JP2016207378A - 固体酸化物形燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リサイクルガス流量の適正化の向上を図った固体酸化物形燃料電池システムの運転方法を提供する。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池システムの運転方法は、水添脱硫器１６、改質器１１、固体酸化物形燃料電池２１、燃焼器２５、原料ガス経路１２ａ、改質ガス経路１２ｂ、リサイクルガス経路１７、圧力調整器１３、昇圧器１４、水経路１９、空気経路２３および制御器２７を備える固体酸化物形燃料電池システム１００、２００の運転方法であって、前記制御器は、前記接続点における原料ガスの圧力が、前記固体酸化物形燃料電池への空気供給量と、前記改質器への原料ガス供給量、前記改質器への水供給量、および、前記固体酸化物形燃料電池の目標電流の少なくともいずれか一つの値とに基づいて算出された目標圧力になるように前記圧力調整器を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水添脱硫器を備える燃料電池システムの運転方法に関する。

水添脱硫器において原料ガスに含まれる硫黄を水素と反応させて除去する従来の燃料電池システムとして、特許文献１に示す燃料電池発電システムが知られている。このシステムでは、原料ガスを燃料ブロアを介して水添脱硫器に供給している。また、改質器において生成された水素含有ガスの一部をリサイクルガスとして用いている。この改質器より下流側の水素含有ガスの圧力を、燃料ブロアの上流側における原料ガスの圧力より高くすることにより、リサイクルガスを水添脱硫器に供給している。そして、リサイクルガスの流量を、燃料ブロワより上流側に備えられた圧力調整部（調整オリフィス、ガバナ）により調整している。

特開２０１３−２２５４１１

しかしながら、特許文献１に示す燃料電池発電システムでは、リサイクルガス流量の適正化の観点から、未だ改善の余地があった。本発明は、リサイクルガス流量の適正化の向上を図った固体酸化物形燃料電池システムの運転方法の提供を目的とする。

本発明のある態様に係る燃料電池システムの運転方法は、原料ガスを脱硫する水添脱硫器と、前記水添脱硫器により脱硫された原料ガスを水により改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、前記改質器により改質された改質ガスと空気とにより発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池から排出された改質ガスを燃焼する燃焼器と、前記水添脱硫器を経由して前記改質器へ前記原料ガスが流通する原料ガス経路と、前記改質器から前記固体酸化物形燃料電池を経由して前記燃焼器へ前記改質ガスが流通する改質ガス経路と、前記改質器より下流側の分岐点で前記改質ガス経路から分岐し、前記水添脱硫器より上流側の接続点で前記原料ガス経路に接続するリサイクルガス経路と、前記接続点より上流側の原料ガス経路を流通する原料ガスの圧力を調整する圧力調整器と、前記接続点より下流側の原料ガス経路を流通する原料ガスの圧力を上昇させる昇圧器と、前記改質器に供給される水が流通する水経路と、前記固体酸化物形燃料電池に供給される空気が流通する空気経路と、制御器と、を備える固体酸化物形燃料電池システムの運転方法であって、前記制御器は、前記接続点における原料ガスの圧力が、前記固体酸化物形燃料電池への空気供給量と、前記改質器への原料ガス供給量、前記改質器への水供給量、および、前記固体酸化物形燃料電池の目標電流の少なくともいずれか一つの値とに基づいて算出された目標圧力になるように前記圧力調整器を制御する。

本発明は、リサイクルガス流量の適正化が可能であるという効果を奏する。

第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの機能的な構成の一例を示すブロック図である。 図１の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。 図２の演算プログラムの一例を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システムの機能的な構成の一例を示すブロック図である。 図４の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法の一例を示すフローチャートである。

（本発明の基礎となる知見）
本発明者は、固体酸化物形燃料電池システムにおいて、リサイクルガス流量の適正化を図ることについて鋭意検討を重ねた。その結果、本発明者は従来技術には下記のような問題があることを見出した。

特許文献１の燃料電池発電システムでは、圧力調整部は、リサイクルガス流量が原料ガスの流量に対して一定比率になるように、燃料ブロアの上流側圧力と改質器の下流側圧力との差を調整している。この下流側圧力は発電出力に応じて求められているため、リサイクルガス流量は発電出力に基づいて調整される。

しかしながら、たとえば、この燃料電池発電システムの燃料電池に固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いた場合、リサイクルガス流量を発電出力に基づいて調整しただけでは、適正な流量のリサイクルガスが水添脱硫器に供給されない。

すなわち、ＳＯＦＣは燃焼器により加熱されると共に、空気により冷却される。このようなＳＯＦＣの温度調整は、効率および発電出力を考慮して行われる。つまり、ＳＯＦＣの温度を上げる場合には、燃料電池発電システムの効率の観点から、まず、空気量を減少させる。それでも昇温が必要な場合に、原料ガス量を増加させる。一方、発電に必要な原料ガス量を確保するため、原料ガス量をあまり減少させることができない。このため、燃料電池の温度を下げる場合には、主に、空気量を増加する。このように、ＳＯＦＣの温度は主に空気量により調整されるため、ＳＯＦＣに供給される空気量は増減する。

