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JP6804232B2 - Power generation system and its protection control method - Google Patents
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Description

本発明は、発電システム及びその保護制御方法に関するものである。 The present invention relates to a power generation system and a protection control method thereof.

燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、燃料側の電極である燃料極と、空気(酸化剤ガス)側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。 A fuel cell is a power generation device that uses a power generation method based on an electrochemical reaction. It has a fuel electrode, which is an electrode on the fuel side, an air electrode, which is an electrode on the air (oxidant gas) side, and only ions between them. It is composed of an electrolyte through which it passes, and various types have been developed depending on the type of electrolyte.

このうち、例えば、固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」という)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、炭素質原料をガス化設備により製造した石炭ガス化ガス等のガス、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール等を燃料として運転される燃料電池である。このSOFCは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約700〜1000℃程度と高く、高効率な高温型燃料電池として知られている。 Of these, for example, solid oxide fuel cells (Solid Oxide Fuel Cell: hereinafter referred to as "SOFC") use ceramics such as zirconia ceramics as an electrolyte, and coal gasification gas produced from a carbonaceous raw material by a gasification facility. It is a fuel cell operated by using gas such as hydrogen, city gas, natural gas, oil, methanol, etc. as fuel. This SOFC has a high operating temperature of about 700 to 1000 ° C. in order to increase ionic conductivity, and is known as a highly efficient high-temperature fuel cell.

このようなSOFCを例えば、マイクロガスタービン(以下「MGT」という。)等の内燃機関と組み合わせた複合発電システムが開発されている。MGTでは、圧縮機から吐出される圧縮空気をSOFCの空気極に供給するとともに、SOFCから排出される高温の排燃料ガスをMGTの燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した燃焼ガスを断熱膨張することでMGTのタービンを回転駆動させる。そして、タービンの回転駆動を発電機に伝達させることで発電機を発電させることにより、発電効率の高い発電が可能とされている。 A combined cycle system has been developed in which such an SOFC is combined with an internal combustion engine such as a micro gas turbine (hereinafter referred to as "MGT"). In the MGT, the compressed air discharged from the compressor is supplied to the air electrode of the SOFC, and the high-temperature exhaust fuel gas discharged from the SOFC is supplied to the combustor of the MGT for combustion, and the combustion gas generated in the combustor is used. The turbine of MGT is driven to rotate by adiabatic expansion. Then, by transmitting the rotational drive of the turbine to the generator to generate electricity, it is possible to generate electricity with high power generation efficiency.

このようなSOFCは、例えば、セル電圧の著しい低下、発電セルの急激な温度上昇などの何らかの異常が検知されると、安全上の観点から緊急停止するように設計されている。
例えば、特許文献1には、SOFCの停止を必要とする異常が発生した場合に、運転状態(例えば、ブロワ運転、不活性ガス供給の可否)に応じた適切な停止動作を行うことが開示されている。
また、例えば、特許文献2には、SOFCが緊急停止することにより負荷電流が停止した場合に、空気及び水の流量を低下させて発電セルの劣化を防ぐようにした緊急停止方法が開示されている。
また、特許文献3には、正常停止の場合または安全のための停止の場合に、発電装置内に蓄えられたエネルギーを減少させるエネルギー除去装置が開示されている。このエネルギー除去装置は、例えば、正常停止の場合、電力調整システム(PCS)が故障した場合、または発電装置の負荷を切り離した場合等に、抵抗器等によって燃料電池から電流を引き出すことによって発電装置内部の残留燃料を消費させ、燃料電池スタックの保護を行う。
Such SOFCs are designed to be urgently stopped from the viewpoint of safety when some abnormality such as a significant decrease in cell voltage or a sudden temperature rise in a power generation cell is detected.
For example, Patent Document 1 discloses that when an abnormality requiring the stop of SOFC occurs, an appropriate stop operation is performed according to an operating state (for example, blower operation and whether or not an inert gas can be supplied). ing.
Further, for example, Patent Document 2 discloses an emergency stop method in which the flow rates of air and water are reduced to prevent deterioration of the power generation cell when the load current is stopped due to the emergency stop of the SOFC. There is.
Further, Patent Document 3 discloses an energy removing device that reduces the energy stored in the power generation device in the case of a normal stop or a stop for safety. This energy removal device is a power generation device that draws current from a fuel cell by a resistor or the like when, for example, a normal stop occurs, a power adjustment system (PCS) fails, or the load of the power generation device is disconnected. It consumes the residual fuel inside and protects the fuel cell stack.

特開2014−146476号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-146476 特開2012−216372号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-216372 特表2002−505509号公報Special Table 2002-505509

例えば、従来のSOFCでは、異常が検知された場合に、SOFCの運転を停止させるとともに、窒素等を用いた冷却処理等が行われる。このため、運転停止後から早い段階で異常が解消された場合でも、SOFCは停止処理と冷却処理とが一旦行われているため、運転を開始し発電を再開するのに相当な時間を要していた。すなわち、SOFCは起動時や再起動時において、SOFC発電室温度を発電が可能な温度まで上昇させる温度上昇工程が必要であり、発電室温度が発電可能な温度に到達した後に発電を開始する必要がある。運転停止からの経過時間が長いほど、発電室温度は低下するため、発電室の温度上昇工程に要する時間も長期間化する。とりわけ、発電室の温度が常温レベルまで冷却された後のコールドスタートから再起動させる場合には、起動完了までに1日以上を要する場合もあった。 For example, in the conventional SOFC, when an abnormality is detected, the operation of the SOFC is stopped and a cooling process using nitrogen or the like is performed. For this reason, even if the abnormality is resolved at an early stage after the operation is stopped, it takes a considerable amount of time to start the operation and restart the power generation because the SOFC has been temporarily stopped and cooled. Was there. That is, SOFC requires a temperature raising step of raising the temperature of the SOFC power generation chamber to a temperature at which power generation is possible at the time of starting or restarting, and it is necessary to start power generation after the temperature of the power generation chamber reaches a temperature at which power generation is possible. There is. The longer the elapsed time from the shutdown, the lower the temperature of the power generation room, and the longer the time required for the temperature rise process of the power generation room. In particular, when restarting from a cold start after the temperature of the power generation chamber has been cooled to a room temperature level, it may take one day or more to complete the start-up.

また、SOFC本体の異常ではなく、SOFCで発電した電力の電力供給先である負荷設備や電力系統、あるいは、SOFCと電力系統との間に配置され、直流電力を交流電力に変換して電力系統へ供給するパワーコンディショナ等に異常が発生した場合には、同様にSOFCの運転を停止させているが、比較的早い時期にパワーコンディショナの異常が解消する場合がある。したがって、このような場合にまで、異常が発生する度にSOFCの運転を停止させてSOFCの冷却処置等が行われていたのでは、稼働率が低下し、より多くの発電電力を供給するという発電システムの目的に悖る結果となる。 In addition, it is not an abnormality of the SOFC itself, but a load facility or power system that is the power supply destination of the power generated by the SOFC, or it is placed between the SOFC and the power system and converts DC power into AC power to the power system. When an abnormality occurs in the power conditioner or the like supplied to the power conditioner, the operation of the SOFC is stopped in the same manner, but the abnormality of the power conditioner may be resolved at a relatively early stage. Therefore, even in such a case, if the operation of the SOFC is stopped every time an abnormality occurs and the SOFC is cooled, the operating rate is lowered and more generated power is supplied. The result is that the purpose of the power generation system is met.

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、燃料電池の発電出力端よりも電力の供給先側で異常が検知された場合に、その異常解消から燃料電池の発電再開までの時間を短縮することのできる発電システム及びその保護制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and when an abnormality is detected on the power supply destination side of the fuel cell power generation output end, from the elimination of the abnormality to the restart of the fuel cell power generation. It is an object of the present invention to provide a power generation system capable of shortening the time required for the operation and a protection control method thereof.

本発明は、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池と、前記燃料電池を制御する制御装置と、前記燃料電池で発電された電力が供給される電力供給先と前記燃料電池の発電出力端との間に配置される電力変換装置とを備え、前記制御装置は、前記燃料電池の発電出力端から前記電力供給先側に発生した異常を検知する異常検知部と、前記燃料電池の前記発電室を所定の発電可能温度以上に維持する発電スタンバイ状態に移行させる出力制御部とを備え、前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記燃料電池が電力を出力しない無負荷状態とする発電システムを提供する。 The present invention generates electricity with a fuel cell including a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged, a control device for controlling the fuel cell, and the fuel cell. A power conversion device is provided between the power supply destination to which the power is supplied and the power generation output end of the fuel cell, and the control device is moved from the power generation output end of the fuel cell to the power supply destination side. An abnormality detection unit that detects an abnormality that has occurred and an output control unit that shifts the power generation chamber of the fuel cell to a power generation standby state that maintains a predetermined power generation possible temperature or higher are provided, and the abnormality detection unit detects the abnormality. Provided is a power generation system in which the fuel cell does not output power and is in a no-load state when the fuel cell is used.

本発明の発電システムによれば、燃料電池本体よりも燃料電池の発電出力端から電力の供給先側に生じた異常が異常検知部によって検知された場合に、燃料電池が電力を出力しない無負荷状態とされるとともに、出力制御部によって燃料電池が発電スタンバイ状態に移行される。ここで、発電スタンバイ状態とは、燃料電池の発電室を所定の発電可能温度以上に維持する状態である。これにより、異常が解消された場合には、発電反応のための燃料ガスを燃料極に短時間に供給することができ、発電を開始させることが可能となる。この結果、異常解消から発電までに要する時間を従来に比べて短縮することが可能となる。 According to the power generation system of the present invention, the fuel cell does not output power when an abnormality that occurs from the power generation output end of the fuel cell to the power supply destination side of the fuel cell body is detected by the abnormality detection unit. At the same time, the output control unit shifts the fuel cell to the power generation standby state. Here, the power generation standby state is a state in which the power generation chamber of the fuel cell is maintained at a predetermined power generation possible temperature or higher. As a result, when the abnormality is resolved, the fuel gas for the power generation reaction can be supplied to the fuel electrode in a short time, and the power generation can be started. As a result, it is possible to shorten the time required from the elimination of the abnormality to the power generation as compared with the conventional case.

上記発電システムは、前記燃料電池の発電出力端と前記電力供給先との間に設けられた開閉器と、前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記開閉器を開とする接続制御部とを備えていてもよい。
このような構成によれば、異常検知部によって異常が検知された場合に、燃料電池を容易に無負荷状態にすることが可能となる。
The power generation system is connected to a switch provided between the power generation output end of the fuel cell and the power supply destination, and to open the switch when the abnormality is detected by the abnormality detection unit. It may be provided with a control unit.
According to such a configuration, when an abnormality is detected by the abnormality detecting unit, the fuel cell can be easily put into a no-load state.

上記発電システムにおいて、前記出力制御部は、前記発電スタンバイ状態において、酸化剤ガス及び第1燃料ガスを前記空気極に供給するとともに、第2燃料ガスを前記燃料極に供給することとしてもよい。 In the power generation system, the output control unit may supply the oxidant gas and the first fuel gas to the air electrode and supply the second fuel gas to the fuel electrode in the power generation standby state.

上記発電システムによれば、発電スタンバイ状態において、酸化剤ガスと第1燃料ガスとが空気極に供給される。これにより、触媒燃焼によって生じた熱により発電室温度を所定の発電可能温度以上に保持することが可能となる。また、燃料極に所定量の第2燃料ガスが供給されるので、燃料極を還元ガス雰囲気に保持することができ、燃料電池セルの劣化を防止することが可能となる。
ここで、第1燃料ガスと第2燃料ガスとは同じガスとされていてもよく、異なるガスとされていてもよい。
According to the power generation system, the oxidant gas and the first fuel gas are supplied to the air electrode in the power generation standby state. As a result, the temperature of the power generation chamber can be maintained above a predetermined temperature at which power can be generated by the heat generated by the catalyst combustion. Further, since a predetermined amount of the second fuel gas is supplied to the fuel electrode, the fuel electrode can be maintained in the reducing gas atmosphere, and deterioration of the fuel cell can be prevented.
Here, the first fuel gas and the second fuel gas may be the same gas, or may be different gases.

上記発電システムは、前記燃料電池からの排燃料および排空気が供給されるマイクロガスタービンを備え、前記制御装置は、前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記マイクロガスタービンの運転を継続して行うこととしてもよい。 The power generation system includes a micro gas turbine to which exhaust fuel and exhaust air from the fuel cell are supplied, and the control device operates the micro gas turbine when the abnormality is detected by the abnormality detection unit. May be continued.

上記発電システムによれば、異常検知部によって異常が検知された後においても、マイクロガスタービンの運転を継続して行わせるので、マイクロガスタービンの運転を停止させていた従来の発電システムに比べて、発電システム全体としての出力を増加させることが可能となる。 According to the above power generation system, even after the abnormality is detected by the abnormality detection unit, the operation of the micro gas turbine is continued, so that the operation of the micro gas turbine is stopped, as compared with the conventional power generation system. , It is possible to increase the output of the power generation system as a whole.

上記発電システムは、前記燃料電池の発電電力を送電する第1電力線と、前記マイクロガスタービンの発電電力を送電する第2電力線と、前記第1電力線と前記第2電力線とが連結する連系点と、前記連系点と前記電力供給先とを接続する第3電力線とを備え、前記開閉器は、前記第1電力線に設けられていてもよい。 The power generation system is an interconnection point in which a first power line that transmits the power generated by the fuel cell, a second power line that transmits the power generated by the microgas turbine, and the first power line and the second power line are connected. And a third power line connecting the interconnection point and the power supply destination, and the switch may be provided on the first power line.

このような構成によれば、開閉器を開状態とすることによって燃料電池と電力供給先との接続を容易に遮断することができるとともに、マイクロガスタービンによって発電された発電電力については継続して電力供給先に供給することが可能となる。 According to such a configuration, the connection between the fuel cell and the power supply destination can be easily cut off by opening the switch, and the generated power generated by the micro gas turbine can be continuously used. It becomes possible to supply power to the power supply destination.

