(57)【要約】【課題】電力系統側において効率良く電力を安定供給することができるとともに、熱電併給側において効率良く低コストで熱電併給することができる熱電併給型調整用電源を提供する。【解決手段】発生した熱が互いに伝達するように配置された第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂと、ガス供給手段２０から供給される天然ガスを用いて熱を供給する熱供給手段４０とを備え、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂは、発電した電力を電気事業者が所有する送配電網１０に送電可能であり、第１燃料電池Ａは、ガス事業者のものとして電流密度が一定となるように稼働させ、第２燃料電池Ｂは、電気事業者のものとして稼働させ、火力発電所１１が待機状態から定格運転までの間で運転しているときは、第２燃料電池Ｂの出力を増大させ、発電した電気を送配電網１０に送電させる。【選択図】  図５
2014011903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物型燃料電池であり、発生した熱が互いに伝達するように配置された第１燃料電池及び第２燃料電池と、
燃料供給事業者が所有する燃料供給手段から供給される燃料を用いて熱を供給する熱供給手段とを備え、
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池は、前記燃料供給手段から燃料が供給されるとともに、発電した電力を電気事業者が所有する電気事業者側発電装置を含む電力系統に送電可能であり、
前記第１燃料電池は、前記燃料供給事業者のものとして稼働させるとともに、電流密度が一定となるように稼働させ、
前記第２燃料電池は、前記電気事業者のものとして稼働させ、
前記電気事業者側発電装置が待機状態から定格運転までの間で運転しているときは、前記第２燃料電池の出力を増大させ、発電した電気を前記電力系統に送電させる
ことを特徴とする熱電併給型調整用電源。
【請求項２】
請求項１に記載する熱電併給型調整用電源において、
前記事業者側発電装置が定格運転から待機状態までの間で運転しているときは、前記第２燃料電池の出力を減少させる
ことを特徴とする熱電併給型調整用電源。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する熱電併給型調整用電源において、
前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池は、第１燃料電池又は前記第２燃料電池の何れか一方を中心とし、その周囲に他方が配置されている
ことを特徴とする熱電併給型調整用電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電併給型調整用電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気事業者は、２４時間絶え間なく電力を安定して配電網に供給するため、定格運転を行う発電手段を備えるとともに、負荷調整用発電手段を備えている。負荷調整用発電手段は、待機状態で運転して発電を実施しているものである。例えば、夏場の昼間などに負荷が急激に上昇する際に負荷調整用発電手段を稼働させることで、その負荷変動に追随させている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
しかしながら、負荷調整用発電手段は、発電効率をある程度犠牲にして運転するものであるから、燃費が悪いという問題がある。
【０００４】
一方、需要家施設などに熱電併給装置を設置し、熱電併給をおこなうものがある。その熱電併給装置としては、負荷率に中間で発電効率がピークとなる特性を有するＭＣＦＣを用いたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
このような熱電併給装置を負荷調整用発電手段として用いる場合、高出力にしてより多くの電力を発電し、該電力を電気事業者側に提供することで、電力系統における負荷上昇に追随することができる。しかしながら、上述したような特性では、高出力にするほど発電効率は低下するため、燃費が悪化してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２９５７１３号公報
【特許文献２】特開２００４−７１２７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電力系統側において効率良く電力を安定供給することができるとともに、熱電併給側において効率良く低コストで熱電併給することができる熱電併給型調整用電源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】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、固体酸化物型燃料電池であり、発生した熱が互いに伝達するように配置された第１燃料電池及び第２燃料電池と、燃料供給事業者が所有する燃料供給手段から供給される燃料を用いて熱を供給する熱供給手段とを備え、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池は、前記燃料供給手段から燃料が供給されるとともに、発電した電力を電気事業者が所有する電気事業者側発電装置を含む電力系統に送電可能であり、前記第１燃料電池は、前記燃料供給事業者のものとして稼働させるとともに、電流密度が一定となるように稼働させ、前記第２燃料電池は、前記電気事業者のものとして稼働させ、前記電気事業者側発電装置が待機状態から定格運転までの間で運転しているときは、前記第２燃料電池の出力を増大させ、発電した電気を前記電力系統に送電させることを特徴とする熱電併給型調整用電源にある。
