(57)【要約】簡易かつ設置スペースを抑制して構成することができ、設置コストを抑制することを目的とする。燃料電池システム（３００）は、空気極（１１３）に酸化性ガスが供給されるとともに燃料極（１０９）に燃料ガスが供給されることにより発電を行うＳＯＦＣ（３１３）と、燃料極（１０９）から排出された排燃料ガスを大気に排出する複数の排燃料ガス排出ライン（３９４）と、複数の排燃料ガス排出ライン（３９４）のそれぞれに設けられた排燃料ガス排出弁（３９５，３９６）と、空気極（１１３）から排出された排酸化性ガスを大気に排出する複数の排酸化性ガス排出ライン（３９１）と、複数の排酸化性ガス排出ライン（３９１）のそれぞれに設けられた排酸化性ガス排出弁（３９２、３９３）と、ＳＯＦＣ（３１３）を停止する際に、排燃料ガス排出弁（３９５，３９６）よりも先に、排酸化性ガス排出弁（３９２、３９３）を開状態とする制御装置（３８０）と、を備える。
2019160036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極と、固体電解質と、燃料極とを備え、前記空気極に酸化性ガスが供給されるとともに前記燃料極に燃料ガスが供給されることにより発電を行う燃料電池と、
前記燃料極から排出された排燃料ガスを系外に排出する複数の排燃料ガス排出ラインと、
複数の前記排燃料ガス排出ラインのそれぞれに設けられた排燃料ガス排出弁と、
前記空気極から排出された排酸化性ガスを系外に排出する複数の排酸化性ガス排出ラインと、
複数の前記排酸化性ガス排出ラインのそれぞれに設けられた排酸化性ガス排出弁と、
前記燃料電池を停止する際に、前記排燃料ガス排出弁よりも先に、前記排酸化性ガス排出弁を開状態とする制御装置と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池において、前記空気極側の系統である空気極側系統と、前記燃料極側の系統である燃料極側系統との差圧を測定する差圧測定手段を備え、
複数の前記排燃料ガス排出ラインは、第１排燃料ガス排出弁が設けられる第１排燃料ガス排出ラインと、前記第１排燃料ガス排出ラインと並列に設けられ、第２排燃料ガス排出弁が設けられる第２排燃料ガス排出ラインと、を含み、
複数の前記排酸化性ガス排出ラインは、第１排酸化性ガス排出弁が設けられる第１排酸化性ガス排出ライン及び、前記第１排酸化性ガス排出ラインと並列に設けられ、第２排酸化性ガス排出弁が設けられる第２排酸化性ガス排出ラインと、を含み、
前記制御装置は、前記燃料電池を停止する際に、前記第１排燃料ガス排出弁及び前記第１排酸化性ガス排出弁を開いた状態で、前記差圧測定手段が測定した差圧に基づいて、前記第２排燃料ガス排出弁及び／又は前記第２排酸化性ガス排出弁を所定の開度への変更する制御を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１排燃料ガス排出弁を駆動する駆動源と、前記第２排燃料ガス排出弁を駆動する駆動源とは異なっていて、
前記第１排酸化性ガス排出弁を駆動する駆動源と、前記第２排酸化性ガス排出弁を駆動する駆動源とは、異なっている請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、
前記差圧測定手段が測定した差圧が所定の閾値以上であるかを判定する判定部と、
前記判定部によって差圧が所定の閾値以上であると判定された場合に、前記空気極側系統と前記燃料極側系統のどちらの圧力が高いかを判断する判断部と、
前記第２排燃料ガス排出弁と前記第２排酸化性ガス排出弁とのうち、前記判断部によって圧力が高いと判断された系統側に設けられた排出弁の開度を、現在の開度よりも大きくする排出弁制御部と、を備える請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１排燃料ガス排出弁及び前記第１排酸化性ガス排出弁は、所定の開度へ変更することが可能な弁であって、
前記制御装置は、前記燃料電池を停止する際に、前記差圧測定手段が測定した差圧に基づいて、前記第１排燃料ガス排出弁及び／又は前記第１排酸化性ガス排出弁の開度を変更し、前記第１排燃料ガス排出ライン及び／又は前記第２排酸化性ガス排出ラインから排出されるガスの流量を変更する請求項２から請求項４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池において、前記空気極側の系統である空気極側系統及び前記燃料極側の系統である燃料極側系統の圧力を測定する圧力測定手段を備え、
複数の前記排燃料ガス排出ラインは、第１排燃料ガス排出弁が設けられる第１排燃料ガス排出ラインと、前記第１排燃料ガス排出ラインと並列に設けられ、第２排燃料ガス排出弁が設けられる第２排燃料ガス排出ラインと、を含み、
複数の前記排酸化性ガス排出ラインは、第１排酸化性ガス排出弁が設けられる第１排酸化性ガス排出ライン及び、前記第１排酸化性ガス排出ラインと並列に設けられ、第２排酸化性ガス排出弁が設けられる第２排酸化性ガス排出ラインと、を含み、
前記第１排燃料ガス排出弁及び前記第１排酸化性ガス排出弁は、所定の設定開度へ変更することが可能な弁であって、
前記制御装置は、前記燃料電池を停止する際に、前記空気極側系統の圧力が所定の閾値以下となった場合に、前記第１排燃料ガス排出弁及び前記第１排酸化性ガス排出弁の開度を大きくなるよう変更する請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムと、
タービンと、該タービンに連結される発電機と、前記タービンに燃焼ガスを送給する燃焼器と、前記燃焼器及び前記空気極に前記酸化性ガスを供給可能とする圧縮機とを備えるガスタービン装置と、を備え、
前記燃料電池の前記燃料極から排出された前記排燃料ガスの一部が前記燃焼器に供給され、
前記圧縮機で圧縮された前記酸化性ガスが前記燃料電池の前記空気極に供給され、前記空気極から排出された前記排酸化性ガスの少なくとも一部が前記燃焼器に供給される複合発電システム。
【請求項８】
請求項１から請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムと、
タービンと、該タービンに連結される前記空気極に前記酸化性ガスを供給可能とする圧縮機と、を備えるターボチャージャー装置と、
前記タービンに燃焼ガスを送給する燃焼器と、を備え、
前記燃料電池の前記燃料極から排出された前記排燃料ガスの燃焼ガスの少なくとも一部が前記燃焼器に供給され、
前記圧縮機で圧縮された前記酸化性ガスが前記燃料電池の前記空気極に供給され、前記空気極から排出された前記排酸化性ガスの少なくとも一部が前記燃焼器に供給される複合発電システム。
【請求項９】
空気極に酸化性ガスが供給されるとともに固体電解質を挟んで設けた燃料極に燃料ガスが供給されることにより発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、前記燃料極から排出された排燃料ガスを系外に排出可能な複数の排燃料ガス排出ラインと、複数の前記排燃料ガス排出ラインのそれぞれに設けられた排燃料ガス排出弁と、前記空気極から排出された排酸化性ガスを系外に排出可能な複数の排酸化性ガス排出ラインと、複数の前記排酸化性ガス排出ラインのそれぞれに設けられた排酸化性ガス排出弁と、を備え、
前記燃料電池を停止する際に、前記排酸化性ガス排出弁を開状態とする第１ステップと、
前記第１ステップの後に、前記排燃料ガス排出弁を開状態とする第２ステップと、を備える燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び複合発電システム並びに燃料電池システムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池が知られている。このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、炭素含有固体燃料をガス化設備により製造した石炭ガス化ガス等のガス、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノールなどを燃料ガスとして運転される燃料電池である。ＳＯＦＣでは、空気極に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に燃料ガスが供給される。このようなＳＯＦＣは、例えばガスタービンやマイクロガスタービン（以下、「ＭＧＴ」と呼ぶ）等の内燃機関と組み合わせて複合発電システムを構築することにより、発電効率の高い発電が可能とされている。【０００３】
ＳＯＦＣには内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約３ＭＰaの加圧状態で運転されるものがあり、ＳＯＦＣの停止動作にあたっては、燃料極出口からの排燃料ガス側の系統及び空気極出口からの排酸化性ガス側の系統のベントラインを開放して、各系統内の排燃料ガスおよび排酸化性ガスを系外へ排出し、ＳＯＦＣ内を減圧する。ＳＯＦＣを停止する際には、セルを損傷させないために、ＳＯＦＣにおける燃料極側系統と空気極側系統の差圧（以下、「燃料空気差圧」という。）を所定の範囲となるようにすることがある（例えば、特許文献１）。
