JP2004355860A

JP2004355860A - 併合発電システム、発電プラント、二次電池の保温方法

Info

Publication number: JP2004355860A
Application number: JP2003149820A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Nishi; 敏郎西; Yasushi Mori; 康森; Kyoji Hiramatsu; 恭二平松; Rikiya Abe; 力也阿部; Sakae Washida; 栄鷲田
Original assignee: Electric Power Development Co Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Electric Power Development Co Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】システムの保守性に優れ、かつ高効率な併合発電システム等を提供する。
【解決手段】ＳＯＦＣ（燃料電池）モジュールＭ１とＮａ二次電池（二次電池）モジュールＭ２をそれぞれ独立して構成するとともに、熱媒体を循環させてＳＯＦＣモジュールＭ１とＮａ二次電池モジュールＭ２との相互の熱交換を行わせるようにした。これにより、システムの保守性を損なうことなく高効率な発電を行うことができる。また、Ｎａ二次電池モジュールＭ２に付随して、Ｎａ二次電池２を加熱する加熱手段６０をさらに備えるようにした。この加熱手段６０によって、ＳＯＦＣモジュールＭ１を構成するＳＯＦＣ１が停止した場合であっても、Ｎａ二次電池２を所定温度、例えば３００〜４００℃程度まで加熱することができる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池と二次電池とを効率的に併合してなる併合発電システム、および併合発電システムを利用した発電プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力の需要は、一日のうちでは日中の方が夜間よりも大きいのが通常であり、こうした変動は、近年さらに拡大しつつある。発電所は、図８に示すように、日中の最大ピーク時（図８中ａ）に対応させた運転をしているが、こうすると稼働率の低下を招いたり、発電・停止を高頻度で行うためのトラブルを招くおそれがある。そのため、高効率な発電装置と、大電力を貯蔵可能な電力貯蔵装置とを組み合わせた発電システムを用いて、夜間に発電した電力を貯蔵しておき、日中にこうした電力を放出するようにして、負荷率を低減させる（図８中ｂ）ような試みがなされている。
【０００３】
こうした大電力を貯蔵可能な二次電池として、ナトリウム二次電池（以下「Ｎａ二次電池」という）が注目されている。このＮａ二次電池は、一方の電極にナトリウムを用い、固体電解質により溶融状態の両極活物質を混合しないようにした二次電池で、３００〜４００℃、通常は３５０℃前後といった高温で作動するものである。固体電解質としては、βアルミナ等が用いられる。Ｎａ二次電池は、自己放電がない、電極活物質が液状であるため高性能である、電解質が固体なので長寿命である、完全密閉型であるためメンテナンスフリー化が図れる、等の利点を有しており、次世代の大電力貯蔵用電池として大きな期待が寄せられている。
【０００４】
一方、発電装置としては、従来からの火力発電装置等に替わるものとして、燃料電池がある。この燃料電池は、水素、一酸化炭素等の燃料が有する化学的エネルギーを直接電気エネルギーに変換して取り出す装置であり、カルノーサイクルの制約を受けずエネルギー変換効率が高いことや、エネルギー変換をクリーンに行えること等から、次世代の発電装置として注目されている。中でも、固体電解質型燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」という）は、発電効率が約６０％と非常に高い、使用する燃料を幅広く選択できる、等といった利点を有しており、実用化に向けてとりわけ大きな期待が寄せられている。このＳＯＦＣは、例えば酸素イオン伝導性を有する安定化ジルコニア等、特定のイオン種を伝導させる性質を持つ固体を電解質として用いるもので、固体のイオン伝導率が著しく高まるような高温下（１０００℃前後）で作動させるものである。
