JP2018028988A - 発電システム及びその保護制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、特許文献1には、SOFCの停止を必要とする異常が発生した場合に、運転状態(例えば、ブロワ運転、不活性ガス供給の可否)に応じた適切な停止動作を行うことが開示されている。
また、例えば、特許文献2には、SOFCが緊急停止することにより負荷電流が停止した場合に、空気及び水の流量を低下させて発電セルの劣化を防ぐようにした緊急停止方法が開示されている。
また、特許文献3には、正常停止の場合または安全のための停止の場合に、発電装置内に蓄えられたエネルギーを減少させるエネルギー除去装置が開示されている。このエネルギー除去装置は、例えば、正常停止の場合、電力調整システム(PCS)が故障した場合、または発電装置の負荷を切り離した場合等に、抵抗器等によって燃料電池から電流を引き出すことによって発電装置内部の残留燃料を消費させ、燃料電池スタックの保護を行う。
このような構成によれば、異常検知部によって異常が検知された場合に、燃料電池を容易に無負荷状態にすることが可能となる。
ここで、第1燃料ガスと第2燃料ガスとは同じガスとされていてもよく、異なるガスとされていてもよい。
上記第3燃料ガスは、第1燃料ガス及び第2燃料ガスの少なくともいずれか一方と同じガスとされていてもよいし、いずれとも異なるガスとされていてもよい。
この場合において、前記出力制御部は、予め設定された最低流量の前記改質用水を前記燃料極に供給し、前記改質用水の供給開始から予め設定された所定の時間経過後に目標流量まで前記改質用水の供給量を増加させることとしてもよい。
上記発電システムの保護制御方法は、前記異常が解消された場合に、前記燃料電池の発電室を目標温度まで上昇させ、前記燃料電池の出力を目標出力まで増加させる工程を更に含むこととしてもよい。
まず、本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る発電システム10の概略構成を示した概略構成図である。図1に示すように、発電システム10は、マイクロガスタービン(以下「MGT」という。)11、発電機12、SOFC13、及びパワーコンディショナ(電力変換装置、以下「PCS」という)120等を備えている。この発電システム10は、MGT11による発電と、SOFC13による発電とを組み合わせることで、高い発電効率を得るように構成されている。
圧縮機21は、空気取り込みライン25から取り込んだ空気Aを圧縮する。燃焼器22には、第1空気供給ライン26を介して圧縮機21からの圧縮空気(以下、単に「空気」という。)Aの一部が供給されるとともに、第1燃料ガス供給ライン27を介して燃料ガスL1が供給される。第1空気供給ライン26には、燃焼器22へ供給する空気量を調整するための制御弁65が設けられ、第1燃料ガス供給ライン27には、燃焼器22へ供給する燃料ガス流量を調整するための制御弁70が設けられている。更に、燃焼器22には、後述するSOFC13の燃料ガス再循環ライン49を循環する排燃料ガスL3の一部が排燃料ガス供給ライン45を通じて供給される。排燃料ガス供給ライン45には、燃焼器22に供給する排燃料ガス量を調整するための制御弁47が設けられている。更に、燃焼器22には、後述する排空気供給ライン36を通じてSOFC13の空気極13Bで用いられた排空気A2の一部が供給される。
SOFC13は、空気極13Bに酸化剤ガスが供給され、燃料極13Aに燃料ガス(還元剤ガス)が供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行う。
酸化剤ガスは、例えば、酸素を略15%から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可能である。本実施形態では、SOFC13に供給される酸化剤ガスとして、圧縮機21によって圧縮された空気Aの少なくとも一部(空気A1)を採用する場合を例示して説明する。
SOFC13に供給される空気A1の温度は、SOFC13を構成するSOFCカートリッジ203に空気A1を導入する空気供給部や空気供給枝管をはじめSOFCカートリッジ203の構成材料に損傷を与えないよう温度の上限が制限されている。
また、排空気排出ライン34には、外部へ排出する排空気量を調整するための制御弁(もしくは遮断弁)37が設けられている。
次に、図2から図4を参照してSOFC13の構成について説明する。
