JP2018029038A - 燃料電池の制御装置及び燃料電池の保護制御方法並びに発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】異常が発生した場合でも、燃料電池の発電出力低減や運転停止をする時間を短縮して、燃料電池の発電出力を増加することのできる燃料電池の制御装置、保護制御方法、及び発電システムを提供すること。【解決手段】燃料電池の制御装置６０は、当該制御装置６０に取り込まれた燃料電池に係る複数の計測データに基づいて、燃料電池の負荷を増減させることにより解消する可能性のある特定の異常が発生したか否かを判定する異常判定部１４１と、異常判定部１４１によって、特定の異常が発生したと判定された場合に、発生した特定の異常の要因に応じて、燃料電池の負荷を低下または上昇させる出力制御部１４２と、燃料電池の負荷を低下または上昇させたことにより、特定の異常が解消されたか否かを判定する異常解消判定部１４３とを備える。【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池の制御装置及び燃料電池の保護制御方法並びに発電システムに関するものである。

燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、燃料側の電極である燃料極と、空気（酸化剤ガス）側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電池の形状や構成材料によって様々な形式が開発されている。

このうち、例えば、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、炭素質原料をガス化設備により製造した石炭ガス化ガス等のガス、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール等を燃料として運転される燃料電池である。このＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１０００℃程度と高く、高効率な高温型燃料電池として知られている。

このようなＳＯＦＣを例えば、マイクロガスタービン（以下「ＭＧＴ」という。）等の内燃機関と組み合わせた複合発電システムが開発されている。ＭＧＴでは、圧縮機から吐出される圧縮空気をＳＯＦＣの空気極に供給するとともに、ＳＯＦＣから排出される高温の排燃料ガスをＭＧＴの燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した燃焼ガスを断熱膨張することでＭＧＴのタービンを回転駆動させる。そして、タービンの回転駆動を発電機に伝達させることで発電機を発電させることにより、発電効率の高い発電が可能とされている。

このようなＳＯＦＣは、例えば、セル電圧の大きな低下、発電セルの急速な温度上昇などの何らかの異常が検知されると、より安全な側とする観点から緊急停止するように設計されている。例えば、特許文献１には、ＳＯＦＣの停止を必要とする異常が発生した場合に、運転状態（例えば、ブロワ運転、不活性ガス供給の可否）に応じた適切な停止動作を行うことが開示されている。
また、例えば、特許文献２には、異常が検知された場合に、発電停止後、リスクレベルに応じて自動的にＳＯＦＣを再起動させ、発電を再開させるシステムが開示されている。
また、特許文献３には、ＳＯＦＣ出力と燃料電池モジュールの電圧低下量とに基づいてＳＯＦＣの運転を停止するか否かを判定するが開示されている。

特開２０１４−１４６４７６号公報 特許第５１１２１０７号公報 特許第４９２４９１０号公報

従来のＳＯＦＣでは、異常が検知された場合に、その異常の要因によらずに、ＳＯＦＣの運転を停止させ冷却していたため、ＳＯＦＣを再起動して発電を再開するまでに相当な時間を要していた。すなわち、ＳＯＦＣは起動時において、発電室温度を発電が可能な温度まで上昇させる温度上昇工程が必要であり、発電室温度が発電可能な温度に到達した後に発電を開始する必要がある。異常発生による運転停止からの経過時間が長いほど、発電室温度は低下するため、温度上昇工程に要する時間も長時間化する。とりわけ、発電室の温度が常温レベルまで冷却された後のコールドスタートから再起動させる場合には、起動完了までに１日以上を要する場合もあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、異常が発生した場合でも、燃料電池の発電出力低減や運転停止をする時間を短縮して、燃料電池の発電出力を増加することのできる燃料電池の制御装置及び燃料電池の保護制御方法並びに発電システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御装置であって、前記制御装置に取り込まれた前記燃料電池に係る複数の計測データに基づいて、前記燃料電池の負荷を増減させることにより解消する可能性のある特定の異常が発生したか否かを判定する異常判定部と、前記異常判定部によって、前記特定の異常が発生したと判定された場合に、発生した前記特定の異常の要因に応じて、前記燃料電池の負荷を低下または上昇させる出力制御部と、前記燃料電池の負荷を低下または上昇させたことにより、前記特定の異常が解消されたか否かを判定する異常解消判定部とを具備する燃料電池の制御装置を提供する。

上記燃料電池の制御装置において、「特定の異常」は、例えば、発電室の温度の上昇または下降に関する異常である。
上記燃料電池の制御装置において、「燃料電池の負荷」とは燃料電池の発電出力のことである。
上記燃料電池の制御装置において、前記出力制御部は、前記異常解消判定部によって前記特定の異常が解消されたと判定された場合に、前記特定の異常が解消されたときの負荷を維持する制御を行うこととしてもよい。

上記燃料電池の制御装置によれば、出力制御部は、異常判定部によって特定の異常が発生したと判定された場合に、負荷を低下または上昇させる。ここで、「特定の異常」は、負荷を増減させることにより解消する可能性のある異常であるため、負荷の低下または上昇によって異常が解消される可能性がある。そして、異常が解消された場合には、異常が解消されたときの負荷で運転を継続して行うので、異常の要因によらずに異常発生の場合に運転を停止させていた従来の発電システムに比べて、発電電力量を増加させることが可能となる。

上記燃料電池の制御装置において、前記異常解消判定部は、前記出力制御部によって前記燃料電池の負荷が低下または上昇させられ、低下または上昇後の前記燃料電池の負荷が予め設定された所定期間保持された後に、前記特定の異常が解消されたか否かを判定することとしてもよい。

例えば、発電室温度は熱容量が大きいため、発電室温度の変化は負荷変化に対して応答遅れがある。上記燃料電池の制御装置によれば、低下または上昇後の燃料電池の負荷が予め設定された所定期間保持された後に、特定の異常が解消されたか否かを判定するので、変化後の負荷に対して異常が解消されたか否かを確実に判定することが可能となる。

上記燃料電池の制御装置において、前記出力制御部は、目標負荷を所定の保護下限値または所定の保護上限値を限度として、前記異常解消判定部によって前記特定の異常が解消されたと判定されるまで、前記目標負荷を所定量ずつ段階的に低下または上昇させてもよい。

上記燃料電池の制御装置によれば、異常が解消されたか否かを確認しながら、所定の保護下限値または所定の保護上限値まで、目標負荷を段階的に低下または上昇させることが可能となる。これにより、負荷を保護下限値または保護上限値まで変化させる途中で異常が解消された場合には、異常が解消されたときの負荷を維持することが可能となり、目標負荷を一気に保護下限値まで低下または保護上限値まで上昇させる場合と比べて、より高い出力を維持することが可能となる。
上記「目標負荷を段階的に低下または上昇」とは、例えば、目標負荷を所定量低下または上昇させ、その状態を所定期間保持し、その後、さらに負荷を所定量低下または上昇させるという動作を繰り返すことを意味する。
また、目標負荷を変化させる場合の上記「所定量」は、発電室温度に変化を生じさせる負荷変化幅よりも大きな値に設定されている。

上記燃料電池の制御装置において、前記出力制御部は、目標負荷を所定の保護下限値または所定の保護上限値まで低下または上昇させ、前記異常解消判定部は、前記目標負荷が前記保護下限値または前記保護上限値に到達し前記所定期間を保持した後に、前記特定の異常が解消されたか否かを判定することとしてもよい。