【０００９】
かかる第１の態様では、電気事業者にとって、効率のよい電源として機能する。従来では、電気事業者は、電力需要の増減を吸収するために、効率を落として運転させる負荷調整用の火力発電所を有していたが、これが不要、又は数を少なくすることができるため、特に費用面の負担を著しく低減することができる。
【００１０】
また、電気事業者のものとして稼働する第２燃料電池は、第１燃料電池の稼働による熱で温められた状態から出力を増大させることができる。したがって、熱電併給型調整用電源としては、電力需要が増大する際に、即時に対応できる電源として機能することができる。
【００１１】
さらに、熱電併給型調整用電源は、燃料供給事業者にとって、通常運転時には、効率のよいところで運転することができる。また、需要増大時には、電気事業者のものとして稼働する第２燃料電池から熱をうけることで、高い発電効率で発電及び熱の併産をおこなうことができる。
【００１２】
本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する熱電併給型調整用電源において、前記事業者側発電装置が定格運転から待機状態までの間で運転しているときは、前記第２燃料電池の出力を減少させることを特徴とする熱電併給型調整用電源にある。
【００１３】
かかる第２の態様では、電力需要の減少を熱電併給型調整用電源が吸収するので、その電力需要の減少を吸収しきったところで、電気事業者側発電装置を待機運転にすることができる。すなわち、徐々に効率を落として待機状態にする必要がないため、ランニングコスト面での負担が軽減される。このように、電気事業者としては、費用面の負担を軽減しながらも、電気の安定供給をすることができる。
【００１４】
本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載する熱電併給型調整用電源において、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池は、第１燃料電池又は前記第２燃料電池の何れか一方を中心とし、その周囲に他方が配置されていることを特徴とする熱電併給型調整用電源にある。
【００１５】
かかる第３の態様では、中心に配置された第１燃料電池又は第２燃料電池の一方で生じた熱を他方に余すことなく第１燃料電池に伝達することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の熱電併給型調整用電源は、電力系統側において効率良く電力を安定供給することができるとともに、熱電併給側において効率良く低コストで熱電併給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係る熱電併給型調整用電源の概略構成図である。
【図２】通常運転時の熱電併給型調整用電源の動作を説明する概略図である。
【図３】電力系統の負荷上昇時における熱電併給型調整用電源の動作を説明する概略図である。
【図４】電力系統の負荷減少時における熱電併給型調整用電源の動作を説明する概略図である。
【図５】実施形態に係る熱電併給型調整用電源の詳細な構成図である。
【図６】第１燃料電池及び第２燃料電池の概略構成を示す図である。
【図７】通常運転時の第１燃料電池及び第２燃料電池の動作を説明する概略図である。
【図８】需要増大時の第１燃料電池及び第２燃料電池の動作を説明する概略図である。
【図９】需要減少時の第１燃料電池及び第２燃料電池の動作を説明する概略図である。
【図１０】熱電併給型調整用電源全体、第１燃料電池、及び第２燃料電池の出力（プラント出力）と発電効率との関係を示すグラフである。
【図１１】実施形態に係る熱電併給型調整用電源の運転状況を示す概略図である。
【図１２】実施形態に係る熱電併給型調整用電源の運転状況を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
〈実施形態１〉
以下、燃料供給事業者として燃料ガスを供給するガス事業者を例にとり、該ガス事業者及び電気事業者により運用される本発明の熱電併給型調整用電源について説明する。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態に係る熱電併給型調整用電源１は、需要家施設に配備されている。
【００２０】
ガス事業者は、燃料として天然ガスを供給するガス供給手段２０（燃料供給手段）を所有している。ガス供給手段２０は、需要家施設の熱電併給型調整用電源１に天然ガスを供給可能になっている。
【００２１】
電気事業者は、発電を行う火力発電所１１（事業者側発電装置）や変電、送電、配電する送配電網１０を含む電力系統を有している。火力発電所１１は、定格時に高効率で運転される発電設備を備えたものである。なお、従来では、電気事業者は、定格時に高効率で運転されると共に、負荷待機時に効率を落として低効率で運転される発電設備を備えた負荷調整用の火力発電所を有していた。詳細は後述するが、本発明によれば、このような負荷調整用の火力発電所が不要となるか、若しくはその設備数を低減することができる。火力発電所１１は、送配電網１０を介して、需要家施設の負荷４に送電可能となっている。
【００２２】
