JP4212089B2

JP4212089B2 - 燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備とその起動方法

Info

Publication number: JP4212089B2
Application number: JP2002269733A
Authority: JP
Inventors: 元博近藤; 吉徳竹田; 雄介堀井; 慶一岡林; 新一郎樋口; 和彦伊藤; 秀久谷
Original assignee: IHI Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: IHI Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2002-09-17
Publication date: 2009-01-21
Anticipated expiration: 2022-09-17
Also published as: JP2004111127A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備とその起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率かつ環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行われている。
【０００３】
図３は、例えば天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池発電設備の一例を示す構成図である。この図において溶融炭酸塩型燃料電池発電設備は、改質器１０、燃料電池１１、ターボチャージャー１２、排熱回収熱交換器１５等を備え、天然ガス等の燃料１を燃料予熱器１３で予熱して改質器１０の改質室Ｒｅｆに供給し、ここで燃料１を水素を含むアノードガス２に改質する。
燃料電池１１では、アノードガス２と酸素を含むカソードガス３とから電気化学的に発電する。燃料電池１１を出たアノード排ガス４とカソード排ガス７の一部７ａは、燃焼器１７に供給されて燃焼して高温の燃焼排ガス５を発生する。この燃焼排ガス５は、改質器１０の燃焼室に供給され、ここで改質反応に必要な熱を改質室Ｒｅｆに供給する。
【０００４】
改質器１０を出た燃焼排ガス５は、ＣＯ₂ブロア１６（以下、ＣＯ₂リサイクルブロアと呼ぶ）でカソード入口側にリサイクルされ、ターボチャージャー１２から供給される加圧空気６と合流し、カソードガス３となって燃料電池１１のカソード側に供給される。反応後のカソード排ガス７の一部７ｂは、カソードリサイクルライン１８を介してＣＯ₂リサイクルブロア１６の吸引側にリサイクルされ、残り７ｃはターボチャージャー用の燃焼器１４に供給される。燃焼器１４は、起動時や部分負荷時に用いられ、天然ガスをカソード排ガスで燃焼し燃焼排ガスでターボチャージャーを駆動する。
【０００５】
ターボチャージャー１２は、カソード排ガス７ｃ及び燃焼器１４で発生した燃焼排ガスでタービンＴを駆動して圧縮機Ｃで空気を圧縮し、この加圧空気６は前述の燃料電池１１のカソード側上流に供給される。タービンＴを出た排ガスは、排熱回収熱交換器１５に供給され、ここで水蒸気を発生させたのち系外に放出される。発生した水蒸気８は燃料１に混合され改質器１０における改質反応に用いられる。
なお、図３において、１８ａはカソードリサイクルライン１８の流量を制御するための高温流量調節弁、１２ａはタービンＴをバイパスしてガスを流すための流量調節弁である。その他の流量調節弁の説明は省略する。
【０００６】
上述した燃料電池発電設備において、燃料電池１１（溶融炭酸塩型燃料電池、以下単にＭＣＦＣという）はアノード側とカソード側とからなり、次のような電極反応が行われる。
アノード反応（負極反応）Ｈ₂＋ＣＯ₃ ^2-→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ₂＋２ｅ．．（１）
カソード反応（正極反応）ＣＯ₂＋１／２Ｏ₂＋２ｅ→ＣＯ₃ ^2-．．（２）
【０００７】
