JP7043288B2

JP7043288B2 - 複合発電システム、複合発電システムの運転切替方法及び複合発電システムの運転切替プログラム

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Publication number: JP7043288B2
Application number: JP2018029783A
Authority: JP
Inventors: 弘毅入江; 卓磨永井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-02-22
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2022-03-29
Anticipated expiration: 2038-02-22
Also published as: JP2019145394A

Description

本発明は、複合発電システム、複合発電システムの運転切替方法及び複合発電システムの運転切替プログラムに関するものである。

燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用したもので、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（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）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、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る。このようなＳＯＦＣは、例えばガスタービン（以下、「ＧＴ」とも呼ぶ）等の内燃機関と組み合わせて複合発電システムを構築することにより、発電効率の高い発電が可能とされている。
具体的には、ＳＯＦＣから排出される排燃料ガスを燃焼器で燃焼させ、燃焼ガスによってタービンを駆動し発電するものである。複合発電システムについては、下記に示すような従来技術が知られている。

特許文献１では、予測される需要電力のうち所定の割合にあたる電力を、ガスタービンから出力し、実際の需要電力からガスタービンの出力分を差し引いた電力分を燃料電池から出力することが開示されている。
また、特許文献２では、要求される負荷に応じて、溶融炭酸塩型燃料電池の発電出力を優先して設定し、その後ガスタービンの発電出力を設定することが開示されている。

特許第３９３０４２６号公報特許第４３５７８１９号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２に開示された発明では、電力系統（以下、系統と記載）に接続して電力供給する連系運転は可能であるが、系統の停電など、系統に異常が発生した場合の対応検討が記載されていない。例えば、系統異常発生時に、燃料電池とガスタービンなどの圧縮機を備える発電装置とを組み合わせた複合発電システムを自立運転させる技術が確立されていない、という問題があった。

燃料電池及びガスタービンは、それぞれ単体で自立運転を行うことについては従来よりその技術が開示されている。しかし、ガスタービンにおいては、系統異常が発生し自立運転を行うにあたり発電出力が一旦ゼロとなるＢＯＳ（Black Out Start、ブラックアウトスタート）機能しか持たず、負荷に対して無瞬断で電力供給を継続することは困難であった。

燃料電池及びガスタービンを備えた複合発電システムにおいては、燃料電池ではガスタービンの圧縮空気を酸化性ガスとして発電に利用している。このため、系統異常が発生すると、ガスタービンをＢＯＳさせるため、燃料電池へ酸化性ガスが供給されず発電が行えなくなる期間が発生する。よって、無瞬断で電力供給が可能な燃料電池であっても、酸化性ガスの供給を得られないために停止することとなる。複合発電システムとしては、無瞬断で自立運転に切り替えて電力供給を継続して行うことが困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、系統異常発生時に燃料電池及び圧縮機を備える発電装置を自立運転させ、無瞬断での電力供給が可能な複合発電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ために、本発明の複合発電システム、複合発電システムの運転切替方法及び複合発電システムの運転切替プログラムは以下の手段を採用する。
本発明の第一態様に係る複合発電システムは、圧縮機を備える発電装置及び燃料電池を備え、電力系統へ連系して電力供給をする連系運転と、前記電力系統と解列した自立運転を備えた複合発電システムであって、前記連系運転および前記自立運転で、前記圧縮機から前記燃料電池へ酸化性ガスが供給され、前記複合発電システムが前記電力系統から解列する際に、前記燃料電池を無瞬断で前記自立運転に切り替え、前記発電装置を前記圧縮機の稼働が整定した後に前記自立運転に切り替える制御部を備える。

本態様では、圧縮機を有する発電装置と燃料電池とを組み合わせた複合発電システムにおいて、発電装置及び燃料電池のいずれも連系運転から自立運転に切り替えることができる。
また、複合発電システムが電力系統から解列した際に、発電装置の圧縮機から燃料電池へ酸化性ガスの供給が継続されるので、燃料電池の自立運転への切り替えが可能となる。よって、燃料電池を運転停止することなく、負荷への電力供給を継続することができる。ここで、燃料電池は無瞬断で自立運転に切り替えることから、電力供給の瞬断が発生せず電力系統との連系運転時と同様に電力供給を行うことが可能である。
また、発電装置は圧縮機の稼働が整定した後に自立運転に切り替えることから、自立運転での負荷への電力供給を安定した状態で行うことができる。
ここで、圧縮機の稼働が整定するとは、圧縮機の回転数に大きな変動がなく、圧縮空気の送気状態が安定することを意味する。
これにより、複合発電システムが電力系統から解列した際に、連系運転から自立運転に切り替わり、さらに燃料電池は無瞬断で自立運転に切り替えることで少なくとも一部負荷への電力供給を継続することができる。このため、複合発電システムの稼働率が向上し、またＢＣＰ（Business Continuity planning、事業継続計画）の観点から経済性の向上にも寄与する。

上記第一態様では、前記燃料電池は、前記自立運転において前記発電装置への排燃料ガス及び排酸化性ガスの供給を継続するとしてもよい。

本態様によれば、自立運転において燃料電池の排燃料ガス及び排酸化性ガスが発電装置へ継続して供給されることから、燃料電池と発電装置とは互いに燃料ガス及び酸化性ガスを循環させて発電を継続することができる。

上記第一態様では、前記複合発電システムは、前記燃料電池の発電出力の少なくとも一部が電力供給される第１の負荷を備え、前記燃料電池は、前記電力系統から解列して前記自立運転を開始する際は、前記制御部からの電流指令に基づき制御が行われる燃料電池連系運転用制御モードから、前記第１の負荷が要求する電力量に基づき制御が行われる燃料電池自立運転用制御モードに切り替えるとしてもよい。

本態様によれば、燃料電池は、電力系統から解列して自立運転を開始すると燃料電池連系運転用制御モードから燃料電池自立運転用制御モードに切り替える。燃料電池連系運転用制御モードでは、制御部からの燃料電池の出力電流の指令である電流指令による運転制御が行われる。燃料電池が、電力系統から解列して自立運転を開始すると、燃料電池が電力供給する負荷が要求する電力量に対応し、燃料電池の電力変換装置の交流出力電圧を一定にして、必要な電流を出力する制御が行われる燃料電池自立運転用制御モードに切り替わる。
これにより、燃料電池は、電力系統から解列すると、負荷が要求する電力量に応じた発電出力を行うことができる。

上記第一態様では、前記燃料電池自立運転用制御モードは、前記燃料電池連系運転用制御モードに対して、燃料利用率が前記連系運転時の８５％以上９５％以下に設定される。

本態様によれば、燃料電池自立運転用制御モードは、燃料電池連系運転用制御モードに対して、燃料利用率を連系運転時の８５％以上９５％以下と、連系運転時よりも小さい値に設定するように変更を行う。これにより、電力需要の急増に応じて燃料使用量が急激に上昇しても、燃料利用率、すなわち燃料供給量に余裕があるため、急速な電力需要増加に応じた燃料電池の電流出力の追従が可能である。

前記燃料電池自立運転用制御モードは、前記燃料電池連系運転用制御モードに対して、前記燃料電池へ供給する燃料への純水流量を増加させる設定を行う。

本態様によれば、燃料電池自立運転用制御モードは、燃料電池連系運転用制御モードに対して、燃料電池へ供給する燃料への純水流量を増加させる設定及び／又は再循環流量を減少させる設定を行う。燃料利用率が低下した場合、燃料が増加し、燃料に含まれる炭素が増加する。これにより燃料ガスの炭素に対する水蒸気のモル比率であるＳ／Ｃ（スチームカーボン比）が低下するが、燃料ガス供給系統への純水流量の供給を増加させることにより、所望のＳ／Ｃを維持することができる。また同様に、再循環流量を減少させることにより、所望のＳ／Ｃを維持することができる。

