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JP2025110781A - Power Generation Unit - Google Patents

Power Generation Unit

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Publication number
JP2025110781A
JP2025110781A JP2024004820A JP2024004820A JP2025110781A JP 2025110781 A JP2025110781 A JP 2025110781A JP 2024004820 A JP2024004820 A JP 2024004820A JP 2024004820 A JP2024004820 A JP 2024004820A JP 2025110781 A JP2025110781 A JP 2025110781A
Authority
JP
Japan
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power
power generation
gas
generation unit
water
Prior art date
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Pending
Application number
JP2024004820A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
立樹 杉浦
敏文 曽根
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Miura Co Ltd
Original Assignee
Miura Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Miura Co Ltd filed Critical Miura Co Ltd
Priority to JP2024004820A priority Critical patent/JP2025110781A/en
Publication of JP2025110781A publication Critical patent/JP2025110781A/en
Pending legal-status Critical Current

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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

【課題】商用電源系統の停電時に使用する自立コンセントの出力電圧を安定化させることができる発電ユニットを提供する。
【解決手段】発電ユニット100は、商用電源系統500に対して並列状態または解列状態で運転され、発電モジュール20と、パワーコンディショナ16と、コントローラ17と、解列状態時に、発電モジュール20の発電電力の一部を電力使用機器に供給する自立コンセント300と、解列状態時に、発電モジュール20の発電電力の一部を内部で消費する負荷モジュール40,50と、を備える。コントローラ17は、解列状態において自立運転モードで動作中、発電モジュール20の発電電力Qgから、負荷モジュール40,50の作動による第1電力損失Q1を差し引いた自立コンセント300の実効出力電力Qeを電力使用機器の消費電力Qcに追従させるように、負荷モジュール40,50での消費電力を調節する。
【選択図】図2

A power generation unit capable of stabilizing the output voltage of an independent outlet used during a power outage in a commercial power system is provided.
[Solution] The power generating unit (100) is operated in a parallel state or in a disconnected state to a commercial power system (500), and includes a power generating module (20), a power conditioner (16), a controller (17), an independent outlet (300) that supplies a portion of the power generated by the power generating module (20) to an electric power consuming device in the disconnected state, and load modules (40, 50) that internally consume a portion of the power generated by the power generating module (20) in the disconnected state. During operation in an independent operation mode in the disconnected state, the controller (17) adjusts the power consumption of the load modules (40, 50) so that the effective output power (Qe) of the independent outlet (300), calculated by subtracting a first power loss (Q1) due to operation of the load modules (40, 50) from the power generated by the power generating module (20), follows the power consumption (Qc) of the electric power consuming device.
[Selected Figure] Figure 2

Description

本発明は、燃料電池等を用いた発電ユニットに関する。 The present invention relates to a power generation unit using a fuel cell or the like.

需要家が電力事業者から購入している商用電力の一部を自家発電電力に切り替えることで、二酸化炭素の排出量削減につながることが期待される。例えば、石炭やLNGを燃料とする火力発電の一次エネルギー効率は40%程度であるのに対し、メタンを主成分とする都市ガスを燃料改質して発電する固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)の一次エネルギー効率は50%~65%を見込める。そのため、自家発電電力の割合を増やすと、環境負荷の低減に貢献し得る。 Switching some of the commercial electricity consumers currently purchase from power companies to self-generated electricity is expected to lead to a reduction in carbon dioxide emissions. For example, while the primary energy efficiency of thermal power generation using coal or LNG as fuel is around 40%, the primary energy efficiency of solid oxide fuel cells (SOFCs), which generate electricity by reforming city gas, which is primarily composed of methane, is expected to be 50% to 65%. Therefore, increasing the proportion of self-generated electricity can contribute to reducing the environmental impact.

また、自然災害による停電発生時に自立して電力供給を維持するシステムを実現することで、社会生活や経済活動への悪影響を軽減できることが期待される。例えば、固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、都市ガスの供給が遮断されなければ、自立して発電を行い、外部へ電力供給が可能である。地震の場合、規模によってはガスインフラが破損することがあるが、台風の場合、ガスインフラへの影響はほぼないと言えるので、電力供給を継続し得る。 In addition, by realizing a system that can independently maintain power supplies during power outages caused by natural disasters, it is hoped that the negative impact on social life and economic activity can be reduced. For example, solid oxide fuel cells (SOFCs) can independently generate electricity and supply power to the outside world as long as the city gas supply is not cut off. In the case of an earthquake, depending on its scale, gas infrastructure may be damaged, but in the case of a typhoon, there is almost no impact on the gas infrastructure, so power supply can continue.

特許文献1~3には、商用電源系統に対して並列状態で運転され、電力需要設備に電力供給を行う発電ユニット(燃料電池ユニット)が開示されている。発電ユニットの運用時おいては、商用電源系統側に逆潮流させることは認められていない。そのため、特許文献1,2に記載の発電ユニットでは、余剰分の発電電力を電気ヒータ等で消費させるようにしている。 Patent Documents 1 to 3 disclose power generation units (fuel cell units) that operate in parallel with a commercial power system and supply power to power-consuming facilities. When the power generation unit is in operation, reverse power flow to the commercial power system is not permitted. Therefore, the power generation units described in Patent Documents 1 and 2 are designed to consume excess generated power using an electric heater or the like.

また、特許文献3に記載の発電ユニットは、商用電源系統の停電時、逆潮流を回避するために商用電源系統から解列され、自立運転に切り替えられる。発電ユニットが解列されると電力需要設備に電力を供給できないため、電力使用機器を接続可能な自立コンセントに自家発電電力を送り、需要家の電力ニーズに応えるようにしている。 Furthermore, the power generation unit described in Patent Document 3 is disconnected from the commercial power system in the event of a power outage to avoid reverse power flow and switches to stand-alone operation. Since the power generation unit cannot supply power to power-consuming equipment when it is disconnected, it sends self-generated power to stand-alone outlets to which power-using devices can be connected, thereby meeting the power needs of consumers.

特開2010-238496号公報JP 2010-238496 A 特開2013-038052号公報JP 2013-038052 A 特開2015-156769号公報JP 2015-156769 A

一般的な自立コンセントは、数台の電力使用機器を同時に使用できるように、複数のプラグ差し込み口を有しているが、電力使用機器の接続数などによって消費電力は変動する。そのため、発電ユニットの自立運転電力(出力電力)を一定としておき、余剰分の発電電力を電気ヒータ等で消費させるようにしている。 A typical standalone outlet has multiple plug sockets so that several power-using devices can be used simultaneously, but power consumption fluctuates depending on the number of connected power-using devices. For this reason, the standalone operation power (output power) of the power generation unit is kept constant, and excess generated power is consumed by electric heaters, etc.

ところで、電力使用機器の消費電力に対して、電気ヒータ等の消費電力が過大であったり、過少であったりすると、自立コンセント300の出力電圧が不安定となり、需要家の電力ニーズに十分に応えられない可能性がある。 However, if the power consumption of an electric heater or other device is too high or too low compared to the power consumption of the power-using device, the output voltage of the independent outlet 300 may become unstable, and the power needs of the consumer may not be fully met.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、商用電源系統の停電時に使用する自立コンセントの出力電圧を安定化させることができる発電ユニットを提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned problems, and aims to provide a power generation unit that can stabilize the output voltage of an independent outlet used during a power outage in the commercial power system.

本発明に係る発電ユニットは、商用電源系統に対して並列状態または解列状態で運転される発電ユニットであって、補機により作動される発電モジュールと、前記発電モジュールの発電電力を前記商用電源系統の交流電力に相当する出力電力に変換するパワーコンディショナと、前記発電モジュールおよび前記補機を制御するコントローラと、前記解列状態時に、前記発電モジュールの発電電力の一部を電力使用機器に供給する自立コンセントと、前記解列状態時に、前記発電モジュールの発電電力の一部を内部で消費する負荷モジュールと、を備える。前記コントローラおよび前記パワーコンディショナは、前記並列状態において連系運転モードで動作し、前記解列状態において自立運転モードで動作するように構成される。前記コントローラは、前記自立運転モードで動作中、前記発電モジュールの発電電力から、前記負荷モジュールの作動による第1電力損失を差し引いた自立コンセントの実効出力電力を前記電力使用機器の消費電力に追従させるように、前記負荷モジュールでの消費電力を調節する。 The power generation unit of the present invention is a power generation unit that operates in a parallel state or a disconnected state with respect to a commercial power system, and includes a power generation module operated by auxiliary equipment, a power conditioner that converts the power generated by the power generation module into output power equivalent to the AC power of the commercial power system, a controller that controls the power generation module and the auxiliary equipment, an independent outlet that supplies a portion of the power generated by the power generation module to an electric power-using device in the disconnected state, and a load module that internally consumes a portion of the power generated by the power generation module in the disconnected state. The controller and the power conditioner are configured to operate in a grid-connected operation mode in the parallel state and in an independent operation mode in the disconnected state. During operation in the independent operation mode, the controller adjusts the power consumption of the load module so that the effective output power of the independent outlet, calculated by subtracting a first power loss due to operation of the load module from the power generated by the power generation module, tracks the power consumption of the electric power-using device.

本発明によれば、商用電源系統の停電時に使用する自立コンセントの出力電圧を安定化させることができる発電ユニットを提供することができる。 The present invention provides a power generation unit that can stabilize the output voltage of an independent outlet used during a power outage in the commercial power system.

発電ユニットの構成を示す概要図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a power generation unit. パワーコンディショナの構成を示す概要図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a power conditioner. 発電ユニットの外観を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing the appearance of the power generation unit. コンセントユニットの拡大図である。FIG. 発電ユニットの構成を示す概要図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a power generation unit. 熱回収ユニットの構成を示す概要図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a heat recovery unit.

以下、本発明の各実施形態について各図面を参照しながら説明する。 Each embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

〔第1実施形態〕
<発電ユニットの構成概要>
まず、第1実施形態に係る発電ユニットの構成概要について説明する。図1は、第1実施形態に係る発電ユニットの構成を示す概要図である。図1に示すように、発電ユニット100は、燃料電池を用いるモノジェネレーションタイプであり、複数のセルスタック1、改質器2、バーナ3、蒸発器4、空気予熱器5、アノードオフガス冷却器6、アノードオフガス凝縮器7、CO酸化器(一酸化炭素酸化器)8、凝縮水回収タンク9、第1原燃料ブロワ10、第1空気ブロワ11、水ポンプ12、第2原燃料ブロワ13、第2空気ブロワ14、第3空気ブロワ15、パワーコンディショナ16およびユニットコントローラ17を備える。
First Embodiment
<Outline of power generation unit configuration>
First, an outline of the configuration of a power generation unit according to the first embodiment will be described. Fig. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a power generation unit according to the first embodiment. As shown in Fig. 1, the power generation unit 100 is a monogeneration type that uses fuel cells, and includes a plurality of cell stacks 1, a reformer 2, a burner 3, an evaporator 4, an air preheater 5, an anode off-gas cooler 6, an anode off-gas condenser 7, a CO oxidizer (carbon monoxide oxidizer) 8, a condensed water recovery tank 9, a first raw fuel blower 10, a first air blower 11, a water pump 12, a second raw fuel blower 13, a second air blower 14, a third air blower 15, a power conditioner 16, and a unit controller 17.

なお、本実施形態の例では、図1において図示を省略したものを含め、計8個のセルスタック1が備えられている。 In this embodiment, a total of eight cell stacks 1 are provided, including those not shown in Figure 1.

また、発電ユニット100は、原燃料ラインLa、混合ガスラインLb、アノード燃料ラインLc、アノードオフガスラインLd、カソード空気ラインLe、カソードオフガスラインLf、燃焼ガスラインLg、バーナ冷却用空気ラインLh、改質水ラインLi、起動用空気ラインLj、冷却用空気ラインLk、および凝縮水回収ラインLwの各ライン(管路)を備える。 The power generation unit 100 also has the following lines (pipes): a raw fuel line La, a mixed gas line Lb, an anode fuel line Lc, an anode offgas line Ld, a cathode air line Le, a cathode offgas line Lf, a combustion gas line Lg, a burner cooling air line Lh, a reforming water line Li, a startup air line Lj, a cooling air line Lk, and a condensed water recovery line Lw.

アノード燃料ラインLcは、アノード燃料の導入母管となる第1分配マニホールドMaを含み、カソード空気ラインLeは、カソード空気の導入母管となる第2分配マニホールドMbを含む。これらの分配マニホールドMa,Mbは、入口と各セルスタック1に対応した複数の出口とを有しており、入口に流入した流体を各出口それぞれから流出させる。 The anode fuel line Lc includes a first distribution manifold Ma, which serves as the main pipe for the anode fuel inlet, and the cathode air line Le includes a second distribution manifold Mb, which serves as the main pipe for the cathode air inlet. These distribution manifolds Ma and Mb have an inlet and multiple outlets corresponding to each cell stack 1, and allow the fluid that flows into the inlet to flow out from each of the outlets.

アノードオフガスラインLdは、アノードオフガスの導出母管となる第1収集マニホールドMcを含み、カソードオフガスラインLfは、カソードオフガスの導出母管となる第2収集マニホールドMdを含む。これらの収集マニホールドMc,Mdは、各セルスタック1に対応した複数の入口と出口を有しており、各入口それぞれに流入した流体を出口から流出させる。 The anode offgas line Ld includes a first collection manifold Mc, which serves as the outlet pipe for the anode offgas, and the cathode offgas line Lf includes a second collection manifold Md, which serves as the outlet pipe for the cathode offgas. These collection manifolds Mc and Md have multiple inlets and outlets corresponding to each cell stack 1, and allow fluid that flows into each inlet to flow out from the outlet.

燃焼ガスラインLgは、熱放射筒Zaおよび燃焼ガス管Zbを含む。冷却用空気ラインLkは、冷却管Zcおよび収集管Lk1を含む。 The combustion gas line Lg includes a heat radiation tube Za and a combustion gas pipe Zb. The cooling air line Lk includes a cooling pipe Zc and a collection pipe Lk1.

原燃料ラインLaは、燃料取入口E1とバーナ3を接続する管路であり、この管路中には第2原燃料ブロワ13が配置されている。第2原燃料ブロワ13は、燃料取入口E1から取り入れられた原燃料ガス(例えば都市ガス13A等のメタン含有ガス)Gfを昇圧して、原燃料ラインLaの下流側へ送る機器であり、典型的には、発電ユニット100のスタートアップ運転時に駆動される。 The raw fuel line La is a pipe connecting the fuel inlet E1 and the burner 3, and a second raw fuel blower 13 is disposed in this pipe. The second raw fuel blower 13 is a device that pressurizes the raw fuel gas Gf (e.g., methane-containing gas such as city gas 13A) taken in through the fuel inlet E1 and sends it downstream along the raw fuel line La, and is typically driven during start-up operation of the power generation unit 100.

