JP4875246B2 - 固体電解質型燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温固体電解質型燃料電池の構造の一例が特開平９−１２９２５６で知られている。高温固体電解質型燃料電池の動作温度は８００℃から１０００℃を想定している。この引例では、セルチューブ（燃料電池モジュール）は、上部管板と下部管板に固定されて、下部管板の下方に延びている。水分を含む燃料ガスは、天板と上部管板の間に供給されている。下部管板の下には酸化剤ガスが充満している。燃料ガスはセルチューブに供給され発電に使用される。発電後の排燃料ガスは、セルチューブから上部管板と下部管板との間に排出され、更に外部に排出される。
【０００３】
高温固体電解質型燃料電池では、メタンガス等の炭化水素を含有するガス（都市ガス）を供給ガスとして使用することが検討されている。メタンガスを供給ガスとして使用する場合には、
ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ２ −Ｑ （１）
で表される反応式に基づいて、メタンガスを水素ガスを含むガスに改質することが望ましい。なお、この反応は吸熱反応である。生成された水素ガスが燃料ガスとして酸化剤ガスとともに発電に使用される。発電の際の反応は
２Ｈ２ ＋ Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ ＋Ｑ
２ＣＯ ＋ Ｏ２ → ２ＣＯ２ ＋Ｑ （２）
である。この反応は、発熱反応である。
【０００４】
この改質では、上記の反応式に示されるように、水分が必要である。水分が関与してメタンガスが一酸化炭素と水素に分解されている。従って、改質器を通った燃料ガスは、メタン、水分、一酸化炭素、二酸化炭素、水素を含むことになる。これらのガス成分のうち水素ガスだけ抽出して燃料電池に導入することは実際的ではないので、水分を含む燃料ガスが燃料電池に供給されることになる。
【０００５】
水分を如何に供給するかが問題である。一般的には、ボイラにより蒸気という形で水分が補給されている。しかしながら、ボイラ等の付帯設備を設けることはシステムのコストを押し上げることになる。従って、ボイラの使用はできるだけさけるべきである。その場合、水分を如何に補給するかが問題となる。
【０００６】
所定の条件における定格運転では、上記反応式（２）に従って水分は生成される。この水分を改質に使用することができる。しかしながら、発電当初は、その水分が無いのでボイラを使用せざるを得ない。そこで、ボイラを使用する必要のない固体電解質型燃料電池システムが要望されている。
【０００７】
また、システムの停止時に、いきなり発電を停止すると、メタンガスがそのままセルチューブ入り、
ＣＨ４ → Ｃ＋２Ｈ２
の反応式に従って熱分解されて炭素が付着することになる。この炭素はセルチューブの性能を低下させる。そのため、停止時にそれまでの燃料ガスをパージしなければならないが、余分な構成のシステムへの追加はさけるべきである。
【０００８】
また、固体電解質型燃料電池から排出される排燃料ガスには可燃成分が含まれており、排燃料ガスの一部は循環されるが、残りは排出されている。これはエネルギー的には、効率がよくない。燃料の使用効率を高めた固体電解質型燃料電池システムが望まれている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、安定に電力を取り出すことができる固体電解質型燃料電池システムを提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、起動時に水蒸気を供給する必要が無く、ボイラーなどの付帯設備を設ける必要のない固体電解質型燃料電池システムを提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、起動時及び停止時に炭素による燃料電池モジュールの汚染を防止することができる固体電解質型燃料電池システムを提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、ガスタービンを用いて燃料ガスを有効に利用することにより発電効率を高めた固体電解質型燃料電池システムを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
以下に、本発明の課題を解決するための手段を説明する。その説明中の技術的事項は、以下の実施の形態の説明における対応する技術的事項を説明するために使用される参照番号あるいは参照記号を添付して説明される。しかしながら、それらの参照番号あるいは参照記号を特許請求の範囲の記載の解釈に用いてはならない。
【００１４】
本発明の観点を達成するために、本発明の固体電解質型燃料電池システムでは、第１の燃料供給部（６、８、１４、１６）は、水素ガスを含む第１の供給ガスを供給する。第２の燃料供給部（４、１２）は、炭化水素ガスを含む第２の供給ガスを供給する。酸化剤ガス供給部（２６）は、酸素ガスを含む酸化剤ガスを供給する。固体電解質型燃料電池（２）は、水分を含む第３の供給ガスを受け取り、前記第３の供給ガスが前記第２の供給ガスを含むとき、前記水分を用いて前記炭化水素ガスを水素ガスを含む燃料ガスに改質し、前記第３の供給ガスが前記第１の供給ガスを含むとき、そのまま前記燃料ガスとして使用し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとから発電しながら水分を発生し、前記水分を含む排燃料ガスと排酸化剤ガスを排出する。循環部（２２）は、前記排燃料ガスと前記第１の供給ガスまたは前記第２の供給ガスとが混合され前記第３の供給ガスとして前記固体電解質型燃料電池に供給されるように前記排燃料ガスを循環する。制御部（２００）は、前記固体電解質型燃料電池の内部の圧力と温度に基づいて、前記第１の燃料供給部と前記第２の燃料供給部を制御して前記第１の供給ガスと前記第２の供給ガスの供給を制御する。
【００１５】
本発明の他の観点を達成するために、固体電解質型燃料電池システムでは、第１の燃料供給部（６、８、１４、１６）は、水素ガスを含む第１の供給ガスを供給する。第２の燃料供給部（４、１２）は、炭化水素ガスを含む第２の供給ガスを供給する。酸化剤ガス供給部（２６）は、酸素ガスを含む酸化剤ガスを供給する。改質器（２０、７６）は、水分を含む第３の供給ガスを受け取り、前記第３の供給ガスが前記第２の供給ガスを含むとき、前記水分を用いて前記炭化水素ガスを水素ガスを含む燃料ガスに予備改質し、前記第３の供給ガスが前記第１の供給ガスを含むとき、そのまま前記燃料ガスとして出力する。固体電解質型燃料電池（２）は、前記水分を用いて前記炭化水素ガスを水素ガスを含む燃料ガスに改質し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとから発電しながら前記水分を発生し、前記水分を含む排燃料ガスと排酸化剤ガスを排出する。循環部（２２）は、前記排燃料ガスと前記第１の供給ガスまたは前記第２の供給ガスとが混合され前記第３の供給ガスとして前記改質器に供給されるように前記排燃料ガスを循環する。制御部（２００）は、前記固体電解質型燃料電池の内部の圧力と温度に基づいて、前記第１の燃料供給部と前記第２の燃料供給部を制御して前記第１の供給ガスと前記第２の供給ガスの供給を制御する。
【００１６】
ここにおいて、前記固体電解質型燃料電池（２）は、燃料ガス中の都市ガス成分を水素ガスを含むガス成分に改質する機能を有する。
【００１７】
また、このとき、固体電解質型燃料電池システムは、前記固体電解質型燃料電池（２）に供給される前記酸化剤ガスを加熱して、前記固体電解質型燃料電池の内部温度を上げるための熱交換機（２４、９４）を更に具備してもよい。
【００１８】
また、固体電解質型燃料電池システムは、前記固体電解質型燃料電池に設けられ、前記固体電解質型燃料電池の内部温度を上げるための加熱手段（７８）を更に具備してもよい。
【００１９】
前記制御部（２００−８）は、前記燃料ガスの圧力が前記酸化剤ガスの圧力より所定値だけ高いように制御する。
【００２０】
また、固体電解質型燃料電池システムは、前記第１の供給ガスまた第２の供給ガス及び前記排燃料ガスの一部を燃焼させ、燃焼ガスを用いてガスタービンを回転させて発電を行うガスタービン発電機（８２、８８）を更に具備してもよい。
この場合、前記ガスタービン発電機からの排ガスは前記酸化剤ガスを加熱するために使用されることが望ましい。
【００２１】
また、前記制御部（２００）は、システムの起動時から前記固体電解質型燃料電池内の圧力が定格値に達した後、前記固体電解質型燃料電池の内部温度が所定値に達して定格運転が始まるまで、前記第１の供給ガスを供給し、前記固体電解質型燃料電池内の圧力が定格値に達した後前記第２の供給ガスの供給を開始するように制御することが望ましい。このとき、前記制御部（２００）は、システムの停止するために、前記第２の供給ガスの供給を停止し、代わって前記第１の供給ガスを供給し、前記固体電解質型燃料電池内の圧力及び温度が所定値に下がったとき、前記第１の供給ガスの供給を停止することが望ましい。
【００２２】
本発明の他の観点を達成するために、固体電解質型燃料電池システムの運転方法は、起動時において、水素ガスを含み炭化水素ガスを含まない第１の供給ガスを燃料ガスとして固体電解質型燃料電池に供給するステップと、酸化剤ガスを含む酸化剤ガスを前記固体電解質型燃料電池に供給するステップと、前記固体電解質型燃料電池は、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスにより発電し、水分を生成し、前記水分を含む排燃料ガスを出力し、前記固体電解質型燃料電池が定格条件に達したとき、前記第１の供給ガスの供給を停止するステップと、炭化水素ガスを含む第２の供給ガスを供給するステップと、前記第２の供給ガスを前記排燃料ガス中の水分を用いて改質して水素ガスを含む前記燃料ガスを生成するステップとを具備する。
【００２３】
ここで、固体電解質型燃料電池システムの運転方法は、更に、停止時に前記第２の供給ガスの供給を停止するステップと、記第２の供給ガスに代えて、前記第１の供給ガスを供給するステップと、前記固体電解質型燃料電池内の温度と圧力が所定値まで下がったとき、前記第１の供給ガスの供給を停止するステップとを具備する事が望ましい。
【００２４】
また、前記第２の供給ガスの供給量は前記排燃料ガス中の水分の量に基づいて制御されることが望ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明の固体電解質型燃料電池システムについて詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本発明の第１の実施の形態による固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１を参照して、第１の実施の形態による固体電解質型燃料電池システムは、主に、固体電解質型燃料電池２、都市ガス供給ユニット４、水素ガス供給ユニット、６、窒素ガス供給ユニット８、置換ガス供給ユニット１０、制御弁１２−１８、前処理器２０、再循環ブロワ２２、外部熱交換器２４、エアーコンプレッサー２６、及び制御ユニット２００（図示せず）からなる。制御弁１２−１８は、それぞれ都市ガス供給ユニット４、水素ガス供給ユニット、６、窒素ガス供給ユニット８、置換ガス供給ユニット１０に対して設けられている。
【００２７】
制御ユニット２００は、流量調整器２００−２、温度調整器２００−４、圧力制御器２００−６、圧力差調整器２００−８、流量調整器２００−１０を含んでいる。制御ユニット２００は、固体電解質型燃料電池システムの全体の動作を制御する。
【００２８】
都市ガス供給ユニット４から出力される都市ガスは制御弁１２を介して配管１００−１に燃料ガスとして供給される。制御弁１２は、制御ユニット２００により制御され、発電時に配管１００−１を介して都市ガスを固体電解質型燃料電池２に供給する。
【００２９】
水素ガス供給ユニット６から出力される水素ガスは制御弁１４を介して配管１００−１に燃料ガスとして供給される。制御弁１４は、制御ユニット２００により制御され、固体電解質型燃料電池２の起動時及び運転終了時に水素ガスを配管１００−１に供給する。
