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特開2024-106827電気化学セルシステム及び電気化学セルシステムの運転方法
(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】P2024106827
(43)【公開日】2024-08-08
(54)【発明の名称】電気化学セルシステム及び電気化学セルシステムの運転方法
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04858 20160101AFI20240801BHJP
H01M 8/249 20160101ALI20240801BHJP
H01M 8/0438 20160101ALI20240801BHJP
H01M 8/0444 20160101ALI20240801BHJP
H01M 8/04537 20160101ALI20240801BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20240801BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04858
H01M8/249
H01M8/0438
H01M8/0444
H01M8/04537
H01M8/12 101
H01M8/12 102B
H01M8/12 102A
H01M8/12 102Z
【審査請求】有
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023011287
(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
【テーマコード（参考）】
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H126BB06
5H127AA07
5H127AB16
5H127AC02
5H127BA02
5H127BA03
5H127BA04
5H127BA05
5H127BA59
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB25
5H127BB37
5H127DB14
5H127DB43
5H127DB66
5H127DC44
5H127EE02
5H127EE03
5H127EE29
(57)【要約】
【課題】排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることを目的とする。
【解決手段】ＳＯＦＣ発電システムは、トッピングＳＯＦＣ１１ａとトッピングＳＯＦＣ１１ａから排出された排燃料ガスが供給されるボトミングＳＯＦＣ１１ｂと、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部３２と、検出部３２が検出した結果に基づいて、トッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値を制御する制御装置と、を備えている。制御装置は、ＳＯＦＣ発電システムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第１閾値以上となり、かつ、ＳＯＦＣ発電システムに要求される発電量を満たすように、電流指令値を制御する。
【選択図】図７
【解決手段】ＳＯＦＣ発電システムは、トッピングＳＯＦＣ１１ａとトッピングＳＯＦＣ１１ａから排出された排燃料ガスが供給されるボトミングＳＯＦＣ１１ｂと、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部３２と、検出部３２が検出した結果に基づいて、トッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値を制御する制御装置と、を備えている。制御装置は、ＳＯＦＣ発電システムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第１閾値以上となり、かつ、ＳＯＦＣ発電システムに要求される発電量を満たすように、電流指令値を制御する。
【選択図】図７
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化性ガスとを反応させることで発電する燃料電池を複数有する電気化学セルシステムであって、
第１燃料電池と
前記第１燃料電池から排出された排燃料ガスが供給される第２燃料電池と、
前記第２燃料電池から排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部と、
前記検出部が検出した結果に基づいて、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の電流指令値を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、電気化学セルシステムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、前記第２燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第１閾値以上となり、かつ、前記電気化学セルシステムに要求される発電量を満たすように、電流指令値を制御する電気化学セルシステム。
第１燃料電池と
前記第１燃料電池から排出された排燃料ガスが供給される第２燃料電池と、
前記第２燃料電池から排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部と、
前記検出部が検出した結果に基づいて、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の電流指令値を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、電気化学セルシステムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、前記第２燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第１閾値以上となり、かつ、前記電気化学セルシステムに要求される発電量を満たすように、電流指令値を制御する電気化学セルシステム。
【請求項2】
前記制御部は、前記検出部が検出した排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が前記第１閾値よりも高い値である第２閾値以下となるように前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の電流指令値を制御する請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項3】
前記検出部は、前記第２燃料電池から排出された排燃料ガスの密度を検出し、
前記制御部は、排燃料ガスの密度に基づいて排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を推定する推定部を有し、前記推定部が推定した二酸化炭素濃度に基づいて前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の電流指令値を制御する請求項１に記載の電気化学セルシステム。
前記制御部は、排燃料ガスの密度に基づいて排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を推定する推定部を有し、前記推定部が推定した二酸化炭素濃度に基づいて前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の電流指令値を制御する請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項4】
前記制御部は、前記第１燃料電池の出力と前記第２燃料電池の出力との比率に基づいて、前記第１燃料電池の電流指令値を補正する請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項5】
前記制御部は、前記燃料利用率が９０％以上であって９４％以下の範囲となるように前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の電流指令値を制御する請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項6】
前記第２燃料電池から排出された排燃料ガスから水分を除去する気液分離部を備え、
前記検出部は前記気液分離部で水分を除去された排燃料ガスの組成を検出する請求項１に記載の電気化学セルシステム。
前記検出部は前記気液分離部で水分を除去された排燃料ガスの組成を検出する請求項１に記載の電気化学セルシステム。
【請求項7】
前記制御部は、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が８０％以上となるように前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の電流指令値を制御する請求項６に記載の電気化学セルシステム。
【請求項8】
前記制御部は、排燃料ガス中の水素濃度が１４％以上であって１７％以下の範囲となるように前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の電流指令値を制御する請求項６に記載の電気化学セルシステム。
【請求項9】
燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化性ガスとを反応させることで発電する燃料電池を複数有する電気化学セルシステムの運転方法であって、
前記電気化学セルシステムは、
第１燃料電池と
前記第１燃料電池から排出された排燃料ガスが供給される第２燃料電池と、
前記第２燃料電池から排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部と、
前記検出部が検出した結果に基づいて、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の電流指令値を制御する制御部と、を備え、
電気化学セルシステムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、前記第２燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第１閾値以上となり、かつ、前記電気化学セルシステムに要求される発電量を満たすように、前記制御部が電流指令値を制御する制御工程を備える電気化学セルシステムの運転方法。
前記電気化学セルシステムは、
第１燃料電池と
前記第１燃料電池から排出された排燃料ガスが供給される第２燃料電池と、
前記第２燃料電池から排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部と、
前記検出部が検出した結果に基づいて、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の電流指令値を制御する制御部と、を備え、
