(57)【要約】【課題】発電室における温度制御の精度を向上させることを目的とする。【解決手段】ＳＯＦＣ制御装置は、空気極に供給する空気の流量を制御する空気制御部１４と、空気極に供給する燃料ガスの流量を制御する燃料ガス制御部１５とを備える。燃料ガス制御部１５は、発電室内に設定された複数の温度計測点における計測温度を所定の繰り返し時間間隔で取得し、取得した複数の計測温度の中から最高温度を発電室温度として特定する発電室温度特定部１６と、発電室温度特定部１６によって特定された発電室温度を用いて第２燃料ガス流量指令を設定する第２燃料ガス流量設定部１７と、第２燃料ガス流量指令に基づいて燃料ガスの流量を制御する第２燃料ガス流量制御部１８とを備える。【選択図】図１０
2018006003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御装置であって、
前記空気極に供給する酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス制御部と、
前記空気極に供給する可燃性ガスの流量を制御する可燃性ガス制御部と
を備え、
前記可燃性ガス制御部は、
前記発電室内に設定された複数の温度計測点における計測温度を所定の繰り返し時間間隔で取得し、取得した複数の計測温度の中から最高温度を発電室温度として特定する発電室温度特定部と、
前記発電室温度特定部によって特定された前記発電室温度を用いて可燃性ガス流量指令を設定する可燃性ガス流量設定部と、
前記可燃性ガス流量指令に基づいて前記可燃性ガスの流量を制御する可燃性ガス流量制御部と
を備える燃料電池の制御装置。
【請求項２】
複数の前記計測温度は、少なくとも前記発電室の中央領域の前記燃料電池セルの表面温度または酸化剤ガス温度を含む請求項１に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項３】
前記可燃性ガス流量設定部は、発電室温度と可燃性ガス流量指令とが関連付けられた可燃性ガス流量情報を有しており、前記可燃性ガス流量情報から前記発電室温度特定部によって特定された前記発電室温度に対応する前記可燃性ガス流量を取得して前記可燃性ガス流量指令として設定する請求項１または請求項２に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項４】
前記可燃性ガス流量設定部は、起動時における前記燃料電池の状態に応じて設けられた複数のスタート種別のそれぞれに対応する前記可燃性ガス流量情報を備え、前記燃料電池の状態に対応するいずれか一つの前記可燃性ガス流量情報を用いて可燃性ガス流量指令を設定する請求項３に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項５】
前記スタート種別は、コールドスタート、ウォームスタート、及びホットスタートであり、起動時における発電室温度および燃料極入口燃料温度に基づいてスタート種別を特定する請求項３または請求項４に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項６】
前記空気極に供給する前記可燃性ガスの流量変化率は、前記コールドスタートよりも前記ウォームスタート及び前記ホットスタートの方が小さい値に設定されている請求項５に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項７】
前記空気極に供給する前記酸化剤ガスの流量変化率は、前記コールドスタートよりも前記ウォームスタート及び前記ホットスタートの方が大きい値に設定されている請求項５または請求項６に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項８】
前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である請求項１から請求項７のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
【請求項９】
燃料極と、固体電解質と、酸化触媒性能を備える空気極とを備える複数の発電セルが配置された発電室を備える燃料電池と、
請求項１から請求項８のいずれかに記載の前記燃料電池の制御装置と
を備える発電システム。
【請求項１０】
燃料極と、固体電解質と、酸化触媒性能を備える空気極とを備える複数の発電セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御方法であって、
前記燃料電池の起動時に、可燃性ガスを添加した酸化剤ガスを前記空気極に供給して前記発電室の温度を上昇させる温度上昇工程を備え、
前記温度上昇工程は、
前記発電室内に設定された複数の温度計測点における計測温度を所定の繰り返し時間間隔で取得し、取得した複数の計測温度の中から最高温度を発電室温度として特定する発電室温度特定工程と、
前記発電室温度を用いて、所定の繰り返し時間間隔で前記可燃性ガス流量指令を設定する可燃性ガス流量設定工程と、
前記可燃性ガス流量指令に基づいて前記可燃性ガスの流量を制御する可燃性ガス流量制御工程と
を有する燃料電池の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、燃料側の電極である燃料極と、空気（酸化剤ガス）側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。
【０００３】
例えば、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」という。）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどの炭素質原料をガス化設備により製造したガスを燃料として運転される燃料電池である。このＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１０００℃程度と高く、高効率な高温型燃料電池として知られている。
【０００４】
このようなＳＯＦＣを例えば、マイクロガスタービン（以下「ＭＧＴ」という。）等の内燃機関と組み合わせた複合発電システムが開発されている。このＭＧＴでは、圧縮機から吐出される圧縮空気をＳＯＦＣの空気極に供給するとともに、ＳＯＦＣから排出される高温の排燃料ガスをＭＧＴの燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した燃焼ガスを断熱膨張することでＭＧＴのタービンを回転駆動させて発電機を回転駆動させることで、発電効率の高い発電が可能とされている。
【０００５】
このようなＳＯＦＣの起動時の制御として、例えば、特許文献１には、以下の方法が提案されている。まず、発電室の空気極側に予熱された酸化剤ガスを供給して発電室温度を上昇させ、空気極が触媒燃焼可能な温度（例えば、４００から４５０℃）に至ると、続いて、燃料ガスが添加された酸化剤ガスを発電室の空気極側に供給し触媒燃焼することにより、発電室の温度上昇を促進させる。そして、発電室温度が所定温度（例えば、７５０℃以上）に至ると、燃料極側へ燃料ガスを供給し、発電セルの発電を開始させるとともに、空気極側に供給していた燃料ガスの添加量をゼロまで徐々に減少させる。
【０００６】
また、例えば、特許文献２には、ＳＯＦＣの起動時において、発電室の温度が所定の目標温度まで予め設定された温度変化率で上昇するような目標温度情報を設定し、設定した目標温度情報と実際の発電室温度とに基づいて、燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を制御することが開示されている。
また、例えば、特許文献３には、ガスタービン圧縮機から燃料電池へ供給する空気の温度を調整可能とした複合発電システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５６０１９４５号公報
【特許文献２】特開２００３−２２３９１２号公報
【特許文献３】特開２０１５−１１１５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来、上述した発電室温度のフィードフォワード制御やフィードバック制御は、発電室内の任意の場所に設けられた代表的な温度と見なす温度センサによって計測された温度、もしくは複数場所で計測した温度の平均値を用いていた。しかしながら、一つの温度センサによって計測される温度や単に平均値とした温度では、発電室内の部分的な温度分布を生じた場合など温度環境を十分に把握することができず、適切な制御を行うことができない場合があった。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池の発電室における温度制御の精度を向上させることのできる燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システム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】
