(57)【要約】【課題】燃料電池の発電出力端よりも電力の供給先側で異常が検知された場合に、その異常解消から燃料電池の発電再開までの時間を短縮することを目的とする。【解決手段】発電システムは、ＳＯＦＣと、ＳＯＦＣを制御する制御装置６０と、ＳＯＦＣで発電された電力が供給される電力供給先とＳＯＦＣの発電出力端との間に配置されるパワーコンディショナとを備えている。制御装置６０は、ＳＯＦＣの発電出力端から電力供給先側に発生した異常を検知するＰＣＳ異常検知部１４０と、ＰＣＳ異常検知部１４０によって異常が検知された場合に、ＳＯＦＣの発電室を所定の発電可能温度以上に維持する発電スタンバイ状態に移行させる出力制御部１４２とを具備する。また、発電システムは、ＰＣＳ異常検知部１４０によって異常が検知された場合に、ＳＯＦＣが電力を出力しない無負荷状態とする。【選択図】図６
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【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と、
前記燃料電池を制御する制御装置と、
前記燃料電池で発電された電力が供給される電力供給先と前記燃料電池の発電出力端との間に配置される電力変換装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池の発電出力端から前記電力供給先側に発生した異常を検知する異常検知部と、
前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記燃料電池の前記発電室を所定の発電可能温度以上に維持する発電スタンバイ状態に移行させる出力制御部と
を備え、
前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記燃料電池が電力を出力しない無負荷状態とする発電システム。
【請求項２】
前記燃料電池の発電出力端と前記電力供給先との間に設けられた開閉器と、
前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記開閉器を開とする接続制御部と
を備える請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記出力制御部は、前記発電スタンバイ状態において、酸化剤ガス及び第１燃料ガスを前記空気極に供給するとともに、第２燃料ガスを前記燃料極に供給する請求項１または請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記燃料電池からの排燃料および排空気が供給されるマイクロガスタービンを備え、
前記制御装置は、
前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記マイクロガスタービンの運転を継続して行う請求項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】
前記燃料電池の発電電力を送電する第１電力線と、
前記マイクロガスタービンの発電電力を送電する第２電力線と、
前記第１電力線と前記第２電力線とが連結する連系点と、
前記連系点と前記電力供給先とを接続する第３電力線と
を備え、
前記開閉器は、前記第１電力線に設けられている請求項２に従属する請求項４に記載の発電システム。
【請求項６】
前記制御装置は、
前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記マイクロガスタービンの運転モードが、燃焼器への第３燃料ガスの供給量を予め設定された所定値以下に抑制する高効率運転モードであるか否かを判定する運転モード判定部と、
前記運転モード判定部によって前記高効率運転モードであると判定された場合に、前記高効率運転モードを解除し、前記高効率運転モードよりも多くの前記第３燃料ガスを前記燃焼器に供給する他の運転モードに切り替える運転モード切替部と
を具備する請求項４または請求項５に記載の発電システム。
【請求項７】
前記出力制御部は、前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記燃料極に改質用水を供給する請求項１から請求項６のいずれかに記載の発電システム。
【請求項８】
前記出力制御部は、前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、予め設定された最低流量の前記改質用水を前記燃料極に供給し、前記改質用水の供給開始から予め設定された所定の時間経過後に目標流量まで前記改質用水の供給量を増加させる請求項７に記載の発電システム。
【請求項９】
発電室内に、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燃料電池を具備する発電システムの保護制御方法であって、
前記燃料電池の発電出力端から電力供給先側に発生した異常を検知する工程と、
前記異常を検知した場合に、前記燃料電池が電力を出力しない無負荷状態とする工程と、
前記異常を検知した場合に、前記燃料電池の前記発電室を所定の発電可能温度以上に維持する発電スタンバイ状態に移行させる工程と
を含む発電システムの保護制御方法。
【請求項１０】
前記異常が解消された場合に、前記燃料電池の発電室を目標温度まで上昇させ、前記燃料電池の出力を目標出力まで増加させる工程を含む請求項９に記載の発電システムの保護制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システム及びその保護制御方法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、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、メタノール等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。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る。そして、タービンの回転駆動を発電機に伝達させることで発電機を発電させることにより、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は、例えば、セル電圧の著しい低下、発電セルの急激な温度上昇などの何らかの異常が検知されると、安全上の観点から緊急停止するように設計されている。
