(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルを有する１つまたは複数のセルスタックを含み、前記セルスタックの燃料極側に燃料ガスを送給し、前記セルスタックの空気極側に酸素を含む酸化ガスを送給して、前記セルの電解質膜において高温状態で前記燃料ガスと前記酸化ガスとを反応させて発電する固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、
高温状態で前記燃料ガスの送給を停止し、前記燃料極側に不活性ガスを所定の流量で送給するとともに、前記空気極への前記酸化ガスの送給を継続させる第１の不活性ガスパージ工程と、
前記セルにおける前記燃料極と前記空気極との間の電圧が所定電圧に到達した時に、高温状態で前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側に不活性ガスを所定の流量で送給して、前記固体酸化物形燃料電池の運転を停止する第２の不活性ガスパージ工程とを含む固体酸化物形燃料電池の運転方法。
【請求項２】
前記燃料極側に不活性ガスを送給し、前記空気極側に前記酸化ガスを送給する間の前記電圧を計測する電圧計測工程を更に含み、
前記第２の不活性ガスパージ工程において、前記計測された電圧が一定となる場合に、高温状態で前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側に不活性ガスを送給する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法。
【請求項３】
前記セルの温度を計測するセル温度計測工程と、
前記計測された温度における前記燃料極の材料の酸化還元平衡電位を算出し、該酸化還元平衡電位を前記所定電圧とする酸化還元平衡電位算出工程とを更に含む請求項１または請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法。
【請求項４】
前記所定流量の不活性ガスを前記燃料極側に送給した場合の前記不活性ガスの送給時間と前記電圧との相関を予め取得し、該相関に基づいて前記所定流量での前記所定電圧となる前記送給時間を取得するパージ時間決定工程を備え、
前記第２の不活性ガスパージ工程において、前記パージ時間決定工程により設定された前記送給時間に到達した時に、高温状態で前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側に不活性ガスを送給する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池の運転方法。
【請求項５】
複数のセルを有する１つまたは複数のセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池と、燃焼器、圧縮機、タービン及び発電機を有するガスタービン発電設備とが連結されている複合発電システムの運転方法であって、
前記固体酸化物形燃料電池及び前記ガスタービン発電設備が運転している場合に、高温状態で第１の燃料ガス源から前記燃料電池への燃料ガスの送給を停止し、前記セルの燃料極側に不活性ガスを所定の流量で送給するとともに、前記圧縮機から前記セルの空気極側への酸化ガスの送給を継続させる第１の不活性ガスパージ工程と、
前記セルにおける前記燃料極と前記空気極との間の電圧が所定電圧に到達した時に、高温状態で前記燃料電池への前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側に不活性ガスを所定の流量で送給して、前記固体酸化物形燃料電池の運転を停止する第２の不活性ガスパージ工程とを含む複合発電システムの運転方法。
【請求項６】
前記第１の不活性ガスパージ工程において、第２の燃料ガス源から前記燃焼器への燃料ガスの供給を開始し、
前記第２の不活性ガスパージ工程において、前記圧縮機から前記燃焼器に前記酸化ガスを直接送給して、前記ガスタービン発電設備の運転を継続させる請求項５に記載の複合発電システムの運転方法。
【請求項７】
複数のセルを有する１つまたは複数のセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池と、
前記セルスタックの燃料極側に燃料ガスを送給する燃料ガス送給部と、
前記セルスタックの空気極側に酸素を含む酸化ガスを送給する酸化ガス送給部と、
前記セルスタックの燃料極側に不活性ガスを送給する燃料極側不活性ガス送給部と、
前記セルスタックの空気極側に不活性ガスを送給する空気極側不活性ガス送給部と、
前記燃料極側への前記燃料ガスの送給を停止するとともに前記燃料極側へ前記不活性ガスを送給し、前記セルにおける前記燃料極と前記空気極との間の電圧が所定電圧に到達した時に、高温状態で前記空気極側への前記酸化ガスの送給を停止するとともに前記空気極側へ前記不活性ガスを送給する制御部とを備える固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項８】
前記固体酸化物形燃料電池に、前記電圧を計測する電圧計が設置される請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項９】
前記固体酸化物形燃料電池に、前記セルの温度を計測する温度計が設置され、
前記制御部が、前記温度計で計測された温度における前記燃料極の材料の酸化還元平衡電位を算出し、該酸化還元平衡電位を前記所定電圧に設定する請求項７または請求項８に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御部に、前記所定流量の不活性ガスを前記燃料極側に送給した場合の前記不活性ガスの送給時間と前記電圧との相関が予め格納され、
前記制御部が、前記相関に基づいて前記酸化ガスの送給の停止及び前記空気極への前記不活性ガスの供給の開始を実施する時期を決定する請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項１１】
複数のセルを有する１つまたは複数のセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池と、
タービンと、該タービンに連結される発電機と、前記タービンに燃焼ガスを送給する燃焼器と、前記燃焼器及び前記セルスタックの空気極に酸化ガスを送給可能とする圧縮機とを備えるガスタービン発電設備と、
前記セルスタックの燃料極側に燃料ガスを送給する第１の燃料ガス送給部と、
前記燃焼器に燃料ガスを送給する第２の燃料ガス送給部と、
前記燃料極側に不活性ガスを送給する燃料極側不活性ガス送給部と、
前記空気極側に不活性ガスを送給する空気極側不活性ガス送給部と、
制御部とを備え、
前記空気極から排出された前記酸化ガスが前記燃焼器に送給されるように、前記空気極と前記燃焼器とが連結され、
前記燃料極から排出された前記燃料ガスが前記燃焼器に送給されるように、前記燃料極と前記燃焼器とが連結され、
前記制御部が、
前記固体酸化物形燃料電池及び前記ガスタービン発電設備の運転時に、前記第１の燃料ガス送給部から前記燃料極に燃料ガスを送給させるとともに、前記燃料極から排出された前記燃料ガスを前記燃焼器に送給させ、前記圧縮機から前記空気極に酸化ガスを送給させるとともに、前記空気極から排出された前記酸化ガスを前記燃焼器に送給させ、
