特開 2024-106826 発電システム、これを備えた発電プラント、発電システムの制御方法及び発電システムの制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024106826

(43)【公開日】2024-08-08

(54)【発明の名称】発電システム、これを備えた発電プラント、発電システムの制御方法及び発電システムの制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04746 20160101AFI20240801BHJP

   H01M 8/0444 20160101ALI20240801BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20240801BHJP

   H01M 8/04313 20160101ALI20240801BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20240801BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04746

H01M8/0444

H01M8/0432

H01M8/04313

H01M8/12 101

H01M8/12 102B

H01M8/12 102A

【審査請求】有

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023011286

(22)【出願日】2023-01-27

(71)【出願人】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(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】100136168

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 美紀

(74)【代理人】

【識別番号】100172524

【弁理士】

【氏名又は名称】長田 大輔

(72)【発明者】

【氏名】一橋 友介

(72)【発明者】

【氏名】寺本 雄一

(72)【発明者】

【氏名】仙石 建斗

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA07

5H127AC02

5H127AC15

5H127BA02

5H127BA05

5H127BA06

5H127BA28

5H127BA37

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB25

5H127BB37

5H127BB39

5H127DB01

5H127DB47

5H127DC02

5H127EE02

5H127EE03

5H127EE29

(57)【要約】

【課題】燃料ガスの炭化水素の供給量の制御の即応性を高めるとともに、効率的に運転することができる発電システムを提供する。
【解決手段】発電システムは、酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部２１５を備える燃料電池３１３と、燃料電池へ供給される燃料ガスの流路とされた燃料ガス供給管３４１に設けられ、燃料ガス密度を計測する密度計測部ＤＭと、燃料ガス供給管に設けられるとともに、燃料ガスの炭化水素の供給量を制御するために開閉量が調整される制御弁３４２と、密度計測部の計測値に基づいて制御弁の開閉量を制御する制御部３８０とを備える。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部を備える燃料電池と、
前記燃料電池へ供給される前記燃料ガスの流路とされた燃料ガス供給管に設けられ、前記燃料ガスの密度を計測する密度計測部と、
前記燃料ガス供給管に設けられるとともに、前記燃料ガスの炭化水素の供給量を制御するために開閉量が調整される制御弁と、
前記密度計測部の計測値に基づいて前記制御弁の開閉量を制御する制御部と
を備える発電システム。

【請求項2】

前記発電部に設けられ、前記発電部の温度を計測する温度計測部を備え、
前記制御部は、前記温度計測部の計測値に基づいて前記制御弁の開閉量を制御する請求項１に記載の発電システム。

【請求項3】

酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部を備える燃料電池と、
前記発電部に設けられ、前記発電部の内部における状態量を取得する取得部と、
前記発電部へ供給される前記燃料ガスが搬送される燃料ガス供給管に設けられるとともに、前記燃料ガスの炭化水素の供給量を変更するために開閉量が調整される制御弁と、
前記取得部によって取得された前記発電部の内部における状態量の適性を判断するとともに、該判断結果に基づいて前記制御弁の開閉量を制御する制御部と
を備える発電システム。

【請求項4】

前記燃料ガスは、少なくとも３種類以上の成分によって構成される請求項１に記載の発電システム。

【請求項5】

前記温度計測部は、前記発電部における前記燃料ガスの流れ方向の上流側に設けられた上流側温度計測部であり、
前記制御部は、前記上流側温度計測部の計測値に基づいて、前記制御弁の開閉量を制御する請求項２に記載の発電システム。

【請求項6】

前記温度計測部は複数とされ、前記発電部の中央部付近の温度を計測する中部温度計測部であり、
前記制御部は、各前記中部温度計測部による計測値に基づいて、前記制御弁の開閉量を制御する請求項２に記載の発電システム。

【請求項7】

請求項１又は請求項３に記載の発電システムを備えた発電プラント。

【請求項8】

酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部を備える燃料電池を備える発電システムの制御方法であって、
前記発電部へ供給される前記燃料ガスの流路とされた燃料ガス供給管に設けられた密度計測部によって、前記燃料ガスの密度を計測する工程と、
前記密度計測部の計測値に基づいて前記燃料ガス供給管に設けられた制御弁の開閉量を制御する工程と
を有する発電システムの制御方法。

【請求項9】

酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部を備える燃料電池を備える発電システムの制御方法であって、
前記発電部に設けられた取得部によって、前記発電部の内部における状態量を取得する工程と、
前記取得部によって取得された前記発電部の内部における状態量の適性を判断するとともに、該判断結果に基づいて前記発電部へ供給される前記燃料ガスが搬送される燃料ガス供給管に設けられた制御弁の開閉量を制御する工程と
を有する発電システムの制御方法。

【請求項10】

酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部を備える燃料電池を備える発電システムの制御プログラムであって、
前記発電部へ供給される前記燃料ガスの流路とされた燃料ガス供給管に設けられた密度計測部によって、前記燃料ガスの密度を計測する処理と、
前記密度計測部の計測値に基づいて前記燃料ガス供給管に設けられた制御弁の開閉量を制御する処理と
をコンピュータに実行させる発電システムの制御プログラム。

【請求項11】

酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部を備える燃料電池を備える発電システムの制御プログラムであって、
前記発電部に設けられた取得部によって、前記発電部の内部における状態量を取得する処理と、
前記取得部によって取得された前記発電部の内部における状態量の適性を判断するとともに、該判断結果に基づいて前記発電部へ供給される前記燃料ガスが搬送される燃料ガス供給管に設けられた制御弁の開閉量を制御する処理と
をコンピュータに実行させる発電システムの制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、発電システム、これを備えた発電プラント、発電システムの制御方法及び発電システムのプログラムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池は、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアなどのセラミックスが用いられ、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、及び炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガス、バイオマスを原料としたバイオガス等のガスなどを燃料ガスとして供給して、およそ７００℃～１０００℃の高温雰囲気で反応させて発電を行う。
また、水を電気化学的に分解して水素および酸素を製造する電解セルは二酸化炭素の排出を伴わない水素製造法であり優れた環境特性を有している。このうち、固体酸化物形電解セル(Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ Ｃｅｌｌ：ＳＯＥＣ)は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアなどのセラミックスが用いられ、高温の水蒸気を原料とするため他の電解セルに比べ高い効率で水素の製造が可能である。また、脱炭素化を目的として二酸化炭素(ＣＯ２)を原料とし電解水素を還元剤として利用し、直接一酸化炭素(ＣＯ)を製造する共電解も可能である。
さらに固体酸化物形電気化学セルには燃料電池としての発電機能と、外部から電力と高温水蒸気を供給して逆反応により水素および酸素を製造する機能を備えたリバーシブル固体酸化物形電気化学セル（Ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｅｌｌ：ＲＳＯＣ）として使用可能なものもある。

【0003】

特許文献１には、メタン濃度の不安定なバイオガスの組成の変化に対応し、安定したＳＯＦＣの稼働を行うために、稼働中の複合発電システムおけるバイオガスの組成を計測し、計測値に基づいてバイオガスの供給量を制御する制御装置が記載されている。バイオガスの組成の計測とは、具体的には、バイオガス中のメタン濃度を計測することである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８－８８３２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、バイオガスの組成を計測する機器（以下、「組成計」という）は高価であるため、発電システムに取り付ける場合、コストがかかってしまう。また、組成計は一定の計測周期で計測しており、組成計によってバイオガスの組成を計測する場合、１回の計測において約１０分程度の時間を要する。このため、バイオガスの組成の計測値に基づいてバイオガスの供給量を制御したとしても、連続的に変化するバイオガスの組成の変化に対する追従性が低く、バイオガスの供給量の制御の精度が低くなってしまう。

【0006】

バイオガスの組成の計測間隔を短時間化するためには、組成計の設置数を増やすことで可能ではあるが、設置スペースを確保する必要があることや、コストが増加してしまうことから、現実的ではなかった。このため、組成計を用いてバイオガスの供給量を制御する場合には、連続的に変化するバイオガスの組成を把握すること、及び精度の高いバイオガスの供給量制御を実現することが困難な場合があった。

【0007】

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃料ガスに含まれる炭化水素の供給量に基づく制御の即応性を高めるとともに、効率的に運転することができる発電システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の幾つかの実施形態における一態様に係る発電システムは、酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部を備える燃料電池と、前記燃料電池へ供給される前記燃料ガスの流路とされた燃料ガス供給管に設けられ、前記燃料ガスの密度を計測する密度計測部と、前記燃料ガス供給管に設けられるとともに、前記燃料ガスの炭化水素の供給量を制御するために開閉量が調整される制御弁と、前記密度計測部の計測値に基づいて前記制御弁の開閉量を制御する制御部とを備える。

【0009】

本開示の幾つかの実施形態における一態様に係る発電システムは、酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部を備える燃料電池と、前記発電部に設けられ、前記発電部の内部における状態量を取得する取得部と、前記発電部へ供給される前記燃料ガスが搬送される燃料ガス供給管に設けられるとともに、前記燃料ガスの炭化水素の供給量を変更するために開閉量が調整される制御弁と、前記取得部によって取得された前記発電部の内部における状態量の適性を判断するとともに、該判断結果に基づいて前記制御弁の開閉量を制御する制御部とを備える。

【0010】

本開示の幾つかの実施形態における一態様に係る発電プラントは、上記発電システムを備える。

【0011】

本開示の幾つかの実施形態における一態様に係る発電システムの制御方法は、酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部を備える燃料電池を備える発電システムの制御方法であって、前記発電部へ供給される燃料ガスの流路とされた燃料ガス供給管に設けられた密度計測部によって、前記燃料ガスの密度を計測する工程と、前記密度計測部の計測値に基づいて前記燃料ガス供給管に設けられた制御弁の開閉量を制御する工程とを有する。

【0012】

本開示の幾つかの実施形態における一態様に係る発電システムの制御方法は、酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部を備える燃料電池を備える発電システムの制御方法であって、前記発電部に設けられた取得部によって、前記発電部の内部における状態量を取得する工程と、前記取得部によって取得された前記発電部の内部における状態量の適性を判断するとともに、該判断結果に基づいて前記発電部へ供給される前記燃料ガスが搬送される燃料ガス供給管に設けられた制御弁の開閉量を制御する工程とを有する。

【0013】

本開示の幾つかの実施形態における一態様に係る発電システムの制御プログラムは、酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部を備える燃料電池を備える発電システムの制御プログラムであって、前記発電部へ供給される前記燃料ガスの流路とされた燃料ガス供給管に設けられた密度計測部によって、前記燃料ガスの密度を計測する処理と、前記密度計測部の計測値に基づいて前記燃料ガス供給管に設けられた制御弁の開閉量を制御する処理とをコンピュータに実行させる。