例えば、特許文献１には、ＳＯＦＣの停止を必要とする異常が発生した場合に、運転状態（例えば、ブロワ運転、不活性ガス供給の可否）に応じた適切な停止動作を行うことが開示されている。
また、例えば、特許文献２には、ＳＯＦＣが緊急停止することにより負荷電流が停止した場合に、空気及び水の流量を低下させて発電セルの劣化を防ぐようにした緊急停止方法が開示されている。
また、特許文献３には、正常停止の場合または安全のための停止の場合に、発電装置内に蓄えられたエネルギーを減少させるエネルギー除去装置が開示されている。このエネルギー除去装置は、例えば、正常停止の場合、電力調整システム（ＰＣＳ）が故障した場合、または発電装置の負荷を切り離した場合等に、抵抗器等によって燃料電池から電流を引き出すことによって発電装置内部の残留燃料を消費させ、燃料電池スタックの保護を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１４６４７６号公報
【特許文献２】特開２０１２−２１６３７２号公報
【特許文献３】特表２００２−５０５５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
例えば、従来のＳＯＦＣでは、異常が検知された場合に、ＳＯＦＣの運転を停止させるとともに、窒素等を用いた冷却処理等が行われる。このため、運転停止後から早い段階で異常が解消された場合でも、ＳＯＦＣは停止処理と冷却処理とが一旦行われているため、運転を開始し発電を再開するのに相当な時間を要していた。すなわち、ＳＯＦＣは起動時や再起動時において、ＳＯＦＣ発電室温度を発電が可能な温度まで上昇させる温度上昇工程が必要であり、発電室温度が発電可能な温度に到達した後に発電を開始する必要がある。運転停止からの経過時間が長いほど、発電室温度は低下するため、発電室の温度上昇工程に要する時間も長期間化する。とりわけ、発電室の温度が常温レベルまで冷却された後のコールドスタートから再起動させる場合には、起動完了までに１日以上を要する場合もあった。
【０００８】
また、ＳＯＦＣ本体の異常ではなく、ＳＯＦＣで発電した電力の電力供給先である負荷設備や電力系統、あるいは、ＳＯＦＣと電力系統との間に配置され、直流電力を交流電力に変換して電力系統へ供給するパワーコンディショナ等に異常が発生した場合には、同様にＳＯＦＣの運転を停止させているが、比較的早い時期にパワーコンディショナの異常が解消する場合がある。したがって、このような場合にまで、異常が発生する度にＳＯＦＣの運転を停止させてＳＯＦＣの冷却処置等が行われていたのでは、稼働率が低下し、より多くの発電電力を供給するという発電システムの目的に悖る結果となる。
【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、燃料電池の発電出力端よりも電力の供給先側で異常が検知された場合に、その異常解消から燃料電池の発電再開までの時間を短縮することのできる発電システム及びその保護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】
【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と、前記燃料電池を制御する制御装置と、前記燃料電池で発電された電力が供給される電力供給先と前記燃料電池の発電出力端との間に配置される電力変換装置とを備え、前記制御装置は、前記燃料電池の発電出力端から前記電力供給先側に発生した異常を検知する異常検知部と、前記燃料電池の前記発電室を所定の発電可能温度以上に維持する発電スタンバイ状態に移行させる出力制御部とを備え、前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記燃料電池が電力を出力しない無負荷状態とする発電システムを提供する。
【００１１】
本発明の発電システムによれば、燃料電池本体よりも燃料電池の発電出力端から電力の供給先側に生じた異常が異常検知部によって検知された場合に、燃料電池が電力を出力しない無負荷状態とされるとともに、出力制御部によって燃料電池が発電スタンバイ状態に移行される。ここで、発電スタンバイ状態とは、燃料電池の発電室を所定の発電可能温度以上に維持する状態である。これにより、異常が解消された場合には、発電反応のための燃料ガスを燃料極に短時間に供給することができ、発電を開始させることが可能となる。この結果、異常解消から発電までに要する時間を従来に比べて短縮することが可能となる。
【００１２】
上記発電システムは、前記燃料電池の発電出力端と前記電力供給先との間に設けられた開閉器と、前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記開閉器を開とする接続制御部とを備えていてもよい。
このような構成によれば、異常検知部によって異常が検知された場合に、燃料電池を容易に無負荷状態にすることが可能となる。
【００１３】
上記発電システムにおいて、前記出力制御部は、前記発電スタンバイ状態において、酸化剤ガス及び第１燃料ガスを前記空気極に供給するとともに、第２燃料ガスを前記燃料極に供給することとしてもよい。
【００１４】
上記発電システムによれば、発電スタンバイ状態において、酸化剤ガスと第１燃料ガスとが空気極に供給される。これにより、触媒燃焼によって生じた熱により発電室温度を所定の発電可能温度以上に保持することが可能となる。また、燃料極に所定量の第２燃料ガスが供給されるので、燃料極を還元ガス雰囲気に保持することができ、燃料電池セルの劣化を防止することが可能となる。
ここで、第１燃料ガスと第２燃料ガスとは同じガスとされていてもよく、異なるガスとされていてもよい。
【００１５】
上記発電システムは、前記燃料電池からの排燃料および排空気が供給されるマイクロガスタービンを備え、前記制御装置は、前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記マイクロガスタービンの運転を継続して行うこととしてもよい。
