JP2010133427A - 発電システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い発電効率を得ることができ、そして中小規模の施設により稼動可能であり、しかも電力需要および熱需要の変動に対応できるガスタービンによる発電と例えば燃料電池による発電とを組合わせて発電と排熱利用を可能にした熱電供給の発電システムを提供する。
【解決手段】 電気及び熱を発生する発電機器（１）と、該発電機器（１）の排気系統（Ｌｈ）に介装された第１の熱交換器（１１）と、熱媒が循環し且つ気化した熱媒により回転駆動されるタービン（２１）が介装されている第１の熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）と、熱媒が循環し且つ蓄熱手段（例えば、蓄熱槽１４）が介装されている第２の熱媒閉鎖循環系（Ｃ２）と、第２の熱媒閉鎖循環系（Ｃ２）を循環する熱媒が保有する熱量を第１の熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）を循環する熱媒に投入する第２の熱交換器（１２）とを備え、発電機器（燃料電池１）の排気系統（Ｌｈ）を流れる排ガスが保有する熱量は第１の熱交換器（１１）を介して第２の熱媒閉鎖循環系（Ｃ２）を循環する熱媒に投入されるようになっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンによる発電と他の発電（例えば、燃料電池を用いた発電）とを組み合わせた発電システムに関する。そして本発明は、好ましくは、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）の様な高温作動型燃料電池であって、特に、中小規模の燃料電池による発電と、ガスタービン（例えば、マイクロ・ナノディスクタービン）による発電とを組み合わせた発電システムに関する。

発電システムとして、固体酸化物燃料電池(ＳＯＦＣ)や溶融炭酸塩型燃料電池(ＭＣＦＣ)といった、高温作動型燃料電池を利用する燃料電池システムは、炭化水素系燃料を改質して利用し、ＳＯＦＣでは６００〜１０００℃以上、ＭＣＦＣでは約５００〜９００℃以上の高温で作動させる。

そのような高温作動型燃料電池では、供給燃料の全てが電池内での発電に利用されることはなく、定格運転時でも６０〜８０％程度の燃料が発電に、残りの２０〜４０％程度は未反応燃料として電池外に排出される。未反応燃料はオフガス燃焼室等で燃焼し、その発生熱の一部は燃料電池システムの高温維持や供給燃料の改質などに利用される。また、燃料電池内においても、発電時に内部発熱が生じ、その熱によっても燃料電池システムは高温維持される。

上記のような高温作動により、これら燃料電池システムの排気ガスや、発電部分の冷却のために流通させたガスの温度は２００℃〜５００℃以上と極めて高いのが一般的である。

ここで、上記高温排気ガスの保有する熱エネルギーを排ガス熱交換器を介して水道水を加熱し、風呂や厨房などの給湯に利用することで電力と熱（湯）を同時に需要家に供給するコージェネレーションシステムとすることが一般的に行われている。

固体酸化物燃料電池(ＳＯＦＣ)や溶融炭酸塩型燃料電池(ＭＣＦＣ)などの高温作動型燃料電池から高温排気（ここでは、未だ酸素が残っている）に燃料を加えて燃焼させ、更に高温で、高エネルギーの燃焼ガスとして、その燃焼ガスをマイクロガスタービンに投入してタービンに直結の発電機を運転し、燃料電池側の発電と合わせて、総合発電効率が５５〜６０％という高効率なコンバインド発電設備（例えば、特許文献１参照）が知られている。

これまでの研究から、従来のマイクロガスタービンを活用する場合、上記コンバインド発電設備の最適な規模の組合せは、ガスタービン出力１に対し、燃料電池出力４〜５と報告されている。従って、現在普及している最小クラスのマイクロガスタービンの出力３０ｋＷを考えれば、これと組み合わせるべき燃料電池の出力は１２０〜１５０ｋＷ、即ち、総合出力が１５０〜１８０ｋＷ程度のコンバインド発電設備が将来技術として想定出来る。
尚、実験的には２００ｋＷ以上のものが試験的に運転されている。又、２００℃程度の低い温度で運転できるガスタービンでは、実用的な発電効率が未だ得られていないというのが実情である。

一方、太陽エネルギーを熱源とし、太陽熱で冷媒（フロン、アンモニア）を加熱して、沸騰させ、気化した冷媒でガスタービンを回し、１００〜３００℃の中温度領域でも運転が可能な発電システムとして、蓄熱した太陽熱によってフロン等の冷媒を過熱し、小規模且つ中温度差領域でも比較的高い効率で発電出来る粘性・衝動複合型（出力を低下させると、熱効率が悪くなるという欠点が補える）タービン発電機を利用するソーラーオーガニックランキンサイクルシステムが提案されている（例えば特許文献２参照）。このシステムでは、太陽電池（８％程度）の約２倍の熱効率が期待出来ると目されている。

更に、上述の２例とは別に、従来のタービンにおいて、１００〜３００℃程度でも運転が可能であって、特に小出力とした場合に熱効率が極端に低くなる上、形状が複雑で製造コストが高いという課題を解決する新たなタービンとして、極めて薄いエレメントとディスクを交互にずらせながら重ね合せる構造を基本とし、切欠き、エレメント、微小翼型をディスク上に積層・形成したマイクロ・ナノディスクタービンが提案されている（例えば特許文献３参照）。

このマイクロ・ナノディスクタービンは、小型で低コストにも拘らず、タービン効率が高いという特性を有し、上述のソーラーシステムにおけるタービン発電機として利用することも合わせて提案されている。

中小規模の高温作動型燃料電池では、排気の熱エネルギーを回収して給湯や蒸気として供給するコージェネレーションが広く検討されている。しかし電力需要の比率が大きく、熱需要の小さい事務所ビルや店舗などでは、給湯需要等、特に熱の有効利用という点で、その省エネ性や環境負荷の優位性を発揮し難い。

家庭や事務所、店舗では、一日における電力と熱（給湯）の需要が時間によって大きく変化する。図１４及び図１５は、一般家庭（図１４）、及び、例えば中規模店舗（図１５）の一日（０時〜２４時まで）における電力需要（細い実線）と熱需要（細い破線）の変化と、その家庭又は店舗に導入されているコージェネシステムによる電力出力（太い実線）と給湯出力（太い点線）の変化を重ねて示したデータである。

図１４によれば、一般家庭のコージェネシステムでは電力は夜間において（図１４の符号Ａで示した部分）不足している。一方、給湯は例えば入浴時に需要のピーク（図１４の符号Ｂで示した部分）を迎えるが貯湯槽に蓄えた湯を用いることが出来、全体（２４時間）としては余剰気味である。

図１５によれば、中規模の店舗のコージェネシステムでは電力は始業・開店から終業・閉店に至る広範囲の時間帯で電力不足（図１５の符号Ｃで示した部分）をきたしている。それに対して、給湯は昼夜を問わず、大幅に余剰（図１５の符号Ｄで示した部分）となっている。

図１４及び図１５を見る限り、使い方の異なる夫々の需要変化に対応し、常に高い効率で、電力と熱（給湯）の需要の双方を最適に供給出来るエネルギー供給システムや、その運転方法が未だ提供されているとは言い難い。このような電力と熱の需給ミスマッチにより、電力を必要とする際に電力が不足する一方、余剰の熱が発生しているといった状況もあり、更なる省エネ性の改善が必要な場合がある。

