JP6100012B2 - 発電システム及び発電システムの運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池とガスタービンと蒸気タービン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。
固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：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、空気極側に供給する空気（酸化剤）としてガスタービンの圧縮機から吐出された圧縮空気を使用することができる。また、ＳＯＦＣから排気された高温の排燃料ガスをガスタービンの燃焼器の燃料として使用することができる。
このため、例えば、下記特許文献１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を組み合わせたものが各種提案されている。この特許文献１に記載されたコンバインドシステムにおいて、ガスタービンは、空気を圧縮してＳＯＦＣに供給する圧縮機と、このＳＯＦＣから排気された排燃料ガスと圧縮空気から燃焼ガスを生成する燃焼器を有したものである。
特開２００９−２０５９３０号公報
発電システムは、各種条件に応じて変動する要求される発電量に応じて、供給する燃料や、空気量を調整して発電量を調整する場合がある。ここで、ＳＯＦＣ等の燃料電池は、供給される燃料や空気の流量に応じて、発電の効率が変化するため、発電量の変化に応じて、流量を変動させると、発電時の効率が低下する場合がある。
本発明は、上述した課題を解決するものであり、燃料電池での発電を効率よく実行することができる発電システム及び発電システムの運転方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本発明の発電システムは、複数の単位燃料電池モジュールを備える燃料電池と、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、前記圧縮機から前記燃焼器に圧縮空気を供給する第１圧縮空気供給ラインと、前記圧縮機から前記燃料電池に圧縮空気を供給する第２圧縮空気供給ラインと、前記燃料電池から前記燃焼器に排空気を供給する圧縮空気循環ラインと、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを前記燃焼器に供給する排燃料供給ラインと、要求発電量に応じて、作動させる前記単位燃料電池モジュールの台数を決定し、決定した台数の前記単位燃料電池モジュールを作動させる制御装置と、を有し、前記単位燃料電池モジュールは、単位燃料電池と、前記第２圧縮空気供給ラインから前記単位燃料電池に圧縮空気を供給するライン、前記燃料ガス供給ラインから前記単位燃料電池に燃料ガスを供給するライン、前記単位燃料電池から前記圧縮空気循環ラインに排空気を供給するライン及び前記単位燃料電池から前記排燃料供給ラインに燃料ガスを供給するラインを備えていることを特徴とする。
従って、燃料電池を複数の単位燃料電池モジュールとし、要求発電量に応じて作動させる単位燃料電池モジュールの台数を制御することで、それぞれの単位燃料電池モジュールの単位燃料電池での発電を効率よく行うことができる。つまり、１つ１つの単位燃料電池の効率を高く維持しつつ、燃料電池全体での発電量を調整することができる。これにより、燃料電池での発電を効率よく実行する。
本発明の発電システムでは、前記制御装置は、前記要求発電量を出力でき、かつ、作動させる前記単位燃料電池モジュールが基準の効率以上で作動できる、台数を算出し、算出した台数を作動させる前記単位燃料電池モジュールの台数とすることを特徴とする。
従って、１つ１つの単位燃料電池の発電時の効率を高く維持することができ、燃料電池での発電を効率よく実行する。
本発明の発電システムでは、前記制御装置は、停止している前記単位燃料電池モジュールの少なくとも１つに作動前に実行する起動処理を実行させることを特徴とする。
従って、作動する単位燃料電池モジュールが増加した場合、短時間で作動している単位燃料電池モジュールの台数を増加させることができる。
本発明の発電システムでは、前記制御装置は、停止している前記単位燃料電池モジュールがある場合、停止している前記単位燃料電池モジュールを切り換えることを特徴とする。
従って、作動している単位燃料電池モジュールが、特定の単位燃料電池モジュールのみとなることを抑制することができる。また、単位燃料電池モジュールの点検を順次実行することができる。
本発明の発電システムでは、前記制御装置は、運転時間が相対的に長い前記単位燃料電池モジュールを停止し、運転時間が相対的に短い前記単位燃料電池モジュールを起動させることを特徴とする。
従って、単位燃料電池モジュールの消耗が偏ることを抑制することができ、装置全体の寿命をより長くすることができる。
本発明の発電システムでは、前記燃料電池は、前記単位燃料電池から排空気を外部に排出するライン及び前記単位燃料電池から排燃料ガスを外部に排出するラインを有し、前記制御装置は、前記単位燃料電池モジュールを停止させる場合、当該単位燃料電池モジュールの前記単位燃料電池から前記ガスタービンへの排空気及び排燃料ガスの供給を停止し、排空気及び排燃料ガスを外部に排出し、かつ、前記単位燃料電池への空気及び燃料ガスの供給量を減少させ、前記単位燃料電池の冷却が完了した後、排空気及び排燃料ガスの外部への排出及び前記単位燃料電池への空気及び燃料ガスの供給を停止することを特徴とする。
