(57)【要約】【課題】燃料電池の発電室の昇温制御における熱損失、時間損失を抑制すること。【解決手段】ＳＯＦＣ２０から排出された燃料を燃焼させる燃焼器１４と、燃焼器１４から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービン１６と、空気を圧縮する圧縮機１５と、圧縮機１５で圧縮された空気が加熱されるエアヒータ１２と、エアヒータ１２において加熱された空気をＳＯＦＣ２０に流通させる経路上から燃焼器１４に空気をバイパスさせる第１バイパス経路１７と、第１バイパス経路１７に流通させる空気の流量を調整する制御弁１１とを有するＭＧＴ１０を具備し、ＳＯＦＣ２０の発電室５０の温度が第１所定温度以上となった場合に、ＳＯＦＣ２０に燃料を供給して炉内燃焼させつつ、発電室５０の温度に応じて、制御弁１１の弁開度を調整し、かつ、ＭＧＴ１０の出力を調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と内燃機関とを組み合わせて発電する複合発電システムの制御装置であって、
前記内燃機関は、前記燃料電池から排出された燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービンと、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記空気が加熱される熱交換手段と、
前記熱交換手段において加熱された前記空気を前記燃料電池に流通させる経路上から前記燃焼器に前記空気をバイパスさせる第１バイパス経路と、
前記第１バイパス経路に流通させる前記空気の流量を調整する制御弁とを具備し、
前記燃料電池の発電室の温度が第１所定温度以上となった場合に、前記燃料電池に燃料を供給して炉内燃焼させつつ、前記発電室の温度に応じて、前記制御弁の弁開度を調整し、かつ、前記内燃機関の出力を調整する複合発電システムの制御装置。
【請求項２】
前記燃料電池に供給される前記燃料の供給量は、前記発電室の所定の昇温レートに従うように調整される請求項１に記載の複合発電システムの制御装置。
【請求項３】
前記燃料電池の発電室の温度が第１所定温度以上となり、前記発電室内の温度分布が許容値を超えた場合に、前記燃料電池に供給する前記燃料の供給量を低減する、或いは、前記燃料の供給を停止する請求項１または請求項２に記載の複合発電システムの制御装置。
【請求項４】
前記圧縮機で圧縮された前記空気を前記熱交換手段を介さず前記熱交換手段の出口にバイパスさせて排出させる第２バイパス経路と、
前記第２バイパス経路に流通させる前記空気の流量を調整するバイパス弁と
を具備する請求項１から請求項３のいずれかに記載の複合発電システムの制御装置。
【請求項５】
前記燃料電池の発電室の温度が前記第１所定温度より小さい場合には、前記発電室を構成するメタル部材の温度差が、前記発電室内の温度分布の許容温度差以下となるように、前記内燃機関から前記燃料電池に供給する前記空気の流量及び温度を制御する請求項１から請求項４のいずれかに記載の複合発電システムの制御装置。
【請求項６】
前記発電室を構成する前記メタル部材の温度差が、前記発電室内の温度分布の前記許容温度差より大きくなった場合には、前記制御弁の弁開度の制御、及び前記内燃機関の出力の制御のうち少なくともいずれか一方の制御を一時停止し、前記発電室を構成する前記メタル部材の温度差が、前記発電室内の温度分布の許容温度差以下となった場合に、前記制御弁の弁開度の制御、及び前記内燃機関の出力の制御を再開する請求項５に記載の複合発電システムの制御装置。
【請求項７】
前記発電室の温度が前記第１所定温度となるまで、前記発電室の所定の昇温レートに従うように、供給する前記空気の流量を増加させる請求項１から請求項６のいずれかに記載の複合発電システムの制御装置。
【請求項８】
前記発電室は、上下方向に複数の領域に分けられ、上から順に上部、中央部、下部と区分けされ、前記下部から前記空気が供給される場合に、
前記下部の領域の温度が、前記上部及び前記中央部の温度に対して低くなるように、前記燃料電池に供給する前記燃料の供給量、前記空気の供給量、及び前記空気の温度のうち、少なくとも一つを調整する請求項１から請求項７のいずれかに記載の複合発電システムの制御装置。
【請求項９】
燃料電池と、請求項１から請求項８のいずれかに記載の制御装置と、前記内燃機関とを具備する複合発電システム。
【請求項１０】
燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料を燃焼させる燃焼器、前記燃焼器から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービン、空気を圧縮する圧縮機、及び前記圧縮機で圧縮された前記空気が加熱される熱交換手段を具備する内燃機関とを組み合わせて発電する複合発電システムの制御方法であって、
前記燃料電池の発電室の温度が第１所定温度以上となった場合に、前記燃料電池に燃料を供給して炉内燃焼させつつ、前記発電室の温度に応じて、前記熱交換手段において加熱された前記空気を前記燃料電池に流通させる経路上から前記燃焼器に前記空気をバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記空気の流量を調整する制御弁を調整し、かつ、前記内燃機関の出力を調整する複合発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合発電システムの制御装置及びそれを備えた複合発電システム並びに複合発電システムの制御方法に関するものである。
