JP2004111130A - 燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の熱電比変更方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】必要とする電力出力と熱出力に応じて、熱電比を変更することができ、かつ高い熱効率で発電し同時に必要なユーティリティを供給することができる、燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の熱電比変更方法を提供する。
【解決手段】発電出力Ｐを優先させる場合に、燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを優先的に設定してその実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃに一定保持し、マイクロガスタービンの設定発電出力Ｐｇｔをその残余に設定し、マイクロガスタービンの回転数Ｎを制御してその実発電出力Ｐｇｔ’を設定発電出力Ｐｇｔにフィードバック制御する。また、熱出力Ｓを優先させる場合に、余剰蒸気流量調節弁３４を制御し、蒸気圧力Ｐの低下を検出してマイクロガスタービンの熱出力制御を開始し、タービン入口温度ＴＩＴを制御する。
【選択図】 図４
【解決手段】発電出力Ｐを優先させる場合に、燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを優先的に設定してその実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃに一定保持し、マイクロガスタービンの設定発電出力Ｐｇｔをその残余に設定し、マイクロガスタービンの回転数Ｎを制御してその実発電出力Ｐｇｔ’を設定発電出力Ｐｇｔにフィードバック制御する。また、熱出力Ｓを優先させる場合に、余剰蒸気流量調節弁３４を制御し、蒸気圧力Ｐの低下を検出してマイクロガスタービンの熱出力制御を開始し、タービン入口温度ＴＩＴを制御する。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の熱電比変更方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率かつ環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行われている。
【０００３】
図５は、例えば天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池発電設備の一例を示す構成図である。この図において溶融炭酸塩型燃料電池発電設備は、改質器１０、燃料電池１１、ターボチャージャー１２、排熱回収熱交換器１５等を備え、天然ガス等の燃料１を燃料予熱器１３で予熱して改質器１０の改質室Ｒｅｆに供給し、ここで燃料１を水素を含むアノードガス２に改質する。
燃料電池１１では、アノードガス２と酸素を含むカソードガス３とから電気化学的に発電する。燃料電池１１を出たアノード排ガス４とカソード排ガス７の一部７ａは、燃焼器１７に供給されて燃焼して高温の燃焼排ガス５を発生する。この燃焼排ガス５は、改質器１０の燃焼室に供給され、ここで改質反応に必要な熱を改質室Ｒｅｆに供給する。
【０００４】
改質器１０を出た燃焼排ガス５は、ＣＯ２ブロア１６（以下、ＣＯ２リサイクルブロアと呼ぶ）でカソード入口側にリサイクルされ、ターボチャージャー１２から供給される加圧空気６と合流し、カソードガス３となって燃料電池１１のカソード側に供給される。反応後のカソード排ガス７の一部７ｂは、カソードリサイクルライン１８を介してＣＯ２リサイクルブロア１６の吸引側にリサイクルされ、残り７ｃはターボチャージャー用の燃焼器１４に供給される。燃焼器１４は、起動時や部分負荷時に用いられ、天然ガスをカソード排ガスで燃焼し燃焼排ガスでターボチャージャーを駆動する。
【０００５】
ターボチャージャー１２は、カソード排ガス７ｃ及び燃焼器１４で発生した燃焼排ガスでタービンＴを駆動して圧縮機Ｃで空気を圧縮し、この加圧空気６は前述の燃料電池１１のカソード側上流に供給される。タービンＴを出た排ガスは、排熱回収熱交換器１５に供給され、ここで水蒸気を発生させたのち系外に放出される。発生した水蒸気８は燃料１に混合され改質器１０における改質反応に用いられる。
なお、図５において、１８ａはカソードリサイクルライン１８の流量を制御するための高温流量調節弁、１２ａはタービンＴをバイパスしてガスを流すための流量調節弁である。その他の流量調節弁の説明は省略する。
【０００６】
上述した燃料電池発電設備において、燃料電池１１（溶融炭酸塩型燃料電池、以下単にＭＣＦＣという）はアノード側とカソード側とからなり、次のような電極反応が行われる。
アノード反応（負極反応）Ｈ２＋ＣＯ３ ２−→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ．．（１）
カソード反応（正極反応）ＣＯ２＋１／２Ｏ２＋２ｅ→ＣＯ３ ２−．．（２）
【０００７】
すなわちアノード側では、（１）式により水素ガスとＣＯ３ ２−とから水と炭酸ガスと電荷が生成され、カソード側では、（２）式により炭酸ガスと酸素と電荷とからＣＯ３ ２−が生成される。（１）式右辺はアノードから排出されるアノード排ガス４の成分を表しており、炭酸ガスが含まれている。また（２）式左辺はカソードに供給されるカソードガスの成分を表しており、同じく炭酸ガスが含まれている。このため上述したＣＯ２リサイクルブロア１６により、改質器で発生したＣＯ２ガスを燃料電池のカソード側に供給してカソード反応に利用するようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＣＦＣは、運転温度が６００〜７００℃と高いため排ガスが高温となり、この高温ガスのエネルギーを回収するためにタービンへ供給している。タービン動力はＭＣＦＣの反応に必要な空気を供給するためのコンプレッサー動力に変えられる。
この場合、既存のガスタービン発電機は発電出力が１００ｋＷを超えるため、発電出力が数百ｋＷ級のＭＣＦＣの場合、組み合わせるための数十ｋＷ級のガスタービン発電機の代用として、上述したように車両用ターボチャージャーを転用していた。このため、単独起動ができないため、起動時は別途設置する空気コンプレッサーまたは起動用の空気貯槽等が必要であった。また、ターボチャージャーは発電機を備えないため余剰エネルギーが発生する場合でも、発電して発電効率を向上させることができなかった。
【０００９】
一方、近年、発電出力が１００ｋＷに満たない超小型のガスタービン発電機が開発されている。以下、かかる超小型ガスタービン発電機を「マイクロガスタービン」又は単に「μＧＴ」と略称する。
マイクロガスタービンは、大型のガスタービン発電機と同様に、圧縮機、燃焼器、タービン、及び発電機を備えるが、タービン回転数が相対的に高く（例えば３〜１０万ｒｐｍ）、圧縮比が比較的小さく（例えば４〜６程度）永久磁石型同期高速発電機に代表される回転数可変型の発電機を使用する等の特徴を有する。