従って、それぞれの単位燃料電池モジュールの停止を個別に実行することができ、他の単位燃料電池モジュールに影響を与えることを抑制することができる。
また、本発明の発電システムの運転方法では、複数の単位燃料電池モジュールを備える燃料電池と、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、前記圧縮機から前記燃焼器に圧縮空気を供給する第１圧縮空気供給ラインと、前記圧縮機から前記燃料電池に圧縮空気を供給する第２圧縮空気供給ラインと、前記燃料電池から前記燃焼器に排空気を供給する圧縮空気循環ラインと、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを前記燃焼器に供給する排燃料供給ラインと、有する発電システムの運転方法であって、要求発電量に応じて、作動させる前記単位燃料電池モジュールの台数を決定する工程と、前記決定した台数の前記単位燃料電池モジュールを作動させる工程と、を有することを特徴とする。
従って、燃料電池を複数の単位燃料電池モジュールとし、要求発電量に応じて作動させる単位燃料電池モジュールの台数を制御することで、それぞれの単位燃料電池モジュールの単位燃料電池での発電を効率よく行うことができる。つまり、１つ１つの単位燃料電池の効率を高く維持しつつ、燃料電池全体での発電量を調整することができる。これにより、燃料電池での発電を効率よく実行する。
本発明の発電システム及び発電システムの運転方法によれば、燃料電池での圧縮空気の流れやすさに基づいて、第１圧縮空気供給ラインの圧縮空気の流れやすさと第２圧縮空気供給ラインとのバランスを調整することで、燃料電池に供給する圧縮空気の圧力が変動することを抑制することができる。これにより、燃料電池に供給する圧縮空気の圧力を安定させることができる。
図１は、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。 図２は、本発明の一実施例に係る発電システムにおけるガスタービンとＳＯＦＣと配管系統とを示す概略図である。 図３は、本実施例の発電システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図４は、本実施例の発電システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図５は、ガスタービンとＳＯＦＣと配管系統との他の例を示す概略図である。 図６は、発電システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。
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。
本実施例の発電システムは、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段階で発電することができるため、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、本実施例の発電システムを表す概略構成図である。本実施例において、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構成したものである。また、発電システム１０は、制御装置６２を備えている。制御装置６２は、入力された設定、入力された指示及び検出部で検出した結果等に基づいて、発電システム１０の各部の動作を制御する。
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燃焼ガスＧ１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、ここでは、燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１として、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を用いている。
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）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。なお、ここでは、ＳＯＦＣ１３に供給する燃料ガスＬ２として、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）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ている。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の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である（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３１が連結され、圧縮機２１が圧縮した一部の圧縮空気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とが圧縮空気Ａ２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における圧縮空気Ａ２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。