上記第一態様では、前記発電装置は、電力系統から解列して前記自立運転を開始する前に、制動抵抗負荷に接続し、前記発電装置の発電出力を制動抵抗負荷へ電力供給し、制動抵抗負荷量と前記発電装置へ供給される燃料供給量とを調整することにより発電装置の発電出力を制御して運転を継続させる無負荷運転を行うとしてもよい。

従来の発電装置では、連系運転から自立運転を行う際は、運転を継続せず発電出力が一旦ゼロとなるＢＯＳ（ブラックアウトスタート）を行う。従来の場合は、燃料電池と発電装置とが相互に各ガスの供給を行う共同運転状態を解除し、燃料電池の発電運転も一旦停止させる必要があり、複合発電システムが無瞬断電源供給を行うことができなくなる。
本態様によれば、複合発電システムが電力系統から解列して自立運転を行う際にあたり、発電装置の圧縮機から燃料電池へ酸化性ガスの供給を継続させるため、発電装置はブラックアウトスタートを行なわずに、燃料電池と発電装置との共同運転状態が継続され、燃料電池の運転も継続することができる。
このとき、発電装置の圧縮機の稼働が安定していない期間が発生する可能性がある。そのため、発電装置の発電出力は負荷には接続せずに制動抵抗負荷に接続して、発電出力を制動抵抗負荷に電力供給する無負荷運転とする。これにより、不安定な発電出力を負荷に電力供給することなく、制動抵抗負荷にて消費することができる。
また、無負荷運転では、制動抵抗負荷量と発電装置への燃料供給量とを調整して発電装置の発電出力（回転数）が制御されるため、発電装置の発電出力（回転数）を容易に制御することが可能である。

上記第一態様では、前記複合発電システムは、停止不可とされる第２の負荷と、停止可能とされる第３の負荷と、無停電電源装置とを備え、前記電力系統から解列すると、前記無停電電源装置から前記第２の負荷へ電力供給が行われるとしてもよい。

本態様によれば、複合発電システムが無停電電源装置を備えることから、発電装置が系統から解列して無負荷運転が行われている場合でも、複数の負荷のうち停止不可とされる第２の負荷に対して無停電電源装置からの電力供給が行われる。よって、停止不可とされる第２の負荷が停止することなく電力供給が無瞬断で継続され、燃料電池の運用が一時的に停止されることがない。

上記第一態様では、前記発電装置は、前記制動抵抗負荷へ接続して電力供給を開始した後、圧縮機の稼働が整定すると、前記制動抵抗負荷への電力供給を停止し、前記第２の負荷と前記第３の負荷に接続して電力供給し、前記自立運転を開始するとしてもよい。

本態様によれば、制動抵抗負荷への接続後、無負荷運転により発電装置の圧縮機の稼働が整定すると、発電装置の状態が安定したとして制動抵抗負荷への電力供給を停止し、自立運転を開始して第２の負荷と第３の負荷に接続して電力供給する。すなわち、発電装置の状態安定を待って第２の負荷と第３の負荷に接続することができ、負荷への電力供給を安定した状態で行うことができる。

上記第一態様では、前記複合発電システムが前記電力系統へ連系して再度の前記連系運転を行う際に、前記発電装置を前記圧縮機の稼働が整定した後に連系運転に切り替え、前記燃料電池を無瞬断で前記連系運転に切り替えるとしてもよい。

本態様では、圧縮機を備える発電装置と燃料電池とを組み合わせた複合発電システムにおいて、自立運転を行っている発電装置及び燃料電池のいずれも再度に連系運転に切り替えることができる。
また、発電装置は、圧縮機の稼働が整定した後に連系運転に切り替えることから、不安定な発電出力を負荷に電力供給することなく、負荷への電力供給を安定した状態で行うことができる。
また、燃料電池は無瞬断で連系運転に切り替えることから、電力供給の瞬断が発生せず自立運転時と同様の電力供給を行うことが可能である。
また、圧縮機の稼働が整定した後に燃料電池を連系運転に切り替えることから、発電装置から燃料電池へ送る空気の状態を安定させておくことができるため、燃料電池の状態も安定させることができる。

上記第一態様では、前記燃料電池は、前記電力系統へ連系して再度の前記連系運転を開始する際に、前記燃料電池自立運転用制御モードから前記燃料電池連系運転用制御モードに切り替えるとしてもよい。

燃料電池は、電力系統に連系して再度の連系運転を開始すると、燃料電池自立運転用制御モードから燃料電池連系運転用制御モードに切り替える。燃料電池自立運転用制御モードでは、燃料電池が電力供給する負荷が要求する電力量に対応し、燃料電池の電力変換装置の交流出力電圧を一定にして必要な電流を出力する制御が行われる。電力系統に連系して再度の連系運転を開始すると、制御部からの燃料電池の出力電流の指令である電流指令による運転制御が行われる燃料電池連系運転用制御モードに切り替わる。
これにより、燃料電池は、電力系統に連系して再度の連系運転を開始すると、電流指令に応じた発電出力を行うことができる。

上記第一態様では、前記発電装置は、前記電力系統へ連系して再度の前記連系運転を開始する前に、前記無負荷運転を行い、前記無停電電源装置から前記第２の負荷への電力供給が行われ、前記圧縮機の稼働が整定すると、前記制動抵抗負荷への電力供給を停止して、前記連系運転を開始するとしてもよい。

本態様によれば、複合発電システムが系統に再度の連系運転をする場合、発電装置は発電出力が一旦ゼロとなるＢＯＳを行なわず、発電装置は運転を継続する。そのため、燃料電池と発電装置とが相互に各ガスの供給を行う共同運転状態が継続されるので、燃料電池の運転も継続することができる。
また、発電装置は無負荷運転を行うことで、制動抵抗負荷に接続して発電出力を制動抵抗負荷に電力供給する。これにより、不安定な発電出力を負荷に電力供給することなく制動抵抗負荷にて消費することができる。
また、無負荷運転では、制動抵抗負荷量と燃料供給量とを調整して発電装置の回転数が制御されるため、発電装置の回転数を容易に制御することが可能である。

また本態様によれば、発電装置が無停電電源装置を備えることから、系統に再度に連系運転するに際して無負荷運転が行われている場合でも、複数の負荷のうち停止不可とされる第２の負荷に対して無停電電源装置からの電力供給が行われるため、停止不可とされる第２の負荷が停止することなく電力供給が無瞬断で継続され、燃料電池の運用が一時的に停止されることがない。

また本態様によれば、制動抵抗負荷への接続後、無負荷運転により発電装置の圧縮機の稼働が整定すると、発電装置の状態が安定したとして制動抵抗負荷への電力供給を停止し、系統に接続して連系運連を開始することから、発電装置の状態安定を待って系統に接続することができ、系統への再度の連系運転を安定した状態で行うことができる。

本発明の第二態様に係る複合発電システムの運転切替方法は、圧縮機を備える発電装置及び燃料電池を備え、電力系統へ連系して電力供給をする連系運転と、前記電力系統と解列した自立運転を備えた複合発電システムの運転切替方法であって、前記連系運転および前記自立運転で、前記圧縮機から前記燃料電池へ酸化性ガスが供給され、前記複合発電システムが前記電力系統から解列する際に、前記燃料電池を無瞬断で前記自立運転に切り替える工程と、前記発電装置を前記圧縮機の稼働が整定した後に前記自立運転に切り替える工程とを備える。