【００１０】
上述したμＧＴをＭＣＦＣと組み合わせたコンバインド発電設備を、以下「ＭＣＦＣ／μＧＴシステム」と呼ぶ。かかるＭＣＦＣ／μＧＴシステムは、μＧＴの発電機を電動機として用いてμＧＴの単独起動ができるため、ターボチャージャーを用いる場合に比較して、起動用の余分な設備が不要となり、かつ発電により発電効率を向上させることができるメリットがある。
【００１１】
かかるＭＣＦＣ／μＧＴシステムにおける出力制御は、要求発電出力に対し、ＭＣＦＣとマイクロガスタービンの出力合計が要求発電出力となるように燃料流量を調節する制御方法がとられる。この場合、ＭＣＦＣとマイクロガスタービンを組み合わせたシステムは総出力数百ｋＷ級であるため、その用途からコージェネレーションとしての運用も重視されているにもかかわらず、現状の制御方法では、熱出力は発電出力により一義的に決まるため、運用上の制約があった。
【００１２】
すなわち、ＭＣＦＣ／μＧＴシステムからは電力の他にユーティリィティとしての蒸気及び温水（以下「熱出力」と呼ぶ）を取り出すことができるが、従来は、要求発電出力をＭＣＦＣとマイクロガスタービンで発電し、その排熱から熱出力が得られるにすぎず、その熱電比（熱出力と発電出力との比）を変更することができなかった。
【００１３】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、必要とする電力出力と熱出力に応じて、熱電比を変更することができ、かつ高い熱効率で発電し同時に必要なユーティリティを供給することができる、燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の熱電比変更方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）を有する燃料電池発電装置（２０）と、回転数可変型発電機を有するマイクロガスタービン（２２）と、マイクロガスタービンから圧縮空気を抽気し前記燃料電池発電装置に供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池発電装置からマイクロガスタービンに酸素を含む排ガスを供給する排ガスライン（２６）と、マイクロガスタービンの排ガスで水蒸気を発生させる排熱回収装置（１５）とを備えた燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備において、要求される発電出力Ｐと熱出力Ｓに応じて、燃料電池とマイクロガスタービンへの供給燃料量Ｆｆｃ，Ｆｇｔを変える制御を行う、ことを特徴とする燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の熱電比変更方法が提供される。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、発電出力Ｐを優先させる場合に発電効率の高い燃料電池への供給燃料Ｆｆｃを増やし、熱出力Ｓを優先させる場合にマイクロガスタービンへの供給燃料Ｆｇｔを増やし、これにより余剰蒸気と余剰温水を発生させる。
【００１６】
また、発電出力Ｐを優先させる場合に、燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを優先的に設定してその実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃに一定保持し、マイクロガスタービンの設定発電出力Ｐｇｔをその残余に設定し、マイクロガスタービンの回転数Ｎを制御してその実発電出力Ｐｇｔ’を設定発電出力Ｐｇｔにフィードバック制御する。
【００１７】
また、熱出力Ｓを優先させる場合に、余剰蒸気流量調節弁（３４）を制御し、蒸気圧力Ｐの低下を検出してマイクロガスタービンの熱出力制御を開始し、タービン入口温度ＴＩＴを制御する。
更に、燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを要求される発電出力Ｐとマイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’の差に設定し、燃料電池の実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃにフィードバック制御する。
【００１８】
また、更に、タービン入口温度ＴＩＴを所定の上限温度以下に制限し、かつマイクロガスタービンの回転数Ｎを所定の上限速度以下に制限する。
【００１９】
上記本発明の熱電比変更方法によれば、燃料電池の発電出力とマイクロガスタービンの発電出力のバランスを変える制御を行うことにより、熱電比を幅広く変えることが可能となる。また、発電効率を優先したシステムでは、部分負荷運転において余剰蒸気・温水を発生できる。更に部分負荷運用において発電効率を優先する場合は発電出力、熱出力ともに可能な限り小さくし、トータルでの供給燃料を最小にする運用となる。一方、熱負荷を優先させる場合には、μＧＴ供給燃料を増やすためμＧＴ負荷は定格となり、余剰蒸気、余剰温水量は最大となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２１】
図１は、本発明による熱電比変更方法を適用するコンバインド発電設備を示す図である。この図に示すように、このコンバインド発電設備は、排熱回収熱交換器１５、燃料電池発電装置２０、マイクロガスタービン２２、空気供給ライン２４、排ガスライン２６、及び排ガス用触媒燃焼器２８を備える。
【００２２】
排熱回収熱交換器１５は、マイクロガスタービン２２のタービンＴを出た排ガスから熱回収して水蒸気を発生させ、発生した水蒸気８を燃料１に混合して改質器１０における改質反応に用いるようになっている。
【００２３】
燃料電池発電装置２０は、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池１１と、燃料電池１１で反応後のアノード排ガス４をカソード排ガス７の一部７ａで燃焼させる電池用触媒燃焼器１７と、触媒燃焼器１７の燃焼排ガス５を燃料電池１１のカソード入口側に循環させるリサイクルブロワ１６とを備える。燃料電池１１はこの例では、溶融炭酸塩型燃料電池である。しかし、本発明はこれに限定されず、高温高圧下が作動するその他の形式の燃料電池でもよい。
図１において、燃料電池発電装置２０は、その他に、改質器１０、燃料予熱器１３等を備えている。かかる燃料電池発電装置２０の構成は、図５に例示した従来の溶融炭酸塩型燃料電池発電設備と同様である。
【００２４】
マイクロガスタービン２２は、回転数可変型発電機を有するガスタービン発電装置である。このマンクロガスタービン２２は、通常のガスタービン発電装置と同様に、機械的に連結された圧縮機Ｃ、タービンＴ及び発電機Ｇと燃焼器２２ａを備える。燃焼器２２ａには、圧縮機Ｃで圧縮した圧縮空気と燃料が供給され、図示しない着火装置により着火して燃料を燃焼させることができる。また、発電機Ｇは、起動時に電動機として短時間用いることができる。従って、このマイクロガスタービンは、発電機を電動機として用いて単独起動し、燃焼器で燃焼させて、単独で自立運転することができる。
