JP2021128876A - 発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＯＦＣの出力増加を図ることを目的とする。【解決手段】発電システムは、燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備えるＳＯＦＣと、ＳＯＦＣに燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、ＳＯＦＣから排出される排燃料ガスを燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、ＳＯＦＣに酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインとを備える。発電システムの制御装置３８０は、ＳＯＦＣの出力状態に相関を有するパラメータが最適値を取るように排燃料ガスの再循環量を制御する再循環量制御部３０と、ＳＯＦＣの温度情報に基づいて、酸化性ガスの供給量を制御する酸化性ガス量制御部４０とを具備する。【選択図】図５

Description

本開示は、発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラムに関するものである。

燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池は、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）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、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、及び炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガス等のガスなどを燃料ガスとして供給して、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気で反応させて発電を行っている。

ＳＯＦＣにおいて、酸化性ガスと燃料ガスとの反応による発電量は温度依存特性を有しているため、発電量は温度低下に従って低下する。したがって、ＳＯＦＣにおける温度制御は、重要な制御ポイントの一つとなる。

例えば、特許文献１には、発電部における燃料ガス流れ方向の温度分布状態を適切な範囲に制御する温度分布制御システムが開示されている。

国際公開第２０１９／１６３４２１号

一般的に、ＳＯＦＣは、長尺構造のセルスタックを多数本束ねたカートリッジの単位で利用される。近年、セルスタックの出力は高出力化しており、このため、各セルスタックに供給する燃料流量を増加させる必要がある。

一般的に、セルスタックの長軸方向における温度分布は、図１１に示すように中央部付近の温度が最も高くなり、端部に向かうほど温度が低くなる弓型の温度分布となる。このような温度分布において、各セルスタックに供給する燃料流量が増加すると、燃料ガスの供給口付近の温度（図１１における上部の温度）が低下し、各セルスタックの抵抗のばらつきが大きくなる。この結果、図１２及び図１３に示すように、多数のセルスタックの集合体であるＳＯＦＣカートリッジにおいて、各セルスタックに流れる電流値にばらつきが生じ、これにより、図１４に示すように、セルスタック間で温度分布のばらつきが生じる。ここで、図１２は、ＳＯＦＣカートリッジをセルスタックの任意の高さ位置で長手方向に直交する方向に切ったときの断面図の一例を示した図であり、図１３は図１２に示したＳＯＦＣカートリッジの断面の長手方向における電流分布の一例を示した図、図１４は図１２に示したＳＯＦＣカートリッジの断面の長手方向における温度分布の一例を示した図である。

このようなセルスタック間の電流分布のばらつきや温度分布のばらつきは、ＳＯＦＣの出力低下を引き起こす原因となる。また、温度分布が拡大するとセルスタックの温度を許容値内に収めるために、電流値を下げて出力を更に制限する必要がある。

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ＳＯＦＣの出力増加を図ることのできる発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラムを提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る発電システムの制御装置は、燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、前記燃料電池に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインとを備える発電システムの制御装置であって、前記燃料電池の出力状態に相関を有するパラメータが最適値を取るように制御されるときに、前記パラメータが最適値を取るように前記排燃料ガスの再循環量を制御する再循環量制御部と、前記燃料電池の温度情報に基づいて、前記酸化性ガスの供給量を制御する酸化性ガス量制御部とを具備する。

本開示の一態様に係る発電システムは、燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、前記燃料電池に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインと、上記一態様に係る制御装置とを備える。

本開示の一態様に係る発電システムの制御方法は、燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、前記燃料電池に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインとを備える発電システムの制御方法であって、前記燃料電池の出力状態に相関を有するパラメータが最適値を取るように制御されるときに、前記パラメータが最適値を取るように前記排燃料ガスの再循環量を制御する工程と、前記燃料電池の温度情報に基づいて、前記酸化性ガスの供給量を制御する工程とを有する。

本開示の一態様に係る発電システムの制御プログラムは、コンピュータを上記一態様としての制御装置として機能させるためのプログラムである。

本開示によれば、ＳＯＦＣの出力増加を図ることができるという効果を奏する。

本開示の第１実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。 本開示の第１実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。 本開示の第１実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの縦断面の一態様を示すものである。 本開示の一実施形態に係る発電システムの一態様を示すものである。 本開示の第１実施形態に係る発電システムの制御装置が備える機能の一例を示した機能ブロック図である。 本開示の第１実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジにおいて、面内温度分布を取得するために設けられた複数の温度計測部についての配置例を示した図である。 本開示の第１実施形態に係る負荷上昇モードにおいて用いられる最大出力を得るための電流値と再循環量との関係を示した情報の一例を示した図である。 本開示の第１実施形態に係る負荷上昇モードにおける制御方法の手順の一例を示した図である。 本開示の第２実施形態に係る負荷上昇モードにおける制御方法の手順の一例を示した図である。 本開示の第３実施形態に係る負荷上昇モードにおける制御方法の手順の一例を示した図である。 セルスタックの長手方向における温度分布の一例を示した図である。 ＳＯＦＣカートリッジをセルスタックの任意の高さ位置で長手方向に直交する方向に切ったときの断面図の一例を示した図である。 図１２に示したＳＯＦＣカートリッジの断面の長手方向における電流分布の一例を示した図である。 図１２に示したＳＯＦＣカートリッジの断面の長手方向における温度分布の一例を示した図である。

〔第１実施形態〕
以下に、本開示の第１実施形態に係る発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラムについて、図面を参照して説明する。

以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。また、以下においては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルスタックとして円筒形（筒状）を例として説明するが、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。基体上に燃料電池セルを形成するが、基体ではなく電極（燃料極もしくは空気極）が厚く形成されて、基体を兼用したものでも良い。

まず、図１を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。基体管を用いない場合は、例えば燃料極を厚く形成して基体管を兼用してもよく、基体管の使用に限定されることはない。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒（Ｆｌａｔ ｔｕｂｕｌａｒ）等のセルスタックでもよい。ここで、図１は、実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック１０１は、一例として円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル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１０９と固体電解質膜１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル１０５の燃料極１０９に電気的に接続されたリード膜１１５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１０９に拡散させるものである。

燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。燃料極１０９の厚さは５０μｍ〜２５０μｍであり、燃料極１０９はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質膜１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ^２−）とを固体電解質膜１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）を生成するものである。なお、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。

固体電解質膜１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質膜１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ^２−）を燃料極に移動させるものである。燃料極１０９の表面上に位置する固体電解質膜１１１の膜厚は１０μｍ〜１００μｍであり固体電解質膜１１１はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３系酸化物で構成され、空気極１１３はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。この空気極１１３は、固体電解質膜１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ^２−）を生成するものである。
空気極１１３は２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜１１１側の空気極層（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。
酸化性ガスとは，酸素を略１５％〜３０％含むガス であり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。

インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ_１−ｘＬ_ｘＴｉＯ_３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ１０７は、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９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ものである。

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やＳｒＴｉＯ_３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ_３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により直列に接続される複数の燃料電池セル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ものである。

次に、図２と図３と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。ここで、図２は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。また、図３は、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の縦断面図を示すものである。

ＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）２０１は、図２に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ（燃料電池カートリッジ）２０３と、これら複数の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２には円筒形のセルスタック１０１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。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａ及び燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを備える。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）及び酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを備える。

燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数の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ものである。

燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。

圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約３ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤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。

ここで、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することもできる。

ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図３に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給ヘッダ２１７と、燃料ガス排出ヘッダ２１９と、酸化性ガス（空気）供給ヘッダ２２１と、酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを備える。また、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、燃料ガス供給ヘッダ２１７と燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とが図３のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック１０１の内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタック１０１の長手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。この発電室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、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。

燃料ガス供給ヘッダ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。また、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、燃料ガス供給ヘッダ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ものである。

燃料ガス排出ヘッダ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に備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、図示しない燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、燃料ガス排出ヘッダ２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出ヘッダ２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。

ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ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酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。

酸化性ガス排出ヘッダ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酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。

上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材２３７ａ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給ヘッダ２１７と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを隔離するものである。

上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを備える。

この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に導くものである。

本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。これにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。

下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材２３７ｂ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを隔離するものである。

下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを備える。

この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給ヘッダ２２１に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。

本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出ヘッダ２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。

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に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、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。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された直流電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先（例えば、負荷設備や電力系統）へと供給される。

次に、本開示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４は、本実施形態に係る発電システム３１０の概略構成を示した概略構成図である。図４に示すように、発電システム３１０は、ＳＯＦＣ３１３、熱交換器３３０、排熱回収装置３３８、起動用燃焼器３５１等を備えている。

ＳＯＦＣ３１３は、還元剤としての燃料ガスＬ１と、酸化剤としての空気Ａと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。燃料ガスＬ１は可燃性ガスであり、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を気化させたガスあるいは天然ガス、都市ガス、水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ_４）等の炭化水素ガス、及び炭素質原料（石油や石炭等）のガス化設備により製造されたガス等が用いられる。燃料ガスとは、予め発熱量が略一定に調整された燃料ガスを意味する。

ＳＯＦＣ３１３は、例えば、図２に示したＳＯＦＣモジュール２０１から構成され、ＳＯＦＣモジュール２０１の圧力容器内には、図２に示したように、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が収容されている。ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、複数のセルスタック１０１の集合体を有しており、セルスタック１０１は、燃料極１０９と空気極１１３と固体電解質膜１１１を備えている。
ＳＯＦＣ３１３は、空気極１１３に空気Ａが供給され、燃料極１０９に燃料ガスＬ１が供給されることで発電して、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の交流電力へと変換される。
本実施形態では、ＳＯＦＣ３１３に供給される酸化性ガスとして、空気Ａを採用する場合を例示して説明する。

空気Ａは、酸化性ガス供給ライン３３１を通じて、酸化性ガスとしてＳＯＦＣ３１３の図示しない酸化性ガス導入部に供給される。酸化性ガス供給ライン３３１には、供給する空気Ａの流量を調整するためのブロワ（流量調整部）３３５と、熱交換器３３０とが設けられている。熱交換器３３０は、空気ＡとＳＯＦＣ３１３から排出された排空気Ａ３との間で熱交換を行う。これにより、空気Ａは、空気供給ブロワ３３５によって流量が調整され、排空気Ａ３との熱交換で昇温された後に、酸化性ガス供給ライン３３１を通じてＳＯＦＣ３１３に供給される。
排空気Ａ３は、熱交換器３３０において、空気Ａとの熱交換で冷却された後に、排熱回収装置３３８を通じて外部に放出される。

酸化性ガス供給ライン３３１には、熱交換器３３０をバイパスするバイパスライン３３２が設けられている。バイパスライン３３２には、制御弁（流量調整部）３３６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。空気供給ブロワ３３５及び制御弁３３６の開度が後述する制御装置３８０によって適切に制御されることで、熱交換器３３０を通過する空気Ａと熱交換器３３０をバイパスする空気Ａとの流量割合が調整され、酸化性ガス供給ライン３３１を通じてＳＯＦＣ３１３に供給される空気Ａの温度が調整される。ＳＯＦＣ３１３に供給される空気Ａの温度は、ＳＯＦＣ３１３を構成する図示しないＳＯＦＣモジュール内部の各構成機器の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、酸化性ガス供給ライン３３１には、酸化性ガス供給ライン３３１から分岐して、起動用燃焼器３５１によって昇温された空気Ａを再び酸化性ガス供給ライン３３１に戻すための酸化性ガス分岐ライン３５０が接続されている。
酸化性ガス分岐ライン３５０には、制御弁３５２が設けられている。また、酸化性ガス供給ライン３３１において、酸化性ガス分岐ライン３５０との合流点よりも空気流れ上流側には、制御弁３５３が設けられている。これらの制御弁３５２，３５３の開閉は後述する制御装置３８０によって制御される。

ＳＯＦＣ３１３には、燃料ガスＬ１を燃料極１０９の図示しない燃料ガス導入部に供給する燃料ガス供給ライン３４１と、燃料極１０９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３４３とが接続されている。
燃料ガス供給ライン３４１には、燃料極１０９に供給する燃料ガスＬ１の流量を調整するための制御弁（図示略）が設けられている。

