solid oxide fuel cell can be increased by supplying oxygen as an oxidant.
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、圧縮機により圧縮された空気を前記燃焼器に導く圧縮空気流路の少なくとも一部が固体酸化物形燃料電池の内部に配置されているため、発電時における固体酸化物燃料電池の内部温度分布の均一化を図ると共に、セルの温度ムラを緩和することで、セルの劣化を防止することができるので、燃料電池の信頼性を向上できるという効果を奏する。 According to the combined power generation system using the solid oxide fuel cell of the present invention, at least a part of the compressed air flow path for guiding the air compressed by the compressor to the combustor is located inside the solid oxide fuel cell. Therefore, the internal temperature distribution of the solid oxide fuel cell during power generation is made uniform, and the cell temperature can be prevented by degrading the temperature unevenness of the cell. There is an effect of improving the sex.
この発明の一実施形態に係る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。
An SOFC combined power generation system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a diagram for explaining the outline of the SOFC combined power generation system according to this embodiment.
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、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）２と、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４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、ＳＯＦＣ２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。
The SOFC combined power generation system (combined power generation system using a solid oxide fuel cell) 1 is driven by a SOFC (solid oxide fuel cell) 2, a
ＳＯＦＣ２は、例えば約９００℃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（燃料ガス）および高温酸素ガス（酸化剤）の反応によって発電を行うものである。ＳＯＦＣ２には、発電を行う複数のサブモジュール２１と、複数のサブモジュール２１を内部に収納する圧力容器２２と、が主に設けられている。
本実施形態では、高温燃料ガスとして、加熱された天然ガス（ＮＧ）を用いる例に適用して説明する。
The SOFC 2 generates power by a reaction between a high-temperature fuel gas (fuel gas) and a high-temperature oxygen gas (oxidant) that are supplied by heating to an operating temperature of about 900 ° C., for example. The SOFC 2 is mainly provided with a plurality of
In the present embodiment, description will be made by applying to an example in which heated natural gas (NG) is used as the high-temperature fuel gas.
サブモジュール２１は、発電を行う燃料極、電解質および空気極からなるセルが電気的に直列に接続されたセルが複数設けられたものである。
例えば、円筒状に形成された基体管の円周面上に、径方向内側から外側に向かって燃料極、電解質および空気極が積層され、かつ、環状に形成されたセルを、基体管の長手方向に並べて配置した複数のセルを、平行に並べて配置したサブモジュールや、燃料極、電解質および空気極を順に繰り返して積層したセルを有するサブモジュールなどを挙げることができる。
The
For example, a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are laminated on the circumferential surface of a base tube formed in a cylindrical shape from the radially inner side to the outer side. Examples include a submodule in which a plurality of cells arranged in a direction are arranged in parallel, and a submodule having a cell in which a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are repeatedly stacked in order.
なお、ＳＯＦＣ２の構成や、燃料極、電解質および空気極を構成する材料としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。 In addition, a well-known thing can be used as a structure which comprises SOFC2, and a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode, It does not specifically limit.
