(57)【要約】【課題】発電機の冷却に用いられた古い水素ガスを燃料電池による発電に再利用する発電システムを提供する。【解決手段】発電システム１は、タービン１６の回転によって発電する発電機１０と、酸素を含むガスと水素ガスとを導入して発電を行う燃料電池４０と、発電機１０に、冷却用の新規の水素ガスを供給する水素ガス供給部２２と、発電機１０から排出される水素ガスを燃料電池４０に導く水素ガス排出管路２６と、天然ガスを改質して水素ガスを生成する改質器４２と、改質器４２において生成された水素ガスを燃料電池に導く燃料電池用水素ガス供給管路４４と、燃料電池４０に供給する水素ガスの管路を、水素ガス排出管路２６及び燃料電池用水素ガス供給管路４４のいずれかに切り替える排出弁２８及び開閉弁４６とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃焼させるボイラと、
当該ボイラの熱によって水を蒸気化させる過熱器と、
当該過熱器によって生成された蒸気によって回転するタービンと、
当該タービンに連結され、前記タービンの回転によって発電する発電機と、
酸素を含むガスと水素ガスとを導入して発電を行う燃料電池と、
水素ガスを生成する水素ガス生成部と、
当該水素ガス生成部において生成された水素ガスを前記燃料電池に導く第１管路と、
前記発電機に、冷却用の新規の水素ガスを供給する水素ガス供給部と、
一端部が前記発電機に接続されかつ他端部が前記第１管路に接続され、前記発電機から排出される水素ガスを前記第１管路に導く第２管路と、
前記燃料電池に、前記発電機から前記第１管路を通る水素ガス、及び前記水素ガス生成部から前記第２管路を通る水素ガスのいずれか一方を供給するように、前記第１管路及び前記第２管路を開閉する管路切替部とを備えることを特徴とする発電所における発電システム。
【請求項２】
前記水素ガス生成部は、天然ガスから水素ガスを生成し、
前記天然ガスは、前記ボイラで燃焼させる燃料であることを特徴とする請求項１記載の発電所における発電システム。
【請求項３】
前記発電機から水素ガスを排出している場合に前記第２管路からの水素ガスが前記燃料電池に導入され、前記発電機から水素ガスを排出していない場合に前記第１管路からの水素ガスが前記燃料電池に導入されるように、前記管路切替部を切り替える切替制御部を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の発電所における発電システム。
【請求項４】
前記水素ガス供給部は、前記発電機からの水素ガスの排出と同時に、水素ガスを供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の発電所における発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電所における発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、多くの発電所において、発電機を冷却するために水素ガスが用いられている。水素ガスは可燃性ガスであるが、空気や酸素が混入しなければ引火することはない。このため、発電機に供給される水素ガスは、純度の高いことが要求される。そこで、水素ガスの純度を保持するために、所定期間ごと（例えば、１０日に１度）に、純度が低下した古い水素ガスを一定量大気放出してから、水素ボンベより純度の高い新しい水素を補充している。
【０００３】
また、従来、この種の技術としては、特許文献１に記載された技術がある。この特許文献１には、タービン発電機の点検開始時と点検終了時において、タービン発電機に炭酸ガスを注入することにより、発電機内に冷媒として封入されている水素ガスが、水素ガス分配管からバルブを介して屋外放出管に導かれ大気に放出され、また、炭酸ガスは回収されて再利用される、といった技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１２４３４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来、大気放出される古い水素ガスは、新たに補充される水素よりは純度が低いものの比較的高い純度であるため、再利用の余地がある。このため、古い水素ガスを再利用する技術の出現が望まれている。
