特許 6239229 燃料電池システムおよび燃料電池運転方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6239229

(24)【登録日】2017年11月10日

(45)【発行日】2017年11月29日

(54)【発明の名称】燃料電池システムおよび燃料電池運転方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04225 20160101AFI20171120BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20171120BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20171120BHJP

   H01M 8/0612 20160101ALI20171120BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20171120BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 X

   H01M8/04 J

   H01M8/06 G

   !H01M8/12

【請求項の数】10

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2012-265591(P2012-265591)

(22)【出願日】2012年12月4日

(65)【公開番号】特開2014-110226(P2014-110226A)

(43)【公開日】2014年6月12日

【審査請求日】2015年10月6日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成２０年度〜平成２２年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「固体酸化物形燃料電池システム要素技術開発実用性向上のための技術開発 超効率運転のための高圧運転技術」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100118913

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 邦生

(72)【発明者】

【氏名】寺本 雄一

(72)【発明者】

【氏名】永井 卓磨

(72)【発明者】

【氏名】西浦 雅則

【審査官】 清水 康

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１４２１９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２１６２８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０１６２７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０５９６６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１７８３５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−０５９５１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−００９２７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０５９５０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２４９２３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２９８８８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００ − ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気極と燃料極とを有する燃料電池と、
燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料供給装置と、
水蒸気を前記燃料極に供給する水蒸気供給装置と、
不活性ガスを前記燃料極に供給する不活性ガス供給装置と、
前記燃料電池が発電する前に、前記燃料極が配置される発電室の温度が、前記燃料極において前記燃料ガスを改質して水素を生成可能な所定温度以上になったときに、前記水蒸気と前記燃料ガスとが所定の流量比で混合された混合ガスが前記燃料極に供給開始されるように、前記燃料供給装置と前記水蒸気供給装置とを制御し、前記燃料電池が発電する前であって、前記混合ガスが前記燃料極に供給される前、及び、前記混合ガスが前記燃料極に供給されているときに前記不活性ガスが前記燃料極に供給されるように前記不活性ガス供給装置を制御する制御装置と
を備える燃料電池システム。

【請求項2】

前記所定温度は、４００度以上とする請求項１に記載される燃料電池システム。

【請求項3】

前記制御装置は、さらに、前記所定の流量比は、前記混合ガスが含有する水蒸気量を前記混合ガスが含有する炭素量で除算したＳ／Ｃ比が５以上になるように、前記燃料供給装置と前記水蒸気供給装置とを制御する請求項１〜請求項２に記載される燃料電池システム。

【請求項4】

前記燃料極が配置される発電室の温度を計測する温度計をさらに備え、
前記制御装置は、前記温度に基づいて決定されたタイミングで前記混合ガスが前記燃料極に供給されるように、前記燃料供給装置と前記水蒸気供給装置とを制御する請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項に記載される燃料電池システム。

【請求項5】

前記制御装置は、さらに、前記燃料電池が発電しているときに、前記所定の流量比は、前記混合ガスが含有する水蒸気量を前記混合ガスが含有する炭素量で除算したＳ／Ｃ比が５以下になるように、前記燃料供給装置と前記水蒸気供給装置とを制御する請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項に記載される燃料電池システム。

【請求項6】

前記燃料電池により発電された電力を消費する電力負荷に前記燃料電池から流れる電流を測定する電力負荷測定装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記燃料電池が発電しているときに、前記水蒸気が前記燃料極に単位時間当たりに供給される水蒸気供給量が、前記電流に基づいて算出される水蒸気供給量に等しくなるように、前記水蒸気供給装置をさらに制御する請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項に記載される燃料電池システム。

【請求項7】

還元性ガスを前記燃料極に供給する還元性ガス供給装置をさらに備え、
前記制御装置は、さらに、前記所定温度以下で、
前記混合ガスが前記燃料極に供給される前の少なくとも一期間に、前記還元性ガスが前記燃料極に供給されるように、前記還元性ガス供給装置を制御し、
前記混合ガスが供給されているときに、前記還元性ガスが前記燃料極に供給されないように、前記還元性ガス供給装置を制御する請求項１〜請求項６のうちのいずれか一項に記載される燃料電池システム。

【請求項8】

前記制御装置は、前記混合ガスが前記燃料極に供給されているときに前記不活性ガスが前記燃料極に供給されるように、かつ、前記混合ガスが前記燃料極に供給されているときに前記不活性ガスが前記燃料極に供給される供給量が、前記混合ガスが前記燃料極に供給される前に前記不活性ガスが前記燃料極に供給される供給量より小さくなるように、前記不活性ガス供給装置を制御する請求項１〜請求項７のうちのいずれか一項に記載される燃料電池システム。

【請求項9】

前記制御装置は、前記燃料電池が発電しており、かつ、前記電力負荷に流れる電流が所定電流に達した場合に、前記還元性ガスが前記燃料極に供給されないように、前記還元性ガス供給装置を制御し、前記不活性ガスが前記燃料極に供給されないように、前記不活性ガス供給装置を制御する請求項８に記載される燃料電池システム。

