JP2018088324A - 複合発電システムの制御装置、複合発電システム、複合発電システムの制御方法および複合発電システムの制御プログラム - Google Patents

複合発電システムの制御装置、複合発電システム、複合発電システムの制御方法および複合発電システムの制御プログラム Download PDF

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Abstract

【課題】バイオガスを原燃料とするＳＯＦＣを備えた複合発電システムにおいて、メタン濃度の不安定なバイオガスの組成の変化に対応し安定したＳＯＦＣの稼働を行う複合発電システムの制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】燃料原料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極と燃料極から排出される排燃料原料ガスを再循環させる再循環ライン３０４とを備え、バイオガス２０を燃料原料ガスとする燃料電池１０と、燃料電池１０から排出される排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービン８０と、バイオガス２０中の二酸化炭素濃度もしくはメタン濃度の少なくとも一方を測定する濃度計２１と、を備えた複合発電システム１の制御装置７０であって、燃料極１０９に供給される燃料原料ガスの二酸化炭素濃度もしくはメタン濃度に応じて予め設定した第１補正係数を用いて再循環ライン３０４への供給流量を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、メタン濃度変動ガスを用いた複合発電システムの制御装置、複合発電システム、複合発電システムの制御方法および複合発電システムの制御プログラ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」という。）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原料ガス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」という。）等の内燃機関と組み合わせた複合発電システムが開発されており、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原料ガスを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。
近年、ＳＯＦＣの燃料原料ガスとして、上述したものに代えてバイオガスを用いることが検討されている。バイオガスとは、例えば下水に由来するガスであり、下水からメタン発酵処理して得られ、主な成分はメタン及び二酸化炭素である。一般的に、バイオガス中のメタン濃度は約６０体積％、二酸化炭素濃度は約４０体積％とされているが、バイオガスのメタン濃度は一定ではなく、特に時間帯や季節により変化する。
例えばバイオガスのメタン濃度が低下すると、二酸化炭素濃度は上昇する。二酸化炭素濃度が上昇すると、ＳＯＦＣの起電力が低下するため、ＳＯＦＣの出力は低下する。このとき、ＳＯＦＣの起電力低下分が電気への変換ロスとして熱エネルギとなるため、ＳＯＦＣの温度が上昇するという影響が発生するころが判明した。
そこで、ＳＯＦＣにおいて、バイオガス中のメタン濃度の変化に対応する方法として、特許文献１には燃料電池へ供給する前段階において前処理装置を用いてバイオガス中のメタンガス成分を濃縮しメタン濃度を一定にした後供給することが開示されている。また、特許文献２には、メタン濃度に基づいて必要な燃料原料ガス供給量を演算し供給量を制御することが開示されている。また、特許文献３には、バイオガスを吸着貯蔵容器に貯蔵し二酸化炭素を吸着しつつ、組成の変動に対してはＳＯＦＣの出力を変動させることで対応することが開示されている。
特開平１１−１２６６２９号公報 特開２００３−３３１８９７号公報 特開２００８−１５３１４９号公報
しかしながら、上記特許文献１に開示された発明では、メタンガス成分の濃縮には動力源や前処理装置の設置、及びそのスペースが必要であるなどコストがかかるという問題があった。
また、上記特許文献２に開示された発明では、燃料原料ガスであるバイオガスのメタン濃度に応じて供給流量を調整しても、例えば燃料極側の排燃料原料ガスの一部を再循環するＳＯＦＣでは、メタン濃度の変化によって再循環ガスの組成が変化するため、内部改質用のＳ／Ｃ（スチームカーボン比、水蒸気炭素比）が変化し、安定した運転が困難であるという問題があった。ＳＯＦＣ燃料極の入口のＳ／Ｃは内部改質のためには量論的には１．０以上が必要で、更にＳ／Ｃが低くなる領域が発電部にあると炭素が析出する恐れがある。炭素析出防止と改質率促進のためにＳ／Ｃ≧２が好ましい。Ｓ／Ｃが多すぎると、最終的に系外に排出される排ガス中の水蒸気含有量が増加し、この潜熱分が無駄な熱量として系外に排出されてシステム効率が低下する。この為、Ｓ／Ｃの運転状態に合わせて最少量のＳ／Ｃを設定できることが望まれており、例えばＳ／Ｃが３．０〜５．０、好ましくは３．５〜５．０となるよう設定されている。
また、上記特許文献３に開示された発明では、バイオガスのメタン濃度の変化に対しＳＯＦＣの出力を変動させて対応することから、ＳＯＦＣの出力が安定しないという問題があった。
本発明は、上述した課題を解決するものであり、メタン濃度変動ガスを原燃料とするＳＯＦＣを備えた複合発電システムにおいて、メタン濃度の不安定なメタン濃度変動ガスの組成の変化に対応し安定したＳＯＦＣの稼働を行う複合発電システムの制御装置、複合発電システム、複合発電システムの制御方法および複合発電システムの制御プログラ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、本発明の複合発電システムの制御装置、複合発電システム、複合発電システムの制御方法および複合発電システムの制御プログラムは以下の手段を採用する。
本発明の第一態様に係る複合発電システムの制御装置は、燃料原料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極と前記燃料極から排出される排燃料原料ガスを再循環させる再循環ラインとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを燃料原料ガスとする燃料電池と、前記燃料電池から排出される前記排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、前記メタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度の少なくとも一方を測定する濃度計と、を備えた複合発電システムの制御装置であって、前記燃料極に供給される前記燃料原料ガスの前記二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度に応じて予め設定した第１補正係数を用いて前記再循環ラインへの供給流量を制御する。
本構成によれば、燃料極側の排燃料原料ガスの少なくとも一部を再循環する固体電解質型燃料電池などの燃料電池において、燃料極に供給される燃料原料ガスの二酸化炭素濃度またはメタン濃度に応じてあらかじめ設定した第１補正係数を用いて再循環ラインへの排燃料原料ガスの少なくとも一部を再循環させた再循環ガスの供給流量を制御する。これにより、燃料原料ガスであるメタン濃度変動ガスのメタン濃度が変化しても、再循環流量を調整し二酸化炭素濃度上昇時の再循環ガス中の水蒸気分圧の低下によるＳ／Ｃ（スチームカーボン比）の低下を防ぎ、Ｓ／Ｃを安定させ、複合発電システムを安定稼働することができる。
燃料極側の排燃料原料ガスを再循環し内部改質している燃料電池は、メタン濃度変動ガス中のメタン濃度が変化すると、再循環ガスの組成が変化する。これによりＳ／Ｃが変化することとなる。
またメタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度が上がると、メタン濃度変動ガス中のメタン濃度が低下して反応により生成される水蒸気分圧が下がるのでＳ／Ｃが低下するとともに燃料電池の起電力が下がる。これにより、燃料電池の電圧が下がりその分の電圧が電気変換のロスとして熱となり発電室の温度が上がることとなる。
そこで、再循環流量を増やすことでＳ／Ｃの変動を低減し、燃料電池の起電力を維持することで電圧低下を防ぎ、起電力低下により発熱量が増加していた燃料電池の発電室の温度上昇を抑制する。これにより、燃料電池の出力を維持し、燃料電池の安定稼働を継続することができる。
