JP6071428B2

JP6071428B2 - 発電システム及び発電システムにおける燃料電池の起動方法

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Publication number: JP6071428B2
Application number: JP2012240675A
Authority: JP
Inventors: 行政中本; 和徳藤田
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2032-10-31
Also published as: JP2014089930A

Description

本発明は、燃料電池とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた発電システム及び発電システムにおける燃料電池の起動方法に関するものである。

燃料電池としての固体酸化物形燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：以下ＳＯＦＣ）は、用途の広い高効率な燃料電池として知られている。このＳＯＦＣは、イオン導電率を高めるために作動温度が高くされているので、ガスタービンの圧縮機から吐出された空気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用することができる。また、ＳＯＦＣは、利用できなかった高温の燃料をガスタービンの燃焼器に燃料として使用することができる。

このため、例えば、下記特許文献１に記載されるように、高効率発電を達成することができる発電システムとして、ＳＯＦＣとガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたものが各種提案されている。この特許文献１に記載されたコンバインドシステムは、ＳＯＦＣと、このＳＯＦＣから排出された排燃料ガスと排出空気とを燃焼するガスタービン燃焼器と、空気を圧縮してＳＯＦＣに供給する圧縮機を有するガスタービンとを設けたものである。

特開２００９−２０５９３０号公報

上述した従来の発電システムは、ガスタービンを先に運転させ、当該ガスタービンの圧縮機で圧縮した空気の一部をＳＯＦＣに供給することで、ＳＯＦＣを加圧し、その後にＳＯＦＣを起動する。この場合、ガスタービンの圧縮機の出口圧力と、ＳＯＦＣから排出された排燃料ガスが供給されるガスタービンの燃焼器の入口圧力とが一定となり、そこに圧損分を加えてＳＯＦＣに圧縮空気を供給する流れを生じさせるため、圧縮空気をブロワで流すことが好ましい。しかし、ブロワは、運転開始から定格運転に至るまでの間に内部の圧力や流量が急激に変動して運転が不安定である。このため、ブロワの運転開始時に伴い急激に圧縮空気の流量が増加してＳＯＦＣに送られ、ガスタービンの燃焼器への圧縮空気が不足することがある。この結果、燃焼器では、燃焼用空気が不足して燃焼ガスが高温となったり、燃焼器やタービンでは、冷却用空気が不足して十分な冷却が困難となったりする。また、ブロワの運転開始時に伴い急激に圧縮空気の流量が増加してＳＯＦＣに送られ、ガスタービンの燃焼器への圧縮空気が不足することを防ぐため、ガスタービンの圧縮機におけるＳＯＦＣ側出口とガスタービンの燃焼器におけるＳＯＦＣ側入口とを塞ぐことが考えられるが、これではブロワを起動させることができない。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、燃料電池の起動時におけるガスタービンでの空気不足を抑制して安定した起動を可能とする発電システム及び発電システムにおける燃料電池の起動方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の発電システムは、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、前記圧縮機で圧縮した圧縮空気を前記燃焼器に供給する第１圧縮空気供給ラインと、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記圧縮機で圧縮した一部の圧縮空気を前記空気極に供給する第２圧縮空気供給ラインと、前記第２圧縮空気供給ラインに設けられて前記圧縮空気を昇圧する昇圧機と、前記第２圧縮空気供給ラインにおける前記昇圧機の上流側と下流側とを接続する昇圧機循環ラインと、前記昇圧機循環ラインに設けられる第１制御弁と、前記第２圧縮空気供給ラインにおける前記昇圧機循環ラインと前記燃料電池との間に設けられる第２制御弁と、前記燃料電池の起動時に前記第２制御弁を閉作動させると共に前記第１制御弁を開作動させて前記昇圧機を始動する制御部と、を有することを特徴とする。

従って、燃料電池の起動時、圧縮機で圧縮した一部の圧縮空気を空気極に供給する第２圧縮空気供給ラインにおいて、昇圧機の下流側から上流側へ圧縮空気を循環させる。そのため、このときに燃焼器やタービンに供給される圧縮空気が不足することがなく、燃焼器での異常燃焼やタービンでの冷却不足を抑制することができる。その結果、ガスタービンでの空気不足を抑制して安定した起動を可能とすることができる。

