JP7293447B1 - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】システム全体の熱効率を低下させることなくタービンを安定運転させる。【解決手段】燃料電池３１３と、燃料ガスを燃料極１０９へ供給する第２燃料ガス供給ライン３４１と、排燃料ガスＬ３を燃焼させる第１燃焼器３２２と、第１燃焼器３２２へ排燃料ガスＬ３を供給する排燃料ガス供給ライン３４５と、燃焼ガスが供給されるタービン３２３と、燃焼ガスを第１燃焼器３２２からタービン３２３へ供給する燃焼ガス供給ライン３２８と、タービン３２３を通過した燃焼ガスを排出する燃焼排ガスライン３２９と、排燃料ガス供給ライン３４５から燃焼排ガスライン３２９へ排燃料ガスＬ３を導くバイパスライン３９１と、バイパスライン３９１に配置されるバイパス制御弁３９２と、を備える発電システム３１０を提供する。【選択図】図１
Description
本開示は、燃料電池システムに関するものである。
燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池は、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（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）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、水素、アンモニア、天然ガス、石油ガス、及び合成ガスなどを燃料ガスとして供給して、およそ７００℃～１０００℃の高温雰囲気で反応させて発電を行っている。
ＳＯＦＣを用いたシステムとして、ターボチャージャの圧縮機によって酸化性ガスを圧縮してＳＯＦＣへ供給し、ＳＯＦＣから排出された排酸化性ガスと排燃料ガスを触媒燃焼器で燃焼させ、燃焼させた燃焼ガス（排ガス）をターボチャージャのタービンへ供給して圧縮機を駆動するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１のシステムでは、ＳＯＦＣから排出された排燃料ガスを触媒燃焼器へ供給する系統とは別に、ＳＯＦＣの燃料極へ供給される燃料ガスの一部を分岐させて触媒燃焼器へ直接的に供給することが可能となっている。また、特許文献１のシステムには、タービンから排出される燃焼ガスと圧縮機で圧縮される酸化性ガスとの熱交換により、ＳＯＦＣの空気極へ供給される酸化性ガスを加熱する熱交換器が設けられている。
特許文献１のシステムにおいて、ＳＯＦＣを定格負荷で運転する際にタービンの回転数が所定の回転数となるように、定格負荷で運転されるＳＯＦＣから排出される排酸化性ガスと排燃料ガスの排出量を設定するのが望ましい。一方、特許文献１のシステムにおいて、タービンを安定運転させるためには、タービンを所定の最低回転数を上回るように維持することが望ましい。
しかしながら、ＳＯＦＣが定格負荷に満たない部分負荷での運転中は、ＳＯＦＣから排出される排酸化性ガスと排燃料ガスの排出量が定格負荷における排出量よりも少なくなる。そのため、触媒燃焼器で生成される燃焼ガスの熱量が定格負荷における熱量よりも少なくなり、タービンの回転数が所定の最低回転数を下回ってしまう可能性がある。
この場合、ＳＯＦＣから排出された排燃料ガスを触媒燃焼器へ供給する系統とは別に、触媒燃焼器へ直接的に供給する燃料ガスの熱量を増加させることにより、タービンの回転数が所定の最低回転数を上回るようにすることが可能である。しかしながら、燃料ガスの消費量が増加してしまうためシステム全体の熱効率が低下してしまう。
本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、システム全体の熱効率を低下させることなくタービンを安定運転させることが可能な燃料電池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、本開示は以下の手段を採用する。
本開示の一態様に係る燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料電池から排出された前記排燃料ガスを燃焼させる第１燃焼器と、前記第１燃焼器へ前記排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、前記第１燃焼器で生成された燃焼ガスが供給されるタービンと、前記燃焼ガスを前記第１燃焼器から前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、前記タービンを通過した前記燃焼ガスを排出する燃焼排ガスラインと、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインまたは前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導くバイパスラインと、前記バイパスラインに配置されるバイパス制御弁と、を備える。
本開示の一態様に係る燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料電池から排出された前記排燃料ガスを燃焼させる第１燃焼器と、前記第１燃焼器へ前記排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、前記第１燃焼器で生成された燃焼ガスが供給されるタービンと、前記燃焼ガスを前記第１燃焼器から前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、前記タービンを通過した前記燃焼ガスを排出する燃焼排ガスラインと、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインまたは前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導くバイパスラインと、前記バイパスラインに配置されるバイパス制御弁と、を備える。
本開示の一態様に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料電池から排出された前記排燃料ガスを燃焼させる第１燃焼器と、前記第１燃焼器へ前記排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、前記第１燃焼器で生成された燃焼ガスが供給されるタービンと、前記燃焼ガスを前記第１燃焼器から前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、前記タービンを通過した前記燃焼ガスを排出する燃焼排ガスラインと、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインまたは前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導くバイパスラインと、前記バイパスラインに配置されるバイパス制御弁と、を備え、前記タービンが所定の回転数となるように前記バイパス制御弁の開度を制御する制御工程を備える。
本開示によれば、システム全体の熱効率を低下させることなくタービンを安定運転させることが可能な燃料電池システムを提供することができる。
〔第１実施形態〕
以下、本開示の第１実施形態に係る燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法について、図面を参照して説明する。
以下、本開示の第１実施形態に係る燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法について、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。
本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１は、本実施形態に係る発電システム３１０を示す概略構成図である。図１に示すように、発電システム３１０は、ターボチャージャ３１１と燃料電池３１３を備えている。燃料電池３１３は、図示しない燃料電池モジュールが１つまたは複数が組み合わされて構成され、以降は単に「燃料電池」と記載する。
図１は、本実施形態に係る発電システム３１０を示す概略構成図である。図１に示すように、発電システム３１０は、ターボチャージャ３１１と燃料電池３１３を備えている。燃料電池３１３は、図示しない燃料電池モジュールが１つまたは複数が組み合わされて構成され、以降は単に「燃料電池」と記載する。
