JP2023056665A - 固体酸化物形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】比較的小規模な設計変更でもって二酸化炭素回収機能付きのものとすることができる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）システムを提供すること。【解決手段】原燃料ガスを改質する改質器（４）と、改質燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行うセルスタック（６）と、セルスタック（６）からのアノードオフガスを燃焼させる燃焼器（４４）と、燃焼器（４４）に酸素を供給する酸素供給源とを備えたＳＯＦＣシステム。コントローラは、アノードオフガスを酸素余剰なく完全酸化させるのに必要な必要酸素演算量を演算し、この必要酸素演算量よりも少ない酸素演算供給量の酸素を燃焼器（４４）に供給するようにし、更に酸素センサ（８２）の検知信号に基づいて、セルスタック（６）の発電電流を補正制御して燃料利用率を変動させ、酸素の供給量を変えることなく、アノードオフガスを酸素余剰なく完全酸化させる。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスを改質した改質燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応（燃料電池反応）により発電を行うセルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池システムに関する。

酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた固体酸化物形のセルスタックを収納容器内に収納した固体酸化物形燃料電池システム（以下、「ＳＯＦＣシステム」とも称する。）が知られている。この固体酸化物形燃料電池システムにおいては、セルスタックは複数の燃料電池セルを積層して構成され、各燃料電池セルにおける固体電解質の片面側に燃料極（アノード）が設けられ、その他面側に酸素極（カソード）が設けられている。この固体酸化物形燃料電池システムにおけるセルスタックの作動温度は約７００～９００℃と高く、このような高温下において、燃料ガス（改質燃料ガス）中の水素や一酸化炭素、炭化水素と空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことによって電池発電が行われる。

このようなＳＯＦＣシステムにおいては、天然ガスやバイオ燃料ガス（メタンと二酸化炭素とが混合した組成の燃料ガス）などの炭化水素系燃料ガスが原燃料ガスとして用いられている。このＳＯＦＣシステムは、炭化水素系燃料ガスを例えば水蒸気改質するための改質器と、改質器に燃料ガス（原燃料ガス）を供給するための燃料ガス供給手段と、酸化剤ガスとしての空気を供給するための空気供給手段と、燃料極（アノード）及び酸素極（カソード）を有するセルスタックとを備え、改質器からの改質燃料ガスがセルスタックの燃料極に送給され、空気供給手段からの空気がその酸素極に送給され、セルスタックでの改質燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応によって発電が行われる（例えば、特許文献１参照）。

このＳＯＦＣシステムでは、セルスタック及び改質器が高温空間に収容され、セルスタックの燃料極（アノード）からのアノードオフガスを燃焼させて高温状態を維持するようになっている。例えば、セルスタックの上側に燃焼域が設けられ、この燃焼域の上方に改質器が配設されている。セルスタックの燃料極（アノード）側からのアノードオフガス及び酸素極（カソード）側からのカソードオフガスが燃焼域に送られ、この燃焼域にてカソードオフガス中の酸素によりアノードオフガス中に残留する燃料ガスが燃焼され、この燃焼熱を利用して改質器が加熱されるとともに、高温空間が高温状態に保たれる。

このようなＳＯＦＣシステムにおいては、セルスタックの上側に燃焼域を設けることに代えて、燃焼器を備えたものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。このＳＯＦＣシステムでは、セルスタックの燃料極（アノード）側からのアノードオフガスがアノードオフガス送給流路を通して燃焼器に送給され、またセルスタックの酸素極（カソード）側からのカソードオフガスがカソードオフガス送給流路を通して燃焼器に送給され、この燃焼器にてカソードオフガス中の酸素によりアノードオフガス中に残留する燃料ガスが燃焼される。

これらのＳＯＦＣシステムにおいては、セルスタックからのアノードオフガスがカソードオフガスを利用して燃焼されるので、この燃焼排気ガスは、水及び二酸化炭素に加えて窒素及び酸素を含んだものとなり、このような燃焼排気ガスから二酸化炭素を回収しようとすると、この二酸化炭素をアルカリ性吸収液に溶解させ、その後熱を加えて二酸化炭素を離脱させる（吸収液の再生）が必要となり、この離脱に熱エネルギーを必要とし、それ故に、このようなＳＯＦＣシステムでは、燃焼排気ガスから二酸化炭素を回収するのは現実的ではない。

そこで、ＳＯＦＣシステムから排出される燃焼排気ガスに含まれる二酸化炭素を回収する方法として、ＳＯＦＣシステムが高温動作であることを利用した方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。この方法では、酸素イオン伝導体、又は酸素イオンと電子伝導の混合伝導体を用い、セルスタックからのアノードオフガスに窒素が混じることなく、アノードオフガスとカソードオフガスとの酸素活量の違いにより、カソードオフガス中の酸素をアノードオフガス中の残余の水素及び一酸化炭素に反応させてほぼ完全酸化させている。

特開２００５－２８５３４０号公報 特開２００８－２１５９６号公報 特開２０００－３７１９号公報

上述の選択透過膜を用いる方法では、ＳＯＦＣシステムの高温作動という特徴を活用でき、またアノードオフガスとカソードオフガスとの酸素活量の違いを駆動としているため、過剰に進行しないという特徴があるが、しかし、選択透過膜に関する技術的成熟度が低く、このことは、コストが高く、信頼性も低いという問題がある。

本発明の目的は、比較的小規模な設計変更でもって二酸化炭素回収機能付きのものとすることができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。

本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、炭化水素系の原燃料ガスを改質して改質燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記改質器に改質水を供給するための水供給手段と、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給手段と、前記改質器からの改質燃料ガスと前記酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行うセルスタックと、前記セルスタックのアノードからのアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器に酸素を供給する酸素供給源と、前記酸素供給源から前記燃焼器に供給される酸素の供給量を制御するための酸素供給制御手段と、前記セルスタックの発電電流を設定する発電電流設定手段と、前記燃料ガス供給手段、前記酸化剤ガス供給手段、水供給手段、前記酸素供給制御手段及び前記発電電流設定手段を制御するためのコントローラとを備えており、
前記燃焼器からの燃焼排気ガスは、燃焼排気ガス排出ラインを通して排気ガス回収・精製ラインに送給されるように構成され、前記燃焼排気ガス排出ラインには、燃焼排気ガス中に含まれる水分を凝縮する凝縮器及び前記凝縮器にて凝縮された凝縮水を分離する気液分離装置が配設されており、
前記燃焼器に関連して、更に、燃焼排気ガス中の酸素濃度を検知するための酸素濃度検知手段が設けられ、前記コントローラは、前記酸素濃度検知手段の酸素濃度検知信号に基づいて前記発電電流設定手段を補正制御して燃料利用率を変動させ、これにより、前記燃焼器に送給されたアノードオフガスを酸素余剰なく完全酸化させることを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記コントローラは、前記セルスタックからのアノードオフガスを酸素余剰なく完全酸化させるのに必要な必要酸素演算量を演算する必要酸素量演算手段と、前記必要酸素演算手段による前記必要酸素演算量よりも少ない酸素演算供給量を設定する酸素演算供給量設定手段と、前記セルスタックの発電電流を増減補正するための発電電流補正手段とを含み、前記発電電流設定手段は、前記燃料ガス供給手段から供給される原燃料ガスの供給量に基づき発電電流を設定し、前記発電電流補正手段は、前記酸素濃度検知手段の酸素濃度検知信号に基づいて、前記セルスタックの燃料利用率が変動するように前記発電電流設定手段を補正制御することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記コントローラは、更に、発電電流の増減に基づく燃料利用率の変動により上限燃料利用率に達したかを判定するための上限利用率判定手段を含み、前記上限利用率判定手段が前記上限燃料利用率に達したと判定したときには、前記酸素濃度検知手段の酸素濃度検知信号に基づく前記発電電流設定手段による発電電流の増大補正を禁止することを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記コントローラは、更に、発電電流の増減に基づく燃料利用率の変動により下限燃料利用率に達したかを判定するための下限利用率判定手段を含み、前記下限利用率判定手段が前記下限燃料利用率に達したと判定したときには、前記酸素濃度検知手段の酸素濃度検知信号に基づく前記発電電流設定手段による発電電流の減少補正を禁止することを特徴とする。