特許文献１では、燃料ガスベントライン及び酸化性ガスベントラインが連通した均圧排出ラインを備えた燃料電池システムが開示されている。このシステムでは、均圧排出ラインによって燃料極側と空気極側の系統差圧を均圧化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−９５９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
また、特許文献１のシステムでは、均圧排出ラインに触媒燃焼器を設けて、排燃料ガス中の可燃ガスの燃焼処理を行っている。しかしながら、特許文献１のように、排酸化性ガスと排燃料ガスとを連通させる均圧排出ラインでは、排燃料ガス中の可燃性ガス成分の急速燃焼を抑制しながら燃焼処理を行わなければならず、システム構成が複雑で設置スペースの増大を招来する可能性がある。ＳＯＦＣシステムが大型化すると、この傾向は顕著であり、燃料ガスの燃焼処理を行うシステム構成がより大型化するとともに、燃焼処理もより複雑化する可能性があるので、ＳＯＦＣシステム全体の設置スペース面積の増大や、設置コストが増大を招来する可能性があった。【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、燃料電池における燃料極側系統及び空気極側系統の適切な差圧制御を行うことができ、簡易かつ設置スペースを抑制して構成することができ、設置コストを抑制することができる燃料電池システム及び複合発電システム並びに燃料電池システムの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】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システム及び複合発電システム並びに燃料電池システムの制御方法は以下の手段を採用する。
本発明の一態様に係る燃料電池システムは、空気極と、固体電解質と、燃料極とを備え、前記空気極に酸化性ガスが供給されるとともに前記燃料極に燃料ガスが供給されることにより発電を行う燃料電池と、前記燃料極から排出された排燃料ガスを系外に排出する複数の排燃料ガス排出ラインと、複数の前記排燃料ガス排出ラインのそれぞれに設けられた排燃料ガス排出弁と、前記空気極から排出された排酸化性ガスを系外に排出する複数の排酸化性ガス排出ラインと、複数の前記排酸化性ガス排出ラインのそれぞれに設けられた排酸化性ガス排出弁と、前記燃料電池を停止する際に、前記排燃料ガス排出弁よりも先に、前記排酸化性ガス排出弁を開状態とする制御装置と、を備えている。【０００８】
燃料電池は、加圧状態で運転をしているので、運転を停止する場合には、燃料電池の空気極出口からの排酸化性ガス側の系統（以下、「空気極側排気系統」という。）及び燃料極出口からの排燃料ガス側の系統（以下、「燃料極側排気系統」という。）からガスを排出して、空気極内及び燃料極内を減圧する必要がある。
上記構成では、排燃料ガス排出ラインが複数設けられ、各排燃料ガス排出ラインに、排燃料ガス排出弁が設けられている。これにより、各排燃料ガス排出弁の開度（全開状態及び全閉状態を含む）を変更することによって、排燃料ガス排出ラインごとに、流通する燃料ガスの流量を変更することができる。このように、系外に排出される燃料ガスの流量を、複数の排燃料ガス排出ラインによって変更し調整することができるので、単数の排燃料ガス排出ラインによって燃料ガスの流量を調整する構造と比較して、燃料極排気側系統からの減圧速度を細かく調整することができる。また、排酸化性ガス排出ラインも、複数設けられ、各排酸化性ガス排出ラインに排酸化性ガス排出弁が設けられている。したがって、排燃料ガス排出ラインと同様に、空気極側排気系統からの減圧速度を細かくに調整することができる。
このように、燃料電池を停止する際に、燃料極側排気系統及び空気極側排気系統からの減圧速度を調整することができる。これにより、燃料電池を停止する際に、燃料電池の空気極内を含む酸化性ガス側の系統（以下、「空気極側系統」という。）及び燃料電池の燃料極内を含む燃料ガス側の系統（以下、「燃料極側系統」という。）において、燃料極側系統と空気極側系統との燃料空気差圧を所定範囲内に抑制した状態で減圧を行うことができる。したがって、燃料極側系統と空気極側系統との差圧に起因する燃料電池システムの損傷を抑制することが可能となる。【０００９】
また、排燃料ガス排出ライン及び排酸化性ガス排出ラインが、並列に設けられた複数のラインを備えているので、燃料ガス及び酸化性ガスを系外に排出する構造に対して、冗長性を持たせることができる。したがって、排燃料ガス排出ラインまたは排酸化性ガス排出ラインにおいて、仮にどちらかの排出ラインが破損等により使用できなくなったとしても、もう一方の排出ラインによって燃料ガスまたは酸化性ガスを系外へ排出することができる。したがって、燃料電池システムの信頼性を向上させることができる。【００１０】
また、空気極側排気系統は、燃料極側排気系統よりも容積が大きい。したがって、空気極側排気系統の方が、燃料極側系統よりも、系統内に存在するガスの量が多く、系外に排出されるガスの流量が同程度の場合は、空気極内の圧力が低下しにくい。上記構成では、排燃料ガス排出弁よりも、排酸化性ガス排出弁の方が先に開く。これにより、燃料極側排気系統よりも先に、圧力が下がりにくい空気極側排気系統から排出が行われ、圧力の低下が開始される。このように、圧力が下がりにくい空気極側排気系統の圧力が先に低下し、その後に圧力が下がりやすい燃料極側排気系統の圧力が低下するので、燃料極側系統と空気極側系統との燃料空気差圧を所定範囲内に抑制することができる。
また、後から減圧する燃料極側排気系統からの減圧速度を、空気極側排気系統からの減圧速度と略同一となるように設定しておくことで、減圧中の燃料空気差圧を所定の範囲内とすることができる。このように、燃料極側系統を減圧する際に、空気極排気側系統の減圧速度を目標速度とし、該目標速度を追従するように減圧することができるので、燃料極側系統の減圧制御を容易化することができる。したがって、燃料極側系統と空気極側系統との燃料空気差圧の制御も容易化することができる。【００１１】
また、空気極側排気系統から減圧されるので、燃料電池の減圧時において、空気極側排気系統の圧力よりも、燃料極側排気系統の圧力の方が高くなる。これにより、空気極側系統から燃料極側系統への酸化性ガスの流入を抑制することができる。したがって、燃料極側系統への酸化性ガスの流入に起因した燃料電池の劣化や損傷を防止することができる。【００１２】
また、通常存在する排燃料ガス排出ライン及び排酸化性ガス排出ラインを複数設けるだけなので、燃料空気差圧を所定範囲内に抑制する構造を簡易に実現することができる。したがって、排燃料ガス中の可燃性ガス成分の急速燃焼を抑制するための燃焼処理が不要となり、燃料電池システム全体の設置スペースを抑制できるとともに、設置コストも抑制することができる。【００１３】
また、本発明の一態様に係る燃料電池システムは、前記燃料電池において、前記空気極側の系統である空気極側系統と、前記燃料極側の系統である燃料極側系統との差圧を測定する差圧測定手段を備え、複数の前記排燃料ガス排出ラインは、第１排燃料ガス排出弁が設けられる第１排燃料ガス排出ラインと、前記第１排燃料ガス排出ラインと並列に設けられ、第２排燃料ガス排出弁が設けられる第２排燃料ガス排出ラインと、を含み、複数の前記排酸化性ガス排出ラインは、第１排酸化性ガス排出弁が設けられる第１排酸化性ガス排出ライン及び、前記第１排酸化性ガス排出ラインと並列に設けられ、第２排酸化性ガス排出弁が設けられる第２排酸化性ガス排出ラインと、を含み、前記制御装置は、前記燃料電池を停止する際に、前記第１排燃料ガス排出弁及び前記第１排酸化性ガス排出弁を開いた状態で、前記差圧測定手段が測定した差圧に基づいて、前記第２排燃料ガス排出弁及び／又は前記第２排酸化性ガス排出弁を所定の開度への変更する制御を行ってもよい。【００１４】
上記構成では、排燃料ガス排出ライン及び排酸化性ガス排出ラインにおいて、複数設けられた排出ラインのうち一つの排出ライン（第１排燃料ガス排出ライン及び第１排酸化性ガス排出ライン）で排出を行いつつ、他の排出ライン（第２排燃料ガス排出ライン及び第２排酸化性ガス排出ライン）に設けられた排出弁の開度を燃料空気差圧に基づいて所定の開度（全開状態及び全閉状態を含む）へと変更している。他の排出ラインに設けられた排出弁の開度を大きくした場合には、当該排出ラインが接続する極側の排気系統の減圧速度が速まり、排出弁の開度を小さくした場合には、当該排出ラインが接続する極側の排気系統の減圧速度が遅くなる。このように、各排気系統の減圧速度を変更し設定することができる。これにより、燃料電池を停止する際の燃料極側系統と空気極側系統との燃料空気差圧を所定範囲内に抑制することが可能となる。また、上記構成では、このような制御を、空気極側排気系統と燃料極側排気系統からの排気流量を変更することで、燃料空気差圧に基づいて行っているので、燃料空気差圧をより好適に抑制することが可能となる。【００１５】