【0014】

本開示の幾つかの実施形態における一態様に係る発電システムの制御プログラムは、複酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部を備える燃料電池を備える発電システムの制御プログラムであって、前記発電部に設けられた取得部によって、前記発電部の内部における状態量を取得する処理と、前記取得部によって取得された前記発電部の内部における状態量の適性を判断するとともに、該判断結果に基づいて前記発電部へ供給される前記燃料ガスが搬送される燃料ガス供給管に設けられた制御弁の開閉量を制御する処理とをコンピュータに実行させる。

【発明の効果】

【0015】

本開示によれば、燃料ガスに含まれる炭化水素の供給量に基づく制御の即応性を高めるとともに、発電システムを効率的に運転することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本開示の一実施形態に係る電気化学セルスタックを示した部分縦断面図である。

【図2】本開示の一実施形態に係る電気化学セルモジュールを示した分解斜視図である。

【図3】本開示の一実施形態に係る電気化学セルカートリッジを示した縦断面図である。

【図4】本開示の一実施形態に係るＳＯＦＣ複合発電システムの概略構成図である。

【図5】本開示の一実施形態に係るＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの炭化水素の供給量の制御に関する模式図である。

【図6】本開示の一実施形態に係る燃料ガス密度と燃料ガスに含まれる炭化水素の濃度との関係を示すグラフである。

【図7】本開示の一実施形態に係る燃料ガス密度と、燃料ガスの供給量の補正係数との関係を示すグラフである。

【図8】本開示の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの長手方向の中央部付近における、最高温度と最低温度との温度差と、燃料ガスの供給量の補正係数との関係を示すグラフである。

【図9】本開示の一実施形態に係る発電室における燃料ガス供給側の温度と、燃料ガスの供給量の補正係数との関係を示すグラフである。

【図10】図６に示した各ポイントにおいて、燃料ガスの供給量を制御するために用いる状態量の推移を示したタイミングチャートである。

【図11】本開示の一実施形態に係るＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量の補正制御に関する手順の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下に、本開示に係る発電システム、これを備えた発電プラント、発電システムの制御方法及び発電システムの制御プログラムの一実施形態について、図面を参照して説明する。

【0018】

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」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。

【0019】

また、以下においては、固体酸化物形電気化学セルのセルスタックとして筒状の円筒形固体酸化物形燃料電池(ＳＯＦＣ)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。基体上に電気化学セルを形成するが、基体ではなく電極（燃料極もしくは空気極）が厚く形成されて、基体を兼用したものでも良い。

【0020】

まず、図１を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。基体管を用いない場合は、例えば燃料極を厚く形成して基体管を兼用してもよく、基体管の使用に限定されることはない。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒（Ｆｌａｔ ｔｕｂｕｌａｒ）等のセルスタックでもよい。ここで、図１は、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、一例として円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された電気化学単セル１０５と、隣り合う電気化学単セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを備える。電気化学単セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質膜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電気化学単セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端の一端に形成された電気化学単セル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を備え、最も端の他端に形成された電気化学単セル１０５の燃料極１０９に電気的に接続されたリード膜１１５を備える。

【0021】

基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とされる。この基体管１０３は、電気化学単セル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。

【0022】

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。燃料極１０９の厚さは５０μｍ～２５０μｍであり、燃料極１０９はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。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備える。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。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、固体電解質膜１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２－）とを固体電解質膜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、電気化学単セル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。
固体酸化物形電気化学セルの燃料極１０９に供給し利用できる燃料ガスとしては、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、及び石炭などの炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガス、バイオマスを原料としたバイオガスなどが挙げられる。

【0023】

固体電解質膜１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質膜１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ２－）を燃料極に移動させるものである。燃料極１０９の表面上に位置する固体電解質膜１１１の膜厚は１０μｍ～１００μｍであり固体電解質膜１１１はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。

【0024】

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、空気極１１３はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。この空気極１１３は、固体電解質膜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外部より供給された電子と結合し酸素イオン（Ｏ２－）を生成するものである。
空気極１１３は２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜１１１側の空気極層（空気極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層（空気極導電層）は、ＳｍをドープしたセリアやＳｒ及びＣａドープＬａＭｎＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
酸化性ガスとは，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。

【0025】

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、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ１０７は、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耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ１０７は、隣り合う電気化学単セル１０５において、一方の電気化学単セル１０５の空気極１１３と他方の電気化学単セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う電気化学単セル１０５同士を直列に接続するものである。

【0026】

リード膜１１５は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材や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）で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により直列に接続される複数の電気化学単セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出するものである。

【0027】

次に、図２と図３とを参照して本実施形態に係る電気化学セルカートリッジ及び電気化学セルモジュールについて説明する。ここで、図２は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールの一態様を示すものである。また、図３は、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）カートリッジの一態様の断面図を示すものである。

【0028】

ＳＯＦＣモジュール（電気化学セルモジュール）２０１は、図２に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ（電気化学セルカートリッジ）２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納するモジュール容器２０５とを備える。なお、図２には円筒形のＳＯＦＣのセルスタック１０１を例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。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及び燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを備える。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）及び酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを備える。

【0029】

燃料ガス供給管２０７は、モジュール容器２０５の内部に設けられ、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。

【0030】

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、一部がモジュール容器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モジュール容器２０５の外部に導くものである。

【0031】

モジュール容器２０５は、内部の圧力が大気圧～約３ＭＰa、内部の温度が大気温度～約５５０℃で運用されるので、耐圧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。

【0032】

ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されてモジュール容器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が集合化されずにモジュール容器２０５内に収納される態様とすることもできる。

【0033】

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（発電部）２１５と、燃料ガス供給ヘッダ２１７と、燃料ガス排出ヘッダ２１９と、酸化性ガス（空気）供給ヘッダ２２１と、酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを備える。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とを備える。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給ヘッダ２１７と燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１と酸化性ガス排出ヘッダ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１０１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１０１の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。

【0034】

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の電気化学単セル１０５が配置された領域であり、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。計測また、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を、温度計測部（熱電対などの温度センサ）で監視してもよく、ＳＯＦＣ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。

【0035】

燃料ガス供給ヘッダ２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、上部管板２２５ａとシール部材２３７ａにより接合されており、燃料ガス供給ヘッダ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。

【0036】

燃料ガス排出ヘッダ２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、図示しない燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、燃料ガス排出ヘッダ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ヘッダ２１９に供給される排燃料ガスを集合して、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。

【0037】

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。酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの側面に設けられた酸化性ガス供給孔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ヘッダ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。

【0038】

酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの側面に設けられた酸化性ガス排出孔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ヘッダ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ヘッダ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。

【0039】

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２３７ａ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、燃料ガス供給ヘッダ２１７と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを隔離するものである。

【0040】

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を備える。

【0041】

この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出ヘッダ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。また、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて温度差による上部管板２２５ａ等の熱変形を抑制するために、Ｎｉ基合金などの高温耐久性のある金属材料を用いてもよい。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ヘッダ２２３に導くものである。

【0042】

本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと排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ヘッダ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。

【0043】

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２３７ｂ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、燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを隔離するものである。

【0044】

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を備える。

【0045】

この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給ヘッダ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、酸化性ガス供給ヘッダ２２１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。

【0046】

本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、排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ヘッダ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。

【0047】

発電室２１５で発電された直流電力は、複数の電気化学単セル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の集電部材（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。前記集電部材によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された直流電力は、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、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先（例えば、負荷設備や電力系統）へと供給される。

【0048】

また、図２に例示するように、ＳＯＦＣモジュール２０１の内部には、発電室２１５の内部の温度を計測するための複数の温度計測部ＴＭ１～ＴＭ４が設けられている。ここで、発電室２１５の内部とは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の長手方向において、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂの間の領域を意味し、この領域内の所定の位置に温度計測部が設けられることによって発電室２１５の内部の温度が計測される。また、発電室２１５の内部に設けられた複数の温度計測部ＴＭ１～ＴＭ４は、例えば、熱電対などの温度センサであり、設置箇所周辺の温度を計測する。また、複数の温度計測部ＴＭ１～ＴＭ４は、例えば、発電室２１５における燃料ガスの供給側に設けられる第１温度計測部ＴＭ１と、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の長手方向の中央部付近に設けられる第２温度計測部ＴＭ２～第４温度計測部ＴＭ４の３つである。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の１つにつき長手方向の中央部付近に設けられる温度計測部を１つずつ設けて温度計測部ＴＭ１～ＴＭ５（図２においてＴＭ５は不図示）としてもよい。なお、図２に示すように、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を備える場合には、長手方向の中央部付近に設けられる温度計測部は２つ以上のＳＯＦＣカートリッジ２０３に設けることが好ましい。
なお、複数の温度計測部の設置位置及び個数は、発電室２１５を構成するカートリッジの数やＳＯＦＣモジュールの構成に応じて適宜変更されてもよい。

【0049】

本開示の一実施形態に係るＳＯＦＣ複合発電システムの概略構成について説明する。ここではガスタービンに数十から数百ｋＷ級のマイクロガスタービン(以下「ＭＧＴ」と言う。)を用いたＳＯＦＣ複合発電システムについて説明するが、ガスタービンの出力は数十から数百ｋＷに限定されず、複合発電の出力に応じて任意に選定されてよい。
図４は、本開示の一実施形態に係るＳＯＦＣ複合発電システム（以下「発電システム」という。）３１０の概略構成図である。
図４に示すように、発電システム３１０は、マイクロガスタービン（以下「ＭＧＴ」という）３１１、発電機３１２、及びＳＯＦＣ３１３を備えている。ＳＯＦＣ３１３は、図示しないＳＯＦＣモジュールが１つまたは複数が組み合わされて構成され、以降は単に「ＳＯＦＣ」と記載する。この発電システム３１０は、ＭＧＴ３１１による発電と、ＳＯＦＣ３１３による発電とを組み合わせることで、高い発電効率を得るように構成されている。

