JP4664585B2 - 燃料電池とガスタービンの複合発電システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池とガスタービンの複合発電システムの運転制御処理に関する。

近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池からは、発電で生じる熱によって昇温された排ガスが排出される。例えば、溶融炭酸塩型の燃料電池は、運転温度が６００〜７００度と高いため、高温の排ガスを排出する。このような排ガスをタービンの動力源として用いれば、エネルギの利用効率の向上を図ることができる。そこで、燃料電池からの排ガスを用いてタービンを駆動し、タービンによって生み出される動力を用いて、燃料電池が発電に用いるガス（例えば、酸素を含有する空気）を燃料電池に供給するための圧縮機や、発電機を駆動させる複合発電システムが提案されている（例えば、特許文献１〜２参照）。

特開２００２−３０５００９ 特開２０００−１７３６３７

燃料電池に供給するガスの圧力や流量の適正値は、燃料電池での発電電力に応じてきまる値であり、発電電力が大きいほど、要求される圧力と流量とが大きくなる傾向がある。その結果、要求される発電電力が小さい場合には、必要となるガスの圧力や流量が小さくなり、圧縮機から出力される圧縮ガスの圧力が過剰となる場合があった。この場合、圧縮機を駆動するために過剰な動力が用いられるので、発電効率が低下する可能性があった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池とガスタービンとを有する複合発電システムの発電効率を向上させることができる技術を提供することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、この発明による第１の複合発電システムは、燃料電池とガスタービンの複合発電システムであって、タービンと、前記タービンによって駆動される圧縮機と、前記タービンによって駆動される発電機と、燃料電池と、前記圧縮機で圧縮された圧縮ガスを前記燃料電池へ供給する第１のガス供給流路と、前記燃料電池から排出される排ガスを前記タービンへ供給する第１の排ガス流路と、前記圧縮機の駆動速度と前記圧縮機へのガス吸入量との少なくとも一方を調整可能な駆動状態調整部と、前記圧縮ガスによって前記燃料電池が要求する流量と圧力とが得られるように前記駆動状態調整部の動作を制御する圧縮ガス制御処理を実行する圧縮ガス制御部と、燃料を燃焼させる燃焼器と、前記圧縮機で圧縮された圧縮ガスを前記燃焼器へ供給する第２のガス供給流路と、前記第２のガス供給流路に設けられ、前記燃焼器へ供給する圧縮ガスの流量と圧力との少なくとも一方を調整することが可能な第１の調整弁と、前記燃焼器から排出される排ガスを前記タービンへ供給する第２の排ガス流路と、前記燃焼器の動作を制御する燃焼器制御部と、を備え、前記燃焼器制御部は、前記タービンの始動時には、前記第１の調整弁を開状態にし、前記燃焼器を燃焼状態とするとともに、前記タービンの始動後には、前記燃焼器を消火状態にし、前記第１の調整弁を閉状態にし、前記圧縮ガス制御部は、前記タービンの始動後に、前記圧縮ガス制御処理を行う。

この第１の複合発電システムによれば、圧縮機による圧縮ガスによって燃料電池が要求する流量と圧力とが得られるように、圧縮機の駆動速度と圧縮機へのガス吸入量との少なくとも一方が調整されるので、圧縮機が燃料電池が要求する以上の圧縮ガスを出力することを抑制し、発電効率を向上させることができる。加えて、燃焼器から排出される排ガスを用いて第１の複合発電システムの始動を実行することができる。また、始動後は、燃焼器で燃料を消費することがなくなるので、システムの発電効率を高めることができる。

上記第１の複合発電システムにおいて、前記第１のガス供給流路は、前記燃料電池へ供給される圧縮ガスの流量と圧力との少なくとも一方を調整することが可能な第２の調整弁を備えることが好ましい。

こうすることで、燃料電池へ供給される圧縮ガスの流量と圧力とを、さらに、燃料電池が要求する値に近づけることができる。

上記第１の複合発電システムにおいて、前記駆動状態調整部は、前記圧縮機に設けられた複数の羽根で構成されるとともに、前記羽根の向きを調整することによって、前記圧縮機へのガス吸入量を調整可能なガイドベーンを含むことが好ましい。

この構成では、ガイドベーンの羽根の向きを調整することによって、圧縮ガスのガス吸入量を調整し、圧縮機から出力される圧縮ガスの流量や圧力を調整することができる。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、この発明による第２の複合発電システムは、燃料電池とガスタービンの複合発電システムであって、タービンと、前記タービンによって駆動される圧縮機と、前記タービンによって駆動される発電機と、燃料電池と、前記圧縮機で圧縮された圧縮ガスを前記燃料電池へ供給するガス供給流路と、前記燃料電池から排出される排ガスを前記タービンへ供給する排ガス流路と、前記発電機と外部の電力系統とを電気的に接続するとともに前記発電機から前記電力系統への供給電力を調整可能なインバータを有し、前記圧縮機の駆動速度を調整可能な駆動状態調整部と、前記圧縮ガスによって前記燃料電池が要求する流量と圧力とが得られるように、前記駆動状態調整部の動作を制御する圧縮ガス制御処理を実行する圧縮ガス制御部と、を備え、前記圧力ガス制御部は、前記燃料電池が要求する前記圧縮ガスの流量と圧力とが減少すると、前記インバータを用いて前記供給電力を増加させることにより前記圧縮機の駆動速度を低下させ、前記燃料電池が要求する前記圧縮ガスの流量と圧力とが増加すると、前記インバータを用いて前記供給電力を減少させることにより前記圧縮機の駆動速度を上昇させる。

第２の複合発電システムによれば、燃料電池が要求する圧縮ガスの流量と圧力とが減少すると、インバータを用いて供給電力を増加させることにより圧縮機の駆動速度を低下させ、燃料電池が要求する圧縮ガスの流量と圧力とが増加すると、インバータを用いて供給電力を減少させることにより前記圧縮機の駆動速度を上昇させるので、圧縮機が、燃料電池が要求する以上の圧縮ガスを出力することを抑制し、発電効率を向上させることができる。