なお、「メタン濃度変動ガス」とは、運転中にメタン濃度が変動するガスを意味し、例えば、有機性廃棄物の嫌気性発酵処理（メタン発酵）によるメタン発酵ガス、下水汚泥の嫌気性処理による消化ガスなどを由来とするバイオガス、再生可能エネルギー由来等の水素をメタンに混ぜたハイタンなどが挙げられる。
上記第一態様では、前記燃料電池は、前記燃料極から排出される前記排燃料原料ガスを前記ガスタービンへ供給する燃料極燃料原料ガス排出ラインを備え、前記燃料極燃料原料ガス排出ラインに設けられたブロアの回転数によって前記再循環ラインへの前記排燃料原料ガスの供給流量を制御するとしてもよい。
本構成によれば、燃料極燃料原料ガス排出ラインに設けられたブロアの回転数によって再循環ラインへの排燃料原料ガスの供給流量を制御することから、燃料原料ガスであるメタン濃度変動ガスのメタン濃度が変化しても、再循環量を調整し二酸化炭素濃度上昇時の再循環ガス中の水蒸気分圧の低下によるＳ／Ｃ（スチームカーボン比）の低下を防ぎ、Ｓ／Ｃを安定させ、複合発電システムを安定稼働することができる。
本発明の第二態様に係る複合発電システムの制御装置は、燃料原料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極と前記燃料極から排出される排燃料原料ガスを再循環させる再循環ラインとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを燃料原料ガスとする燃料電池と、前記燃料電池から排出される前記排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、前記メタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度の少なくとも一方を測定する濃度計と、を備えた複合発電システムの制御装置であって、前記燃料極に供給される前記燃料原料ガスの二酸化炭素濃度に応じて予め設定した第２補正係数を用いて前記空気極に供給される前記酸化性ガスの供給流量または温度を制御する。
本構成によれば、燃料極に供給される燃料原料ガスの二酸化炭素濃度またはメタン濃度に応じて予め設定した第２補正係数を用いて酸化性ガスの供給流量または温度を制御する。
例えばメタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度が上がると、メタン濃度変動ガス中のメタン濃度が低下して反応により生成される水蒸気分圧が下がるのでＳ／Ｃが低下するとともに燃料電池の起電力が下がる。これにより、燃料電池の電圧が下がりその分の電圧が電気変換のロスとして熱となり発電室の温度が上がることとなる。例えば燃料電池の発電室の温度上昇を防止する場合は、空気極に供給される酸化性ガスの供給流量を増やす又は温度を下げる制御を行う。酸化性ガスの供給流量が増えることで、熱伝達により発電室の温度を下げることができる。また、酸化性ガスの温度を下げることで、発電室の温度を下げることができる。
上記第二態様では、前記ガスタービンは、熱交換により前記酸化性ガスに熱エネルギーを与える熱交換器を備え、前記ガスタービンから排出される前記酸化性ガスが前記熱交換器をバイパスする熱交換器バイパスラインと、該熱交換器バイパスラインに設けられた第１流量調整弁と、を備え、前記第１流量調整弁を調整することによって前記酸化性ガスの温度を制御するとしてもよい。
メタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度が上がると、メタン濃度変動ガス中のメタン濃度が低下して反応により生成される水蒸気分圧が下がるのでＳ／Ｃが低下するとともに燃料電池の起電力が下がる。これにより、燃料電池の電圧が下がりその分の電圧が電気変換のロスとして熱となり発電室の温度が上がることとなる。
本構成によれば、燃料電池の発電室の温度上昇を防止するために、熱交換器をバイパスして温度上昇していない酸化性ガスを燃料電池の空気極へ供給する。よって、燃料電池の温度上昇が抑制され、燃料電池の出力を維持することができる。
上記第二態様では、前記ガスタービンから排出される前記酸化性ガスが前記燃料電池をバイパスして前記ガスタービンの燃焼器へ供給される燃料電池バイパスラインと、該燃料電池バイパスラインに設けられた第２流量調整弁と、を備え、前記第２流量調整弁を調整することによって前記酸化性ガスの供給流量を制御するとしてもよい。
メタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度が上がると、メタン濃度変動ガス中のメタン濃度が低下して反応により生成される水蒸気分圧が下がるのでＳ／Ｃが低下するとともに燃料電池の起電力が下がる。これにより、燃料電池の電圧が下がりその分の電圧が電気変換のロスとして熱となり発電室の温度が上がることとなる。
本構成によれば、燃料電池の発電室の温度上昇を防止するために、燃料電池をバイパスしていた酸化性ガスの供給を停止し、空気極への酸化性ガスの供給流量を増加させる。よって、熱伝達により燃料電池の温度上昇が抑制され、燃料電池の出力を維持することができる。
上記第一態様または第二態様では、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であるとしてもよい。
本発明の第三態様に係る複合発電システムは、燃料原料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極と前記燃料極から排出される排燃料原料ガスを再循環させる再循環ラインとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを燃料原料ガスとする燃料電池と、前記燃料電池から排出される前記排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、前記メタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度の少なくとも一方を測定する濃度計と、上述したいずれかに記載の制御装置とを備える。
本発明の第四態様に係る複合発電システムの制御方法は、燃料原料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極と前記燃料極から排出される排燃料原料ガスを再循環させる再循環ラインとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを燃料原料ガスとする燃料電池と、前記燃料電池から排出される前記排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、前記メタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度の少なくとも一方を測定する濃度計と、を備えた複合発電システムの制御方法であって、前記燃料極に供給される前記燃料原料ガスの前記二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度に応じて予め設定した第１補正係数を用いて前記再循環ラインへの供給流量を制御する。
本発明の第五態様に係る複合発電システムの制御方法は、燃料原料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極と前記燃料極から排出される排燃料原料ガスを再循環させる再循環ラインとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを燃料原料ガスとする燃料電池と、前記燃料電池から排出される前記排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、前記メタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度の少なくとも一方を測定する濃度計と、を備えた複合発電システムの制御方法であって、前記燃料極に供給される前記燃料原料ガスの前記二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度に応じて予め設定した第２補正係数を用いて前記酸化性ガスの供給流量または温度を制御する。
本発明の第六態様に係る複合発電システムの制御プログラムは、燃料原料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極と前記燃料極から排出される排燃料原料ガスを再循環させる再循環ラインとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを燃料原料ガスとする燃料電池と、前記燃料電池から排出される前記排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、前記メタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度の少なくとも一方を測定する濃度計と、を備えた複合発電システムの制御プログラムであって、前記燃料極に供給される前記燃料原料ガスの前記二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度に応じて予め設定した第１補正係数を用いて前記再循環ラインへの供給流量を制御する。