このような空気量の変化は改質器の下流側圧力に影響する。よって、この空気量の影響を考慮せずに、発電出力に基づいて下流側圧力を求めると、リサイクルガス流量の過不足が生じてしまう。

さらに、ＳＯＦＣシステムでは、改質器およびＳＯＦＣが高温である。このため、これらの間に圧力計を設けることができず、改質器の下流側圧力を直接、計測することができない。また、ＳＯＦＣシステムでは、ホットモジュールに改質器およびＳＯＦＣが一体的に組み込まれている。このため、これらの間に圧力損失を設けて、改質器の下流側圧力を予め設定することは非常に困難である。よって、空気量の影響を受けた改質器の下流側圧力を求めることは難しい。

本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、リサイクルガス流量の適正化できる固体電解質形燃料電池システムの運転方法を提供する。

（実施形態）
本発明の実施の第１の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムの運転方法は、原料ガスを脱硫する水添脱硫器と、前記水添脱硫器により脱硫された原料ガスを水により改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、前記改質器により改質された改質ガスと空気とにより発電する固体酸化物形燃料電池と、前記固体酸化物形燃料電池から排出された改質ガスを燃焼する燃焼器と、前記水添脱硫器を経由して前記改質器へ前記原料ガスが流通する原料ガス経路と、前記改質器から前記固体酸化物形燃料電池を経由して前記燃焼器へ前記改質ガスが流通する改質ガス経路と、前記改質器より下流側の分岐点で前記改質ガス経路から分岐し、前記水添脱硫器より上流側の接続点で前記原料ガス経路に接続するリサイクルガス経路と、前記接続点より上流側の原料ガス経路を流通する原料ガスの圧力を調整する圧力調整器と、前記接続点より下流側の原料ガス経路を流通する原料ガスの圧力を上昇させる昇圧器と、前記改質器に供給される水が流通する水経路と、前記固体酸化物形燃料電池に供給される空気が流通する空気経路と、制御器と、を備える固体酸化物形燃料電池システムの運転方法であって、前記制御器は、前記接続点における原料ガスの圧力が、前記固体酸化物形燃料電池への空気供給量と、前記改質器への原料ガス供給量、前記改質器への水供給量、および、前記固体酸化物形燃料電池の目標電流の少なくともいずれか一つの値とに基づいて算出された目標圧力になるように前記圧力調整器を制御する。

本発明の実施の第２の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムの運転方法では、第１の態様において、前記固体酸化物形燃料電池システムは、前記圧力調整器より下流側かつ前記接続点より上流側の前記原料ガス経路を流通する原料ガスの圧力を検知する圧力計をさらに備え、前記制御器は、前記圧力計から前記接続点における原料ガスの圧力を取得してもよい。

本発明の実施の第３の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムの運転方法では、第１または第２の態様において、前記固体酸化物形燃料電池システムは、前記固体酸化物形燃料電池に空気を供給する第１供給器と、前記第１供給器から供給された空気の流量を検知する第１流量計と、をさらに備え、前記制御器は、前記第１流量計から前記空気供給量を取得してもよい。

本発明の実施の第４の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムの運転方法では、第１〜第３のいずれかの態様において、前記固体酸化物形燃料電池システムは、前記改質器に原料ガスを供給する第２供給器と、前記第２供給器から供給された原料ガスの流量を検知する第２流量計と、をさらに備え、前記制御器は、前記第２流量計から前記改質器への原料ガス供給量を取得してもよい。

本発明の実施の第５の態様に係る固体酸化物形燃料電池システムの運転方法では、第１〜第４のいずれかの態様において、前記改質器に水を供給する第３供給器と、前記第３供給器から供給された水の流量を検知する第３流量計と、をさらに備え、前記制御器は、前記第３流量計から前記改質器への水供給量を取得してもよい。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム（ＳＯＦＣシステム）１００について、図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００の機能的な構成の一例を示すブロック図である。ＳＯＦＣシステム１００は、固体酸化物形燃料電池システムであって、水添脱硫器１６、改質器１１、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）２１、燃焼器２５、原料ガス経路１２ａ、改質ガス経路１２ｂ、リサイクルガス経路１７、圧力調整器１３、昇圧器１４、水経路１９、空気経路２３および制御器２７を備えている。ＳＯＦＣシステム１００は、第２供給器１０、第３供給器１８および第１供給器２２をさらに備えていてもよい。

第２供給器１０は、原料ガスを供給する供給器であって、原料ガスの流量を調整する機能を有している。第２供給器１０として、たとえば、昇圧器１４および流量調整弁の少なくともいずれか一方、または、定容積型ポンプが例示される。なお、原料は、たとえば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等の少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含むガスである。

