特開 2024-106828 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法

(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】P2024106828

(43)【公開日】2024-08-08

(54)【発明の名称】燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04537 20160101AFI20240801BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20240801BHJP

   H01M 8/0656 20160101ALI20240801BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20240801BHJP

   C25B 1/042 20210101ALI20240801BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20240801BHJP

   C25B 15/023 20210101ALI20240801BHJP

   C25B 1/23 20210101ALI20240801BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20240801BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04537

H01M8/00 Z

H01M8/0656

H01M8/04858

C25B1/042

C25B9/00 H

C25B15/023

C25B1/23

H01M8/12 101

H01M8/12 102B

H01M8/12 102C

【審査請求】有

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023011288

(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）】

4K021

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021AB25

4K021BA02

4K021BB03

4K021CA06

4K021CA09

4K021DB40

4K021DB53

4K021DC03

5H126BB06

5H127AA07

5H127AC15

5H127AC19

5H127BA02

5H127BA14

5H127BA28

5H127BA33

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB25

5H127BB37

5H127BB39

5H127DB63

5H127DB69

5H127DB89

5H127DC44

5H127DC45

5H127DC82

5H127DC89

5H127EE02

5H127EE03

5H127EE29

(57)【要約】

【課題】燃料電池の発電効率を維持しつつ燃料電池が生成する余剰の電力を有効に活用する。
【解決手段】燃料極１２に供給される燃料ガスと空気極１１に供給される酸化性ガスとを反応させて発電を行う燃料電池１０と、水素極２２に供給される水蒸気を水蒸気電解して水素を生成する電解セル２０と、燃料電池１０で生成される直流電力を交流電力に変換して電力系統ＰＳへ出力する変換器４０と、電力系統ＰＳから要求される電力需要よりも燃料電池１０で生成された直流電力を変換した交流電力が大きい場合に、電解セル２０の消費電流値を増加するよう制御する制御部９０と、を備える燃料電池システム１００を提供する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

空気極と燃料極とを有し、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記空気極に供給される酸化性ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給される水蒸気を水蒸気電解して水素を生成する電解セルと、
前記燃料電池で生成される直流電力を交流電力に変換して電力系統へ出力する第１変換部と、
前記電力系統から要求される電力需要よりも前記燃料電池で生成された直流電力を変換した交流電力が大きい場合に、前記電解セルの消費電流値を増加するよう制御する制御部と、を備える燃料電池システム。

【請求項2】

前記燃料電池は、前記空気極および前記燃料極が配置される発電室を備え、
前記電解セルの前記酸素極および前記水素極は前記発電室に配置される請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記燃料電池で生成される直流電力を前記電解セルへ供給する第１供給状態と、前記燃料電池で生成される直流電力を前記電解セルへ供給しない第１遮断状態とを切り替える第１切替部と、
直流電力生成部で生成される直流電力を前記電解セルへ供給する第２供給状態と、前記直流電力生成部で生成される直流電力を前記電解セルへ供給しない第２遮断状態を切り替える第２切替部と、を備え、
前記制御部は、前記電力系統から要求される前記電力需要よりも前記燃料電池で生成された直流電力を変換した交流電力が大きい場合に、前記第１供給状態とするよう前記第１切替部を制御し、前記直流電力生成部で生成される直流電力が前記電力系統の前記電力需要以上である場合に、前記第２供給状態とするよう前記第２切替部を制御する請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換して前記電解セルへ出力する第２変換部を備える請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
空気極と燃料極とを有し、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記空気極に供給される酸化性ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、
酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給される水蒸気を水蒸気電解して水素を生成する電解セルと、
前記燃料電池で生成される直流電力を交流電力に変換して電力系統へ出力する第１変換部と、を有し、
前記電力系統から要求される電力需要よりも前記燃料電池で生成された直流電力を変換した交流電力が大きい場合に、前記電解セルの消費電流値を増加するよう制御する第１制御工程を備える燃料電池システムの制御方法。

【請求項6】

前記燃料電池は、前記空気極および前記燃料極が配置される発電室を備え、
前記電解セルの前記酸素極および前記水素極と前記発電室に配置される請求項５に記載の燃料電池システムの制御方法。

【請求項7】

前記燃料電池システムは、
前記燃料電池で生成される直流電力を前記電解セルへ供給する第１供給状態と、前記燃料電池で生成される直流電力を前記電解セルへ供給しない第１遮断状態とを切り替える第１切替部と、
直流電力生成部で生成される直流電力を前記電解セルへ供給する第２供給状態と、前記直流電力生成部で生成される直流電力を前記電解セルへ供給しない第２遮断状態を切り替える第２切替部と、を有し、
前記第１制御工程は、前記電力系統から要求される前記電力需要よりも前記燃料電池で生成された直流電力を変換した交流電力が大きい場合に、前記第１供給状態とするよう前記第１切替部を制御し、
前記直流電力生成部で生成される直流電力が前記電力系統の前記電力需要以下である場合に、前記第２供給状態とするよう前記第２切替部を制御する第２制御工程を備える請求項５または請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法。

【請求項8】

前記燃料電池システムは、前記電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換して前記電解セルへ出力する第２変換部を有する請求項５または請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。

【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：以下「ＳＯＦＣ」という）は、電解質としてイットリア安定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、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マス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℃の高温雰囲気の発電室で反応させて発電を行う（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１には、ＳＯＦＣとターボチャージャを組み合わせたＳＯＦＣシステムが開示されている。特許文献１では、ＳＯＦＣから排出される排燃料ガスを燃焼器で燃焼させてタービンに燃焼ガスを供給してタービンを回転駆動する。タービンに連結された圧縮機は、酸化性ガスを圧縮して空気極へ供給する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６９２２０１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１等に開示される燃料電池において、発電した電力を他の電源（例えば、太陽光や風力等の再生可能エネルギーによる電源）が接続される電力系統に発電した電力を供給する場合、電力系統の電力需要を満たすために燃料電池が出力すべき電力が、他の電源が生成する電力の変化に応じて変動してしまう。

【0006】

例えば、燃料電池が出力すべき電力が減少する場合、燃料電池が出力する電力を低下させる必要があるが、燃料電池の出力を低下させて発電室の温度が低下してしまうと、発電効率が低下してしまう。また、発電室の温度を維持するように燃料電池を動作させると、燃料電池が出力すべき電力に対して余剰の電力が発生してしまう。