【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、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、例えば、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、高効率な高温型燃料電池として知られている。
【０００４】
このＳＯＦＣは、燃料極、電解質、空気極からなる発電素子がインタコネクターを介して電気的に接続されたセルスタックを形成し、複数のセルスタックが少なくとも周囲の一部を仕切られた空間である発電室に設置されている。また、このＳＯＦＣは、イオン電導率を高めるために作動温度が高くされているので、ガスタービンの圧縮機から吐出され、ガスタービンの排ガス熱を利用して高温とされた吐出空気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用できる。また、ＳＯＦＣで利用できなかった高温の排燃料ガスをガスタービンの燃焼器の燃料として使用できる等、ガスタービンとの相性がよい。
【０００５】
こうしたＳＯＦＣの起動時にはセルスタックを定格発電温度まで昇温させるために、供給空気による発電室の昇温（以下「第１温度制御」という）と、発電室に燃料を供給して発電室内で燃焼（炉内燃焼）させることによる昇温（以下「第２温度制御」という）とが行われており、ＳＯＦＣを短時間で昇温させるための技術が提案されている。
【０００６】
下記特許文献１では、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において、ガスタービンのコンプレッサからのホットエアで燃料電池の発電室を昇温させて燃料電池の温度が所定の温度に到達させる起動方法が開示されている。
また、下記特許文献２では、昇温時において、ガスタービンの圧縮機から熱交換器を介して燃料電池に送られる際に、高温熱交換器と低温熱交換器に流れる空気の流量を調整することで、燃料電池に送られる空気の温度を調整する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１８７７５６号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０／０８９８８３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、複合発電システムにおいて、内燃機関から供給される圧縮空気による昇温の後に、燃料電池の発電室内での燃焼を利用する昇温に切り替えて発電室の昇温を行う場合に、内燃機関からの供給空気流量が多く、または、内燃機関からの供給空気温度が発電室内の温度より低いと燃料電池の炉内燃焼場を冷却することから昇温が遅くなる。一方で、発電室内に供給する供給空気温度が発電室内の温度より高すぎると燃料電池の空気の入り口である発電室下部での燃焼が多くなり、局所的に温度が上がり過ぎてしまうという問題がある。このことから、燃料電池の昇温制御において、内燃機関と燃料電池の状態に応じて、昇温制御の切り替えのタイミングを適正化し、熱損失及び時間損失を抑えることが課題であった。
【０００９】
しかしながら上記特許文献１では、燃料電池の昇温に用いるホットエアの流量を調整すること、燃料電池に燃焼用燃料を供給して昇温することが開示されていない。また、上記特許文献２においても、ガスタービンの排ガスを用いて、圧縮機で加圧した空気を昇温するシステムにおいて、高温側熱交換器と低温側熱交換器を介して燃料電池に空気を供給する際に、ガスタービン燃焼器と燃料電池に供給される空気流量を制御することで昇温を適正化することが記載されているが、炉内燃焼を利用した昇温制御タイミングについては開示されていない。
【００１０】
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、燃料電池の発電室の昇温制御における熱損失、時間損失を抑制できる複合発電システムの制御装置及びそれを備えた複合発電システム並びに複合発電システムの制御方法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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、燃料電池と内燃機関とを組み合わせて発電する複合発電システムの制御装置であって、前記内燃機関は、前記燃料電池から排出された燃料を燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービンと、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記空気が加熱される熱交換手段と、前記熱交換手段において加熱された前記空気を前記燃料電池に流通させる経路上から前記燃焼器に前記空気をバイパスさせる第１バイパス経路と、前記第１バイパス経路に流通させる前記空気の流量を調整する制御弁とを具備し、前記燃料電池の発電室の温度が第１所定温度以上となった場合に、前記燃料電池に燃料を供給して炉内燃焼させつつ、前記発電室の温度に応じて、前記制御弁の弁開度を調整し、かつ、前記内燃機関の出力を調整する複合発電システムの制御装置を提供する。