【請求項10】

酸素が供給される空気極と燃料極とを有する燃料電池と、
燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料供給装置と、
水蒸気を前記燃料極に供給する水蒸気供給装置と
不活性ガスを前記燃料極に供給する不活性ガス供給装置と、
を備える燃料電池システムを用いて実行される燃料電池運転方法であり、
前記燃料電池が発電する前に、前記燃料極が配置される発電室の温度が、前記燃料極において前記燃料ガスを改質して水素を生成可能な所定温度以上になったときに、前記水蒸気と前記燃料ガスとが所定の流量比で混合された混合ガスが前記燃料極に供給開始されるように、前記燃料供給装置と前記水蒸気供給装置とを制御すること、
前記燃料電池が発電する前であって、前記混合ガスが前記燃料極に供給される前、及び、前記混合ガスが前記燃料極に供給されているときに前記不活性ガスが前記燃料極に供給されるように前記不活性ガス供給装置を制御すること、
前記混合ガスが前記燃料極に供給された後に、前記燃料電池が発電すること
とを備える燃料電池運転方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池運転方法に関し、特に、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システムおよび燃料電池運転方法に関する。

【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が知られている。このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）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、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。このような燃料電池を備える燃料電池システムは、燃料電池の燃料として、炭化水素系ガスなどから水素や一酸化炭素へ改質して燃料極の反応に用いるものは、燃料極の健全性を維持しながら改質反応を行うとともに燃料電池が適切に発電するように、適切な量の水蒸気を燃料電池に供給している。

【0003】

特許第３９１７８３８号公報には、直列接続モジュールのうちの先頭の燃料電池に燃料と水蒸気を投入することにより、システム全体の効率を向上させ、燃料利用率の向上を図り、水蒸気の供給の効率化を図ることができる燃料電池システムが開示されている。

【0004】

特開２００６−２９４５０８号公報には、発電停止時以降も少量の水と燃料ガスの供給を継続しつつ、燃料電池の熱容量を利用して、水蒸気を生成し、改質ガスと水蒸気の混合ガスを燃料極に供給することにより、燃料極層側を還元状態に保持しつつ、スタック温度を低下させる燃料電池発電装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第３９１７８３８号公報

【特許文献2】特開２００６−２９４５０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

このような燃料電池システムは、所定の電力を発電する定格運転に移行される前に、燃料電池を発電可能な温度まで昇温した後に、定格運転時の所定温度まで発電に伴う反応熱を利用しながら昇温を行うにあたり、燃料電池から電力負荷に流れる電流を徐々に増加させる期間を設ける必要がある。このような燃料電池システムは、燃料電池が発電を開始してから定格運転に移行するまでの時間を短縮することが望まれている。

【0007】

本発明の課題は、燃料電池が発電を開始してから所定の電力を発電する定格運転に移行するまでの時間を短縮する燃料電池システムおよび燃料電池運転方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明による燃料電池システムは、空気極と燃料極とを有する燃料電池と、燃料ガスをその燃料極に供給する燃料供給装置と、水蒸気をその燃料極に供給する水蒸気供給装置と、制御装置とを備えている。その制御装置は、その燃料電池が発電する前に、その燃料極が配置される発電室の温度が所定温度以上であるときに、その水蒸気とその燃料ガスとが混合された混合ガスがその燃料極に供給されるように、その燃料供給装置とその水蒸気供給装置とを制御する。その所定温度は、４００度以上とする。

【0009】

このような燃料電池システムは、発電室の温度が概ね４００℃以上であるときにその混合ガスを燃料極に供給することにより、その水蒸気と燃料ガスとから本格的に水素が生成される改質反応が燃料極で起こりはじめ、燃料電池が発電する前に、その水素によりその燃料極を還元雰囲気に配置することができる。なお、改質反応を利用できる温度は、必要な水素量と燃料極の改質触媒としての活性能力次第であるが、発電室の温度が概ね３５０℃よりも高いときに改質反応が起こり始めるので、発電室の温度は３５０℃以上が好ましく、確実な改質反応を得るには、４００℃以上がさらに好ましい。このような燃料電池システムは、燃料電池が発電を開始する前からその燃料極が還元雰囲気で配置されることにより、燃料電池が発電を開始する以前の昇温段階から燃料電池の燃料極の雰囲気を還元雰囲気に維持しながら、発電に使用する燃料ガスを用いて昇温することができ、所定温度に昇温後は速やかに燃料電池が発電を開始し、定格運転に移行するまでの時間を短縮することができる。

【0010】

その制御装置は、さらに、その混合ガスがその水蒸気を含有する水蒸気量をその混合ガスが炭素を含有する炭素量で除算したＳ／Ｃ比が５以上になるように、その燃料供給装置とその水蒸気供給装置とを制御する。

【0011】

このような燃料電池システムは、その燃料極に炭素が析出することを防止することができ、燃料電池が発電するときに燃料極または絶縁部で電流がリークすることを防止することができる。

【0012】

本発明による燃料電池システムは、その燃料極が配置される発電室の温度を計測する温度計をさらに備えている。このとき、その制御装置は、その温度に基づいて決定されたタイミングでその混合ガスがその燃料極に供給されるように、その燃料供給装置とその水蒸気供給装置とを制御する。

【0013】

その改質反応は、その燃料極の温度が高いほど促進される。このため、このような燃料電池システムは、その発電室の温度がその所定の温度以上になった後にその混合ガスをその燃料極に供給することにより、その改質反応をより適切に進行させることができ、その燃料極をより高効率に還元雰囲気に配置することができる。