なお、この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、複合発電システム、複合発電システムの制御方法または装置、これらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の形態で実現することができる。

次に、この発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：

Ａ．第１実施例：
Ａ１．装置の構成：
図１は、本発明の一実施例としての複合発電システム８００の構成を示すブロック図である。この複合発電システム８００は、ガスタービンＧＴと、燃料電池６と、発電機４と、発電インバータ５と、回転速度測定部１２と、制御部２０と、燃焼器２とを備えている。

燃料電池６は、溶融炭酸塩型の燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。各単セルは、電解質板を挟んで水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている。各々の単セルのアノード側には水素を含有する燃料ガスが供給され、カソード側には酸素を含有する酸化ガスが供給される。燃料電池６で生じた電力は、燃料電池６に接続される所定の負荷（図示せず）に供給される。

ガスタービンＧＴは、圧縮機１とタービン３とを備えている。圧縮機１は、複数の翼をもつ羽根車（図示せず）を備えており、羽根車の回転駆動によってガスの圧縮を行う。圧縮機１は、タービン３に機械的に接続されており、タービン３によって駆動される。また、圧縮機１には、圧縮機１の回転速度を測定する回転速度測定部１２が接続されている。回転速度の測定結果は、発電インバータ５の制御処理に用いられる（詳細は後述する）。なお、圧縮機１としては、上述した羽根車の回転駆動によるものの他、シリンダ内のロータの回転によってガスを圧縮するもの等、種々のタイプの圧縮機を用いることができる。

圧縮機１は、酸化ガスとしての空気を、燃料電池６のカソード側と燃焼器２に供給する。圧縮機１には、流路１００が接続されている。流路１００は、２つの流路１０１，１０２に分岐しており、その第１の流路１０１は燃料電池６のカソード側に接続され、第２の流路１０２は燃焼器２に接続されている。

圧縮機１は、流路１００、１０１を介して、圧縮した空気を燃料電池６のカソード側に供給することが可能である。流路１０１には、燃料電池６への空気の流量を調整する発電空気量調整弁８が設けられている。燃料電池６での電気化学反応に供された後のカソードからの排ガス（以下、カソード排ガスと呼ぶ）は、流路３０１を介して排出される。流路３０１には、燃料電池６のカソードへ向かうガスの流れを防止するカソード排ガス遮断弁９が設けられている。

また、圧縮機１は、流路１００、１０２を介して、圧縮した空気を燃焼器２に供給することが可能である。流路１０２には、流路１０２を通る空気の量を調整する燃焼空気量調整弁７が設けられている。燃焼器２には、空気とは別に、燃料も供給される。燃焼器２は、空気を用いて燃料を燃焼させることが可能である。燃焼した後の排ガスは（以下、燃焼ガスと呼ぶ）は、流路３０２を介して排出される。

流路３０１と流路３０２とは、合流して流路３００に接続され、流路３００はタービン３に接続されている。燃料電池６からのカソード排ガスは、流路３０１、３００を介してタービン３に供給される。また、燃焼器２からの燃焼ガスは、流路３０２、３００を介してタービン３に供給される。カソード排ガスと燃焼ガスとは、タービン３を駆動するための動力源として用いることが可能である。

発電機４は、ロータとステータと（図示せず）を備えた交流同期発電機であり、ロータの回転駆動によって発電を行う。発電機４は、タービン３に機械的に接続されており、タービン３によって駆動される。また、発電機４は、発電インバータ５を介して電力系統１１に電気的に接続されている。発電機４で発電した電力は、発電インバータ５を介して電力系統１１に供給される。また、発電機４は、電力の供給を受けることによって、電動機として動作することも可能である。ガスタービンＧＴの始動時には、発電機４が電動機として用いられる（後述）。なお、発電機４としては、上述した交流同期発電機の他、誘導発電機など、種々のタイプの発電機を用いることができる。

発電インバータ５は、発電機４で発電した電力を、電力系統１１の電圧、周波数、位相に同期した電力に変換し、変換した電力を電力系統１１に供給する。この際、電圧、周波数、位相を調整することによって、電力系統１１へ供給する電力の調整を行うことができる。例えば、変換後の電圧を高くすることによって、電力系統１１に供給する電力を増やすことが可能である。また、発電インバータ５は、電力系統１１からの電力を発電機４に供給することによって、発電機４を電動機として機能させることも可能である。

燃料電池６のアノード側には、流路２００を介して改質器１０が接続されている。改質器１０は、水素の生成源となる原燃料の改質反応を進行させることによって水素を含む改質ガスを生成する。改質ガスは燃料ガスとして燃料電池６のアノード側へ供給される。アノードからの排ガス（以下、アノード排ガスと呼ぶ）は、流路２０１を通じて、燃料電池６から排出される。

改質器１０で進行する改質反応に用いられる原燃料としては、ガソリンなどの液体炭化水素や、メタノールなどのアルコールやアルデヒド類、あるいは天然ガスなど、改質反応によって水素を生成可能な種々の炭化水素系原燃料を選択することができる。

制御部２０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種信号を入出力する入出力ポート等を備える。そして、負荷要求に関する情報等を取得して、複合発電システム８００を構成する各部（既述した各弁や発電インバータ５等を含む）に駆動信号を出力し、複合発電システム８００全体の運転状態を制御する。

また、制御部２０は、燃焼器２の動作を制御する燃焼器制御部２２としての機能と、発電インバータ５の動作を制御する圧縮ガス制御部２４としての機能とを有している。これらの機能については後述する。なお、各機能は、制御プログラムによりソフトウェア的に実現してもよく、一部、又は、全てをハードウェア的に実現してもよい。

Ａ２．複合発電システムの始動手順：
図２（ａ）〜（ｄ）は、制御部２０によって実行される複合発電システム８００の始動手順の一実施例を示す説明図であり、燃料電池６の排ガスによってガスタービンＧＴを駆動する排ガス運転を行うための手順を示している。図２（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、複合発電システム８００の動作状態を示しており、始動手順の順番に並んでいる。なお、燃料電池６のアノード側に関しては、図示を省略している。