【０００６】
本発明は、このような課題に対して鑑みなされたものであり、発電機の冷却に用いられた古い水素ガスの再利用を実現した発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明は、次に記載する構成を備えている。
【０００８】
（１）  燃料を燃焼させるボイラと、当該ボイラの熱によって水を蒸気化させる過熱器と、当該過熱器によって生成された蒸気によって回転するタービンと、当該タービンに連結され、前記タービンの回転によって発電する発電機と、酸素を含むガスと水素ガスとを導入して発電を行う燃料電池と、水素ガスを生成する水素ガス生成部と、当該水素ガス生成部において生成された水素ガスを前記燃料電池に導く第１管路と、前記発電機に、冷却用の新規の水素ガスを供給する水素ガス供給部と、一端部が前記発電機に接続されかつ他端部が前記第１管路に接続され、前記発電機から排出される水素ガスを前記第１管路に導く第２管路と、前記燃料電池に、前記発電機から前記第１管路を通る水素ガス、及び前記水素ガス生成部から前記第２管路を通る水素ガスのいずれか一方を供給するように、前記第１管路及び前記第２管路を開閉する管路切替部とを備えることを特徴とする発電所における発電システム。
【０００９】
（１）によれば、発電機を冷却する水素ガスの純度を保つための水素ガスの入れ替え作業において、発電機を冷却するための水素ガスを発電機から排出した際に、その水素ガスを燃料電池に供給することにより、従来、大気放出されていた水素ガスを燃料電池よる発電に再利用することが可能になる。また、燃料電池、水素ガス生成部及び第１管路が既設の場合には、第１管路に第２管路を連結し、この連結部分に管路切替部を設けることにより、燃料電池に、発電機を冷却するために用いた水素ガスを供給するための配管系統を容易に構築することが可能になる。
【００１０】
（２）  （１）において、前記水素ガス生成部は、天然ガスから水素ガスを生成し、前記天然ガスは、前記ボイラで燃焼させる燃料であることを特徴とする発電システム。
【００１１】
（２）によれば、天然ガスを、発電機を回転させることによる発電と、燃料電池による発電の両方に用いることが可能になる。また、発電機からの水素ガスを燃料電池に供給している間は、水素ガス生成部を停止させておくことが可能になるため、水素ガスの生成に係るコストを低減することが可能になる。
【００１２】
（３）  （１）、（２）において、前記発電機から水素ガスを排出している場合に前記第２管路からの水素ガスが前記燃料電池に導入され、前記発電機から水素ガスを排出していない場合に前記第１管路からの水素ガスが前記燃料電池に導入されるように、前記管路切替部を切り替える切替制御部を備えたことを特徴とする発電所における発電システム。
【００１３】
（３）によれば、通常は、水素ガス生成部が生成した水素ガスが第１管路を介して燃料電池に導入される状態にあり、発電機からの水素ガスの排出が開始される場合には、第２管路を介して水素ガスが燃料電池に供給されるように自動的に管路が切り替わり、水素ガスの排出が終了する場合には、水素ガス生成部が生成した水素ガスが第１管路を介して燃料電池に供給されるように自動的に管路が切り替わる。これにより、管路の切り替えに係る作業員の負荷を軽減することが可能になる。
【００１４】
（４）  （１）〜（３）において、前記水素ガス供給部は、前記発電機からの水素ガスの排出と同時に、水素ガスを供給することを特徴とする発電所における発電システム。
【００１５】
（４）によれば、古い水素ガスが燃料電池で消費され一方で、水素ガス供給部から発電機に新規の水素ガスが供給されるため、発電機内の水素の純度を安定させることが可能になる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、発電機の冷却に用いられた古い水素ガスを燃料電池による発電に再利用することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態における発電所における発電システム１の構成を示す説明図である。
