JP7064081B2 - 燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの運転方法 - Google Patents
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Description
特に太陽電池や風力発電などの再生可能エネルギのような負荷変動の大きな電力系統に組み込む場合にはより良好な負荷追従性と作動安定性が求められる。
燃料電池と、
前記燃料電池に酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給ラインに設けられる少なくとも1つの圧縮機と、
前記少なくとも1つの圧縮機のうち第1圧縮機を駆動可能に構成された第1モータと、
前記第1モータと電力系統との間に設けられ、前記第1モータのトルクを調節可能な電力変換器と、
を備える。
まず、図1~図3を参照して、幾つかの実施形態に係る燃料電池発電システムを構成する燃料電池について説明する。なお、本明細書における燃料電池は、以下に説明する燃料電池モジュール、燃料電池カートリッジ、又はセルスタックであってもよい。図1は、一実施形態に係るSOFCモジュール(燃料電池モジュール)の概略図である。図2は、一実施形態に係るSOFCモジュール(燃料電池モジュール)を構成するSOFCカートリッジ(燃料電池カートリッジ)の概略的な断面図である。図3は、一実施形態に係るSOFCモジュール(燃料電池モジュール)を構成するセルスタックの概略的な断面図である。
固体酸化物形燃料電池の燃料側電極109に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素(H2)および一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)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、及び石炭などの炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガスなどが挙げられる。
酸素側電極113は2層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜111側の酸素側電極層(酸素側電極中間層)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。酸素側電極中間層上の酸素側電極層(酸素側電極導電層)は、Sr及びCaドープLaMnO3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。
次に、図4~図10を参照して、幾つかの実施形態に係る燃料電池発電システム(以下、「発電システム」ともいう。)について説明する。図4~図10は、それぞれ、一実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略図である。
燃料電池(例えば上述の燃料電池部2)と、
前記燃料電池に酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給ライン(44)に設けられる少なくとも1つの圧縮機(4)と、
前記少なくとも1つの圧縮機のうち第1圧縮機(6)を駆動可能に構成された第1モータ(例えば上述のモータ/発電機18又はモータ17)と、
前記第1モータと電力系統(90)との間に設けられ、前記第1モータのトルクを調節可能な1以上の電力変換器(23)と、
を備える。
前記燃料電池発電システムは、
前記燃料電池の出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量が実現されるように、前記第1モータのトルクを調節するように前記電力変換器を制御するためのコントローラ(50)を備える。
前記1以上の電力変換器は、前記電力系統と前記第1モータとの間に設けられた交流交流変換器(25)を含む。
前記1以上の電力変換器は、
前記燃料電池と前記電力系統との間に設けられるインバータ(20)と、
前記燃料電池と前記インバータとの間の第1直流電路との間に設けられる直流交流変換器(25)と、
を含む。
前記燃料電池発電システムは、
前記インバータと前記第1モータとの間の第2直流電路(22)に接続されるモータ用蓄電池(34)を備える。
前記燃料電池発電システムは、
前記燃料電池からの排ガスにより駆動されるとともに、前記少なくとも1つの圧縮機のうちいずれかを駆動するように構成された少なくとも1つのタービン(10)を備える。
前記少なくとも1つのタービンは、前記第1圧縮機を駆動するように構成された第1タービン(12)を含む。
前記第1モータは、前記第1タービンに駆動されて回生運転可能に構成される。
前記少なくとも1つの圧縮機は、前記酸化性ガス供給ライン上にて前記第1圧縮機と直列に設けられる第2圧縮機(8)を含む。
前記少なくとも1つのタービンは、前記第2圧縮機を駆動するように構成された第2タービン(14)を含む。
前記発電システムは、
前記第2圧縮機を駆動するための第2モータ(19)を備える。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
2 燃料電池部
4 圧縮機
6 第1圧縮機
8 第2圧縮機
10 タービン
12 第1タービン
14 第2タービン
16 燃焼器
17 モータ(第1モータ)
18 モータ/発電機(第1モータ)
19 第2モータ
20 インバータ
21 第1直流電路
22 第2直流電路
23 電力変換器
24 DC/DCチョッパ
25 交流交流変換器
26 直流交流変換器
27 送電ライン
28 交流電路
29 開閉器
30 蓄電池
34 モータ用蓄電池
36 DC/DCチョッパ
40 燃料供給ライン
42 排燃料ガスライン
44 酸化性ガス供給ライン
46 排酸化性ガスライン
50 コントローラ
90 電力系統
91 電力系統
92 独立電源系統
101 セルスタック
103 基体管
105 燃料電池セル
107 インターコネクタ
109 燃料側電極
111 固体電解質膜
113 酸素側電極
115 リード膜
201 SOFCモジュール(燃料電池モジュール)
203 SOFCカートリッジ
205 圧力容器
207 燃料ガス供給管
207a 燃料ガス供給枝管
209 燃料ガス排出管
209a 燃料ガス排出枝管
215 発電室
217 燃料ガス供給ヘッダ
219 燃料ガス排出ヘッダ
221 酸化性ガス供給ヘッダ
223 酸化性ガス排出ヘッダ
225a 上部管板
225b 下部管板
227a 上部断熱体
227b 下部断熱体
229a 上部ケーシング
229b 下部ケーシング
231a 燃料ガス供給孔
231b 燃料ガス排出孔
233a 酸化性ガス供給孔
233b 酸化性ガス排出孔
235a 酸化性ガス供給隙間
235b 酸化性ガス排出隙間
237a シール部材
237b シール部材
Claims (15)
- 燃料電池と、
前記燃料電池に酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給ラインに設けられる少なくとも1つの圧縮機と、
