(57)【要約】  運転状態を最適化して発電出力を向上することができる燃料電池の温度分布制御システム、燃料電池、及び温度分布制御方法を提供することを目的とする。空気極と固体電解質と燃料極（１０９）とが積層されて形成されている燃料電池セルにおいて空気極側を流れる酸化性ガスと燃料極側を流れる燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部を有するセルスタックを備える燃料電池（３１３）の温度分布制御システムであって、発電部における燃料ガスの供給部の温度を計測する温度計測部と、温度計測部による計測結果に基づいて、燃料ガスの供給部の温度を予め設定された適正温度範囲内に制御することで、発電部における燃料ガス流れ方向の温度分布状態を制御する制御部とを備える。
2019163421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極と固体電解質と燃料極とが積層されて形成されている燃料電池セルにおいて前記空気極側を流れる酸化性ガスと前記燃料極側を流れる燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部を有するセルスタックを備える燃料電池の温度分布制御システムであって、
前記発電部における前記燃料ガスの供給部の温度を計測する温度計測部と、
前記温度計測部による計測結果に基づいて、前記燃料ガスの供給部の温度を予め設定された適正温度範囲内に制御することで、前記発電部における燃料ガス流れ方向の温度分布状態を制御する制御部と、
を備える燃料電池の温度分布制御システム。
【請求項２】
前記適正温度範囲は、前記発電部における中央部の温度に基づいて決定される請求項１に記載の燃料電池の温度分布制御システム。
【請求項３】
前記燃料極へ供給される前記燃料ガスは、前記発電部の燃料極側から排出された排燃料ガスの少なくとも一部を排燃料ガスの再循環流量として含み、
前記制御部は、前記排燃料ガスの再循環流量を増減することによって、前記燃料ガスの供給部の温度を予め設定された前記適正温度範囲内に制御する排燃料ガス再循環流量制御部を備える請求項１または２に記載の燃料電池の温度分布制御システム。
【請求項４】
前記制御部は、燃料利用率を増減することによって、前記燃料ガスの供給部の温度を予め設定された前記適正温度範囲内に制御する燃料利用率制御部を備える請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池の温度分布制御システム。
【請求項５】
前記制御部は、前記酸化性ガスの温度を制御することによって、前記燃料ガスの供給口付近の温度を予め設定された前記適正温度範囲内に制御する酸化性ガス温度制御部を備える請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池の温度分布制御システム。
【請求項６】
酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部と、
請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池の温度分布制御システムと、
を備えた燃料電池。
【請求項７】
空気極と固体電解質と燃料極とが積層されて形成されている燃料電池セルにおいて前記空気極側を流れる酸化性ガスと前記燃料極側を流れる燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部とを有する複数のセルスタックを備える燃料電池の温度分布制御方法であって、
前記発電部における前記燃料ガスの供給部の温度を計測する温度計測工程と、
前記温度計測工程による計測結果に基づいて、前記燃料ガスの供給部の温度を予め設定された適正温度範囲内に制御することで、前記発電部における燃料ガス流れ方向の温度分布状態を制御する制御工程と、
を含む燃料電池の温度分布制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の温度分布制御システム、燃料電池、及び温度分布制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の一方式である固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。ＳＯＦＣのセルスタック（発電部）において、空気極側に空気などの酸化性ガスが供給されるとともに、電解質を挟んで設けた燃料極側に前述した燃料ガスを供給して、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気で反応させて発電を行っている。ＳＯＦＣにおいて、酸化性ガスと燃料ガスとの反応による発電量は温度依存特性を有しているため、発電量は温度低下に従って低下する。【０００３】
特許文献１には、セルスタックにおける燃料ガス入口側の温度が所定温度より低くならないように制御して、発電性能低下を抑制することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１４２９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＳＯＦＣセルスタックは長尺構造であり、セルスタックにおける燃料ガス流れ方向（長手方向）における温度分布状態は、セルスタックの発電領域の中央付近の温度に対して発電領域の燃料ガスの供給口付近の温度及び発電領域の燃料ガスの排出口付近の温度が低下した状態である弓型温度分布状態となる。すなわち、セルスタックにおける発電領域の中央付近の温度を高温状態に保っても、発電領域の燃料ガスの入口側付近の温度や、燃料ガスの排出口側付近の温度が低下していた場合には、温度の低い領域付近のセルの抵抗が大きくなり発電量が低下し、ＳＯＦＣセルスタックの出力が低下する可能性がある。【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、運転状態を最適化して発電出力を向上することができる燃料電池の温度分布制御システム、燃料電池、及び温度分布制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１態様は、空気極と固体電解質と燃料極とが積層されて形成されている燃料電池セルにおいて前記空気極側を流れる酸化性ガスと前記燃料極側を流れる燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部を有するセルスタックを備える燃料電池の温度分布制御システムであって、前記発電部における前記燃料ガスの供給部の温度を計測する温度計測部と、前記温度計測部による計測結果に基づいて、前記燃料ガスの供給部の温度を予め設定された適正温度範囲内に制御することで、前記発電部における燃料ガス流れ方向の温度分布状態を制御する制御部と、を備える燃料電池の温度分布制御システムである。【０００８】
上記のような構成によれば、発電部（セルスタックの発電領域）における燃料ガスの供給部の温度を制御対象とした。発電部における燃料ガス流れ方向の温度分布状態は、発電部の中央部の温度に対して燃料ガスの供給部の温度及び燃料ガスの排出部の温度が低下した状態である弓型温度分布状態となっており、該弓型温度分布の温度差や温度分布状態は、発電部における燃料ガスの供給部の温度により略一意的に推定することができる。すなわち、発電部における燃料ガスの供給部の温度の制御によって、発電部全体の温度分布状態を制御することができる。例えば、発電部における燃料ガス流れ方向の温度分布状態において、発電部における燃料ガスの供給部の温度が過度に低い場合には、燃料ガスの排出部の温度も過度に低下し、発電部全体の発電量が低下する。一方で、燃料ガスの供給部の温度が過度に高い場合でも、燃料ガスの排出部の温度が低くなり、発電部全体の発電量が低下する。このように、発電部における燃料ガスの供給部の温度に応じて、燃料ガスの排出部の温度が低くなり、発電部全体の発電量低下を招く可能性がある。そこで、燃料ガスの供給部の温度を予め設定された適正温度範囲内に制御することで、発電部における燃料ガス流れ方向の温度分布状態を適切に制御し、燃料ガス排出部の温度も適正温度（高温状態）とすることができる。このため、発電部における燃料ガスの供給部の温度を予め設定された適正温度範囲内に制御することで、発電部における運転状態を最適化し、発電出力を向上することが可能となる。発電部における燃料ガスの供給部の温度とは、発電部における燃料ガスの供給口付近の温度である。【０００９】
従来では、燃料電池発電システムの試運転調整時や燃料の種類や条件などが変更された時には、セルスタックの発電部の温度分布状態が変わり、この発電部の温度分布による発電量低下を抑制するために、運転員が試行錯誤を繰り返しなら各運転条件の調整を行っていた。このため、運転条件調整に時間を要し、効率的に発電部全体における運転温度状態を最適化することが困難であった。しかしながら、燃料ガスの供給部の温度を予め設定された適正温度範囲内に制御することで発電部における温度分布状態を最適化することができるため、燃料種類の多様化に対して、発電出力を向上し、運転条件調整にかかる時間を短縮し、運転員の作業負担を軽減することができる。【００１０】
上記温度分布制御システムにおいて、前記適正温度範囲は、前記発電部における中央部の温度に基づいて決定されることとしてもよい。【００１１】
上記のような構成によれば、適正温度範囲を発電部における中央付近の温度に基づいて決定することとしたため、適正温度範囲を容易に設定することが可能となる。例えば、適正温度範囲は、発電部の燃料ガス流れ方向における中央部の温度に対して、８０％以上かつ９０％以下の範囲に設定される。【００１２】
上記温度分布制御システムにおいて、前記燃料極へ供給される前記燃料ガスは、前記発電部の燃料極側から排出された排燃料ガスの少なくとも一部を排燃料ガスの再循環流量として含み、前記制御部は、前記排燃料ガスの再循環流量を増減することによって、前記燃料ガスの供給部の温度を予め設定された前記適正温度範囲内に制御する排燃料ガス再循環流量制御部を備えることとしてもよい。【００１３】
上記のような構成によれば、排燃料ガスの再循環流量を増減することによって、燃料ガスの供給部の温度を予め設定された適正温度範囲内に制御する。排燃料ガスは、発電部で発電反応に寄与しなかった可燃性ガスであるメタン（ＣＨ４）等を含んでいる。このため、燃料ガスの供給部では、排燃料ガスの改質反応（例えば、可燃性ガスであるメタン（ＣＨ４）と水蒸気とが反応して、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する）による吸熱作用により、温度低下が発生する。すなわち、排燃料ガスの再循環流量と、発電部における燃料ガスの供給部の温度とは相関関係を有する。このため、排燃料ガスの再循環流量を制御することにより、発電部における燃料ガスの供給部の温度を調整することができる。例えば、排燃料ガスの再循環流量を減らすことで、排燃料ガスの改質反応、すなわち吸熱作用を抑制し、燃料ガスの供給部の温度を上昇させることができる。以上より、排燃料ガスの再循環流量を増減することによって、発電部における運転状態を最適化し、発電出力を向上することが可能となる。【００１４】
上記温度分布制御システムにおいて、前記制御部は、燃料利用率を増減することによって、前記燃料ガスの供給部の温度を予め設定された前記適正温度範囲内に制御する燃料利用率制御部を備えることとしてもよい。【００１５】
上記のような構成によれば、燃料利用率を増減することによって燃料ガスの供給部の温度を予め設定された適正温度範囲内に制御するため、発電部における運転状態を最適化し、発電出力を向上することが可能となる。燃料ガスの供給部では、燃料ガスの改質（例えば、可燃性ガスであるメタン（ＣＨ４）と水蒸気とが反応して、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する）による吸熱作用により、温度低下が発生する。すなわち、燃料ガスに含まれる可燃性ガスを発電反応に用いる割合である燃料利用率の増減に伴って改質反応量も増減の変化をするので、燃料利用率と発電部における燃料ガスの供給部の温度とは相関関係を有する。このため、総燃料ガスの燃料利用率を制御することにより、発電部における燃料ガスの供給部の温度を調整することができる。例えば、可燃性ガスの流量を増加させて燃料利用率を減らすこと、可燃性ガスの改質反応、すなわち吸熱作用を促進し、燃料ガスの供給部の温度を低下させることができる。燃料利用率とは、外部から供給した燃料に対して発電反応に利用された燃料の割合である。【００１６】
上記温度分布制御システムにおいて、前記制御部は、前記酸化性ガスの温度を制御することによって、前記燃料ガスの供給口付近の温度を予め設定された前記適正温度範囲内に制御する酸化性ガス温度制御部を備えることとしてもよい。【００１７】
上記のような構成によれば、酸化性ガスの温度を制御することによって燃料ガスの供給口付近（供給部）の温度を予め設定された前記適正温度範囲内に制御するため、発電部における運転状態を最適化し、発電出力を向上することが可能となる。一般的に、酸化性ガスは発電部全体の冷却源となっており、燃料電池における発電部全体の温度に影響している。このため、酸化性ガスの温度を制御することによって、燃料ガスの供給部を含む発電部全体の温度を制御することができる。【００１８】
本発明の第２態様は、酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部と、上記の燃料電池の温度分布制御システムと、を備えた燃料電池である。【００１９】