混合ガスラインLbは、燃料取入口E2と改質器2を接続する管路であり、この管路中には上流側から順に、第1原燃料ブロワ10、蒸発器4、および第1ベローズ形伸縮管継手B1が配置されている。第1原燃料ブロワ10は、燃料取入口E2から取り入れられた原燃料ガスGaを昇圧して、混合ガスラインLbの下流側へ送る機器であり、典型的には発電ユニット100の発電運転時に駆動される。 The mixed gas line Lb is a pipe connecting the fuel inlet E2 and the reformer 2, and in this pipe, from upstream to downstream, are arranged the first raw fuel blower 10, the evaporator 4, and the first bellows-type expansion joint B1. The first raw fuel blower 10 is a device that pressurizes the raw fuel gas Ga taken in through the fuel inlet E2 and sends it to the downstream side of the mixed gas line Lb, and is typically driven when the power generation unit 100 is operating to generate electricity.

アノード燃料ラインLcは、改質器2と各セルスタック1のアノードとを接続する管路である。より具体的に説明すると、アノード燃料ラインLcは上流側から順に、改質器2と第1分配マニホールドMaの入口とを接続する管路、第1分配マニホールドMa、および、第1分配マニホールドMaの各出口と各セルスタック1のアノードとを接続する8本の管路(第1分配マニホールドMaの枝管)を有する。 The anode fuel line Lc is a pipe connecting the reformer 2 and the anode of each cell stack 1. More specifically, from the upstream side, the anode fuel line Lc includes a pipe connecting the reformer 2 and the inlet of the first distribution manifold Ma, the first distribution manifold Ma, and eight pipes (branch pipes of the first distribution manifold Ma) connecting each outlet of the first distribution manifold Ma to the anode of each cell stack 1.

アノードオフガスラインLdは、各セルスタック1のアノードとバーナ3とを接続する管路である。より具体的に説明すると、アノードオフガスラインLdは上流側から順に、各セルスタック1のアノードと第1収集マニホールドMcの各入口とを接続する8本の管路(第1収集マニホールドMcの枝管)、第1収集マニホールドMc、および、第1収集マニホールドMcの出口とバーナ3とを接続する管路(以下、「管路Ld1」と称する。)を有する。管路Ld1の途中には、上流側から順に、第2ベローズ形伸縮管継手B2、アノードオフガス冷却器6、アノードオフガス凝縮器7、および気水分離部Saが配置されている。 The anode offgas line Ld is a pipeline connecting the anode of each cell stack 1 to the burner 3. More specifically, the anode offgas line Ld has, from upstream to downstream, eight pipelines (branch pipes of the first collection manifold Mc) connecting the anode of each cell stack 1 to each inlet of the first collection manifold Mc, the first collection manifold Mc, and a pipeline (hereinafter referred to as "pipe line Ld1") connecting the outlet of the first collection manifold Mc to the burner 3. Along the pipeline Ld1, from upstream to downstream, a second bellows-type expansion joint B2, an anode offgas cooler 6, an anode offgas condenser 7, and an air-water separator Sa are arranged.

カソード空気ラインLeは、空気取入口E3と各セルスタック1のカソードとを接続する管路である。より具体的に説明すると、カソード空気ラインLeは上流側から順に、空気取入口E3と第2分配マニホールドMbの入口とを接続する管路(以下、「管路Le1」と称する。)、第2分配マニホールドMb、および、第2分配マニホールドMbの各出口と各セルスタック1のカソードとを接続する8本の管路(第2分配マニホールドMbの枝管)を有する。 The cathode air line Le is a pipe connecting the air intake E3 to the cathode of each cell stack 1. More specifically, from the upstream side, the cathode air line Le includes a pipe (hereinafter referred to as "pipe Le1") connecting the air intake E3 to the inlet of the second distribution manifold Mb, the second distribution manifold Mb, and eight pipes (branch pipes of the second distribution manifold Mb) connecting each outlet of the second distribution manifold Mb to the cathode of each cell stack 1.

管路Le1の途中には、上流側から順に、第1空気ブロワ11、アノードオフガス冷却器6、空気予熱器5、および第3ベローズ形伸縮管継手B3が配置されている。第1空気ブロワ11は、空気取入口E3から取り入れられた空気Aaを昇圧して、カソード空気ラインLeの下流側へ送る機器であり、典型的には発電ユニット100の発電運転時に駆動される。更に管路Le1においては、空気取入口E3とアノードオフガス冷却器6の中間点、および、空気予熱器5と第3ベローズ形伸縮管継手B3の中間点を結ぶように、アノードオフガス冷却器6と空気予熱器5を迂回するバイパス経路Le2が設けられている。 In the middle of the pipeline Le1, arranged in order from upstream to downstream are a first air blower 11, an anode off-gas cooler 6, an air preheater 5, and a third bellows-type expansion joint B3. The first air blower 11 is a device that pressurizes air Aa taken in through the air inlet E3 and sends it to the downstream side of the cathode air line Le, and is typically driven during power generation operation of the power generation unit 100. Furthermore, in the pipeline Le1, a bypass path Le2 is provided that bypasses the anode off-gas cooler 6 and the air preheater 5, connecting the midpoint between the air inlet E3 and the anode off-gas cooler 6 and the midpoint between the air preheater 5 and the third bellows-type expansion joint B3.

カソードオフガスラインLfは、各セルスタック1のカソードとバーナ3とを接続する管路である。より具体的に説明すると、カソードオフガスラインLfは上流側から順に、各セルスタック1のカソードと第2収集マニホールドMdの各入口とを接続する8本の管路(第2収集マニホールドMdの枝管)、第2収集マニホールドMd、および、第2収集マニホールドMdの出口とバーナ3とを接続する管路(以下、「管路Lf1」と称する。)を有する。 The cathode offgas line Lf is a pipe connecting the cathode of each cell stack 1 to the burner 3. More specifically, from the upstream side, the cathode offgas line Lf has eight pipes (branch pipes of the second collection manifold Md) connecting the cathode of each cell stack 1 to each inlet of the second collection manifold Md, the second collection manifold Md, and a pipe (hereinafter referred to as "pipe Lf1") connecting the outlet of the second collection manifold Md to the burner 3.

燃焼ガスラインLgは、バーナ3とガス排出口E6とを接続する管路である。より具体的に説明すると、燃焼ガスラインLgは上流側から順に、熱放射筒Za、熱放射筒Zaと燃焼ガス管Zbとを接続する管路、燃焼ガス管Zb、および、燃焼ガス管Zbとガス排出口E6とを接続する管路(以下、「管路Lg1」と称する。)を有する。管路Lg1の途中には、上流側から順に、第4ベローズ形伸縮管継手B4、空気予熱器5、CO酸化器8、および、蒸発器4が配置されている。 The combustion gas line Lg is a pipe connecting the burner 3 and the gas exhaust port E6. More specifically, the combustion gas line Lg has, from upstream to downstream, a heat radiation tube Za, a pipe connecting the heat radiation tube Za and the combustion gas pipe Zb, the combustion gas pipe Zb, and a pipe connecting the combustion gas pipe Zb and the gas exhaust port E6 (hereinafter referred to as "pipe Lg1"). Along the way in pipe Lg1, from upstream to downstream, a fourth bellows-type expansion joint B4, an air preheater 5, a CO oxidizer 8, and an evaporator 4 are arranged.

バーナ冷却用空気ラインLhは、管路Le1と起動用空気ラインLjとを接続する管路であり、この管路中には不図示の流量調整手段(オリフィス等)が設けられている。より具体的に説明すると、バーナ冷却用空気ラインLhは、第1空気ブロワ11とアノードオフガス冷却器6を接続する管路Le1の中間点で分岐し、第2空気ブロワ14の下流側で起動用空気ラインLjに合流する管路であり、第1空気ブロワ11の駆動時に微小流量の空気Abがバーナ3に向けて流通するように構成されている。 The burner cooling air line Lh is a pipe that connects the pipe Le1 and the startup air line Lj, and is provided with a flow rate adjustment means (such as an orifice) not shown in the figure. More specifically, the burner cooling air line Lh branches off at the midpoint of the pipe Le1 that connects the first air blower 11 and the anode off-gas cooler 6, and merges with the startup air line Lj downstream of the second air blower 14. It is configured so that a small flow rate of air Ab flows toward the burner 3 when the first air blower 11 is operating.

冷却用空気ラインLkは、空気取入口E5と管路Lg1の所定箇所(蒸発器4とガス排出口E6の間の箇所)とを接続する管路であり、この管路中には上流側から順に、第3空気ブロワ15および冷却管Zcが配置されている。第3空気ブロワ15は、空気取入口E5から取り入れられた冷却用空気Adを昇圧して、冷却用空気ラインLkの下流側へ送る機器である。 The cooling air line Lk is a conduit that connects the air intake E5 with a predetermined location on the conduit Lg1 (between the evaporator 4 and the gas outlet E6), and within this conduit, from upstream to downstream, are arranged a third air blower 15 and a cooling pipe Zc. The third air blower 15 is a device that pressurizes the cooling air Ad taken in through the air intake E5 and sends it downstream along the cooling air line Lk.

改質水ラインLiは、凝縮水回収タンク9と蒸発器4とを接続する管路であり、この管路中には水ポンプ12が配置されている。水ポンプ12は、凝縮水回収タンク9に貯留した凝縮水Wbを改質水Waとして改質水ラインLiの下流側へ送る機器である。 The reforming water line Li is a pipe connecting the condensed water recovery tank 9 and the evaporator 4, and a water pump 12 is disposed in this pipe. The water pump 12 is a device that sends the condensed water Wb stored in the condensed water recovery tank 9 to the downstream side of the reforming water line Li as reforming water Wa.

起動用空気ラインLjは、空気取入口E4と管路Lf1とを接続する管路であり、この管路中には第2空気ブロワ14が配置されている。第2空気ブロワ14は、空気取入口E4から取り入れられた空気Acを昇圧して、起動用空気ラインLjの下流側へ送る機器であり、典型的には発電ユニット100のスタートアップ運転時に駆動される。 The startup air line Lj is a pipe connecting the air intake E4 and the pipe Lf1, and a second air blower 14 is disposed in this pipe. The second air blower 14 is a device that pressurizes the air Ac taken in through the air intake E4 and sends it downstream of the startup air line Lj, and is typically driven during start-up operation of the power generation unit 100.

凝縮水回収ラインLwは、管路Ld1の途中に配置された気水分離部Saと凝縮水回収タンク9とを接続する管路である。気水分離部Saは、アノードオフガス凝縮器7で発生した凝縮水WbをアノードオフガスGdから分離する部材であり、凝縮水回収ラインLwには分離された凝縮水Wbが流下する。凝縮水回収ラインLwの先端は、貯留された凝縮水Wbの水温の影響を受けて凝縮量が増減しないように、凝縮水回収タンク9の水相部に没入させることなく気相部に開放される。なお凝縮水回収ラインLwの先端を水相部に没入させないのは、バーナ3に送るアノードオフガスGdの流量を変化させないためである。特に、凝縮水Wbを分離後のアノードオフガスGdをセルスタックの一次側へリサイクルしたり、後段のセルスタックで発電利用したりする場合には、本構成は有効である。気水分離部Saには、例えば直管部を水平方向に配置すると共に分岐管部を下向きに配置したT字管が用いられている。また、鉛直方向に立設した小容量の円筒容器を気水分離部Saに用いることもできる。 The condensed water recovery line Lw is a conduit connecting the water-air separator Sa, located midway along the conduit Ld1, to the condensed water recovery tank 9. The water-air separator Sa separates the condensed water Wb generated in the anode off-gas condenser 7 from the anode off-gas Gd, and the separated condensed water Wb flows down the condensed water recovery line Lw. The end of the condensed water recovery line Lw is open to the gas phase without being immersed in the aqueous phase of the condensed water recovery tank 9, so that the amount of condensation does not increase or decrease due to the temperature of the stored condensed water Wb. The end of the condensed water recovery line Lw is not immersed in the aqueous phase to prevent changes in the flow rate of the anode off-gas Gd sent to the burner 3. This configuration is particularly effective when the anode off-gas Gd after separation of the condensed water Wb is recycled to the primary side of the cell stack or used for power generation in a subsequent cell stack. The water-air separation section Sa may be a T-shaped pipe with a horizontally oriented straight pipe section and a downward-facing branch pipe section. Alternatively, a small-capacity cylindrical container placed vertically may be used as the water-air separation section Sa.

セルスタック1は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)で構成された発電体である。固体酸化物形燃料電池は、発電セルを構成する固体電解質、アノードおよびカソードが全てセラミックスである高温作動型の燃料電池であり、所定個数の発電セルを金属インターコネクタ材(セパレータ材ともいう)を介して集積した発電単位をセルスタックと呼んでいる。セルスタック1の電池出力は、パワーコンディショナ16で調整された後に給電される。 Cell stack 1 is a power generation unit composed of a solid oxide fuel cell (SOFC). Solid oxide fuel cells are high-temperature operating fuel cells in which the solid electrolyte, anode, and cathode that make up the power generation cell are all made of ceramic, and a power generation unit in which a certain number of power generation cells are integrated via metal interconnect material (also known as separator material) is called a cell stack. The battery output of cell stack 1 is adjusted by power conditioner 16 before being supplied.

改質器2は、水蒸気を用いて原燃料ガスGaを改質し、改質ガスGcを生成して後段側へ送出する。改質器2は水蒸気改質用の触媒を有しており、原燃料ガスGaに含まれるメタンと水蒸気を反応させ、一酸化炭素と水素を含む改質ガスGcを生成する。水蒸気改質は吸熱反応であるが、バーナ3からの熱供給により、改質器2は安定的に改質ガスGcを生成することが可能である。 The reformer 2 uses steam to reform the raw fuel gas Ga, generating reformed gas Gc, which is then sent to the downstream side. The reformer 2 contains a catalyst for steam reforming, and reacts methane contained in the raw fuel gas Ga with steam to generate reformed gas Gc, which contains carbon monoxide and hydrogen. Steam reforming is an endothermic reaction, but the heat supplied by the burner 3 allows the reformer 2 to stably generate reformed gas Gc.

バーナ3は、流入する気体を燃焼させて熱を発生させるとともに、燃焼によって生じた燃焼ガスGgを燃焼ガスラインLgへ排出する。蒸発器4は、改質水Waと燃焼ガスGg(熱源流体)を間接熱交換させる機器であり、燃焼ガスGgとの熱交換により、改質水Waを蒸発させると同時に原燃料ガスGaを加熱する役割を果たす。 The burner 3 burns the incoming gas to generate heat and discharges the combustion gas Gg produced by the combustion into the combustion gas line Lg. The evaporator 4 is a device that performs indirect heat exchange between the reforming water Wa and the combustion gas Gg (heat source fluid), and serves to evaporate the reforming water Wa and heat the raw fuel gas Ga through heat exchange with the combustion gas Gg.

空気予熱器5とアノードオフガス冷却器6は、何れも低温流体と高温流体を間接熱交換させる熱交換器である。空気予熱器5は、燃焼ガスGgとの熱交換によりカソード空気ラインLe内の空気Aaを予熱する役割を果たし、アノードオフガス冷却器6は、カソード空気ラインLe内の空気Aaとの熱交換によりアノードオフガスGdを冷却する役割を果たす。 The air preheater 5 and the anode off-gas cooler 6 are both heat exchangers that perform indirect heat exchange between low-temperature fluid and high-temperature fluid. The air preheater 5 serves to preheat the air Aa in the cathode air line Le through heat exchange with the combustion gas Gg, and the anode off-gas cooler 6 serves to cool the anode off-gas Gd through heat exchange with the air Aa in the cathode air line Le.