上記発電システムにおいて、前記制御装置は、前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記マイクロガスタービンの運転モードが、燃焼器への第3燃料ガスの供給量を予め設定された所定値以下に抑制する高効率運転モードであるか否かを判定する運転モード判定部と、前記運転モード判定部によって前記高効率運転モードであると判定された場合に、前記高効率運転モードを解除し、前記高効率運転モードよりも多くの前記第3燃料ガスを前記燃焼器に供給する他の運転モードに切り替える運転モード切替部とを具備することとしてもよい。 In the power generation system, in the control device, when the abnormality is detected by the abnormality detection unit, the operation mode of the micro gas turbine is set to a predetermined amount in which the supply amount of the third fuel gas to the combustor is preset. The high-efficiency operation mode is released when the operation mode determination unit that determines whether or not the high-efficiency operation mode is suppressed below the value and the operation mode determination unit determines that the high-efficiency operation mode is set. However, it may be provided with an operation mode switching unit for switching to another operation mode for supplying the third fuel gas to the combustor in a larger amount than the high efficiency operation mode.

上記発電システムによれば、異常検知部によって異常が検知された場合であって、マイクロガスタービンの運転モードが燃費を向上させる高効率運転モードである場合には、高効率運転モードが解除され、高効率運転モードよりも多くの第3燃料ガスを燃焼器に供給する他の運転モードに切り替えられる。これにより、燃焼器における安定した燃焼を維持することが可能となる。
上記第3燃料ガスは、第1燃料ガス及び第2燃料ガスの少なくともいずれか一方と同じガスとされていてもよいし、いずれとも異なるガスとされていてもよい。
According to the above power generation system, when an abnormality is detected by the abnormality detection unit and the operation mode of the micro gas turbine is a high efficiency operation mode for improving fuel efficiency, the high efficiency operation mode is canceled. It is possible to switch to another operation mode in which more third fuel gas is supplied to the combustor than in the high efficiency operation mode. This makes it possible to maintain stable combustion in the combustor.
The third fuel gas may be the same gas as at least one of the first fuel gas and the second fuel gas, or may be different from each other.

上記発電システムにおいて、前記出力制御部は、前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記燃料極に改質用水を供給することとしてもよい。
この場合において、前記出力制御部は、予め設定された最低流量の前記改質用水を前記燃料極に供給し、前記改質用水の供給開始から予め設定された所定の時間経過後に目標流量まで前記改質用水の供給量を増加させることとしてもよい。
In the power generation system, the output control unit may supply reforming water to the fuel electrode when the abnormality is detected by the abnormality detection unit.
In this case, the output control unit supplies the reforming water having a preset minimum flow rate to the fuel electrode, and reaches the target flow rate after a predetermined time has elapsed from the start of supply of the reforming water. The supply amount of reforming water may be increased.

上記発電システムによれば、異常検知部によって異常が検知された場合に、改質のための改質用水を燃料極に供給するので、改質に必要とされる改質用水を先行的に供給することが可能となる。更に、改質用水の供給開始時においては最小流量を供給し、改質用水の供給開始から所定の時間経過後に目標流量まで流量を増加させるので、改質用水の供給開始時に生ずる圧力変動や流量変動を抑制することが可能となる。 According to the above power generation system, when an abnormality is detected by the abnormality detection unit, reforming water for reforming is supplied to the fuel electrode, so that reforming water required for reforming is supplied in advance. It becomes possible to do. Furthermore, since the minimum flow rate is supplied at the start of supply of reforming water and the flow rate is increased to the target flow rate after a predetermined time has elapsed from the start of supply of reforming water, the pressure fluctuation and flow rate that occur at the start of supply of reforming water It is possible to suppress fluctuations.

本発明は、発電室内に、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された燃料電池を具備する発電システムの保護制御方法であって、前記燃料電池の発電出力端から電力供給先側に発生した異常を検知する工程と、前記異常を検知した場合に、前記燃料電池が電力を出力しない無負荷状態とする工程と、前記異常を検知した場合に、前記燃料電池の前記発電室を所定の発電可能温度以上に維持する発電スタンバイ状態に移行させる工程とを含む発電システムの保護制御方法を提供する。
上記発電システムの保護制御方法は、前記異常が解消された場合に、前記燃料電池の発電室を目標温度まで上昇させ、前記燃料電池の出力を目標出力まで増加させる工程を更に含むこととしてもよい。
The present invention is a protection control method for a power generation system including a fuel cell in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged in a power generation chamber, and the power generation of the fuel cell. The step of detecting an abnormality generated from the output end to the power supply destination side, the step of setting the fuel cell to a no-load state in which the fuel cell does not output power when the abnormality is detected, and the step of detecting the abnormality. Provided is a protection control method of a power generation system including a step of shifting the power generation chamber of a fuel cell to a power generation standby state for maintaining a predetermined power generation possible temperature or higher.
The protection control method of the power generation system may further include a step of raising the power generation chamber of the fuel cell to a target temperature and increasing the output of the fuel cell to the target output when the abnormality is resolved. ..

本発明によれば、SOFCの発電出力端よりも電力の供給先側で異常が検知された場合に、その異常解消からSOFCの発電再開までの時間を短縮することができるという効果を奏する。 According to the present invention, when an abnormality is detected on the power supply destination side of the SOFC power generation output end, the time from the elimination of the abnormality to the restart of the SOFC power generation can be shortened.

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概略構成図である。It is a schematic block diagram which showed the schematic structure of the power generation system which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るSOFCのセルスタックの一態様を示した図である。It is a figure which showed one aspect of the cell stack of SOFC which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るSOFCモジュールの一態様を示した図である。It is a figure which showed one aspect of the SOFC module which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るSOFCカートリッジの一態様の断面図である。It is sectional drawing of one aspect of the SOFC cartridge which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るPCSの概略構成及び発電システムと電力系統との間の配線の一形態を示した図である。It is a figure which showed the schematic structure of the PCS which concerns on one Embodiment of this invention, and one form of wiring between a power generation system and a power system. 本発明の一実施形態に係る制御装置が備える各種機能のうち、保護制御に関する機能を主に展開して示した機能ブロック図である。It is a functional block diagram which mainly developed and showed the function related to protection control among various functions provided in the control device which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る発電システムの保護制御の手順を示したフローチャートである。It is a flowchart which showed the procedure of protection control of the power generation system which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る発電システムによる保護制御と、従来の発電システムの緊急停止制御とを実行した場合の各種制御量の時間的推移を比較して示した図である。It is a figure which compared the time transition of the various control amounts at the time of executing the protection control by the power generation system which concerns on one Embodiment of this invention, and the emergency stop control of a conventional power generation system.

以下に、本発明に係る発電システム及びその保護制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the power generation system and the protection control method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings.

〔発電システムの構成〕
まず、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1は、本発明の一実施形態に係る発電システム10の概略構成を示した概略構成図である。図1に示すように、発電システム10は、マイクロガスタービン(以下「MGT」という。)11、発電機12、SOFC13、及びパワーコンディショナ(電力変換装置、以下「PCS」という)120等を備えている。この発電システム10は、MGT11による発電と、SOFC13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。
[Power generation system configuration]
First, a schematic configuration of a power generation system according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a schematic configuration of a power generation system 10 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the power generation system 10 includes a micro gas turbine (hereinafter referred to as “MGT”) 11, a generator 12, SOFC 13, a power conditioner (power converter, hereinafter referred to as “PCS”) 120, and the like. ing. The power generation system 10 is configured to obtain high power generation efficiency by combining power generation by the MGT 11 and power generation by the SOFC 13.

MGT11は、圧縮機21、燃焼器22、タービン23を有しており、圧縮機21とタービン23とは回転軸24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23が回転することで圧縮機21が回転駆動する。
圧縮機21は、空気取り込みライン25から取り込んだ空気Aを圧縮する。燃焼器22には、第1空気供給ライン26を介して圧縮機21からの圧縮空気(以下、単に「空気」という。)Aの一部が供給されるとともに、第1燃料ガス供給ライン27を介して燃料ガスL1が供給される。第1空気供給ライン26には、燃焼器22へ供給する空気量を調整するための制御弁65が設けられ、第1燃料ガス供給ライン27には、燃焼器22へ供給する燃料ガス流量を調整するための制御弁70が設けられている。更に、燃焼器22には、後述するSOFC13の燃料ガス再循環ライン49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45を通じて供給される。排燃料ガス供給ライン45には、燃焼器22に供給する排燃料ガス量を調整するための制御弁47が設けられている。更に、燃焼器22には、後述する排空気供給ライン36を通じてSOFC13の空気極13Bで用いられた排空気A2の一部が供給される。
The MGT 11 has a compressor 21, a combustor 22, and a turbine 23, and the compressor 21 and the turbine 23 are integrally rotatably connected by a rotating shaft 24. The compressor 21 is rotationally driven by the rotation of the turbine 23, which will be described later.
The compressor 21 compresses the air A taken in from the air take-in line 25. A part of compressed air (hereinafter, simply referred to as “air”) A from the compressor 21 is supplied to the combustor 22 via the first air supply line 26, and the first fuel gas supply line 27 is provided. The fuel gas L1 is supplied through the fuel gas L1. The first air supply line 26 is provided with a control valve 65 for adjusting the amount of air supplied to the combustor 22, and the first fuel gas supply line 27 adjusts the flow rate of fuel gas supplied to the combustor 22. A control valve 70 is provided for this purpose. Further, a part of the exhaust fuel gas L3 circulating in the fuel gas recirculation line 49 of the SOFC 13 described later is supplied to the combustor 22 through the exhaust fuel gas supply line 45. The exhaust fuel gas supply line 45 is provided with a control valve 47 for adjusting the amount of exhaust fuel gas supplied to the combustor 22. Further, a part of the exhaust air A2 used in the air electrode 13B of the SOFC 13 is supplied to the combustor 22 through the exhaust air supply line 36 described later.

燃焼器22は、燃料ガスL1、空気Aの一部、排燃料ガスL3、及び排空気A2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28を通じてタービン23に供給される。タービン23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55から排出される。発電機12は、タービン23と同軸上に設けられており、タービン23が回転駆動することで発電する。 The combustor 22 mixes and burns the fuel gas L1, a part of the air A, the exhaust fuel gas L3, and the exhaust air A2 to generate the combustion gas G. The combustion gas G is supplied to the turbine 23 through the combustion gas supply line 28. The turbine 23 rotates due to the adiabatic expansion of the combustion gas G, and the exhaust gas is discharged from the combustion exhaust gas line 55. The generator 12 is provided coaxially with the turbine 23, and generates electricity by rotationally driving the turbine 23.

燃焼器22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、炭素質原料(石炭等)をガス化設備により製造した石炭ガス化ガス等のガス、一酸化炭素(CO)やメタン(CH)等の炭化水素ガス、液化天然ガス(LNG)、都市ガス、水素(H)、メタノール、石油等が用いられる。本実施形態での燃料ガスL1、L2は例えば都市ガスを使用し、メタンを主成分とする燃料ガスを用いている。燃料ガスL1と燃料ガスL2とは同じガスとされてもよいし、異なるガスとされてもよい。 The fuel gas L1 supplied to the combustor 22 and the fuel gas L2 described later are flammable gases, and for example, a gas such as coal gasification gas produced from a carbonaceous raw material (coal or the like) by a gasification facility, carbon monoxide ( Hydrocarbon gas such as CO) and methane (CH 4 ), liquefied natural gas (LNG), city gas, hydrogen (H 2 ), methanol, petroleum and the like are used. As the fuel gases L1 and L2 in the present embodiment, for example, city gas is used, and fuel gas containing methane as a main component is used. The fuel gas L1 and the fuel gas L2 may be the same gas or may be different gases.

SOFC13は、圧力容器内に燃料極13Aと空気極13Bと固体電解質とが収容されて構成される。なお、SOFC13の詳細な構成については後述する。
SOFC13は、空気極13Bに酸化剤ガスが供給され、燃料極13Aに燃料ガス(還元剤ガス)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。
酸化剤ガスは、例えば、酸素を略15%から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。本実施形態では、SOFC13に供給される酸化剤ガスとして、圧縮機21によって圧縮された空気Aの少なくとも一部(空気A1)を採用する場合を例示して説明する。
The SOFC 13 is configured by accommodating a fuel electrode 13A, an air electrode 13B, and a solid electrolyte in a pressure vessel. The detailed configuration of SOFC 13 will be described later.
The SOFC 13 reacts at a predetermined operating temperature to generate power by supplying an oxidizing agent gas to the air electrode 13B and supplying a fuel gas (reducing agent gas) to the fuel electrode 13A.
The oxidant gas is, for example, a gas containing approximately 15% to 30% of oxygen, and air is typically preferable. However, in addition to air, a mixed gas of combustion exhaust gas and air or a mixed gas of oxygen and air is used. Etc. can be used. In the present embodiment, a case where at least a part (air A1) of the air A compressed by the compressor 21 is adopted as the oxidant gas supplied to the SOFC 13 will be illustrated and described.

