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JPH1012255A - 燃料電池発電システム及び複合発電プラント - Google Patents

燃料電池発電システム及び複合発電プラント

Info

Publication number
JPH1012255A
JPH1012255A JP8155783A JP15578396A JPH1012255A JP H1012255 A JPH1012255 A JP H1012255A JP 8155783 A JP8155783 A JP 8155783A JP 15578396 A JP15578396 A JP 15578396A JP H1012255 A JPH1012255 A JP H1012255A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
fuel
fuel cell
power generation
reforming
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.)
Pending
Application number
JP8155783A
Other languages
English (en)
Inventor
Kimito Oyama
公人 大山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Original Assignee
Tokyo Electric Power Co Inc
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Electric Power Co Inc, Mitsubishi Electric Corp filed Critical Tokyo Electric Power Co Inc
Priority to JP8155783A priority Critical patent/JPH1012255A/ja
Publication of JPH1012255A publication Critical patent/JPH1012255A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]
    • 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

  • Exhaust Silencers (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】発電効率や燃料電池の運転効率等を飛躍的に高
める複合発電プラントを提供する。 【解決手段】燃料極２ａと空気極２ｂとを有する燃料電
池本体２及び燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改
質手段（改質器１２、一酸化炭素変成器１３）を備え、
燃料極２ａに供給された改質ガスと空気極２ｂにブロア
１４を介して供給された空気とを電気化学反応させて電
気エネルギーを発生する燃料電池発電部３と、空気と反
応せずに燃料極２ａから排出された未反応改質ガスを燃
焼させ、その燃焼ガスに基づいて電気エネルギーを発生
するガスタービン発電機４と、燃焼により排出された排
出ガスを改質手段の改質器１２に供給する排出ガスライ
ン２８とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料ガスから得ら
れた水素と空気から得られた酸素とを電気化学反応させ
て直接電気エネルギーを発生させる燃料電池発電システ
ム及び複合発電プラントに係わり、特に、燃料電池発電
システムから出力された未反応水素を効果的に利用して
発電効率や燃料電池の運用効率等を大幅に向上させた燃
料電池発電システム及び複合発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池発電システムは、水素と酸素と
の電気化学反応により直接電気エネルギーを発生させる
発電システムであり、このような燃料電池発電システム
は、小容量ながら高い発電効率が得られ、その上環境へ
の影響が少ない等の利点があるため、２１世紀に向けて
の新しい発電システムとして現在盛んに開発が進められ
ている。
【０００３】ところで、燃料電池発電システムには、大
別して燃料ガス（天然ガス、ＬＰＧ等）や空気を加圧し
て反応させる加圧式燃料電池発電システムと、常圧の燃
料ガス及び空気を反応させる常圧式燃料電池発電システ
ムとがある。
【０００４】加圧式燃料電池発電システムは、上述した
ように燃料ガスをコンプレッサで加圧し、さらに空気を
ターボコンプレッサで加圧することにより、燃料電池本
体における電気化学反応を良好に行なわせ、発電効率を
高めるという利点を有している。
【０００５】しかしながら、ターボコンプレッサ及びそ
のターボコンプレッサ制御用の機器等が必要であるため
システム全体の大型化を招き、さらにターボコンプレッ
サの制御が困難であるといった問題点も生じていた。
【０００６】一方、常圧式燃料電池発電システムは、燃
料ガス及び空気を常圧の状態で反応させるものであり、
ターボコンプレッサ等の機器を必要とせずに簡便なシス
テム構成を実現することができるため、近年、実用化に
向けた研究開発が進められている。
【０００７】このような常圧式燃料電池発電システムの
概略構成を図１１に示す。図１１によれば、常圧式燃料
電池発電システム７０は、燃料ガスとして各ガス会社か
ら供給される都市ガスを用いることができる。すなわ
ち、システムに供給された都市ガスは改質器７１へ送ら
れて改質され、この結果水素ガスが生成される。生成さ
れた水素ガスは、燃料電池本体（以下、単に燃料電池と
もいう）７２の燃料極７２ａへ送られる。一方、空気
は、送風ブロア等を介して燃料電池７２の空気極７２ｂ
へ送られる。
【０００８】燃料極７２ａへ送られた水素ガスは燃料極
７２ａの触媒作用により水素イオンとなり、空気極７２
ｂに送られた空気中の酸素は、空気極７２ｂの触媒作用
により酸素イオンとなる。この水素イオンは、電解質中
を通って空気極７２ｂで酸素イオンと電気化学反応し、
その結果水が生成されるとともに、両極間に電気（直
流）が発生する。この発生した直流電気をインバータ等
を備えた図示しない直交変換装置により直交変換するこ
とにより、交流電気が生成される。
【０００９】燃料極７２ａへ送られた水素ガスは、全て
反応されるのではなく、燃料極７２ａへ供給された水素
ガスの内約１５％〜２０％の水素ガスが未反応のまま残
される。この未反応水素ガスは、改質器７１に送られて
燃焼されることにより、上述した改質器７１の改質に用
いられる。
【００１０】また、燃料電池７２における発電時に生じ
た熱は、冷却板７２ｃに通された冷却により吸収冷却さ
