(57)【要約】【課題】燃料電池の停止動作に供給するガスの量を少なくしつつ、かつ、燃料電池の燃料極と空気極を保護することができる制御装置、発電システム及び燃料電池制御方法を提供する。【解決手段】燃料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極とを有し、燃料極を通過した排燃料ガスと、空気極を通過した排酸化性ガスの一部をガスタービンに供給する燃料電池の制御装置である。制御装置は、燃料電池を停止すると判定した場合、ガスタービンの停止を検出した後、燃料ガス及び酸化性ガスの供給を停止し、燃料極の圧力が空気極の圧力よりも高く、かつ、差圧が閾値差圧以内の状態を維持して、燃料極と空気極の圧力を低下させ、空気極と燃料極との圧力を閾値圧力以下とした後、燃料極と連通する流路を閉塞させることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極とを備える燃料電池と、前記燃料極を通過した排燃料ガスと、前記空気極を通過した排酸化性ガスの一部が供給されるガスタービンと、を備える燃料電池発電システムの制御装置であって、
燃料電池発電システムを停止すると判定した場合、ガスタービンの停止を検出した後、前記燃料ガス及び前記酸化性ガスの供給を停止し、前記燃料極の圧力が前記空気極の圧力よりも高く、かつ、差圧が閾値差圧以内の状態を維持して、前記燃料極のガスと前記空気極のガスを排出することで圧力を低下させ、前記空気極と前記燃料極の圧力を閾値圧力以下とした後、燃料極と連通する流路を閉塞させることを特徴とする燃料電池発電システムの制御装置。
【請求項２】
前記燃料極と連通する流路を閉塞した後、前記空気極に可燃性ガスを供給し、前記空気極の酸素濃度が所定値に低下した後に前記可燃性ガスを停止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電システムの制御装置。
【請求項３】
燃料が供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極とを備える燃料電池と、
圧縮機、燃焼器及びタービンを備え、前記燃料極を通過した燃料ガスと、空気極を通過した酸化性ガスの一部がガスタービンに供給されるガスタービンと、
前記圧縮機で圧縮された酸化性ガスを前記空気極に供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、
前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
前記燃料電池から排燃料ガスを前記燃焼器に供給する排燃料ガスラインと、
前記燃料電池から排酸化性ガスを前記燃焼器に供給する排酸化性ガス供給ラインと、
請求項１または２に記載の燃料電池発電システムの制御装置と、を備えることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
前記排燃料ガスラインに接続され、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを外部に排出して燃料極の圧力を低下する排燃料ガス排出ラインと、
前記排燃料ガス排出ラインに配置され、前記排燃料ガス排出ラインの排燃料ガスの流れを制御する燃料制御弁と、
前記排酸化性ガス供給ラインに接続され、前記排酸化性ガス供給ラインから供給された排酸化性ガスを外部に排出して空気極の圧力を低下する酸化性ガス排出ラインと、
前記排出ラインに配置され、前記酸化性ガス排出ラインの排酸化性ガスの流れを制御する酸化性ガス制御弁と、
前記排出ラインに配置され、前記排酸化性ガスを前記排酸化性ガス供給ラインから前記酸化性ガス排出ラインに向かう流れのみに流通可能とする逆止弁と、を備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池発電システム。
【請求項５】
前記燃料ガス供給ラインより分岐し、前記圧縮酸化性ガス供給ラインに接続し、燃料ガスを前記空気極に供給可能な空気極燃料供給ラインと、
前記空気極燃料供給ラインに配置され、燃料ガスの流れを制御する制御弁と、を備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池発電システム。
【請求項６】
燃料が供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極とを備える燃料電池と、前記燃料極を通過した排燃料ガスと、前記空気極を通過した排酸化性ガスの一部が供給されるガスタービンとを有する燃料電池の燃料電池発電システム制御方法であって、
燃料電池を停止すると判定した場合、前記ガスタービンの停止を検出するステップと、
前記ガスタービンの停止を検出した後、前記燃料ガス及び酸化性ガスの供給を停止し、前記燃料極の圧力が前記空気極の圧力よりも高く、かつ、差圧が閾値差圧以内の状態を維持して、前記燃料極のガスと前記空気極のガスを排出することで圧力を低下させるステップと、
前記空気極と前記燃料極との圧力を閾値圧力以下とした後、燃料極と連通する流路を閉塞させるステップと、を備えることを特徴とする燃料電池発電システム制御方法。
【請求項７】
前記燃料極と連通する流路を閉塞した後、前記空気極に可燃性ガスを供給するステップと、前記空気極の酸素濃度が所定値に低下した後に前記可燃性ガスを停止するステップとをさらに有することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電システム制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池とガスタービンを組み合わせた燃料電池発電システムの制御装置、発電システム及び燃料電池発電システム制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸素とを化学反応させることにより発電する燃料電池としての固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下ＳＯＦＣ）は、用途の広い高効率な燃料電池として知られている。ＳＯＦＣは、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、例えば、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどの炭素質原料をガス化設備により製造したガスを燃料として運転される燃料電池である。このＳＯＦＣは、イオン導電率を高めるために作動温度が高くされているので、ガスタービンの圧縮機から吐出された空気を空気極側に供給する空気（酸化剤）として使用することができる。また、ＳＯＦＣは、利用できなかった高温の燃料及び排熱をガスタービンの燃焼器において燃料及び酸化性ガスとして使用することができる。
