(57)【要約】【課題】高温型燃料電池の温度の変化を小さくして高温型燃料電池の長寿命化を図ることができ、蒸気、水素、酸素、及び熱を効率よく用いて高温型形燃料電池で発電した電気を利用することができるボイラシステムを提供すること。【解決手段】ボイラシステム１は、電力が供給されることにより動作すると共に負荷機器に蒸気を供給するボイラ装置１０と、水素と酸素とを化学反応させて発電を行うと共にボイラ装置１０に電力を供給する複数の高温型燃料電池２０、３０と、を備える。複数の高温型燃料電池のうちの少なくとも１つ以上の高温型燃料電池３０は、ボイラ装置１０により生成された蒸気の一部又は全部を水素と酸素とに電気分解する機能を有しており、ボイラシステム１は、電気分解する機能を有する高温型燃料電池３０にボイラ装置１０により生成された蒸気Ｓ２を導出する蒸気導出ラインＬ１４を更に備える。【選択図】図３
2013204896.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力が供給されることにより動作すると共に負荷機器に蒸気を供給するボイラ装置と、水素と酸素とを化学反応させて発電を行うと共に前記ボイラ装置に電力を供給する複数の高温型燃料電池と、を備えるボイラシステムであって、
前記複数の高温型燃料電池のうちの少なくとも１つ以上の高温型燃料電池は、前記ボイラ装置により生成された蒸気の一部又は全部を水素と酸素とに電気分解する機能を有しており、
前記ボイラシステムは、
電気分解する機能を有する前記高温型燃料電池に前記ボイラ装置により生成された蒸気を導出する蒸気導出ラインを更に備える
ボイラシステム。
【請求項２】
前記負荷機器からの要求負荷が所定の閾値を下回るか否かを判定する要求負荷判定部と、
前記要求負荷判定部により前記負荷機器からの要求負荷が所定の閾値を下回ると判定された場合に、前記電気分解する機能を有する高温型燃料電池に、前記ボイラ装置により生成された蒸気と前記高温型燃料電池により発電された電気とを供給して、前記ボイラ装置により生成された蒸気を水素と酸素とに電気分解する制御を行う制御部と、を更に備える
請求項１に記載のボイラシステム。
【請求項３】
前記ボイラ装置は、複数の段階的な燃焼位置を有しており、
前記制御部は、前記ボイラ装置の燃焼位置が所定の燃焼位置よりも低い場合に、前記電気分解する機能を有する高温型燃料電池に、前記ボイラ装置により生成された蒸気と前記高温型燃料電池により発電された電気とを供給して、前記ボイラ装置により生成された蒸気を水素と酸素とに電気分解する制御を行う
請求項２に記載のボイラシステム。
【請求項４】
前記高温型燃料電池により電気分解された水素を貯留する水素タンクと、
前記高温型燃料電池により電気分解された酸素を貯留する酸素タンクと、を更に備え、
前記水素タンクに貯留された水素は、前記高温型燃料電池が発電を行う際の水素として利用され、
前記酸素タンクに貯留された酸素は、前記高温型燃料電池が発電を行う際の酸素として利用される
請求項１から３のいずれかに記載のボイラシステム。
【請求項５】
前記高温型燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である
請求項１から４のいずれかに記載のボイラシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラ装置で蒸気を発生させるときに必要な電力が、高温型燃料電池から供給されるボイラシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ボイラ本体と蒸気ヘッダと制御部とを備えるボイラシステムが知られている。蒸気ヘッダには、複数のボイラにおいて生成された蒸気が集合させられる。ボイラは、蒸気ヘッダを介して負荷機器に蒸気を供給する。制御部は、例えば、負荷機器からの要求負荷に応じた目標蒸発量の蒸気を生成するために設定圧力範囲及び制御ボイラ総蒸発量を設定し、蒸気ヘッダの内部の蒸気圧に基づいて、当該蒸気圧が設定圧力範囲の間に収まるように制御対象のボイラの燃焼量を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２２３４８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したようなボイラシステムでは、上述のような制御を行うために電力が必要である。電力を供給するための手段としては、近年では、自然環境保護の観点から燃料電池を用いることが有効である。燃料電池としては、例えば、ＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）、ＰＡＦＣ（りん酸形燃料電池）、ＭＣＦＣ（溶融炭酸塩形燃料電池）、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）が挙げられる。
【０００５】
これらのうち、ＳＯＦＣは、廃棄熱を利用してタービン発電（ハイブリッド発電）をすることが可能であり、また、白金触媒が不要である等、高効率であるという利点を有している。一方、ＳＯＦＣの運転温度は、８００℃〜１０００℃と高温である。