れる。この吸収冷却により加熱された冷却水は、蒸気分
離器７３に送られて水と蒸気に分離される。分離された
水は、冷却板７２ｃに戻されて再度冷却に供され、また
分離された水蒸気は、図示しない熱回収装置等に送られ
て熱エネルギーが回収される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の常圧式燃料電池発電システムは、加圧式燃料電池発電
システムと比べてシステム構成の簡便さ等の長所を有し
ているが、その反面、発電効率が加圧式と比べて低いと
いう課題を有していた。このため、発電効率を少なくと
も加圧式と同程度、あるいはそれ以上にすることが、常
圧式燃料電池発電システムの実用性や経済性を向上させ
るために熱望されていた。
【００１２】本発明は上述した事情に鑑みてなされたも
ので、燃料電池本体から排出された未反応水素を有効に
利用することにより、発電効率や燃料電池の運転効率、
運用性等を飛躍的に高めることを可能にした燃料電池発
電システム及び複合発電プラントを提供することをその
目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成させるた
め、本発明者等は、燃料電池本体の燃料極出口から排出
された未反応改質ガスの燃焼温度が約１２５０℃である
のに対し、改質器の改質に必要な温度が約８００〜８５
０℃であり、大きな差（温度ギャップ）があることに着
目した。つまり、従来では、未反応改質ガスが折角有し
ている高温燃焼エネルギーをその温度より低くても十分
利用可能な改質器の改質にのみ利用していたため、その
温度ギャップ分のエネルギーロスが生じていた。
【００１４】そこで、本発明者等は、高温燃焼エネルギ
ーを有する未反応水素ガスをガスタービン発電機等によ
り燃焼させて電気エネルギーを発生し、燃焼により生じ
た改質に必要な温度域を有する排ガスを改質器に供給す
ることにより、エネルギーロスをほとんど生じることの
ない画期的な発電プラントを考案した。
【００１５】また、改質器の改質作用を、従来のような
未反応改質ガスの燃焼に基づくものではなく、ガスター
ビン発電機等から送られた排ガスと燃料ガスとを熱交換
させて行なうことにしたため、改質器自体の構造設計を
容易にし、コスト削減を可能にした。
【００１６】すなわち、請求項１記載の燃料電池発電シ
ステムでは、燃料極と空気極とを有する燃料電池本体
と、燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質手段と
を備え、前記燃料極に供給された改質ガスと前記空気極
に供給された空気とを電気化学反応させて電気エネルギ
ーを発生する燃料電池発電システムにおいて、前記空気
と反応せずに前記燃料極から排出された未反応改質ガス
を燃焼させてエネルギーを発生させるエネルギー発生手
段と、前記燃焼により排出された排出ガスを前記改質手
段に供給する排出ガス供給手段とを備え、前記改質手段
は、前記燃料ガスと前記排出ガスとを熱交換して当該燃
料ガスを改質する熱交換型改質器を備えている。
【００１７】請求項２記載の燃料電池発電システムで
は、前記熱交換型改質器は、前記燃料ガスを通して改質
作用を発生させる改質管を有し、前記改質管を、燃焼型
改質器の改質管よりも耐温度性の低い材質で生成してい
る。
【００１８】また、請求項３記載の複合発電プラントで
は、燃料極と空気極とを有する燃料電池本体及び燃料ガ
スを改質して改質ガスを生成する改質手段を備え、前記
燃料極に供給された改質ガスと前記空気極に供給された
空気とを電気化学反応させて電気エネルギーを発生する
燃料電池発電システムと、前記空気と反応せずに前記燃
料極から排出された未反応改質ガスを燃焼させ、その燃
焼ガスに基づいて電気エネルギーを発生するガスタービ
ン発電機と、前記燃焼により排出された排出ガスを前記
改質手段に供給する排出ガス供給手段とを備えている。
【００１９】請求項４記載の複合発電プラントでは、前
記改質手段は、前記燃料ガスと前記排出ガスとを熱交換
させて当該燃料ガスを改質する熱交換型改質器を備えて
いる。
【００２０】請求項５記載の複合発電プラントでは、前
記改質手段に供給される燃料ガスの一部を分岐して前記
ガスタービン発電機に供給する分岐供給手段を備えてい
る。
【００２１】請求項６記載の複合発電プラントでは、前
記燃料電池本体は冷却板を有するとともに、前記冷却板
に冷却水を供給して前記電気化学反応時に生じた熱を吸
収させ、その熱吸収により加熱された冷却水を水蒸気と
水とに分離し、分離された水を冷却板に再度供給する冷
却水循環供給手段と、前記分離された水蒸気を前記ガス
タービン発電機に供給する水蒸気供給手段を備えてい
る。
【００２２】請求項７記載の複合発電プラントでは、前
記水蒸気供給手段は、前記改質器の改質作用に用いられ
て当該改質器から排出された排ガスと前記分離された水
蒸気とを熱交換する熱交換手段と、熱交換により加熱さ
れた加熱水蒸気の内の少なくとも一部を前記ガスタービ
ン発電機に供給する加熱水蒸気供給手段とを備えてい
る。
【００２３】請求項８記載の複合発電プラントでは、前
記ガスタービン発電機は、発電機と、この発電機の動力
エネルギーを生成するタービン本体と、外空気を圧縮し
て高圧ガスを生成するコンプレッサと、前記高圧ガス、
前記未反応改質ガス、前記分岐された一部の燃料ガス、
及び前記水蒸気を燃焼させて高圧燃焼ガスを生成し、こ
の高圧燃焼ガスを前記タービン本体に供給して当該ター
ビン本体を駆動させる燃焼器とを備え、前記タービン本
体の駆動により排出された排出ガスを前記改質手段に供
給するように構成される一方、前記コンプレッサの圧縮
比を通常のガスタービン発電機が有するコンプレッサの
圧縮比よりも低く設定している。
【００２４】請求項９記載の複合発電プラントでは、前
記燃料極に供給された燃料ガスと前記燃料極から排出さ
れた未反応改質ガスとの比を表す燃料利用率を、通常の
燃料電池本体の燃料利用率よりも低く設定している。
【００２５】請求項１０記載の複合発電プラントでは、
前記改質器から排出された排ガスと前記コンプレッサか
ら前記燃焼器へ送られる高圧ガス、前記燃料極から前記
燃焼器へ送られる未反応水素ガス、及び前記分岐された
燃料ガスの一部の内の少なくとも一方とを熱交換する熱
交換手段を備え、熱交換により加熱された高圧ガス、未
反応改質ガス、及び分岐された一部の燃料ガスの内の少
なくとも一方を前記燃焼器に送るようにしている。
【００２６】請求項１１記載の複合発電プラントでは、
前記タービン本体の駆動により排出された排出ガスを燃
焼する燃焼器を備え、この燃焼器により燃焼された排出
ガスを前記改質器に送るようにしている。
【００２７】請求項１２記載の複合発電プラントでは、
前記燃料極から前記ガスタービン発電機へ前記未反応改
質ガスを供給する未反応改質ガス供給ラインを設け、こ