【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、燃料電池の発電効率を維持しつつ燃料電池が生成する余剰の電力を有効に活用することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、本開示は以下の手段を採用する。
本開示に係る燃料電池システムは、空気極と燃料極とを有し、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記空気極に供給される酸化性ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給される水蒸気を水蒸気電解して水素を生成する電解セルと、前記燃料電池で生成される直流電力を交流電力に変換して電力系統へ出力する第１変換部と、前記電力系統から要求される電力需要よりも前記燃料電池で生成された直流電力を変換した交流電力が大きい場合に、前記電解セルの消費電流値を増加するよう制御する制御部と、を備える。

【0009】

本開示に係る燃料電池システムの制御方法において、前記燃料電池システムは、空気極と燃料極とを有し、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記空気極に供給される酸化性ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給される水蒸気を水蒸気電解して水素を生成する電解セルと、前記燃料電池で生成される直流電力を交流電力に変換して電力系統へ出力する第１変換部と、を有し、前記電力系統から要求される電力需要よりも前記燃料電池で生成された直流電力を変換した交流電力が大きい場合に、前記電解セルの消費電流値を増加するよう制御する第１制御工程を備える。

【発明の効果】

【0010】

本開示によれば、燃料電池の発電効率を維持しつつ燃料電池が生成する余剰の電力を有効に活用することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本開示の一実施形態に係る燃料電池システムの電力系統を示す構成図である。

【図2】本開示の一実施形態に係る燃料電池システムのガス系統を示す構成図である。

【図3】本開示の一実施形態に係る固体酸化物型電気化学セルの例を示す断面図である。

【図4】本開示の一実施形態に係る固体酸化物形電気化学セルモジュールの一態様を示す斜視図である。

【図5】本開示の一実施形態に係る固体酸化物形電気化学セルカートリッジを示す断面図である。

【図6】電気化学セルカートリッジにおける燃料電池および電解セルの配置の一例を示す横断面図である。

【図7】本開示の一実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。

【図8】図７の水素需要追従モードを示すフローチャートである。

【図9】図７の高効率負荷追従運転モードを示すフローチャートである。

【図10】図７の水蒸気電解運転モードを示すフローチャートである。

【図11】高効率負荷追従運転モードにおける燃料電池の負荷電流の変化と電力との関係を示すグラフである。

【図12】高効率負荷追従運転モードにおける燃料電池の負荷電流の変化と発電室温度との関係を示すグラフである。

【図13】水蒸気電解運転モードおよび水素需要追従モードにおける燃料電池の負荷電流の変化と電力との関係を示すグラフである。

【図14】水蒸気電解運転モードおよび水素需要追従モードにおける燃料電池の負荷電流の変化と発電室温度との関係を示すグラフである。

【図15】高効率負荷追従運転モードにおける電力および発電室温度の時系列変化を示すグラフである。

【図16】水蒸気電解運転モードにおける電力および発電室温度の時系列変化を示すグラフである。

【図17】水素需要追従モードにおける電力および発電室温度の時系列変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【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。

【0013】

以下、本開示の一実施形態に係る燃料電池システム１００について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の燃料電池システム１００の電力系統を示す構成図である。

【0014】

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、電解セル２０と、補助機器３０と、変換器（第１変換部）４０と、変換器（第２変換部）４５と、切替部（第１切替部）Ｓ１と、切替部（第２切替部）Ｓ２と、切替部Ｓ３と、制御部９０と、を備える。

【0015】

燃料電池１０は、空気極１１と燃料極１２とを有し、燃料極１２に供給される燃料ガスＦＧと空気極１１に供給される空気（酸化性ガス）とを反応させて発電を行う装置である。
電解セル２０は、酸素極２１と水素極２２とを有し、水素極２２に供給される水蒸気を電気分解して水素を生成する装置である。
補助機器３０は、燃料電池システム１００の動作を補助する各種の機器（コンプレッサ、ブロワ、弁、熱交換器など）を総称したものであり、燃料電池１０で生成した電力の一部、または電力系統ＰＳから供給される交流電力により動作する。

【0016】

変換器４０は、燃料電池１０で生成される直流電力を交流電力に変換して電力系統ＰＳへ出力する装置である。
変換器４５は、電力系統ＰＳもしくは燃料電池１０から供給される交流電力を直流電力に変換して電解セル２０へ出力する装置である。

【0017】

切替部Ｓ１は、燃料電池１０で生成される直流電力を電解セル２０へ供給する供給状態（第１供給状態）と、燃料電池１０で生成される直流電力を電解セル２０へ供給しない遮断状態（第１遮断状態）とを切り替える装置（開閉器）である。
切替部Ｓ２は、直流電力生成部２００で生成される直流電力を電解セル２０へ供給する供給状態（第２供給状態）と、直流電力生成部２００で生成される直流電力を電解セル２０へ供給しない遮断状態（第２遮断状態）とを切り替える装置（開閉器）である。

【0018】

直流電力生成部２００は、例えば、太陽光や風力等の再生可能エネルギーを直流電力に変換する装置である。直流電力生成部２００が生成する直流電力は、変換器２１０により交流電力に変換されて電力系統ＰＳに出力される。直流電力生成部２００のエネルギー源が太陽光や風力等の自然エネルギーである場合、天候や時間帯など、自然エネルギーの状態によって直流電力生成部２００が生成する直流電力が大きく変化する。

【0019】

切替部Ｓ３は、変換器４５から電解セル２０に直流電力を供給する供給状態と、変換器４５から電解セル２０に直流電力を供給しない遮断状態とを切り替える装置（開閉器）である。

【0020】

制御部９０は、燃料電池１０と、電解セル２０と、補助機器３０と、変換器４０と、変換器４５と、切替部Ｓ１と、切替部Ｓ２と、切替部Ｓ３と、を含む燃料電池システム１００の各部を制御する装置である。

【0021】

次に、本開示の一実施形態に係る燃料電池システム１００のガス系統について、図面を参照して説明する。図２は、本開示の一実施形態に係る燃料電池システム１００のガス系統を示す構成図である。なお、直流電力生成部２００は電気系統のみ接続されているため、ガス系統を示す図２では直流電力生成部２００の記載を省略している。

