(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンと、コンプレッサと、発電機とを含むガスタービン、
前記コンプレッサの排気が供給される燃料電池、及び、
前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給手段、を含むハイブリッド発電装置と、
前記燃料電池の排気を燃焼させると共に、その燃焼ガスを前記ガスタービンのタービンに供給する燃焼器と、
前記燃料供給手段及びガスタービンの制御を行うことによって、前記燃料電池への燃料供給量及び空気供給量を制御する制御ユニットと、備え、
前記ハイブリッド発電装置は、航空機に搭載される補助動力装置であり、
前記制御ユニットは、前記航空機に搭載されているデータバスに接続されると共に、当該データバスからの各種データに基づいて前記燃料電池への燃料供給量及び空気供給量を制御し、
前記ガスタービンと前記燃料電池との間に介設されかつ、前記タービンの排気と前記コンプレッサの排気との間で熱交換を行う熱交換器をさらに備え、
前記制御ユニットは、前記航空機が高々度を巡航していることを特定したときには、前記燃料電池の排気における未反応ガス量が、高々度巡航時以外の定常時よりも増えるように、前記燃料電池への燃料供給量を増大して、当該燃料電池に供給される空気の温度を所定温度に増大させると共に、前記ガスタービンの制御を通じて前記燃料電池に供給される空気の圧力を、高々度巡航時以外の定常時よりも増大させる電力システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電力システムにおいて、
前記制御ユニットは、少なくとも、前記燃料電池の排気の水素濃度に関するデータ、及び、前記データバスからの航空機の運用形態データに基づいて、当該航空機における電力負荷が相対的に小さいときには、前記燃料電池への少なくとも燃料供給量を低下させる電力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば航空機における補助動力装置（Auxiliary Power Unit：ＡＰＵ）として、特許文献１には、固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）とガスタービンとを組み合わせたハイブリッド発電装置を含む電力システムが開示されている。この電力システムでは、未反応燃料を含む燃料電池の排気を燃料器において燃焼させ、その燃焼ガスを前記ガスタービンのタービンに供給してガスタービンを駆動していると共に、そのガスタービンにおけるコンプレッサの排気を、燃料電池の排気との間で熱交換して高温のホットエアにした後に燃料電池に供給している。この構成により特許文献１の電力システムでは、その効率の向上を図らんとしている。
【特許文献１】米国特許第６８３４８３１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、燃料電池は、例えばその内部（スタック内）の温度等が低下したときには、発電効率が低下してしまう。一方で、航空機の使用環境は、例えば地上での待機時と上空での飛行時とでは、外気圧や外気温等が大きく変化する。このため、航空機に搭載される電力システムとして、前述したような燃料電池を含むシステムを採用した場合を仮定すると、例えば航空機が高々度飛行している最中は、地上待機時に比べて、燃料電池に供給される空気の温度や濃度が低下することになるため、燃料電池内の温度や圧力の低下を招き、発電効率が低下してしまう、という問題がある。
【０００４】
また、航空機における電力負荷は、当該航空機の運用状態に応じて大きく変動し、例えば地上での待機時は、上空での飛行時に比べて、電力負荷が大幅に低下する場合がある。このように電力負荷が比較的軽負荷である場合にもかかわらず、電力システムの出力が定格のまま一定となるように燃料電池に対し多量の燃料を供給したのでは、その燃料を有効に消費することなく棄ててしまうことにもなり、省エネルギの観点から問題がある。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池とガスタービンとを含むハイブリッド発電装置を備えた電力システムにおいて、当該システムの使用環境や運用状態の変化に対応して、安定でかつ経済的な発電を可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面によると、電力システムは、タービンと、コンプレッサと、発電機とを含むガスタービン、前記コンプレッサの排気が供給される燃料電池、及び、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給手段、を含むハイブリッド発電装置と、前記燃料供給手段及びガスタービンの制御を行うことによって、前記燃料電池への燃料供給量及び空気供給量を制御する制御ユニットと、備える。