アノードオフガス凝縮器7は、ファン7aを用いてアノードオフガスGdを冷却して、アノードオフガスGdに含まれる水蒸気を凝縮させる役割を果たす。なお、本実施形態のアノードオフガス凝縮器7は空冷熱交換器としているが、その代わりに水冷熱交換器を採用し、これにより熱回収が行われるコジェネ型の発電ユニットとしてもよい。 The anode off-gas condenser 7 uses a fan 7a to cool the anode off-gas Gd and condense the water vapor contained in the anode off-gas Gd. In this embodiment, the anode off-gas condenser 7 is an air-cooled heat exchanger, but a water-cooled heat exchanger may be used instead, forming a cogeneration-type power generation unit in which heat recovery is performed.

CO酸化器8は、燃焼ガスGgに含まれる有害な一酸化炭素を触媒と接触させ、無害な二酸化炭素に変換する機器である。CO酸化器8は、バーナ3での酸化反応が完全である場合は作動せず、バーナ3での酸化反応が不完全である場合にのみ動作する。 The CO oxidizer 8 is a device that brings harmful carbon monoxide contained in the combustion gas Gg into contact with a catalyst and converts it into harmless carbon dioxide. The CO oxidizer 8 does not operate if the oxidation reaction in the burner 3 is complete, and only operates if the oxidation reaction in the burner 3 is incomplete.

凝縮水回収タンク9は、気水分離部Saから排出される凝縮水Wbを回収し、これを改質水Waとして再利用可能とする役割を果たす。凝縮水回収タンク9には、貯留される改質水Waの水位を所定範囲に調整するため、水位検知器Sbおよび排水弁Scが設けられている。水位検知器Sbで上限水位を検知すると排水弁Scが開放される一方、水位検知器Sbで下限水位を検知すると排水弁Scが閉鎖される。このようにして凝縮水回収タンク9には、所要量の改質水Waが確保されるようになっている。なお改質水Waの排水動作時にアノードオフガスGdが外部に漏洩することを防止するため、排水弁Scによる排水位置は凝縮水回収タンク9の底部付近に設定される。 The condensed water recovery tank 9 recovers the condensed water Wb discharged from the water-air separation section Sa and makes it reusable as reforming water Wa. The condensed water recovery tank 9 is equipped with a water level detector Sb and a drain valve Sc to adjust the level of the stored reforming water Wa within a predetermined range. When the water level detector Sb detects an upper limit water level, the drain valve Sc opens; when the water level detector Sb detects a lower limit water level, the drain valve Sc closes. In this way, the required amount of reforming water Wa is secured in the condensed water recovery tank 9. Note that to prevent anode off-gas Gd from leaking to the outside when the reforming water Wa is drained, the drain position of the drain valve Sc is set near the bottom of the condensed water recovery tank 9.

また、図1に破線枠で示すように、各セルスタック1、改質器2、バーナ3、各マニホールドMa~Md、熱放射筒Za、燃焼ガス管Zb、および冷却管Zcは、第1領域R1に配置されている。第1領域R1は、発電ユニット100の発電運転時に600℃を超える温度に保たれ、吸熱および発熱の熱バランスを自立して維持する。一方、蒸発器4、空気予熱器5、アノードオフガス冷却器6、およびCO酸化器8は、第2領域R2に配置されている。第2領域R2は、発電ユニット100の発電運転時に第1領域R1よりも低い温度であって常温よりも高い温度に保たれる。第1領域R1および第2領域R2は、それぞれ断熱ボックスに囲まれており、2つの断熱ボックスを統合することで発電モジュール20を形成している。アノードオフガス凝縮器7、凝縮器ファン7a、凝縮水回収タンク9、各ブロワ10,11,13,14,15、水ポンプ12、パワーコンディショナ16、ユニットコントローラ17は、発電モジュール20の外部(常温の領域)に配置される。なお、上述した各ベローズ形伸縮管継手B1~B4は、冷態時と運転時の温度変化によって生じる配管の伸縮を吸収するために使用されている。 As shown by the dashed line frame in Figure 1, each cell stack 1, reformer 2, burner 3, each manifold Ma-Md, heat radiation tube Za, combustion gas pipe Zb, and cooling pipe Zc are arranged in the first region R1. The first region R1 is maintained at a temperature exceeding 600°C during power generation operation of the power generation unit 100, and independently maintains the heat balance between heat absorption and heat generation. Meanwhile, the evaporator 4, air preheater 5, anode off-gas cooler 6, and CO oxidizer 8 are arranged in the second region R2. The second region R2 is maintained at a temperature lower than that of the first region R1 but higher than room temperature during power generation operation of the power generation unit 100. The first region R1 and the second region R2 are each surrounded by an insulated box, and the two insulated boxes are integrated to form the power generation module 20. The anode off-gas condenser 7, condenser fan 7a, condensed water recovery tank 9, blowers 10, 11, 13, 14, and 15, water pump 12, power conditioner 16, and unit controller 17 are located outside the power generation module 20 (in the room temperature area). The bellows-type expansion joints B1 to B4 mentioned above are used to absorb the expansion and contraction of the piping caused by temperature changes between cold and operating conditions.

図2は、本実施形態に係るパワーコンディショナ16の構成を示す概要図であり、パワーコンディショナ16の内部構成と周辺機器への接続状態を示している。発電モジュール20は、前述したようにセルスタック1等の要素を含んで構成される。また、発電モジュール20を作動させるための補機30は、原燃料ブロワ10,13、空気ブロワ11,14,15、水ポンプ12、およびアノードオフガス凝縮器7のファン7a等の構成要素を含んで構成される。 Figure 2 is a schematic diagram showing the configuration of the power conditioner 16 according to this embodiment, illustrating the internal configuration of the power conditioner 16 and its connection to peripheral devices. As mentioned above, the power generation module 20 is configured to include elements such as the cell stack 1. In addition, the auxiliary equipment 30 for operating the power generation module 20 is configured to include components such as the raw fuel blowers 10 and 13, air blowers 11, 14 and 15, a water pump 12, and the fan 7a of the anode off-gas condenser 7.

パワーコンディショナ16は、発電モジュール20の発電電力を商用電源系統500の交流電力に相当する出力電力に変換する。パワーコンディショナ16は、DC/DCコンバータ16a,16bと、平滑コンデンサ16cと、系統連系インバータ16dと、スイッチ16e,16fと、制御回路16g,16hとを備える。 The power conditioner 16 converts the power generated by the power generation module 20 into output power equivalent to the AC power of the commercial power system 500. The power conditioner 16 includes DC/DC converters 16a and 16b, a smoothing capacitor 16c, a grid-connected inverter 16d, switches 16e and 16f, and control circuits 16g and 16h.

DC/DCコンバータ16aは、発電モジュール20からの直流電力を昇圧変換する(昇圧回路)。平滑コンデンサ16cは、DC/DCコンバータ16aの出力電力を平滑化する。系統連系インバータ16dは、DC/DCコンバータ16aの出力電力を、商用電源系統相当の交流電力に変換する。 The DC/DC converter 16a converts the DC power from the power generation module 20 into a boost circuit. The smoothing capacitor 16c smoothes the output power of the DC/DC converter 16a. The grid-connected inverter 16d converts the output power of the DC/DC converter 16a into AC power equivalent to that of a commercial power system.

系統連系インバータ16dの出力側は、例えば建築物内に設置された商用電力受電用の配電盤610と電気的に接続される。系統連系インバータ16dと配電盤610とは、スイッチ16eを介して並列状態と解列状態を切換可能である。配電盤610には、商用電源系統500および電力需要設備600が電気的に接続される。電力需要設備600には複数の分電盤が含まれ、各分電盤には、例えば建築物内で使用する照明器具、動力装置、或いはコンセント等の負荷機器が電気的に接続される。 The output side of the grid-connected inverter 16d is electrically connected to a distribution panel 610 for receiving commercial power, installed within a building, for example. The grid-connected inverter 16d and the distribution panel 610 can be switched between a parallel state and a disconnected state via switch 16e. The distribution panel 610 is electrically connected to the commercial power system 500 and power demand equipment 600. The power demand equipment 600 includes multiple distribution panel boards, and each distribution panel is electrically connected to load equipment such as lighting fixtures, power units, or outlets used within the building, for example.

また、系統連系インバータ16dは、自立コンセント300と電気的に接続される。系統連系インバータ16dと自立コンセント300とは、スイッチ16fを介して接続状態と非接続状態とを切り替え可能である。自立コンセント300は、各種の電力使用機器の電源プラグを差し込み可能な複数のコンセントで構成される。 The grid-connected inverter 16d is also electrically connected to the independent outlet 300. The grid-connected inverter 16d and the independent outlet 300 can be switched between a connected state and a disconnected state via switch 16f. The independent outlet 300 is made up of multiple outlets into which the power plugs of various power-using devices can be inserted.

DC/DCコンバータ16bおよび制御回路16gは、補機30に駆動電力を供給する駆動電力供給部として機能する。DC/DCコンバータ16bは、DC/DCコンバータ16aで昇圧された直流電圧を補機30の駆動に適した直流電圧に調節する。制御回路16gは、DC/DCコンバータ16bで調節された直流電圧を補機類30へ供給し、補機30を適切に駆動させる。なお上述の補機30は、発電ユニット100のスタートアップ運転およびシャットダウン運転時は、商用電力を利用して駆動され、発電ユニット100の発電運転中は、発電電力を利用して駆動される。 The DC/DC converter 16b and the control circuit 16g function as a drive power supply unit that supplies drive power to the auxiliary equipment 30. The DC/DC converter 16b adjusts the DC voltage boosted by the DC/DC converter 16a to a DC voltage suitable for driving the auxiliary equipment 30. The control circuit 16g supplies the DC voltage adjusted by the DC/DC converter 16b to the auxiliary equipment 30, thereby driving the auxiliary equipment 30 appropriately. The above-mentioned auxiliary equipment 30 is driven using commercial power during startup and shutdown operations of the power generation unit 100, and is driven using generated power during power generation operation of the power generation unit 100.

DC/DCコンバータ16aおよび制御回路16hは、第1負荷モジュール40および第2負荷モジュール50に作動電力を供給する作動電力供給部として機能する。第1負荷モジュール40は、電気ヒータ41および放熱ファン42を含んで構成される。同様に、第2負荷モジュール50は、電気ヒータ51および放熱ファン52を含んで構成される。各負荷モジュール40,50は、発電ユニット100の自立運転モードにおいて、電気ヒータ41,52が発熱してセルスタック1の余剰分の発電電力を消費させ、放熱ファン42,52が電気ヒータ41,51にそれぞれ空気流を送って放熱を促進させる。 The DC/DC converter 16a and control circuit 16h function as an operating power supply unit that supplies operating power to the first load module 40 and the second load module 50. The first load module 40 is configured to include an electric heater 41 and a heat dissipation fan 42. Similarly, the second load module 50 is configured to include an electric heater 51 and a heat dissipation fan 52. In each load module 40, 50, when the power generation unit 100 is in standalone operation mode, the electric heaters 41, 52 generate heat, consuming excess power generated by the cell stack 1, and the heat dissipation fans 42, 52 send airflow to the electric heaters 41, 51, respectively, to promote heat dissipation.

制御回路16hには、負荷モジュール40,50に加えて、図示しない補助抵抗器が接続されている。この補助抵抗器は、発電ユニット100の自立運転モードにおいて、セルスタック1の余剰分の発電電力を消費させるために装備されており、例えば補機30の作動電力が変動する場合のバッファとして機能する。 In addition to the load modules 40 and 50, an auxiliary resistor (not shown) is connected to the control circuit 16h. This auxiliary resistor is provided to consume excess power generated by the cell stack 1 when the power generation unit 100 is in standalone operation mode, and functions as a buffer when the operating power of the auxiliary equipment 30 fluctuates, for example.

ユニットコントローラ17は、予め作成・記憶された制御プログラムに従って、発電ユニット100の動作を制御する。ユニットコントローラ17は、プログラマブルロジックコントローラ(PLC)により構成されている。PLCは、演算装置、記憶装置、入力装置、出力装置および電源装置を有しており、予め作成・記憶された処理プログラムを用いて所要の演算およびシーケンス制御を実行する。ユニットコントローラ17には、発電ユニット100の外部と通信を行う通信ユニット17aが設けられる。 The unit controller 17 controls the operation of the power generation unit 100 in accordance with a control program that has been created and stored in advance. The unit controller 17 is composed of a programmable logic controller (PLC). The PLC has a calculation unit, a memory device, an input device, an output device, and a power supply unit, and performs the required calculations and sequence control using a processing program that has been created and stored in advance. The unit controller 17 is provided with a communication unit 17a that communicates with the outside of the power generation unit 100.

<発電ユニットの動作概要>
次に、発電ユニット100の動作概要について、図1を参照しながら説明する。燃料取入口E2から混合ガスラインLb内に供給された原燃料ガスGaは、第1原燃料ブロワ10の作用により後段側へ送られる。原燃料ガスGaの供給に並行して、凝縮水回収タンク9から改質水ラインLi内に供給された改質水Waは、水ポンプ12によって水量が調節され、混合ガスラインLbへ流入する。
<Outline of power generation unit operation>
Next, an overview of the operation of the power generation unit 100 will be described with reference to Fig. 1. The raw fuel gas Ga supplied from the fuel inlet E2 into the mixed gas line Lb is sent to the downstream side by the action of the first raw fuel blower 10. In parallel with the supply of the raw fuel gas Ga, the reforming water Wa supplied from the condensed water recovery tank 9 into the reforming water line Li has its amount adjusted by the water pump 12 and flows into the mixed gas line Lb.

改質水Waは、混合ガスラインLb内の原燃料ガスGaとともに蒸発器4に流入し、蒸発器4において熱交換により加熱されて水蒸気(過熱蒸気)となる。当該水蒸気は加熱された原燃料ガスGaと混合し、混合ガスGbとして改質器2へ流入する。 The reforming water Wa flows into the evaporator 4 together with the raw fuel gas Ga in the mixed gas line Lb, where it is heated by heat exchange to become water vapor (superheated steam). This water vapor mixes with the heated raw fuel gas Ga and flows into the reformer 2 as mixed gas Gb.

改質器2は、混合ガスGb中の水蒸気を用いて原燃料ガスGaを改質し、改質ガスGcを生成して後段側へ送出する。改質器2から送出された改質ガスGcは、アノード燃料ラインLcを通って各セルスタック1のアノードへ分配される。 The reformer 2 uses the water vapor in the mixed gas Gb to reform the raw fuel gas Ga, generating reformed gas Gc, which is then sent to the downstream side. The reformed gas Gc sent from the reformer 2 passes through the anode fuel line Lc and is distributed to the anodes of each cell stack 1.

