JP2016091816A - 複合発電システムの制御装置及び方法並びにプログラム、それを備えた複合発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】ブロワ吐出流量は変動させず且つ他の制御端と干渉なく極間差圧を制御する。【解決手段】燃焼器５２に排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ライン２７ｃと、排燃料ガス供給ライン２７ｃから分岐してＳＯＦＣ１０に排燃料ガスを流通させる再循環ライン２７ｂと、排燃料ガス供給ライン２７ｃの経路上で分岐点より下流かつ燃焼器の上流に設ける第１差圧制御弁３０と、排燃料ガス供給ライン２７ｃが再循環ライン２７ｂに分岐する分岐点より上流側に設ける排燃料ブロワ２９とを備える複合発電システム１であって、ＳＯＦＣ１０の負荷と再循環ライン２７ｂの再循環流量を得るための排燃料ブロワ２９の回転数の情報とを対応付けた第１対応情報を格納しており、第１対応情報とＳＯＦＣ１０の負荷とに基づいて決定される回転数で排燃料ブロワ２９が調整されており、第１差圧制御弁３０を制御して、ＳＯＦＣ１０における極間差圧を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、複合発電システムの制御装置及び方法並びにプログラム、それを備えた複合発電システムに関するものである。

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、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このうち、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、水素および一酸化炭素、メタンなどの炭化水素系ガス、石炭など炭素質原料のガス化設備により製造したガス、都市ガス、天然ガス、あるいはこれらのうち複数の成分を含む混合ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このようなＳＯＦＣは、例えばマイクロガスタービン（以下、「ＭＧＴ」と呼ぶ）等の内燃機関と組み合わせた複合発電システムが構成されており、圧縮機から吐出される圧縮空気をＳＯＦＣの空気極に供給するとともに、ＳＯＦＣから排出される高温の排燃料ガスをブロワを介してＭＧＴの燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した燃焼ガスでタービンを回転させることで、発電効率の高い発電が可能とされている（下記特許文献１）。
下記特許文献２には、ブロワによりガス流を陽極リサイクルラインに発生させ、陽極出口と陽極リサイクルラインの分岐点との間に設けられた差圧制御弁の開度を制御して電池極間の差圧を制御する技術が記載されている。

特許第５１８５６５７号公報 特許第２６６００９７号公報

ところで、こうした複合発電システムに設けられるブロワは、ブロワ上流に設置されている圧力制御弁の制御時の圧力変動によって流量が増減する為、増減幅の大きい遠心式ブロワではなく、増減幅の小さい過流式が用いられていたが、過流式ブロワは高価であり、かつ、大きさが大きいことから、過流式よりも安価であり比較的小さい汎用性のある遠心式ブロワを用いることが検討されている。
しかしながら、遠心式ブロワは、圧力の変動に対して流量の変動が大きくなるので、上記特許文献１及び上記特許文献２に記載のブロワを遠心式ブロワにすると、ブロワは、上流側に配置されたＣｖ値が大きく制御性の悪い差圧制御弁の開閉に伴う圧力変動の影響を大きく受け、ブロワ吐出流量が大きく変動してしまうという問題があった。
また、特許文献１では、電池極間の差圧制御のために圧力制御弁（第１圧力制御弁）を調整すると内圧が変動し流量が変動するが、その流量変動に伴って燃焼器の上流側の第三開閉弁が影響して調整され、さらに一度調整した内圧が変動するというように制御干渉が生じるという問題があり、また、圧力制御弁はコストが高いといった問題もあった。

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、燃料系統と空気系統の系統差圧の制御によってブロワ吐出流量は変動させず、かつ、制御干渉なく差圧を制御できる複合発電システムの制御装置及び方法並びにプログラム、それを備えた複合発電システムを提供することを目的とする。

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た複合発電システムの制御装置であって、前記複合発電システムの制御装置は、前記燃料電池から排燃料ガスをブロワにより送気する排燃料ガスラインと、前記排燃料ガスラインの分岐点より分岐して、前記内燃機関に排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、前記分岐点より分岐して前記燃料電池に前記排燃料ガスを流通させる再循環ラインと、前記燃料電池における燃料系統と空気系統間の差圧を第１差圧として計測する差圧計測手段と前記排燃料ガス供給ラインの経路上であり、前記分岐点より下流側に設けられる第１差圧制御弁と、を具備し、前記燃料電池の発電負荷と、前記再循環ラインに流通する前記排燃料ガスの再循環流量を得るための前記ブロワの回転数の情報とを対応付けた第１対応情報を格納しており、前記第１対応情報に基づき前記ブロワの回転数が制御され、前記第１差圧制御弁により、前記第１差圧を制御する複合発電システムの制御装置を提供する。

