JP2005276836A - 燃料電池−ガスタービン複合システムの起動及び過渡運転のための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、燃料電池−ガスタービン複合システムを提供することができる。
【解決手段】 本燃料電池−ガスタービン複合システム（１００）は、固体電解質型燃料電池（１０２）と、空気圧縮機（１０６）と、燃料処理装置（１１０）と、排気を生成する起動燃焼器（１１２）と、空気圧縮機（１０６）からの加圧空気流を起動燃焼器（１１２）及び固体電解質型燃料電池（１０２）に配向するための第１の制御手段と、加圧燃料流を起動燃焼器（１１２）及び燃料処理装置（１１０）に配向するための第２の制御手段とを含むことができる。第１の制御手段及び第２の制御手段は、加圧燃料が燃料処理装置（１１０）に送給されまた加圧空気が固体電解質型燃料電池（１０２）に送給される前に起動燃焼器（１１２）の排気により燃料処理装置（１１０）を所定の温度まで加熱するように、起動燃焼器（１１２）への加圧空気及び加圧燃料の送給を制御することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的には固体電解質型燃料電池−ガスタービン複合システムのような、発電用燃料電池−ガスタービン複合システムに関する。より具体的には、本発明は、燃料電池−ガスタービン複合システムの起動及び過渡運転のためのシステム及び方法に関する。

燃料電池発電機をガスタービンと複合化することが、提案されている。ガスタービン圧縮機は、高圧で作動する燃料電池で必要な加圧空気を供給することができ、また固体電解質型燃料電池のような高温型燃料電池とすることができる燃料電池は、タービン内で膨張させるための高温ガスを発生することができる。従って、電力は、燃料電池発電機及びタービンの両方によって生成することが可能になる。

多くのこのようなシステムは、天然ガスのような燃料を水素含有ガスに改質する燃料処理装置を使用する。燃料処理装置内部で起こる化学反応の性質のため、一般的に燃料処理装置には熱が供給されなければならない。正常作動時、燃料電池内には副生熱が発生する。加えて、燃料電池からの未反応燃料及び／又は新規燃料並びに空気を燃焼させて、付加的な熱エネルギーを得ることができる。燃料電池からの副生熱及び／又は過剰燃料並びに空気の燃焼によるエネルギーは、燃料処理装置が必要とする熱を供給するのに使用することができる。

燃料電池、特に固体電解質型燃料電池は、一般的に高温度で作動する。従って、この電池は、一般的に起動時に大気温度からの長い加熱時間を必要とする。燃料電池及び外部の燃料処理装置は、大きな熱慣性を示し、システムの起動及び急速過渡時に、温度傾斜速度を制御することを必要とする。
米国特許５４１３８７９号公報

従って、燃料電池−ガスタービン複合システムの起動及び過渡運転を改善することは有益なものとなる。具体的には、固体電解質型燃料電池とガスタービンと付加的な熱源との熱的複合化により、より効率的な起動及び過渡運転が得られ、システムピーク能力をより大きなものとすることができる。

従って、本発明は、燃料電池−ガスタービン複合システムを提供することができ、本燃料電池−ガスタービン複合システムは、燃料電池と、空気圧縮機と、燃料処理装置と、排気を生成する起動燃焼器と、空気圧縮機からの加圧空気流を起動燃焼器及び燃料電池に配向するための第１の制御手段と、加圧燃料流を起動燃焼器及び燃料処理装置に配向するための第２の制御手段とを含むことができる。第１の制御手段及び第２の制御手段は、加圧燃料流が燃料処理装置に送給されまた加圧空気流が燃料電池に送給される前に起動燃焼器の排気により燃料処理装置を所定の温度まで加熱するように、該起動燃焼器への加圧空気流及び加圧燃料流の送給を制御することができる。燃料電池は、固体電解質型燃料電池とすることができる。

特定の実施形態では、第１の制御手段は、最初に加圧空気流の全てを起動燃焼器に配向することができ、第２の制御手段は、最初に加圧燃料流の全てを起動燃焼器に配向することができる。燃料処理装置が所定の温度に到達すると、第１の制御手段は、加圧空気流の全てが固体電解質型燃料電池に送給されるようになるまでは該加圧空気流の漸増部分を固体電解質型燃料電池に配向することができ、かつ第２の制御手段は、加圧燃料流の全てが燃料処理装置に送給されるようになるまでは該加圧燃料流の漸増部分を燃料処理装置に配向することができる。所定の温度は、燃料処理装置の所要の作動温度とすることができる。

第１の制御手段は、３方弁とすることができ、或いは他の実施形態では、２つの２方弁とすることができる。第２の制御手段は、起動弁と流量制御弁とにすることができる。起動弁は、起動燃焼器への加圧燃料流の送給を制御する２方弁とすることができる。流量制御弁は、燃料処理装置への加圧燃料流の送給を制御する２方弁とすることができる。

特定の実施形態では、固体電解質型燃料電池は、燃料処理装置に熱を供給するのに使用する排気を発生することができる。起動時に固体電解質型燃料電池に配向される加圧空気流の漸増部分は、加圧空気流の全てが固体電解質型燃料電池に配向されるようになる時までは該固体電解質型燃料電池の排気が燃料処理装置で使用される熱の全てを供給するのに十分なものとなるのを可能にする第１の所定の速度で増加させることができる。同様に、燃料処理装置に配向される加圧燃料流の漸増部分は、加圧燃料流の全てが燃料処理装置に配向されるようになる時までは固体電解質型燃料電池の排気が該燃料処理装置で使用される熱の全てを供給するのに十分なものとなるのを可能にする第２の所定の速度で増加させることができる。