ＳＯＦＣ１３は、空気極で用いられた圧縮空気Ａ３（排空気）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圧縮空気Ａ３を外部に排出する排出ライン３５と、燃焼器２２に連結される圧縮空気循環ライン３６とに分岐される。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、圧縮空気循環ライン３６は、循環する空気量を調整可能な制御弁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、排出する排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、供給する排燃料ガス量を調整可能な制御弁４７と、排燃料ガスＬ３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の下流側に設けられている。
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には、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に再循環させる再循環ブロワ５０が設けられている。
蒸気タービン１４は、排熱回収ボイラ（ＨＲＳＧ）５１で生成された蒸気によりタービン５２が回転するものである。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が設けられている。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、排ガスライン５３から供給される高温の排ガスＧ２と給水ライン５５から供給される水との間で熱交換を行うことで、蒸気Ｓを生成する。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Ｇ２は、有害物質を除去されてから大気へ放出される。
ここで、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、蒸気タービン１４、ＳＯＦＣ１３の順に起動する。
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が燃焼ガスＧ１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。
続いて、ＳＯＦＣ１３を起動させるために、圧縮機２１から圧縮空気Ａ２を供給してＳＯＦＣ１３の加圧を開始すると共に加熱を開始する。排出ライン３５の制御弁３７と圧縮空気循環ライン３６の制御弁３８を閉止し、第２圧縮空気供給ライン３１のブロワ３３を停止した状態で、制御弁３２を所定開度だけ開放する。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の空気極側は、圧縮空気Ａ２が供給されることで圧力が上昇する。
一方、ＳＯＦＣ１３の燃料極側では、燃料ガスＬ２を供給して加圧を開始する。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。すると、燃料ガスＬ２が第２燃料ガス供給ライン４１からＳＯＦＣ１３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により再循環される。これにより、ＳＯＦＣ１３の燃料極側は、燃料ガスＬ２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を全開にすると共に、ブロワ３３を駆動する。それと同時に制御弁３７を開放してＳＯＦＣ１３からの圧縮空気Ａ３を排出ライン３５から排出する。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が目標圧力に到達すると、ＳＯＦＣ１３の加圧が完了する。
その後、ＳＯＦＣ１３の反応（発電）が安定し、圧縮空気Ａ３と排燃料ガスＬ３の成分が安定したら、制御弁３７を閉止する一方、制御弁３８を開放する。すると、ＳＯＦＣ１３からの圧縮空気Ａ３が圧縮空気循環ライン３６から燃焼器２２に供給される。また、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を減量する。
ここで、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の駆動により発電機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２は、本発明の一実施例に係る発電システムにおけるガスタービンとＳＯＦＣと配管系統とを示す概略図である。本実施形態の発電システム１０は、ＳＯＦＣ１３が、複数の単位ＳＯＦＣモジュール（単位燃料電池モジュール）１２０を備えている。また、図２では、制御装置６２と１つの単位ＳＯＦＣモジュール１２０との接続関係のみを示したが、制御装置６２は、ＳＯＦＣ１３の全ての単位ＳＯＦＣモジュール１２０と接続されている。複数の単位ＳＯＦＣモジュール１２０は、並列に配置されており、それぞれ第２圧縮空気供給ライン３１から圧縮空気Ａ２が供給され、圧縮空気循環ライン３６に圧縮空気Ａ３を排出し、第２燃料ガス燃料供給ライン（燃料ガス供給ライン）４１から燃料ガス（改質された燃料ガス）Ｌ２が供給され、排燃料ライン４３に排燃料ガスＬ３を排出する。また、圧縮機２１から排出される圧縮空気は、冷却空気供給ライン７２を用いてタービン２３に供給され、タービン２３を冷却する空気としても利用される。