熱電併給型調整用電源１は、詳細な構成は後述するが、次のような機能を有している。一つは、ガス供給手段２０（燃料供給手段）から燃料として天然ガスが供給され、該天然ガスを用いて発電する機能である。そして、発電した電気を需要家施設に配置された負荷４に送電可能となっている。さらに、該電気は、電気事業者の送配電網１０に送電（売電）可能となっている。
【００２３】
また、熱電併給型調整用電源１は、発電時に生じた排熱を用いて熱を供給する機能を有している。具体的には、排熱を温水や水蒸気として需要家施設の給水設備５や暖房設備６や蒸気設備７等に供給可能となっている。なお、温水はタンク等に貯留するようにしてもよい。
【００２４】
また、熱電併給型調整用電源１には、出力を制御する制御装置８が取り付けられており、電気事業者側の制御装置１２からの制御信号により熱電併給型調整用電源１の出力を変更することが可能となっている。
【００２５】
図２〜図４を用いて、熱電併給型調整用電源１の動作を説明する。図２は通常運転時の熱電併給型調整用電源１の動作を説明する概略図である。通常運転時とは、熱電併給型調整用電源１が電力需要に応じて出力を増減させていないときをいう。
【００２６】
図２左上のグラフは、熱電併給型調整用電源１全体について、負荷率とエネルギー効率の特性を示すグラフである。横軸は負荷率（プラント負荷率）を表し、縦軸はエネルギー効率を表している。
【００２７】
熱電併給型調整用電源１は、エネルギー効率が負荷率の中間でピークとなる特性を有する。エネルギー効率とは、熱電併給型調整用電源１の発電効率である。また、負荷率とは、ある期間中の負荷の平均需要電力と最大需要電力の割合をいう。
【００２８】
「熱電併給型調整用電源１の特性が負荷率の中間でピークとなる」とは、特性が上に凸な曲線であり、負荷率（０〜１００％）の間の何れかの箇所でエネルギー効率の最大値（極大値）が存在することをいう。本実施形態の熱電併給型調整用電源１は、プラント負荷率が約５０％であるときにエネルギー効率が最大（極大点Ｘ）である約５５％となる特性を有している。
【００２９】
図２右上のグラフは、電気事業者が有する電力系統における電力需要推移を示している。横軸は時刻を、縦軸は電力需要を示している。例えば、朝及び夜間の電気需要は少なく、朝から昼間にかけて電力需要が上昇し、しばらくの間、電力需要が高いまま推移し、夕方にかけて電力需要が減少している。
【００３０】
このような電力需要の変動が少ない朝方や昼間では、火力発電所１１が定格運転をしている。例えば、朝方の時間帯Ａには１基の火力発電所１１が定格運転をおこなってその時間帯Ａの電力需要を満たしている。また、昼間の時間帯Ｂには２基の火力発電所１１が定格運転を行って時間帯Ｂの電力需要を満たしている。
【００３１】
火力発電所１１の定格運転時では、熱電併給型調整用電源１は、図２左下に示すように動作する。すなわち、熱電併給型調整用電源１は、ガス供給手段２０から供給されたガスを用いて発電し、負荷４に電気を供給する。さらに、発電時の排熱で温水・蒸気を生成し、需要家施設の給水設備５や暖房設備６や蒸気設備７に供給する。なお、熱電併給型調整用電源１において、発電した電気が余剰であるならば、送配電網１０に送電してもよい。
【００３２】
図３は、電力系統の負荷上昇時における熱電併給型調整用電源１の動作を説明する概略図である。右上のグラフに示すように、例えば、朝方から昼間にかけての時間帯Ａにおいて電力需要が急激に増大した場合について説明する。
【００３３】
朝方、１基の火力発電所１１が定格運転をしている状況で、電力需要が急激に増大する場合、待機している別の火力発電所１１を定格運転にする。しかし、火力発電所１１は、定格運転になるまで時間が掛かるので、直ぐには電力需要を吸収できない（従来においては、このような需要の増大に対応できるように低効率で火力発電所を待機運転させていた）。
【００３４】
本発明では、このように電力需要が増大したとき、すなわち待機状態にある火力発電所１１を定格運転にするまでの間に、電気事業者は、制御装置１２から制御装置８に制御信号を送信し、熱電併給型調整用電源１の出力を増大させる（負荷率を高める）。このとき熱電併給型調整用電源１としては、左上のグラフに示すように、負荷率がピークよりも高い負荷率（点Ｙ、約８０％）で運転することになる。
【００３５】
このような電力需要の増大時、熱電併給型調整用電源１は、図３左下に示すように動作する。熱電併給型調整用電源１は、通常運転時よりも多く出力するように発電を行い、発電した電気のうち一部を送配電網１０に供給する。このように送配電網１０に電気が供給されることで、電力需要の増大が吸収される。なお、熱に関しては、定格運転時と同様に、温水や水蒸気として給水設備５や暖房設備６や蒸気設備７に供給される。
【００３６】
熱電併給型調整用電源１から送配電網１０に供給される電力により、電力需要の増大を吸収している間、待機状態にあった火力発電所１１は定格運転状態になる。このように火力発電所１１が定格運転に至ったら、制御装置１２及び制御装置８により熱電併給型調整用電源１の負荷率を最もエネルギー効率が高い状態に戻す（点Ｘ）。
【００３７】
熱電併給型調整用電源１が電力需要の増大に対応するので、従来のような効率の悪い待機運転で火力発電所１１を待機・運転する必要がなくなる。したがって、電気事業者側は、設備面、ランニングコスト面での負担が軽減される。また、熱電併給型調整用電源１が電力需要の増大に対応するときは、最もエネルギー効率が高い状態（点Ｘ）で稼働している。そして、この状態から出力を高めて送配電網１０に電気を供給する。すなわち、高速で熱電併給型調整用電源１の負荷率を増加させることができるため、急激な電気需要の増大に対して直ちにそれを吸収するだけの電気を得ることができる。このように、電気事業者としては、費用面の負担を軽減しながらも、電気の安定供給をすることができる。