SOFC13には、第1空気供給ライン26から分岐した第2空気供給ライン31を通じて酸化剤ガスとして空気(酸化剤ガス)A1が空気極13Bの導入部である空気供給部に供給される。この第2空気供給ライン31には、供給する空気A1の流量を調整するための制御弁64が設けられている。また、第1空気供給ライン26において、第2空気供給ライン31の分岐点よりも空気A1の上流側(換言すると、圧縮機21側)には、熱交換器58が設けられている。熱交換器58において、空気Aは、燃焼排ガスライン55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空気供給ライン31には、熱交換器58をバイパスするバイパスライン62が設けられている。バイパスライン62には、制御弁66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64、66の開度が後述する制御装置60によって制御されることで、熱交換器58を通過する空気Aと熱交換器58をバイパスする空気Aとの流量割合が調整され、第2空気供給ライン31を通じてSOFC13に供給される空気A1の温度が調整される。
SOFC13に供給される空気A1の温度は、SOFC13を構成するSOFCカートリッジ203に空気A1を導入する空気供給部や空気供給枝管をはじめSOFCカートリッジ203の構成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。
Air (oxidizer gas) A1 is supplied to the SOFC 13 as an oxidant gas through the second air supply line 31 branched from the first air supply line 26 to the air supply unit which is the introduction portion of the air electrode 13B. The second air supply line 31 is provided with a control valve 64 for adjusting the flow rate of the supplied air A1. Further, in the first air supply line 26, a heat exchanger 58 is provided on the upstream side (in other words, the compressor 21 side) of the air A1 from the branch point of the second air supply line 31. In the heat exchanger 58, the air A is heat-exchanged with the exhaust gas discharged from the combustion exhaust gas line 55 to raise the temperature. Further, the second air supply line 31 is provided with a bypass line 62 that bypasses the heat exchanger 58. The bypass line 62 is provided with a control valve 66 so that the bypass flow rate of the air A can be adjusted. By controlling the opening degree of the control valves 64 and 66 by the control device 60 described later, the flow rate ratio between the air A passing through the heat exchanger 58 and the air A bypassing the heat exchanger 58 is adjusted, and the second The temperature of the air A1 supplied to the SOFC 13 through the air supply line 31 is adjusted.
The temperature of the air A1 supplied to the SOFC 13 has an upper limit of the temperature so as not to damage the constituent materials of the SOFC cartridge 203, including the air supply unit for introducing the air A1 into the SOFC cartridge 203 constituting the SOFC 13 and the air supply branch pipe. It is restricted.

更に、第2空気供給ライン31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80が接続されている。空気極燃料供給ライン80には、第2空気供給ライン31へ供給する燃料ガス量を調整するための制御弁82が設けられている。制御弁82の弁開度が後述する制御装置60によって制御されることにより、空気A1に添加される燃料ガスL2の供給量が調整される。空気A1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。 Further, an air electrode fuel supply line 80 for supplying the fuel gas L2 as a flammable gas is connected to the second air supply line 31. The air electrode fuel supply line 80 is provided with a control valve 82 for adjusting the amount of fuel gas supplied to the second air supply line 31. By controlling the valve opening degree of the control valve 82 by the control device 60 described later, the supply amount of the fuel gas L2 added to the air A1 is adjusted. The amount of the fuel gas L2 added to the air A1 is supplied at a flammable limit concentration or less, and more preferably at 3% by volume or less.

SOFC13には、空気極13Bで用いられた排空気A2を排出する排空気排出ライン34が接続されている。この排空気排出ライン34には、燃焼器22に排空気A2を供給するための排空気供給ライン36が接続されている。排空気供給ライン36には、SOFC13とガスタービン11との間の系統を切り離すための遮断弁38が設けられている。
また、排空気排出ライン34には、外部へ排出する排空気量を調整するための制御弁(もしくは遮断弁)37が設けられている。
An exhaust air discharge line 34 for discharging the exhaust air A2 used in the air electrode 13B is connected to the SOFC 13. An exhaust air supply line 36 for supplying the exhaust air A2 to the combustor 22 is connected to the exhaust air discharge line 34. The exhaust air supply line 36 is provided with a shutoff valve 38 for disconnecting the system between the SOFC 13 and the gas turbine 11.
Further, the exhaust air discharge line 34 is provided with a control valve (or shutoff valve) 37 for adjusting the amount of exhaust air discharged to the outside.

SOFC13には、更に、燃料ガスL2を燃料極13Aの導入部である燃料ガス供給部207(図3参照)に供給する第2燃料ガス供給ライン41と、燃料極13A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43とが接続されている。第2燃料ガス供給ライン41には、燃料極13Aに供給する燃料ガスL2の流量を調整するための制御弁42が設けられ、排燃料ガスライン43には外部に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)46が設けられている。排燃料ガスライン43の制御弁(もしくは遮断弁)46と、排空気排出ライン34の制御弁(もしくは遮断弁)37とにより過剰になった圧力を素早く調整することができる。また、SOFC13の燃料極13Aと空気極13Bの燃料空気差圧は、燃料極13A側が所定の圧力範囲で高くなるように制御弁47により制御される。また、排燃料ガスライン43には、排燃料ガスL3をSOFC13の燃料極13Aの入口へと再循環させるための燃料ガス再循環ライン49が接続されている。燃料ガス再循環ライン49には、排燃料ガスL3を再循環させるための再循環ブロワ50が設けられている。 The SOFC 13 is further subjected to a second fuel gas supply line 41 for supplying the fuel gas L2 to the fuel gas supply unit 207 (see FIG. 3) which is an introduction unit of the fuel electrode 13A, and after being used for the reaction at the fuel electrode 13A. It is connected to the exhaust fuel gas line 43 that discharges the exhaust fuel gas L3. The second fuel gas supply line 41 is provided with a control valve 42 for adjusting the flow rate of the fuel gas L2 supplied to the fuel electrode 13A, and the exhaust fuel gas line 43 adjusts the amount of exhaust fuel gas discharged to the outside. A control valve (or shutoff valve) 46 is provided for this purpose. The excess pressure can be quickly adjusted by the control valve (or shutoff valve) 46 of the exhaust fuel gas line 43 and the control valve (or shutoff valve) 37 of the exhaust air discharge line 34. Further, the fuel air differential pressure between the fuel electrode 13A and the air electrode 13B of the SOFC 13 is controlled by the control valve 47 so that the fuel electrode 13A side becomes higher in a predetermined pressure range. Further, a fuel gas recirculation line 49 for recirculating the exhaust fuel gas L3 to the inlet of the fuel electrode 13A of the SOFC 13 is connected to the exhaust fuel gas line 43. The fuel gas recirculation line 49 is provided with a recirculation blower 50 for recirculating the exhaust fuel gas L3.

更に、燃料ガス再循環ライン49には、燃料極13Aに燃料ガスL2を改質するための改質用水として純水を供給する純水供給ライン44が設けられている。純水供給ライン44にはポンプ48が設けられている。ポンプ48の吐出流量が制御装置60によって制御されることにより、燃料極13Aに供給される純水流量が調整される。 Further, the fuel gas recirculation line 49 is provided with a pure water supply line 44 that supplies pure water to the fuel electrode 13A as reforming water for reforming the fuel gas L2. A pump 48 is provided on the pure water supply line 44. By controlling the discharge flow rate of the pump 48 by the control device 60, the pure water flow rate supplied to the fuel electrode 13A is adjusted.

〔SOFCの構成〕
次に、図2から図4を参照してSOFC13の構成について説明する。
まず、本実施形態に係るSOFC複合発電システム(燃料電池複合発電システム)のSOFCに用いる円筒形セルスタックについて図2を参照して説明する。図2は、本実施形態に係るセルスタック101の一態様を示した図である。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13Aと固体電解質111と空気極13B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の長手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13B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13Aに電気的に接続されたリード膜(不図示)を備える。
[SOFC configuration]
Next, the configuration of the SOFC 13 will be described with reference to FIGS. 2 to 4.
First, a cylindrical cell stack used for SOFC of the SOFC combined cycle power generation system (fuel cell combined cycle power generation system) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing one aspect of the cell stack 101 according to the present embodiment. The cell stack 101 includes a cylindrical base tube 103, a plurality of fuel cell 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103, and an interconnector 107 formed between adjacent fuel cell 105. The fuel cell 105 is formed by laminating a fuel electrode 13A, a solid electrolyte 111, and an air electrode 13B. Further, the cell stack 101 is an air electrode 13B of the fuel cell 105 formed at one end of the plurality of fuel cell 105 formed on the outer peripheral surface of the base pipe 103 in the longitudinal axis direction of the base pipe 103. The lead film 115 is electrically connected to the fuel cell 105 at the other end of the fuel cell 105, and is electrically connected to the fuel electrode 13A of the fuel cell 105 (not shown). To be equipped.

基体管103は、多孔質材料からなり、例えば、CaO安定化ZrO(CSZ)、CSZと酸化ニッケル(NiO)との混合物(CSZ+NiO)、又はY安定化ZrO2(YSZ)、又はMgAl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13Aに拡散させる。 Substrate tube 103 is made of a porous material, for example, CaO-stabilized ZrO 2 (CSZ), a mixture of CSZ and nickel oxide (NiO) (CSZ + NiO) , or Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 (YSZ), or The main component is MgAl 2 O 4 and the like. The base tube 103 supports the fuel cell 105, the interconnector 107, and the lead film 115, and the fuel gas supplied to the inner peripheral surface of the base tube 103 is supplied to the inner peripheral surface of the base tube 103 through the pores of the base tube 103. It is diffused into the fuel electrode 13A formed on the outer peripheral surface of the fuel cell.

燃料極13A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13Aの厚さは50〜250μmである。この場合、燃料極13Aは、燃料極13A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)と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素(H)と一酸化炭素(CO)に改質する。また、燃料極13Aは、改質により得られる水素(H)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(O2−)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(HO)及び二酸化炭素(CO)を生成する。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。 The fuel electrode 13A is composed of an oxide of a composite material of Ni and a zirconia-based electrolyte material, and for example, Ni / YSZ is used. The thickness of the fuel electrode 13A is 50 to 250 μm. In this case, in the fuel electrode 13A, Ni, which is a component of the fuel electrode 13A, has a catalytic action on the fuel gas. This catalytic action reacts a fuel gas supplied via the substrate tube 103, for example, a mixed gas of methane (CH 4 ) and water vapor, and reforms it into hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). .. Further, the fuel electrode 13A is an interface between hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming and oxygen ions (O 2- ) supplied via the solid electrolyte 111 with the solid electrolyte 111. It reacts electrochemically in the vicinity to produce water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). At this time, the fuel cell 105 generates electricity by the electrons emitted from the oxygen ions.

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とが主に用いられて構成されている。固体電解質111は、空気極13Bで生成される酸素イオン(O2−)を燃料極13Aに移動させる。燃料極13Aの表面上に位置する固体電解質111の膜厚は10〜100μmである。 The solid electrolyte 111 is mainly composed of YSZ having airtightness that does not allow gas to pass through and high oxygen ion conductivity at high temperature. The solid electrolyte 111 moves oxygen ions (O 2- ) generated in the air electrode 13B to the fuel electrode 13A. The film thickness of the solid electrolyte 111 located on the surface of the fuel electrode 13A is 10 to 100 μm.

空気極13Bは、例えば、LaSrMnO系酸化物、又はLaCoO系酸化物で構成される。この空気極13B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剤ガス中の酸素を解離させて酸素イオン(O2−)を生成する。空気極13B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。 The air electrode 13B is composed of, for example, a LaSrMnO 3- based oxide or a LaCoO 3- based oxide. The air electrode 13B dissociates oxygen in the supplied oxidant gas such as air in the vicinity of the interface with the solid electrolyte 111 to generate oxygen ions (O 2- ). The air electrode 13B may have a two-layer structure. In this case, the air electrode layer (air electrode intermediate layer) on the solid electrolyte 111 side is made of a material having high ionic conductivity and excellent catalytic activity. The air electrode layer (air electrode conductive layer) on the air electrode intermediate layer may be composed of a perovskite-type oxide represented by Sr and Ca-doped LaMnO 3 . By doing so, the power generation performance can be further improved.

インターコネクタ107は、SrTiO系などのM1−xTiO(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などから構成される。インターコネクタ107は、燃料ガスと空気とが混合しないように緻密な膜となっていて、酸化ガス雰囲気と還元ガス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13Bと他方の燃料電池セル105の燃料極13A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。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る。 The interconnector 107 is composed of a conductive perovskite-type oxide represented by M 1-x L x TiO 3 (M is an alkaline earth metal element and L is a lanthanoid element) such as SrTiO 3 system. The interconnector 107 has a dense film so that the fuel gas and air do not mix with each other, and has stable durability and electrical conductivity in both an oxidizing gas atmosphere and a reducing gas atmosphere. In the adjacent fuel cell 105, the interconnector 107 electrically connects the air electrode 13B of one fuel cell 105 and the fuel electrode 13A of the other fuel cell 105, and the adjacent fuel cell 105 are connected to each other. Are connected in series. Since the lead film 115 needs to have electron conductivity and a coefficient of thermal expansion close to that of other materials constituting the cell stack 101, Ni such as Ni / YSZ and a zirconia-based electrolyte material are used. It is composed of a composite material. The lead film 115 derives the DC power generated by the plurality of fuel cell 105s connected in series by the interconnector to the vicinity of the end of the cell stack 101.

次に、図3及び図4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。図3は、本実施形態に係るSOFCモジュールの一態様を示した図、図4は、本実施形態に係るSOFCカートリッジの一態様の断面図である。 Next, the SOFC module and the SOFC cartridge according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. 3 is a view showing one aspect of the SOFC module according to the present embodiment, and FIG. 4 is a cross-sectional view of one aspect of the SOFC cartridge according to the present embodiment.

SOFCモジュール201は、図3に示すように、例えば、複数のSOFCカートリッジ203と、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3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。圧力容器205は、内部の圧力が0.1MPa〜約1MPa、内部の温度が大気温度〜約550℃で運用されるので、耐力性と酸化剤ガス中に含まれる酸素など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。 As shown in FIG. 3, the SOFC module 201 includes, for example, a plurality of SOFC cartridges 203 and a pressure vessel 205 for accommodating the plurality of SOFC cartridges 203. Although FIG. 3 illustrates a cylindrical SOFC cell stack, this does not necessarily have to be the case, and for example, a flat cell stack may be used. Since the pressure vessel 205 is operated at an internal pressure of 0.1 MPa to about 1 MPa and an internal temperature of atmospheric temperature to about 550 ° C., the pressure vessel 205 is a material having resistance to oxygen and the like contained in the oxidant gas. Is used. For example, a stainless steel material such as SUS304 is suitable.