【００３０】
窒素ガス供給ユニット８から出力される窒素ガスは制御弁１６を介して配管１００−１に供給される。制御弁１６は、制御ユニット２００により制御され、固体電解質型燃料電池２の起動時及び運転終了時に窒素ガスを配管１００−１に供給する。この窒素ガスは、水素ガス供給ユニット６から配管１００−１に供給される水素ガスを希釈するために使用される。
【００３１】
置換ガス供給ユニット１０から出力される置換ガスは制御弁１８を介して配管１００−１に供給される。制御弁１８は、制御ユニット２００により制御され、固体電解質型燃料電池２に異常が発生したとき、あるいは固体電解質型燃料電池２の運転を停止するとき、固体電解質型燃料電池２内、及び関連する配管内の燃料ガスを排出するために使用される。窒素ガスまたは窒素ガスで希釈された水素ガスが置換ガスとして使用されるときには、この置換ガス供給ユニット１０は不要となる。この場合には、制御ユニット２００の制御動作が異なることになる。
【００３２】
配管１００−１に供給されたガスは、配管１００−１６内の循環ガスと共に配管１００−４を介して前処理器２０に供給される。
【００３３】
前処理器２０は、燃料ガスが固体電解質型燃料電池２に供給される前に、配管１００−４内のガスに含まれるＣｍＨｎ（ｍ＞＝２）以上の燃料ガス成分の帯か異質を行う。例えば、
ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ２
Ｃ２Ｈ６ ＋ ２Ｈ２Ｏ → ２ＣＯ ＋ ５Ｈ２
Ｃ３Ｈ８ ＋ ３Ｈ２Ｏ → ３ＣＯ ＋ ７Ｈ２
Ｃ４Ｈ１０ ＋ ４Ｈ２Ｏ → ４ＣＯ ＋ ９Ｈ２ 反応式（１）
改質されたガスは配管１００−６を介して固体電解質型燃料電池２に供給される。固体電解質型燃料電池２は、内部に改質機能を有していてもよい。例えば、反応式（１）に従って、都市ガス中に含まれるメタンガスを水素ガスを含むガスに改質することができる。また、前処理器２０は、固体電解質型燃料電池２のモジュールと一体化可能である。
【００３４】
エアーコンプレッサー２６は、制御ユニット２００の制御の下、空気を圧縮して酸化剤ガスとして配管１１０−２に供給する。配管１１０−２内の酸化剤ガスは、制御弁２８とセンサー３０を介して配管１１０−４、１１０−６を通して外部熱交換器２４に供給される。制御ユニット２００の流量調整器２００−２は、センサー３０により検出された空気圧に基づいて制御弁２８の開閉度を制御する。
【００３５】
外部熱交換器２４は、制御ユニット２００の制御の下、配管１１０−６を介して供給される酸化剤ガスを加熱して配管１１０−８を介して固体電解質型燃料電池２に供給する。固体電解質型燃料電池２は、高温動作型の燃料電池であり、動作温度は、約８００℃から１０００℃である。水素ガスと酸化剤ガスから以下の反応式（２）に従って電力を発生し、水を生成する。
２Ｈ２ ＋ Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ ＋ Ｑ
２ＣＯ ＋Ｏ２ → ２ＣＯ ＋ Ｑ 反応式（２）
これらの反応は発熱反応であるが、固体電解質型燃料電池２の起動時には固体電解質型燃料電池２は常温にある。従って、起動時には固体電解質型燃料電池２を動作温度に保つための熱源として上記反応熱を利用することはできない。このため、起動時には電気ヒーターまたはバーナー等により加熱し、その熱を用いて固体電解質型燃料電池２を動作させることになる。
【００３６】
外部熱交換器２４は、固体電解質型燃料電池２から排出される高温の酸化剤ガスの熱を利用して、配管１１０−６を介して供給される酸化剤ガスを加熱する。こうして、固体電解質型燃料電池２から排出される高温の酸化剤ガスは冷却される。制御ユニット２００の温度調整器２００−４は、外部熱交換器２４から固体電解質型燃料電池２に向けて出力される酸化剤ガスの温度を検出し、制御弁３２の開閉度を制御する。これにより、加熱前の酸化剤ガスが加熱酸化剤ガスに混合されて温度がほぼ一定の酸化剤ガスが固体電解質型燃料電池２に供給されることになる。
【００３７】
固体電解質型燃料電池２は、配管１００−６を介して供給される燃料ガスと外部熱交換器２４から供給される加熱酸化剤ガスとを用いて、上記反応式（２）に従って水素ガスと酸化剤ガスから電力を発生し、水を生成する。発生された電力は外部に取り出されるが、図示はしていない。上記反応式（２）に従う反応後の排燃料ガスは、配管１００−８に出力される。また、上記反応式に従う反応後の排酸化剤ガスは、配管１１０−１０に出力される。
【００３８】
排酸化剤ガスは、外部熱交換器２４を介して配管１１０−１２に出力される。排酸化剤ガスもかなりの高温状態にあるので、この熱は配管１１０−６を介して外部熱交換器２４に供給される酸化剤ガスを加熱するために使用される。従って、外部熱交換器２４から配管１１０−１２に出力される排酸化剤ガスは温度が下がっている。
【００３９】
その後、排酸化剤ガスは、配管１１０−１２を介してトラップ４０を介して排気筒４６から排気される。トラップ４０は、排酸化剤ガスに含まれる蒸気などの成分を取り除くために設けられている。
【００４０】
トラップ４０と排気筒４６の間には、制御弁４２が設けられている。制御ユニット２００の圧力調整器２００−６は、固体電解質型燃料電池２内のガスの圧力を配管１００−２０を介して検出し、制御弁４２の開閉度を制御する。こうして、固体電解質型燃料電池２内の圧力が一定に保たれることになる。
【００４１】
また、反応後の排燃料ガスは、固体電解質型燃料電池２から配管１００−８に出力される。排燃料ガスには、上記の反応により生成された水分としての蒸気と、改質器により生成されたが反応に使用されなかった水素ガス、改質により生成された一酸化炭素ガス、改質されないままの燃料ガスなどが含まれている。
【００４２】
排燃料ガスは、配管１００−１０と配管１１０−１２と配管１００−１８に供給される。配管１００−１０に供給された排燃料ガスは、冷却器３４により冷却された後、トラップ３６を介して排気筒４４から排気される。トラップ３４は、排燃料ガスに含まれている蒸気などを除去するために使用される。
【００４３】
トラップ３６と排気筒４４の間には制御弁３８が設けられている。制御ユニット２００の圧力差調整器２００−８は、配管１００−１８を介して得られる供給燃料ガスの圧力と配管１００−２０を介して得られる固体電解質型燃料電池２の内部圧力との差に基づいて制御弁３８の開閉度を制御する。この結果、固体電解質型燃料電池２に供給される燃料ガスの圧力は、酸化剤ガスの圧力より所定値、この例では５０ｍｍＡｑだけ高い状態に保たれることができる。
【００４４】
配管１００−１２に供給された排燃料ガスは、再循環ブロワ２２により配管１００−１４を通して、センサ５２を介して配管１００−１６に供給される。配管１００−１６内の燃料ガスは、制御弁１２−１６から供給される燃料ガスと共に前処理器２０に供給される。
【００４５】
制御弁５０は、再循環ブロワ２２をバイパスする経路に設けられている。制御ユニット２００の流量調整器２００−１０は、制御弁５０の開閉度を制御する。これにより、再循環ブロワ２２の出力流量の一部は入力側に戻される。こうして、弁５２、配管１００−１６を介して前処理器２０に供給される流量を制御している。
【００４６】
また、水道と純水処理器６４、蒸気ボイラ６２は必要な場合に設けられる。しかしながら、本発明では、必ずしも必要ではない。
【００４７】
水道からの水は、純水処理器６４により純水とされた後、蒸気ボイラ６２に供給される。蒸気ボイラ６２にはＬＰＧガス６０が供給され、それが焚かれて純水の蒸気を生成する。生成された蒸気は、配管１００−２を介して前処理器２０に供給される。
【００４８】
次に、本発明の第１実施の形態による固体電解質型燃料電池システムの動作を説明する。図２は固体電解質型燃料電池システムの動作状況を示すタイミング図である。図２(a）は、固体電解質型燃料電池２の負荷電流（ａ）を示す。図２（ｂ）は、固体電解質型燃料電池２内の温度（ｂ）と圧力（ｃ）を示す。図２（ｃ）は、燃料ガスの流量（ｄ、ｅ）と、制御弁３８の開度を示す。また、蒸気ボイラ６２が使用される場合の蒸気の供給量をｆで示す。図２（ｄ）は、制御弁４２の開度（圧力調節弁）ｇ、再循環ブロワ２２の動作（再循環ガス）ｈ、及び制御弁２８の開度（供給空気（酸化剤ガス）量）ｉを示している。
【００４９】
はじめに、起動時Ｔ０からＴ３までのうちの昇圧期間である時間Ｔ０からＴ１の間の動作について説明する。
【００５０】
固体電解質型燃料電池２が起動されるときには、固体電解質型燃料電池２は常温にある。上記反応式（２）により電力の発生を達成するためには、８００℃から１０００℃の温度が必要である。また、メタンガスを水素ガスと一酸化炭素ガスに改質するためには水分が必要である。しかしながら、蒸気ボイラ６２から水蒸気を供給しなければ、起動時にはシステム内に蒸気は存在しない。そこで、本発明では、メタンガスを改質するために必要な水分は固体電解質型燃料電池２での電力の発生時に生成される水分を用いている。
【００５１】
時間Ｔ０からＴ１までの間において、固体電解質型燃料電池２内に設けられたヒーターで温度調節が行われている。また、図２（ｂ）を参照して、時間Ｔ０からＴ１間での間、固体電解質型燃料電池２内の温度ｂと圧力ｃは増加し続ける。図２（ｃ）を参照して、制御弁１４と１６が制御され、水素ガスと窒素ガスの混合ガスｄは増加し続ける。図２（ｄ）を参照して、制御弁４２の状態ｇは開状態から閉状態に向かって徐々に閉じられる。しかしながら、完全に閉じられる訳ではない。また、制御弁２８の状態ｉは、わずかに開いた状態が維持される。再循環ブロワ２２による循環ガスが徐々に増加する。
【００５２】
図２（ｄ）に示されるように、時間Ｔ０では、制御弁４２がほぼ全開となっているので、エアーコンプレッサー２６からの酸化剤ガスは外部熱交換器２４を介して固体電解質型燃料電池２に供給される。こうして、図２（ｂ）に示されるように、固体電解質型燃料電池２内の温度ｂは上昇し、また圧力ｃも増加する。このとき、制御弁４２は大きく開いているので、固体電解質型燃料電池２内の常温の空気は制御弁４２を介して排出される。
【００５３】
この状態で、制御ユニット２００は、図２（ｃ）に示されるように、時間Ｔ０において、水素ガス供給ユニット６と窒素ガス供給ユニット８からの水素ガスと窒素ガスを供給するように制御弁１４と１６を開ける。その後、水素ガスと窒素ガスの供給量が徐々に増加するように制御弁１４と１６を制御する。こうして、窒素ガスで希釈された水素ガスが燃料ガスとして供給される。水素ガスが供給されるので、前処理器２０では改質の必要性はない。そのため、水素ガスを含む燃料ガスは、固体電解質型燃料電池２に供給される。
【００５４】
固体電解質型燃料電池２は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて上記の反応式（２）に基づいてわずかではあるが電力を生成し、また水分（蒸気）を生成する。結果として、生成された水分（蒸気）は配管１００−１２に供給される。このとき、図２（ｃ）に示されるように、制御弁３８は一定の開度であいているが、固体電解質型燃料電池２内の圧力が低いので配管１００−１２内の排燃料ガスはそれほど制御弁３８を介しては外部に排出されない。即ち、配管１００−１２から固体電解質型燃料電池２の入口側に戻るガス量と弁３８を通して系外に排出されるガス量がバランスする。
【００５５】
再循環ブロワ２２が徐々に循環量を増やすように動作するので、配管１００−１２内の水分を含む循環ガスは、水素ガスと窒素ガスの混合ガスと混合されて固体電解質型燃料電池２に再び供給されることになる。制御弁４２は徐々に閉じる方向に制御されるので、固体電解質型燃料電池２内の圧力ｃが増加する。
【００５６】
こうして、プロセスは、時間Ｔ１に進む。時間Ｔ１では、固体電解質型燃料電池２内の圧力が所定の値に達する。しかしながら、固体電解質型燃料電池２内の温度が十分にはあがっていないので、まだ定格運転は行われない。
【００５７】