電気化学セルシステムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、前記第２燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第１閾値以上となり、かつ、前記電気化学セルシステムに要求される発電量を満たすように、前記制御部が電流指令値を制御する制御工程を備える電気化学セルシステムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、電気化学セルシステム及び電気化学セルシステムの運転方法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。
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】
ＳＯＦＣを用いる発電システムとして、複数のＳＯＦＣを直列に接続するカスケード式の発電システムが知られている（例えば、特許文献１）。カスケード方式の発電システムでは、前段のＳＯＦＣに燃料ガスと空気とを供給して発電を行うとともに、前段のＳＯＦＣから排出された燃料ガス（排燃料ガス）を後段のＳＯＦＣに供給して発電を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００４－１９９９７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ＳＯＦＣを用いた発電システムとして、ＳＯＦＣから排出された排燃料ガスと空気とを混合して、外部改質器やマイクロガスタービン等の燃焼器等で再利用することで、熱効率を向上させる発電システムが知られている。このような発電システムでは、外部改質器や燃焼器に導入される排燃料ガスに空気を混合させることから、発電システムから排出されるガスに含まれる二酸化炭素濃度が低くなる。
一方で、ＳＯＦＣを用いた発電システムでは、排出されるガス中から二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置を設ける場合がある。二酸化炭素回収装置では、ガス中の二酸化炭素の濃度が低いと二酸化炭素の回収効率が低下する。
また、発電システムの燃料利用率を増加させることで，排ガスに含まれる二酸化炭素濃度を増加させることができるが，ＳＯＦＣへ供給する燃料ガスの組成が変動する場合や，電力需要に追従するために発電量を変化させる際には、燃料利用率の制御が困難な場合があった。
一方で、ＳＯＦＣを用いた発電システムでは、排出されるガス中から二酸化炭素を回収する二酸化炭素回収装置を設ける場合がある。二酸化炭素回収装置では、ガス中の二酸化炭素の濃度が低いと二酸化炭素の回収効率が低下する。
また、発電システムの燃料利用率を増加させることで，排ガスに含まれる二酸化炭素濃度を増加させることができるが，ＳＯＦＣへ供給する燃料ガスの組成が変動する場合や，電力需要に追従するために発電量を変化させる際には、燃料利用率の制御が困難な場合があった。
【0006】
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、排ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる電気化学セルシステム及び電気化学セルシステムの運転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】
上記課題を解決するために、本開示の電気化学セルシステム及び電気化学セルシステムの運転方法は以下の手段を採用する。
本開示の一態様に係る電気化学セルシステムは、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化性ガスとを反応させることで発電する燃料電池を複数有する電気化学セルシステムであって、第１燃料電池と前記第１燃料電池から排出された排燃料ガスが供給される第２燃料電池と、前記第２燃料電池から排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部と、前記検出部が検出した結果に基づいて、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の電流指令値を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、電気化学セルシステムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、前記第２燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第１閾値以上となり、かつ、前記電気化学セルシステムに要求される発電量を満たすように、電流指令値を制御する。
本開示の一態様に係る電気化学セルシステムは、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化性ガスとを反応させることで発電する燃料電池を複数有する電気化学セルシステムであって、第１燃料電池と前記第１燃料電池から排出された排燃料ガスが供給される第２燃料電池と、前記第２燃料電池から排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部と、前記検出部が検出した結果に基づいて、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の電流指令値を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、電気化学セルシステムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、前記第２燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第１閾値以上となり、かつ、前記電気化学セルシステムに要求される発電量を満たすように、電流指令値を制御する。
【0008】
本開示の一態様に係る電気化学セルシステムの運転方法は、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化性ガスとを反応させることで発電する燃料電池を複数有する電気化学セルシステムの運転方法であって、前記電気化学セルシステムは、第１燃料電池と前記第１燃料電池から排出された排燃料ガスが供給される第２燃料電池と、前記第２燃料電池から排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部と、前記検出部が検出した結果に基づいて、前記第１燃料電池及び前記第２燃料電池の電流指令値を制御する制御部と、を備え、電気化学セルシステムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、前記第２燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第１閾値以上となり、かつ、前記電気化学セルシステムに要求される発電量を満たすように、前記制御部が電流指令値を制御する。
【発明の効果】
【0009】
本開示によれば、排ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本開示の一実施形態に係る電気化学セルスタックの一態様を示すものである。
【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の一態様を示すものである。
【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の断面の一態様を示すものである。
【図4】本開示の一実施形態に係るＳＯＦＣ発電システムの概略構成図である。
【図5】排燃料ガスの密度と、燃料利用率、二酸化炭素濃度及び水素濃度との対応を示したマップである。
【図6】本開示の一実施形態に係る制御装置が行う処理を示すフローチャートである。
【図7】本開示の一実施形態に係る制御装置が行う処理を示す図である。
【図8】本開示の一実施形態に係るＳＯＦＣ発電システムにおける排燃料ガス密度とボトミングＳＯＦＣ及びトッピングＳＯＦＣの電流値との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下に、本開示に係る電気化学セルシステム及び電気化学セルシステムの運転方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【0012】
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。
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。
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
燃料極１０９、固体電解質膜１１１及びインターコネクタ１０７のスラリーの膜が形成された基体管１０３を、大気中にて共焼結する。焼結温度は、例えば１３５０℃～１４５０℃とされる。
つぎに、共焼結された基体管１０３上に、空気極１１３のスラリーの膜が形成された基体管１０３が、大気中にて焼結される。焼結温度は、例えば１１００℃～１２５０℃とされる。ここでの焼結温度は、基体管１０３～インターコネクタ１０７を形成した後の共焼結温度よりも低温とされる。
つぎに、共焼結された基体管１０３上に、空気極１１３のスラリーの膜が形成された基体管１０３が、大気中にて焼結される。焼結温度は、例えば１１００℃～１２５０℃とされる。ここでの焼結温度は、基体管１０３～インターコネクタ１０７を形成した後の共焼結温度よりも低温とされる。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。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（温度センサや熱電対など）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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
次に、本実施形態に係るＳＯＦＣ発電システムについて説明する。
ＳＯＦＣ発電システム（電気化学セルシステム）１０は、図４に示すように、複数のＳＯＦＣ１１を備えている。具体的には、ＳＯＦＣ発電システム１０は、複数のＳＯＦＣ１１を、前段側と後段側とにカスケード（直列に）配置されている。以下の説明では、前段側（上流側）に配置されるＳＯＦＣ１１をトッピングＳＯＦＣ（第１燃料電池）１１ａと称し、後段側（下流側）に配置されるＳＯＦＣをボトミングＳＯＦＣ（第２燃料電池）１１ｂと称する。また、トッピングＳＯＦＣ１１ａとボトミングＳＯＦＣ１１ｂとを区別して説明する必要のない場合には、単にＳＯＦＣ１１と称する。
また、以下の説明及び図面では、トッピングＳＯＦＣ１１ａをトッピングモジュール（ＴＭ）と称し、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂをボトミングモジュール（ＢＭ）と称する場合がある。