【０００３】
例えば、特許文献１、特許文献２に記載されたコンバインドシステムは、ＳＯＦＣと、このＳＯＦＣから排出された排燃料ガスと排空気とを燃焼するガスタービン燃焼器と、空気を圧縮してＳＯＦＣに供給する圧縮機を有するガスタービンとを設けたものである。特許文献１は、設備の停止時に圧縮機をモータで駆動し、空気極に圧縮空気を供給することでＳＯＦＣを冷却すること及び、燃料極に還元ガスを供給し、燃料極を保護することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２０６８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の発電システムは、ＳＯＦＣの停止時に、ＳＯＦＣをより早く冷却するために、圧縮空気を空気極に循環させている。このように圧縮空気を供給する必要があるため、圧縮空気を供給するための駆動力が必要となる。また、ＳＯＦＣは、高温の状態では、空気極が還元されることを抑制するために酸化雰囲気とし、燃料極が再酸化されることを抑制するために、還元雰囲気としている。空気極が還元されると、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る。また、還元された空気極材料は、ＳＯＦＣの運転再開時に再度酸化雰囲気にさらされたとしても元の材料には戻らないため、空気極の導電性が失われ発電性能が低下する。燃料極が再酸化されると、燃料極材料であるＮｉなどの金属が酸素と反応して酸化物になると、この反応は体積変化を伴うために、燃料極において応力が発生して燃料極、さらには電解質や基体管が破損する可能性がある。このため、燃料極には、高温状態では還元雰囲気を維持するように水素等を供給するための構造があり、水素の供給源を確保する必要がある。しかしながら、水素等を供給する構造を設けると、装置と制御が複雑化し、大型化する。
【０００６】
本発明は、上述した課題を解決するものであり、燃料電池の停止動作に供給するガスの量を少なくしつつ、かつ、燃料電池の燃料極と空気極を保護することができる燃料電池発電システムの制御装置、発電システム及び燃料電池発電システム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】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明は、燃料ガスが供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極とを備える燃料電池と、前記燃料極を通過した排燃料ガスと、前記空気極を通過した排酸化性ガスの一部が供給されるガスタービンと、を備える燃料電池発電システムの制御装置であって、燃料電池発電システムを停止すると判定した場合、ガスタービンの停止を検出した後、前記燃料ガス及び前記酸化性ガスの供給を停止し、前記燃料極の圧力が前記空気極の圧力よりも高く、かつ、差圧が閾値差圧以内の状態を維持して、前記燃料極のガスと前記空気極のガスを排出することで圧力を低下させ、前記空気極と前記燃料極の圧力を閾値圧力以下とした後、燃料極と連通する流路を閉塞させることを特徴とする。
【０００８】
本発明の制御装置では、燃料電池の冷却を優先させた温度を積極的に低下させる処理を行わずに、燃料電池の圧力低下を優先させて空気極よりも燃料極を所定の圧力を高く維持しながら、燃料電池の圧力を早く低下させて燃料極を閉塞する。このように空気極よりも燃料極が所定圧力だけ高いという圧力関係を維持して圧力を低下させることで、圧力低下中に燃料極に空気極の酸素が流入することを抑制して還元雰囲気を維持できる。また、空気極は酸素が残留したまま圧力を低下させるので酸化雰囲気を維持することができる。これにより、燃料電池の燃料極と空気極のそれぞれを適切な雰囲気に維持することができ、燃料極と空気極を保護しながら、燃料電池を停止して圧力を低下することができる。また、燃料電池の圧力を優先して低下させ、所定の圧力になった後は、燃料極の内部の雰囲気を維持するよう、燃料極と連通する流路を閉塞させる処理で停止させるため、従来のように燃料極の還元雰囲気を維持するために水素の供給が不要となり、停止のために供給するガスの量を少なくすることができる。従い、燃料電池の停止動作に供給するガスの量を少なくしつつ、かつ、燃料電池の燃料極と空気極を保護することができる。また、冷却を優先とした停止動作を行わないことから燃料電池の温度が高い状態を維持できるため、再稼働時に燃料電池を昇温させる工程を短くすることができ、再稼働にかかる時間を短くすることができる。
【０００９】
また、前記燃料極と連通する流路を閉塞した後、前記空気極に可燃性ガスを供給し、前記空気極の酸素濃度が所定値に低下した後に前記可燃性ガスを停止することが好ましい。燃料電池の圧力を優先して低下させ、所定の圧力になった後は、燃料極の還元雰囲気を維持するために、空気極に可燃性ガスを供給することで、空気極の酸素濃度をより低減することができる。これにより、空気極は、還元雰囲気になることなく不活化雰囲気にすることができ、燃料電池が停止動作中にあたり燃料電池をより確実に保護することができる。
【００１０】
上記の目的を達成するための本発明は、燃料電池発電システムであって、燃料が供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極とを備える燃料電池と、圧縮機、燃焼器及びタービンを備え、前記燃料極を通過した燃料ガスと、空気極を通過した酸化性ガスの一部がガスタービンに供給されるガスタービンと、前記圧縮機で圧縮された酸化性ガスを前記空気極に供給する圧縮酸化性ガス供給ラインと、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排燃料ガスを前記燃焼器に供給する排燃料ガスラインと、前記燃料電池から排酸化性ガスを前記燃焼器に供給する排酸化性ガス供給ラインと、上記のいずれかに記載の燃料電池発電システムの制御装置と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