本発明の第三態様に係る複合発電システムの運転切替プログラムは、圧縮機を備える発電装置及び燃料電池を備え、電力系統へ連系して電力供給をする連系運転と、前記電力系統と解列した自立運転を備えた複合発電システムの運転切替プログラムであって、前記連系運転および前記自立運転で、前記圧縮機から前記燃料電池へ酸化性ガスが供給され、前記複合発電システムが前記電力系統から解列する際に、前記燃料電池を無瞬断で前記自立運転に切り替えるステップと、前記発電装置を前記圧縮機の稼働が整定した後に前記自立運転に切り替えるステップとを備える。

本発明によれば、燃料電池は無瞬断で自立運転に切り替え、発電装置は圧縮機の稼働が整定した後に自立運転に切り替えることから、系統異常発生時において燃料電池及び圧縮機を備える発電装置を連系運転から自立運転に切り替え、無瞬断での電力供給が可能な複合発電システムの運転を継続することができる。

本発明の一実施形態に係るセルスタックの一態様を示す図である。本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示す図である。本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの断面の一態様を示すものである。本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成を示した図である。本発明の一実施形態に係る発電システムの電源系統の結線図である。本発明の一実施形態に係る発電システムの連系運転から自立運転への切替処理を示したフローチャートである。本発明の一実施形態に係る発電システムの自立運転から連系運転への切替処理を示したフローチャートである。本発明の一実施形態に係る発電システムの運転切替時の遮断器の開閉状態を示す図である。

以下に、本発明に係る複合発電システム、複合発電システムの運転切替方法及び複合発電システムの運転切替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）のセルスタックとして円筒形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。

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。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、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ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ_２（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ_４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５０～２５０μｍ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（ＣＨ_４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ_２）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（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ^２－）とを固体電解質１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）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。
ＳＯＦＣ１０の燃料極１０９に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素（Ｈ_２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）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、石炭などの炭素質原料をガス化設備により製造したガスなどが挙げられる。

固体電解質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１１１は、空気極１１３で生成される酸素イオン（Ｏ^２－）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１１１の膜厚は１０～１００μｍであり固体電解質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、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３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（Ｏ^２－）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ＬａＭｎＯ_３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、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ_１－_ｘＬ_ｘＴｉＯ_３（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ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ_１－_ｘＬ_ｘＴｉＯ_３（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、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、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２０１は、図２に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣ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、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室２２１と、酸化性ガス排出室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、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１と酸化性ガス排出室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、温度センサなどで監視され、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。

燃料ガス供給室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、燃料ガス供給室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。

燃料ガス排出室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、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、燃料ガス排出室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室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。酸化性ガス供給室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室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。

酸化性ガス排出室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室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室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、燃料ガス供給室２１７と酸化性ガス排出室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と酸化性ガス排出室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室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室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、燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室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と酸化性ガス供給室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、酸化性ガス供給室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室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、圧縮機３２１を備える発電装置の一例としてガスタービン（以下「ＧＴ」という。）３１１、発電機３１２、及び燃料電池の一例としてＳＯＦＣ３１３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、ＧＴ３１１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。

ＧＴ３１１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。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３４４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（ＣＨ_４）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、パワーコンディショナ等の電力変換装置１１２（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（制御部）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に排空気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ＧＴ３１１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３４４が接続されている。燃料ガス再循環ライン３４４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３４４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。

ＧＴ３１１の駆動による発電機３１２での発電、ＳＯＦＣ３１３での発電が行われることにより、発電システム３１０による発電が行われる。

制御装置３８０は、例えば、発電システム（複合発電システム）３１０に備える圧力計及び各温度センサ、流量計などの計測値等に基づき、各遮断弁及び各流量調整弁の制御を行う。また、系統１０との連系運転から自立運転、自立運転から連系運転へ切り替えを行う際の制御弁や遮断器など各機器の制御を行う。
制御装置３８０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。

燃料ガス中の炭素に対する水蒸気のモル比率をＳ／Ｃ（スチームカーボン比）という。ＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９側の系統入口付近において、Ｓ／Ｃは燃料の内部改質を行うためには量論的に１．０以上が必要で、更に図示しないセルスタックの付近にてＳ／Ｃが低くなる領域があると炭素が析出する恐れがある。炭素析出防止と改質率促進のためにＳ／Ｃ≧３．０であることが好ましい。一方、Ｓ／Ｃが多すぎると、最終的に発電システム３１０の系外に排出される排ガス中の水蒸気含有量が増加し、この潜熱分が無駄な熱量として系外に排出されてシステム効率が低下する。この為、Ｓ／Ｃの運転状態に合わせて過剰とならない適切な量のＳ／Ｃを設定できることが望ましく、ＳＯＦＣ３１３の定格運転時では、例えばＳ／Ｃが３．０～５．０、好ましくは３．５～５．０となるよう設定されている。
燃料ガス再循環ライン３４４を経由した排燃料ガスＬ３の再循環を行う場合においては、第２燃料ガス供給ライン３４１によりＳＯＦＣ３１３に供給される燃料ガスＬ２のＳ／Ｃが規定値よりも低いとき、第２燃料ガス供給ライン３４１に純水供給ライン３６１を介して純水を供給し、純水が第２燃料ガス供給ライン３４１内で水蒸気となって供給されることによって、不足する水蒸気を補う。また、ＳＯＦＣの起動時又は停止動作時など、再循環流量に対して供給される燃料ガスＬ２の流量が少ないと、相対的にＳ／Ｃが高くなるため、ＳＯＦＣ３１３へ供給する燃料ガスＬ２を増加もしくは純水量を低減させてもよい。

＜共同運転について＞
以下、発電システム３１０における、ＳＯＦＣ３１３及びＧＴ３１１の共同運転について説明する。
制御装置３８０は、ＳＯＦＣ３１３とＧＴ３１１とが相互に各ガスの供給を行い共同して運転する共同運転時、ＳＯＦＣ３１３とＧＴ３１１との共同運転状態に応じて、第２燃料ガス供給ライン３４１の制御弁３４２を調整する。具体的には、制御装置３８０は、ＳＯＦＣ３１３の出力電流を指令される電流指令による運転制御を行い、燃料ガスＬ２の流量を調整する。

また、制御装置３８０は、第１酸化性ガス供給ライン３２６の制御弁３２７を閉とする。よって、共同運転時は、燃焼器３２２へ圧縮機３２１からの空気Ａ１が供給されないが、必要に応じて制御弁３２７の開度を調整し、ＳＯＦＣ３１３へ供給される空気Ａ２および燃焼器３２２へ供給される空気Ａ１の供給量を調整しても良い。

上記のようにＳＯＦＣ３１３とＧＴ３１１との共同運転を行っている発電システム３１０において、発電された電力は電力供給先となる負荷設備（以下、負荷とする）や電力系統（以下、系統とする）１０へ供給される。負荷には、停止不可とされる負荷（第２の負荷）４５５があるため、停止不可とされる負荷４５５には発電システム３１０からの電力供給が無瞬断で行われなければならない。
しかし、発電システム３１０への系統１０からの電力供給が停電などの異常発生により停止される場合があり、この時、負荷の少なくとも一部への電力供給を継続するにあたり、ＳＯＦＣ３１３及びＧＴ３１１をそれぞれ自立運転させる必要がある。
なお、自立運転とは系統１０から解列された状態で発電を継続する状態を示し、ＳＯＦＣ３１３とＧＴ３１１との機械的な接続の変更などは関係しない。