前記固体酸化物形燃料電池の停止時に、前記第１の燃料ガス送給部から前記燃料極への前記燃料ガスの送給を停止するとともに、前記燃料極側不活性ガス送給部から前記燃料極側へ前記不活性ガスを送給し、
前記セルにおける前記燃料極と前記空気極との間の電圧が所定電圧に到達した時に、高温状態で前記圧縮機から前記空気極への前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側不活性ガス送給部から前記空気極側へ前記不活性ガスを送給させる複合発電システム。
【請求項１２】
前記制御部が、
前記第１の燃料ガス送給部から前記燃料極への前記燃料ガスの送給が停止されたときに、前記第２の燃料ガス送給部から前記燃焼器に燃料ガスを送給させ、
前記圧縮機から前記空気極への前記酸化ガスの送給が停止されたときに、前記圧縮機から前記燃焼器に前記酸化ガスを送給させる請求項１１に記載の複合発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池の運転方法及び固体酸化物形燃料電池システム、並びに、当該固体酸化物形燃料電池を備える複合発電システムの運転方法及び複合発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池の一例として、円筒型固体酸化物形燃料電池が知られている。円筒型固体酸化物形燃料電池において、複数の円筒形状のセルスタックが電気的に並列に接続されて燃料電池内部に収容される。各セルスタックにおいて、例えばカルシウム安定化ジルコニア（ＣＳＺ）とされる多孔質の基体管上に、燃料極、固体電解質膜、及び、空気極が積層されたセルが複数形成され、隣接するセルがインターコネクタで連結される。
【０００３】
上記セルにおいて、燃料極は、一般にＮｉとイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が混合された物とされる。空気極は、導電性を有する酸化物とされ、例えばＬａＭｎＯ３系材料、ＬａＦｅＯ３系材料、ＬａＣｏＯ３系材料などが用いられる。
【０００４】
固体酸化物形燃料電池は、９００℃近傍で運転される。固体酸化物形燃料電池の運転時では、燃料極には燃料ガス（Ｈ２ガス、ＣＨ４ガス等）が流通しているため、燃料極のＮｉは還元状態に保たれている。しかし、緊急停止時などの燃料電池の停止時においては、燃料ガスの供給が遮断される。この場合、空気極側に酸素を含む酸化ガス（空気等）が流通していると、酸化ガスが固体電解質膜で消費されることなく燃料極に到達する。運転温度に近い高温状態では、Ｎｉが酸素と反応してＮｉＯが生成するが、この反応は大きな体積変化を伴うものである。このため、燃料極において大きな応力が発生して、基体管の破損に繋がる。
【０００５】
この場合、Ｎｉの酸化速度が小さい低温（例えば１５０℃以下）に固体酸化物形燃料電池を冷却すれば、ＮｉＯの生成及びこれによる基体管の損傷を防止することが可能である。しかし、燃料電池を再稼働させる場合に、セルスタックを運転温度まで再度加熱する必要があるので、大きなエネルギー損失と起動時間の増加とが発生することになる。
【０００６】
一方、特許文献１は、運転温度近傍の高温状態で固体酸化物形燃料電池を停止する際に、燃料ガス及び酸化ガスの送給を停止し、燃料極側を不活性ガスでパージすることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１００１５３号公報（請求項１、段落［００３１］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載される方法では、空気極側の酸化ガス供給が停止されているため、不活性ガスパージ初期に燃料極側に残存する燃料ガスが空気極側に拡散する。この燃料ガスにより空気極材料が還元される。このとき空気極に大きな体積変化が発生し、空気極が損傷する場合があった。また、還元された空気極材料は、再運転時に酸素雰囲気に曝されても元の材料には戻らない。このため、空気極の導電性が失われ、固体酸化物形燃料電池の発電性能が低下することが問題となっていた。
【０００９】
本発明は、通常の停止時や緊急停止時においてもセルスタックの破損を防止することができる固体酸化物形燃料電池の運転方法及び固体酸化物形燃料電池システムを提供することを目的とする。また本発明は、当該固体酸化物形燃料電池を備える複合発電システムの運転方法及び複合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、複数のセルを有する１つまたは複数のセルスタックを含み、前記セルスタックの燃料極側に燃料ガスを送給し、前記セルスタックの空気極側に酸素を含む酸化ガスを送給して、前記セルの電解質膜において高温状態で前記燃料ガスと前記酸化ガスとを反応させて発電する固体酸化物形燃料電池の運転方法であって、高温状態で前記燃料ガスの送給を停止し、前記燃料極側に不活性ガスを所定の流量で送給するとともに、前記空気極への前記酸化ガスの送給を継続させる第１の不活性ガスパージ工程と、前記セルにおける前記燃料極と前記空気極との間の電圧が所定電圧に到達した時に、高温状態で前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側に不活性ガスを所定の流量で送給して、前記固体酸化物形燃料電池の運転を停止する第２の不活性ガスパージ工程とを含む固体酸化物形燃料電池の運転方法を提供する。
【００１１】
本発明は、複数のセルを有する１つまたは複数のセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池と、前記セルスタックの燃料極側に燃料ガスを送給する燃料ガス送給部と、前記セルスタックの空気極側に酸素を含む酸化ガスを送給する酸化ガス送給部と、前記セルスタックの燃料極側に不活性ガスを送給する燃料極側不活性ガス送給部と、前記セルスタックの空気極側に不活性ガスを送給する空気極側不活性ガス送給部と、前記燃料極側への前記燃料ガスの送給を停止するとともに前記燃料極側へ前記不活性ガスを送給し、前記セルにおける前記燃料極と前記空気極との間の電圧が所定電圧に到達した時に、高温状態で前記空気極側への前記酸化ガスの送給を停止するとともに前記空気極側へ前記不活性ガスを送給する制御部とを備える固体酸化物形燃料電池システムを提供する。
【００１２】
このように、本発明では固体酸化物形燃料電池の通常停止及び緊急停止において、先ずは燃料極側を不活性ガスでパージし、空気極側では酸化ガスの送給を継続する。こうすることにより、燃料極側に残存する燃料ガスが空気極に拡散して到達することによって、空気極が還元されることを防止する。そして、燃料極と空気極との間のセル電圧が所定電圧に到達してから、空気極側を不活性ガスでパージする。こうすることにより、燃料極が空気極側から拡散した酸化ガス（酸素）により酸化されることを防止する。従って、本発明に依れば、固体酸化物形燃料電池システムの停止過程において、空気極の還元膨張、あるいは、燃料極の酸化膨張によるセルスタックの損傷を回避することができる。また、燃料極側を不活性ガスでパージする際に、空気極側では酸化ガスの送給を継続していることから、酸化ガスの送給による燃料電池の冷却が可能となり、固体酸化物形燃料電池の停止に掛かる時間の短縮を実現している。
【００１３】
