JP6103624B2 - 熱電併給型調整用電源及び熱電併給システム - Google Patents

Description

本発明は、熱電併給型調整用電源及び熱電併給システムに関する。

電気事業者は、２４時間絶え間なく電力を安定して配電網に供給するため、定格運転を行う発電手段を備えるとともに、負荷調整用発電手段を備えている。負荷調整用発電手段は、待機状態で運転して発電を実施しているものである。例えば、夏場の昼間などに負荷が急激に上昇する際に負荷調整用発電手段を稼働させることで、その負荷変動に追随させている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、負荷調整用発電手段は、発電効率をある程度犠牲にして運転するものであるから、燃費が悪いという問題がある。

一方、需要家施設などに熱電併給装置を設置し、熱電併給を行うものがある。その熱電併給装置としては、負荷率に中間で発電効率がピークとなる特性を有するＭＣＦＣを用いたものがある（例えば、特許文献２参照）。

このような熱電併給装置を負荷調整用発電手段として用いる場合、高出力にしてより多くの電力を発電し、該電力を電気事業者側に提供することで、電力系統における負荷上昇に追随することができる。しかしながら、上述したような特性では、高出力にするほど発電効率は低下するため、燃費が悪化してしまう。また、高出力で運転する際には、熱の需要に対して供給過剰となる場合がある。この場合、余剰の熱は系外に排出されるため、熱が有効利用されていない。

特開２００５−２９５７１３号公報 特開２００４−７１２７９号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、電力系統側において効率良く電力を安定供給することができるとともに、熱電併給側において効率良く低コストで熱電併給することができる熱電併給型調整用電源及び熱電併給システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、燃料供給事業者が所有する燃料供給手段から燃料が供給され、出力が一定となるように前記燃料供給事業者のものとして稼働する固体酸化物型燃料電池である第１燃料電池と、前記燃料供給手段から供給される燃料により発電した電気を電気事業者が所有する電力系統に送電可能であり、出力が変動するように前記電気事業者のものとして稼働する固体酸化物型燃料電池である第２燃料電池と、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から排出された未燃の燃料で駆動するガスタービンと、前記ガスタービンと同軸上に接続されるガスタービン圧縮機と、前記ガスタービンから排出された排ガスの熱により温水又は蒸気を生成する排熱回収装置と、電気及び前記排熱回収装置で生成された蒸気で駆動して空気を圧縮する空気圧縮装置とを備え、前記第１燃料電池には、前記ガスタービンとともに駆動する前記ガスタービン圧縮機により圧縮された空気が供給され、前記第２燃料電池には、前記空気圧縮装置で圧縮された空気が供給されることを特徴とする熱電併給型調整用電源にある。

かかる第１の態様では、第１燃料電池と第２燃料電池とを異なる事業者が稼働させることで、電力系統側においてエネルギー効率よく電力を安定供給することができるとともに、効率良く低コストで熱電併給することができる。

すなわち、熱電併給型調整用電源は、電気事業者にとって、効率のよい電源として機能する。従来では、電気事業者は、電力需要の増減を吸収するために、効率を落として運転させる負荷調整用の火力発電所を有していたが、これが不要、又は数を少なくすることができるため、特に費用面の負担を著しく低減することができる。

さらに、負荷増大時に第２燃料電池の出力を増大させるが、この出力の増大に伴う発熱で蒸気を生成し、この蒸気で、第２燃料電池に供給する空気を圧縮するための空気圧縮装置を駆動させることができる。これにより、負荷増大時において生じる熱を系外に排気することなく、有効利用することができる。

また、熱電併給型調整用電源は、燃料供給事業者にとって、負荷の状況に関わらず最もエネルギー効率がよく、一定の出力で稼働することになるので、燃費がよく経済的に熱電併給を行うことができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する熱電併給型調整用電源において、前記第２燃料電池は、当該熱電併給型調整用電源の熱需要に変動に応じて出力が変動することを特徴とする熱電併給型調整用電源にある。

かかる第２の態様では、熱需要が変動した際に、第２燃料電池の出力を変動させることで当該熱需要の変動に対応することができる。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様に記載する熱電併給型調整用電源において、前記第２燃料電池は、前記電力系統の電力需要の変動に応じて出力が変動することを特徴とする熱電併給型調整用電源にある。

かかる第３の態様では、電気需要が変動した際に、第２燃料電池の出力を変動させることで当該電気需要の変動に対応することができる。

本発明の第４の態様は、第１〜第３の何れか一つの態様に記載する熱電併給型調整用電源を複数備え、各熱電併給型調整用電源が発電した電気を他の熱電併給型調整用電源の前記空気圧縮装置で利用可能としたことを特徴とする熱電併給システムにある。

かかる第４の態様では、ある熱電併給型調整用電源側で増大する熱需要に応えるために、他の熱電併給型調整用電源は、電気という形でその熱電併給型調整用電源の熱供給能力を補完することができる。このように複数の熱電併給型調整用電源を用いて全体として熱電併給を実施するので、いわゆるコジェネシステムを個別に設置する場合に比べて熱効率がよい。

本発明の熱電併給型調整用電源は、電力系統側において効率良く電力を安定供給することができるとともに、熱電併給側において効率良く低コストで熱電併給することがでる。

実施形態に係る熱電併給型調整用電源の概略構成図である。 本実施形態に係る熱電併給型調整用電源の詳細な構成図である。 通常運転時の熱電併給型調整用電源の動作を説明する概略図である。 負荷増大時の熱電併給型調整用電源の動作を説明する概略図である。 負荷減少時の熱電併給型調整用電源の動作を説明する概略図である。 第１燃料電池及び第２燃料電池の出力、熱電併給型調整用電源全体の熱出力及びガスタービンの出力を示すグラフである。 熱電併給型調整用電源全体、第１燃料電池及び第２燃料電池の出力と発電効率との関係を示すグラフである。 熱電併給システムの概略構成図である。