本発明の発電システムでは、前記昇圧機における圧縮空気の圧力または流量を検出する検出器を備え、前記制御部は、前記流量検出器により検出された圧力または流量が所定値となった場合、前記第２制御弁を開作動すると共に前記第１制御弁を閉作動させることを特徴とする。

従って、昇圧機における圧縮空気の流量が安定してから燃料電池に圧縮空気を送ることで、ガスタービンにおける空気不足を適正に抑制することができる。

また、本発明の発電システムにおける燃料電池の起動方法は、燃料電池の起動時に、ガスタービンの圧縮機で圧縮した一部の圧縮空気を前記燃料電池の空気極の手前に設けた昇圧機を始動して昇圧させると共に当該昇圧機の下流側から上流側へ循環させる工程と、次に、前記ガスタービンの圧縮機で圧縮した一部の圧縮空気の圧力または流量が所定値となった場合に前記圧縮空気を前記昇圧機で昇圧させつつ前記燃料電池の空気極に供給する工程と、を有することを特徴とする。

従って、燃料電池の起動時、燃焼器やタービンで圧縮空気が不足することがなく、ガスタービンでの空気不足を抑制して安定した起動を可能とすることができる。

本発明の発電システム及び発電システムにおける燃料電池の起動方法によれば、ガスタービンの圧縮機で圧縮した一部の圧縮空気を燃料電池の空気極の手前に設けた昇圧機で昇圧させると共に当該昇圧機の下流側から上流側へ循環させてから燃料電池に供給するので、ガスタービンでの空気不足を抑制して安定した起動を可能とすることができる。また、ブロワの運転開始時に伴い急激に圧縮空気の流量が増加して燃料電池に送られ、ガスタービンの燃焼器への圧縮空気が不足することを防ぐため、ガスタービンの圧縮機における燃料電池側出口とガスタービンの燃焼器における燃料電池側入口とを塞いだ状態でも、ブロワを起動させることができる。

図１は、本発明の一実施例に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図である。図２は、本実施例の発電システムにおける固体酸化物形燃料電池の起動時における圧縮空気の供給タイミングを表すタイムチャートである。図３は、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る発電システム及び発電システムにおける燃料電池の起動方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

本実施例の発電システムは、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと称する。）とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたトリプルコンバインドサイクル（ＴｒｉｐｌｅＣｏｍｂｉｎｅｄＣｙｃｌｅ：登録商標）である。このトリプルコンバインドサイクルは、ガスタービンコンバインドサイクル発電（ＧＴＣＣ）の上流側にＳＯＦＣを設置することにより、ＳＯＦＣ、ガスタービン、蒸気タービンの３段階で電気を取り出すことができるため、極めて高い発電効率を実現することができる。なお、以下の説明では、本発明の燃料電池として固体酸化物形燃料電池を適用して説明するが、この形式の燃料電池に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施例に係る発電システムにおける圧縮空気の供給ラインを表す概略図、図２は、本実施例の発電システムにおけるＳＯＦＣの起動時における圧縮空気の供給タイミングを表すタイムチャート、図３は、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。

本実施例において、図３に示すように、発電システム１０は、ガスタービン１１及び発電機１２と、ＳＯＦＣ１３と、蒸気タービン１４及び発電機１５とを有している。この発電システム１０は、ガスタービン１１による発電と、ＳＯＦＣ１３による発電と、蒸気タービン１４による発電とを組み合わせることで、高い発電効率を得るように構成したものである。

ガスタービン１１は、圧縮機２１、燃焼器２２、タービン２３を有しており、圧縮機２１とタービン２３は、回転軸２４により一体回転可能に連結されている。圧縮機２１は、空気取り込みライン２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。燃焼器２２は、圧縮機２１から第１圧縮空気供給ライン２６を通して供給された圧縮空気Ａ１と、第１燃料ガス供給ライン２７から供給された燃料ガスＬ１とを混合して燃焼する。タービン２３は、燃焼器２２から排ガス供給ライン２８を通して供給された排ガス（燃焼ガス）Ｇにより回転する。なお、図示しないが、タービン２３は、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａ１が車室を通して供給され、この圧縮空気Ａ１を冷却空気として翼などを冷却する。発電機１２は、タービン２３と同軸上に設けられており、タービン２３が回転することで発電することができる。なお、ここでは、燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１として、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を用いている。