本発明の第七態様に係る複合発電システムの制御プログラムは、燃料原料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極と前記燃料極から排出される排燃料原料ガスを再循環させる再循環ラインとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを燃料原料ガスとする燃料電池と、前記燃料電池から排出される前記排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、前記メタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度の少なくとも一方を測定する濃度計と、を備えた複合発電システムの制御プログラムであって、前記燃料極に供給される前記燃料原料ガスの前記二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度に応じて予め設定した第２補正係数を用いて前記酸化性ガスの供給流量または温度を制御する。
本発明によれば、ＳＯＦＣを備えた複合発電システムにおいて、メタン濃度の不安定なメタン濃度変動ガスの組成の変化に対応し、ＳＯＦＣの温度上昇を抑制し、ＳＯＦＣの出力を維持することで、ＳＯＦＣの安定稼働を行うことができる。
本発明の実施形態に係る複合発電システムを示した概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る複合発電システムの制御装置における補正制御のフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る複合発電システムの制御装置における第１補正係数と二酸化炭素濃度との関係を表したグラフである。 本発明の第２実施形態に係る複合発電システムの制御装置における補正制御のフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る複合発電システムの燃料電池におけるセルスタックの一態様を示すものである。 本発明の一実施形態に係る複合発電システムの燃料電池におけるＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。 本発明の一実施形態に係る複合発電システムの燃料電池におけるＳＯＦＣカートリッジの断面の一態様を示すものである。
以下に、本発明に係る複合発電システムの制御装置、複合発電システム、複合発電システムの制御方法および複合発電システムの制御プログラムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１には、本実施形態に係る複合発電システムの制御装置、複合発電システム、複合発電システムの制御方法および複合発電システムの制御プログラムの概略構成が示されている。
図１に示されるように、複合発電システム１は、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣとする。）（燃料電池）１０、マイクロガスタービン（以下、ＭＧＴとする。）（ガスタービン）８０、発電機８６、及び制御装置７０を主な構成として備えている。本実施形態の複合発電システム１は、燃料原料ガスとして運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガス２０を用いる。メタン濃度変動ガス２０としては、例えば、有機性廃棄物の嫌気性発酵処理（メタン発酵）によるメタン発酵ガス、下水汚泥の嫌気性処理による消化ガスなどを由来とするバイオガス、再生可能エネルギー由来等の水素をメタンに混ぜたハイタンなどが挙げられるが、本実施形態ではバイオガス２０を用いるものとする。また、本実施形態の複合発電システム１は、起動用燃料として所定燃料ガス３０を用いる。所定燃料ガス３０とは、予め発熱量が略一定に調整された所定の燃料ガスを意味し、例えばメタン濃度が略一定に調整された都市ガスが挙げられ、本実施形態では都市ガス３０を用いるものとする。
ＭＧＴ８０は、圧縮機８４、燃焼器８１、タービン８３、発電機８６及び再生熱交換器（熱交換器）８５を備えており、圧縮機８４とタービン８３と発電機８６は、一体回転可能に同軸に連結されている。圧縮機８４は、取り込んだ空気５を圧縮する。燃焼器８１は、圧縮機８４から排出され再生熱交換器８５、第２流量調整弁１８、及び酸化性ガス排出ライン３０５を通して供給された圧縮空気と、ＳＯＦＣ１０の空気極１１３から排出され酸化性ガス排出ライン３０５及び遮断弁１３を通して供給された排空気（排酸化性ガス）と、ＳＯＦＣ１０の燃料極１０９から排出され燃料極燃料原料ガス排出ライン３０３及び流量調整弁１５を通して供給された排燃料原料ガスと、ガスタービン用燃料原料ガス供給ライン３０９及び流量調整弁６２を通して供給されたバイオガス２０または流量調整弁６３を通して供給された都市ガス３０とを混合して燃焼する。酸化性ガス排出ライン３０５には、燃焼器８１の近傍に燃焼器入口空気温度Ｔ０を測定する燃焼器入口温度センサ１４が設けられている。タービン８３は、燃焼器８１から供給された排ガス（燃焼ガス）が断熱膨張することにより回転する。発電機８６は、タービン８３と同軸上に設けられており、タービン８３が回転駆動することで発電する。タービン８３の近傍には、排ガス温度を測定するタービン入口温度センサ８２が設けられている。再生熱交換器８５は、タービン８３から排出された排ガスと圧縮機８４から排出された圧縮空気との間で熱交換を行う。圧縮空気との熱交換で冷却された排ガスは、煙突９０を通して外部に放出される。
燃焼器８１には、ガスタービン用燃料原料ガス供給ライン３０９を通して起動用燃料が供給される。本実施形態においてＭＧＴ８０の起動用燃料はバイオガス２０と都市ガス３０である。ガスタービン用燃料原料ガス供給ライン３０９は、バイオガス２０を供給するガスタービン用メタン濃度変動ガス供給ライン（以下、ガスタービン用バイオガス供給ラインという。）３０７と、都市ガス３０を供給するガスタービン用所定燃料ガス供給ライン（以下、ガスタービン用都市ガス供給ラインという。）３０８が合流したラインである。ガスタービン用バイオガス供給ライン３０７は、後述するメタン濃度変動ガス供給ライン（以下、バイオガス供給ラインという。）３１０から分岐し、バイオガス２０の流れ方向に沿って上流側から順に遮断弁５２及びバイオガス２０の供給量を調整可能な流量調整弁６２が設けられている。ガスタービン用都市ガス供給ライン３０８は、後述する所定燃料ガス供給ライン（以下、都市ガス供給ラインという。）３１１から分岐し、都市ガス３０の流れ方向に沿って上流側から順に遮断弁５３及び都市ガス３０の供給量を調整可能な流量調整弁６３が設けられている。
図１に示されるＳＯＦＣ１０は、詳細については後述するが、図５及び図６に示されるように圧力容器２０５内に空気極１１３と固体電解質１１１と燃料極１０９とが収容されて構成される。空気極１１３には、図１で示されるように圧縮機８４で圧縮された一部の圧縮空気が酸化性ガスとして空気極酸化性ガス供給ライン３０６を通して供給され、燃料極１０９には、例えば都市ガスやバイオガスなどの発電反応に寄与する燃料原料ガスが燃料極燃料原料ガス供給ライン３０１を通して供給されることで発電を行う。また、ＳＯＦＣ１０は発電室２１５及び発電室２１５の発電室温度Ｔ１を計測する発電室温度センサ１１を備えている。
ＳＯＦＣ１０にて用いられる酸化性ガスは、酸素を略１５％乃至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。
ＳＯＦＣ１０には空気極酸化性ガス供給ライン３０６が連結され、圧縮機８４が圧縮した一部の圧縮空気が空気極１１３の導入部に供給される。この空気極酸化性ガス供給ライン３０６には、圧縮空気の流れ方向に沿って上流側から順に後述する熱交換器バイパスライン３１３への分岐点、再生熱交換器８５、後述する燃料電池バイパスライン３１２への分岐点、圧縮空気の供給量を調整可能な流量調整弁１７、熱交換器バイパスライン３１３との合流点及び後述する空気極燃料原料ガス供給ライン３０２との合流点が設けられている。また、再生熱交換器８５の上流側分岐点から流量調整弁１７の下流側合流点へ再生熱交換器８５をバイパスするラインである熱交換器バイパスライン３１３が設けられており、このライン上には圧縮空気のバイパス量を調整可能な第１流量調整弁１６が設けられている。燃料電池バイパスライン３１２は、再生熱交換器８５から排出された圧縮空気の一部をＳＯＦＣ１０をバイパスして燃焼器８１に供給するラインであり、圧縮空気の供給量を調整可能な第２流量調整弁１８が設けられている。