本発明によれば、燃料電池と内燃機関とを組み合わせた複合発電システムの制御装置であって、排燃料ガス供給ラインから再循環ラインに分岐する分岐点より上流側に設けられたブロワが、燃料電池の発電負荷に応じた再循環流量が得られる回転数に調整されており、排燃料ガス供給ラインの経路上であり、再循環ラインに分岐する分岐点より下流側に設けられる第１差圧制御弁が制御され、燃料電池における燃料系統と空気系統との系統差圧である第１差圧が制御される。

このように、ブロワよりも上流側で差圧の制御をせず、ブロワの下流側に設けられる第１差圧制御弁を制御端として系統差圧を制御するので、ブロワは入口側から受ける圧力変動が小さくなり、流量変動を抑制できる。また、第１差圧の制御において、従来用いていたブロワ上流側に配置する高価な差圧制御弁が不要となるので、コストダウンに繋がる。
また、再循環ラインに流通させる排燃料ガスの流量は、第１対応情報に基づいて流量に応じたブロワの回転数の調整で決まるものであり、再循環ラインに流通する流量を計測する流量計測計を省くことができ、コストダウンに繋がる。

上記複合発電システムの制御装置は、前記ブロワの回転数に応じた前記ブロワの出入口間の第２差圧と前記ブロワの風量とが対応付けられた第２対応情報を備え、前記分岐点から上流側の前記燃料電池までの間で生じる圧力損失と、前記分岐点から下流側の前記内燃機関までの間で生じる圧力損失と、前記第２対応情報とに基づいて、前記排燃料ガスラインの前記分岐点から前記再循環ラインと前記排燃料ガス供給ラインとに流通させる流量の配分を決定し、前記第１対応情報は、前記分岐点から前記再循環ラインへ分岐した配分流量と、前記再循環ラインの配分流量が得られる前記ブロワの回転数の情報とに基づいて生成されることとしてもよい。

第２対応情報には、ブロワの回転数に応じたブロワの出入口間の第２差圧（ブロワヘッド）とブロワの風量が対応付けられており、ブロワの回転数が調整されることで第２差圧が推定できるので、ブロワヘッド計測用の差圧計も不要となる。

上記複合発電システムの制御装置は、前記燃料電池の前記第１差圧が所定値より大きくなった場合に、前記ブロワの回転数を調整して、前記第１差圧を調整することとしてもよい。

第１差圧制御弁の制御に制御遅れが生じ、系統差圧が上昇した場合にはブロワの回転数制御によって差圧調整を補い、制御の遅れを改善することができる。

本発明は、上記いずれかに記載の複合発電システムの制御装置を備えた複合発電システムを提供する。

本発明は、燃料電池と内燃機関とを組み合わせ、前記燃料電池から排燃料ガスをブロワにより送気する排燃料ガスラインと、前記排燃料ガスラインの分岐点より分岐して、前記内燃機関に排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、前記分岐点より分岐して前記燃料電池に前記排燃料ガスを流通させる再循環ラインと、前記燃料電池における燃料系統と空気系統間の差圧を第１差圧として計測する差圧計測手段と前記排燃料ガス供給ラインの経路上であり、前記分岐点より下流側に設けられる第１差圧制御弁と、を具備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負荷と、前記再循環ラインに流通する前記排燃料ガスの再循環流量を得るための前記ブロワの回転数の情報とを対応付けた第１対応情報を格納する第１過程と、前記第１対応情報に基づき前記ブロワの回転数が制御され、前記第１差圧制御弁により、前記第１差圧を制御する第２過程とを有する複合発電システムの制御方法を提供する。

本発明は、燃料電池と内燃機関とを組み合わせ、前記燃料電池から排燃料ガスをブロワにより送気する排燃料ガスラインと、前記排燃料ガスラインの分岐点より分岐して、前記内燃機関に排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、前記分岐点より分岐して前記燃料電池に前記排燃料ガスを流通させる再循環ラインと、前記燃料電池における燃料系統と空気系統間の差圧を第１差圧として計測する差圧計測手段と前記排燃料ガス供給ラインの経路上であり、前記分岐点より下流側に設けられる第１差圧制御弁と、を具備する複合発電システムの制御プログラムであって、前記燃料電池の発電負荷と、前記再循環ラインに流通する前記排燃料ガスの再循環流量を得るための前記ブロワの回転数の情報とを対応付けた第１対応情報を格納する第１処理と、前記第１対応情報に基づき前記ブロワの回転数が制御され、前記第１差圧制御弁により、前記第１差圧を制御する第２処理とをプログラムに実行させるための複合発電システムの制御プログラムを提供する。

