JP2009187756A - 電力システム及び電力システムの起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固体酸化物型燃料電池１とガスタービン２とを含むハイブリッド発電装置を備えた電力システムにおいて、その起動時間を短縮する。
【解決手段】ハイブリッド発電装置の起動時には、燃料供給源から燃焼器３３を介してタービン２１に燃焼ガスを供給することによりガスタービン２を始動させると共に、発電機２４による発電を開始させる。コンプレッサ２２からの排気とタービン２１の高温排気との熱交換によって高温のホットエアを生成し、それを燃料電池１に供給することによって、燃料電池１の温度を上昇させる。燃料電池１の温度が所定の温度に到達した後に、燃料供給源からの燃料及びホットエアを燃料電池１に供給し、それによって、燃料電池１による発電を開始させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力システム及びそれの起動方法に関する。

例えば航空機における補助動力装置（Auxiliary Power Unit：ＡＰＵ）として、特許文献１には、固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）とガスタービンとを組み合わせたハイブリッド発電装置を含む電力システムが開示されている。この電力システムでは、未反応燃料を含む燃料電池の排気を燃料器において燃焼させ、その燃焼ガスを前記ガスタービンのタービンに供給してガスタービンを駆動していると共に、そのガスタービンにおけるコンプレッサの排気を、燃料電池の排気との間で熱交換して高温のホットエアにした後に燃料電池に供給している。この構成により特許文献１の電力システムでは、その効率の向上を図らんとしている。
米国特許第６８３４８３１号明細書

ところで、ＳＯＦＣはその作動温度が比較的高いため、ＳＯＦＣを含む電力システムを低温状態から起動しようとしたときにはＳＯＦＣの昇温に長時間を要し、システムの起動時間が長くなってしまうという不都合がある。こうした不都合は、電力システムの起動と停止が比較的頻繁に繰り返される場合において顕著になる。例えば前述した航空機を始めとする各種の輸送機器等に搭載された電力システムは、その起動と停止が比較的頻繁に繰り返される一例であるが、こうした輸送機器においては、電力システムの起動時間の長時間化は、輸送機器の始動時間の長時間化を招くため、特に問題である。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、固体酸化物型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を備えた電力システムにおいて、その起動時間を短縮することにある。

本発明の一側面によると、電力システムは、タービンと、コンプレッサと、発電機とを含むガスタービン、前記コンプレッサの排気と燃料供給源からの燃料とが供給される固体酸化物型燃料電池、前記燃料電池の排気を燃焼させると共に、その燃焼ガスを前記タービンに供給する燃焼器、前記燃料電池よりも上流側において、前記コンプレッサの排気と前記タービンの高温排気との間で熱交換を行う熱交換器、を含むハイブリッド発電装置と、 前記ハイブリッド発電装置の制御を行う制御ユニットと、備える。

そして、前記制御ユニットは、前記ハイブリッド発電装置の起動時には、前記燃料供給源から前記燃焼器に燃料を供給し、当該燃焼器にて生成された燃焼ガスを前記タービンに供給することによって前記ガスタービンを始動させると共に、前記発電機による発電を開始させ、前記熱交換器における、前記コンプレッサからの排気と前記タービンの高温排気との熱交換によって生成された高温のホットエアを、前記燃料電池に供給することによって、前記燃料電池の温度を上昇させ、前記燃料電池の温度が所定の温度に到達した後に、前記ホットエアと共に、前記燃料供給源からの燃料を前記燃料電池に供給し、それによって、当該燃料電池による発電を開始させる。

この構成によると、固体酸化物型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、その起動時には、起動時間が比較的短いガスタービンを先ず起動させる。つまり、燃料供給源から燃焼器を介してガスタービンのタービンに燃焼ガスを供給することによってガスタービンを始動させる。それと共に、発電機による発電を開始することによって、必要な電力を早期に確保する。

ガスタービンの起動によってタービンの高温排気が得られるため、熱交換器における熱交換を行うことで、コンプレッサの排気を高温のホットエアにする。このホットエアは、燃料電池に供給する。このことによって、燃料電池の温度を、比較的短時間で上昇させることが可能になる。

そうして、燃料電池の温度が所定の温度（その作動温度又はその付近の温度）に到達した後に、ホットエア及び燃料供給源からの燃料を燃料電池に供給する。それにより燃料電池において燃料とホットエアとを反応させて、燃料電池による発電を開始させる。

