(57)【要約】【課題】出力が変化した場合でも燃料電池セルスタックや改質器の温度を所定の温度範囲に維持することが可能な燃料電池発電システムの制御方法を提供すること。【解決手段】天然ガス１の水蒸気改質を行う改質器３と、改質ガス器３の排出ガス２２を燃料として発電を行い、排熱を改質器３に供給する固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と、ＣＯシフトコンバータ４とＣＯ選択酸化器５と、一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた改質ガス２０を燃料として発電を行う固体高分子形燃料電池セルスタック９とを有する燃料電池発電システムの制御方法において、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の出力が増加した場合に固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量を減少させ、前記出力が減少した場合に前記空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。【選択図】    図１
2004259647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中に残存する一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項２】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中に残存する一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項３】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項４】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項５】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中に残存する一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項６】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中に残存する一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項７】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項８】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項９】
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記水素と前記酸素との電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記燃料極にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中に残存する一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１０】
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記水素と前記酸素との電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記燃料極にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中に残存する一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１１】
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記水素と前記酸素との電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記燃料極にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１２】
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記水素と前記酸素との電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記燃料極にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１３】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１４】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１５】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１６】
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１７】
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記水素と前記酸素との電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記燃料極にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【請求項１８】
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記水素と前記酸素との電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記燃料極にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電システムの制御方法に関し、特に、二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて発電を行う燃料電池発電システムの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献】「竹原善一郎監修：燃料電池の技術とその応用、ｐｐ．  １４１−１４２、テクノシステム（２０００）」
二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて発電を行う燃料電池発電システムは、例えば、特願２００２−３２７２３３号に開示されている。
【０００３】
図１は、そのような、二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて高効率な発電を行う燃料電池発電システムの構成の一例を示している。図１に示した燃料電池発電システムでは、第一の燃料電池セルスタックとして固体酸化物形燃料電池セルスタック３８を用い、第二の燃料電池セルスタックとして固体高分子形燃料電池セルスタック９を用いている。図１に示した燃料電池発電システムの主な構成要素は、脱硫器２、改質器３、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８、ＣＯシフトコンバータ４、ＣＯ選択酸化器５、凝縮器２９、固体高分子形燃料電池セルスタック９、出力調整装置１６及び４８、流量制御弁（１０、１１、２７等）、空気供給用ブロワ１２及び配管類である。
【０００４】
図１において、１は燃料である天然ガス、２は脱硫器、３は改質器、４はＣＯシフトコンバータ、５はＣＯ選択酸化器、６は燃料極、７は固体高分子電解質、８は空気極、９は第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタックであり、この固体高分子形燃料電池セルスタック９は燃料極６、固体高分子電解質７及び空気極８を構成要素とする。１０は固体高分子形燃料電池セルスタック発電用空気２５の流量を制御する流量制御弁、１１はＣＯ選択酸化器用空気２６の流量を制御する流量制御弁、１２は空気供給用ブロワ、１３は固体高分子形燃料電池セルスタック９から排出される空気極排ガス、１４は空気、１５は固体高分子形燃料電池セルスタック９から排出される燃料極排ガス、１６は出力調整装置、１７は負荷、１８は燃料電池直流出力、１９は送電端交流出力、２０はＣＯ選択酸化器５の排出ガスである、一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた改質ガス、２１はＣＯシフトコンバータ４の排出ガスである、一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス、２２は水素リッチな改質ガス、２３は水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス、２４は脱硫天然ガス、２５は固体高分子形燃料電池セルスタック発電用空気、２６はＣＯ選択酸化器用空気、２７は天然ガス１の流量を制御する流量制御弁、２８は未反応水蒸気を凝縮させた改質ガス、２９は凝縮器、３０は電池反応による生成水、３１は凝縮水、３２は脱硫器リサイクル用改質ガス、３３は脱硫器リサイクル用改質ガス３２の流量を制御する流量制御弁、３４はＣＯ選択酸化器用改質ガス、３５は燃料極、３６は固体酸化物電解質、３７は空気極、３８は第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタックであり、この固体酸化物形燃料電池セルスタック３８は燃料極３５、固体酸化物電解質３６及び空気極３７を構成要素とする。３９は固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気、４０は改質器リサイクル用燃料極排ガス４１の流量を制御する流量制御弁、４１は燃料極３５から排出され改質器リサイクルに用いられる改質器リサイクル用燃料極排ガス、４２は燃料極３５から排出されるすべての燃料極排ガスであり、この燃料極排ガス４２は改質器リサイクル用燃料極排ガス４１と排出用燃料極排ガス４５とに分かれる。４３は固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の流量を制御する流量制御弁、４４は固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から排出される空気極排ガス、４５はシステム外に排出される排出用燃料極排ガス、４６は水素リッチな改質ガス２２のＣＯシフトコンバータ４への流量を制御する流量制御弁、４７は水素リッチな改質ガス２２の固体電解質形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５への流量を制御する流量制御弁、４８は出力調整装置、４９は負荷、５０は燃料電池直流出力、５１は送電端交流出力である。
【０００５】
上記「水素リッチ」は、電池反応によって発電に寄与するに足りる濃度の水素を含有することを意味する。
【０００６】
図１において、固体高分子形燃料電池セルスタック９が一組の燃料極６、固体高分子電解質７及び空気極８からなる単セルによって構成されているように示されているが、実際には固体高分子形燃料電池セルスタック９は前記単セルを複数積層することによって構成されている。同様に、固体電解質形燃料電池セルスタック３８も一組の燃料極３５、固体酸化物電解質３６及び空気極３７からなる単セルによって構成されているように示されているが、実際には固体酸化物形燃料電池セルスタック３８は前記単セルを複数積層することによって構成されている。
【０００７】
以下、図１を用いて、二種類の燃料電池セルスタックを組み合わせて高効率な発電を行う燃料電池発電システムの運転形態を説明する。燃料の天然ガス１を脱硫器２に供給する。天然ガス１の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１８の電池電流及び燃料電池直流出力５０の電池電流と流量制御弁２７の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁２７の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１８の電池電流及び燃料電池直流出力５０の電池電流に見合った値に設定する。
【０００８】