単位ＳＯＦＣモジュール１２０は、空気分岐管１２１と単位ＳＯＦＣ（単位燃料電池）１２２と排空気分岐管１２４と、制御弁１２６と、制御弁１２８と、燃料分岐管１３１と、排燃料分岐管１３４と、制御弁１３６と、制御弁１３８と、を備える。
まず、単位ＳＯＦＣ１２２は、上述したＳＯＦＣ１３と同様の構成であり、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）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。この単位ＳＯＦＣ１２２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。
空気分岐管１２１は、一方の端部が第２圧縮空気供給ライン３１に接続され、他方の端部が単位ＳＯＦＣ１２２に接続されている。排空気分岐管１２４は、一方の端部が単位ＳＯＦＣ１２２に接続され、他方の端部が圧縮空気循環ライン３６に接続される。単位ＳＯＦＣモジュール１２０は、第２圧縮空気供給ライン３１から空気分岐管１２１を通過して単位ＳＯＦＣ１２２に圧縮空気Ａ２が供給される。また、単位ＳＯＦＣモジュール１２０は、単位ＳＯＦＣ１２２から排空気分岐管１２４を通過して、圧縮空気循環ライン３６に圧縮空気Ａ３が排出される。
制御弁１２６は、空気分岐管１２１に配置されている。制御弁１２６は、上述した各制御弁と同様に、開閉及び開度を調整することで、空気分岐管１２１を流れる圧縮空気Ａ２を調整する。制御弁１２８は、排空気分岐管１２４に配置されている。制御弁１２８は、上述した制御弁と同様に、開閉及び開度を調整することで、排空気分岐管１２４を流れる圧縮空気Ａ３を調整する。
燃料分岐管１３１は、一方の端部が第２燃料ガス供給ライン４１に接続され、他方の端部が単位ＳＯＦＣ１２２に接続されている。排燃料分岐管１３４は、一方の端部が単位ＳＯＦＣ１２２に接続され、他方の端部が排燃料ライン４３に接続される。単位ＳＯＦＣモジュール１２０は、第２燃料ガス供給ライン４１から燃料分岐管１３１を通過して単位ＳＯＦＣ１２２に燃料ガスＬ２が供給される。また、単位ＳＯＦＣモジュール１２０は、単位ＳＯＦＣ１２２から排燃料分岐管１３４を通過して、排燃料ライン４３に排燃料ガスＬ３が排出される。
制御弁１３６は、燃料分岐管１３１に配置されている。制御弁１３６は、上述した各制御弁と同様に、開閉及び開度を調整することで、燃料分岐管１３１を流れる燃料ガスを調整する。制御弁１３８は、排燃料分岐管１３４に配置されている。制御弁１３８は、上述した制御弁と同様に、開閉及び開度を調整することで、排燃料分岐管１３４を流れる排燃料ガスＬ３を調整する。
単位ＳＯＦＣモジュール１２０は、以上のような構成であり、制御弁１２６、制御弁１２８、制御弁１３６及び制御弁１３８を閉じることで、１つの単位ＳＯＦＣモジュール１２０を圧縮空気、燃料ガス、排空気、排燃料ガスが流れる経路から隔離することができる。これにより、ＳＯＦＣ１３は、単位ＳＯＦＣモジュール１２０毎に、駆動と停止を切り換えることができる。制御装置６２は、作動させる単位ＳＯＦＣモジュール１２０を制御することで、ＳＯＦＣ１３で高い効率での発電を実現する。また、単位ＳＯＦＣモジュール１２０毎に、駆動と停止を切り換えることができることで、一部の単位ＳＯＦＣモジュール１２０でメンテナンスを実行しながら、他の単位ＳＯＦＣモジュール１２０で発電させることができる。また、一部の単位ＳＯＦＣモジュール１２０が故障した場合も、その単位ＳＯＦＣモジュール１２０だけを停止できるため、運転を継続することができる。
以下、図３を用いて、上述した本実施例の発電システム１０の運転方法について説明する。図３は、本実施例の発電システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。図３に示す運転方法は、制御装置（制御部）６２が取得したＳＯＦＣ１３への要求発電量に基づいて、演算処理を実行することで実現することができる。なお、制御装置６２は、図３に示す処理を繰り返し実行する。
まず、制御装置６２は、ＳＯＦＣ１３への要求発電量に基づいて全負荷量を算出する（ステップＳ１２）。全負荷量は、例えば、ＳＯＦＣ１３の全ての単位ＳＯＣＦモジュールを１００％の稼働率で稼動させた場合を１００％とし、要求発電量をＳＯＦＣ１３で発電するために必要な負荷量である。
制御装置６２は、全負荷量を算出したら、作動させる単位ＳＯＦＣモジュールの数（台数）を決定する（ステップＳ１４）。制御装置６２は、作動させる単位ＳＯＦＣモジュールの数を決定したら、起動させる単位ＳＯＦＣモジュールがあるかを判定する（ステップＳ１６）。つまり、決定した作動させる単位ＳＯＦＣモジュールの数に対して、現在作動させている単位ＳＯＦＣモジュールの数が少ないかを判定する。制御装置６２は、起動させる単位ＳＯＦＣモジュールがある（ステップＳ１６でＹｅｓ）と判定した場合、起動させる単位ＳＯＦＣモジュールを特定し、対象の単位ＳＯＦＣモジュールを起動させ（ステップＳ１８）、処理を終了する。