本発明によれば、燃料系統と空気系統の系統差圧の制御によるブロワ吐出流量は小さく抑え、かつ、ブロワ上流に設置されていた圧力制御弁を設置しないため、燃焼器の上流側に設けられる第１差圧制御弁を制御する際に他の制御端と干渉なく系統差圧を制御できるという効果を奏する。

本発明に係る複合発電システムの概略構成図である。 図１に示した複合発電システムを構成するＳＯＦＣについて、セルスタックの一例の断面図である。 図１に示した複合発電システムを構成するＳＯＦＣについて、カートリッジ周辺を拡大した系統図である。 再循環ラインの再循環流量と、ＭＧＴ側に排燃料ガスを供給する流量との決定プロセスを説明するための図である。 第１対応情報の例として、（ａ）負荷とブロワ回転数との関係、（ｂ）負荷と再循環流量との関係の一例を示した図である。 ブロワヘッド増加による系統差圧の増加幅よりも、ＭＧＴの燃焼器側の流量増加による系統差圧の低下幅の方が大きいことを説明するための図である。

以下に、本発明に係る複合発電システムの制御装置及び方法並びにプログラム、それを備えた複合発電システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に示される複合発電システム１は、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣ１０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）５０と制御装置９０とを備えており、ＳＯＦＣ１０とＭＧＴ５０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。

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ＳＯＦＣ１０に加えて、ＳＯＦＣ１０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ＭＧＴ５０を運転し、ＭＧＴ５０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。なお、酸化性ガスとは、酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用できる。
さらに、ＭＧＴ５０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。

以下では、上述したＳＯＦＣ１０を採用した複合発電システム１について説明する。このＳＯＦＣ１０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８００〜１０００℃程度と高く設定されている。
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。
また、以下においては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。

図２を参照して本実施例に係る円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図２は、本実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を有する。

基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ：カルシア安定化ジルコニア）、又はＹ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ₂（ＹＳＺ：イットリア安定化ジルコニア）、又はＭｇＡｌ_２Ｏ_４とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。

燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を有する。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ^２−）とを固体電解質１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。

固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを有するＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質１１１は、空気極１１３で生成される酸素イオン（Ｏ^２−）を燃料極１０９に移動させるものである。

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３系酸化物で構成される。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ^２−）を生成するものである。

インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ_１−ｘＬ_ｘＴｉＯ_３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。

燃料極１０９は、燃料供給系２０から天然ガス等の燃料が供給され、ＳＯＦＣ１０に供給された燃料ガスを燃料ガス排出系２７に排出する。
空気極１１３は、酸化性ガス供給系７０から空気が供給され、電気化学反応に利用された高温の排出空気を酸化性ガス排出系７２に排出する。酸化性ガス供給系７０は、後述するガスタービン５３の圧縮機５１と接続され、酸化性ガス排出系７２は、ガスタービン５３の燃焼器５２に接続されている。

なお、ＳＯＦＣモジュールは、複数のＳＯＦＣカートリッジ１１（図３参照）と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジを収納する圧力容器８１とを有している。
ＳＯＦＣカートリッジ１１は、図３に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室１３と、燃料ガス供給室１４と、燃料ガス排出室１５と、酸化性ガス供給室１６と、酸化性ガス排出室１７とを有する。

本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ１１は、セルスタック１０１の長手方向で空間を仕切り燃料ガス供給室１４及び燃料ガス排出室１５を形成する管板８２ａ，８２ｂ、及びセルスタック１０１の長手方向で空間を仕切り、管板８２ｂとの間で酸化性ガス供給室１６を形成する断熱板８３ｂ、及び管板８２ａとの間で酸化性ガス排出室１７を形成する断熱板８３ａを有しており、図３に示されるように、紙面上から下に、順に燃料ガス供給室１４、酸化性ガス排出室１７、発電室１３、酸化性ガス供給室１６、燃料ガス排出室１５が形成され、配置されている。

燃料ガス供給室１４と燃料ガス排出室１５と酸化性ガス供給室１６と酸化性ガス排出室１７とがこのように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっている。しかし、必ずしもこの配置や構成に限定されることはなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または、酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしてもよい。