のライン上に当該未反応ガスを昇圧する昇圧コンプレッ
サを設けている。
【００２８】請求項１３記載の複合発電プラントでは、
前記分岐供給手段は、前記改質手段に供給される燃料ガ
スの一部を分岐して前記ガスタービン発電機へ接続する
分岐ラインと、この分岐ライン上に設けられ当該分岐さ
れた一部の燃料ガスを昇圧させる昇圧コンプレッサとを
備えている。
【００２９】請求項１４記載の複合発電プラントでは、
熱エネルギーを回収して温熱利用する熱回収装置を備
え、前記加熱水蒸気供給手段は、前記熱交換により加熱
された加熱水蒸気内の所要量を前記ガスタービン発電機
に供給し、残りの加熱水蒸気を前記熱回収装置に供給す
る併給手段を備えている。
【００３０】請求項１５記載の複合発電プラントでは、
前記燃料電池本体はリン酸型燃料電池本体である。
【００３１】本発明によれば、燃料極から排出された未
反応改質ガスは、エネルギー発生装置（例えばガスター
ビン発電機）に送られて燃焼され、その燃焼ガスにより
発電エネルギー等のエネルギーが発生される。そして、
燃焼の結果排出された排出ガスは改質器に送られて、燃
料ガスとの熱交換に基づく改質作用に利用される。
【００３２】したがって、未反応水素ガスが有する高温
燃焼エネルギーを最大限に利用することができるため、
従来の例えば加圧式燃料電池発電システム等を越えた発
電効率を有する燃料電池発電システム及び複合発電プラ
ントを提供できる。
【００３３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。
【００３４】（第１実施形態）本実施形態に係わる常圧
式燃料電池発電システムの構成を図１に示す。図１によ
れば、常圧式燃料電池発電システム１は、例えば電解質
にリン酸水溶液を用いた燃料電池本体（リン酸型燃料電
池本体）２を有する燃料電池発電部３と、未反応状態で
燃料電池本体２から排出された水素ガスに基づいて電気
エネルギーを発電するガスタービン発電機４とを備えて
おり、本システムは、燃料電池発電部３とガスタービン
発電機４とを複合させた複合発電プラントとして構成さ
れている。
【００３５】本実施形態の燃料電池本体２による発電で
は、燃料ガスとして例えば当該発電システム設置場所近
辺のガス会社等から送られる天然ガス（都市ガス）を用
いている。すなわち、燃料電池発電部３は、ガス会社か
らガス供給ライン１０を介して送られた燃料ガス（都市
ガス）を昇圧させるエゼクタ１１と、このエゼクタ１１
により昇圧された都市ガスを改質して改質ガス（水素ガ
ス）を生成出力する改質器１２と、この改質器１２によ
り生成された水素ガス中に含まれる一酸化炭素（ＣＯ）
の濃度を０．５％以下とする一酸化炭素変成器１３とを
備えている。
【００３６】この一酸化炭素変成器１３から出力された
水素ガスは、燃料電池本体２の燃料極２ａに供給され
る。一方、燃料電池本体２の空気極２ｂには、送風ブロ
ア１４を介して空気が供給されるようになっている。
【００３７】燃料電池本体２は、上述した燃料極２ａと
空気極２ｂ，及び図示しない電解質層等を備えた積層構
造の単電池（セルともいう）を多数積層してスタックを
形成し、このスタックを多数配列して大容量の電池本体
を構成している。
【００３８】複数スタック構造の燃料電池本体２の各単
電池では、従来例で述べたように、燃料極２ａで生成さ
れた水素ガスに基づく水素イオンと空気極２ｂで生成さ
れた空気に基づく酸素イオンとが電気化学反応して水が
生成されるとともに、両極間で直流電気が発生する。発
生した直流電気は、インバータ等を備えた直交変換装置
１５により直交変換されて交流電気が生成され、各変電
所等に送られるようになっている。
【００３９】また、このような複数スタック構造の燃料
電池本体２においては、複数スタック毎に冷却板２ｃが
設けられ（通常、燃料電池全体で４〜７枚程度）、この
冷却板２ｃに冷却水（この温度を電池冷却水温度とい
う）を通すことにより、燃料電池本体２の発電時に生じ
た熱を吸収冷却するようになっている。この吸収冷却に
より加熱された冷却水は、蒸気分離器１６に送られて水
と蒸気に分離され、分離された水は、冷却水循環ポンプ
１７により冷却板２ｃに戻されるようになっている。
【００４０】ところで、上述した電気化学反応では、燃
料電池本体２の腐食等を防止して燃料電池自体の安定性
を増加させるために、ある程度の水素ガスは、未反応ま
ま残留する。なお、通常の燃料電池本体２では、水素ガ
スの利用率Ｕ（燃料極の入口水素ガス量と燃料極の出口
水素ガス量との比）は、通常のリン酸型燃料電池発電シ
ステムの値（８０≦Ｕ（％）≦８５）に設定されてい
る。
【００４１】そして、本システムのガスタービン発電機
４は、この未反応状態で燃料極出口１８から排出された
燃焼温度が約１２５０℃の水素ガスに基づいて電気エネ
ルギーを発電するように構成されている。
【００４２】すなわち、ガスタービン発電器４は、１本
の軸に取り付けられたタービン本体２０、コンプレッサ
（圧縮機）２１、及び発電機（Ｇ）２２と、タービン本
体２０駆動用の燃焼ガスを生成する燃焼器２３とを備え
ている。
【００４３】このガスタービン発電機４によれば、コン
プレッサ２１は、空気供給ライン２４を介して外空気を
取り入れて、圧縮するようになっている。このとき、コ
ンプレッサ２１の圧縮比Ｃは、ガスタービン発電機の通
常の圧縮比Ｃn （１０atg ＜Ｃn ≦３０atg ）よりも低
い値（３atg ≦Ｃ≦１０atg ）に設定されている。圧縮
されたガスは、燃焼器２３に送られる。
【００４４】一方、燃料極出口１８から排出された未反
応水素ガスは、排出水素ガス用ライン２５を介して案内
され、途中昇圧コンプレッサ２６により昇圧されてガス
タービン発電機４の燃焼器２３に送られる。燃焼器２３
は、送られた未反応水素ガス及び圧縮ガス等を燃焼させ
て高圧燃焼ガスを生成し、この高圧燃焼ガスをタービン
本体２０に送る。
【００４５】タービン本体２０は送られた高圧燃焼ガス
に基づいて駆動して動力を生成し、この動力により発電
機２２が駆動して発電が行なわれる。
【００４６】タービン本体２０の駆動に伴って発生する
燃焼ガスは、上述したようにコンプレッサ２１の圧縮比
Ｃが通常の圧縮比Ｃn よりも低い値であるため、約８０
０〜８５０℃の温度を有しており、改質器１２の改質に
必要な温度となっている。この燃焼ガス（排出ガス）
は、排出ガスライン２８を介して改質器１２に送られる
ようになっている。
【００４７】改質器１２は、内部に改質触媒を有する所
定長の改質管３０を複数有し、エゼクタ１１から送られ
てきた都市ガスをこの改質管３０内に通すことにより、
触媒作用で改質するように構成されている。
【００４８】そして、本実施形態の改質器１２は、上述
した改質作用の発生に必要な改質管３０内の都市ガスの
温度上昇を、従来のような未反応水素ガスの燃焼により
行うのではなく、ガスタービン発電機４から改質器１２
内部に供給された排出ガスと、改質管３０を流れる都市
