JP2002298889A - 固体電解質型燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 起動時に水蒸気を供給する必要が無く、高効
率に安定に電力を取り出すことができる固体電解質型燃
料電池システムを提供する。 【解決手段】 固体電解質型燃料電池システムは、水素
ガスを含む第１の供給ガスを供給するための第１の燃料
供給部と、炭化水素ガスを含む第２の供給ガスを供給す
るための第２の燃料供給部と、酸化剤ガスを含む酸化剤
ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、水分を含む第３の
供給ガスを受け取り、前記第３の供給ガスが前記第２の
供給ガスを含むとき、前記水分を用いて前記炭化水素ガ
スを水素ガスを含む燃料ガスに改質し、前記第３の供給
ガスが前記第１の供給ガスを含むとき、そのまま前記燃
料ガスとして使用し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスと
から発電しながら水分を発生し、この水分を含む排燃料
ガスと排酸化剤ガスを排出する固体電解質型燃料電池と
その燃料供給の制御・運転方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型燃料
電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】高温固体電解質型燃料電池の構造の一例
が特開平９−１２９２５６で知られている。高温固体電
解質型燃料電池の動作温度は８００℃から１０００℃を
想定している。この引例では、セルチューブ（燃料電池
モジュール）は、上部管板と下部管板に固定されて、下
部管板の下方に延びている。水分を含む燃料ガスは、天
板と上部管板の間に供給されている。下部管板の下には
酸化剤ガスが充満している。燃料ガスはセルチューブに
供給され発電に使用される。発電後の排燃料ガスは、セ
ルチューブから上部管板と下部管板との間に排出され、
更に外部に排出される。

【０００３】高温固体電解質型燃料電池では、メタンガ
ス等の炭化水素を含有するガス（都市ガス）を供給ガス
として使用することが検討されている。メタンガスを供
給ガスとして使用する場合には、 ＣＨ_４ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ_２ −Ｑ （１） で表される反応式に基づいて、メタンガスを水素ガスを
含むガスに改質することが望ましい。なお、この反応は
吸熱反応である。生成された水素ガスが燃料ガスとして
酸化剤ガスとともに発電に使用される。発電の際の反応
は ２Ｈ_２ ＋ Ｏ_２ → ２Ｈ_２Ｏ ＋Ｑ ２ＣＯ ＋ Ｏ_２ → ２ＣＯ_２ ＋Ｑ （２） である。この反応は、発熱反応である。

【０００４】この改質では、上記の反応式に示されるよ
うに、水分が必要である。水分が関与してメタンガスが
一酸化炭素と水素に分解されている。従って、改質器を
通った燃料ガスは、メタン、水分、一酸化炭素、二酸化
炭素、水素を含むことになる。これらのガス成分のうち
水素ガスだけ抽出して燃料電池に導入することは実際的
ではないので、水分を含む燃料ガスが燃料電池に供給さ
れることになる。

【０００５】水分を如何に供給するかが問題である。一
般的には、ボイラにより蒸気という形で水分が補給され
ている。しかしながら、ボイラ等の付帯設備を設けるこ
とはシステムのコストを押し上げることになる。従っ
て、ボイラの使用はできるだけさけるべきである。その
場合、水分を如何に補給するかが問題となる。

【０００６】所定の条件における定格運転では、上記反
応式（２）に従って水分は生成される。この水分を改質
に使用することができる。しかしながら、発電当初は、
その水分が無いのでボイラを使用せざるを得ない。そこ
で、ボイラを使用する必要のない固体電解質型燃料電池
システムが要望されている。

【０００７】また、システムの停止時に、いきなり発電
を停止すると、メタンガスがそのままセルチューブ入
り、 ＣＨ_４ → Ｃ＋２Ｈ_２ の反応式に従って熱分解されて炭素が付着することにな
る。この炭素はセルチューブの性能を低下させる。その
ため、停止時にそれまでの燃料ガスをパージしなければ
ならないが、余分な構成のシステムへの追加はさけるべ
きである。

【０００８】また、固体電解質型燃料電池から排出され
る排燃料ガスには可燃成分が含まれており、排燃料ガス
の一部は循環されるが、残りは排出されている。これは
エネルギー的には、効率がよくない。燃料の使用効率を
高めた固体電解質型燃料電池システムが望まれている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、安定に電力を取り出すことができる固体電解質型燃
料電池システムを提供することである。

【００１０】本発明の他の目的は、起動時に水蒸気を供
給する必要が無く、ボイラーなどの付帯設備を設ける必
要のない固体電解質型燃料電池システムを提供すること
である。

【００１１】本発明の他の目的は、起動時及び停止時に
炭素による燃料電池モジュールの汚染を防止することが
できる固体電解質型燃料電池システムを提供することで
ある。

【００１２】本発明の他の目的は、ガスタービンを用い
て燃料ガスを有効に利用することにより発電効率を高め
た固体電解質型燃料電池システムを提供することであ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】以下に、本発明の課題を
解決するための手段を説明する。その説明中の技術的事
項は、以下の実施の形態の説明における対応する技術的
事項を説明するために使用される参照番号あるいは参照
記号を添付して説明される。しかしながら、それらの参
照番号あるいは参照記号を特許請求の範囲の記載の解釈
に用いてはならない。

【００１４】本発明の観点を達成するために、本発明の
固体電解質型燃料電池システムでは、第１の燃料供給部
（６、８、１４、１６）は、水素ガスを含む第１の供給
ガスを供給する。第２の燃料供給部（４、１２）は、炭
化水素ガスを含む第２の供給ガスを供給する。酸化剤ガ
ス供給部（２６）は、酸素ガスを含む酸化剤ガスを供給
する。固体電解質型燃料電池（２）は、水分を含む第３
の供給ガスを受け取り、前記第３の供給ガスが前記第２
の供給ガスを含むとき、前記水分を用いて前記炭化水素
ガスを水素ガスを含む燃料ガスに改質し、前記第３の供
給ガスが前記第１の供給ガスを含むとき、そのまま前記
燃料ガスとして使用し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガス
とから発電しながら水分を発生し、前記水分を含む排燃
料ガスと排酸化剤ガスを排出する。循環部（２２）は、
前記排燃料ガスと前記第１の供給ガスまたは前記第２の
供給ガスとが混合され前記第３の供給ガスとして前記固
体電解質型燃料電池に供給されるように前記排燃料ガス
を循環する。制御部（２００）は、前記固体電解質型燃
料電池の内部の圧力と温度に基づいて、前記第１の燃料
供給部と前記第２の燃料供給部を制御して前記第１の供
給ガスと前記第２の供給ガスの供給を制御する。

【００１５】本発明の他の観点を達成するために、固体
電解質型燃料電池システムでは、第１の燃料供給部
（６、８、１４、１６）は、水素ガスを含む第１の供給
ガスを供給する。第２の燃料供給部（４、１２）は、炭
化水素ガスを含む第２の供給ガスを供給する。酸化剤ガ
ス供給部（２６）は、酸素ガスを含む酸化剤ガスを供給
する。改質器（２０、７６）は、水分を含む第３の供給
ガスを受け取り、前記第３の供給ガスが前記第２の供給
ガスを含むとき、前記水分を用いて前記炭化水素ガスを
水素ガスを含む燃料ガスに予備改質し、前記第３の供給
ガスが前記第１の供給ガスを含むとき、そのまま前記燃
料ガスとして出力する。固体電解質型燃料電池（２）
は、前記水分を用いて前記炭化水素ガスを水素ガスを含
む燃料ガスに改質し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスと
から発電しながら前記水分を発生し、前記水分を含む排
燃料ガスと排酸化剤ガスを排出する。循環部（２２）
は、前記排燃料ガスと前記第１の供給ガスまたは前記第
２の供給ガスとが混合され前記第３の供給ガスとして前
記改質器に供給されるように前記排燃料ガスを循環す
る。制御部（２００）は、前記固体電解質型燃料電池の
内部の圧力と温度に基づいて、前記第１の燃料供給部と
前記第２の燃料供給部を制御して前記第１の供給ガスと
前記第２の供給ガスの供給を制御する。

【００１６】ここにおいて、前記固体電解質型燃料電池
（２）は、燃料ガス中の都市ガス成分を水素ガスを含む
ガス成分に改質する機能を有する。

【００１７】また、このとき、固体電解質型燃料電池シ
ステムは、前記固体電解質型燃料電池（２）に供給され
る前記酸化剤ガスを加熱して、前記固体電解質型燃料電
池の内部温度を上げるための熱交換機（２４、９４）を
更に具備してもよい。

【００１８】また、固体電解質型燃料電池システムは、
前記固体電解質型燃料電池に設けられ、前記固体電解質
型燃料電池の内部温度を上げるための加熱手段（７８）
を更に具備してもよい。

【００１９】前記制御部（２００−８）は、前記燃料ガ
スの圧力が前記酸化剤ガスの圧力より所定値だけ高いよ
うに制御する。

【００２０】また、固体電解質型燃料電池システムは、
前記第１の供給ガスまた第２の供給ガス及び前記排燃料
ガスの一部を燃焼させ、燃焼ガスを用いてガスタービン
を回転させて発電を行うガスタービン発電機（８２、８
８）を更に具備してもよい。この場合、前記ガスタービ
ン発電機からの排ガスは前記酸化剤ガスを加熱するため
に使用されることが望ましい。

【００２１】また、前記制御部（２００）は、システム
の起動時から前記固体電解質型燃料電池内の圧力が定格
値に達した後、前記固体電解質型燃料電池の内部温度が
所定値に達して定格運転が始まるまで、前記第１の供給
ガスを供給し、前記固体電解質型燃料電池内の圧力が定
格値に達した後前記第２の供給ガスの供給を開始するよ
うに制御することが望ましい。このとき、前記制御部
（２００）は、システムの停止するために、前記第２の
供給ガスの供給を停止し、代わって前記第１の供給ガス
を供給し、前記固体電解質型燃料電池内の圧力及び温度
が所定値に下がったとき、前記第１の供給ガスの供給を
停止することが望ましい。

