JP2014160631A

JP2014160631A - 発電システム及び発電システムの運転方法

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Publication number: JP2014160631A
Application number: JP2013031565A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Osawa; 弘行大澤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2014-09-04

Abstract

【課題】ＳＯＦＣとガスタービンと蒸気タービンとを組み合わせた発電システムを、電力の需給ギャップに追従して運転させること。
【解決手段】発電システム１０は、圧縮機２１と燃焼器２２とを有し、発電機１２を駆動して電力を発生するガスタービン１１と、空気極及び燃料極を有するＳＯＦＣ１３と、前記圧縮機で圧縮された圧縮酸化性ガスを、前記燃料電池の前記空気極に供給する第２圧縮空気供給ライン３１と、前記燃料電池の前記燃料極に燃料ガスを供給する第２燃料ガス供給ライン４１と、前記燃料ガス及び前記圧縮酸化性ガスの供給量を変更する前の所定時間における前記燃料電池の出力の平均値を求め、得られた平均値に対しＳＯＦＣ１３に供給する前記燃料ガス及び前記圧縮酸化性ガスの量を調整する制御装置１００と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも燃料電池とガスタービンとを組み合わせた発電システム及び発電システムの運転方法に関するものである。

燃料電池としての固体酸化物形燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：以下ＳＯＦＣ）は、用途の広い高効率な燃料電池として知られている。このＳＯＦＣは、イオン導電率を高めるために作動温度が高くされているので、ガスタービンの圧縮機から吐出された空気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用することができる。また、ＳＯＦＣは、利用できなかった高温の燃料及び排熱をガスタービンの燃焼器において燃料及び酸化性ガスとして使用することができる。また、ＳＯＦＣの他に作動温度が高い燃料電池として溶融炭酸塩形燃料電池が知られており、ＳＯＦＣと同様にガスタービンとの連携による排熱利用が検討されている。

このため、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載されるように、高効率発電を達成することができる発電システムとして、ＳＯＦＣとガスタービンと蒸気タービンとを組み合わせたものが各種提案されている。特許文献１及び特許文献２に記載されたコンバインドシステムは、ＳＯＦＣと、このＳＯＦＣから排出された排燃料ガスと排出空気とを燃焼するガスタービン燃焼器と、空気を圧縮してＳＯＦＣに供給する圧縮機を有するガスタービンとを設けたものである。

特開２００９−２０５９３０号公報特開２００４−２２０９４１号公報

近年、電力供給に対する取り組みとして、送電の損失を低減するため、マイクログリッド又はスマートグリッドといった比較的小さなエリア内で、需要と供給とを完結させることが検討されている。特に、そのような電力供給に対する取り組みの中で、電力供給源として、風力発電又は太陽光発電等の自然エネルギーの導入が進められている。既存の電力供給と比較して、マイクログリッド又はスマートグリッドを導入することにより、容量設定に対して需要側の変動による電力系統への影響が大きくなると想定される。さらに、自然エネルギーを導入することによっても供給側の変動が大きくなる。需要と供給との差（短時間の負荷変動）が大きいと、負荷変動に伴う需給ギャップを緩和するための制御が必要となり、短時間に負荷変動に対応できなければ、系統の電力の周波数又は電圧が変動し、電源品質が低下する可能性があるので、発電システム側は、負荷変動に追従して発電量（出力）を調整する必要がある。

また、一般に、ガスタービンコンバインドサイクル等の火力発電設備は、電力系統が短時間の周期で負荷変動する瞬時負荷変動に対しては応答性が低いことから、例えば、二次電池（蓄電池）による需給ギャップの調整、負荷器等で余剰電力を消費、一部の自然エネルギー発電機器の停止若しくは導入量の制限又はスマートグリッド外部からの電力補充等で負荷変動への対応を行っている。しかし、このような方法は、経済性や効率が低い傾向にあり、電力の供給安定性に課題があることから、火力発電設備において早い応答性を確保することが求められている。

本発明は、ＳＯＦＣとガスタービンと蒸気タービンとを組み合わせた発電システムにおいて、電力の需給ギャップに追従して運転させることを目的とする。

本発明の発電システムは、圧縮機と燃焼器とを有し、発電機を駆動して電力を発生するガスタービンと、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記圧縮機で圧縮された圧縮酸化性ガスを、前記燃料電池の前記空気極に供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、前記燃料電池の前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料ガス及び前記圧縮酸化性ガスの供給量を変更する前の所定時間における前記燃料電池の出力の平均値を求め、得られた平均値に対して前記燃料電池に供給する前記燃料ガス及び前記圧縮酸化性ガスの量を調整する制御装置と、を備える。