【0050】

ＭＧＴ３１１は、圧縮機３２１、燃焼器３２２、タービン３２３を備えており、圧縮機３２１とタービン３２３とは回転軸３２４により一体的に回転可能に連結されている。後述するタービン３２３が回転することで圧縮機３２１が回転駆動する。本実施形態は酸化性ガスとして空気を用いた例であり、圧縮機３２１は、空気取り込みライン３２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。
燃焼器３２２には、第１酸化性ガス供給ライン３２６を介して圧縮機３２１からの空気Ａの少なくとも一部である圧縮空気Ａ１が供給されるとともに、第１燃料ガス供給ライン３５１を介して燃料ガスＬ１が供給される。第１酸化性ガス供給ライン３２６には、燃焼器３２２へ供給する空気Ａ１の空気量を調整するための制御弁３２７が設けられ、第１燃料ガス供給ライン３５１には、燃焼器３２２へ供給する燃料ガスの供給量を調整するための制御弁３５２が設けられている。更に、燃焼器３２２には、後述するＳＯＦＣ３１３の燃料ガス再循環ライン３４９を循環する排燃料ガスＬ３の一部が排燃料ガス供給ライン３４５を通じて供給される。排燃料ガス供給ライン３４５には、燃焼器３２２に供給する排燃料ガス量を調整するための制御弁３４７が設けられている。更に、燃焼器３２２には、後述する排酸化性ガス供給ライン３３４を通じてＳＯＦＣ３１３の空気極１１３で用いられた排空気Ａ３の一部が供給される。

【0051】

燃焼器３２２は、燃料ガスＬ１、空気Ａの一部（空気Ａ１）、排燃料ガスＬ３、及び排空気Ａ３を混合して燃焼させ、燃焼ガスＧを生成する。燃焼ガスＧは燃焼ガス供給ライン３２８を通じてタービン３２３に供給される。タービン３２３は、燃焼ガスＧが断熱膨張することにより回転し、排ガスが燃焼排ガスライン３２９から排出される。発電機３１２は、タービン３２３と同軸上に設けられており、タービン３２３が回転駆動することで発電する。

【0052】

燃焼器３２２に供給する燃料ガスＬ１及び後述する燃料ガスＬ２は可燃性ガスであり、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を気化させたガスあるいは天然ガス、都市ガス、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）等の炭化水素ガス、及び炭素質原料（石油や石炭等）のガス化設備により製造されたガス及びバイオマスを原料としたバイオガス等が用いられる。燃料ガスとは、予め発熱量が略一定に調整された燃料ガスを意味する。

【0053】

熱交換器３３０は、タービン３２３から排出された排ガスと圧縮機３２１から供給される空気Ａとの間で熱交換を行う。排ガスは、空気Ａとの熱交換で冷却された後に、図示しない煙突を通して外部に放出される。

【0054】

ＳＯＦＣ３１３は、還元剤として燃料ガスＬ２と、酸化剤として空気Ａ２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。このＳＯＦＣ３１３は、図示しないＳＯＦＣモジュールから構成され、ＳＯＦＣモジュールのモジュール容器内に設けた複数のセルスタックの集合体が収容されており、図示しないセルスタックには、燃料極１０９と空気極１１３と固体電解質膜１１１を備えている。
ＳＯＦＣ３１３は、空気極１１３に空気Ａ２が供給され、燃料極１０９に燃料ガスＬ２が供給されることで発電して、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の交流電力へと変換される。
本実施形態では、ＳＯＦＣ３１３に供給される酸化性ガスとして、圧縮機３２１によって圧縮された空気Ａの少なくとも一部（空気Ａ２）を採用する場合を例示して説明する。

【0055】

ＳＯＦＣ３１３には、第１酸化性ガス供給ライン３２６から分岐した第２酸化性ガス供給ライン３３１を通じて酸化性ガスとして空気Ａ２が空気極１１３の図示しない酸化性ガス導入部に供給される。この第２酸化性ガス供給ライン３３１には、供給する空気Ａ２の流量を調整するための制御弁３３５が設けられている。また、第１酸化性ガス供給ライン３２６において、第２酸化性ガス供給ライン３３１の分岐点よりも空気Ａ２の上流側（換言すると、圧縮機３２１側）には、熱交換器３３０が設けられている。熱交換器３３０において、空気Ａは、燃焼排ガスライン３２９から排出される排ガスとの間で熱交換されて昇温される。更に、第２酸化性ガス供給ライン３３１には、熱交換器３３０をバイパスするバイパスライン３３２が設けられている。バイパスライン３３２には、制御弁３３６が設けられ、空気Ａのバイパス流量が調整可能とされている。制御弁３３５、３３６の開度が後述する制御装置（制御部）３８０によって制御されることで、熱交換器３３０を通過する空気Ａと熱交換器３３０をバイパスする空気Ａとの流量割合が調整され、空気Ａの一部である第２酸化性ガス供給ライン３３１を通じてＳＯＦＣ３１３に供給される空気Ａ２の温度が調整される。ＳＯＦＣ３１３に供給される空気Ａ２の温度は、ＳＯＦＣ３１３を構成する図示しないＳＯＦＣモジュール内部の各構成機器の材料に損傷を与えないよう温度の上限が制限されている。

【0056】

更に、第２酸化性ガス供給ライン３３１には、可燃性ガスとして燃料ガスＬ２を供給する空気極燃料供給ライン３７１が接続されている。空気極燃料供給ライン３７１には、第２酸化性ガス供給ライン３３１へ供給する燃料ガス量を調整するための制御弁３７２が設けられている。制御弁３７２の弁開度が後述する制御装置３８０によって制御されることにより、空気Ａ２に添加される燃料ガスＬ２の供給量が調整される。空気Ａ２に添加される燃料ガスＬ２の量は、可燃限界濃度以下で供給され、より好ましくは３体積％以下で供給される。

【0057】

ＳＯＦＣ３１３には、空気極１１３で用いられた排空気Ａ３を排出する排酸化性ガス排出ライン３３３が接続されている。この排酸化性ガス排出ライン３３３には、燃焼器３２２に排空気Ａ３を供給するための排酸化性ガス供給ライン３３４が接続されている。排酸化性ガス供給ライン３３４には、ＳＯＦＣ３１３とＭＧＴ３１１との間の系統を切り離すための制御弁（もしくは遮断弁）３３８が設けられている。
また、排酸化性ガス排出ライン３３３には、空気極１１３で用いられた排空気Ａ３を系統外へ排出する排酸化性ガス量を調整するための制御弁（もしくは遮断弁）３３７が設けられている。

【0058】

ＳＯＦＣ３１３には、更に、燃料ガスＬ２を燃料極１０９の図示しない燃料ガス導入部に供給する第２燃料ガス供給ライン３４１と、燃料極１０９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３４３とが接続されている。第２燃料ガス供給ライン３４１には、ＳＯＦＣ３１３及び燃料極１０９へ供給される燃料ガス密度（燃料ガスの密度）を計測する密度計測部ＤＭが設けられている。ここで、密度計測部ＤＭは、例えば、密度計である。また、第２燃料ガス供給ライン３４１には、燃料極１０９に供給する燃料ガスＬ２の流量を調整するための制御弁３４２が設けられ、排燃料ガスライン３４３には燃料極１０９で反応に用いられた後の排燃料ガスＬ３を系統外へ排出する排燃料ガス量を調整するための制御弁（もしくは遮断弁）３４６が設けられている。排燃料ガスライン３４３の制御弁３４６と、排酸化性ガス排出ライン３３３の制御弁３３７を制御することにより、排燃料ガスＬ３もしくは排空気Ａ３を系外に排出することで過剰になった圧力を素早く調整することができる。また、ＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９と空気極１１３の差圧（以下、燃料空気差圧）は、燃料極１０９側が所定の圧力範囲で高くなるように、制御弁３４７により制御する。また、排燃料ガスライン３４３には、排燃料ガスＬ３をＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９の燃料ガス導入部へと再循環させるための燃料ガス再循環ライン３４９が接続されている。燃料ガス再循環ライン３４９には、排燃料ガスＬ３を再循環させるための再循環ブロワ３４８が設けられている。

【0059】

更に、燃料ガス再循環ライン３４９には、燃料極１０９に燃料ガスＬ２を改質するための純水を供給する純水供給ライン３６１が設けられている。純水供給ライン３６１にはポンプ３６２が設けられている。ポンプ３６２の吐出流量が制御装置３８０によって制御されることにより、燃料極１０９に供給される純水量が調整される。

【0060】

制御装置３８０は、例えば、発電システム（複合発電システム）３１０に備える圧力計測部及び各温度計測部、流量計測部などの計測値等に基づき、各遮断弁及び各流量調整弁の制御を行う。
制御装置３８０は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

【0061】

本実施形態ではＳＯＦＣ複合発電システムについて説明する。燃料ガス中の炭素に対する水蒸気のモル比率をＳ／Ｃ（スチームカーボン比）という。ＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９側の系統入口付近において、Ｓ／Ｃは燃料の内部改質を行うためには量論的に１．０以上が必要で、更に図示しないセルスタックの付近にてＳ／Ｃが低くなる領域があると炭素が析出する恐れがある。炭素析出防止と改質率促進のためにＳ／Ｃ≧３．０であることが好ましい。一方、Ｓ／Ｃが高すぎると、最終的に発電システム３１０の系外に排出される排ガス中の水蒸気含有量が増加し、この潜熱分が無駄な熱量として系外に排出されてシステム効率が低下する。この為、ＳＯＦＣの運転状態に合わせて過剰とならない適切な量のＳ／Ｃを設定できることが望ましく、ＳＯＦＣ３１３の定格運転時では、例えばＳ／Ｃが３．０～５．０、好ましくは３．５～５．０となるよう設定されている。
燃料ガス再循環ライン３４９を経由した排燃料ガスＬ３の再循環を行う場合においては、第２燃料ガス供給ライン３４１によりＳＯＦＣ３１３に供給される燃料ガスＬ２のＳ／Ｃが規定値よりも低いとき、第２燃料ガス供給ライン３４１に純水供給ライン３６１を介して純水を供給し、純水が第２燃料ガス供給ライン３４１内で水蒸気となって供給されることによって、不足する水蒸気を補う。また、ＳＯＦＣ３１３の起動時又は停止動作時など、発電による水蒸気の発生がない場合はＳ／Ｃが低下し炭素析出の恐れがあるため第２燃料ガス供給ライン３４１に純水供給ライン３６１を介して純水を供給する。

【0062】

ここで、ＭＧＴを用いた本実施形態の発電システム３１０の起動方法について説明する。発電システム３１０を起動する場合、ＭＧＴ３１１が起動した後にＳＯＦＣ３１３が起動する。発電システム３１０の起動時において、制御装置３８０は、まずＭＧＴ３１１を起動させ、ＭＧＴ３１１の出力がある一定の負荷で安定してから、圧縮機３２１から供給される圧縮空気Ａ１の一部（空気Ａ２）をＳＯＦＣ３１３に供給することで、ＳＯＦＣ３１３の空気極１１３を加圧していくことができる。