【００２２】本発明の他の観点を達成するために、固体
電解質型燃料電池システムの運転方法は、起動時におい
て、水素ガスを含み炭化水素ガスを含まない第１の供給
ガスを燃料ガスとして固体電解質型燃料電池に供給する
ステップと、酸化剤ガスを含む酸化剤ガスを前記固体電
解質型燃料電池に供給するステップと、前記固体電解質
型燃料電池は、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスにより発
電し、水分を生成し、前記水分を含む排燃料ガスを出力
し、前記固体電解質型燃料電池が定格条件に達したと
き、前記第１の供給ガスの供給を停止するステップと、
炭化水素ガスを含む第２の供給ガスを供給するステップ
と、前記第２の供給ガスを前記排燃料ガス中の水分を用
いて改質して水素ガスを含む前記燃料ガスを生成するス
テップとを具備する。

【００２３】ここで、固体電解質型燃料電池システムの
運転方法は、更に、停止時に前記第２の供給ガスの供給
を停止するステップと、記第２の供給ガスに代えて、前
記第１の供給ガスを供給するステップと、前記固体電解
質型燃料電池内の温度と圧力が所定値まで下がったと
き、前記第１の供給ガスの供給を停止するステップとを
具備する事が望ましい。

【００２４】また、前記第２の供給ガスの供給量は前記
排燃料ガス中の水分の量に基づいて制御されることが望
ましい。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下に添付図面を参照して、本発
明の固体電解質型燃料電池システムについて詳細に説明
する。

【００２６】図１は、本発明の第１の実施の形態による
固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図
である。図１を参照して、第１の実施の形態による固体
電解質型燃料電池システムは、主に、固体電解質型燃料
電池２、都市ガス供給ユニット４、水素ガス供給ユニッ
ト、６、窒素ガス供給ユニット８、置換ガス供給ユニッ
ト１０、制御弁１２−１８、前処理器２０、再循環ブロ
ワ２２、外部熱交換器２４、エアーコンプレッサー２
６、及び制御ユニット２００（図示せず）からなる。制
御弁１２−１８は、それぞれ都市ガス供給ユニット４、
水素ガス供給ユニット、６、窒素ガス供給ユニット８、
置換ガス供給ユニット１０に対して設けられている。

【００２７】制御ユニット２００は、流量調整器２００
−２、温度調整器２００−４、圧力制御器２００−６、
圧力差調整器２００−８、流量調整器２００−１０を含
んでいる。制御ユニット２００は、固体電解質型燃料電
池システムの全体の動作を制御する。

【００２８】都市ガス供給ユニット４から出力される都
市ガスは制御弁１２を介して配管１００−１に燃料ガス
として供給される。制御弁１２は、制御ユニット２００
により制御され、発電時に配管１００−１を介して都市
ガスを固体電解質型燃料電池２に供給する。

【００２９】水素ガス供給ユニット６から出力される水
素ガスは制御弁１４を介して配管１００−１に燃料ガス
として供給される。制御弁１４は、制御ユニット２００
により制御され、固体電解質型燃料電池２の起動時及び
運転終了時に水素ガスを配管１００−１に供給する。

【００３０】窒素ガス供給ユニット８から出力される窒
素ガスは制御弁１６を介して配管１００−１に供給され
る。制御弁１６は、制御ユニット２００により制御さ
れ、固体電解質型燃料電池２の起動時及び運転終了時に
窒素ガスを配管１００−１に供給する。この窒素ガス
は、水素ガス供給ユニット６から配管１００−１に供給
される水素ガスを希釈するために使用される。

【００３１】置換ガス供給ユニット１０から出力される
置換ガスは制御弁１８を介して配管１００−１に供給さ
れる。制御弁１８は、制御ユニット２００により制御さ
れ、固体電解質型燃料電池２に異常が発生したとき、あ
るいは固体電解質型燃料電池２の運転を停止するとき、
固体電解質型燃料電池２内、及び関連する配管内の燃料
ガスを排出するために使用される。窒素ガスまたは窒素
ガスで希釈された水素ガスが置換ガスとして使用される
ときには、この置換ガス供給ユニット１０は不要とな
る。この場合には、制御ユニット２００の制御動作が異
なることになる。

【００３２】配管１００−１に供給されたガスは、配管
１００−１６内の循環ガスと共に配管１００−４を介し
て前処理器２０に供給される。

【００３３】前処理器２０は、燃料ガスが固体電解質型
燃料電池２に供給される前に、配管１００−４内のガス
に含まれるＣｍＨｎ（ｍ＞＝２）以上の燃料ガス成分の
帯か異質を行う。例えば、 ＣＨ_４ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ_２ Ｃ_２Ｈ_６ ＋ ２Ｈ_２Ｏ → ２ＣＯ ＋ ５Ｈ_２ Ｃ_３Ｈ_８ ＋ ３Ｈ_２Ｏ → ３ＣＯ ＋ ７Ｈ_２ Ｃ_４Ｈ_１０ ＋ ４Ｈ_２Ｏ → ４ＣＯ ＋ ９Ｈ_２ 反応式（１） 改質されたガスは配管１００−６を介して固体電解質型
燃料電池２に供給される。固体電解質型燃料電池２は、
内部に改質機能を有していてもよい。例えば、反応式
（１）に従って、都市ガス中に含まれるメタンガスを水
素ガスを含むガスに改質することができる。また、前処
理器２０は、固体電解質型燃料電池２のモジュールと一
体化可能である。

【００３４】エアーコンプレッサー２６は、制御ユニッ
ト２００の制御の下、空気を圧縮して酸化剤ガスとして
配管１１０−２に供給する。配管１１０−２内の酸化剤
ガスは、制御弁２８とセンサー３０を介して配管１１０
−４、１１０−６を通して外部熱交換器２４に供給され
る。制御ユニット２００の流量調整器２００−２は、セ
ンサー３０により検出された空気圧に基づいて制御弁２
８の開閉度を制御する。

【００３５】外部熱交換器２４は、制御ユニット２００
の制御の下、配管１１０−６を介して供給される酸化剤
ガスを加熱して配管１１０−８を介して固体電解質型燃
料電池２に供給する。固体電解質型燃料電池２は、高温
動作型の燃料電池であり、動作温度は、約８００℃から
１０００℃である。水素ガスと酸化剤ガスから以下の反
応式（２）に従って電力を発生し、水を生成する。 ２Ｈ_２ ＋ Ｏ_２ → ２Ｈ_２Ｏ ＋ Ｑ ２ＣＯ ＋Ｏ_２ → ２ＣＯ ＋ Ｑ 反応式（２） これらの反応は発熱反応であるが、固体電解質型燃料電
池２の起動時には固体電解質型燃料電池２は常温にあ
る。従って、起動時には固体電解質型燃料電池２を動作
温度に保つための熱源として上記反応熱を利用すること
はできない。このため、起動時には電気ヒーターまたは
バーナー等により加熱し、その熱を用いて固体電解質型
燃料電池２を動作させることになる。

【００３６】外部熱交換器２４は、固体電解質型燃料電
池２から排出される高温の酸化剤ガスの熱を利用して、
配管１１０−６を介して供給される酸化剤ガスを加熱す
る。こうして、固体電解質型燃料電池２から排出される
高温の酸化剤ガスは冷却される。制御ユニット２００の
温度調整器２００−４は、外部熱交換器２４から固体電
解質型燃料電池２に向けて出力される酸化剤ガスの温度
を検出し、制御弁３２の開閉度を制御する。これによ
り、加熱前の酸化剤ガスが加熱酸化剤ガスに混合されて
温度がほぼ一定の酸化剤ガスが固体電解質型燃料電池２
に供給されることになる。

【００３７】固体電解質型燃料電池２は、配管１００−
６を介して供給される燃料ガスと外部熱交換器２４から
供給される加熱酸化剤ガスとを用いて、上記反応式
（２）に従って水素ガスと酸化剤ガスから電力を発生
し、水を生成する。発生された電力は外部に取り出され
るが、図示はしていない。上記反応式（２）に従う反応
後の排燃料ガスは、配管１００−８に出力される。ま
た、上記反応式に従う反応後の排酸化剤ガスは、配管１
１０−１０に出力される。

【００３８】排酸化剤ガスは、外部熱交換器２４を介し
て配管１１０−１２に出力される。排酸化剤ガスもかな
りの高温状態にあるので、この熱は配管１１０−６を介
して外部熱交換器２４に供給される酸化剤ガスを加熱す
るために使用される。従って、外部熱交換器２４から配
管１１０−１２に出力される排酸化剤ガスは温度が下が
っている。

【００３９】その後、排酸化剤ガスは、配管１１０−１
２を介してトラップ４０を介して排気筒４６から排気さ
れる。トラップ４０は、排酸化剤ガスに含まれる蒸気な
どの成分を取り除くために設けられている。

【００４０】トラップ４０と排気筒４６の間には、制御
弁４２が設けられている。制御ユニット２００の圧力調
整器２００−６は、固体電解質型燃料電池２内のガスの
圧力を配管１００−２０を介して検出し、制御弁４２の
開閉度を制御する。こうして、固体電解質型燃料電池２
内の圧力が一定に保たれることになる。

【００４１】また、反応後の排燃料ガスは、固体電解質
型燃料電池２から配管１００−８に出力される。排燃料
ガスには、上記の反応により生成された水分としての蒸
気と、改質器により生成されたが反応に使用されなかっ
た水素ガス、改質により生成された一酸化炭素ガス、改
質されないままの燃料ガスなどが含まれている。

【００４２】排燃料ガスは、配管１００−１０と配管１
１０−１２と配管１００−１８に供給される。配管１０
０−１０に供給された排燃料ガスは、冷却器３４により
冷却された後、トラップ３６を介して排気筒４４から排
気される。トラップ３４は、排燃料ガスに含まれている
蒸気などを除去するために使用される。

【００４３】トラップ３６と排気筒４４の間には制御弁
３８が設けられている。制御ユニット２００の圧力差調
整器２００−８は、配管１００−１８を介して得られる
供給燃料ガスの圧力と配管１００−２０を介して得られ
る固体電解質型燃料電池２の内部圧力との差に基づいて
制御弁３８の開閉度を制御する。この結果、固体電解質
型燃料電池２に供給される燃料ガスの圧力は、酸化剤ガ
スの圧力より所定値、この例では５０ｍｍＡｑだけ高い
状態に保たれることができる。

【００４４】配管１００−１２に供給された排燃料ガス
は、再循環ブロワ２２により配管１００−１４を通し
て、センサ５２を介して配管１００−１６に供給され
る。配管１００−１６内の燃料ガスは、制御弁１２−１
６から供給される燃料ガスと共に前処理器２０に供給さ
れる。