水添脱硫器１６は、原料ガスを脱硫する反応器である。この水添脱硫器１６では、原料ガスに含まれる硫黄化合物が触媒の存在下で水素と水添脱硫反応して脱硫される。水添脱硫触媒として、たとえば、ＣｕＺｎ系触媒、および、ＣｏＭｏ系触媒とこの下流に設けられた吸着剤とで構成された触媒などが例示される。ＣｕＺｎ系触媒は、硫黄化合物を硫化水素に変換する機能、および、硫化水素を吸着する機能を共に有する。ＣｏＭｏ系触媒は、原料中の硫黄化合物を硫化水素に変換する機能を有する。吸着剤は、硫化水素を吸着する機能を有し、たとえば、ＺｎＯ系触媒およびＣｕＺｎ系触媒が例示される。

改質器１１は、水添脱硫器１６により脱硫された原料ガスを水により改質して水素を含む改質ガスを生成する反応器である。改質器１１では、原料ガスが触媒の存在下で水蒸気と改質反応して、水素含有の改質ガスを生成する。改質器１１は、改質触媒の適温、たとえば、６００〜７００℃に加熱される。また、改質器１１には蒸発器（図示せず）が設けられており、ここで、第３供給器１８から供給された水から水蒸気が生成される。

ＳＯＦＣ２１は、改質器１１により生成された改質ガスと空気とにより発電する固体酸化物形燃料電池である。ＳＯＦＣ２１は、セル、改質ガス流路、発電用空気流路および冷却用空気流路が設けられている。この改質ガス流路は改質ガス経路１２ｂに接続され、発電用空気流路および冷却用空気流路は空気経路２３に接続されている。発電用空気および冷却用空気には、空気経路２３から供給された空気が用いられる。

セルは、電解質、および、これを互いの間に挟むアノードおよびカソードで構成されている。セルの構造は、いわゆる、平板型、円筒型および円筒平板型などが例示される。電解質は、たとえば、イットリウム（Ｙ）酸化物（Ｙ２Ｏ３）を添加したジルコニア（ＺｒＯ２）であるイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、あるいはイッテルビウム（Ｙｂ）やスカンジウム（Ｓｃ）をドープしたジルコニア系の固体電解質が例示される。アノードは、たとえば、ニッケル（Ｎｉ）とＹＳＺの混合物、またはニッケルとセリウム（Ｃｅ）の酸化物（ＣｅＯ２）にガドリニウム（Ｇｄ）を添加した混合物などが例示される。カソードは、たとえば、ランタン、ストロンチウム、マンガンを含有する酸化物や、ランタン、ストロンチウム、コバルト、鉄を含有する酸化物等が例示される。

ＳＯＦＣ２１は、その触媒の適温に加熱される。この適温は、たとえば、電解質にＹＳＺを用いた場合、電解質の厚みにも依存するが、たとえば、５００℃〜１０００℃である。このＳＯＦＣ２１は、改質器１１と共にホットモジュールに組み込まれていてもよい。また、ＳＯＦＣ２１には温度検知器（図示せず）が設けられている。温度検知器は、ＳＯＦＣ２１の温度を検知し、検知した温度を制御器２７へ出力する。

燃焼器２５は、ＳＯＦＣ２１から排出された改質ガス（オフ改質ガス）を燃焼する装置である。燃焼器２５としては、バーナーが例示される。燃焼器２５は、改質器１１およびＳＯＦＣ２１の近傍に配置され、これらを加熱する。オフ改質ガスは、可燃性ガスおよび酸素を含む。可燃性ガスには、改質反応に使用されなかった改質ガス、および、発電反応に使用されなかった改質ガスである。酸素は、発電反応に使用されなかった空気中の酸素である。燃焼器２５は燃焼排ガス経路２６に接続されている。燃焼器２５により排出された燃焼排ガスは燃焼排ガス経路２６を介してＳＯＦＣシステム１００の外部へ排出される。

原料ガス経路１２ａは、第２供給器１０から水添脱硫器１６を経由して改質器１１へ原料ガスが流通する経路である。原料ガス経路１２ａは、その上流端が第２供給器１０に接続し、下流端が改質器１１に接続する。この間の原料ガス経路１２ａに、圧力調整器１３、昇圧器１４および水添脱硫器１６がこの順で設けられている。

改質ガス経路１２ｂは、改質器１１からＳＯＦＣ２１を経由して燃焼器２５へ改質ガスが流通する経路である。改質ガス経路１２ｂは、その上流端が改質器１１に接続し、下流端が燃焼器２５に接続する。この間の改質ガス経路１２ｂにＳＯＦＣ２１がこの順で設けられている。

リサイクルガス経路１７は、改質器１１より下流側の分岐点で改質ガス経路１２ｂから分岐し、水添脱硫器１６より上流側の接続点で原料ガス経路１２ａに接続する経路である。このリサイクルガス経路１７により、改質ガスの一部（リサイクルガス）が改質器１１の下流から水添脱硫器１６の上流へ供給される。なお、リサイクルガス経路１７には、リサイクルガスの流量を調整する機器が設けられていてもよい。この機器としては、可変オリフィス、昇圧ポンプおよび固定オリフィスなどが例示される。この中でも、コスト、および、水蒸気を含んだ高温のリサイクルガスによる負荷の点から、固定オリフィスが好ましい。