燃料電池発電システムは、燃料電池の冷却を優先させた温度を積極的に低下させる処理を行わずに、燃料電池の圧力低下を優先させて空気極よりも燃料極を所定の圧力を高く維持しながら、燃料電池の圧力を早く低下させて燃料極を閉塞する。このように空気極よりも燃料極が所定圧力だけ高いという圧力関係を維持して圧力を低下させることで、圧力低下中に燃料極に空気極の酸素が流入することを抑制して還元雰囲気を維持できる。また、空気極は酸素が残留したまま圧力を低下させるので酸化雰囲気を維持することができる。これにより、燃料電池の燃料極と空気極のそれぞれを適切な雰囲気に維持することができ、燃料極と空気極を保護しながら、燃料電池を停止して圧力を低下することができる。また、燃料電池の圧力を優先して低下させ、所定の圧力になった後は、燃料極の内部の雰囲気を維持するよう、燃料極と連通する流路を閉塞させる処理で停止させるため、従来のように燃料極の還元雰囲気を維持するために水素の供給が不要となり、停止のために供給するガスの量を少なくすることができる。したがって、燃料電池の停止動作に供給するガスの量を少なくしつつ、かつ、燃料電池の燃料極と空気極を保護することができる。また、冷却を優先とした停止動作を行わないことから燃料電池の温度が高い状態を維持できるため、再稼働時に燃料電池を昇温させる工程を短くすることができ、再稼働にかかる時間を短くすることができる。
【００１２】
また、燃料電池発電システムは、前記排燃料ラインに接続され、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを外部に排出して燃料極の圧力を低下する排燃料ガス排出ラインと、前記排出ラインに配置され、前記排燃料ガス排出ラインの排燃料ガスの流れを制御する燃料制御弁と、前記排酸化性ガス供給ラインに接続され、前記排酸化性ガス供給ラインから供給された排酸化性ガスを外部に排出して空気極の圧力を低下する酸化性ガス排出ラインと、前記排出ラインに配置され、前記酸化性ガス排出ラインの排酸化性ガスの流れを制御する酸化性ガス制御弁と、前記排出ラインに配置され、前記排酸化性ガスを前記排酸化性ガス供給ラインから前記酸化性ガス排出ラインに向かう流れのみに流通可能とする逆止弁と、を備えることが好ましい。逆止弁を有することで、停止時に排出ラインから空気が逆流し、空気極の酸素濃度が高くなることを抑制することができる。
【００１３】
また、燃料電池発電システムは、前記燃料ガス供給ラインより分岐し、前記圧縮酸化性ガス供給ラインに接続し、燃料ガスを前記空気極に供給可能な空気極燃料供給ラインと、前記空気極燃料供給ラインに配置され、燃料ガスの流れを制御する制御弁と、を備えることが好ましい。このように、空気極燃料供給ラインと制御弁を設けることで、燃料電池の圧力を優先して低下させ、所定の圧力になった後に、燃料極の還元雰囲気を維持するために、空気極に可燃性ガスを供給することができる。可燃性ガスを空気極に供給することで、空気極の酸素濃度をより低減することができる。これにより、空気極を還元雰囲気になることなく不活化雰囲気にすることができ、燃料電池が停止動作中にあたり燃料電池をより確実に保護することができる。
【００１４】
上記の目的を達成するための本発明は、燃料が供給される燃料極と酸化性ガスが供給される空気極とを備える燃料電池と、前記燃料極を通過した排燃料ガスと、前記空気極を通過した排酸化性ガスの一部が供給されるガスタービンとを有する燃料電池の燃料電池発電システム制御方法であって、燃料電池を停止すると判定した場合、前記ガスタービンの停止を検出するステップと、前記ガスタービンの停止を検出した後、前記燃料ガス及び酸化性ガスの供給を停止し、前記燃料極の圧力が前記空気極の圧力よりも高く、かつ、差圧が閾値差圧以内の状態を維持して、前記燃料極のガスと前記空気極のガスを排出することで圧力を低下させるステップと、前記空気極と前記燃料極との圧力を閾値圧力以下とした後、燃料極と連通する流路を閉塞させるステップと、を備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明では、燃料電池の冷却を優先させた温度を積極的に低下させる処理を行わずに、燃料電池の圧力低下を優先させて空気極よりも燃料極を所定の圧力を高く維持しながら、燃料電池の圧力を早く低下させて燃料極を閉塞する。このように空気極よりも燃料極が所定圧力だけ高いという圧力関係を維持して圧力を低下させることで、圧力低下中に燃料極に空気極の酸素が流入することを抑制して還元雰囲気を維持できる。また、空気極は酸素が残留したまま圧力を低下させるので酸化雰囲気を維持することができる。これにより、燃料電池の燃料極と空気極のそれぞれを適切な雰囲気に維持することができ、燃料極と空気極を保護しながら、燃料電池を停止して圧力を低下することができる。また、燃料電池の圧力を優先して低下させ、所定の圧力になった後は、燃料極の内部の雰囲気を維持するよう、燃料極と連通する流路を閉塞させる処理で停止させるため、従来のように燃料極の還元雰囲気を維持するために水素の供給が不要となり、停止のために供給するガスの量を少なくすることができる。従い、燃料電池の停止動作に供給するガスの量を少なくしつつ、かつ、燃料電池の燃料極と空気極を保護することができる。また、冷却を優先とした停止動作を行わないことから燃料電池の温度が高い状態を維持できるため、再稼働時に燃料電池を昇温させる工程を短くすることができ、再稼働にかかる時間を短くすることができる。
【００１６】
また、燃料電池発電システム制御方法は、前記燃料極と連通する流路を閉塞した後、前記空気極に可燃性ガスを供給するステップと、前記空気極の酸素濃度が所定値に低下した後に前記可燃性ガスを停止するステップとをさらに有することが好ましい。燃料電池の圧力を優先して低下させ、所定の圧力になった後は、燃料極の還元雰囲気を維持するために、空気極に可燃性ガスを供給することで、空気極の酸素濃度をより低減することができる。これにより、空気極は、還元雰囲気になることなく不活化雰囲気にすることができ、燃料電池が停止動作中にあたり燃料電池をより確実に保護することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃料電池の停止動作に供給するガスの量を少なくしつつ、かつ、燃料電池の燃料極と空気極を保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本実施形態の発電システムを表す概略構成図である。
【図２】図２は、本実施形態の発電システムの制御装置で実行する処理の一例を示すタイムチャートである。
【図３】図３は、本実施形態の発電システムの制御装置で実行する処理の一例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、本実施形態のセルスタックの部分断面図である。