燃料ガス供給ライン３４１には、排燃料ガスＬ３をＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９の燃料ガス導入部へと再循環させるための再循環ライン３４９が接続されている。再循環ライン３４９には、排燃料ガスＬ３の再循環量を調整するための再循環ブロワ（循環量調整部）３４８が設けられている。
排燃料ガスライン３４３には、系統外へ排出する排燃料ガス量を調整するための制御弁３４６が設けられている。

更に、排燃料ガスライン３４３には、排燃料ガスＬ３の一部を酸化性ガス供給ライン３３１に供給するための空気極燃料供給ライン３７１が接続されている。空気極燃料供給ライン３７１には、酸化性ガス供給ライン３３１に供給する排燃料ガス量を調整するための制御弁３４７が設けられている。この制御弁の弁開度が後述する制御装置３８０によって制御されることにより、空気Ａに添加される排燃料ガスＬ３の供給量が調整される。空気Ａに添加される排燃料ガスＬ３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。

ＳＯＦＣ３１３には、空気極１１３で用いられた排空気Ａ３を排出する排酸化性ガス排出ライン３３３が接続されている。この排酸化性ガス排出ライン３３３には、熱交換器３３０に排空気Ａ３を供給するための排酸化性ガス供給ライン３３４が接続されている。また、排酸化性ガス排出ライン３３３には、排空気Ａ３を系統外へ排出する排酸化性ガス量を調整するための制御弁（もしくは遮断弁）３３７が設けられている。

排燃料ガスライン３４３の制御弁３４６と、排酸化性ガス排出ライン３３３の制御弁３３７を制御することにより、排燃料ガスＬ３もしくは排空気Ａ３を系外に排出することで過剰になった圧力を素早く調整することができる。

燃料ガス中の炭素に対する水蒸気のモル比率をＳ／Ｃ（スチームカーボン比）という。ＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９側の系統入口付近において、Ｓ／Ｃは燃料の内部改質を行うためには量論的に１．０以上が必要で、更に図示しないセルスタックの付近にてＳ／Ｃが低くなる領域があると炭素が析出する恐れがある。本実施形態に係る発電システム３１０のように、空気Ａを圧縮せずにＳＯＦＣ３１３に供給する常圧式発電システムでは、特許文献１に開示されるように、空気Ａを圧縮機によって圧縮してＳＯＦＣ３１３に供給する加圧式発電システムに比べて、Ｓ／Ｃの下限値を低く設定することができる。具体的には、加圧式発電システムの場合は、Ｓ／Ｃの値が３．０〜５．０、好ましくは３．５〜５．０となるよう設定されているのに対し、常圧式発電システムでは、Ｓ／Ｃの値をより低く設定することができ、例えば、２．０〜５．０となるよう設定される。

制御装置３８０は、例えば、発電システム３１０に設けられた圧力計、温度計測部、及び流量計などの計測値等に基づき、各遮断弁及び各流量調整弁の制御を行う。具体的には、制御装置３８０は、発電システム３１０の起動及び停止の制御、及びＳＯＦＣ３１３の運転状態の最適化制御を行う。

制御装置３８０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、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、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。

図５は、制御装置３８０が備える機能の一例を示した機能ブロック図である。図５に示されるように、制御装置３８０は、情報取得部２０と、再循環量制御部３０と、酸化性ガス量制御部４０とを備えている。
情報取得部２０は、例えば、発電システム３１０に設けられた圧力計、温度計測部、流量計、電圧計、電流計などの計器類からそれらによって計測された計測値等を取得する。

例えば、図３に示すように、ＳＯＦＣモジュール２０１に収容される各ＳＯＦＣカートリッジ２０３には、セルスタック１０１の長手方向中央領域にセルスタック１０１の温度を計測するための少なくとも１つの温度計測部１１が設けられている。温度計測部１１の一例として、温度センサ、熱電対等が挙げられる。例えば、セルスタック１０１は、図１１に示すような弓形状の温度分布を有する。本実施形態において、温度計測部１１は、セルスタック１０１の長手方向における温度分布のうち、最も温度が高くなる領域に設けられている。情報取得部２０は、温度計測部１１によって計測された温度計測値Ｔ１を取得し、取得した温度計測値Ｔ１を酸化性ガス量制御部４０に出力する。

更に、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３には、図６に示すように、ＳＯＦＣカートリッジ２０３をセルスタック１０１の長手方向に直交する平面で切ったときの面内の温度のばらつきに関する情報を取得するために、複数の温度計測部１２が設けられている。温度計測部１２は、例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３において、セルスタック１０１の上部領域であって、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の長手方向に沿って、間隔を置いて複数設けられている。なお、複数の温度計測部１２は、面内の中央部において、長手方向に沿って間隔をおいて設けられていてもよい。

また、セルスタック１０１の長手方向における温度計測部の設置位置は、複数の温度計測部１２においてほぼ同じ高さ位置に設けられていればよい。すなわち、図１１に示したように、セルスタック１０１は、長手方向において弓形状の温度分布を有する。このため、複数の温度計測部１２は、セルスタック１０１においてほぼ同じ温度特性を有する位置（例えば、上方領域、中央領域、下方領域）に設けられる。情報取得部２０は、温度計測部１２によって計測された温度計測値Ｔ２を取得し、取得した温度計測値Ｔ２を再循環量制御部３０に出力する。

また、ＳＯＦＣ３１３には、電流値及び電圧値を計測するための図示しない電流計及び電圧計が設けられている。情報取得部２０は、電流計によって計測された電流計測値及び電圧計によって計測された電圧計測値を取得し、取得したこれらの情報を再循環量制御部３０に出力する。

再循環量制御部３０は、情報取得部２０によって取得された上記各パラメータに基づいて、ＳＯＦＣ３１３の出力状態に相関を有するパラメータが最適値を取るように、燃料ガス供給ライン３４１に再循環される排燃料ガスＬ３の再循環量を制御する。本実施形態において、ＳＯＦＣ３１３の出力状態に相関を有するパラメータは、ＳＯＦＣの出力、より具体的には、電圧値である。

再循環量制御部３０は、最大出力を得るための電流値と再循環量との関係を示した情報から、情報取得部２０によって取得されたＳＯＦＣの電流値に応じた再循環量を取得し、取得した再循環量に基づいて排燃料ガスＬ３の再循環量を制御する。排燃料ガスＬ３の再循環量は、例えば、再循環ブロワ３４８の回転数を制御することにより制御される。

