JP5253692B2 - 発電装置及びその運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、熱と電気を供給する発電装置及びその運転方法に関する。
コージェネレーションシステムは、発電した電力を需要家へ供給し電力負荷を賄うとともに、発電に伴う排熱を回収し、温水として蓄熱することで需要家の給湯負荷を賄うシステムである。このようなコージェネレーションシステムとして、燃料電池と給湯器が同一の原料で動作するコージェネレーションシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示されているコージェネレーションシステムは、燃料電池の発電に伴って発生する熱を、熱交換器を介して、貯湯槽に温水として貯め、給湯器が、貯めたお湯を所定温度まで加温する構成で、このとき燃料電池と給湯器は、同一の原料（主成分が炭化水素）で動作するように構成されている。
また、燃料電池は、水素を主成分とする燃料と酸化剤（空気や酸素）との反応により、電気と熱を得るが、水素のインフラが整備されていないため、通常、燃料電池には、炭化水素等の原料を改質反応させて、水素を生成する水素生成器が備えられている。改質反応には、水蒸気改質や部分酸化改質等の改質方法があるが、水素生成器では、水蒸気改質に必要なエネルギーを、燃焼器（バーナ）で原料を燃焼することで得るように構成されている。
バーナでの安定な燃焼を維持するために、バーナに設けたイオン化センサで燃焼状態を測定し、原料に対する空気の供給量を調整する、燃料電池ヒータ用バーナの空気比決定方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００７−２４８００９号公報 特表２００８−５２３５４９号公報
ところで、上述したコージェネレーションシステムでは、原料に天然ガスが用いられることがある。天然ガスは、地域や供給時期により、原料組成が変動する。燃料電池を安定に発電させるためには、この原料組成の変動に対して、運転条件の調整が必要となる。原料組成に応じた運転条件の調整における第１の条件として、発電に必要な燃料を安定供給するための、改質反応で用いる第１原料（炭化水素）と第２原料（水又は空気等）の供給量の調整がある。また、第２の条件として、燃料生成のエネルギーを安定に得るために、原料又は燃料に対する空気の供給量の調整がある。
上記特許文献２に開示されている燃料電池ヒータ用バーナの空気比決定方法では、ガストリートメントシステムの始動段階において、バーナに原料（天然ガス）が供給されるが、燃料電池に燃料を供給できる程度にまで、一酸化炭素が低減されると、燃料電池で使用されなかったリフォメート（燃料）がバーナに供給される。
このため、燃料電池の発電時には、バーナでは燃料である水素の燃焼が行われるため、イオン化センサから、原料の組成情報が取得できず、燃料電池単独では、上記第１条件及び第２条件の調整が困難となる課題があった。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、原料に天然ガス等を用いた場合のような、原料組成が変動する場合でも、燃焼システムからの燃焼情報と燃料供給量から燃料生成に必要な第１原料と第２原料の供給量を調整することを可能とし、安定な発電を行うことができる、発電装置及びその運転方法を提供することを目的とする。
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る発電装置は、燃料電池システムと、燃焼システムと、制御装置と、を備える発電装置であって、前記燃料電池システムは、燃料と酸化剤を用いて発電する燃料電池と、炭化水素を含む第１原料と水又は酸化剤である第２原料の改質反応により、前記燃料を生成する改質器と、前記改質器に前記第１原料を供給する第１原料供給装置と、前記改質器に前記第２原料を供給する第２原料供給装置と、前記燃料電池に前記酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、を備え、前記燃焼システムは、前記第１原料を燃焼する第１燃焼器と、前記第１燃焼器に前記第１原料を供給する第３原料供給装置と、前記第１燃焼器に、空気を供給する第１空気供給装置と、前記第１燃焼器で燃焼されている前記第１原料中の炭化水素に基づくイオン化電流を測定するフレームロッドと、を備え、前記制御装置は、前記第１燃焼器に供給される前記第１原料の供給量及び前記イオン化電流の値を基に、前記改質器に供給する前記第１原料の供給量と前記改質器に供給する前記第２原料の供給量とが所定の比率となるように、前記第１原料供給装置及び前記第２原料供給装置を制御する。
これにより、天然ガスのような組成が変動を発生する第１原料を用いても、従来の燃料電池システムに比して、第１原料に対する第２原料の供給量を適切に調整することができ、安定な燃料生成と発電が可能となる。
また、本発明に係る発電装置の運転方法は、燃料電池システムと、燃焼システムと、制御装置と、を備える発電装置の運転方法であって、前記燃料電池システムは、燃料と酸化剤を用いて発電する燃料電池と、炭化水素を含む第１原料と水又は酸化剤である第２原料の改質反応により、前記燃料を生成する改質器と、前記改質器に前記第１原料を供給する第１原料供給装置と、前記改質器に前記第２原料を供給する第２原料供給装置と、前記燃料電池に前記酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、を備え、前記燃焼システムは、前記第１原料を燃焼する第１燃焼器と、前記第１燃焼器に前記第１原料を供給する第３原料供給装置と、前記第１燃焼器に、空気を供給する第１空気供給装置と、前記第１燃焼器で燃焼されている前記第１原料中の炭化水素に基づくイオン化電流を測定するフレームロッドと、を備え、前記第１燃焼器に供給される前記第１原料の供給量及び前記イオン化電流の値を基に、前記改質器に供給する前記第１原料の供給量と前記改質器に供給する前記第２原料の供給量とが所定の比率となるように、前記第１原料供給装置及び前記第２原料供給装置が作動する。