時間Ｔ１からＴ２間での間では、外部熱交換器２４は動作状態を維持する。図２（ｃ）に示されるように、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ｄは一定に保たれる。また、都市ガスｅは供給されていない。図２（ｄ）に示されるように、制御弁４２は、閉じてはいないが、低い開度ｇで保たれる。制御弁２８も低い開度で保たれ、固体電解質型燃料電池２に供給される酸化剤ガスの供給量ｉも一定に保たれる。再循環ブロワ２２は、一定の循環ガスを循環させるように動作する。これにより、時間Ｔ２で都市ガス（またはメタンガス）での運転が開始されるまでの過渡的処理が行われる。
【００５８】
時間Ｔ１からＴ２間での間では、制御弁の制御により、固体電解質型燃料電池２内の圧力は一定値に保たれる。しかしながら、固体電解質型燃料電池２内の温度ｂは上昇を続ける。
【００５９】
時間Ｔ２では、固体電解質型燃料電池２内の温度が７００℃に達する。言い換えれば、固体電解質型燃料電池２内の温度が７００℃に達する時間がＴ２である。時間Ｔ２からＴ３まで、まだ固体電解質型燃料電池２の昇温期間が続く。
【００６０】
時間Ｔ２に達すると、図２（ｃ）に示されるように、都市ガスの供給ｅが始まり、その供給量が徐々に増やされる。また、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給量は徐々に減らされる。更に、必要があれば、蒸気ボイラ６２から蒸気ｆが供給される。なお、制御弁３８は一定の開度ｊを保ったままである。また、図２（ｄ）を参照して、固体電解質型燃料電池２への酸化剤ガスの供給量ｉが徐徐に増やされる。また、制御弁４２の開度ｇは、制御ユニット２００により制御される。こうして、固体電解質型燃料電池２内の圧力は調整されることができる。
【００６１】
このとき、再循環経路内に水分がだいぶ含まれていることになる。しかしながら、その量は定格運転するには不十分な量である。そのため、都市ガスが徐々に供給され、前処理器２０により改質されて固体電解質型燃料電池２に供給される。また、負荷電流ａが徐々に増やされる。こうして、固体電解質型燃料電池２内では反応式（２）により電力が発生され、水分が生成される。反応式（２）は発熱反応なので、その反応熱により固体電解質型燃料電池２は加熱される。また、負荷電流ａが増やされることで、生成水の量が増え、再循環にされる水の量も増加する。
【００６２】
すなわち、時間Ｔ３にかけて固体電解質型燃料電池２の昇温が完了される。また、再循環ブロワ２２は排燃料ガスを再循環している。この状態で、制御弁１２が開けられ、都市ガスが燃料ガスとして供給され始める。都市ガスの供給量が徐々に増加するように制御弁１２は制御される。一方、水素ガスと窒素ガスの供給量は、都市ガスの供給量が増えるにつれて減少される。
【００６３】
このとき、再循環経路内に十分水分があれば、都市ガス（メタンガス）は、前処理器２０により反応式（１）に従い水素ガスを含む燃料ガスに予備改質される。しかしながら、水分が不足している場合には、上記ボイラ６２から水分を補充する必要がある。本発明では、都市ガスの供給量は当初押さえられている。これは、再循環経路内に存在する水分に見合う量の都市ガスを供給するためである。こうして、都市ガス（メタンガス）は、水素ガスを含む燃料ガスに改質されることができる。また、その水素ガスが電力発生に使用され、水分が生成される。生成された水分は、都市ガスの改質に使用されるという循環が始まることになる。また、固体電解質型燃料電池２の電気出力をアップするために負荷電流が徐々に増加されている。
【００６４】
時間Ｔ３では、固体電解質型燃料電池２の内部温度は９００℃に達する。言い換えれば、固体電解質型燃料電池２の内部温度は９００℃に達する時間がＴ３である。このときには、上記のように、固体電解質型燃料電池２内の圧力ｃはすでに所定値に達しており、また、固体電解質型燃料電池２内の温度ｂも９００℃に達するので定格運転が開始される。
【００６５】
時間Ｔ３から時間Ｔ４の間では、固体電解質型燃料電池２内のヒーターは、オフされ、定格運転が始まる。図２（ｃ）を参照して、都市ガスの供給量ｅは一定に保たれる。また、図２（ｄ）に示されるように供給酸素量ｉも一定に保たれている。水素ガスと窒素ガスの混合ガスは供給されない。図２（ｄ）を参照して、制御弁４２は一定の開度ｇのまま保たれる。また、再循環ブロワ２２の循環量ｈも一定に保たれる。
【００６６】
こうして、都市ガスは前処理器２０により水素ガスを含む燃料ガスに予備改質されて固体電解質型燃料電池２に供給される。固体電解質型燃料電池２の内部では、燃料ガスに含まれるメタンが水素に改質される。即ち、
ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ２ −Ｑ
の反応が起きる。燃料ガス中の水素ガス及び一酸化炭素とエアーコンプレッサー２６から供給される酸化剤ガスとに基づいて反応式（２）による反応が進行する。こうして、定格負荷電流ａを取り出すことができる。換言すれば、定格負荷電流ａを取り出すことにより、反応の進行を制御することができる。
【００６７】
このとき、時間Ｔ４から時間Ｔ５の間でホットバンキングが起きたとする。ほっとバンキングとは、以上要因によるインターロック作動及び温度維持状態での発電停止等である。従って、図（ａ）に示されるように、負荷電流ａの取り出しは停止される。時間Ｔ４からＴ５の間では、固体電解質型燃料電池２内のヒーターによる温度調節が開始される。また、図２（ｃ）に示されるように、都市ガスの供給ｅは停止される。代わって、水素ガスと窒素ガスの混合ガスｄが供給される。制御弁３８は一定の開度ｊを維持する。また、図２（ｄ）に示されるように、再循環ブロワ２２は動作を続ける。また、制御弁４２は一定の開度ｇを維持する。酸化剤ガスの供給ｉは停止される。
【００６８】
時間Ｔ５でホットバンキングが終了すると、都市ガスの供給ｅが再開され、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給ｄは停止される。また、制御弁２８は、閉じられていたとしても元の開度に戻され、供給酸素量ｉは元の状態に戻される。こうして、システム全体として定格運転の状態に戻される。
【００６９】
時間Ｔ６で、定格運転が終了される。このとき、直ちに電源が切られると、配管内に排燃料ガスと酸化剤ガスが残ったままになってしまう。また、都市ガスが残っていれば、改質が行われないので、都市ガスがそのまま燃料電池モジュールに入ることになる。都市ガスがそのまま燃料電池モジュールに入ると炭化水素ガスが熱分解されて炭素が燃料電池モジュールに付着することになる。この炭素は、燃料電池モジュールの効率を低下させることになる。そのため、運転終了時には、配管内の燃料ガスをすべて排気することが必要である。
【００７０】
時間Ｔ６では、図２（ｃ）に示されるように、制御弁１２が制御され、都市ガスの供給ｅは急激に減少される。代わって、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給ｄが開始される。この供給量は、時間Ｔ１からＴ２の間の供給量とほぼ同じである。図２（ｄ）に示されるように、供給酸素量ｉも徐々に減らされる。図２（ａ）に示されるように、都市ガスが流れている間に負荷電流ａが下げられる。また、制御弁４２の開度も減らされる。一方、再循環ブロワ２２の動作は定格運転の時と同じである。
【００７１】
こうして、固体電解質型燃料電池２の内部温度ｂは徐々に下がり始める。また、このとき、都市ガスの供給が停止されると、固体電解質型燃料電池２内のヒーターは温度調整を開始する。
【００７２】
こうして、固体電解質型燃料電池２の内部温度が７００℃以下となると、時間Ｔ７で、降圧プロセスが始まる。固体電解質型燃料電池２内のヒーターは温度調整したままである。図２（ｃ）に示されるように、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ｄが徐々に減るように制御弁１４、１６が制御される。同時に再循環ブロワ２２の循環量が減らされる。一方、制御弁３８は一定の低い開度ｊを保ったままである。また、図２（ｄ）に示されるように、供給酸素量ｉは絞られる。一方、制御弁４２の開度ｇは増加される。こうして、酸化剤ガスの圧力が下がり、固体電解質型燃料電池２内の燃料ガスは排出される。最終的に、固体電解質型燃料電池２の温度ｂが常温近くに戻り、また、内部圧力ｃが大気圧に戻ったとき（時間Ｔ８）、システムの運転は終了される。
【００７３】
次に、本発明の第１実施の形態による固体電解質型燃料電池システムの第２の動作例を説明する。図３は固体電解質型燃料電池システムの第２の動作状況を示すタイミング図である。図３(a）は、固体電解質型燃料電池２の負荷電流ｏを示す。図３（ｂ）は、固体電解質型燃料電池２内の温度ｐと圧力ｑを示す。図３（ｃ）は、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ｒと都市ガスの流量ｓと、制御弁３８の開度ｕを示す。また、蒸気ボイラ６２が使用される場合の蒸気の供給量をｔで示す。図３（ｄ）は、制御弁４２の開度（圧力調節弁）ｖ、再循環ブロワ２２の動作（再循環ガス）ｘ、及び制御弁２８の開度に対応する供給空気（酸化剤ガス）量）ｗを示している。
【００７４】
はじめに、起動時Ｔ１０からＴ１１までの昇圧昇温期間の動作について説明する。
【００７５】
時間Ｔ１０からＴ１１までの間において、固体電解質型燃料電池２内のヒーターにより温度調節が行われている。また、図３（ｃ）を参照して、制御弁１４と１６が制御され、水素ガスと窒素ガスの混合ガスｒは増加し続ける。図３（ｄ）を参照して、制御弁４２の開度ｖは一定に保たれる。また、制御弁２８の状態ｗは、徐々に開度が増加され、供給酸素量ｗは増加する。再循環ブロワ２２による循環ガスｘも徐々に増加する。こうして、図３（ｂ）に示されるように、時間Ｔ１０からＴ１１間での間、固体電解質型燃料電池２内の温度ｂと圧力ｃは増加し続ける。
【００７６】
時間Ｔ１０では、固体電解質型燃料電池２内のヒーターにより温度調節が行われているので、図３（ｂ）に示されるように、固体電解質型燃料電池２内の温度ｂは上昇する。また、制御弁４２の開度ｖは一定に保たれているので、エアーコンプレッサー２６からの酸化剤ガスは外部熱交換器２４を介して固体電解質型燃料電池２に供給される。更に、混合ガスｒが供給されている。こうして、また圧力ｑも増加する。このとき、制御弁４２は一定の開度ｖにあるので、固体電解質型燃料電池２内の常温の酸化剤ガスは制御弁４２を介して排出される。
【００７７】
この状態で、図３（ｃ）に示されるように、制御ユニット２００により水素ガスと窒素ガスの供給量が徐々に増加するように制御弁１４と１６が制御される。こうして、水素ガスと窒素ガスの混合ガス、即ち窒素ガスで希釈された水素ガスが燃料ガスとして供給される。水素ガスを含むガスが供給されるので、前処理器２０では改質の必要性はない。そのため、水素ガスを含む燃料ガスは、そのまま固体電解質型燃料電池２に供給される。
【００７８】
固体電解質型燃料電池２は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて上記の反応式（２）に基づいてわずかではあるが電力を生成し、また水分（蒸気）を生成する。結果として、生成された水分（蒸気）は配管１００−１２に供給される。このとき、図３（ｃ）に示されるように、制御弁３８は一定の開度ｕであいているが、固体電解質型燃料電池２内の圧力が低いので配管１００−１２内の排燃料ガスはそれほど制御弁３８を介しては外部に排出されない。
【００７９】
再循環ブロワ２２が徐々に循環量をｘ増やすように動作するので、配管１００−１２内の水分を含む循環ガスは循環され、水素ガスと窒素ガスの混合ガスと混合されて固体電解質型燃料電池２に再び供給されることになる。
【００８０】
こうして、プロセスは、時間Ｔ１１に進む。時間Ｔ１１では、固体電解質型燃料電池２内の圧力ｑが所定の値（この例では３ａｔｇ）に達する。また、固体電解質型燃料電池２の内部温度ｐも９００に上昇する。しかしながら、この状態は都市ガスを使用する定格運転ではない。
【００８１】