【００１２】
本発明によれば、ガスタービンの圧縮機で圧縮された空気は、熱交換手段によって加熱されて熱交換手段の出口から排出され、燃料電池に供給させる空気と、燃料電池に供給する経路上から燃焼器にバイパスさせる第１バイパス経路を流通する空気とに分けられるので、制御弁が開方向に調整された場合には、燃料電池に供給される空気流量が調整前より少なくされる。また、内燃機関の出力が低下させる方向に制御された場合には、燃料電池に供給する空気の温度が、内燃機関の出力を低下させない場合より低くされる。これらのことから、燃料電池の発電室の温度が第１所定温度以上となった場合に、燃料電池に燃料が供給されて炉内燃焼がされつつ、発電室の温度見合いで燃料電池に供給される空気の温度が低く調整されるので、第２昇温制御において、燃料電池の炉内燃焼場の冷却、または、発電室の局所的な温度上昇を防止することができる。
【００１３】
燃料電池と内燃機関とによる複合発電システムにおいて、燃料電池の起動時には、第１昇温制御と、第２昇温制御の２段階の昇温制御が行われるが、本発明によれば、第２昇温制御において、燃料電池の発電室の温度に応じて燃料電池に供給する空気の流量が調整されるので、供給空気流量が多いことにより炉内燃焼の燃焼場を冷却して昇温を妨げることを防ぎ、また、燃料電池の発電室の温度に応じて燃料電池に供給する空気の温度が調整されるので、第２昇温制御において供給空気の温度が高いことにより発電室に空気を供給する部分（空気の入口近傍）での燃焼が多くなり局所的に温度が上がり過ぎることを防ぐことができる。また、これにより、第１昇温制御によって昇温された発電室が、降温されることを抑制できるので、発電室昇温時の第１昇温制御から第２昇温制御の切り替えを効率的に行え、熱損失及び時間損失を最小限に抑えることができ、それに応じて燃料電池の起動に係る時間を短縮することができる。
【００１４】
上記複合発電システムの制御装置において、前記燃料電池に供給される前記燃料の供給量は、前記発電室の所定の昇温レートに従うように調整されることが好ましい。
これにより、発電室における温度分布を最適化することができる。
【００１５】
上記複合発電システムの制御装置において、前記燃料電池の発電室の温度が第１所定温度以上となり、前記発電室内の温度分布が許容値を超えた場合に、前記燃料電池に供給する前記燃料の供給量を低減する、或いは、前記燃料の供給を停止することが好ましい。
【００１６】
燃料電池に供給する燃料の供給量を低減、或いは燃料の供給を停止することにより、発電室内の温度分布が許容値以上に大きくなることを抑制できる。なお、発電室内の温度分布とは、例えば、発電室を上下方向に３つの領域に分けた場合の上部、中央部、下部のそれぞれの領域で検出される温度の分布状態を示す。
【００１７】
上記複合発電システムの制御装置は、前記圧縮機で圧縮された前記空気を前記熱交換手段を介さず前記熱交換手段の出口にバイパスさせて排出させる第２バイパス経路と、前記第２バイパス経路に流通させる前記空気の流量を調整するバイパス弁とを具備することとしてもよい。
【００１８】
圧縮機で圧縮された空気は、熱交換手段において加熱される空気と、第２バイパス経路を流通して熱交換手段を介さず熱交換手段の出口にバイパスさせて排出される空気（即ち熱交換手段で加熱されない空気）とに分けられるので、バイパス弁を調整することによって、燃料電池に供給される空気の温度が調整できる。
【００１９】
上記複合発電システムの制御装置は、前記燃料電池の発電室の温度が前記第１所定温度より小さい場合には、前記発電室を構成するメタル部材の温度差が、前記発電室内の温度分布の許容温度差以下となるように、前記内燃機関から前記燃料電池に供給する前記空気の流量及び温度を制御することが好ましい。
【００２０】
発電室を構成するメタル部材の温度差が、発電室内の温度分布の許容温度差以下となるように制御されることにより、発電室を構成する部材の応力変形が防止できる。
【００２１】
上記複合発電システムの制御装置は、前記発電室を構成する前記メタル部材の温度差が、前記発電室内の温度分布の前記許容温度差より大きくなった場合には、前記制御弁の弁開度の制御、及び前記内燃機関の出力の制御のうち少なくともいずれか一方の制御を一時停止し、前記発電室を構成する前記メタル部材の温度差が、前記発電室内の温度分布の許容温度差以下となった場合に、前記制御弁の弁開度の制御、及び前記内燃機関の出力の制御を再開することが好ましい。
【００２２】
発電室内の温度分布が、許容温度差より大きくなった場合には供給空気の流量或いは温度の変化をさせないようにすることで、発電室の温度分布の広がりを抑制することができる。
【００２３】
上記複合発電システムの制御装置は、前記発電室の温度が前記第１所定温度となるまで、前記発電室の所定の昇温レートに従うように、供給する前記空気の流量を増加させることとしてもよい。
これにより、発電室における温度分布を最適化することができる。
【００２４】