このため、発電停止や、負荷機器からボイラシステムへの要求負荷の変動に伴うＳＯＦＣの温度の変化によって、ＳＯＦＣが劣化したり破損したりする恐れがある。ＳＯＦＣの出力電力を一定にすることができれば、ＳＯＦＣの温度の変化は小さくなるが、実際には、負荷機器からボイラシステムへの要求負荷は変動するため、ＳＯＦＣの出力電力を一定のまま用いることは現実的ではない。
【０００６】
本発明は、高温型燃料電池の温度の変化を小さくして高温型燃料電池の長寿命化を図ることができ、蒸気、水素、酸素、及び熱を効率よく用いて高温型形燃料電池で発電した電気を利用することができるボイラ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】
本発明は、電力が供給されることにより動作すると共に負荷機器に蒸気を供給するボイラ装置と、水素と酸素とを化学反応させて発電を行うと共に前記ボイラ装置に電力を供給する複数の高温型燃料電池と、を備えるボイラシステムであって、前記複数の高温型燃料電池のうちの少なくとも１つ以上の高温型燃料電池は、前記ボイラ装置により生成された蒸気の一部又は全部を水素と酸素とに電気分解する機能を有しており、前記ボイラシステムは、電気分解する機能を有する前記高温型燃料電池に前記ボイラ装置により生成された蒸気を導出する蒸気導出ラインを更に備えるボイラシステムに関する。
【０００８】
また、前記負荷機器からの要求負荷が所定の閾値を下回るか否かを判定する要求負荷判定部と、前記要求負荷判定部により前記負荷機器からの要求負荷が所定の閾値を下回ると判定された場合に、前記電気分解する機能を有する高温型燃料電池に、前記ボイラ装置により生成された蒸気と前記高温型燃料電池により発電された電気とを供給して、前記ボイラ装置により生成された蒸気を水素と酸素とに電気分解する制御を行う制御部と、を更に備えることが好ましい。
【０００９】
また、前記ボイラ装置は、複数の段階的な燃焼位置を有しており、前記制御部は、前記ボイラ装置の燃焼位置が所定の燃焼位置よりも低い場合に、前記電気分解する機能を有する高温型燃料電池に、前記ボイラ装置により生成された蒸気と前記高温型燃料電池により発電された電気とを供給して、前記ボイラ装置により生成された蒸気を水素と酸素とに電気分解する制御を行うことが好ましい。
【００１０】
また、前記高温型燃料電池により電気分解された水素を貯留する水素タンクと、前記高温型燃料電池により電気分解された酸素を貯留する酸素タンクと、を更に備え、前記水素タンクに貯留された水素は、前記高温型燃料電池が発電を行う際の水素として利用され、前記酸素タンクに貯留された酸素は、前記高温型燃料電池が発電を行う際の酸素として利用されることが好ましい。
また、前記高温型燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、高温型燃料電池の温度の変化を小さくして高温型燃料電池の長寿命化を図ることができ、蒸気、水素、酸素、及び熱を効率よく用いて高温型形燃料電池で発電した電気を利用することができるボイラシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係るボイラシステム１において要求負荷が所定の閾値以上であるときの様子を示す図であり、（ａ）は、第１のＳＯＦＣ２０とボイラ装置１０との間の気体の流れを示す概略図であり、（ｂ）は、第２のＳＯＦＣ３０とボイラ装置１０との間の気体の流れを示す概略図である。
【図２】本実施形態に係るボイラシステム１において要求負荷が所定の閾値以上であるときにおいて、第１のＳＯＦＣ２０、第２のＳＯＦＣ３０によってそれぞれ発電された電気の流れを示す概略図である。
【図３】本実施形態に係るボイラシステム１において要求負荷が所定の閾値を下回るときの様子を示す図であり、（ａ）は、第１のＳＯＦＣ２０とボイラ装置１０との間の気体の流れを示す概略図であり、（ｂ）は、第２のＳＯＦＣ３０とボイラ装置１０との間の気体及び蒸気Ｓ２の流れを示す概略図である。
【図４】本実施形態に係るボイラシステム１において要求負荷が所定の閾値を下回るときにおいて、第１のＳＯＦＣ２０によって発電された電気が第２のＳＯＦＣ３０によって用いられ、第２のＳＯＦＣ３０において電気分解が行われているときの電気の流れ示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態によるボイラシステムについて図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るボイラシステム１において要求負荷が所定の閾値以上であるときの様子を示す図であり、（ａ）は、第１のＳＯＦＣ２０とボイラ装置１０との間の気体の流れを示す概略図であり、（ｂ）は、第２のＳＯＦＣ３０とボイラ装置１０との間の気体の流れを示す概略図である。図２は、本実施形態に係るボイラシステム１において要求負荷が所定の閾値以上であるときにおいて、第１のＳＯＦＣ２０、第２のＳＯＦＣ３０によってそれぞれ発電された電気の流れを示す概略図である。図３は、本実施形態に係るボイラシステム１において要求負荷が所定の閾値を下回るときの様子を示す図であり、（ａ）は、第１のＳＯＦＣ２０とボイラ装置１０との間の気体の流れを示す概略図であり、（ｂ）は、第２のＳＯＦＣ３０とボイラ装置１０との間の気体及び蒸気Ｓ２の流れを示す概略図である。図４は、本実施形態に係るボイラシステム１において要求負荷が所定の閾値を下回るときにおいて、第１のＳＯＦＣ２０によって発電された電気が第２のＳＯＦＣ３０によって用いられ、第２のＳＯＦＣ３０において電気分解が行われているときの電気の流れ示す概略図である。