本発明の第３態様は、空気極と固体電解質と燃料極とが積層されて形成されている燃料電池セルにおいて前記空気極側を流れる酸化性ガスと前記燃料極側を流れる燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部とを有する複数のセルスタックを備える燃料電池の温度分布制御方法であって、前記発電部における前記燃料ガスの供給部の温度を計測する温度計測工程と、前記温度計測工程による計測結果に基づいて、前記燃料ガスの供給部の温度を予め設定された適正温度範囲内に制御することで、前記発電部における燃料ガス流れ方向の温度分布状態を制御する制御工程と、を含む燃料電池の温度分布制御方法である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、燃料電池において、運転状態を最適化して発電出力を向上することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。
【図２】本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。
【図３】本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの断面の一態様を示すものである。
【図４】本発明の一実施形態に係る発電システムの一態様を示すものである。
【図５】本発明の一実施形態に係る発電システムにおける制御装置が備える機能を示した機能ブロック図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る発電システムのセルスタックにおける温度分布状態を例示した図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る発電システムに係る排燃料ガス流量制御と燃料利用率制御におけるセルスタックにおける温度Ｔ２と温度Ｔ３との関係を例示した図である（流量がある一定の値以上の場合）。
【図８】本発明の一実施形態に係る発電システムに係る排燃料ガス流量制御と燃料利用率制御におけるセルスタックにおける温度Ｔ２と温度Ｔ３との関係を例示した図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る発電システムに係る酸化性ガス流量制御におけるセルスタックにおける温度Ｔ２と温度Ｔ３との関係を例示した図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る温度分布制御部による温度分布制御のフローチャートを示した図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る温度分布制御部による排燃料ガス流量制御のフローチャートを示した図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る温度分布制御部による燃料利用率制御のフローチャートを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明に係る燃料電池の温度分布制御システム、燃料電池、及び温度分布制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。
【００２３】
以下においては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。基体上に燃料電池セルを形成するが、基体ではなく電極（燃料極もしくは空気極）が厚く形成されて、基体を兼用したものでも良い。
【００２４】
まず、図１を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図１は、実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを備える。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル１０５の燃料極１０９に電気的に接続されたリード膜１１５を備える。
【００２５】
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。
【００２６】
燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。燃料極１０９の厚さは５０〜２５０μｍであり、燃料極１０９はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２−）とを固体電解質１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
ＳＯＦＣ１０の燃料極１０９に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭などの炭素質原料をガス化設備により製造したガスなどが挙げられる。
【００２７】
固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極に移動させるものである。燃料極１０９の表面上に位置する固体電解質１１１の膜厚は１０〜１００μｍであり固体電解質１１１はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。
【００２８】
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成され、空気極１１３はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）を生成するものである。
空気極１１３は２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質１１１側の空気極層（空気極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層（空気極導電層）は、Ｓｒ及びＣａドープＬａＭｎＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
酸化性ガスとは，酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。
【００２９】
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ１０７は、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。
【００３０】
リード膜１１５は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材やＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。
【００３１】
次に、図２と図３とを参照して本実施形態に係るＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。ここで、図２は、実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。図３は、実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図を示すものである。
【００３２】
ＳＯＦＣモジュール２０１は、図２に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを備える。図２には円筒形のＳＯＦＣのセルスタックを例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａ及び燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを備える。ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）及び酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを備える。
【００３３】
燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。
【００３４】
燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。
【００３５】
圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約３ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。
【００３６】
ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。
【００３７】
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図３に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室２２１と、酸化性ガス排出室２２３とを備える。ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを備える。本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１と酸化性ガス排出室２２３とが図３のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
【００３８】
発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置された領域であり、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。この発電室２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、温度計測部（温度センサや熱電対など）で監視され、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。
【００３９】
燃料ガス供給室２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。複数のセルスタック１０１は、上部管板２２５ａとシール部材２３７ａにより接合されており、燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。
【００４０】
燃料ガス排出室２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。複数のセルスタック１０１は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。
【００４１】
ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給室２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの側面に設けられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給室２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。
【００４２】
酸化性ガス排出室２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの側面に設けられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出室２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出室２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。
【００４３】
上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給室２１７と酸化性ガス排出室２２３とを隔離するものである。
【００４４】
上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを備える。
【００４５】
この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出室２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出室２２３に導くものである。
【００４６】
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室２２３に供給される。燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。
【００４７】
下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１とを隔離するものである。
【００４８】
下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを備える。
【００４９】
この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給室２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給室２２１に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。
【００５０】