すなわちアノード側では、（１）式により水素ガスとＣＯ₃ ^2-とから水と炭酸ガスと電荷が生成され、カソード側では、（２）式により炭酸ガスと酸素と電荷とからＣＯ₃ ^2-が生成される。（１）式右辺はアノードから排出されるアノード排ガス４の成分を表しており、炭酸ガスが含まれている。また（２）式左辺はカソードに供給されるカソードガスの成分を表しており、同じく炭酸ガスが含まれている。このため上述したＣＯ₂リサイクルブロア１６により、改質器で発生したＣＯ₂ガスを燃料電池のカソード側に供給してカソード反応に利用するようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＣＦＣは、運転温度が６００〜７００℃と高いため排ガスが高温となり、この高温ガスのエネルギーを回収するためにタービンへ供給している。タービン動力はＭＣＦＣの反応に必要な空気を供給するためのコンプレッサー動力に変えられる。
この場合、既存のガスタービン発電機は発電出力が１００ｋＷを超えるため、発電出力が数百ｋＷ級のＭＣＦＣの場合、組み合わせるための数十ｋＷ級のガスタービン発電機の代用として、上述したように車両用ターボチャージャーを転用していた。このため、単独起動ができないため、起動時は別途設置する空気コンプレッサーまたは起動用の空気貯槽等が必要であった。また、ターボチャージャーは発電機を備えないため余剰エネルギーが発生する場合でも、発電して発電効率を向上させることができなかった。
【０００９】
一方、近年、発電出力が１００ｋＷに満たない超小型のガスタービン発電機が開発されている。以下、かかる超小型ガスタービン発電機を「マイクロガスタービン」又は単に「μＧＴ」と略称する。
マイクロガスタービンは、大型のガスタービン発電機と同様に、圧縮機、燃焼器、タービン、及び発電機を備えるが、タービン回転数が相対的に高く（例えば３〜１０万ｒｐｍ）、圧縮比が比較的小さく（例えば４〜６程度）永久磁石型同期高速発電機に代表される回転数可変型の発電機を使用する等の特徴を有する。
【００１０】
上述したμＧＴをＭＣＦＣと組み合わせたコンバインド発電設備を、以下「ＭＣＦＣ／μＧＴシステム」と呼ぶ。かかるＭＣＦＣ／μＧＴシステムは、μＧＴの発電機を電動機として用いてμＧＴの単独起動ができるため、ターボチャージャーを用いる場合に比較して、起動用の余分な設備が不要となり、かつ発電により発電効率を向上させることができるメリットがある。
【００１１】
しかし、ＭＣＦＣ／μＧＴシステムでは、μＧＴ自体が、単独運転用に設計・製作されており、その大幅な改造は困難なため、抽気してＭＣＦＣへ加圧空気を供給すると、μＧＴ自体の単独運転が維持できなくなるおそれがあった。
【００１２】
特に、ＭＣＦＣ／μＧＴシステムの起動時には、μＧＴを最初に単独で起動し、その後、空気を抽気してＭＣＦＣに空気を供給して昇圧、昇温する。この場合、ＭＣＦＣの系統は一般的に容量が大きいため昇圧されるまでは時間がかかる。その間、μＧＴのタービン側にガスがほとんど戻ってこないため回収動力が減少し、必要空気量が確保できない可能性がある。
【００１３】
また、ＭＣＦＣから戻るガス中の酸素濃度は運転中に変動する（例えば５〜１５％の範囲）ので、μＧＴの燃焼器における安定燃焼が困難になり、失火するおそれもあった。
更に、μＧＴでは燃料流量の定格流量と最小流量との比であるターンダウン比が小さく（３程度）、定格流量の１／３以下になると失火してしまうおそれがあるので、システムの起動時から定常状態に達する過程で、燃焼量を徐々に低減しても、消火の際の圧力変動が避けがたく、ＭＣＦＣの許容極間差圧（最大１０００ｍｍＡｑ程度）を超えてしまうおそれがあった。
【００１４】