この発電システムは、燃料電池の出力が、燃料ガス及び圧縮酸化性ガスの供給量を制御する機能、例えば、制御弁又はブロワ等が動作する前の所定時間における出力の平均値となるように、燃料ガス及び圧縮酸化性ガスの供給量を求め、燃料電池に供給する。このようにすることで、この発電システムは、バッファとして機能する燃料電池の系内に保有される燃料及び圧縮酸化性ガスの量を略一定とすることができるので、電力の需給ギャップ、特に短期間における電力の需給ギャップが発生した場合でも、燃料電池から安定して電力を取り出すことができる。その結果、発電システムは、電力の需給ギャップに追従した運転が可能になる。

前記ガスタービンの排ガスＧによって生成された蒸気Ｓによって駆動されて発電する蒸気タービンを備え、前記制御装置は、前記燃料電池の出力が所定の閾値以下となった場合には、前記ガスタービン及び前記蒸気タービンのうち少なくとも一方の出力を低下させ、前記ガスタービン及び前記蒸気タービンのうち少なくとも一方の出力の低下分を前記燃料電池に出力させることが好ましい。このようにすることで、発電システムは、燃料電池のバッファとしての機能を有効に発揮させることができるので、電力の需給ギャップに追従した運転が可能になる。

前記制御装置は、前記燃料電池の出力が予め定めた所定の範囲内となるように、前記ガスタービンの出力を調整することが好ましい。このようにすることで、燃料電池の出力は、予め設定された燃料電池の出力の上限及び下限の間になるので、燃料電池は、バッファとしての機能を有効に発揮することができる。

前記圧縮酸化性ガスの温度を上昇させて前記燃料電池の前記空気極に供給する昇温装置を備えることが好ましい。発電システムは、昇温装置を備えることにより、燃料電池の作動温度の低下を抑制することができるので、燃料電池を安定して動作させることができる。

前記燃料電池に前記燃料ガス供給ライン及び前記圧縮酸化性ガス供給ラインの少なくとも一方にバッファタンクを設けることで、需給ギャップへの対応能力を向上させることが可能である。バッファタンクに燃料ガス、圧縮酸化性ガスが蓄えられることにより、燃料電池がガス系統に保持するガス量を増加させることができる。その結果、発電システムは、燃料電池のバッファとしての機能をさらに有効に発揮させることができるので、電力の需給ギャップが大きい場合等であっても、これに追従した運転が可能になる。

前記燃料ガスを供給するライン側のバッファタンクと前記燃料ガスを供給するラインとの間及び前記圧縮酸化性ガス供給ライン側のバッファタンクと前記圧縮酸化性ガス供給ラインとの間の少なくとも一方に、弁装置を有することが好ましい。このようにすることで、燃料電池を起動又は停止する場合等において、バッファタンクを燃料電池から切り離して燃料電池の系内容積の増加を抑制できるので、迅速な起動又は停止が実現できる。

本発明の発電システムの運転方法は、圧縮機と燃焼器とを有し、発電機を駆動して電力を発生するガスタービンと、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記圧縮機で圧縮された圧縮酸化性ガスを、前記燃料電池の前記空気極に供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、前記燃料電池の前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、を備えた発電システムによって発電するにあたり、前記燃料ガス及び前記圧縮酸化性ガスの供給量を変更する前の所定時間における前記燃料電池の出力の平均値を求める工程と、前記平均値に対して前記燃料電池に供給する前記燃料ガス及び前記圧縮酸化性ガスの量を調整する工程と、を備えることを特徴とする。

この発電システムの運転方法は、燃料電池の出力が、燃料ガス及び圧縮酸化性ガスの供給量を制御する機能、例えば、制御弁又はブロワ等が動作する前の所定時間における出力の平均値となるように、燃料ガス及び圧縮酸化性ガスの供給量を求め、燃料電池に供給する。このようにすることで、この発電システムの運転方法は、バッファとして機能する燃料電池の系内に保有される燃料及び圧縮酸化性ガスの量を略一定とすることができるので、電力の需給ギャップ、特に短期間における電力の需給ギャップが発生した場合でも、燃料電池から安定して電力を取り出すことができる。その結果、発電システムの運転方法は、電力の需給ギャップに追従した運転が可能になる。

本発明は、ＳＯＦＣとガスタービンと蒸気タービンとを組み合わせた発電システムにおいて、電力系統の短時間の負荷変動に追従して運転させることができるので、応答性を高めた運転が可能となる。その結果、本発明は、ガスタービンと蒸気タービンとのコンバインドシステムにＳＯＦＣを組み合わせた発電システムにおいて、ＳＯＦＣの運転制御を行うことで、既存の発電システムよりも経済性と効率が高く、さらに需要側の負荷変動速度と同等の出力変化速度（数ミリ秒〜数十ミリ秒オーダ）で応答できる発電システムを実現することができる。

