(57)【要約】【課題】人手を要することなく、燃料極側と空気極側の差圧を制御すること。【解決手段】空気極１１３に空気が供給されるとともに固体電解質１１１を挟んで設けた燃料極１０９に燃料ガスが供給されることにより発電を行う燃料電池１３と、圧縮した空気の少なくとも一部を空気極１１３に供給して空気極１１３を昇圧し、燃料電池１３を加圧するコンプレッサ２１と、燃焼器２２とタービン２３と発電機とが設けられたガスタービン１１と、ガスタービン１１のコンプレッサ２１の吸気温度を計測する温度計測部２９と、燃料電池１３の圧力を計測する容器内圧力計Ｐｘ１と、吸気温度と燃料電池１３の加圧目標値とを対応付けた対応情報５５を格納する格納部５７と、対応情報５５に基づいて、容器内圧力計Ｐｘ１によって計測された燃料電池１３の圧力が加圧目標値に到達したと判定された場合に、加圧を停止する制御装置５８とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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と、
圧縮した空気の少なくとも一部を前記空気極に供給して前記空気極を昇圧し、前記燃料電池を加圧するコンプレッサと、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、該タービンの動力によって発電する発電機と、が設けられたガスタービンと、
前記ガスタービンの前記コンプレッサの吸気温度を計測する温度計測手段と、
前記燃料電池の圧力を計測する圧力計測手段と、
吸気温度と前記燃料電池の加圧目標値とを対応付けた対応情報を格納する格納手段と、
前記対応情報に基づいて、前記圧力計測手段によって計測された前記燃料電池の圧力が前記加圧目標値に到達したと判定された場合に、加圧を停止する制御装置と
を備える発電システム。
【請求項２】
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と、
圧縮した空気の少なくとも一部を前記空気極に供給して前記空気極を昇圧し、前記燃料電池を加圧するコンプレッサと、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、該タービンの動力によって発電する発電機と、が設けられたガスタービンと、
前記ガスタービンの前記コンプレッサの吸気温度を計測する温度計測手段と、
前記燃料電池の加圧目標値を前記コンプレッサからの吐出圧力に対応させ、
吸気温度と前記コンプレッサからの吐出圧力とを対応付けた対応情報を格納する格納手段と、
前記対応情報に基づいて、前記温度計測手段によって計測された吸気温度に対応する吐出圧力を推定し、前記燃料電池の圧力が、推定された前記吐出圧力に対応する前記加圧目標値に到達したと判定された場合に、加圧を停止する制御装置と
を備える発電システム。
【請求項３】
インターロック時に用いられる経路であって、
前記燃料極から系外へ排気させる第１ベント弁よりも上流において、前記燃料極からの排燃料ガスの流通経路を系外に排気させる経路から分岐させる排燃料ガス均圧ベントラインと、
前記排燃料ガス均圧ベントラインに設けられる遮断弁と、
前記空気極から系外へ排気させる第２ベント弁よりも上流において、前記空気極からの排空気の流通経路を系外に排気させる経路から分岐させる排空気均圧ベントラインと、
前記排空気均圧ベントラインに設けられる遮断弁と、
前記排空気均圧ベントラインと前記排燃料ガス均圧ベントラインとの合流位置より下流側に設けられるオリフィスとを備える請求項１または請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
インターロック時において、前記燃料極から系外へ排気させる第１ベント弁による排燃料ガスの排気及び前記空気極から系外へ排気させる第２ベント弁による排空気の排気を行うにあたり、前記空気極側の圧力が所定圧以上に高くなった場合は、前記燃料極側に窒素を供給する請求項１から請求項３のいずれかに記載の発電システム。
【請求項５】
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と、
前記空気極と前記燃料極との差圧を計測する差圧計測手段と、
前記燃料極から系外へ排気させる第１ベント弁と、
前記第１ベント弁に設けられ、前記第１ベント弁を閉状態から開状態に制御する場合に、前記第１ベント弁を閉状態から開状態にさせる弁開度速度を調整するスピードコントローラと、
前記燃料極の圧力値から前記空気極の圧力値を差し引いた差圧が、第１所定差圧値以上であると判定した場合に、前記スピードコントローラを用いて、前記燃料極から系外へ排気させる前記第１ベント弁を所定時間かけて閉状態から開状態に制御し、
前記差圧が、前記第１所定差圧値より小さい第２所定差圧値以下になった場合に、該第１ベント弁を開状態から閉状態に制御する制御装置と
を具備する燃料電池システム。
【請求項６】
前記空気極から系外へ排気させる第２ベント弁と、
前記第２ベント弁に設けられ、前記第２ベント弁を閉状態から開状態に制御する場合に、前記第２ベント弁を閉状態から開状態にさせる弁開度速度を調整するスピードコントローラとを備え、
前記燃料極の圧力値から前記空気極の圧力値を差し引いた差圧が、第３所定差圧値以下であると判定した場合に、前記スピードコントローラを用いて、前記空気極側から系外へ排気させる前記第２ベント弁を所定時間かけて閉状態から開状態に制御し、
前記差圧が、前記第３所定差圧値より大きい第４所定差圧値以上になった場合に、前記第２ベント弁を開状態から閉状態に制御する制御装置と
を具備する請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
インターロック時において、前記燃料極に対して設定される前記差圧の閾値は、前記第１所定差圧値よりも絶対値が小さい第５所定差圧値とする請求項５または請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
インターロック時に用いられる経路であって、
前記燃料極から系外へ排気させる前記第１ベント弁よりも上流において、前記燃料極からの排燃料ガスの流通経路を系外に排気させる経路から分岐させる排燃料ガス均圧ベントラインと、
前記排燃料ガス均圧ベントラインに設けられる遮断弁と、
前記空気極から系外へ排気させる第２ベント弁よりも上流において、前記空気極からの排空気の流通経路を系外に排気させる経路から分岐させる排空気均圧ベントラインと、
前記排空気均圧ベントラインに設けられる遮断弁と、
前記排空気均圧ベントラインと前記排燃料ガス均圧ベントラインとの合流位置より下流側に設けられるオリフィスと
を備える請求項５から請求項７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
インターロック時において、前記燃料極から系外へ排気させる前記第１ベント弁による排燃料ガスの排気及び前記空気極から系外へ排気させる第２ベント弁による排空気の排気を行うにあたり、前記空気極側の圧力が所定圧以上に高くなった場合は、前記燃料極側に窒素を供給する請求項５から請求項８のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項５から請求項９のいずれかに記載の燃料電池システムと、
圧縮した空気の少なくとも一部を前記空気極に供給して前記空気極を昇圧し、前記燃料電池を加圧するコンプレッサと、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、該タービンの動力によって発電する発電機と、が設けられたガスタービンと、
前記ガスタービンの前記コンプレッサの吸気温度を計測する温度計測手段と、
前記燃料電池の圧力を計測する圧力計測手段と、
吸気温度と前記燃料電池の加圧目標値とを対応付けた対応情報を格納する格納手段と、
前記対応情報に基づいて、前記圧力計測手段によって計測された前記燃料電池の圧力が前記加圧目標値に到達したと判定された場合に、加圧を停止する制御装置と
を備える発電システム。
【請求項１１】
請求項５から請求項９のいずれかに記載の燃料電池システムと、
圧縮した空気の少なくとも一部を前記空気極に供給して前記空気極を昇圧し、前記燃料電池を加圧するコンプレッサと、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、該タービンの動力によって発電する発電機と、が設けられたガスタービンと、
前記ガスタービンの前記コンプレッサの吸気温度を計測する温度計測手段と、
前記燃料電池の加圧目標値を前記コンプレッサからの吐出圧力に対応させ、
吸気温度と前記コンプレッサからの吐出圧力とを対応付けた対応情報を格納する格納手段と、
前記対応情報に基づいて、前記温度計測手段によって計測された吸気温度に対応する吐出圧力を推定し、推定された前記吐出圧力が、前記加圧目標値に対応する前記吐出圧力に到達した場合に、前記燃料電池の圧力が前記加圧目標値に到達したと判定され、加圧を停止する制御装置と
を備える発電システム。
【請求項１２】
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と、
圧縮した空気の少なくとも一部を前記空気極に供給して前記空気極を昇圧し、前記燃料電池を加圧するコンプレッサと、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、該タービンの動力によって発電する発電機と、が設けられたガスタービンとを備える発電システムの制御方法であって、