前記少なくとも1つの圧縮機のうち第1圧縮機を駆動可能に構成された第1モータと、
前記第1モータと電力系統との間に設けられ、前記第1モータのトルクを調節可能な1以上の電力変換器と、
を備え、
前記1以上の電力変換器は、前記電力系統と前記第1モータとの間に設けられた交流交流変換器を含み、
前記第1モータは、前記電力系統と前記燃料電池とを接続するための電路を介さずに前記電力系統に接続されている
燃料電池発電システム。 - 前記燃料電池の出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量が実現されるように、前記第1モータのトルクを調節するように前記1以上の電力変換器を制御するためのコントローラを備える
請求項1に記載の燃料電池発電システム。 - 前記コントローラは、前記出力要求値から前記第1モータのトルクを算出し、前記トルクを得るために必要な有効電流に基づき前記電力変換器に与えるPWM制御指令を生成し、前記PWM制御指令に基づき電力変換器を制御するように構成された
請求項2に記載の燃料電池発電システム。 - 前記コントローラは、前記出力要求値が増加されるとき、前記出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量が実現されるように、前記第1モータのトルクを増加させる
請求項2又は3に記載の燃料電池発電システム。 - 前記コントローラは、前記出力要求値が低減されるとき、前記出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量が実現されるように、前記第1モータに回生運転をさせることで前記第1モータのトルクを減少させる
請求項2乃至4の何れか一項に記載の燃料電池発電システム。 - 前記酸化性ガス供給ラインから分岐して前記燃料電池をバイパスするように設けられるバイパスラインと、
前記バイパスラインに設けられるバイパス弁と、を備え、
前記コントローラは、前記出力要求値が低減されるとき、前記出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量が実現されるように、前記バイパス弁の開度を調節することで前記第1モータのトルクを減少させる
請求項2乃至4の何れか一項に記載の燃料電池発電システム。 - 前記燃料電池からの排ガスにより駆動されるとともに、前記少なくとも1つの圧縮機のうちいずれかを駆動するように構成された少なくとも1つのタービンを備える
請求項1乃至6の何れか一項に記載の燃料電池発電システム。 - 前記少なくとも1つのタービンは、前記第1圧縮機を駆動するように構成された第1タービンを含む
請求項7に記載の燃料電池発電システム。 - 前記第1モータは、前記第1タービンに駆動されて回生運転可能に構成された
請求項8に記載の燃料電池発電システム。 - 前記少なくとも1つの圧縮機は、前記酸化性ガス供給ライン上にて前記第1圧縮機と直列に設けられる第2圧縮機を含む
請求項7乃至9の何れか一項に記載の燃料電池発電システム。 - 燃料電池と、
前記燃料電池に酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給ラインに設けられる少なくとも1つの圧縮機と、
前記少なくとも1つの圧縮機のうち第1圧縮機を駆動可能に構成された第1モータと、
前記第1モータと電力系統との間に設けられ、前記第1モータのトルクを調節可能な1以上の電力変換器と、
前記燃料電池の出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量が実現されるように、前記第1モータのトルクを調節するように前記1以上の電力変換器を制御するためのコントローラと、
前記燃料電池からの排ガスにより駆動されるとともに、前記少なくとも1つの圧縮機のうちいずれかを駆動するように構成された少なくとも1つのタービンと、
を備え、
前記少なくとも1つの圧縮機は、前記酸化性ガス供給ライン上にて前記第1圧縮機と直列に設けられる第2圧縮機を含み、
前記コントローラは、前記出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量のうち、前記第2圧縮機の運転では不足する供給量を算出し、前記不足する供給量を前記第1圧縮機の運転で補うように、前記1以上の電力変換器を制御して第1モータのトルクを調節するように構成された
燃料電池発電システム。 - 前記少なくとも1つのタービンは、前記第2圧縮機を駆動するように構成された第2タービンを含む
請求項10又は11に記載の燃料電池発電システム。 - 前記第2圧縮機を駆動するためのモータを備える
請求項10乃至12の何れか一項に記載の燃料電池発電システム。 - 燃料電池と、
前記燃料電池に酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給ラインに設けられる少なくとも1つの圧縮機と、
前記少なくとも1つの圧縮機のうち第1圧縮機を駆動可能に構成された第1モータと、
前記第1モータと電力系統との間に設けられ、前記第1モータのトルクを調節可能な1以上の電力変換器と、
を含む燃料電池発電システムの運転方法であって、
前記1以上の電力変換器は、前記電力系統と前記第1モータとの間に設けられた交流交流変換器を含み、
前記電力系統からの電力を、前記電力系統と前記燃料電池とを接続するための電路を介さずに、かつ、前記交流交流変換器を介して、前記第1モータに供給するステップ
を備える燃料電池発電システムの運転方法。 - 燃料電池と、
前記燃料電池に酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給ラインに設けられる少なくとも1つの圧縮機と、
前記少なくとも1つの圧縮機のうち第1圧縮機を駆動可能に構成された第1モータと、
前記第1モータと電力系統との間に設けられ、前記第1モータのトルクを調節可能な1以上の電力変換器と、
前記燃料電池からの排ガスにより駆動されるとともに、前記少なくとも1つの圧縮機のうちいずれかを駆動するように構成された少なくとも1つのタービンと、
を含む燃料電池発電システムの運転方法であって、
前記少なくとも1つの圧縮機は、前記酸化性ガス供給ライン上にて前記第1圧縮機と直列に設けられる第2圧縮機を含み、
前記燃料電池の出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量が実現されるように、前記第1モータのトルクを調節するように前記1以上の電力変換器を制御するステップを備え、
前記ステップでは、前記出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量のうち、前記第2圧縮機の運転では不足する供給量を算出し、前記不足する供給量を前記第1圧縮機の運転で補うように、前記1以上の電力変換器を制御して第1モータのトルクを調節する
燃料電池発電システムの運転方法。
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