【図５】図５は、本実施形態の燃料電池モジュールの概要を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る発電システム及び発電システムの運転方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。
【００２０】
本実施形態の発電システムは、固体酸化物形燃料電池（以下、ＳＯＦＣと称する。）とガスタービン（マイクロガスタービン）とを組み合わせたコンバインドサイクルである。
【００２１】
図１は、本実施形態の発電システムを表す概略構成図である。本実施形態において、図１に示すように、発電システム１０は、ガスタービン（マイクロガスタービン）１１及び発電機１２と、ＳＯＦＣ１３と、を有している。この発電システム１０は、ガスタービン１１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したものである。
【００２２】
ガスタービン１１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は、回転軸２４により一体回転可能に連結されている。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。圧縮機２１は、空気取り込み口に開度を調整できる入口案内翼（ＩＧＶ：Ｉｎｌｅｔ  Ｇｕｉｄｅ  Ｖａｎｅ）２１ａが設けられている。また、発電システム１０には、ＩＧＶ２１ａの開度を検出するＩＧＶ開度検出部２１ｂを設けてもよく、ＩＧＶ開度検出部２１ｂはＩＧＶの開度を検出し、検出結果を制御装置５８に送る。圧縮機２１は、入口案内翼２１ａの開度を大きくすることで、圧縮機２１が生成する圧縮空気量を増加させ、開度を小さくすることで、圧縮機２１が生成する圧縮空気量を減少させる。燃焼器２２は、圧縮機２１が生成する圧縮空気から一部を第１圧縮空気供給ライン２６を通して供給された圧縮空気Ａ１と、第１燃料ガス供給ライン２７から供給された燃料ガスＬ１とを混合して燃焼する。また、燃焼器２２には、後述するＳＯＦＣ１３から排出される排燃料ガスＬ３と排空気（排酸化性ガス）Ａ３が供給される。燃焼器２２は、排燃料ガスＬ３と排空気（排酸化性ガス）Ａ３が供給されると、圧縮空気Ａ１と燃焼ガスＬ１とともに排燃料ガスＬ３と排空気（排酸化性ガス）Ａ３を混合して燃焼させる。タービン２３は、燃焼器２２から排ガス供給ライン２８を通して供給された排ガス（燃焼ガス）Ｇが断熱膨張することにより回転する。なお、図示しないが、タービン２３は、圧縮機２１で圧縮された圧縮空気Ａ１が車室を通して供給され、この圧縮空気Ａ１を冷却空気として翼などを冷却してもよい。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が回転することで発電することができる。タービン２３は、燃焼排ガスライン５３が連結されており、タービンを通過した排ガスが、燃焼排ガスライン５３から排出される。なお、ここでは、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の各燃料ガスは、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、都市ガス、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素ガス、石炭など炭素質原料のガス化設備により製造したガスを用いることが可能である。
【００２３】
ＳＯＦＣ１３は、還元剤としての加熱した燃料ガスと、酸化剤としての加熱した空気（酸化性ガス）とが供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行うものである。このＳＯＦＣ１３は、圧力容器内に燃料極１３Ａと空気極１３Ｂと固体電解質とが収容されて構成される。空気極１３Ｂに圧縮機２１で圧縮された一部の圧縮空気（圧縮酸化性ガス）Ａ２が供給され、燃料極１３Ａに燃料ガスＬ２が供給されることで発電を行う。また、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスは、酸素を略１５％〜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。以下、本実施形態では、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化性ガスを空気とした場合で説明する。また、ＳＯＦＣ１３から排出される排酸化性ガスは、排空気となる。また、発電システム１０は、ＳＯＦＣ１３に酸化性ガスまた排酸化性ガスが供給される。運転時のＳＯＦＣ１３の温度は、７００℃以上１０００℃以下で運転できるものがある。ＳＯＦＣと１３しては、例えば、特開２０１５−０６４９８０号公報、特開２０１５−１１８７４１号公報に記載されている構造を用いることができる。
【００２４】
このＳＯＦＣ１３は、第１圧縮空気供給ライン２６と分岐した第２圧縮空気供給ライン（圧縮酸化性ガス供給ライン）３１が連結され、圧縮機２１が圧縮した一部の圧縮空気（圧縮酸化性ガス）Ａ２を空気極１３Ｂの導入部に供給することができる。この第２圧縮空気供給ライン３１は、供給する空気量を調整可能な制御弁３２と、圧縮空気Ａ２の流れ方向に沿って設けられている。制御弁３２は、第２圧縮空気供給ライン３１における圧縮空気Ａ２の流れ方向の上流側に設けられている。また、第２圧縮空気ライン３１は、燃焼排ガスライン５３から排出される排ガスＧとの間で熱交換を行う熱交換器６０が配置されている。熱交換器６０は、燃焼排ガスライン５３から排出される排ガスの熱で第２圧縮空気ライン３１を流れる圧縮空気を昇温させる。また、第２圧縮空気ライン３１には、熱交換器６０をバイパスするバイパスライン６２が設けられている。さらに、第２圧縮空気ライン３１の、バイパスライン６２でバイパスされている位置には、制御弁６４が配置されている。また、バイパスライン６２にも制御弁６６が配置されている。制御弁６４で燃焼器２２への圧縮空気Ａ１を安定に供給しながら、制御弁６４、６６を制御することで、圧縮空気が熱交換器６０を通過する圧縮空気の流量割合を制御することができる。
【００２５】
第２圧縮空気供給ライン（圧縮酸化性ガス供給ライン）３１は、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は、第２燃料ガス供給ライン４１から分岐し、第２圧縮空気供給ライン３１と接続する。空気極燃料供給ライン８０は、第２圧縮空気供給ライン３１に可燃性ガスとして燃料ガスを供給する。第２圧縮空気供給ライン３１には、燃料ガス流量制御弁（制御弁）８２が設けられている。燃料ガス流量制御弁８２は、第２圧縮空気供給ライン３１への燃料ガスの供給を制御する。