ＳＯＦＣ２のサブモジュール２１には、燃料ガス供給流路５２を介して高温燃料ガスが燃料極に供給されているとともに、酸素ガス供給流路５３を介して高温酸素ガスが空気極に供給されている。さらに、ＳＯＦＣ２の圧力容器２２の内部には、ガスタービン３の圧縮機３１により圧縮された圧縮空気が流れる圧縮空気流路３５が配置されている。
The
燃料ガス供給流路５２は、酸素製造部（酸素分離部）５とＳＯＦＣ２の燃料極との間を繋ぎ、高温燃料ガスをＳＯＦＣ２の燃料極に供給するものである。
この燃料ガス供給流路５２には、気化した燃料ガスを所定の温度まで加熱する燃料ガス加熱部（図示せず）が設けられている。
The fuel
The fuel
酸素ガス供給流路５３は、酸素製造部５とＳＯＦＣ２の空気極との間を繋ぎ、高温酸素ガスをＳＯＦＣ２の空気極に供給するものである。
この酸素ガス供給流路５３には、酸素製造部５において分離された酸素を所定の温度まで加熱する酸素ガス加熱部（図示せず）が設けられている。さらに、酸素ガス供給流路５３には、後述するバイパス流路３８が接続されている。
The oxygen
The oxygen
酸素製造部５は、ガスタービン３の圧縮機３１から供給された圧縮空気から、深冷分離法を用いて酸素を分離してＳＯＦＣ２に供給するものである。より具体的には、液化燃料を気化させる際の潜熱（気化潜熱）を用いて圧縮空気から酸素を分離するものである。
酸素製造部５には、圧縮空気供給流路３７と、液化燃料供給流路５１と、酸素ガス供給流路５３と、燃料ガス供給流路５２と、が接続されている。
The
A compressed
圧縮空気供給流路３７は、圧縮機３１から供給された圧縮空気を酸素製造部５に導くものである。
圧縮空気供給流路３７の一方の端部は圧縮空気流路３５に接続され、他方の端部は酸素製造部５に接続されている。さらに、圧縮空気供給流路３７にはバイパス流路３８が接続され、圧縮空気供給流路３７とバイパス流路３８との接続部には、第２調節弁（第２接続部）３９が設けられている。
The compressed
One end of the compressed
第２調節弁３９は、圧縮空気供給流路３７から酸素製造部５に流入する圧縮空気の流量と、バイパス流路３８に流入する圧縮空気の流量と、を調節する流量調節弁である。
なお、第２調節弁３９としては、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。さらに、本実施形態では、一つの第２調節弁３９により酸素製造部５に流入する圧縮空気の流量と、バイパス流路３８に流入する圧縮空気の流量を調節する例に適用して説明しているが、少なくとも二つの第２調節弁３９をそれぞれ、バイパス流路３８と、圧縮空気供給流路３７と、に配置してもよく、特に限定するものではない。
The
In addition, as the
液化燃料供給流路５１は、外部から供給された液化燃料を酸素製造部５に導くものであり、酸素製造部５において液化燃料を気化させて燃料ガスを生成している。液化燃料供給流路５１の一方の端部は外部の液化燃料の供給源に接続され、他方の端部は酸素製造部５に接続されている。
本実施形態では、液化燃料として液化天然ガス（ＬＮＧ）を用いる例に適用して説明する。
The liquefied fuel
In the present embodiment, description will be made by applying to an example using liquefied natural gas (LNG) as liquefied fuel.
バイパス流路３８は、圧縮空気供給流路３７を流れる圧縮空気を、酸素ガス供給流路５３に導くものである。バイパス流路３８の一方の端部は圧縮空気供給流路３７に接続され、他方の端部は酸素ガス供給流路５３に接続されている。
The
ガスタービン３は発電機４とともに発電を行うものであって、発電機４を駆動する回転力を発生させるものである。さらにガスタービン３は、例えば定常運転中（発電中）のＳＯＦＣ２を冷却する圧縮空気を供給するものでもある。
ガスタービン３には、圧縮機３１と、燃焼器３２と、タービン部３３と、回転軸３４と、が主に設けられている。
The
The
圧縮機３１は、空気（外気）を導入して圧縮するものであって、後述するタービン部１５と回転軸３４によって、同軸に連結されているものである。圧縮機３１には、圧縮された空気を燃焼器３２に導く圧縮空気流路３５が設けられている。圧縮された空気としては圧縮機の出口の圧縮された空気、又は、圧縮機から抽気される圧縮された空気を用いることができる。