ターボチャージャ３１１は、圧縮機３２１、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。回転軸３２４の回転数（ｒｐｍ）は、例えば、回転数計３２４ａにより検知され、制御装置３８０に伝達される。回転数計３２４ａが検知する回転数は、タービン３２３の回転数を示す。タービン３２３が回転することで圧縮機３２１が回転駆動する。本実施形態は酸化性ガスとして空気を用いた例であり、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。なお、タービン３２３の回転数は、圧縮機３２１を通過する空気の流量や圧縮機３２１の前後の圧力などから算出してもよい。
第１燃焼器３２２には、排燃料ガス供給ライン３４５を通じて燃料電池３１３の燃料極１０９から排出される排燃料ガスＬ３の一部が供給される。排燃料ガス供給ライン３４５には、第１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（排燃料ガス制御弁）３４７が設けられている。
排燃料ガス供給ライン３４５には、排酸化性ガス排出ライン３３３が接続されており、燃料電池３１３の空気極１１３から排出される排酸化性ガスＡ３が、排燃料ガスＬ３の一部と混合されて第１燃焼器３２２に供給される。また、排酸化性ガス排出ライン３３３には、第１酸化性ガス供給ライン３２６が接続されており、圧縮機３２１で圧縮された空気Ａの少なくとも一部である空気Ａ１が、第１燃焼器３２２に供給される。第１酸化性ガス供給ライン３２６には、第１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が設けられている。
また、第１燃焼器３２２には、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燃料ガス供給ライン３５１には、第１燃焼器３２２へ供給する燃料ガス量を調整するための制御弁３５２が設けられている。
第１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、及び排酸化性ガスＡ３が混合されたガスを燃焼させ、燃焼ガスＧを生成する。第１燃焼器３２２には、排燃料ガスＬ３を安定して燃焼可能な燃焼器、例えば、触媒燃焼器などが用いられる。燃焼ガスＧは燃焼ガス供給ライン３２８を通じて第１燃焼器３２２からタービン３２３に供給される。タービン３２３は、燃焼ガスＧにより回転駆動される。
第１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、水素、アンモニア、一酸化炭素合成ガス、及び、炭化水素系ガス（天然ガス、石油ガス等）などが用いられる。燃料ガスの発熱量は、所定の範囲内に調製されていることが望ましい。
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。熱交換器３３０を通過した排ガスは、燃焼排ガスライン３２９に導かれる。
燃料電池３１３は、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）であり、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。この燃料電池３１３は、図示しない燃料電池モジュールから構成され、燃料電池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と固体電解質膜（図示略）を備えている。なお、燃料電池３１３は、ＳＯＦＣに限定されない。
燃料電池３１３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、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る。本実施形態では、燃料電池３１３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。
燃料電池３１３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は、第２酸化性ガス供給ライン３３１および燃焼排ガスライン３２９に配置される。
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を通じて燃料電池３１３に供給される空気Ａ２の温度が調整される。燃料電池３１３に供給される空気Ａ２の温度は、燃料電池３１３を構成する図示しない燃料電池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。空気極燃料供給ライン３７１は、発電システム３１０の起動時に燃料電池３１３を昇温する際などに用いられる。燃料電池３１３には、空気極１１３で用いられた排酸化性ガス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。
燃料電池３１３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は、発電システム３１０の緊急停止時などに用いられる。
また、燃料電池３１３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を燃料電池３１３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３４９が接続されている。燃料ガス再循環ライン３４９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３４９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。
図１に示すように、本実施形態の発電システム３１０は、バイパスライン３９１と、バイパスライン３９１に配置されるバイパス制御弁３９２と、第２燃焼器３９３と、排熱回収装置３９４と、を備える。バイパスライン３９１は、排燃料ガス供給ライン３４５の制御弁３４７の下流側の排酸化性ガス排出ライン３３３との合流点より下流側から、排燃料ガスＬ３の一部と排酸化性ガスが混合されたガスを分岐させて燃焼排ガスライン３２９へ導く配管である。つまり、排燃料ガスＬ３を含む混合ガスの一部は、第１燃焼器３２２とタービン３２３および熱交換器３３０をバイパスする。
第２燃焼器３９３は、燃焼排ガスライン３２９に配置され、バイパスライン３９１から供給される排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを燃焼させる装置である。第２燃焼器３９３は、燃焼ガスを生成して排熱回収装置３９４へ供給する。
排熱回収装置３９４は、燃焼排ガスライン３２９の第２燃焼器３９３の下流側に配置され、第２燃焼器３９３で生成された燃焼ガスから熱回収する装置である。排熱回収装置３９４は、例えば、第２燃焼器３９３で生成された燃焼ガスと第２酸化性ガス供給ライン３３１を流通する酸化性ガスとを熱交換させたり、システムの総合効率を向上させるために燃焼ガスを水などの昇温に利用して、いわゆる熱電併給（コジェネレーション）システムとしてもよい。排熱回収装置３９４を通過した燃焼ガスは、外部へ排出される。
制御装置３８０は、発電システム３１０の各部を制御する装置である。制御装置３８０は、ハードディスクドライブ等の記憶装置に記憶されたプログラムをＣＰＵ等の演算装置が読み出して実行することにより、各種の処理を実行する。
次に、図２および図３を参照して、発電システム３１０を運転する際に制御装置３８０がバイパス制御弁３９２を制御する動作について説明する。図２は、発電システム３１０を運転する際に制御装置３８０がバイパス制御弁３９２を制御する動作を示すフローチャートである。図３は、発電システム３１０の運転負荷とタービン３２３の目標回転数Ｒｔとの関係を示すグラフである。
ステップＳ１０１で、制御装置３８０は、発電システム３１０の運転負荷に基づいてタービン３２３の目標回転数Ｒｔを設定する。制御装置３８０には、図３に示す発電システム３１０の運転負荷とタービン３２３の目標回転数Ｒｔとの関係を示すグラフに対応するテーブルを予め記憶部（図示略）に記憶させておく。制御装置３８０は、ステップＳ１０２以降の処理を実行する際に、発電システム３１０の運転負荷が変化することに応じて目標回転数Ｒｔの設定値を更新する。
制御装置３８０は、発電システム３１０の現在の運転負荷を参照し、運転負荷に対応するタービン３２３の目標回転数Ｒｔを設定する。図３に示すように、発電システム３１０の現在の運転負荷が１００％に近づくにつれて目標回転数Ｒｔが漸次増加するようになっている。発電システム３１０の運転負荷は、例えば、発電システム３１０が出力可能な定格電力に対する現在の出力電力の割合を算出することにより決定される。