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室２１９に供給される。酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。
【００５１】
発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された直流電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先（例えば、負荷設備や電力系統）へと供給される。
【００５２】
本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成について説明する。
図４は、本発明の一実施形態に係る複合発電システム（以下「発電システム」という。）３１０の概略構成を示した概略構成図である。図４に示すように、発電システム３１０は、マイクロガスタービン（以下「ＭＧＴ」という。）３１１、発電機３１２、ＳＯＦＣ３１３（燃料電池３１３）、及び制御装置３８０を備えている。ＳＯＦＣ３１３は、図示しないＳＯＦＣモジュールが１つまたは複数が組み合わされて構成され、以降は単に「ＳＯＦＣ」と記載する。この発電システム３１０は、ＭＧＴ３１１による発電と、ＳＯＦＣ３１３による発電とを組み合わせることで、高い発電効率を得るように構成されている。なお、本実施形態ではマイクロガスタービン（ＭＧＴ）３１１を使用したシステムを説明しているが、ＭＧＴ３１１に代えてターボチャージャーを使用してもよい。ＭＧＴ３１１は、燃焼ガスＧによりタービン３２３が回転し、圧縮機３２１による空気Aの圧縮と、発電機３１２による発電とを行い、燃焼ガスＧのエネルギを回収する。また、図示していないターボチャージャーは、燃焼ガスＧによりタービン３２３が回転し、圧縮機３２１による空気Aの圧縮を行い、燃焼ガスＧのエネルギを回収する。
【００５３】
ＭＧＴ３１１は、圧縮機３２１、燃焼器３２２、タービン３２３を備えており、圧縮機３２１とタービン３２３とは回転軸３２４により一体回転可能に連結されている。後述するタービン３２３が回転することで圧縮機３２１が回転駆動する。圧縮機３２１は、空気取り込みライン３２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。
燃焼器３２２には、第１酸化性ガス供給ライン３２６を介して圧縮機３２１からの空気Ａの少なくとも一部である空気Ａ１が供給されるとともに、第１燃料ガス供給ライン３５１を介して燃料ガスＬ１が供給される。第１酸化性ガス供給ライン３２６には、燃焼器３２２へ供給する空気Ａ１の空気量を調整するための制御弁３２７が設けられ、第１燃料ガス供給ライン３５１には、燃焼器３２２へ供給する燃料ガス流量を調整するための制御弁３５２が設けられている。更に、燃焼器３２２には、後述するＳＯＦＣ３１３の燃料ガス再循環ライン３４９を循環する排燃料ガスＬ３の一部が排燃料ガス供給ライン３４５を通じて供給される。排燃料ガス供給ライン３４５には、燃焼器３２２に供給する排燃料ガス量を調整するための制御弁３４７が設けられている。更に、燃焼器３２２には、後述する排酸化性ガス供給ライン３３４を通じてＳＯＦＣ３１３の空気極１１３で用いられた排空気Ａ３の一部が供給される。
【００５４】
燃焼器３２２は、燃料ガスＬ１、空気Ａの一部（空気Ａ１）、排燃料ガスＬ３、及び排空気Ａ３を混合して燃焼させ、燃焼ガスＧを生成する。燃焼ガスＧは燃焼ガス供給ライン３２８を通じてタービン３２３に供給される。タービン３２３は、燃焼ガスＧが断熱膨張することにより回転し、排ガスが燃焼排ガスライン３２９から排出される。
発電機３１２は、タービン３２３と同軸上に設けられており、タービン３２３が回転駆動することで発電する。
【００５５】
燃焼器３２２に供給する燃料ガスＬ１及び後述する燃料ガスＬ２は可燃性ガスであり、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を気化させたガスあるいは天然ガス、都市ガス、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）等の炭化水素ガス、及び炭素質原料（石油や石炭等）のガス化設備により製造されたガス等が用いられる。燃料ガスとは、予め発熱量が略一定に調整された燃料ガスを意味する。
【００５６】
熱交換器３３０は、タービン３２３から排出された排ガスと圧縮機３２１から供給される空気Ａとの間で熱交換を行う。排ガスは、空気Ａとの熱交換で冷却された後に、図示しない煙突を通して外部に放出される。
【００５７】
ＳＯＦＣ３１３は、還元剤として燃料ガスＬ２と、酸化剤として空気Ａ２とが供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行う。このＳＯＦＣ３１３は、図示しないＳＯＦＣモジュールから構成され、ＳＯＦＣモジュールの圧力容器内に設けた複数のセルスタックの集合体が収容されており、図示しないセルスタックには、燃料極１０９と空気極１１３と固体電解質１１１を備えている。
ＳＯＦＣ３１３は、空気極１１３に空気Ａ２が供給され、燃料極１０９に燃料ガスＬ２が供給されることで発電して、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の交流電力へと変換される。
本実施形態では、ＳＯＦＣ３１３に供給される酸化性ガスとして、圧縮機３２１によって圧縮された空気Ａの少なくとも一部（空気Ａ２）を採用する場合を例示して説明する。
【００５８】
ＳＯＦＣ３１３には、第１酸化性ガス供給ライン３２６から分岐した第２酸化性ガス供給ライン３３１を通じて酸化性ガスとして空気Ａ２が空気極１１３の図示しない酸化性ガス導入部に供給される。この第２酸化性ガス供給ライン３３１には、供給する空気Ａ２の流量を調整するための制御弁３３５が設けられている。第１酸化性ガス供給ライン３２６において、第２酸化性ガス供給ライン３３１の分岐点よりも空気Ａ２の上流側（換言すると、圧縮機３２１側）には、熱交換器３３０が設けられている。熱交換器３３０において、空気Ａは、燃焼排ガスライン３２９から排出される排ガスとの間で熱交換されて昇温される。更に、第２酸化性ガス供給ライン３３１には、熱交換器３３０をバイパスするバイパスライン３３２が設けられている。バイパスライン３３２には、制御弁３３６が設けられ、空気Ａのバイパス流量が調整可能とされている。制御弁３３５、３３６の開度が後述する制御装置３８０によって制御されることで、熱交換器３３０を通過する空気Ａと熱交換器３３０をバイパスする空気Ａとの流量割合が調整され、空気Ａの一部である第２酸化性ガス供給ライン３３１を通じてＳＯＦＣ３１３に供給される空気Ａ２の温度が調整される。ＳＯＦＣ３１３に供給される空気Ａ２の温度は、ＳＯＦＣ３１３を構成する図示しないＳＯＦＣモジュール内部の各構成機器の材料に損傷を与えないよう温度の上限が制限されている。
【００５９】
更に、第２酸化性ガス供給ライン３３１には、可燃性ガスとして燃料ガスＬ２を供給する空気極燃料供給ライン３７１が接続されている。空気極燃料供給ライン３７１には、第２酸化性ガス供給ライン３３１へ供給する燃料ガス量を調整するための制御弁３７２が設けられている。制御弁３７２の弁開度が後述する制御装置３８０によって制御されることにより、空気Ａ２に添加される燃料ガスＬ２の供給量が調整される。空気Ａ２に添加される燃料ガスＬ２の量は、可燃限界濃度以下で供給され、より好ましくは３体積％以下で供給される。
【００６０】
ＳＯＦＣ３１３には、空気極１１３で用いられた排空気Ａ３を排出する排酸化性ガス排出ライン３３３が接続されている。この排酸化性ガス排出ライン３３３には、燃焼器３２２に排空気Ａ３を供給するための排酸化性ガス供給ライン３３４が接続されている。排酸化性ガス供給ライン３３４には、ＳＯＦＣ３１３とＭＧＴ３１１との間の系統を切り離すための遮断弁３３８が設けられている。
排酸化性ガス排出ライン３３３には、空気極１１３で用いられた排空気Ａ３を系統外へ排出する排酸化性ガス量を調整するための制御弁（もしくは遮断弁）３３７が設けられている。
【００６１】
ＳＯＦＣ３１３には、更に、燃料ガスＬ２を燃料極１０９の図示しない燃料ガス導入部に供給する第２燃料ガス供給ライン３４１と、燃料極１０９で反応に用いられた後の排燃料ガスＬ３を排出する排燃料ガスライン３４３とが接続されている。第２燃料ガス供給ライン３４１には、燃料極１０９に供給する燃料ガスＬ２の流量を調整するための制御弁３４２が設けられ、排燃料ガスライン３４３には燃料極１０９で反応に用いられた後の排燃料ガスＬ３を系統外へ排出する排燃料ガス量を調整するための制御弁（もしくは遮断弁）３４６が設けられている。排燃料ガスライン３４３の制御弁３４６と、排酸化性ガス排出ライン３３３の制御弁３３７を制御することにより、排燃料ガスＬ３もしくは排空気Ａ３を系外に排出することで過剰になった圧力を素早く調整することができる。ＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９と空気極１１３の差圧（以下、燃料空気差圧）は、燃料極１０９側が所定の圧力範囲で高くなるように、制御弁３４７により制御する。排燃料ガスライン３４３には、排燃料ガスＬ３をＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９の燃料ガス導入部へと再循環させるための燃料ガス再循環ライン３４９が接続されている。燃料ガス再循環ライン３４９には、排燃料ガスＬ３を再循環させるための再循環ブロワ３４８が設けられている。すなわち、ＳＯＦＣ３１３に供給される燃料ガスは、第２燃料ガス供給ライン３４１を介して供給される燃料ガスＬ２（可燃性ガス）と、燃料ガス再循環ライン３４９を介して供給される排燃料ガスＬ３との混合ガスである。
【００６２】
更に、燃料ガス再循環ライン３４９には、燃料極１０９に燃料ガスＬ２を改質するための純水を供給する純水供給ライン３６１が設けられている。純水供給ライン３６１にはポンプ３６２が設けられている。ポンプ３６２の吐出流量が制御装置３８０によって制御されることにより、燃料極１０９に供給される純水量が調整される。
【００６３】
燃料ガス中の炭素に対する水蒸気のモル比率をＳ／Ｃ（スチームカーボン比）という。ＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９側の系統入口付近において、Ｓ／Ｃは燃料の内部改質を行うためには量論的に１．０以上が必要で、更に図示しないセルスタックの付近にてＳ／Ｃが低くなる領域があると炭素が析出する恐れがある。炭素析出防止と改質率促進のためにＳ／Ｃ≧３．０であることが好ましい。一方、Ｓ／Ｃが多すぎると、最終的に発電システム３１０の系外に排出される排ガス中の水蒸気含有量が増加し、この潜熱分が無駄な熱量として系外に排出されてシステム効率が低下する。この為、Ｓ／Ｃの運転状態に合わせて過剰とならない適切な量のＳ／Ｃを設定できることが望ましく、ＳＯＦＣ３１３の定格運転時では、例えばＳ／Ｃが３．０〜５．０、好ましくは３．５〜５．０となるよう設定されている。
燃料ガス再循環ライン３４９を経由した排燃料ガスＬ３の再循環を行う場合においては、第２燃料ガス供給ライン３４１によりＳＯＦＣ３１３に供給される燃料ガスＬ２のＳ／Ｃが規定値よりも低いとき、第２燃料ガス供給ライン３４１に純水供給ライン３６１を介して純水を供給し、純水が第２燃料ガス供給ライン３４１内で水蒸気となって供給されることによって、不足する水蒸気を補う。ＳＯＦＣの起動時又は停止動作時など、再循環流量に対して供給される燃料ガスＬ２の流量が少ないと、相対的にＳ／Ｃが高くなるため、ＳＯＦＣ３１３へ供給する燃料ガスＬ２を増加もしくは純水量を低減させてもよい。
【００６４】
制御装置３８０は、例えば、発電システム（複合発電システム）３１０に備える圧力計及び各温度計測部、流量計などの計測値等に基づき、各遮断弁及び各流量調整弁の制御を行う。具体的には、制御装置３８０は、発電システム３１０の起動及び停止の制御、及びＳＯＦＣの運転状態の最適化制御を行う。
【００６５】
制御装置３８０は、例えば、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
【００６６】
図５は、制御装置３８０が備える機能を示した機能ブロック図である。図５に示されるように、制御装置３８０は、起動停止制御部２と、温度分布制御部３とを備えている。
【００６７】
起動停止制御部２は、発電システム３１０の起動及び停止を制御している。具体的には、起動停止制御部２は、発電システム３１０を起動する場合、ＭＧＴ３１１が起動した後にＳＯＦＣ３１３が起動する。発電システム３１０の起動及び停止の詳細は後述する。
【００６８】
図６は、発電システム３１０のセルスタック１０１の発電領域１２０における温度分布状態を例示している。セルスタック１０１は、燃料電池セル１０５が配置された発電領域（発電部）１２０を有しており、発電領域１２０の燃料ガス供給側の一端に燃料ガスの供給部１２０ａがあり、発電領域１２０の長手方向の中央付近に中央部１２０ｂがあり、発電領域１２０の燃料ガスの排出側の他端に燃料ガスの排出部１２０ｃがある。
【００６９】