また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記燃焼排気ガス排出ラインには、前記排気ガス回収・精製ラインとの接続部に排気ガス処理ラインが分岐接続され、前記排気ガス回収・精製ライン及び前記排気ガス処理ラインの分岐部に流路切替手段が配設されており、前記コントローラの前記上限利用率判定手段が前記上限燃料利用率に達したと判定したとき又は前記下限利用率判定手段が前記下限燃料利用率まで下がったと判定したときには、前記流路切替手段は、前記燃焼排気ガス排出ラインと前記排気ガス回収・精製ラインとを連通する第１の接続状態から前記燃焼排気ガス排出ラインと前記排気ガス処理ラインとを連通する第２の接続状態に切り替えられることを特徴とする。

また、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記セルスタックの前記アノードからのアノードオフガスを前記燃焼器に送給するアノードオフガス送給ラインには、アノードオフガスを収容するバッファータンクが設けられていることを特徴とする。

更に、本発明の請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記燃焼器に供給される酸素は、水を電気分解して水素と酸素とを生成する水電解水素生成装置において水の電気分解により生成された酸素であることを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、セルスタックは、燃料ガス供給手段からの原燃料ガスを改質器にて改質した改質燃料ガスと酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行い、このセルスタックからのアノードオフガスは燃焼器に送給され、また燃焼器には酸素供給源からの酸素が送給され、この燃焼器にてアノードオフガスが燃焼される。このとき、コントローラは、酸素濃度検知手段の酸素濃度検知信号に基づいて発電電流設定手段を補正制御するので、セルスタックの燃料利用率が変動し、これにより、燃焼器に送給されるアノードオフガスの組成成分が変わり、その結果、燃焼器に送給されるアノードオフガスを酸素余剰なく完全酸化させ、燃焼器からの燃焼排気ガスの組成を水と二酸化炭素にすることができる。

また、燃焼器からのこのような組成（水と二酸化炭素）の燃焼排気ガスが流れる燃焼排気ガス排出ラインには、凝縮器及び気液分離装置が配設されているので、燃焼排気ガス中の水分が凝縮器にて凝縮され、またこの凝縮水が気液分離装置にて分離され、このようにして、水分が除去された燃焼排気ガス、即ち二酸化炭素を排気ガス回収・精製ラインを通して回収・精製することができる。

また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、必要酸素量演算手段は、セルスタックからのアノードオフガスを酸素余剰なく完全酸化させるのに必要な必要酸素演算量を演算し、酸素演算供給量設定手段は、この必要酸素演算量よりも少ない酸素演算供給量を設定し、酸素供給制御手段はこの酸素演算供給量を燃焼器に送給する。そして、発電電流補正手段は、酸素濃度検知手段の酸素濃度検知信号に基づいて発電電流設定手段を補正制御するので、酸素供給制御手段を通して供給される酸素の供給量を変えることなく、セルスタックからのアノードオフガスを酸素余剰なく完全に完全酸化させることができる。

酸素濃度検知手段が酸素不足を検知したときには、燃焼器においてアノードオフガスを完全酸化させることができずに酸素が不足しているということであり、この場合、発電電流補正手段はセルスタックの燃料利用率が上昇するように発電電流設定手段を補正制御し、このように制御することによって、アノードオフガス中の燃料ガス成分（水素及び一酸化炭素）が少なくなり、これにより、酸素供給制御手段を通しての酸素の供給量を変えることなく、アノードオフガスを酸素余剰なく完全に完全酸化させることができる。

また、酸素濃度検知手段が酸素余剰を検知したときには、燃焼器において完全酸化して酸素が余っているということであり、この場合、発電電流補正手段はセルスタックの燃料利用率が低下するように発電電流設定手段を補正制御し、このように制御することによって、アノードオフガス中の燃料ガス成分（水素及び一酸化炭素）が多くなり、これにより、酸素供給制御手段を通しての酸素の供給量を変えることなく、アノードオフガスを酸素余剰なく完全に完全酸化させることができる。

また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、コントローラは、上限燃料利用率に達したかを判定するための上限利用率判定手段を含んでいるので、上限利用率判定手段が上限利用率に達したと判定したときには、酸素濃度検知手段の酸素濃度検知信号に基づく発電電流設定手段による発電電流の増大補正を禁止し、これにより、燃料利用率の上昇が抑えられ、高すぎる燃料利用率によるセルスタックの劣化を防止することができる。高すぎる燃料利用率での発電運転は、セルスタックの酸素極（アノード）側に用いられている金属ニッケル成分の劣化につながる。

また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、コントローラは、下限燃料利用率に達したかを判定するための下限利用率判定手段を含んでいるので、下限利用率判定手段が下限利用率に達したと判定したときには、酸素濃度検知手段の酸素濃度検知信号に基づく発電電流設定手段による発電電流の減少補正を禁止し、これにより、燃料利用率の低下が抑えられ、燃焼器でのアノードオフガスの燃焼による過加熱を防止することができる。

また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃焼電池システムによれば、排気ガス排出ラインには、排気ガス回収・精製ラインとの接続部に排気ガス処理ラインが分岐接続され、この分岐接続部に流路切替手段が配設されているので、上限利用率判定手段が上限燃料利用率に達したと判定した（又は下限利用率判定手段が下限燃料利用率まで下がった）ときには、流路切替手段は、燃焼排気ガス排出ラインと排気ガス処理ラインとを連通する第２の接続状態に切り替えられ、これによって、完全酸化していない水素及び一酸化炭素を含む燃焼排気ガス（又は過剰に供給された酸素を含む燃焼排気ガス）が排気ガス回収・精製ラインに流れるのを防止することができる。

また、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、セルスタックのアノードオフガスが流れるアノードオフガス送給ラインにバッファータンクが設けられているので、燃焼器に送給されるアノードオフガスの流量変動、組成変動などを緩和させることができる。

更に、本発明の請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃焼器に供給される酸素として、水電解水素生成装置において水の電気分解により生成された酸素を用いているので、水の電気分解の副生物を有効利用することができる。

本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第１の実施形態を簡略的に示す全体図。 図１の固体酸化物形燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図。 図２の固体酸化物形燃料電池システムの制御系による制御の流れを示すフローチャート。 本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第２の実施形態の制御系を簡略的に示すブロック図。 図４の固体酸化物形燃料電池システムの制御系による定格運転時の制御の流れを示すフローチャート。 図４の固体酸化物形燃料電池システムの制御系による部分負荷運転時の制御の流れを示すフローチャート。

以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。まず、図１を参照して、固体酸化物形燃料電池システムの第１の実施形態について説明する。

図１において、図示の固体酸化物形燃料電池システム２（ＳＯＦＣシステム）は、原燃料ガスとして炭化水素系燃料ガス（例えば、都市ガス、ＬＰガス、バイオガスなど）を消費して発電を行うものであり、燃料ガスを改質するための改質器４と、この改質器４にて改質された改質燃料ガス及び酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応（燃料電池反応）によって発電を行う固体酸化物形のセルスタック６とを備えている。

セルスタック６は、電気化学反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セルをインターコネクタプレートを介して積層して構成され、酸素イオンを伝導する固体電解質８と、この固体電解質８の片側に設けられた燃料極１０（アノード）と、固体電解質８の他側に設けられた酸素極１２（カソード）とを備え、固体電解質８として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。

このセルスタック６の燃料極１０側は、改質燃料ガス送給ライン１４を介して改質器４に接続され、この形態では、改質器４は、改質水を気化するための気化器１６と一体的にユニットとして構成されている。尚、気化器１６は、改質器４と別体に構成し、気化器１６にて気化された水蒸気を水蒸気送給ライン（図示せず）を介して改質器４に送給するようにしてもよい。