まず、本実施形態に係るSOFC複合発電システム(燃料電池複合発電システム)のSOFCに用いる円筒形セルスタックについて図2を参照して説明する。図2は、本実施形態に係るセルスタック101の一態様を示した図である。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とを備える。燃料電池セル105は、燃料極13Aと固体電解質111と空気極13B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の長手軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル105の空気極13B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を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル105の燃料極13Aに電気的に接続されたリード膜(不図示)を備える。
さらに、発電システム10には、第2空気供給ライン31を通じてSOFC13に供給される空気A1の温度(入口空気温度)を計測する温度センサ(不図示)、燃料ガス再循環ライン49を循環する排燃料ガスL3の温度を計測する温度センサ(不図示)等が設けられている。また、各制御弁には、弁開度を検出する弁開度検出部(不図示)が設けられている。
これら各種センサや弁開度検出部によって検出された計測データは、制御装置60に送信される。
本実施形態では、PCS120から出力されたSOFC13の出力は所定の電力供給先である電力系統135に供給される。なお、本実施形態では、所定の電力供給先として電力系統135を例示しているが、これに代えてまたは加えて、特定の負荷設備に発電電力を供給することとしてもよい。
このような構成により、例えば、SOFC13の発電電力は、PCS内の昇圧回路122によって送電設備130への出力に応じた電圧まで昇圧された後、インバータ123によって直流電力から交流電力に変換される。インバータ123から出力された電力は、フィルタ回路124によってフィルタ処理(例えば、平滑化処理等)が施され、閉状態とされたPCS内開閉器125を経て送電設備130へ供給される。PCS120からの交流電力及びMGT11からの交流電力は、送電設備130内の連系点Xにおいて重畳され、閉状態とされた系統開閉器131、及び変圧器132を通じて、電力系統135へ供給される。
具体的には、PCS内開閉器125は、SOFC13と電力系統135とが連系している場合に閉状態とされ、SOFC13が電力系統135と解列している場合に開状態とされる。また、系統開閉器131は、発電システム10と電力系統135とが連系している場合に閉状態とされ、発電システム10が電力系統135と解列している場合に開状態とされる。
PCS内開閉器125及び系統開閉器131の開閉制御は、制御装置60またはPCS120により行われる。
本実施形態において、PCS内開閉器125は、PCS内に設けられているが、この配置に限られない。すなわち、SOFC13と電力系統135との系統連系及び解列を切り替えるための開閉器は、SOFC13の発電出力端と連系点Xとを接続する電力線C1に設けられていればよく、例えば、SOFC13の発電出力端とPCS120との間に設けられていてもよいし、PCS120と連系点Xとの間に設けられていてもよい。
次に、上記構成を備える発電システム10において、PCS異常が発生した場合に、制御装置60によって実行される保護制御について説明する。PCS異常は、後述するようにSOFC13の発電出力を電力の供給先(本実施形態では、電力系統135)に対して正常に送電できなくなるような異常である。
制御装置60は、例えば、コンピュータやシーケンサーであり、CPUと、CPUが実行するプログラム等を記憶するためのROM(Read Only Memory)と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するRAM(Random Access Memory)等を備えている。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。
燃料極13Aに供給する燃料ガスL2は、燃料極13Aを還元ガス雰囲気に維持するのに必要な最低限の流量またはその流量に所定の裕度を持たせた流量とされ、例えば、SOFC13の定格運転時の流量に対して数%以上10%以下の範囲で設定される。
