JP2005276836A - Method and system for start and transient operation of fuel cell-gas turbine combined system - Google Patents
Method and system for start and transient operation of fuel cell-gas turbine combined system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005276836A JP2005276836A JP2005083255A JP2005083255A JP2005276836A JP 2005276836 A JP2005276836 A JP 2005276836A JP 2005083255 A JP2005083255 A JP 2005083255A JP 2005083255 A JP2005083255 A JP 2005083255A JP 2005276836 A JP2005276836 A JP 2005276836A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel
- fuel cell
- solid oxide
- pressurized
- processor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
- H01M8/04022—Heating by combustion
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
- F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
- F02C6/06—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output providing compressed gas
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
- H01M2250/40—Combination of fuel cells with other energy production systems
- H01M2250/407—Combination of fuel cells with mechanical energy generators
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
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。 The present invention relates generally to a power generation fuel cell-gas turbine combined system, such as a solid oxide fuel cell-gas turbine combined system. More specifically, the present invention relates to a system and method for startup and transient operation of a fuel cell-gas turbine combined system.
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。 It has been proposed to combine a fuel cell generator with a gas turbine. A gas turbine compressor can supply the pressurized air required by a fuel cell operating at high pressure, and a fuel cell that can be a high temperature fuel cell, such as a solid oxide fuel cell, is installed in the turbine. Hot gas for expansion can be generated. Thus, power can be generated by both the fuel cell generator and the turbine.
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。 Many such systems use a fuel processor that reforms a fuel, such as natural gas, into a hydrogen-containing gas. Due to the nature of chemical reactions that take place inside the fuel processor, heat must generally be supplied to the fuel processor. By-product heat is generated in the fuel cell during normal operation. In addition, unreacted fuel and / or new fuel and air from the fuel cell can be burned to obtain additional thermal energy. By-product heat from the fuel cell and / or excess fuel and energy from the combustion of air can be used to provide the heat required by the fuel processor.
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。
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。 Therefore, it would be beneficial to improve start-up and transient operation of the fuel cell-gas turbine combined system. Specifically, the thermal complex of the solid oxide fuel cell, the gas turbine, and the additional heat source can provide more efficient start-up and transient operation, and can increase the system peak capacity. .
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。 Accordingly, the present invention can provide a fuel cell-gas turbine combined system, the fuel cell-gas turbine combined system comprising a fuel cell, an air compressor, a fuel processing device, and startup combustion that generates exhaust. And a first control means for directing the pressurized air stream from the air compressor to the startup combustor and the fuel cell, and a second for directing the pressurized fuel stream to the startup combustor and the fuel processor. Control means. The first control means and the second control means are configured to cause the fuel processor to be exhausted by the start-up combustor exhaust before the pressurized fuel stream is delivered to the fuel processor and the pressurized air stream is delivered to the fuel cell. Delivery of the pressurized air stream and pressurized fuel stream to the startup combustor can be controlled to heat to a predetermined temperature. The fuel cell can be a solid oxide fuel cell.
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。 In certain embodiments, the first control means may initially direct all of the pressurized air flow to the startup combustor and the second control means may initially start up all of the pressurized fuel flow. Can be oriented in the vessel. When the fuel processor reaches a predetermined temperature, the first control means solidifies the incremental portion of the pressurized air flow until all of the pressurized air flow is delivered to the solid oxide fuel cell. The second control means can be directed to the electrolyte fuel cell and the second control means fuel treats the incremental portion of the pressurized fuel stream until all of the pressurized fuel stream is delivered to the fuel processor. It can be oriented to the device. The predetermined temperature may be a required operating temperature of the fuel processor.
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。 The first control means can be a three-way valve or, in other embodiments, two two-way valves. The second control means can be an activation valve and a flow control valve. The start valve may be a two-way valve that controls the delivery of pressurized fuel flow to the start combustor. The flow control valve can be a two-way valve that controls the delivery of pressurized fuel flow to the fuel processor.
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。 In certain embodiments, the solid oxide fuel cell can generate exhaust that is used to supply heat to the fuel processor. The incremental portion of the pressurized air flow that is directed to the solid oxide fuel cell at start-up is the exhaust of the solid oxide fuel cell until all of the pressurized air flow is directed to the solid oxide fuel cell. Can be increased at a first predetermined rate that allows it to be sufficient to supply all of the heat used in the fuel processor. Similarly, the incremental portion of the pressurized fuel stream that is directed to the fuel processor is such that the exhaust of the solid oxide fuel cell is not subject to the fuel treatment until all of the pressurized fuel stream is directed to the fuel processor. It can be increased at a second predetermined rate that allows it to be sufficient to supply all of the heat used in the device.