前記ガスタービンの前記コンプレッサの吸気温度を計測する第１過程と、
前記燃料電池の圧力を計測する第２過程と、
吸気温度と前記燃料電池の加圧目標値とを対応付けた対応情報に基づいて、計測された前記燃料電池の圧力が、計測された前記吸気温度に対応する前記加圧目標値に到達したと判定された場合に、加圧を停止する第３過程と
を有する発電システムの制御方法。
【請求項１３】
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と、
圧縮した空気の少なくとも一部を前記空気極に供給して前記空気極を昇圧し、前記燃料電池を加圧するコンプレッサと、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、該タービンの動力によって発電する発電機と、が設けられたガスタービンとを備える発電システムの制御方法であって、
前記ガスタービンの前記コンプレッサの吸気温度を計測する第１過程と、
前記燃料電池の加圧目標値を前記コンプレッサからの吐出圧力に対応させ、吸気温度と前記コンプレッサからの吐出圧力とを対応付けた対応情報に基づいて、計測された吸気温度に対応する吐出圧力を推定する第２過程と、
推定された前記吐出圧力が、前記加圧目標値に対応する前記吐出圧力に到達した場合に、前記燃料電池の圧力が前記加圧目標値に到達したと判定され、加圧を停止する第３過程と
を有する発電システムの制御方法。
【請求項１４】
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る燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料極の圧力値から前記空気極の圧力値を差し引いた差圧を計測する第１過程と、
前記燃料極から系外に第１ベント弁を介して排気させる第２過程と、
前記第１ベント弁に設けられ、前記第１ベント弁を閉状態から開状態に制御する場合に、前記第１ベント弁を閉状態から開状態にさせる弁開度速度をスピードコントローラにより調整する第３過程と、
前記差圧が、第１所定差圧値以上であると判定した場合に、前記スピードコントローラを用いて、前記燃料極から系外に排気させる前記第１ベント弁を所定時間かけて閉状態から開状態に制御する第４過程と、
前記差圧が、前記第１所定差圧値より小さい第２所定差圧値以下になった場合に、前記第１ベント弁を開状態から閉状態に制御する第５過程と
を有する燃料電池システムの制御方法。
【請求項１５】
前記空気極から第２ベント弁を介して系外へ排気させる第６過程と、
前記第２ベント弁に設けられ、前記第２ベント弁を閉状態から開状態に制御する場合に、前記第２ベント弁を閉状態から開状態にさせる弁開度速度をスピードコントローラにより調整する第７過程と、
前記燃料極の圧力値から前記空気極の圧力値を差し引いた差圧が、第３所定差圧値以下であると判定した場合に、前記スピードコントローラを用いて、前記空気極側から系外へ排気させる前記第２ベント弁を所定時間かけて閉状態から開状態に制御する第８過程と、
前記差圧が、前記第３所定差圧値より大きい第４所定差圧値以上になった場合に、前記第２ベント弁を開状態から閉状態に制御する第９過程と
を有する請求項１４に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１６】
請求項５から請求項９のいずれかに記載の燃料電池システムと、
圧縮した空気の少なくとも一部を前記空気極に供給して前記空気極を昇圧し、前記燃料電池を加圧するコンプレッサと、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、該タービンの動力によって発電する発電機と、が設けられたガスタービンとを備える発電システムの制御方法であって、
前記ガスタービンの前記コンプレッサの吸気温度を計測する第１過程と、
前記燃料電池の圧力を計測する第２過程と、
吸気温度と前記燃料電池の加圧目標値とを対応付けた対応情報に基づいて、計測された前記燃料電池の圧力が前記加圧目標値に到達したと判定された場合に、加圧を停止する第３過程と
を有する発電システムの制御方法。
【請求項１７】
請求項５から請求項９のいずれかに記載の燃料電池システムと、
圧縮した空気の少なくとも一部を前記空気極に供給して前記空気極を昇圧し、前記燃料電池を加圧するコンプレッサと、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、該タービンの動力によって発電する発電機と、が設けられたガスタービンとを備える発電システムの制御方法であって、
前記ガスタービンの前記コンプレッサの吸気温度を計測する第１過程と、
前記燃料電池の加圧目標値を前記コンプレッサからの吐出圧力に対応させ、吸気温度と前記コンプレッサからの吐出圧力とを対応付けた対応情報に基づいて、計測された前記吸気温度に対応する吐出圧力を推定する第２過程と、
推定された前記吐出圧力が、前記加圧目標値に対応する前記吐出圧力に到達した場合に、前記燃料電池の圧力が前記加圧目標値に到達したと判定され、加圧を停止する第３過程とを備える発電システム。
【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その制御方法、並びに、発電システム及びそ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、炭素質原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として運転される燃料電池である。このようなＳＯＦＣは、例えば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】
所定の出力で定常運転する通常運転時、ＳＯＦＣは空気系統と燃料系統の間の差圧が所定圧力範囲内となるように均圧制御され、さらには所定の圧力まで加圧された空気系統に対して燃料系統の方がごくわずかに高くなるように制御されている。また、ＳＯＦＣの起動時には、ＳＯＦＣを加圧運転するにあたりＳＯＦＣの圧力は、ＭＧＴのコンプレッサで空気極側を加圧し、燃料極側を加圧Ｎ２ガスによって加圧し、コンプレッサから空気を供給する空気供給系統に設置した圧力計センサを用いて所定の加圧値に到達すると加圧完了と判定している。
【０００４】
下記特許文献１では、燃料電池の起動時に、燃料極側に窒素等（または燃料ガス、圧縮空気）を供給して昇圧を開始する。燃料極系統のベント（系統外排出）ラインとガスタービン燃焼器への供給ラインを遮断して、再循環ラインの再循環ブロワを駆動して均圧制御することが開示されている。
下記特許文献２では、加圧状態で運転する場合に、燃料極系統及び空気極系統のそれぞれに排気ライン、及び排気ラインにエゼクタと減圧弁を設けて差圧を制御することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１０７０７１号公報
【特許文献２】特許第３２４１２２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料極側と空気極側の間で差圧制御を行う過程において、何らかの異常や加圧／減圧が生じた場合には差圧が急変するリスクが高くなるので、例えば、運転員が常時監視しており、差圧急変時には、燃料極側と空気極側の差圧を制御する差圧制御弁を作業員が手動で制御する手動介入を行うか、燃料極側と空気極側のガスを系外へ放出するベント遮断弁を開閉させて差圧を抑制させる必要があった。このように、運転員による手動での制御が必要となることで、差圧制御が煩雑であるという問題があった。
【０００７】
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、人手を要することなく、燃料極側と空気極側の差圧制御が簡素化できる燃料電池システム及びその制御方法、並びに、発電システム及びそ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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、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と、圧縮した空気の少なくとも一部を前記空気極に供給して前記空気極を昇圧し、前記燃料電池を加圧するコンプレッサと、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、該タービンの動力によって発電する発電機と、が設けられたガスタービンと、前記ガスタービンの前記コンプレッサの吸気温度を計測する温度計測手段と、前記燃料電池の圧力を計測する圧力計測手段と、吸気温度と前記燃料電池の加圧目標値とを対応付けた対応情報を格納する格納手段と、前記対応情報に基づいて、前記圧力計測手段によって計測された前記燃料電池の圧力が前記加圧目標値に到達したと判定された場合に、加圧を停止する制御装置とを備える発電システムを提供する。
【０００９】