SOFCモジュール201は、燃料ガス供給部207と複数の燃料ガス供給枝管207a及び燃料ガス排出部209と複数の燃料ガス排出枝管209aとを備える。更に、SOFCモジュール201は、空気供給部(不図示)と空気供給枝管(不図示)及び空気排出部(不図示)と複数の空気排出枝管(不図示)とを備える。 The SOFC module 201 includes a fuel gas supply unit 207 and a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a, and a fuel gas discharge unit 209 and a plurality of fuel gas discharge branch pipes 209a. Further, the SOFC module 201 includes an air supply unit (not shown), an air supply branch pipe (not shown), an air discharge unit (not shown), and a plurality of air discharge branch pipes (not shown).

第2燃料ガス供給ライン41(図1参照)からの燃料ガスL2は、燃料ガス供給部207、複数の燃料ガス供給枝管207aを通じて複数のSOFCカートリッジ203に供給される。燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給部207を通じて供給される燃料ガスL2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。 The fuel gas L2 from the second fuel gas supply line 41 (see FIG. 1) is supplied to the plurality of SOFC cartridges 203 through the fuel gas supply unit 207 and the plurality of fuel gas supply branch pipes 207a. The fuel gas supply branch pipe 207a guides the fuel gas L2 supplied through the fuel gas supply unit 207 to the plurality of SOFC cartridges 203 at a substantially equal flow rate, and substantially equalizes the power generation performance of the plurality of SOFC cartridges 203.

SOFCカートリッジ203から排出される排燃料ガスL3は、燃料ガス排出枝管209a及び燃料ガス排出部209を通じることにより、略均等の流量で排燃料ガスライン43(図1参照)に導かれる。 The exhaust fuel gas L3 discharged from the SOFC cartridge 203 is guided to the exhaust fuel gas line 43 (see FIG. 1) at a substantially equal flow rate by passing through the fuel gas discharge branch pipe 209a and the fuel gas discharge unit 209.

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してもよい。 In the present embodiment, a mode in which a plurality of SOFC cartridges 203 are assembled and stored in the pressure vessel 205 is described, but the present invention is not limited to this, and for example, the SOFC cartridge 203 is not assembled and is stored in the pressure vessel 205. It may be stored inside.

SOFCカートリッジ203は、図4に示すように、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、空気供給室221と、空気排出室223とを備えている。更に、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とを備えている。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と空気供給室221と空気排出室223とが図4のように配置されることで、燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気とがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れる構造とされているが、その態様は必ずしもこの例に限られず、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または空気がセルスタックの長手軸方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。 As shown in FIG. 4, the SOFC cartridge 203 includes a plurality of cell stacks 101, a power generation chamber 215, a fuel gas supply chamber 217, a fuel gas discharge chamber 219, an air supply chamber 221 and an air discharge chamber 223. I have. Further, the SOFC cartridge 203 includes an upper tube plate 225a, a lower tube plate 225b, an upper heat insulating body 227a, and a lower heat insulating body 227b. In the present embodiment, the SOFC cartridge 203 is provided with the fuel gas by arranging the fuel gas supply chamber 217, the fuel gas discharge chamber 219, the air supply chamber 221 and the air discharge chamber 223 as shown in FIG. The structure is such that air as an oxidant gas flows opposite to the inside and outside of the cell stack 101, but the embodiment is not necessarily limited to this example, and for example, the inside and outside of the cell stack are parallel to each other. Or the air may flow in a direction orthogonal to the longitudinal axis direction of the cell stack.

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。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、燃料ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。例えば、発電室215のセルスタック101の長手方向の中央部付近の温度は、SOFCモジュール201の定常運転時に、約700℃から1000℃の高温雰囲気となる。 The power generation chamber 215 is a region formed between the upper heat insulating body 227a and the lower heat insulating body 227b. The power generation chamber 215 is an area in which the fuel cell 105 of the cell stack 101 is arranged, and is an area in which fuel gas and air are electrochemically reacted to generate electricity. For example, the temperature near the central portion of the cell stack 101 in the power generation chamber 215 in the longitudinal direction becomes a high temperature atmosphere of about 700 ° C. to 1000 ° C. during steady operation of the SOFC module 201.

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。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。 The fuel gas supply chamber 217 is an area surrounded by the upper casing 229a and the upper pipe plate 225a of the SOFC cartridge 203, and the fuel gas supply branch pipe 207a is provided by the fuel gas supply hole 231a provided above the upper casing 229a. Is communicated with. The plurality of cell stacks 101 are joined to the upper pipe plate 225a by the seal member 237a, and the fuel gas supply chamber 217 receives the fuel gas supplied from the fuel gas supply branch pipe 207a through the fuel gas supply hole 231a. It is guided inside the base tubes 103 of the plurality of cell stacks 101 at a substantially uniform flow rate, and the power generation performance of the plurality of cell stacks 101 is substantially made uniform.

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の下部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。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L3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に導くことができる。 The fuel gas discharge chamber 219 is an area surrounded by the lower casing 229b and the lower pipe plate 225b of the SOFC cartridge 203, and the fuel gas discharge branch pipe 209a is provided by the fuel gas discharge hole 231b provided in the lower part of the lower casing 229b. Is communicated with. The plurality of cell stacks 101 are joined by a lower pipe plate 225b and a sealing member 237b, and the fuel gas discharge chamber 219 passes through the inside of the base pipe 103 of the plurality of cell stacks 101 and is supplied to the fuel gas discharge chamber 219. The exhaust fuel gas L3 to be generated can be aggregated and led to the fuel gas discharge branch pipe 209a through the fuel gas discharge hole 231b.

空気供給室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空気供給孔233aによって、図示しない空気供給枝管と連通されている。この空気供給室221は、図示しない空気供給枝管から空気供給孔233aを介して供給される所定流量の空気を、空気供給隙間235aを介して発電室215に略均一流量で導くことができる。 The air supply chamber 221 is an area surrounded by the lower casing 229b, the lower pipe plate 225b, and the lower heat insulating body 227b of the SOFC cartridge 203, and is illustrated by the air supply hole 233a provided on the side surface of the lower casing 229b. Not communicated with the air supply branch pipe. The air supply chamber 221 can guide a predetermined flow rate of air supplied from an air supply branch pipe (not shown) through the air supply hole 233a to the power generation chamber 215 through the air supply gap 235a at a substantially uniform flow rate.

空気排出室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空気排出孔233bによって、図示しない空気排出枝管と連通されている。この空気排出室223は、発電室215から、空気排出隙間235bを介して空気排出室223に供給される排空気を、空気排出孔233bを介して図示しない空気排出枝管に導くことができる。 The air discharge chamber 223 is an area surrounded by the upper casing 229a of the SOFC cartridge 203, the upper pipe plate 225a, and the upper heat insulating body 227a, and is illustrated by the air discharge holes 233b provided on the side surface of the upper casing 229a. It is communicated with the air discharge branch pipe. The air discharge chamber 223 can guide the exhaust air supplied from the power generation chamber 215 to the air discharge chamber 223 through the air discharge gap 235b to an air discharge branch pipe (not shown) through the air discharge hole 233b.

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に設けられたNi/YSZ等からなるリード膜115(図2参照)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。SOFCカートリッジ203の外部に導出された直流電力は、SOFCモジュール201の外部へと導出されて、後述するPCS(パワーコンディショナ)120(図5参照)によって交流電力へ変換されて、電力供給先へと供給される。電力供給先としては、例えば、電力系統及び負荷設備の少なくとも一方が挙げられる。 The DC power generated in the power generation chamber 215 is led out to the vicinity of the end of the cell stack 101 by a lead film 115 (see FIG. 2) made of Ni / YSZ or the like provided in the plurality of fuel cell 105, and then the SOFC cartridge. The current is collected by the current collecting rod (not shown) of 203 via the current collecting plate (not shown), and is taken out to the outside of each SOFC cartridge 203. The DC power led out to the outside of the SOFC cartridge 203 is led out to the outside of the SOFC module 201, converted into AC power by the PCS (power conditioner) 120 (see FIG. 5) described later, and sent to the power supply destination. Is supplied. The power supply destination includes, for example, at least one of a power system and a load facility.

上述したように、本実施形態に係るSOFC13では、燃料ガスL2と空気A1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。これにより、排空気A2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L2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空気排出室223に供給される。また、燃料ガスL2は、発電室215から排出される排空気A2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L2を発電室215に供給することができる。更に、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L3は、発電室215に供給される空気A1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、空気A1は排燃料ガスL3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空気を発電室215に供給することができる。 As described above, in the SOFC 13 according to the present embodiment, the fuel gas L2 and the air A1 flow so as to face the inside and the outside of the cell stack 101. As a result, the exhaust air A2 exchanges heat with the fuel gas L2 supplied to the power generation chamber 215 through the inside of the base pipe 103, and the upper pipe plate 225a and the like made of a metal material are deformed such as buckling. It is cooled to a temperature that does not allow it to be supplied to the air discharge chamber 223. Further, the fuel gas L2 is heated by heat exchange with the exhaust air A2 discharged from the power generation chamber 215 and supplied to the power generation chamber 215. As a result, the fuel gas L2 preheated to a temperature suitable for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like. Further, the exhaust fuel gas L3 that has passed through the inside of the base pipe 103 and passed through the power generation chamber 215 is heat-exchanged with the air A1 supplied to the power generation chamber 215, and the lower pipe plate 225b and the like made of a metal material are formed. It is cooled to a temperature at which it does not deform such as buckling and is supplied to the fuel gas discharge chamber 219. Further, the air A1 is heated by heat exchange with the exhaust fuel gas L3 and supplied to the power generation chamber 215. As a result, air heated to a temperature required for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

また、図1に示すように、発電システム10の各所には、各種センサが設けられている。例えば、SOFC13には、燃料極13Aと空気極13Bとの差圧を計測する差圧センサ90、発電室温度を計測する温度センサ92等が設けられている。また、MGT11の圧縮機21の吸入口付近には、圧縮機21に吸引される空気Aの温度を外気温度として計測する外気温度センサ94が設けられている。
さらに、発電システム10には、第2空気供給ライン31を通じてSOFC13に供給される空気A1の温度(入口空気温度)を計測する温度センサ(不図示)、燃料ガス再循環ライン49を循環する排燃料ガスL3の温度を計測する温度センサ(不図示)等が設けられている。また、各制御弁には、弁開度を検出する弁開度検出部(不図示)が設けられている。
これら各種センサや弁開度検出部によって検出された計測データは、制御装置60に送信される。
Further, as shown in FIG. 1, various sensors are provided in various places of the power generation system 10. For example, the SOFC 13 is provided with a differential pressure sensor 90 for measuring the differential pressure between the fuel electrode 13A and the air electrode 13B, a temperature sensor 92 for measuring the temperature of the power generation chamber, and the like. Further, an outside air temperature sensor 94 that measures the temperature of the air A sucked by the compressor 21 as the outside air temperature is provided near the suction port of the compressor 21 of the MGT 11.
Further, the power generation system 10 includes a temperature sensor (not shown) that measures the temperature (inlet air temperature) of the air A1 supplied to the SOFC 13 through the second air supply line 31, and exhaust fuel that circulates in the fuel gas recirculation line 49. A temperature sensor (not shown) or the like for measuring the temperature of the gas L3 is provided. Further, each control valve is provided with a valve opening degree detecting unit (not shown) for detecting the valve opening degree.
The measurement data detected by these various sensors and the valve opening degree detecting unit is transmitted to the control device 60.

制御装置60は、各種センサや弁開度検出部等によって計測された計測データを用いて、PCS120と連携しながらSOFC13やMGT11の制御を行う。具体的には、上述の計測データに基づいて演算処理を行い、要求負荷を満足するように発電システム10の各部の動作を制御する。また、制御装置60は、PCS120等に異常が発生した場合の保護制御を実行する。 The control device 60 controls the SOFC 13 and the MGT 11 in cooperation with the PCS 120 by using the measurement data measured by various sensors, the valve opening degree detecting unit, and the like. Specifically, arithmetic processing is performed based on the above-mentioned measurement data, and the operation of each part of the power generation system 10 is controlled so as to satisfy the required load. Further, the control device 60 executes protection control when an abnormality occurs in the PCS 120 or the like.

図5は、PCS120の概略構成及び発電システム10のSOFC13の発電出力端と電力系統135との間の配線の一形態を示した図である。図5に示すように、PCS120は、半導体素子等を使用した電気回路であり、例えば、SOFC13から出力された直流電力を昇圧する昇圧回路122、昇圧回路122で昇圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ123、インバータ123で変換された交流電力にフィルタ処理を施すフィルタ回路124、及びPCS内開閉器125等を備えている。
本実施形態では、PCS120から出力されたSOFC13の出力は所定の電力供給先である電力系統135に供給される。なお、本実施形態では、所定の電力供給先として電力系統135を例示しているが、これに代えてまたは加えて、特定の負荷設備に発電電力を供給することとしてもよい。
FIG. 5 is a diagram showing a schematic configuration of the PCS 120 and a form of wiring between the power generation output end of the SOFC 13 of the power generation system 10 and the power system 135. As shown in FIG. 5, the PCS 120 is an electric circuit using a semiconductor element or the like. For example, the booster circuit 122 that boosts the DC power output from the SOFC 13 and the DC power boosted by the booster circuit 122 are converted into AC power. It includes an inverter 123 for conversion, a filter circuit 124 for filtering AC power converted by the inverter 123, a switch 125 in a PCS, and the like.
In the present embodiment, the output of the SOFC 13 output from the PCS 120 is supplied to the power system 135, which is a predetermined power supply destination. In the present embodiment, the power system 135 is illustrated as a predetermined power supply destination, but instead or in addition to this, the generated power may be supplied to a specific load facility.

