發電系統及發電系統中的燃料電池的啟動方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種發電系統及發電系統中的燃料電池的啟動方法，其中，該發電系統由燃料電池、燃氣輪機以及蒸汽輪機組合而成。
【背景技術】
[0002]眾所周知，固體氧化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下稱為S0FC)是一種用途較廣的高效率燃料電池。在該SOFC中，為了提高離子傳導率而提高了工作溫度，因此，能夠將從燃氣輪機的壓縮機噴出的空氣用作供應至空氣極側的空氣(氧化劑)。另外，SOFC能夠將無法利用的高溫燃料用作燃氣輪機的燃燒器的燃料。
[0003]因此，例如正如下述專利文獻I所述，作為能夠實現高效率發電的發電系統，提出了各種由S0FC、燃氣輪機以及蒸汽輪機組合而成的發電系統。該專利文獻I所述的聯合系統設有SOFC和燃氣輪機，其中，該燃氣輪機具有燃氣輪機燃燒器和壓縮機，燃氣輪機燃燒器中燃燒從該SOFC排出的廢燃氣和排出空氣，壓縮機將空氣壓縮后供應S0FC。
[0004]現有技術文獻
[0005]專利文獻
[0006]專利文獻1:日本專利特開2009-205930號公報發明概要
[0007]發明擬解決的問題
[0008]在上述以往的發電系統中，啟動SOFC時，會通過將利用燃氣輪機的壓縮機壓縮的空氣的一部分供應至SOFC來對該SOFC進行加壓。此時，供應至SOFC的壓縮空氣被用來對SOFC進行加壓，因此不能返回到燃氣輪機的燃燒器內。因此，燃燒器中，燃燒用空氣會出現不足，燃燒氣體會變為高溫，燃燒器或渦輪機中，冷卻用空氣會出現不足，難以實現充分的冷卻。
[0009]本發明為解決上述問題開發而成，其目的在于提供一種發電系統以及發電系統中的燃料電池的啟動方法，其能夠防止燃料電池啟動時燃氣輪機中的空氣不足，從而能夠穩定地啟動。
[0010]解決問題的方法
[0011]為實現上述目的，本發明的發電系統的特征在于，具有:燃料電池；燃氣輪機，其具有壓縮機和燃燒器；入口導葉，其設置在所述壓縮機的空氣吸入口 ；第I壓縮空氣供應管線，其將利用所述壓縮機壓縮的壓縮空氣供應至所述燃燒器；第2壓縮空氣供應管線，其將利用所述壓縮機壓縮的壓縮空氣的至少一部分供應至所述燃料電池；開關閥，其設置在所述第2壓縮空氣供應管線上；以及控制部，其在啟動所述燃料電池時打開所述開關閥，同時將所述入口導葉的開度控制為大于預先設定的基準開度。
[0012]因此，啟動燃料電池時，在打開第2壓縮空氣供應管線的開關閥的同時，使燃氣輪機壓縮機的入口導葉的開度大于基準開度。于是，啟動燃料電池時，燃氣輪機壓縮機能夠吸入更多的空氣，將壓縮空氣總量中的規定量送至燃燒器，并將剩余的壓縮空氣送至燃料電池。因此，此時燃燒器和渦輪機不會發生壓縮空氣不足，能夠抑制燃氣輪機的空氣不足，可穩走地啟動。
[0013]根據本發明的發電系統，其特征在于，所述開關閥是可調節流量的控制閥，所述控制部實施如下控制，即在啟動所述燃料電池時，將所述開關閥打開至小于全開狀態的初始開度，同時將所述入口導葉的開度打開至大于所述燃氣輪機正常運轉時的規定開度。
[0014]因此，啟動燃料電池時，通過將設置在第2壓縮空氣供應管線上的開關閥設為控制閥，僅需調節這一個控制閥的開度，即可調節供應至燃料電池的壓縮空氣的供應量，能夠簡化構造、降低成本。
[0015]根據本發明的發電系統，其特征在于，所述開關閥構成為:并列設置著打開時的通過流量較大的第I開關閥以及通過流量較小的第2開關閥，所述控制部實施如下控制，即在啟動所述燃料電池時，將所述第I開關閥設為閉合狀態，將所述第2開關閥設為打開狀態，同時將所述入口導葉的開度打開至大于所述燃氣輪機正常運轉時的規定開度。