ＳＯＦＣ１３は、還元剤としての高温の燃料ガスと酸化剤としての高温の空気（酸化性ガス）が供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行うものである。このＳＯＦＣ１３は、圧力容器内に空気極と固体電解質と燃料極が収容されて構成される。空気極に圧縮機２１で圧縮された一部の圧縮空気Ａ２が供給され、燃料極に燃料ガスが供給されることで発電を行う。なお、ここでは、ＳＯＦＣ１３に供給する燃料ガスＬ２として、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素（Ｈ_２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）などの炭化水素ガス、石炭など炭素質原料のガス化設備により製造したガスを用いている。また、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスは、酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である（以下、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスを空気という）。

このＳＯＦＣ１３は、第１圧縮空気供給ライン２６から分岐した第２圧縮空気供給ライン３１が連結され、圧縮機２１が圧縮した一部の圧縮空気Ａ２を空気極の導入部に供給することができる。この第２圧縮空気供給ライン３１は、供給する空気量を調整可能な制御弁３２と、圧縮空気Ａ２を昇圧可能なブロワ（昇圧機）３３とが空気の流れ方向に沿って設けられている。制御弁３２は、第２圧縮空気供給ライン３１における空気の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ３３は、制御弁３２の下流側に設けられている。ＳＯＦＣ１３は、空気極で用いられた排空気Ａ３を排出する排空気ライン３４が連結されている。この排空気ライン３４は、空気極で用いられた排空気Ａ３を外部に排出する排出ライン３５と、燃焼器２２に連結される圧縮空気循環ライン３６とに分岐される。排出ライン３５は、排出する空気量を調整可能な制御弁３７が設けられ、圧縮空気循環ライン３６は、循環する空気量を調整可能な制御弁３８が設けられている。

また、ＳＯＦＣ１３は、燃料ガスＬ２を燃料極の導入部に供給する第２燃料ガス供給ライン４１が設けられている。第２燃料ガス供給ライン４１は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４２が設けられている。ＳＯＦＣ１３は、燃料極で用いられた排燃料ガスＬ３を排出する排燃料ライン４３が連結されている。この排燃料ライン４３は、外部に排出する排出ライン４４と、燃焼器２２に連結される排燃料ガス供給ライン４５とに分岐される。排出ライン４４は、排出する燃料ガス量を調整可能な制御弁４６が設けられ、排燃料ガス供給ライン４５は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４７と、燃料を昇圧可能なブロワ４８が燃料の流れ方向に沿って設けられている。制御弁４７は、排燃料ガス供給ライン４５における燃料ガスＬ３の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ４８は、制御弁４７の燃料ガスＬ３の流れ方向の下流側に設けられている。

また、ＳＯＦＣ１３は、排燃料ライン４３と第２燃料ガス供給ライン４１とを連結する燃料ガス再循環ライン４９が設けられている。燃料ガス再循環ライン４９は、排燃料ライン４３の排燃料ガスＬ３を第２燃料ガス供給ライン４１に再循環する再循環ブロワ５０が設けられている。

蒸気タービン１４は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）５１で生成された蒸気によりタービン５２を回転するものである。この排熱回収ボイラ５１は、ガスタービン１１（タービン２３）からの排ガスライン５３が連結されており、空気と高温の排ガスＧとの間で熱交換を行うことで、蒸気Ｓを生成する。蒸気タービン１４（タービン５２）は、排熱回収ボイラ５１との間に蒸気供給ライン５４と給水ライン５５が設けられている。そして、給水ライン５５は、復水器５６と給水ポンプ５７が設けられている。発電機１５は、タービン５２と同軸上に設けられており、タービン５２が回転することで発電することができる。なお、排熱回収ボイラ５１で熱が回収された排ガスＧは、有害物質を除去されてから大気へ放出される。

ここで、本実施例の発電システム１０の作動について説明する。発電システム１０を起動する場合、ガスタービン１１、蒸気タービン１４、ＳＯＦＣ１３の順に起動する。

まず、ガスタービン１１にて、圧縮機２１が空気Ａを圧縮し、燃焼器２２が圧縮空気Ａ１と燃料ガスＬ１とを混合して燃焼し、タービン２３が排ガスＧにより回転することで、発電機１２が発電を開始する。次に、蒸気タービン１４にて、排熱回収ボイラ５１により生成された蒸気Ｓによりタービン５２が回転し、これにより発電機１５が発電を開始する。