〈実施形態１〉
以下、燃料供給事業者として燃料ガスを供給するガス事業者を例にとり、該ガス事業者及び電気事業者により運用される本発明の熱電併給型調整用電源について説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る熱電併給型調整用電源１は、需要家施設に配備されている。

ガス事業者は、燃料として天然ガスを供給するガス供給手段２０（燃料供給手段）を所有している。ガス供給手段２０は、需要家施設の熱電併給型調整用電源１に天然ガスを供給可能になっている。

電気事業者は、発電を行う火力発電所１１や変電、送電、配電する送配電網１０を含む電力系統を有している。火力発電所１１は、定格時に高効率で運転される発電設備を備えたものである。なお、従来では、電気事業者は、定格時に高効率で運転されると共に、負荷待機時に効率を落として低効率で運転される発電設備を備えた負荷調整用の火力発電所を有していた。詳細は後述するが、本発明によれば、このような負荷調整用の火力発電所が不要となるか、若しくはその設備数を低減することができる。火力発電所１１は、送配電網１０を介して、需要家施設の負荷４に送電可能となっている。

熱電併給型調整用電源１は、詳細な構成は後述するが、次のような機能を有している。一つは、ガス供給手段２０（燃料供給手段）から燃料として天然ガスが供給され、該天然ガスを用いて発電する機能である。そして、発電した電気を需要家施設に配置された負荷４に送電可能となっている。さらに、該電気は、電気事業者の送配電網１０に送電（売電）可能となっている。

また、熱電併給型調整用電源１は、発電時に生じた排熱を用いて熱を供給する機能を有している。具体的には、排熱を温水や水蒸気として需要家施設の給水設備５や暖房設備６や蒸気設備７等に供給可能となっている。なお、温水はタンク等に貯留するようにしてもよい。

また、熱電併給型調整用電源１には、出力を制御する制御装置８が取り付けられており、電気事業者側の制御装置１２からの制御信号により熱電併給型調整用電源１の出力を変更することが可能となっている。

図２を用いて、熱電併給型調整用電源１の詳細な構成について説明する。図２は、本実施形態に係る熱電併給型調整用電源の詳細な構成図である。

熱電併給型調整用電源１は、発電装置３０を備えている。発電装置３０は、ガス供給手段２０（図１参照）により供給された天然ガスを用いて発電するものである。具体的には、発電装置３０は、内部を高温・高圧に保持可能な容器３１に、複数（ここでは２つ）の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が設けられたものである。

ＳＯＦＣは、電解質層を挟んで空気極と燃料極（図示せず）とが設けられたものである。燃料極側には、燃料ガス室を経由して水素ガスが供給され、空気極側には空気室を介して空気が供給されるようになっている。

本実施形態では、発電装置３０は、容器３１内に収容されたＳＯＦＣを２つ有している。これらのうち１つを第１燃料電池Ａ、他の１つを第２燃料電池Ｂとする。

第１燃料電池Ａは、ガス供給手段２０から天然ガスが供給され、ガス事業者のものとして稼働するものである。「第１燃料電池Ａがガス事業者のものとして稼働する」とは、ガス事業者が第１燃料電池Ａの運転に関するコスト（燃料の費用やメンテナンス費用など）を負担し、また、第１燃料電池Ａで発電した電力を販売して利益を得ること、さらには第１燃料電池Ａの排熱により製造した温水や蒸気を販売して利益を得ることをいう。

第２燃料電池Ｂは、発電した電力を電力系統に送電可能であり、電気事業者のものとして稼働するものである。「第２燃料電池Ｂが電気事業者のものとして稼働する」とは、電気事業者が第２燃料電池Ｂの運転に関するコスト（燃料の費用やメンテナンス費用など）を負担し、また、第２燃料電池Ｂで発電した電力を送配電網１０に供給することをいう（電力を需要家施設に販売してもよい）。さらには第２燃料電池Ｂの排熱により製造した温水や蒸気を販売して利益を得てもよい。

第１燃料電池Ａは、出力が一定となるように稼働するように制御されている。第２燃料電池Ｂは、電力系統の電力需要の変動、又は熱需要の変動に応じて出力が変動するように制御されている。第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂの動作の詳細については後述する。

さらに、少なくとも第１燃料電池Ａは（場合によっては第２燃料電池Ｂも）、その排熱を熱交換器４３に供給可能となっている。これにより、熱交換器４３は、第１燃料電池Ａで生じた排熱で熱交換して温水や水蒸気を製造することが可能となっている。

また、容器３１内には、改質器３２が配置されている。改質器３２は、ガス供給手段２０から供給される天然ガスを改質して水素ガスを生成するものである。改質器３２は、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂの各燃料ガス室に接続されており、それらに水素ガスを供給可能になっている。

さらに、容器３１内には、予熱器３３が配置されている。予熱器３３は、後述するガスタービン（ＧＴ）圧縮機４６から空気が供給され、該空気をＳＯＦＣの動作温度に予熱するものである。予熱器３３は、第１燃料電池Ａの空気室に接続されており、それらに予熱した空気を供給可能になっている。