なお、圧縮機３１の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
The
In addition, as a structure of the
圧縮空気流路３５は、圧縮空気を燃焼器３２に導くとともに、定常運転中のＳＯＦＣ２の内部を冷却すると共に圧縮空気を昇温させるものでもある。
圧縮空気流路３５の一方の端部は圧縮機３１に接続され、他方の端部は燃焼器３２に接続されている。さらに、圧縮空気流路３５における圧縮機３１とＳＯＦＣ２との間には、圧縮空気の少なくとも一部を酸素製造部５に導く圧縮空気供給流路３７が接続され、当該接続とＳＯＦＣ２との間には第１調節弁３６が設けられている。
The
One end of the
第１調節弁３６は、圧縮機３１から燃焼器３２に向って流れる圧縮空気の流量、言い換えると、ＳＯＦＣ２との間で熱交換を行う圧縮空気の流量を調節する流量調節弁である。
第１調節弁３６の開度を制御するパラメータとしては、ＳＯＦＣ２の温度、例えばサブモジュール２１の温度などを例示することができる。
The
Examples of the parameter for controlling the opening degree of the
このように、第１調節弁３６により圧縮空気流路３５を流れる圧縮された空気の流量を調節することにより、第１調節弁３６が設けられていない場合と比較して、ＳＯＦＣ２の内部の温度調節が容易となる。
Thus, by adjusting the flow rate of the compressed air flowing through the compressed
燃焼器３２は、ＳＯＦＣ２から排出された高温燃料ガスおよび高温酸素ガスの供給を受け、高温酸素ガスに残存する酸素を用いて高温燃料ガスに含まれる未燃燃料を燃焼させ、高温ガスを生成するものである。
燃焼器３２には、燃料ガス排出流路５４と、酸素ガス排出流路５５と、圧縮空気流路３５と、が接続されている。
なお、燃焼器３２の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
The
A fuel
In addition, as a structure of the
燃料ガス排出流路５４は、ＳＯＦＣ２から排出された高温燃料ガスを燃焼器３２に導くものである。燃料ガス排出流路５４の一方の端部はＳＯＦＣ２のサブモジュール２１に接続され、他方の端部は燃焼器３２に接続されている。
The fuel
酸素ガス排出流路５５は、ＳＯＦＣ２から排出された高温酸素ガスを燃焼器３２に導くものである。酸素ガス排出流路５５の一方の端部はＳＯＦＣ２のサブモジュール２１に接続され、他方の端部は燃焼器３２に接続されている。
The oxygen gas discharge channel 55 guides the high temperature oxygen gas discharged from the
タービン部３３は、燃焼器３２により生成された高温ガスの供給を受けて、回転駆動力を発生させるものであって、後述する圧縮機３１と回転軸３４によって同軸に連結されているものである。
なお、タービン部３３の構成としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
The
In addition, as a structure of the
回転軸３４は、圧縮機３１およびタービン部３３を同軸に連結するものであり、タービン部３３において発生した回転駆動力を圧縮機３１に伝達するものである。さらに、回転軸３４には、発電機４が、回転駆動力が伝達可能に接続されている。
The rotating
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における発電、つまり定常運転ついて説明する。
ＳＯＦＣコンバインド発電システム１により発電が行われる場合には、第１調節弁３６が開かれ、第２調節弁３９は圧縮空気を酸素製造部５のみに導いている。
Next, power generation in the SOFC combined power generation system 1 having the above configuration, that is, steady operation will be described.