このように、相対的に起動時間の短いガスタービンを先ず起動させることによって、そのガスタービンの排熱を利用した燃料電池の昇温を行うことができるため、燃料電池の温度を、比較的短時間で上昇させて電力システムの起動時間を短くすることが可能になる。しかも、燃料電池の起動前にガスタービンの駆動による発電が行われるから、電力システム全体としての電力供給は、より早期に実施可能である。

前記ハイブリッド発電装置は、前記燃料供給源から供給された燃料を改質すると共に、その改質燃料を前記燃料電池に供給する改質器をさらに含み、前記制御ユニットはさらに、前記ハイブリッド発電装置の起動時には、前記高温のホットエアの一部を前記改質器に供給することによって、前記改質器の温度を上昇させると共に、前記燃料電池及び改質器それぞれの温度が所定の温度に到達した後に、前記燃料供給源から前記改質器に燃料を供給し、それによって、当該改質器において改質された改質燃料及び前記ホットエアを前記燃料電池に供給して、当該燃料電池による発電を開始させる、としてもよい。

改質器の作動温度は、燃料電池と同様に、比較的高いため、改質器を含む構成の電力システムにおいては、その起動時、換言すれば燃料電池の起動時には、改質器も昇温させる必要がある。そこで、高温のホットエアの一部を前記改質器に供給することによって、燃料電池と同様に、改質器の温度も比較的短時間で高まる。

そうして、改質器及び燃料電池の温度が所定の温度に到達した後に、燃料供給源から改質器に燃料を供給することによって、改質燃料が燃料電池に供給されることになり、燃料電池による発電が開始することになる。

前記ハイブリッド発電装置は、航空機に搭載される補助動力装置である、としてもよい。前述したように本構成の電力システムは、その起動時間が短いため、起動・停止が比較的頻繁に繰り返される輸送機器に採用した場合に、その始動時間が短くなる点で特に有効である。

本発明の他の側面によると、電力システムの起動方法は、燃料供給源から燃焼器に燃料を供給し、当該燃焼器において生成した燃焼ガスを、タービン、コンプレッサ及び発電機を含むガスタービンに供給することによって、当該ガスタービンを始動すると共に、前記発電機による発電を開始するステップ、前記コンプレッサの排気を、前記タービンの高温排気と熱交換することによって、高温のホットエアを生成するステップ、前記ホットエアを固体酸化物型燃料電池に供給することによって、当該燃料電池の温度を上昇させるステップ、及び、前記燃料電池の温度が所定の温度に到達した後に、前記燃料供給源からの燃料及び前記ホットエアを前記燃料電池に供給することによって、当該燃料電池による発電を開始するステップ、を含む。

また、前記起動方法は、前記燃料電池による発電を開始する前に、前記ホットエアの一部を改質器に供給することによって、当該改質器の温度を上昇させるステップ、及び、前記燃料電池及び改質器の温度がそれぞれ所定の温度に到達した後に、前記燃料供給源から改質器に燃料を供給するステップをさらに含み、前記燃料電池による発電は、前記改質器において改質した改質燃料及び前記ホットエアを前記燃料電池に供給することによって開始する、としてもよい。

これらの構成によると、前述したように、ガスタービンの排熱によって少なくとも燃料電池が短時間で昇温されるから、電力システムの起動時間が短縮化される。

前記起動方法は、前記燃料電池による発電を開始した後に、当該燃料電池の排気を前記燃焼器に供給し、それによって生成した燃焼ガスを前記ガスタービンに供給することによって当該ガスタービンを駆動するステップを更に含む、とすることが好ましい。

燃料電池による発電開始後は、その燃料電池の、未反応燃料を含む排気を燃焼器に供給し、それによって生成された燃焼ガスをガスタービンに供給することによって、電力システムの効率がより一層向上する。

以上説明したように、本発明によると、電力システムの起動時に、ガスタービンを先ず起動して発電を行いつつ、その排熱を利用して少なくとも燃料電池を昇温するから、燃料電池の温度を早期に所定温度にすることができ、電力システムの起動時間を短縮することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１は、本発明の実施形態に係る電力システムの構成を示す概略図である。この電力システムは、本実施形態においては、航空機のＡＰＵとして構成されている。尚、本発明の電力システムは航空機に搭載されるシステムに限定されるものではなく、例えば船舶、自動車等の他の輸送機器に搭載される電力システムとしてもよい。また、本発明の電力システムは輸送機器に搭載されるシステムに限らず、その他の電力システム、例えば携帯発電機のシステム等に採用してもよい。これらの電力システムは、その起動・停止が比較的高頻度に行われるシステムであるのに対し、本実施形態の電力システムは、後述するように、その起動時間を短くすることができるため、好適である。