【００１０】
本発明は、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御装置であって、前記空気極に供給する酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス制御部と、前記空気極に供給する可燃性ガスの流量を制御する可燃性ガス制御部とを備え、前記可燃性ガス制御部は、前記発電室内に設定された複数の温度計測点における計測温度を所定の繰り返し時間間隔で取得し、取得した複数の計測温度の中から最高温度を発電室温度として特定する発電室温度特定部と、前記発電室温度特定部によって特定された前記発電室温度を用いて可燃性ガス流量指令を設定する可燃性ガス流量設定部と、前記可燃性ガス流量指令に基づいて前記可燃性ガスの流量を制御する可燃性ガス流量制御部とを備える燃料電池の制御装置を提供する。
【００１１】
運転状態や燃料電池セルの特性のバラツキ等により、発電室内でも温度が最高となる箇所は常に同じ場所ではなく変化することが判明した。このような場合に、任意の場所で代表的な温度として一点のみを用いて温度制御を行ったのでは最適な温度制御を行うことが難しい場合がある。本発明によれば、燃料電池セルに設定された複数の温度計測点における計測温度を所定の繰り返し時間間隔で取得し、その中の最高温度を発電室温度として特定し、特定した発電室温度を用いて空気極へ供給する可燃性ガスの流量制御が行われる。このように、常に最新の最高温度を示す場所での温度を用いて空気極へ供給する可燃性ガスの流量制御を行うことにより、発電室内の一部が温度上昇し過ぎることを抑制して、特定の温度制御をより早く整定するように実行することが可能となる。
【００１２】
上記燃料電池の制御装置において、複数の前記計測温度は、少なくとも前記発電室の中央領域の発電セル表面温度および酸化剤ガス温度を含むこととしてもよい。
【００１３】
発電室内の中央領域が通常の発電状態では最も温度が高くなる領域であるから、中央領域における燃料電池セルの表面温度または酸化剤ガス温度を計測温度として取得することにより、発電室内の最高温度を的確にとらえることが可能となる。
【００１４】
上記燃料電池の制御装置において、前記可燃性ガス流量設定部は、発電室温度と可燃性ガス流量指令とが関連付けられた可燃性ガス流量情報を有しており、前記可燃性ガス流量情報から前記発電室温度特定部によって特定された前記発電室温度に対応する前記可燃性ガス流量を取得し、前記可燃性ガス流量指令として設定することとしてもよい。
【００１５】
このように、発電室温度と可燃性ガス流量指令とが関連付けられた可燃性ガス流量情報を予め用意しておくことで、その時々の発電室温度に応じた適切な可燃性ガス流量指令を容易に設定することが可能となる。
【００１６】
上記燃料電池の制御装置において、前記可燃性ガス流量設定部は、起動時における前記燃料電池の状態に応じて設けられた複数のスタート種別のそれぞれに対応する前記可燃性ガス流量情報を備え、前記燃料電池の状態に対応するいずれか一つの前記可燃性ガス流量情報を用いて可燃性ガス流量指令を設定することとしてもよい。
【００１７】
起動時における発電室温度は、前回の運転停止からの経過時間によって異なる。このように、全ての起動時における燃料電池の状態が同じわけではない。したがって、燃料電池の状態に応じて複数のスタート種別を設け、それぞれのスタート種別に対応する可燃性ガス流量情報を用意することで、起動時の燃料電池の状態に合わせた温度制御を実行することで、起動時間をより短くすることが可能となる。
【００１８】
上記燃料電池の制御装置において、前記スタート種別は、コールドスタート、ウォームスタート、及びホットスタートであり、起動時における発電室温度および入口燃焼温度に基づいてスタート種別を特定することとしてもよい。
【００１９】
このような構成によれば、起動時の燃料電池の温度状態を発電室温度及びＳＯＦＣの燃料極入口燃料温度に基づいて的確に把握することが可能となり、その時々の燃料電池の温度状態に応じた適切なスタート種別を選定することが可能となる。
【００２０】
上記燃料電池の制御装置において、前記空気極に供給する前記可燃性ガスの流量変化率は、前記コールドスタートよりも前記ウォームスタート及び前記ホットスタートの方が小さい値に設定されていてもよい。
【００２１】
例えば、コールドスタートの場合、昇温幅（例えば、４５０℃から９００℃へ昇温等）が大きく、発電室内の温度のばらつきが大きくなる。これに対し、ウォームスタート及びホットスタートの場合には、既に発電室温度が比較的高温であることから、発電室内の温度のばらつきがコールドスタート時に比べて小さいため、コールドスタート時ほど多くの可燃性ガスを必要としないので、可燃性ガスの増減する変化量も少なくなる。したがって、ウォームスタート及びホットスタートの場合には、コールドスタートよりも可燃性ガスの供給変化率を低く設定することで、発電室内の温度のバラツキを考慮した温度制御を行うことができ、効率的な可燃性ガスの供給を行うことが可能となる。
【００２２】
上記燃料電池の制御装置において、前記空気極に供給する前記酸化剤ガスの流量変化率は、前記コールドスタートよりも前記ウォームスタート及び前記ホットスタートの方が大きい値に設定されていてもよい。
【００２３】
例えば、コールドスタートの場合には、燃料電池を構成している各種部材に温度差が発生すると好ましくないので比較的緩やかな昇温変化率を採用する。一方、ウォームスタート及びホットスタートの場合には、発電室内が既に比較的高温のため、コールドスタートのような懸念がない。したがって、ウォームスタート及びホットスタートについては、コールドスタートのときよりも空気極に供給する酸化剤ガスの流量変化率を高めに設定して早く昇温するようにしている。これにより、発電室温度を発電室目標温度まで到達させるまでの時間を短縮することが可能となる。
【００２４】
上記燃料電池の制御装置において、前記燃料電池は、例えば、固体酸化物形燃料電池である。
【００２５】
本発明は、燃料極と、固体電解質と、酸化触媒性能を備える空気極とを備える複数の発電セルが配置された発電室を備える燃料電池と、いずれかの燃料電池の制御装置とを備える発電システムを提供する。
【００２６】
本発明は、燃料極と、固体電解質と、酸化触媒性能を備える空気極とを備える複数の発電セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御方法であって、前記燃料電池の起動時に、可燃性ガスを添加した酸化剤ガスを前記空気極に供給して前記発電室の温度を上昇させる温度上昇工程を備え、前記温度上昇工程は、前記発電室内に設定された複数の温度計測点における計測温度を所定の繰り返し時間間隔で取得し、取得した複数の計測温度の中から最高温度を発電室温度として特定する発電室温度特定工程と、前記発電室温度を用いて、所定の繰り返し時間間隔で前記可燃性ガス流量指令を設定する可燃性ガス流量設定工程と、前記可燃性ガス流量指令に基づいて前記可燃性ガスの流量を制御する可燃性ガス流量制御工程とを有する燃料電池の制御方法を提供する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、燃料電池の発電室における温度制御の精度を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成を示した概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣのセルスタックの一態様を示した図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示した図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る制御装置が備える機能を展開して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ＳＯＦＣ制御装置の第２昇温モード及び負荷上昇モード時における機能を展開して示した機能ブロック図である。
【図７】図６に示した負荷上昇制御部の概略構成を示した図である。
【図８】目標負荷情報の一例を示した図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る負荷上昇制御部によって実行される処理の手順を示したフローチャートである。
【図１０】図６に示した温度上昇制御部の概略構成を示した図である。
【図１１】第２燃料ガス情報の一例を示した図である。
【図１２】燃料ガス制御部が実行する処理手順を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に、本発明に係る燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３０】