本システムは、ＳＯＦＣ燃焼器を含むことができる。ＳＯＦＣ燃焼器は、固体電解質型燃料電池から未反応燃料及び過剰空気の供給を受け、未反応燃料を過剰空気で燃焼させて固体電解質型燃料電池の排気の熱を増大させることができる。本システムはさらに、ＳＯＦＣ燃焼器の下流に配置されたＳＯＦＣ逆止弁を含むことができる。

固体電解質型燃料電池−ガスタービン複合システムのタービンは、排気を発生することができる。本システムはさらに、タービンの排気と給水との間で熱交換して燃料処理装置に蒸気の供給を行う燃料プレヒータ／蒸気発生器を含むことができる。燃料プレヒータ／蒸気発生器はまた、タービンの排気と加圧燃料流との間で熱交換して、燃料処理装置に加熱した加圧燃料流を送給することができる。

特定の実施形態では、燃料処理装置が所定の温度に到達すると、固体電解質型燃料電池の排気が燃料処理装置で使用される熱の全てを供給するのに十分なものとなるまで、第１の制御手段は、加圧空気流の漸増部分を固体電解質型燃料電池に配向することができ、かつ第２の制御手段は、加圧燃料流の漸増部分を燃料処理装置に配向することができる。固体電解質型燃料電池の排気が燃料処理装置で使用される熱の全てを供給するのに十分なものとなる点に到達すると、第１の制御手段は、加圧空気流の全てを固体電解質型燃料電池に配向し、かつ第２の制御手段は、加圧燃料流の全てを燃料処理装置に配向する。

本発明はさらに、固体電解質型燃料電池と、燃料処理装置と、圧縮機と、燃料圧送機と、起動燃焼器とを有する固体電解質型燃料電池−ガスタービン複合システムを起動運転する方法を提供する。本方法は、空気圧縮機からの加圧空気流を起動燃焼器に配向する段階と、加圧燃料流を起動燃焼器に配向する段階と、起動燃焼器に配向された加圧空気流及び加圧燃料流を該起動燃焼器内で燃焼させて排気を生成する段階と、起動燃焼器の排気で燃料処理装置を加熱する段階と、燃料処理装置が所定の温度に到達すると加圧空気流を起動燃焼器から固体電解質型燃料電池に移行させかつ加圧燃料流を起動燃焼器から燃料処理装置に移行させる段階とを含むことができる。加圧空気流を起動燃焼器から固体電解質型燃料電池に移行させる段階は、加圧空気流の全てが固体電解質型燃料電池に配向されるようになるまでは加圧空気流の漸増部分を起動燃焼器から固体電解質型燃料電池に配向する段階を含むことができる。同様に、加圧燃料流を起動燃焼器から燃料処理装置に移行させる段階は、加圧空気流の全てが燃料処理装置に配向されるようになるまでは加圧燃料流の漸増部分を起動燃焼器から燃料処理装置に配向する段階を含むことができる。燃料処理装置の所定の温度は、該燃料処理装置の所要の作動温度とすることができる。

特定の実施形態では、本方法はさらに、固体電解質型燃料電池の排気で燃料処理装置を加熱する段階を含むことができる。この場合、固体電解質型燃料電池に配向される加圧空気流の漸増部分は、加圧空気流の全てが固体電解質型燃料電池に配向されるようになる時までは該固体電解質型燃料電池の排気が燃料処理装置で使用される熱の全てを供給するのに十分なものとなるのを可能にする第１の所定の速度で増加させることができる。同様に、燃料処理装置に配向される加圧燃料流の漸増部分は、加圧燃料流の全てが燃料処理装置に配向されるようになる時までは固体電解質型燃料電池の排気が該燃料処理装置で使用される熱の全てを供給するのに十分なものとなるのを可能にする第２の所定の速度で増加させることができる。

加圧空気流は、３方弁によって起動燃焼器及び／又は固体電解質型燃料電池に配向することができる。加圧燃料流は、起動弁と流量制御弁とによって起動燃焼器及び／又は燃料処理装置に配向することができる。起動弁は、起動燃焼器への加圧燃料流の送給を制御する２方弁を含むことができる。流量制御弁は、燃料処理装置への加圧燃料流の送給を制御する２方弁を含むことができる。

特定の実施形態では、本方法はさらに、固体電解質型燃料電池からの供給未反応燃料を供給過剰空気で燃焼させて、固体電解質型燃料電池の排気の熱を増大させる段階を含むことができる。他の実施形態では、本方法はさらに、タービンから排気を発生させる段階と、タービンの排気と給水との間で熱交換して燃料処理装置に蒸気の供給を行う段階と、タービンの排気と加圧燃料流との間で熱交換して、燃料処理装置に加熱した加圧燃料流を送給する段階とを含むことができる。

本方法はさらに、固体電解質型燃料電池の排気で燃料処理装置を加熱する段階を含む。この場合、加圧空気流を起動燃焼器から固体電解質型燃料電池に移行させる段階は、固体電解質型燃料電池の排気が燃料処理装置で使用される全ての熱を供給するのに十分なものとなるまでは加圧空気流の漸増部分を起動燃焼器から固体電解質型燃料電池に配向する段階を含むことができる。同様に、加圧燃料流を起動燃焼器から燃料処理装置に移行させる段階は、固体電解質型燃料電池の排気が燃料処理装置で使用される全ての熱を供給するのに十分なものとなるまでは加圧燃料流の漸増部分を起動燃焼器から燃料処理装置に配向する段階を含むことができる。固体電解質型燃料電池の排気が燃料処理装置で使用される熱の全てを供給するのに十分なものとなる点に到達すると、加圧空気流の全ては固体電解質型燃料電池に配向することができ、かつ加圧燃料流の全ては燃料処理装置に配向することができる。