脱硫器２では、充填された脱硫触媒のコバルト−モリブデン系触媒と酸化亜鉛吸着剤の働きにより、改質器３の改質触媒と固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６及び固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５での電極触媒の劣化原因となる天然ガス１中のメルカプタン等の腐臭剤に含まれる硫黄分を水添脱硫により吸着除去する。すなわち、コバルト−モリブデン系触媒により最初に硫黄と水素を反応させて硫化水素を生成させ、次にこの硫化水素と酸化亜鉛を反応させることによって硫化亜鉛を生成させて、硫黄分を除去する。硫化水素の生成に必要な水素を供給するために、ＣＯシフトコンバータ４から排出される水素リッチな一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス２１の一部を、脱硫器リサイクル用改質ガス３２として脱硫器２にリサイクルする。脱硫器リサイクル用改質ガス３２の供給量は、予め設定された流量制御弁２７の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）と流量制御弁３３の開度（すなわち、脱硫器リサクル用改質ガス３２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁３３の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量と見合った値に設定する。水添脱硫反応と硫化亜鉛の生成反応は吸熱反応であり、反応に必要な反応熱は、後述する発熱反応であるＣＯシフトコンバータ４での水性シフト反応によって発生する熱をＣＯシフトコンバータ４から脱硫器２に供給することによってまかなう。
【０００９】
脱硫器２で脱硫された脱硫天然ガス２４は、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８で電池反応により生成した水蒸気を含む改質器リサイクル用燃料極排ガス４１と混合した後に、水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２３として改質器３に供給する。改質器リサイクル用燃料極排ガス４１の供給量は、予め設定された流量制御弁２７の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）と流量制御弁４０の開度（すなわち、改質器リサイクル用燃料極排ガス４１の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４０の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量に対して予め設定された所定のスチームカーボン比（水蒸気と天然ガス中の炭素との比）となるように設定する。
【００１０】
改質器３では、充填された改質触媒の働きにより天然ガス１に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応が行われ、水素リッチな改質ガス２２がつくられる。天然ガス１の主成分であるメタンの水蒸気改質反応は下記（１）式で表される。
【００１１】
（メタンの水蒸気改質反応）
ＣＨ４  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ  ＋  ３Ｈ２                            （１）
この（１）式に示したメタンの水蒸気改質反応等の炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であり、効率的に水素を生成させるためには、改質器３の外部から必要な反応熱を供給し、改質器３の温度を７００〜７５０℃に維持することが必要である。このため、後述する改質器３の近傍に設置された８００〜１０００℃で発電を行う固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の高温排熱を、改質反応に必要な反応熱として改質器３に供給する。
【００１２】
改質器３でつくられた水素リッチな改質ガス２２の一部は、ＣＯシフトコンバータ４に供給し、残りは固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５に供給する。ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２２の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１８の直流電流と流量制御弁４６の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４６の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１８の直流電流に見合った値に設定する。一方、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５への水素リッチな改質ガス２２の供給量は、予め設定した燃料電池直流出力５０の直流電流と流量制御弁４７の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５への水素リッチな改質ガス２２の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４７の開度を制御することによって、燃料電池直流出力５０の直流電流に見合った値に設定する。
【００１３】
固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７には、空気供給用ブロワ１２を用いて取り込んだ空気１４の一部を固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９として供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量は、予め設定した流量制御弁４７の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５への水素リッチな改質ガス２２の供給量）と流量制御弁４３の開度（すなわち、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁４３の開度を制御することによって、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５への水素リッチな改質ガス２２の供給量に見合った値に設定する。
【００１４】
固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７では、金属酸化物系電極触媒の働きで、固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９中の酸素が下記（２）式に示す空気極反応により電子と反応し酸素イオンに変わる。
【００１５】
（空気極反応）
１／２Ｏ２  ＋  ２ｅ−  →  Ｏ２−                                  （２）
空気極３７で生成した酸素イオンは、安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の固体酸化物電解質３６の内部を移動し、燃料極３５に到達する。燃料極３５では、ニッケル−ＹＳＺサーメット、ルテニウム−ＹＳＺサーメット等の金属系電極触媒の働きで、空気極から固体酸化物電解質３６の内部を燃料極に移動してきた酸素イオンが、下記（３）式及び（４）式に示す反応により燃料極３５に供給された水素リッチ改質ガス２２中の水素及び一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成する。
【００１６】
（燃料極反応）
Ｈ２  ＋  Ｏ２−  →  Ｈ２Ｏ  ＋  ２ｅ−                            （３）
ＣＯ  ＋  Ｏ２−  →  ＣＯ２  ＋  ２ｅ−                            （４）
燃料極３５で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極３７に到達する。空気極３７に到達した電子は、前述した（２）式に示した空気極反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力５０として取り出すことができる。
【００１７】
（２）式と（３）式、（２）式と（４）式を、それぞれまとめると、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の電池反応は、下記（５）式に示す水素と酸素から水蒸気ができる水の電気分解の逆反応と、下記（６）式に示す一酸化炭素と酸素から二酸化炭素が生成する反応として表すことができる。
【００１８】
（電池反応）
Ｈ２  ＋  １／２Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ                                    （５）
ＣＯ  ＋  １／２Ｏ２  →  ＣＯ２                                    （６）
固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電によって得られた燃料電池直流出力５０は、負荷４９に合わせて出力調整装置４８で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力５１として負荷４９に供給する。なお、図１では、出力調整装置４８で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置４８で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷４９に供給してもよい。
固体酸化物燃料電池セルスタック３８の発電温度は、一般的に８００〜１０００℃であり、電池反応による発熱により発電温度が維持されている。このため、固体酸化物燃料電池セルスタック３８の高温排熱は、前述したように改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応の反応熱として利用することができる。
【００１９】
燃料極３５で電池反応により生成した水蒸気を含む固体酸化物形燃料電池セルスタック３８からの燃料極排ガス４２の一部は、前述したように改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給するために、改質器リサイクル用燃料極排ガス４１として脱硫天然ガス２４と混合して改質器３に供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタック３８からの燃料極排ガス４２の残りは、排出用燃料極排ガス４５として排出する。この排出用燃料極排ガス４５を、給湯、暖房及び吸収式冷凍機による冷房の熱源として利用することにより、システムの電気出力と熱利用を合わせた総合熱効率を向上させることが可能である。また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８からの空気極排ガス４４も、給湯、暖房及び吸収式冷凍機の熱源として利用することにより、システムの電気出力と熱利用を合わせた総合熱効率を向上させることが可能である。
【００２０】
一方、水素リッチな改質ガス２２には、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６の電極触媒の劣化原因となる一酸化炭素が含まれているので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５に供給しない水素リッチな改質ガス２２は、銅−亜鉛系触媒等のシフト触媒が充填されたＣＯシフトコンバータ４に供給し、シフト触媒の働きにより下記（７）式に示す水性シフト反応を行わせることによって、水素リッチな改質ガス２２の一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させる。
【００２１】
（水性シフト反応）
ＣＯ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  Ｈ２                              （７）
水性シフト反応は発熱反応であり、発生した熱は脱硫器２に供給し、前述した吸熱反応である脱硫器２の硫化水素と硫化亜鉛の生成反応の反応熱として利用する。
【００２２】