【００４５】制御弁５０は、再循環ブロワ２２をバイパ
スする経路に設けられている。制御ユニット２００の流
量調整器２００−１０は、制御弁５０の開閉度を制御す
る。これにより、再循環ブロワ２２の出力流量の一部は
入力側に戻される。こうして、弁５２、配管１００−１
６を介して前処理器２０に供給される流量を制御してい
る。

【００４６】また、水道と純水処理器６４、蒸気ボイラ
６２は必要な場合に設けられる。しかしながら、本発明
では、必ずしも必要ではない。

【００４７】水道からの水は、純水処理器６４により純
水とされた後、蒸気ボイラ６２に供給される。蒸気ボイ
ラ６２にはＬＰＧガス６０が供給され、それが焚かれて
純水の蒸気を生成する。生成された蒸気は、配管１００
−２を介して前処理器２０に供給される。

【００４８】次に、本発明の第１実施の形態による固体
電解質型燃料電池システムの動作を説明する。図２は固
体電解質型燃料電池システムの動作状況を示すタイミン
グ図である。図２(a）は、固体電解質型燃料電池２の負
荷電流（ａ）を示す。図２（ｂ）は、固体電解質型燃料
電池２内の温度（ｂ）と圧力（ｃ）を示す。図２（ｃ）
は、燃料ガスの流量（ｄ、ｅ）と、制御弁３８の開度を
示す。また、蒸気ボイラ６２が使用される場合の蒸気の
供給量をｆで示す。図２（ｄ）は、制御弁４２の開度
（圧力調節弁）ｇ、再循環ブロワ２２の動作（再循環ガ
ス）ｈ、及び制御弁２８の開度（供給空気（酸化剤ガ
ス）量）ｉを示している。

【００４９】はじめに、起動時Ｔ０からＴ３までのうち
の昇圧期間である時間Ｔ０からＴ１の間の動作について
説明する。

【００５０】固体電解質型燃料電池２が起動されるとき
には、固体電解質型燃料電池２は常温にある。上記反応
式（２）により電力の発生を達成するためには、８００
℃から１０００℃の温度が必要である。また、メタンガ
スを水素ガスと一酸化炭素ガスに改質するためには水分
が必要である。しかしながら、蒸気ボイラ６２から水蒸
気を供給しなければ、起動時にはシステム内に蒸気は存
在しない。そこで、本発明では、メタンガスを改質する
ために必要な水分は固体電解質型燃料電池２での電力の
発生時に生成される水分を用いている。

【００５１】時間Ｔ０からＴ１までの間において、固体
電解質型燃料電池２内に設けられたヒーターで温度調節
が行われている。また、図２（ｂ）を参照して、時間Ｔ
０からＴ１間での間、固体電解質型燃料電池２内の温度
ｂと圧力ｃは増加し続ける。図２（ｃ）を参照して、制
御弁１４と１６が制御され、水素ガスと窒素ガスの混合
ガスｄは増加し続ける。図２（ｄ）を参照して、制御弁
４２の状態ｇは開状態から閉状態に向かって徐々に閉じ
られる。しかしながら、完全に閉じられる訳ではない。
また、制御弁２８の状態ｉは、わずかに開いた状態が維
持される。再循環ブロワ２２による循環ガスが徐々に増
加する。

【００５２】図２（ｄ）に示されるように、時間Ｔ０で
は、制御弁４２がほぼ全開となっているので、エアーコ
ンプレッサー２６からの酸化剤ガスは外部熱交換器２４
を介して固体電解質型燃料電池２に供給される。こうし
て、図２（ｂ）に示されるように、固体電解質型燃料電
池２内の温度ｂは上昇し、また圧力ｃも増加する。この
とき、制御弁４２は大きく開いているので、固体電解質
型燃料電池２内の常温の空気は制御弁４２を介して排出
される。

【００５３】この状態で、制御ユニット２００は、図２
（ｃ）に示されるように、時間Ｔ０において、水素ガス
供給ユニット６と窒素ガス供給ユニット８からの水素ガ
スと窒素ガスを供給するように制御弁１４と１６を開け
る。その後、水素ガスと窒素ガスの供給量が徐々に増加
するように制御弁１４と１６を制御する。こうして、窒
素ガスで希釈された水素ガスが燃料ガスとして供給され
る。水素ガスが供給されるので、前処理器２０では改質
の必要性はない。そのため、水素ガスを含む燃料ガス
は、固体電解質型燃料電池２に供給される。

【００５４】固体電解質型燃料電池２は、燃料ガスと酸
化剤ガスとを用いて上記の反応式（２）に基づいてわず
かではあるが電力を生成し、また水分（蒸気）を生成す
る。結果として、生成された水分（蒸気）は配管１００
−１２に供給される。このとき、図２（ｃ）に示される
ように、制御弁３８は一定の開度であいているが、固体
電解質型燃料電池２内の圧力が低いので配管１００−１
２内の排燃料ガスはそれほど制御弁３８を介しては外部
に排出されない。即ち、配管１００−１２から固体電解
質型燃料電池２の入口側に戻るガス量と弁３８を通して
系外に排出されるガス量がバランスする。

【００５５】再循環ブロワ２２が徐々に循環量を増やす
ように動作するので、配管１００−１２内の水分を含む
循環ガスは、水素ガスと窒素ガスの混合ガスと混合され
て固体電解質型燃料電池２に再び供給されることにな
る。制御弁４２は徐々に閉じる方向に制御されるので、
固体電解質型燃料電池２内の圧力ｃが増加する。

【００５６】こうして、プロセスは、時間Ｔ１に進む。
時間Ｔ１では、固体電解質型燃料電池２内の圧力が所定
の値に達する。しかしながら、固体電解質型燃料電池２
内の温度が十分にはあがっていないので、まだ定格運転
は行われない。

【００５７】時間Ｔ１からＴ２間での間では、外部熱交
換器２４は動作状態を維持する。図２（ｃ）に示される
ように、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ｄは一定
に保たれる。また、都市ガスｅは供給されていない。図
２（ｄ）に示されるように、制御弁４２は、閉じてはい
ないが、低い開度ｇで保たれる。制御弁２８も低い開度
で保たれ、固体電解質型燃料電池２に供給される酸化剤
ガスの供給量ｉも一定に保たれる。再循環ブロワ２２
は、一定の循環ガスを循環させるように動作する。これ
により、時間Ｔ２で都市ガス（またはメタンガス）での
運転が開始されるまでの過渡的処理が行われる。

【００５８】時間Ｔ１からＴ２間での間では、制御弁の
制御により、固体電解質型燃料電池２内の圧力は一定値
に保たれる。しかしながら、固体電解質型燃料電池２内
の温度ｂは上昇を続ける。

【００５９】時間Ｔ２では、固体電解質型燃料電池２内
の温度が７００℃に達する。言い換えれば、固体電解質
型燃料電池２内の温度が７００℃に達する時間がＴ２で
ある。時間Ｔ２からＴ３まで、まだ固体電解質型燃料電
池２の昇温期間が続く。

【００６０】時間Ｔ２に達すると、図２（ｃ）に示され
るように、都市ガスの供給ｅが始まり、その供給量が徐
々に増やされる。また、水素ガスと窒素ガスの混合ガス
の供給量は徐々に減らされる。更に、必要があれば、蒸
気ボイラ６２から蒸気ｆが供給される。なお、制御弁３
８は一定の開度ｊを保ったままである。また、図２
（ｄ）を参照して、固体電解質型燃料電池２への酸化剤
ガスの供給量ｉが徐徐に増やされる。また、制御弁４２
の開度ｇは、制御ユニット２００により制御される。こ
うして、固体電解質型燃料電池２内の圧力は調整される
ことができる。

【００６１】このとき、再循環経路内に水分がだいぶ含
まれていることになる。しかしながら、その量は定格運
転するには不十分な量である。そのため、都市ガスが徐
々に供給され、前処理器２０により改質されて固体電解
質型燃料電池２に供給される。また、負荷電流ａが徐々
に増やされる。こうして、固体電解質型燃料電池２内で
は反応式（２）により電力が発生され、水分が生成され
る。反応式（２）は発熱反応なので、その反応熱により
固体電解質型燃料電池２は加熱される。また、負荷電流
ａが増やされることで、生成水の量が増え、再循環にさ
れる水の量も増加する。

【００６２】すなわち、時間Ｔ３にかけて固体電解質型
燃料電池２の昇温が完了される。また、再循環ブロワ２
２は排燃料ガスを再循環している。この状態で、制御弁
１２が開けられ、都市ガスが燃料ガスとして供給され始
める。都市ガスの供給量が徐々に増加するように制御弁
１２は制御される。一方、水素ガスと窒素ガスの供給量
は、都市ガスの供給量が増えるにつれて減少される。

【００６３】このとき、再循環経路内に十分水分があれ
ば、都市ガス（メタンガス）は、前処理器２０により反
応式（１）に従い水素ガスを含む燃料ガスに予備改質さ
れる。しかしながら、水分が不足している場合には、上
記ボイラ６２から水分を補充する必要がある。本発明で
は、都市ガスの供給量は当初押さえられている。これ
は、再循環経路内に存在する水分に見合う量の都市ガス
を供給するためである。こうして、都市ガス（メタンガ
ス）は、水素ガスを含む燃料ガスに改質されることがで
きる。また、その水素ガスが電力発生に使用され、水分
が生成される。生成された水分は、都市ガスの改質に使
用されるという循環が始まることになる。また、固体電
解質型燃料電池２の電気出力をアップするために負荷電
流が徐々に増加されている。

【００６４】時間Ｔ３では、固体電解質型燃料電池２の
内部温度は９００℃に達する。言い換えれば、固体電解
質型燃料電池２の内部温度は９００℃に達する時間がＴ
３である。このときには、上記のように、固体電解質型
燃料電池２内の圧力ｃはすでに所定値に達しており、ま
た、固体電解質型燃料電池２内の温度ｂも９００℃に達
するので定格運転が開始される。