本発明はさらに、固体電解質型燃料電池と、燃料処理装置と、タービンと、圧縮機と、燃料圧送機と、起動燃焼器とを有する固体電解質型燃料電池−ガスタービン複合システムを運転する方法を提供し、本方法は、圧縮機からの加圧空気流を起動燃焼器及び固体電解質型燃料電池に配向する段階と、加圧燃料流を起動燃焼器及び燃料処理装置に配向する段階と、起動燃焼器の排気及び固体電解質型燃料電池の排気で燃料処理装置を加熱する段階とを含む。システムの定常状態運転時には、加圧空気流の全ては固体電解質型燃料電池に配向することができ、かつ加圧燃料流の全ては燃料処理装置に配向することができる。システムの過渡運転時には、加圧燃料流の漸増部分と加圧空気流の漸増部分とを燃焼のために起動燃焼器に配向することができるように、加圧燃料流を増加させることができかつ加圧空気流を増加させることができる。

本方法はさらに、起動燃焼器の排気と固体電解質型燃料電池の排気とをタービンを通して膨張させて機械的エネルギーを生成して、過渡時における起動燃焼器の排気の得られた増加によりタービンによって生成される機械的エネルギー量の増加が生じるようにする段階を含む。増加した機械的エネルギー量は、発電機に向けることができる。これに代えて、増加した機械的エネルギー量は、圧縮機が該増加した機械的エネルギー量を使用して加圧空気流をさらに増加させることができるように、圧縮機に向けることができる。この場合、本方法はさらに、増加した加圧空気流の一部分を固体電解質型燃料電池に配向する段階と、起動燃焼器の排気の増加を使用して燃料処理装置に付加的な熱を供給する段階と、付加的な熱を使用して固体電解質型燃料電池に送給される改質燃料の供給を増加させる段階と、増加した加圧空気流と増加した改質燃料供給とを固体電解質型燃料電池内部で反応させる段階とを含む。

特定の実施形態では、本方法はさらに、固体電解質型燃料電池に送給される増加した加圧空気流量と増加した改質燃料の供給量とにより、固体電解質型燃料電池から増加した排気の供給量を発生させる段階を含む。固体電解質型燃料電池からの増加した排気の供給量が、増加した改質燃料の供給量を生成するために燃料処理装置で使用される熱の全てを供給するのに十分なものとなると、加圧空気流を起動燃焼器から固体電解質型燃料電池に移行させかつ加圧燃料流を起動燃焼器から燃料処理装置に移行させる。加圧空気流を起動燃焼器から固体電解質型燃料電池に移行させる段階は、加圧空気流の全てが固体電解質型燃料電池に配向されるようになるまでは加圧空気流の漸増部分を起動燃焼器から固体電解質型燃料電池に配向する段階を含むことができる。同様に、加圧燃料流を起動燃焼器から燃料処理装置に移行させる段階は、加圧空気流の全てが燃料処理装置に配向されるようになるまでは加圧燃料流の漸増部分を起動燃焼器から燃料処理装置に配向する段階を含むことができる。

本発明のこれらの及び他の特徴は、図面及び特許請求の範囲と合わせて、本発明のこの実施形態の以下の詳細な説明を検討することにより明らかになるであろう。

次に図面を参照すると、図１は、本発明の例示的な実施形態である、固体電解質型燃料電池−ガスタービンシステム１００を示す。そのようなシステムでは他の高温型燃料電池が使用可能であり、固体電解質型燃料電池の使用は単なる例示であることは、当業者には明らかであろう。固体電解質型燃料電池−ガスタービンシステム１００の主要構成要素には、固体電解質型燃料電池１０２と、タービン１０４と、圧縮機１０６と、発電機１０８と、燃料処理装置１１０と、起動燃焼器１１２と、１つの三方弁又は２つの二方弁とすることができる加圧空気弁１１４と、起動弁１１６と、流量制御弁１１８とを含むことができる。固体電解質型燃料電池−ガスタービンシステム１００内には、燃料プレヒータ／蒸気発生器１２２と、復熱装置１２４と、ＳＯＦＣ燃焼器１２６と、燃料電池空気プレヒータ１２８とを含む他の構成要素を設けて、システムの全効率を高めることもできる。

一般に正常な定常状態運転時には、固体電解質型燃料電池１０２の排気からの供給高温ガスは、タービン１０４を通して膨張させることができる。タービン１０４は、圧縮機１０６及び発電機１０８を順次に駆動することができる。圧縮機１０６は、高圧で作動可能な固体電解質型燃料電池１０２に加圧空気の供給を行うことができる。固体電解質型燃料電池１０２は、供給加圧空気を燃料処理装置１１０からの供給改質燃料と電気化学的に反応させて電気を生成することができる。固体電解質型燃料電池１０２は、高温ガスの供給排気を発生することができる。固体電解質型燃料電池１０２の排気中に含まれた未反応燃料及び空気は、ＳＯＦＣ燃焼器１２６内で燃焼して、排気に付加的な熱エネルギーを与えることができる。さらに、特定の実施形態では、ＳＯＦＣ燃焼器１２６において新規の供給燃料及び空気を固体電解質型燃料電池１０２からの未反応の供給燃料及び空気に加えて、ＳＯＦＣ燃焼器１２６を通過した後における固体電解質型燃料電池１０２の排気の熱を増大させることができる。固体電解質型燃料電池１０２の排気からの熱は、天然ガスのようなガス燃料を改質する燃料処理装置１１０に熱を供給するのに使用することができる。燃料処理装置１１０は、加圧ガス燃料の供給を受けることができる。サイクルが完了した時点で、固体電解質型燃料電池１０２からの排気は、次にタービンを通して膨張させることができる。従って、固体電解質型燃料電池１０２及びタービン１０４の両方が、電力を生成することができる。

