JP2021141717A - 分散電源システム、分散電源システムの制御方法、及び分散電源システムの制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の応答性の遅れを吸収可能な分散電源システム、分散電源システムの制御方法及び分散電源システムの制御プログラムを提供する。【解決手段】再生エネルギー発電装置（太陽光発電装置３０、風力初線装置び４０）と、蓄電装置２０と、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）１０とが接続する電力系統を介して電力負荷２に電力を供給する分散電源システム１において、再生エネルギー発電装置による電力の変動を抑えるように蓄電装置の放電量を調整する蓄電装置制御部を有する蓄電装置出力変換器２５と、蓄電装置の充電状態を示すＳＯＣに基づきＳＯＦＣの目標発電量を演算し、目標発電量に基づきＳＯＦＣに発電指令を行い、ＳＯＦＣから蓄電装置に供給する電力を制御する燃料電池制御装置５０を備える。【選択図】図６

Description

本開示は、分散電源システム、分散電源システムの制御方法、及び分散電源システムの制御プログラムに関するものである。

自立系統の分散電源は、発電装置、特に風力発電装置や太陽光発電装置などの再生エネルギー発電装置、電力標準化および安定化のための蓄電装置、不足電力を補うエンジン発電機やガスタービンなどの火力発電装置などが組み合わされて運転されている。このような分散電源において、火力発電装置に代えて、水素や天然ガスを使用した高効率な燃料電池を導入することが検討されている。

燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池は、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：ＳＯＦＣ）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、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、及び炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガス等のガスなどを燃料ガスとして供給して、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気で反応させて発電を行っている。

分散電源では、再生エネルギー発電装置の発電状況や電力負荷の変動を集中制御装置で監視し、集中制御装置は各装置に対する指令を生成している。例えば、特許文献１には、機器の消費電力を計測し、機器の応答性に応じたローパスフィルタをかけることで、各機器の発電量を決定することが開示されている。

特許第５００４０２１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、分散電源の各装置の応答性が異なる場合、各装置の特性に応じた制御指令を与える必要があるため、制御が複雑になるという問題があった。また分散電源にＳＯＦＣを追設する場合は、ＳＯＦＣ毎に応答性を計測し特性を把握する必要があり、より複雑化する可能性がある。

図１１には、従来例としての分散電源システムの概略構成が示されている。
図１１に示されるように、従来例としての分散電源システム１’にＳＯＦＣ１０を含む場合は、ＳＯＦＣ１０はその応答速度の遅さから電力の変動への追従が困難であるため、一定の出力での発電を行う。ＳＯＦＣ１０に接続されるＳＯＦＣ出力変換器１５は、電圧制御を行い、基本周波数を生成する。集中制御装置２００は、太陽光発電装置３０及び風力発電装置４０などの再生エネルギー発電装置から発電情報を、また電力負荷２から需要情報をそれぞれ取得する。集中制御装置２００は、これらに応じてＳＯＦＣ１０へ出力指令（発電指令）を、また蓄電装置２０の蓄電装置出力変換器２５へ充放電指令をそれぞれ行う。ＳＯＦＣ出力変換器１５は、分散電源システム１’の母線から電圧を取得している。また蓄電装置出力変換器２５は、電流制御を行う。集中制御装置２００は、分散電源システム１’の電力変動を抑えるために蓄電装置２０の充放電指令を生成する。

このように蓄電装置が再生エネルギー発電装置や電力負荷に起因する電力変動を抑制する場合、設計段階で想定された変動以上の電力変動が発生すると、蓄電装置は十分な変動の抑制を行うことができず、分散電源システムの母線が不安定化するという問題があった。

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池の応答性の遅れを吸収可能であり電力変動を抑制する分散電源システム、分散電源システムの制御方法、及び分散電源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、本開示の分散電源システムは、再生エネルギー発電装置と、蓄電装置と、燃料電池とが接続する電力系統を介して電力負荷に電力を供給する分散電源システムにおいて、前記再生エネルギー発電装置による電力の変動を抑えるように前記蓄電装置の放電量を調整する蓄電装置制御部と、前記蓄電装置の充電状態を示すＳＯＣ（State Of Charge，充電率）に基づき前記燃料電池の目標発電量を演算し、前記目標発電量に基づき前記燃料電池に発電指令を行い、前記燃料電池から前記蓄電装置に供給する電力を制御する燃料電池制御装置と、を備える。

上記課題を解決するために、本開示の分散電源システムの制御方法は、再生エネルギー発電装置と、蓄電装置と、燃料電池とが接続する電力系統を介して電力負荷に電力を供給する分散電源システムの制御方法において、前記再生エネルギー発電装置による電力の変動を抑えるように前記蓄電装置の放電量を調整する工程と、前記蓄電装置の充電状態を示すＳＯＣ（State Of Charge）に基づき前記燃料電池の目標発電量を演算する工程と、前記目標発電量に基づき前記燃料電池に発電指令を行い、前記燃料電池から前記蓄電装置に供給する電力を制御する工程と、を有する。

上記課題を解決するために、本開示の分散電源システムの制御プログラムは、再生エネルギー発電装置と、蓄電装置と、燃料電池とが接続する電力系統を介して電力負荷に電力を供給する分散電源システムの制御プログラムにおいて、前記再生エネルギー発電装置による電力の変動を抑えるように前記蓄電装置の放電量を調整するステップと、前記蓄電装置の充電状態を示すＳＯＣ（State Of Charge）に基づき前記燃料電池の目標発電量を演算するステップと、前記目標発電量に基づき前記燃料電池に発電指令を行い、前記燃料電池から前記蓄電装置に供給する電力を制御するステップと、を有する。

本開示によれば、蓄電装置のＳＯＣに基づき燃料電池に発電指令を行うので、燃料電池の応答性の遅れを吸収可能であり、電力変動を抑制して安定した分散電源システムの稼働を行うことができる。