【００６５】時間Ｔ３から時間Ｔ４の間では、固体電解
質型燃料電池２内のヒーターは、オフされ、定格運転が
始まる。図２（ｃ）を参照して、都市ガスの供給量ｅは
一定に保たれる。また、図２（ｄ）に示されるように供
給酸素量ｉも一定に保たれている。水素ガスと窒素ガス
の混合ガスは供給されない。図２（ｄ）を参照して、制
御弁４２は一定の開度ｇのまま保たれる。また、再循環
ブロワ２２の循環量ｈも一定に保たれる。

【００６６】こうして、都市ガスは前処理器２０により
水素ガスを含む燃料ガスに予備改質されて固体電解質型
燃料電池２に供給される。固体電解質型燃料電池２の内
部では、燃料ガスに含まれるメタンが水素に改質され
る。即ち、 ＣＨ_４ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ_２ −Ｑ の反応が起きる。燃料ガス中の水素ガス及び一酸化炭素
とエアーコンプレッサー２６から供給される酸化剤ガス
とに基づいて反応式（２）による反応が進行する。こう
して、定格負荷電流ａを取り出すことができる。換言す
れば、定格負荷電流ａを取り出すことにより、反応の進
行を制御することができる。

【００６７】このとき、時間Ｔ４から時間Ｔ５の間でホ
ットバンキングが起きたとする。ほっとバンキングと
は、以上要因によるインターロック作動及び温度維持状
態での発電停止等である。従って、図（ａ）に示される
ように、負荷電流ａの取り出しは停止される。時間Ｔ４
からＴ５の間では、固体電解質型燃料電池２内のヒータ
ーによる温度調節が開始される。また、図２（ｃ）に示
されるように、都市ガスの供給ｅは停止される。代わっ
て、水素ガスと窒素ガスの混合ガスｄが供給される。制
御弁３８は一定の開度ｊを維持する。また、図２（ｄ）
に示されるように、再循環ブロワ２２は動作を続ける。
また、制御弁４２は一定の開度ｇを維持する。酸化剤ガ
スの供給ｉは停止される。

【００６８】時間Ｔ５でホットバンキングが終了する
と、都市ガスの供給ｅが再開され、水素ガスと窒素ガス
の混合ガスの供給ｄは停止される。また、制御弁２８
は、閉じられていたとしても元の開度に戻され、供給酸
素量ｉは元の状態に戻される。こうして、システム全体
として定格運転の状態に戻される。

【００６９】時間Ｔ６で、定格運転が終了される。この
とき、直ちに電源が切られると、配管内に排燃料ガスと
酸化剤ガスが残ったままになってしまう。また、都市ガ
スが残っていれば、改質が行われないので、都市ガスが
そのまま燃料電池モジュールに入ることになる。都市ガ
スがそのまま燃料電池モジュールに入ると炭化水素ガス
が熱分解されて炭素が燃料電池モジュールに付着するこ
とになる。この炭素は、燃料電池モジュールの効率を低
下させることになる。そのため、運転終了時には、配管
内の燃料ガスをすべて排気することが必要である。

【００７０】時間Ｔ６では、図２（ｃ）に示されるよう
に、制御弁１２が制御され、都市ガスの供給ｅは急激に
減少される。代わって、水素ガスと窒素ガスの混合ガス
の供給ｄが開始される。この供給量は、時間Ｔ１からＴ
２の間の供給量とほぼ同じである。図２（ｄ）に示され
るように、供給酸素量ｉも徐々に減らされる。図２
（ａ）に示されるように、都市ガスが流れている間に負
荷電流ａが下げられる。また、制御弁４２の開度も減ら
される。一方、再循環ブロワ２２の動作は定格運転の時
と同じである。

【００７１】こうして、固体電解質型燃料電池２の内部
温度ｂは徐々に下がり始める。また、このとき、都市ガ
スの供給が停止されると、固体電解質型燃料電池２内の
ヒーターは温度調整を開始する。

【００７２】こうして、固体電解質型燃料電池２の内部
温度が７００℃以下となると、時間Ｔ７で、降圧プロセ
スが始まる。固体電解質型燃料電池２内のヒーターは温
度調整したままである。図２（ｃ）に示されるように、
水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ｄが徐々に減るよ
うに制御弁１４、１６が制御される。同時に再循環ブロ
ワ２２の循環量が減らされる。一方、制御弁３８は一定
の低い開度ｊを保ったままである。また、図２（ｄ）に
示されるように、供給酸素量ｉは絞られる。一方、制御
弁４２の開度ｇは増加される。こうして、酸化剤ガスの
圧力が下がり、固体電解質型燃料電池２内の燃料ガスは
排出される。最終的に、固体電解質型燃料電池２の温度
ｂが常温近くに戻り、また、内部圧力ｃが大気圧に戻っ
たとき（時間Ｔ８）、システムの運転は終了される。

【００７３】次に、本発明の第１実施の形態による固体
電解質型燃料電池システムの第２の動作例を説明する。
図３は固体電解質型燃料電池システムの第２の動作状況
を示すタイミング図である。図３(a）は、固体電解質型
燃料電池２の負荷電流ｏを示す。図３（ｂ）は、固体電
解質型燃料電池２内の温度ｐと圧力ｑを示す。図３
（ｃ）は、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ｒと都
市ガスの流量ｓと、制御弁３８の開度ｕを示す。また、
蒸気ボイラ６２が使用される場合の蒸気の供給量をｔで
示す。図３（ｄ）は、制御弁４２の開度（圧力調節弁）
ｖ、再循環ブロワ２２の動作（再循環ガス）ｘ、及び制
御弁２８の開度に対応する供給空気（酸化剤ガス）量）
ｗを示している。

【００７４】はじめに、起動時Ｔ１０からＴ１１までの
昇圧昇温期間の動作について説明する。

【００７５】時間Ｔ１０からＴ１１までの間において、
固体電解質型燃料電池２内のヒーターにより温度調節が
行われている。また、図３（ｃ）を参照して、制御弁１
４と１６が制御され、水素ガスと窒素ガスの混合ガスｒ
は増加し続ける。図３（ｄ）を参照して、制御弁４２の
開度ｖは一定に保たれる。また、制御弁２８の状態ｗ
は、徐々に開度が増加され、供給酸素量ｗは増加する。
再循環ブロワ２２による循環ガスｘも徐々に増加する。
こうして、図３（ｂ）に示されるように、時間Ｔ１０か
らＴ１１間での間、固体電解質型燃料電池２内の温度ｂ
と圧力ｃは増加し続ける。

【００７６】時間Ｔ１０では、固体電解質型燃料電池２
内のヒーターにより温度調節が行われているので、図３
（ｂ）に示されるように、固体電解質型燃料電池２内の
温度ｂは上昇する。また、制御弁４２の開度ｖは一定に
保たれているので、エアーコンプレッサー２６からの酸
化剤ガスは外部熱交換器２４を介して固体電解質型燃料
電池２に供給される。更に、混合ガスｒが供給されてい
る。こうして、また圧力ｑも増加する。このとき、制御
弁４２は一定の開度ｖにあるので、固体電解質型燃料電
池２内の常温の酸化剤ガスは制御弁４２を介して排出さ
れる。

【００７７】この状態で、図３（ｃ）に示されるよう
に、制御ユニット２００により水素ガスと窒素ガスの供
給量が徐々に増加するように制御弁１４と１６が制御さ
れる。こうして、水素ガスと窒素ガスの混合ガス、即ち
窒素ガスで希釈された水素ガスが燃料ガスとして供給さ
れる。水素ガスを含むガスが供給されるので、前処理器
２０では改質の必要性はない。そのため、水素ガスを含
む燃料ガスは、そのまま固体電解質型燃料電池２に供給
される。

【００７８】固体電解質型燃料電池２は、燃料ガスと酸
化剤ガスとを用いて上記の反応式（２）に基づいてわず
かではあるが電力を生成し、また水分（蒸気）を生成す
る。結果として、生成された水分（蒸気）は配管１００
−１２に供給される。このとき、図３（ｃ）に示される
ように、制御弁３８は一定の開度ｕであいているが、固
体電解質型燃料電池２内の圧力が低いので配管１００−
１２内の排燃料ガスはそれほど制御弁３８を介しては外
部に排出されない。

【００７９】再循環ブロワ２２が徐々に循環量をｘ増や
すように動作するので、配管１００−１２内の水分を含
む循環ガスは循環され、水素ガスと窒素ガスの混合ガス
と混合されて固体電解質型燃料電池２に再び供給される
ことになる。

【００８０】こうして、プロセスは、時間Ｔ１１に進
む。時間Ｔ１１では、固体電解質型燃料電池２内の圧力
ｑが所定の値（この例では３ａｔｇ）に達する。また、
固体電解質型燃料電池２の内部温度ｐも９００に上昇す
る。しかしながら、この状態は都市ガスを使用する定格
運転ではない。

【００８１】時間Ｔ１１からＴ１２間での間では、外部
熱交換器２４の出力は保たれる。図３（ｃ）に示される
ように、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ｒは一定
に保たれる。また、都市ガスｓは供給されていない。図
３（ｄ）に示されるように、制御弁４２は、一定の開度
ｕを保っている。また、図３（ｄ）に示されるように、
制御弁２８は、大きい開度ｗで保たれ、大量の空気が供
給されている。再循環ブロワ２２は、一定の循環ガスを
循環させるように動作する。これにより、時間Ｔ１２で
都市ガス（またはメタンガス）での運転が開始されるま
での過渡的処理（ホットスタンバイ処理）が行われる。
こうして、時間Ｔ１１からＴ１２間での間では、図３
（ｂ）に示されるように、固体電解質型燃料電池２内の
圧力ｑは一定値に保たれ、温度ｐも一定に保たれるホッ
トスタンバイ状態が保たれる。

【００８２】時間Ｔ１２から時間Ｔ１３までの間に、燃
料の切り替えが行われる。すなわち、時間Ｔ１２に達す
ると、固体電解質型燃料電池２内のヒーターによる温度
調整は停止される。また、図３（ｃ）に示されるよう
に、都市ガスの供給ｓが始まり、その供給量が徐々に増
やされる。また、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給
量ｒは徐々に減らされる。更に、必要があれば、蒸気ボ
イラ６２から蒸気ｔが供給される。なお、制御弁３８は
一定の開度ｊを保ったままである。また、図３（ｄ）を
参照して、制御弁２８の開度ｗは、大きな開度で保たれ
る。こうして、固体電解質型燃料電池２へは十分に酸化
剤ガスｗが供給されることができる。また、制御弁４２
の開度ｖは、制御ユニット２００により一定に保たれ
る。こうして、固体電解質型燃料電池２内の圧力は調整
されることができる。

