JP3930426B2 - 燃料電池複合発電システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池複合発電システムに関し、特に、燃料電池の運転を、実際の電力需要の変動に対応させる燃料電池複合発電システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンと固体電解質型燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ともいう）とを組み合わせた複合発電システムが知られている。この複合発電システムは、まず、前段のＳＯＦＣに燃料ガスと空気ガスとを供給し、発電を行う。次に、ＳＯＦＣから排出される出口燃料ガス（排燃料ガス）と出口空気ガスとを混合し、燃焼器で燃焼させて、後段のガスタービンに投入する。そして、ガスタービンに結合した発電機で発電を行う。その後、ガスタービンから排出される排ガスのエネルギーを、排熱回収システムで回収する。
【０００３】
次に、電力需要と発電との関係について説明する。図３は、電力需要と発電との関係を示すグラフである。縦軸は電力需要、横軸は時刻である。
電力需要は、季節・時刻などに従い変動する。これらは、気温や社会情勢などによっても変化するが、ある程度予測することが可能である（図３の曲線Ｑ）。ただし、実際の電力需要は、需要家における個別の機器のオン／オフなどで細かく変動している（図３の曲線Ｄ）。この変動の頻度・程度については、予測が困難である。発電所では、需要予測に沿って、発電機器を運転することになるが、急激な負荷変動には対応できない。そのため、系統電力の安定化のために、供給不足にならぬように負荷に対して発電機器は余裕を持たせた運転となる（図３の曲線Ｍ）。この結果、余分な燃料を消費することになり、系統での送電ロスや発電所での効率低下につながっている。
【０００４】
細かく変動する需要家の電力需要に対して、迅速に対応することが可能な技術が望まれている。系統電力の安定性を損ねずに、急激な負荷変動に対応することが出来る技術が求められている。発電システムの効率を向上することが可能な技術が望まれている。
【０００５】
関連する技術として、特開平８−２８７９５８号公報は、二次電池電力貯蔵システムの運転方法の技術が公開されている。この技術の二次電池電力貯蔵システムの運転方法は、夜間に充電した電力を、昼間の所定時間帯に放電して使用する二次電池電力貯蔵システムの運転方法である。その運転方法は、まず、外気温度、負荷電力及び負荷電力上昇率を検出する。次に、それらの検出値に基づいて電力需要予測値を算出する。そして、その電力需要予測値と設定値とを比較して、予測値が設定値よりも小さいときには、時間帯を通じて一定電力を平均的に放電する運転を行い、予測値が設定値よりも大きいときには、時間帯内の特定時間に高電力を集中的に放電する運転を行う。電力需要予測値を算出する際に、カレンダー上における該当日の空調負荷を加味する。
この技術の目的は、目的とするところは、運転モードの選択を人為的判断によることなく、自律的判断に基づいて適切に行うことができる二次電池電力貯蔵システムの運転方法及びその装置を提供することにある。
【０００６】
【特許文献】 特開平８−２８７９５８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、細かく変動する需要家の電力需要に対して、迅速に対応することが可能な燃料電池複合発電システムを提供することである。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、系統電力の安定性を損ねずに、急激な負荷変動に対応することが出来る燃料電池複合発電システムを提供することである。
【０００９】
本発明の更に他の目的は、発電システムの効率を向上することが可能な燃料電池複合発電システムを提供することである。
【００１０】
本発明の別の目的は、環境への負荷を低減することが可能な燃料電池複合発電システムを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以下に、［発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］との対応関係を明らかにするために括弧付で付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１２】
従って、上記課題を解決するために、本発明の燃料電池複合発電システムは、燃料電池システム（７）と、ボトミングサイクルシステム（８）と、制御部（１０）とを具備する。
燃料電池システム（７）は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され、第１電力（Ｂ）を発生する燃料電池（１）を含む。ボトミングサイクルシステム（８）は、燃料電池（１）から排出される排燃料ガスと、燃料電池（１）から排出される排酸化剤ガスとを供給され、予測された電力需要としての予測電力需要（Ｑ）に基づいた第２電力（Ａ）を発生する。制御部（１０）は、第１電力（Ｂ）が、実際の電力需要としての実電力需要（Ｄ）と第２電力（Ａ）との差になるように、燃料電池システム（７）を制御する。
【００１３】
上記の燃料電池複合発電システムにおいて、制御部（１０）は、予測電力需要（Ｑ）に基づいて、その燃料ガスの供給を制御する。
