JP5964084B2 - 複合発電システム及び複合発電システムの差圧調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を備える複合発電システム及び複合発電システムの差圧調整方法に関するものである。

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）は、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。ＳＯＦＣやＭＣＦＣは、作動温度がりん酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）等に比べて高い高温型燃料電池であり、電池本体に白金（Ｐｔ）触媒を使用していないため、ＣＯ濃度の高いガスを燃料として使用できる。

また、ＳＯＦＣやＭＣＦＣは、高温で運転するガスタービンの排気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用できる。そのため、ＳＯＦＣ又はＭＣＦＣとガスタービンとを組み合わせることで、複合発電システムを形成できる。
特許文献１及び２には、燃料電池とガスタービンとを組み合わせた複合発電システムに関する技術が開示されている。

特許第４１４６４１１号公報 特開２０００−２２８２０８号公報

燃料電池とガスタービンとを組み合わせた複合発電システムにおいて、燃料電池から排出される燃料（排出燃料）と空気（排出空気）を別々にガスタービンに供給する場合、燃料電池内部の圧力制御をバランス良く行う必要がある。すなわち、排出燃料と排出空気が別の系統となっているため、負荷変化時などの非定常時において圧力制御が追従できないと、燃料電池内部の燃料極と空気極との間に差圧が生じる。

そして、燃料電池の燃料極と空気極との間に差圧が過大となると、電解質部を介したクロスリークが増加し、性能低下や劣化促進を引き起こすおそれがある。また、更に差圧が多くなると燃料電池の構造上の変形や破損が発生する可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃料極と空気極との間に生じる差圧の発生を低減又は防止することが可能な複合発電システム及び複合発電システムの差圧調整方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の複合発電システム及び複合発電システムの差圧調整方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る複合発電システムは、燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービンと、前記燃料電池の燃料極から前記燃焼器までを結ぶ燃料排出路と、前記燃料電池の空気極から前記燃焼器までを結ぶ空気排出路と、前記燃料排出路と前記空気排出路を結び、前記燃料排出路と前記空気排出路との間に差圧が生じたとき、流体を予め決められた１方向にのみ流す圧力逃がし流路とを備える。

この発明によれば、燃料排出路と空気排出路の間に圧力差が生じ、かつ、圧力逃がし流路が流体を流すことが可能な１方向の上流側の圧力が高いとき、圧力逃がし流路の上流側から下流側に向けて流体が流れる。これにより、燃料排出路と空気排出路の間で生じた圧力差を低減することができる。その結果、燃料電池の燃料極と空気極の間に生じている圧力差も低減できる。一方、燃料排出路と空気排出路の間に圧力差が生じた場合でも、圧力逃がし流路が流体を流すことが可能な１方向の下流側の圧力が高いときは、圧力逃がし流路には流体が流れない。例えば、圧力逃がし流路が流体を流すことが可能な１方向が、燃料排出路から空気排出路への方向である場合は、燃料排出路が空気排出路よりも圧力が高くなったときのみ、燃料排出路から空気排出路へ流体が流れ、燃料排出路の圧力を下げて、燃料排出路と空気排出路の間で生じた圧力差を低減できる。

上記発明において、前記圧力逃がし流路は、第１の圧力逃がし流路と、前記第１の圧力逃がし流路と異なる第２の圧力逃がし流路の二つの流路であり、前記第１の圧力逃がし流路は、前記流体を前記燃料排出路から前記空気排出路へのみ流し、前記第２の圧力逃がし流路は、前記流体を前記空気排出路から前記燃料排出路へのみ流してもよい。

この発明によれば、燃料排出路が空気排出路よりも圧力が高いとき、第１の圧力逃がし流路を介して燃料排出路から空気排出路に向けて流体が流れ、空気排出路が燃料排出路よりも圧力が高いとき、第２の圧力逃がし流路を介して空気排出路から燃料排出路に向けて流体が流れる。したがって、燃料排出路と空気排出路の間に圧力差が生じたとき、燃料排出路と空気排出路のいずれの圧力が他方よりも高くなった場合でも、圧力差を低減できる。

上記発明において、前記圧力逃がし流路における流体の流量を測定する流量測定手段と、測定された前記流量に基づいて、前記燃料電池の燃料極に供給する燃料を調整する燃料供給部とを更に備えてもよい。

この発明によれば、燃料排出路から空気排出路へ流れた燃料の量、又は空気排出路から燃料排出路へ流れた酸素ガスによって燃焼する燃料の量を算出することができ、算出された量の燃料を燃料電池の燃料極に供給する。これによって、燃料電池において燃料の欠乏が生じるのを防止できる。