PCS120から出力される交流電力は電力線C1を通じて送電設備130に送られる。送電設備130では、電力線C1とMGT11の発電機12から発電電力を送電する電力線C2とが連系点Xにおいて連結されている。連系点Xと電力系統135との間の電力線C3には、例えば、系統開閉器131及び変圧器132等が設けられている。
このような構成により、例えば、SOFC13の発電電力は、PCS内の昇圧回路122によって送電設備130への出力に応じた電圧まで昇圧された後、インバータ123によって直流電力から交流電力に変換される。インバータ123から出力された電力は、フィルタ回路124によってフィルタ処理(例えば、平滑化処理等)が施され、閉状態とされたPCS内開閉器125を経て送電設備130へ供給される。PCS120からの交流電力及びMGT11からの交流電力は、送電設備130内の連系点Xにおいて重畳され、閉状態とされた系統開閉器131、及び変圧器132を通じて、電力系統135へ供給される。
The AC power output from the PCS 120 is sent to the power transmission facility 130 through the power line C1. In the power transmission facility 130, the power line C1 and the power line C2 that transmits the generated power from the generator 12 of the MGT 11 are connected at the interconnection point X. The power line C3 between the interconnection point X and the power system 135 is provided with, for example, a system switch 131, a transformer 132, and the like.
With such a configuration, for example, the generated power of the SOFC 13 is boosted to a voltage corresponding to the output to the power transmission facility 130 by the booster circuit 122 in the PCS, and then converted from the DC power to the AC power by the inverter 123. The electric power output from the inverter 123 is filtered by the filter circuit 124 (for example, smoothing), and is supplied to the power transmission facility 130 via the closed PCS switch 125. The AC power from the PCS 120 and the AC power from the MGT 11 are superposed at the interconnection point X in the power transmission facility 130 and supplied to the power system 135 through the closed system switch 131 and the transformer 132.

上記PCS内開閉器125はSOFC13と電力系統135との系統連系及び解列を切り替えるための開閉器である。また、系統開閉器131は、発電システム10と電力系統135との系統連系及び解列を切り替えるための開閉器である。
具体的には、PCS内開閉器125は、SOFC13と電力系統135とが連系している場合に閉状態とされ、SOFC13が電力系統135と解列している場合に開状態とされる。また、系統開閉器131は、発電システム10と電力系統135とが連系している場合に閉状態とされ、発電システム10が電力系統135と解列している場合に開状態とされる。
PCS内開閉器125及び系統開閉器131の開閉制御は、制御装置60またはPCS120により行われる。
本実施形態において、PCS内開閉器125は、PCS内に設けられているが、この配置に限られない。すなわち、SOFC13と電力系統135との系統連系及び解列を切り替えるための開閉器は、SOFC13の発電出力端と連系点Xとを接続する電力線C1に設けられていればよく、例えば、SOFC13の発電出力端とPCS120との間に設けられていてもよいし、PCS120と連系点Xとの間に設けられていてもよい。
The switch 125 in the PCS is a switch for switching the grid connection and disconnection between the SOFC 13 and the power system 135. Further, the system switch 131 is a switch for switching the grid connection and disconnection between the power generation system 10 and the power system 135.
Specifically, the switch 125 in the PCS is closed when the SOFC 13 and the power system 135 are connected, and is opened when the SOFC 13 is disconnected from the power system 135. Further, the system switch 131 is closed when the power generation system 10 and the power system 135 are connected, and is opened when the power generation system 10 is disconnected from the power system 135.
The opening / closing control of the switch 125 in the PCS and the system switch 131 is performed by the control device 60 or the PCS 120.
In the present embodiment, the switch 125 in the PCS is provided in the PCS, but the arrangement is not limited to this. That is, the switch for switching the grid connection and disconnection between the SOFC 13 and the power system 135 may be provided on the power line C1 connecting the power generation output end of the SOFC 13 and the interconnection point X. For example, the SOFC 13 It may be provided between the power generation output end of the PCS 120 and the PCS 120, or may be provided between the PCS 120 and the interconnection point X.

〔発電システムの保護制御〕
次に、上記構成を備える発電システム10において、PCS異常が発生した場合に、制御装置60によって実行される保護制御について説明する。PCS異常は、後述するようにSOFC13の発電出力を電力の供給先(本実施形態では、電力系統135)に対して正常に送電できなくなるような異常である。
制御装置60は、例えば、コンピュータやシーケンサーであり、CPUと、CPUが実行するプログラム等を記憶するためのROM(Read Only Memory)と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するRAM(Random Access Memory)等を備えている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、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、後述の各種機能が実現される。
[Protective control of power generation system]
Next, the protection control executed by the control device 60 when a PCS abnormality occurs in the power generation system 10 having the above configuration will be described. The PCS abnormality is an abnormality in which the power generation output of the SOFC 13 cannot be normally transmitted to the power supply destination (in the present embodiment, the power system 135) as described later.
The control device 60 is, for example, a computer or a sequencer, and includes a CPU, a ROM (Read Only Memory) for storing programs executed by the CPU, and a RAM (Random Access Memory) that functions as a work area during execution of each program. ) Etc. are provided. A series of processing processes for realizing various functions described later is recorded in a recording medium or the like in the form of a program, and the CPU reads this program into a RAM or the like to execute information processing / arithmetic processing. As a result, various functions described later are realized.

図6は、制御装置60が備える各種機能のうち、保護制御に関する機能を主に展開して示した機能ブロック図である。図6に示すように、制御装置60は、PCS異常検知部140、接続制御部141、出力制御部142、運転モード判定部143、及び運転モード切替部144を備えている。 FIG. 6 is a functional block diagram showing mainly the functions related to protection control among various functions included in the control device 60. As shown in FIG. 6, the control device 60 includes a PCS abnormality detection unit 140, a connection control unit 141, an output control unit 142, an operation mode determination unit 143, and an operation mode switching unit 144.

PCS異常検知部140は、PCS異常の発生を検知する。PCS異常とは、SOFC13の発電出力端から電力を供給する側にあたる電力供給先側に発生する異常である。PCS異常は、本実施形態では、例えば、電力系統異常やPCS故障や送電・連系の機器故障を含む。電力系統異常として、電力系統135の停電、瞬停、所定幅以上の周波数変動、所定値以上の電圧変動、所定値以下への電圧低下等が一例として挙げられる。また、PCS故障として、PCS120を構成する各素子や各部品の故障や断線、PCS120と制御装置60との間の通信異常(例えば、PCS120に対して送信したリクエストに対するPCS120からのアンサーが受信できないPCSアンサーバック異常)等が一例として挙げられる。また、送電・連系の機器故障として、PCS120と電力系統135との間に設置された送電設備130、系統開閉器131、変圧器132などの各機器や電力線の故障や破損等が一例として挙げられる。PCS異常は上記例に限定されず、SOFC13の発電電力を電力系統135に対して正常に送電できないような様々な異常であって、その異常を検知しSOFCの保護制御を行う必要性のある異常をいう。 The PCS abnormality detection unit 140 detects the occurrence of a PCS abnormality. The PCS abnormality is an abnormality that occurs on the power supply destination side, which is the side that supplies power from the power generation output end of the SOFC 13. In the present embodiment, the PCS abnormality includes, for example, a power system abnormality, a PCS failure, and a power transmission / interconnection device failure. Examples of the power system abnormality include a power failure of the power system 135, a momentary power failure, a frequency fluctuation of a predetermined width or more, a voltage fluctuation of a predetermined value or more, a voltage drop of a predetermined value or less, and the like. Further, as a PCS failure, a failure or disconnection of each element or each component constituting the PCS 120, a communication abnormality between the PCS 120 and the control device 60 (for example, a PCS that cannot receive an answer from the PCS 120 to a request transmitted to the PCS 120). Answerback error) is an example. Further, as an example of equipment failure of power transmission / interconnection, failure or damage of each device such as power transmission equipment 130, system switch 131, transformer 132 installed between PCS 120 and power system 135, and power line is given as an example. Be done. The PCS abnormality is not limited to the above example, and is various abnormalities such that the generated power of the SOFC 13 cannot be normally transmitted to the power system 135, and it is necessary to detect the abnormality and perform SOFC protection control. To say.

接続制御部141は、PCS異常検知部140によってPCS異常の発生が検知された場合に、PCS内開閉器125を閉状態から開状態に切り替え、SOFC13を電力系統135から解列する。換言すると、SOFC13と電力供給先とを非接続状態とする。これにより、SOFC13は負荷が接続されていない無負荷状態となる。SOFC13は発電の出力電流がゼロとなり、開放端起電力が生じている状態となる。 When the PCS abnormality detection unit 140 detects the occurrence of a PCS abnormality, the connection control unit 141 switches the switch 125 in the PCS from the closed state to the open state, and disconnects the SOFC 13 from the power system 135. In other words, the SOFC 13 and the power supply destination are disconnected. As a result, the SOFC 13 is in a no-load state to which no load is connected. In SOFC13, the output current of power generation becomes zero, and open electromotive force is generated.

出力制御部142は、PCS異常検知部140によってPCS異常が検知された場合に、SOFC13を発電スタンバイ状態とする。ここで、発電スタンバイ状態とは、発電室温度を所定の発電可能温度以上に維持する状態であり、仮に、負荷が接続された場合には、短時間で発電を開始できる状態をいう。 The output control unit 142 puts the SOFC 13 in the power generation standby state when the PCS abnormality detection unit 140 detects the PCS abnormality. Here, the power generation standby state is a state in which the temperature of the power generation room is maintained above a predetermined temperature at which power can be generated, and if a load is connected, power generation can be started in a short time.

具体的には、出力制御部142は、発電スタンバイ状態において、制御弁82の開度及び制御弁64、66の弁開度を調整することにより、燃料ガスL2及び空気(酸化剤ガス)A1を空気極13Bに供給する。これにより、発電室内で触媒燃焼を行わせ、触媒燃焼によって生じた熱を用いて発電室温度を所定の発電可能温度以上に維持する。燃料電池セル105が十分な温度に達していないとき、換言すると、固体電解質111(図2参照)が高抵抗状態のときに燃料極13A側に燃料ガスL2を投入して、燃料電池セル105を発電させると、電極構成材料が組織変化して劣化し、燃料電池セル105の性能低下の要因になるからである。ここで、発電可能温度とは、例えば、750℃以上をいう。 Specifically, the output control unit 142 adjusts the opening degree of the control valve 82 and the valve opening degree of the control valves 64 and 66 in the power generation standby state to adjust the fuel gas L2 and the air (oxidizer gas) A1. It is supplied to the air electrode 13B. As a result, catalyst combustion is performed in the power generation chamber, and the heat generated by the catalyst combustion is used to maintain the temperature of the power generation chamber above a predetermined temperature at which power can be generated. When the fuel cell 105 has not reached a sufficient temperature, in other words, when the solid electrolyte 111 (see FIG. 2) is in a high resistance state, the fuel gas L2 is charged to the fuel electrode 13A side to push the fuel cell 105. This is because when power is generated, the electrode constituent material undergoes structural changes and deteriorates, which causes a decrease in the performance of the fuel cell 105. Here, the temperature at which power can be generated means, for example, 750 ° C. or higher.

発電室温度は、燃料電池セル105の性能低下を防止するために、例えば定格時運転温度の80%以上に設定され、具体的には、発電室目標温度は、SOFC13が発電による発熱による自己発熱で温度が維持できる温度以上であり、例えば定格時運転温度の85%以上100%以下の温度範囲で設定される。 The power generation room temperature is set to, for example, 80% or more of the rated operating temperature in order to prevent performance deterioration of the fuel cell 105. Specifically, the power generation room target temperature is self-heating due to heat generated by SOFC13. The temperature is set at a temperature higher than the temperature that can be maintained, for example, in a temperature range of 85% or more and 100% or less of the rated operating temperature.

更に、出力制御部142は、発電スタンバイ状態において、制御弁42を全閉状態に近い微開状態まで絞ることにより、燃料極13Aへの燃料ガスL2の供給を定格運転時の流量に比べて大幅に低減させた微小流量とする。ここで、制御弁42を全閉状態として燃料極13Aへの燃料ガスL2の供給を停止してしまうと、空気極13Bから侵入してくる酸素があった場合には燃料極13Aが酸化ガス雰囲気となってしまい、燃料電池セル105が劣化してしまうおそれがあるためである。燃料電池セル105の劣化を防止するために、燃料極13Aに微小流量の燃料ガスL2を供給し、微小流量の燃料ガスL2に相応した改質用水である純水を純水供給ライン44から供給することで、微小流量の燃料ガスL2は水素が多く含まれるガスに改質され、この水素ガスなどの改質ガスと空気極13Bから侵入してくる酸素を反応させることで燃料極13Aを還元ガス雰囲気に維持する。
燃料極13Aに供給する燃料ガスL2は、燃料極13Aを還元ガス雰囲気に維持するのに必要な最低限の流量またはその流量に所定の裕度を持たせた流量とされ、例えば、SOFC13の定格運転時の流量に対して数%以上10%以下の範囲で設定される。
なお、排燃料ガスライン43には、微小流量の燃料ガスL2の改質ガスと酸素と反応した水蒸気などが排燃料ガスとして排出され、この微小流量の排燃料ガスL3はSOFC13の燃料極13Aの入口へと、燃料ガス再循環ライン49と再循環ブロワ50により再循環される。
Further, the output control unit 142 narrows the control valve 42 to a slightly open state close to the fully closed state in the power generation standby state, so that the supply of the fuel gas L2 to the fuel electrode 13A is significantly larger than the flow rate during the rated operation. The flow rate is reduced to a small amount. Here, when the control valve 42 is fully closed and the supply of the fuel gas L2 to the fuel electrode 13A is stopped, the fuel electrode 13A has an oxide gas atmosphere when there is oxygen entering from the air electrode 13B. This is because the fuel cell 105 may be deteriorated. In order to prevent deterioration of the fuel cell 105, a minute flow rate of fuel gas L2 is supplied to the fuel electrode 13A, and pure water, which is reforming water corresponding to the minute flow rate of fuel gas L2, is supplied from the pure water supply line 44. By doing so, the fuel gas L2 having a minute flow rate is reformed into a gas containing a large amount of hydrogen, and the reformed gas such as this hydrogen gas reacts with the oxygen entering from the air electrode 13B to reduce the fuel electrode 13A. Maintain a gas atmosphere.
The fuel gas L2 supplied to the fuel electrode 13A is the minimum flow rate required to maintain the fuel electrode 13A in the reducing gas atmosphere or a flow rate obtained by giving a predetermined margin to the flow rate, for example, the rating of SOFC13. It is set in the range of several% or more and 10% or less with respect to the flow rate during operation.
In the exhaust fuel gas line 43, the reformed gas of the fuel gas L2 having a minute flow rate and water vapor that has reacted with oxygen are discharged as the exhaust fuel gas, and the exhaust fuel gas L3 having a minute flow rate is the fuel electrode 13A of the SOFC 13. It is recirculated to the inlet by the fuel gas recirculation line 49 and the recirculation blower 50.

