(57)【要約】【課題】起動・停止の頻繁な繰り返しに対し、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）自体の耐久性を向上させるとともに、ＳＯＦＣの一時停止から再起動までに要する時間を短縮できる複合発電システムを提供する。【解決手段】ＳＯＦＣ１０及びＭＧＴ５０を組み合わせて発電を行うとともに、ＭＧＴ５０を運転した状態でＳＯＦＣ１０を一時停止する際にＳＯＦＣ１０を待機状態へ移行する運転モードを備えた複合発電システム１が、待機状態への移行時及び待機状態の温度維持用として、発電室内の温度を昇温させる加熱部を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池及び内燃機関を組み合わせて発電を行うとともに、前記内燃機関を運転した状態で前記燃料電池を停止する際に前記燃料電池を待機状態へ移行する運転モードを備えた複合発電システムであって、
前記待機状態への移行時及び前記待機状態の温度維持用として、前記発電室内の温度を昇温させる加熱部が設けられていることを特徴とする複合発電システム。
【請求項２】
前記加熱部が、前記発電室の空気極側へ投入した燃料を酸化して発熱させる炉内燃焼であることを特徴とする請求項１に記載の複合発電システム。
【請求項３】
前記加熱部が、前記内燃機関から前記発電室の空気極側へ圧縮空気を供給する流路に設置された触媒燃焼器に燃料を投入して燃焼させる触媒燃焼であることを特徴とする請求項１に記載の複合発電システム。
【請求項４】
前記燃料電池と前記内燃機関との間を接続する燃料流路が流路加熱部を備えていることを特徴とする請求項２または３に記載の複合発電システム。
【請求項５】
燃料電池及び内燃機関を組み合わせて発電を行うとともに、前記内燃機関を運転した状態で前記燃料電池を停止する運転モードを備えた複合発電システムの運転方法であって、
前記運転モードは、前記燃料電池の停止指令が出力されると、前記燃料電池の第１段階の負荷率まで負荷を低下させる第１のステップと、第２段階の負荷率まで負荷を低下させる第２のステップとを実行し、
前記第２のステップは、前記第１のステップにより設定された負荷率に達してから実行され、
前記第１のステップが実行されると、前記燃料電池に炉内燃焼ガスを投入する第３のステップを実行することを特徴とする複合発電システムの運転方法。
【請求項６】
前記第２のステップが実行されると、前記燃料電池に水蒸気を供給する第４のステップを実行することを特徴とする請求項５に記載の複合発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば高温型燃料電池等の燃料電池と内燃機関であるガスタービン、マイクロガスタービンやガスエンジンとを組み合わせた複合発電システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このため、２１世紀を担う都市型のエネルギー供給システムとして、実用化に向けた研究開発が進んでいる。
このような燃料電池は、燃料側の電極である燃料極と、空気（酸化剤）側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。
【０００３】
このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。
このようなＳＯＦＣにおいては、発電停止に伴う空気極の還元や燃料極の酸化による劣化を防止するため、燃料電池の運転停止後に燃料極側に窒素等の不活性ガスによりパージすることが行われている。（特許文献１及び２参照）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１００１５３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４６９３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した先行技術文献には、ＳＯＦＣを一時停止する際に窒素ガスをパージすることや、運転停止状態で耐圧容器内を加圧状態に保持することが開示されている。しかし、ガスタービンと組み合わせた複合発電システムにおいては、ＳＯＦＣ自体の耐久性に影響を及ぼすことなく、しかも、再起動に時間がかからない状態でＳＯＦＣを保持することが必要である。