ＣＯシフトコンバータ４でつくられた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス２１の一部は、前述したように脱硫器リサイクル用改質ガス３２として脱硫器２に供給し、残りは、改質ガス中の一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍ以上であると、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給した場合に電極触媒の劣化原因となるので、一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させるために、ＣＯ選択酸化器用改質ガス３４として、白金、ルテニウム等の貴金属系触媒がＣＯ選択酸化触媒として充填されたＣＯ選択酸化器５に供給する。また、空気供給用ブロワ１２で取り込んだ空気１４の一部を、ＣＯ選択酸化器用空気２６としてＣＯ選択酸化器５に供給する。ＣＯ選択酸化器５では、ＣＯ選択酸化器用改質ガス３４に含まれる一酸化炭素を、発熱反応である下記（８）式に示すＣＯ選択酸化反応によりＣＯ選択酸化用空気２６中の酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換し、ＣＯ選択酸化器用改質ガス３４の一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させる。
【００２３】
ＣＯ  ＋  １／２Ｏ２  →  ＣＯ２                                    （８）
ＣＯ選択酸化器用空気２６の供給量は、予め設定された流量制御弁４６の開度（すなわち、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２２の供給量）と流量制御弁１１の開度（すなわち、ＣＯ選択酸化器用空気２６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１１の開度を制御することによって、ＣＯシフトコンバータ４への水素リッチな改質ガス２２の供給量に見合った値に設定する。
【００２４】
ＣＯ選択酸化器５でつくられた一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた改質ガス２０に含まれる未反応水蒸気は、凝縮器２９で１００℃以下に冷却することによって、凝縮水３１として回収する。凝縮器２９で未反応水蒸気を凝縮させた改質ガス２８は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給する。一方、空気供給用ブロワ１２で取り込んだ空気１４の一部を、固体高分子形燃料電池セルスタック発電用空気２５として、固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８に供給する。固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８への固体高分子形燃料電池セルスタック発電用空気２５の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力１８の電池電流と流量制御弁１０の開度（すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック発電用空気２５の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁１０の開度を制御することによって、燃料電池直流出力１８の電池電流に見合った値に設定する。固体高分子形燃料電池セルスタック９の発電温度は、６０〜８０℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６では、白金系電極触媒の働きで、未反応水蒸気を凝縮させた改質ガス２８に含まれる水素の約８０％が、下記（９）式に示す燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
【００２５】
（燃料極反応）
Ｈ２  →  ２Ｈ＋  ＋  ２ｅ−                                      （９）
燃料極６で生成した水素イオンは、ナフィオン等のスルフォン酸基を有するフッ素系高分子から構成される固体高分子電解質７の内部を移動し、空気極８に到達する。一方、燃料極６で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極８に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力１８として取り出すことができる。固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８では、白金系電極触媒の働きで、燃料極６から固体高分子電解質７の内部を空気極８に移動してきた水素イオン、燃料極６から外部回路を空気極８に移動してきた電子及び空気極８に供給された固体高分子形燃料電池セルスタック発電用空気２５中の酸素が、下記（１０）式に示す空気極反応により反応し、水が生成する。
【００２６】
（空気極反応）
２Ｈ＋  ＋  １／２Ｏ２  ＋  ２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ                        （１０）
（９）式と（１０）式をまとめると、固体高分子形燃料電池セルスタック９の電池反応は、下記（１１）式に示す水素と酸素から水ができる水の電気分解の逆反応として表すことができる。
【００２７】
（電池反応）
Ｈ２  ＋  １／２Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ                                    （１１）
固体高分子形燃料電池セルスタック９の発電によって得られた燃料電池直流出力１８は、負荷１７に合わせて出力調整装置１６で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力１９として負荷１７に供給する。なお、図１では、出力調整装置１６で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置１６で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷１７に供給してもよい。
【００２８】
固体高分子形燃料電池セルスタック発電用空気２５は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の空気極８で酸素の一部を（１０）式に示した空気極反応により消費した後に、固体高分子形燃料電池セルスタックの空気極排ガス１３として排出する。一方、未反応水蒸気を凝縮させた改質ガス２８は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６で水素の約８０％を（９）式に示した燃料極反応により消費した後に、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極排ガス１５として排出する。
【００２９】
図１２及び図１３は、従来の燃料発電システムの制御方法を表すフロー図である。このフロー図は、例えば上記非特許文献に記載されている従来の燃料電池発電システムの制御方法を図１に例示した燃料発電システムに適用した場合のフロー図である。
【００３０】
従来の燃料電池発電システムの制御方法では、図１２に示したように、第一の燃料電池セルスタックすなわち固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が負荷４９の増加に伴い増加した場合には、流量制御弁２７を開けて（すなわち、弁の開度を大きくして）燃料供給量、すなわち天然ガス１の供給量を増加させるとともに、流量制御弁４３を開けて第一の燃料電池セルスタック発電用空気の供給量、すなわち固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量を増加させ、第一の燃料電池セルスタックすなわち固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が負荷４９の減少に伴い減少した場合には、流量制御弁２７を閉めて（すなわち、弁の開度を小さくして）燃料供給量、すなわち天然ガス１の供給量を減少させるとともに、流量制御弁４３を閉めて第一の燃料電池セルスタック発電用空気の供給量、すなわち固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量を減少させていた。
【００３１】
また、従来の燃料電池発電システムの制御方法では、図１３に示したように、第二の燃料電池セルスタックすなわち固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が負荷１７の増加に伴い増加した場合には、流量制御弁２７を開けて燃料供給量、すなわち天然ガス１の供給量を増加させるとともに、流量制御弁１０を開けて第二の燃料電池セルスタック発電用空気の供給量、すなわち固体高分子形燃料電池セルスタック発電用空気２５の供給量を増加させ、第二の燃料電池セルスタックすなわち固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が負荷１７の減少に伴い減少した場合には、流量制御弁２７を閉めて燃料供給量、すなわち天然ガス１の供給量を減少させるとともに、流量制御弁１０を閉めて第二の燃料電池セルスタック発電用空気の供給量、すなわち固体高分子形燃料電池セルスタック発電用空気２５の供給量を減少させていた。
【００３２】
【発明が解決しようとする課題】
次に、上記の、燃料電池発電システムの従来の制御方法に関する問題点について説明する。
【００３３】
図１２に示した、燃料電池発電システムの従来の制御方法においては、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が増加した場合には、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電による発熱量は増加するが、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱もさらに増加するので、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度が低下し、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができず、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９において所定の送電端交流出力での高効率発電が不可能となり、システムの出力と発電効率が低下するという問題があった。また、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が減少した場合には、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電による発熱量は減少するが、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱もさらに減少するので、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度が上昇し、改質器３の改質触媒や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が加速され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命が低下するとともに、システムの信頼性も低下するという問題があった。
【００３４】
また、図１３に示した、燃料電池発電システムの従来の制御方法においては、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が増加した場合には、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加するので、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度が低下し、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができず、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９における所定の送電端交流出力での高効率発電が不可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下が起こるという問題があった。また、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が減少した場合には、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少するので、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度が上昇し、改質器３の改質触媒や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が加速され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下が起こるという問題があった。