本発明の構成によれば、酸化性ガスが空気極に供給され、燃料ガスが燃料極に供給される燃料電池と、圧縮した空気の少なくとも一部を空気極に供給して空気極を昇圧し、燃料電池を加圧するコンプレッサと燃焼器とタービンと発電機とが設けられたガスタービンとを備える発電システムにおいて、ガスタービンのコンプレッサの吸気温度が計測され、圧力計測手段によって燃料電池の圧力が計測され、吸気温度と燃料電池の加圧目標値とを対応付けた対応情報に基づいて、圧力計測手段によって計測された燃料電池の圧力が、吸気温度に対応する加圧目標値に到達したと判定された場合に、加圧が停止される。
【００１０】
このように、吸気温度と燃料電池の加圧目標値とが対応付けられているので、吸気温度を計測することによって、圧力計測手段によって計測された燃料電池の圧力が、加圧目標に到達したか否かを簡便に判定できる。
また、コンプレッサの吸気温度に基づいて、燃料電池の圧力が加圧目標値に到達したかどうかを推定できるので、従来ＭＧＴからＳＯＦＣへ空気供給する経路に設置していた空気の加圧を完了するか否かを判断するために設けていた圧力計センサが不要となる。これにより、計器を削減でき、計器故障による影響を下げられるのでより安全なプラントの運転が可能となり、コストも低減できる。コンプレッサの吐出圧力は、コンプレッサの回転数に応じて定められるものであり、例えば、コンプレッサの定格回転数に応じて定められる。
なお、コンプレッサが吸気するのは外気とするので吸気温度は外気温度としてもよい。
【００１１】
本発明は、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と、圧縮した空気の少なくとも一部を前記空気極に供給して前記空気極を昇圧し、前記燃料電池を加圧するコンプレッサと、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、該タービンの動力によって発電する発電機と、が設けられたガスタービンと、前記ガスタービンの前記コンプレッサの吸気温度を計測する温度計測手段と、前記燃料電池の加圧目標値を前記コンプレッサからの吐出圧力に対応させ、吸気温度と前記コンプレッサからの吐出圧力とを対応付けた対応情報を格納する格納手段と、前記対応情報に基づいて、前記温度計測手段によって計測された吸気温度に対応する吐出圧力を推定し、前記燃料電池の圧力が、推定された前記吐出圧力に対応する前記加圧目標値に到達したと判定された場合に、加圧を停止する制御装置とを備える発電システムを提供する。
【００１２】
本発明の構成によれば、酸化性ガスが空気極に供給され、燃料ガスが燃料極に供給される燃料電池と、圧縮した空気の少なくとも一部を空気極に供給して空気極を昇圧し、燃料電池を加圧するコンプレッサと燃焼器とタービンと発電機とが設けられたガスタービンとを備える発電システムにおいて、コンプレッサの吸気温度が計測され、吸気温度とコンプレッサからの吐出圧力とを対応付けた対応情報に基づいて、計測された吸気温度に対応する吐出圧力が推定され、燃料電池の圧力が、推定された吐出圧力に対応する加圧目標値に到達したと判定された場合に、加圧が停止される。
【００１３】
このように、コンプレッサからの吐出圧力と燃料電池の加圧完了とする加圧目標値は同等に対応できることを勘案し、吐出圧力と燃料電池の加圧目標値とを対応付け、吸気温度と吐出圧力とを対応付けるので、吸気温度を計測することによって、吐出圧力を推定した上で燃料電池が加圧目標値に到達したか否かを簡便に判定できる。
また、コンプレッサの吸気温度に基づいて推定される吐出圧力から、燃料電池の圧力が加圧目標値に到達したかどうかを推定できるので、従来ＭＧＴからＳＯＦＣへ空気供給する経路に設置していた空気の加圧を完了するか否かを判断するために設けていた圧力計センサが不要となる。これにより、計器を削減でき、計器故障による影響を下げられるのでより安全なプラントの運転が可能となり、コストも低減できる。コンプレッサの吐出圧力は、コンプレッサの回転数に応じて定められるものであり、例えば、コンプレッサの定格回転数に応じて定められる。
【００１４】
上記発電システムは、インターロック時に用いられる経路であって、前記燃料極から系外へ排気させる第１ベント弁よりも上流において、前記燃料極からの排燃料ガスの流通経路を系外に排気させる経路から分岐させる排燃料ガス均圧ベントラインと、前記排燃料ガス均圧ベントラインに設けられる遮断弁と、前記空気極から系外へ排気させる第２ベント弁よりも上流において、前記空気極からの排空気の流通経路を系外に排気させる経路から分岐させる排空気均圧ベントラインと、前記排空気均圧ベントラインに設けられる遮断弁と、前記排空気均圧ベントラインと前記排燃料ガス均圧ベントラインとの合流位置より下流側に設けられるオリフィスとを備えていても良い。
【００１５】
上記構成により、インターロック時に用いられる経路が加えられ、発電システムの燃料電池の空気極と燃料極とを均圧制御できる。
【００１６】
上記発電システムシステムは、インターロック時において、前記燃料極から系外へ排気させる第１ベント弁による排燃料ガスの排気及び前記空気極から系外へ排気させる第２ベント弁による排空気の排気を行うにあたり、前記空気極側の圧力が所定圧以上に高くなった場合は、前記燃料極側に窒素を供給してもよい。
これにより、燃料極側に窒素を供給することにより、燃料極側と空気極側との差圧を所望の値に制御しながら、降圧制御できる。
【００１７】
本発明は、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と、前記空気極と前記燃料極との差圧を計測する差圧計測手段と、前記燃料極から系外へ排気させる第１ベント弁と、前記第１ベント弁に設けられ、前記第１ベント弁を閉状態から開状態に制御する場合に、前記第１ベント弁を閉状態から開状態にさせる弁開度速度を調整するスピードコントローラと、前記燃料極の圧力値から前記空気極の圧力値を差し引いた差圧が、第１所定差圧値以上であると判定した場合に、前記スピードコントローラを用いて、前記燃料極から系外へ排気させる前記第１ベント弁を所定時間かけて閉状態から開状態に制御し、前記差圧が、前記第１所定差圧値より小さい第２所定差圧値以下になった場合に、該第１ベント弁を開状態から閉状態に制御する制御装置とを具備する燃料電池システムを提供する。
【００１８】
本発明の構成によれば、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る燃料電池システムにおいて、空気極と燃料極との差圧が計測され、燃料極の圧力値から空気極の圧力値を差し引いた差圧が、第１所定差圧値以上であると判定された場合に、第１ベント弁に設けられるスピードコントローラを用いて第１ベント弁を所定時間かけて閉状態から開状態に制御して燃料極から系外に排気させ、差圧が、第１所定差圧値より小さい第２所定差圧値以下になった場合に、第１ベント弁を開状態から閉状態に制御させる。
【００１９】
このように、空気極と燃料極との差圧が第１所定差圧値以上となる差圧時には、第１ベント弁がスピードコントローラを用いて所定時間かけて開状態に制御されるので、電磁弁のように即時に開動作する場合に比べて、燃料極側と空気極側の差圧の急変を抑制できる。また、空気極と燃料極との差圧が第１所定差圧値より小さい第２所定差圧値以下になった場合には、スピードコントローラが用いられないので、速やかに第１ベント弁が開状態から閉状態に制御される。また、本発明による差圧制御は、人手を要することなく、簡素化できる。
【００２０】
上記燃料電池システムは、前記空気極から系外へ排気させる第２ベント弁と、前記第２ベント弁に設けられ、前記第２ベント弁を閉状態から開状態に制御する場合に、前記第２ベント弁を閉状態から開状態にさせる弁開度速度を調整するスピードコントローラとを備え、前記燃料極の圧力値から前記空気極の圧力値を差し引いた差圧が、第３所定差圧値以下であると判定した場合に、前記スピードコントローラを用いて、前記空気極側から系外へ排気させる前記第２ベント弁を所定時間かけて閉状態から開状態に制御し、前記差圧が、前記第３所定差圧値より大きい第４所定差圧値以上になった場合に、前記第２ベント弁を開状態から閉状態に制御する制御装置とを具備してもよい。
【００２１】
このように、燃料極の圧力値から空気極の圧力値を差し引いた差圧が第３所定差圧値以下（例えば、空気極の方が燃料極と比較して圧力が高くなる所定値）となる場合には、第２ベント弁を閉状態から開状態にさせる弁開度速度を調整するスピードコントローラを用いて、第２ベント弁を閉状態から開状態にさせ、空気極から系外に排気させるので、電磁弁のように即時に開動作する場合に比べて、燃料極側と空気極側の差圧の急変を抑制できる。また、空気極と燃料極との差圧が第３所定差圧値より大きい第４所定差圧値以上になった場合には、スピードコントローラが用いられないので、速やかに第２ベント弁が開状態から閉状態に制御される。また、本発明による差圧制御は、人手を要することなく、簡素化できる。
【００２２】
上記燃料電池システムは、インターロック時において、前記燃料極に対して設定される前記差圧の閾値は、前記第１所定差圧値よりも絶対値が小さい第５所定差圧値としてもよい。
これにより、インターロック時の減圧速度を早めることができ、速やかに圧力低下される。
【００２３】
上記燃料電池システムは、インターロック時に用いられる経路であって、前記燃料極から系外へ排気させる第１ベント弁よりも上流において、前記燃料極からの排燃料ガスの流通経路を系外に排気させる経路から分岐させる排燃料ガス均圧ベントラインと、前記排燃料ガス均圧ベントラインに設けられる遮断弁と、前記空気極から系外へ排気させる第２ベント弁よりも上流において、前記空気極からの排空気の流通経路を系外に排気させる経路から分岐させる排空気均圧ベントラインと、前記排空気均圧ベントラインに設けられる遮断弁と、前記排空気均圧ベントラインと前記排燃料ガス均圧ベントラインとの合流位置より下流側に設けられるオリフィスとを備えていても良い。