ステップＳ１０２で、制御装置３８０は、回転数計３２４ａが出力する回転軸３２４の回転数（ｒｐｍ）を参照することにより、タービン３２３の回転数Ｒａを計測する。
ステップＳ１０３で、制御装置３８０は、ステップＳ１０２で計測されたタービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔとの差が、予め定めた許容値以上であるかを判断する。制御装置３８０は、ＹＥＳと判断した場合はステップＳ１０４に処理を進め、ＮＯと判断した場合はステップＳ１０２を再び実行する。
ステップＳ１０４で、制御装置３８０は、タービン３２３の回転数Ｒａが目標回転数Ｒｔより大きいかどうかを判断する。制御装置３８０は、ＹＥＳと判断した場合はステップＳ１０５に処理を進め、ＮＯと判断した場合はステップＳ１０６に処理を進める。
ステップＳ１０５で、制御装置３８０は、タービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔとの差が許容値未満であり、かつタービン３２３の回転数Ｒａが目標回転数Ｒｔより大きいため、タービン３２３の回転数Ｒａが低下するようにバイパス制御弁３９２を開状態（もしくは開度を上げる）とする。バイパス制御弁３９２が開状態となると、排燃料ガス供給ライン３４５を流通する排燃料ガスＬ３を含む混合ガスの一部が燃焼排ガスライン３２９へ導かれる。
以上のように、ステップＳ１０４およびステップＳ１０５において、制御装置３８０は、タービン３２３の回転数Ｒａと発電システム３１０の運転負荷に基づいて設定されたタービン３２３の目標回転数Ｒｔとの差が許容値未満となるようにバイパス制御弁３９２の開度を制御する。
制御装置３８０は、ステップＳ１０５を１度実行する際にバイパス制御弁３９２を閉状態から開状態（全開、もしくはタービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔの差が許容値の範囲内となる開度）に切り替えるようにしてもよいが、他の態様としてもよい。例えば、ステップＳ１０５を１度実行する際に増加させる開度を予め設定し、予め設定した開度だけ増加させるようにしてもよい。この場合、タービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔとの差の許容値より大きい状態が継続することに応じて、複数回のバイパス制御弁３９２の開度の増加動作が行われ、最終的に全開の状態となる。
ステップＳ１０６で、制御装置３８０は、タービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔとの差が許容値未満であり、かつタービン３２３の回転数Ｒａが目標回転数Ｒｔより小さいため、タービン３２３の回転数Ｒａが増加するようにバイパス制御弁３９２を閉状態（もしくは開度を下げる）とする。バイパス制御弁３９２が閉状態となると、排燃料ガス供給ライン３４５を流通する排燃料ガスＬ３を含む混合ガスは、燃焼排ガスライン３２９へは導かれない。
制御装置３８０は、ステップＳ１０６を１度実行する際にバイパス制御弁３９２を開状態から閉状態（全閉、もしくはタービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔの差が許容値の範囲内となる開度）に切り替えるようにしてもよいが、他の態様としてもよい。例えば、ステップＳ１０６を１度実行する際に減少させる開度を予め設定し、予め設定した開度だけ減少させるようにしてもよい。この場合、タービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔとの差の許容値より小さい状態が継続することに応じて、複数回のバイパス制御弁３９２の開度の減少動作が行われ、最終的に全閉の状態となる。
なお、バイパス制御弁３９２を全閉状態としても、タービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔの差が許容値範囲より小さい状態が続く場合、制御装置３８０は、制御弁３５２を開状態とし、第１燃焼器３２２へ燃料ガスＬ１が供給されるようにしてもよい。第１燃焼器３２２に燃料ガスＬ１を供給することにより、第１燃焼器３２２で生成される燃焼ガスを増加させ、タービン３２３の回転数を増加させることができる。
ステップＳ１０７で、制御装置３８０は、発電システム３１０の運転を停止する指示が入力されたかどうかを判断し、ＹＥＳであればステップＳ１０８に処理を進め、ＮＯであればステップＳ１０２を再び実行する。
以上のように、本実施形態の発電システム３１０は、タービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔとの差が予め定めた許容値以上であり、かつタービン３２３の回転数Ｒａが目標回転数Ｒｔより大きい場合、タービン３２３の回転数Ｒａが低下するようにバイパス制御弁３９２を開状態とする。また、本実施形態の発電システム３１０は、タービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔとの差が予め定めた許容値以上であり、かつタービン３２３の回転数Ｒａが目標回転数Ｒｔより小さい場合、タービン３２３の回転数Ｒａが増加するようにバイパス制御弁３９２を閉状態とする。
以上説明した本実施形態の発電システム３１０が奏する作用および効果について説明する。
例えば、ターボチャージャ３１１を安定運転させるために、燃料電池３１３を部分負荷で運転する際にターボチャージャ３１１を所定の最低回転数を上回るように第１燃焼器３２２に供給される排燃料ガスＬ３を含む混合ガスの供給量を設定する。この場合、第１燃焼器３２２に燃料ガスＬ１を直接的に供給する必要がないため、発電システム全体の熱効率が低下することがない。一方、燃料電池３１３を定格負荷で運転する際に第１燃焼器３２２からタービン３２３に供給される燃焼ガスＧの熱量が過剰となり、ターボチャージャ３１１の回転数が目標回転数Ｒｔに許容値を加算した所定の回転数を上回ってしまう可能性がある。
例えば、ターボチャージャ３１１を安定運転させるために、燃料電池３１３を部分負荷で運転する際にターボチャージャ３１１を所定の最低回転数を上回るように第１燃焼器３２２に供給される排燃料ガスＬ３を含む混合ガスの供給量を設定する。この場合、第１燃焼器３２２に燃料ガスＬ１を直接的に供給する必要がないため、発電システム全体の熱効率が低下することがない。一方、燃料電池３１３を定格負荷で運転する際に第１燃焼器３２２からタービン３２３に供給される燃焼ガスＧの熱量が過剰となり、ターボチャージャ３１１の回転数が目標回転数Ｒｔに許容値を加算した所定の回転数を上回ってしまう可能性がある。
本実施形態の発電システム３１０によれば、バイパスライン３９１に配置されるバイパス制御弁３９２を開状態とすれば、バイパスライン３９１を介して、排燃料ガス供給ライン３４５から燃焼排ガスライン３２９へ、排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くことができる。第１燃焼器３２２に供給される排燃料ガスＬ３を含む混合ガス量が減少するため、第１燃焼器３２２からタービン３２３に供給される燃焼ガスＧの熱量が過剰となってターボチャージャ３１１の回転数Ｒａが目標回転数Ｒｔに許容値を加算した所定の回転数を上回ることを防止することができる。
このように、本実施形態の発電システム３１０によれば、発電システム全体の熱効率を低下させることなくターボチャージャ３１１を安定運転させることができる。また、本実施形態の発電システム３１０によれば、バイパスライン３９１から供給される排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを、第２燃焼器３９３で燃焼させてから外部へ排出することができる。
また、本実施形態の発電システム３１０によれば、排熱回収装置３９４により、第２燃焼器３９３で生成された燃焼ガスから熱回収して発電システム全体の熱効率を向上させることができる。
また、本実施形態の発電システム３１０によれば、排燃料ガス供給ライン３４５からバイパスライン３９１を介して燃焼排ガスライン３２９へ、排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くことにより、タービン３２３に供給される燃焼ガスの熱量が過剰となってターボチャージャ３１１の回転数が所定の回転数を上回ることを防止することができる。また、タービン３２３を通過する燃焼ガスＧの熱量と流量を減少させることにより、バイパスライン３９１を用いることにより調整可能なターボチャージャ３１１の回転数の制御範囲を拡大させることができる。