本開示のセルスタックの一態様を示すものである。 本開示のＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。 本開示のＳＯＦＣカートリッジの断面の一態様を示すものである。 本開示の発電システムの一態様を示すものである。 本開示のターボチャージャを用いた発電システムの一態様のターボチャージャ周りの主系統を示すものである。 本開示の分散電源システムの一態様の概略構成図である。 本開示の分散電源システムの発電量決定装置の演算処理を示すものである。 本開示の分散電源システムの発電量決定装置の演算処理を示すものである。 本開示の分散電源システムの発電量決定装置の演算処理を示すものである。 本開示の分散電源システムの発電量決定装置の制御を示すフローチャートである。 従来例としての分散電源システムの概略構成図である。

以下に、本開示に係る分散電源システム、分散電源システムの制御方法、及び分散電源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。

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」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交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：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）（燃料電池）のセルスタックとして円筒形（筒状）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。基体上に燃料電池セルを形成するが、基体ではなく電極（燃料極もしくは空気極）が厚く形成されて、基体を兼用したものでも良い。

図１乃至５を参照して本開示に係る燃料電池について説明する。
まず、図１を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。基体管を用いない場合は、例えば燃料極を厚く形成して基体管を兼用してもよく、基体管の使用に限定されることはない。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒（Ｆｌａｔ ｔｕｂｕｌａｒ）等のセルスタックでもよい。ここで、図１は、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、一例として円筒形状の基体管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と固体電解質膜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１１５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。燃料極１０９の厚さは５０μｍ〜２５０μｍであり、燃料極１０９はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。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備える。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（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、固体電解質膜１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２−）とを固体電解質膜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。
固体酸化物形燃料電池の燃料極１０９に供給し利用できる燃料ガスとしては、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、及び石炭などの炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガスなどが挙げられる。

固体電解質膜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。この固体電解質膜１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極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膜１１１の膜厚は１０μｍ〜１００μｍであり固体電解質膜１１１はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。

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、空気極１１３はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。この空気極１１３は、固体電解質膜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、固体電解質膜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。
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可能である。

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、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ１０７は、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や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２と図３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２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３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（燃料電池モジュール）２０１は、図２に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ（燃料電池カートリッジ）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２には円筒形のＳＯＦＣのセルスタック１０１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、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａ及び燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを備える。また、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ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管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。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数の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、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管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。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管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３ＭＰa、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３に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給ヘッダ２１７と、燃料ガス排出ヘッダ２１９と、酸化性ガス（空気）供給ヘッダ２２１と、酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを備える。また、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、燃料ガス供給ヘッダ２１７と燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とが図３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が、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック１０１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１０１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長手方向の中央部付近での温度は、温度計測部（温度センサや熱電対など）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。

燃料ガス供給ヘッダ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ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、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、燃料ガス供給ヘッダ２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａ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。

燃料ガス排出ヘッダ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に備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、図示しない燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、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、燃料ガス排出ヘッダ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ガス排出ヘッダ２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。

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。酸化性ガス供給ヘッダ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、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ヘッダ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、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。

酸化性ガス排出ヘッダ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ヘッダ２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される排酸化性ガスを、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ものである。

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２３７ａ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、燃料ガス供給ヘッダ２１７と酸化性ガス排出ヘッダ２２３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と酸化性ガス排出ヘッダ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ヘッダ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ヘッダ２２３に供給される。また、燃料ガスは、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ガスを発電室２１５に供給することができる。

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２３７ｂ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、燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを隔離するものである。

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と酸化性ガス供給ヘッダ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、酸化性ガス供給ヘッダ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ガス排出ヘッダ２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃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。

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４は、本発明の一実施形態に係る複合発電システム（以下「発電システム」という。）３１０の概略構成を示した概略構成図である。図４に示すように、発電システム３１０は、マイクロガスタービン（以下「ＭＧＴ」という。）３１１、発電機３１２、及びＳＯＦＣ（燃料電池）３１３を備えている。ＳＯＦＣ３１３は、図示しないＳＯＦＣモジュールが１つまたは複数が組み合わされて構成され、以降は単に「ＳＯＦＣ」と記載する。この発電システム３１０は、ＭＧＴ３１１による発電と、ＳＯＦＣ３１３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。

ＭＧＴ３１１は、圧縮機３２１、燃焼器３２２、タービン３２３を備えており、圧縮機３２１とタービン３２３とは回転軸３２４により一体回転可能に連結されている。後述するタービン３２３が回転することで圧縮機３２１が回転駆動する。本実施形態は酸化性ガスとして空気を用いた例であり、圧縮機３２１は、空気取り込みライン３２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。
燃焼器３２２には、第１酸化性ガス供給ライン３２６を介して圧縮機３２１からの空気Ａの少なくとも一部である圧縮空気Ａ１が供給されるとともに、第１燃料ガス供給ライン３５１を介して燃料ガスＬ１が供給される。第１酸化性ガス供給ライン３２６には、燃焼器３２２へ供給する空気Ａ１の空気量を調整するための制御弁３２７が設けられ、第１燃料ガス供給ライン３５１には、燃焼器３２２へ供給する燃料ガス流量を調整するための制御弁３５２が設けられている。更に、燃焼器３２２には、後述するＳＯＦＣ３１３の燃料ガス再循環ライン３４９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３４５を通じて供給される。排燃料ガス供給ライン３４５には、燃焼器３２２に供給する排燃料ガス量を調整するための制御弁３４７が設けられている。更に、燃焼器３２２には、後述する排酸化性ガス供給ライン３３４を通じてＳＯＦＣ３１３の空気極１１３で用いられた排空気Ａ３の一部が供給される。

燃焼器３２２は、燃料ガスＬ１、空気Ａの一部（空気Ａ１）、排燃料ガスＬ３、及び排空気Ａ３を混合して燃焼させ、燃焼ガスＧを生成する。燃焼ガスＧは燃焼ガス供給ライン３２８を通じてタービン３２３に供給される。タービン３２３は、燃焼ガスＧが断熱膨張することにより回転し、排ガスが燃焼排ガスライン３２９から排出される。発電機３１２は、タービン３２３と同軸上に設けられており、タービン３２３が回転駆動することで発電する。