図１（ａ）、図１（ｂ）におけるボイラ装置１０、改質器４１、及び熱交換器４２は、いずれも同一のものであるが、実施形態の理解の便宜上、図１（ａ）と図１（ｂ）とにそれぞれ分けて図示している。図３（ａ）、図３（ｂ）についても同様である。以下の説明において、「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。
【００１４】
図１等に示すように、本実施形態のボイラシステム１は、ボイラ本体１１と蒸気ヘッダ１２とを有するボイラ装置１０と、高温型燃料電池である第１のＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）２０と、高温型燃料電池である第２のＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）３０と、改質器４１と、水素タンク１８５と、酸素タンク１９５と、パワーコンディショナ５１（図２等参照）と、制御装置６１と、を有している。
【００１５】
また、ボイラシステム１は、排気ラインＬ１３と、蒸気導出ラインＬ１４と、第１水素オフガス供給ラインＬ１６１と、第２水素オフガス供給ラインＬ１６２と、第１酸素オフガス供給ラインＬ１７１と、第２酸素オフガス供給ラインＬ１７２と、第１水素供給ラインＬ１８１と、第２水素供給ラインＬ１８２と、水素タンクラインＬ１８４と、第１酸素供給ラインＬ１９１と、第２酸素供給ラインＬ１９２と、酸素タンクラインＬ１９４とを有している。
【００１６】
排気ラインＬ１３の一端は、ボイラ装置１０の後述する燃焼室（図示せず）に接続され、他端は、後述する熱交換器４２に接続されている。蒸気導出ラインＬ１４の一端は、ボイラ装置１０の蒸気ヘッダ１２に接続され、他端は、後述する三方弁１６３に接続されている。第１水素オフガス供給ラインＬ１６１の一端は、ボイラ装置１０の後述する燃焼室（図示せず）に接続され、他端は、第１のＳＯＦＣ２０に接続されている。第２水素オフガス供給ラインＬ１６２の一端は、ボイラ装置１０の後述する燃焼室（図示せず）に接続され、他端は、第２のＳＯＦＣ３０に接続されている。
【００１７】
第１酸素オフガス供給ラインＬ１７１の一端は、ボイラ装置１０の後述する燃焼室（図示せず）に接続され、他端は、第１のＳＯＦＣ２０に接続されている。第２酸素オフガス供給ラインＬ１７２の一端は、ボイラ装置１０の後述する燃焼室（図示せず）に接続され、他端は、第２のＳＯＦＣ３０に接続されている。第１水素供給ラインＬ１８１の一端は、第１のＳＯＦＣ２０に接続され、他端は、改質器４１に接続されている。第２水素供給ラインＬ１８２の一端は、第２のＳＯＦＣ３０に接続され、他端は、改質器４１に接続されている。
【００１８】
水素タンクラインＬ１８４の一端は、後述する三方弁１８３に接続され、他方は、水素タンク１８５に接続されている。第１酸素供給ラインＬ１９１の一端は、第１のＳＯＦＣ２０に接続され、他端は、ファン（図示せず）及びフィルタ（図示せず）に接続されている。第２酸素供給ラインＬ１９２の一端は、第２のＳＯＦＣ３０に接続され、他端は、ファン（図示せず）及びフィルタ（図示せず）に接続されている。酸素タンクラインＬ１９４の一端は、後述する三方弁１９３に接続され、他端は、酸素タンク１９５に接続されている。
【００１９】
図面において上述した各ラインは、内部に気体や液体が流れている状態のものについては、間隔を有する二本線で図示されている。また、内部に気体や液体が流れていない状態のものについては、一本線で図示されている。
【００２０】
ボイラ本体１１は加熱バーナ１１１を有している。加熱バーナ１１１は、ボイラ本体１１内に形成された燃焼室（図示せず）に設けられており、燃料ライン（図示せず）を通して燃料タンク（図示せず）に接続されている。加熱バーナ１１１には、燃料ライン（図示せず）を通して燃料Ｇ１が供給可能である。また、加熱バーナ１１１が設けられている燃焼室は、排気ラインＬ１３を通して熱交換器４２に接続されている。加熱バーナ１１１によって燃焼された燃料Ｇ１は、排気ガスＧ３となり、排気ラインＬ１３を通して熱交換器４２で熱が奪われた後に、排気される。
【００２１】
ボイラ本体１１内には、燃焼室を取り囲むようにして配置された複数の水管（図示せず）が設けられており、水管には缶水Ｗ１が供給可能である。加熱バーナ１１１において燃料Ｇ１を燃焼することにより、加熱バーナ１１１は、複数の水管内に導入された缶水Ｗ１を加熱し、気水混合気（蒸気）Ｓ１、Ｓ２（図３（ｂ）参照）を生成する。
【００２２】
水管は、蒸気ライン（図示せず）を通して負荷機器（図示せず）に接続されている。水管において生成された蒸気Ｓ１は、蒸気ヘッダ１２に一時的に貯留され、蒸気ヘッダ１２に接続された蒸気ライン（図示せず）を通して負荷機器（図示せず）に供給される。また、水管は、蒸気導出ラインＬ１４を通して後述の三方弁１６３に接続されている。生成された蒸気の一部である蒸気Ｓ２（図３（ｂ）参照）は、蒸気ヘッダ１２に一時的に貯留され、その後、熱交換器（図示せず）によりさらに加熱されて過熱蒸気となり、蒸気ヘッダ１２に接続された蒸気導出ラインＬ１４を通って三方弁１６３へ導出され、送られる。蒸気ヘッダ１２には、蒸気ヘッダ１２内の蒸気の圧力を検出するための圧力検出部（図示せず）が設けられている。