具体的に説明すると、ガスタービンによる発電は、他の発電方法と比較して起動時間や停止時間が短いため、電力需要の少ない夜間に停止して電力需要が増す翌朝に再起動するような運転、いわゆるＤＳＳ（Ｄａｉｌｙ  Ｓｔａｒｔ  ａｎｄ  Ｓｔｏｐ）運転に適しており、また、発電需要（発電負荷）に応じて、ガスタービンを運転した状態でＳＯＦＣの発電を一時停止することも行われている。
【０００６】
従って、ＳＯＦＣとガスタービンとを組み合わせて発電する複合発電システムにおいては、頻度の高い運転・停止の繰り返しにも容易に対応可能な信頼性の高いシステムとするため、ＳＯＦＣの起動・停止に対するＳＯＦＣ自体の耐久性向上や、ＳＯＦＣの一時停止から運転再開（再起動）までに要する時間の短縮が求められる。すなわち、複合発電システムにおいては、ガスタービンを通常動作させたままの状態でＳＯＦＣを一時停止させる場合、発電室内を所定の温度まで降下させて維持するホットスタンバイ状態に移行させる動作の時間短縮と、ホットスタンバイ状態を維持することで再起動に要する時間を短縮することが望まれる。
ここで、ホットスタンバイ状態とは、ＳＯＦＣの発電自体は一時停止しているものの、ＳＯＦＣ発電室部分の温度は４００℃以上、さらに好ましくは発電室温度が７００℃以上であって、燃料極側と空気極側に所定のガスを再投入することで発電を短時間に再開できる待機状態のことである。
【０００７】
しかし、ＳＯＦＣの運転を一時停止すると、負荷の低下によって自己発熱量が減少し、発電室の温度が低下することになるので、再起動に要する時間を短縮するためには、発電室内を所定値以上の高温に維持する温度維持対策が必要となる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、起動・停止の頻繁な繰り返しに対し、ＳＯＦＣ自体の耐久性を向上させるとともに、ＳＯＦＣの一時停止から再起動までに要する時間を短縮できる複合発電システム及び複合発電システムの運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る複合発電システムは、燃料電池及び内燃機関を組み合わせて発電を行うとともに、前記内燃機関を運転した状態で前記燃料電池を停止する際に前記燃料電池を待機状態へ移行する運転モードを備えた複合発電システムであって、前記待機状態への移行時及び前記待機状態の温度維持用として、前記発電室内の温度を昇温させる加熱部が設けられていることを特徴とするものである。
【０００９】
このように構成された本発明の複合発電システムによれば、待機状態への移行時及び待機状態の温度維持用として、発電室内の温度を昇温させる加熱部が設けられているので、一時停止したＳＯＦＣの発電室内は、自己発熱量の低下分を加熱部の加熱により補うことが可能となる。従って、発電室内を所望の温度に維持するホットスタンバイ状態の運転を行うことで、ＳＯＦＣの再起動に要する時間を短縮できる。
【００１０】
上記の複合発電システムにおいて、前記加熱部は、前記発電室の空気極側へ投入した燃料を酸化して発熱させる炉内燃焼、あるいは、前記内燃機関から前記発電室の空気極側へ圧縮空気を供給する流路に設置された触媒燃焼器に燃料を投入して燃焼させる触媒燃焼を採用することができる。特に、触媒燃焼を採用すれば、加熱に要する燃料消費量が少ない待機状態の運転を実現できる。
【００１１】
上記の複合発電システムにおいて、本発明に係る複合発電システムは、前記燃料電池と前記内燃機関との間を接続する燃料流路に流路加熱部を備えていることが好ましく、これにより、発電室内を所望の温度に維持することが容易になる。
【００１２】