【００２４】
上記構成により、インターロック時に用いられる経路が加えられ、燃料電池システムの空気極と燃料極とを均圧制御できる。
【００２５】
上記燃料電池システムは、インターロック時において、前記燃料極から系外へ排気させる第１ベント弁による排燃料ガスの排気及び前記空気極から系外へ排気させる第２ベント弁による排空気の排気を行うにあたり、前記空気極側の圧力が所定圧以上に高くなった場合は、前記燃料極側に窒素を供給してもよい。
これにより、燃料極側に窒素を供給することにより、燃料極側と空気極側との差圧を所望の値に制御しながら、降圧制御できる。
【００２６】
本発明は、上記いずれかに記載の燃料電池システムと、圧縮した空気の少なくとも一部を前記空気極に供給して前記空気極を昇圧し、前記燃料電池を加圧するコンプレッサと、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、該タービンの動力によって発電する発電機と、が設けられたガスタービンと、前記ガスタービンの前記コンプレッサの吸気温度を計測する温度計測手段と、前記燃料電池の圧力を計測する圧力計測手段と、吸気温度と前記燃料電池の加圧目標値とを対応付けた対応情報を格納する格納手段と、前記対応情報に基づいて、前記圧力計測手段によって計測された前記燃料電池の圧力が前記加圧目標値に到達したと判定された場合に、加圧を停止する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、上記いずれかに記載の燃料電池システムと、圧縮した空気の少なくとも一部を前記空気極に供給して前記空気極を昇圧し、前記燃料電池を加圧するコンプレッサと、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、該タービンの動力によって発電する発電機と、が設けられたガスタービンと、前記ガスタービンの前記コンプレッサの吸気温度を計測する温度計測手段と、前記燃料電池の加圧目標値を前記コンプレッサからの吐出圧力に対応させ、吸気温度と前記コンプレッサからの吐出圧力とを対応付けた対応情報を格納する格納手段と、前記対応情報に基づいて、前記温度計測手段によって計測された吸気温度に対応する吐出圧力を推定し、推定された前記吐出圧力が、前記加圧目標値に対応する前記吐出圧力に到達した場合に、前記燃料電池の圧力が前記加圧目標値に到達したと判定され、加圧を停止する制御装置とを備える発電システムを提供する。
【００２８】
本発明は、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と、圧縮した空気の少なくとも一部を前記空気極に供給して前記空気極を昇圧し、前記燃料電池を加圧するコンプレッサと、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、該タービンの動力によって発電する発電機と、が設けられたガスタービンとを備える発電システムの制御方法であって、前記ガスタービンの前記コンプレッサの吸気温度を計測する第１過程と、前記燃料電池の圧力を計測する第２過程と、吸気温度と前記燃料電池の加圧目標値とを対応付けた対応情報に基づいて、計測された前記燃料電池の圧力が、計測された前記吸気温度に対応する前記加圧目標値に到達したと判定された場合に、加圧を停止する第３過程とを有する発電システムの制御方法を提供する。
【００２９】
本発明は、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と、圧縮した空気の少なくとも一部を前記空気極に供給して前記空気極を昇圧し、前記燃料電池を加圧するコンプレッサと、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、該タービンの動力によって発電する発電機と、が設けられたガスタービンとを備える発電システムの制御方法であって、前記ガスタービンの前記コンプレッサの吸気温度を計測する第１過程と、前記燃料電池の加圧目標値を前記コンプレッサからの吐出圧力に対応させ、吸気温度と前記コンプレッサからの吐出圧力とを対応付けた対応情報に基づいて、計測された吸気温度に対応する吐出圧力を推定する第２過程と、推定された前記吐出圧力が、前記加圧目標値に対応する前記吐出圧力に到達した場合に、前記燃料電池の圧力が前記加圧目標値に到達したと判定され、加圧を停止する第３過程とを有する発電システムの制御方法を提供する。
【００３０】
本発明は、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る燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料極の圧力値から前記空気極の圧力値を差し引いた差圧を計測する第１過程と、前記燃料極から系外に第１ベント弁を介して排気させる第２過程と、前記第１ベント弁に設けられ、前記第１ベント弁を閉状態から開状態に制御する場合に、前記第１ベント弁を閉状態から開状態にさせる弁開度速度をスピードコントローラにより調整する第３過程と、前記差圧が、第１所定差圧値以上であると判定した場合に、前記スピードコントローラを用いて、前記燃料極から系外に排気させる前記第１ベント弁を所定時間かけて閉状態から開状態に制御する第４過程と、前記差圧が、前記第１所定差圧値より小さい第２所定差圧値以下になった場合に、前記第１ベント弁を開状態から閉状態に制御する第５過程とを有する燃料電池システムの制御方法を提供する。
【００３１】
上記燃料電池システムの制御方法は、前記空気極から第２ベント弁を介して系外へ排気させる第６過程と、前記第２ベント弁に設けられ、前記第２ベント弁を閉状態から開状態に制御する場合に、前記第２ベント弁を閉状態から開状態にさせる弁開度速度をスピードコントローラにより調整する第７過程と、前記燃料極の圧力値から前記空気極の圧力値を差し引いた差圧が、第３所定差圧値以下であると判定した場合に、前記スピードコントローラを用いて、前記空気極側から系外へ排気させる前記第２ベント弁を所定時間かけて閉状態から開状態に制御する第８過程と、前記差圧が、前記第３所定差圧値より大きい第４所定差圧値以上になった場合に、前記第２ベント弁を開状態から閉状態に制御する第９過程とを有していてもよい。
【００３２】
本発明は、上記いずれかに記載の燃料電池システムと、圧縮した空気の少なくとも一部を前記空気極に供給して前記空気極を昇圧し、前記燃料電池を加圧するコンプレッサと、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、該タービンの動力によって発電する発電機と、が設けられたガスタービンとを備える発電システムの制御方法であって、前記ガスタービンの前記コンプレッサの吸気温度を計測する第１過程と、前記燃料電池の圧力を計測する第２過程と、吸気温度と前記燃料電池の加圧目標値とを対応付けた対応情報に基づいて、計測された前記燃料電池の圧力が前記加圧目標値に到達したと判定された場合に、加圧を停止する第３過程とを有する発電システムの制御方法を提供する。
【００３３】
本発明は、上記いずれかに記載の燃料電池システムと、圧縮した空気の少なくとも一部を前記空気極に供給して前記空気極を昇圧し、前記燃料電池を加圧するコンプレッサと、燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器から排出された前記燃焼ガスにより回転駆動されるタービンと、該タービンの動力によって発電する発電機と、が設けられたガスタービンとを備える発電システムの制御方法であって、前記ガスタービンの前記コンプレッサの吸気温度を計測する第１過程と、前記燃料電池の加圧目標値を前記コンプレッサからの吐出圧力に対応させ、吸気温度と前記コンプレッサからの吐出圧力とを対応付けた対応情報に基づいて、計測された前記吸気温度に対応する吐出圧力を推定する第２過程と、推定された前記吐出圧力が、前記加圧目標値に対応する前記吐出圧力に到達した場合に、前記燃料電池の圧力が前記加圧目標値に到達したと判定され、加圧を停止する第３過程とを備える発電システムを提供する。
【発明の効果】
【００３４】
本発明は、人手を要することなく、燃料極側と空気極側の差圧制御が簡素化できるという効果を奏する。また、本発明は、計器を削減することにより計器障害による影響を低減させ、より安全なプラント運転ができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態に係るセルスタックの一態様を示している。
【図２】本発明の実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示している。
【図３】本発明の実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの断面の一態様を示している。
【図４】本発明の実施形態に係る発電システムの概略構成図である。
【図５】本発明の実施形態に係る排燃料放出遮断弁の概略構成を示す一例である。
【図６】本発明の実施形態に係る排空気放出遮断弁の概略構成を示す一例である。
【図７】本発明の実施形態に係るインターロック時に用いられる経路の一例である。