時間Ｔ１１からＴ１２間での間では、外部熱交換器２４の出力は保たれる。図３（ｃ）に示されるように、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ｒは一定に保たれる。また、都市ガスｓは供給されていない。図３（ｄ）に示されるように、制御弁４２は、一定の開度ｕを保っている。また、図３（ｄ）に示されるように、制御弁２８は、大きい開度ｗで保たれ、大量の空気が供給されている。再循環ブロワ２２は、一定の循環ガスを循環させるように動作する。これにより、時間Ｔ１２で都市ガス（またはメタンガス）での運転が開始されるまでの過渡的処理（ホットスタンバイ処理）が行われる。こうして、時間Ｔ１１からＴ１２間での間では、図３（ｂ）に示されるように、固体電解質型燃料電池２内の圧力ｑは一定値に保たれ、温度ｐも一定に保たれるホットスタンバイ状態が保たれる。
【００８２】
時間Ｔ１２から時間Ｔ１３までの間に、燃料の切り替えが行われる。すなわち、時間Ｔ１２に達すると、固体電解質型燃料電池２内のヒーターによる温度調整は停止される。また、図３（ｃ）に示されるように、都市ガスの供給ｓが始まり、その供給量が徐々に増やされる。また、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給量ｒは徐々に減らされる。更に、必要があれば、蒸気ボイラ６２から蒸気ｔが供給される。なお、制御弁３８は一定の開度ｊを保ったままである。また、図３（ｄ）を参照して、制御弁２８の開度ｗは、大きな開度で保たれる。こうして、固体電解質型燃料電池２へは十分に酸化剤ガスｗが供給されることができる。また、制御弁４２の開度ｖは、制御ユニット２００により一定に保たれる。こうして、固体電解質型燃料電池２内の圧力は調整されることができる。
【００８３】
時間Ｔ１２では、再循環経路内に水分がだいぶ含まれていることになる。しかしながら、その量は定格運転するには不十分な量である。そのため、都市ガスｓが徐々に供給され、前処理器２０により予備改質されて固体電解質型燃料電池２に供給される。また、負荷電流ｏが徐々に増やされる。こうして、固体電解質型燃料電池２内では反応式（２）により電力が発生され、水分が生成される。反応式（２）は発熱反応なので、その反応熱により固体電解質型燃料電池２は加熱される。
【００８４】
すなわち、時間Ｔ１３にかけて再循環経路内の水分が十分に確保されることになる。すなわち、外部熱交換器２４を介して酸化剤ガスｗが固体電解質型燃料電池２に供給され続ける。また、再循環ブロワ２２は排燃料ガスを再循環している。この状態で、制御弁１２が開けられ、都市ガスｓが燃料ガスとして供給され始める。都市ガスの供給量が徐々に増加するように制御弁１２は制御される。一方、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給量ｒは、都市ガスの供給量ｓが増えるにつれて減少される。
【００８５】
このとき、再循環経路内に十分水分があれば、都市ガス（メタンガス）は、反応式（１）により水素ガスを含む燃料ガスが前処理器２０により生成される。しかしながら、水分が不足している場合には、上記ボイラ６２から水分ｔを補充する必要がある。本発明では、都市ガスの供給量は当初押さえられている。これは、再循環経路内に存在する水分に見合う量の都市ガスを供給するためである。こうして、都市ガス（メタンガス）は、水素ガスを含む燃料ガスに改質されることができる。また、その水素ガスが電力発生に使用され、水分が生成される。生成された水分は、都市ガスの改質に使用されるという循環が始まることになる。また、このとき、固体電解質型燃料電池２の負荷電流ｏが徐々に増加されている。これにより、固体電解質型燃料電池２での反応式（２）による反応の速度が制御される。
【００８６】
時間Ｔ１３では、固体電解質型燃料電池２の内部温度は９００℃に達する。言い換えれば、固体電解質型燃料電池２の内部温度は９００℃に達する時間がＴ１３である。このときには、上記のように、固体電解質型燃料電池２内の圧力ｑはすでに所定値に達しており、また、固体電解質型燃料電池２内の温度ｐも９００℃に達しているので、定格運転が開始される。
【００８７】
時間Ｔ１３から時間Ｔ１４の間では、泥各運転が開始される。固体電解質型燃料電池２内のヒーターはオフされる。図３（ｃ）を参照して、都市ガスの供給量ｓは一定に保たれる。制御弁３８は一定の開度ｕを保つ。水素ガスと窒素ガスの混合ガスは供給されない。図３（ｄ）を参照して、供給酸素量ｗも一定である。再循環ブロワ２２の循環量ｘも一定に保たれる。なお、制御弁４２の開度ｖは一定に保たれたままである。
【００８８】
こうして、都市ガスは前処理器２０により水素ガスを含む燃料ガスに予備改質されて固体電解質型燃料電池２に供給される。固体電解質型燃料電池２の内部では、燃料ガスに含まれる改質されていないメタンガスがさらに水素ガスに改質される。燃料ガス中の水素ガスと一酸化炭素ガスとエアーコンプレッサー２６から供給される酸化剤ガスとに基づいて反応式（２）による反応が進行する。こうして、定格負荷電流ｏを取り出すことができる。換言すれば、定格負荷電流ｏを取り出すことにより、反応の進行を制御することができる。
【００８９】
時間Ｔ１４で、定格運転が終了される。このとき、直ちに電源が切られると、配管内に排燃料ガスと酸化剤ガスが残ったままになってしまう。また、都市ガスが残っていれば、改質が行われないので、都市ガスがそのまま燃料電池モジュールに入ることになる。都市ガスがそのまま燃料電池モジュールに入ると炭化水素ガスが熱分解されて炭素が燃料電池モジュールに付着することになる。この炭素は、燃料電池モジュールの効率を低下させることになる。そのため、運転終了時には、配管内の燃料ガスをすべて排気することが必要である。
【００９０】
時間Ｔ１４では、負荷電流０が減少される。こうして、図３（ｃ）に示されるように、制御弁１２が制御され、都市ガスの供給ｓは急激に減少される。代わって、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給量ｒが急激に増加される。また、図３（ｄ）に示されるように、制御弁２８の開度ｗは一定に保たれる。制御弁４２の開度ｖは一定に保たれたままである。再循環ブロワ２２の動作は定格運転の時と同じである。このため、固体電解質型燃料電池２内の温度ｐと圧力ｑは変化しない。
【００９１】
こうして、負荷電流ｏが無くなり、都市ガスの供給が無くなると、時間Ｔ１５で図３（ｄ）に示されるように、混合ガスの供給量ｒと酸素供給量ｗは徐々に減らされる。再循環ブロワ２２の循環される排燃料ガスの量も徐々に減らされる。一方、制御弁４２の開度ｖは一定に保たれたままである。また、固体電解質型燃料電池２内のヒーターによる温度調整が再開される。こうして、固体電解質型燃料電池２の内部温度ｐは徐々に下がり始める。こうして、最終的に、固体電解質型燃料電池２の温度ｐが常温近くに戻り、また、内部圧力ｑが大気圧に戻ったとき（時間Ｔ１６）、システムの運転は終了される。
【００９２】
図４は、本発明の第２の実施の形態による固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この固体電解質型燃料電池システムは発電量は１００ＫＷ級であり、燃料電池とガスタービン発電機とがコンバインドされている。なお、簡略化のため、図１に示された制御ユニット２００内の一部のユニットは図面では省略されている。
【００９３】
図４を参照して、第２の実施の形態による固体電解質型燃料電池システムは、主に、固体電解質型燃料電池２、都市ガス供給ユニット４、蒸気供給ユニット７２、水素ガス供給ユニット６、窒素ガス供給ユニット６、置換ガス供給ユニット１０、制御弁１２−１８、前処理器７６、再循環ブロワ２２、外部熱交換器９４、エアーコンプレッサー２６、制御ユニット２００（図示せず）、燃焼器８２，ガスタービン（Ｇ／Ｔ）８８，温水ボイラ９２からなる。第１の実施の形態におけるヒーターに代えて起動用バーナー７８が固体電解質型燃料電池２には設けられている。都市ガス供給ユニット４、水素ガス供給ユニット、６、窒素ガス供給ユニット８、置換ガス供給ユニット１０に対して制御ユニット２００により制御される制御弁が設けられているが、図面では省略されている。制御ユニット２００は、固体電解質型燃料電池システムの全体の動作を制御する。
【００９４】
都市ガス供給ユニット４から出力される都市ガスは制御弁を介して配管１００−１に燃料ガスとして供給される。水素ガス供給ユニット６から出力される水素ガスは制御弁を介して配管１００−１に燃料ガスとして供給される。窒素ガス供給ユニット８から出力される窒素ガスは制御弁を介して配管１００−１に供給される。この制御弁は、制御ユニット２００により制御され、固体電解質型燃料電池２の起動時及び運転終了時に窒素ガスを配管１００−１に供給する。この窒素ガスは、水素ガス供給ユニット６から配管１００−１に供給される水素ガスを希釈するために使用される。置換ガス供給ユニット１０から出力される置換ガスは制御弁を介して配管１００−１に供給される。蒸気供給ユニット７２から出力される蒸気は制御弁を介して配管１００−１に供給される。
【００９５】
水素供給ユニット６と窒素供給ユニット８の制御弁は、制御ユニット２００により制御され、固体電解質型燃料電池２に異常が発生したとき、あるいは固体電解質型燃料電池２の運転を停止するとき、固体電解質型燃料電池２内、及び関連する配管内の燃料ガスを排出するために使用される。
【００９６】
配管１００−１に供給されたガスは、配管１００−１４内の循環ガスと共に配管１００−４を介して前処理器７６に供給される。前処理器７６は、第１の実施の形態における前処理器２０と同じ機能を有する。燃料ガスが固体電解質型燃料電池２に供給される前に、配管１００−４内のガスに含まれる都市ガス（炭化水素ガス）を上記反応式（１）に従って予備改質する。改質されたガスは配管１００−６を介して固体電解質型燃料電池２に供給される。
【００９７】
起動用エアーコンプレッサ９８は、空気を制御弁１２０を介して配管１１０−２２，１１０−２４を介して配管１１０−３０に送る。エアーコンプレッサー（Ａ／Ｃ）２６、制御ユニット２００の制御の下、空気を圧縮して酸化剤ガスとして配管１１０−３０に供給する。配管１１０−３０内の酸化剤ガスは、外部熱交換器（ＡＨ）９４に供給される。外部熱交換器９４は、制御ユニット２００の制御の下、配管１１０−３０を介して供給される酸化剤ガスを配管１１０−２８から供給される高温ガスの熱により加熱して配管１１０−３２に供給する。
【００９８】
制御ユニット２００は、温度制御を行い、外部熱交換器９４からの酸化剤ガスの温度が高いときには、制御弁３２を開けて加熱前の空気を配管１１０−３２に供給する。こうして、固体電解質型燃料電池２に供給されるべき酸化剤ガスの温度を調整することができる。
【００９９】
配管１１０−３２内の空気は、制御ユニット２００により制御される制御弁１２８を介して燃焼器８２に供給される。また、配管１１０−３２内の酸化剤ガスは、制御ユニット２００により制御される流量調節弁（流調弁）２８を介して固体電解質型燃料電池２に供給される。この例では、流調弁２８と並列にバイパス弁１２２が設けられている。制御ユニット２００の圧力調整器は、センサーにより検出された空気圧に基づいて制御弁２８の開閉度を制御する。
【０１００】
固体電解質型燃料電池２は、第１の実施の形態と同様に、内部に改質機能を有している。例えば、反応式（１）に従って、都市ガス中に含まれるメタンガスを水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質することができる。固体電解質型燃料電池２は、高温動作型の燃料電池であり、動作温度は、約８００℃から１０００℃である。固体電解質型燃料電池２は、配管１００−６を介して供給される燃料ガスと外部熱交換器９４から供給される加熱酸化剤ガスとを用いて、上記反応式（２）に従って水素ガスと酸化剤ガスから電力を発生し、水を生成する。発生された電力は外部に取り出されるが、図示はしていない。
【０１０１】
この反応は発熱反応であるが、固体電解質型燃料電池２の起動時には固体電解質型燃料電池２は常温にある。従って、起動時には固体電解質型燃料電池２を動作温度に保つための熱源として上記反応熱を利用することはできない。このため、起動時にはバーナー７８により固体電解質型燃料電池２を加熱している。外部熱交換器９４で酸化剤ガスを加熱し、その熱を用いて固体電解質型燃料電池２の温度を維持する。同時に、反応式（２）の発熱反応による反応熱を利用して固体電解質型燃料電池２の温度を維持する。
【０１０２】
上記反応式（２）に従う反応後の排燃料ガスは、配管１００−８に出力される。また、上記反応式に従う反応後の排酸化剤ガスは、配管１１０−４０に出力される。