【0022】

図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、電解セル２０と、再生熱交換器５０と、冷却器６０と、水素濃度計７０と、ブロワ８１，８２，８３と、開閉弁９１，９２と、制御弁９３，９４，９５，９６と、を備える。

【0023】

再生熱交換器５０は、ブロワ８１により供給され空気ラインＬ１を流通する空気と、空気極１１および酸素極２１から排出されて空気ラインＬ２を流通する空気との熱交換を行う装置である。空気ラインＬ１から再生熱交換器５０へ供給される空気の量と、空気ラインＬ１から再生熱交換器５０へ供給されずにバイパスラインＬ３へ供給される空気の量は、制御弁９４，９５の開度により調整され、再生熱交換器５０の下流側で合流する。この流量分配調整により所定の温度に加熱された空気は、空気極１１および酸素極２１へ供給される。

【0024】

制御部９０は、制御弁９３の開度を調整することにより、燃料ガスラインＬ４から燃料電池１０の燃料極１２へ供給する燃料ガスＦＧの供給量を制御する。燃料極１２からは、水素等の未反応の燃料成分を含む排燃料ガスが、燃料ガスラインＬ５に排出される。また、燃料ガスラインＬ５には、電解セル２０の水素極２２で生成される水素が排出される。

【0025】

燃料ガスラインＬ５のブロワ８２で昇圧された排燃料ガスと水素の混合ガスの一部は、再循環ラインＬ６から燃料ガスラインＬ４へ再循環する。再循環ラインＬ６へ導かれる排燃料ガスと水素の混合ガスの再循環量は、制御弁９６の開度により調整される。

【0026】

燃料ガスラインＬ５のブロワ８２で昇圧された排燃料ガスと水素の混合ガスは、一部が再循環ラインＬ６に導かれ、残りは冷却器６０に供給される。冷却器６０は、燃料ガスラインＬ５から導かれるガスを冷却水で冷却してガスに含まれる水分を凝縮させて水ラインＬ７へ排出してドレンとして回収する。水分が除去された水素を含むガスは、燃料ガスラインＬ８へ導かれる。燃料ガスラインＬ８を流通するガスに含まれる水素の濃度は、水素濃度計７０により検知されて制御部９０に伝達される。

【0027】

燃料ガスラインＬ８へ導かれた水素を含むガスは、開閉弁９１および開閉弁９２が閉状態の場合は、全量が外部の水素貯蔵装置（図示略）へ供給される。また、開閉弁９１および開閉弁９２が開状態の場合、水素を含むガスの一部は水素貯蔵装置へ導かれ、他の一部はブロワ８３で昇圧されて燃料ガスラインＬ９から燃料ガスラインＬ４へ導かれ、燃料電池１０の燃料極１２に供給される。

【0028】

水ラインＬ７には、電解セル２０の水素極２２で電気分解される水蒸気となる純水が供給される。水ラインＬ７に供給された純水は再循環ラインＬ６で水蒸気となる。再循環ラインＬ６の水蒸気は、燃料ガスラインＬ４に導かれる。燃料ガスラインＬ４で燃料ガスＦＧと混合した水蒸気は、供給ラインＬ１０を介して電解セル２０の水素極２２に導かれる。

【0029】

次に、図３を参照して、燃料電池１０で空気極１１および燃料極１２として用いられ、電解セル２０で酸素極２１および水素極２２として用いられる固体酸化物型電気化学セルについて説明する。図３は、本開示の一実施形態に係る固体酸化物型電気化学セルの例を示す断面図である。以下の説明において、第１電極１０９が燃料電池１０の燃料極１２に対応し、第２電極１１３が燃料電池１０の空気極１１に対応する。また、第１電極１０９が電解セル２０の水素極２２に対応し、第２電極１１３が電解セル２０の酸素極２１に対応する。

【0030】

図３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、例えば電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。

【0031】

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、第１電極１０９と固体電解質膜１１１と第２電極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の第２電極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の第１電極１０９に電気的に接続されたリード膜１１５を備える。

【0032】

基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ_２（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ_２Ｏ_４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第１電極１０９に拡散させるものである。

【0033】

第１電極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。第１電極１０９の厚さは５０μｍ～２５０μｍであり、第１電極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、第１電極１０９は、第１電極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（ＣＨ_４）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。

【0034】

また、第１電極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質膜１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ^２－）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（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）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第１電極１０９に供給し利用できる燃料ガスとしては、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、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。

【0035】

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、第２電極１１３で生成される酸素イオン（Ｏ^２－）を第１電極１０９に移動させるものである。第１電極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。

【0036】

第２電極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３系酸化物で構成され、第２電極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。この第２電極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（Ｏ^２－）を生成するものである。

【0037】

第２電極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側の層（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。中間層上の層（導電層）は、ＳｍをドープしたセリアやＳｒ及びＣａドープＬａＭｎＯ_３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。

【0038】

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、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の第２電極１１３と他方の電気化学単セル１０５の第１電極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。

【0039】

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。

【0040】

次に、図４および図５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。図４は、本開示の一実施形態に係る固体酸化物形電気化学セルモジュールの一態様を示す斜視図である。図５は、本開示の一実施形態に係る固体酸化物形電気化学セルカートリッジを示す断面図である。

【0041】

図４に示すように、電気化学セルモジュール２０１は、例えば、複数の電気化学セルカートリッジ２０３と、これら複数の電気化学セルカートリッジ２０３を収納するモジュール容器２０５とを備える。なお、図４には円筒形のセルスタック１０１を例示しているが、例えば平板形のセルスタックであってもよい。また、電気化学セルモジュール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、電気化学セルモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（図示略）と酸化性ガス供給枝管（図示略）及び酸化性ガス排出管（図示略）と複数の酸化性ガス排出枝管（図略示）とを備える。

【0042】

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、電気化学セルモジュール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、複数の電気化学セルカートリッジ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電気化学セルカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数の電気化学セルカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。

【0043】

燃料ガス排出ヘッダ２１９は、電気化学セルカートリッジ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。

【0044】

電気化学セルモジュール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、複数の電気化学セルカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、電気化学セルカートリッジ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。

【0045】

酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、電気化学セルカートリッジ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。