圧力調整器１３は、接続点より上流側の原料ガス経路１２ａを流通する原料ガスの圧力を調整する機器である。圧力調整器１３としては、たとえば、ステッピングモーターを備えた可変オリフィスが例示される。

昇圧器１４は、接続点より下流側の原料ガス経路１２ａを流通する原料ガスの圧力を上昇させる機器である。この昇圧器１４は、たとえば、モータ駆動の定容積ポンプ、および、電磁式のダイアフラムポンプなどが例示される。

第３供給器１８は、水を改質器１１に供給する装置であって、水の流量を調整する機能を有する。第３供給器１８として、たとえば、定量吐出が可能なプランジャーポンプが例示される。水経路１９は、改質器１１に供給される水が流通する経路である。水経路１９は、その上流端が第３供給器１８に接続され、下流端が改質器１１に接続されている。

第１供給器２２は、空気をＳＯＦＣ２１に供給する装置であって、空気の流量を調整する機能を有する。第１供給器２２として、たとえば、電磁駆動式のダイアフラムポンプが例示される。空気経路２３は、ＳＯＦＣ２１に供給される空気が流通する経路である。空気経路２３は、その上流端が第１供給器２２に接続され、下流端がＳＯＦＣ２１に接続されている。

制御器２７は、ＳＯＦＣシステム１００の各部を制御する装置である。制御器２７は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）および記憶部（図示せず）とを備える。たとえば、演算処理部としてはＭＰＵおよびＣＰＵ等のプロセッサが例示され、記憶部としてはメモリ−が例示される。記憶部は、制御プログラムを記憶し、演算処理部は、制御プログラムを記憶部から読み出してこれを実行する。換言すると、制御プログラムは、演算処理部に、そのプログラムされた制御を実行させる。制御器２７は、集中制御を行う単独の装置で構成されていてもよく、互いに協同して分散制御を行う装置で構成されていてもよい。

制御器２７は、電力負荷（図示せず）の需要量に基づいてＳＯＦＣ２１が発電する目標電流を決定する。そして、制御器２７は、ＳＯＦＣ２１が目標電流の電力を発電するよう電力変換装置（図示せず）、第２供給器１０、第３供給器１８、第１供給器２２を制御する。なお、電力負荷の需要量は、電力変換装置と電力負荷とを繋ぐ交流電力経路に設けられた電力負荷計測器（図示せず）から制御器２７に出力される。また、制御器２７は、温度検知器により検知されたＳＯＦＣ２１の温度がＳＯＦＣ２１の適温になるように第１供給器２２を制御する。

制御器２７は、接続点における原料ガスの圧力が、ＳＯＦＣ２１への空気供給量と、改質器１１への原料ガス供給量、改質器１１への水供給量、および、ＳＯＦＣ２１の目標電流の少なくともいずれか一つの値とに基づいて算出された目標圧力になるように圧力調整器１３により制御する。

次に、ＳＯＦＣシステム１００の動作（ＳＯＦＣシステム１００の運転方法）について、図１を参照して説明する。このＳＯＦＣシステム１００の動作は、制御器２７によって実現される。

ＳＯＦＣ２１が所定電力を発電する発電状態では、原料ガスは、第２供給器１０から供給され、圧力調整器１３を通過し、昇圧器１４により昇圧されて、水添脱硫器１６に流入する。ここで、原料ガス中の硫黄化合物は、水素と水添脱硫反応し、除去される。そして、脱硫された原料ガスが改質器１１に供給される。これと共に、水が第３供給器１８から改質器１１に供給されて、この蒸発器により水蒸気になる。この改質器１１において原料ガスと水蒸気とが改質反応し、水素を含有する改質ガスが生成する。

改質ガスの一部は、改質ガス経路１２ｂの分岐点からリサイクルガス経路１７に流入し、リサイクルガス経路１７の接続点から原料ガス経路１２ａに流入する。そして、改質ガスは原料ガスと混合して昇圧器１４により昇圧されてから、水添脱硫器１６に供給される。この改質ガスの水素が水添脱硫反応に使用される。

残りの改質ガスはＳＯＦＣ２１に供給されると共に、空気が第１供給器２２からＳＯＦＣ２１に供給される。ここで、この空気が冷却用空気としてセルを冷却し、さらにこの空気の一部が発電用空気として利用される。そして、発電で使用されなかった改質ガスなどを含むオフ改質ガスは、燃焼器２５に供給される。また、ＳＯＦＣ２１から排出された空気も、オフ改質ガスに混合されて、燃焼器２５に供給される。ここで、オフ改質ガスが空気により燃焼する。この燃焼熱によりＳＯＦＣ２１および改質器１１が加熱され、燃焼器２５から排出された燃焼排ガスにより水添脱硫器１６が加熱される。