前記技術（特許文献１）では、対照としているシステムが高温作動方燃料電池とマイクロガスタービンとのコンバインシステムであるため、システムの規模が大きい。
前述の通り、現在普及している最小規模のマイクロガスタービンを想定しても、１５０ｋＷ以上のシステムとなることが想定される。従って、１ｋＷ〜百ｋＷ未満の家庭用や中規模以下の業務用等、中小規模の需要家に対する電力供給システムとしては設備規模が大き過ぎ、導入が困難である。

又、中小規模の需要家に対応するため、ガスタービンを小型化することも可能だが、その場合は、前述の特許文献２に記載の如く、タービン効率が極端に低下する為、及び小さな３次元翼を作るのは難しく高コストとなる為、コンバインド化のメリットは極めて小さい。

前記技術（特許文献２）では、熱手段を備えているとはいえ、太陽熱をタービン駆動のエネルギー源としていることから、発電出力が天候に左右され易い。加えて得られる発電出力が需要家の電力需要の多くを賄う規模になり難い。１ｋＷ程度の家庭向け電力需要には対応し得ると考えられるが、それ以上の電力需要には対応できない。即ち、電気需要と熱需要とを満足するための太陽熱、太陽光を集めるのは困難である。
太陽熱を活用して電力と熱（給湯）を供給するコージェネレーションは可能であるが、双方を同時に、又は相当規模の出力で供給するには、太陽熱を蓄積するのに多大な時間を要する上に、設備も大規模とせざるを得ない。

前記技術（特許文献３）では、小規模且つ中温度量域の熱を利用する発電装置に最適なタービン（太陽光、或いは１００℃〜３００℃程度のガスを利用する）として提案されているが、その具体的な利用形態については、太陽熱利用に関するものとなっている。加えて、該タービンを利用する際の運転方法については言及されていない。
特に、電力と熱の需要が時間とともに変化する需要家に対して、熱電併給（コージェネレーション）と複合発電（コンバインド発電）、及びその双方をバランスさせて最適制御する（コンバインド・コージェネレーション運転）といった観点で提案されたタービンを活用する装置や運転方法については記述がない。

特開２００４−１１１１３０号公報 特開２００３−２２７３１５号公報 特開２００４−２７８３３５号公報

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、小出力でも高効率なガスタービンによる発電とその他の発電（例えば燃料電池による発電）、及び発電と排熱利用給湯暖房を選択利用可能とするコンバインド・コージェネレーションシステムであって、高い発電効率を得ることが出来、中小規模の施設により稼動することが出来て、しかも、電力需要及び熱需要の変動に柔軟に対応することが出来る熱電併給システム及びその制御方法の提供を目的としている。

本発明の発電システムは、電気及び熱を発生する発電機器（例えば、高温作動型燃料電池１、或いは、内燃機関と組み合わせた発電装置）と、該発電機器（１）の排気系統（Ｌｈ）に介装された第１の熱交換器（１１）と、熱媒が循環し且つ気化した熱媒により回転駆動されるタービン（例えばマイクロ・ナノディスクタービン２１）が介装されている第１の熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）と、熱媒が循環し且つ蓄熱手段（例えば、蓄熱槽１４）が介装されている第２の熱媒閉鎖循環系（Ｃ２）と、第２の熱媒閉鎖循環系（Ｃ２）を循環する熱媒が保有する熱量を第１の熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）を循環する熱媒に投入する第２の熱交換器（１２）とを備え、発電機器（燃料電池１）の排気系統（Ｌｈ）を流れる排ガスが保有する熱量は第１の熱交換器（１１）を介して第２の熱媒閉鎖循環系（Ｃ２）を循環する熱媒に投入される様に構成されていることを特徴としている（請求項１：図２）。

本発明の実施に際して、前記発電機器としては、出力１００ｋＷ未満の中小規模の高温作動型燃料電池（１）であって、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）の様な高温作動型燃料電池（１）を用いることが好ましい。
但し、ガスエンジンその他の内燃機関と組み合わされた発電装置を使用することも可能である。

また本発明において、前記タービン（例えばマイクロ・ナノディスクタービン２１）が介装されている熱媒閉鎖循環系（第１の熱媒閉鎖循環系Ｃ１）を循環する熱媒としては、フロン、代替フロン、アンモニア、二酸化炭素（ＣＯ２）等の低沸点媒体であるのが好ましい。
さらに本発明において、前記第２の熱媒閉鎖循環系（Ｃ２）を循環する熱媒としては、機械油、タービン油、ナフタリン等の高沸点媒体であるのが好ましい。

ここで、本発明の発電システム（請求項１の発電システム）において、（ユーザーの）電力需要を監視する電力需要監視手段（５０）と、前記発電機器（例えば、高温作動型燃料電池１、或いは、内燃機関と組み合わせた発電装置）の発電出力を監視する第１の発電出力監視手段（６０）と、前記タービン（例えばマイクロ・ナノディスクタービン）と組み合わせされた発電装置の発電出力を監視する第２の発電出力監視手段（７０）と、制御装置（１０）とを有し、該制御装置（１０）は、前記電力需要監視手段（５０）と第１及び第２の発電出力監視手段（６０，７０）とから得られる情報に基づいて、前記発電機器（例えば燃料電池１）の発電出力と前記タービン（例えばマイクロ・ナノディスクタービン２１）と組み合わされた発電装置（２２）の発電出力とを制御する様に構成されているのが好ましい（請求項２：図３）。

そして、本発明の発電システム（請求項１〜請求項２の何れか１項の発電システム）において、前記タービン（例えばマイクロ・ナノディスクタービン２１）が介装された熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）には熱媒を凝縮する熱媒凝縮器（１３Ａ）が介装されており、該熱媒凝縮器（１３Ａ）には水供給系（水道水供給系Ｌｗ１）が接続され、該水供給系（Ｌｗ１）は熱媒凝縮器（１３Ａ）を経由して温水貯蔵手段（貯湯槽１５）に連通しており、循環する熱媒が保有する熱量が水供給系（Ｌｗ１）を流れる水（水道水）に投入される様に構成されているのが好ましい（請求項３：図４）。

また、本発明の発電システム（請求項１又は２の何れか１項の発電システム）は、（ユーザーの）電力需要を監視（計測或いは予測）する電力需要監視手段（５０）と、前記発電機器（１）の排気系統（Ｌｈ）から分岐して前記熱交換器（或いは第１の熱交換器１１）をバイパスしてから当該排気系統に合流するバイパスライン（Ｌｈｂ）と、該バイパスライン（Ｌｈｂ）に介装されたバイパス弁（Ｖｈｂ）と、制御装置（１０）とを有しており、該制御装置（１０）は、電力需要監視手段（５０）で監視された電力需要が発電機器の発電出力以上である場合にはバイパス弁（Ｖｈｂ）を閉鎖し、前記循環機器（例えばポンプＰｄ）を作動して熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）で熱媒を循環させ、前記タービン（２１）と組み合わされた発電装置（２２）で発電を行い、電力需要が発電機器（１）の発電出力よりも少ない場合にはバイパス弁（Ｖｈｂ）を開放し、前記循環機器（例えばポンプＰｄ）を停止して熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）で熱媒を循環させず、前記タービン（２１）と組み合わされた発電装置（２２）では発電しない制御を実行する様に構成されているのが好ましい（請求項４：図６、図７）。