【００３８】
図４は電力系統の負荷減少時における熱電併給型調整用電源１の動作を説明する概略図である。右上のグラフに示すように、例えば、昼間から夜間にかけての時間帯Ｂにおいて電力需要が急激に減少した場合について説明する。
【００３９】
昼間、２基の火力発電所１１が定格運転をしている状況で、電力需要が急激に減少する場合、１基の火力発電所１１を待機状態にする。しかし、火力発電所１１は、待機状態にするまでに一定の時間が掛かるので、直ぐには電力需要の減少を吸収できない（従来においては、このような需要の減少に対応できるように、効率は悪いが火力発電所の出力を徐々に下げて待機運転にしていた）。
【００４０】
本発明では、このように電力需要が減少したとき、すなわち定格運転している火力発電所１１を待機状態にするまでの間に、電気事業者は、制御装置１２から制御装置８に制御信号を送信し、熱電併給型調整用電源１の出力を減少させる（負荷率を低くする）。このとき熱電併給型調整用電源１としては、左上のグラフに示すように、負荷率がピークよりも低い負荷率（点Ｚ、約３０％）で運転することになる。
【００４１】
このような電力需要の減少時、熱電併給型調整用電源１は、図４左下に示すように動作する。熱電併給型調整用電源１は、通常運転時よりも低く出力するように発電を行う。つまり、熱電併給型調整用電源１の出力を低減することで、電力需要の減少を吸収する。なお、熱に関しては、定格運転時と同様に、温水や水蒸気として給水設備５や暖房設備６や蒸気設備７に供給される。
【００４２】
熱電併給型調整用電源１が電力需要の減少を吸収する間、定格運転していた火力発電所１１は待機状態になる。このように火力発電所１１が待機状態に至ったら、制御装置１２及び制御装置８により熱電併給型調整用電源１の負荷率を最もエネルギー効率が高い状態に戻す（点Ｘ）。
【００４３】
熱電併給型調整用電源１が電力需要の減少に対応するので、火力発電所１１は徐々に効率を落として待機状態にする必要がない。火力発電所１１は熱電併給型調整用電源１が電力需要の減少を吸収しきったところで、待機状態にすればよい。このように火力発電所１１は、電力需要の減少時においても、効率が悪い状態で徐々に待機状態にする必要が無いので、ランニングコストを低減することができる。このように、電気事業者としては、費用面の負担を軽減しながらも、電気の安定供給をすることができる。
【００４４】
ここで、図５を用いて、熱電併給型調整用電源１の詳細な構成について説明する。図５は、本実施形態に係る熱電併給型調整用電源の詳細な構成図である。
【００４５】
熱電併給型調整用電源１は、発電装置３０を備えている。発電装置３０は、ガス供給手段２０（図１参照）により供給された天然ガスを用いて発電するものである。具体的には、発電装置３０は、内部を高温・高圧に保持可能な容器３１に、複数の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が設けられたものである。
【００４６】
ＳＯＦＣは、電解質層を挟んで空気極と燃料極（図示せず）とが設けられたものである。燃料極側には、燃料ガス室を経由して水素ガスが供給され、空気極側には空気室を介して空気が供給されるようになっている。
【００４７】
図６は、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂの概略構成を示す図である。図６（ａ）に示すように、本実施形態では、発電装置３０は、燃料極及び空気極を含む燃料電池本体５０が容器５１内に収容されたＳＯＦＣを４つ有している。これらのうち２つを第１燃料電池Ａ、他の２つを第２燃料電池Ｂとする。各第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂは、発電時に発生した熱を互いに伝達するように配置されている。ここでは、第１燃料電池Ａが外側、第２燃料電池Ｂが内側となるように、各第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂが並列に配置されている。したがって、第２燃料電池Ｂで発生した熱は、両側の第１燃料電池Ａに伝達するようになっている。また、逆も同じである。
【００４８】
なお、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂは、互いに熱が伝達されるように配置されていれば、図６（ａ）に示したような態様に限定されない。図６（ｂ）及び図６（ｃ）は、各燃料電池の配置を示す上面図である。図６（ｂ）に示すように、第２燃料電池Ｂを中心に配置し、その周りに第１燃料電池Ａを配置してもよい。このような配置にすることで、電力需要の増大時に第２燃料電池Ｂで生じる熱を余すことなく第１燃料電池Ａに伝達することができる。また、図６（ｃ）に示すように、第１燃料電池Ａを中心に配置し、その周りに第２燃料電池Ｂを配置してもよい。
【００４９】
図５に戻り、容器３１内には、改質器３２が配置されている。改質器３２は、ガス供給手段２０から供給される天然ガスを改質して水素ガスを生成するものである。改質器３２は、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂの各燃料ガス室に接続されており、それらに水素ガスを供給可能になっている。
【００５０】
さらに、容器３１内には、予熱器３３が配置されている。予熱器３３は、後述するガスタービン（ＧＴ）圧縮機４６や圧縮機４７から空気が供給され、該空気をＳＯＦＣの動作温度に予熱するものである。予熱器３３は、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂの各空気室に接続されており、それらに予熱した空気を供給可能になっている。
