(57)【要約】【課題】最低負荷を低くして低負荷運用を行う電源とする。【解決手段】電力系３に並列され、待機状態で運転して発電を実施する負荷調整用の電源において、第２圧縮機１４の運転（第２燃料電池１５）を停止して低負荷で運用を行い、最低負荷を低くすると共に、第１燃料電池１２の熱を第２燃料電池１５に伝達し、第２燃料電池１５の起動を短時間で可能な状態にし、第２燃料電池１５の出力を停止させ（第２圧縮機１４も停止させ）、最低負荷を低く設定し、電力系３に並列される待機電源として最低負荷が低い電源とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系に並列されて待機状態で運転して発電を実施する負荷調整用の電源において、
第１圧縮機の圧縮流体がカソードとして供給される第１燃料電池と、
前記第１燃料電池の排気ガスを膨張して発電動力を得る膨張タービンと、
第２圧縮機の圧縮流体がカソードとして供給され、前記第１燃料電池との間で熱の授受が行われる第２燃料電池と、
前記第２圧縮機の運転を停止して前記第２燃料電池を待機状態にし、出力を低下させることで最低負荷を設定する最低負荷設定機能を有する低負荷運転制御手段とを備えた
ことを特徴とする低負荷運用を行う電源。
【請求項２】
請求項１に記載の低負荷運用を行う電源において、
前記第１燃料電池、及び、前記第２燃料電池は、固体酸化物型燃料電池であり、
１つの前記第１燃料電池に対し、複数の前記第２燃料電池が配置されている
ことを特徴とする低負荷運用を行う電源。
【請求項３】
請求項１もしくは請求項２に記載の低負荷運用を行う電源において、
前記第２圧縮機で圧縮された圧縮流体を貯留する貯留手段を備え、
前記低負荷運転制御手段は、
前記第２圧縮機を運転して前記貯留手段に圧縮流体を貯留することで、前記第２圧縮機で負荷を負担し、出力の下げ代を確保する下げ代確保機能を有する
ことを特徴とする低負荷運用を行う電源。
【請求項４】
請求項３に記載の低負荷運用を行う電源において、
前記低負荷運転制御手段は、
前記下げ代確保機能により下げ代が確保された状態から、前記第２燃料電池を運転する場合、前記第２圧縮機を停止し、前記貯留手段に貯留された圧縮流体で前記第２燃料電池を運転して出力を上昇させる出力上昇機能を有する
ことを特徴とする低負荷運用を行う電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低負荷で運用を行うことができる低負荷運用を行う電源に関する。
【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系統に接続して備えるとともに、負荷調整用発電手段（負荷調整用の電源）を系統に並列して備えている。負荷調整用の電源は、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の電源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】
一方、化石燃料を使用しない再生可能エネルギーを用いた再生可能エネルギー発電設備が導入されつつある。再生可能エネルギー発電設備は、自然環境により出力が大きく変化する。このため、電力需要の変化と再生可能エネルギー発電設備の出力変動に対応するためには、系統に並列して備えられた負荷調整用の電源からの電力を系統に供給している。自然環境の変化により再生可能エネルギー発電設備の出力が変化（低下）した場合、需要電力を賄うために、待機状態で運転して発電を実施している負荷調整用の電源は欠かせない設備となっている。
【０００４】
近年、再生可能エネルギー発電設備が広く普及しているのが現状である。このような状況では、再生可能エネルギー発電設備の電力をできる限り多く（全て）系統の負荷で使用することが好ましい。しかし、待機状態で運転して発電を実施している負荷調整用の電源が欠かせない設備として系統に接続されているため、系統で使用できる再生可能エネルギー発電設備の電力は限度があるのが実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２９５７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電力系に並列されて待機状態で運転して発電を実施する負荷調整用の電源において、最低負荷を低くすることができる低負荷運用を行う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】