発電室１３は、酸化性ガス供給室１６と酸化性ガス排出室１７との間に形成された領域である。この発電室１３は、セルスタック１０１の燃料電池セルが配置され、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室１３のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、燃料電池モジュールの定常運転時に、およそ８００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。

燃料ガス供給室１４には、セルスタック１０１の一方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室１５に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給室１４は、図示しない燃料ガス供給管枝から燃料ガス供給孔を介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。

燃料ガス排出室１５には、セルスタック１０１の他方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室１５に対して開放して配置されている。この燃料ガス排出室１５は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出室１５に供給される排燃料ガスを集約して、図示しない燃料ガス排出孔を介して燃料ガス排出枝管に導くものである。

本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ１１の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室１３に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室１７に供給される。また、燃料ガスは、発電室１３から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室１３に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室１３に供給することができる。

以下の説明では、燃料として都市ガスをＳＯＦＣ１０の外部または内部で改質して使用し、酸化性ガスとして空気を使用する場合について説明するが、この場合の空気は、ＭＧＴ５０から供給される圧縮空気となる。又は、別に空気圧縮機を設けて空気を供給することとしても良い。

ＭＧＴ５０は、例えば、図１に示されるように、圧縮機５１と、燃焼器５２と、ガスタービン５３とを備えている。なお、図中の符号５４はフィルタ、５５は再生熱交換器である。圧縮機５１は、フィルタ５４を介して導入した大気（空気）を圧縮するもので、この場合の駆動源はガスタービン５３となる。圧縮機５１で圧縮された圧縮空気は、燃焼器５２や再生熱交換器５５を介してＳＯＦＣ１０等へ供給される。燃焼器５２は、圧縮空気の供給を受けて燃料の都市ガスを燃焼させ、高温高圧の燃焼排ガスを生成してガスタービン５３へ供給する。この燃焼器５２には、後述する排燃料ガス供給ライン２７ｃと、未使用の都市ガス（燃料ガス）を供給する燃料ガス供給系統４０とが接続されている。

ガスタービン５３は、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５１及び図示しない発電機が駆動される。ガスタービン５３で仕事をした燃焼排ガスは、再生熱交換器５５で圧縮空気との熱交換により昇温させた後、煙突６０から大気へと放出される。

複合発電システム１は、ＳＯＦＣ１０及びＭＧＴ５０を組み合わせて発電を行うシステムであり、燃料極１０９に燃料を供給する燃料供給系２０及び空気極１１３に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給系７０を備えている。
燃料供給系２０は、都市ガス供給弁（開閉弁）２１を備えた都市ガス（燃料ガス）供給ライン２２を備えている。また、図１には、燃料供給系２０として、都市ガス供給ライン２２のみを記載しているが、燃料供給系２０からＳＯＦＣ１０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。

燃料ガス排出系２７は、ＳＯＦＣ１０に供給された燃料ガスをＭＧＴ５０に送給する流路である。この燃料ガス排出系２７は、排燃料ブロワ（ブロワ）２９を有し、ＳＯＦＣ１０から排燃料ガスを排燃料ブロワ２９により送気する排燃料ガスライン２７ａと、排燃料ガスライン２７ａを経由してＭＧＴ５０と接続し、排燃料ガスライン２７ａの分岐点より分岐して、ＭＧＴ５０に排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ライン２７ｃと、排燃料ガスライン２７ａを経由して排燃料ガス供給ライン２７ｃとの分岐点から分岐して、ＳＯＦＣ１０に排燃料ガスを流通（再循環）させる再循環ライン２７ｂとを備えている。

排燃料ブロワ２９は、本実施形態においては、遠心式ブロワとして説明するが、これに限定されず、例えば、過流式ブロワであってもよい。

再循環ライン２７ｂは、ＳＯＦＣ１０から排出される排燃料ガスを燃料供給系２０に戻す（再循環する）ための流路である。
排燃料ガス供給ライン２７ｃは、ＳＯＦＣ１０からＭＧＴ５０の燃焼器５２へ第１差圧制御弁３０を介して排燃料ガスを供給する流路である。
第１差圧制御弁３０は、排燃料ガス供給ライン２７ｃの経路上であり、分岐点より下流側に設けられる。また、第１差圧制御弁３０は、ブロアの上流側に配置する場合の制御弁のＣｖ値よりも小さいＣｖ値となる制御弁とする。
ＤＰＸ（差圧計測手段）１８は、差圧計測部であり、ＳＯＦＣ１０の燃料系統と空気系統との圧力を比較演算して、その系統差圧（第１差圧）を検出して制御装置９０に出力する。制御装置９０は、取得した系統差圧の情報に基づいて、第１差圧制御弁３０を制御して系統差圧を制御する。