【００１６】
上記発電システムによれば、異常検知部によって異常が検知された後においても、マイクロガスタービンの運転を継続して行わせるので、マイクロガスタービンの運転を停止させていた従来の発電システムに比べて、発電システム全体としての出力を増加させることが可能となる。
【００１７】
上記発電システムは、前記燃料電池の発電電力を送電する第１電力線と、前記マイクロガスタービンの発電電力を送電する第２電力線と、前記第１電力線と前記第２電力線とが連結する連系点と、前記連系点と前記電力供給先とを接続する第３電力線とを備え、前記開閉器は、前記第１電力線に設けられていてもよい。
【００１８】
このような構成によれば、開閉器を開状態とすることによって燃料電池と電力供給先との接続を容易に遮断することができるとともに、マイクロガスタービンによって発電された発電電力については継続して電力供給先に供給することが可能となる。
【００１９】
上記発電システムにおいて、前記制御装置は、前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記マイクロガスタービンの運転モードが、燃焼器への第３燃料ガスの供給量を予め設定された所定値以下に抑制する高効率運転モードであるか否かを判定する運転モード判定部と、前記運転モード判定部によって前記高効率運転モードであると判定された場合に、前記高効率運転モードを解除し、前記高効率運転モードよりも多くの前記第３燃料ガスを前記燃焼器に供給する他の運転モードに切り替える運転モード切替部とを具備することとしてもよい。
【００２０】
上記発電システムによれば、異常検知部によって異常が検知された場合であって、マイクロガスタービンの運転モードが燃費を向上させる高効率運転モードである場合には、高効率運転モードが解除され、高効率運転モードよりも多くの第３燃料ガスを燃焼器に供給する他の運転モードに切り替えられる。これにより、燃焼器における安定した燃焼を維持することが可能となる。
上記第３燃料ガスは、第１燃料ガス及び第２燃料ガスの少なくともいずれか一方と同じガスとされていてもよいし、いずれとも異なるガスとされていてもよい。
【００２１】
上記発電システムにおいて、前記出力制御部は、前記異常検知部によって前記異常が検知された場合に、前記燃料極に改質用水を供給することとしてもよい。
この場合において、前記出力制御部は、予め設定された最低流量の前記改質用水を前記燃料極に供給し、前記改質用水の供給開始から予め設定された所定の時間経過後に目標流量まで前記改質用水の供給量を増加させることとしてもよい。
【００２２】
上記発電システムによれば、異常検知部によって異常が検知された場合に、改質のための改質用水を燃料極に供給するので、改質に必要とされる改質用水を先行的に供給することが可能となる。更に、改質用水の供給開始時においては最小流量を供給し、改質用水の供給開始から所定の時間経過後に目標流量まで流量を増加させるので、改質用水の供給開始時に生ずる圧力変動や流量変動を抑制することが可能となる。
【００２３】
本発明は、発電室内に、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燃料電池を具備する発電システムの保護制御方法であって、前記燃料電池の発電出力端から電力供給先側に発生した異常を検知する工程と、前記異常を検知した場合に、前記燃料電池が電力を出力しない無負荷状態とする工程と、前記異常を検知した場合に、前記燃料電池の前記発電室を所定の発電可能温度以上に維持する発電スタンバイ状態に移行させる工程とを含む発電システムの保護制御方法を提供する。
上記発電システムの保護制御方法は、前記異常が解消された場合に、前記燃料電池の発電室を目標温度まで上昇させ、前記燃料電池の出力を目標出力まで増加させる工程を更に含むこととしてもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、ＳＯＦＣの発電出力端よりも電力の供給先側で異常が検知された場合に、その異常解消からＳＯＦＣの発電再開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】
【００２５】
【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ＰＣＳの概略構成及び発電システムと電力系統との間の配線の一形態を示した図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る制御装置が備える各種機能のうち、保護制御に関する機能を主に展開して示した機能ブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る発電システムの保護制御の手順を示したフローチャートである。
【図８】本発明の一実施形態に係る発電システムによる保護制御と、従来の発電システムの緊急停止制御とを実行した場合の各種制御量の時間的推移を比較して示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明に係る発電システム及びその保護制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２７】
〔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、ＳＯＦＣ１３、及びパワーコンディショナ（電力変換装置、以下「ＰＣＳ」という）１２０等を備えている。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。
【００２８】
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。）Ａの一部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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、炭素質原料（石炭等）をガス化設備により製造した石炭ガス化ガス等のガス、一酸化炭素（ＣＯ）やメタン（ＣＨ４）等の炭化水素ガス、液化天然ガス（ＬＮＧ）、都市ガス、水素（Ｈ２）、メタノール、石油等が用いられる。本実施形態での燃料ガスＬ１、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。燃料ガスＬ１と燃料ガスＬ２とは同じガスとされてもよいし、異なるガスとされてもよい。
