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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-10-11
(45)【発行日】2022-10-19
(54)【発明の名称】熱電併給システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04858 20160101AFI20221012BHJP
H01M 8/043 20160101ALI20221012BHJP
H01M 8/02 20160101ALI20221012BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20221012BHJP
H01M 8/00 20160101ALI20221012BHJP
H01M 8/0432 20160101ALI20221012BHJP
H01M 8/04537 20160101ALI20221012BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20221012BHJP
H01M 8/04701 20160101ALI20221012BHJP
H01M 8/04014 20160101ALI20221012BHJP
H01M 8/0637 20160101ALI20221012BHJP
H01M 8/249 20160101ALI20221012BHJP
H01M 8/04664 20160101ALI20221012BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04858
H01M8/043
H01M8/02
H01M8/12 101
H01M8/00 Z
H01M8/0432
H01M8/04537
H01M8/04746
H01M8/04701
H01M8/04014
H01M8/0637
H01M8/249
H01M8/04664
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2018244166
(22)【出願日】2018-12-27
(65)【公開番号】P2020107454
(43)【公開日】2020-07-09
【審査請求日】2021-09-27
(73)【特許権者】
【識別番号】000003609
【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100110227
【弁理士】
【氏名又は名称】畠山 文夫
(72)【発明者】
【氏名】若杉 知寿
【審査官】山崎 孔徳
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－１９０６５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０７２２５１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／０４ － ８／０６６８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
以下の構成を備えた熱電併給システム。（１）前記熱電併給システムは、
少なくとも２個の内部改質型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と、
前記ＳＯＦＣのアノード流路に燃料を供給するための燃料供給装置と、
前記ＳＯＦＣのカソード流路に空気を供給するための空気供給装置と、
前記ＳＯＦＣのアノードオフガスからＣＯ2の全部又は一部を分離するためのＣＯ2分離器と、
前記アノードオフガスからＨ2Ｏの一部を分離するための第１Ｈ2Ｏ分離器と、
前記ＣＯ2及び前記Ｈ2Ｏが分離された後の前記アノードオフガスの全部又は一部を循環ガスとして前記アノード流路に戻すためのエジェクタと、
前記エジェクタに吸引されなかった前記アノードオフガス（非循環ガス）から、Ｈ2Ｏの全部又は一部を分離するための第２Ｈ2Ｏ分離器と、
助燃空気として前記ＳＯＦＣのカソードオフガスを用い、燃焼燃料として前記非循環ガスを用いて、前記燃焼燃料を燃焼させ、温熱量Ｑhを得る燃焼器と、
前記燃焼器の前記燃焼燃料の流入温度Ｔc,c,inを検出するための第１温度検出装置と、
前記燃焼器の前記助燃空気の流入温度Ｔc,air,inを検出するための第２温度検出装置と、
前記燃焼器の出口温度Ｔc,outを検出するための第３温度検出装置と、
前記ＳＯＦＣの作動温度Ｔsを検出するための第４温度検出装置と、
前記ＳＯＦＣの発電出力Ｗを検出するための出力検出装置と、
前記ＳＯＦＣの電流Ｉを検出するための電流検出装置と、
前記熱電併給システムの動作を制御する制御装置と
を備えている。
（２）前記制御装置は、出力制御手段を備え、
前記出力制御手段は、要求発電出力Ｗt及び要求温熱量Ｑh,t、並びに、検出された前記Ｔc,c,in、前記Ｔc,air,in、前記Ｔc,out、前記Ｔs、前記Ｗ、及び前記Ｉを用いて、燃料流量Ｖf、循環率Ｒ、助燃空気流量Ｖc,air、及びカソード空気流量Ｖcath,inを制御することにより、発電中の前記ＳＯＦＣの前記発電出力Ｗ及び前記燃焼器の前記温熱量Ｑhを、それぞれ、前記Ｗt及び前記Ｑh,tに維持するためのものからなる。
【請求項2】
前記カソード流路に供給される前記空気と前記カソードオフガスとの間で熱交換を行うための熱交換器をさらに備えている請求項１に記載の熱電併給システム。
【請求項3】
前記ＣＯ2分離器は、前記アノードオフガスに含まれる前記ＣＯ2の９５ｍｏｌ％以上を分離するものであり、前記第２Ｈ2Ｏ分離器は、前記非循環ガスに含まれる前記Ｈ2Ｏの９５ｍｏｌ％以上を分離するものである
請求項１又は２に記載の熱電併給システム。
【請求項4】
前記出力制御手段は、以下の手順を実行するための手段を備えている請求項１から３までのいずれか１項に記載の熱電併給システム。（Ａ）前記Ｔs及び前記Ｗを検出し、これらをメモリに記憶させる手順Ａ。
（Ｂ）前記メモリに記憶されているデータベースに基づいて、現在の作動条件に対応する前記ＳＯＦＣの発電効率η、及び前記非循環ガス中のＨ2／ＣＯ比を算出し、これらを前記メモリに記憶させる手順Ｂ。
（Ｃ）前記Ｔc,c,in、前記Ｔc,air,in、及び前記Ｔc,outを検出し、これらを前記メモリに記憶させる手順Ｃ。
（Ｄ）現在の作動条件に対応する燃焼熱量Ｑc及び前記Ｑhを算出し、これらを前記メモリに記憶させる手順Ｄ。
（Ｅ）前記手順Ｄで算出された前記Ｑcに対応する前記Ｖf、前記Ｒ、前記Ｖc,air、及び前記Ｖcath,inを算出し、これらを前記メモリに記憶させると同時に、作動条件をこれらに設定して前記熱電併給システムを作動させる手順Ｅ。
（Ｆ）前記Ｑh及び前記Ｑh,tから温熱偏差εh（＝Ｑh－Ｑh,t）を算出し、これを前記メモリに記憶させる手順Ｆ。
（Ｇ）前記εhの絶対値が第１しきい値以上である時には、前記Ｑcから前記εhを減算することにより前記Ｑcを補正し、補正後の前記Ｑcを新たな前記Ｑcとして前記メモリに記憶させる手順Ｇ。
（Ｈ）補正後の前記Ｑcに対応する前記Ｖf、前記Ｒ、前記Ｖc,air、及び前記Ｖcath,inを算出し、これらを前記メモリに記憶させると同時に、前記作動条件をこれらに設定して前記熱電併給システムを作動させる手順Ｈ。
（Ｉ）前記εhの絶対値が前記第１しきい値未満となるまで、前記手順Ａ～前記手順Ｈを繰り返す手順Ｉ。
（Ｊ）前記εhの絶対値が前記第１しきい値未満となった時は、前記Ｗ及び前記Ｗtから発電出力偏差εe（＝Ｗ－Ｗt）を算出し、これを前記メモリに記憶させる手順Ｊ。
（Ｋ）前記εeの絶対値が第２しきい値以上である時には、前記Ｖfから燃料偏差ΔＶf（＝εe／(η×ΔＨf)）（但し、ΔＨfは前記燃料の低位発熱量）を減算することにより前記Ｖfを補正し、補正後の前記Ｖfを新たな前記Ｖfとして前記メモリに記憶させる手順Ｋ。
（Ｌ）前記εeの絶対値が前記第２しきい値未満となるまで、前記手順Ａ～手順Ｋを繰り返す手順Ｌ。
（Ｍ）前記εeの絶対値が前記第２しきい値未満となったときは、前記メモリに記憶されている前記Ｖf、前記Ｒ、前記Ｖc,air、及び前記Ｖcath,inに基づいて前記熱電併給システムを作動させる手順Ｍ。
【請求項5】
以下の構成をさらに備えた請求項１から４までのいずれか１項に記載の熱電併給システム。（３）前記熱電併給システムは、
前記非循環ガスの供給経路を、前記燃焼器に直接供給する第１経路と、休止中の前記ＳＯＦＣの前記アノード流路を経由して前記燃焼器に供給する第２経路のいずれかに切り換える第１切替装置と、
前記ＳＯＦＣのアノードに含まれるＮｉの酸化量を検出する第１酸化量検出装置と
をさらに備えている。
（４）前記制御装置は、第１燃焼熱量補正手段をさらに備え、
前記第１燃焼燃料補正手段は、前記第１切替装置により前記供給経路を前記第２経路に切り替える際に、前記非循環ガスを供給しようとする前記ＳＯＦＣについて、前記第１酸化量検出装置を用いて検出された前記Ｎｉの酸化量を取得し、取得された前記Ｎｉの酸化量を用いて前記Ｑcを補正するものからなる。
【請求項6】
前記第１燃焼熱量補正手段は、以下の手順を実行するための手段を備えている請求項５に記載の熱電併給システム。（Ｎ）第１スタック切換信号（稼働中のｉ番目（１≦ｉ≦ｎ、ｎは前記ＳＯＦＣの総数）の前記ＳＯＦＣに対してアノードの還元処理を実行するよう指示する信号）が検出されたか否かを判断する手順Ｎ。
（Ｏ）前記第１スタック切替信号が検出された時には、前記第１酸化量検出装置を用いて検出されたｉ番目の前記ＳＯＦＣの前記Ｎｉの酸化量を取得し、これを前記メモリに記憶させる手順Ｏ。
（Ｐ）前記Ｎｉの酸化量から第１初期補正熱量εh1,iniを算出し、前記Ｑcに前記εh1,iniを加算することにより前記Ｑcを補正し、補正後の前記Ｑcを新たな前記Ｑcとしてメモリに記憶させる手順Ｐ。
（Ｑ）補正後の前記Ｑcを用いて、前記Ｖf、前記Ｒ、前記Ｖc,air、及び前記Ｖchath,inを算出し、これらを前記メモリに記憶させると同時に、前記作動条件をこれらに設定して前記熱電併給システムを作動させる手順Ｑ。
（Ｒ）ｉ番目の前記ＳＯＦＣを休止させ、前記Ｎｉの酸化量が第３しきい値未満となるまで、前記供給経路を前記第２経路に切り替える手順Ｒ。
（Ｓ）前記Ｎｉの酸化量が前記第３しきい値未満となった時は、前記供給経路を前記第１経路に切り換えた後、手順Ａに戻る手順Ｓ。
【請求項7】
以下の構成をさらに備えた請求項１から６までのいずれか１項に記載の熱電併給システム。（５）前記熱電併給システムは、
前記ＳＯＦＣの前記アノード流路及び／又は前記カソード流路に隣接して設けられた、レドックス材が充填されたレドックス流路と、
前記非循環ガスの供給経路を、前記燃焼器に直接供給する第１経路と、休止中の前記ＳＯＦＣの前記レドックス流路を経由して前記燃焼器に供給する第３経路のいずれかに切り換える第２切替装置と、
前記レドックス材の酸化量を検出する第２酸化量検出装置と
をさらに備えている。
（６）前記制御装置は、第２燃焼燃料補正手段をさらに備え、
前記第２燃焼燃料補正手段は、前記第２切替装置により前記供給経路を前記第３経路に切り替える際に、前記非循環ガスを供給しようとする前記ＳＯＦＣについて、前記第２酸化量検出装置を用いて検出された前記レドックス材の酸化量を取得し、取得された前記レドックス材の酸化量を用いて前記Ｑcを補正するものからなる。
【請求項8】
前記第２燃焼熱量補正手段は、以下の手順を実行するための手段を備えている請求項７に記載の熱電併給システム。（Ｎ’）第２スタック切換信号（稼働中のｉ番目（１≦ｉ≦ｎ、ｎは前記ＳＯＦＣの総数）の前記ＳＯＦＣに対して前記レドックス材の還元処理を実行するよう指示する信号）が検出されたか否かを判断する手順Ｎ’。
（Ｏ’）前記第２スタック切替信号が検出された時には、前記第２酸化量検出装置を用いて検出されたｉ番目の前記ＳＯＦＣの前記レドックス材の酸化量を取得し、これを前記メモリに記憶させる手順Ｏ’。
（Ｐ’）前記レドックス材の酸化量から第２初期補正熱量εh2,iniを算出し、前記Ｑcに前記εh2,iniを加算することにより前記Ｑcを補正し、補正後の前記Ｑcを新たな前記Ｑcとしてメモリに記憶させる手順Ｐ’。
（Ｑ’）補正後の前記Ｑcを用いて、前記Ｖf、前記Ｒ、前記Ｖc,air、及び前記Ｖchath,inを算出し、これらを前記メモリに記憶させると同時に、前記作動条件をこれらに設定して前記熱電併給システムを作動させる手順Ｑ’。
（Ｒ’）ｉ番目の前記ＳＯＦＣを休止させ、前記レドックス材の酸化量が第４しきい値未満となるまで、前記供給経路を前記第３経路に切り替える手順Ｒ’。
（Ｓ’）前記レドックス材の酸化量が前記第４しきい値未満となった時は、前記供給経路を前記第１経路に切り換えた後、手順Ａに戻る手順Ｓ’。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱電併給システムに関し、さらに詳しくは、固体酸化物形燃料電池で発電を行うことにより電力を供給すると同時に、固体酸化物形燃料電池のアノードオフガスに含まれる未反応燃料を燃焼器で燃焼させることにより温熱を供給することが可能な熱電併給システムに関する。
【背景技術】
【0002】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質として酸化物イオン伝導体を用いた燃料電池である。ＳＯＦＣのアノードに、Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4などの燃料ガスを供給し、カソードにＯ2を供給すると、電極反応が進行し、電力を取り出すことができる。電極反応により生成したＣＯ2やＨ2Ｏは、通常、ＳＯＦＣ外に排出される。
【0003】
ＳＯＦＣは、作動温度が高いため、Ｈ2だけでなく、ＣＯや炭化水素も燃料として使用することができる。しかし、ＳＯＦＣに炭化水素を供給して発電を行うと、電極表面への炭素の析出及びこれによる電極性能の低下が起きやすい。そのため、ＳＯＦＣにおいて炭化水素を燃料として用いる時には、通常、燃料の水蒸気改質が行われる。
燃料の水蒸気改質を行うためには、改質器（又は、直接内部改質形ＳＯＦＣの場合には、アノードに含まれる改質触媒）に水を供給する必要がある。また、改質反応は吸熱反応であるため、改質反応を継続させるためには外部から改質器に熱を供給する必要がある。
燃料の水蒸気改質を行うためには、改質器（又は、直接内部改質形ＳＯＦＣの場合には、アノードに含まれる改質触媒）に水を供給する必要がある。また、改質反応は吸熱反応であるため、改質反応を継続させるためには外部から改質器に熱を供給する必要がある。
【0004】
一方、ＳＯＦＣのアノードオフガスには、電極反応により生成した水蒸気が含まれている。さらに、アノードオフガスには、通常、未反応の燃料が含まれる。この水蒸気を改質反応に再利用し、かつ、未反応の燃料を発電に再利用すれば、システム全体のエネルギー効率を向上させることができる。
そのため、炭化水素を燃料とするＳＯＦＣシステムにおいては、アノードオフガスの全部又は一部をアノード流路に戻す方法（すなわち、アノードオフガス循環方式）が採用される場合がある。しかしながら、単にアノードオフガスを循環させるだけでは、次第に循環ガス中に含まれるＣＯ2やＨ2Ｏの濃度が増大し、かえってエネルギー効率が低下する。
そのため、炭化水素を燃料とするＳＯＦＣシステムにおいては、アノードオフガスの全部又は一部をアノード流路に戻す方法（すなわち、アノードオフガス循環方式）が採用される場合がある。しかしながら、単にアノードオフガスを循環させるだけでは、次第に循環ガス中に含まれるＣＯ2やＨ2Ｏの濃度が増大し、かえってエネルギー効率が低下する。
【0005】
そこでこの問題を解決するために、従来から種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、燃料電池本体で発電後の燃料排ガスの一部を、再生熱交換器、凝縮器を経由して、燃料電池アノード入口へ再循環させる固体電解質型燃料電池発電システムが開示されている。
同文献には、
（ａ）燃料排ガスは、再生熱交換器において凝縮器通過後の低温のリサイクルガスとの熱交換により冷却され、さらに凝縮器内で冷却されるので、燃料排ガスから余分な水蒸気を凝縮分離することができる点、及び、
（ｂ）これによって、リサイクルガス（燃料排ガスから余分な水蒸気を分離した後に残るガス）中の水蒸気分圧を低く保つことができる点
が記載されている。
例えば、特許文献１には、燃料電池本体で発電後の燃料排ガスの一部を、再生熱交換器、凝縮器を経由して、燃料電池アノード入口へ再循環させる固体電解質型燃料電池発電システムが開示されている。
同文献には、
（ａ）燃料排ガスは、再生熱交換器において凝縮器通過後の低温のリサイクルガスとの熱交換により冷却され、さらに凝縮器内で冷却されるので、燃料排ガスから余分な水蒸気を凝縮分離することができる点、及び、
（ｂ）これによって、リサイクルガス（燃料排ガスから余分な水蒸気を分離した後に残るガス）中の水蒸気分圧を低く保つことができる点
が記載されている。
【0006】
ＳＯＦＣのアノードオフガスには、通常、未反応の燃料が含まれている。この未反応の燃料を燃焼器において燃焼させ、燃焼器と熱交換媒体（例えば、水）との間で熱交換させると、発電に利用されなかったエネルギーの一部を温熱（例えば、蒸気や温水）として利用することが可能となる。ＳＯＦＣは、作動温度が高いため、得られる温熱の温度も高い。そのため、ＳＯＦＣは、熱電併給システムに用られる発電装置として好適である。
しかし、このような熱電併給システムにおいて、要求発電出力及び要求温熱量は常に一定とは限らない。そのため、いずれか一方の要求に合わせてシステムを制御すると、他方に過不足が生じるという問題がある。
しかし、このような熱電併給システムにおいて、要求発電出力及び要求温熱量は常に一定とは限らない。そのため、いずれか一方の要求に合わせてシステムを制御すると、他方に過不足が生じるという問題がある。
【0007】
また、ＳＯＦＣのアノードには、一般に、Ｎｉサーメットが用いられている。ＳＯＦＣを継続して作動させると、Ｎｉサーメットが徐々に酸化し、発電性能が低下する。そのため、Ｎｉサーメットの酸化がある程度進行した時には、Ｎｉサーメットの還元処理を行う必要がある。
【0008】
この場合、アノードオフガスを用いてＮｉサーメットを還元することも考えられる。しかしながら、アノードオフガス循環を行う熱電併給システムにおいてアノードオフガスを用いてＮｉサーメットを還元すると、燃焼器に供給されるガス（非循環ガス）中の還元ガスの量が減少する。その結果、実際の発電出力及び／又は温熱量が要求発電出力及び／又は要求温熱量から乖離しやすいという問題がある。さらに、ＳＯＦＣを備えた熱電併給システムにおいて、要求発電出力及び要求温熱量に影響を与えることなく、酸化劣化したアノードを再生させるための方法が提案された例は、従来にはない。
【0009】
同様に、ＳＯＦＣは、定常運転時には、発電時の自己発熱によって適正な作動温度に維持することができる。しかし、始動時には、外部熱源を用いてＳＯＦＣを適正な作動温度まで昇温させる必要がある。この問題を解決するために、可逆的に酸化・還元反応を行うことが可能な材料（レドックス材）をＳＯＦＣのアノード流路及び／又はカソード流路に隣接して設置し、レドックス材の酸化反応熱を用いてＳＯＦＣを昇温させる方法が知られている。このようなシステムにおいて、レドックス材を始動時におけるＳＯＦＣの加熱に繰り返し使用するためには、酸化したレドックス材の還元処理を行う必要がある。
【0010】
この場合、アノードオフガスを用いてレドックス材を還元することも考えられる。しかしながら、アノードオフガス循環を行う熱電併給システムにおいてアノードオフガスを用いてレドックス材を還元すると、非循環ガス中の還元ガスの量が減少する。その結果、実際の発電出力及び／又は温熱量が要求発電出力及び／又は要求温熱量から乖離しやすいという問題がある。さらに、ＳＯＦＣ及びレドックス材を備えた熱電併給システムにおいて、要求発電出力及び要求温熱量に影響を与えることなく、酸化したレドックス材を再生させるための方法が提案された例は、従来にはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【文献】特開平１１－２３３１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明が解決しようとする課題は、要求発電出力及び／又は要求温熱量が変動した場合、あるいは、外乱が発生した場合であっても、エネルギー効率を低下させることなく、実際の発電出力及び温熱量を、それぞれ、要求発電出力及び要求温熱量に維持することが可能な熱電併給システムを提供することにある。
【0013】
また、本発明が解決しようとする他の課題は、実際の発電出力及び温熱量を、それぞれ、要求発電出力及び要求温熱量に維持したまま、非循環ガスを用いて酸化したアノードを再生することが可能な熱電併給システムを提供することにある。
【0014】
さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、始動時にＳＯＦＣを加熱するためのレドックス材を備えた熱電併給システムにおいて、実際の発電出力及び温熱量を、それぞれ、要求発電出力及び要求温熱量に維持に維持したまま、非循環ガスを用いて酸化したレドックス材を再生することが可能な熱電併給システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0015】
上記課題を解決するために本発明に係る熱電併給システムは、以下の構成を備えていることを要旨とする。
（１）前記熱電併給システムは、
少なくとも２個の内部改質型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と、
前記ＳＯＦＣのアノード流路に燃料を供給するための燃料供給装置と、
前記ＳＯＦＣのカソード流路に空気を供給するための空気供給装置と、
前記ＳＯＦＣのアノードオフガスからＣＯ2の全部又は一部を分離するためのＣＯ2分離器と、
前記アノードオフガスからＨ2Ｏの一部を分離するための第１Ｈ2Ｏ分離器と、
前記ＣＯ2及び前記Ｈ2Ｏが分離された後の前記アノードオフガスの全部又は一部を循環ガスとして前記アノード流路に戻すためのエジェクタと、
前記エジェクタに吸引されなかった前記アノードオフガス（非循環ガス）から、Ｈ2Ｏの全部又は一部を分離するための第２Ｈ2Ｏ分離器と、
助燃空気として前記ＳＯＦＣのカソードオフガスを用い、燃焼燃料として前記非循環ガスを用いて、前記燃焼燃料を燃焼させ、温熱量Ｑhを得る燃焼器と、
前記燃焼器の前記燃焼燃料の流入温度Ｔc,c,inを検出するための第１温度検出装置と、
前記燃焼器の前記助燃空気の流入温度Ｔc,air,inを検出するための第２温度検出装置と、