図示の酸化性ガス供給系７０は、ＭＧＴ５０の圧縮機５１で圧縮され、再生熱交換器５５で熱交換した圧縮空気（酸化性ガス）をＳＯＦＣ１０の空気極１１３に供給する流路である。
また、酸化性ガス排出系７２は、ＳＯＦＣ１０に供給され発電に利用された排酸化性ガスをＭＧＴ５０に供給する流路であって、ＳＯＦＣ１０とＭＧＴ５０との間を連結する。

制御装置９０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。

具体的には、制御装置９０は、ＳＯＦＣ１０の発電負荷と、再循環ライン２７ｂに流通する排燃料ガスの再循環流量を得るための排燃料ブロワ２９の回転数の情報とを対応付けた第１対応情報を格納しており、第１対応情報とＳＯＦＣ１０の発電負荷とに基づいて決定される回転数で、排燃料ブロワ２９の回転数が調整されており、第１差圧制御弁３０を制御して、ＳＯＦＣ１０における燃料系統と空気系統との系統差圧である第１差圧を制御する。

また、制御装置９０は、ブロワ回転数に応じた排燃料ブロワ２９の出入口間の第２差圧と排燃料ブロワ２９の風量（流量）とが対応付けられた第２対応情報を備え、排燃料ガス供給ライン２７ｃと再循環ライン２７ｂの分岐点から上流側のＳＯＦＣ１０側で生じる圧力損失（以下「圧損」ともいう）と、分岐点から下流側の燃焼器５２側で生じる圧力損失と、第２対応情報とに基づいて、排燃料ガスライン２７ａの分岐点から再循環ライン２７ｂと排燃料ガス供給ライン２７ｃとに流通させる排燃料ガスの流量の配分を決定し、分岐点から再循環ライン２７ｂへ分岐した配分流量と、再循環ライン２７ｂの配分流量が得られるブロワ回転数の情報とに基づいて第１対応情報を生成する。

図４は、再循環ライン２７ｂの再循環流量と、ＭＧＴ５０側に供給する排燃料ガスの流量との決定プロセスを説明するための図である。Ｎはブロワ回転数、Ｐは圧損、Ｑはブロワの風量（排燃料流量）である。
複合発電システム１の制御運転を開始する前の試験運転等において、排燃料ブロワ２９の回転数を決定し、排燃料ブロワ２９が駆動されると、回転数に応じたブロワ差圧（ブロワヘッド）ΔＰ０と流量（風量）Ｑ０との特性を示す曲線が得られ、これを第２対応情報Ｂとする。第２対応情報Ｂで示される流量Ｑ０は、ＳＯＦＣ１０側の流量Ｑ１とＭＧＴ５０側の流量Ｑ２とに分配されるものであり、それぞれに分配される流量は、ＳＯＦＣ１０側とＭＧＴ５０のそれぞれの圧損に応じて決定される。

ＳＯＦＣ１０側で生じる流量Ｑ１と圧損ΔＰ１との関係（特性Ｘ）と、ＭＧＴ５０側で生じる流量Ｑ２と圧損ΔＰ２との関係（特性Ｙ）とがバランスして、下記等式が成立するブロワ運転点を決定する。ここで、ΔＰ０＝ΔＰ１とは、ＳＯＦＣ１０で生じる圧損ΔＰ１が、排燃料ブロワ２９のブロワの昇圧分の差圧ΔＰ０で補われる運転点であることを示している。
ΔＰ０（＝ΔＰ１）、Ｑ０（＝Ｑ１＋Ｑ２）

これにより、排燃料ブロワ２９の回転数毎に運転点（ｂ１，ｂ２，ｂ３・・・）が決定され、仮の第１対応情報Ａ´となる。
回転数毎の運転点が決定されると、仮の第１対応情報Ａ´及びＳＯＦＣ１０の負荷に対する所望の再循環流量（図５（ｂ））に基づいて、負荷と、負荷に対する所望の再循環流量を得るためのブロワ回転数（図５（ａ））との対応付けがなされ、第１対応情報Ａとして生成される。

