JP3930426B2 - Fuel cell combined power generation system - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池複合発電システムに関し、特に、燃料電池の運転を、実際の電力需要の変動に対応させる燃料電池複合発電システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスタービンと固体電解質型燃料電池(以下、「SOFC」ともいう)とを組み合わせた複合発電システムが知られている。この複合発電システムは、まず、前段のSOFCに燃料ガスと空気ガスとを供給し、発電を行う。次に、SOFCから排出される出口燃料ガス(排燃料ガス)と出口空気ガスとを混合し、燃焼器で燃焼させて、後段のガスタービンに投入する。そして、ガスタービンに結合した発電機で発電を行う。その後、ガスタービンから排出される排ガスのエネルギーを、排熱回収システムで回収する。
【0003】
次に、電力需要と発電との関係について説明する。図3は、電力需要と発電との関係を示すグラフである。縦軸は電力需要、横軸は時刻である。
電力需要は、季節・時刻などに従い変動する。これらは、気温や社会情勢などによっても変化するが、ある程度予測することが可能である(図3の曲線Q)。ただし、実際の電力需要は、需要家における個別の機器のオン/オフなどで細かく変動している(図3の曲線D)。この変動の頻度・程度については、予測が困難である。発電所では、需要予測に沿って、発電機器を運転することになるが、急激な負荷変動には対応できない。そのため、系統電力の安定化のために、供給不足にならぬように負荷に対して発電機器は余裕を持たせた運転となる(図3の曲線M)。この結果、余分な燃料を消費することになり、系統での送電ロスや発電所での効率低下につながっている。
【0004】
細かく変動する需要家の電力需要に対して、迅速に対応することが可能な技術が望まれている。系統電力の安定性を損ねずに、急激な負荷変動に対応することが出来る技術が求められている。発電システムの効率を向上することが可能な技術が望まれている。
【0005】
関連する技術として、特開平8−287958号公報は、二次電池電力貯蔵システムの運転方法の技術が公開されている。この技術の二次電池電力貯蔵システムの運転方法は、夜間に充電した電力を、昼間の所定時間帯に放電して使用する二次電池電力貯蔵システムの運転方法である。その運転方法は、まず、外気温度、負荷電力及び負荷電力上昇率を検出する。次に、それらの検出値に基づいて電力需要予測値を算出する。そして、その電力需要予測値と設定値とを比較して、予測値が設定値よりも小さいときには、時間帯を通じて一定電力を平均的に放電する運転を行い、予測値が設定値よりも大きいときには、時間帯内の特定時間に高電力を集中的に放電する運転を行う。電力需要予測値を算出する際に、カレンダー上における該当日の空調負荷を加味する。
この技術の目的は、目的とするところは、運転モードの選択を人為的判断によることなく、自律的判断に基づいて適切に行うことができる二次電池電力貯蔵システムの運転方法及びその装置を提供することにある。
【0006】
【特許文献】 特開平8−287958号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、細かく変動する需要家の電力需要に対して、迅速に対応することが可能な燃料電池複合発電システムを提供することである。
【0008】
また、本発明の他の目的は、系統電力の安定性を損ねずに、急激な負荷変動に対応することが出来る燃料電池複合発電システムを提供することである。
【0009】
本発明の更に他の目的は、発電システムの効率を向上することが可能な燃料電池複合発電システムを提供することである。
【0010】
本発明の別の目的は、環境への負荷を低減することが可能な燃料電池複合発電システムを提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
以下に、[発明の実施の形態]で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明の実施の形態]との対応関係を明らかにするために括弧付で付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【0012】
従って、上記課題を解決するために、本発明の燃料電池複合発電システムは、燃料電池システム(7)と、ボトミングサイクルシステム(8)と、制御部(10)とを具備する。
燃料電池システム(7)は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され、第1電力(B)を発生する燃料電池(1)を含む。ボトミングサイクルシステム(8)は、燃料電池(1)から排出される排燃料ガスと、燃料電池(1)から排出される排酸化剤ガスとを供給され、予測された電力需要としての予測電力需要(Q)に基づいた第2電力(A)を発生する。制御部(10)は、第1電力(B)が、実際の電力需要としての実電力需要(D)と第2電力(A)との差になるように、燃料電池システム(7)を制御する。
【0013】
上記の燃料電池複合発電システムにおいて、制御部(10)は、予測電力需要(Q)に基づいて、その燃料ガスの供給を制御する。
【0014】
上記の燃料電池複合発電システムにおいて、その燃料ガスの供給量は、ボトミングサイクルシステム(8)が第2出力(A)を発電し、燃料電池システム(7)が予測電力需要(Q)から第2電力(A)を引いた予測第1電力を所定の燃料利用率で発電することが出来るよう制御される。
ただし、その所定の燃料利用率は、燃料電池システム(7)の最高の燃料利用率で発電される電力と、その所定の燃料利用率で発電される電力との差が、実電力需要(D)と予測電力需要(Q)との差を吸収できるように設定される。