本発明に係る複合発電システムの運転方法は、燃料電池及び内燃機関を組み合わせて発電を行うとともに、前記内燃機関を運転した状態で前記燃料電池を停止する運転モードを備えた複合発電システムの運転方法であって、前記運転モードは、前記燃料電池の停止指令が出力されると、前記燃料電池の第１段階の負荷率まで負荷を低下させる第１のステップと、第２段階の負荷率まで負荷を低下させる第２のステップとを実行し、前記第２のステップは、前記第１のステップにより設定された負荷率に達してから実行され、前記第１のステップが実行されると、前記燃料電池に炉内燃焼ガスを投入する第３のステップを実行することを特徴とするものである。
【００１３】
このような本発明の複合発電システムの運転方法によれば、燃料電池及び内燃機関を組み合わせて発電を行うとともに、内燃機関を運転した状態で燃料電池を停止する運転モードにおいて、燃料電池の停止指令が出力されると、燃料電池の第１段階の負荷率まで負荷を低下させる第１のステップと、第２段階の負荷率まで負荷を低下させる第２のステップとを実行し、第２のステップは、第１のステップにより設定された負荷率に達してから実行され、第１のステップが実行されると、燃料電池に炉内燃焼ガスを投入する第３のステップを実行するので、起動・停止の頻繁な繰り返しに対し、ＳＯＦＣ自体の耐久性を向上させるとともに、ＳＯＦＣの一時停止から再起動までに要する時間を短縮することができる。
【００１４】
上記の複合発電システムの運転方法においては、前記第２のステップが実行されると、前記燃料電池に水蒸気を供給する第４のステップを実行することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
上述した本発明の複合発電システム及び複合発電システムの運転方法によれば、起動・停止の頻繁な繰り返しに対し、ＳＯＦＣ自体の耐久性を向上させるとともに、ＳＯＦＣの一時停止から再起動までに要する時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る複合発電システム及び複合発電システムの運転方法に関する第１の実施形態を示す系統図である。
【図２】図１に示した複合発電システムを構成する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）について、発電室の構成例を示す断面図である。
【図３】固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）について、カートリッジの構造例及び各要素の機能を示す説明図である。
【図４】図１に示した複合発電システムを構成するガスタービン（ＭＧＴ）周辺を拡大した系統図である。
【図５】第１の実施形態に係るフローチャートである。
【図６】本発明に係る複合発電システム及び複合発電システムの運転方法に関する第２の実施形態を示す系統図である。
【図７】第２の実施形態に係るフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明に係る複合発電システム及び複合発電システムの運転方法について、一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示す第１の実施形態において、複合発電システム（燃料電池・内燃機関による発電システム）１は、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣ１０と、内燃機関であるガスタービンやガスエンジンの一例としてマイクロガスタービン（以下「ＭＧＴ」と呼ぶ）５０とを組み合わせることにより、効率のよい発電を行うものである。
【００１８】
すなわち、都市ガス（天然ガス）等の燃料ガス及び空気等の酸化性ガスの供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電するＳＯＦＣ１０に加えて、ＳＯＦＣ１０から発電後に排出される高温の排燃料や排出空気を導入してＭＧＴ５０を運転し、ＭＧＴ５０の出力軸に連結された不図示の発電機を駆動して発電を行うものである。