燃焼器３２２に供給する燃料ガスＬ１及び後述する燃料ガスＬ２は可燃性ガスであり、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を気化させたガスあるいは天然ガス、都市ガス、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）等の炭化水素ガス、及び炭素質原料（石油や石炭等）のガス化設備により製造されたガス等が用いられる。燃料ガスとは、予め発熱量が略一定に調整された燃料ガスを意味する。

熱交換器３３０は、タービン３２３から排出された排ガスと圧縮機３２１から供給される空気Ａとの間で熱交換を行う。排ガスは、空気Ａとの熱交換で冷却された後に、図示しない煙突を通して外部に放出される。

ＳＯＦＣ３１３は、還元剤として燃料ガスＬ２と、酸化剤として空気Ａ２と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。このＳＯＦＣ３１３は、図示しないＳＯＦＣモジュールから構成され、ＳＯＦＣモジュールの圧力容器内に設けた複数のセルスタックの集合体が収容されており、図示しないセルスタックには、燃料極１０９と空気極１１３と固体電解質膜１１１を備えている。
ＳＯＦＣ３１３は、空気極１１３に空気Ａ２が供給され、燃料極１０９に燃料ガスＬ２が供給されることで発電して、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る。
本実施形態では、ＳＯＦＣ３１３に供給される酸化性ガスとして、圧縮機３２１によって圧縮された空気Ａの少なくとも一部（空気Ａ２）を採用する場合を例示して説明する。

ＳＯＦＣ３１３には、第１酸化性ガス供給ライン３２６から分岐した第２酸化性ガス供給ライン３３１を通じて酸化性ガスとして空気Ａ２が空気極１１３の図示しない酸化性ガス導入部に供給される。この第２酸化性ガス供給ライン３３１には、供給する空気Ａ２の流量を調整するための制御弁３３５が設けられている。また、第１酸化性ガス供給ライン３２６において、第２酸化性ガス供給ライン３３１の分岐点よりも空気Ａ２の上流側（換言すると、圧縮機３２１側）には、熱交換器３３０が設けられている。熱交換器３３０において、空気Ａは、燃焼排ガスライン３２９から排出される排ガスとの間で熱交換されて昇温される。更に、第２酸化性ガス供給ライン３３１には、熱交換器３３０をバイパスするバイパスライン３３２が設けられている。バイパスライン３３２には、制御弁３３６が設けられ、空気Ａのバイパス流量が調整可能とされている。制御弁３３５、３３６の開度が後述する制御装置３８０によって制御されることで、熱交換器３３０を通過する空気Ａと熱交換器３３０をバイパスする空気Ａとの流量割合が調整され、空気Ａの一部である第２酸化性ガス供給ライン３３１を通じてＳＯＦＣ３１３に供給される空気Ａ２の温度が調整される。ＳＯＦＣ３１３に供給される空気Ａ２の温度は、ＳＯＦＣ３１３を構成する図示しないＳＯＦＣモジュール内部の各構成機器の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。

更に、第２酸化性ガス供給ライン３３１には、可燃性ガスとして燃料ガスＬ２を供給する空気極燃料供給ライン３７１が接続されている。空気極燃料供給ライン３７１には、第２酸化性ガス供給ライン３３１へ供給する燃料ガス量を調整するための制御弁３７２が設けられている。制御弁３７２の弁開度が後述する制御装置３８０によって制御されることにより、空気Ａ２に添加される燃料ガスＬ２の供給量が調整される。空気Ａ２に添加される燃料ガスＬ２の量は、可燃限界濃度以下で供給され、より好ましくは３体積％以下で供給される。

ＳＯＦＣ３１３には、空気極１１３で用いられた排空気Ａ３を排出する排酸化性ガス排出ライン３３３が接続されている。この排酸化性ガス排出ライン３３３には、燃焼器３２２に排酸化性ガスＡ３を供給するための排酸化性ガス供給ライン３３４が接続されている。排酸化性ガス供給ライン３３４には、ＳＯＦＣ３１３とＭＧＴ３１１との間の系統を切り離すための遮断弁３３８が設けられている。
また、排酸化性ガス排出ライン３３３には、空気極１１３で用いられた排空気Ａ３を系統外へ排出する排酸化性ガス量を調整するための制御弁（もしくは遮断弁）３３７が設けられている。

ＳＯＦＣ３１３には、更に、燃料ガスＬ２を燃料極１０９の図示しない燃料ガス導入部に供給する第２燃料ガス供給ライン３４１と、燃料極１０９で反応に用いられた後の排燃料ガスＬ３を排出する排燃料ガスライン３４３とが接続されている。第２燃料ガス供給ライン３４１には、燃料極１０９に供給する燃料ガスＬ２の流量を調整するための制御弁３４２が設けられ、排燃料ガスライン３４３には燃料極１０９で反応に用いられた後の排燃料ガスＬ３を系統外へ排出する排燃料ガス量を調整するための制御弁（もしくは遮断弁）３４６が設けられている。排燃料ガスライン３４３の制御弁３４６と、排酸化性ガス排出ライン３３３の制御弁３３７を制御することにより、排燃料ガスＬ３もしくは排空気Ａ３を系外に排出することで過剰になった圧力を素早く調整することができる。また、ＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９と空気極１１３の差圧（以下、燃料空気差圧）は、燃料極１０９側が所定の圧力範囲で高くなるように、制御弁３４７により制御する。また、排燃料ガスライン３４３には、排燃料ガスＬ３をＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９の燃料ガス導入部へと再循環させるための燃料ガス再循環ライン３４９が接続されている。燃料ガス再循環ライン３４９には、排燃料ガスＬ３を再循環させるための再循環ブロワ３４８が設けられている。

更に、燃料ガス再循環ライン３４９には、燃料極１０９に燃料ガスＬ２を改質するための純水を供給する純水供給ライン３６１が設けられている。純水供給ライン３６１にはポンプ３６２が設けられている。ポンプ３６２の吐出流量が制御装置３８０によって制御されることにより、燃料極１０９に供給される純水量が調整される。