【００３５】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、出力が変化した場合でも燃料電池セルスタックや改質器の温度を所定の温度範囲に維持することが可能な燃料電池発電システムの制御方法を提供することにある。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては、請求項１に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中に残存する一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００３７】
また、本発明においては、請求項２に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中に残存する一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００３８】
また、本発明においては、請求項３に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００３９】
また、本発明においては、請求項４に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００４０】
また、本発明においては、請求項５に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中に残存する一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００４１】
また、本発明においては、請求項６に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中に残存する一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００４２】
また、本発明においては、請求項７に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００４３】
また、本発明においては、請求項８に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００４４】
また、本発明においては、請求項９に記載のように、
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記水素と前記酸素との電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記燃料極にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中に残存する一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００４５】
また、本発明においては、請求項１０に記載のように、
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記水素と前記酸素との電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記燃料極にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中に残存する一酸化炭素を酸素で酸化し二酸化炭素に変換するＣＯ選択酸化器と、前記ＣＯ選択酸化器の排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００４６】
また、本発明においては、請求項１１に記載のように、
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記水素と前記酸素との電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記燃料極にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００４７】
また、本発明においては、請求項１２に記載のように、
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記水素と前記酸素との電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記燃料極にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を選択的に分離する水素分離器と、前記水素分離器で分離した前記水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００４８】
また、本発明においては、請求項１３に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００４９】
また、本発明においては、請求項１４に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００５０】
また、本発明においては、請求項１５に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００５１】
また、本発明においては、請求項１６に記載のように、
燃料の水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスをつくる改質器と、前記改質ガス中の水素、もしくは水素及び一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した排熱を前記改質器に供給するとともに、前記電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記改質器にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００５２】
また、本発明においては、請求項１７に記載のように、
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記水素と前記酸素との電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記燃料極にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第一の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００５３】
また、本発明においては、請求項１８に記載のように、
燃料極における燃料の水蒸気改質反応によって水素と一酸化炭素とを生成させるとともに、前記水素、もしくは前記水素及び前記一酸化炭素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行い、該発電に伴って発生した熱を前記水蒸気改質反応に必要な反応熱として消費し、また、前記水素と前記酸素との電気化学反応によって生成した水蒸気を前記水蒸気改質反応に必要な水蒸気として前記燃料極にリサイクルする第一の燃料電池セルスタックと、前記第一の燃料電池セルスタックの燃料極排ガス中の一酸化炭素を水蒸気と反応させることによって二酸化炭素と水素とに変換するＣＯシフトコンバータと、前記ＣＯシフトコンバータの排出ガス中の水素を酸素と電気化学反応させることによって発電を行う第二の燃料電池セルスタックとを有する燃料電池発電システムの制御方法において、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が増加した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を減少させ、前記第二の燃料電池セルスタックの出力が減少した場合に前記第一の燃料電池セルスタックへの発電用空気の供給量を増加させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御方法を構成する。
【００５４】
【発明の実施の形態】
図２及び図３は、本発明の燃料電池発電システムの制御方法の一例を表すシステムフロー図である。図１に示した燃料電池発電システムを例に、図２及び図３に示した本発明の燃料電池発電システムの制御方法の作用について説明する。図１に示した燃料電池発電システムの構成とその運転形態については、すでに説明してある。本発明の燃料電池発電システムの制御方法では、図２に示したように、第一の燃料電池セルスタックすなわち固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が負荷４９の増加に伴い増加した場合には、流量制御弁２７を開けて燃料供給量、すなわち天然ガス１の供給量を増加させるとともに、流量制御弁４３を閉めて第一の燃料電池セルスタック発電用空気の供給量、すなわち固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量を減少させることによって空気極３７での酸素利用率を上昇させ、第一の燃料電池セルスタックすなわち固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が負荷４９の減少に伴い減少した場合には、流量制御弁２７を閉めて燃料供給量、すなわち天然ガス１の供給量を減少させるとともに、流量制御弁４３を開けて第一の燃料電池セルスタック発電用空気の供給量、すなわち固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量を増加させる。
【００５５】
このため、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が増加した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も増加するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を増やすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が減少した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も減少するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を減らすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による改質器３の改質触媒や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【００５６】
また、本発明の燃料電池発電システムの制御方法では、図３に示したように、第二の燃料電池セルスタック、すなわち固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が負荷１７の増加に伴い増加した場合には、流量制御弁２７を開けて燃料供給量、すなわち天然ガス１の供給量を増加させるとともに、流量制御弁４３を閉めて第一の燃料電池セルスタック発電用空気の供給量、すなわち固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量を減少させることによって空気極３７での酸素利用率を上昇させ、第二の燃料電池セルスタック、すなわち固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が負荷１７の減少に伴い減少した場合には、流量制御弁２７を閉めて燃料供給量、すなわち天然ガス１の供給量を減少させるとともに、流量制御弁４３を開けて第一の燃料電池セルスタック発電用空気の供給量、すなわち固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量を増加させることによって空気極３７での酸素利用率を低下させる。なお、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９に供給する固体高分子形燃料電池セルスタック発電用空気２５の供給量は任意に制御することができる。すなわち、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９の増減にあわせて固体高分子形燃料電池セルスタック発電用空気２５の供給量を増減させることにより空気極８での酸素利用率が一定になるように制御しても良いし、固体高分子形燃料電池セルスタック発電用空気２５の供給量を一定にすることにより空気極８での酸素利用率が変化するように制御しても良い。