一方、熱電併給型調整用電源１は、空気圧縮装置４８を備えている。空気圧縮装置４８は、圧縮機４９、これの動力源となるスチームモータ５０及び電動モータ５１を備えている。

圧縮機４９は、予熱器３５を介して第２燃料電池Ｂの空気室に接続されている。このような構成により、ＳＯＦＣの動作温度に予熱された圧縮空気が第２燃料電池Ｂの空気室に供給可能となっている。また、スチームモータ５０は、後述する熱交換器４３で生成された蒸気により駆動し、圧縮機４９に回転動力を伝達するものである。なお、スチームモータ５０で仕事をした蒸気は図示しない冷却器により水となり熱交換器４３に供給される。電動モータ５１は、系内・系外の電気により駆動し、圧縮機４９に回転動力を伝達するものである。

このような空気圧縮装置４８は、スチームモータ５０及び電動モータ５１が同軸で圧縮機４９に接続されており、電気、蒸気の双方または何れか一方を動力源として圧縮機４９を運転させることが可能となっている。

上述したＧＴ圧縮機４６及び空気圧縮装置４８により、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂの各空気室は、空気が独立して供給されるように構成されている。

そして、これらの第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂは、改質器３２から水素ガス、予熱器３３及び予熱器３５から空気が供給されて発電する。発電した電気は集電され、インバータ３４を介して負荷４若しくは送配電網１０（図１参照）に供給される。

熱電併給型調整用電源１は、発電装置３０の排熱により熱供給手段４０を有している。本実施形態では、熱供給手段４０は熱を温水・水蒸気として供給するほか、発電も行う、いわゆるコジェネシステムとして実装されている。

具体的には、熱供給手段４０は、ガス供給手段２０から供給される天然ガスを燃焼する燃焼器４１と、燃焼器４１で燃焼されて生じる燃焼ガスにより駆動するガスタービン４２と、熱交換器４３（請求項の排熱回収装置の一例である。）を有している。

熱交換器４３は、ガスタービン４２で仕事をしたガスの排熱を熱交換して温水や水蒸気を生成するものである。さらに、熱交換器４３は、第１燃料電池Ａの排熱を熱交換して温水や水蒸気を生成するものである。なお、熱交換器４３は、第２燃料電池Ｂの排熱を利用してもよい。得られた温水や水蒸気は、需要家施設の給水設備５，暖房設備６及び蒸気設備７に供給される。さらに、水蒸気は、後述する空気圧縮装置４８の圧縮機４９にも供給可能となっている。

ガスタービン４２には、同軸上に発電機４４が設けられており、ガスタービン４２の運転に伴い発電する。発電機４４で発電された電気は負荷４や送配電網１０に供給可能となっている。

また、熱供給手段４０は、混合器４５を有している。混合器４５は、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂに供給された水素ガスや空気のうち未反応分が供給される。混合器４５は、これらの水素ガスや空気の混合ガスを生成し、燃焼器４１に供給するようになっている。これにより、燃焼器４１においては、燃料ガスと共に混合ガスが燃焼される。

このように、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂのそれぞれから排出された未反応の燃料は、燃焼器４１及び混合器４５で燃焼された後、共通したガスタービン４２に供給される構成となっている。

さらに、ガスタービン４２には、同軸上にガスタービン（ＧＴ）圧縮機４６が接続されている。ＧＴ圧縮機４６は、ガスタービン４２の動力により外部の空気を圧縮するものである。ＧＴ圧縮機４６で圧縮された空気は、燃焼器４１に供給されると共に、発電装置３０の予熱器３３に供給される。

なお、熱供給手段４０は、コジェネシステムとして構成されているがこのような態様に限定されない。例えば、発電装置３０で生じる排ガス（第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂから排出されたガス）の熱を用いて熱を供給する熱交換器を熱供給手段としてもよい。

上述した熱電併給型調整用電源１においては、発電装置３０は燃料ガス（天然ガス）を用いて発電し、発電した電気を負荷４又は送配電網１０に供給することが可能となっている。また、熱供給手段４０は、燃料ガス、若しくは発電装置３０で未反応の水素ガス及び空気を用いて、発電すると共に生じた排熱を用いて温水や水蒸気を生成し、需要家施設の給水設備５や暖房設備６や蒸気設備７に供給することが可能となっている。

図３〜図５を用いて、熱電併給型調整用電源１の動作を説明する。図３は通常運転時の熱電併給型調整用電源１の動作を説明する概略図である。通常運転時とは、熱電併給型調整用電源１が電力需要に応じて出力を増減させていないときをいう。

図３左上のグラフは、熱電併給型調整用電源１全体について、負荷率とエネルギー効率の特性を示すグラフである。Ｘ軸は負荷率（プラント負荷率）を表し、Ｙ軸はエネルギー効率を表している。

熱電併給型調整用電源１は、エネルギー効率が負荷率の中間でピークとなる特性を有する。エネルギー効率とは、熱電併給型調整用電源１の発電効率である。また、負荷率とは、ある期間中の負荷の平均需要電力と最大需要電力の割合をいう。

「熱電併給型調整用電源１の特性が負荷率の中間でピークとなる」とは、特性が上に凸な曲線であり、負荷率（０〜１００％）の間の何れかの箇所でエネルギー効率の最大値（極大値）が存在することをいう。本実施形態の熱電併給型調整用電源１は、プラント負荷率が約５０％であるときにエネルギー効率が最大（極大）である約５５％となる特性を有している。