【０００５】
ところで、Ｎａ二次電池は上記の通り、３００〜４００℃で、通常は３５０℃前後といった高温で作動する電池である。このため、電熱ヒータ等の加熱手段により加熱する必要がある。
こうした加熱手段を省略するために、特開２００１−２２９９３０号公報では、燃料電池を収容するモジュール本体の断熱部にＮａ二次電池を配設した併合発電システムを開示している。つまり、特開２００１−２２９９３０号公報では、Ｎａ二次電池の断熱構造を燃料電池の断熱構造と兼用することで、Ｎａ二次電池を加熱するための加熱手段を省略している。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２２９９３０号公報（特許請求の範囲、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２００１−２２９９３０号公報に記載の併合発電システムでは、Ｎａ二次電池を独立して運転させることができないという問題がある。つまり、燃料電池が停止すると、モジュール全体の温度が低下してしまい、Ｎａ二次電池も停止してしまうのである。
また、特開２００１−２２９９３０号公報に記載の併合発電システムでは、Ｎａ二次電池は燃料電池の断熱構造内に埋め込まれているため、システムの保守・点検等の際に、Ｎａ二次電池の取出および交換が容易でないという問題もある。
そこで、本発明は、システムの保守性に優れ、かつ高効率な併合発電システム等を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために、様々な検討を行った。その結果、燃料電池モジュールと二次電池モジュールをそれぞれ独立して構成するとともに、熱媒体を循環させて燃料電池モジュールと二次電池モジュールとの相互の熱交換を行うことが、システムの保守性を損なうことなく高効率な発電を行う上で極めて有効であることを知見した。すなわち、本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて電力を得るようにした燃料電池本体と、この燃料電池本体を収容する第１の収容体とを含む燃料電池モジュールと、燃料電池本体から供給される電力を貯蔵可能な二次電池と、この二次電池を収容する第２の収容体とを含む二次電池モジュールと、熱媒体を循環させて燃料電池モジュールと二次電池モジュールとの相互の熱交換を行う熱交換手段とを備えたことを特徴とする併合発電システムを提供する。ここで、熱媒体としては燃料電池モジュールから発生する排熱、例えば排ガスを用いることができる。これにより、排ガスを利用して、二次電池を作動温度まで加熱することができる。また、二次電池モジュール側で熱を奪われた排ガスを、再び燃料電池モジュール側へ戻すことで、燃料電池の温度が高くなりすぎることを防止することもできる。なお、本発明において、熱媒体の「循環」とは、燃料電池モジュールと二次電池モジュールとの間を熱媒体が複数回行き来することを含むことはもちろん、その行き来の回数が１回である場合、つまり、燃料電池モジュール側を出発した熱媒体が二次電池モジュール側を通過して再び燃料電池モジュール側に戻る回数が１回の場合も含む。
【０００９】
また、本発明に係る併合発電システムでは、二次電池モジュールに付随して、二次電池を加熱する加熱手段をさらに備えることができる。この加熱手段によって、燃料電池本体が停止した場合であっても、二次電池を所定温度（二次電池がナトリウム二次電池である場合には、３００〜４００℃程度）まで加熱することができる。つまり、二次電池モジュールを独立して運転することが可能となる。なお、「二次電池モジュールに付随して」とは、加熱手段を二次電池モジュールの近傍に設ける、二次電池モジュールと一体的に設けるの双方を含むものである。
さらにまた、本発明では、加熱手段に対する電力の供給を、燃料電池モジュールによって行うことを推奨する。燃料電池本体によって発電される電力は直流電力であるが、この直流電力を変換器を中継することなく、つまり直流電力の状態を維持したまま加熱手段に供給するのである。本発明に係る併合発電システムによれば、変換時に生じる熱交換ロスを回避できるため、熱効率が従来よりも大幅に向上する。
【００１０】