最大出力を得るための電流値と再循環量との関係を示した情報とは、事前に任意のＳＯＦＣカートリッジ２０３を用いた試験を行い、この試験によって得られた電流値と再循環量との関係を表したテーブルや関数である。事前に行う試験では、任意のＳＯＦＣカートリッジ２０３に対して電流値を所定量ずつ増加させ、各電流値において再循環量を所定の循環量範囲（例えば、Ｓ／Ｃ＝２．０〜５．０の範囲）において動的に変化させる。そして、各電流値において最大出力を得たときの再循環量を記録し、電流と記録した再循環量とを関係づけることで、作成された情報である。この情報は、制御装置３８０内の所定の記憶領域に保存されてもよいし、ネットワーク等で接続されるサーバや端末上に設けられていてもよい。

図７に最大出力を得るための電流値と再循環量との関係を示した情報の一例を示す。再循環量が少なくなると、燃料極１０９に供給される全体としての燃料ガス量が減少するため、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の面内における温度分布のばらつきを改善する方向に作用する。これにより、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の出力は増加する。しかしながら、再循環量を絞りすぎてしまうと、セルスタック１０１において、空気供給側で空気Ａを加熱するための燃料ガスの熱エネルギーが減少するため、セルスタック１０１の空気供給口近傍領域における温度が低下してしまう。

このような、空気供給口近傍領域における温度低下は、出力を低下させるため、再循環量に下限値を設け、それ以上再循環量が低下しないように制御する。この下限値は、セルスタック１０１の空気供給口近傍における温度がＳＯＦＣ３１３の出力低下を引き起こさない温度範囲となるように設定される。また、このような温度制限値を設けていることから、図７に示す電流と再循環量の関係は、単調減少とはならない。

また、再循環量を下げると、Ｓ／Ｃも下がることから、Ｓ／Ｃが所定の下限値未満とならないように、温度とＳ／Ｃの両方の観点から再循環量の下限値を決定するとよい。
なお、本実施形態では、電流値と再循環量とを関連付けているが、再循環量に代えて、Ｓ／Ｃや循環比と電流値とを関連付けた情報を用いることとしてもよい。

酸化性ガス量制御部４０は、ＳＯＦＣ３１３の温度情報に基づいて、空気（酸化性ガス）Ａの供給量を制御する。例えば、酸化性ガス量制御部４０は、情報取得部２０によって取得された温度計測値Ｔ１、換言すると、セルスタック１０１の中央領域における温度に基づいて空気Ａの供給量を制御する。酸化性ガス量制御部４０は、例えば、情報取得部２０によって取得された全ての温度計測値Ｔ１の中から最大値Ｔ１ｍａｘを特定し、特定した最大値Ｔ１ｍａｘが許容最大値（例えば、９３０℃）以下となるように、空気Ａの供給量を制御する。なお、後述する第２実施形態で述べるように、酸化性ガス量制御部４０は、この最大値Ｔ１ｍａｘが所定の設定値（例えば、９３０℃）と一致するように、空気Ａの供給量を制御してもよい。

ＳＯＦＣ３１３に供給される空気Ａの供給量は、例えば、空気供給ブロワ３３５の回転数を制御することにより制御される。
なお、本実施形態では、ＳＯＦＣ３１３全体として空気Ａの流量を調整する場合について説明するが、この例に限定されず、例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３毎に空気Ａの供給量を制御可能な構成としてもよい。このように構成することで、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の個々の特性に合わせて細やかな制御が可能となり、ＳＯＦＣ３１３の出力を更に増加させることが可能となる。この場合には、ＳＯＦＣカートリッジ毎に温度計測部１１によって計測された温度計測値Ｔ１の最大値Ｔｍａｘを取得し、この最大値Ｔｍａｘが許容最大値以下となるように各ＳＯＦＣカートリッジ２０３に供給する空気量を調整する。

次に、制御装置３８０によるＳＯＦＣ３１３の起動時における制御方法について説明する。制御装置３８０は、ＳＯＦＣ３１３の起動にあたり、昇温モード及び負荷上昇モードを順に実行し、セルスタック１０１の周囲の温度である発電室温度を定格温度まで上昇させるとともに、目標負荷まで負荷を上昇させる。

昇温モードでは、制御弁３５２が開状態、制御弁３５３が閉状態とされる。これにより、空気供給ブロワ３３５によって送出される空気Ａは酸化性ガス分岐ライン３５０に供給される。空気Ａは、起動用燃焼器３５１により加熱され、加熱された空気Ａが酸化性ガス供給ライン３３１を通じてＳＯＦＣ３１３の空気極１１３に供給される。これにより、空気極１１３をはじめとする発電室が昇温させられる。昇温モードにより、発電室温度（例えば、温度計測部１１の温度計測値）が所定の温度閾値に到達すると、制御装置３８０は、昇温モードから負荷上昇モードに切り替える。ここで、所定の温度閾値は、例えば、７５０℃以上に設定されている。これは、燃料極１０９が十分な温度に達していないときに燃料極１０９側に燃料ガスＬ１を投入してしまうと、固体電解質膜１１１が高抵抗状態のままでＳＯＦＣ３１３を発電させることになり、電極構成材料が組織変化して劣化し、ＳＯＦＣ３１３の性能低下の要因になるからである。したがって、ＳＯＦＣ３１３の性能低下が起きにくいように、上記温度閾値は例えば、７５０℃付近に設定されることが好ましい。

負荷上昇モードでは、昇温モードと同様に空気Ａが空気極１１３に供給されるとともに、目標負荷に応じた流量の燃料ガスＬ１が燃料ガス供給ライン３４１を通じてＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９に供給される。これにより、ＳＯＦＣ３１３の発電が開始される。また、ＳＯＦＣ３１３から排燃料ガスライン３４３を通じて排出された排燃料ガスＬ３の一部は、再循環ライン３４９を通じて燃料ガス供給ライン３４１に再循環される。

以下、本実施形態に係る負荷上昇モードにおける制御方法について図８を参照して説明する。図８は、本実施形態に係る負荷上昇モードにおける制御方法の手順の一例を示した図である。