【００１４】
上記の燃料電池複合発電システムにおいて、その燃料ガスの供給量は、ボトミングサイクルシステム（８）が第２出力（Ａ）を発電し、燃料電池システム（７）が予測電力需要（Ｑ）から第２電力（Ａ）を引いた予測第１電力を所定の燃料利用率で発電することが出来るよう制御される。
ただし、その所定の燃料利用率は、燃料電池システム（７）の最高の燃料利用率で発電される電力と、その所定の燃料利用率で発電される電力との差が、実電力需要（Ｄ）と予測電力需要（Ｑ）との差を吸収できるように設定される。
【００１５】
上記の燃料電池複合発電システムにおいて、燃料電池（１）は、固体電解質型燃料電池である。
【００１６】
上記の燃料電池複合発電システムにおいて、ボトミングサイクルシステム（８）は、ガスタービン（２）と、第１発電機（４）とを備える。ガスタービン（２）は、その排燃料ガスとその排酸化剤ガスとを用いて運転される。第１発電機（４）は、ガスタービン（２）の回転力を用いて発電を行う。
【００１７】
上記の燃料電池複合発電システムにおいて、排熱回収ボイラ（図示されず）と、蒸気タービン（図示されず）と、第２発電機（図示されず）とを更に具備する。
排熱回収ボイラ（図示されず）は、ガスタービン（２）から排出される排出ガスを用いて運転される。蒸気タービン（図示されず）は、排熱回収ボイラ（図示されず）で発生する蒸気を用いて運転される。第２発電機（図示されず）は、蒸気タービン（図示されず）に接続され、蒸気タービン（図示されず）の回転に基づいて発電を行う。
【００１８】
上記の燃料電池複合発電システムにおいて、その燃料ガスは、水素、メタン、天然ガス及び石炭ガス化ガスのうちの少なくとも一つである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である燃料電池複合発電システムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施の形態では、固体電解質型燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ともいう）を例に示して説明を行うが、他のタイプの燃料電池に対しても適用することが出来る。
【００２０】
まず、本発明である燃料電池複合発電システムの実施の形態における構成について説明する。
図１は、本発明である燃料電池複合発電システムの実施の形態における構成を示す図である。燃料電池複合発電システムは、燃料電池システム７、ボトミングサイクルシステム８及び制御装置１０を具備する。
なお、本図では、酸化剤ガスに関する配管を省略している。
【００２１】
燃料電池システム７は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され、それらの反応により電力としての第１電力を発生する。固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１、インバータ３及び燃料ガス流量制御部５を備える。
【００２２】
燃料ガス流量制御部５は、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１に燃料ガスを供給する配管の途中に設けられている。そして、制御装置１０からの制御信号に基づいて、ＳＯＦＣ１へ供給される燃料ガスの流量を調整する。燃料ガス流量制御部５は、流量制御弁に例示される。
【００２３】
固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され、第１電力を発生する固体電解質型の燃料電池である。第１電力はインバータ３により制御される。ＳＯＦＣ１は、燃料ガスとして、メタンガス（天然ガス）又はプロパンガス、水素ガスなどを用い、酸化剤ガスとして空気のような酸素を含むガスを用いる。ＳＯＦＣ１は、安定化ジルコニアを電解質とする内部改質型の円筒型の燃料電池に例示される。
【００２４】
インバータ３は、制御装置１０の制御信号に基づいて、ＳＯＦＣ１の運転を制御する。そして、ＳＯＦＣ１で発電された第１電力（図１中、出力Ｂ）を外部（系統）へ出力する。
【００２５】
ボトミングサイクルシステム８は、ＳＯＦＣ１から排出される排燃料ガス（未使用の燃料ガスと生成水とを含む）と、ＳＯＦＣ１から排出される排酸化剤ガス（必要に応じて酸化剤ガスを補充）とを供給され、電力としての第２電力を発生する。第２電力は、予測された電力需要としての予測電力需要に基づいて決定される。第２電力は、例えば、予め設定された所定の関数により計算される。ただし、本発明は、この例に限定されるものではない。
ボトミングサイクルシステム８は、ガスタービンシステム２及び発電機４を備える。
【００２６】
ガスタービンシステム２は、その燃焼器でＳＯＦＣ１から排出される排燃料ガスと排酸化剤ガスとを燃焼し、その燃焼ガスのエネルギーを回転のエネルギーに変換する。発電機４に接続されている。
【００２７】
発電機４は、ガスタービンシステム２が生成した回転のエネルギーを用いて第２電力を発生する。そして、第２電力（図１中、出力Ａ）を外部（系統）へ出力する。第２電力の計測値は、制御装置１０へ出力する。
【００２８】
制御装置１０は、実際の電力需要としての実電力需要と、第２電力とに基づいて、第１電力が実電力需要と第２電力との差になるように、燃料電池システムを制御する。制御装置１０は、燃料電池システム制御部１１と、ボトミング制御部１２と、電力需要予測部１３と、電力需要データベース１４とを備える。