前述の構成において、酸化性ガス（空気）を圧縮して送風する回転機器は、圧縮機３２１、燃焼器３２２、タービン３２３を備えたマイクロガスタービン（ＭＧＴ）３１１であったが、本実施形態では、ターボチャージャで構成されてもよい。
図５は、本発明の一実施形態に係る発電システムであり、本実施形態では、ターボチャージャ４１１を構成する圧縮機４２１に酸化性ガスとして空気Ａを取り込んで圧縮して供給し、圧縮された空気ＡをＳＯＦＣの空気極１１３へと供給する。ＳＯＦＣで発電のための化学反応に用いられた後の排酸化性ガスＡ３は、排酸化性ガス排出ライン３３３から排酸化性ガス供給ライン３３４を介して触媒燃焼器４２２へ、及びＳＯＦＣで発電のための化学反応に用いられた後の排燃料ガスＬ３の一部は、排燃料ガス供給ライン３４５を介して触媒燃焼器４２２へ送られる。触媒燃焼器４２２で燃焼により高温化した燃焼ガスＧは、ターボチャージャ４１１を構成するタービン４２３に送られ、タービン４２３を回転させて回転動力が発生する。この回転動力で圧縮機４２１を駆動することで、圧縮空気が発生する。この実施形態によれば、酸化性ガス（空気）を圧縮して送風する回転機器の動力をターボチャージャ４１１で発生させることができるため、所要動力を低減して発電システムの発電効率を向上できる。

図６には、本開示の幾つかの実施形態に係る分散電源システムの一態様の概略構成が示されている。
図６に示されるように、分散電源システム１は、太陽光発電装置（再生エネルギー発電装置）３０と、風力発電装置（再生エネルギー発電装置）４０と、蓄電装置２０と、ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：固体酸化物形燃料電池）（燃料電池）１０と、電力負荷２と、発電量決定装置（燃料電池制御装置）５０とを主な構成として備えている。

太陽光発電装置３０は、再生エネルギーである太陽光を用いた発電装置であり、直流電力を生じる。風力発電装置４０は、再生エネルギーである風力を用いた発電装置であり、交流電力を生じる。太陽光発電装置３０および風力発電装置４０は、それぞれ出力変換器及び変圧器を介して電力系統に接続している。本実施形態では再生エネルギー発電装置として太陽光発電装置３０及び風力発電装置４０を備えるとしたが、他の再生エネルギー発電装置を備えてもよく、その組み合わせによらない。また太陽光発電装置３０、風力発電装置４０、または他の再生エネルギー発電装置のいずれか一の再生エネルギー発電装置のみを備えるとしてもよい。また１以上の複数機であってもよい。

蓄電装置２０は、例えばバッテリーであり、蓄電装置出力変換器（蓄電装置ＤＣ／ＡＣ変換器）２５を介して電力系統に接続している。蓄電装置出力変換器２５は、電力系統の電圧を取得し、電圧制御を行い、基本周波数を生成する。蓄電装置出力変換器２５は、太陽光発電装置３０及び風力発電装置４０による電力の変動を抑えるように蓄電装置２０の放電量を調整する蓄電装置制御部を備える。蓄電装置制御部は、蓄電装置出力変換器２５とは別の装置で実現し、蓄電装置出力変換器２５に接続するとしてもよい。また蓄電装置２０は、本実施形態では１台であるとしているが、複数台であってもよい。

ＳＯＦＣ１０は、上述した様に都市ガス、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される燃料電池であり、マイクロガスタービン（以下、「ＭＧＴ」とも呼ぶ）やターボチャージャ等の内燃機関と組み合わせて複合発電システムを構築している。ＳＯＦＣ１０は、ＳＯＦＣ出力変換器（燃料電池ＤＣ／ＡＣ変換器）１５及び変圧器を介して電力系統に接続している。ＳＯＦＣ出力変換器１５は、電流制御を行う。本実施形態では１のＳＯＦＣ１０を例示しているが、複数のＳＯＦＣ１０を組み合わせてもよい。

電力負荷２は、分散電源システム１において電力が供給される負荷である。本開示では、電力負荷２はデータセンターであるとする。分散電源システム１における電力負荷２への電力供給は、太陽光発電装置３０、風力発電装置４０、蓄電装置２０およびＳＯＦＣ１０から行われる。このように本開示の分散電源システム１は、自立型の運転を行う自立系統である。

発電量決定装置５０は、蓄電装置２０のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、電池容量に対する充電量の相対比率、充電率）を取得し、ＳＯＦＣ１０に対して発電指令を行い、ＳＯＦＣ１０から蓄電装置２０に供給する電力を制御する。
発電量決定装置５０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非一時的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。

図７には、本開示の分散電源システムの発電量決定装置の演算処理が示されている。発電量決定装置５０は、ＳＯＦＣ１０のベースの負荷となる負荷設定値を設定する。負荷設定値は、分散電源システム１内で決定し設定してもよいし、ネットワーク等を通じて外部からの指令により設定するとしてもよい。発電量決定装置５０は、蓄電装置２０のＳＯＣを逐次取得する。

取得された蓄電装置２０のＳＯＣは、あらかじめ得られているＳＯＦＣ１０の目標発電量とＳＯＣとの関係（例えばマップ、テーブル等）から、ＳＯＦＣ１０の目標発電量に換算される。ＳＯＣとＳＯＦＣ１０の目標発電量との関係は、例えばマップ５１であるとする。図７に示されるように、マップ５１は、縦軸がＳＯＦＣ１０の目標発電量、横軸が蓄電装置２０のＳＯＣであり、例えばＳＯＣが小さいほど段階的にＳＯＦＣ１０の目標発電量が大きくなるように設定される。

負荷設定値と換算されたＳＯＦＣ１０の目標発電量とは、加算器５２にて加算され、リミッタ５３を経由して発電指令として出力される。

ＳＯＦＣ１０は、発電量決定装置５０によって演算され出力された発電指令を受け取ると、発電指令に従い発電し出力を行う。このように、ＳＯＦＣ１０は、蓄電装置２０のＳＯＣをパラメータとして出力値を決定し、発電を行う。ＳＯＦＣ１０によって発電された電力は、蓄電装置２０に供給される。