【００２６】
第２圧縮空気供給ライン３１は、窒素ガス供給ライン８６が接続されている。窒素ガス供給ライン８６は、窒素供給源８８に接続されている。窒素ガス供給ライン８６は、第２圧縮空気供給ライン３１に窒素ガス供給することでＳＯＦＣ１３の空気極１３Ｂに窒素ガスを供給する。
【００２７】
ＳＯＦＣ１３は、空気極１３Ｂで用いられた排空気（排酸化性ガス）Ａ３を排出する排空気ライン（排酸化性ガス供給ライン）３４が連結されている。この排空気ライン３４は、空気極１３Ｂで用いられた排空気Ａ３を発電システム１０の外部に排出する排空気排出ライン（排酸化性ガス排出ライン）３５と、燃焼器２２に連結される排空気供給ライン（排酸化性ガス供給ライン）３６とに分岐される。つまり、排空気ライン３４を経由した排空気供給ライン３６は、ＳＯＦＣ１３の空気極１３Ｂで用いられた排空気Ａ３を、燃焼器２２に供給する排空気供給ラインとして機能する。排空気排出ライン３５は、排出する空気量を調整可能な空気制御弁３７と逆止弁３９が設けられ、排空気供給ライン３６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。逆止弁３９は、排空気排出ライン３５から空気を排出する方向、つまり、排空気ライン３４から排空気排出ライン３５に向かう方向のみに空気が流れるように空気の流れを規制する弁で、空気極１３Ｂの圧力を低下させる際に、空気が逆流して進入することを防止する機能がある。
【００２８】
また、ＳＯＦＣ１３は、燃料ガスＬ２を燃料極１３Ａの導入部に供給する第２燃料ガス供給ライン４１が設けられている。第２燃料ガス供給ライン４１は、供給する燃料ガス量を調整可能な制御弁４２が設けられている。ＳＯＦＣ１３は、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が連結されている。この排燃料ガスライン４３は、発電システム１０の外部に排出する排燃料ガス排出ライン４４と、燃焼器２２に連結される排燃料ガス供給ライン４５とに分岐される。排燃料ガス排出ライン４４は、排出する燃料ガス量を調整可能な燃料制御弁４６が設けられ、排燃料ガス供給ライン４５は、供給する燃料ガス量を調整可能な排燃料ガス流量制御弁４７が設けられている。排燃料ガス流量制御弁４７は、排燃料ガス供給ライン４５における排燃料ガスＬ３の流れ方向の上流側に設けられている。
【００２９】
また、ＳＯＦＣ１３は、排燃料ガスライン４３と第２燃料ガス供給ライン４１とを連結する燃料ガス再循環ライン４９が設けられている。燃料ガス再循環ライン４９には、排燃料ガスライン４３の排燃料ガスＬ３を第２燃料ガス供給ライン４１に再循環させる再循環ブロワ５０が設けられている。
【００３０】
制御装置５８は、各部から情報を取得し、取得した情報に基づいて演算を行い、発電システム１０の各部の動作を制御する。差圧計９０は、燃料極１３Ａと空気極１３Ｂとの差圧を検出する。差圧計９０は、差圧の絶対値に加え、燃料極１３Ａと空気極１３Ｂとどちらの圧力が高いかを検出する。差圧計９０は、燃料極１３Ａと空気極１３Ｂの圧力の絶対値をも検出してもよい。空気極温度計９２は空気極１３Ｂの温度を検出する。酸素濃度計９４は、空気極１３Ｂの酸素濃度を検出する。差圧計９０、空気極温度計９２、酸素濃度計９４は、検出した結果を制御装置５８に送る。
【００３１】
次に、本実施形態の発電システム１０の作動について説明する。発電システム１０を起動する場合、ガスタービン１１が起動した後にＳＯＦＣ１３が起動する。
【００３２】
まず、ガスタービン１１にて、圧縮機２１が空気Ａを圧縮し、燃焼器２２が圧縮空気Ａ１と燃料ガスＬ１とを混合して燃焼し、タービン２３が排ガスＧにより回転することで、発電機１２が発電を開始する。
【００３３】
ＳＯＦＣ１３を起動させるために、圧縮機２１から圧縮空気Ａ２を供給してＳＯＦＣ１３の加圧を開始し、加熱を開始する。排空気排出ライン３５の空気制御弁３７と排空気供給ライン３６の遮断弁３８を閉止し、制御弁３２を所定開度だけ開放する。発電システム１０は、ＳＯＦＣ１３の加圧専用の制御弁を設け、当該制御弁を所定開度だけ開放してもよい。なお、ここで昇圧速度を制御するための制御弁３２の開度調整を行う。すると、圧縮機２１で圧縮した一部の圧縮空気Ａ２が第２圧縮空気供給ライン３１からＳＯＦＣ１３側へ供給される。これにより、ＳＯＦＣ１３側は、圧縮空気Ａ２が供給されることで圧力が上昇する。
【００３４】
一方、ＳＯＦＣ１３では、燃料極１３Ａ側に燃料ガスＬ２、図示されていない圧縮空気ラインの分岐から圧縮空気（酸化性ガス）を供給して昇圧を開始する。発電システム１０は、燃料極１３Ａに不活性ガスなどによるパージガスを供給するパージガス供給手段を設け、燃料極１３Ａにパージガスを供給することで、ＳＯＦＣ１３の燃料極１３Ａ側を昇圧させるようにしてもよい。ここで、パージガスとしては、窒素等の不活性ガスを用いることができる。排燃料ガス排出ライン４４の燃料制御弁４６と排燃料ガス供給ライン４５の排燃料ガス流量制御弁４７を閉止し、第２燃料ガス供給ライン４１の制御弁４２の開度を調整すると共に、燃料ガス再循環ライン４９の再循環ブロワ５０を駆動する。なお、再循環ブロワ５０は燃料極１３Ａ側の加圧前に起動していてもよい。すると、燃料ガスＬ２が第２燃料ガス供給ライン４１からＳＯＦＣ１３側へ供給されると共に、排燃料ガスＬ３が燃料ガス再循環ライン４９により再循環される。これにより、ＳＯＦＣ１３の燃料極１３Ａ側は、燃料ガスＬ２、空気、不活性ガス等が供給されることで圧力が上昇する。このとき、ＳＯＦＣ１３の燃料極１３Ａ側の圧力は、ＳＯＦＣ１３の空気極１３Ｂ側の圧力との差圧が所定値の範囲内で高くなるよう、制御が行われている。すなわち、燃料極１３Ａ側の圧力は、空気極１３Ｂ側の圧力よりも、所定値を高くする。
【００３５】
そして、ＳＯＦＣ１３の空気極１３Ｂ側の圧力が圧縮機２１の出口圧力にまで上昇すると、制御弁３２にてＳＯＦＣ１３への供給空気流量を制御する。それと同時に遮断弁３８を開放してＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３を排空気供給ライン３６から燃焼器２２に供給する。すると、圧縮空気Ａ２がＳＯＦＣ１３側へ供給される。それと同時に燃料制御弁４６を開放してＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３を排燃料ガス排出ライン４４から排出する。そして、ＳＯＦＣ１３における空気極１３Ｂ側の圧力と燃料極１３Ａ側の圧力とが目標圧力に到達すると、ＳＯＦＣ１３の加圧が完了する。