そして、タービン（例えばマイクロ・ナノディスクタービン２１）が介装されている第１の熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）と、蓄熱手段（例えば、蓄熱槽１４）が介装されている第２の熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）とを有する本発明の発電システム（請求項２の発電システム）は、（ユーザーの）電力需要を監視する電力需要監視手段（５０）と、制御装置（１０）とを有しており、該制御装置（１０）は、電力需要が前記発電機器（１）の許容下限出力以上であれば発電機器（１）を稼動し、発電機器（１）の排ガスが保有する熱量を第１の熱交換器（１１）及び前記第２の熱媒閉鎖循環系（Ｃ２）を介して蓄熱手段（１４）に蓄熱し、電力需要が前記発電機器（１）の許容下限出力よりも少なければ発電機器（１）を停止し、第１の熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）及び第２の熱媒閉鎖循環系（Ｃ２）で熱媒を循環し、第１の熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）及び第２の熱交換器（１２）を介して前記蓄熱手段（１４）に蓄熱された熱量を第１の熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）に投入し、前記タービン（２１）と組み合わされた発電装置（２２）で発電を行う制御を実行する様に構成されているのが好ましい（請求項５：図８、図９）。

本発明の発電システム（請求項１又は２の何れか１項の発電システム）において、前記タービン（マイクロ・ナノディスクタービン２１）が介装された熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）には熱媒を凝縮する熱媒凝縮器（１３Ａ）が介装されており、該熱媒凝縮器（１３Ａ）には水供給系（水道水供給系Ｌｗ１０）が接続され、該水供給系（Ｌｗ１０）は熱媒凝縮器（１３Ａ）を経由して前記発電機器（１）に水蒸気を供給する蒸発器（１８：燃料電池の燃料改質用の水蒸気を生成する蒸発器）に連通しており、循環する熱媒が保有する熱量が前記蒸発器（１８）へ供給される水（水道水）に投入される様に構成されているのが好ましい（請求項６：図１０）。

係る発電システム（請求項４の発電システム）の制御方法は、（ユーザーの）電力需要を監視する工程（電力需要計測工程或いは電力需要予測工程Ｓ１）と、電力需要と前記発電機器（１）の発電出力とを比較する工程（Ｓ２）と、電力需要が発電機器（１）の発電出力以上である場合にバイパス弁（Ｖｈｂ）を閉鎖し、前記循環機器（例えばポンプＰｄ）を作動して熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）で熱媒を循環させ、前記タービン（２１）と組み合わされた発電装置（２２）で発電を行う工程（Ｓ３）と、電力需要が発電機器の発電出力よりも少ない場合にバイパス弁（Ｖｈｂ）を開放し、前記循環機器（例えばポンプＰｄ）を停止して熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）で熱媒を循環させず、前記タービン（２１）と組み合わされた発電装置（２２）では発電しない工程（Ｓ４）、とを含むことを特徴としている（請求項７：図７）。

係る発電システム（請求項５の発電システム）の制御方法は、（ユーザーの）電力需要を監視する工程（電力需要計測工程或いは電力需要予測工程Ｓ１１）と、電力需要と前記発電機器（１）の許容下限出力とを比較する工程（Ｓ１２）と、電力需要が前記発電機器（１）の許容下限出力以上であれば発電機器（１）を稼動し、発電機器（１）の排ガスが保有する熱量を第１の熱交換器（１１）及び前記第２の熱媒閉鎖循環系（Ｃ２）を介して蓄熱手段（１４）に蓄熱する工程（Ｓ１４）と、電力需要が前記発電機器（１）の許容下限出力よりも少なければ発電機器（１）を停止し、第１の熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）及び第２の熱媒閉鎖循環系（Ｃ２）で熱媒を循環し、第１の熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）及び第２の熱交換器（１２）を介して前記蓄熱手段（１４）に蓄熱された熱量を第１の熱媒閉鎖循環系（Ｃ１）に投入し、前記タービン（２１）と組み合わされた発電装置（２２）で発電を行う工程（Ｓ１３）、とを有することを特徴としている（請求項８：図９）。

上述する構成を具備する本発明によれば、以下に列記する効果を奏することが出来る。

発電出力１〜数百ｋＷの中小規模の燃料電池システムでも、コンバインド発電によって高い発電効率を実現出来る。

真夜中などで電力需要が低い場合には、燃料電池運転時に備蓄した排ガスの熱エネルギーを利用した小出力の発電が可能となるため、高い省エネ率の下で極めて少ない電力需要にも対応出来る。

需要家の電力と熱（給湯）の需要にあわせて、コンバインド発電とコージェネレーション運転を選択したり、両者を同時に、且つ熱電比を制御して運転できるコンバインド・コージェネレーション運転も可能である。

需要家の電力と熱（給湯）の需要情報と、発電出力、熱（給湯）出力、及び貯湯量を監視し、夫々の情報に基づいてシステムを最適に運転制御するため、省エネ性や環境負荷の面で非常に優れた熱電併用システムを実現出来る。

一般家庭や事務所、店舗などのように、季節や時間帯による電力と熱（給湯）の需要変化が大きく、且つ発電容量が１〜数百ｋＷといった中小規模の需要家に対し、中規模の熱電併給システムで、且つ電力と熱の需要変化に対して的確に対応出来るため、特にそのような需要家に適した熱電併給システムが提供されることとなる。

本発明の発電システムの参考例の構成を示したブロック図。 本発明の発電システムの第１実施形態の構成を示したブロック図。 本発明の発電システムの第２実施形態の構成を示したブロック図。 本発明の発電システムの第３実施形態の構成を示したブロック図。 本発明の発電システムの第３実施形態の変形例の構成を示したブロック図。 図２〜図３の実施形態における具体的な制御に係る第４実施形態のブロック図。 図２〜図３の実施形態における具体的な制御に係る第４実施形態のフローチャート。 図２の実施形態の具体的な制御に係る第５実施形態のブロック図。 図２の実施形態の具体的な制御に係る第５実施形態のフローチャート。 第６実施形態の発電システムの構成を示すブロック図。 第６実施形態の発電システムの構成の変形例を示すブロック図。 本発明の実施形態の発電システムを一般家庭が使用した時の、電力出力及び熱出力と、電力需要及び熱需要を対比して示した２４時間データ。 本発明の実施形態の発電システムを店舗が使用した時の、電力出力及び熱出力と、電力需要及び熱需要を対比して示した２４時間データ。 従来技術の発電システムを一般家庭が使用した時の、電力出力及び熱出力と、電力需要及び熱需要を対比して示した２４時間データ。 従来技術の発電システムを店舗が使用した時の、電力出力及び熱出力と、電力需要及び熱需要を対比して示した２４時間データ。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
先ず、本発明をよく理解するための図１を参照して参考例を説明する。