【図８】通常動作時の燃料極側の差圧変化に応じたベント弁制御を説明するための図である。
【図９】インターロック動作時の燃料極側の差圧変化に応じたベント弁制御を説明するための図である。
【図１０】通常動作時の空気極側の差圧変化に応じたベント弁制御を説明するための図である。
【図１１】コンプレッサの吸気温度と吐出圧力とを対応付けた対応情報の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下に、本発明にかかる燃料電池システム及びその制御方法、並びに、発電システム及びその制御方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３７】
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」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。また、以下においては、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」という）とし、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。
【００３８】
（円筒形セルスタックの構造）
まず、本実施形態に係るＳＯＦＣ複合発電システム（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１を用いて説明する。ここで、図１は、本実施形態に係るセルスタック１０１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１３Ａに電気的に接続されたリード膜（不図示）を備える。
【００３９】
（セルスタックの各構成要素の材料と機能の説明）
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Ｌ２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。
【００４０】
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１３Ａの厚さは５０〜２５０μｍである。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Ｌ２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Ｌ２、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。
ＳＯＦＣ１３の燃料極１０９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。
【００４１】
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とが主として用いられる。この固体電解質１１１は、空気極１１３で生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極１０９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である。
【００４２】
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（後述する本実施形態での空気Ａ２）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。
【００４３】
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、燃料ガスＬ２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。リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、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ものである。
【００４４】
（ＳＯＦＣモジュールの構造と各要素の機能の説明）
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、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。また、図３は、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図を示すものである。
【００４５】
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。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性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。
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。
【００４６】
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Ｌ２を供給する燃料ガス供給部（第２燃料ガス供給ライン４１）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Ｌ２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ものである。
【００４７】
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Ｌ３を圧力容器２０５の外部に導くものである。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
（ＳＯＦＣカートリッジの構造と各要素の機能の説明）
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とを有する。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Ｌ２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軸方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
【００５１】
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、燃料ガスＬ２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。
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、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。
【００５２】
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る。また、燃料ガス供給室２１７は、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。
【００５３】
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る。また、燃料ガス排出室２１９は、下部ケーシング２２９ｂの下部に設け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。
【００５４】
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る。また、酸化性ガス供給室２２１は、下部ケーシング２２９ｂに備え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、酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に略均一流量で導くものである。
【００５５】
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る。また、酸化性ガス排出室２２３は、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、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。
【００５６】
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。
【００５７】
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２３７ａ、２３７ｂ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。
【００５８】
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。
【００５９】
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性ガス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。
【００６０】