本発明は上述した種々の問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、起動用に余分な設備を必要とせず、燃料電池の起動時から定常運転時まで必要な加圧空気を安定供給することができ、燃料流量を広範囲に調整でき、燃焼量を徐々に低減しても、失火のおそれがなく、かつ消火の際に圧力変動がほとんどなく極間差圧の発生を防止することができる燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備とその起動方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）を有する燃料電池発電装置（２０）と、回転数可変型発電機と燃焼器（２２ａ）を有するマイクロガスタービン（２２）と、マイクロガスタービンから圧縮空気を抽気し前記燃料電池発電装置に供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池発電装置からマイクロガスタービンに酸素を含む排ガスを供給する排ガスライン（２６）と、該排ガスラインに設けられた排ガス用触媒燃焼器（２８）とを備えたコンバインド発電設備であって、発電設備の起動時に、前記燃焼器（２２ａ）に燃料を供給して着火し該燃焼器で発生させた燃焼ガスによってマイクロガスタービンのタービンを回転駆動することによりマイクロガスタービン（２２）を起動して単独運転するタービン起動ステップ（Ａ）と、
起動したマイクロガスタービンから圧縮空気を抽気して燃料電池発電装置（２０）に供給する抽気ステップ（Ｂ）と、前記抽気ステップ（Ｂ）を行った後、排ガス用触媒燃焼器（２８）に燃料を供給して燃焼させる触媒燃焼ステップ（Ｃ）と、前記触媒燃焼ステップ（Ｃ）を行った後、マイクロガスタービンの燃焼器（２２ａ）への燃料供給を漸減させていき、並行して、前記排ガス用触媒燃焼器への燃料供給を漸増させていくことで、マイクロガスタービンの回転を維持し、燃焼器（２２ａ）での燃焼を消火し、触媒燃焼器（２８）の燃焼ガスのみでマイクロガスタービンを回転駆動する燃焼切換ステップ（Ｄ）と、触媒燃焼器への燃料を遮断して燃料電池発電装置（２０）からの排ガスでマイクロガスタービンを回転駆動する排ガス駆動ステップ（Ｅ）と、を行うことを特徴とする燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備が提供される。
【００１６】
上記本発明の構成によれば、マイクロガスタービンの発電機を電動機として用いてμＧＴの単独起動ができるため、起動用の余分な設備が不要であり、かつ発電により発電効率を向上させることができる。
また、マイクロガスタービンの燃焼器の他に、燃料電池発電装置からマイクロガスタービンに酸素を含む排ガスを供給する排ガスライン（２６）に設けられた排ガス用触媒燃焼器（２８）を備えるので、２つの燃焼器の併用により、燃料流量を広範囲に調整できる。
更に、触媒燃焼器（２８）は、燃料の流量範囲が非常に広くかつ低酸素濃度でも安定燃焼できるので、燃焼量を徐々に低減しても、失火のおそれがなく、かつ消火の際に圧力変動がほとんどなく極間差圧の発生を防止することができる。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記排ガス用触媒燃焼器（２８）にマイクロガスタービンから圧縮空気を供給する触媒用空気ライン（２８ａ）と、該排ガス触媒燃焼器に燃料を供給する触媒用燃料ライン（２８ｂ）とを備える。
この構成により、排ガス触媒燃焼器内の触媒を予熱した後は、空気ライン（２８ａ）と燃料ライン（２８ｂ）の制御により自由に触媒燃焼量を調節することができる。
【００１８】
また、前記燃料電池発電装置（２０）は、燃料電池（１１）で反応後のアノード排ガス（４）を燃焼させる電池用触媒燃焼器（１７）と、該触媒燃焼器の燃焼排ガス（５）を燃料電池のカソード入口側に循環させるリサイクルブロワ（１６）とを備える。
この構成により、電池用触媒燃焼器（１７）における触媒燃焼により、改質器と燃料電池を加熱して短時間に昇温することができる。
【００１９】
前記空気供給ライン（２４）は、燃料電池のカソードライン（３）に圧縮空気を供給する電池用空気供給ライン（２４ａ）と、電池用触媒燃焼器（１７）に圧縮空気を供給する触媒用空気供給ライン（２４ｂ）とからなる。
この構成により、燃料電池発電装置（２０）の昇温時に、触媒用空気供給ライン（２４ｂ）から直接電池用触媒燃焼器（１７）に触媒燃焼用の空気を供給して、触媒燃焼による昇温を早めることができる。また、昇温後は電池用空気供給ライン（２４ａ）に切り換えて、発電に必要な圧縮空気を燃料電池に供給することができる。
【００２０】