上記運転方法において、前記燃料極側に不活性ガスを送給し、前記空気極側に前記酸化ガスを送給する間の前記電圧を計測する電圧計測工程を更に含み、前記第２の不活性ガスパージ工程において、前記計測された電圧が一定となる場合に、高温状態で前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側に不活性ガスを送給することが好ましい。
【００１４】
上記固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記固体酸化物形燃料電池に、前記電圧を計測する電圧計が設置されることが好ましい。
【００１５】
このように、燃料極側を不活性ガスパージしている間のセルの電圧を監視して、セルの電圧が所定値に到達した場合に空気極側を不活性ガスパージすれば、セルスタックの損傷を確実に回避することができる。
【００１６】
上記運転方法において、前記セルの温度を計測するセル温度計測工程と、前記計測された温度における前記燃料極の材料の酸化還元平衡電位を算出し、該酸化還元平衡電位を前記所定電圧とする酸化還元平衡電位算出工程とを更に含むことが好ましい。
【００１７】
上記固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記固体酸化物形燃料電池に、前記セルの温度を計測する温度計が設置され、前記制御部が、前記温度計で計測された温度における前記燃料極の材料の酸化還元平衡電位を算出し、該酸化還元平衡電位を前記所定電圧に設定することが好ましい。
【００１８】
このように、燃料極側を不活性ガスパージしている間のセルの温度を測定し、セルの温度から算出された酸化還元平衡電位に基づいて燃料極側を不活性ガスパージしている間のセルの電圧の監視を行うことにより、セルスタックの損傷を確実に回避することができる。
【００１９】
上記運転方法において、前記所定流量の不活性ガスを前記燃料極側に送給した場合の前記不活性ガスの送給時間と前記電圧との相関を予め取得し、該相関に基づいて前記所定流量での前記所定電圧となる前記送給時間を取得するパージ時間決定工程を備え、前記第２の不活性ガスパージ工程において、前記パージ時間決定工程により設定された前記送給時間に到達した時に、高温状態で前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側に不活性ガスを送給しても良い。
【００２０】
上記固体酸化物形燃料電池システムにおいて、前記制御部に、前記所定流量の不活性ガスを前記燃料極側に送給した場合の前記不活性ガスの送給時間と前記電圧との相関が予め格納され、前記制御部が、前記相関に基づいて前記酸化ガスの送給の停止及び前記空気極への前記不活性ガスの供給の開始を実施する時期を決定しても良い。
【００２１】
このように、不活性ガス送給時間とセル電圧との相関を予め取得しておけば、停止過程において電圧や温度をモニタリングする必要がない。このため、上述の固体酸化物形燃料電池システムを停止させる工程がより簡略化される。
【００２２】
本発明は、複数のセルを有する１つまたは複数のセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池と、燃焼器、圧縮機、タービン及び発電機を有するガスタービン発電設備とが連結されている複合発電システムの運転方法であって、前記固体酸化物形燃料電池及び前記ガスタービン発電設備が運転している場合に、高温状態で第１の燃料ガス源から前記燃料電池への燃料ガスの送給を停止し、前記セルの燃料極側に不活性ガスを所定の流量で送給するとともに、前記圧縮機から前記セルの空気極側への酸化ガスの送給を継続させる第１の不活性ガスパージ工程と、前記セルにおける前記燃料極と前記空気極との間の電圧が所定電圧に到達した時に、高温状態で前記燃料電池への前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側に不活性ガスを所定の流量で送給して、前記固体酸化物形燃料電池の運転を停止する第２の不活性ガスパージ工程とを含む複合発電システムの運転方法を提供する。
【００２３】
本発明は、複数のセルを有する１つまたは複数のセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池と、タービンと、該タービンに連結される発電機と、前記タービンに燃焼ガスを送給する燃焼器と、前記燃焼器及び前記セルスタックの空気極に酸化ガスを送給可能とする圧縮機とを備えるガスタービン発電設備と、前記セルスタックの燃料極側に燃料ガスを送給する第１の燃料ガス送給部と、前記燃焼器に燃料ガスを送給する第２の燃料ガス送給部と、前記燃料極側に不活性ガスを送給する燃料極側不活性ガス送給部と、前記空気極側に不活性ガスを送給する空気極側不活性ガス送給部と、制御部とを備え、前記空気極から排出された前記酸化ガスが前記燃焼器に送給されるように、前記空気極と前記燃焼器とが連結され、前記燃料極から排出された前記燃料ガスが前記燃焼器に送給されるように、前記燃料極と前記燃焼器とが連結され、前記制御部が、前記固体酸化物形燃料電池及び前記ガスタービン発電設備の運転時に、前記第１の燃料ガス送給部から前記燃料極に燃料ガスを送給させるとともに、前記燃料極から排出された前記燃料ガスを前記燃焼器に送給させ、前記圧縮機から前記空気極に酸化ガスを送給させるとともに、前記空気極から排出された前記酸化ガスを前記燃焼器に送給させ、前記固体酸化物形燃料電池の停止時に、前記第１の燃料ガス送給部から前記燃料極への前記燃料ガスの送給を停止するとともに、前記燃料極側不活性ガス送給部から前記燃料極側へ前記不活性ガスを送給し、前記セルにおける前記燃料極と前記空気極との間の電圧が所定電圧に到達した時に、高温状態で前記圧縮機から前記空気極への前記酸化ガスの送給を停止するとともに、前記空気極側不活性ガス送給部から前記空気極側へ前記不活性ガスを送給させる複合発電システムを提供する。
【００２４】
固体酸化物形燃料電池とガスタービン発電設備を組み合わせた複合発電システムにおいて、上述の工程で固体酸化物形燃料電池を通常停止または緊急停止すれば、空気極の還元膨張、あるいは、燃料極の酸化膨張によるセルスタックの損傷を回避することができる。また、酸化ガスの送給によって燃料電池の冷却が可能となり、固体酸化物形燃料電池の停止に掛かる時間を短縮することができる。
【００２５】
上記複合発電システムの運転方法において、前記第１の不活性ガスパージ工程において、第２の燃料ガス源から前記燃焼器への燃料ガスの供給を開始し、前記第２の不活性ガスパージ工程において、前記圧縮機から前記燃焼器に前記酸化ガスを直接送給して、前記ガスタービン発電設備の運転を継続させることが好ましい。
【００２６】
上記複合発電システムにおいて、前記制御部が、前記第１の燃料ガス送給部から前記燃料極への前記燃料ガスの送給が停止されたときに、前記第２の燃料ガス送給部から前記燃焼器に燃料ガスを送給させ、前記圧縮機から前記空気極への前記酸化ガスの送給が停止されたときに、前記圧縮機から前記燃焼器に前記酸化ガスを送給させることが好ましい。
【００２７】
このように固体酸化物形燃料電池を停止する工程に移行した時に、ガスタービン発電設備の燃焼器に直接燃料ガスと酸化ガスをと送給してガスタービン発電設備の運転を継続させれば、安定した電力供給を実施することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に依れば、通常の停止時や緊急停止時において、高温状態における酸化または還元を起こさずに、セルスタックの破損を防止しながら、短時間で固体酸化物形燃料電池システムを冷却し、停止させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】固体酸化物形燃料電池システムの概略図である。