〔発電システムの構成〕
まず、本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る発電システム１０の概略構成を示した概略構成図である。図１に示すように、発電システム１０は、マイクロガスタービン（以下「ＭＧＴ」という。）１１、発電機１２、及びＳＯＦＣ１３を備えている。この発電システム１０は、ＭＧＴ１１による発電と、ＳＯＦＣ１３による発電とを組み合わせることで、高い発電効率を得るように構成されている。
【００３１】
ＭＧＴ１１は、圧縮機２１、燃焼器２２、タービン２３を有しており、圧縮機２１とタービン２３とは回転軸２４により一体回転可能に連結されている。後述するタービン２３が回転することで圧縮機２１が回転駆動する。圧縮機２１は、空気取り込みライン２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。
燃焼器２２には、第１空気供給ライン２６を介して圧縮機２１からの圧縮空気（以下、単に「空気」という。）Ａ１が供給されるとともに、第１燃料ガス供給ライン２７を介して燃料ガスＬ１が供給される。第１空気供給ライン２６には、燃焼器２２へ供給する空気量を調整するための制御弁６５が設けられ、第１燃料ガス供給ライン２７には、燃焼器２２へ供給する燃料ガス流量を調整するための制御弁７０が設けられている。更に、燃焼器２２には、後述するＳＯＦＣ１３の燃料ガス再循環ライン４９を循環する排燃料ガスＬ３の一部が排燃料ガス供給ライン４５を通じて供給される。排燃料ガス供給ライン４５には、燃焼器２２に供給する排燃料ガス量を調整するための制御弁４７が設けられている。更に、燃焼器２２には、後述する排空気供給ライン３６を通じてＳＯＦＣ１３の空気極１３Ｂで用いられた排空気Ａ２の一部が供給される。
【００３２】
燃焼器２２は、燃料ガスＬ１、空気Ａの一部、排燃料ガスＬ３、及び排空気Ａ２を混合して燃焼させ、燃焼ガスＧを生成する。燃焼ガスＧは燃焼ガス供給ライン２８を通じてタービン２３に供給される。タービン２３は、燃焼ガスＧが断熱膨張することにより回転し、排ガスが燃焼排ガスライン５５から排出される。発電機１２は、タービン２３と同軸上に設けられており、タービン２３が回転駆動することで発電する。
【００３３】
燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１及び後述する燃料ガスＬ２は可燃性ガスであり、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、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。
【００３４】
ＳＯＦＣ１３は、還元剤としての加熱した燃料ガスＬ２と、酸化剤ガスとしての加熱した空気（酸化剤ガス）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ＳＯＦＣ１３は、圧力容器内に燃料極１３Ａと空気極１３Ｂと固体電解質とが収容されて構成される。なお、ＳＯＦＣ１３の詳細な構成については後述する。
ＳＯＦＣ１３は、空気極１３Ｂに酸化剤ガスが供給され、燃料極１３Ａに燃料ガスが供給されることで発電する。酸化剤ガスは、例えば、酸素を略１５％から３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。本実施形態では、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化剤ガスとして、圧縮機２１によって圧縮された空気Ａの少なくとも一部を採用する場合を例示して説明する。
【００３５】
ＳＯＦＣ１３には、第１空気供給ライン２６から分岐した第２空気供給ライン３１を通じて酸化剤ガスとして空気Ａ１が空気極１３Ｂの導入部である空気供給部に供給される。この第２空気供給ライン３１には、供給する空気Ａ１の流量を調整するための制御弁６４が設けられている。また、第１空気供給ライン２６において、第２空気供給ライン３１の分岐点よりも空気Ａ１の上流側（換言すると、圧縮機２１側）には、熱交換器５８が設けられている。熱交換器５８において、空気Ａは、燃焼排ガスライン５５から排出される排ガスとの間で熱交換されて昇温される。更に、第２空気供給ライン３１には、熱交換器５８をバイパスするバイパスライン６２が設けられている。バイパスライン６２には、制御弁６６が設けられ、空気Ａのバイパス流量が調整可能とされている。制御弁６４、６６の開度が後述する制御装置６０によって制御されることで、熱交換器５８を通過する空気Ａと熱交換器５８をバイパスする空気Ａとの流量割合が調整され、空気Ａの一部である第２空気供給ライン３１を通じてＳＯＦＣ１３に供給される空気Ａ１の温度が調整される。ＳＯＦＣ１３に供給される空気Ａ１の温度は、ＳＯＦＣ１３を構成するＳＯＦＣカートリッジ２０３に空気Ａ１を導入する空気供給部や空気供給枝管をはじめＳＯＦＣカートリッジ２０３の構成材料に損傷を与えないよう温度の上限が制限されている。
【００３６】
更に、第２空気供給ライン３１には、可燃性ガスとして燃料ガスＬ２を供給する空気極燃料供給ライン８０が接続されている。空気極燃料供給ライン８０には、第２空気供給ライン３１へ供給する燃料ガス量を調整するための制御弁８２が設けられている。制御弁８２の弁開度が後述する制御装置６０によって制御されることにより、空気Ａ１に添加される燃料ガスＬ２の供給量が調整される。空気Ａ１に添加される燃料ガスＬ２の量は、可燃限界濃度以下で供給され、より好ましくは３体積％以下で供給される。
【００３７】
ＳＯＦＣ１３には、空気極１３Ｂで用いられた排空気Ａ２を排出する排空気排出ライン３４が接続されている。この排空気排出ライン３４には、燃焼器２２に排空気Ａ２を供給するための排空気供給ライン３６が接続されている。排空気供給ライン３６には、ＳＯＦＣ１３とＭＧＴ１１との間の系統を切り離すための遮断弁３８が設けられている。
また、排空気排出ライン３４には、外部へ排出する排空気量を調整するための制御弁（もしくは遮断弁）３７とが設けられている。
【００３８】
ＳＯＦＣ１３には、更に、燃料ガスＬ２を燃料極１３Ａの導入部である燃料ガス供給部２０７（図３参照）に供給する第２燃料ガス供給ライン４１と、燃料極１３Ａで反応に用いられた後の排燃料ガスＬ３を排出する排燃料ガスライン４３とが接続されている。第２燃料ガス供給ライン４１には、燃料極１３Ａに供給する燃料ガスＬ２の流量を調整するための制御弁４２が設けられ、排燃料ガスライン４３には外部に排出する排燃料ガス量を調整するための制御弁（もしくは遮断弁）４６が設けられている。排燃料ガスライン４３の制御弁（もしくは遮断弁）４６と、排空気排出ライン３４の制御弁（もしくは遮断弁）３７により過剰になった圧力を素早く調整することができる。また、ＳＯＦＣ１３の燃料極１３Ａと空気極１３Ｂの燃料空気差圧は、燃料極１３Ａ側が所定の圧力範囲で高くなるように、制御弁４７により制御する。また、排燃料ガスライン４３には、排燃料ガスＬ３をＳＯＦＣ１３の燃料極１３Ａの入口へと再循環させるための燃料ガス再循環ライン４９が接続されている。燃料ガス再循環ライン４９には、排燃料ガスＬ３を再循環させるための再循環ブロワ５０が設けられている。
【００３９】
更に、燃料ガス再循環ライン４９には、燃料極１３Ａに燃料ガスＬ２を改質するための純水を供給する純水供給ライン４４が設けられている。純水供給ライン４４にはポンプ４８が設けられている。ポンプ４８の吐出流量が制御装置６０によって制御されることにより、燃料極１３Ａに供給される純水量が調整される。
【００４０】
〔ＳＯＦＣの構成〕
次に、図２から図４を参照してＳＯＦＣ１３の構成について説明する。
まず、本実施形態に係るＳＯＦＣ複合発電システム（燃料電池複合発電システム）のＳＯＦＣに用いる円筒形セルスタックについて図２を参照して説明する。図２は、本実施形態に係るセルスタック１０１の一態様を示した図である。セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを備える。燃料電池セル１０５は、燃料極１３Ａと固体電解質１１１と空気極１３Ｂとが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の長手軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１３Ｂに、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル１０５の燃料極１０９に電気的に接続されたリード膜（不図示）を備える。
【００４１】
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１３Ａに拡散させる。
【００４２】