【００２９】
電力需要データベース１４は、時刻に関する情報（例示：年、月、日、時間）と、実電力需要及び予測電力需要とを関連付けて格納している。
【００３０】
電力需要予測部１３は、過去の電力需要（例示：過去数年間における同時期の電力需要及びその平均）、気温、過去からのトレンドに例示される電力需要に影響のある情報に基づいて、電力需要を予測する。予測されたデータは、電力需要データベース１４へ格納される。電力需要の予測は、その修正も含めて常時行っていても良いし、所定の期間ごとなどに行っても良い。電力需要の予測は従来知られた方法を用いることが出来る。
なお、過去の電力需要は、電力需要データベース１４に格納されている。
【００３１】
ボトミング制御部１２は、電力需要データベース１４から各時刻における予測電力需要を読み出し、その予測電力需要に基づいて、第２電力を決定する。第２電力は、例えば、予測電力需要のうちの所定の割合である。この場合、所定の割合は、予測電力需要の大きさに応じて、予め設定しておく。例えば、予測電力需要が大きい場合６０％、小さい場合、２０％などである。ただし、本発明は、この例に限定されるものではない。そして、その第２電力を発電するようにボトミングサイクルシステム８を制御する。
【００３２】
燃料電池システム制御部１１は、計測装置（図示されず）により実電力需要を取得する。また、発電機４から出力された第２電力の計測値を取得する。そして、実電力需要と第２電力とに基づいて、第１電力が実電力需要と第２電力との差（又はその差に所定の量を加えたもの）になるように、燃料電池システム７のインバータ３を制御する。その際、必要に応じて燃料ガス流量制御部５を制御する。
なお、実電力需要は、電力需要データベース１４に格納される。
【００３３】
なお、図１では、ボトミングサイクルシステム８として、ガスタービンシステム２のみを示しているが、他の従来知られたボトミングサイクルシステム８に適用可能なシステムを用いることも可能である。そのようなシステムは、従来知られた排熱回収ボイラと蒸気タービンと発電機とを備える排熱回収システムに例示される。その場合、この発電機の発電する電力も第２電力に含める。
【００３４】
次に、本発明である燃料電池複合発電システムの実施の形態における動作について説明する。
図２は、本発明である燃料電池複合発電システムの実施の形態の動作における発電と電力需要との関係を示すグラフである。縦軸は電力需要、横軸は時刻である。ただし、曲線Ｐは第２電力を示す。そして、領域Ａは第２電力で賄われる。曲線Ｑは予測電力需要を示す。曲線Ｄは実電力需要を示す。そして、領域Ｂ（＝実電力需要−第２電力）は、第１電力で賄われる。曲線Ｍはシステムの供給可能な最大電力を示す。
【００３５】
次に、図１と図２とを参照して、動作について説明する。
図１において、燃料電池システム制御部１１は、電力需要データベース１４から、対応する時刻ｔにおける予測電力需要（図２中、時刻ｔでの曲線Ｑ上の点）を読み出す。また、計測装置（図示されず）により発電機４による第２電力（図２中、時刻ｔでの曲線Ｐ上の点）を取得する。そして、流量制御部５を制御して、次の２つの条件で決定される流量の燃料ガスを、ＳＯＦＣ１へ供給する。条件（１）ＳＯＦＣ１が、予測第１電力を、所定の燃料利用率（例示：６０％）で発電可能であること。ただし、予測第１電力＝予測電力需要−第２電力、である。条件（２）ボトミングサイクルシステム８が、ＳＯＦＣ１の排燃料ガスと排酸化剤ガス（必要に応じて酸化剤ガスの補充可）とを用いて、計測された第２電力を発電可能であること。
【００３６】
燃料電池システム制御部１１は、計測装置（図示されず）により実電力需要（図２中、時刻ｔでの曲線Ｄ上の点）を取得する。そして、実電力需要と第２電力とに基づいて、第１電力＝実電力需要−第２電力（又は＋α）になるように、燃料電池システム７のインバータ３を制御する。
ＳＯＦＣ１は、上記の流量の燃料を供給され、インバータ３に制御され、上記の第１電力を発電し、出力Ｂとして系統へ出力する。そして、排燃料ガス及び排酸化剤ガスをガスタービンシステム２へ出力する。
【００３７】
ボトミング制御部１２は、電力需要データベース１４から各時刻における予測電力需要（図２中、時刻ｔでの曲線Ｑ上の点）を読み出し、その予測電力需要に基づいて、第２電力を決定する。例えば、予測電力需要×所定の割合である。この場合、所定の割合は、予測電力需要の大きさの区分ごとに、予め設定しておく。例えば、予測電力需要が大きい場合６０％、中程度の場合４０％、小さい場合、２０％などである。そして、ボトミング制御部１２は、決定された第２電力を発電するようにボトミングサイクルシステム８を制御する。
ボトミングサイクルシステム８は、排燃料ガス及び排酸化剤ガスを供給され、上記の第２電力を発電し、出力Ａとして系統へ出力する。
【００３８】
上記のプロセスで示されるように、ＳＯＦＣ１は、基本的には、予測電力需要に対して、所定の燃料利用率（例示：６０％）で運転可能なように制御される。そして、ボトミングサイクルシステム８ではなく燃料電池システム７（のＳＯＦＣ１）が、時々刻々と変化する実電力需要と予測電力需要との差が発生した場合、その差を満たすように運転条件を変化させて対応する。これは、ＳＯＦＣ１の負荷追従性が高いために可能となる。