【0014】

その制御装置は、さらに、その燃料電池が発電しているときに、その混合ガスがその水蒸気を含有する水蒸気量をその混合ガスが炭素を含有する炭素量で除算したＳ／Ｃ比が５以下になるように、その燃料供給装置とその水蒸気供給装置とを制御する。

【0015】

このような燃料電池システムは、セルスタックの内側で炭素が析出することを防止することができ、燃料電池が発電するときに燃料極で電流がリークすることを防止することができる。

【0016】

本発明による燃料電池システムは、その燃料電池により発電された電力を消費する電力負荷にその燃料電池から流れる電流を測定する電力負荷測定装置をさらに備えている。このとき、その制御装置は、その燃料電池が発電しているときに、その水蒸気がその燃料極に単位時間当たりに供給される供給量が、その電流に基づいて算出される供給量に等しくなるように、その水蒸気供給装置をさらに制御する。

【0017】

このような燃料電池システムは、燃料電池が発電しているときに燃料極における燃料ガスと水による改質反応で水素が生成され、燃料極が還元雰囲気に配置される。このような燃料電池システムは、燃料電池が発電しているときに、燃料極に供給される水蒸気の供給量を低減することにより、燃料極が配置される雰囲気の水素量を適切に制御することができる。

【0018】

本発明による燃料電池システムは、還元性ガスをその燃料極に供給する還元性ガス供給装置をさらに備えている。このとき、その制御装置は、さらに、その混合ガスがその燃料極に供給される前に、その還元性ガスがその燃料極に供給されるように、その還元性ガス供給装置を制御し、その混合ガスが供給されているときに、その還元性ガスがその燃料極に供給されないように、その還元性ガス供給装置を制御する。

【0019】

このような燃料電池システムは、その混合ガスが燃料極に供給される前に、その燃料極を還元雰囲気に配置することができる。

【0020】

本発明による燃料電池システムは、不活性ガスをその燃料極に供給する不活性ガス供給装置をさらに備えている。このとき、その制御装置は、その混合ガスがその燃料極に供給されているときにその不活性ガスがその燃料極に供給されるように、かつ、その混合ガスがその燃料極に供給されているときにその不活性ガスがその燃料極に供給される供給量が、その混合ガスがその燃料極に供給される前にその不活性ガスがその燃料極に供給される供給量より小さくなるように、その不活性ガス供給装置を制御する。

【0021】

このような燃料電池システムは、燃料電池が発電するときに、その不活性ガスにより燃料ガスの濃度が低下することを防止し、より適切に発電することができる。

【0022】

その制御装置は、その燃料電池が発電しており、かつ、その電力負荷に流れる電流が所定電流に達した場合に、その還元性ガスがその燃料極に供給されないように、その還元性ガス供給装置を制御し、その不活性ガスがその燃料極に供給されないように、その不活性ガス供給装置を制御する。

【0023】

本発明による燃料電池運転方法は、燃料電池システムを用いて実行される。その燃料電池システムは、酸素が供給される空気極と燃料極とを有する燃料電池と、燃料ガスをその燃料極に供給する燃料供給装置と、水蒸気をその燃料極に供給する水蒸気供給装置とを備えている。本発明による燃料電池運転方法は、その燃料電池が発電する前に、その燃料極が４００℃以上であるときに、その水蒸気とその燃料ガスとが混合された混合ガスがその燃料極に供給されるように、その燃料供給装置とその水蒸気供給装置とを制御すること、その混合ガスがその燃料極に供給された後に、その燃料電池が発電することとを備えている。

【0024】

このような燃料電池運転方法によれば、燃料電池システムは、燃料極が４００℃以上であるときにその混合ガスを燃料極に供給することにより、その水蒸気と燃料ガスとから水素が生成される改質反応が燃料極で起こり、燃料電池が発電する前に、その水素によりその燃料極を還元雰囲気に配置することができる。このような燃料電池運転方法によれば、燃料電池システムは、燃料電池が発電を開始する前からその燃料極が還元雰囲気で配置されることにより、燃料電池が発電を開始する以前の昇温段階から燃料電池の燃料極の雰囲気を還元雰囲気に維持しながら、発電に使用する燃料ガスを用いて昇温することができ、所定温度に昇温後は速やかに燃料電池が発電を開始し、定格運転に移行するまでの時間を短縮することができる。

【発明の効果】

【0025】

本発明による燃料電池システムおよび燃料電池運転方法は、燃料電池が発電を開始する前からその燃料極を還元雰囲気に配置することにより、燃料電池が発電を開始してから定格運転に移行するまでの時間を短縮し、発電を開始する前から燃料極が酸化することによるセルの劣化を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明による燃料電池システムの一態様を示すブロック図である。

【図2】ＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。

【図3】ＳＯＦＣカートリッジの断面の一態様を示すものである。

【図4】セルスタックの一態様を示すものである。

【図5】制御装置を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

図面を参照して、燃料電池システムの実施の形態が以下に記載される。その燃料電池システム１は、図１に示されるように、複合発電システム２に適用されている。複合発電システム２は、燃料電池システム１とマイクロガスタービン３とを備えている。燃料電池システム１は、燃料供給装置５と水蒸気供給装置６と還元性ガス供給装置７と不活性ガス供給装置８と制御装置１０とを備え、さらに、燃料供給系１１と酸化性ガス供給系１２と燃料ガス排出系１４と酸化性ガス排出系１５と再循環ライン１６とＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池、Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｃｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）モジュール２０１とを備えている。