起動運転時には、固体電解質型燃料電池−ガスタービンシステム１００は、以下のように運転させることができる。起動弁１１６及び流量制御弁１１８は、燃料フィード１２９から加圧燃料の供給を受けることができる。供給加圧燃料は、ラジアル燃料圧送機（図示せず）によるものを含む当技術分野で通常公知の方法により燃料フィード１２９に供給することができる。燃料は、天然ガス又は石炭派生燃料とすることができる。例えば、天然ガス、ナフサ、プロパン、ＪＰ−８、メタン、ガソリン又は他の種類の同様なガスを使用することができる。

起動プロセスの開始時に、起動弁１１６が開けられ、それによって供給加圧燃料が起動燃焼器１１２に到達可能になる。起動プロセスの開始時には、流量制御弁１１８は閉じられており、それによって供給加圧燃料が、燃料処理装置１１０、固体電解質型燃料電池１０２及び他の下流の構成要素に到達するのを阻止する。起動弁１１６及び流量制御弁１１８は、当技術分野では公知の好適な種類の購入可能なバルブのいずれかとすることができる。例えば、ボール弁、バタフライ弁又は他の同様な弁を使用することができる。別の実施形態では、単一の三方弁で、起動弁１１６及び流量制御弁１１８を置き換えることができる。

供給加圧燃料は、起動燃焼器１１２内に噴射することができ、また下記に説明するように圧縮機１０６から供給可能な供給加圧空気と起動燃焼器１１２内部で混合することができる。得られた混合物は、点火器によって点火されて、発熱反応を生じ、それによって供給熱エネルギー燃焼ガスを生成することができる。起動燃焼器１１２は、当技術分野で公知の好適な種類の燃焼器のいずれかとすることができる。購入可能な好適な燃焼器の例には、低ＮＯｘ燃焼器、触媒燃焼器又は使用可能な他の同様な燃焼器を含むことができる。供給熱エネルギー燃焼ガスは、次に起動燃焼器から混合点１３０に移動し、該混合点１３０において、起動燃焼器１１２からの供給熱エネルギー燃焼ガスは固体電解質型燃料電池１０２からの供給排気と混合することができる。起動プロセスの最初の段階では、流量制御弁１１８が閉じた状態に保たれている（従って、供給燃料が固体電解質型燃料電池１０２に到達するのが阻止される）ので、固体電解質型燃料電池１０２からの供給排気は存在しないことになる。ＳＯＦＣ逆止弁１３１は、固体電解質型燃料電池１０２からの排気を送給するライン上で混合点１３０の上流に配置することができる。ＳＯＦＣ逆止弁１３１は、供給熱エネルギー燃焼ガスが起動燃焼器１１２から固体電解質型燃料電池１０２を含む上流の構成要素に逆流するのを阻止することができる。

次に、起動燃焼器及び固体電解質型燃料電池の供給混合排気は、混合点１３０から燃料処理装置１１０を通して配向することができる。燃料処理装置１１０の内部で、混合流は、１つ又はそれ以上の熱交換器を通して配向され、それによって熱を燃料処理装置１１０に供給する。燃料処理装置１１０は、燃料改質を行うことが可能になる前に、起動時における周囲温度から十分な温度まで加熱されなければならない。一旦加熱されると、燃料処理装置１１０は、蒸気改質、自動熱改質、部分酸化改質又は他のプロセスを使用して燃料を部分的に水素含有ガスに変換することができる。例示のためだけであるが、図１は、その中でガス状炭化水素が蒸気及び触媒の存在下で本質的に水素及び一酸化炭素を含むガスに改質される蒸気改質器を使用するシステムを示す。以下により詳しく説明するように燃料プレヒータ／蒸気発生器１２２によって、燃料は予熱され、また蒸気は燃料処理装置１１０に供給される。当技術分野で公知の購入可能な好適な燃料処理装置１１０の例には、蒸気改質器、自動熱改質器又は他の同様な処理装置が含まれる。混合排気流から燃料処理装置１１０への熱交換は、当技術分野で公知の熱交換方法によって行うことができる。

次に、起動燃焼器１１２及び固体電解質型燃料電池１０２の排気からの混合供給熱エネルギー燃焼ガスは、燃料処理装置１１０を出て、タービン１０４に配向することができる。混合流は、タービン１０４を通して膨張させてタービン出力を生成することができる。当技術分野で公知の購入可能な好適なタービンの例には、遠心タービン、軸流タービン又は使用可能な他の同様なタービンが含まれる。タービン出力は、圧縮機１０６及び発電機１０８を順次に駆動する。発電機１０８は電力を生成することができ、電力はインバータ１３２によって交流に変換されて電力網１３４に給電することができる。圧縮機１０６は、空気フィード１３５から空気の供給を受けて、供給加圧空気を生成することができる。供給加圧空気は、加圧空気弁１１４に送給することができる。