【００２５】
空気供給ライン２４は、マイクロガスタービン２２から圧縮空気を抽気し、燃料電池発電装置２０に供給する。この空気供給ライン２４は、燃料電池のカソードライン３に圧縮空気を供給する電池用空気供給ライン２４ａと、電池用触媒燃焼器１７に圧縮空気を供給する触媒用空気供給ライン２４ｂとからなる。それぞれのライン２４ａ，２４ｂには、流量調節弁２５ａ，２５ｂが設けられ、それぞれ独立に流量調節することができる。
【００２６】
排ガスライン２６は、燃料電池１１のカソード側とマイクロガスタービン２２のタービン入口とを連通するラインであり、燃料電池発電装置２０からマイクロガスタービン２２にカソード排ガス７の一部を供給する。このカソード排ガス７には、通常５〜１５％程度の酸素が含まれる。
【００２７】
排ガス用触媒燃焼器２８は、タービン入口より上流側の排ガスライン２６に設けられる。また、この排ガス用触媒燃焼器２８にマイクロガスタービン２２の圧縮機Ｃから圧縮空気を供給する触媒用空気ライン２８ａと、排ガス触媒燃焼器２８に燃料を直接供給する触媒用燃料ライン２８ｂとが設けられている。
排ガス用触媒燃焼器２８には、燃焼触媒が充填されている。この燃焼触媒は、例えばＮｉを主成分とする触媒であり、比較的低い温度（例えば１００℃前後）で自己着火でき、かつ燃料の流量範囲が非常に広くかつ低酸素濃度でも安定燃焼できる特性を有している。なお、この触媒燃焼器２８に予熱装置を設けて単独で予熱・自己着火できるようにしてもよい。
【００２８】
図２は、図１の一部を省略した主要部分の構成図であり、図３は図２を模式的に示すブロック図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池発電装置２０（ＭＣＦＣ）は、燃料（流量Ｆｆｃ）と水蒸気（流量Ｓｆｃ）がＭＣＦＣ燃料流量調節弁３１と改質蒸気流量調節弁３３からそれぞれ供給されて、発電（発電出力Ｐｆｃ）し、カソード排ガス（流量Ｆｃｇ）をマイクロガスタービン２２に供給する。
マイクロガスタービン２２（μＧＴ）は、燃料（流量Ｆｇｔ）がμＧＴ燃料流量調節弁３２から供給され、圧縮空気（流量Ｆａ）をＭＣＦＣに供給すると同時に発電（発電出力Ｐｇｔ）し、排ガス（流量Ｆｅｇ、温度Ｔｅｇ）を排熱回収熱交換器１５に供給する。
【００２９】
排熱回収熱交換器１５（ＨＲＳＧ）は、排ガスから水蒸気（流量Ｓｆｃ，Ｓｅｘｔ）を発生する。改質用の水蒸気（流量Ｓｆｃ）は、ＭＣＦＣ燃料流量Ｆｆｃに応じてＳｆｃ＝ｆ（Ｆｆｃ）となるように改質蒸気流量調節弁３３が制御される。また、排熱回収熱交換器１５は、排熱回収ボイラであり、その蒸気圧力Ｐｂが所定の設定圧力になるように、余剰蒸気流量調節弁３４と蒸気圧力調節弁３５で制御される。余剰蒸気流量調節弁３４から取り出された水蒸気は、ユーティリティとして用いられ、蒸気圧力調節弁３５を通った水蒸気は排ガスとともに放出されるようになっている。
【００３０】
上述した燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備は、設計段階において、発電出力を優先させる場合と、熱出力を優先させる場合とがある。発電出力を優先させる設計の場合には、定格負荷時に発電効率が最大となり、かつ余剰蒸気がほとんど発生しないように各機器容量を設定する。従ってこの発電優先設計の場合には、定格負荷時にはユーティリティとしての余剰蒸気は使用できず、部分負荷時においてのみユーティリティが使用できる。
一方、熱出力を優先させる設計の場合には、マイクロガスタービンの容量を発電優先設計の場合よりも大きく設定する。従って、この熱優先設計の場合には、発電と同時に常にユーティリティとして余剰蒸気を使用することができる。
なお、本発明の熱電比変更方法は、上述した発電優先設計と熱優先設計の両方の場合に、適用することができる。
【００３１】
本発明の熱電比変更方法では、要求される発電出力Ｐと熱出力Ｓに応じて、上述した燃料電池発電装置２０（ＭＣＦＣ）とマイクロガスタービン２２への供給燃料量Ｆｆｃ，Ｆｇｔを変える制御を行う。
【００３２】
図４は、本発明の熱電比変更方法を示す制御ブロック図である。この図に示すように、本発明の方法は、発電出力を優先する場合（以下、発電優先制御と呼ぶ）と、熱出力を優先する場合（以下、熱優先制御と呼ぶ）の２つに大別される。この選択は、発電／熱出力切替選択ステップ（Ｓ１）で行う。
【００３３】
発電優先制御では、発電効率の高い燃料電池１１への供給燃料Ｆｆｃを増やし、燃料電池１１で熱効率の高い発電を行い実発電出力Ｐｆｃ’を出力する。また、その不足分のみをマイクロガスタービンの回転数制御で補って全体として要求される発電出力Ｐを発電する。
【００３４】
すなわち、図４において、発電出力制御指令ステップ（Ｓ２）において、要求される発電出力Ｐに応じて、燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを優先的に設定し、マイクロガスタービンの設定発電出力Ｐｇｔをその残余に設定する。次いで、ＭＣＦＣインバータ出力制御ステップ（Ｓ３）において、ＭＣＦＣ燃料流量調節弁３１を制御して、ＭＣＦＣ燃料流量Ｆｆｃを調節する。この燃料流量により、ＭＣＦＣの実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃに一致させ一定保持し、高い熱効率で発電することができる。
一方、μＧＴ回転制御ステップ（Ｓ４）において、マイクロガスタービンの回転数Ｎ（回転速度）を制御し、μＧＴインバータ出力制御ステップ（Ｓ５）でμＧＴ燃料流量調節弁３２を制御して、マイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’を設定発電出力Ｐｇｔにフィードバック制御する。
【００３５】
言い換えれば、このμＧＴ回転制御ステップ（Ｓ４）では、マイクロガスタービンの回転数Ｎ（回転速度）を変化させて、マイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’を調節する。
なお、このμＧＴ回転制御ステップ（Ｓ４）において、マイクロガスタービンの保護のため、タービン入口温度ＴＩＴを所定の上限温度以下に制限し、かつマイクロガスタービンの回転数Ｎを所定の上限速度以下に制限する。
【００３６】
従って、この発電優先制御では、要求される発電出力Ｐを燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電として高い効率で発電することができる。なお、この発電優先制御では、排熱回収熱交換器１５に供給される排ガスの熱エネルギーは、なんら制御されない。そのため、発生した水蒸気から改質用の水蒸気（流量Ｓｆｃ）を優先的に改質蒸気流量調節弁３３から燃料電池に供給し、その残りの水蒸気のみをユーティリティとして用いることができる。