【００５７】
このため、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が増加した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を増やすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が減少した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を減らすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による改質器３の改質触媒や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【００５８】
本発明の燃料電池発電システムの制御方法は、図１にその構成を示した燃料電池発電システム以外でも、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０及び図１１にその構成を示す燃料電池発電システムにおいて有効である。以下に、図４、図５、図６、図７、図８、図９、図１０及び図１１にその構成を示した燃料電池発電システムと本発明の燃料電池発電システムの制御方法の有効性について簡単に説明する。
【００５９】
図４は、本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効な他の燃料電池発電システムの一例を表すシステム構成図である。図４において図１と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。図４において、５２はＣＯシフトコンバータ４の排出ガスである、一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス２１から分流された水素分離器用改質ガス、５３は水素分離器、５４は水素分離器排ガス、５５は凝縮器、５６は水素分離器乾燥排ガス、５７は凝縮水、５８は水素分離器５３で分離した水素、５９は燃料極水素排ガス、６０はパージ弁、６１はパージガスである。この場合には、水素５８が、燃料ガスとして、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９に供給される。
【００６０】
以下、図４を用いて、本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効な他の燃料電池発電システムの一例を説明する。本燃料電池発電システムは、図１に示した燃料電池発電システムとは、図４に示したように、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９の代わりに水素分離器５３と凝縮器５５を設けた点が大きく異なる。
【００６１】
次に、本燃料電池発電システムの運転形態について、図４を参照して説明する。水素分離器用改質ガス５２は、パラジウム膜等の水素分離膜を有する水素分離器５３に供給し、水素５８を分離する。その際、効率的な水素分離を行うために、必要に応じて水素分離器用改質ガス５２の加圧を行う。水素５８は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給する。未反応水素からなる燃料極水素排ガス５９は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端効率を向上させるために、すべて燃料極９にリサイクルして発電に利用する。しかし、燃料極水素排ガス５９中には、水素以外の不純物が若干含まれるので、パージ弁６０を間欠的に開け、パージガス６１を放出する。水素分離器排ガス５４は、凝縮器５５で凝縮水５７を凝縮させた後に、水素分離器乾燥排ガス５６として排出する。
【００６２】
本燃料電池発電システムにおいても、本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が増加した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も増加するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を増やすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が減少した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も減少するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を減らすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による改質器３の改質触媒や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【００６３】
また、本燃料電池発電システムに本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が増加した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を増やすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が減少した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を減らすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による改質器３の改質触媒や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【００６４】
図５は、本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なその他の燃料電池発電システムの一例を表すシステム構成図である。図５において図１及び図４と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。図５において、６２はリサイクル用燃料極排ガス６３の流量を制御する流量制御弁、６３はリサイクル用燃料極排ガス、６４はＣＯシフトコンバータ用燃料極排ガス、６５は脱硫器リサイクル用燃料極排ガス６６の流量を制御する流量制御弁、６６は脱硫器リサイクル用燃料極排ガス、６７はＣＯシフトコンバータ４の排出ガスである、一酸化炭素の濃度を１％以下に低減させた燃料極排ガス、６８はＣＯ選択酸化器用燃料極排ガス、６９はＣＯ選択酸化器５の排出ガスである、一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた燃料極排ガス、７０は未反応水蒸気を凝縮させた燃料極排ガスを表す。
【００６５】
以下、図５を用いて、本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なその他の燃料電池発電システムの一例を説明する。本燃料電池発電システムは、図１に示した燃料電池発電システムとは、水素リッチな改質ガス２２の代わりにＣＯシフトコンバータ用燃料極排ガス６４をＣＯシフトコンバータに供給する点が大きく異なる。
【００６６】
次に、本燃料電池発電システムの運転形態について、図５を参照して説明する。脱硫器２での硫化水素の生成に必要な水素を供給するために、未反応水素を含む一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた燃料極排ガス６７の一部を、脱硫器リサイクル用固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料極排ガス６６として脱硫器２にリサイクルする。脱硫器リサイクル用燃料極排ガス６６の供給量は、予め設定された流量制御弁２７の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）と流量制御弁６５の開度（すなわち、脱硫器リサクル用燃料極排ガス６６の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁６５の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量に見合った値に設定する。
【００６７】
脱硫器２で脱硫された脱硫天然ガス２４は、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８で電池反応により生成した水蒸気を含むリサイクル用燃料極排ガス６３と混合した後に、水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２３として改質器３に供給する。リサイクル用燃料極排ガス６３の供給量は、予め設定された流量制御弁２７の開度（すなわち、天然ガス１の供給量）と流量制御弁６２の開度（すなわち、リサイクル用燃料極排ガス６３の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁６２の開度を制御することによって、天然ガス１の供給量に見合った値に設定する。改質器３でつくられた水素リッチな改質ガス２２は、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５に供給する。
【００６８】
固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で電池反応により生成した水蒸気を含む固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排ガス４２の一部は、前述したように改質器３での炭化水素の水蒸気改質反応に必要な水蒸気を供給するために、リサイクル用燃料極排ガス６３としてリサイクルし、脱硫天然ガス２４と混合した水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２３を改質器３に供給する。残りは、ＣＯシフトコンバータ用燃料極排ガス６４としてＣＯシフトコンバータ４に供給する。
【００６９】
ＣＯシフトコンバータ用燃料極排ガス６４中には、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６の電極触媒の劣化原因となる一酸化炭素が含まれているので、ＣＯシフトコンバータ４で（７）式に示した水性シフト反応を行わせることによって、ＣＯシフトコンバータ用燃料極排ガス６４中に含まれる一酸化炭素濃度を１％以下まで低減させる。
【００７０】
ＣＯシフトコンバータ４でつくられた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた燃料極排ガス６７の一部は、前述したように脱硫器リサイクル用燃料極排ガス６６として脱硫器２に供給し、残りは、一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍ以上であると、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給した場合に電極触媒の劣化原因となるので、一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させるために、ＣＯ選択酸化器用燃料極排ガス６８として、白金、ルテニウム等の貴金属系触媒がＣＯ選択酸化触媒として充填されたＣＯ選択酸化器５に供給する。ＣＯ選択酸化器５では、ＣＯ選択酸化器用燃料極排ガス６８中に含まれる一酸化炭素を、発熱反応である（８）式に示したＣＯ選択酸化反応によりＣＯ選択酸化用空気２６中の酸素と反応させることによって二酸化炭素に変換し、ＣＯ選択酸化器用燃料極排ガス６８中の一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させる。
【００７１】
ＣＯ選択酸化器５でつくられた一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた燃料極排ガス６９に含まれる未反応水蒸気は、凝縮器２９で１００℃以下に冷却することによって、凝縮水３１として回収する。凝縮器２９で未反応水蒸気を凝縮させた燃料極排ガス７０は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の燃料極６に供給する。
【００７２】