上記複合発電システムの制御装置の前記発電室は、上下方向に複数の領域に分けられ、上から順に上部、中央部、下部と区分けされ、前記下部から前記空気が供給される場合に、前記下部の領域の温度が、前記上部及び前記中央部の温度に対して低くなるように、前記燃料電池に供給する前記燃料の供給量、前記空気の供給量、及び前記空気の温度のうち、少なくとも一つを調整することとしてもよい。
【００２５】
発電室の下部から空気が供給される場合に、下部の領域の温度が高いと下部において多く燃焼が進み、中央部や上部で燃焼が進まないことになるが、下部の領域の温度が低くなるように燃料供給量或いは空気供給量を少なくすることにより、下部で先に燃焼されることを防ぐことができる。
【００２６】
本発明は、燃料電池と、上記いずれかの制御装置と、前記内燃機関とを具備する複合発電システムを提供する。
【００２７】
本発明は、燃料電池と、前記燃料電池から排出された燃料を燃焼させる燃焼器、前記燃焼器から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービン、空気を圧縮する圧縮機、及び前記圧縮機で圧縮された前記空気が加熱される熱交換手段を具備する内燃機関とを組み合わせて発電する複合発電システムの制御方法であって、前記燃料電池の発電室の温度が第１所定温度以上となった場合に、前記燃料電池に燃料を供給して炉内燃焼させつつ、前記発電室の温度に応じて、前記熱交換手段において加熱された前記空気を前記燃料電池に流通させる経路上から前記燃焼器に前記空気をバイパスさせる第１バイパス経路に流通させる前記空気の流量を調整する制御弁を調整し、かつ、前記内燃機関の出力を調整する複合発電システムの制御方法を提供する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、燃料電池の昇温制御における熱損失、時間損失を抑制できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る複合発電システムの全体構成を示した図である。
【図２】本発明に係る燃料電池に設けられる発電室の概略図である。
【図３】（ａ）発電室の昇温制御を説明するための図である。（ｂ）（ａ）に基づく制御が行われた場合の発電室温度の変化の一例を示した図である。
【図４】本発明に係る複合発電システムの動作フローである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に、本発明に係る複合発電システムの制御装置及びそれを備えた複合発電システム並びに複合発電システムの制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３１】
図１に示される複合発電システム（燃料電池及び内燃機関による複合発電システム）１は、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣ２０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）１０と制御装置３０とを備えており、ＳＯＦＣ２０とＭＧＴ１０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。
【００３２】
すなわち、都市ガス（天然ガス）等を改質した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ＳＯＦＣ２０に加えて、ＳＯＦＣ２０から発電後に排出される高温の排燃料や排出空気を燃焼器に導入して燃焼ガスによってＭＧＴ１０を運転し、ＭＧＴ１０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、ＭＧＴ１０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、発生した蒸気によって蒸気タービンを駆動すること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。
【００３３】
以下では、上述したＳＯＦＣ２０を採用した複合発電システム１について説明する。このＳＯＦＣ２０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。
【００３４】
ＭＧＴ１０は、ＳＯＦＣ２０から排出された燃料を燃焼させる燃焼器１４と、空気を圧縮する圧縮機１５と、燃焼器１４から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービン１６と、第１バイパス経路１７上に設けられる制御弁１１と、第２バイパス経路上１８に設けられるバイパス弁１３と、ガスタービン１６からの排燃焼ガスと圧縮空気とを熱交換させるエアヒータ（熱交換手段）１２とを備えている。また、第１バイパス経路１７は、圧縮機１５からＳＯＦＣ２０に供給される空気を酸化性ガス供給ライン４２から燃焼器１４にバイパスさせる。第２バイパス経路１８は、圧縮機１５から排出される空気がエアヒータ１２を介さず迂回させる経路である。なお、本実施形態では、第１バイパス経路１７をＭＧＴ１０のパッケージ内に設置するようにしているが、これに限定されず、ＭＧＴ１０のパッケージの外側に設けられても良い。
【００３５】