特定の異常の中には、上述のように負荷を段階的に変化させても異常の解消が見込めない要因も存在する。このような異常の要因の場合には、目標負荷を保護下限値または保護上限値まで一気に連続して変化させた後に、特定の異常が解消されたか否かを判定する。このように、負荷の要因によっては、負荷を所定の保護下限値または保護上限値まで段階的に変化させる過程を省略することで、負荷変化によって異常が解消可能か否かをより短い時間で確認することが可能となる。

上記燃料電池の制御装置において、前記保護下限値は、例えば、改質用水の供給が必要とされる前記燃料電池の負荷よりも大きな値に設定されている。

燃料電池に供給する燃料ガスを改質するのに改質用水が必要になる。燃料電池から排出される排燃料ガスは燃料電池に再循環されているが、排燃料ガスに含まれる水蒸気の流量は燃料電池の運転状況によって異なるため、燃料電池の運転状況によっては排燃料ガスに含まれる水蒸気のみでは改質用水が不足する場合がある。また、改質用水の供給開始時には少なからず圧力変動や流動変動等の何らかの外乱が生ずる。保護下限値を改質用水の供給が必要とされる負荷よりも大きな値に設定することで、改質用水の供給による圧力変動や流動変動等の影響を受けることなく、安定した状態で異常が解消されたか否かを判定することが可能となる。

上記燃料電池の制御装置において、前記出力制御部は、前記特定の異常が解消され、かつ、前記特定の異常が再発しないと判定した場合に、前記燃料電池の負荷を要求負荷まで回復させる制御を行うこととしてもよい。

上記燃料電池の制御装置によれば、特定の異常が解消され、更に、特定の異常が再発しないと判定した場合には、現在維持している負荷から所定の負荷（例えば、定格負荷）まで負荷を回復させるので、例えば、負荷がゼロの状態から所定の負荷まで回復させる場合に比べて、負荷回復に要する時間を短縮することができる。

上記燃料電池の制御装置は、前記特定の異常に関する情報と該特定の異常の原因とを関連付けた原因特定情報を記憶する記憶部と、前記異常判定部によって前記特定の異常が発生したと判定された場合に、発生した前記特定の異常に該当する前記原因特定情報を前記記憶部から抽出する抽出部と、前記抽出部によって抽出された前記原因特定情報を用いて、前記特定の異常を引き起こした原因を特定する原因特定部とを更に備えていてもよい。

上記燃料電池の制御装置によれば、特定の異常に関する情報と特定の異常の原因とを関連付けた原因特定情報を用いて、発生した特定の異常の原因を特定するので、異常の原因解明までに要する時間を短縮することができるとともに、原因解明に要する労力を軽減することが可能となる。

上記燃料電池の制御装置は、前記原因特定部によって特定された前記原因を表示する表示部を更に備えていてもよい。

上記燃料電池の制御装置によれば、異常の原因を表示部に表示させることで、異常の原因をオペレータに通知することが可能となる。これにより、オペレータはその原因を確認することで、自らが異常の解明を行う必要なく、速やかに発生した異常に対して適切な措置を講じることが可能となる。

上記燃料電池の制御装置は、前記原因特定部によって特定された前記原因を排除する原因排除部を更に備えていてもよい。

上記燃料電池の制御装置によれば、発生した異常の原因を自動的に排除することが可能となる。これにより、自動的に負荷を回復させることが可能となる。

本発明は、マイクロガスタービンと、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池と、上記いずれかの燃料電池の制御装置とを具備する発電システムを提供する。

本発明は、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池の保護制御方法であって、前記燃料電池に係る複数の計測データに基づいて、前記燃料電池の負荷を増減させることにより解消する可能性のある特定の異常が発生したか否かを判定する工程と、前記特定の異常が発生したと判定した場合に、発生した前記特定の異常の要因に応じて、前記燃料電池の負荷を上昇または低下させる工程と、前記燃料電池の負荷を上昇または低下させたことにより、前記特定の異常が解消されたか否かを判定する工程とを含む燃料電池の保護制御方法を提供する。

上記燃料電池の保護制御方法は、前記特定の異常が解消されたと判定された場合に、前記特定の異常が解消されたときの前記燃料電池の負荷を維持する工程をさらに備えていてもよい。

本発明によれば、燃料電池もしくは燃料電池を備えた発電システムに異常が発生した場合でも、燃料電池の発電出力低減や運転停止をする時間を短縮して、燃料電池の発電出力を増加することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成を示した概略構成図である。 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣのセルスタックの一態様を示した図である。 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示した図である。 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図である。 本発明の第１実施形態に係るＳＯＦＣの制御装置が備える機能のうち、保護制御に関する機能を展開して示した機能ブロック図である。 本発明の第１実施形態に係るＳＯＦＣの制御装置によって実行される保護制御の手順を示したフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係るＳＯＦＣ制御装置において、特定の異常が発生した場合の出力電流指令の時間的推移の一例を示した図である。 本発明の第２実施形態に係るＳＯＦＣの制御装置が備える機能のうち、保護制御に関する機能を展開して示した機能ブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る異常原因特定部の概略構成を示した図である。 本発明の第２実施形態に係るＳＯＦＣの制御装置によって実行される異常原因特定制御の手順を示したフローチャートである。

〔発電システムの構成〕
まず、本発明の一実施形態に係る発電システムの概略構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る発電システム１０の概略構成を示した概略構成図である。図１に示すように、発電システム１０は、マイクロガスタービン（以下「ＭＧＴ」という。）１１、発電機１２、ＳＯＦＣ１３を備えている。この発電システム１０は、ＭＧＴ１１による発電と、ＳＯＦＣ１３による発電とを組み合わせることで、高い発電効率を得るように構成されている。

ＭＧＴ１１は、圧縮機２１、燃焼器２２、タービン２３を有しており、圧縮機２１とタービン２３とは回転軸２４により一体回転可能に連結されている。後述するタービン２３が回転することで圧縮機２１が回転駆動する。圧縮機２１は、空気取り込みライン２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。
燃焼器２２には、第１空気供給ライン２６を介して圧縮機２１からの圧縮空気（以下、単に「空気」という。）Ａの一部が供給されるとともに、第１燃料ガス供給ライン２７を介して燃料ガスＬ１が供給される。第１空気供給ライン２６には、燃焼器２２へ供給する空気量を調整するための制御弁６５が設けられ、第１燃料ガス供給ライン２７には、燃焼器２２へ供給する燃料ガス流量を調整するための制御弁７０が設けられている。更に、燃焼器２２には、後述するＳＯＦＣ１３の燃料ガス再循環ライン４９を循環する排燃料ガスＬ３の一部が排燃料ガス供給ライン４５を通じて供給される。排燃料ガス供給ライン４５には、燃焼器２２に供給する排燃料ガス量を調整するための制御弁４７が設けられている。更に、燃焼器２２には、後述する排空気供給ライン３６を通じてＳＯＦＣ１３の空気極１３Ｂで用いられた排空気Ａ２の一部が供給される。

燃焼器２２は、燃料ガスＬ１、空気Ａの一部、排燃料ガスＬ３、及び排空気Ａ２を混合して燃焼させ、燃焼ガスＧを生成する。燃焼ガスＧは燃焼ガス供給ライン２８を通じてタービン２３に供給される。タービン２３は、燃焼ガスＧが断熱膨張することにより回転し、排ガスが燃焼排ガスライン５５から排出される。発電機１２は、タービン２３と同軸上に設けられており、タービン２３が回転駆動することで発電する。