【００３６】
その後、ＳＯＦＣ１３の圧力制御が安定したら、空気制御弁３７が開放となっている場合は閉止する一方、遮断弁３８の開放を維持する。このため、ＳＯＦＣ１３からの排空気Ａ３が排空気供給ライン３６から燃焼器２２に供給され続ける。また、ＳＯＦＣ１３が起動から定格運転に至る過程では、排燃料ガスＬ３の成分が変化する。排燃料ガスＬ３の成分が燃焼器２２へ投入可能な成分となったら、燃料制御弁４６を閉止する一方、排燃料ガス流量制御弁４７を開放する。すると、ＳＯＦＣ１３からの排燃料ガスＬ３が排燃料ガス供給ライン４５から燃焼器２２に供給される。このとき、第１燃料ガス供給ライン２７から燃焼器２２に供給される燃料ガスＬ１を減量する。
【００３７】
ここで、ガスタービン１１の駆動による発電機１２での発電、ＳＯＦＣ１３での発電が全て行われることとなり、発電システム１０が定常運転となる。
【００３８】
次に、図２及び図３を用いて、発電システムの停止時の動作を説明する。図２は、本実施形態の発電システムの制御装置で実行する処理の一例を示すタイムチャートである。図３は、本実施形態の発電システムの制御装置で実行する処理の一例を示すフローチャートである。図２及び図３の処理は、制御装置５８が各部の動作を実行することで実現することができる。
【００３９】
制御装置５８は、運転停止指令を検出する（ステップＳ１２）と、ガスタービン１１の出力低下を開始する（ステップＳ１４）。具体的には、制御装置５８は、図２に示すように時間ｔ１で運転停止命令を取得したら、ＳＯＦＣ１３の燃料極１３Ａに供給する燃料ガスを減少させ、燃焼器２２に供給される排燃料ガスの供給量を低下させ、ガスタービンの出力を低下させる。制御装置５８は、図２の時間ｔ１から時間ｔ２に示すように、燃料ガスの供給量を一定速度で低減し、ガスタービン１１の出力を一定速度で低減する。また、ガスタービンの出力の低下にともない、ＳＯＦＣ１３の発電負荷を低下させ、電流の取り出しも低下させるため空気極１３Ｂの酸素濃度は上昇する。時間ｔ１から時間ｔ２の間は、負荷下げの期間になる。
【００４０】
制御装置５８は、ガスタービン１１の出力の低下を開始したら、ガスタービン１１が停止したかを判定する（ステップＳ１６）。制御装置５８は、ガスタービン１１が停止していない（ステップＳ１６でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ１６に戻る。
【００４１】
制御装置５８は、ガスタービン１１が停止した（ステップＳ１６でＹｅｓ）と判定した場合、排空気と排燃料の排空気排出ライン３５の空気制御弁３７と排燃料ガス排出ラインの燃料制御弁４６を開く（ステップＳ１８）ことで、排空気と排燃料を発電システム１０の外部に排出し、燃料極１３Ａの圧力と空気極１３Ｂの圧力を素早く低下させる。また、制御装置５８は、ガスタービン１１を停止する際に、ＳＯＦＣ１３への燃料ガスと圧縮空気の供給も停止する。具体的には、第２圧縮空気供給ライン３１の制御弁３２と、第２燃料ガス供給ライン４１の制御弁４２を閉じる。発電システム１０は、制御弁３２、４２を閉じ、空気制御弁３７、燃料制御弁４６を開くことで、図２の時間ｔ２から時間ｔ３に示すように、燃料極１３Ａの圧力と空気極１３Ｂの圧力を早く確実に低下させる。時間ｔ２から時間ｔ３までの時間は、ＳＯＦＣ１３の容量にもよるが、１時間以内が好ましく、３０分以内が更に好ましい。
【００４２】
制御装置５８は、差圧計９０の検出結果に基づいて、制御弁、具体的には空気制御弁３７と燃料制御弁４６を調整する（ステップＳ２０）。具体的には、差圧計９０で燃料極１３Ａと空気極１３Ｂとの圧力の差を検出し、結果に基づいて、空気制御弁３７と燃料制御弁４６の開度または開閉を制御し、燃料極１３Ａの圧力が空気極１３Ｂの圧力よりも常に高く、かつ、燃料極１３Ａの圧力と空気極１３Ｂの圧力との差圧を閾値圧力以内とした状態を維持する。閾値圧力としては、０．５ｋＰａが例示され、このとき燃料極１３Ａの圧力は空気極１３Ｂの圧力よりも０．５ｋＰａ高い圧力値となる。また、制御装置５８は、空気極１３Ｂ側の排空気排出ライン３５の空気制御弁３７を所定の状態として、空気極１３Ｂを減圧させつつ、差圧計９０の検出結果に基づいて、燃料極１３Ａ側の排燃料ガス排出ライン４４の燃料制御弁４６を制御し、差圧を閾値以内にする。ＳＯＦＣ１３は、図２に示すように、内部の圧力が低下するため、発電室の温度も徐々に低下する。
【００４３】
制御装置５８は、空気制御弁３７と燃料制御弁４６を調整している状態で、ＳＯＦＣ１３の圧力低下が完了したかを判定する（ステップＳ２２）。制御装置５８は、圧力低下が完了していない（ステップＳ２２でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ２０に戻る。制御装置５８は、ＳＯＦＣ１３の圧力の低下が完了するまで、ステップＳ２０、ステップＳ２２の処理を繰り返す。
【００４４】
制御装置５８は、圧力低下が完了した（ステップＳ２２でＹｅｓ）と判定した場合、排燃料ガスの排燃料ガス排出ライン４４の燃料制御弁４６を閉じ、燃料ガス再循環ライン４９の再循環ブロワ５０を停止して、排燃料ガスＬ３の燃料ガス再循環ライン４９による再循環を停止する（ステップＳ２４）。つまり、図２に示す時間ｔ３の状態となったと判定したら、燃料制御弁４６を閉じ、再循環ブロワ５０を停止する。制御装置５８は、燃料制御弁４６を閉じ、再循環ブロワ５０を停止することで、燃料極１３Ａに繋がり燃料ガスが流れる経路が閉塞され、燃料極１３Ａ内の燃料ガスが閉じ込められる。また、排空気排出ライン３５には逆止弁３９が設置されているため、空気極１３Ｂの空気は外部に排出されるが、一時的に空気極１３Ｂの圧力が外部より低くなり圧力バランスが崩れた場合が生じても、新たな空気は逆流して流入しない。燃料極１３Ａの圧力が高いことから、燃料経１３Ａ側から空気極１３Ｂ側へ若干量の漏れ込があった場合は、燃料ガスと空気極１３Ｂ内に豊富に存在する酸素の一部が反応することで、空気極１３Ｂ内の酸素濃度が多少低下するが、空気極１３Ｂ内の酸素は十分に存在している。この時、空気極系統と燃料極系統では系統容積が異なるため、残留燃料ガス量よりも残留空気量の方が多い。ステップＳ２０からステップＳ２４のＳＯＦＣ１３の圧力低下処理中に、燃料極１３Ａは空気極１３Ｂの酸素が流入することを抑制して還元雰囲気を維持できる。また、空気極１３Ｂは酸素が残留したまま圧力を低下させるので酸化雰囲気を維持することができる。
【００４５】