本態様の分散電源システム１では、蓄電装置出力変換器２５を電圧制御で用いており、蓄電装置出力変換器２５は基本周波数の生成および電圧の制御を行う。ここで、蓄電装置出力変換器２５はＤＣ／ＡＣ変換器であり、その電力容量は電力負荷２の容量とほぼ等しい容量であるとする。また本態様の分散電源システム１では、ＳＯＦＣ出力変換器１５を電流制御で用いており、ＳＯＦＣ出力変換器１５は蓄電装置２０のＳＯＣを一定に保つように出力制御を行う。

このように、蓄電装置出力変換器２５が電圧制御を行い、ＳＯＦＣ出力変換器１５が電流制御を行うため、太陽光発電装置３０及び風力発電装置４０などの再生エネルギー発電装置や電力負荷２の電力変動は、基本的に蓄電装置２０が吸収する。またＳＯＦＣ１０は蓄電装置２０のＳＯＣにより出力値（発電量）を可変とする。

発電量決定装置５０では、前述の加算器５２に代えて最大値選択器５４を用いて発電指令を出力することもできる。
図８には、本開示の分散電源システムの発電量決定装置の演算処理が示されている。発電量決定装置５０は、ＳＯＦＣ１０のベースの負荷となる負荷設定値を設定するとともに、蓄電装置２０のＳＯＣを逐次取得する。

取得された蓄電装置２０のＳＯＣは、あらかじめ得られているマップ５１から、ＳＯＦＣ１０の目標発電量に換算される。

負荷設定値と換算されたＳＯＦＣ１０の目標発電量とは、最大値選択器５４にてこれらのうちいずれか大きい方の値、すなわち最大値が選択され、リミッタ５３を経由して発電指令として出力される。

ＳＯＦＣ１０は、発電量決定装置５０によって演算され出力された発電指令を受け取ると、発電指令に従い発電し出力を行う。このように、ＳＯＦＣ１０は、蓄電装置２０のＳＯＣをパラメータとして出力値を決定し、発電を行う。ＳＯＦＣ１０によって発電された電力は、蓄電装置２０に供給される。

さらに発電量決定装置５０は、ＳＯＦＣ１０の目標発電量を補正するとしてもよい。
図９には、本開示の分散電源システムの発電量決定装置の演算処理が示されている。発電量決定装置５０は、ＳＯＦＣ１０のベースの負荷となる負荷設定値を設定するとともに、蓄電装置２０のＳＯＣを逐次取得する。

取得された蓄電装置２０のＳＯＣは、あらかじめ得られているマップ５１から、ＳＯＦＣ１０の目標発電量に換算される。

また取得された蓄電装置２０のＳＯＣは、微分演算器５５を介してあらかじめ得られているＳＯＣの時間変化量であるΔＳＯＣ／ΔＴとＳＯＦＣ１０の目標発電量補正値との関係（例えばマップ、テーブル等）に入力され、目標発電量補正値に換算される。ΔＳＯＣ／ΔＴとＳＯＦＣ１０の目標発電量補正値との関係は、例えばマップ５６であるとする。図９に示されるように、マップ５６は、縦軸が目標発電量補正値、横軸がΔＳＯＣ／ΔＴであり、例えばΔＳＯＣ／ΔＴ＜０の範囲でΔＳＯＣ／ΔＴの値が小さいほどこれに比例して目標発電量補正値の値が大きくなるように設定されている。

負荷設定値と、ＳＯＦＣ１０の目標発電量と、ＳＯＦＣ１００の目標発電量補正値とは加算器５７によって加算され、リミッタ５３を経由して発電指令として出力される。

ＳＯＦＣ１０は、発電量決定装置５０によって演算され出力された発電指令を受け取ると、発電指令に従い発電し出力を行う。このように、ＳＯＦＣ１０は、蓄電装置２０のＳＯＣをパラメータとして出力値を決定し、発電を行う。ＳＯＦＣ１０によって発電された電力は、蓄電装置２０に供給される。

発電量決定装置５０では、前述の加算器５７に代えて最大値選択器５４を用いて発電指令を出力することもできる。この場合は、負荷設定値と、ＳＯＦＣ１０の目標発電量と、ＳＯＦＣ１００の目標発電量補正値とのうち最も大きい値、すなわち最大値が選択され、リミッタ５３を経由して発電指令として出力される。

また目標発電量補正値は、ＳＯＣの値により適用可否を決定するとしてもよい。
図１０には、本開示の分散電源システムの発電量決定装置の制御がフローチャートに示されている。
発電量決定装置５０は、蓄電装置２０から取得したＳＯＣが第２閾値を超えているか否かを判定する（Ｓ１０１）。
蓄電装置２０から取得したＳＯＣが第２閾値を超えていると判定された場合はステップＳ１０２へ遷移する。一方、蓄電装置２０から取得したＳＯＣが第２閾値を超えていない、すなわちＳＯＣが第２閾値以下であると判定された場合はステップＳ１０３へ遷移する。ここで第２閾値は、蓄電装置２０が満充電に近い状態であることを判定するための値であり、例えば５０乃至７０（％）、さらに好適には６０（％）が設定される。

蓄電装置２０から取得したＳＯＣが第２閾値を超えていると判定された場合、発電量決定装置５０は、分散電源システム１の太陽光発電装置３０や風力発電装置４０などの再生エネルギー発電装置の出力を抑制するよう制御する（Ｓ１０２）。ＳＯＣが第２閾値を超えている場合、蓄電装置２０が満充電に近い状態であるといえ、再生エネルギー発電装置がさらに発電を行うと蓄電装置２０では吸収しきれない余剰電力が発生する事象が起こり得る。そこで、余剰電力の発生を未然に防ぐため、再生エネルギー発電装置の出力を抑制するものとする。再生エネルギー発電装置の出力抑制が行われると、所定時間経過後再度ステップＳ１０１に戻る。

一方、蓄電装置２０から取得したＳＯＣが第２閾値以下であると判定された場合、発電量決定装置５０は、分散電源システム１の太陽光発電装置３０や風力発電装置４０などの再生エネルギー発電装置の出力抑制が行われているならば解除するよう制御する（Ｓ１０３）。ＳＯＣが第２閾値以下であるならば、蓄電装置２０は充電量に余裕があり再生エネルギー発電装置の出力を吸収可能であるとして再生エネルギー発電装置の出力抑制は行わない。