前記燃焼器の出口温度Ｔc,outを検出するための第３温度検出装置と、
前記ＳＯＦＣの作動温度Ｔsを検出するための第４温度検出装置と、
前記ＳＯＦＣの発電出力Ｗを検出するための出力検出装置と、
前記ＳＯＦＣの電流Ｉを検出するための電流検出装置と、
前記熱電併給システムの動作を制御する制御装置と
を備えている。
（２）前記制御装置は、出力制御手段を備え、
前記出力制御手段は、要求発電出力Ｗt及び要求温熱量Ｑh,t、並びに、検出された前記Ｔc,c,in、前記Ｔc,air,in、前記Ｔc,out、前記Ｔs、前記Ｗ、及び前記Ｉを用いて、燃料流量Ｖf、循環率Ｒ、助燃空気流量Ｖc,air、及びカソード空気流量Ｖcath,inを制御することにより、発電中の前記ＳＯＦＣの前記発電出力Ｗ及び前記燃焼器の前記温熱量Ｑhを、それぞれ、前記Ｗt及び前記Ｑh,tに維持するためのものからなる。
（１）前記熱電併給システムは、
少なくとも２個の内部改質型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）と、
前記ＳＯＦＣのアノード流路に燃料を供給するための燃料供給装置と、
前記ＳＯＦＣのカソード流路に空気を供給するための空気供給装置と、
前記ＳＯＦＣのアノードオフガスからＣＯ2の全部又は一部を分離するためのＣＯ2分離器と、
前記アノードオフガスからＨ2Ｏの一部を分離するための第１Ｈ2Ｏ分離器と、
前記ＣＯ2及び前記Ｈ2Ｏが分離された後の前記アノードオフガスの全部又は一部を循環ガスとして前記アノード流路に戻すためのエジェクタと、
前記エジェクタに吸引されなかった前記アノードオフガス（非循環ガス）から、Ｈ2Ｏの全部又は一部を分離するための第２Ｈ2Ｏ分離器と、
助燃空気として前記ＳＯＦＣのカソードオフガスを用い、燃焼燃料として前記非循環ガスを用いて、前記燃焼燃料を燃焼させ、温熱量Ｑhを得る燃焼器と、
前記燃焼器の前記燃焼燃料の流入温度Ｔc,c,inを検出するための第１温度検出装置と、
前記燃焼器の前記助燃空気の流入温度Ｔc,air,inを検出するための第２温度検出装置と、
前記燃焼器の出口温度Ｔc,outを検出するための第３温度検出装置と、
前記ＳＯＦＣの作動温度Ｔsを検出するための第４温度検出装置と、
前記ＳＯＦＣの発電出力Ｗを検出するための出力検出装置と、
前記ＳＯＦＣの電流Ｉを検出するための電流検出装置と、
前記熱電併給システムの動作を制御する制御装置と
を備えている。
（２）前記制御装置は、出力制御手段を備え、
前記出力制御手段は、要求発電出力Ｗt及び要求温熱量Ｑh,t、並びに、検出された前記Ｔc,c,in、前記Ｔc,air,in、前記Ｔc,out、前記Ｔs、前記Ｗ、及び前記Ｉを用いて、燃料流量Ｖf、循環率Ｒ、助燃空気流量Ｖc,air、及びカソード空気流量Ｖcath,inを制御することにより、発電中の前記ＳＯＦＣの前記発電出力Ｗ及び前記燃焼器の前記温熱量Ｑhを、それぞれ、前記Ｗt及び前記Ｑh,tに維持するためのものからなる。
【0016】
熱電併給システムは、以下の構成をさらに備えているものが好ましい。
（３）前記熱電併給システムは、
前記非循環ガスの供給経路を、前記燃焼器に直接供給する第１経路と、休止中の前記ＳＯＦＣの前記アノード流路を経由して前記燃焼器に供給する第２経路のいずれかに切り換える第１切替装置と、
前記ＳＯＦＣのアノードに含まれるＮｉの酸化量を検出する第１酸化量検出装置と
をさらに備えている。
（４）前記制御装置は、第１燃焼熱量補正手段をさらに備え、
前記第１燃焼燃料補正手段は、前記第１切替装置により前記供給経路を前記第２経路に切り替える際に、前記非循環ガスを供給しようとする前記ＳＯＦＣについて、前記第１酸化量検出装置を用いて検出された前記Ｎｉの酸化量を取得し、取得された前記Ｎｉの酸化量を用いて前記Ｑcを補正するものからなる。
（３）前記熱電併給システムは、
前記非循環ガスの供給経路を、前記燃焼器に直接供給する第１経路と、休止中の前記ＳＯＦＣの前記アノード流路を経由して前記燃焼器に供給する第２経路のいずれかに切り換える第１切替装置と、
前記ＳＯＦＣのアノードに含まれるＮｉの酸化量を検出する第１酸化量検出装置と
をさらに備えている。
（４）前記制御装置は、第１燃焼熱量補正手段をさらに備え、
前記第１燃焼燃料補正手段は、前記第１切替装置により前記供給経路を前記第２経路に切り替える際に、前記非循環ガスを供給しようとする前記ＳＯＦＣについて、前記第１酸化量検出装置を用いて検出された前記Ｎｉの酸化量を取得し、取得された前記Ｎｉの酸化量を用いて前記Ｑcを補正するものからなる。
【0017】
さらに、熱電併給システムは、以下の構成をさらに備えているものが好ましい。
（５）前記熱電併給システムは、
前記ＳＯＦＣの前記アノード流路及び／又は前記カソード流路に隣接して設けられた、レドックス材が充填されたレドックス流路と、
前記非循環ガスの供給経路を、前記燃焼器に直接供給する第１経路と、休止中の前記ＳＯＦＣの前記レドックス流路を経由して前記燃焼器に供給する第３経路のいずれかに切り換える第２切替装置と、
前記レドックス材の酸化量を検出する第２酸化量検出装置と
をさらに備えている。
（６）前記制御装置は、第２燃焼燃料補正手段をさらに備え、
前記第２燃焼燃料補正手段は、前記第２切替装置により前記供給経路を前記第３経路に切り替える際に、前記非循環ガスを供給しようとする前記ＳＯＦＣについて、前記第２酸化量検出装置を用いて検出された前記レドックス材の酸化量を取得し、取得された前記レドックス材の酸化量を用いて前記Ｑcを補正するものからなる。
（５）前記熱電併給システムは、
前記ＳＯＦＣの前記アノード流路及び／又は前記カソード流路に隣接して設けられた、レドックス材が充填されたレドックス流路と、
前記非循環ガスの供給経路を、前記燃焼器に直接供給する第１経路と、休止中の前記ＳＯＦＣの前記レドックス流路を経由して前記燃焼器に供給する第３経路のいずれかに切り換える第２切替装置と、
前記レドックス材の酸化量を検出する第２酸化量検出装置と
をさらに備えている。
（６）前記制御装置は、第２燃焼燃料補正手段をさらに備え、
前記第２燃焼燃料補正手段は、前記第２切替装置により前記供給経路を前記第３経路に切り替える際に、前記非循環ガスを供給しようとする前記ＳＯＦＣについて、前記第２酸化量検出装置を用いて検出された前記レドックス材の酸化量を取得し、取得された前記レドックス材の酸化量を用いて前記Ｑcを補正するものからなる。
【発明の効果】
【0018】
所定の循環率Ｒでアノードオフガス循環を行い、発電に再利用されなかったアノードオフガス（非循環ガス）を燃焼器で燃焼させる場合において、燃焼器の燃焼燃料の流入温度Ｔc,c,in、燃焼器の助燃空気の流入温度Ｔc,air,in、及び燃焼器の出口温度Ｔc,outが分かると、燃焼器内での燃焼熱量Ｑcを推定することができる。
また、ＳＯＦＣの作動温度Ｔsが分かると、ＳＯＦＣの構造及びＴsで決まる各種のパラメータであって、燃焼熱量Ｑc及び温熱量Ｑhの算出に必要なもの（例えば、ＳＯＦＣの発電効率η、非循環ガス中のＨ2／ＣＯ比など）を推定することができる。
そのため、これらの４つの温度を検出し、所定の演算を行うと、要求発電出力Ｗt及び要求温熱量Ｑh,tを賄うために必要な燃料流量Ｖf、循環率Ｒ、助燃空気流量Ｖc,air、及び、カソード空気流量Ｖcath,inを求めることができる。
また、ＳＯＦＣの作動温度Ｔsが分かると、ＳＯＦＣの構造及びＴsで決まる各種のパラメータであって、燃焼熱量Ｑc及び温熱量Ｑhの算出に必要なもの（例えば、ＳＯＦＣの発電効率η、非循環ガス中のＨ2／ＣＯ比など）を推定することができる。
そのため、これらの４つの温度を検出し、所定の演算を行うと、要求発電出力Ｗt及び要求温熱量Ｑh,tを賄うために必要な燃料流量Ｖf、循環率Ｒ、助燃空気流量Ｖc,air、及び、カソード空気流量Ｖcath,inを求めることができる。
【0019】
また、非循環ガスを用いてアノードの再生を行う場合において、ＳＯＦＣの構造とアノードに含まれるＮｉの酸化量が分かると、酸化したアノードの還元に消費される還元ガスの量を推定することができる。また、非循環ガス中の還元ガスの減少量が分かると、燃焼器における燃焼熱量Ｑcの減少量を推定することができる。
そのため、必要なＱcが確保されるように、Ｖf、Ｒ、Ｖc,air、及びＶchath,inを補正すると、非循環ガスを用いてアノードの再生処理を行う場合であっても、Ｗ及びＱhを、それぞれ、Ｗt及びＱh,tに維持することができる。
そのため、必要なＱcが確保されるように、Ｖf、Ｒ、Ｖc,air、及びＶchath,inを補正すると、非循環ガスを用いてアノードの再生処理を行う場合であっても、Ｗ及びＱhを、それぞれ、Ｗt及びＱh,tに維持することができる。
【0020】
同様に、非循環ガスを用いてレドックス材の再生を行う場合において、ＳＯＦＣの構造とレドックス材の酸化量が分かると、酸化したレドックス材の還元に消費される還元ガスの量を推定することができる。また、非循環ガス中の還元ガスの減少量が分かると、燃焼器における燃焼熱量Ｑcの減少量を推定することができる。
そのため、必要なＱcが確保されるように、Ｖf、Ｒ、Ｖc,air、及びＶchath,inを補正すると、非循環ガスを用いてレドックス材の還元処理を行う場合であっても、Ｗ及びＱhを、それぞれ、Ｗt及びＱh,tに維持することができる。
そのため、必要なＱcが確保されるように、Ｖf、Ｒ、Ｖc,air、及びＶchath,inを補正すると、非循環ガスを用いてレドックス材の還元処理を行う場合であっても、Ｗ及びＱhを、それぞれ、Ｗt及びＱh,tに維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明の第１の実施の形態に係る熱電併給システムの模式図である。
【図2】熱電併給システムのエネルギー収支の模式図である。
【図3】循環率ＲとＨ2／ＣＯ比との関係の一例を示す図である。
【図4】燃料利用率ＵfとＨ2／ＣＯ比との関係の一例を示す図である。
【図5】作動温度ＴsとＨ2／ＣＯ比との関係の一例を示す図である。
【0022】
【図6】燃焼器の温度差（Ｔc,out－Ｔc,in）と燃焼熱量Ｑcとの関係の一例を示す図である。
【図7】循環率Ｒと発電効率ηとの関係の一例を示す図である。
【図8】燃料利用率Ｕfと発電効率ηとの関係の一例を示す図である。
【図9】循環率Ｒと分離器１からの放熱量Ｑex1との関係の一例を示す図である。
【図10】燃料利用率Ｕfと分離器１からの放熱量Ｑex1との関係の一例を示す図である。
【0023】
【図11】循環率Ｒと分離器２からの放熱量Ｑex2との関係の一例を示す図である。
【図12】燃料利用率Ｕfと分離器２からの放熱量Ｑex2との関係の一例を示す図である。
【図13】出力制御手段を備えた制御プログラムのフロー図である。
【図15】可動ノズルを備えたエジェクタの断面模式図である。
【0024】
【図16】可動ニードルを備えたエジェクタの断面模式図である。
【図17】ＣＯ2分離型アノードオフガス循環（ＡＧＲ）システムのエネルギー循環の模式図である。
【図18】循環率Ｒと出力との関係を示す図である。
【図19】循環率Ｒと効率との関係を示す図である。
【図20】本発明の第２の実施の形態に係る熱電併給システムの模式図である。
【0025】
【0026】
【図25】本発明の第３の実施の形態に係る熱電併給システムの模式図である。
【図26】熱流束計の両端の検出温度差ΔＴと第２初期補正熱量εh2,ini及びレドックス材の推定酸化反応率との関係を示す図である。
【図27】本発明の第４の実施の形態に係る熱電併給システムの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
以下に、本発明の一実施の形態について詳細に説明する。
［１． 熱電併給システム（１）］
［１．１． 構成］
図１に、本発明の第１の実施の形態に係る熱電併給システムの模式図を示す。図１において、熱電併給システム１０ａは、
少なくとも２個の内部改質型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）２０ａ、２０ｂと、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂに燃料を供給するための燃料供給装置３２と、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのカソード流路２４ａ、２４ｂに空気を供給するための空気供給装置（図示せず）と、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノードオフガスからＣＯ2の全部又は一部を分離するためのＣＯ2分離器３４と、
アノードオフガスからＨ2Ｏの一部を分離するための第１Ｈ2Ｏ分離器３６と、
ＣＯ2及びＨ2Ｏが分離された後のアノードオフガスの全部又は一部を循環ガスとしてアノード流路２２ａ、２２ｂに戻すためのエジェクタ３８と、
エジェクタ３８に吸引されなかったアノードオフガス（非循環ガス）から、Ｈ2Ｏの全部又は一部を分離するための第２Ｈ2Ｏ分離器４０と、
助燃空気としてＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのカソードオフガスを用い、燃焼燃料として非循環ガスを用いて、燃焼燃料を燃焼させ、温熱量Ｑhを得る燃焼器４２と、
燃焼器４２の燃焼燃料の流入温度Ｔc,c,inを検出するための第１温度検出装置４６と、
燃焼器４２の助燃空気の流入温度Ｔc,air,inを検出するための第２温度検出装置４８と、
燃焼器４２の出口温度Ｔc,outを検出するための第３温度検出装置５０と、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの作動温度Ｔsを検出するための第４温度検出装置（図示せず）と、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの発電出力Ｗを検出するための出力検出装置（図示せず）と、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの電流Ｉを検出するための電流検出装置（図示せず）と、
熱電併給システム１０ａの動作を制御する制御装置５２と
を備えている。
熱電併給システム１０ａは、カソード流路２４ａ、２４ｂに供給される空気とカソードオフガスとの間で熱交換を行うための熱交換器４４をさらに備えていても良い。
［１． 熱電併給システム（１）］
［１．１． 構成］
図１に、本発明の第１の実施の形態に係る熱電併給システムの模式図を示す。図１において、熱電併給システム１０ａは、
少なくとも２個の内部改質型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）２０ａ、２０ｂと、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂに燃料を供給するための燃料供給装置３２と、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのカソード流路２４ａ、２４ｂに空気を供給するための空気供給装置（図示せず）と、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノードオフガスからＣＯ2の全部又は一部を分離するためのＣＯ2分離器３４と、
アノードオフガスからＨ2Ｏの一部を分離するための第１Ｈ2Ｏ分離器３６と、
ＣＯ2及びＨ2Ｏが分離された後のアノードオフガスの全部又は一部を循環ガスとしてアノード流路２２ａ、２２ｂに戻すためのエジェクタ３８と、
エジェクタ３８に吸引されなかったアノードオフガス（非循環ガス）から、Ｈ2Ｏの全部又は一部を分離するための第２Ｈ2Ｏ分離器４０と、
助燃空気としてＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのカソードオフガスを用い、燃焼燃料として非循環ガスを用いて、燃焼燃料を燃焼させ、温熱量Ｑhを得る燃焼器４２と、
燃焼器４２の燃焼燃料の流入温度Ｔc,c,inを検出するための第１温度検出装置４６と、
燃焼器４２の助燃空気の流入温度Ｔc,air,inを検出するための第２温度検出装置４８と、
燃焼器４２の出口温度Ｔc,outを検出するための第３温度検出装置５０と、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの作動温度Ｔsを検出するための第４温度検出装置（図示せず）と、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの発電出力Ｗを検出するための出力検出装置（図示せず）と、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの電流Ｉを検出するための電流検出装置（図示せず）と、
熱電併給システム１０ａの動作を制御する制御装置５２と
を備えている。
熱電併給システム１０ａは、カソード流路２４ａ、２４ｂに供給される空気とカソードオフガスとの間で熱交換を行うための熱交換器４４をさらに備えていても良い。
【0028】
［１．１．１． ＳＯＦＣ］
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂは、内部改質型の固体酸化物形燃料電池からなる。ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂは、改質器が内蔵された間接内部改質型ＳＯＦＣであっても良く、あるいは、アノードに用いられるＮｉを触媒として改質を行う直接内部改質型ＳＯＦＣであっても良い。
なお、図１に示す例において、合計２個のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂが記載されているが、これは単なる例示であり、ＳＯＦＣの個数（ｎ）は３個以上であっても良い。ＳＯＦＣが十分な定格出力を持つ場合、作動用のＳＯＦＣと休止用のＳＯＦＣの少なくとも２個のＳＯＦＣがあれば、後述する制御を行うことができる。
また、ＳＯＦＣが３個以上である場合であっても、作動させるスタックを順番に変更することにより、後述する制御を行うこともできる。さらに、ＳＯＦＣが３個以上ある場合において、後述する還元処理を行う時には、各スタック毎に作動→還元→休止の各モードを周期的に変更することもできる。
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂは、内部改質型の固体酸化物形燃料電池からなる。ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂは、改質器が内蔵された間接内部改質型ＳＯＦＣであっても良く、あるいは、アノードに用いられるＮｉを触媒として改質を行う直接内部改質型ＳＯＦＣであっても良い。
なお、図１に示す例において、合計２個のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂが記載されているが、これは単なる例示であり、ＳＯＦＣの個数（ｎ）は３個以上であっても良い。ＳＯＦＣが十分な定格出力を持つ場合、作動用のＳＯＦＣと休止用のＳＯＦＣの少なくとも２個のＳＯＦＣがあれば、後述する制御を行うことができる。
また、ＳＯＦＣが３個以上である場合であっても、作動させるスタックを順番に変更することにより、後述する制御を行うこともできる。さらに、ＳＯＦＣが３個以上ある場合において、後述する還元処理を行う時には、各スタック毎に作動→還元→休止の各モードを周期的に変更することもできる。
【0029】
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂの入口は、それぞれ、第１三方弁Ｖ１を介して、エジェクタ３８の出口に接続されている。第１三方弁Ｖ１は、エジェクタ３８から排出される燃料ガス及び循環ガスの混合ガスを稼働中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂに供給するためのものである。ここで、「循環ガス」とは、アノードオフガスの内、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂに戻されるガスをいう。
また、アノード流路２２ａ、２２ｂの出口は、それぞれ、第２三方弁Ｖ２を介して、ＣＯ2分離器３４のフィード流路の入口に接続されている。第２三方弁Ｖ２は、稼働中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂから排出されるアノードオフガスをＣＯ2分離器３４のフィード流路に供給するためのものである。
また、アノード流路２２ａ、２２ｂの出口は、それぞれ、第２三方弁Ｖ２を介して、ＣＯ2分離器３４のフィード流路の入口に接続されている。第２三方弁Ｖ２は、稼働中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂから排出されるアノードオフガスをＣＯ2分離器３４のフィード流路に供給するためのものである。
【0030】
Ｖ１とは別に、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂの入口は、それぞれ、第３三方弁Ｖ３を介して、第２Ｈ2Ｏ分離器４０のフィード流路の出口に接続されている。第３三方弁Ｖ３は、第２Ｈ2Ｏ分離器４０から排出される非循環ガスを休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂに供給するためのものである。ここで、「非循環ガス」とは、アノードオフガスの内、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂに戻されないガス（換言すれば、燃焼器４２に供給されるガス）をいう。
また、Ｖ２とは別に、アノード流路２２ａ、２２ｂの出口は、それぞれ、第４三方弁Ｖ４を介して、燃焼器４２の入口に接続されている。第４三方弁Ｖ４は、休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂを通過した非循環ガスを燃焼器４２に供給するためのものである。
また、Ｖ２とは別に、アノード流路２２ａ、２２ｂの出口は、それぞれ、第４三方弁Ｖ４を介して、燃焼器４２の入口に接続されている。第４三方弁Ｖ４は、休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂを通過した非循環ガスを燃焼器４２に供給するためのものである。
【0031】
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのカソード流路２４ａ、２４ｂの入口は、それぞれ、第５三方弁Ｖ５を介して熱交換器４４の空気側流路の出口に接続されている。第５三方弁Ｖ５は、空気を稼働中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのカソード流路２４ａ、２４ｂに供給するためのものである。