これにより、天然ガスのような組成が変動を発生する第１原料を用いても、従来の燃料電池システムに比して、第１原料に対する第２原料の供給量を適切に調整することができ、安定な燃料生成と発電が可能となる。
本発明の発電装置及びその運転方法によれば、天然ガスのような組成が変動を発生する第１原料を用いても、従来の燃料電池システムに比して、第１原料に対する第２原料の供給量を適切に調整することができ、安定な燃料生成と発電が可能となる。
図１は、本実施の形態１に係る発電装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、本実施の形態１に係る発電装置の動作を模式的に示すフローチャートである。 図３は、本実施の形態１に係る発電装置の動作を模式的に示すフローチャートである。 図４は、本実施の形態２に係る発電装置の概略構成を示す模式図である。 図５は、本実施の形態２に係る発電装置の動作を模式的に示すフローチャートである。 図６は、本実施の形態２における変形例１の発電装置の概略構成を示す模式図である。 図７は、本実施の形態２における変形例１の発電装置の動作を模式的に示すフローチャートである。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、全ての図面において、本発明を説明に必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに本発明は以下の実施の形態に限定されない。
（実施の形態１）
本実施の形態１に係る発電装置は、燃料電池システムと、燃焼システムと、制御装置と、を備える発電装置であって、燃料電池システムは、燃料と酸化剤を用いて発電する燃料電池と、炭化水素を含む第１原料と水又は酸化剤である第２原料の改質反応により、燃料を生成する改質器と、改質器に第１原料を供給する第１原料供給装置と、改質器に第２原料を供給する第２原料供給装置と、燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、を備え、燃焼システムは、第１原料を燃焼する第１燃焼器と、第１燃焼器に第１原料を供給する第３原料供給装置と、第１燃焼器に、空気を供給する第１空気供給装置と、第１燃焼器で燃焼されている第１原料中の炭化水素に基づくイオン化電流値を測定するフレームロッドと、を備え、制御装置は、第１燃焼器に供給される第１原料の供給量及びイオン化電流の値を基に、改質器に供給する第１原料の供給量と改質器に供給する第２原料の供給量とが所定の比率となるように、第１原料供給装置及び第２原料供給装置を制御する態様を例示するものである。
また、本実施の形態１に係る発電装置では、制御装置が、燃料電池システムの発電運転中に、第１燃焼器に供給される第１原料の供給量、イオン化電流値、及び燃料電池の発電量を基に、改質器に供給する第１原料の供給量と改質器に供給する第２原料の供給量とが所定の比率となるように、第１原料供給装置及び第２原料供給装置を制御してもよい。
また、本実施の形態１に係る発電装置では、制御装置が、燃料電池システムの発電運転中に、第１燃焼器に供給される第１原料の供給量、イオン化電流値、燃料電池の発電量、及び改質器に供給される第１原料の供給量を基に、改質器に供給する第１原料の供給量と改質器に供給する第２原料の供給量とが所定の比率となるように、第１原料供給装置及び第２原料供給装置を制御してもよい。
さらに、本実施の形態１に係る発電装置では、制御装置が、イオン化電流値に基づき、第１燃焼器に供給される第１原料の供給量と第１燃焼器に供給される空気の供給量が所定の比率となるように、第３原料供給装置と第１空気供給装置を制御してもよい。
［発電装置の構成］
図１は、本実施の形態１に係る発電装置の概略構成を示す模式図である。
図１に示すように、本実施の形態１に係る発電装置１００は、燃料電池システム１０１と、燃焼システム１０２と、制御装置１０３と、を備えている。燃料電池システム１０１は、改質器１０、燃料電池１１、第１原料供給装置１２、第２原料供給装置１３、及び酸化剤供給装置１４を備えていて、燃焼システム１０２は、第１燃焼器２１、第３原料供給装置２２、第１空気供給装置２３、及びフレームロッド２４を備えている。
改質器１０には、第１原料供給路１５を介して、第１原料供給装置１２が接続されている。第１原料供給装置１２は、その供給量を調整しながら、第１原料を改質器１０に供給するように構成されている。第１原料供給装置１２としては、例えば、ポンプ、ファン、又はブロワ等が挙げられる。なお、第１原料供給路１５の基端は、天然ガスのインフラに接続されている。
また、改質器１０には、第２原料供給路１６を介して、第２原料供給装置１３が接続されている。第２原料供給装置１３は、その供給量を調整しながら、第２原料を改質器１０に供給するように構成されている。第２原料供給装置１３としては、例えば、第２原料が水蒸気改質に用いられる水であれば、回転式ポンプ又はプランジャ式ポンプ等が挙げられる。また、第２原料が部分酸化改質に用いられる空気であれば、第２原料供給装置１３としては、ファン又はブロワ等が挙げられる。
改質器１０は、改質触媒を有している。改質触媒としては、例えば、原料と水蒸気とから水素含有ガスを発生させる水蒸気改質反応を触媒することができれば、どの様な物質を使用してもよく、例えば、アルミナ等の触媒担体にルテニウム（Ｒｕ）を担持させたルテニウム系触媒や同様の触媒担体にニッケル（Ｎｉ）を担持させたニッケル系触媒等を使用することができる。また、改質器１０の改質触媒としては、オートサーマル改質反応を行うことができる触媒を使用してもよい。