一方、上述した原燃料ガスGaの供給に並行して、空気取入口E3からカソード空気ラインLe内に空気Aaが供給される。カソード空気ラインLe内の空気Aaは、第1空気ブロワ11の作用により後段側へ送られる。この空気Aaは、アノードオフガス冷却器6での熱交換によって加熱され、更に空気予熱器5での熱交換によって加熱された後、各セルスタック1のカソードへ分配される。なお、空気Aaの温度調節等のため、空気Aaの一部である空気Aa1を、バイパス経路Le2を介して各セルスタック1のカソードへ流入させることも可能である。 Meanwhile, in parallel with the supply of the raw fuel gas Ga described above, air Aa is supplied from the air intake E3 into the cathode air line Le. The air Aa in the cathode air line Le is sent to the downstream side by the action of the first air blower 11. This air Aa is heated by heat exchange in the anode off-gas cooler 6, and then further heated by heat exchange in the air preheater 5 before being distributed to the cathodes of each cell stack 1. Note that, in order to adjust the temperature of the air Aa, it is also possible to flow a portion of the air Aa, air Aa1, into the cathodes of each cell stack 1 via bypass path Le2.

更には、カソードへの空気Aaの供給に同期して、バーナ冷却用空気ラインLh内に空気Abが供給される。バーナ冷却用空気ラインLh内の空気Abは、第1空気ブロワ11の作用によりバーナ3へ送られる。この空気Abは、バーナ3の燃焼温度を低下させる冷却剤として作用する。 Furthermore, air Ab is supplied into the burner cooling air line Lh in synchronization with the supply of air Aa to the cathode. The air Ab in the burner cooling air line Lh is sent to the burner 3 by the action of the first air blower 11. This air Ab acts as a coolant to lower the combustion temperature of the burner 3.

各セルスタック1は、アノードに流入した改質ガスGcとカソードに流入した空気Aaを用いて発電する。セルスタック1に改質ガスGcおよび空気Aaが供給された状態で、パワーコンディショナ16による電流掃引が実行されるとセルスタック1の発電(改質ガスと酸素の電気化学反応)が開始される。セルスタック1の発電動作中、アノードからアノードオフガスラインLdへアノードオフガスGdが排出され、カソードからカソードオフガスラインLfへカソードオフガスGeが排出される。アノードオフガスGdには、アノードにおいて未反応であった改質ガスが含まれており、カソードオフガスGeには、カソードにおいて未反応であった酸素が含まれている。 Each cell stack 1 generates electricity using reformed gas Gc that flows into the anode and air Aa that flows into the cathode. When reformed gas Gc and air Aa are supplied to the cell stack 1 and a current sweep is performed by the power conditioner 16, electricity generation in the cell stack 1 (electrochemical reaction between the reformed gas and oxygen) begins. During power generation operation in the cell stack 1, anode offgas Gd is discharged from the anode to the anode offgas line Ld, and cathode offgas Ge is discharged from the cathode to the cathode offgas line Lf. The anode offgas Gd contains reformed gas that did not react at the anode, and the cathode offgas Ge contains oxygen that did not react at the cathode.

各セルスタック1からアノードオフガスラインLdへ排出されたアノードオフガスGdは、第1収集マニホールドMcに収集された後、アノードオフガス冷却器6での熱交換によって冷却され、アノードオフガス凝縮器7へ流入する。アノードオフガス凝縮器7では、アノードオフガスGdは露点温度以下まで冷却され、アノードオフガスGdに含まれる水蒸気が凝縮する。 The anode off-gas Gd discharged from each cell stack 1 to the anode off-gas line Ld is collected in the first collection manifold Mc, cooled by heat exchange in the anode off-gas cooler 6, and flows into the anode off-gas condenser 7. In the anode off-gas condenser 7, the anode off-gas Gd is cooled to below the dew point temperature, and the water vapor contained in the anode off-gas Gd condenses.

アノードオフガス凝縮器7を通過したアノードオフガスGdは、気水分離部Saに送られて気水分離され、凝縮水Wbが凝縮水回収タンク9に回収される。凝縮水回収タンク9に回収された凝縮水Wbは、先述のとおり改質水Waとして再利用される。改質ガスGcと酸素の電気化学反応により生成した水を回収し、水蒸気改質反応に繰り返し利用することを水自立という。なお、アノードオフガスGdにおける凝縮しなかった部分(気水分離後のアノードオフガスGd)は、バーナ3へ送られる。 The anode off-gas Gd that passes through the anode off-gas condenser 7 is sent to the steam-water separation section Sa where it is separated into steam and water, and the condensed water Wb is collected in the condensed water recovery tank 9. As mentioned above, the condensed water Wb collected in the condensed water recovery tank 9 is reused as reforming water Wa. The process of collecting water produced by the electrochemical reaction between the reformed gas Gc and oxygen and repeatedly using it in the steam reforming reaction is called water self-sustaining. The uncondensed portion of the anode off-gas Gd (anode off-gas Gd after steam-water separation) is sent to the burner 3.

各セルスタック1からカソードオフガスラインLfへ排出されたカソードオフガスGeは、第2収集マニホールドMdに収集された後、管路Lf1でバーナ冷却用空気ラインLhを介して流入した空気Abと混合し、バーナ3へ送られる。またバーナ3には、発電ユニット100の運転状態に応じて、燃料取入口E1から供給された原燃料ガスGfが、原燃料ラインLaを介して送られると共に、空気取入口E4から供給された空気Acが、起動用空気ラインLjを介して送られる。 The cathode offgas Ge discharged from each cell stack 1 to the cathode offgas line Lf is collected in the second collection manifold Md, then mixed in pipe Lf1 with air Ab flowing in via the burner cooling air line Lh, and sent to the burner 3. Depending on the operating state of the power generation unit 100, raw fuel gas Gf supplied from the fuel inlet E1 is sent to the burner 3 via the raw fuel line La, and air Ac supplied from the air inlet E4 is sent to the burner 3 via the startup air line Lj.

バーナ3は、原燃料ガスGfおよび/またはアノードオフガスGdである第1バーナ用ガスGxと、空気Acおよび/またはカソードオフガスGeである第2バーナ用ガスGyが流入し、これらを燃焼させて熱を発生させる。すなわち第1バーナ用ガスGxは、原燃料ガスGfとアノードオフガスGdの混合気体、或いは、原燃料ガスGfとアノードオフガスGdの何れか一方の状態であり、どの状態となるかは発電ユニット100の動作状態等によって変化し得る。また、第2バーナ用ガスGyは、空気AcとカソードオフガスGeの混合気体、或いは、空気AcとカソードオフガスGeの何れか一方の状態であり、どの状態となるかは発電ユニットの動作状態等によって変化し得る。すなわち、発電ユニット100のスタートアップ運転、発電運転(全負荷運転または部分負荷運転)、シャットダウン運転等に応じて、バーナ3への供給ガスは適宜状態変化する。 The burner 3 receives the first burner gas Gx, which is raw fuel gas Gf and/or anode offgas Gd, and the second burner gas Gy, which is air Ac and/or cathode offgas Ge, and combusts them to generate heat. Specifically, the first burner gas Gx is either a mixture of raw fuel gas Gf and anode offgas Gd, or either raw fuel gas Gf or anode offgas Gd, and the state of the first burner gas Gx can vary depending on the operating state of the power generation unit 100, among other factors. The second burner gas Gy is either a mixture of air Ac and cathode offgas Ge, or either air Ac or cathode offgas Ge, and the state of the second burner gas Gy can vary depending on the operating state of the power generation unit, among other factors. In other words, the state of the gas supplied to the burner 3 changes appropriately depending on the power generation unit 100's startup operation, power generation operation (full load operation or partial load operation), shutdown operation, etc.

なお、原燃料ガスGfは炭化水素含有ガスの一種である。一方、空気Acは酸化剤含有ガスの一種である。バーナ3の燃焼動作中、バーナ冷却用空気ラインLhからは空気Abが連続的に供給され、燃焼温度の調整が行われる。 The raw fuel gas Gf is a type of hydrocarbon-containing gas. On the other hand, air Ac is a type of oxidant-containing gas. During combustion operation of the burner 3, air Ab is continuously supplied from the burner cooling air line Lh to adjust the combustion temperature.

バーナ3での燃焼により生じる燃焼ガスGgは、燃焼ガスラインLgへ送られ、熱放射筒Za、燃焼ガス管Zb、空気予熱器5、CO酸化器8、および蒸発器4を順に通過して、ガス排出口E6から発電モジュール20の外部へ排出される。熱放射筒Zaおよび燃焼ガス管Zbは、燃焼ガスGgを用いて改質器2を効果的に加熱できるよう配置されている。また、燃焼ガスラインLg内の燃焼ガスGgは、空気予熱器5および蒸発器4を通る際に熱交換に利用され、一酸化炭素が含まれる場合には、CO酸化器8を通る際に当該一酸化炭素が二酸化炭素に変換される。 The combustion gas Gg generated by combustion in the burner 3 is sent to the combustion gas line Lg, passes through the heat radiation tube Za, combustion gas pipe Zb, air preheater 5, CO oxidizer 8, and evaporator 4 in that order, and is discharged to the outside of the power generation module 20 through the gas outlet E6. The heat radiation tube Za and combustion gas pipe Zb are positioned so that the combustion gas Gg can be used to effectively heat the reformer 2. Furthermore, the combustion gas Gg in the combustion gas line Lg is used for heat exchange as it passes through the air preheater 5 and evaporator 4, and if it contains carbon monoxide, the carbon monoxide is converted to carbon dioxide as it passes through the CO oxidizer 8.

また、空気取入口E5から冷却用空気ラインLkに供給された冷却用空気Adは、冷却管Zcを通過する際に発電モジュール20の内部を冷却する役割を果たす。後述するように、冷却管Zcはセルスタック1の近傍に設置されており、冷却用空気Adによって、セルスタック1を効果的に冷却することが可能である。そして冷却用空気Adは、最終的には収集管Lk1を通って、燃焼ガスGgとともにガス排出口E6から発電モジュール20の外部へ排出される。 In addition, the cooling air Ad supplied from the air intake E5 to the cooling air line Lk serves to cool the inside of the power generation module 20 as it passes through the cooling pipe Zc. As described below, the cooling pipe Zc is installed near the cell stack 1, allowing the cooling air Ad to effectively cool the cell stack 1. The cooling air Ad then passes through the collection pipe Lk1 and is ultimately discharged to the outside of the power generation module 20 from the gas outlet E6 together with the combustion gas Gg.

また、発電ユニット100では、冷却管Zcに導入する冷却用空気Adの流量を調整することにより、発電モジュール20の内部の熱量(温度)を制御するようになっている。一例としてユニットコントローラ17は、セルスタック1から流出するカソードオフガスGeの排出温度が上限温度を超えると第3空気ブロワ15を駆動し、カソードオフガスGeの排出温度が目標温度(当該上限温度よりも所定温度だけ低い温度)となるように第3空気ブロワ15の回転数を制御する。第3空気ブロワ15の回転数が増大するほど、冷却管Zcに導入される冷却用空気Adの流量が増大される。また、ユニットコントローラ17は、下限値未満の回転数が所定時間継続すると、第3空気ブロワ15を停止させる。 In addition, the power generation unit 100 controls the heat quantity (temperature) inside the power generation module 20 by adjusting the flow rate of cooling air Ad introduced into the cooling pipe Zc. As an example, when the discharge temperature of the cathode off-gas Ge flowing out from the cell stack 1 exceeds an upper limit temperature, the unit controller 17 drives the third air blower 15 and controls the rotation speed of the third air blower 15 so that the discharge temperature of the cathode off-gas Ge becomes a target temperature (a temperature that is a predetermined temperature lower than the upper limit temperature). As the rotation speed of the third air blower 15 increases, the flow rate of the cooling air Ad introduced into the cooling pipe Zc increases. Furthermore, the unit controller 17 stops the third air blower 15 when the rotation speed remains below the lower limit for a predetermined period of time.

なお、セルスタック1の近傍に設置されている冷却管Zcは、発電ユニット100のスタートアップ運転時に、セルスタック1の昇温に利用することもできる。具体的には、発電ユニット100のスタートアップ運転では、まず、第2原燃料ブロワ13および第2空気ブロワ14を駆動してバーナ3を燃焼させる。この燃焼により生じた燃焼ガスGgは、熱放射筒Zaおよび燃焼ガス管Zbを流通しつつ、冷態の改質器2を放射伝熱により外側から加熱して昇温する。さらに燃焼ガスGgは、蒸発器4の熱源となり、改質水Waから水蒸気を発生させる。この水蒸気は、冷態の改質器2およびセルスタック1を順に流れて、これらの機器を熱伝導により内部から加熱して昇温する。蒸発器4から排出される燃焼ガスGgに余熱がある場合、管路Lg1から収集管Lk1に燃焼ガスGgを流入させる。これにより、冷却管Zcに燃焼ガスGgが流通するので、冷態のセルスタック1を外側からも放射伝熱により加熱して昇温することができる。 The cooling pipe Zc installed near the cell stack 1 can also be used to heat the cell stack 1 during startup operation of the power generation unit 100. Specifically, during startup operation of the power generation unit 100, the second raw fuel blower 13 and the second air blower 14 are first driven to combust the burner 3. The combustion gas Gg generated by this combustion flows through the heat radiation tube Za and the combustion gas pipe Zb, heating the cold reformer 2 from the outside by radiant heat transfer and raising its temperature. Furthermore, the combustion gas Gg serves as a heat source for the evaporator 4, generating steam from the reforming water Wa. This steam flows sequentially through the cold reformer 2 and the cell stack 1, heating these devices from the inside by thermal conduction and raising their temperatures. If there is residual heat in the combustion gas Gg discharged from the evaporator 4, the combustion gas Gg is allowed to flow from the pipe Lg1 into the collection pipe Lk1. This allows combustion gas Gg to flow through the cooling pipe Zc, allowing the cold cell stack 1 to be heated from the outside by radiant heat transfer and increase in temperature.

発電ユニット100の発電運転において、セルスタック1における改質ガスGcと酸素の電気化学反応による発熱と、バーナ3におけるアノードオフガスGdとカソードオフガスGeの燃焼反応による発熱と、改質器2おける原燃料ガスGaと水蒸気(改質水Wa)の水蒸気改質反応による吸熱との熱収支をバランスさせることを「熱自立」という。また、改質ガスGcと酸素の電気化学反応により生成した水(改質水Wa)を回収し、水蒸気改質反応に繰り返し利用することを「水自立」という。 During the power generation operation of the power generation unit 100, balancing the heat balance between the heat generated by the electrochemical reaction between reformed gas Gc and oxygen in the cell stack 1, the heat generated by the combustion reaction between anode off-gas Gd and cathode off-gas Ge in the burner 3, and the heat absorbed by the steam reforming reaction between raw fuel gas Ga and steam (reforming water Wa) in the reformer 2 is called "thermal self-sustaining." Furthermore, recovering the water (reforming water Wa) produced by the electrochemical reaction between reformed gas Gc and oxygen and repeatedly using it for the steam reforming reaction is called "water self-sustaining."

発電ユニット100の発電運転において、系統連系インバータ16dの出力電力は、補機30の作動による電力損失、パワーコンディショナ16の作動による電力損失、および負荷モジュール40の作動による電力損失の合計を差し引いた値に等しい。負荷モジュール40は、後述する自立運電モードで作動される。 When the power generating unit 100 is operating in power generation mode, the output power of the grid-connected inverter 16d is equal to the value obtained by subtracting the sum of the power loss due to operation of the auxiliary equipment 30, the power loss due to operation of the power conditioner 16, and the power loss due to operation of the load module 40. The load module 40 is operated in the stand-alone power operation mode described below.