また、カソード流路２４ａ、２４ａの出口は、それぞれ、熱交換器４４のカソードオフガス側流路の入口に接続されている。さらに、熱交換器４４のカソードオフガス側流路の出口は、流量制御弁Ｖ７を介して燃焼器４２の入口に接続されている。流量制御弁Ｖ７は、非循環ガスの燃焼に必要、かつ、十分な量のカソードオフガスを燃焼器４２に供給するためのものである。
また、カソード流路２４ａ、２４ａの出口は、それぞれ、熱交換器４４のカソードオフガス側流路の入口に接続されている。さらに、熱交換器４４のカソードオフガス側流路の出口は、流量制御弁Ｖ７を介して燃焼器４２の入口に接続されている。流量制御弁Ｖ７は、非循環ガスの燃焼に必要、かつ、十分な量のカソードオフガスを燃焼器４２に供給するためのものである。
【0032】
なお、図１においては、非循環ガスを休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂを経由して燃焼器４２に供給しているが、これは単なる例示であり、非循環ガスを直接、燃焼器４２に供給しても良い。但し、非循環ガスを休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂに供給すると、酸化したアノード（Ｎｉサーメット）を還元することができる。また、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂがレドックス流路を備えている場合において、非循環ガスをレドックス流路に供給すると、酸化したレドックス材を還元することができる。これらの点については、後述する。
【0033】
［１．１．２． 燃料供給装置］
燃料供給装置３２は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂに、燃料（炭化水素）を供給するためのものである。燃料供給装置３２の出口は、エジェクタ３８の駆動側の入口に接続されている。ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂに供給された燃料は、改質器内又はアノードの改質触媒上において水蒸気改質される。
燃料供給装置３２の構造は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂに対し、所定の燃料流量Ｖfで燃料を供給可能なものである限りにおいて、特に限定されない。本発明において、燃料流量Ｖfは、要求発電出力Ｗt及び要求温熱量Ｑh,tが過不足なく得られるように制御される。この点については、後述する。
燃料供給装置３２は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂに、燃料（炭化水素）を供給するためのものである。燃料供給装置３２の出口は、エジェクタ３８の駆動側の入口に接続されている。ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂに供給された燃料は、改質器内又はアノードの改質触媒上において水蒸気改質される。
燃料供給装置３２の構造は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂに対し、所定の燃料流量Ｖfで燃料を供給可能なものである限りにおいて、特に限定されない。本発明において、燃料流量Ｖfは、要求発電出力Ｗt及び要求温熱量Ｑh,tが過不足なく得られるように制御される。この点については、後述する。
【0034】
［１．１．３． 空気供給装置］
空気供給装置（図示せず）は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのカソード流路２４ａ、２４ｂに、空気を供給するためのものである。空気供給装置の出口は、熱交換器４４の空気側流路の入口に接続されている。
空気供給装置の構造は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂに対し、所定のカソード空気流量Ｖcath,inで空気を供給可能なものである限りにおいて、特に限定されない。本発明において、カソード空気流量Ｖcath,inは、要求発電出力Ｗt及び要求温熱量Ｑh,tが過不足なく得られるように制御される。この点については、後述する。
空気供給装置（図示せず）は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのカソード流路２４ａ、２４ｂに、空気を供給するためのものである。空気供給装置の出口は、熱交換器４４の空気側流路の入口に接続されている。
空気供給装置の構造は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂに対し、所定のカソード空気流量Ｖcath,inで空気を供給可能なものである限りにおいて、特に限定されない。本発明において、カソード空気流量Ｖcath,inは、要求発電出力Ｗt及び要求温熱量Ｑh,tが過不足なく得られるように制御される。この点については、後述する。
【0035】
［１．１．４． ＣＯ2分離器］
ＣＯ2分離器３４は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノードオフガスからＣＯ2の全部又は一部を分離するためのものである。
ＣＯ2分離器３４のフィード流路の入口は、第２三方弁Ｖ２を介して、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂの出口に接続されている。また、ＣＯ2分離器３４のフィード流路の出口は、第１Ｈ2Ｏ分離器３６のフィード流路の入口に接続されている。ＣＯ2分離器３４のパージ流路の入口は、第１Ｈ2Ｏ分離器３６のパージ流路の出口に接続されている。さらに、ＣＯ2分離器３４のパージ流路の出口は、大気に開放されている。
ＣＯ2分離器３４は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノードオフガスからＣＯ2の全部又は一部を分離するためのものである。
ＣＯ2分離器３４のフィード流路の入口は、第２三方弁Ｖ２を介して、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂの出口に接続されている。また、ＣＯ2分離器３４のフィード流路の出口は、第１Ｈ2Ｏ分離器３６のフィード流路の入口に接続されている。ＣＯ2分離器３４のパージ流路の入口は、第１Ｈ2Ｏ分離器３６のパージ流路の出口に接続されている。さらに、ＣＯ2分離器３４のパージ流路の出口は、大気に開放されている。
【0036】
ＣＯ2分離器３４の構造は、アノードオフガスからＣＯ2の全部又は一部を分離可能なものである限りにおいて、特に限定されない。アノードオフガスに含まれるＣＯ2は再利用されることがないので、ＣＯ2分離器３４は、アノードオフガスに含まれるＣＯ2の９５ｍｏｌ％以上を分離することが可能なものが好ましい。なお、パージ流路から排出されるＣＯ2は、レドックス材を酸化させるための酸化剤として利用される場合がある。この点は、後述する。
【0037】
［１．１．５． 第１Ｈ2Ｏ分離器］
第１Ｈ2Ｏ分離器３６は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノードオフガスからＨ2Ｏの一部を分離するためのものである。第１Ｈ2Ｏ分離器３６のフィード流路の入口は、ＣＯ2分離器３４のフィード流路の出口に接続されている。第１Ｈ2Ｏ分離器３６のフィード流路の出口は、エジェクタ３８の吸引側の入口に接続されている。さらに、第１Ｈ2Ｏ分離器３６のパージ流路の出口は、ＣＯ2分離器３４のパージ流路の入口に接続されている。
第１Ｈ2Ｏ分離器３６は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノードオフガスからＨ2Ｏの一部を分離するためのものである。第１Ｈ2Ｏ分離器３６のフィード流路の入口は、ＣＯ2分離器３４のフィード流路の出口に接続されている。第１Ｈ2Ｏ分離器３６のフィード流路の出口は、エジェクタ３８の吸引側の入口に接続されている。さらに、第１Ｈ2Ｏ分離器３６のパージ流路の出口は、ＣＯ2分離器３４のパージ流路の入口に接続されている。
【0038】
第１Ｈ2Ｏ分離器３６の構造は、アノードオフガスからＨ2Ｏの一部を分離可能なものである限りにおいて、特に限定されない。本発明において、アノードオフガスに含まれるＨ2Ｏは、水蒸気改質用の原料として再利用される。そのため、第１Ｈ2Ｏ分離器３６では、アノードオフガスに含まれるＨ2Ｏの一部が分離される。第１Ｈ2Ｏ分離器３６でのＨ2Ｏの分離量は、燃料供給装置３２から新たに供給される燃料中のカーボン量に対する循環ガスに含まれる水蒸気の比（Ｓｔｅａｍ／Ｃａｒｂｏｎ比）が所定の値（例えば、Ｓ／Ｃ比＝２）となるように設定される。また、第１Ｈ2Ｏ分離器３６のパージ流路から排出されたＨ2Ｏは、ＣＯ2分離器３４において、ＣＯ2のパージガスとして用いられる。なお、パージ流路から排出されるＨ2Ｏは、レドックス材を酸化させるための酸化剤として利用される場合がある。この点は、後述する。
【0039】
［１．１．６． エジェクタ］
エジェクタ３８は、所定量のＣＯ2及びＨ2Ｏが分離された後のアノードオフガスの全部又は一部を循環ガスとしてアノード流路２２ａ、２２ｂに戻すためのものである。エジェクタ３８の駆動側の入口は、燃料供給装置３２の出口に接続されている。駆動側の出口は、第１三方弁Ｖ１を介してアノード流路２２ａ、２２ｂの入口に接続されている。また、エジェクタ３８の吸引側の入口は、第１Ｈ2Ｏ分離器３６のフィード流路の出口に接続されている。
エジェクタ３８は、所定量のＣＯ2及びＨ2Ｏが分離された後のアノードオフガスの全部又は一部を循環ガスとしてアノード流路２２ａ、２２ｂに戻すためのものである。エジェクタ３８の駆動側の入口は、燃料供給装置３２の出口に接続されている。駆動側の出口は、第１三方弁Ｖ１を介してアノード流路２２ａ、２２ｂの入口に接続されている。また、エジェクタ３８の吸引側の入口は、第１Ｈ2Ｏ分離器３６のフィード流路の出口に接続されている。
【0040】
さらに、エジェクタ３８は、循環率Ｒを調節するための手段を備えている。ここで、「循環率Ｒ」とは、アノードオフガスの総流量に対する循環ガスの流量の比をいう。本発明において、循環率Ｒは、要求発電出力Ｗt及び要求温熱量Ｑh,tが過不足なく得られるように制御される。この点については、後述する。
循環率Ｒを調節するための手段としては、例えば、
（ａ）可変ノズルを用いる方法、
（ｂ）可変ニードルを用いる方法、
などがある。循環率調整手段の詳細については、後述する。
循環率Ｒを調節するための手段としては、例えば、
（ａ）可変ノズルを用いる方法、
（ｂ）可変ニードルを用いる方法、
などがある。循環率調整手段の詳細については、後述する。
【0041】
［１．１．７． 第２Ｈ2Ｏ分離器］
第２Ｈ2Ｏ分離器４０は、エジェクタ３８に吸引されなかったアノードオフガス（非循環ガス）から、Ｈ2Ｏの全部又は一部を分離するためのものである。第２Ｈ2Ｏ分離器４０のフィード流路の入口は、図示が簡略化されているが、エジェクタ３８の吸引側の入口と第１Ｈ2Ｏ分離器３６のフィード流路の出口とを繋ぐガス管に接続されている。第２Ｈ2Ｏ分離器４０のフィード流路の出口は、第３三方弁Ｖ３を介してアノード流路２２ａ、２２ｂの入口に接続されている。
第２Ｈ2Ｏ分離器４０は、エジェクタ３８に吸引されなかったアノードオフガス（非循環ガス）から、Ｈ2Ｏの全部又は一部を分離するためのものである。第２Ｈ2Ｏ分離器４０のフィード流路の入口は、図示が簡略化されているが、エジェクタ３８の吸引側の入口と第１Ｈ2Ｏ分離器３６のフィード流路の出口とを繋ぐガス管に接続されている。第２Ｈ2Ｏ分離器４０のフィード流路の出口は、第３三方弁Ｖ３を介してアノード流路２２ａ、２２ｂの入口に接続されている。
【0042】
Ｈ2Ｏ分離器４０の構造は、非循環ガスからＨ2Ｏの全部又は一部を分離可能なものである限りにおいて、特に限定されない。非循環ガスに含まれるＨ2Ｏは、再利用されることがない。むしろ、Ｈ2Ｏは酸化剤でもあるので、非循環ガスにＨ2Ｏが残存していると、アノードやレドックス材の再生効率が低下する。従って、Ｈ2Ｏ分離器４０は、非循環ガスに含まれるＨ2Ｏの９５ｍｏｌ％以上を分離することが可能なものが好ましい。
【0043】
［１．１．８． 燃焼器］
燃焼器４２は、助燃空気としてＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのカソードオフガスを用い、燃焼燃料として非循環ガスを用いて、燃焼燃料を燃焼させ、温熱量Ｑhを得るためのものである。燃焼器４２で得られた温熱量Ｑhは、給湯、暖房などに利用される。
燃焼器４２の燃焼燃料流路の入口は、第４三方弁Ｖ４を介してアノード流路２２ａ、２２ｂの出口に接続されている。燃焼器４２の助燃空気流路の入口は、流量制御弁Ｖ７及び熱交換器４４を介してカソード流路２４ａ、２４ｂの出口に接続されている。
燃焼器４２は、助燃空気としてＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのカソードオフガスを用い、燃焼燃料として非循環ガスを用いて、燃焼燃料を燃焼させ、温熱量Ｑhを得るためのものである。燃焼器４２で得られた温熱量Ｑhは、給湯、暖房などに利用される。
燃焼器４２の燃焼燃料流路の入口は、第４三方弁Ｖ４を介してアノード流路２２ａ、２２ｂの出口に接続されている。燃焼器４２の助燃空気流路の入口は、流量制御弁Ｖ７及び熱交換器４４を介してカソード流路２４ａ、２４ｂの出口に接続されている。
【0044】
燃焼器４２の構造は、助燃空気を用いて燃焼燃料を燃焼させることが可能なものである限りにおいて、特に限定されない。燃焼器４２に供給される燃焼燃料流量は、エジェクタ３８の循環率制御手段により制御される。
また、燃焼器４２に供給される助燃空気流量Ｖc,airは、流量制御弁Ｖ７により制御される。本発明において、助燃空気流量Ｖc,airは、要求発電出力Ｗt及び要求温熱量Ｑh,tが過不足なく得られるように制御される。この点については、後述する。
また、燃焼器４２に供給される助燃空気流量Ｖc,airは、流量制御弁Ｖ７により制御される。本発明において、助燃空気流量Ｖc,airは、要求発電出力Ｗt及び要求温熱量Ｑh,tが過不足なく得られるように制御される。この点については、後述する。
【0045】
［１．１．９． 熱交換器］
熱交換器４４は、カソード流路２４ａ、２４ｂに供給される空気とカソードオフガスとの間で熱交換を行うためのものである。熱交換器４４は、必ずしも必要ではないが、カソードオフガスを用いて空気を加熱すると、熱交換器４４を用いない場合に比べて、エネルギー効率を向上させることができる。
熱交換器４４は、カソード流路２４ａ、２４ｂに供給される空気とカソードオフガスとの間で熱交換を行うためのものである。熱交換器４４は、必ずしも必要ではないが、カソードオフガスを用いて空気を加熱すると、熱交換器４４を用いない場合に比べて、エネルギー効率を向上させることができる。
【0046】
熱交換器４４の空気側流路の入口は、空気供給装置（図示せず）の出口に接続されている。熱交換器４４の空気側流路の出口は、第５三方弁Ｖ５を介してカソード流路２４ａ、２４ｂの入口に接続されている。
熱交換器４４のカソードオフ側流路の入口は、カソード流路２４ａ、２４ｂの出口に接続されている。さらに、熱交換器４４のカソードオフガス側流路の出口は、流量制御弁Ｖ７を介して燃焼器４２の助燃空気流路の入口に接続されている。
熱交換器４４のカソードオフ側流路の入口は、カソード流路２４ａ、２４ｂの出口に接続されている。さらに、熱交換器４４のカソードオフガス側流路の出口は、流量制御弁Ｖ７を介して燃焼器４２の助燃空気流路の入口に接続されている。
【0047】
熱交換器４４の構造は、カソード流路２４ａ、２４ｂに供給される空気と、カソードオフガスとの間で熱交換が可能なものである限りにおいて、特に限定されない。
熱交換器４４は、カソード流路２４ａ、２４ｂに供給されるすべての空気とカソードオフガスとを熱交換するものでも良く、あるいは、カソード流路２４ａ、２４ｂに供給される一部の空気とカソードオフガスとを熱交換するものでも良い。後者の場合、熱交換器４４の空気側流路にバイパス流路を設けるのが好ましい。
熱交換器４４は、カソード流路２４ａ、２４ｂに供給されるすべての空気とカソードオフガスとを熱交換するものでも良く、あるいは、カソード流路２４ａ、２４ｂに供給される一部の空気とカソードオフガスとを熱交換するものでも良い。後者の場合、熱交換器４４の空気側流路にバイパス流路を設けるのが好ましい。
【0048】
［１．１．１０． 第１～第４温度検出装置、出力検出装置、及び電流検出装置］
第１温度検出装置４６は、燃焼器４２の燃焼燃料の流入温度Ｔc,c,inを検出するためのものである。第２温度検出装置４８は、燃焼器４２の助燃空気の流入温度Ｔc,air,inを検出するためのものである。第３温度検出装置５０は、燃焼器４２の出口温度Ｔc,outを検出するためのものである。第４温度検出装置（図示せず）は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの作動温度Ｔsを検出するためのものである。
第１温度検出装置４６は、燃焼器４２の燃焼燃料の流入温度Ｔc,c,inを検出するためのものである。第２温度検出装置４８は、燃焼器４２の助燃空気の流入温度Ｔc,air,inを検出するためのものである。第３温度検出装置５０は、燃焼器４２の出口温度Ｔc,outを検出するためのものである。第４温度検出装置（図示せず）は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの作動温度Ｔsを検出するためのものである。
【0049】
出力検出装置（図示せず）は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの発電出力Ｗを検出するためのものである。さらに、電流検出装置（図示せず）は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの電流Ｉを検出するためのものである。
これらの検出装置の構造は、温度Ｔ、発電出力Ｗ、又は電流Ｉを検出可能なものである限りにおいて、特に限定されない。検出されたこれらの数値は、発電出力Ｗ及び温熱量Ｑhを制御するために用いられる。この点については、後述する。
これらの検出装置の構造は、温度Ｔ、発電出力Ｗ、又は電流Ｉを検出可能なものである限りにおいて、特に限定されない。検出されたこれらの数値は、発電出力Ｗ及び温熱量Ｑhを制御するために用いられる。この点については、後述する。
【0050】
［１．１．１１． 制御装置］
制御装置５２は、熱電併給システム１０ａの動作を制御するためのものである。制御装置５２は、熱電併給システム１０ａの通常の動作を制御するための手段に加えて、出力制御手段をさらに備えている。
ここで、「出力制御手段」とは、要求発電出力Ｗt及び要求温熱量Ｑh,t、並びに、検出されたＴc,c,in、Ｔc,air,in、Ｔc,out、Ｔs、Ｗ、及びＩを用いて、燃料流量Ｖf、循環率Ｒ、助燃空気流量Ｖc,air、及びカソード空気流量Ｖcath,inを制御することにより、発電中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの発電出力Ｗ及び燃焼器４２の温熱量Ｑhを、それぞれ、Ｗt及びＱh,tに維持するための手段をいう。
制御装置５２は、熱電併給システム１０ａの動作を制御するためのものである。制御装置５２は、熱電併給システム１０ａの通常の動作を制御するための手段に加えて、出力制御手段をさらに備えている。
ここで、「出力制御手段」とは、要求発電出力Ｗt及び要求温熱量Ｑh,t、並びに、検出されたＴc,c,in、Ｔc,air,in、Ｔc,out、Ｔs、Ｗ、及びＩを用いて、燃料流量Ｖf、循環率Ｒ、助燃空気流量Ｖc,air、及びカソード空気流量Ｖcath,inを制御することにより、発電中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの発電出力Ｗ及び燃焼器４２の温熱量Ｑhを、それぞれ、Ｗt及びＱh,tに維持するための手段をいう。
【0051】
出力制御手段は、具体的には、以下の手順を実行するための手段を備えているものが好ましい。
（Ａ）前記Ｔs及び前記Ｗを検出し、これらをメモリに記憶させる手順Ａ。
（Ｂ）前記メモリに記憶されているデータベースに基づいて、現在の作動条件に対応する前記ＳＯＦＣの発電効率η、及び前記非循環ガス中のＨ2／ＣＯ比を算出し、これらを前記メモリに記憶させる手順Ｂ。
（Ｃ）前記Ｔc,c,in、前記Ｔc,air,in、及び前記Ｔc,outを検出し、これらを前記メモリに記憶させる手順Ｃ。
（Ａ）前記Ｔs及び前記Ｗを検出し、これらをメモリに記憶させる手順Ａ。
（Ｂ）前記メモリに記憶されているデータベースに基づいて、現在の作動条件に対応する前記ＳＯＦＣの発電効率η、及び前記非循環ガス中のＨ2／ＣＯ比を算出し、これらを前記メモリに記憶させる手順Ｂ。
（Ｃ）前記Ｔc,c,in、前記Ｔc,air,in、及び前記Ｔc,outを検出し、これらを前記メモリに記憶させる手順Ｃ。
【0052】
（Ｄ）現在の作動条件に対応する燃焼熱量Ｑc及び前記Ｑhを算出し、これらを前記メモリに記憶させる手順Ｄ。
（Ｅ）前記手順Ｄで算出された前記Ｑcに対応する前記Ｖf、前記Ｒ、前記Ｖc,air、及び前記Ｖcath,inを算出し、これらを前記メモリに記憶させると同時に、作動条件をこれらに設定して前記熱電併給システムを作動させる手順Ｅ。
（Ｆ）前記Ｑh及び前記Ｑh,tから温熱偏差εh（＝Ｑh－Ｑh,t）を算出し、これを前記メモリに記憶させる手順Ｆ。
（Ｇ）前記εhの絶対値が第１しきい値以上である時には、前記Ｑcから前記εhを減算することにより前記Ｑcを補正し、補正後の前記Ｑcを新たな前記Ｑcとして前記メモリに記憶させる手順Ｇ。
（Ｅ）前記手順Ｄで算出された前記Ｑcに対応する前記Ｖf、前記Ｒ、前記Ｖc,air、及び前記Ｖcath,inを算出し、これらを前記メモリに記憶させると同時に、作動条件をこれらに設定して前記熱電併給システムを作動させる手順Ｅ。
（Ｆ）前記Ｑh及び前記Ｑh,tから温熱偏差εh（＝Ｑh－Ｑh,t）を算出し、これを前記メモリに記憶させる手順Ｆ。
（Ｇ）前記εhの絶対値が第１しきい値以上である時には、前記Ｑcから前記εhを減算することにより前記Ｑcを補正し、補正後の前記Ｑcを新たな前記Ｑcとして前記メモリに記憶させる手順Ｇ。
【0053】
（Ｈ）補正後の前記Ｑcに対応する前記Ｖf、前記Ｒ、前記Ｖc,air、及び前記Ｖcath,inを算出し、これらを前記メモリに記憶させると同時に、前記作動条件をこれらに設定して前記熱電併給システムを作動させる手順Ｈ。