【0028】

燃料供給装置５は、制御装置１０に制御されることにより、都市ガスを燃料供給系１１に供給する。すなわち、燃料供給装置５は、流量調整弁２１を備えている。流量調整弁２１は、都市ガス供給源と燃料供給系１１とを接続する流路の途中に設置され、制御装置１０に制御されることにより、その都市ガス供給源から燃料供給系１１に都市ガスが単位時間当たりに供給される流量を変動させる。なお、燃料としては、水素（Ｈ_２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）などの炭化水素系ガス、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ても良い。

【0029】

水蒸気供給装置６は、制御装置１０に制御されることにより、燃料供給系１１に水蒸気を供給する。すなわち、水蒸気供給装置６は、ボイラー２２と流量調整弁２３と開閉弁２４とを備えている。ボイラー２２は、市水供給源から供給される水を加熱することにより水蒸気を生成する。流量調整弁２３は、制御装置１０に制御されることにより、ボイラー２２により生成された水蒸気が燃料供給系１１に単位時間当たりに供給される流量を変動させる。開閉弁２４は、制御装置１０に制御されることにより、流量調整弁２３と燃料供給系１１とを接続する流路を開閉する。

【0030】

還元性ガス供給装置７は、制御装置１０に制御されることにより、還元性ガス供給装置７から燃料供給系１１に水素が単位時間当たりに供給される供給量が所定の供給量に等しくなるように、燃料供給系１１に水素を供給する。

【0031】

不活性ガス供給装置８は、制御装置１０に制御されることにより、不活性ガス供給装置８から燃料供給系１１に窒素が単位時間当たりに供給される供給量が所定の供給量に等しくなるように、燃料供給系１１に窒素を供給する。なお、その窒素は、他の不活性ガスに置換されることができる。その不活性ガスとしては、アルゴンが例示される。

【0032】

燃料供給系１１は、ＳＯＦＣモジュール２０１に接続される流路を形成している。燃料供給系１１は、燃料供給装置５から供給される都市ガスと水蒸気供給装置６から供給される水蒸気と還元性ガス供給装置７から供給される水素と不活性ガス供給装置８から供給される窒素と再循環ラインから供給される排燃料ガスとを混合し、その混合された混合ガスをＳＯＦＣモジュール２０１に供給する。

【0033】

酸化性ガス供給系１２は、ＳＯＦＣモジュール２０１に接続される流路を形成している。酸化性ガス供給系１２は、マイクロガスタービン３により圧縮される酸化性ガスをＳＯＦＣモジュール２０１に供給する。

【0034】

ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料供給系１１から供給される混合ガスと酸化性ガス供給系１２から供給される酸化性ガスとを化学反応させることにより発電し、排酸化性ガスと排燃料ガスとを排気する。

【0035】

燃料ガス排出系１４は、ＳＯＦＣモジュール２０１に接続される流路を形成している。燃料ガス排出系１４は、ＳＯＦＣモジュール２０１から排気される排燃料ガスの一部を再循環ライン１６に供給し、その排燃料ガスの残りをマイクロガスタービン３に供給する。

【0036】

酸化性ガス排出系１５は、ＳＯＦＣモジュール２０１に接続される流路を形成している。酸化性ガス排出系１５は、ＳＯＦＣモジュール２０１から排気される酸化性ガスをマイクロガスタービン３に供給する。

【0037】

再循環ライン１６は、燃料ガス排出系１４と燃料供給系１１とを接続する流路を形成している。再循環ライン１６は、燃料ガス排出系１４に供給される排燃料ガスの一部を燃料供給系１１に供給する。

【0038】

マイクロガスタービン３は、都市ガス供給源から供給される都市ガスと燃料ガス排出系１４から供給される排燃料ガスと酸化性ガス排出系１５から供給される排酸化性ガスとを用いて、発電し、酸化性ガスを供給する。すなわち、マイクロガスタービン３は、燃焼器４１とガスタービン４２と圧縮機４３と発電機４４と熱交換器４５とを備えている。燃焼器４１は、酸化性ガス排出系１５から供給される排酸化性ガスを用いて、または、圧縮機４３により供給される圧縮空気を用いて、燃料ガス排出系１４から供給される排燃料ガスを燃焼することにより、または、都市ガス供給源から供給される都市ガスを燃焼することにより、高温高圧の燃焼排ガスを生成する。ガスタービン４２は、燃焼器４１により生成された燃焼排ガスを用いて回転動力を生成し、排ガスを排気する。圧縮機４３は、ガスタービン４２により生成された回転動力を用いて空気を圧縮することにより、圧縮空気を供給する。発電機４４は、ガスタービン４２により生成された回転動力に余剰がある場合は発電を行っても良い。熱交換器４５は、ガスタービン４２により排気された排ガスの熱を用いて、圧縮機４３により供給された圧縮空気を加熱することにより、酸化性ガスを供給する。その酸化性ガスの流量は、マイクロガスタービン３により供給される圧縮空気の流量に一致する。