次に、発電量決定装置５０は、蓄電装置２０から取得したＳＯＣが第１閾値を超えているか否かを判定する（Ｓ１０４）。
蓄電装置２０から取得したＳＯＣが第１閾値を超えていると判定された場合はステップＳ１０５へ遷移する。一方、蓄電装置２０から取得したＳＯＣが第１閾値を超えていない、すなわちＳＯＣが第１閾値以下であると判定された場合はステップＳ１０６へ遷移する。ここで第１閾値は、蓄電装置２０のＳＯＣが十分低い状態であるか否かを判定するための値であって第２閾値よりも小さい値であり、例えば３０乃至５０（％）、さらに好適には４０（％）が設定される。

蓄電装置２０から取得したＳＯＣが第１閾値を超えていると判定された場合、発電量決定装置５０は、演算した目標発電量補正値に０を設定する（Ｓ１０５）。ＳＯＣが第１閾値を超えているならば、目標発電量の補正は必要ないものとして、補正は行わない。

一方、蓄電装置２０から取得したＳＯＣが第１閾値以下であると判定された場合、発電量決定装置５０は、演算した目標発電量補正値を設定する（Ｓ１０６）。ＳＯＣが第１閾値以下である場合、蓄電装置２０は十分低い充電状態であるといえ、ＳＯＣの変化量が大きいと放電が不可となる可能性が考えられる。放電が不可となると、再生エネルギー発電装置の発電量が低く電力負荷２が電力供給を要求する場合に、電力負荷２に対し電力の供給が行えない。このような事象を防ぐために、第１閾値を用いたＳＯＣの判定を行う。

以上説明した本実施形態に係る分散電源システム、分散電源システムの制御方法、及び分散電源システムの制御プログラムが奏する作用および効果について説明する。
本開示の幾つかの実施形態に係る分散電源システム１によれば、分散電源システム１において出力の変動への追従性が低いＳＯＦＣ１０を用いた場合であっても、ＳＯＦＣ１０の出力を変化の遅い蓄電装置２０のＳＯＣに基づき演算することから、ＳＯＦＣ１０の出力の追従性の課題を解決し、安定した分散電源システム１の稼働を行うことができる。
また、従来の分散電源システム１’では必須の構成とされていた集中制御装置２００を用いていないため、装置ごとに特性に応じた制御指令を行う必要が無いことから、制御構造を簡略化でき、制御の応答性能を上げ、コストを削減することができる。
さらに、集中制御装置２００を用いる場合は、センシングの遅れ、集中制御装置２００における演算による遅れ、および通信の遅れが生じ、各装置間の出力が不均衡となる可能性があったが、これらを抑制することができる。

また本開示の幾つかの実施形態に係る分散電源システム１によれば、ＳＯＦＣ１０は、蓄電装置２０のＳＯＣに基づき演算された目標発電量に基づき生成された発電指令により制御されることから、蓄電装置２０のＳＯＣをパラメータとしてＳＯＦＣ１０の出力を決定することができる。蓄電装置２０のＳＯＣは変化が遅いため、ＳＯＦＣ１０の出力は蓄電装置２０のＳＯＣに追従することができる。

また本開示の幾つかの実施形態に係る分散電源システム１によれば、ＳＯＦＣ１０は、所定の負荷設定値と目標発電量と目標発電量補正値とを加算した値に基づき生成された発電指令により制御されることから、ＳＯＣの変化より応答性の速い制御を行うことができる。

また本開示の幾つかの実施形態に係る分散電源システム１によれば、発電指令による制御をより簡略化することができる。

また本開示の幾つかの実施形態に係る分散電源システム１によれば、発電指令による制御をより簡略化することができるとともに、補正値を含むことから制御の精度をより高くすることができる。

また本開示の幾つかの実施形態に係る分散電源システム１によれば、ＳＯＣが第１閾値を超える場合は目標発電量の補正を行わず、ＳＯＣが第１閾値以下の場合にのみ目標発電量の補正を行うため、必要な場合にのみ補正を行うことができる。ＳＯＣが低い場合は、ＳＯＣの変化量が大きいと放電が不可となる可能性が考えられる。これを防ぐために、ＳＯＣが低い場合には目標発電量の補正が必要となる。

ＳＯＣが高い場合は追加の充電に限りがあり、再生エネルギー発電装置３０及び４０の出力が上がり余剰の電力が発生してもその電力を吸収できない事象が起こり得る。本開示の幾つかの実施形態に係る分散電源システム１によれば、ＳＯＣが高い場合は、再生エネルギー発電装置３０及び４０の出力を抑制し、余剰分の電力を発生させないことで、蓄電装置２０が余剰分の電力を充電できない事象を未然に防ぐことができる。

従来のＳＯＦＣ１０を用いた分散電源システム１では、ＳＯＦＣ出力変換器１５が電力系統の基本周波数の生成および電圧制御を行っている。本開示の幾つかの実施形態に係る分散電源システム１によれば、蓄電装置出力変換器２５が前記蓄電装置制御部を備え、電力系統の基本周波数の生成および電圧制御を行い、ＳＯＦＣ出力変換器１５が電流制御を行うことから、蓄電装置２０がマスター、ＳＯＦＣ１０がスレーブのマスター・スレーブ方式による制御が行われる。電力負荷２や再生エネルギー発電装置３０及び４０の電力変動は、マスターである蓄電装置２０が基本的に吸収する。よって、ＳＯＦＣ１０は変動の早い電力負荷２や再生エネルギー発電装置３０及び４０の電力変動への応答を回避することができる。

以上説明した各実施形態に記載の分散電源システム、分散電源システムの制御方法、及び分散電源システムの制御プログラムは例えば以下のように把握される。
本開示に係る分散電源システム（１）は、再生エネルギー発電装置（３０及び４０）と、蓄電装置（２０）と、燃料電池（１０）とが接続する電力系統を介して電力負荷（２）に電力を供給する分散電源システムにおいて、前記再生エネルギー発電装置による電力の変動を抑えるように前記蓄電装置の放電量を調整する蓄電装置制御部と、前記蓄電装置の充電状態を示すＳＯＣ（State Of Charge）に基づき前記燃料電池の目標発電量を演算し、前記目標発電量に基づき前記燃料電池に発電指令を行い、前記燃料電池から前記蓄電装置に供給する電力を制御する燃料電池制御装置（５０）と、を備える。