[0016]因此，通過將設置在第2壓縮空氣供應管線上的開關閥設為通過流量不同的2個開關閥，僅需打開第I開關閥和第2開關閥中的一個閥并關閉另一個閥，即可調節供應至燃料電池的壓縮空氣的供應量，能夠簡化流量控制、降低成本，并且能夠迅速地切換流量控制。
[0017]根據本發明的發電系統，其特征在于，設有對利用所述壓縮機壓縮的壓縮空氣的壓力進行檢測的第I檢測器，以及對所述第2壓縮空氣供應管線上所述開關閥的所述燃料電池側的壓力進行檢測的第2檢測器，所述控制部實施如下控制，即當由所述第2檢測器檢測出的第2壓力達到由所述第I檢測器檢測出的第I壓力后，增大所述開關閥的開度，同時將所述入口導葉的開度恢復至所述基準開度。
[0018]因此，通過在燃料電池側的第2壓力達到利用壓縮機壓縮的壓縮空氣的第I壓力后，增大開關閥的開度，同時將入口導葉的開度恢復至基準開度，能夠將供應至燃燒器的壓縮空氣的供應量維持固定。
[0019]根據本發明的發電系統，其特征在于，所述控制部實施如下控制，即隨著由所述第2檢測器檢測出的第2壓力接近由所述第I檢測器檢測出的第I壓力，使所述入口導葉的開度向所述基準開度減小。
[0020]因此，通過隨著燃料電池側的第2壓力接近利用壓縮機壓縮的壓縮空氣的第I壓力，使入口導葉的開度向基準開度減小，能夠逐漸降低供應至燃料電池側的壓縮空氣的供應量，使第2壓力高精度地達到第I壓力，并且能夠高精度地實施壓縮空氣的供應控制。
[0021]此外，本發明的發電系統中的燃料電池的啟動方法，其特征在于，具有:將利用燃氣輪機壓縮機壓縮的壓縮空氣供應至燃氣輪機燃燒器的工序；將利用燃氣輪機壓縮機壓縮的壓縮空氣的一部分供應至燃料電池的工序；使設置在所述燃氣輪機壓縮機的空氣吸入口的入口導葉的開度大于預先設定的基準開度的工序；以及在所述燃料電池的壓力達到利用所述燃氣輪機壓縮機壓縮的壓縮空氣的壓力后，增大所述開關閥的開度，同時將所述入口導葉的開度恢復至所述基準開度的工序。
[0022]因此，啟動燃料電池時，燃燒器和渦輪機不會發生壓縮空氣不足，能夠抑制燃氣輪機的空氣不足，可穩定地啟動。
[0023]此外，本發明的發電系統中，其特征在于，具有:燃氣輪機，其具有壓縮機和燃燒器；第I壓縮空氣供應管線，其將利用所述壓縮機壓縮的壓縮空氣供應至所述燃燒器；燃料電池，其具有空氣極和燃料極；第2壓縮空氣供應管線，其將利用所述壓縮機壓縮的壓縮空氣的至少一部分供應至所述空氣極；第I開關閥，其設置在所述第2壓縮空氣供應管線上；壓縮空氣供應部，其連接在所述第2壓縮空氣供應管線上所述第I開關閥的所述燃料電池偵h以及控制部，其在啟動所述燃料電池時閉合所述第I開關閥，驅動所述壓縮空氣供應部。
[0024]因此，可設置能夠與燃氣輪機壓縮機分開單獨驅動的壓縮空氣供應部，在啟動燃料電池時驅動壓縮空氣供應部。于是，啟動燃料電池時，將利用燃氣輪機壓縮機壓縮的壓縮空氣全部送至燃燒器，將利用壓縮空氣供應部壓縮的壓縮空氣全部送至燃料電池。因此，此時燃燒器和渦輪機不會發生壓縮空氣不足，能夠抑制燃氣輪機的空氣不足，可穩定地啟動。
[0025]根據本發明的發電系統，其特征在于，所述壓縮空氣供應部具有:第3壓縮空氣供應管線，其一端部連接在所述第2壓縮空氣供應管線上所述第I開關閥的所述燃料電池側；啟動用壓縮機，其連接在所述第3壓縮空氣供應管線的另一端部；以及第2開關閥，其設置在所述第3壓縮空氣供應管線上，所述控制部在啟動所述燃料電池時，閉合所述第I開關閥，打開所述第2開關閥，同時驅動所述啟動用壓縮機。
