JP5213309B2 - 制御された固体酸化物型燃料電池（ｓｏｆｃ）／タービンハイブリッド発電のための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、制御された発電を行うための方法および装置に関するものであり、より具体的には、制御された燃料電池／タービンハイブリッド発電のための方法および装置に関するものである。

少なくとも１つの知られている発電システムは、単一の電池または電池の積層、ＳＯＦＣ発電機内に組み込むことができる、またはスタンドアロンデバイスとして実現できる未反応燃料燃焼器、およびタービン発電機を備えることができる、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）発電機を組み込む。このような加圧型ＳＯＦＣ／タービンハイブリッド発電システムは、高い発電効率とともに、低排出を実現する。マイクロタービン（ＭＴ）またはガスタービン（ＧＴ）とすることができるタービンは、加圧するとともに、空気をＳＯＦＣ発電機に供給するために使用され、その一方で、ＳＯＦＣ発電機は、ＭＴ／ＧＴ発電機を動作させるための熱エネルギーを供給する。ＳＯＦＣ発電機およびＭＴ／ＧＴ発電機を組み合わせたものを備えるプラントの出力は、ＳＯＦＣおよびＭＴ／ＧＴ発電機の電気出力の組み合わせた総和である。

ＳＯＦＣおよびＭＴ／ＧＴ発電機は、熱の面でも運転の面でも結合性が高い。燃料電池および燃料電池発電機の熱収支を制御する戦略が複数知られているが、このような結合があるため、これまでＳＯＦＣ／タービンハイブリッド発電システムにおいてそれらの戦略を適用することは困難であった。これらの発電システムの制御を複雑にする他の要因としては、発電機の出力は、さらに、需要負荷の追随を可能にする形で共有されなければならないという事実が挙げられる。これらの制御要件は、常に満たされなければならず、また外乱および局所的過渡現象に対応しなければならない。
米国特許出願公開第２００５／０，００６，９５７号公報 米国特許出願公開第２００４／０，１２４，３０８号公報 米国特許出願公開第２００３／０，２２４，２３１号公報 米国特許出願公開第２００３／０，２１８，３８５号公報 米国特許出願公開第２００３／０，１７５，５６６号公報 米国特許第６，６０９，５８２号公報 米国特許第６，６０７，８５５号公報 米国特許出願公開第２００２／０，１６３，８１９号公報 米国特許出願公開第２００２／０，０３７，４４３号公報 米国特許第６，２３０，４９４号公報 米国特許第６，２１３，２３４号公報 米国特許第５，９６８，６８０号公報 米国特許第５，６７８，６４７号公報 米国特許第５，５３２，５７３号公報 国際公開第０３／０６３，２７６号パンフレット 国際公開第０１／０６，５８９号パンフレット 欧州特許第１，１９４，９６９号公報

したがって、本発明のいくつかの構成では、ハイブリッド発電システムがＳＯＦＣ発電機およびタービン発電機を備える加圧固体酸化物型燃料電池／タービン（ＳＯＦＣ／タービン）ハイブリッド発電システムを動作させる方法が提示される。この方法は、電力需要に応じてＳＯＦＣ／タービンハイブリッド発電システムへの気流を制御すること、およびＳＯＦＣ発電機から引き出された電流を利用してＳＯＦＣ発電機の温度を調節することを含む。

本発明のいくつかの構成では、加圧型ＳＯＦＣ発電機、未反応燃料燃焼器、およびタービン発電機を有するＳＯＦＣハイブリッドプラントを備える発電システムを実現する。ＳＯＦＣおよびタービン発電機は、ＳＯＦＣハイブリッドプラントの総和出力を供給するように構成される。また、ＳＯＦＣ発電機および未反応燃料燃焼器に対する温度制約を維持しながらＳＯＦＣハイブリッドプラントの負荷要件を満たすように構成されたシステムコントローラも実現される。

また、本発明のいくつかの構成では、ＳＯＦＣ発電機、タービン発電機、および未反応燃料燃焼器を有するハイブリッドパワープラント用のシステムコントローラを実現する。システムコントローラは、ＳＯＦＣ発電機を冷却し、所定のＳＯＦＣ温度設定点を維持し、タービン発電機の気流が変化している間にサージマージンを維持するように構成される。

