(57)【要約】【課題】負荷上昇時において、制御量のオーバーシュートを回避しながら目標到達までの時間を短縮することを目的とする。【解決手段】ＳＯＦＣ制御装置６０ａは、目標負荷を設定する目標負荷設定部５１と、目標負荷設定部５１によって設定された目標負荷から出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定する出力電流指令設定部５２と、出力電流指令を用いて複数の制御系の制御指令を設定する制御指令設定部５３と、制御指令設定部５３によって設定された少なくとも一つの制御指令を増加または減少させる制御指令補正部５と、制御指令補正部５による補正後の制御指令に基づいて、制御系の少なくとも１つの操作量を制御する制御部５４とを備えている。さらに、制御部５４は、燃料電池の負荷変化時において、ＳＯＦＣの運転状態に応じて制御系の少なくとも１つのゲインを変化させるゲイン調整部を備えている。【選択図】図６
2018006002.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、
前記燃料電池の目標負荷を設定する目標負荷設定部と、
前記目標負荷設定部によって設定された前記燃料電池の目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定する出力電流指令設定部と、
前記燃料電池の出力電流指令を用いて、複数の制御系の制御指令を設定する制御指令設定部と、
前記制御指令設定部によって設定された少なくとも一つの制御指令を増加または減少させる制御指令補正部と、
前記制御指令補正部による補正後の前記制御指令に基づいて、前記制御系の少なくとも１つの操作量を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の負荷変化時において、前記燃料電池の運転状態に応じて前記制御系の少なくとも１つのゲインを変化させるゲイン調整部を備える燃料電池の制御装置。
【請求項２】
前記ゲイン調整部は、前記燃料電池の運転状態により変化する排燃料ガスのガス種に応じて、前記制御系の少なくとも１つのゲインを変化させる請求項１に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項３】
前記制御部は、比例制御、積分制御、微分制御の少なくともいずれか一つの制御を用いて、少なくとも一つの前記制御指令を設定する請求項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】
前記ゲイン調整部は、前記空気極と前記燃料極との差圧を調整するための差圧制御弁に関するゲインを増加させる請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
【請求項５】
前記ゲイン調整部は、前記燃料電池の出力電流指令の増加に応じて前記ゲインの増加幅を低下させる請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
【請求項６】
前記制御指令補正部は、前記燃料電池の負荷上昇時において、前記空気極と前記燃料極との差圧を制御するための燃料空気差圧指令を所定量減少させる差圧指令補正部を備える請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
【請求項７】
前記制御指令補正部は、前記燃料電池の負荷上昇時において、前記燃料極に供給する可燃性ガスの流量を制御するための可燃性ガス流量指令を所定量増加させる可燃性ガス流量指令補正部を備える請求項１から請求項６のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
【請求項８】
前記燃料電池の周囲の外気温度から前記燃料電池の目標負荷を設定する請求項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】
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８のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
【請求項１０】
前記出力電流指令設定部は、所定の電流変化率を用いて、前記燃料電池の目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定する請求項１から請求項９のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
【請求項１１】
複数の前記制御系は、燃料極への燃料ガス供給流量、燃料電池空気極入口温度、マイクロガスタービン出力、燃料極と空気極との差圧、再循環ブロワ回転数、及び純水流量のうち２つ以上を含む請求項１から請求項１０のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
【請求項１２】
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１１のいずれかに記載の燃料電池の制御装置と
を備える発電システム。
【請求項１３】
燃料極と、固体電解質と、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、
前記燃料電池の目標負荷を設定する目標負荷設定工程と、
前記燃料電池の目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定する出力電流指令設定工程と、
前記燃料電池の出力電流指令を用いて、複数の制御系の制御指令を設定する制御指令設定工程と、
前記制御指令設定工程において設定された少なくとも一つの制御指令を増加または減少させる制御指令補正工程と、