燃焼器２２に供給する燃料ガスＬ１及び後述する燃料ガスＬ２は可燃性ガスであり、例えば、炭素質原料をガス化設備により製造した石炭ガス化ガス等のガス、一酸化炭素（ＣＯ）やメタン（ＣＨ_４）等の炭化水素ガス、液化天然ガス（ＬＮＧ）、都市ガス、水素（Ｈ_２）、メタノール、石油等が用いられる。本実施形態での燃料ガスＬ１、Ｌ２は例えば都市ガスを使用し、メタンを主成分とする燃料ガスを用いている。燃料ガスＬ１、Ｌ２は必ずしも同じガスを使用する必要はなく、それぞれ異なるガスを使用してもよい。

ＳＯＦＣ１３は、圧力容器内に燃料極１３Ａと空気極１３Ｂと固体電解質１１１（図２参照）とが収容されて構成される。なお、ＳＯＦＣ１３の詳細な構成については後述する。
ＳＯＦＣ１３は、空気極１３Ｂに酸化剤ガスが供給され、燃料極１３Ａに燃料ガス（還元剤ガス）が供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行う。
酸化剤ガスは、例えば、酸素を略１５％から３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。本実施形態では、ＳＯＦＣ１３に供給される酸化剤ガスとして、圧縮機２１によって圧縮された空気Ａの少なくとも一部を採用する場合を例示して説明する。

ＳＯＦＣ１３には、第１空気供給ライン２６から分岐した第２空気供給ライン３１を通じて酸化剤ガスとして空気（酸化剤ガス）Ａ１が空気極１３Ｂの導入部である空気供給部に供給される。この第２空気供給ライン３１には、供給する空気Ａ１の流量を調整するための制御弁６４が設けられている。また、第１空気供給ライン２６において、第２空気供給ライン３１の分岐点よりも空気Ａ１の上流側（換言すると、圧縮機２１側）には、熱交換器５８が設けられている。熱交換器５８において、空気Ａは、燃焼排ガスライン５５から排出される排ガスとの間で熱交換されて昇温される。更に、第２空気供給ライン３１には、熱交換器５８をバイパスするバイパスライン６２が設けられている。バイパスライン６２には、制御弁６６が設けられ、空気Ａのバイパス流量が調整可能とされている。制御弁６４、６６の開度が後述する制御装置６０によって制御されることで、熱交換器５８を通過する空気Ａと熱交換器５８をバイパスする空気Ａとの流量割合が調整され、第２空気供給ライン３１を通じてＳＯＦＣ１３に供給される空気Ａ１の温度が調整される。
ＳＯＦＣ１３に供給される空気Ａ１の温度は、ＳＯＦＣ１３を構成するＳＯＦＣカートリッジ２０３（図３参照）に空気Ａ１を導入する空気供給部や空気供給枝管をはじめＳＯＦＣカートリッジ２０３の構成材料に損傷を与えないよう温度の上限が制限されている。

更に、第２空気供給ライン３１には、可燃性ガスとして燃料ガスＬ２を供給する空気極燃料供給ライン８０が接続されている。空気極燃料供給ライン８０には、第２空気供給ライン３１へ供給する燃料ガス量を調整するための制御弁８２が設けられている。制御弁８２の弁開度が後述する制御装置６０によって制御されることにより、空気Ａ１に添加される燃料ガスＬ２の供給量が調整される。空気Ａ１に添加される燃料ガスＬ２の量は、可燃限界濃度以下で供給され、より好ましくは３体積％以下で供給される。

ＳＯＦＣ１３には、空気極１３Ｂで用いられた排空気Ａ２を排出する排空気排出ライン３４が接続されている。この排空気排出ライン３４には、燃焼器２２に排空気Ａ２を供給するための排空気供給ライン３６が接続されている。排空気供給ライン３６には、ＳＯＦＣ１３とＭＧＴ１１との間の系統を切り離すための遮断弁３８が設けられている。
また、排空気排出ライン３４には、外部へ排出する排空気量を調整するための制御弁（もしくは遮断弁）３７が設けられている。

ＳＯＦＣ１３には、更に、燃料ガスＬ２を燃料極１３Ａの導入部である燃料ガス供給部２０７（図３参照）に供給する第２燃料ガス供給ライン４１と、燃料極１３Ａで反応に用いられた後の排燃料ガスＬ３を排出する排燃料ガスライン４３とが接続されている。第２燃料ガス供給ライン４１には、燃料極１３Ａに供給する燃料ガスＬ２の流量を調整するための制御弁４２が設けられ、排燃料ガスライン４３には外部に排出する排燃料ガス量を調整するための制御弁（もしくは遮断弁）４６が設けられている。排燃料ガスライン４３の制御弁（もしくは遮断弁）４６と、排空気排出ライン３４の制御弁（もしくは遮断弁）３７とにより過剰になった圧力を素早く調整することができる。また、ＳＯＦＣ１３の燃料極１３Ａと空気極１３Ｂの燃料空気差圧は、燃料極１３Ａ側が所定の圧力範囲で高くなるように制御弁４７により制御する。また、排燃料ガスライン４３には、排燃料ガスＬ３をＳＯＦＣ１３の燃料極１３Ａの入口へと再循環させるための燃料ガス再循環ライン４９が接続されている。燃料ガス再循環ライン４９には、排燃料ガスＬ３を再循環させるための再循環ブロワ５０が設けられている。

更に、燃料ガス再循環ライン４９には、燃料極１３Ａに燃料ガスＬ２を改質するための純水を供給する純水供給ライン４４が設けられている。純水供給ライン４４にはポンプ４８が設けられている。ポンプ４８の吐出流量が制御装置６０によって制御されることにより、燃料極１３Ａに供給される純水流量が調整される。

〔ＳＯＦＣの構成〕
次に、図２から図４を参照してＳＯＦＣ１３の構成について説明する。
まず、本実施形態に係るＳＯＦＣ複合発電システム（燃料電池複合発電システム）のＳＯＦＣに用いる円筒形セルスタックについて図２を参照して説明する。図２は、本実施形態に係るセルスタック１０１の一態様を示した図である。セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを備える。燃料電池セル１０５は、燃料極１３Ａと固体電解質１１１と空気極１３Ｂとが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の長手軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１３Ｂに、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル１０５の燃料極１３Ａに電気的に接続されたリード膜（不図示）を備える。

基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ₂（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ_２Ｏ_４などを主成分とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１３Ａに拡散させる。

燃料極１３Ａは、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。燃料極１３Ａの厚さは５０〜２５０μｍである。この場合、燃料極１３Ａは、燃料極１３Ａの成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する。また、燃料極１３Ａは、改質により得られる水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ^２−）とを固体電解質１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）を生成する。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。

固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるＹＳＺとが主に用いられて構成されている。固体電解質１１１は、空気極１３Ｂで生成される酸素イオン（Ｏ^２−）を燃料極に移動させる。燃料極１３Ａの表面上に位置する固体電解質１１１の膜厚は１０〜１００μｍである。

空気極１３Ｂは、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３系酸化物で構成される。この空気極１３Ｂは、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化剤ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ^２−）を生成する。空気極１３Ｂは２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質１１１側の空気極層（空気極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層（空気極導電層）は、Ｓｒ及びＣａドープＬａＭｎＯ_３で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。

インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ_１−ｘＬ_ｘＴｉＯ_３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物などから構成される。インターコネクタ１０７は、燃料ガスと空気とが混合しないように緻密な膜となっていて、酸化ガス雰囲気と還元ガス雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１３Ｂと他方の燃料電池セル１０５の燃料極１３Ａとを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続する。リード膜１１５は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出する。

次に、図３及び図４を参照して本実施形態に係るＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。図３は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示した図、図４は、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図である。

ＳＯＦＣモジュール２０１は、図３に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを備える。なお、図３には円筒形のＳＯＦＣのセルスタックを例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約１ＭＰａ、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化剤ガス中に含まれる酸素などの酸化剤ガスに対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。

ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給部２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａ及び燃料ガス排出部２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを備える。更に、ＳＯＦＣモジュール２０１は、空気供給部（不図示）と空気供給枝管（不図示）及び空気排出部（不図示）と複数の空気排出枝管（不図示）とを備える。

第２燃料ガス供給ライン４１（図１参照）からの燃料ガスＬ２は、燃料ガス供給部２０７、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａを通じて複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に供給される。燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給部２０７を通じて供給される燃料ガスＬ２を複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させる。

ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスＬ３は、燃料ガス排出枝管２０９ａ及び燃料ガス排出部２０９を通じることにより、略均等の流量で排燃料ガスライン４３（図１参照）に導かれる。

本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず、例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様としてもよい。

ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図４に示すように、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、空気供給室２２１と、空気排出室２２３とを備えている。更に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを備えている。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と空気供給室２２１と空気排出室２２３とが図４のように配置されることで、燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気とがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造とされているが、その態様は必ずしもこの例に限られず、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または空気がセルスタックの長手軸方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。

発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置された領域であり、燃料ガスと空気とを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。例えば、発電室２１５のセルスタック１０１の長手方向の中央部付近の温度は、後述する温度センサ９２などで監視され、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、約７００℃から１０００℃の高温雰囲気となる。

燃料ガス供給室２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。複数のセルスタック１０１は、上部管板２２５ａとシール部材２３７ａにより接合されており、燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させる。

燃料ガス排出室２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの下部に備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。複数のセルスタック１０１は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給される排燃料ガスＬ３を集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くことができる。

空気供給室２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと、下部管板２２５ｂと、下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの側面に設けられた空気供給孔２３３ａによって、図示しない空気供給枝管と連通されている。この空気供給室２２１は、図示しない空気供給枝管から空気供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の空気を、空気供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に略均一流量で導くことができる。

空気排出室２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと、上部管板２２５ａと、上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの側面に設けられた空気排出孔２３３ｂによって、図示しない空気排出枝管と連通されている。この空気排出室２２３は、発電室２１５から、空気排出隙間２３５ｂを介して空気排出室２２３に供給される排空気を、空気排出孔２３３ｂを介して図示しない空気排出枝管に導くことができる。

発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けられたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５（図２参照）によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された電力は、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、パワーコンディショナ等の電力変換装置によって交流電力へ変換されて、電力供給先（例えば、負荷設備や電力系統）へと供給される。

上述したように、本実施形態に係るＳＯＦＣ１３では、燃料ガスＬ２と空気Ａ１とがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。これにより、排空気Ａ２は、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスＬ２との間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて空気排出室２２３に供給される。また、燃料ガスＬ２は、発電室２１５から排出される排空気Ａ２との熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスＬ２を発電室２１５に供給することができる。更に、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスＬ３は、発電室２１５に供給される空気Ａ１との間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室２１９に供給される。また、空気Ａ１は排燃料ガスＬ３との熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された空気を発電室２１５に供給することができる。

発電システム１０には、図１に示すように、各箇所に各種センサが設けられている。例えば、発電システム１０には、差圧センサ９０及び温度センサ９２〜９７が設けられている。差圧センサ９０は、燃料極１３Ａと空気極１３Ｂとの差圧を計測する。温度センサ９２は、発電室温度を計測する。温度センサ９３は、再循環ブロワ５０に設けられ、再循環ブロワ５０の軸受温度を計測する。温度センサ９４は、ＭＧＴ１１の圧縮機２１の吸入口付近に設けられ、圧縮機２１に吸引される空気Ａの温度である外気温度を計測する。温度センサ９５は、排燃料ガスライン４３に設けられ、排燃料出口温度を計測する。温度センサ９６は、排空気排出ライン３４に設けられ、排空気出口温度を計測する。温度センサ９７は、第２空気供給ライン３１に設けられ、入口空気温度を計測する。また、発電システム１０が備える各種制御弁には、各種制御弁の弁開度を検出する弁開度検出部（図示略）が設けられている。

また、上記各種センサは一例であり、発電システム１０には、発電システム１０を正常に運用するために必要な各種データを取得するための各種センサや、異常を検知するための各種センサ等が設けられている。これらの各種センサによって計測された計測データは制御装置６０に送信される。

制御装置６０は、上記計測データに基づいて演算処理を行い、ＳＯＦＣ１３に必要とされる発電負荷である要求負荷を満足するように発電システム１０の各部の動作を制御する。また、制御装置６０は、計測データに基づいて、ＳＯＦＣ１３に異常が発生したか否かを監視しており、異常を検知した場合には、以下に説明する保護制御を実行する。

〔発電システムの保護制御〕
〔第１実施形態〕
次に、上記構成を備える発電システム１０の制御装置６０によって実行される保護制御の第１実施形態について説明する。
制御装置６０は、例えば、コンピュータやシーケンサーであり、ＣＰＵと、ＣＰＵが実行するプログラム等を記憶するためのＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等を備えている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。

図５は、制御装置６０が備える各種機能のうち、保護制御に関する機能を主に展開して示した機能ブロック図である。図５に示すように、制御装置６０は、異常判定部１４１、出力制御部１４２、及び異常解消判定部１４３を備えている。

異常判定部１４１は、上述した計測データに基づいて発電システム１０に特定の異常が発生したか否かを判定する。ここで、「特定の異常」とは、ＳＯＦＣ１３の負荷を増減させることにより解消する可能性のある異常であり、より具体的には、発電室２１５の温度の上昇または低下に関する異常である。ここで、「負荷」とはＳＯＦＣ１３の発電出力のことであり、本実施形態ではＳＯＦＣ１３の出力電流に相当する。
異常判定部１４１は、例えば、特定の異常が発生したことを判定するための判定基準が記述された異常判定情報を備えており、各種センサから受信した計測データと異常判定情報とを用いて、特定の異常が発生しているか否かを判定する。

本実施形態では、例えば、異常判定情報には、特定の異常発生と判定するための複数の条件（１）〜（９）が記述されている。異常判定部１４１は、異常判定情報に記述された複数の条件のうち、一つでも該当する場合に、特定の異常が発生したと判定する。なお、以下に示した条件は一例であり、特定の異常と判定するための判定基準はこの例に限定されない。

（１）発電室温度が第１閾値以上の状態が第１所定期間維持された場合
（２）再循環ブロワ５０の内部温度が第２閾値以上の状態が第２所定期間維持された場合
（３）排燃料出口温度が第３閾値以上の状態が第３所定期間維持された場合
（４）排空気出口温度が第４閾値以上の状態が第４所定期間維持された場合
（５）空気利用率が第５閾値以上である状態が第５所定期間維持された場合
（６）外気温度が第６閾値以上の状態が第６所定期間維持された場合
（７）制御弁４７の弁開度が第７閾値以上の状態が第７所定期間維持された場合
（８）制御弁４７の弁開度が第８閾値以下の状態が第８所定期間維持された場合
（９）発電室温度が第９閾値以下の状態が第９所定期間維持された場合