図３右上のグラフは、電気事業者が有する電力系統における電力需要推移を示している。Ｘ軸は時刻を、Ｙ軸は電力需要を示している。例えば、朝及び夜間の電気需要は少なく、朝から昼間にかけて電力需要が上昇し、しばらくの間、電力需要が高いまま推移し、夕方にかけて電力需要が減少している。

このような電力需要の変動が少ない朝方や昼間では、火力発電所１１が定格運転をしている。例えば、朝方の時間帯Ａには１基の火力発電所１１が定格運転を行ってその時間帯Ａの電力需要を満たしている。また、昼間の時間帯Ｂには２基の火力発電所１１が定格運転を行って時間帯Ｂの電力需要を満たしている。

火力発電所１１の定格運転時では、熱電併給型調整用電源１は、図３左下に示すように動作する。すなわち、熱電併給型調整用電源１は、ガス供給手段２０から供給されたガスを用いて発電し、負荷４に電気を供給する。さらに、発電時の排熱で温水・蒸気を生成し、需要家施設の給水設備５や暖房設備６や蒸気設備７に供給する。なお、熱電併給型調整用電源１において、発電した電気が余剰であるならば、送配電網１０に送電してもよい。

第１燃料電池Ａと第２燃料電池Ｂの運転状況は、第１燃料電池Ａについては、出力が一定となるように稼働させる。このとき、その出力の際にエネルギー効率が最大（極大）となるようにする。一方、第２燃料電池Ｂについては、そのときの電力系統の負荷に応じた出力とする。

このように、第１燃料電池Ａは、エネルギー効率が最大となる一定の出力で稼働するので、最もよい燃費で稼働することになり、ガス事業者にとってメリットがある。

図４は、電力系統の負荷上昇時における熱電併給型調整用電源１の動作を説明する概略図である。右上のグラフに示すように、例えば、朝方から昼間にかけての時間帯Ａにおいて電力需要が急激に増大した場合について説明する。

朝方、１基の火力発電所１１が定格運転をしている状況で、電力需要が急激に増大する場合、待機している別の火力発電所１１を定格運転にする。しかし、火力発電所１１は、定格運転になるまで時間が掛かるので、直ぐには電力需要を吸収できない（従来においては、このような需要の増大に対応できるように低効率で火力発電所を待機運転させていた）。

本発明では、このように電力需要が増大したとき、すなわち待機状態にある火力発電所１１を定格運転にするまでの間に、電気事業者は、制御装置１２から制御装置８に制御信号を送信し、熱電併給型調整用電源１の出力を増大させる（負荷率を高める）。このとき熱電併給型調整用電源１としては、左上のグラフに示すように、負荷率がピークよりも高い負荷率（点Ｙ、約８０％）で運転することになる。

このような電力需要の増大時、熱電併給型調整用電源１は、図４左下に示すように動作する。熱電併給型調整用電源１は、通常運転時よりも多く出力するように発電を行い、発電した電気のうち一部を送配電網１０に供給する。このように送配電網１０に電気が供給されることで、電力需要の増大が吸収される。

熱電併給型調整用電源１から送配電網１０に供給される電力により、電力需要の増大を吸収している間、待機状態にあった火力発電所１１は定格運転状態になる。このように火力発電所１１が定格運転に至ったら、制御装置１２及び制御装置８により熱電併給型調整用電源１の負荷率を最もエネルギー効率が高い状態に戻す（点Ｘ）。

熱電併給型調整用電源１が電力需要の増大に対応するので、従来のような効率の悪い待機運転で火力発電所１１を待機・運転する必要がなくなる。したがって、電気事業者側は、設備面、ランニングコスト面での負担が軽減される。また、熱電併給型調整用電源１が電力需要の増大に対応するときは、最もエネルギー効率が高い状態（点Ｘ）で稼働している。そして、この状態から出力を高めて送配電網１０に電気を供給する。すなわち、高速で熱電併給型調整用電源１の負荷率を増加させることができるため、急激な電気需要の増大に対して直ちにそれを吸収するだけの電気を得ることができる。このように、電気事業者としては、費用面の負担を軽減しながらも、電気の安定供給をすることができる。

第１燃料電池Ａと第２燃料電池Ｂの運転状況は、通常運転時と同様に、第１燃料電池Ａについては、エネルギー効率が最大であり、出力が一定となるように稼働させる。一方、第２燃料電池Ｂについては、そのときの電力系統の負荷に応じた出力とする。

このように、第１燃料電池Ａは、エネルギー効率が最大となる一定の出力で稼働するので、最もよい燃費で稼働することになり、ガス事業者にとってメリットがある。また、第２燃料電池Ｂが電力系統の負荷増大に応じて電力を供給することになるので、電気事業者にとって、負荷増大を吸収することができるというメリットがある。

ここで、熱電併給型調整用電源１で生成された熱について説明する。熱電併給型調整用電源１で生じた熱は、需要家施設の給水設備５等に供給される。そして、負荷増大に対応して第２燃料電池Ｂの出力を増大させた際には、給水設備５等の熱需要を上回って熱が余る可能性がある。熱電併給型調整用電源１は、その余剰の熱を自身が用いるように構成されている。

具体的には、図２に示すように、第１燃料電池Ａは、負荷に関わらず出力が一定となるように稼働しているため、ガスタービン４２を介して熱交換器４３に供給される熱量もほぼ一定となり、熱交換器４３で製造される温水や蒸気などの熱の量や温度もほぼ一定となる。