【図２】本実施形態の発電システム１の制御系の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の他の実施形態における発電所における発電システム１の構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態における発電所における発電システム１の構成を示す説明図である。
【００２０】
発電システム１は、タービン発電部１００と、燃料電池発電部２００とを備えている。
タービン発電部１００は、発電機１０と、ボイラ１２と、過熱器１４と、タービン１６とを備えている。
【００２１】
発電機１０は、発電機ハウジング１０ａと、回転子１０ｂと、固定子１０ｃとを備えており、発電機ハウジング１０ａ内に、磁石を有する回転子１０ｂと、コイルを有する固定子１０ｃとが収納されている。回転子１０ｂは、タービン１６に連結されており、タービン１６が回転することによって回転する。固定子１０ｃは、回転子１０ｂに所定の間隔を空けて対向配置されている。そして、回転子１０ｂが回転することによって磁石から発生する磁界がコイルを通過する際に、コイルに起電力が発生する。
【００２２】
ボイラ１２は、天然ガスを燃焼させて、ボイラ１２に設置された配管（図示せず）内を通る水を過熱するものである。過熱器１４は、ボイラ１２に設置され、ボイラ１２の熱によって配管（図示せず）内を通る水を過熱して蒸気化するものである。タービン１６は、過熱器１４において生成された蒸気が供給されることによって回転する。ボイラ１２及び過熱器１４は、ボイラ建屋１１に設置されている。
【００２３】
燃料電池発電部２００は、水素ガス供給部２２と、水素ガス供給管路２４と、第２管路に相当する水素ガス排出管路２６と、排出弁２８と、燃料電池４０と、改質器４２と、第１管路に相当する燃料電池用水素ガス供給管路４４と、開閉弁４６とを備えている。
【００２４】
水素ガス供給部２２は、発電機１０に対して冷却用の水素ガスを供給するものであり、新規の冷却用の水素ガスが封入された複数の水素ボンベ２２ａを備えている。これら水素ボンベ２２ａは、個々に開閉弁２２ｂを備えている。水素ガス供給部２２からの水素ガスは、発電機ハウジング１０ａ内が所定の圧力になるまで発電機ハウジング１０ａ内に充填される。この水素ガスによって発電機ハウジング１０ａ内の回転子１０ｂや固定子１０ｃが冷却される。
【００２５】
水素ガス供給管路２４は、発電機１０に対して水素ボンベ２２ａからの水素を供給するためのものであり、複数の水素ボンベ２２ａは水素ガス供給管路２４に対して並列に接続されている。
【００２６】
また、水素ガス排出管路２６は、一端部が発電機１の発電機ハウジング１０ａに連結されており、他端部が燃料電池用水素ガス供給管路４４に接続されている。水素ガス排出管路２６には排出弁２８が設けられており、この排出弁２８によって水素ガス排出管路２６が開閉される。排出弁２８が開放されることによって、発電機ハウジング１０ａから水素ガスが水素ガス排出管路２６を介して排出される。また、水素ガス排出管路２６における排出弁２８の上流側にはサンプリング部３０が備えられている。このサンプリング部３０は、発電機ハウジング１０ａ内の水素ガスの一部をサンプリングするものである。サンプリング部３０においてサンプリングされた水素ガスは、水素ガスの純度の測定に用いられる。
【００２７】
燃料電池４０は、酸素を含むガスと水素ガスとを導入して発電を行うものであり、アノード４０ａとカソード４０ｂとを備えている。
【００２８】
アノード４０ａにおいては、水素ガスが供給され、水素分子が水素イオンとなって２個の電子が送り出される（（式１）参照）。
【００２９】
Ｈ２→２Ｈ２＋＋２ｅ−・・・（式１）
【００３０】
カソード４０ｂにおいては、空気や酸素が供給され、（式２）に示すように、酸素と、アノード４０ａをおいて発生した水素イオンと、アノード４０ａから移動した２個の電子とが化学反応することによって、水が生成される。
【００３１】