図１において、符号１は、アノード１１及びカソード１２を含む燃料電池であり、ここでは特に固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）とされている。また、同図において符号２は、互いに連結軸２３によって連結されたタービン２１及びコンプレッサ２２、並びに、タービン２１及びコンプレッサ２２に直結されたスタータ／発電機２４を含むガスタービンである。スタータ／発電機２４は、ガスタービン２の始動時には、モータとして機能することでガスタービン２を始動させる一方、ガスタービン２の始動後は、例えば交流電力を出力する発電機として機能する。尚、ガスタービン２の構成は、スタータ／発電機２４を、タービン・コンプレッサ２１，２２に直結した１軸構成でなくても、２軸構成等、他の構成を採用してもよい。

前記ガスタービン２のコンプレッサ２２は、導入した外気を圧縮して排出するものであり、その排気は、後述する第１熱交換器３１及び第２熱交換器３２を介して、前記ＳＯＦＣ１のカソード１２に供給される。

前記ガスタービン２のタービン２１は、後述する燃焼器３３からの燃焼ガスが供給されることによって回転駆動して前記コンプレッサ２２を駆動するものであり、タービン２１の排気は、タービン排気管５１を通じて、前記第１熱交換器３１の１次側に送られる。

第１熱交換器３１は、前記ガスタービン２とＳＯＦＣ１との間に介設されており、前述したように、その１次側にはタービン排気管５１が連結されると共に、その２次側にはコンプレッサ２２の排気側に連結されたコンプレッサ排気管５２が連結されている。これによって第１熱交換器３１は、タービン２１の高温排気とコンプレッサ２２の排気との間で熱交換を行う。コンプレッサ２２の排気を昇温することによって生成されたホットエアは、空気供給管５３を通じて、前記ＳＯＦＣ１に供給されることになる。

前記ＳＯＦＣ１にはまた、改質器３４が接続されている。改質器３４には、燃料供給管５６を介して脱硫装置３５が接続されており、改質器３４は、図示省略の燃料供給源から供給されかつ、脱硫装置３５において脱硫された燃料（航空機に搭載された本実施形態ではジェット燃料）を改質する。このことによって生成された水素リッチな燃料ガスは、燃料ガス供給管５５を介してＳＯＦＣ１のアノード１１に供給される。尚、前記改質器３４は、本実施形態では、水蒸気改質を行うように構成されており、この水蒸気改質に必要となる水蒸気は、後述する水蒸気発生器４１から供給される。

ＳＯＦＣ１におけるアノード１１の排気には、未反応の燃料が含まれていることから、そのアノード１１の排気はガスタービン２に戻される。つまり、アノード１１の排気側は、前述したようにガスタービン２のタービン２１に接続されている燃焼器３３に接続されている。アノード１１の排気を燃焼させた燃焼ガスが前記タービン２１に供給されることで、前述したように、ガスタービン２が駆動されることになる。

燃焼器３３にはまた、前記脱硫装置３５と改質器３４とを互いに連結する燃料供給管５６から、分岐弁５８を介して分岐した分岐管５７が接続されている。分岐弁５８は、後述するＥＣＵ６の制御によって、脱硫後のジェット燃料を、燃焼器３３側のみ、改質器３４側のみ、又は燃焼器３３及び改質器３４の双方、に供給するように切り換わる。そうして、詳しくは後述するが、電力システムの少なくとも起動時には、燃焼器３３には、アノード１１の排気ではなく、燃料供給源から供給された（脱硫後の）ジェット燃料が供給されるようになっている。

一方、ＳＯＦＣ１におけるカソード１２の排気は、第２熱交換器３２の１次側に送られた後に、前記燃焼器３３に供給されるようになっている。

第２熱交換器３２の２次側には、前記空気供給管５３が接続されており、これによって第２熱交換器３２は、カソード１２の排気と前記第１熱交換器３１からのホットエアとの間で熱交換を行う。これによってさらに高温になったホットエアが、前記カソード１２に供給されることになる。こうした熱回収によって、電力システムの効率が向上する。