【0063】

まず、ＭＧＴ３１１の起動では、圧縮機３２１が空気Ａを圧縮し、燃焼器３２２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３２３が燃焼ガスＧにより回転することで、発電機３１２が発電を開始する。空気Ａの全量を燃焼器３２２へ供給するため、制御弁３３５、３３６、３３８は全閉とされるのが好ましい。

【0064】

ＳＯＦＣ３１３の起動では、まず、圧縮空気Ａ１の少なくとも一部（空気Ａ２）をＳＯＦＣ３１３の空気極１１３へ供給して昇圧を開始し、昇温を開始する。排酸化性ガス排出ライン３３３の制御弁３３７と排酸化性ガス供給ライン３３４の制御弁３３８を閉止し、制御弁３３５を所定開度だけ開放する。なお、ここで昇圧速度を制御するための開度調整を行う。なお、制御弁３３５は所定開度にて維持し、制御弁３３６は閉とする。すると、圧縮機３２１で圧縮した圧縮空気Ａ１の少なくとも一部である空気Ａ１が第２酸化性ガス供給ライン３３１からＳＯＦＣ３１３側へ供給される。空気Ａ１は、熱交換器３３０により温度が３００～５００℃に昇温されおり、これにより、ＳＯＦＣ３１３は、圧縮空気Ａ１が供給されることで昇圧とともに温度が上昇する。

【0065】

一方、ＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９では、燃料極側に窒素等の不活性ガスを供給して昇圧を開始する。制御弁３４６と制御弁３４７を閉止し、再循環ブロワ３４８を停止した状態で、不活性ガスを供給すると共に、燃料ガス再循環ライン３４９の再循環ブロワ３４８を駆動する。なお、再循環ブロワ３４８は燃料極１０９側の加圧前に起動していても良い。すると、不活性ガスが第２燃料ガス供給ライン３４１からＳＯＦＣ３１３側へ供給されると共に燃料ガス再循環ライン３４９により再循環される。これにより、ＳＯＦＣ３１３側は、不活性ガスが供給されることで圧力が上昇する。

【0066】

そして、ＳＯＦＣ３１３の空気極１１３側の圧力が圧縮機３２１の出口圧力と等しくなると、制御弁３３５にてＳＯＦＣ３１３への供給空気流量を制御すると共に、制御弁３３８を開放してＳＯＦＣ３１３からの排空気Ａ３を排酸化性ガス供給ライン３３４から燃焼器３２２に供給する。ＳＯＦＣ３１３とＭＧＴ３１１とを連結させ、ＳＯＦＣ３１３を経由してＭＧＴ３１１の燃焼器３２２に空気を供給するコンバインド状態に移行する。このとき、制御弁３３７も開度を制御してＳＯＦＣ３１３からの排空気Ａ３の一部を系統外へ排出してもよい。それと同時に制御弁３４６の開度を制御してＳＯＦＣ３１３からの不活性ガスを系統外へ排出してもよい。そして、ＳＯＦＣ３１３における空気極１１３側の圧力と燃料極１０９側の圧力とが目標圧力に到達すると、ＳＯＦＣ３１３の昇圧が完了する。

【0067】

コンバインド状態への移行後に、制御弁３３５および制御弁３３６を開度調整することにより、ＳＯＦＣ３１３を昇温するためにＳＯＦＣ３１３に供給される空気Ａ２の流量を増加させ、第１酸化性ガス供給ライン３２６を介して燃焼器３２２に供給される空気Ａ１の流量を減少させる。そして、所定の条件となった後にＳＯＦＣ３１３が発電を開始するまでは空気Ａの全量がＳＯＦＣ３１３を経由して、排酸化性ガス排出ライン３３３から排酸化性ガス供給ライン３３４を経由して，燃焼器３２２に供給されるように制御して、ＳＯＦＣ３１３をできるだけ均一な温度で早く昇温できるようにしてもよい。

【0068】

その後、ＳＯＦＣ３１３の圧力制御が安定してから、制御弁３３７が開となっている場合は閉止する一方、制御弁３３８の開放を維持する。このため、ＳＯＦＣ３１３からの排空気Ａ３が排酸化性ガス供給ライン３３４から燃焼器３２２に供給され続ける。

【0069】

制御装置３８０は、ＳＯＦＣ３１３の起動にあたり、第１昇温モード、第２昇温モード、及び負荷上昇モードを順に実行し、図示しないセルスタック周囲の温度である発電室温度を定格温度まで上昇させるとともに、目標負荷まで負荷を上昇させる。

【0070】

まず、第１昇温モードでは、前述のように熱交換器３３０による熱交換によって加熱された空気Ａ２を空気極１１３に供給することにより、空気極１１３をはじめとする発電室を昇温させる。第１昇温モードにより、第１温度閾値に到達すると、第１昇温モードから第２昇温モードに切り替える。ここで、第１温度閾値は、空気極１１３が可燃性ガスとしての燃料ガスＬ２との燃焼反応に対して触媒として機能する温度であり、例えば、約４００℃から４５０℃の範囲で設定されている。

【0071】

第２昇温モードでは、第１昇温モードと同様に空気極１１３に空気Ａ２を供給するとともに、空気極燃料供給ライン３７１に設けた制御弁３７２を開くことにより燃料ガスＬ２を空気Ａ２に添加供給する。空気Ａ２と燃料ガスＬ２とが流入した空気極１１３では、空気極１１３の触媒作用によって燃料ガスＬ２が空気極１１３で触媒燃焼し、燃焼熱が発生する。このように、第２昇温モードでは、触媒燃焼による発熱を用いて空気極１１３を上昇させる。
制御装置３８０は、発電室温度が第２温度閾値に到達すると、第２昇温モードから負荷上昇モードに切り替える。

【0072】

負荷上昇モードでは、昇温時間の短縮のために、第１昇温モードと同様に空気極１１３に空気Ａ２を供給するとともに、第２燃料ガス供給ライン３４１の制御弁３４２を開くことで燃料ガスＬ２を燃料極１０９に供給し、純水供給ライン３６１のポンプ３６２を駆動することで純水を燃料極１０９に供給し、発電を開始する。負荷上昇モードでは、空気極１１３に燃料ガスＬ２を添加供給することによる触媒燃焼による発熱と、発電の両方による発熱とによって発電室温度を上昇させる。負荷上昇モードでは、ＳＯＦＣ３１３の発電室温度が発電による自己発熱で温度維持ができるまで温度上昇をした後は、空気極１１３へ添加供給される燃料ガスＬ２の供給量を徐々に減少させ、例えば、目標負荷到達と同時に空気極１１３への燃料ガスＬ２の添加供給がゼロになるように制御される。

【0073】

上記第２温度閾値は、例えば、７５０℃以上に設定されている。これは、燃料極１０９が十分な温度に達していないときに燃料極１０９側に燃料ガスＬ２を投入してしまうと、固体電解質膜１１１が高抵抗状態のままでＳＯＦＣ３１３を発電させることになり、電極構成材料が組織変化して劣化し、ＳＯＦＣ３１３の性能低下の要因になるからであり、ＳＯＦＣ３１３の性能低下が起きにくいように、第２温度閾値は例えば、７５０℃付近に設定されることが好ましい。

【0074】

また、排燃料ガスＬ３の成分が燃焼器３２２へ投入可能な成分となったら、制御弁３４６を閉止する一方、制御弁３４７を開放する。すると、ＳＯＦＣ３１３からの排燃料ガスＬ３が排燃料ガス供給ライン３４５から燃焼器３２２に供給される。このとき、第１燃料ガス供給ライン３５１に備えた制御弁３５２によって燃焼器３２２に供給される燃料ガスＬ１を減量する。

【0075】

負荷上昇モードにおいて、発電室温度が発電室目標温度に到達し、負荷が定格負荷など目標負荷に到達すると、起動完了となる。
発電室目標温度はＳＯＦＣ３１３が発電による発熱による自己発熱で温度が維持できる温度以上であり、例えば７５０℃～９５０℃で設定されてもよい。

【0076】

こうして、ＭＧＴ３１１の駆動による発電機３１２での発電、ＳＯＦＣ３１３の昇圧・昇温・起動での発電が行われることとなり、発電システム３１０が定常運転となる。

【0077】

ここで、本実施形態のＳＯＦＣ３１３の停止方法について説明する。ＳＯＦＣ３１３を停止する場合、ＳＯＦＣ３１３の通常停止時または緊急停止時には、まず、燃料極１０９側への燃料ガスＬ２の供給継続、および空気極１１３側への酸化性ガスである空気Ａ２の供給を停止する。

【0078】

ＳＯＦＣ３１３を停止するため、制御弁３３５、３３６，３４７及び制御弁３３８を閉止して燃焼器３２２を停止する一方、制御弁３４２は所定の開度とし、各制御弁３３７，３４６を開放（制御弁３３７，３４６は、例えば、半開）して排空気Ａ３および排燃料ガスＬ３を系外へ排出する。すると、ＳＯＦＣ３１３は、空気極１１３への圧縮空気Ａ２の供給が停止される一方、燃料極１０９への燃料ガスＬ２および純水供給ライン３６１を介して純水の供給が継続され、燃料極の還元雰囲気が維持された状態で、発電が停止する。燃料ガスＬ２および純水が燃料極１０９へ供給され、燃料極１０９から排燃料ガスライン３４３に排出された排燃料ガスＬ３の一部は燃料ガス再循環ライン３４９を通して燃料極１０９に循環されるため、燃料極側の系統の過剰な圧力低下を防ぐことができる。

【0079】

ＳＯＦＣ３１３の温度の冷却が進み所定温度より低下したら、発電停止に伴う空気極１１３の還元や燃料極１０９の酸化による劣化を防止するため、ＳＯＦＣ３１３の運転停止後に燃料極１０９側の系統へ窒素等の不活性ガスをパージすることで、ＳＯＦＣ３１３を保護する。ＳＯＦＣ３１３が予め設定された所定温度まで冷却されると、制御弁３４２を閉止して燃料ガスＬ２の供給を停止する一方、制御弁３４６を開放したままとし排燃料ガスＬ３の一部を系外へ排出する。また、ＳＯＦＣ３１３は、図示しないパージガス供給ラインからパージガス（不活性ガス）を燃料極１０９に供給される一方、排燃料ガスライン３４３および燃料ガス再循環ライン３４９の排燃料ガスＬ３が制御弁３４６から系統外に排出される。そのため、燃料極１０９は、パージガスにより還元雰囲気が不活性雰囲気に短時間で置換される。燃料極１０９側の系統の雰囲気を不活性ガスで置換することで、残存した燃料ガスが空気極１１３へと拡散することによって空気極１１３の材料が還元されることを防止できる。また、燃料極１０９側の系統へ窒素等の不活性ガスを供給しつつ燃料ガス再循環ライン３４９を通して燃料極１０９に循環されているため、排燃料ガスＬ３が系統外に排出されることによる燃料極側の系統の過剰な圧力低下を防ぎつつＳＯＦＣ３１３を冷却することができる。