更に、出力制御部142は、PCS異常検知部140によってPCS異常が検知された場合に、燃料極13Aに純水を供給する。この純水は改質に必要とされる水である。ここで、通常の負荷降下時では、SOFC13の出力が所定値以下となった場合に純水の供給を開始させる。これは、出力が所定値以上の負荷領域では、発電反応によって生成される水蒸気の量が多いため、燃料ガス再循環ライン49を通じてSOFC13に再循環される水蒸気によって、改質に必要な水蒸気を賄うことができるからである。SOFC13の出力が低下すると、発電反応で生成される水蒸気の量が減少するため、燃料ガス再循環ライン49を循環する水蒸気量が減少し、改質に必要な水蒸気を賄いきれなくなる。そのため、SOFC13の出力が所定値以下(例えば、所定値は定格出力の40%以上50%以下の範囲で設定される)の場合には、外部から純水供給ライン44を経由して純水を供給し、水蒸気の不足分を補充する。 Further, the output control unit 142 supplies pure water to the fuel electrode 13A when the PCS abnormality detection unit 140 detects the PCS abnormality. This pure water is the water required for reforming. Here, in a normal load drop, the supply of pure water is started when the output of the SOFC 13 becomes equal to or less than a predetermined value. This is because the amount of steam generated by the power generation reaction is large in the load region where the output is equal to or higher than a predetermined value, so that the steam recirculated to the SOFC 13 through the fuel gas recirculation line 49 covers the steam required for reforming. Because it can be done. When the output of the SOFC 13 decreases, the amount of water vapor generated in the power generation reaction decreases, so that the amount of water vapor circulating in the fuel gas recirculation line 49 decreases, and the water vapor required for reforming cannot be supplied. Therefore, when the output of SOFC 13 is equal to or less than a predetermined value (for example, the predetermined value is set in the range of 40% or more and 50% or less of the rated output), pure water is supplied from the outside via the pure water supply line 44. Supply and replenish the shortage of water vapor.

本実施形態において、PCS異常が発生したときにおいて、SOFC13の出力が所定値以上の出力となる状態では、純水を供給する必要性はない。しかしながら、PCS異常発生時には、SOFC13を電力系統135から解列するために、SOFC13の出力は急速に低下し、所定値の出力(例えば、定格出力の40%以上50%以下)を経過して無負荷状態になり、SOFC13の出力はゼロになる。したがって、この状況を見越して、本実施形態では、PCS異常の発生が検知された場合に、先行的に純水の供給を開始することとしている。
また、出力制御部142は、純水供給開始時において、急な純水供給を安定して開始するための最低流量の純水を燃料極13Aに供給する。純水は、燃料ガス再循環ライン49に設けられているスプレーノズルから噴霧されるが、このスプレーノズルは燃料ガス再循環ライン49を循環するガスによって高温に熱せられている。このような高温のスプレーノズルに対して相当量の純水を急激に供給すると、圧力変動や流量変動が生じたり、スプレー自体などの補機に損傷が発生する可能性がある。このような圧力変動や流量変動およびスプレーの損傷などの発生を防止するために、純水の供給開始時においては最低流量の純水をスプレーノズルに供給し、純水の供給開始から所定期間(例えば数分間)が経過してスプレーノズルがある程度冷やされてから、純水流量を目標純水流量まで徐々に増加させる。ここで、本実施形態での純水の最低流量は、例えば、SOFC13の出力が所定値未満となる運転時に供給される純水流量の数%以上約20%以下の範囲で設定される。また、目標純水流量は、燃料極13Aに供給する燃料ガスL2の改質反応を適切に行わせて、炭素析出が起こらないような流量以上に設定され、例えば、S/C(スチームカーボン比)が約3以上5以下の範囲をとるような値に設定される。
In the present embodiment, when a PCS abnormality occurs, it is not necessary to supply pure water in a state where the output of SOFC 13 is equal to or higher than a predetermined value. However, when a PCS abnormality occurs, the output of the SOFC 13 drops rapidly in order to disconnect the SOFC 13 from the power system 135, and the output of a predetermined value (for example, 40% or more and 50% or less of the rated output) has not passed. The load state is reached, and the output of SOFC 13 becomes zero. Therefore, in anticipation of this situation, in the present embodiment, when the occurrence of a PCS abnormality is detected, the supply of pure water is started in advance.
Further, the output control unit 142 supplies the fuel electrode 13A with the minimum flow rate of pure water for stably starting the sudden pure water supply at the start of the pure water supply. Pure water is sprayed from a spray nozzle provided in the fuel gas recirculation line 49, and this spray nozzle is heated to a high temperature by the gas circulating in the fuel gas recirculation line 49. If a considerable amount of pure water is rapidly supplied to such a high-temperature spray nozzle, pressure fluctuations and flow rate fluctuations may occur, and auxiliary equipment such as the spray itself may be damaged. In order to prevent such pressure fluctuations, flow rate fluctuations, and spray damage, the lowest flow rate of pure water is supplied to the spray nozzle at the start of pure water supply, and a predetermined period from the start of pure water supply ( After (for example, several minutes) has passed and the spray nozzle is cooled to some extent, the pure water flow rate is gradually increased to the target pure water flow rate. Here, the minimum flow rate of pure water in the present embodiment is set in the range of several% or more and about 20% or less of the pure water flow rate supplied during operation when the output of SOFC 13 is less than a predetermined value, for example. Further, the target pure water flow rate is set to be equal to or higher than the flow rate at which carbon precipitation does not occur by appropriately performing the reforming reaction of the fuel gas L2 supplied to the fuel electrode 13A. For example, S / C (steam carbon ratio). ) Is set to a value in the range of about 3 or more and 5 or less.

運転モード判定部143は、PCS異常検知部140によって異常が検知された場合に、現在のMGT11の運転モードが、高効率運転モードであるか否かを判定する。ここで、高効率運転モードとは、第1燃料ガス供給ライン27(図1参照)を介して燃焼器22に供給される燃料ガスL1を極力使用せずに、排燃料ガス供給ライン45を通じて供給される排燃料ガスL3を燃料として最大限利用となるよう、燃料ガスL1の流量を予め設定された所定値以下になるように設定して燃費を向上させる運転モードである。 The operation mode determination unit 143 determines whether or not the current operation mode of the MGT 11 is a high-efficiency operation mode when an abnormality is detected by the PCS abnormality detection unit 140. Here, the high-efficiency operation mode means that the fuel gas L1 supplied to the combustor 22 via the first fuel gas supply line 27 (see FIG. 1) is supplied through the exhaust fuel gas supply line 45 without using it as much as possible. This is an operation mode in which the flow rate of the fuel gas L1 is set to be equal to or less than a preset predetermined value so as to maximize the utilization of the exhaust fuel gas L3 as fuel to improve fuel efficiency.

運転モード切替部144は、運転モード判定部143によって現在の運転モードが高効率運転モードであると判定された場合に、高効率運転モードを解除し、高効率運転モードよりも多くの燃料ガスL1を燃焼器22に供給する他の運転モードに切り替える。例えば、運転モード切替部144は、外気温度センサ94によって計測された外気温度及び燃料電池負荷(=0A)に基づいて圧縮機21から供給する空気Aの流量を決定し、MGT11の出力制御を行う運転モードに切り替える。
このように、PCS異常が検知された場合には、燃料ガスL1を抑制して燃費を向上させる高効率運転を解除し、燃焼器22に供給する燃料ガスL1の供給量を増加させる運転モードに切り替えることで、燃焼器22の安定した燃焼を維持することが可能となる。
When the operation mode switching unit 144 determines that the current operation mode is the high-efficiency operation mode, the operation mode switching unit 144 releases the high-efficiency operation mode, and more fuel gas L1 than the high-efficiency operation mode. Is switched to another operation mode for supplying the combustor 22. For example, the operation mode switching unit 144 determines the flow rate of the air A supplied from the compressor 21 based on the outside air temperature and the fuel cell load (= 0A) measured by the outside air temperature sensor 94, and controls the output of the MGT 11. Switch to operation mode.
In this way, when a PCS abnormality is detected, the operation mode is set in which the high-efficiency operation of suppressing the fuel gas L1 to improve fuel efficiency is released and the supply amount of the fuel gas L1 supplied to the combustor 22 is increased. By switching, it becomes possible to maintain stable combustion of the combustor 22.

次に、本実施形態に係る制御装置60によって実行される保護制御の手順について図7を参照して説明する。図7は、本実施形態に係る発電システムの保護制御の手順を示したフローチャートである。
まず、発電システムの運転時(例えば、定格運転、部分負荷運転等)において、PCS異常を検知した場合(ステップSA1において「YES」)、PCS内開閉器125を閉状態から開状態に切り替えることにより、SOFC13を電力系統135から解列する(ステップSA2)。またSOFC13が電力を出力しない無負荷状態とし、これにより、SOFC13の出力はゼロとなる。なお、PCS異常を検知しない場合には(ステップA1で「NO」)、発電システムの運転(例えば、定格運転、部分負荷運転など)を継続する。
Next, the procedure of protection control executed by the control device 60 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 7. FIG. 7 is a flowchart showing a procedure for protection control of the power generation system according to the present embodiment.
First, when a PCS abnormality is detected during operation of the power generation system (for example, rated operation, partial load operation, etc.) (“YES” in step SA1), the switch 125 in the PCS is switched from the closed state to the open state. , SOFC 13 is disconnected from the power system 135 (step SA2). Further, the SOFC 13 is set to a no-load state in which no power is output, so that the output of the SOFC 13 becomes zero. If no PCS abnormality is detected (“NO” in step A1), the operation of the power generation system (for example, rated operation, partial load operation, etc.) is continued.

続いて、発電スタンバイ状態へ移行するために各制御弁等の制御を行う(ステップSA3)。具体的には、制御弁42を閉状態に近づけ微開状態とすることにより、燃料極13Aへの燃料ガスL2の供給量を目標流量まで減少させる。この目標流量は、例えば、定格運転時の流量に対して数%以上10%以下の範囲で設定されている。また、この燃料ガスL2の減少に伴い、空気極13Bに供給される空気A1の流量も減少させる。空気A1の流量は、例えば、制御弁64、66の弁開度制御によって行われる。また、制御弁82を開くことにより、空気A1に燃料ガスL2を添加し、燃料ガスL2が添加された空気A1を空気極13Bに供給することで、触媒燃焼による発熱により発電室温度を所定温度以上に維持する。 Subsequently, each control valve or the like is controlled in order to shift to the power generation standby state (step SA3). Specifically, the amount of fuel gas L2 supplied to the fuel electrode 13A is reduced to the target flow rate by bringing the control valve 42 close to the closed state and making it slightly open. This target flow rate is set in the range of several% or more and 10% or less with respect to the flow rate during rated operation, for example. Further, as the fuel gas L2 decreases, the flow rate of the air A1 supplied to the air electrode 13B also decreases. The flow rate of the air A1 is controlled by, for example, controlling the valve opening degrees of the control valves 64 and 66. Further, by opening the control valve 82, the fuel gas L2 is added to the air A1, and the air A1 to which the fuel gas L2 is added is supplied to the air electrode 13B, so that the power generation room temperature is set to a predetermined temperature by heat generation due to catalytic combustion. Keep above.

続いて、MGT11の現在の運転モードが高効率運転モードであるか否かを判定し(ステップSA4)、高効率運転モードである場合には(ステップSA4において「YES」)、高効率運転モードを解除し、他の運転モード、例えば、SOFC負荷(0A)と外気温度センサ94により取り込んだ外気温度とから、圧縮機21から供給する空気Aの流量を決定し、目標MGT出力を設定する運転モードに切り替える(ステップSA5)。
続いて、純水の供給を開始する(ステップSA6)。具体的には、安定した純水供給のための最低流量にて純水供給を開始し、その後、所定期間後(例えば、3〜4分後)において目標流量まで純水を増加させる。
なお、ステップSA4において、MGT11の現在の運転モードが高効率運転モードでないと判定した場合には(ステップSA4において「NO」)、運転モードの切り替えは行わずに、ステップSA6に移行し、純水の供給を開始する。
Subsequently, it is determined whether or not the current operation mode of the MGT 11 is the high efficiency operation mode (step SA4), and if it is the high efficiency operation mode (“YES” in step SA4), the high efficiency operation mode is set. An operation mode in which the flow rate of the air A supplied from the compressor 21 is determined from another operation mode, for example, the SOFC load (0A) and the outside air temperature taken in by the outside air temperature sensor 94, and the target MGT output is set. Switch to (step SA5).
Subsequently, the supply of pure water is started (step SA6). Specifically, the pure water supply is started at the minimum flow rate for stable pure water supply, and then the pure water is increased to the target flow rate after a predetermined period (for example, after 3 to 4 minutes).
If it is determined in step SA4 that the current operation mode of the MGT 11 is not the high-efficiency operation mode (“NO” in step SA4), the operation mode is not switched and the process proceeds to step SA6 to pure water. Start supplying.