[0026]因此，由于在啟動燃料電池時，閉合第I開關閥，打開第2開關閥，同時驅動啟動用壓縮機，所以能夠通過各不相同的壓縮機將壓縮空氣送至燃燒器和燃料電池，以簡單的結構適當地抑制燃氣輪機中的空氣不足。
[0027]根據本發明的發電系統，其特征在于，設有對利用所述壓縮機壓縮的壓縮空氣的壓力檢測的第I檢測器，以及對所述第2壓縮空氣供應管線上所述第I開關閥的所述燃料電池側的壓力進行檢測的第2檢測器，所述控制部實施如下控制，即當由所述第2檢測器檢測出的第2壓力達到由所述第I檢測器檢測出的第I壓力后，停止驅動所述壓縮空氣供應部，同時打開所述第I開關閥。
[0028]因此，通過在燃料電池側的第2壓力達到利用壓縮機壓縮的壓縮空氣的第I壓力后，停止對燃料電池側供應壓縮空氣，能夠僅將壓縮空氣供應部用于燃料電池的升壓，因此能夠實現小型化并降低成本。此外，不會對燃料電池實施不必要的加壓。
[0029]此外，本發明的發電系統中的燃料電池的啟動方法，其特征在于，具有:將利用燃氣輪機壓縮機壓縮的壓縮空氣供應至燃氣輪機燃燒器的工序；將利用壓縮空氣供應部壓縮的壓縮空氣供應至燃料電池的空氣極的工序；在所述空氣極側的壓力達到利用所述燃氣輪機壓縮機壓縮的壓縮空氣的壓力后，停止通過所述壓縮空氣供應部對所述空氣極供應壓縮空氣的工序；以及將利用所述燃氣輪機壓縮機壓縮的壓縮空氣供應至所述燃料電池的空氣極的工序。
[0030]因此，啟動燃料電池時，燃燒器和渦輪機不會發生壓縮空氣不足，能夠抑制燃氣輪機的空氣不足，可穩定地啟動。
[0031]發明效果
[0032]根據本發明的發電系統和發電系統中的燃料電池的啟動方法，在啟動燃料電池時，打開第2壓縮空氣供應管線的開關閥，同時使燃氣輪機壓縮機的入口導葉的開度大于基準開度，因此能夠抑制燃氣輪機的空氣不足，可穩定地啟動。
[0033]此外，根據本發明的發電系統和發電系統中的燃料電池的啟動方法，通過設置連接在燃料電池側的壓縮空氣供應部，在啟動燃料電池時驅動該壓縮空氣供應部，與燃氣輪機分開獨立供應壓縮空氣，因此能夠抑制燃氣輪機的空氣不足，可穩定地啟動。
【附圖說明】
[0034]圖1是示出本發明的實施例1所涉及的發電系統中的壓縮空氣的供應管線的概要圖。
[0035]圖2是示出實施例1的發電系統中對SOFC加壓時的壓縮空氣的供應時間的時間圖。
[0036]圖3是示出實施例1的發電系統的概略結構圖。
[0037]圖4是示出本發明的實施例2所涉及的發電系統中的壓縮空氣的供應管線的概要圖。
[0038]圖5是示出實施例2的發電系統中對SOFC加壓時的壓縮空氣的供應時間的時間圖。
[0039]圖6是示出本發明的實施例3所涉及的發電系統中的壓縮空氣的供應管線的概要圖。
[0040]圖7是示出實施例3的發電系統中啟動SOFC時的壓縮空氣的供應時間的時間圖。
[0041]圖8是示出實施例4的發電系統的概略結構圖。
【具體實施方式】
[0042]以下參照附圖，詳細說明本發明所涉及的發電系統和發電系統中的燃料電池的啟動方法的優選實施例。需要說明的是，本發明并不限定于該實施例，另外，在存在多個實施例的情況下，也包括將各實施例加以組合而構成的實施例。
[0043]實施例1
[0044]實施例1的發電系統是由固體氧化物燃料電池(以下稱為S0FC)、燃氣輪機以及蒸汽輪機組合而成的三重聯合循環(Triple Combined Cycle:注冊商標)。該三重聯合循環通過在燃氣輪機聯合循環發電(GTCC)的上游側設置S0FC，能夠通過S0FC、燃氣輪機、蒸汽輪機這三個階段進行發電，因此能夠實現極高的發電效率。另外，在以下說明中，以本發明的燃料電池使用固體氧化物燃料電池為例進行說明，但并不限定于此