【0039】

以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。また、以下においては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。

【0040】

ＳＯＦＣモジュール２０１は、図２に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを有する。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。

【0041】

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供給系１１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、燃料供給系１１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。

【0042】

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（燃料ガス排出系１４）に導くものである。

【0043】

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。

【0044】

ここで、本実施例においては、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。

【0045】

ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図３に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室２２１と、酸化性ガス排出室２２３とを有する。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを有する。なお、本実施例においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１と酸化性ガス排出室２２３とが図３のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。

【0046】

発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置され、燃料ガス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２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気となる。

【0047】

燃料ガス供給室２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域である。また、燃料ガス供給室２１７は、上部ケーシング２２９ａに備えられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、燃料ガス供給室２１７には、セルスタック１０１の一方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。

【0048】

燃料ガス排出室２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域である。また、燃料ガス排出室２１９は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、燃料ガス排出室２１９には、セルスタック１０１の他方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。

【0049】

その酸化性ガス供給管は、酸化性ガス供給系１２から酸化性ガスが供給され、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酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給室２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス供給室２２１は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給室２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。

【0050】

酸化性ガス排出室２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス排出室２２３は、上部ケーシング２２９ａに備えられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出室２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出室２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。その酸化性ガス排出枝管は、図示されていない酸化性ガス排出管に連通している。その酸化性ガス排出管は、その酸化性ガス排出枝管から供給される排酸化性ガスを酸化性ガス排出系１５に供給する。

【0051】

上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給室２１７と酸化性ガス排出室２２３とを隔離するものである。

【0052】

下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１とを隔離するものである。

【0053】

上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを有する。

【0054】

この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出室２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出室２２３に導くものである。

【0055】

本実施例によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。

【0056】

下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを有する。

【0057】

この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給室２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給室２３３に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。

【0058】

本実施例によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。

【0059】

発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された電力は、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。そのインバータと電力負荷とは、制御装置１０に制御されることにより、ＳＯＦＣモジュール２０１から外部に流れる電流が所定の電流に等しくなるように、抵抗が変動する。

【0060】

セルスタック１０１は、図４に示されるように、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の軸方向において最も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を有する。

【0061】

基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、又はＹ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ_２（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ_２Ｏ_４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。

【0062】

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（ＣＨ_４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ_２）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（Ｈ_２）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（Ｏ^２−）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（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）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。

【0063】

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、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ^２−）を燃料極に移動させるものである。

【0064】

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３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（Ｏ^２−）を生成するものである。

【0065】

インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ_１−ｘＬ_ｘＴｉＯ_３（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の固体電解質１１１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。

【0066】

燃料電池システム１は、さらに、温度計と電流計とを備えている。その温度計は、制御装置１０に制御されることにより、燃料極１０９が配置される発電室２１５の温度を測定する。その電流計は、制御装置１０に制御されることにより、ＳＯＦＣモジュール２０１により発電された電力を消費する電力負荷にＳＯＦＣモジュール２０１から流れる電流を測定する。その電力負荷は、制御装置１０に制御されることにより、電気抵抗が変動する。

【0067】

図５は、制御装置１０を示している。制御装置１０は、コンピュータであり、図示されていないＣＰＵと記憶装置とメモリドライブと通信装置とインターフェースとを備えている。そのＣＰＵは、制御装置１０にインストールされるコンピュータプログラムを実行して、その記憶装置とリムーバルメモリドライブと通信装置とインターフェースとを制御する。その記憶装置は、そのコンピュータプログラムを記録する。その記憶装置は、さらに、そのＣＰＵにより利用される情報を記録する。そのリムーバルメモリドライブは、コンピュータプログラムが記録されている記録媒体が挿入されたときに、そのコンピュータプログラムを制御装置１０にインストールするときに利用される。その通信装置は、通信回線網を介して制御装置１０に接続される他のコンピュータからコンピュータプログラムを制御装置１０にダウンロードし、そのコンピュータプログラムを制御装置１０にインストールするときに利用される。

【0068】

そのインターフェースは、制御装置１０に接続される外部機器により生成される情報をそのＣＰＵに出力し、そのＣＰＵにより生成された情報をその外部機器に出力する。その外部機器は、燃料供給装置５と水蒸気供給装置６と還元性ガス供給装置７と不活性ガス供給装置８とを含み、図示されていない温度計と電流計と電力負荷とを含んでいる。

【0069】

制御装置１０にインストールされるコンピュータプログラムは、制御装置１０に複数の機能をそれぞれ実現させるための複数のコンピュータプログラムから形成されている。その複数の機能は、温度測定部３１と電流測定部３２と供給準備部３３と供給開始部３４と発電開始部３５と定格運転部３６とを含んでいる。

【0070】

温度測定部３１は、燃料極１０９の温度が間欠的に測定されるように、その燃料極１０９の配置がある発電室２１５に設置した温度計により計測するように制御する。また、発電室２１５の温度分布を考慮して、温度計が複数設置される場合には、必要に応じて平均値を算出しても良い。電流測定部３２は、ＳＯＦＣモジュール２０１からその電力負荷に流れる電流が間欠的に測定されるように、図示しないインバータ内に設けた電流計によりＳＯＦＣモジュール２０１から流れる電流を計測するように制御する。