【0080】

燃料極１０９側の系統に供給する不活性ガスは、窒素（Ｎ２）ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス、Ｈｅ（ヘリウム）ガス、または燃焼排ガスなどである。不活性ガスは、Ｎ２ガスおよびＨ２ガスの混合ガスであってもよい。不活性ガスに含まれるＨ２ガスは、空気極１１３側から拡散してきた酸素（Ｏ２）と反応する。よって、不活性ガスにＨ２ガスを含ませることで、拡散してきた酸素が燃料極１０９の材料と反応するのを防止できる。

【0081】

燃料極１０９側の系統への不活性ガスの供給と並行して、空気極１１３側の系統に図示しない冷却ガス供給ラインから冷却ガスを供給する。冷却ガスは、酸素を含むことが好ましい。冷却ガスの温度は、発電時にＳＯＦＣ３１３に供給される空気Ａ２よりも低い。冷却ガスは、外気（常温の空気）などが好適である。常温とは、０℃～４０℃程度の温度を指す。図示しない冷却ガス供給ラインは、ＳＯＦＣ３１３の空気極１１３へ冷却ガスを供給できるように例えば第２酸化性ガス供給ライン３３１に接続され、冷却ガスは、冷却ガス供給ラインに設けられた図示しない別置のコンプレッサや送風機にて供給しても良い。

【0082】

図５は、ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの炭化水素の供給量の制御に関する模式図である。図５において、実線の矢印は燃料ガスの供給路を示し、破線の矢印は空気の流路を示し、一点鎖線の矢印は各計測部の計測値に基づく出力信号や制御弁３４２の制御信号の通信経路を示す。なお、図５において空気極燃料供給ライン３７１は省略している。

【0083】

まず、密度計測部ＤＭによって第２燃料ガス供給ライン３４１を流れる燃料ガス密度がリアルタイムに計測される。そして、制御装置３８０は、密度計測部ＤＭの計測値に基づいて、燃料ガス組成（燃料ガスに含まれる炭化水素の濃度）を予測する。そして、制御装置３８０は、燃料ガス組成の予測に基づいて、ＳＯＦＣ３１３へ供給される燃料ガスの基準の供給量を設定する（第１の制御）。

【0084】

また、複数の温度計測部ＴＭ１～ＴＭ４によって発電室２１５の複数箇所の温度が計測される。そして、制御装置３８０は、第１温度計測部ＴＭ１～第４温度計測部ＴＭ４の各計測値に基づいて、ＳＯＦＣ３１３の内部における改質反応の状況を予測する。そして、制御装置３８０は、ＳＯＦＣ３１３の内部における改質反応の状況に基づいて、燃料ガスの基準の供給量を補正するための供給量補正係数を設定する（第２の制御）。燃料ガスの供給量補正係数の算出については、後述する。

【0085】

制御装置３８０は、燃料ガスの基準の供給量に対して、燃料ガスの供給量の補正係数を用いて、燃料ガスの供給量を補正する。そして、制御装置３８０は、補正後の燃料ガスの供給量に対応して、制御弁３４２の開閉量を調整するための指令を変更する。
このように、制御装置３８０は、密度計測部ＤＭの計測値と、複数の温度計測部ＴＭ１～ＴＭ４の計測値に基づいて、ＳＯＦＣ３１３へ供給される燃料ガスの供給量を制御する。

【0086】

上述のように、制御装置３８０は、密度計測部ＤＭの計測値と各温度計測部ＴＭ１～ＴＭ４の計測値に基づいて、制御弁３４２の開閉量を制御する。制御弁３４２の開閉量を制御することにより、ＳＯＦＣ３１３へ供給される燃料ガスの供給量が制御される。ここで、ＳＯＦＣ３１３へ供給される燃料ガスの供給量を制御することは、燃料ガスに含まれる炭化水素の量を制御することと同義である（以降の説明において、「燃料ガスの供給量」との記載は「燃料ガスの炭化水素の量」との意味を含む）。すなわち、制御装置３８０によって、ＳＯＦＣ３１３へ供給される燃料ガスの供給量が制御されることにより、燃料ガスに含まれる炭化水素の量を、発電量を維持するための改質反応がＳＯＦＣ３１３の内部において好適に行われる量となるように制御することができる。

【0087】

また、制御装置３８０は、燃料ガス密度と燃料ガス組成が対応付けられたテーブルが記憶された記憶部（不図示）を備えていてもよい。制御装置３８０は、例えば、密度計測部ＤＭによって計測された計測値と記憶部に記憶されたテーブルとを照合することにより、燃料ガス密度に対応した燃料ガス組成を予測し、この予測結果に基づいて制御弁３４２の開閉量を制御する。

【0088】

なお、記憶部に記憶されたテーブルは、例えば、燃料ガス密度のみに限らず、燃料ガス密度と、ＳＯＦＣ３１３の内部の温度と、燃料ガス組成とが対応付けられたテーブルである。これにより、より正確に予測された燃料ガス組成に基づいて制御弁の開閉量が制御される。

【0089】

また、記憶部は、制御装置３８０に備えられたものでなくてもよい。この場合、制御装置３８０と記憶部は双方向通信可能な構成であり、制御装置３８０と記憶部が双方向通信されることによって、燃料ガス密度に対応した燃料ガス組成が予測される。

【0090】

また、制御装置３８０は、演算部（不図示）を備えていてもよい。演算部は、例えば、密度計測部ＤＭによって計測された計測値に基づいて燃料ガス組成を演算するとともに、演算した燃料ガス組成に基づいて、制御弁３４２の開閉量に対する操作量を演算する。そして、制御装置３８０は、演算部の演算結果に基づいて、制御弁３４２の開閉量を制御する。

【0091】

また、演算部によって、燃料ガス組成や、制御弁３４２の開閉量に対する操作量が演算される際、これらの演算は、燃料ガス密度とＳＯＦＣ３１３の内部の温度に基づいて演算されてもよい。これにより、燃料ガス組成や、制御弁３４２の開閉量に対する操作量がより正確に演算される。

【0092】

なお、上述する制御装置３８０の構成は、一例であり、燃料ガスの供給量を制御する制御が実行可能な構成であれば、適宜変更されてもよい。例えば、制御装置３８０は、密度計測部ＤＭの計測値に基づいて燃料ガス組成を把握する際には、記憶部に記憶されたテーブルを用いて燃料ガス組成を把握し、さらに、燃料ガス組成に基づいて燃料ガスの供給量を適切化する際には、演算部によって演算された制御弁３４２の操作量を用いることとしてもよい。

【0093】

また、制御装置３８０は、上述の制御の実行時において、計測値の範囲が予め設定された制御可能範囲の値であるか否かを判定し、仮に制御可能範囲でない場合には、ユーザまたは管理者へ異常を報知してもよい。

【0094】

次に、燃料ガス密度とＳＯＦＣの内部の温度に基づく、発電室へ供給される燃料ガスの供給量の制御について説明する。
図６は、燃料ガス密度と燃料ガスに含まれる炭化水素の濃度との関係を示すグラフである。図６の横軸は燃料ガス密度であり、図６の縦軸は燃料ガス中の炭化水素の濃度である。燃料ガス密度と炭化水素濃度の関係は、燃料ガスに含まれる炭化水素とその他の成分の割合（燃料ガス組成）により、変化する。図６において、実線は、ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの基準流量を算出する際の燃料ガス組成（基準ガス組成）の場合の、燃料ガス密度と炭化水素濃度の関係を示す。２つの破線に挟まれる領域は、燃料ガス組成が変動した場合に、密度計測部による基準流量の制御のみで運転可能な領域を示す。２つの一点鎖線に挟まれる領域は、燃料ガス組成が変動した場合に、密度計測部による基準流量の制御とＳＯＦＣ内部温度による流量補正を組み合わせることで運転可能な領域を示す。これらの各領域については後述する。

【0095】

実際にＳＯＦＣに供給される燃料ガス組成が、基準ガス組成から変動しない場合、燃料ガス密度と、燃料ガスに含まれる炭化水素の濃度は、図６の制御基準を表す実線で示されるように比例関係にある。このため、密度計測部によって燃料ガス密度を計測することにより、燃料ガスに含まれる炭化水素の濃度を予測し、燃料ガスの供給量を適切化することができる。

【0096】

具体的には、例えば、燃料ガス密度が低く、燃料ガスに含まれる炭化水素の濃度が高いと予測される場合には、ＳＯＦＣの内部における改質反応の反応量が不足しないため、ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量を低減するように制御弁が制御される。反対に、燃料ガスに含まれる炭化水素の濃度が低いと予測される場合には、ＳＯＦＣの内部における改質反応の反応量が不足していると判断して、ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量を増加するように制御弁が制御される。

【0097】

ここで、ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスは、メタン、二酸化炭素、窒素など３種類以上の成分を含み、各成分がそれぞれ変動する。そのため、燃料ガス密度が変化しない場合においても、燃料ガス組成の変動によって炭化水素の濃度が変動する。例えば、燃料ガス密度Ｘ１において、燃料ガスに含まれる各種類の成分のうち、３種類以上の成分が変動すると、燃料ガスに含まれる炭化水素の濃度は、制御基準線上のポイントＰ６から、２つの破線に挟まれた領域内に存在するＰ５又はＰ７へ推移する。この領域内の変動に対しては、密度計測部による基準流量の制御により、ＳＯＦＣの運転継続が可能である。燃料ガスに含まれる炭化水素の濃度は、燃料ガスに含まれる各種類の成分のうち多くの成分が変動するほど、基準値とのずれ量が大きくなる。基準値とのずれ量が大きいＰ４またはＰ８へ推移した際は，前述の密度計測部による基準燃料流量の制御だけでは、発電室内の温度又は発電室内各部の温度差が許容値（許容上限）を超過し、運転継続が困難となる場合がある。