図１は、実施例１の発電システムを表す概略構成図である。図２は、発電システムの発電量の変動を示す図である。図３は、発電システムが備えるＳＯＦＣに対する燃料ガス及び空気の供給量を示す図である。図４は、実施例２の発電システムを表す概略構成図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る発電システム及び発電システムの運転方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

実施例１の発電システムは、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと称する）とガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたトリプルコンバインドサイクル（Triple Combined Cycle：登録商標）である。このトリプルコンバインドサイクルは、ガスタービンコンバインドサイクル発電（ＧＴＣＣ）の上流側にＳＯＦＣを設置することにより、ＳＯＦＣ、ガスタービン、蒸気タービンの３段階で電気を取り出すことができるため、極めて高い発電効率を実現することができる。なお、以下の説明では、本発明の燃料電池として固体酸化物形燃料電池を適用して説明するが、この形式の燃料電池に限定されるものではない。

図１は、実施例１の発電システムを表す概略構成図である。実施例１において、図１に示すように、発電システム１０は、ガスタービン１１及び発電機１２と、ＳＯＦＣ１３と、蒸気タービン１４及び発電機１５とを有している。この発電システム１０は、ガスタービン１１による発電と、ＳＯＦＣ１３による発電と、蒸気タービン１４による発電とを組み合わせることで、高い発電効率を得るようにしたものである。

ガスタービン１１は、圧縮機２１、燃焼器２２、タービン２３を有しており、圧縮機２１とタービン２３とは、回転軸２４により一体回転可能に連結されている。圧縮機２１は、空気取り込みライン２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。燃焼器２２は、圧縮機２１から第１圧縮空気供給ライン２６を通して供給された圧縮空気Ａ１と、第１燃料ガス供給ライン２７から供給された燃料ガスＬ１とを混合して燃焼する。タービン２３は、燃焼器２２から排ガス供給ライン２８を通して供給された排ガス（燃焼ガス）Ｇにより回転する。なお、図示しないが、タービン２３は、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａ１が車室を通して供給され、この圧縮空気Ａ１を冷却空気として翼などを冷却する。発電機１２は、タービン２３と同軸上に設けられており、タービン２３が回転することで発電することができる。なお、ここで、燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１及び後述する燃料ガスＬ２の各燃料ガスは、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）などの炭化水素ガス、石炭など炭素質原料のガス化設備により製造したガスを用いることが可能である。

ＳＯＦＣ１３は、還元剤としての高温の燃料ガスと、酸化剤としての高温の空気（酸化性ガス）とが供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行うものである。このＳＯＦＣ１３は、圧力容器内に空気極と固体電解質と燃料極が収容されて構成される。空気極に圧縮機２１で圧縮された一部の圧縮空気Ａ２が供給され、燃料極に燃料ガスＬ２が供給されることで発電を行う。また、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスは、酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気との混合ガス又は酸素と空気の混合ガス等が使用可能である（以下、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスを空気という）。

このＳＯＦＣ１３は、第１圧縮空気供給ライン２６から分岐した第２圧縮空気供給ライン（圧縮酸化性ガス供給ライン）３１が連結され、圧縮機２１が圧縮した一部の圧縮空気（圧縮酸化性ガス）Ａ２を空気極の導入部に供給することができる。この第２圧縮空気供給ライン３１は、供給する空気量を調整可能な制御弁３２と、圧縮空気Ａ２を昇圧可能なブロワ（昇圧機）３３とが空気の流れ方向に沿って設けられている。制御弁３２は、第２圧縮空気供給ライン３１における空気の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ３３は、制御弁３２の下流側に設けられている。なお、制御弁３２とブロワ３３の配置は、図１の配置に限定されることはなく、ブロワや制御弁の形式によって、順序を逆にして配置してもよい。ＳＯＦＣ１３は、空気極で用いられた排空気（排酸化性ガス）Ａ３を排出する排空気ライン３４が連結されている。この排空気ライン３４は、空気極で用いられた排空気Ａ３を外部に排出する排出ライン３５と、燃焼器２２に連結される排酸化性ガス供給ライン３６とに分岐される。つまり、排空気ライン３４と排酸化性ガス供給ライン３６とは、ＳＯＦＣ１３の空気極で用いられた排空気Ａ３を、燃焼器２２に供給する排酸化性ガス供給ラインとして機能する。換言すれば、排酸化性ガス供給ライン３６は、排空気Ａ３の流れ方向の上流側の一部が、排空気ライン３４となっている。排出ライン３５は、排出する空気量を調整可能な制御弁３７が設けられ、排酸化性ガス供給ライン３６は、ＳＯＦＣ１３及びガスタービン１１間の系統を切り離すための遮蔽弁３８が設けられている。