【図２】第１実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。
【図３】燃料極側にＮ２ガスを送給し、空気極側に空気を送給しながら固体酸化物形燃料電池システムを停止した場合の平均セル電圧の経時変化を表すグラフである。
【図４】第２実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。
【図５】燃料極に送給されるＮ２ガスの流量を変えた場合のセル電圧の経時変化の一例を表すグラフである。
【図６】第３実施形態に係る運転方法を説明するフローチャートである。
【図７】複合発電システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムを以下で説明する。
図１は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの概略図である。本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１は、円筒型の固体酸化物形燃料電池１２が適用される。固体酸化物形燃料電池１２の内部には、１つまたは複数の円筒形状のセルスタックが収納されている。複数のセルスタックが収納されている場合は、各セルスタックが電気的に並列に接続される。
【００３１】
セルスタック上に複数のセルが形成され、１つのセルは基体管側から燃料極、固体酸化物膜、空気極が積層されて構成されている。あるいは、１つのセルは基体管側から空気極、固体酸化物膜、燃料極が積層されて構成されている。なお、以下では基体管上に燃料極、固体酸化物膜、空気極の純で積層したセルスタックを用いた場合で説明を行う。
隣接するセル同士は、インターコネクタで連結される。本実施形態において、固体酸化物形燃料電池１２の燃料極は、Ｎｉを含み、例えばＮｉ及びＹＳＺの混合物とされる。固体電解質膜は、一般にＹＳＺとされる。また、固体酸化物形燃料電池１２の空気極は、ＬａＭｎＯ３系材料、ＬａＦｅＯ３系材料、ＬａＣｏＯ３系材料などの酸化物とされる。インターコネクタは、ＳｒＴｉＯ３などのペロブスカイト型酸化物、ＬａＣｒＯ３系材料などとされる。
【００３２】
固体酸化物形燃料電池１において、燃料ガス送給部２は、送給ファン４の受入口に連絡する。送給ファン４の送出口は熱交換器１１の受入口の１つに連絡する。
【００３３】
燃料ガス送給部２は、燃料ガス源２ａと、流量調整弁２ｂと、流量検出器２ｃとで構成される。燃料ガス源２ａには、燃料ガスとしてＨ２ガスまたはＣＨ４ガスが収容されている。
【００３４】
図１において、燃料極側不活性ガス送給部３は、送給ファン４の送出口と熱交換器１１の受入口の１つとの間に連絡する。あるいは、燃料極側不活性ガス送給部３は、送給ファン４の受入口に連絡していても良い。燃料極側不活性ガス送給部３は、第１の不活性ガス源３ａと、流量調整弁３ｂと、流量検出器３ｃとで構成される。第１の不活性ガス源３ａには、不活性ガスが収容されている。ここで使用される不活性ガスは、Ｎ２ガス、Ｈｅガスなどの希ガス、燃焼排ガスなどとされる。不活性ガス中の酸素濃度は、数百ｐｐｍ以下とされ、少ないほど好ましい。運転コストを考慮すると、不活性ガスとしてＮ２ガスを用いることが特に好ましい。
【００３５】
熱交換器１１の一方の送出口は、固体酸化物形燃料電池１２の燃料ガス供給室に連絡する。燃料ガス供給室は、固体酸化物形燃料電池１２に収納されているセルスタックの一方の端部に接続する。従って、熱交換器１１の一方の送出口から排出された燃料ガスまたは不活性ガスは、セルスタックの基体管の一方の端部から、基体管内側に送給される。
【００３６】
固体酸化物形燃料電池１２のセルスタックの他端部は、燃料ガス排出室に接続する。固体酸化物形燃料電池１２の燃料ガス排出室は、送給ファン４の受入口に連絡するとともに、燃焼器１３の一方の受入口に連絡する。
【００３７】
燃焼器１３の排出口は、熱交換器１４の一方の受入口に連絡する。熱交換器１４の一方の送出口は、排ガスボイラ１５の排ガス受入口に連絡する。排ガスボイラ１５の排ガス送出口は、煙突１６に連絡する。
【００３８】
酸化ガス送給部５は、エアフィルタ５ａと、流量調整弁５ｂと、流量検出器５ｃとで構成される。酸化ガス送給部５は、送給ファン７の受入口に連絡する。送給ファン７の送出口は、熱交換器１４の他方の受入口に連絡する。エアフィルタ５ａは、酸化ガスとして空気を外部環境から取り込む。
【００３９】
図１において、空気極側不活性ガス送給部６は、送給ファン７の送出口と熱交換器１４の他方の受入口との間に連絡する。あるいは、空気極側不活性ガス送給部６は、送給ファン７の受入口に連絡していても良い。空気極側不活性ガス送給部６は、第２の不活性ガス源６ａと、流量調整弁６ｂと、流量検出器６ｃとで構成される。第２の不活性ガス源６ａには、不活性ガスが収容されている。ここで使用される不活性ガスは、Ｎ２ガス、Ｈｅガスなどの希ガス、燃焼排ガスなどとされる。不活性ガス中の酸素濃度は、数百ｐｐｍ以下とされ、少ないほど好ましい。運転コストを考慮すると、不活性ガスとしてＮ２ガスを用いることが特に好ましい。
【００４０】
熱交換器１４の他方の送出口は、熱交換器１１の他方の受入口に連絡する。熱交換器１１の他方の送出口は、固体酸化物形燃料電池１２の酸化ガス供給室に連絡する。熱交換器１１の他方の送出口から排出された酸化ガスまたは不活性ガスは、セルスタックの周囲に供給される。
【００４１】
固体酸化物形燃料電池１２の酸化ガス排出室は、燃焼器１３の他方の受入口に連絡する。
【００４２】
燃料ガス送給部２の流量調整弁２ｂ、酸化ガス送給部５の流量調整弁５ｂ、燃料極側不活性ガス送給部３の流量調整弁３ｂ、及び、空気極側不活性ガス送給部６の流量調整弁６ｂは、制御部２０の出力部に接続する。送給ファン４，７は、制御部２０の出力部に接続する。
【００４３】
燃料ガス送給部２の流量検出器２ｃ、酸化ガス送給部５の流量検出器５ｃ、燃料極側不活性ガス送給部３の流量検出器３ｃ、及び、空気極側不活性ガス送給部６の流量検出器６ｃは、制御部２０の入力部に接続する。
【００４４】
固体酸化物形燃料電池１２の緊急停止により電力が失われる場合に備え、制御部２０は非常用電源（不図示）に接続する。
【００４５】
本実施形態において、固体酸化物形燃料電池１２には、セルの電圧を計測する電圧計２１が設置される。本実施形態において、電圧計２１は、セル空気極部あるいはセルスタック両端部（集電部）に接続され、１つのセルスタックについて燃料極と空気極との間の電位差を計測する。すなわち、電圧計２１は、直列接続された複数のセルの燃料極と空気極との間の電位差を計測する。固体酸化物形燃料電池１２が複数のセルスタックを有する場合、全てのセルスタックについて電位が計測されても良いし、任意のセルスタックの電位が計測されても良い。また、セルスタックの任意のセル空気極部に接続することにより、セルスタックの特定のセルの電圧を計測しても良い。電圧計２１は、制御部２０の入力部に接続する。固体酸化物形燃料電池１２の緊急停止により電力が失われる場合に備え、電圧計２１は非常用電源（不図示）に接続する。
【００４６】