＜連系運転から自立運転への切替＞
次に、本実施形態における系統１０の異常発生時における系統１０との連系運転から自立運転への切替について説明する。
図５は、本発明の一実施形態に係る発電システム３１０の電源系統の結線図である。
また図６は、本発明の一実施形態に係る発電システム３１０の連系運転から自立運転への切替処理を示したフローチャートである。

図５に示されるように、ＳＯＦＣ３１３に負荷４５１が接続され、ＧＴ３１１の発電機３１２に負荷（第２の負荷）４５５及び負荷（第３の負荷）４５６がそれぞれ接続されている。またＳＯＦＣ３１３に接続される負荷（第１の負荷）４５１はＳＯＦＣ３１３の発電量を超えない大容量の負荷とすることが可能であるが、停止不可とされる負荷４５５を含んでいる。また後述する無停電電源装置（以下、ＵＰＳという）４５４を通じてＧＴ３１１に接続される負荷４５５は、停止不可とされる負荷４５５であるとする。
ここで停止不可とされる負荷４５５には、ＧＴ３１１の補機も含まれ、例えばＳＯＦＣ３１３の再循環ブロワ３４８、制御装置３８０、計装用空気圧縮機（図示せず）等が挙げられる。
一方、ＵＰＳ４５４を経由せずＧＴ３１１に接続される負荷４５６は、一時的に運転停止してもよいとされる負荷４５６であり、例えば照明灯（図示せず）などが挙げられる。このように、停止可能とされる負荷４５６を分けてＵＰＳ４５４に接続しないことにより、ＵＰＳ４５４の容量を必要最低限の容量に抑えることができる。

次に、連系運転から自立運転に切り替える場合の処理の流れについて、図６を用いて説明する。
図６に示されるように、系統１０に異常などが発生し、系統１０の停電や系統１０への逆潮流停止などが検知されると（Ｓ６０１）、制御装置３８０はＳＯＦＣ３１３を自立運転に切り替える（Ｓ６０２）。具体的には、制御装置３８０は、ＳＯＦＣ３１３を系統１０と数ｍｓ以内でゲートブロックし、系統１０から解列する。このように無瞬断で解列することにより、ＳＯＦＣ３１３は連系状態から自立運転に切り替わる。また、これに際して、純水供給ライン３６１のポンプ３６２（図４参照）が起動し、ＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９へ純水が供給可能とされる。

次に、ＳＯＦＣ３１３は、ＳＯＦＣ自立運転用制御モード（燃料電池自立運転用制御モード）に切り替えられる（Ｓ６０３）。連系運転時は、制御装置３８０はＳＯＦＣ連系運転用制御モード（燃料電池連系運転用制御モード）により制御装置３８０からのＳＯＦＣ３１３の出力電流の指令である電流指令による運転制御を行っていたが、制御モードの切り替えにより図５に示すＳＯＦＣ３１３が電力供給する負荷４５１が要求する電力量に応じてＳＯＦＣ３１３の電力変換装置１１２の交流出力電圧を一定にして必要な電流出力を供給するＳＯＦＣ自立運転用制御モードによる運転制御が行われることとなる。ＳＯＦＣ自立運転用制御モードでは、負荷４５１が要求する電力に応じた電力をＳＯＦＣ３１３が供給する。そのため、これに対応するＳＯＦＣ３１３の出力電流が決定され、発電室２１５の温度や燃料利用率などの運転条件に対して、ＳＯＦＣ３１３に供給される燃料ガスＬ２の燃料供給量が決定される。ＳＯＦＣ３１３の発電出力で電力変換装置１１２の交流出力電圧を一定にして電流を調整する運転制御が行われ、例えばフィードバック制御が行われることとなる。
また、発電室２１５の温度制御については、連系運転時には発電室出力制御として、電流による発電室温度制御を行っている。しかし、ＳＯＦＣ自立運転用制御モードに切り替わると出力電流を調整する際に燃料利用率を都度変更しながら運転制御することが難しくなる。このため発電室出力制御を解除し、発電室２１５の温度が低下した際に発電室２１５の燃焼を利用して昇温を行う等、大まかに発電室２１５の温度調整をする制御を行う。例えば、発電室温度が所定の温度よりも低下した場合は、制御弁３７２を微開として、燃料ガスＬ２を第２酸化性ガス供給ライン３３１に小流量にて供給して燃焼させることで、発電室２１５を加熱してもよい。
さらに、ＳＯＦＣ３１３の電力変換装置１１２がパワーコンディショナである場合は、連系運転時には系統周波数と同期を行っているが、ＳＯＦＣ自立運転用制御モードに切り替わるとこれを解除して、パワーコンディショナにより所定の周波数へと制御する。

このように、ＳＯＦＣ３１３を自立運転へ切り替え、ＳＯＦＣ自立運転用制御モードに切り替えを行っても、ＳＯＦＣ３１３とＧＴ３１１との機械的な接続は変更することなく継続させる。よって、ＳＯＦＣ３１３からＧＴ３１１への排燃料ガス供給ライン３４５を通じた排燃料ガスＬ３の供給及び排酸化性ガス排出ライン３３３を通じた排空気Ａ３の供給が継続され、またＧＴ３１１からＳＯＦＣ３１３への第２酸化性ガス供給ライン３３１を通じた空気Ａ２の供給を行う共同運転が継続され、ＳＯＦＣ３１３とＧＴ３１１との機械的な接続は継続させる。

ＳＯＦＣ自立運転用制御モードでのＳＯＦＣ３１３の発電出力の電流値は、負荷４５１の変動に対応して制御される。つまり、負荷４５１の需要要求に対してＳＯＦＣ３１３の電力変換装置１１２の交流出力電圧を一定にして必要な電流を出力するように制御される（Ｓ６０４）。
すなわち、ＳＯＦＣ３１３の電力変換装置１１２の交流出力電圧を一定にして、出力電流が負荷４５１の電力需要に対応するように変動するため、電力需要に追従するようにＳＯＦＣ３１３への燃料ガスＬ２の供給量を変更するような制御を行う。しかし、燃料ガスＬ２の供給量指令を増加させても燃料ガスＬ２の実際の供給量が増加するまでには少しの時間遅れが発生する場合がある。例えば負荷４５１の電力需要が急激に上昇すると、ＳＯＦＣ３１３の出力電流が上昇し燃料使用量も大きく上昇する。しかし、出力の増加に対して燃料ガスＬ２の供給には時間遅れが発生し、電力需要に対してＳＯＦＣ３１３の燃料ガスＬ２の流量増加が応答よく追従できない場合がある。この時、燃料利用率が一時的に急増し、場合によっては燃料不足が発生する。そのため、燃料利用率に余裕を持たせて小さめに設定しておき、急な負荷４５１の増加変動に対応できるようにする。ここで、燃料利用率とは燃料供給量に対する燃料使用量の割合である。本実施形態では、燃料利用率を連系運転時よりも小さい値（例えば連系運転時の８５％以上９５％以下）に設定するように変更を行う。これにより、電力需要の急増に応じて燃料使用量が急激に上昇しても、燃料利用率、すなわち燃料供給量に余裕があるため、急速な電力需要増加に応じたＳＯＦＣ３１３の電流出力の追従が可能である。