まず、制御装置３８０は、電流値を所定量増加させる（ＳＡ１）。次に、制御装置３８０は、最大出力を得るための電流値と再循環量との関係を示した情報（例えば、図７参照）から、情報取得部２０によって得られた燃料電池の電流値に応じた再循環量を取得し、取得した再循環量に基づいて再循環ブロワ３４８の回転数を制御し、排燃料ガスＬ３の再循環量を制御する（ＳＡ２）。

次に、電流値に応じて予め設定されている空気供給量に従って、ＳＯＦＣ３１３の空気極１１３に供給する空気Ａの流量を制御する（ＳＡ３）。続いて、温度計測部１１によって計測された温度計測値Ｔ１の最大値Ｔ１ｍａｘを特定し、最大値Ｔ１ｍａｘが許容最大値以下であるかを判定する（ＳＡ４）。この結果、最大値Ｔ１ｍａｘが許容最大値を超えている場合には（ＳＡ４：ＮＯ）、温度計測値Ｔ１の最大値Ｔ１ｍａｘが許容最大値以下となるように、空気供給ブロワ３３５の回転数を調整し、空気Ａの供給量を制御する（ＳＡ５）。ここで、許容最大値は、電流値に基づいてＳＯＦＣ３１３の運転状態に応じて変更してもよい。

一方、温度計測値Ｔ１の最大値Ｔ１ｍａｘが許容値以下である場合には（ＳＡ４：ＹＥＳ）、空気供給ブロワ３３５の回転数を変えることなく、ステップＳＡ６に移行する。ステップＳＡ６では、目標負荷に到達したか否かを判定する。この結果、目標負荷に到達していなかった場合、換言すると、電流値が所定の目標電流値に達していない場合には（ＳＡ６：ＮＯ）、ステップＳＡ１に戻り、上述した処理を繰り返し行う。
一方、目標負荷に到達している場合には（ＳＡ６：ＹＥＳ）、起動完了となり、当該処理を終了する。

以上説明した本実施形態に係る発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラムによれば、空気Ａを圧縮しないでＳＯＦＣ３１３に供給する常圧式発電システムを採用している。このような常圧式発電システムでは、圧縮機によって空気Ａを圧縮してＳＯＦＣ３１３に供給するような加圧式発電システムに比べて（例えば、特許文献１参照）、炭素の析出を抑制することができる。このことから、Ｓ／Ｃを加圧式発電システムに比べて低く設定することができ、この結果、再循環流量をより絞ることが可能となる。これにより、ＳＯＦＣ３１３に供給する全体としての燃料ガス量（燃料ガスＬ１と排燃料ガスＬ３の循環量を加算した量）を加圧式発電システムに比べて低下させることが可能となる。この結果、ＳＯＦＣカートリッジの面内における電流分布のばらつきを抑制することができ、ＳＯＦＣの出力増加を図ることが可能となる。

更に、再循環量制御部３０は、ＳＯＦＣの出力状態に相関を有するパラメータが最適値を取るように、より具体的には、ＳＯＦＣの電圧値が最大となるように排燃料ガスＬ３の再循環量を制御するので、ＳＯＦＣ３１３の出力増加を更に効果的に図ることが可能となる。また、酸化性ガス量制御部４０によってＳＯＦＣのセルスタック１０１における最高温度が抑制されるので、セルスタック１０１の温度制限によって負荷を低下させる必要もない。これにより、ＳＯＦＣの温度制約に起因する出力制限を緩和することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本開示の第２実施形態に係る発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラムについて、図面を用いて説明する。本実施形態に係る発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラムは、発電システムの負荷上昇モードにおける制御方法が上述した第１実施形態と異なる。以下、上述した第１実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
図９は、本実施形態に係る負荷上昇モードにおける制御方法の手順の一例を示した図である。

まず、制御装置３８０は、電流値を所定量増加させる（ＳＢ１）。次に、制御装置３８０は、再循環量を予め設定されている所定範囲（例えば、Ｓ／Ｃ＝２．０〜５．０の範囲）で動的に変化させ、最大出力を得るための再循環量を探索する（ＳＢ２）。そして、最大出力を得ることのできる再循環量を得ると、その再循環量を維持する。このように、上述した第１実施形態では、最大出力を得るための再循環量と電流との関係を事前に得ていたが、本実施形態では、負荷上昇モードの制御中に再循環量を動的に変化させて、最大出力が得られる再循環量を探索することとしている。これにより、電流と再循環量とが関連付けられた情報を事前に得ておく必要がなく、また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の個体差に応じて最適な再循環量を得ることが可能となる。

なお、第１実施形態と同様に、電流と再循環量とが関連付けられた情報を事前に得ている場合には、この情報を用いて再循環量を動的に変化させることとしてもよい。例えば、電流に対応する再循環量を関連情報から取得し、取得した再循環量を中心値として再循環量を動的に変化させ、最大出力が得られる再循環量を取得することとしてもよい。この場合、再循環量を変化させる範囲をある程度絞ることができるので、探索に要する時間を短くすることができる。

続いて、制御装置３８０は、温度計測部１１によって計測された温度計測値Ｔ１の最大値Ｔ１ｍａｘを特定し、特定した最大値Ｔ１ｍａｘが所定の設定値と一致しているか否かを判定する（ＳＢ３）。この結果、両者が一致していない場合には（ＳＢ３：ＮＯ）、温度計測値Ｔ１の最大値Ｔ１ｍａｘが設定値と一致するように、空気供給ブロワ３３５の回転数を調整し、空気Ａの供給量を制御し（ＳＢ４）、ステップＳＢ２に戻る。ここで、設定値の一例として、許容最大温度または許容最大温度に所定の裕度を与えた値が挙げられる。また、設定値は、電流値に基づいてＳＯＦＣ３１３の運転状態に応じて変更してもよい。

一方、温度計測値Ｔ１の最大値Ｔ１ｍａｘが設定値と一致している場合には（ＳＢ３：ＹＥＳ）、空気供給ブロワ３３５の回転数を変えることなく、ステップＳＢ５に移行する。ステップＳＢ５では、目標負荷に到達したか否かを判定する。この結果、目標負荷に到達していなかった場合、換言すると、電流値が所定の目標電流値に達していない場合には（ＳＢ５：ＮＯ）、ステップＳＢ１に戻り、上述した処理を繰り返し行う。
一方、目標負荷に到達している場合には（ＳＢ５：ＹＥＳ）、起動完了となり、当該処理を終了する。