【００２３】
また、図１（ａ）に示すように、燃焼室は、第１水素オフガス供給ラインＬ１６１及び第１酸素オフガス供給ラインＬ１７１を介して第１のＳＯＦＣ２０に接続されている。第１のＳＯＦＣ２０において排出された水素のオフガスは、第１水素オフガス供給ラインＬ１６１を通って燃焼室に供給され、燃焼に用いられる。同様に、第１のＳＯＦＣ２０において排出された酸素のオフガスは、第１酸素オフガス供給ラインＬ１７１を通って燃焼室に供給され、燃焼に用いられる。
【００２４】
第１のＳＯＦＣ２０は、第１水素供給ラインＬ１８１及び第１酸素供給ラインＬ１９１に接続されている。第１水素供給ラインＬ１８１は改質器４１に接続されている。改質器４１は、熱交換器４２を有している。改質器４１は、化石燃料（例えば、メタン等）Ｇ２及び水Ｗ２から水素を生成する。この際、化石燃料Ｇ２及び水Ｗ２を８００℃程度にまで加熱する必要があるが、この加熱は、熱交換器４２が排気ガスＧ３から得た熱により行われる。改質器４１によって生成された水素は、第１水素供給ラインＬ１８１を通って第１のＳＯＦＣ２０へ供給される。また、第１酸素供給ラインＬ１９１に接続されたファンの回転により第１酸素供給ラインＬ１９１を通って送られてきた酸素は、第１のＳＯＦＣ２０へ供給される。第１のＳＯＦＣ２０は、供給された水素と酸素とを化学反応させて発電を行う。
【００２５】
また、第２酸素オフガス供給ラインＬ１７２は、その途中に二方弁１７３を有している。第２酸素オフガス供給ラインＬ１７２の部分であって二方弁１７３よりもボイラ装置１０寄りの部分を、ボイラ側第２酸素オフガス供給ラインＬ１７２１と言う。また、第２酸素オフガス供給ラインＬ１７２の部分であって二方弁１７３よりも第２のＳＯＦＣ３０寄りの部分を、ＳＯＦＣ側第２酸素オフガス供給ラインＬ１７２２と言う。
また、第２水素オフガス供給ラインＬ１６２は、その途中に三方弁１６３を有している。第２水素オフガス供給ラインＬ１６２の部分であって三方弁１６３よりもボイラ装置１０寄りの部分を、ボイラ側第２水素オフガス供給ラインＬ１６２１と言う。また、第２水素オフガス供給ラインＬ１６２の部分であって三方弁１６３よりも第２のＳＯＦＣ３０寄りの部分を、ＳＯＦＣ側第２水素オフガス供給ラインＬ１６２２と言う。
第２のＳＯＦＣ３０から排出された水素のオフガスは、第２水素オフガス供給ラインＬ１６２を通って燃焼室に供給され、燃焼に用いられる。同様に、第２のＳＯＦＣ３０から排出された酸素のオフガスは、第２酸素オフガス供給ラインＬ１７２を通って燃焼室に供給され、燃焼に用いられる。また、後述のように、蒸気導出ラインＬ１４を通って三方弁１６３へ送られてきた蒸気Ｓ２は、ＳＯＦＣ側第２水素オフガス供給ラインＬ１６２２を通って第２のＳＯＦＣ３０に供給可能である。
【００２６】
第２水素供給ラインＬ１８２は、その途中に三方弁１８３を有している。第２水素供給ラインＬ１８２の部分であって三方弁１８３よりも第２のＳＯＦＣ３０寄りの部分を、ＳＯＦＣ側第２水素供給ラインＬ１８２１と言う。また、第２水素供給ラインＬ１８２の部分であって三方弁１８３よりも改質器４１寄りの部分を改質器側第２水素供給ラインＬ１８２２と言う。ＳＯＦＣ側第２水素供給ラインＬ１８２１には、改質器４１からの水素と、水素タンクラインＬ１８４を通って水素タンク１８５から流れてきた水素とが流通可能である。また、後述のように、第２のＳＯＦＣ３０が電気分解を行っているときには、ＳＯＦＣ側第２水素供給ラインＬ１８２１には、第２のＳＯＦＣ３０からの水素が流れ、この水素は、水素タンクラインＬ１８４を通って水素タンク１８５へ流入する。
【００２７】
また、第２酸素供給ラインＬ１９２は、その途中に三方弁１９３を有している。第２酸素供給ラインＬ１９２の部分であって三方弁１９３よりも第２のＳＯＦＣ３０寄りの部分をＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２１と言う。また、第２酸素供給ラインＬ１９２の部分であって、三方弁１９３よりも第２のＳＯＦＣ３０の反対側の部分を反ＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２２と言う。ファンの回転により反ＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２２及びＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２１を通って送られてきた酸素は、第２のＳＯＦＣ３０へ供給される。また、酸素タンク１９５から、酸素タンクラインＬ１９４及びＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２１を通って第２のＳＯＦＣ３０へ酸素を供給可能である。第２のＳＯＦＣ３０は、供給された水素と酸素とを化学反応させて発電を行う。また、後述のように、第２のＳＯＦＣ３０が電気分解を行っているときには、ＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２１には、第２のＳＯＦＣ３０からの酸素が流れ、この酸素は、酸素タンクラインＬ１９４を通って酸素タンク１９５へ流入する。