なお、排燃料ガスライン43には、微小流量の燃料ガスL2の改質ガスと酸素と反応した水蒸気などが排燃料ガスとして排出され、この微小流量の排燃料ガスL3はSOFC13の燃料極13Aの入口へと、燃料ガス再循環ライン49と再循環ブロワ50により再循環される。
また、出力制御部142は、純水供給開始時において、急な純水供給を安定して開始するための最低流量の純水を燃料極13Aに供給する。純水は、燃料ガス再循環ライン49に設けられているスプレーノズルから噴霧されるが、このスプレーノズルは燃料ガス再循環ライン49を循環するガスによって高温に熱せられている。このような高温のスプレーノズルに対して相当量の純水を急激に供給すると、圧力変動や流量変動が生じたり、スプレー自体などの補機に損傷が発生する可能性がある。このような圧力変動や流量変動およびスプレーの損傷などの発生を防止するために、純水の供給開始時においては最低流量の純水をスプレーノズルに供給し、純水の供給開始から所定期間(例えば数分間)が経過してスプレーノズルがある程度冷やされてから、純水流量を目標純水流量まで徐々に増加させる。ここで、本実施形態での純水の最低流量は、例えば、SOFC13の出力が所定値未満となる運転時に供給される純水流量の数%以上約20%以下の範囲で設定される。また、目標純水流量は、燃料極13Aに供給する燃料ガスL2の改質反応を適切に行わせて、炭素析出が起こらないような流量以上に設定され、例えば、S/C(スチームカーボン比)が約3以上5以下の範囲をとるような値に設定される。
このように、PCS異常が検知された場合には、燃料ガスL1を抑制して燃費を向上させる高効率運転を解除し、燃焼器22に供給する燃料ガスL1の供給量を増加させる運転モードに切り替えることで、燃焼器22の安定した燃焼を維持することが可能となる。
まず、発電システムの運転時(例えば、定格運転、部分負荷運転等)において、PCS異常を検知した場合(ステップSA1において「YES」)、PCS内開閉器125を閉状態から開状態に切り替えることにより、SOFC13を電力系統135から解列する(ステップSA2)。またSOFC13が電力を出力しない無負荷状態とし、これにより、SOFC13の出力はゼロとなる。なお、PCS異常を検知しない場合には(ステップA1で「NO」)、発電システムの運転(例えば、定格運転、部分負荷運転など)を継続する。
続いて、純水の供給を開始する(ステップSA6)。具体的には、安定した純水供給のための最低流量にて純水供給を開始し、その後、所定期間後(例えば、3〜4分後)において目標流量まで純水を増加させる。
なお、ステップSA4において、MGT11の現在の運転モードが高効率運転モードでないと判定した場合には(ステップSA4において「NO」)、運転モードの切り替えは行わずに、ステップSA6に移行し、純水の供給を開始する。
図8(a)には、SOFC出力、発電室温度、MGT出力の時間的推移の一例が示されている。また、図8(b)〜(d)には、空気極13Bに供給される空気A1の空気流量、燃料極13Aに供給される燃料ガスL2の燃料流量、及び燃料極13Aに供給される純水流量の時間的推移の一例がそれぞれ示されている。
PCS異常の発生後、緊急停止制御では、SOFC13及びMGT11の運転を停止させる。これにより、図8(a)に示すようにMGT出力はゼロとなり、また、図8(b)、(c)に示すように、空気流量は所定の流量に向けて短時間で低下し、燃料流量も所定値まで短時間で低下する。
このように、従来の発電システムでの緊急停止制御では、発電スタンバイ状態を実施しないため、PCS異常が時刻t2の早い段階で解消された場合においても、発電室温度を発電可能温度まで上昇させる温度上昇工程を要するので、PCS異常が解消されてから発電開始までに時間がかかる(例えば、図8の時刻t2〜t6までの時間を要する)。
続いて、時刻t2において、PCS異常が解消すると、保護制御では、SOFC13の出力増加に合わせて純水流量が徐々に低下する。そして、時刻t4において、SOFC出力が燃料の改質の為に純水供給が不要となる所定出力に到達と純水流量はゼロとされ、続く時刻t5にてSOFC出力が定格出力に到達する。
11 :MGT(マイクロガスタービン)
12 :発電機
13 :SOFC(燃料電池)
13A :燃料極
13B :空気極
60 :制御装置
105 :燃料電池セル
111 :固体電解質
120 :パワーコンディショナ(PCS:電力変換装置)
125 :PCS内開閉器(開閉器)
135 :電力系統
140 :PCS異常検知部(異常検知部)
141 :接続制御部
142 :出力制御部
143 :運転モード判定部
144 :運転モード切替部(運転モード解除部)
215 :発電室