【００５１】
第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂは、改質器３２及び予熱器３３から水素ガス及び空気が供給されて発電する。発電した電気は集電され、インバータ３４を介して負荷４（図１参照）に供給される。
【００５２】
熱電併給型調整用電源１は、発電装置３０の排熱により熱供給手段４０を有している。本実施形態では、熱供給手段４０は熱を温水・水蒸気として供給するほか、発電も行う、いわゆるコジェネシステムとして実装されている。
【００５３】
具体的には、熱供給手段４０は、ガス供給手段２０から供給される天然ガスを燃焼する燃焼器４１と、燃焼器４１で燃焼されて生じる燃焼ガスにより駆動するガスタービン４２と、ガスタービン４２で仕事をしたガスの排熱を利用して温水や水蒸気を生成する熱交換機４３を有している。
【００５４】
ガスタービン４２には、同軸上に発電機４４が設けられており、ガスタービン４２の運転に伴い発電する。発電機４４で発電された電気は負荷４や送配電網１０に供給可能となっている。
【００５５】
また、熱供給手段４０は、混合器４５を有している。混合器４５は、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂに供給された水素ガスや空気のうち未反応分が供給される。混合器４５は、これらの水素ガスや空気の混合ガスを生成し、燃焼器４１に供給するようになっている。これにより、燃焼器４１においては、燃料ガスと共に混合ガスが燃焼される。
【００５６】
さらに、ガスタービン４２には、同軸上にガスタービン（ＧＴ）圧縮機４６が接続されている。ＧＴ圧縮機４６は、ガスタービン４２の動力により外部の空気を圧縮するものである。ＧＴ圧縮機４６で圧縮された空気は、燃焼器４１に供給されると共に、発電装置３０の予熱器３３に供給される。
【００５７】
また、熱電併給型調整用電源１は、系内の電気を用いて駆動する圧縮機４７を備えている。圧縮機４７は、外部の空気を圧縮し、燃焼器４１や予熱器３３に供給する。
【００５８】
なお、熱供給手段４０は、コジェネシステムとして構成されているがこのような態様に限定されない。例えば、発電装置３０で生じる排ガス（第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂから排出されたガス）の熱を用いて熱を供給する熱交換機を熱供給手段としてもよい。また、熱併給目的ではなく、排熱を利用して蒸気タービンを駆動し、発電効率を向上させるようにしてもよい。
【００５９】
上述した熱電併給型調整用電源１においては、発電装置３０は燃料ガス（天然ガス）を用いて発電し、発電した電気を負荷４又は送配電網１０に供給することが可能となっている。また、熱供給手段４０は、燃料ガス、若しくは発電装置３０で未反応の水素ガス及び空気を用いて、発電すると共に生じた排熱を用いて温水や水蒸気を生成し、需要家施設の給水設備５や暖房設備６や蒸気設備７に供給することが可能となっている。
【００６０】
図７〜図９を用いて、このような構成の熱電併給型調整用電源１の運転態様について詳細に説明する。図７は通常運転時の第１燃料電池及び第２燃料電池の動作を説明する概略図である。
【００６１】
図７左側には、ガス事業者のものとして稼働される第１燃料電池Ａ及び電気事業者のものとして稼働される第２燃料電池Ｂが示してある。
【００６２】
「第１燃料電池Ａをガス事業者のものとして稼働させる」とは、ガス事業者が第１燃料電池Ａの運転に関するコスト（燃料ガスの費用やメンテナンス費用など）を負担し、また、第１燃料電池Ａで発電した電力を販売して利益を得ることをいう。
【００６３】
「第２燃料電池Ｂを電気事業者のものとして稼働させる」とは、電気事業者が第２燃料電池Ｂの運転に関するコスト（燃料ガスの費用やメンテナンス費用など）を負担し、また、第２燃料電池Ｂで発電した電力を送配電網１０に供給することをいう（電力を需要家施設に販売してもよい）。
【００６４】
図７中央には、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂの種々の特性に関するグラフＧ１〜Ｇ６が示してある。グラフＧ１、Ｇ４はそれぞれの燃料電池の出力と電流密度との関係を示すものである。グラフＧ２、Ｇ５はそれぞれの燃料電池の出力とセル電圧との関係を示すものである。グラフＧ３、Ｇ６はそれぞれの燃料電池の出力と発電効率との関係を示すものである。第１燃料電池Ａの出力の上限をPmax(A)、下限をPmin(A)とする。第２燃料電池Ｂの出力の上限をPmax(B)、下限をPmin(B)とする。
【００６５】
グラフＧ３に示すように、第１燃料電池Ａは、特性α、βを有している。特性αは、第１燃料電池Ａの出力の減少とともに発電効率も減少する特性である。特性βは、第１燃料電池Ａの出力の減少に反して発電効率は増大する特性である。
【００６６】
熱電併給型調整用電源１全体が通常運転をしている際には、第１燃料電池Ａは特性α、βの交点、すなわち、第１燃料電池Ａの出力が最大（Pmax(A)）となる点で稼働する。一方、詳細は後述するが、第１燃料電池Ａは、電力需要の減少に対応して第２燃料電池Ｂの出力を減少させている際には、特性α上の点で稼働する。また、第１燃料電池Ａは、電力需要の増大に対応して第２燃料電池Ｂの出力を増大させている際には、特性β上の点で稼働する。
【００６７】
グラフＧ６に示すように、第２燃料電池Ｂは、出力の増大にともない、発電効率は低下する特性を有している。