本実施形態での、（１）〜（９）の条件に関する各閾値と、各所定期間につき、例として次に示す。
第１閾値は、例えば、定格負荷時の発電室温度の１０１％以上１０５％以下の温度範囲で設定されている。
第１所定期間は、例えば、６０秒以上４００秒以下の範囲で設定されている。
第２閾値は、例えば、定格負荷時の再循環ブロワ内部温度の１０１％以上１２０％以下の温度範囲で設定されている。
第２所定期間は、例えば、６０秒以上４００秒以下の範囲で設定されている。
第３閾値は、例えば、定格負荷時の排燃料出口温度の１０１％以上１２０以下の温度範囲で設定されている。
第３所定期間は、例えば、６０秒以上４００秒以下の範囲で設定されている。

第４閾値は、例えば、定格負荷時の排空気出口温度の１０１％以上１２０％以下の温度範囲で設定されている。
第４所定期間は、例えば、６０秒以上４００秒以下の範囲で設定されている。
第５閾値は、例えば、定格負荷時の空気利用率の１０１％以上１２０％以下の空気利用率範囲で設定されている。
第５所定期間は、例えば、６０秒以上４００秒以下の範囲で設定されている。
第６閾値は、例えば、４０℃以上５０℃以下の温度範囲で設定されている。
第６所定期間は、例えば、６０秒以上４００秒以下の範囲で設定されている。

第７閾値は、例えば、９０％以上１００％以下の弁開度範囲で設定されている。
第７所定期間は、例えば、３０秒以上２００秒以下の範囲で設定されている。
第８閾値は、例えば、１％以上１０％以下の弁開度範囲で設定されている。
第８所定期間は、例えば、３０秒以上２００秒以下の範囲で設定されている。
第９閾値は、例えば、定格負荷時の発電室温度の８０％以上９０％以下の温度範囲で設定されている。
第９所定期間は、例えば、６０秒以上２００秒以下の範囲で設定されている。

出力制御部１４２は、異常判定部１４１によって特定の異常が発生したと判定された場合に、発生した異常の要因に応じて、負荷を所定量上昇または低下させる。具体的には、上記条件のうち、（１）〜（８）の条件に関しては、発電室温度上昇が要因と考えられ、（９）の条件に関しては発電室温度低下が要因と考えられる。

例えば、（１）〜（４）の条件については、発電室温度が上昇することに起因して生じる現象であると考えられる。ＳＯＦＣ１３の負荷を低下させることで、発電反応を低下させ、発電反応による発熱量を低下させることができる。これにより、発電室温度を低下させることができる。このように、負荷を低下させて発電室温度を低下させることで、（１）〜（４）に関する異常の解消が期待できる。

また、（５）、（６）の条件については、空気極１３Ｂに供給される空気Ａ１の供給量が相対的に低下することにより、発電室温度が上昇していると考えられる。すなわち、空気極１３Ｂに供給される空気Ａ１は冷却材として作用することから、空気Ａ１の供給量が低下することにより発電室温度が上昇する。また、外気温度センサ９４で計測される外気温度が上昇すると空気密度が低下して空気Ａ１の供給量が低下することにより、発電室温度が上昇する。このような場合でも、負荷を低下させることで、発電に必要な酸化剤ガス（空気中の酸素）が減少するため発電室温度の冷却に寄与する空気量を実質的に増加させることができ、発電室温度を低下させることができる。このように、（５）、（６）の条件についても、負荷を低下させて発電室温度を低下させることで、異常の解消が期待できる。

ここで、空気利用率は、発電による酸素消費量を空気極への酸素供給量つまり空気極１３Ｂに供給される空気Ａ１に含まれる酸素の供給量で除算した値である。
発電による酸素消費量は、例えば、空気極１３Ｂに供給される空気Ａ１の流量及び酸素濃度を用いて算出される酸素流量と、排空気Ａ２の流量及び酸素濃度を用いて算出される酸素流量との差分によって得ることができる。また、発電による酸素消費量の他の算出例として、例えば、燃料極１３Ａに供給される燃料流量及びガス組成と、排燃料ガスＬ３の流量及びガス組成とを用いることにより、反応した燃料成分を得、この量論反応量から算出する手法や、電流値、空気Ａ１の流量及び酸素濃度、及び量論反応量を用いて算出する手法などが挙げられる。
また、空気極１３Ｂへの酸素供給量は、例えば、空気極１３Ｂに供給される空気Ａ１の流量及び酸素濃度を用いて算出することができる。

また、（７）の条件については、ＳＯＦＣ１３の燃料極１３Ａと空気極１３Ｂの燃料空気差圧は、燃料極１３Ａ側が所定の圧力範囲で高くなるように制御弁４７により制御するにあたり、配管閉塞等が要因の一つとして考えられる。ＳＯＦＣ１３の負荷低下により発電反応が低下すれば、排燃料ガスライン４３に排出される排燃料ガスの流量が低下する。これにより、配管閉塞等による圧力損失が緩和されることとなり、制御弁４７の開度を減少させることができ、条件（７）に係る異常の解消が期待できる。
また、（８）の条件については、燃料極１３Ａと空気極１３Ｂとの気密性が低下したことが要因の一つとして考えられる。このため、（８）の条件に関しては、セルやセルの支持部分の一部が破損に至った場合は差圧が回復しない可能性もあるが、例えばシール部材２３７ａ，２３７ｂのシール位置ずれなどによる場合は、負荷を低下させて発電室の状態を変化させることにより、異常の解消が見込める可能性がある。
条件（９）については、例えば、燃料極１３Ａに供給する改質用水である純水を供給したことの影響によって燃料入口温度が低下したこと等が要因となって、発電室温度が低下していると考えられる。したがって、上述の（１）〜（８）の場合とは逆に、負荷を上昇させることにより、発電反応による発熱量を増加させ、発電室温度を上昇させることで、異常の解消が期待できる。

出力制御部１４２は、上述のように、（１）〜（７）のいずれかの条件に該当する場合には、負荷を段階的に所定量ずつ低下させる。例えば、目標負荷を所定量低下させ、その状態を所定期間保持した後に、更に、目標負荷を所定量低下させるという処理を目標負荷が所定の保護下限値に到達するまで繰り返し行う。また、負荷を保護下限値まで低下させる過程において、後述する異常解消判定部１４３によって異常が解消されたと判定された場合には、出力制御部１４２は異常が解消されたと判定されたときの負荷を維持する。