図１の参考例の発電システムは、例えば、固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）や溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）の様な高温作動型の燃料電池１と、該燃料電池１の電力出力（例えば、電流密度及び／又は燃料利用率）を制御する電力出力調整手段である、パワーコンディショナー３とを有している。

当該システムは、燃料電池１に燃料を供給する燃料供給ライン４と燃料電池１の酸化剤（例えば空気）を供給する酸化剤供給ライン６を備えており、燃料供給ライン４には燃料電池１に供給する燃料供給量を制御する燃料調整弁５が、一方、酸化剤供給ライン６には燃料電池１に供給する酸化剤（例えば、空気）供給量を制御する酸化剤調整弁７が介装されている。又、燃料電池１の発電モジュールには流量制御弁Ｖａを介装した冷却用空気供給ラインＬａが連通し、そのラインＬａを介して冷却用空気が供給される様に構成されている。

燃料電池のオフガス燃焼部１ａにはオフガス燃焼部１ａからの酸素が残留する燃料電池の高温排ガスを排出する第１の排気系Ｌｈ１が接続されている。又、燃料電池１の発電モジュールからは発電モジュールの抽気高温排ガスを排出する第２の排気系Ｌｈ２が接続されている。第１の排気系Ｌｈ１と第２の排気系Ｌｈ２とは合流点Ｇで排気管Ｌｈに合流し、以降、排気管Ｌｈの端部から排ガスを大気に開放する。

その排気系Ｌｈは、閉回路であって、内部を、例えば代替フロン等の熱媒が循環する熱媒閉鎖循環系Ｃ１の熱媒循環ラインＬｄに介装され、熱媒閉鎖循環系Ｃ１を構成する熱交換器１１を経由するように構成されている。その熱交換器１１では、排気系Ｌｈの高温熱エネルギーを、熱媒閉鎖循環系Ｃ１の熱媒に与える様に構成されている。

熱媒閉鎖循環系Ｃ１には、図示の例では、熱交換器１１を起点に、時計回り順にマイクロ・ナノディスクタービン２１によって発電機２２が駆動する粘性・衝動複合型発電装置（以降、粘性・衝動複合型発電装置をナノディスクタービン発電機と言う）２０と、冷却ファン１３ｆを有し熱媒を凝縮させる熱媒凝縮器１３と、熱媒を強制循環させるポンプＰｄと、冷媒の流量を調節する流量調整弁Ｖｄとが配置され、これらのユニットが熱媒循環ラインＬｄでサーキット状に接続されている。熱媒は熱媒循環ラインＬｄを矢印方向に循環する。
尚、図１では、熱媒凝縮器１３の冷却手段として冷却ファン１３ｆを用いているが、冷却用流体を供給する機構でも良い。

前記第１の排気系Ｌｈ１には、燃料電池１の排ガス温度を計測する排ガス温度センサＳｔが介装されている。また、燃料電池１にも直接燃料電池１内の各部の温度を計測するための燃料電池システム温度計測器２が設置されている。

燃料電池１の出力電力ラインＬｅは分電盤４０を経由し、電力需要５０及び系統電力に接続されている。その出力電力ラインＬｅには燃料電池１側から順に、電流密度及び／または燃料利用率の制御手段であるパワーコンディショナー３、Ｄ／Ｄコンバータ８、インバータ９が介装されている。

一方、熱媒循環路Ｌｄに介装されたナノディスクタービン発電機２０は出力電力ラインＬｅ２によって前記分電盤４０を経由して電力需要５０に接続されており、マイクロタービン発電装置２０で発電した電力も電力需要５０に送られる。

前記第１の排気系Ｌｈ１には第１の流量調節弁Ｖｈ１が、一方、第２の排気系Ｌｈ２には第２の流量調節弁Ｖｈ２が介装され、各排気系Ｌｈ１、Ｌｈ２を流れる排ガスの流通及び流量の調節を行えるように構成されている。

ここで、熱媒循環ラインＬｄに介装された熱媒循環量調整弁Ｖｄは、熱媒閉鎖循環系Ｃ１を循環する熱媒の量（熱媒循環量）を適切に調節するために、設置されている。熱媒循環量調整弁Ｖｄの開度調節の詳細については、その他の実施形態に関連して後述する。
又、参考例及び後述する実施形態において、タービン発電機２０を駆動する熱媒閉鎖循環系Ｃ１に用いる熱媒としては、フロン、アンモニア、ＣＯ２等の低沸点媒体が用いられる。

即ち、この参考例の発電システムでは、排気系Ｌｈ１を流過する発電モジュール抽気高温排ガスと排気系Ｌｈ２を流過する燃料電池高温排ガスが合流して排気系Ｌｈへ流入し、排気系Ｌｈに介装された熱交換器１１で、排気系Ｌｈを流れる高温の排ガスが保有する熱量を、熱媒閉鎖循環系Ｃ１を流れる熱媒に投入する。そして、その熱媒を蒸発せしめ、マイクロ・ナノディスクタービン２１を回転させて発電装置２２を稼働させ、交流電力を発生せしめ、所謂「粘性・衝動複合型タービン発電」を行う。
その結果、従来、主として熱需要のみにしか利用出来なかった燃料電池１の高温排ガスを、電力需要にも利用することが可能となる。

次に、図２を参照して本発明の第１実施形態を説明する。

図２の第１実施形態の発電システムは、図１の参考例におけるシステムと同様な「熱媒閉鎖循環系（第１の熱媒閉鎖循環系）」Ｃ１に加えて、「第２の熱媒閉鎖循環系」Ｃ２を設けている。
即ち、燃料電池からの高温排ガスと直接的、間接的に熱交換を行う二つの熱交換器が、二つの異なる流路を流通し、夫々が流量制御可能な熱媒と熱交換可能となっており、一方の熱媒流路は断熱流路と断熱された熱媒貯蔵タンク、熱媒循環ポンプによる閉鎖循環系を構成し、他方の熱媒流路は、前記閉鎖系循環系を構成していることで、燃料電池を停止させた場合でも前者の熱媒循環で蓄熱した熱エネルギーを前記間接的な熱交換器を介して後者の熱媒に与えることで、他方の熱媒流路に介装したタービン発電機により発電出力を得ることの出来る実施形態である。

図２において、第２の熱媒閉鎖循環系Ｃ２は、蓄熱手段である蓄熱槽（熱媒タンク）１４と、ポンプＰｃと、排気系Ｌｈと直接連通する第１の熱交換器１１と、第１の熱媒閉鎖循環系Ｃ１と連通する第２の熱交換器１２と、流量調整弁Ｖｃと、これ等を連通する第２の熱媒循環ラインＬｃで構成されている。

一方、第１の熱媒閉鎖循環系Ｃ１は、参考例と同様、冷媒ポンプＰｄと、流量制御弁Ｖｄと、第２の熱媒閉鎖循環系Ｃ２と連通する第２の熱交換器１２と、マイクロ・ナノディスクタービン２１と、熱媒凝縮器１３と、これ等を連通する第１の熱媒循環ラインＬｄで構成されている。
尚、参考例における第１の熱媒循環ラインＬｄは、前述の参考例における熱媒循環ラインＬｄと同じである。第２実施形態では特に第２の熱媒循環ラインＬｃと識別するために、名称を「第１の熱媒循環ライン」としている。