制御装置９０の記録媒体等に第２対応情報Ｂ及び第１対応情報Ａが格納されており、複合発電システム１の制御運転が開始されると、再循環ライン２７ｂに流通させる所望の再循環流量に応じた回転数の情報が第１対応情報Ａから読み出され、読み出された回転数によって排燃料ブロワ２９が調整される。これにより、再循環ライン２７ｂに所望の排燃料ガスを流通させることができる。
なお、上述した排燃料ブロワ２９の回転数毎の運転点は、排燃料ブロワ２９本体の特性によって決まるものである。

次に、本実施形態に係る複合発電システム１の作用について図１から図５を用いて説明する。
複合発電システム１のＳＯＦＣ１０とＭＧＴ５０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ＳＯＦＣ１０に投入され，燃料の化学エネルギーがＳＯＦＣ１０で直接電力に変換される。その後、ＳＯＦＣ１０からの排燃料ガスはＭＧＴ５０の燃焼器５２に供給される。一方、フィルタ５４を介して導入した（空気）はＭＧＴ５０の圧縮機５１で昇圧された後にＳＯＦＣ１０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ＭＧＴ５０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ＭＧＴ５０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。

制御装置９０には、事前の試験運転等において求められた、排燃料ブロワ２９の回転数と、再循環ライン２７ｂに流通される排燃料ガスの流量と、ＳＯＦＣ１０の負荷とが対応付けられた第１対応情報Ａが記憶媒体等に格納されている。
複合発電システム１のＳＯＦＣ１０が起動する段階において、再循環ライン２７ｂに流通させる所望の排燃料ガスの流量に対応するブロワ回転数の情報（例えば、３０００〔ｒｐｍ〕）が、第１対応情報Ａから読み出される。読み出されたブロワ回転数で、排燃料ブロワ２９の回転数が調整される。

ＳＯＦＣ１０における系統差圧（第１差圧）がＤＰＸ１８で計測され、計測結果に基づいて、第１差圧制御弁３０が制御され、第１差圧を所定値以下に抑制するように調整される。
また、ＳＯＦＣ１０を定格運転させる段階において、再循環ライン２７ｂに流通させる所望の排燃料ガスの流量に対応するブロワ回転数（例えば、１００００〔ｒｐｍ〕）が、第１対応情報Ａから読み出され、読み出されたブロワ回転数で排燃料ブロワ２９の回転数が調整される。

ＳＯＦＣ１０における第１差圧（系統差圧）がＤＰＸ１８で計測され、計測結果に基づいて、第１差圧制御弁３０が制御され、第１差圧を所定値以下に抑制するように調整される。
このように、本実施形態に係る制御装置９０は、ＳＯＦＣ１０にかかる負荷見合いで排燃料ブロワ２９の回転数が調整されることにより、所望の再循環流量を得られるようになっており、ＳＯＦＣ１０の系統差圧が生じた場合には、第１差圧制御弁３０を制御することによって差圧調整する。
また、第１差圧制御弁３０によってＳＯＦＣ１０の系統差圧を調整するものであり、排燃料ブロワ２９の上流側でＣｖ値の大きな差圧制御弁による差圧制御を行わないので、排燃料ブロワ２９に遠心式ブロワを用いた場合であっても、従来のように上流側に配置された差圧制御弁の影響により圧力変動を受け、ブロワ吐出流量が大きく変動することがない。

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９０及び方法並びにプログラム、それを備えた複合発電システム１によれば、ＳＯＦＣ１０とＭＧＴ５０とを組み合わせた複合発電システム１の制御装置９０であって、排燃料ガス供給ライン２７ｃから再循環ライン２７ｂに分岐する分岐点より上流側に設けられた排燃料ブロワ２９が、ＳＯＦＣ１０の発電負荷に応じた再循環流量が得られる回転数に調整されており、排燃料ガス供給ライン２７ｃの経路上であり、再循環ライン２７ｂに分岐する分岐点より下流側かつ燃焼器５２より上流側に設けられる第１差圧制御弁３０が制御され、ＳＯＦＣ１０における燃料系統と空気系統との系統差圧である第１差圧が制御される。

このように、排燃料ブロワ２９よりも上流側において差圧の制御をせず、排燃料ブロワ２９の下流側に設けられるＣｖ値が小さく制御性の高い第１差圧制御弁３０を制御端として系統差圧を制御するので、排燃料ブロワ２９は入口側（上流側）から受ける圧力変動が小さくなり、排燃料ブロワ２９の吐出側の流量変動を抑制できる。
また、本実施形態において、再循環ライン２７ｂに流通する排燃料ガスの流量は、排燃料ブロワ２９の回転数の調整に応じてなりゆきで決まるため、厳密な流量制御はせず、再循環流量の多少の変動を許容するものである。