さらに、ＭＧＴ５０から排出される高温の燃焼排ガスを排熱回収ボイラに導入すれば、蒸気タービンによる発電も組み合わせた複合発電システムの構築も可能である。
【００１９】
以下では、上述したＳＯＦＣ１０を採用した複合発電システム１について説明する。このＳＯＦＣ１０は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスを用い、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転（発電）するものであり、イオン伝導率を高めるため、作動温度が約７００〜１０００℃程度と高く設定されている。このようなＳＯＦＣ１０は、単数または複数のＳＯＦＣモジュールを適宜組み合わせた構成とされる。なお、ＳＯＦＣモジュールは、複数のＳＯＦＣカートリッジ１１（図２及び図３参照）と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ１１を収納する圧力容器８１とを有している。
【００２０】
ＳＯＦＣカートリッジ１１は、図３に示す通り、複数のセルスタック１２と、発電室１３と、燃料ガス供給室１４と、燃料ガス排出室１５と、酸化性ガス供給室１６と、酸化性ガス排出室１７とを有する。また、ＳＯＦＣカートリッジ１１は、上部管板１８ａと、下部管板１８ｂと、上部断熱体１９ａと、下部断熱体１９ｂとを有する。
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ１１は、燃料ガス供給室１４と燃料ガス排出室１５と酸化性ガス供給室１６と酸化性ガス排出室１７とが図示のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１２の内側と外側とを対向して流れる構造となっている。しかし、必ずしもこの配置や構成に限定されることはなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または、酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしてもよい。
【００２１】
また、上述した酸化性ガスは、１５〜３０％程度の酸素を含むガスのことであり、代表的には空気が好適である。しかし、空気以外にも、燃焼排ガスと空気との混合ガスや、酸素と空気の混合ガス等が使用可能である。
以下の説明では、燃料として都市ガスをＳＯＦＣ１０の外部または内部で改質して使用し、酸化性ガスとして空気を使用する場合について説明するが、この場合の空気は、ＭＧＴ５０から供給される圧縮空気等の空気となる。
【００２２】
ＭＧＴ５０は、例えば図４に示すように、圧縮機５１と、燃焼器５２と、タービン５３とを備えている。なお、図中の符号５４はフィルタ、５５は再生熱交換器である。
圧縮機５１は、フィルタ５４を介して導入した大気（空気）を圧縮するもので、この場合の駆動源はタービン５３となる。圧縮機５１で圧縮された圧縮空気は、燃焼器５２や再生熱交換器５５を介してＳＯＦＣ等へ供給される。
燃焼器５２は、圧縮空気の供給を受けて燃料の都市ガスを燃焼させ、高温高圧の燃焼排ガスを生成してタービン５３へ供給する。燃焼器５２に供給される圧縮空気は、ＭＧＴ５０単体で動作している場合、再生熱交換器５５の手前から分岐する圧縮空気供給系から供給される。また、圧縮空気は、ＭＧＴ５０とＳＯＦＣ１０とが複合発電している場合、ＳＯＦＣ１０の発電に利用されて排出される酸化性ガスが供給される。
【００２３】
タービン５３は、燃焼排ガスのエネルギーにより回転して軸出力を発生し、この軸出力を利用して圧縮機５１及び図示しない発電機が駆動される。
タービン５３で仕事をした燃焼排ガスは、再生熱交換器５５で圧縮空気との熱交換により昇温させた後、煙突６０から大気へと放出される。
【００２４】