When power is generated by the SOFC combined power generation system 1, the
図１に示すように、外部から供給された液化燃料は、液化燃料供給流路５１を介して酸素製造部５に供給される。その一方で、定常運転されているガスタービン３の圧縮機３１から、圧縮空気の一部が圧縮空気流路３５および圧縮空気供給流路３７を介して酸素製造部５に供給される。
As shown in FIG. 1, the liquefied fuel supplied from the outside is supplied to the
酸素製造部５において、液化燃料は気化され燃料ガスとなる。液化燃料が気化する際の潜熱は、深冷分離法を用いて圧縮空気から酸素を分離するのに利用される。
酸素製造部５において圧縮空気から分離された酸素は、酸素ガス供給流路５３を介してＳＯＦＣ２のサブモジュール２１の空気極に供給される。このとき、酸素ガスは、酸素ガス加熱部（図示せず）により所定の温度まで加熱され、高温酸素ガスとなる。
燃料ガスも同様に、燃料ガス供給流路５２を介してサブモジュール２１の燃料極に供給される。このとき、燃料ガスは、燃料ガス加熱部（図示せず）により所定の温度まで加熱され、高温燃料ガスとなる。
In the
The oxygen separated from the compressed air in the
Similarly, the fuel gas is supplied to the fuel electrode of the
高温燃料ガスおよび高温酸素ガスが供給されたＳＯＦＣ２のサブモジュール２１では、発電が行われる。例えば、高温燃料ガスに含まれるＨと、高温酸素ガスに含まれるＯとが反応して水（Ｈ２Ｏ）が生成されるとともに発電が行われる。
このとき、高温燃料ガスに含まれる燃料の一部のみが発電に用いられ、サブモジュール２１から排出される高温燃料ガスには未燃燃料が残存している。高温酸素ガスについても同様に、高温酸素ガスに含まれる酸素の一部のみが発電に用いられ、サブモジュール２１から排出される高温酸素ガスには未反応の酸素が残存している。
Power generation is performed in the sub-module 21 of the
At this time, only part of the fuel contained in the high temperature fuel gas is used for power generation, and unburned fuel remains in the high temperature fuel gas discharged from the
発電に用いられＳＯＦＣ２のサブモジュール２１から排出された高温燃料ガスは、燃料ガス排出流路５４を介してガスタービン３の燃焼器３２に流入する。同様に、サブモジュール２１から排出された高温酸素ガスは、酸素ガス排出流路５５を介して燃焼器３２に流入する。
The high-temperature fuel gas used for power generation and discharged from the
その一方で、ガスタービン３の圧縮機３１により圧縮された圧縮空気も圧縮空気流路３５を介して、燃焼器３２に流入する。
ここで、発電時におけるＳＯＦＣ２の温度は約９００℃であり、圧縮空気の温度は約２００℃から約５００℃であるため、ＳＯＦＣ２は圧縮空気流路３５を流れる圧縮空気により冷却される。これにより、ＳＯＦＣ２の内部、例えばサブモジュール２１等の温度分布が均一化される。
その一方で、圧縮空気はＳＯＦＣ２により加熱され温度が上昇する。
On the other hand, the compressed air compressed by the
Here, since the temperature of the
On the other hand, the compressed air is heated by SOFC2 and the temperature rises.
燃焼器３２では、圧縮空気流路３５から供給された圧縮空気に含まれる酸素、および、酸素ガス排出流路５５から供給された高温酸素ガスに残存する酸素を用いて、燃料ガス排出流路５４から供給された高温燃料ガスに残存する燃料の燃焼が行われる。当該燃焼により発生した熱によって高温ガスが生成され、高温ガスはタービン部３３に供給される。
The
タービン部３３は高温ガスから回転駆動力を発生させ、当該回転駆動力を回転軸３４に伝達する。回転軸３４は、圧縮機３１および発電機４に回転駆動力を伝達する。
圧縮機３１は回転軸３４により回転駆動され、空気（外気）を導入して圧縮する。発電機４は回転軸３４により回転駆動され、発電を行う。
The
The
次に、上記の構成からなるＳＯＦＣ２における起動から定常運転、さらに停止に至るまでのサブモジュール２１の空気極への酸素ガスの供給制御について説明する。
Next, the supply control of oxygen gas to the air electrode of the submodule 21 from the start to the steady operation and further stop in the