また、ＳＯＦＣ１３は、燃料ガスＬ２を燃料極の導入部に供給する、燃料ガス供給ラインとしての第２燃料ガス供給ライン４１が設けられている。第２燃料ガス供給ライン４１は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４２が設けられている。ＳＯＦＣ１３は、燃料極で用いられた排燃料ガスＬ３を排出する排燃料ライン４３が連結されている。この排燃料ライン４３は、外部に排出する排出ライン４４と、燃焼器２２に連結される排燃料ガス供給ライン４５とに分岐される。排出ライン４４は、排出する燃料ガス量を調整可能な制御弁４６が設けられ、排燃料ガス供給ライン４５は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４７と、燃料を昇圧可能なブロワ４８が排燃料ガスＬ３の流れ方向に沿って設けられている。制御弁４７は、排燃料ガス供給ライン４５における排燃料ガスＬ３の流れ方向の上流側に設けられ、ブロワ４８は、制御弁４７の排燃料ガスＬ３の流れ方向の下流側に設けられている。なお、制御弁４７とブロワ４８の配置は、図１の配置に限定されることはなく、ブロワや制御弁の形式によって、順序を逆にして配置してもよい。

また、ＳＯＦＣ１３は、排燃料ライン４３と第２燃料ガス供給ライン４１とを連結する燃料ガス再循環ライン４９が設けられている。燃料ガス再循環ライン４９は、排燃料ライン４３の排燃料ガスＬ３を第２燃料ガス供給ライン４１に再循環する再循環ブロワ５０が設けられている。燃料ガス再循環ライン４９は、ＳＯＦＣ１３の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインとして機能する。

蒸気タービン１４は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）５１で生成された蒸気Ｓによりタービン５２を回転するものである。この排熱回収ボイラ５１は、ガスタービン１１（タービン２３）からの排ガスライン５３が連結されており、空気と高温の排ガスＧとの間で熱交換を行うことで、蒸気Ｓを生成する。蒸気タービン１４（タービン５２）は、排熱回収ボイラ５１との間に、蒸気供給ライン５４と給水ライン５５とが設けられている。そして、給水ライン５５は、復水器５６と給水ポンプ５７とが設けられている。発電機１５は、タービン５２と同軸上に設けられており、タービン５２が回転することで発電することができる。なお、排熱回収ボイラ５１で熱が回収された排ガスＧは、大気へ放出される。なお、本実施例においては、排ガスＧをＨＲＳＧ５１の熱源として利用しているが、排ガスＧはＨＲＳＧ５１以外の各種機器の熱源として利用することも可能である。

本実施例の発電システム１０の作動について説明する。発電システム１０を起動する場合、ガスタービン１１が起動した後に、蒸気タービン１４及びＳＯＦＣ１３が起動する。

まず、ガスタービン１１にて、圧縮機２１が空気Ａを圧縮し、燃焼器２２が圧縮空気Ａ１と燃料ガスＬ１とを混合して燃焼し、タービン２３が排ガスＧにより回転することで、発電機１２が発電を開始する。次に、蒸気タービン１４において、排熱回収ボイラ５１により生成された蒸気Ｓによりタービン５２が回転し、これにより発電機１５が発電を開始する。

ＳＯＦＣ１３では、まず、圧縮空気Ａ２を供給して昇圧を開始し、加熱を開始する。排出ライン３５の制御弁３７と排酸化性ガス供給ライン３６の遮蔽弁３８を閉止し、第２圧縮空気供給ライン３１のブロワ３３を停止した状態又はブロワ３３を運転した状態で、制御弁３２又は加圧専用の図示されていない制御弁を所定開度だけ開放する。なお、ここで制御弁３２において昇圧速度を制御するための開度調整を行う。すると、圧縮機２１で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２が第２圧縮空気供給ライン３１からＳＯＦＣ１３側へ供給される。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、圧縮空気Ａ２が供給されることで圧力が上昇する。

一方、ＳＯＦＣ１３では、その燃料極側に、第２燃料ガス供給ライン４１から燃料ガスＬ２、図示されていない圧縮空気供給ライン３１の分岐から圧縮空気（酸化性ガス）Ａ２、窒素等の不活性ガスを供給して昇圧を開始する。排出ライン４４の制御弁４６と排燃料ガス供給ライン４５の制御弁４７を閉止し、ブロワ４８を停止した状態で、第２燃料ガス供給ライン４１の制御弁４２を開放すると共に、燃料ガス再循環ライン４９の再循環ブロワ５０を駆動する。なお、再循環ブロワ５０は、燃料極側の加圧前に起動していてもよい。すると、燃料ガスＬ２が第２燃料ガス供給ライン４１からＳＯＦＣ１３側へ供給されると共に、排燃料ガスＬ３が燃料ガス再循環ライン４９により再循環する。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、燃料ガスＬ２、圧縮空気Ａ２、不活性ガス等が供給されることで圧力が上昇する。