本実施形態１においては、改質触媒として、水蒸気改質反応を触媒する触媒を用いている。このため、本実施の形態では、第１原料を天然ガスとし、第２原料を水とする構成を採用している。なお、改質反応が部分酸化改質である場合は、第２原料は酸素又は空気とする構成となる。
そして、改質器１０では、供給された原料と水蒸気との改質反応により、水素含有ガスが生成される。生成された水素含有ガスは、燃料として、燃料電池１１に供給される。
なお、本実施の形態１においては、改質器１０で生成された水素含有ガスが、燃料として、燃料電池１１に送出される構成としたが、これに限定されない。燃料電池システム１０１が、変成触媒（例えば、銅−亜鉛系触媒）を有する変成器、及び／又は、酸化触媒（例えば、ルテニウム系触媒）又はメタン化触媒（例えば、ルテニウム系触媒）を有する一酸化炭素除去器を備えていて、これらの機器を通過した後の水素含有ガスが、燃料電池１１に送出される構成であってもよい。
燃料電池１１には、酸化剤経路１７を介して、酸化剤供給装置１４が接続されている。酸化剤供給装置１４は、その供給量を調整しながら、酸化剤（例えば、空気）を燃料電池１１に供給するように構成されている。酸化剤供給装置１４としては、例えば、ファン又はブロワ等が挙げられる。
燃料電池１１は、アノード１１Ａとカソード１１Ｂを有している。燃料電池１１では、該燃料電池１１に供給された燃料及び酸化剤が、それぞれ、アノード１１Ａ及びカソード１１Ｂに供給される。そして、アノード１１Ａに供給された燃料とカソード１１Ｂに供給された酸化剤とが、反応して電気と熱が発生する。
なお、発生した電気は、図示されない電力調整器により、外部電力負荷（例えば、家庭の電気機器）に供給される。また、発生した熱は、図示されない熱媒体流路を通流する熱媒体が回収する。熱媒体が回収した熱は、例えば、水を加熱するのに使用することができる。さらに、燃料電池１１で消費されなかった残余燃料又は残余酸化剤は、燃料電池１１に接続された排ガス路１８を介して、発電装置１００の系外へ排出される。
また、本実施の形態１においては、燃料電池１１は、高分子電解質形燃料電池や直接内部改質型固体酸化物形燃料電池や間接内部改質型固体酸化物形燃料電池等の各種の燃料電池を用いることができる。また、本実施の形態１においては、燃料電池１１と改質器１０を別々に構成する態様を採用したが、これに限定されず、固体酸化物形燃料電池のように改質器１０と燃料電池１１とが一体で構成されていてもよい。また、直接内部改質型固体酸化物形燃料電池においては、燃料電池１１のアノード１１Ａが改質器１０の機能を有することから、燃料電池１１のアノードと改質器１０とが一体で構成されていてもよい。さらに、燃料電池１１の構成は、一般的な燃料電池と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
燃焼システム１０２の第１燃焼器２１には、第１原料供給流路２６を介して、第３原料供給装置２２が接続されている。第３原料供給装置２２は、その供給量を調整しながら、第１原料を第１燃焼器２１に供給するように構成されている。第３原料供給装置２２としては、例えば、ポンプ、ファン、又はブロワ等が挙げられる。なお、第１原料供給流路２６の基端は、天然ガスのインフラに接続されている。
また、第１燃焼器２１には、空気供給流路２７を介して、第１空気供給装置２３が接続されている。第１空気供給装置２３は、その供給量を調整しながら、空気を第１燃焼器２１に供給するように構成されている。第１空気供給装置２３としては、例えば、ファン又はブロワ等が挙げられる。
そして、第１燃焼器２１では、第３原料供給装置２２から供給された第１原料と、第１空気供給装置２３から供給された空気とが燃焼され、燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路２８から、発電装置１００外に排出される。
さらに、第１燃焼器２１には、フレームロッド２４が設けられていて、フレームロッド２４は、第１燃焼器２１で燃焼されている第１原料中の炭化水素に基づくイオン化電流値を測定し、該測定したイオン化電流を制御装置１０３に出力するように構成されている。
なお、フレームロッド２４を用いて、イオン化電流値を測定するのは、以下の理由による。第１原料である炭化水素は燃焼する際、イオン化電流を発生する。そして、そのイオン化電流値は、原料中の炭素の量に依存する。このため、イオン化電流値と、第１原料の供給量から、第１原料の単位流量当りに含まれる炭素数が導き出すことができる。具体的には、第１原料の供給量が一定である場合に、イオン化電流値が増加すると、炭素数が増加し、イオン化電流値が減少すると、炭素数が減少したことになる。
したがって、制御装置１０３は、第１原料の供給量が一定であり、かつ、第１原料の供給量と第２原料の供給量を所定の比率で供給する場合、イオン化電流値が増加すると、第２原料の供給量を増加させるように、第２原料供給装置１３を制御する。また、制御装置１０３は、第１原料の供給量が一定であり、かつ、第１原料の供給量と第２原料の供給量を所定の比率で供給する場合、イオン化電流値が減少すると、第２原料の供給量を減少させるように、第２原料供給装置１３を制御する。
制御装置１０３は、外部負荷の消費電力に応じて、燃料電池１１を発電するよう制御するように構成されている。制御装置１０３は、マイクロプロセッサ、ＣＰＵ等に例示される演算処理部と、各制御動作を実行するためのプログラムを格納した、メモリ等から構成される記憶部を備えている。そして、制御装置１０３は、演算処理部が、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、これらの情報を処理し、かつ、これらの制御を含む発電装置１００に関する各種の制御を行う。