【０１０３】
排酸化剤ガスは、外部熱交換器９４を介して配管１１０−４０に出力される。排酸化剤ガスもかなりの高温状態にあるので、この排酸化剤ガスは外部熱交換器９４に供給される酸化剤ガスを加熱するために使用される。従って、外部熱交換器９４から出力される排酸化剤ガスは温度が下がっている。また、排酸化剤ガスは、制御ユニット２００により制御される遮断弁１２６を介して燃焼器８２に供給される。遮断弁１２６の開閉を制御することにより、燃焼器８２とガスタービン８８を通るラインと通らないバイパスラインとの切り替えが可能となる。従って、固体電解質型燃料電池２の起動とガスタービンの起動を別々に行う際に有効である。
【０１０４】
その後、排酸化剤ガスは、制御ユニット２００により制御される圧力調節弁４２を介して排気筒４６から排気される。制御ユニット２００の圧力調整器は、固体電解質型燃料電池２内のガスの圧力を検出し、圧力調節弁４２の開閉度を制御する。こうして、固体電解質型燃料電池２内の圧力が一定に保たれることになる。
【０１０５】
また、反応後の排燃料ガスは、固体電解質型燃料電池２から配管１００−８に出力される。排燃料ガスには、上記の反応により生成された水分としての蒸気と、改質器により生成されたが反応に使用されなかった水素ガス、改質により生成された一酸化炭素ガス、改質されないままの燃料ガスなどが含まれている。
【０１０６】
排燃料ガスは、配管１００−１２に供給され、また、制御ユニット２００により制御される制御弁８６と配管１１０−４４を介して燃焼器８２に供給される。更に、制御ユニット２００により制御される制御弁８４を介して冷却器３４に供給され、冷却器３４により冷却された後、トラップ３６を介して排気筒４４から排気される。トラップ３４は、排燃料ガスに含まれている蒸気、及び可溶性のガスなどを除去するために使用される。こうして、制御弁８６と８４を切り換えることにより、燃焼器８２とガスタービンＧ／Ｔ８８を通るラインと通らないバイパスラインとの切り換えが可能となり、固体電解質型燃料電池２の起動とガスタービンＧ／Ｔ８８の起動を別々に実行する際に有効である。
【０１０７】
トラップ３６と排気筒４４の間には制御ユニット２００により制御される差圧調節弁３８が設けられている。制御ユニット２００の圧力差調整器は供給燃料ガスの圧力と固体電解質型燃料電池２の内部圧力との差に基づいて差圧調節弁３８の開閉度を制御する。この結果、固体電解質型燃料電池２に供給される燃料ガスの圧力は、酸化剤ガスの圧力より所定値、この例では５０っｍＡｑだけ高い状態に保たれることができる。
【０１０８】
配管１００−１２に供給された排燃料ガスは、再循環ブロワ２２により配管１００−１４と制御ユニット２００により制御される制御弁１３２を介して配管１００−４に供給される。配管１００−４内の燃料ガスは、供給ユニット４，６，８，１０，７２から供給される燃料ガスと共に前処理器７６に供給される。
【０１０９】
制御弁（図示せず）は、再循環ブロワ２２をバイパスする経路に設けられている。制御ユニット２００の圧力調整器は、この制御弁の開閉度を制御する。これにより、配管１００−１２内の燃料ガスは、流量制御されて配管１００−４に供給されることになる。
【０１１０】
配管１００−１内の水素ガスあるいは都市ガスは、固体電解質型燃料電池２のバーナー７８に供給され、固体電解質型燃料電池２を加熱するために使用される。また、配管１００−１内の水素ガスあるいは都市ガスは制御ユニット２００により制御される制御弁８０を介して燃焼器２に供給される。
【０１１１】
燃焼器８２からの燃焼ガスはガスタービン８８に供給され、発電のために使用される。ガスタービンＧ／Ｔ８８には、エアーコンプレッサー２６から圧縮空気も供給されている。ガスタービン８８からの排ガスは外部熱交換器９４に供給され、それに供給される空気を加熱するために使用される。熱交換器９４を通過した排ガスは温水ボイラ９２に供給される。温水ボイラ９２は温水を生成する。温水ボイラに代えて蒸気ボイラを使用すれば、生成された蒸気により、蒸気タービンを回すことも可能である。まあ、その蒸気の一部を固体電解質型燃料電池２の入口側に供給すれば、改質よう蒸気として使用することもできる。
【０１１２】
次に、本発明の第２実施の形態による固体電解質型燃料電池システムの動作を説明する。図５は固体電解質型燃料電池システムの動作状況を示すタイミング図である。図５(a）は、固体電解質型燃料電池２の負荷電流（ａａ）を示す。図５（ｂ）は、固体電解質型燃料電池２内の温度（ａｂ）と圧力（ａｃ）を示す。図５（ｃ）は、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ａｅと、都市ガス流量ａｇと、差圧調節弁３８の開度ａｄと、蒸気供給ユニット７２の供給量をａｆで示す。図５（ｄ）は、ガスタービン８８の出口空気量ａｈ、酸化剤ガスのための圧力調節弁４２の開度ａｉ、及び流調弁２８による供給空気（酸化剤ガス）量ａｊを示している。また、図５（ｅ）は、再循環ブロワ２２の動作（再循環ガス）ａｌ、ガスタービン８８の燃焼器８２に水素ガスまたは都市ガスを供給するための制御弁８０、１２８の複合の開度ａｋ、バーナー７８に供給される水素ガスまたは都市ガスの流量ａｍを示す。
【０１１３】
はじめに、起動時Ｔ２０からＴ２１まで期間の動作からシステムの動作を説明する。
【０１１４】
時間Ｔ２０で固体電解質型燃料電池システムが起動されるときには、固体電解質型燃料電池２は常温常圧にある。上記反応式（２）により電力の発生を達成するためには、８００℃から１０００℃の温度が必要である。また、都市ガス（高水素ガス）を水素ガスと一酸化炭素ガスに改質するためには水分が必要である。しかしながら、水蒸気を供給しなければ、起動時にはシステム内に蒸気は存在しない。そこで、本発明では、都市ガスを改質するために必要な水分は固体電解質型燃料電池２での電力の発生時に生成される水分を用いている。
【０１１５】
時間Ｔ２０では、図５（ｅ）に示されるように制御弁８０は開いており、図５（ｃ）に示されるように、水素ガスと窒素ガスの混合ガスａｅは、一定量が出力されていて、制御弁８０を介して燃焼器８２に供給されている。燃焼器には、起動用エアーコンプレッサー９８からの空気が制御弁１２０、外部熱交換器９４、制御弁１２８を介して燃焼器８２に供給されている。燃焼器８２の燃焼ガスはガスタービン８８に供給される。こうして、ガスタービンによる発電は起動される。
【０１１６】
時間Ｔ２０からＴ２１までの間において、図５（ｃ）を参照して、水素ガスと窒素ガスの混合ガスａｅは一定量が供給され続けている。また、差圧調節弁３８は開度ａｄが徐々に減少されている。図５（ｄ）を参照して、ガスタービン８８の出口の空気ａｈは一定量が供給されている。また、圧力調節弁４２の開度ａｉは徐々に減少される。一方、空気供給量ａｊで低いレベルで一定である。図５（ｅ）に示されるように、再循環ブロワ２２は再循環量を徐々に増やす。こうして、図５（ｂ）を参照して、時間Ｔ２０からＴ２１間での間、固体電解質型燃料電池２内の温度ａｂと圧力ａｃは増加し続ける。
【０１１７】
次に、時間Ｔ２１から時間Ｔ２２までは、図５（ｃ）に示されるように、差圧調節弁３８の開度ａｄは引き続き減少している。混合ガスａｅの供給量は一定である。図５（ｄ）を参照して、圧力調節弁４２の開度ａｉは引き続き減少している。空気供給量ａｊは一定である。
【０１１８】
図５（ｅ）を参照して、混合ガスａｅの一部はバーナ燃料ａｍとしてバーナー７８に供給され、燃焼される。これにより固体電解質型燃料電池２の内部温度は上昇される。また、図５（ｄ）に示されるように、時間Ｔ２０からＴ２２の間では、制御弁２８は開いているので、エアーコンプレッサー９８からの酸化剤ガスは外部熱交換器９４で加温された後、固体電解質型燃料電池２に供給される。こうして、図５（ｂ）に示されるように、固体電解質型燃料電池２内の温度ａｂは上昇し、また圧力ａｃも増加する。このとき、圧力調節弁４２は大きく開いているので、固体電解質型燃料電池２内の常温の空気は圧力調節弁４２を介して排出される。
【０１１９】
この状態で、水素ガスと窒素ガスの供給量ａｅは一定に保たれている。こうして、窒素ガスで希釈された水素ガスが燃料ガスとして供給される。水素ガスが供給されるので、前処理器７６では改質の必要性はない。そのため、水素ガスを含む燃料ガスは、固体電解質型燃料電池２に供給される。
【０１２０】
固体電解質型燃料電池２は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて上記の反応式（２）に基づいてわずかではあるが電力を生成し、また水分（蒸気）を生成する。結果として、生成された水分（蒸気）は配管１００−１２に供給される。このとき、図５（ｃ）に示されるように、差圧調節弁３８の開度ａｄは下がっているが、固体電解質型燃料電池２内の圧力が低いので配管１００−１２内の排燃料ガスはそれほど差圧調節弁３８を介しては外部に排出されない。
【０１２１】
再循環ブロワ２２が徐々に循環量を増やすように動作しているので、配管１００−１２内の水分を含む循環ガスは、水素ガスと窒素ガスの混合ガスと混合されて固体電解質型燃料電池２に再び供給されることになる。圧力調節弁４２は徐々に閉じる方向に制御されるので、固体電解質型燃料電池２内の圧力ｃが増加する。
【０１２２】
こうして、プロセスは、時間Ｔ２２に進む。時間Ｔ２２から時間Ｔ２３では、固体電解質型燃料電池２内の圧力が所定の値に達する。しかしながら、固体電解質型燃料電池２内の温度が十分にはあがっていないので、まだ定格運転は行われない。
【０１２３】
時間Ｔ２２からＴ２３間での間では、外部熱交換器９４は動作状態を維持する。また、図５（ｅ）に示されるように、バーナー７８は燃焼を続けている。このため、図５（ｂ）に示されるように、固体電解質型燃料電池２内の温度ａｂは徐々に上昇する。
【０１２４】
図５（ｃ）に示されるように、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ａｅは一定に保たれている。また、都市ガスａｇは供給されていない。都市ガスａｇは、第１の実施の形態と同様に、定格運転が開始されるように供給される。図５（ｄ）に示されるように、圧力調節弁４２は、閉じられ、そのままの状態を運転停止まで保持する。制御弁２８は期間Ｔ２１からＴ２２までのときより大きい開度ａｊを保つように制御される。再循環ブロワ２２は、一定量の循環ガスを循環させるように動作する。これにより、時間Ｔ２３で都市ガス（またはメタンガス）での運転が開始されるまでの過渡的処理が行われる。
【０１２５】
時間Ｔ２２からＴ２５の間では、制御弁の制御により、固体電解質型燃料電池２内の圧力は一定値に保たれる。時間Ｔ２３では、固体電解質型燃料電池２内の温度が７００℃に達する。言い換えれば、固体電解質型燃料電池２内の温度が７００℃に達する時間がＴ２３である。時間Ｔ２３からＴ２５まで、まだ固体電解質型燃料電池２の昇温期間が続く。
【０１２６】
時間Ｔ２３に達すると、バーナー７８による加熱は押さえられる。また、図５（ｃ）に示されるように、都市ガスの供給ａｇが始まり、その供給量が徐々に増やされる。また、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給量は徐々に減らされる。更に、必要があれば、蒸気ボイラ６２から蒸気ａｆが供給される。なお、差圧調節弁３８は時間Ｔ２３で閉じられ、運転停止まで保持される。また、図５（ｄ）を参照して、固体電解質型燃料電池２への空気供給量ａｊが徐々に増やされる。また、圧力調節弁４２の開度ａｉは、時間Ｔ２２から閉じられたままである。また、再循環ブロワ２２は、時間Ｔ２２から全開で運転されている。
【０１２７】
図５（ｅ）を参照して、燃焼器８２への燃料ガスと酸化剤ガスの供給は時間Ｔ２３からＴ２５の間で徐々に減らされる。また、制御ユニット２００により制御弁８０，８４，８６，１２２，１２６、１２８は連携して制御される。こうして固体電解質型燃料電池２に供給される酸化剤ガスの量ａｊの増加と同時に、バイパス経由での燃料ガスの供給は減少される。一方、別の経路での排燃料ガスの燃焼器８２への供給量、及び排酸化剤ガスの燃焼器８２への供給量が制御される。
こうして、固体電解質型燃料電池２内の圧力は調整されることができる。
【０１２８】