ここで、目標負荷を変化させる場合の上記「所定量」とは、異常解消に寄与する程度の発電室温度の低下が望まれる変化幅以上に設定されている。本実施形態において、「所定量」は、例えば、定格負荷に対して５％以上１５％以下の範囲で設定されている。
また、保持する「所定期間」とは、後述するように、発電システム１０の温度や圧力などの追従応答への時間遅れに対して、異常解消を確認できる時間以上に設定されるとともに、変更後の目標負荷を保持することで発電システム１０が故障に至らない時間以下の範囲に設定されている。
なお、「所定量」は負荷変化の各段階で必ずしも同じ値でなくてもよい。各段階が進み目標負荷に応じた発電システム１０の応答性を考慮して、所定量を少しずつ増加させてもよいし、少しずつ減少させてもよい。
また、「保護下限値」は、例えば、燃料極１３Ａに改質用水である純水を供給する必要のない負荷以上に設定されていてもよい。例えば、負荷が所定値以上の負荷領域では、発電反応で発生する水蒸気量が多いため、ＳＯＦＣ１３の排燃料ガスに含まれる水蒸気量が多くなる。そのため、燃料ガス再循環ライン４９を通じて燃料極１３Ａに再投入される排燃料ガスに含まれる水蒸気によって、改質に必要な改質用水を賄うことができる。しかしながら、ＳＯＦＣ１３の負荷が低下すると、発電反応によって生成される水蒸気の量が低下するため、燃料ガス再循環ライン４９を循環する水蒸気量が減少し、改質に必要な水蒸気量を賄いきれなくなる。そのため、負荷が所定値以下の場合には、外部から純水供給ライン４４を経由して純水を供給し、水蒸気の不足分を補充する。ここで、純水供給ライン４４から純水を供給するときの負荷は、例えば、定格負荷の４０％以上５０％以下の範囲で所定の値に設定されている。ここで、純水の供給が必要となる負荷では、純水の投入によって発電システム１０の各系統における圧力変動や流量変動等が生じるおそれがあるため、本実施形態では、保護下限値を純水の供給が不要な負荷以上に設定している。すなわち、本実施形態では、「保護下限値」を、例えば、定格負荷の４０％以上５０％以下の範囲の所定の値以上の負荷に設定し、発電システム１０の各系統が安定した状態で異常が解消されたか否かを判定できるようにしている。

また、異常判定部１４１によって、上記（８）の条件に該当すると判定された場合には、出力制御部１４２は、負荷を段階的に所定量ずつ低下させるのではなく、保護下限値まで一度に低下させる。すなわち、（８）の条件に該当する場合には、上述したように、燃料極１３Ａと空気極１３Ｂとの気密性が確保されていない状態の場合があると考えられるため、負荷を段階的に低下させても、負荷を一度に負荷下限値まで低下させても、異常が解消されるか否かの結果は変わらない可能性が高い。したがって、（８）の条件に該当する場合には、条件（１）〜（７）の場合と異なり、例えば、負荷を保護下限値まで所定の変化率で連続的に低下させ、目標負荷が保護下限値に到達してから所定期間経過したときに、異常解消判定部１４３によって異常解消の判定を行う。

また、異常判定部１４１によって、上記（９）の条件に該当すると判定された場合には、出力制御部１４２は、負荷を保護上限値まで段階的に所定量ずつ上昇させる。ここでの「段階的」、「所定量」は上述した通りである。
ここで、「保護上限値」とは、燃料極１３Ａに供給する改質用水である純水の供給が不要となり、燃料入口温度の低下が生じなくなり、発電室温度が低下しない負荷以上に設定されるとともに、定格負荷以下の範囲で設定されている。本実施形態では、定格負荷の４０％から５０％の間の値以上で定格負荷の１００％以下の範囲に設定される。

異常解消判定部１４３は、出力制御部１４２によって負荷が所定量変化させられた場合に、変化後の負荷が所定期間保持された後に、異常が解消されているか否かを判定する。「所定期間」とは、発電システム１０の温度や圧力などの追従応答への時間遅れに対して、異常解消を確認できる時間以上に設定されるとともに、変更後の負荷を保持することで発電システム１０が故障に至らない時間以下の範囲に設定されている。
この「所定期間」は、例えば、発電室温度の場合は、目標負荷を低下または上昇させてから発電室温度がその負荷変化に追従して変化し安定するまでに要する時間以上に設定されている。発電室温度は熱容量が多いため、負荷の変化に対する応答遅れがある。この応答遅れを加味して上記所定期間が設定されていて、本実施形態では例えば６０秒以上４００秒以下の範囲で設定されている。

次に、本実施形態に係る発電システムの保護制御方法について図６を参照して説明する。
まず、上記計測データが入力され（ステップＳＡ１）、これら計測データに基づいて特定の異常が発生したか否かを判定する（ステップＳＡ２）。この結果、特定の異常が発生していないと判定した場合には（ステップＳＡ２で「ＮＯ」）、監視を継続する。一方、ステップＳＡ２において、特定の異常が発生していると判定した場合には（ステップＳＡ２において「ＹＥＳ」）、その異常の要因に応じた負荷低下または負荷上昇を行う（ステップＳＡ３）。具体的には、上記条件（１）〜（８）に該当した場合には、発電室温度の上昇が要因として考えられるので、目標負荷を所定量低下させ、条件（９）に該当した場合には、発電室温度の低下が要因として考えられるので、目標負荷を所定量上昇させる。また、条件（８）に該当した場合には、保護下限値まで目標負荷を低下させる。

続いて、目標負荷を低下または上昇させてから、その状態が所定期間保持されると（ステップＳＡ４）、異常が解消されたか否かを判定する（ステップＳＡ５）。ここで、ステップＳＡ４における「所定期間」は、発生した異常の要因に応じて設定されており、上記条件（１）〜（９）に応じてそれぞれ異ならせてもよい。

ステップＳＡ５において、異常が解消されていなければ（ステップＳＡ５において「ＮＯ」）、負荷が保護下限値または保護上限値であるか否かを判定する（ステップＳＡ６）。この結果、負荷が保護下限値または保護上限値でない場合には（ステップＳＡ６において「ＮＯ」）、ステップＳＡ３に戻り、以降の処理を繰り返し行う。一方、ステップＳＡ６において、負荷が保護下限値または保護上限値である場合には、異常の解消が困難として判断して、ＳＯＦＣ１３の運転を停止させる措置へと進める（ステップＳＡ７）。

他方、ステップＳＡ５において、異常が解消されていると判定した場合には、現在の負荷を維持する運転を行う（ステップＳＡ８）。続いて、負荷が維持されている状態で、今回発生した異常が再発しないか、換言すると、今回発生した特定の異常の根本的な原因が排除されたか否かを判定する（ステップＳＡ９）。例えば、今回発生した異常がオペレータにより排除された場合等（例えば、温度センサの故障が原因で計測値が異常値を示していた場合に、この温度センサの計測値を設計値に置き換えるなどの処理が行われた場合等）には、今回発生した異常が再発しないと判定し（ステップＳＡ９において「ＹＥＳ」）、ＳＯＦＣの負荷を、ＳＯＦＣ１３に必要とされる発電負荷である要求負荷に応じて上昇または下降させ、通常運転に移行する（ステップＳＡ１０）。
一方、ステップＳＡ９において、今回発生した特定の異常が再発しないと判定されなかった場合には（ステップＳＡ９において「ＮＯ」）、今回発生した特定の異常が再発しないと判定されるまで、現在の負荷が維持される。

図７は、上記条件（１）〜（９）のうち、条件（１）〜（７）のいずれかに該当する異常が発生した場合の目標負荷の時間的推移の一例について示した図である。
例えば、図７の時刻ｔ１において、条件（１）〜（７）のいずれかを満たすことにより、特定の異常が発生したと判定すると、目標負荷の所定量（例えば、定格負荷に対して１０％とした場合を示す）を所定の負荷変化率（例えば定格負荷の数％／分）で低下させる。所定の負荷変化率は、発電システム１０の負荷変化制御への応答性を考慮して適宜に設定されている。そして、時刻ｔ２において、目標負荷が所定量低下すると、この状態を所定期間保持する。そして、所定期間の保持が経過した時刻ｔ３において、異常が解消されているか否かを判定する。この結果、異常が解消されていなければ、更に目標負荷を所定量低下させる。そして、時刻ｔ４において、目標負荷が所定量低下すると、この状態を所定期間保持する。そして、所定期間の保持が経過した時刻ｔ５において、異常が解消されているか否かを判定する。この結果、異常が解消されていた場合には、現在の目標負荷を維持する。そして、時刻ｔ６において、例えば、オペレータにより、今回の異常原因が排除された旨の入力がされると、出力制御部１４２は、今回発生した異常が再発しないと判定し、目標負荷を要求負荷に応じた値（例えば、定格負荷）に設定し、定格負荷に向けて所定の負荷変化率で目標負荷を上昇させる。そして、時刻ｔ７において目標負荷が要求負荷に到達すると、この要求負荷が変化するまで、その状態を維持する。