流量制御弁Ｖｄ、Ｖｃは第１の熱媒閉鎖循環系Ｃ１及び第２の熱媒閉鎖循環系Ｃ２の各々における熱媒循環量を調節するための制御用の弁である。熱媒循環量の調節の詳細については、他の実施形態に関連して後述する。

図２の第１実施形態の発電システムは、燃料電池１の稼動時に発生した高温排ガスが保有する熱量は、第１の熱交換器１１を介して第２の熱媒閉鎖循環系Ｃ２を流れる熱媒に投入され、蓄熱槽１４内に貯蔵される。
第１の熱媒閉鎖循環系Ｃ１に介装されたポンプＰｄを駆動しなければ、第１の熱媒閉鎖循環系Ｃ１において熱媒は循環しない。従って、第２の熱媒閉鎖循環系Ｃ２の蓄熱槽１４内に貯蔵された熱が、マイクロ・ナノディスクタービン２１を駆動してしまうことはない。

燃料電池１の停止時は、第１の熱媒閉鎖循環系Ｃ１に介装された冷媒ポンプＰｄ及び第２の熱媒閉鎖循環系Ｃ２に介装された冷媒ポンプＰｃを駆動する。すると、第２の熱媒閉鎖循環系Ｃ２の蓄熱槽１４内に貯蔵された熱は、第２の熱媒閉鎖循環系Ｃ２を循環する熱媒によって第２の熱交換器１２から第１の熱媒閉鎖循環系Ｃ１を循環する熱媒へと伝達され、第２の熱交換器１２で第１の熱媒閉鎖循環系Ｃ１を循環する熱媒を蒸発せしめ、マイクロ・ナノディスクタービン２１を回転させ、タービン発電機２２を稼働して電力を得る。

参考例の発電システムでは、第１の熱媒閉鎖循環系Ｃ１を循環する熱媒として、代替フロンの他に、アンモニア、二酸化炭素などの低沸点媒体を使用出来る。また、第２の熱媒閉鎖循環系Ｃ２を循環する熱媒として、機械油、タービン油、ナフタリンなどの高沸点媒体を使用出来る。

ここで、燃料電池１の停止時に要求される電力需要としては、例えば、深夜における一般家庭の待機電力レベル（数１００Ｗ程度）がある。

図２の第１実施形態によれば、「第２の熱媒閉鎖循環系Ｃ２の蓄熱槽１４内に貯蔵された熱」という形態で燃料電池１の稼動時に貯えておくことにより、別途電池を設けること無く、結果として電力を貯えたのと同様な効果が得られる。即ち、電池を設けること無く、電力を貯えるのと同様な効果を奏することが出来る。

その他の構成及び作用効果については、図１の参考例と同様である。

次に、図３を参照して第２実施形態の発電システムを説明する。図３の第２実施形態は、図１の参考例の発電システムに制御系を組込んだシステムである。

図３において、当該発電システムは制御手段であるコントロールユニット１０を有しており、コントロールユニット１０は、燃料電池１の発電モジュールに設けた燃料電池システム温度計測器２と入力信号ラインＬｉ１によって、排気系Ｌｈ１に介装された排ガス温度センサＳｔと入力信号ラインＬｉ２によって夫々接続され、燃料電池１の稼働状態や、排気温度を常に監視して、後述する各種制御に対する判断基準を得ている。

また、コントロールユニット１０は、需要家（ユーザー）の電力監視手段としての例えば、ブレーカ等に付設された電力計５０と入力信号ラインＬｉ４によって、又、燃料電池１側の出力電力ラインＬｅ１に介装された電力計６０と入力信号ラインＬｉ５によって、ナノディスクタービン発電機２０側の出力電力ラインＬｅ２に介装された電力計７０と入力信号ラインＬｉ６によって、夫々接続され、現時点での各々の発電出力や、電力需要に関する情報を得る様に構成されている。

また、コントロールユニット１０は例えば図示しない入力用のリモコンから任意に電力需要や給湯需要、及び入浴時間等が入力可能になっており、それらの情報は入力信号ラインＬｉｘを経由して入力することも出来る。

コントロールユニット１０は、燃料供給ライン４に介装された燃料調整弁５と制御信号ラインＬｏ１と、酸化剤供給ライン６に介装された酸化剤調整弁７と制御信号ラインＬｏ２によって夫々接続され、前記入力された信号に基づいて、各弁５，７は開度（流量）が制御されるように構成されている。また、コントロールユニット１０は、パワーコンディショナー３と制御信号ラインＬｏ３によって接続され、出力電力を制御している。

さらに、コントロールユニット１０は、熱媒閉鎖循環系Ｃ１に介装された熱媒ポンプＰｄ及び流量調節弁Ｖｄと夫々制御信号ラインＬｏ５，Ｌｏ４によって接続され、燃料電池１側の発電出力と、ナノディスクタービン発電機２０側の発電出力の比を最適に制御できるように構成されている。

コントロールユニット１０における「燃料電池１とナノディスクタービン発電機２０の出力を最適に制御する」等、具体的な制御態様については、別の実施形態に関連して後述する。

図３の第２実施形態におけるその他の構成及び作用効果については、図２の第１実施形態と同様である。

次に図４及び図５を参照して第３実施形態の発電システムについて説明する。

図１の参考例では、熱媒閉鎖循環系Ｃ１に介装された熱媒凝縮器１３は冷却ファン１３ｆを用いた空冷方式の凝縮器である。
これに対して、図４の第３実施形態の一実施例の構成では、係る熱媒凝縮機（熱媒閉鎖循環系に介装された熱媒凝縮器）１３Ａは、水道（水道水供給系）Ｌｗ１から供給される水道水により、熱媒が冷却される様に（換言すれば、水冷方式の凝縮器として）構成されている。

熱媒凝縮器１３Ａで熱媒を冷却して昇温した水道水は、当該システムに設けた貯湯槽１５に貯蔵され、貯湯槽１５に接続された給湯ラインＬｗ２によって給湯手段を有する需要家に熱需要（或いは給湯需要）として与えられ、システムで発生する排熱の有効利用が図られている。

図４は、図１の参考例を改良した一実施例であるが、図５の第３実施形態の他の変形例は、図２の第１実施形態を改良している。
即ち、図２における第１の熱媒閉鎖循環系Ｃ１に介装された冷却ファン１３ｆを用いた空冷方式の熱媒凝縮器１３が、図５の第３実施形態の他の実施例では水道（水道水供給系）Ｌｗ１から供給される水道水を用いた水冷方式の凝縮器１３Ａとして構成され、熱媒凝縮器１３Ａで熱媒を冷却して昇温した水道水は、貯湯槽１５に貯蔵されて、熱需要（或いは給湯需要）に対して有効利用されるのである。

第３実施形態のその他の構成及び作用効果については、第１および第２実施形態と同様である。

次に、図６及び図７を参照して第４実施形態について説明する。
図６及び図７の第４実施形態は、電力需要が燃料電池の発電出力よりも小さな場合に燃料電池の出力制御で対応し、電力需要が燃料電池の発電出力を超えた場合にタービン発電機も稼働させるように運転制御する実施形態である。