このとき、時間Ｔ２３以後バーナー７８での燃焼は徐々に減らされ、時間Ｔ２３とＴ２５の間のＴ２４でバーナー７８は停止される。これにより、固体電解質型燃料電池２の外的な加温は止まり、反応熱により加温され、また保たれることになる。
【０１２９】
すなわち、再循環経路内に水分がだいぶ含まれていることになる。しかしながら、その量は定格運転するには不十分な量である。そのため、都市ガスが徐々に供給され、前処理器７６により予備改質されて固体電解質型燃料電池２に供給される。また、負荷電流ａａが徐々に増やされる。こうして、固体電解質型燃料電池２内では反応式（２）により電力が発生され、水分が生成される。反応式（２）は発熱反応なので、その反応熱により固体電解質型燃料電池２は加熱される。
【０１３０】
Ｔ２５にかけて固体電解質型燃料電池２の昇温が完了される。また、再循環ブロワ２２は排燃料ガスを再循環している。時間時間Ｔ２３からＴ２５にかけて都市ガスａｇが供給され始める。都市ガスの供給量が徐々に増加するように制御される。一方、水素ガスと窒素ガスの混合ガスａｅの供給量は、都市ガスの供給量ａｇが増えるにつれて減少される。
【０１３１】
このとき、再循環経路内に十分水分があれば、都市ガス（メタンガス）は、反応式（１）により水素ガスを含む燃料ガスが前処理器７６により生成される。しかしながら、水分が不足している場合には、蒸気供給ユニット７２から水分を補充する必要がある。本発明では、都市ガスの供給量は当初押さえられている。これは、再循環経路内に存在する水分に見合う量の都市ガスを供給するためである。こうして、都市ガスは、水素ガスと一酸化炭素ガスを含む燃料ガスに改質されることができる。また、その水素ガスと一酸化炭素ガスが電力発生に使用され、水分が生成される。生成された水分は、都市ガスの改質に使用されるという循環が始まることになる。また、このとき、固体電解質型燃料電池２の負荷電流が徐々に増加されている。
【０１３２】
時間Ｔ２５では、固体電解質型燃料電池２の内部温度は９００℃に達する。言い換えれば、固体電解質型燃料電池２の内部温度は９００℃に達する時間がＴ２５である。このときには、上記のように、固体電解質型燃料電池２内の圧力ａｃはすでに所定値に達しており、また、固体電解質型燃料電池２内の温度ｂも９００℃に達するので定格運転が開始される。
【０１３３】
時間Ｔ２５から時間Ｔ２８の間では、バーナー７８は、オフされる。図５（ｃ）を参照して、都市ガスの供給量ａｇは一定に保たれる。差圧調節弁３８は閉じられたままである。水素ガスと窒素ガスの混合ガスａｅは供給されない。図５（ｄ）を参照して、圧力調節弁４２は閉じられたままである。酸素供給量ａｊ一定にに保たれる。図５（ｅ）に示されるように、再循環ブロワ２２の循環量ａｌも一定に保たれる。
【０１３４】
こうして、都市ガスは前処理器７６により水素ガスを含む燃料ガスに予備改質されて固体電解質型燃料電池２に供給される。固体電解質型燃料電池２の内部では、燃料ガスに含まれる改質されていない都市ガス成分（メタンガス）がさらに水素ガスに改質される。燃料ガス中の水素ガス、一酸化炭素ガスとエアーコンプレッサー９８から供給される酸化剤ガスとに基づいて反応式（２）による反応が進行する。
【０１３５】
このとき、時間Ｔ２６から時間Ｔ２７の間でホットバンキングが起きたとする。時間Ｔ２６からＴ２７の間では、図５（ｃ）に示されるように、都市ガスの供給ａｇは停止される。代わって、水素ガスと窒素ガスの混合ガスａｅが一定量供給される。差圧調節弁３８は一定の開度ａｄを維持するように制御される。このとき、弁３８が使用されるときは、弁８６と８４との間で切り換えが必要である。また、図５（ｄ）に示されるように、圧力調節弁４２は閉じられたままである。供給空気量ａｊは一定のままである。図５（ｅ）を参照して、制御弁８０と１２８が開けられ、燃焼ガスが燃焼器８２に供給される。また、再循環ブロワ２２は動作を続ける。
【０１３６】
時間Ｔ２７でホットバンキングが終了すると、図５（ｃ）に示されるように、都市ガスの供給ａｇが再開され、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給ａｅは停止される。また、差圧調節弁３８は、閉じられる。こうして、システム全体として定格運転の状態に戻される。
【０１３７】
時間Ｔ２８で、定格運転が終了される。このとき、直ちに電源が切られると、配管内に排燃料ガスと酸化剤ガスが残ったままになってしまう。また、都市ガスが残っていれば、改質が行われないので、都市ガスがそのまま燃料電池モジュールに入ることになる。都市ガスがそのまま燃料電池モジュールに入ると炭化水素ガスが熱分解されて炭素が燃料電池モジュールに付着することになる。この炭素は、燃料電池モジュールの効率を低下させることになる。そのため、運転終了時には、配管内の燃料ガスをすべて排気することが必要である。
【０１３８】
時間Ｔ２８では、図５（ａ）に示されるように、負荷電流ａａは当然減少される。図５（ｃ）に示されるように、都市ガス４の供給ａｇは急激に減少される。代わって、水素ガスと窒素ガスの混合ガスａｅは一定量供給される。この供給量は、時間Ｔ２０からＴ２３の間の供給量とほぼ同じである。また、都市ガスの供給が止まると、差圧調節弁３８はＴ２２とＴ２３の期間とほぼ同じ開度を持って開けられる。また、図５（ｄ）に示されるように、空気供給量ａｊが徐々に減らされるように、制御弁２８が制御され、同時に制御弁１２８も制御される。また、圧力調節弁４２は閉じられたままである。図５（ｅ）を参照して、再循環ブロワ２２の動作は定格運転の時と同じである。また、制御弁８０が開けられる。
【０１３９】
こうして、固体電解質型燃料電池２の内部温度が７００℃以下となると、時間Ｔ２９で、降圧プロセスが始まる。図５（ｃ）に示されるように、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ａｅは一定のままである。同時に差圧調節弁３８の開度ａｄは所定の開度に向かって増加される。また、図５（ｄ）を参照して、圧力調節弁４２の開度ａｉも所定の開度に向かって増加される。こうして、燃料ガスと酸化剤ガスは排出され、固体電解質型燃料電池２内の圧力が下がる。最終的に、固体電解質型燃料電池２の温度ｂが常温近くに戻り、また、内部圧力ｃが大気圧に戻ったとき（時間Ｔ３０）、システムの運転は終了される。この結果、混合ガスａｅの供給は停止される。制御弁８０も閉じられる。
【０１４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体電解質型燃料電池システムによれば、安定に電力を取り出すことができる。また、起動時に水蒸気を供給する必要が無く、ボイラーなどの付帯設備を設ける必要がない。更に、起動時及び停止時に炭素による燃料電池モジュールの汚染を防止することができる。
【０１４１】
また、最小限のシステム構成でガスタービンを用いて燃料ガスを有効に利用することにより発電効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態による１０ＫＷ級固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態による固体電解質型燃料電池システムの第１の動作例を示すタイミング図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態による固体電解質型燃料電池システムの第２の動作例を示すタイミング図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態による１００ＫＷ級固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施の形態による固体電解質型燃料電池システムの動作例を示すタイミング図である。
【符号の説明】
２：固体電解質型燃料電池
４：都市ガス
６：水素ガス
８：窒素ガス
２０：前処理器
２２：再循環ブロワ
２４、９４：外部熱交換器
２６：エアーコンプレッサー
８２：燃焼器
８８：ガスタービン
９２：温水ボイラ
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温固体電解質型燃料電池の構造の一例が特開平９−１２９２５６で知られている。高温固体電解質型燃料電池の動作温度は８００℃から１０００℃を想定している。この引例では、セルチューブ（燃料電池モジュール）は、上部管板と下部管板に固定されて、下部管板の下方に延びている。水分を含む燃料ガスは、天板と上部管板の間に供給されている。下部管板の下には酸化剤ガスが充満している。燃料ガスはセルチューブに供給され発電に使用される。発電後の排燃料ガスは、セルチューブから上部管板と下部管板との間に排出され、更に外部に排出される。
【０００３】
高温固体電解質型燃料電池では、メタンガス等の炭化水素を含有するガス（都市ガス）を供給ガスとして使用することが検討されている。メタンガスを供給ガスとして使用する場合には、
ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ２ −Ｑ （１）
で表される反応式に基づいて、メタンガスを水素ガスを含むガスに改質することが望ましい。なお、この反応は吸熱反応である。生成された水素ガスが燃料ガスとして酸化剤ガスとともに発電に使用される。発電の際の反応は
２Ｈ２ ＋ Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ ＋Ｑ
２ＣＯ ＋ Ｏ２ → ２ＣＯ２ ＋Ｑ （２）
である。この反応は、発熱反応である。
【０００４】
この改質では、上記の反応式に示されるように、水分が必要である。水分が関与してメタンガスが一酸化炭素と水素に分解されている。従って、改質器を通った燃料ガスは、メタン、水分、一酸化炭素、二酸化炭素、水素を含むことになる。これらのガス成分のうち水素ガスだけ抽出して燃料電池に導入することは実際的ではないので、水分を含む燃料ガスが燃料電池に供給されることになる。
【０００５】
水分を如何に供給するかが問題である。一般的には、ボイラにより蒸気という形で水分が補給されている。しかしながら、ボイラ等の付帯設備を設けることはシステムのコストを押し上げることになる。従って、ボイラの使用はできるだけさけるべきである。その場合、水分を如何に補給するかが問題となる。
【０００６】
所定の条件における定格運転では、上記反応式（２）に従って水分は生成される。この水分を改質に使用することができる。しかしながら、発電当初は、その水分が無いのでボイラを使用せざるを得ない。そこで、ボイラを使用する必要のない固体電解質型燃料電池システムが要望されている。
【０００７】
また、システムの停止時に、いきなり発電を停止すると、メタンガスがそのままセルチューブ入り、
ＣＨ４ → Ｃ＋２Ｈ２
の反応式に従って熱分解されて炭素が付着することになる。この炭素はセルチューブの性能を低下させる。そのため、停止時にそれまでの燃料ガスをパージしなければならないが、余分な構成のシステムへの追加はさけるべきである。
【０００８】
また、固体電解質型燃料電池から排出される排燃料ガスには可燃成分が含まれており、排燃料ガスの一部は循環されるが、残りは排出されている。これはエネルギー的には、効率がよくない。燃料の使用効率を高めた固体電解質型燃料電池システムが望まれている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、安定に電力を取り出すことができる固体電解質型燃料電池システムを提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、起動時に水蒸気を供給する必要が無く、ボイラーなどの付帯設備を設ける必要のない固体電解質型燃料電池システムを提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、起動時及び停止時に炭素による燃料電池モジュールの汚染を防止することができる固体電解質型燃料電池システムを提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、ガスタービンを用いて燃料ガスを有効に利用することにより発電効率を高めた固体電解質型燃料電池システムを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