本発明の様々な構成は、さらに満足のゆく温度管理も行いながら需要負荷に追随するＳＯＦＣおよびタービン発電機の制御され、調整された動作を実現することは理解されるであろう。

本発明のいくつかの構成において、図１を参照すると、そこには、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）発電機１４の温度と総発電システム電気出力の両方の制御が同時に行われる固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）／タービンハイブリッド発電システム１０が提示されている。これらの構成では、ハイブリッド発電システム１０は、システムの温度管理および熱効率の制御を行いながら需要電気出力２８に追随することができる。

本発明のいくつかの構成では、加圧型ＳＯＦＣ／タービン発電システム１０は、固体酸化物型燃料電池発電機１４をマイクロタービン（ＭＴ）またはガスタービン（ＧＴ）などのタービン発電機１６を含むタービン発電機と、低排出と組み合わせて高い電気的効率を達成したハイブリッド化パワープラント１２において統合する。タービン１６は、空気を圧縮するとともに、ＳＯＦＣ発電機１４に供給するために使用され、その一方で発電機１４はタービン発電機１６を動作させるための熱エネルギーを供給する。ＳＯＦＣ発電機１４およびタービン発電機１６は、熱の面でも運転の面でも結合性が高い。したがって、その動作を調整するために、本発明のいくつかの構成では、制御戦略を実装するシステムコントローラ２０が実現される。プラント出力１８は、ＳＯＦＣ発電機１４とタービン発電機１６の電気的出力の組み合わされた総和である。ＳＯＦＣ発電機１４およびタービン発電機１６の出力は、ハイブリッド発電システム１０の一部である、ハイブリッド発電プラント１２の需要負荷および温度管理の追随を可能にするように共有される。この制御要件は、常に満たされ、また外乱および局所的過渡現象に対応する。

より具体的には、本発明の構成により、加圧型ＳＯＦＣ／タービンハイブリッド発電システムは、キーパラメータを指定限度内に維持しながら、需要システム出力設定点２８に安定して追随することができる。ＳＯＦＣ発電機１４は、信頼性と効率の両方に関して、狭い温度範囲内で動作する。ＳＯＦＣ発電機１４の必要と１人または複数の顧客により要求される出力の釣り合いをとるためにシステムコントローラ２０が設けられる。例えば、反応物質、温度、圧力、および／またはコンポーネント電気的出力が、調節される。いくつかの実施形態では、燃料流、気流、ＳＯＦＣ発電機燃料利用度、ＭＴ／ＧＴシード、ＭＴ／ＧＴ出力、および／またはＳＯＦＣ発電機電流が制御される。気流およびＭＴ／ＧＴ発電機出力は、いくつかの構成において、ＳＯＦＣ発電機１４とタービン発電機１６との間で分割された出力が、ＳＯＦＣ発電機１４の温度管理により制約されるように、関係付けられている。ＳＯＦＣ発電機１４の出力は、需要電流だけでなく、燃料利用度、温度、および圧力の強い関数となっている。

本発明のいくつかの構成では、未反応燃料燃焼器（ＵＦＣ）２２などの燃焼器内で未利用ＳＯＦＣ発電機１４燃料を燃焼させることに対する温度制約を維持しながら、負荷要件をうまく満たすようにするシステムコントローラ２０が提示される。本発明のいくつかの構成では、低レベル制御ループ３８が設けられ、ＰＩコントローラまたは他の好適な帰還制御構造により実装される。

いくつかの構成において、再び図１を参照すると、気流コントローラ２４は、システムの応答時間を制限し、それにより、気流変化中にＭＴ／ＧＴ圧縮器の十分なサージマージンを維持する。ＭＴ／ＧＴ圧縮器とエキスパンダ入口（図には示されていない）との間に置かれたＳＯＦＣ発電機１４、多岐管、およびその他の温度管理コンポーネント（図には示されていない）のため大容積の追加を有するハイブリッドプラント１２にサージマージンが必要なので、気流コントローラ２４が設けられる。システムコントローラ２０は、本発明のいくつかの構成では、以下を備える。