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。 The system can include a SOFC combustor. The SOFC combustor is supplied with unreacted fuel and excess air from the solid oxide fuel cell, and can burn the unreacted fuel with excess air to increase the heat of the exhaust of the solid oxide fuel cell. The system can further include a SOFC check valve located downstream of the SOFC combustor.
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。 The turbine of the solid oxide fuel cell-gas turbine combined system can generate exhaust. The system may further include a fuel preheater / steam generator that exchanges heat between the turbine exhaust and feed water to provide steam to the fuel processor. The fuel preheater / steam generator can also exchange heat between the turbine exhaust and the pressurized fuel stream to deliver a heated pressurized fuel stream to the fuel processor.
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。 In certain embodiments, once the fuel processor has reached a predetermined temperature, the first time until the exhaust of the solid oxide fuel cell is sufficient to supply all of the heat used by the fuel processor. The control means can direct the incremental portion of the pressurized air flow to the solid oxide fuel cell, and the second control means can direct the incremental portion of the pressurized fuel flow to the fuel processor. When reaching the point where the exhaust of the solid oxide fuel cell is sufficient to supply all of the heat used in the fuel processor, the first control means converts all of the pressurized air flow to the solid electrolyte type. Oriented to the fuel cell and the second control means directs all of the pressurized fuel stream to the fuel processor.
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。 The present invention further provides a method for start-up operation of a solid oxide fuel cell-gas turbine combined system having a solid oxide fuel cell, a fuel processing device, a compressor, a fuel pump, and a start-up combustor. . The method includes directing a pressurized air stream from an air compressor to the starter combustor, directing a pressurized fuel stream to the starter combustor, and a pressurized air stream directed to the starter combustor and an additive. Combusting a pressurized fuel stream in the startup combustor to produce exhaust, heating the fuel processor with the exhaust of the startup combustor, and generating a pressurized air stream when the fuel processor reaches a predetermined temperature. Transitioning from the startup combustor to the solid oxide fuel cell and transitioning the pressurized fuel stream from the startup combustor to the fuel processor. The phase of moving the pressurized air stream from the startup combustor to the solid oxide fuel cell starts the incremental portion of the pressurized air stream until all of the pressurized air stream is directed to the solid oxide fuel cell Orienting from the combustor to the solid oxide fuel cell may be included. Similarly, the step of transferring the pressurized fuel stream from the startup combustor to the fuel processor is to start up the incremental portion of the pressurized fuel stream until all of the pressurized air stream is directed to the fuel processor. Orienting the vessel to the fuel processor. The predetermined temperature of the fuel processor can be a required operating temperature of the fuel processor.
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。 In certain embodiments, the method may further comprise heating the fuel processor with the exhaust of the solid oxide fuel cell. In this case, the gradually increasing portion of the pressurized air flow oriented to the solid oxide fuel cell is the same as that of the solid oxide fuel cell until all of the pressurized air flow is directed to the solid oxide fuel cell. The exhaust can be increased at a first predetermined rate that allows the exhaust to be sufficient to supply all of the heat used in the fuel processor. Similarly, the incremental portion of the pressurized fuel stream that is directed to the fuel processor is such that the exhaust of the solid oxide fuel cell is not subject to the fuel treatment until all of the pressurized fuel stream is directed to the fuel processor. It can be increased at a second predetermined rate that allows it to be sufficient to supply all of the heat used in the device.
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。 The pressurized air stream can be directed to the start-up combustor and / or solid oxide fuel cell by a three-way valve. The pressurized fuel stream can be directed to the starter combustor and / or fuel processor by the starter valve and the flow control valve. The start-up valve can include a two-way valve that controls the delivery of pressurized fuel flow to the start-up combustor. The flow control valve can include a two-way valve that controls the delivery of pressurized fuel flow to the fuel processor.