前記制御指令補正工程による補正後の前記制御指令に基づいて、前記制御系の少なくとも１つの操作量を制御する制御工程と
を有し、
前記制御工程では、前記燃料電池の負荷変化時において、前記燃料電池の運転状態に応じて前記制御系の少なくとも１つのゲインを変化させ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ものである。
【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】
このうち、例えば、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）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３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℃）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、ＳＯＦＣの制御手法として、例えば、特許文献２には、ＳＯＦＣの運転温度が予め設定された温度変化レートで変化するように、燃料ガス及び酸化剤ガスをフィードフォワード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、ＳＯＦＣ起動時に、ＳＯＦＣとＭＧＴとの連携運転状態に応じて、再循環流量及びガス密度に対応付けられたゲインによって流量調整弁を先行的にフィードフォワード制御することが開示されている。
【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】
ところで、ＳＯＦＣの発電室は熱容量が大きく、発電室の温度制御に関する操作量を制御する際に応答遅れが発生する。つまり、発電室の温度制御に関する指令を出してから実際に発電室温度が変化して安定するまでには、しばらく時間経過を要する。このため、例えば、負荷上昇時において、各制御量が規定値を超えるオーバーシュートが発生する可能性があり、ＳＯＦＣの一部を損傷させるおそれやオーバーシュートした分を再度低下させるために追加制御する時間を要する場合があった。また、その一方で、負荷上昇時におけるオーバーシュートを回避するために、各制御に関する制御指令を順次に出して各制御量が変化し安定してから次の操作の指令を出すという、各操作量を緩やかに変化させることも考えられるが、そのような制御を行う場合には、制御量が目標値に到達して操作が終了するまでに相当長い時間を要することとなる。
【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、燃料電池の負荷上昇時において、制御量のオーバーシュートを回避しながら目標到達までの時間を短縮す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、前記燃料電池の目標負荷を設定する目標負荷設定部と、前記目標負荷設定部によって設定された前記燃料電池の目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定する出力電流指令設定部と、前記燃料電池の出力電流指令を用いて、複数の制御系の制御指令を設定する制御指令設定部と、前記制御指令設定部によって設定された少なくとも一つの制御指令を増加または減少させる制御指令補正部と、前記制御指令補正部による補正後の前記制御指令に基づいて、前記制御系の少なくとも１つの操作量を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記燃料電池の負荷変化時において、前記燃料電池の運転状態に応じて前記制御系の少なくとも１つのゲインを変化させるゲイン調整部を備える燃料電池の制御装置を提供する。
【００１１】
また、上記燃料電池の制御装置において、前記ゲイン調整部は、前記燃料電池の運転状態により変化する排燃料ガスのガス種に応じて、前記制御系の少なくとも１つのゲインを変化させてもよい。
【００１２】
本発明によれば、目標負荷から出力電流指令が所定の時間間隔で繰り返すように設定され、出力電流指令を用いて複数の制御系の制御指令が設定される。複数の制御系のうちの少なくとも一つの制御指令は、制御指令補正部によって増加方向にまたは減少方向に補正され、補正後の制御指令に基づいて所定の操作量が制御部によって制御される。これにより、例えば、燃料極に供給される燃料ガス流量や、空気極に供給される酸化剤ガス流量等が制御される。ここで、例えば、燃料極で反応した排燃料ガスを燃料極に再度循環させる再循環ラインを流通する排燃料ガスは、起動時から各昇温モードに対応して燃料電池の運転状態が変わり、発電室の温度上昇や負荷の増加に伴って排燃料ガスの組成が変化する。この燃料電池の状態の変化に伴うガス組成の変化により、排燃料ガスラインに設けられている燃料極と空気極間との差圧を制御する制御弁等の感度（ゲイン）が変化する。したがって、例えば、燃料電池の運転状態、一例としては、排燃料ガスの組成の変化に応じて制御弁等の感度を調整することで、弁制御を安定させることが可能となる。
【００１３】
上記燃料電池の制御装置において、前記制御部は、比例制御、積分制御、微分制御の少なくともいずれか一つの制御を用いて、少なくとも一つの前記制御指令を設定することとしてもよく、ゲイン調整部によって調整されるゲインは、例えば、比例ゲイン、積分ゲイン、微分ゲインの少なくとも一つであってもよい。
【００１４】
上記燃料電池の制御装置において、前記ゲイン調整部は、前記空気極と前記燃料極との差圧を調整するための差圧制御弁に関するゲインを増加させることとしてもよい。
【００１５】
このように差圧制御弁に関するゲインを増加させることにより、差圧調整速度を早くすることが可能となり、差圧の制御弁の追従遅れを抑制することができる。