【０００７】
この構成によると、燃料電池とガスタービンとを含むハイブリッド発電装置において、制御ユニットは、燃料供給手段及びガスタービンの制御を行うことによって、燃料電池への燃料供給量及び空気供給量を制御する。このことによって、例えば電力システムの使用環境の変化に対応して、燃料電池の発電効率や電力システム全体の発電効率が常に高くなるように制御したり、例えば電力システムの運用状態の変化に対応して、燃料消費量が最小となるように制御したりすることが可能になり、安定でかつ経済的な発電が実現する。
【０００８】
前記ハイブリッド発電装置は、前記燃料電池の排気を燃焼させると共に、その燃焼ガスを前記ガスタービンのタービンに供給する燃焼器をさらに含む。
【０００９】
燃料電池の排気には、未反応燃料が含まれるが、その排気をガスタービンに戻すことによって、電力システムの効率が向上する。
【００１０】
前記ハイブリッド発電装置は、航空機に搭載される補助動力装置であり、前記制御ユニットは、前記航空機に搭載されているデータバスに接続されると共に、当該データバスからの各種データに基づいて前記燃料電池への燃料供給量及び空気供給量を制御する。
【００１１】
航空機のデータバスからの各種データに基づいて、燃料電池への燃料供給量及び空気供給量を制御することにより、航空機の使用環境や運用状態に対応して、前記燃料供給量及び空気供給量を適切に制御可能になる。
【００１２】
前記電力システムは、前記ガスタービンと前記燃料電池との間に介設されかつ、前記タービンの排気と前記コンプレッサの排気との間で熱交換を行う熱交換器をさらに備え、前記制御ユニットは、前記航空機が高々度を巡航していることを特定したときには、前記燃料電池の排気における未反応ガス量が、高々度巡航時以外の定常時よりも増えるように、前記燃料電池への燃料供給量の制御を増大して、当該燃料電池に供給される空気の温度を所定温度に増大させると共に、前記ガスタービンの制御を通じて前記燃料電池に供給される空気の圧力を、高々度巡航時以外の定常時よりも増大させる。
【００１３】
こうすることで、航空機の使用環境等の変化に伴い、例えば前記航空機が高々度を巡航することで外気圧や外気温等が低下したときでも、燃料電池への燃料供給量及び空気供給量を制御することによって、燃料電池内を少なくとも所定温度にして、その発電効率が高い状態に安定して維持することが可能になる。
【００１４】
前記制御ユニットは、少なくとも、前記燃料電池の排気の水素濃度に関するデータ、及び、前記データバスからの航空機の運用形態データに基づいて、当該航空機における電力負荷が相対的に小さいときには、前記燃料電池への少なくとも燃料供給量を低下させる、としてもよい。
【００１５】
電力負荷が相対的に小さいときに、燃料電池への燃料供給量を低下させることで、無駄な燃料消費を無くして、省エネ化が図られる。この場合においては、燃料電池の排気の水素濃度に関するデータに基づいて、少なくともガスタービンのアイドル運転が可能な程度の燃料供給量を確保することが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によると、燃料電池とガスタービンとを含むハイブリッド発電装置において、燃料供給手段及びガスタービンの制御を行うことによって、燃料電池への燃料供給量及び空気供給量を、発電効率の点や省エネルギの点で最適化することができ、安定でかつ経済的な発電を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る電力システムの構成を示す概略図である。この電力システムは、本実施形態においては、航空機のＡＰＵとして構成されている。尚、本発明の電力システムは航空機に搭載されるシステムに限定されるものではなく、例えば船舶、自動車等の他の輸送機器に搭載される電力システムとしてもよい。また、本発明の電力システムは輸送機器に搭載されるシステムに限らず、その他の電力システム、例えば携帯発電機のシステム等に採用してもよい。