ＳＯＦＣ発電システム（電気化学セルシステム）１０は、図４に示すように、複数のＳＯＦＣ１１を備えている。具体的には、ＳＯＦＣ発電システム１０は、複数のＳＯＦＣ１１を、前段側と後段側とにカスケード（直列に）配置されている。以下の説明では、前段側（上流側）に配置されるＳＯＦＣ１１をトッピングＳＯＦＣ（第１燃料電池）１１ａと称し、後段側（下流側）に配置されるＳＯＦＣをボトミングＳＯＦＣ（第２燃料電池）１１ｂと称する。また、トッピングＳＯＦＣ１１ａとボトミングＳＯＦＣ１１ｂとを区別して説明する必要のない場合には、単にＳＯＦＣ１１と称する。
また、以下の説明及び図面では、トッピングＳＯＦＣ１１ａをトッピングモジュール（ＴＭ）と称し、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂをボトミングモジュール（ＢＭ）と称する場合がある。
【0043】
ＳＯＦＣ１１は、還元剤として燃料ガスと、酸化剤（酸化性ガス）として空気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ＳＯＦＣ１１は、上述のように、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２０５内に設けた複数のセルスタック１０１の集合体が収容されており、セルスタック１０１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（図１から図３参照）。
ＳＯＦＣ１１は、空気極１１３に空気が供給され、燃料極１０９に燃料ガスが供給されることで発電して、図示しない電力変換装置により所定の交流電力へと変換される。
ＳＯＦＣ１１は、空気極１１３に空気が供給され、燃料極１０９に燃料ガスが供給されることで発電して、図示しない電力変換装置により所定の交流電力へと変換される。
【0044】
ＳＯＦＣ１１に供給される燃料ガスは、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。
【0045】
ＳＯＦＣ１１の空気極１１３の上流端（空気入口）には、酸化性ガス（空気）を供給する酸化性ガス供給ライン１２が接続されている。酸化性ガス供給ライン１２には、空気を流通させるための空気ブロワ１２ａが設けられている。また、酸化性ガス供給ライン１２には、空気ブロワ１２ａよりも下流側に、第１熱交換器３０が設けられている。第１熱交換器３０は、酸化性ガス供給ライン１２を流通する空気と、後述する第３燃料ガスライン２３から排出される燃料ガスとの間で熱交換を行い、空気を加熱するとともに、燃料ガスを冷却する。酸化性ガス供給ライン１２は、第１熱交換器３０よりも下流側で、トッピングＳＯＦＣ１１ａに空気を供給するトッピング側供給ライン１２ｂと、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂに空気を供給するボトミング側供給ライン１２ｃとに分岐している。
【0046】
ＳＯＦＣ１１の空気極１１３の下流端（空気出口）には、反応に用いられた排空気を排出する排酸化性ガス排出ライン１３が接続されている。排酸化性ガス排出ライン１３は、トッピングＳＯＦＣ１１ａから排空気を排出するトッピング側排出ライン１３ａと、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排空気を排出するボトミング側排出ライン１３ｂと、を有している。トッピング側排出ライン１３ａの下流端とボトミング側排出ライン１３ｂの下流端とは合流している。トッピング側排出ライン１３ａとボトミング側排出ライン１３ｂとが合流した後のラインは、排酸化性ガス排出ライン１３とされている。
【0047】
トッピングＳＯＦＣ１１ａの燃料極１０９ａの上流端（燃料ガス入口）には、燃料ガスを供給する第１燃料ガスライン２０の下流端が接続されている。第１燃料ガスラインの上流端には、燃料ガス供給部が接続されている。また、第１燃料ガスラインには、燃料極１０９に供給する燃料ガスの流量を調整するための燃料ガス制御弁２０ａが設けられている。
【0048】
また、トッピングＳＯＦＣ１１ａの燃料極１０９ａの下流端（燃料ガス出口）には、反応に用いられた後の燃料ガスを排出する第２燃料ガスライン２１の上流端が接続されている。第２燃料ガスライン２１の下流端は、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの燃料極１０９ｂの上流端（燃料ガス入口）に接続されている。第２燃料ガスライン２１は、トッピングＳＯＦＣ１１ａから排出された燃料ガスを、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの燃料極１０９に供給する。また、第２燃料ガスライン２１からは、トッピングＳＯＦＣ１１ａの燃料極１０９ａの下流端（燃料ガス出口）から排出された燃料ガスを、トッピングＳＯＦＣ１１ａの燃料極１０９ａの上流端（燃料ガス入口）に再循環させるための再循環ライン２２が分岐している。再循環ライン２２の下流端は、第１燃料ガスライン２０の燃料ガス制御弁２０ａの下流側に接続されている。また、第２燃料ガスライン２１には、第２燃料ガスライン２１及び再循環ライン２２に燃料ガスを流通させるための燃料ガスブロワ２１ａが設けられている。燃料ガスブロワ２１ａは、第２燃料ガスライン２１の、再循環ライン２２の分岐点よりも上流側に設けられている。
【0049】
ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの燃料極１０９ｂの下流端（燃料ガス出口）には、反応に用いられた後の燃料ガスを排出する第３燃料ガスライン２３の上流端が接続されている。第３燃料ガスライン２３は、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出された燃料ガス（以下、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出された燃料ガスのことを「排燃料ガス」と称する。）を、二酸化炭素回収装置３３へ導く。第３燃料ガスライン２３には、上流側から順番に第１熱交換器３０，第２熱交換器３１及び検出部３２が設けられている。検出部３２では流通する排燃料ガスの状態量（組成など）が検出される。なお、検出部３２を密度計とし、予め準備された排燃料ガスの組成と密度の関係から排燃料ガスの組成を求めてもよい。検出部３２として密度計を用いることにより、迅速な計測が可能となり、また検出部３２のコストを抑制することができる。
【0050】
第１熱交換器３０は、上述のように、酸化性ガス供給ライン１２を流通する空気と、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出される排燃料ガスとの間で熱交換することで、空気を加熱するとともに、排燃料ガスを冷却する。このとき、排燃料ガス中の水分は凝縮し、凝縮した水分（ドレン）は、第１ドレンライン２４によって第１熱交換器３０から排出される。このように、第１熱交換器３０は、排燃料ガスを冷却するとともに、排燃料ガス中の水分を取り除いている。
【0051】
第２熱交換器３１は、第１熱交換器３０から排出された排燃料ガスと、冷媒ライン２５によって供給される冷媒との間で熱交換することで、排燃料ガスを冷却する。このとき、排燃料ガス中の水分は凝縮し、凝縮した水分（ドレン）は、第２ドレンライン２６によって第２熱交換器３１から排出される。このように、第２熱交換器３１は、排燃料ガスを冷却するとともに、排燃料ガス中の水分を取り除いている。
【0052】
検出部３２は、第２熱交換器３１から排出された排燃料ガスの組成を検出する。検出部３２は、第１熱交換器３０及び第２熱交換器３１の下流側に設けられているので、第１熱交換器３０及び第２熱交換器３１で水分を除去された排燃料ガスの組成を検出する。検出部３２は、検出した情報を制御装置４０へ送信する。
【0053】
本実施形態に係るＳＯＦＣ発電システム１０は、上述のように、トッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂを備え、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂがトッピングＳＯＦＣ１１ａよりも後段側に配置されている。ボトミングＳＯＦＣ１１ｂには、トッピングＳＯＦＣ１１ａから排出された燃料ガスが供給される。すなわち、トッピングＳＯＦＣ１１ａで使用され燃料成分（炭化水素、水素、一酸化炭素）が少なくなった燃料ガスを、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂに供給して再利用する。また、トッピングＳＯＦＣ１１ａからボトミングＳＯＦＣ１１ｂへの系統（第２燃料ガスライン２１）から分岐し、再循環ライン２２を介してトッピングＳＯＦＣ１１ａへ、水蒸気を含む燃料ガスの再循環を行い、トッピングＳＯＦＣ１１ａでの燃料ガスの内部改質に必要となる、燃料ガス中の炭素に対する水蒸気のモル比率（Ｓ／Ｃ：スチームカーボン比）を確保する。なお、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂには、トッピングＳＯＦＣ１１ａから排出された水蒸気を含む燃料ガスが供給されるため、内部改質に必要なＳ／Ｃが確保される。前段側のＳＯＦＣから排出された燃料ガスを、後段側のＳＯＦＣで再利用するカスケード接続とすることにより、トッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂのＳ／Ｃを適切な値に維持しつつ、ＳＯＦＣ発電システム１０全体の燃料利用率を向上させることで、燃料ガスを効率よく発電に使用することにより、発電システム効率を向上させることができる。ここで燃料利用率とは、ＳＯＦＣ発電反応で消費される燃料成分量÷ＳＯＦＣに供給される燃料成分量で求められる。発電反応で消費される燃料成分量は電流指令から算出できる。燃料成分量とは炭化水素のみに限らず水素などを含むＳＯＦＣ燃料電池に供給できる成分である。
また、本実施形態では、トッピングＳＯＦＣ１１ａの出力とボトミングＳＯＦＣ１１ｂの出力との比（以下、「出力比」と称する。）は、１０：１程度とされている。すなわち、トッピングＳＯＦＣ１１ａの出力は、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの出力の１０倍程度とされている。出力比は狙いの燃料利用率への追従性向上を図る目的で設ける。具体的には、システムに投入する燃料流量をトッピングＳＯＦＣ１１ａでの電流値見合いをする際に、システムでの燃料利用率の調整にはボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流値補正する必要がある。さらに電力需要を追従する際にはボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流値補正による出力が変動した分、トッピングＳＯＦＣ１１ａの電流値も補正する必要がある。出力比が大きいほどトッピングＳＯＦＣ１１ａの電流値の補正量が小さくシステムに供給される燃料流量への補正も小さいことから、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値での補正によるシステム燃料利用率の微調整が可能である。