【００６８】
図７右側のグラフＧ７は、図２に示した熱電併給型調整用電源１の特性と同じものである。発電効率が最も良いときのプラント出力をＰＣとする。
【００６９】
第１燃料電池Ａの出力をＰＡ、第２燃料電池Ｂの出力をＰＢと表す。通常運転時においては、第１燃料電池Ａの出力ＰＡは、Pmax(A)に設定する。第２燃料電池Ｂの出力ＰＢは、Pmin(B)とPmax(B)の間の任意の点（図では中点）に定める。
【００７０】
このときのＰＡ、ＰＢを合計した値がＰＣとなる。ただし、本実施形態では、熱電併給型調整用電源１には、発電機４４による出力がある一方、圧縮機４７等の電力を用いる装置があるため、これらを考慮する。つまり、発電機４４や圧縮機４７に関する出力（＋α）を考慮して、ＰＣ＝ＰＡ＋ＰＢ＋αとなるように、ＰＡ、ＰＢを設定する。
【００７１】
また、グラフＧ１に示すように、第１燃料電池Ａについては、通常運転時においては、電流密度が一定となるように稼働させる。具体的には第１燃料電池Ａに供給する水素ガスや空気の量を調整することにより行う。したがって、第１燃料電池Ａの出力がどの様に変動しようとも、電流密度は一定である。
【００７２】
このように、通常運転時、すなわち、電気事業者の送配電網において電力需要が安定しており、火力発電所１１は定格運転を行っている際には、熱電併給型調整用電源１は次のように稼働している。すなわち、熱電併給型調整用電源１全体として最も発電効率が高くなるように（Ｇ７参照）、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂが各出力ＰＡ、ＰＢで稼働している（Ｇ１〜Ｇ６参照）。
【００７３】
図８は需要増大時の第１燃料電池及び第２燃料電池の動作を説明する概略図である。
【００７４】
図３に示したように、電力需要が増大する時間帯Ａにおいては、その電力需要の増大を吸収すべく、熱電併給型調整用電源１としてはプラント出力を上げる必要がある（ＰＣ→ＰＣ’）。
【００７５】
そこで、電気事業者のものとして稼働する第２燃料電池Ｂの出力を増大させ、発電した電気を送配電網１０に供給する。このとき、図８左側に示すように、第２燃料電池Ｂには、電流密度を上昇させ、より多くの燃料ガス（水素ガス）及び空気を供給することで、グラフＧ６に示すように、第２燃料電池Ｂの出力を増大させる（ＰＢ→ＰＢ’）。
【００７６】
このような需要増大時における第２燃料電池Ｂの特性は次のようになる。まず、上述したように、電流密度が上昇し（Ｇ４参照）、より多くの燃料ガスや空気が供給されるため、第２燃料電池Ｂの出力は向上する（Ｇ６参照）。しかしながら、電流密度の上昇により、第２燃料電池Ｂのセル電圧は低下する（Ｇ５参照）。そして、セル電圧が低下することにより発電効率は低下する（Ｇ６参照）。
【００７７】
一方、ガス事業者のものとして稼働する第１燃料電池Ａの特性は次のようになる。まず、図８左側に示すように、第１燃料電池Ａは、第２燃料電池Ｂの熱が伝達するように並設されている。第２燃料電池Ｂは、出力増大にともない、発生する熱も多くなるため、第１燃料電池Ａは、第２燃料電池Ｂからの熱で加熱されることになる。
【００７８】
ここで、ＳＯＦＣは、適切に稼働するために高温（例えば、６００〜８００℃）に維持されなければならない。このため、第１燃料電池Ａに供給される燃料ガスの一部は、この温度を維持するためにも用いられる。しかしながら、電力需要増大に伴う第２燃料電池Ｂからの熱により第１燃料電池Ａが加熱されるため、第１燃料電池Ａに供給される燃料ガスを絞ることができる。
【００７９】
つまり、第２燃料電池Ｂの出力が高くなった場合、第１燃料電池Ａは第２燃料電池Ｂから熱を受けとる一方となる。このため、第１燃料電池Ａの温度は上昇し、さらに温度維持のための燃料ガスを低減して燃料利用率を高めることができるので、第１燃料電池Ａの発電効率は向上する（Ｇ３参照、ＥＡ→ＥＡ’）。ただし、第１燃料電池Ａは、電流密度を一定とする運転をしているので（Ｇ１参照）、燃料ガスの量が絞られた分、電圧が低下し（Ｇ２参照）、出力は下がる（Ｇ３参照、ＰＡ→ＰＡ’）。
【００８０】
熱電併給型調整用電源１としては、グラフＧ７に示すように、第２燃料電池Ｂの出力が増大した分、出力が向上している（ＰＣ→ＰＣ’）。
【００８１】
図９は需要減少時の第１燃料電池及び第２燃料電池の動作を説明する概略図である。
【００８２】
図４に示したように、電力需要が減少する時間帯Ｂにおいては、その電力需要の減少を吸収すべく、熱電併給型調整用電源１としてはプラント出力を下げる必要がある（ＰＣ→ＰＣ’’）。
【００８３】
そこで、電気事業者のものとして稼働する第２燃料電池Ｂの出力を減少させる。このとき、図９左側に示すように、第２燃料電池Ｂには、通常運転時より電流密度を下げ（Ｇ４参照）、通常運転時より少ない燃料ガス（水素ガス）及び空気を供給することで、グラフＧ６に示すように、第２燃料電池Ｂの出力を下げる（ＰＢ→ＰＢ’’）。
【００８４】
このような需要減少時における第２燃料電池Ｂの特性は次のようになる。まず、上述したように、電流密度が減少し（Ｇ４参照）、より少ない燃料ガスや空気が供給されるため、第２燃料電池Ｂの出力は減少する（Ｇ６参照）。また、電流密度の低下に伴い、セル電圧が向上する（Ｇ５参照）。セル電圧が向上することにより発電効率は向上する（Ｇ６参照）。
【００８５】
一方、ガス事業者のものとして稼働する第１燃料電池Ａの特性は次のようになる。まず、図９左側に示すように、第１燃料電池Ａは、第２燃料電池Ｂの熱が伝達するように並設されている。第１燃料電池Ａは、低負荷で動作している第２燃料電池Ｂに発電による熱を奪われるため、温度が低下する。