【０００７】
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の低負荷運用を行う電源は、電力系に並列されて待機状態で運転して発電を実施する負荷調整用の電源において、第１圧縮機の圧縮流体がカソードとして供給される第１燃料電池と、前記第１燃料電池の排気ガスを膨張して発電動力を得る膨張タービンと、第２圧縮機の圧縮流体がカソードとして供給され、前記第１燃料電池との間で熱の授受が行われる第２燃料電池と、前記第２圧縮機の運転を停止して前記第２燃料電池を待機状態にし、出力を低下させることで最低負荷を設定する最低負荷設定機能を有する低負荷運転制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項１に係る本発明では、電力系に並列され、待機状態で運転して発電を実施している負荷調整用の電源において、第２圧縮機の運転（第２燃料電池）を停止して低負荷で運用を行うことで、最低負荷を低くすると共に、第１燃料電池の熱を第２燃料電池に伝達して、第２燃料電池の起動を短時間で可能な状態にしておく。短時間で起動できるようにした第２燃料電池の出力が停止しているため（第２圧縮機も停止しているため）、最低負荷を低く設定することができ、電力系に並列される待機電源として最低負荷が低い電源とすることができる。
【０００９】
このため、待機状態で運転して発電を実施している負荷調整用の電源において、最低負荷を低くすることができる低負荷運用を行う電源とすることが可能になる。従って、最低負荷を低くした分、系統に再生可能エネルギー発電の電力を多く投入することができる。
【００１０】
そして、請求項２に係る本発明の低負荷運用を行う電源は、請求項１に記載の低負荷運用を行う電源において、前記第１燃料電池、及び、前記第２燃料電池は、固体酸化物型燃料電池であり、１つの前記第１燃料電池に対し、複数の前記第２燃料電池が配置されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る本発明では、１つの第１燃料電池（ＳＯＦＣ）に対し複数の第２燃料電池（ＳＯＦＣ）を備えた設備とすることができる。
【００１２】
また、請求項３に係る本発明の低負荷運用を行う電源は、請求項１もしくは請求項２に記載の低負荷運用を行う電源において、前記第２圧縮機で圧縮された圧縮流体を貯留する貯留手段を備え、前記低負荷運転制御手段は、前記第２圧縮機を運転して前記貯留手段に圧縮流体を貯留することで、前記第２圧縮機で負荷を負担し、出力の下げ代を確保する下げ代確保機能を有することを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る本発明では、第２圧縮機の運転により貯留手段に圧縮流体を貯留し、第２圧縮機の運転負荷を電源の負荷の下げ代として確保する。これにより、電源が接続された系統に対し、下げ代として確保した分、再生可能エネルギー発電の電力を更に投入することができ、再生可能エネルギー発電の電力を更に多く投入することが可能になる。
【００１４】
また、請求項４に係る本発明の低負荷運用を行う電源は、請求項３に記載の低負荷運用を行う電源において、前記低負荷運転制御手段は、前記下げ代確保機能により下げ代が確保された状態から、前記第２燃料電池を運転する場合、前記第２圧縮機を停止し、前記貯留手段に貯留された圧縮流体で前記第２燃料電池を運転して出力を上昇させる出力上昇機能を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項４に係る本発明では、第２燃料電池の停止中に、第２圧縮機が運転されて圧縮空気を貯留して負荷の下げ代が確保されている状態から、第２圧縮機を停止して第２圧縮機の出力の負担をなくした状態で、貯留手段に貯留された圧縮流体で第２燃料電池を運転して電源の出力を上げ、第２圧縮機での動力消費がない状態で、即ち、出力が損なわれず発電効率を向上させた状態で、電源の発電出力を上昇させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の低負荷運用を行う電源は、電力系に並列されて待機状態で運転して発電を実施する負荷調整用の電源において、最低負荷を低くすることができる低負荷運用を行う電源とすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施例に係る低負荷運用を行う電源（負荷調整用の電源）が適用される電力供給系統の概略系統図である。