【0015】
上記の燃料電池複合発電システムにおいて、燃料電池(1)は、固体電解質型燃料電池である。
【0016】
上記の燃料電池複合発電システムにおいて、ボトミングサイクルシステム(8)は、ガスタービン(2)と、第1発電機(4)とを備える。ガスタービン(2)は、その排燃料ガスとその排酸化剤ガスとを用いて運転される。第1発電機(4)は、ガスタービン(2)の回転力を用いて発電を行う。
【0017】
上記の燃料電池複合発電システムにおいて、排熱回収ボイラ(図示されず)と、蒸気タービン(図示されず)と、第2発電機(図示されず)とを更に具備する。
排熱回収ボイラ(図示されず)は、ガスタービン(2)から排出される排出ガスを用いて運転される。蒸気タービン(図示されず)は、排熱回収ボイラ(図示されず)で発生する蒸気を用いて運転される。第2発電機(図示されず)は、蒸気タービン(図示されず)に接続され、蒸気タービン(図示されず)の回転に基づいて発電を行う。
【0018】
上記の燃料電池複合発電システムにおいて、その燃料ガスは、水素、メタン、天然ガス及び石炭ガス化ガスのうちの少なくとも一つである。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、本発明である燃料電池複合発電システムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。
本実施の形態では、固体電解質型燃料電池(以下、「SOFC」ともいう)を例に示して説明を行うが、他のタイプの燃料電池に対しても適用することが出来る。
【0020】
まず、本発明である燃料電池複合発電システムの実施の形態における構成について説明する。
図1は、本発明である燃料電池複合発電システムの実施の形態における構成を示す図である。燃料電池複合発電システムは、燃料電池システム7、ボトミングサイクルシステム8及び制御装置10を具備する。
なお、本図では、酸化剤ガスに関する配管を省略している。
【0021】
燃料電池システム7は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され、それらの反応により電力としての第1電力を発生する。固体電解質型燃料電池(SOFC)1、インバータ3及び燃料ガス流量制御部5を備える。
【0022】
燃料ガス流量制御部5は、固体電解質型燃料電池(SOFC)1に燃料ガスを供給する配管の途中に設けられている。そして、制御装置10からの制御信号に基づいて、SOFC1へ供給される燃料ガスの流量を調整する。燃料ガス流量制御部5は、流量制御弁に例示される。
【0023】
固体電解質型燃料電池(SOFC)1は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され、第1電力を発生する固体電解質型の燃料電池である。第1電力はインバータ3により制御される。SOFC1は、燃料ガスとして、メタンガス(天然ガス)又はプロパンガス、水素ガスなどを用い、酸化剤ガスとして空気のような酸素を含むガスを用いる。SOFC1は、安定化ジルコニアを電解質とする内部改質型の円筒型の燃料電池に例示される。
【0024】
インバータ3は、制御装置10の制御信号に基づいて、SOFC1の運転を制御する。そして、SOFC1で発電された第1電力(図1中、出力B)を外部(系統)へ出力する。
【0025】
ボトミングサイクルシステム8は、SOFC1から排出される排燃料ガス(未使用の燃料ガスと生成水とを含む)と、SOFC1から排出される排酸化剤ガス(必要に応じて酸化剤ガスを補充)とを供給され、電力としての第2電力を発生する。第2電力は、予測された電力需要としての予測電力需要に基づいて決定される。第2電力は、例えば、予め設定された所定の関数により計算される。ただし、本発明は、この例に限定されるものではない。
ボトミングサイクルシステム8は、ガスタービンシステム2及び発電機4を備える。
【0026】
ガスタービンシステム2は、その燃焼器でSOFC1から排出される排燃料ガスと排酸化剤ガスとを燃焼し、その燃焼ガスのエネルギーを回転のエネルギーに変換する。発電機4に接続されている。
【0027】
発電機4は、ガスタービンシステム2が生成した回転のエネルギーを用いて第2電力を発生する。そして、第2電力(図1中、出力A)を外部(系統)へ出力する。第2電力の計測値は、制御装置10へ出力する。
【0028】
制御装置10は、実際の電力需要としての実電力需要と、第2電力とに基づいて、第1電力が実電力需要と第2電力との差になるように、燃料電池システムを制御する。制御装置10は、燃料電池システム制御部11と、ボトミング制御部12と、電力需要予測部13と、電力需要データベース14とを備える。
【0029】
電力需要データベース14は、時刻に関する情報(例示:年、月、日、時間)と、実電力需要及び予測電力需要とを関連付けて格納している。
【0030】
電力需要予測部13は、過去の電力需要(例示:過去数年間における同時期の電力需要及びその平均)、気温、過去からのトレンドに例示される電力需要に影響のある情報に基づいて、電力需要を予測する。予測されたデータは、電力需要データベース14へ格納される。電力需要の予測は、その修正も含めて常時行っていても良いし、所定の期間ごとなどに行っても良い。電力需要の予測は従来知られた方法を用いることが出来る。
なお、過去の電力需要は、電力需要データベース14に格納されている。
【0031】
ボトミング制御部12は、電力需要データベース14から各時刻における予測電力需要を読み出し、その予測電力需要に基づいて、第2電力を決定する。第2電力は、例えば、予測電力需要のうちの所定の割合である。この場合、所定の割合は、予測電力需要の大きさに応じて、予め設定しておく。例えば、予測電力需要が大きい場合60%、小さい場合、20%などである。ただし、本発明は、この例に限定されるものではない。そして、その第2電力を発電するようにボトミングサイクルシステム8を制御する。