上記発明において、前記燃料排出路に設けられ、前記燃料と前記酸素ガスを触媒反応によって燃焼する触媒燃焼器と、前記燃料供給部は、前記燃料電池の燃料極よりも下流であって、前記触媒燃焼器よりも上流に設けられてもよい。

この発明によれば、触媒燃焼器において燃料と酸素ガスが燃焼するが、燃料電池の燃料極よりも下流であって、触媒燃焼器よりも上流において、燃料が供給される。したがって、触媒燃焼器において、空気排出路から燃料排出路へ流れる酸素ガスが、燃料電池の燃料極から燃焼器に流れる燃料を全て燃焼してしまい、酸素ガスが残存することを防止できる。

本発明に係る複合発電システムの差圧調整方法は、燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービンと、前記燃料電池の燃料極から前記燃焼器までを結ぶ燃料排出路と、前記燃料電池の空気極から前記燃焼器までを結ぶ空気排出路と、前記燃料排出路と前記空気排出路を結ぶ圧力逃がし流路とを備える複合発電システムの差圧調整方法であって、前記圧力逃がし流路が、前記燃料排出路と前記空気排出路との間に差圧が生じたとき、流体を予め決められた１方向にのみ流すステップを備える。

本発明によれば、燃料極と空気極との間に生じる差圧の発生を低減又は防止することができる。

本発明の第１実施形態に係る複合発電システムを示す構成図である。 同実施形態に係る圧力逃がし部を示す一部側面図を含む縦断面図である。 図２のＡ−Ａ線で切断した横断面図である。 図２で示した圧力逃がし部が動作した状態を示す一部側面図を含む縦断面図である。 同実施形態に係る圧力逃がし部の変形例を示す一部側面図を含む縦断面図である。 同実施形態に係る複合発電システムの変形例を示す構成図である。 本発明の第２実施形態に係る複合発電システムを示す構成図である。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態に係る複合発電システム１について、図１を用いて説明する。
複合発電システム１は、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）４と、ガスタービン１０による発電設備を備える。複合発電システム１は、燃料供給部１４から供給される天然ガスの改質ガス、石炭ガス化ガスなどを燃料として発電する。ガスタービン１０は、圧縮機１１と、タービン１２と、圧縮機１１及びタービン１２を結合する軸１３を備え、ガスタービン１０には、タービン１２の回転力によって駆動する発電機（図示せず。）が結合され、発電が行われる。

ＳＯＦＣ４は、燃料極（アノード）６と、空気極（カソード）７と、燃料極６と空気極７の間に配置された電解質部８を備える。ＳＯＦＣ４は、圧力容器５の内部に収容されている。
ＳＯＦＣ４には、燃料供給管４１と、空気供給管４２と、燃料排出管４３と、空気排出管４４が接続されている。
燃料供給管４１は、燃料供給部１４と燃料極６とを結び、燃料供給部１４から燃料極６へ燃料を供給する。
空気供給管４２は、ガスタービン１０の圧縮機１１と空気極７とを結び、ガスタービン１０の圧縮機１１から空気極７へ圧縮された空気を供給する。

また、燃料排出管４３は、燃料極６とガスタービン１０の燃焼器９とを結び、燃料が発電に用いられて生じる排ガス、及び発電に用いられなかった燃料を燃料極６から排出し、ガスタービン１０の燃焼器９に供給する。燃料排出管４３には、燃料再循環管４５が接続されている。燃料再循環管４５は、燃料排出管４３と燃料供給管４１とを結び、ブロア３９（ファン）が設けられる。燃料再循環管４５は、燃料排出管４３を流れる排ガス及び燃料を燃料供給管４１へ供給する。

空気排出管４４は、空気極７とガスタービン１０の燃焼器９とを結び、発電に用いられた後の空気を空気極７から排出し、ガスタービン１０の燃焼器９に供給する。
なお、ＳＯＦＣ４は、公知の構成を採用することができ、本明細書では詳細な説明を省略する。