【００２８】
また、ボイラシステム１における電気的な接続は、以下のとおりである。
図２、図４に示すように、第１のＳＯＦＣ２０は、パワーコンディショナ５１を介してボイラ装置１０に電気的に接続されている。第１のＳＯＦＣ２０で発電された電気Ｅ１は、ボイラ装置１０に対して供給可能である。図２に示すように、第１のＳＯＦＣ２０及びボイラ装置１０は、スイッチ３１を介して第２のＳＯＦＣ３０に電気的に接続されている。第２のＳＯＦＣ３０で発電された電気Ｅ２はボイラ装置１０に対して供給可能である。また、図４に示すように、第１のＳＯＦＣ２０で発電された電気Ｅ１は、ボイラ装置１０及び第２のＳＯＦＣ３０に対して供給可能である。
【００２９】
また、第１のＳＯＦＣ２０や第２のＳＯＦＣ３０からボイラ装置１０へ電気を供給しているときに、負荷機器からの要求負荷が少なくなり、ボイラ装置１０における電力消費が少ない場合には、パワーコンディショナ５１は、電力量の減少（電流の減少）を検出する。スイッチ３１は、第２のＳＯＦＣ３０をボイラ装置１０及び第１のＳＯＦＣ２０から電気的に切り離したい場合にＯＦＦとされる。
【００３０】
制御装置６１は、パワーコンディショナ５１と、第１のＳＯＦＣ２０と、第２のＳＯＦＣ３０と、二方弁１７３と三方弁１６３、１８３、１９３とボイラ装置１０とスイッチ３１と蒸気ヘッダ１２の圧力検出部とに、それぞれ電気的に接続されている。制御装置６１は、ＣＰＵ（図示せず）と記憶媒体（図示せず）とを主として有している。記憶媒体には、各種の制御を行うためにＣＰＵを動作させるためのプログラムと、後述する所定の閾値と所定の燃焼位置と所定の値とが記憶されている。また、制御装置６１は、要求負荷判定部６２と制御部６３とを有している。
【００３１】
要求負荷判定部６２は、圧力検出部によって検出された蒸気ヘッダ１２内の蒸気の圧力値に基づき、負荷機器からの要求負荷が、記憶媒体に記憶されている所定の閾値を下回るか否かを判定する。制御部６３は、要求負荷判定部６２により負荷機器からの要求負荷が所定の閾値を下回ると判定された場合に、図３（ｂ）に示すように、第２のＳＯＦＣ３０に、ボイラ装置１０により生成された蒸気Ｓ２と第１のＳＯＦＣ２０により発電された電気Ｅ３（図４参照）とを供給して、ボイラ装置１０により生成された蒸気Ｓ２を水素と酸素とに電気分解するように、三方弁１６３、１８３、１９３、二方弁１７３を制御する。また、制御部６３は、圧力検出部によって検出された蒸気ヘッダ１２内の蒸気の圧力値に基づき、ボイラ装置１０の燃焼位置が所定の燃焼位置よりも低い場合に、図３（ｂ）に示すように、ボイラ装置１０により生成された蒸気Ｓ２を水素と酸素とに電気分解するように三方弁１６３、１８３、１９３、二方弁１７３を制御可能である。また、制御部６３は、第１のＳＯＦＣ２０及び第２のＳＯＦＣ３０の発電状態及び電気分解状態を把握する。
【００３２】
次に、ボイラシステム１の動作について説明する。
先ず、要求負荷判定部６２（図２等参照）は、負荷機器からの要求負荷が所定の閾値を下回るか否かを判定する。負荷機器からの要求負荷が所定の閾値以上であると判定した場合には、制御部６３は、第１のＳＯＦＣ２０及び第２のＳＯＦＣ３０が水素と酸素とを利用して発電するように、二方弁１７３及び三方弁１６３、１８３、１９３を制御する。
【００３３】
具体的には、図１（ａ）に示すように、水素は、改質器４１から第１水素供給ラインＬ１８１を通って第１のＳＯＦＣ２０へ供給される。また、ファン（図示せず）の回転により第１酸素供給ラインＬ１９１を通って供給されてきた酸素は、第１のＳＯＦＣ２０へ供給される。第１のＳＯＦＣ２０は、供給された酸素及び水素を用いて発電し、図２に示すように、パワーコンディショナ５１を介してボイラ装置１０へ電力を供給する。
【００３４】
第１のＳＯＦＣ２０から排出された水素オフガスは、第１水素オフガス供給ラインＬ１６１を通ってボイラ装置１０の燃焼室に供給され、燃焼に用いられる。第１のＳＯＦＣ２０から排出された酸素オフガスは、第１酸素オフガス供給ラインＬ１７１を通ってボイラ装置１０の燃焼室に供給され、燃焼に用いられる。
【００３５】
また、図１（ｂ）に示すように、制御部６３は、第２のＳＯＦＣ３０において、水素タンク１８５に貯留されている水素と、酸素タンク１９５に貯留されている酸素とを利用して、電気を発電するように制御する。
【００３６】
具体的には、制御部６３による制御により三方弁１８３が切り換えられると共に、スイッチ３１（図２参照）が閉じられ、第２水素供給ラインＬ１８２において、ＳＯＦＣ側第２水素供給ラインＬ１８２１と水素タンクラインＬ１８４とが連通する。これにより、図１（ｂ）に示すように、水素タンク１８５からの水素が第２のＳＯＦＣ３０へ供給される。また、制御部６３による制御により三方弁１９３が切り換えられ、第２酸素供給ラインＬ１９２において、ＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２１と酸素タンクラインＬ１９４とが連通する。これにより、図１（ｂ）に示すように、酸素タンク１９５からの酸素が第２のＳＯＦＣ３０へ供給される。第２のＳＯＦＣ３０は、供給された酸素及び水素を用いて発電し、図２に示すように、パワーコンディショナ５１を介してボイラ装置１０へ電力を供給する。