【0032】
燃料電池システム制御部11は、計測装置(図示されず)により実電力需要を取得する。また、発電機4から出力された第2電力の計測値を取得する。そして、実電力需要と第2電力とに基づいて、第1電力が実電力需要と第2電力との差(又はその差に所定の量を加えたもの)になるように、燃料電池システム7のインバータ3を制御する。その際、必要に応じて燃料ガス流量制御部5を制御する。
なお、実電力需要は、電力需要データベース14に格納される。
【0033】
なお、図1では、ボトミングサイクルシステム8として、ガスタービンシステム2のみを示しているが、他の従来知られたボトミングサイクルシステム8に適用可能なシステムを用いることも可能である。そのようなシステムは、従来知られた排熱回収ボイラと蒸気タービンと発電機とを備える排熱回収システムに例示される。その場合、この発電機の発電する電力も第2電力に含める。
【0034】
次に、本発明である燃料電池複合発電システムの実施の形態における動作について説明する。
図2は、本発明である燃料電池複合発電システムの実施の形態の動作における発電と電力需要との関係を示すグラフである。縦軸は電力需要、横軸は時刻である。ただし、曲線Pは第2電力を示す。そして、領域Aは第2電力で賄われる。曲線Qは予測電力需要を示す。曲線Dは実電力需要を示す。そして、領域B(=実電力需要−第2電力)は、第1電力で賄われる。曲線Mはシステムの供給可能な最大電力を示す。
【0035】
次に、図1と図2とを参照して、動作について説明する。
図1において、燃料電池システム制御部11は、電力需要データベース14から、対応する時刻tにおける予測電力需要(図2中、時刻tでの曲線Q上の点)を読み出す。また、計測装置(図示されず)により発電機4による第2電力(図2中、時刻tでの曲線P上の点)を取得する。そして、流量制御部5を制御して、次の2つの条件で決定される流量の燃料ガスを、SOFC1へ供給する。条件(1)SOFC1が、予測第1電力を、所定の燃料利用率(例示:60%)で発電可能であること。ただし、予測第1電力=予測電力需要−第2電力、である。条件(2)ボトミングサイクルシステム8が、SOFC1の排燃料ガスと排酸化剤ガス(必要に応じて酸化剤ガスの補充可)とを用いて、計測された第2電力を発電可能であること。
【0036】
燃料電池システム制御部11は、計測装置(図示されず)により実電力需要(図2中、時刻tでの曲線D上の点)を取得する。そして、実電力需要と第2電力とに基づいて、第1電力=実電力需要−第2電力(又は+α)になるように、燃料電池システム7のインバータ3を制御する。
SOFC1は、上記の流量の燃料を供給され、インバータ3に制御され、上記の第1電力を発電し、出力Bとして系統へ出力する。そして、排燃料ガス及び排酸化剤ガスをガスタービンシステム2へ出力する。
【0037】
ボトミング制御部12は、電力需要データベース14から各時刻における予測電力需要(図2中、時刻tでの曲線Q上の点)を読み出し、その予測電力需要に基づいて、第2電力を決定する。例えば、予測電力需要×所定の割合である。この場合、所定の割合は、予測電力需要の大きさの区分ごとに、予め設定しておく。例えば、予測電力需要が大きい場合60%、中程度の場合40%、小さい場合、20%などである。そして、ボトミング制御部12は、決定された第2電力を発電するようにボトミングサイクルシステム8を制御する。
ボトミングサイクルシステム8は、排燃料ガス及び排酸化剤ガスを供給され、上記の第2電力を発電し、出力Aとして系統へ出力する。
【0038】
上記のプロセスで示されるように、SOFC1は、基本的には、予測電力需要に対して、所定の燃料利用率(例示:60%)で運転可能なように制御される。そして、ボトミングサイクルシステム8ではなく燃料電池システム7(のSOFC1)が、時々刻々と変化する実電力需要と予測電力需要との差が発生した場合、その差を満たすように運転条件を変化させて対応する。これは、SOFC1の負荷追従性が高いために可能となる。
すなわち、SOFC1の発電部分は、回転機械が無いので、慣性による時間遅れが発生しない。また、燃料ガスの供給量を若干過剰(燃料利用率80%まで運転可能)で運転しているので、ある程度の大きさの不可変動に対しては燃料ガス流量などを追従させる必要がない。従って、負荷が変動した場合、インバータ3の指令により素早く発電量(第1電力)を変更することが可能である。
【0039】
また、負荷追従に伴い、ボトミングサイクルシステム8への排燃料ガスの供給量が変化する。このとき、SOFC1への排燃料ガスの供給量が一定の場合、SOFC1は、負荷増加に伴い、効率が低下する傾向を持つため、▲1▼SOFC1負荷増加時には、排燃料ガスの供給量が減少するが、ボトミングサイクルシステム8への顕熱供給量が増加する。逆に、▲2▼SOFC1負荷低下時には、排燃料ガスが増加するが、顕熱排熱が減少する。この結果、ボトミングサイクルシステム8は、SOFC1の負荷率に関わらず安定した運転状態を維持することが出来る。
【0040】
本発明により、急激な負荷変化は、燃料電池で吸収するためプラントとしては、真の予測電力需要に従った運転計画を行うことが可能となる。そして、それにより送電のロスの低減、プラントのエネルギー効率の向上を行うことが可能となる。
【0041】
【発明の効果】
本発明により、細かく変動する需要家の電力需要に迅速に対応し、発電システムの効率を向上することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明である燃料電池複合発電システムの実施の形態における構成を示す図である。