続いて、ＳＯＦＣ１３では、まず、圧縮空気Ａ２を供給して昇圧を開始すると共に加熱を開始する。排出ライン３５の制御弁３７と圧縮空気循環ライン３６の制御弁３８を閉止し、第２圧縮空気供給ライン３１のブロワ３３を停止した状態で、制御弁３２を所定開度だけ開放する。すると、圧縮機２１で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２が第２圧縮空気供給ライン３１からＳＯＦＣ１３側へ供給される。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、圧縮空気Ａ２が供給されることで圧力が上昇する。

一方、ＳＯＦＣ１３では、燃料極側に燃料ガスＬ２を供給して昇圧を開始する。排出ライン４４の制御弁４６と排燃料ガス供給ライン４５の制御弁４７を閉止し、ブロワ４８を停止した状態で、第２燃料ガス供給ライン４１の制御弁４２を開放すると共に、燃料ガス再循環ライン４９の再循環ブロワ５０を駆動する。すると、燃料ガスＬ２が第２燃料ガス供給ライン４１からＳＯＦＣ１３側へ供給されると共に、排燃料ガスＬ３が燃料ガス再循環ライン４９により再循環する。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、燃料ガスＬ２が供給されることで圧力が上昇する。

そして、ＳＯＦＣ１３の空気極側の圧力が圧縮機２１の出口圧力になると、制御弁３２を全開にすると共に、ブロワ３３を駆動する。それと同時に制御弁３７を開放してＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３を排出ライン３５から排出する。すると、圧縮空気Ａ２がブロワ３３によりＳＯＦＣ１３側へ供給される。それと同時に制御弁４６を開放してＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３を排出ライン４４から排出する。そして、ＳＯＦＣ１３における空気極側の圧力と燃料極側の圧力が目標圧力に到達すると、ＳＯＦＣ１３の昇圧が完了する。

その後、ＳＯＦＣ１３の反応（発電）が安定し、排空気Ａ３と排燃料ガスＬ３の成分が安定したら、制御弁３７を閉止する一方、制御弁３８を開放する。すると、ＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３が圧縮空気循環ライン３６から燃焼器２２に供給される。また、制御弁４６を閉止する一方、制御弁４７を開放してブロワ４８を駆動する。すると、ＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３が排燃料ガス供給ライン４５から燃焼器２２に供給される。このとき、第１燃料ガス供給ライン２７から燃焼器２２に供給される燃料ガスＬ１を減量する。

ここで、ガスタービン１１の駆動による発電機１２での発電、ＳＯＦＣ１３での発電、蒸気タービン１４の駆動により発電機１５での発電が全て行われることとなり、発電システム１０が定常運転となる。

ところで、一般的な発電システムでは、ＳＯＦＣ１３を起動するとき、ガスタービン１１の圧縮機２１で圧縮した空気の一部を第２圧縮空気供給ライン３１からＳＯＦＣ１３に供給することで昇圧している。そして、本実施例では、圧縮機２１の出口圧力と、ＳＯＦＣから排出された排燃料ガスが供給される燃焼器２２の入口圧力とが一定となり、そこに圧損分を加えてＳＯＦＣ１３に圧縮空気Ａ２を供給する流れを生じさせるため、圧縮空気Ａ２をブロワ３３で流す。しかし、ブロワ３３は、運転開始から定格運転に至るまでの間に内部の圧力や流量が急激に変動して運転が不安定である。このため、ブロワ３３の運転開始時に伴い急激に圧縮空気Ａ２の流量が増加してＳＯＦＣ１３に送られ、ガスタービン１１では、燃焼器２２に供給される圧縮空気Ａ１やタービン２３に送られる冷却空気が不足してしまうおそれがある。

そこで、本実施例の発電システム１０では、図１に示すように、ブロワ３３の位置に昇圧機循環ライン６０及び制御弁（第１制御弁）６１を設け、制御装置（制御部）６２は、ＳＯＦＣ１３の起動時に、ブロワ３３の始動と共に制御弁６１を開放するようにしている。