発電ユニット100を定格出力電力で全負荷運転させる場合、ユニットコントローラ17は、セルスタック1に対する掃引電流値を定格電流値とし、これに見合う量の原燃料ガスGaを供給する。発電ユニット100を定格出力電力未満かつ最小出力電力以上で部分負荷運転させる場合、ユニットコントローラ17は、セルスタック1に対する掃引電流値を定格電流値未満かつ下限電流値以上の範囲とし、これに見合う量の原燃料ガスGaを供給する。発電ユニット100を出力電力ゼロで待機させる場合、ユニットコントローラ17は、セルスタック1に対する掃引電流値を補機30の作動電力相当とし、最小量の原燃料ガスGaを供給しつつ発電モジュール20を保温する。なお、発電ユニット100を出力電力ゼロで待機させる状態を「ホットスタンバイ」と称する。 When the power generation unit 100 is operated at full load with rated output power, the unit controller 17 sets the sweep current value for the cell stack 1 to the rated current value and supplies an amount of raw fuel gas Ga corresponding to this. When the power generation unit 100 is operated at partial load with less than the rated output power but equal to or greater than the minimum output power, the unit controller 17 sets the sweep current value for the cell stack 1 to a range less than the rated current value but equal to or greater than the lower limit current value and supplies an amount of raw fuel gas Ga corresponding to this. When the power generation unit 100 is put into standby with zero output power, the unit controller 17 sets the sweep current value for the cell stack 1 to be equivalent to the operating power of the auxiliary equipment 30 and supplies a minimum amount of raw fuel gas Ga while keeping the power generation module 20 warm. The state in which the power generation unit 100 is put into standby with zero output power is referred to as "hot standby."

発電ユニット100の発電運転は、連系運転モードと自立運転モードを含む。連系運転モードでは、図2に示すように、スイッチ16eがオン状態に制御され、スイッチ16fがオフ状態に制御される。これにより、発電ユニット100は、商用電源系統500に対して並列状態で運転される。自立運転モードでは、図2とは逆に、スイッチ16eがオフ状態に制御され、スイッチ16fがオン状態に制御される。これにより、発電ユニット100は、商用電源系統500に対して解列状態で運転される。 The power generation operation of the power generation unit 100 includes a grid-connected operation mode and an independent operation mode. In the grid-connected operation mode, as shown in Figure 2, switch 16e is controlled to the on state and switch 16f is controlled to the off state. This causes the power generation unit 100 to operate in parallel with the commercial power system 500. In the independent operation mode, in contrast to Figure 2, switch 16e is controlled to the off state and switch 16f is controlled to the on state. This causes the power generation unit 100 to operate in a state of disconnection from the commercial power system 500.

ユニットコントローラ17は、商用電源系統500の停電の有無を常時監視しており、停電を検知したときには、発電ユニット100を連系運転モードから自立運転モードに移行させる。自立運転モードでは、自立コンセント300に電力使用機器を接続した場合に、系統連系インバータ16dの出力電力を自立運転電力として電力使用機器へ供給することが可能となる。つまり、解列状態時には、発電モジュール20の発電電力の一部が自立コンセント300を介して電力使用機器に供給される。ユニットコントローラ17は商用電源系統500が停電から復帰すると、発電ユニット100を自立運転モードから連系運転モードに移行させる。 The unit controller 17 constantly monitors the commercial power system 500 for power outages, and when a power outage is detected, it transitions the power generation unit 100 from grid-connected operation mode to independent operation mode. In independent operation mode, when a power-using device is connected to the independent outlet 300, the output power of the grid-connected inverter 16d can be supplied to the power-using device as independent operation power. In other words, when in a disconnected state, a portion of the power generated by the power generation module 20 is supplied to the power-using device via the independent outlet 300. When the commercial power system 500 recovers from a power outage, the unit controller 17 transitions the power generation unit 100 from independent operation mode to grid-connected operation mode.

自立運転モードにおいて自立運転電力の供給量が消費量を上回っている場合、発電ユニット100は、自立運転電力の余剰分(すなわち、発電モジュール20の発電電力の一部)を第1負荷モジュール40や第2負荷モジュール50を使って消費させる。負荷モジュール40の電力消費量の調節は、電気ヒータ41の発熱量の調節(例えば、通電する電気ヒータの本数、或いは、通電のオン/オフのデューティー比の調節)により実現可能であり、第2負荷モジュール50についても同様である。 When the supply of independent operation power exceeds the consumption in independent operation mode, the power generation unit 100 consumes the surplus independent operation power (i.e., a portion of the power generated by the power generation module 20) using the first load module 40 and the second load module 50. The power consumption of the load module 40 can be adjusted by adjusting the heat output of the electric heater 41 (for example, by adjusting the number of electric heaters that are energized or the on/off duty ratio of the power), and the same applies to the second load module 50.

<出力調整機としての動作>
前述したように、発電ユニット100は、定格出力電力で全負荷運転させたり、定格出力電力未満かつ最小出力電力以上で部分負荷運転させたり、出力電力ゼロでホットスタンバイさせたりすることが可能である。すなわち、発電ユニット100は、定格出力電力以下かつ最小出力電力以上の範囲で動作する出力調整機として運用可能である。なお、本実施形態における発電モジュール20は、SOFCセルスタックを含むので、部分負荷運転における最小出力電力は、発電モジュール20の熱自立が維持できる最小燃料供給量、および発電モジュール20の水自立が維持できる最小燃料利用率に基づいて設定される。
<Operation as an output regulator>
As described above, the power generating unit 100 can be operated at full load at the rated output power, at partial load below the rated output power but above the minimum output power, or in hot standby mode with zero output power. That is, the power generating unit 100 can be operated as an output regulator that operates in a range below the rated output power but above the minimum output power. Note that, since the power generating module 20 in this embodiment includes an SOFC cell stack, the minimum output power during partial load operation is set based on the minimum fuel supply amount that allows the power generating module 20 to maintain thermal independence and the minimum fuel utilization rate that allows the power generating module 20 to maintain water independence.

連系運転モードにおける発電ユニット100の最大出力電力は、定格出力電力(6kW)相当である。また、連系運転モードにおける発電ユニット100最小出力電力は、熱自立と水自立の両立に加えて、全負荷運転時の発電効率に対して部分負荷運転時の発電効率の低下が生じない下限値とされる。この場合の最小出力電力は、例えば定格出力電力(6kW)の50%(3kW)相当である。なお、最小出力電力を下回る出力調整が必要な場合には、ホットスタンバイに移行させることになる。 The maximum output power of the power generation unit 100 in grid-connected operation mode is equivalent to the rated output power (6 kW). Furthermore, the minimum output power of the power generation unit 100 in grid-connected operation mode is set to the lower limit at which, in addition to achieving both thermal and water independence, power generation efficiency during partial load operation does not decrease compared to power generation efficiency during full load operation. In this case, the minimum output power is, for example, equivalent to 50% (3 kW) of the rated output power (6 kW). Furthermore, if output adjustment below the minimum output power is required, the unit will transition to hot standby.

自立運転モードにおける発電ユニット100の最大出力電力は、セルスタック1の経年劣化を考慮して決定される。この場合の最大出力電力は、例えば定格出力電力(6kW)の83%(5kW)相当である。また、自立運転モードにおける発電ユニット100の最小出力電力は、熱自立と水自立の両立に加えて、全負荷運転時の発電効率に対して部分負荷運転時の発電効率の低下を許容した下限値とされる。この場合の最小出力電力は、例えば定格出力電力(6kW)の25%(1.5kW)相当である。なお、経年劣化によりセルスタック1の発電能力が低下した場合、連系運転モードで定格出力電力が確保できない状況になるが、購買電力を増やすことによって出力電力の下降分を補えるのでシステム運用上の支障は生じない。 The maximum output power of the power generating unit 100 in the isolated operation mode is determined taking into account the deterioration of the cell stack 1 over time. In this case, the maximum output power is, for example, equivalent to 83% (5 kW) of the rated output power (6 kW). The minimum output power of the power generating unit 100 in the isolated operation mode is set to a lower limit that allows for both thermal and water independence, as well as a decrease in power generation efficiency during partial load operation compared to full load operation. In this case, the minimum output power is, for example, equivalent to 25% (1.5 kW) of the rated output power (6 kW). If the power generation capacity of the cell stack 1 decreases due to deterioration over time, the rated output power cannot be secured in the grid-connected operation mode. However, this does not interfere with system operation because the decrease in output power can be compensated for by increasing purchased power.

出力調整機は、系統連系インバータ16dからの出力電流を上げ下げする操作を実行することにより、パワーコンディショナ16からの出力電力の調整を行う。ユニットコントローラ17は、出力電流の上昇に並行してセルスタック1に対する掃引電流値を増加させると共に、原燃料ガスGaの供給量を増やすようにする。また、ユニットトローラ17は、出力電流の下降に並行してセルスタック1に対する掃引電流値を減少させると共に、原燃料ガスGaの供給量を減らすようにする。これにより、出力電流の上昇または下降に伴って、発電モジュール20の発電電力が増減される。 The output adjuster adjusts the output power from the power conditioner 16 by increasing or decreasing the output current from the grid-connected inverter 16d. The unit controller 17 increases the sweep current value for the cell stack 1 in parallel with an increase in the output current, and increases the supply amount of raw fuel gas Ga. Furthermore, the unit controller 17 decreases the sweep current value for the cell stack 1 in parallel with a decrease in the output current, and decreases the supply amount of raw fuel gas Ga. This increases or decreases the power generated by the power generation module 20 in accordance with an increase or decrease in the output current.

<負荷モジュールの構成>
図3は、発電ユニット100の外観を示す斜視図である。図3に示すように、発電ユニット100は、製品上の構成として、上述した発電モジュール20および補機30が載置されるユニットベース60と、これらの発電モジュール20および補機30を囲うようにユニットベース60上に設置された箱型の筐体62とを備える。
<Load module configuration>
Fig. 3 is a perspective view showing the appearance of the power generation unit 100. As shown in Fig. 3, the power generation unit 100 includes, as a product configuration, a unit base 60 on which the above-described power generation modules 20 and auxiliary machinery 30 are placed, and a box-shaped housing 62 installed on the unit base 60 so as to enclose the power generation modules 20 and auxiliary machinery 30.

筐体62の前方側内部には、下段にパワーコンディショナ16が配置され、上段にユニットコントローラ17が配置されている。筐体62の後方側内部には、第1負荷モジュール40が配置され、筐体62の上面パネル(天板)上には、第2負荷モジュール50が載置されている。また、筐体62の前面パネルには、後述する複数個の自立コンセント300を備えるコンセントユニット400が設けられている。 Inside the front side of the housing 62, a power conditioner 16 is arranged on the lower level, and a unit controller 17 is arranged on the upper level. Inside the rear side of the housing 62, a first load module 40 is arranged, and a second load module 50 is placed on the top panel (top plate) of the housing 62. In addition, a socket unit 400 equipped with a plurality of free-standing sockets 300 (described below) is provided on the front panel of the housing 62.

自立運転モードに移行後において、発電ユニット100は、最小出力電力(25%出力)~最大出力電力(83%出力)の範囲で出力調整が可能であり、コンセントユニット400からは、この範囲のうちから選んだ自立発電電力を最大値として取り出すことが可能である。 After switching to standalone operation mode, the power generation unit 100 can adjust its output within a range from minimum output power (25% output) to maximum output power (83% output), and the outlet unit 400 can extract the maximum value of standalone generated power selected from this range.

第1負荷モジュール40は、発電ユニット100に標準装備される。第1負荷モジュール40は、自立運転モードにおける発電ユニット100の最小出力電力(25%出力)に相当する消費電力を少なくとも有する電気ヒータ41を備えている。 The first load module 40 is standard equipment on the power generation unit 100. The first load module 40 is equipped with an electric heater 41 that consumes at least the amount of power equivalent to the minimum output power (25% output) of the power generation unit 100 in standalone operation mode.

第2負荷モジュール50は、需要家の電力ニーズに応じて追加装備するか否かを選択可能となっている。第2負荷モジュール50は、自立運転モードにおける発電ユニット100の最大出力電力から最小出力電力を差し引いた値(58%出力)に相当する消費電力を少なくとも有する電気ヒータ51を備えている。 The second load module 50 can be optionally installed depending on the customer's power needs. The second load module 50 is equipped with an electric heater 51 that consumes at least the amount of power equivalent to the maximum output power minus the minimum output power of the power generation unit 100 in standalone operation mode (58% output).

具体的な設計例では、発電ユニット100の定格出力電力を6kWとすると、第1負荷モジュール40の電気ヒータ41は、最大消費電力が1.5kW以上になるようにヒータ本数等が設計され、0~1.5kWの範囲で消費電力が調節可能とされる。第2負荷モジュール50の電気ヒータ51は、最大消費電力が3.5kW以上になるようにヒータ本数等が設計され、0~3.5kWの範囲で消費電力が調節可能とされる。つまり、2つの負荷モジュール40,50を使用する場合は、0~5kWの範囲で消費電力を調節する設計が可能である。 In a specific design example, if the rated output power of the power generation unit 100 is 6 kW, the number of heaters and other factors of the electric heaters 41 in the first load module 40 are designed so that the maximum power consumption is 1.5 kW or more, and the power consumption is adjustable in the range of 0 to 1.5 kW. The number of heaters and other factors of the electric heaters 51 in the second load module 50 are designed so that the maximum power consumption is 3.5 kW or more, and the power consumption is adjustable in the range of 0 to 3.5 kW. In other words, when two load modules 40, 50 are used, the design allows the power consumption to be adjusted in the range of 0 to 5 kW.

<自立コンセントの構成>
図4は、コンセントユニット400の拡大図である。図4に示すようにコンセントユニット400は、パネル401、電源ランプ402、情報表示部403、および3個の自立コンセント300a~300cを備える。パネル401は、前方へ露出する表面が平面状に形成されており、この表面が筐体62の前面パネルの外面と平行になるように設けられている。パネル401の表面においては、右側寄りに3個の自立コンセント300が配置されており、その左側近傍には、電源ランプ402および情報表示部403が配置されている。
<Configuration of independent outlet>
Figure 4 is an enlarged view of outlet unit 400. As shown in Figure 4, outlet unit 400 includes a panel 401, a power lamp 402, an information display unit 403, and three self-contained outlets 300a to 300c. The surface of panel 401 exposed to the front is formed flat, and this surface is arranged parallel to the outer surface of the front panel of housing 62. On the surface of panel 401, the three self-contained outlets 300 are arranged near the right side, and the power lamp 402 and information display unit 403 are arranged near the left side thereof.

自立コンセント300は、差込口が前方へ露出しており、各種の電力使用機器の電源プラグを前方から差し込み可能となっている。この差込口へ電源プラグが差し込まれることにより、電力使用機器が自立コンセント300へ接続されることになる。図4に示す例では3個の自立コンセント300a,300b,300cが設けられているが、自立コンセント300の個数はこれに限られるものではない。 The self-contained outlet 300 has a socket exposed at the front, allowing power plugs for various types of power-using devices to be inserted from the front. By inserting a power plug into this socket, the power-using device is connected to the self-contained outlet 300. In the example shown in Figure 4, three self-contained outlets 300a, 300b, and 300c are provided, but the number of self-contained outlets 300 is not limited to this.