次に、ＳＯＦＣシステム１００の運転方法（動作）について、図２および図３を参照して詳しく説明する。図２は、ＳＯＦＣシステム１００の運転方法の一例を示すフローチャートである。図３は、図２の演算処理の一例を示すフローチャートである。この運転方法は制御器２７の制御により実行される。

制御器２７は、ＳＯＦＣ２１が発電状態であるか否かを判定する（ステップＳ１）。ここで、ＳＯＦＣ２１による発電電力が所定電力未満であれば、制御器２７はＳＯＦＣ２１が発電状態でないとして（ステップＳ１：ＮＯ）、ステップＳ１の処理を繰り返す。

一方、ＳＯＦＣ２１による発電電力が所定電力以上であれば、制御器２７はＳＯＦＣ２１が発電状態であるとして（ステップＳ１：ＹＥＳ）、ステップＳ２へ進む。ここで、制御器２７は、ＳＯＦＣ２１への空気供給量と、改質器１１への原料ガス供給量、改質器１１への水供給量、および、ＳＯＦＣ２１の目標電流の少なくともいずれか一つの値とを取得する。

すなわち、制御器２７は、ＳＯＦＣ２１に供給される空気の流量（ＳＯＦＣ２１への空気供給量）を取得する。この空気供給量は、発電用空気として用いられる空気の流量（発電用空気量）と、冷却用空気として用いられる空気の流量（冷却用空気量）とを含む。発電用空気量は、ＳＯＦＣ２１の目標電流に基づいて設定される。冷却用空気量は、温度検知器より検知されたＳＯＦＣ２１の温度（検知温度）に基づいて設定される。そして、制御器２７は、第１供給器２２を制御して、発電用空気量および冷却用空気量を含む流量の空気を第１供給器２２から供給する。そして、検知温度がＳＯＦＣ２１の適温より高ければ、制御器２７は、第１供給器２２を制御して、空気供給量を増やす。一方、検知温度がＳＯＦＣ２１の適温より低ければ、制御器２７は、第１供給器２２を制御して、空気供給量を減らす。このように、ＳＯＦＣ２１の発電および温度に応じた流量の空気が第１供給器２２から供給される。このため、制御器２７は、たとえば、空気の流量を調整する機能を有する第１供給器２２などから空気供給量を取得する。

さらに、制御器２７は、改質器１１への原料ガス供給量、改質器１１への水供給量、および、ＳＯＦＣ２１の目標電流の少なくともいずれか一つの値を取得する。制御器２７が、改質器１１へ供給される原料ガスの流量（改質器１１への原料ガス供給量）を取得する場合、たとえば、原料ガス供給量を第２供給器１０などから取得する。この第２供給器１０は、ＳＯＦＣ２１の目標電流に基づいた流量の原料ガスが改質器１１へ供給されるように制御されている。よって、第２供給器１０から、ＳＯＦＣ２１の発電に応じた原料ガス供給量が得られる。

なお、原料ガス供給量が取得され、水供給量および目標電流が取得されない場合、制御器２７は、原料ガス供給量に基づいて水供給量を求める。たとえば、原料ガス供給量と水供給量とのモル比などが反応式などに基づいて定められている場合、制御器２７は、このモル比に応じて原料ガス供給量から水供給量を求める。

または、制御器２７が、改質器１１へ供給される水の流量（改質器１１への水供給量）を取得する場合、たとえば、水供給量を第３供給器１８などから取得する。この第３供給器１８は、ＳＯＦＣ２１の目標電流に基づいた流量の水が改質器１１へ供給されるように制御されている。よって、第３供給器１８から、ＳＯＦＣ２１の発電に応じた水供給量が得られる。

なお、水供給量が取得され、原料ガス供給量または目標電流が取得されない場合、水供給量に基づいて原料ガス供給量を求める。たとえば、原料ガスと水供給量とのモル比などが反応式などに基づいて定まっている場合、制御器２７は、このモル比に応じて水供給量から原料ガス供給量を求める。

または、制御器２７は、ＳＯＦＣ２１の目標電流を取得する場合、制御器２７は、ＳＯＦＣ２１の目標電流に基づいて発電に用いられる改質ガスの流量を求める。そして、制御器２７は、この改質ガスの流量に応じた原料ガスの流量および水の流量を改質反応式などに基づいて求め、この原料ガスの流量を改質器１１への原料ガス供給量とし、水の流量を改質器１１への水供給量として取得する。このような流量に基づいて第２供給器１０および第３供給器１８が制御されると、ＳＯＦＣ２１の発電に応じた流量の原料ガスおよび水が供給される。

このように、空気供給量によって、ＳＯＦＣ２１の発電および温度に応じた空気供給量が求まる。また、原料ガス供給量、水供給量、および／または、目標電流によって、ＳＯＦＣ２１の発電に応じた原料ガス供給量および水供給量が求まる。このため、空気供給量と、原料ガス供給量、水供給量および目標電流の少なくともいずれかの値とを取得することにより、ＳＯＦＣ２１の発電および温度に応じた原料ガス、水および空気の各種ガスの供給量が得られる。