１／２Ｏ２＋２Ｈ２＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ・・・（式２）
【００３２】
改質器４２は、天然ガス（ＬＮＧ）に含まれるメタンと水蒸気とを反応させて水素ガスを生成する。
【００３３】
燃料電池用水素ガス供給管路４４は、改質器４２とアノード４０ａとを連結する配管である。開閉弁４６は、燃料電池用水素ガス供給管路４４を開閉する弁である。この開閉弁４６は、燃料電池用水素ガス供給管路４４における水素ガス排出管路２６との接続部分に対して水素ガスの移動方向の上流側に設けられている。
【００３４】
排出弁２８及び開閉弁４６は、後述する制御装置５０からのコマンドに基づいて自動的に開閉する自動弁であり、排出弁２８を閉鎖して開閉弁４６を開放することにより、改質器４２によって生成された水素ガスが、燃料電池用水素ガス供給管路４４を通って燃料電池４０のアノード４０ａに供給される。また、排出弁２８を開放して開閉弁４６を閉鎖することにより、発電機１の発電機ハウジング１０ａから排出された水素ガスが水素ガス排出管路２６を通って燃料電池４０のアノード４０ａに供給される。このように、排出弁２８及び開閉弁４６は、管路切替部に相当する。
【００３５】
図２は、本実施形態に係る燃料電池発電部２００の制御系の構成を示すブロック図である。制御装置５０は、燃料電池発電部２００全体を制御するものであり、ＣＰＵ５２と、ＲＯＭ５４と、ＲＡＭ５６とを備えている。ＣＰＵ５２は、燃料電池発電部２００を制御するための各種の処理を行う。ＲＯＭ５４は、ＣＰＵ５２に実行させる各種のプログラムを記憶している。具体的には、ＣＰＵ５２を内圧判定部５２ａ、純度判定部５２ｂ、切替制御部５２ｃ及び改質器制御部５２ｄ及び表示制御部５２ｅとして機能させるプログラムを記憶している。ＲＡＭ５６は、燃料電池発電部２００の制御に用いる各種のデータを記憶するとともに、ＣＰＵ５２の作業フィールドとして用いられる。
【００３６】
制御装置５０には、内圧測定器７０と、純度測定器７２と、表示装置７４と、入力装置７６と、排出弁２８と、開閉弁４６と、改質器４２とが通信可能に接続されている。
【００３７】
内圧測定器７０は、発電機１０に設けられ、発電機ハウジング１０ａ内の内圧を測定し、その結果を、ＣＰＵ５２に送信するものである。
【００３８】
純度測定器７２は、サンプリング部３０から採取した水素ガスの純度を測定し、その結果を、ＣＰＵ５２に送信するものである。
【００３９】
表示装置７４は、内圧測定器７０の測定値や、純度測定器７２の測定値等、各種の情報を表示するものである。
【００４０】
入力装置７６は、作業員が制御装置５０に対して各種の入力を行うものである。
【００４１】
また、ＣＰＵ５２の機能において、内圧判定部５２ａは、内圧測定器７０の測定値が予め設定した基準圧力値より低くなったか否かを判定するものである。
【００４２】
純度判定部５２ｂは、例えば、純度測定器７２の測定値が予め設定した基準純度（例えば、９０％）未満であるか否かを判定するものである。
【００４３】
切替制御部５２ｃは、内圧判定部５２ａ及び純度測定器７２の判定結果や、作業員による入力装置７６の操作入力に基づいて、排出弁２８、開閉弁４６の開閉制御を行う。
【００４４】
改質器制御部５２ｄは、排出弁２８及び開閉弁４６の開閉状態に応じて改質器４２をオン、オフする制御を行う。
【００４５】
表示制御部５２ｅは、表示装置７４に表示させる画像データを作成して、表示装置７４の画像を表示させる制御を行う。
【００４６】
次に、本実施形態の発電システム１の動作について説明する。
通常状態において、発電機１０は、ボイラ建屋１１内の設備によって生成された蒸気をタービン１６に供給し、タービン１６を回転させることによって発電を行っている。燃料電池４０は、空気と、改質器４２において生成された水素ガスとを導入することによって発電を行っている。また、発電機１０においては、冷却用の水素ガス充填されており、純度判定部５２ｂが発電機ハウジング１０ａ内の水素ガスの純度を監視している。
【００４７】