この気化器１６は、水供給ライン１８を介して水供給源（図示せず）（例えば、水タンクや水回収タンクなどから構成される）に接続され、水供給源からの改質水が水供給ライン１８を通して気化器１６に供給される。改質器４には改質触媒が収容され、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒によって、燃料ガス供給ライン２０を通して供給される原燃料ガスが気化器１６にて気化された水蒸気でもって水蒸気改質される。

この燃料ガス供給ライン２０には、気化器１６から上流側に向けて順に、燃料供給ポンプ２２（燃料ガス供給手段を構成する）、燃料流量計２４（燃料ガス流量センサ）、脱硫器２６及び遮断電磁弁２８が配設されている。脱硫器２６は、原燃料ガスに含まれる硫黄成分（付臭剤中の硫黄成分）を除去し、遮断電磁弁２８は、原燃料ガスの供給を停止させるときに閉状態となって燃料ガス供給ライン２０を遮断する。

また、燃料供給ポンプ２２（燃料ガス供給手段）は、燃料ガス供給ライン２０を流れる原燃料ガスを昇圧して気化器１６に供給し、燃料流量計２４は、燃料ガス供給ライン２０を流れる原燃料ガスの流量を計測し、ＳＯＦＣシステム２のコントローラ３２（図２参照）は、原燃料ガスの設定流量値と燃料流量計２４の計測流量値を比較し、この計測流量値が設定流量値よりも小さい（又は大きい）ときに燃料供給ポンプ２２の回転数が上昇（又は減少）するように制御し、このようにして原燃料ガスの供給流量がＳＯＦＣシステム２の設定流量値となるように調整される。

また、水供給ライン１８には水ポンプ３４（水供給手段を構成する）及び水流量計３６（水流量センサ）が配設され、この水ポンプ３４によって、水供給源（図示せず）からの改質水が水供給ライン１８を通して気化器１６に供給され、水流量計３６は、この水供給ライン１８を通して流れる改質水の供給流量を計測する。

ＳＯＦＣシステム６のコントローラ３２（図２）は、改質水の設定流量値と水流量計３６の計測流量値を比較し、この計測流量値が設定流量値よりも小さい（又は大きい）ときに水ポンプ３４の回転数が上昇（又は減少）するように制御し、このようにして改質水の供給流量がＳＯＦＣシステム２の設定流量値となるように調整される。

更に、このセルスタック６の酸素極１２側は、空気供給ライン３８が接続され、この空気供給ライン３８に空気ブロア４０（酸化剤ガス供給手段を構成する）及び空気流量計４２（空気流量センサ）が配設されている。空気ブロア４０は、酸化剤ガスとしての空気を空気供給ライン３８を通してセルスタック６の酸素極１２側に供給し、空気流量計４２は、空気供給ライン３８を流れる空気の供給流量を計測する。

ＳＯＦＣシステム２のコントローラ３２（図２）は、空気の設定流量値と空気流量計４２の計測流量値を比較し、この計測流量値が設定流量値よりも小さい（又は大きい）ときに空気ブロア４０の回転数が上昇（又は減少）するように制御し、このようにして空気の供給流量がＳＯＦＣシステム２の設定流量値となるように調整される。

このＳＯＦＣシステム２では、セルスタック６の燃料極１０（アノード）からのアノードオフガスを燃焼させるための燃焼器４４が設けられている。更に説明すると、セルスタック６の燃料極１０の排出側はアノードオフガス送給ライン４６を介して燃焼器４４に接続され、セルスタック６からのアノードオフガスは、このアノードオフガス送給ライン４６を通して燃焼器４４に送給される。

また、この燃焼器４４には、酸素供給源（図示せず）からの酸素を送給する酸素送給ライン４８が接続され、この酸素送給ライン４８に電磁遮断弁５０及びマスフローコントローラ５２（酸素流量制御手段を構成する）が配設されている。マスフローコントローラ５２は、酸素送給ライン４８を流れる酸素の送給流量を制御して下流側に燃焼器４４に送給し、電磁遮断弁５０は、酸素の供給を停止するときに閉状態となって酸素送給ライン４８を遮断する。

この実施形態では、酸素は所定圧力（例えば、２００ｋＰａ程度の圧力）でもって酸素送給ライン４８を通して送給されるように構成されており、ＳＯＦＣシステム２のコントローラ３２（図２）は、酸素の設定流量値とマスフローコントローラ５２の計測流量値を比較し、この計測流量値が設定流量値よりも小さい（又は大きい）ときにマスフローコントローラ５２の開度が大きく（又は小さく）なるように制御し、このようにして酸素の送給流量がＳＯＦＣシステム２の設定流量値となるように調整される。

酸素供給源（図示せず）としては、酸素が充填された酸素タンクなどでよく、或いは水を電気分解して水素と酸素を生成する水電解水素生成装置などから構成するようにしてもよく、この場合、水電解水素生成装置により生成される水素が目的生成物となり、このときに副生物として生成される酸素が酸素送給ライン４８を通して燃焼器４４に送給され、水電解水素生成装置の副生物である酸素の有効利用を図ることができる。

水電解水素生成装置の目的生成物である水素は、例えば水素タンク（図示せず）などに貯蔵されたり、或いは下流側の水素使用設備などに送給されて消費される。また、生成された水素は、例えば燃料電池自動車、工業用又は家庭用燃料電池などの燃料ガスとして利用することができる。

このＳＯＦＣシステム２においては、セルスタック６の酸素極１２（カソード）から排出されるカソードオフガスと空気供給ライン３８を流れる空気との間で熱交換が行われるように第１熱交換器５４が設けられている。セルスタック６の酸素極１２の排出側にはカソードオフガス排出ライン５６が設けられ、このカソードオフガス排出ライン５４に第１熱交換器５４が配設され、この第１熱交換器５４にて、カソードオフガス排出ライン５６を流れるカソードオフガスと空気供給ライン３８を流れる空気との間で熱交換され、この熱交換により加温された空気がセルスタック６の酸素極１２側に送給される。

更に、燃焼器４４から排出される燃焼排気ガスと空気供給ライン３８を流れる空気との間で熱交換が行われるように第２熱交換器５８が設けられている。燃焼器４４の排出側には燃焼排気ガス排出ライン６０が設けられ、この燃焼排気ガス排出ライン６０に第２熱交換器５８が配設され、この第２熱交換器５８にて、燃焼排気ガス排出ライン６０を流れる燃焼排気ガスと空気供給ライン３８を流れる空気との間で熱交換が行われる。

このように構成されているので、空気ブロア４０からの空気は、第１熱交換器５４にてカソードオフガスとの間で熱交換されて加温され、更に第２熱交換器５８にて燃焼排気ガスとの間で熱交換されて加温され、このように２段階でもって加温された空気がセルスタック６の酸素極１２側に送給される。

このＳＯＦＣシステム２では、燃焼器４４に接触乃至近接して改質器４及び気化器１６が配設され、この燃焼器４４でのアノードオフガスの燃焼による燃焼熱によって、改質器４及び気化器１６が加熱されて所定の温度状態に保たれる。また、セルスタック６、燃焼器４４、改質器４、気化器１６、第１熱交換器５４及び第２熱交換器５８が断熱材（図示せず）で囲まれた高温空間６２に収容され、燃焼器４４からの燃焼熱によってこの高温空間６２内が高温状態に維持される。