また、燃料利用率が変動すると、Ｓ／Ｃが変動する。例えば燃料ガスＬ２を増加させて燃料利用率を低下させると、燃料ガスＬ２に含まれる炭素Ｃが増加するためＳ／Ｃが低下する。そこで本実施形態では、燃料利用率が低下した場合に、純水を燃料ガス供給系統に供給する。すなわち、図４に示されるように、純水供給ライン３６１のポンプ３６２を制御することにより、純水の供給量を増加させるように制御する。これにより、純水（水蒸気）が増加するため、Ｓ／Ｃが上昇し、所望のＳ／Ｃを維持することができる。純水の供給量としては、燃料極１０９の入口でのＳ／Ｃが３～４以上になるように調整することが好ましい。
また、再循環ブロワ３４８の回転数を低下させて排燃料ガスの再循環流量を減少させてもよい。これにより、排燃料ガスに含まれる炭素が減少するため、Ｓ／Ｃが上昇し、所望のＳ／Ｃを維持することができる。また、再循環ブロワ３４８の回転数を低下させることにより、ＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９の入口温度を上昇させて発電室２１５の温度制御に利用してもよい。再循環ブロワ３４８の回転数は、燃料極１０９の入口でのＳ／Ｃが３～４以上になるように調整することが好ましい。

一方、ＧＴ３１１は、まず無負荷となるように制御される（図６のＳ６０５）。具体的には、系統１０の異常などが検知されると、ＧＴ３１１は数百ｍｓ程度で系統１０から解列される。この時、前述した発電出力が一旦ゼロとなるＢＯＳ（ブラックアウトスタート）を行うと圧縮機３２１からＳＯＦＣ３１３へ酸化性ガスの供給が停止して、ＳＯＦＣ３１３の運転継続が不可能となってしまう。このため、ＢＯＳを行わずそのまま運転を継続させタービン３２３を回転させ続ける。但し、その発電出力は、発電機３１２から負荷４５５、負荷４５６へ電力供給するのではなく、図５に示される制動抵抗負荷４５３へ電力供給する。制動抵抗負荷４５３は、例えばヒータであり、制御装置３８０はヒータ及びヒータの熱を外部へ放出するための放熱ファン（図示せず）の制御を開始する。

次に、ＧＴ３１１は、ガスタービン無負荷運転（無負荷運転）に切り替えられる（Ｓ６０６）。ガスタービン無負荷運転とは、具体的には、発電機３１２に制動抵抗負荷４５３を接続し、タービン３２３の回転を継続させることにより発電機３１２にて発生した発電出力を制動抵抗負荷４５３へ電力供給することである。ここで、制動抵抗負荷４５３の電力量は、本実施形態ではＧＴ３１１の発電電力量より大きく、例えば０～４０ｋＷに変化可能である。
また、発電機３１２の発電出力は全て制動抵抗負荷４５３に供給されることから、発電機３１２から電力が供給されていた負荷４５５、負荷４５６への電力供給は停止される。この時、ＧＴ３１１の補機を含む停止不可とされる負荷４５５へは、ＵＰＳ４５４から電力が供給される。これにより、ＧＴ３１１の補機を含む停止不可の負荷４５５の運転を無瞬断で継続させることができる。
一方、一時的に運転停止してもよいとされる負荷４５６については、電力供給を一時的に停止する。

次に、ＧＴ３１１は、圧縮機３２１の稼働が整定したかどうかを確認するために、タービン３２３の回転数が所定定格回転数の所定範囲以内に整定したかどうかの判定を行う（Ｓ６０７）。タービン３２３の回転数は、制御装置３８０が制動抵抗負荷４５３の負荷量および燃焼器３２２への燃料ガスＬ１の供給量を調整することにより、所定定格回転数の所定範囲以内に整定するように制御される。
ステップＳ６０７において、タービン３２３の回転数が所定定格回転数の所定範囲以内に整定したと判定された場合は、ステップＳ６０８へ遷移する。一方、整定していないと判定された場合は、再度ステップＳ６０７に戻り、タービン３２３の回転数が所定定格回転数の所定範囲以内に整定するまで判定を続ける。

ステップＳ６０７においてタービン３２３の回転数が所定定格回転数の所定範囲以内に整定（すなわち圧縮機３２１の稼働が整定）したと判定された場合は、制御装置３８０はＧＴ３１１に自立運転指令を行う（Ｓ６０８）。この時、ＧＴ３１１は、タービン３２３の回転数の所定定格回転数への整定を継続しながら、安定した状態でガスタービン無負荷運転を行う。

次に、制御装置３８０は、ＳＯＦＣ３１３及びＧＴ３１１がそれぞれ自立運転を行うように切替をおこなう（Ｓ６０９）。すなわち、ＧＴ３１１は、発電機３１２からの制動抵抗負荷４５３への発電出力を停止してガスタービン無負荷運転を終了すると同時に、発電機３１２の発電出力を負荷４５５、負荷４５６に接続して、負荷４５５、４５６への電力供給を行い、自立運転を開始する。また、ＧＴ３１１の補機を含む停止不可の負荷４５５へは、ＵＰＳ４５４を通した電力供給が終了する。
ここで、負荷４５５、負荷４５６の電力需要よりも発電機３１２の発電出力が上回る場合は、その余剰電力分を制動抵抗負荷４５３へ電力供給して消費する。
以上のようにして、本実施形態の発電システム３１０は、系統異常発生などの時に、負荷４５１及び負荷４５５に対し無瞬断での電力供給を行いながら自立運転への切替を行う。
なお、前述したようにＳＯＦＣ３１３及びＧＴ３１１はそれぞれ自立運転しているが、ＳＯＦＣ３１３とＧＴ３１１との機械的な接続は継続させる。

＜自立運転から連系運転への切替＞
次に、本実施形態における系統１０の異常発生などからの復帰時における自立運転から連系運転への切替について説明する。
図７には、本発明の一実施形態に係る発電システムの自立運転から連系運転への切替処理がフローチャートに示されている。
系統１０が異常などから復帰したことを検知すると（Ｓ７０１）、制御装置３８０は、ＧＴ３１１を負荷４５５及び負荷４５６から切り離して無負荷となるように準備するよう制御する（Ｓ７０２）。

同時に、制御装置３８０は、ＧＴ３１１を前述したガスタービン無負荷運転に移行させる（Ｓ７０３）。ＧＴ３１１がガスタービン無負荷運転を行っている間は、ＧＴ３１１の補機を含む停止不可の負荷４５５に対してはＵＰＳ４５４から電力供給を継続し、運転を無瞬断で継続させる。一方、一時的に運転停止してもよいとされる負荷４５６については、電力供給を一時的に停止する。

次に、制御装置３８０は、ガスタービン無負荷運転中のタービン３２３の回転数が所定定格回転数の所定範囲以内に整定したかどうかの判定を行う（Ｓ７０４）。タービン３２３の回転数は、制御装置３８０が制動抵抗負荷４５３の負荷量および燃焼器３２２への燃料ガスＬ１の供給量を調整することにより、所定定格回転数の所定範囲以内に整定するように制御される。
ステップＳ７０４において、タービン３２３の回転数が所定定格回転数の所定範囲以内に整定したと判定された場合はステップＳ７０５へ遷移する。一方、整定していないと判定された場合は再度ステップＳ７０４に戻り、タービン３２３の回転数が所定定格回転数の所定範囲以内に整定するまで判定を続ける。
タービン３２３の回転数が整定（すなわち圧縮機３２１の稼働が整定）し、状態が安定すると、制御装置３８０は、ＧＴ３１１を系統１０に接続し連系運転に復帰させ、ＧＴ３１１の出力を連系運転時用の出力に調整する（Ｓ７０５）。ＧＴ３１１の出力を連系運転時の出力に戻す際には、ＧＴ３１１の圧縮機３２１からＳＯＦＣ３１３へ供給する空気Ａ２の流量と状態（例えば、温度）を安定させることができるため、ＳＯＦＣ３１３の状態も安定させることができる。