一方、第２燃料電池Ｂは、電力系統の急激な負荷増大に対応するために出力が増大する。このとき、第２燃料電池Ｂの排熱量も増大する。したがって、熱交換器４３では、第２燃料電池Ｂの排熱量の増大に応じて、より多くの温水や蒸気などの熱を生成することができるようになる。

しかしながら、このように熱交換器４３で生成された温水や蒸気は、給水設備５等の熱需要を上回る可能性がある。

熱電併給型調整用電源１では、熱交換器４３で余剰となった熱を蒸気として空気圧縮装置４８に供給し、その動力源として利用する。このように余剰の熱を系内の蒸気で駆動する空気圧縮装置４８で利用することで、生成した蒸気を系外に排気することなく有効利用することができる。

図５は電力系統の負荷減少時における熱電併給型調整用電源１の動作を説明する概略図である。右上のグラフに示すように、例えば、昼間から夜間にかけての時間帯Ｂにおいて電力需要が急激に減少した場合について説明する。

昼間、２基の火力発電所１１が定格運転をしている状況で、電力需要が急激に減少する場合、１基の火力発電所１１を待機状態にする。しかし、火力発電所１１は、待機状態にするまでに一定の時間が掛かるので、直ぐには電力需要の減少を吸収できない（従来においては、このような需要の減少に対応できるように、効率は悪いが火力発電所の出力を徐々に下げて待機運転にしていた）。

本発明では、このように電力需要が減少したとき、すなわち定格運転している火力発電所１１を待機状態にするまでの間に、電気事業者は、制御装置１２から制御装置８に制御信号を送信し、熱電併給型調整用電源１の出力を減少させる（負荷率を低くする）。このとき熱電併給型調整用電源１としては、左上のグラフに示すように、負荷率がピークよりも低い負荷率（点Ｚ、約３０％）で運転することになる。

このような電力需要の減少時、熱電併給型調整用電源１は、図５左下に示すように動作する。熱電併給型調整用電源１は、通常運転時よりも低く出力するように発電を行う。つまり、熱電併給型調整用電源１の出力を低減することで、電力需要の減少を吸収する。なお、熱に関しては、定格運転時と同様に、温水や水蒸気として給水設備５や暖房設備６や蒸気設備７に供給される。

熱電併給型調整用電源１が電力需要の減少を吸収する間、定格運転していた火力発電所１１は待機状態になる。このように火力発電所１１が待機状態に至ったら、制御装置１２及び制御装置８により熱電併給型調整用電源１の負荷率を最もエネルギー効率が高い状態に戻す（点Ｘ）。

熱電併給型調整用電源１が電力需要の減少に対応するので、火力発電所１１は徐々に効率を落として待機状態にする必要がない。火力発電所１１は熱電併給型調整用電源１が電力需要の減少を吸収しきったところで、待機状態にすればよい。このように火力発電所１１は、電力需要の減少時においても、効率が悪い状態で徐々に待機状態にする必要が無いので、ランニングコストを低減することができる。このように、電気事業者としては、費用面の負担を軽減しながらも、電気の安定供給をすることができる。

第１燃料電池Ａと第２燃料電池Ｂの運転状況は、通常運転時と同様に、第１燃料電池Ａについては、エネルギー効率が最大であり、出力が一定となるように稼働させる。一方、第２燃料電池Ｂについては、そのときの電力系統の負荷に応じた出力とする。

このように、第１燃料電池Ａは、エネルギー効率が最大となる一定の出力で稼働するので、最もよい燃費で稼働することになり、ガス事業者にとってメリットがある。また、第２燃料電池Ｂが電力系統の負荷減少に応じて出力を低下させることになるので、電気事業者にとって、負荷減少を吸収することができるというメリットがある。

上述したように、負荷増大時においては、第２燃料電池Ｂでの出力が増大し、圧縮空気もより多く必要となる。したがって、十分な圧縮空気を供給するために、空気圧縮装置４８にも十分な蒸気量が供給される必要がある。しかしながら、第２燃料電池Ｂの出力増大に伴い、その排熱も多くなり、熱交換器４３で生成できる蒸気量も多くなる。すなわち、空気圧縮装置４８には第２燃料電池Ｂで必要となる圧縮空気を十分供給できるだけの蒸気が供給される。

同様に、負荷減少時においては、第２燃料電池Ｂでの出力を減少させるので、圧縮空気は多くを必要としなくなる。したがって、空気圧縮装置４８には、負荷増大時ほど蒸気量は必要ない。このとき、第２燃料電池Ｂの出力減少に伴い、その排熱も少なくなり、熱交換器４３で生成できる蒸気量も少なくなる。すなわち、空気圧縮装置４８に第２燃料電池Ｂで必要となる圧縮空気を超える蒸気が供給されることはない。

このように、負荷増大時又は負荷減少時に第２燃料電池Ｂの出力が増減することにより、熱交換器４３で生成される熱も増減する。しかし、その出力の増減に合わせて空気圧縮装置４８で必要となる蒸気量も増減するので、空気圧縮装置４８に必要な熱が過不足することを防止することができる。すなわち、負荷が増減しても、安定して圧縮空気を第２燃料電池Ｂに供給し、確実に負荷の増減を吸収するように出力を増減させることができる。

また、熱電併給型調整用電源１は、ガス事業者及び電気事業者がそれぞれ所有する第１燃料電池Ａ、第２燃料電池Ｂについて、ガスタービン４２を共通のものとし、その排ガスを利用する熱交換器４３も共通のものとした構成となっている。