【００１６】
上記燃料電池の制御装置において、前記ゲイン調整部は、前記燃料電池の出力電流指令の増加に応じて前記ゲインの増加幅を低下させることとしてもよい。
【００１７】
このように、出力電流指令の増加に応じてゲインの増加幅を低下させることで、差圧制御弁のハンチングを防ぎ、安定した負荷上昇を実現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、前記制御指令補正部は、前記燃料電池の負荷上昇時において、前記空気極と前記燃料極との差圧を制御するための燃料空気差圧指令を所定量減少させる差圧指令補正部を備えることとしてもよい。
【００１９】
このように燃料空気差圧指令を所定量減少させることにより、負荷変化による各制御変動により差圧が一時的に高くならないように安全サイドで運転を行わせることが可能となる。これにより、機器の損傷等を回避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、前記制御指令補正部は、前記燃料電池の負荷上昇時において、前記燃料極に供給する可燃性ガスの流量を制御するための可燃性ガス流量指令を所定量増加させる可燃性ガス流量指令補正部を備えることとしてもよい。
【００２１】
このように、可燃性ガス流量指令を所定量増加させることにより、負荷上昇時に可燃性ガスが不足する事態を回避することが可能となる。これにより、可燃性ガスの欠乏による機器の損傷等を回避することが可能となる。
【００２２】
上記燃料電池の制御装置において、前記燃料電池周囲の外気温度から前記燃料電池の目標負荷を設定することとしてもよい。
【００２３】
これにより、外気温度に起因する発電室温度の変化を抑制することができ、安定した温度制御を行うことが可能となる。
【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】
上記燃料電池の制御装置において、前記出力電流指令設定部は、所定の電流変化率を用いて、前記燃料電池の目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定することとしてもよい。
上記燃料電池の制御装置において、複数の前記制御系は、燃料極への燃料ガス供給流量、燃料電池空気極入口温度、マイクロガスタービン出力、燃料極と空気極との差圧、再循環ブロワ回転数、及び純水流量のうち２つ以上を含むこととしてもよい。
【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と、上記いずれかに記載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。
【００２７】
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、前記燃料電池の目標負荷を設定する目標負荷設定工程と、前記燃料電池の目標負荷から前記燃料電池の出力電流指令を所定の繰り返し時間間隔で設定する出力電流指令設定工程と、前記燃料電池の出力電流指令を用いて、複数の制御系の制御指令を設定する制御指令設定工程と、前記制御指令設定工程において設定された少なくとも一つの制御指令を増加または減少させる制御指令補正工程と、前記制御指令補正工程による補正後の前記制御指令に基づいて、前記制御系の少なくとも１つの操作量を制御する制御工程とを有し、前記制御工程では、前記燃料電池の負荷変化時において、前記燃料電池の運転状態に応じて前記制御系の少なくとも１つのゲインを変化させる燃料電池の制御方法を提供する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、燃料電池の負荷上昇時において、制御量のオーバーシュートを回避しながら目標到達までの時間を短縮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】
【００２９】
【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制御装置について、負荷上昇モードの機能を展開して示した機能ブロック図である。
【図７】目標負荷情報の一例を示した図である。
【図８】燃料ガス流量情報の一例を示した図である。
【図９】入口空気温度情報の一例を示した図である。
【図１０】ＭＧＴ出力情報の一例を示した図である。
【図１１】差圧情報の一例を示した図である。
【図１２】回転数情報の一例を示した図である。
【図１３】純水流量情報の一例を示した図である。
【図１４】燃料ガス流量指令補正部による補正について説明するための図である。
【図１５】差圧指令補正部による補正について説明するための図である。
【図１６】図６に示した制御部の概略構成を示した図である。
【図１７】図１６に示した差圧制御部の概略構成を示した図である。
【図１８】本発明の一実施形態に係る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。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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。
【００３１】
〔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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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が設けられている。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