【００８６】
このため、第１燃料電池Ａは、動作温度を維持するために、通常運転時よりも多くの燃料が必要となる。したがって、グラフＧ３に示すように、第１燃料電池Ａの発電効率は低下する（ＥＡ→ＥＡ’’）。また、セル電圧が減少し（Ｇ２参照）、発電効率及び出力が減少する（Ｇ３参照、ＰＡ→ＰＡ’’）。
【００８７】
また、グラフＧ７に示すように、熱電併給型調整用電源１としては、第２燃料電池Ｂの出力が減少した分（若しくは、これに加えて第１燃料電池Ａの出力減少分）、出力が減少している（ＰＣ→ＰＣ’’）。
【００８８】
需要減少時においては、ガス事業者としては、第１燃料電池Ａは効率が低いところで運転することになる。しかしながら、例えば、電気事業者が費用面での補償をするなどしてガス事業者に不利にならないようにすることができる。または、そのような補償の代わりに、図８で説明した電力需要増大時に第２燃料電池Ｂで生じる熱と相殺するなどしてもよい。つまり、電力需要増大時に第２燃料電池Ｂで生じる熱をガス事業者に譲渡することで、補償としてもよい。ガス事業者としては、熱を得られれば、需要者施設に温水や水蒸気として販売することができる。
【００８９】
以上に説明したように、本実施形態に係る熱電併給型調整用電源１によれば、第１燃料電池Ａと第２燃料電池Ｂとを異なる事業者が稼働させることで、電力系統側においてエネルギー効率よく電力を安定供給することができるとともに、効率良く低コストで熱電併給することができる。
【００９０】
すなわち、熱電併給型調整用電源１は、電気事業者にとって、効率のよい電源として機能する。従来では、電気事業者は、電力需要の増減を吸収するために、効率を落として運転させる負荷調整用の火力発電所を有していたが、これが不要、又は数を少なくすることができるため、特に費用面の負担を著しく低減することができる。
【００９１】
さらに、電気事業者のものとして稼働する第２燃料電池Ｂは、第１燃料電池Ａの稼働による熱で温められた状態から出力を増大させることができる。したがって、熱電併給型調整用電源１としては、電力需要が増大する際に、即時に対応できる電源として機能することができる。
【００９２】
また、熱電併給型調整用電源１は、ガス事業者にとって、通常運転時には、効率のよいところで運転することができる。また、需要増大時には、電気事業者のものとして稼働する第２燃料電池Ｂから熱をうけることで、高い発電効率で発電及び熱の併産をおこなうことができる。需要減少時には、若干、低い効率で運転することになるが、需要増大時に電気事業者から受ける熱の費用と相殺することができる。すなわち、需要減少時における低効率での運転についての実損はない。
【００９３】
また、本実施形態では、事業者として電気事業者を、事業者側発電装置として火力発電所１１を例にとり説明したが、このような態様に限定されない。例えば、工場設備を有する事業者を対象とし、事業者側発電装置としてその工場設備に電力を供給する発電装置を用いる場合にも本発明を適用できる。この場合においては、工場設備で増減する電力需要を吸収するために、熱電併給型調整用電源１を利用することができる。
【００９４】
他にも、風力や太陽光などの自然エネルギーによる発電装置を事業者側発電装置とし、当該発電装置を用いて電気を販売する者を事業者としてもよい。この場合においては、安定しない自然エネルギーによる発電を安定化させるために熱電併給型調整用電源１を利用することができる。
【００９５】
〈解析例〉
図１０〜図１２を用いて、実施形態１に示した構成の熱電併給型調整用電源１の出力等について解析した結果を示す。
【００９６】
図１０は、熱電併給型調整用電源１全体、第１燃料電池Ａ、及び第２燃料電池Ｂの出力（プラント出力）と発電効率との関係を示すグラフである。横軸は、熱電併給型調整用電源１全体のプラント出力である。当該プラント出力は、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂの出力を合計したものである（さらに、ガスタービンなどの出力分（＋α）を含む）。縦軸（左側）は、発電効率を示している。
【００９７】
図示するように、特性Ｌ１は、熱電併給型調整用電源１全体の特性を表している。これは、図２〜図４の左上のグラフや図７〜図９の右側のグラフと同等のものである。すなわち、Ｌ１は、プラント出力が約２８，０００ｋＷで発電効率が極大値（約５５％）となるような上に凸な特性を有している。また、Ｌ２は、第１燃料電池Ａの特性（「熱電併給モジュール単体の発電効率」）を表し、Ｌ３は、第２燃料電池Ｂの特性（「負荷調整用モジュール単体の発電効率」）を表している。
【００９８】
電力需要の増大時には、Ｌ３に示されるように、電気事業者のものとして稼働する第２燃料電池Ｂの出力を増大させる。すると、熱電併給型調整用電源１全体のプラント出力が増加し、電力需要の増大を吸収できる。
【００９９】
この出力の増大に伴い、Ｌ３に示すように、第２燃料電池Ｂの効率は低下している。このとき第２燃料電池Ｂで生じる熱が第１燃料電池Ａを加熱する。これにより、Ｌ２に示すように、第１燃料電池Ａの効率は向上している。
【０１００】
すなわち、熱電併給型調整用電源１全体としては、出力の増大に伴い発電効率は低下しているものの、ガス事業者からみた第１燃料電池Ａの効率は向上している。つまり、ガス事業者としては効率良く熱電併産することが可能となる。電気事業者としては、第２燃料電池Ｂは、効率は落ちるものの、急激に増大する電力需要に即時に対応することができる電源として機能するものとなる。これにより、電力需要の増大に応えると共に、従来のように待機運転をする火力発電所１１を準備・運用するコストを削減することができる。