ＳＯＦＣ１０には、空気極１１３で用いられた排空気（排酸化性ガス）を排出する酸化性ガス排出ライン３０５が連結されている。この酸化性ガス排出ライン３０５は、燃焼器８１の導入部に連結されており、空気極１１３で用いられた排空気を燃焼器８１へ供給する。酸化性ガス排出ライン３０５には、排空気の流れ方向に沿って上流側から順に遮断弁１３、燃料電池バイパスライン３１２の合流点、及び燃焼器入口温度センサ１４が設けられている。
また、ＳＯＦＣ１０には、燃料極１０９の導入部にＳＯＦＣ１０に燃料原料ガスを供給する燃料極燃料原料ガス供給ライン３０１が連結されている。燃料極燃料原料ガス供給ライン３０１は、バイオガス２０を供給するバイオガス供給ライン３１０と、都市ガス３０を供給する都市ガス供給ライン３１１が合流したラインである。バイオガス供給ライン３１０には、バイオガス２０の流れ方向に沿って上流側から順に濃度計２１、ガスタービン用バイオガス供給ライン３０７との分岐点及び遮断弁２２が設けられている。濃度計２１は、バイオガス２０中のメタン濃度の濃度計測を行う。都市ガス供給ライン３１１には、都市ガス３０の流れ方向に沿って上流側から順に空気極燃料原料ガス供給ライン３０２への分岐点、ガスタービン用都市ガス供給ライン３０８への分岐点及び遮断弁３５が設けられている。また、燃料極燃料原料ガス供給ライン３０１には、燃料原料ガスの流れ方向に沿って上流側から順に脱硫器２３、空気極燃料原料ガス供給ライン３０２への分岐点、流量調整弁２４、及び後述する再循環ライン３０４との合流点が設けられている。
ＳＯＦＣには、燃料極１０９で用いられた排燃料原料ガスを排出する燃料極燃料原料ガス排出ライン３０３が連結されている。この燃料極燃料原料ガス排出ライン３０３は、燃焼器８１の導入部に連結されており、燃料極１０９で用いられた排燃料原料ガスを燃焼器８１へ供給する。燃料極燃料原料ガス排出ライン３０３には、排燃料原料ガスの流れ方向に沿って上流側から順にブロア１２、再循環ライン３０４への分岐点、排燃料原料ガスの供給量を調整可能な流量調整弁１５が設けられている。再循環ライン３０４は、燃料極燃料原料ガス排出ライン３０３から燃料極燃料原料ガス供給ライン３０１へと連結している。燃料極１０９から排出された排燃料原料ガスを燃料極１０９へ再循環させることで、排燃料原料ガスに含まれる未反応分の燃料原料ガスを再利用すると共に、内部改質時の原料となる水を供給し、さらには排燃料原料ガスの顕熱は燃料極１０９へ供給される燃料原料ガスの昇温に用いられる。再循環ライン３０４には、燃料原料ガスの内部改質に利用する原料の水が不足する場合に、純水相当の上水４０を系外から供給する改質用水供給ライン３１４が合流している。改質用水供給ライン３１４には、上水４０の流れ方向に沿って上流側から順に改質用水供給装置４１及びブロア４２が設けられている。
また、空気極燃料原料ガス供給ライン３０２は、都市ガス供給ライン３１１から分岐し、空気極酸化性ガス供給ライン３０６に合流する。空気極燃料原料ガス供給ライン３０２には、都市ガス及び燃料原料ガスの流れ方向に沿って上流側から順に遮断弁３１、脱硫器３２、燃料極燃料原料ガス供給ライン３０１からの合流点、及び都市ガス３０またはバイオガス２０の供給量を調整可能な流量調整弁３４が設けられている。燃料極燃料原料ガス供給ライン３０１と空気極燃料原料ガス供給ライン３０２とを連結するライン上には、遮断弁３３が設けられている。
制御装置７０は、例えば、濃度計２１及び各温度センサ１１、１４、８２の計測値等に基づき、各遮断弁及び各流量調整弁の制御を行う。
制御装置７０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、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、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
次に、本実施形態における複合発電システムの制御装置における補正制御について図２を用いて説明する。
図２には、本実施形態に係る複合発電システムの制御装置における補正制御のフローチャートが示されている。
制御装置７０に対し、外部（図示せず）から複合発電システム１に対する電流負荷指令が指示される（ステップＳ２０１）。
制御装置７０は、電流負荷指令に対応する必要なメタン（ＣＨ４）流量を計算する（ステップＳ２０２）。制御装置７０は、予めメタン流量を電流負荷の一次関数で設定している。
また、メタン濃度が１００％（すなわち二酸化炭素濃度が０％）の場合における、再循環ライン３０４の再循環流量Ｆｒを計算する（ステップＳ２０３）。制御装置７０は、再循環流量Ｆｒについても予め電流負荷の一次関数で設定している。
上述した各関数は、実機によるデータ取得、モデル、シミュレーションなどを用いて設定されるが、その手段は問わない。
次に、稼働中の複合発電システム１におけるバイオガス２０の組成を計測する（ステップＳ２０４）。
バイオガス２０は、一般的にその組成においてメタン濃度が約６０体積％、二酸化炭素濃度が約４０体積％とされており、約±１０体積％の範囲でそれぞれ変動する。すなわち、バイオガス２０のメタン濃度を計測することにより、同時に二酸化炭素濃度も計測できることになる。
バイオガス２０の組成は、メタン濃度を計測する濃度計２１により計測する。また、二酸化炭素濃度は「１００−（メタン濃度）（体積％）」で表される。
次に、計測されたメタン濃度に基づき、ＳＯＦＣ１０に供給される燃料原料ガスであるバイオガス２０の供給流量を決定する（ステップＳ２０５）。ステップＳ２０２で計算された必要メタン流量、及び計測されたメタン濃度とから、制御装置７０によってバイオガス２０の供給流量が決定される。制御装置７０は、決定されたバイオガス２０の供給流量に基づき、流量調整弁２４等の制御を行う。
また、バイオガス２０を用いた際の排燃料原料ガスからの再循環流量Ｆｒを第１補正係数である二酸化酸素濃度により補正する（ステップＳ２０６）。制御装置７０は、第１補正係数をバイオガス組成（本実施形態の場合、二酸化炭素濃度）の一次関数で設定している。関数は、実機によるデータ取得、モデル、シミュレーションなどを用いて設定されるが、その手段は問わない。
具体的には、バイオガス２０を用いた際の排燃料原料ガスの再循環流量Ｆｒに対し、二酸化炭素濃度に応じた第１補正係数（第１補正係数≧１）をかけ合わせることにより、二酸化炭素濃度により補正された再循環流量Ｆｒが導出される。
図３には、本実施形態に係る複合発電システムの制御装置における第１補正係数と二酸化炭素濃度との関係がグラフに示されている。
同図において、縦軸は第１補正係数、横軸は二酸化炭素濃度である。
図３に示されるように、第１補正係数はバイオガス組成の二酸化炭素濃度の一次関数で設定されており、二酸化炭素の濃度に応じてその値が設定される。本実施形態では、バイオガス２０の二酸化炭素濃度が０％であるもの（ステップＳ２０３）が、８０体積％へと増加した際に、再循環流量Ｆｒは、例えば、１．１倍に設定されることを示している。
制御装置７０は、補正された再循環流量Ｆｒに基づき、燃料極燃料原料ガス排出ライン３０３上に設けられたブロア１２の回転数を制御し、補正された再循環流量Ｆｒを供給させる。
また、再循環流量Ｆｒの供給流量の制御については、再循環ライン３０４上に流量計を設置し、計測される再循環ガスの流量に基づき制御を行うとしてもよい。
ここで、本実施形態に係るＳＯＦＣ１０について、以下に説明する。
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、ＳＯＦＣ１０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。
まず、図５を参照して本実施形態に係る円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図５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とを備える。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の一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１０９に電気的に接続されたリード膜（不図示）を備える。