【００３７】
図４に示すように、ユーティリティ用の水蒸気の流量（Ｓｅｘｔ）は、余剰蒸気流量調節弁開指令ステップ（Ｓ６）において、余剰蒸気流量調節弁３４の開度を制御して調節される。また、Ｓ６ステップに応じて、蒸気圧力調節弁閉ステップ（Ｓ７）において、蒸気圧力が一定になるように蒸気圧力調節弁３５の開度が制御される。
このＳ６，Ｓ７ステップは、発電優先制御と熱優先制御の両方で行われ、蒸気圧力を一定に保持できる限りでは、発電優先制御においても、要求される熱出力Ｓを余剰蒸気流量調節弁３４から供給することができる。しかし、発電優先制御では、余剰蒸気流量調節弁３４の開度は、蒸気圧力を一定に保持できる範囲に限定され、それ以上にユーティリティを供給できなくなる。
【００３８】
一方、熱優先制御では、マイクロガスタービンへの供給燃料Ｆｇｔを増やし、これにより余剰蒸気と余剰温水を発生させる。
すなわち、発電／熱出力切替選択ステップ（Ｓ１）で熱優先制御が選択されると、上述のようにユーティリティ用の水蒸気の流量（Ｓｅｘｔ）が、余剰蒸気流量調節弁開指令ステップ（Ｓ６）において、余剰蒸気流量調節弁３４の開度を制御して調節され、更に、蒸気圧力調節弁閉ステップ（Ｓ７）において、蒸気圧力が一定になるように蒸気圧力調節弁３５の開度が制御される。
【００３９】
熱優先制御では、余剰蒸気流量調節弁３４の開度は、蒸気圧力を一定に保持できる範囲に限定されない。そのため、余剰蒸気流量調節弁３４を更に開き、蒸気圧力調節弁３５を限界まで閉じると、蒸気圧力Ｐが低下する。蒸気圧力低下ステップ（Ｓ８）において、この圧力低下を検出し、熱出力制御指令ステップ（Ｓ９）でマイクロガスタービンの熱出力制御を開始し、タービン入口温度制御ステップ（Ｓ１０）でタービン入口温度ＴＩＴを制御する。
【００４０】
言い換えれば、このタービン入口温度制御ステップ（Ｓ１０）では、マイクロガスタービンのタービン入口温度ＴＩＴを変化させて、マイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’を調節する。
なお、このタービン入口温度制御ステップ（Ｓ１０）においても、マイクロガスタービンの保護のため、タービン入口温度ＴＩＴを所定の上限温度以下に制限し、かつマイクロガスタービンの回転数Ｎを所定の上限速度以下に制限する。
【００４１】
一方、μＧＴ回転制御ステップ（Ｓ４）において、マイクロガスタービンの回転数Ｎ（回転速度）を制御し、μＧＴインバータ出力制御ステップ（Ｓ５）でμＧＴ燃料流量調節弁３２を制御して、マイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’を設定発電出力Ｐｇｔにフィードバック制御する。
なお、このμＧＴ回転制御ステップ（Ｓ４）において、マイクロガスタービンの保護のため、タービン入口温度ＴＩＴを所定の上限温度以下に制限し、かつマイクロガスタービンの回転数Ｎを所定の上限速度以下に制限する。
【００４２】
また、熱優先制御では、燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを要求される発電出力Ｐとマイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’の差に設定し、燃料電池の実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃにフィードバック制御する。
【００４３】
従って、この熱優先制御では、要求される熱出力をマイクロガスタービンのタービン入口温度ＴＩＴを変化させて、マイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’を調節し、残りの発電出力Ｐを燃料電池で発電して、発電出力と熱出力をコンバインド発電として高い効率で発電することができる。
【００４４】
表１は、本発明の熱電比変更方法の実施例である。この例は、発電出力を優先させる設計の場合のものであり、定格負荷時に発電効率が最大（発電端効率５５％）となり、かつ余剰蒸気がほとんど発生しない（余剰蒸気量ゼロ）ように各機器容量が設定されている。
【００４５】
【表１】
【００４６】
この表からわかるように、部分負荷時には、発電重視（発電優先制御）と熱重視（熱優先制御）を行うことができ、発電重視では、発電端出力１４０ｋｗをＭＣＦＣ出力で発揮し、高い発電端効率（４４％）を得ることができる。また、熱重視では、余剰蒸気量１６５ｋｇ／ｈをユーティリティとして使用しながら、同時に１２１ｋｗの発電端出力を得ることができる。
【００４７】
なお本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４８】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の熱電比変更方法によれば、必要とする電力出力と熱出力に応じて、熱電比を変更することができ、かつ高い熱効率で発電し同時に必要なユーティリティを供給することができる、優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱電比変更方法を適用するコンバインド発電設備を示す図である。
【図２】図１の一部を省略した主要部分の構成図である。
【図３】図２を模式的に示すブロック図である。
【図４】本発明の熱電比変更方法を示す制御ブロック図である。
【図５】従来の燃料電池発電設備の全体構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料、２ アノードガス、３ カソードガス、
４ アノード排ガス、５ 燃焼排ガス、６ 空気、
７，７ａ，７ｂ，７ｃ カソード排ガス、８ 水蒸気、
９ ＣＯ２濃縮ガス、１０ 改質器、１１ 燃料電池、
１２ ターボチャージャー、１２ａ 流量調節弁、
１３ 燃料予熱器、１４ ガスタービン用燃焼器、
１５ 排熱回収熱交換器（ＨＲＳＧ）、１６ リサイクルブロア、
１７ 電池用触媒燃焼器、１８ カソードリサイクルライン、
１８ａ 高温流量調節弁、２０ 燃料電池発電装置（ＭＣＦＣ）、
２２ マイクロガスタービン（μＧＴ）、２４ 空気供給ライン、
２４ａ 電池用空気供給ライン、２４ｂ 触媒用空気供給ライン、
２６ 排ガスライン、２８ 排ガス用触媒燃焼器、
２８ａ 触媒用空気ライン、２８ｂ 触媒用燃料ライン、
３１ ＭＣＦＣ燃料流量調節弁、３２ μＧＴ燃料流量調節弁、
３３ 改質蒸気流量調節弁、３４ 余剰蒸気流量調節弁、
３５ 蒸気圧力調節弁
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の熱電比変更方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率かつ環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行われている。
【０００３】