また、本実施形態では、トッピングＳＯＦＣ１１ａの出力とボトミングＳＯＦＣ１１ｂの出力との比（以下、「出力比」と称する。）は、１０：１程度とされている。すなわち、トッピングＳＯＦＣ１１ａの出力は、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの出力の１０倍程度とされている。出力比は狙いの燃料利用率への追従性向上を図る目的で設ける。具体的には、システムに投入する燃料流量をトッピングＳＯＦＣ１１ａでの電流値見合いをする際に、システムでの燃料利用率の調整にはボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流値補正する必要がある。さらに電力需要を追従する際にはボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流値補正による出力が変動した分、トッピングＳＯＦＣ１１ａの電流値も補正する必要がある。出力比が大きいほどトッピングＳＯＦＣ１１ａの電流値の補正量が小さくシステムに供給される燃料流量への補正も小さいことから、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値での補正によるシステム燃料利用率の微調整が可能である。
【0054】
ＳＯＦＣ発電システム１０は、制御装置（制御部）４０を備えている。制御装置４０は、検出部３２の検出結果を受信する。また、制御装置４０は、ＳＯＦＣ発電システム１０に設けられた各弁の操作を行う。また、制御装置４０は、トッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの制御を行う。
【0055】
制御装置（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：プロセッサ）、主記憶装置（Ｍａｉｎ Ｍｅｍｏｒｙ）、二次記憶装置（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｏｒａｇｅ：メモリ）等を備えている。更に、制御装置は、他の装置と情報の送受信を行うための通信部を備えていてもよい。
主記憶装置は、例えば、キャッシュメモリ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の書き込み可能なメモリで構成され、ＣＰＵの実行プログラムの読み出し、実行プログラムによる処理データの書き込み等を行う作業領域として利用される。
二次記憶装置は、非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｄｉｕｍ）である。二次記憶装置は、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリなどである。
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二次記憶装置に記憶されており、このプログラムをＣＰＵが主記憶装置に読み出して、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、二次記憶装置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。
主記憶装置は、例えば、キャッシュメモリ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の書き込み可能なメモリで構成され、ＣＰＵの実行プログラムの読み出し、実行プログラムによる処理データの書き込み等を行う作業領域として利用される。
二次記憶装置は、非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｄｉｕｍ）である。二次記憶装置は、例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリなどである。
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二次記憶装置に記憶されており、このプログラムをＣＰＵが主記憶装置に読み出して、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、二次記憶装置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。
【0056】
制御装置４０は、検出部３２の検出結果に基づいて、トッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの発電量（電流指令値）を制御する電流指令値制御部を有する。電流指令値制御部は、検出部３２の検出結果に基づいて、電流指令値を決定し、決定した電流指令値となるようにトッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流値を設定する。
目標負荷（電力需要）に応じて電流指令値が設定され、出力される電流値に対応した各種制御（燃料ガス供給量や燃料極系統と空気極系統の差圧、ＳＯＦＣ供給空気温度燃料ガスの再循環流量などの制御）が行われる。
目標負荷（電力需要）に応じて電流指令値が設定され、出力される電流値に対応した各種制御（燃料ガス供給量や燃料極系統と空気極系統の差圧、ＳＯＦＣ供給空気温度燃料ガスの再循環流量などの制御）が行われる。
【0057】
電流指令値制御部は、ＳＯＦＣ発電システム１０全体（トッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂ）の燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出された排燃料ガスに含まれる二酸化炭素の濃度が第１閾値以上となり、かつ、ＳＯＦＣ発電システム１０に要求される発電量を満たすように、電流指令値を制御する。
また、電流指令値制御部は、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第２閾値以下となるようにトッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値を制御する。
また、電流指令値制御部は、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第２閾値以下となるようにトッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値を制御する。
【0058】
具体的には、電流指令値制御部は、ＳＯＦＣ発電システム１０全体の燃料利用率が、９０％以上であって９４％以下の範囲となるように、トッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値を制御する。燃料利用率（Ｕｆ）は、第１燃料ガスライン２０の再循環ライン２２が合流する地点よりも上流側の地点（図４の地点Ｐ０）における燃料ガスの組成と、第３燃料ガスライン２３の第１熱交換器３０よりも上流側の地点（図４の地点Ｐ１）における燃料ガスの組成と、に基づいて算出される。
【0059】
また、電流指令値制御部は、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出され、第１熱交換器３０及び第２熱交換器３１で水分を除去された後の排燃料ガスに含まれる二酸化炭素の濃度を、検出部３２により検出し、該二酸化炭素濃度が８０体積％以上となるように、トッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値を制御する。
また、電流指令値制御部は、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出され、第１熱交換器３０及び第２熱交換器３１で水分を除去された後の排燃料ガスに含まれる水素の濃度を、検出部３２により検出し、該水素濃度が１４体積％以上であって１７体積％以下の範囲となるように、トッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値を制御する。
また、電流指令値制御部は、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出され、第１熱交換器３０及び第２熱交換器３１で水分を除去された後の排燃料ガスに含まれる水素の濃度を、検出部３２により検出し、該水素濃度が１４体積％以上であって１７体積％以下の範囲となるように、トッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値を制御する。
【0060】
また、電流指令値制御部は、トッピングＳＯＦＣ１１ａとボトミングＳＯＦＣ１１ｂとの出力比に基づいて、トッピングＳＯＦＣ１１ａの電流指令値を補正し、補正した電流指令値でトッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定を行う。具体的には、電流指令値制御部は、トッピングＳＯＦＣ１１ａとボトミングＳＯＦＣ１１ｂとの出力比がｎ：１程度の場合、トッピングＳＯＦＣ１１ａの電流指令値の補正量を、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値の補正量の１／ｎとする。例えば、トッピングＳＯＦＣ１１ａとボトミングＳＯＦＣ１１ｂとの出力比が１０：１の場合には、トッピングＳＯＦＣ１１ａの電流指令値の補正量を、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値の補正量の１／１０とする。トッピングＳＯＦＣ１１ａよりもボトミングＳＯＦＣ１１ｂは電流補正幅が大きく制御性が良くなる。
【0061】
制御装置４０は、主記憶装置又は二次記憶装置が排燃料ガスの密度と排燃料ガスの組成（排燃料ガス中の二酸化炭素濃度及び水素濃度）との対応を規定したマップを記憶してもよい。この場合、制御装置４０は、検出部３２で計測された排燃料ガスの密度から、マップに基づいて排燃料ガス中の二酸化炭素濃度及び水素濃度を推定する推定部を有する。
【0062】
具体的には、制御装置４０は、図５に示す、排燃料ガスの密度と排燃料ガス中の二酸化炭素濃度、水素濃度及び燃料利用率との対応を規定したマップを記憶してもよい。図５は、横軸が排燃料ガスの密度を示し、縦軸が二酸化炭素濃度、水素濃度及び燃料利用率を示している。すなわち、図５のマップは、各密度値（１．３４ｋｇ／Ｎｍ３程度から１．６７ｋｇ／Ｎｍ３程度までの間）における排燃料ガス中の二酸化炭素濃度、水素濃度及び燃料利用率の推定値を定めている。なお、図５における二酸化炭素濃度及び水素濃度は、第１熱交換器３０及び第２熱交換器３１で水分を除去された後の排燃料ガスにおける濃度である。
【0063】
図５に示すマップは、排燃料ガスの密度が増大するにしたがって、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も増大する。また、排燃料ガスの密度が増大するにしたがって燃料利用率も増大している。また、排燃料ガスの密度が増大するにしたがって排燃料ガス中の水素濃度は減少している。推定部は、図５のマップに基づいて、検出部３２で計測された排燃料ガスの密度から二酸化炭素濃度を推定する。
【0064】