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Ｌ２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酸化性ガス排出室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Ｌ２を発電室２１５に供給することができる。
【００６１】
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。
【００６２】
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性ガス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。
【００６３】
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Ｌ２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Ｌ３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酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。
【００６４】
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及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。
【００６５】
図４は、上述したＳＯＦＣと、ＭＧＴ等の内燃機関であるガスタービン１１と組み合わせて構築した発電システム１０の概略構成図を示している。
図４に示されるように、発電システム１０は、ガスタービン１１と、ＳＯＦＣ１３を有する燃料電池システム１６とを備えている。発電システム１０は、ＳＯＦＣ１３の排燃料ガスＬ３と排空気Ａ３をガスタービン１１の燃焼器２２に供給するように設置することにより、ＳＯＦＣ１３、ガスタービン１１の２段階でエネルギを電気に変換して取り出すことができるので高い発電効率を実現する。
【００６６】
ガスタービン１１は、コンプレッサ２１と、燃焼器２２と、タービン２３と、熱交換器６０とを備えており、コンプレッサ２１とタービン２３は、回転軸２４により一体回転可能に接続されている。
コンプレッサ２１は、空気取り込みライン２５から空気（酸化性ガス）Ａを取り込み、圧縮した空気を空気極１１３側に供給する。
空気取り込みライン２５には、温度計測部（温度計測手段）２９が設けられている。温度計測部２９は、空気取り込みライン２５を流通したコンプレッサ２１の吸気空気の温度を計測し、吸気温度計測値の情報を制御装置５８（詳細は後述する）に出力する。
【００６７】
熱交換器６０は、コンプレッサ２１から供給された圧縮後の空気を熱交換し、熱交換後の圧縮空気Ａの一部を第２圧縮空気供給ライン３１を介して、空気極１１３に空気Ａ２として供給する。また、コンプレッサ２１から排出された圧縮後の空気Ａは、制御弁６６を制御することにより、熱交換器６０を迂回させ、圧縮後の空気Ａを熱交換させないバイパスライン６２に流通させ、第２圧縮空気供給ライン３１を流通する熱交換後の圧縮空気Ａの一部と混合させて、空気極１１３に空気Ａ２として供給することもできる。
【００６８】
燃焼器２２は、第１圧縮空気供給ライン２６を通し、制御弁６５で調整された流量で供給された圧縮空気Ａ１と、第１燃料ガス供給ライン２７から燃料ガス流量制御弁７０で調整された流量で供給された燃料ガスＬ１と、空気極１１３から排出された排空気Ａ３と、燃料極１０９から排出された排燃料ガスＬ３の一部とを混合して燃焼ガスを生成する。
タービン２３は、燃焼器２２から排ガス供給ライン２８を通して供給された燃焼ガスＧが断熱膨張することにより回転し、排ガスが熱交換器６０で圧縮空気Ａの一部と熱交換され、燃焼排ガスライン５３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、タービン２３の回転動力によって発電する。
【００６９】
燃料電池システム１６は、差圧計９０と、系外に排気させるベント弁である排燃料放出遮断弁（第１ベント弁）４６及び排空気放出遮断弁（第２ベント弁）３７と、制御装置５８とを備えている。
差圧計９０は、ＳＯＦＣ１３において、燃料極１０９と空気極１１３との差圧を計測する。差圧計９０で計測された燃料極１０９と空気極１１３との差圧値の情報は、制御装置５８に出力される。
ＳＯＦＣ１３には、ＳＯＦＣモジュール２０１の容器内圧力を計測するＳＯＦＣモジュール２０１の容器内圧力計（センサ）Ｐｘ１が接続されており、容器内圧力計Ｐｘ１における圧力計測値の情報が制御装置５８に出力される。
【００７０】
ＳＯＦＣ１３は、第１圧縮空気供給ライン２６から分岐した第２圧縮空気供給ライン３１が接続され、コンプレッサ２１が圧縮した一部の圧縮空気Ａ２を空気極１１３の導入部に供給する。第２圧縮空気供給ライン３１には、流通する圧縮空気Ａ２の空気量を調整する制御弁６４が設けられている。
ＳＯＦＣ１３は、空気極１１３で用いられた排空気Ａ３を排出する排空気ライン３４が接続されている。排空気ライン３４は、空気極１１３で用いられた排空気Ａ３を系外に排出する排空気排出ライン３５と、燃焼器２２に接続される排空気供給ライン３６と、排空気均圧ベントライン３９とに分岐される。
【００７１】
排空気排出ライン３５には、系外に排出する空気量を調整する排空気放出遮断弁３７が設けられており、排空気供給ライン３６には、ＳＯＦＣ１３とガスタービン１１との間の系統を接続・切り離しするための遮断弁（バイパス弁）３８が設けられている。
ＳＯＦＣ１３の起動時の昇圧工程において、遮断弁３８は、上流側のＳＯＦＣ１３の圧力容器２０５と下流側のガスタービン１１とがコンバインドするときに閉状態から開状態に制御され、例えば、ＳＯＦＣ１３の圧力容器２０５と燃焼器２２側との圧力値が略等しくなったときに開状態に制御される。
排空気均圧ベントライン３９は、インターロック動作時に用いられる経路であり、排空気放出遮断弁３７よりも上流側から分岐させ、空気極１１３からの排空気Ａ３を系外へ流通させる。
【００７２】
また、ＳＯＦＣ１３は、燃料ガスＬ２を燃料極１０９の導入部に供給する第２燃料ガス供給ライン４１と接続されている。第２燃料ガス供給ライン４１には、供給する燃料ガスＬ２の流量を調整する制御弁４２が設けられる。また、第２燃料ガス供給ライン４１から分岐して、空気極燃料供給ライン８０が設けられ、空気極燃料供給ライン８０には燃料ガス流量制御弁８２が設けられ、燃料ガスＬ２の一部を空気極１１３の導入部に供給できるようになっている。
【００７３】
ＳＯＦＣ１３は、燃料極１０９で用いられた排燃料ガスＬ３を排出する排燃料ガスライン４３が接続されている。ＳＯＦＣ１３は、排燃料ガスライン４３と、排燃料ガスライン４３から分岐して再循環ブロワ５０に接続する再循環ライン５１を設けている。燃料ガス再循環ライン４９の排燃料ガスＬ３の一部は、再循環ブロワ５０を設けた再循環ライン５１の再循環ブロワ５０の出口において、第２燃料ガス供給ライン４１に供給する燃料ガス再循環ライン４９と、燃焼器２２に接続される排燃料ガス供給ライン４５とに分岐される。また、再循環ブロワ５０に接続する再循環ライン５１と分岐した排燃料ガスライン４３は、系外に排出する排燃料ガス排出ライン４４と、排燃料ガス均圧ベントライン４８とに分岐される。
排燃料ガス排出ライン４４は、排燃料ガスの排出を調整する排燃料放出遮断弁４６を設けている。
【００７４】
図５には、排燃料放出遮断弁４６の概略構成が示され、図６には、排空気放出遮断弁３７の概略構成が示されている。図５に示されるように、排燃料放出遮断弁４６は、遮断弁部５９ａと、スピードコントローラ５６ａとを備えている。図６に示されるように、排空気放出遮断弁３７は、遮断弁部５９ｂと、スピードコントローラ５６ｂとを備えている。
スピードコントローラ５６ａ、５６ｂは、排燃料放出遮断弁４６及び排空気放出遮断弁３７を閉状態から開状態に制御する場合に、弁開度速度を調整する。具体的には、制御装置５８から取得した開指令に基づいて、遮断弁部５９ａ，５９ｂを閉状態から開状態にする際の供給空気を絞り、遮断弁部５９の開動作を緩やかにさせる。
このように、スピードコントローラ５６を開方向に適用して弁開度速度を調整することにより、圧力差低減のアンダーシュートを防ぎ、燃料極１０９と空気極１１３の差圧の急変を抑制できる。
【００７５】
排燃料ガス供給ライン４５は、再循環ブロワ５０の出口における排燃料ガスＬ３の一部を分岐した燃料ガス量の供給量を調整する燃料空気差圧調整弁４７を設けており、燃料空気差圧調整弁４７によって調整された流量の排燃料ガスＬ３を燃焼器２２に供給させる。
排燃料ガス均圧ベントライン４８は、例えば、インターロック動作時に用いられる経路であり、排燃料放出遮断弁４６よりも上流側から分岐させ、燃料極１０９からの排燃料ガスＬ３を系外へ流通させる。
【００７６】
図７は、例えば、インターロック時に用いられる経路である。
図７に示されるように、インターロック時に用いられる経路は、排空気均圧ベントライン３９に均圧ベント空気極遮断弁３２を設け、排燃料ガス均圧ベントライン４８に均圧ベント燃料極遮断弁４０を設け、排空気均圧ベントライン３９と排燃料ガス均圧ベントライン４８の合流後の下流位置にオリフィス５４を設けて構成する。
図７で示される経路は、例えば、インターロック時に空気極１１３側と燃料極１０９側との差圧がつかないように制御、もしくは、燃料極１０９側が空気極１１３側よりも所定圧高くなるように維持しながら、ＳＯＦＣ１３の減圧を行うための経路である。