分散電源システムにおいて出力の変動への追従性が低い燃料電池を用いた場合であっても、燃料電池の出力を変化の遅い蓄電装置のＳＯＣに基づき演算することから、燃料電池の出力の追従性の課題を解決し、安定した分散電源システムの稼働を行うことができる。
また、従来の分散電源システムでは必須の構成とされていた集中制御装置を用いていないため、装置ごとに特性に応じた制御指令を行う必要が無いことから、制御構造を簡略化でき、制御の応答性能を上げ、コストを削減することができる。
さらに、集中制御装置を用いる場合は、センシングの遅れ、集中制御装置における演算による遅れ、および通信の遅れが生じ、各装置間の出力が不均衡となる可能性があったが、これらを抑制することができる。

また本開示に係る分散電源システムにおいて、前記発電指令は、前記燃料電池の所定の負荷設定値と、前記ＳＯＣに基づき演算された前記燃料電池の前記目標発電量とを加算した値に基づき生成される。

燃料電池は、蓄電装置のＳＯＣに基づき演算された目標発電量に基づき生成された発電指令により制御されることから、蓄電装置のＳＯＣをパラメータとして燃料電池の出力を決定することができる。蓄電装置のＳＯＣは変化が遅いため、燃料電池の出力は蓄電装置のＳＯＣに追従することができる。

また本開示に係る分散電源システムにおいて、前記発電指令は、前記燃料電池の所定の負荷設定値と、前記ＳＯＣに基づき演算された前記燃料電池の前目標記発電量と、前記ＳＯＣの変化量に基づき演算された目標発電量補正値とを加算した値に基づき生成される。

燃料電池は、所定の負荷設定値と目標発電量と目標発電量補正値とを加算した値に基づき生成された発電指令により制御されることから、ＳＯＣの変化より応答性の速い制御を行うことができる。

また本開示に係る分散電源システムにおいて、前記発電指令は、前記燃料電池の所定の負荷設定値と、前記ＳＯＣに基づき演算された前記燃料電池の前記目標発電量と、のうちの最大値に基づき生成される。

本態様によれば、発電指令による制御をより簡略化することができる。

また本開示に係る分散電源システムにおいて、前記発電指令は、前記燃料電池の所定の負荷設定値と、前記ＳＯＣに基づき演算された前記燃料電池の前記目標発電量と、前記ＳＯＣの変化量に基づき演算された目標発電量補正値とのうちの最大値に基づき生成される。

本態様によれば、発電指令による制御をより簡略化することができるとともに、補正値を含むことから制御の精度をより高くすることができる。

また本開示に係る分散電源システムは、前記ＳＯＣが第１閾値を超える場合は、前記目標発電量補正値をゼロとする。

本態様によれば、ＳＯＣが第１閾値を超える場合は目標発電量の補正を行わず、ＳＯＣが第１閾値以下の場合にのみ目標発電量の補正を行うため、必要な場合にのみ補正を行うことができる。ＳＯＣが低い場合は、ＳＯＣの変化量が大きいと放電が不可となる可能性が考えられる。これを防ぐために、ＳＯＣが低い場合には目標発電量の補正が必要となる。

また本開示に係る分散電源システムは、前記ＳＯＣが第１閾値よりも大きい第２閾値を超える場合は、前記再生エネルギー発電装置の出力を抑制する。

ＳＯＣが高い場合は追加の充電に限りがあり、再生エネルギー発電装置の出力が上がり余剰の電力が発生してもその電力を吸収できない事象が起こり得る。本態様によれば、ＳＯＣが高い場合は、再生エネルギー発電装置の出力を抑制し、余剰分の電力を発生させないことで、蓄電装置が余剰分の電力を充電できない事象を未然に防ぐことができる。

また本開示に係る分散電源システムにおいて、前記蓄電装置は、蓄電装置ＤＣ／ＡＣ変換器（２５）を介して前記電力系統に接続し、前記燃料電池は、燃料電池ＤＣ／ＡＣ変換器（１５）を介して前記電力系統に接続し、前記蓄電装置ＤＣ／ＡＣ変換器は、前記蓄電装置制御部を備え、前記電力系統の基本周波数の生成および電圧制御を行い、前記燃料電池ＤＣ／ＡＣ変換器は、前記電力系統の電流制御を行い、前記蓄電装置のＳＯＣを一定に保つように出力制御を行う。

従来の燃料電池を用いた分散電源システムでは、燃料電池ＤＣ／ＡＣ変換器が電力系統の基本周波数の生成および電圧制御を行っている。本態様によれば、蓄電装置ＤＣ／ＡＣ変換器が前記蓄電装置制御部を備え、電力系統の基本周波数の生成および電圧制御を行い、燃料電池ＤＣ／ＡＣ変換器が電流制御を行うことから、蓄電装置がマスター、燃料電池がスレーブのマスター・スレーブ方式による制御が行われる。電力負荷や再生エネルギー発電装置の電力変動は、マスターである蓄電装置が基本的に吸収する。よって、燃料電池は変動の早い電力負荷や再生エネルギー発電装置の電力変動への応答を回避することができる。

本開示に係る分散電源システムの制御方法によれば、再生エネルギー発電装置と、蓄電装置と、燃料電池とが接続する電力系統を介して電力負荷に電力を供給する分散電源システムの制御方法において、前記再生エネルギー発電装置による電力の変動を抑えるように前記蓄電装置の放電量を調整する工程と、前記蓄電装置の充電状態を示すＳＯＣ（State Of Charge）に基づき前記燃料電池の目標発電量を演算する工程と、前記目標発電量に基づき前記燃料電池に発電指令を行い、前記燃料電池から前記蓄電装置に供給する電力を制御する工程と、を有する。