本実施形態では、炭化水素を主性分とする燃料ガスを供給する場合に、二酸化炭素濃度が８０％程度（第１閾値）と推定される排燃料ガスの密度を下限値Ｘ１として設定している。また、水素濃度が１４％程度と推定される排燃料ガスの密度を上限値Ｘ２として設定している。推定部は、排燃料ガスの密度がＸ１となった場合に、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が８０％程度（第１閾値）となり、水素濃度が１７％程度となったと推定する。また、排燃料ガスの密度がＸ２となった場合に、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が８２％程度（第２閾値）となり、水素濃度が１４％程度となったと推定する。
排燃料ガスの密度の下限値Ｘ１は、排燃料ガス中から二酸化炭素を効率よく回収することができる二酸化炭素濃度の下限値（二酸化炭素回収装置３３の方式、仕様に依存する）に対応する密度であってもよい。また、排燃料ガスの密度の上限値Ｘ２は、トッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂにおいて、セルスタック１０１等の損傷を抑制することができる二酸化炭素濃度及び水素濃度の上限値に対応する密度であってもよい。
排燃料ガスの密度の下限値Ｘ１は、排燃料ガス中から二酸化炭素を効率よく回収することができる二酸化炭素濃度の下限値（二酸化炭素回収装置３３の方式、仕様に依存する）に対応する密度であってもよい。また、排燃料ガスの密度の上限値Ｘ２は、トッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂにおいて、セルスタック１０１等の損傷を抑制することができる二酸化炭素濃度及び水素濃度の上限値に対応する密度であってもよい。
【0065】
次に、制御装置４０が行う処理について図６のフローチャートを用いて説明する。
処理を開始すると制御装置４０は、ＳＯＦＣ発電システム１０に対する電力需要（要求される発電量）Ｄを受信する。電力需要Ｄは、制御装置４０の外部から入力される（ステップＳ１）。次に、制御装置４０は、ＳＯＦＣ発電システム１０の送電端出力が電力需要Ｄを満たすように、燃料流量、トッピングＳＯＦＣ１１ａ（トッピングモジュール（ＴＭ））及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂ（ボトミングモジュール（ＢＭ））の電流値を設定する（ステップＳ２）。
処理を開始すると制御装置４０は、ＳＯＦＣ発電システム１０に対する電力需要（要求される発電量）Ｄを受信する。電力需要Ｄは、制御装置４０の外部から入力される（ステップＳ１）。次に、制御装置４０は、ＳＯＦＣ発電システム１０の送電端出力が電力需要Ｄを満たすように、燃料流量、トッピングＳＯＦＣ１１ａ（トッピングモジュール（ＴＭ））及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂ（ボトミングモジュール（ＢＭ））の電流値を設定する（ステップＳ２）。
【0066】
次に、制御装置は、排燃料ガスの密度がＸ１以下か否かを判定する（ステップＳ３）。なお、ステップＳ３では、検出部３２の出力から排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を推定し、推定した二酸化炭素濃度が所定の値以下であるか否かを判定してもよい。
ステップＳ３で排燃料ガスの密度がＸ１以下と判断した場合には、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの出力がΔＰ増加するように、電流設定値をΔＩ増加させる。換言すれば、ステップＳ４では、ステップＳ２で設定したボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値を補正する。また、ステップＳ４では、燃料利用率が規定の範囲内となるように、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値を補正する。
ステップＳ３で排燃料ガスの密度がＸ１以下と判断した場合には、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの出力がΔＰ増加するように、電流設定値をΔＩ増加させる。換言すれば、ステップＳ４では、ステップＳ２で設定したボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値を補正する。また、ステップＳ４では、燃料利用率が規定の範囲内となるように、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値を補正する。
【0067】
次に、ステップＳ５に進み、ＳＯＦＣ発電システム１０に対する電力需要Ｄを満たす送電端出力を維持すために、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの出力を増加させた分、トッピングＳＯＦＣ１１ａの出力を低減させる。具体的には、トッピングＳＯＦＣ１１ａの出力がΔＰ低減するように、電流設定値をΔＩ／ｎ低減させる。電流設定値の補正値は、トッピングＳＯＦＣ１１ａとボトミングＳＯＦＣ１１ｂとの出力比に基づいた値とされている。このように、ステップＳ５では、ステップＳ２で設定したトッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定値を補正する。
【0068】
ステップＳ５を終えると、制御装置４０は、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、変更後の電流設定値に応じた燃料流量に変更する。具体的には、制御装置４０は、燃料ガス制御弁２０ａを制御して、第１燃料ガスライン２０を流通する燃料ガスの流量を調整する。ステップＳ１０を終えると、制御装置４０はステップＳ３に戻る。
【0069】
ステップＳ３で排燃料ガスの密度がＸ１よりも大きいと判断した場合には、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、排燃料ガスの密度がＸ２以上か否かを判定する。なお、ステップＳ６では、検出部３２の出力から排燃料ガス中の二酸化炭素濃度及び／又は水素濃度を推定し、推定した二酸化炭素濃度及び／又は水素濃度が所定の値以上であるか否かを判定してもよい。
ステップＳ６で排燃料ガスの密度がＸ２以上と判断した場合には、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの出力がΔＰ’低減するように、電流設定値をΔＩ’低減させる。換言すれば、ステップＳ４では、ステップＳ２で設定したボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値を補正する。また、ステップＳ７では、燃料利用率が規定の範囲内となるように、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値を補正する。
ステップＳ６で排燃料ガスの密度がＸ２以上と判断した場合には、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの出力がΔＰ’低減するように、電流設定値をΔＩ’低減させる。換言すれば、ステップＳ４では、ステップＳ２で設定したボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値を補正する。また、ステップＳ７では、燃料利用率が規定の範囲内となるように、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値を補正する。
【0070】
次に、ステップＳ８に進み、ＳＯＦＣ発電システム１０に対する電力需要Ｄを満たす送電端出力を維持するために、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの出力を低減させた分、トッピングＳＯＦＣ１１ａの出力を増加させる。具体的には、トッピングＳＯＦＣ１１ａの出力がΔＰ’増加するよう、電流設定値をΔＩ’／ｎ増加させる。電流設定値の補正値は、トッピングＳＯＦＣ１１ａとボトミングＳＯＦＣ１１ｂとの出力比に基づいた値とされている。このように、ステップＳ８では、ステップＳ２で設定したトッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定値を補正する。
【0071】
ステップＳ８を終えると、制御装置４０は、ステップＳ１０に進む。ステップＳ１０では、変更後の電流設定値に応じた燃料流量に変更する。具体的には、制御装置４０は、燃料ガス制御弁２０ａを制御して、第１燃料ガスライン２０を流通する燃料ガスの流量を調整する。ステップＳ１０を終えると、制御装置４０はステップＳ３に戻る。
【0072】
ステップＳ６で排燃料ガスの密度がＸ２よりも小さいと判断した場合には、ステップＳ９に進む。ステップＳ９では、現状のトッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの出力（電流設定値）で運転を継続する。ステップＳ９を終えると、ステップＳ１に戻る。
【0073】
次に、制御装置４０が行う処理について図７を用いて説明する。
まず、制御装置４０が、ＳＯＦＣ発電システム１０に対する電力需要（要求される発電量）を受信する（ステップＳ１１）。制御装置４０は、電力需要に基づいてトッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定値及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値を設定する（ステップＳ１２及びステップＳ１３）。
まず、制御装置４０が、ＳＯＦＣ発電システム１０に対する電力需要（要求される発電量）を受信する（ステップＳ１１）。制御装置４０は、電力需要に基づいてトッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定値及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値を設定する（ステップＳ１２及びステップＳ１３）。
【0074】
一方で、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出され、第１熱交換器３０及び第２熱交換器３１で水分を除去された排燃料ガスの組成（以下では、例えば、密度）を検出部３２が計測する。検出部３２は計測結果を制御装置４０へ送信する。制御装置４０では、検出部３２から受信した計測結果に基づいて、図５のマップを用いて排燃料ガス中の水素濃度及び二酸化炭素濃度を推測する（ステップＳ１４）。制御装置４０は、二酸化炭素濃度に基づいて、ステップＳ１２及びステップＳ１３で設定したトッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流値に補正が必要であるか否かを判断する（ステップＳ１５）。
【0075】