C1 :電力線(第1電力線)
C2 :電力線(第2電力線)
C3 :電力線(第3電力線)
X :連系点
L1 :燃料ガス(第3燃料ガス)
L2 :燃料ガス(第1燃料ガス、第2燃料ガス)
Claims (10)
- 燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池と、
前記燃料電池を制御する制御装置と、
前記燃料電池で発電された電力が供給される電力供給先と前記燃料電池の発電出力端との間に配置される電力変換装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池の発電出力端から前記電力供給先側に発生した異常を検知する異常検知部と、
前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記燃料電池の前記発電室を所定の発電可能温度以上に維持する発電スタンバイ状態に移行させる出力制御部と
を備え、
前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記燃料電池が電力を出力しない無負荷状態とする発電システム。 - 前記燃料電池の発電出力端と前記電力供給先との間に設けられた開閉器と、
前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記開閉器を開とする接続制御部と
を備える請求項1に記載の発電システム。 - 前記出力制御部は、前記発電スタンバイ状態において、酸化剤ガス及び第1燃料ガスを前記空気極に供給するとともに、第2燃料ガスを前記燃料極に供給する請求項1または請求項2に記載の発電システム。
- 前記燃料電池からの排燃料および排空気が供給されるマイクロガスタービンを備え、
前記制御装置は、
前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記マイクロガスタービンの運転を継続して行う請求項1から請求項3のいずれかに記載の発電システム。 - 前記燃料電池の発電電力を送電する第1電力線と、
前記マイクロガスタービンの発電電力を送電する第2電力線と、
前記第1電力線と前記第2電力線とが連結する連系点と、
前記連系点と前記電力供給先とを接続する第3電力線と
を備え、
前記開閉器は、前記第1電力線に設けられている請求項2に従属する請求項4に記載の発電システム。 - 前記制御装置は、
前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記マイクロガスタービンの運転モードが、燃焼器への第3燃料ガスの供給量を予め設定された所定値以下に抑制する高効率運転モードであるか否かを判定する運転モード判定部と、
前記運転モード判定部によって前記高効率運転モードであると判定された場合に、前記高効率運転モードを解除し、前記高効率運転モードよりも多くの前記第3燃料ガスを前記燃焼器に供給する他の運転モードに切り替える運転モード切替部と
を具備する請求項4または請求項5に記載の発電システム。 - 前記出力制御部は、前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記燃料極に改質用水を供給する請求項1から請求項6のいずれかに記載の発電システム。
- 前記出力制御部は、前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、予め設定された最低流量の前記改質用水を前記燃料極に供給し、前記改質用水の供給開始から予め設定された所定の時間経過後に目標流量まで前記改質用水の供給量を増加させる請求項7に記載の発電システム。
- 発電室内に、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された燃料電池を具備する発電システムの保護制御方法であって、
前記燃料電池の発電出力端から電力供給先側に発生した異常を検知する工程と、
前記異常を検知した場合に、前記燃料電池が電力を出力しない無負荷状態とする工程と、
前記異常を検知した場合に、前記燃料電池の前記発電室を所定の発電可能温度以上に維持する発電スタンバイ状態に移行させる工程と
を含む発電システムの保護制御方法。 - 前記異常が解消された場合に、前記燃料電池の発電室を目標温度まで上昇させ、前記燃料電池の出力を目標出力まで増加させる工程を含む請求項9に記載の発電システムの保護制御方法。
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