ガスとを熱交換させることにより行っている。
【００４９】改質器１２において改質に利用された排出
ガスは、熱交換器３１に送られる。一方、熱交換器３１
には蒸気分離器１６で分離された水蒸気が水蒸気供給ラ
イン３２を介して送られており、当該水蒸気と排出ガス
との間で熱交換が行われるようになっている。
【００５０】熱交換により排出ガスから熱エネルギーを
回収した高温の水蒸気は、図１に示すように、水蒸気供
給ライン３３を介してガスタービン発電機４の燃焼器２
３に送られて、当該ガスタービン発電機４の燃焼器２３
における助燃エネルギーとして利用される。
【００５１】また、本構成においては、図１に示すよう
に、ガス供給ライン１０から分岐して当該ガス供給ライ
ン１０とガスタービン発電機４の燃焼器２３とを接続す
る分岐ライン３５を設け、この分岐ライン３５上に昇圧
コンプレッサ３６を設置して、供給された燃料（都市ガ
ス）の一部をガスタービン発電機４の燃焼器２３に送る
ように構成されている。
【００５２】すなわち、ガス供給ライン１０を介して供
給された都市ガスの内の一部は、分岐ライン３５を介し
て分岐し、昇圧コンプレッサ３６を介して昇圧されてガ
スタービン発電機４の燃焼器２３に供給されて、当該ガ
スタービン発電機４の燃焼器２３における助燃エネルギ
ーに利用される。
【００５３】次に本構成の常圧式燃料電池発電システム
の作用について説明する。
【００５４】本構成によれば、ガス供給ライン１０を介
して供給された都市ガスの内、所定量は改質器１２に送
られて改質され、一酸化炭素変成器１３を介して水素ガ
スとして燃料電池本体２の燃料極２ａに送られる。ま
た、残りの都市ガスは、分岐ライン３５及び昇圧コンプ
レッサ３６を介してガスタービン発電機４に送られる。
【００５５】燃料電池本体２においては、燃料極２ａに
送られた水素ガスと空気極２ｂにブロア１４を介して送
られた空気との電気化学反応により直流電気が生成さ
れ、直交変換装置１５を介して交流電気として出力され
る。
【００５６】このとき、燃料電池本体２の燃料極２ａか
ら排出された未反応水素は、燃焼により約１２５０℃の
高温熱エネルギーを有しているため、この熱エネルギー
の内の高温領域を主に利用してガスタービン発電機４を
駆動して発電を行ない、残りの温度領域（約８００℃〜
８５０℃）を改質器１２の改質に利用している。
【００５７】すなわち、ガスタービン発電機４では、燃
料極出口１８から送られた未反応水素ガス、コンプレッ
サ２１から送られた圧縮ガス、助燃エネルギーとして分
岐ライン３５を介して送られた都市ガス、及び助燃エネ
ルギーとして蒸気分離器１６から熱交換器３１及び水蒸
気供給ライン３２，３３を介して送られた高質の水蒸気
が燃焼器２３により燃焼されてタービン本体２０駆動用
の動力エネルギーが生成され、この動力エネルギーに基
づいてタービン本体２０が駆動して発電機（Ｇ）により
発電が行なわれる。
【００５８】そして、タービン本体２０の駆動に伴って
発生した燃焼ガスは、排出ガスライン２８を介して改質
器１２に排出される。このとき、排出ガスは、改質器１
２の改質作用に十分な約８００〜８５０℃の温度の熱エ
ネルギーを有しているため、当該改質器１２へ送られた
都市ガスとの間で熱交換される。この結果、都市ガスが
改質される。
【００５９】改質に利用された排出ガスは、熱交換器３
１を介して上述した水蒸気と熱交換され、さらに熱エネ
ルギーが回収された後排気される。
【００６０】ここで、都市ガスの総量（エネルギー）を
１００％とした場合の本構成の燃料電池発電システム１
のエネルギーバランスを図２に示す。
【００６１】図２によれば、都市ガス（１００％）中の
６５％が燃料電池発電部３（図２ではＦＣと略記する）
に投入され、３５％がタービン発電機４（図２ではＴ／
Ｇと略記する）に投入されている。この都市ガス（６５
％）に基づいて、燃料電池発電部３の直流端（ＤＣ端）
では２８．９％の電気エネルギーが得られ、以下、燃料
電池発電部３の発電端交流出力（発端ＡＣ）では２８．
０％、燃料電池発電部３の送電端出力（送端ＡＣ）では
２７．９％の電気エネルギーが得られる。なお、ＩＮＶ
損失とは直交変換装置１５のインバータ（ＩＮＶ）にお
ける損失のことであり、補機損失とは図示しない補機部
分の損失である。
【００６２】一方、燃料極出口１８からは、都市ガスの
エネルギー（１００％）中１８．９％が未反応水素ガス
（燃料極オフガス）として出力され、この未反応水素ガ
スがガスタービン発電機４に送られており（図中（１）
参照）、また、蒸気分離器１６から全体の３２．３％の
水蒸気がガスタービン発電機４に送られている（図中
（２）参照）。
【００６３】そして、ガスタービン発電機４では、上述
した３５％の都市ガス、１８．９％の燃料極オフガス、
及び３２．３％の水蒸気に基づいて発電が行なわれ、タ
ービン発電機発電端（Ｔ／Ｇ発端）で２０．４％の電気
エネルギー、タービン発電機送電端（Ｔ／Ｇ送電端）で
１９．０％の電気エネルギーが得られる。なお、空気Ｃ
ｏｍｐ動力とは、ガスタービン発電機４のコンプレッサ
２１の動力エネルギーである。
【００６４】また、１５．５％のガスタービン発電機４
の排ガス（Ｔ／Ｇ排ガス）は、燃料電池発電部３の改質
器１２に送られている（図中（３）参照）。
【００６５】図２によれば、燃料極出口１８から排出さ
れた未反応水素ガス（燃料極オフガス）が有するエネル
ギー及び蒸気分離器１６から送られた水蒸気が有するエ
ネルギーを最大限に利用してガスタービン発電機４の発
電効率を高めるとともに、ガスタービン発電機４から送
られた排出ガスが有するエネルギーを最大限に利用し
て、燃料電池発電部３の発電効率を高めていることが分
かる。
【００６６】すなわち、本実施形態では、燃料極２ａか
ら排出された未反応水素が有する燃焼温度が約１２５０
℃の高温熱エネルギーを、発電、改質、及び熱交換と非
常に効率良く利用しているため、全体の発電効率を飛躍
的に向上させることができる。
【００６７】ここで、図３に本構成の燃料電池発電シス
テム１において設定される電池冷却水温度や燃焼器２３
出口排ガス温度等のパラメータの値を示すとともに、そ
のパラメータ値を有するシステムで得られた発電端効
率、及び送電端効率等を示す。なお、図３中Ａは、図１
の構成に基づく燃料電池発電システム、Ｂは、図１の構
成において、燃料電池本体２における冷却板２ｃの枚数
を増加させて電池冷却水温度を高く（セル温度は変えな
い）し、蒸気分離器１６での発生蒸気圧力を上昇させた
システム、そしてＣは、図１の構成において各パラメー
タ値を最大限に上昇させたシステムをそれぞれ示してい
る。なお、図３中Ｓ／Ｃは，エゼクタ１１におけるスチ
ーム対カーボンのモル比である。
【００６８】図３によれば、Ａのシステムでは、送電端
効率約４６．７％、発電端効率約４８．４％が得られ、
Ｂのシステムでは、送電端効率約４７．４％、発電端効