図５は、例えば天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池発電設備の一例を示す構成図である。この図において溶融炭酸塩型燃料電池発電設備は、改質器１０、燃料電池１１、ターボチャージャー１２、排熱回収熱交換器１５等を備え、天然ガス等の燃料１を燃料予熱器１３で予熱して改質器１０の改質室Ｒｅｆに供給し、ここで燃料１を水素を含むアノードガス２に改質する。
燃料電池１１では、アノードガス２と酸素を含むカソードガス３とから電気化学的に発電する。燃料電池１１を出たアノード排ガス４とカソード排ガス７の一部７ａは、燃焼器１７に供給されて燃焼して高温の燃焼排ガス５を発生する。この燃焼排ガス５は、改質器１０の燃焼室に供給され、ここで改質反応に必要な熱を改質室Ｒｅｆに供給する。
【０００４】
改質器１０を出た燃焼排ガス５は、ＣＯ２ブロア１６（以下、ＣＯ２リサイクルブロアと呼ぶ）でカソード入口側にリサイクルされ、ターボチャージャー１２から供給される加圧空気６と合流し、カソードガス３となって燃料電池１１のカソード側に供給される。反応後のカソード排ガス７の一部７ｂは、カソードリサイクルライン１８を介してＣＯ２リサイクルブロア１６の吸引側にリサイクルされ、残り７ｃはターボチャージャー用の燃焼器１４に供給される。燃焼器１４は、起動時や部分負荷時に用いられ、天然ガスをカソード排ガスで燃焼し燃焼排ガスでターボチャージャーを駆動する。
【０００５】
ターボチャージャー１２は、カソード排ガス７ｃ及び燃焼器１４で発生した燃焼排ガスでタービンＴを駆動して圧縮機Ｃで空気を圧縮し、この加圧空気６は前述の燃料電池１１のカソード側上流に供給される。タービンＴを出た排ガスは、排熱回収熱交換器１５に供給され、ここで水蒸気を発生させたのち系外に放出される。発生した水蒸気８は燃料１に混合され改質器１０における改質反応に用いられる。
なお、図５において、１８ａはカソードリサイクルライン１８の流量を制御するための高温流量調節弁、１２ａはタービンＴをバイパスしてガスを流すための流量調節弁である。その他の流量調節弁の説明は省略する。
【０００６】
上述した燃料電池発電設備において、燃料電池１１（溶融炭酸塩型燃料電池、以下単にＭＣＦＣという）はアノード側とカソード側とからなり、次のような電極反応が行われる。
アノード反応（負極反応）Ｈ２＋ＣＯ３ ２−→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ．．（１）
カソード反応（正極反応）ＣＯ２＋１／２Ｏ２＋２ｅ→ＣＯ３ ２−．．（２）
【０００７】
すなわちアノード側では、（１）式により水素ガスとＣＯ３ ２−とから水と炭酸ガスと電荷が生成され、カソード側では、（２）式により炭酸ガスと酸素と電荷とからＣＯ３ ２−が生成される。（１）式右辺はアノードから排出されるアノード排ガス４の成分を表しており、炭酸ガスが含まれている。また（２）式左辺はカソードに供給されるカソードガスの成分を表しており、同じく炭酸ガスが含まれている。このため上述したＣＯ２リサイクルブロア１６により、改質器で発生したＣＯ２ガスを燃料電池のカソード側に供給してカソード反応に利用するようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＣＦＣは、運転温度が６００〜７００℃と高いため排ガスが高温となり、この高温ガスのエネルギーを回収するためにタービンへ供給している。タービン動力はＭＣＦＣの反応に必要な空気を供給するためのコンプレッサー動力に変えられる。
この場合、既存のガスタービン発電機は発電出力が１００ｋＷを超えるため、発電出力が数百ｋＷ級のＭＣＦＣの場合、組み合わせるための数十ｋＷ級のガスタービン発電機の代用として、上述したように車両用ターボチャージャーを転用していた。このため、単独起動ができないため、起動時は別途設置する空気コンプレッサーまたは起動用の空気貯槽等が必要であった。また、ターボチャージャーは発電機を備えないため余剰エネルギーが発生する場合でも、発電して発電効率を向上させることができなかった。
【０００９】
一方、近年、発電出力が１００ｋＷに満たない超小型のガスタービン発電機が開発されている。以下、かかる超小型ガスタービン発電機を「マイクロガスタービン」又は単に「μＧＴ」と略称する。
マイクロガスタービンは、大型のガスタービン発電機と同様に、圧縮機、燃焼器、タービン、及び発電機を備えるが、タービン回転数が相対的に高く（例えば３〜１０万ｒｐｍ）、圧縮比が比較的小さく（例えば４〜６程度）永久磁石型同期高速発電機に代表される回転数可変型の発電機を使用する等の特徴を有する。
【００１０】
上述したμＧＴをＭＣＦＣと組み合わせたコンバインド発電設備を、以下「ＭＣＦＣ／μＧＴシステム」と呼ぶ。かかるＭＣＦＣ／μＧＴシステムは、μＧＴの発電機を電動機として用いてμＧＴの単独起動ができるため、ターボチャージャーを用いる場合に比較して、起動用の余分な設備が不要となり、かつ発電により発電効率を向上させることができるメリットがある。
【００１１】
かかるＭＣＦＣ／μＧＴシステムにおける出力制御は、要求発電出力に対し、ＭＣＦＣとマイクロガスタービンの出力合計が要求発電出力となるように燃料流量を調節する制御方法がとられる。この場合、ＭＣＦＣとマイクロガスタービンを組み合わせたシステムは総出力数百ｋＷ級であるため、その用途からコージェネレーションとしての運用も重視されているにもかかわらず、現状の制御方法では、熱出力は発電出力により一義的に決まるため、運用上の制約があった。
【００１２】
すなわち、ＭＣＦＣ／μＧＴシステムからは電力の他にユーティリィティとしての蒸気及び温水（以下「熱出力」と呼ぶ）を取り出すことができるが、従来は、要求発電出力をＭＣＦＣとマイクロガスタービンで発電し、その排熱から熱出力が得られるにすぎず、その熱電比（熱出力と発電出力との比）を変更することができなかった。
【００１３】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、必要とする電力出力と熱出力に応じて、熱電比を変更することができ、かつ高い熱効率で発電し同時に必要なユーティリティを供給することができる、燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の熱電比変更方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）を有する燃料電池発電装置（２０）と、回転数可変型発電機を有するマイクロガスタービン（２２）と、マイクロガスタービンから圧縮空気を抽気し前記燃料電池発電装置に供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池発電装置からマイクロガスタービンに酸素を含む排ガスを供給する排ガスライン（２６）と、マイクロガスタービンの排ガスで水蒸気を発生させる排熱回収装置（１５）とを備えた燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備において、要求される発電出力Ｐと熱出力Ｓに応じて、燃料電池とマイクロガスタービンへの供給燃料量Ｆｆｃ，Ｆｇｔを変える制御を行う、ことを特徴とする燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の熱電比変更方法が提供される。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、発電出力Ｐを優先させる場合に発電効率の高い燃料電池への供給燃料Ｆｆｃを増やし、熱出力Ｓを優先させる場合にマイクロガスタービンへの供給燃料Ｆｇｔを増やし、これにより余剰蒸気と余剰温水を発生させる。