電源ランプ402は、自立コンセント300へ電力使用機器を接続させた場合に自立運転電力の供給が可能であるとき(スイッチ16fがオン状態であるとき)に点灯し、点灯状態と消灯状態の何れであるかが前方から視認可能となっている。これにより需要家は、現時点で自立コンセント300が利用可能であるか否かを瞬時に判別することが可能である。 The power lamp 402 lights up when a power-using device is connected to the standalone outlet 300 and standalone power can be supplied (when switch 16f is on), and it is visible from the front whether the lamp is on or off. This allows the consumer to instantly determine whether the standalone outlet 300 is currently available for use.

情報表示部403は、自立コンセント300へ接続させた電力使用機器における自立運転電力の消費電力に応じた情報を表示する。図5に示す例の情報表示部403は、複数桁の数字の表示を可能とした7セグメント型のディスプレイとして構成されており、表示された数字が前方から視認可能である。情報表示部403のディスプレイは、自立コンセント300の差込口と近接配置されているため、差込口の前にいる需要家(特に、自立コンセント300を利用しようとする需要家)は、ディスプレイの表示を容易に視認することが可能である。 The information display unit 403 displays information corresponding to the power consumption of the standalone operation power of the power-using equipment connected to the standalone outlet 300. The information display unit 403 in the example shown in Figure 5 is configured as a 7-segment display capable of displaying multi-digit numbers, and the displayed numbers are visible from the front. Because the display of the information display unit 403 is positioned close to the outlet of the standalone outlet 300, consumers in front of the outlet (especially consumers who intend to use the standalone outlet 300) can easily see the display.

自立コンセント300の供給可能電力は、第1負荷モジュール40および第2負荷モジュール50の装備情報に基づき、自立運転モードにおける最小出力電力以上かつ最大出力電力以下の範囲で設定可能である。 The power that can be supplied by the independent outlet 300 can be set within a range greater than or equal to the minimum output power and less than or equal to the maximum output power in independent operation mode, based on the equipment information of the first load module 40 and the second load module 50.

上述したように、第1負荷モジュール40は、自立運転モードにおける最小出力電力(25%出力)に相当する消費電力(1.5kW)の電気ヒータ41を備えている。第2負荷モジュール50の装備を選択しないケースでは、自立コンセント300に電力使用機器が未接続の状態において、最小出力電力の全てを第1負荷モジュール40で消費させることができる。すなわち、第1負荷モジュール40を作動させない状態では、最小出力電力(1.5kW)の全てを自立コンセント300から取り出せることになる。つまり、第1負荷モジュール40のみが標準装備されている場合には、自立コンセント300の供給可能電力は、最小出力電力(1.5kW)相当に設定可能である。 As described above, the first load module 40 is equipped with an electric heater 41 with a power consumption (1.5 kW) equivalent to the minimum output power (25% output) in standalone operation mode. If the second load module 50 is not installed, the first load module 40 can consume all of the minimum output power when no power-using equipment is connected to the standalone outlet 300. In other words, when the first load module 40 is not operating, all of the minimum output power (1.5 kW) can be extracted from the standalone outlet 300. In other words, when only the first load module 40 is installed as standard, the power that can be supplied by the standalone outlet 300 can be set to the minimum output power (1.5 kW).

また、第2負荷モジュール50は、自立運転モードにおける最大出力電力の58%出力に相当する消費電力(3.5kW)の電気ヒータ51を備えている。第2負荷モジュール50の装備を選択するケースでは、自立コンセント300に電力使用機器が未接続の状態において、最大出力電力の全てを第1負荷モジュール40および第2負荷モジュール50で消費させることができる。すなわち、2つの負荷モジュール40,50を作動させない状態では、最大出力電力(5kW)の全てを自立コンセント300から取り出せることになる。つまり、第2負荷モジュール50が追加装備されている場合には、自立コンセント300の供給可能電力は、最大出力電力(5kW)相当に設定可能である。 The second load module 50 is also equipped with an electric heater 51 with a power consumption (3.5 kW) equivalent to 58% of the maximum output power in standalone operation mode. When the second load module 50 is installed, the first load module 40 and the second load module 50 can consume all of the maximum output power when no power-using equipment is connected to the standalone outlet 300. In other words, when the two load modules 40, 50 are not operating, all of the maximum output power (5 kW) can be extracted from the standalone outlet 300. In other words, when the second load module 50 is additionally installed, the power that can be supplied by the standalone outlet 300 can be set to the maximum output power (5 kW).

<自立コンセントの出力調整>
ユニットコントローラ17は、発電ユニット100が自立運転モードで動作中、発電モジュール20の発電電力Qgから、負荷モジュール40,50の作動による第1電力損失Q1を差し引いた自立コンセント300の実効出力電力Qeを電力使用機器の消費電力Qcに追従させるように、負荷モジュール40,50での消費電力を調節する。この関係は、数式(1)で表される。この関係式は、電力使用機器の消費電力Qcは変動値であるので、発電モジュール20の発電電力Qgが一定値であれば、負荷モジュール40,50の第1電力損失Q1、すなわち電気ヒータ41,51の消費電力を増減させることを意味している。
Qc=Qe=Qg-Q1 …(1)
<Output adjustment of independent outlet>
While the power generating unit 100 is operating in the independent operation mode, the unit controller 17 adjusts the power consumption of the load modules 40, 50 so that the effective output power Qe of the independent outlet 300, calculated by subtracting the first power loss Q1 due to the operation of the load modules 40, 50 from the generated power Qg of the power generating module 20, follows the power consumption Qc of the power consuming equipment. This relationship is expressed by Equation (1). Since the power consumption Qc of the power consuming equipment is a variable value, this relationship means that if the generated power Qg of the power generating module 20 is a constant value, the first power loss Q1 of the load modules 40, 50, i.e., the power consumption of the electric heaters 41, 51, is increased or decreased.
Qc=Qe=Qg-Q1...(1)

上述したように、負荷モジュール40,50の消費電力の調節は、通電する電気ヒータ41,51の本数を増減したり、電気ヒータ41,51の通電オン/オフのデューティー比を調節したりすることで実行される。 As described above, the power consumption of the load modules 40, 50 is adjusted by increasing or decreasing the number of electric heaters 41, 51 that are energized, or by adjusting the on/off duty ratio of the electric heaters 41, 51.

また、ユニットコントローラ17は、発電ユニット100が自立運転モードで動作中、自立コンセント300の供給可能電力の設定値Qsに、補機30の作動による第2電力損失Q2およびパワーコンディショナ16の作動による第3電力損失Q3を加算した発電電力Qgが得られるように発電モジュール40を作動させる。この関係は、数式(2)で表される。この関係式は、第2電力損失Q2および第3電力損失Q3が概ね一定値であるとすると、供給可能電力の設定値Qsを与えれば発電モジュール20の発電電力Qgが一定値として決まるということを意味している。
Qg=Qs+Q2+Q3 …(2)
Furthermore, while the power generating unit 100 is operating in the isolated operation mode, the unit controller 17 operates the power generating module 40 so as to obtain the generated power Qg, which is the sum of the set value Qs of the available power supply from the isolated outlet 300, the second power loss Q2 due to operation of the auxiliary device 30, and the third power loss Q3 due to operation of the power conditioner 16. This relationship is expressed by equation (2). This relationship means that, assuming that the second power loss Q2 and the third power loss Q3 are approximately constant values, the generated power Qg of the power generating module 20 will be determined as a constant value when the set value Qs of the available power supply is given.
Qg=Qs+Q2+Q3...(2)

第2電力損失Q2には、原燃料ブロワ10,13、空気ブロワ11,14,15、水ポンプ12および凝縮器ファン7aの消費電力のほか、放熱ファン42,52および補助抵抗器の消費電力が含まれる。つまり、第1電力損失Q1は、電気ヒータ41,51の消費電力のみを含む。なお、自立運転モードにおいては、補助抵抗器の作動によって第2電力損失Q2が概ね一定値に保たれる。 The second power loss Q2 includes the power consumption of the raw fuel blowers 10, 13, air blowers 11, 14, 15, water pump 12, and condenser fan 7a, as well as the power consumption of the heat dissipation fans 42, 52 and auxiliary resistor. In other words, the first power loss Q1 includes only the power consumption of the electric heaters 41, 51. In addition, in the standalone operation mode, the second power loss Q2 is maintained at a roughly constant value by the operation of the auxiliary resistor.

供給可能電力Qsは、負荷モジュール40,50の最大消費電力(第1電力損失Q1の最大値)に等しいので、数式(1),(2)から数式(3)が得られる。つまり、発電電力Qg、第2電力損失Q2および第3電力損失Q3が概ね一定値であるとすると、電気ヒータ41,51の作動による第1電力損失Q1を増減させることで、自立コンセント300の実効出力電力Qeを電力使用機器の消費電力Qcに一致させることができることを示している。
Qc=Qe=Qg-Q1-Q2-Q3 …(3)
Since the available power supply Qs is equal to the maximum power consumption of the load modules 40 and 50 (the maximum value of the first power loss Q1), the following formula (3) can be obtained from formulas (1) and (2). In other words, if the generated power Qg, the second power loss Q2, and the third power loss Q3 are assumed to be approximately constant, the effective output power Qe of the autonomous outlet 300 can be made to match the power consumption Qc of the power-using device by increasing or decreasing the first power loss Q1 due to the operation of the electric heaters 41 and 51.
Qc=Qe=Qg-Q1-Q2-Q3...(3)

〔第2実施形態〕
図6は、第2実施形態に係る発電ユニットの構成を示す概要図である。図5に示すように、発電ユニット100は、燃料電池を用いるコジェネレーションタイプとなっており、後述する熱回収ユニット200が併設されている。
Second Embodiment
Fig. 6 is a schematic diagram showing the configuration of a power generation unit according to the second embodiment. As shown in Fig. 5, the power generation unit 100 is a cogeneration type that uses a fuel cell, and is provided with a heat recovery unit 200, which will be described later.

本実施形態では、発電モジュール20を作動させるための補機30は、原燃料ブロワ10,13、空気ブロワ11,14,15、水ポンプ12に加え、後述する放熱器63のファン63aおよび循環ポンプ64が含まれる。アノードオフガス凝縮器7は、水冷式に変更されているので、前述のファン7aは含まれない。 In this embodiment, the auxiliary equipment 30 for operating the power generation module 20 includes the raw fuel blowers 10, 13, air blowers 11, 14, 15, and water pump 12, as well as the fan 63a of the radiator 63 and the circulation pump 64, which will be described later. The anode off-gas condenser 7 has been changed to a water-cooled type, so the fan 7a mentioned above is not included.

<熱回収ユニットの構成>
図6は、本実施形態に係る熱回収ユニットの構成を示す概要図である。図6に示すように、発電ユニット100の一部の機器は、貯湯タンク65とともに熱回収ユニット200を形成している。熱回収ユニット200は、アノードオフガスGdと燃焼ガスGgの少なくとも一方から熱を回収し、この回収された熱を貯湯タンク65に貯留する湯水の加熱に利用可能とするユニットである。
<Configuration of heat recovery unit>
Fig. 6 is a schematic diagram showing the configuration of the heat recovery unit according to this embodiment. As shown in Fig. 6, some of the devices in the power generation unit 100, together with the hot water storage tank 65, form a heat recovery unit 200. The heat recovery unit 200 recovers heat from at least one of the anode off-gas Gd and the combustion gas Gg, and makes the recovered heat available for heating the hot water stored in the hot water storage tank 65.

熱回収ユニット200は主に、アノードオフガス凝縮器7、熱回収器61、加熱器62、放熱器63、循環ポンプ64、貯湯タンク65、および冷却水ラインLmにより構成されている。冷却水ラインLmは、熱回収器61、アノードオフガス凝縮器7、加熱器62、循環ポンプ64、放熱器63を順に通って熱回収器61に戻るように、冷却水Wcを循環させる経路である。本実施形態の貯湯タンク65は、ヒートポンプ式給湯器等で使用されている密閉式の貯湯タンクである The heat recovery unit 200 is primarily composed of an anode off-gas condenser 7, a heat recovery unit 61, a heater 62, a radiator 63, a circulation pump 64, a hot water storage tank 65, and a cooling water line Lm. The cooling water line Lm circulates the cooling water Wc so that it passes through the heat recovery unit 61, the anode off-gas condenser 7, the heater 62, the circulation pump 64, and the radiator 63 in that order before returning to the heat recovery unit 61. The hot water storage tank 65 in this embodiment is a sealed hot water storage tank, such as those used in heat pump water heaters.

加熱器62は貯湯タンク65に配置された熱交換コイルであり、冷却水Wcの温熱により貯湯タンク65内の湯水を加熱する。循環ポンプ64は、冷却水ラインLmにおいて冷却水Wcを循環させる機器であり、回転数が可変となっている。循環ポンプ64の回転数を変えることにより、冷却水Wcの循環流量の調節が可能である。放熱器63は、ファン63aを用いて冷却水Wcの温熱を効率良く放熱できるように構成されている。 The heater 62 is a heat exchange coil placed in the hot water storage tank 65, and heats the hot water in the hot water storage tank 65 using the heat of the cooling water Wc. The circulation pump 64 is a device that circulates the cooling water Wc in the cooling water line Lm, and has an adjustable rotation speed. By changing the rotation speed of the circulation pump 64, it is possible to adjust the circulating flow rate of the cooling water Wc. The radiator 63 is configured to efficiently radiate the heat of the cooling water Wc using a fan 63a.

熱回収ユニット200の動作は、ユニットコントローラ17によって制御される。具体的には、冷却水Wcの戻り温度(アノードオフガス凝縮器7の出口付近の温度)が所定の目標温度Tsとなるように、循環ポンプ64の回転数が制御される。なお、循環ポンプ64の回転数を上限に調整しても戻り温度が目標温度Tsを超える場合には、アノードオフガス凝縮器7でのアノードオフガスGdの冷却量を確保するため、放熱器63のファン63aが駆動され、冷却水Wcからの放熱が促進される。放熱器63のファン63aが駆動されるのは、需要先で湯水の消費がなく、貯湯タンク65の蓄熱量(熱回収量)が最大となった場合である。 The operation of the heat recovery unit 200 is controlled by the unit controller 17. Specifically, the rotation speed of the circulation pump 64 is controlled so that the return temperature of the cooling water We (the temperature near the outlet of the anode off-gas condenser 7) becomes a predetermined target temperature Ts. Note that if the return temperature exceeds the target temperature Ts even when the rotation speed of the circulation pump 64 is adjusted to its upper limit, the fan 63a of the radiator 63 is driven to promote heat dissipation from the cooling water We in order to ensure the cooling amount of the anode off-gas Gd in the anode off-gas condenser 7. The fan 63a of the radiator 63 is driven when there is no hot water consumption at the demand destination and the heat storage amount (heat recovery amount) of the hot water storage tank 65 is at its maximum.