図２（ａ）は、ガスタービンＧＴの始動処理での動作状態を示す説明図である。複合発電システム８００の始動の際には、制御部２０は、まず、ガスタービンＧＴの始動処理を実行する。この際、制御部２０（図１）は、発電空気量調整弁８とカソード排ガス遮断弁９とを閉状態にし、燃焼空気量調整弁７を開状態にする。

次に、制御部２０は、発電機４を電動機として機能させ、圧縮機１を駆動させる。圧縮機１で圧縮された空気は、燃焼器２へ供給される。また、燃焼器２には燃料が供給される。燃焼器２は、供給された空気を用いて燃料を燃焼させる。燃焼器２からは、燃焼によって昇温された燃焼ガスが排出され、排出された燃焼ガスは、タービン３に供給される。燃焼ガスが、タービン３を駆動することができるだけ十分に昇温されたら、制御部２０は、発電機４への電力の供給を停止させる。この後も、タービン３は燃焼ガスによって回転し続ける。

図２（ｂ）は、燃料電池６の始動処理での動作状態を示す説明図である。ガスタービンＧＴが始動したら、制御部２０は、燃料電池６の始動処理を実行する。制御部２０は、発電空気量調整弁８を開状態にする。圧縮機１によって圧縮された空気の一部は、燃料電池６のカソード側に供給される。燃料電池６内の圧力は、供給された空気によって高められる。このとき、燃料電池６内での急激な圧力変動を抑制するために、発電空気量調整弁８の開度を徐々に大きくすることが好ましい。燃料電池６内の圧力が十分に高くなり、カソード排ガス遮断弁９の前後の圧力差が十分に小さくなったら、制御部２０は、カソード排ガス遮断弁９の閉状態制御を解除する。その結果、燃料電池６からのカソード排ガスがタービン３に供給される。

一方、燃料電池６のアノード側（図示せず）には、燃料ガスが供給される。燃料電池６は、供給された燃料ガスと空気とを用いた発電を開始する。燃料電池６の発電中には、燃料ガスの圧力や流量は、燃料電池６の発電電力等に応じて調整される。また、圧縮空気の圧力や流量も、燃料電池６の発電電力等に応じて調整される（詳細は後述）。ここで、燃料電池６の温度が発電に適した温度よりも低い場合には、燃料電池６の昇温処理を実行することが好ましい。燃料電池６の昇温方法としては、電気ヒータや燃焼器２の燃焼ガス等の熱源を用いて燃料電池６を加熱する方法や、燃料電池６に供給するガスを加熱する方法などを用いることができる。

図２（ｃ）は、燃焼器２の消火処理での動作状態を示す説明図である。燃料電池６が発電を開始すると、カソード排ガスは、発電によって生じる熱によって昇温される。カソード排ガスが、タービン３を駆動することができるだけ十分に昇温されたら、制御部２０の燃焼器制御部２２は、燃焼器２の消火処理を実行する。本実施例では、燃焼器制御部２２は、燃焼器２への燃料の供給を停止することによって、消火処理を実行する。このとき、タービン３の回転速度が急激に変化することを抑制するために、燃料の供給量を徐々に小さくすることが好ましい。燃焼器制御部２２は、燃料供給を停止した後、燃焼空気量調整弁７を閉状態にする。燃焼器２での燃焼が完全に停止した後も、タービン３はカソード排ガスによって回転し続ける。

図２（ｄ）は、複合発電システム８００の排ガス運転での動作状態を示す説明図である。圧縮機１によって圧縮された空気は燃料電池６のカソード側に供給され、燃料電池６からのカソード排ガスはタービン３に供給される。カソード排ガスはタービン３の動力源として用いられる。タービン３は、圧縮機１と発電機４とを駆動する。このように、排ガス運転では、燃焼器２を用いずに、燃料電池６からのカソード排ガスのみによってガスタービンＧＴの駆動が行われる。

Ａ３．発電インバータ制御処理：
図３は、上述の図２（ｄ）に示す排ガス運転において、圧縮ガス制御部２４（図１）が実行する発電インバータ５の制御処理を表すフローチャートである。本実施例では、圧縮ガス制御部２４は、圧縮機１からの圧縮空気を用いて燃料電池６が要求する圧力と流量とが得られるように、発電インバータ５の動作を制御する。

ステップＳ１００では、圧縮ガス制御部２４は、燃料電池６の発電電力（以下、電池発電電力と呼ぶ）の目標値の設定処理を実行する。目標電池発電電力は、燃料電池６に接続された負荷の大きさに基づいて設定することができる。

ステップＳ１１０では、圧縮ガス制御部２４は、ステップＳ１００で設定した目標電池発電電力に基づいて、燃料電池６が要求する空気の圧力と流量との目標値を設定する。本実施例では、圧縮ガス制御部２４は、目標電池発電電力と、圧力と流量の目標値の組み合わせとの対応関係をマップとして記憶し、マップを参照することによって、空気の圧力と流量との目標値設定処理を実行する。

ステップＳ１２０では、圧縮ガス制御部２４は、ステップＳ１１０で設定した空気の圧力と流量との目標値に基づいて、圧縮機１の目標回転速度の設定処理を実行する。本実施例では、目標回転速度は予め設定されたマップに従って決定される。

図４は、目標回転速度のマップを説明するグラフである。横軸は圧縮機１から得られる圧縮空気の流量を示し、縦軸は圧力を示す。図４中のグラフＬＮ１は、圧縮機１の回転速度がＮ１である場合の圧縮空気の圧力と流量との関係を示す。また、グラフＬＮ２は、回転速度がＮ１よりも大きいＮ２の場合の圧力と流量との関係を示す。座標点Ｐ１は、ステップＳ１１０で設定した圧力と流量との目標値を示す座標点であり、グラフＬＮ１上に位置している。