制御装置１０３には、イオン化電流値、第１燃焼器２１への第１原料の供給量、及び第１燃焼器２１への酸素の供給量から単位流量当りの炭素数と水素数を導き出す演算式及び／又はテーブルが予め記憶されている。また、制御装置１０３には、改質反応に必要な第１原料の供給量と第２原料の供給量の比率が予め記憶されている。
また、制御装置１０３には、発電に必要な燃料を生成するための第１原料の供給量を、燃料電池１１の電流値と改質反応の効率により算出する演算式及び／又はテーブルと、発電に必要な酸化剤の供給量を算出する演算式及び／又はテーブルが記憶されている。
さらに、制御装置１０３には、燃料電池１１の発電量に必要な第１原料の供給量と、第１原料の単位流量当りの炭素数と、改質反応に必要な第１原料供給量と第２原料供給量の比率から、第２原料の供給量を導き出す演算式及び／又はテーブルが予め記憶されている。
そして、制御装置１０３は、第１燃焼器２１に供給される第１原料の供給量と、イオン化電流値と、図示されない電力調整器から取得した燃料電池１１の発電量と、から、上記各演算式及び／又はテーブルを用いて、改質器１０に供給する第１原料の供給量と第２原料の供給量を算出する。
なお、制御装置１０３は、単独の制御装置で構成される形態だけでなく、複数の制御装置が協働して発電装置１００の制御を実行する制御装置群で構成される形態であっても構わない。また、制御装置１０３は、マイクロコントロールで構成されていてもよく、ＭＰＵ、ＰＬＣ(Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ)、論理回路等によって構成されていてもよい。
［発電装置の動作］
まず、改質器１０に供給する第１原料の供給量と第２原料の供給量の算出方法について、説明する。
第１原料が、天然ガスの場合、天然ガスの組成は、メタン、プロパン、ブタン等の炭化水素と、水素又は窒素等が混合したものとなる。このため、炭化水素を、ＣαＨβ（α、βは正数）で表すと、第１原料の燃焼は、（式１）に示すようになる。
ＣαＨβ＋（２α＋β／２）Ｏ２→αＣＯ２＋（β／２）Ｈ２Ｏ・・・（式１）
実際は、（式２）に示すように、第１原料の燃焼を安定に行うために、第１原料の供給量に対する酸素の供給量を数倍（例えば、１．５〜２．０）となるように、空気を供給する。
ＣαＨβ＋ａ（２α＋β／２）Ｏ２→αＣＯ２＋（β／２）Ｈ２Ｏ＋（ａ-１）（２α＋β／２）Ｏ２・・・（式２）（ａは正数）
ここで、上述したように、制御装置１０３は、フレームロッド２４が測定したイオン電流値と、第１燃焼器２１に供給されている第１原料の供給量及び空気の供給量と、を基に、第１原料の単位流量あたりの炭素数（式２のα）と水素数（式２のβ）を算出することができる。
また、第１原料の改質反応は、（式３）、（式４）に示すようになる。
ＣαＨβ＋２αＨ２Ｏ→（（４α+β）／２）Ｈ２＋αＣＯ２・・・（式３）
ＣαＨβ＋（１／２）αＯ２→（β／２）Ｈ２＋αＣＯ・・・（式４）
改質反応は、（式３）に示すように、第２原料として水を用いた水蒸気改質、又は（式４）に示すように、第２原料に酸素を用いた部分酸化改質が代表的である。この他にも、水蒸気改質と部分酸化改質を併せたオートサーマル改質がある。
第１原料に対する第２原料の供給量は、実際は、第１原料の炭化防止や触媒劣化の防止、熱効率等の観点から、第１原料の供給量に対し、数倍（例えば、２．５〜３．０；所定の比率）となるように、第２原料を供給する。
ＣαＨβ＋２ｂαＨ２Ｏ→（（４α+β）／２）Ｈ２＋αＣＯ２＋２（ｂ−１）αＨ２Ｏ・・・（式５）（ｂは正数）
また、燃料電池は、以下に示す反応により電力を得る。
アノード：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ-・・・（式６）
カソード：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ-→Ｈ２Ｏ・・・（式７）
全体：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ・・・（式８）
（式６）、（式７）、（式８）に示すように、燃料電池１１の発電量により、発電に必要な燃料の供給量が決まる。
したがって、制御装置１０３は、算出した第１原料の単位流量あたりの炭素数（式２のα）と水素数（式２のβ）と、（式５）と、を基に、改質器１０に供給する第１原料の供給量と第２原料の供給量を算出することができる。具体的には、制御装置１０３は、燃料電池システム１０１の運転開始時には、算出した第１原料の単位流量あたりの炭素数（式２のα）と水素数（式２のβ）と、改質器１０の目標温度と、（式５）と、改質反応の効率と、を基に、改質器１０に供給する第１原料の供給量と第２原料の供給量を算出することができる。
また、制御装置１０３は、燃料電池システム１０１の発電運転中には、算出した第１原料の単位流量あたりの炭素数（式２のα）と水素数（式２のβ）と、燃料電池１１の発電量と、（式５）と、改質反応の効率と、を基に、改質器１０に供給する第１原料の供給量と第２原料の供給量を算出することができる。なお、この場合、改質器１０に供給されている第１原料の供給量を参照してもよい。
次に、本実施の形態１に係る発電装置１００の動作について、図１乃至図３を参照しながら説明をする。なお、発電装置１００の燃料電池システム１０１における発電動作、燃焼システム１０２における燃焼動作は、一般的な燃料電池システム、燃焼システムと同様に行われるので、その詳細な説明は省略する。