率約４９．３％が得られることが分かる。また、Ｃのシ
ステムでは、送電端効率約４７．８％、発電端効率約４
９．５％が得られることが分かる。
【００６９】続いて、図３に示した内の燃料電池発電シ
ステムＡ及び燃料電池発電システムＢで得られた発電効
率を、従来型加圧式燃料電池発電システム及び従来型常
圧式燃料電池発電システムと比較した結果を図４に示
す。なお、従来型加圧式燃料電池発電システム及び従来
型常圧式燃料電池発電システムとして、（１）コジェネ
システム（蒸気分離器で生成された蒸気を冷水製造に用
いるタイプ）と、（２）高効率システム（蒸気分離器で
生成された蒸気から蒸気タービンで動力回収するタイ
プ）とを挙げており、（２）は、タービン出口蒸気を冷
却しなければならず、多量の冷却水を必要とする。
【００７０】図４によれば、本構成の燃料電池発電シス
テム（常圧式複合発電プラント）の発電効率は、従来の
コジェネシステムの発電効率よりも大幅に向上してお
り、さらに、水蒸気から動力を回収して高発電効率化を
図っている高効率システムの発電効率よりも大幅に向上
していることが分かる。
【００７１】以上詳述したように、本実施形態の常圧式
燃料電池発電システムによれば、従来型加圧式燃料電池
発電システムや従来型常圧式燃料電池発電システムを大
幅に越えた４８〜４９％の発電効率を得ることができ
る。そして、この発電効率は、最新の高効率火力発電
（約４９％の発電効率）に匹敵するものであり、常圧式
燃料電池発電システムの性能及び実用性を飛躍的に高め
ることができる。
【００７２】特に、本構成の常圧式燃料電池発電システ
ムは、現在信頼性や発電性能等が検証されつつある常圧
式リン酸型燃料電池に適用しているため、非常に実現性
の高いものとなっている。
【００７３】また、本構成の燃料電池発電システムによ
れば、ガスタービン発電機を用いており、このガスター
ビン発電機のｋＷ当たりのコスト（約２０〜３０万円／
ｋＷ程度）及び設置スペース（約０．０５ｍ2 ／ｋＷ程
度）は、燃料電池のｋＷ当たりコスト及び設置スペース
よりも低い。したがって、ガスタービン発電機を組み込
んだ本システムは、リン酸型燃料電池発電システム単体
（目標コスト：約１０万円／ｋＷ程度，設置スペース：
０．０７〜０．１５ｍ2 ／ｋＷ程度）よりもコスト、設
置スペースを低減することができる。
【００７４】さらに、本構成の燃料電池発電システムに
よれば、従来の常圧式リン酸型燃料電池発電システムと
比べて、次の理由で運転特性が向上する。すなわち、従
来の常圧式リン酸型燃料電池発電システムでは、エゼク
タにより燃料ガス（天然ガス、都市ガス等）を昇圧／搬
送しているが、昇圧力に十分な余裕がないため、燃料電
池本体（スタック）内での適正な流量配分を実現するた
めに、燃料処理系での圧力配分設計に苦心をしいられて
いた。
【００７５】例えば、従来の常圧式リン酸型燃料電池発
電システムにおいては、エゼクタの出力圧は、「０．０
ｘ気圧程度」であり、排ガスの圧力は大気圧であるた
め、この間の燃料電池本体や熱交換器等のシステム構成
要素を介して生ずる圧損が上記大気圧と出力圧との差圧
以内でないとシステムとして運用しないため、エゼクタ
の管理に多大な注意を払わなければならなかった。
【００７６】しかしながら、本構成の燃料電池発電シス
テムによれば、燃料極出口とガスタービン発電機の燃焼
器とを接続する排出水素ガス用ラインや分岐ライン上に
昇圧コンプレッサを設置したため、エゼクタの昇圧能力
が多少落ちても、昇圧コンプレッサの吸引力で補償され
ることになり、運用性を格段に向上させることができ
る。
【００７７】そして、本構成の燃料電池発電システムに
よれば、従来のリン酸型燃料電池発電システムと比べ
て、次の理由で運転安定性が向上する。
【００７８】すなわち、従来のリン酸型燃料電池発電シ
ステムによれば、発電効率向上のために、燃料電池本体
から排出される未反応水素ガスは、改質器での燃焼に必
要な最小量に抑制されている。つまり、従来のリン酸型
燃料電池発電システムでは、燃料利用率Ｕは、「８０≦
Ｕ（％）≦８５」程度に設定されており、燃料電池本体
出口付近の水素ガスはかなり稀薄の状態で運転されてい
る。しかしながら、発電効率を維持できるのであれば、
燃料利用率Ｕを減少（例えば「Ｕ＝約７０％程度」）さ
せて水素ガスの濃度を増加させることにより燃料電池本
体の安定性を向上することが望まれている。
【００７９】この点、本構成の燃料電池発電システムに
よれば、燃料利用率Ｕを減少（例えば「Ｕ＝約７０％程
度」）させても、分岐ラインを介してガスタービン発電
機へ送られる燃料ガスをその減少率に対応する分減少さ
せて燃料ガスの燃料電池本体への供給量を増加させるこ
とにより、総合の発電効率を維持したままで燃料電池本
体を安定的に運転させることが可能になる。
【００８０】また、本構成によれば、水蒸気や燃料の一
部をタービン発電機に供給可能に構成したため、改質器
に送られる排出ガスの熱量を増大させることができる。
したがって、タービン発電機から改質器へ送られる排出
ガスの熱量が改質器における熱交換作用に必要な熱量に
満たない場合においても、水蒸気や燃料ガスの燃焼に伴
って排出ガスの熱量が増大するため、良好な改質作用を
維持することができる。なお、水蒸気及び燃料の一部の
タービン発電機への供給は、例えば未反応水素ガスに基
づいて効率良く電気エネルギーが発生し、必要な熱量の
排出ガスが改質器へ送られるのであれば、省略すること
もできる。
【００８１】さらに、本構成の燃料電池発電システムに
よれば、タービン入口温度がタービン翼の耐熱性から上
限値が制約されているため、圧縮比Ｃを（３atg ≦Ｃ≦
１０atg ）に設定して、改質器へ供給されるガスタービ
ン出口ガスの温度を改質に必要な約８００〜８５０℃に
設定している。つまり、ガスタービン発電機のコンプレ
ッサの圧縮比を通常の圧縮比Ｃn （１０atg ＜Ｃn ≦３
０atg ）より低い値に設定することが可能になる。一般
に、ガスタービンでは、タービン入口温度を極力上げ
て、且つタービン出口温度を極力下げることがその効率
向上のために必要不可欠であり、このため、高効率のガ
スタービンであればあるほど高圧縮比のコンプレッサを
有している。そして、そのような高圧縮比を有するコン
プレッサを備えたガスタービン発電機を設計、製作する
には、高度な設計技術、製造技術が必要であり、その分
高コストとなっていた。
【００８２】しかしながら、本構成のガスタービン発電
機によれば、上述した高効率ガスタービン発電機等は必
要なく、通常の圧縮比よりも低い圧縮比Ｃ（３atg ≦Ｃ
≦１０atg ）に設定されたコンプレッサを有するガスタ
ービン発電機を設計、製作すればよい。したがって、コ
ンプレッサ自体及びガスタービン発電機の設計、製作が
容易になり、設計・製作コストが低減する。
【００８３】そして、本構成の燃料電池発電システムに