次に、制御装置６２は、起動させる単位ＳＯＦＣモジュールがない（ステップＳ１６でＮｏ）と判定した場合、停止させる単位ＳＯＦＣモジュールがあるかを判定する（ステップＳ２０）。つまり、決定した作動させる単位ＳＯＦＣモジュールの数に対して、現在作動させている単位ＳＯＦＣモジュールの数が多いかを判定する。制御装置６２は、停止させる単位ＳＯＦＣモジュールがある（ステップＳ２０でＹｅｓ）と判定した場合、停止させる単位ＳＯＦＣモジュールを特定し、対象の単位ＳＯＦＣモジュールを停止させ（ステップＳ２２）、処理を終了する。制御装置６２は、停止させる単位ＳＯＦＣモジュールがない（ステップＳ２０でＮｏ）と判定した場合、決定した作動させる単位ＳＯＦＣモジュールの数と現在作動させている単位ＳＯＦＣモジュールの数とが同じとなるので、そのまま本処理を終了する。
発電システム１０は、ＳＯＦＣ１３を並列に配置した複数の単位ＳＯＦＣモジュール１２０として、それぞれの単位ＳＯＦＣモジュール１２０の起動、停止を独立して切り換え可能とし、制御装置６２により要求発電量に基づいて、作動させる単位ＳＯＦＣモジュール１２０の数を調整する。これにより、作動させる単位ＳＯＦＣモジュール１２０の数を任意に調整することができるため、それぞれの単位ＳＯＦＣモジュールの単位ＳＯＦＣでの発電を効率よく行うことができる。つまり、１つ１つの単位ＳＯＦＣの効率を高く維持しつつ、ＳＯＦＣ１３の全体での発電量を調整することができる。これにより、ＳＯＦＣ１３での発電を効率よく実行でき、かつ高い効率で発電量を行うことができる範囲を寄り広くすることができる。
ここで、制御装置６２は、要求発電量を出力でき、かつ、作動させる単位ＳＯＦＣモジュールが基準の効率以上で作動できる台数を算出し、算出した台数を作動させる単位ＳＯＦＣモジュールの台数とすることが好ましい。
例えば、単位ＳＯＦＣモジュールに供給する燃料ガス及び空気等の流量を基準とし、単位ＳＯＦＣモジュールの流量を７０％以上１００％以下とすることで、発電の効率を高くできる場合とする。また、ＳＯＣＦ１３は、単位ＳＯＦＣモジュールを１０台備えている。このとき負荷率が１００％の場合、全ての単位ＳＯＦＣモジュールを作動させ、かつ、単位ＳＯＦＣモジュールの流量を１００％とする。次に、負荷率が９０％の場合、全ての単位ＳＯＦＣモジュールを作動させ、かつ、単位ＳＯＦＣモジュールの流量を９０％とする。次に、負荷率が８０％の場合、全ての単位ＳＯＦＣモジュールを作動させ、かつ、単位ＳＯＦＣモジュールの流量を８０％とする。次に、負荷率が７０％の場合、全ての単位ＳＯＦＣモジュールを作動させ、かつ、単位ＳＯＦＣモジュールの流量を７０％とする。
次に、負荷率が６５％の場合、９台の単位ＳＯＦＣモジュールを作動させ（１台の単位ＳＯＦＣモジュールを停止させ）、かつ、作動させている単位ＳＯＦＣモジュールの流量を７２％とする。次に、負荷率が６０％の場合、８台の単位ＳＯＦＣモジュールを作動させ（２台の単位ＳＯＦＣモジュールを停止させ）、かつ、作動させている単位ＳＯＦＣモジュールの流量を７５％とする。次に、負荷率が５０％の場合、７台の単位ＳＯＦＣモジュールを作動させ（３台の単位ＳＯＦＣモジュールを停止させ）、かつ、作動させている単位ＳＯＦＣモジュールの流量を７１％とする。
このように、要求発電量（算出した負荷率）を満たすことができ、作動している単位ＳＯＦＣモジュールの流量を７０％以上１００％以下とすることができる範囲で、作動させる単位ＳＯＦＣモジュールの数を決定することで、作動させている単位ＳＯＦＣは、効率よく発電を行うことができ、かつ、要求された出力を確保することができる。
また、制御装置６２は、作動させる単位ＳＯＦＣモジュールの数を決定する場合、停止させる単位ＳＯＦＣモジュールが生じないように、作動させる単位ＳＯＦＣモジュールの数を決定することが好ましい。例えば、負荷率（要求発電量）が低下した場合、作動させる単位ＳＯＦＣモジュールの数を維持できるように、作動させる単位ＳＯＦＣモジュールの流量（駆動条件）を調整し、つまり、流量（駆動条件）が高い効率で発電を行える下限の条件に近づける方向で調整する。この流量の調整では、高い効率で発電を行える下限以下となる場合のみ、作動させる単位ＳＯＦＣモジュールの数を減らす決定を行うことが好ましい。これにより、起動処理を行う回数を低減することができる。起動処理とは、停止している単位ＳＯＦＣモジュールを作動させる前に実行する必要がある処理であり、単位ＳＯＦＣ１２２の加圧や、燃料ガスの改質等である。
また、制御装置６２は、作動させる単位ＳＯＦＣモジュールの数を決定する場合、起動させる単位ＳＯＦＣモジュールが生じないように、作動させる単位ＳＯＦＣモジュールの数を決定することが好ましい。例えば、負荷率（要求発電量）が増加した場合、作動させる単位ＳＯＦＣモジュールの数を維持できるように、作動させる単位ＳＯＦＣモジュールの流量（駆動条件）を調整し、つまり、流量（駆動条件）が高い効率で発電を行える上限の条件に近づける方向で調整する。この流量の調整では、高い効率で発電を行える上限以上、つまり、現状の単位ＳＯＦＣモジュールの数では、要求を満たせない出力となる場合のみ、作動させる単位ＳＯＦＣモジュールの数を増加させる決定を行うことが好ましい。これにより、起動処理を行う回数を低減することができる。