ＳＯＦＣ２を起動する際には、第２調節弁３９は圧縮空気をバイパス流路３８のみに導いている。そのため、圧縮機３１により圧縮され、圧縮空気供給流路３７に流入した圧縮空気は、酸素製造部５に流入することなく、バイパス流路３８に流入する。バイパス流路３８に流入した圧縮空気は、酸素ガス供給流路５３を介してＳＯＦＣ２の空気極に導かれる。このとき、圧縮空気は酸素ガス加熱部（図示せず）によりさらに加熱されてもよい。
When starting the
ＳＯＦＣ２の温度は、供給される圧縮空気や燃料ガスによって昇温され、さらに、ＳＯＦＣ２による発電の際に発生する熱によっても昇温される。また、ＳＯＦＣ２に設けられた加熱手段によって昇温されてもよい。
The temperature of the
ＳＯＦＣ２の温度が室温から上昇し、作動温度である約９００℃までに上昇すると、ＳＯＦＣ２の定常運転が開始される。
すると、第２調節弁３９が切り替えられ、バイパス流路３８のみに導かれていた圧縮空気が、酸素製造部５のみに導かれる。酸素製造部５では、深冷分離法を用いて圧縮空気から酸素が分離される。分離された酸素は、酸素ガス供給流路５３を介してＳＯＦＣ２に供給される。
これにより、ＳＯＦＣ２には高温燃料ガスと高温酸素ガスとが供給されることになる。
When the temperature of the
Then, the
As a result, the high-temperature fuel gas and the high-temperature oxygen gas are supplied to the
その後、定常運転されていたＳＯＦＣ２を停止する際には、まず、第２調節弁３９が切り替えられ、酸素製造部５のみに導かれていた圧縮空気が、バイパス流路３８のみに導かれる。
ＳＯＦＣ２の空気極には、バイパス流路３８および酸素ガス供給流路５３を介して圧縮空気が導かれる。そして、空気極の周囲の酸素ガスが圧縮空気に置換されると、ＳＯＦＣ２の降温が開始され、ＳＯＦＣ２の運転が停止される。
Thereafter, when stopping the
Compressed air is guided to the air electrode of the
このように、ＳＯＦＣ２の起動時や停止時には、ＳＯＦＣ２に圧縮された空気を供給することにより、ＳＯＦＣ２における温度分布の不均一化の防止や、ＳＯＦＣ２の昇温と降温に利用することができる。
その一方で、ＳＯＦＣ２による発電が行われる定常運転時には、酸素を酸化剤として供給することにより、ＳＯＦＣ２における発電効率を高めることができる。
As described above, when the
On the other hand, at the time of steady operation in which power generation by SOFC2 is performed, power generation efficiency in SOFC2 can be increased by supplying oxygen as an oxidizing agent.
上記の構成によれば、圧縮機３１により圧縮された空気は、圧縮空気流路３５によりＳＯＦＣ２の内部を流れた後に燃焼器３２に供給される。ＳＯＦＣ２による発電（定常運転）が行われている場合には、圧縮された空気の温度は、ＳＯＦＣ２の作動温度よりも低温であるため、圧縮された空気により、ＳＯＦＣ２の内部が冷却される。そのため、ＳＯＦＣ２の構成に関わらず、内部の温度分布の均一化を図ることができる。
According to the above configuration, the air compressed by the
さらに、発電中のＳＯＦＣ２を冷却する圧縮された空気は、液体窒素などの冷却材と比較して、ガスタービン３の圧縮機３１から安定して大量に供給することができる。そのため、ＳＯＦＣ２の内部の温度分布を容易に均一化することができ、かつ、均一化された状態を安定して保つことができる。
Furthermore, compressed air for cooling the
その一方で、圧縮空気流路３５を流れる圧縮された空気は、発電中のＳＯＦＣ２との熱交換により昇温し、その後、圧縮された空気は燃焼器３２に流入する。そのため、圧縮された空気が圧縮機３１から直接燃焼器３２に供給される場合と比較して、圧縮された空気が昇温されていることから、ガスタービン３の燃焼効率が高くなる。
On the other hand, the temperature of the compressed air flowing through the compressed
酸素製造部５では、液化燃料を気化させる際の潜熱を用いて、深冷分離法により空気を冷却して酸素を分離するため、空気から酸素を分離する際に必要となる動力を軽減できる。そのため、本実施形態のＳＯＦＣコンバインド発電システム１における発電効率が高くなる。
The
その一方で、ＳＯＦＣ２に供給する酸化剤として酸素を用いることにより、空気を酸化剤に用いる場合と比較して、ＳＯＦＣ２における発電性能が高くなる。 On the other hand, by using oxygen as the oxidant supplied to SOFC2, the power generation performance in SOFC2 is higher than when air is used as the oxidant.