【００３７】
水素タンク１８５に貯留されている水素がなくなったときには、図１（ｂ）に示すように、制御部６３による制御により三方弁１８３が切り換えられ、第２水素供給ラインＬ１８２において、改質器側第２水素供給ラインＬ１８２２とＳＯＦＣ側第２水素供給ラインＬ１８２１とが連通し、一方、水素タンクラインＬ１８４がＳＯＦＣ側第２水素供給ラインＬ１８２１及び改質器側第２水素供給ラインＬ１８２２に対して遮断される。これにより、水素は、改質器側第２水素供給ラインＬ１８２２及びＳＯＦＣ側第２水素供給ラインＬ１８２１を通って改質器４１から第２のＳＯＦＣ３０へ供給される。
なお、制御部６３は、改質器側第２水素供給ラインＬ１８２２とＳＯＦＣ側第２水素供給ラインＬ１８２１と水素タンクラインＬ１８４とを連通させて、改質器側第２水素供給ラインＬ１８２２からＳＯＦＣ側第２水素供給ラインＬ１８２１へと流れる水素の一部を、水素タンクラインＬ１８４を通して水素タンク１８５に導入して貯留してもよい。また、制御部６３は、第２のＳＯＦＣ３０に対して、水素タンク１８５に貯留されている水素と、改質器４１からの水素との両方の水素を同時に供給できるように、三方弁１８３を制御してもよい。
【００３８】
酸素タンク１９５内に貯留されている酸素がなくなったときには、図１（ｂ）に示すように、制御部６３による制御により三方弁１９３が切り換えられ、第２酸素供給ラインＬ１９２において、反ＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２２とＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２１とが連通し、一方、酸素タンクラインＬ１９４がＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２１及び反ＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２２に対して遮断される。これにより、酸素は、反ＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２２及びＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２１を通って第２のＳＯＦＣ３０へ供給される。
なお、制御部６３は、反ＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２２とＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２１と酸素タンクラインＬ１９４とを連通させて、反ＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２２からＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２１へと流れる酸素の一部を、酸素タンクラインＬ１９４を通して酸素タンク１９５に導入して貯留してもよい。また、制御部６３は、第２のＳＯＦＣ３０に対して、酸素タンク１９５に貯留されている酸素と、反ＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２２を通って供給されてきた酸素との両方の酸素を同時に供給できるように三方弁１９３を制御してもよい。
【００３９】
また、図１（ｂ）に示すように、制御部６３による制御により三方弁１６３が切り換えられ、第２水素オフガス供給ラインＬ１６２において、ＳＯＦＣ側第２水素オフガス供給ラインＬ１６２２がボイラ側第２水素オフガス供給ラインＬ１６２１に連通し、一方、蒸気導出ラインＬ１４がＳＯＦＣ側第２水素オフガス供給ラインＬ１６２２及びボイラ側第２水素オフガス供給ラインＬ１６２１に対して遮断される。また、制御部６３による制御により二方弁１７３が切り換えられ、第２酸素オフガス供給ラインＬ１７２において、ＳＯＦＣ側第２酸素オフガス供給ラインＬ１７２２がボイラ側第２酸素オフガス供給ラインＬ１７２１に連通する。
【００４０】
第２のＳＯＦＣ３０から排出された水素オフガスは、第２水素オフガス供給ラインＬ１６２を通ってボイラ装置１０の燃焼室に供給され、燃焼に用いられる。第２のＳＯＦＣ３０から排出された酸素オフガスは、第２酸素オフガス供給ラインＬ１７２を通ってボイラ装置１０の燃焼室に供給され、燃焼に用いられる。
【００４１】
制御部６３は、負荷機器からの要求負荷が所定の閾値を下回ると判定したときには、第２のＳＯＦＣ３０に、ボイラ装置１０により生成された蒸気Ｓ２と第１のＳＯＦＣ２０により発電された電気Ｅ３とを供給して、ボイラ装置１０により生成された蒸気Ｓ２を水素と酸素とに電気分解するように、制御を行う。
【００４２】
具体的には、図３（ａ）に示すように、水素は、改質器４１から第１水素供給ラインＬ１８１を通って第１のＳＯＦＣ２０へ供給される。また、ファン（図示せず）の回転により第１酸素供給ラインＬ１９１を通って供給されてきた酸素は、第１のＳＯＦＣ２０へ供給される。第１のＳＯＦＣ２０は、供給された酸素及び水素を用いて発電し、図４に示すように、パワーコンディショナ５１を介してボイラ装置１０へ電気Ｅ１を供給すると共に、第２のＳＯＦＣ３０へ電力Ｅ３を供給する。