また、本発明によれば、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）を有する燃料電池発電装置（２０）と、回転数可変型発電機と燃焼器（２２ａ）を有するマイクロガスタービン（２２）と、マイクロガスタービンから圧縮空気を抽気し前記燃料電池発電装置に供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池発電装置からマイクロガスタービンに酸素を含む排ガスを供給する排ガスライン（２６）と、該排ガスラインに設けられた排ガス用触媒燃焼器（２８）とを備えたコンバインド発電設備の起動方法であって、前記燃焼器（２２ａ）に燃料を供給して着火し該燃焼器で発生させた燃焼ガスによってマイクロガスタービンのタービンを回転駆動することによりマイクロガスタービン（２２）を起動して単独運転するタービン起動ステップ（Ａ）と、起動したマイクロガスタービンから圧縮空気を抽気して燃料電池発電装置（２０）に供給する抽気ステップ（Ｂ）と、前記抽気ステップ（Ｂ）を行った後、排ガス用触媒燃焼器（２８）に燃料を供給して燃焼させる触媒燃焼ステップ（Ｃ）と、前記触媒燃焼ステップ（Ｃ）を行った後、マイクロガスタービンの燃焼器（２２ａ）への燃料供給を漸減させていき、並行して、前記排ガス用触媒燃焼器への燃料供給を漸増させていくことで、マイクロガスタービンの回転を維持し、燃焼器（２２ａ）での燃焼を消火し、触媒燃焼器（２８）の燃焼ガスのみでマイクロガスタービンを回転駆動する燃焼切換ステップ（Ｄ）と、触媒燃焼器への燃料を遮断して燃料電池発電装置（２０）からの排ガスでマイクロガスタービンを回転駆動する排ガス駆動ステップ（Ｅ）と、を備えることを特徴とする燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の起動方法が提供される。
【００２１】
上記本発明の方法によれば、マイクロガスタービンを単独で起動し、その圧縮空気の一部を抽気して燃料電池発電装置を昇温・昇圧することにより、コンバインド発電設備全体を起動して定常状態にすることができる。
【００２３】
また、この方法によれば、タービン起動ステップ（Ａ）でマイクロガスタービンの単独運転をし、抽気ステップ（Ｂ）で圧縮空気を抽気して燃料電池発電装置（２０）に供給し、触媒燃焼ステップ（Ｃ）で排ガス用触媒燃焼器（２８）で触媒燃焼させ、燃焼切換ステップ（Ｄ）で触媒燃焼器の燃焼ガスのみでマイクロガスタービンを回転駆動し、排ガス駆動ステップ（Ｅ）で燃料電池発電装置（２０）からの排ガスでマイクロガスタービンを回転駆動することができる。
従って、この方法により、起動用に余分な設備を必要とせず、燃料電池の起動時から定常運転時まで必要な加圧空気を安定供給することができ、燃料流量を広範囲に調整でき、燃焼量を徐々に低減しても、失火のおそれがなく、かつ消火の際に圧力変動がほとんどなく極間差圧の発生を防止することができる。
また、この方法により、マイクロガスタービンの回転を維持し、その圧力変動を防止しながら、マイクロガスタービンでの燃焼を消火して触媒燃焼のみに切り換えることができる。
【００２４】
また、前記タービン起動ステップ（Ａ）において、マイクロガスタービンの発電機を電動機として圧縮機を回転駆動し、圧縮した空気を燃焼器に供給し、燃焼器に燃料を供給して着火し、その燃焼ガスによりタービンを回転駆動して自立運転する。
この方法により、マイクロガスタービン単独で、余分な設備を必要とせずに起動して自立運転することができる。
【００２５】
また、前記抽気ステップ（Ｂ）において、マイクロガスタービンの発電機を無負荷かつ回転数一定制御し、抽気可能な最大空気流量を燃料電池発電装置（２０）に供給してこれを昇圧・昇温する。
この方法により、無負荷状態で回転数一定制御するので、圧縮空気の流量を一定に保持したままで燃料流量を最小限度にすることができる。また、抽気可能な最大空気流量（例えば３割程度）を燃料電池発電装置（２０）に供給するので、徐々に昇圧ができると共に、その間の電池用触媒燃焼器（１７）での発熱により昇温もできる。
【００２６】
また、前記触媒燃焼ステップ（Ｃ）において、昇圧・昇温した燃料電池発電装置（２０）からの排ガスにより排ガス用触媒燃焼器（２８）の燃焼触媒を予熱し、次いで燃料を供給して着火する。