本燃料電池発電システムにおいても、本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が増加した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も増加するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を増やすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が減少した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も減少するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を減らすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による改質器３の改質触媒や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【００７３】
また、本燃料電池発電システムに本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が増加した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を増やすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が減少した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を減らすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による改質器３の改質触媒や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【００７４】
図６は、本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なその他の燃料電池発電システムの一例を表すシステム構成図である。図６において図１、図４及び図５と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。図６において、７１は水素分離器用燃料極排ガスである。
【００７５】
以下、図６を用いて、本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なその他の燃料電池発電システムの一例を説明する。本燃料電池発電システムは、図５に示した燃料電池発電システムとは、図６に示したように、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９の代わりに水素分離器５３と凝縮器５５を設けた点が大きく異なる。
【００７６】
次に、本燃料電池発電システムの運転形態について、図６を参照して説明する。水素分離器用燃料極排ガス７１は、パラジウム膜等の水素分離膜を有する水素分離器５３に供給し、水素５８を分離する。その際、効率的な水素分離を行うために、必要に応じて水素分離器用燃料極排ガス７１の加圧を行う。
【００７７】
本燃料電池発電システムにおいても、本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が増加した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も増加するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を増やすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が減少した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も減少するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を減らすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による改質器３の改質触煤や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【００７８】
また、本燃料電池発電システムに本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が増加した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を増やすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が減少した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を減らすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による改質器３の改質触媒や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【００７９】
図７は、本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なその他の燃料電池発電システムの一例を表すシステム構成図である。図７において図１、図４、図５及び図６と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
【００８０】
以下、図７を用いて、本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なその他の燃料電池発電システムの一例を説明する。本燃料電池発電システムは、図５に示した燃料電池発電システムとは、図７に示したように、改質器３が不要で、水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２３をそのまま固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５に供給し、燃料極３５で天然ガス１に含まれる炭化水素の水蒸気改質反応を行わせる点が大きく異なる。
【００８１】
次に、本燃料電池発電システムの運転形態について、図７を参照して説明する。水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス２３を固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５に供給する。固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５では、燃料極触媒の働きにより天然ガス１に含まれる炭化水素（主にメタン）の水蒸気改質反応が行われ、水素と一酸化炭素が生成する。燃料極３５で生成した水素と一酸化炭素がその場で（３）式及び（４）式に示した燃料極反応により消費され、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電が行われる。炭化水素の水蒸気改質反応は吸熱反応であるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱を、炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱として利用する。固体酸化物燃料電池セルスタック３８の発電温度は、一般的に８００〜１０００℃であり、電池反応による発熱により発電温度が維持されている。このため、固体酸化物燃料電池セルスタック３８の発熱が、前述したように燃料極３５での炭化水素の水蒸気改質反応の反応熱として利用することができる。
【００８２】
本燃料電池発電システムにおいても、本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が増加した場合に、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も増加するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、燃料極３５で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が減少した場合に、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も減少するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、燃料極３５で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【００８３】
また、本燃料電池発電システムに本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が増加した場合に、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、燃料極３５で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が減少した場合に、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持し、燃料極３５で所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【００８４】
図８は、本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なその他の燃料電池発電システムの一例を表すシステム構成図である。図８において図１、図４、図５、図６及び図７と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
【００８５】
以下、図８を用いて、本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なその他の燃料電池発電システムの一例を説明する。本燃料電池発電システムは、図７に示した燃料電池発電システムとは、図８に示したように、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９の代わりに水素分離器５３と凝縮器５５を設けた点が大きく異なる。
【００８６】
次に、本燃料電池発電システムの運転形態について、図８を参照して説明する。水素分離器用燃料極排ガス７１は、パラジウム膜等の水素分離膜を有する水素分離器５３に供給し、水素５８を分離する。その際、効率的な水素分離を行うために、必要に応じて水素分離器用燃料極排ガス７１の加圧を行う。
【００８７】
本燃料電池発電システムにおいても、本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が増加した場合に、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も増加するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、燃料極３５で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が減少した場合に、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も減少するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、燃料極３５で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【００８８】
また、本燃料電池発電システムに本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が増加した場合に、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、燃料極３５で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８と固体高分子形燃料電池セルスタック９において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第二の燃料電池セルスタックである固体高分子形燃料電池セルスタック９の送電端交流出力１９が減少した場合に、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持し、燃料極３５で所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【００８９】