また、事前に求めた第１対応情報に基づいてブロワ回転数を調整して所望の再循環流量を得るようにしており、制御端は系統差圧を制御する第１差圧制御弁３０のみであるため、従来のような制御干渉がなくなり、系統全体の制御性が向上する。

第１差圧の制御において、従来用いていた排燃料ブロワ上流側に配置する高価な差圧制御弁が不要となり、コストダウンに繋がる。また、再循環ライン２７ｂに流通させる排燃料ガスの流量は、第１対応情報Ａに基づいて流量に応じたブロワの回転数の調整によって決まるものであり、再循環ラインに流通する流量を計測する流量計測計を省くことができ、コストダウンに繋がる。
第２対応情報には、ブロワの回転数に応じたブロワの出入口間の第２差圧（ブロワヘッド）とブロワの風量が対応付けられており、ブロワの回転数が調整されることで第２差圧が推定できるので、ブロワヘッド計測用の差圧計も不要となる。

〔変形例〕
また、制御装置９０は、ＳＯＦＣ１０の第１差圧が所定値より大きくなった場合に、ブロワ回転数を調整して、第１差圧の調整を補完してもよい。以下に図４及び図６を用いて第１差圧に応じてブロワ回転数を制御することについて説明する。
燃料系統の内圧が上昇すると、第１差圧（燃料系統と空気系統の系統差圧）が増加する。排燃料ブロワ２９のブロワ回転数を増加させると、第２差圧（ブロワ差圧）ΔＰ０が増加する。ここで、排燃料ブロワ２９のブロワ回転数を増加させても第１差圧は、さほど増加しない。
第１差圧ΔＰ０が増加すると、ＭＧＴ５０側の圧損ΔＰ２も増加する。そして、ＭＧＴ５０側の圧損ΔＰ２が増加すると、ＭＧＴ５０側の流量Ｑ２が増加する。

ここで、燃料供給系２０からの流入流量Ｑｉｎは一定であるため、ＭＧＴ５０側の流量Ｑ２が増加すると、Ｑｉｎ＜Ｑｏｕｔ（＝Ｑ２）となるため、燃料系統の内圧が低下することとなり、結果として第１差圧が低下する。
この特性を利用し、制御装置９０は、ＳＯＦＣ１０の第１差圧が所定値（例えば、９〔ｋＰａ〕）以下の場合には、第１差圧制御弁３０による制御で差圧制御をするが、ＳＯＦＣ１０の第１差圧が所定値（例えば、９〔ｋＰａ〕）より大きくなった場合には、排燃料ブロワ２９のブロワ回転数を上昇（例えば、Ｎ１→Ｎ２）させ、第１差圧を低下させる。

図６は、ブロワ差圧（第２差圧）増加による系統差圧（第１差圧）の増加幅よりも、ＭＧＴ５０の燃焼器５２側の流量増加による系統差圧（第１差圧）の低下幅の方が大きい理由を説明するための図である。
図６の点線は、排燃料ブロワ２９のブロワ回転数を増加させる前の差圧変化量ΔＰを示しており、図６の実線は、排燃料ブロワ２９のブロワ回転数を増加させた後の差圧変化量ΔＰを示している。

ブロワ回転数を増加させると、ブロワ出口における差圧は増加している。この差圧の増分（例えば、図中のｅ）は、ＭＧＴ５０側に加算されるので、ＭＧＴ５０の流量Ｑ２は増加し、ＳＯＦＣ１０の内圧は低下する。
このとき、ＳＯＦＣ１０の燃料系統と空気系統との圧力（第１差圧）を比較演算するＤＰＸ１８の第１差圧の燃料極側の計測点は、ブロワ入口圧力にほぼ等しいため、ブロワ回転数を増加させても、第１差圧の増加幅（例えば、図中のｆ）はＳＯＦＣ１０出口〜ブロワ入口までの配管圧損のみで、ごく小さい。

このように、第１差圧制御弁３０での第１差圧の制御遅れが生じ、第１差圧が所定値より大きくなった場合には、排燃料ブロワ２９のブロワ回転数が調整され、ＭＧＴ５０の燃焼器５２側に圧力が逃がされ、差圧制御の遅れ発生が改善される。