そして、ＳＯＦＣ１３の空気極側の圧力が圧縮機２１の出口圧力になると、制御弁３２にてＳＯＦＣ１３への供給空気流量を制御すると共に、ブロワ３３が起動していなければ、ブロワ３３を駆動する。それと同時に遮蔽弁３８を開放してＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３を排酸化性ガス供給ライン３６から燃焼器２２に供給する。このとき、制御弁３７も開放してＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３の一部を排出ライン３５から排出してもよい。すると、圧縮空気Ａ２がブロワ３３によりＳＯＦＣ１３側へ供給される。それと同時に制御弁４６を開放してＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３を排出ライン４４から排出する。そして、ＳＯＦＣ１３における空気極側の圧力と燃料極側の圧力とが目標圧力に到達すると、ＳＯＦＣ１３の昇圧が完了する。

その後、ＳＯＦＣ１３の圧力制御が安定したら、制御弁３７が開となっている場合は閉止する一方、遮蔽弁３８の開放を維持する。このため、ＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３が排酸化性ガス供給ライン３６から燃焼器２２に供給され続ける。また、排燃料ガスＬ３の成分が燃焼器２２での燃焼が可能な成分となったら、制御弁４６を閉止する一方、制御弁４７を開放してブロワ４８を駆動する。すると、ＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３が排燃料ガス供給ライン４５から燃焼器２２に供給される。このとき、第１燃料ガス供給ライン２７から燃焼器２２に供給される燃料ガスＬ１を排燃料ガスＬ３の供給量に応じて減量する。

この状態になると、ガスタービン１１の駆動による発電機１２での発電、ＳＯＦＣ１３での発電、蒸気タービン１４の駆動による発電機１５での発電が全て行われることとなり、発電システム１０が定常運転となる。

図示しないが、ＳＯＦＣ１３は、複数の圧力容器が並列に配置されており、それぞれにＳＯＦＣのセルが複数集積したモジュールを複数容器内に配置することで大きな出力が得られる電源設備である。ＳＯＦＣ１３が備える圧力容器のそれぞれは、第２圧縮空気供給ライン（圧縮酸化性ガス供給ライン）３１から昇圧された空気が供給されるとともに、第２燃料ガス供給ライン４１から昇圧された燃料ガスＬ２及び燃料ガス再循環ライン４９により再循環される排燃料ガスＬ３が供給されている。ＳＯＦＣ１３において、複数の圧力容器、第２圧縮空気供給ライン３１、第２燃料ガス供給ライン４１及び燃料ガス再循環ライン４９は、ＳＯＦＣ１３に対するガス系統（系内）を構成している。

発電システム１０は、制御装置１００を備えている。制御装置１００は、例えば、コンピュータを有した装置である。制御装置１００は、発電システム１０が備えるガスタービン１１、ＳＯＦＣ１３及び蒸気タービン１４の発電量（出力）を制御する。例えば、制御装置１００は、前述した制御弁３２、ブロワ３３、制御弁３７、遮蔽弁３８、制御弁４２、制御弁４６、制御弁４７、ブロワ４８及び再循環ブロワ５０等を制御することにより、ＳＯＦＣ１３の発電量を制御する

発電システム１０が備えるＳＯＦＣ１３は、一般に燃料電池単体では出力密度が小さく、複数の燃料電池を集積させた構成となっていることから、熱容量及び系内容積が大きくなる。よって、比較的短時間かつ小さな負荷変化によって消費される燃料ガス及び空気に対し、ＳＯＦＣ１３のガス系統に保持される燃料ガス及び空気が相対的に大きい。また、ＳＯＦＣ１３は、熱容量が大きいことから、燃料ガス及び空気の流量制御等の制御が追従しないような早い負荷変化において温度変化が小さい。また、ＳＯＦＣ１３の出力は、一般にＳＯＦＣ１３から直流電力を抜き出し、電力系統と連系するパワーコンディショナによって制御される。パワーコンディショナは、半導体素子等を使用した電気回路であり、一般的には制御弁３２、４２等よりもはるかに早い追従速度を有する。例えば、制御弁３２、４２等の追従速度が数秒オーダであるのに対し、パワーコンディショナは、数ミリ秒ｍｓ〜数十ミリ秒（１／１０００秒）のオーダでＳＯＦＣ１３の出力を制御することが可能である。発電システム１０が備える制御装置１００は、このパワーコンディショナと連携した制御を行う機能も有している。

前述した理由から、ＳＯＦＣ１３を備える発電システム１０は、負荷変動に応じて出力されるパワーコンディショナからの指令によってＳＯＦＣ１３の発電量を調整することにより、ガスタービン１１及び蒸気タービン１４の運転制御に負荷指令を与えることがなく、負荷変動に追従して発電量（出力）を調整することができる。