よれば、蒸気分離器で分離された水蒸気をガスタービン
発電機の助燃エネルギーとして利用しているため、従来
のような電熱併給（コージェネレーション）設備を削減
することができ、システム全体のコストや設置スペース
を削減することができる。また、電熱併給を行なわない
場合では、当該燃料電池発電システムを熱需要地点近傍
に併設する必要がなくなるため、システム導入地点の選
択範囲を拡大することができる。
【００８４】一方、本構成によれば、タービン発電機か
ら排出された排出ガスと燃料ガス（都市ガス）とを熱交
換させて燃料ガスを改質させる熱交換型改質器を用いて
いるため、従来の燃焼型改質器を用いた場合と比べて次
のような利点を有している。
【００８５】すなわち、本構成の熱交換型改質器では、
従来の燃焼型改質器で必要であった燃焼部や燃焼空間等
を設ける必要がないため、従来の燃焼型改質器に比べて
その大きさを非常にコンパクトにすることができる。
【００８６】特に、本構成の改質器では、送られた排出
ガスの伝熱作用により改質しており、そのような伝熱作
用は、改質器全体の大きさがコンパクトであればあるほ
ど効率が良くなるため、コンパクト化及び伝熱性能の向
上を共に実現することができる。
【００８７】また、従来の燃焼型改質器では、未反応水
素ガスの燃焼による燃焼ガスを用いて改質しているた
め、その燃焼ガスは非常に高温（例えば１３００℃程
度）になる。したがって、従来の燃焼型改質器において
は、改質管として耐温度性の高い高級な材質の配管を用
いなければならなかった。
【００８８】しかしながら、本構成の熱交換型改質器で
は、改質に必要な一定の温度（例えば約８５０℃）の排
出ガスと都市ガス（及び触媒）との間の熱交換作用によ
り改質しているため、耐温度性の高い高級な材質の配管
を用いる必要がなく、コストの面において非常に優れて
いる。また、高温の燃焼ガスを用いていないため、従来
に比べて耐久性も向上する。
【００８９】さらに、従来の燃焼型改質器では、燃焼ガ
スに基づく輻射伝熱により改質作用を発生させていた
が、そのような燃焼ガスによる輻射伝熱では、各改質管
の温度が不均一になってしまい、燃料の転換率（メタン
転換率）が悪化する恐れがあった。しかしながら、本構
成の熱交換型改質器によれば、排出ガスの伝熱により改
質しているため、各改質管の温度を均一に上昇させるこ
とができる。このため、燃料の転換率（メタン転換率）
を高く設定することが容易になる。
【００９０】そして、従来の燃焼型改質器では、上述し
たように燃焼ガスに基づく改質管内の温度分布は非常に
不均一になるため、一部の燃焼ガスは非常に高温にな
る。したがって、そのような高温の燃焼ガスに直接改質
管が接触して改質管内のガスや触媒が傷まないように、
当該改質管における高温の燃焼ガスが接触する部分に断
熱キャップ（セラミックキャップ）を設けている。しか
しながら、本構成の熱交換型改質器では、熱交換作用に
より改質しているため、そのような非常に高温の燃焼ガ
スが発生することがなく、上述した断熱キャップを設け
る必要がないため、部品コストを減少させることができ
る。
【００９１】なお、本実施形態では、熱交換装置３１に
より熱交換により排出ガスから熱エネルギーを回収した
高温の水蒸気は、ガスタービン発電機４の助燃エネルギ
ーとして利用されたが、蒸気分離器１６で分離された全
ての水蒸気をガスタービン発電機４に供給せずに、一部
の水蒸気を電熱併給（コージェネレーション）に利用す
ることもできる。すなわち、図５に示すように、この常
圧式燃料電池発電システム４０によれば、熱交換器３１
とガスタービン発電機４の燃焼器２３とを接続する水蒸
気供給ライン３２上にバルブ４１を設け、蒸気分離器１
６で分離された水蒸気をバルブ４１を介して一方は燃焼
器２３へ、他方は熱回収装置４２に供給するように構成
することもできる。このように構成すれば、送られた水
蒸気は、熱回収装置４２により熱エネルギーとして回収
され、暖房用温水等各種の熱利用機器に利用される。
【００９２】すなわち、本構成によれば、蒸気分離器１
６で分離された高質の水蒸気を熱併給にも利用すること
ができ、しかも、発電及び熱併給の兼用機能がシステム
構成を変えることなく（バルブ４１を追加するのみ）実
現することができる。また、バルブ４１の絞りを制御す
ることにより、熱回収装置４２へ送られる水蒸気量を連
続的に変化することも可能である。
【００９３】続いて、図１に示した燃料電池発電システ
ムの変形例を図６に示す。この燃料電池発電システム５
０によれば、図６に示すように、ガスタービン発電機４
のコンプレッサ２１により燃焼器２３へ送られた圧縮ガ
スと改質器１２から熱交換器３１へ送られた排出ガスと
を熱交換させる熱交換器５１を設けている。なお、その
他の構成は図１の構成と略同等であるため、その説明は
省略する。
【００９４】このように構成すれば、燃焼器２３に送ら
れる圧縮ガスは、熱交換器５１を介して加熱されるた
め、その加熱圧縮ガスが有する熱エネルギーにより燃焼
器２３で生成される高圧燃焼ガスのエネルギーが増大す
る。したがって、タービン本体２０の動力エネルギーが
増大し、ガスタービン発電機４及びシステム全体の発電
効率を向上させることができる。
【００９５】さらに、図１に示した燃料電池発電システ
ムの変形例を図７及び図８に示す。図７に示した燃料電
池発電システム５３によれば、分岐ライン３５を介して
ガスタービン発電機４の燃焼器２３へ送られた都市ガス
と改質器１２から熱交換器３１へ送られた排出ガスとを
熱交換させる熱交換器５４を設けている。また、類似し
た変形例として、図８に示した燃料電池発電システム５
５によれば、燃料極出口１８から排出され、排出水素ガ
ス用ライン２５を介してガスタービン発電機４の燃焼器
２３へ送られた未反応水素ガスと改質器１２から熱交換
器３１へ送られた排出ガスとを熱交換させる熱交換器５
６を設けている。なお、その他の構成は図１の構成と略
同等であるため、その説明は省略する。
【００９６】このように構成すれば、燃焼器２３に送ら
れる都市ガス又は未反応水素ガスは、熱交換器５４又は
５６を介して加熱されるため、その加熱都市ガス又は加
熱未反応水素ガスが有する熱エネルギーにより燃焼器２
３で生成される高圧燃焼ガスのエネルギーが増大する。
したがって、タービン本体２０の動力エネルギーが増大
し、ガスタービン発電機４及びシステム全体の発電効率
を向上させることができる。
【００９７】さらにまた、図１に示した燃料電池発電シ
ステムの変形例を図９に示す。図９に示した燃料電池発
電システム６０によれば、排出ガスライン２８の途中
に、タービン本体２０から排出され、排出ガスライン２
８を介して案内された排出ガスを燃焼して改質器１２へ
送る燃焼器６１を設けている。この燃焼器６１の燃焼エ
ネルギーは、図９に示すように改質器１２により改質さ
れた改質ガス（水素ガス）を改質ガス供給ライン６２を
介して供給してもよく、また、直接燃料ガス（都市ガ