【図２】本発明の一実施例に係る負荷調整用の電源の概略構成図である。
【図３】本発明の一実施例に係る負荷調整用の電源の具体例を説明する構成図である。
【図４】本発明の一実施例に係る負荷調整用の電源の出力特性を説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１には本発明の一実施例に係る低負荷運用を行う電源（負荷調整用の電源）が適用される電力供給系統の全体の構成を説明するための概略系統を示してある。
【００１９】
図に示すように、発電設備として火力発電設備２が備えられている。火力発電設備２は、例えば、タービンの駆動により電力が得られるようになっている。火力発電設備２で発電された電力は電力系３に送られ、電力系３から電力が供給される。
【００２０】
電力系３には、再生可能エネルギー発電設備としての風力発電設備、太陽光発電設備等の再生可能エネルギー発電設備（再エネ発電設備）４が接続され、電力系３には、風力発電設備、太陽光発電設備等の再エネ発電設備４からの電力が供給される。
【００２１】
再エネ発電設備４は、自然環境により出力が大きく変化するため、再エネ発電設備４が接続された電力系３に対し、安定した電力の供給を担保する必要がある。このため、電力系３には、待機状態で運転して発電を実施し、出力が変化した際に、出力電力を速やかに調整する運転を行い、再エネ発電設備４の出力の変動に追従させるための、低負荷運用を行う電源（負荷調整用の電源）である低負荷運用電源６が並列されている。
【００２２】
低負荷運用電源６は、待機状態で運転して発電を実施しているため、出力の上げ対応運転、下げ対応運転を速やかに実施することができ、再エネ発電設備４の出力の変動に対して速やかに追従させることができる。このため、自然環境により出力が大きく変化する再エネ発電設備４が接続されていても、安定した電力供給が可能になっている。
【００２３】
図２から図４に基づいて低負荷運用電源６の具体的な構成を説明する。
【００２４】
図２には本発明の一実施例に係る低負荷運用電源６の系統を概念的に説明する概略構成の状態、図３には本発明の一実施例に係る低負荷運用電源６の系統の具体構成を説明する状態、図４には低負荷運用電源６の出力の特性を説明するグラフを示してある。
【００２５】
図２に示すように、低負荷運用電源６は、第１圧縮機１１の圧縮空気（圧縮流体）がカソードとして供給される第１燃料電池１２（固体酸化物型燃料電池：ＳＯＦＣ）が備えられ、第１燃料電池１２の排気ガスを膨張して発電動力を得る膨張タービン１３が備えられている。
【００２６】
そして、第２圧縮機１４の圧縮空気（圧縮流体）がカソードとして供給され、第１燃料電池１２との間で熱の授受が行われる第２燃料電池１５（固体酸化物型燃料電池：ＳＯＦＣ）が備えられている。第２圧縮機１４で圧縮された圧縮空気は、貯留手段１６を介して第２燃料電池１５に供給される。第２燃料電池１５は、１つの第１燃料電池１２に対し、例えば、４個（複数）配置されている。
【００２７】
第１圧縮機１１、第２圧縮機１４の運転は、低負荷運転制御手段２１の指令に基づいて制御され、貯留手段１６への圧縮空気の貯留、貯留手段１６からの圧縮空気の供給等が制御されて低負荷運用電源６の出力が調整される。
【００２８】
即ち、低負荷運転制御手段２１は、第２圧縮機１４の運転を停止して第２燃料電池１５を待機状態にし、低負荷運用電源６の出力を低下させることで最低負荷を設定する最低負荷設定機能２２を有している。
【００２９】
最低負荷設定機能２２により、第２圧縮機１４の運転（第２燃料電池１５の運転）を停止して、低負荷運用電源６を低負荷で運用することで、最低負荷を低くすることができる。そして、第１燃料電池１２の熱を第２燃料電池１５に伝達して（図中実線矢印で示してある）、第２燃料電池１５の起動を短時間で可能な状態にしている。
【００３０】
第２圧縮機１４の運転を止めて短時間で起動が可能な状態の第２燃料電池１５を停止する分、最低負荷（出力）を低く設定することができ、電力系３に並列される待機電源として、短時間で起動が可能な第２燃料電池１５を備えた、最低負荷が低い電源とすることができる。
【００３１】