制御弁１１は、第１バイパス経路１７に設けられ、第１バイパス経路１７に流通させる空気の流量を調整する。具体的には、制御弁１１は、制御装置３０から取得する指令に基づいて制御され、弁開度が開方向に制御されると第１バイパス経路１７を流通する空気流量が増やされ、弁開度が閉方向に制御されると第１バイパス経路１７を流通する空気流量が減らされる。
【００３６】
バイパス弁１３は、第２バイパス経路１８に設けられ、第２バイパス経路１８に流通させる空気の流量を調整する。具体的には、バイパス弁１３は、制御装置３０から取得する指令に基づいて制御され、弁開度が開方向に制御されると第２バイパス経路１８を流通する空気流量が増やされ、弁開度が閉方向に制御されると第２バイパス経路１８を流通する空気流量が減らされる。
【００３７】
ガスタービン１６は、燃焼器１４からの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１５及び図示しない発電機が駆動される。ガスタービン１６で仕事をした燃焼排ガスは、エアヒータ１２で圧縮空気と熱交換させた後、大気へと放出される。
圧縮機１５は、導入した空気（大気）を圧縮するもので、この場合の駆動源はガスタービン１６となる。圧縮機１５で圧縮された圧縮空気は、燃焼用空気として燃焼器１４や、酸化性ガスとしてエアヒータ１２、酸化性ガス供給ライン４２を介してＳＯＦＣ等へ供給される。
【００３８】
燃焼器１４は、圧縮空気の供給を受けて燃料を燃焼させ、高温高圧の燃焼排ガスを生成してガスタービン１６へ供給する。この燃焼器１４には、ＳＯＦＣ２０からの排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ライン２７と、ＳＯＦＣ２０を介さずに未使用の都市ガス（燃料ガス）を直接供給する燃料ガス供給ライン４０と、ＳＯＦＣ２０に供給され発電に利用された排酸化性ガスをＭＧＴ１０に供給する酸化性ガス排出流路４３と、酸化性ガス供給ライン４２から分岐し、圧縮空気を供給する第１バイパス経路１７とが接続されている。
【００３９】
複合発電システム１は、ＳＯＦＣ２０及びＭＧＴ１０を組み合わせて発電を行うシステムであり、ＳＯＦＣ２０の燃料極へ燃料を供給する燃料供給ライン４１及び空気極へ酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ライン４２を備えている。燃料供給ライン４１は、燃料供給弁（図示略）を備えた都市ガス（燃料）供給ライン２６を備えている。また、図１には、燃料供給ライン４１として、燃料供給ライン２６のみを記載しているが、燃料供給ライン４１からＳＯＦＣ２０に供給されるのは都市ガスに限られず、図示しないラインから供給される窒素や蒸気（水）等も含まれる。
【００４０】
複合発電システム１は、その起動時にまずＭＧＴを起動させ、ＭＧＴの出力がある一定の負荷で安定してから、圧縮機１５から供給される空気（圧縮空気）の一部をＳＯＦＣ２０に供給することで、ＳＯＦＣ２０を加圧していく。ＳＯＦＣ２０が所定圧力まで加圧されたら、ＳＯＦＣ２０とＭＧＴ１０を連結させ、ＳＯＦＣ２０を経由してＭＧＴ１０の燃焼器１４に空気を供給するコンバインド状態に移行する。コンバインド状態において、燃料ガスも同様にＳＯＦＣ２０を経由して燃焼器１４に供給するようにしても良い。
【００４１】
コンバインド状態への移行後に、ＳＯＦＣ２０を昇温するためにＳＯＦＣ２０に供給される空気流量を増加させ、ＳＯＦＣ２０をバイパスして燃焼器１４に供給される空気流量を減少させる。そしてある一定時間後に空気の全量がＳＯＦＣ２０を経由して燃焼器１４に供給されるように制御する。
ＳＯＦＣ２０の発電室５０の温度がある第１所定温度に到達したら、発電室５０の内部で可燃性ガスの燃焼による発熱を利用した昇温を開始し、発電室５０の内部温度を発電開始温度領域である第２所定温度まで昇温する。ＳＯＦＣ２０が発電開始温度である第２所定温度に到達したら、発電を開始して、発電による自己発熱を利用した発熱、炉内燃焼による加熱を利用することで、定格発電温度にまで昇温させる。
このように、ＳＯＦＣ２０は、空気による昇温、炉内燃焼による昇温、発電による自己発熱による昇温の過程を経て、目的の温度まで到達させて起動が完了する。
【００４２】
図示の酸化性ガス供給ライン４２は、ＭＧＴ１０の圧縮機１５で圧縮され、エアヒータ１２で熱交換した空気をＳＯＦＣ２０の空気極へ供給する流路である。酸化性ガス供給ライン４２には炉内燃焼の為に酸化性ガス供給ライン４２から燃料を発電室内に供給する炉内燃焼用燃料ガス供給ライン４４が設けられている。炉内燃焼用の燃料ガスは炉内燃焼用燃料ガス供給ライン４４と酸化性ガス供給ライン４２の合流点で空気と合流して、ＳＯＦＣ２０の発電室５０に供給され、発電室５０において昇温の為に燃焼する。
また、酸化性ガス排出流路４３は、ＳＯＦＣ２０に供給され発電に利用された空気をＭＧＴ１０に供給する流路である。
【００４３】
制御装置３０は、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。
【００４４】
ＳＯＦＣ２０とＭＧＴ１０による複合発電システム１において、ＳＯＦＣ２０の起動時には、発電室を昇温させるために第１昇温制御（ＭＧＴ１０の圧縮機１５からの供給空気による昇温）と、第２昇温制御（発電室に酸化性ガス供給ライン４２から燃料を供給して発電室で炉内燃焼させることによる昇温）の２段階の昇温制御が行われるが、本実施形態においては、以下のような制御によって熱損失、時間損失を最小限に抑えるように、第１昇温制御から第２昇温制御に効率的に切り替える。