以上説明した本実施形態に係る発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラムによれば、発電システム３１０の起動時における負荷上昇モードにおいて、電流値が変更される度に、再循環量を予め設定されている所定範囲（例えば、Ｓ／Ｃ＝２．０〜５．０の範囲）で動的に変化させ、最大出力を得るための再循環量を探索し、最大出力を得ることのできる再循環量を得ると、その再循環量を維持する。これにより、電流と再循環量とが関連付けられた情報を事前に得ておく必要がなく、また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の個体差に応じて最適な再循環量を得ることが可能となる。この結果、ＳＯＦＣの出力増加を図ることが可能となる。

〔第３実施形態〕
次に、本開示の第３実施形態に係る発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラムについて、図面を用いて説明する。本実施形態に係る発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラムは、発電システムの負荷上昇モードにおける制御方法が上述した各実施形態と異なる。以下、上述した第１実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
図１０は、本実施形態に係る負荷上昇モードにおける制御方法の手順の一例を示した図である。

まず、制御装置３８０は、電流値を所定量増加させる（ＳＣ１）。次に、制御装置３８０は、再循環量を予め設定されている所定範囲で動的に変化させ、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の面内温度分布が最小となる再循環量を探索する（ＳＣ２）。具体的には、制御装置３８０は、温度計測部１２によって計測される温度計測値Ｔ２のばらつきが最小となる再循環量を探索する。
そして、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の面内温度分布が最小となる再循環量を得ると、その再循環量を維持する。このように、上述した第２実施形態では、負荷上昇モードの制御中に再循環量を動的に変化させることにより、最大出力が得られる再循環量を制御の中で得ることとしていたが、本実施形態では、面内温度分布を最小とする再循環量を得る。面内温度分布は、ＳＯＦＣ３１３の出力に相関を有しているため、ＳＯＦＣ３１３の出力に代えて、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の面内温度分布に基づいて再循環量を制御する。

なお、このとき第１実施形態と同様に、電流と再循環量とが関連付けられた情報を事前に得ている場合には、この情報を用いて再循環量を動的に変化させることとしてもよい。例えば、電流に対応する再循環量を関連情報から取得し、取得した再循環量を中心値として再循環量を動的に変化させ、ＳＯＦＣカートリッジの面内温度分布が最小となる再循環量を探索することとしてもよい。この場合、再循環量を変化させる範囲をある程度絞ることができるので、探索に要する時間を短くすることができる。更に、ＳＯＦＣカートリッジの個々の特性に合わせて適切な値に再循環量を制御することが可能となる。

続いて、制御装置３８０は、複数の温度計測部１１によって計測された温度計測値Ｔ１の最大値Ｔ１ｍａｘを特定し、特定した最大値Ｔ１ｍａｘが所定の設定値と一致しているか否かを判定する（ＳＣ３）。この結果、一致していない場合には（ＳＣ３：ＮＯ）、温度計測値Ｔ１の最大値Ｔ１ｍａｘが設定値と一致するように、空気供給ブロワ３３５の回転数を調整し、空気Ａの供給量を制御し（ＳＣ４）、ステップＳＣ２に戻る。ここで、設定値は、電流値に基づいてＳＯＦＣ３１３の運転状態に応じて変更してもよい。

一方、最大値Ｔ１ｍａｘが設定値と一致している場合には（ＳＣ３：ＹＥＳ）、空気供給ブロワ３３５の回転数を変えることなく、ステップＳＣ５に移行する。ステップＳＣ５では、目標負荷に到達したか否かを判定する。この結果、目標負荷に到達していなかった場合、換言すると、電流値が所定の目標電流値に達していない場合には（ＳＣ５：ＮＯ）、ステップＳＣ１に戻り、上述した処理を繰り返し行う。
一方、目標負荷に到達している場合には（ＳＣ５：ＹＥＳ）、起動完了となり、当該処理を終了する。

以上説明した本実施形態に係る発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラムによれば、負荷上昇モードにおいて、電流値を変更する度に、再循環流量を所定の範囲内で動的に変化させ、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の面内温度のばらつきが最小となる再循環量を探索する。そして、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の面内温度のばらつきが最小となる再循環量が得られると、その再循環量を維持する。ＳＯＦＣカートリッジ２０３の面内温度のばらつきは、ＳＯＦＣ３１３の出力に相関を有しているため、各電流値において、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の面内温度のばらつきを最小とする再循環量で発電システム３１０を運転することにより、出力を上昇させることが可能となる。

以上、本開示の発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラムについて、各実施形態を用いて説明したが、本開示に係る技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。
また、上記実施形態で説明した手順の流れも一例であり、本開示の主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。

また、上述した各実施形態では、電流値を所定量増加させる毎に、再循環流量を制御していたがこれに代えて、例えば、情報取得部２０によって取得された電流値が所定の電流値に一致する場合、例えば、負荷率５０％，７０％，１００％のときに限って上述したような再循環流量の制御を行うこととしてもよい。

以上説明した各実施形態に記載の発電システム並びにその制御装置、制御方法、及び制御プログラムは例えば以下のように把握される。

本開示に係る発電システム（３１０）の制御装置（３８０）は、燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池（ＳＯＦＣ３１３）と、燃料電池に燃料ガス（Ｌ１）を供給する燃料ガス供給ライン（３４１）と、燃料電池から排出される排燃料ガス（Ｌ３）を燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ライン（３４９）と、燃料電池に酸化性ガス（空気Ａ）を供給する酸化性ガス供給ライン（３３１）とを備える発電システムの制御装置であって、前記燃料電池の出力状態に相関を有するパラメータが最適値を取るように制御されるときに、前記パラメータが最適値を取るように前記排燃料ガスの再循環量を制御する再循環量制御部（３０）と、燃料電池の温度情報に基づいて、酸化性ガスの供給量を制御する酸化性ガス量制御部（４０）とを具備する。

上記発電システムの制御装置によれば、再循環量制御部は、燃料電池の出力状態に相関を有するパラメータが最適値を取るように制御される場合に、該パラメータが最適値を取るように排燃料ガスの再循環量を制御するので、燃料電池の出力増加を効果的に図ることが可能となる。また、酸化性ガス量制御部によって燃料電池のセルスタックにおける最高温度が抑制されるので、セルスタックの温度制限によって負荷を低下させる必要もない。これにより、燃料電池の温度制約に起因する出力制限を緩和することができる。