また、本発明の一態様に係る燃料電池システムは、前記第１排燃料ガス排出弁を駆動する駆動源と、前記第２排燃料ガス排出弁を駆動する駆動源とは異なっていて、前記第１排酸化性ガス排出弁を駆動する駆動源と、前記第２排酸化性ガス排出弁を駆動する駆動源とは、異なっていてもよい。【００１６】
上記構成では、排燃料ガス排出ライン及び排酸化性ガス排出ラインにおいて、駆動源が異なる２種類の弁を備えることができる。これにより、排燃料ガス及び排酸化性ガスを系外に排出する構造に対して、冗長性を持たせることができる。したがって、仮にどちらかの駆動源が故障等して作動しなくなった場合であっても、もう一方の駆動源によって駆動する弁部を駆動することで、排燃料ガス及び排酸化性ガスの系外への排出をより確実に行うことができる。【００１７】
また、本発明の一態様に係る燃料電池システムは、前記制御装置は、前記差圧測定手段が測定した差圧が所定の閾値以上であるかを判定する判定部と、前記判定部によって差圧が所定の閾値以上であると判定された場合に、前記と前記燃料極側系統のどちらの圧力が高いかを判断する判断部と、前記第２排燃料ガス排出弁と前記第２排酸化性ガス排出弁とのうち、前記判断部によって圧力が高いと判断された系統側に設けられた排出弁の開度を、現在の開度よりも大きくする排出弁制御部と、を備えてもよい。【００１８】
上記構成では、差圧測定手段が測定した差圧が所定の閾値よりも高い場合には、圧力が高いと判断された系統側出口の排気系統の排出ラインに設けられた排出弁の開度を、現在の開度よりも大きくしている。これにより、圧力が高いと判断された系統側の減圧速度を速めて、燃料極側系統と空気極側系統との燃料空気差圧を低減することができる。
なお、開度を大きくするとは、全閉状態を全開状態にすることも含む。【００１９】
また、本発明の一態様に係る燃料電池システムは、前記第１排燃料ガス排出弁及び前記第１排酸化性ガス排出弁は、所定の開度へ変更することが可能な弁であって、前記制御装置は、前記燃料電池を停止する際に、前記差圧測定手段が測定した差圧に基づいて、前記第１排燃料ガス排出弁及び／又は前記第１排酸化性ガス排出弁の開度を変更し、前記第１排燃料ガス排出ライン及び／又は前記第２排酸化性ガス排出ラインから排出されるガスの流量を変更してもよい。【００２０】
上記構成では、第１排燃料ガス排出弁及び第１排酸化性ガス排出弁の開度を変更することによって、排出されるガスの流量を変更して設定し、各系統の減圧速度を調整することができる。このように、第１排燃料ガス排出弁及び第１排酸化性ガス排出弁によって、燃料電池を停止する際の燃料極側系統と空気極側系統との燃料空気差圧を所定範囲内に抑制することができるので、第２排燃料ガス排出弁及び第２排酸化性ガス排出弁の駆動回数を低減することができる。【００２１】
また、本発明の一態様に係る燃料電池システムは、前記燃料電池において、前記空気極側の系統である空気極側系統及び前記燃料極側の系統である燃料極側系統の圧力を測定する圧力測定手段を備え、複数の前記排燃料ガス排出ラインは、第１排燃料ガス排出弁が設けられる第１排燃料ガス排出ラインと、前記第１排燃料ガス排出ラインと並列に設けられ、第２排燃料ガス排出弁が設けられる第２排燃料ガス排出ラインと、を含み、複数の前記排酸化性ガス排出ラインは、第１排酸化性ガス排出弁が設けられる第１排酸化性ガス排出ライン及び、前記第１排酸化性ガス排出ラインと並列に設けられ、第２排酸化性ガス排出弁が設けられる第２排酸化性ガス排出ラインと、を含み、前記第１排燃料ガス排出弁及び前記第１排酸化性ガス排出弁は、所定の設定開度へ変更することが可能な弁であって、前記制御装置は、前記燃料電池を停止する際に、前記空気極側系統の圧力が所定の閾値以下となった場合に、前記第１排燃料ガス排出弁及び前記第１排酸化性ガス排出弁の開度を大きくなるよう変更してもよい。【００２２】
上記構成では、燃料電池を停止する際に、燃料電池の圧力を段階的に減圧している。これにより、燃料電池を停止する際に、燃料電池内の圧力が急激に低下しないので、燃料電池に生じる燃料空気差圧の急速な変化を低減することができる。また、段階的に減圧していくことで、差圧の制御を容易化することができる。【００２３】
本発明の一態様に係る複合発電システムは、上記いずれかの燃料電池システムと、タービンと、該タービンに連結される発電機と、前記タービンに燃焼ガスを送給する燃焼器と、前記燃焼器及び前記空気極に酸化性ガスを供給可能とする圧縮機とを備えるガスタービン装置と、を備え、前記燃料電池の前記燃料極から排出された前記排燃料ガスの一部が前記燃焼器に供給され、前記圧縮機で圧縮された酸化性ガスが前記燃料電池の前記空気極に供給され、前記空気極から排出された前記排酸化性ガスの少なくとも一部が前記燃焼器に供給される。
また、本発明の一態様に係る複合発電システムは、上記いずれかの燃料電池システムと、タービンと、該タービンに連結される前記空気極に前記酸化性ガスを供給可能とする圧縮機と、を備えるターボチャージャー装置と、前記タービンに燃焼ガスを送給する燃焼器と、を備え、前記燃料電池の前記燃料極から排出された前記排燃料ガスの燃焼ガスの少なくとも一部が前記燃焼器に供給され、前記圧縮機で圧縮された前記酸化性ガスが前記燃料電池の前記空気極に供給され、前記空気極から排出された前記排酸化性ガスの少なくとも一部が前記燃焼器に供給される。【００２４】
本発明の一態様に係る燃料電池システムの制御方法は、空気極に酸化性ガスが供給されるとともに固体電解質を挟んで設けた燃料極に燃料ガスが供給されることにより発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムは、前記燃料極から排出された排燃料ガスを系外に排出可能な複数の排燃料ガス排出ラインと、複数の前記排燃料ガス排出ラインのそれぞれに設けられた排燃料ガス排出弁と、前記空気極から排出された排酸化性ガスを系外に排出可能な複数の排酸化性ガス排出ラインと、複数の前記排酸化性ガス排出ラインのそれぞれに設けられた排酸化性ガス排出弁と、を備え、前記燃料電池を停止する際に、前記排酸化性ガス排出弁を開状態とする第１ステップと、前記第１ステップの後に、前記排燃料ガス排出弁を開状態とする第２ステップと、を備える。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、燃料電池における燃料電池システムの燃料極側系統及び空気極側系統の適切な差圧制御を行い、燃料電池システムを、簡易かつ設置スペースを抑制して構成することができるとともに、設置コストを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【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の要部の一態様を示すものである。
【図６】本発明の一実施形態に係る制御装置の一態様を示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る発電システムの差圧制御処理を示すフローチャートである。
【図８】本発明の一実施形態に係る発電システムの燃料電池の停止方法を示すグラフである。
【図９】本発明の一実施形態に係る燃料電池における燃料極側系統の圧力及び空気極側系統の圧力と時間との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下に、本発明に係る燃料電池システム及び複合発電システム並びに燃料電池システムの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。本実施形態では、燃料電池として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を適用した例について説明する。
【００２８】
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。
また、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。
【００２９】
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。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。また、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。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。また、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。