すなわち、ＳＯＦＣ１の発電部分は、回転機械が無いので、慣性による時間遅れが発生しない。また、燃料ガスの供給量を若干過剰（燃料利用率８０％まで運転可能）で運転しているので、ある程度の大きさの不可変動に対しては燃料ガス流量などを追従させる必要がない。従って、負荷が変動した場合、インバータ３の指令により素早く発電量（第１電力）を変更することが可能である。
【００３９】
また、負荷追従に伴い、ボトミングサイクルシステム８への排燃料ガスの供給量が変化する。このとき、ＳＯＦＣ１への排燃料ガスの供給量が一定の場合、ＳＯＦＣ１は、負荷増加に伴い、効率が低下する傾向を持つため、▲１▼ＳＯＦＣ１負荷増加時には、排燃料ガスの供給量が減少するが、ボトミングサイクルシステム８への顕熱供給量が増加する。逆に、▲２▼ＳＯＦＣ１負荷低下時には、排燃料ガスが増加するが、顕熱排熱が減少する。この結果、ボトミングサイクルシステム８は、ＳＯＦＣ１の負荷率に関わらず安定した運転状態を維持することが出来る。
【００４０】
本発明により、急激な負荷変化は、燃料電池で吸収するためプラントとしては、真の予測電力需要に従った運転計画を行うことが可能となる。そして、それにより送電のロスの低減、プラントのエネルギー効率の向上を行うことが可能となる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明により、細かく変動する需要家の電力需要に迅速に対応し、発電システムの効率を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明である燃料電池複合発電システムの実施の形態における構成を示す図である。
【図２】本発明である燃料電池複合発電システムの実施の形態の動作における発電と電力需要との関係を示すグラフである。
【図３】電力需要と発電との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）
２ ガスタービンシステム
３ インバータ
４ 発電機
５ 流量制御部
７ 燃料電池システム
８ ボトミングサイクルシステム
１０ 制御装置
１１ 燃料電池システム制御部
１２ ボトミング制御部
１３ 電力需要予測部
１４ 電力需要データベース

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され、第１電力を発生する燃料電池を含む燃料電池システムと、
   前記燃料電池から排出される排燃料ガスと、前記燃料電池から排出される排酸化剤ガスとを供給され、予測された電力需要としての予測電力需要に基づいた第２電力を発生するボトミングサイクルシステムと、
   前記第１電力が、実際の電力需要としての実電力需要と前記第２電力との差になるように、前記燃料電池システムを制御する制御部と
   を具備し、
   前記制御部は、前記燃料ガスの供給量を、前記予測電力需要に基づいて、前記ボトミングサイクルシステムが前記第２出力を発電し、前記燃料電池システムが前記予測電力需要から前記第２電力を引いた予測第１電力を所定の燃料利用率で発電することが出来るよう制御し、
   前記所定の燃料利用率は、前記燃料電池システムの最高の燃料利用率で発電される電力と、前記所定の燃料利用率で発電される電力との差が、前記実電力需要と前記予測電力需要との差を吸収できるように設定される
   燃料電池複合発電システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池複合発電システムにおいて、
   前記ボトミングサイクルシステムは、前記実電力需要の変動に伴う前記排燃料ガスの供給量の変動を補わずに前記第２電力を発電する
   燃料電池複合発電システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池複合発電システムにおいて、
   前記燃料電池は、固体電解質型燃料電池である
   燃料電池複合発電システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池複合発電システムにおいて、
   前記ボトミングサイクルシステムは、
   前記排燃料ガスと前記排酸化剤ガスとを用いて運転されるガスタービンと、
   前記ガスタービンの回転力を用いて発電を行う第１発電機と
   を備える
   燃料電池複合発電システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池複合発電システムにおいて、
   前記ガスタービンから排出される排出ガスを用いて運転される排熱回収ボイラと、
   前記排熱回収ボイラで発生する蒸気を用いて運転される蒸気タービンと、
   前記蒸気タービンに接続され、前記蒸気タービンの回転に基づいて発電を行う第２発電機と
   を更に具備する
   燃料電池複合発電システム。
6. 請求項1乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池複合発電システムにおいて、
   前記燃料ガスは、水素、メタン、天然ガス及び石炭ガス化ガスのうちの少なくとも一つである
   燃料電池複合発電システム。

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