【0046】

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、電気化学セルカートリッジ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。

【0047】

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、電気化学セルカートリッジ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。

【0048】

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。

【0049】

本実施形態によれば、上述した電気化学セルカートリッジ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。

【0050】

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、電気化学セルカートリッジ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。

【0051】

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、電気化学セルカートリッジ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。

【0052】

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。

【0053】

本実施形態によれば、上述した電気化学セルカートリッジ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。

【0054】

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、電気化学セルカートリッジ２０３の集電部材（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各電気化学セルカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電部材によって電気化学セルカートリッジ２０３の外部に導出された直流電力は、各電気化学セルカートリッジ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、電気化学セルモジュール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。

【0055】

次に、電気化学セルカートリッジ２０３における燃料電池１０および電解セル２０の配置の一例について図面を参照して説明する。図６は、電気化学セルカートリッジ２０３における燃料電池１０および電解セル２０の配置の一例を示す横断面図である。図６に示す電気化学セルカートリッジ２０３は、モジュール容器２０５の内部空間である発電室２１５に、６列６行で３６本のセルスタック１０１を配置したものである。

【0056】

図６において、外周側の２０本のセルスタック１０１の第１群１０Ａと内周側の４本のセルスタック１０１の第２群１０Ｂは、燃料電池１０の空気極１１および燃料極１２として用いられる。一方、外周側と内周側のセルスタック１０１に挟まれる１２本のセルスタック１０１は、電解セル２０の酸素極２１および水素極２２として用いられる。

【0057】

図６に示すように、燃料電池１０は、空気極１１および燃料極１２が配置される発電室２１５を備える。そして、発電室２１５には、電解セル２０の酸素極２１および水素極２２が配置される。燃料電池１０と電解セル２０とで発電室２１５を共用するため、燃料電池１０で発電する際に生じた熱を電解セル２０の酸素極２１および水素極２２を運転可能な温度に加熱するために用いることができる。そのため、燃料電池システム１００の熱効率を高めることができる。

【0058】

次に、本開示の一実施形態に係る燃料電池システム１００の制御方法について説明する。図７は、本開示の一実施形態に係る燃料電池システム１００の制御方法を示すフローチャートである。図７に示す各処理は、制御部９０に記憶された制御プログラムにより実行される。

【0059】

ステップＳ１０１で、制御部９０は、電力系統ＰＳの電力需要Ｐ（直流電力生成部２００の出力を加味した燃料電池システム１００に要求される電力量）を取得する。
ステップＳ１０２で、制御部９０は、直流電力生成部２００が生成する電力Ｅを取得する。
ステップＳ１０３で、制御部９０は、燃料ガスラインＬ８の供給先で要求される水素需要Ｈを取得する。

【0060】

ステップＳ１０４で、制御部９０は、電力需要Ｐから電力Ｅを減算した値が所定の電力閾値を下回るかどうかを判定し、ＹＥＳであればステップＳ１０５に処理を進め、ＮＯであればステップＳ１０８へ処理を進める。電力需要Ｐに対して電力Ｅが電力閾値以上に不足する場合はＮＯと判断されてステップＳ１０８の高効率負荷追従運転モードに移行する。すなわち、電力需要Ｐに対して電力Ｅが電力閾値以上に不足する場合は、水素需要追従モードよりも高効率負荷追従運転モードを優先する。

【0061】

ステップＳ１０５で、制御部９０は、ステップＳ１０３で取得した水素需要Ｈが所定の水素閾値を上回るかどうかを判定し、ＹＥＳであればステップＳ１０６に処理を進め、ＮＯであればステップＳ１０７へ処理を進める。

【0062】

ステップＳ１０６で、制御部９０は、水素需要追従モードを実行する。水素需要追従モードは、図８に示す各処理を実行するモードである。水素需要追従モードの制御および終了条件については後述する。

【0063】

ステップＳ１０７で、制御部９０は、電力系統ＰＳの電力需要Ｐが直流電力生成部２００が生成する電力Ｅよりも大きいかどうかを判定し、ＹＥＳであればステップＳ１０８に処理を進め、ＮＯであればステップＳ１０９に処理を進める。

【0064】

ステップＳ１０８で、制御部９０は、高効率負荷追従運転モードを実行する。高効率負荷追従運転モードは、図９に示す各処理を実行するモードである。
ステップＳ１０９で、制御部９０は、水蒸気電解運転モードを実行する。水蒸気電解運転モードは、図１０に示す各処理を実行するモードである。水蒸気電解運転モードを実行後は、ステップＳ１０８に処理を進める。
なお、上述した高効率負荷追従運転モード、水蒸気電解運転モード、水素需要追従モードの各モードを移行する際には、切替部Ｓ１、切替部Ｓ２、切替部Ｓ３は遮断した状態であることが好ましい。

【0065】

次に、図８を参照して、図７のステップＳ１０６で実行される水素需要追従モードについて説明する。図８は、図７の水素需要追従モードを示すフローチャートである。
なお、水素需要追従モードでは、切替部Ｓ３は供給可能な状態、切替部Ｓ１と切替部Ｓ２はそれぞれ遮断された状態である。燃料電池１０から電力系統ＰＳへ変換器（第１変換部）４０を介して電力供給が可能であり、電力系統ＰＳから電解セル２０へ変換器（第２変換部）４５を介して電力供給が可能である。直流電力生成部２００と電解セル２０は切り離され、直流電力生成部２００から電力系統ＰＳへ電力供給が可能な状態である。

【0066】

ステップＳ２０１で、制御部９０は、電力需要Ｐを超えない範囲で燃料電池１０の目標負荷電流を決定する。制御部９０は、決定された目標負荷電流に応じた電力が出力されるように燃料電池１０を制御する。
ステップＳ２０２で、制御部９０は、水素需要Ｈから水素濃度計７０から推定される水素供給量を減算して乖離値ΔＨを算出する。
ステップＳ２０３で、制御部９０は、乖離値ΔＨが０より大きいかどうかを判断し、ＹＥＳであればステップＳ２０４で切替部Ｓ３を供給状態とし、ステップＳ２０５に処理を進める。制御部９０は、ステップＳ２０３の判断がＮＯであればステップＳ２０７に処理を進める。