【００３５】
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。
【００３６】
燃料極１０９、固体電解質１１１及びインターコネクタ１０７のスラリーの膜が形成された基体管１０３を、大気中にて共焼結する。焼結温度は、具体的に１３５０℃〜１４５０℃とされる。
つぎに、共焼結された基体管１０３上に、空気極１１３のスラリーの膜が形成された基体管１０３が、大気中にて焼結される。焼結温度は、具体的に１１００℃〜１２５０℃とされる。ここでの焼結温度は、基体管１０３〜インターコネクタ１０７を形成した後の共焼結温度よりも低温とされる。
【００３７】
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。また、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。
【００３８】
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。なお、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。また、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。また、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。
【００３９】
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。また、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。
【００４０】
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。また、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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。また、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。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室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。
【００４４】
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。また、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、温度センサなどで監視され、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。
【００４５】
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。また、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。
【００４６】
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。また、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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。また、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。
【００５１】
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。また、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。
【００５２】
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。また、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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。また、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。
【００５５】
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。また、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。
【００５６】
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。また、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。
【００５７】
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。
【００５８】
以上述べたように、本実施形態のＳＯＦＣ３１３では、供給された燃料ガスは主にセルスタック１０１の内部空間等を流通する。一方、供給された酸化性ガス（空気）は主にセルスタック１０１の外部側にあたるＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電室２１５及び圧力容器２０５の内部空間を流通する。空気極側排気系統は、空気極側系統の容積は、燃料極側系統の容積よりも大きくなっている。
【００５９】
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（ガスタービン装置、以下「ＭＧＴ」という。）３１１と、発電機３１２と、ＳＯＦＣ３１３を有する燃料電池システム３００と、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。
【００６０】
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。
【００６１】
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に送給される。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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。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。
また、ＳＯＦＣ３１３は、差圧計（差圧測定手段、圧力測定手段）９０を備えている。差圧計９０は、ＳＯＦＣ１３において、燃料極側系統と空気極側系統との差圧である燃料空気差圧を計測する。また、差圧計９０は、燃料空気差圧の絶対値に加え、燃料極側系統と空気極側系統とどちらの圧力が高いかを検出する。また、差圧計９０は、燃料極側系統及び空気極側系統のそれぞれの圧力値を検出する。差圧計９０で計測又は検出された情報は、後述する制御装置３８０に送信される。
【００６５】
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。また、第１酸化性ガス供給ライン３２６において、第２酸化性ガス供給ライン３３１の分岐点よりも空気Ａ２の上流側（換言すると、圧縮機３２１側）には、熱交換器３３０が設けられている。熱交換器３３０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。
【００６６】
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。
【００６７】
ＳＯＦＣ３１３には、空気極１１３の出口から排空気Ａ３を排出する排酸化性ガスライン３３３が接続されている。この排酸化性ガスライン３３３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と、空気極１１３の出口からの排空気Ａ３の一部を大気（系外）に排出可能とする排酸化性ガス排出ライン３９１とに分岐している。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３９１は、複数（本実施形態では、例えば、２つ）設けられている。本実施形態では、具体的には、複数の排酸化性ガス排出ライン３９１は、第１排酸化性ガス排出弁３９２が設けられる第１排酸化性ガス排出ライン３９１ａと、第１排酸化性ガス排出ライン３９１ａと並列に設けられ、第２排酸化性ガス排出弁３９３が設けられる第２排酸化性ガス排出ライン３９１ｂと、により構成されている（図５も参照）。第１排酸化性ガス排出ライン３９１ａの流路断面積と第２排酸化性ガス排出ライン３９１ｂの流路断面積とは、いずれを使用しても同様に流量制御が可能なように略同一に設定されている。