即ち、ＳＯＦＣ１３の起動時に、ブロワ３３の始動と共に制御弁６１を開放すると、ガスタービン１１の圧縮機２１で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２が、ブロワ３３で流されつつ昇圧機循環ライン６０に循環する。そして、ブロワ３３の運転が安定するまでこれを行うことで、ＳＯＦＣ１３に送られる圧縮空気Ａ２の流量が安定する。そのため、ガスタービン１１での空気不足を抑制することができる。

詳細に説明すると、図１に示すように、昇圧機循環ライン６０は、第２圧縮空気供給ライン３１において、ブロワ３３の上流側と下流側とに接続され、ブロワ３３を迂回するように設けられている。制御弁６１は、この昇圧機循環ライン６０に設けられている。なお、ブロワ３３は、駆動モータ３３ａで駆動される。また、ブロワ３３は、その出口を通過する圧縮空気Ａ２の圧力を検出する圧力検出器３３ｂを有している。

また、制御弁（第２制御弁）６３が、第２圧縮空気供給ライン３１であって、昇圧機循環ライン６０とＳＯＦＣ１３との間に設けられている。

また、第１検出器６４が、第２圧縮空気供給ライン３１であって、圧縮機２１と制御弁３２との間に設けられている。この第１検出器６４は、ガスタービン１１の圧縮機２１で圧縮した制御弁３２の上流側の圧縮空気Ａ２の第１圧力を検出する。

また、第２検出器６５が、第２圧縮空気供給ライン３１であって、昇圧機循環ライン６０と制御弁３２との間に設けられている。この第２検出器６５は、ガスタービン１１の圧縮機２１で圧縮した制御弁３２の下流側の圧縮空気Ａ２の第２圧力を検出する。

また、第３検出器６６が、ＳＯＦＣ１３に設けられている。この第３検出器６６は、ＳＯＦＣ１３の空気極、つまり、第２圧縮空気供給ライン３１における制御弁６３よりもＳＯＦＣ１３側の第３圧力を検出する。

制御装置６２は、制御弁６１及び制御弁６３の開度を調整可能であると共に、駆動モータ３３ａによるブロワ３３の始動及び停止を制御可能となっている。また、制御装置６２は、制御弁３２、制御弁３７及び制御弁３８の開度を調整可能となっている。また、制御装置６２は、各検出器６４，６５，６６が検出した第１圧力、第２圧力、及び第３圧力を入力する。また、制御装置６２は、ブロワ３３における圧力検出器３３ｂが検出した圧力を入力する。

そして、制御装置６２は、各検出器６４，６５，６６が検出した第１圧力、第２圧力及び第３圧力や、ブロワ３３の圧力検出器３３ｂが検出した圧力を入力し、これらの入力に基づき、駆動モータ３３ａ、制御弁６１、制御弁６３、制御弁３２、制御弁３７及び制御弁３８を制御する。

ここで、上述した制御装置６２による制御であって、本実施例の発電システム１０におけるＳＯＦＣ１３の起動方法について説明する。

図２に示すように、時間ｔ１にて、ガスタービン１１が起動し、所定時間の経過後の時間ｔ２までにガスタービン１１による発電が開始される。この時間ｔ１から時間ｔ２までの間は、ブロワ３３は停止しており（駆動モータ３３ａが停止）、制御弁３２，３７，３８，６３は閉止され、制御弁６１は開放されている（または閉止されていてもよい）。

そして、時間ｔ２にＳＯＦＣ１３を起動する起動指令を取得する。この場合、ガスタービン１１は、低負荷運転状態であってもよいし、定格運転状態であってもよい。この時間ｔ２にて、制御弁３２を全開ではない所定の開度とすると共に、制御弁６３を開放する。すると、制御弁３２から昇圧機循環ライン６０を介した第２圧縮空気供給ライン３１と、ＳＯＦＣ１３と、制御弁３８までの圧縮空気循環ライン３６と、制御弁３７までの排出ライン３５との圧力が上昇する。