温度分布制御部３（図５参照）は、温度計測部によるセルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２の計測結果に基づいて、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を予め設定された適正温度範囲内に制御することで、セルスタック１０１全体における燃料ガス流れ方向（長手方向）の発電領域１２０の温度分布状態を制御する。このため、温度分布制御部３は、排燃料ガス流量制御部４と燃料利用率制御部５と、酸化性ガス温度制御部６とを備えている。セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａとは、換言すると、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置された領域における燃料ガス流れの上流側の領域（好ましくは最上流側の領域）である。本実施形態では、発電室２１５内における上部断熱体２２７ａ近傍の領域（もしくは、セルスタック１０１の長手方向において燃料ガス供給室２１７近傍の領域としてもよい）であり、セルスタック１０１長手方向において比較的低い温度雰囲気の領域である。セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの排出部１２０ｃとは、換言すると、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置された領域における燃料ガス流れの下流側の領域（好ましくは最下流側の領域）である。本実施形態では、発電室２１５内における下部断熱体２２７ｂ近傍の領域（もしくはセルスタック１０１の長手方向において燃料ガス排出室２１９近傍の領域としてもよい）であり、セルスタック１０１長手方向において比較的低い温度雰囲気の領域である。セルスタック１０１の発電領域１２０の中央部１２０ｂとは、換言すると、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置された発電領域１２０における燃料ガス流れ方向に対する略中央もしくは略中央からやや燃料ガス流れの上流側を含む領域であり、発電領域１２０の長手方向において最も高い温度雰囲気もしくは比較的高い温度雰囲気の領域である。
【００７０】
温度計測部は、例えばＳＯＦＣカートリッジ２０３の間に複数設置して温度を計測してもよく、本実施形態での例えば図３および６において、発電室２１５内における上部断熱体２２７ａ近傍の領域における温度Ｔ２（セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度）を計測するよう設置されており、温度計測部による計測結果は、温度分布制御部３へ出力される。温度計測部は、ＳＯＦＣモジュール２０１を構成するセルスタック１０１群のうち、複数のセルスタック１０１に配置され、もしくは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の間（間隙部分）でセルスタック長手方向における所望の箇所に設置して温度を計測し、計測された複数の計測結果の平均値を温度分布制御部３へ出力することとしてもよい。図６における温度Ｔ１（セルスタック１０１の発電領域１２０の中央部１２０ｂの温度）を計測するための温度計測部、温度Ｔ３（セルスタック１０１の発電領域１２０の燃料ガスの排出部１２０ｃの温度）を計測するための温度計測部も設置されており、温度計測部による計測結果は、温度分布制御部３へ出力される。
【００７１】
セルスタック１０１の発電領域１２０の温度分布は、例えば図６のように弓型温度分布となっている。具体的には、セルスタック１０１における燃料ガス流れ方向の温度分布状態は、発電領域１２０の中央部１２０ｂの温度Ｔ１に対して、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２及び燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３が低下した状態である弓型温度分布状態となっている。発電領域１２０の温度分布状態とは、主に、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置された発電領域１２０における燃料ガス流れ方向の温度分布状態である。発電領域１２０おいて、温度の低い領域では、燃料電池セル１０５による酸化性ガスと燃料ガスとの反応が抑制され、セル電圧が低下してしまう。すなわち、発電出力を向上させるためには、セルスタック１０１における燃料ガス流れ方向の発電領域１２０での温度分布状態を全体として最適化（全体を高温状態化）し、発電領域１２０において温度の低い領域を出来る限り中央部１２０ｂに近づくように高温化することが好ましい。
【００７２】
本実施形態では、セルスタック１０１の発電領域１２０における弓型温度分布状態を、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２により略一意的に推定することができることに着目した。すなわち、燃料ガスの供給部１２０ａの温度の制御によって、発電領域１２０全体の温度分布状態を制御する。このために、本実施形態では、温度分布制御部３が備える排燃料ガス流量制御部４（排燃料ガス再循環流量制御）、燃料利用率制御部５、及び酸化性ガス温度制御部６によって発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を制御し、発電領域１２０全体の温度分布状態を最適化する。本実施形態では、温度分布制御部３は、排燃料ガス流量制御部４と、燃料利用率制御部５と、酸化性ガス温度制御部６とを備えることとしているが、排燃料ガス流量制御部４、燃料利用率制御部５、及び酸化性ガス温度制御部６のうち少なくとも１つ備える構成としてもよい。
【００７３】
排燃料ガス流量制御部４は、ＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９側から排出される排燃料ガスライン３４３の排燃料ガスＬ３の少なくとも一部を、ＳＯＦＣ３１３の燃料ガスの供給部１２０ａへ再循環される排燃料ガス（排燃料ガス再循環ガス）の流量を増減することによって、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を予め設定された適正温度範囲内に制御する（排燃料ガス流量制御）。具体的には、排燃料ガス流量制御部４は、燃料ガス再循環ライン３４９に設けられた再循環ブロワ３４８の送気能力（回転数など）を制御することによって、燃料ガス再循環ライン３４９を介してＳＯＦＣ（各セルスタック１０１）へ供給される排燃料ガスの再循環流量を制御する。排燃料ガスは、ＳＯＦＣにおいて発電反応が行われた後のガスであるが、各セルスタック１０１において発電反応に寄与しなかった可燃性ガス（例えば、メタン（ＣＨ４）等）を含んでいる。このため、燃料ガスの供給部１２０ａ付近（主に、セルスタック１０１の発電領域１２０の燃料電池セル１０５が配置された領域における燃料ガス流れの上流側の領域）では、燃料ガスと排燃料ガス再循環ガスに含まれる可燃性ガスの改質反応に伴う吸熱作用により、温度が低下する。すなわち、排燃料ガスの再循環流量の増減が改質反応による吸熱作用に影響するので、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２と燃料ガス再循環ライン３４９を介して供給される排燃料ガスの再循環流量とは相関関係を有している。このため、排燃料ガスの再循環流量を制御することにより、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を調整することができる。例えば、排燃料ガスの再循環流量を減らすことで、排燃料ガスの再循環ガスの改質反応、すなわち吸熱作用を抑制し、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を上昇させることができる。
【００７４】
しかしながら、セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を上昇させるために、排燃料ガスの再循環流量を減少させすぎると、燃料ガスの排出部１２０ｃの温度が低下する。具体的には、排燃料ガスの再循環流量をある一定の値以下へと低下させた場合に、図７に示すように、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２は上昇するものの、燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３は低下することとなる。燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３は低下する理由は、排燃料ガスの再循環流量が減少しすぎると、燃料ガスと排燃料ガス再循環ガスを合せたガス流量が減少して、発電領域１２０の中央部１２０ｂ付近における高温領域の熱量を燃料ガスの排出部１２０ｃへ熱搬送するガス流量が減少するためである。一方で、排燃料ガス再循環の流量がある一定の値以上の範囲においては、その範囲内において排燃料ガスの流量を低下させると、改質反応による吸熱量が減少して燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２は上昇し、燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３はわずかに上昇する。
【００７５】
すなわち、排燃料ガスの流量を制御した場合には、セルスタック１０１における燃料ガスの供給口付近の温度Ｔ２と燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３は、図８のように燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２に対して、燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３が最大値を有する関係となる。このため、セルスタック１０１における燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２の制御には、燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３との関係から適正温度範囲が存在し、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を適正温度範囲内に制御することで、燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３についてもより最適な状態とすることができる。すなわち、発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度を適正温度範囲内に制御することで、セルスタック１０１の燃料ガス流れ方向の発電領域１２０の温度分布状態（弓型温度分布状態）を最適化、つまりセルスタック１０１における燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２と燃料ガスの排出部１２０ｃの温度を略均一化することができる。すなわち、セルスタックの長手方向における発電領域１２０の比較的低い温度雰囲気となる領域（燃料ガスの供給部１２０ａ及び排出部１２０ｃ）を高温化することができ、セルスタック１０１の発電出力を向上させることができる。
【００７６】
セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２の適正温度範囲とは、中央部１２０ｂの温度Ｔ１に基づいて決定される。適正温度範囲の下限温度は温度ＴＬ１とし、上限温度は温度ＴＬ２としている。セルスタック１０１における燃料ガス流れ方向（長手方向）において、発電領域１２０の中央付近が最も高温状態となる。このため、発電領域１２０の中央部１２０ｂの温度Ｔ１を温度計測部により計測することで、セルスタック１０１における略最高温度を計測することができる。この場合に、例えば、中央部１２０ｂの温度の８０％の温度を下限温度ＴＬ１とし、９０％の温度を上限温度ＴＬ２とすることで、発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの適正温度範囲を決定することができる。本実施形態では、例えば、中央部１２０ｂの温度Ｔ１が９３０℃程度である場合には、適正温度範囲はおおよそ７５０℃から８５０℃として設定される。適正温度範囲は、予め実験等によって、図８のようなセルスタック１０１における燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２と燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３の関係を得ておき、実験データに基づいて適正温度範囲を設定することとしてもよい。
【００７７】
排燃料ガスは発電反応で生成した水蒸気を含んでいるため、排燃料ガス再循環ガスは水蒸気をＳＯＦＣに供給する役割を担っている。このため、排燃料ガスの再循環流量が減少するとＳＯＦＣに供給される水蒸気の量も減少してしまう。ＳＯＦＣの定格運転時では、例えばＳ／Ｃが３．０〜５．０と設定されているため、ＳＯＦＣの定格運転時Ｓ／Ｃに基づいて排燃料ガスの再循環流量の下限値が決定される。排燃料ガスの再循環ガス流量は再循環ブロワ３４８の回転数などで制御しているため、再循環ブロワ３４８の定格回転数（最大吐出圧力等）に基づいて、排燃料ガス再循環ガスが流量の上限値が決定される。すなわち、排燃料ガス流量制御部４で制御できる排燃料ガスの再循環流量には、上限値と下限値があり、排燃料ガスの再循環流量の上限値及び下限値に所定の余裕度（マージン）を考慮した流量範囲が、排燃料ガス流量制御部４による排燃料ガス再循環流量制御範囲として設定される。
【００７８】