【0067】

ステップＳ２０５で、制御部９０は、水素需要Ｈが水素供給量よりも多いため、電解セル２０が供給する水素量を増加させるよう、電解セル２０の消費電流値を増加させる。
ステップＳ２０６で、制御部９０は、電解セル２０の消費電流値の増加に見合う水蒸気を電解セル２０へ供給するため、水ラインＬ７へ供給される純水供給量を増加させる。その後、ステップＳ２１０に処理を進める。

【0068】

ステップＳ２０７で、制御部９０は、電解セル２０の消費電力が０より大きいかどうかを判定し、ＹＥＳであれば切替部Ｓ３を供給状態としてステップＳ２０８に処理を進め、ＮＯであればステップＳ２１０に処理を進める。
ステップＳ２０８で、制御部９０は、水素需要Ｈが水素供給量以下であり、かつ電解セル２０の消費電力が０より大きく水素を生成しているため、電解セル２０が供給する水素量を減少させるよう、電解セル２０の消費電流値を減少させる。

【0069】

ステップＳ２０９で、制御部９０は、電解セル２０の消費電流値の減少に見合う水蒸気を電解セル２０へ供給するため、水ラインＬ７へ供給される純水供給量を減少させる。その後、ステップＳ２１０に処理を進める。
ステップＳ２１０で、制御部９０は、燃料ガスラインＬ８の供給先で要求される水素需要Ｈを取得する。

【0070】

ステップＳ２１１で、制御部９０は、ステップＳ２０９で取得した水素需要Ｈが所定の水素閾値（ステップＳ１０５の所定の水素閾値と同じ値）を下回るかどうかを判定し、ＹＥＳであればステップＳ２１２でＳ３を遮断状態として本フローチャートの処理を終了させ、ＮＯであればステップＳ２０１を再び実行する。水素需要追従モードを終了した後は、図７のステップＳ１０７へ処理を進める。

【0071】

次に、図９を参照して、図７のステップＳ１０７で実行される高効率負荷追従運転モードについて説明する。図９は、図７の高効率負荷追従運転モードを示すフローチャートである。
なお、高効率負荷追従運転モードでは、切替部Ｓ１は供給可能な状態、切替部Ｓ２と切替部Ｓ３はそれぞれ遮断された状態である。燃料電池１０から電解セル２０へ変換器（第１変換部）４０と変換器（第２変換部）４５を介さずに電力供給が可能であり、直流電力生成部２００と電解セル２０は切り離され、直流電力生成部２００から電力系統ＰＳへ電力供給が可能な状態である。

【0072】

ステップＳ３０１で、制御部９０は、燃料電池１０を定格負荷で運転させ、発電室２１５の温度を一定とするように制御（負荷制御）する。
ステップＳ３０２で、制御部９０は、電力需要Ｐから、燃料電池システム１００の送電端出力（燃料電池システム１００から図１のＴ点に出力される電力）を減算した乖離値ΔＰを算出する。
ステップＳ３０３で、制御部９０は、燃料電池１０で生成される直流電力を電解セル２０へ供給する供給状態とするよう切替部Ｓ１を制御する。

【0073】

ステップＳ３０４で、制御部９０は、乖離値ΔＰが０より小さいかどうかを判断し、ＹＥＳであればステップＳ３０５に処理を進め、ＮＯであればステップＳ３０７に処理を進める。乖離値ΔＰが０より小さい場合とは、電力系統ＰＳの電力需要Ｐよりも燃料電池システム１００の送電端出力が大きい場合であり、電力需要Ｐを満たしており、余剰の電力を発生している状態である。

【0074】

ステップＳ３０５で、制御部９０は、乖離値ΔＰが０よりも小さく、電力需要Ｐに対して送電端出力に余剰があるため、余剰の送電端出力を消費させるよう、電解セル２０の消費電流値を増加させる。
ステップＳ３０６で、制御部９０は、電解セル２０の消費電流値の増加に見合う水蒸気を電解セル２０へ供給するため、水ラインＬ７へ供給される純水供給量を増加させる。

【0075】

ステップＳ３０７で、制御部９０は、乖離値ΔＰが０以上であり、電力需要Ｐに対して送電端出力に余剰がないため、送電端出力を増加させるよう、電解セル２０の消費電流値を減少させる。
ステップＳ３０８で、制御部９０は、電解セル２０の消費電流値の減少に見合う水蒸気を電解セル２０へ供給するため、水ラインＬ７へ供給される純水供給量を減少させる。

【0076】

ステップＳ３０９で、制御部９０は、電力系統ＰＳの電力需要Ｐを取得する。
ステップＳ３１０で、制御部９０は、直流電力生成部２００が生成する電力Ｅを取得する。
ステップＳ３１１で、制御部９０は、電力需要Ｐから電力Ｅを減算した値が所定の電力閾値を下回るかどうかを判定し、ＹＥＳであればステップＳ３１２に処理を進め、ＮＯであればステップＳ３０１へ処理を進める。
ステップＳ３１２で、制御部９０は、燃料電池１０で生成される直流電力を電解セル２０へ供給しない遮断状態とするよう切替部Ｓ１を制御し、本フローチャートの処理を終了させる。

【0077】

次に、図１０を参照して、図７のステップＳ１０８で実行される水蒸気電解運転モードについて説明する。図１０は、図７の水蒸気電解運転モードを示すフローチャートである。
なお、水蒸気電解運転モードでは、切替部Ｓ２は供給可能な状態、切替部Ｓ１と切替部Ｓ３はそれぞれ遮断された状態である。電気系統としては燃料電池１０と電解セル２０、直流電力生成部２００と電力系統ＰＳは切り離されている。

【0078】

ステップＳ４０１で、制御部９０は、電力需要Ｐを超えない範囲で燃料電池１０の目標負荷電流を決定する。制御部９０は、決定された目標負荷電流に応じた電力が出力されるように燃料電池１０を制御する。
ステップＳ４０２で、制御部９０は、直流電力生成部２００から電解セル２０へ電力が供給されるように、切替部Ｓ２を遮断状態から供給状態に切り替える。