図２は、発電システムの発電量の変動を示す図である。図３は、発電システムが備えるＳＯＦＣに対する燃料ガス及び空気の供給量を示す図である。図２の実線ａは、発電システム１０が備えるＳＯＦＣ１３の発電量Ｐの変動を示しており、実線ｂは、発電システム１０が備えるガスタービン１１及び蒸気タービン１４の発電量Ｐの変動を示している。図３の実線ｃは、図２に示す発電量Ｐの変動があったときにおける、ＳＯＦＣ１３への燃料ガス及び空気の供給量Ｑの変動を示している。

発電システム１０は、系統に接続されている自然エネルギーの発電量又は需要側の負荷の変動、すなわち電力系統の負荷変動に対応するため、制御装置１００によって数ミリ秒〜数十ミリ秒のオーダで追従するように出力が制御される。この場合、燃料ガス及び空気の供給量Ｑの制御は、制御弁３２、４２等の動作速度の制約により数秒オーダでの追従となることから、負荷変動に伴う出力制御に対応した空気及び燃料ガスの消費分を負荷変動より遅れて追従させるようにしている。

ＳＯＦＣ１３のガス系統に保有されるガス量をバッファとしてＳＯＦＣ１３の発電に利用することで、瞬時の出力変動に対応することができる。ＳＯＦＣ１３が出力変動に対応した結果、ガス系統が保有するガス量の増減分は、出力変動への対応より遅れたタイミングで、ＳＯＦＣ１３に供給される燃料及び空気の量を制御することによって対応すればよい。制御装置１００は、ＳＯＦＣ１３がバッファとしての機能を発揮できるように、具体的には、ＳＯＦＣ１３のガス系統に保有される燃料及び空気の量が略一定となるように、ＳＯＦＣ１３に対する燃料ガス及び空気の供給量Ｑを制御する。

ＳＯＦＣ１３の発電量Ｐに応じて燃料ガス及び空気の供給量Ｑの最適値は変化する。このため、制御装置１００は、ＳＯＦＣ１３への燃料ガス及び空気の供給量を変更する前の所定時間（例えば、数秒〜数十秒間）におけるＳＯＦＣ１３の発電量（出力）の平均値を求める。ＳＯＦＣ１３への燃料ガス及び空気の供給量を変更する前とは、例えば、燃料ガス及び空気の供給量Ｑの制御機能、具体的には制御弁３２、４２等が動作する前である。制御装置１００は、ＳＯＦＣ１３への燃料ガス及び空気の供給量を変更する前、すなわち、制御弁３２、４２等といった、燃料ガス及び空気の供給量Ｑの制御機能が動作していない期間において、所定時間におけるＳＯＦＣ１３の発電量（出力）の平均値を求める。

制御装置１００は、前述した発電量の平均値が得られたら、この平均値に対して、ＳＯＦＣ１３に供給する燃料ガス及び空気の供給量Ｑを適切な値に調整する。すなわち、制御装置１００は、ＳＯＦＣ１３の発電量が、前述した発電量の平均値となるように、燃料ガス及び空気の供給量Ｑを求め、ＳＯＦＣ１３に供給する。このようにすることで、発電システム１０は、バッファとして機能するＳＯＦＣ１３のガス系統に保有される燃料及び空気の量を略一定とすることができるので、ＳＯＦＣ１３から安定して電力を取り出すことができる。

このような制御により、ＳＯＦＣ１３の負荷が低い状態で長時間継続した場合には、ＳＯＦＣ１３の作動温度が最適な温度域から外れてしまう可能性がある。具体的には、ＳＯＦＣ１３は熱容量が大きいため、短時間では温度は変化しないが、長時間では温度が変化する可能性がある。ＳＯＦＣ１３の温度が低下すると、ＳＯＦＣ１３は熱容量が大きいため、再度の昇温に時間を要する。このため、制御装置１００は、数分〜数十分程度の間におけるＳＯＦＣ１３の平均の出力が予め定めた所定の閾値以下となった場合には、ＳＯＦＣ１３の出力の平均値が前述した所定の閾値以上となるように、ガスタービン１１及び蒸気タービン１４の少なくとも一方の出力を低下させ、その低下分の出力をＳＯＦＣ１３が出力するように制御する。このような制御により、ＳＯＦＣ１３の出力の平均値は前述した所定の閾値以上となり、ＳＯＦＣ１３の出力低下を抑制できる。その結果、発電システム１０は、ＳＯＦＣ１３のバッファとしての機能を有効に発揮させて、系統に接続されている自然エネルギーの発電量又は需要側の負荷の短時間における変動、すなわち、短時間における電力の需給ギャップが発生した場合にも柔軟に対応できる。