燃料利用率制御部５は、ＳＯＦＣ３１３の燃料利用率を制御することによって、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を予め設定された適正温度範囲内に制御する（燃料利用率制御）。ここで、燃料利用率とは、外部から供給した燃料ガスに対して、発電反応（改質反応ではない）に利用された燃料の割合である。本実施形態では、ＳＯＦＣ発電システムで燃料極１０９側に排燃料ガスＬ３が燃料ガス再循環ライン３４９により再循環されるので、燃料極１０９に供給した総燃料として再循環ガス中の燃料を含めて評価することとする。具体的には、燃料利用率を制御するには、セルスタック１０１から発電出力される発電電流（発電反応で発生する電流）に対して、燃料ガスＬ２の流量を制御すること（制御弁３４２を制御）で行われ、燃料利用率を低下するには燃料ガスの流量を増加する。詳細には、燃料ガスＬ２の流量を増加させると、ＳＯＦＣ３１３に供給される燃料ガスの流量が増加するが、セルスタック１０１から発電出力される発電電流が一定の場合には、発電反応を一定として改質反応のみを増加させることができる。このため、燃料ガスＬ２の流量を増加させると、燃料利用率の分母、すなわち外部からＳＯＦＣ３１３に供給した燃料ガスの量が増加する一方で、燃料利用率の分子、すなわち発電反応に利用された燃料は略一定に保たれる（改質反応は促進される）ため、結果として、燃料利用率が低下することとなる。すなわち、燃料利用率制御部５では、燃料ガスＬ２の流量を増加（減少）させることで、燃料利用率を低下（上昇）させている。
【００７９】
そして、燃料ガスＬ２の流量が増加すると、セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａでは、総燃料ガス中の可燃性ガスの改質反応に伴う吸熱作用により、温度が低下する。燃料ガスの燃料利用率が小さいほど、含まれる可燃性ガスの改質反応に伴う吸熱が増加して、より温度が低下することになる。すなわち、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２と燃料利用率とは相関関係を有している。このため、燃料利用率を制御することにより、発電領域１２０での総燃料ガスの改質反応を制御することとなる。すなわち、燃料利用率を制御することで燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を調整することができる。例えば、燃料利用率を増加させることで、総燃料ガスの改質反応、すなわち吸熱作用を抑制し、燃料ガスの供給部１２０ａの温度を上昇させることができる。一方で、燃料利用率を減少させることで、総燃料ガスの改質反応、すなわち吸熱作用を促進し、燃料ガスの供給部１２０ａの温度を低下させることができる。
【００８０】
しかしながら、燃料利用率の制御においても、上記排燃料ガス再循環流量制御と同様に、セルスタック１０１における燃料ガスの供給口付近の温度Ｔ２と燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３は、図８のように燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２に対して、燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３が最大値を有する関係となる。燃料利用率を低下させた場合には、改質吸熱が増加し、燃料ガスの供給部１２０ａに近いほど改質吸熱が行われ、発電領域１２０における燃料ガスの供給部１２０ａに近いほど温度Ｔ２が低下する。燃料利用率を低下させるためには燃料ガスＬ２の流量を増加させるが、燃料ガスＬ２の流量を増加させると、発電領域１２０における高温雰囲気の中央部１２０ｂなどの領域から燃料ガスの排出部１２０ｃへの熱量の搬送量が増加する。このため、燃料ガスＬ２の流量を増加させる（燃料利用率を低下させる）と、燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３が増加する。一方で、燃料利用率を増加させると、発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２は上昇する。しかしながら、燃料利用率を増加させるためには、燃料ガスＬ２の流量を減少させるため、高温雰囲気の中央部１２０ｂなどの領域から燃料ガスの排出部１２０ｃへの熱量の搬送量が減少し、燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３は低下する。一方で、燃料利用率がある一定の値以下の範囲（燃料ガスＬ２の流量がある一定の値以上の範囲）においては、その範囲内において燃料利用率を増加（燃料ガスＬ２の流量を減少）させると、改質反応による吸熱量が減少して燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２は上昇し、燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３はわずかに上昇する。
【００８１】
すなわち、燃料利用率を制御した場合には、上記排燃料ガス再循環流量制御と同様に、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２と燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３は、図７のように、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を高くするほど燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３が低くなる関係となり、図８のように、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２に対して、燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３が最大値を有する関係となる。すなわち、図８において、燃料ガスＬ２の流量を減少させて燃料利用率を上昇させると、温度Ｔ２及び温度Ｔ３の両方が上昇するが、燃料利用率を上昇させすぎる（燃料ガスＬ２の流量を減少させすぎる）と、温度Ｔ２は上昇するものの、温度Ｔ３が低下することとなる。このため、燃料利用率を制御して燃料ガスの供給部１２０ａの温度を適正温度範囲内に制御することで、セルスタック１０１の燃料ガス流れ方向の発電領域１２０の温度分布状態（弓型温度分布状態）を最適化することができ、セルスタック１０１の出力を向上させることができる。
【００８２】
燃料利用率が増加しすぎると、ＳＯＦＣ３１３のセルスタック１０１は長尺のために発電領域１２０の燃料ガス流れ方向の下流側領域において燃料が欠乏し発電を行うことができない状態となってしまう。このため、燃料利用率の上限値は、ＳＯＦＣ３１３において必要な最低燃料量（燃料ガスＬ２の供給量）に基づいて決定される。燃料利用率が低すぎると改質反応も多くなり、燃料極１０９の一部領域でＳ／Ｃが低下して炭素析出等を招く可能性があるため、燃料利用率の下限値は、炭素析出が発生しない燃料量（燃料ガスＬ２の供給量）に基づいて決定される。燃料利用率の上限値及び下限値に所定の余裕度（マージン）を考慮した範囲が、燃料利用率制御部５による燃料利用率制御範囲として設定される。
【００８３】
酸化性ガス温度制御部６は、酸化性ガスの温度を制御することによって、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を予め設定された適正温度範囲内に制御する（酸化性ガス温度制御）。具体的には、酸化性ガス温度制御部６は、第２酸化性ガス供給ライン３３１に設けられた制御弁３３５およびバイパスライン３３２に設けられた制御弁３３６の開度を制御することによって、ＳＯＦＣ３１３へ供給される酸化性ガス（空気Ａ２）の温度を制御する。酸化性ガスでは改質反応による吸熱作用は起きないが、ＳＯＦＣ３１３へ供給される酸化性ガスの温度は発電室２１５内の温度より低いため、発電領域１２０とセルスタック１０１全体の温度分布に影響する。具体的には、酸化性ガスの温度が低いほど発電室２１５内の温度が低下する。酸化性ガス温度制御に伴う燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２と燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３との関係は、図９のようになる。すなわち、酸化性ガスの温度を制御することにより、燃料ガスの供給部１２０ａを含む発電領域１２０とセルスタック１０１全体の温度を制御することができる。例えば、発電室２１５に供給される酸化性ガスの温度を上昇させることで、酸化性ガスによるセルスタック１０１の冷却が抑制され、結果的に燃料ガスの供給部１２０ａを含む発電領域１２０とセルスタック１０１全体の温度を上昇させることができる。本実施形態においては、発電室２１５に供給される酸化性ガスの上流側は、発電領域１２０の燃料ガスの排出部１２０ｃ側なるので、酸化性ガス温度制御に伴い、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２よりも燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３への温度制御効果が大きくなる。このため、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２の温度制御を行っても、燃料ガスの排出部１２０ｃの温度Ｔ３が十分に温度調整を出来ない場合には、酸化性ガス温度制御はより効果的になる。
【００８４】
酸化性ガス温度制御では、例えば、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２と燃料ガスの排出部１２０ｃ近を含む発電領域１２０とセルスタック１０１全体の温度を上昇させることができる。しかしながら、発電室の熱容量が大きいため、温度変化への時定数が大きく、即応性及び制御性が低い。一方で、排燃料ガス再循環流量制御は、排燃料ガス再循環流量制御範囲が比較的広く運用することが可能なため、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２の制御レンジが広くなる。このため、本実施形態では、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内でない場合（最適運転状態でない場合）に、まず、排燃料ガス再循環流量制御を行い、次のステップに、燃料利用率制御を行い、最後のステップに、酸化性ガス温度制御を行う。具体的には、排燃料ガス再循環流量制御範囲内で排燃料ガスの再循環流量制御を行い、排燃料ガス再循環流量制御範囲では燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内とならない場合には、次のステップとして、燃料利用率制御範囲内で燃料利用率制御を行い、燃料利用率制御範囲では燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内とならない場合には、最後のステップとして必要に応じて酸化性ガス温度制御を行うステップの順序で進めると、さらに好ましい。
【００８５】
温度分布制御部３による排燃料ガス再循環流量制御、燃料利用率制御、及び酸化性ガス温度制御の順番は適宜変更してもよく、また、排燃料ガス流量制御部４、燃料利用率制御部５、及び酸化性ガス温度制御部６のうち少なくとも１つを備える構成としてもよい。セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を制御することができれば、排燃料ガス再循環流量制御、燃料利用率制御、及び酸化性ガス温度制御に限らず、適用可能である。
【００８６】
次に、上述の温度分布制御部３による温度分布制御について図１０を参照して説明する。図１０に示すフローは、ＳＯＦＣが起動している間において所定の制御周期で繰り返し実行される。
【００８７】
まず、セルスタック１０１の発電領域１２０の中央部１２０ｂの温度Ｔ１を計測する（Ｓ１０１）。そして、中央部１２０ｂの温度Ｔ１が所定温度Ｔ０以上であるか否かを判定する（Ｓ１０２）。これは、発電領域１２０が、温度分布制御部３により適正な温度分布状態に制御可能な状態か否かを判定するものであり、所定温度Ｔ０とは、本実施形態では例えば、９００℃から９５０℃の範囲内で設定される。中央部１２０ｂの温度Ｔ１が所定温度Ｔ０に達していていれば、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を適正温度範囲内に調整することで、発電領域１２０全体の温度分布を最適温度状態とすることができる。中央部１２０ｂの温度Ｔ１が所定温度Ｔ０を超えて過度に高温状態となるとＳＯＦＣ３１３の破損等を招く可能性があるため、中央部１２０ｂの温度Ｔ１≒所定温度Ｔ０とすることが好ましい。
【００８８】
セルスタック１０１の発電領域１２０の中央部１２０ｂの温度Ｔ１が所定温度Ｔ０未満である場合（Ｓ１０２のＮＯ判定）には、温度Ｔ１の調整を行う（Ｓ１０３）。具体的には、中央部１２０ｂの温度Ｔ１が所定温度Ｔ０未満である場合には、中央部１２０ｂの温度Ｔ１を上昇させるために、発電領域１２０に流れる電流を制御すること（例えば、電流増加指令）によって電流を増加させて発熱させる。中央部１２０ｂの温度Ｔ１が所定温度Ｔ０より大きく低い場合には、後のステップにある酸化性ガス温度制御（Ｓ１０７）を先に実施することにより、ＳＯＦＣ３１３に供給する酸化性ガスの温度を上昇させてもよい。
【００８９】