複合発電システム１には、更に第１圧力逃がし流路４６と第２圧力逃がし流路４７が設けられる。

第１圧力逃がし流路４６は、燃料排出管４３と空気排出管４４とを結ぶ。第１圧力逃がし流路４６には、圧力逃がし部１９とオリフィス２０が設けられる。圧力逃がし部１９は、燃料排出管４３が空気排出管４４よりも圧力が高いとき、燃料排出管４３から空気排出管４４に向けて排ガス及び燃料を流す。一方、空気排出管４４が燃料排出管４３よりも圧力が高いときは、第１圧力逃がし流路４６には流体が流れず、空気排出管４４からの逆流が生じない。オリフィス２０は、第１圧力逃がし流路４６を流れる流体の流量が過大にならないように抑制する。

第２圧力逃がし流路４７は、空気排出管４４と燃料排出管４３とを結ぶ。第２圧力逃がし流路４７には、圧力逃がし部２１とオリフィス２２が設けられる。圧力逃がし部２１は、空気排出管４４が燃料排出管４３よりも圧力が高いとき、空気排出管４４から燃料排出管４３に向けて空気を流す。一方、燃料排出管４３が空気排出管４４よりも圧力が高いときは、第２圧力逃がし流路４７には流体が流れず、燃料排出管４３からの逆流が生じない。オリフィス２２は、第２圧力逃がし流路４７を流れる流体の流量が過大にならないように抑制する。なお、本実施形態では、流体流量を抑制できれば、オリフィス２０，２２ではなく、他の手段を用いてもよい。

燃料排出管４３には、触媒燃焼器１５が設けられる。触媒燃焼器１５は、燃料排出管４３を流れる燃料と空気を反応させて燃焼させる。すなわち、第２圧力逃がし流路４７を空気が通過して、燃料排出管４３に燃料と空気が混合したときに触媒燃焼器１５での燃焼が生じる。その結果、触媒燃焼器１５の出口では、第２圧力逃がし流路４７を通過してきた空気が存在しない状態にすることができる。

触媒燃焼器１５の入口には温度計１６が設けられ、出口には温度計１７が設けられる。そして、制御部１８は、温度計１６で測定された温度と温度計１７で測定された温度の差を算出し、触媒燃焼器１５で燃焼されて消費された燃料の量を算出する。
制御部１８は、算出した消費燃料量に基づいて、燃料供給部１７を調整して、供給する燃料の量を変化させる。これにより、触媒燃焼器１５で燃焼された燃料を補うことができ、ＳＯＦＣ４における燃料の欠乏を防止できる。

空気排出管４４には、触媒燃焼器２３が設けられる。触媒燃焼器２３は、空気排出管４４を流れる燃料と空気を反応させて燃焼させる。すなわち、第１圧力逃がし流路４６を燃料が通過して、空気排出管４４に燃料と空気が混合したときに触媒燃焼器２３での燃焼が生じる。その結果、触媒燃焼器２３の出口では、第１圧力逃がし流路４６を通過してきた燃料が存在しない状態にすることができる。

触媒燃焼器２３の入口には温度計２４が設けられ、出口には温度計２５が設けられる。そして、制御部２６は、温度計２４で測定された温度と温度計２５で測定された温度の差を算出し、触媒燃焼器２３で燃焼されて消費された燃料の量を算出する。

制御部２６は、算出した消費燃料量に基づいて、燃料供給部１４を調整して、供給する燃料の量を変化させる。これにより、第１圧力逃がし流路４６を通過し、触媒燃焼器２３で燃焼された燃料を補うことができ、ＳＯＦＣ４における燃料の欠乏を防止できる。

次に、図２〜図４を参照して、本実施形態に係る圧力逃がし部１９，２１の一例について説明する。図２及び図４は、支持部３２とカウンターウェイト３３とストッパー３５については、配管４０の側面から見た側面図であり、配管４０と弁３１とストッパー３４については、配管４０の軸心を通過する部分で切断した縦断面図である。

圧力逃がし部１９，２１は、配管４０の長さ方向に対して垂直な軸３０と、軸３０に固定され、軸３０の軸心周りに回転する弁３１と、軸３０に固定され、配管４０の外部に設けられた支持部３２と、支持部３２に取り付けられたカウンターウェイト３３と、配管４０の内部に設けられたストッパー３４と、配管４０の外部に設けられたストッパー３５からなる。

図４に示すように、図中の配管４０の左側が右側よりも高圧になり、差圧が生じた場合、弁３１が流体から力を受けて開く。弁３１は、決められた開度に達すると支持部３２がストッパー３５に当たって、ある角度以上に回転し過ぎないように停止する。一方、差圧がなくなると、図２及び図３に示すように、カウンターウェイト３３の重さで弁３１が閉まる。また、ストッパー３４が弁３１の一側に設けられていることで、他側から流体が流れてきたとき、すなわち図中の配管４０の右側が左側よりも高圧になったとき、弁３１が開状態になることを防止する。