一般的に、圧縮機から得られる圧縮ガスには、より高いガス圧力を得ようとすると、得られるガス流量が小さくなり、逆に、より大きいガス流量を得ようとすると、得られるガス圧力が低くなる傾向がある。また、圧縮機の回転速度を高めることによって、より高いガス圧力と大きなガス流量を得ることができる。なお、圧縮機の回転速度を高める場合には、圧縮機の駆動に必要となる動力も増加する。

本実施例では、圧縮ガス制御部２４は、図４に示すグラフにおいて、圧力と流量との目標値を示す座標点を通るグラフに対応する回転速度を、目標回転速度として採用する。例えば、図４において、圧力と流量との目標値が座標点Ｐ１によって表される場合には、座標点Ｐ１を通るグラフＬＮ１に対応する回転速度Ｎ１を目標回転速度として採用する。

ステップＳ１３０では、圧縮ガス制御部２４は、圧縮機１の実際の回転速度の測定を行う。圧縮ガス制御部２４は、回転速度測定部１２（図１）による測定結果を、実回転速度として採用する。

ステップＳ１４０では、圧縮ガス制御部２４は、発電インバータ５が発電機４から電力系統１１へ供給する発電電力（以下、系統発電電力とよぶ）の目標値の演算処理を実行する。圧縮ガス制御部２４は、ステップＳ１２０で設定された目標回転速度と、ステップＳ１３０で測定された実回転速度とを用いて目標系統発電電力を決定する。具体的には、実回転速度が目標回転速度よりも速い場合には、系統発電電力を増加させる。こうすれば、発電機４を駆動するために必要となる動力が増加する。その結果、タービン３の負荷が増加するので、タービン３の回転速度、すなわち、圧縮機１の回転速度を下げることができる。一方、実回転速度が目標回転速度よりも遅い場合には、系統発電電力を低減させる。こうすれば、発電機４を駆動するために必要となる動力が減少し、タービン３の負荷が減少するので、圧縮機１の回転速度を上げることができる。

このように、発電インバータ５は、系統発電電力を調整し、発電機４を駆動するために必要な動力の調整を行うことによって、発電機４の回転速度、すなわち、圧縮機１の回転速度を調整することができる。本実施例において、発電インバータ５は、本発明における「駆動状態調整部」に相当する。

圧縮ガス制御部２４は、目標回転速度と実回転速度との差が小さくなるように目標系統発電電力を調整する。圧縮ガス制御部２４は、目標回転速度と実回転速度との偏差を用いた、いわゆる、ＰＩＤ制御に基づいて、目標発電電力の調整を行う。ＰＩＤ制御は周知の制御方法であるため詳しい説明は省略する。なお、目標系統発電電力の調整方法としては、ＰＩＤ制御以外の他の制御方法を用いることができる。

ステップＳ１５０では、圧縮ガス制御部２４は、ステップＳ１４０で決定した目標系統発電電力を電力系統１１に供給するための制御信号を発電インバータ５へ出力する。発電インバータ５は、受け取った制御信号に基づいて、系統発電電力を調整する。

ステップＳ１６０では、燃料電池６に対する目標電池発電電力の変更の有無の確認を行う。変更が無い場合（ステップＳ１６０：Ｎｏ）は、再び、ステップＳ１３０に戻り、実回転速度の測定を行う。以後、上述のルーチン（Ｓ１３０〜Ｓ１６０）を繰り返し実行する。

燃料電池６に接続された負荷の大きさが変わる等、目標電池発電電力に変更が有る場合（ステップＳ１６０：Ｙｅｓ）は、ステップＳ１００に戻り、目標電池発電電力の再設定処理を行う。以後、上述のルーチン（Ｓ１００〜Ｓ１６０）を実行する。

以上説明した発電インバータ制御処理（図３）によれば、圧縮機１の回転速度は、燃料電池６が要求する圧縮空気の圧力と流量に適した回転速度に近い値に維持される。その結果、燃料電池６に供給される圧縮空気の圧力と流量とを、燃料電池６の空気の流れに対する抵抗力の大きさによって決まる値、すなわち、圧力と流量の目標値に近い値に維持することができる。

なお、図４のグラフに示すように、圧縮機１の回転速度を目標回転速度に維持した場合でも、燃料電池６の構造や、圧縮機１と燃料電池６とを接続する流路１００、１０１の構造、燃料電池６での電気化学反応の状態等に応じて、圧力や流量が目標値からずれる可能性がある。本実施例では、圧縮ガス制御部２４は、流路１０１に設けられた発電空気量調整弁８の開度を調整することによって、圧力や流量の調整を行うことができる。例えば、流量が目標値よりも大きい場合には、発電空気量調整弁８の開度を小さくすることによって流量を小さくすることができる。

燃料電池６に供給される圧縮空気の圧力や流量は、圧力センサや流量センサを圧縮空気の流路（例えば、図１の流路１０１の燃料電池６と発電空気量調整弁８の間）に設けることによって測定することができる（図示せず）。また、発電空気量調整弁８として、一定流量のガスを通す定量弁や、一定の圧力を維持するレギュレータを用いることによって、適正な流量や圧力を維持する方法を用いてもよい。

このように、第１実施例では、圧縮ガス制御部２４は、発電インバータ５の動作を制御することによって圧縮機１の回転速度を制御し、圧縮機１が過剰な圧縮空気を出力することを抑制することができる。従って、圧縮機１を駆動するための動力を節約することができる。さらに、第１実施例では、節約した動力を電力に変換するので、複合発電システムの発電効率を向上させることが可能である。なお、本実施例において、図３に示す発電インバータ５の制御処理は、本発明における「圧縮ガス制御処理」に相当する。