さて、図１に示す複合発電システム１は、ＳＯＦＣ１０及びＭＧＴ５０を組み合わせて発電を行うシステムであり、燃料極へ燃料を供給する燃料供給系２０及び空気極へ酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給系７０を備えている。
図示の燃料供給系２０には、開閉弁２１を備えた都市ガス（燃料ガス）供給ライン２２と、開閉弁２３を備えた窒素ガス供給ライン２４と、開閉弁２５を備えた水蒸気供給ライン２６とを備えている。なお、窒素ガス供給ライン２４及び水蒸気供給ライン２６は、いずれも開閉弁２１の下流側に接続されている。
【００２５】
図示の燃料ガス排出系２７は、ＳＯＦＣ１０に供給された燃料をＭＧＴ５０に送給する流路である。この燃料ガス排出系２７は、流量調整弁２８、排燃料ブロワ２９を有する排燃料ライン２７ａ、排燃料ライン２７ａを経由してＳＯＦＣ５０に排燃料ガスを再循環させる再循環ライン２７ｂ、及び排燃料ライン２７ａを経由してＭＧＴ５０と接続する排燃料供給ライン２７ｃにより構成されている。再循環ライン２７ｂは、流量調整弁３０を介してＳＯＦＣ１０の排燃料ガスを燃料供給系２０に戻している。
【００２６】
図示の酸化性ガス供給系７０は、ＭＧＴ５０の圧縮機５１で圧縮された圧縮空気をＳＯＦＣ１０の空気極へ供給する流路である。この酸化性ガス供給系７０は、再生熱交換器５５で熱交換した圧縮空気をＳＯＦＣ１０へ供給するが、流路途中には流量調整弁７１が設けられている。
また、酸化性ガス排出系７２は、ＳＯＦＣ１０から排出された酸化性ガスをＭＧＴ５０に供給する流路であって、ＳＯＦＣ１０とＭＧＴ５０との間を連結する流路には開閉弁７３が設けられている。
【００２７】
このように構成された複合発電システム１では、電力需要に応じてＭＧＴ５０を運転した状態でＳＯＦＣ１０の発電室１３内を所定温度に維持するホットスタンバイ状態へ移行する運転モード、すなわち、ＳＯＦＣ１０の発電室１３内を所定温度に維持するホットスタンバイ状態へ移行するとともに、所定のホットスタンバイ状態を運転再開まで維持する運転モード（以下、「ホットスタンバイ運転モード」と呼ぶ）が実施される。
本実施形態では、ホットスタンバイ状態への移行時及びホットスタンバイ状態の温度維持用として、発電室１３内の温度を昇温させるための加熱部（加熱手段）を備えている。この加熱部には、発電室１３の空気極側へ投入した燃料を燃焼させる炉内燃焼が採用されている。
【００２８】
本実施形態のホットスタンバイ運転モードは、ＳＯＦＣ１０を待機状態とするため、発電室１３の内部温度を設定された所定温度まで降下させるとともに、この所定温度をＳＯＦＣ１０の運転再開まで維持する運転動作である。この場合、発電室１３に設定される内部温度の所定温度は、ＳＯＦＣ１０の発電を短時間に再開できるとともに、ＳＯＦＣ１０の発電室１３において長時間の温度維持が容易な温度として、例えば４００℃以上に設定される。
【００２９】
本実施形態では、ＳＯＦＣ１０の負荷率を低負荷状態に設定し、この負荷率に見合った都市ガス流量及び空気流量が都市ガス供給ライン２２及び酸化性ガス供給系７０からＳＯＦＣ１０に供給される。さらに、燃料極には、負荷率に依存して、水蒸気供給ライン２６から水蒸気の供給を経由して、ＳＯＦＣ１０を待機状態に移行させる。
【００３０】
ホットスタンバイ運転モードにおいては、ＳＯＦＣ１０の負荷を低下させることで、ＳＯＦＣ１０が発電することによって生じる自己発熱量が減少する。
従って、ＳＯＦＣ１０においては、発電室１３の内部温度を所定の温度領域内に維持するため、発電による自己発熱量の減少分を補うことが望ましく、そのために炉内燃焼による加熱が実施される。この炉内燃焼は、発電室１３内の空気極側に燃料の都市ガスを投入し、この都市ガスを発電室１３内で燃焼させるものであり、都市ガスの燃焼で生じる発熱量を利用して昇温させる方式の加熱手段を有している。
【００３１】
本実施形態における炉内燃焼としては、発電室１３内での炉内燃焼でもよいし、発電室１３内の近傍であって圧縮空気の流路に設けられた触媒燃焼器８０（後述する第２の実施形態参照）等の加熱手段を用いてもよい。