【００８３】時間Ｔ１２では、再循環経路内に水分がだ
いぶ含まれていることになる。しかしながら、その量は
定格運転するには不十分な量である。そのため、都市ガ
スｓが徐々に供給され、前処理器２０により予備改質さ
れて固体電解質型燃料電池２に供給される。また、負荷
電流ｏが徐々に増やされる。こうして、固体電解質型燃
料電池２内では反応式（２）により電力が発生され、水
分が生成される。反応式（２）は発熱反応なので、その
反応熱により固体電解質型燃料電池２は加熱される。

【００８４】すなわち、時間Ｔ１３にかけて再循環経路
内の水分が十分に確保されることになる。すなわち、外
部熱交換器２４を介して酸化剤ガスｗが固体電解質型燃
料電池２に供給され続ける。また、再循環ブロワ２２は
排燃料ガスを再循環している。この状態で、制御弁１２
が開けられ、都市ガスｓが燃料ガスとして供給され始め
る。都市ガスの供給量が徐々に増加するように制御弁１
２は制御される。一方、水素ガスと窒素ガスの混合ガス
の供給量ｒは、都市ガスの供給量ｓが増えるにつれて減
少される。

【００８５】このとき、再循環経路内に十分水分があれ
ば、都市ガス（メタンガス）は、反応式（１）により水
素ガスを含む燃料ガスが前処理器２０により生成され
る。しかしながら、水分が不足している場合には、上記
ボイラ６２から水分ｔを補充する必要がある。本発明で
は、都市ガスの供給量は当初押さえられている。これ
は、再循環経路内に存在する水分に見合う量の都市ガス
を供給するためである。こうして、都市ガス（メタンガ
ス）は、水素ガスを含む燃料ガスに改質されることがで
きる。また、その水素ガスが電力発生に使用され、水分
が生成される。生成された水分は、都市ガスの改質に使
用されるという循環が始まることになる。また、このと
き、固体電解質型燃料電池２の負荷電流ｏが徐々に増加
されている。これにより、固体電解質型燃料電池２での
反応式（２）による反応の速度が制御される。

【００８６】時間Ｔ１３では、固体電解質型燃料電池２
の内部温度は９００℃に達する。言い換えれば、固体電
解質型燃料電池２の内部温度は９００℃に達する時間が
Ｔ１３である。このときには、上記のように、固体電解
質型燃料電池２内の圧力ｑはすでに所定値に達してお
り、また、固体電解質型燃料電池２内の温度ｐも９００
℃に達しているので、定格運転が開始される。

【００８７】時間Ｔ１３から時間Ｔ１４の間では、泥各
運転が開始される。固体電解質型燃料電池２内のヒータ
ーはオフされる。図３（ｃ）を参照して、都市ガスの供
給量ｓは一定に保たれる。制御弁３８は一定の開度ｕを
保つ。水素ガスと窒素ガスの混合ガスは供給されない。
図３（ｄ）を参照して、供給酸素量ｗも一定である。再
循環ブロワ２２の循環量ｘも一定に保たれる。なお、制
御弁４２の開度ｖは一定に保たれたままである。

【００８８】こうして、都市ガスは前処理器２０により
水素ガスを含む燃料ガスに予備改質されて固体電解質型
燃料電池２に供給される。固体電解質型燃料電池２の内
部では、燃料ガスに含まれる改質されていないメタンガ
スがさらに水素ガスに改質される。燃料ガス中の水素ガ
スと一酸化炭素ガスとエアーコンプレッサー２６から供
給される酸化剤ガスとに基づいて反応式（２）による反
応が進行する。こうして、定格負荷電流ｏを取り出すこ
とができる。換言すれば、定格負荷電流ｏを取り出すこ
とにより、反応の進行を制御することができる。

【００８９】時間Ｔ１４で、定格運転が終了される。こ
のとき、直ちに電源が切られると、配管内に排燃料ガス
と酸化剤ガスが残ったままになってしまう。また、都市
ガスが残っていれば、改質が行われないので、都市ガス
がそのまま燃料電池モジュールに入ることになる。都市
ガスがそのまま燃料電池モジュールに入ると炭化水素ガ
スが熱分解されて炭素が燃料電池モジュールに付着する
ことになる。この炭素は、燃料電池モジュールの効率を
低下させることになる。そのため、運転終了時には、配
管内の燃料ガスをすべて排気することが必要である。

【００９０】時間Ｔ１４では、負荷電流０が減少され
る。こうして、図３（ｃ）に示されるように、制御弁１
２が制御され、都市ガスの供給ｓは急激に減少される。
代わって、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給量ｒが
急激に増加される。また、図３（ｄ）に示されるよう
に、制御弁２８の開度ｗは一定に保たれる。制御弁４２
の開度ｖは一定に保たれたままである。再循環ブロワ２
２の動作は定格運転の時と同じである。このため、固体
電解質型燃料電池２内の温度ｐと圧力ｑは変化しない。

【００９１】こうして、負荷電流ｏが無くなり、都市ガ
スの供給が無くなると、時間Ｔ１５で図３（ｄ）に示さ
れるように、混合ガスの供給量ｒと酸素供給量ｗは徐々
に減らされる。再循環ブロワ２２の循環される排燃料ガ
スの量も徐々に減らされる。一方、制御弁４２の開度ｖ
は一定に保たれたままである。また、固体電解質型燃料
電池２内のヒーターによる温度調整が再開される。こう
して、固体電解質型燃料電池２の内部温度ｐは徐々に下
がり始める。こうして、最終的に、固体電解質型燃料電
池２の温度ｐが常温近くに戻り、また、内部圧力ｑが大
気圧に戻ったとき（時間Ｔ１６）、システムの運転は終
了される。

【００９２】図４は、本発明の第２の実施の形態による
固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図
である。この固体電解質型燃料電池システムは発電量は
１００ＫＷ級であり、燃料電池とガスタービン発電機と
がコンバインドされている。なお、簡略化のため、図１
に示された制御ユニット２００内の一部のユニットは図
面では省略されている。

【００９３】図４を参照して、第２の実施の形態による
固体電解質型燃料電池システムは、主に、固体電解質型
燃料電池２、都市ガス供給ユニット４、蒸気供給ユニッ
ト７２、水素ガス供給ユニット６、窒素ガス供給ユニッ
ト６、置換ガス供給ユニット１０、制御弁１２−１８、
前処理器７６、再循環ブロワ２２、外部熱交換器９４、
エアーコンプレッサー２６、制御ユニット２００（図示
せず）、燃焼器８２，ガスタービン（Ｇ／Ｔ）８８，温
水ボイラ９２からなる。第１の実施の形態におけるヒー
ターに代えて起動用バーナー７８が固体電解質型燃料電
池２には設けられている。都市ガス供給ユニット４、水
素ガス供給ユニット、６、窒素ガス供給ユニット８、置
換ガス供給ユニット１０に対して制御ユニット２００に
より制御される制御弁が設けられているが、図面では省
略されている。制御ユニット２００は、固体電解質型燃
料電池システムの全体の動作を制御する。

【００９４】都市ガス供給ユニット４から出力される都
市ガスは制御弁を介して配管１００−１に燃料ガスとし
て供給される。水素ガス供給ユニット６から出力される
水素ガスは制御弁を介して配管１００−１に燃料ガスと
して供給される。窒素ガス供給ユニット８から出力され
る窒素ガスは制御弁を介して配管１００−１に供給され
る。この制御弁は、制御ユニット２００により制御さ
れ、固体電解質型燃料電池２の起動時及び運転終了時に
窒素ガスを配管１００−１に供給する。この窒素ガス
は、水素ガス供給ユニット６から配管１００−１に供給
される水素ガスを希釈するために使用される。置換ガス
供給ユニット１０から出力される置換ガスは制御弁を介
して配管１００−１に供給される。蒸気供給ユニット７
２から出力される蒸気は制御弁を介して配管１００−１
に供給される。

【００９５】水素供給ユニット６と窒素供給ユニット８
の制御弁は、制御ユニット２００により制御され、固体
電解質型燃料電池２に異常が発生したとき、あるいは固
体電解質型燃料電池２の運転を停止するとき、固体電解
質型燃料電池２内、及び関連する配管内の燃料ガスを排
出するために使用される。

【００９６】配管１００−１に供給されたガスは、配管
１００−１４内の循環ガスと共に配管１００−４を介し
て前処理器７６に供給される。前処理器７６は、第１の
実施の形態における前処理器２０と同じ機能を有する。
燃料ガスが固体電解質型燃料電池２に供給される前に、
配管１００−４内のガスに含まれる都市ガス（炭化水素
ガス）を上記反応式（１）に従って予備改質する。改質
されたガスは配管１００−６を介して固体電解質型燃料
電池２に供給される。

【００９７】起動用エアーコンプレッサ９８は、空気を
制御弁１２０を介して配管１１０−２２，１１０−２４
を介して配管１１０−３０に送る。エアーコンプレッサ
ー（Ａ／Ｃ）２６、制御ユニット２００の制御の下、空
気を圧縮して酸化剤ガスとして配管１１０−３０に供給
する。配管１１０−３０内の酸化剤ガスは、外部熱交換
器（ＡＨ）９４に供給される。外部熱交換器９４は、制
御ユニット２００の制御の下、配管１１０−３０を介し
て供給される酸化剤ガスを配管１１０−２８から供給さ
れる高温ガスの熱により加熱して配管１１０−３２に供
給する。

【００９８】制御ユニット２００は、温度制御を行い、
外部熱交換器９４からの酸化剤ガスの温度が高いときに
は、制御弁３２を開けて加熱前の空気を配管１１０−３
２に供給する。こうして、固体電解質型燃料電池２に供
給されるべき酸化剤ガスの温度を調整することができ
る。

【００９９】配管１１０−３２内の空気は、制御ユニッ
ト２００により制御される制御弁１２８を介して燃焼器
８２に供給される。また、配管１１０−３２内の酸化剤
ガスは、制御ユニット２００により制御される流量調節
弁（流調弁）２８を介して固体電解質型燃料電池２に供
給される。この例では、流調弁２８と並列にバイパス弁
１２２が設けられている。制御ユニット２００の圧力調
整器は、センサーにより検出された空気圧に基づいて制
御弁２８の開閉度を制御する。