第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム１の運転方法を以下で説明する。図２は、第１実施形態の運転方法のフローチャートである。
【００４７】
先ず、固体酸化物形燃料電池の運転状態について説明する。制御部２０は、送給ファン４，７を作動させる。制御部２０は、流量検出器２ｃからの信号に基づいて流量調整弁２ｂを調整し、燃料ガス源２ａから燃料ガスを所定流量で送給する。制御部２０は、流量検出器５ｃからの信号に基づいて流量調整弁５ｂを調整し、酸化ガスとしてエアフィルタ５ａが取り込んだ空気を所定流量で送給する。送給ファン４により熱交換器１１に送給された燃料ガスは、熱交換器１１において９００℃〜１０００℃程度に加熱される。送給ファン７により熱交換器１４に送給された空気は、熱交換器１４において９００℃〜１０００℃程度に加熱される。
【００４８】
加熱された燃料ガス及び空気は、それぞれ固体酸化物形燃料電池１２の燃料ガス供給部及び酸化ガス供給部に送給される。燃料ガスは、燃料ガス供給部からセルスタックの基体管内部に送給されて、燃料ガス排出部に向かって基体管内部を流通する。この際、燃料ガスの一部は基体管内側から外側に向かって拡散する。空気は、酸化ガス供給部からセルスタックの周囲に送給され、酸化ガス排出部から排出される。この際、空気の一部は空気極側から基体管の方に向かって拡散する。セルの各々の固体電解質膜において燃料ガスと空気中の酸素とが反応し、電気が発生する。
【００４９】
燃料ガス排出部から排出された未反応の燃料ガスは、一部が熱交換器１１の一方の受入口に送給されて、再度固体酸化物形燃料電池１２に供給される。燃料ガスの残りは、酸化ガス排出部から排出された空気とともに燃焼器１３に送給されて燃焼される。燃焼後の排ガスは熱交換器１４に送給され、空気の加熱用熱源に利用された後、煙突１６を介して外部環境に排出される。排ガスからの熱により加熱された空気は、熱交換器１１において燃料ガスの加熱用熱源とされる。
【００５０】
上述の運転状態にある固体酸化物形燃料電池システム１においてシステム異常が検出される（Ｓ１）。制御部２０は、制御部２０に入力される流量検出器２ｃの値、流量検出器５ｃの値、電圧計２１の値、セルの温度を計測する温度計の値のいずれかが急激に変化した場合、システム異常が発生したと判断する。システム異常を判断する閾値は適宜設定される。例えば、上記の数値が設定値から±５％を超えて変化した場合、制御部２０はシステム異常と判断する。これにより、固体酸化物形燃料電池システム１が停止状態（制御部２０により電流負荷が遮断され、電解質膜を介した電気化学反応を停止した状態）に移行する。
【００５１】
制御部２０がシステム異常を検出し、固体酸化物形燃料電池１２の電流負荷が遮断されて停止状態に移行すると、制御部２０は、燃料ガス送給部２の流量検出器２ｃからの信号に基づいて流量調整弁３ｂを調整し、燃料ガス源２ａからの燃料ガスの供給を停止する（Ｓ２）。
【００５２】
次いで、制御部２０は流量検出器３ｃからの信号に基づいて流量調整弁３ｂを調整し、第１の不活性ガスガス源３ａから不活性ガス（Ｎ２ガス）を所定流量で送給する（Ｓ３）。これにより、燃料極側の配管系統が不活性ガスでパージされる。この時、空気極側への空気の送給は継続される。このため、固体酸化物形燃料電池１２内の残留熱の一部は送給される空気により熱交換されることから、セルスタックの発電部はその運転温度である９５０℃よりも低い温度領域である６５０℃〜８５０℃に冷却されている。また、固体酸化物形燃料電池１２内に送給される空気は熱交換器１４をバイパスして送給することも可能である。これにより固体酸化物形燃料電池１２内の冷却をより促進することが可能である。
【００５３】
電圧計２１は、所定の時間間隔でセルスタックの電圧を計測する（Ｓ４）。計測された電圧は、制御部２０に送信される。制御部２０は、１つのセルスタックの電圧について、平均セル電圧Ｖｃｅｌｌを取得する。平均セル電圧Ｖｃｅｌｌは、セルスタックの電圧を、１つのセルスタック上に形成されたセル数で除した値である。制御部２０が複数のセルスタックについて電圧を取得した場合は、制御部２０は各セルスタックでの平均セル電圧の平均を、Ｖｃｅｌｌとして取得する。
【００５４】
セルスタックの外側を流通する空気の一部は、空気極側から基体管に向かって拡散する。一方、停止状態初期（燃料ガス供給停止直後）では、系内の配管に燃料ガスが残存している。残存している燃料ガス及び不活性ガスは、セルスタックの基体管に送給され、基体管内側から外側に向かって拡散する。トリップ状態初期では、燃料極−空気極間の酸素分圧差により空気側から拡散した酸素は、残存している燃料ガスと反応するため、燃料極の酸素分圧ＰＯ２Ａｎｏｄｅは、Ｎｉの酸化クライテリア以下であり、燃料極中のＮｉは、酸化されない。このときの酸素分圧クライテリアは、反応式（１）からトリップ状態での温度におけるＮｉの酸化反応の圧平衡定数Ｋｐを用いて、式（２）で表される。
２Ｎｉ＋Ｏ２→２ＮｉＯ…（１）
ＰＯ２Ａｎｏｄｅ｜Ｌ＝１／Ｋｐ…（２）
ＰＯ２Ａｎｏｄｅ｜Ｌは、燃料極のＮｉが酸化するクライテリアの酸素分圧である。つまり、酸素分圧が、ＰＯ２Ａｎｏｄｅ｜L以上になると燃料極中のＮｉは、酸化される。
また、燃料極と空気極との間の電位差（Ｎｉの酸化還元平衡電位）、すなわち、起電力Ｅｒｅｖは、式（３）で表される。
Ｅｒｅｖ＝ＲＴ／４Ｆ×ｌｎ（ＰＯ２Ｃａｔｈｏｄｅ／ＰＯ２Ａｎｏｄｅ）…（３）
Ｒは気体定数、Ｔはトリップ状態でのセル温度、Ｆはファラデー定数である。ＰＯ２Ｃａｔｈｏｄｅは、空気極における酸素分圧であり、０．２１ａｔｍである。
【００５５】
システム内の燃料ガス流通路が不活性ガスに置換され、残存する燃料ガスが、空気側から拡散した酸素で、消費されていくため、燃料極内の酸素分圧ＰＯ２Ａｎｏｄｅは増加する。残存燃料ガスが消費され、燃料極の酸素分圧がＮｉの酸化クライテリアＰＯ２Ａｎｏｄｅ｜L  以上になると空気極から拡散した酸素は、Ｎｉと反応する。このとき、高温下（100℃以上）ではＮｉと酸素の反応速度は、空気極から拡散する酸素の速度に比べて、十分に大きいため、空気極から拡散する酸素の拡散律速となり、燃料ガス流通路が不活性ガスで十分に置換されると、ＰＯ２Ａｎｏｄｅは一定値ＰＯ２Ａｎｏｄｅ｜Lになる。従って、起電力Ｅｒｅｖも一定となる。
【００５６】
制御部２０は、取得した平均セル電圧Ｖｃｅｌｌが一定であるかを判定する（Ｓ５）。制御部２０は、取得した平均セル電圧がその直前に取得した平均セル電圧に対して±５％以内である時を「セル電圧が一定」と判断する。
制御部２０は、平均セル電圧Ｖｃｅｌｌが一定でない場合、セルスタックの燃料極側への不活性ガスの送給を継続するとともに、空気極側への空気の送給を継続する。
制御部２０は、平均セル電圧Ｖｃｅｌｌが一定となった場合に、その電圧をＮｉの酸化還元平衡電位であると判断する。制御部２０は、平均セル電圧ＶｃｅｌｌがＮｉの酸化還元平衡電位に到達したと判断した場合、酸化ガス送給部５の流量検出器５ｃからの信号に基づいて流量調整弁５ｂを調整し、空気の供給を停止する（Ｓ６）。
【００５７】
図３は、燃料極側にＮ２ガスを送給し、空気極側に空気を送給しながら固体酸化物形燃料電池システムの停止を実施した場合のセルスタックの平均セル電圧の経時変化である。同図において、横軸は燃料極側に不活性ガスとしてＮ２ガスを送給した時間（Ｎ２パージ時間）、縦軸は固体酸化物形燃料電池セルの平均セル電圧である。グラフを取得した固体酸化物形燃料電池は、１本のセルスタックを収納し、１本のセルスタックに４８個のセルが形成されたものである。燃料電池内のセルスタックの電圧を測定して、平均セル電圧Ｖｃｅｌｌを算出した。