【図2】本発明である燃料電池複合発電システムの実施の形態の動作における発電と電力需要との関係を示すグラフである。
【図3】電力需要と発電との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 固体電解質型燃料電池(SOFC)
2 ガスタービンシステム
3 インバータ
4 発電機
5 流量制御部
7 燃料電池システム
8 ボトミングサイクルシステム
10 制御装置
11 燃料電池システム制御部
12 ボトミング制御部
13 電力需要予測部
14 電力需要データベース
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell combined power generation system, and more particularly, to a fuel cell combined power generation system that allows the operation of a fuel cell to respond to fluctuations in actual power demand.
[0002]
[Prior art]
A combined power generation system in which a gas turbine and a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) are combined is known. In this combined power generation system, first, fuel gas and air gas are supplied to the preceding SOFC to generate power. Next, the outlet fuel gas (exhaust fuel gas) discharged from the SOFC and the outlet air gas are mixed, burned in the combustor, and charged into the subsequent gas turbine. Then, power is generated by a generator coupled to the gas turbine. Thereafter, the exhaust gas energy discharged from the gas turbine is recovered by an exhaust heat recovery system.
[0003]
Next, the relationship between power demand and power generation will be described. FIG. 3 is a graph showing the relationship between power demand and power generation. The vertical axis is power demand, and the horizontal axis is time.
Electricity demand fluctuates according to the season and time. These vary depending on the temperature and social situation, but can be predicted to some extent (curve Q in FIG. 3). However, the actual power demand varies finely depending on on / off of individual devices in the consumer (curve D in FIG. 3). It is difficult to predict the frequency and extent of this change. At the power plant, the power generation equipment is operated in accordance with the demand forecast, but it cannot cope with sudden load fluctuations. Therefore, in order to stabilize the system power, the power generator is operated with a margin with respect to the load so as not to be short of supply (curve M in FIG. 3). As a result, excess fuel is consumed, leading to power transmission loss in the grid and reduced efficiency in the power plant.
[0004]
There is a demand for a technology that can quickly respond to the power demands of finely varying consumers. There is a need for a technology that can cope with sudden load fluctuations without impairing the stability of the system power. A technique capable of improving the efficiency of the power generation system is desired.