なお、上述の実施形態では、ＳＯＦＣ２のサブモジュール２１における発電に用いられ、サブモジュール２１から排出された酸素ガスは、そのまま、酸素ガス排出流路５５を介して燃焼器３２に導かれる例に適用して説明したが、サブモジュール２１から排出された酸素ガスを再びサブモジュール２１に導入し、残存する酸素を発電に用いてもよく、特に限定するものではない。
In the above-described embodiment, the oxygen gas used for power generation in the sub-module 21 of the
このようにすることで、ＳＯＦＣ２における酸素の利用効率を高めることができるため、酸素製造部５からＳＯＦＣ２に供給する酸素ガスの量を減らし、酸素製造部５の駆動動力を減らすことができる。また、酸素製造部５の小型化を図ることができる。
さらに、サブモジュール２１から排出された高温の酸素ガスを、再びサブモジュール２１に導入するため、新たにサブモジュール２１に導入する酸素ガスの流量が減り、当該新たな酸素ガスを昇温させるために消費される動力を減らすことができる。
By doing in this way, since the utilization efficiency of oxygen in SOFC2 can be improved, the amount of oxygen gas supplied to SOFC2 from
Further, since the high-temperature oxygen gas discharged from the
具体的には、以下の実施例を挙げることができる。
すなわち、複数のサブモジュール２１から排出された酸素ガスを一つの循環配管に集め、当該循環配管から酸素ガス供給流路５３のそれぞれに排出された酸素ガスを流入させることにより、新たな酸素ガスと排出された酸素ガスとの混合ガスをサブモジュール２１に供給する実施例であってもよい。
Specifically, the following examples can be given.
That is, the oxygen gas discharged from the plurality of
このとき、循環配管には、排出された酸素ガスを酸素ガス供給流路５３およびサブモジュール２１に供給することを目的とした、ファンやエゼクタなどの昇圧手段または供給手段が設けられている。
At this time, the circulation pipe is provided with a boosting means or a supply means such as a fan or an ejector for the purpose of supplying the discharged oxygen gas to the oxygen
あるいは、サブモジュール２１と、上述の循環配管とを一対一に対応した配置する実施例であってもよい。このとき、一のサブモジュール２１から排出された酸素ガスは、循環配管を介して、一のサブモジュール２１に接続された酸素ガス供給流路５３に流入する。
Or the Example which arrange | positions the
さらに、複数のサブモジュール２１を、循環配管により直列に接続する実施例であってもよい。この場合には、循環配管に酸素製造部５から新たな酸素ガスを流入させる構成であることが望ましい。
このとき、上流側のサブモジュール２１から排出された酸素ガスは、循環配管により下流側に配置されたサブモジュール２１に供給される。下流側のサブモジュール２１には、上流側のサブモジュール２１から排出された酸素ガスと、新たな酸素ガスとの混合ガスが供給される。
Furthermore, the Example which connects the some
At this time, the oxygen gas discharged from the
複数のサブモジュール２１を、循環配管により直列に接続する実施例にあっては、循環配管に圧縮機３１から供給された圧縮空気を流入させる構成であってもよい。この場合、酸素ガスと圧縮空気が混合した混合ガスはＳＯＦＣ２から排気され、燃焼器３２に供給される。
In the embodiment in which the plurality of
なお、上述の実施形態では、サブモジュール２１内部の構成を特に限定するものではないが、複数のセルを格子状に配列したサブモジュール２１の場合には、酸化剤としての酸素ガスや圧縮空気などの循環を以下のようにカスケード状に制御してもよい。
In the above-described embodiment, the internal configuration of the
すなわち、酸素製造部５から供給された酸素ガスは、格子状に配列されたセルのうちの中央領域に配置されたセルに供給される。中央領域のセルから排出された酸素ガスには、酸素製造部５から供給された酸素ガス、または、酸素製造部５から供給された圧縮空気が混合される。混合ガスは、格子状に配列されたセルのうちの周辺領域に配置されたセルに供給される。
That is, the oxygen gas supplied from the
このようにすることで、ＳＯＦＣ２における酸素の利用効率を高めることができるため、酸素製造部５からＳＯＦＣ２に供給する酸素ガスの量を減らし、酸素製造部５の駆動動力を減らすことができる。また、酸素製造部５の小型化を図ることができる。