図１では、炉内燃焼ガスの供給系路として、開閉弁７４を備えた燃料供給ライン７５を酸化性ガス供給系７０の流量調整弁７１の下流側に設けている。
【００３２】
本実施形態におけるホットスタンバイ運転モードでは、ＳＯＦＣ１０とＭＧＴ５０の複合発電システムにおいて、ＳＯＦＣ１０から排出される燃料ガスと酸化性ガスをＭＧＴ５０の燃焼器５２に供給するコンバインド状態が維持されている。よって、ＳＯＦＣ１０には、ＭＧＴ５０からの圧縮空気が供給され、燃料供給系２０から都市ガス（燃料ガス）の供給が継続されている。
ホットスタンバイ運転モードにおいて、ＭＧＴ５０にはＳＯＦＣ１０を経由して燃料ガスが供給されるが、ＭＧＴ５０の状態の応じて必要な補助燃料を燃料供給ライン７６から供給してもよい。ＳＯＦＣ１０は、ＭＧＴ５０から４００〜４５０℃の圧縮空気が供給されており、ホットスタンバイ運転モードにおけるＳＯＦＣ５０の温度保持にも利用されている。
【００３３】
本実施形態におけるホットスタンバイ運転モードにより、発電室１３の内部温度を所定温度である４００℃以上に維持していることから、再起動の指令に対して短時間での発電開始が可能となる。このような炉内燃焼ガス供給量は、ＳＯＦＣ１０の負荷に応じて流量制御することで、発熱量を調整して発電室１３の内部温度を所定範囲内に維持する。
【００３４】
さらに、ホットスタンバイ運転モードにおいて、ＳＯＦＣ１０は、負荷率を所定の設定値（例えば２％）まで下げた時点で、インバータ（不図示）をオフにすることで発電を停止させる待機状態に移行してもよい。この待機状態に至った場合であっても、４００〜４５０℃の圧縮空気の通気や発電室内での炉内燃焼により、発電室温度を所定温度以上（４００℃以上）に保持する。
【００３５】
図５は、上述したホットスタンバイ運転モードにおいて、低負荷状態に至る制御例を示すフローチャートである。
最初のステップＳ１では、複合発電システム１がＳＯＦＣ１０及びＭＧＴ５０を併用したコンバインド運転により複合発電する通常運転を行っている。このような通常運転から電力需要が低下するためにＳＯＦＣ１０を停止させる場合には、次のステップＳ２において、ＭＧＴ５０の運転は継続し、かつ、ＳＯＦＣ１０による発電は停止するが、ＳＯＦＣ１０が早く再起動できる待機状態に保持するためのホットスタンバイ指令が出される。このホットスタンバイ指令は、ＳＯＦＣ１０の発電室１３内を所定温度に維持させるホットスタンバイ状態へ移行するとともに、所定のホットスタンバイ状態をＳＯＦＣ１０の運転再開まで維持するホットスタンバイ運転モードを実施するための指令である。
【００３６】
上述したホットスタンバイ指令が出力されると、ステップＳ３の蒸気ライン立上げ開始指令と、ステップＳ５の第１段階の発電負荷下げ指令と、ステップＳ７の炉内燃焼開始指令とが並行して同時に実施される。
ステップＳ３の蒸気ライン立上げ開始指令は、水蒸気供給ライン２６から燃料供給系２０に水蒸気を供給するために、水蒸気の供給を可能な状態にするための操作である。この操作により水蒸気の供給が可能な状態になると、ステップＳ４に進んで蒸気ライン立上げ完了が出力される。
【００３７】
ステップＳ５の第１段階の発電負荷下げ指令は、第１段階の負荷として設定されたＬ１％まで負荷変化率Ｃ１（Ａ／ｈ）で低下させる。なお、第１段階の負荷率Ｌ１％は、例えばＳＯＦＣ１０の最低負荷（９％未満）よりも高い負荷である１０％以上である。また、第１段階の発電負荷下げ指令における負荷変化率Ｃ１は、系統からの負荷指令に従って、１０（Ａ／ｈ）以上５０（Ａ／ｈ）以下の範囲で選択される。
モジュール電流が所定の範囲内であれば、発電反応により発生する水蒸気（Ｈ２Ｏ）が再循環される排燃料ガス中に十分に含まれていることから、都市ガス供給ライン２２から供給される都市ガスを改質可能であり、燃料極を還元雰囲気に保つことができる。
【００３８】
ステップＳ７の炉内燃料開始指令は、発電負荷下げ指令によりＳＯＦＣ１０の負荷率が低下し、発電による内部発熱量が低下することを補うため、ステップＳ８の炉内燃焼用都市ガス供給に進む。この結果、酸化性ガス供給系７０から発電室１３内に都市ガスを供給することで炉内燃焼させ、温度の急激な低下を抑制し、発電室１３の温度保持に寄与させている。