【０１０１】
図１１は、第２燃料電池Ｂの出力と発電効率及びセル電圧との関係を示すグラフである。Ｍ１は、第２燃料電池Ｂの出力（横軸）と発電効率（左縦軸）を示す特性であり、Ｍ２は、第２燃料電池Ｂの出力とセル電圧（右縦軸）を示す特性である。
【０１０２】
Ｍ１に示すように、第２燃料電池Ｂの出力が増大するほど、効率としては低下する傾向にある。また、Ｍ２に示すように、第２燃料電池Ｂの出力が増大するほど、セル電圧が低下する傾向にある。
【０１０３】
このように出力の増大にともない効率としては低下する。しかしながら、第２燃料電池Ｂは、第１燃料電池Ａの稼働による熱で温められた状態から出力を増大させることができる。したがって、熱電併給型調整用電源１としては、電力需要が増大する際に、即時に対応できる電源として機能することができる。
【０１０４】
図１２は、第１燃料電池Ａの出力と発電効率及びセル電圧との関係を示すグラフである。Ｎ１及びＮ２は、第１燃料電池Ａの出力（横軸）と発電効率（左縦軸）を示す特性である。同特性のうち左上がりの部分をＮ１（図７〜図９のβに相当）、左下がりの部分をＮ２（図７〜図９のαに相当）としてある。Ｎ３は、第１燃料電池Ａの出力とセル電圧（右縦軸）を示す特性である。
【０１０５】
Ｎ１とＮ２との交点は、第１燃料電池Ａの最大出力Ｐｍａｘ（Ａ）である。第１燃料電池Ａは、通常運転時においては、この最大出力で稼働する。
【０１０６】
上述したように、熱電併給型調整用電源１全体の出力が増大する際には、第１燃料電池Ａは、第２燃料電池Ｂの出力増大に伴う熱が伝達される。このため、Ｎ１に示すように、使用する燃料ガスが低減し、セル電圧が低下するので出力は若干下がるが、効率は向上する。
【０１０７】
一方、熱電併給型調整用電源１全体の出力が減少する際には、第２燃料電池Ｂの出力減少に伴い、第１燃料電池Ａに伝達される熱も減少する。したがって、第１燃料電池Ａの温度を維持するためにより多くの燃料を投入する必要があるため（それでも温度は低下するが）、Ｎ２に示すように、効率は下がり、出力も低下する。
【０１０８】
また、Ｎ１及びＮ２と、Ｎ３との間の点線は、Ｎ１、Ｎ２の各点が示す出力に対応するセル電圧を表している。Ｎ３に示すように、第２燃料電池Ｂの出力の増減により、第１燃料電池Ａの出力がＮ１とＮ２の交点を中心に増減すると、第１燃料電池Ａのセル電圧が増減する。
【０１０９】
このように、第１燃料電池Ａの特性は、通常運転時において、高効率かつ最大出力で稼働することを示し、需要増大時には、さらに高効率で稼働することを示している。また、需要減少時には、効率・出力が若干落ちることを示している。
【０１１０】
〈他の実施形態〉
本発明に係る熱電併給型調整用電源は、燃料供給事業者、電気事業者（事業者）がそれぞれ専有するものであってもよいし、共有していてもよい。また、第三者の設備事業者が所有していてもよい。それらの何れかの者が熱電併給型調整用電源を構築・運用する。つまり、熱電併給型調整用電源１の初期コストは、何れかのもので折半することができる。
【０１１１】
熱電併給型調整用電源１の利用は、所有者と異なってもよい。実施形態１では、ガス事業者及び電気事業者が利用したが、第三者であってもよい。例えば、第三者は、ガス事業者から燃料を購入して熱電併給型調整用電源を運用し、電力及び熱を併産・販売する事業者であってもよい。
【０１１２】
さらに、第１燃料電池Ａは、電流密度が一定となるように運転させたが、このような態様に限定されない。例えば、第１燃料電池Ａの出力を一定となるように運転させても、上述した本発明の作用効果を奏する。
【０１１３】
なお、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂのそれぞれの個数は特に限定されない。少なくともそれぞれが１つずつあれば、本発明の作用効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明は、熱電併給型調整用電源の産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【０１１５】
Ａ            第１燃料電池
Ｂ            第２燃料電池
１            熱電併給型調整用電源
４            負荷
５            給水設備
６            暖房設備
７            蒸気設備
８            制御装置
１０          送配電網
１１          火力発電所
１２          制御装置
２０          ガス供給手段
３０          発電装置
４０          熱供給手段
４１          燃焼器
４２          ガスタービン
４３          熱交換機
４４          発電機
４５          混合器
【図１】
2014011903.tif 000003
【図２】
2014011903.tif 000004
【図３】
2014011903.tif 000005
【図４】
2014011903.tif 000006
【図５】
2014011903.tif 000007
【図６】
2014011903.tif 000008
【図７】
2014011903.tif 000009
【図８】
2014011903.tif 000010
【図９】
2014011903.tif 000011
【図１０】
2014011903.tif 000012
【図１１】
2014011903.tif 000013
【図１２】
2014011903.tif 000014