また、本実施形態の発電システム３１０によれば、制御弁３４７の上流側よりも低圧力の制御弁３４７の下流側から燃焼排ガスライン３２９へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導く。そのため、制御弁３４７の上流側から燃焼排ガスライン３２９へ排燃料ガスＬ３を導く場合に比べ、タービン３２３に供給される空気量を適切に調整し、タービン３２３の回転数の制御範囲を広くすることができる。
本実施形態の発電システム３１０によれば、制御弁３４７の下流側から熱交換器３３０の下流側へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くことにより熱交換器３３０への入熱量を調整し、発電システム３１０全体の制御範囲を広くすることができる。
本実施形態の発電システム３１０は、燃焼排ガスライン３２９に第２燃焼器３９３を配置するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、バイパスライン３９１のバイパス制御弁３９２の下流側に第２燃焼器３９３を配置しても良い。この場合、第２燃焼器３９３として、バイパスライン３９１へ導かれた排燃料ガスＬ３のみを燃焼させるのに必要な能力を有する小型の燃焼器を採用することができる。
〔第２実施形態〕
次に、本開示の第２実施形態に係る発電システム３１０Ａについて、図４を参照して説明する。本実施形態の発電システム３１０Ａは、第１実施形態の発電システム３１０の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとする。
次に、本開示の第２実施形態に係る発電システム３１０Ａについて、図４を参照して説明する。本実施形態の発電システム３１０Ａは、第１実施形態の発電システム３１０の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとする。
第１実施形態の発電システム３１０は、制御弁３４７の上流側よりも低圧力の制御弁３４７の下流側から燃焼排ガスライン３２９へ排燃料ガスＬ３を導くものであった。それに対して、本実施形態の発電システム３１０Ａは、制御弁３４７の下流側よりも高圧力の制御弁３４７の上流側から燃焼排ガスライン３２９へ排燃料ガスＬ３を導くものである。つまり、排燃料ガスＬ３の一部は制御弁３４７と第１燃焼器３２２とタービン３２３および熱交換器３３０をバイパスする。
図４に示すように、本実施形態の発電システム３１０Ａは、バイパスライン３９１の一端が制御弁３４７の上流側で排燃料ガス供給ライン３４５に接続され、バイパスライン３９１の他端が熱交換器３３０の下流側で燃焼排ガスライン３２９に接続されている。バイパスライン３９１は、排燃料ガス供給ライン３４５の制御弁３４７の上流側から燃焼排ガスライン３２９の熱交換器３３０の下流側へ排燃料ガスＬ３を導く。
本実施形態の発電システム３１０Ａによれば、制御弁３４７の上流側からバイパスライン３９１を介して燃焼排ガスライン３２９へ排燃料ガスＬ３を導く。そのため、制御弁３４７の下流側から燃焼排ガスライン３２９へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導く場合に比べ、第１燃焼器３２２に供給される混合ガスのうち、排燃料ガスＬ３の流量のみを減少させるため、ターボチャージャ３１１の回転数をより細かに調整することができる。
本実施形態の発電システム３１０Ａによれば、バイパスライン３９１は、排燃料ガス供給ライン３４５の制御弁３４７の上流側から燃焼排ガスライン３２９の熱交換器３３０の下流側へ排燃料ガスＬ３を導く。本実施形態の発電システム３１０Ａによれば、制御弁３４７の下流側から熱交換器３３０の下流側へ排燃料ガスＬ３を導くことにより、熱交換器３３０への入熱量を調整し、発電システム３１０全体の制御範囲を広くすることができる。
本実施形態の発電システム３１０Ａは、燃焼排ガスライン３２９に第２燃焼器３９３を配置するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、バイパスライン３９１のバイパス制御弁３９２の下流側に第２燃焼器３９３を配置しても良い。この場合、第２燃焼器３９３として、バイパスライン３９１へ導かれた排燃料ガスＬ３のみを燃焼させるのに必要な能力を有する小型の燃焼器を採用することができる。
〔第３実施形態〕
次に、本開示の第３実施形態に係る発電システム３１０Ｂについて、図５を参照して説明する。本実施形態の発電システム３１０Ｂは、第１実施形態の発電システム３１０の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとする。
次に、本開示の第３実施形態に係る発電システム３１０Ｂについて、図５を参照して説明する。本実施形態の発電システム３１０Ｂは、第１実施形態の発電システム３１０の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとする。
第１実施形態の発電システム３１０は、制御弁３４７の下流側から燃焼排ガスライン３２９へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くものであった。それに対して、本実施形態の発電システム３１０Ｂは、制御弁３４７の下流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くものである。つまり、排燃料ガスＬ３を含む混合ガスは第１燃焼器３２２をバイパスする。
図５に示すように、本実施形態のバイパスライン３９１は、排燃料ガス供給ライン３４５の制御弁３４７の下流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導く。
本実施形態の発電システム３１０Ｂによれば、排燃料ガス供給ライン３４５から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くことにより、第１燃焼器３２２で生成される燃焼ガスＧの熱量が過剰となってターボチャージャ３１１の回転数Ｒａが目標回転数Ｒｔに許容値を加算した所定の回転数を上回ることを防止することができる。また、タービン３２３に供給される燃焼ガスＧの熱量を所定範囲内で維持することにより、ターボチャージャ３１１の回転数の制御特性を維持することができる。
また、本実施形態の発電システム３１０Ａによれば、排燃料ガス供給ライン３４５から燃焼ガス供給ライン３２８（タービン３２３の上流側）へ、排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導く。そのため、燃焼排ガスライン３２９（タービン３２３の下流側）へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導く場合に比べ、タービン３２３に供給される燃焼ガスＧの熱量は変化するが、流量は変化しないため、ターボチャージャ３１１の回転数をより細かに調整することができる。
図５に示すように、本実施形態の発電システム３１０Ｂにおいて、バイパスライン３９１は、排燃料ガス供給ライン３４５の制御弁３４７の下流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導く。このようにすることで、制御弁３４７の上流側よりも低圧力の制御弁３４７の下流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３が導かれる。そのため、制御弁３４７の上流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を導く場合に比べ、タービン３２３に供給される空気量を適切に調整し、タービン３２３の回転数の制御範囲を広くすることができる。
〔第４実施形態〕
次に、本開示の第４実施形態に係る発電システム３１０Ｃについて、図６を参照して説明する。本実施形態の発電システム３１０Ｃは、第３実施形態の発電システム３１０Ｂの変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第３実施形態と同様であるものとする。
次に、本開示の第４実施形態に係る発電システム３１０Ｃについて、図６を参照して説明する。本実施形態の発電システム３１０Ｃは、第３実施形態の発電システム３１０Ｂの変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第３実施形態と同様であるものとする。