本実施形態では一例として、貯湯タンク65内の湯水が概ね75℃となるように目標温度Tsが設定される。但し、貯湯タンク65内の湯水の実際の温度は、そのときの湯水の需要量等によって変動することがある。例えば、湯切れした貯湯タンク65に給水Wdが供給された直後は、貯湯タンク65内の湯水の温度は75℃を大幅に下回る場合がある。また、循環ポンプ64の回転数が上限未満の状態において凝縮水回収タンク9の凝縮水Wbが下限水位以下になった場合にも、貯水量を回復させるために放熱器63のファン63aが駆動される。 In this embodiment, as an example, the target temperature Ts is set so that the hot water in the hot water storage tank 65 is approximately 75°C. However, the actual temperature of the hot water in the hot water storage tank 65 may fluctuate depending on factors such as the demand for hot water at that time. For example, immediately after water supply Wd is supplied to a hot water storage tank 65 that has run out of hot water, the temperature of the hot water in the hot water storage tank 65 may fall significantly below 75°C. Also, if the condensed water Wb in the condensed water recovery tank 9 falls below the lower limit level when the rotation speed of the circulation pump 64 is below its upper limit, the fan 63a of the radiator 63 is driven to restore the stored water volume.

熱回収ユニット200の具体的構成は図6に示すものに限られず、種々の事情に応じて変更可能である。例えば、図6の例では熱回収器61の下流側にアノードオフガス凝縮器7を配置しているが、アノードオフガス凝縮器7の下流側に熱回収器61を配置してもよい。また、蒸発器4等で熱利用された後の燃焼ガスGgの温度が低い場合には、熱回収器61の設置を省略してもよい。また加熱器62の設置を省略し、冷却水ラインLmの代わりに、貯湯タンク65内の湯水を循環させる経路(貯湯タンク65、循環ポンプ64、放熱器63、熱回収器61、アノードオフガス凝縮器7を順に通って貯湯タンク65に戻るように、湯水を循環させる経路)を設けるようにしてもよい。この場合、貯湯タンク65に戻る湯水は、貯湯タンク65の頭頂部に戻るようにすることが好ましい。 The specific configuration of the heat recovery unit 200 is not limited to that shown in FIG. 6 and can be modified according to various circumstances. For example, in the example of FIG. 6, the anode off-gas condenser 7 is located downstream of the heat recovery device 61, but the heat recovery device 61 may also be located downstream of the anode off-gas condenser 7. Furthermore, if the temperature of the combustion gas Gg after thermal utilization in the evaporator 4 or the like is low, the heat recovery device 61 may be omitted. Furthermore, the heater 62 may be omitted, and instead of the cooling water line Lm, a path for circulating hot water in the hot water storage tank 65 (a path for circulating hot water that passes through the hot water storage tank 65, circulation pump 64, radiator 63, heat recovery device 61, and anode off-gas condenser 7 in this order and returns to the hot water storage tank 65) may be provided. In this case, it is preferable that the hot water returning to the hot water storage tank 65 be returned to the top of the hot water storage tank 65.

熱回収ユニット200は、貯湯タンク65に加えて、給湯器66、温度調節弁67、および給水ラインLnを備え、需要先へ要求温度(需要先が要求する湯水の温度または当該温度の範囲)の湯水を供給する役割を果たす。本実施形態では一例として、この要求温度は50~60℃の範囲とする。 In addition to the hot water storage tank 65, the heat recovery unit 200 is equipped with a water heater 66, a temperature control valve 67, and a water supply line Ln, and serves to supply hot water to the demand destination at the required temperature (the hot water temperature or temperature range required by the demand destination). In this embodiment, as an example, this required temperature is in the range of 50 to 60°C.

給湯器66は、貯湯タンク65の後段側に配置されており、貯湯タンク55から供給された湯水を需要先に向けて送出するものであって、湯水を加熱する加熱動作が可能である。本実施形態では給湯器66として、都市ガスやプロパンガス等を燃焼させて加熱動作を行うガス給湯器が採用されている。 The water heater 66 is located downstream of the hot water storage tank 65 and sends hot water supplied from the hot water storage tank 55 to the consumer, and is capable of heating the water. In this embodiment, a gas water heater that heats the water by burning city gas, propane gas, or the like is used as the water heater 66.

温度調節弁67は、給湯器66の後段側に配置されており、給湯器66から送出された湯水に給水Wdを混合させて温度を下げる混合動作が可能である。給水ラインLnは、貯湯タンク65および温度調節弁67に給水Wdを供給するラインである。貯湯タンク65には、需要先で消費される湯水に応じた量の給水Wdが供給され、温度調節弁67には、混合動作で用いる分の給水Wdが供給される。給水Wdとしては、水道水、井戸水、または軟水装置で処理された軟水等が用いられる。 The temperature control valve 67 is located downstream of the water heater 66 and is capable of mixing water supply Wd with the hot water delivered from the water heater 66 to lower the temperature. The water supply line Ln is a line that supplies water supply Wd to the hot water storage tank 65 and the temperature control valve 67. The hot water storage tank 65 is supplied with water supply Wd in an amount corresponding to the hot water consumed at the demand destination, and the temperature control valve 67 is supplied with water supply Wd in an amount used in the mixing operation. The water supply Wd can be tap water, well water, or softened water treated with a water softener.

<自立コンセントの出力調整>
上記の数式(1)~(3)において、補助抵抗器の作動によって第2電力損失Q2を概ね一定値と見做せるとして説明した。しかしながら、補助抵抗器を備えていない場合には、放熱器ファン63aの回転数や循環ポンプ64の回転数の状況によって第2電力損失Q2が大きく変動し得る。その場合には、第2電力損失Q2の実際の数値を考慮して発電モジュール20の発電電力Qgを調整するのが望ましい。第2電力損失Q2に応じた発電電力Qgの調整により、消費電力Qcに対して実効出力電力Qeを確実に一致させることができるので、自立コンセント300の出力電圧が安定する。
<Output adjustment of independent outlet>
In the above equations (1) to (3), the second power loss Q2 is assumed to be a generally constant value due to the operation of the auxiliary resistor. However, without the auxiliary resistor, the second power loss Q2 may fluctuate significantly depending on the rotation speed of the radiator fan 63a and the circulation pump 64. In such cases, it is desirable to adjust the generated power Qg of the power generating module 20 taking into account the actual value of the second power loss Q2. Adjusting the generated power Qg in accordance with the second power loss Q2 ensures that the effective output power Qe matches the consumed power Qc, thereby stabilizing the output voltage of the autonomous outlet 300.

例えば、原燃料ブロワ10,13、空気ブロワ11,14,15、水ポンプ12、凝縮器ファン7a、放熱ファン42,52、放熱器ファン63aおよび循環ポンプ64がDCモータで駆動されている場合、これらの流体機械は、パルス幅変調(PWM)により駆動電圧(平均電圧)を変化させることで回転数を制御し、流量を増減させている。そこで、予めDCモータのデューティー比と軸動力(消費電力)のテーブルを作成しておき、現時点のデューティー比からそれぞれの流体機械の消費電力を算出するようにする。そして、各消費電力の数値を加算することで第2電力損失Q2を正確に求めることが可能になる。 For example, if the raw fuel blowers 10, 13, air blowers 11, 14, 15, water pump 12, condenser fan 7a, radiator fans 42, 52, radiator fan 63a, and circulation pump 64 are driven by DC motors, these fluid machines control their rotation speed and increase or decrease their flow rate by changing the drive voltage (average voltage) using pulse width modulation (PWM). Therefore, a table of DC motor duty ratios and shaft power (power consumption) is created in advance, and the power consumption of each fluid machine is calculated from the current duty ratio. Then, by adding up the numerical values of each power consumption, it becomes possible to accurately determine the second power loss Q2.

〔その他の変形例〕 [Other variations]

第1負荷モジュール40および第2負荷モジュール50の各々は、余剰電力を電気ヒータ41で消費させる構成に替えて、電気抵抗回路やスイッチング素子で消費させるように構成してもよい。 Instead of dissipating excess power in the electric heater 41, each of the first load module 40 and the second load module 50 may be configured to dissipate it in an electrical resistance circuit or a switching element.

発電モジュール20を構成するセルスタック1は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)に替えて溶融炭酸形燃料電池(MCFC)であってもよい。MCFCは、SOFCと同様に高温作動型の燃料電池であり、高い発電効率を有している。 The cell stack 1 that constitutes the power generation module 20 may be a molten carbon dioxide fuel cell (MCFC) instead of a solid oxide fuel cell (SOFC). Like SOFCs, MCFCs are high-temperature operating fuel cells and have high power generation efficiency.

燃料電池を用いる発電モジュール20は、一段のセルスタック1で発電を行うタイプに限らず、二段以上のセルスタック1で発電を行うタイプであってもよい。具体的には、前段のセルスタックから排出されたアノードオフガスから水蒸気を除去して再生ガスを生成し、この再生ガスを次段のセルスタックのアノードに供給する。なお、再生ガスを生成するにあたり、アノードオフガスに含有される二酸化炭素を分離膜や吸収液などを用いて除去するようにしてもよい。二段以上のセルスタックで発電を行うように構成することで、燃料利用率を大幅に高めることができる。 The power generation module 20 using fuel cells is not limited to a type that generates power using a single cell stack 1, but may also be a type that generates power using two or more cell stacks 1. Specifically, water vapor is removed from the anode off-gas discharged from the previous cell stack to generate regenerated gas, which is then supplied to the anode of the next cell stack. When generating the regenerated gas, carbon dioxide contained in the anode off-gas may be removed using a separation membrane or absorbent. By configuring the module to generate power using two or more cell stacks, the fuel utilization rate can be significantly increased.

燃料電池を用いる発電モジュール20は、セルスタックに改質ガスを供給する構成に限らず、純粋な水素ガスを供給するように構成されていてもよい。具体的には、外部の水素製造サイトから輸送インフラを通じて供給される水素ガスをセルスタックのアノードに導入する。水素ガスを原燃料に用いる場合、水蒸気改質および水自立に必要な構成要素(改質器2、蒸発器4、アノードオフガス凝縮器7、気水分離部Sa、凝縮水回収タンク9、水ポンプ12等)を省略することができる。 The fuel cell-based power generation module 20 is not limited to a configuration that supplies reformed gas to the cell stack; it may also be configured to supply pure hydrogen gas. Specifically, hydrogen gas supplied from an external hydrogen production site via transportation infrastructure is introduced into the anode of the cell stack. When hydrogen gas is used as the raw fuel, the components required for steam reforming and water self-sustaining (reformer 2, evaporator 4, anode off-gas condenser 7, steam-water separator Sa, condensed water recovery tank 9, water pump 12, etc.) can be omitted.

発電ユニット100は、燃料電池を用いるタイプに限らず、他のタイプに変更することもできる。発電ユニットは、太陽電池を用いるタイプであってもよいし、有機ランキンサイクル、蒸気タービン、ガスタービン、ガスエンジンを利用して発電機を回転させるタイプであってもよい。 The power generation unit 100 is not limited to a type that uses a fuel cell, and can be modified to other types. The power generation unit may be a type that uses a solar cell, or a type that uses an organic Rankine cycle, a steam turbine, a gas turbine, or a gas engine to rotate a generator.

以上説明した本実施形態の発電ユニット集合体2000によれば、以下のような効果を奏する。 The power generation unit assembly 2000 of this embodiment described above provides the following advantages:

(1)商用電源系統500に対して並列状態または解列状態で運転される発電ユニット100は、補機30により作動される発電モジュール20と、発電モジュール20の発電電力を商用電源系統500の交流電力に相当する出力電力に変換するパワーコンディショナ16と、発電モジュール20および補機30を制御するユニットコントローラ17と、解列状態時に、発電モジュール20の発電電力の一部を電力使用機器に供給する自立コンセント300と、解列状態時に、発電モジュール20の発電電力の一部を内部で消費する負荷モジュール40,50と、を備え、ユニットコントローラ17およびパワーコンディショナ16は、並列状態において連系運転モードで動作し、解列状態において自立運転モードで動作するように構成され、ユニットコントローラ17は、自立運転モードで動作中、発電モジュール20の発電電力Qgから、負荷モジュール40,50の作動による第1電力損失Q1を差し引いた実効出力電力Qeを電力使用機器の消費電力Qcに追従させるように、負荷モジュール40,50での消費電力を調節する。 (1) The power generation unit 100, which is operated in a parallel or disconnected state with respect to the commercial power system 500, comprises a power generation module 20 operated by an auxiliary device 30, a power conditioner 16 that converts the power generated by the power generation module 20 into output power equivalent to the AC power of the commercial power system 500, a unit controller 17 that controls the power generation module 20 and the auxiliary device 30, an independent outlet 300 that supplies a portion of the power generated by the power generation module 20 to power-using equipment when in a disconnected state, and an internal power supply 300 that supplies a portion of the power generated by the power generation module 20 to power-using equipment when in a disconnected state. The power generation module 20 is also provided with load modules 40, 50 that consume power in the grid-connected operation mode, and the unit controller 17 and power conditioner 16 are configured to operate in grid-connected operation mode in a parallel state and in isolated operation mode in a disconnected state. During operation in isolated operation mode, the unit controller 17 adjusts the power consumption of the load modules 40, 50 so that the effective output power Qe, calculated by subtracting the first power loss Q1 due to the operation of the load modules 40, 50 from the power generation power Qg of the power generation module 20, follows the power consumption Qc of the power-using equipment.

実効出力電力Qe(=Qg-Q1)は、自立コンセント300から電力使用機器に供給される実際上の電力である。実効出力電力Qeは、発電モジュール20の発電電力Qgが一定値であるときに、電気ヒータ41,51の消費電力を増減させて負荷モジュール40,50の第1電力損失Q1を変化させることで調節することが可能である。そのため、実効出力電力Qeを調節して電力使用機器の消費電力Qcに追従させると、自立コンセント300の出力電圧が安定する。これにより、電力使用機器を適正に動作させられるので、停電時における需要家の電力ニーズに応えることができる。 The effective output power Qe (= Qg - Q1) is the actual power supplied from the independent outlet 300 to the power-using equipment. The effective output power Qe can be adjusted by increasing or decreasing the power consumption of the electric heaters 41, 51 to change the first power loss Q1 of the load modules 40, 50 when the power generation power Qg of the power generation module 20 is constant. Therefore, adjusting the effective output power Qe to follow the power consumption Qc of the power-using equipment stabilizes the output voltage of the independent outlet 300. This allows the power-using equipment to operate properly, making it possible to meet the power needs of consumers during a power outage.

(2)(1)の発電ユニット100において、負荷モジュール40,50は、自立コンセント300に電力使用機器が未接続の場合に、設定された供給可能電力Qsに相当する消費電力を少なくとも有する。 (2) In the power generation unit 100 of (1), the load modules 40, 50 consume at least the amount of power that can be supplied Qs when no power-using device is connected to the self-contained outlet 300.

負荷モジュール40,50を作動させない状態では、供給可能電力Qsの全てを自立コンセント300から取り出せる。一方、負荷モジュール40,50を最大消費電力で駆動させた状態では、自立コンセント300からの出力はゼロとなる。負荷モジュール40は、自立コンセント300に接続された電力使用機器の消費電力Qcの変動に応じて余剰分の出力電力を消費させるので、自立コンセント300の出力電圧を消費電力Qcに依らずに安定させることができる。 When the load modules 40, 50 are not operating, all of the available power supply Qs can be extracted from the independent outlet 300. On the other hand, when the load modules 40, 50 are operating at maximum power consumption, the output from the independent outlet 300 is zero. The load module 40 consumes excess output power in accordance with fluctuations in the power consumption Qc of the power-using devices connected to the independent outlet 300, so the output voltage of the independent outlet 300 can be stabilized regardless of the power consumption Qc.