（１）システム出力需要２８の関数として気流設定点を決定するように構成されている気流設定点コントローラ２６、
（２）気流設定点に応じてタービン回転速度を決定（つまり、制御）するように構成された気流コントローラ２４、
（３）ＭＴ／ＧＴ発電機出力コマンドを決定し、発行し、それにより、必要な回転速度を満たすように構成されたタービン速度コントローラ３０、
（４）気流に応じて、ＳＯＦＣ発電機１４用の電流コマンドを決定し、発行し、それにより、ＳＯＦＣ発電機１４を冷却し、所定のＳＯＦＣ温度設定点３４を維持するように構成されたＳＯＦＣ発電機電流コントローラ３２、
（５）燃焼器２２内の未利用ＳＯＦＣ発電機燃料の燃焼に対する温度制約を維持しながら、電流需要に応じて、燃料流を決定し、所望の燃料電池出力を満たすように構成された燃料利用コントローラ３６、
（６）温度バイパス弁、燃料流量制御弁、パワーエレクトロニクスなどの制御などの比較的低いレベルの制御機能を調節するように構成された低レベル制御ループ３８。

いくつかの構成におけるＳＯＦＣハイブリッド発電プラント１２への気流は、ＳＯＦＣ発電機１４から引き出された電流を使用して制御され、それにより、ＳＯＦＣ発電機１４の温度を調節する。気流は、電力需要に応じて送出され、動作温度の関数としてマッピングされる。

ＳＯＦＣ発電機１４の出力は、引き出された電流とＳＯＦＣ発電機１４動作電圧との積である。そのため、本発明のいくつかの構成における電圧は、総プラント出力１８が需要出力に一致するようにトリミングされる。燃料利用コントローラ３６は、ＳＯＦＣ燃料流を変化させて所望のシステム出力を得るためにトリムとして使用される。ＳＯＦＣ発電機１４出力トリムは、本発明のいくつかの構成では、公称値を中心に燃料利用量を変化させ、ＳＯＦＣ発電機１４の動作電圧を加減することにより実現される。

本発明のいくつかの構成では、システムレベルの最適化が実行される。図２は、出力密度対電流密度のグラフであり、これは、本発明の一構成における様々な燃料利用に関してＳＯＦＣ発電機１４について引かれた動作線１００、１０２、および１０４を示している。いくつかの構成では、引き出される電流と、燃料効率を最大化するか、または少なくとも高めるようにし、一定出力の送出と同時に温度を制御する燃料利用量との釣り合いをとる最適化が実行される。例えば、代表する構成が、状態点１０６により表される電流密度および燃料利用度で動作している場合、ＳＯＦＣ発電機１４の温度は、電流密度および燃料利用度設定点を状態点１０８により表される点に移動することにより高められる（ＳＯＦＣ発電機１４により発生する熱は、電流密度の強い関数だからである）。システムユーザは、引き続き、要求されているのと同じ電力量を受けるが、ＳＯＦＣ発電機１４は、その性能最適化曲面上を動き回る。最適化がＳＯＦＣ発電機１４の温度をさらに高めることを必要とする場合、電流密度および燃料利用度設定点は、設定点１１０により表される点まで引き上げられる。このようにして動作させ、一定のＳＯＦＣ発電機負荷需要線を動き回り続けることにより、図１で表されているＳＯＦＣ／タービンハイブリッド発電システム構成は、その性能を最適なものとする。

本発明の構成では、システム温度管理および効率の制御を行いながら、需要電気出力に追随することができることは理解されるであろう。

本発明は、様々な特定の実施形態に関して説明されているが、当業者であれば、特許請求の範囲の精神および範囲の中の変更により実施できることを理解するであろう。

本発明の発電システムの一構成を表すブロック図である。 本発明の一電力供給構成における電流密度と出力密度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ ハイブリッド発電システム
１２ ハイブリッド発電プラント
１４ ＳＯＦＣ発電機
１６ タービン発電機
１８ プラント出力
２０ システムコントローラ
２２ 燃焼器（ＵＦＣ）
２４ 気流コントローラ
２６ 気流設定点コントローラ
２８ 電気出力
３０ タービン速度コントローラ
３２ ＳＯＦＣ発電機電流コントローラ
３４ 所定のＳＯＦＣ温度設定点
３６ 利用度コントローラ
３８ 低レベル制御ループ
１００、１０２ 動作線
１０６、１０８ 状態点
１１０ 設定点により表されるもの