【００７７】
図７で示される経路から排燃料ガスＬ３および排空気Ａ３を排出する際に、空気極１１３側の圧力が所定圧以上に高くなった場合は、燃料極１０９側に、第２燃料ガス供給ライン４１に連結される窒素供給ライン７２から窒素を供給することで差圧制御を行っても良い。この際、窒素の供給量は窒素供給ライン７２に備えられた制御弁７３で調整しても良く、それでも差圧が所定圧に維持できない場合は排空気排出ライン３５に備えた排空気放出遮断弁３７の間欠制御を行うことにより、空気極１１３側の圧力を低下させ、燃料極１０９側が空気極１１３側よりも所定圧高くなるように維持しても良い。
【００７８】
制御装置５８は、例えば、コンピュータやシーケンサであり、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）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。
【００７９】
具体的には、制御装置５８は、格納部（格納手段）５７を備えている。
【００８０】
格納部５７は、対応情報５５、コンプレッサ２１の吐出圧力の加圧目標値、及び閾値等の情報を格納している。
対応情報５５は、ガスタービン１１のコンプレッサ２１の温度計測部２９で計測した吸気温度とＳＯＦＣ１３の加圧完了とする加圧目標値とが対応付けられた情報である。本実施形態では、ＳＯＦＣ１３の加圧完了とする加圧目標値はコンプレッサ２１からの吐出圧力とほぼ同等の対応ができる。コンプレッサ２１の吐出流量は、コンプレッサ２１の回転数に応じて定められるものであり、本実施形態においては、コンプレッサ２１が定格回転数で運転しているときの吸気温度と吐出圧力とが関連付けられた対応情報を用いる。コンプレッサ２１の温度計測部２９で計測した吸気温度が上昇すると、空気の密度が低下するためにコンプレッサ２１の吐出流量が低下し、定格回転数で運転しているときは吐出圧力が低下する。対応情報５５は、例えば、図１１で示されるようにテーブルで与えられても良いし、演算式で与えられてもよく、対応情報の形式は特に限定されない。
【００８１】
コンプレッサ２１の吐出圧力の加圧目標値とは、ＳＯＦＣ１３の起動時等において、空気極１１３側を加圧完了するときに用いられる目標値であり、本実施形態ではコンプレッサ２１から吐出される空気の圧力として容器内圧力計Ｐｘ１で計測されたＳＯＦＣモジュール２０１の容器内圧力値を用いる。容器内圧力計Ｐｘ１で計測された圧力値と加圧目標値との圧力差が所定値（例えば、（容器内圧力計Ｐｘ１で計測された圧力値）−（加圧目標値）≧−１〜０ｋＰａ）以内となるような値が目標値とされる。
【００８２】
また、格納部５７には、空気極１１３の圧力に対する燃料極１０９の圧力との差圧に関する閾値（例えば、第１閾値、第２閾値等）の情報が格納されている。
第１閾値は、空気極１１３側に対する燃料極１０９側の圧力が高いときの差圧に対して設けられる閾値であり、差圧が第１閾値を以上になった場合に燃料極１０９側からベント（系外への排気）を開始する。
第２閾値は、空気極１１３側に対する燃料極１０９側の圧力が高いときの差圧に対して設けられる閾値であり、差圧が第２閾値以内になった場合に燃料極１０９側からのベントを終了する。
【００８３】
本実施形態においては、ＳＯＦＣ１３の通常動作（定常運転）時に設けられる空気極１１３側に対する燃料極１０９側の圧力が高いときの差圧の第１閾値を第１所定差圧値とし、このときの第２閾値を第２所定差圧値とする。また、ＳＯＦＣ１３のインターロック等の緊急時においては、空気極１１３側に対する燃料極１０９側の圧力が高いときの差圧の第１閾値を第５所定差圧値とし、このときの第２閾値を第６所定差圧値として説明する。第５所定差圧値は、第１所定差圧値よりも絶対値が小さく設定される。
つまり閾値は、排空気放出遮断弁３７または排燃料放出遮断弁４６を開閉制御するか否かの判定に用いられる。
【００８４】
以下に、図８から図１０を用いて、本実施形態に係る差圧制御について説明する。
図８は、ＳＯＦＣ１３の通常動作時において、燃料極１０９側が空気極１１３側と比較して差圧が大きくなった場合の排燃料放出遮断弁４６の弁開度と圧力変化の様子を時系列に示した図である。
例えば、ＳＯＦＣ１３の通常運転時、空気極１１３側と燃料極１０９側との差圧は、燃料極１０９側が空気極１１３側より所定差圧（本実施形態では例えば、＋０．１ｋＰａから＋１ｋＰａ）大きくなるように運転されているが、何らかの要因により差圧に変動が生じ、燃料極１０９側が空気極１１３側より第１所定差圧値（本実施形態では例えば、所定差圧の＋１０倍から＋５０倍）以上となった場合には（図８の時刻ｔ１）、燃料極１０９側のベント弁である排燃料放出遮断弁４６を閉状態から開状態にする。
【００８５】
このとき、スピードコントローラ５６ａによって所定期間（本実施形態では例えば、１０から１００秒間）かけて排燃料放出遮断弁４６を緩開させ、全開状態にし、系外に排気させる（図８の時刻ｔ２）。その後、空気極１１３側と燃料極１０９側との差圧が、第２所定差圧値（本実施形態では例えば、所定差圧の＋５倍から＋３０倍）まで低下したことが検出されると、排燃料放出遮断弁４６をスピードコントローラ５６ａを用いずに閉状態にし（図８の時刻ｔ３）、排燃料ガス排出ライン４４からの系外への排気、つまりベントを終了する。
【００８６】
図９は、インターロック時において、燃料極１０９側が空気極１１３側と比較して差圧が大きくなった場合の排燃料放出遮断弁４６の弁開度と圧力変化の様子を時系列に示した図である。
例えば、インターロック等の緊急を要するような非常停止を動作中の場合には、ベントを開始する閾値を第１所定差圧値より小さく第５所定差圧値（本実施形態では例えば、所定差圧の＋２倍から＋２０倍）に設定する。図９に示されるように、空気極１１３側と燃料極１０９側との差圧が第５所定差圧値（本実施形態では例えば、所定差圧の＋２倍から＋２０倍）となった場合には（図９の時刻ｔ４）、燃料極１０９側のベント弁である排燃料放出遮断弁４６を閉状態から開状態にする。
【００８７】
このとき、スピードコントローラ５６ａによって所定期間（本実施形態では例えば、１０から６０秒間）かけて排燃料放出遮断弁４６を緩開させ、全開状態にし、系外に排気させる（図９の時刻ｔ５）。その後、空気極１１３側と燃料極１０９側との差圧が、第６所定差圧値（本実施形態では例えば、所定差圧の−１０倍から−１倍）まで低下したことが検出されると、排燃料放出遮断弁４６をスピードコントローラ５６ａを用いずに閉状態にし（図９の時刻ｔ６）、排燃料ガス排出ライン４４からの系外への排気、つまりベントを終了する。
【００８８】
図９は、緊急を要するような非常停止を動作中の場合などで、ＳＯＦＣ１３の圧力などの系内の圧力を早く減圧したい場合に用いるもので、第１閾値（第５所定差圧値）が第１所定差圧値の絶対値より小さいために、第５所定差圧値の「所定差圧の＋２倍〜＋２０倍」に対し、ベント弁の開状態の期間を確保させ、速やかに差圧抑制するために所定幅（第５所定差圧値と第６所定差圧値との差）をもたせたので、第２閾値（第６所定差圧値）は「所定差圧の−１０倍から−１倍」とマイナスの値を可能とする一例として示されているが、これは第２閾値をマイナス（つまり、空気極１１３側の圧力を高くする差圧値）に設定することに限定するものでない。
【００８９】
なお、インターロック等の非常停止をさせる場合には、図７のインターロック時に用いられる経路も併せて用いられ、空気極１１３側と燃料極１０９側との差圧が大きくならないように制御し、ＳＯＦＣ１３の減圧制御も同時に行われる。
そうすると、インターロック時の経路を用いることに併せて、インターロック時の閾値を通常運転時の閾値より絶対値を小さく設定することによりベント弁を早い段階で開状態にさせ、減圧速度を早めることができる。
【００９０】
図１０は、ＳＯＦＣ１３の通常動作時において、空気極１１３側が燃料極１０９側に対して圧力が高いときの差圧が大きくなった場合の排空気放出遮断弁３７の弁開度と圧力変化の様子を時系列に示した図である。
例えば、通常運転時に空気極１１３側が、燃料極１０９側より圧力が大きくなり、第３所定差圧値以上大きくなった（燃料極側の圧力が高いことを＋で表記し、空気極側の圧力が高いことを−表記している；本実施形態では例えば、所定差圧の−５０倍から−1０倍）場合には（図１０の時刻ｔ７）、空気極１１３側のベント弁である排空気放出遮断弁３７を閉状態から開状態にする。このとき、スピードコントローラ５６ｂによって所定期間（本実施形態では例えば、１０から１００秒間）かけて排空気放出遮断弁３７を緩開させ、全開状態にし、系外に排気させる（図１０の時刻ｔ８）。
【００９１】
その後、空気極１１３側と燃料極１０９側との差圧が、第４所定差圧値（本実施形態では例えば、所定差圧の−３０倍から−５倍）まで小さくなったことが検出されると、排空気放出遮断弁３７を閉状態にし（図１０の時刻ｔ９）、排空気排出ライン３５からの系外への排気、つまりベントを終了する。
なお、空気極系統は、インターロック時であっても、ベントを開始する閾値は、通常運転時と同じ閾値（例えば、第３所定差圧値と第４所定差圧値）を用いる。
【００９２】
以下に、本実施形態に係る発電システム１０の作用について説明する。発電システム１０を起動する場合、ガスタービン１１が起動した後にＳＯＦＣ１３を起動させる。