なお、上記例において、所定期間（例えば、時刻ｔ２〜ｔ３の期間、時刻ｔ４〜ｔ５の期間）は、必ずしも毎回同じ期間でなくてもよい。例えば、目標負荷に応じて所定期間を変化させてもよい。
また、同じ目標負荷において、異常解消判定部１４３による異常解消の判定を所定期間中に複数回に渡って実施することとしてもよい。これにより、異常が解消されたか否かの判定結果の信頼性を向上させることができる。

以上、説明してきたように、本実施形態に係る燃料電池の制御装置、燃料電池の保護制御方法、及び発電システムによれば、負荷を増減させることにより解消する可能性のある特定の異常が発生した場合に、発生した特定の異常の要因に応じて、負荷を上昇または低下させる。そして、この負荷の増減によって異常が解消された場合には、異常が解消されたときの負荷で運転を継続して行う。このため、異常の要因によらずに異常発生の場合に運転を停止させていた従来の発電システムに比べて、運転停止をする時間を短縮して、発電電力量を増加させることが可能となる。

また、本実施形態によれば、負荷を低下または上昇させる場合において、特定の異常の要因に応じた負荷低下または負荷上昇の制御を行う。例えば、特定の異常が解消されるまで、または、目標負荷が所定の保護上限値または所定の保護下限値に達するまで、目標負荷を段階的に上昇または低下させる。このように、異常が解消されたか否かを判断しながら、負荷を段階的に徐々に低下または上昇させることで、異常が解消される負荷付近で運転を維持することができ、目標負荷を保護下限値まで一度に低下させて異常が解消されたか否かを判定する場合に比べて、発電出力を低減する時間を短縮して、出力可能な電力を増加させることが可能となる。

また、発生している異常の要因によっては、異常が解消されるか否かを確認しながら徐々に目標負荷を下げても結果が変わらないものも存在する。このような場合には、目標負荷を保護下限値まで一度に下げることにより、負荷を所定の保護下限値または保護上限値まで段階的に変化させる過程を省略することで時間的な無駄を省略することができ、負荷変化によって異常が解消可能か否かをより短い時間で確認することが可能となる。これにより、発電出力低減や運転停止をする時間を短縮して、発電電力量を増加させることができる。

更に、本実施形態によれば、特定の異常を引き起こしている原因が排除されることにより、特定の異常が排除されたときの負荷が維持されている状態において、その特定の異常が再発しないと判定された場合には、現在維持している負荷から所定の負荷（例えば、定格負荷）まで負荷を回復させるので、例えば、負荷がゼロとなり発電室温度が低下した状態から所定の負荷まで回復させる場合に比べて、負荷回復に要する時間を短縮することができ、発電出力をゼロもしくは低減する時間を短縮して、発電電力量を増加させることが可能となる。

〔第２実施形態〕
次に、上記構成を備える発電システム１０の制御装置６０によって実行される保護制御の第２実施形態について説明する。第２実施形態においては、第１実施形態と同様に、負荷を増減させることにより解消する可能性のある特定の異常が発生した場合に、発生した特定の異常の要因に応じて、負荷を上昇または低下させ、この負荷の増減によって異常が解消された場合には、異常が解消されたときの負荷で運転を継続して行うが、異常原因を特定する部分（第１実施形態でのステップＳＡ９以降）が主に異なる。なお、上述した第１実施形態に係る制御装置６０と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略し、異なる点について主に説明する。

図８は、本発明の第２実施形態に係る制御装置６０’の機能ブロック図である。図８に示すように、制御装置６０’は、上述した異常判定部１４１、出力制御部１４２、及び異常解消判定部１４３に加えて、異常原因特定部１４４を備えている。異常原因特定部１４４は、異常判定部１４１によって特定の異常が発生したと判定された場合に、発生した異常を引き起こしている原因を特定する。
異常原因特定部１４４は、図９に示すように、記憶部１５１、抽出部１５２、原因特定部１５３、原因排除部１５４、表示部１５５を備えている。

記憶部１５１には、特定の異常に関する情報と該特定の異常の原因とを関連付けた原因特定情報が格納されている。特定の異常に関する情報とは、例えば、異常判定部１４１によって用いられる異常判定情報の条件（１）〜（９）や、異常が発生した前後所定期間における計測データ等が一例として挙げられる。
特定の異常の原因としては、例えば、センサ故障、断線、配管損傷、再循環ブロワ５０や制御弁４７等の補機故障等が挙げられる。

この原因特定情報は、例えば、過去の経験に基づいて作成された情報であり、例えば、過去において、特定の異常が発生し、更に、その特定の異常を引き起こした原因を解明したときに、その特定の異常に関する情報と解明した原因とを関連付けることで作成される。
例えば、特定の異常が発生し、かつ、その異常を引き起こしている原因が解明される度に、原因特定情報を作成して記憶部に蓄積して、データベースとすることで、同じような異常が発生した場合には、過去の履歴を参照することにより、容易に原因を特定することが可能となる。

抽出部１５２は、異常判定部１４１によって特定の異常が発生したと判定された場合に、発生した特定の異常に該当する原因特定情報を記憶部１５１から抽出する。
原因特定部１５３は、抽出部１５２によって抽出された原因特定情報を用いて、特定の異常を引き起こした原因を特定する。

原因排除部１５４は、原因特定部１５３によって特定された原因が排除可能な場合に、その原因を排除する。例えば、センサ故障や断線に関する原因の場合には、ソフトウェア的に処理を行うことで原因の排除が可能であり、例えば、故障または断線しているセンサによって計測された計測データを設計値やシミュレーションによる値などに置き換える処理を行うことで、原因を排除することができる。
一方、再循環ブロワの故障や制御弁の故障等のように、ソフトウェア的にその故障要因を排除できない原因の場合には、原因排除部１５４による原因排除は行われない。

表示部１５５は、原因特定部１５３によって特定された原因を表示することで、オペレータに対して今回の異常の原因を通知する。

次に、本実施形態に係る発電システムの保護制御、主に、原因特定について図１０を参照して説明する。以下に説明する原因特定は、例えば、図６に示したフローチャートのステップＳＡ８において、異常が解消したときの負荷を維持する制御が行われているときに実行される処理である。