【００３１】
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（還元剤ガス）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。
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（空気Ａ１）を採用する場合を例示して説明する。
【００３２】
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（酸化剤ガス）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、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。
【００３３】
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。
【００３４】
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とガスタービン１１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。
【００３５】
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と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により制御される。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。
【００３６】
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を改質するための改質用水として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に供給される純水流量が調整される。
【００３７】
〔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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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、酸化ガス雰囲気と還元ガス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。
【００４３】
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。
【００４４】
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、耐力性と酸化剤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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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、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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された直流電力は、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、後述するＰＣＳ（パワーコンディショナ）１２０（図５参照）によって交流電力へ変換されて、電力供給先へと供給される。電力供給先としては、例えば、電力系統及び負荷設備の少なくとも一方が挙げられる。
【００５６】
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。
【００５７】
また、図１に示すように、発電システム１０の各所には、各種センサが設けられている。例えば、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、発電室温度を計測する温度センサ９２等が設けられている。また、ＭＧＴ１１の圧縮機２１の吸入口付近には、圧縮機２１に吸引される空気Ａの温度を外気温度として計測する外気温度センサ９４が設けられている。
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Ａ１の温度（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。また、各制御弁には、弁開度を検出する弁開度検出部（不図示）が設けられている。
これら各種センサや弁開度検出部によって検出された計測データは、制御装置６０に送信される。
【００５８】
制御装置６０は、各種センサや弁開度検出部等によって計測された計測データを用いて、ＰＣＳ１２０と連携しながらＳＯＦＣ１３やＭＧＴ１１の制御を行う。具体的には、上述の計測データに基づいて演算処理を行い、要求負荷を満足するように発電システム１０の各部の動作を制御する。また、制御装置６０は、ＰＣＳ１２０等に異常が発生した場合の保護制御を実行する。
【００５９】
図５は、ＰＣＳ１２０の概略構成及び発電システム１０のＳＯＦＣ１３の発電出力端と電力系統１３５との間の配線の一形態を示した図である。図５に示すように、ＰＣＳ１２０は、半導体素子等を使用した電気回路であり、例えば、ＳＯＦＣ１３から出力された直流電力を昇圧する昇圧回路１２２、昇圧回路１２２で昇圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ１２３、インバータ１２３で変換された交流電力にフィルタ処理を施すフィルタ回路１２４、及びＰＣＳ内開閉器１２５等を備えている。