（Ｉ）前記εhの絶対値が前記第１しきい値未満となるまで、前記手順Ａ～前記手順Ｈを繰り返す手順Ｉ。
（Ｊ）前記εhの絶対値が前記第１しきい値未満となった時は、前記Ｗ及び前記Ｗtから発電出力偏差εe（＝Ｗ－Ｗt）を算出し、これを前記メモリに記憶させる手順Ｊ。
（Ｉ）前記εhの絶対値が前記第１しきい値未満となるまで、前記手順Ａ～前記手順Ｈを繰り返す手順Ｉ。
（Ｊ）前記εhの絶対値が前記第１しきい値未満となった時は、前記Ｗ及び前記Ｗtから発電出力偏差εe（＝Ｗ－Ｗt）を算出し、これを前記メモリに記憶させる手順Ｊ。
【0054】
（Ｋ）前記εeの絶対値が第２しきい値以上である時には、前記Ｖfから燃料偏差ΔＶf（＝εe／(η×ΔＨf)）（但し、ΔＨfは前記燃料の低位発熱量）を減算することにより前記Ｖfを補正し、補正後の前記Ｖfを新たな前記Ｖfとして前記メモリに記憶させる手順Ｋ。
（Ｌ）前記εeの絶対値が前記第２しきい値未満となるまで、前記手順Ａ～手順Ｋを繰り返す手順Ｌ。
（Ｍ）前記εeの絶対値が前記第２しきい値未満となったときは、前記メモリに記憶されている前記Ｖf、前記Ｒ、前記Ｖc,air、及び前記Ｖcath,inに基づいて前記熱電併給システムを作動させる手順Ｍ。
出力制御手段の詳細については、後述する。
（Ｌ）前記εeの絶対値が前記第２しきい値未満となるまで、前記手順Ａ～手順Ｋを繰り返す手順Ｌ。
（Ｍ）前記εeの絶対値が前記第２しきい値未満となったときは、前記メモリに記憶されている前記Ｖf、前記Ｒ、前記Ｖc,air、及び前記Ｖcath,inに基づいて前記熱電併給システムを作動させる手順Ｍ。
出力制御手段の詳細については、後述する。
【0055】
［１．２． 燃料流量Ｖf、循環率Ｒ、助燃空気流量Ｖc,air、及びカソード空気流量Ｖcath,inの算出方法］
図２に、熱電併給システムのエネルギー収支の模式図を示す。図２は、図１を簡略化して表示したものである。図２中、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂは、内部改質型ＳＯＦＣであり、その内部に改質器２８を備えている。
図２に、熱電併給システムのエネルギー収支の模式図を示す。図２は、図１を簡略化して表示したものである。図２中、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂは、内部改質型ＳＯＦＣであり、その内部に改質器２８を備えている。
【0056】
Ｅr2は、エジェクタ３８から改質器２８に供給されるガスのエネルギー（改質入口ガスエネルギー）を表す。Ｑrは、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂから改質器２８に供給される改質反応熱を表す。Ｗは、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの発電出力を表す。
Ｖfは、エジェクタ３８に新たに供給される燃料流量を表す。Ｅｆは、エジェクタ３８に供給される燃料が持つエネルギー（投入燃料エネルギー）を表す。
Ｖfは、エジェクタ３８に新たに供給される燃料流量を表す。Ｅｆは、エジェクタ３８に供給される燃料が持つエネルギー（投入燃料エネルギー）を表す。
【0057】
「分離器１」は、ＣＯ2分離器３４と第１Ｈ2Ｏ分離器３６を合わせたものを表す。Ｑex1は、分離器１から外界に廃棄される熱量を表す。Ｅr1は、分離器１で処理された後のアノードオフガスが持つエネルギー（アノードオフガスエネルギー）を表す。
「分離器２」は、第２ＣＯ2分離器４０を表す。Ｑex2は、分離器２から外界に廃棄されるエネルギーを表す。
Ｑcは、分離器２から排出されるガスが持つ熱量、すなわち、燃焼器４２内で燃焼燃料が燃焼することにより発生する燃焼熱量を表す。Ｑhは、燃焼器４２から外部に取り出される温熱量を表す。
「分離器２」は、第２ＣＯ2分離器４０を表す。Ｑex2は、分離器２から外界に廃棄されるエネルギーを表す。
Ｑcは、分離器２から排出されるガスが持つ熱量、すなわち、燃焼器４２内で燃焼燃料が燃焼することにより発生する燃焼熱量を表す。Ｑhは、燃焼器４２から外部に取り出される温熱量を表す。
【0058】
本発明においては、４つの温度、すなわち、
（ａ）燃焼器４２の燃焼燃料の流入温度Ｔc,c,in［℃］、
（ｂ）燃焼器４２の助燃空気の流入温度Ｔc,air,in［℃］、
（ｃ）燃焼器４２の出口温度Ｔc,out［℃］、及び、
（ｄ）ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの作動温度Ｔs［℃］
を測定し、これらを用いて、燃料流量Ｖf、循環率Ｒ、助燃空気流量Ｖc,air、及びカソード空気流量Ｖcath,inを算出する。以下に、これらの算出方法について説明する。
（ａ）燃焼器４２の燃焼燃料の流入温度Ｔc,c,in［℃］、
（ｂ）燃焼器４２の助燃空気の流入温度Ｔc,air,in［℃］、
（ｃ）燃焼器４２の出口温度Ｔc,out［℃］、及び、
（ｄ）ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの作動温度Ｔs［℃］
を測定し、これらを用いて、燃料流量Ｖf、循環率Ｒ、助燃空気流量Ｖc,air、及びカソード空気流量Ｖcath,inを算出する。以下に、これらの算出方法について説明する。
【0059】
なお、以下の説明においては、ＣＯ2分離器３４はアノードオフガスからＣＯ2の全部を分離し、第２Ｈ2Ｏ分離器４０は非循環ガスからＨ2Ｏの全部を分離するものとする。ＣＯ2及び／又はＨ2Ｏが相対的に多量に残存している場合には、以下の方法と同様の算出方法を用いて、残存しているＣＯ2及び／又はＨ2Ｏの量を考慮して、燃焼器４２の流入ガス及びオフガスの組成及び流量を補正すればよい。一方、残存量が５ｍｏｌ％未満である時には、残存量をゼロと見なして計算しても差し支えない。
【0060】
［Ａ． 必要燃焼熱量Ｑc,tの算出］
必要燃焼熱量Ｑc,tは、要求温熱量Ｑh,tを得るために必要な燃焼熱量の理論値であって、要求温熱量Ｑh,t［ｋＷ］及び利用下限温熱温度Ｔuse［℃］から算出される。また、算出されたＱc,tは、メモリに記憶され、流入ガスの流量Ｖc,jの算出に用いられる。次の式（１）に、Ｑc,tの算出式を示す。次の式（２．１）～式（２．４）に、Ｖc,jの算出式を示す。さらに、次の式（３）に、Ｖcath,inの算出式を示す。
必要燃焼熱量Ｑc,tは、要求温熱量Ｑh,tを得るために必要な燃焼熱量の理論値であって、要求温熱量Ｑh,t［ｋＷ］及び利用下限温熱温度Ｔuse［℃］から算出される。また、算出されたＱc,tは、メモリに記憶され、流入ガスの流量Ｖc,jの算出に用いられる。次の式（１）に、Ｑc,tの算出式を示す。次の式（２．１）～式（２．４）に、Ｖc,jの算出式を示す。さらに、次の式（３）に、Ｖcath,inの算出式を示す。
【0061】
【数1】
【0062】
但し、
Ｔc,in＝(Ｔc,c,in・Ｖc＋Ｔc,air,in・Ｖc,air)／(Ｖc＋Ｖc,air)、
Ｖc＝Ｖc,H2＋Ｖc,CO、
Ｖc,jは、燃焼器４２の流入ガスに含まれるガス組成ｊの流入流量［ｍｏｌ／ｓ］、
ｊ＝Ｈ2、ＣＯ、Ｏ2、又はＮ2、
Ｃp,jは、前記ガス組成ｊの比熱［ｋＪ／(ｍｏｌ・ｓ)］
ｒは、非循環ガスのＨ2／ＣＯ比（＝ｇ2(Ｒ,Ｕf,Ｔs)）、
ΔＨH2は、Ｈ2の低位発熱量［ｋＪ／ｍｏｌ］、
ΔＨCOは、ＣＯの低位発熱量［ｋＪ／ｍｏｌ］、
Ｉは、電流［Ａ］、
Ｆは、ファラデー定数［Ｃ／ｍｏｌ］、
Ｕaは、空気利用率。
Ｔc,in＝(Ｔc,c,in・Ｖc＋Ｔc,air,in・Ｖc,air)／(Ｖc＋Ｖc,air)、
Ｖc＝Ｖc,H2＋Ｖc,CO、
Ｖc,jは、燃焼器４２の流入ガスに含まれるガス組成ｊの流入流量［ｍｏｌ／ｓ］、
ｊ＝Ｈ2、ＣＯ、Ｏ2、又はＮ2、
Ｃp,jは、前記ガス組成ｊの比熱［ｋＪ／(ｍｏｌ・ｓ)］
ｒは、非循環ガスのＨ2／ＣＯ比（＝ｇ2(Ｒ,Ｕf,Ｔs)）、
ΔＨH2は、Ｈ2の低位発熱量［ｋＪ／ｍｏｌ］、
ΔＨCOは、ＣＯの低位発熱量［ｋＪ／ｍｏｌ］、
Ｉは、電流［Ａ］、
Ｆは、ファラデー定数［Ｃ／ｍｏｌ］、
Ｕaは、空気利用率。
【0063】
Ｔuseは、燃焼器４２の構造が決まれば一義的に定まる。Ｃp,j、ΔＨH2、ΔＨCO、及びＦは、それぞれ、既知の定数である。
Ｔc,inは、燃焼燃料及び助燃空気の混合平均温度であり、流入ガスの温度（Ｔc,c,in、Ｔc,air,in）、並びに、流入ガスの流量（Ｖc,H2、Ｖc,CO、Ｖc,air）が分かれば算出することができる。流入ガスの温度は、Ｔc,inを算出する時点で検出された値を用いる。一方、Ｔc,inを算出するために必要な流入ガスの流量は、メモリに記憶されている数値（すなわち、演算により作動条件が変更される前の数値）を用いる。
Ｔc,inは、燃焼燃料及び助燃空気の混合平均温度であり、流入ガスの温度（Ｔc,c,in、Ｔc,air,in）、並びに、流入ガスの流量（Ｖc,H2、Ｖc,CO、Ｖc,air）が分かれば算出することができる。流入ガスの温度は、Ｔc,inを算出する時点で検出された値を用いる。一方、Ｔc,inを算出するために必要な流入ガスの流量は、メモリに記憶されている数値（すなわち、演算により作動条件が変更される前の数値）を用いる。
【0064】
ｒ（Ｈ2／ＣＯ比）は、循環率Ｒ、燃料利用率Ｕf、及び作動温度Ｔsの関数であり、熱電併給システム１０ａの構造及び作動条件が決まれば一義的に定まる。ＣＯ2分離器３４でＣＯ2をほぼ完全に除去し、第２ＣＯ2分離器４０でＨ2Ｏをほぼ完全に除去すると、ｒを用いて非循環ガスの熱量計算が可能になる。
図３に、循環率ＲとＨ2／ＣＯ比との関係の一例を示す。図４に、燃料利用率ＵfとＨ2／ＣＯ比との関係の一例を示す。図５に、作動温度ＴsとＨ2／ＣＯ比との関係の一例を示す。アノードオフガスの組成は、改質器２８への流入ガスの組成（循環ガス＋燃料ガス）により変化する。そのため、改質器２８への流入ガスの組成毎に、このようなデータベースを予めメモリに記憶させておくと、現在の作動条件（すなわち、メモリに記憶されているＲ、Ｕf、及びＴs）に対応するｒを算出することができる。
図３に、循環率ＲとＨ2／ＣＯ比との関係の一例を示す。図４に、燃料利用率ＵfとＨ2／ＣＯ比との関係の一例を示す。図５に、作動温度ＴsとＨ2／ＣＯ比との関係の一例を示す。アノードオフガスの組成は、改質器２８への流入ガスの組成（循環ガス＋燃料ガス）により変化する。そのため、改質器２８への流入ガスの組成毎に、このようなデータベースを予めメモリに記憶させておくと、現在の作動条件（すなわち、メモリに記憶されているＲ、Ｕf、及びＴs）に対応するｒを算出することができる。
【0065】
Ｖcath,inも同様であり、熱電併給システム１０ａの構造及び作動条件（Ｒ、Ｕf、Ｕa、Ｔs、Ｖf）が決まれば一義的に定まる。そのため、Ｖcath,inと作動条件との関係を予めメモリに記憶させておくと、現在の作動条件に対応するＶcath,inを算出することができる。Ｕaは、発電に用いられる理論空気（Ｏ2）量と供給する空気量との比であり、発電に伴う発熱を除熱する効果があることから、作動温度を狙いの温度にするために必要な空気量から算出される。
さらに、式（２．３）及び式（２．４）の計算に用いられるＶc,airは、メモリに記憶された数値（すなわち、演算により作動条件が変更される前の数値）を用いる。
さらに、式（２．３）及び式（２．４）の計算に用いられるＶc,airは、メモリに記憶された数値（すなわち、演算により作動条件が変更される前の数値）を用いる。
【0066】
新たに算出されたＱc,t、新たに検出された電流Ｉ、並びに、メモリ記憶されている数値（すなわち、ｒ、Ｖchath,in、及びＶc,air）を式（２．１）～式（２．４）に代入すると、現在の作動条件に対応するＶc,jを算出することができる。
【0067】
［Ｂ． 助燃空気流量Ｖc,airの算出］
助燃空気流量Ｖc,airは、予め設定された空気過剰率Ｋtから算出される。次の式（４）に、Ｖc,airの算出式を示す。式（４）の右辺に含まれる変数の内、Ｉは、Ｖc,airを算出する時点で検出された値を用いる。一方、Ｉ以外の時々刻々と変化する変数については、メモリに記憶された数値（すなわち、演算により作動条件が変更される前の数値）を用いる。算出されたＶc,airは、流量制御弁Ｖ７の制御に用いられると同時に、メモリに記憶され、他の変数の算出にも用いられる。
助燃空気流量Ｖc,airは、予め設定された空気過剰率Ｋtから算出される。次の式（４）に、Ｖc,airの算出式を示す。式（４）の右辺に含まれる変数の内、Ｉは、Ｖc,airを算出する時点で検出された値を用いる。一方、Ｉ以外の時々刻々と変化する変数については、メモリに記憶された数値（すなわち、演算により作動条件が変更される前の数値）を用いる。算出されたＶc,airは、流量制御弁Ｖ７の制御に用いられると同時に、メモリに記憶され、他の変数の算出にも用いられる。
【0068】
【数2】
【0069】
［Ｃ． 断熱火炎（完全燃焼）モデルによる燃焼熱量の予測］
燃焼熱量Ｑcは、燃焼器４２内で燃焼燃料を燃焼させることによって実際に発生する熱量の推定値であって、断熱火炎（完全燃焼）モデルから算出される。次の式（５）に、Ｑcの算出式を示す。また、次の式（６．１）～式（６．３）に、Ｖcout,jとＶc,iの関係式を示す。
燃焼熱量Ｑcは、燃焼器４２内で燃焼燃料を燃焼させることによって実際に発生する熱量の推定値であって、断熱火炎（完全燃焼）モデルから算出される。次の式（５）に、Ｑcの算出式を示す。また、次の式（６．１）～式（６．３）に、Ｖcout,jとＶc,iの関係式を示す。
【0070】
【数3】
【0071】
但し、
Ｖcout,iは、燃焼器４２のオフガスに含まれるガス組成ｉの出口流量［ｍｏｌ／ｓ］、
ｉ＝ＣＯ2、Ｎ2、又はＨ2Ｏ、
Ｃp,iは、前記ガス組成ｉの比熱［ｋＪ／(ｍｏｌ・Ｋ)］。
Ｖcout,iは、燃焼器４２のオフガスに含まれるガス組成ｉの出口流量［ｍｏｌ／ｓ］、
ｉ＝ＣＯ2、Ｎ2、又はＨ2Ｏ、
Ｃp,iは、前記ガス組成ｉの比熱［ｋＪ／(ｍｏｌ・Ｋ)］。
【0072】
Ｖcout,iとＶc,jとの間には、式（６．１）～式（６．３）の関係が成り立つ。そのため、新たに検出されたＴc,out及びＴc,in、並びに、メモリに記憶されているＶc,jを式（５）に代入すると、Ｑcを算出することができる。非循環ガスからＣＯ2及びＨ2Ｏを完全に除去すると、非循環ガスは還元ガスのみとなる。還元ガスを用いると、断熱火炎モデルがシンプルになるので、Ｑcの予測精度が向上する。
【0073】
図６に、燃焼器の温度差（Ｔc,out－Ｔc,in）と燃焼熱量Ｑcとの関係の一例を示す。図６に示すように、燃焼入口組成（燃焼器４２の流入ガスの組成）が分かると、Ｔc,out及びＴc,inを検出することにより、Ｑcを求めることができる。
【0074】
［Ｄ． ＳＯＦＣ内部熱収支モデル］
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの発電効率η、及び改質反応熱Ｑrは、いずれも、作動条件の関数である。次の式（７）に、ηの算出式を示す。次の式（８）に、Ｑrの算出式を示す。算出されたη及びＱrは、いずれも、メモリに記憶され、他の変数の算出に用いられる。
η＝ｇ1(Ｒ、Ｕf、Ｔs) …（７）
Ｑr＝ｇ2(Ｒ、Ｕf、Ｔs、Ｖf) …（８）
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの発電効率η、及び改質反応熱Ｑrは、いずれも、作動条件の関数である。次の式（７）に、ηの算出式を示す。次の式（８）に、Ｑrの算出式を示す。算出されたη及びＱrは、いずれも、メモリに記憶され、他の変数の算出に用いられる。
η＝ｇ1(Ｒ、Ｕf、Ｔs) …（７）
Ｑr＝ｇ2(Ｒ、Ｕf、Ｔs、Ｖf) …（８）
【0075】
ηは、熱電併給システム１０ａの構造及び作動条件（Ｒ、Ｕf、Ｔs）が決まれば一義的に定まる。図７に、循環率Ｒと発電効率ηとの関係の一例を示す。図８に、燃料利用率Ｕfと発電効率ηとの関係の一例を示す。このようなデータを予めメモリに記憶させておくと、現在の作動条件（すなわち、メモリに記憶されているＲ、Ｕf、及びＴs）に対応するηを算出することができる。
Ｑrも同様であり、熱電併給システム１０ａの構造及び作動条件（Ｒ、Ｕf、Ｔs、Ｖf）が決まれば一義的に定まる。そのため、Ｑrと作動条件との関係を予めメモリに記憶させておくと、現在の作動条件に対応するＱrを算出することができる。
Ｑrも同様であり、熱電併給システム１０ａの構造及び作動条件（Ｒ、Ｕf、Ｔs、Ｖf）が決まれば一義的に定まる。そのため、Ｑrと作動条件との関係を予めメモリに記憶させておくと、現在の作動条件に対応するＱrを算出することができる。
【0076】
［Ｅ． 初期の循環率Ｒ、燃料流量Ｖf、及び助燃空気流量Ｖc,airの設定］
［Ｅ．１． 初期の循環率Ｒ］
循環率Ｒは、後述する式（１２）から算出される。循環率Ｒを算出するためには、Ｑcを知る必要がある。しかし、暖機運転が終了し、定常運転に移行する時点では、メモリにＱcは記憶されていない。そのため、Ｑc＝Ｑh,tと見なして、初期の循環率Ｒを算出し、これをメモリに記憶させる。以下、作動条件の変更に伴い、循環率Ｒは逐次計算され、新たに算出された循環率Ｒがメモリに記憶される。
［Ｅ．１． 初期の循環率Ｒ］
循環率Ｒは、後述する式（１２）から算出される。循環率Ｒを算出するためには、Ｑcを知る必要がある。しかし、暖機運転が終了し、定常運転に移行する時点では、メモリにＱcは記憶されていない。そのため、Ｑc＝Ｑh,tと見なして、初期の循環率Ｒを算出し、これをメモリに記憶させる。以下、作動条件の変更に伴い、循環率Ｒは逐次計算され、新たに算出された循環率Ｒがメモリに記憶される。
【0077】
［Ｅ．２． 初期の燃料流量Ｖf］
初期の燃料流量Ｖfは、後述する式（１１）からＥfを算出し、算出されたＥfを式（１７）に代入することにより算出することができる。
初期の燃料流量Ｖfは、後述する式（１１）からＥfを算出し、算出されたＥfを式（１７）に代入することにより算出することができる。
【0078】
［Ｅ．３． 初期の助燃空気流量Ｖc,air］
初期の助燃空気流量Ｖc,airは、上述した式（４）から算出することができる。
初期の助燃空気流量Ｖc,airは、上述した式（４）から算出することができる。
【0079】
［Ｆ． サイクル熱収支モデル］
［Ｆ．１． 循環率Ｒ］
次の式（９）～式（１２）に、それぞれ、Ｅr2、Ｅr1、Ｅf、及びＲの算出式を示す。また、式（１３）及び式（１４）に、それぞれ、Ｑex1、及びＱex2の算出式を示す。
［Ｆ．１． 循環率Ｒ］
次の式（９）～式（１２）に、それぞれ、Ｅr2、Ｅr1、Ｅf、及びＲの算出式を示す。また、式（１３）及び式（１４）に、それぞれ、Ｑex1、及びＱex2の算出式を示す。
【0080】
【数4】
【0081】
ＳＯＦＣの熱収支から、Ｗ＝η×Ｕf×(Ｅr2＋Ｑr)が成り立つ。これを変形すると、式（９）が得られる。
アノードオフガス循環の熱収支から、Ｅr1＝(１－Ｕf)×(Ｅr2＋Ｑr)－Ｑex1が成り立つ。これを変形すると、式（１０）が得られる。
また、エジェクター３８の熱収支から、Ｅr2＝Ｅr1×Ｒ＋Ｅfが成り立つ。これを変形すると、式（１１）が得られる。
さらに、非循環ガスの熱収支から、Ｑc＝(１－Ｒ)×Ｅr1－Ｑex2が成り立つ。これを変形すると、式（１２）が得られる。
アノードオフガス循環の熱収支から、Ｅr1＝(１－Ｕf)×(Ｅr2＋Ｑr)－Ｑex1が成り立つ。これを変形すると、式（１０）が得られる。
また、エジェクター３８の熱収支から、Ｅr2＝Ｅr1×Ｒ＋Ｅfが成り立つ。これを変形すると、式（１１）が得られる。
さらに、非循環ガスの熱収支から、Ｑc＝(１－Ｒ)×Ｅr1－Ｑex2が成り立つ。これを変形すると、式（１２）が得られる。
【0082】
図９に、循環率Ｒと分離器１からの放熱量Ｑex1との関係の一例を示す。図１０に、燃料利用率Ｕfと分離器１からの放熱量Ｑex1との関係の一例を示す。図１１に、循環率Ｒと分離器２からの放熱量Ｑex2との関係の一例を示す。図１２に、燃料利用率Ｕfと分離器２からの放熱量Ｑex2との関係の一例を示す。図９～図１２に示すように、Ｑex1及びＱex2は、それぞれ、熱電併給システム１０ａの構造及び作動条件（Ｗ、Ｕf、Ｔs、Ｒ）が決まれば一義的に定まる。
そのため、Ｑex1と作動条件との関係、及びＱex2と作動条件との関係を予めメモリに記憶させておくと、それぞれ、現在の作動条件に対応するＱex1及びＱex2を算出することができる。また、算出されたＱex1及びＱex2を式（１２）に代入すれば、現在の作動条件に対応する循環率Ｒを算出することができる。
そのため、Ｑex1と作動条件との関係、及びＱex2と作動条件との関係を予めメモリに記憶させておくと、それぞれ、現在の作動条件に対応するＱex1及びＱex2を算出することができる。また、算出されたＱex1及びＱex2を式（１２）に代入すれば、現在の作動条件に対応する循環率Ｒを算出することができる。
【0083】
［Ｆ．２． 温熱量Ｑh］
温熱量Ｑhは、燃焼器４２から実際に温熱として取り出された熱量である。次の式（１５）に、Ｑhの算出式を示す。次の式（１６．１）～式（１６．４）に、Ｖc,jの算出式を示す。
温熱量Ｑhは、燃焼器４２から実際に温熱として取り出された熱量である。次の式（１５）に、Ｑhの算出式を示す。次の式（１６．１）～式（１６．４）に、Ｖc,jの算出式を示す。
【0084】
【数5】
【0085】
式（１５）において、Ｑcには、断熱火炎モデルを用いた計算値、すなわち、式（５）を用いて算出された値を用いる。また、式（１５）中のＴc,inを算出するのに必要なＶc,jは、式（１６．１）～式（１６．４）を用いて算出される。式（１６．１）～式（１６．４）は、「Ｑc,t」に代えて、式（１５）から算出された「Ｑc」を用いる以外は、式（２．１）～式（２．４）と同様である。
【0086】
［Ｆ．３． 燃料流量Ｖf］
次の式（１７）に、燃料流量Ｖfの算出式を示す。
Ｅf＝Ｖf・{ΔＨf－Ｃp,f・(Ｔr－Ｔ0)} …（１７）
但し、
ΔＨfは、ＳＯＦＣに供給される燃料の低位発熱量、
Ｃp,fは、ＳＯＦＣに供給される燃料の比熱、
Ｔrは、改質温度（＝ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの作動温度Ｔs）、
Ｔ0は、室温。
次の式（１７）に、燃料流量Ｖfの算出式を示す。
Ｅf＝Ｖf・{ΔＨf－Ｃp,f・(Ｔr－Ｔ0)} …（１７）
但し、
ΔＨfは、ＳＯＦＣに供給される燃料の低位発熱量、
Ｃp,fは、ＳＯＦＣに供給される燃料の比熱、
Ｔrは、改質温度（＝ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの作動温度Ｔs）、
Ｔ0は、室温。
【0087】
式（１７）中、左辺のＥfには、式（１１）から算出された値を用いる。内部改質型ＳＯＦＣでは、改質温度Ｔrは、作動温度Ｔsにほぼ等しい。そのため、Ｔsを測定すれば、式（１７）より、Ｖfを算出することができる。