【００１９】
図１において、符号１は、アノード１１及びカソード１２を含む燃料電池であり、ここでは特に固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）とされている。但し、燃料電池はＳＯＦＣに限らない。また、同図において符号２は、互いに連結軸２３によって連結されたタービン２１及びコンプレッサ２２、並びに、タービン２１及びコンプレッサ２２に直結されたスタータ／発電機２４を含むガスタービンである。スタータ／発電機２４は、ガスタービン２の始動時には、モータとして機能することでガスタービン２を始動させる一方、ガスタービン２の始動後は、例えば交流電力を出力する発電機として機能する。尚、ガスタービン２の構成は、スタータ／発電機２４を、タービン・コンプレッサ２１，２２に直結した１軸構成でなくても、２軸構成等、他の構成を採用してもよい。
【００２０】
前記ガスタービン２のコンプレッサ２２は、導入した外気を圧縮して排出するものであり、その排気は、後述する第１熱交換器３１及び第２熱交換器３２を介して、前記ＳＯＦＣ１のカソード１２に供給される。
【００２１】
前記ガスタービン２のタービン２１は、後述する燃焼器３３からの燃焼ガスが供給されることによって回転駆動して前記コンプレッサ２２を駆動するものであり、タービン２１の排気は、タービン排気管５１を通じて、前記第１熱交換器３１の１次側に送られる。
【００２２】
第１熱交換器３１は、前記ガスタービン２とＳＯＦＣ１との間に介設されており、前述したように、その１次側にはタービン排気管５１が連結されると共に、その２次側にはコンプレッサ２２の排気側に連結されたコンプレッサ排気管５２が連結されている。これによって第１熱交換器３１は、タービン２１の高温排気とコンプレッサ２２の排気との間で熱交換を行う。コンプレッサ２２の排気を昇温することによって生成されたホットエアは、空気供給管５３を通じて、前記ＳＯＦＣ１に供給されることになる。
【００２３】
前記ＳＯＦＣ１には、改質器３４が接続されている。改質器３４には、燃料供給管５６を介して脱硫装置３５が接続されており、改質器３４は、図示省略の燃料供給源から供給されかつ、脱硫装置３５において脱硫された燃料（航空機に搭載された本実施形態ではジェット燃料）を改質する。このことによって生成された水素リッチな燃料ガスは、燃料ガス供給管５５を介してＳＯＦＣ１のアノード１１に供給される。尚、前記改質器３４は、本実施形態では、水蒸気改質を行うように構成されており、この水蒸気改質に必要となる水蒸気は、後述する水蒸気発生器４１から供給される。
【００２４】
ＳＯＦＣ１におけるアノード１１の排気には、未反応の燃料が含まれていることから、そのアノード１１の排気はガスタービン２に戻される。つまり、アノード１１の排気側は、前述したようにガスタービン２のタービン２１に接続されている燃焼器３３に接続されている。アノード１１の排気を燃焼させた燃焼ガスが前記タービン２１に供給されることで、前述したように、ガスタービン２が駆動されることになる。
【００２５】
燃焼器３３にはまた、前記脱硫装置３５と改質器３４とを互いに連結する燃料供給管５６から、分岐弁５８を介して分岐した分岐管５７が接続されている。分岐弁５８は、後述するＥＣＵ６の制御によって、脱硫後のジェット燃料を、燃焼器３３側のみ、改質器３４側のみ、又は燃焼器３３及び改質器３４の双方、に供給するように切り換わる。そうして、詳しくは後述するが、電力システムの少なくとも起動時には、燃焼器３３には、アノード１１の排気ではなく、燃料供給源から供給された（脱硫後の）ジェット燃料が供給されるようになっている。
【００２６】
一方、ＳＯＦＣ１におけるカソード１２の排気は、第２熱交換器３２の１次側に送られた後に、前記燃焼器３３に供給されるようになっている。
【００２７】
第２熱交換器３２の２次側には、前記空気供給管５３が接続されており、これによって第２熱交換器３２は、カソード１２の排気と前記第１熱交換器３１からのホットエアとの間で熱交換を行う。これによってさらに高温になったホットエアが、前記カソード１２に供給されることになる。こうした熱回収によって、電力システムの効率が向上する。
【００２８】
空気供給管５３の途中には、分岐管５９が分岐接続されており、分岐官５９の下流側は前記改質器３４に接続されている。後述するように、電力システムの起動時には、第１熱交換器３１からのホットエアの一部が、この分岐管５９を通じて改質器３４に供給される。これは、改質器３４の昇温に用いられる。