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。

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 ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）
２１ 都市ガス供給弁（開閉弁）
２２ 都市ガス（燃料ガス）供給ライン
２７ａ 排燃料ガスライン
２７ｂ 再循環ライン
２７ｃ 排燃料ガス供給ライン
２９ 排燃料ブロワ
３０ 第１差圧制御弁
５０ ＭＧＴ（マイクロガスタービン）
５１ 圧縮機
５２ 燃焼器
９０ 制御装置
１０９ 燃料極
１１３ 空気極

Claims (6)

1. 燃料電池と内燃機関とを組み合わせた複合発電システムの制御装置であって、
   前記複合発電システムの制御装置は、
   前記燃料電池から排燃料ガスをブロワにより送気する排燃料ガスラインと、
   前記排燃料ガスラインの分岐点より分岐して、前記内燃機関に排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、
   前記分岐点より分岐して前記燃料電池に前記排燃料ガスを流通させる再循環ラインと、
   前記燃料電池における燃料系統と空気系統間の差圧を第１差圧として計測する差圧計測手段と、
   前記排燃料ガス供給ラインの経路上であり、前記分岐点より下流側に設けられる第１差圧制御弁と、を具備し、
   前記燃料電池の発電負荷と、前記再循環ラインに流通する前記排燃料ガスの再循環流量を得るための前記ブロワの回転数の情報とを対応付けた第１対応情報を格納しており、
   前記第１対応情報に基づき前記ブロワの回転数が制御され、前記第１差圧制御弁により、前記第１差圧を制御する複合発電システムの制御装置。
2. 前記ブロワの回転数に応じた前記ブロワの出入口間の第２差圧と前記ブロワの風量とが対応付けられた第２対応情報を備え、
   前記分岐点から上流側の前記燃料電池までの間で生じる圧力損失と、前記分岐点から下流側の前記内燃機関までの間で生じる圧力損失と、前記第２対応情報とに基づいて、前記排燃料ガスラインの前記分岐点から前記再循環ラインと前記排燃料ガス供給ラインとに流通させる流量の配分を決定し、
   前記第１対応情報は、前記分岐点から前記再循環ラインへ分岐した配分流量と、前記再循環ラインの配分流量が得られる前記ブロワの回転数の情報とに基づいて生成される
   請求項１に記載の複合発電システムの制御装置。
3. 前記燃料電池の前記第１差圧が所定値より大きくなった場合に、前記ブロワの回転数を調整して、前記第１差圧を調整する請求項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。
4. 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を備えた複合発電システム。
5. 燃料電池と内燃機関とを組み合わせ、前記燃料電池から排燃料ガスをブロワにより送気する排燃料ガスラインと、前記排燃料ガスラインの分岐点より分岐して、前記内燃機関に排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、前記分岐点より分岐して前記燃料電池に前記排燃料ガスを流通させる再循環ラインと、前記燃料電池における燃料系統と空気系統間の差圧を第１差圧として計測する差圧計測手段と前記排燃料ガス供給ラインの経路上であり、前記分岐点より下流側に設けられる第１差圧制御弁と、を具備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負荷と、前記再循環ラインに流通する前記排燃料ガスの再循環流量を得るための前記ブロワの回転数の情報とを対応付けた第１対応情報を格納する第１過程と、
   前記第１対応情報に基づき前記ブロワの回転数が制御され、前記第１差圧制御弁により、前記第１差圧を制御する第２過程とを有する複合発電システムの制御方法。
6. 燃料電池と内燃機関とを組み合わせ、前記燃料電池から排燃料ガスをブロワにより送気する排燃料ガスラインと、前記排燃料ガスラインの分岐点より分岐して、前記内燃機関に排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、前記分岐点より分岐して前記燃料電池に前記排燃料ガスを流通させる再循環ラインと、前記燃料電池における燃料系統と空気系統間の差圧を第１差圧として計測する差圧計測手段と前記排燃料ガス供給ラインの経路上であり、前記分岐点より下流側に設けられる第１差圧制御弁と、を具備する複合発電システムの制御プログラムであって、
   前記燃料電池の発電負荷と、前記再循環ラインに流通する前記排燃料ガスの再循環流量を得るための前記ブロワの回転数の情報とを対応付けた第１対応情報を格納する第１処理と、
   前記第１対応情報に基づき前記ブロワの回転数が制御され、前記第１差圧制御弁により、前記第１差圧を制御する第２処理とをプログラムに実行させるための複合発電システムの制御プログラム。
   
   
   
   

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