さらにまた、本発明は、二次電池が常に独立運転することができる発電プラントを提供する。すなわち、本発明は、電力を供給する給電装置と、給電装置によって供給された電力を貯蔵する二次電池と、この二次電池を加熱する加熱手段と、を備えた発電プラントであって、二次電池および給電装置は、二次電池と給電装置の間を循環する熱媒体によって互いに熱交換が可能であり、かつ、加熱手段は、二次電池の独立運転を妨げる事態が発生したときに作動することを特徴とする発電プラントを提供する。ここで、二次電池の独立運転を妨げる事態が発生したときとしては、例えば、循環する熱媒体を介して二次電池を保温可能な給電装置が停止した場合、給電装置は作動中であるものの、二次電池の温度が不十分な場合が挙げられる。本発明に係る発電プラントでは、通常は給電装置による排熱を利用して二次電池を加熱するが、こうした加熱が期待できない場合には加熱手段が作動して二次電池を加熱する。よって、給電装置が停止したような場合であっても、加熱不足による二次電池の停止を招くことなく、二次電池を常に独立して運転させることができる。なお、給電装置としては、燃料電池、蒸気タービン発電機等が挙げられる。つまり、発電プラントにおける熱源のいずれか一つを、二次電池を加熱するために利用することができる。
【００１１】
本発明に係る発電プラントは、給電装置および二次電池が共用するコンバータをさらに備えることができる。給電装置および二次電池からの電力は共に直流電力であるため、コンバータを共用するようにすれば、発電プラントの設備費を抑制する上で有利である。また、本発明に係る発電プラントにおいて、上述した給電装置を燃料電池とし、かつ上述した二次電池をナトリウム二次電池で構成することができる。ここで、燃料電池およびナトリウム二次電池は、それぞれ独立したモジュールを構成しているものとすることができる。
【００１２】
さらに本発明の発電プラントによれば、発電装置と二次電池を用いて発電を行う発電プラントにおける二次電池の保温方法が提供される。この保温方法は、まず発電装置が電力を発電する際に生じた排ガスを、二次電池側に供給する。次いで、排ガスと二次電池との間で熱交換を行って二次電池を加熱する。そして、熱交換された排ガスを、発電装置側にて回収するのである。通常、燃料電池等の発電装置は８００〜１０００℃という高温で作動されている。これに対し、ナトリウム二次電池等の二次電池は３００〜４００℃、好ましくは約３５０℃で作動している。このため、燃料電池からの排ガスを、二次電池を作動温度範囲内に保持する上で有効に利用することができる。また、二次電池側で熱交換された排ガスを燃料電池側にて回収することで、燃料電池の温度が上昇しすぎることを防止することもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
図１は本実施の形態に係る発電プラントの部分断面斜視図である。図１に示すように、本実施の形態に係る発電プラントでは、ＳＯＦＣ（燃料電池、給電装置、発電装置）１と、Ｎａ二次電池（二次電池、電力貯蔵装置）２と、蒸気タービン発電機（給電装置）３とが、各々隣接するようにして設けられている。
【００１５】
次に、図２を用いて本実施の形態に係る発電プラントの概略構成を示す。
図２は本実施の形態に係る発電プラントの概略構成図である。図２に示すように、ＳＯＦＣ１およびＮａ二次電池２はそれぞれ独立したモジュール、すなわちＳＯＦＣモジュールＭ１とＮａ二次電池モジュールＭ２を構成している。詳しくは後述するが、ＳＯＦＣ１は収容体（第１の収容体）３０、Ｎａ二次電池２は収容体（第２の収容体）４１にそれぞれ収容されている。
ＳＯＦＣモジュールＭ１とＮａ二次電池モジュールＭ２との間には第１排ガス流路５Ａが、またＮａ二次電池モジュールＭ２と蒸気タービン発電機３との間には第２排ガス流路５Ｂが設けられている。ＳＯＦＣモジュールＭ１から発生する排ガスは、第１排ガス流路５Ａを介してＮａ二次電池モジュールＭ２へ流入され、また第２排ガス流路５Ｂを介して蒸気タービン発電機３に流入されるようになっている。
【００１６】