セルスタック１０１の発電領域１２０の中央部１２０ｂの温度Ｔ１が所定温度Ｔ０以上である場合（Ｓ１０２のＹＥＳ判定）には、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内（ＴＬ１≦Ｔ２≦ＴＬ２）であるか否かを判定する（Ｓ１０４）。燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内である場合（Ｓ１０４のＹＥＳ判定）には、発電領域１２０全体の温度分布状態が最適となっていると推定されるため、温度分布制御を終了し、所定の制御周期で図１０に示すフローを繰り返し実行する。
【００９０】
セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内でない場合（Ｓ１０４のＮＯ判定）には、排燃料ガス再循環流量制御範囲で排燃料ガスの再循環流量を制御し、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内となるか否かを判定する（Ｓ１０５）。Ｓ１０５の排燃料ガス再循環流量制御については、図１１を用いて別途説明する。
【００９１】
排燃料ガス再循環流量制御範囲で排燃料ガスＬ３から一部を排燃料ガスの再循環流量として再循環させる制御を行い、セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内となった場合（Ｓ１０５のＹＥＳ判定）には、発電領域１２０全体の温度分布状態が最適となったと推定されるため、温度分布制御を終了する。排燃料ガス再循環流量制御範囲で排燃料ガスの再循環流量を制御し、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内とならなかった場合（Ｓ１０５のＮＯ判定）には、排燃料ガスの再循環流量の制御だけでは燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を適正温度範囲にすることができないということとなる。
【００９２】
このため、次に、燃料利用率制御範囲で燃料利用率を制御し、セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内となるか否かを判定する（Ｓ１０６）。Ｓ１０６の燃料利用率制御については、図１２を用いて別途説明する。
【００９３】
燃料利用率制御範囲で燃料利用率を制御し、セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適温度範囲内となった場合（Ｓ１０６のＹＥＳ判定）には、発電領域１２０全体の温度分布状態が最適となったと推定されるため、温度分布制御を終了する。燃料利用率制御範囲で燃料利用率を制御し、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内とならなかった場合（Ｓ１０６のＮＯ判定）には、燃料利用率の制御だけでは燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を適正温度範囲にすることができないということとなる。
【００９４】
このため、次に、酸化性ガスの温度を制御して（Ｓ１０７）、セルスタック１０１における燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内となるよう調整する。酸化性ガスの温度制御はレスポンスが遅いため、前述した排燃料ガス再循環流量および燃料利用率による制御を優先して行い、酸化性ガスの温度制御は必要に応じて行うとさらによい。Ｓ１０７を行うことなく、Ｓ１０６がＮＯ判定となった場合に、温度分布制御を終了することとしてもよい。Ｓ１０６またはＳ１０７が実行された段階で、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内とならなかった場合には、例えば、発電領域１２０全体の温度分布状態が最適となっていないことを、運転員に通知することとしてもよい。
【００９５】
次に、上述の温度分布制御部３による排燃料ガス再循環流量制御（Ｓ１０５）について図１１を参照して説明する。図１１に示すフローは、図１０における温度分布制御の排燃料ガス再循環流量制御（Ｓ１０５）の詳細であり、排燃料ガス再循環流量制御（Ｓ１０５）が実行されるときに開始される。
【００９６】
まず、セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲の下限温度ＴＬ１未満であるか否かを判定する（Ｓ２０１）。燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲の下限温度ＴＬ１未満である場合（Ｓ２０１のＹＥＳ判定）には、排燃料ガスの再循環流量を所定量ずつ減少させてゆく場合に、減少後の排燃料ガスの再循環流量が排燃料ガス再循環流量制限範囲内であるか否かを判定する（Ｓ２０２）。そして、排燃料ガスの再循環流量を所定量減少させる場合に、減少後の排燃料ガスの再循環流量が排燃料ガス再循環流量制限範囲内である場合（Ｓ２０２のＹＥＳ判定）に、実際に排燃料ガスの再循環流量を所定量減少させる（Ｓ２０３）。排燃料ガスの再循環流量を減少させる場合の所定量とは、一回の排燃料ガス再循環流量の減少により変化させたいとする燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２と温度Ｔ２の適正温度範囲との差の大小に基づいて決定されてもよい。すなわち、所定量を多く設定すれば、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を大きく変化させることができる。
【００９７】
次に、排燃料ガスの再循環流量を所定量減少させた後に、セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内となったか否かを判定する（Ｓ２０４）。燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内となっていない場合（Ｓ２０４のＮＯ判定）には、Ｓ２０２へ戻り、排燃料ガスの再循環流量を減少する制御を再度実行する。
【００９８】
セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給口付近の温度Ｔ２が適正温度範囲内となった場合（Ｓ２０４のＹＥＳ判定）には、排燃料ガスの再循環流量の制御により、発電領域１２０全体の温度分布状態が最適となったことを示しており、Ｓ１０５のＹＥＳ判定へ移行して、温度分布制御を終了する。
【００９９】
排燃料ガスの再循環流量を所定量減少させる場合に、減少後の排燃料ガスの再循環流量が排燃料ガス再循環流量制限範囲内でなくなる場合（Ｓ２０２のＮＯ判定）には、排燃料ガスの再循環流量の制御はこれ以上行うことができないことを示しているため、排燃料ガスの再循環流量制御（Ｓ１０５）のＮＯ判定へ移行して、燃料利用率制御（Ｓ１０６）が実行される。
【０１００】
一方で、セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲の下限温度ＴＬ１未満でない場合（Ｓ２０１のＮＯ判定）には、Ｓ１０４により燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内でない場合（Ｓ１０４のＮＯ判定）ことが判定済であるため、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２は、適正温度範囲の上限温度ＴＬ２以上である。このため、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を低下させる処理を行う。まず、排燃料ガスの再循環流量を所定量増加させてゆく場合に、増加後の排燃料ガスの再循環流量が排燃料ガス再循環流量制限範囲内であるか否かを判定する（Ｓ２０５）。そして、排燃料ガスの再循環流量を所定量増加させる場合に、増加後の排燃料ガスの再循環流量が排燃料ガス再循環流量制限範囲内である場合（Ｓ２０５のＹＥＳ判定）に、実際に排燃料ガスの再循環流量を所定量増加させる（Ｓ２０６）。排燃料ガスの流再循環量を増加させる場合の所定量とは、一回の排燃料ガス再循環流量の増加により変化させたい燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２と温度Ｔ２の適正温度範囲との差の大小に基づいて決定されてもよい。すなわち、所定量を多く設定すれば、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を大きく変化させることができる。
【０１０１】
次に、排燃料ガスの再循環流量を所定量増加させた後に、セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内となったか否かを判定する（Ｓ２０７）。燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内となっていない場合（Ｓ２０７のＮＯ判定）には、Ｓ２０５へ戻り、排燃料ガスの再循環流量を増加する制御を再度実行する。
【０１０２】
セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内となった場合（Ｓ２０７のＹＥＳ判定）には、排燃料ガスの再循環流量の制御により、発電領域１２０全体の温度分布状態が最適となったことを示しており、排燃料ガスの再循環流量制御（Ｓ１０５）のＹＥＳ判定へ移行して、温度分布制御を終了する。
【０１０３】
排燃料ガスの再循環流量を所定量増加させた場合に、増加後の排燃料ガスの再循環流量が排燃料ガス再循環流量制限範囲内でない場合（Ｓ２０５のＮＯ判定）には、排燃料ガスの再循環流量の制御はこれ以上行うことができないことを示しているため、排燃料ガスの再循環流量制御（Ｓ１０５）のＮＯ判定へ移行して、燃料利用率制御（Ｓ１０６）が実行される。
【０１０４】
次に、上述の温度分布制御部３による燃料利用率制御（Ｓ１０６）について図１２を参照して説明する。図１２に示すフローは、図１０における温度分布制御の燃料利用率制御（Ｓ１０６）の詳細であり、燃料利用率制御（Ｓ１０６）が実行されるときに開始される。
【０１０５】
まず、セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲の下限温度ＴＬ１未満であるか否かを判定する（Ｓ３０１）。燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲の下限温度ＴＬ１未満である場合（Ｓ３０１のＹＥＳ判定）には、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を上昇させる処理を行う。このため、燃料利用率を所定量増加させて温度Ｔ２を上昇させる場合に、増加後の燃料利用率が燃料利用率制限範囲内であるか否かを判定する（Ｓ３０２）。そして、燃料利用率を所定量増加させる場合に、増加後の燃料利用率が燃料利用率制限範囲内である場合（Ｓ３０２のＹＥＳ判定）に、実際に燃料利用率を所定量増加させる（Ｓ３０３）。燃料利用率を増加させる場合の所定量とは、一回の燃料利用率の増加により変化させたい供給部１２０ａの温度Ｔ２と温度Ｔ２の適正温度範囲との差の大小に基づいて決定されてもよい。
【０１０６】
次に、燃料利用率を所定量増加させた後に、セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内となったか否かを判定する（Ｓ３０４）。燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内となっていない場合（Ｓ３０４のＮＯ判定）には、Ｓ３０２へ戻り、燃料利用率を増加する制御を再度実行する。
【０１０７】
セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内となった場合（Ｓ３０４のＹＥＳ判定）には、燃料利用率の制御により、発電領域１２０全体の温度分布状態が最適となったことを示しており、燃料利用率制御（Ｓ１０６）のＹＥＳ判定へ移行して、温度分布制御を終了する。
【０１０８】
燃料利用率を所定量増加させる場合に、増加後の燃料利用率が燃料利用率制限範囲内でない場合（Ｓ３０２のＮＯ判定）には、燃料利用率の制御はこれ以上行うことができないことを示しているため、燃料利用率制御（Ｓ１０６）のＮＯ判定へ移行して、酸化性ガス温度制御（Ｓ１０７）が実行される。
【０１０９】
一方で、セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲の下限温度ＴＬ１未満でない場合（Ｓ３０１のＮＯ判定）には、Ｓ１０４により燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内でない場合（Ｓ１０４のＮＯ判定）ことが判定済であるため、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２は、適正温度範囲の上限温度ＴＬ２以上である。このため、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を低下させる処理を行う。まず、燃料利用率を所定量減少させてゆく場合に、増加後の燃料利用率が燃料利用率制限範囲内であるか否かを判定する（Ｓ３０５）。そして、燃料利用率を所定量減少させる場合に、低下後の燃料利用率が燃料利用率制限範囲内である場合（Ｓ３０５のＹＥＳ判定）に、実際に燃料利用率を所定量減少させる（Ｓ３０６）。燃料利用率を減少させる場合の所定量とは、一回の燃料利用率の減少により変化させたい燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２と温度Ｔ２の適正温度範囲との差の大小に基づいて決定されてもよい。
【０１１０】