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とされる。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。燃料極１０９の厚さは５０〜２５０μｍである。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料原料ガスに対して触媒作用を備える（触媒燃焼）。この触媒作用（触媒燃焼）は、基体管１０３を介して供給された燃料原料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）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（Ｈ２）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（Ｏ２−）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（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）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。
燃料原料ガスがセルスタック１０１に供給されると、前述した改質反応により吸熱反応が起こる。これにより、燃料原料ガスを増加させると発電室温度Ｔ１は低下する。
ＳＯＦＣ１０の燃料極１０９に供給し利用できる燃料原料ガスとしては、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどの炭素質原料をガス化設備により製造したガスなどが挙げられる。
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備える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（Ｏ２−）を燃料極１０９に移動させるものである。燃料極１０９の表面上に位置する固体電解質１１１の膜厚は１０〜１００μｍである。
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３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（Ｏ２−）を生成するものである。空気極１１３は２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質１１１側の空気極層（空気極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層（空気極導電層）は、Ｓｒ及びＣａドープＬａＭｎＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（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る。インターコネクタ１０７は、燃料原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て、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。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、電子伝導性を備えること、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１０７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。
次に、図６と図７とを参照して本実施形態に係るＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。ここで、図６は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。また、図７は、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図を示すものである。
ＳＯＦＣモジュール２０１は、図６に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを備える。
なお、図６には円筒形のＳＯＦＣのセルスタックを例示しているが、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。
また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料原料ガス供給管２０７と複数の燃料原料ガス供給枝管２０７ａ及び燃料原料ガス排出管２０９と複数の燃料原料ガス排出枝管２０９ａとを備える。更にＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）及び酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを備える。
燃料原料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料原料ガスを供給する燃料原料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料原料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料原料ガス供給管２０７は、上述の燃料原料ガス供給部から供給される所定流量の燃料原料ガスを、複数の燃料原料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料原料ガス供給枝管２０７ａは、燃料原料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料原料ガス供給枝管２０７ａは、燃料原料ガス供給管２０７から供給される燃料原料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。
燃料原料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料原料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料原料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料原料ガスを燃料原料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料原料ガス排出管２０９は、複数の燃料原料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料原料ガス排出管２０９は、燃料原料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料原料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。
圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約１ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。
ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図７に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料原料ガス供給室２１７と、燃料原料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室２２１と、酸化性ガス排出室２２３とを備える。更にＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを備える。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料原料ガス供給室２１７と燃料原料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１と酸化性ガス排出室２２３とが図７のように配置されることで、燃料原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が、必ずしもこの必要はなく、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良い。
発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置された領域であり、燃料原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２１５のセルスタック１０１長手軸方向の中央部付近での温度は、温度センサ１１などで監視され、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。