燃料極１３Ａは、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。燃料極１０９の厚さは５０〜２５０μｍである。この場合、燃料極１３Ａは、燃料極１３Ａの成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（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。また、燃料極１３Ａ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。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。ＳＯＦＣ１３の燃料極１３Ａに供給し利用できる燃料ガスＬ２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、石炭ガス化ガス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を燃料として運転される。
本実施形態での燃料ガスＬ２は例えば都市ガスを使用し、メタンを主成分とする燃料ガスを用いている。
【００４３】
固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるＹＳＺとが主に用いられて構成されている。固体電解質１１１は、空気極１３Ｂで生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極に移動させる。燃料極１３Ａの表面上に位置する固体電解質１１１の膜厚は１０〜１００μｍである。
【００４４】
空気極１３Ｂは、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成される。この空気極１３Ｂは、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化剤ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）を生成する。空気極１３Ｂは２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質１１１側の空気極層（空気極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層（空気極導電層）は、Ｓｒ及びＣａドープ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。
【００４５】
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などから構成される。インターコネクタ１０７は、燃料ガスと空気とが混合しないように緻密な膜となっていて、酸化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１３Ｂと他方の燃料電池セル１０５の燃料極１３Ａとを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続する。リード膜１１５は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出する。
【００４６】
次に、図３及び図４を参照して本実施形態に係るＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。図３は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示した図、図４は、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図である。
【００４７】
ＳＯＦＣモジュール２０１は、図３に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを備える。なお、図３には円筒形のＳＯＦＣのセルスタックを例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約１ＭＰａ、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤ガス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。
【００４８】
ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給部２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａ及び燃料ガス排出部２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを備える。更に、ＳＯＦＣモジュール２０１は、空気供給部（不図示）と空気供給枝管（不図示）及び空気排出部（不図示）と複数の空気排出枝管（不図示）とを備える。
【００４９】
第２燃料ガス供給ライン４１（図１参照）からの燃料ガスＬ２は、燃料ガス供給部２０７、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａを通じて複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に供給される。燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給部２０７を通じて供給される燃料ガスＬ２を複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させる。
【００５０】
ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスＬ３は、燃料ガス排出枝管２０９ａ及び燃料ガス排出部２０９を通じることにより、略均等の流量で排燃料ガスライン４３（図１参照）に導かれる。
【００５１】
本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず、例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様としてもよい。
【００５２】
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図４に示すように、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、空気供給室２２１と、空気排出室２２３とを備えている。更に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを備えている。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と空気供給室２２１と空気排出室２２３とが図４のように配置されることで、燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気とがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造とされているが、その態様は必ずしもこの例に限られず、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または空気がセルスタックの長手軸方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
【００５３】
発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置された領域であり、燃料ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。例えば、発電室２１５のセルスタック１０１の長手方向の中央部付近の温度は、後述する温度センサ９２ａや９２ｂなどで監視され、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、約７００℃から１０００℃の高温雰囲気となる。
【００５４】
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。
【００５５】
燃料ガス排出室２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの下部に備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。複数のセルスタック１０１は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給される排燃料ガスＬ３を集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くことが出来る。
【００５６】