このように、ＧＴ３１１を自立運転から連系運転へ切り替えを行っても、ＳＯＦＣ３１３とＧＴ３１１との機械的な接続は変更することなく継続させる。よって、ＳＯＦＣ３１３からＧＴ３１１への排燃料ガス供給ライン３４５を通じた排燃料ガスＬ３の供給及び排酸化性ガス排出ライン３３３を通じた排空気Ａ３の供給が継続される。また、ＧＴ３１１からＳＯＦＣ３１３への第２酸化性ガス供給ライン３３１を通じた空気Ａ２の供給が継続される。

次に、制御装置３８０は、ＳＯＦＣ３１３を無瞬断で連系運転に切り替える（Ｓ７０６）。これと同時に制御装置３８０は、ＳＯＦＣ３１３のＳＯＦＣ自立運転用制御モードをＳＯＦＣ連系運転用制御モードに切り替える（Ｓ７０７）。これにより、ＳＯＦＣ３１３及びＧＴ３１１の双方が連系運転状態となる。

最後に、ＳＯＦＣ３１３の発電出力を、連系運転時用の値に変更し（Ｓ７０８）、ＳＯＦＣ３１３の出力は定格負荷など制御装置３８０から指令される電流指令の発電電流に到達する。

＜電源系統の状態について＞
次に、連系運転と自立運転との切り替えにおける、電力系統の切替について説明する。
図５に示されるように、発電システム３１０の各装置と系統１０とは遮断器などを介して接続されている。
ＳＯＦＣ３１３から系統１０へは本実施形態では例えば、遮断器４０６、電力変換装置１１２、遮断器４０４、自立切替用高速スイッチ４０３、ＳＯＦＣ分電盤４０２、遮断器４０１を順に介して接続されている。
また、遮断器４０４と自立切替用高速スイッチ４０３との間に、負荷４５１が接続されている。
また、電力変換装置１１２内部には、遮断器４０５が備えられている。

ＧＴ３１１の発電機３１２から系統１０へは本実施形態では例えば、ＧＴ用発電インバータ４５２、ＧＴ分電盤４０７、遮断器４０１を順に介して接続されている。
また、ＧＴ分電盤４０７から発電機３１２とは並列に、負荷４５５及び負荷４５６が接続されている。ＧＴ分電盤４０７から負荷４５５へは、遮断器４１０、ＵＰＳ４５４、遮断器４１１を順に介して接続されている。また、ＧＴ分電盤４０７から負荷４５６へは、遮断器４１２を介して接続されている。
また、ＧＴ用発電インバータ４５２は、ＧＴ分電盤４０７へ接続する電力線と並列に遮断器４０９を有し、遮断器４０９を介して負荷４５５及び負荷４５６へ接続している。
さらにＧＴ用発電インバータ４５２には制動抵抗負荷４５３が接続され、また内部には遮断器４０８が備えられている。

図８は、本発明の一実施形態に係る発電システム３１０の運転切替時の遮断器の開閉状態を示す図である。
図８（ａ）は連系運転から自立運転に切り替える場合の遮断器の開閉状態を示す。縦方向は各運転状態を示し、状態Ｏは図６のステップＳ６０２及びＳ６０３、状態ＰはステップＳ６０５及びＳ６０７、状態ＱはステップＳ６０６、状態ＲはステップＳ６０９を示す。
図８（ｂ）は自立運転から連系運転に切り替える場合の遮断器の開閉状態を示す。縦方向は各運転状態を示し、状態Ｖは図７のステップＳ７０２、状態ＷはステップＳ７０３、状態ＸはステップＳ７０４及びＳ７０５、状態ＹはステップＳ７０６及びＳ７０７、状態ＺはステップＳ７０８を示す。
また図８（ａ）及び（ｂ）において、横方向は遮断器の位置を示し、遮断器（１）は遮断器４０１、遮断器（２）はＳＯＦＣ分電盤４０２、遮断器（３）は自立切替用高速スイッチ４０３、遮断器（４）は遮断器４０４、遮断器（５）は遮断器４０５、遮断器（６）は遮断器４０６、遮断器（７）はＧＴ分電盤４０７、遮断器（８）は遮断器４０８、遮断器（９）は遮断器４０９、遮断器（１０）は遮断器４１０、遮断器（１１）は遮断器４１１、遮断器（１２）は遮断器４１２をそれぞれ示す。

図８（ａ）に示される連系運転から自立運転に切り替える際の状態Ｏ（図６のステップＳ６０２及びＳ６０３）の時、遮断器４０１、ＳＯＦＣ分電盤４０２、遮断器４０４、遮断器４０５、遮断器４０６、ＧＴ分電盤４０７、遮断器４０８、遮断器４１０、遮断器４１１、遮断器４１２の各遮断器はＯＮ（接続）、遮断器４０９はＯＦＦ（非接続、切断）であり、遮断器４０９以外は接続され、発電機３１２は系統１０と接続された状態である。また、自立切替用高速スイッチ４０３は、ステップＳ６０２にて数ｍｓ以内（無瞬断）でゲートブロックされ、連系状態から自立状態に切り替えられてＳＯＦＣ３１３は系統１０から解列される。
ここで、負荷４５１は、遮断器４０４、４０５及び４０６がＯＮであることから、ＳＯＦＣ３１３と接続状態であり、ＳＯＦＣ３１３から電力供給がなされる。

次に状態Ｐ及びＱ（図６のステップＳ６０５、Ｓ６０６及びＳ６０７）では、ＧＴ分電盤４０７及び遮断器４０８がＯＮからＯＦＦとされ、ＧＴ３１１の発電機３１２が系統１０から解列されるとともに、負荷４５５及び４５６が系統１０及び発電機３１２と切断される。
ここで、負荷４５５は、遮断器４１１がＯＮであることから、ＵＰＳ４５４と接続状態であり、ＵＰＳ４５４から電力供給がなされる。

次に状態Ｒ（図６のステップＳ６０９）では、遮断器４０９がＯＦＦからＯＮとされ、系統１０から解列されたまま、発電機３１２から負荷４５５及び負荷４５６へ電力供給がなされる。

一方、図８（ｂ）に示される自立運転から連系運転に切り替える際の状態Ｖ（図７のステップＳ７０２）及び状態Ｗ（図７のステップＳ７０３）の時、遮断器４０１、ＳＯＦＣ分電盤４０２、遮断器４０４、遮断器４０５、遮断器４０６、遮断器４１０、遮断器４１１、遮断器４１２の各遮断器はＯＮ、ＧＴ分電盤４０７、遮断器４０８、遮断器４０９の各遮断器はＯＦＦであり、また自立切替用高速スイッチ４０３は自立状態であり、ＳＯＦＣ３１３、発電機３１２、負荷４５１、４５５及び４５６は系統１０と解列されており、負荷４５５及び４５６と発電機３１２とは切断された状態である。
ここで、負荷４５１は、遮断器４０４、４０５及び４０６がＯＮであることから、ＳＯＦＣ３１３と接続状態であり、ＳＯＦＣ３１３から電力供給がなされる。また負荷４５５は、遮断器４１１がＯＮであることから、ＵＰＳ４５４と接続状態であり、ＵＰＳ４５４から電力供給がなされる。

次に、状態Ｘ（図７のステップＳ７０４及びＳ７０５）では、ＧＴ分電盤４０７及び遮断器４０８がＯＦＦからＯＮとされ、ＧＴ３１１の発電機３１２が系統１０に接続され、連系運転に復帰する。