【００５８】
図３における「０時間」は燃料極への燃料ガスの供給を停止するとともにＮ２ガスの供給を開始した時点を表している。図３の負の時間は、燃料極へ燃料ガス（Ｈ２ガス）が送給され、空気極に空気が送給されている期間であることを意味する。図３の正の時間は、燃料極へＮ２ガス、空気極に空気が送給されている期間であることを意味する。
図３の例では平均電圧１．０Ｖで発電を実施していたが、燃料極への燃料ガスの送給を停止しＮ２ガスの送給を開始すると、電圧が急激に低下した。Ｎ２ガスの送給を開始してから約２時間後に、平均電圧が０．７Ｖでほぼ一定となった。この平均電圧値（０．７Ｖ）は、Ｎｉの酸化還元平衡電位に相当する。
【００５９】
この状態で燃料極へのＮ２ガスの送給及び空気極への空気の送給を継続すると、約６時間後に平均セル電圧の低下が起こった。Ｎ２ガス送給開始から９時間後に、燃料極へのＮ２ガスの送給を停止し、Ｈ２ガスの送給を再開したが、発電時の平均電圧は０．９２５〜０．９２６Ｖであった。このことから、Ｎ２ガス送給開始から約６時間後に、セルスタックの損傷が発生したと判断できる。
【００６０】
従って図３の例においては、平均セル電圧が一定となったＮ２ガス送給開始から２時間から６時間の間に、空気極側への空気の供給を停止する。すなわち、本実施形態においては、セルスタックの損傷が起こる前に、空気極への酸化ガスの送給を停止する。
【００６１】
空気極への空気の送給を停止した後、制御部２０は流量検出器６ｃからの信号に基づいて流量調整弁６ｂを調整し、第２の不活性ガス源６ａから不活性ガス（Ｎ２ガス）を所定流量で送給する（Ｓ７）。これにより、固体酸化物形燃料電池１２の空気極側の配管系統に、不活性ガスがパージされる。空気極側の配管系統内の空気が十分に不活性ガスに置換されると、固体酸化物形燃料電池システム１が停止する（Ｓ８）。
【００６２】
＜第２実施形態＞
第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムは、図１の固体酸化物形燃料電池１２に、セルの温度を計測する温度計が設置される。燃料電池システム内のセルスタック発電部には、最高温度と最小温度の差ΔＴが１００℃〜３００℃程度生じる。このため、空気極からの酸素の拡散速度を考慮すると、ここで計測される温度は、セル部の最高温度部（例えば、セルスタック軸方向の中央部）の温度であることが好ましい。温度計は、図１の制御部２０の入力部に接続する。
【００６３】
第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの運転方法を以下で説明する。図４は、第２実施形態の運転方法のフローチャートである。以下では、第１実施形態と同じ構成要素について、図１と同じ符号を付して説明する。
【００６４】
図４におけるトリップ状態移行（Ｓ１１）、燃料ガス供給停止（Ｓ１２）、燃料極側への不活性ガスの送給（Ｓ１３）、及び、電圧計測（Ｓ１４）は、第１実施形態と同じである。
【００６５】
温度計はセルの温度を計測する（Ｓ１５）。計測された温度は、制御部２０に送信される。
【００６６】
制御部２０は、温度計から取得した温度に基づいて、式（３）を用いてトリップ状態におけるＮｉの酸化還元平衡電位Ｅｒｅｖを算出する。制御部２０は、電圧計２１から取得した平均セル電圧Ｖｃｅｌｌと算出したＥｒｅｖとを比較し、取得したＶｃｅｌｌがＥｒｅｖに到達したか否かを判断する（Ｓ１６）。
【００６７】
制御部２０は、ＶｃｅｌｌがＥｒｅｖに到達していないと判断した場合（すなわち、Ｖｃｅｌｌ＞Ｅｒｅｖ）、燃料極側への不活性ガスの送給を継続するとともに、空気極側への空気の送給を継続する。
【００６８】
制御部２０は、ＶｃｅｌｌがＥｒｅｖに到達したと判断した場合（すなわち、Ｖｃｅｌｌ≦Ｅｒｅｖ）、酸化ガス送給部５の流量検出器５ｃからの信号に基づいて流量調整弁５ｂを調整し、空気の供給を停止する（Ｓ１７）。
【００６９】
次いで、制御部２０は、第１実施形態と同様にして、第２の不活性ガス源６ａから不活性ガス（Ｎ２ガス）を所定流量で送給する（Ｓ１８）。空気極側の配管系統内の空気が十分に不活性ガスに置換されると、固体酸化物形燃料電池システム１が停止する（Ｓ１９）。
【００７０】
＜第３実施形態＞
第３実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムは、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池１２に設置される電圧計が省略されている。また、第２実施形態の温度計も設置されていない。
【００７１】
第３実施形態では、燃料極への不活性ガスパージ時間とセル電圧、セルスタック電位あるいは、セルスタックの集合体であるカートリッジ電位との相関関係（電圧の経時変化）が予め取得されている。
【００７２】
図５は、燃料極に送給されるＮ２ガスの流量を変えた場合において、セル電圧の経時変化の一例である。同図において、横軸はＮ２ガスを送給した時間（Ｎ２パージ時間）、縦軸はセル電圧である。燃料極側に送給するＮ２ガスの流量により、セル電圧が一定となるパージ時間が異なる。「セル電圧が一定」との定義は、第１実施形態と同じとされる。図５によれば、Ｎ２ガス流量５０００ｍＬ／ｍｉｎの場合、Ｎ２パージ時間が約０．３時間（約１８分）以降でセル電圧が一定となる。Ｎ２ガス流量５０ｍＬ／ｍｉｎの場合、Ｎ２パージ時間が約０．６時間（約３６分）以降でセル電圧が一定となる。
【００７３】
第３実施形態では、種々の不活性ガス流量について、それぞれセル電圧が一定となるパージ時間ｔｄのデータが取得される。取得されたパージ時間ｔｄのデータは、制御部に格納される。
【００７４】
第３実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの運転方法を以下で説明する。図６は、第３実施形態の運転方法のフローチャートである。以下では、第１実施形態と同じ構成要素について、図１と同じ符号を付して説明する。
【００７５】
図６におけるトリップ状態移行（Ｓ２１）、燃料ガス供給停止（Ｓ２２）、及び、燃料極側への不活性ガスの送給（Ｓ２３）は、第１実施形態と同じである。
【００７６】
制御部２０は、不活性ガスの送給が開示されてからの不活性ガスパージ時間ｔを管理する。制御部２０は、格納されているデータの中から、Ｓ２３における不活性ガス供給流量でセル電圧が一定となるパージ時間ｔｄを呼び出す。制御部２０は、ｔとｔｄとを比較し、ｔがｔｄに到達したか否かを判断する（Ｓ２４）。
【００７７】
制御部２０は、不活性ガスパージ時間ｔがｔｄに到達していないと判断した場合（すなわち、ｔ＜ｔｄ）、燃料極側への不活性ガスの送給を継続するとともに、空気極側への空気の送給を継続する。
【００７８】
制御部２０は、不活性ガスパージ時間ｔがｔｄに到達したと判断した場合（すなわち、ｔ≧ｔｄ）、酸化ガス送給部５の流量検出器５ｃからの信号に基づいて流量調整弁５ｂを調整し、空気の供給を停止する（Ｓ２５）。
【００７９】
次いで、制御部２０は、第１実施形態と同様にして、第２の不活性ガス源６ａから不活性ガス（Ｎ２ガス）を所定流量で送給する（Ｓ２６）。空気極側の配管系統内の空気が十分に不活性ガスに置換されると、固体酸化物形燃料電池システム１が停止する（Ｓ２７）。