補正が必要である場合には、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの出力（電流設定値）を補正する。具体的には、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの出力をΔＰ増加させる（ステップＳ１６）ための、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値に対する補正値ΔＩを決定する（ステップＳ１７）。次に、ステップＳ１２で設定した電流設定値に対して、ステップＳ１７で決定した補正値ΔＩを加算し、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの補正後電流設定値を決定する。ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの補正後電流設定値が、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂのＰＣＳ３７（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）に送信され、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流値が補正後電流設定値となるよう制御される（ステップＳ１８）。
【0076】
ステップＳ１６からステップＳ１８で、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの出力を補正する場合には、ＳＯＦＣ発電システム１０に対する電力需要Ｄを満たす出力を維持するために、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの出力を増加させた分、トッピングＳＯＦＣ１１ａの出力を低減させる。具体的には、トッピングＳＯＦＣ１１ａの出力をΔＰ低減させる（ステップＳ１９）ための、トッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定値に対する補正値ΔＩ／ｎを決定する（ステップＳ２０）。次に、ステップＳ１３で設定した電流設定値に対して、ステップＳ２０で決定した補正値ΔＩ／ｎを加算し、トッピングＳＯＦＣ１１ａの補正後電流設定値を決定する。トッピングＳＯＦＣ１１ａの補正後電流設定値がトッピングＳＯＦＣ１１ａのＰＣＳ３６に送信され、トッピングＳＯＦＣ１１ａの電流値が補正後電流設定値となるよう制御される（ステップＳ２１）。また、トッピングＳＯＦＣ１１ａの補正後電流設定値に基づいて、第１燃料ガスライン２０を流通する燃料ガスの流量が設定され（ステップＳ２２）、燃料ガス制御弁２０ａの開度を調整することで、第１燃料ガスライン２０を流通する燃料ガスの流量が調整される。
【0077】
次に、排燃料ガス密度の変化と、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂ及びトッピングＳＯＦＣ１１ａの電流値との関係について図８を用いて説明する。図８では、横軸は時間の流れを示し、縦軸は（ａ）では排燃料ガス密度、（ｂ）では二酸化炭素濃度、（ｃ）ではボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流値、（ｄ）ではトッピングＳＯＦＣ１１ａの電流値を示している。
【0078】
図８に示すように、検出部３２が計測する排燃料ガスの密度が減少すると、推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も減少する（Ｔ１）。これに伴って、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値が増加するとともに、トッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定値が減少する。また、検出部３２が計測する排燃料ガスの密度の減少が止まると推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も減少も止まる（Ｔ２）。これに伴って、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値の増加及びトッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定値の減少も止まる。
検出部３２が計測する排燃料ガスの密度が増加に転ずると、推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も増加する（Ｔ３）。これに伴って、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値が減少するとともに、トッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定値が増加する。また、検出部３２が計測する排燃料ガスの密度の増加が止まると推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も増加も止まる（Ｔ４）。これに伴って、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値の減少及びトッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定値の増加も止まる。
検出部３２が計測する排燃料ガスの密度が増加に転ずると、推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も増加する（Ｔ３）。これに伴って、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値が減少するとともに、トッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定値が増加する。また、検出部３２が計測する排燃料ガスの密度の増加が止まると推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も増加も止まる（Ｔ４）。これに伴って、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値の減少及びトッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定値の増加も止まる。
【0079】
一方で、検出部３２が計測する排燃料ガスの密度が増加すると、推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も減少する（Ｔ５）。これに伴って、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値が減少するとともに、トッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定値が増加する。また、検出部３２が計測する排燃料ガスの密度の増加が止まると推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も増加も止まる（Ｔ６）。これに伴って、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値の減少及びトッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定値の増加も止まる。
検出部３２が計測する排燃料ガスの密度が減少に転ずると、推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も減少する（Ｔ７）。これに伴って、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値が増加するとともに、トッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定値が減少する。また、検出部３２が計測する排燃料ガスの密度の減少が止まると推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も減少も止まる（Ｔ８）。これに伴って、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値の増加及びトッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定値の減少も止まる。
なお、図８に水素濃度の挙動は記載していないが、検出部３２が計測する排燃料ガスの密度が減少すると推定される排燃料ガス中の水素濃度は増加し、検出部３２が計測する排燃料ガスの密度が増加すると水素濃度は増加する。
検出部３２が計測する排燃料ガスの密度が減少に転ずると、推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も減少する（Ｔ７）。これに伴って、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値が増加するとともに、トッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定値が減少する。また、検出部３２が計測する排燃料ガスの密度の減少が止まると推定される排燃料ガス中の二酸化炭素濃度も減少も止まる（Ｔ８）。これに伴って、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流設定値の増加及びトッピングＳＯＦＣ１１ａの電流設定値の減少も止まる。
なお、図８に水素濃度の挙動は記載していないが、検出部３２が計測する排燃料ガスの密度が減少すると推定される排燃料ガス中の水素濃度は増加し、検出部３２が計測する排燃料ガスの密度が増加すると水素濃度は増加する。
【0080】
本実施形態によれば以下の作用効果を奏する。
本実施形態では、制御装置４０がトッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの燃料ガスの利用率である燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第１閾値（詳細には、８０％程度）以上となるように、トッピングＳＯＦＣ１１ａとボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値を制御している。これにより、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を増大させることができる。したがって、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。
本実施形態では、制御装置４０がトッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの燃料ガスの利用率である燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第１閾値（詳細には、８０％程度）以上となるように、トッピングＳＯＦＣ１１ａとボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値を制御している。これにより、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を増大させることができる。したがって、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。
【0081】