図９は、本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なその他の燃料電池発電システムの一例を表すシステム構成図である。図９において図１、図４、図５、図６、図７及び図８と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。７２はりん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス、７４はりん酸形燃料電池セルスタックであり、このりん酸形燃料電池セルスタック７４は燃料極７５、りん酸電解質７６及び空気極７７を構成要素とする。７５は燃料極、７６はりん酸電解質、７７は空気極、７８はりん酸形燃料電池セルスタック発電用空気、７９はりん酸形燃料電池セルスタック発電用空気７８の流量を制御する流量制御弁、８０は燃料電池直流出力、８１は送電端交流出力、８２は負荷、８３はりん酸形燃料電池セルスタック７４からの排出ガスである燃料極排ガス、８４はりん酸形燃料電池セルスタック７４からの排出ガスである空気極排ガス、８５は出力調整装置を表す。図９において、りん酸形燃料電池セルスタック７４が一組の燃料極７５、りん酸形電解質７６及び空気極７７からなる単セルによって構成されているように示されているが、実際にはりん酸形燃料電池セルスタック７４は前記単セルを複数積層することによって構成されている。
【００９０】
以下、図９を用いて、本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なその他の燃料電池発電システムの一例を説明する。本燃料電池発電システムは、図１に示した燃料電池発電システムとは、図９に示したように、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９が不要で、第二の燃料電池セルスタックとして固体高分子形燃料電池セルスタック９の代りにりん酸形燃料電池セルスタック７４を用いる点が大きく異なる。
【００９１】
次に、本燃料電池発電システムの運転形態について、図９を参照して説明する。ＣＯシフトコンバータ４でつくられた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス２１の一部を、りん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス７２として第二の燃料電池セルスタックであるりん酸形燃料電池セルスタック７４の燃料極７５に供給する。一方、空気供給用ブロワ１２で取り込んだ空気１４の一部を、りん酸形燃料電池セルスタック発電用空気７８として、りん酸形燃料電池セルスタック７４の空気極７７に供給する。りん酸形燃料電池セルスタック７４の空気極７７へのりん酸形燃料電池セルスタック発電用空気７８の供給量は、予め設定された燃料電池直流出力８０の電池電流と流量制御弁７９の開度（すなわち、りん酸形燃料電池セルスタック発電用空気７８の供給量）の関係に基づいて、流量制御弁７９の開度を制御することによって、燃料電池直流出力８０の電池電流に見合った値に設定する。りん酸形燃料電池セルスタック７４の発電温度は、１９０℃が一般的であり、電池反応による発熱により発電温度が維持される。
【００９２】
りん酸形燃料電池セルスタック７４の燃料極７５では、白金系電極触媒の働きで、りん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス７２に含まれる水素の約８０％が、固体高分子形燃料電池セルスタック９の場合と同様に（９）式に示した燃料極反応により水素イオンと電子に変わる。
【００９３】
燃料極７５で生成した水素イオンは、りん酸形電解質７６の内部を移動し、空気極７７に到達する。一方、燃料極７５で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極７７に到達する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを燃料電池直流出力８０として取り出すことができる。
【００９４】
りん酸形燃料電池セルスタック７４の空気極７７では、白金系電極触媒の働きで、燃料極７５からりん酸電解質７６の内部を空気極７７に移動してきた水素イオン、燃料極７５から外部回路を空気極７７に移動してきた電子及び空気極７７に供給されたりん酸形燃料電池セルスタック発電用空気７８中の酸素が、固体高分子形燃料電池セルスタック９の場合と同様に（１０）式に示した空気極反応により反応し、水が生成する。
【００９５】
（９）式と（１０）式をまとめると、りん酸形燃料電池セルスタック７４の電池反応は、固体高分子形燃料電池セルスタック９の場合と同様に（１１）式に示した水素と酸素から水ができる水の電気分解の逆反応として表すことができる。
【００９６】
りん酸形燃料電池セルスタック７４の発電によって得られた燃料電池直流出力８０は、負荷８２に合わせて出力調整装置８５で電圧の変換と直流から交流への変換を行った後に、送電端交流出力８１として負荷８２に供給する。なお、図９では、出力調整装置８５で直流から交流への変換を行っているが、出力調整装置８５で電圧変換のみを行い、送電端直流出力を負荷８２に供給してもよい。
【００９７】
りん酸形燃料電池セルスタック発電用空気７８は、りん酸形燃料電池セルスタック７４の空気極７７で酸素の一部を（１０）式に示した空気極反応により消費した後に、りん酸形燃料電池セルスタック７４の空気極排ガス８４として排出する。一方、りん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス７２は、りん酸形燃料電池セルスタック７４の燃料極７５で水素の約８０％を（９）式に示した燃料極反応により消費した後に、りん酸形燃料電池セルスタック７４の燃料極排ガス８３として排出する。
【００９８】
本燃料電池発電システムにおいても、本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が増加した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も増加するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を増やすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８とりん酸形燃料電池セルスタック７４において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が減少した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も減少するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を減らすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による改質器３の改質触媒や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【００９９】
また、本燃料電池発電システムに本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第二の燃料電池セルスタック、すなわちりん酸形燃料電池セルスタック７４の送電端交流出力８１が負荷８２の増加に伴い増加した場合には、流量制御弁２７を開けて燃料供給量、すなわち天然ガス１の供給量を増加させるとともに、流量制御弁４３を閉めて第一の燃料電池セルスタック発電用空気の供給量、すなわち固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量を減少させることによって空気極３７での酸素利用率を上昇させ、第二の燃料電池セルスタック、すなわちりん酸形燃料電池セルスタック７４の送電端交流出力８１が負荷８２の減少に伴い減少した場合には、流量制御弁２７を閉めて燃料供給量、すなわち天然ガス１の供給量を減少させるとともに、流量制御弁４３を開けて第一の燃料電池セルスタック発電用空気の供給量、すなわち固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量を増加させることによって空気極３７での酸素利用率を低下させる。なお、第二の燃料電池セルスタックであるりん酸形燃料電池セルスタック７４に供給するりん酸形燃料電池セルスタック発電用空気７８の供給量は任意に制御することができる。すなわち、りん酸形燃料電池セルスタック７４の送電端交流出力８１の増減にあわせてりん酸形燃料電池セルスタック発電用空気７８の供給量を増減させることにより空気極７７での酸素利用率が一定になるように制御しても良いし、りん酸形燃料電池セルスタック発電用空気７８の供給量を一定にすることにより空気極７７での酸素利用率が変化するように制御しても良い。
【０１００】
このため、第二の燃料電池セルスタックであるりん酸形燃料電池セルスタック７４の送電端交流出力８１が増加した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を増やすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８とりん酸形燃料電池セルスタック７４において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第二の燃料電池セルスタックであるりん酸形燃料電池セルスタック７４の送電端交流出力８１が減少した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を減らすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による改質器３の改質触媒や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【０１０１】
図１０は、本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なその他の燃料電池発電システムの一例を表すシステム構成図である。図１０において図１、図４、図５、図６、図７、図８及び図９と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。７３はりん酸形燃料電池セルスタック用燃料極排ガスを表す。
【０１０２】
以下、図１０を用いて、本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なその他の燃料電池発電システムの一例を説明する。本燃料電池発電システムは、図５に示した燃料電池発電システムとは、図１０に示したように、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９が不要で、第二の燃料電池セルスタックとして固体高分子形燃料電池セルスタック９の代りにりん酸形燃料電池セルスタック７４を用いる点が大きく異なる。
【０１０３】
次に、本燃料電池発電システムの運転形態について、図１０を参照して説明する。ＣＯシフトコンバータ４でつくられた一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極排ガス６７の一部を、りん酸形燃料電池セルスタック用燃料極排ガス７３として第二の燃料電池セルスタックであるりん酸形燃料電池セルスタック７４の燃料極７５に供給する。
【０１０４】
本燃料電池発電システムにおいても、本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が増加した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も増加するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を増やすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８とりん酸形燃料電池セルスタック７４において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が減少した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も減少するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を減らすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による改質器３の改質触媒や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【０１０５】