本実施形態では、ＰＣＳ１２０から出力されたＳＯＦＣ１３の出力は所定の電力供給先である電力系統１３５に供給される。なお、本実施形態では、所定の電力供給先として電力系統１３５を例示しているが、これに代えてまたは加えて、特定の負荷設備に発電電力を供給することとしてもよい。
【００６０】
ＰＣＳ１２０から出力される交流電力は電力線Ｃ１を通じて送電設備１３０に送られる。送電設備１３０では、電力線Ｃ１とＭＧＴ１１の発電機１２から発電電力を送電する電力線Ｃ２とが連系点Ｘにおいて連結されている。連系点Ｘと電力系統１３５との間の電力線Ｃ３には、例えば、系統開閉器１３１及び変圧器１３２等が設けられている。
このような構成により、例えば、ＳＯＦＣ１３の発電電力は、ＰＣＳ内の昇圧回路１２２によって送電設備１３０への出力に応じた電圧まで昇圧された後、インバータ１２３によって直流電力から交流電力に変換される。インバータ１２３から出力された電力は、フィルタ回路１２４によってフィルタ処理（例えば、平滑化処理等）が施され、閉状態とされたＰＣＳ内開閉器１２５を経て送電設備１３０へ供給される。ＰＣＳ１２０からの交流電力及びＭＧＴ１１からの交流電力は、送電設備１３０内の連系点Ｘにおいて重畳され、閉状態とされた系統開閉器１３１、及び変圧器１３２を通じて、電力系統１３５へ供給される。
【００６１】
上記ＰＣＳ内開閉器１２５はＳＯＦＣ１３と電力系統１３５との系統連系及び解列を切り替えるための開閉器である。また、系統開閉器１３１は、発電システム１０と電力系統１３５との系統連系及び解列を切り替えるための開閉器である。
具体的には、ＰＣＳ内開閉器１２５は、ＳＯＦＣ１３と電力系統１３５とが連系している場合に閉状態とされ、ＳＯＦＣ１３が電力系統１３５と解列している場合に開状態とされる。また、系統開閉器１３１は、発電システム１０と電力系統１３５とが連系している場合に閉状態とされ、発電システム１０が電力系統１３５と解列している場合に開状態とされる。
ＰＣＳ内開閉器１２５及び系統開閉器１３１の開閉制御は、制御装置６０またはＰＣＳ１２０により行われる。
本実施形態において、ＰＣＳ内開閉器１２５は、ＰＣＳ内に設けられているが、この配置に限られない。すなわち、ＳＯＦＣ１３と電力系統１３５との系統連系及び解列を切り替えるための開閉器は、ＳＯＦＣ１３の発電出力端と連系点Ｘとを接続する電力線Ｃ１に設けられていればよく、例えば、ＳＯＦＣ１３の発電出力端とＰＣＳ１２０との間に設けられていてもよいし、ＰＣＳ１２０と連系点Ｘとの間に設けられていてもよい。
【００６２】
〔発電システムの保護制御〕
次に、上記構成を備える発電システム１０において、ＰＣＳ異常が発生した場合に、制御装置６０によって実行される保護制御について説明する。ＰＣＳ異常は、後述するようにＳＯＦＣ１３の発電出力を電力の供給先（本実施形態では、電力系統１３５）に対して正常に送電できなくなるような異常である。
制御装置６０は、例えば、コンピュータやシーケンサーであり、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。
【００６３】
図６は、制御装置６０が備える各種機能のうち、保護制御に関する機能を主に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、制御装置６０は、ＰＣＳ異常検知部１４０、接続制御部１４１、出力制御部１４２、運転モード判定部１４３、及び運転モード切替部１４４を備えている。
【００６４】
ＰＣＳ異常検知部１４０は、ＰＣＳ異常の発生を検知する。ＰＣＳ異常とは、ＳＯＦＣ１３の発電出力端から電力を供給する側にあたる電力供給先側に発生する異常である。ＰＣＳ異常は、本実施形態では、例えば、電力系統異常やＰＣＳ故障や送電・連系の機器故障を含む。電力系統異常として、電力系統１３５の停電、瞬停、所定幅以上の周波数変動、所定値以上の電圧変動、所定値以下への電圧低下等が一例として挙げられる。また、ＰＣＳ故障として、ＰＣＳ１２０を構成する各素子や各部品の故障や断線、ＰＣＳ１２０と制御装置６０との間の通信異常（例えば、ＰＣＳ１２０に対して送信したリクエストに対するＰＣＳ１２０からのアンサーが受信できないＰＣＳアンサーバック異常）等が一例として挙げられる。また、送電・連系の機器故障として、ＰＣＳ１２０と電力系統１３５との間に設置された送電設備１３０、系統開閉器１３１、変圧器１３２などの各機器や電力線の故障や破損等が一例として挙げられる。ＰＣＳ異常は上記例に限定されず、ＳＯＦＣ１３の発電電力を電力系統１３５に対して正常に送電できないような様々な異常であって、その異常を検知しＳＯＦＣの保護制御を行う必要性のある異常をいう。
【００６５】
接続制御部１４１は、ＰＣＳ異常検知部１４０によってＰＣＳ異常の発生が検知された場合に、ＰＣＳ内開閉器１２５を閉状態から開状態に切り替え、ＳＯＦＣ１３を電力系統１３５から解列する。換言すると、ＳＯＦＣ１３と電力供給先とを非接続状態とする。これにより、ＳＯＦＣ１３は負荷が接続されていない無負荷状態となる。ＳＯＦＣ１３は発電の出力電流がゼロとなり、開放端起電力が生じている状態となる。
【００６６】
出力制御部１４２は、ＰＣＳ異常検知部１４０によってＰＣＳ異常が検知された場合に、ＳＯＦＣ１３を発電スタンバイ状態とする。ここで、発電スタンバイ状態とは、発電室温度を所定の発電可能温度以上に維持する状態であり、仮に、負荷が接続された場合には、短時間で発電を開始できる状態をいう。
【００６７】
具体的には、出力制御部１４２は、発電スタンバイ状態において、制御弁８２の開度及び制御弁６４、６６の弁開度を調整することにより、燃料ガスＬ２及び空気（酸化剤ガス）Ａ１を空気極１３Ｂに供給する。これにより、発電室内で触媒燃焼を行わせ、触媒燃焼によって生じた熱を用いて発電室温度を所定の発電可能温度以上に維持する。燃料電池セル１０５が十分な温度に達していないとき、換言すると、固体電解質１１１（図２参照）が高抵抗状態のときに燃料極１３Ａ側に燃料ガスＬ２を投入して、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。ここで、発電可能温度とは、例えば、７５０℃以上をいう。
【００６８】