【００８０】
＜第４実施形態＞
図７に示されている複合発電システム４１は、固体酸化物形燃料電池４２と、ガスタービン発電装置４３から構成される。複合発電システム４１は、固体酸化物形燃料電池４２による発電とガスタービン発電設備４３による発電を組み合わせ、高い効率を得ることができる発電システムである。
【００８１】
複合発電システム４１に利用される燃料ガス、空気ガス及び不活性ガスの配管系統として、燃料ガス供給流路Ｌ１、燃料極側の不活性ガス供給流路Ｌ２、排燃料ガス流路Ｌ３、再循環ガス流路Ｌ４、燃焼器用の燃料ガス供給流路Ｌ５、酸化ガス供給流路Ｌ６、排気流路Ｌ７、空気極側の不活性ガス供給流路Ｌ８、排酸化ガス流路Ｌ９、酸化ガスバイパス流路Ｌ１０、排燃料ガス排出流路Ｌ１１、及び、排酸化ガス排出流路Ｌ１２が設けられている。
【００８２】
燃料ガス供給流路Ｌ１は、燃料ガスの流量を調整する流量調整弁４５を介して、燃料ガス供給源４４と固体酸化物形燃料電池４２とを接続している。また、燃料ガス供給流路Ｌ１には、起動または停止時に不活性ガスを供給する不活性ガス供給流路Ｌ２が接続されている。燃料極側の不活性ガス供給流路Ｌ２は、不活性ガスの流量を調整する流量調整弁４７を介して、燃料極側の不活性ガス供給源４６が接続されている。
【００８３】
固体酸化物形燃料電池４２の発電に利用された燃料ガスは、排燃料ガス流路Ｌ３に排出される。排燃料ガス流路Ｌ３は、燃料ガスと排燃料ガスの熱交換器４８、排燃料ガス再循環ブロワ４９及び流量調整弁５０を介して、ガスタービン発電装置４３の燃焼器５１に接続されている。
熱交換器４８は、燃料ガス供給流路Ｌ１から供給される燃料ガスと固体酸化物形燃料電池４２から排燃料ガス流路Ｌ３に排出される発電に利用された高温の排燃料ガスとの熱交換を行い、固体酸化物形燃料電池４２に供給される燃料ガスを予熱している。排燃料ガス再循環ブロワ４９は、固体酸化物形燃料電池４２より排燃料ガス流路に排出される排燃料ガスに含まれる未利用燃料を再循環ガス流路Ｌ４により燃料ガス供給流路Ｌ１に再循環させている。流量調整弁５０は、ガスタービン発電設備４３の燃焼器５１に供給される排燃料ガス流路Ｌ３を流れる排燃料ガスのガス流量を制御している。
【００８４】
酸化ガス供給流路Ｌ６は、熱交換器５２と、流量調整弁５３を介して、ガスタービン発電設備４３の圧縮機５４と固体酸化物形燃料電池４２を接続している。また、酸化ガス供給流路Ｌ６には、起動または停止時に不活性ガスを供給する空気極側の不活性ガス供給流路Ｌ８が接続されている。空気極側の不活性ガス供給流路Ｌ９は、不活性ガスの流量を調整する流量調整弁５８を介して、空気極側の不活性ガス供給源５７が接続されている。熱交換器５２は、圧縮機５４により加圧された酸化剤ガスと、タービン５５から排燃焼ガス流路Ｌ７に排出される排燃焼ガスとで熱交換を行い、固体酸化物形燃料電池４２に供給される酸化ガスを昇温している。流量調整弁５３は圧縮器５４から供給される酸化ガスの流量を制御している。
【００８５】
固体酸化物形燃料電池４２の発電に利用された酸化ガスは、排酸化ガス流路Ｌ９に排出される。排酸化ガス流路Ｌ９は、ガスタービン発電装置４３の燃焼器５１に接続されおり、排酸化ガスが燃焼器５１に供給される。また、排酸化ガス流路Ｌ９には、酸化ガスバイパス流路Ｌ１０が接続されている。酸化ガスバイパス流路Ｌ１０は、複合発電システム４１の起動停止時やガスタービン発電設備４３の単独運転時において、酸化ガスが固体酸化物形燃料電池４２をバイパスして、燃焼器５１に供給するための配管系統である。
【００８６】
ガスタービン発電設備４３には、酸化ガスを圧縮する圧縮機５４と、ガスタービンを駆動させるための燃焼ガスを生成する燃焼器５１と、燃焼ガスを膨張させて回転するタービン５５と、が備えられている。圧縮機５４は、タービン５５と同軸に連結されている。また、発電機５６は、タービン５５と同軸に連結されている。
【００８７】
燃焼器５１は、固体酸化物形燃料電池が排出される燃料ガスと酸化ガスとを燃焼させて高温高圧の燃焼ガスをタービン５５に供給している。また、燃焼器５１には、排燃料ガス流路Ｌ３とは別に、直接燃料ガスを供給するための燃焼器用の燃料ガス供給流路Ｌ５が接続されている。燃焼器用の燃料ガス供給流路Ｌ５は、流量調整弁６０を介して燃焼器５１と燃料ガス源５９とを接続している。
【００８８】
次に上記構成の複合発電システムの動作について説明する。
ガスタービン発電装置４３の圧縮機５４で圧縮され、吐出された吐出空気（酸化ガス）は、酸化ガス流路Ｌ６を通って固体酸化物形燃料電池４２の空気極に供給される。
この吐出空気（酸化ガス）は固体酸化物形燃料電池４２で酸化剤として発電に用いられた後、排酸化ガス流路Ｌ９に排出され、ガスタービン発電装置４３の燃焼器５１に供給される。
【００８９】
酸化ガス供給流路Ｌ６に介装される流量調整弁５３は、固体酸化物形燃料電池４２とガスタービン発電装置４３とを切り離すために用いられ、ノルマルクローズの流量調整弁が備えられている。排酸化ガス流路Ｌ９に介装される流量調整弁６１も同様に、固体酸化物形燃料電池４２とガスタービン発電設備４３とを切り離すために用いられ、ノルマルクローズの自動弁が備えられている。
【００９０】
また、固体酸化物形燃料電池４２の燃料極には、燃料ガス供給流路Ｌ１から燃料ガスとして、例えば都市ガス（天然ガス）等が供給される。この燃料ガスは固体酸化物形燃料電池４２で還元剤として一部が発電に用いられた後、固体酸化物形燃料電池４２の燃料極側から排燃料ガス流路Ｌ３に排出される。この排燃料ガスは、排燃料ガス流路Ｌ３を通って燃焼器５１に供給される。排燃料ガス流路Ｌ３には、排燃料ガスの圧力を調整する流量調整弁５０が介装され、ノルマルクローズの自動弁が備えられている。
【００９１】
ガスタービン発電装置４３の燃焼器５１では、排酸化ガス流路Ｌ９からの排酸化ガスを用いて排燃料ガス流路Ｌ３から供給される排燃料ガス及び燃焼器用の燃料ガス流路Ｌ５により供給される燃料ガス、たとえば、都市ガス（天然ガス）を燃焼させ、生成した高温高圧の燃焼ガスをタービン５５へ供給する。
【００９２】
燃焼ガスの供給を受けたタービン５５では、燃焼ガスが膨張する際のエネルギーで回転して軸出力を発生する。この軸出力は、主として発電機５６の駆動に使用されて電気エネルギーに変換されるが、一部は圧縮機５４の駆動源として使用される。燃焼ガスは、タービン５５で利用された後には熱交換器５２で吐出空気（酸化ガス）と熱交換すべく、排燃焼ガス流路Ｌ７に排出される。
【００９３】
なお、上述のように、固体酸化物形燃料電池４２から排出された排燃料ガスの一部を再び固体酸化物形燃料電池４２の燃料極側に戻し、残りの排燃料ガスの一部をガスタービン発電装置の燃焼器５１に送るように構成されていてもよいし、固体酸化物形燃料電池４２から排出された排燃料ガスの全てをガスタービン発電装置の燃焼器５１側に送る構成とされていてもよい。
【００９４】
複合発電システムの運転状態について説明する。制御部６２は、ガスタービン発電設備４３の燃焼器５１に燃料ガスと酸化ガスを供給することでタービン５５を起動させる。制御部６２はタービン５５の起動状態を検知し、圧縮機５４による固体酸化物形燃料電池４２への空気の送給を開始する。空気は、熱交換器５２において、タービン５５の排燃焼ガスとの熱交換を行い、熱交換器５２の出口において２００〜５００℃程度に加熱される。圧縮機５４は外気から空気を取り込んで圧縮することで酸化ガスを送給している。