【0071】

供給準備部３３は、温度測定部３１により測定された温度が４００℃以下であるときに、動作する。供給準備部３３は、ＳＯＦＣモジュール２０１からその電力負荷に電流が流れないように、その電力負荷を制御する。供給準備部３３は、さらに、都市ガスが燃料供給系１１に供給されないように、燃料供給装置５を制御する。供給準備部３３は、さらに、水蒸気が燃料供給系１１に供給されないように、水蒸気供給装置６を制御する。供給準備部３３は、さらに、水素が燃料供給系１１に供給されるように、還元性ガス供給装置７を制御する。供給準備部３３は、さらに、窒素が燃料供給系１１に供給されるように、不活性ガス供給装置８を制御する。供給準備部３３は、さらに、燃料供給系１１に水素が供給される供給量と燃料供給系１１に窒素が供給される供給量との比が所定の比に等しくなるように、還元性ガス供給装置７と不活性ガス供給装置８とを制御する。

【0072】

供給開始部３４は、温度測定部３１により測定された温度が４００℃以上であるときに、かつ、その温度が８００℃以下であるときに、動作する。供給開始部３４は、ＳＯＦＣモジュール２０１からその電力負荷に電流が流れないように、その電力負荷を制御する。供給開始部３４は、さらに、水素が燃料供給系１１に供給されないように、還元性ガス供給装置７を制御する。供給開始部３４は、さらに、都市ガスが燃料供給系１１に供給されるように、燃料供給装置５を制御する。供給開始部３４は、さらに、水蒸気が燃料供給系１１に供給されるように、水蒸気供給装置６を制御する。供給開始部３４は、さらに、燃料供給系１１に都市ガスが供給される供給量と燃料供給系１１に水蒸気が供給される供給量との比が所定の比に等しくなるようにする。すなわち、燃料供給系１１により供給される水蒸気と都市ガスとが混合された混合ガスが含有する水蒸気量（水蒸気分子のモル量）をその混合ガスが含有する炭素量（炭素原子のモル量）で除算したＳ／Ｃ比（Steam/Carbon比）が５以上になるように、燃料供給装置５と水蒸気供給装置６とを制御する。

【0073】

発電開始部３５は、温度測定部３１により測定された温度が８００℃以上であるときに、かつ、その温度が１０００℃以下であるときに、動作する。発電開始部３５は、ＳＯＦＣモジュール２０１からその電力負荷に流れる電流が徐々に増加するように、その電力負荷を制御する。すなわち、定格運転時の所定温度である約１０００℃まで昇温を行うにあたり、燃料電池から電力負荷に流れる電流を徐々に増加させることで、内部発熱反応を利用して燃料電池の温度を昇温させることができる。発電開始部３５は、さらに、電流測定部３２により測定された電流に基づいて水蒸気供給量を算出する。その水蒸気供給量は、その電流が大きいほど大きい。発電開始部３５は、さらに、水蒸気がＳＯＦＣモジュール２０１に単位時間当たりに供給される供給量が電流に基づいて算出された水蒸気供給量に等しくなるように、水蒸気供給装置６を制御する。発電開始部３５は、さらに、燃料供給系１１に都市ガスが供給される供給量と燃料供給系１１に水蒸気が供給される供給量との比が所定の比に等しくなるように、すなわち、燃料供給系１１により供給される混合ガスが含有する水蒸気量（水蒸気分子のモル量）をその混合ガスが含有する炭素量（炭素原子のモル量）で除算したＳ／Ｃ比（Steam/Carbon比）が５以下になるように、燃料供給装置５と水蒸気供給装置６とを制御する。

【0074】

定格運転部３６は、温度測定部３１により測定された温度が７００℃以上であり、かつ、その温度が１０００℃以下であるときに、動作する。定格運転部３６は、水蒸気が水蒸気供給装置６から燃料供給系１１に供給されないように、水蒸気供給装置６を制御する。定格運転部３６は、さらに、水素が還元性ガス供給装置７から燃料供給系１１に供給されないように、還元性ガス供給装置７を制御する。定格運転部３６は、さらに、窒素が不活性ガス供給装置８から燃料供給系１１に供給されないように、不活性ガス供給装置８を制御する。定格運転部３６は、さらに、所定量の都市ガスが燃料供給系１１に単位時間当たりに供給されるように、燃料供給装置５を制御する。

【0075】

燃料電池運転方法の実施の形態は、燃料電池システム１により実行され、供給準備運転と供給開始運転と発電開始運転と定格運転とを備えている。

【0076】

その供給準備運転は、燃料電池システム１が停止しているときに、開始される。まず、マイクロガスタービン３が動作することにより、酸化性ガス供給系１２を介して、マイクロガスタービン３により生成される酸化性ガスがＳＯＦＣモジュール２０１に供給される。このとき、ＳＯＦＣモジュール２０１は、その酸化性ガスが発電室２１５に供給されることにより、発電室２１５が加熱される。