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。 In certain embodiments, the method may further comprise the step of combusting the feed unreacted fuel from the solid oxide fuel cell with feed excess air to increase the heat of the solid oxide fuel cell exhaust. In another embodiment, the method further includes generating exhaust from the turbine, supplying heat to the fuel processor by exchanging heat between the turbine exhaust and feed water, and exhausting and adding to the turbine. Heat exchange with the pressurized fuel stream and delivering a heated pressurized fuel stream to the fuel processor.
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。 The method further includes heating the fuel processor with the exhaust of the solid oxide fuel cell. In this case, the stage of moving the pressurized air stream from the start-up combustor to the solid oxide fuel cell is sufficient for the exhaust of the solid oxide fuel cell to supply all the heat used in the fuel processor. Until then, the method may include directing an increasing portion of the pressurized air flow from the startup combustor to the solid oxide fuel cell. Similarly, the phase of moving the pressurized fuel stream from the startup combustor to the fuel processor is sufficient until the exhaust of the solid oxide fuel cell is sufficient to supply all the heat used by the fuel processor. May include directing an incremental portion of the pressurized fuel stream from the startup combustor to the fuel processor. When the exhaust of the solid oxide fuel cell reaches a point where it is sufficient to supply all of the heat used in the fuel processor, all of the pressurized air flow can be directed to the solid oxide fuel cell. And all of the pressurized fuel stream can be directed to the fuel processor.
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。 The present invention further provides a method of operating a solid oxide fuel cell-gas turbine combined system having a solid oxide fuel cell, a fuel processor, a turbine, a compressor, a fuel pump, and a startup combustor. The method includes directing a pressurized air stream from a compressor to a startup combustor and a solid oxide fuel cell, directing the pressurized fuel stream to a startup combustor and a fuel processor, and startup. Heating the fuel processor with the exhaust of the combustor and the exhaust of the solid oxide fuel cell. During steady state operation of the system, all of the pressurized air stream can be directed to the solid oxide fuel cell and all of the pressurized fuel stream can be directed to the fuel processor. During transient operation of the system, the pressurized fuel flow can be increased so that the increasing portion of the pressurized fuel flow and the increasing portion of the pressurized air flow can be directed to the startup combustor for combustion and The pressurized air flow can be increased.
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。 The method further expands the startup combustor exhaust and the solid oxide fuel cell exhaust through the turbine to generate mechanical energy, which is generated by the turbine by the resulting increase in startup combustor exhaust during the transient. Including causing an increase in the amount of mechanical energy produced. The increased amount of mechanical energy can be directed to the generator. Alternatively, the increased amount of mechanical energy can be directed to the compressor so that the compressor can further increase the pressurized air flow using the increased amount of mechanical energy. In this case, the method further directs a portion of the increased pressurized air stream to the solid oxide fuel cell and uses the increased start-up combustor exhaust to provide additional heat to the fuel processor. A step of increasing the supply of reformed fuel delivered to the solid oxide fuel cell using additional heat, an increased pressurized air flow and an increased reformed fuel supply. Reacting inside the fuel cell.
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。 In certain embodiments, the method further includes providing increased exhaust air flow from the solid oxide fuel cell due to the increased pressurized air flow delivered to the solid oxide fuel cell and the increased reformate supply. Generating a quantity. Once the increased exhaust supply from the solid oxide fuel cell is sufficient to supply all of the heat used by the fuel processor to produce the increased reformate supply, A pressurized air stream is transferred from the startup combustor to the solid oxide fuel cell and a pressurized fuel stream is transferred from the startup combustor to the fuel processor. The phase of moving the pressurized air stream from the startup combustor to the solid oxide fuel cell starts the incremental portion of the pressurized air stream until all of the pressurized air stream is directed to the solid oxide fuel cell Orienting from the combustor to the solid oxide fuel cell may be included. Similarly, the step of transferring the pressurized fuel stream from the startup combustor to the fuel processor is to start up the incremental portion of the pressurized fuel stream until all of the pressurized air stream is directed to the fuel processor. Orienting the vessel to the fuel processor.
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。 These and other features of the present invention will become apparent upon review of the following detailed description of this embodiment of the invention, taken in conjunction with the drawings and claims.