続いて、制御器２７は流量演算プログラムを実行する（ステップＳ３）。この流量演算プログラムでは、図３に示すステップＳ３１〜Ｓ３３の各プログラムが実行される。まず、制御器２７は、流量演算プログラムを実行する（ステップＳ３１）。このプログラムでは、原料ガス、水および空気の各種ガスの供給量から、ＳＯＦＣシステム１００の排出口から排出された燃焼排ガスの流量を演算式により求める。燃焼排ガスの流量は、各種ガスの供給量と、ＳＯＦＣシステム１００の各種機器や配管などの圧力損失とに依存している。この圧力損失は、各種ガスの供給量に依存している。このため、燃焼排ガスの流量と各種ガスの供給量との関係を、実験で得られたデータ、あるいは、シミュレーションなどにより得ることによって、この関係を示す演算式が作成される。

そして、制御器２７は、圧力演算プログラムを実行する（ステップＳ３２）。この圧力演算プログラムでは、燃焼排ガスの流量から、リサイクルガス経路１７の分岐点における改質ガス経路１２ｂを流通する改質ガスの圧力を演算式により求める。分岐点における改質ガスの圧力は、燃焼排ガスの流量と、分岐点より下流側にあるＳＯＦＣ２１、燃焼器２５および燃焼排ガス経路２６における圧力損失とに依存している。この圧力損失は、燃焼排ガスの流量に依存している。このため、分岐点における改質ガスの圧力と燃焼排ガスの流量との関係を、実験で得られたデータ、あるいは、シミュレーションなどにより得ることによって、この関係を示す演算式が作成される。

そして、制御器２７は、差圧演算プログラムを実行する（ステップＳ３３）。この差圧演算プログラムでは、分岐点における改質ガスの圧力と、リサイクルガス経路１７との接続点における原料ガス経路１２ａを流通する原料ガスの圧力との差を演算式により求める。この差圧は、原料ガス供給量に対して所定割合の流量の改質ガスがリサイクルガス経路１７を流通するように決定される。このため、差圧は、原料供給量と、リサイクルガス経路１７の圧力損失とに依存しており、圧力損失は原料供給量に依存している。よって、差圧と原料供給量との関係を、実験で得られたデータ、あるいは、シミュレーションなどにより得ることによって、この関係を示す演算式が作成される。

差圧が求まると、図２のステップＳ４の処理に進む。ここで、制御器２７は、リサイクルガス経路１７との接続点における原料ガス経路１２ａを流通する改質ガスの圧力の目標値（目標圧力）を差圧に基づいて求める。つまり、分岐点における改質ガスの圧力から差圧を差し引いて、リサイクルガス経路１７との接続点における原料ガスの圧力を求め、これを目標圧力として設定する。

そして、制御器２７は、接続点における原料ガスの圧力が目標圧力になるように、圧力調整器１３を制御する（ステップＳ５）。たとえば、原料供給量と、圧力調整器１３が持つ流量-圧力損失特性データとに基づいて、圧力調整器１３の開度を調整することにより、原料ガスの圧力が調整される。これにより、分岐点の改質ガスの圧力と接続点の原料ガスの圧力との差圧が調整されて、この差圧に応じた流量のリサイクルガスが水添脱硫器１６に供給される。

上記構成によれば、接続点における原料ガスの圧力が、空気供給量と、原料ガス供給量、水供給量および目標電流の少なくともいずれか一つの値とに基づいて算出された目標圧力になるように圧力調整器１３を調整している。この空気供給量は、ＳＯＦＣ２１の発電出力および温度に応じた流量である。よって、接続点における原料ガスの圧力は、ＳＯＦＣ２１の発電出力だけでなく、ＳＯＦＣ２１の温度に応じて変化する空気供給量に基づいて定められる。これにより、空気供給量の増減により、分岐点における改質ガスの圧力が影響を受けても、これを反映した接続点における原料ガスの圧力が設定される。この結果、接続点と分岐点との間の改質ガスの差圧により決まるリサイクルガス流量は適正に調整される。

また、分岐点における改質ガスの圧力を直接求めずに、接続点における原料ガスの圧力を調整している。このため、改質器１１およびＳＯＦＣ２１が高温であるＳＯＦＣシステム１００においても、適正な流量のリサイクルガスを供給することができる。

（変形例１）
上記構成では、空気供給量は第１供給器２２から取得された。これに対して、空気供給量は、第１流量計２４から取得されてもよい。この第１流量計２４は、第１供給器２２から供給された空気の流量を検知する空気流量計である。第１流量計２４は、たとえば、熱式流量センサ、あるいは、超音波式または差圧式の流量計などが例示される。