【０１００】固体電解質型燃料電池２は、第１の実施の
形態と同様に、内部に改質機能を有している。例えば、
反応式（１）に従って、都市ガス中に含まれるメタンガ
スを水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質するこ
とができる。固体電解質型燃料電池２は、高温動作型の
燃料電池であり、動作温度は、約８００℃から１０００
℃である。固体電解質型燃料電池２は、配管１００−６
を介して供給される燃料ガスと外部熱交換器９４から供
給される加熱酸化剤ガスとを用いて、上記反応式（２）
に従って水素ガスと酸化剤ガスから電力を発生し、水を
生成する。発生された電力は外部に取り出されるが、図
示はしていない。

【０１０１】この反応は発熱反応であるが、固体電解質
型燃料電池２の起動時には固体電解質型燃料電池２は常
温にある。従って、起動時には固体電解質型燃料電池２
を動作温度に保つための熱源として上記反応熱を利用す
ることはできない。このため、起動時にはバーナー７８
により固体電解質型燃料電池２を加熱している。外部熱
交換器９４で酸化剤ガスを加熱し、その熱を用いて固体
電解質型燃料電池２の温度を維持する。同時に、反応式
（２）の発熱反応による反応熱を利用して固体電解質型
燃料電池２の温度を維持する。

【０１０２】上記反応式（２）に従う反応後の排燃料ガ
スは、配管１００−８に出力される。また、上記反応式
に従う反応後の排酸化剤ガスは、配管１１０−４０に出
力される。

【０１０３】排酸化剤ガスは、外部熱交換器９４を介し
て配管１１０−４０に出力される。排酸化剤ガスもかな
りの高温状態にあるので、この排酸化剤ガスは外部熱交
換器９４に供給される酸化剤ガスを加熱するために使用
される。従って、外部熱交換器９４から出力される排酸
化剤ガスは温度が下がっている。また、排酸化剤ガス
は、制御ユニット２００により制御される遮断弁１２６
を介して燃焼器８２に供給される。遮断弁１２６の開閉
を制御することにより、燃焼器８２とガスタービン８８
を通るラインと通らないバイパスラインとの切り替えが
可能となる。従って、固体電解質型燃料電池２の起動と
ガスタービンの起動を別々に行う際に有効である。

【０１０４】その後、排酸化剤ガスは、制御ユニット２
００により制御される圧力調節弁４２を介して排気筒４
６から排気される。制御ユニット２００の圧力調整器
は、固体電解質型燃料電池２内のガスの圧力を検出し、
圧力調節弁４２の開閉度を制御する。こうして、固体電
解質型燃料電池２内の圧力が一定に保たれることにな
る。

【０１０５】また、反応後の排燃料ガスは、固体電解質
型燃料電池２から配管１００−８に出力される。排燃料
ガスには、上記の反応により生成された水分としての蒸
気と、改質器により生成されたが反応に使用されなかっ
た水素ガス、改質により生成された一酸化炭素ガス、改
質されないままの燃料ガスなどが含まれている。

【０１０６】排燃料ガスは、配管１００−１２に供給さ
れ、また、制御ユニット２００により制御される制御弁
８６と配管１１０−４４を介して燃焼器８２に供給され
る。更に、制御ユニット２００により制御される制御弁
８４を介して冷却器３４に供給され、冷却器３４により
冷却された後、トラップ３６を介して排気筒４４から排
気される。トラップ３４は、排燃料ガスに含まれている
蒸気、及び可溶性のガスなどを除去するために使用され
る。こうして、制御弁８６と８４を切り換えることによ
り、燃焼器８２とガスタービンＧ／Ｔ８８を通るライン
と通らないバイパスラインとの切り換えが可能となり、
固体電解質型燃料電池２の起動とガスタービンＧ／Ｔ８
８の起動を別々に実行する際に有効である。

【０１０７】トラップ３６と排気筒４４の間には制御ユ
ニット２００により制御される差圧調節弁３８が設けら
れている。制御ユニット２００の圧力差調整器は供給燃
料ガスの圧力と固体電解質型燃料電池２の内部圧力との
差に基づいて差圧調節弁３８の開閉度を制御する。この
結果、固体電解質型燃料電池２に供給される燃料ガスの
圧力は、酸化剤ガスの圧力より所定値、この例では５０
っｍＡｑだけ高い状態に保たれることができる。

【０１０８】配管１００−１２に供給された排燃料ガス
は、再循環ブロワ２２により配管１００−１４と制御ユ
ニット２００により制御される制御弁１３２を介して配
管１００−４に供給される。配管１００−４内の燃料ガ
スは、供給ユニット４，６，８，１０，７２から供給さ
れる燃料ガスと共に前処理器７６に供給される。

【０１０９】制御弁（図示せず）は、再循環ブロワ２２
をバイパスする経路に設けられている。制御ユニット２
００の圧力調整器は、この制御弁の開閉度を制御する。
これにより、配管１００−１２内の燃料ガスは、流量制
御されて配管１００−４に供給されることになる。

【０１１０】配管１００−１内の水素ガスあるいは都市
ガスは、固体電解質型燃料電池２のバーナー７８に供給
され、固体電解質型燃料電池２を加熱するために使用さ
れる。また、配管１００−１内の水素ガスあるいは都市
ガスは制御ユニット２００により制御される制御弁８０
を介して燃焼器２に供給される。

【０１１１】燃焼器８２からの燃焼ガスはガスタービン
８８に供給され、発電のために使用される。ガスタービ
ンＧ／Ｔ８８には、エアーコンプレッサー２６から圧縮
空気も供給されている。ガスタービン８８からの排ガス
は外部熱交換器９４に供給され、それに供給される空気
を加熱するために使用される。熱交換器９４を通過した
排ガスは温水ボイラ９２に供給される。温水ボイラ９２
は温水を生成する。温水ボイラに代えて蒸気ボイラを使
用すれば、生成された蒸気により、蒸気タービンを回す
ことも可能である。まあ、その蒸気の一部を固体電解質
型燃料電池２の入口側に供給すれば、改質よう蒸気とし
て使用することもできる。

【０１１２】次に、本発明の第２実施の形態による固体
電解質型燃料電池システムの動作を説明する。図５は固
体電解質型燃料電池システムの動作状況を示すタイミン
グ図である。図５(a）は、固体電解質型燃料電池２の負
荷電流（ａａ）を示す。図５（ｂ）は、固体電解質型燃
料電池２内の温度（ａｂ）と圧力（ａｃ）を示す。図５
（ｃ）は、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ａｅ
と、都市ガス流量ａｇと、差圧調節弁３８の開度ａｄ
と、蒸気供給ユニット７２の供給量をａｆで示す。図５
（ｄ）は、ガスタービン８８の出口空気量ａｈ、酸化剤
ガスのための圧力調節弁４２の開度ａｉ、及び流調弁２
８による供給空気（酸化剤ガス）量ａｊを示している。
また、図５（ｅ）は、再循環ブロワ２２の動作（再循環
ガス）ａｌ、ガスタービン８８の燃焼器８２に水素ガス
または都市ガスを供給するための制御弁８０、１２８の
複合の開度ａｋ、バーナー７８に供給される水素ガスま
たは都市ガスの流量ａｍを示す。

【０１１３】はじめに、起動時Ｔ２０からＴ２１まで期
間の動作からシステムの動作を説明する。

【０１１４】時間Ｔ２０で固体電解質型燃料電池システ
ムが起動されるときには、固体電解質型燃料電池２は常
温常圧にある。上記反応式（２）により電力の発生を達
成するためには、８００℃から１０００℃の温度が必要
である。また、都市ガス（高水素ガス）を水素ガスと一
酸化炭素ガスに改質するためには水分が必要である。し
かしながら、水蒸気を供給しなければ、起動時にはシス
テム内に蒸気は存在しない。そこで、本発明では、都市
ガスを改質するために必要な水分は固体電解質型燃料電
池２での電力の発生時に生成される水分を用いている。

【０１１５】時間Ｔ２０では、図５（ｅ）に示されるよ
うに制御弁８０は開いており、図５（ｃ）に示されるよ
うに、水素ガスと窒素ガスの混合ガスａｅは、一定量が
出力されていて、制御弁８０を介して燃焼器８２に供給
されている。燃焼器には、起動用エアーコンプレッサー
９８からの空気が制御弁１２０、外部熱交換器９４、制
御弁１２８を介して燃焼器８２に供給されている。燃焼
器８２の燃焼ガスはガスタービン８８に供給される。こ
うして、ガスタービンによる発電は起動される。

【０１１６】時間Ｔ２０からＴ２１までの間において、
図５（ｃ）を参照して、水素ガスと窒素ガスの混合ガス
ａｅは一定量が供給され続けている。また、差圧調節弁
３８は開度ａｄが徐々に減少されている。図５（ｄ）を
参照して、ガスタービン８８の出口の空気ａｈは一定量
が供給されている。また、圧力調節弁４２の開度ａｉは
徐々に減少される。一方、空気供給量ａｊで低いレベル
で一定である。図５（ｅ）に示されるように、再循環ブ
ロワ２２は再循環量を徐々に増やす。こうして、図５
（ｂ）を参照して、時間Ｔ２０からＴ２１間での間、固
体電解質型燃料電池２内の温度ａｂと圧力ａｃは増加し
続ける。

【０１１７】次に、時間Ｔ２１から時間Ｔ２２までは、
図５（ｃ）に示されるように、差圧調節弁３８の開度ａ
ｄは引き続き減少している。混合ガスａｅの供給量は一
定である。図５（ｄ）を参照して、圧力調節弁４２の開
度ａｉは引き続き減少している。空気供給量ａｊは一定
である。

【０１１８】図５（ｅ）を参照して、混合ガスａｅの一
部はバーナ燃料ａｍとしてバーナー７８に供給され、燃
焼される。これにより固体電解質型燃料電池２の内部温
度は上昇される。また、図５（ｄ）に示されるように、
時間Ｔ２０からＴ２２の間では、制御弁２８は開いてい
るので、エアーコンプレッサー９８からの酸化剤ガスは
外部熱交換器９４で加温された後、固体電解質型燃料電
池２に供給される。こうして、図５（ｂ）に示されるよ
うに、固体電解質型燃料電池２内の温度ａｂは上昇し、
また圧力ａｃも増加する。このとき、圧力調節弁４２は
大きく開いているので、固体電解質型燃料電池２内の常
温の空気は圧力調節弁４２を介して排出される。