空気供給管５３の途中には、前記改質器３４に接続された分岐管５９が分岐接続されており、後述するように、電力システムの起動時には、第１熱交換器３１からのホットエアの一部が、この分岐管５９を通じて改質器３４に供給される。これは、改質器３４の昇温に用いられる。

また、第１熱交換器３１における１次側の排気部には、水凝縮・分離器４２が接続されている。燃焼器３３により燃焼された燃焼ガスは、比較的多量の水分を含んでいることから、この水凝縮・分離器４２は、タービン２１の排気から水分を凝縮することによって気液分離を行う。分離された気体は電力システムの排気とされてシステム外に排出される一方、分離された水は前記水蒸気発生器４１に送られる。

水蒸気発生器４１は、前述したように、水凝縮・分離器４２から供給された水を水蒸気にして、それを前記改質器３４に供給する。これによって、改質器３４における燃料改質に必要な水蒸気が供給されることになる。このように、水蒸気の生成にタービン２１の排気を利用することによって、電力システムを自立したシステムにすることができる。

前記電力システム（ハイブリッド発電装置）は、制御ユニットとしてのＥＣＵ（Electric Control Unit）６によって制御される。ＥＣＵ６は、本実施形態では、少なくともガスタービン２と、分岐弁５８との制御を行う。このＥＣＵ６は、航空機のデータバス６１に接続されている。これによって、ＥＣＵ６には、データバス６１上の種々のデータが入力されるようになっている。

次に、本実施形態に関し、前記ＥＣＵ６による電力システムの起動時の制御について、図２を参照しながら説明する。

先ず、電力システムを起動する前の停止状態においては、ＳＯＦＣ１の温度が、その作動温度に比べて遙かに低いとする。この状態で、電力システムを起動するときには、先ずガスタービン２を始動させるべく、図２の上図に示すように、ＥＣＵ６が分岐弁５８及びガスタービン２の制御を行うことによって、燃料供給源からのジェット燃料（脱硫後）を燃焼器３３に供給すると共に、スタータ２４を駆動させる。尚、この時点では改質器３４には燃料を供給しない。

これによって、燃焼器３３からの燃料ガスがタービン２１に供給されることで、ガスタービン２が始動する。ガスタービン２の起動時間は比較的短いため、ガスタービン２は、早期に定常状態となる。また、ガスタービン２の駆動に伴い発電機２４を駆動させることで、発電機２４による発電を開始する。

ガスタービン２の駆動に伴い第１熱交換器３１において、高温のホットエアが生成される。ホットエアは、その一部がＳＯＦＣ１のカソード１２に供給されると共に、その一部が改質器３４に供給される。これによって、ＳＯＦＣ１が昇温されると共に、改質器３４も昇温される。

そうして、ＳＯＦＣ１の温度及び改質器３４の温度が、作動温度又はそれに近い温度にまで上昇すれば、ＥＣＵ６が分岐弁５８を制御することによって、改質器３４にジェット燃料を供給する（図２の下図参照）。尚、ＳＯＦＣ１の温度及び改質器３４の温度は、適宜の温度センサによって検出してもよい。

それによって、ＳＯＦＣ１には、改質燃料と前記ホットエアとが供給されることになるため、ＳＯＦＣ１における発電が開始される。

ＳＯＦＣ１の発電開始後は、アノード１１の排気に未反応燃料が含まれることから、その排気が燃焼器３３において燃焼され、生成された燃料ガスがガスタービン２のタービン２１に供給される。それによってガスタービン２が駆動されることになる。尚、この電力システムの定常状態においては、燃料供給源から燃焼器３３へのジェット燃料の供給は停止してもよいし、必要に応じて、その供給を継続してもよい（一点鎖線の矢印参照）。

ＳＯＦＣ１の発電開始に伴い、その排熱によって、第２熱交換器３２における熱交換も開始されることになる。

尚、ＳＯＦＣ１の作動後は、改質器３４へのホットエアの供給は停止すればよい。

このように、本実施形態に係る電源システムでは、その起動時に、相対的に起動時間の短いガスタービン２を先ず起動することによって、そのガスタービン２の排熱を利用したＳＯＦＣ１及び改質器３４の昇温を行うことができる。これによってＳＯＦＣ１及び改質器３４の温度を、比較的短時間で上昇させて電力システムの起動時間を短くすることが可能になる。しかも、ＳＯＦＣ１の起動よりも前に、ガスタービン２の駆動によって発電が行われるから、電力システムによる電力供給は、より早期に実施可能であり、航空機において必要な電力を、早期に確保することができる。