図２及び図３は、本実施の形態１に係る発電装置の動作を模式的に示すフローチャートである。具体的には、図２は、発電装置１００における燃焼システム１０２の動作を模式的に示すフローチャートである。図３は、発電装置１００における燃料電池システム１０１の動作を示すフローチャートである。
本実施の形態１に係る発電装置１００における燃焼システム１０２の動作について、図２を参照しながら説明する。
図２に示すように、制御装置１０３は、燃焼システム１０２が動作中であるか否かを判定する（ステップＳ１０１ａ）。制御装置１０３は、燃焼システム１０２が動作中である場合（ステップＳ１０１ａでＹｅｓ）には、ステップＳ１０４ａに進む。なお、ステップＳ１０４ａ以降の動作は、後述する。
一方、制御装置１０３は、燃焼システム１０２が動作中でない場合（ステップＳ１０１ａでＮｏ）には、燃料電池システム１０１が動作中であるか否かを判定する（ステップＳ１０２ａ）。制御装置１０３は、燃料電池システム１０１が動作中でない場合（ステップＳ１０２ａでＮｏ）には、第１原料及び第２原料の供給量の調整（原料投入比率調整）をする必要がないので、ステップＳ１０１ａに戻る。一方、制御装置１０３は、燃料電池システム１０１が動作中である場合（ステップＳ１０２ａでＹｅｓ）には、燃焼システム１０２の動作を開始させ（ステップＳ１０３ａ）、ステップＳ１０４ａに進む。
ステップＳ１０４ａでは、制御装置１０３は、フレームロッド２４から該フレームロッド２４が測定したイオン化電流値を取得する。ついで、制御装置１０３は、ステップＳ１０４ａで取得したイオン化電流値を増幅させて、増幅させた値をイオン化電圧値に変換する（ステップＳ１０５ａ）。
次に、制御装置１０３は、ステップＳ１０５ａで変換したイオン化電圧値と、予め該制御装置１０３に記憶されているイオン化電圧値と空気供給比率の相関演算式と、から現状の空気供給比率を算出する（ステップＳ１０６ａ）。ついで、制御装置１０３は、ステップＳ１０６ａで算出した空気供給比率が、所定の空気供給比率であるか否かを判定する（ステップＳ１０７ａ）。ここで、空気供給比率とは、第１原料の供給量に対する空気の供給量の比率をいう。また、本実施の形態１においては、所定の空気供給比率は、正常な燃焼状態を保つ観点から、１．２以上、かつ、１．８以下に設定されている。
制御装置１０３は、ステップＳ１０６ａで算出した空気供給比率が、所定の空気供給比率でない場合（ステップＳ１０７ａでＮｏ）には、第１空気供給装置２３の操作量を制御する。具体的には、第１空気供給装置２３から第１燃焼器２１に供給される空気の供給量を増大／減少させる（ステップＳ１０８ａ）。
そして、制御装置１０３は、ステップＳ１０６ａで算出した空気供給比率が、所定の空気供給比率になるまで、ステップＳ１０４ａ〜ステップＳ１０８ａを繰り返す。一方、制御装置１０３は、ステップＳ１０６ａで算出した空気供給比率が、所定の空気供給比率である場合（ステップＳ１０７ａでＹｅｓ）には、ステップＳ１０９ａに進む。
ステップＳ１０９ａでは、制御装置１０３は、ステップＳ１０６ａで算出した空気供給比率と、そのときの第１空気供給装置２３が供給する空気供給量を記憶し、本フローを終了する。
次に、本実施の形態１に係る発電装置１００の燃料電池システム１０１の動作について、図３を参照しながら説明する。
図３に示すように、制御装置１０３は、燃料電池システム１０１が動作中であるか否かを判定する（ステップＳ１０１ｂ）。なお、燃料電池システム１０１の動作中には、制御装置１０３に、燃料電池システム１０１の起動指令が入力された場合も含む。
制御装置１０３は、燃料電池システム１０１が動作していない場合（ステップＳ１０２ｂでＮｏ）には、原料投入比率調整は必要ないので、ステップＳ１０１ｂへ戻り、燃料電池システム１０１が動作中になるまで、ステップＳ１０１ｂを繰り返す。
一方、制御装置１０３は、燃料電池システム１０１が動作中である場合（ステップＳ１０１ｂでＹｅｓ）には、現在供給されている、第１原料供給量と第２原料供給量を記録する（ステップＳ１０２ｂ）。なお、燃料電池システム１０１の起動動作中の場合には、ステップＳ１０２ｂは、省略される。
次に、制御装置１０３は、フレームロッド２４からイオン化電流値を取得し、また、上述した燃焼システム１０２の動作（ステップＳ１０６ａ）で記憶した空気供給比率と、第１空気供給装置２３が供給する空気供給量と、を取得する（ステップＳ１０３ｂ）。ついで、制御装置１０３は、ステップＳ１０３で取得したイオン化電流値、空気供給比率、及び空気供給量と、制御装置１０３に記憶されている演算式及び／又はテーブルと、を基に、第１原料の組成を算出する（第１原料の単位流量あたりの炭素数と水素数を算出する）（ステップＳ１０４ｂ）。
次に、制御装置１０３は、図示されない電力調整器から燃料電池１１の発電量を取得する（ステップＳ１０５ｂ）。ついで、制御装置１０３は、ステップＳ１０４ｂで算出した第１原料の組成と、ステップＳ１０５ｂで取得した燃料電池１１の発電量と、制御装置１０３に記憶されている演算式及び／又はテーブルと、を基に、改質器１０に供給する第１原料の供給量を算出する（ステップＳ１０６ｂ）。ついで、制御装置１０３は、ステップＳ１０６で算出した第１原料の供給量となるように、第１原料供給装置１２を制御する（ステップＳ１０７ｂ）。
次に、制御装置１０３は、ステップＳ１０２で記憶した第２原料の供給量と、ステップＳ１０６で算出した第１原料の供給量と、を基に、第１原料の供給量と第２原料の供給量の比率（原料投入比率）を算出する（ステップＳ１０８ｂ）。ついで、制御装置１０３は、ステップＳ１０８ｂで算出した原料投入比率が、所定の原料投入比率であるか否かを判定する（ステップＳ１０９ｂ）。ここで、所定の原料投入比率（第２原料の供給量／第１原料の供給量）は、第１原料の炭化防止や触媒劣化の防止、熱効率等の観点から、２．５〜３．０となるように設定されている。