【０１１９】この状態で、水素ガスと窒素ガスの供給量
ａｅは一定に保たれている。こうして、窒素ガスで希釈
された水素ガスが燃料ガスとして供給される。水素ガス
が供給されるので、前処理器７６では改質の必要性はな
い。そのため、水素ガスを含む燃料ガスは、固体電解質
型燃料電池２に供給される。

【０１２０】固体電解質型燃料電池２は、燃料ガスと酸
化剤ガスとを用いて上記の反応式（２）に基づいてわず
かではあるが電力を生成し、また水分（蒸気）を生成す
る。結果として、生成された水分（蒸気）は配管１００
−１２に供給される。このとき、図５（ｃ）に示される
ように、差圧調節弁３８の開度ａｄは下がっているが、
固体電解質型燃料電池２内の圧力が低いので配管１００
−１２内の排燃料ガスはそれほど差圧調節弁３８を介し
ては外部に排出されない。

【０１２１】再循環ブロワ２２が徐々に循環量を増やす
ように動作しているので、配管１００−１２内の水分を
含む循環ガスは、水素ガスと窒素ガスの混合ガスと混合
されて固体電解質型燃料電池２に再び供給されることに
なる。圧力調節弁４２は徐々に閉じる方向に制御される
ので、固体電解質型燃料電池２内の圧力ｃが増加する。

【０１２２】こうして、プロセスは、時間Ｔ２２に進
む。時間Ｔ２２から時間Ｔ２３では、固体電解質型燃料
電池２内の圧力が所定の値に達する。しかしながら、固
体電解質型燃料電池２内の温度が十分にはあがっていな
いので、まだ定格運転は行われない。

【０１２３】時間Ｔ２２からＴ２３間での間では、外部
熱交換器９４は動作状態を維持する。また、図５（ｅ）
に示されるように、バーナー７８は燃焼を続けている。
このため、図５（ｂ）に示されるように、固体電解質型
燃料電池２内の温度ａｂは徐々に上昇する。

【０１２４】図５（ｃ）に示されるように、水素ガスと
窒素ガスの混合ガスの流量ａｅは一定に保たれている。
また、都市ガスａｇは供給されていない。都市ガスａｇ
は、第１の実施の形態と同様に、定格運転が開始される
ように供給される。図５（ｄ）に示されるように、圧力
調節弁４２は、閉じられ、そのままの状態を運転停止ま
で保持する。制御弁２８は期間Ｔ２１からＴ２２までの
ときより大きい開度ａｊを保つように制御される。再循
環ブロワ２２は、一定量の循環ガスを循環させるように
動作する。これにより、時間Ｔ２３で都市ガス（または
メタンガス）での運転が開始されるまでの過渡的処理が
行われる。

【０１２５】時間Ｔ２２からＴ２５の間では、制御弁の
制御により、固体電解質型燃料電池２内の圧力は一定値
に保たれる。時間Ｔ２３では、固体電解質型燃料電池２
内の温度が７００℃に達する。言い換えれば、固体電解
質型燃料電池２内の温度が７００℃に達する時間がＴ２
３である。時間Ｔ２３からＴ２５まで、まだ固体電解質
型燃料電池２の昇温期間が続く。

【０１２６】時間Ｔ２３に達すると、バーナー７８によ
る加熱は押さえられる。また、図５（ｃ）に示されるよ
うに、都市ガスの供給ａｇが始まり、その供給量が徐々
に増やされる。また、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの
供給量は徐々に減らされる。更に、必要があれば、蒸気
ボイラ６２から蒸気ａｆが供給される。なお、差圧調節
弁３８は時間Ｔ２３で閉じられ、運転停止まで保持され
る。また、図５（ｄ）を参照して、固体電解質型燃料電
池２への空気供給量ａｊが徐々に増やされる。また、圧
力調節弁４２の開度ａｉは、時間Ｔ２２から閉じられた
ままである。また、再循環ブロワ２２は、時間Ｔ２２か
ら全開で運転されている。

【０１２７】図５（ｅ）を参照して、燃焼器８２への燃
料ガスと酸化剤ガスの供給は時間Ｔ２３からＴ２５の間
で徐々に減らされる。また、制御ユニット２００により
制御弁８０，８４，８６，１２２，１２６、１２８は連
携して制御される。こうして固体電解質型燃料電池２に
供給される酸化剤ガスの量ａｊの増加と同時に、バイパ
ス経由での燃料ガスの供給は減少される。一方、別の経
路での排燃料ガスの燃焼器８２への供給量、及び排酸化
剤ガスの燃焼器８２への供給量が制御される。こうし
て、固体電解質型燃料電池２内の圧力は調整されること
ができる。

【０１２８】このとき、時間Ｔ２３以後バーナー７８で
の燃焼は徐々に減らされ、時間Ｔ２３とＴ２５の間のＴ
２４でバーナー７８は停止される。これにより、固体電
解質型燃料電池２の外的な加温は止まり、反応熱により
加温され、また保たれることになる。

【０１２９】すなわち、再循環経路内に水分がだいぶ含
まれていることになる。しかしながら、その量は定格運
転するには不十分な量である。そのため、都市ガスが徐
々に供給され、前処理器７６により予備改質されて固体
電解質型燃料電池２に供給される。また、負荷電流ａａ
が徐々に増やされる。こうして、固体電解質型燃料電池
２内では反応式（２）により電力が発生され、水分が生
成される。反応式（２）は発熱反応なので、その反応熱
により固体電解質型燃料電池２は加熱される。

【０１３０】Ｔ２５にかけて固体電解質型燃料電池２の
昇温が完了される。また、再循環ブロワ２２は排燃料ガ
スを再循環している。時間時間Ｔ２３からＴ２５にかけ
て都市ガスａｇが供給され始める。都市ガスの供給量が
徐々に増加するように制御される。一方、水素ガスと窒
素ガスの混合ガスａｅの供給量は、都市ガスの供給量ａ
ｇが増えるにつれて減少される。

【０１３１】このとき、再循環経路内に十分水分があれ
ば、都市ガス（メタンガス）は、反応式（１）により水
素ガスを含む燃料ガスが前処理器７６により生成され
る。しかしながら、水分が不足している場合には、蒸気
供給ユニット７２から水分を補充する必要がある。本発
明では、都市ガスの供給量は当初押さえられている。こ
れは、再循環経路内に存在する水分に見合う量の都市ガ
スを供給するためである。こうして、都市ガスは、水素
ガスと一酸化炭素ガスを含む燃料ガスに改質されること
ができる。また、その水素ガスと一酸化炭素ガスが電力
発生に使用され、水分が生成される。生成された水分
は、都市ガスの改質に使用されるという循環が始まるこ
とになる。また、このとき、固体電解質型燃料電池２の
負荷電流が徐々に増加されている。

【０１３２】時間Ｔ２５では、固体電解質型燃料電池２
の内部温度は９００℃に達する。言い換えれば、固体電
解質型燃料電池２の内部温度は９００℃に達する時間が
Ｔ２５である。このときには、上記のように、固体電解
質型燃料電池２内の圧力ａｃはすでに所定値に達してお
り、また、固体電解質型燃料電池２内の温度ｂも９００
℃に達するので定格運転が開始される。

【０１３３】時間Ｔ２５から時間Ｔ２８の間では、バー
ナー７８は、オフされる。図５（ｃ）を参照して、都市
ガスの供給量ａｇは一定に保たれる。差圧調節弁３８は
閉じられたままである。水素ガスと窒素ガスの混合ガス
ａｅは供給されない。図５（ｄ）を参照して、圧力調節
弁４２は閉じられたままである。酸素供給量ａｊ一定に
に保たれる。図５（ｅ）に示されるように、再循環ブロ
ワ２２の循環量ａｌも一定に保たれる。

【０１３４】こうして、都市ガスは前処理器７６により
水素ガスを含む燃料ガスに予備改質されて固体電解質型
燃料電池２に供給される。固体電解質型燃料電池２の内
部では、燃料ガスに含まれる改質されていない都市ガス
成分（メタンガス）がさらに水素ガスに改質される。燃
料ガス中の水素ガス、一酸化炭素ガスとエアーコンプレ
ッサー９８から供給される酸化剤ガスとに基づいて反応
式（２）による反応が進行する。

【０１３５】このとき、時間Ｔ２６から時間Ｔ２７の間
でホットバンキングが起きたとする。時間Ｔ２６からＴ
２７の間では、図５（ｃ）に示されるように、都市ガス
の供給ａｇは停止される。代わって、水素ガスと窒素ガ
スの混合ガスａｅが一定量供給される。差圧調節弁３８
は一定の開度ａｄを維持するように制御される。このと
き、弁３８が使用されるときは、弁８６と８４との間で
切り換えが必要である。また、図５（ｄ）に示されるよ
うに、圧力調節弁４２は閉じられたままである。供給空
気量ａｊは一定のままである。図５（ｅ）を参照して、
制御弁８０と１２８が開けられ、燃焼ガスが燃焼器８２
に供給される。また、再循環ブロワ２２は動作を続け
る。

【０１３６】時間Ｔ２７でホットバンキングが終了する
と、図５（ｃ）に示されるように、都市ガスの供給ａｇ
が再開され、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給ａｅ
は停止される。また、差圧調節弁３８は、閉じられる。
こうして、システム全体として定格運転の状態に戻され
る。

【０１３７】時間Ｔ２８で、定格運転が終了される。こ
のとき、直ちに電源が切られると、配管内に排燃料ガス
と酸化剤ガスが残ったままになってしまう。また、都市
ガスが残っていれば、改質が行われないので、都市ガス
がそのまま燃料電池モジュールに入ることになる。都市
ガスがそのまま燃料電池モジュールに入ると炭化水素ガ
スが熱分解されて炭素が燃料電池モジュールに付着する
ことになる。この炭素は、燃料電池モジュールの効率を
低下させることになる。そのため、運転終了時には、配
管内の燃料ガスをすべて排気することが必要である。