本実施形態では、第１排酸化性ガス排出弁３９２は、図示しないモータによって駆動するモータ弁であって、開度指令を途中で停止することで弁開度を途中でロックすることで流量係数を変更し、所定の開度に変更することで内部を流れる排空気Ａ３の流量を所定の流量に変更可能な遮断弁である。また、第２排酸化性ガス排出弁３９３は、図示しないコンプレッサによって圧縮された圧縮空気で駆動する空気式の開閉弁（所定開度に設定可能な遮断弁）である。第１排酸化性ガス排出弁３９２及び第２排酸化性ガス排出弁３９３によって、大気へ排出する排空気Ａ３の流量を変更して設定可能としている。なお、本実施形態では、第１排酸化性ガス排出弁３９２と第２排酸化性ガス排出弁３９３は、遮断弁を用いることによりコストダウンをさせているが、遮断弁に限定することなく流量調整弁を用いてもよい。
【００６８】
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が設けられている。
また、排燃料ガスライン３４３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と、燃料極１０９で用いられた排燃料ガスＬ３を大気（系外）に排出する排燃料ガス排出ライン３９４とに分岐している。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。排燃料ガス排出ライン３９４は複数（本実施形態では、例えば、２つ）設けられている。具体的には、複数の排燃料ガス排出ライン３９４は、第１排燃料ガス排出弁３９５が設けられる第１排燃料ガス排出ライン３９４ａと、第１排燃料ガス排出ライン３９４ａと並列に設けられ、第２排燃料ガス排出弁３９６が設けられる第２排燃料ガス排出ライン３９４ｂと、により構成されている（図５も参照）。第１排燃料ガス排出ライン３９４ａの流路断面積と第２排燃料ガス排出ライン３９４ｂの流路断面積とは略同一に設定され、いずれを使用しても同様に流量制御が可能なようにしている。
第１排燃料ガス排出弁３９５は、図示しないモータによって駆動するモータ弁であって、開度指令を途中で停止することで弁開度を途中で停止保持することで流量係数を変更し、所定の開度に変更することで内部を流れる排燃料ガスＬ３の流量を変更可能な遮断弁である。また、第２排燃料ガス排出弁３９６は、図示しないコンプレッサによって圧縮された圧縮空気で駆動する空気式の開閉弁（所定開度に設定可能な遮断弁）である。第１排燃料ガス排出弁３９５及び第２排燃料ガス排出弁３９６によって、大気へ排出する排燃料ガスＬ３の流量を変更している。なお、第１排燃料ガス排出弁３９５と第２排燃料ガス排出弁３９６は、遮断弁によりコストダウンをさせているが、遮断弁に限定することなく流量調整弁を用いてもよい。
【００６９】
第１排酸化性ガス排出弁３９２、第２排酸化性ガス排出弁３９３、第１排燃料ガス排出弁３９５及び第２排燃料ガス排出弁３９６によって、排燃料ガスＬ３もしくは排空気Ａ３を大気に排出することで、過剰に高くなった圧力を迅速に調整することができる。また、ＳＯＦＣ３１３を停止する際に、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（例えば燃料極１０９側が０．１ｋＰａ〜３０ｋＰａ高くなる）ように、第１排酸化性ガス排出弁３９２、第２排酸化性ガス排出弁３９３、第１排燃料ガス排出弁３９５及び第２排燃料ガス排出弁３９６により制御される。
【００７０】
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を改質するための水が不足する場合に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。
【００７１】
制御装置３８０は、例えば、発電システム（複合発電システム）３１０に備える差圧計９０、圧力計、各温度センサ、流量計などの計測値等に基づき、各弁の制御を行う。制御装置３８０は、図６に示すように、差圧計９０が測定した燃料空気差圧が所定の閾値以上であるかを判定する判定部３８１と、判定部３８１によって燃料空気差圧が所定の閾値以上であると判定された場合に、空気極側系統と燃料極側系統のどちらの圧力が高いかを判断する判断部３８２と、差圧計９０が測定した空気極側系統の圧力が燃料極側系統の圧力に対して所定の閾値以下となった場合に、前記第１排燃料ガス排出弁及び前記第１排酸化性ガス排出弁の開度を大きくする第１排出弁制御部３８３と、第２排燃料ガス排出弁３９６と第２排酸化性ガス排出弁３９３とのうち、判断部３８２によって圧力が高いと判断された系統側出口の排気系統に設けられた排出弁の開度を、現在の開度よりも大きくする第２排出弁制御部３８４と、を有している。
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。なお、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。
【００７２】
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（例えばＳ／Ｃが３．０〜５．０）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。また、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。
【００７３】
ここで、本実施形態の発電システム３１０の起動方法について、図４を参照して説明する。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（発電出力）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。
【００７４】
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、制御弁３３６、第１排酸化性ガス排出弁３９２及び第２排酸化性ガス排出弁３９３は、全閉とされるのが好ましい。
【００７５】
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。第１排酸化性ガス排出弁３９２、第２排酸化性ガス排出弁３９３及び遮断弁３３８を閉止し、制御弁３２７を所定開度だけ開放する。なお、ここで昇圧速度を制御するための開度調整を行う。なお、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。
【００７６】
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。第１排燃料ガス排出弁３９５、第２排燃料ガス排出弁３９６及び制御弁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、所定のタイミングで燃料ガス再循環ライン３４９の再循環ブロワ３４８を駆動する。なお、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。
【００７７】
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、第１排酸化性ガス排出弁３９２及び／または第２排酸化性ガス排出弁３９３も開度を変更する制御を行い、ＳＯＦＣ３１３からの排空気Ａ３の一部を系統外へ排出してもよい。それと同時に第１排燃料ガス排出弁３９５及び／または第２排燃料ガス排出弁３９６の開度を変更する制御を行い、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。
【００７８】
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。
【００７９】
その後、ＳＯＦＣ３１３の圧力制御が安定してから、第１排酸化性ガス排出弁３９２及び第２排酸化性ガス排出弁３９３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。
【００８０】
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（発電出力）を上昇させる。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
また、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、第１排燃料ガス排出弁３９５及び第２排燃料ガス排出弁３９６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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