このようにして、各種処理が実行されることにより、PCS異常が検知された場合において、SOFC13については、発電スタンバイ状態が維持され、MGT11については、外気温度とSOFC負荷(=0A)とに基づくMGT11の出力制御が継続して行われる。これにより、SOFC13は発電を再開する場合に短時間で発電を開始できる状態に維持され、また、MGT11の発電機12によって発電された発電電力は電力系統135に供給されてもよい。 By executing various processes in this way, when a PCS abnormality is detected, the power generation standby state is maintained for the SOFC13, and the MGT11 is based on the outside air temperature and the SOFC load (= 0A). The output control of the MGT 11 is continuously performed. As a result, the SOFC 13 is maintained in a state where it can start power generation in a short time when the power generation is restarted, and the generated power generated by the generator 12 of the MGT 11 may be supplied to the power system 135.

そして、上記の状態において、PCS異常が解消されると、制御装置60はSOFC13の発電を開始させる。例えば、制御装置60は、要求負荷に応じた目標出力電流を設定し、この目標出力電流に基づいて各制御系の制御指令を設定する。そして、設定した各種制御指令に基づいて各種制御系を制御する。例えば、各制御系の制御指令としては、燃料極13Aに供給する燃料ガスL2の流量指令、空気極13Bに供給する空気A1の入口空気温度指令、燃料極13Aと空気極13Bとの差圧指令、再循環ブロワ50の回転数指令、燃料極13Aに供給する純水の流量指令、MGT出力指令等が挙げられる。 Then, in the above state, when the PCS abnormality is resolved, the control device 60 starts the power generation of the SOFC 13. For example, the control device 60 sets a target output current according to the required load, and sets a control command for each control system based on the target output current. Then, various control systems are controlled based on the set control commands. For example, the control commands of each control system include a flow command of the fuel gas L2 supplied to the fuel pole 13A, an inlet air temperature command of the air A1 supplied to the air pole 13B, and a differential pressure command between the fuel pole 13A and the air pole 13B. , The rotation speed command of the recirculation blower 50, the flow rate command of pure water supplied to the fuel electrode 13A, the MGT output command, and the like.

このように、目標出力電流に基づいて各種制御系の制御指令が設定され、設定された各種制御指令に各種制御系の出力を一致させる制御(例えば、フィードバック制御やフィードフォワード制御)が行われることにより、各制御系のうち少なくとも二つ以上の制御系の制御量を制御指令に向けてほぼ一斉に変化させて、発電室温度など各制御の対象を短い時間で整定させることが可能となる。この結果、SOFC出力及び発電室温度を目標出力、目標温度に向けて速やかに上昇させることができ、またSOFC13の出力上昇に伴い、MGT出力も増加させることが可能となる。 In this way, control commands of various control systems are set based on the target output current, and control (for example, feedback control or feedforward control) is performed to match the outputs of various control systems with the set control commands. As a result, it is possible to change the control amounts of at least two or more control systems in each control system almost all at once toward the control command, and set the target of each control such as the temperature of the power generation room in a short time. As a result, the SOFC output and the temperature of the power generation chamber can be rapidly increased toward the target output and the target temperature, and the MGT output can be increased as the output of the SOFC 13 increases.

図8は、本実施形態に係る発電システムによる保護制御(以下、単に「保護制御」という。)と、従来の発電システムの緊急停止制御(以下、単に「緊急停止制御」という。)とを実行した場合の各種制御量の時間的推移を比較して示した図である。各種制御量の時間的推移は、本実施形態の保護制御のものを太線で、従来の発電システムの緊急停止制御のものを細線で示している。
図8(a)には、SOFC出力、発電室温度、MGT出力の時間的推移の一例が示されている。また、図8(b)〜(d)には、空気極13Bに供給される空気A1の空気流量、燃料極13Aに供給される燃料ガスL2の燃料流量、及び燃料極13Aに供給される純水流量の時間的推移の一例がそれぞれ示されている。
FIG. 8 shows the execution of protection control by the power generation system according to the present embodiment (hereinafter, simply referred to as “protection control”) and emergency stop control of the conventional power generation system (hereinafter, simply referred to as “emergency stop control”). It is a figure which compared and showed the time transition of various control amounts in the case of. The temporal transition of various control amounts is shown by a thick line for the protection control of the present embodiment and a thin line for the emergency stop control of the conventional power generation system.
FIG. 8A shows an example of the temporal transition of the SOFC output, the power generation room temperature, and the MGT output. 8 (b) to 8 (d) show the air flow rate of the air A1 supplied to the air electrode 13B, the fuel flow rate of the fuel gas L2 supplied to the fuel electrode 13A, and the net supply to the fuel electrode 13A. An example of the temporal transition of the water flow rate is shown.

図8に示すように、SOFC13が定格出力で運転している場合に、時刻t1でPCS異常が検知されると、保護制御及び緊急停止制御ともに、SOFC13が電力系統135と解列し、SOFC13が電力を出力しない無負荷状態とすることにより、SOFC出力はゼロとなる。
PCS異常の発生後、緊急停止制御では、SOFC13及びMGT11の運転を停止させる。これにより、図8(a)に示すようにMGT出力はゼロとなり、また、図8(b)、(c)に示すように、空気流量は所定の流量に向けて短時間で低下し、燃料流量も所定値まで短時間で低下する。
As shown in FIG. 8, when a PCS abnormality is detected at time t1 when the SOFC 13 is operating at the rated output, the SOFC 13 is disconnected from the power system 135 in both protection control and emergency stop control, and the SOFC 13 is operated. The SOFC output becomes zero by setting the no-load state in which no power is output.
After the occurrence of the PCS abnormality, the emergency stop control stops the operation of the SOFC 13 and the MGT 11. As a result, the MGT output becomes zero as shown in FIG. 8 (a), and the air flow rate decreases in a short time toward a predetermined flow rate as shown in FIGS. 8 (b) and 8 (c), and the fuel The flow rate also drops to a predetermined value in a short time.

そして、緊急停止制御では、PCS異常が検知された場合に、SOFC13の運転を停止させて冷却処理へ移行できるように準備するので、図8(a)の時刻t1〜t2に示すように、発電室温度は継続して低下する。そして、時刻t2において、PCS異常が解消すると、緊急停止制御では、発電室温度を発電可能温度まで上昇させるために、空気流量を増加させる(図8(b)参照)。続いて、緊急停止制御では、時刻t3において、空気極13Bに供給する燃料流量を増加させ(図8(c)参照)、触媒燃焼を生じさせて発電室温度を昇温させる(図8(a)参照)。そして、時刻t6において、発電室温度が発電可能温度に到達すると発電を開始させる(図8(a)参照)。これにより、時刻t6以降において、SOFC出力が増加する。更に、緊急停止制御では、時刻t3における空気極13Bへの燃料ガスL2の流量増加開始後において、純水流量を徐々に低下させる(図8(d)参照)。その後、緊急停止制御では、時刻t7において、SOFC出力が燃料の改質の為に純水供給が不要となる所定出力に到達し、続く時刻t8にてSOFC13の出力が定格負荷に到達する。
このように、従来の発電システムでの緊急停止制御では、発電スタンバイ状態を実施しないため、PCS異常が時刻t2の早い段階で解消された場合においても、発電室温度を発電可能温度まで上昇させる温度上昇工程を要するので、PCS異常が解消されてから発電開始までに時間がかかる(例えば、図8の時刻t2〜t6までの時間を要する)。
Then, in the emergency stop control, when a PCS abnormality is detected, the operation of the SOFC 13 is stopped to prepare for the transition to the cooling process. Therefore, as shown in time t1 to t2 of FIG. 8A, power generation is performed. The room temperature continues to drop. Then, when the PCS abnormality is resolved at time t2, the emergency stop control increases the air flow rate in order to raise the temperature of the power generation chamber to the temperature at which power can be generated (see FIG. 8B). Subsequently, in the emergency stop control, at time t3, the flow rate of fuel supplied to the air electrode 13B is increased (see FIG. 8C) to cause catalytic combustion to raise the temperature of the power generation chamber (FIG. 8 (a)). )reference). Then, at time t6, when the temperature of the power generation room reaches the temperature at which power can be generated, power generation is started (see FIG. 8A). As a result, the SOFC output increases after time t6. Further, in the emergency stop control, the pure water flow rate is gradually reduced after the flow rate of the fuel gas L2 to the air electrode 13B starts to increase at time t3 (see FIG. 8D). After that, in the emergency stop control, at time t7, the SOFC output reaches a predetermined output at which pure water supply is not required for fuel reforming, and at the subsequent time t8, the output of SOFC 13 reaches the rated load.
In this way, in the emergency stop control in the conventional power generation system, the power generation standby state is not executed. Therefore, even if the PCS abnormality is resolved at an early stage of time t2, the temperature that raises the power generation room temperature to the power generation possible temperature. Since the ascending step is required, it takes time from the resolution of the PCS abnormality to the start of power generation (for example, it takes time from time t2 to t6 in FIG. 8).

これに対し、本実施形態の保護制御では、時刻t1においてPCS異常が検知されると、SOFC13が発電スタンバイ状態で維持される。すなわち、図8(b)に示すように、空気流量はPCS異常の発生時において一定流量まで短時間に低下するものの、発電室温度を発電可能温度以上に保持するために必要な流量で一定とされ、また、図8(c)に示すように、燃料流量についても燃料電池セルの燃料極13Aの劣化を防止するために、所定流量が維持される。また、改質に必要な純水についても短時間に供給が開始される(図8(d)参照)。また、MGT11の発電運転については、発電出力を低下させた状態で発電が継続される。このとき、高効率運転モードよりも多くの燃料ガスL1を燃焼器22に供給する他の運転モードが採用され、燃焼器22における安定した燃焼が維持される。
続いて、時刻t2において、PCS異常が解消すると、保護制御では、SOFC13の出力増加に合わせて純水流量が徐々に低下する。そして、時刻t4において、SOFC出力が燃料の改質の為に純水供給が不要となる所定出力に到達と純水流量はゼロとされ、続く時刻t5にてSOFC出力が定格出力に到達する。
On the other hand, in the protection control of the present embodiment, when the PCS abnormality is detected at time t1, the SOFC 13 is maintained in the power generation standby state. That is, as shown in FIG. 8B, although the air flow rate drops to a constant flow rate in a short time when a PCS abnormality occurs, the flow rate required to maintain the power generation chamber temperature above the power generation possible temperature is constant. Further, as shown in FIG. 8C, a predetermined flow rate is maintained for the fuel flow rate in order to prevent deterioration of the fuel electrode 13A of the fuel cell. In addition, the pure water required for reforming is also started to be supplied in a short time (see FIG. 8D). Further, regarding the power generation operation of the MGT 11, power generation is continued in a state where the power generation output is reduced. At this time, another operation mode in which more fuel gas L1 is supplied to the combustor 22 than in the high efficiency operation mode is adopted, and stable combustion in the combustor 22 is maintained.
Subsequently, when the PCS abnormality is resolved at time t2, in the protection control, the pure water flow rate gradually decreases as the output of the SOFC 13 increases. Then, at time t4, when the SOFC output reaches a predetermined output at which pure water supply is not required for fuel reforming, the pure water flow rate is set to zero, and at the subsequent time t5, the SOFC output reaches the rated output.

このように、図8(a)の時刻t1〜t2に示すように、保護制御では、発電室温度を発電可能温度以上に維持することが可能となる。この結果、例えば、時刻t2において、PCS異常が解消した場合には、空気流量及び燃料流量を速やかに増加させることにより(図8(b)、(c)参照)、SOFC13の発電を速やかに開始させることが可能となる(図8(a))。このように、保護制御では、従来の緊急停止制御が要していた温度上昇工程を不要とすることができ、短時間に発電を開始させることが可能となる。よって、目標負荷に到達するまでの時間を緊急停止制御に比べて短くすることが可能となる。更に、保護制御によれば、図8(a)の時刻t1〜t2に示すように、PCS異常が検知された場合でも、MGT11の運転を継続して行うので、MGT出力を電力系統135に継続して供給することが可能となる。 As described above, as shown in the times t1 to t2 of FIG. 8A, the protection control makes it possible to maintain the temperature of the power generation room at or higher than the temperature at which power can be generated. As a result, for example, when the PCS abnormality is resolved at time t2, the power generation of the SOFC 13 is promptly started by promptly increasing the air flow rate and the fuel flow rate (see FIGS. 8B and 8C). It is possible to make it (Fig. 8 (a)). As described above, in the protection control, it is possible to eliminate the temperature rise process required in the conventional emergency stop control, and it is possible to start the power generation in a short time. Therefore, it is possible to shorten the time required to reach the target load as compared with the emergency stop control. Further, according to the protection control, as shown at times t1 to t2 in FIG. 8A, even if a PCS abnormality is detected, the operation of the MGT 11 is continued, so that the MGT output is continued to the power system 135. Can be supplied.