第４実施形態の発電システムの構成は、図６に示すように、前述の図３の第２実施形態に対して、排気系Ｌｈに熱交換器１１をバイパスするバイパス回路Ｌｈｂを設け、そのバイパス回路Ｌｈｂにバイパス弁Ｖｈｂを介装した実施形態である。即ち、図６の第４実施形態の発電システムでは、マイクロ・ナノディスクタービン２１によるタービン発電（コンバインド発電）を行わない場合には、バイパス弁Ｖｈｂを開放して、燃料電池１の高温排ガスが熱交換器１１をバイパスする様に構成した実施形態である。

尚、図３の第２実施形態では熱媒閉鎖循環系Ｃ１に介装された熱媒の流量調整弁Ｖｄは、コントロールユニット１０で制御されるタイプであったが、図６の第４実施形態では、非制御の流量弁Ｖｄとしている。

次に、図７の制御フローチャートに基づいて、第４実施形態の制御方法を説明する。
先ず、ステップＳ１において、電力需要（現在の電力使用量）５０の情報及び、燃料電池１の発電量情報６０，タービン発電機２０の発電量情報７０から電力需要と発電出力を計測、或いは予測して、電力需要が発電出力以上であるか否かを判断する（ステップＳ２）。

電力需要が発電出力以上である場合（ステップＳ２のＹＥＳ）は、ステップＳ３に進み、電力需要が発電出力未満であれば（ステップＳ２のＮ０）、ステップＳ４に進む。

ステップＳ３では、バイパス弁Ｖｈｂを閉鎖し、タービン発電機２０をも稼働して燃料電池１とタービン発電機２０とによるコンバインド発電を行った後、ステップＳ５に進む。

一方、ステップＳ４では、バイパス弁Ｖｈｂを開放して、タービン発電機２０を停止するとともに、熱媒循環ポンプＰｄを停止させ、燃料電池１のみで発電を行った後、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、燃料電池１を停止させるか否かを判断して、停止するのであれば（ステップＳ５のＹＥＳ）、そのまま制御を終える。一方、停止させないのであれば（ステップＳ５のＮＯ）、ステップＳ１まで戻り、再びステップＳ１以降を繰り返す。

図６は、図３の排気系Ｌｈに熱交換器１１をバイパスするバイパスラインＬｈｂを付加すると共に、制御に必要な手段、バイパス弁Ｖｈｂ等を付加したものであるが、図２及び図３にバイパスラインＬｈｂ及び制御に必要なその他の手段を付加しても良い。
換言すれば、図６、及び図７の第４実施形態は、図２〜図３の各実施形態における具体的な制御に係る実施形態である。

第４実施形態のその他の構成及び作用効果については、図２〜図３の各実施形態と同様である。

次に、図８及び図９を参照して第５実施形態について説明する。
第５実施形態は、電力需要が燃料電池の省エネ運転に適する出力範囲を下回った場合に、燃料電池の運転を停止し、タービン発電だけで電力需要に応えようとする運転制御の実施形態である。

図８及び図９の第５実施形態は、図２の第１実施形態の具体的な制御に係る実施形態である。尚、制御系の構成において、図６の第４実施形態と同様な構成については説明を省略する。

図８において、第２の熱媒循環系Ｃ２に介装されたポンプＰｃ及び流量制御弁Ｖｃは制御信号ラインＬｏ７、Ｌｏ８によって夫々コントロールユニット１０に接続されている。

次に、図９の制御フローチャートに基づいて、第５実施形態の制御方法について説明する。
先ず、ステップＳ１１において、電力需要（現在の電力使用量）５０の情報及び、燃料電池１の発電量情報６０，タービン発電機２０の発電量情報７０から電力需要と発電出力を計測、或いは予測して、電力需要が燃料電池１の出力許容下限値未満か否かを判断する（ステップＳ１２）。

電力需要が出力許容下限値未満である場合（ステップＳ１２のＹＥＳ）は、ステップＳ１３に進み、電力需要が出力許容下限値以上であれば（ステップＳ１２のＮ０）、ステップＳ１４に進む。

ステップＳ１３では、燃料電池１を停止し、蓄熱槽１４に蓄熱された熱を用いてタービン発電機２０を駆動して発電し、ステップＳ１５に進む。

一方、ステップＳ１４では、燃料電池１の稼働を維持し、ステップＳ１５に進む。

ステップＳ１５では、当該発電システムの運転を終了させるか否かを判断して、終了するのであれば（ステップＳ１５のＹＥＳ）、そのまま制御を終える。一方、終了させないのであれば（ステップＳ１５のＮＯ）、ステップＳ１１まで戻り、再びステップＳ１１以降を繰り返す。

図８、図９の第５実施形態では、詳細には、燃料電池１の起動時には第１の熱媒閉鎖循環系Ｃ１のポンプＰｄを停止させ、流量調整弁Ｖｄの開度を最小或いは開度ゼロにして、第１の熱媒閉鎖循環系Ｃ１における熱媒の循環を停止する。その結果、マイクロ・ナノディスクタービン２１によるタービン発電は行われず、燃料電池１の高温排ガスが保有する熱量は、第２の熱媒閉鎖循環系Ｃ２に介装された蓄熱槽１４に貯蔵される。

一方、燃料電池１の停止時であって、電力需要が存在する場合には、第１の熱媒閉鎖循環系Ｃ１のポンプＰｄと第２の熱媒閉鎖循環系Ｃ２のポンプＰｃを作動させ、流量調整弁Ｖｄ及びＶｃの開度を適宜調整する。その結果、第２の熱媒閉鎖循環系Ｃ２に介装された蓄熱槽１４に貯蔵された熱量が、第２の熱媒閉鎖循環系Ｃ２から第２の熱交換器１２へ、更に第２の熱交換器１２から第１の熱媒閉鎖循環系Ｃ１と移動し、第２の熱交換器１２において第１の熱媒閉鎖循環系Ｃ１を循環する熱媒を蒸発せしめ、マイクロ・ナノディスクタービン２１を回転してタービン発電を行う。

ここで、燃料電池１の停止時において、マイクロ・ナノディスクタービン２１によるタービン発電のみで賄える電力需要としては、家庭の深夜の待機電力レベル（数１００Ｗ程度）を想定している。

第５実施形態のその他の構成及び作用効果については、図２の第１実施形態と同様である。

次に、図１０を参照して第６実施形態の発電システムを説明する。

燃料電池は燃料の改質に水蒸気が必要な場合がある。すなわち、燃料改質用の水蒸気を生成させる蒸発器で水道水を蒸発させて、改質器へ供給している。従来、係る蒸発器で、水道水を蒸発させるのに、多大な熱エネルギーを投入している。
そこで、図１０に示すように、第６実施形態の一実施例では、マイクロ・ナノディスクタービン発電２０で用いる熱媒を凝縮する際に発生する熱で、燃料電池１の改質器１９に供給される水を蒸発する際、改質器１９側に設けられた改質器用蒸発器１８において蒸発の予熱に用いる（改質に用いられる水の予熱）。そのように、予熱してやると、改質器１９へ水蒸気を供給するための蒸発に係る熱エネルギーを獲得することが出来る。