【0077】

制御装置１０は、その温度計を制御することにより、燃料極１０９が配置される発電室２１５の温度を間欠的に測定する。制御装置１０は、その温度計により測定された温度が４００℃以下であるときに、その電力負荷を制御することにより、ＳＯＦＣモジュール２０１が発電することを停止させる。制御装置１０は、さらに、燃料供給装置５と水蒸気供給装置６とを制御することにより、都市ガスと水蒸気とが燃料供給系１１に供給されることを停止させる。制御装置１０は、さらに、還元性ガス供給装置７と不活性ガス供給装置８とを制御することにより、燃料供給系１１に水素が供給される供給量と燃料供給系１１に窒素が供給される供給量との比が所定の比に等しくなるように、水素と窒素とを燃料供給系１１に供給する。所定の比（水素供給量と窒素供給量との比）を例示すると、水素：窒素は５：９５以下の割合で水素を供給することが望ましい。またはSOFCからの排燃料中の水素濃度が0.01%以上（排燃料系統に水素が少しでもあればよい）であることが望ましい。理由として、昇温に伴いセルでは還元性ガスの酸化反応が起こるためである。なお、セル温度によって消費される還元性ガス量は異なる。

【0078】

このとき、燃料供給系１１は、水素と窒素とが供給されることにより、水素と窒素とが混合された混合ガスをＳＯＦＣモジュール２０１の燃料極１０９に供給する。ＳＯＦＣモジュール２０１は、その混合ガスが供給されることにより、その混合ガスから形成される還元雰囲気に燃料極１０９が配置され、燃料極１０９が還元状態に保持される。さらに、ＳＯＦＣモジュール２０１は、発電室２１５の温度が４００℃以下であるときに、燃料極１０９に水蒸気が供給されないことにより、燃料極１０９が結露することが防止される。なお、発電室２１５の温度が概ね１００℃以下では、還元状態を保持する必要性がなく、水素の供給を停止してもよい。

【0079】

その供給開始運転は、その供給準備運転が開始された後で、その温度計により測定された温度が４００℃以上になったときに、開始される。マイクロガスタービン３は、引き続き、酸化性ガス供給系１２を介して酸化性ガスをＳＯＦＣモジュール２０１に供給することにより、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電室２１５を加熱する。制御装置１０は、その電力負荷を制御することにより、ＳＯＦＣモジュール２０１が発電することを停止させる。制御装置１０は、さらに、還元性ガス供給装置７を制御することにより、燃料供給系１１に水素を供給することを停止する。制御装置１０は、さらに、燃料供給装置５と水蒸気供給装置６とを制御することにより、燃料供給系１１に都市ガスが供給される供給量と燃料供給系１１に水蒸気が供給される供給量との比が所定の比に等しくなるように、すなわち、燃料供給系１１により生成される混合ガスが水蒸気を含有する水蒸気量をその混合ガスが炭素を含有する炭素量で除算したＳ／Ｃ比が５以上になるように、都市ガスと水蒸気とを燃料供給系１１に供給する。

【0080】

このとき、燃料供給系１１は、都市ガスと水蒸気とが供給されることにより、都市ガスと水蒸気とが混合された混合ガスをＳＯＦＣモジュール２０１の燃料極１０９に供給する。ＳＯＦＣモジュール２０１は、発電室２１５の温度が４００℃以上であるときに、燃料極１０９にその混合ガスが供給されることにより、燃料極１０９を触媒にする改質反応が進み、燃料極１０９でその水蒸気と燃料ガスとから水素が生成される。このとき、燃料極１０９は、その生成された水素により還元雰囲気に配置され、還元状態に保持される。このため、燃料極１０９には燃料の供給により水素が供給可能になり、水素の供給が不要になるために、水素ボンベの水素使用量を大幅に削減することができるので、本発電システムの運用性が向上するとともに、ランニングコストを低減できる。

【0081】

その発電開始運転は、その供給開始運転が開始された後で、その温度計により測定された温度が８００℃以上であるときに、開始される。マイクロガスタービン３は、引き続き動作することにより、酸化性ガス供給系１２を介して酸化性ガスをＳＯＦＣモジュール２０１に供給することにより、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電室２１５を加熱する。制御装置１０は、まず、その電力負荷を制御することにより、ＳＯＦＣモジュール２０１からその電力負荷に流れる電流を徐々に（たとえば、１０ｍＡ／ｃｍ^２・ｍｉｎで）増加させる。

【0082】

制御装置１０は、さらに、その電流計を制御することにより、ＳＯＦＣモジュール２０１からその電力負荷に流れる電流を間欠的に測定する。制御装置１０は、さらに、その電流に基づいて水蒸気供給量を算出する。その水蒸気供給量は、その電流が大きいほど大きい。制御装置１０は、さらに、水蒸気供給装置６を制御することにより、水蒸気が燃料供給系１１に単位時間当たりに供給される供給量がその水蒸気供給量に等しくなるように、水蒸気を燃料供給系１１に供給する。制御装置１０は、さらに、燃料供給装置５を制御することにより、燃料供給系１１に都市ガスが供給される供給量と燃料供給系１１に水蒸気が供給される供給量との比が所定の比に等しくなるように、すなわち、燃料供給系１１により生成される混合ガスが水蒸気を含有する水蒸気量をその混合ガスが炭素を含有する炭素量で除算したＳ／Ｃ比が５以下になるように、都市ガスを燃料供給系１１に供給する。