発電室温度は、燃料電池セル１０５の性能低下を防止するために、例えば定格時運転温度の８０％以上に設定され、具体的には、発電室目標温度は、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、例えば定格時運転温度の８５％以上１００％以下の温度範囲で設定される。
【００６９】
更に、出力制御部１４２は、発電スタンバイ状態において、制御弁４２を全閉状態に近い微開状態まで絞ることにより、燃料極１３Ａへの燃料ガスＬ２の供給を定格運転時の流量に比べて大幅に低減させた微小流量とする。ここで、制御弁４２を全閉状態として燃料極１３Ａへの燃料ガスＬ２の供給を停止してしまうと、空気極１３Ｂから侵入してくる酸素があった場合には燃料極１３Ａが酸化ガス雰囲気となってしまい、燃料電池セル１０５が劣化してしまうおそれがあるためである。燃料電池セル１０５の劣化を防止するために、燃料極１３Ａに微小流量の燃料ガスＬ２を供給し、微小流量の燃料ガスＬ２に相応した改質用水である純水を純水供給ライン４４から供給することで、微小流量の燃料ガスＬ２は水素が多く含まれるガスに改質され、この水素ガスなどの改質ガスと空気極１３Ｂから侵入してくる酸素を反応させることで燃料極１３Ａを還元ガス雰囲気に維持する。
燃料極１３Ａに供給する燃料ガスＬ２は、燃料極１３Ａを還元ガス雰囲気に維持するのに必要な最低限の流量またはその流量に所定の裕度を持たせた流量とされ、例えば、ＳＯＦＣ１３の定格運転時の流量に対して数％以上１０％以下の範囲で設定される。
なお、排燃料ガスライン４３には、微小流量の燃料ガスＬ２の改質ガスと酸素と反応した水蒸気などが排燃料ガスとして排出され、この微小流量の排燃料ガスＬ３はＳＯＦＣ１３の燃料極１３Ａの入口へと、燃料ガス再循環ライン４９と再循環ブロワ５０により再循環される。
【００７０】
更に、出力制御部１４２は、ＰＣＳ異常検知部１４０によってＰＣＳ異常が検知された場合に、燃料極１３Ａに純水を供給する。この純水は改質に必要とされる水である。ここで、通常の負荷降下時では、ＳＯＦＣ１３の出力が所定値以下となった場合に純水の供給を開始させる。これは、出力が所定値以上の負荷領域では、発電反応によって生成される水蒸気の量が多いため、燃料ガス再循環ライン４９を通じてＳＯＦＣ１３に再循環される水蒸気によって、改質に必要な水蒸気を賄うことができるからである。ＳＯＦＣ１３の出力が低下すると、発電反応で生成される水蒸気の量が減少するため、燃料ガス再循環ライン４９を循環する水蒸気量が減少し、改質に必要な水蒸気を賄いきれなくなる。そのため、ＳＯＦＣ１３の出力が所定値以下（例えば、所定値は定格出力の４０％以上５０％以下の範囲で設定される）の場合には、外部から純水供給ライン４４を経由して純水を供給し、水蒸気の不足分を補充する。
【００７１】
本実施形態において、ＰＣＳ異常が発生したときにおいて、ＳＯＦＣ１３の出力が所定値以上の出力となる状態では、純水を供給する必要性はない。しかしながら、ＰＣＳ異常発生時には、ＳＯＦＣ１３を電力系統１３５から解列するために、ＳＯＦＣ１３の出力は急速に低下し、所定値の出力（例えば、定格出力の４０％以上５０％以下）を経過して無負荷状態になり、ＳＯＦＣ１３の出力はゼロになる。したがって、この状況を見越して、本実施形態では、ＰＣＳ異常の発生が検知された場合に、先行的に純水の供給を開始することとしている。
また、出力制御部１４２は、純水供給開始時において、急な純水供給を安定して開始するための最低流量の純水を燃料極１３Ａに供給する。純水は、燃料ガス再循環ライン４９に設けられているスプレーノズルから噴霧されるが、このスプレーノズルは燃料ガス再循環ライン４９を循環するガスによって高温に熱せられている。このような高温のスプレーノズルに対して相当量の純水を急激に供給すると、圧力変動や流量変動が生じたり、スプレー自体などの補機に損傷が発生する可能性がある。このような圧力変動や流量変動およびスプレーの損傷などの発生を防止するために、純水の供給開始時においては最低流量の純水をスプレーノズルに供給し、純水の供給開始から所定期間（例えば数分間）が経過してスプレーノズルがある程度冷やされてから、純水流量を目標純水流量まで徐々に増加させる。ここで、本実施形態での純水の最低流量は、例えば、ＳＯＦＣ１３の出力が所定値未満となる運転時に供給される純水流量の数％以上約２０％以下の範囲で設定される。また、目標純水流量は、燃料極１３Ａに供給する燃料ガスＬ２の改質反応を適切に行わせて、炭素析出が起こらないような流量以上に設定され、例えば、Ｓ／Ｃ（スチームカーボン比）が約３以上５以下の範囲をとるような値に設定される。
【００７２】
運転モード判定部１４３は、ＰＣＳ異常検知部１４０によって異常が検知された場合に、現在のＭＧＴ１１の運転モードが、高効率運転モードであるか否かを判定する。ここで、高効率運転モードとは、第１燃料ガス供給ライン２７（図１参照）を介して燃焼器２２に供給される燃料ガスＬ１を極力使用せずに、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Ｌ３を燃料として最大限利用となるよう、燃料ガスＬ１の流量を予め設定された所定値以下になるように設定して燃費を向上させる運転モードである。
【００７３】
運転モード切替部１４４は、運転モード判定部１４３によって現在の運転モードが高効率運転モードであると判定された場合に、高効率運転モードを解除し、高効率運転モードよりも多くの燃料ガスＬ１を燃焼器２２に供給する他の運転モードに切り替える。例えば、運転モード切替部１４４は、外気温度センサ９４によって計測された外気温度及び燃料電池負荷（＝０Ａ）に基づいて圧縮機２１から供給する空気Ａの流量を決定し、ＭＧＴ１１の出力制御を行う運転モードに切り替える。
このように、ＰＣＳ異常が検知された場合には、燃料ガスＬ１を抑制して燃費を向上させる高効率運転を解除し、燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１の供給量を増加させる運転モードに切り替えることで、燃焼器２２の安定した燃焼を維持することが可能となる。
【００７４】
次に、本実施形態に係る制御装置６０によって実行される保護制御の手順について図７を参照して説明する。図７は、本実施形態に係る発電システムの保護制御の手順を示したフローチャートである。