なお、圧縮機１から過剰な圧縮空気が出力される場合には、圧縮空気の余剰分をタービン３に供給することによって、圧縮空気の余剰分を動力源として用いることができる。この際、圧縮空気の余剰分を、そのまま、燃料電池６のカソード排ガスと混合させてタービン３に供給すると、タービン３を駆動するガスの温度が低下し、タービン３を安定に駆動させることができなくなる可能性がある。そこで、図２（ｂ）に示す燃焼運転と同様に、圧縮空気の余剰分を燃焼器２に供給し、燃料を燃焼させ、燃焼した後の燃焼ガスをタービン３に供給する方法を用いることによって、圧縮空気の余剰分を動力源として用いるとともに、タービン３を安定に駆動させることができる。但し、この場合には、複合発電システムに要求される発電電力が、燃料電池によって賄うことができる電力よりも小さい場合でも、燃焼のために燃料を消費することになるので、燃費コストが高くなる可能性がある。従って、複合発電システムに要求される発電電力が小さい場合に、図２（ｄ）に示す排ガス運転を行うことが好ましい。こうすることによって、燃料を燃焼させずに複合発電システム８００の運転を行うことができるので、燃費を向上させることができる。

上述の第１実施例では複合発電システムの通常運転として「排ガス運転」を行っていたが、第２実施例では、複合発電システムに要求される発電電力に応じて「排ガス運転」と「燃焼運転」とを切り替える。ここで、「燃料運転」とは、図２（ｂ）に示す運転状態を意味し、かかる運転により、燃焼器２からの燃焼ガスを利用して、タービン３、すなわち、発電機４を駆動させる動力を増加させることができるので、要求される電力を得ることが可能となる。なお、第２実施例のシステムの構成は第１実施例と同じである。

図５は、第２実施例における複合発電システムの運転ルーチンを表すフローチャートである。制御部２０（図１）は、まず、複合発電システム８００に要求される発電電力の大きさの判定を行う（ステップＳ３００）。要求発電電力が、燃料電池６とカソード排ガスとによる発電で賄うことが可能な電力（以下、最大排ガス運転発電電力と呼ぶ）と比べて大きい場合（ステップＳ３００：Ｙｅｓ）には、制御部２０は、燃焼運転を行うための始動処理を実行する（ステップＳ３１０）。

ステップＳ３１０では、制御部２０は、図２（ａ）〜（ｂ）の手順に従って始動処理を実行する。始動処理の後、制御部２０は、燃焼運転を行う（ステップＳ３２０）。燃焼運転の詳細については後述する。

ステップＳ３００において、要求発電電力が最大排ガス運転発電電力と比べて小さい場合（ステップＳ３００：Ｎｏ）には、制御部２０は、排ガス運転を行うための始動処理を実行する（ステップＳ３４０）。

ステップＳ３４０では、制御部２０は、図２（ａ）〜（ｄ）の手順に従って始動処理を実行する。始動処理の後、制御部２０は、排ガス運転を行う（ステップＳ３５０）。このステップＳ３５０では、圧縮ガス制御部２４は、図３に示す発電インバータ制御処理、すなわち、圧縮ガス制御処理を実行する。

制御部２０は、再び、要求発電電力の大きさの判定を行う（ステップＳ３６０）。要求発電電力が最大排ガス運転発電電力と比べて小さい場合（ステップＳ３６０：Ｎｏ）には、ステップＳ３５０に戻り、排ガス運転を継続する。

要求発電電力が最大排ガス運転発電電力と比べて大きい値に変化した場合（ステップＳ３６０：Ｙｅｓ）には、制御部２０は、燃焼運転に移行するために、燃焼器２の点火処理を実行する（ステップＳ３７０）。

ステップＳ３７０では、制御部２０は、図２（ｄ）、２（ｃ）、２（ｂ）の手順に従って、燃焼器２の燃焼を開始させる。具体的には、図２（ｄ）に示す排ガス運転状態において、燃焼空気量調整弁７を開け、燃焼器２への圧縮空気の供給を開始する。制御部２０の燃焼器制御部２２は、燃焼器２への燃料供給を開始し、点火することによって、燃焼を開始させる。

燃焼器２での燃焼が開始すると、複合発電システム８００は燃焼運転状態となる（ステップＳ３２０）。タービン３は、燃料電池６のカソード排ガスに加えて、燃焼器２の燃焼ガスを動力源として用いることが可能である。従って、複合発電システム８００は、燃料電池６による最大排ガス運転発電電力以上の電力を供給することが可能である。

ステップＳ３２０の燃焼運転では、圧縮ガス制御部２４が圧縮ガス制御処理を実行する代わりに、燃焼器制御部２２が、燃焼器２に供給する燃料の流量を調整することによる発電電力の調整処理を実行する。具体的には、要求発電電力が比較的大きい場合には、燃焼器２へ供給する燃料の流量を比較的多くする。こうすれば、燃焼ガスを大きく昇温させることができるので、タービン３によって生み出される動力を大きくすることができる。その結果、発電機４の駆動に用いることが可能な動力を増加させることができるので、発電インバータ５は、より大きな電力を発電機４から電力系統１１へ供給することができる。一方、要求発電電力が比較的小さい場合には、燃焼器２への燃料の流量を比較的少なくする。こうすれば、過剰に燃料を消費することを抑制することができる。

燃焼器制御部２２は、燃料の流量調整を、発電機４の回転速度に基づいて行うことができる。発電機４は、その回転速度に応じた電力を発電することが可能である。ここで、発電インバータ５が電力系統１１へ供給する系統発電電力に適した回転速度を適正回転速度と呼ぶ。発電機４の実回転速度が適正回転速度と比べて速い場合には、燃焼器制御部２２が、燃料の流量を小さくすることが好ましい。こうすれば、タービン３によって生み出される動力が小さくなるので、発電機４の実回転速度を遅くすることができる。一方、発電機４の実回転速度が適正回転速度と比べて遅い場合には、燃料の流量を大きくすることが好ましい。こうすれば、タービン３によって生み出される動力が大きくなるので、発電機４の実回転速度を速くすることができる。

本実施例では、燃焼器制御部２２は、回転速度測定部１２の測定結果を、発電機４の実回転速度として採用することができる。燃焼器制御部２２は、実回転速度と適正回転速度との差が小さくなるように、燃料の流量を調整する。燃料流量の調整方法としては、ＰＩＤ制御を用いた方法等、種々の方法を用いることができる。