カウンターウェイト３３は、配管４０の外に設けられているため、内部を流れる流体の温度に影響を受けることなく、決められた差圧によって確実に動作することができる。例えば、逆止弁などを使用して、逆流を防止してもよいが、逆止弁は、部品が温度の影響を受けやすい。したがって、本実施形態のように高温状態で使用する場合には、上述した圧力逃がし部１９，２１の構成を適用することが望ましい。

また、圧力逃がし部１９，２２は、図５に示すように、図２〜図４のカウンターウェイト３３の代わりに、ばね３７を使用してもよい。図中の配管４０の左側が右側よりも高圧になり、差圧が生じた場合、弁３１が流体から力を受けて開く。一方、差圧がなくなると、図５に示すように、ばね３７の力で弁３１が閉まる。ばね３７は、配管４０の外に設けられているため、内部を流れる流体の温度に影響を受けることなく、決められた差圧によって確実に動作することができる。

このように、圧力逃がし部１９，２１を差圧のみで動作する機構とすることによって、複合発電システム１の信頼性を向上させることができる。例えば特許文献１に示すような圧力調整器を用いると、制御が適切に行われない場合が想定されるが、本実施形態は、差圧のみで動作する機構を採用しているため、簡潔かつ確実にＳＯＦＣ４の内部における差圧を解消することができる。

なお、上記実施形態と異なり、触媒燃焼器１５，２３の入口及び出口の温度差から燃料の流量を算出するのではなく、図６に示すように、第１圧力逃がし流路４６と第２圧力逃がし流路４７のそれぞれに設けられた流量計２７，２８によって燃料の流量を取得してもよい。

燃料供給部１４は、流量計２７，２８から取得した消費燃料量に基づいて調整を行い、供給する燃料の量を変化させる。これにより、触媒燃焼器１５で燃焼された燃料、又は、第１圧力逃がし流路４６を通過し、触媒燃焼器２３で燃焼された燃料を補うことができ、ＳＯＦＣ４における燃料の欠乏を防止できる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る複合発電システム２について、図７を用いて説明する。なお、図７は、図１に示す複合発電システム１を基にした構成であるが、本実施形態に係る複合発電システム２は、図６に示す複合発電システム１にも同様に適用できる。

本実施形態の複合発電システム２は、上述した図１又は図６の複合発電システム１に対して、図７に示すように、燃料排出管４３に燃料供給部２９が設けられる。燃料供給部２９は、第１圧力逃がし流路４６及び第２圧力逃がし流路４７の接続部分よりも下流側であって、触媒燃焼器１５の上流側に設けられる。

燃料供給部２９は、第２圧力逃がし流路４７を通過する空気の量が多い場合、燃料排出管４３に燃料を追加する。すなわち、第２圧力逃がし流路４７を通過する空気の量が多くなると、燃料供給部１４から供給される燃料のみでは、触媒燃焼器１５で全ての燃料が燃焼する可能性がある。その場合、触媒燃焼器１５の出口以降の燃料排出管４３に酸素が残存し、燃料再循環管４５を介して、ＳＯＦＣ４に酸素が供給されるおそれがある。そこで、第１圧力逃がし流路４６及び第２圧力逃がし流路４７を流れる流体の流量に基づいて、燃料供給部２９から燃料を供給する。その結果、触媒燃焼器１５で全ての酸素を燃焼することができ、触媒燃焼器１５の出口以降の燃料排出管４３に酸素が存在しない状態にすることができる。

なお、上記第１及び第２実施形態では、第１圧力逃がし流路４６及び第２圧力逃がし流路４７の両方が設けられる場合について説明したが、本発明はこの例に限定されず、いずれか一方のみが設けられてもよい。例えば、燃料極６を常に圧力高めに運用する場合は、第１圧力逃がし流路４６のみが設けられればよい。

また、上記第１及び第２実施形態では、高温型燃料電池としてＳＯＦＣ４を用いる場合について説明したが、本発明はこの例に限定されず、例えばＭＣＦＣでもよい。

１，２ 複合発電システム
４ ＳＯＦＣ（燃料電池）
９ 燃焼器
１０ ガスタービン
１４，２９ 燃料供給部
１５，２３ 触媒燃焼器（流量測定手段）
１６，１７，２４，２５ 温度計（流量測定手段）
１８，２６ 制御部（流量測定手段）
１９，２１ 圧力逃がし部
２０，２２ オリフィス
４３ 燃料排出管（燃料排出路）
４４ 空気排出管（空気排出路）
４６ 第１圧力逃がし流路（圧力逃がし流路、第１の圧力逃がし流路）
４７ 第２圧力逃がし流路（圧力逃がし流路、第２の圧力逃がし流路）