復熱装置１２４は、加圧空気弁１１４の上流に配置されて、システムの全体効率を増大させることができる。復熱装置１２４は、タービン１０４からの供給排気ガスの熱を圧縮機１０６からの供給加圧空気に伝達することができる。このようにして供給加圧空気を予熱することにより、システム１００の燃料消費量を低減することができ、またその全効率を増大させることができる。加圧空気は、復熱装置１２４の低温側通路を通して循環させることができ、高温側通路を通して循環させることができるタービン排気ガスから熱を吸収することができる。従って、システム１００内に復熱装置１２４が存在する場合、供給加圧空気は、供給加熱加圧空気を加圧空気弁１１４に配向可能となるように、加熱することができる。

三方弁として示す加圧空気弁１１４において、供給加圧空気（又は供給加熱加圧空気）は、起動燃焼器１１２又は固体電解質型燃料電池１０２のいずれか一方に配向するか、或いは供給加圧空気は、分割して両方の構成要素に送給することができる。起動運転時には、加圧空気弁１１４は、最初に加圧空気流を起動燃焼器１１２にみに配向するように、設定することができる。加圧空気弁１１４は、例えばボール型弁又は使用可能な他の同様な弁のような当技術分野で公知の好適な種類の三方弁のいずれかとすることができる。別の実施形態では、接続部及び２つの個別の二方弁により、加圧空気三方弁１１４の機能を達成することができる。

従って、供給加圧空気は、起動燃焼器１１２に送給され、起動燃焼器１１２において供給加圧ガス燃料で燃焼させることができる。上記のように、次に起動プロセスの最初段階の間に、起動燃焼器１１２からの排気を使用して燃料処理装置１１０を加熱することができる。従って、加圧空気弁１１４、起動弁１１６、流量制御弁１１８及びＳＯＦＣ逆止弁１３１は、起動プロセス時に固体電解質型燃料電池１０２を、空気流及び燃料流並びに起動燃焼器１１２の排気の逆流から隔離して、燃料電池構成要素を保護することができる。例えばＳＯＦＣ逆止弁１３１はまた、固体電解質型燃料電池１０２及びその構成要素を損傷させる可能性がある起動燃焼器１１２からの燃焼ガスの逆流を阻止することができる。

起動プロセスを継続するにつれて、燃料処理装置１１０の温度は、燃料改質のための所要の温度まで上昇することができる。例えば、蒸気燃料処理装置が効率的な燃料改質を開始する温度は、約４５０°Ｃ（８４０°Ｆ）とすることができる。この温度に到達すると、改質を開始させるために、供給加圧燃料の一部を燃料処理装置１１０に供給するように、流量制御弁１１８を開くことができる。システムの全体的効率を増大させるために、加圧燃料の供給は、最初は燃料プレヒータ／蒸気発生器１２２をバイパスするようにする。燃料プレヒータ／蒸気発生器１２２は、タービン１０４の排気と供給加圧燃料との間で熱交換を行うことができる。燃料プレヒータ／蒸気発生器１２２はさらに、タービン１０４の排気と給水との間で熱交換を行うことができる。燃料プレヒータ／蒸気発生器１２２は、システムの構成及び必要性に応じて、単独又は両方の機能のいずれか１つを提供することができ、或いは複合構成要素の代わりに個別の構成要素によってこれらの機能の各々を提供することができることに注目されたい。水は水フィード１３６によって燃料プレヒータ／蒸気発生器１２２に供給して蒸気を生成することができ、次に供給加圧燃料を蒸気改質するために燃料処理装置１１０に供給することができる。別の実施形態では、蒸気を必要としないような他の種類の燃料改質を使用することができる。燃料プレヒータ／蒸気発生器１２２内部でのタービン１０４排気と加圧燃料／給水との間の熱交換は、当技術分野で公知の熱交換方法によって行うことができる。タービン１０４の排気は燃料プレヒータ／蒸気発生器１２２を出た後に、システム排気装置１３７を介してシステム１００を出ることができる。

供給加圧燃料は、次に、上述したように燃料処理装置１１０内で改質されて、水素含有ガスを生成することができる。供給改質燃料は、燃料処理装置１１０から固体電解質型燃料電池１０２に供給することができる。前述したように、固体電解質型燃料電池１０２にはまた、加圧空気弁１１４を介して加圧空気流を供給することができる。流量制御弁１１８が、供給改質燃料を固体電解質型燃料電池１０２に供給するように開かれたとき、加圧空気弁１１４もまた、適切な供給加圧空気を同様に固体電解質型燃料電池１０２に供給して供給改質燃料を電気化学的に反応させるように、開くことができる。システムの全体的効率を増大させるために、固体電解質型燃料電池１０２に送給される供給加圧空気は、燃料電池空気プレヒータ１２８によって加熱することができる。燃料電池空気プレヒータ１２８は、以下により詳しく説明するように、固体電解質型燃料電池１０２の排気の熱を受けることができる。