制御装置１０３は、ステップＳ１０８ｂで算出した原料投入比率が、所定の原料投入比率でない場合（ステップＳ１０９ｂでＮｏ）には、第２原料供給装置１３の操作量を制御する。具体的には、第２原料供給装置１３から改質器１０に供給される第２原料の供給量を増大／減少させる（ステップＳ１１０ｂ）。
そして、制御装置１０３は、ステップＳ１０８ｂで算出した原料投入比率が、所定の原料投入比率になるまで、ステップＳ１０８ｂ〜ステップＳ１１０ｂを繰り返す。一方、制御装置１０３は、ステップＳ１０８ｂで算出した原料投入比率が、所定の原料投入比率である場合（ステップＳ１０９ｂでＹｅｓ）には、本フローを終了する。
これにより、原料組成が変動しても、第１原料に対する第２原料の供給量を調整することができ、安定な燃料生成と発電が可能となる。
このように、本実施の形態１に係る発電装置１００では、原料組成が変動する場合でも、第１原料に対する第２原料の供給量を調整することができ、安定な燃料生成と発電が可能となる。
特に、従来の燃料電池システムでは、燃料電池で使用されなかったオフガスを燃焼器で燃焼していることから、燃料電池システムの発電運転中に、原料組成が変動した場合には、対応することができない。
しかしながら、本実施の形態１に係る発電装置１００では、原料を直接燃焼する燃焼システム１０２（例えば、ボイラー等）に設けられているフレームロッド２４からイオン化電流値を取得することにより、燃料電池システム１０１で発電運転中に、原料組成が変動した場合であっても、第１原料に対する第２原料の供給量を調整することができ、安定な燃料生成と発電が可能となる。
（実施の形態２）
本実施の形態２に係る発電装置は、燃料電池システムが、改質器を加熱するために、燃料電池で用いた燃料を燃焼する第２燃焼器と、第２燃焼器に空気を供給するための第２空気供給装置と、をさらに備え、制御装置は、第１燃焼器に供給される第１原料の供給量、第１燃焼器に供給される空気の供給量、及びイオン化電流値を基に、第２燃焼器に供給する燃料の供給量と第２燃焼器に供給する空気の供給量とが所定の比率となるように、第１原料供給装置及び第２空気供給装置を制御する態様を例示するものである。
［発電装置の構成］
図４は、本実施の形態２に係る発電装置の概略構成を示す模式図である。
図４に示すように、本実施の形態２の発電装置１００は、実施の形態１に係る発電装置１００と基本的に同じであるが、燃料電池システム１０１が、改質器１０及び該改質器１０を加熱する第２燃焼器７２を有する改質装置７１と、第２空気供給装置７３と、を備えている。
本実施の形態２に係る発電装置１００は、本実施の形態１の係る発電装置１００と基本的構成は同じであるが、燃料電池システム１０１が、水蒸気改質反応を行う改質器１０及び第２燃焼器７２を有する改質装置７１と、第２空気供給装置７３と、を備えている点が異なる。
改質反応のうち、水蒸気改質反応は、部分酸化改質又はオートサーマル改質とは異なり、吸熱反応の改質反応であるため、燃焼器又はヒータ等により改質装置を加熱する必要がある。このため、本実施の形態２に係る発電装置１００では、改質装置７１が、改質器１０と、第２燃焼器７２と、を有している。
改質装置７１の第２燃焼器７２には、オフ燃料経路７４を介して、燃料電池１１が接続されている。これにより、燃料電池１１のアノード１１Ａで使用されなかったオフ燃料が、オフ燃料経路７４を通流して、第２燃焼器７２に供給される。
また、第２燃焼器７２には、空気供給路７５を介して、第２空気供給装置７３が接続されている。第２空気供給装置７３は、その供給量を調整しながら、空気を第２燃焼器７２に供給するように構成されている。第２空気供給装置７３としては、例えば、ファン又はブロワ等が挙げられる。
そして、第２燃焼器７２では、供給されたオフ燃料である水素と、第２空気供給装置７３から供給される空気により燃焼を行い、改質反応に必要なエネルギーを生成し、燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、燃焼排ガス路７６を通じて、発電装置１００の系外へ排出される。
また、制御装置１０３には、第２燃焼器７２での残余燃料を用いた燃焼を安定に行うための所定の空気供給比率が予め記憶されている。ここで、本実施の形態２における空気供給比率とは、残余燃料の供給量に対する空気の供給量の比率をいう。なお、本実施の形態２においては、所定の空気供給比率は、正常な燃焼状態を保つ観点から、１．２以上、かつ、２．０以下に設定されている。
［発電装置の動作］
まず、第２燃焼器７２に供給される残余燃料の供給量と空気供給量について、説明する。
第２燃焼器７２では、燃料電池１１の発電中には、燃料である水素を燃焼するが、正常な燃焼状態を保つ観点から、残余燃料（オフ燃料）の供給量に対し、所定の空気供給比率（式９におけるｄ）となるように、第２燃焼器７２に空気が供給される。
Ｈ２＋１／２ｄＯ２→Ｈ２Ｏ＋１／２（１−ｄ）Ｏ２・・・（式９）
制御装置１０３は、上述したように、フレームロッド２４が測定したイオン電流値と、第１燃焼器２１に供給されている第１原料の供給量及び空気の供給量と、を基に、第１原料の単位流量あたりの炭素数（式２のα）と水素数（式２のβ）を算出することができる。また、燃料電池１１の発電量により、発電に必要な燃料の供給量が決まる。このため、制御装置１０３は、予め記憶されている演算式及び／又はテーブルを用いて、燃料電池１１で使用されずに、第２燃焼器７２に供給される残余燃料の供給量を算出することができる。
そして、制御装置１０３は、算出した残余燃料の供給量と、予め記憶されている所定の空気供給比率と、を基に、第２燃焼器７２に供給する空気の供給量を算出することができる。