ＳＯＦＣモジュールＭ１内のＳＯＦＣ１には、燃料入側配管１１、燃料出側配管１２、空気入側配管１３及び空気出側配管１４が連結されている。各々燃料及び空気が出入するようになっている。燃料は、燃料入側配管１１を流れてＳＯＦＣ１内の燃料極側に導入され、反応後、すなわち発電後は、燃料極側からの排ガスとして燃料出側配管１２を流れてＳＯＦＣ１外部に排出される。ここで用いる燃料としては、液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素（Ｈ_２）、石炭ガス等が挙げられる。空気は、空気入側配管１３を流れてＳＯＦＣ１内の空気極側に導入され、発電後は、空気極側からの排ガスとして空気出側配管１４を通ってＳＯＦＣ１外部、つまりＳＯＦＣモジュールＭ１外部に排出される。
【００１７】
ＳＯＦＣ１内部は、図示は省略するが、固体電解質を挟んで多孔質の燃料極と空気極とを対峙させた三層構造になっている。固体電解質としては、例えば、安定化ジルコニアが用いられる。この固体電解質は、１０００℃程度の高温下では酸素イオン（Ｏ^２−）の伝導率が著しく高まるものである。空気極側では、外部から空気極に供給された電子と空気中の酸素が反応して、酸素イオン（Ｏ^２−）を発生させ、このＯ^２−は固体電解質に選択的に透過されて燃料極側に運搬される。そして、この燃料極側でＯ^２−は燃料と反応し、電子が放出されることで、ＳＯＦＣ１は発電する。
【００１８】
燃料出側配管１２と空気出側配管１４とは合流部１５で合流され、ここから配管はＮａ二次電池モジュールＭ２に至る。これら燃料出側配管１２、空気出側配管１４、及び合流部１５からＮａ二次電池モジュールＭ２に至るまでの配管によって、第１排ガス流路５Ａは構成されている。
【００１９】
次に、図３を用いてＮａ二次電池モジュールＭ２を構成するＮａ二次電池２の構成を説明する。
図３は、Ｎａ二次電池２の内部構造を示す概略図である。正極端子を兼ねる有底円筒状の外筒容器５１内には、例えばβ”−アルミナの固体電解質からなる有底円筒状の隔壁５２が配置されている。この隔壁５２の内側に負極室、隔壁５２の外側に正極室がそれぞれ形成されている。隔壁５２の内側には、ナトリウムからなる負極活物質５３が充填されており、上述した負極室を形成している。一方、隔壁５２の外側には、正極活物質５５が充填されており、上述した正極室を形成している。また、正極活物質５５が充填された正極室には、多孔質電極５４が配設されており、多孔質電極５４には正極活物質５５が含浸されている。ここで、正極活物質５５としては、例えば硫黄、多硫化ナトリウム、セレン、テルル、金属ハロゲン化物などを用いることができる。また、外筒容器５１の開口部には、負極端子５６を備えた円板状蓋体５７が、ドーナツ状の絶縁体５８を介装した状態で、ボルト５９および金具７０によって取り付けられる。なお、円板状蓋体５７には、下部にナトリウム流出孔７１ａを有する安全管兼ウイック７１が取り付けられている。
【００２０】
図４は、上述した構成を有するＮａ二次電池２の作動原理を示す図であり、ここでは正極活物質５５として硫黄を用いた場合について説明する。
図４に示すように、放電時は、負極室のナトリウムからなる負極活物質５３がナトリウムイオン（Ｎａ^＋）と電子（ｅ⁻）に分離する。そして、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）は、隔壁５２を通過して隔壁５２外側の正極室に入り、硫黄からなる正極活物質５５及びセル外部を回ってきた電子（ｅ⁻）と結合して、多硫化ナトリウム（Ｎａ_２Ｓｘ）を生成する。一方、充電時は、正極室の多硫化ナトリウム（Ｎａ_２Ｓｘ）がナトリウムイオン（Ｎａ^＋）と電子（ｅ⁻）及び硫黄（Ｓ）に分離し、ナトリウムイオン（Ｎａ^＋）は隔壁５２を通過して隔壁５２内側の負極室に入り、セル外部を回ってきた電子（ｅ⁻）と結合してナトリウム（Ｎａ）になるのである。
【００２１】
さて、図２に示したように、Ｎａ二次電池２は、電力を貯蔵する電池部２１として機能する。この電池部２１は、収容体４１内に収容されている。収容体４１内に収容されるＮａ二次電池２は、３００〜４００℃という高温で作動するものであるから、収容体４１を二重容器で構成して二重容器内部を真空引きしたり、断熱材を充填したりすることによって、収容体４１の断熱性が高められている。なお、ＳＯＦＣ１を収容する収容体３０についても、収容体４１と同様の構成を採用することができる。ちなみに、Ｎａ二次電池２を収容する収容体４１内には、防火用のために乾燥砂等の絶縁材が充填されている。
【００２２】