このＳＯＦＣシステム２では、二酸化炭素の排出量を少なく抑えるために、更に次のように構成されている。燃焼排気ガス排出ライン６０に第３熱交換器６２及び気液分離装置６４が下流側に向けてこの順に配設されている。第３熱交換器６２は、燃焼排気ガス中の水分を凝縮するための凝縮器として機能し、例えば燃焼排気ガスの熱エネルギーを貯湯装置の貯湯タンク（図示せず）に温水として貯えるために適用される熱交換器などでよく、この第３熱交換器６２にて、貯湯装置の貯湯タンク（図示せず）からの水（冷却水）と燃焼排気ガス排出ライン６０を流れる燃焼排気ガスとの間で熱交換が行われ、この熱交換により、燃焼器４４からの燃焼排気ガスが冷却されてそれに含まれる水分が凝縮される一方、熱交換により加温された温水が貯湯タンクに貯えられる。

尚、凝縮器としては、このような貯湯装置からの水と熱交換を行う第３熱交換器６２でなくてもよく、例えば冷却水との間で熱交換するものでもよく、或いは空気との間で熱交換するものでもよく、燃焼排気ガスを熱交換により冷却させてそれに含まれる水分を凝縮させるものであればよい。

一方、熱交換により冷却された燃焼排気ガスは、燃焼排気ガス排出ライン６０を更に下流側に流れ、第３熱交換器６２にて凝縮された凝縮水が気液分離装置６４により分離される。気液分離装置６４は、例えばドレインセパレータなどから構成され、燃焼排気ガスに含まれる水分は、第３熱交換器６２での熱交換により冷却されて凝縮され、凝縮された水がこの気液分離装置６４にて分離され、水分が分離された燃焼排気ガスが更に下流側に流れる。尚、トレインセパレータにて分離された凝縮水は、例えば水回収タンク（図示せず）に回収して改質水として再利用するようにしてもよい。

燃焼排気ガス排出ライン６０の下流側には排気ガス回収・精製ライン６６（具体的には、二酸化炭素回収・精製ライン）及び排気ガス処理ライン６８が分岐接続され、この分岐接続部に三方切替弁７０（流路切替手段を構成する）が配設されている。三方切替弁７０の一方の排出側に排気ガス回収・精製ライン６６が接続され、その他方の排出側に排気ガス処理ライン６８が接続されている。

この三方切替弁７０（流路切替手段）は、第１切替状態にあるときには燃焼排気ガス排出ライン６０と排気ガス回収・精製ライン６６とを連通し、燃焼排気ガス排出ライン６０からの燃焼排気ガスは、排気ガス回収・精製ライン６６に流れて回収・精製され、また第２切替状態にあるときには燃焼排気ガス排出ライン６０と排気ガス処理ライン６８とを連通し、燃焼排気ガス排出ライン６０からの燃焼排気ガスは、排気ガス処理ライン６８に流れて所要の通りに処理される。

燃焼排気ガスの流れを切り替える流路切替手段として、三方切替弁７０に代えて、二つの開閉弁、即ち第１及び第２開閉弁（図示せず）から構成するようにしてもよい。この場合、例えば、排気ガス回収・精製ライン６６に第１開閉弁が配設され、また排気ガス処理ライン６８に第２開閉弁が配設され、燃焼排気ガス排出ライン６０からの燃焼排気ガスを排気ガス回収・精製ライン６６に流すときには、第１開閉弁が開状態に、第２開閉弁が閉状態に切り替えられ、またこの燃焼排気ガスを排気ガス処理ライン６８に流すときには、第１開閉弁が閉状態に、第２開閉弁が開状態に切り替えられる。

後に説明するように、セルスタック６からのアノードオフガスを燃焼器４４で後述するように酸素余剰なく完全燃焼させることができるときには、三方切替弁７０は第１切替状態に保持され、燃焼排気ガスとしての二酸化炭素は、排気ガス回収・精製ライン６６を通して回収・精製される。一方、このアノードオフガスを燃焼器４４で後述するように完全酸化させることが難しい、或いは余剰酸素を含む可能性があるときには、三方切替弁７０は第２切替状態に切り替えられ、燃焼排気ガスは、排気ガス処理ライン６８を通して流れ、所要の通りに処理された後に例えば大気中に排出される。

この排気ガス回収・精製ライン６６を通して回収された燃焼排気ガス（ＣＯ２）は、合成燃料（ジェット燃料、メタノールなどの液体燃料、メタン、プロパンなどのガス燃料）の製造に用いることができ、またオレフィン、ウレタンなどの化学品の合成などに用いることができる。

このＳＯＦＣシステム２においては、セルスタック６の燃料極１０側からのアノードオフガスは、燃焼器４４で完全燃焼（完全酸化）された後に二酸化炭素（ＣＯ２）として回収・精製されるように構成されている。図１とともに図２を参照して、この実施形態では、更に、燃焼器４４に関連して、酸素濃度を検知するための酸素濃度検知手段が設けられている。この酸素濃度検知手段としては、ジルコニア固体電解質を用いたセンサ、即ち酸素センサ８２、Ａ／Ｆセンサ（Air-Fuel ratio センサ）などを好適に用いることができ、燃焼器４４の流出部又は燃焼排気ガス排出ライン６０の流入部に配設され、このような燃焼器４４の排出側は、酸素センサ８２（又はＡ／Ｆセンサ）の作動する温度環境として好都合の設置箇所である。

酸素センサ８２及びＡ／Ｆセンサの検知部では、ジルコニア固体電解質の両側に白金電極が設けられている。Ａ／Ｆセンサでは、更に、排気側電極上に気体分子の拡散を制限する多孔質のセラミック（例えば、アルミナ）からなる拡散律速層が設けられた構造となっており、このような構造を有するＡ／Ｆセンサは、起電力だけを計測する酸素センサ８２に比べて高応答速度であるという特徴を有している。

また、この実施形態では、セルスタック６に関連して、その発電電流を計測するための発電電流計測装置としての発電電流センサ８４が設けられており、この発電電流センサ８４の検知電流により競るスタック６の発電出力を知ることができ、またこの発電電流に基づいて、セルスタック６の負荷状態、即ち部分負荷発電状態が定格発電状態であるかを知ることができる。

この実施形態では、ＳＯＦＣシステム２は、図２に示す制御系により作動制御される。図２を参照して更に説明すると、このＳＯＦＣシステム２は、システム全体を作動制御するためのコントローラ３２を備え、このコントローラ３２は、ＣＰＵ、メモリ、タイマなどを一つの集積回路に実装したマイクロコントローラなどから構成され、燃料流量計２４、空気流量計４２、水流量計３６、酸素センサ８２及び発電電流センサ８４などからの計測信号がコントローラ３２に送給され、コントローラ３２は、これらの検知信号（計測信号）に基づいて、燃料供給ポンプ２２，空気ブロア４０、水ポンプ３４、マスフローコントローラ５２及び三方切替弁７０を後述する如く制御する。

この実施形態のコントローラ３２は、発電電流設定手段９２、燃料利用率設定手段９４、定格電流判定手段９６、燃料供給量演算手段９８、空気供給量演算手段１００、水供給量演算手段１０２及び作動制御手段１０４を備えている。発電電流設定手段９２は、セルスタック６の発電電流を設定し、設定された発電電流によりセルスタック６の発電出力が設定される。燃料利用率設定手段９４は、セルスタック６での燃料利用率、即ちセルスタック６での発電で消費される燃料ガスの割合を設定する。また、発電電流設定手段９８による設定発電電流及び燃料利用率設定手段９４による設定燃料利用率に基づいて、燃料供給量演算手段９８は、セルスタック６の燃料極１０側に供給すべき原燃料ガスの供給量を演算し、空気供給量演算手段１００は、セルスタック６の酸素極１２側に供給すべき空気の供給量を演算し、水供給量演算手段１０２は、気化器１６に供給すべき改質水の供給量を演算する。

また、作動制御手段１０４は、燃料供給量演算手段９８により演算された供給量となるように燃料供給ポンプ２２を制御し、空気供給量演算手段１００により演算された供給量となるように空気ブロアを制御し、水供給量演算手段１０２により演算された供給量となるように水ポンプ３４を制御する。