この方法により、排ガス用触媒燃焼器（２８）の燃焼触媒を予熱し、かつ燃料の供給でその発熱量を調節できる。
【００２８】
また、前記排ガス駆動ステップ（Ｅ）において、燃料電池発電装置（２０）からの排ガスの温度上昇に応じて触媒燃焼器への燃料を漸減させて、マイクロガスタービンの回転を維持する。
この方法により、マイクロガスタービンの回転を維持し、その圧力変動を防止しながら、触媒燃焼器での燃焼を消火し、燃料電池発電装置（２０）からの排ガスでマイクロガスタービンを回転駆動する定常運転状態に切り換えることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００３０】
図１は、本発明によるコンバインド発電設備の実施形態を示す図である。この図に示すように、本発明のコンバインド発電設備は、燃料電池発電装置２０、マイクロガスタービン２２、空気供給ライン２４、排ガスライン２６、及び排ガス用触媒燃焼器２８を備える。
【００３１】
燃料電池発電装置２０は、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池１１と、燃料電池１１で反応後のアノード排ガス４をカソード排ガス７の一部７ａで燃焼させる電池用触媒燃焼器１７と、触媒燃焼器１７の燃焼排ガス５を燃料電池１１のカソード入口側に循環させるリサイクルブロワ１６とを備える。燃料電池１１はこの例では、溶融炭酸塩型燃料電池である。しかし、本発明はこれに限定されず、高温高圧下が作動するその他の形式の燃料電池でもよい。
図１において、燃料電池発電装置２０は、その他に、改質器１０、燃料予熱器１３等を備えている。かかる燃料電池発電装置２０の構成は、図３に例示した従来の溶融炭酸塩型燃料電池発電設備と同様である。
【００３２】
マイクロガスタービン２２は、回転数可変型発電機を有するガスタービン発電装置である。このマンクロガスタービン２２は、通常のガスタービン発電装置と同様に、機械的に連結された圧縮機Ｃ、タービンＴ及び発電機Ｇと燃焼器２２ａを備える。燃焼器２２ａには、圧縮機Ｃで圧縮した圧縮空気と燃料が供給され、図示しない着火装置により着火して燃料を燃焼させることができる。また、発電機Ｇは、起動時に電動機として短時間用いることができる。
従って、このマイクロガスタービンは、発電機を電動機として用いて単独起動し、燃焼器で燃焼させて、単独で自立運転することができる。
【００３３】
空気供給ライン２４は、マイクロガスタービン２２から圧縮空気を抽気し、燃料電池発電装置２０に供給する。この空気供給ライン２４は、燃料電池のカソードライン３に圧縮空気を供給する電池用空気供給ライン２４ａと、電池用触媒燃焼器１７に圧縮空気を供給する触媒用空気供給ライン２４ｂとからなる。それぞれのライン２４ａ，２４ｂには、流量調節弁２５ａ，２５ｂが設けられ、それぞれ独立に流量調節することができる。
【００３４】
排ガスライン２６は、燃料電池１１のカソード側とマイクロガスタービン２２のタービン入口とを連通するラインであり、燃料電池発電装置２０からマイクロガスタービン２２にカソード排ガス７の一部を供給する。このカソード排ガス７には、通常５〜１５％程度の酸素が含まれる。
【００３５】
排ガス用触媒燃焼器２８は、タービン入口より上流側の排ガスライン２６に設けられる。また、この排ガス用触媒燃焼器２８にマイクロガスタービン２２の圧縮機Ｃから圧縮空気を供給する触媒用空気ライン２８ａと、排ガス触媒燃焼器２８に燃料を直接供給する触媒用燃料ライン２８ｂとが設けられている。
排ガス用触媒燃焼器２８には、燃焼触媒が充填されている。この燃焼触媒は、例えばＮｉを主成分とする触媒であり、比較的低い温度（例えば１００℃前後）で自己着火でき、かつ燃料の流量範囲が非常に広くかつ低酸素濃度でも安定燃焼できる特性を有している。なお、この触媒燃焼器２８に予熱装置を設けて単独で予熱・自己着火できるようにしてもよい。
【００３６】