【0079】

ステップＳ４０３で、制御部９０は、直流電力生成部２００から電解セル２０へ供給される電力に見合う水蒸気を電解セル２０へ供給するため、水ラインＬ７へ供給される純水供給量を調整する。
ステップＳ４０４で、制御部９０は、電力系統ＰＳの電力需要Ｐを取得する。
ステップＳ４０５で、制御部９０は、直流電力生成部２００が生成する電力Ｅを取得する。

【0080】

ステップＳ４０６で、制御部９０は、電力系統ＰＳの電力需要Ｐが直流電力生成部２００が生成する電力Ｅよりも大きいかどうかを判断し、ＹＥＳであればステップＳ４０７でＳ２を遮断状態とし本フローチャートの処理を終了させ、ＮＯであれステップＳ４０１を再び実行する。

【0081】

次に、各運転モードにおける燃料電池１０の負荷電流の変化と電力および発電室温度との関係について説明する。図１１は、高効率負荷追従運転モードにおける燃料電池１０の負荷電流値と燃料電池システム１００の送電端出力との関係を示すグラフである。図１２は、高効率負荷追従運転モードにおける燃料電池１０の負荷電流値と発電室温度との関係を示すグラフである。

【0082】

図１１に示すように、高効率負荷追従運転モードでは、燃料電池１０の負荷電流が、定格電流値Ｉｒ（燃料電池１０の定格負荷運転時の負荷電流）に到達するまでは、送電端出力がＰ２まで漸次増加する。これは、高効率負荷追従運転モードでは、定格電流値Ｉｒに到達するまでは、電解セル２０を動作させないため、電解セル２０による電力消費が発生しないためである。

【0083】

また、高効率負荷追従運転モードでは、燃料電池１０の負荷電流が、定格電流値Ｉｒから上限電流値Ｉｍａｘ（燃料電池１０の運転可能な最大負荷時の電流）に到達するまでは、送電端出力がＰ２からＰ１まで漸次減少する。これは、高効率負荷追従運転モードでは、定格電流値Ｉｒから上限電流値Ｉｍａｘまでは、電解セル２０の消費電力が漸次増加するためである。高効率負荷追従運転モードでは、送電端出力が電力系統の電力需要Ｐを満たすように制御される。

【0084】

図１２に示すように、高効率負荷追従運転モードでは、燃料電池１０の負荷電流が定格電流値Ｉｒに到達するまでは、発電室温度が定格温度Ｔｒ（定格負荷運転時の発電室温度）まで漸次増加する。これは、高効率負荷追従運転モードでは、定格電流値Ｉｒに到達するまでは、電解セル２０を動作させないため、電解セル２０による吸熱反応が発生しないためである。

【0085】

また、高効率負荷追従運転モードでは、燃料電池１０の負荷電流が定格電流値Ｉｒから上限電流値Ｉｍａｘに到達するまでは、発電室温度が定格温度Ｔｒで一定となる。これは、高効率負荷追従運転モードでは、発電室温度を一定とする制御を行うためである。

【0086】

図１３は、水蒸気電解運転モードおよび水素需要追従モードにおける燃料電池１０の負荷電流値と燃料電池システム１００の送電端出力との関係を示すグラフである。図１４は、高効率負荷追従運転モードおよび水素需要追従モードにおける燃料電池１０の負荷電流値と発電室温度との関係を示すグラフである。

【0087】

図１３に示すように、水蒸気電解運転モードおよび水素需要追従モードでは、燃料電池１０の負荷電流が定格電流値Ｉｒに到達するまでは、送電端出力が実線で示す上限値と点線で示す下限値との間の範囲で変動する。これは、水蒸気電解運転モードおよび水素需要追従モードでは、定格電流値Ｉｒに到達するまでは、電解セル２０による吸熱反応に伴い発電室温度が低下することで燃料電池１０の出力が低下するからである。

【0088】

図１４に示すように、水蒸気電解運転モードおよび水素需要追従モードでは、燃料電池１０の負荷電流が定格電流値Ｉｒに到達するまでは、発電室温度が実線で示す上限値と点線で示す下限値との間の範囲で変動する。これは、水蒸気電解運転モードおよび水素需要追従モードでは、定格電流値Ｉｒに到達するまでは、電解セル２０に供給される電力の変動が生じて吸熱反応による発電室温度の変動が生じるからである。

【0089】

次に、各運転モードにおける電力および発電室温度の時系列変化について説明する。図１５は、高効率負荷追従運転モードにおける電力および発電室温度の時系列変化を示すグラフである。図１６は、水蒸気電解運転モードにおける電力および発電室温度の時系列変化を示すグラフである。図１７は、水素需要追従モードにおける電力および発電室温度の時系列変化を示すグラフである。

【0090】

図１５に示すように、高効率負荷追従運転モードでは、電力系統ＰＳの電力需要がＰ４からＰ３に減少すると、それに追従して燃料電池システム１００から電力系統ＰＳへ出力される電力である送電端出力もＰ４からＰ３に減少する。同様に、電力需要がＰ３からＰ４に増加すると、それに追従して送電端出力もＰ３からＰ４に増加する。電力需要がＰ４からＰ３に減少する際には、燃料電池１０の余剰の電力を電解セル２０へ供給するため、燃料電池システム１００においてＰ６の電力が消費される。

【0091】

電解セル２０での吸熱反応により発電室温度が低下することを避けるため、燃料電池１０の出力電力をＰ４からＰ５に増加する。電解セル２０での消費電力量の増加分Ｐ６から燃料電池１０の出力電力の増加量Ｐ５－Ｐ４を減算したＰ６－Ｐ５＋Ｐ４が、送電端出力の減少量Ｐ４－Ｐ３と一致する。このようにして、発電室温度は時系列に変化しないように一定に維持される。

【0092】

図１６は、電力系統ＰＳの電力需要Ｐが一定である場合の水蒸気電解運転モードにおける電力および発電室温度の時系列変化を示している。図１６に示すように、水蒸気電解運転モードでは、直流電力生成部２００から電解セル２０へ供給される直流電力の変動に伴って、電解セル２０の消費電力が変動する。燃料電池１０は、負荷電流が一定となるように制御されるため、燃料電池１０の出力電力と発電室温度と送電端出力は、電解セル２０の消費電力が変動に伴う電解セル２０の吸熱反応の状態により変動する。