燃料原料ガス供給室２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた燃料原料ガス供給孔２３１ａによって、燃料原料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。複数のセルスタック１０１は、上部管板２２５ａとシール部材２３７ａにより接合されており、燃料原料ガス供給室２１７は、燃料原料ガス供給枝管２０７ａから燃料原料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料を、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。
燃料原料ガス排出室２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料原料ガス排出孔２３１ｂによって、燃料原料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。複数のセルスタック１０１は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、燃料原料ガス排出室２１９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原料ガス排出室２１９に供給される排燃料原料ガスを集約して、燃料原料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料原料ガス排出枝管２０９ａに導くことができる。
ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給室２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域であり、り、下部ケーシング２２９ｂの側面に設けられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給室２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に略均一流量で導くことができる。
酸化性ガス排出室２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの側面に設けられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出室２２３は、発電室２１５から、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出室２２３に供給される排空気を、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くことができる。
上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料原料ガス供給室２１７と酸化性ガス排出室２２３とを隔離するものである。
下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料原料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１とを隔離するものである。
上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを備える。
この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出室２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出室２２３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２０３の構造により、燃料原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２１５に供給される燃料原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２２５ａ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２２３に供給される。また、燃料原料ガスは、発電室２１５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２１５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原料ガスを発電室２１５に供給することができる。
下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを備える。
この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給室２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給室２２１に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５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２０３の構造により、燃料原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、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料原料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料原料ガス排出室２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料原料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５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必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。
発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された直流電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先（例えば、負荷設備や電力系統）へと供給される。
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の制御装置、複合発電システム、複合発電システムの制御方法および複合発電システムの制御プログラムによれば、以下の作用効果を奏する。
燃料原料ガスを再循環するＳＯＦＣ１０において、燃料極１０９に供給されるバイオガス２０の二酸化炭素濃度もしくはメタン濃度に応じてあらかじめ設定した第１補正係数を用いて再循環ライン３０４へ排燃料原料ガスの少なくとも一部を再循環させた再循環ガスの供給流量を制御する。これにより、燃料原料ガスであるバイオガス２０のメタン濃度が変化しても、再循環量を調整することで二酸化炭素濃度上昇時においても再循環ガス中のメタン濃度が低下して反応により生成される水蒸気分圧の低下によるＳ／Ｃ（スチームカーボン比）の低下を防ぎ、Ｓ／Ｃを安定させ、複合発電システム１を安定稼働することができる。
本実施形態のＳＯＦＣ１０は燃料極側の排燃料原料ガスを再循環し内部改質しているため、バイオガス２０中のメタン濃度が変化すると、再循環ガスの組成が変化する。これにより、Ｓ／Ｃが変化することとなる。
またバイオガス２０中の二酸化炭素濃度が上がると、バイオガス２０中のメタン濃度が低下して反応により生成される水蒸気分圧が下がるためＳ／Ｃが低下するとともにＳＯＦＣ１０の起電力が下がる。これにより、ＳＯＦＣ１０の電圧が下がりその分の電圧が電気変換のロスとして熱となり発電室２１５の温度が上がることとなる。
そこで、再循環流量を増やすことでＳ／Ｃの変動を低減し、ＳＯＦＣ１０の起電力を維持することで電圧低下を防ぎ、ＳＯＦＣ１０の発電室２１５の温度上昇を抑制する。これにより、ＳＯＦＣ１０の出力を維持し、ＳＯＦＣ１０の安定稼働を継続することができる。
また本実施形態によれば、燃料極燃料原料ガス排出ライン３０３に設けられたブロア１２の回転数によって再循環ライン３０４への排燃料原料ガスの供給流量を制御することから、燃料原料ガスであるバイオガス２０のメタン濃度が変化しても、再循環流量を調整し二酸化炭素濃度上昇時の再循環ガス中の水蒸気分圧の低下によるＳ／Ｃの低下を防ぎ、Ｓ／Ｃを安定させ、複合発電システム１を安定稼働することができる。例えばＳ／Ｃが３．０〜５．０、好ましくは３．５〜５．０となるよう再循環流量が調整される。
〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態について、図１及び図４を用いて説明する。