Claims (4)

1. 固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）発電機（１４）、未反応燃料燃焼器（２２）、およびタービン発電機（１６）を備える加圧固体酸化物型燃料電池／タービン（ＳＯＦＣ／タービン）ハイブリッド発電システム（１０）を動作させる方法であって、前記ＳＯＦＣ発電機および前記タービン発電機は、前記ＳＯＦＣハイブリッドプラントの総和出力（１８）を供給するように構成されており、当該方法が、
   （１）システム出力需要（２８）の関数として空気流設定値を決定し、
   （２）空気流設定値に応じてタービン回転速度を制御し、
   （３）タービン発電機出力コマンドを決定して発行し、それにより、必要なタービン回転速度を満たし、
   （４）空気流設定値に応じて、ＳＯＦＣ発電機（１４）用の電流コマンドを決定して発行し、それにより、ＳＯＦＣ発電機（１４）を冷却して所定のＳＯＦＣ温度設定値（３４）を維持し、
   （５）燃焼器（２２）における未利用ＳＯＦＣ発電機燃料の燃焼に対する温度制約を維持しながら、電力需要に応じて、所望の燃料電池出力を満たすように燃料流を決定し、
   （６）低レベル制御機能を調節する
   ことによって、
   前記ＳＯＦＣ発電機および前記未反応燃料燃焼器に対する温度制約を維持しながら前記ＳＯＦＣハイブリッドプラントの負荷要件を満たすステップを
   を含む方法。
2. 前記空気流設定値に応じてタービン回転速度を制御することが、前記発電システムの応答時間を制限し、それにより、前記タービン発電機の空気流変化中にサージマージンを維持することを含む、請求項１記載の方法。
3. 発電システムであって、
   加圧固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）発電機（１４）、未反応燃料燃焼器（２２）、およびタービン発電機（１６）を備える固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）ハイブリッドプラント（１２）であって、前記ＳＯＦＣ発電機および前記タービン発電機は、前記ＳＯＦＣハイブリッドプラントの総和出力（１８）を供給するように構成される、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）ハイブリッドプラント（１２）と、
   前記ＳＯＦＣ発電機および前記未反応燃料燃焼器に対する温度制約を維持しながら前記ＳＯＦＣハイブリッドプラントの負荷要件を満たすように構成されたシステムコントローラ（２０）であって、
   （１）システム出力需要（２８）の関数として空気流設定値を決定するように構成されている空気流設定値コントローラ（２６）、
   （２）空気流設定値に応じてタービン回転速度を制御するように構成された空気流コントローラ（２４）、
   （３）タービン発電機出力コマンドを決定して発行し、それにより、必要なタービン回転速度を満たすように構成されたタービン速度コントローラ（３０）、
   （４）空気流設定値に応じて、ＳＯＦＣ発電機（１４）用の電流コマンドを決定して発行し、それにより、ＳＯＦＣ発電機（１４）を冷却して所定のＳＯＦＣ温度設定値（３４）を維持するように構成されたＳＯＦＣ発電機電流コントローラ（３２）、
   （５）燃焼器（２２）における未利用ＳＯＦＣ発電機燃料の燃焼に対する温度制約を維持しながら、電力需要に応じて、所望の燃料電池出力を満たすように燃料流を決定するように構成された燃料利用コントローラ（３６）、および
   （６）低レベル制御機能を調節するように構成された低レベル制御ループ（３８）
   を備えるシステムコントローラ（２０）と
   を備える発電システム。
4. 前記空気流コントローラ（２４）が、前記発電システムの応答時間を制限し、それにより、前記タービン発電機の空気流変化中にサージマージンを維持するように構成されている、請求項３記載の発電システム。
   

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