また、制御装置６２は、停止している単位ＳＯＦＣモジュールがある場合、停止している単位ＳＯＦＣモジュールの少なくとも１つに起動処理を実行させることが好ましい。このように停止している単位ＳＯＦＣモジュールで起動処理を予め行っておくことで、作動させる単位ＳＯＦＣモジュールを増加させると判定したときに、短時間で作動している単位燃料電池モジュールの台数を増加させることができる。
次に、図４を用いて、上述した本実施例の発電システム１０の他の運転方法について説明する。図４は、本実施例の発電システムの運転方法の他の一例を示すフローチャートである。図４に示す運転方法は、制御装置（制御部）６２が各部の検出結果に基づいて、演算処理を実行することで実現することができる。なお、制御装置６２は、図４に示す処理を繰り返し実行する。
まず、制御装置６２は、単位ＳＯＦＣモジュールのローテーションを実行するかを判定する（ステップＳ３０）。ここで、制御装置６２は、例えば、停止している単位ＳＯＦＣモジュールがあり、かつ、同じ単位ＳＯＦＣモジュールを作動させている状態が所定時間以上継続している場合、ローテーションを実行すると判定する。制御装置６２は、ローテーションを実行しない（ステップＳ３０でＮｏ）と判定した場合、本処理を終了する。
制御装置６２は、ローテーションを実行する（ステップＳ３０でＹｅｓ）と判定した場合、ローテーションの対象の単位ＳＯＦＣモジュールを特定し、停止中のうち対象の単位ＳＯＦＣモジュールを起動し（ステップＳ３２）、作動中のうち対象の単位ＳＯＦＣモジュールを停止し（ステップＳ３４）、本処理を終了する。
このように、制御装置６２は、作動させている単位ＳＯＦＣモジュールのローテーション、つまり、停止している単位ＳＯＦＣモジュールがある場合、停止している単位ＳＯＦＣモジュールを切り換えることで、作動している単位ＳＯＦＣモジュールが、特定の単位ＳＯＦＣモジュールのみとなることを抑制することができる。また、単位ＳＯＦＣモジュールの点検を順次実行することができる。
ここで、制御装置６２は、ローテーションを行う場合、運転時間が相対的に長い単位ＳＯＦＣモジュールを停止し、運転時間が相対的に短い単位ＳＯＦＣモジュールを起動（作動）させることが好ましい。これにより、単位ＳＯＦＣモジュールの消耗が偏ることを抑制することができ、装置全体の寿命をより長くすることができる。
ここで、単位ＳＯＦＣモジュール１２０は、単位ＳＯＦＣ１２２に接続するラインとして、空気を供給する空気分岐管１２１と、排空気を排出する排空気分岐管１２４と、燃料ガスを供給する燃料分岐管１３１と、排燃料ガスを排出する排燃料分岐管１３４と、を単位ＳＯＦＣモジュール１２０ごとに設けたが、これに限定されない。
図５は、ガスタービンとＳＯＦＣと配管系統との他の実施例を示す概略図である。図５に示す発電システム１０ａは、ＳＯＦＣ１３が、複数の単位ＳＯＦＣモジュール１２０ａを備えている。なお、単位ＳＯＦＣモジュール１２０ａの基本的な構成は、単位ＳＯＦＣモジュール１２０と同様である。以下は単位ＳＯＦＣモジュール１２０ａに特有の点を説明する。
単位ＳＯＦＣモジュール１２０ａは、空気分岐管１２１と、単位ＳＯＦＣ（単位燃料電池）１２２と排空気分岐管１２４と、制御弁１２６と、制御弁１２８と、燃料分岐管１３１と、排燃料分岐管１３４と、制御弁１３６と、制御弁１３８と、空気排出分岐管２０２と、制御弁２０４と、燃料ガス再循環ライン２１２、再循環ブロワ２１４と、燃料排出分岐管２１６と、制御弁２１８と、を有する。
空気排出分岐管２０２は、一方の端部が、排空気分岐管１２４の制御弁１２８よりも単位ＳＯＦＣ１２２側に接続され、他方の端部が、圧縮空気Ａ３を外部に排出する排出ライン３５と接続されている。制御弁２０４は、空気排出分岐管２０２に配置されている。制御弁２０４は、上述した制御弁と同様に、開閉及び開度を調整することで、空気排出分岐管２０２を流れる圧縮空気Ａ３を調整する。
燃料ガス再循環ライン２１２は、一方の端部が、排燃料分岐管１３４の制御弁１３８よりも単位ＳＯＦＣ１２２側に接続され、他方の端部が、燃料分岐管１３１と接続されている。再循環ブロワ２１４は、燃料ガス再循環ライン２１２に配置され、排燃料分岐管１３４から供給される排燃料ガスＬ３を燃料分岐管１３１に供給する。燃料ガス再循環ライン２１２と、再循環ブロワ２１４とは、燃料ガス再循環ライン４９と、再循環ブロワ５０と同様の機能を備える。つまり、単位ＳＯＦＣモジュール１２０ａは、燃料を改質するために排燃料ガスＬ３を循環させる機構を、単位ＳＯＦＣモジュール１２０ａ毎に備えている。したがって、燃料分岐管１３１の燃料ガス再循環ライン２１２よりも上流側は、燃料ガスＬ２のみが流れている。
燃料排出分岐管２１６は、一方の端部が、排燃料分岐管１３４の制御弁１３８よりも単位ＳＯＦＣ１２２側に接続され、他方の端部が、排燃料ガスＬ３を外部に排出する排出ライン４４と接続されている。制御弁２１８は、燃料排出分岐管２１６に配置されている。制御弁２１８は、上述した制御弁と同様に、開閉及び開度を調整することで、燃料排出分岐管２１６を流れる排燃料ガスＬ３を調整する。