次に、制御装置５８は、空気極燃料供給ライン８０の制御弁（燃料ガス流量制御弁）８２を開き、空気極１３Ｂに燃料ガスを供給する（ステップＳ２６）。図２に示す時間ｔ３に示すように、空気極１３Ｂへの燃料ガスの供給を開始する。ＳＯＦＣ１３の発電室温度は高い状況にあるので、空気極１３Ｂに可燃性ガスとして燃料ガスが供給されることで、燃料ガスが空気極１３Ｂの内部に残った酸素を用いて燃焼し、空気極１３Ｂ内の酸素濃度が低下する。排空気排出ライン３５の空気制御弁３７が開いている状態にあるため、空気極１３Ｂの燃焼したガスは、排空気ガスの排空気排出ライン３５から排出される。
【００４６】
空気極１３Ｂに可燃性ガスとしての燃料ガスを供給することで、空気極１３Ｂの酸素濃度をより低減する。これにより、空気極１３Ｂから燃料極１３Ａへと酸素が移動しにくい雰囲気を維持することで、燃料極１３Ａへ酸素が流入することをより確実に抑制して還元雰囲気を維持できる。
【００４７】
また、図２に示すように、ＳＯＦＣ１３内で燃料ガスが燃焼されることで、発電室温度が徐々に上昇する。このとき、制御装置５８は、空気極１３Ｂに生じる温度上昇で、空気極１３Ｂの温度が閾値より高くなった場合は、窒素ガス供給ライン８６を介して窒素を供給し、空気極１３Ｂ内を冷却してもよい。これにより、空気極１３Ｂの酸素分圧と燃料分圧が低下する雰囲気となり、空気極１３Ｂを劣化させる還元雰囲になることを抑制しつつ、燃料ガスの燃焼が抑制されて空気極１３Ｂの温度上昇を抑制できる。
【００４８】
制御装置５８は、空気極の酸素濃度が低下しているかを判定する（ステップＳ２８）。具体的には、酸素濃度が設定した閾値濃度まで低下したかを判定する。空気極１３Ｂの酸素濃度は、酸素濃度計９４の計測結果または空気極温度計９２で検出した温度変化に基づいて判定する。制御装置５８は、酸素濃度が低下していない（ステップＳ２８でＮｏ）と判定した場合、ステップＳ２８に戻り、空気極１３Ｂに燃料ガスを供給する状態を維持する。閾値濃度以下まで酸素濃度を低下させることで、所定差圧を維持した状態において、一定期間ＳＯＦＣ１３を停止していても、空気極内に残留した酸素によって燃料極が酸化することを抑制できる。
【００４９】
制御装置５８は、酸素濃度が低下した（ステップＳ２８でＹｅｓ）と判定した場合、空気極燃料供給ライン８０の制御弁８２を閉じ、空気極１３Ｂへの燃料ガスの供給を停止する（ステップＳ３０）。また、酸素濃度が低下した後においても排空気ガスの排空気排出ライン３５の空気制御弁３７は開のまま維持する。つまり、図２に示す時間ｔ４の状態となったと判定したら、制御弁８２を閉じることで、空気極１３Ｂに繋がり燃料ガスが流れる経路が閉塞され、空気極１３Ｂへ流入するガスがなくなる。また、空気制御弁３７は開のままとすることで、その後の動作中に停電等による停止動作が発生した場合でも対応が容易になる。
【００５０】
制御装置５８は、ＳＯＦＣ１３の冷却を優先させた温度を積極的に低下させる処理を行わずに、ＳＯＦＣ１３の圧力低下を優先させて空気極１３Ｂよりも燃料極１３Ａを所定の圧力だけ高くする圧力の大小関係を維持して圧力を早く低下させて燃料極１３Ａを閉塞する。このように空気極１３Ｂよりも燃料極１３Ａが所定の圧力だけ高いという圧力関係を維持して圧力を低下させることで、ＳＯＦＣ１３の圧力を低下中に燃料極１３Ａに空気極１３Ｂの酸素が流入することを抑制して還元雰囲気を維持できる。また、燃料極１３Ａに残った燃料ガスの一部が若干の漏れ込みで空気極１３Ｂに移動した場合でも、空気極１３Ｂ内には十分な酸素量があるので、空気極１３Ｂ内の酸素濃度が多少低減する程度で空気極１３Ｂの酸素が残留したまま圧力を低下させるので酸化雰囲気を維持することができる。これにより、ＳＯＦＣ１３の燃料極１３Ａと空気極１３Ｂのそれぞれを適切な雰囲気に維持することができ、燃料極１３Ａと空気極１３Ｂを保護しながら、ＳＯＦＣ１３を停止することができる。また、ＳＯＦＣ１３の圧力を優先して早く低下させ、所定の圧力になった後は、燃料極１３Ａの内部の雰囲気を維持するよう燃料極１３Ａと連通する流路を閉塞させる処理で停止させるため、従来のように燃料極１３Ａの還元雰囲気を維持するために水素の供給が不要となり、停止のために供給するガスの量を少なくすることができる。ＳＯＦＣ１３の停止動作に供給するガスの量を少なくしつつ、かつ、ＳＯＦＣ１３の燃料極１３Ａと空気極１３Ｂを保護することができる。また、冷却を優先とした停止動作を行わないことからＳＯＦＣ１３の温度が高い状態を維持できるため、再稼働時にＳＯＦＣ１３を昇温させる工程を短くすることができ、再稼働にかかる時間を短くすることができる。
【００５１】
また、制御装置５８は、燃料極１３Ａと連通する流路を閉塞した後、空気極１３Ｂに可燃性ガスとしての燃料ガスを供給することで、空気極１３Ｂの酸素濃度をより低減し、空気極１３Ｂから燃料極１３Ａへと酸素が移動しにくい雰囲気をより確実に維持して燃料極１３Ａの還元雰囲気を維持することができる。また、ＳＯＦＣ１３の温度を低下させていない状態であるため、空気極１３Ｂに燃料ガスを供給すると空気極１３Ｂの熱で供給した燃料を簡単に燃焼させることができ、酸素濃度を低減させることができる。これにより、空気極１３Ｂを還元雰囲気になることなく不活化雰囲気にすることができ、ＳＯＦＣ１３が停止動作を行うにあたりＳＯＦＣ１３をより確実に保護することができる。なお、本実施形態では、燃料極１３Ａに供給する燃料ガスを空気極に供給したが、空気極の酸素を消費できればよく、可燃性ガスとして燃料の種類は限定されない。
【００５２】
また、発電システム１０は、逆止弁３９を有することで、ＳＯＦＣ１３の停止時に排出ラインから空気が逆流し、空気極１３Ｂの酸素濃度が高くなることを抑制することができる。
【００５３】
また、制御装置５８は、空気極１３Ｂに燃料ガスを供給し、燃料を燃焼させることで、生じる温度上昇で、空気極１３Ｂの温度が閾値より高くなった場合、窒素ガス供給ライン８６を介して窒素を供給し、冷却することが好ましい。これにより、空気極１３Ｂの雰囲気が空気極１３Ｂを劣化させる雰囲気になることを抑制しつつ、空気極１３Ｂの温度上昇を抑制できる。
【００５４】
図４を参照して本実施形態に係るＳＯＦＣ１３に用いる円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図４は、本実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の長手軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を有し、最も端の他端に形成された燃料電池セル１０５の燃料極１０９に電気的に接続されたリード膜（不図示）を有する。
【００５５】
本実施形態では、セルスタック１０１の軸方向において、インターコネクタ１０７で電気的に接続された複数の燃料電池セル１０５群がある。