このため、最低負荷を低くすることができる低負荷運用電源６とすることが可能になり、最低負荷を低くした分、電力系に再生可能エネルギー発電の電力を多く投入することができる。つまり、待機状態で運転して発電を実施している低負荷運用電源６が欠かせない設備として電力系３に接続されていても、再エネ発電設備４（図１参照）の電力をより多く（全て）使用することができ、再エネ発電設備４（図１参照）からの多くの電力を電力系３に供給することが可能になる。
【００３２】
また、低負荷運転制御手段２１は、第２圧縮機１４を運転して貯留手段１６に圧縮空気を貯留することで、第２圧縮機１４で負荷を負担し、低負荷運用電源６の出力の下げ代（具体的には後述する）を確保する下げ代確保機能２３を有している。
【００３３】
下げ代確保機能２３により、第２圧縮機１４を運転し貯留手段１６に圧縮空気を貯留することで、第２圧縮機１４の運転負荷を低負荷運用電源６の負荷の下げ代として確保することができる。これにより、低負荷運用電源６が並列された電力系３に対し、下げ代として確保した分、再エネ発電設備４（図１参照）の電力を更に投入することができ、再エネ発電設備４（図１参照）の電力を更に多く投入することが可能になる。
【００３４】
また、低負荷運転制御手段２１は、下げ代確保機能２３により下げ代が確保された状態から、第２燃料電池１５を運転する場合（高負荷時の出力で運転する場合）、第２圧縮機１４を停止した状態で、貯留手段１６に貯留された圧縮空気の供給により第２燃料電池１５を運転して出力を上昇させる出力上昇機能２４を有している。
【００３５】
出力上昇機能２４により、第２燃料電池１５の停止中に、第２圧縮機１４が運転されて圧縮空気を貯留して負荷の下げ代が確保されている状態から、第２圧縮機１４を停止させ、第２圧縮機１４の出力負荷の負担をなくした状態で第２燃料電池１５を運転し、第２圧縮機１４での動力消費がない状態で、即ち、出力が損なわれず発電効率を向上させた状態で、第２燃料電池１５を運転して低負荷運用電源６の発電出力を上昇させることができる。
【００３６】
つまり、第２圧縮機１４の出力負荷の負担がない状態で、第２燃料電池１５を運転して高負荷時の運転に対応することができ、定常運転までの発電効率を高くすることができる（具体的には後述する図４参照）。この場合、図に点線で示すように、第２燃料電池１５の熱が第１燃料電池１２に伝達される。
【００３７】
図３に基づいて低負荷運用電源を具体的に説明する。
【００３８】
図に示すように、１つの第１燃料電池１２、及び、複数の第２燃料電池１５が容器２５に収容され、第１燃料電池１２の周囲に第２燃料電池１５が配されている。第１燃料電池１２、及び、第２燃料電池１５は、燃料極（アノード）、空気極（カソード）を含む構成とされている。
【００３９】
第１燃料電池１２、及び、第２燃料電池１５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。第１燃料電池１２だけを運転する低負荷時は、１つの第１燃料電池１２から複数の第２燃料電池１５に熱が伝達され（実線矢印で示す）。
【００４０】
第２燃料電池１５を含めて運転する高負荷時は、複数の第２燃料電池１５から１つの第１燃料電池１２に熱が伝達される（点線矢印で示す）。もしくは、第１燃料電池１２、及び、第２燃料電池１５の温度が同じになり、第１燃料電池１２と第２燃料電池１５の間での熱の伝達がなくなる。
【００４１】
容器２５には、第１燃料電池１２の改質器２６ａ、及び、第２燃料電池１５の改質器２６ｂが配置されている。改質器２６ａ、２６ｂは、燃料である天然ガスを改質して水素ガスを生成するものであり、第１燃料電池１２、及び、第２燃料電池１５には、改質器２６から水素ガスが供給される。
【００４２】
容器２５には、第１圧縮機１１からの圧縮空気を予熱する空気予熱器２７ａ、及び、第２圧縮機１４（貯留手段１６）からの圧縮空気を予熱する空気予熱器２７ｂが配されている。空気予熱器２７ａには、第１燃料電池１２の排気ガスを燃焼する後燃焼器２８ａからの燃焼ガスが熱源として送られ、空気予熱器２７ｂには、第２燃料電池１５の排気ガスを燃焼する後燃焼器２８ｂからの燃焼ガスが熱源として送られる。
【００４３】
空気予熱器２７で熱回収された後燃焼器２８からの燃焼ガスは混合器２９に送られ、燃焼ガスは、第１圧縮機１１からの圧縮空気と混合されて膨張タービン１３に送られ、混合器２９からのガスが膨張タービン１３で膨張される。
【００４４】