【0098】

また、同様に、燃料ガス密度Ｘ２においても、燃料ガスに含まれる成分が変動すると、燃料ガスに含まれる炭化水素の濃度は、基準線上のポイントＰ１から、ポイントＰ２、Ｐ１０、Ｐ３及びＰ９のいずれかのポイントへ推移する。燃料ガス密度Ｘ１で例示した場合と同様に、燃料ガスに含まれる炭化水素の濃度は、燃料ガスに含まれる各種類の成分のうち多くの成分が変動するほど、基準値とのずれ量が大きくなる。基準値とのずれ量が大きいＰ３またはＰ９へ推移した際は，前述の密度計による基準燃料流量の制御だけでは、発電室内の温度又は発電室内各部の温度差が許容値（許容上限）を超過し、運転継続が困難となる場合がある。

【0099】

次に、上述の各計測値と燃料ガスの供給量を補正する補正係数との関係を説明する。図７～図９は、燃料ガスの供給量制御に関する制御パラメータと補正係数の関係を示す例図である。
図７は、燃料ガス密度と、燃料ガスの供給量の補正係数との関係を示すグラフである。
制御装置は、密度計測部の計測値に基づいて、予め設定されている燃料ガスの基準供給量に対して補正を行う。具体的には、燃料ガス密度が大きくなると、燃料ガスの供給量の補正係数も大きくなる。すなわち、燃料ガス密度が増加すると、燃料ガスに含まれる炭化水素の濃度が低下したと判断し、発電室の内部における改質反応量を維持するために、燃料ガスの供給量を増加する補正を行う。そのため、図６に示すように、燃料ガス密度と燃料ガスの供給量の補正係数は正の比例関係となる。

【0100】

図８は、ＳＯＦＣカートリッジの長手方向の中央部付近における、最高温度と最低温度との温度差（以下、中部温度の温度差と言う。）と、燃料ガスの供給量の補正係数との関係を示すグラフである。
制御装置は、第２温度計測部～第４温度計測部の各計測値のうちの最高値と最低値との温度差Ｔｄｅｆｆに基づいて、ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量を補正する。具体的には、燃料ガス組成の変動に伴って炭化水素の濃度が高くなると、発電室の内部における改質反応に伴う吸熱反応の反応量が増加し、後述するメカニズムにより、中部温度の温度差が大きくなる。この場合、制御装置は、発電室の内部における改質反応を抑制するために燃料ガスの供給量を低減するように補正係数を小さくする。

【0101】

ここで、燃料ガス組成の変動に伴う中部温度の温度差の挙動について説明する。
ＳＯＦＣモジュールの内部において、外周側に配置されるカートリッジの発電室の温度は、外部への放熱のため、内周側に配置されるカートリッジの発電室の温度よりも低くなる傾向にある。このため、外周側のカートリッジでは、燃料供給時の圧損が小さくなり、内周側のカートリッジと比べて燃料が流れやすくなる傾向にある。そこで、所定の燃料利用率（ＳＯＦＣに供給される燃料成分のうち、実際に発電反応に消費される燃料成分の割合）の範囲において、カートリッジ間の燃料流量が均一になるように分配する機能（例えば、圧損を均一化するためのオリフィス等）を備えている。ここで、燃料ガス組成の変動に伴い、燃料利用率が低下して前記所定の燃料利用率の範囲を逸脱すると、燃料分配機能が低下し（例えば、オリフィスによる圧損調整範囲を逸脱する、など）、外周側のカートリッジに燃料が多く流れるような、燃料分配の偏りが生じる。その結果、燃料が多く流れるほど改質吸熱による影響が大きくなり、外周側カートリッジの発電室温度が低下する。すなわち、外周側カートリッジの発電室温度と内周側カートリッジの発電室温度の温度差が発生し、中部温度の温度差が大きくなる。

【0102】

図９は、発電室における燃料ガス供給側の温度と、燃料ガスの供給量の補正係数との関係を示すグラフである。
制御装置は、第１温度計測部の計測値（温度）に基づいて、ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量を補正する。具体的には、燃料ガス組成の変動に伴って炭化水素の濃度が低くなると、発電室の内部における改質反応に伴う吸熱反応の反応量が減少し、特に発電室の内部の燃料供給側の温度が上昇する。このため、第１温度計測部の計測値が所定の閾値ｔｈ１以上となる。この場合、制御装置は、発電室の内部における改質反応を促進するために燃料ガスの供給量を増加するように補正係数を大きくする。

【0103】

以上説明した燃料ガスの供給量の補正制御については、全ての制御が並行して行われてもよく、また、発電システムの稼働条件等に基づいて適宜選択的に行われてもよい。

【0104】

また、上述のように、燃料ガス組成が変動すると、特に、燃料ガス成分のうち３種類以上の成分の割合が変動すると、燃料ガス密度と燃料ガスの炭化水素の濃度との関係において、基準ガス組成（図５の実線で示す制御基準）からのずれが大きくなる。このため、ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量を適切化するために、制御装置は、燃料ガス密度と発電室各部の温度との各計測値に基づいて、制御弁の開閉量を制御する。
一方で、燃料ガス組成は、ユーザの選択によって使用する燃料ガスの種類が任意に切替えられる場合にも、変動する。燃料ガス種類が切替えられる場合とは、例えば、都市ガスからバイオガスに切り替えられる場合である。この場合には、切替前後の燃料ガスの各組成範囲、すなわち、各燃料ガス密度と燃料ガスの炭化水素の濃度の関係（制御基準）は既知であり、これらの情報は記憶部に記憶されている。また、記憶部には、燃料ガスの種類毎の各組成範囲と、切替前後の燃料ガスの種類に対応した各制御パラメータの変位量が記憶されていることとしてもよい。そして、制御装置は、記憶部に記憶されている情報に基づいて、制御パラメータの操作量を制御することにより、燃料ガスの種類を切替える際にも発電効率を維持しながら発電システムの稼働を継続することができる。

【0105】

図１０は、図６に示した各ポイント（Ｐ１～Ｐ１０）において、燃料ガスの供給量を制御するために用いる状態量の推移を示したタイミングチャートである。具体的には、図６に示される各ポイントＰ１～Ｐ１０における、燃料ガス密度、燃料ガス中の炭化水素の濃度、第１温度計測部の計測値と第２温度計測部～第４温度計測部の各計測値の最小値との差分、第１温度計測部ＴＭ１の計測値、ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量の推移を示すタイミングチャートである。図１０において、破線は密度計測部の計測値である計測密度のみに基づいて燃料ガスの供給量が補正及び制御された場合の推移を示し、実線は計測密度及び各温度計測部の各計測値である各計測温度に基づいて燃料ガスの供給量が補正及び制御された場合の推移を示す。なお、閾値ｔｈ２は、第２温度計測部～第４温度計測部の各計測値のうちの最高温度と最低値との差分に関する所定の閾値である。閾値ｔｈ１は、第１温度計測部の計測値（上部温度）に関する所定の閾値である。

【0106】

まず、ポイントＰ９及びポイントＰ１０においては、燃料ガス密度が密度Ｘ２で一定であるにも関わらず、燃料ガスの炭化水素の濃度が、基準値であるポイントＰ１における濃度Ｙ３よりも低い濃度Ｙ１，Ｙ２である。すなわち、ポイントＰ９及びポイントＰ１０においては、燃料ガス組成の変動によって、燃料ガスの炭化水素の濃度が低下し、ＳＯＦＣの内部における改質反応の反応量が基準量よりも減少する。これにより、改質反応による吸熱量も減少されるため、ＳＯＦＣの内部における上部温度が上昇する。

【0107】

この場合、制御装置は、ＳＯＦＣの内部の改質反応の反応量を増加させるために、ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量を増加するように制御弁の開閉量を制御する。ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量の補正に発電室の状態量である計測温度が考慮されるため、計測密度のみに基づいて燃料ガスの供給量を補正する制御よりも、より正確にＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量を制御することができる。特に、制御基準からのずれ量が大きいポイントＰ９においては、計測温度を加味した制御により、発電室上部温度が許容上限を超過することなくＳＯＦＣの運転継続が可能となる。

【0108】

次に、ポイントＰ２及びポイントＰ３においては、燃料ガス密度が密度Ｘ２で一定であるにも関わらず、燃料ガスの炭化水素の濃度が、基準値であるポイントＰ１における濃度Ｙ３よりも高い濃度Ｙ４，Ｙ５である。すなわち、ポイントＰ２及びポイントＰ３においては、燃料ガス組成の変動によって、燃料ガスの炭化水素の濃度が増加し、ＳＯＦＣの内部における改質反応の反応量が基準量よりも増加する。これにより、改質反応による吸熱量も増加するため、ＳＯＦＣの内部における中部温度が低下して発電室目標温度を維持する発電部に対し温度分布が発生する。すなわち、中部温度Ｔ２～Ｔ４の最高値と最低値の温度差が増加する。

【0109】

この場合、制御装置は、ＳＯＦＣの改質反応の反応量を減少させるために、ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量を減少するように制御弁の開閉量を制御する。ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量の補正に発電室の内部の状態量である計測温度が考慮されるため、計測密度のみに基づいて燃料ガスの供給量を補正する制御よりも、より正確にＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量を制御することができる。特に、制御基準からのずれ量が大きいポイントＰ３においては、計測温度を加味した制御により、発電室の中部温度の温度差が許容上限を超過することなくＳＯＦＣの運転継続が可能となる。

【0110】

次に、ポイントＰ４及びポイントＰ５においては、燃料ガス密度が密度Ｘ１で一定であるにも関わらず、燃料ガスの炭化水素の濃度が、基準値であるポイントＰ６における濃度Ｙ４よりも高い濃度Ｙ６，Ｙ５である。すなわち、ポイントＰ４及びポイントＰ５においては、燃料ガス組成の変動によって、燃料ガスの炭化水素の濃度が増加し、ＳＯＦＣの内部における改質反応の反応量が基準量よりも増加する。これにより、改質反応による吸熱量も増加するため、ＳＯＦＣの内部における中部温度が低下して発電室目標温度を維持する発電部に対し温度分布が発生する。すなわち、中部温度の温度差が増加する。

【0111】

この場合、制御装置は、ＳＯＦＣの改質反応の反応量を減少させるために、ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量を減少するように、制御弁の開閉量を制御する。ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量の補正に発電室の内部の状態量である計測温度が考慮されるため、計測密度のみに基づいて燃料ガスの供給量を補正する制御よりも、より正確にＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量を制御することができる。特に、制御基準からのずれ量が大きいポイントＰ４においては、計測温度を加味した制御により、発電室の中部温度の温度差が許容上限を超過することなくＳＯＦＣの運転継続が可能となる。