このような共通の熱交換器４３を採用することにより、第１燃料電池Ａのみならず、第２燃料電池Ｂも含めた排熱を用いて熱交換器４３で温水や蒸気を生成することができる。これにより、需要家施設での給水設備５等で熱需要が増大した際に、第１燃料電池Ａの出力ではその熱需要を賄いきれない場合であっても、第２燃料電池Ｂの出力による排熱を利用することができるため、その熱需要を賄うことが可能となる。すなわち、第２燃料電池Ｂは熱需要に応じて出力を変動させてもよい。

具体的には、熱交換器４３から空気圧縮装置４８に供給していた蒸気を需要家施設に向けて供給するようにする。このとき、空気圧縮装置４８は、系内又は系外の電気で駆動する電動モータ５１により圧縮機４９を駆動させるようにする。

ガス事業者の観点からすれば、第１燃料電池Ａを出力一定で運転させる以上、熱需要を賄えないリスクが存在する。しかしながら、第２燃料電池Ｂの排熱分を蒸気として熱需要に充当することができるため、そのようなリスクなく、効率のよい熱電併給を行えるということになる。

上述したように、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂに共通して１つのガスタービン４２が接続されている。そして、一方の第１燃料電池Ａは、負荷変動に関わりなく出力は一定である。このため、ガスタービン４２には常に一定圧力の燃焼ガスが供給されることになる。したがって、ガスタービン４２では、その圧力が一定に維持されるため、ガスタービン４２を高性能な状態で安定して運転することができる。

ここで、上述したように、第１燃料電池Ａと第２燃料電池Ｂはそれぞれ独立して圧縮空気が供給されるようになっている。このため、第１燃料電池Ａには、ガスタービン４２が一定圧力で運転することから、ＧＴ圧縮機４６から圧縮空気がほぼ一定で供給される。一方、第２燃料電池Ｂには、第２燃料電池Ｂの出力の増減に合わせた量の圧縮空気が供給されるようになっている。

このように、熱電併給型調整用電源１は、第１燃料電池Ａと第２燃料電池Ｂに対してそれぞれ独立して圧縮空気を供給する構成であるので、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂのそれぞれの運転に合わせて適切な量の圧縮空気を供給することができる。

以上に説明したように、本実施形態に係る熱電併給型調整用電源１によれば、第１燃料電池Ａと第２燃料電池Ｂとを異なる事業者が稼働させることで、電力系統側においてエネルギー効率よく電力を安定供給することができるとともに、効率良く低コストで熱電併給することができる。

すなわち、熱電併給型調整用電源１は、電気事業者にとって、効率のよい電源として機能する。従来では、電気事業者は、電力需要の増減を吸収するために、効率を落として運転させる負荷調整用の火力発電所を有していたが、これが不要、又は数を少なくすることができるため、特に費用面の負担を著しく低減することができる。

さらに、負荷増大時に第２燃料電池Ｂの出力を増大させるが、この出力の増大に伴う発熱で蒸気を生成し、この蒸気で、第２燃料電池Ｂに供給する空気を圧縮するための空気圧縮装置４８を駆動させることができる。これにより、負荷増大時において生じる熱を系外に排気することなく、有効利用することができる。

また、熱電併給型調整用電源１は、ガス事業者にとって、負荷の状況に関わらず最もエネルギー効率がよく、一定の出力で稼働することになるので、燃費がよく経済的に熱電併給を行うことができる。

なお、本実施形態では、事業者として電気事業者を、事業者側発電装置として火力発電所１１を例にとり説明したが、このような態様に限定されない。例えば、工場設備を有する事業者を対象とし、事業者側発電装置としてその工場設備に電力を供給する発電装置を用いる場合にも本発明を適用できる。この場合においては、工場設備で増減する電力需要を吸収するために、熱電併給型調整用電源１を利用することができる。

他にも、風力や太陽光などの自然エネルギーによる発電装置を事業者側発電装置とし、当該発電装置を用いて電気を販売する者を事業者としてもよい。この場合においては、安定しない自然エネルギーによる発電を安定化させるために熱電併給型調整用電源１を利用することができる。

〈解析例〉
図６及び図７を用いて、実施形態１に示した構成の熱電併給型調整用電源１の出力等について解析した結果を示す。

図６は、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂの出力（特性Ｌ１）、熱電併給型調整用電源１全体の熱出力（特性Ｌ２）及びガスタービン４２の出力（特性Ｌ３）を示すグラフである。横軸は、熱電併給型調整用電源１全体の出力（図では、プラント全体の電気出力；ｋＷ、以下プラント出力と称する）である。当該プラント出力は、第１燃料電池Ａ、第２燃料電池Ｂ及びガスタービンなどの出力を合計したものである。左側縦軸は、ガスタービン４２、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂの出力（ｋＷ）、右側縦軸は、熱出力（ｋＷ）を示している。

なお、凡例については、ＧＴ出力はガスタービン４２の出力、負荷調整用ＳＯＦＣ出力は第２燃料電池Ｂの出力、コジェネ用ＳＯＦＣ出力は第１燃料電池Ａの出力、熱出力は熱電併給型調整用電源１全体の熱出力を表している。

図示するように、特性Ｌ１は、第１燃料電池Ａの出力を表している。本例では、出力は約１５，０００ｋＷで一定である。特性Ｌ２は、第２燃料電池Ｂの出力を表している。プラント出力が約２２，０００ｋＷを超えると、第２燃料電池Ｂの出力は増加している。特性Ｌ３は、熱電併給型調整用電源１全体の熱出力を表している。プラント出力が約２２，０００ｋＷを超えると、第２燃料電池Ｂの出力の増大に伴い熱出力は増加している。すなわち、第２燃料電池Ｂの出力増大に合わせて、プラント全体の出力も増大し、熱出力も増大している。