【0093】

図１７は、電力系統ＰＳの電力需要Ｐが一定である場合の水素需要追従モードにおける電力および発電室温度の時系列変化を示している。図１７に示すように、水素需要追従モードでは、水素需要Ｈの変動に伴って、電解セル２０の消費電力が変動する。燃料電池１０は、負荷電流が一定となるように制御されるため、燃料電池１０の出力電力と発電室温度と送電端出力は、電解セル２０の消費電力の変動に伴う電解セル２０の吸熱反応の状態により変動する。

【0094】

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１００が奏する作用および効果について説明する。
本実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料ガスＦＧと酸化性ガスとを反応させて発電を行う燃料電池１０と、水蒸気電解により水素を生成する電解セル２０とを備える。燃料電池１０で生成される直流電力は、変換器４０により交流電力に変換されて電力系統ＰＳへ出力される。電解セル２０の水蒸気電解に用いられる直流電力は、燃料電池１０から供給される。

【0095】

本実施形態の燃料電池システム１００によれば、電力系統ＰＳから要求される電力需要Ｐよりも燃料電池１０で生成された直流電力を変換した交流電力が大きい場合、制御部９０が、燃料電池１０で生成される直流電力を電解セル２０へ供給する供給状態とするよう切替部Ｓ１を制御する。このようにすることで、燃料電池１０が出力する電力を低下させる必要がないため、燃料電池１０の高い発電効率を維持することができる。また、燃料電池１０が生成する余剰の電力を電解セル２０の水蒸気電解に用いる電力として有効に活用することができる。また、燃料電池１０の発電電力の一部を変換器（第１変換部）４０と変換器（第２変換部）４５
を介さずに、切替部Ｓ１を介して電解セル２０へ供給するため、直交変換及び交直変換による電力損失がなく効率よく運用できる。

【0096】

また、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池１０の発電室２１５に電解セル２０の酸素極２１および水素極２２が配置されるため、燃料電池１０で発電する際に生じた熱を電解セル２０の酸素極２１および水素極２２を運転可能な温度に加熱するために用いることができる。そのため、燃料電池システム１００の熱効率を高めることができる。

【0097】

また、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、直流電力生成部２００で生成される直流電力が電力系統ＰＳの電力需要Ｐ以上である場合、制御部９０が、直流電力生成部２００で生成される直流電力を電解セル２０へ供給する供給状態とするよう切替部Ｓ２を制御する。このようにすることで、直流電力生成部２００が生成する余剰の電力を電解セル２０の水蒸気電解に用いる電力として有効に活用することができる。

【0098】

本実施形態の燃料電池システム１００によれば、電力系統ＰＳから供給される交流電力が、変換器４５により直流電力に変換されて電解セル２０へ出力されるため、電力系統ＰＳから供給される電力を用いて電解セル２０における水素の生成を促進することができる。

【0099】

以上説明した各実施形態に記載の燃料電池システムは例えば以下のように把握される。
本開示の第１態様に係る燃料電池システム（１００）は、空気極と燃料極とを有し、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記空気極に供給される酸化性ガスとを反応させて発電を行う燃料電池（１０）と、酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給される水蒸気を水蒸気電解して水素を生成する電解セル（２０）と、前記燃料電池で生成される直流電力を交流電力に変換して電力系統（ＰＳ）へ出力する第１変換部（４０）と、前記電力系統から要求される電力需要よりも前記燃料電池で生成された直流電力を変換した交流電力が大きい場合に、前記電解セルの消費電流値を増加するよう制御する制御部と、を備える。

【0100】

本開示の第１態様に係る燃料電池システムによれば、燃料ガスと酸化性ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、水蒸気電解により水素を生成する電解セルとを備える。燃料電池で生成される直流電力は、第１変換部により交流電力に変換されて電力系統へ出力される。電解セルの水蒸気電解に用いられる直流電力は、燃料電池から供給される。

【0101】

本開示の第１態様に係る燃料電池システムによれば、電力系統から要求される電力需要よりも燃料電池で生成された直流電力を変換した交流電力が大きい場合、制御部が、電解セルの消費電流値を増加するよう制御する。このようにすることで、燃料電池が出力する電力を低下させる必要がないため、燃料電池の発電効率を維持することができる。また、燃料電池が生成する余剰の電力を電解セルの水蒸気電解に用いる電力として有効に活用することができる。

【0102】

本開示の第２態様に係る燃料電池システムは、第１態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記燃料電池は、前記空気極および前記燃料極が配置される発電室（２１５）を備え、前記電解セルの前記酸素極および前記水素極は前記発電室に配置される。
本開示の第２態様に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の発電室に電解セルの酸素極および水素極が配置されるため、燃料電池で発電する際に生じた熱を電解セルの酸素極および水素極を運転可能な温度に加熱するために用いることができる。そのため、燃料電池システムの熱効率を高めることができる。

【0103】

本開示の第３態様に係る燃料電池システムは、第１態様または第２態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記燃料電池で生成される直流電力を前記電解セルへ供給する第１供給状態と、前記燃料電池で生成される直流電力を前記電解セルへ供給しない第１遮断状態とを切り替える第１切替部（Ｓ１）と、直流電力生成部で生成される直流電力を前記電解セルへ供給する第２供給状態と、前記直流電力生成部で生成される直流電力を前記電解セルへ供給しない第２遮断状態を切り替える第２切替部（Ｓ２）と、を備え、前記制御部は、前記電力系統から要求される電力需要よりも前記燃料電池で生成された直流電力を変換した交流電力が大きい場合に、前記第１供給状態とするよう前記第１切替部を制御し、前記直流電力生成部で生成される直流電力が前記電力系統の前記電力需要以上である場合に、前記第２供給状態とするよう前記第２切替部を制御する。

【0104】

本開示の第３態様に係る燃料電池システムによれば、電力系統から要求される電力需要よりも燃料電池で生成された直流電力を変換した交流電力が大きい場合、制御部が、燃料電池で生成される直流電力を電解セルへ供給する第１供給状態とするよう第１切替部を制御する。このようにすることで、燃料電池が出力する電力を低下させる必要がないため、燃料電池の発電効率を維持することができる。また、燃料電池が生成する余剰の電力を電解セルの水蒸気電解に用いる電力として有効に活用することができる。
また、直流電力生成部で生成される直流電力が電力系統の電力需要以上である場合、制御部が、直流電力生成部で生成される直流電力を電解セルへ供給する第２供給状態とするよう第２切替部を制御する。このようにすることで、直流電力生成部が生成する余剰の電力を電解セルの水蒸気電解に用いる電力として有効に活用することができる。