まず、発生した異常に関連する情報をキーとして記憶部１５１内の原因特定情報を検索し、該当する原因特定情報を記憶部１５１から抽出する（ステップＳＢ１）。なお、該当する原因特定情報が記憶部１５１にない場合には、その旨を表示部１５５に表示させてオペレータに通知する等の対応を取ることが可能である。
次に、抽出した原因特定情報に記述されている原因を参照することにより、今回の異常の原因を特定する（ステップＳＢ２）。
次に、特定した異常が自動排除可能か否かを判定し（ステップＳＢ３）、ソフトウェア的な処理によって原因を排除できる場合には、自動排除可能と判断して（ステップＳＢ３において「ＹＥＳ」）、異常を排除する処理を実行する（ステップＳＢ４）。例えば、センサ故障、断線等に関連するものであれば、故障したセンサによって計測された計測値を設計値やシミュレーションによる値などに置き換える処理や、故障したセンサの計測値を無効とする処理等を行うことにより、原因を排除する。
このようにして、異常が排除された場合には、負荷を要求負荷に応じて上昇または下降させることにより、負荷を回復させる（ステップＳＢ５）。

一方、ステップＳＢ３において、特定した異常が自動排除可能でないと判定した場合（ステップＳＢ３において「ＮＯ」）、例えば、再循環ブロワ５０や各種制御弁の機械的な故障である場合には、自動排除は不可能であると判定される。この場合は、異常の原因を表示部１５５に表示し、オペレータに通知する（ステップＳＢ６）。
オペレータは表示部１５５に表示された異常の原因を確認し、手動で原因を排除できるものであれば、オペレータが手動で対応措置を行うことにより、原因を排除する（ステップＳＢ７）。原因が排除された場合には、上記ステップＳＢ５と同様に、負荷を回復させる。また、表示された異常の原因が手動でも排除できないような場合には、その異常の重要度に応じて、運転を現在の負荷で維持するのか、あるいは、運転を停止するのかがオペレータによって決定されることとなる。なお、オペレータが決定せずに時間が経過した場合でも、発電システム１０から取り込まれた別の計測データにより異常の有無を感知しているので、別の事象の異常が発生した場合には発電システム１０が故障に至る前に運転停止の措置が行われて、安全に停止する。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池の制御装置及び燃料電池の保護制御方法並びに発電システムによれば、特定の異常に関する情報と特定の異常の原因とを関連付けた原因特定情報を予め記憶部１５１に蓄積しておき、特定の異常が発生した場合には、その特定の異常に関する情報をキーとして記憶部１５１を検索し、該当する異常特定情報を抽出し、抽出した原因特定情報を用いて異常の原因を特定するので、異常の原因解明と措置までに要する時間を短縮することができるとともに、原因解明に費やす労力を軽減することができる。

また、異常の原因がソフトウェア的な措置を講じることにより排除できる原因であった場合には、原因排除部１５４によって原因が自動的に排除される。これにより、異常が検知された場合でも、その異常の原因を自動的に排除して、自動的に負荷を復旧させることが可能となり、発電出力を低減する時間を短縮して、発電電力量を増加させることが可能となる。

また、異常の原因が特定された場合には、その原因が表示部１５５に表示されるので、オペレータも異常の原因を確認することができる。これにより、オペレータ自らが異常の解明を行う必要がなく、発生した異常に対して適切な措置を講じることが可能となり、発電出力低減や運転停止をする時間を短縮して、発電電力量を増加させることが可能となる。

１０ ：発電システム
１１ ：ＭＧＴ（マイクロガスタービン）
１２ ：発電機
１３ ：ＳＯＦＣ（燃料電池）
１３Ａ ：燃料極
１３Ｂ ：空気極
６０、６０’ ：制御装置
１０５ ：燃料電池セル
１１１ ：固体電解質
１４１ ：異常判定部
１４２ ：出力制御部
１４３ ：異常解消判定部
１４４ ：異常原因特定部
１５１ ：記憶部
１５２ ：抽出部
１５３ ：原因特定部
１５４ ：原因排除部
１５５ ：表示部
２１５ ：発電室

Claims (14)

1. 燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池の制御装置であって、
   前記制御装置に取り込まれた前記燃料電池に係る複数の計測データに基づいて、前記燃料電池の負荷を増減させることにより解消する可能性のある特定の異常が発生したか否かを判定する異常判定部と、
   前記異常判定部によって、前記特定の異常が発生したと判定された場合に、発生した前記特定の異常の要因に応じて、前記燃料電池の負荷を低下または上昇させる出力制御部と、
   前記燃料電池の負荷を低下または上昇させたことにより、前記特定の異常が解消されたか否かを判定する異常解消判定部と
   を具備する燃料電池の制御装置。
2. 前記特定の異常は、前記発電室の温度の上昇または低下に関する異常である請求項１に記載の燃料電池の制御装置。
3. 前記出力制御部は、前記異常解消判定部によって前記特定の異常が解消されたと判定された場合に、前記特定の異常が解消されたときの前記燃料電池の負荷を維持する制御を行う請求項１または請求項２に記載の燃料電池の制御装置。
4. 前記異常解消判定部は、前記出力制御部によって前記燃料電池の負荷が低下または上昇させられ、低下または上昇後の前記燃料電池の負荷が予め設定された所定期間保持された後に、前記特定の異常が解消されたか否かを判定する請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
5. 前記出力制御部は、目標負荷を所定の保護下限値または所定の保護上限値を限度として、前記異常解消判定部によって前記特定の異常が解消されたと判定されるまで、前記目標負荷を所定量ずつ段階的に低下または上昇させる請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
6. 前記出力制御部は、目標負荷を所定の保護下限値または所定の保護上限値まで低下または上昇させ、
   前記異常解消判定部は、前記目標負荷が前記保護下限値または前記保護上限値に到達し前記所定期間を保持した後に、前記特定の異常が解消されたか否かを判定する請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
7. 前記保護下限値は、改質用水の供給が必要とされる前記燃料電池の負荷よりも大きな値に設定されている請求項５または請求項６に記載の燃料電池の制御装置。
8. 前記出力制御部は、前記特定の異常が解消され、かつ、前記特定の異常が再発しないと判定した場合に、前記燃料電池の負荷を要求負荷まで回復させる制御を行う請求項１から請求項７のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
9. 前記特定の異常に関する情報と該特定の異常の原因とを関連付けた原因特定情報を記憶する記憶部と、
   前記異常判定部によって前記特定の異常が発生したと判定された場合に、発生した前記特定の異常に該当する前記原因特定情報を前記記憶部から抽出する抽出部と、
   前記抽出部によって抽出された前記原因特定情報を用いて、前記特定の異常を引き起こした原因を特定する原因特定部と
   を具備する請求項１から請求項８のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
10. 前記原因特定部によって特定された前記原因を表示する表示部を備える請求項９に記載の燃料電池の制御装置。
11. 前記原因特定部によって特定された前記原因を排除する原因排除部を備える請求項９または請求項１０に記載の燃料電池の制御装置。
12. マイクロガスタービンと、
    燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池と、
    請求項１から請求項１１のいずれかに記載の燃料電池の制御装置と
    を具備する発電システム。
13. 燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える複数の燃料電池セルが配置された発電室を備える燃料電池の保護制御方法であって、
    前記燃料電池に係る複数の計測データに基づいて、前記燃料電池の負荷を増減させることにより解消する可能性のある特定の異常が発生したか否かを判定する工程と、
    前記特定の異常が発生したと判定した場合に、発生した前記特定の異常の要因に応じて、前記燃料電池の負荷を上昇または低下させる工程と、
    前記燃料電池の負荷を上昇または低下させたことにより、前記特定の異常が解消されたか否かを判定する工程と
    を含む燃料電池の保護制御方法。
14. 前記特定の異常が解消されたと判定された場合に、前記特定の異常が解消されたときの前記燃料電池の負荷を維持する工程をさらに備える請求項１３に記載の燃料電池の保護制御方法。
    

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