ここで、電池部２１と収容体４１とでＮａ二次電池モジュールＭ２を構成している。このＮａ二次電池モジュールＭ２内のＮａ二次電池２の温度を一定以上の温度に保つために、Ｎａ二次電池モジュールＭ２は保温ジャケット２２に収容されている。保温ジャケット２２には、第１排ガス流路５Ａ及び第２排ガス流路５Ｂが各々連結されており、排ガスが、第１排ガス流路５Ａから保温ジャケット２２を経て第２排ガス流路５Ｂに流出するようになっている。第１排ガス流路５Ａには第１バルブ２３が、第２排ガス流路５Ｂには第２バルブ２４が、各々設けられている。また、排ガスが保温ジャケット２２をバイパスして第１排ガス流路５Ａから直接第２排ガス流路５Ｂに流れることができるように、バイパスバルブ２６が設けられている。Ｎａ二次電池２は、充電時には吸熱し放電時には発熱するので、温度を３５０℃前後に保つためには、保温ジャケット２２に導入する排ガスの流量を調整しなければならない。こうした排ガス流量の調整を、第１バルブ２３、第２バルブ２４及びバイパスバルブ２６によって行う。例えば、充電時には、第１バルブ２３、第２バルブ２４及びバイパスバルブ２６の開閉度を調節し、排ガスの一部あるいは全てが保温ジャケット２２に導入されるようにする。逆に放電時には、第１バルブ２３、第２バルブ２４及びバイパスバルブ２６の開閉度を調節し、排ガスを保温ジャケット２２に導入しない、あるいは一部を導入するようにする。また、保温ジャケット２２には冷却媒体流路５Ｄが連結されており、Ｎａ二次電池２の温度が高くなりすぎた際に、保温ジャケット２２内に冷却媒体を流すことも可能となっている。
【００２３】
蒸気タービン発電機３は、排ガスボイラ３１、蒸気タービン３２、発電機３３及び復水器３４を備えている。排ガスボイラ３１、蒸気タービン３２及び復水器３４の各々は、水又は蒸気が循環する配管によって連結されている。排ガスボイラ３１には第２排ガス流路５Ｂが連結されており、ＳＯＦＣモジュールＭ１から発生する排ガスによってこの排ガスボイラ３１は蒸気を発生させる。発生された蒸気は蒸気タービン３２に送られてこの蒸気タービン３２を回転させる。蒸気タービン３２が回転することにより、蒸気タービン３２と一体に設けられた発電機３３が駆動されて電力が発生する。その後、蒸気は復水器３４によって復水され、排ガスボイラ３１に戻される。このように、水又は蒸気が蒸気タービン発電機３内を循環することにより、蒸気タービン発電機３は発電する。
【００２４】
ところで、保温ジャケット２２には、第１排ガス流路５Ａ、第２排ガス流路５Ｂの他に、さらに第３排ガス流路５Ｃが連結されており、第１排ガス流路５Ａから保温ジャケット２２に流入した排ガスが、第３排ガス流路５ＣからＳＯＦＣモジュールＭ１に向けて流出できるようになっている。第３排ガス流路５Ｃには第３バルブ２５が設けられており、第２排ガス流路５Ｂに設けられた第２バルブ２４を閉とし、かつ第３バルブ２５を開とすることで、排ガスがＳＯＦＣモジュールＭ１側へ流れるようになる。つまり、本実施の形態に係る発電プラントでは、ＳＯＦＣモジュールＭ１側からＮａ二次電池モジュールＭ２側へ熱媒体である排ガスが移動するのみならず、Ｎａ二次電池モジュールＭ２側からＳＯＦＣモジュールＭ１側へも熱媒体である排ガスが移動する。なお、このように、熱媒体の移動が一方的なものでなく熱媒体が循環することを、本実施の形態では、ＳＯＦＣモジュールＭ１とＮａ二次電池モジュールＭ２とが「互いに熱交換が可能」であるという。
上述のように、Ｎａ二次電池２は３００〜４００℃で作動するものであるのに対し、ＳＯＦＣ１は８００〜１０００℃という高温で作動するものである。このため、ＳＯＦＣモジュールＭ１から流出した高温の排ガスは、保温ジャケット２２を通過することで、その温度が３００〜４００℃程度まで下がることになる。このように温度が低下した排ガスを再びＳＯＦＣモジュールＭ１側へ流入させることで、ＳＯＦＣ１の温度が１０００℃を超える高温にならないように、制御することができる。ＳＯＦＣモジュールＭ１に導入する排ガスの流量の調整は、第２バルブ２４及びバイパスバルブ２６を閉とした状態で、第１バルブ２３及び第３バルブ２５の開閉度を調節することにより行う。
【００２５】
以上、ＳＯＦＣモジュールＭ１（ＳＯＦＣ１）が作動している場合における排ガスの流れについて説明した。以下、ＳＯＦＣモジュールＭ１が停止した場合でもＮａ二次電池モジュールＭ２が独立運転可能な本実施の形態に係る発電システム（併合発電システム、発電プラント）について図５および図６を用いて説明する。図５は本実施の形態に係る発電システムの構成を示すブロック図、図６は本実施の形態に係る発電システムの電力の流れを示すブロック図である。