【０１３８】時間Ｔ２８では、図５（ａ）に示されるよ
うに、負荷電流ａａは当然減少される。図５（ｃ）に示
されるように、都市ガス４の供給ａｇは急激に減少され
る。代わって、水素ガスと窒素ガスの混合ガスａｅは一
定量供給される。この供給量は、時間Ｔ２０からＴ２３
の間の供給量とほぼ同じである。また、都市ガスの供給
が止まると、差圧調節弁３８はＴ２２とＴ２３の期間と
ほぼ同じ開度を持って開けられる。また、図５（ｄ）に
示されるように、空気供給量ａｊが徐々に減らされるよ
うに、制御弁２８が制御され、同時に制御弁１２８も制
御される。また、圧力調節弁４２は閉じられたままであ
る。図５（ｅ）を参照して、再循環ブロワ２２の動作は
定格運転の時と同じである。また、制御弁８０が開けら
れる。

【０１３９】こうして、固体電解質型燃料電池２の内部
温度が７００℃以下となると、時間Ｔ２９で、降圧プロ
セスが始まる。図５（ｃ）に示されるように、水素ガス
と窒素ガスの混合ガスの流量ａｅは一定のままである。
同時に差圧調節弁３８の開度ａｄは所定の開度に向かっ
て増加される。また、図５（ｄ）を参照して、圧力調節
弁４２の開度ａｉも所定の開度に向かって増加される。
こうして、燃料ガスと酸化剤ガスは排出され、固体電解
質型燃料電池２内の圧力が下がる。最終的に、固体電解
質型燃料電池２の温度ｂが常温近くに戻り、また、内部
圧力ｃが大気圧に戻ったとき（時間Ｔ３０）、システム
の運転は終了される。この結果、混合ガスａｅの供給は
停止される。制御弁８０も閉じられる。

【０１４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の固体電解
質型燃料電池システムによれば、安定に電力を取り出す
ことができる。また、起動時に水蒸気を供給する必要が
無く、ボイラーなどの付帯設備を設ける必要がない。更
に、起動時及び停止時に炭素による燃料電池モジュール
の汚染を防止することができる。

【０１４１】また、最小限のシステム構成でガスタービ
ンを用いて燃料ガスを有効に利用することにより発電効
率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態による１０
ＫＷ級固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロ
ック図である。

【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態による固体
電解質型燃料電池システムの第１の動作例を示すタイミ
ング図である。

【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態による固体
電解質型燃料電池システムの第２の動作例を示すタイミ
ング図である。

【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態による１０
０ＫＷ級固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブ
ロック図である。

【図５】図５は、本発明の第２の実施の形態による固体
電解質型燃料電池システムの動作例を示すタイミング図
である。

【符号の説明】

２：固体電解質型燃料電池 ４：都市ガス ６：水素ガス ８：窒素ガス ２０：前処理器 ２２：再循環ブロワ ２４、９４：外部熱交換器 ２６：エアーコンプレッサー ８２：燃焼器 ８８：ガスタービン ９２：温水ボイラ

フロントページの続き (72)発明者 永田 勝巳 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 (72)発明者 小阪 健一郎 長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内 (72)発明者 山下 晃弘 東京都千代田区丸の内二丁目５番１号 三 菱重工業株式会社内 Ｆターム(参考） 5H027 AA06 BA01 BA16 BA19 BC06 BC12 CC02 DD02 KK05 KK12 KK46 MM09

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水素ガスを含む第１の供給ガスを供給する
   ための第１の燃料供給部と、 炭化水素ガスを含む第２の供給ガスを供給するための第
   ２の燃料供給部と、 酸素ガスを含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部
   と、 水分を含む第３の供給ガスを受け取り、前記第３の供給
   ガスが前記第２の供給ガスを含むとき、前記水分を用い
   て前記炭化水素ガスを水素ガスを含む燃料ガスに改質
   し、前記第３の供給ガスが前記第１の供給ガスを含むと
   き、そのまま前記燃料ガスとして使用し、前記燃料ガス
   と前記酸化剤ガスとから発電しながら前記水分を発生
   し、前記水分を含む排燃料ガスと排酸化剤ガスを排出す
   る固体電解質型燃料電池と、 前記排燃料ガスと前記第１の供給ガスまたは前記第２の
   供給ガスとが混合され前記第３の供給ガスとして前記固
   体電解質型燃料電池に供給されるように前記排燃料ガス
   を循環する循環部と、 前記固体電解質型燃料電池の内部の圧力と温度に基づい
   て、前記第１の燃料供給部と前記第２の燃料供給部を制
   御して前記第１の供給ガスと前記第２の供給ガスの供給
   を制御する制御部とを具備する固体電解質型燃料電池シ
   ステム。
2. 【請求項２】水素ガスを含む第１の供給ガスを供給する
   ための第１の燃料供給部と、 炭化水素ガスを含む第２の供給ガスを供給するための第
   ２の燃料供給部と、 酸素ガスを含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部
   と、 水分を含む第３の供給ガスを受け取り、前記第３の供給
   ガスが前記第２の供給ガスを含むとき、前記水分を用い
   て前記炭化水素ガスを水素ガスを含む燃料ガスに予備改
   質し、前記第３の供給ガスが前記第１の供給ガスを含む
   とき、そのまま前記燃料ガスとして出力する予備改質器
   と、 前記水分を用いて前記燃料ガスに更に改質し、前記燃料
   ガスと前記酸化剤ガスとから発電しながら水分を発生
   し、前記水分を含む排燃料ガスと排酸化剤ガスを排出す
   る固体電解質型燃料電池と、 前記排燃料ガスと前記第１の供給ガスまたは前記第２の
   供給ガスとが混合され前記第３の供給ガスとして前記改
   質器に供給されるように前記排燃料ガスを循環する循環
   部と、 前記固体電解質型燃料電池の内部の圧力と温度に基づい
   て、前記第１の燃料供給部と前記第２の燃料供給部を制
   御して前記第１の供給ガスと前記第２の供給ガスの供給
   を制御する制御部とを具備する固体電解質型燃料電池シ
   ステム。
3. 【請求項３】請求項２に記載の固体電解質型燃料電池シ
   ステムにおいて、前記固体電解質型燃料電池は、燃料ガ
   ス中の都市ガス成分を水素ガスを含むガス成分に改質す
   る機能を有する固体電解質型燃料電池システム。
4. 【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の固体電
   解質型燃料電池システムにおいて、 前記固体電解質型燃料電池に供給される前記酸化剤ガス
   を加熱して、前記固体電解質型燃料電池の前記内部温度
   を上げる熱交換器を更に具備する固体電解質型燃料電池
   システム。
5. 【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載の固体電
   解質型燃料電池システムにおいて、 前記固体電解質型燃料電池に設けられ、前記固体電解質
   型燃料電池の内部温度を上げるための加熱手段を更に具
   備する固体電解質型燃料電池システム。
6. 【請求項６】請求項１乃至５のいずれかに記載の固体電
   解質型燃料電池システムにおいて、 前記制御部は、前記燃料ガスの圧力が前記酸化剤ガスの
   圧力より所定値だけ高いように制御する固体電解質型燃
   料電池システム。
7. 【請求項７】請求項１乃至６のいずれかに記載の固体電
   解質型燃料電池システムにおいて、 前記第１の供給ガスまた第２の供給ガス及び前記排燃料
   ガスの一部を燃焼させ、燃焼ガスを用いてガスタービン
   を回転させて発電を行うガスタービン発電機を更に具備
   する固体電解質型燃料電池システム。
8. 【請求項８】請求項７に記載の固体電解質型燃料電池シ
   ステムにおいて、 前記ガスタービン発電機からの排ガスは前記酸化剤ガス
   を加熱するために使用される固体電解質型燃料電池シス
   テム。
9. 【請求項９】請求項１乃至８のいずれかに記載の固体電
   解質型燃料電池システムにおいて、 前記制御部は、システムの起動時から前記固体電解質型
   燃料電池内の圧力が定格値に達した後、前記固体電解質
   型燃料電池の内部温度が所定値に達して定格運転が始ま
   るまで、前記第１の供給ガスを供給し、前記固体電解質
   型燃料電池内の圧力が定格値に達した後前記第２の供給
   ガスの供給を開始するように制御する固体電解質型燃料
   電池システム。
10. 【請求項１０】請求項１乃至９のいずれかに記載の固体
    電解質型燃料電池システムにおいて、 前記制御部は、システムを停止するために、前記第２の
    供給ガスの供給を停止し、代わって前記第１の供給ガス
    を供給し、前記固体電解質型燃料電池内の圧力及び温度
    が所定値に下がったとき、前記第１の供給ガスの供給を
    停止する固体電解質型燃料電池システム。
11. 【請求項１１】起動時において、水素ガスを含み炭化水
    素ガスを含まない第１の供給ガスを燃料ガスとして固体
    電解質型燃料電池に供給するステップと、 酸素ガスを含む酸化剤ガスを前記固体電解質型燃料電池
    に供給するステップと、前記固体電解質型燃料電池は、
    前記燃料ガスと前記酸化剤ガスにより発電し、水分を生
    成し、前記水分を含む排燃料ガスを出力し、 前記固体電解質型燃料電池が定格条件に達したとき、前
    記第１の供給ガスの供給を停止するステップと、 炭化水素ガスを含む第２の供給ガスを供給するステップ
    と、 前記第２の供給ガスを前記排燃料ガス中の水分を用いて
    改質して水素ガスを含む前記燃料ガスを生成するステッ
    プとを具備する固体電解質型燃料電池システムの運転方
    法。
12. 【請求項１２】請求項１１に記載の固体電解質型燃料電
    池システムの運転方法において、 停止時に前記第２の供給ガスの供給を停止するステップ
    と、 前記第２の供給ガスに代えて、前記第１の供給ガスを供
    給するステップと、 前記固体電解質型燃料電池内の温度と圧力が所定値まで
    下がったとき、前記第１の供給ガスの供給を停止するス
    テップとを更に具備する固体電解質型燃料電池システム
    の運転方法。
13. 【請求項１３】請求項１１または１２に記載の固体電解
    質型燃料電池システムの運転方法において、 前記第２の供給ガスの供給量は前記排燃料ガス中の水分
    の量に基づいて制御される固体電解質型燃料電池システ
    ムの運転方法。