また、燃料電池６に供給されるガスの流量と圧力とは、燃料電池６に接続される負荷の大きさや燃料電池６の温度等に応じて適宜調整されることが好ましい。本実施例では、燃料電池６に供給される空気の流量と圧力とは、燃焼空気量調整弁７や発電空気量調整弁８の開度を調整することによって、調整することができる。例えば、燃料電池６に供給される空気の圧力が高い場合には、燃焼空気量調整弁７を開度を大きくし、燃焼器２に供給される空気の割合を増やすことによって、燃料電池６に供給される空気の圧力を下げることができる。

次に、制御部２０は、要求発電電力の大きさの判定を行う（ステップＳ３３０）。要求発電電力が最大排ガス運転発電電力と比べて大きい場合（ステップＳ３３０：Ｙｅｓ）には、ステップＳ３２０に戻り、燃焼運転を継続する。

要求発電電力が最大排ガス運転発電電力と比べて小さい値に変化した場合（ステップＳ３３０：Ｎｏ）には、制御部２０は、排ガス運転に移行するために、燃焼器２の消火処理を実行する（ステップＳ３８０）。

ステップＳ３８０では、制御部２０は、図２（ｂ）〜（ｄ）の手順に従って、燃焼器２の燃焼を停止させる。燃焼器２での燃焼が停止すると、複合発電システム８００は排ガス運転状態となる（ステップＳ３５０）。以後、上述の各ステップを繰り返し実行する。

このように、図５に示す複合発電システム運転ルーチンによれば、要求発電電力が最大排ガス運転発電電力よりも小さい場合には、燃焼器２で燃焼をさせない排ガス運転が行われる。従って、必要以上に燃料を消費することなく、効率の良い発電を行うことができる。また、要求発電電力が最大排ガス運転発電電力よりも大きい場合には、燃焼器２からの燃焼ガスを用いた燃焼運転が行われる。従って、燃料電池６の発電能力以上の発電要求がある場合にも、その要求に応じることが可能である。

Ｃ．第３実施例：
図６は、第３実施例の複合発電システム８００ａの構成を示すブロック図である。図１に示す複合発電システム８００との差異は、発電インバータ５と回転速度測定部１２とが省略され、その代わりに、圧縮機１にインレットガイドベーン１３が設けられている点である。また、本実施例では、発電機４は、発電インバータを介さずに電力系統１１に接続されている。従って、発電機４は、電力系統１１の周波数に同期した回転速度で駆動される。

インレットガイドベーン１３は、圧縮機１の吸入口に設けられた複数の羽根で構成されている（図示省略）。インレットガイドベーン１３は、流路抵抗を調節する機能を有しているので、図６では、図示の便宜上、調節弁のマークが描かれている。圧縮ガス制御部２４ａは、インレットガイドベーン１３の羽根の向き、すなわち、開度を調整することによって、圧縮機１が吸入する空気量を調整することが可能である。本実施例において、インレットガイドベーン１３は、本発明における「駆動状態調整部」に相当する。圧縮ガス制御部２４ａは、排ガス運転時において、燃料電池６に供給される圧縮ガスの圧力と流量とが適正な値となるようにインレットガイドベーン１３の開度を調整する。

本実施例では、図１に示す第１実施例と同様に、図２（ａ）〜（ｄ）に示す手順に従って排ガス運転を行うことが可能である。

図７は、複合発電システム８００ａの排ガス運転において、圧縮ガス制御部２４ａ（図６）が実行するインレットガイドベーン１３の制御処理を表すフローチャートである。本実施例では、圧縮ガス制御部２４ａは、圧縮機１からの圧縮空気を用いて燃料電池６が要求する圧力と流量とが得られるように、インレットガイドベーン１３の動作を制御する。

ステップＳ２００は、図３のステップＳ１００と同じ処理である。圧縮ガス制御部２４ａは、燃料電池６に対する目標電池発電電力の設定処理を実行する。

ステップＳ２１０は、図３のステップＳ１１０と同じ処理である。圧縮ガス制御部２４ａは、ステップＳ２００で設定した目標電池発電電力に基づいて、燃料電池６が要求する空気の圧力と流量との目標値を設定する。

ステップＳ２２０では、圧縮ガス制御部２４ａは、燃料電池６に供給される圧縮空気の圧力と流量とが、目標値に近い値となるように、インレットガイドベーン１３の開度を調整する。

第３実施例では、発電機４は、電力系統１１の周波数に同期した回転速度で駆動される。すなわち、圧縮機１も電力系統１１の周波数に同期した回転速度で駆動される。従って、インレットガイドベーン１３の開度を小さくし、圧縮機１が吸入する空気量を低減させることによって、圧縮機１が出力する圧縮空気、すなわち、燃料電池６に供給される圧縮空気の圧力や流量を小さくすることができる。逆に、インレットガイドベーン１３の開度を大きくし、吸入空気量を増加させることによって、圧力や流量を大きくすることができる。

本実施例では、圧縮ガス制御部２４ａは、圧力と流量の目標値の組み合わせと、開度との対応関係をマップとして記憶し、マップを参照することによって、インレットガイドベーン１３の開度調整を実行する。

図８は、圧縮機１の駆動に必要となる動力と、インレットガイドベーン１３の開度との関係を示すグラフである。インレットガイドベーン１３の開度を小さくすると、圧縮機１が吸入する空気量が小さくなる。その結果、圧縮機１が圧縮する空気量が小さくなるので、圧縮機１を駆動するために必要となる動力を小さくすることができる。従って、燃料電池６が要求する空気の圧力と流量とが小さい場合には、開度を小さくすることによって、圧縮機１が過剰な圧縮空気を出力することを抑制するとともに、圧縮機１の駆動に必要な動力を節約することができる。さらに、節約した動力は、発電機４によって電力に変換されるので、複合発電システムの発電効率の向上を図ることができる。