次に、状態Ｙ（図７のステップＳ７０６及びＳ７０７）及び状態Ｚ（図７のステップＳ７０８）では、自立切替用高速スイッチ４０３が自立状態から連系状態に切り替えられて数ｍｓ以内（無瞬断）でゲートブロックから復帰する。

以上、説明してきたように、本実施形態に係る発電システム３１０、発電システム３１０の運転切替方法及び発電システム３１０の運転切替プログラムによれば、以下の作用効果を奏する。
本態様では、圧縮機３２１を有するＧＴ３１１とＳＯＦＣ３１３を組み合わせた発電システム３１０において、ＧＴ３１１及びＳＯＦＣ３１３のいずれも連系運転から自立運転に切り替えることができる。
また、発電システム３１０が系統１０から解列した際に、ＧＴ３１１の圧縮機３２１からＳＯＦＣ３１３へ酸化性ガスの供給が継続される。そのため、ＳＯＦＣ３１３の自立運転に切り替えが可能となることから、ＳＯＦＣ３１３を運転停止することなく、負荷４５１への電力供給を継続することができる。
ここで、ＳＯＦＣ３１３は無瞬断で自立運転に切り替えることから、電力供給の瞬断が発生せず系統１０との連系運転時と同様に電力供給を行うことが可能である。
また、ＧＴ３１１は、圧縮機３２１の稼働が整定した後に自立運転に切り替えることから、自立運転での負荷４５５、負荷４５６への電力供給を安定した状態で行うことができる。
ここで、圧縮機３２１の稼働が整定するとは、圧縮機３２１の回転数に大きな変動がなく、圧縮機３２１の送気状態が安定することを意味する。
これにより、発電システム３１０が系統１０から解列した際に、連系運転から自立運転に切り替わり、さらにＳＯＦＣ３１３は無瞬断で自立運転に切り替えることで負荷４５１への電力供給を継続することができる。このため、発電システム３１０の稼働率が向上し、またＢＣＰ（Business Continuity planning、事業継続計画）の観点から経済性の向上にも寄与する。

また本実施形態によれば、ＳＯＦＣ３１３の排燃料ガス及び排酸化性ガスがＧＴ３１１へ継続して供給されることから、ＳＯＦＣ３１３とＧＴ３１１とは互いに燃料ガス及び酸化性ガスを循環させて発電を継続することができる。

また本実施形態によれば、制御装置３８０は、系統１０から解列して自立運転を開始するとＳＯＦＣ連系運転用制御モードからＳＯＦＣ自立運転用制御モードに切り替える。ＳＯＦＣ連系運転用制御モードでは、制御装置３８０からＳＯＦＣ３１３の出力電流を指令される電流指令による運転制御が行われる。ＳＯＦＣ３１３が系統１０から解列して自立運転を開始すると、ＳＯＦＣ３１３が電力供給する負荷４５１が要求する電力量に対応し、ＳＯＦＣ３１３の電力変換装置１１２の交流出力電圧を一定にして必要な電流を出力する制御が行われるＳＯＦＣ自立運転用制御モードに切り替わる。
これにより、ＳＯＦＣ３１３は、系統１０から解列すると、負荷４５１が要求する電力量に応じた発電出力を行うことができる。

従来のガスタービンでは、連系運転から自立運転を行う際は、運転を継続せず発電出力が一旦ゼロとなるＢＯＳ：ブラックアウトスタートを行う。従来の場合は、ＳＯＦＣ３１３とＧＴ３１１との相互に各ガスの供給を行う共同運転状態を解除し、ＳＯＦＣ３１３の発電運転も一旦停止させる必要があり、発電システム３１０が無瞬断電源供給を行うことができなくなる。
本実施形態によれば、発電システム３１０が系統１０から解列して自立運転を行う際にあたり、ＧＴ３１１の圧縮機３２１からＳＯＦＣ３１３へ酸化性ガスの供給を継続させる運転を継続する。そのため、ＧＴ３１１がＢＯＳを行なわずに、ＳＯＦＣ３１３とＧＴ３１１との共同運転状態が継続され、ＳＯＦＣ３１３の運転も継続することができる。
またこのとき、ＧＴ３１１の圧縮機３２１の稼働が安定していない期間が発生する可能性がある。本実施形態では、ＧＴ３１１の発電出力は負荷４５５及び負荷４５６には接続せずに、制動抵抗負荷４５３に接続して、発電出力を制動抵抗負荷４５３に電力供給する。これにより、不安定な発電出力を負荷４５５及び負荷４５６に電力供給することなく制動抵抗負荷４５３にて消費することができる。
また、ガスタービン無負荷運転では、制動抵抗４５３の負荷量と燃焼器３２２への燃料ガスＬ１の燃料供給量とを調整してＧＴ３１１の回転数が制御されるため、ＧＴ３１１の回転数を容易に制御することが可能である。

また本実施形態によれば、ＧＴ３１１がＵＰＳ４５４を備えることから、ＧＴ３１１が系統１０から解列してガスタービン無負荷運転が行われている場合でも、複数の負荷４５５、負荷４５６のうち停止不可とされる負荷４５５に対してＵＰＳ４５４からの電力供給が行われる。これにより、停止不可とされる負荷４５５が停止することなく電力供給が無瞬断で継続され、ＳＯＦＣ３１３の運用が一時的に停止されることがない。

また本実施形態によれば、制動抵抗負荷４５３への接続後、ガスタービン無負荷運転によりＧＴ３１１の圧縮機３２１の稼働が整定すると、ＧＴ３１１の状態が安定したとして制動抵抗負荷４５３への電力供給を停止し、自立運転を開始して負荷４５５、負荷４５６に接続して電力供給する。これにより、ＧＴ３１１の状態安定を待って負荷４５５と負荷４５６に接続することができ、負荷４５５、負荷４５６への電力供給を安定した状態で行うことができる。

また本実施形態によれば、ＳＯＦＣ３１３と圧縮機３２１を備えるＧＴ３１１とを組み合わせた発電システム３１０において、自立運転を行っているＳＯＦＣ３１３及びＧＴ３１１のいずれも再度に連系運転に切り替えることができる。
また、ＧＴ３１１は、圧縮機３２１の稼働が整定した後に連系運転に切り替えることから、負荷４５５、負荷４５６への電力供給を安定した状態で行うことができる。
また、ＳＯＦＣ３１３は無瞬断で連系運転に切り替えることから、電力供給の瞬断が発生せず自立運転時と同様に電力供給を行うことが可能である。
また、ＧＴ３１１が整定した後にＳＯＦＣ３１３を連系運転に切り替えることから、ＧＴ３１１からＳＯＦＣ３１３へ送る空気の状態を安定させておくことができるため、ＳＯＦＣ３１３の状態も安定させることができる。

また本実施形態によれば、発電システム３１０が系統１０に連系して再度の連系運転をする場合、ＧＴ３１１は発電出力が一旦ゼロとなるＢＯＳを行なわず、ＧＴ３１１は運転を継続する。これにより、ＳＯＦＣ３１３とＧＴ３１１とが相互に各ガスの供給を行う共同運転状態が継続されるので、ＳＯＦＣ３１３の運転も継続することができる。
また、ＧＴ３１１はガスタービン無負荷運転を行うことで、制動抵抗負荷４５３に接続して発電出力を制動抵抗負荷４５３に供給する。これにより、不安定な発電出力を負荷４５５、負荷４５６に電力供給することなく制動抵抗負荷４５３にて消費することができる。
また、ガスタービン無負荷運転では、制動抵抗負荷量と燃焼器３２２への燃料ガスＬ１の燃料供給量とを調整してＧＴ３１１の回転数が制御されるため、ＧＴ３１１の回転数を容易に制御することが可能である。