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。
Referring now to the drawings, FIG. 1 illustrates a solid oxide fuel cell-
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。
In general, during normal steady state operation, hot gas supplied from the exhaust of the solid oxide fuel cell 102 can be expanded through the
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。
During start-up operation, the solid oxide fuel cell-
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。
At the start of the startup process, the startup valve 116 is opened, thereby allowing the supplied pressurized fuel to reach the
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。
The supplied pressurized fuel can be injected into the
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。
The start-up combustor and the solid oxide fuel cell feed mixed exhaust can then be directed from the mixing point 130 through the fuel processor 110. Inside the fuel processor 110, the mixed stream is directed through one or more heat exchangers, thereby supplying heat to the fuel processor 110. The fuel processor 110 must be heated from ambient temperature at start-up to a sufficient temperature before fuel reforming can be performed. Once heated, the fuel processor 110 can partially convert the fuel to a hydrogen-containing gas using steam reforming, autothermal reforming, partial oxidation reforming, or other processes. For illustration purposes only, FIG. 1 uses a steam reformer in which gaseous hydrocarbons are reformed in the presence of steam and catalyst to a gas comprising essentially hydrogen and carbon monoxide. Indicates the system. The fuel is preheated and supplied to the fuel processor 110 by the fuel preheater /
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。
The mixed feed thermal energy combustion gases from the
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。
The
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。
In the
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。
Accordingly, the supplied pressurized air can be delivered to the
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。
As the startup process continues, the temperature of the fuel processor 110 can rise to the required temperature for fuel reforming. For example, the temperature at which the steam fuel processor begins efficient fuel reforming can be about 450 ° C. (840 ° F.). When this temperature is reached, the
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。
The supplied pressurized fuel can then be reformed in the fuel processor 110 as described above to produce a hydrogen-containing gas. The supplied reformed fuel can be supplied from the fuel processing apparatus 110 to the solid oxide fuel cell 102. As described above, the solid oxide fuel cell 102 can also be supplied with a pressurized air flow via the
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。 Inside the solid oxide fuel cell 102, the reformed fuel and the supplied pressurized air can react electrochemically to generate electricity by methods known in the art. For example, the solid oxide fuel cell 102 can include a porous air electrode, an airtight electrolyte, and a fuel electrode. The supplied pressurized air is introduced into an cathode or anode, which can be made of strontium-doped lanthanum manganite, for example. The electrolyte can be made of yttria-stabilized zirconia and covers the entire effective length of the cathode, excluding the thin strip. The fine strip of the cathode can be covered by a magnesium-doped lanthanum chromate hermetic layer, which forms the cell interconnect. The reformed fuel is introduced into a fuel electrode, also known as the cathode, which can be made of nickel-zirconia cermet and covers the electrolyte excluding the interconnect region. Examples of suitable solid oxide fuel cells are disclosed in JP-A-57-130181, JP-A-61-91880, JP-A-61-225778, and JP-A-63-110560. Each of which is incorporated herein by reference in its entirety. Examples of suitable solid oxide fuel cells that can be purchased include tubular, flat plate, or other similar solid oxide fuel cells that can be used.
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。
Thus, the reformed fuel can reach the cathode, where it can react with oxygen ions from the electrolyte, thereby releasing electrons to the external circuit. On the opposite side of the fuel cell, air can be supplied to the anode where it can supply oxygen ions to the electrolyte by receiving electrons from an external circuit. The electrolyte can conduct these ions between the electrodes and maintain the overall charge balance. The flow of electrons in the external circuit can supply active power. The solid oxide fuel cells 102 can be arranged in an array so that each is electrically connected to an adjacent fuel cell. The obtained direct current is supplied to the
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。
The solid oxide fuel cell 102 typically has a steady state operating temperature range of about 650 to 1000 ° C. (1200 to 1832 ° F.). In order to reach the steady state operating temperature, the solid oxide fuel cell 102 is configured to provide the reformed fuel flow from the fuel processor and the heated pressurized air of the fuel
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(CO2)、水(H2O)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。
The product of the electrochemical reaction on the anode side of the solid oxide fuel cell 102 includes carbon dioxide (CO 2 ), water (H 2 O), and unreacted gas fuel. Since the reforming process in the fuel processor 110 generally does not reform all of the supplied fuel, generally unreacted gas fuel remains in the reaction product of the anode. Furthermore, the solid oxide fuel cell 102 generally does not react with all of the fuel supplied to the anode side. Accordingly, the feed
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。
The exhaust from the solid oxide fuel cell 102 (after leaving the SOFC combustor 126) can then be supplied through a fuel
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。
The start-up process includes start-up valve 116 and flow
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。
In certain embodiments, the required steady state operating conditions are such that the exhaust of the solid oxide fuel cell 102 /
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。
In other embodiments, the system valves (flow
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。
Thus, the demand for increased power increases the supply of pressurized air and reformed fuel to the solid oxide fuel cell 102 using the
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。 Accordingly, the foregoing description is to be considered as illustrative only of the principles of the invention. The features and aspects of the present invention have been described and illustrated as examples and are therefore not intended to be construed as necessary or essential elements of the invention. Reference numerals in the claims are not intended to narrow the technical scope of the present invention, but are for easy understanding.