第３実施形態の発電システム３１０Ｂは、制御弁３４７の下流側からバイパスライン３９１を介して燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くものであった。それに対して、本実施形態の発電システム３１０Ｃは、制御弁３４７の上流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を導くものである。つまり、排燃料ガスＬ３の一部は第１燃焼器３２２をバイパスする。
図６に示すように、本実施形態の発電システム３１０Ｃは、バイパスライン３９１の一端が制御弁３４７の上流側で排燃料ガス供給ライン３４５に接続され、バイパスライン３９１の他端が燃焼ガス供給ライン３２８に接続されている。バイパスライン３９１は、排燃料ガス供給ライン３４５の制御弁３４７の上流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を導く。
本実施形態の発電システム３１０Ｃによれば、制御弁３４７の上流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を導く。そのため、制御弁３４７の下流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導く場合に比べ、第１燃焼器３２２に供給される混合ガスのうち、排燃料ガスＬ３の流量のみを減少させるため、ターボチャージャ３１１の回転数をより細かに調整することができる。
〔第５実施形態〕
次に、本開示の第５実施形態に係る発電システム３１０Ｄについて、図７を参照して説明する。本実施形態の発電システム３１０Ｄは、第２実施形態の発電システム３１０Ａの変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第２実施形態と同様であるものとする。
次に、本開示の第５実施形態に係る発電システム３１０Ｄについて、図７を参照して説明する。本実施形態の発電システム３１０Ｄは、第２実施形態の発電システム３１０Ａの変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第２実施形態と同様であるものとする。
第２実施形態の発電システム３１０Ａは、制御弁３４７の上流側から燃焼排ガスライン３２９の熱交換器３３０の下流側へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くものであった。それに対して、本実施形態の発電システム３１０Ｄは、制御弁３４７の上流側からバイパスライン３９１を介して燃焼排ガスライン３２９の熱交換器３３０の上流側へ排燃料ガスＬ３を導くものである。つまり、排燃料ガスＬ３の一部は第１燃焼器３２２とタービン３２３をバイパスする。
図７に示すように、本実施形態の発電システム３１０Ｄにおいて、バイパスライン３９１は、排燃料ガス供給ライン３４５の制御弁３４７の上流側から燃焼排ガスライン３２９の熱交換器３３０の上流側へ排燃料ガスＬ３を導く。熱交換器３３０の上流側へ排燃料ガスＬ３を導くことにより、熱交換器３３０を通過するガス量を所定範囲内に維持することができる。
本実施形態の発電システム３１０Ｄは、燃焼排ガスライン３２９に第２燃焼器３９３を配置するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、バイパスライン３９１のバイパス制御弁３９２の下流側に第２燃焼器３９３を配置しても良い。この場合、第２燃焼器３９３として、バイパスライン３９１へ導かれた排燃料ガスＬ３のみを燃焼させるのに必要な能力を有する小型の燃焼器を採用することができる。
〔第６実施形態〕
次に、本開示の第６実施形態に係る発電システム３１０Ｅについて、図８を参照して説明する。本実施形態の発電システム３１０Ｅは、第１実施形態の発電システム３１０の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとする。
次に、本開示の第６実施形態に係る発電システム３１０Ｅについて、図８を参照して説明する。本実施形態の発電システム３１０Ｅは、第１実施形態の発電システム３１０の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとする。
第１実施形態の発電システム３１０は、制御弁３４７の下流側から燃焼排ガスライン３２９の熱交換器３３０の下流側へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くものであった。それに対して、本実施形態の発電システム３１０Ｅは、制御弁３４７の下流側から燃焼排ガスライン３２９の熱交換器３３０の上流側へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くものである。つまり、排燃料ガスＬ３を含む混合ガスの一部は第１燃焼器３２２とタービン３２３をバイパスする。
図８に示すように、本実施形態の発電システム３１０Ｅにおいて、バイパスライン３９１は、排燃料ガス供給ライン３４５の制御弁３４７の下流側から燃焼排ガスライン３２９の熱交換器３３０の上流側へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導く。熱交換器３３０の上流側へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くことにより、熱交換器３３０を通過するガス量を所定範囲内に維持することができる。
本実施形態の発電システム３１０Ｅは、燃焼排ガスライン３２９に第２燃焼器３９３を配置するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、バイパスライン３９１のバイパス制御弁３９２の下流側に第２燃焼器３９３を配置しても良い。この場合、第２燃焼器３９３として、バイパスライン３９１へ導かれた排燃料ガスＬ３を含む混合ガスのみを燃焼させるのに必要な能力を有する小型の燃焼器を採用することができる。
以上説明した実施形態は、例えば以下のように把握される。
本開示の第１態様に係る燃料電池システム（３１０）は、空気極（１１３）と燃料極（１０９）を有する燃料電池（３１３）と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスライン（３４１）と、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させる第１燃焼器（４２２）と、前記第１燃焼器へ前記排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ライン（３４５）と、前記第１燃焼器で生成された燃焼ガスが供給されるタービン（３２３）と、前記燃焼ガスを前記第１燃焼器から前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ライン（３２８）と、前記タービンを通過した前記燃焼ガスを排出する燃焼排ガスライン（３２９）と、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインまたは前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導くバイパスライン（３９１）と、前記バイパスラインに配置されるバイパス制御弁（３９２）と、を備える。
本開示の第１態様に係る燃料電池システム（３１０）は、空気極（１１３）と燃料極（１０９）を有する燃料電池（３１３）と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスライン（３４１）と、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させる第１燃焼器（４２２）と、前記第１燃焼器へ前記排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ライン（３４５）と、前記第１燃焼器で生成された燃焼ガスが供給されるタービン（３２３）と、前記燃焼ガスを前記第１燃焼器から前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ライン（３２８）と、前記タービンを通過した前記燃焼ガスを排出する燃焼排ガスライン（３２９）と、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインまたは前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導くバイパスライン（３９１）と、前記バイパスラインに配置されるバイパス制御弁（３９２）と、を備える。