従来では、第２燃料電池Ｂによる熱出力から第１燃料電池Ａによる熱出力を引いた分（領域Ｒで示される部分の熱出力）が余剰の熱として系外に排出されていた。本実施形態の熱電併給型調整用電源１においては、領域Ｒ部分の熱出力が第２燃料電池Ｂ用の空気圧縮装置４８を駆動させるエネルギーとして有効利用される。

なお、凡例については、プラント全体の発電効率は熱電併給型調整用電源１全体の熱効率、熱電併給用モジュール単体の発電効率は第１燃料電池Ａの発電効率、負荷調整用モジュール単体の発電効率は第２燃料電池Bの発電効率を表している。

図７は、熱電併給型調整用電源１全体、第１燃料電池Ａ、及び第２燃料電池Ｂの出力と発電効率との関係を示すグラフである。横軸は、熱電併給型調整用電源１全体の出力（図では、プラント全体の電気出力；ｋＷ、以下プラント出力と称する）である。当該プラント出力は、ガスタービン４２、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂの出力を合計したものである。縦軸（左側）は、熱効率を示している。縦軸右側は、第１燃料電池Ａの熱出力の効率を表している（図では、コジェネ用熱出力）。

特性Ｍ１は、プラント出力が約３０，０００ｋＷで発電効率が極大値（約５５％）となるような上に凸な特性を有している。また、特性Ｍ２は、第１燃料電池Ａの特性を表し、特性Ｍ３は、第２燃料電池Ｂの特性を表している。

電力需要の増大時には、特性Ｍ３に示されるように、電気事業者のものとして稼働する第２燃料電池Ｂの出力を増大させる。すると、特性Ｍ１に示されるように、熱電併給型調整用電源１全体のプラント出力が増加し、電力需要の増大を吸収できる。この出力の増大に伴い、特性Ｍ３に示すように、第２燃料電池Ｂの効率は低下している。一方、特性Ｍ２に示すように、第１燃料電池Ａの効率は向上している。

すなわち、熱電併給型調整用電源１全体としては、出力の増大に伴い発電効率は低下しているものの、ガス事業者からみた第１燃料電池Ａの効率は向上している。つまり、ガス事業者としては効率良く熱電併産することが可能となる。電気事業者としては、第２燃料電池Ｂは、効率は落ちるものの、急激に増大する電力需要に即時に対応することができる電源として機能するものとなる。これにより、電力需要の増大に応えると共に、従来のように待機運転をする火力発電所１１を準備・運用するコストを削減することができる。

〈実施形態２〉
実施形態１に係る熱電併給型調整用電源１を利用する環境としては、表１に示すものが考えられる。

表１に示すように、人口が比較的多く温暖な地域（都市部）、寒冷な地域（寒冷地）のそれぞれの地域において夏季又は冬季であるかによって、電気需要及び熱負荷の程度が異なるという利用環境１〜４が想定される。

このような各利用環境１〜４において、熱電併給型調整用電源１の好ましい利用方法について説明する。
［利用環境１］
夏季の都市部では、電力需要が大きく、熱負荷はそれほどの需要はない。したがって、熱電併給型調整用電源１は、熱よりも電気をより多く供給できるように運転することが好ましい。具体的には、電力事業者のものとして稼働する第２燃料電池Ｂを高負荷で運転させ、それにより生じる蒸気を空気圧縮装置４８に供給する。

このような運転により、電力需要に応えるとともに、熱（蒸気）の供給を過剰とすることなく、蒸気を空気圧縮装置４８で有効利用することができる。
［利用環境２］
冬季の都市部では、電力需要は小さく、熱負荷は大きい。したがって、熱電併給型調整用電源１は、電気よりも熱をより多く供給できるように運転することが好ましい。具体的には、燃料供給事業者のものとして稼働する第１燃料電池Ａは最も効率がよい一定の出力で運転させ、電力事業者のものとして稼働する第２燃料電池Ｂを低負荷で運転させる。そして、発生する熱は需要者側に供給し、空気圧縮装置４８には供給しないようにする（空気圧縮装置４８は電動モータ５１で駆動する）。

このような運転により、熱需要に応えるとともに、電気の供給を過剰とすることがない。なお、熱需要がさらに増大するのであれば、必要に応じて第２燃料電池Ｂの出力をあげて熱出力をさらに増大させてもよい。
［利用環境３］
夏季の寒冷地では、電力需要も熱負荷も小さい。したがって、熱電併給型調整用電源１は、全体的に低負荷で運転させることが好ましい。具体的には、電力事業者のものとして稼働する第２燃料電池Ｂを低負荷で運転させ、それにより生じる蒸気を空気圧縮装置４８に供給する。

このような運転により、電力需要に応えるとともに、熱（蒸気）の供給を過剰とすることなく、蒸気を空気圧縮装置４８で有効利用することができる。
［利用環境４］
冬季の寒冷地では、電力需要は大きく、熱負荷は特に大きい。したがって、熱電併給型調整用電源１は、電気も一定以上供給するとともに、さらに多くの熱を供給できるように運転することが好ましい。具体的には、燃料供給事業者のものとして稼働する第１燃料電池Ａは最も効率がよい一定の出力で運転させ、電力事業者のものとして稼働する第２燃料電池Ｂを高負荷で運転させる。そして、発生する熱は需要者側に供給し、空気圧縮装置４８には供給しないようにする（空気圧縮装置４８は電動モータ５１で駆動する）。