次に、図５を参照しながら、本実施の形態２に係る発電装置１００の動作について説明する。本実施の形態２の発電装置の動作は、実施の形態１と基本的に同じであるが、燃料電池システム１０１の第２燃焼器の安定燃焼動作が加わる。
図５は、本実施の形態２に係る発電装置の動作を模式的に示すフローチャートであり、具体的には、燃料電池システム１０１の動作を模式的に示すフローチャートである。
図５に示すように、本実施の形態２に係る発電装置００では、ステップＳ７０１ｃからステップＳ７０６ｃまでは、図３に示すステップＳ１０１ｂからステップＳ１０６ｂと同じ動作が行われる。以下、図５のステップＳ７０７ｃ以降の処理について説明する。
制御装置１０３は、燃料電池１１の発電量を取得し（ステップＳ７０５ｃ）、発電に必要な燃料の供給量と、改質器１０に供給する第１原料の供給量を算出する（ステップＳ７０６ｃ）。ついで、制御装置１０３は、ステップＳ７０６ｃで算出した燃料の供給量から燃料電池１１で消費されない残余燃料量を算出する（ステップＳ７０７ｃ）。
次に、制御装置１０３は、ステップＳ７０７ｃで算出した残余燃料量と、予め記憶されている第２燃焼器７２における所定の空気供給比率と、を基に、第２燃焼器７２に供給する空気の供給量を算出する（ステップＳ７０８ｃ）。そして、制御装置１０３は、ステップＳ７０８ｃで算出した空気供給量となるように、第２空気供給装置７３を制御し（ステップＳ７０９ｃ）、本フローを終了する。
このように構成された、本実施の形態２に係る発電装置１００であっても、実施の形態１に係る発電装置１００と同様の作用効果を奏する。
なお、図５に示してはいないが、制御装置１０３は、改質器１０に供給される第１原料と第２原料の供給量の算出と、第２原料供給装置１３の制御は、実施の形態１と同様に行う。
［変形例１］
次に、本実施の形態２に係る発電装置１００の変形例について説明する。
本実施の形態２における変形例１の発電装置は、改質器の温度を検知する温度検知器をさらに備え、制御装置は、燃料電池システムの発電運転中に、第１燃焼器に供給される第１原料の供給量、イオン化電流値、燃料電池の発電量、及び改質器の温度を基に、改質器に供給する第１原料の供給量と改質器に供給する第２原料の供給量とが所定の比率となるように、第１原料供給装置及び第２原料供給装置を制御する態様を例示するものである。
［発電装置の構成］
図６は、本実施の形態２における変形例１の発電装置の概略構成を示す模式図である。
図６に示すように、本変形例１の発電装置１００は、実施の形態２に係る発電装置と基本的構成は同じであるが、改質器１０の温度を検知する温度検知器７７が設けられている点が異なる。
温度検知器７７は、改質器１０の温度を検知し、検知した温度を制御装置１０３に出力するように構成されている。温度検知器７７としては、熱電対又はサーミスタ等が例示される。
［発電装置の動作］
図７は、本実施の形態２における変形例１の発電装置の動作を模式的に示すフローチャートであり、具体的には、燃料電池システム１０１の動作を模式的に示すフローチャートである。
図７に示すように、本変形例１の発電装置１００では、ステップＳ７０１ｃからステップＳ７０９ｃまでは、図５に示すステップＳ７０１ｃからステップＳ７０９ｃと同じ動作が行われる。以下、図７のステップＳ７１０ｃの処理について説明する。
制御装置１０３は、ステップＳ７０８ｃで算出した空気供給量となるように、第２空気供給装置７３を制御する（ステップＳ７０９ｃ）。ついで、制御装置１０３は、温度検知器７７から該温度検知器７７が検知した改質器１０の温度を取得する（ステップＳ７１０ｃ）。
次に、制御装置１０３は、ステップＳ７１０で取得した改質器１０の温度を基に、燃料電池システム１０１の各機器を制御する（ステップＳ７１１ｃ）。具体的には、例えば、従来の燃料電池システムと同様に、制御装置１０３は、ステップＳ７１０で取得した改質器１０の温度が、所定の温度よりも低い／高い場合には、第１原料、第２原料、及び空気の供給量を再び算出し、算出した第１原料、第２原料、及び空気の供給量となるように、第１原料供給装置１２、第２原料供給装置１３、及び第２空気供給装置７３を制御する。
このように構成された、本変形例１の発電装置１００であっても、実施の形態２に係る発電装置１００と同様の作用効果を奏する。
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。したがって、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の要旨を逸脱することなく、その構造及び/または機能の詳細を実質的に変更できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。
本発明の発電装置及びその運転方法では、天然ガスのようなガス組成が変化する原料を用いても安定な燃料ガス生成が可能となり、安定で効率のよい発電が可能であるので、燃料電池の分野で有効である。
１０ 改質器
１１ 燃料電池
１１Ａ アノード
１１Ｂ カソード
１２ 第１原料供給装置
１３ 第２原料供給装置
１４ 酸化剤供給装置
１５ 第１原料供給路
１６ 第２原料供給路
１７ 酸化剤経路
１８ 排ガス路
２１ 第１燃焼器
２２ 第３原料供給装置
２３ 第１空気供給装置
２４ フレームロッド
２６ 第１原料供給流路
２７ 空気供給流路
２８ 燃焼排ガス流路
７１ 改質装置
７２ 第２燃焼器
７３ 第２空気供給装置
７４ オフ燃料経路
７５ 空気供給路
７６ 燃焼排ガス路
１００ 発電装置
１０１ 燃料電池システム
１０２ 燃焼システム
１０３ 制御装置

Claims (8)

  1. 燃料電池システムと、燃焼システムと、制御装置と、を備える発電装置であって、
    前記燃料電池システムは、