例えば、タービンを安定運転させるために、燃料電池を部分負荷で運転する際にタービンを所定の最低回転数を上回るように第１燃焼器に供給される排燃料ガスの供給量を設定する。この場合、第１燃焼器に燃料ガスを直接的に供給する必要がないため、システム全体の熱効率が低下することがない。一方、燃料電池を定格負荷で運転する際に第１燃焼器からタービンに供給される燃焼ガスの熱量が過剰となり、タービンの回転数が所定の回転数を上回ってしまう可能性がある。
本開示の第１態様に係る燃料電池システムによれば、バイパスラインに配置されるバイパス制御弁を開状態とすれば、バイパスラインを介して、排燃料ガス供給ラインから燃焼ガス供給ラインまたは燃焼排ガスラインへ排燃料ガスを導くことができる。第１燃焼器に供給される排燃料ガスが減少するため、第１燃焼器からタービンに供給される燃焼ガスの熱量が過剰となってタービンの回転数が所定の回転数を上回ることを防止することができる。このように、本開示の第１態様に係る燃料電池システムによれば、システム全体の熱効率を低下させることなくタービンを安定運転させることができる。
本開示の第２態様に係る燃料電池システムは、第１態様において、前記燃焼排ガスラインに配置され、前記バイパスラインから供給される前記排燃料ガスを燃焼させる第２燃焼器（３９３）を備える。
本開示の第２態様に係る燃料電池システムによれば、バイパスラインから供給される排燃料ガスを第２燃焼器で燃焼させてから排出することができる。
本開示の第２態様に係る燃料電池システムによれば、バイパスラインから供給される排燃料ガスを第２燃焼器で燃焼させてから排出することができる。
本開示の第３態様に係る燃料電池システムは、第２態様において、前記燃焼排ガスラインの前記第２燃焼器の下流側に配置され、前記第２燃焼器で生成された燃焼ガスから熱回収する排熱回収装置（３９４）を備える。
本開示の第３態様に係る燃料電池システムによれば、排熱回収装置により、第２燃焼器で生成された燃焼ガスから熱回収してシステム全体の熱効率を向上させることができる。
本開示の第３態様に係る燃料電池システムによれば、排熱回収装置により、第２燃焼器で生成された燃焼ガスから熱回収してシステム全体の熱効率を向上させることができる。
本開示の第４態様に係る燃料電池システムは、第１態様から第３態様のいずれかにおいて、前記バイパスラインが、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導く。
本開示の第４態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから燃焼排ガスラインへ排燃料ガスを導くことにより、タービンに供給される燃焼ガスの熱量が過剰となってターボチャージャの回転数が所定の回転数を上回ることを防止することができる。また、タービンを通過する燃焼ガスの熱量を減少させることにより、バイパスラインを用いることにより調整可能なターボチャージャの回転数の制御範囲を拡大させることができる。
本開示の第４態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから燃焼排ガスラインへ排燃料ガスを導くことにより、タービンに供給される燃焼ガスの熱量が過剰となってターボチャージャの回転数が所定の回転数を上回ることを防止することができる。また、タービンを通過する燃焼ガスの熱量を減少させることにより、バイパスラインを用いることにより調整可能なターボチャージャの回転数の制御範囲を拡大させることができる。
本開示の第５態様に係る燃料電池システムは、第４態様において、前記酸化性ガス供給ラインおよび前記燃焼排ガスラインに配置され、前記タービンを通過した前記燃焼ガスと前記空気極へ供給される酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器（３３０）を備え、前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインの前記熱交換器の下流側へ前記排燃料ガスを導く。
本開示の第５態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから燃焼排ガスラインの熱交換器の下流側へ排燃料ガスを導くことにより、熱交換器への入熱量を調整し、発電システム全体の制御範囲を広くすることができる。
本開示の第５態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから燃焼排ガスラインの熱交換器の下流側へ排燃料ガスを導くことにより、熱交換器への入熱量を調整し、発電システム全体の制御範囲を広くすることができる。
本開示の第６態様に係る燃料電池システムは、第４態様において、前記酸化性ガス供給ラインおよび前記燃焼排ガスラインに配置され、前記タービンを通過した前記燃焼ガスと前記空気極へ供給される酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインの前記熱交換器の上流側へ前記排燃料ガスを導く。
本開示の第６態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから燃焼排ガスラインの熱交換器の上流側へ排燃料ガスを導くことにより、熱交換器を通過するガス量を所定範囲内に維持することができる。
本開示の第６態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから燃焼排ガスラインの熱交換器の上流側へ排燃料ガスを導くことにより、熱交換器を通過するガス量を所定範囲内に維持することができる。
本開示の第７態様に係る燃料電池システムは、第１態様から第３態様のいずれかにおいて、前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを含むガスを導く。
本開示の第７態様に係る燃料電池システムによれば、バイパスラインが排燃料ガス供給ラインから燃焼排ガスラインへ排燃料ガスを含むガスを導くため、タービンに供給される空気量を適切に調整し、タービンの回転数の制御範囲を広くすることができる。
本開示の第７態様に係る燃料電池システムによれば、バイパスラインが排燃料ガス供給ラインから燃焼排ガスラインへ排燃料ガスを含むガスを導くため、タービンに供給される空気量を適切に調整し、タービンの回転数の制御範囲を広くすることができる。
本開示の第８態様に係る燃料電池システムは、第７態様において、前記酸化性ガス供給ラインおよび前記燃焼排ガスラインに配置され、前記タービンを通過した前記燃焼ガスと前記空気極へ供給される酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインの前記熱交換器の下流側へ前記排燃料ガスを含むガスを導く。
本開示の第８態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから熱交換器の下流側へ排燃料ガスを含むガスを導くことにより、熱交換器への入熱量を調整し、発電システム全体の制御範囲を広くすることができる。
本開示の第８態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから熱交換器の下流側へ排燃料ガスを含むガスを導くことにより、熱交換器への入熱量を調整し、発電システム全体の制御範囲を広くすることができる。
本開示の第９態様に係る燃料電池システムは、第７態様において、前記酸化性ガス供給ラインおよび前記燃焼排ガスラインに配置され、前記タービンを通過した前記燃焼ガスと前記空気極へ供給される酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインの前記排燃料ガス制御弁の下流側から前記燃焼排ガスラインの前記熱交換器の上流側へ前記排燃料ガスを導く。
本開示の第９態様に係る燃料電池システムによれば、熱交換器の上流側へ排燃料ガスを導くことにより、熱交換器を通過するガス量を維持することができる。
本開示の第９態様に係る燃料電池システムによれば、熱交換器の上流側へ排燃料ガスを導くことにより、熱交換器を通過するガス量を維持することができる。
本開示の第１０態様に係る燃料電池システムは、第１態様から第３態様のいずれかにおいて、前記バイパスラインが、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインへ前記排燃料ガスを導く。