固体電解質型燃料電池１０２の内部では、改質燃料と供給加圧空気とが電気化学的に反応して、当技術分野で公知の方法によって電気を生成することができる。例えば、固体電解質型燃料電池１０２は、多孔質の空気極と、気密電解質と、燃料極とを含むことができる。供給加圧空気は、例としてストロンチウム・ドープのランタン亜マンガン酸塩で作製可能な空気極すなわちアノードに導入される。電解質は、イットリア安定化ジルコニアで作製可能であり、細ストリップ部（ｔｈｉｎ ｓｔｒｉｐ）を除く空気極の全有効長さを覆う。この空気極の細ストリップ部は、マグネシウム・ドープのランタン亜クロム酸塩の気密層によって覆うことができ、この気密層がセルの相互接続部を形成する。改質燃料は、カソードとしても知られる燃料極に導入され、この燃料極は、ニッケル−ジルコニアサーメットで作製可能であり、相互接続領域を除く電解質を覆う。好適な固体電解質型燃料電池の例は、特開昭５７−１３０３８１号、特開昭６１−９１８８０号、特開昭６１−２２５７７８号、特開昭６３−１１０５６０号に開示されており、これら特許の各々は、その全体を参考文献として本明細書に組み入れる。購入可能な好適な固体電解質型燃料電池の例には、管型、平板型又は使用可能な他の同様な固体電解質型燃料電池が含まれる。

従って、改質燃料はカソードに到達することができ、そこで改質燃料は、電解質からの酸素イオンと反応し、それによって外部回路に電子を放出することができる。燃料電池の反対側では、空気をアノードに供給し、そこで空気は、外部回路から電子を受けることによって電解質に酸素イオンを供給することができる。電解質は、電極間でこれらのイオンを伝導し、全体的な電荷バランスを維持することができる。外部回路内での電子の流れは、有効電力を供給することができる。固体電解質型燃料電池１０２は、各々が隣接する燃料電池に電気的に接続されるように、アレイの形態で配置することができる。得られた直流は、第２のインバータ１３８に供給されて、そこで直流は交流に変換され、電力網１３４に供給することができる。

固体電解質型燃料電池１０２は、一般的に約６５０〜１０００°Ｃ（１２００〜１８３２°Ｆ）の定常状態運転温度範囲を有する。定常状態運転温度に到達するために、固体電解質型燃料電池１０２は、起動運転時に、燃料処理装置からの改質燃料流と、燃料電池空気プレヒータ１２８及び／又は復熱装置１２４の加熱加圧空気流と、該固体電解質型燃料電池１０２内で行われる電気化学発熱反応とから熱を受けることができる。

固体電解質型燃料電池１０２のアノード側の電気化学反応による生成物は、二酸化炭素（ＣＯ_２）、水（Ｈ_２Ｏ）及び未反応ガス燃料を含む。燃料処理装置１１０での改質プロセスは一般的に供給燃料の全ては改質しないので、一般的に未反応ガス燃料がアノードの反応生成物内に残存する。さらに、固体電解質型燃料電池１０２は、一般的にアノード側に供給された燃料の全てとは反応しない。従って、供給アノード反応生成物１４０を、ＳＯＦＣ燃焼器１２６に供給することができる。別の実施形態では、未反応ガス燃料の一部は、その内部で水生成物によってさらに改質されて、より多くの電力を生成することできることに注目されたい。カソード側からの生成物は、固体電解質型燃料電池１０２が一般的にカソード側に供給された空気の全てとは反応しないので、過剰空気を含む。カソード反応生成物１４２もまた、ＳＯＦＣ燃焼器１２６に供給することができる。供給アノード反応生成物１４０と供給カソード反応生成物１４２とは、ＳＯＦＣ燃焼器１２６内で混合され、そこで高温過剰空気を使用して未反応ガス燃料を燃焼させ、従って固体電解質型燃料電池１０２の排気の温度を上昇させることができる。別の実施形態では、ＳＯＦＣ燃焼器１２６は、固体電解質型燃料電池１０２の内部に製作することができる。

固体電解質型燃料電池１０２からの（ＳＯＦＣ燃焼器１２６を出た後の）排気は、次に燃料電池空気プレヒータ１２８を通して供給されて、圧縮機１０６からの供給加圧空気と熱交換することができる。この熱交換は、当技術分野で公知の方法及びシステムによって行うことができる。このように、固体電解質型燃料電池１０２への供給加圧空気は、ＳＯＦＣ燃焼器１２６を介して固体電解質型燃料電池１０２の排気によって加熱することができる。固体電解質型燃料電池１０２の排気は、次に、上記の説明のように燃料電池空気プレヒータ１２８を出て、ＳＯＦＣ逆止弁１３１を通って流れて混合点１３０に到達し、起動燃焼器１１２の排気と混合することができる。起動燃焼器１１２及びＳＯＦＣ燃焼器１２６の混合排気は、次に燃料処理装置１１０をその必要温度までに加熱するのに使用された後にタービン１０４に配向され、タービン１０４において排気は膨張してタービン出力を生成することができる。別の実施形態では、固体電解質型燃料電池１０２及び起動燃焼器１１２の排気は混合されず、燃料処理装置１１０及び／又はタービン１０４に独立して供給されることができることに注目されたい。

起動プロセスは、加圧燃料のより多くが固体電解質型燃料電池１０２（燃料処理装置１１０を介して）に向かってまた起動燃焼器１１２から出て配向されるように起動弁１１６及び流量制御弁１１８の設定を制御することが可能なような所定の速度で継続させることができる。供給加圧燃料がこのように配向されるとき、加圧空気弁１１４の設定は、固体電解質型燃料電池１０２での加圧空気需要の増大及び起動燃焼器１１２での加圧空気需要の減少を満たすように、制御することができる。従って、起動プロセスが継続されるにつれて、供給加圧空気のより多くを、固体電解質型燃料電池１０２に向かって配向することが可能となる。固体電解質型燃料電池−ガスタービンシステム１００における所定の定常状態条件に到達した時に、システム弁（流量制御弁１１８、起動弁１１６及び加圧空気弁１１４）の設定は、この所要条件を維持するように制御することができる。