発電システム１０は、ＳＯＦＣ１３に供給する空気の温度を上昇させて、ＳＯＦＣ１３の空気極に供給する昇温装置を備えてもよい。この昇温装置は、例えば、図１に示す圧縮空気供給ライン３１に設けることができる。昇温装置としては、例えば、電気ヒーター又は燃焼器等を用いることができる。制御装置１００は、昇温装置によってＳＯＦＣ１３に供給される空気の温度を調整することにより、ＳＯＦＣ１３の作動温度を制御する。このようにすることで、制御装置１００は、ＳＯＦＣ１３の作動温度の低下を抑制することができるので、ＳＯＦＣ１３を安定して動作させることができる。また、電気ヒーターを使用した場合には、電気ヒータでの消費電力を需給ギャップの調整機能として使用することもできる。

ガスタービン１１の出力又は大気温度により、ガスタービン１１との取合点の温度、圧力又はＳＯＦＣ１３に供給可能な空気の量は変動する。このため、ＳＯＦＣ１３の発電量（出力）には、前述した変動に応じた上限及び下限を設定する必要がある。ＳＯＦＣ１３の出力の上限は、ガスタービン１１から供給可能な空気量、ＳＯＦＣ１３の本体、発電システム１０が備えるその他の機器の容量、その他のガスタービン１１側における制約を考慮して設定される。その他のガスタービン１１側における制約は、例えば、発熱量が小さいＳＯＦＣ１３の排燃料の受け入れ可能な量等である。ＳＯＦＣ１３の出力の下限は、前述の通り、ＳＯＦＣ１３の温度低下に関するものの他、発電システム１０が備える各種機器の制御範囲の下限に基づいて設定される。また、ＳＯＦＣ１３の出力の下限は、ガスタービン１１の燃焼器２２に戻る排燃料が過剰に小さくなることによってガスタービン１１の燃焼器２２で発生するＮＯｘ量を抑制する等も考慮して設定される。

制御装置１００は、ＳＯＦＣ１３の発電量（出力）が予め定めた所定の範囲内（前述した上限と下限との間）となるように、ガスタービン１１の発電量（出力）を調整してもよい。この場合、制御装置１００は、例えば、協調運転するガスタービン１１の出力、大気温度、天候又は需要予測等の指標に基づき、ガスタービン１１の発電量（出力）を調整する。このようにすることで、ＳＯＦＣ１３の発電量が、予め設定されたＳＯＦＣ１３の発電量の上限及び下限の間になるので、ＳＯＦＣ１３は、バッファとしての機能を有効に発揮することができる。

発電システム１０は、ＳＯＦＣ１３が保有するガスをバッファとして利用することができるので、負荷が瞬時に変動した場合の対応も容易に実現できる。

図４は、実施例２の発電システムを表す概略構成図である。実施例２において、発電システム１０Ａは、ＳＯＦＣ１３の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインとしての燃料ガス再循環ライン４９及び空気を供給するラインとしての第２圧縮空気供給ライン３１の少なくとも一方にバッファタンク６０、６２を設ける。本実施例では、燃料ガス再循環ライン４９及び第２圧縮空気供給ライン３１の両方に、それぞれバッファタンク６０、６２が設けられているが、前述した通り、発電システム１０Ａは、バッファタンク６０、６２のうち少なくとも一方を備えていればよい。

本実施例において、バッファタンク６０は、再循環ブロワ５０の出口からＳＯＦＣ１３の燃料極の入口の間に設けられている。バッファタンク６０は、ＳＯＦＣ１３の燃料系統に設けられていればよく、例えば、燃料ガスを供給するラインとして、第２燃料ガス供給ライン４１に設けられていてもよい。また、本実施例において、バッファタンク６２は、その機能を実現するために、ＳＯＦＣ１３の空気極の出口側ではなく入口側に設けられることが好ましい。空気はＳＯＦＣ１３に供給された後はＳＯＦＣ１３の外部に放出されるため、バッファタンク６２が空気極の入口側に配置されことにより、バッファとしての機能を十分に発揮させることができるからである。

発電システム１０Ａは、燃料ガス再循環ライン４９側のバッファタンク６０と燃料ガス再循環ライン４９との間及び第２圧縮空気供給ライン３１側のバッファタンク６２と第２圧縮空気供給ライン３１との間の少なくとも一方に、弁装置６１、６３を有する。弁装置６１は、燃料ガス再循環ライン４９とバッファタンク６０との間に設けられ、弁装置６３は、第２圧縮空気供給ライン３１とバッファタンク６２との間に設けられる。弁装置６１、６３は、例えば、制御弁又は遮断弁である。弁装置６１、６３は、制御装置１００によって動作が制御される。