空気供給室２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと、下部管板２２５ｂと、下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの側面に設けられた空気供給孔２３３ａによって、図示しない空気供給枝管と連通されている。この空気供給室２２１は、図示しない空気供給枝管から空気供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の空気を、空気供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に略均一流量で導くことが出来る。
【００５７】
空気排出室２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと、上部管板２２５ａと、上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの側面に設けられた空気排出孔２３３ｂによって、図示しない空気排出枝管と連通されている。この空気排出室２２３は、発電室２１５から、空気排出隙間２３５ｂを介して空気排出室２２３に供給される排空気を、空気排出孔２３３ｂを介して図示しない空気排出枝管に導くことが出来る。
【００５８】
発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けられたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５（図２参照）によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された電力は、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないインバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。
【００５９】
上述したように、本実施形態に係るＳＯＦＣ１３では、燃料ガスＬ２と空気Ａ１とがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。これにより、排空気Ａ２は、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスＬ２との間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて空気排出室２２３に供給される。また、燃料ガスＬ２は、発電室２１５から排出される排空気Ａ２との熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスＬ２を発電室２１５に供給することができる。更に、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスＬ３は、発電室２１５に供給される空気Ａ１との間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室２１９に供給される。また、空気Ａ１は排燃料ガスＬ３との熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された空気を発電室２１５に供給することができる。
【００６０】
また、図４に示すように、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３には少なくとも１つ以上の温度センサがあり、本実施形態では２つの温度センサ９２ａ、９２ｂがそれぞれ配置されている。例えば、ＳＯＦＣ１３が４つのＳＯＦＣカートリッジ２０３を備えて構成されている場合、合計８つの温度センサが設けられていることとなる。温度センサ９２ａは、燃料電池セル１０５の表面温度を測定するためのものであり、温度センサ９２ｂは発電室２１５内の空気温度を測定するためのものである。温度センサ９２ａ、９２ｂは、セルスタック１０１の長手方向の中央領域に配置されている。本実施形態での中央領域とは、セルスタック１０１の長手方向における温度分布をとった場合に最も高温になる位置を含む領域とされ、セルスタック１０１の下部を０％、上部を１００％とした場合、約３０％から６５％の範囲とされている。より好ましくは、中央領域は、約４５％から５５％の範囲とされている。
さらに、ＳＯＦＣ１３には、燃料極１３Ａと空気極１３Ｂとの差圧を計測する差圧センサ９０（図１参照）等の各種センサが設けられている。ＳＯＦＣ１３の各部位に設けられた各種センサ９０、９２ａ、９２ｂの計測値は、制御装置６０に送信される。
【００６１】
また、発電システム１０には、ＳＯＦＣ１３の周囲の外気温度を計測する外気温度センサ９４（図１参照）が設けられている。本実施形態において、外気温度センサ９４は、ＭＧＴ１１の圧縮機２１の吸入口付近に設けられ、圧縮機２１に吸引される空気Ａの温度を計測する。外気温度センサ９４の計測値は、制御装置６０に送信される。
【００６２】
さらに、発電システム１０には、第２空気供給ライン３１を通じてＳＯＦＣ１３に供給される空気温度（入口空気温度）を計測する温度センサ（不図示）、燃料ガス再循環ライン４９を循環する排燃料ガスＬ３の温度を計測する温度センサ（不図示）等が設けられている。各温度センサの計測値は、制御装置６０に送信される。
【００６３】
制御装置６０は、各種センサからの計測値や各制御弁の開度情報等を取得し、取得した情報に基づいて演算を行い、発電システム１０の各部の動作を制御する。
【００６４】
〔発電システムの運転方法〕
次に、上記構成を備える発電システム１０において、制御装置６０によって実行される制御について簡単に説明する。
【００６５】
発電システム１０の起動時において、制御装置６０は、まずＭＧＴ１１を起動させ、ＭＧＴ１１の出力がある一定の負荷で安定してから、圧縮機２１から供給される空気の一部をＳＯＦＣ１３に供給することで、ＳＯＦＣ１３の空気極１３Ｂを加圧していくことができる。また燃料極１３Ａは燃料ガスの改質反応が可能な所定温度に上昇するまでは、Ｎ２などの不活性ガスにＨ２などの還元性ガスを加えた混合気体などを用いて、加圧してゆくことができる。
また、ＳＯＦＣ１３の空気極１３Ｂに供給される空気Ａ１は、熱交換器５８により温度が３００〜５００℃に昇温されおり、空気Ａ１に添加される燃料ガスＬ２の燃焼反応が生じるように空気極１３Ｂが触媒として機能する温度まで発電室２１５を昇温させることが出来る。ＳＯＦＣ１３が所定圧力まで加圧されると、遮断弁３８を開としＳＯＦＣ１３とＭＧＴ１１とを連結させ、ＳＯＦＣ１３を経由してＭＧＴ１１の燃焼器２２に空気を供給するコンバインド状態に移行する。
【００６６】
コンバインド状態への移行後に、ＳＯＦＣ１３を昇温するためにＳＯＦＣ１３に供給される空気流量を増加させ、ＳＯＦＣ１３をバイパスして燃焼器２２に供給される空気流量を減少させる。そして、ある一定時間後にＳＯＦＣ１３が発電を開始するまでは空気Ａの全量がＳＯＦＣ１３を経由して燃焼器２２に供給されるように制御して、ＳＯＦＣ１３の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。
【００６７】
次に、本発明の一実施形態に係る制御装置６０について、図を参照して説明する。
制御装置６０は、例えば、コンピュータやシーケンサであり、ＣＰＵと、ＣＰＵが実行するプログラム等を記憶するためのＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等を備えている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。
【００６８】
図５は、本実施形態に係る制御装置６０が備える機能を展開して示した機能ブロック図である。図５に示すように、制御装置６０は、ＳＯＦＣ１３を制御するＳＯＦＣ制御装置６０ａと、ＭＧＴ１１を制御するＭＧＴ制御装置６０ｂとを備えている。ＳＯＦＣ制御装置６０ａとＭＧＴ制御装置６０ｂとは情報の相互授受が可能とされている。
【００６９】
ＳＯＦＣ制御装置６０ａは、ＳＯＦＣ１３の起動時に、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、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。
【００７０】
まず、第１昇温モードでは、熱交換器５８による熱交換によって加熱された空気Ａ１を空気極１３Ｂに供給することにより、発電室２１５を昇温させる。第１昇温モードにより、発電室温度が第１温度閾値Ｔｔｈ１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１３Ｂ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。
【００７１】