【００２９】
また、第１熱交換器３１における１次側の排気部には、水凝縮・分離器４２が接続されている。燃焼器３３により燃焼された燃焼ガスは、比較的多量の水分を含んでいることから、この水凝縮・分離器４２は、タービン２１の排気から水分を凝縮することによって気液分離を行う。分離された気体は電力システムの排気とされてシステム外に排出される一方、分離された水は前記水蒸気発生器４１に送られる。
【００３０】
水蒸気発生器４１は、前述したように、水凝縮・分離器４２から供給された水を水蒸気にして、それを前記改質器３４に供給する。これによって、改質器３４における燃料改質に必要な水蒸気が供給されることになる。このように、水蒸気の生成にタービン２１の排気を利用することによって、電力システムを自立したシステムにすることができる。
【００３１】
前記電力システム（ハイブリッド発電装置）は、制御ユニットとしてのＥＣＵ（Electric Control Unit）６によって制御される。ＥＣＵ６は、本実施形態では、少なくともＳＯＦＣ１への空気供給量を調整するためのガスタービン２と、ＳＯＦＣ１への燃料供給量を調整するための改質器３４と、分岐弁５８との制御を行う。尚、ＳＯＦＣ１への燃料供給量の調整は改質器３４を制御することに限らない。また、電力システムの構成が、燃料改質を必要としない構成であるときには、ＳＯＦＣ１への燃料供給量は、適宜の手段を制御することによって調整すればよい。
【００３２】
ＥＣＵ６はまた、航空機のデータバス６１に接続されている。これによって、ＥＣＵ６には、データバス６１上の種々のデータが入力されるようになっている。
【００３３】
次に、前記ＥＣＵ６による電力システムの起動時の制御について説明する。先ず、電力システムを起動する前の停止状態においては、ＳＯＦＣ１の温度が、その作動温度に比べて遙かに低いとする。この状態で、電力システムを起動するときには、先ずガスタービン２を始動させるべく、ＥＣＵ６が分岐弁５８及びガスタービン２の制御を行うことによって、燃料供給源からのジェット燃料（脱硫後）を燃焼器３３に供給する（同図の一点鎖線の矢印参照）と共に、スタータ２４を駆動させる。尚、この時点では改質器３４には燃料を供給しない。
【００３４】
これによって、燃焼器３３からの燃料ガスがタービン２１に供給されることで、ガスタービン２が始動する。ガスタービン２の起動時間は比較的短いため、ガスタービン２は、早期に定常状態となる。また、ガスタービン２の駆動に伴い発電機２４を駆動させることで、発電機２４による発電を開始する。
【００３５】
ガスタービン２の駆動に伴い第１熱交換器３１において、高温のホットエアが生成される。ホットエアは、その一部がＳＯＦＣ１のカソード１２に供給されると共に、その一部が改質器３４に供給される（同図の一点鎖線の矢印参照）。これによって、ＳＯＦＣ１が昇温されると共に、改質器３４も昇温されるため、ＳＯＦＣ１及び改質器３４の温度を、早期に所定の温度にすることができる。
【００３６】
そうして、例えばＳＯＦＣ１の排気温度を検出する排気温度センサ６０の検出値に基づいて、ＳＯＦＣ１の温度及び改質器３４の温度が、作動温度又はそれに近い温度にまで上昇すれば、ＥＣＵ６が分岐弁５８を制御することによって、改質器３４にジェット燃料を供給する（同図の実線の矢印参照）。それによって、ＳＯＦＣ１には、改質燃料と前記ホットエアとが供給されることになるため、ＳＯＦＣ１における発電が開始し、直流電力が出力される。
【００３７】
ＳＯＦＣ１の発電開始後は、アノード１１の排気に未反応燃料が含まれることから、その排気が燃焼器３３において燃焼され、生成された燃料ガスがガスタービン２のタービン２１に供給される。それによってガスタービン２が駆動されることになる。尚、この電力システムの定常状態においては、燃料供給源から燃焼器３３へのジェット燃料の供給は停止してもよいし、必要に応じて、その供給を継続してもよい。
【００３８】
ＳＯＦＣ１の発電開始に伴い、その排熱によって、第２熱交換器３２における熱交換も開始されることになる。
【００３９】
尚、ＳＯＦＣ１の作動後は、改質器３４へのホットエアの供給は停止すればよい。
【００４０】