【００２６】
図５に示すように、本実施の形態に係る発電システムは、ＳＯＦＣモジュールＭ１、Ｎａ二次電池モジュールＭ２、Ｎａ二次電池モジュールＭ２を加熱するための加熱手段６０、そしてＳＯＦＣモジュールＭ１、Ｎａ二次電池モジュールＭ２および加熱手段６０を制御する制御部１００を備えて構成されている。
【００２７】
電熱ヒータ等から構成される加熱手段６０は、制御部１００の指示に基づいてＮａ二次電池２を加熱する。また、ＳＯＦＣモジュールＭ１が停止中であっても加熱手段６０が作動可能なように、加熱手段６０にも図示しない外部電源も接続されている。
【００２８】
また、制御部１００は、温度検出部１０１をさらに備えている。ここで、温度検出部１０１は、Ｎａ二次電池モジュールＭ２内に配置された熱電対１０２と、この熱電対１０２に接続されＮａ二次電池モジュールＭ２内の温度の変動を監視する温度モニタ装置（図示せず）を備えている。そして、温度検出部１０１は、温度モニタ装置による温度測定結果を適時、制御部１００に出力する。
【００２９】
ここで、図６に示すように、本実施の形態に係る発電システムは、ＳＯＦＣ１の発電により生み出された直流電力を、変換することなく直接、加熱手段６０に供給することを一つの特徴としている。従来は、発電所で発電された電力（直流電力）を、一旦インバータで交流電力に変換してから、送電していた。このため、加熱手段としては交流電力用の電熱ヒータ等を使用していた。しかしながら、直流電力から交流電力への電力変換の際に電力ロスが生じていた。ところが、本発明では加熱手段６０として直流電力用の電熱ヒータ等を使用し、さらに電力供給源としてＳＯＦＣモジュールＭ１からの直流電力を用いることとしたため、ＳＯＦＣモジュールＭ１からの直流電力を変換器を介さずに、つまり、直流電力の状態を維持したまま加熱手段６０に供給することができる。これにより、熱効率が従来よりも約５％向上する。また、加熱手段６０に電力を供給する際に、ＳＯＦＣモジュールＭ１からの電力（直流電力）を何ら変換する必要がないため、従来必要とされていたインバータが不要となる。
【００３０】
また、図５、図６に示したように、ＳＯＦＣモジュールＭ１とＮａ二次電池モジュールＭ２は、制御部１００を介して電気的に接続されており、ＳＯＦＣモジュールＭ１が発電した際の電力がＮａ二次電池モジュールＭ２に送られて貯蔵されるようになっている。制御部１００は、必要に応じてＳＯＦＣモジュールＭ１からの電力、およびＮａ二次電池モジュールＭ２に貯蔵された電力を放出させ、外部負荷に供給するが、ＳＯＦＣモジュールＭ１からの電力およびＮａ二次電池モジュールＭ２に貯蔵された電力はいずれも直流電力である。この直流電力を交流電力に変換するために、コンバータＣが設けられている。ＳＯＦＣモジュールＭ１からの電力をＮａ二次電池モジュールＭ２に貯蔵することなく外部負荷に供給する場合およびＮａ二次電池モジュールＭ２に貯蔵された電力を外部負荷に供給する場合のいずれにおいても、コンバータＣを共用することができる。よって、本実施の形態に係る発電システムによれば、設備費を低減できるという利点もある。
【００３１】
次に、制御部１００が、Ｎａ二次電池モジュールＭ２の温度をＮａ二次電池２の作動温度、つまり３００〜４００℃に保つために行う処理の手順を図７を用いて説明する。
まずステップＳ１０１において、温度検出部１０１は、Ｎａ二次電池モジュールＭ２内の温度を測定し、その測定結果を制御部１００に出力する。
続くステップＳ１０３において、制御部１００は、Ｎａ二次電池モジュールＭ２内の温度が所定の範囲内か否かを判定する。この判定は、温度検出部１０１からの温度測定結果と、制御部１００がその内部に保持している標準温度範囲とから判定される。ここで、標準温度範囲とは、Ｎａ二次電池２の作動に適した温度範囲を意味し、本実施の形態では標準温度範囲が３００〜４００℃に設定されているものとする。
ステップＳ１０３において温度が標準温度範囲内、つまり３００〜４００℃であると判定されると、ステップＳ１０１に戻る。一方、ステップＳ１０３において温度が標準温度範囲、つまり３００〜４００℃の範囲にはないと判定されると、ステップＳ１０５に進む。