ス）を供給してもよい。なお、その他の構成は図１の構
成と略同等であるため、その説明は省略する。
【００９８】この図９の構成は、例えば、タービン本体
２０から排出された排出ガスの温度は、改質器１２の改
質作用に必要な温度（約８００℃〜８５０℃）を満たさ
ない場合に適用される。すなわち、この構成によれば、
タービン本体２０から排出された排出ガスの温度が上記
約８００℃〜８５０℃に満たない場合であっても、その
排出ガスは、一度燃焼器６１を介して燃焼され、上記約
８００℃〜８５０℃あるいはその範囲を越える温度まで
温度上昇してから改質器１２へ送られるため、良好な改
質作用が得られる。
【００９９】なお、上述した図５〜図９の各構成は、互
いに組み合わせて実現することも当然可能である。
【０１００】また、本実施形態によれば、蒸気分離器に
より分離された水蒸気を改質器の排ガスと熱交換してか
らガスタービン発電機に供給したが、本発明はこれに限
定されるものではなく、水蒸気を直接ガスタービン発電
機に供給することもできる。
【０１０１】さらに、本構成の燃料電池発電システムで
は、ガスタービン発電機のような発電プラントではな
く、その未反応水素ガスを用いて例えば熱エネルギー等
の他のエネルギー発生装置を用いることもできる。
【０１０２】すなわち、図１０に示す常圧式燃料電池発
電システム６５は、ガスタービン発電機４の代わりに、
エネルギー発生装置６６を設けている。なお、その他の
構成は図１の構成と略同等であるため、その説明は省略
する。
【０１０３】このエネルギー発生装置６６は、上述した
未反応水素ガス、水蒸気供給ライン３３を介して供給さ
れる水蒸気、及び分岐ラインを介して送られる都市ガス
等を燃焼させて例えば動力エネルギーを生成し、この動
力エネルギーから電気エネルギー等のエネルギーを生成
する。そして、その燃焼の結果得られた排ガス（８００
℃〜８５０℃）を改質器１２へ送るように構成されてい
る。このように構成すれば、システム全体の発電効率は
燃料電池本体のみとなるため減少するが、反面、他のエ
ネルギーを生成し、そのエネルギーを有効に利用するこ
とができる。また、熱交換型改質器を用いることができ
るため、熱交換型改質器を用いることによる上述した様
々な利点を享受することができる。
【０１０４】なお、本実施形態では、改質器を熱交換型
改質器としたが、従来の燃焼型改質器を用いることも当
然可能である。
【０１０５】また、本実施形態では、本発明を常圧式リ
ン酸型燃料電池発電システムに適用した場合について説
明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例
えば、常圧式溶融炭酸塩型燃料電池発電システムや常圧
式固体電解質型燃料電池発電システム等各種の燃料電池
発電システムについても適用可能である。
【０１０６】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の燃料電池発
電システム及び複合発電プラントによれば、燃料電池本
体から排出される未反応改質ガスが有する高温燃焼エネ
ルギーを電気エネルギーや改質作用等に最大限且つ効率
良く利用することができるため、従来型加圧式燃料電池
発電システムや従来型常圧式燃料電池発電システムを大
幅に越えた発電効率を得ることができる。この結果、燃
料電池発電システムの性能及び実用性を飛躍的に高める
ことができる。
【０１０７】また、本発明の燃料電池発電システム及び
複合発電プラントは、常圧式リン酸型燃料電池に適用す
ることが可能であるため、実現性が非常に高いシステム
となっている。
【０１０８】さらに、本発明のガスタービン発電機を用
いた複合発電プラントによれば、例えばリン酸型燃料電
池発電システム単体よりもコスト、設置スペースを低減
することができるため、非常に実用性の高いプラントと
なる。
【０１０９】特に、本発明の複合発電プラントによれ
ば、未反応改質ガス供給ライン上、あるいは分岐ライン
上に昇圧コンプレッサを設けることができるため、シス
テム全体の昇圧能力が低下しても昇圧コンプレッサで補
うことができ、システムの運用性が向上する。
【０１１０】また、本発明の複合発電プラントによれ
ば、燃料電池本体の燃料利用率を通常の燃料電池本体の
利用率よりも低下させても、その低下分に対応して燃料
ガスの分岐量を低減させることにより、発電効率を維持
したままでシステムを安定的に運転させることができ
る。
【０１１１】一方、本発明の燃料電池発電システム及び
複合発電プラントによれば、タービン発電機（エネルギ
ー発生装置）から排出された排出ガスと燃料ガスとを熱
交換させて燃料ガスを改質させる熱交換型改質器を用い
ることができるため、従来の燃焼型改質器に比べて、非
常にコンパクトに設計することができる。また、耐温度
性設計が緩和されること等から設計が容易になり、製造
コストの減少及び耐久性の向上等を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係わる常圧式燃料電池発電
システムの概略構成を示すブロック図。
【図２】本実施形態の常圧式燃料電池発電システムのエ
ネルギーバランスを示す図。
【図３】本実施形態の常圧式燃料電池発電システムにお
けるパラメータ値及びそのパラメータ値において得られ
たシステムの発電効率値等を示す図。
【図４】図３に示した内の燃料電池発電システムＡ及び
燃料電池発電システムＢで得られた発電効率を従来型加
圧式燃料電池発電システム及び従来型常圧式燃料電池発
電システムと比較した結果を示す図。
【図５】本実施形態の常圧式燃料電池発電システムの変
形例を示すブロック図。
【図６】本実施形態の常圧式燃料電池発電システムの変
形例の概略構成を示すブロック図。
【図７】本実施形態の常圧式燃料電池発電システムの変
形例の概略構成を示すブロック図。
【図８】本実施形態の常圧式燃料電池発電システムの変
形例の概略構成を示すブロック図。
【図９】本実施形態の常圧式燃料電池発電システムの変
形例の概略構成を示すブロック図。
【図１０】本実施形態の常圧式燃料電池発電システムの
変形例の概略構成を示すブロック図。
【図１１】従来の常圧式燃料電池発電システムの概略構
成を示すブロック図。
【符号の説明】
１、４０、５０、５３、５５、６５ 常圧式燃料電池発
電システム ２ 燃料電池本体 ２ａ 燃料極 ２ｂ 空気極 ２ｃ 冷却板 ３ 燃料電池発電部 ４ ガスタービン発電機 １０ ガス供給ライン １１ エゼクタ １２ 改質器 １３ 一酸化炭素変成器 １４ ブロア １６ 蒸気分離器 １７ 冷却水循環ポンプ １８ 燃料極出口 ２０ タービン本体 ２１ コンプレッサ ２２ 発電機 ２３、６１ 燃焼器 ２４ 空気供給ライン ２５ 排出ガス供給ライン ２６、３６ 昇圧コンプレッサ ２８ 排出ガスライン ３０ 改質管 ３１、５１、５４、５２、５６ 熱交換器 ３２、３３ 水素蒸気供給ライン ３５ 分岐ライン ４１ バルブ ４２ 熱回収装置 ６２ 改質ガス供給ライン ６６ エネルギー発生装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｍ 8/00 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｇ 8/06 Ｂ６３Ｈ 21/26 Ｅ