本開示の第１０態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから燃焼ガス供給ラインへ排燃料ガスを導くことにより、第１燃焼器で生成される燃焼ガスが過剰となってターボチャージャの回転数が所定の回転数を上回ることを防止することができる。また、タービンに供給されるガス量を所定範囲内で維持することにより、ターボチャージャの回転数の制御特性を維持することができる。
本開示の第１０態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから燃焼ガス供給ラインへ排燃料ガスを導くことにより、第１燃焼器で生成される燃焼ガスが過剰となってターボチャージャの回転数が所定の回転数を上回ることを防止することができる。また、タービンに供給されるガス量を所定範囲内で維持することにより、ターボチャージャの回転数の制御特性を維持することができる。
本開示の第１１態様に係る燃料電池システムは、第１態様から第３態様のいずれかにおいて、前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインへ前記排燃料ガスを含むガスを導く。
本開示の第１１態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから燃焼ガス供給ラインへ排燃料ガスを導く。第１燃焼器に供給される混合ガスのうち、排燃料ガスの流量のみを減少させるため、タービンの回転数をより細かに調整することができる。
本開示の第１１態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから燃焼ガス供給ラインへ排燃料ガスを導く。第１燃焼器に供給される混合ガスのうち、排燃料ガスの流量のみを減少させるため、タービンの回転数をより細かに調整することができる。
本開示の第１態様に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させる第１燃焼器と、前記第１燃焼器へ前記排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、前記第１燃焼器で生成された燃焼ガスが供給されるタービンと、前記燃焼ガスを前記第１燃焼器から前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、前記タービンを通過した前記燃焼ガスを排出する燃焼排ガスラインと、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインまたは前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導くバイパスラインと、前記バイパスラインに配置されるバイパス制御弁と、を備え、前記タービンが所定の回転数となるように前記バイパス制御弁の開度を制御する制御工程を備える。
本開示の第１態様に係る燃料電池システムの制御方法によれば、制御工程において、タービンが所定の回転数となるようにバイパスラインに配置されるバイパス制御弁の開度を制御することにより、バイパスラインを介して、排燃料ガス供給ラインから燃焼ガス供給ラインまたは燃焼排ガスラインへ排燃料ガスを導くことができる。第１燃焼器に供給される排燃料ガスが減少するため、第１燃焼器からタービンに供給される燃焼ガスが過剰となってタービンの回転数が所定の回転数を上回ることを防止することができる。このように、本開示の第１態様に係る燃料電池システムによれば、システム全体の熱効率を低下させることなくタービンを安定運転させることができる。
本開示の第２態様に係る燃料電池システムの制御方法は、第１態様において、前記制御工程は、前記タービンの回転数と前記燃料電池システムの運転負荷に基づいて設定された前記タービンの目標回転数との差が許容値未満となるように前記バイパス制御弁の開度を制御する。
本開示の第２態様に係る燃料電池システムの制御方法によれば、バイパス制御弁の開度を制御することにより、タービンの回転数と目標回転数との差が許容値未満となるようにすることができる。
本開示の第２態様に係る燃料電池システムの制御方法によれば、バイパス制御弁の開度を制御することにより、タービンの回転数と目標回転数との差が許容値未満となるようにすることができる。
１０９ 燃料極
１１３ 空気極
３１０，３１０Ａ，３１０Ｂ，３１０Ｃ，３１０Ｄ，３１０Ｅ 発電システム
３１１ ターボチャージャ
３２１ 圧縮機
３２２ 第１燃焼器
３２３ タービン
３２６ 第１酸化性ガス供給ライン
３２７，３３５，３３６，３４２，３４６，３４７，３５２ 制御弁
３２８ 燃焼ガス供給ライン
３２９ 燃焼排ガスライン
３３０ 熱交換器
３３１ 第２酸化性ガス供給ライン
３３２ バイパスライン
３３３ 排酸化性ガス排出ライン
３４１ 第２燃料ガス供給ライン
３４３ 排燃料ガスライン
３４５ 排燃料ガス供給ライン
３４８ 再循環ブロワ
３４９ 燃料ガス再循環ライン
３５１ 第１燃料ガス供給ライン
３７２ 制御弁
３８０ 制御装置
３９１ バイパスライン
３９２ バイパス制御弁
３９３ 第２燃焼器
３９４ 排熱回収装置
１１３ 空気極
３１０，３１０Ａ，３１０Ｂ，３１０Ｃ，３１０Ｄ，３１０Ｅ 発電システム
３１１ ターボチャージャ
３２１ 圧縮機
３２２ 第１燃焼器
３２３ タービン
３２６ 第１酸化性ガス供給ライン
３２７，３３５，３３６，３４２，３４６，３４７，３５２ 制御弁
３２８ 燃焼ガス供給ライン
３２９ 燃焼排ガスライン
３３０ 熱交換器
３３１ 第２酸化性ガス供給ライン
３３２ バイパスライン
３３３ 排酸化性ガス排出ライン
３４１ 第２燃料ガス供給ライン
３４３ 排燃料ガスライン
３４５ 排燃料ガス供給ライン
３４８ 再循環ブロワ
３４９ 燃料ガス再循環ライン
３５１ 第１燃料ガス供給ライン
３７２ 制御弁
３８０ 制御装置
３９１ バイパスライン
３９２ バイパス制御弁
３９３ 第２燃焼器
３９４ 排熱回収装置
Claims (10)
- 空気極と燃料極を有する燃料電池と、
燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、
前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させる第１燃焼器と、
前記第１燃焼器へ前記排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、
前記第１燃焼器で生成された燃焼ガスが供給されるタービンと、
前記燃焼ガスを前記第１燃焼器から前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、
前記タービンを通過した前記燃焼ガスを排出する燃焼排ガスラインと、
前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインまたは前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導くバイパスラインと、
前記バイパスラインに配置されるバイパス制御弁と、
前記空気極へ酸化性ガスを導く酸化性ガス供給ラインと、を備え、
前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスと前記空気極から排出された排酸化性ガスとを含む混合ガスを導く燃料電池システム。 - 前記燃焼排ガスラインに配置され、前記バイパスラインから供給される前記排燃料ガスを燃焼させる第２燃焼器を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記燃焼排ガスラインの前記第２燃焼器の下流側に配置され、前記第２燃焼器で生成された前記燃焼ガスから熱回収する排熱回収装置を備える請求項２に記載の燃料電池システム。
- 前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導く請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記酸化性ガス供給ラインおよび前記燃焼排ガスラインに配置され、前記タービンを通過した前記燃焼ガスと前記空気極へ供給される前記酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、