〔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１３Ａに電気的に接続されたリード膜（不図示）を備える。
【００４３】
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。
【００４４】
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１３Ａ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である。本実施形態での燃料ガスＬ２は、都市ガスなどのメタンを主成分とする燃料ガスと水素を用いたものである。
【００４５】
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１３Ａ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。
【００４６】
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。
【００４７】
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おり、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１０７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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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９２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。
【００５６】
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。
【００５７】
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に導くことができる。
【００５８】
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できる。
【００５９】
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できる。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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つの温度センサ９２が配置されている。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、少なくとも合計４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９２は、少なくとも発電室２１５の内のセルスタック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、９２の計測値は、制御装置６０に送信される。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
制御装置６０は、各種センサからの計測値や各遮断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。
【００６６】
〔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。
【００６７】
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。
【００６８】
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を可能な限り均一な温度で早く昇温できるようにしてもよい。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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、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。
【００７５】
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を発電させることとなり、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。
【００７６】
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負荷上昇モードについて説明する。
【００７７】
図６は、本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣ制御装置６０ａの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、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、制御指令補正部５及び制御部５４を備えている。
【００７８】
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７は目標負荷情報の一例を示した図である。図７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６４等の弁開度を全開にしたとき、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６４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７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。
【００７９】
また、目標負荷情報は、図７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。
【００８０】
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できず、一時的に燃料ガスが過多または欠乏となる。これにより、発電システム１０の運転が不安定となったり、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が損傷する可能性がある。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、一連の制御処理ステップを順次実施して出力電流指令が目標電流に達したかどうかを判断するステップを実施するまでに必要な時間である。例えば、目標出力電流が定格電流の９０％、電流変化率が定格電流の５％／ｍｉｎに設定されていた場合、１０分後の出力電流指令は定格電流の５０％となり、約１８分かけて目標出力電流まで負荷上げされることとなる。
なお、所定の電流変化率は、出力電流値と目標出力電流との差分に応じて変化させてもよい。例えば、差分が大きい場合には比較的大きな電流変化率で出力電流指令を設定し、差分が小さくなるにつれて電流変化率を小さく設定することとしてもよい。このように電流変化率を変化させることで、目標出力電流に到達するまでの時間を短縮するとともに、発電室温度のオーバーシュートを抑制することが可能となる。
【００８１】
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や発電室温度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５０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。
【００８２】
燃料ガス流量設定部５３ａは、例えば、図８に示すように、出力電流指令と燃料ガスＬ２の流量とが関連付けられた燃料ガス流量情報を有しており、燃料ガス流量情報から出力電流指令に対応する燃料ガスＬ２の流量を取得し、取得した燃料ガスＬ２の流量を燃料ガス流量指令として設定する。
入口空気温度設定部５３ｂは、例えば、図９に示すように、出力電流指令とＳＯＦＣ１３の空気極１３Ｂへの入口空気温度とが関連付けられた入口空気温度情報を有しており、入口空気温度情報から出力電流指令に対応する入口空気温度を取得し、取得した入口空気温度情報を入口空気温度指令として設定する。
【００８３】
ＭＧＴ出力設定部５３ｃは、例えば、図１０に示すように、出力電流指令とＭＧＴ出力とが関連付けられたＭＧＴ出力情報を有しており、ＭＧＴ出力情報から出力電流指令に対応するＭＧＴ出力を取得し、取得したＭＧＴ出力をＭＧＴ出力指令として設定する。ここで、ＭＧＴ出力情報は、ＭＧＴ１１の圧縮機２１が吸気する外気温度に応じてそれぞれ設定されていてもよい。外気温度は例えば外気温度センサ９４により計測される。例えば、ＭＧＴ出力情報は、吸気する外気温度の低下に伴って、同じ出力電流指令に対するＭＧＴ出力が高くなるように設定される。これは、外気温度が低いほど、圧縮機２１で送風する空気Ａの流量が増加し、燃焼器２２からの燃焼ガスＧの流量が増加させることが可能だからである。
【００８４】
差圧設定部５３ｄは、例えば、図１１に示すように、出力電流指令と、燃料極１３Ａと空気極１３Ｂとの間の差圧である燃料空気差圧とが関連付けられた差圧情報を有しており、差圧情報から出力電流指令に対応する燃料空気差圧を取得し、取得した燃料空気差圧を燃料空気差圧指令として設定する。
再循環流量設定部５３ｅは、例えば、図１２に示すように、出力電流指令とブロワ回転数とが関連付けられた回転数情報を有しており、ブロワ回転数により燃料ガス再循環ライン４９の排燃料ガスＬ３の一部を再循環させる流量を制御する。回転数情報から出力電流指令に対応する回転数を取得し、取得したブロワ回転数をブロワ回転数指令として設定する。ここで、回転数情報は、ＭＧＴの吸気する外気温度に応じて設定されていてもよい。例えば、図７のように外気温度によりＳＯＦＣ目標負荷が変わる。外気温度が低くなるとＳＯＦＣ目標負荷が上昇するので、ＳＯＦＣへ供給する空気流量が増加し系内圧力が上昇する。それにより再循環ガス密度が上昇するので、外気温度が低い時は、外気温度が高い時と同じ再循環流量とするために必要なブロワ回転数は低くなるよう設定する。
【００８５】
純水流量設定部５３ｆは、例えば、図１３に示すように、出力電流指令と純水流量とが関連付けられた純水流量情報を有しており、純水流量情報から出力電流指令に対応する純水流量値を取得し、取得した純水流量を純水流量指令として設定する。出力電流が増加するためにはＳＯＦＣ負荷が増加するので、燃料ガス再循環ライン４９から供給される改質に必要な水蒸気の供給量が増加して、外部から供給が必要な純水流量は減少する。また所定のＳＯＦＣ負荷となる出力電流以上では、燃料ガス再循環ライン４９から改質に必要な全ての蒸気が供給されるので、純水の供給は不要となる。
【００８６】
制御指令設定部５３によって設定された各種制御指令は、制御指令補正部５に入力される。制御指令補正部５は、燃料ガス流量設定部５３ａによって設定された燃料ガス流量指令を増加方向に補正する燃料ガス流量指令補正部５ａと、差圧設定部５３ｄによって設定された燃料空気差圧指令を減少する方向に補正する差圧指令補正部５ｄとを備えている。
【００８７】