第２昇温モードでは、第１昇温モードと同様に空気極１３Ｂに空気Ａ１を供給するとともに、制御弁８２を開くことにより、空気極燃料供給ライン８０により燃料ガスＬ２を空気Ａ１に添加する。空気Ａ１と燃料ガスＬ２とが流入した空気極１３Ｂでは、空気極１３Ｂの触媒作用によって燃料ガスＬ２が空気極１３Ｂ上で触媒燃焼し、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発電室温度を上昇させる。
第２昇温モードにおいて、ＳＯＦＣ制御装置６０ａは、発電室温度の温度変化率が上限値を超えないように、燃料ガスＬ２の流量を制御する。また、ＳＯＦＣ制御装置６０ａは、発電室温度に応じて、バイパスライン６２の制御弁６６によりＳＯＦＣ１３の空気極１３Ｂへ供給する空気Ａ１の入口空気温度を制御する。
ＳＯＦＣ制御装置６０ａは、発電室温度が第２温度閾値Ｔｔｈ２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。
【００７２】
負荷上昇モードでは、負荷上昇中の発電による自己発熱のみで発電室温度を上昇させることも可能であるが、昇温に長い時間を要してしまうため、第１昇温モードと同様に空気極１３Ｂに空気Ａ１を供給するとともに、燃料極１３Ａに第２燃料ガス供給ライン４１から燃料ガスＬ２と純水供給ライン４４から純水を供給し、発電を開始する。負荷上昇モードでは、空気極１３Ｂに燃料ガスＬ２を供給することによる触媒燃焼による発熱と、発電による発熱との両方によって発電室温度を上昇させる。負荷上昇モードでは、ＳＯＦＣ１３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１３Ｂへ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１３Ｂへの燃料ガスＬ２の供給がゼロになるように制御される。また、負荷上昇モードでは、空気極の触媒燃焼およびＳＯＦＣ１３に負荷をかけて発電することによる発熱で発電室温度が上昇するが、負荷上昇に対して発電室温度は遅れて上昇する。
【００７３】
上記第２温度閾値Ｔｔｈ２は、例えば、７５０℃以上に設定されている。これは、燃料電池セル１０５が十分な温度に達していないときに燃料極１３Ａ側に燃料ガスＬ２を投入してしまうと、固体電解質１１１（図２参照）が高抵抗状態のときに燃料電池セル１０５を発電させると、電極構成材料が組織変化して劣化し、燃料電池セル１０５の性能低下の要因になるからである。発電室温度が７５０℃以上であれば上記のような燃料電池セル１０５の性能低下が起きにくいため、第２温度閾値Ｔｔｈ２は７５０℃付近に設定されることが好ましい。
負荷上昇モードにおいて、発電室温度が発電室目標温度Ｔｔａｇ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ＴｔａｇはＳＯＦＣ１３が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。
【００７４】
次に、ＳＯＦＣ制御装置６０ａによって実行される起動時の制御について、図面を参照して具体的に説明する。ここでは、特に本発明の特徴部分である第２昇温モード及び負荷上昇モードについて説明する。
【００７５】
図６は、本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣ制御装置６０ａの第２昇温モード及び負荷上昇モード時における機能を展開して示した機能ブロック図である。
図６に示すように、ＳＯＦＣ制御装置６０ａは、負荷上昇制御部４と、温度上昇制御部（可燃性ガス流量制御部）５とを備えている。
【００７６】
まず、負荷上昇制御部４について説明する。負荷上昇制御部４は、図７に示すように、目標負荷設定部５１、出力電流指令設定部５２、制御指令設定部５３、及び制御部５４を備えている。
目標負荷設定部５１は、外気温度とＳＯＦＣ１３の目標負荷（＝目標出力電流）とが関連付けられた目標負荷情報を有している。目標負荷設定部５１は、外気温度センサ９４によって計測された外気温度に対応する目標負荷の値を目標負荷情報から取得し、目標負荷として設定する。
図８は目標負荷情報の一例を示した図である。図８において、横軸は外気温度、縦軸は目標負荷（＝目標出力電流）を示している。目標負荷情報は、例えば、事前にシミュレーションまたは実機試験等の結果に基づいて作成されたものであり、制御弁６５の弁開度を全閉にしたとき、換言すると、空気極１３Ｂに供給される空気Ａ１の流量を最大に設定したときに、ＳＯＦＣ１３が出力し得る最大負荷（最大電流）の値が外気温度に対応付けられて設定されている。制御弁６５等の弁開度が同じ場合、換言すると、流量が同じでも、外気温度が異なる場合には、空気密度が変わるためにＳＯＦＣ１３の発電室２１５に供給される空気量が変化する。例えば、外気温度が低いと空気密度が高くなり、ＭＧＴ１１の圧縮機２１の吐出空気流量が多くなる。発電室２１５に供給される空気Ａ１は冷却剤として機能するため、空気量が多いほどＳＯＦＣ１３が出力し得る最大負荷を大きくすることが可能となる。このような理由から、目標負荷情報は、図８に示すように、外気温度が低いほど、目標負荷が大きくなる特性とされている。
【００７７】
また、目標負荷情報は、図８に点線で示すように、外気温度から決定される目標負荷に対して所定の裕度を持たせることとしてもよい。ＳＯＦＣ１３の負荷変化等で発電室温度が変化する際に、発電室温度は温度分布を保有する場合がある。このように所定の裕度を持たせることにより、発電室内の一部の温度がＳＯＦＣ１３の一部の部材等の耐熱温度から決定される温度上限値を超えることを極力回避することが可能となる。ここでの裕度は、本実施形態では、例えば、目標負荷（＝目標出力電流）に対して約０．５％以下の範囲で設定される。裕度が０．５％を超え、更には１％を超えると目標負荷（＝目標出力電流）に対して到達する電流値が少なくなり、出来るだけＳＯＦＣ１３の出力を多くしたい目的から外れるので好ましくない。また０．１％を下回ると、流量制御装置（マスフローコントローラなど）などの制御誤差範囲内になり実質的な裕度にならないので好ましくない。
【００７８】
出力電流指令設定部５２は、目標負荷から決まる目標出力電流に基づいて所定の電流変化率で出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定する。電流変化率を設けないと、瞬時に電流が変化することになり各制御量の応答追従が出来ず、一時的に燃料ガスが過多もしくは欠乏となり、発電システム１０の運転が不安定となる、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が損傷するなどの可能性がある。ここで、電流変化率とは、電流変化量（電流の増加量）の時間当たりの勾配を示す。また、所定の繰り返し時間間隔とは、目標負荷から出力電流を設定して各種の制御指令で各制御部を制御し、制御目標出力電流に到達したかを判断するまでの一連の制御を行うに必要な時間である。
制御指令設定部５３は、出力電流指令設定部５２によって設定される出力電流指令を用いてＳＯＦＣ１３の負荷を変化させるための複数の制御系の制御指令を設定する。ここで制御指令は、個々の制御指令を出して制御量である出力電流の変化が安定してから次の制御指令を出すのではなく、ほぼ同時に制御指令を出すようにする。例えば、制御指令設定部５３は、燃料極１３Ａに供給する燃料ガスＬ２の流量指令を設定する第１燃料ガス流量設定部５３ａ、空気極１３Ｂに供給する空気Ａ１の入口温度指令を設定する入口空気温度設定部５３ｂ、ＭＧＴ出力指令を設定するＭＧＴ出力設定部５３ｃ、燃料極１３Ａと空気極１３Ｂとの差圧指令を設定する差圧設定部５３ｄ、再循環ブロワの回転数指令を設定する再循環流量設定部５３ｅ、及び燃料極１３Ａに供給する純水の流量指令を設定する純水流量設定部５３ｆを備えている。
【００７９】
制御部５４は、第１燃料ガス流量制御部５４ａ、入口空気温度制御部５４ｂ、ＭＧＴ出力制御部５４ｃ、差圧制御部５４ｄ、再循環流量制御部５４ｅ、純水流量制御部５４ｆを備えている。
第１燃料ガス流量制御部５４ａは、第１燃料ガス流量設定部５３ａからの燃料ガス流量指令に基づいて制御弁４２の弁開度を制御することにより、燃料極１３Ａに供給する燃料ガス量を調整する。
入口空気温度制御部５４ｂは、入口空気温度設定部５３ｂからの入口空気温度指令に基づいて制御弁６４、６６の弁開度を調整することにより、空気極１３Ｂに供給される空気Ａ１の入口温度を制御する。
ＭＧＴ出力制御部５４ｃは、ＭＧＴ出力設定部５３ｃからのＭＧＴ出力指令に基づいて、主に制御弁６５及び制御弁７０の弁開度を調整することにより、ＭＧＴ出力を制御する。
【００８０】
差圧制御部５４ｄは、差圧設定部５３ｄからの燃料空気差圧指令に基づいて、排燃料ガス供給ライン４５に設けられている制御弁４７の弁開度を調整することにより、燃料極１３Ａ側が空気極１３Ｂ側より所定の範囲（例えば、０．１〜１ｋＰａ）で高くなるように発電室２１５の燃料空気差圧を制御する。