このように、電力システムの起動時に、相対的に起動時間の短いガスタービン２を先ず起動することによって、そのガスタービン２の排熱を利用したＳＯＦＣ１及び改質器３４の昇温を行うことができる。これによってＳＯＦＣ１及び改質器３４の温度を、比較的短時間で上昇させて電力システムの起動時間を短くすることが可能になる。しかも、ＳＯＦＣ１の起動よりも前に、ガスタービン２の駆動によって発電が行われるから、電力システムによる電力供給は、より早期に実施可能であり、航空機において必要な電力を、早期に確保することができる。
【００４１】
そうして電力システムが定常状態になった後は、ＥＣＵ６は、データバスからの各種データ、並びに、前記排気温度センサ、ＳＯＦＣ１の排気における水素濃度を検出する水素濃度センサ及び圧力センサ６０からの検出データに基づき、予め記憶されている制御プラグラムに従って改質器３４及びガスタービン２の制御を行うことにより、ＳＯＦＣ１への燃料供給量及び／又は空気供給量の制御を行う。それによって、ＳＯＦＣ１内の温度及び圧力を、発電効率が最大となる温度及び圧力に維持する。
【００４２】
例えばデータバス６１から得られる気圧高度データ、外気温データ、対気速度データ、及び航空機の運用形態等に基づいて、当該航空機が高々度を巡航していることを特定したと仮定する。このときコンプレッサ２２に導入される外気の温度及び気圧は、地上時よりも大幅に低下している。
【００４３】
そこで、ＥＣＵ６は、改質器３４の制御によってＳＯＦＣ１への燃料供給量を増大させるようにすると共に、排気温度センサ、水素濃度センサ及び圧力センサ６０の検出値に基づくフィードバック制御を行う。このことによって、ＳＯＦＣ１の排気における未反応ガス量が増大するようになり、それに伴い、ガスタービン２へ供給される熱量が増大して第１熱交換器３１における熱交換後のホットエアの温度が高まる。また、ガスタービン２の制御によって、コンプレッサ２２の排気圧力を増大させる。そうして、ＳＯＦＣ１に供給するホットエアの圧力及び温度がそれぞれ増大させることに伴い、ＳＯＦＣ１内の温度が所望の温度となる。そうして、ＳＯＦＣ１による発電効率が高まり、高々度飛行時における電力システム全体の効率向上を図ることができる。
【００４４】
また、データバス６１から得られる航空機の運用形態等に基づいて、当該航空機が地上待機しており、その電力負荷が比較的小さいことが特定されたとする。このときに、ＳＯＦＣ１に対して例えば定格出力可能な程度の量の燃料を供給したのでは、燃料を無駄に棄ててしまうことにもなる。
【００４５】
そこで、ＥＣＵ６は、改質器３４の制御によって、ＳＯＦＣ１への燃料供給量を減少させるようにすると共に、水素濃度センサ６０の検出値に基づくフィードバック制御を行う。このことによって、ガスタービン２を例えばアイドル状態にする。こうすることで、軽負荷時においては、その電力負荷に対応した省エネ運転が実現する。
【００４６】
このように、本実施形態に係る電源システムでは、排気温度センサ、水素濃度センサ及び圧力センサ６０の検出値や、データバス６１からの各種データに基づいて、ＥＣＵ６がＳＯＦＣ１への燃料供給量及び／又は空気供給量を制御することにより、ＳＯＦＣ１の発電効率の観点、電力システム全体の効率の観点、及び電力負荷に対応した省エネ運転の観点等の、種々の観点から、電力システムの運転を最適化することができる。
【００４７】
尚、本発明の電力システムを、航空機以外の輸送機器に搭載される電力システムや、その他の電力システムとして構成した場合には、データバス６１に代替する適宜のデータ提供手段を利用して、ＳＯＦＣへの燃料供給量及び／又は空気供給量を制御するようにすればよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上説明したように、本発明は、燃料電池とガスタービンとを含むシステムにおいて、その使用環境や運用状態の変化に対応して安定でかつ経済的な発電を可能にすることができるから、各種の電力システムについて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態に係る電力システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５０】
１    固体酸化物型燃料電池（燃料電池）
２    ガスタービン
２１  タービン
２２  コンプレッサ
２４  スタータ／発電機（発電機）
３３  燃焼器
３４  改質器
６    制御ユニット（ＥＣＵ）
【図１】
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