【００３９】
次に、負荷が第１段階の設定値である負荷率Ｌ１％に達した状態で、ステップＳ４及びステップＳ６の操作が完了してＡＮＤ条件を満足したら、ステップＳ９に進んでＳＯＦＣ１０に対する蒸気供給を開始する。
それと同時に、ステップＳ１０において、第１段階の負荷率Ｌ１％より低い最低負荷率の設定値であるＬ２％まで第２段階の発電負荷下げを実施する。なお、最低負荷率のＬ２％は、例えば２％程度の値である。
【００４０】
こうして最低負荷率Ｌ２％までの負荷下げが完了すると、次のステップＳ１１に進んで負荷遮断を実施する。このステップＳ１１における負荷遮断は、ＳＯＦＣが最低負荷にある状態で、インバータ制御をオフにすることでＳＯＦＣでの発電を停止させるステップである。この結果、ＳＯＦＣ１０による発電は終了し、ＭＧＴ５０による単独発電が実施される。また、この間の蒸気供給は、ＳＯＦＣ１０の燃料極側を還元雰囲気に維持するために、セルスタック１２の負荷と温度状態を検知して、負荷遮断された後においても継続される。
そして、ステップＳ１１による負荷遮断の結果、ＳＯＦＣはステップＳ１２における待機状態に至る。
【００４１】
本実施例において、ステップＳ２のホットスタンバイ指令からステップＳ１２の待機状態に至るまでの間、さらに、次のＳＯＦＣ起動指令が出力されるまでの間が上述したホットスタンバイ運転モードとなり、ステップＳ１２においては、発電室１３の内部温度に設定された温度ｔ℃以上を維持するため、ステップＳ８から開始している炉内燃焼が継続される。
なお、この場合の設定温度ｔ℃は、例えば４００℃以上の値であり、炉内燃焼による発熱量と、ＭＧＴ５０から供給される高温の圧縮空気がＳＯＦＣ１０内で熱交換することで発電室１３の温度が維持されている。
【００４２】
また、ホットスタンバイ運転モードの炉内燃焼による加熱は、トレースヒータによる燃料供給ラインの加熱も併用することが望ましい。すなわち、ＳＯＦＣ１０とＭＧＴ５０との間を接続する燃料ガス排出系２７であって、例えば図１に破線で示した燃料ガス排出系（２７ａ、２７ｂ、２７ｃ）に対してトレースヒータを施工した流路加熱部を備えていると、発電室１３の内部を設定温度ｔ℃以上に維持することが容易になるとともに、ＭＧＴ５０に供給される燃料ガスの温度を設定温度ｔ℃以上に保持することが容易になる。
【００４３】
上述した第１の実施形態では、加熱部として発電室１３の空気極側へ投入した都市ガスを燃焼させる炉内燃焼を採用したが、図６及び図７に基づいて説明する第２の実施形態のように、触媒燃焼で加熱する方式を採用してもよい。なお、以下に説明する第２の実施形態では、上述した第１の実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４４】
第２の実施形態となる複合発電システム１´において、触媒燃焼の加熱部は、ＭＧＴ５０から発電室１３の空気極側へ圧縮空気を供給する流路７０に設置された触媒燃焼器８０に燃料の都市ガスを投入して燃焼させ、圧縮空気を加熱して所望の温度まで昇温させてから発電室１３の空気局側へ供給する構成となっている。すなわち、図６に示すに系統図おいては、酸化性ガス供給系７０の流路に触媒燃焼器８０が設置されている構成が異なり、図７に示すフローチャートにおいては、ステップＳ７´及びステップＳ８´の触媒燃焼開始指令が上述したステップＳ７及びステップＳ８の炉内燃焼開始指令と異なっている。
【００４５】
この方式では、ＭＧＴ５０から供給される圧縮空気の温度が例えば４００〜４５０℃程度と高温であることから、加熱に要する燃料消費量が少ないホットスタンバイ状態の運転を実現できる。すなわち、ＭＧＴ５０から供給される高温の圧縮空気を利用し、発電室１３の内部温度に応じて圧縮空気の供給量や供給温度を適宜調整すれば、発電室１３の内部を圧縮空気で加熱して内部温度を所定範囲内に維持することが可能になる。