【００５６】
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４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１０９に拡散させるものである。
【００５７】
燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を有する。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）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２−）とを固体電解質１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。燃料電池セル１０５が高温の作動温度にあるときは、この燃料極１０９に含まれる、Ｎｉが酸化されて体積変化を生じて破損しないよう、還元雰囲気に維持する必要がある。ＳＯＦＣに利用できる燃料ガスは、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどの炭素質原料をガス化設備により製造したガスなどを燃料として運転される。本実施形態での燃料ガスは、都市ガスなどのメタンを主成分とする燃料ガスと水素を用いたものである。
【００５８】
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有するＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質１１１は、空気極１１３で生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極１０９に移動させるものである。
【００５９】
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成される。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）を生成するものである。燃料電池セル１０５が高温の作動温度にあるときは、この空気極１１３に含まれる、Ｏが還元されて体積変化を生じて破損しないよう、酸化雰囲気に維持する必要がある。
【００６０】
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から構成され、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。
【００６１】
次に、図５を参照して本実施形態に係るＳＯＦＣモジュール２０１について説明する。ここで、図５は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュール２０１の一態様を示すものである。本実施形態のＳＯＦＣ１３は、少なくとも１つのＳＯＦＣモジュール２０１を有する。
【００６２】
ＳＯＦＣモジュール２０１は、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａとを有する。またＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを有する。
【００６３】
燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。
【００６４】
ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電室は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置され、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、燃料電池モジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。
【００６５】
発電室で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないインバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。
【００６６】
燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。
【００６７】
圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約１ＭＰａ、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤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。
【００６８】
ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。
【符号の説明】
【００６９】
１０  発電システム
１１  ガスタービン
１２  発電機
１３  ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池：燃料電池）
１３Ａ  燃料極
１３Ｂ  空気極
２１  圧縮機
２１ａ  ＩＧＶ
２１ｂ  ＩＧＶ開度検出部
２２  燃焼器
２３  タービン
２５  空気取り込みライン
２６  第１圧縮空気供給ライン
２７  第１燃料ガス供給ライン
３１  第２圧縮空気供給ライン（圧縮酸化性ガス供給ライン）
３２、３８、４２、７０  制御弁
３４  排空気ライン（排酸化性ガスライン）
３５  排空気排出ライン（排酸化性ガス排出ライン）
３６  排空気供給ライン（排酸化性ガス供給ライン）
３７  空気制御弁
３９  逆止弁
４１  第２燃料ガス供給ライン
４３  排燃料ガスライン
４４  排燃料ガス排出ライン
４５  排燃料ガス供給ライン
４６  燃料制御弁
４７  排燃料ガス流量制御弁
４９  燃料ガス再循環ライン
５０  再循環ブロワ
５８  制御装置
６０  熱交換器
６２  バイパスライン
６４、６６  制御弁
７０  燃料ガス流量制御弁
８０  空気極燃料供給ライン
８２  燃料ガス流量制御弁
８６  窒素ガス供給ライン
８８  窒素ガス供給源
９０  差圧計
９２  空気極温度計
９４  酸素濃度計
【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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