【００４５】
まず、ＳＯＦＣ２０の発電室の温度が第１所定温度より小さい場合における第１昇温制御について説明する。
制御装置３０は、ＳＯＦＣ２０の発電室の温度が第１所定温度より小さい場合には、メタル部材の応力変形を防止する昇温制御を実施する。例えば、制御装置３０は、ＭＧＴ１０から、約３００〜５００℃の温度範囲に調整した空気を少流量でＳＯＦＣ２０に供給させるように制御する。具体的には、制御装置３０は、ＭＧＴ１０を低出力の一定負荷で運転させることで、昇温レートに従って、約４５０〜５００℃の空気を供給し、ＳＯＦＣ２０を昇温させる。
【００４６】
なお、ＳＯＦＣ２０に供給する空気を約３００〜５００℃の温度範囲に調整するには、ＭＧＴ１０の出力を調整するだけでなく、エアヒータ１２を迂回させるために第２バイパス経路１８へ流通させる空気流量を多く（つまり、バイパス弁１３の弁開度を開方向に制御）することで調整してもよい。
【００４７】
ここで、発電室内の温度分布とは、図２に示されるような発電室５０がある場合に、発電室５０は上下方向に複数の領域に分けられ（本実施形態においては、３つの領域）、上から順に上部Ｔ１、中央部Ｔ２、下部Ｔ３とする場合の、上部Ｔ１、中央部Ｔ２、下部Ｔ３のそれぞれで検出される温度の分布状態を示す。
制御部３０は、図２に示されるような発電室５０において、下部から空気が供給される場合に、下部Ｔ３の領域の温度が、上部Ｔ１及び中央部Ｔ２の温度に対して低くなるように、ＳＯＦＣ２０に供給する空気の供給量または温度のうち、少なくともどちらか一方を制御することで温度分布を少なくすることが好ましい。
【００４８】
制御装置３０は、発電室５０を構成するメタル部材の温度差が、発電室５０内の温度分布の許容温度差より大きくならないように、すなわち、「メタル部材の温度差≦発電室の温度分布の温度差」で示される管理範囲に収まるように、制御弁１３の弁開度を制御し、第２バイパス経路１８を経由してエアヒータ１２を迂回する空気を増量する。これにより、エアヒータ１２を経由する空気の流量が減少することから、酸化性ガス供給ライン４２からＳＯＦＣ２０に供給される空気温度が低くなる。例えば、ＭＧＴ１０を一定負荷で運転し、４００〜５００℃の空気をＳＯＦＣ２０に供給する場合、発電室５０の温度分布の温度差が管理範囲を超えることを制御装置３０が検出すると、制御装置３０は制御弁１３の開度を制御して、酸化性ガス供給ライン４２における空気温度を検出前の空気温度より低くして、発電室５０の昇温が進まずに発電室５０の温度が保持されるように制御する。
【００４９】
また、制御装置３０は、酸化性ガス供給ライン４２から供給される空気温度を低下させることで、発電室５０内の温度分布が小さくなるように制御する。
すなわち、温度分布が大きくなり管理範囲を超えることを検出すると、ＳＯＦＣ２０の昇温制御を停止して、温度分布を小さくする制御として、供給空気の温度を低下させる制御を実行する。
発電室５０の温度分布が許容温度差以下となった場合には、制御弁１３の弁開度を制御し、エアヒータ１２を経由する空気流量を増加させて、より高い温度の空気供給を再開して、昇温を継続するように制御する。
【００５０】
制御装置３０は、ＭＧＴ１０から比較的低い温度の圧縮空気を所定期間少流量でＳＯＦＣ２０に供給させた後、発電室５０の温度が第１所定温度となるまで、発電室５０の所定の昇温レートに従うように、ＭＧＴ１０から供給する圧縮空気の流量を増加させ、流量を調整する。
【００５１】
制御装置３０は、こうして設定された空気流量及び空気温度を維持してＳＯＦＣ２０に空気を供給して、発電室５０の温度が第１所定温度以上と検出した場合に、第１昇温制御から第２昇温制御への切り替えを実施する。
【００５２】
次に、ＳＯＦＣ２０の発電室の温度が第１所定温度より高い場合における第２昇温制御
について説明する。
発電室５０の温度が第１所定温度よりも大きくなった場合、炉内燃焼による昇温制御を開始する。この場合に、下部Ｔ３の領域の温度が高いと、下部Ｔ３において炉内燃焼用燃料ガスの燃焼が進むことになるので、下部Ｔ３の領域で燃焼が進まないように炉内燃焼用燃料ガス供給量を昇温レートに合わせるように調整し、空気供給量を少なくする制御と、空気温度を低くする制御を併用することで、下部Ｔ３の領域における燃焼量を低下させることができる。よって、発電室５０に空気を供給する部分近傍である下部Ｔ３の領域での燃焼が多くなり、局所的に発電室５０の温度が上がり過ぎることを防ぐことができる。
【００５３】
つまり、発電室５０の温度は昇温レートに従って昇温させ、昇温レートから温度が高い方（加熱しすぎ側）に外れる場合には、制御弁１１の弁開度を開方向に制御してＳＯＦＣ２０に供給する空気流量を減少させ、かつ、ＭＧＴ１０の出力を低減する方向に制御して空気温度を調整し、燃焼状態及び発電室５０の温度分布を最適化するのが好ましい。
なお、ＳＯＦＣ２０に供給する炉内燃焼用燃料ガスも昇温レートに合致させるようにその供給量を制御することが好ましい。また、発電室５０の温度分布が所定値より大きくなった場合には、炉内燃焼用燃料の供給量を絞るか、或いは、停止することが好ましい。
【００５４】