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10及びその保護制御方法によれば、PCS異常が検知された場合に、SOFC13を電力系統135から解列するとともに、発電スタンバイ状態に移行させる。発電スタンバイ状態では、空気極13Bに空気A1と燃料ガスL2とを供給することにより触媒燃焼を生じさせ、この熱でSOFC13の発電室温度を発電可能温度以上に保持するとともに、燃料極13Aに燃料ガスL2を供給することにより、燃料極13Aを還元ガス雰囲気に保持し、燃料電池セル105の劣化を防止する。このような発電スタンバイ状態を維持することにより、PCS異常が解消された場合には、発電を短時間に開始させることが可能となる。これにより、緊急停止制御を行っていた従来のシステムに比べて、PCS異常の解消から発電開始までに必要となる時間を短縮することが可能となる。 As described above, according to the power generation system 10 and its protection control method according to the present embodiment, when a PCS abnormality is detected, the SOFC 13 is disconnected from the power system 135 and the power generation standby state is entered. Let me. In the power generation standby state, catalyst combustion is generated by supplying air A1 and fuel gas L2 to the air electrode 13B, and this heat keeps the power generation chamber temperature of SOFC 13 above the power generation possible temperature and fuels the fuel electrode 13A. By supplying the gas L2, the fuel electrode 13A is maintained in a reducing gas atmosphere, and deterioration of the fuel cell 105 is prevented. By maintaining such a power generation standby state, it is possible to start power generation in a short time when the PCS abnormality is resolved. As a result, it is possible to shorten the time required from the elimination of the PCS abnormality to the start of power generation as compared with the conventional system in which the emergency stop control is performed.

更に、本実施形態によれば、PCS異常が検知された場合でもMGT11の運転を維持するので、MGT出力(例えば、数十kW程度)を電力系統135に供給しつづけることが可能となる。また、この場合において、MGT11が高効率運転モードで運転されていた場合には、この高効率運転モードを解除し、より多くの燃料ガスL1が燃焼器22に供給される運転モードに切り替えるので、燃焼器22において安定した燃焼を維持させてMGT11の運転を安定させることが可能となる。 Further, according to the present embodiment, since the operation of the MGT 11 is maintained even when a PCS abnormality is detected, it is possible to continue to supply the MGT output (for example, about several tens of kW) to the power system 135. Further, in this case, when the MGT 11 is operated in the high efficiency operation mode, the high efficiency operation mode is canceled and the operation mode is switched to the operation mode in which more fuel gas L1 is supplied to the combustor 22. It is possible to maintain stable combustion in the combustor 22 and stabilize the operation of the MGT 11.

更に、従来の緊急停止制御では、PCS異常が検知された後において、SOFC13を一旦冷却させるために、窒素を空気極13Bに供給する場合もあったが、本実施形態に係る発電システム10によれば、窒素を用いたSOFC13の冷却を行わず、SOFC13を発電スタンバイ状態で保持する。これにより、窒素を不要にできる。窒素は、都市ガス等と異なり、タンクなどに貯蔵された状態で設置されて使用されるため、タンク交換などの維持作業が必要となる。本実施形態によれば、窒素の消費を抑制することができるので、窒素タンクの交換頻度を下げることができ、タンク交換等に伴う作業を軽減することが可能となる。 Further, in the conventional emergency stop control, nitrogen may be supplied to the air electrode 13B in order to temporarily cool the SOFC 13 after the PCS abnormality is detected. However, according to the power generation system 10 according to the present embodiment. For example, the SOFC 13 is not cooled using nitrogen, and the SOFC 13 is held in the power generation standby state. This makes nitrogen unnecessary. Unlike city gas and the like, nitrogen is installed and used in a state of being stored in a tank or the like, so maintenance work such as tank replacement is required. According to the present embodiment, since the consumption of nitrogen can be suppressed, the frequency of nitrogen tank replacement can be reduced, and the work associated with tank replacement and the like can be reduced.

また、本実施形態によれば、PCS異常が検知された場合に、SOFC13は発電を停止するが、運転を停止しない発電スタンバイ状態とするので、SOFC13のヒートサイクルの回数を減少させることができる。これにより、セルスタックの劣化を抑制することができ、長寿命化を図ることが可能となる。 Further, according to the present embodiment, when a PCS abnormality is detected, the SOFC 13 stops power generation, but the power generation standby state is set so that the operation is not stopped, so that the number of heat cycles of the SOFC 13 can be reduced. As a result, deterioration of the cell stack can be suppressed, and the life of the cell stack can be extended.

10 :発電システム
11 :MGT(マイクロガスタービン)
12 :発電機
13 :SOFC(燃料電池)
13A :燃料極
13B :空気極
60 :制御装置
105 :燃料電池セル
111 :固体電解質
120 :パワーコンディショナ(PCS:電力変換装置)
125 :PCS内開閉器(開閉器)
135 :電力系統
140 :PCS異常検知部(異常検知部)
141 :接続制御部
142 :出力制御部
143 :運転モード判定部
144 :運転モード切替部(運転モード解除部)
215 :発電室
C1 :電力線(第1電力線)
C2 :電力線(第2電力線)
C3 :電力線(第3電力線)
X :連系点
L1 :燃料ガス(第3燃料ガス)
L2 :燃料ガス(第1燃料ガス、第2燃料ガス)
10: Power generation system 11: MGT (micro gas turbine)
12: Generator 13: SOFC (fuel cell)
13A: Fuel pole 13B: Air pole 60: Control device 105: Fuel cell 111: Solid electrolyte 120: Power conditioner (PCS: Power converter)
125: Switch in PCS (switch)
135: Power system 140: PCS abnormality detection unit (abnormality detection unit)
141: Connection control unit 142: Output control unit 143: Operation mode determination unit 144: Operation mode switching unit (operation mode release unit)
215: Power generation room C1: Power line (first power line)
C2: Power line (second power line)
C3: Power line (third power line)
X: Interconnection point L1: Fuel gas (third fuel gas)
L2: Fuel gas (first fuel gas, second fuel gas)

Claims (10)

燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池と、
前記燃料電池からの排燃料および排空気が供給されるマイクロガスタービンと、
前記燃料電池を制御する制御装置と、
前記燃料電池で発電された電力が供給される電力供給先と前記燃料電池の発電出力端との間に配置される電力変換装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池の発電出力端から前記電力供給先側に発生した異常を検知する異常検知部と、
前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記燃料電池の前記発電室を所定の発電可能温度以上に維持する発電スタンバイ状態に移行させる出力制御部と
を備え、
前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記燃料電池が電力を出力しない無負荷状態とするとともに、前記マイクロガスタービンの運転を継続して行う発電システム。
A fuel cell including a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged.
A micro gas turbine to which the exhaust fuel and exhaust air from the fuel cell are supplied, and
A control device that controls the fuel cell and
It is provided with a power conversion device arranged between a power supply destination to which power generated by the fuel cell is supplied and a power generation output end of the fuel cell.
The control device is
An abnormality detection unit that detects an abnormality that has occurred from the power generation output end of the fuel cell to the power supply destination side,
When the abnormality is detected by the abnormality detection unit, the output control unit is provided to shift the power generation chamber of the fuel cell to a power generation standby state for maintaining the temperature above a predetermined power generation possible temperature.
A power generation system in which, when the abnormality is detected by the abnormality detection unit, the fuel cell is put into a no-load state in which no electric power is output, and the micro gas turbine is continuously operated .
燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池と、
前記燃料電池を制御する制御装置と、
前記燃料電池で発電された電力が供給される電力供給先と前記燃料電池の発電出力端との間に配置される電力変換装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池の発電出力端から前記電力供給先側に発生した異常を検知する異常検知部と、
前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記燃料電池の前記発電室を所定の発電可能温度以上に維持する発電スタンバイ状態に移行させる出力制御部と
を備え、
前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記燃料電池が電力を出力しない無負荷状態とし、
前記出力制御部は、前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記燃料極に改質用水を供給する発電システム。
A fuel cell including a power generation chamber in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged.
A control device that controls the fuel cell and
A power conversion device arranged between a power supply destination to which the power generated by the fuel cell is supplied and a power generation output end of the fuel cell.
With
The control device is
An abnormality detection unit that detects an abnormality that has occurred from the power generation output end of the fuel cell to the power supply destination side,
When the abnormality is detected by the abnormality detection unit, the output control unit shifts the power generation chamber of the fuel cell to a power generation standby state for maintaining the temperature above a predetermined power generation possible temperature.
With
When the abnormality is detected by the abnormality detection unit, the fuel cell is set to a no-load state in which no electric power is output.
The output control unit is a power generation system that supplies reforming water to the fuel electrode when the abnormality is detected by the abnormality detection unit.
前記燃料電池の発電出力端と前記電力供給先との間に設けられた開閉器と、
前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記開閉器を開とする接続制御部と
を備える請求項1に記載の発電システム。
A switch provided between the power generation output end of the fuel cell and the power supply destination,
The power generation system according to claim 1, further comprising a connection control unit that opens the switch when the abnormality is detected by the abnormality detection unit.
前記出力制御部は、前記発電スタンバイ状態において、酸化剤ガス及び第1燃料ガスを前記空気極に供給するとともに、第2燃料ガスを前記燃料極に供給する請求項2に記載の発電システム。 The output control unit, in the power generation standby state, supplies the oxidant gas and the first fuel gas to the air electrode, the power generation system according to the second fuel gas to theMotomeko 2 you supplied to the fuel electrode .. 前記燃料電池の発電電力を送電する第1電力線と、
前記マイクロガスタービンの発電電力を送電する第2電力線と、
前記第1電力線と前記第2電力線とが連結する連系点と、
前記連系点と前記電力供給先とを接続する第3電力線と
を備え、
前記開閉器は、前記第1電力線に設けられている請求項3に記載の発電システム。
The first power line that transmits the generated power of the fuel cell and
The second power line that transmits the generated power of the micro gas turbine and
An interconnection point connecting the first power line and the second power line,
A third power line that connects the interconnection point and the power supply destination is provided.
The power generation system according to claim 3 , wherein the switch is provided on the first power line.
前記制御装置は、
前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記マイクロガスタービンの運転モードが、燃焼器への第3燃料ガスの供給量を予め設定された所定値以下に抑制する高効率運転モードであるか否かを判定する運転モード判定部と、
前記運転モード判定部によって前記高効率運転モードであると判定された場合に、前記高効率運転モードを解除し、前記高効率運転モードよりも多くの前記第3燃料ガスを前記燃焼器に供給する他の運転モードに切り替える運転モード切替部と
を具備する請求項1に記載の発電システム。
The control device is
When the abnormality is detected by the abnormality detection unit, the operation mode of the micro gas turbine is a high-efficiency operation mode in which the supply amount of the third fuel gas to the combustor is suppressed to a predetermined value or less set in advance. An operation mode determination unit that determines whether or not there is,
When the operation mode determination unit determines that the high efficiency operation mode is set, the high efficiency operation mode is released and a larger amount of the third fuel gas than the high efficiency operation mode is supplied to the combustor. The power generation system according to claim 1, further comprising an operation mode switching unit for switching to another operation mode.
前記出力制御部は、前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、予め設定された最低流量の前記改質用水を前記燃料極に供給し、前記改質用水の供給開始から予め設定された所定の時間経過後に目標流量まで前記改質用水の供給量を増加させる請求項に記載の発電システム。 When the abnormality is detected by the abnormality detection unit, the output control unit supplies the reforming water having a preset minimum flow rate to the fuel electrode, and is preset from the start of supply of the reforming water. The power generation system according to claim 2 , wherein the supply amount of the reforming water is increased to the target flow rate after a lapse of a predetermined time. 発電室内に、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された燃料電池と、前記燃料電池からの排燃料および排空気が供給されるマイクロガスタービンとを具備する発電システムの保護制御方法であって、
前記燃料電池の発電出力端から電力供給先側に発生した異常を検知する工程と、
前記異常を検知した場合に、前記燃料電池が電力を出力しない無負荷状態とする工程と、
前記異常を検知した場合に、前記燃料電池の前記発電室を所定の発電可能温度以上に維持する発電スタンバイ状態に移行させる工程と
前記異常を検知した場合に、前記マイクロガスタービンの運転を継続して行う工程と
を含む発電システムの保護制御方法。
A fuel cell in which a fuel cell, a solid electrolyte, and a plurality of fuel cell cells including an air electrode are arranged in a power generation chamber, and a micro gas turbine to which exhaust fuel and exhaust air from the fuel cell are supplied are provided. It is a protection control method for the power generation system
The process of detecting an abnormality that has occurred from the power generation output end of the fuel cell to the power supply destination side, and
When the abnormality is detected, the step of setting the fuel cell to a no-load state in which no electric power is output, and
When the abnormality is detected, a step of shifting the power generation chamber of the fuel cell to a power generation standby state for maintaining the temperature above a predetermined power generation possible temperature , and
A protection control method for a power generation system, which includes a step of continuously operating the micro gas turbine when the abnormality is detected, and a method of protecting and controlling the power generation system.
前記異常が解消された場合に、前記燃料電池の発電室を目標温度まで上昇させ、前記燃料電池の出力を目標出力まで増加させる工程を含む請求項8に記載の発電システムの保護制御方法。 The protection control method for a power generation system according to claim 8, further comprising a step of raising the power generation chamber of the fuel cell to a target temperature and increasing the output of the fuel cell to the target output when the abnormality is resolved. 発電室内に、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された燃料電池を具備する発電システムの保護制御方法であって、 It is a protection control method for a power generation system including a fuel cell in which a plurality of fuel cell cells including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are arranged in a power generation chamber.
前記燃料電池の発電出力端から電力供給先側に発生した異常を検知する工程と、 The process of detecting an abnormality that has occurred from the power generation output end of the fuel cell to the power supply destination side, and
前記異常を検知した場合に、前記燃料電池が電力を出力しない無負荷状態とする工程と、 When the abnormality is detected, the step of setting the fuel cell to a no-load state in which no electric power is output, and
前記異常を検知した場合に、前記燃料電池の前記発電室を所定の発電可能温度以上に維持する発電スタンバイ状態に移行させる工程と、 When the abnormality is detected, a step of shifting the power generation chamber of the fuel cell to a power generation standby state for maintaining the temperature above a predetermined power generation possible temperature, and
前記異常を検知した場合に、前記燃料極に改質用水を供給する工程と When the abnormality is detected, the step of supplying reforming water to the fuel electrode
を含む発電システムの保護制御方法。Protective control methods for power generation systems, including.
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