単位ＳＯＦＣモジュール１２０ａは、空気排出分岐管２０２と、制御弁２０４とを備えることで、排空気を個別に外部に排出することが可能となる。また、単位ＳＯＦＣモジュール１２０ａは、燃料排出分岐管２１６と、制御弁２１８と、を備えることで、排燃料ガスを個別に排出することができる。これにより、単位ＳＯＦＣモジュール１２０ａは、他の単位ＳＯＦＣモジュール１２０ａからの影響をより受けにくくすることができ、独立した制御を行いやすくすることができる。例えば、単位ＳＯＦＣモジュール１２０ａは、起動時、停止時の排燃料ガス、排空気ガスが共有化したラインに供給されることを抑制でき、ガスタービンに供給する排燃料ガス、排空気ガスの質を安定させることができる。また、単位ＳＯＦＣモジュール１２０ａは、燃料の改質処理を個別に行うことができるため、起動処理を個別に行うことができる。また、各系統に供給される燃料ガスの質が変動することを抑制できる。
以下、図６を用いて、上述した本実施例の発電システム１０ａの運転方法の一例を説明する。図６は、発電システム１０ａの運転方法の一例を示すフローチャートである。図６に示す処理動作は、作動させている単位ＳＯＦＣモジュール１２０ａを停止させる場合に実行される。制御装置６２は、停止する単位ＳＯＦＣモジュール１２０ａがある場合、対象の単位ＳＯＦＣモジュール１２０ａから排出される排空気と排燃料ガスのガスタービン１１への供給を停止する（ステップＳ４０）。具体的には、制御弁１２８を閉じ、排空気分岐管１２４から排気空気ライン３４への排空気の供給を停止し、制御弁１３８を閉じ、排燃料分岐管１３４から排燃料ガス供給ライン４５への排燃料ガスの供給を停止する。
次に、制御装置６２は、排空気と排燃料ガスのベントを開始する（ステップＳ４２）。具体的には、制御弁２０４を開き、空気排出分岐管２０２から排出ライン３５へ排空気を供給し、制御弁２１８を閉じ、燃料排出分岐管２１６から排出ライン４４へ排燃料ガスを供給する。これにより、排空気と排燃料ガスの供給先をガスタービン１１の燃焼器２２から外部への廃棄系に切り換えることができる。
次に、制御装置６２は、空気と燃料ガスの供給量を下限値（ミニマムフロー）に変更する（ステップＳ４４）。つまり、制御弁１２６と、制御弁１３６の開度を小さくし、単位ＳＯＣＦ１２２への空気と燃料ガスの供給量を少なくする。
次に、制御装置６２は、冷却が完了したかを判定する（ステップＳ４６）。制御装置６２は、単位ＳＯＦＣ１２２の温度や、ベントされる排空気、排燃料の温度に基づいて、判定することができる。制御装置６２は、冷却が完了していない（ステップＳ４６でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ４６に戻る。制御装置６２は、冷却が完了した（ステップＳ４６でＹｅｓ）と判定した場合、ステップＳ４８として、空気と燃料ガスの供給及びベントを停止し、本処理を終了する。つまり、制御弁１２６、制御弁１３６、制御弁２０４及び制御弁２１８を閉じて、単位ＳＯＦＣ１２２に空気や燃料が供給されず、排空気や排燃料ガスが排出されない状態とし、本処理を終了する。
発電システムは、図６に示す処理で、単位ＳＯＦＣモジュールを停止することで、それぞれの単位ＳＯＦＣモジュールの停止を個別に実行することができ、他の単位ＳＯＦＣモジュールに影響を与えることを抑制することができる。
１０、１０ａ 発電システム
１１ ガスタービン
１２ 発電機
１３ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）
１４ 蒸気タービン
１５ 発電機
２１ 圧縮機
２２ 燃焼器
２３ タービン
２５ 空気取り込みライン
２６ 第１圧縮空気供給ライン
２７ 第１燃料ガス供給ライン
３１ 第２圧縮空気供給ライン
３２ 制御弁
３３、４８ ブロワ
３４ 排空気ライン
３６ 圧縮空気循環ライン
３８ 制御弁
４１ 第２燃料ガス供給ライン
４２ 制御弁
４３ 排燃料ライン
４４ 排出ライン
４５ 排燃料ガス供給ライン
４７ 制御弁
４９ 燃料ガス再循環ライン
５０ 再循環ブロワ
５１ 排熱回収ボイラ
５２ タービン
５３ 排ガスライン
５４ 蒸気供給ライン
５５ 給水ライン
５６ 復水器
５７ 給水ポンプ
６２ 制御装置（制御部）
１２０ 単位ＳＯＦＣモジュール（単位燃料電池モジュール）
１２１ 空気分岐管
１２２ 単位ＳＯＦＣ（単位燃料電池）
１２４ 排空気分岐管
１２６、１２８ 制御弁

Claims (7)

  1. 複数の単位燃料電池モジュールを備える燃料電池と、
    圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、
    前記圧縮機から前記燃焼器に圧縮空気を供給する第１圧縮空気供給ラインと、
    前記圧縮機から前記燃料電池に圧縮空気を供給する第２圧縮空気供給ラインと、
    前記燃料電池から前記燃焼器に排空気を供給する圧縮空気循環ラインと、
    前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
    前記燃料電池から排出された排燃料ガスを前記燃焼器に供給する排燃料供給ラインと、
    要求発電量に応じて、作動させる前記単位燃料電池モジュールの台数を決定し、決定した台数の前記単位燃料電池モジュールを作動させる制御装置と、を有し、