【0083】

その発電開始運転は、水素と窒素との混合ガスが燃料極１０９に供給される他の発電開始運転に比較して、ＳＯＦＣモジュール２０１から排気される排燃料ガスに含有される水蒸気量が多いために、その電力負荷に流れる電流をより速く（３倍程度）上昇させた場合でも、燃料極１０９を還元状態に維持させることができる。このような発電開始運転によれば、ＳＯＦＣモジュール２０１は、さらに、その発電開始運転でそのＳ／Ｃ比が５以下であることにより、より高効率に発電することができる。

【0084】

その定格運転は、その発電開始運転が実行された後で、ＳＯＦＣモジュール２０１からその電力負荷に流れる電流が所定電流（たとえば、１００ｍＡ／ｃｍ^２）に達したときに、開始される。制御装置１０は、水蒸気供給装置６を制御することにより、水蒸気が燃料供給系１１に供給されることを停止させる。制御装置１０は、さらに、還元性ガス供給装置７を制御することにより、水素が還元性ガス供給装置７から燃料供給系１１に供給されることを停止させる。制御装置１０は、さらに、不活性ガス供給装置８を制御することにより、窒素が不活性ガス供給装置８から燃料供給系１１に供給されることを停止させる。制御装置１０は、さらに、燃料供給装置５を制御することにより、単位時間当たりに所定量の都市ガスを燃料供給系１１に供給する。

【0085】

ＳＯＦＣモジュール２０１は、その定格運転が開始されるときに、その発電開始運転により燃料極１０９が還元状態に保持されていることにより、その定格運転で適切に発電することができる。

【0086】

このような燃料電池運転方法によれば、燃料電池システム１は、水素と窒素との混合ガスが燃料極１０９に供給される他の発電開始運転に比較して、ＳＯＦＣモジュール２０１から排気される排燃料ガスに含有される水蒸気量が多いために、その電力負荷に流れる電流をより速く（３倍程度）上昇させた場合でも、燃料極１０９が還元状態に維持されることができる。このため、このような燃料電池運転方法によれば、燃料電池システム１は、その電力負荷に流す電流をより高速に上昇させることができ、その電流を上昇させる期間をより短縮することができ、より早く定格運転を開始することができる。

【0087】

このような燃料電池運転方法によれば、さらに、その供給開始運転で水素がＳＯＦＣモジュール２０１に供給されていないことにより、水素がＳＯＦＣモジュール２０１に供給される他の供給開始運転に比較して、ランニングコストを低減することができる。このような燃料電池運転方法によれば、ＳＯＦＣモジュール２０１は、その供給開始運転で窒素がＳＯＦＣモジュール２０１に供給されていないことにより、その発電開始運転と定格運転とが実施されるときに、燃料極１０９の周りの雰囲気の窒素濃度を小さくすることができ、燃料の濃度を大きくすることができ、より高効率に発電することができる。

【0088】

このような燃料電池運転方法によれば、ＳＯＦＣモジュール２０１は、さらに、その供給開始運転でそのＳ／Ｃ比が５以上であることにより、燃料極１０９に炭素が析出することが防止され、後でＳＯＦＣモジュール２０１が発電するときに、その析出した炭素により電流がリークすることが防止される。

【0089】

本発明による燃料電池運転方法は、制御装置１０により実行される動作が人により実行された場合にも、同様にして、より早く定格運転を開始することができる。

【0090】

なお、その供給開始運転は、燃料極１０９に炭素の析出の対策が十分に施されているときに、そのＳ／Ｃ比が５より小さくなるように都市ガスと水蒸気とを供給する他の供給開始運転に置換されるともできる。このような供給開始運転が適用された燃料電池運転方法も、既述の実施の形態における燃料電池運転方法と同様にして、より早く定格運転を開始することができる。

【0091】

なお、還元性ガス供給装置７は、省略することができる。還元性ガス供給装置７が省略された燃料電池システムは、ＳＯＦＣモジュール２０１への水素の供給が省略される。このような燃料電池システムは、既述の実施の形態における燃料電池システム１と同様にして、より早く定格運転を開始することができる。このような燃料電池システムは、還元性ガス供給装置７が省略されたことにより、既述の実施の形態における燃料電池システム１に比較して、より容易に取り扱うことができる。

【0092】

なお、都市ガスは、他の燃料に置換されることができる。その燃料としては、水素（Ｈ_２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）などの炭化水素系ガス、石炭など炭素質原料のガス化設備により製造したガスが例示される。このような燃料が適用された燃料電池システムも、既述の実施の形態における燃料電池システム１と同様にして、より早く定格運転を開始することができる。

【0093】

なお、燃料電池システム１は、複合発電システム２に適用されないで、単独で使用されることもできる。燃料電池システム１は、単独で使用される場合も、より早く定格運転を開始することができる。

【0094】

なお、燃料電池システム１に供給される酸化性ガスは、圧縮空気と異なる他の酸化性ガスに置換されることができる。その酸化性ガスとしては、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例示される。このような酸化性ガスが適用された燃料電池システムも、既述の実施の形態における燃料電池システム１と同様にして、より早く定格運転を開始することができる。

【符号の説明】

【0095】

１ 燃料電池システム
５ 燃料供給装置
６ 水蒸気供給装置
７ 還元性ガス供給装置
８ 不性ガス供給装置
１０ 制御装置
１０９ 燃料極
１１３ 空気極
２１５ 発電室

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】