燃料ガス流量指令補正部５ａは、例えば、図１４に点線で示すように、燃料ガス流量設定部５３ａによって設定された燃料ガス流量指令に所定の補正値αを加算する補正を行い、補正後の燃料ガス流量指令を制御部５４に出力する。ここで、補正値αは、制御弁４２の制御系の応答遅れに応じた値に設定されている。また、燃料ガス流量指令補正部５ａは、出力電流指令が目標出力電流に達してから、補正値αをゼロに向けて徐々に低下させる。このことで、燃料ガスの欠乏により燃料極１３Ａの還元雰囲気が低下して燃料極１３Ａの劣化を生じないようにする。
【００８８】
差圧指令補正部５ｄは、例えば、図１５に点線で示すように、差圧設定部５３ｄによって設定された燃料空気差圧指令に所定の補正値βを減算する補正を行い、補正後の燃料空気差圧指令を制御部５４に出力する。ここで、補正値βは、差圧を調整する制御弁４７の制御系の応答遅れに応じた値に設定されている。また、差圧指令補正部５ｄは、出力電流指令が目標出力電流に達したときに、補正値βがゼロになるように、目標出力電流に達するよりも所定時間前から補正値βをゼロに向けて徐々に低下させる。このことで、燃料空気差圧が補正値β分を小さめに厳しくする期間を最小限にして、燃料空気差圧の制御系の安定に必要な時間が長くなる期間を少なくする。
【００８９】
制御部５４は、図１６に示すように、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。
燃料ガス流量制御部５４ａは、燃料ガス流量指令補正部５ａによる補正後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。
【００９０】
差圧制御部５４ｄは、差圧指令補正部５ｄによる補正後の燃料空気差圧指令に基づいて、制御弁４７の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。
【００９１】
上記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。例えば、各種制御系の制御指令における各種操作量は、事前に図８から図１３に示すような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。この各種制御の制御指令における各種制御量は、事前に図８から図１３に示すような指令設定をシミュレーションまたは実機施試験などの結果に基づいて作成されている。このためほぼ同時に制御指令を出しても、全ての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である。
【００９２】
図１７に、差圧制御部５４ｄの概略構成を示す。差圧制御部５４ｄは、例えば、フィードバック制御部５５ａ、フィードフォワード制御部５５ｂ、及び加算部５５ｃを主な構成として備えている。フィードバック制御部５５ａは、燃料空気差圧指令と差圧センサ９０によって計測された計測差圧との差分を演算する差分演算部５５１、差分演算部５５１の出力に対してＰＩＤ制御を行い、フィードバック制御値を出力するＰＩＤ制御部５５２、及びＰＩＤ制御部５５２のゲインを調整するゲイン調整部５５３を備えている。フィードフォワード制御部５５ｂは、燃料空気差圧指令と予め設定されている関数等からフィードフォワード制御値を演算し、出力する。
【００９３】
フィードバック制御部５５ａから出力されたフィードバック制御値と、フィードフォワード制御部５５ｂから出力されたフィードフォワード制御値とは加算部５５ｃによって加算され、差圧制御値が生成される。この差圧制御値に基づいて差圧を調整する制御弁４７の弁開度が制御されることで、ＳＯＦＣ１３の燃料極１３Ａ側と空気極１３Ｂ側との差圧である燃料空気差圧が調整される。
【００９４】
差圧を調整する制御弁４７を安定して制御するために、制御弁４７の弁開度が大きく変化しないようにする必要がある。このため、通常の運転時にはフィードバック制御部５５ａのＰＩＤ制御部５５２のパラメータは小さめに設定される。
ゲイン調整部５５３は、ＳＯＦＣ１３の負荷変化時において、ＰＩＤ制御部５５２のゲインを増加させる。ゲイン調整部５５３は、例えば、比例ゲイン、積分ゲイン、及び微分ゲインの少なくともいずれか一つを増加させる。このとき、ゲイン調整部５５３は、出力電流指令設定部５２（図６参照）によって設定される出力電流指令に応じて、ゲインの補正値γを変化させてもよい。例えば、負荷上昇時においては、起動時より発電室温度を上昇させる際に、ＳＯＦＣ１３の運転状態が変わってゆく。例えば、第１昇温モード、第２昇温モード、負荷上昇モードの順にモードが変更されるのに伴い、燃料極１３Ａ側に供給されるガス種類も、窒素（または窒素＋水素）、窒素＋純水（または窒素＋水素＋純水）、燃料ガスＬ２＋純水（＋水素）、そして燃料ガスＬ２へ変わる。
【００９５】
このように、燃料極１３Ａに供給されるガス種類が変化することにより、ＳＯＦＣ１３の内部での燃料消費量が変化し、燃料ガス再循環ライン４９を流通する排燃料ガスＬ３の組成が変化してゆく。そして、この排燃料ガスＬ３の組成の変化が制御弁４７の感度に影響を及ぼすため、制御弁４７の感度（ゲイン）をＳＯＦＣ１３の運転状態に応じて、換言すると、排燃料ガスＬ３の組成に応じて調整する必要がある。
例えば、ゲイン調整部５５３は、ＳＯＦＣ１３の運転状態によって予め設定してある排燃料ガスＬ３のガス組成、もしくは諸流量の計測値から算出した排燃料ガスＬ３のガス組成に基づいて、制御弁４７の追従性も考慮して、ゲインの補正値γを設定する。
【００９６】