特に、供給される燃料ガスの組成が頻繁に変動する場合や、電力需要に追従するために発電出力を変化する際の過渡状態においては、燃料利用率の安定的な制御が困難であったが、本実施形態では燃料利用率を安定的に制御することができる。
【0082】
また、本実施形態では、制御装置４０がＳＯＦＣ発電システム１０に要求される発電量を満たすように、トッピングＳＯＦＣ１１ａとボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値を制御している。これにより、ＳＯＦＣ発電システム１０に対する要求発電量を満たすことができる。
【0083】
また、本実施形態では、制御装置４０が、検出部３２が検出した排燃料ガスの二酸化炭素濃度が第２閾値以下（詳細には、８２％程度）となるようにトッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値を制御している。これにより、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が過剰に高まること（換言すれば、排燃料ガス中の燃料ガス成分が過剰に低減すること）を抑制することができる。したがって、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂにおいて過剰に燃料ガス成分が低減することによるボトミングＳＯＦＣ１１ｂの損傷を抑制することができる。
【0084】
また、排燃料ガスの密度は比較的検出し易く、また連続的な検出も比較的容易である。本実施形態では、排燃料ガスの密度を検出し、排燃料ガスの密度から推定部が推定した二酸化炭素の濃度に基づいてトッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値を制御装置４０が制御する。これにより、燃料ガスの組成が頻繁に変動する場合においても、制御装置４０がトッピングＳＯＦＣ１１ａ及び前記ボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値を比較的容易に制御することができる。
【0085】
また、本実施形態では、制御装置４０がトッピングＳＯＦＣ１１ａとボトミングＳＯＦＣ１１ｂとの出力比率に基づいてトッピングＳＯＦＣ１１ａとボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値を補正している。これにより、ＳＯＦＣ発電システム１０に対する要求発電量をより好適に満たすことができる。
【0086】
また、本実施形態では、制御装置４０が、燃料利用率が９０％以上であって９４％以下の範囲となるようにトッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値を制御する。これにより、トッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂで好適に燃料ガス成分を消費することができるので、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度をより好適に増大させることができる。したがって、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。
【0087】
また、本実施形態では、検出部３２が第１熱交換器３０及び第２熱交換器３１で水分を除去された排燃料ガスの密度を検出する。これにより、より正確に排燃料ガスの密度を検出することができる。
【0088】
本実施形態では、制御装置４０は、排燃料ガス中の水素濃度が１４％以上であって１７％以下の範囲となるようにトッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂの電流指令値を制御する。これにより、トッピングＳＯＦＣ１１ａ及びボトミングＳＯＦＣ１１ｂで好適に燃料ガス成分である水素を消費することができるので、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出された中の二酸化炭素濃度をより好適に増大させることができる。したがって、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。
また、排燃料ガス中の水素濃度の過剰な減少を抑制することができる。したがって、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂにおいて、水素濃度が過剰に低減することによるセルスタック１０１等の損傷を抑制することができる。
また、排燃料ガス中の水素濃度の過剰な減少を抑制することができる。したがって、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂにおいて、水素濃度が過剰に低減することによるセルスタック１０１等の損傷を抑制することができる。
【0089】
このように、本実施形態では、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂでは発電出力のみを重視するのではなく、電力需要を満たす範囲で排燃料中の二酸化炭素濃度を増加させるように電流値を制御している。これにより、複数のＳＯＦＣ１１を直列に接続したカスケード式のＳＯＦＣ発電システム１０において、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出される排燃料ガスの二酸化炭素濃度を好適に増加させることができる。
【0090】
なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、適宜変形が可能である。
【0091】
例えば、トッピングＳＯＦＣ１１ａは並列に接続した複数のＳＯＦＣを有していてもよい。
【0092】
また、ＳＯＦＣ１１を３段以上直列に接続してもよい。その場合には、最下流に配置されたＳＯＦＣ１１から排出された排燃料ガスの組成を検出し、検出された組成に基づいて全てのＳＯＦＣ１１の電流指令値を制御する。
【0093】
また、上記実施形態では、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出された排燃料ガスの密度を計測する検出部３２を設け、検出した密度に基づいて排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を推定する例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、検出部３２に代えて、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を計測する二酸化炭素濃度計を設けてもよい。また、二酸化炭素濃度計に代えて（もしくは加えて）、排燃料ガス中の水素濃度を計測する水素濃度計を設けてもよい。
このように、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を計測することで、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度をより正確に把握することができる。これにより、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度をより正確に調整することができる。したがって、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度をより好適に増大させて、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。
このように、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を計測することで、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度をより正確に把握することができる。これにより、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度をより正確に調整することができる。したがって、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度をより好適に増大させて、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。
【0094】
また、上記実施形態では、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂにおける発電出力は重視していないので、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂでは低温発電が可能であって、高耐久のセルを用いることが望ましい。
【0095】
また、ボトミングＳＯＦＣ１１ｂから排出された高濃度の二酸化炭素は、自着火防止として、ＳＯＦＣ１１に供給される燃料ガスに混合してもよい。
【0096】
以上説明した実施形態に記載の電気化学セルシステム及び電気化学セルシステムの運転方法は、例えば以下のように把握される。
【0097】
本開示の第１態様に係る電気化学セルシステムは、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化性ガスとを反応させることで発電する燃料電池（１１）を複数有する電気化学セルシステム（１０）であって、第１燃料電池（１１ａ）と前記第１燃料電池（１１ａ）から排出された排燃料ガスが供給される第２燃料電池（１１ｂ）と、前記第２燃料電池（１１ｂ）から排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部（３２）と、前記検出部（３２）が検出した結果に基づいて、前記第１燃料電池（１１ａ）及び前記第２燃料電池（１１ｂ）の電流指令値を制御する制御部（４０）と、を備え、前記制御部（４０）は、電気化学セルシステムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、前記第２燃料電池（１１ｂ）から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第１閾値以上となり、かつ、前記電気化学セルシステム（１０）に要求される発電量を満たすように、電流指令値を制御する。
【0098】
上記構成では、制御部が電気化学セルシステムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、第２燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第１閾値以上となるように、第１燃料電池と第２燃料電池の電流指令値を制御している。これにより、第２燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を増大させることができる。したがって、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。
また、上記構成では、制御部が電気化学セルシステムに要求される発電量を満たすように、第１燃料電池と第２燃料電池の電流指令値を制御している。これにより、電気化学セルシステム全体における要求発電量を満たすことができる。