ステップＳ２３０（図７）は、図３のステップＳ１６０と同様に、燃料電池６に対する目標電池発電電力の変更の有無の確認を行う。変更が無い場合（ステップＳ２３０：Ｎｏ）は、再び、ステップＳ２２０を繰り返し実行する。

目標電池発電電力に変更が有る場合（ステップＳ２３０：Ｙｅｓ）は、Ｓ１００に戻り、目標電池発電電力の再設定処理を行う。以後、上述のルーチン（Ｓ２００〜Ｓ２３０）を繰り返し実行する。

以上説明したインレットガイドベーン制御処理（図７）によれば、圧縮機１の空気吸入量は、燃料電池６が要求する圧縮空気の圧力と流量に適した量に維持される。その結果、燃料電池６に供給される圧縮空気の圧力と流量とを、目標値に近い値に維持することができる。本実施例において、図７に示すインレットガイドベーン１３の制御処理は、本発明における「圧縮ガス制御処理」に相当する。

なお、インレットガイドベーン１３の開度を適切に制御した場合でも、上述した第１実施例と同様に、圧縮機１と燃料電池６とを接続する流路１００、１０１の構造等に応じて、圧力や流量が目標値からずれる可能性がある。このような場合には、圧縮ガス制御部２４ａは、発電空気量調整弁８の開度を調整することによって、圧力や流量の調整を行うことができる。

また、図６に示す実施例では、圧縮機１の回転速度が一定の場合でも、圧縮空気の圧力と流量とを調整することが可能である。従って、発電機４と電力系統１１とがインバータを介さずに接続されている場合でも、圧縮機１が過剰な圧縮空気を出力することを抑制し、圧縮機１の駆動に必要な動力を節約することができる。

なお、本実施例においても、図５に示す複合発電システム運転ルーチンに従った運転を行うことができる。排ガス運転を行う場合（図５：ステップＳ３５０）には、圧縮ガス制御部２４ａ（図６）は、図７に示すインレットガイドベーン制御処理、すなわち、圧縮ガス制御処理を実行する。一方、燃焼運転を行う場合（図５：ステップＳ３２０）には、燃焼器制御部２２ａ（図６）は、発電機４の回転速度が電力系統１１の周波数に同期した回転速度となるように、燃料の流量を調整する。

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｄ１．変形例１：
図６に示した実施例では、インレットガイドベーン１３の開度を、圧力と流量の目標値の組み合わせと、開度との対応関係で構成されたマップに基づいて調整しているが、この代わりに、燃料電池６に供給される圧縮空気の圧力や流量の測定値に基づいて開度を調整してもよい。このとき、圧縮ガス制御部２４ａが、発電空気量調整弁８の開度も合わせて調整する構成とすることが好ましい。こうすることによって、燃料電池６に供給される圧縮空気の圧力や流量を、より適切に目標値に近づけることができる。

Ｄ２．変形例２：
上述した各実施例において、燃料電池６へ供給する圧縮空気の流量測定値の代わりに、流量に関連のあるパラメータ値を用いることができる。例えば、流量に関連のあるパラメータ値として、燃料電池６の温度を用いることができる。

圧縮空気の流量が大きい場合には、カソード排ガスによって燃料電池６から排出される熱量も大きくなるので、燃料電池６が冷却され、燃料電池６の温度が低くなる傾向がある。一方、圧縮空気の流量が小さい場合には、カソード排ガスによって排出される熱量が小さくなるので、燃料電池６の温度が高くなる傾向がある。従って、燃料電池６の温度が低いほど、圧縮空気の流量が大きいと推定することができる。

Ｄ３．変形例３：
上述の各実施例において、燃焼器２に用いる燃料としては、燃焼器２から排出する燃焼ガスをタービン３を駆動するのに十分に昇温させることが可能な燃料であれば良く、ガソリンなどの炭化水素や、メタノールなどのアルコールやアルデヒド類、あるいは天然ガスなどを用いることができる。ここで、燃焼器２に用いる燃料を、燃料電池６に用いる燃料ガスのための原燃料と同じとすれば、複数種類の燃料を準備せずに発電運転を行うことができるので、運転コストを低く抑えることができる。

Ｄ４．変形例４：
上述の各実施例では燃料電池６として溶融炭酸塩型燃料電池を用いたが、この他にも、固体高分子電解質型や、アルカリ水溶液電解質型、固体電解質型、あるいは、リン酸電解質型等、種々のタイプの燃料電池を用いることができる。但し、燃料電池６からの排ガスの温度が比較的高い溶融炭酸塩型や固体電解質型の燃料電池を用いれば、排ガスを用いてタービン３を効率よく駆動させることができるので、発電効率を、さらに、向上させることができる。

Ｄ５．変形例５：
上述の各実施例では、圧縮機１の駆動速度を調整可能な駆動状態調整部として発電インバータ５を用いたが、駆動速度を調整する方法としては、圧縮機１とタービン３とを変速機を用いて接続し、変速機を駆動状態調整部として用いる方法等、種々の方法を用いることができる。

Ｄ６．変形例６：
上述の各実施例では、圧縮機１へのガス吸入量を調整可能な駆動状態調整部としてインレットガイドベーン１３を用いたが、ガス吸入量を調整する方法としては、圧縮機１が吸入するガスの流路に流量調整バルブを設け、流量調整バルブを駆動状態調整部として用いる方法等、種々の方法を用いることができる。

本発明の一実施例としての複合発電システム８００の構成を示すブロック図。 複合発電システム８００の始動手順の一実施例を示す説明図。 排ガス運転における発電インバータ５の制御処理を表すフローチャート。 目標回転速度のマップを説明するグラフ。 複合発電システムの運転ルーチンを表すフローチャート。 複合発電システムの別の実施例としての複合発電システム８００ａの構成を示すブロック図。 排ガス運転におけるインレットガイドベーン１３の制御処理を表すフローチャート。 圧縮機１の駆動に必要となる動力とインレットガイドベーン１３の開度との関係を示すグラフ。