【００１６】
また、発電出力Ｐを優先させる場合に、燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを優先的に設定してその実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃに一定保持し、マイクロガスタービンの設定発電出力Ｐｇｔをその残余に設定し、マイクロガスタービンの回転数Ｎを制御してその実発電出力Ｐｇｔ’を設定発電出力Ｐｇｔにフィードバック制御する。
【００１７】
また、熱出力Ｓを優先させる場合に、余剰蒸気流量調節弁（３４）を制御し、蒸気圧力Ｐの低下を検出してマイクロガスタービンの熱出力制御を開始し、タービン入口温度ＴＩＴを制御する。
更に、燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを要求される発電出力Ｐとマイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’の差に設定し、燃料電池の実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃにフィードバック制御する。
【００１８】
また、更に、タービン入口温度ＴＩＴを所定の上限温度以下に制限し、かつマイクロガスタービンの回転数Ｎを所定の上限速度以下に制限する。
【００１９】
上記本発明の熱電比変更方法によれば、燃料電池の発電出力とマイクロガスタービンの発電出力のバランスを変える制御を行うことにより、熱電比を幅広く変えることが可能となる。また、発電効率を優先したシステムでは、部分負荷運転において余剰蒸気・温水を発生できる。更に部分負荷運用において発電効率を優先する場合は発電出力、熱出力ともに可能な限り小さくし、トータルでの供給燃料を最小にする運用となる。一方、熱負荷を優先させる場合には、μＧＴ供給燃料を増やすためμＧＴ負荷は定格となり、余剰蒸気、余剰温水量は最大となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通の部材には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２１】
図１は、本発明による熱電比変更方法を適用するコンバインド発電設備を示す図である。この図に示すように、このコンバインド発電設備は、排熱回収熱交換器１５、燃料電池発電装置２０、マイクロガスタービン２２、空気供給ライン２４、排ガスライン２６、及び排ガス用触媒燃焼器２８を備える。
【００２２】
排熱回収熱交換器１５は、マイクロガスタービン２２のタービンＴを出た排ガスから熱回収して水蒸気を発生させ、発生した水蒸気８を燃料１に混合して改質器１０における改質反応に用いるようになっている。
【００２３】
燃料電池発電装置２０は、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池１１と、燃料電池１１で反応後のアノード排ガス４をカソード排ガス７の一部７ａで燃焼させる電池用触媒燃焼器１７と、触媒燃焼器１７の燃焼排ガス５を燃料電池１１のカソード入口側に循環させるリサイクルブロワ１６とを備える。燃料電池１１はこの例では、溶融炭酸塩型燃料電池である。しかし、本発明はこれに限定されず、高温高圧下が作動するその他の形式の燃料電池でもよい。
図１において、燃料電池発電装置２０は、その他に、改質器１０、燃料予熱器１３等を備えている。かかる燃料電池発電装置２０の構成は、図５に例示した従来の溶融炭酸塩型燃料電池発電設備と同様である。
【００２４】
マイクロガスタービン２２は、回転数可変型発電機を有するガスタービン発電装置である。このマンクロガスタービン２２は、通常のガスタービン発電装置と同様に、機械的に連結された圧縮機Ｃ、タービンＴ及び発電機Ｇと燃焼器２２ａを備える。燃焼器２２ａには、圧縮機Ｃで圧縮した圧縮空気と燃料が供給され、図示しない着火装置により着火して燃料を燃焼させることができる。また、発電機Ｇは、起動時に電動機として短時間用いることができる。従って、このマイクロガスタービンは、発電機を電動機として用いて単独起動し、燃焼器で燃焼させて、単独で自立運転することができる。
【００２５】
空気供給ライン２４は、マイクロガスタービン２２から圧縮空気を抽気し、燃料電池発電装置２０に供給する。この空気供給ライン２４は、燃料電池のカソードライン３に圧縮空気を供給する電池用空気供給ライン２４ａと、電池用触媒燃焼器１７に圧縮空気を供給する触媒用空気供給ライン２４ｂとからなる。それぞれのライン２４ａ，２４ｂには、流量調節弁２５ａ，２５ｂが設けられ、それぞれ独立に流量調節することができる。
【００２６】
排ガスライン２６は、燃料電池１１のカソード側とマイクロガスタービン２２のタービン入口とを連通するラインであり、燃料電池発電装置２０からマイクロガスタービン２２にカソード排ガス７の一部を供給する。このカソード排ガス７には、通常５〜１５％程度の酸素が含まれる。
【００２７】
排ガス用触媒燃焼器２８は、タービン入口より上流側の排ガスライン２６に設けられる。また、この排ガス用触媒燃焼器２８にマイクロガスタービン２２の圧縮機Ｃから圧縮空気を供給する触媒用空気ライン２８ａと、排ガス触媒燃焼器２８に燃料を直接供給する触媒用燃料ライン２８ｂとが設けられている。
排ガス用触媒燃焼器２８には、燃焼触媒が充填されている。この燃焼触媒は、例えばＮｉを主成分とする触媒であり、比較的低い温度（例えば１００℃前後）で自己着火でき、かつ燃料の流量範囲が非常に広くかつ低酸素濃度でも安定燃焼できる特性を有している。なお、この触媒燃焼器２８に予熱装置を設けて単独で予熱・自己着火できるようにしてもよい。
【００２８】
図２は、図１の一部を省略した主要部分の構成図であり、図３は図２を模式的に示すブロック図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池発電装置２０（ＭＣＦＣ）は、燃料（流量Ｆｆｃ）と水蒸気（流量Ｓｆｃ）がＭＣＦＣ燃料流量調節弁３１と改質蒸気流量調節弁３３からそれぞれ供給されて、発電（発電出力Ｐｆｃ）し、カソード排ガス（流量Ｆｃｇ）をマイクロガスタービン２２に供給する。
マイクロガスタービン２２（μＧＴ）は、燃料（流量Ｆｇｔ）がμＧＴ燃料流量調節弁３２から供給され、圧縮空気（流量Ｆａ）をＭＣＦＣに供給すると同時に発電（発電出力Ｐｇｔ）し、排ガス（流量Ｆｅｇ、温度Ｔｅｇ）を排熱回収熱交換器１５に供給する。