【0088】
［１．３． 制御フロー］
図１３に、出力制御手段を備えた制御プログラムのフロー図を示す。図１４に、図１３に示すフロー図の続きを示す。なお、以下の説明では、スタックの個数が２個であるケースについて説明するが、３個以上のスタックを備えている場合であっても、同様にして制御を行うことができる。
まず、ステップ１（以下、単に「Ｓ１」という）において、ＳＯＦＣの要求発電出力Ｗt、及び燃料利用率Ｕfを設定する。この時点において、Ｗtは、起動時における要求電力となるように設定される。
図１３に、出力制御手段を備えた制御プログラムのフロー図を示す。図１４に、図１３に示すフロー図の続きを示す。なお、以下の説明では、スタックの個数が２個であるケースについて説明するが、３個以上のスタックを備えている場合であっても、同様にして制御を行うことができる。
まず、ステップ１（以下、単に「Ｓ１」という）において、ＳＯＦＣの要求発電出力Ｗt、及び燃料利用率Ｕfを設定する。この時点において、Ｗtは、起動時における要求電力となるように設定される。
【0089】
アノードオフガス循環を行わない場合、Ｕfが大きくなるほど、ＳＯＦＣ外に排出される未反応燃料の量は少なくなるが、電極反応により生成したＣＯ2及び／又はＨ2Ｏの濃度が増加するために濃度分極によるエネルギーロスが増大する。一方、アノードオフガス循環を行う場合、Ｕfを小さくしても、ＳＯＦＣ外に排出される未反応燃料を少なくすることができ、かつ濃度分極も小さくなる。その結果、システム全体のエネルギーロスを小さくすることができる。Ｕfは、上述の点を考慮して最適な値を選択するのが好ましい。
設定されたＷt及びＵfは、それぞれ、メモリに記憶される。
設定されたＷt及びＵfは、それぞれ、メモリに記憶される。
【0090】
次に、Ｓ２において、各ＳＯＦＣスタックの暖機を行う。この時の循環率Ｒは、１に設定される。これは、始動直後においては、温熱供給よりもＳＯＦＣの昇温を優先させるためである。これと同時に、各ＳＯＦＣスタックのスタック稼働カウンタ作動時間ｔcount（ｉ）のカウントを開始する。「スタック稼働カンター作動時間ｔcout(ｉ）」とは、スタックが稼働している累積時間をいう。スタックの暖機後、発電の開始から作動時間がカウンタ蓄積され、作動スタックの累積作動時間がメモリに記録される。
【0091】
次に、Ｓ３において、暖機運転時の燃料流量Ｖf、及びカソード空気流量Ｖcath,inを算出する。算出されたＶf、及びＶcath,inは、それぞれ、メモリに記憶されると同時に、作動条件をこれらに設定して熱電併給システムの暖機運転を行う。
【0092】
次に、Ｓ４において、要求温熱量Ｑh,t及び空気過剰率Ｋtを設定する。Ｑh,tは、温熱利用先の熱量に基づいて設定される。Ｋtは、温熱利用先の温度に基づいて設定される。設定されたＱh,t及びＫtは、それぞれ、メモリに記憶される。
【0093】
次に、Ｓ５において、作動温度Ｔs及び発電出力Ｗを検出する。検出されたＴs及びＷは、それぞれ、メモリに記憶される。暖機運転は、Ｔsが予め設定された温度になるまで行われる。
【0094】
次に、Ｓ６において、初期の循環率Ｒと、助燃空気流量Ｖc,airを算出し、作動条件をこれらに設定して熱電併給システムを作動させる。Ｒの算出には、上述した式（１２）を用いる。また、Ｖc,airの算出には、上述した式（４）を用いる。また、式（１２）及び式（４）の右辺の変数には、メモリに記憶されている数値を用いる。
さらに、Ｓ７において、再度、Ｗt及びＵfの設定を行う。また、Ｓ８において、再度、Ｑh,t及びＫtの設定を行う。
さらに、Ｓ７において、再度、Ｗt及びＵfの設定を行う。また、Ｓ８において、再度、Ｑh,t及びＫtの設定を行う。
【0095】
次に、Ｓ９に進む。Ｓ９では、ｔcount(ｉ)がｔANODE以上か否かが判断される。稼働スタックは、連続作動によりアノードＮｉが酸化する。「ｔANODE」とは、代表的なスタック作動温度、ガス組成において、アノードＮｉの酸化率が所定の値（例えば、０．６）になるまでに要する時間（Ｎｉ酸化時間）をいう。ｔANODEは、スタックの仕様が分かると、一義的に定まる。ｔcount(ｉ)≧ｔANODEでない場合（Ｓ９：ＮＯ）、そのままＳ１１に進む。
一方、ｔcount(ｉ)≧ｔANODEである場合（Ｓ９：ＹＥＳ）、Ｓ１０に進む。Ｓ１０では、ｔcout(ｉ)＝０とし、ｉ番目のスタックを休止させ、アノードに還元ガスが流れるように、第１～第４三方弁Ｖ１～Ｖ４を切り換える。一方、休止していたスタックには、アノード及びカソードに、それぞれ、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されるように、第１～第４三方弁Ｖ１～Ｖ４を切り換える。その後、Ｓ１１に進む。
一方、ｔcount(ｉ)≧ｔANODEである場合（Ｓ９：ＹＥＳ）、Ｓ１０に進む。Ｓ１０では、ｔcout(ｉ)＝０とし、ｉ番目のスタックを休止させ、アノードに還元ガスが流れるように、第１～第４三方弁Ｖ１～Ｖ４を切り換える。一方、休止していたスタックには、アノード及びカソードに、それぞれ、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されるように、第１～第４三方弁Ｖ１～Ｖ４を切り換える。その後、Ｓ１１に進む。
【0096】
次に、Ｓ１１において、再度、作動温度Ｔs及び発電出力Ｗを検出し、これらをメモリに記憶させる（手順Ａ）。
次に、Ｓ１２において、メモリに記憶されているデータベースに基づいて、現在の作動条件に対応するＳＯＦＣの発電効率η、及び前記非循環ガス中のＨ2／ＣＯ比を算出し、これらをメモリに記憶させる（手順Ｂ）。
次に、Ｓ１３において、燃焼器の燃焼燃料の流入温度Ｔc,c,in、燃焼器の助燃空気の流入温度Ｔc,air,in、及び、燃焼器の出口温度Ｔc,outを検出し、これらをメモリに記憶させる（手順Ｃ）。
次に、Ｓ１２において、メモリに記憶されているデータベースに基づいて、現在の作動条件に対応するＳＯＦＣの発電効率η、及び前記非循環ガス中のＨ2／ＣＯ比を算出し、これらをメモリに記憶させる（手順Ｂ）。
次に、Ｓ１３において、燃焼器の燃焼燃料の流入温度Ｔc,c,in、燃焼器の助燃空気の流入温度Ｔc,air,in、及び、燃焼器の出口温度Ｔc,outを検出し、これらをメモリに記憶させる（手順Ｃ）。
【0097】
次に、Ｓ１４において、現在の作動条件に対応する燃焼熱量Ｑc及び温熱量Ｑhを算出し、これらをメモリに記憶させる（手順Ｄ）。Ｑcの算出には、上述した式（５）が用いられる。また、Ｑhの算出には、上述した式（１５）が用いられる。
次に、Ｓ１５において、手順Ｄで算出されたＱcに対応する燃料流量Ｖf、循環率Ｒ、助燃空気流量Ｖc,air、及びカソード空気流量Ｖcath,inを算出し、これらをメモリに記憶させると同時に、作動条件をこれらに設定して熱電併給システムを作動させる（手順Ｅ）。Ｖfの算出には、上述した式（１７）を用いる。Ｒの算出には、上述した式（１２）を用いる。Ｖc,airの算出には、上述した式（４）を用いる。さらに、Ｖcath,inは、メモリに記憶されているデータベースに基づいて、現在の作動条件に対応する値を算出する。
次に、Ｓ１５において、手順Ｄで算出されたＱcに対応する燃料流量Ｖf、循環率Ｒ、助燃空気流量Ｖc,air、及びカソード空気流量Ｖcath,inを算出し、これらをメモリに記憶させると同時に、作動条件をこれらに設定して熱電併給システムを作動させる（手順Ｅ）。Ｖfの算出には、上述した式（１７）を用いる。Ｒの算出には、上述した式（１２）を用いる。Ｖc,airの算出には、上述した式（４）を用いる。さらに、Ｖcath,inは、メモリに記憶されているデータベースに基づいて、現在の作動条件に対応する値を算出する。
【0098】
次に、Ｓ１６において、温熱量Ｑh及び要求温熱量Ｑh,tから温熱偏差εh（＝Ｑh－Ｑh,t）を算出し、これをメモリに記憶させる（手順Ｆ）。
次に、Ｓ１７に進む。Ｓ１７では、εhの絶対値が第１しきい値未満であるか否かが判断される。図１３及び図１４に示す例では、第１しきい値をＱh,tの５％と設定しているが、これは単なる例示である。第１しきい値は、目的に応じて最適な値を選択することができる。εhの絶対値が第１しきい値以上である時（Ｓ１７：ＮＯ）には、実際の温熱量Ｑhに過不足があることを表す。このような場合には、Ｓ１８に進む。
次に、Ｓ１７に進む。Ｓ１７では、εhの絶対値が第１しきい値未満であるか否かが判断される。図１３及び図１４に示す例では、第１しきい値をＱh,tの５％と設定しているが、これは単なる例示である。第１しきい値は、目的に応じて最適な値を選択することができる。εhの絶対値が第１しきい値以上である時（Ｓ１７：ＮＯ）には、実際の温熱量Ｑhに過不足があることを表す。このような場合には、Ｓ１８に進む。
【0099】
Ｓ１８では、Ｑcからεhを減算することによりＱcを補正し、補正後のＱcを新たなＱcとしてメモリに記憶させる（手順Ｇ）。具体的には、εhが負である場合、実際の温熱量Ｑhが要求温熱量Ｑh,tより少ないことを表す。この場合、燃焼器においてより多くの熱量が発生するように、Ｑcに|εh|が加算される。一方、εhが正である場合、実際の温熱量が過剰であることを表す。この場合、Ｑcから|εh|が減算される。
次に、Ｓ１９において、補正後のＱcに対応するＶf、Ｒ、Ｖc,air、及びＶcath,inを算出し、これらをメモリに記憶させると同時に、作動条件をこれらに設定して熱電併給システムを作動させる（手順Ｈ）。
その後、Ｓ７に戻る。そして、εhの絶対値が第１しきい値未満となるまで、上述したＳ７～Ｓ１９の各ステップ（すなわち、手順Ａ～手順Ｈ）を繰り返す（手順Ｉ）。
次に、Ｓ１９において、補正後のＱcに対応するＶf、Ｒ、Ｖc,air、及びＶcath,inを算出し、これらをメモリに記憶させると同時に、作動条件をこれらに設定して熱電併給システムを作動させる（手順Ｈ）。
その後、Ｓ７に戻る。そして、εhの絶対値が第１しきい値未満となるまで、上述したＳ７～Ｓ１９の各ステップ（すなわち、手順Ａ～手順Ｈ）を繰り返す（手順Ｉ）。
【0100】
一方、εhの絶対値が第１しきい値未満となった時（Ｓ１７：ＹＥＳ）には、Ｓ２０に進む。Ｓ２０では、発電出力Ｗ及び要求発電出力Ｗtから発電出力偏差εe（＝Ｗ－Ｗt）を算出し、これをメモリに記憶させる（手順Ｊ）。
次に、Ｓ２１に進む。Ｓ２１では、発電出力偏差εeの絶対値が第２しきい値未満であるか否かが判断される。図１３及び図１４に示す例では、第２しきい値をＷtの５％と設定しているが、これは単なる例示である。第２しきい値は、目的に応じて最適な値を選択することができる。εeの絶対値が第２しきい値以上である時（Ｓ２１：ＮＯ）には、実際の発電出力Ｗに過不足があることを表す。このような場合には、Ｓ２２に進む。
次に、Ｓ２１に進む。Ｓ２１では、発電出力偏差εeの絶対値が第２しきい値未満であるか否かが判断される。図１３及び図１４に示す例では、第２しきい値をＷtの５％と設定しているが、これは単なる例示である。第２しきい値は、目的に応じて最適な値を選択することができる。εeの絶対値が第２しきい値以上である時（Ｓ２１：ＮＯ）には、実際の発電出力Ｗに過不足があることを表す。このような場合には、Ｓ２２に進む。
【0101】
Ｓ２２では、Ｖfから燃料偏差ΔＶf（＝εe／(η×ΔＨf)）（但し、ΔＨfは前記燃料の低位発熱量）を減算することによりＶfを補正し、補正後のＶfを新たなＶfとしてメモリに記憶させる（手順Ｋ）。具体的には、εeが負である場合、実際の発電出力Ｗが要求発電出力Ｗtより少ないことを表す。この場合、ＳＯＦＣにより多くの燃料が供給されるように、Ｖfに|ΔＶf|が加算される。一方、εeが正である場合、実際の発電出力Ｗが過剰であることを表す。この場合、Ｖfから|ΔＶf|が減算される。
その後、Ｓ７に戻る。そして、εeの絶対値が第２しきい値未満となる（Ｓ２１：ＹＥＳ）まで、上述したＳ７～Ｓ２２（すなわち、手順Ａ～手順Ｋ）を繰り返す（手順Ｌ）。
その後、Ｓ７に戻る。そして、εeの絶対値が第２しきい値未満となる（Ｓ２１：ＹＥＳ）まで、上述したＳ７～Ｓ２２（すなわち、手順Ａ～手順Ｋ）を繰り返す（手順Ｌ）。
【0102】
一方、εeの絶対値が第２しきい値未満となったとき（Ｓ２１：ＹＥＳ）は、Ｓ２３に進む。Ｓ２３では、システムを停止させるか否かが判断される。停止させない場合（Ｓ２３：ＮＯ）には、Ｓ７に戻り、上述したＳ７～Ｓ２３の各ステップを繰り返す。すなわち、作動停止の指示（Ｓ２３：ＹＥＳ）があるまで、メモリに記憶されているＶf、Ｒ、Ｖc,air、及びＶcath,inに基づいて熱電併給システムを作動させる（手順Ｍ）。また、外乱によりＷやＱhが一時的に変動した場合であっても、上述した手順Ａ～手順Ｍを繰り返すことにより、Ｗ及びＱhを、それぞれ、Ｗt及びＱh,tに維持することができる。
【0103】
［１．４． 循環率Ｒの制御方法］
［１．４．１． 可動ノズル式エジェクタ］
図１５に、可動ノズルを備えたエジェクタの断面模式図を示す。図１５において、可動ノズル式エジェクタ３８ａは、本体６２と、可動ノズル６４とを備えている。
本体６２は、円筒状の大径部６２ａと、大径部６２ａの先端に設けられたディフューザー部６２ｂとを備えている。ディフューザー部６２ｂは、逆テーパ状の縮径部６２ｃと、円筒状の小径部６２ｄと、テーパ状の拡径部６２ｅとを備えている。大径部６２ａの基端側の側面には、循環ガスを導入するための導入口６２ｆが設けられている。
［１．４．１． 可動ノズル式エジェクタ］
図１５に、可動ノズルを備えたエジェクタの断面模式図を示す。図１５において、可動ノズル式エジェクタ３８ａは、本体６２と、可動ノズル６４とを備えている。
本体６２は、円筒状の大径部６２ａと、大径部６２ａの先端に設けられたディフューザー部６２ｂとを備えている。ディフューザー部６２ｂは、逆テーパ状の縮径部６２ｃと、円筒状の小径部６２ｄと、テーパ状の拡径部６２ｅとを備えている。大径部６２ａの基端側の側面には、循環ガスを導入するための導入口６２ｆが設けられている。
【0104】
可動ノズル６４は、円筒状の大径部６４ａと、大径部６４ａの先端に設けられた逆テーパ状の縮径部６４ｂとを備えている。大径部６４ａの基端側の端面には、燃料ガスを導入するための導入口６４ｃが設けられている。可動ノズル６４は、軸方向に沿って移動可能となるように、本体６２の大径部６２ａの基端側から内部に向かって挿入されている。可動ノズル６４と本体６２との間の摺動面には、シール材（図示せず）が挿入されている。
【0105】
可動ノズル６４の導入口６４ｃに燃料ガスを導入すると、可動ノズル６４の縮径部６４ｂの先端から本体６２の小径部６２ｄ内に向かって、所定の流速で燃料ガスが噴射される。その際に発生する圧力差により、本体６２の導入口６２ｆから小径部６２ｄに向かって、循環ガスが所定の流速で吸引される。
この時、可動ノズル６４を軸方向に移動させると、循環ガスの流路断面積ＡC（すなわち、本体６２の縮径部６２ｃの先端における本体６２の内面と可動ノズル６４の外面との間の隙間の面積）が変化する。一方、燃料ガスの流路断面積ＡF（すなわち、可動ノズル６４の縮径部６４ｂの先端に設けられた貫通孔の面積）は常に一定である。そのため、可動ノズル６４を軸方向に移動させると、循環率Ｒを任意に制御することができる。
この時、可動ノズル６４を軸方向に移動させると、循環ガスの流路断面積ＡC（すなわち、本体６２の縮径部６２ｃの先端における本体６２の内面と可動ノズル６４の外面との間の隙間の面積）が変化する。一方、燃料ガスの流路断面積ＡF（すなわち、可動ノズル６４の縮径部６４ｂの先端に設けられた貫通孔の面積）は常に一定である。そのため、可動ノズル６４を軸方向に移動させると、循環率Ｒを任意に制御することができる。
【0106】
具体的には、可動ノズル６４を大径部６２ａ側に向かって移動させると、ＡCが大きくなる（図１５の上図参照）。その結果、導入口６２ｆからの循環ガスの吸引量が増加する。逆に、可動ノズル６４を拡径部６２ｅ側に向かって移動させると、ＡCが小さくなる（図１５の下図参照）。その結果、導入口６２ｆからの循環ガスの吸引量が減少する。
【0107】
［１．４．２． 可動ニードル式エジェクタ］
図１６に、可動ニードルを備えたエジェクタの断面模式図を示す。図１６において、可動ニードル式エジェクタ３８ｂは、本体６２と、固定ノズル６４’と、可動ニードル６６とを備えている。
本体６２は、円筒状の大径部６２ａと、大径部６２ａの先端に設けられたディフューザー部６２ｂとを備えている。ディフューザー部６２ｂは、逆テーパ状の縮径部６２ｃと、円筒状の小径部６２ｄと、テーパ状の拡径部６２ｅとを備えている。大径部６２ａの基端側の側面には、循環ガスを導入するための導入口６２ｆが設けられている。
図１６に、可動ニードルを備えたエジェクタの断面模式図を示す。図１６において、可動ニードル式エジェクタ３８ｂは、本体６２と、固定ノズル６４’と、可動ニードル６６とを備えている。
本体６２は、円筒状の大径部６２ａと、大径部６２ａの先端に設けられたディフューザー部６２ｂとを備えている。ディフューザー部６２ｂは、逆テーパ状の縮径部６２ｃと、円筒状の小径部６２ｄと、テーパ状の拡径部６２ｅとを備えている。大径部６２ａの基端側の側面には、循環ガスを導入するための導入口６２ｆが設けられている。
【0108】
固定ノズル６４’は、円筒状の大径部６４ａ’と、大径部６４ａ’の先端に設けられた逆テーパ状の縮径部６４ｂ’とを備えている。大径部６４ａ’の基端側の側面には、燃料ガスを導入するための導入口６４ｃ’が設けられている。 固定ノズル６４’は、本体６２の大径部６２ａの基端側から内部に向かって挿入されているが、軸方向に沿って移動させることはできない。
可動ニードル６６は、柱状の平行部６６ａと、平行部６６ａの先端に設けられた逆テーパ状の縮径部６６ｂとを備えている。可動ノードル６６は、軸方向に沿って移動可能となるように、固定ノズル６４’の大径部６４ａ’の基端側から内部に向かって挿入されている。可変ニードル６６と固定ノズル６４’との間の摺動面には、シール材（図示せず）が挿入されている。
可動ニードル６６は、柱状の平行部６６ａと、平行部６６ａの先端に設けられた逆テーパ状の縮径部６６ｂとを備えている。可動ノードル６６は、軸方向に沿って移動可能となるように、固定ノズル６４’の大径部６４ａ’の基端側から内部に向かって挿入されている。可変ニードル６６と固定ノズル６４’との間の摺動面には、シール材（図示せず）が挿入されている。
【0109】
固定ノズル６４’の導入口６４ｃ’に燃料ガスを導入すると、固定ノズル６４’の縮径部６４ｂ’の先端から本体６２の小径部６２ｄ内に向かって、所定の流速で燃料ガスが噴射される。また、その際に発生する圧力差により、本体６２の導入口６２ｆから小径部６２ｄに向かって、循環ガスが所定の流速で吸引される。
この時、可動ニードル６６を軸方向に移動させると、燃料ガスの流路断面積ＡFが変化する。一方、循環ガスの流路断面積ＡCは常に一定である。そのため、可動ニードル６６を軸方向に移動させると、循環率Ｒを任意に制御することができる。
この時、可動ニードル６６を軸方向に移動させると、燃料ガスの流路断面積ＡFが変化する。一方、循環ガスの流路断面積ＡCは常に一定である。そのため、可動ニードル６６を軸方向に移動させると、循環率Ｒを任意に制御することができる。
【0110】
具体的には、可動ニードル６６を大径部６４ａ’側に向かって移動させると、ＡFが大きくなる（図１６の上図参照）。その結果、導入口６２ｆからの循環ガスの吸引量が減少する。逆に、可動ニードル６６を縮径部６４ｂ’側に向かって移動させると、ＡFが小さくなる（図１６の下図参照）。その結果、導入口６２ｆからの循環ガスの吸引量が増加する。
【0111】
［１．５． 作用］
［１．５．１． ＣＯ2分離型ＡＧＲシステム］
図１７に、ＣＯ2分離型アノードオフガス循環（ＡＧＲ）システムのエネルギー循環の模式図を示す。ＣＯ2分離型ＡＧＲシステムでは、循環ガスと燃料（ＨＣ）とがエジェクタにおいて混合される。得られた混合ガスは、改質器に送られ、燃料（ＨＣ）が水蒸気改質される。得られた改質ガスは、ＳＯＦＣのアノードに供給される。これと同時に、ＳＯＦＣのカソードに空気を供給すると、ＳＯＦＣから電力が得られる。発電の際に発生した熱は、改質器に伝達され、改質熱として再利用される。
［１．５．１． ＣＯ2分離型ＡＧＲシステム］
図１７に、ＣＯ2分離型アノードオフガス循環（ＡＧＲ）システムのエネルギー循環の模式図を示す。ＣＯ2分離型ＡＧＲシステムでは、循環ガスと燃料（ＨＣ）とがエジェクタにおいて混合される。得られた混合ガスは、改質器に送られ、燃料（ＨＣ）が水蒸気改質される。得られた改質ガスは、ＳＯＦＣのアノードに供給される。これと同時に、ＳＯＦＣのカソードに空気を供給すると、ＳＯＦＣから電力が得られる。発電の際に発生した熱は、改質器に伝達され、改質熱として再利用される。
【0112】
ＳＯＦＣから排出されたアノードオフガスは、未反応の燃料を含んでいる。そのため、アノードオフガスは、不要なガスの分離を行った後、その一部が循環ガスとして発電に再利用される。一方、アノードオフガスの内、発電に再利用されなかったもの（非循環ガス）は、燃焼器に送られる。また、カソードオフガスは、未反応の酸素を含むと同時に、顕熱を持っている。そのため、カソードオフガスは、助燃空気として燃焼器に送られる。燃焼器では、非循環ガスをカソードオフガスで燃焼させることにより、温熱を発生させる。その結果、発生した温熱を給湯や暖房に利用することができる。
【0113】
このようなＣＯ2分離型ＡＧＲシステムにおいて、アノードオフガスの循環率Ｒは、出力や効率に影響を及ぼす。図１８に、循環率Ｒと出力との関係を示す。図１９に、循環率Ｒと効率との関係を示す。図１８及び図１９より、熱需要が高い時には循環率Ｒを小さくし、電力需要が高い時には循環率を大きくすれば良いことが分かる。
【0114】
［１．５．２． ガス分離型アノードオフガス循環の利点］
エジェクタでは、高圧ガス（燃料ガス供給用）／低圧ガス（循環ガス供給用）をノズル部に吹き出し、低圧混合部にて流速を増大させた後、ディフューザー部で圧力回復させる。そのため、駆動ポンプを用いることなく、高圧側駆動ガスの圧力エネルギーにより低圧ガスを吸引することができる。ここで、アノードオフガス循環にエジェクタを用いることで、発電用のＣＨ4等の燃料ガス（高圧）の圧力エネルギーによりアノードオフガス（低圧）を昇圧・循環させることができる。
エジェクタでは、高圧ガス（燃料ガス供給用）／低圧ガス（循環ガス供給用）をノズル部に吹き出し、低圧混合部にて流速を増大させた後、ディフューザー部で圧力回復させる。そのため、駆動ポンプを用いることなく、高圧側駆動ガスの圧力エネルギーにより低圧ガスを吸引することができる。ここで、アノードオフガス循環にエジェクタを用いることで、発電用のＣＨ4等の燃料ガス（高圧）の圧力エネルギーによりアノードオフガス（低圧）を昇圧・循環させることができる。