本開示に係る発電システム（３１０）の制御装置（３８０）において、前記発電システムは、前記燃料電池の運転状態に依存せずに酸化性ガスの供給量を調整可能な発電システム、一例として、常圧式発電システムであってもよい。

上記発電システムの制御装置によれば、例えば、酸化性ガスを圧縮しないで燃料電池に供給する常圧式発電システムを採用する。このような常圧式発電システムでは、圧縮機によって酸化性ガスを圧縮して燃料電池に供給するような加圧式発電システムに比べて（例えば、特許文献１参照）、炭素の析出を抑制することができる。このことから、Ｓ／Ｃを加圧式発電システムに比べて低く設定することができ、この結果、再循環流量をより絞ることが可能となる。これにより、燃料電池に供給する全体としての燃料ガス量を加圧式発電システムに比べて低下させることが可能となる。この結果、燃料電池カートリッジの面内における電流分布のばらつきを抑制することができ、燃料電池の出力増加を図ることが可能となる。

本開示に係る発電システム（３１０）の制御装置（３８０）において、前記パラメータは、前記燃料電池の出力、前記燃料電池の効率、または前記燃料電池を構成する複数のセルスタックの所定位置における温度のばらつきである。

本開示に係る発電システム（３１０）の制御装置（３８０）は、前記燃料電池の電流値を取得する情報取得部を有し、前記再循環量制御部は、最大出力を得るための電流値と再循環量に関するパラメータとの関係を示した情報から、前記情報取得部によって得られた燃料電池の電流値に応じた再循環量に関するパラメータを取得し、取得した再循環量に関するパラメータに基づいて前記排燃料ガスの再循環量を制御することとしてもよい。

上記制御装置によれば、最大出力が得られるように燃料電池を制御することが可能となる。これにより、燃料電池の出力特性を向上させることができ、従来に比べて出力を増加させることが可能となる。

本開示に係る発電システム（３１０）の制御装置（３８０）は、前記燃料電池の電圧値を取得する情報取得部を有し、前記再循環量制御部は、前記燃料電池の電圧値が最大値となるように前記排燃料ガスの再循環量を制御することとしてもよい。

上記制御装置によれば、再循環量を予め設定されている所定範囲（例えば、Ｓ／Ｃ＝２．０〜５．０の範囲）で動的に変化させ、最大出力を得るための再循環量に関するパラメータを探索し、最大出力を得ることのできる再循環量に関するパラメータを得ると、そのパラメータに基づく再循環量を維持する。これにより、電流と再循環量に関するパラメータとが関連付けられた情報を事前に得ておく必要がなく、また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の個体差を吸収することができ、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３にとって最適な再循環量を得ることが可能となる。この結果、ＳＯＦＣの出力増加を図ることが可能となる。

本開示に係る発電システム（３１０）の制御装置（３８０）は、前記燃料電池の電圧値及び電流値を取得する情報取得部を有し、前記再循環量制御部は、最大出力を得るための電流値と再循環量に関するパラメータとの関係を示した情報から、前記情報取得部によって得られた燃料電池の電流値に応じた再循環量に関するパラメータを取得し、取得した前記再循環量に関するパラメータに応じて前記情報取得部によって取得された電圧値が最大となるように前記排燃料ガスの再循環量を制御することとしてもよい。

上記制御装置によれば、電流と再循環量に関するパラメータとが関連付けられた情報を用いて再循環量を動的に変化させるので、再循環量を変化させる範囲をある程度絞ることができ、探索に要する時間を短くすることができる。

本開示に係る発電システム（３１０）の制御装置（３８０）は、複数の前記セルスタックを備える燃料電池カートリッジ（ＳＯＦＣカートリッジ２０３）において、複数の前記セルスタック（１０１）の長軸方向における所定位置の温度を取得する情報取得部（２０）を有し、前記再循環量制御部は、前記情報取得部によって取得された温度のばらつきが所定範囲内となるように前記排燃料ガスの再循環量を制御することとしてもよい。

上記制御装置によれば、再循環流量を所定の範囲内で動的に変化させ、燃料電池カートリッジの温度のばらつきが最小となる再循環量を探索する。そして、燃料電池カートリッジの温度のばらつきが最小となる再循環量が得られると、その再循環量を維持する。燃料電池カートリッジの温度のばらつきは、燃料電池の出力に相関を有しているため、温度のばらつきを最小とする再循環量で燃料電池を運転することにより、燃料電池の出力を上昇させることが可能となる。

本開示に係る発電システム（３１０）の制御装置（３８０）は、前記情報取得部は、複数の前記セルスタックの中央領域における温度を更に取得し、前記酸化性ガス量制御部は、前記情報取得部によって取得された温度の最大値が所定の許容値と一致するように、または、前記温度の最大値が前記許容最大値以下となるように前記酸化性ガスの供給量を制御することとしてもよい。

上記制御装置によれば、複数のセルスタックの中央領域における温度を取得し、取得された温度の最大値が所定の設定値と一致するように、または、前記温度の最大値が許容最大値以下となるように酸化性ガスの供給量が制御される。
例えば、特許文献１に開示されているような加圧式発電システムでは、燃料電池に供給する酸化性ガスの流量は負荷に応じて決められる。すなわち、加圧式発電システムでは、燃料電池の負荷に依存せずに酸化性ガスの流量を自由に制御することは難しい。しかしながら、上述したような常圧式発電システムでは、燃料電池の発電状態に依らずに酸化性ガスの流量を調整することができる。これにより、燃料電池の運転状態とは独立して、セルスタックの温度を最適な値に保持させることが可能となる。
このように、上記制御装置によれば、セルスタックの温度制御については、酸化性ガスの供給量を調整することで制御することができるので、加圧式発電システムのように、電流値を低減させることで、セルスタックの温度上昇を抑制させる必要がない。これにより、セルスタックの温度に起因して計画出力を下げる必要がなく、常に最大能力を発揮させることが可能となる。更に、セルスタックの最大値が所定の設定値に一致するように制御することで、セル性能の高い状態でＳＯＦＣを運転させることが可能となる。