【００３２】
ステップＳ１０５では、制御部１００は、温度検出部１０１からの温度測定結果が標準温度範囲を下回るか否かを判定する。ここで、標準温度範囲を下回ると判定されると、ステップＳ１０７に進む。
ステップＳ１０７では、制御部１００は、Ｎａ二次電池モジュールＭ２内の温度を上昇させるために加熱手段６０を作動させる。ここで、加熱手段６０がすでに作動中である場合には、設定温度をさらに上げるように加熱手段６０を制御する。なお、ＳＯＦＣモジュールＭ１が停止中であっても加熱手段６０が作動できるように、加熱手段６０はＳＯＦＣモジュールＭ１以外の電源からも電力が供給されうる状態となっている。
【００３３】
一方、ステップＳ１０５において、温度検出部１０１からの温度測定結果が標準温度範囲を上回ると判定されると、ステップＳ１０９に進む。
ステップＳ１０９では、制御部１００は、加熱手段６０が作動中であるか否かを判定し、作動中であると判定された場合にはステップＳ１１１に進む。ステップＳ１１１では、制御部１００は加熱手段６０の作動を停止させる、もしくは加熱手段６０の設定温度を下げるように制御する。
ステップＳ１０９において、加熱手段６０が作動中ではないと判定されると、ステップＳ１１３に進む。このステップＳ１１３では、制御部１００は、Ｎａ二次電池２の温度を下げるために、図２に示した冷却媒体流路５Ｄを介して、冷却媒体をＮａ二次電池モジュールＭ２内に流入させるように制御する。
【００３４】
図７に基づいて制御部１００の処理の流れを説明したが、このように、本実施の形態に係る発電システムでは、Ｎａ二次電池モジュールＭ２内の温度測定結果に基づき、必要に応じて加熱手段６０を作動させる。これにより、ＳＯＦＣモジュールＭ１が停止したためにＳＯＦＣモジュールＭ１からの排ガスによってＮａ二次電池モジュールＭ２を加熱できない場合であっても、Ｎａ二次電池モジュールＭ２を適温に保つことができる。これにより、ＳＯＦＣモジュールＭ１とＮａ二次電池モジュールＭ２とを独立して運転することが可能となる。
【００３５】
以上詳述したように、本実施の形態に係る発電システムにおいては、高効率のＳＯＦＣモジュールＭ１と大電力貯蔵可能なＮａ二次電池モジュールＭ２とを組み合わせ、ＳＯＦＣモジュールＭ１からの排ガスを利用してＮａ二次電池モジュールＭ２を加熱するようにした。これにより、発電効率の高い発電システムを実現することができる。また、Ｎａ二次電池モジュールＭ２に付随して加熱手段６０を設けて、Ｎａ二次電池モジュールＭ２の温度を適温に保つことができるようにした。これにより、ＳＯＦＣ１が停止した場合や、ＳＯＦＣ１が運転中であるがＮａ二次電池モジュールＭ２内の温度が所定の温度よりも低くなってしまったような場合であっても、Ｎａ二次電池モジュールＭ２を独立して運転させることができる。また、ＳＯＦＣモジュールＭ１の排ガスで蒸気タービン発電機３も作動させるようにしているので、発電システムとしての発電効率を高めることができ、負荷率を低下させることができる。さらに、ＳＯＦＣモジュールＭ１から流出した排ガスを循環させて、Ｎａ二次電池モジュールＭ２を収容する保温ジャケット２２を経て再びＳＯＦＣモジュールＭ１側へ流入させるようにしたため、作動中のＳＯＦＣ１の温度が１０００℃を超える程度の高温となることを防止することができる。
【００３６】
また、本実施の形態に係る発電システムにおいては、ＳＯＦＣモジュールＭ１とＮａ二次電池モジュールＭ２がそれぞれ独立したモジュールとして存在するため、システムの保守・点検等の際に、Ｎａ二次電池モジュールＭ２、さらにはＮａ二次電池モジュールＭ２内のＮａ二次電池２の取出および交換が容易となる。このため、本実施の形態に係る発電システムによれば、高効率な発電を行うことができるとともに、システムの保守性にも優れる。
さらにはＳＯＦＣモジュールＭ１の作動中に、加熱手段６０として直流電力用のヒータ等を使用するとともに電力としてＳＯＦＣモジュールＭ１からの直流電力を用いるようにすれば、熱効率を従来よりも向上させることができる。
【００３７】