なお、排燃料ガスの状態量の例として、例えば、排燃料ガスの密度や排燃料ガス中の二酸化炭素濃度や排燃料ガス中の水素濃度等が挙げられる。
また、上記構成では、制御部が電気化学セルシステムに要求される発電量を満たすように、第１燃料電池と第２燃料電池の電流指令値を制御している。これにより、電気化学セルシステム全体における要求発電量を満たすことができる。
なお、排燃料ガスの状態量の例として、例えば、排燃料ガスの密度や排燃料ガス中の二酸化炭素濃度や排燃料ガス中の水素濃度等が挙げられる。
【0099】
本開示の第２態様に係る電気化学セルシステムは、上記第１態様において、前記制御部（４０）は、前記検出部（３２）が検出した排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が前記第１閾値よりも高い値である第２閾値以下となるように前記第１燃料電池（１１ａ）及び前記第２燃料電池（１１ｂ）の電流指令値を制御する。
【0100】
上記構成では、制御部が、検出部が検出した排燃料ガスの二酸化炭素濃度が第２閾値以下となるように第１燃料電池及び第２燃料電池の電流指令値を制御している。これにより、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が過剰に高まること（換言すれば、排燃料ガス中の燃料ガス成分が過剰に低減すること）を抑制することができる。したがって、第２燃料電池において過剰に燃料ガス成分が低減することによる第２燃料電池の損傷を抑制することができる。
【0101】
本開示の第３態様に係る電気化学セルシステムは、上記第１態様または第２態様において、前記検出部（３２）は、前記第２燃料電池（１１ｂ）から排出された排燃料ガスの密度を検出し、前記制御部（４０）は、排燃料ガスの密度に基づいて排燃料ガス中の二酸化炭素濃度を推定する推定部を有し、前記推定部が推定した二酸化炭素濃度に基づいて前記第１燃料電池（１１ａ）及び前記第２燃料電池（１１ｂ）の電流指令値を制御する。
【0102】
排燃料ガスの密度は比較的検出し易い。上記構成では、排燃料ガスの密度を検出し、排燃料ガスの密度から推定部が推定した二酸化炭素の濃度に基づいて第１燃料電池及び第２燃料電池の電流指令値を制御部が制御する。これにより、制御部が第１燃料電池及び前記第２燃料電池の電流指令値を比較的容易に制御することができる。
【0103】
本開示の第４態様に係る電気化学セルシステムは、上記第１態様から第３態様のいずれかにおいて、前記制御部（４０）は、前記第１燃料電池（１１ａ）の出力と前記第２燃料電池（１１ｂ）の出力との比率に基づいて、前記第１燃料電池（１１ａ）の電流指令値を補正する。
【0104】
上記構成では、制御部が第１燃料電池と第２燃料電池との出力比率に基づいて第１燃料電池の電流指令値を補正している。これにより、第１燃料電池の電流指令値を出力比率に基づいた値にすることができる。したがって、電気化学セルシステム全体における要求発電量をより好適に満たすことができる。
【0105】
本開示の第５態様に係る電気化学セルシステムは、上記第１態様から第４態様のいずれかにおいて、前記制御部（４０）は、前記燃料利用率が９０％以上であって９４％以下の範囲となるように前記第１燃料電池（１１ａ）及び前記第２燃料電池（１１ｂ）の電流指令値を制御する。
【0106】
上記構成では、制御部が、燃料利用率が９０％以上であって９４％以下の範囲となるように第１燃料電池及び第２燃料電池の電流指令値を制御する。これにより、第１燃料電池及び第２燃料電池で好適に燃料ガス成分を消費することができるので、第２燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度をより好適に増大させることができる。したがって、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。
【0107】
本開示の第６態様に係る電気化学セルシステムは、上記第１態様から第５態様のいずれかにおいて、前記第２燃料電池（１１ｂ）から排出された排燃料ガスから水分を除去する気液分離部（３０，３１）を備え、前記検出部（３２）は前記気液分離部（３０，３１）で水分を除去された排燃料ガスの組成を検出する。
【0108】
上記構成では、検出部が気液分離部で水分を除去された排燃料ガスの組成を検出する。これにより、より正確に排燃料ガスの組成を検出することができる。
【0109】
本開示の第７態様に係る電気化学セルシステムは、上記第６態様において、前記制御部（４０）は、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が８０％以上となるように前記第１燃料電池（１１ａ）及び前記第２燃料電池（１１ｂ）の電流指令値を制御する。
【0110】
上記構成では、制御部が、排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が８０％以上となるように第１燃料電池及び第２燃料電池の電流指令値を制御する。これにより、第２燃料電池から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度をより好適に増大させることができる。したがって、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。
また、排燃料ガスに含まれる成分の中で二酸化炭素は比較的に制御性が良いため、制御部はより好適に制御を行うことができる。
また、排燃料ガスに含まれる成分の中で二酸化炭素は比較的に制御性が良いため、制御部はより好適に制御を行うことができる。
【0111】
本開示の第８態様に係る電気化学セルシステムは、上記第６態様または第７態様において、前記制御部（４０）は、排燃料ガス中の水素濃度が１４％以上であって１７％以下の範囲となるように前記第１燃料電池（１１ａ）及び前記第２燃料電池（１１ｂ）の電流指令値を制御する。
【0112】
上記構成では、制御部は、排燃料ガス中の水素濃度が１４％以上であって１７％以下の範囲となるように第１燃料電池及び第２燃料電池の電流指令値を制御する。これにより、第１燃料電池及び第２燃料電池で好適に燃料ガス成分である水素を消費することができるので、第２燃料電池から排出された中の二酸化炭素濃度をより好適に増大させることができる。したがって、排燃料ガスから二酸化炭素を回収し易くすることができる。
また、排燃料ガス中の水素濃度の過剰な減少を抑制することができる。したがって、第２燃料電池において過剰に水素濃度が低減することによる損傷を抑制することができる。
また、排燃料ガスに含まれる成分の中で水素は比較的に制御性が良いため、制御部はより好適に制御を行うことができる。
また、排燃料ガス中の水素濃度の過剰な減少を抑制することができる。したがって、第２燃料電池において過剰に水素濃度が低減することによる損傷を抑制することができる。
また、排燃料ガスに含まれる成分の中で水素は比較的に制御性が良いため、制御部はより好適に制御を行うことができる。
【0113】
本開示の第１態様に係る電気化学セルシステムの運転方法は、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化性ガスとを反応させることで発電する燃料電池を複数有する電気化学セルシステム（１０）の運転方法であって、前記電気化学セルシステム（１０）は、第１燃料電池（１１ａ）と前記第１燃料電池（１１ａ）から排出された排燃料ガスが供給される第２燃料電池（１１ｂ）と、前記第２燃料電池（１１ｂ）から排出された排燃料ガスの状態量を検出する検出部（３２）と、前記検出部（３２）が検出した結果に基づいて、前記第１燃料電池（１１ａ）及び前記第２燃料電池（１１ｂ）の電流指令値を制御する制御部（４０）と、を備え、電気化学セルシステムの燃料利用率が規定範囲内となり、かつ、前記第２燃料電池（１１ｂ）から排出された排燃料ガス中の二酸化炭素濃度が第１閾値以上となり、かつ、前記電気化学セルシステム（１０）に要求される発電量を満たすように、前記制御部（４０）が電流指令値を制御する制御工程を備える。
【符号の説明】
【0114】
１０ ：ＳＯＦＣ発電システム
１２ ：酸化性ガス供給ライン
１２ａ ：空気ブロワ
１２ｂ ：トッピング側供給ライン
１２ｃ ：ボトミング側供給ライン
１３ ：排酸化性ガス排出ライン
１３ａ ：トッピング側排出ライン
１３ｂ ：ボトミング側排出ライン
２０ ：第１燃料ガスライン
２０ａ ：燃料ガス制御弁
２１ ：第２燃料ガスライン
２１ａ ：燃料ガスブロワ
２２ ：再循環ライン
２３ ：第３燃料ガスライン
２４ ：第１ドレンライン
２５ ：冷媒ライン
２６ ：第２ドレンライン
３０ ：第１熱交換器
３１ ：第２熱交換器
３２ ：検出部
３３ ：二酸化炭素回収装置
４０ ：制御装置
１０１ ：セルスタック
１０３ ：基体管
１０５ ：電気化学単セル
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
２０５ ：モジュール容器
２０７ ：燃料ガス供給管
２０７ａ ：燃料ガス供給枝管
２０９ ：燃料ガス排出管
２０９ａ ：燃料ガス排出枝管
２１５ ：発電室
２１７ ：燃料ガス供給ヘッダ
２１９ ：燃料ガス排出ヘッダ
２２１ ：酸化性ガス供給ヘッダ
２２３ ：酸化性ガス排出ヘッダ
２２５ａ ：上部管板
２２５ｂ ：下部管板
２２７ａ ：上部断熱体
２２７ｂ ：下部断熱体
２２９ａ ：上部ケーシング
２２９ｂ ：下部ケーシング
２３１ａ ：燃料ガス供給孔
２３１ｂ ：燃料ガス排出孔
２３３ａ ：酸化性ガス供給孔
２３３ｂ ：酸化性ガス排出孔
２３５ａ ：酸化性ガス供給隙間
２３５ｂ ：酸化性ガス排出隙間
２３７ａ ：シール部材
２３７ｂ ：シール部材
１２ ：酸化性ガス供給ライン
１２ａ ：空気ブロワ
１２ｂ ：トッピング側供給ライン
１２ｃ ：ボトミング側供給ライン
１３ ：排酸化性ガス排出ライン
１３ａ ：トッピング側排出ライン
１３ｂ ：ボトミング側排出ライン
２０ ：第１燃料ガスライン
２０ａ ：燃料ガス制御弁
２１ ：第２燃料ガスライン
２１ａ ：燃料ガスブロワ
２２ ：再循環ライン
２３ ：第３燃料ガスライン
２４ ：第１ドレンライン
２５ ：冷媒ライン
２６ ：第２ドレンライン
３０ ：第１熱交換器
３１ ：第２熱交換器
３２ ：検出部
３３ ：二酸化炭素回収装置
４０ ：制御装置
１０１ ：セルスタック
１０３ ：基体管
１０５ ：電気化学単セル
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
２０５ ：モジュール容器
２０７ ：燃料ガス供給管
２０７ａ ：燃料ガス供給枝管
２０９ ：燃料ガス排出管
２０９ａ ：燃料ガス排出枝管
２１５ ：発電室
２１７ ：燃料ガス供給ヘッダ
２１９ ：燃料ガス排出ヘッダ
２２１ ：酸化性ガス供給ヘッダ
２２３ ：酸化性ガス排出ヘッダ
２２５ａ ：上部管板
２２５ｂ ：下部管板
２２７ａ ：上部断熱体
２２７ｂ ：下部断熱体
２２９ａ ：上部ケーシング
２２９ｂ ：下部ケーシング
２３１ａ ：燃料ガス供給孔
２３１ｂ ：燃料ガス排出孔
２３３ａ ：酸化性ガス供給孔
２３３ｂ ：酸化性ガス排出孔
２３５ａ ：酸化性ガス供給隙間
２３５ｂ ：酸化性ガス排出隙間
２３７ａ ：シール部材
２３７ｂ ：シール部材
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