上記した第１実施形態では、再循環ガスの供給流量を補正制御するとしたが、本実施形態では、酸化性ガスの供給流量または温度を補正制御するものである。その他の点については第１実施形態と同様であるので、同様の構成については同一符号を付しその説明は省略する。
図４には、本実施形態に係る複合発電システムの制御装置における補正制御のフローチャートが示されている。
制御装置７０に対し、外部（図示せず）から複合発電システム１に対する電流負荷指令が指示される（ステップＳ４０１）。
制御装置７０は、電流負荷指令に対応する必要なメタン（ＣＨ４）流量を計算する（ステップＳ４０２）。制御装置７０は、予めメタン流量を電流負荷の一次関数で設定している。
また、メタン濃度が１００％（すなわち二酸化炭素濃度が０％）の場合における、ＳＯＦＣ１０の空気極１１３の入口の温度であるＳＯＦＣ入口空気温度Ｔｓの設定値を計算する（ステップＳ４０３）。制御装置７０は、ＳＯＦＣ入口空気温度Ｔｓの設定値についても予め電流負荷の一次関数で設定している。
上述した各関数は、実機によるデータ取得、モデル、シミュレーションなどを用いて設定されるが、その手段は問わない。
次に、稼働中の複合発電システム１におけるバイオガス２０の組成を計測する（ステップＳ４０４）。
バイオガス２０の組成は、メタン濃度を計測する濃度計２１により計測する。また、二酸化炭素濃度は「１００−（メタン濃度）（体積％）」で表される。
次に、計測されたメタン濃度に基づき、ＳＯＦＣ１０に供給される燃料原料ガスであるバイオガス２０の供給流量を決定する（ステップＳ４０５）。ステップＳ４０２で計算された必要メタン流量、及び計測されたメタン濃度とから、制御装置７０によってバイオガス２０の供給流量が決定される。制御装置７０は、決定されたバイオガス２０の供給流量に基づき、流量調整弁２４等の制御を行う。
また、ＳＯＦＣ入口空気温度Ｔｓの設定値を第２補正係数である二酸化酸素濃度により補正する（ステップＳ４０６）。制御装置７０は、第２補正係数をバイオガス組成（本実施形態の場合、二酸化炭素濃度）の一次関数で設定している。関数は、実機によるデータ取得、モデル、シミュレーションなどを用いて設定されるが、その手段は問わない。
具体的には、ＳＯＦＣ入口空気温度Ｔｓの設定値に対し、二酸化炭素濃度に応じた第２補正係数（第２補正係数≦１）をかけ合わせることにより、二酸化炭素濃度により補正されたＳＯＦＣ入口空気温度Ｔｓの設定値が導出される。
制御装置７０は、補正されたＳＯＦＣ入口空気温度Ｔｓの設定値に基づき、熱交換器バイパスライン３１３上に設けられた第１流量調整弁１６の開度を制御する。具体的には第１流量調整弁１６の開度を開方向に調整することで、再生熱交換器８５によって熱エネルギーを与えられていない低温の圧縮空気をＳＯＦＣ１０に供給することで、ＳＯＦＣ入口空気温度Ｔｓを下げる。
また、ＳＯＦＣ入口空気温度Ｔｓの制御については、燃料電池バイパスライン３１２上に設けられた第２流量調整弁１８の開度の制御により実施するとしてもよい。この場合は、第２流量調整弁１８の開度を閉方向に調整することで、ＳＯＦＣ１０をバイパスしていた圧縮空気をＳＯＦＣ１０に供給することで、ＳＯＦＣ１０に供給される酸化性ガスの総供給流量が増えることにより、ＳＯＦＣ入口空気温度Ｔｓを下げる。また、第１流量調整弁１６を開とし、第２流量調整弁１８の開度を開方向に調整してもよい。ＳＯＦＣ１０をバイパスする圧縮空気を増やすことで、ＳＯＦＣ１０へ供給される酸化性ガスのうち、再生熱交換器８５によって熱エネルギーを与えられていない低温の圧縮空気の割合を増やし、ＳＯＦＣ入口空気温度Ｔｓを下げる。
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の制御装置、複合発電システム、複合発電システムの制御方法および複合発電システムの制御プログラムによれば、以下の作用効果を奏する。
燃料極１０９に供給される燃料原料ガスの二酸化炭素濃度に応じて予め設定した第２補正係数を用いて酸化性ガスの供給流量または温度を制御する。
例えばバイオガス２０中の二酸化炭素濃度が上がると、バイオガス２０中のメタン濃度が低下して反応により生成される水蒸気分圧が下がるのでＳＯＦＣ１０の起電力が下がる。これにより、ＳＯＦＣ１０の電圧が下がりその分の電圧が電気変換のロスとして熱となり発電室２１５の温度が上がることとなる。
例えばＳＯＦＣ１０の発電室２１５の温度上昇を防止する場合は、空気極１１３に供給される酸化性ガスの供給流量を増やす又は温度を下げる制御を行う。酸化性ガスの供給流量が増えることで、熱伝達により発電室２１５の温度を下げることができる。また、酸化性ガスの温度を下げることで、発電室２１５の温度を下げることができる。
また本実施形態によれば、熱交換器バイパスライン３１３に設けられた第１流量調整弁１６を開方向に調整する。
バイオガス２０中の二酸化炭素濃度が上がると、バイオガス２０中のメタン濃度が低下して反応により生成される水蒸気分圧が下がるのでＳＯＦＣ１０の起電力が下がる。これにより、ＳＯＦＣ１０の電圧が下がりその分の電圧が電気変換のロスとして熱となり発電室２１５の温度が上がることとなる。ＳＯＦＣ１０の発電室２１５の温度上昇を防止するために、再生熱交換器８５をバイパスして温度上昇していない圧縮空気をＳＯＦＣ１０の空気極１１３へ供給する。よって、ＳＯＦＣ１０の温度上昇が抑制され、ＳＯＦＣ１０の出力を維持することができる。
また本実施形態によれば、燃料電池バイパスライン３１２に設けられた第２流量調整弁１８を調整する。
バイオガス２０中の二酸化炭素濃度が上がると、バイオガス２０中のメタン濃度が低下して反応により生成される水蒸気分圧が下がるのでＳＯＦＣ１０の起電力が下がる。これにより、ＳＯＦＣ１０の電圧が下がりその分の電圧が電気変換のロスとして熱となり発電室２１５の温度が上がることとなる。ＳＯＦＣ１０の発電室２１５の温度上昇を防止するために、ＳＯＦＣ１０をバイパスしていた酸化性ガスの供給を停止し、空気極１１３への酸化性ガスの供給流量を増加させる。よって、熱伝達によりＳＯＦＣ１０の温度上昇が抑制され、ＳＯＦＣ１０の出力を維持することができる。また、ＳＯＦＣ１０へ供給される酸化性ガスのうち、再生熱交換器８５によって熱エネルギーを与えられていない低温の圧縮空気の割合を増やして、ＳＯＦＣ１０の発電室２１５の温度上昇を抑制してもよい。
以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更なども含まれる。
たとえば、上述した各実施形態においては燃料ガスとして都市ガスを用いるとしたが、ＬＰＧ等の予め発熱量が略一定に調整された他の燃料ガスを用いるとしてもよい。
また、上述した各実施形態においては各補正係数はバイオガス２０の二酸化炭素濃度に応じた値であるとしたが、バイオガス２０のメタン濃度に応じた値としてもよい。
また、上述した各実施形態の制御装置は、ＳＯＦＣ、ガスタービン及び蒸気タービンを組み合わせたトリプルコンバインドサイクル（Ｔｒｉｐｌｅ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｃｌｅ：登録商標）に適用するとしてもよい。
また、濃度計２１は、メタン濃度を計測するとしたが、二酸化炭素濃度を計測するものであってもよい。この場合、メタン濃度は、「１００−（二酸化炭素濃度）（体積％）」で表される。
１ 複合発電システム
１０ ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池、燃料電池）
１１ 発電室温度センサ
１４ 燃焼器入口温度センサ
２０ バイオガス（メタン濃度変動ガス）
２１ 濃度計
３０ 都市ガス（所定燃料ガス）
４０ 上水
７０ 制御装置
８０ ＭＧＴ（ガスタービン）
８１ 燃焼器
８３ タービン
８４ 圧縮機
８５ 再生熱交換器（熱交換器）
８６ 発電機
９０ 煙突
１０９ 燃料極
１１３ 空気極
２１５ 発電室
３０１ 燃料極燃料原料ガス供給ライン
３０２ 空気極燃料原料ガス供給ライン
３０３ 燃料極燃料原料ガス排出ライン
３０４ 再循環ライン
３０５ 酸化性ガス排出ライン
３０６ 空気極酸化性ガス供給ライン
３０７ ガスタービン用バイオガス供給ライン（ガスタービン用メタン濃度変動ガス供給ライン）
３０８ ガスタービン用都市ガス供給ライン（ガスタービン用所定燃料ガス供給ライン）
３０９ ガスタービン用燃料原料ガス供給ライン
３１０ バイオガス供給ライン（メタン濃度変動ガス供給ライン）
３１１ 都市ガス供給ライン（所定燃料ガス供給ライン）
３１２ 燃料電池バイパスライン
３１３ 熱交換器バイパスライン
３１４ 改質用水供給ライン

Claims (11)