【0115】
ガス分離型アノードオフガス循環では、通常、ＳＯＦＣの発電反応により生成するＣＯ2の全部と、Ｈ2Ｏの一部が除去される。これにより、発電に必要な燃料成分（ＣＯ、Ｈ2）と水蒸気改質反応に必要なＨ2Ｏ（Steam／Carbon比＝２）のみを循環させ、エジェクタにより発電用燃料と混合する。
ガス分離のないアノードオフガス循環では、発電反応及びガス循環に伴いＨ2Ｏ及びＣＯ2の濃度が上昇し、循環ガス流量が増大する。これを回避するために、循環配管途中で非循環ガス流と循環ガスを分岐させて、循環ガス流量を制御することが行われる。この方法では、循環ガス中のＨ2、ＣＯ濃度は低下し、可燃成分（Ｈ2、ＣＯ）の一部を常に系外に放出するため、最大発電効率は低下する。
ガス分離のないアノードオフガス循環では、発電反応及びガス循環に伴いＨ2Ｏ及びＣＯ2の濃度が上昇し、循環ガス流量が増大する。これを回避するために、循環配管途中で非循環ガス流と循環ガスを分岐させて、循環ガス流量を制御することが行われる。この方法では、循環ガス中のＨ2、ＣＯ濃度は低下し、可燃成分（Ｈ2、ＣＯ）の一部を常に系外に放出するため、最大発電効率は低下する。
【0116】
一方、ガス分離型アノードオフガス循環では、発電に不要なＨ2Ｏ、ＣＯ2を循環ガス中から除去し続けることができる。そのため、循環ガス流量の増加を抑制し、熱・化学エネルギーの有効利用を図ることができる。
【0117】
［１．５．３． 需要に応じた熱電併給］
熱電併給が可能な発電システム（μＣＨＰ：Combined Heat and Power）では、地域、季節、時間帯によって熱（給湯、床暖房、空調）／電気の使用形態が異なる。特に、一般家庭では、寒冷地、冬場、夜間においては熱需要が高まる。一方、商用（オフィスビル、美容室等）では、昼間において熱需要が高い。そこで、低圧ガスの吸い込み量を調整可能な可変ノズル／可変ニードルを搭載したエジェクタを用いて、循環率と燃料流量を調整することで、需要に応じた熱電併給が可能となる。
熱電併給が可能な発電システム（μＣＨＰ：Combined Heat and Power）では、地域、季節、時間帯によって熱（給湯、床暖房、空調）／電気の使用形態が異なる。特に、一般家庭では、寒冷地、冬場、夜間においては熱需要が高まる。一方、商用（オフィスビル、美容室等）では、昼間において熱需要が高い。そこで、低圧ガスの吸い込み量を調整可能な可変ノズル／可変ニードルを搭載したエジェクタを用いて、循環率と燃料流量を調整することで、需要に応じた熱電併給が可能となる。
【0118】
第２Ｈ2Ｏ分離器により非循環ガスからＨ2Ｏを除去することで、濃度の高い可燃性分（ＣＯ、Ｈ2）が得られる。高濃度の可燃成分は、高い燃焼温度が得られるだけでなく、還元ガスとしての利用が可能となる。ここでは、発電部を２以上のスタックで構成した複数スタック構成とし、要求電力に応じて作動スタック／休止スタックに分割して運転することで出力の過渡応答性を向上させる。
【0119】
後述するように、休止スタックには、アノード流路／レドックス流路へ還元ガスを流した後、カソードオフガスと混合し、燃焼器にて燃焼させることができる。アノード流路に還元ガスを流すことにより、作動中に酸化劣化したアノードＮｉ触媒を還元し、発電性能を回復させることができる。また、レドックス材の酸化反応によりスタックを昇温させるシステムにおいては、レドックス流路に還元ガスを流すことにより、酸化したレドックス材を還元することができる。さらに、還元処理後のオフガスに残存している還元ガスは、カソードオフガスと混合・燃焼させることで温熱として利用可能である。
【0120】
［１．５．４． Ｖc,air、Ｖf、及びＲの算出］
還元ガスとカソードオフガスを燃焼器にて混合・燃焼させることで、高温の熱出力を得ることができる。燃焼温度は入口温度と空気過剰率（助燃空気の酸素量／可燃性ガスの理論酸素量）により決まるため、流量制御弁Ｖ７を用いて助燃空気流量を調整することで空気過剰率を設定することができる。そこで、要求温熱量Ｑh,tと利用下限温度Ｔuseより、必要燃焼熱量Ｑc,tを算出し、設定された空気過剰率Ｋtを用いて燃焼器に供給するカソードオフガスの量（助燃空気流量Ｖc,air）を算出する。Ｑc,t及びＶc,airより、燃料流量Ｖf、循環率Ｒを算出・設定することで、温熱生成が開始する。
還元ガスとカソードオフガスを燃焼器にて混合・燃焼させることで、高温の熱出力を得ることができる。燃焼温度は入口温度と空気過剰率（助燃空気の酸素量／可燃性ガスの理論酸素量）により決まるため、流量制御弁Ｖ７を用いて助燃空気流量を調整することで空気過剰率を設定することができる。そこで、要求温熱量Ｑh,tと利用下限温度Ｔuseより、必要燃焼熱量Ｑc,tを算出し、設定された空気過剰率Ｋtを用いて燃焼器に供給するカソードオフガスの量（助燃空気流量Ｖc,air）を算出する。Ｑc,t及びＶc,airより、燃料流量Ｖf、循環率Ｒを算出・設定することで、温熱生成が開始する。
【0121】
燃焼器では、入口・出口温度を測定し、断熱火炎モデルにより燃焼熱量Ｑc、生成温熱量Ｑhが算出される。要求温熱量Ｑh,tと発生温熱量Ｑhとの偏差εh＝Ｑh－Ｑh,tから修正燃焼熱量Ｑc＝Ｑc－εhを求め、燃料流量Ｖf及び循環率Ｒを算出・設定する。
ここで、電力及び温熱量は、目標値との偏差が所定のしきい値（例えば、要求量の５％以内）となるように制御される。これにより、休止中のスタックの還元処理により燃焼ガス中の可燃成分が消費されても、燃焼温度差により燃焼熱量を算出することができる。また、目標温熱量との偏差により循環率Ｒ、投入燃料量Ｖfを制御することで、安定した電力／熱供給が可能となる。
ここで、電力及び温熱量は、目標値との偏差が所定のしきい値（例えば、要求量の５％以内）となるように制御される。これにより、休止中のスタックの還元処理により燃焼ガス中の可燃成分が消費されても、燃焼温度差により燃焼熱量を算出することができる。また、目標温熱量との偏差により循環率Ｒ、投入燃料量Ｖfを制御することで、安定した電力／熱供給が可能となる。
【0122】
一定空気過剰率燃焼においては、燃焼器の燃焼温度を一定に維持することで、安定した燃焼（高温によるＮＯｘ生成量の抑制、低温による未燃成分の排出の抑制）だけでなく、温熱の温度レベルを一定に制御することができる。また、燃焼器の温度変化（熱マスによる温度応答遅れ）に起因した燃焼熱量の検出誤差を抑制し、高精度で熱量検出が可能となる。
【0123】
水蒸気改質反応熱：－Ｑr［ｋＷ］は、スタック内部熱収支から算出する。すなわち、発電出力をＷ［ｋＷ］、ＳＯＦＣ発電効率をη［－］＝ｇ1(Ｕf、Ｒ、Ｔs)、循環率をＲ［－］、燃料利用率をＵf［－］、スタック温度測定値をＴs［℃］とすると、Ｑr＝Ｗ(１／η－１)より算出することができる。
循環率Ｒ［－］、及び燃料流量Ｖf［ｍｏｌ／s］は、サイクル熱収支から、Ｑr、Ｕf、Ｗ、η、Ｑex1、Ｑex2、及びＱcより求めることができる。但し、分離器１からの放熱量をＱex1＝ｆ1(Ｗ、Ｕf、Ｒ、Ｔs)、分離器２からの放熱量をＱex2＝ｆ2(Ｗ、Ｕf、Ｒ、Ｔs)とする。
循環率Ｒ［－］、及び燃料流量Ｖf［ｍｏｌ／s］は、サイクル熱収支から、Ｑr、Ｕf、Ｗ、η、Ｑex1、Ｑex2、及びＱcより求めることができる。但し、分離器１からの放熱量をＱex1＝ｆ1(Ｗ、Ｕf、Ｒ、Ｔs)、分離器２からの放熱量をＱex2＝ｆ2(Ｗ、Ｕf、Ｒ、Ｔs)とする。
【0124】
燃料流量Ｖf［ｍｏｌ／ｓ］は、投入ネルギーＥf［ｋＷ］、改質温度Ｔr［℃］（＝Ｔs）、投入燃料の低位発熱量ΔＨf、低圧比熱Ｃp,f［ｋＪ／ｍｏｌ］から求めることができる。Ｑcは、検出温度（Ｔc,in、Ｔc,out）を用いて断熱火炎計算により算出される。
循環ガスのｒ（Ｈ2／ＣＯ比）［－］、及び発電効率η［－］は、循環率Ｒ、燃料利用率Ｕf、スタック温度Ｔsをパラメータとしたマップデータより算出される。
循環ガスのｒ（Ｈ2／ＣＯ比）［－］、及び発電効率η［－］は、循環率Ｒ、燃料利用率Ｕf、スタック温度Ｔsをパラメータとしたマップデータより算出される。
【0125】
【0126】
図２０において、熱電併給システム１０ｂは、図１と同様の構成に加えて、
非循環ガスの供給経路を、燃焼器４２に直接供給する第１経路５４ａと、休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂを経由して燃焼器４２に供給する第２経路５４ｂのいずれかに切り換える第１切替装置（第６三方弁Ｖ６）と、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノードに含まれるＮｉの酸化量を検出する第１酸化量検出装置（図示せず）と
をさらに備えている。
非循環ガスの供給経路を、燃焼器４２に直接供給する第１経路５４ａと、休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂを経由して燃焼器４２に供給する第２経路５４ｂのいずれかに切り換える第１切替装置（第６三方弁Ｖ６）と、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノードに含まれるＮｉの酸化量を検出する第１酸化量検出装置（図示せず）と
をさらに備えている。
【0127】
また、制御装置５２は、第１燃焼燃料補正手段をさらに備えている。
この点が、第１の実施の形態とは異なる。その他の点については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
この点が、第１の実施の形態とは異なる。その他の点については、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【0128】
［２．１．１． 第１切替装置］
第１切替装置は、非循環ガスを第１経路５４ａ又は第２経路５４ｂのいずれか一方に切り替えるためのものである。図２０に示す例において、第１切替装置には、第６三方弁Ｖ６が用いられている。第１経路５４ａは、第２ＣＯ2分離器４０から排出された非循環ガスを、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂを経由することなく、直接、燃焼器４２に供給するためのものである。一方、第２経路５４ｂは、第１の実施の形態と同様に、非循環ガスを、休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂを経由して燃焼器４２に供給するためのものである。第１切替装置による供給経路の切り替えは、制御装置５２からの切換信号を検出した時に行われる。
第１切替装置は、非循環ガスを第１経路５４ａ又は第２経路５４ｂのいずれか一方に切り替えるためのものである。図２０に示す例において、第１切替装置には、第６三方弁Ｖ６が用いられている。第１経路５４ａは、第２ＣＯ2分離器４０から排出された非循環ガスを、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂを経由することなく、直接、燃焼器４２に供給するためのものである。一方、第２経路５４ｂは、第１の実施の形態と同様に、非循環ガスを、休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂを経由して燃焼器４２に供給するためのものである。第１切替装置による供給経路の切り替えは、制御装置５２からの切換信号を検出した時に行われる。
【0129】
［２．１．２． 第１酸化量検出装置］
［Ａ． 定義］
第１酸化量検出装置（図示せず）は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノードに含まれるＮｉの酸化量を検出するためのものである。検出されたＮｉの酸化量は、第１初期補正熱量εh1,iniを算出するために用いられる。ここで、「第１初期補正熱量εh1,ini」とは、非循環ガスを用いてアノードに含まれるＮｉを還元した場合において、Ｎｉの還元に消費される還元ガス量を熱量に換算した値をいう。非循環ガスには、通常、複数の還元ガス種が含まれている。この場合、εh1,iniは、次の式（２１）で表される。
εh1,ini＝ΣiΔＱc1,i …（２１）
但し、ΔＱc1,iは、非循環ガスに含まれるｉ番目の還元ガス種を用いてＮｉを還元した場合において、Ｎｉの還元に消費される還元ガス量を熱量に換算した値。
［Ａ． 定義］
第１酸化量検出装置（図示せず）は、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノードに含まれるＮｉの酸化量を検出するためのものである。検出されたＮｉの酸化量は、第１初期補正熱量εh1,iniを算出するために用いられる。ここで、「第１初期補正熱量εh1,ini」とは、非循環ガスを用いてアノードに含まれるＮｉを還元した場合において、Ｎｉの還元に消費される還元ガス量を熱量に換算した値をいう。非循環ガスには、通常、複数の還元ガス種が含まれている。この場合、εh1,iniは、次の式（２１）で表される。
εh1,ini＝ΣiΔＱc1,i …（２１）
但し、ΔＱc1,iは、非循環ガスに含まれるｉ番目の還元ガス種を用いてＮｉを還元した場合において、Ｎｉの還元に消費される還元ガス量を熱量に換算した値。
【0130】
第１酸化量検出装置は、Ｎｉの酸化量を定量的に検出することが可能なものである限りにおいて、特に限定されない。第１酸化量検出装置としては、例えば、
（ａ）アノード２２ａ、２２ｂの色度を検出する色度検出装置、
（ｂ）アノード２２ａ、２２ｂの放射率を検出する放射率検出装置
などがある。
（ａ）アノード２２ａ、２２ｂの色度を検出する色度検出装置、
（ｂ）アノード２２ａ、２２ｂの放射率を検出する放射率検出装置
などがある。
【0131】
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノードには、触媒としてのＮｉと固体酸化物形電解質との複合体（Ｎｉサーメット）が用いられる。Ｎｉが還元状態にある場合、アノードは灰色を呈する。一方、Ｎｉが酸化状態にある場合、アノードは緑色を呈する。また、Ｎｉの酸化が進行するほど、アノードは緑色が強くなる。そのため、アノードの色度を検出すれば、Ｎｉが酸化状態にあるか否か、及び、Ｎｉの酸化の程度を知ることができる。
【0132】
また、物体から放出される赤外線の量（放射率）は、物体の材質や表面状態などに依存する。また、放射率は、色度と異なり、温度にも依存する。そのため、アノードの放射率、及び放射率測定時のアノードの温度を検出すれば、Ｎｉが酸化状態にあるか否か、及び、Ｎｉの酸化の程度を知ることができる。
【0133】
［Ｂ． 配置］
図２１（Ａ）に、第１酸化量測定装置を備えた熱電併給システムの模式図を示す。図２１（Ａ）において、熱電併給システム１０ｂは、観察窓８６ａを備えたＳＯＦＣ２０と、第１酸化量測定装置９０とを備えている。第１酸化量測定装置９０は、観察窓８６ａの近傍に設置されている。
図２１（Ａ）において、アノードガスは紙面の左から右に向かって流れ、カソードガスは紙面の下から上に向かって流れる。そのため、観察窓８６ａ及び第１酸化量測定装置９０は、それぞれ、アノード流路の出口側に設置されている。これは、アノード流路の出口側に行くほど、電極反応により生成したＣＯ2及び／又はＨ2Ｏの濃度が高くなるために、アノード中のＮｉが酸化されやすくなるためである。
図２１（Ａ）に、第１酸化量測定装置を備えた熱電併給システムの模式図を示す。図２１（Ａ）において、熱電併給システム１０ｂは、観察窓８６ａを備えたＳＯＦＣ２０と、第１酸化量測定装置９０とを備えている。第１酸化量測定装置９０は、観察窓８６ａの近傍に設置されている。
図２１（Ａ）において、アノードガスは紙面の左から右に向かって流れ、カソードガスは紙面の下から上に向かって流れる。そのため、観察窓８６ａ及び第１酸化量測定装置９０は、それぞれ、アノード流路の出口側に設置されている。これは、アノード流路の出口側に行くほど、電極反応により生成したＣＯ2及び／又はＨ2Ｏの濃度が高くなるために、アノード中のＮｉが酸化されやすくなるためである。
【0134】
図２１（Ｂ）に、ＳＯＦＣのアノード側エンドプレート近傍の分解斜視図を示す。ＳＯＦＣ２０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）７０を備えている。ＭＥＡ７０は、固体酸化物形電解質からなる電解質膜７２と、電解質膜７２の一方の面に接合されたアノード７４と、電解質膜７２の他方の面に接合されたカソード７６とを備えている。ＳＯＦＣ２０は、通常、このようなＭＥＡ７０の両端に集電体（図示せず）が配置された単セルが複数個積層されたスタック構造を備えている。
【0135】
ＳＯＦＣ２０の端部に位置する単セルのアノード７４側には、アノード側エンドプレート８０が配置される。アノード側エンドプレート８０は、
（ａ）アノード７４側に配置された、電流を取り出すためのアノード集電板８２と、
（ｂ）アノード集電板８２の外側に配置された、短絡を防止するための絶縁板８４と、
（ｃ）絶縁板８４の外側に配置された、金属板８６と
の積層体からなる。
（ａ）アノード７４側に配置された、電流を取り出すためのアノード集電板８２と、
（ｂ）アノード集電板８２の外側に配置された、短絡を防止するための絶縁板８４と、
（ｃ）絶縁板８４の外側に配置された、金属板８６と
の積層体からなる。
【0136】
金属板８６には、観察窓８６ａが設けられ、観察窓８６ａ内には、透光性材料８８が嵌め込まれている。透光性材料８８は、ＳＯＦＣ２０の作動温度において赤外線を透過させることが可能な材料であれば良い。透光性材料８８としては、例えば、石英、シリコン、ゲルマニウム、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）などがある。
観察窓８６ａは、第１酸化量測定装置９０を用いてアノード７４の酸化／還元状態を検出するためのものである。そのため、アノード集電板８２及び絶縁板８４には、観察窓８６ａに対応する位置に、それぞれ、貫通穴８２ａ及び貫通穴８４ａが形成されている。
観察窓８６ａは、第１酸化量測定装置９０を用いてアノード７４の酸化／還元状態を検出するためのものである。そのため、アノード集電板８２及び絶縁板８４には、観察窓８６ａに対応する位置に、それぞれ、貫通穴８２ａ及び貫通穴８４ａが形成されている。
【0137】
［Ｃ． Ｎｉ酸化率と第１初期補正熱量εh1,iniとの関係］
Ｎｉサーメットの色度及び放射率は、いずれもＮｉ酸化率と相関がある。そのため、Ｎｉサーメットの色度及び／又は放射率を検出すれば、Ｎｉ酸化率を定量的に求めることができる。また、ＳＯＦＣ２０の構造が既知である場合において、Ｎｉ酸化率が検出された時には、Ｎｉ酸化率から、Ｎｉを還元するために必要な還元ガス量の理論値、及びその還元ガス量を熱量に換算した第１初期補正熱量εh1,iniを算出することができる。
Ｎｉサーメットの色度及び放射率は、いずれもＮｉ酸化率と相関がある。そのため、Ｎｉサーメットの色度及び／又は放射率を検出すれば、Ｎｉ酸化率を定量的に求めることができる。また、ＳＯＦＣ２０の構造が既知である場合において、Ｎｉ酸化率が検出された時には、Ｎｉ酸化率から、Ｎｉを還元するために必要な還元ガス量の理論値、及びその還元ガス量を熱量に換算した第１初期補正熱量εh1,iniを算出することができる。
【0138】
図２２に、放射率とＮｉ酸化率及び第１初期補正熱量εh1,iniとの関係の一例を示す。なお、図２２では、Ｎｉ活性層：１００μｍ、セル発電有効面積：４０１．８ｃｍ2、１スタック出力：５ｋＷ、全還元時間：１０ｍｉｎ、アノード空隙率：０．３、Ｎｉ：ＹＳＺ（モル比）＝１：１とした。この場合において、還元処理で消費される燃料ガス流量を算出した。また、放射率とＮｉ酸化率との関係から、休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂに必要な還元ガス量ΔＱc1,iの関係式を得た。
【0139】
図２２より、
（ａ）Ｎｉの酸化率が大きくなるほど、放射率が低下すること、及び、
（ｂ）Ｎｉ酸化率とεh1,iniとの間に、密接な相関があること、
が分かる。
そのため、図２２に示すようなデータベースを予めメモリに記憶させておくと、放射率を検出することにより、Ｎｉ酸化率を知ることができる。また、Ｎｉ酸化率が分かると、εh1,iniを知ることができる。さらに、εh1,iniを用いてＱcを補正すると、非循環ガスを用いてＮｉサーメットを還元処理した時に生じる温熱量Ｑh及び／又は発電出力Ｗの変動を抑制することができる。
（ａ）Ｎｉの酸化率が大きくなるほど、放射率が低下すること、及び、
（ｂ）Ｎｉ酸化率とεh1,iniとの間に、密接な相関があること、
が分かる。
そのため、図２２に示すようなデータベースを予めメモリに記憶させておくと、放射率を検出することにより、Ｎｉ酸化率を知ることができる。また、Ｎｉ酸化率が分かると、εh1,iniを知ることができる。さらに、εh1,iniを用いてＱcを補正すると、非循環ガスを用いてＮｉサーメットを還元処理した時に生じる温熱量Ｑh及び／又は発電出力Ｗの変動を抑制することができる。
【0140】
非循環ガスを用いてＮｉサーメットの還元処理を行うタイミングは、目的に応じて最適なタイミングを選択することができる。図２２に示す例では、検出された放射率が「Ｎｉ酸化率≧０．６以上」に相当する値を示した時には、スタック切換信号を出し、Ｎｉ酸化が進行しているＳＯＦＣを休止させ、Ｎｉの還元処理を行う。具体的には、第６三方弁Ｖ６を用いて、非循環ガスの供給経路を第２経路５４ｂに切り替える。これと同時に、検出された放射率に相当するεhi,iniを算出し、Ｑcを補正する。
一方、検出された放射率が「Ｎｉ酸化利率≦０．１」に相当する値を示した時は、バルブ切換信号（休止スタックへの非循環ガスの供給を停止させる信号）を出す。この場合、非循環ガスの供給経路を第１経路５４ａに切り替えても良く、あるいは、Ｎｉ酸化が進行している別のＳＯＦＣに非循環ガスが供給されるように、供給経路を切り替えても良い。
一方、検出された放射率が「Ｎｉ酸化利率≦０．１」に相当する値を示した時は、バルブ切換信号（休止スタックへの非循環ガスの供給を停止させる信号）を出す。この場合、非循環ガスの供給経路を第１経路５４ａに切り替えても良く、あるいは、Ｎｉ酸化が進行している別のＳＯＦＣに非循環ガスが供給されるように、供給経路を切り替えても良い。
【0141】
［２．１．３． 第１燃焼熱量補正手段］
制御装置５２は、上述した出力制御手段に加えて、さらに第１燃焼熱量補正手段を備えている。ここで、「第１燃焼燃料補正手段」とは、第１切替装置により供給経路を第２経路５４ｂに切り替える際に、非循環ガスを供給しようとするＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂについて、第１酸化量検出装置を用いて検出されたＮｉの酸化量を取得し、取得されたＮｉの酸化量を用いてＱcを補正する手段をいう。