    燃料と酸化剤を用いて発電する燃料電池と、
    炭化水素を含む第１原料と水又は酸化剤である第２原料の改質反応により、前記燃料を生成する改質器と、
    前記改質器に前記第１原料を供給する第１原料供給装置と、
    前記改質器に前記第２原料を供給する第２原料供給装置と、
    前記燃料電池に前記酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、を備え、
    前記燃焼システムは、
    前記第１原料を燃焼する第１燃焼器と、
    前記第１燃焼器に前記第１原料を供給する第３原料供給装置と、
    前記第１燃焼器に、空気を供給する第１空気供給装置と、
    前記第１燃焼器で燃焼されている前記第１原料中の炭化水素に基づくイオン化電流値を測定するフレームロッドと、を備え、
    前記制御装置は、前記第１燃焼器に供給される前記第１原料の供給量及び前記イオン化電流値を基に、前記改質器に供給する前記第１原料の供給量と前記改質器に供給する前記第２原料の供給量とが所定の比率となるように、前記第１原料供給装置及び前記第２原料供給装置を制御する、発電装置。
  2. 前記制御装置は、前記燃料電池システムの発電運転中に、前記第１燃焼器に供給される前記第１原料の供給量、前記イオン化電流値、及び前記燃料電池の発電量を基に、前記改質器に供給する前記第１原料の供給量と前記改質器に供給する前記第２原料の供給量とが所定の比率となるように、前記第１原料供給装置及び前記第２原料供給装置を制御する、請求項１に記載の発電装置。
  3. 前記制御装置は、前記燃料電池システムの発電運転中に、前記第１燃焼器に供給される前記第１原料の供給量、前記イオン化電流値、前記燃料電池の発電量、及び前記改質器に供給される前記第１原料の供給量を基に、前記改質器に供給する前記第１原料の供給量と前記改質器に供給する前記第２原料の供給量とが所定の比率となるように、前記第１原料供給装置及び前記第２原料供給装置を制御する、請求項１又は２に記載の発電装置。
  4. 前記改質器の温度を検知する温度検知器をさらに備え、
    前記制御装置は、前記燃料電池システムの発電運転中に、前記第１燃焼器に供給される前記第１原料の供給量、前記イオン化電流値、前記燃料電池の発電量、及び前記改質器の温度を基に、前記改質器に供給する前記第１原料の供給量と前記改質器に供給する前記第２原料の供給量とが所定の比率となるように、前記第１原料供給装置及び前記第２原料供給装置を制御する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電装置。
  5. 前記制御装置は、前記イオン化電流値に基づき、前記第１燃焼器に供給される前記第１原料の供給量と前記第１燃焼器に供給される前記空気の供給量が所定の比率となるように、前記第３原料供給装置と前記第１空気供給装置を制御する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電装置。
  6. 前記燃料電池システムは、前記改質器を加熱するために、前記燃料電池で用いた燃料を燃焼する第２燃焼器と、前記第２燃焼器に空気を供給するための第２空気供給装置と、をさらに備え、
    前記制御装置は、前記第１燃焼器に供給される前記第１原料の供給量、前記第１燃焼器に供給される空気の供給量、及び前記イオン化電流値を基に、前記第２燃焼器に供給する前記燃料の供給量と前記第２燃焼器に供給する前記空気の供給量とが所定の比率となるように、前記第１原料供給装置及び前記第２空気供給装置を制御する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発電装置。
  7. 燃料電池システムと、燃焼システムと、制御装置と、を備える発電装置の運転方法であって、
    前記燃料電池システムは、
    燃料と酸化剤を用いて発電する燃料電池と、
    炭化水素を含む第１原料と、水又は酸化剤である第２原料と、の改質反応により、前記燃料を生成する改質器と、
    前記改質器に前記第１原料を供給する第１原料供給装置と、
    前記改質器に前記第２原料を供給する第２原料供給装置と、
    前記燃料電池に前記酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、を備え、
    前記燃焼システムは、
    前記第１原料を燃焼する第１燃焼器と、
    前記第１燃焼器に前記第１原料を供給する第３原料供給装置と、
    前記第１燃焼器に、空気を供給する第１空気供給装置と、
    前記第１燃焼器で燃焼されている前記第１原料中の炭化水素に基づくイオン化電流値を測定するフレームロッドと、を備え、
    前記第１燃焼器に供給される前記第１原料の供給量及び前記イオン化電流値を基に、前記改質器に供給する前記第１原料の供給量と前記改質器に供給する前記第２原料の供給量とが所定の比率となるように、前記第１原料供給装置及び前記第２原料供給装置が作動する、発電装置の運転方法。
  8. 前記燃料電池システムは、前記改質器を加熱するために、前記燃料電池で用いた燃料を燃焼する第２燃焼器と、前記第２燃焼器に空気を供給するための第２空気供給装置と、をさらに備え、
    前記第１燃焼器に供給される前記第１原料の供給量、前記第１燃焼器に供給される空気の供給量、及び前記イオン化電流値を基に、前記第２燃焼器に供給する前記燃料の供給量と前記第２燃焼器に供給する前記空気の供給量とが所定の比率となるように、前記第１原料供給装置及び前記第２空気供給装置が作動する、請求項７に記載の発電装置の運転方法。






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