そして、時間ｔ３にて、第２検出器６５の第２圧力Ｐ２が第１検出器６４の第１圧力Ｐ１に同等となったとき、制御弁３２，６１を開放し、制御弁６３を閉止（または所定開度に絞り）、ブロワ３３を始動する（駆動モータ３３ａを駆動）。すると、圧縮機２１で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２が、ブロワ３３の下流側から上流側へ昇圧機循環ライン６０を経由して循環する。なお、制御弁６３は、圧縮空気Ａ２がＳＯＦＣ１３に供給することを抑制し、昇圧機循環ライン６０で圧縮空気Ａ２を循環させる。制御弁６３は、所定開度に絞ってもよいが、閉止することで圧縮空気Ａ２の循環を確実にし、ブロワ３３により昇圧される圧縮空気Ａ２のＳＯＦＣ１３への影響（例えば、ＳＯＦＣ１３の圧力（第３圧力Ｐ３）変動など）を確実に抑制することが可能である。

そして、時間ｔ４にて、ブロワ３３の圧力Ｐがブロワ３３の定格時の所定値の圧力となったとき、ブロワ３３を駆動したまま、制御弁６１を徐々に閉止する。このとき、制御弁６３及び制御弁３７を徐々に開く。すると、ブロワ３３で昇圧された圧縮空気Ａ２が、ＳＯＦＣ１３に供給される。このとき、ブロワ３３は定格運転であるから運転が安定しており、ＳＯＦＣ１３に送られる圧縮空気Ａ２の流量が安定する。また、このとき、制御弁６３及び制御弁３７を徐々に開くことにより第３検出器６６の第３圧力Ｐ３、即ち、ＳＯＦＣ１３の圧力の急激な変動を抑えられる。一方、ＳＯＦＣ１３では、圧縮空気Ａ２が、第２圧縮空気供給ライン３１を通ってＳＯＦＣ１３に流れることから、ＳＯＦＣ１３の圧力（第３圧力Ｐ３）が徐々に高くなる。

そして、時間ｔ５にて、ＳＯＦＣ１３の圧力（第３圧力Ｐ３）がＳＯＦＣ１３の所定の圧力となったとき、ブロワ３３を駆動したまま、制御弁６１を閉止し、制御弁６３を開放する。そして、ＳＯＦＣ１３の運転が安定するまでの時間ｔ６に至り制御弁３８を徐々に開けると共に、制御弁３７を徐々に閉じる。これにより、定格運転のＳＯＦＣ１３から排出される排空気Ａ３が、排空気ライン３４から圧縮空気循環ライン３６を経て燃焼器２２に供給される。この排空気Ａ３は、ブロワ３３の運転が安定しているから急激な変動はなく、安定して燃焼器２２に供給される。このため、ガスタービン１１では、燃焼器２２に供給される圧縮機２１からの圧縮空気Ａ１やタービン２３に送られる冷却空気が過不足なく安定して供給されることになる。

なお、制御装置６２は、ブロワ３３における圧力検出器３３ｂが検出した圧力を入力し、時間ｔ４にて、ブロワ３３の圧力Ｐがブロワ３３の定格時の所定値の圧力となったとき、ブロワ３３を駆動したまま、制御弁６１を徐々に閉止する。この圧力検出器３３ｂに代えて、ブロワ３３は、その出口を通過する圧縮空気Ａ２の流量を検出する流量検出器を有してもよい。この場合、制御装置６２は、ブロワ３３における流量検出器が検出した流量を入力し、時間ｔ４にて、ブロワ３３の流量がブロワ３３の定格時の所定値の流量となったとき、ブロワ３３を駆動したまま、制御弁６１を徐々に閉止する。

このように本実施例の発電システムにあっては、圧縮機２１と燃焼器２２を有するガスタービン１１と、圧縮機２１で圧縮した圧縮空気Ａ１を燃焼器２２に供給する第１圧縮空気供給ライン２６と、空気極及び燃料極を有するＳＯＦＣ１３と、圧縮機２１で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２を空気極に供給する第２圧縮空気供給ライン３１と、第２圧縮空気供給ライン３１に設けられて圧縮空気Ａ２を昇圧するブロワ３３と、第２圧縮空気供給ライン３１におけるブロワ３３の上流側と下流側とを接続する昇圧機循環ライン６０と、昇圧機循環ライン６０に設けられる制御弁６１と、第２圧縮空気供給ライン３１における昇圧機循環ライン６０とＳＯＦＣ１３との間に設けられる制御弁６３と、ＳＯＦＣ１３の起動時に制御弁６３を閉作動させると共に制御弁６１を開作動させてブロワ３３を始動する制御装置６２と、を有する。