【0112】

次に、ポイントＰ７及びポイントＰ８においては、燃料ガス密度が密度Ｘ１で一定であるにも関わらず、燃料ガスの炭化水素の濃度が、基準値であるポイントＰ６における濃度Ｙ４よりも低い濃度Ｙ３，Ｙ２である。すなわち、ポイントＰ７及びポイントＰ８においては、燃料ガス組成の変動によって、燃料ガスの炭化水素の濃度が減少し、ＳＯＦＣの内部における改質反応の反応量が基準量よりも減少する。これにより、改質反応による吸熱量も減少されるため、ＳＯＦＣの内部における上部温度が上昇する。

【0113】

この場合、制御装置は、ＳＯＦＣの改質反応の反応量を増加させるために、ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量を増加するように、制御弁の開閉量を制御する。ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量の補正に発電室の内部の状態量である計測温度が考慮されるため、計測密度のみに基づいて燃料ガスの供給量を補正する制御よりも、より正確にＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量を制御することができる。特に、制御基準からのずれ量が大きいポイントＰ８においては、計測温度を加味した制御により、発電室上部温度が許容上限を超過することなくＳＯＦＣの運転継続が可能となる。

【0114】

以上のように、制御装置は、燃料ガス密度を計測する密度計測部を用いて燃料ガス組成を把握するため、組成計を用いる場合よりも１回分の計測時間が短い。このため、燃料ガス組成の変動を早期に把握することができるとともに、燃料ガスの供給量を早期に適切化することができる。

【0115】

次に、上述の制御装置による燃料ガスの供給量の補正制御について図１１を参照して説明する。図１１は、本実施形態に係るＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量の補正制御に関する手順の一例を示すフローチャートである。

【0116】

まず、発電システムの運転が開始すると、制御装置は、発電室の内部に設けられた複数の温度計測部により計測された最高温度に基づいて、燃料ガスの供給量を制御する制御弁の開閉量を制御する指令を算出する（Ｓ１０１）。次に、制御装置は、算出した指令と、密度計測部により計測された燃料ガス密度に基づいて燃料ガスの供給量を補正するために、制御弁の開閉量を制御する（Ｓ１０２）。

【0117】

次に、制御装置は、発電室の内部に設けられた第１温度計測部の計測値である上部温度が、所定の閾値ｔｈ１以上あるか否かを判定する（Ｓ１０３）。所定の閾値ｔｈ１は、発電室の内部において改質反応が適切に行われているかを判断するための基準となる温度である。制御装置は、上部温度が、閾値ｔｈ１以上であると判定した場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、上部温度に基づいてＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量を増加させるように、制御弁の開閉量を制御し、再びＳ１０２の処理に移行する（Ｓ１０４）。

【0118】

次に、制御装置は、上部温度が、閾値ｔｈ１以上でないと判定した場合（Ｓ１０３：ＮＯ）、第２温度計測部、第３温度計測部及び第４温度計測部の各計測値の最高温度と最低温度との温度差（中部温度の温度差）が、所定の閾値ｔｈ２以上であるか否かを判定する（Ｓ１０５）。所定の閾値ｔｈ２は、発電室の内部において改質反応が適切に行われているかを判断するための基準となる温度差である。制御装置は、中部温度の温度差が、閾値ｔｈ２以上であると判定した場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、中部温度の温度差に基づいてＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量を減少させるように、制御弁の開閉量を制御する（Ｓ１０６）。

【0119】

そして、制御装置は、中部温度の温度差が、閾値ｔｈ２以上でないと判定した場合（Ｓ１０５：ＮＯ）、現在制御弁の開閉量を維持するように制御するとともに、再びＳ１０２の処理に移行する（Ｓ１０７）。以降、Ｓ１０２～Ｓ１０７の処理を繰り返すことにより、ＳＯＦＣへ供給される燃料ガスの供給量を適切化することができる。

【0120】

本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態の発電システムにおいて、制御装置３８０は、密度計測部ＤＭの計測値と、複数の温度計測部ＴＭ１～ＴＭ４の計測値とに基づいて制御弁３４２の開閉量を制御することにより、ＳＯＦＣ３１３へ供給される燃料ガスの炭化水素の供給量を制御する。本実施形態の発電システムにおいては、密度計測部ＤＭの計測値に基づいて、燃料ガス組成の変動が把握される。密度計測部ＤＭを用いることにより、組成計を用いて燃料ガスの計測を行うよりも短い周期で燃料ガスの計測を行うことが可能であり、連続的かつ高精度に燃料ガス組成の変動を低コストで計測できる。したがって、燃料ガス組成の変動に対して、燃料ガスの炭化水素の供給量の制御の即応性を高めるとともに、発電システムを効率的に運転することができる。

【0121】

また、本実施形態の発電システムにおいて、制御装置３８０は、複数の温度計測部ＴＭ１～ＴＭ４の各計測値に基づいて制御弁３４２の開閉量を制御することとしてもよい。これにより、ＳＯＦＣ３１３の内部の発電室２１５の改質反応の状態に基づいて、燃料ガスの炭化水素の供給量の制御ができるため、より高精度かつ適切に燃料ガスの炭化水素の供給量を制御することができる。

【0122】

また、本実施形態の発電システムにおいて、燃料ガスは、少なくとも３種類以上の成分が変動するものであってもよい。燃料ガスを構成する成分のうち３種類以上が変動する場合、燃料ガス密度と燃料ガスの炭化水素の濃度の関係において、制御基準からのずれ量が大きくなってしまう。本実施形態においては、複数の温度計測部ＴＭ１～ＴＭ４の各計測値に基づいて制御弁３４２の開閉量を制御することとしてもよい。これにより、ＳＯＦＣ３１３の内部の発電室２１５の改質反応の状態に基づいて、燃料ガスの炭化水素の供給量の制御ができる。このため、燃料ガス密度と燃料ガスの炭化水素の濃度の関係において、制御基準からのずれ量が大きい場合においても、より高精度かつ適切に燃料ガスの炭化水素の供給量を制御することができる。

【0123】

（その他の実施形態）
また、本実施形態の発電システムにおいて、制御装置３８０は、発電室２１５の温度分布、具体的には、第１温度計測部ＴＭ１（上流側温度計測部）によって計測された発電室２１５内における燃料ガス流れ方向の上流側の温度、および／または、第２温度計測部ＴＭ２～第４温度計測部ＴＭ４（中部温度計測部）によって計測された発電室２１５内における各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の長手方向の中部温度の温度差に基づいて、制御弁３４２の開閉量を制御する。すなわち、制御装置３８０は、ＳＯＦＣ３１３内部の発電室２１５の温度分布に基づいて、ＳＯＦＣ３１３へ供給される燃料ガスの炭化水素量の供給量を制御する。これにより、発電システムは、より確実に、ＳＯＦＣ３１３において目標通りの改質反応を得ることができる。

【0124】

また、制御装置３８０は、上述するように燃料ガス密度と発電室２１５の内部の温度に基づいて制御弁３４２の開閉量を制御する他に、ＳＯＦＣ３１３および／または発電室２１５の内部の状態量を取得することにより、制御弁３４２の開閉量を制御することとしてもよい。
例えば、制御装置３８０は、燃料ガス密度、発電室２１５の内部の温度に限らず、制御弁３４２の開閉量（燃料ガスの供給量）、発電室２１５の内部の圧力や体積、発電室２１５のエンタルピー等の種々の状態量に基づいて、制御弁３４２の開閉量を制御することとしてもよい。なお、状態量は、密度、温度、圧力、体積、内部エネルギー、エンタルピー等の発電室２１５における改質反応に関与する物理量である。

【0125】

この場合、制御装置３８０は、制御弁３４２の開閉量（燃料ガスの供給量）、発電室２１５の内部の圧力、発電室２１５のエンタルピー等の種々の状態量を取得する取得部（不図示）より、種々の状態量を受信可能である。そして、制御装置３８０は、取得部によって取得された種々の状態量に基づいて、発電室２１５へ供給される燃料ガスの供給量が、発電室２１５内部における改質反応が適切に行われるものであるか否かの適性を判断する。ここで、取得部は、例えば、状態量とされる物理量を計測可能な計測器であり、計測する状態量の数や計測範囲に応じて、複数の計測器によって構成されるものであってもよい。なお、各計測器については公知なものであるとし、説明を省略する。

【0126】

具体的には、例えば、制御装置３８０は、予め記憶部に記憶された各状態量と発電室２１５へ供給される燃料ガス組成が対応付けられたテーブルと、取得部によって取得された発電室２１５の内部の状態量と照合し、発電室２１５内部における改質反応が適切に行われるものであるか否かの適性を判断する。仮に、発電室２１５の内部において改質反応が適切に行われていないと判断された場合、制御装置３８０は、制御弁３４２の開閉量を制御することにより、発電室２１５へ供給される燃料ガスの供給量を制御する。

【0127】

このように、制御装置３８０は、発電室２１５の内部の状態量に基づいて制御弁３４２の開閉量を制御することにより、発電室２１５へ供給される燃料ガスの供給量を制御することとしてもよい。なお、上述の説明では、発電室２１５の状態量を例に説明したが、取得部はＳＯＦＣ３１３の内部の状態量を取得する場合も、制御装置３８０は上述の制御を行ってもよい。

【0128】

また、上述する発電システムは、発電プラントに設置されてもよい。このような発電プラントは、組成計を用いずに、燃料ガス密度と発電室の内部の温度に基づいて燃料ガスの供給量が制御されるため、３種類以上の成分を含む燃料ガスの各成分が変動する場合においても、安定した発電及び電力供給が可能となる。すなわち、プラント効率の低下及びハンドリング性の悪化を改善することができる。さらに、これにより、発電プラント周辺の設備の生産活動を支援し、産業の発達に寄与することができる。

【0129】

以上、本開示について実施形態を用いて説明したが、本開示の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本開示の技術的範囲に含まれる。また、上記実施形態を適宜組み合わせてもよい。
また、上記実施形態で説明した各処理の流れも一例であり、本開示の主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。

【0130】

以上、本開示について実施形態を用いて説明したが、本開示の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。本開示の要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に多様な変更又は改良を加えることができ、該変更又は改良を加えた形態も本開示の技術的範囲に含まれる。また、上記実施形態を適宜組み合わせてもよい。