【0105】

本開示の第４態様に係る燃料電池システムは、第１態様または第２態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換して前記電解セルへ出力する第２変換部（４５）を備える。
本開示の第４態様に係る燃料電池システムによれば、電力系統から供給される交流電力が、第２変換部により直流電力に変換されて電解セルへ出力されるため、電力系統から供給される電力を用いて電解セルにおける水素の生成を促進することができる。

【0106】

本開示の第５態様に係る燃料電池システムの制御方法において、前記燃料電池システムは、空気極と燃料極とを有し、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記空気極に供給される酸化性ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、酸素極と水素極とを有し、前記水素極に供給される水蒸気を水蒸気電解して水素を生成する電解セルと、前記燃料電池で生成される直流電力を交流電力に変換して電力系統へ出力する第１変換部と、を有し、前記電力系統から要求される電力需要よりも前記燃料電池で生成された直流電力を変換した交流電力が大きい場合に、前記電解セルの消費電流値を増加するように制御する第１制御工程を備える。

【0107】

本開示の第５態様に係る燃料電池システムの制御方法によれば、燃料電池システムは、燃料ガスと酸化性ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、水蒸気電解により水素を生成する電解セルとを備える。燃料電池で生成される直流電力は、第１変換部により交流電力に変換されて電力系統へ出力される。電解セルの水蒸気電解に用いられる直流電力は、燃料電池から供給される。

【0108】

本開示の第５態様に係る燃料電池システムの制御方法によれば、電力系統から要求される電力需要よりも燃料電池で生成された直流電力を変換した交流電力が大きい場合、第１制御工程が、電解セルの消費電流値を増加するよう制御する。このようにすることで、燃料電池が出力する電力を低下させる必要がないため、燃料電池の発電効率を維持することができる。また、燃料電池が生成する余剰の電力を電解セルの水蒸気電解に用いる電力として有効に活用することができる。

【0109】

本開示の第６態様に係る燃料電池システムの制御方法は、第５態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記燃料電池は、前記空気極および前記燃料極が配置される発電室（２１５）を備え、前記電解セルの前記酸素極および前記水素極と前記発電室に配置される。
本開示の第６態様に係る燃料電池システムの制御方法によれば、燃料電池の発電室に電解セルの酸素極および水素極が配置されるため、燃料電池で発電する際に生じた熱を電解セルの酸素極および水素極を運転可能な温度に加熱するために用いることができる。そのため、燃料電池システムの熱効率を高めることができる。

【0110】

本開示の第７態様に係る燃料電池システムの制御方法は、第５態様または第６態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記燃料電池システムは、前記燃料電池で生成される直流電力を前記電解セルへ供給する第１供給状態と、前記燃料電池で生成される直流電力を前記電解セルへ供給しない第１遮断状態とを切り替える第１切替部と、直流電力生成部で生成される直流電力を前記電解セルへ供給する第２供給状態と、前記直流電力生成部で生成される直流電力を前記電解セルへ供給しない第２遮断状態を切り替える第２切替部と、を有し、前記第１制御工程は、前記電力系統から要求される電力需要よりも前記燃料電池で生成された直流電力を変換した交流電力が大きい場合に、前記第１供給状態とするよう前記第１切替部を制御し、前記直流電力生成部で生成される直流電力が前記電力系統の前記電力需要以下である場合に、前記第２供給状態とするよう前記第２切替部を制御する第２制御工程を備える。

【0111】

本開示の第７態様に係る燃料電池システムの制御方法によれば、電力系統から要求される電力需要よりも燃料電池で生成された直流電力を変換した交流電力が大きい場合、第１制御工程が、燃料電池で生成される直流電力を電解セルへ供給する第１供給状態とするよう第１切替部を制御する。このようにすることで、燃料電池が出力する電力を低下させる必要がないため、燃料電池の発電効率を維持することができる。また、燃料電池が生成する余剰の電力を電解セルの水蒸気電解に用いる電力として有効に活用することができる。
また、直流電力生成部で生成される直流電力が電力系統の電力需要以上である場合、第２制御工程が、直流電力生成部で生成される直流電力を電解セルへ供給する第２供給状態とするよう第２切替部を制御する。このようにすることで、直流電力生成部が生成する余剰の電力を電解セルの水蒸気電解に用いる電力として有効に活用することができる。

【0112】

本開示の第８態様に係る燃料電池システムの制御方法は、第５態様または第６態様において、更に以下の構成を備える。すなわち、前記燃料電池システムは、前記電力系統から供給される交流電力を直流電力に変換して前記電解セルへ出力する第２変換部を有する。
本開示の第８態様に係る燃料電池システムの制御方法によれば、電力系統から供給される交流電力が、第２変換部により直流電力に変換されて電解セルへ出力されるため、電力系統から供給される電力を用いて電解セルにおける水素の生成を促進することができる。

【符号の説明】

【0113】

１０ 燃料電池
１１ 空気極
１２ 燃料極
２０ 電解セル
２１ 酸素極
２２ 水素極
３０ 補助機器
４０ 変換器（第１変換部）
４５ 変換器（第２変換部）
５０ 再生熱交換器
６０ 冷却器
７０ 水素濃度計
８１，８２，８３ ブロワ
９０ 制御部
９１，９２ 開閉弁
９３，９４，９５，９６ 制御弁
１００ 燃料電池システム
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 第１電極
１１１ 固体電解質膜
１１３ 第２電極
１１５ リード膜
２００ 直流電力生成部
２０１ 電気化学セルモジュール
２０３ 電気化学セルカートリッジ
２１５ 発電室
Ｅ 電力
ＦＧ 燃料ガス
Ｈ 水素需要
Ｉｍａｘ 上限電流値
Ｉｒ 定格電流値
Ｐ 電力需要
ＰＳ 電力系統
Ｓ１ 切替部（第１切替部）
Ｓ２ 切替部（第２切替部）
Ｓ３ 切替部
Ｔｒ 定格温度
ΔＨ 乖離値
ΔＰ 乖離値

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】