第１燃料電池１２、及び、第２燃料電池１５には、改質器２６から水素ガス、及び、空気予熱器２７からの圧縮空気が供給されて発電が実施される。発電した電気は集電され、インバータ３１ａ、３１ｂを介して電力系３に供給される。
【００４５】
上記構成の低負荷運用電源６は、最低負荷設定機能２２（図２参照）により、第２圧縮機１４の運転（第２燃料電池１５の運転）を停止することで、低負荷運用電源６が低負荷で運用される。これにより、図４に実線で下げ対応として示したように、出力を低くすることができる。この時、第１燃料電池１２の熱を第２燃料電池１５に伝達しているため、第２燃料電池１５の起動が短時間で可能な状態になっている。
【００４６】
起動が短時間で可能な第２圧縮機１４の運転を止めて第２燃料電池１５を停止する分、最低負荷（出力）を低く設定することができ、図４に示すように、最低負荷点Ａを低い出力として設定することができ、電力系３に並列される待機電源として最低負荷が低い電源とすることができる。
【００４７】
このため、待機状態で運転して発電を実施している場合に、最低負荷が低い出力として設定される分、電力系３に再生可能エネルギー発電の電力を多く投入することができる。つまり、低負荷運用電源６が欠かせない設備として電力系３に接続されていても、再エネ発電設備４（図１参照）の電力をより多く（全て）使用することができ、再エネ発電設備４（図１参照）からの多くの電力を電力系３に供給することが可能になる。
【００４８】
また、下げ代確保機能２３により、第２圧縮機１４を運転し貯留手段１６に圧縮空気を貯留する。これにより、第２圧縮機１４の運転負荷を低負荷運用電源６の負荷（出力）の下げ代として確保することができる。即ち、図４に点線で示すように、出力の下げ代Ｂを確保することができ、マイナス側の出力で運転される低負荷運用電源６とすることができる。
【００４９】
これにより、低負荷運用電源６が並列された電力系３に対し、出力の下げ代Ｂとして確保した分、再エネ発電設備４（図１参照）の電力を更に多く投入することができる。
【００５０】
また、出力上昇機能２４により、出力の上げ対応が行われる。上げ対応は、再エネ発電設備４（図１参照）の出力が低下した場合等に実施され、電力系３の要求負荷に対する電力供給が維持される。
【００５１】
即ち、第２燃料電池１５の停止中で、第２圧縮機１４が運転されて圧縮空気を貯留して負荷の下げ代が確保されている状態（出力の下げ代Ｂが確保されてる状態）から、第２圧縮機１４を停止させ、第２圧縮機１４の出力負荷の負担をなくした状態で第２燃料電池１５を運転する。
【００５２】
これにより、第２圧縮機１４での動力消費がない状態で（出力が損なわれず発電効率を向上させた状態で）、第２燃料電池１５を運転して低負荷運用電源６の発電出力を上昇させる。つまり、第２圧縮機１４の出力負荷の負担がない状態で、第２燃料電池１５を運転して定常運転点まで発電出力を上昇させ、更に、高負荷時の運転に対応することができ（出力上げ対応）、図４に一点鎖線で示すように、出力上げ対応に至るまでの発電効率を高くすることができる。
【００５３】
上述した低負荷運用電源６では、待機状態で運転して発電を実施している負荷調整用の電源において、最低負荷を低くして低負荷運用を行う電源とすることが可能になる。従って、最低負荷を低くした分、電力系３に再エネ発電設備４の電力を多く投入することが可能になり、再生可能エネルギーを有効に利用した電力を大幅に投入することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、低負荷運用を行う電源（負荷調整用の電源）の産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【００５５】
２  火力発電設備
３  電力系
４  再生可能エネルギー発電設備（再エネ発電設備）
６  低負荷運用電源
１１  第１圧縮機
１２  第１燃料電池
１３  膨張タービン
１４  第２圧縮機
１５  第２燃料電池
１６  貯留手段
２１  低負荷運転制御手段
２２  最低負荷設定機能
２３  下げ代確保機能
２４  出力上昇機能
２５  容器
２６  改質器
２７  空気予熱器
２８  後燃焼器
２９  混合器
３１  インバータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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