図２は、本発明による起動方法を示すフロー図である。この図に示すように、本発明の燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の起動方法は、タービン起動ステップ（Ａ）、抽気ステップ（Ｂ）、触媒燃焼ステップ（Ｃ）、燃焼切換ステップ（Ｄ）、排ガス駆動ステップ（Ｅ）、及びコンバインド発電ステップ（Ｆ）からなり、マイクロガスタービンを起動し、圧縮空気を抽気して燃料電池発電装置を昇温・昇圧する。
【００３７】
タービン起動ステップ（Ａ）では、マイクロガスタービン２２を起動して単独運転する。このタービン起動ステップ（Ａ）において、マイクロガスタービン２２の発電機Ｇを電動機として圧縮機Ｃを回転駆動し、圧縮した空気を燃焼器２２ａに供給し、燃焼器２２ａに燃料を供給して着火し、その燃焼ガスによりタービンＴを回転駆動して自立運転するのがよい。
【００３８】
抽気ステップ（Ｂ）では、起動したマイクロガスタービン２２から圧縮空気を抽気して燃料電池発電装置２０に供給する。この抽気ステップ（Ｂ）において、マイクロガスタービン２２の発電機を無負荷かつ回転数一定制御し、抽気可能な最大空気流量（例えば３割程度）を燃料電池発電装置２０に供給してこれを昇圧・昇温する。なお、燃料電池発電装置２０の昇圧・昇温の初期には、触媒用空気供給ライン２４ｂから加圧空気を供給して触媒燃焼により昇温を積極的に行うのがよい。
【００３９】
触媒燃焼ステップ（Ｃ）では、排ガス用触媒燃焼器２８に燃料を供給して燃焼させる。この触媒燃焼ステップ（Ｃ）において、昇圧・昇温した燃料電池発電装置２０からの排ガスにより排ガス用触媒燃焼器２８の燃焼触媒を予熱し、次いで燃料を供給して着火する。なお、独立した予熱装置を備える場合には、この予熱装置で予熱して着火してもよい。
【００４０】
燃焼切換ステップ（Ｄ）では、マイクロガスタービン２２の燃焼器２２ａでの燃焼（火炎燃焼）を消火し、触媒燃焼器２８の燃焼ガスのみでマイクロガスタービン２２を回転駆動する。この燃焼切換ステップ（Ｄ）において、マイクロガスタービン２２への燃料供給を漸減させて燃焼を消火し、同時に排ガス用触媒燃焼器２８への燃料供給を漸増させて、マイクロガスタービンの回転を維持し、吐出圧力の変動を防止するのがよい。
【００４１】
排ガス駆動ステップ（Ｅ）では、触媒燃焼器２８への燃料を遮断して燃料電池発電装置２０からの排ガスでマイクロガスタービン２２を回転駆動する。この排ガス駆動ステップ（Ｅ）において、燃料電池発電装置２０からの排ガスの温度上昇に応じて触媒燃焼器２８への燃料を漸減させて、マイクロガスタービンの回転を維持し、吐出圧力の変動を防止するのがよい。
【００４２】
コンバインド発電ステップ（Ｆ）は、燃料電池発電装置２０とマイクロガスタービン２２の両方で発電する定常状態である。このステップでは、マイクロガスタービン２２の燃焼器２２ａと触媒燃焼器２８の両方が消火されており、マイクロガスタービンは燃料電池発電装置２０からの排ガスで駆動され、排ガスの持つ圧力エネルギーを回収して発電する。
【００４３】
上述した本発明のコンバインド発電設備によれば、マイクロガスタービンの発電機を電動機として用いてμＧＴの単独起動ができるため、起動用の余分な設備が不要であり、かつ発電により発電効率を向上させることができる。
また、マイクロガスタービンの燃焼器の他に、燃料電池発電装置からマイクロガスタービンに酸素を含む排ガスを供給する排ガスライン２６に設けられた排ガス用触媒燃焼器２８を備えるので、２つの燃焼器の併用により、燃料流量を広範囲に調整できる。
更に、触媒燃焼器２８は、燃料の流量範囲が非常に広くかつ低酸素濃度でも安定燃焼できるので、燃焼量を徐々に低減しても、失火のおそれがなく、かつ消火の際に圧力変動がほとんどなく極間差圧の発生を防止することができる。
【００４４】
また、上述した本発明のコンバインド発電設備の起動方法によれば、タービン起動ステップ（Ａ）でマイクロガスタービンの単独運転をし、抽気ステップ（Ｂ）で圧縮空気を抽気して燃料電池発電装置２０に供給し、触媒燃焼ステップ（Ｃ）で排ガス用触媒燃焼器２８で触媒燃焼させ、燃焼切換ステップ（Ｄ）で触媒燃焼器の燃焼ガスのみでマイクロガスタービンを回転駆動し、排ガス駆動ステップ（Ｅ）で燃料電池発電装置２０からの排ガスでマイクロガスタービンを回転駆動することができる。