【００２９】
排熱回収熱交換器１５（ＨＲＳＧ）は、排ガスから水蒸気（流量Ｓｆｃ，Ｓｅｘｔ）を発生する。改質用の水蒸気（流量Ｓｆｃ）は、ＭＣＦＣ燃料流量Ｆｆｃに応じてＳｆｃ＝ｆ（Ｆｆｃ）となるように改質蒸気流量調節弁３３が制御される。また、排熱回収熱交換器１５は、排熱回収ボイラであり、その蒸気圧力Ｐｂが所定の設定圧力になるように、余剰蒸気流量調節弁３４と蒸気圧力調節弁３５で制御される。余剰蒸気流量調節弁３４から取り出された水蒸気は、ユーティリティとして用いられ、蒸気圧力調節弁３５を通った水蒸気は排ガスとともに放出されるようになっている。
【００３０】
上述した燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備は、設計段階において、発電出力を優先させる場合と、熱出力を優先させる場合とがある。発電出力を優先させる設計の場合には、定格負荷時に発電効率が最大となり、かつ余剰蒸気がほとんど発生しないように各機器容量を設定する。従ってこの発電優先設計の場合には、定格負荷時にはユーティリティとしての余剰蒸気は使用できず、部分負荷時においてのみユーティリティが使用できる。
一方、熱出力を優先させる設計の場合には、マイクロガスタービンの容量を発電優先設計の場合よりも大きく設定する。従って、この熱優先設計の場合には、発電と同時に常にユーティリティとして余剰蒸気を使用することができる。
なお、本発明の熱電比変更方法は、上述した発電優先設計と熱優先設計の両方の場合に、適用することができる。
【００３１】
本発明の熱電比変更方法では、要求される発電出力Ｐと熱出力Ｓに応じて、上述した燃料電池発電装置２０（ＭＣＦＣ）とマイクロガスタービン２２への供給燃料量Ｆｆｃ，Ｆｇｔを変える制御を行う。
【００３２】
図４は、本発明の熱電比変更方法を示す制御ブロック図である。この図に示すように、本発明の方法は、発電出力を優先する場合（以下、発電優先制御と呼ぶ）と、熱出力を優先する場合（以下、熱優先制御と呼ぶ）の２つに大別される。この選択は、発電／熱出力切替選択ステップ（Ｓ１）で行う。
【００３３】
発電優先制御では、発電効率の高い燃料電池１１への供給燃料Ｆｆｃを増やし、燃料電池１１で熱効率の高い発電を行い実発電出力Ｐｆｃ’を出力する。また、その不足分のみをマイクロガスタービンの回転数制御で補って全体として要求される発電出力Ｐを発電する。
【００３４】
すなわち、図４において、発電出力制御指令ステップ（Ｓ２）において、要求される発電出力Ｐに応じて、燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを優先的に設定し、マイクロガスタービンの設定発電出力Ｐｇｔをその残余に設定する。次いで、ＭＣＦＣインバータ出力制御ステップ（Ｓ３）において、ＭＣＦＣ燃料流量調節弁３１を制御して、ＭＣＦＣ燃料流量Ｆｆｃを調節する。この燃料流量により、ＭＣＦＣの実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃに一致させ一定保持し、高い熱効率で発電することができる。
一方、μＧＴ回転制御ステップ（Ｓ４）において、マイクロガスタービンの回転数Ｎ（回転速度）を制御し、μＧＴインバータ出力制御ステップ（Ｓ５）でμＧＴ燃料流量調節弁３２を制御して、マイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’を設定発電出力Ｐｇｔにフィードバック制御する。
【００３５】
言い換えれば、このμＧＴ回転制御ステップ（Ｓ４）では、マイクロガスタービンの回転数Ｎ（回転速度）を変化させて、マイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’を調節する。
なお、このμＧＴ回転制御ステップ（Ｓ４）において、マイクロガスタービンの保護のため、タービン入口温度ＴＩＴを所定の上限温度以下に制限し、かつマイクロガスタービンの回転数Ｎを所定の上限速度以下に制限する。
【００３６】
従って、この発電優先制御では、要求される発電出力Ｐを燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電として高い効率で発電することができる。なお、この発電優先制御では、排熱回収熱交換器１５に供給される排ガスの熱エネルギーは、なんら制御されない。そのため、発生した水蒸気から改質用の水蒸気（流量Ｓｆｃ）を優先的に改質蒸気流量調節弁３３から燃料電池に供給し、その残りの水蒸気のみをユーティリティとして用いることができる。
【００３７】
図４に示すように、ユーティリティ用の水蒸気の流量（Ｓｅｘｔ）は、余剰蒸気流量調節弁開指令ステップ（Ｓ６）において、余剰蒸気流量調節弁３４の開度を制御して調節される。また、Ｓ６ステップに応じて、蒸気圧力調節弁閉ステップ（Ｓ７）において、蒸気圧力が一定になるように蒸気圧力調節弁３５の開度が制御される。
このＳ６，Ｓ７ステップは、発電優先制御と熱優先制御の両方で行われ、蒸気圧力を一定に保持できる限りでは、発電優先制御においても、要求される熱出力Ｓを余剰蒸気流量調節弁３４から供給することができる。しかし、発電優先制御では、余剰蒸気流量調節弁３４の開度は、蒸気圧力を一定に保持できる範囲に限定され、それ以上にユーティリティを供給できなくなる。
【００３８】
一方、熱優先制御では、マイクロガスタービンへの供給燃料Ｆｇｔを増やし、これにより余剰蒸気と余剰温水を発生させる。
すなわち、発電／熱出力切替選択ステップ（Ｓ１）で熱優先制御が選択されると、上述のようにユーティリティ用の水蒸気の流量（Ｓｅｘｔ）が、余剰蒸気流量調節弁開指令ステップ（Ｓ６）において、余剰蒸気流量調節弁３４の開度を制御して調節され、更に、蒸気圧力調節弁閉ステップ（Ｓ７）において、蒸気圧力が一定になるように蒸気圧力調節弁３５の開度が制御される。
【００３９】
熱優先制御では、余剰蒸気流量調節弁３４の開度は、蒸気圧力を一定に保持できる範囲に限定されない。そのため、余剰蒸気流量調節弁３４を更に開き、蒸気圧力調節弁３５を限界まで閉じると、蒸気圧力Ｐが低下する。蒸気圧力低下ステップ（Ｓ８）において、この圧力低下を検出し、熱出力制御指令ステップ（Ｓ９）でマイクロガスタービンの熱出力制御を開始し、タービン入口温度制御ステップ（Ｓ１０）でタービン入口温度ＴＩＴを制御する。
【００４０】
言い換えれば、このタービン入口温度制御ステップ（Ｓ１０）では、マイクロガスタービンのタービン入口温度ＴＩＴを変化させて、マイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’を調節する。
なお、このタービン入口温度制御ステップ（Ｓ１０）においても、マイクロガスタービンの保護のため、タービン入口温度ＴＩＴを所定の上限温度以下に制限し、かつマイクロガスタービンの回転数Ｎを所定の上限速度以下に制限する。
【００４１】