本開示に係る分散電源システムの制御プログラムによれば、再生エネルギー発電装置と、蓄電装置と、燃料電池とが接続する電力系統を介して電力負荷に電力を供給する分散電源システムの制御プログラムにおいて、前記再生エネルギー発電装置による電力の変動を抑えるように前記蓄電装置の放電量を調整するステップと、前記蓄電装置のＳＯＣに基づき前記燃料電池の目標発電量を演算するステップと、前記目標発電量に基づき前記燃料電池に発電指令を行い、前記燃料電池から前記蓄電装置に供給する電力を制御するステップと、を有する。

１，１’ 分散電源システム
２ 電力負荷
１０，３１３ ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）（燃料電池）
１５ ＳＯＦＣ出力変換器（燃料電池ＤＣ／ＡＣ変換器）
２０ 蓄電装置
２５ 蓄電装置出力変換器（蓄電装置ＤＣ／ＡＣ変換器）
３０ 太陽光発電装置（再生エネルギー発電装置）
４０ 風力発電装置（再生エネルギー発電装置）
５０ 発電量決定装置（燃料電池制御装置）
１０１ セルスタック
１０３ 基体管
１０５ 燃料電池セル
１０７ インターコネクタ
１０９ 燃料極
１１１ 固体電解質膜
１１３ 空気極
１１５ リード膜
２００ 集中制御装置
２０１ 燃料電池モジュール
２０３ 燃料電池カートリッジ
２０７ 燃料ガス供給管
２０９ 燃料ガス排出管
２１５ 発電室／発電部
２１７ 燃料ガス供給ヘッダ
２１９ 燃料ガス排出ヘッダ
２２５ａ 上部管板
２２５ｂ 下部管板
３１０ 複合発電システム（燃料電池・ガスタービン発電システム）
３１１ ＭＧＴ（マイクロガスタービン）
３２１、４２１ 圧縮機
３２２ 燃焼器
３２７、３３５、３３６、３３７、３４２、３４７、３５２、３７２ 制御弁
３４１ 燃料ガス供給ライン（第２燃料ガス供給ライン）
３７１ 空気極燃料供給ライン
３８０ 制御装置
４１１ ターボチャージャ
４２２ 触媒燃焼器
４２３ タービン

Claims (10)

1. 再生エネルギー発電装置と、蓄電装置と、燃料電池とが接続する電力系統を介して電力負荷に電力を供給する分散電源システムにおいて、
   前記再生エネルギー発電装置による電力の変動を抑えるように前記蓄電装置の放電量を調整する蓄電装置制御部と、
   前記蓄電装置の充電状態を示すＳＯＣ（State of Charge）に基づき前記燃料電池の目標発電量を演算し、前記目標発電量に基づき前記燃料電池に発電指令を行い、前記燃料電池から前記蓄電装置に供給する電力を制御する燃料電池制御装置と、
   を備える分散電源システム。
2. 前記発電指令は、前記燃料電池の所定の負荷設定値と、前記ＳＯＣに基づき演算された前記燃料電池の前記目標発電量とを加算した値に基づき生成される請求項１に記載の分散電源システム。
3. 前記発電指令は、前記燃料電池の所定の負荷設定値と、前記ＳＯＣに基づき演算された前記燃料電池の前目標記発電量と、前記ＳＯＣの変化量に基づき演算された目標発電量補正値とを加算した値に基づき生成される請求項２に記載の分散電源システム。
4. 前記発電指令は、前記燃料電池の所定の負荷設定値と、前記ＳＯＣに基づき演算された前記燃料電池の前記目標発電量と、のうちの最大値に基づき生成される請求項１に記載の分散電源システム。
5. 前記発電指令は、前記燃料電池の所定の負荷設定値と、前記ＳＯＣに基づき演算された前記燃料電池の前記目標発電量と、前記ＳＯＣの変化量に基づき演算された目標発電量補正値とのうちの最大値に基づき生成される請求項４に記載の分散電源システム。
6. 前記ＳＯＣが第１閾値を超える場合は、前記目標発電量補正値をゼロとする請求項３または請求項５に記載の分散電源システム。
7. 前記ＳＯＣが第１閾値よりも大きい第２閾値を超える場合は、前記再生エネルギー発電装置の出力を抑制する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の分散電源システム。
8. 前記蓄電装置は、蓄電装置ＤＣ／ＡＣ変換器を介して前記電力系統に接続し、
   前記燃料電池は、燃料電池ＤＣ／ＡＣ変換器を介して前記電力系統に接続し、
   前記蓄電装置ＤＣ／ＡＣ変換器は、前記蓄電装置制御部を備え、前記電力系統の基本周波数の生成および電圧制御を行い、
   前記燃料電池ＤＣ／ＡＣ変換器は、前記電力系統の電流制御を行い、前記蓄電装置のＳＯＣを一定に保つように出力制御を行う請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の分散電源システム。
9. 再生エネルギー発電装置と、蓄電装置と、燃料電池とが接続する電力系統を介して電力負荷に電力を供給する分散電源システムの制御方法において、
   前記再生エネルギー発電装置による電力の変動を抑えるように前記蓄電装置の放電量を調整する工程と、
   前記蓄電装置の充電状態を示すＳＯＣ（State Of Charge）に基づき前記燃料電池の目標発電量を演算する工程と、前記目標発電量に基づき前記燃料電池に発電指令を行い、前記燃料電池から前記蓄電装置に供給する電力を制御する工程と、
   を有する分散電源システムの制御方法。
10. 再生エネルギー発電装置と、蓄電装置と、燃料電池とが接続する電力系統を介して電力負荷に電力を供給する分散電源システムの制御プログラムにおいて、
    前記再生エネルギー発電装置による電力の変動を抑えるように前記蓄電装置の放電量を調整するステップと、
    前記蓄電装置の充電状態を示すＳＯＣ（State Of Charge）に基づき前記燃料電池の目標発電量を演算するステップと、前記目標発電量に基づき前記燃料電池に発電指令を行い、前記燃料電池から前記蓄電装置に供給する電力を制御するステップと、
    を有する分散電源システムの制御プログラム。
    

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