ここで、本実施形態のＳＯＦＣ３１３の停止方法について説明する。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。
【００８９】
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は所定の開度として燃料ガスＬ２の供給を継続する。また、第１排酸化性ガス排出弁３９２及び第１排燃料ガス排出弁３９５を所定のタイミングで開状態とするとともに、燃料空気差圧に応じて第２排酸化性ガス排出弁３９３もしくは第２排燃料ガス排出弁３９６を間欠的に開状態とすることで、排空気Ａ３及び排燃料ガスＬ３を系外へ排出し、ＳＯＦＣ３１３を所定内の燃料空気差圧を維持しながら減圧する。このとき、第１排燃料ガス排出弁３９５よりも先に、第１排酸化性ガス排出弁３９２を開状態とする。なお、第１排酸化性ガス排出弁３９２及び第２排酸化性ガス排出弁３９３、第１排燃料ガス排出弁３９５及び第２排燃料ガス排出弁３９６から排空気Ａ３および排燃料ガスＬ３を系外へ排出する処理の詳細については、後述する。
排空気Ａ３および排燃料ガスＬ３を系外へ排出するにあたり、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への所定流量での燃料ガスＬ２およびＳ／Ｃが規定値（例えばＳ／Ｃが３．０〜５．０）よりも低いときは純水供給ライン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。
【００９０】
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、第１排燃料ガス排出弁３９５及び／または第２排燃料ガス排出弁３９６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。また、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、第１排燃料ガス排出弁３９５及び／または第２排燃料ガス排出弁３９６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。また、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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
次に、ＳＯＦＣ３１３を停止する際に、制御装置３８０が行う差圧制御処理について、図７のフローチャートに基づいて説明する。
Ｓ１でＳＯＦＣ３１３の減圧指令が出ると、まず、第１排酸化性ガス排出弁３９２を開状態とする（Ｓ２）。第１排酸化性ガス排出ライン３９１ａに設けられている第１排酸化性ガス排出弁３９２が開状態となると、空気極排気側系統の圧力が低下する（Ｓ３）。次に、制御装置３８０は、第１排燃料ガス排出弁３９５を開状態とし（Ｓ４）、すでに開状態であれば開状態を維持する、または弁開度をより開方向へ変更し設定してもよい（Ｓ６から移行時）。第１排燃料ガス排出ライン３９４ａに設けられている第１排燃料ガス排出弁３９５が開状態となると、燃料極排気側系統の圧力が低下する。次に、制御装置３８０は、差圧計９０から送信された情報に基づいて、燃料空気差圧ΔＰを確認する（Ｓ５）。ΔＰは、下記式（１）で求められる。
ΔＰ＝（燃料極側系統の圧力）−（空気極側系統の圧力）・・・（１）
【００９４】
燃料空気差圧を確認すると、制御装置３８０は、Ｓ６に進む。Ｓ６では、燃料空気差圧ΔＰの絶対値が閾値β（例えば、２５ｋＰａ）以上か否かについて判定する。この判定は、制御装置３８０の判定部３８１が行う。燃料空気差圧ΔＰの絶対値が、閾値β以上でないと判定された場合には、Ｓ４に戻り、減圧を継続する。燃料空気差圧ΔＰの絶対値が、閾値β以上であると判定された場合には、燃料極側系統の圧力の方が、空気極側系統の圧力よりも高いか否かを判断する（Ｓ７）。この判断は、制御装置３８０の判断部３８２が行う。Ｓ７で判断を行うと、制御装置３８０は、第２排酸化性ガス排出弁３９３及び第２排燃料ガス排出弁３９６の制御処理（Ｓ８）に移行する。
【００９５】
Ｓ８では、燃料極側系統の圧力の方が空気極側系統の圧力よりも高いか否かによって、処理が異なる。空気極側排気系統の圧力よりも、燃料極側排気系統の圧力の方が高くなるようにすることで、空気極側系統から燃料極側系統への酸化性ガスの流入を抑制することができる。これにより、燃料極側系統への酸化性ガスの流入に起因したＳＯＦＣ３１３の劣化、特に燃料極１０９の損傷を防止することができる。Ｓ７で、燃料極側系統の圧力の方が、空気極側系統の圧力よりも高いと判断した場合には、Ｓ１１に移行し、ΔＰ≧＋γ１であると確認する（Ｓ１１）。なお、γ１は所定の閾値βと同じ値としているが、上限の閾値βよりも少し小さな閾値（例えば２０ｋＰａ〜２５ｋＰａ）として、閾値βの管理値を変更した場合でもそのままγ１を継続して値の変更を不要としてもよい。次に、制御装置３８０は、第２排燃料ガス排出弁３９６を開状態とする（Ｓ１２）。第２排燃料ガス排出弁３９６を開状態とすると、次に、制御装置３８０は、Ｓ１３に移行する。Ｓ１３では、燃料空気差圧ΔＰが所定の閾値以下であるかを判断する。所定の閾値とは、＋γ１よりもδ１だけ小さい数値（すなわち、＋γ１−δ１）であり、燃料空気差圧ΔＰが所定の閾値＋γ１よりδ１だけ低下して所定の閾値＋γ１より確実に低下することを確認するまで第２排燃料ガス排出弁３９６の開状態（Ｓ１２）を継続する。なお、第２排燃料ガス排出弁３９６はステップ状に間欠的に開閉することで燃料空気差圧ΔＰを所定の閾値以内へと緩やかに変化してもよい。
また、Ｓ１３では、燃料空気差圧ΔＰが所定の閾値以下でないと判断した場合には、第２排燃料ガス排出弁３９６の開状態を維持するとともに、燃料空気差圧ΔＰが所定の閾値以下であると判断した場合には、Ｓ１４に移行する。Ｓ１４に移行すると、制御装置３８０は、第２排燃料ガス排出弁３９６を閉状態とする（Ｓ１４）。第２排燃料ガス排出弁３９６を閉状態とすると、Ｓ９に移行する。
【００９６】
Ｓ７で、燃料極側系統の圧力の方が、空気極側系統の圧力よりも高くない（すなわち、空気極側系統の圧力の方が高い）と判断した場合には、Ｓ１５に移行し、ΔＰ≧−γ２であると確認される（Ｓ１５）。なお、γ２は所定の閾値βと同じ値としているが、下限の閾値βよりも少し大きな閾値値（例えば−２５ｋＰａ〜−２０ｋＰａ）として、閾値βの管理値を変更した場合でもそのままγ２を継続して値の変更を不要としてもよい。次に、制御装置３８０は、第２排酸化性ガス排出弁３９３を開状態とする（Ｓ１６）。第２排酸化性ガス排出弁３９３を開状態とすると、次に、制御装置３８０は、Ｓ１７に移行する。Ｓ１７では、ΔＰが所定の閾値以上であるかを判断する。所定の閾値とは、−γ２よりもδ２だけ大きい数値（すなわち、−γ２＋δ２）であり、燃料空気差圧ΔＰが所定の閾値−γ２よりδ２だけ上昇して所定の閾値−γ２より確実に上昇することを確認するまで第２排酸化性ガス排出弁３９３の開状態（Ｓ１８）を継続する。なお、第２排酸化性ガス排出弁３９３はステップ状に間欠的に開閉することで燃料空気差圧ΔＰを所定の閾値以内へ緩やかに変更してもよい。
また、Ｓ１３では、燃料空気差圧ΔＰが所定の閾値以上でないと判断した場合には、第２排酸化性ガス排出弁３９３の開状態を維持する処理を行うとともに、燃料空気差圧ΔＰが所定の閾値以上であると判断した場合には、Ｓ１８に移行する。Ｓ１８に移行すると、制御装置３８０は、第２排酸化性ガス排出弁３９３を閉状態とする（Ｓ１８）。第２排酸化性ガス排出弁３９３を閉状態とすると、Ｓ９に移行する。
【００９７】
Ｓ９では、燃料空気差圧ΔＰの絶対値が閾値α（例えば、０．１ｋＰａ〜１ｋＰａ）以下か否かについて判定する。燃料空気差圧ΔＰの絶対値が、閾値α以下でないと判定された場合には、Ｓ４に戻り、燃料空気差圧ΔＰの確認（Ｓ５）を行い、燃料空気差圧ΔＰの絶対値が閾値β以上か否かについての判定（Ｓ６）を実施する。燃料空気差圧ΔＰの絶対値が、閾値α以下であると判定された場合には、Ｓ１０に進む。Ｓ１０では、各弁の開閉状態を現状の状態で維持して、減圧を継続する。
このようにして、ＳＯＦＣ３１３を停止する際に、制御装置３８０によって差圧制御処理が行われる。
【００９８】
また、本実施形態の発電システム３１０では、ＳＯＦＣ３１３を停止する際に、ＳＯＦＣ３１３を減圧するために、第１排酸化性ガス排出弁３９２及び第１排燃料ガス排出弁３９５を開状態とするが、各弁の当初の設定開度を例えば５０％とする。また、減圧が進み、差圧計９０が測定する空気極側系統の圧力が所定の閾値（本実施形態では、例えば、１００ｋＰａ〜５００ｋＰａ）以下となると、制御装置３８０が第１排酸化性ガス排出弁３９２及び第１排燃料ガス排出弁３９５の設定開度を５０％から更に開方向へ制御し、設定開度を例えば１００％としてもよい。
【００９９】