[0005]
As a related technique, Japanese Patent Laid-Open No. 8-287958 discloses a technique of an operation method for a secondary battery power storage system. The operation method of the secondary battery power storage system of this technology is an operation method of the secondary battery power storage system in which the power charged at night is discharged and used in a predetermined time zone in the daytime. The operation method first detects the outside air temperature, the load power, and the load power increase rate. Next, a power demand prediction value is calculated based on those detected values. Then, when the predicted value of power demand is compared with the set value, when the predicted value is smaller than the set value, an operation is performed to discharge the constant power on an average over the time period, and when the predicted value is larger than the set value. The operation is performed to intensively discharge high power at a specific time within the time zone. When calculating the power demand prediction value, the air conditioning load on the corresponding day on the calendar is taken into account.
The purpose of this technology is to provide an operation method and apparatus for a secondary battery power storage system that can appropriately perform operation mode selection based on autonomous determination without relying on artificial determination. There is to do.
[0006]
[Patent Document] Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-287958
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a combined fuel cell power generation system capable of quickly responding to the power demands of consumers that vary finely.
[0008]
Another object of the present invention is to provide a combined fuel cell power generation system that can cope with a sudden load fluctuation without impairing the stability of the system power.
[0009]
Still another object of the present invention is to provide a combined fuel cell power generation system capable of improving the efficiency of the power generation system.
[0010]
Another object of the present invention is to provide a combined fuel cell power generation system capable of reducing an environmental load.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Hereinafter, means for solving the problem will be described using the numbers and symbols used in the embodiments of the present invention. These numbers and symbols are added in parentheses in order to clarify the correspondence between the description of [Claims] and [Embodiments of the Invention]. However, these numbers and symbols should not be used for the interpretation of the technical scope of the invention described in [Claims].
[0012]
Therefore, in order to solve the above problem, the combined fuel cell power generation system of the present invention includes a fuel cell system (7), a bottoming cycle system (8), and a control unit (10).
The fuel cell system (7) includes a fuel cell (1) that is supplied with a fuel gas and an oxidant gas and generates a first electric power (B). The bottoming cycle system (8) is supplied with the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell (1) and the exhaust oxidant gas discharged from the fuel cell (1), and the predicted power demand as the predicted power demand. The second power (A) based on (Q) is generated. The control unit (10) controls the fuel cell system (7) so that the first power (B) is a difference between the actual power demand (D) and the second power (A) as actual power demand. To do.
[0013]
In the above fuel cell combined power generation system, the control unit (10) controls the supply of the fuel gas based on the predicted power demand (Q).
[0014]
In the above combined fuel cell power generation system, the fuel gas supply amount is such that the bottoming cycle system (8) generates the second output (A), and the fuel cell system (7) generates the second output from the predicted power demand (Q). Control is performed so that the predicted first power obtained by subtracting the power (A) can be generated at a predetermined fuel utilization rate.
However, the predetermined fuel usage rate is determined by the difference between the power generated at the highest fuel usage rate of the fuel cell system (7) and the power generated at the predetermined fuel usage rate as the actual power demand (D ) And the predicted power demand (Q).
[0015]
In the above fuel cell combined power generation system, the fuel cell (1) is a solid oxide fuel cell.
[0016]
In the fuel cell combined power generation system, the bottoming cycle system (8) includes a gas turbine (2) and a first generator (4). The gas turbine (2) is operated using the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas. The first generator (4) generates power using the rotational force of the gas turbine (2).
[0017]
The fuel cell combined power generation system further includes an exhaust heat recovery boiler (not shown), a steam turbine (not shown), and a second generator (not shown).
An exhaust heat recovery boiler (not shown) is operated using exhaust gas discharged from the gas turbine (2). A steam turbine (not shown) is operated using steam generated in an exhaust heat recovery boiler (not shown). The second generator (not shown) is connected to a steam turbine (not shown) and generates power based on the rotation of the steam turbine (not shown).
[0018]
In the above fuel cell combined power generation system, the fuel gas is at least one of hydrogen, methane, natural gas, and coal gasification gas.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a combined fuel cell power generation system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
In the present embodiment, a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) will be described as an example, but the present invention can also be applied to other types of fuel cells.
[0020]
First, the configuration of the fuel cell combined power generation system according to the embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration in an embodiment of a fuel cell combined power generation system according to the present invention. The combined fuel cell power generation system includes a fuel cell system 7, a bottoming cycle system 8, and a control device 10.
In this figure, piping relating to the oxidant gas is omitted.