以上説明したように、本発明は、その起動時間を大幅に短縮することができるから、固体酸化物型燃料電池とガスタービンとを含む、各種の電力システムについて有用である。

本発明の実施形態に係る電力システムの構成を示すブロック図である。 前記電力システムの起動時の制御を説明する図である。

符号の説明

１ 固体酸化物型燃料電池
２ ガスタービン
２１ タービン
２２ コンプレッサ
２４ スタータ／発電機（発電機）
３１ 第１熱交換器（熱交換器）
３３ 燃焼器
３４ 改質器

Claims (6)

1. タービンと、コンプレッサと、発電機とを含むガスタービン、
   前記コンプレッサの排気と燃料供給源からの燃料とが供給される固体酸化物型燃料電池、
   前記燃料電池の排気を燃焼させると共に、その燃焼ガスを前記タービンに供給する燃焼器、
   前記燃料電池よりも上流側において、前記コンプレッサの排気と前記タービンの高温排気との間で熱交換を行う熱交換器、を含むハイブリッド発電装置と、
   前記ハイブリッド発電装置の制御を行う制御ユニットと、備え、
   前記制御ユニットは、前記ハイブリッド発電装置の起動時には、
   前記燃料供給源から前記燃焼器に燃料を供給し、当該燃焼器にて生成された燃焼ガスを前記タービンに供給することによって前記ガスタービンを始動させると共に、前記発電機による発電を開始させ、
   前記熱交換器における、前記コンプレッサからの排気と前記タービンの高温排気との熱交換によって生成された高温のホットエアを、前記燃料電池に供給することによって、前記燃料電池の温度を上昇させ、
   前記燃料電池の温度が所定の温度に到達した後に、前記ホットエアと共に、前記燃料供給源からの燃料を前記燃料電池に供給し、それによって、当該燃料電池による発電を開始させる電力システム。
2. 請求項１に記載の電力システムにおいて、
   前記ハイブリッド発電装置は、前記燃料供給源から供給された燃料を改質すると共に、その改質燃料を前記燃料電池に供給する改質器をさらに含み、
   前記制御ユニットはさらに、前記ハイブリッド発電装置の起動時には、前記高温のホットエアの一部を前記改質器に供給することによって、前記改質器の温度を上昇させると共に、前記燃料電池及び改質器それぞれの温度が所定の温度に到達した後に、前記燃料供給源から前記改質器に燃料を供給し、それによって、当該改質器において改質された改質燃料及び前記ホットエアを前記燃料電池に供給して、当該燃料電池による発電を開始させる電力システム。
3. 請求項１又は２に記載の電力システムにおいて、
   前記ハイブリッド発電装置は、航空機に搭載される補助動力装置である電力システム。
4. 燃料供給源から燃焼器に燃料を供給し、当該燃焼器において生成した燃焼ガスを、タービン、コンプレッサ及び発電機を含むガスタービンに供給することによって、当該ガスタービンを始動すると共に、前記発電機による発電を開始するステップ、
   前記コンプレッサの排気を、前記タービンの高温排気と熱交換することによって、高温のホットエアを生成するステップ、
   前記ホットエアを固体酸化物型燃料電池に供給することによって、当該燃料電池の温度を上昇させるステップ、及び、
   前記燃料電池の温度が所定の温度に到達した後に、前記燃料供給源からの燃料及び前記ホットエアを前記燃料電池に供給することによって、当該燃料電池による発電を開始するステップ、を含む電力システムの起動方法。
5. 請求項４に記載の電力システムの起動方法において、
   前記燃料電池による発電を開始する前に、前記ホットエアの一部を改質器に供給することによって、当該改質器の温度を上昇させるステップ、及び、
   前記燃料電池及び改質器の温度がそれぞれ所定の温度に到達した後に、前記燃料供給源から改質器に燃料を供給するステップをさらに含み、
   前記燃料電池による発電は、前記改質器において改質した改質燃料及び前記ホットエアを前記燃料電池に供給することによって開始する電力システムの起動方法。
6. 請求項４又は５に記載の電力システムの起動方法において、
   前記燃料電池による発電を開始した後に、当該燃料電池の排気を前記燃焼器に供給し、それによって生成した燃焼ガスを前記ガスタービンに供給することによって当該ガスタービンを駆動するステップをさらに含む電力システムの起動方法。

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