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料極と空気極とを有する燃料電池本体
    と、燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質手段と
    を備え、前記燃料極に供給された改質ガスと前記空気極
    に供給された空気とを電気化学反応させて電気エネルギ
    ーを発生する燃料電池発電システムにおいて、 前記空気と反応せずに前記燃料極から排出された未反応
    改質ガスを燃焼させてエネルギーを発生させるエネルギ
    ー発生手段と、前記燃焼により排出された排出ガスを前
    記改質手段に供給する排出ガス供給手段とを備え、 前記改質手段は、前記燃料ガスと前記排出ガスとを熱交
    換して当該燃料ガスを改質する熱交換型改質器を備えた
    ことを特徴とする燃料電池発電システム。
  2. 【請求項２】 前記熱交換型改質器は、前記燃料ガスを
    通して改質作用を発生させる改質管を有し、前記改質管
    を、燃焼型改質器の改質管よりも耐温度性の低い材質で
    生成した請求項１記載の燃料電池発電システム。
  3. 【請求項３】 燃料極と空気極とを有する燃料電池本体
    及び燃料ガスを改質して改質ガスを生成する改質手段を
    備え、前記燃料極に供給された改質ガスと前記空気極に
    供給された空気とを電気化学反応させて電気エネルギー
    を発生する燃料電池発電システムと、前記空気と反応せ
    ずに前記燃料極から排出された未反応改質ガスを燃焼さ
    せ、その燃焼ガスに基づいて電気エネルギーを発生する
    ガスタービン発電機と、前記燃焼により排出された排出
    ガスを前記改質手段に供給する排出ガス供給手段とを備
    えたことを特徴とする複合発電プラント。
  4. 【請求項４】 前記改質手段は、前記燃料ガスと前記排
    出ガスとを熱交換させて当該燃料ガスを改質する熱交換
    型改質器を備えた請求項３記載の複合発電プラント。
  5. 【請求項５】 前記改質手段に供給される燃料ガスの一
    部を分岐して前記ガスタービン発電機に供給する分岐供
    給手段を備えた請求項４記載の複合発電プラント。
  6. 【請求項６】 前記燃料電池本体は冷却板を有するとと
    もに、前記冷却板に冷却水を供給して前記電気化学反応
    時に生じた熱を吸収させ、その熱吸収により加熱された
    冷却水を水蒸気と水とに分離し、分離された水を冷却板
    に再度供給する冷却水循環供給手段と、前記分離された
    水蒸気を前記ガスタービン発電機に供給する水蒸気供給
    手段を備えた請求項５記載の複合発電プラント。
  7. 【請求項７】 前記水蒸気供給手段は、前記改質器の改
    質作用に用いられて当該改質器から排出された排ガスと
    前記分離された水蒸気とを熱交換する熱交換手段と、熱
    交換により加熱された加熱水蒸気の内の少なくとも一部
    を前記ガスタービン発電機に供給する加熱水蒸気供給手
    段とを備えた請求項６記載の複合発電プラント。
  8. 【請求項８】 前記ガスタービン発電機は、発電機と、
    この発電機の動力エネルギーを生成するタービン本体
    と、外空気を圧縮して高圧ガスを生成するコンプレッサ
    と、前記高圧ガス、前記未反応改質ガス、前記分岐され
    た一部の燃料ガス、及び前記水蒸気を燃焼させて高圧燃
    焼ガスを生成し、この高圧燃焼ガスを前記タービン本体
    に供給して当該タービン本体を駆動させる燃焼器とを備
    え、前記タービン本体の駆動により排出された排出ガス
    を前記改質手段に供給するように構成される一方、 前記コンプレッサの圧縮比を通常のガスタービン発電機
    が有するコンプレッサの圧縮比よりも低く設定した請求
    項７記載の複合発電プラント。
  9. 【請求項９】 前記燃料極に供給された燃料ガスと前記
    燃料極から排出された未反応改質ガスとの比を表す燃料
    利用率を、通常の燃料電池本体の燃料利用率よりも低く
    設定した請求項８記載の複合発電プラント。
  10. 【請求項１０】 前記改質器から排出された排ガスと前
    記コンプレッサから前記燃焼器へ送られる高圧ガス、前
    記燃料極から前記燃焼器へ送られる未反応水素ガス、及
    び前記分岐された一部の燃料ガスの内の少なくとも一方
    とを熱交換する熱交換手段を備え、熱交換により加熱さ
    れた高圧ガス、未反応改質ガス、及び分岐された燃料ガ
    スの一部の内の少なくとも一方を前記燃焼器に送るよう
    にした請求項７乃至９の内の何れか１項記載の複合発電
    プラント。
  11. 【請求項１１】 前記タービン本体の駆動により排出さ
    れた排出ガスを燃焼する燃焼器を備え、この燃焼器によ
    り燃焼された排出ガスを前記改質器に送るようにした請
    求項７乃至１０の内の何れか１項記載の複合発電プラン
    ト。
  12. 【請求項１２】 前記燃料極から前記ガスタービン発電
    機へ前記未反応改質ガスを供給する未反応改質ガス供給
    ラインを設け、このライン上に当該未反応改質ガスを昇
    圧する昇圧コンプレッサを設けた請求項３乃至１１の内
    の何れか１項記載の複合発電プラント。
  13. 【請求項１３】 前記分岐供給手段は、前記改質手段に
    供給される燃料ガスの一部を分岐して前記ガスタービン
    発電機へ接続する分岐ラインと、この分岐ライン上に設
    けられ当該分岐された一部の燃料ガスを昇圧させる昇圧
    コンプレッサとを備えた請求項３乃至１２の内の何れか
    １項記載の複合発電プラント。
  14. 【請求項１４】 熱エネルギーを回収して温熱利用する
    熱回収装置を備え、前記加熱水蒸気供給手段は、前記熱
    交換により加熱された加熱水蒸気内の所要量を前記ガス
    タービン発電機に供給し、残りの加熱水蒸気を前記熱回
    収装置に供給する併給手段を備えた請求項７記載の複合
    発電プラント。
  15. 【請求項１５】 前記燃料電池本体はリン酸型燃料電池
    本体である請求項３乃至１４の内何れか１項記載の複合
    発電プラント。
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