換言すれば、図４で示すシステム（第３実施形態）では、熱媒閉鎖循環系Ｃ１に介装された熱媒凝縮器１３で加熱された温水ラインＬｗ１を介して給湯槽に供給しているが、図１０の第６実施形態では、熱媒閉鎖循環系Ｃ１を循環する熱媒が保有する熱量が、熱媒凝縮器１３において水道水供給系Ｌｗ１０の水道水に投入されることにより、燃料改質用の水蒸気を生成させる蒸発器１８に供給される水道水を予熱している。

図１１は、第６実施形態の変形例である。
図１０では、熱媒閉鎖循環系Ｃ１に介装された熱媒凝縮器１３に連通する水道水供給系統は１つ（Ｌｗ１０）のみで、加熱（予熱）された温水は、全量が蒸発器１８に供給されている。
これに対して、図１１では、熱媒閉鎖循環系Ｃ１に介装された熱媒凝縮器１３に連通する水道水供給系統は２系統（Ｌｗ１、Ｌｗ１１）あり、一方の系統Ｌｗ１は加熱された水道水を貯湯槽１５へ供給し、他方の系統Ｌｗ１１は加熱（予熱）された温水を蒸発器１８に供給している。

図１１において、熱媒閉鎖循環系Ｃ１を循環する熱媒が保有する熱量は、蒸発器１８に連通する系統Ｌｗ１１を流れる水道水へ優先的に供給される。換言すれば、蒸発器１８に供給される水道水の予熱は、貯湯槽１５への蓄熱に優先する。
燃料電池１を破損させない意味からも、また、燃料電池の運転に係る付加的なエネルギーを削減するためにも、改質器１９への水蒸気の供給を円滑に行うための予熱は優先されるべきである。また、既存の燃料電池において、改質用の水を蒸発するために多大な熱エネルギーを要しており、改質器用蒸発器１８に供給される水道水の予熱により、係る付加的熱エネルギーを低減することが出来る。

図１０及び図１１の第６実施形態におけるその他の構成及び作用効果については、図４の第３実施形態と同様である。

図１２、図１３は、本発明の実施形態に係る発電システムを用いた場合の一般家庭（図１２）及び店舗（図１３）における電力出力及び、給湯出力を測定したデータである。

一般家庭の例（図１２）では、従来例では、発電需要に対して発電出力が不足し、給湯出力は余剰となっていた（図１４参照）。それに対して本発明の実施形態の発電システムでは、従来余剰であった熱（給湯）出力をタービン発電に回すことで、電力出力（図１２の太い実線）は需要（図１２の細い実線）電力消費のピーク時では及ばないものの、その他の時間帯では略需要を賄うことが出来、その上、従来余剰であった熱（給湯）出力の有効活用が図られている。図１２の太い点線は電力に活用された後の熱出力を、又、細い破線は熱需要を示す。

店舗の例（図１３）では、従来例では、発電需要に対して発電出力が大幅に不足し、給湯出力は大幅な余剰となっていた（図１５参照）。それに対して本発明の実施形態の発電システムでは、従来余剰であった大幅に余剰であった熱（給湯）出力をタービン発電に回すことで、最大電力出力（図１３の太い実線）を大幅に引き上げることが出来、需要（図１３の細い実線）に近づけることが出来た。
その上、従来余剰であった熱（給湯）出力の有効活用が図られている。図１３の太い点線は電力に活用された後の熱出力を、又、細い破線は熱需要を示す。

上述した、本発明の諸々の実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１） 燃料電池１が排出する高温の排気を、熱交換器１１によって熱媒閉鎖循環系Ｃ１を流れる熱媒に投入し、その熱媒を蒸発せしめ、蒸発した熱媒で１タービン発電機２０を稼働させ、交流電力を発生させ、所謂、コンバインド発電を行うことが出来る。その結果、従来主として熱需要のみにしか利用出来なかった燃料電池１の高温排ガスを電力需要にも対応させることが出来る。
（２）
電力需要が燃料電池１の発電出力より小さな場合には燃料電池１のみの出力制御で対応させ、電力需要が燃料電池の発電出力を超えた場合にタービン発電機２０も稼働させるように構成・制御されている。したがって、個々の発電機（燃料電池１とタービン発電機２０）は、１台のみの場合に対して小型化が図られ、運転経費も大幅に削減出来る。
（３） 電力需要が燃料電池１の省エネ運転に適する出力範囲を下回ったときには、燃料電池１の運転と停止させ、タービン発電だけで電力需要に応えることが出来、システム全体の省エネ性は飛躍的に向上する。
（４） 熱（給湯）需要が貯湯槽からの供給だけで対応しきれない場合、或いはそのような状況が予測される場合に、燃料電池１の排ガスとの熱交換流路か熱媒凝縮器１３に、水、又は熱媒凝縮器通過後の高温水を熱需要に対応できるように制御して熱を供給したり、貯湯しておくことができる。
（５） 熱（給湯）需要が貯湯槽１５からの熱供給だけで対応しきれない場合、或いはそのような状況が予測され、（４）でも対応しきれない場合に、加熱手段（例えばバックアップバーナ１６や電気ヒータ１７）を利用することで、給湯量や給湯温度の需要に即時対応することが可能である。
（６） 熱（給湯）需要が貯湯槽１５からの熱供給で十分、或いは余剰な場合、或いはそのような状況が予想される場合で、且つ、電力需要が燃料電池１の発電出力を超える場合には、前記排ガスとの熱交換流路への水、又は高温水の供給停止し、電力需要に対応可能なようにコンバインド発電を行うことができる。
（７） 熱（給湯）需要が貯湯槽１５からの熱供給で十分、或いは余剰な場合、或いはそのような状況が予想される場合で、且つ、電力需要が燃料電池１の発電出力を下回る場合には、水、又は高温水と、熱媒双方の排ガス熱交換を停止し、燃料電池１の発電出力を電力需要に対応させることができる。
（８） タービン発電機２０で用いる熱媒を凝縮する際に発生する熱で、燃料電池１の改質器１９に供給される水を蒸発する際、改質器１９側に設けられた蒸発器１８において蒸発の予熱に用いれば、改質器１９へ水蒸気を供給するための蒸発に係る付加的な熱エネルギーが低減される。
（９） 発電出力１〜数百ｋＷの中小規模の燃料電池システムでも、コンバインド発電によって高い発電効率を実現出来る。
（１０） 真夜中などで電力需要が低い場合には、燃料電池運転時に備蓄した排ガスの熱エネルギーを利用した小出力の発電が可能となるため、高い省エネ率の下で極めて少ない電力需要にも対応出来る。
（１１） 需要家の電力と熱（給湯）の需要にあわせて、コンバインド発電とコージェネレーション運転を選択したり、両者を同時に、且つ熱電比を制御して運転できるコンバインド・コージェネレーション運転も可能である。
（１２） 需要家の電力と熱（給湯）の需要情報と、発電出力、熱（給湯）出力、及び貯湯量を監視し、夫々の情報に基づいてシステムを最適に運転制御するため、省エネ性や環境負荷の面で非常に優れた熱電併給システムを実現出来る。
（１３） 一般家庭や事務所、店舗などのように、季節や時間帯による電力と熱（給湯）の需要変化が大きく、且つ発電容量が１〜数百ｋＷといった中小規模の需要家に対し、中規模の熱電併給システムで、且つ電力と熱の需要変化に対して的確に対応出来るため、特にそのような需要家に適した熱電併給システムが提供される。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない。
例えば、図示の実施形態では高温作動型燃料電池を備えた発電システムを示しているが、高温作動型燃料電池に代えて、ガスエンジン等の内燃機関を用いた発電装置を使用して、図示の各実施形態を実施することが可能である。