本開示に係る発電システム（３１０）は、燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、前記燃料電池に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインと、上記いずれかに記載の制御装置とを備える発電システムである。

上記発電システムによれば、従来に比べて、燃料電池の出力を増加させることが可能となる。

本開示に係る発電システム（３１０）は、前記酸化性ガスを圧縮せずに前記燃料電池に供給することにより、前記燃料電池の運転状態に依存せずに酸化性ガスの供給量を調整可能としてもよい。

本開示に係る発電システム（３１０）の制御方法は、燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、前記燃料電池に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインとを備える発電システムの制御方法であって、前記燃料電池の出力状態に相関を有するパラメータが最適値を取るように制御されるときに、前記パラメータが最適値を取るように前記排燃料ガスの再循環量を制御する工程と、前記燃料電池の温度情報に基づいて、前記酸化性ガスの供給量を制御する工程とを有する。

本開示に係る発電システムの制御プログラムは、コンピュータを上記いずれかに記載の制御装置として機能させるための発電システムの制御プログラムである。

１１ ：温度計測部
１２ ：温度計測部
２０ ：情報取得部
３０ ：再循環量制御部
４０ ：酸化性ガス量制御部
１０１ ：セルスタック
１０５ ：燃料電池セル
１０９ ：燃料極
１１３ ：空気極
２０１ ：ＳＯＦＣモジュール
２０３ ：ＳＯＦＣカートリッジ
２１５ ：発電室
３１０ ：発電システム
３１３ ：ＳＯＦＣ（燃料電池）
３３０ ：熱交換器
３３１ ：酸化性ガス供給ライン
３３２ ：バイパスライン
３３３ ：排酸化性ガス排出ライン
３３４ ：排酸化性ガス供給ライン
３３５ ：空気供給ブロワ
３３６ ：制御弁
３３７ ：制御弁
３３８ ：排熱回収装置
３４１ ：燃料ガス供給ライン
３４３ ：排燃料ガスライン
３４６ ：制御弁
３４７ ：制御弁
３４８ ：再循環ブロワ
３４９ ：再循環ライン
３５０ ：酸化性ガス分岐ライン
３５１ ：起動用燃焼器
３５２ ：制御弁
３５３ ：制御弁
３７１ ：空気極燃料供給ライン
３８０ ：制御装置
Ａ ：空気
Ａ３ ：排空気
Ｌ１ ：燃料ガス
Ｌ３ ：排燃料ガス

Claims (12)

1. 燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、前記燃料電池に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインとを備える発電システムの制御装置であって、
   前記燃料電池の出力状態に相関を有するパラメータが最適値を取るように制御されるときに、前記パラメータが最適値を取るように前記排燃料ガスの再循環量を制御する再循環量制御部と、
   前記燃料電池の温度情報に基づいて、前記酸化性ガスの供給量を制御する酸化性ガス量制御部と
   を具備する発電システムの制御装置。
2. 前記発電システムは、前記燃料電池の運転状態に依存せずに酸化性ガスの供給量を調整可能な発電システムである請求項１に記載の発電システムの制御装置。
3. 前記パラメータは、前記燃料電池の出力、前記燃料電池の効率、または前記燃料電池を構成する複数のセルスタックの所定位置における温度のばらつきである請求項１または２に記載の発電システムの制御装置。
4. 前記燃料電池の電流値を取得する情報取得部を有し、
   前記再循環量制御部は、最大出力を得るための電流値と再循環量に関するパラメータとの関係を示した情報から、前記情報取得部によって得られた燃料電池の電流値に応じた再循環量に関するパラメータを取得し、取得した再循環量に関するパラメータに基づいて前記排燃料ガスの再循環量を制御する請求項１または２に記載の発電システムの制御装置。
5. 前記燃料電池の電圧値を取得する情報取得部を有し、
   前記再循環量制御部は、前記燃料電池の電圧値が最大値となるように前記排燃料ガスの再循環量を制御する請求項１または２に記載の発電システムの制御装置。
6. 前記燃料電池の電圧値及び電流値を取得する情報取得部を有し、
   前記再循環量制御部は、最大出力を得るための電流値と再循環量に関するパラメータとの関係を示した情報から、前記情報取得部によって得られた燃料電池の電流値に応じた再循環量に関するパラメータを取得し、取得した前記再循環量に関するパラメータに応じて前記情報取得部によって取得された電圧値が最大となるように前記排燃料ガスの再循環量を制御する請求項１または２に記載の発電システムの制御装置。
7. 複数の前記セルスタックを備える燃料電池カートリッジにおいて、複数の前記セルスタックの長軸方向における所定位置の温度を取得する情報取得部を有し、
   前記再循環量制御部は、前記情報取得部によって取得された温度のばらつきが所定範囲内となるように前記排燃料ガスの再循環量を制御する請求項１または２に記載の発電システムの制御装置。
8. 前記情報取得部は、複数の前記セルスタックの中央領域における温度を更に取得し、
   前記酸化性ガス量制御部は、前記情報取得部によって取得された温度の最大値が所定の設定値と一致するように、または、前記温度の最大値が前記設定値以下となるように前記酸化性ガスの供給量を制御する請求項４から７のいずれかに記載の発電システムの制御装置。
9. 燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
   前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、
   前記燃料電池に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインと、
   請求項１から８のいずれかに記載の制御装置と
   を備える発電システム。
10. 前記酸化性ガスを圧縮せずに前記燃料電池に供給することにより、前記燃料電池の運転状態に依存せずに酸化性ガスの供給量を調整可能とした請求項９に記載の発電システム。
11. 燃料ガスと酸化性ガスとが供給されて発電を行う複数のセルスタックを備える燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、前記燃料電池から排出される排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに再循環させる再循環ラインと、前記燃料電池に前記酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給ラインとを備える発電システムの制御方法であって、
    前記燃料電池の出力状態に相関を有するパラメータが最適値を取るように制御されるときに、前記パラメータが最適値を取るように前記排燃料ガスの再循環量を制御する工程と、
    前記燃料電池の温度情報に基づいて、前記酸化性ガスの供給量を制御する工程と
    を有する発電システムの制御方法。
12. コンピュータを請求項１から８のいずれかに記載の制御装置として機能させるための発電システムの制御プログラム。
    

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