制御装置３０は、ＳＯＦＣ２０の発電室５０の温度が第１所定温度以上となり、発電室５０内の温度分布が許容値を超えた場合に、ＳＯＦＣ２０に供給する炉内燃焼用燃料ガスの供給量を低減する、或いは、ＳＯＦＣ２０への炉内燃焼用燃料ガスの供給を停止して、温度分布の広がりを抑えるようにしても良い。
【００５５】
さらに、第２昇温制御では、発電開始直前となる発電室５０の温度が約８００℃の第２所定温度に到達した時点において、発電室５０の中央部Ｔ２と下部Ｔ３との温度差が、５０℃〜１００℃（つまり、下部Ｔ３の温度は、中央部Ｔ２より５０℃〜１００℃低い状態）の管理範囲となるように制御されていることが好ましい。
【００５６】
制御装置３０は、発電室５０を構成するメタル部材の温度差が、発電室５０内の温度分布の許容温度差より大きくなった場合には、炉内燃焼の燃焼量を低くするように調整するため、制御弁４５の弁開度を制御し、発電室５０を構成するメタル部材の温度差が、発電室５０内の温度分布の許容温度差以下となった場合に、制御弁４５の弁開度の制御を再開する。
【００５７】
制御装置３０は、ＳＯＦＣ２０とＭＧＴ１０のコンバインド運転を完了させてから、発電室温度に対して比較的低い温度の圧縮空気をＳＯＦＣ２０に供給しているので、発電室５０の温度分布の許容温度差を管理範囲内に維持しながら、発電室５０の昇温が所定の昇温レートに従うように、ＭＧＴ１０から供給する圧縮空気の流量と温度を調整することもできる。
【００５８】
制御装置３０は、炉内燃焼用燃料ガスの供給量による制御と圧縮空気の流量と温度を調整することによる制御を単独あるいは併用することで発電室５０の温度分布を調整することもできる。
【００５９】
以下に本実施形態に係る複合発電システム１の制御装置３０の作用を図１から図４を用いて説明する。なお、図３（ａ）（ｂ）はそれぞれ横軸に経過時間を示しているが、図３（ａ）と図３（ｂ）の同じ時刻番号（ｔ０〜ｔ６）は、同時刻を示している。また、図３（ａ）のｘラインはＭＧＴ１０からＳＯＦＣ２０に供給する空気流量を示しており、ｙラインは、ＭＧＴ１０の出力を示しており、ｚラインは、ＳＯＦＣ２０の炉内燃焼用にＳＯＦＣ２０へ投入される燃料流量を示している。また、図３（ｂ）のグラフに記載されたＴ１，Ｔ２，Ｔ３は、それぞれ発電室５０の上部Ｔ１、中央部Ｔ２、下部Ｔ３のそれぞれの領域における発電室温度（℃）を示している。
【００６０】
複合発電システム１のＳＯＦＣ２０とＭＧＴ１０との連携運転（コンバインド運転）において、燃料である都市ガスはＳＯＦＣ２０に投入され、燃料の化学エネルギーがＳＯＦＣ２０で直接電力に変換される。その後、ＳＯＦＣ２０からの排燃料ガスはＭＧＴ１０の燃焼器１４に供給される。一方、圧縮機１５に導入された空気は昇圧された後にＳＯＦＣ２０に供給され、酸化剤（酸化性ガス）として一部が使用された後、高温排熱とともに再びＭＧＴ１０に送られ、空気の持つ顕熱や圧力もエネルギーとして下流のＭＧＴ１０側で電力に変換されることにより、システム全体では高い発電効率を得ることが可能となる。
【００６１】
図３の時刻ｔ０において、制御弁１１の弁開度を開方向に制御し、ＭＧＴ１０を低出力で運転開始させ、バイパス弁１３の弁開度を開方向に制御する（図４のステップＳＡ１）。そうすると、初期は加圧空気により加圧が実行され、その後にＳＯＦＣ２０の発電室５０の温度が緩やかに上昇を始める。このとき、ＭＧＴ１０からＳＯＦＣ２０に供給する空気温度はＭＧＴ１０の出力が大きい場合より低くなっている。また、バイパス弁１３の弁開度が開方向に制御されているので、ＭＧＴ１０のエアヒータ１２を介さずに第２バイパス経路１８を流通させる圧縮空気の流量が増え、エアヒータ１２から吐出させる空気の温度が比較的低くなるように制御されている。また、制御弁１１の弁開度を開方向に制御すると、第１バイパス経路１７に流通する空気流量が増やされ、ＳＯＦＣ２０に供給させる空気流量が比較的少なくなる。
【００６２】
所定期間経過後の図３の時刻ｔ１において、発電室５０の温度に応じて、制御弁１１の弁開度を閉方向に制御し、ＳＯＦＣ２０を通過する排酸化性ガスをＭＧＴ１０に供給する酸化性ガス排出流路４３から燃焼器１４への排空気の供給を制御して、第１バイパス経路１７に流通させる空気流量を減らし、ＭＧＴ１０からＳＯＦＣ２０に供給させる空気流量を増やすことでコンバインド運転に移行する（図４のステップＳＡ２）。ＭＧＴ１０からＳＯＦＣ２０に供給させる空気流量を増やすと、図３（ｂ）に示されるように空気流量の増加に伴って発電室５０の温度が上昇する。図３の時刻ｔ２において、ＳＯＦＣ２０への供給空気流量を一定にさせた後、バイパス弁１３を閉状態にする（図４のステップＳＡ３）。そうすると、エアヒータ１２を介して排出される圧縮空気が増えるので、空気温度が上昇する。
【００６３】
その後時刻ｔ３において、発電室５０の温度に応じて、ＭＧＴ１０の出力を増加させる（図４のステップＳＡ４）。そうするとＭＧＴ１０からＳＯＦＣ２０に供給される空気温度が上昇し、発電室５０の温度がさらに上昇する。時刻ｔ４において、ＭＧＴ１０の出力が一定となり、その後第１昇温制御が継続され、発電室５０の温度は上昇を続ける。
【００６４】
発電室５０の温度が第１所定温度（例えば、４５０℃）に到達したか否かが判定されており（図４のステップＳＡ５）、時刻ｔ５において、第１所定温度に到達したことが検出された場合には、第１昇温制御から第２昇温制御への切り替えが開始される。