ＳＯＦＣ３１３の停止時の各系統の圧力と、排酸化性ガス排出ライン３９１及び排燃料ガス排出ライン３９４に設けられた弁の開閉状態について、図８を用いて説明する。図８の最上部のグラフは、縦軸が圧力を示し、横軸が時間を示す。また、図８の最上部以外のグラフは、縦軸が各弁の開度を示し、横軸が時間を示す。
【０１００】
図８に示すように、ＳＯＦＣ３１３の停止に際して、ＳＯＦＣ３１３の減圧を行う場合には、まず、本実施形態では時間がＴ１のタイミングで第１排酸化性ガス排出弁３９２の設定開度を０％（全閉状態）から例えば５０％へ変更する（第１ステップ）。これにより、空気極排気側系統の減圧が開始される。次に、Ｔ１から所定の時間を空けたＴ２のタイミングで、第１排燃料ガス排出弁３９５の設定開度を０％（全閉状態）から例えば５０％へ変更する（第２ステップ）。これにより、燃料極排気側系統の減圧が開始される。系統として容量の大きい空気極排気側系統から減圧し、空気極排気側系統よりも容量の小さい燃料極排気側系統の減圧が追従して制御されるため、空気極排気側系統の減圧速度を目標速度になるように維持しながら燃料空気差圧が所定の値以内となるよう制御が容易となる。
【０１０１】
各系統の減圧を行っている際に、燃料極側系統の減圧速度が遅くなり、燃料空気差圧が増大して燃料極側系統の圧力が空気極側系統の圧力より所定の値以上に高くなった場合には、そのタイミング（本実施形態では、例えば時間がＴ３のタイミング。）で、第２排燃料ガス排出弁３９６の設定開度を０％から例えば１００％（全開状態）とする。これにより、燃料極側系統の減圧速度が速まり、燃料空気差圧の増大が修正されて、燃料空気差圧が低減する。燃料空気差圧が所定の値の範囲となると（本実施形態では、例えば時間がＴ４のタイミング）、第２排燃料ガス排出弁３９６の設定開度を１００％から０％（全開状態）とする。第２排燃料ガス排出弁３９６の設定開度がステップ状に開閉される。これにより、燃料極側系統の減圧速度が時間Ｔ３以前の状態に戻る。なお、図８では、図示の関係上、燃料空気差圧が増大している状態は図示していない（燃料空気差圧が増大している状態については、図９参照。）。以下の説明においても同様である。
【０１０２】
各系統の減圧を行っている際に、空気極側系統の減圧速度が遅くなり、燃料空気差圧が増大して空気極側系統の圧力が燃料極側系統の圧力より所定の値以上に高くなった場合には、そのタイミング（本実施形態では、例えば時間がＴ５のタイミング。）で、第２排酸化性ガス排出弁３９３の設定開度を０％から例えば１００％（全開状態）とする。これにより、空気極側系統の減圧速度が速まり、燃料空気差圧の増大が修正されて、燃料空気差圧が低減する。燃料空気差圧が所定の値の範囲となると（本実施形態では、例えば時間がＴ６のタイミング）、第２排酸化性ガス排出弁３９３の設定開度を１００％から０％（全開状態）とする。第２排酸化性ガス排出弁３９３の設定開度がステップ状に開閉される。これにより、空気極側系統の減圧速度が時間Ｔ５以前の状態に戻る。
【０１０３】
空気極側系統の減圧が進み、空気極側系統の圧力が所定の閾値（本実施形態では、例えば１００ｋＰａ〜５００ｋＰａ）以下となったタイミングの時間Ｔ７で、第１排酸化性ガス排出弁３９２及び第１排燃料ガス排出弁３９５の設定開度を例えば５０％から１００％（全開状態）とする。
【０１０４】
本実施形態の燃料電池システム３００では、このようにＳＯＦＣ３１３の減圧が行われる。なお、第２排燃料ガス排出弁３９６及び第２排酸化性ガス排出弁３９３の開閉は、１度でなく複数回にわたり行われてもよい。すなわち、第２排燃料ガス排出弁３９６及び第２排酸化性ガス排出弁３９３の開閉動作は、ステップ状に間欠的に行われてもよい。
【０１０５】
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態では、排燃料ガス排出ライン３９４が複数（本実施形態では、一例として２つ）設けられ、各排燃料ガス排出ライン３９４に、第１排燃料ガス排出弁３９５及び第２排燃料ガス排出弁３９６が設けられている。これにより、第１排燃料ガス排出弁３９５及び第２排燃料ガス排出弁３９６を設定した開度（全開状態及び全閉状態を含む）へ変更することによって、排燃料ガス排出ライン３９４ごとに、流通する排燃料ガスの流量を変更することができる。このように、系外に排出される排燃料ガスの流量を、複数の排燃料ガス排出ライン３９４によって変更し調整することができるので、単数の排燃料ガス排出ラインによって排燃料ガスの流量を調整する構造と比較して、排出される排燃料ガスの流量を変更し調整することで、燃料極側系統の減圧速度を細かく調整することができる。
また、排酸化性ガス排出ライン３９１も、複数（本実施形態では、一例として２つ）設けられ、各排酸化性ガス排出ライン３９１に第１排酸化性ガス排出弁３９２及び第２排酸化性ガス排出弁３９３が設けられている。したがって、燃料極側系統と同様に、空気極側系統の減圧速度を細かくに調整することができる。
このように、ＳＯＦＣ３１３を停止する際に、燃料極側系統及び空気極側系統の減圧速度を細かく調整することができる。これにより、ＳＯＦＣ３１３を停止する際に、燃料極側系統と空気極側系統との燃料空気差圧を所定の範囲内に抑制した状態で減圧を行うことができる。したがって、燃料極側系統と空気極側系統との燃料空気差圧に起因する燃料電池システム３００の劣化や損傷を抑制することが可能となる。
【０１０６】
また、排燃料ガス排出ライン３９４及び排酸化性ガス排出ライン３９１が、並列に設けられた複数のラインを備えているので、燃料ガス及び酸化性ガスを大気に排出する構造に対して、冗長性を持たせることができる。したがって、排燃料ガス排出ライン３９４または排酸化性ガス排出ライン３９１において、仮にどちらかの排出ラインが破損等により使用できなくなったとしても、もう一方の排出ラインによって燃料ガスまたは酸化性ガスを大気へ排出することができる。したがって、燃料電池システム３００に冗長性を持たせて信頼性を向上させることができる。
【０１０７】
また、空気極排気側系統は、燃料極排気側系統よりも容積が大きい。したがって、空気極排気側系統の方が、燃料極排気側系統よりも、系統内に存在するガスの量が多く、系外に排出されるガスの流量が同程度の場合は、空気極側系統の圧力が低下しにくい。本実施形態では、第１排燃料ガス排出弁３９５よりも、第１排酸化性ガス排出弁３９２の方を先に開状態とし。これにより、燃料極排気側系統よりも先に、圧力が下がりにくい空気極排気側系統から排出が行われ、圧力の低下が開始される。このように、圧力が下がりにくい空気極排気側系統の圧力が先に低下し、その後に圧力が下がりやすい燃料極排気側系統の圧力が低下するので、燃料空気差圧を所定の範囲内に抑制することができる。
また、後から減圧する燃料極排気側系統が、減圧速度を空気極排気側系統の減圧速度と略同一となるように設定しておくことで、減圧中の燃料空気差圧を所定の範囲内とすることができる。このように、燃料極側系統を減圧する際に、空気極側系統の減圧速度を目標速度とし、該目標速度を追従するように減圧することができるので、燃料極側系統の減圧制御を容易化することができる。したがって、燃料空気差圧の制御も容易化することができる。
【０１０８】
また、空気極排気側系統から減圧されるので、ＳＯＦＣ３１３の減圧時において、空気極排気側系統の圧力よりも、燃料極排気側系統の圧力の方が高くなる。これにより、空気極側系統から燃料極側系統への酸化性ガスの流入を抑制することができる。したがって、燃料極側系統への酸化性ガスの流入に起因したＳＯＦＣ３１３の劣化や損傷を防止することができる。また、系統として容量の大きい空気極排気側系統から減圧し、空気極排気側系統よりも容量の小さい燃料極排気側系統の減圧により追従制御するため、空気極側系統の減圧速度を目標速度になるように維持しながら燃料空気差圧の制御が容易となる。
【０１０９】
また、燃料空気差圧を所定範囲内に抑制する構造としては、排燃料ガス排出ラインと排酸化性ガス排出ラインとを連通する均圧ラインを設けることも考えられる。しかしながら、均圧ラインを設ける構成では、燃料ガスと酸化性ガスとが混合されるので、燃料ガスを燃焼処理する際に急速燃焼を抑制しながら燃焼処理を行わなければならず、構造が複雑したり設置スペースが増加となる可能性がある。ＳＯＦＣシステムが大型化すると、この傾向は顕著であり、処理装置もより大型化するとともに、燃焼処理もより複雑化するため、燃料電池システム全体の設置スペース面積の増大や、設置コストが増大を招来する可能性がある。
本実施形態では、燃料極排気側系統および空気極排気側系統の排出ラインを連通せず、排燃料ガス排出ライン３９４及び排酸化性ガス排出ライン３９１にて各排出ラインを並列に複数設けることで、燃料空気差圧を所定範囲内に抑制する構造を簡易に実現することができる。
したがって、均圧ラインを設ける構成と比較して、燃料電池システム３００全体の設置スペースを抑制できるとともに、設置コストも抑制することができる。
【０１１０】