制御装置５２は、上述した出力制御手段に加えて、さらに第１燃焼熱量補正手段を備えている。ここで、「第１燃焼燃料補正手段」とは、第１切替装置により供給経路を第２経路５４ｂに切り替える際に、非循環ガスを供給しようとするＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂについて、第１酸化量検出装置を用いて検出されたＮｉの酸化量を取得し、取得されたＮｉの酸化量を用いてＱcを補正する手段をいう。
【0142】
第１燃焼燃料補正手段は、具体的には、以下の手順を実行するための手段を含むものが好ましい。
（Ｎ）第１スタック切換信号（稼働中のｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）の前記ＳＯＦＣに対してアノードの還元処理を実行するよう指示する信号）が検出されたか否かを判断する手順Ｎ。
（Ｏ）前記第１スタック切替信号が検出された時には、前記第１酸化量検出装置を用いて検出されたｉ番目の前記ＳＯＦＣの前記Ｎｉの酸化量を取得し、これを前記メモリに記憶させる手順Ｏ。
（Ｐ）前記Ｎｉの酸化量から第１初期補正熱量εh1,iniを算出し、前記Ｑcに前記εh1,iniを加算することにより前記Ｑcを補正し、補正後の前記Ｑcを新たな前記Ｑcとしてメモリに記憶させる手順Ｐ。
（Ｑ）補正後の前記Ｑcを用いて、前記Ｖf、前記Ｒ、前記Ｖc,air、及び前記Ｖchath,inを算出し、これらを前記メモリに記憶させると同時に、前記作動条件をこれらに設定して前記熱電併給システムを作動させる手順Ｑ。
（Ｒ）ｉ番目の前記ＳＯＦＣを休止させ、前記Ｎｉの酸化量が第３しきい値未満となるまで、前記供給経路を前記第２経路に切り替える手順Ｒ。
（Ｓ）前記Ｎｉの酸化量が前記第３しきい値未満となった時は、前記供給経路を前記第１経路に切り換えた後、手順Ａに戻る手順Ｓ。
第１燃焼熱量補正手段の詳細については、後述する。
（Ｎ）第１スタック切換信号（稼働中のｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）の前記ＳＯＦＣに対してアノードの還元処理を実行するよう指示する信号）が検出されたか否かを判断する手順Ｎ。
（Ｏ）前記第１スタック切替信号が検出された時には、前記第１酸化量検出装置を用いて検出されたｉ番目の前記ＳＯＦＣの前記Ｎｉの酸化量を取得し、これを前記メモリに記憶させる手順Ｏ。
（Ｐ）前記Ｎｉの酸化量から第１初期補正熱量εh1,iniを算出し、前記Ｑcに前記εh1,iniを加算することにより前記Ｑcを補正し、補正後の前記Ｑcを新たな前記Ｑcとしてメモリに記憶させる手順Ｐ。
（Ｑ）補正後の前記Ｑcを用いて、前記Ｖf、前記Ｒ、前記Ｖc,air、及び前記Ｖchath,inを算出し、これらを前記メモリに記憶させると同時に、前記作動条件をこれらに設定して前記熱電併給システムを作動させる手順Ｑ。
（Ｒ）ｉ番目の前記ＳＯＦＣを休止させ、前記Ｎｉの酸化量が第３しきい値未満となるまで、前記供給経路を前記第２経路に切り替える手順Ｒ。
（Ｓ）前記Ｎｉの酸化量が前記第３しきい値未満となった時は、前記供給経路を前記第１経路に切り換えた後、手順Ａに戻る手順Ｓ。
第１燃焼熱量補正手段の詳細については、後述する。
【0143】
［２．２． 制御フロー］
図２３に、第１燃焼燃料補正手段及び出力制御手段を備えた制御プログラムのフロー図を示す。図２４に、図２３に示すフロー図の続きを示す。なお、以下の説明では、スタックの個数が２個であるケースについて説明するが、３個以上のスタックを備えている場合であっても、同様にして制御を行うことができる。
まず、ステップ３１（以下、単に「Ｓ３１」という）において、ＳＯＦＣの要求発電出力Ｗt、及び燃料利用率Ｕfを設定し、これらをメモリに記憶させる。Ｓ３１の詳細については、上述したＳ１と同様であるので、説明を省略する。
図２３に、第１燃焼燃料補正手段及び出力制御手段を備えた制御プログラムのフロー図を示す。図２４に、図２３に示すフロー図の続きを示す。なお、以下の説明では、スタックの個数が２個であるケースについて説明するが、３個以上のスタックを備えている場合であっても、同様にして制御を行うことができる。
まず、ステップ３１（以下、単に「Ｓ３１」という）において、ＳＯＦＣの要求発電出力Ｗt、及び燃料利用率Ｕfを設定し、これらをメモリに記憶させる。Ｓ３１の詳細については、上述したＳ１と同様であるので、説明を省略する。
【0144】
次に、Ｓ３２において、循環率Ｒ＝１の条件下で、各ＳＯＦＣスタックの暖機運転を行う。次に、Ｓ３３において、暖機運転時の燃料流量Ｖf、及びカソード空気流量Ｖcath,inを算出する。算出されたＶf、及びＶcath,inは、メモリに記憶されると同時に、作動条件をこれらに設定して熱電併給システムの暖機運転を行う。次に、Ｓ３４において、要求温熱量Ｑh,t及び空気過剰率Ｋtを設定し、これらをメモリに記憶させる。次に、Ｓ３５において、作動温度Ｔs及び発電出力Ｗを検出する。検出されたＴs及びＷは、それぞれ、メモリに記憶される。暖機運転は、Ｔsが予め設定された温度になるまで行われる。次に、Ｓ３６において、初期の循環率Ｒと、助燃空気流量Ｖc,airを算出し、これらをメモリに記憶させると同時に、作動条件をこれらに設定して熱電併給システムを作動させる。次に、Ｓ３７において、再度、Ｗt及びＵfの設定を行う。また、Ｓ３８において、再度、Ｑh,t及びＫtの設定を行う。Ｓ３２～Ｓ３８の詳細については、Ｓ２～Ｓ８と同様であるので、説明を省略する。
【0145】
次に、Ｓ３９に進む。Ｓ３９では、作動温度Ｔs及び発電出力Ｗを検出し、これらをメモリに記憶させる（手順Ａ）。
次に、Ｓ４０において、メモリに記憶されているデータベースに基づいて、現在の作動条件に対応するＳＯＦＣの発電効率η、及び非循環ガス中のＨ2／ＣＯ比を算出し、これらをメモリに記憶させる（手順Ｂ）。
次に、Ｓ４１において、燃焼器の燃焼燃料の流入温度Ｔc,c,in、燃焼器の助燃空気の流入温度Ｔc,air,in、及び、燃焼器の出口温度Ｔc,outを検出し、これらをメモリに記憶させる（手順Ｃ）。
次に、Ｓ４０において、メモリに記憶されているデータベースに基づいて、現在の作動条件に対応するＳＯＦＣの発電効率η、及び非循環ガス中のＨ2／ＣＯ比を算出し、これらをメモリに記憶させる（手順Ｂ）。
次に、Ｓ４１において、燃焼器の燃焼燃料の流入温度Ｔc,c,in、燃焼器の助燃空気の流入温度Ｔc,air,in、及び、燃焼器の出口温度Ｔc,outを検出し、これらをメモリに記憶させる（手順Ｃ）。
【0146】
次に、Ｓ４２において、現在の作動条件に対応する燃焼熱量Ｑc及び温熱量Ｑhを算出し、これらをメモリに記憶させる（手順Ｄ）。
次に、Ｓ４３において、手順Ｄで算出されたＱcに対応する燃料流量Ｖf、循環率Ｒ、助燃空気流量Ｖc,air、及びカソード空気流量Ｖcath,inを算出し、これらをメモリに記憶させると同時に、作動条件をこれらに設定して熱電併給システムを作動させる（手順Ｅ）。
次に、Ｓ４３において、手順Ｄで算出されたＱcに対応する燃料流量Ｖf、循環率Ｒ、助燃空気流量Ｖc,air、及びカソード空気流量Ｖcath,inを算出し、これらをメモリに記憶させると同時に、作動条件をこれらに設定して熱電併給システムを作動させる（手順Ｅ）。
【0147】
次に、Ｓ４４において、温熱量Ｑh及び要求温熱量Ｑh,tから温熱偏差εh（＝Ｑh－Ｑh,t）を算出し、これをメモリに記憶させる（手順Ｆ）。
次に、Ｓ４５に進む。Ｓ４５では、εhの絶対値が第１しきい値未満であるか否かが判断される。第１しきい値は、目的に応じて最適な値を選択することができる。εhの絶対値が第１しきい値以上である時（Ｓ４５：ＮＯ）には、実際の温熱量Ｑhに過不足があることを表す。このような場合には、Ｓ４６に進む。
次に、Ｓ４５に進む。Ｓ４５では、εhの絶対値が第１しきい値未満であるか否かが判断される。第１しきい値は、目的に応じて最適な値を選択することができる。εhの絶対値が第１しきい値以上である時（Ｓ４５：ＮＯ）には、実際の温熱量Ｑhに過不足があることを表す。このような場合には、Ｓ４６に進む。
【0148】
Ｓ４６では、Ｑcからεhを減算することによりＱcを補正し、補正後のＱcを新たなＱcとしてメモリに記憶させる（手順Ｇ）。
次に、Ｓ４７において、補正後のＱcに対応するＶf、Ｒ、Ｖc,air、及びＶcath,inを算出し、これらをメモリに記憶させると同時に、作動条件をこれらに設定して熱電併給システムを作動させる（手順Ｈ）。
次に、Ｓ４７において、補正後のＱcに対応するＶf、Ｒ、Ｖc,air、及びＶcath,inを算出し、これらをメモリに記憶させると同時に、作動条件をこれらに設定して熱電併給システムを作動させる（手順Ｈ）。
【0149】
次に、Ｓ６１に進む。Ｓ６１では、第１スタック切換信号が検出されたか否かを判断する（手順Ｎ）。ここで、「第１スタック切換信号」とは、稼働中のｉ番目（ｉ＝１、２）のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂに対してアノードの還元処理を実行するよう指示する信号をいう。第１スタック切換信号が検出されない場合（Ｓ６１：ＮＯ）、Ｓ６２に進む。
【0150】
Ｓ６２では、第１バルブ切換信号が検出されたか否かが判断される。ここで、「第１バルブ切換信号」とは、ｉ番目のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂが休止した場合において、Ｎｉの酸化量が第３しきい値未満となった時に、非循環ガスの供給経路を第１経路５４ａ側（燃焼器４２側）に切り替えるよう指示する信号をいう。現時点では、未だｉ番目のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂは稼働中であるため（Ｓ６２：ＮＯ）、Ｓ３７に戻る。
そして、第１スタック切換信号が検出されず、かつ、第１バルブ切換信号が検出されない場合においては、εhの絶対値が第１しきい値未満となるまで、上述したＳ３７～Ｓ４７、Ｓ６１、Ｓ６２の各ステップ（すなわち、手順Ａ～手順Ｈ）を繰り返す（手順Ｉ）。
そして、第１スタック切換信号が検出されず、かつ、第１バルブ切換信号が検出されない場合においては、εhの絶対値が第１しきい値未満となるまで、上述したＳ３７～Ｓ４７、Ｓ６１、Ｓ６２の各ステップ（すなわち、手順Ａ～手順Ｈ）を繰り返す（手順Ｉ）。
【0151】
一方、εhの絶対値が第１しきい値未満となった時（Ｓ４５：ＹＥＳ）には、Ｓ４８に進む。Ｓ４８では、発電出力Ｗ及び要求発電出力Ｗtから発電出力偏差εe（＝Ｗ－Ｗt）を算出し、これをメモリに記憶させる（手順Ｊ）。
次に、Ｓ４９に進む。Ｓ４９では、εeの絶対値が第２しきい値未満であるか否かが判断される。第２しきい値は、目的に応じて最適な値を選択することができる。εeの絶対値が第２しきい値以上である時（Ｓ４９：ＮＯ）には、実際の発電出力Ｗに過不足があることを表す。このような場合には、Ｓ５０に進む。
次に、Ｓ４９に進む。Ｓ４９では、εeの絶対値が第２しきい値未満であるか否かが判断される。第２しきい値は、目的に応じて最適な値を選択することができる。εeの絶対値が第２しきい値以上である時（Ｓ４９：ＮＯ）には、実際の発電出力Ｗに過不足があることを表す。このような場合には、Ｓ５０に進む。
【0152】
Ｓ５０では、Ｖfから燃料偏差ΔＶf（＝εe／(η×ΔＨf)）（但し、ΔＨfは前記燃料の低位発熱量）を減算することによりＶfを補正し、補正後のＶfを新たなＶfとしてメモリに記憶させる（手順Ｋ）。
その後、Ｓ６１に戻る。そして、第１スタック切換信号が検出されず、かつ、第１バルブ切換信号が検出されない場合においては、εeの絶対値が第２しきい値未満となる（Ｓ４９：ＹＥＳ）まで、上述したＳ３７～Ｓ５０（すなわち、手順Ａ～手順Ｋ）、Ｓ６１、Ｓ６２の各ステップを繰り返す（手順Ｌ）。
その後、Ｓ６１に戻る。そして、第１スタック切換信号が検出されず、かつ、第１バルブ切換信号が検出されない場合においては、εeの絶対値が第２しきい値未満となる（Ｓ４９：ＹＥＳ）まで、上述したＳ３７～Ｓ５０（すなわち、手順Ａ～手順Ｋ）、Ｓ６１、Ｓ６２の各ステップを繰り返す（手順Ｌ）。
【0153】
一方、εeの絶対値が第２しきい値未満となったとき（Ｓ４９：ＹＥＳ）は、Ｓ５１に進む。Ｓ５１では、システムを停止させるか否かが判断される。停止させない場合（Ｓ５１：ＮＯ）には、Ｓ６１に戻り、上述したＳ３７～Ｓ５１、Ｓ６１、Ｓ６２の各ステップを繰り返す。すなわち、作動停止の指示（Ｓ５１：ＹＥＳ）があるまで、メモリに記憶されているＶf、Ｒ、Ｖc,air、及びＶcath,inに基づいて熱電併給システムを作動させる（手順Ｍ）。
【0154】
Ｓ６１において、第１スタック切換信号を検出した場合（Ｓ６１：ＹＥＳ）、Ｓ６４に進む。Ｓ６４では、第１酸化量検出装置を用いて検出されたｉ番目のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのＮｉの酸化量を取得し、これをメモリに記憶させる（手順Ｏ）。
次に、Ｓ６５において、Ｎｉの酸化量から第１初期補正熱量εh1,iniを算出し、Ｑcにεh1,iniを加算することによりＱcを補正し、補正後のＱcを新たなＱcとしてメモリに記憶させる（手順Ｐ）。
次に、Ｓ６６において、補正後のＱcを用いて、Ｖf、Ｒ、Ｖc,air、及びＶchath,inを算出し、これらを前記メモリに記憶させると同時に、作動条件をこれらに設定して熱電併給システムを作動させる（手順Ｑ）。
次に、Ｓ６５において、Ｎｉの酸化量から第１初期補正熱量εh1,iniを算出し、Ｑcにεh1,iniを加算することによりＱcを補正し、補正後のＱcを新たなＱcとしてメモリに記憶させる（手順Ｐ）。
次に、Ｓ６６において、補正後のＱcを用いて、Ｖf、Ｒ、Ｖc,air、及びＶchath,inを算出し、これらを前記メモリに記憶させると同時に、作動条件をこれらに設定して熱電併給システムを作動させる（手順Ｑ）。
【0155】
次に、Ｓ６７において、第１スタック切換信号に基づいて、第１三方弁Ｖ１～第４三方弁Ｖ４を切り替えることにより、稼働させるＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂと休止させるＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの切換を行う。
次に、Ｓ６８において、第６三方弁Ｖ６を第３三方弁Ｖ３側に切り替え、休止させたＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂに非循環ガスを供給する。
次に、Ｓ６８において、第６三方弁Ｖ６を第３三方弁Ｖ３側に切り替え、休止させたＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂに非循環ガスを供給する。
【0156】
次に、Ｓ５１に進む。Ｓ５１では、システムを停止させるか否かが判断される。停止させない場合（Ｓ５１：ＮＯ）には、Ｓ６１に戻る。
Ｓ６１では、再度、第１スタック切換信号を検出したか否かが判断される。この時点では、第１スタック切換信号は検出されていないので、Ｓ６２に進む。Ｓ６２では、第１バルブ切換信号が検出されたか否かが判断される。この時点では、未だＮｉの酸化量が第３しきい値未満になっていない（Ｓ６２：ＮＯ）ので、Ｓ３７に戻る。
そして、Ｎｉの酸化量が第３しきい値未満となるまで、供給経路を第２経路に切り替えた状態のまま、アノードの還元処理を行う（手順Ｒ）。
Ｓ６１では、再度、第１スタック切換信号を検出したか否かが判断される。この時点では、第１スタック切換信号は検出されていないので、Ｓ６２に進む。Ｓ６２では、第１バルブ切換信号が検出されたか否かが判断される。この時点では、未だＮｉの酸化量が第３しきい値未満になっていない（Ｓ６２：ＮＯ）ので、Ｓ３７に戻る。
そして、Ｎｉの酸化量が第３しきい値未満となるまで、供給経路を第２経路に切り替えた状態のまま、アノードの還元処理を行う（手順Ｒ）。
【0157】
一方、Ｓ６２において、第１バルブ切換信号が検出された時、すなわち、アノードの還元処理が完了し、Ｎｉの酸化量が第３しきい値未満となった時（Ｓ６２：ＹＥＳ）には、Ｓ６３に進む。
Ｓ６３では、非循環ガスの供給経路を第１経路５４ｂ側（すなわち、燃焼器４２側）に切り替える。その後、Ｓ３７に戻る（手順Ｓ）。
そして、作動停止の指示（Ｓ５１：ＹＥＳ）があるまで、メモリに記憶されているＶf、Ｒ、Ｖc,air、及びＶcath,inに基づいて熱電併給システムを作動させる（手順Ｍ）。また、外乱によりＷやＱhが一時的に変動した場合であっても、上述した手順Ａ～手順Ｓを繰り返すことにより、Ｗ及びＱhを、それぞれ、Ｗt及びＱh,tに維持することができる。
Ｓ６３では、非循環ガスの供給経路を第１経路５４ｂ側（すなわち、燃焼器４２側）に切り替える。その後、Ｓ３７に戻る（手順Ｓ）。
そして、作動停止の指示（Ｓ５１：ＹＥＳ）があるまで、メモリに記憶されているＶf、Ｒ、Ｖc,air、及びＶcath,inに基づいて熱電併給システムを作動させる（手順Ｍ）。また、外乱によりＷやＱhが一時的に変動した場合であっても、上述した手順Ａ～手順Ｓを繰り返すことにより、Ｗ及びＱhを、それぞれ、Ｗt及びＱh,tに維持することができる。
【0158】
［２．３． 作用］
Ｎｉ電極触媒は、酸化／還元状態により表面の色が緑／灰色と異なる。Ｎｉが酸化すると、灰色からグラデーションを持ちながら徐々に緑色へと変化してゆく。これは、赤外線カメラを用いた放射温度測定により、放射率の変化として認識することができる。
Ｎｉ電極触媒は、酸化／還元状態により表面の色が緑／灰色と異なる。Ｎｉが酸化すると、灰色からグラデーションを持ちながら徐々に緑色へと変化してゆく。これは、赤外線カメラを用いた放射温度測定により、放射率の変化として認識することができる。
【0159】
放射温度計では、計測対象の材料表面の放射率を測定し、温度を色の変化で認識・計測する。しかし、ガス雰囲気によりベースライン（材料表面の色）が変化する場合、材料表面の放射率が変化するため、温度計測が困難となる。そこで、測定対象表面に熱電対等の温度計測手段を設置し、赤外線画像と温度を同時に測定することにより、ガス雰囲気によるＮｉ電極触媒の色の変化を放射率の変化として検出することが可能となる。
【0160】
ここで、Ｎｉ電極触媒の表面温度の検出手段（熱電対等）を設置したＳＯＦＣスタックにおいて、事前にＳＯＦＣ作動温度におけるＮｉ酸化／還元状態の色の変化を放射温度計により放射率の変化として計測し、放射率とＮｉ酸化率との関係をデータベースとして保存しておく。実際にスタックを作動させた時には、アノード電極触媒の酸化／還元状態を、観察窓を介して放射率として検出する。検出された放射率とデータベースとを照合すれば、その時点でのＮｉ酸化率を算出することができる。
さらに、ＳＯＦＣスタックの構造が決まると、放射率と第１初期補正熱量εh1,iniとの関係を算出することができる。そのため、このようなデータベースを予めメモリに記憶させておくと、計測された放射率からεh1,iniを算出することができる。
さらに、ＳＯＦＣスタックの構造が決まると、放射率と第１初期補正熱量εh1,iniとの関係を算出することができる。そのため、このようなデータベースを予めメモリに記憶させておくと、計測された放射率からεh1,iniを算出することができる。
【0161】
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂが作動状態から休止状態に移行する際、制御装置５２から第１三方弁Ｖ１～第４三方弁Ｖ４に第１スタック切換信号Ｊ(ｉ)（ｉ＝休止スタック番号）を送る。切り替え時に、εh1,ini（＝ΣiΔＱc1,i）を算出し、燃焼熱量Ｑcにεh1,iniを加算してＱcを補正する。さらに、補正後のＱcを用いて、循環率Ｒ及び燃料流量Ｖfを補正する。これにより、スタック切り替え直後におけるアノードＮｉ触媒還元による燃焼燃料の減少に起因した燃焼器の温度変化が抑制され、より安定した温熱生成が可能となる。
【0162】
【0163】
図２５において、熱電併給システム１０ｃは、図１と同様の構成に加えて、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂ及び／又はカソード流路２４ａ、２４ｂに隣接して設けられた、レドックス材が充填されたレドックス流路２６ａ、２６ｂと、
非循環ガスの供給経路を、燃焼器４２に直接供給する第１経路５４ａと、休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのレドックス流路２６ａ、２６ｂを経由して燃焼器４２に供給する第３経路５４ｃのいずれかに切り換える第２切替装置（第６三方弁Ｖ６）と、
レドックス材の酸化量を検出する第２酸化量検出装置（図示せず）と
をさらに備えている。
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂ及び／又はカソード流路２４ａ、２４ｂに隣接して設けられた、レドックス材が充填されたレドックス流路２６ａ、２６ｂと、
非循環ガスの供給経路を、燃焼器４２に直接供給する第１経路５４ａと、休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのレドックス流路２６ａ、２６ｂを経由して燃焼器４２に供給する第３経路５４ｃのいずれかに切り換える第２切替装置（第６三方弁Ｖ６）と、
レドックス材の酸化量を検出する第２酸化量検出装置（図示せず）と
をさらに備えている。
【0164】
また、制御装置５２は、第２燃焼燃料補正手段をさらに備えている。
この点が、第１及び第２の実施の形態とは異なる。その他の点については、第１及び第２の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
この点が、第１及び第２の実施の形態とは異なる。その他の点については、第１及び第２の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【0165】
［３．１．１． レドックス流路］
レドックス流路２６ａ、２６ｂは、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂ及び／又はカソード流路２４ａ、２４ｂに隣接して設けられる。また、レドックス流路２６ａ、２６ｂ内には、レドックス材が充填されている。レドックス材は、酸化・還元を可逆的に行うことが可能な材料である限りにおいて、特に限定されない。
レドックス流路２６ａ、２６ｂは、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂ及び／又はカソード流路２４ａ、２４ｂに隣接して設けられる。また、レドックス流路２６ａ、２６ｂ内には、レドックス材が充填されている。レドックス材は、酸化・還元を可逆的に行うことが可能な材料である限りにおいて、特に限定されない。