このコントローラ３２は、更に、必要酸素量演算手段１０６及び酸素演算供給量設定手段１０８を備え、作動制御手段１０４は、発電電流補正手段１１０を含んでいる。必要酸素量演算手段１０６は、セルスタック６の燃料極１０側からのアノードオフガスを燃焼器４４にて酸素余剰なく完全燃焼（完全酸化）させるのに必要な必要酸素演算量を演算し、酸素演算供給量設定手段１０８は、この必要酸素演算量よりも少ない酸素演算供給量を設定し、この酸素演算供給量は、必要酸素量演算手段１０６により演算された必要酸素演算量よりも例えば２～５％程度小さい値に設定され、作動制御手段１０４は、燃焼器４４に送給される酸素がこの酸素演算供給量となるようにマスフローコントローラ５２を制御する。

この酸素演算供給量の酸素を燃焼器４４に供給する状態ではアノードオフガスを完全燃焼させるには幾分酸素が不足するようになるため、発電電流補正手段１１０は、酸素センサ８２からの検知信号（即ち、酸素濃度検知信号）に基づいて発電電流設定手段９２を補正し、このように燃料供給ポンプ２２からの減燃料ガスの酸素供給量を変えることなく、セルスタック６の発電電流を補正することによって、アノードオフガスを酸素余剰なく完全燃焼させるのに必要な量の酸素を燃焼器４４に供給することができ、これによって、アノードオフガスを完全燃焼させて二酸化炭素と水にすることができる。

このことを更に具体的に説明すると、ＳＯＦＣシステム６の動作条件で燃料利用率が例えば８０％である場合、原燃料ガスの８０％が電気化学反応するように、セルスタック６の酸素極１０側からの空気中の酸素が電解質８を通して燃料極１０側に供給される。その結果、燃料極１０の排出側出口のガス組成は、改質燃料ガスが純酸素で例えば８０％部分酸化した状態となり、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）及び水（Ｈ２Ｏ）を含んだ状態となる。ＳＯＦＣシステム６におけるセルスタック６の一般的な動作温度が７００℃以上であり、また多量の水が存在していることから、メタンは０．１％未満と非常に少ない状態となっている。

このガスを完全に酸化してＣＯ２とＨ２Ｏにするために、セルスタック６からのアノードオフガスを燃焼器４４に送給し、また酸素供給源（図示せず）（例えば、酸素タンク、水電解水素生成装置）から供給される酸素を燃焼器４４に送給し、この燃焼器４４にてアノードオフガスを酸素により酸化させるものである。セルスタック６の燃料利用率燃料が例えば８０％である場合、原燃料ガスの２０％を燃焼させるのに必要な酸素量より少ない量の酸素を酸素供給源（図示せず）から酸素送給ライン４８を通してＳＯＦＣシステム６の燃焼器４４に送給するとともに、セルスタック６の発電電流の電流量を増減させることにより、セルスタック２２からのアノードオフガスを完全酸化させてＣＯ２とＨ２Ｏにすることができる。
例えば、酸素濃度検知手段（酸素センサ８２）が酸素不足を検知したときには、燃焼器４４においてアノードオフガスを完全酸化させることができずに酸素が不足しているということであり、この場合、燃焼器４４での酸素の消費量を少なくする必要があり、それ故に、発電電流補正手段１１０はセルスタック６での燃料利用率が上昇するように発電電流設定手段９２を補正制御する。燃料供給ポンプ２２から供給される原燃料ガスの供給量を変化させることなく燃料利用率を上昇させると、セルスタック６での原燃料ガス（改質燃料ガス）の消費量が増え、これによって、アノードオフガス中の燃料ガス成分（水素及び一酸化炭素）が少なくなる。従って、マスフローコントローラ５２を通しての酸素の供給量が変わることなく、アノードオフガス中の燃料ガス成分が少なくなることにより、燃焼器４４での酸素の消費量が少なくなって酸素不足の状態が解消されるようになり、その結果、アノードオフガスを完全酸化させることができる。
また、酸素濃度検知手段（酸素センサ８２）が酸素余剰を検知したときには、燃焼器４４においてアノードオフガスを完全酸化させても酸素が余っているということであり、この場合、燃焼器４４での酸素の消費量を多くする必要があり、それ故に、発電電流補正手段１１０はセルスタック６での燃料利用率が低下するように発電電流設定手段９２を補正制御する。燃料供給ポンプ２２から供給される原燃料ガスの供給量を変化させることなく燃料利用率を低下させると、セルスタック６での原燃料ガス（改質燃料ガス）の消費量が減少し、これによって、アノードオフガス中の燃料ガス成分（水素及び一酸化炭素）が多くなる。従って、マスフローコントローラ５２を通しての酸素の供給量が変わることなく、アノードオフガス中の燃料ガス成分が多くなることにより、燃焼器４４での酸素の消費量が増大して酸素余剰の状態が解消されるようになり、その結果、アノードオフガスを完全酸化させることができる。

酸素供給源（図示せず）からの酸素（所謂、純酸素）をＳＯＦＣシステム６の高温空間６２内の燃焼器４４に供給するにあたっては、セルスタック６が純酸素、高濃度酸素に触れることによる酸化劣化速度が、空気が触れることによる酸化劣化速度よりも大きくなることから、純酸素の接触は、燃焼器４４自体とそれへの送給管（酸素送給ライン４８）だけとなるようにするのが望ましい。また、燃焼器５４でのアノードオフガスの燃焼条件は、燃焼後の組成がＨ２ＯとＣＯ２だけになるストイキ（化学量論）燃焼にするのが望ましい。このようなことから、酸素供給源からの酸素の供給量は、アノードオフガスが酸素余剰なく完全燃焼するようにするのが好ましく、このようにすることにより、燃焼後の燃焼排気ガスを冷却して凝縮水を分離し、残ったＣＯ２を排気ガス回収ライン７６を通して回収することが可能となる。

次に、図１～図３を参照して、上述したＳＯＦＣシステム２の運転について説明する。主として図２及び図３を参照して、このＳＯＦＣシステム２の運転を行うと、起動運転が行われる（ステップＳ１）。この起動運転においては、セルスタック６の作動温度が低く、稼働が安定してなく、燃焼器４４においてセルスタック６からのアノードオフガスを酸素余剰でなく完全燃焼（完全酸化）させるのは難しく、それ故に、三方切替弁７０（流路切替弁）が第２切替状態に保持される（ステップＳ２）。

この起動運転においては、燃料供給量演算手段９８は起動運転時の原燃料ガスの供給量を演算し、空気供給量演算手段１００は起動運転時の空気の供給量を演算し、水供給量演算手段１０２は起動運転時の改質水の供給量を演算し、必要酸素量演算手段１０６は起動運転時のアノードオフガスを燃焼させるのに必要な必要酸素量を演算し、これら演算された供給量が設定され（ステップＳ３）、作動制御手段１０４は、これら供給量を供給するように燃料供給ポンプ２２、空気ブロア４０、水ポンプ３４及びマスフローコントローラ５２を制御し、このようにして起動運転が行われる。

この起動運転時には、三方切替弁７０が第２切替状態に保持されているので、セルスタック６からのアノードオフガスは、燃焼器４４にて酸素（酸素送給ライン４８を通して供給される）により燃焼された後に、燃焼排気ガス排出ライン６０及び三方切替弁７０を通して排気ガス処理ライン６８に流れる。この起動運転において、セルスタック６の作動温度が上昇して発電可能になると、発電電流設定手段９２は起動運転時の発電電流の設定を行い、この発電電流の設定により発電出力が設定され、この設定発電電流でもって出力される（ステップＳ４）。

そして、セルスタック６の発電電流（発電出力）が定格電流（定格電圧）まで上昇し、定格電流判定手段９６が定格電流に達したと判定すると、ステップＳ５からステップＳ６に移り、ＳＯＦＣシステム２の定格運転が行われる。この定格運転においては、セルスタック６の作動温度が高くなって稼働状態が安定し、次のようにして燃焼器４４においてセルスタック６からのアノードオフガスを酸素余剰でなく完全燃焼させることが可能となり、それ故に、三方切替弁７０（流路切替弁）が第２切替状態から第１切替状態に切り替えられる（ステップＳ７）。