まず、発電システムの運転時（例えば、定格運転、部分負荷運転等）において、ＰＣＳ異常を検知した場合（ステップＳＡ１において「ＹＥＳ」）、ＰＣＳ内開閉器１２５を閉状態から開状態に切り替えることにより、ＳＯＦＣ１３を電力系統１３５から解列する（ステップＳＡ２）。またＳＯＦＣ１３が電力を出力しない無負荷状態とし、これにより、ＳＯＦＣ１３の出力はゼロとなる。なお、ＰＣＳ異常を検知しない場合には（ステップＡ１で「ＮＯ」）、発電システムの運転（例えば、定格運転、部分負荷運転など）を継続する。
【００７５】
続いて、発電スタンバイ状態へ移行するために各制御弁等の制御を行う（ステップＳＡ３）。具体的には、制御弁４２を閉状態に近づけ微開状態とすることにより、燃料極１３Ａへの燃料ガスＬ２の供給量を目標流量まで減少させる。この目標流量は、例えば、定格運転時の流量に対して数％以上１０％以下の範囲で設定されている。また、この燃料ガスＬ２の減少に伴い、空気極１３Ｂに供給される空気Ａ１の流量も減少させる。空気Ａ１の流量は、例えば、制御弁６４、６６の弁開度制御によって行われる。また、制御弁８２を開くことにより、空気Ａ１に燃料ガスＬ２を添加し、燃料ガスＬ２が添加された空気Ａ１を空気極１３Ｂに供給することで、触媒燃焼による発熱により発電室温度を所定温度以上に維持する。
【００７６】
続いて、ＭＧＴ１１の現在の運転モードが高効率運転モードであるか否かを判定し（ステップＳＡ４）、高効率運転モードである場合には（ステップＳＡ４において「ＹＥＳ」）、高効率運転モードを解除し、他の運転モード、例えば、ＳＯＦＣ負荷（０Ａ）と外気温度センサ９４により取り込んだ外気温度とから、圧縮機２１から供給する空気Ａの流量を決定し、目標ＭＧＴ出力を設定する運転モードに切り替える（ステップＳＡ５）。
続いて、純水の供給を開始する（ステップＳＡ６）。具体的には、安定した純水供給のための最低流量にて純水供給を開始し、その後、所定期間後（例えば、３〜４分後）において目標流量まで純水を増加させる。
なお、ステップＳＡ４において、ＭＧＴ１１の現在の運転モードが高効率運転モードでないと判定した場合には（ステップＳＡ４において「ＮＯ」）、運転モードの切り替えは行わずに、ステップＳＡ６に移行し、純水の供給を開始する。
【００７７】
このようにして、各種処理が実行されることにより、ＰＣＳ異常が検知された場合において、ＳＯＦＣ１３については、発電スタンバイ状態が維持され、ＭＧＴ１１については、外気温度とＳＯＦＣ負荷（＝０Ａ）とに基づくＭＧＴ１１の出力制御が継続して行われる。これにより、ＳＯＦＣ１３は発電を再開する場合に短時間で発電を開始できる状態に維持され、また、ＭＧＴ１１の発電機１２によって発電された発電電力は電力系統１３５に供給されてもよい。
【００７８】
そして、上記の状態において、ＰＣＳ異常が解消されると、制御装置６０はＳＯＦＣ１３の発電を開始させる。例えば、制御装置６０は、要求負荷に応じた目標出力電流を設定し、この目標出力電流に基づいて各制御系の制御指令を設定する。そして、設定した各種制御指令に基づいて各種制御系を制御する。例えば、各制御系の制御指令としては、燃料極１３Ａに供給する燃料ガスＬ２の流量指令、空気極１３Ｂに供給する空気Ａ１の入口空気温度指令、燃料極１３Ａと空気極１３Ｂとの差圧指令、再循環ブロワ５０の回転数指令、燃料極１３Ａに供給する純水の流量指令、ＭＧＴ出力指令等が挙げられる。
【００７９】
このように、目標出力電流に基づいて各種制御系の制御指令が設定され、設定された各種制御指令に各種制御系の出力を一致させる制御（例えば、フィードバック制御やフィードフォワード制御）が行われることにより、各制御系のうち少なくとも二つ以上の制御系の制御量を制御指令に向けてほぼ一斉に変化させて、発電室温度など各制御の対象を短い時間で整定させることが可能となる。この結果、ＳＯＦＣ出力及び発電室温度を目標出力、目標温度に向けて速やかに上昇させることができ、またＳＯＦＣ１３の出力上昇に伴い、ＭＧＴ出力も増加させることが可能となる。
【００８０】
図８は、本実施形態に係る発電システムによる保護制御（以下、単に「保護制御」という。）と、従来の発電システムの緊急停止制御（以下、単に「緊急停止制御」という。）とを実行した場合の各種制御量の時間的推移を比較して示した図である。各種制御量の時間的推移は、本実施形態の保護制御のものを太線で、従来の発電システムの緊急停止制御のものを細線で示している。
図８（ａ）には、ＳＯＦＣ出力、発電室温度、ＭＧＴ出力の時間的推移の一例が示されている。また、図８（ｂ）〜（ｄ）には、空気極１３Ｂに供給される空気Ａ１の空気流量、燃料極１３Ａに供給される燃料ガスＬ２の燃料流量、及び燃料極１３Ａに供給される純水流量の時間的推移の一例がそれぞれ示されている。
【００８１】
図８に示すように、ＳＯＦＣ１３が定格出力で運転している場合に、時刻ｔ１でＰＣＳ異常が検知されると、保護制御及び緊急停止制御ともに、ＳＯＦＣ１３が電力系統１３５と解列し、ＳＯＦＣ１３が電力を出力しない無負荷状態とすることにより、ＳＯＦＣ出力はゼロとなる。
ＰＣＳ異常の発生後、緊急停止制御では、ＳＯＦＣ１３及びＭＧＴ１１の運転を停止させる。これにより、図８（ａ）に示すようにＭＧＴ出力はゼロとなり、また、図８（ｂ）、（ｃ）に示すように、空気流量は所定の流量に向けて短時間で低下し、燃料流量も所定値まで短時間で低下する。
【００８２】
そして、緊急停止制御では、ＰＣＳ異常が検知された場合に、ＳＯＦＣ１３の運転を停止させて冷却処理へ移行できるように準備するので、図８（ａ）の時刻ｔ１〜ｔ２に示すように、発電室温度は継続して低下する。そして、時刻ｔ２において、ＰＣＳ異常が解消すると、緊急停止制御では、発電室温度を発電可能温度まで上昇させるために、空気流量を増加させる（図８（ｂ）参照）。続いて、緊急停止制御では、時刻ｔ３において、空気極１３Ｂに供給する燃料流量を増加させ（図８（ｃ）参照）、触媒燃焼を生じさせて発電室温度を昇温させる（図８（ａ）参照）。そして、時刻ｔ６において、発電室温度が発電可能温度に到達すると発電を開始させる（図８（ａ）参照）。これにより、時刻ｔ６以降において、ＳＯＦＣ出力が増加する。更に、緊急停止制御では、時刻ｔ３における空気極１３Ｂへの燃料ガスＬ２の流量増加開始後において、純水流量を徐々に低下させる（図８（ｄ）参照）。その後、緊急停止制御では、時刻ｔ７において、ＳＯＦＣ出力が燃料の改質の為に純水供給が不要となる所定出力に到達し、続く時刻ｔ８にてＳＯＦＣ１３の出力が定格負荷に到達する。