以下に、本発明の課題を解決するための手段を説明する。その説明中の技術的事項は、以下の実施の形態の説明における対応する技術的事項を説明するために使用される参照番号あるいは参照記号を添付して説明される。しかしながら、それらの参照番号あるいは参照記号を特許請求の範囲の記載の解釈に用いてはならない。
【００１４】
本発明の観点を達成するために、本発明の固体電解質型燃料電池システムでは、第１の燃料供給部（６、８、１４、１６）は、水素ガスを含む第１の供給ガスを供給する。第２の燃料供給部（４、１２）は、炭化水素ガスを含む第２の供給ガスを供給する。酸化剤ガス供給部（２６）は、酸素ガスを含む酸化剤ガスを供給する。固体電解質型燃料電池（２）は、水分を含む第３の供給ガスを受け取り、前記第３の供給ガスが前記第２の供給ガスを含むとき、前記水分を用いて前記炭化水素ガスを水素ガスを含む燃料ガスに改質し、前記第３の供給ガスが前記第１の供給ガスを含むとき、そのまま前記燃料ガスとして使用し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとから発電しながら水分を発生し、前記水分を含む排燃料ガスと排酸化剤ガスを排出する。循環部（２２）は、前記排燃料ガスと前記第１の供給ガスまたは前記第２の供給ガスとが混合され前記第３の供給ガスとして前記固体電解質型燃料電池に供給されるように前記排燃料ガスを循環する。制御部（２００）は、前記固体電解質型燃料電池の内部の圧力と温度に基づいて、前記第１の燃料供給部と前記第２の燃料供給部を制御して前記第１の供給ガスと前記第２の供給ガスの供給を制御する。
【００１５】
本発明の他の観点を達成するために、固体電解質型燃料電池システムでは、第１の燃料供給部（６、８、１４、１６）は、水素ガスを含む第１の供給ガスを供給する。第２の燃料供給部（４、１２）は、炭化水素ガスを含む第２の供給ガスを供給する。酸化剤ガス供給部（２６）は、酸素ガスを含む酸化剤ガスを供給する。改質器（２０、７６）は、水分を含む第３の供給ガスを受け取り、前記第３の供給ガスが前記第２の供給ガスを含むとき、前記水分を用いて前記炭化水素ガスを水素ガスを含む燃料ガスに予備改質し、前記第３の供給ガスが前記第１の供給ガスを含むとき、そのまま前記燃料ガスとして出力する。固体電解質型燃料電池（２）は、前記水分を用いて前記炭化水素ガスを水素ガスを含む燃料ガスに改質し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとから発電しながら前記水分を発生し、前記水分を含む排燃料ガスと排酸化剤ガスを排出する。循環部（２２）は、前記排燃料ガスと前記第１の供給ガスまたは前記第２の供給ガスとが混合され前記第３の供給ガスとして前記改質器に供給されるように前記排燃料ガスを循環する。制御部（２００）は、前記固体電解質型燃料電池の内部の圧力と温度に基づいて、前記第１の燃料供給部と前記第２の燃料供給部を制御して前記第１の供給ガスと前記第２の供給ガスの供給を制御する。
【００１６】
ここにおいて、前記固体電解質型燃料電池（２）は、燃料ガス中の都市ガス成分を水素ガスを含むガス成分に改質する機能を有する。
【００１７】
また、このとき、固体電解質型燃料電池システムは、前記固体電解質型燃料電池（２）に供給される前記酸化剤ガスを加熱して、前記固体電解質型燃料電池の内部温度を上げるための熱交換機（２４、９４）を更に具備してもよい。
【００１８】
また、固体電解質型燃料電池システムは、前記固体電解質型燃料電池に設けられ、前記固体電解質型燃料電池の内部温度を上げるための加熱手段（７８）を更に具備してもよい。
【００１９】
前記制御部（２００−８）は、前記燃料ガスの圧力が前記酸化剤ガスの圧力より所定値だけ高いように制御する。
【００２０】
また、固体電解質型燃料電池システムは、前記第１の供給ガスまた第２の供給ガス及び前記排燃料ガスの一部を燃焼させ、燃焼ガスを用いてガスタービンを回転させて発電を行うガスタービン発電機（８２、８８）を更に具備してもよい。
この場合、前記ガスタービン発電機からの排ガスは前記酸化剤ガスを加熱するために使用されることが望ましい。
【００２１】
また、前記制御部（２００）は、システムの起動時から前記固体電解質型燃料電池内の圧力が定格値に達した後、前記固体電解質型燃料電池の内部温度が所定値に達して定格運転が始まるまで、前記第１の供給ガスを供給し、前記固体電解質型燃料電池内の圧力が定格値に達した後前記第２の供給ガスの供給を開始するように制御することが望ましい。このとき、前記制御部（２００）は、システムの停止するために、前記第２の供給ガスの供給を停止し、代わって前記第１の供給ガスを供給し、前記固体電解質型燃料電池内の圧力及び温度が所定値に下がったとき、前記第１の供給ガスの供給を停止することが望ましい。
【００２２】
本発明の他の観点を達成するために、固体電解質型燃料電池システムの運転方法は、起動時において、水素ガスを含み炭化水素ガスを含まない第１の供給ガスを燃料ガスとして固体電解質型燃料電池に供給するステップと、酸化剤ガスを含む酸化剤ガスを前記固体電解質型燃料電池に供給するステップと、前記固体電解質型燃料電池は、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスにより発電し、水分を生成し、前記水分を含む排燃料ガスを出力し、前記固体電解質型燃料電池が定格条件に達したとき、前記第１の供給ガスの供給を停止するステップと、炭化水素ガスを含む第２の供給ガスを供給するステップと、前記第２の供給ガスを前記排燃料ガス中の水分を用いて改質して水素ガスを含む前記燃料ガスを生成するステップとを具備する。
【００２３】
ここで、固体電解質型燃料電池システムの運転方法は、更に、停止時に前記第２の供給ガスの供給を停止するステップと、記第２の供給ガスに代えて、前記第１の供給ガスを供給するステップと、前記固体電解質型燃料電池内の温度と圧力が所定値まで下がったとき、前記第１の供給ガスの供給を停止するステップとを具備する事が望ましい。
【００２４】
また、前記第２の供給ガスの供給量は前記排燃料ガス中の水分の量に基づいて制御されることが望ましい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明の固体電解質型燃料電池システムについて詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本発明の第１の実施の形態による固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１を参照して、第１の実施の形態による固体電解質型燃料電池システムは、主に、固体電解質型燃料電池２、都市ガス供給ユニット４、水素ガス供給ユニット、６、窒素ガス供給ユニット８、置換ガス供給ユニット１０、制御弁１２−１８、前処理器２０、再循環ブロワ２２、外部熱交換器２４、エアーコンプレッサー２６、及び制御ユニット２００（図示せず）からなる。制御弁１２−１８は、それぞれ都市ガス供給ユニット４、水素ガス供給ユニット、６、窒素ガス供給ユニット８、置換ガス供給ユニット１０に対して設けられている。
【００２７】
制御ユニット２００は、流量調整器２００−２、温度調整器２００−４、圧力制御器２００−６、圧力差調整器２００−８、流量調整器２００−１０を含んでいる。制御ユニット２００は、固体電解質型燃料電池システムの全体の動作を制御する。
【００２８】
都市ガス供給ユニット４から出力される都市ガスは制御弁１２を介して配管１００−１に燃料ガスとして供給される。制御弁１２は、制御ユニット２００により制御され、発電時に配管１００−１を介して都市ガスを固体電解質型燃料電池２に供給する。
【００２９】
水素ガス供給ユニット６から出力される水素ガスは制御弁１４を介して配管１００−１に燃料ガスとして供給される。制御弁１４は、制御ユニット２００により制御され、固体電解質型燃料電池２の起動時及び運転終了時に水素ガスを配管１００−１に供給する。
【００３０】
窒素ガス供給ユニット８から出力される窒素ガスは制御弁１６を介して配管１００−１に供給される。制御弁１６は、制御ユニット２００により制御され、固体電解質型燃料電池２の起動時及び運転終了時に窒素ガスを配管１００−１に供給する。この窒素ガスは、水素ガス供給ユニット６から配管１００−１に供給される水素ガスを希釈するために使用される。
【００３１】
置換ガス供給ユニット１０から出力される置換ガスは制御弁１８を介して配管１００−１に供給される。制御弁１８は、制御ユニット２００により制御され、固体電解質型燃料電池２に異常が発生したとき、あるいは固体電解質型燃料電池２の運転を停止するとき、固体電解質型燃料電池２内、及び関連する配管内の燃料ガスを排出するために使用される。窒素ガスまたは窒素ガスで希釈された水素ガスが置換ガスとして使用されるときには、この置換ガス供給ユニット１０は不要となる。この場合には、制御ユニット２００の制御動作が異なることになる。
【００３２】
配管１００−１に供給されたガスは、配管１００−１６内の循環ガスと共に配管１００−４を介して前処理器２０に供給される。
【００３３】
前処理器２０は、燃料ガスが固体電解質型燃料電池２に供給される前に、配管１００−４内のガスに含まれるＣｍＨｎ（ｍ＞＝２）以上の燃料ガス成分の帯か異質を行う。例えば、
ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ２
Ｃ２Ｈ６ ＋ ２Ｈ２Ｏ → ２ＣＯ ＋ ５Ｈ２
Ｃ３Ｈ８ ＋ ３Ｈ２Ｏ → ３ＣＯ ＋ ７Ｈ２
Ｃ４Ｈ１０ ＋ ４Ｈ２Ｏ → ４ＣＯ ＋ ９Ｈ２ 反応式（１）
改質されたガスは配管１００−６を介して固体電解質型燃料電池２に供給される。固体電解質型燃料電池２は、内部に改質機能を有していてもよい。例えば、反応式（１）に従って、都市ガス中に含まれるメタンガスを水素ガスを含むガスに改質することができる。また、前処理器２０は、固体電解質型燃料電池２のモジュールと一体化可能である。
【００３４】
エアーコンプレッサー２６は、制御ユニット２００の制御の下、空気を圧縮して酸化剤ガスとして配管１１０−２に供給する。配管１１０−２内の酸化剤ガスは、制御弁２８とセンサー３０を介して配管１１０−４、１１０−６を通して外部熱交換器２４に供給される。制御ユニット２００の流量調整器２００−２は、センサー３０により検出された空気圧に基づいて制御弁２８の開閉度を制御する。
【００３５】
外部熱交換器２４は、制御ユニット２００の制御の下、配管１１０−６を介して供給される酸化剤ガスを加熱して配管１１０−８を介して固体電解質型燃料電池２に供給する。固体電解質型燃料電池２は、高温動作型の燃料電池であり、動作温度は、約８００℃から１０００℃である。水素ガスと酸化剤ガスから以下の反応式（２）に従って電力を発生し、水を生成する。
２Ｈ２ ＋ Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ ＋ Ｑ
２ＣＯ ＋Ｏ２ → ２ＣＯ ＋ Ｑ 反応式（２）
これらの反応は発熱反応であるが、固体電解質型燃料電池２の起動時には固体電解質型燃料電池２は常温にある。従って、起動時には固体電解質型燃料電池２を動作温度に保つための熱源として上記反応熱を利用することはできない。このため、起動時には電気ヒーターまたはバーナー等により加熱し、その熱を用いて固体電解質型燃料電池２を動作させることになる。
【００３６】
外部熱交換器２４は、固体電解質型燃料電池２から排出される高温の酸化剤ガスの熱を利用して、配管１１０−６を介して供給される酸化剤ガスを加熱する。こうして、固体電解質型燃料電池２から排出される高温の酸化剤ガスは冷却される。制御ユニット２００の温度調整器２００−４は、外部熱交換器２４から固体電解質型燃料電池２に向けて出力される酸化剤ガスの温度を検出し、制御弁３２の開閉度を制御する。これにより、加熱前の酸化剤ガスが加熱酸化剤ガスに混合されて温度がほぼ一定の酸化剤ガスが固体電解質型燃料電池２に供給されることになる。
【００３７】