この定格運転においては、発電電流設定手段９２はセルスタック６の発電電流が定格電流となるように設定し（ステップＳ８）、また燃料供給量演算手段９８は定格運転時の原燃料ガスの供給量を演算し、空気供給量演算手段１００は定格運転時の空気の供給量を演算し、水供給量演算手段１０２は定格運転時の改質水の供給量を演算し、これら演算された供給量が設定され（ステップＳ９）、作動制御手段１０４は、これら供給量を供給するように燃料供給ポンプ２２、空気ブロア４０及び水ポンプ３４を制御し、このようにして定格運転が行われる。

この定格運転では、酸素送給ライン４８を通して送給される酸素の供給量については、酸素演算供給量が設定される（ステップＳ１０）。即ち、必要酸素量演算手段１０６は、セルスタック６からのアノードオフガスを完全燃焼（完全酸化）させるのに必要な必要酸素演算量を上述したようにして演算し、酸素演算供給量設定手段１０８は、この必要酸素演算量よりも少ない酸素演算供給量を設定し、コントローラ３２は、マスフローコントローラ５２を制御して酸素演算供給量の酸素を燃焼器４４へ送給する。そして、燃焼器４４でのアノードオフガスの燃焼（酸化）については、酸素センサ８２からの検知信号（測定信号）に基づいてセルスタック６の発電電流が補正制御される。

具体的には、酸素センサ８２からの検知信号がコントローラ３２に送給され（ステップ１１）、発電電流補正手段１１０は、この検知信号に基づいて酸素余剰状態か、酸素不足状態かの判定をしてセルスタック６の発電電流の補正を行う。燃焼器４４での燃焼排気ガスの酸化によっても酸素が余っていて酸素余剰状態のときには、送給された酸素がセルスタック６の燃料極１０側に流れるおそれがあるために、ステップＳ１２からステップＳ１３に進み、発電電流補正手段１１０は、セルスタック６の発電電流を下げて燃料利用率の低下補正を行う。この減少補正により燃料利用率が低下すると、セルスタック６からのアノードオフガス中に残る燃料ガス（水素及び一酸化炭素）の割合が多くなり、これにより、燃焼器４４での酸素消費量が増加し、酸素余剰の状態が解消される。

また、燃焼器４４の燃焼排気ガス中に酸素が含まれない酸素不足状態のときには、燃焼器４４にてアノードオフガスを完全燃焼（完全酸化）させることができないために、ステップＳ１２からステップＳ１４を経てステップＳ１５に移り、発電電流補正手段１１０は、セルスタック６の発電電流を上昇させて燃料利用率の増加補正を行う。この増加補正により燃料利用率が上昇すると、セルスタック６からのアノードオフガス中に残る燃料ガス（水素及び一酸化炭素）の割合が少なくなり、これにより、燃焼器４４での酸素消費量が減少し、酸素不足の状態が解消される。

セルスタック６の発電電流をこのように補正制御することによって、燃焼器４４においてアノードオフガスを酸素余剰なく完全燃焼（完全酸化）させることができ、アノードオフガスは水と二酸化炭素とからなるものとなる。酸素センサ８２の検知信号を利用したこのようなセルスタック６の発電電流の補正制御は、ＳＯＦＣシステム２の定格運転中にわたって継続して行われる。

この定格運転中においては、三方切替弁７０が第１切替状態に保持されており、燃焼器４４からの燃焼排気ガスは、第３熱交換器６２（凝縮器）にて冷却されて水分が凝縮され、更に気液分離装置６４にて凝縮水が除去された後に、この三方切替弁７０を通して排気ガス回収・精製ライン６６に流れる。この排気ガス回収・精製ライン６６を流れる燃焼排気ガスは、水分が除去されて二酸化炭素となっているので、この排気ガス回収・精製ライン６６を通して二酸化炭素を回収・精製することができる。

この定格運転を終了するときには、ステップＳ１６を経てステップＳ１７に移り、ＳＯＦＣシステム２の終了運転が行われ、この終了運転においては三方切替弁７０は第２切替状態に切り替えられ（ステップＳ１８）、燃焼器４４からの燃焼排気ガスは、燃焼排気ガス排出ライン６０及び三方切替弁７０を通して排気ガス処理ライン６８に流れる。

上述した実施形態では、ＳＯＦＣシステム２が定格運転のときに酸素センサ８２からの検知信号を利用してセルスタック６の発電電流の補正制御をしているが、次の第２の実施形態のように構成することによって、定格運転後の部分負荷運転のときにおいても酸素センサ８２を利用した発電電流の補正制御を行って燃焼排気ガス（二酸化炭素）を回収・精製することができる。尚、第２の実施形態においては、第１の実施形態と実質上同一の部材には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。

第２の実施形態のＳＯＦＣシステムの制御系を示す図４を参照して、このコントローラ３２Ａは、第１の実施形態と同様に、発電電流設定手段９２Ａ、燃料利用率設定手段９４Ａ、定格電流判定手段９６Ａ、燃料供給量演算手段９８Ａ、空気供給量演算手段１００Ａ、水供給量演算手段１０２Ａ、必要酸素量演算手段１０６Ａ、酸素演算供給量設定手段１０８Ａ及び作動制御手段１０４Ａを備えている。また、作動制御手段１０４Ａは、発電電流補正手段１１０Ａに加えて、更に上限利用率判定手段１２２、下限利用率判定手段１２４及び補正禁止信号生成手段１２６を含み、メモリ手段１２８には、酸素センサ８２の検知信号を利用してセルスタック６の発電電流、換言するとその燃料利用率を補正制御するときの上限燃料利用率及び下限燃料利用率が登録される。

上限利用率判定手段１２２は、セルスタック６の発電電流の補正によりセルスタック６での燃料利用率が上限燃料利用率に達したかを判定し、下限利用率判定手段１２４は、セルスタック６の発電電流の補正によりセルスタック６への燃料利用率が下限燃料利用率まで低下したかを判定し、補正禁止信号生成手段１２４は、上限利用率判定手段１２２による上限燃料利用率判定及び下限利用率判定手段１２４による下限燃料利用率判定に基づき、補正禁止信号を生成する。この第２の実施形態のＳＯＦＣシステムのその他の構成は、上述した第１の実施形態と実質上同一である。

次に、図５を参照して、このＳＯＦＣシステムの定格運転について説明すると、セルスタック６が定格電流（定格負荷状態の定格出力）になる（即ち、定格電流判定手段９６Ａが定格電流に達したと判定する）と、三方切替弁７０（流路切替弁）が第１切替状態に切り替えられる（ステップＳ２１）。また発電電流設定手段９２Ａはセルスタックの発電電流が定格電流となるように設定し（ステップＳ２２）、また燃料供給量演算手段９８Ａは定格運転時の原燃料ガスの供給量を演算し、空気供給量演算手段１００Ａは定格運転時の空気の供給量を演算し、水供給量演算手段１０２Ａは定格運転時の改質水の供給量を演算し、これら演算された供給量が設定され（ステップＳ２３）、作動制御手段１０４Ａは、これら供給量を供給するように燃料供給ポンプ２２、空気ブロア４０及び水ポンプ３４を制御する。

この定格運転では、酸素センサ８２（酸素濃度検知手段）が燃焼器から燃焼排気ガス排出ライン６０を流れる燃焼排気ガスの酸素濃度を検知し（ステップＳ２４）、この酸素センサ８２の検知信号（酸素濃度検知信号）を利用して、セルスタックの発電電流の補正制御が上述したと同様にして行われる。