【００９５】
固体酸化物形燃料電池４２に対する空気の送給により、固体酸化物形燃料電池４２が所定の温度まで昇温されるのを温度検出器６８で検知すると、燃料ガス供給流路Ｌ１に介装されている流量調整弁４５を調整して、燃料ガス源４４からの燃料ガスの供給を開始する。
【００９６】
燃料ガス及び酸化ガスは、それぞれ固体酸化物形燃料電池４２の燃料ガス供給部及び酸化ガス供給部に送給される。燃料ガスは、燃料ガス供給部から固体酸化物形燃料電池４２内のセルスタックの基体管内部に送給されて、燃料ガス排出部に向かって基体管内部を流通する。空気は、酸化ガス供給部からセルスタックの周囲に送給され、酸化ガス排出部から排出される。セルスタックの内外を流通する燃料ガスと空気は、セルの各々の固体電解質膜において反応し、電気が発生する。
【００９７】
固体酸化物形燃料電池４２から排出される排燃料ガス及び排酸化ガスは、それぞれ排燃料ガス流路Ｌ３及び排酸化ガス流路Ｌ９により燃焼器５１に送給され、燃焼器５１において燃焼している。
【００９８】
上述の運転状態にある複合発電システム４１においてシステム異常が検出される。これにより、複合発電システム４１が停止状態に移行する。
【００９９】
停止状態に移行すると、制御部６２は、燃料ガス供給流路Ｌ１の流量検出器６３からの信号に基づいて流量調整弁４５を調整し、燃料ガス源４４からの燃料ガスの供給を停止する。
この停止状態に移行する際に、燃料ガス供給流路Ｌ５に介装されている流量調整弁６０を調整し、ガスタービン発電装置の燃焼器５１への燃料ガス源５９から燃料ガスの送給を開始することで、タービン５５を単独運転させる。なお、図７において、燃料ガス源５９は燃料ガス源４６と別々に図示されているが、同一の燃料ガス源に接続されていても良い。
【０１００】
次いで、制御部６２は流量検出器６４からの信号に基づいて流量調整弁４７を調整し、燃料極側のパージガス供給源４６から不活性ガスを所定流量で送給する。これにより、燃料極側の配管系統（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４）が不活性ガスでパージされる。この時、空気極側への空気の送給は継続される。このため、固体酸化物形燃料電池４２内の残留熱の一部は送給される空気により熱交換されることから、セルスタックの発電部はその運転温度である９５０℃よりも低い温度領域である６５０℃〜８５０℃に冷却されている。また、固体酸化物形燃料電池４２内に送給される空気は熱交換器５２を迂回して送給（図示しない）することも可能である。これにより固体酸化物形燃料電池４２内の冷却をより促進することが可能である。燃料極側の配管系統に不活性ガスをパージする際には、排燃料ガス流路Ｌ３に介装される流量調整弁５０を閉じることで燃料極側の配管系統のパージを実施する。
【０１０１】
第１実施形態と同様に、電圧計６７は、所定の時間間隔でセルスタックの電圧を計測する。計測された電圧は、制御部６２に送信される。制御部６２は、１つのセルスタックの電圧について、平均セル電圧Ｖｃｅｌｌを取得する。
【０１０２】
制御部６２は、平均セル電圧Ｖｃｅｌｌが一定でない場合、セルスタックの燃料極側への不活性ガスの送給を継続するとともに、空気極側への空気の送給を継続する。
制御部６２は、平均セル電圧Ｖｃｅｌｌが一定となった場合に、その電圧をＮｉの酸化還元平衡電位であると判断する。制御部６２は、平均セル電圧ＶｃｅｌｌがＮｉの酸化還元平衡電位に到達したと判断した場合、酸化ガス送給経路Ｌ６の流量検出器６５からの信号に基づいて流量調整弁５３を調整する。この状態において、酸化ガスは、酸化ガスバイパス流路Ｌ１０に介装される流量調整弁６９を開くことで、酸化ガスバイパス流路Ｌ１０を介して燃焼器５１に送給される。なお、制御部６２における平均セル電圧を考慮する固体酸化物形燃料電池４２の停止判断は第１実施形態と同様に行われる。
【０１０３】
固体酸化物形燃料電池４２の空気極に空気の送給の停止は、酸化ガスバイパス流路Ｌ１０に介装される流量調整弁を開くと同時に流量調整弁５３を閉じることで行われる。これにより圧縮機５４から供給される酸化ガスは、燃焼器５１に対して継続して送給されることから、ガスタービン発電設備４３は停止することなく、単独運転を継続することもかのうであり、所定の停止動作により運転を停止しても良い。
【０１０４】
次に、制御部６２は流量検出器６６からの信号に基づいて流量調整弁５８を開き、空気極側の不活性ガス源５７から不活性ガス（Ｎ２ガス）を所定流量で送給する。また、排酸化ガスパージ流路Ｌ１２に介装される流量調整弁７１を開き、排酸化ガス流路Ｌ９に介装される流量調整弁６１を閉じることで空気極側の配管系統のパージを実施する。空気極側の圧力が燃料極側の圧力よりも高くなると、セルの空気極側から燃料極側に酸素イオンが透過しやすくなり、燃料極が再酸化されることでセルのロバスト性が低下することから、流量調整弁７０及び７１のそれぞれを通過するガスの流量を燃料極側の圧力が空気極側の圧力と同等かそれ以上になるように調整している。
【０１０５】
排燃料ガスパージ流路Ｌ１１及び排酸化ガスパージ流路Ｌ１２の出口を合流させて、触媒燃焼器（図示しない）に接続することで、触媒燃焼器により差圧を制御しながら排出されても良く、所定の排ガス処理（図示しない）を実施することで大気解放されても良い。
【０１０６】
固体酸化物形燃料電池４２の燃料極側のパージ配管系統（Ｌ１、Ｌ３の固体酸化物形燃料電池から流量調整弁５０まで，Ｌ４）及び空気極側のパージ配管系統（Ｌ６、Ｌ９の固体酸化物形燃料電池から流量調整弁６１まで）が、不活性ガスで置換されると、流量調整弁７０と７１は閉じられ、固体酸化物形燃料電池４２は停止する。
【０１０７】
上記では、第１実施形態と同じにより固体酸化物形燃料電池を停止させることを説明したが、第２実施形態または第３実施形態と同じ工程により固体酸化物形燃料電池の停止を行っても良い。
【符号の説明】
【０１０８】
１  固体酸化物形燃料電池システム
２  燃料ガス送給部
２ａ，５９  燃料ガス源
２ｂ，３ｂ，５ｂ，６ｂ，４５，４７，５０，５３，５８，６０，６１  流量調整弁
２ｃ，３ｃ，５ｃ，６ｃ，６３，６４，６５，６６  流量検出器
３  燃料極不活性ガス送給部
３ａ  第１の不活性ガス源
４，７  送給ファン
５  酸化ガス送給部
５ａ  エアフィルタ
６  空気極不活性ガス送給部
６ａ  第２の不活性ガス源
１１，１４，４８，５２  熱交換器
１２  固体酸化物形燃料電池
１３，５１  燃焼器
１５  排ガスボイラ
１６  煙突
２０，６２  制御部
２１，６７  電圧計
４１  複合発電システム
４２  固体酸化物形燃料電池
４３  ガスタービン発電装置
４４  燃料ガス供給源
４６，５７  不活性ガス供給源
４９  排燃料ガス再循環ブロワ
５４  圧縮機
５５  タービン
５６  発電機
６８  温度検出器
６９，７０，７１  流量調整弁
Ｌ１，Ｌ５  燃料ガス供給流路
Ｌ２，Ｌ８  不活性ガス供給流路
Ｌ３  排燃料ガス流路
Ｌ４  再循環ガス流路
Ｌ６  酸化ガス供給流路
Ｌ７  排気流路
Ｌ９  排酸化ガス流路
Ｌ１０  酸化ガスバイパス流路
Ｌ１１  排燃料ガス排出流路
Ｌ１２  排酸化ガス排出流路
【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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