(3)(2)の発電ユニット100において、ユニットコントローラ17は、自立運転モードで動作中、供給可能電力Qsに、補機30の駆動による第2電力損失Q2およびパワーコンディショナ16の作動による第3電力損失Q3を加算した発電電力Qgが得られるように発電モジュール20を作動させる。 (3) In the power generation unit 100 of (2), when operating in the independent operation mode, the unit controller 17 operates the power generation module 20 so as to obtain the generated power Qg, which is the sum of the available power Qs, the second power loss Q2 due to the operation of the auxiliary equipment 30, and the third power loss Q3 due to the operation of the power conditioner 16.

発電モジュール20の発電電力Qgを供給可能電力Qsとして設定した場合、補機30の駆動とパワーコンディショナ16の作動により、系統連系インバータ16dから自立コンセント300に送られる電力が下がってしまう。このため、自立コンセント300に供給可能電力Qsと同じ消費電力Qc分の電力使用機器を接続すると、電力使用機器が正常に作動しなくなる。一方、第2電力損失Q2および第3電力損失Q3を考慮して発電モジュール20の発電電力Qgを調整すると、系統連系インバータ16dから自立コンセント300に送られる最大電力は供給可能電力Qsに等しくなる。その結果、消費電力Qcの大きい電力使用機器を自立コンセント300に接続したとしても正常に作動させることができる。 If the power generation output Qg of the power generation module 20 is set as the available power supply Qs, the power sent from the grid-connected inverter 16d to the independent outlet 300 will decrease due to the operation of the auxiliary equipment 30 and the power conditioner 16. Therefore, if an electric power-using device with a power consumption Qc equal to the available power supply Qs is connected to the independent outlet 300, the electric power-using device will not operate normally. On the other hand, if the power generation output Qg of the power generation module 20 is adjusted taking into account the second power loss Q2 and the third power loss Q3, the maximum power sent from the grid-connected inverter 16d to the independent outlet 300 will be equal to the available power supply Qs. As a result, even if an electric power-using device with a large power consumption Qc is connected to the independent outlet 300, it will operate normally.

(4)(3)の発電ユニット100において、発電モジュール20は、固体酸化物形燃料電池セルを集積したセルスタック1を含み、補機30は、セルスタック1の発電動作に必要な流体を移送するための流体移送機器(原燃料ブロワ10、第1空気ブロワ11、水ポンプ12、第3空気ブロワ15、ファン53a、循環ポンプ54等)を含み、第2電力損失Q2は、流体移送機器の作動状態変化に応じた電力損失である。 (4) In the power generation unit 100 of (3), the power generation module 20 includes a cell stack 1 that integrates solid oxide fuel cells, and the auxiliary equipment 30 includes fluid transfer equipment (raw fuel blower 10, first air blower 11, water pump 12, third air blower 15, fan 53a, circulation pump 54, etc.) for transferring fluids necessary for the power generation operation of the cell stack 1, and the second power loss Q2 is a power loss corresponding to changes in the operating state of the fluid transfer equipment.

SOFCを用いた発電ユニット100は、コジェネレーション仕様の場合など、制御状態によっては補機30の駆動による第2電力損失Q2が大きく変動することがある。そのため、流体移送用の補機30の作動状態変化に応じた第2電力損失Q2の実際の数値を考慮して発電モジュール20の発電電力Qgを調整する。これにより、消費電力Qcに対して実効出力電力Qeを確実に一致させ、自立コンセント300の出力電圧が安定化させることができる。 In the power generation unit 100 using SOFC, the second power loss Q2 due to the operation of the auxiliary equipment 30 can fluctuate significantly depending on the control state, such as in the case of cogeneration specifications. Therefore, the power generation power Qg of the power generation module 20 is adjusted taking into account the actual value of the second power loss Q2 in response to changes in the operating state of the auxiliary equipment 30 for fluid transfer. This ensures that the effective output power Qe matches the power consumption Qc, stabilizing the output voltage of the autonomous outlet 300.

(5)(1)~(4)の発電ユニット100において、第1負荷モジュール40aおよび第2負荷モジュール40bの各々は、電気ヒータ41、電気抵抗回路、およびスイッチング素子から選ばれる1種を備える。 (5) In the power generation units 100 of (1) to (4), the first load module 40a and the second load module 40b each include one selected from an electric heater 41, an electric resistance circuit, and a switching element.

電気ヒータ41等の負荷機器は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換させて余剰電力を消費する。これらの負荷機器は、比較的簡単な制御回路で容易に発熱量をコントロールできるので、商用電源系統500の停電時に専ら使用される負荷モジュール40の用途に適している。 Load devices such as electric heaters 41 convert electrical energy into thermal energy and consume excess power. The amount of heat generated by these load devices can be easily controlled using a relatively simple control circuit, making them suitable for use as load modules 40 that are used exclusively during power outages in the commercial power system 500.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の構成は上記実施形態に限られず、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。 Although the above describes an embodiment of the present invention, the configuration of the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention. In other words, the above embodiment is illustrative in all respects and should be considered not to be limiting. The technical scope of the present invention is defined by the claims, not the description of the above embodiment, and should be understood to include all modifications that fall within the meaning and scope of the claims.

〔国連が主導する持続可能な開発目標(SDGs)への貢献〕
本開示に係る発電ユニットおよび電力供給システムは、一次エネルギー効率の向上により二酸化炭素の排出量を削減させており、SDGs(Sustainable Development Goals)の目標13「気候変動に具体的な対策を」の実現に貢献し得る。また、本開示に係る発電ユニットおよび電力供給システムは、自然災害による停電発生時に自立して電力供給を維持することができ、SDGsの目標11「住み続けられるまちづくりを」の実現に貢献し得る。
[Contributing to the United Nations-led Sustainable Development Goals (SDGs)]
The power generation unit and power supply system according to the present disclosure reduce carbon dioxide emissions by improving primary energy efficiency, and can contribute to the realization of SDG Goal 13, "Take urgent action to combat climate change." Furthermore, the power generation unit and power supply system according to the present disclosure can independently maintain power supply in the event of a power outage caused by a natural disaster, and can contribute to the realization of SDG Goal 11, "Make cities and towns inclusive and sustainable."

1 セルスタック
2 改質器
3 バーナ
4 蒸発器
5 空気予熱器
6 アノードオフガス冷却器
7 アノードオフガス凝縮器
7a ファン
8 CO酸化器(一酸化炭素酸化器)
9 凝縮水回収タンク
10 第1原燃料ブロワ
11 第1空気ブロワ
12 水ポンプ
13 第2原燃料ブロワ
14 第2空気ブロワ
15 第3空気ブロワ
16 パワーコンディショナ
16a,16b DC/DCコンバータ
16c 平滑コンデンサ
16d 系統連系インバータ
16e,16f スイッチ
16g,16h 制御回路
17 ユニットコントローラ
17a 通信ユニット
20 発電モジュール
30 補機
40 第1負荷モジュール
41 電気ヒータ
42 放熱ファン
50 第2負荷モジュール
51 電気ヒータ
52 放熱ファン
61 熱回収器
62 加熱器
63 放熱器
63a ファン
64 循環ポンプ
65 熱媒体タンク(貯湯タンク)
66 燃焼式給湯器(ガス給湯器)
67 温度調節弁
100 発電ユニット
200 熱回収ユニット
300 自立コンセント
300a,300b,300c 自立コンセント
400 コンセントユニット
401 パネル
402 電源ランプ
403 情報表示部
500 商用電源系統
600 需要設備
610 配電盤
Aa,Ab,Ac 空気
Ad 冷却用空気
B1 第1ベローズ形伸縮管継手
B2 第2ベローズ形伸縮管継手
B3 第3ベローズ形伸縮管継手
B4 第4ベローズ形伸縮管継手
E1,E2 燃料取入口
E3,E4,E5 空気取入口
E6 ガス排出口
Ga,Gf 原燃料ガス
Gb 混合ガス
Gc 改質ガス
Gd アノードオフガス
Ge カソードオフガス
Gg 燃焼ガス
La 原燃料ライン
Lb 混合ガスライン
Lc アノード燃料ライン
Ld アノードオフガスライン
Le カソード空気ライン
Lf カソードオフガスライン
Lg 燃焼ガスライン
Lh バーナ冷却用空気ライン
Li 改質水ライン
Lj 起動用空気ライン
Lk 冷却用空気ライン
Lk1 収集管
Lm 冷却水ライン
Ln 給水ライン
Lw 凝縮水回収ライン
Ma 第1分配マニホールド
Mb 第2分配マニホールド
Mc 第1収集マニホールド
Md 第2収集マニホールド
R1 第1領域
R2 第2領域
Sa 気水分離部
Sb 水位検知器
Sc 排水弁
Wa 改質水
Wb 凝縮水
Za 熱放射筒
Zb 燃焼ガス管
Zc 冷却管
REFERENCE SIGNS LIST 1 Cell stack 2 Reformer 3 Burner 4 Evaporator 5 Air preheater 6 Anode off-gas cooler 7 Anode off-gas condenser 7a Fan 8 CO oxidizer (carbon monoxide oxidizer)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 Condensed water recovery tank 10 First raw fuel blower 11 First air blower 12 Water pump 13 Second raw fuel blower 14 Second air blower 15 Third air blower 16 Power conditioner 16a, 16b DC/DC converter 16c Smoothing capacitor 16d Grid-connected inverter 16e, 16f Switch 16g, 16h Control circuit 17 Unit controller 17a Communication unit 20 Power generation module 30 Auxiliary equipment 40 First load module 41 Electric heater 42 Heat dissipation fan 50 Second load module 51 Electric heater 52 Heat dissipation fan 61 Heat recovery unit 62 Heater 63 Heat dissipator 63a Fan 64 Circulation pump 65 Heat medium tank (hot water storage tank)
66 Combustion-type water heater (gas water heater)
67 Temperature control valve 100 Power generation unit 200 Heat recovery unit 300 Self-contained outlet 300a, 300b, 300c Self-contained outlet 400 Outlet unit 401 Panel 402 Power lamp 403 Information display unit 500 Commercial power supply system 600 Demand equipment 610 Distribution board Aa, Ab, Ac Air Ad Cooling air B1 First bellows type expansion joint B2 Second bellows type expansion joint B3 Third bellows type expansion joint B4 Fourth bellows type expansion joint E1, E2 Fuel inlet E3, E4, E5 Air inlet E6 Gas outlet Ga, Gf Raw fuel gas Gb Mixed gas Gc Reformed gas Gd Anode off-gas Ge Cathode off-gas Gg Combustion gas La Raw fuel line Lb Mixed gas line Lc Anode fuel line Ld Anode off-gas line Le Cathode air line Lf Cathode off-gas line Lg Combustion gas line Lh Burner cooling air line Li Reforming water line Lj Start-up air line Lk Cooling air line Lk1 Collection pipe Lm Cooling water line Ln Water supply line Lw Condensed water recovery line Ma First distribution manifold Mb Second distribution manifold Mc First collection manifold Md Second collection manifold R1 First region R2 Second region Sa Air-water separator Sb Water level detector Sc Drain valve Wa Reforming water Wb Condensed water Za Heat radiation tube Zb Combustion gas pipe Zc Cooling pipe

Claims (5)

商用電源系統に対して並列状態または解列状態で運転される発電ユニットであって、
補機により作動される発電モジュールと、
前記発電モジュールの発電電力を前記商用電源系統の交流電力に相当する出力電力に変換するパワーコンディショナと、
前記発電モジュールおよび前記補機を制御するコントローラと、
前記解列状態時に、前記発電モジュールの発電電力の一部を電力使用機器に供給する自立コンセントと、
前記解列状態時に、前記発電モジュールの発電電力の一部を内部で消費する負荷モジュールと、を備え、
前記コントローラおよび前記パワーコンディショナは、前記並列状態において連系運転モードで動作し、前記解列状態において自立運転モードで動作するように構成され、
前記コントローラは、前記自立運転モードで動作中、
前記発電モジュールの発電電力から、前記負荷モジュールの作動による第1電力損失を差し引いた前記自立コンセントの実効出力電力を前記電力使用機器の消費電力に追従させるように、前記負荷モジュールでの消費電力を調節する
発電ユニット。
A power generation unit that is operated in a parallel state or in a disconnected state with respect to a commercial power system,
a power generation module operated by the auxiliary equipment;
a power conditioner that converts the power generated by the power generation module into output power equivalent to AC power of the commercial power supply system;
a controller for controlling the power generation module and the auxiliary equipment;
an independent outlet that supplies a portion of the power generated by the power generation module to a power consumption device in the disconnected state;
a load module that internally consumes a portion of the power generated by the power generation module in the disconnected state,
the controller and the power conditioner are configured to operate in a grid-connected operation mode in the parallel state and to operate in an isolated operation mode in the disconnected state;
The controller, while operating in the standalone mode,
A power generation unit that adjusts the power consumption in the load module so that the effective output power of the independent outlet, which is the power generated by the power generation module minus the first power loss due to the operation of the load module, follows the power consumption of the power-using device.
前記負荷モジュールは、前記自立コンセントに前記電力使用機器が未接続の場合に、設定された供給可能電力に相当する消費電力を少なくとも有する
請求項1に記載の発電ユニット。
The power generating unit according to claim 1 , wherein the load module has at least a power consumption amount equivalent to a set available power supply amount when the power consuming device is not connected to the self-contained outlet.
前記コントローラは、前記自立運転モードで動作中、
前記供給可能電力に、前記補機の作動による第2電力損失および前記パワーコンディショナの作動による第3電力損失を加算した発電電力が得られるように前記発電モジュールを作動させる
請求項2に記載の発電ユニット。
The controller, while operating in the standalone mode,
The power generation unit according to claim 2, wherein the power generation module is operated so as to obtain a generated power that is the sum of the available power supply, a second power loss due to operation of the auxiliary equipment, and a third power loss due to operation of the power conditioner.
前記発電モジュールは、固体酸化物形燃料電池セルを集積したセルスタックを含み、
前記補機は、前記セルスタックの発電動作に必要な流体を移送するための流体移送機器を含み、
前記第2電力損失は、前記流体移送機器の作動状態変化に応じた電力損失である
請求項3に記載の発電ユニット。
the power generation module includes a cell stack in which solid oxide fuel cells are integrated,
the auxiliary machinery includes a fluid transfer device for transferring fluid necessary for the power generation operation of the cell stack,
The power generating unit according to claim 3 , wherein the second power loss is a power loss caused by a change in the operating state of the fluid transfer device.
前記負荷モジュールは、電気ヒータ、電気抵抗回路、およびスイッチング素子から選ばれる1種を備える
請求項1~4のいずれか1項に記載の発電ユニット。
5. The power generating unit according to claim 1, wherein the load module comprises one selected from the group consisting of an electric heater, an electric resistance circuit, and a switching element.
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