即ち、必要酸素量演算手段１０６Ａは、セルスタックからのアノードオフガスを完全燃焼させるのに必要な必要酸素演算量を演算し、酸素演算供給量設定手段１０８Ａは、この必要酸素演算量よりも少ない酸素演算供給量を設定し、作動制御手段１０４Ａは、この酸素演算供給量の酸素が燃焼器へ供給されるようにマスフローコントローラ５２（酸素流量制御手段）を制御する。そして、このような酸素供給状態では、燃焼器でのアノードオフガスの燃焼において酸素が不足傾向となるために、酸素センサ８２からの検知信号に基づいてセルスタックの発電電流の補正制御が行われる。

発電電流補正手段１１０Ａは、この酸素センサ８２の検知信号に基づいて酸素余剰状態か、酸素不足状態かの判定をする。そして、燃焼排気ガスが酸素余剰状態となっているときには、ステップＳ２５からステップＳ２６に進み、発電電流補正手段１１０Ａは、燃料供給ポンプ２２からの原燃料ガスの供給量を変えることなく、セルスタックの発電電流を低下補正する。かくすると、セルスタックの燃料利用率が減少補正され、マスフローコントローラ５２（酸素供給制御手段）を通して送給される酸素の供給量が変化することなく、アノードオフガスに含まれる燃料ガス（水素及び一酸化炭素）が増大し、これによって、酸素余剰が解消される。

このとき、後述する上限燃料利用率からの燃料利用率の低下のときには、燃焼器でアノードオフガスを完全燃焼させることができるとして、ステップＳ２６に続いてステップＳ２７を経てステップＳ２８に進み、三方切替弁７０が第１切替状態に切り替えられ、燃焼器からの燃焼排気ガスは排気ガス回収・精製ライン６６に流れる。

また、この燃料利用率の低下補正により、燃料利用率が下限燃料利用率まで低下すると、ステップＳ２９からステップＳ３０へと進み、下限利用率判定手段１２４が下限燃料利用率まで低下したと判定し、この判定結果に基づき、補正禁止信号生成手段１２６は補正禁止信号を生成し、この補正禁止信号に基づき燃料利用率の更なる減少が禁止され、セルスタックはこの下限燃料利用率でもって運転され、これにより、燃焼器でのアノードオフガスの燃焼による過加熱を防止することができる。このとき、燃焼器での酸素の供給不足が発生し、燃焼器からの燃焼排気ガスに水素、一酸化炭素が一部残存した状態となるために、三方切替弁７０は第２切替状態に切り替えられ、燃焼器からの燃焼排気ガスは排気ガス処理ライン６８に流れる（ステップＳ３）。

また、燃焼排気ガスが酸素不足状態になっているときには、ステップＳ２５からステップＳ３２を経てステップＳ３３に移り、発電電流補正手段１１０Ａは、燃料供給ポンプ２２からの原燃料ガスの供給量を変えることなく、セルスタックの発電電流を増大補正する。かくすると、セルスタックの燃料利用率が増大補正され、マスフローコントローラ５２（酸素供給制御手段）を通して送給される酸素の供給量が変化することなく、アノードオフガスに含まれる燃料ガス（水素及び一酸化炭素）が減少し、酸素不足が解消される。このとき、後述する下限燃料利用率からの燃料利用率の増大のときには、燃焼器でアノードオフガスを完全燃焼させることができるとして、ステップＳ３３に続いてステップＳ３４を経てステップＳ３５に進み、三方切替弁７０が第１切替状態に切り替えられ、燃焼器からの燃焼排気ガスは排気ガス回収・精製ライン６６に流れる。

また、この燃料利用率の増大補正により、燃料利用率が上限燃料利用率まで上昇すると、ステップＳ３６からステップＳ３７へと進み、上限利用率判定手段１２２が上限燃料利用率まで上昇したと判定し、この判定結果に基づき、補正禁止信号生成手段１２６は補正禁止信号を生成し、この補正禁止信号に基づき燃料利用率の更なる増大が禁止され、セルスタックはこの上限燃料利用率でもって運転され、これにより、高すぎる燃料利用率によるセルスタックの劣化を防止することができる。このとき、燃焼器での酸素余剰が発生し、燃焼器からの燃焼排気ガスに酸素が含まれる状態となるために、三方切替弁７０は第２切替状態に切り替えられ、燃焼器からの燃焼排気ガスは排気ガス処理ライン６８に流れる（ステップＳ３８）。

このような定格運転（定格負荷運転）から発電電流が低下して部分負荷運転になると、ステップＳ３９ステップＳ４０に移り、部分負荷運転が行われる。この部分負荷運転においては、上述した定格負荷運転と同様に行われる。

図６を参照して、この部分負荷運転においては、三方切替弁７０（流路切替弁）が第１切替状態に切り替えられる（ステップＳ４１）。また発電電流設定手段９２Ａはセルスタックの発電電流が部分負荷発電電流となるように設定し（ステップＳ４２）、また燃料供給量演算手段９８Ａは部分負荷運転時の原燃料ガスの供給量を演算し、空気供給量演算手段１００Ａは部分負荷運転時の空気の供給量を演算し、水供給量演算手段１０２Ａは部分負荷運転時の改質水の供給量を演算し、これら演算された供給量が設定され（ステップＳ４３）、作動制御手段１０４Ａは、これら供給量を供給するように燃料供給ポンプ２２、空気ブロア４０及び水ポンプ３４を制御する。

この部分運転においても、酸素センサ８２（酸素濃度検知手段）が燃焼器から燃焼排気ガス排出ライン６０を流れる燃焼排気ガスの酸素濃度を検知し（ステップＳ４４）、この酸素センサ８２の検知信号（酸素濃度検知信号）を利用して、セルスタックの発電電流の補正制御が上述したと同様にして行われる。

即ち、この部分負荷運転においても、必要酸素量演算手段１０６Ａは、セルスタックからのアノードオフガスを完全燃焼させるのに必要な必要酸素演算量を演算し、酸素演算供給量設定手段１０８Ａは、この必要酸素演算量よりも少ない酸素演算供給量を設定し、作動制御手段１０４Ａは、この酸素演算供給量の酸素が燃焼器へ供給されるようにマスフローコントローラ５２（酸素流量制御手段）を制御し、この酸素供給状態において、酸素センサ８２からの検知信号に基づいてセルスタックの発電電流の補正制御が行われる。

発電電流補正手段１１０Ａは、この酸素センサ８２の検知信号に基づいて酸素余剰状態か、酸素不足状態かの判定をする。そして、燃焼排気ガスが酸素余剰状態となっているときには、ステップＳ４５からステップＳ４６に進み、発電電流補正手段１１０Ａは、燃料供給ポンプ２２からの原燃料ガスの供給量を変えることなく、セルスタックの発電電流を低下補正する。かくすると、セルスタックの燃料利用率が減少補正され、マスフローコントローラ５２（酸素供給制御手段）を通して送給される酸素の供給量が変化することなく、アノードオフガスに含まれる燃料ガス（水素及び一酸化炭素）が増大する。

このとき、後述する上限燃料利用率からの燃料利用率の低下のときには、ステップＳ４６に続いてステップＳ４７を経てステップＳ４８に進み、三方切替弁７０が第１切替状態に切り替えられる。

また、この燃料利用率の低下補正により、燃料利用率が下限燃料利用率まで低下すると、ステップＳ４９からステップＳ５０へと進み、下限利用率判定手段１２４が下限燃料利用率まで低下したと判定した判定結果に基づき、補正禁止信号生成手段１２６は補正禁止信号を生成し、燃料利用率の更なる減少が禁止され、セルスタックはこの下限燃料利用率でもって運転される。このとき、三方切替弁７０は第２切替状態に切り替えられ、燃焼器からの燃焼排気ガスは排気ガス処理ライン６８に流れる（ステップＳ５１）。