[0021]
The fuel cell system 7 is supplied with a fuel gas and an oxidant gas, and generates a first power as a power by a reaction between them. A solid oxide fuel cell (SOFC) 1, an inverter 3, and a fuel gas flow rate control unit 5 are provided.
[0022]
The fuel gas flow rate control unit 5 is provided in the middle of a pipe for supplying fuel gas to the solid oxide fuel cell (SOFC) 1. And based on the control signal from the control apparatus 10, the flow volume of the fuel gas supplied to SOFC1 is adjusted. The fuel gas flow rate control unit 5 is exemplified by a flow rate control valve.
[0023]
The solid oxide fuel cell (SOFC) 1 is a solid oxide fuel cell that is supplied with a fuel gas and an oxidant gas and generates a first power. The first power is controlled by the inverter 3. The SOFC 1 uses methane gas (natural gas), propane gas, hydrogen gas, or the like as the fuel gas, and a gas containing oxygen such as air as the oxidant gas. The SOFC 1 is exemplified as an internal reforming type cylindrical fuel cell using stabilized zirconia as an electrolyte.
[0024]
The inverter 3 controls the operation of the SOFC 1 based on the control signal of the control device 10. And the 1st electric power (output B in Drawing 1) generated with SOFC1 is outputted to the exterior (system).
[0025]
The bottoming cycle system 8 includes exhaust fuel gas discharged from the SOFC 1 (including unused fuel gas and produced water), exhaust oxidant gas discharged from the SOFC 1 (supplemented with oxidant gas as required), To generate second power as power. The second power is determined based on the predicted power demand as the predicted power demand. The second power is calculated by, for example, a predetermined function set in advance. However, the present invention is not limited to this example.
The bottoming cycle system 8 includes a gas turbine system 2 and a generator 4.
[0026]
The gas turbine system 2 burns exhaust fuel gas and exhaust oxidant gas discharged from the SOFC 1 in the combustor, and converts the energy of the combustion gas into rotational energy. It is connected to the generator 4.
[0027]
The generator 4 generates the second electric power using the rotational energy generated by the gas turbine system 2. Then, the second power (output A in FIG. 1) is output to the outside (system). The measured value of the second power is output to the control device 10.
[0028]
The control device 10 controls the fuel cell system based on the actual power demand as the actual power demand and the second power so that the first power is the difference between the actual power demand and the second power. The control device 10 includes a fuel cell system control unit 11, a bottoming control unit 12, a power demand prediction unit 13, and a power demand database 14.
[0029]
The power demand database 14 stores information related to time (example: year, month, day, time), actual power demand, and predicted power demand in association with each other.
[0030]
The power demand prediction unit 13 determines the power based on the information affecting the power demand exemplified in the past power demand (example: power demand in the same period in the past several years and its average), temperature, and trends from the past. Predict demand. The predicted data is stored in the power demand database 14. The prediction of power demand may be performed all the time including the correction, or may be performed every predetermined period. A conventionally known method can be used for prediction of power demand.
The past power demand is stored in the power demand database 14.
[0031]
The bottoming control unit 12 reads the predicted power demand at each time from the power demand database 14, and determines the second power based on the predicted power demand. The second power is, for example, a predetermined ratio of the predicted power demand. In this case, the predetermined ratio is set in advance according to the magnitude of the predicted power demand. For example, 60% when the predicted power demand is large, 20% when the predicted power demand is small. However, the present invention is not limited to this example. Then, the bottoming cycle system 8 is controlled so as to generate the second electric power.
[0032]
The fuel cell system control unit 11 acquires actual power demand by a measuring device (not shown). Moreover, the measured value of the 2nd electric power output from the generator 4 is acquired. Then, based on the actual power demand and the second power, the fuel cell system 7 so that the first power becomes a difference between the actual power demand and the second power (or a difference added to the difference). The inverter 3 is controlled. At that time, the fuel gas flow rate control unit 5 is controlled as necessary.
The actual power demand is stored in the power demand database 14.
[0033]
In FIG. 1, only the gas turbine system 2 is shown as the bottoming cycle system 8, but a system applicable to another conventionally known bottoming cycle system 8 can also be used. Such a system is exemplified by a conventionally known exhaust heat recovery system including an exhaust heat recovery boiler, a steam turbine, and a generator. In that case, the electric power generated by this generator is also included in the second electric power.
[0034]
Next, the operation in the embodiment of the fuel cell combined power generation system according to the present invention will be described.