  1. 燃料原料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極と前記燃料極から排出される排燃料原料ガスの少なくとも一部を再循環させる再循環ラインとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを前記燃料原料ガスとする燃料電池と、
    前記燃料電池から排出される前記排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、
    前記メタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度の少なくとも一方を測定する濃度計と、
    を備えた複合発電システムの制御装置であって、
    前記燃料極に供給される前記燃料原料ガスの前記二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度に応じて予め設定した第１補正係数を用いて前記再循環ラインへの供給流量を制御する複合発電システムの制御装置。
  2. 前記燃料電池は、前記燃料極から排出される前記排燃料原料ガスを前記ガスタービンへ供給する燃料極燃料原料ガス排出ラインを備え、
    前記燃料極燃料原料ガス排出ラインに設けられたブロアの回転数によって前記再循環ラインへの前記排燃料原料ガスの供給流量を制御する請求項１に記載の複合発電システムの制御装置。
  3. 燃料原料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極と前記燃料極から排出される排燃料原料ガスの少なくとも一部を再循環させる再循環ラインとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを前記燃料原料ガスとする燃料電池と、
    前記燃料電池から排出される前記排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、
    前記メタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度の少なくとも一方を測定する濃度計と、
    を備えた複合発電システムの制御装置であって、
    前記燃料極に供給される前記燃料原料ガスの前記二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度に応じて予め設定した第２補正係数を用いて前記空気極に供給される前記酸化性ガスの供給流量または温度を制御する複合発電システムの制御装置。
  4. 前記ガスタービンは、熱交換により前記酸化性ガスに熱エネルギーを与える熱交換器を備え、
    前記ガスタービンから排出される前記酸化性ガスが前記熱交換器をバイパスする熱交換器バイパスラインと、該熱交換器バイパスラインに設けられた第１流量調整弁と、を備え、
    前記第１流量調整弁を調整することによって前記酸化性ガスの温度を制御する請求項３に記載の複合発電システムの制御装置。
  5. 前記ガスタービンから排出される前記酸化性ガスが前記燃料電池をバイパスして前記ガスタービンの燃焼器へ供給される燃料電池バイパスラインと、該燃料電池バイパスラインに設けられた第２流量調整弁と、を備え、
    前記第２流量調整弁を調整することによって前記酸化性ガスの供給流量を制御する請求項３に記載の複合発電システムの制御装置。
  6. 前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である請求項１から請求項５のいずれかに記載の複合発電システムの制御装置。
  7. 燃料原料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極と前記燃料極から排出される排燃料原料ガスを再循環させる再循環ラインとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを前記燃料原料ガスとする燃料電池と、
    前記燃料電池から排出される前記排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、
    前記メタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度の少なくとも一方を測定する濃度計と、
    請求項１から請求項６のいずれかに記載の制御装置と
    を備えた複合発電システム。
  8. 燃料原料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極と前記燃料極から排出される排燃料原料ガスを再循環させる再循環ラインとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを前記燃料原料ガスとする燃料電池と、
    前記燃料電池から排出される前記排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、
    前記メタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度の少なくとも一方を測定する濃度計と、
    を備えた複合発電システムの制御方法であって、
    前記燃料極に供給される前記燃料原料ガスの前記二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度に応じて予め設定した第１補正係数を用いて前記再循環ラインへの供給流量を制御する複合発電システムの制御方法。
  9. 燃料原料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極と前記燃料極から排出される排燃料原料ガスを再循環させる再循環ラインとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを前記燃料原料ガスとする燃料電池と、
    前記燃料電池から排出される前記排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、
    前記メタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度の少なくとも一方を測定する濃度計と、
    を備えた複合発電システムの制御方法であって、
    前記燃料極に供給される前記燃料原料ガスの前記二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度に応じて予め設定した第２補正係数を用いて前記酸化性ガスの供給流量または温度を制御する複合発電システムの制御方法。
  10. 燃料原料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極と前記燃料極から排出される排燃料原料ガスを再循環させる再循環ラインとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを前記燃料原料ガスとする燃料電池と、
    前記燃料電池から排出される前記排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、
    前記メタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度の少なくとも一方を測定する濃度計と、
    を備えた複合発電システムの制御プログラムであって、
    前記燃料極に供給される前記燃料原料ガスの前記二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度に応じて予め設定した第１補正係数を用いて前記再循環ラインへの供給流量を制御する複合発電システムの制御プログラム。
  11. 燃料原料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極と前記燃料極から排出される排燃料原料ガスを再循環させる再循環ラインとを備え、運転中にメタン濃度が変動するメタン濃度変動ガスを前記燃料原料ガスとする燃料電池と、
    前記燃料電池から排出される前記排燃料原料ガスを用いて運転されるガスタービンと、
    前記メタン濃度変動ガス中の二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度の少なくとも一方を測定する濃度計と、
    を備えた複合発電システムの制御プログラムであって、
    前記燃料極に供給される前記燃料原料ガスの前記二酸化炭素濃度もしくは前記メタン濃度に応じて予め設定した第２補正係数を用いて前記酸化性ガスの供給流量または温度を制御する複合発電システムの制御プログラム。
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