さらに、セルから排出された高温の酸素ガスを、再びセルに導入するため、新たにセルに導入する酸素ガスの流量が減り、当該新たな酸素ガスを昇温させるために消費される動力を減らすことができる。
By doing in this way, since the utilization efficiency of oxygen in SOFC2 can be improved, the amount of oxygen gas supplied to SOFC2 from
Furthermore, since the high-temperature oxygen gas discharged from the cell is introduced again into the cell, the flow rate of the oxygen gas newly introduced into the cell is reduced, and the power consumed to raise the temperature of the new oxygen gas is reduced. be able to.
１ 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）
２ ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）
３ ガスタービン
４ 発電機
５ 酸素製造部（酸素分離部）
３１ 圧縮機
３２ 燃焼器
３３ タービン部
３４ 回転軸
３５ 圧縮空気流路
３６ 第１調節弁
３９ 第２調節弁（第２接続部）
1 SOFC combined power generation system (combined power generation system using solid oxide fuel cells)
2 SOFC (solid oxide fuel cell)
3
Claims (3)
同軸に連結された圧縮機およびタービン部と、燃焼器と、を有するガスタービンと、
該ガスタービンにより回転駆動される発電機と、
前記圧縮機により圧縮された空気を前記燃焼器に導く圧縮空気流路と、
前記圧縮機により圧縮された空気から酸化剤を分離する酸素分離部と、
前記圧縮機により圧縮された空気を前記酸素分離部に供給する流路と、前記酸化剤を前記固体酸化物形燃料電池に供給する流路とを繋ぐバイパス流路と、
前記酸素分離部および前記バイパス流路に流入する圧縮された空気の流量を調節する第２調節部とが設けられ、
前記固体酸化物形燃料電池は、前記酸化剤の供給を受けて発電することを特徴とするコンバインド発電システム。 A solid oxide fuel cell;
A gas turbine having a coaxially connected compressor and turbine section, and a combustor;
A generator rotationally driven by the gas turbine;
A compressed air passage for guiding the air compressed by the compressor to the combustor;
An oxygen separator for separating the oxidant from the air compressed by the compressor;
A bypass flow path connecting a flow path for supplying air compressed by the compressor to the oxygen separator and a flow path for supplying the oxidant to the solid oxide fuel cell;
A second adjuster for adjusting the flow rate of the compressed air flowing into the oxygen separator and the bypass flow path;
The combined power generation system, wherein the solid oxide fuel cell generates power upon receiving the supply of the oxidant.
前記固体酸化物形燃料電池は、前記燃料ガスの供給を受けて発電することを特徴とする請求項１に記載のコンバインド発電システム。 The oxygen separation unit vaporizes liquefied fuel and supplies it as a fuel gas to the solid oxide fuel cell, and separates the oxidant from the air using latent heat when vaporizing the liquefied fuel,
The combined power generation system according to claim 1 , wherein the solid oxide fuel cell generates power upon receiving the supply of the fuel gas.
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