FIG. 2 is a graph showing a relationship between power generation and power demand in the operation of the embodiment of the fuel cell combined power generation system according to the present invention. The vertical axis is power demand, and the horizontal axis is time. However, curve P represents the second power. Area A is covered by the second power. Curve Q shows the predicted power demand. Curve D shows the actual power demand. Area B (= actual power demand−second power) is covered by the first power. Curve M shows the maximum power that the system can supply.
[0035]
Next, the operation will be described with reference to FIG. 1 and FIG.
In FIG. 1, the fuel cell system control unit 11 reads the predicted power demand at a corresponding time t (a point on the curve Q at time t in FIG. 2) from the power demand database 14. Further, the second power (a point on the curve P at time t in FIG. 2) by the generator 4 is acquired by a measuring device (not shown). Then, the flow rate control unit 5 is controlled to supply the fuel gas having a flow rate determined by the following two conditions to the SOFC 1. Condition (1) The SOFC 1 can generate the predicted first power at a predetermined fuel utilization rate (example: 60%). However, predicted first power = predicted power demand−second power. Condition (2) The bottoming cycle system 8 can generate the measured second electric power by using the exhaust fuel gas of the SOFC 1 and the exhaust oxidant gas (which can be supplemented with the oxidant gas if necessary).
[0036]
The fuel cell system control unit 11 acquires actual power demand (a point on the curve D at time t in FIG. 2) by a measuring device (not shown). Then, based on the actual power demand and the second power, the inverter 3 of the fuel cell system 7 is controlled so that the first power = the actual power demand−the second power (or + α).
The SOFC 1 is supplied with the fuel at the above flow rate, is controlled by the inverter 3, generates the first electric power, and outputs it as an output B to the system. Then, the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas are output to the gas turbine system 2.
[0037]
The bottoming control unit 12 reads the predicted power demand at each time (a point on the curve Q at time t in FIG. 2) from the power demand database 14, and determines the second power based on the predicted power demand. For example, predicted power demand × predetermined ratio. In this case, the predetermined ratio is set in advance for each category of the predicted power demand. For example, it is 60% when the predicted power demand is large, 40% when it is medium, and 20% when it is small. Then, the bottoming control unit 12 controls the bottoming cycle system 8 so as to generate the determined second power.
The bottoming cycle system 8 is supplied with the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas, generates the second electric power, and outputs it as an output A to the system.
[0038]
As shown in the above process, the SOFC 1 is basically controlled so that it can be operated at a predetermined fuel utilization rate (for example, 60%) with respect to the predicted power demand. When the fuel cell system 7 (the SOFC 1) instead of the bottoming cycle system 8 has a difference between the actual power demand and the predicted power demand that change from moment to moment, the operating conditions are changed to satisfy the difference. Correspond. This is possible because the load followability of the SOFC 1 is high.
That is, the power generation part of the SOFC 1 does not have a rotating machine, so that no time delay due to inertia occurs. Further, since the fuel gas is supplied with a slightly excessive supply amount (operable up to a fuel utilization rate of 80%), it is not necessary to follow the flow rate of the fuel gas or the like for non-variable fluctuations of a certain size. Therefore, when the load fluctuates, it is possible to quickly change the power generation amount (first power) by the command of the inverter 3.
[0039]
Further, the supply amount of exhaust fuel gas to the bottoming cycle system 8 changes with load following. At this time, if the supply amount of the exhaust fuel gas to the SOFC 1 is constant, the SOFC 1 tends to decrease in efficiency as the load increases. (1) When the SOFC 1 load increases, the supply amount of the exhaust fuel gas decreases. However, the amount of sensible heat supplied to the bottoming cycle system 8 increases. Conversely, (2) when the SOFC1 load is reduced, the exhaust fuel gas increases, but the sensible heat exhaust heat decreases. As a result, the bottoming cycle system 8 can maintain a stable operation state regardless of the load factor of the SOFC 1.
[0040]
According to the present invention, since a sudden load change is absorbed by the fuel cell, it becomes possible for the plant to perform an operation plan according to the true predicted power demand. As a result, it is possible to reduce power transmission loss and improve the energy efficiency of the plant.
[0041]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to respond quickly to the power demands of finely varying consumers and improve the efficiency of the power generation system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration in an embodiment of a combined fuel cell power generation system according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a relationship between power generation and power demand in the operation of the embodiment of the combined fuel cell power generation system of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between power demand and power generation.