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
DESCRIPTION OF
Claims (10)
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)。 A fuel cell-gas turbine combined system (100) comprising a fuel cell, an air compressor (106), and a fuel processor (110),
A startup combustor (112) for generating exhaust;
First control means for directing a pressurized air flow from the air compressor (106) to the startup combustor (112) and a fuel cell;
Second control means for directing a pressurized fuel stream to the startup combustor (112) and the fuel processor (110);
The first control means and the second control means are configured to cause the startup combustor before a pressurized fuel stream is delivered to the fuel processor (110) and a pressurized air stream is delivered to the fuel cell. Controlling the supply of pressurized air flow and pressurized fuel flow to the startup combustor (112) so that the fuel processor (110) is heated to a predetermined temperature by the exhaust of (112);
Fuel cell-gas turbine combined system (100).
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)。 The first control means initially directs all of the pressurized air flow to the startup combustor (112);
The second control means first directs all of the pressurized fuel stream to the startup combustor (112);
When the fuel processor (110) reaches the predetermined temperature, the first control means until all of the pressurized air flow is delivered to the solid oxide fuel cell (102). The incremental portion of the pressurized air flow is directed to the solid oxide fuel cell (102) and the second control means delivers all of the pressurized fuel flow to the fuel processor (110). Orienting the incremental portion of the pressurized fuel stream to the fuel processor (110) until
The fuel cell-gas turbine combined system (100) according to claim 2.
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)。 The second control means includes a start valve (116) and a flow control valve (118),
The start valve (116) includes a two-way valve that controls delivery of a pressurized fuel stream to the start combustor (112);
The flow control valve (118) includes a two-way valve that controls the delivery of pressurized fuel flow to the fuel processor (110).
The fuel cell-gas turbine combined system (100) according to claim 3.
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)。 The solid oxide fuel cell (102) generates exhaust, and the exhaust of the solid oxide fuel cell (102) supplies heat to the fuel processor (110);
The incremental portion of the pressurized air stream that is directed to the solid oxide fuel cell (102) is not until the time when all of the pressurized air stream is directed to the solid oxide fuel cell (102). A solid oxide fuel cell (102) exhaust is increased at a first predetermined rate that allows sufficient exhaust to supply all of the heat used in the fuel processor (110). ,
The fuel cell-gas turbine combined system (100) according to claim 2.
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)。 A SOFC combustor (126);
The SOFC combustor (126) is supplied with unreacted fuel and excess air from the solid oxide fuel cell (102);
The SOFC combustor (126) burns the unreacted fuel with the excess air to increase the heat of the exhaust of the solid oxide fuel cell (102);
The fuel cell-gas turbine combined system (100) according to claim 7.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US70876704A | 2004-03-24 | 2004-03-24 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005276836A true JP2005276836A (en) | 2005-10-06 |
Family
ID=34980809
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005083255A Withdrawn JP2005276836A (en) | 2004-03-24 | 2005-03-23 | Method and system for start and transient operation of fuel cell-gas turbine combined system |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005276836A (en) |
KR (1) | KR20060044624A (en) |
CN (1) | CN1674335A (en) |
DE (1) | DE102005012230A1 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005281131A (en) * | 2004-03-29 | 2005-10-13 | General Electric Co <Ge> | System and method for co-production of hydrogen and electrical energy |
JP2007311161A (en) * | 2006-05-18 | 2007-11-29 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system and its operation method |