発電室５０の温度が第１所定温度に到達したことを検出すると、ＳＯＦＣ２０の炉内燃焼用の燃料を増加させ、炉内燃焼を開始させる（図４のステップＳＡ６）。これとともに、バイパス弁１３の弁開度を開方向に調整し、かつ、ＭＧＴ１０の出力を低減するように調整する（図４のステップＳＡ７）。さらに、制御弁１１の弁開度を開方向に調整して、ＭＧＴ１０からＳＯＦＣ２０に供給する空気流量を減少させる（図４のステップＳＡ８）。
【００６５】
ＳＯＦＣ２０は炉内燃焼が開始されているので、発電室５０の温度上昇は継続されるが、第１昇温制御していたときに供給していたＭＧＴ１０からの供給空気よりも低い温度の空気が供給されているので発電室５０内の空気を供給する部分（空気の入口近傍）である下部Ｔ３における温度の上昇は上部Ｔ１及び中央部Ｔ２と比較して上昇レートが緩やかとなる。ＭＧＴ１０の出力の低減、及び、ＭＧＴ１０からＳＯＦＣ２０に供給する空気流量の低減が継続されることにより、空気が供給される発電室５０の下部Ｔ３と、上部Ｔ１及び中央部Ｔ２との温度差は徐々に大きくなる。
時刻ｔ６において、ＭＧＴ１０から供給される空気の温度（ＭＧＴ１０の出口近傍における空気の温度）が所望の値（例えば、４２０℃以下）であることが検出されると、発電室５０の下部Ｔ３の局所的に炉内燃焼の異常上昇が防止できる温度と判定され、そのときの供給空気流量、ＭＧＴ１０の出力、及びＳＯＦＣ２０の炉内燃焼用の燃料流量の値が保持される。
【００６６】
発電開始直前である第２所定温度において、中央部Ｔ２と下部Ｔ３との温度差が、５０℃〜１００℃（つまり、下部Ｔ３の温度は、中央部Ｔ２より５０℃〜１００℃低い状態）となるように制御されていることが好ましく、そのような温度差が検出されると、第２昇温制御が終了され、発電制御が開始される。
【００６７】
以上説明してきたように、本実施形態に係る複合発電システム１の制御装置３０及びそれを備えた複合発電システム１並びに複合発電システム１の制御方法１によれば、ＳＯＦＣ２０と、ＳＯＦＣ２０から排出された燃料を燃焼させる燃焼器１４と、燃焼器１４から供給される燃焼ガスによって駆動するガスタービン１６と、空気を圧縮する圧縮機１５と、圧縮機１５で圧縮された空気が加熱されるエアヒータ１２とを備えるＭＧＴ１０とを組み合わせた連携運転を行って発電する複合発電システム１の制御装置３０において、圧縮機１５で圧縮された空気は、エアヒータ１２によって加熱されてエアヒータ１２の出口から排出され、ＳＯＦＣ２０に供給させる空気と、ＳＯＦＣ２０に供給する経路上から燃焼器１４にバイパスさせる第１バイパス経路１７を流通する空気とに分けられるので、第１バイパス経路１７上に設けられる制御弁１１が開方向に調整されることにより、ＳＯＦＣ２０に供給される空気流量が調整前より少なくされる。また、ＭＧＴ１０の出力を低下させる方向に制御された場合には、ＳＯＦＣ２０に供給する空気の温度が、ＭＧＴ１０の出力を低下させない場合より低くされる。これらにより、ＳＯＦＣ２０の発電室５０の温度が第１所定温度（例えば、４５０℃）以上となった場合に、ＳＯＦＣ２０に燃料が供給されて炉内燃焼がされつつ、発電室５０の温度見合いでＳＯＦＣ２０に供給される空気の流量が低減され、かつ、温度が低く調整できる。
【００６８】
ＳＯＦＣ２０とＭＧＴ１０とによる複合発電システム１において、ＳＯＦＣ２０の起動時には、発電室５０を昇温させるために、第１昇温制御と第２昇温制御の２段階の昇温制御が行われるが、本発明によれば、第２昇温制御において、ＳＯＦＣ２０の発電室５０の温度に応じてＳＯＦＣ２０に供給する空気の流量が調整されるので、発電室５０の温度よりも低い温度の供給空気が多いことにより炉内燃焼の燃焼場を冷却して昇温を妨げることを防ぐ。
【００６９】
また、ＳＯＦＣ２０の発電室５０の温度に応じてＳＯＦＣ２０に供給する空気の温度が調整されるので、第２昇温制御において供給空気の温度が高いことにより発電室５０に空気を供給する部分（空気の入口近傍。本実施形態においては、下部Ｔ３）での燃焼が多くなり局所的に温度が上がり過ぎ、上部Ｔ１及び中央部Ｔ２における燃焼を妨げることを防ぐことができる。また、これにより、第１昇温制御によって昇温された発電室５０が、降温されることを抑制できるので、発電室昇温時の第１昇温制御から第２昇温制御の切り替えを効率的に行え、熱損失及び時間損失を最小限に抑えることができ、それに応じてＳＯＦＣ２０の起動にかかる時間を短縮することができる。
【００７０】
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】
【００７１】
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  ＭＧＴ（マイクロガスタービン）
１１  制御弁
１２  エアヒータ（Ａ／Ｈ）
１３  バイパス弁
１４  燃焼器
２０  ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）
３０  制御装置
５０  発電室
【図１】
2015111525.tif 000003
【図２】
2015111525.tif 000004
【図３】
2015111525.tif 000005
【図４】
2015111525.tif 000006