[Explanation of symbols]
1 Solid oxide fuel cell (SOFC)
2 Gas Turbine System 3 Inverter 4 Generator 5 Flow Rate Control Unit 7 Fuel Cell System 8 Bottoming Cycle System 10 Controller 11 Fuel Cell System Control Unit 12 Bottoming Control Unit 13 Power Demand Prediction Unit 14 Power Demand Database

Claims (6)

燃料ガスと酸化剤ガスとを供給され、第1電力を発生する燃料電池を含む燃料電池システムと、
前記燃料電池から排出される排燃料ガスと、前記燃料電池から排出される排酸化剤ガスとを供給され、予測された電力需要としての予測電力需要に基づいた第2電力を発生するボトミングサイクルシステムと、
前記第1電力が、実際の電力需要としての実電力需要と前記第2電力との差になるように、前記燃料電池システムを制御する制御部と
を具備し
前記制御部は、前記燃料ガスの供給量を、前記予測電力需要に基づいて、前記ボトミングサイクルシステムが前記第2出力を発電し、前記燃料電池システムが前記予測電力需要から前記第2電力を引いた予測第1電力を所定の燃料利用率で発電することが出来るよう制御し、
前記所定の燃料利用率は、前記燃料電池システムの最高の燃料利用率で発電される電力と、前記所定の燃料利用率で発電される電力との差が、前記実電力需要と前記予測電力需要との差を吸収できるように設定される
燃料電池複合発電システム。
A fuel cell system including a fuel cell that is supplied with a fuel gas and an oxidant gas and generates a first electric power;
A bottoming cycle system that is supplied with exhaust fuel gas discharged from the fuel cell and exhaust oxidant gas discharged from the fuel cell and generates second power based on the predicted power demand as the predicted power demand When,
Wherein the first power, so that the difference between the actual second power and the actual power demand as a power demand, and ingredients Bei and a control unit for controlling the fuel cell system,
The control unit generates the second output from the bottoming cycle system based on the predicted power demand based on the supply amount of the fuel gas, and the fuel cell system subtracts the second power from the predicted power demand. Control so that the predicted first electric power can be generated at a predetermined fuel utilization rate,
The predetermined fuel utilization rate is the difference between the electric power generated at the highest fuel utilization rate of the fuel cell system and the electric power generated at the predetermined fuel utilization rate. Fuel cell combined power generation system set to absorb the difference between the two .
請求項1に記載の燃料電池複合発電システムにおいて、The combined fuel cell power generation system according to claim 1,
前記ボトミングサイクルシステムは、前記実電力需要の変動に伴う前記排燃料ガスの供給量の変動を補わずに前記第2電力を発電するThe bottoming cycle system generates the second electric power without compensating for fluctuations in the supply amount of the exhaust fuel gas accompanying fluctuations in the actual power demand.
燃料電池複合発電システム。Fuel cell combined power generation system.
請求項1又は2に記載の燃料電池複合発電システムにおいて、
前記燃料電池は、固体電解質型燃料電池である
燃料電池複合発電システム。
The fuel cell combined power generation system according to claim 1 or 2 ,
The fuel cell is a solid oxide fuel cell.
請求項1乃至のいずれか一項に記載の燃料電池複合発電システムにおいて、
前記ボトミングサイクルシステムは、
前記排燃料ガスと前記排酸化剤ガスとを用いて運転されるガスタービンと、
前記ガスタービンの回転力を用いて発電を行う第1発電機と
を備える
燃料電池複合発電システム。
In the fuel cell combined power generation system according to any one of claims 1 to 3 ,
The bottoming cycle system includes:
A gas turbine operated using the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas;
A fuel cell combined power generation system comprising: a first generator that generates electric power using the rotational force of the gas turbine.
請求項1乃至のいずれか一項に記載の燃料電池複合発電システムにおいて、
前記ガスタービンから排出される排出ガスを用いて運転される排熱回収ボイラと、
前記排熱回収ボイラで発生する蒸気を用いて運転される蒸気タービンと、
前記蒸気タービンに接続され、前記蒸気タービンの回転に基づいて発電を行う第2発電機と
を更に具備する
燃料電池複合発電システム。
The fuel cell combined power generation system according to any one of claims 1 to 4 ,
An exhaust heat recovery boiler operated using the exhaust gas discharged from the gas turbine;
A steam turbine operated using steam generated in the exhaust heat recovery boiler;
A fuel cell combined power generation system, further comprising: a second generator connected to the steam turbine and generating power based on rotation of the steam turbine.
請求項1乃至のいずれか一項に記載の燃料電池複合発電システムにおいて、
前記燃料ガスは、水素、メタン、天然ガス及び石炭ガス化ガスのうちの少なくとも一つである
燃料電池複合発電システム。
The combined fuel cell power generation system according to any one of claims 1 to 5 ,
The fuel gas is at least one of hydrogen, methane, natural gas, and coal gasification gas.
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