このように、従来の発電システムでの緊急停止制御では、発電スタンバイ状態を実施しないため、ＰＣＳ異常が時刻ｔ２の早い段階で解消された場合においても、発電室温度を発電可能温度まで上昇させる温度上昇工程を要するので、ＰＣＳ異常が解消されてから発電開始までに時間がかかる（例えば、図８の時刻ｔ２〜ｔ６までの時間を要する）。
【００８３】
これに対し、本実施形態の保護制御では、時刻ｔ１においてＰＣＳ異常が検知されると、ＳＯＦＣ１３が発電スタンバイ状態で維持される。すなわち、図８（ｂ）に示すように、空気流量はＰＣＳ異常の発生時において一定流量まで短時間に低下するものの、発電室温度を発電可能温度以上に保持するために必要な流量で一定とされ、また、図８（ｃ）に示すように、燃料流量についても燃料電池セルの燃料極１３Ａの劣化を防止するために、所定流量が維持される。また、改質に必要な純水についても短時間に供給が開始される（図８（ｄ）参照）。また、ＭＧＴ１１の発電運転については、発電出力を低下させた状態で発電が継続される。このとき、高効率運転モードよりも多くの燃料ガスＬ１を燃焼器２２に供給する他の運転モードが採用され、燃焼器２２における安定した燃焼が維持される。
続いて、時刻ｔ２において、ＰＣＳ異常が解消すると、保護制御では、ＳＯＦＣ１３の出力増加に合わせて純水流量が徐々に低下する。そして、時刻ｔ４において、ＳＯＦＣ出力が燃料の改質の為に純水供給が不要となる所定出力に到達と純水流量はゼロとされ、続く時刻ｔ５にてＳＯＦＣ出力が定格出力に到達する。
【００８４】
このように、図８（ａ）の時刻ｔ１〜ｔ２に示すように、保護制御では、発電室温度を発電可能温度以上に維持することが可能となる。この結果、例えば、時刻ｔ２において、ＰＣＳ異常が解消した場合には、空気流量及び燃料流量を速やかに増加させることにより（図８（ｂ）、（ｃ）参照）、ＳＯＦＣ１３の発電を速やかに開始させることが可能となる（図８（ａ））。このように、保護制御では、従来の緊急停止制御が要していた温度上昇工程を不要とすることができ、短時間に発電を開始させることが可能となる。よって、目標負荷に到達するまでの時間を緊急停止制御に比べて短くすることが可能となる。更に、保護制御によれば、図８（ａ）の時刻ｔ１〜ｔ２に示すように、ＰＣＳ異常が検知された場合でも、ＭＧＴ１１の運転を継続して行うので、ＭＧＴ出力を電力系統１３５に継続して供給することが可能となる。
【００８５】
以上、説明してきたように、本実施形態に係る発電システム１０及びその保護制御方法によれば、ＰＣＳ異常が検知された場合に、ＳＯＦＣ１３を電力系統１３５から解列するとともに、発電スタンバイ状態に移行させる。発電スタンバイ状態では、空気極１３Ｂに空気Ａ１と燃料ガスＬ２とを供給することにより触媒燃焼を生じさせ、この熱でＳＯＦＣ１３の発電室温度を発電可能温度以上に保持するとともに、燃料極１３Ａに燃料ガスＬ２を供給することにより、燃料極１３Ａを還元ガス雰囲気に保持し、燃料電池セル１０５の劣化を防止する。このような発電スタンバイ状態を維持することにより、ＰＣＳ異常が解消された場合には、発電を短時間に開始させることが可能となる。これにより、緊急停止制御を行っていた従来のシステムに比べて、ＰＣＳ異常の解消から発電開始までに必要となる時間を短縮することが可能となる。
【００８６】
更に、本実施形態によれば、ＰＣＳ異常が検知された場合でもＭＧＴ１１の運転を維持するので、ＭＧＴ出力（例えば、数十ｋＷ程度）を電力系統１３５に供給しつづけることが可能となる。また、この場合において、ＭＧＴ１１が高効率運転モードで運転されていた場合には、この高効率運転モードを解除し、より多くの燃料ガスＬ１が燃焼器２２に供給される運転モードに切り替えるので、燃焼器２２において安定した燃焼を維持させてＭＧＴ１１の運転を安定させることが可能となる。
【００８７】
更に、従来の緊急停止制御では、ＰＣＳ異常が検知された後において、ＳＯＦＣ１３を一旦冷却させるために、窒素を空気極１３Ｂに供給する場合もあったが、本実施形態に係る発電システム１０によれば、窒素を用いたＳＯＦＣ１３の冷却を行わず、ＳＯＦＣ１３を発電スタンバイ状態で保持する。これにより、窒素を不要にできる。窒素は、都市ガス等と異なり、タンクなどに貯蔵された状態で設置されて使用されるため、タンク交換などの維持作業が必要となる。本実施形態によれば、窒素の消費を抑制することができるので、窒素タンクの交換頻度を下げることができ、タンク交換等に伴う作業を軽減することが可能となる。
【００８８】
また、本実施形態によれば、ＰＣＳ異常が検知された場合に、ＳＯＦＣ１３は発電を停止するが、運転を停止しない発電スタンバイ状態とするので、ＳＯＦＣ１３のヒートサイクルの回数を減少させることができる。これにより、セルスタックの劣化を抑制することができ、長寿命化を図ることが可能となる。
【符号の説明】
【００８９】
１０      ：発電システム
１１      ：ＭＧＴ（マイクロガスタービン）
１２      ：発電機
１３      ：ＳＯＦＣ（燃料電池）
１３Ａ    ：燃料極
１３Ｂ    ：空気極
６０      ：制御装置
１０５    ：燃料電池セル
１１１    ：固体電解質
１２０    ：パワーコンディショナ（ＰＣＳ：電力変換装置）
１２５    ：ＰＣＳ内開閉器（開閉器）
１３５    ：電力系統
１４０    ：ＰＣＳ異常検知部（異常検知部）
１４１    ：接続制御部
１４２    ：出力制御部
１４３    ：運転モード判定部
１４４    ：運転モード切替部（運転モード解除部）
２１５    ：発電室
Ｃ１      ：電力線（第１電力線）
Ｃ２      ：電力線（第２電力線）
Ｃ３      ：電力線（第３電力線）
Ｘ        ：連系点
Ｌ１      ：燃料ガス（第３燃料ガス）
Ｌ２      ：燃料ガス（第１燃料ガス、第２燃料ガス）
【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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