JP2009140695A (en) * | 2007-12-05 | 2009-06-25 | Hitachi Ltd | Fuel cell exhaust heat recovery system and method |
JP2009187756A (en) * | 2008-02-05 | 2009-08-20 | Shin Meiwa Ind Co Ltd | Power system and method for starting power system |
JP2009295534A (en) * | 2008-06-09 | 2009-12-17 | Yamatake Corp | Fuel cell system and operation method for fuel cell system |
JP2021095908A (en) * | 2019-12-18 | 2021-06-24 | 三菱パワー株式会社 | Pressurized air supply system and method for starting pressurized air supply system |
CN116979091A (en) * | 2023-09-21 | 2023-10-31 | 成都岷山绿氢能源有限公司 | High-efficiency energy conversion system based on SOFC and operation method |
Families Citing this family (29)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102006021866A1 (en) | 2006-05-09 | 2007-11-15 | J. Eberspächer GmbH & Co. KG | The fuel cell system |
CN100428553C (en) * | 2006-12-28 | 2008-10-22 | 上海交通大学 | Coordinated control system for high temperature fuel cell hybrid power |
KR101134377B1 (en) * | 2009-11-23 | 2012-04-09 | 현대자동차주식회사 | Valve for preventing carbon corrosion of fuel cell |
KR101300508B1 (en) * | 2011-12-29 | 2013-08-26 | 삼성전기주식회사 | System for measuring solid oxide fuel cell performance |
US9253121B2 (en) | 2012-12-31 | 2016-02-02 | Broadcom Corporation | Universal network interface controller |
CN107946616A (en) * | 2017-12-08 | 2018-04-20 | 中国人民解放军海军工程大学 | A kind of high temperature fuel cell power system and control method quickly started |
US12123353B2 (en) | 2021-05-04 | 2024-10-22 | General Electric Company | Integrated fuel cell and engine combustor assembly |
US12202616B2 (en) | 2021-11-04 | 2025-01-21 | General Electric Company | Relight of a propulsion system with a fuel cell |
US11719441B2 (en) | 2022-01-04 | 2023-08-08 | General Electric Company | Systems and methods for providing output products to a combustion chamber of a gas turbine engine |
US11933216B2 (en) | 2022-01-04 | 2024-03-19 | General Electric Company | Systems and methods for providing output products to a combustion chamber of a gas turbine engine |
US12123361B2 (en) | 2022-01-04 | 2024-10-22 | General Electric Company | Systems and methods for providing output products to a combustion chamber of a gas turbine engine |
US11794912B2 (en) | 2022-01-04 | 2023-10-24 | General Electric Company | Systems and methods for reducing emissions with a fuel cell |
US12037952B2 (en) | 2022-01-04 | 2024-07-16 | General Electric Company | Systems and methods for providing output products to a combustion chamber of a gas turbine engine |
US11970282B2 (en) | 2022-01-05 | 2024-04-30 | General Electric Company | Aircraft thrust management with a fuel cell |
US12034298B2 (en) | 2022-01-10 | 2024-07-09 | General Electric Company | Power source for an aircraft |
US11804607B2 (en) | 2022-01-21 | 2023-10-31 | General Electric Company | Cooling of a fuel cell assembly |
US12074350B2 (en) | 2022-01-21 | 2024-08-27 | General Electric Company | Solid oxide fuel cell assembly |
US12037124B2 (en) | 2022-01-21 | 2024-07-16 | General Electric Company | Systems and method of operating a fuel cell assembly |
US12170390B2 (en) | 2022-02-21 | 2024-12-17 | General Electric Company | Systems and method of operating a fuel cell assembly, a gas turbine engine, or both |
US11967743B2 (en) | 2022-02-21 | 2024-04-23 | General Electric Company | Modular fuel cell assembly |
US12129789B2 (en) | 2022-02-21 | 2024-10-29 | General Electric Company | Systems and method of operating a fuel cell assembly, a gas turbine engine, or both |
US12025061B2 (en) | 2022-04-04 | 2024-07-02 | General Electric Company | Gas turbine engine with fuel cell assembly |
US12043406B2 (en) | 2022-05-27 | 2024-07-23 | General Electric Company | Method of operating a fuel cell assembly for an aircraft |
US11817700B1 (en) | 2022-07-20 | 2023-11-14 | General Electric Company | Decentralized electrical power allocation system |
US12078350B2 (en) | 2022-11-10 | 2024-09-03 | General Electric Company | Gas turbine combustion section having an integrated fuel cell assembly |
US11859820B1 (en) | 2022-11-10 | 2024-01-02 | General Electric Company | Gas turbine combustion section having an integrated fuel cell assembly |