具体的には、ＳＯＦＣ１３の負荷上昇に応じてＳＯＦＣ１３での燃料消費量が変化し、これにより、排燃料ガスＬ３の組成が変わっていくので、負荷上昇に合わせて制御弁４７のゲインの補正値γを低下させる。また、負荷上昇に伴い発電室温度も上昇するので、発電室温度に応じてゲインを設定しても良い。また、排燃料ガスＬ３のガス組成の変化により、制御弁４７のＣＶ値も変化する。それに対応できるよう、出力電流指令に応じて徐々にゲインの補正値γを低下させてもよい。これにより、差圧制御弁のハンチングを防ぎ、安定した負荷上昇を実現することが可能となる。
また、さらにはゲインの補正値γは電流変化率も考慮して設定してもよい。電流変化率が大きくなることで、燃料空気差圧の変化速度も大きくなるため、この変化への制御弁４７の応答遅れを抑制することができる。
【００９７】
次に、ＳＯＦＣ制御装置６０ａ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１８を参照して説明する。図１８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７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、出力電流指令に応じて変化してもよい。
【００９８】
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）、制御指令補正部５により燃料ガス流量指令および燃料空気差圧指令が補正される（ステップＳＡ４）。そして、補正後の燃料ガス流量指令及び燃料空気差圧指令、並びに、制御指令設定部５３によって設定されたその他の制御指令に基づいて、各制御系の制御がほぼ同時期に行われる（ステップＳＡ５）。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定する（ステップＳＡ６）。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ＳＡ６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。
ステップＳＡ６の判断は、所定の繰り返し時間間隔で行われ、目標負荷に対応する目標出力電流から出力電流指令の設定も、所定の繰り返し時間間隔で行われる。これにより、各種制御系の制御指令が所定の繰り返し時間間隔で適切に行われ、これに基づいて、各制御系の制御をほぼ同時期に行うことができ、各制御量が安定するまでの時間を短縮することが可能となる。ここで、所定の繰り返し時間間隔とは、ステップＳＡ２からステップＳＡ６までの各処理の制御を実行するに必要な時間である。
【００９９】
このようにして、ステップＳＡ２〜ＳＡ６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ＳＡ６において「ＹＥＳ」と判定され、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。
【０１００】
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、負荷上昇モードにおいて、燃料ガス流量指令を増加方向に補正する燃料ガス流量指令補正部５ａを備えるので、負荷上昇時における各制御量の変化によって燃料ガスが欠乏する事態を回避することが可能となる。これにより、燃料ガス不足による機器の損傷を回避することが可能となる。
また、負荷上昇モードにおいて、燃料空気差圧を減少方向に補正する差圧指令補正部５ｄを備えるので、負荷変化による各制御変動により差圧が一時的に高くならないように安全サイドで運転を行わせることが可能となる。これにより、機器の損傷等を回避することが可能となる。
【０１０１】
さらに、燃料空気差圧を制御する差圧の制御弁４７は通常の運転時にはフィードバック制御部５５ａのＰＩＤ制御部５５２のパラメータを小さめに設定して安定な作動を行い、負荷変化時には制御ゲインを増加させるゲイン調整部５５３を備えるので、差圧調整速度を早くすることが可能となり、差圧制御弁の追従遅れを低減することができる。さらに、出力電流指令の増加に応じてゲインの増加幅を低下させることで、差圧制御弁のハンチングを防ぎ、安定した負荷上昇を実現することが可能となる。
【０１０２】
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、例えば、上述した各実施形態を部分的または全体的に組み合わせる等して、種々変形実施が可能である。
【符号の説明】
【０１０３】
５        ：制御指令補正部
５ａ      ：燃料ガス流量指令補正部
５ｄ      ：差圧指令補正部
１０      ：発電システム
１３Ａ    ：燃料極
１３Ｂ    ：空気極
４９      ：燃料ガス再循環ライン
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    ：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    ：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
５５ａ    ：フィードバック制御部
５５ｂ    ：フィードフォワード制御部
５５ｃ    ：加算部
６０      ：制御装置
６０ａ    ：ＳＯＦＣ制御装置
９０      ：差圧センサ
９２      ：温度センサ
９４      ：外気温度センサ
１０１    ：セルスタック
１０３    ：基体管
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
５５１    ：差分演算部
５５２    ：ＰＩＤ制御部
５５３    ：ゲイン調整部
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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