次に、燃料利用率を所定量減少させた後に、セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内となったか否かを判定する（Ｓ３０７）。燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内となっていない場合（Ｓ３０７のＮＯ判定）には、Ｓ３０５へ戻り、燃料利用率を減少する制御を再度実行する。
【０１１１】
セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が適正温度範囲内となった場合（Ｓ３０７のＹＥＳ判定）には、燃料利用率の制御により、発電領域１２０全体の温度分布状態が最適となったことを示しており、燃料利用率制御（Ｓ１０６）のＹＥＳ判定へ移行して、温度分布制御を終了する。
【０１１２】
燃料利用率を所定量増加させてゆく場合に、増加後の燃料利用率が燃料利用率制限範囲内でない場合（Ｓ３０５のＮＯ判定）には、燃料利用率の制御はこれ以上行うことができないことを示しているため、燃料利用率制御（Ｓ１０６）のＮＯ判定へ移行して、酸化性ガス温度制御（Ｓ１０７）が実行される。
【０１１３】
次に、本実施形態の発電システム３１０の起動方法について説明する。発電システム３１０の起動は、制御装置３８０が備える起動停止制御部２によって制御される。発電システム３１０を起動する場合、ＭＧＴ３１１が起動した後にＳＯＦＣ３１３が起動する。発電システム３１０の起動時において、制御装置３８０は、まずＭＧＴ３１１を起動させ、ＭＧＴ３１１の出力がある一定の負荷で安定してから、圧縮機３２１から供給される空気Ａの一部（空気Ａ２）をＳＯＦＣ３１３に供給することで、ＳＯＦＣ３１３の空気極１１３を加圧していくことができる。
【０１１４】
まず、ＭＧＴ３１１の起動では、圧縮機３２１が空気Ａを圧縮し、燃焼器３２２が空気Ａ１と燃料ガスＬ１とを混合して燃焼し、タービン３２３が燃焼ガスＧにより回転することで、発電機３１２が発電を開始する。空気Ａの全量を燃焼器３２２へ供給するため、制御弁３３５、３３６、３３７は全閉とされるのが好ましい。
【０１１５】
ＳＯＦＣ３１３の起動では、まず、空気Ａの少なくとも一部（空気Ａ２）をＳＯＦＣ３１３の空気極１１３へ供給して昇圧を開始し、昇温を開始する。排酸化性ガス排出ライン３３３の制御弁３３７と排酸化性ガス供給ライン３３４の遮断弁３３８を閉止し、制御弁３２７を所定開度だけ開放する。ここで昇圧速度を制御するための開度調整を行う。制御弁３２７は所定開度にて維持し、制御弁３３６は閉とする。すると、圧縮機３２１で圧縮した空気Ａの少なくとも一部である空気Ａ２が第２酸化性ガス供給ライン３３１からＳＯＦＣ３１３側へ供給される。空気Ａ２は、熱交換器３３０により温度が３００〜５００℃に昇温されおり、これにより、ＳＯＦＣ３１３は、空気Ａ２が供給されることで昇温とともに圧力が上昇する。
【０１１６】
一方、ＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９では、燃料極側に窒素等の不活性ガスを供給して昇圧を開始する。制御弁３４６と制御弁３４７を閉止し、再循環ブロワ３４８を停止した状態で、不活性ガスを供給すると共に、燃料ガス再循環ライン３４９の再循環ブロワ３４８を駆動する。再循環ブロワ３４８は燃料極１０９側の加圧前に起動していても良い。すると、不活性ガスが第２燃料ガス供給ライン３４１からＳＯＦＣ３１３側へ供給されると共に燃料ガス再循環ライン３４９により再循環される。これにより、ＳＯＦＣ３１３側は、不活性ガスが供給されることで圧力が上昇する。
【０１１７】
そして、ＳＯＦＣ３１３の空気極１１３側の圧力が圧縮機３２１の出口圧力と等しくなると、制御弁３２７にてＳＯＦＣ３１３への供給空気流量を制御すると共に、遮断弁３３８を開放してＳＯＦＣ３１３からの排空気Ａ３を排酸化性ガス供給ライン３３４から燃焼器３２２に供給する。ＳＯＦＣ３１３とＭＧＴ３１１とを連結させ、ＳＯＦＣ３１３を経由してＭＧＴ３１１の燃焼器３２２に空気を供給するコンバインド状態に移行する。このとき、制御弁３３７も開度を制御してＳＯＦＣ３１３からの排空気Ａ３の一部を系統外へ排出してもよい。それと同時に制御弁３４６の開度を制御してＳＯＦＣ３１３からの不活性ガスを系統外へ排出してもよい。そして、ＳＯＦＣ３１３における空気極１１３側の圧力と燃料極１０９側の圧力とが目標圧力に到達すると、ＳＯＦＣ３１３の昇圧が完了する。
【０１１８】
コンバインド状態への移行後に、制御弁３２７および制御弁３３６を開度調整することにより、ＳＯＦＣ３１３を昇温するためにＳＯＦＣ３１３に供給される空気Ａ２の流量を増加させ、第１酸化性ガス供給ライン３２６を介して燃焼器３２２に供給される空気Ａ１の流量を減少させる。そして、所定の条件となった後にＳＯＦＣ３１３が発電を開始するまでは空気Ａの全量がＳＯＦＣ３１３を経由して、排酸化性ガス排出ライン３３３から排酸化性ガス供給ライン３３４を経由して，燃焼器３２２に供給されるように制御して、ＳＯＦＣ３１３を出来るだけ均一な温度で早く昇温できるようにしてもよい。
【０１１９】
その後、ＳＯＦＣ３１３の圧力制御が安定してから、制御弁３３７が開となっている場合は閉止する一方、遮断弁３３８の開放を維持する。このため、ＳＯＦＣ３１３からの排空気Ａ３が排酸化性ガス供給ライン３３４から燃焼器３２２に供給され続ける。
【０１２０】
制御装置３８０は、ＳＯＦＣ３１３の起動にあたり、第１昇温モード、第２昇温モード、及び負荷上昇モードを順に実行し、図示しないセルスタック周囲の温度である発電室温度を定格温度まで上昇させるとともに、目標負荷まで負荷を上昇させる。
【０１２１】
まず、第１昇温モードでは、前述のように熱交換器３３０による熱交換によって加熱された空気Ａ２を空気極１１３に供給することにより、空気極１１３をはじめとする発電室を昇温させる。第１昇温モードにより、第１温度閾値に到達すると、第１昇温モードから第２昇温モードに切り替える。ここで、第１温度閾値は、空気極１１３が可燃性ガスとしての燃料ガスＬ２との燃焼反応に対して触媒として機能する温度であり、例えば、約４００℃から４５０℃の範囲で設定されている。
【０１２２】
第２昇温モードでは、第１昇温モードと同様に空気極１１３に空気Ａ２を供給するとともに、空気極燃料供給ライン３７１に設けた制御弁３７２を開くことにより燃料ガスＬ２を空気Ａ２に添加供給する。空気Ａ２と燃料ガスＬ２とが流入した空気極１１３では、空気極１１３の触媒作用によって燃料ガスＬ２が空気極１１３で触媒燃焼し、燃焼熱が発生する。このように、第２昇温モードでは、触媒燃焼による発熱を用いて空気極１１３を上昇させる。
制御装置３８０は、発電室温度が第２温度閾値に到達すると、第２昇温モードから負荷上昇モードに切り替える。
【０１２３】
負荷上昇モードでは、昇温時間の短縮のために、第１昇温モードと同様に空気極１１３に空気Ａ２を供給するとともに、第２燃料ガス供給ライン３４１の制御弁３４２を開くことで燃料ガスＬ２を燃料極１０９に供給し、純水供給ライン３６１のポンプ３６２を駆動することで純水を燃料極１０９に供給し、発電を開始する。負荷上昇モードでは、空気極１１３に燃料ガスＬ２を添加供給することによる触媒燃焼による発熱と、発電の両方による発熱とによって発電室温度を上昇させる。負荷上昇モードでは、ＳＯＦＣ３１３の発電室温度が発電による自己発熱で温度維持が出来るまで温度上昇をした後は、空気極１１３へ添加供給される燃料ガスＬ２の供給量を徐々に減少させ、例えば、目標負荷到達と同時に空気極１１３への燃料ガスＬ２の添加供給がゼロになるように制御される。
【０１２４】
上記第２温度閾値は、例えば、７５０℃以上に設定されている。これは、燃料極１０９が十分な温度に達していないときに燃料極１０９側に燃料ガスＬ２を投入してしまうと、固体電解質１１１が高抵抗状態のままでＳＯＦＣ３１３を発電させることになり、電極構成材料が組織変化して劣化し、ＳＯＦＣ３１３の性能低下の要因になるからであり、ＳＯＦＣ３１３の性能低下が起きにくいように、第２温度閾値は７５０℃付近に設定されることが好ましい。
【０１２５】
排燃料ガスＬ３の成分が燃焼器３２２へ投入可能な成分となったら、制御弁３４６を閉止する一方、制御弁３４７を開放する。すると、ＳＯＦＣ３１３からの排燃料ガスＬ３が排燃料ガス供給ライン３４５から燃焼器３２２に供給される。このとき、第１燃料ガス供給ライン３５１に備えた制御弁３５２によって燃焼器３２２に供給される燃料ガスＬ１を減量する。
【０１２６】
負荷上昇モードにおいて、発電室温度が発電室目標温度に到達し、負荷が定格負荷など目標負荷に到達すると、起動完了となる。
発電室目標温度はＳＯＦＣ３１３が発電による発熱による自己発熱で温度が維持できる温度以上であり、例えば８００〜９５０℃で設定される。
【０１２７】
こうして、ＭＧＴ３１１の駆動による発電機３１２での発電、ＳＯＦＣ３１３の昇圧・昇温・起動での発電が行われることとなり、発電システム３１０が定常運転となる。
【０１２８】
ここで、本実施形態のＳＯＦＣ３１３の停止方法について説明する。ＳＯＦＣ３１３の停止についても、制御装置３８０が備える起動停止制御部２によって制御される。ＳＯＦＣ３１３を停止する場合、ＳＯＦＣ３１３の通常停止時または緊急停止時には、まず、燃料極１０９側への燃料ガスＬ２の供給継続、および空気極１１３側への酸化性ガスである空気Ａ２の供給を停止する。
【０１２９】
ＳＯＦＣ３１３を停止するため、制御弁３３５、３３６，３４７及び遮断弁３３８を閉止して燃焼器３２２を停止する一方、制御弁３４２は所定の開度とし、各制御弁３３７，３４６を開放（制御弁３３７，３４６は、例えば、半開）して排空気Ａ３および排燃料ガスＬ３を系外へ排出する。すると、ＳＯＦＣ３１３は、空気極１１３への空気Ａ２の供給が停止される一方、燃料極１０９への燃料ガスＬ２および純水供給ライン３６１を介して純水の供給が継続され、燃料極の還元雰囲気が維持された状態で、発電が停止する。燃料ガスＬ２および純水が燃料極１０９へ供給され、燃料極１０９から排燃料ガスライン３４３に排出された排燃料ガスＬ３の一部は燃料ガス再循環ライン３４９を通して燃料極１０９に循環されるため、燃料極側の系統の過剰な圧力低下を防ぐことができる。
【０１３０】
ＳＯＦＣ３１３の温度の冷却が進み所定温度より低下したら、発電停止に伴う空気極１１３の還元や燃料極１０９の酸化による劣化を防止するため、ＳＯＦＣ３１３の運転停止後に燃料極１０９側の系統へ窒素等の不活性ガスをパージすることで、ＳＯＦＣ３１３を保護する。ＳＯＦＣ３１３が予め設定された所定温度まで冷却されると、制御弁３４２を閉止して燃料ガスＬ２の供給を停止する一方、制御弁３４６を開放したままとし排燃料ガスＬ３の一部を系外へ排出する。ＳＯＦＣ３１３は、図示しないパージガス供給ラインからパージガス（不活性ガス）を燃料極１０９に供給される一方、排燃料ガスライン３４３および燃料ガス再循環ライン３４９の排燃料ガスＬ３が制御弁３４６から系統外に排出される。そのため、燃料極１０９は、パージガスにより還元雰囲気が不活性雰囲気に短時間で置換される。燃料極１０９側の系統の雰囲気を不活性ガスで置換することで、残存した燃料ガスが空気極１１３へと拡散することによって空気極１１３の材料が還元されることを防止できる。燃料極１０９側の系統へ窒素等の不活性ガスを供給しつつ燃料ガス再循環ライン３４９を通して燃料極１０９に循環されているため、排燃料ガスＬ３が系統外に排出されることによる燃料極側の系統の過剰な圧力低下を防ぎつつＳＯＦＣ３１３を冷却することができる。
【０１３１】
燃料極１０９側の系統に供給する不活性ガスは、窒素（Ｎ２）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、Ｈｅ（ヘリウム）ガス、または燃焼排ガスなどである。不活性ガスは、Ｎ２ガスおよびＨ２ガスの混合ガスであってもよい。不活性ガスに含まれるＨ２ガスは、空気極１１３側から拡散してきた酸素（Ｏ２）と反応する。よって、不活性ガスにＨ２ガスを含ませることで、拡散してきた酸素が燃料極１０９の材料と反応するのを防止できる。
【０１３２】
燃料極１０９側の系統への不活性ガスの供給と並行して、空気極１１３側の系統に図示しない冷却ガス供給ラインから冷却ガスを供給する。冷却ガスは、酸素を含むことが好ましい。冷却ガスの温度は、発電時にＳＯＦＣ３１３に供給される空気Ａ２よりも低い。冷却ガスは、外気（常温の空気）などが好適である。常温とは、０℃〜４０℃程度の温度を指す。図示しない冷却ガス供給ラインは、ＳＯＦＣ３１３の空気極１１３へ冷却ガスを供給できるように例えば第２酸化性ガス供給ライン３３１に接続され、冷却ガスは、冷却ガス供給ラインに設けられた図示しない別置のコンプレッサや送風機にて供給しても良い。
【０１３３】
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池の温度分布制御システム、燃料電池、及び温度分布制御方法によれば、セルスタック１０１の長手方向の、発電領域１２０の長手方向における燃料ガスの供給部１２０ａの温度を制御対象とした。セルスタック１０１における燃料ガス流れ方向の発電領域１２０の温度分布状態は、セルスタック１０１の発電領域１２０の中央部１２０ｂの温度に対して燃料ガスの供給部１２０ａの温度及び燃料ガスの排出部１２０ｃの温度が低下した状態である弓型温度分布状態となっており、該弓型温度分布状態は、燃料ガスの供給部１２０ａの温度により略一意的に推定することができる。すなわち、燃料ガスの供給部１２０ａの温度の制御によって、発電領域１２０の全体の温度分布状態を制御することができる。
【０１３４】