US12240613B2 (en) | 2022-11-10 | 2025-03-04 | General Electric Company | Gas turbine combustion section having an integrated fuel cell assembly |
US11923586B1 (en) | 2022-11-10 | 2024-03-05 | General Electric Company | Gas turbine combustion section having an integrated fuel cell assembly |
CN118532263A (en) | 2023-02-23 | 2024-08-23 | 通用电气公司 | Gas turbine engine and fuel cell assembly |
-
2005
- 2005-03-15 DE DE102005012230A patent/DE102005012230A1/en not_active Withdrawn
- 2005-03-23 KR KR1020050024065A patent/KR20060044624A/en not_active Application Discontinuation
- 2005-03-23 JP JP2005083255A patent/JP2005276836A/en not_active Withdrawn
- 2005-03-24 CN CNA2005100637379A patent/CN1674335A/en active Pending
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005281131A (en) * | 2004-03-29 | 2005-10-13 | General Electric Co <Ge> | System and method for co-production of hydrogen and electrical energy |
JP2007311161A (en) * | 2006-05-18 | 2007-11-29 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system and its operation method |
JP2009140695A (en) * | 2007-12-05 | 2009-06-25 | Hitachi Ltd | Fuel cell exhaust heat recovery system and method |
JP2009187756A (en) * | 2008-02-05 | 2009-08-20 | Shin Meiwa Ind Co Ltd | Power system and method for starting power system |
JP2009295534A (en) * | 2008-06-09 | 2009-12-17 | Yamatake Corp | Fuel cell system and operation method for fuel cell system |
JP2021095908A (en) * | 2019-12-18 | 2021-06-24 | 三菱パワー株式会社 | Pressurized air supply system and method for starting pressurized air supply system |
JP7063971B2 (en) | 2019-12-18 | 2022-05-09 | 三菱重工業株式会社 | Pressurized air supply system and how to start the pressurized air supply system |
CN116979091A (en) * | 2023-09-21 | 2023-10-31 | 成都岷山绿氢能源有限公司 | High-efficiency energy conversion system based on SOFC and operation method |
CN116979091B (en) * | 2023-09-21 | 2023-12-05 | 成都岷山绿氢能源有限公司 | High-efficiency energy conversion system based on SOFC and operation method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20060044624A (en) | 2006-05-16 |
DE102005012230A1 (en) | 2005-10-06 |
CN1674335A (en) | 2005-09-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2005276836A (en) | Method and system for start and transient operation of fuel cell-gas turbine combined system | |
JP6374965B2 (en) | Recirculation apparatus and method for high temperature battery systems | |
EP2044644B1 (en) | Steam reforming method for fuel cells | |
US20030093950A1 (en) | Integrated fuel processor for rapid start and operational control | |
JP2007311072A (en) | Fuel cell system and its operation method | |
JP2003226507A (en) | Staged Lean Combustion for Rapid Startup of Fuel Processor | |
JP2009205930A (en) | Combined system | |
JP5871945B2 (en) | Solid oxide fuel cell system and solid oxide fuel cell system operating method | |
CN109964351B (en) | Integrated fuel cell block with modified fuel cell cycle for integrated reforming fuel cell | |
JP5653834B2 (en) | Fuel cell system | |
JP3704299B2 (en) | Combined system of solid oxide fuel cell and industrial process using combustion and its operation method | |
JP2007128717A (en) | Operation method of fuel cell | |
JP4981281B2 (en) | FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM | |
KR20170132421A (en) | Fuel-cell system | |
JP5836044B2 (en) | Gas turbine combined power generation system having high temperature fuel cell and operation method of gas turbine combined power generation system having high temperature fuel cell | |
JP4342172B2 (en) | Co-energy system | |
JP2003132903A (en) | Combined system between industrial furnace and solid oxide fuel cell | |
JP3897149B2 (en) | Solid oxide fuel cell and Stirling engine combined system | |
KR100987824B1 (en) | Operation Method of Freestanding Solid Oxide Fuel Cell System | |
JP2000348749A (en) | How to start a fuel cell power plant | |
JP2001085039A (en) | Fuel cell system | |
JP2001143731A (en) | Fuel cell system | |
JP2006100197A (en) | Combined power generation system using solid oxide fuel cell | |
WO2022215224A1 (en) | Fuel cell system | |
JP2004111129A (en) | Combined power generation facility for fuel cell and micro gas turbine and its starting method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080324 |
|
A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20090219 |