そして、純度判定部５２ｂが、純度測定器７２の測定値が９０％未満であると判定した場合に、切替制御部５２ｃは、排出弁２８に開放コマンドを送信する。更に、切替制御部５２ｃは、開閉弁４６に閉鎖コマンドを送信する。
【００４８】
開放コマンドを受信した排出弁２８は、水素ガス排出管路２６を自動的に開放する。同様に、閉鎖コマンドを受信した開閉弁４６は、燃料電池用水素ガス供給管路４４を自動的に閉鎖する。これにより、燃料電池４０のアノード４０ａに対する水素ガスの供給元が、改質器４２から発電機１に切り替えられる。
【００４９】
また、純度判定部５２ｂが、純度測定器７２の測定値が９０％未満であると判定した場合に、改質器制御部５２ｄは、改質器４２をオフにするオフコマンドを改質器４２に送信する。このオフコマンドを受信した改質器４２は、水素ガスの生成を停止する。
【００５０】
このため、発電機ハウジング１０ａから水素ガスを排出している間は改質器４２が停止状態となり、燃料電池４０においては、発電機ハウジング１０ａから排出された水素ガスが燃料電池４０に供給されることによって発電が行われる。
【００５１】
なお、発電機ハウジング１０ａから水素ガスを排出していることや、発電機ハウジング１０ａから排出された水素ガスを燃料電池４０に供給していること等の情報が、表示制御部５２ｅの制御によって表示装置７４に画面表示される。
【００５２】
ところで、排出弁２８を開放させることにより、発電機ハウジング１０ａ内の水素ガスが排出されるため、発電機ハウジング１０ａの内圧が低下する。
【００５３】
内圧判定部５２ａが、内圧測定器７０の測定値が予め設定した基準圧力値より低くなったと判定した場合に、切替制御部５２ｃは、排出弁２８に閉鎖コマンドを送信する。この閉鎖コマンドを受信した排出弁２８は、水素ガス排出管路２６を自動的に閉鎖する。
【００５４】
また、切替制御部５２ｃは、開閉弁４６に開放コマンドを送信する。開放コマンドを受信した開閉弁４６は、燃料電池用水素ガス供給管路４４を自動的に開放する。これにより、燃料電池４０のアノード４０ａに対する水素ガスの供給元が、発電機１から改質器４２に切り替えられる。
【００５５】
更に、内圧判定部５２ａが、内圧測定器７０の測定値が予め設定した基準圧力値より低くなったと判定した場合に、改質器制御部５２ｄは、改質器４２をオンにするオンコマンドを改質器４２送信する。このオンコマンドを受信した改質器４２は、水素ガスの生成を開始して、水素ガスを燃料電池４０に供給する。
【００５６】
このため、発電機ハウジング１０ａからの水素ガスの排出が終了した場合には、改質器４２が稼働状態となり、燃料電池４０においては、改質器４２で生成された水素ガスが燃料電池４０に供給されることによって発電が行われる。
【００５７】
また、表示制御部５２ｅは、切替制御部５２ｃが排出弁２８に閉鎖コマンドを送信した後、表示装置７４を制御して、新規の水素ガスを供給することを作業員に促す画面表示を行う。また、図示しない音声出力装置を用いて、排出弁２８を閉鎖した旨を作業員に報知してもよい。これらの報知によって作業員は、開閉弁２２ｂを開放して水素ガス供給部２２からの新規の水素ガスを発電機ハウジング１０ａに供給する。
【００５８】
水素ガス供給部２２から新規の水素ガスが発電機ハウジング１０ａに供給されると、発電機ハウジング１０ａの内圧が高くなる。そして、内圧判定部５２ａが内圧測定器７０の測定値が予め設定した基準圧力値より高くなったと判定した場合に、表示制御部５２ｅは、表示装置７４を制御して、新規の水素ガスの供給を停止する旨を作業員に促す画面表示を行う。また、図示しない音声出力装置を用いて、新規の水素ガスの供給を停止する旨を作業員に報知してもよい。この報知によって作業員は、開閉弁２２ｂを閉鎖して水素ガス供給部２２からの新規の水素ガスの供給を停止する。
【００５９】
以上、説明したように構成された本実施形態によれば、発電機１０を冷却する水素ガスの純度を保つための水素ガスの入れ替え作業において、発電機１０を冷却するための水素ガスを発電機１０から排出した際に、その水素ガスを燃料電池４０に供給することにより、従来、大気放出されていた水素ガスを燃料電池４０よる発電に再利用することが可能になる。また、燃料電池４０、改質器４２及び燃料電池用水素ガス供給管路４４が既設の場合には、燃料電池用水素ガス供給管路４４に水素ガス排出管路２６を接続することにより、発電機１０の冷却に使用した水素ガスを燃料電池４０に供給するための配管系統を容易に構築することが可能になる。