一方、μＧＴ回転制御ステップ（Ｓ４）において、マイクロガスタービンの回転数Ｎ（回転速度）を制御し、μＧＴインバータ出力制御ステップ（Ｓ５）でμＧＴ燃料流量調節弁３２を制御して、マイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’を設定発電出力Ｐｇｔにフィードバック制御する。
なお、このμＧＴ回転制御ステップ（Ｓ４）において、マイクロガスタービンの保護のため、タービン入口温度ＴＩＴを所定の上限温度以下に制限し、かつマイクロガスタービンの回転数Ｎを所定の上限速度以下に制限する。
【００４２】
また、熱優先制御では、燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを要求される発電出力Ｐとマイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’の差に設定し、燃料電池の実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃにフィードバック制御する。
【００４３】
従って、この熱優先制御では、要求される熱出力をマイクロガスタービンのタービン入口温度ＴＩＴを変化させて、マイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’を調節し、残りの発電出力Ｐを燃料電池で発電して、発電出力と熱出力をコンバインド発電として高い効率で発電することができる。
【００４４】
表１は、本発明の熱電比変更方法の実施例である。この例は、発電出力を優先させる設計の場合のものであり、定格負荷時に発電効率が最大（発電端効率５５％）となり、かつ余剰蒸気がほとんど発生しない（余剰蒸気量ゼロ）ように各機器容量が設定されている。
【００４５】
【表１】
この表からわかるように、部分負荷時には、発電重視（発電優先制御）と熱重視（熱優先制御）を行うことができ、発電重視では、発電端出力１４０ｋｗをＭＣＦＣ出力で発揮し、高い発電端効率（４４％）を得ることができる。また、熱重視では、余剰蒸気量１６５ｋｇ／ｈをユーティリティとして使用しながら、同時に１２１ｋｗの発電端出力を得ることができる。
【００４７】
なお本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４８】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の熱電比変更方法によれば、必要とする電力出力と熱出力に応じて、熱電比を変更することができ、かつ高い熱効率で発電し同時に必要なユーティリティを供給することができる、優れた効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱電比変更方法を適用するコンバインド発電設備を示す図である。
【図２】図１の一部を省略した主要部分の構成図である。
【図３】図２を模式的に示すブロック図である。
【図４】本発明の熱電比変更方法を示す制御ブロック図である。
【図５】従来の燃料電池発電設備の全体構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料、２ アノードガス、３ カソードガス、
４ アノード排ガス、５ 燃焼排ガス、６ 空気、
７，７ａ，７ｂ，７ｃ カソード排ガス、８ 水蒸気、
９ ＣＯ２濃縮ガス、１０ 改質器、１１ 燃料電池、
１２ ターボチャージャー、１２ａ 流量調節弁、
１３ 燃料予熱器、１４ ガスタービン用燃焼器、
１５ 排熱回収熱交換器（ＨＲＳＧ）、１６ リサイクルブロア、
１７ 電池用触媒燃焼器、１８ カソードリサイクルライン、
１８ａ 高温流量調節弁、２０ 燃料電池発電装置（ＭＣＦＣ）、
２２ マイクロガスタービン（μＧＴ）、２４ 空気供給ライン、
２４ａ 電池用空気供給ライン、２４ｂ 触媒用空気供給ライン、
２６ 排ガスライン、２８ 排ガス用触媒燃焼器、
２８ａ 触媒用空気ライン、２８ｂ 触媒用燃料ライン、
３１ ＭＣＦＣ燃料流量調節弁、３２ μＧＴ燃料流量調節弁、
３３ 改質蒸気流量調節弁、３４ 余剰蒸気流量調節弁、
３５ 蒸気圧力調節弁
Claims (6)
- 水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスにより発電する燃料電池（１１）を有する燃料電池発電装置（２０）と、回転数可変型発電機を有するマイクロガスタービン（２２）と、マイクロガスタービンから圧縮空気を抽気し前記燃料電池発電装置に供給する空気供給ライン（２４）と、燃料電池発電装置からマイクロガスタービンに酸素を含む排ガスを供給する排ガスライン（２６）と、マイクロガスタービンの排ガスで水蒸気を発生させる排熱回収装置（１５）とを備えた燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備において、
要求される発電出力Ｐと熱出力Ｓに応じて、燃料電池とマイクロガスタービンへの供給燃料量Ｆｆｃ，Ｆｇｔを変える制御を行う、ことを特徴とする燃料電池とマイクロガスタービンのコンバインド発電設備の熱電比変更方法。 - 発電出力Ｐを優先させる場合に発電効率の高い燃料電池への供給燃料Ｆｆｃを増やし、熱出力Ｓを優先させる場合にマイクロガスタービンへの供給燃料Ｆｇｔを増やし、これにより余剰蒸気と余剰温水を発生させる、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電比変更方法。
- 発電出力Ｐを優先させる場合に、燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを優先的に設定してその実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃに一定保持し、マイクロガスタービンの設定発電出力Ｐｇｔをその残余に設定し、マイクロガスタービンの回転数Ｎを制御してその実発電出力Ｐｇｔ’を設定発電出力Ｐｇｔにフィードバック制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電比変更方法。
- 熱出力Ｓを優先させる場合に、余剰蒸気流量調節弁（３４）を制御し、蒸気圧力Ｐの低下を検出してマイクロガスタービンの熱出力制御を開始し、タービン入口温度ＴＩＴを制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電比変更方法。
- 燃料電池の設定発電出力Ｐｆｃを要求される発電出力Ｐとマイクロガスタービンの実発電出力Ｐｇｔ’の差に設定し、燃料電池の実発電出力Ｐｆｃ’を設定発電出力Ｐｆｃにフィードバック制御する、ことを特徴とする請求項４に記載の熱電比変更方法。
- タービン入口温度ＴＩＴを所定の上限温度以下に制限し、かつマイクロガスタービンの回転数Ｎを所定の上限速度以下に制限する、ことを特徴とする請求項３又は４に記載の熱電比変更方法。
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