なお、上記の実施の形態では、二次電池として３００〜４００℃の温度範囲で作動するナトリウム二次電池を用いる場合を例にして説明したが、ナトリウム二次電池に限らず、リチウム電池等、他の高温型二次電池を用いて二次電池モジュールを構成することも可能である。同様に、燃料電池としてＳＯＦＣ１を用いる場合について説明したが、ＳＯＦＣ１に限らず、他の燃料電池、例えば電解質に固体高分子を使った固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌｓ）等を用いて燃料電池モジュールを構成することももちろん可能である。また、熱媒体として排ガスを用いる場合を例にして説明したが、温水等を熱媒体として用いてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、システムの保守性に優れ、かつ高効率な併合発電システム等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る発電プラントの部分断面斜視図である。
【図２】本実施の形態に係る発電プラントの概略構成図である。
【図３】ナトリウム二次電池の内部構造を示す概略図である。
【図４】ナトリウム二次電池の作動原理を示す図である。
【図５】本実施の形態に係る発電システムの構成を示すブロック図である。
【図６】本実施の形態に係る発電システムの電力の流れを示すブロック図である。
【図７】制御部が、Ｎａ二次電池モジュールの温度を標準温度範囲内に保つために行う処理の手順を示す図である。
【図８】一日における電力需要曲線である。
【符号の説明】
１…ＳＯＦＣ（燃料電池、給電装置、発電装置）、２…Ｎａ二次電池（二次電池、電力貯蔵装置）、３…蒸気タービン発電機（給電装置）、５Ａ…第１排ガス流路、５Ｂ…第２排ガス流路、５Ｃ…第３排ガス流路、２１…電池部、２２…保温ジャケット、３０…収容体（第１の収容体）、４１…収容体（第２の収容体）、６０…加熱手段、１００…制御部、１０１…温度検出部、Ｍ１…ＳＯＦＣモジュール、Ｍ２…Ｎａ二次電池モジュール、Ｃ…コンバータ

Claims

酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学的に反応させて電力を得るようにした燃料電池本体と、前記燃料電池本体を収容する第１の収容体とを含む燃料電池モジュールと、
前記燃料電池本体から供給される電力を貯蔵可能な二次電池と、前記二次電池を収容する第２の収容体とを含む二次電池モジュールと、
熱媒体を循環させて前記燃料電池モジュールと前記二次電池モジュールとの相互の熱交換を行う熱交換手段と、
を備えたことを特徴とする併合発電システム。
前記熱媒体は前記燃料電池モジュールから発生する排熱であることを特徴とする請求項１に記載の併合発電システム。
前記二次電池モジュールに付随して、前記二次電池を加熱する加熱手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の併合発電システム。
前記加熱手段に対する電力の供給は、前記燃料電池本体によって行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の併合発電システム。
電力を供給する給電装置と、
前記給電装置によって供給された電力を貯蔵する二次電池と、
前記二次電池を加熱する加熱手段と、を備えた発電プラントであって、
前記二次電池および前記給電装置は、前記二次電池と前記給電装置の間を循環する熱媒体によって互いに熱交換が可能であり、かつ、
前記加熱手段は、前記二次電池の独立運転を妨げる事態が発生したときに作動することを特徴とする発電プラント。
前記給電装置および前記二次電池が共用するコンバータをさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の発電プラント。
前記給電装置は燃料電池であり、前記二次電池はナトリウム二次電池であることを特徴とする請求項５または６に記載の発電プラント。
前記燃料電池および前記ナトリウム二次電池は、それぞれ独立したモジュールを構成していることを特徴とする請求項７に記載の発電プラント。
発電装置と二次電池を用いて発電を行う発電プラントにおける二次電池の保温方法であって、
前記発電装置が電力を発電する際に生じた排ガスを、前記二次電池側に供給する工程と、
前記排ガスと前記二次電池との間で熱交換を行って前記二次電池を加熱する工程と、
前記熱交換された前記排ガスを、前記発電装置側にて回収する工程と、
を備えたことを特徴とする二次電池の保温方法。