また、排燃料ガス排出ライン３９４及び排酸化性ガス排出ライン３９１において、並列に複数設けられた排出ラインのうち一つの排出ライン（第１排燃料ガス排出ライン３９４ａ及び第１排酸化性ガス排出ライン３９１ａ）で排出を行いつつ、他の排出ライン（第２排燃料ガス排出ライン３９４ｂ及び第２排酸化性ガス排出ライン３９１ｂ）に設けられた排出弁（第２排燃料ガス排出弁３９６及び第２排酸化性ガス排出弁３９３）を燃料空気差圧に基づいて開閉制御している。第２排燃料ガス排出弁３９６及び第２排酸化性ガス排出弁３９３を開状態とする場合には、当該排出弁が設けられた排出ラインが接続する極の排気側系統の減圧速度が速まる。一方、第２排燃料ガス排出弁３９６及び第２排酸化性ガス排出弁３９３を閉状態とする場合には、当該排出弁が設けられた排出ラインが接続する極の排気側系統の減圧速度が遅くなる。このように、各極の排気系統の減圧速度を変更することができる。これにより、燃料空気差圧を所定範囲内に抑制することが可能となる。
また、本実施形態では、このような制御を、差圧計９０が測定した空気極側系統と燃料極側系統との燃料空気差圧に基づいて、空気極側排気系統と燃料極側排気系統からの排気流量を変更することで行っているので、ＳＯＦＣ３１３を停止する際の燃料極側系統と空気極側系統との燃料空気差圧をより好適に低減することが可能となる。
【０１１１】
詳細な効果について、図９を用いて説明する。なお、図９は、ＳＯＦＣ３１３の減圧時における各系統の圧力と時間との関係を示したグラフであり、縦軸が圧力を示し、横軸が時間を示す。また、グラフ中では、実線で空気極側系統の減圧態様を示し、破線で燃料極側系統の圧力が空気極側系統の圧力より所定の値だけ圧力が高い状態を維持したときの燃料極側系統の減圧態様を示し、一点鎖線で燃料極側系統の圧力が空気極側系統の圧力より所定の値以上に圧力が増大した時の燃料極側系統の減圧態様を示している。また、時間Ｔ１は、第１排酸化性ガス排出弁３９２を開き、空気極側系統の減圧を開始するタイミングを示し、時間Ｔ２は、第１排燃料ガス排出弁３９５を開き、燃料極側系統の減圧を開始するタイミングを示す。また、時間Ｔ３は、第２排燃料ガス排出弁３９６をステップ状に開状態とするタイミングを示し、時間Ｔ４は、第２排燃料ガス排出弁３９６を閉状態とするタイミングを示す。
図９に示すように、燃料空気差圧ΔＰが増大した際に、第２排燃料ガス排出弁３９６を開状態とすると、燃料極排気側系統の減圧速度が速まって、燃料空気差圧ΔＰの増加が修正されて低減する。また、第２排燃料ガス排出弁３９６を閉状態とすると、燃料極排気側系統の減圧速度が遅くなり、燃料空気差圧ΔＰの低減を緩和して所定の範囲内とすることができる。このようにして、所定範囲内の燃料空気差圧ΔＰを維持することができる。
【０１１２】
また、本実施形態では、排燃料ガス排出ライン３９４及び排酸化性ガス排出ライン３９１に並列に複数設けられた各排出ラインにおいて、駆動源が異なる２種類の弁を備えることができる。すなわち、第１排酸化性ガス排出弁３９２及び第１排燃料ガス排出弁３９５は、モータによって駆動するモータ弁であって、第２排酸化性ガス排出弁３９３及び第２排燃料ガス排出弁３９６は、圧縮空気で駆動する空気式の弁である。これにより、燃料ガス及び酸化性ガスを系外に排出する構造に対して、駆動源に対する冗長性を持たせることができる。したがって、仮にどちらかの駆動源が故障等して作動しなくなった場合であっても、もう一方の駆動源によって駆動する弁部を駆動することで、燃料ガス及び酸化性ガスの系外への排出をより確実に行うことができる。なお、本実施形態での駆動源は、電気と空気を用いているが、例えば空気としては同じでも供給源が異なる空気系統として異なる駆動源としても良い。また、電気としては同じでも供給源が異なる電気系統として異なる駆動源としても良い。
【０１１３】
本実施形態では、ＳＯＦＣ３１３を停止する際に、減圧開始時には第１排酸化性ガス排出弁３９２及び第１排燃料ガス排出弁３９５の設定開度を例えば５０％とし、その後所定のタイミングで各弁の設定開度を１００％（全開状態）としている。すなわち、ＳＯＦＣ３１３の圧力を段階的に減圧している。これにより、ＳＯＦＣ３１３を停止する際に、ＳＯＦＣ３１３内の圧力が急激に低下しないので、ＳＯＦＣ３１３に生じる燃料空気差圧の急速な変化を低減することができる。また、段階的に減圧していくことで、燃料空気差圧の制御を容易化することができる。
【０１１４】
なお、本発明は、上記各実施形態にかかる発明に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、減圧開始時には、第１排酸化性ガス排出弁３９２及び第１排燃料ガス排出弁３９５の設定開度を５０％としているが、本発明はこれに限定されない。第１排酸化性ガス排出弁３９２及び第１排燃料ガス排出弁３９５の設定開度は、５０％より小さくてもよいし、５０％以上であってもよい。また、１００％であってもよい。
【０１１５】
また、上記実施形態では、第２排酸化性ガス排出弁３９３及び第２排燃料ガス排出弁３９６が、開閉弁である例について説明したが、本発明はこれに限定されない。第１排酸化性ガス排出弁３９２及び第１排燃料ガス排出弁３９５、第２排酸化性ガス排出弁３９３及び第２排燃料ガス排出弁３９６は、流量調整弁であってもよい。
【０１１６】
また、第１排酸化性ガス排出弁３９２及び第１排燃料ガス排出弁３９５の設定開度を、差圧計９０が計測した燃料空気差圧に基づいて変更し調整してもよい。
このような構成では、第１排酸化性ガス排出弁３９２及び第１排燃料ガス排出弁３９５の設定開度を変更し調整することによって、排出されるガスの流量を調整し、各極の排気系統の減圧速度を変更し調整することができる。このように、第１排酸化性ガス排出弁３９２及び第１排燃料ガス排出弁３９５によって、ＳＯＦＣ３１３を停止する際の燃料極側系統と空気極側系統との燃料空気差圧を所定範囲内に抑制することができるので、第２排燃料ガス排出弁３９６及び第２排酸化性ガス排出弁３９３の駆動回数を低減することができる。
【０１１７】
また、上記実施形態では、排酸化性ガス排出ライン３９１及び排燃料ガス排出ライン３９４を、各々２本ずつ設ける例につて説明したが、本発明はこれに限定されない。排酸化性ガス排出ライン３９１及び排燃料ガス排出ライン３９４は、複数並列に設けられていればよく、３本以上であってもよい。
【０１１８】
また、上記実施形態では、各弁が制御装置３８０によって操作される例について説明したが、各弁は作業員によって操作されてもよい。
【符号の説明】
【０１１９】
９０          ：差圧計（差圧測定手段、圧力測定手段）
１０９        ：燃料極
１１３        ：空気極
３００        ：燃料電池システム
３１０        ：発電システム（複合発電システム）
３１１        ：マイクロガスタービン、ＭＧＴ（ガスタービン装置）
３１２        ：発電機
３１３        ：ＳＯＦＣ（燃料電池）
３２１        ：圧縮機
３２２        ：燃焼器
３２３        ：タービン
３２４        ：回転軸
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        ：排酸化性ガスライン
３３４        ：排酸化性ガス供給ライン
３４１        ：第２燃料ガス供給ライン
３４３        ：排燃料ガスライン
３４５        ：排燃料ガス供給ライン
３４８        ：再循環ブロワ
３４９        ：燃料ガス再循環ライン
３５１        ：第１燃料ガス供給ライン
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
３８１        ：判定部
３８２        ：判断部
３８３        ：第１排出弁制御部（排出弁制御部）
３８４        ：第２排出弁制御部
３９１        ：排酸化性ガス排出ライン
３９１ａ      ：第１排酸化性ガス排出ライン
３９１ｂ      ：第２排酸化性ガス排出ライン
３９２        ：第１排酸化性ガス排出弁
３９３        ：第２排酸化性ガス排出弁
３９４        ：排燃料ガス排出ライン
３９４ａ      ：第１排燃料ガス排出ライン
３９４ｂ      ：第２排燃料ガス排出ライン
３９５        ：第１排燃料ガス排出弁
３９６        ：第２排燃料ガス排出弁
【図１】
2019160036.tif 000003
【図２】
2019160036.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2019160036.tif 000008
【図７】
2019160036.tif 000009
【図８】
2019160036.tif 000010
【図９】
2019160036.tif 000011
【国際調査報告】
2019160036.tif 000012
2019160036.tif 000013
2019160036.tif 000014