再循環流量制御部５４ｅは、再循環流量設定部５３ｅからのブロワ回転数指令に基づいて再循環ブロワ５０の回転数を制御することにより、燃料極１３Ａに供給する排燃料ガス量を制御する。
純水流量制御部５４ｆは、純水流量設定部５３ｆからの純水流量指令に基づいてポンプ４８の吐出流量を調整することにより、燃料極１３Ａに供給する純水量を制御する。
【００８１】
上記第１燃料ガス流量制御部５４ａ、入口空気温度制御部５４ｂ、ＭＧＴ出力制御部５４ｃ、差圧制御部５４ｄ、再循環流量制御部５４ｅ、純水流量制御部５４ｆのうち少なくとも２つの制御系に対しては、ほぼ同時に制御指令が出され、例えば、入力された各指令に基づいてフィードバック制御やフィードフォワード制御を行うことにより、各種制御量を制御指令に一致させる制御を行う。なお、これらの制御については公知の技術を適宜適用すればよいため、詳細な説明は省略する。例えば、各種制御系の制御指令における各種操作量は、事前に制御指令の特性を用いたシミュレーションまたは実機試験などの結果に基づいて作成してもよい。このようにすることで、ほぼ同時に複数の制御系に対して制御指令を出しても、各制御量が適切な制御の下に安定して指令値へと近づいてゆき、ＳＯＦＣ１３の発電室温度や負荷（出力電流）を目標値へと安定して近づけることが可能となる。
【００８２】
次に、負荷上昇制御部４によって実行される負荷上昇モード時の制御について、図９を参照して説明する。図９は、負荷上昇モードにおける制御手順を示したフローチャートである。負荷上昇モードは、上述した第２昇温モードにおいて、発電室温度が第２温度閾値Ｔｔｈ２に到達したときに開始される制御モードである。
まず、目標負荷設定部５１によって外気温度に基づいて図８に示した目標負荷情報から目標負荷（＝目標出力電流）が設定される（ステップＳＡ１）。続いて、出力電流指令設定部５２によって、所定の電流変化率（例えば、定格電流の５％／ｍｉｎ）を用いて、目標負荷に対応する目標出力電流から出力電流指令が設定される（ステップＳＡ２）。ここで、所定の電流変化率は、事前に指令設定をシミュレーションまたは実機試験などの結果に基づいてＳＯＦＣ１３の各制御量が適切に追従可能な値として作成されている。また、電流変化率は、出力電流指令に応じて変化してもよい。
【００８３】
続いて、制御指令設定部５３により、出力電流指令に基づいて各制御系の制御指令が設定され（ステップＳＡ３）、設定された制御指令に基づいてほぼ同時期に各制御系の制御が行われる（ステップＳＡ４）。これにより、各種制御系の制御量が目標負荷に向けてほぼ同時期に変化することとなる。続いて、出力電流指令が目標負荷に対応する目標出力電流以上であるか否かを判断する（ステップＳＡ５）。この結果、出力電流指令が目標出力電流未満であれば（ステップＳＡ５において「ＮＯ」）、所定時間経過後にステップＳＡ２に戻り、目標負荷に基づく出力電流指令が再度設定され、新たに設定された出力電流指令に基づいて以降のステップが順次行われる。
【００８４】
このようにして、ステップＳＡ２〜ＳＡ５を繰り返し行うことにより、徐々に出力電流指令が目標出力電流に向けて変化し、出力電流指令が目標出力電流に到達すると、ステップＳＡ５において「ＹＥＳ」と判断され、本処理を終了する。出力電流指令が目標出力電流に到達した後は、例えば、ＳＯＦＣ１３の出力電流を目標出力電流で維持するような制御が行われる。
【００８５】
次に、ＳＯＦＣ制御装置６０ａが備える温度上昇制御部５について説明する。
温度上昇制御部５は、図１０に示すように、空気極１３Ｂ側に供給する空気（酸化剤ガス）Ａ１の流量を制御する空気制御部１４と、空気極１３Ｂ側に供給する燃料ガスＬ２（可燃性ガス）の流量を制御する燃料ガス制御部１５とを備えている。
発電室２１５内の中央領域での、燃料電池セル１０５の表面温度を計測する温度センサ９２ａと、中央領域での空気温度を計測する温度センサ９２ｂの少なくとも一方が設けられている。また、必要に応じて発電室２１５内で温度が高くなる可能性がある部分に温度センサが設けられていてもよい。燃料ガス制御部１５は、少なくとも温度センサ９２ａ、９２ｂのいずれかを含む発電室２１５内に設置された複数の温度センサの計測温度から発電室温度を特定し、発電室温度が上述の第１温度閾値Ｔｔｈ１に到達した場合に、空気極１３Ｂへの燃料ガスＬ２の供給を開始する。
【００８６】
具体的には、燃料ガス制御部１５は、発電室温度特定部１６、第２燃料ガス流量設定部１７、第２燃料ガス流量制御部１８を備えている。
発電室温度特定部１６は、少なくとも温度センサ９２ａ、９２ｂのいずれかを含む発電室２１５内に設置された複数の温度センサによって計測された複数の温度計測値のうちの最高温度を発電室温度として特定する。
本実施形態のＳＯＦＣ１３の通常の運転時には、ＳＯＦＣモジュール２０１の中央付近に設置されるＳＯＦＣカートリッジ２０３の中央領域に設けた温度センサ９２ａ、９２ｂの温度が最も高くなり易い。一方、起動時の負荷上昇モードなどではＳＯＦＣ１３の運転状態が変わることで、最高温度を示す場所が変化する場合がある。このため、計測された複数の温度計測値のうちの最高温度を発電室温度として特定することが有効な手段となる。
【００８７】
第２燃料ガス流量設定部１７は、例えば、図１１に示すように、発電室温度と、空気極燃料供給ライン８０より空気極１３Ｂでの触媒燃焼用に空気Ａ１に添加する燃料ガスＬ２の流量である第２燃料ガス流量指令とが関連付けられた第２燃料ガス情報を有しており、第２燃料ガス情報から発電室温度特定部１６によって特定された発電室温度に対応する第２燃料ガス流量を取得し、取得した第２燃料ガス流量を第２燃料ガス流量指令として設定する。
【００８８】
ここで、図１１に示すように、第２燃料ガス情報は、発電室温度が第２温度閾値Ｔｔｈ２に到達するまでは第２燃料ガス流量が増加する特性とされ、発電室温度が第２温度閾値Ｔｔｈ２に到達した後は第２燃料ガス流量が減少する特性とされている。これは、発電室温度が第２温度閾値Ｔｔｈ２に到達した以降は、負荷上昇モードに移行し、燃料極１３Ａに発電反応用の燃料ガスＬ２が供給され、自己発電の発熱により発電室温度が上昇するからである。ここで図１１の第２燃料ガス情報は、シミュレーションまたは実機試験などの結果に基づいて適切な値を設定して作成されたものである。
第２燃料ガス流量制御部１８は、第２燃料ガス流量設定部１７によって設定された第２燃料ガス流量指令に基づいて制御弁８２の弁開度を制御する。
【００８９】
次に、燃料ガス制御部１５によって実行される処理について図１２を参照して説明する。図１２は、燃料ガス制御部１５が実行する処理手順を示したフローチャートである。
【００９０】
まず、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電室２１５内にそれぞれ設けられた少なくとも温度センサ９２ａ、９２ｂのいずれかを含む温度センサによって計測されたセルスタックの中央領域における温度を含む複数の計測温度が入力され（ステップＳＢ１）、その中の最高温度が発電室温度として特定される（ステップＳＢ２）。例えば、４つのＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電室２１５内に温度センサ９２ａ、９２ｂの両方が設けられている場合は、８点の計測温度が入力される。
【００９１】
そして、特定した発電室温度に対応する第２燃料ガス流量を図１１に示す第２燃料ガス情報から取得し、第２燃料ガス流量指令として設定する（ステップＳＢ３）。そして、設定した第２燃料ガス流量指令に基づいて制御弁８２の弁開度を制御することにより、空気極１３Ｂに供給する空気Ａ１に添加する燃料ガスＬ２の流量を制御する（ステップＳＢ４）。
そして、発電室温度が発電室目標温度に到達したか否かを判定し（ステップＳＢ５）、到達していなければステップＳＢ１に戻り、到達していれば本処理を終了する。
【００９２】
ステップＳＢ５の判断は、所定の繰り返し時間間隔で行われ、複数の計測温度から最高温度が発電室温度として特定するステップＳＢ２も所定の繰り返し時間間隔で行われる。このため常に最新の最高温度を示す場所での計測温度を用いて空気極１３Ｂへ供給する燃料ガスＬ２の流量制御を行うことになり、発電室内の一部に、制御対象として特定した最高温度より大幅に高い温度となる領域を発生させることなく、適切な温度制御が可能となる。ここで、所定の繰り返し時間間隔とは、ステップＳＢ１からステップＳＢ５までの各処理の制御を実行するに必要な時間である。
【００９３】