１・・・燃料電池
２・・・燃料電池システム温度計測器
３・・・パワーコンディショナー
４・・・燃料ガス供給配管
５・・・燃料調整弁
６・・・酸化剤供給配管
７・・・酸化剤調整弁
８・・・Ｄ／Ｄコンバータ
９・・・インバータ
１０・・・コントロールユニット
１１，１１Ａ・・・熱交換器／第１の熱交換器
１２・・・第２の熱交換器
１３，１３Ａ・・・熱媒凝縮器
１４・・・蓄熱槽／熱媒タンク
１５・・・貯湯槽
１６・・・バックアップバーナ
１７・・・電器ヒータ
２０・・・タービン発電機
２１・・・マイクロ・ナノディスクタービン
５０・・・電力需要
６０，７０・・・電力計
８０・・・熱需要／給湯需要
Ｃ１・・・熱媒閉鎖循環系／第１の熱媒閉鎖循環系
Ｃ２・・・第２の熱媒閉鎖循環系
Ｌｃ・・・第２の熱媒循環ライン
Ｌｄ・・・熱媒循環ライン／第１の熱媒循環ライン
Ｌｅ１・・・燃料電池側の出力電力ライン
Ｌｅ２・・・タービン発電機側の出力電力ライン
Ｌｈ・・・排気系
Ｌｗ１〜Ｌｗ１０・・・水道水供給系
Ｐｄ・・・熱媒循環ポンプ
Ｖｄ・・・熱媒循環量調整弁

Claims (8)

1. 電気及び熱を発生する発電機器と、該発電機器の排気系統に介装された第１の熱交換器と、熱媒が循環し且つ気化した熱媒により回転駆動されるタービンが介装されている第１の熱媒閉鎖循環系と、熱媒が循環し且つ蓄熱手段が介装されている第２の熱媒閉鎖循環系と、第２の熱媒閉鎖循環系を循環する熱媒が保有する熱量を第１の熱媒閉鎖循環系を循環する熱媒に投入する第２の熱交換器とを備え、発電機器の排気系統を流れる排ガスが保有する熱量は第１の熱交換器を介して第２の熱媒閉鎖循環系を循環する熱媒に投入される様に構成されていることを特徴とする発電システム。
2. 電力需要を監視する電力需要監視手段と、前記発電機器の発電出力を監視する第１の発電出力監視手段と、前記タービンと組み合わせされた発電装置の発電出力を監視する第２の発電出力監視手段と、制御装置とを有し、該制御装置は、前記電力需要監視手段と第１及び第２の発電出力監視手段とから得られる情報に基づいて、前記発電機器の発電出力と前記タービンと組み合わされた発電装置の発電出力とを制御する様に構成されている請求項１記載の発電システム。
3. 前記タービンが介装された熱媒閉鎖循環系には熱媒を凝縮する熱媒凝縮器が介装されており、該熱媒凝縮器には水供給系が接続され、該水供給系は熱媒凝縮器を経由して温水貯蔵手段に連通しており、循環する熱媒が保有する熱量が水供給系を流れる水（水道水）に投入される様に構成されている請求項１又は２の何れか１項記載の発電システム。
4. 電力需要を監視する電力需要監視手段と、前記発電機器の排気系統から分岐して前記熱交換器をバイパスしてから当該排気系統に合流するバイパスラインと、該バイパスラインに介装されたバイパス弁と、制御装置とを有しており、該制御装置は、電力需要監視手段で監視された電力需要が発電機器の発電出力以上である場合にはバイパス弁を閉鎖し、前記循環機器を作動して熱媒閉鎖循環系で熱媒を循環させ、前記タービンと組み合わされた発電装置で発電を行い、電力需要が発電機器の発電出力よりも少ない場合にはバイパス弁を開放し、前記循環機器を停止して熱媒閉鎖循環系で熱媒を循環させず、前記タービンと組み合わされた発電装置では発電しない制御を実行する様に構成されている請求項１又は２の何れか１項記載の発電システム。
5. 電力需要を監視する電力需要監視手段と、制御装置とを有しており、該制御装置は、電力需要が前記発電機器の許容下限出力以上であれば発電機器を稼動し、発電機器の排ガスが保有する熱量を第１の熱交換器及び前記第２の熱媒閉鎖循環系を介して蓄熱手段に蓄熱し、電力需要が前記発電機器の許容下限出力よりも少なければ発電機器を停止し、第１の熱媒閉鎖循環系及び第２の熱媒閉鎖循環系で熱媒を循環し、第１の熱媒閉鎖循環系及び第２の熱交換器を介して前記蓄熱手段に蓄熱された熱量を第１の熱媒閉鎖循環系に投入し、前記タービンと組み合わされた発電装置で発電を行う制御を実行する様に構成されている請求項１記載の発電システム。
6. 前記タービンが介装された熱媒閉鎖循環系には熱媒を凝縮する熱媒凝縮器が介装されており、該熱媒凝縮器には水供給系が接続され、該水供給系は熱媒凝縮器を経由して前記発電機器へ水蒸気を供給する蒸発器に連通しており、循環する熱媒が保有する熱量が前記蒸発器へ供給される水に投入される様に構成されている請求項１又は２の何れか１項記載の発電システム。
7. 請求項４の発電システムの制御方法において、電力需要を監視する工程と、電力需要と前記発電機器の発電出力とを比較する工程と、電力需要が発電機器の発電出力以上である場合にバイパス弁を閉鎖し、前記循環機器を作動して熱媒閉鎖循環系で熱媒を循環させ、前記タービンと組み合わされた発電装置で発電を行う工程と、電力需要が発電機器の発電出力よりも少ない場合にバイパス弁を開放し、前記循環機器を停止して熱媒閉鎖循環系で熱媒を循環させず、前記タービンと組み合わされた発電装置では発電しない工程、とを含むことを特徴とする発電システムの制御方法。
8. 請求項５の発電システムの制御方法において、電力需要を監視する工程と、電力需要と前記発電機器の許容下限出力とを比較する工程と、電力需要が前記発電機器の許容下限出力以上であれば発電機器を稼動し、発電機器の排ガスが保有する熱量を第１の熱交換器及び前記第２の熱媒閉鎖循環系を介して蓄熱手段に蓄熱する工程と、電力需要が前記発電機器の許容下限出力よりも少なければ発電機器を停止し、第１の熱媒閉鎖循環系及び第２の熱媒閉鎖循環系で熱媒を循環し、第１の熱媒閉鎖循環系及び第２の熱交換器を介して前記蓄熱手段に蓄熱された熱量を第１の熱媒閉鎖循環系に投入し、前記タービンと組み合わされた発電装置で発電を行う工程、とを有することを特徴とする発電システムの制御方法。

Images