従って、この方法により、起動用に余分な設備を必要とせず、燃料電池の起動時から定常運転時まで必要な加圧空気を安定供給することができ、燃料流量を広範囲に調整でき、燃焼量を徐々に低減しても、失火のおそれがなく、かつ消火の際に圧力変動がほとんどなく極間差圧の発生を防止することができる。
【００４５】
なお本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４６】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、余剰エネルギーはマイクロガスタービンにて発電し、プラントとしての発電効率を高めることが可能となる。また、触媒燃焼器を併設し、小流量の燃料ガスを空気又はＭＣＦＣからの排ガスで燃焼可能な系統とするので、発電効率を高めるためにプラント定格負荷時にマイクロガスタービンの燃焼器を消火することができ、触媒燃焼器を含む燃焼器のターンダウン比を大きくでき、点火／消火時の圧力変動を小さいすることができる。
また、本発明の方法により、一般的なマイクロガスタービンとＭＣＦＣをコンバインドした場合でも起動が行えるようになり、ＭＣＦＣの昇圧、昇温のための専用空気コンプレッサー等、追加機器及び制御が不要となり、コスト低減、コンパクト化に寄与できる。
【００４７】
従って、本発明の燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備とその起動方法は、起動用に余分な設備を必要とせず、燃料電池の起動時から定常運転時まで必要な加圧空気を安定供給することができ、燃料流量を広範囲に調整でき、燃焼量を徐々に低減しても、失火のおそれがなく、かつ消火の際に圧力変動がほとんどなく極間差圧の発生を防止することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるコンバインド発電設備の実施形態を示す図である。
【図２】本発明による起動方法を示す図である。
【図３】従来の燃料電池発電設備の全体構成図である。
【符号の説明】
１燃料、２アノードガス、３カソードガス、
４アノード排ガス、５燃焼排ガス、６空気、
７，７ａ，７ｂ，７ｃカソード排ガス、８水蒸気、
９ＣＯ₂濃縮ガス、１０改質器、１１燃料電池、
１２ターボチャージャー、１２ａ流量調節弁、
１３燃料予熱器、１４ガスタービン用燃焼器、
１５排熱回収熱交換器、１６リサイクルブロア、
１７電池用触媒燃焼器、１８カソードリサイクルライン、
１８ａ高温流量調節弁、２０燃料電池発電装置、
２２マイクロガスタービン、２４空気供給ライン、
２４ａ電池用空気供給ライン、２４ｂ触媒用空気供給ライン、
２６排ガスライン、２８排ガス用触媒燃焼器、
２８ａ触媒用空気ライン、２８ｂ触媒用燃料ライン

Claims

水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）を有する燃料電池発電装置（２０）と、
回転数可変型発電機と燃焼器（２２ａ）を有するマイクロガスタービン（２２）と、
マイクロガスタービンから圧縮空気を抽気し前記燃料電池発電装置に供給する空気供給ライン（２４）と、
燃料電池発電装置からマイクロガスタービンに酸素を含む排ガスを供給する排ガスライン（２６）と、
該排ガスラインに設けられた排ガス用触媒燃焼器（２８）とを備えたコンバインド発電設備であって、
発電設備の起動時に、
前記燃焼器（２２ａ）に燃料を供給して着火し該燃焼器で発生させた燃焼ガスによってマイクロガスタービンのタービンを回転駆動することによりマイクロガスタービン（２２）を起動して単独運転するタービン起動ステップ（Ａ）と、
起動したマイクロガスタービンから圧縮空気を抽気して燃料電池発電装置（２０）に供給する抽気ステップ（Ｂ）と、
前記抽気ステップ（Ｂ）を行った後、排ガス用触媒燃焼器（２８）に燃料を供給して燃焼させる触媒燃焼ステップ（Ｃ）と、
前記触媒燃焼ステップ（Ｃ）を行った後、マイクロガスタービンの燃焼器（２２ａ）への燃料供給を漸減させていき、並行して、前記排ガス用触媒燃焼器への燃料供給を漸増させていくことで、マイクロガスタービンの回転を維持し、燃焼器（２２ａ）での燃焼を消火し、触媒燃焼器（２８）の燃焼ガスのみでマイクロガスタービンを回転駆動する燃焼切換ステップ（Ｄ）と、