また、本燃料電池発電システムに本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第二の燃料電池セルスタックであるりん酸形燃料電池セルスタック７４の送電端交流出力８１が増加した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を増やすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８とりん酸形燃料電池セルスタック７４において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第二の燃料電池セルスタックであるりん酸形燃料電池セルスタック７４の送電端交流出力８１が減少した場合に、改質器３で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８から改質器３に供給する排熱量を減らすことが可能となり、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、改質器３で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による改質器３の改質触媒や固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、改質器３と固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【０１０６】
図１１は、本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なその他の燃料電池発電システムの一例を表すシステム構成図である。図１１において図１、図４、図５、図６、図７、図８、図９及び図１０と同一のものは同一符号で表し、これらのものについてはその説明を省略する。
【０１０７】
以下、図１１を用いて、本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なその他の燃料電池発電システムの一例を説明する。本燃料電池発電システムは、図７に示した燃料電池発電システムとは、図１１に示したように、ＣＯ選択酸化器５と凝縮器２９が不要で、第二の燃料電池セルスタックとして固体高分子形燃料電池セルスタック９の代りにりん酸形燃料電池セルスタック７４を用いる点が大きく異なる。本燃料電池発電システムの運転形態は、図１０に示した燃料電池発電システムと同様である。
【０１０８】
本燃料電池発電システムにおいても、本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が増加した場合に、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も増加するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、燃料極３５で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８とりん酸形燃料電池セルスタック７４において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の送電端交流出力５１が減少した場合に、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進され、また、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発電量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の発熱量も減少するので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、燃料極３５で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【０１０９】
また、本燃料電池発電システムに本発明の燃料電池発電システムの制御方法を適用すると、第二の燃料電池セルスタックであるりん酸形燃料電池セルスタック７４の送電端交流出力８１が増加した場合に、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が増加しても、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の減少により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が抑制されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、燃料極３５で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８とりん酸形燃料電池セルスタック７４において所定の送電端交流出力での高効率発電が可能となり、システム出力の減少や発電効率の低下を抑制することができる。一方、第二の燃料電池セルスタックであるりん酸形燃料電池セルスタック７４の送電端交流出力８１が減少した場合に、第一の燃料電池セルスタックである固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の燃料極３５で吸熱反応である天然ガス１の成分である炭化水素の水蒸気改質反応に必要な反応熱が減少しても、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の空気極３７に供給される固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９の供給量の増加により固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気３９による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の冷却が促進されるので、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度を所定の温度範囲に維持しながら、燃料極３５で安定に所定量の水素と一酸化炭素を生成させることができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の温度上昇による固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の劣化が抑制され、固体酸化物形燃料電池セルスタック３８の寿命低下やシステムの信頼性低下を避けることができる。
【０１１０】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池セルスタックや改質器の温度を所定の温度範囲に維持しながら燃料電池発電システムの出力を変化させることが可能で、燃料電池セルスタックや改質器の寿命やシステムの信頼性に悪影響を及ぼすことなく、高効率発電を行いながら燃料電池発電システムの出力を負荷変動に追従させることができるという利点がある。
【０１１１】
【発明の効果】
本発明の実施により、出力が変化した場合でも燃料電池セルスタックや改質器の温度を所定の温度範囲に維持することが可能な燃料電池発電システムの制御方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効な燃料電池発電システムの一例を表すシステム構成図である。
【図２】本発明の燃料電池発電システムの制御方法の一例を表すシステムフロー図である。
【図３】本発明の燃料電池発電システムの制御方法の一例を表すシステムフロー図である。
【図４】本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効な他の燃料電池発電システムの一例を表すシステム構成図である。
【図５】本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なさらに他の燃料電池発電システムの一例を表すシステム構成図である。
【図６】本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なさらに他の燃料電池発電システムの一例を表すシステム構成図である。
【図７】本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なさらに他の燃料電池発電システムの一例を表すシステム構成図である。
【図８】本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なさらに他の燃料電池発電システムの一例を表すシステム構成図である。
【図９】本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なさらに他の燃料電池発電システムの一例を表すシステム構成図である。
【図１０】本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なさらに他の燃料電池発電システムの一例を表すシステム構成図である。
【図１１】本発明の燃料電池発電システムの制御方法が有効なさらに他の燃料電池発電システムの一例を表すシステム構成図である。
【図１２】従来の燃料電池発電システムの制御方法を表すシステムフロー図である。
【図１３】従来の燃料電池発電システムの制御方法を表すシステムフロー図である。
【符号の説明】
１…天然ガス、２…脱硫器、３…改質器、４…ＣＯシフトコンバータ、５…ＣＯ選択酸化器、６…燃料極、７…固体高分子電解質、８…空気極、９…固体高分子形燃料電池セルスタック、１０、１１…流量制御弁、１２…空気供給用ブロワ、１３…空気極排ガス、１４…空気、１５…燃料極排ガス、１６…出力調整装置、１７…負荷、１８…燃料電池直流出力、１９…送電端交流出力、２０…一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた改質ガス、２１…一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた改質ガス、２２…水素リッチな改質ガス、２３…水蒸気と脱硫天然ガスの混合ガス、２４…脱硫天然ガス、２５…固体高分子形燃料電池セルスタック発電用空気、２６…ＣＯ選択酸化器用空気、２７…流量制御弁、２８…未反応水蒸気を凝縮させた改質ガス、２９…凝縮器、３０…電池反応による生成水、３１…凝縮水、３２…脱硫器リサイクル用改質ガス、３３…流量制御弁、３４…ＣＯ選択酸化器用改質ガス、３５…燃料極、３６…固体酸化物電解質、３７…空気極、３８…固体酸化物形燃料電池セルスタック、３９…固体酸化物形燃料電池セルスタック発電用空気、４０…流量制御弁、４１…改質器リサイクル用燃料極排ガス、４２…燃料極排ガス、４３…流量制御弁、４４…空気極排ガス、４５…排出用燃料極排ガス、４６、４７…流量制御弁、４８…出力調整装置、４９…負荷、５０…燃料電池直流出力、５１…送電端交流出力、５２…水素分離器用改質ガス、５３…水素分離器、５４…水素分離器排ガス、５５…凝縮器、５６…水素分離器乾燥排ガス、５７…凝縮水、５８…水素、５９…燃料極水素排ガス、６０…パージ弁、６１…パージガス、６２…流量制御弁、６３…リサイクル用燃料極排ガス、６４…ＣＯシフトコンバータ用燃料極排ガス、６５…流量制御弁、６６…脱硫器リサイクル用燃料極排ガス、６７…一酸化炭素濃度を１％以下に低減させた燃料極排ガス、６８…ＣＯ選択酸化器用燃料極排ガス、６９…一酸化炭素濃度をｐｐｍオーダーに低減させた燃料極排ガス、７０…未反応水蒸気を凝縮させた燃料極排ガス、７１…水素分離器用燃料極排ガス、７２…りん酸形燃料電池セルスタック用改質ガス、７３…りん酸形燃料電池セルスタック用燃料極排ガス、７４…りん酸形燃料電池セルスタック、７５…燃料極、７６…りん酸電解質、７７…空気極、７８…りん酸形燃料電池セルスタック発電用空気、７９…流量制御弁、８０…燃料電池直流出力、８１…送電端交流出力、８２…負荷、８３…燃料極排ガス、８４…空気極排ガス、８５…出力調整装置。
【図１】
2004259647.tif 000003
【図２】
2004259647.tif 000004
【図３】
2004259647.tif 000005
【図４】
2004259647.tif 000006
【図５】
2004259647.tif 000007
【図６】
2004259647.tif 000008
【図７】
2004259647.tif 000009
【図８】
2004259647.tif 000010
【図９】
2004259647.tif 000011
【図１０】
2004259647.tif 000012
【図１１】
2004259647.tif 000013
【図１２】
2004259647.tif 000014
【図１３】
2004259647.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成16年4月2日(2004.4.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2004259647.tif 000016
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１】
2004259647.tif 000017