特定の実施形態では、所要の定常状態運転条件は、固体電解質型燃料電池１０２／ＳＯＦＣ燃焼器１２６の排気が、必要な燃料改質を継続するために燃料処理装置１１０が必要とする熱を供給するのに十分となった時に、達成することができる。従って、加圧空気流が起動燃焼器１１２から固体電解質型燃料電池１０２に移行される速度は、全ての加圧空気が固体電解質型燃料電池１０２に配向されるようになる時までは固体電解質型燃料電池１０２の排気が燃料処理装置１１０への必要な熱の全てを供給するのに十分なものとなるような所定の漸増速度とすることができる。同様に、加圧燃料流が起動燃焼器１１２から固体電解質型燃料電池１０２に移行される速度もまた、加圧燃料の全てが燃料処理装置１１０に配向されるようになる時までは固体電解質型燃料電池１０２の排気が燃料処理装置１１０への必要な熱の全てを供給するのに十分なものとなるような所定の漸増速度とすることができる。別の実施形態では、定常状態運転条件は、加圧空気の全てが固体電解質型燃料電池１０２に配向されるか又は加圧燃料の全てが燃料処理装置１１０に配向されるようになる前に、固体電解質型燃料電池１０２の排気が燃料処理装置１１０を加熱するのに十分なものとなった場合に達成することができる。この場合、起動弁１１６は閉位置に設定され、従って起動燃焼器１１２内での燃焼と該起動燃焼器１１２からの排気流が中止される。流量制御弁１１８は、全ての供給加圧燃料を燃料処理装置１１０、従って固体電解質型燃料電池１０２に配向することができるような開位置に設定することができる。加圧空気弁１１４は、供給加圧空気の全てが固体電解質型燃料電池１０２に配向されるように設定することができる。上述のように、固体電解質型燃料電池１０２／ＳＯＦＣ燃焼器１２６の排気は、燃料処理装置１１０に必要な熱の全てを供給することができ、かつタービン１０４内で膨張して必要なタービン出力を生成するに必要な熱エネルギーガス流を供給することができる。

他の実施形態では、システム弁（流量制御弁１１８、起動弁１１６及び加圧空気弁１１４）及び起動燃焼器１１２は、システム過渡運転をより効率的な方法で達成するように又はシステム能力を出力需要の急激な増加に適合させて増大させるように制御することができる。例えば、固体電解質型燃料電池−ガスタービンシステム１００は、発電を定常状態運転条件から増大させることを要求される場合がある。上述のように、定常状態運転条件は、起動燃焼器１１２が作動を中止したことを意味しており、またこのことは、この例のために想定しようとするものである。従って、新しい要求を満たすために、供給加圧燃料を増加させることができる。供給加圧空気もまた、タービン出力を発電機１０８から圧縮機１０６に転用することによって増加させることができる。起動弁１１６は、定常状態運転時には閉じているが、加圧燃料流の漸増部分を受けるために開くことができる。加圧空気弁１１４もまた、適切な加圧空気流を起動燃焼器１１２に配向するように制御することができる。起動燃焼器１１２は、その供給加圧燃料を燃焼させて、従って燃料処理装置１１０への混合流を増加させて、燃料処理装置１１０に付加的な熱を供給することができる。付加的な熱によって、燃料処理装置１１０内部での燃料改質能力の増大が可能になり、このことが次にタービン１０４内で膨張することになる付加的なエネルギーガスの増加を可能にする。得られたタービン１０４からの付加的な出力は、固体電解質型燃料電池１０２に余分な空気流量を供給するのに使用可能であり、この余分の空気流量は、加圧燃料流の増加及び供給改質燃料の増加と組み合わされた時、固体電解質型燃料電池１０２内部でより多くの電気を生成するのに使用することができる。これに代えて、得られたタービン１０４の付加的な出力は、発電機１０８での発電を増加させるのに使用することもできる。

かくして、出力増加に対する要求は、起動燃焼器１１２を使用して固体電解質型燃料電池１０２への加圧空気及び改質燃料の供給量を増加させ、それによって固体電解質型燃料電池１０２の出力を増加させることよって満たすことができる。この場合、固体電解質型燃料電池１０２における出力レベルの増加が達成されると、起動燃焼器１１２は再び停止させることができ、固体電解質型燃料電池１０２からの増加した排気量は、新しい出力レベルを保持するのに必要な加圧空気及び改質燃料の量を供給するのに十分なものとすることができる。別の実施形態では、出力の増加に対する要求は、起動燃焼器１１２を使用してタービン１０４への供給熱エネルギーガスを増加させ、それによってタービン出力を増加させることによって満たすことができる。増加したタービン出力は、発電機１０８に配向して、発電を増加させることができる。この場合、ピークシステム発電能力は、起動燃焼器１１２の複合化によって増大させることができる。

従って、以上の記載は、本発明の原理を説明するためだけのものとして考えられたい。本発明の特徴及び様態は、実施例として説明しかつ図示したものであって、従って本発明の必要又は必須の要素として解釈されることを意図していない。特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めることを意図するものではなく、それらを容易に理解するためのものである。