ガスタービン１１において、コンプレッサ２１に吸気された空気Ａが圧縮され、燃焼器２２にて熱交換後の圧縮空気Ａ１と燃料ガスＬ１とが混合され燃焼されて燃焼ガスＧとなる。タービン２３が燃焼ガスＧにより回転することで、発電機１２が発電を開始する。
こうして、コンプレッサ２１は、定格回転数となる。
【００９３】
ＳＯＦＣ１３の起動時において、ＳＯＦＣ１３の燃料極１０９側と空気極１１３側の差圧が大きくならないように、燃料極１０９の圧力と空気極１１３の圧力はほぼ同じ昇圧速度で圧力を上昇して加圧してゆく。ＳＯＦＣ１３の燃料極１０９側は、第２燃料ガス供給ライン４１に連結される窒素供給ライン７２から窒素を供給して昇圧が開始される。排燃料ガス排出ライン４４の排燃料放出遮断弁４６、燃料空気差圧調整弁４７、及び排燃料ガス均圧ベントライン４８の均圧ベント燃料極遮断弁４０を閉止し、窒素供給ライン７２から窒素を供給し、燃料ガス再循環ライン４９の再循環ブロワ５０を駆動させる。
そうすると、窒素が窒素供給ライン７２からＳＯＦＣ１３へ供給されると共に、燃料ガス再循環ライン４９を流通して再循環する。
【００９４】
ＳＯＦＣ１３の空気極１１３側は、ガスタービン１１側から圧縮空気Ａ２が供給されて昇圧が開始される。排空気排出ライン３５の排空気放出遮断弁３７、排空気供給ライン３６の遮断弁３８、及び排空気均圧ベントライン３９の均圧ベント空気極遮断弁３２が閉止され、制御弁６４と制御弁６５にて調整された流量の圧縮空気Ａ２がＳＯＦＣ１３に供給され、空気極１１３側の圧力が上昇され、空気極１１３側と燃料極１０９側が同時に加圧される。
これにより、ＳＯＦＣ１３は窒素、圧縮空気Ａ２等が供給されることで圧力が上昇する。こうして、空気極１１３側に対する燃料極１０９側の圧力が所定差圧（本実施形態では例えば、＋０．１ｋＰａから＋１ｋＰａ）に収まるよう窒素供給ライン７２に備えられた制御弁７３で燃料極１０９側への窒素の供給量を調整することで差圧制御しながらＳＯＦＣ１３が昇圧される。
【００９５】
空気取り込みライン２５を流通したコンプレッサ２１の吸気空気の温度が計測されており、適宜温度計測部２９から吸気温度計測値の情報が制御装置５８に出力されている。
制御装置５８は、吸気温度計測値の情報と、吸気温度と加圧完了とする加圧目標値（本実施形態ではコンプレッサ２１の吐出圧力）とを対応付けた対応情報５５とに基づいて、コンプレッサ２１の吐出圧力が推定される。推定されたコンプレッサ２１からの圧縮空気Ａ２によって加圧されるＳＯＦＣ１３の容器内圧力が加圧目標値に到達したか否かが判定される。コンプレッサ２１の圧縮空気Ａ２の圧力とＳＯＦＣ１３の容器内圧力が同圧となる、つまりＳＯＦＣ１３の容器内圧力が加圧目標値に到達したと判定した場合には、遮断弁３８を開状態にし、ガスタービン１１と、ＳＯＦＣ１３を備える燃料電池システム１６をコンバインドすることで、ＳＯＦＣ１３の昇圧が完了する。加圧目標値に到達していないと判定した場合には、加圧を継続する。
【００９６】
本実施形態は、外気温度によりガスタービン１１のコンプレッサ２１の空気流量が変化すると、加圧状態が変化することに着目し、コンプレッサ２１の吸気温度（外気温度）と加圧目標値（本実施形態ではコンプレッサ２１の吐出圧力）とを対応付けた対応情報５５を用いてコンプレッサ２１の吐出圧力の推定を行い、昇圧完了判定を行うこととした。
【００９７】
ＳＯＦＣ１３の昇圧完了後、遮断弁３８を開状態にされると、ＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３が排空気供給ライン３６を介して燃焼器２２に供給される。燃焼器２２側は、コンプレッサ２１から吐出された空気が燃焼器２２に入ってくるので、ガスタービン１１のコンプレッサ２１の出口側の圧力と略等しくなる。
排燃料ガスＬ３の成分が燃焼器２２に投入可能となったら、燃料空気差圧調整弁４７を開放する。これにより、ＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３が排燃料ガス供給ライン４５から燃焼器２２に供給される。
【００９８】
このようにして、ガスタービン１１駆動による発電機１２での発電、ＳＯＦＣ１３での昇圧が行なわれることで、発電システム１０が加圧運転状態となる。その後、圧縮空気Ａ２に空気極燃料供給ライン８０から燃料ガスＬ２を供給して空気極１１３で触媒燃焼による昇温を行う。ＳＯＦＣ１３が発電可能温度に昇温した後は、燃料極１０９に発電用に燃料ガスＬ２を投入して、ＳＯＦＣ１３の発電反応による発熱も伴いながらＳＯＦＣ１３の昇温が進み、発電システム１０が定格運転となる。
【００９９】
通常運転時において、図８から図１０に示されるように、何らかの要因によって差圧が変動した場合には、間欠的な保護動作をする。
本実施形態では例えば、燃料極１０９側が空気極１１３側より第１所定差圧値（例えば、所定差圧の＋１０倍から＋５０倍）以上の差圧となった場合には（図８の時刻ｔ１）、燃料極１０９側のベント弁である排燃料放出遮断弁４６を閉状態から開状態にする。このとき、スピードコントローラ５６によって所定期間（例えば、１０から１００秒間）かけて排燃料放出遮断弁４６を緩開させ、全開状態にし、系外に排気、すなわちベントさせる（図８の時刻ｔ２）。その後、空気極１１３側と燃料極１０９側との差圧が、第２所定差圧値（例えば、所定差圧の＋５倍〜＋３０倍）まで低下したことが検出されると、排燃料放出遮断弁４６を閉状態にし（図８の時刻ｔ３）、ベントを終了する。
【０１００】
このように、排燃料放出遮断弁４６や排空気放出遮断弁３７を閉状態から開状態に制御する場合に、スピードコントローラ５６を用いてベント弁（排燃料放出遮断弁４６や排空気放出遮断弁３７）を緩開することで、ＯＮ−ＯＦＦ開閉弁のように即時に開動作する場合と比較して、空気極１１３側と燃料極１０９側の差圧の急激な変動を抑えられるので好ましい。
【０１０１】
以上、説明してきたように、本実施形態に係る燃料電池システム１６及びその制御方法、並びに、発電システム１０及びその制御方法によれば、酸化性ガスとして空気Ａ２が空気極１１３側に供給され、燃料ガスＬ２が燃料極１０９側に供給されることで発電するＳＯＦＣ１３を備える燃料電池システム１６において、空気極１１３側と燃料極１０９側との差圧が計測され、該差圧が第１所定差圧以上であると判定された場合には、燃料極１０９側または空気極１１３側から系外へ排出する排気量を調整するベント弁である排燃料放出遮断弁４６、排空気放出遮断弁３７を、スピードコントローラ５６で調整したスピードで所定時間かけて閉状態から開状態に調整する。
このように、空気極１１３と燃料極１０９との差圧が第１所定差圧値以上となる差圧異常時には、ベント弁がスピードコントローラ５６を用いて所定時間かけて開状態に制御されるので、差圧の急変を抑制でき、差圧がマイナス方向にアンダーシュートするのを防ぐので、空気極１１３の圧力が燃料極１０９の圧力より高くなり過ぎることを抑制し、燃料極１０９へ酸化性ガス（空気）が漏出して、燃料極１０９の構成する材料が酸化性ガスにより劣化することを抑制する効果を得る。
こうした燃料電池システム１６をガスタービン等と組み合わせて発電システム１０を構成すれば、より安全なプラントの運転が可能となる。
【０１０２】
本実施形態では、ＳＯＦＣ１３が、コンプレッサ２１の吸気空気の温度に応じて推定される吐出圧力に基づいて、加圧目標値になったことを判断してガスタービン１１とコンバインドさせるため、ガスタービン１１からＳＯＦＣ１３へ空気供給するラインに従来設置していた加圧完了判断用の圧力計が不要となる。また、コンプレッサ２１の吸気空気は、「外気温度」としてもよい。
【０１０３】
このように、ガスタービン１１のコンプレッサ２１側に空気圧を計測する圧力計センサを不要とし、計器を削減できるので、計器故障によって生じる影響をなくし、コストも低減できる。
スピードコントローラ５６を設けることにより、燃料極１０９側と空気極１１３側の差圧異常時は間欠制御により、差圧の急激な変動の発生を抑制して自動で差圧を抑制する機能を実現したため、より安全なプラントの運転が可能となる。
【０１０４】
なお、上記実施形態においては、排燃料放出遮断弁４６にスピードコントローラ５６ａを備える構成として説明していたが、本発明はこれに限定されず、排燃料放出遮断弁４６はスピードコントローラ５６ａを備えていない構成であっても良い。
また、上記実施形態においては、排空気放出遮断弁３７にスピードコントローラ５６ｂを備える構成として説明していたが、本発明はこれに限定されず、排燃料放出遮断弁４６はスピードコントローラ５６ｂを備えていない構成であっても良い。
【０１０５】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更なども含まれる。
【符号の説明】
【０１０６】
１０  発電システム
１１  ガスタービン
１２  発電機
１３  ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池：燃料電池）
２１  コンプレッサ
２２  燃焼器
２３  タービン
２９  温度計測部（温度計測手段）
３７  排空気放出遮断弁
３８  遮断弁
４６  排燃料放出遮断弁
５６  スピードコントローラ
５８  制御装置
６２  バイパスライン
９０  差圧計
１０９  燃料極
１１３  空気極
Ｐｘ１  容器内圧力計（圧力計測手段）
【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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