【0131】

上述した実施形態に記載の発電システム、これを備えた発電プラント、発電システムの制御方法及び発電システムの制御プログラムは、例えば以下のように把握される。
本開示の第１態様に係る発電システムは、酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部（２１５）を備える燃料電池（３１３）と、前記燃料電池へ供給される前記燃料ガスの流路とされた燃料ガス供給管（３４１）に設けられ、前記燃料ガスの密度を計測する密度計測部（ＤＭ）と、前記燃料ガス供給管に設けられるとともに、前記燃料ガスの炭化水素の供給量を制御するために開閉量が調整される制御弁（３４２）と、前記密度計測部の計測値に基づいて前記制御弁の開閉量を制御する制御部（３８０）とを備える。

【0132】

本開示に係る発電システムによれば、制御部は、発電部へ供給される燃料ガス密度を計測する密度計測部の計測値に基づいて、燃料ガスを供給する燃料ガス供給管に設けられた制御弁の開閉量を制御する。すなわち、密度計測部の計測値に基づいて燃料ガスの炭化水素の供給量が制御される。例えば、３種類以上の成分が含まれる燃料ガスは組成が変動し易いため、燃料ガスの炭化水素の供給量を適切化するためには、燃料ガス組成を計測する周期は短いことが好ましい。本開示に係る発電システムによれば、密度計測部を用いることにより、組成計を用いて燃料ガスの計測を行うよりも短い周期で燃料ガスの計測を行うことが可能であり、連続的かつ高精度に燃料ガス組成の変動を低コストで計測できる。したがって、燃料ガスの炭化水素の供給量の制御の即応性を高めるとともに、発電システムを効率的に運転することができる。

【0133】

本開示の第２態様に係る発電システムは、前記第１態様において、前記発電部に設けられ、前記発電部の温度を計測する温度計測部（ＴＭ１～ＴＭ４）を備え、前記制御部は、前記温度計測部の計測値に基づいて前記制御弁の開閉量を制御する。

【0134】

本開示に係る発電システムによれば、発電部に設けられた温度計測部によって、発電部の温度が計測される。そして、制御部は、密度計測部の計測値と温度計測部の計測値に基づいて、制御弁の開閉量を調整することにより、燃料ガスの炭化水素の供給量を制御する。これにより、発電部の内部状態を考慮して、燃料ガスの炭化水素の供給量の制御ができるため、より高精度かつ適切に燃料ガスの炭化水素の供給量を制御することができる。

【0135】

本開示の第３態様に係る発電システムは、酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部（２１５）を備える燃料電池（３１３）と、前記発電部に設けられ、前記発電部の内部における状態量を取得する取得部と、前記発電部へ供給される前記燃料ガスが搬送される燃料ガス供給管に設けられるとともに、前記燃料ガスの炭化水素の供給量を変更するために開閉量が調整される制御弁（３４２）と、前記取得部によって取得された前記発電部の内部における状態量の適性を判断するとともに、該判断結果に基づいて前記制御弁の開閉量を制御する制御部（３８０）とを備える。

【0136】

本開示に係る発電システムによれば、制御部は、取得部によって発電部の内部における状態量を取得する。例えば、取得部は温度計であり、状態量は発電部の温度である。そして、温度計の計測温度に基づいて発電部の内部における状態量の適正が制御部によって判断される。そして、制御部は、該判断結果に基づいて燃料ガス供給管に設けられた制御弁の開閉量を調整することにより、発電部へ供給する燃料ガスの炭化水素の供給量を制御する。例えば、発電部への燃料ガスの炭化水素の供給量が多い場合、発電室内部における改質反応の度合いが所定量以下となり、改質反応による温度低下量が低減されるため、発電部の温度は高温化する。そこで、制御部は、発電室内部で行われる改質反応の度合いを適正化し、発電部の温度を低減するために、制御弁の開閉量を制御する。すなわち、制御部は、発電室内部の改質反応の度合いを取得するとともに、発電部への燃料ガスの炭化水素の供給量を制御することにより、発電室内部で行われる改質反応の度合いを適正化することができる。
なお、状態量とは、温度に限らず、圧力、体積、内部エネルギー、及びエントロピーであってもよい。また、取得部は、温度計に限らず、上述の状態量を取得する手段であればよい。

【0137】

本開示の第４態様に係る発電システムは、前記第１態様から前記第３態様のいずれかにおいて、前記燃料ガスは、少なくとも３種類以上の成分によって構成される。

【0138】

本開示に係る発電システムによれば、燃料ガスは、少なくとも３種類以上の成分によって構成される。燃料ガスは、例えば、炭化水素をはじめとする炭素化合物や窒素が含まれる。また、水、硫黄酸化物、硫化水素、二酸化炭素等の不純物を含む場合もある。このように、燃料ガスに３種類以上の成分が含まれる場合は燃料ガス組成が変動し易いため、燃料ガスの炭化水素の供給量を適切化するためには、燃料ガス組成を計測する周期が短いことが好ましい。本開示に係る発電システムによれば、組成計を用いて燃料ガスの計測を行うよりも短い周期で燃料ガスの計測を行うことが可能な密度計測部を用いることにより、燃料ガス組成の変動を、低コストで連続的かつ高精度な計測を行うことができる。

【0139】

本開示の第５態様に係る発電システムは、前記第２態様において、前記温度計測部は、前記発電部における前記燃料ガスの流れ方向の上流側に設けられた上流側温度計測部（ＴＭ１）であり、前記制御部は、前記上流側温度計測部の計測値に基づいて、前記制御弁の開閉量を制御する。

【0140】

本開示に係る発電システムによれば、温度計測部は、発電部の内部における前記燃料ガスの流れ方向の上流側に設けられた上流側温度計測部であり、制御部は、上流側温度計測部の計測値に基づいて、制御弁の開閉量を制御する。すなわち、制御部は、発電部内の温度分布に基づいて、発電部へ供給される燃料ガスの炭化水素量の供給量を制御する。これにより、発電システムは、より確実に、発電部において目標通りの改質反応を得ることができる。

【0141】

本開示の第６態様に係る発電システムは、前記第２態様において、前記温度計測部は複数とされ、各前記発電部の中央部付近の温度を計測する中部温度計測部（ＴＭ２～ＴＭ４）であり、前記制御部は、各前記中部温度計測部による計測値に基づいて、前記制御弁の開閉量を制御する。

【0142】

本開示に係る発電システムによれば、温度計測部は複数とされ、各発電部の中央部付近の温度を計測する中部温度計測部であり、制御部は、各中部温度計測部による計測値に基づいて、制御弁の開閉量を制御する。すなわち、制御部は、発電部内の温度分布に基づいて、発電部へ供給される燃料ガスの炭化水素量の供給量を制御する。これにより、発電システムは、より確実に、発電部において目標通りの改質反応を得ることができる。

【0143】

本開示の第７態様に係る発電プラントは、前記第１態様又は前記第３態様の発電システムを備える。

【0144】

本開示の第８態様に係る発電システムの制御方法は、酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部（２１５）を備える燃料電池（３１３）を備える発電システムの制御方法であって、前記発電部へ供給される前記燃料ガスの流路とされた燃料ガス供給管（３４１）に設けられた密度計測部（ＤＭ）によって、前記燃料ガスの密度を計測する工程と、前記密度計測部の計測値に基づいて前記燃料ガス供給管に設けられた制御弁（３４２）の開閉量を制御する工程とを有する。

【0145】

本開示の第９態様に係る発電システムの制御方法は、酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部（２１５）を備える燃料電池（３１３）を備える発電システムの制御方法であって、前記発電部に設けられた取得部によって、前記発電部の内部における状態量を取得する工程と、前記取得部によって取得された前記発電部の内部における状態量の適性を判断するとともに、該判断結果に基づいて前記発電部へ供給される前記燃料ガスが搬送される燃料ガス供給管（３４１）に設けられた制御弁（３４２）の開閉量を制御する工程とを有する。

【0146】

本開示の第１０態様に係る発電システムの制御プログラムは、酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部（２１５）を備える燃料電池（３１３）を備える発電システムの制御プログラムであって、前記発電部へ供給される前記燃料ガスの流路とされた燃料ガス供給管（３４１）に設けられた密度計測部（ＤＭ）によって、前記燃料ガスの密度を計測する処理と、前記密度計測部の計測値に基づいて前記燃料ガス供給管に設けられた制御弁（３４２）の開閉量を制御する処理とをコンピュータに実行させる。

【0147】

本開示の第１１態様に係る発電システムの制御プログラムは、酸化性ガスと燃料ガスとを反応させて発電を行う発電部（２１５）を備える燃料電池（３１３）を備える発電システムの制御プログラムであって、前記発電部に設けられた取得部によって、前記発電部の内部における状態量を取得する処理と、前記取得部によって取得された前記発電部の内部における状態量の適性を判断するとともに、該判断結果に基づいて前記発電部へ供給される前記燃料ガスが搬送される燃料ガス供給管（３４１）に設けられた制御弁（３４２）の開閉量を制御する処理とをコンピュータに実行させる。

【符号の説明】

【0148】

１０１ セルスタック
１０３ 基体管
１０５ 電気化学単セル（燃料電池と電解セルの両方を含む）
１０７ インターコネクタ
１０９ 燃料極
１１１ 固体電解質膜
１１３ 空気極
１１５ リード膜
２０１ ＳＯＦＣモジュール
２０３ ＳＯＦＣカートリッジ（電気化学セルカートリッジ）
２０７ 燃料ガス供給管（または水蒸気供給管）
２０９ 燃料ガス排出管（または水蒸気排出管）
２１５ 発電室（または水素発生室）
２１７ 燃料ガス供給ヘッダ（または水蒸気供給ヘッダ）
２１９ 燃料ガス排出ヘッダ（または水蒸気排出ヘッダ）
２２５ａ 上部管板
２２５ｂ 下部管板
２２７ａ 上部断熱体
２２７ｂ 下部断熱体
３１０ 発電システム（ＳＯＦＣ・ガスタービン発電システム）
３１１ ＭＧＴ（マイクロガスタービン）
３１２ 発電機
３１３ ＳＯＦＣ
３２１ 圧縮機
３２２ 燃焼器
３２３ タービン
３２７、３３５、３３６、３３８、３４２、３４７、３５２、３７２ 制御弁（弁）
３３０ 熱交換器
３４１ 第２燃料ガス供給ライン
３４９ 燃料ガス再循環ライン
３７１ 空気極燃料供給ライン
３８０ 制御装置（制御部）
Ｐ１～Ｐ１０ ポイント
Ｔｄｅｆｆ 温度差
ＴＭ１～ＴＭ４ 第１温度計測部～第４温度計測部
Ｘ１，Ｘ２ 密度
Ｙ１～Ｙ６ 濃度
ｔｈ１，ｔｈ２ 閾値

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】