本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池−ガスタービン複合システムの概略図。

符号の説明

１００ 燃料電池−ガスタービン複合システム
１０２ 固体電解質型燃料電池
１０４ タービン
１０６ 圧縮機
１０８ 発電機
１１０ 燃料処理装置
１１２ 起動燃焼器
１１４ 加圧空気弁
１１６ 起動弁
１１８ 流量制御弁
１２２ 燃料プレヒータ／蒸気発生器
１２４ 復熱装置
１２６ ＳＯＦＣ燃焼器
１２８ 燃料電池空気プレヒータ
１２９ 燃料フィード
１３１ ＳＯＦＣ逆止弁
１３２、１３８ インバータ
１３４ 電力網

Claims (10)

1. 燃料電池と、空気圧縮機（１０６）と、燃料処理装置（１１０）とを有する燃料電池−ガスタービン複合システム（１００）であって、
   排気を生成する起動燃焼器（１１２）と、
   前記空気圧縮機（１０６）からの加圧空気流を前記起動燃焼器（１１２）及び燃料電池に配向するための第１の制御手段と、
   加圧燃料流を前記起動燃焼器（１１２）及び燃料処理装置（１１０）に配向するための第２の制御手段と、を含み、
   前記第１の制御手段及び第２の制御手段が、加圧燃料流が前記燃料処理装置（１１０）に送給されまた加圧空気流が前記燃料電池に送給される前に前記起動燃焼器（１１２）の排気により前記燃料処理装置（１１０）を所定の温度まで加熱するように、該起動燃焼器（１１２）への加圧空気流及び加圧燃料流の送給を制御する、
   燃料電池−ガスタービン複合システム（１００）。
2. 前記燃料電池が、固体電解質型燃料電池（１０２）を含む、請求項１記載の燃料電池−ガスタービン複合システム（１００）。
3. 前記第１の制御手段が、最初に加圧空気流の全てを前記起動燃焼器（１１２）に配向し、
   前記第２の制御手段が、最初に加圧燃料流の全てを前記起動燃焼器（１１２）に配向し、
   前記燃料処理装置（１１０）が前記所定の温度に到達すると、前記第１の制御手段が、加圧空気流の全てが前記固体電解質型燃料電池（１０２）に送給されるようになるまでは該加圧空気流の漸増部分を前記固体電解質型燃料電池（１０２）に配向し、かつ前記第２の制御手段が、加圧燃料流の全てが前記燃料処理装置（１１０）に送給されるようになるまでは該加圧燃料流の漸増部分を前記燃料処理装置（１１０）に配向する、
   請求項２記載の燃料電池−ガスタービン複合システム（１００）。
4. 前記所定の温度が、前記燃料処理装置（１１０）の所要の作動温度を含む、請求項３記載の燃料電池−ガスタービン複合システム（１００）。
5. 前記第２の制御手段が、起動弁（１１６）と流量制御弁（１１８）とを含み、
   前記起動弁（１１６）が、前記起動燃焼器（１１２）への加圧燃料流の送給を制御する２方弁を含み、
   前記流量制御弁（１１８）が、前記燃料処理装置（１１０）への加圧燃料流の送給を制御する２方弁を含む、
   請求項３記載の燃料電池−ガスタービン複合システム（１００）。
6. 前記固体電解質型燃料電池（１０２）が排気を発生し、前記固体電解質型燃料電池（１０２）の排気が、前記燃料処理装置（１１０）に熱を供給し、
   前記固体電解質型燃料電池（１０２）に配向される加圧空気流の漸増部分が、該加圧空気流の全てが前記固体電解質型燃料電池（１０２）に配向されるようになる時までは該固体電解質型燃料電池（１０２）の排気が前記燃料処理装置（１１０）で使用される熱の全てを供給するのに十分なものとなるのを可能にする第１の所定の速度で増加される、
   請求項２記載の燃料電池−ガスタービン複合システム（１００）。
7. 前記燃料処理装置（１１０）に配向される加圧燃料流の漸増部分が、該加圧燃料流の全てが前記燃料処理装置（１１０）に配向されるようになる時までは該固体電解質型燃料電池（１０２）の排気が前記燃料処理装置（１１０）で使用される熱の全てを供給するのに十分なものとなるのを可能にする第２の所定の速度で増加される、請求項６記載の燃料電池−ガスタービン複合システム（１００）。
8. ＳＯＦＣ燃焼器（１２６）をさらに含み、
   前記ＳＯＦＣ燃焼器（１２６）が、前記固体電解質型燃料電池（１０２）から未反応燃料及び過剰空気の供給を受け、
   前記ＳＯＦＣ燃焼器（１２６）が、前記未反応燃料を前記過剰空気で燃焼させて前記固体電解質型燃料電池（１０２）の排気の熱を増大させる、
   請求項７記載の燃料電池−ガスタービン複合システム（１００）。
9. 前記燃料処理装置（１１０）が前記所定の温度に到達すると、前記固体電解質型燃料電池（１０２）の排気が前記燃料処理装置（１１０）で使用される熱の全てを供給するのに十分なものとなるまで、前記第１の制御手段が、加圧空気流の漸増部分を前記固体電解質型燃料電池（１０２）に配向し、かつ前記第２の制御手段が、加圧燃料流の漸増部分を前記燃料処理装置（１１０）に配向する、請求項２記載の燃料電池−ガスタービン複合システム（１００）。
10. 前記固体電解質型燃料電池（１０２）の排気が前記燃料処理装置（１１０）で使用される熱の全てを供給するのに十分なものとなる点に到達すると、前記第１の制御手段が、加圧空気流の全てを前記固体電解質型燃料電池（１０２）に配向し、かつ前記第２の制御手段が、加圧燃料流の全てを前記燃料処理装置（１１０）に配向する、請求項９記載の燃料電池−ガスタービン複合システム（１００）。

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