【００４３】
第１のＳＯＦＣ２０から排出された水素オフガスは、第１水素オフガス供給ラインＬ１６１を通ってボイラ装置１０の燃焼室に供給され、燃焼に用いられる。第１のＳＯＦＣ２０から排出された酸素オフガスは、第１酸素オフガス供給ラインＬ１７１を通ってボイラ装置１０の燃焼室に供給され燃焼に用いられる。
【００４４】
また、制御部６３による制御により三方弁１６３が切り換えられ、第２水素オフガス供給ラインＬ１６２において、ＳＯＦＣ側第２水素オフガス供給ラインＬ１６２２がボイラ側第２水素オフガス供給ラインＬ１６２１に対して遮断され、ＳＯＦＣ側第２水素オフガス供給ラインＬ１６２２と蒸気導出ラインＬ１４とが連通する。また、制御部６３による制御により二方弁１７３が切り換えられ、第２酸素オフガス供給ラインＬ１７２において、ＳＯＦＣ側第２酸素オフガス供給ラインＬ１７２２がボイラ側第２酸素オフガス供給ラインＬ１７２１に対して遮断される。これにより、水管において生成された蒸気Ｓ２は、蒸気導出ラインＬ１４及びＳＯＦＣ側第２水素オフガス供給ラインＬ１６２２を通って第２のＳＯＦＣ３０へ供給される。
【００４５】
また、制御部６３による制御により三方弁１８３が切り換えられると共に、スイッチ３１が閉じられ、第２水素供給ラインＬ１８２において、ＳＯＦＣ側第２水素供給ラインＬ１８２１が改質器側第２水素供給ラインＬ１８２２に対して遮断され、ＳＯＦＣ側第２水素供給ラインＬ１８２１と水素タンクラインＬ１８４とが連通する。また、制御部６３による制御により三方弁１９３が切り換えられ、第２酸素供給ラインＬ１９２において、反ＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２２がＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２１に対して遮断され、ＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２１と酸素タンクラインＬ１９４とが連通する。また、図４に示すように、第１のＳＯＦＣ２０によって発電された電気Ｅ３は、第１のＳＯＦＣ２０から第２のＳＯＦＣ３０へと供給される。
【００４６】
第２のＳＯＦＣ３０に供給された蒸気Ｓ２は、第２のＳＯＦＣ３０を８００℃程度に加熱すると共に、第１のＳＯＦＣ２０から第２のＳＯＦＣ３０へと供給された電気Ｅ３が用いられて、水素と酸素とに電気分解される。水素は、ＳＯＦＣ側第２水素供給ラインＬ１８２１と水素タンクラインＬ１８４とを通って水素タンク１８５に流入する。酸素は、ＳＯＦＣ側第２酸素供給ラインＬ１９２１と酸素タンクラインＬ１９４とを通って酸素タンク１９５に流入する。
【００４７】
本実施形態のボイラシステム１によれば、以下のような効果を得ることができる。
ボイラシステム１は、水素と酸素とを化学反応させて発電を行うと共にボイラ装置１０に電力を供給する複数の高温型燃料電池である第１のＳＯＦＣ２０及び第２のＳＯＦＣ３０を備え、複数の高温型燃料電池のうちの少なくとも１つ以上の高温型燃料電池である第２のＳＯＦＣ３０は、ボイラ装置１０により生成された蒸気の一部を水素と酸素とに電気分解する機能を有する。また、電気分解する機能を有する高温型燃料電池である第２のＳＯＦＣ３０に、ボイラ装置１０により生成された蒸気Ｓ２を導出する蒸気導出ラインＬ１４を更に備える。このため、第２のＳＯＦＣ３０において、ボイラ装置１０により生成された蒸気Ｓ２を水素と酸素とに電気分解することに用いることができる。
【００４８】
負荷機器からボイラシステム１への要求負荷が小さい場合には、蒸気の使用量及び電力消費量は小さい。このようなときに、蒸気Ｓ２及び電力Ｅ３を用いて電気分解を行い、水素及び酸素を発生させ、それぞれ水素を水素タンク１８５に、酸素を酸素タンク１９５に貯留しておく。このため、負荷機器からボイラシステム１への要求負荷が大きくなったときに、水素タンク１８５、酸素タンク１９５に貯留しておいた水素及び酸素を有効に活用して、ボイラ装置１０に電力を供給することができる。即ち、ボイラシステム１は、蒸気、水素、酸素、及び熱を効率よく用いて、高温型形燃料電池である第２のＳＯＦＣ３０で発電した電気を利用することができる。
【００４９】
また、複数の高温型燃料電池のうちの少なくとも１つ以上の高温型燃料電池である第２のＳＯＦＣ３０は、ボイラ装置１０により生成された蒸気の一部を水素と酸素とに電気分解する機能を有しており、電気分解により電力を消費することができる。このため、当該電気分解する高温型燃料電池以外の高温型燃料電池である第１のＳＯＦＣ２０は、一定の電力を出力し続けることができる。このため、第１のＳＯＦＣ２０の温度を一定の高温に保つことができ、第１のＳＯＦＣ２０の寿命を長持ちさせることができる。
【００５０】
また、第２のＳＯＦＣ３０により水素と酸素とに電気分解する際に、ボイラ装置１０により生成され高温に加熱された蒸気Ｓ２を用いるため、第２のＳＯＦＣ３０の温度を一定の高温に保つことができる。このため、第２のＳＯＦＣ３０の寿命を長寿命化させることができる。また、高温の蒸気Ｓ２を電気分解するため、低温の水を電気分解する場合と比較して効率よく電気分解を行うことができる。更に、高圧の状態で蒸気ヘッダ１２内に貯留された蒸気Ｓ２を用いるため、蒸気の圧力を高めるためのコンプレッサ等を設ける必要がない。