また本実施形態によれば、ＧＴ３１１がＵＰＳ４５４を備えることから、系統１０へ連系して再度の連系運転を行うに察して、ガスタービン無負荷運転が行われている場合でも、複数の負荷４５５、負荷４５６のうち停止不可とされる負荷４５５に対してＵＰＳ４５４からの電力供給が行われる。これにより、停止不可とされる負荷４５５が停止することなく電力供給が無瞬断で継続され、ＳＯＦＣ３１３の運用が一時的に停止されることがない。

また本実施形態によれば、制動抵抗負荷４５３への接続後、ガスタービン無負荷運転によりＧＴ３１１の圧縮機３２１の稼働が整定すると、ＧＴ３１１の状態が安定したとして制動抵抗負荷４５３への電力供給を停止し、系統１０に接続して連携運転を開始する。これにより、ＧＴ３１１の状態安定を待って系統１０に接続することができ、系統１０へ連系して再度の連系運転を安定した状態で行うことができる。

また本実施形態によれば、ＳＯＦＣ３１３は、系統１０へ連系して再度の連系運転を行うと、ＳＯＦＣ３１３自立運転用制御モードからＳＯＦＣ３１３連系運転用制御モードに切り替える。ＳＯＦＣ自立運転用制御モードでは、ＳＯＦＣ３１３が負荷４５１が要求する電力量に対応してＳＯＦＣ３１３の電力変換装置１１２の交流出力電圧を一定にして必要な電流を出力する運転制御が行われる。ＳＯＦＣ３１３が系統１０へ連系して再度の連系運転を行うと、制御装置３８０からのＳＯＦＣ３１３の出力電流の指令である電流指令による制御が行われるＳＯＦＣ連系運転用制御モードに切り替わる。
これにより、ＳＯＦＣ３１３は、系統１０へ連系して再度の連系運転を行うと、電流指令に応じた発電出力を行うことができる。

以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではない。
たとえば、上述した各実施形態においては発電システム（複合発電システム）３１０はＧＴ（圧縮機を備える発電装置）３１１及びＳＯＦＣ（燃料電池）３１３のハイブリッド発電システムであるとしたが、トリプルコンバインドシステムであるとしてもよい。また圧縮機３２１を備える発電装置３１１は、ＧＴ（ガスタービン）３１１であるとしたが、ターボチャージャーやマイクロガスタービン（ＭＧＴ）であるとしてもよい。

１０系統（電力系統）
３１０発電システム（複合発電システム）
３１１ＧＴ（ガスタービン）（発電装置）
３１２発電機
３１３ＳＯＦＣ（固体酸化物型燃料電池）（燃料電池）
３２１圧縮機
３８０制御装置（制御部）
４５１負荷（第１の負荷）
４５５負荷（第２の負荷）
４５６負荷（第３の負荷）
４５３制動抵抗負荷
４５４ＵＰＳ（無停電電源装置）

Claims

圧縮機を備える発電装置及び燃料電池を備え、電力系統へ連系して電力供給をする連系運転と、前記電力系統と解列した自立運転を備えた複合発電システムであって、
前記連系運転および前記自立運転で、前記圧縮機から前記燃料電池へ酸化性ガスが供給され、
前記複合発電システムが前記電力系統から解列する際に、前記燃料電池を無瞬断で前記自立運転に切り替え、前記発電装置を前記圧縮機の稼働が整定した後に前記自立運転に切り替える制御部を備える複合発電システム。
前記燃料電池は、前記自立運転において前記発電装置への排燃料ガス及び排酸化性ガスの供給を継続する請求項１に記載の複合発電システム。
前記複合発電システムは、前記燃料電池の発電出力の少なくとも一部が電力供給される第１の負荷を備え、
前記燃料電池は、前記電力系統から解列して前記自立運転を開始する際は、前記制御部からの電流指令に基づき制御が行われる燃料電池連系運転用制御モードから、前記第１の負荷が要求する電力量に基づき制御が行われる燃料電池自立運転用制御モードに切り替える請求項１に記載の複合発電システム。
前記燃料電池自立運転用制御モードは、前記燃料電池連系運転用制御モードに対して、燃料利用率が前記連系運転時の８５％以上９５％以下に設定される請求項３に記載の複合発電システム。
前記燃料電池自立運転用制御モードは、前記燃料電池連系運転用制御モードに対して、前記燃料電池へ供給する燃料への純水流量を増加させる設定を行う請求項４に記載の複合発電システム。
前記発電装置は、前記電力系統から解列して前記自立運転を開始する前に、制動抵抗負荷に接続し、前記発電装置の発電出力を前記制動抵抗負荷へ電力供給し、制動抵抗負荷量と前記発電装置へ供給される燃料供給量とを調整することにより前記発電装置の発電出力を制御して運転を継続させる無負荷運転を行う請求項１に記載の複合発電システム。
前記複合発電システムは、停止不可とされる第２の負荷と、停止可能とされる第３の負荷と、無停電電源装置とを備え、前記電力系統から解列すると、前記無停電電源装置から前記第２の負荷へ電力供給が行われる請求項６に記載の複合発電システム。
前記発電装置は、前記制動抵抗負荷へ接続して電力供給を開始した後、前記圧縮機の稼働が整定すると、前記制動抵抗負荷への電力供給を停止し、前記第２の負荷と前記第３の負荷に接続して電力供給し、前記自立運転を開始する請求項７に記載の複合発電システム。
前記複合発電システムが前記電力系統へ連系して再度の前記連系運転を行う際に、前記発電装置を、前記圧縮機の稼働が整定した後に前記連系運転に切り替え、前記燃料電池を、無瞬断で前記連系運転に切り替える請求項１に記載の複合発電システム。
前記燃料電池は、前記電力系統へ連系して再度の前記連系運転を開始する際に、前記燃料電池自立運転用制御モードから前記燃料電池連系運転用制御モードに切り替える請求項３に記載の複合発電システム。
前記発電装置は、前記電力系統へ連系して再度の前記連系運転を開始する前に、前記無負荷運転を行い、
前記無停電電源装置から前記第２の負荷への電力供給が行われ、
前記圧縮機の稼働が整定すると、前記制動抵抗負荷への電力供給を停止して、前記連系運転を開始する請求項７に記載の複合発電システム。
圧縮機を備える発電装置及び燃料電池を備え、電力系統へ連系して電力供給をする連系運転と、前記電力系統と解列した自立運転を備えた複合発電システムの運転切替方法であって、
前記連系運転および前記自立運転で、前記圧縮機から前記燃料電池へ酸化性ガスが供給され、
前記複合発電システムが前記電力系統から解列する際に、
前記燃料電池を無瞬断で前記自立運転に切り替える工程と、
前記発電装置を前記圧縮機の稼働が整定した後に前記自立運転に切り替える工程と、
を備える複合発電システムの運転切替方法。
圧縮機を備える発電装置及び燃料電池を備え、電力系統へ連系して電力供給をする連系運転と、前記電力系統と解列した自立運転を備えた複合発電システムの運転切替プログラムであって、
前記連系運転および前記自立運転で、前記圧縮機から前記燃料電池へ酸化性ガスが供給され、
前記複合発電システムが前記電力系統から解列する際に、
前記燃料電池を無瞬断で前記自立運転に切り替えるステップと、
前記発電装置を前記圧縮機の稼働が整定した後に前記自立運転に切り替えるステップと、
を備える複合発電システムの運転切替プログラム。