    前記単位燃料電池モジュールは、単位燃料電池と、前記第２圧縮空気供給ラインから前記単位燃料電池に圧縮空気を供給するラインと、前記燃料ガス供給ラインから前記単位燃料電池に燃料ガスを供給するラインと、前記単位燃料電池から前記圧縮空気循環ラインに排空気を供給するライン及び前記単位燃料電池から前記排燃料供給ラインに燃料ガスを供給するラインと、前記第２圧縮空気供給ラインから前記単位燃料電池に圧縮空気を供給するラインに配置された第１制御弁と、前記第２圧縮空気供給ラインから前記単位燃料電池に圧縮空気を供給するラインに配置された第２制御弁と、を備え、
    前記第２圧縮空気供給ラインから前記単位燃料電池に圧縮空気を供給するラインは、他の前記単位燃料電池モジュールの前記第２圧縮空気供給ラインから前記単位燃料電池に圧縮空気を供給するラインと並列で配置され、
    前記燃料ガス供給ラインから前記単位燃料電池に燃料ガスを供給するラインは、他の前記単位燃料電池モジュールの前記燃料ガス供給ラインから前記単位燃料電池に燃料ガスを供給するラインと並列で配置され、
    前記制御装置は、前記第１制御弁及び前記第２制御弁の開閉を切り換え、前記作動する前記単位燃料電池モジュールの台数を制御することを特徴とする発電システム。
  2. 前記制御装置は、前記要求発電量を出力でき、かつ、作動させる前記単位燃料電池モジュールが基準の効率以上で作動できる台数を算出し、算出した台数を作動させる前記単位燃料電池モジュールの台数とすることを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
  3. 前記制御装置は、停止している前記単位燃料電池モジュールの少なくとも１つに作動前に実行する起動処理を実行させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電システム。
  4. 前記制御装置は、停止している前記単位燃料電池モジュールがある場合、停止している前記単位燃料電池モジュールを切り換えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発電システム。
  5. 前記制御装置は、運転時間が相対的に長い前記単位燃料電池モジュールを停止し、運転時間が相対的に短い前記単位燃料電池モジュールを起動させることを特徴とする請求項４に記載の発電システム。
  6. 前記燃料電池は、前記単位燃料電池から排空気を外部に排出するライン及び前記単位燃料電池から排燃料ガスを外部に排出するラインを有し、
    前記制御装置は、前記単位燃料電池モジュールを停止させる場合、当該単位燃料電池モジュールの前記単位燃料電池から前記ガスタービンへの排空気及び排燃料ガスの供給を停止し、排空気及び排燃料ガスを外部に排出し、かつ、前記単位燃料電池への空気及び燃料ガスの供給量を減少させ、前記単位燃料電池の冷却が完了した後、排空気及び排燃料ガスの外部への排出及び前記単位燃料電池への空気及び燃料ガスの供給を停止することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の発電システム。
  7. 複数の単位燃料電池モジュールを備える燃料電池と、圧縮機と燃焼器を有するガスタービンと、前記圧縮機から前記燃焼器に圧縮空気を供給する第１圧縮空気供給ラインと、前記圧縮機から前記燃料電池に圧縮空気を供給する第２圧縮空気供給ラインと、前記燃料電池から前記燃焼器に排空気を供給する圧縮空気循環ラインと、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを前記燃焼器に供給する排燃料供給ラインと、有し、前記単位燃料電池モジュールは、単位燃料電池と、前記第２圧縮空気供給ラインから前記単位燃料電池に圧縮空気を供給するラインと、前記燃料ガス供給ラインから前記単位燃料電池に燃料ガスを供給するラインと、前記単位燃料電池から前記圧縮空気循環ラインに排空気を供給するライン及び前記単位燃料電池から前記排燃料供給ラインに燃料ガスを供給するラインと、前記第２圧縮空気供給ラインから前記単位燃料電池に圧縮空気を供給するラインに配置された第１制御弁と、前記第２圧縮空気供給ラインから前記単位燃料電池に圧縮空気を供給するラインに配置された第２制御弁と、を備え、
    前記第２圧縮空気供給ラインから前記単位燃料電池に圧縮空気を供給するラインは、他の前記単位燃料電池モジュールの前記第２圧縮空気供給ラインから前記単位燃料電池に圧縮空気を供給するラインと並列で配置され、前記燃料ガス供給ラインから前記単位燃料電池に燃料ガスを供給するラインは、他の前記単位燃料電池モジュールの前記燃料ガス供給ラインから前記単位燃料電池に燃料ガスを供給するラインと並列で配置される発電システムの運転方法であって、
    要求発電量に応じて、作動させる前記単位燃料電池モジュールの台数を決定する工程と、
    前記決定した台数の前記単位燃料電池モジュールを作動させる工程と、を有し、
    前記第１制御弁及び前記第２制御弁の開閉を切り換え、前記作動する前記単位燃料電池モジュールの台数を制御することを特徴とする発電システムの運転方法。
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