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池の制御装置及び制御方法並びに発電システムによれば、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の中央領域に設けられた少なくとも温度センサ９２ａ、９２ｂのいずれかを含む複数の温度センサによって計測された計測温度の中から最高温度を選択して発電室温度とし、この発電室温度に対応する第２燃料ガス流量指令を設定し、設定した第２燃料ガス流量指令に基づいて空気極１３Ｂに供給する燃料ガスＬ２の流量を制御する。これにより、ＳＯＦＣ１３の起動、昇温など運転状況が変化し発電室内の温度分布が変化しても発電室２１５の測定温度のうち、最も高い温度を発電室温度として特定して常に制御対象として用いることが可能となり、発電室２１５内の一部に温度分布がある場合でも、発電室温度内の構成部品の耐熱温度を越えることなく発電室温度を安全側サイドの温度で上昇させることが可能となる。
【００９４】
すなわち、常に最新の最高温度を示す場所での計測温度を用いて、空気極１３Ｂへ供給する第２燃料ガス流量指令に基づいた燃料ガスＬ２の流量制御を行うことになる。このため、制御対象として特定した最高温度より大幅に高い温度となる領域を発電室内の一部に発生させることなく、適切な温度制御が可能となる。これにより、発電室温度がＳＯＦＣ１３を構成している部材の耐熱温度から設定される発電室温度上限値を超えることを抑制することが可能となる。
また、発電室内の一部の温度が目標温度を超えてオーバーシュートすることを抑制するので、起動時間を短縮することが可能となる。
【００９５】
なお、本実施形態では、通常の起動時、すなわち、発電室２１５の温度が低い（例えば、発電室温度が１００℃未満）状態から起動、昇温を行うコールドスタートの場合について述べたが、起動停止から時間がそれほど経過していないうちに再度起動される場合には、発電室温度が発電室目標温度に近い温度とされている場合がある。このような場合には、上述のコールドスタートと同じ手順によって起動を行う必要がない。
【００９６】
よって、例えば、通常の起動時であるコールドスタート、発電室温度が発電室目標温度に近いホットスタート、及びコールドスタートとホットスタートとの間のウォームスタートの３つに分け、それぞれのスタート種別に対応する第２燃料ガス情報をそれぞれ設ける。そして、第２燃料ガス流量設定部１７は、それぞれのＳＯＦＣ１３の発電室２１５と燃料極１３Ａ入口での状態量に基づいてスタート種別を特定し、特定したスタート種別に対応する第２燃料ガス流量情報を用いて、第２燃料ガス流量指令を設定することとしてもよい。
【００９７】
例えば、コールドスタートは、発電室温度特定部１６によって特定された発電室温度が１００℃以上３００℃未満の温度範囲に設定された所定のコールド判定温度未満の場合に採用され、通常に実施する起動を行う。
また、ホットスタートは、発電室温度特定部１６によって特定された発電室温度とＳＯＦＣ１３の燃料極入口燃料温度が各々に設定した所定値よりも高い状態に適用する。ここで、燃料極入口燃料温度は、例えば、図１に示す温度センサ９３によって計測される温度であり、燃料ガス再循環ライン４９において、燃料ガスＬ２と純水とが混合された後の温度である。
【００９８】
例えば、発電室温度が３００℃以上６００℃未満の温度範囲に設定されたホット判定第１温度よりも高く、かつ、ＳＯＦＣ１３の燃料極入口燃料温度が１５０℃以上２５０℃以下の温度範囲で設定されたホット判定第２温度よりも高い場合に、ホットスタートが採用される。
また、ウォームスタートは、コールドスタートでもなく、ホットスタートでもない中間の場合に採用される。
上記コールド判定温度、ホットスタート判定第１温度、ホットスタート判定第２温度は、供給可能なガス種によって上記温度範囲内で設定することが可能である。
【００９９】
ホットスタートは、例えば、燃料極１３Ａに燃料ガスＬ２及び純水の供給が可能な温度領域であるとみなすことができる状態である。換言すると、燃料極１３Ａに純水を供給することによる温度低下によってドレンが発生しない温度領域であるとみなすことができる。したがって、この場合には、ホットスタートとみなして、比較的少ない流量の燃料ガスＬ２が空気極１３Ｂに供給されるとともに、燃料極１３Ａには燃料ガスＬ２及び純水の両方が供給され、前述の第２昇温モードからの昇温が可能となる。
一方、ウォームスタートは、燃料極１３Ａに純水を供給することでドレンが発生することが懸念される温度領域の場合である。ここで、ウォームスタートでは、ホットスタートよりも多めの燃料ガスＬ２を空気極１３Ｂに供給される空気Ａ１に添加して、触媒燃焼による発熱量の増加により発電室の温度上昇を早めるようにする。なお、ウォームスタートの場合には、燃料極１３Ａに燃料ガスＬ２及び純水を供給するとドレンが発生するため、ウォームスタートの初期においては、改質用の純水が不要となるよう、水素及び窒素が燃料ガスＬ２として燃料極１３Ａに供給されてもよい。
【０１００】
なお、上記スタート種別は、制御途中において、発電室の温度センサ９２ａ、９２ｂによる計測温度のうち、最も低い温度が４５０℃未満となった場合、または、ＳＯＦＣ１３の燃料極入口燃料温度が２００℃未満になった場合に、ＳＯＦＣ１３の状態が異なったとしてリセットされ、再度、スタート種別の特定が行われる。
【０１０１】
また、昇温時において、空気極１３Ｂに供給する空気Ａ１の供給変化率を異ならせることとしてもよい。例えば、コールドスタートの場合には、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の例えば、上部管板２２５ａ、下部管板２２５ｂ、上部断熱体２２７ａ、下部断熱体２２７ｂ等に相互間における温度差や内面温度差が発生すると好ましくないので比較的緩やかな昇温変化率が採用されるが、ウォームスタート及びホットスタートの場合には、発電室２１５が高温であるのでそのような懸念が少ない。したがって、コールドスタートのときよりも空気極１３Ｂに供給する空気Ａ１の流量変化率を高めに設定して、空気Ａ１の流量を増加させてＳＯＦＣ１３の昇温を早くすることが可能である。例えば、空気Ａ１の流量変化率は、ホットスタート、ウォームスタート、コールドスタートの順に高く設定されている。
【０１０２】
また、空気極１３Ｂに供給する燃料ガスＬ２の流量変化率についても、コールドスタート、ウォームスタート、ホットスタートで異ならせてもよい。例えば、ウォームスタート及びホットスタートの場合には、コールドスタートよりも燃料ガスＬ２の流量変化率を低く設定する。これは、例えば、コールドスタートの場合、昇温幅（例えば、発電室温度を４５０℃から９００℃へ昇温）が大きく、発電室内の温度のばらつきが大きくなる。これに対し、ウォームスタート及びホットスタートの場合には、発電室の温度が初めから高いために発電室内の温度のばらつきがコールドスタート時に比べて小さく、コールドスタート時に比べて必要とされる燃料ガスＬ２が少なくても良いためである。
【０１０３】
このように、コールドスタート、ウォームスタート、ホットスタートを設け、発電室温度等から起動時におけるＳＯＦＣ１３の状態を判定して適切なスタート種別に基づいて燃料極１３Ａ及び空気極１３Ｂに供給するガスの流量やガスの種類を制御するので、その時々のＳＯＦＣ１３の状態に適合する好ましい制御を実行することが可能となる。
【符号の説明】
【０１０４】
４        ：負荷上昇制御部
５        ：温度上昇制御部
１０      ：発電システム
１１      ：ＭＧＴ（マイクロガスタービン）
１２      ：発電機
１３Ａ    ：燃料極
１３Ｂ    ：空気極
１４      ：空気制御部
１５      ：燃料ガス制御部
１６      ：発電室温度特定部
１７      ：第２燃料ガス流量設定部
１８      ：第２燃料ガス流量制御部
５１      ：目標負荷設定部
５２      ：出力電流指令設定部
５３      ：制御指令設定部
５３ａ    ：第１燃料ガス流量設定部
５３ｂ    ：入口空気温度設定部
５３ｃ    ：ＭＧＴ出力設定部
５３ｄ    ：差圧設定部
５３ｅ    ：再循環流量設定部
５３ｆ    ：純水流量設定部
５４      ：制御部
５４ａ    ：第１燃料ガス流量制御部
５４ｂ    ：入口空気温度制御部
５４ｃ    ：ＭＧＴ出力制御部
５４ｄ    ：差圧制御部
５４ｅ    ：再循環流量制御部
５４ｆ    ：純水流量制御部
６０      ：制御装置
６０ａ    ：ＳＯＦＣ制御装置
６０ｂ    ：ＭＧＴ制御装置
９２ａ、９２ｂ    ：温度センサ
９４      ：外気温度センサ
１０５    ：燃料電池セル
１１１    ：固体電解質
２０１    ：ＳＯＦＣモジュール
２０３    ：ＳＯＦＣカートリッジ
２１５    ：発電室
【図１】
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【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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