従って、ＳＯＦＣ１３の起動時、圧縮機２１で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２を空気極に供給する第２圧縮空気供給ライン３１において、ブロワ３３の下流側から上流側へ圧縮空気Ａ２を循環させる。そのため、このときに燃焼器２２やタービン２３に供給される圧縮空気Ａ１が不足することがなく、燃焼器２２での異常燃焼やタービン２３での冷却不足を抑制することができる。その結果、ガスタービン１１での空気不足を抑制して安定した起動を可能とすることができる。

本実施例の発電システムでは、ブロワ３３における圧縮空気Ａ２の圧力または流量を検出する検出器３３ｂを備え、制御装置６２は、検出器３３ｂにより検出された圧力または流量が所定値となった場合、制御弁６３を開作動すると共に制御弁６１を閉作動させる。従って、ブロワ３３における圧縮空気Ａ２の圧力または流量が安定してからＳＯＦＣ１３に圧縮空気Ａ２を送ることで、ガスタービン１１における空気不足を適正に抑制することができる。

また、本実施例の発電システムにおける燃料電池の起動方法にあっては、ＳＯＦＣ１３の起動時に、ガスタービン１１の圧縮機２２で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２をＳＯＦＣ１３の空気極の手前に設けたブロワ３３を始動して昇圧させると共に当該ブロワ３３の下流側から上流側へ循環させる工程と、次に、ガスタービン１１の圧縮機２２で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２の圧力または流量が所定値となった場合に圧縮空気Ａ２をブロワ３３で昇圧させつつＳＯＦＣ１３の空気極に供給する工程と、を有している。

従って、ＳＯＦＣ１３の起動時、燃焼器２２やタービン２３で圧縮空気Ａ１が不足することがなく、ガスタービン１１での空気不足を抑制して安定した起動を可能とすることができる。

１０発電システム
１１ガスタービン
１２発電機
１３ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池：燃料電池）
１４蒸気タービン
１５発電機
２１圧縮機
２２燃焼器
２３タービン
２６第１圧縮空気供給ライン
３１第２圧縮空気供給ライン
３２制御弁
３３ブロワ（昇圧機）
３３ｂ圧力検出器（検出器）
３４排空気ライン
３５排出ライン
３６圧縮空気循環ライン
３７制御弁
３８制御弁
６０昇圧機循環ライン
６１制御弁（第１制御弁）
６２制御装置（制御部）
６３制御弁（第２制御弁）
６４第１検出器
６５第２検出器
６６第３検出器
Ａ１圧縮空気
Ａ２圧縮空気

Claims

圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、
前記圧縮機で圧縮した圧縮空気を前記燃焼器に供給する第１圧縮空気供給ラインと、
空気極及び燃料極を有する燃料電池と、
前記圧縮機で圧縮した一部の圧縮空気を前記空気極に供給する第２圧縮空気供給ラインと、
前記第２圧縮空気供給ラインに設けられて前記圧縮空気を昇圧する昇圧機と、
前記第２圧縮空気供給ラインにおける前記昇圧機の上流側と下流側とを接続する昇圧機循環ラインと、
前記昇圧機循環ラインに設けられる第１制御弁と、
前記第２圧縮空気供給ラインにおける前記昇圧機循環ラインと前記燃料電池との間に設けられる第２制御弁と、
前記燃料電池の起動時に前記第２制御弁を閉作動させると共に前記第１制御弁を開作動させて前記昇圧機を始動する制御部と、
前記昇圧機における圧縮空気の圧力または流量を検出する検出器と、
を有し、
前記制御部は、前記昇圧機の始動後に前記検出器により検出された圧力または流量が所定値となった場合、前記第２制御弁を開作動すると共に前記第１制御弁を閉作動させることを特徴とする発電システム。
燃料電池の起動時に、ガスタービンの圧縮機で圧縮した一部の圧縮空気を前記燃料電池の空気極の手前に設けた昇圧機を始動して昇圧させると共に当該昇圧機の下流側から上流側へ循環させる工程と、
次に、前記ガスタービンの圧縮機で圧縮した一部の圧縮空気の圧力または流量が所定値となった場合に前記圧縮空気を前記昇圧機で昇圧させつつ前記燃料電池の空気極に供給する工程と、
を有することを特徴とする発電システムにおける燃料電池の起動方法。