【００５１】
また、ボイラシステム１は、負荷機器からの要求負荷が所定の閾値を下回るか否かを判定する要求負荷判定部６２と、要求負荷判定部６２により負荷機器からの要求負荷が所定の閾値を下回ると判定された場合に、第２のＳＯＦＣ３０に、ボイラ装置１０により生成された蒸気Ｓ２と第１のＳＯＦＣ２０により発電された電気Ｅ３とを供給して、ボイラ装置１０により生成された蒸気Ｓ２を水素と酸素とに電気分解するように、三方弁１６３、１８３、１９３、二方弁１７３を制御する制御部６３と、を更に備える。要求負荷が所定の閾値を下回ると判定されるときには、ボイラ装置１０で使用される電力は少なくて済み、また、ボイラ装置１０からの蒸気は余っている。このため、余った蒸気Ｓ２と電力Ｅ３とを利用して、ボイラ装置１０により生成された蒸気Ｓ２を、第２のＳＯＦＣ３０において水と酸素とに電気分解し、要求負荷が所定の閾値を上回ったときに備えて、水素と酸素とをそれぞれ貯留しておくことができる。
【００５２】
また、ボイラシステム１は、第２のＳＯＦＣ３０により電気分解された水素を貯留する水素タンク１８５と、第２のＳＯＦＣ３０により電気分解された酸素を貯留する酸素タンク１９５と、を更に備えるため、水素タンク１８５に貯留された水素を、第２のＳＯＦＣ３０が発電を行う際の水素として利用することができる。また、酸素タンク１９５に貯留された酸素を、第２のＳＯＦＣ３０が発電を行う際の酸素として利用することができる。
【００５３】
本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。例えば、本実施形態では、要求負荷判定部６２により負荷機器からの要求負荷が所定の閾値を下回ると判定された場合に、ボイラ装置１０により生成された蒸気Ｓ２を水素と酸素とに電気分解しているが、これに限定されない。ボイラ装置１０は、複数の段階的な燃焼位置を有し、制御部６３は、上述した本実施形態の制御に加え、ボイラ装置１０の燃焼位置が所定の燃焼位置よりも低い場合に、第２のＳＯＦＣ３０に、ボイラ装置１０により生成された蒸気Ｓ２と第１のＳＯＦＣ２０により発電された電気Ｅ３とを供給して、ボイラ装置１０により生成された蒸気Ｓ２を水素と酸素とに電気分解するように、制御してもよい。
【００５４】
燃焼位置とは、燃焼室における燃焼強度を意味する。また、ボイラ装置１０の燃焼位置が所定の燃焼位置よりも低いか否かについては、圧力検出部によって検出された蒸気ヘッダ１２内の蒸気の圧力値に基づき、制御部６３が判断する。燃焼位置が所定の燃焼位置よりも低い場合には、燃焼のための燃料Ｇ１を送るためのファン（図示せず）を駆動させるための電力等、ボイラ装置１０で使用される電力は少なくて済み、また、ボイラ装置１０によって生成され蒸気ヘッダ１２に貯留されている蒸気は余っている。このため、余った蒸気と電力Ｅ３とを利用して、ボイラ装置１０により生成された蒸気Ｓ２を第２のＳＯＦＣ３０において水と酸素とに電気分解しておき、要求負荷が所定の閾値を上回ったときに備えて、水素と酸素とをそれぞれ貯留しておくことができる。
また、パワーコンディショナ５１が電流の減少を検出したときに、制御部６３は、ボイラ装置１０により生成された蒸気Ｓ２を第２のＳＯＦＣ３０が水素と酸素とに電気分解するように制御してもよい。
【００５５】
また、第１のＳＯＦＣ２０、第２のＳＯＦＣ３０はそれぞれ１つずつ設けられたが、この数に限定されない。第１のＳＯＦＣ２０、第２のＳＯＦＣ３０は、それぞれ１つ以上であればよい。
また、ボイラ装置１０で生成された蒸気の一部である蒸気Ｓ２は、蒸気ヘッダ１２に一時的に貯留され、蒸気ヘッダ１２に接続された蒸気導出ラインＬ１４を通って三方弁１６３に導出され送られたが、負荷機器からの要求負荷が極めて少ない場合には、ボイラ装置１０で生成された全ての蒸気を、蒸気導出ラインＬ１４を通って三方弁１６３に導出するようにしてもよい。
【００５６】
また、ボイラ装置１０は、複数設けられていてもよい。この場合には、複数のボイラの水管は、集束蒸気ライン（図示せず）を介して１つの蒸気ヘッダに接続され、各水管において生成された蒸気は、当該１つの蒸気ヘッダに集められる。また、蒸気ヘッダは、複数設けられ、複数の蒸気ヘッダから第２のＳＯＦＣ３０や負荷機器へ蒸気を供給するようにしてもよい。また、高温型燃料電池は、ＳＯＦＣに限定されない。
【符号の説明】
【００５７】
１  ボイラシステム
１０  ボイラ装置
１８５  水素タンク
１９５  酸素タンク
２０  第１のＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）
３０  第２のＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）
６１  制御装置
Ｅ３  電気（電力）
Ｌ１４  蒸気導出ライン
Ｓ２  蒸気
【図１】
2013204896.tif 000003
【図２】
2013204896.tif 000004
【図３】
2013204896.tif 000005
【図４】
2013204896.tif 000006