図２示すＳＯＦＣ２１の運転方法では、発電状態において（ステップＳ１：ＹＥＳ）、制御器２７は、空気供給量と、原料ガス供給量、水供給量、および、目標電流の少なくともいずれか一つの値とを取得する（ステップＳ２）。この空気供給量は、第１流量計２４から取得される。そして、演算プログラムの実行により差圧を得て（ステップＳ３）、差圧に応じた目標圧力を設定する（ステップＳ４）。そして、制御器２７は、圧力調整器１３を制御して、接続点における原料ガスの圧力を目標圧力に調整する（ステップＳ５）。

このように、第１流量計２４により検知された空気供給量に基づいて目標圧力を設定している。よって、目標圧力がさらに精度良く設定されるため、この目標圧力に基づいて適正な流量のリサイクルガスを供給することができる。

（変形例２）
上記構成では、原料ガス供給量は第２供給器１０から取得された。これに対して、原料ガス供給量は、第２流量計１５から取得されてもよい。この第２流量計１５は、第２供給器１０から供給された原料ガスの流量を検知する原料流量計である。第２流量計１５は、たとえば、熱式流量センサ、あるいは、超音波式または差圧式の流量計などが例示される。

図２示すＳＯＦＣ２１の運転方法では、発電状態において（ステップＳ１：ＹＥＳ）、制御器２７は、空気供給量と、原料ガス供給量、水供給量、および、目標電流の少なくともいずれか一つの値とを取得する（ステップＳ２）。この原料ガス供給量は、第１流量計２４から取得される。そして、演算プログラムの実行により差圧を得て（ステップＳ３）、差圧に応じた目標圧力を設定する（ステップＳ４）。そして、制御器２７は、圧力調整器１３を制御して、接続点における原料ガスの圧力を目標圧力に調整する（ステップＳ５）。

このように、第２流量計１５により検知された原料ガス供給量に基づいて目標圧力を設定している。よって、目標圧力がさらに精度良く設定されるため、この目標圧力に基づいて適正な流量のリサイクルガスを供給することができる。

なお、この変形例２においても、変形例１と同様に、空気供給量は、第１流量計２４から取得されてもよい。

（変形例３）
上記構成では、水供給量は第３供給器１８から取得された。これに対して、水供給量は、第３流量計２０から取得されてもよい。この第３流量計２０は、第３供給器１８から供給された水の流量を検知する水流量計である。第３流量計２０として、たとえば、電磁式の流量計が例示される。

図２示すＳＯＦＣ２１の運転方法では、発電状態において（ステップＳ１：ＹＥＳ）、制御器２７は、空気供給量と、原料ガス供給量、水供給量、および、目標電流の少なくともいずれか一つの値とを取得する（ステップＳ２）。この水供給量は、第３流量計２０から取得される。そして、演算プログラムの実行により差圧を得て（ステップＳ３）、差圧に応じた目標圧力を設定する（ステップＳ４）。そして、制御器２７は、圧力調整器１３を制御して、接続点における原料ガスの圧力を目標圧力に調整する（ステップＳ５）。

このように、第３流量計２０により検知された水供給量に基づいて目標圧力を設定している。よって、目標圧力がさらに精度良く設定されるため、この目標圧力に基づいて適正な流量のリサイクルガスを供給することができる。

なお、この変形例２においても、変形例１と同様に、空気供給量は、第１流量計２４から取得されてもよい。この変形例３においても、変形例２と同様に、原料ガス供給量は、第２流量計１５から取得されてもよい。

（第２実施形態）
第２実施形態に係るＳＯＦＣシステム２００の構成は、圧力計２０１をさらに備える点を除いて、第１実施形態に係るＳＯＦＣシステム１００の構成と同様である。図４は、第２実施形態に係るＳＯＦＣシステム２００の機能的な構成の一例を示すブロック図である。

圧力計２０１は、図４に示すように、圧力調整器１３より下流側かつ接続点より上流側の原料ガス経路１２ａに設けられ、ここを流通する改質ガスの圧力を検知する機器である。圧力計２０１として、たとえば、ダイアフラムを用いた半導体式圧力センサ、または、静電容量式圧力センサなどが例示される。

このＳＯＦＣシステム２００の運転方法では、図２に示すステップＳ５の処理の後に、図５に示すステップＳ６の処理を行っている。図５は、第２実施形態に係るＳＯＦＣシステム２００の運転方法の一例を示すフローチャートである。

具体的には、図５示すＳＯＦＣ２１の運転方法では、発電状態において（ステップＳ１：ＹＥＳ）、制御器２７は、空気供給量と、原料ガス供給量、水供給量、および、目標電流の少なくともいずれか一つの値とを取得する（ステップＳ２）。そして、演算プログラムの実行により差圧を得て（ステップＳ３）、差圧に応じた目標圧力を設定する（ステップＳ４）。そして、制御器２７は、圧力調整器１３を制御して、接続点における原料ガスの圧力を目標圧力に調整する（ステップＳ５）。

この圧力調整後に、制御器２７は、圧力計２０１により検知された圧力を取得する。検知された圧力は、圧力調整器１３より下流側かつ接続点より上流側の原料ガス経路１２ａを流通する原料ガスの圧力である。この圧力計２０１による検知位置と接続点との間に圧力損失がほぼないため、制御器２７は、検知された圧力を接続点における原料ガスの圧力として取得する。