【００６０】
また、本実施形態によれば、改質器４２は、天然ガスから水素ガスを生成するものであるため、天然ガスを、発電機１０による発電と、燃料電池４０による発電の両方に用いることが可能になる。また、発電機１０からの水素ガスを燃料電池４０に供給している間は、改質器４２を停止させておくことが可能になるため、天然ガスの消費を抑えることが可能になる。
【００６１】
また、本実施形態によれば、通常は、改質器４２が生成した水素ガスが燃料電池用水素ガス供給管路４４を介して燃料電池４０に供給される。ここで、発電機１０から冷却用の水素ガスが排出されている場合は、水素ガス排出管路２６を介して水素ガスが燃料電池４０に供給されるように自動的に管路が切り替わる。これにより、管路の切り替えに係る作業員の負荷を軽減することが可能になる。
【００６２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は、上述した実施形態に限るものではない。例えば、図３に示すように、水素ガス排出管路２６の配管経路上に、水素ガス排出管路２６から排出される水素ガスを一時的に貯えるバッファタンク８０を設けてもよい。これにより、水素ガス排出管路２６を流れる水素ガスの量が、燃料電池のアノード４０ａに供給する水素ガスの量より多い場合に、水素ガスがバッファタンク８０に蓄積されるため、燃料電池のアノード４０ａに水素ガスを安定して供給することが可能になる。
【００６３】
また、図３に示すように、水素ガス排出管路２６から分岐され、水素ガスをタービン建屋外に放出するための大気放出用排出管路９０と、この大気放出用排出管路９０を開閉する開閉弁９２とを備えてもよい。そして、水素ガス排出管路２６の内圧が異常に高くなった場合に、水素ガス排出管路２６内の一部の水素ガスを大気放出することにより、水素ガス排出管路２６の内圧を安定させることが可能になる。
【００６４】
また、上述した実施形態においては、燃料電池４０に天然ガスを改質してなる水素ガスを供給しているが、水素ガスの生成方法はそれに限るものではない。また、ボイラ１２に投入する燃料についても、天然ガス以外の燃料を用いてよく、例えば、石炭、石油を用いてもよい。
【００６５】
また、水素ガス供給部２２の開閉弁２２ｂを、制御装置５０によって制御可能な自動弁とし、開閉弁２２ｂと水素ガス排出管路２６に設けた排出弁２８とを同じタイミングで開閉させてもよい。これにより、開閉弁２２ｂと、排出弁２８と、開閉弁４６とを同じタイミングで開閉することが可能になるため、弁の切替制御が容易になる。また、発電機１０内の古い水素ガスが燃料電池４０で消費される一方で、水素ガス供給部２２から発電機１０に新規の水素ガスが供給されるため、発電機１０内の水素の純度を安定させることが可能になる。
【符号の説明】
【００６６】
１  発電システム
１０  発電機
１０ａ  発電機ハウジング
１０ｂ  回転子
１０ｃ  固定子
１２  ボイラ
１４  過熱器
１６  タービン
２２  水素ガス供給部
２２ａ  水素ボンベ
２２ｂ  開閉弁
２４  水素ガス供給管路
２６  水素ガス排出管路
２８  排出弁
３０  サンプリング部
４０  燃料電池
４０ａ  アノード
４０ｂ  カソード
４２  改質器
４４  燃料電池用水素ガス供給管路
４６  開閉弁
５０  制御装置
５２  ＣＰＵ
５２ａ  内圧判定部
５２ｂ  純度判定部
５２ｃ  切替制御部
５２ｄ  改質器制御部
５２ｅ  表示制御部
５４  ＲＯＭ
５６  ＲＡＭ
７０  内圧測定器
７２  純度測定器
７４  表示装置
７６  入力装置
８０  バッファタンク
９０  大気放出用排出管路
９２  開閉弁
１００  タービン発電部
２００  燃料電池発電部
【図１】
2014086219.tif 000003
【図２】
2014086219.tif 000004
【図３】
2014086219.tif 000005