このような運転により、電気需要に応えるとともに、熱需要に十分に応えることができる。

〈実施形態３〉
実施形態１及び実施形態２に係る熱電併給型調整用電源１は、単独で利用される場合を想定したものであったが、複数の熱電併給型調整用電源１を備える熱電併給システムとしてもよい。

図８に示すように、熱電併給システム１００は、複数（この例では２つ）の熱電併給型調整用電源１（以下、単に電源１とし、個別の電源１に言及する場合は電源１Ａ、電源１Ｂと称する）を備えている。それぞれの電源１は、例えば数ｋｍ離れて設置されているとする。そして、これらの電源１は、電力系統で接続され、それぞれが発電した電気を他方に供給可能に構成されている。

一方の電源１が熱需要に応えられない場合、他方の電源１からパイプライン等を介して熱を融通してもらうことも考えられる。しかしながら、電源１同士が離れて設置されている場合、熱が損失するため現実的ではない。一方、各電源１が発電した電気は、電力系統を介して互いに融通することが可能である。

例えば、電源１Ａにおいて熱需要が増大したとする。この場合、電力事業者のものとして稼働する第２燃料電池Ｂの出力を増大させ、生じた蒸気を空気圧縮装置４８に供給するのではなく熱需要に充てる。空気圧縮装置４８は電動モータ５１で駆動することになるが、この電源として、電源１Ｂから供給される電気を充てる。換言すれば、電源１Ｂでは、電気出力を高め、電力系統を介して電源１Ａに供給する。

つまり、電源１Ｂは、熱を電源１Ａに供給できない代わりに電気を供給し、電源１Ａは、電源１Ｂから供給される電気の分を熱として出力する。このように、熱電併給システム１００は、電源１Ａ側で増大する熱需要に応えるために、電源１Ｂは、電気という形で電源１Ａの熱供給能力を補完することができる。

上述したように熱電併給システム１００は、複数の電源１を用いて全体として熱電併給を実施するので、いわゆるコジェネシステムを個別に設置する場合に比べて熱効率がよい。

〈他の実施形態〉
本発明に係る熱電併給型調整用電源は、燃料供給事業者、電気事業者（事業者）がそれぞれ専有するものであってもよいし、共有していてもよい。また、第三者の設備事業者が所有していてもよい。それらの何れかの者が熱電併給型調整用電源を構築・運用する。つまり、熱電併給型調整用電源１の初期コストは、何れかのもので折半することができる。

熱電併給型調整用電源１の利用は、所有者と異なってもよい。実施形態１では、ガス事業者及び電気事業者が利用したが、第三者であってもよい。例えば、第三者は、ガス事業者から燃料を購入して熱電併給型調整用電源を運用し、電力及び熱を併産・販売する事業者であってもよい。

なお、第１燃料電池Ａ及び第２燃料電池Ｂのそれぞれの個数は特に限定されない。少なくともそれぞれが１つずつあれば、本発明の作用効果を奏する。

本発明は、熱電併給型調整用電源の産業分野で利用することができる。

Ａ 第１燃料電池
Ｂ 第２燃料電池
１、１Ａ、１Ｂ 熱電併給型調整用電源（電源）
４ 負荷
５ 給水設備
６ 暖房設備
７ 蒸気設備
８ 制御装置
１０ 送配電網
１１ 火力発電所
１２ 制御装置
２０ ガス供給手段
３０ 発電装置
４０ 熱供給手段
４１ 燃焼器
４２ ガスタービン
４３ 熱交換器
４４ 発電機
４５ 混合器
４８ 空気圧縮装置
４９ 圧縮機
５０ スチームモータ
５１ 電動モータ
１００ 熱電併給システム

Claims (4)

1. 燃料供給事業者が所有する燃料供給手段から燃料が供給され、出力が一定となるように前記燃料供給事業者のものとして稼働する固体酸化物型燃料電池である第１燃料電池と、
   前記燃料供給手段から供給される燃料により発電した電気を電気事業者が所有する電力系統に送電可能であり、出力が変動するように前記電気事業者のものとして稼働する固体酸化物型燃料電池である第２燃料電池と、
   前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池から排出された未燃の燃料で駆動するガスタービンと、
   前記ガスタービンと同軸上に接続されるガスタービン圧縮機と、
   前記ガスタービンから排出された排ガスの熱により温水又は蒸気を生成する排熱回収装置と、
   電気及び前記排熱回収装置で生成された蒸気で駆動して空気を圧縮する空気圧縮装置とを備え、
   前記第１燃料電池には、前記ガスタービンとともに駆動する前記ガスタービン圧縮機により圧縮された空気が供給され、
   前記第２燃料電池には、前記空気圧縮装置で圧縮された空気が供給される
   ことを特徴とする熱電併給型調整用電源。
2. 請求項１に記載する熱電併給型調整用電源において、
   前記第２燃料電池は、当該熱電併給型調整用電源の熱需要に変動に応じて出力が変動する
   ことを特徴とする熱電併給型調整用電源。
3. 請求項１又は請求項２に記載する熱電併給型調整用電源において、
   前記第２燃料電池は、前記電力系統の電力需要の変動に応じて出力が変動する
   ことを特徴とする熱電併給型調整用電源。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する熱電併給型調整用電源を複数備え、
   各熱電併給型調整用電源が発電した電気を他の熱電併給型調整用電源の前記空気圧縮装置で利用可能とした
   ことを特徴とする熱電併給システム。