弁装置６１が開くと、燃料ガス再循環ライン４９とバッファタンク６０との間で、再循環した燃料ガスが行き来する。弁装置６３が開くと、第２圧縮空気供給ライン３１とバッファタンク６２との間で空気が行き来する。バッファタンク６０に燃料ガスが蓄えられ、バッファタンク６２に空気が蓄えられることにより、ＳＯＦＣ１３がガス系統に保持するガス量を増加させることができる。その結果、発電システム１０Ａは、ＳＯＦＣ１３のバッファとしての機能をさらに有効に発揮させて、ＳＯＦＣ１３から安定して電力を取り出すことができる。このため、発電システム１０Ａは、系統に接続されている自然エネルギーの発電量又は需要側の負荷の変動、すなわち電力の需給ギャップが大きい場合又は電力の需給ギャップの周期が短い場合であっても、追従した運転が可能になる。

発電システム１０は、ＳＯＦＣ１３の系内容積が大きいため、ＳＯＦＣ１３を起動又は停止させる場合等においては加圧又は減圧に要する時間が長くなる可能性がある。その結果、起動又は停止の変動に対する追従性が低下する可能性がある。このため、制御装置１００は、ＳＯＦＣ１３を起動又は停止させる場合等には、弁装置６１、６３を閉じてバッファタンク６０を燃料ガス再循環ライン４９から切り離し、かつバッファタンク６２を第２圧縮空気供給ライン３１から切り離す。このようにすることで、発電システム１０Ａは、バッファタンク６０、６２によるＳＯＦＣ１３の系内容積の増加が抑制されるので、迅速な起動又は停止が実現できる。

１０、１０Ａ発電システム
１１ガスタービン
１２、１５発電機
１３ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池：燃料電池）
１４蒸気タービン
１５発電機
２１圧縮機
２２燃焼器
２３タービン
２６第１圧縮空気供給ライン
３１第２圧縮空気供給ライン
３２制御弁
３３ブロワ（昇圧機）
３４排空気ライン
３５排出ライン
３６排酸化性ガス供給ライン
３７制御弁
３８遮蔽弁
４１燃料ガス供給ライン
４２制御弁
４３排燃料ライン
４６、４７制御弁
４９燃料ガス再循環ライン
５０再循環ブロワ
６０、６２バッファタンク
６１、６３弁装置
１００制御装置

Claims

圧縮機と燃焼器とを有し、発電機を駆動して電力を発生するガスタービンと、
空気極及び燃料極を有する燃料電池と、
前記圧縮機で圧縮された圧縮酸化性ガスを、前記燃料電池の前記空気極に供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、
前記燃料電池の前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
前記燃料ガス及び前記圧縮酸化性ガスの供給量を変更する前の所定時間における前記燃料電池の出力の平均値を求め、前記平均値に対して前記燃料電池に供給する前記燃料ガス及び前記圧縮酸化性ガスの量を調整する制御装置と、
を備えることを特徴とする発電システム。
前記ガスタービンの排ガスによって生成された蒸気によって駆動されて発電する蒸気タービンを備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池の出力が所定の閾値以下となった場合には、前記ガスタービン及び前記蒸気タービンのうち少なくとも一方の出力を低下させ、前記ガスタービン及び前記蒸気タービンのうち少なくとも一方の出力の低下分を前記燃料電池に出力させる、請求項１に記載の発電システム。
前記制御装置は、
前記燃料電池の出力が予め定めた所定の範囲内となるように、前記ガスタービンの出力を調整する、請求項１に記載の発電システム。
前記圧縮酸化性ガスの温度を上昇させて前記燃料電池の前記空気極に供給する昇温装置を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の発電システム。
前記燃料電池に前記燃料ガス供給ライン及び前記圧縮酸化性ガス供給ラインの少なくとも一方にバッファタンクを設ける、請求項１から４のいずれか１項に記載の発電システム。
前記燃料ガス供給ライン側のバッファタンクと前記燃料ガス供給ラインとの間及び前記圧縮酸化性ガス供給ライン側のバッファタンクと前記圧縮酸化性ガス供給ラインとの間の少なくとも一方に、弁装置を有する、請求項５に記載の発電システム。
圧縮機と燃焼器とを有し、発電機を駆動して電力を発生するガスタービンと、空気極及び燃料極を有する燃料電池と、前記圧縮機で圧縮された圧縮酸化性ガスを、前記燃料電池の前記空気極に供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、前記燃料電池の前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、を備えた発電システムによって発電するにあたり、
前記燃料ガス及び前記圧縮酸化性ガスの供給量を変更する前の所定時間における前記燃料電池の出力の平均値を求める工程と、
前記平均値に対して前記燃料電池に供給する前記燃料ガス及び前記圧縮酸化性ガスの量を調整する工程と、
を備えることを特徴とする発電システムの運転方法。