前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインの前記熱交換器の下流側へ前記排燃料ガスを導く請求項４に記載の燃料電池システム。 - 前記酸化性ガス供給ラインおよび前記燃焼排ガスラインに配置され、前記タービンを通過した前記燃焼ガスと前記空気極へ供給される前記酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、
前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインの前記熱交換器の上流側へ前記排燃料ガスを導く請求項４に記載の燃料電池システム。 - 前記酸化性ガス供給ラインおよび前記燃焼排ガスラインに配置され、前記タービンを通過した前記燃焼ガスと前記空気極へ供給される前記酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、
前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインの前記熱交換器の下流側へ前記混合ガスを導く請求項４に記載の燃料電池システム。 - 前記酸化性ガス供給ラインおよび前記燃焼排ガスラインに配置され、前記タービンを通過した前記燃焼ガスと前記空気極へ供給される前記酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、
前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインの前記熱交換器の上流側へ前記混合ガスを導く請求項４に記載の燃料電池システム。 - 空気極と燃料極を有する燃料電池と、
燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、
前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させる第１燃焼器と、
前記第１燃焼器へ前記排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、
前記第１燃焼器で生成された燃焼ガスが供給されるタービンと、
前記燃焼ガスを前記第１燃焼器から前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、
前記タービンを通過した前記燃焼ガスを排出する燃焼排ガスラインと、
前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインまたは前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導くバイパスラインと、
前記バイパスラインに配置されるバイパス制御弁と、
前記燃焼排ガスラインに配置され、前記バイパスラインから供給される前記排燃料ガスを燃焼させる第２燃焼器と、
前記燃焼排ガスラインの前記第２燃焼器の下流側に配置され、前記第２燃焼器で生成された前記燃焼ガスから熱回収する排熱回収装置と、を備え、
前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインへ前記排燃料ガスを導く燃料電池システム。 - 空気極と燃料極を有する燃料電池と、
燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、
前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させる第１燃焼器と、
前記第１燃焼器へ前記排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、
前記第１燃焼器で生成された燃焼ガスが供給されるタービンと、
前記燃焼ガスを前記第１燃焼器から前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、
前記タービンを通過した前記燃焼ガスを排出する燃焼排ガスラインと、
前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインまたは前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導くバイパスラインと、
前記バイパスラインに配置されるバイパス制御弁と、
前記燃焼排ガスラインに配置され、前記バイパスラインから供給される前記排燃料ガスを燃焼させる第２燃焼器と、
前記燃焼排ガスラインの前記第２燃焼器の下流側に配置され、前記第２燃焼器で生成された前記燃焼ガスから熱回収する排熱回収装置と、
前記空気極へ酸化性ガスを導く酸化性ガス供給ラインと、を備え、
前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインへ前記排燃料ガスと前記空気極から排出された排酸化性ガスとを含む混合ガスを導く燃料電池システム。
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| Country | Link |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2003208911A (ja) | 2002-01-11 | 2003-07-25 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2005203223A (ja) | 2004-01-15 | 2005-07-28 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システム |
| JP2006086080A (ja) | 2004-09-17 | 2006-03-30 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | 燃料電池発電システム |
| JP2014137984A (ja) | 2013-01-18 | 2014-07-28 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 発電システム |
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|---|---|---|---|---|
| JPH0845523A (ja) * | 1994-08-03 | 1996-02-16 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 燃料電池／ガスタービン複合発電システム |
-
2022
- 2022-03-31 JP JP2022059694A patent/JP7293447B1/ja active Active
-
2023
- 2023-02-09 WO PCT/JP2023/004307 patent/WO2023188858A1/ja unknown
- 2023-03-01 TW TW112107276A patent/TW202340342A/zh unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003208911A (ja) | 2002-01-11 | 2003-07-25 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2005203223A (ja) | 2004-01-15 | 2005-07-28 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 高温型燃料電池を用いたコンバインド発電システム |
| JP2006086080A (ja) | 2004-09-17 | 2006-03-30 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | 燃料電池発電システム |
| JP2014137984A (ja) | 2013-01-18 | 2014-07-28 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 発電システム |
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| Publication number | Publication date |
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| JP2023150540A (ja) | 2023-10-16 |
| WO2023188858A1 (ja) | 2023-10-05 |
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