また、燃焼排気ガスが酸素不足状態になっているときには、ステップＳ４５からステップＳ５２を経てステップＳ５３に移り、発電電流補正手段１１０Ａは、燃料供給ポンプ２２からの原燃料ガスの供給量を変えることなく、セルスタックの発電電流を増大補正する。かくすると、セルスタックの燃料利用率が増大補正され、マスフローコントローラ５２（酸素供給制御手段）を通して送給される酸素の供給量が変化することなく、アノードオフガスに含まれる燃料ガス（水素及び一酸化炭素）が減少し、酸素不足が解消される。このとき、ステップＳ５３に続いてステップＳ５４を経てステップＳ５５に進み、三方切替弁７０が第１切替状態に切り替えられ、燃焼器からの燃焼排気ガスは排気ガス回収・精製ライン６６に流れる。

また、この燃料利用率の増大補正により、燃料利用率が上限燃料利用率まで上昇すると、ステップＳ５６からステップＳ５７へと進み、上限利用率判定手段１２２が上限燃料利用率まで上昇したと判定し、この判定結果に基づき、補正禁止信号生成手段１２６は補正禁止信号を生成し、この補正禁止信号に基づき燃料利用率の更なる増大が禁止され、セルスタックはこの上限燃料利用率でもって運転される。このとき、三方切替弁７０は第２切替状態に切り替えられ、燃焼器からの燃焼排気ガスは排気ガス処理ライン６８に流れる（ステップＳ５８）。

このような定格運転（定格負荷運転）から発電出力が低下して部分負荷運転になると、ステップＳ３９からステップＳ４０に移り、部分負荷運転が行われる。そして、この部分負荷運転が終了して定常運転に戻るときには、ステップＳ５９及びステップＳ６０を経てステップＳ２１に戻る。また、部分負荷運転の後に運転を終了するときには、ステップＳ５９からステップＳ６０を経て運転が終了する（図３に示すフローチャートにおけるステップＳ１７に移って終了運転が行われる）。

以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システム（ＳＯＦＣシステム）の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されず、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。

上述した実施形態では、必要酸素量演算手段１０６（１０６Ａ）が必要酸素量を演算し、酸素演算供給量設定手段１０８（１０８Ａ）がこの必要酸素量に基づいて酸素演算供給量を設定し、この酸素演算供給量の供給状態において、発電電流補正手段１１０（１１０Ａ）が酸素センサ８２（酸素濃度検知手段）の検知信号に基づきセルスタック６の発電電流を補正制御しているが、このような構成に代えて、必要酸素量演算手段１０６（１０６Ａ）により演算した必要酸素量を用い、この必要酸素量の供給状態において、発電電流補正手段１１０（１１０Ａ）が酸素センサ８２（酸素濃度検知手段）の検知信号に基づきセルスタック６の発電電流を補正制御するようにしてもよい。

また、セルスタック６の燃料極１０側からのアノードオフガスを燃焼器４４に送給するアノードオフガス送給ライン４６にバッファータンク（図示せず）を設けるようにしてもよく、このように構成することにより、燃焼器４４に送給されるアノードオフガスの流量変動、組成変動を緩和させることができる。

２ 固体酸化物形燃焼電池システム
４ 改質器
６ セルスタック
２２ 燃料供給ポンプ（燃料ガス供給手段）
３２，３２Ａ コントローラ
３４ 水ポンプ（水供給手段）
４０ 空気ブロア（酸化剤ガス供給手段）
４４ 燃焼器
４６ 燃焼排気ガス送給ライン
５２ マスフローコントローラ（酸素流量制御手段）
６２ 第３熱交換器（凝縮器）
６４ 気液分離装置
６６ 排気ガス回収・精製ライン
７０ 三方切替弁
８２ 酸素センサ（酸素濃度検知手段）
１０６，１０６Ａ 必要酸素量演算手段
１０８，１０８Ａ 酸素演算供給量設定手段
１１０，１１０Ａ 発電電流補正手段
１２２ 上限利用率判定手段
１２４ 下限利用率判定手段
１２６ 補正禁止信号生成手段

Claims (7)

1. 炭化水素系の原燃料ガスを改質して改質燃料ガスを生成する改質器と、前記改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記改質器に改質水を供給するための水供給手段と、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給手段と、前記改質器からの改質燃料ガスと前記酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行うセルスタックと、前記セルスタックのアノードからのアノードオフガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器に酸素を供給する酸素供給源と、前記酸素供給源から前記燃焼器に供給される酸素の供給量を制御するための酸素供給制御手段と、前記セルスタックの発電電流を設定する発電電流設定手段と、前記燃料ガス供給手段、前記酸化剤ガス供給手段、水供給手段、前記酸素供給制御手段及び前記発電電流設定手段を制御するためのコントローラとを備えており、
   前記燃焼器からの燃焼排気ガスは、燃焼排気ガス排出ラインを通して排気ガス回収・精製ラインに送給されるように構成され、前記燃焼排気ガス排出ラインには、燃焼排気ガス中に含まれる水分を凝縮する凝縮器及び前記凝縮器にて凝縮された凝縮水を分離する気液分離装置が配設されており、
   前記燃焼器に関連して、更に、燃焼排気ガス中の酸素濃度を検知するための酸素濃度検知手段が設けられ、前記コントローラは、前記酸素濃度検知手段の酸素濃度検知信号に基づいて前記発電電流設定手段を補正制御して燃料利用率を変動させ、これにより、前記燃焼器に送給されたアノードオフガスを酸素余剰なく完全酸化させることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
2. 前記コントローラは、前記セルスタックからのアノードオフガスを酸素余剰なく完全酸化させるのに必要な必要酸素演算量を演算する必要酸素量演算手段と、前記必要酸素演算手段による前記必要酸素演算量よりも少ない酸素演算供給量を設定する酸素演算供給量設定手段と、前記セルスタックの発電電流を増減補正するための発電電流補正手段とを含み、前記発電電流設定手段は、前記燃料ガス供給手段から供給される原燃料ガスの供給量に基づき発電電流を設定し、前記発電電流補正手段は、前記酸素濃度検知手段の酸素濃度検知信号に基づいて、前記セルスタックの燃料利用率が変動するように前記発電電流設定手段を補正制御することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
3. 前記コントローラは、更に、発電電流の増減に基づく燃料利用率の変動により上限燃料利用率に達したかを判定するための上限利用率判定手段を含み、前記上限利用率判定手段が前記上限燃料利用率に達したと判定したときには、前記酸素濃度検知手段の酸素濃度検知信号に基づく前記発電電流設定手段による発電電流の増大補正を禁止することを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
4. 前記コントローラは、更に、発電電流の増減に基づく燃料利用率の変動により下限燃料利用率に達したかを判定するための下限利用率判定手段を含み、前記下限利用率判定手段が前記下限燃料利用率に達したと判定したときには、前記酸素濃度検知手段の酸素濃度検知信号に基づく前記発電電流設定手段による発電電流の減少補正を禁止することを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
5. 前記燃焼排気ガス排出ラインには、前記排気ガス回収・精製ラインとの接続部に排気ガス処理ラインが分岐接続され、前記排気ガス回収・精製ライン及び前記排気ガス処理ラインの分岐部に流路切替手段が配設されており、前記コントローラの前記上限利用率判定手段が前記上限燃料利用率に達したと判定したとき又は前記下限利用率判定手段が前記下限燃料利用率まで下がったと判定したときには、前記流路切替手段は、前記燃焼排気ガス排出ラインと前記排気ガス回収・精製ラインとを連通する第１の接続状態から前記燃焼排気ガス排出ラインと前記排気ガス処理ラインとを連通する第２の接続状態に切り替えられることを特徴とする請求項３又は４に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
6. 前記セルスタックの前記アノードからのアノードオフガスを前記燃焼器に送給するアノードオフガス送給ラインには、アノードオフガスを収容するバッファータンクが設けられていることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
7. 前記燃焼器に供給される酸素は、水を電気分解して水素と酸素とを生成する水電解水素生成装置において水の電気分解により生成された酸素であることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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