【0166】
還元状態にあるレドックス材を酸化させると、反応熱を放出する。そのため、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの始動時にレドックス材を酸化させると、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの温度を適正な作動温度まで速やかに上昇させることができる。一方、酸化したレドックス材を還元すると、再度、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂの昇温に利用することができる。本実施の形態において、レドックス材の酸化には、ＣＯ2分離器３４のパージ流路から排出されるＣＯ2とＨ2Ｏの混合ガスが用いられる。また、レドックス材の還元には、第２Ｈ2Ｏ分離器４０のフィード流路から排出される非循環ガスが用いられる。
【0167】
［３．１．２． 第２切替装置］
第２切替装置は、非循環ガスの供給経路を第１経路５４ａ又は第３経路５４ｃのいずれか一方に切り替えるためのものである。図２５に示す例において、第２切替装置には、第６三方弁Ｖ６が用いられている。第１経路５４ａは、第２Ｈ2Ｏ分離器４０から排出された非循環ガスを、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂを経由することなく、直接、燃焼器４２に供給するためのものである。一方、第３経路５４ｃは、非循環ガスを、休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのレドックス流路２６ａ、２６ｂを経由して燃焼器４２に供給するためのものである。第２切替装置による供給経路の切り替えは、制御装置５２からの切換信号を検出した時に行われる。
第２切替装置は、非循環ガスの供給経路を第１経路５４ａ又は第３経路５４ｃのいずれか一方に切り替えるためのものである。図２５に示す例において、第２切替装置には、第６三方弁Ｖ６が用いられている。第１経路５４ａは、第２Ｈ2Ｏ分離器４０から排出された非循環ガスを、ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂを経由することなく、直接、燃焼器４２に供給するためのものである。一方、第３経路５４ｃは、非循環ガスを、休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのレドックス流路２６ａ、２６ｂを経由して燃焼器４２に供給するためのものである。第２切替装置による供給経路の切り替えは、制御装置５２からの切換信号を検出した時に行われる。
【0168】
第３経路５４ｃは、第６三方弁Ｖ６の１つの出口から、第１０三方弁Ｖ１０及び第３三方弁Ｖ３を経由して、レドックス流路２６ａ、２６ｂの入口に至るまでの経路である。また、ＣＯ2分離器３４のパージ流路の出口には、第１１三方弁Ｖ１１が設けられている。第１１三方弁１１の出入口の１つは、第１０三方弁Ｖ１０の出入口の１つに接続されている。
レドックス材を還元処理する時には、第２Ｈ2Ｏ分離器４０から、第６三方弁Ｖ６、第１０三方弁Ｖ１０及び第３三方弁Ｖ３を経由して、還元ガスがレドックス流路２６ａ、２６ｂに供給される。一方、レドックス材を酸化させる時には、ＣＯ2分離器３４から、第１１三方弁Ｖ１１、第１０三方弁Ｖ１１及び第３三方弁Ｖ３を経由して、酸化剤ガスがレドックス流路２６ａ、２６ｂに供給される。
レドックス材を還元処理する時には、第２Ｈ2Ｏ分離器４０から、第６三方弁Ｖ６、第１０三方弁Ｖ１０及び第３三方弁Ｖ３を経由して、還元ガスがレドックス流路２６ａ、２６ｂに供給される。一方、レドックス材を酸化させる時には、ＣＯ2分離器３４から、第１１三方弁Ｖ１１、第１０三方弁Ｖ１１及び第３三方弁Ｖ３を経由して、酸化剤ガスがレドックス流路２６ａ、２６ｂに供給される。
【0169】
［３．１．３． 第２酸化量検出装置］
［Ａ． 定義］
第２酸化量検出装置（図示せず）は、レドックス材の酸化量を検出するためのものである。検出されたレドックス材の酸化量は、第２初期補正熱量εh2,iniを算出するために用いられる。ここで、「第２初期補正熱量εh2,ini」とは、非循環ガスを用いてレドックス材を還元した場合において、レドックス材の還元に消費される還元ガス量を熱量に換算した値をいう。非循環ガスには、通常、複数の還元ガス種が含まれている。この場合、εh2,iniは、次の式（２２）で表される。
εh2,ini＝ΣiΔＱc2,i …（２２）
但し、ΔＱc2,iは、非循環ガスに含まれるｉ番目の還元ガス種を用いてレドックス材を還元した場合において、レドックス材の還元に消費される還元ガス量を熱量に換算した値。
［Ａ． 定義］
第２酸化量検出装置（図示せず）は、レドックス材の酸化量を検出するためのものである。検出されたレドックス材の酸化量は、第２初期補正熱量εh2,iniを算出するために用いられる。ここで、「第２初期補正熱量εh2,ini」とは、非循環ガスを用いてレドックス材を還元した場合において、レドックス材の還元に消費される還元ガス量を熱量に換算した値をいう。非循環ガスには、通常、複数の還元ガス種が含まれている。この場合、εh2,iniは、次の式（２２）で表される。
εh2,ini＝ΣiΔＱc2,i …（２２）
但し、ΔＱc2,iは、非循環ガスに含まれるｉ番目の還元ガス種を用いてレドックス材を還元した場合において、レドックス材の還元に消費される還元ガス量を熱量に換算した値。
【0170】
第２酸化量検出装置は、レドックス材の酸化量を定量的に検出することが可能なものである限りにおいて、特に限定されない。第２酸化量検出装置としては、例えば、熱流束計プレートなどがある。熱流束計プレートは、レドックス流路２６ａ、２６ｂと、アノード流路２２ａ、２２ｂ又はカソード流路２４ａ、２４ｂとの間に設置される。
【0171】
［Ｂ． レドックス材の酸化率と第２初期補正熱量εh2,iniとの関係］
レドックス流路２６ａ、２６ｂと、アノード流路２２ａ、２２ｂ又はカソード流路２４ａ、２４ｂとの間に熱流束計プレート（材質：ＳＵＳ、厚み：Δｘ）を設け、両面に温度計測手段（熱電対）を設置すると、温度差ΔＴから熱流束を算出することができる。また、算出された熱流束から、レドックス材の酸化率を推定することができる。
さらに、ＳＯＦＣ２０の構造が既知である場合において、レドックス材の酸化率が推定された時には、レドックス材の酸化率からεh2,iniを算出することができる。
レドックス流路２６ａ、２６ｂと、アノード流路２２ａ、２２ｂ又はカソード流路２４ａ、２４ｂとの間に熱流束計プレート（材質：ＳＵＳ、厚み：Δｘ）を設け、両面に温度計測手段（熱電対）を設置すると、温度差ΔＴから熱流束を算出することができる。また、算出された熱流束から、レドックス材の酸化率を推定することができる。
さらに、ＳＯＦＣ２０の構造が既知である場合において、レドックス材の酸化率が推定された時には、レドックス材の酸化率からεh2,iniを算出することができる。
【0172】
図２６に、熱流束計の両端の検出温度差と第２初期補正熱量εh2,ini及びレドックス材の推定酸化反応率との関係を示す。なお、図２６では、レドックス層：１４ｍｍ、レドックス層表面積：４０１．８ｃｍ2、セル発電有効面積：４０１．８ｃｍ2、１スタック出力：５ｋＷ、全還元時間：２ｈｒ、レドックス材充填率：０．８（Ｆｅ酸化／還元反応）とした。この場合において、反応速度（熱流束）と反応率との関係から、熱流束部の温度差ΔＴと還元ガス消費量との関係を算出した。また、ΔＴと還元ガス消費量との関係から、還元に必要な還元性ガス発熱量ΔＱc2,iの関係式を得た。
【0173】
図２６より、
（ａ）レドックス材の酸化率が大きくなるほど、温度差ΔＴが低下すること、及び、
（ｂ）レドックス材の酸化率とεh2,iniとの間には、密接な相関があること、
が分かる。
そのため、図２６に示すようなデータベースを予めメモリに記憶させておくと、熱流束計の両端の温度差ΔＴを検出することにより、レドックス材の酸化率を知ることができる。また、レドックス材の酸化率が分かると、εh2,iniを知ることができる。さらに、εh2,iniを用いてＱcを補正すると、非循環ガスを用いてレドックス材を還元処理した時に生じる温熱量Ｑh及び／又は発電出力Ｗの変動を抑制することができる。
（ａ）レドックス材の酸化率が大きくなるほど、温度差ΔＴが低下すること、及び、
（ｂ）レドックス材の酸化率とεh2,iniとの間には、密接な相関があること、
が分かる。
そのため、図２６に示すようなデータベースを予めメモリに記憶させておくと、熱流束計の両端の温度差ΔＴを検出することにより、レドックス材の酸化率を知ることができる。また、レドックス材の酸化率が分かると、εh2,iniを知ることができる。さらに、εh2,iniを用いてＱcを補正すると、非循環ガスを用いてレドックス材を還元処理した時に生じる温熱量Ｑh及び／又は発電出力Ｗの変動を抑制することができる。
【0174】
非循環ガスを用いてレドックス材の還元処理を行うタイミングは、目的に応じて最適なタイミングを選択することができる。図２６に示す例では、検出された酸化反応率が「酸化反応率≧０．５以上」に相当する値を示した時には、第２スタック切換信号を出し、レドックス材が酸化しているＳＯＦＣを休止させ、レドックス材の還元処理を行う。具体的には、第６三方弁Ｖ６を用いて、非循環ガスの供給経路を第３経路５４ｃに切り替える。これと同時に、検出された温度差に相当するεh2,iniを算出し、Ｑcを補正する。
一方、検出された酸化反応率が「酸化反応率≦０．１」に相当する値を示した時は、第２バルブ切換信号（休止スタックへの非循環ガスの供給を停止させる信号）を出す。この場合、非循環ガスの供給経路を第１経路５４ａに切り替えても良く、あるいは、レドックス材が酸化している別のＳＯＦＣに非循環ガスが供給されるように、供給経路を切り替えても良い。
一方、検出された酸化反応率が「酸化反応率≦０．１」に相当する値を示した時は、第２バルブ切換信号（休止スタックへの非循環ガスの供給を停止させる信号）を出す。この場合、非循環ガスの供給経路を第１経路５４ａに切り替えても良く、あるいは、レドックス材が酸化している別のＳＯＦＣに非循環ガスが供給されるように、供給経路を切り替えても良い。
【0175】
［３．１．４． 第２燃焼熱量補正手段］
制御装置５２は、上述した出力制御手段に加えて、さらに第２燃焼熱量補正手段を備えている。ここで、「第２燃焼熱量補正手段」とは、第２切替装置により供給経路を第３経路５４ｃに切り替える際に、非循環ガスを供給しようとするＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂについて、第２酸化量検出装置を用いて検出されたレドックス材の酸化量を取得し、取得されたレドックス材の酸化量を用いてＱcを補正する手段をいう。
制御装置５２は、上述した出力制御手段に加えて、さらに第２燃焼熱量補正手段を備えている。ここで、「第２燃焼熱量補正手段」とは、第２切替装置により供給経路を第３経路５４ｃに切り替える際に、非循環ガスを供給しようとするＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂについて、第２酸化量検出装置を用いて検出されたレドックス材の酸化量を取得し、取得されたレドックス材の酸化量を用いてＱcを補正する手段をいう。
【0176】
第２燃焼燃料補正手段は、具体的には、以下の手順を実行するための手段を含むものが好ましい。
（Ｎ’）第２スタック切換信号（稼働中のｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）の前記ＳＯＦＣに対して前記レドックス材の還元処理を実行するよう指示する信号）が検出されたか否かを判断する手順Ｎ’。
（Ｏ’）前記第２スタック切替信号が検出された時には、前記第２酸化量検出装置を用いて検出されたｉ番目の前記ＳＯＦＣの前記レドックス材の酸化量を取得し、これを前記メモリに記憶させる手順Ｏ’。
（Ｐ’）前記レドックス材の酸化量から第２初期補正熱量εh2,iniを算出し、前記Ｑcに前記εh2,iniを加算することにより前記Ｑcを補正し、補正後の前記Ｑcを新たな前記Ｑcとしてメモリに記憶させる手順Ｐ’。
（Ｑ’）補正後の前記Ｑcを用いて、前記Ｖf、前記Ｒ、前記Ｖc,air、及び前記Ｖchath,inを算出し、これらを前記メモリに記憶させると同時に、前記作動条件をこれらに設定して前記熱電併給システムを作動させる手順Ｑ’。
（Ｒ’）ｉ番目の前記ＳＯＦＣを休止させ、前記レドックス材の酸化量が第４しきい値未満となるまで、前記供給経路を前記第３経路に切り替える手順Ｒ’。
（Ｓ’）前記レドックス材の酸化量が前記第４しきい値未満となった時は、前記供給経路を前記第１経路に切り換えた後、手順Ａに戻る手順Ｓ’。
（Ｎ’）第２スタック切換信号（稼働中のｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）の前記ＳＯＦＣに対して前記レドックス材の還元処理を実行するよう指示する信号）が検出されたか否かを判断する手順Ｎ’。
（Ｏ’）前記第２スタック切替信号が検出された時には、前記第２酸化量検出装置を用いて検出されたｉ番目の前記ＳＯＦＣの前記レドックス材の酸化量を取得し、これを前記メモリに記憶させる手順Ｏ’。
（Ｐ’）前記レドックス材の酸化量から第２初期補正熱量εh2,iniを算出し、前記Ｑcに前記εh2,iniを加算することにより前記Ｑcを補正し、補正後の前記Ｑcを新たな前記Ｑcとしてメモリに記憶させる手順Ｐ’。
（Ｑ’）補正後の前記Ｑcを用いて、前記Ｖf、前記Ｒ、前記Ｖc,air、及び前記Ｖchath,inを算出し、これらを前記メモリに記憶させると同時に、前記作動条件をこれらに設定して前記熱電併給システムを作動させる手順Ｑ’。
（Ｒ’）ｉ番目の前記ＳＯＦＣを休止させ、前記レドックス材の酸化量が第４しきい値未満となるまで、前記供給経路を前記第３経路に切り替える手順Ｒ’。
（Ｓ’）前記レドックス材の酸化量が前記第４しきい値未満となった時は、前記供給経路を前記第１経路に切り換えた後、手順Ａに戻る手順Ｓ’。
【0177】
第２燃焼燃料補正手段は、
（ａ）Ｎｉの酸化量を取得することに代えて、レドックス材の酸化量を取得し、
（ｂ）第１初期補正熱量εh1,iniに代えて第２初期補正熱量εh2,iniを算出する。
この点が、第１燃焼燃料補正手段とは異なる。その他の点については、第１燃焼燃料補正手段と同様であるので、詳細な説明を省略する。
（ａ）Ｎｉの酸化量を取得することに代えて、レドックス材の酸化量を取得し、
（ｂ）第１初期補正熱量εh1,iniに代えて第２初期補正熱量εh2,iniを算出する。
この点が、第１燃焼燃料補正手段とは異なる。その他の点については、第１燃焼燃料補正手段と同様であるので、詳細な説明を省略する。
【0178】
［３．２． 作用］
休止スタックを発電温度まで昇温するためには、外部／内部からの熱供給が必要となる。ここでは、アノード流路・触媒／電解質／カソード流路・触媒で構成される１セルの両側にレドックス流路を配置する。そして、レドックス材の酸化反応による発熱／還元反応による再生により、ＳＯＦＣに昇温エネルギーを供給する。
レドックス流路とアノード流路又はカソード流路の間に熱流束計プレート（材質：ＳＵＳ、厚み：Δｘ）を設け、両面に温度計測手段（熱電対）を設置する。温度計測手段を用いて温度差ΔＴを測定すると、熱流束の検出が可能となる。
休止スタックを発電温度まで昇温するためには、外部／内部からの熱供給が必要となる。ここでは、アノード流路・触媒／電解質／カソード流路・触媒で構成される１セルの両側にレドックス流路を配置する。そして、レドックス材の酸化反応による発熱／還元反応による再生により、ＳＯＦＣに昇温エネルギーを供給する。
レドックス流路とアノード流路又はカソード流路の間に熱流束計プレート（材質：ＳＵＳ、厚み：Δｘ）を設け、両面に温度計測手段（熱電対）を設置する。温度計測手段を用いて温度差ΔＴを測定すると、熱流束の検出が可能となる。
【0179】
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂが作動状態から休止状態に移行する際、制御装置５２から第２切替装置に第２スタック切換信号Ｊ（ｉ）（ｉ＝休止スタック番号）を送る。切り替え時に、εh2,ini（＝ΣiＱc2,i）を算出し、燃焼熱量Ｑcにεh2,iniを加算してＱcを補正する。さらに、補正後のＱcを用いて、循環率Ｒ及び燃料流量Ｖfを補正する。これにより、スタック切り替え直後におけるレドックス材還元による燃焼燃料の減少に起因した燃焼器の温度変化が抑制され、より安定した温熱生成が可能となる。
【0180】
【0181】
図２７において、熱電併給システム１０ｄは、図１と同様の構成に加えて、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂ及び／又はカソード流路２４ａ、２４ｂに隣接して設けられた、レドックス材が充填されたレドックス流路２６ａ、２６ｂと、
非循環ガスの供給経路を、燃焼器４２に直接供給する第１経路５４ａと、休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂを経由して燃焼器４２に供給する第２経路５４ｂのいずれかに切り換える第１切替装置（第６１開平弁Ｖ６１、第６３開閉弁Ｖ６３）と、
非循環ガスの供給経路を、燃焼器４２に直接供給する第１経路５４ａと、休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのレドックス流路２６ａ、２６ｂを経由して燃焼器４２に供給する第３経路５４ｃのいずれかに切り換える第２切替装置（第６２開平弁Ｖ６２、第６３開平弁Ｖ６３）と、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノードに含まれるＮｉの酸化量を検出する第１酸化量検出装置（図示せず）と
レドックス材の酸化量を検出する第２酸化量検出装置（図示せず）と
をさらに備えている。
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂ及び／又はカソード流路２４ａ、２４ｂに隣接して設けられた、レドックス材が充填されたレドックス流路２６ａ、２６ｂと、
非循環ガスの供給経路を、燃焼器４２に直接供給する第１経路５４ａと、休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノード流路２２ａ、２２ｂを経由して燃焼器４２に供給する第２経路５４ｂのいずれかに切り換える第１切替装置（第６１開平弁Ｖ６１、第６３開閉弁Ｖ６３）と、
非循環ガスの供給経路を、燃焼器４２に直接供給する第１経路５４ａと、休止中のＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのレドックス流路２６ａ、２６ｂを経由して燃焼器４２に供給する第３経路５４ｃのいずれかに切り換える第２切替装置（第６２開平弁Ｖ６２、第６３開平弁Ｖ６３）と、
ＳＯＦＣ２０ａ、２０ｂのアノードに含まれるＮｉの酸化量を検出する第１酸化量検出装置（図示せず）と
レドックス材の酸化量を検出する第２酸化量検出装置（図示せず）と
をさらに備えている。
【0182】
第２経路５４ｂは、第６１開閉弁Ｖ６１から第８三方弁Ｖ８を経由して、アノード流路２２ａ、２２ｂの入口に至るまでの経路である。
第３経路５４ｃは、第６２開平弁６２から第１０三方弁Ｖ１０及び第３三方弁を経由して、レドックス流路２６ａ、２６ｂの入口に至るまでの経路である。
また、ＣＯ2分離器３４のパージ流路の出口には、第１１三方弁Ｖ１１が設けられている。第１１三方弁１１の出入口の１つは、第１０三方弁Ｖ１０に接続されている。
第３経路５４ｃは、第６２開平弁６２から第１０三方弁Ｖ１０及び第３三方弁を経由して、レドックス流路２６ａ、２６ｂの入口に至るまでの経路である。
また、ＣＯ2分離器３４のパージ流路の出口には、第１１三方弁Ｖ１１が設けられている。第１１三方弁１１の出入口の１つは、第１０三方弁Ｖ１０に接続されている。
【0183】
アノードを還元処理する時には、第２Ｈ2Ｏ分離器４０から、第６１開平弁Ｖ６１及び第８三方弁Ｖ８を経由して、非循環ガスがアノード流路２２ａ、２２ｂに供給される。
レドックス材を還元処理する時には、第２Ｈ2Ｏ分離器４０から、第６２開平弁Ｖ６２、第１０三方弁Ｖ１０及び第３三方弁Ｖ３を経由して、非循環ガスがレドックス流路２６ａ、２６ｂに供給される。一方、レドックス材を酸化させる時には、ＣＯ2分離器３４から、第１１三方弁Ｖ１１、第１０三方弁Ｖ１１及び第３三方弁Ｖ３を経由して、酸化剤ガスがレドックス流路２６ａ、２６ｂに供給される。
レドックス材を還元処理する時には、第２Ｈ2Ｏ分離器４０から、第６２開平弁Ｖ６２、第１０三方弁Ｖ１０及び第３三方弁Ｖ３を経由して、非循環ガスがレドックス流路２６ａ、２６ｂに供給される。一方、レドックス材を酸化させる時には、ＣＯ2分離器３４から、第１１三方弁Ｖ１１、第１０三方弁Ｖ１１及び第３三方弁Ｖ３を経由して、酸化剤ガスがレドックス流路２６ａ、２６ｂに供給される。
【0184】
すなわち、図２７に示す熱電併給システム１０ｄは、非循環ガスを用いてアノードを還元処理するための手段と、非循環ガスを用いてレドックス材を還元処理するための手段の双方を備えている。この点が、第１～第３の実施の形態とは異なる。その他の点については、第１～第３の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【0185】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
【産業上の利用可能性】
【0186】
本発明に係る熱電併給システムは、一般家庭、オフィスビル、美容室などで用いられる分散形電源、給湯装置、暖房装置、空調装置などに用いることができる。
【符号の説明】
【0187】
１０ａ～１０ｄ 熱電併給システム
２０ａ、２０ｂ ＳＯＦＣ
２２ａ、２２ｂ アノード流路
２４ａ、２４ｂ カソード流路
２６ａ、２６ｂ レドックス流路
３２ 燃料供給装置
３４ ＣＯ2分離器
３６ 第１Ｈ2Ｏ分離器
３８ エジェクタ
４０ 第２Ｈ2Ｏ分離器
４２ 燃焼器
４４ 熱交換器
５２ 制御装置
２０ａ、２０ｂ ＳＯＦＣ
２２ａ、２２ｂ アノード流路
２４ａ、２４ｂ カソード流路
２６ａ、２６ｂ レドックス流路
３２ 燃料供給装置
３４ ＣＯ2分離器
３６ 第１Ｈ2Ｏ分離器
３８ エジェクタ
４０ 第２Ｈ2Ｏ分離器
４２ 燃焼器
４４ 熱交換器
５２ 制御装置
【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】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】