例えば、セルスタック１０１における燃料ガス流れ方向の温度分布状態において、発電領域１２０の中央部１２０ｂの温度Ｔ１が適正温度範囲にあった場合でも、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が過度に低い場合には、運転条件として排燃料ガスの再循環流量が多い、または燃料利用率が低いために、燃料ガスの供給部１２０ａの吸熱量が多い状況であり、また燃料ガスの排出部１２０ｃには中央部１２０ｂ付近の高温領域の熱量を熱搬送されやすい状況となり、燃料ガスの排出部１２０ｃの温度は上昇して、セルスタック１０１全体の発電量が低下している状態となる。一方で、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２が過度に高い場合には、運転条件として、排燃料ガスの再循環流量が少ない、または燃料利用率が高いために、燃料ガスの供給部１２０ａの吸熱量が少ない状況であり、また燃料ガスの排出部１２０ｃに中央部１２０ｂ付近の高温領域の熱量が熱搬送が少ない状況にあり、燃料ガスの排出部１２０ｃの温度が低くなり、セルスタック１０１全体の発電量が低下している状態となる。このように、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２に応じて、燃料ガスの排出部１２０ｃの温度も変化して、セルスタック１０１全体の発電量の低下を招く可能性がある。そこで、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を予め設定された適正温度範囲内に制御することで、セルスタック１０１における発電領域１２０の燃料ガス流れ方向の温度分布状態を適切に制御し、燃料ガスの排出部１２０ｃの温度も適正温度とすることができる。このため、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を予め設定された適正温度範囲内に制御することで、セルスタック１０１における運転状態を最適化し、発電出力を向上することが可能となる。
【０１３５】
従来では、発電システム３１０の試運転調整時には、セルスタック１０１の発電領域１２０の温度分布状態による発電量低下を抑制するために、運転員が試行錯誤を繰り返しなら運転条件調整を行っていた。このため、運転条件調整に時間を要し、効率的に発電領域１２０全体における運転温度状態を最適化することが困難であった。しかしながら、燃料ガスの供給部１２０ａの温度を予め設定された適正温度範囲内に制御することで発電領域１２０の温度分布状態を最適化することができるため、運転条件調整にかかる時間を短縮し、運転員の作業負担を軽減することができる。
【０１３６】
セルスタック１０１の発電領域１２０の温度分布は燃料の種類にも依存する。しかしながら、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を予め設定された適正温度範囲内に制御することで発電領域１２０の温度分布状態を最適化することができるため、適正温度範囲を使用する燃料種毎に適切に設定することで、様々な燃料の種類に対応することができる。すなわち、簡単な設定のみで、燃料の多様化に対応することができる。
【０１３７】
燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２の適正温度範囲を、セルスタック１０１における発電領域１２０の中央部１２０ｂの温度Ｔ１に基づいて決定することとしたため、適正温度範囲を容易に設定することが可能となる。
【０１３８】
排燃料ガスの再循環流量を増減することによって、燃料ガスの供給部１２０ａの温度を予め設定された適正温度範囲内に制御する。排燃料ガスは、セルスタック１０１の発電領域１２０で発電反応に寄与しなかった可燃性ガスであるメタン（ＣＨ４）等を含んでいる。このため、燃料ガスの供給部１２０ａでは、排燃料ガスの改質反応（例えば、可燃性ガスであるメタン（ＣＨ４）と水蒸気とが反応して、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する）による吸熱作用により、温度低下が発生する。すなわち、排燃料ガスの再循環流量と、セルスタック１０１における燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２とは相関関係を有する。このため、排燃料ガスの再循環流量を制御することにより、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を調整することができる。例えば、排燃料ガスの再循環流量を減らすことで、排燃料ガスの改質反応、すなわち吸熱作用を抑制し、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を上昇させることができる。以上より、排燃料ガスの再循環流量を増減することによって、セルスタック１０１における運転状態を最適化し、発電出力を向上することが可能となる。
【０１３９】
燃料利用率を増減することによって燃料ガスの供給部１２０ａの温度を予め設定された適正温度範囲内に制御するため、セルスタック１０１における運転状態を最適化し、発電出力を向上することが可能となる。燃料ガスの供給部１２０ａでは、燃料ガスの改質反応（例えば、可燃性ガスであるメタン（ＣＨ４）と水蒸気とが反応して、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する）による吸熱作用により、温度低下が発生する。すなわち、燃料ガスに含まれる可燃性ガスを発電反応に用いる割合である燃料利用率の増減に伴って改質反応量も増減の変化をするので、燃料利用率と燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２とは相関関係を有する。このため、燃料ガスの燃料利用率を制御することにより、燃料ガスの供給部１２０ａの温度Ｔ２を調整することができる。例えば、燃料利用率を増やすことで、可燃性ガスの改質反応、すなわち吸熱作用を抑制し、燃料ガスの供給部１２０ａの温度を上昇させることができる。
【０１４０】
酸化性ガスの温度を制御することによって燃料ガスの供給部１２０ａの温度を予め設定された前記適正温度範囲内に制御するため、セルスタック１０１における運転状態を最適化し、発電出力を向上することが可能となる。一般的に、酸化性ガスはセルスタック１０１全体の冷却源となっており、ＳＯＦＣ３１３における発電領域１２０全体の温度に影響している。このため、酸化性ガスの温度を制御することによって、燃料ガスの供給部１２０ａを含む発電領域１２０全体の温度を制御することができる。
【０１４１】
本発明は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々変形実施が可能である。
【符号の説明】
【０１４２】
２            ：起動停止制御部
３            ：温度分布制御部（制御部）
４            ：排燃料ガス流量制御部（排燃料ガス再循環流量制御部）
５            ：燃料利用率制御部
６            ：酸化性ガス温度制御部
１０１        ：セルスタック
１０５        ：燃料電池セル
１０９        ：燃料極
１１１        ：固体電解質
１１３        ：空気極
１２０        ：発電領域（発電部）
１２０ａ      ：燃料ガスの供給部
１２０ｂ      ：燃料ガスの中央部
１２０ｃ      ：燃料ガスの排出部
２０１        ：ＳＯＦＣモジュール
２０３        ：ＳＯＦＣカートリッジ
２０７        ：燃料ガス供給管
２０９        ：燃料ガス排出管
２１５        ：発電室
２１７        ：燃料ガス供給室
２１９        ：燃料ガス排出室
２２１        ：酸化性ガス供給室
２２３        ：酸化性ガス排出室
３１０        ：発電システム
３１２        ：発電機
３２１        ：圧縮機
３２２        ：燃焼器
３２３        ：タービン
３２５        ：空気取り込みライン
３２６        ：第１酸化性ガス供給ライン
３２８        ：燃焼ガス供給ライン
３２９        ：燃焼排ガスライン
３３０        ：熱交換器
３３１        ：第２酸化性ガス供給ライン
３３２        ：バイパスライン
３３３        ：排酸化性ガス排出ライン
３３４        ：排酸化性ガス供給ライン
３２７、３３５−３３７、３４２、３４６、３４７、３５２、３７２：制御弁
３３８        ：遮断弁
３４１        ：第２燃料ガス供給ライン
３４３        ：排燃料ガスライン
３４５        ：排燃料ガス供給ライン
３４８        ：再循環ブロワ
３４９        ：燃料ガス再循環ライン
３５１        ：第１燃料ガス供給ライン
３６１        ：純水供給ライン
３６２        ：ポンプ
３７１        ：空気極燃料供給ライン
３８０        ：制御装置
【図１】
2019163421.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年1月20日(2020.1.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極と固体電解質と燃料極とが積層されて形成されている燃料電池セルにおいて前記空気極側を流れる酸化性ガスと前記燃料極側を流れる燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部を有するセルスタックを備える燃料電池の温度分布制御システムであって、
前記発電部の一端に位置する前記燃料ガスの供給部と、
前記燃料ガスの供給部の温度を計測する温度計測部と、
前記温度計測部による計測結果に基づいて、前記燃料ガスの供給部の温度を予め設定された適正温度範囲内に制御することで、前記発電部における燃料ガス流れ方向の温度分布状態を制御する制御部と、
を備える燃料電池の温度分布制御システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記酸化性ガスの温度を制御することによって、前記燃料ガスの供給口付近の温度を予め設定された前記適正温度範囲内に制御する酸化性ガス温度制御部を備える請求項１に記載の燃料電池の温度分布制御システム。
【請求項３】
空気極と固体電解質と燃料極とが積層されて形成されている燃料電池セルにおいて前記空気極側を流れる酸化性ガスと前記燃料極側を流れる燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部を有するセルスタックを備える燃料電池の温度分布制御システムであって、
前記発電部における前記燃料ガスの供給部の温度を計測する温度計測部と、
前記温度計測部による計測結果に基づいて、前記燃料ガスの供給部の温度を予め設定された適正温度範囲内に制御することで、前記発電部における燃料ガス流れ方向の温度分布状態を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記酸化性ガスの温度を制御することによって、前記燃料ガスの供給口付近の温度を予め設定された前記適正温度範囲内に制御する酸化性ガス温度制御部を備える燃料電池の温度分布制御システム。
【請求項４】
前記適正温度範囲は、前記発電部における中央部の温度に基づいて決定される請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池の温度分布制御システム。
【請求項５】
前記燃料極へ供給される前記燃料ガスは、前記発電部の燃料極側から排出された排燃料ガスの少なくとも一部を排燃料ガスの再循環流量として含み、
前記制御部は、前記排燃料ガスの再循環流量を増減することによって、前記燃料ガスの供給部の温度を予め設定された前記適正温度範囲内に制御する排燃料ガス再循環流量制御部を備える請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池の温度分布制御システム。
【請求項６】
前記制御部は、燃料利用率を増減することによって、前記燃料ガスの供給部の温度を予め設定された前記適正温度範囲内に制御する燃料利用率制御部を備える請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池の温度分布制御システム。
【請求項７】
酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部と、
請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池の温度分布制御システムと、
を備えた燃料電池。
【請求項８】
空気極と固体電解質と燃料極とが積層されて形成されている燃料電池セルにおいて前記空気極側を流れる酸化性ガスと前記燃料極側を流れる燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部と、前記発電部の一端に位置する前記燃料ガスの供給部とを有する複数のセルスタックを備える燃料電池の温度分布制御方法であって、
前記発電部における前記燃料ガスの供給部の温度を計測する温度計測工程と、
前記温度計測工程による計測結果に基づいて、前記燃料ガスの供給部の温度を予め設定された適正温度範囲内に制御することで、前記発電部における燃料ガス流れ方向の温度分布状態を制御する制御工程と、
を含む燃料電池の温度分布制御方法。
【国際調査報告】
2019163421.tif 000015
2019163421.tif 000016
2019163421.tif 000017