Claims (8)

1. 燃料極と空気極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービンと、
   前記燃料極から前記燃焼器までを結び、前記燃料が流れる燃料排出路と、
   前記空気極から前記燃焼器までを結び、空気が流れる空気排出路と、
   前記燃料排出路と前記空気排出路を結び、前記燃料及び前記空気が前記燃料排出路及び前記空気排出路を介してそれぞれ前記燃料電池から前記燃焼器へ供給されている場合において、前記燃料排出路と前記空気排出路との間に差圧が生じたとき、前記燃料又は前記空気を予め決められた１方向にのみ流す圧力逃がし流路と、
   を備える複合発電システム。
2. 前記圧力逃がし流路における流体の流量を測定する流量測定手段と、
   測定された前記流量に基づいて、前記燃料電池の燃料極に供給する燃料の量を調整する第１燃料供給部と、
   を更に備える請求項１に記載の複合発電システム。
3. 燃料極と空気極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービンと、
   前記燃料極から前記燃焼器までを結び、前記燃料が流れる燃料排出路と、
   前記空気極から前記燃焼器までを結び、空気が流れる空気排出路と、
   前記燃料排出路と前記空気排出路を結び、前記燃料排出路と前記空気排出路との間に差圧が生じたとき、前記燃料又は前記空気を予め決められた１方向にのみ流す圧力逃がし流路と、
   前記圧力逃がし流路における流体の流量を測定する流量測定手段と、
   測定された前記流量に基づいて、前記燃料電池の燃料極に供給する燃料の量を調整する第１燃料供給部と、
   を備える複合発電システム。
4. 前記燃料排出路に設けられ、前記燃料と前記空気を触媒反応によって燃焼する触媒燃焼器と、
   前記燃料電池の燃料極よりも下流であって、前記触媒燃焼器よりも上流に設けられ、前記燃料排出路に燃料を供給する第２燃料供給部と、
   を更に備える請求項２又は３に記載の複合発電システム。
5. 前記第２燃料供給部は、測定された前記流量に基づいて、前記燃料排出路に供給する前記燃料の量を調整する請求項４に記載の複合発電システム。
6. 前記圧力逃がし流路は、第１の圧力逃がし流路と、前記第１の圧力逃がし流路と異なる第２の圧力逃がし流路の二つの流路であり、
   前記第１の圧力逃がし流路は、前記燃料を前記燃料排出路から前記空気排出路へのみ流し、
   前記第２の圧力逃がし流路は、前記空気を前記空気排出路から前記燃料排出路へのみ流す請求項１から５のいずれか１項に記載の複合発電システム。
7. 燃料極と空気極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービンと、前記燃料極から前記燃焼器までを結び、前記燃料が流れる燃料排出路と、前記空気極から前記燃焼器までを結び、空気が流れる空気排出路と、前記燃料排出路と前記空気排出路を結ぶ圧力逃がし流路とを備える複合発電システムの差圧調整方法であって、
   前記燃料及び前記空気が前記燃料排出路及び前記空気排出路を介してそれぞれ前記燃料電池から前記燃焼器へ供給されている場合において、前記燃料排出路と前記空気排出路との間に差圧が生じたとき、前記圧力逃がし流路に前記燃料又は前記空気を予め決められた１方向にのみ流すステップを備える複合発電システムの差圧調整方法。
8. 燃料極と空気極を有する燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービンと、前記燃料極から前記燃焼器までを結び、前記燃料が流れる燃料排出路と、前記空気極から前記燃焼器までを結び、空気が流れる空気排出路と、前記燃料排出路と前記空気排出路を結ぶ圧力逃がし流路とを備える複合発電システムの差圧調整方法であって、
   前記燃料排出路と前記空気排出路との間に差圧が生じたとき、前記圧力逃がし流路に前記燃料又は前記空気を予め決められた１方向にのみ流すステップと、
   前記圧力逃がし流路における流体の流量を測定するステップと、
   測定された前記流量に基づいて、前記燃料電池の燃料極に供給する燃料の量を調整するステップと、
   を備える複合発電システムの差圧調整方法。

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