なお、この実施形態においても、トレースヒータによる燃料供給ラインの加熱を併用してもよい。
【００４６】
換言すれば、この実施形態では、ホットスタンバイ運転モードにおいて、ＳＯＦＣ１０及びＭＧＴ５０の複合運転状態を維持しながら、ＭＧＴ５０の圧縮機５１による高温の圧縮空気の供給を維持させるとともに、酸化性ガス供給系７０に設置された触媒燃焼器８０に都市ガスを供給することで、圧縮空気による加熱を行って発電室１３の内部温度を設定温度のｔ℃以上に維持する。このとき、ＭＧＴ５０の負荷は、ＳＯＦＣ１０の負荷に追従させる制御をせず、ＭＧＴ５０の燃焼器５２に直接燃料の都市ガスを投入することによって独立した制御をする。
なお、この場合、圧縮空気の一部は、ＳＯＦＣ１０を迂回してＭＧＴ５０の燃焼器５２に投入されるようにしてもよい。
【００４７】
このように、上述した第１及び第２の実施形態によれば、一時停止状態のＳＯＦＣ１０は、ＳＯＦＣカートリッジ１１を収納する圧力容器内が所定の圧力に保持されており、しかも、発電室１３内の温度が発電開始温度以上の高温に維持されているので、再起動の開始スタンバイ状態に保持されている。このため、高温型燃料電池であるＳＯＦＣ１０においては、発電開始温度まで昇温する時間が不要となり、この分だけ再起動に要する時間を短縮することが可能になる。
【００４８】
また、上述した第１及び第２の実施形態は、ＳＯＦＣ１０及びＭＧＴ５０を組み合わせて発電を行うとともに、ＭＧＴ５０を運転した状態でＳＯＦＣ１０を一時停止させ待機状態とする際にＳＯＦＣ１０の発電室１３内を所定温度に維持するホットスタンバイ状態へ移行する運転モードを備えた複合発電システム１，１´において、ホットスタンバイ状態への移行時及びホットスタンバイ状態の温度維持を、発電室１３内を加熱する温度調整により行う運転方法が可能になる。
【００４９】
このような運転方法は、ホットスタンバイ状態への移行時及びホットスタンバイ状態の温度維持が、燃焼を燃焼させた燃焼ガスまたは温度調整された圧縮空気により発電室１３の内部を加熱する温度調整によりなされるので、一時停止したＳＯＦＣ１０の発電室１３内は、発電室１３の内部を加熱する温度調整により自己発熱量の低下分を補うことが可能になる。従って、発電室１３の内部を所望の温度に維持するホットスタンバイ状態の運転を行うことで、ＳＯＦＣ１０の再起動に要する時間を短縮できる。
【００５０】
このように、上述した実施形態によれば、複合運転を維持している状態で、制御装置による温度、負荷率、空気流量を制御し、さらに、供給空気量及び窒素流量を負荷に連動させることで、起動停止の動作を連続的に行えることから、ホットスタンバイまでの時間が短縮可能なシステムとなる。また、起動・停止の頻繁な繰り返しに対し、ＳＯＦＣ１０の耐久性を向上させるシステムとなる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１    複合発電システム（燃料電池・ガスタービン発電システム）
１０    ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）
１１    ＳＯＦＣカートリッジ
１２    セルスタック
１３    発電室
１４    燃料ガス供給室
１５    燃料ガス排出室
１６    酸化性ガス供給室
１７    酸化性ガス排出室
２０    燃料供給系
２１，２３，２５    開閉弁
２２    都市ガス（燃料）供給ライン
２４    窒素ガス供給ライン
２６    水蒸気供給ライン
２７    燃料ガス排出系
５０    ＭＧＴ（マイクロガスタービン）
５１    圧縮機
５２    燃焼器
５３    タービン
６０    煙突
７０    酸化性ガス供給系
８０    触媒燃焼器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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