そして、制御器２７は、接続点における原料ガスの圧力が目標圧力であるか否かを判定する（ステップＳ６）。接続点における原料ガスの圧力が目標圧力でなければ（ステップＳ６：ＮＯ）、制御器２７は圧力調整器１３を制御する（ステップＳ５）。たとえば、接続点における原料ガスの圧力が目標圧力より低ければ、圧力調整器１３の開度を大きくする。一方、接続点における原料ガスの圧力が目標圧力であれば（ステップＳ６：ＹＥＳ）、制御器２７はステップＳ１の処理に戻り、ステップＳ１〜Ｓ６の処理を繰り返す。

上記構成によれば、制御器２７は、圧力計２０１から接続点における原料ガスの圧力を取得している。このため、接続点における原料ガスの圧力を目標圧力にさらに精度良く合わせられるため、適正な流量のリサイクルガスを供給することができる。

なお、第２実施形態においても、変形例１と同様に、空気供給量は、第１流量計２４から取得されてもよい。また、第２実施形態においても、変形例２と同様に、原料ガス供給量は、第２流量計１５から取得されてもよい。さらに、第２実施形態においても、変形例３と同様に、水供給量は、第３流量計２０から取得されてもよい。

また、上記全実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法は、リサイクルガス流量の適正化の向上を図った固体酸化物形燃料電池システムの運転方法等として有用である。

１０ ：第２供給器
１１ ：改質器
１２ａ ：原料ガス経路
１２ｂ ：改質ガス経路
１３ ：圧力調整器
１４ ：昇圧器
１５ ：第２流量計
１６ ：水添脱硫器
１７ ：リサイクルガス経路
１８ ：第３供給器
１９ ：水経路
２０ ：第３流量計
２１ ：ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）
２２ ：第１供給器
２３ ：空気経路
２４ ：第１流量計
２５ ：燃焼器
２６ ：燃焼排ガス経路
２７ ：制御器
１００ ：ＳＯＦＣシステム（固体酸化物形燃料電池システム）
２００ ：ＳＯＦＣシステム（固体酸化物形燃料電池システム）
２０１ ：圧力計

Claims (5)

1. 原料ガスを脱硫する水添脱硫器と、
   前記水添脱硫器により脱硫された原料ガスを水により改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質器により改質された改質ガスと空気とにより発電する固体酸化物形燃料電池と、
   前記固体酸化物形燃料電池から排出された改質ガスを燃焼する燃焼器と、
   前記水添脱硫器を経由して前記改質器へ前記原料ガスが流通する原料ガス経路と、
   前記改質器から前記固体酸化物形燃料電池を経由して前記燃焼器へ前記改質ガスが流通する改質ガス経路と、
   前記改質器より下流側の分岐点で前記改質ガス経路から分岐し、前記水添脱硫器より上流側の接続点で前記原料ガス経路に接続するリサイクルガス経路と、
   前記接続点より上流側の原料ガス経路を流通する原料ガスの圧力を調整する圧力調整器と、
   前記接続点より下流側の原料ガス経路を流通する原料ガスの圧力を上昇させる昇圧器と、
   前記改質器に供給される水が流通する水経路と、
   前記固体酸化物形燃料電池に供給される空気が流通する空気経路と、
   制御器と、を備える固体酸化物形燃料電池システムの運転方法であって、
   前記制御器は、前記接続点における原料ガスの圧力が、前記固体酸化物形燃料電池への空気供給量と、前記改質器への原料ガス供給量、前記改質器への水供給量、および、前記固体酸化物形燃料電池の目標電流の少なくともいずれか一つの値とに基づいて算出された目標圧力になるように前記圧力調整器を制御する、固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。
2. 前記固体酸化物形燃料電池システムは、前記圧力調整器より下流側かつ前記接続点より上流側の前記原料ガス経路を流通する原料ガスの圧力を検知する圧力計をさらに備え、
   前記制御器は、前記圧力計から前記接続点における原料ガスの圧力を取得する、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。
3. 前記固体酸化物形燃料電池システムは、前記固体酸化物形燃料電池に前記空気を供給する第１供給器と、前記第１供給器から供給された空気の流量を検知する第１流量計と、をさらに備え、
   前記制御器は、前記第１流量計から前記空気供給量を取得する、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。
4. 前記固体酸化物形燃料電池システムは、前記改質器に前記原料ガスを供給する第２供給器と、前記第２供給器から供給された原料ガスの流量を検知する第２流量計と、をさらに備え、
   前記制御器は、前記第２流量計から前記改質器への原料ガス供給量を取得する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。
5. 前記固体酸化物形燃料電池システムは、前記改質器に前記水を供給する第３供給器と、前記第３供給器から供給された水の流量を検知する第３流量計と、をさらに備え、
   前記制御器は、前記第３流量計から前記改質器への水供給量を取得する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池システムの運転方法。

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