触媒燃焼器への燃料を遮断して燃料電池発電装置（２０）からの排ガスでマイクロガスタービンを回転駆動する排ガス駆動ステップ（Ｅ）と、を行うことを特徴とする燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備。
前記排ガス用触媒燃焼器（２８）にマイクロガスタービンから圧縮空気を供給する触媒用空気ライン（２８ａ）と、該排ガス触媒燃焼器に燃料を供給する触媒用燃料ライン（２８ｂ）とを備え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設備。
前記燃料電池発電装置（２０）は、燃料電池（１１）で反応後のアノード排ガス（４）を燃焼させる電池用触媒燃焼器（１７）と、該触媒燃焼器の燃焼排ガス（５）を燃料電池のカソード入口側に循環させるリサイクルブロワ（１６）とを備える、ことを特徴とする請求項１に記載のコンバインド発電設備。
前記空気供給ライン（２４）は、燃料電池のカソードライン（３）に圧縮空気を供給する電池用空気供給ライン（２４ａ）と、電池用触媒燃焼器（１７）に圧縮空気を供給する触媒用空気供給ライン（２４ｂ）とからなる、ことを特徴とする請求項３に記載のコンバインド発電設備。
水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）を有する燃料電池発電装置（２０）と、回転数可変型発電機と燃焼器（２２ａ）を有するマイクロガスタービン（２２）と、マイクロガスタービンから圧縮空気を抽気し前記燃料電池発電装置に供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池発電装置からマイクロガスタービンに酸素を含む排ガスを供給する排ガスライン（２６）と、該排ガスラインに設けられた排ガス用触媒燃焼器（２８）とを備えたコンバインド発電設備の起動方法であって、
前記燃焼器（２２ａ）に燃料を供給して着火し該燃焼器で発生させた燃焼ガスによってマイクロガスタービンのタービンを回転駆動することによりマイクロガスタービン（２２）を起動して単独運転するタービン起動ステップ（Ａ）と、
起動したマイクロガスタービンから圧縮空気を抽気して燃料電池発電装置（２０）に供給する抽気ステップ（Ｂ）と、
前記抽気ステップ（Ｂ）を行った後、排ガス用触媒燃焼器（２８）に燃料を供給して燃焼させる触媒燃焼ステップ（Ｃ）と、
前記触媒燃焼ステップ（Ｃ）を行った後、マイクロガスタービンの燃焼器（２２ａ）への燃料供給を漸減させていき、並行して、前記排ガス用触媒燃焼器への燃料供給を漸増させていくことで、マイクロガスタービンの回転を維持し、燃焼器（２２ａ）での燃焼を消火し、触媒燃焼器（２８）の燃焼ガスのみでマイクロガスタービンを回転駆動する燃焼切換ステップ（Ｄ）と、
触媒燃焼器への燃料を遮断して燃料電池発電装置（２０）からの排ガスでマイクロガスタービンを回転駆動する排ガス駆動ステップ（Ｅ）と、を備えることを特徴とする燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の起動方法。
前記タービン起動ステップ（Ａ）において、マイクロガスタービンの発電機を電動機として圧縮機を回転駆動し、圧縮した空気を燃焼器に供給し、燃焼器に燃料を供給して着火し、その燃焼ガスによりタービンを回転駆動して自立運転する、ことを特徴とする請求項５に記載の起動方法。
前記抽気ステップ（Ｂ）において、マイクロガスタービンの発電機を無負荷かつ回転数一定制御し、抽気可能な最大空気流量を燃料電池発電装置（２０）に供給してこれを昇圧・昇温する、ことを特徴とする請求項５に記載の起動方法。
前記触媒燃焼ステップ（Ｃ）において、昇圧・昇温した燃料電池発電装置（２０）からの排ガスにより排ガス用触媒燃焼器（２８）の燃焼触媒を予熱し、次いで燃料を供給して着火する、ことを特徴とする請求項５に記載の起動方法。
前記排ガス駆動ステップ（Ｅ）において、燃料電池発電装置（２０）からの排ガスの温度上昇に応じて触媒燃焼器への燃料を漸減させて、マイクロガスタービンの回転を維持する、ことを特徴とする請求項５に記載の起動方法。