符号の説明

１...圧縮機
２...燃焼器
３...タービン
４...発電機
５...発電インバータ
６...燃料電池
７...燃焼空気量調整弁
８...発電空気量調整弁
９...カソード排ガス遮断弁
１０...改質器
１１...電力系統
１２...回転速度測定部
１３...インレットガイドベーン
２０、２０ａ...制御部
２２、２２ａ...燃焼器制御部
２４、２４ａ...圧縮ガス制御部
１００、１０１、１０２...流路
２００、２０１...流路
３００、３０１、３０２...流路
８００、８００ａ...複合発電システム
ＧＴ...ガスタービン

Claims (6)

1. 燃料電池とガスタービンの複合発電システムであって、
   タービンと、
   前記タービンによって駆動される圧縮機と、
   前記タービンによって駆動される発電機と、
   燃料電池と、
   前記圧縮機で圧縮された圧縮ガスを前記燃料電池へ供給する第１のガス供給流路と、
   前記燃料電池から排出される排ガスを前記タービンへ供給する第１の排ガス流路と、
   前記圧縮機の駆動速度と前記圧縮機へのガス吸入量との少なくとも一方を調整可能な駆動状態調整部と、
   前記圧縮ガスによって前記燃料電池が要求する流量と圧力とが得られるように前記駆動状態調整部の動作を制御する圧縮ガス制御処理を実行する圧縮ガス制御部と、
   燃料を燃焼させる燃焼器と、
   前記圧縮機で圧縮された圧縮ガスを前記燃焼器へ供給する第２のガス供給流路と、
   前記第２のガス供給流路に設けられ、前記燃焼器へ供給する圧縮ガスの流量と圧力との少なくとも一方を調整することが可能な第１の調整弁と、
   前記燃焼器から排出される排ガスを前記タービンへ供給する第２の排ガス流路と、
   前記燃焼器の動作を制御する燃焼器制御部と、
   を備え、
   前記燃焼器制御部は、
   前記タービンの始動時には、前記第１の調整弁を開状態にし、前記燃焼器を燃焼状態とするとともに、
   前記タービンの始動後には、前記燃焼器を消火状態にし、前記第１の調整弁を閉状態にし、
   前記圧縮ガス制御部は、前記タービンの始動後に、前記圧縮ガス制御処理を行う、複合発電システム。
2. 請求項１に記載の複合発電システムであって、
   前記第１のガス供給流路は、前記燃料電池へ供給される圧縮ガスの流量と圧力との少なくとも一方を調整することが可能な第２の調整弁を備える、複合発電システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の複合発電システムであって、
   前記駆動状態調整部は、
   前記圧縮機に設けられた複数の羽根で構成されるとともに、前記羽根の向きを調整することによって、前記圧縮機へのガス吸入量を調整可能なガイドベーンを含む、
   複合発電システム。
4. 燃料電池とガスタービンの複合発電システムであって、
   タービンと、
   前記タービンによって駆動される圧縮機と、
   前記タービンによって駆動される発電機と、
   燃料電池と、
   前記圧縮機で圧縮された圧縮ガスを前記燃料電池へ供給するガス供給流路と、
   前記燃料電池から排出される排ガスを前記タービンへ供給する排ガス流路と、
   前記発電機と外部の電力系統とを電気的に接続するとともに前記発電機から前記電力系統への供給電力を調整可能なインバータを有し、前記圧縮機の駆動速度を調整可能な駆動状態調整部と、
   前記圧縮ガスによって前記燃料電池が要求する流量と圧力とが得られるように、前記駆動状態調整部の動作を制御する圧縮ガス制御処理を実行する圧縮ガス制御部と、
   を備え、
   前記圧力ガス制御部は、前記燃料電池が要求する前記圧縮ガスの流量と圧力とが減少すると、前記インバータを用いて前記供給電力を増加させることにより前記圧縮機の駆動速度を低下させ、前記燃料電池が要求する前記圧縮ガスの流量と圧力とが増加すると、前記インバータを用いて前記供給電力を減少させることにより前記圧縮機の駆動速度を上昇させる、複合発電システム。
5. 燃料電池と、前記燃料電池の排ガスで駆動されるタービンと、前記タービンで駆動されるとともに、前記燃料電池へガスを供給する圧縮機と、前記タービンで駆動される発電機と、燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器へ供給する前記圧縮機で圧縮された圧縮ガスの流量と圧力との少なくとも一方を調整することが可能な調整弁と、前記燃焼器から排出される排ガスを前記タービンへ供給する排ガス流路と、を備えた複合発電システムの制御方法であって、
   前記圧縮機からの圧縮ガスによって前記燃料電池が要求する流量と圧力とが得られるように、前記圧縮機の駆動速度と前記圧縮機へのガス吸入量との少なくとも一方を調整する工程を備え、
   前記工程において、前記タービンの始動時には、前記調整弁を開状態にし、前記燃焼器を燃焼状態とするとともに、前記タービンの始動後には、前記燃焼器を消火状態にし、前記調整弁を閉状態にする、複合発電システムの制御方法。
6. 燃料電池と、前記燃料電池の排ガスで駆動されるタービンと、前記タービンで駆動されるとともに、前記燃料電池へガスを供給する圧縮機と、前記タービンで駆動される発電機と、前記発電機と外部の電力系統とを電気的に接続するとともに前記発電機から前記電力系統への供給電力を調整可能なインバータと、を備えた複合発電システムの制御方法であって、
   前記圧縮機からの圧縮ガスによって前記燃料電池が要求する流量と圧力とが得られるように、前記圧縮機の駆動速度を調整する工程を備え、
   前記工程において、前記燃料電池が要求する前記圧縮ガスの流量と圧力とが減少すると、前記インバータを用いて前記供給電力を増加させることにより前記圧縮機の駆動速度を低下させ、前記燃料電池が要求する前記圧縮ガスの流量と圧力とが増加すると、前記インバータを用いて前記供給電力を減少させることにより前記圧縮機の駆動速度を上昇させる、複合発電システムの制御方法。

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