固体電解質型燃料電池２は、配管１００−６を介して供給される燃料ガスと外部熱交換器２４から供給される加熱酸化剤ガスとを用いて、上記反応式（２）に従って水素ガスと酸化剤ガスから電力を発生し、水を生成する。発生された電力は外部に取り出されるが、図示はしていない。上記反応式（２）に従う反応後の排燃料ガスは、配管１００−８に出力される。また、上記反応式に従う反応後の排酸化剤ガスは、配管１１０−１０に出力される。
【００３８】
排酸化剤ガスは、外部熱交換器２４を介して配管１１０−１２に出力される。排酸化剤ガスもかなりの高温状態にあるので、この熱は配管１１０−６を介して外部熱交換器２４に供給される酸化剤ガスを加熱するために使用される。従って、外部熱交換器２４から配管１１０−１２に出力される排酸化剤ガスは温度が下がっている。
【００３９】
その後、排酸化剤ガスは、配管１１０−１２を介してトラップ４０を介して排気筒４６から排気される。トラップ４０は、排酸化剤ガスに含まれる蒸気などの成分を取り除くために設けられている。
【００４０】
トラップ４０と排気筒４６の間には、制御弁４２が設けられている。制御ユニット２００の圧力調整器２００−６は、固体電解質型燃料電池２内のガスの圧力を配管１００−２０を介して検出し、制御弁４２の開閉度を制御する。こうして、固体電解質型燃料電池２内の圧力が一定に保たれることになる。
【００４１】
また、反応後の排燃料ガスは、固体電解質型燃料電池２から配管１００−８に出力される。排燃料ガスには、上記の反応により生成された水分としての蒸気と、改質器により生成されたが反応に使用されなかった水素ガス、改質により生成された一酸化炭素ガス、改質されないままの燃料ガスなどが含まれている。
【００４２】
排燃料ガスは、配管１００−１０と配管１１０−１２と配管１００−１８に供給される。配管１００−１０に供給された排燃料ガスは、冷却器３４により冷却された後、トラップ３６を介して排気筒４４から排気される。トラップ３４は、排燃料ガスに含まれている蒸気などを除去するために使用される。
【００４３】
トラップ３６と排気筒４４の間には制御弁３８が設けられている。制御ユニット２００の圧力差調整器２００−８は、配管１００−１８を介して得られる供給燃料ガスの圧力と配管１００−２０を介して得られる固体電解質型燃料電池２の内部圧力との差に基づいて制御弁３８の開閉度を制御する。この結果、固体電解質型燃料電池２に供給される燃料ガスの圧力は、酸化剤ガスの圧力より所定値、この例では５０ｍｍＡｑだけ高い状態に保たれることができる。
【００４４】
配管１００−１２に供給された排燃料ガスは、再循環ブロワ２２により配管１００−１４を通して、センサ５２を介して配管１００−１６に供給される。配管１００−１６内の燃料ガスは、制御弁１２−１６から供給される燃料ガスと共に前処理器２０に供給される。
【００４５】
制御弁５０は、再循環ブロワ２２をバイパスする経路に設けられている。制御ユニット２００の流量調整器２００−１０は、制御弁５０の開閉度を制御する。これにより、再循環ブロワ２２の出力流量の一部は入力側に戻される。こうして、弁５２、配管１００−１６を介して前処理器２０に供給される流量を制御している。
【００４６】
また、水道と純水処理器６４、蒸気ボイラ６２は必要な場合に設けられる。しかしながら、本発明では、必ずしも必要ではない。
【００４７】
水道からの水は、純水処理器６４により純水とされた後、蒸気ボイラ６２に供給される。蒸気ボイラ６２にはＬＰＧガス６０が供給され、それが焚かれて純水の蒸気を生成する。生成された蒸気は、配管１００−２を介して前処理器２０に供給される。
【００４８】
次に、本発明の第１実施の形態による固体電解質型燃料電池システムの動作を説明する。図２は固体電解質型燃料電池システムの動作状況を示すタイミング図である。図２(a）は、固体電解質型燃料電池２の負荷電流（ａ）を示す。図２（ｂ）は、固体電解質型燃料電池２内の温度（ｂ）と圧力（ｃ）を示す。図２（ｃ）は、燃料ガスの流量（ｄ、ｅ）と、制御弁３８の開度を示す。また、蒸気ボイラ６２が使用される場合の蒸気の供給量をｆで示す。図２（ｄ）は、制御弁４２の開度（圧力調節弁）ｇ、再循環ブロワ２２の動作（再循環ガス）ｈ、及び制御弁２８の開度（供給空気（酸化剤ガス）量）ｉを示している。
【００４９】
はじめに、起動時Ｔ０からＴ３までのうちの昇圧期間である時間Ｔ０からＴ１の間の動作について説明する。
【００５０】
固体電解質型燃料電池２が起動されるときには、固体電解質型燃料電池２は常温にある。上記反応式（２）により電力の発生を達成するためには、８００℃から１０００℃の温度が必要である。また、メタンガスを水素ガスと一酸化炭素ガスに改質するためには水分が必要である。しかしながら、蒸気ボイラ６２から水蒸気を供給しなければ、起動時にはシステム内に蒸気は存在しない。そこで、本発明では、メタンガスを改質するために必要な水分は固体電解質型燃料電池２での電力の発生時に生成される水分を用いている。
【００５１】
時間Ｔ０からＴ１までの間において、固体電解質型燃料電池２内に設けられたヒーターで温度調節が行われている。また、図２（ｂ）を参照して、時間Ｔ０からＴ１間での間、固体電解質型燃料電池２内の温度ｂと圧力ｃは増加し続ける。図２（ｃ）を参照して、制御弁１４と１６が制御され、水素ガスと窒素ガスの混合ガスｄは増加し続ける。図２（ｄ）を参照して、制御弁４２の状態ｇは開状態から閉状態に向かって徐々に閉じられる。しかしながら、完全に閉じられる訳ではない。また、制御弁２８の状態ｉは、わずかに開いた状態が維持される。再循環ブロワ２２による循環ガスが徐々に増加する。
【００５２】
図２（ｄ）に示されるように、時間Ｔ０では、制御弁４２がほぼ全開となっているので、エアーコンプレッサー２６からの酸化剤ガスは外部熱交換器２４を介して固体電解質型燃料電池２に供給される。こうして、図２（ｂ）に示されるように、固体電解質型燃料電池２内の温度ｂは上昇し、また圧力ｃも増加する。このとき、制御弁４２は大きく開いているので、固体電解質型燃料電池２内の常温の空気は制御弁４２を介して排出される。
【００５３】
この状態で、制御ユニット２００は、図２（ｃ）に示されるように、時間Ｔ０において、水素ガス供給ユニット６と窒素ガス供給ユニット８からの水素ガスと窒素ガスを供給するように制御弁１４と１６を開ける。その後、水素ガスと窒素ガスの供給量が徐々に増加するように制御弁１４と１６を制御する。こうして、窒素ガスで希釈された水素ガスが燃料ガスとして供給される。水素ガスが供給されるので、前処理器２０では改質の必要性はない。そのため、水素ガスを含む燃料ガスは、固体電解質型燃料電池２に供給される。
【００５４】
固体電解質型燃料電池２は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて上記の反応式（２）に基づいてわずかではあるが電力を生成し、また水分（蒸気）を生成する。結果として、生成された水分（蒸気）は配管１００−１２に供給される。このとき、図２（ｃ）に示されるように、制御弁３８は一定の開度であいているが、固体電解質型燃料電池２内の圧力が低いので配管１００−１２内の排燃料ガスはそれほど制御弁３８を介しては外部に排出されない。即ち、配管１００−１２から固体電解質型燃料電池２の入口側に戻るガス量と弁３８を通して系外に排出されるガス量がバランスする。
【００５５】
再循環ブロワ２２が徐々に循環量を増やすように動作するので、配管１００−１２内の水分を含む循環ガスは、水素ガスと窒素ガスの混合ガスと混合されて固体電解質型燃料電池２に再び供給されることになる。制御弁４２は徐々に閉じる方向に制御されるので、固体電解質型燃料電池２内の圧力ｃが増加する。
【００５６】
こうして、プロセスは、時間Ｔ１に進む。時間Ｔ１では、固体電解質型燃料電池２内の圧力が所定の値に達する。しかしながら、固体電解質型燃料電池２内の温度が十分にはあがっていないので、まだ定格運転は行われない。
【００５７】
時間Ｔ１からＴ２間での間では、外部熱交換器２４は動作状態を維持する。図２（ｃ）に示されるように、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ｄは一定に保たれる。また、都市ガスｅは供給されていない。図２（ｄ）に示されるように、制御弁４２は、閉じてはいないが、低い開度ｇで保たれる。制御弁２８も低い開度で保たれ、固体電解質型燃料電池２に供給される酸化剤ガスの供給量ｉも一定に保たれる。再循環ブロワ２２は、一定の循環ガスを循環させるように動作する。これにより、時間Ｔ２で都市ガス（またはメタンガス）での運転が開始されるまでの過渡的処理が行われる。
【００５８】
時間Ｔ１からＴ２間での間では、制御弁の制御により、固体電解質型燃料電池２内の圧力は一定値に保たれる。しかしながら、固体電解質型燃料電池２内の温度ｂは上昇を続ける。
【００５９】
時間Ｔ２では、固体電解質型燃料電池２内の温度が７００℃に達する。言い換えれば、固体電解質型燃料電池２内の温度が７００℃に達する時間がＴ２である。時間Ｔ２からＴ３まで、まだ固体電解質型燃料電池２の昇温期間が続く。
【００６０】
時間Ｔ２に達すると、図２（ｃ）に示されるように、都市ガスの供給ｅが始まり、その供給量が徐々に増やされる。また、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給量は徐々に減らされる。更に、必要があれば、蒸気ボイラ６２から蒸気ｆが供給される。なお、制御弁３８は一定の開度ｊを保ったままである。また、図２（ｄ）を参照して、固体電解質型燃料電池２への酸化剤ガスの供給量ｉが徐徐に増やされる。また、制御弁４２の開度ｇは、制御ユニット２００により制御される。こうして、固体電解質型燃料電池２内の圧力は調整されることができる。
【００６１】
このとき、再循環経路内に水分がだいぶ含まれていることになる。しかしながら、その量は定格運転するには不十分な量である。そのため、都市ガスが徐々に供給され、前処理器２０により改質されて固体電解質型燃料電池２に供給される。また、負荷電流ａが徐々に増やされる。こうして、固体電解質型燃料電池２内では反応式（２）により電力が発生され、水分が生成される。反応式（２）は発熱反応なので、その反応熱により固体電解質型燃料電池２は加熱される。また、負荷電流ａが増やされることで、生成水の量が増え、再循環にされる水の量も増加する。
【００６２】
すなわち、時間Ｔ３にかけて固体電解質型燃料電池２の昇温が完了される。また、再循環ブロワ２２は排燃料ガスを再循環している。この状態で、制御弁１２が開けられ、都市ガスが燃料ガスとして供給され始める。都市ガスの供給量が徐々に増加するように制御弁１２は制御される。一方、水素ガスと窒素ガスの供給量は、都市ガスの供給量が増えるにつれて減少される。
【００６３】
このとき、再循環経路内に十分水分があれば、都市ガス（メタンガス）は、前処理器２０により反応式（１）に従い水素ガスを含む燃料ガスに予備改質される。しかしながら、水分が不足している場合には、上記ボイラ６２から水分を補充する必要がある。本発明では、都市ガスの供給量は当初押さえられている。これは、再循環経路内に存在する水分に見合う量の都市ガスを供給するためである。こうして、都市ガス（メタンガス）は、水素ガスを含む燃料ガスに改質されることができる。また、その水素ガスが電力発生に使用され、水分が生成される。生成された水分は、都市ガスの改質に使用されるという循環が始まることになる。また、固体電解質型燃料電池２の電気出力をアップするために負荷電流が徐々に増加されている。
【００６４】
時間Ｔ３では、固体電解質型燃料電池２の内部温度は９００℃に達する。言い換えれば、固体電解質型燃料電池２の内部温度は９００℃に達する時間がＴ３である。このときには、上記のように、固体電解質型燃料電池２内の圧力ｃはすでに所定値に達しており、また、固体電解質型燃料電池２内の温度ｂも９００℃に達するので定格運転が開始される。
【００６５】
時間Ｔ３から時間Ｔ４の間では、固体電解質型燃料電池２内のヒーターは、オフされ、定格運転が始まる。図２（ｃ）を参照して、都市ガスの供給量ｅは一定に保たれる。また、図２（ｄ）に示されるように供給酸素量ｉも一定に保たれている。水素ガスと窒素ガスの混合ガスは供給されない。図２（ｄ）を参照して、制御弁４２は一定の開度ｇのまま保たれる。また、再循環ブロワ２２の循環量ｈも一定に保たれる。
【００６６】
こうして、都市ガスは前処理器２０により水素ガスを含む燃料ガスに予備改質されて固体電解質型燃料電池２に供給される。固体電解質型燃料電池２の内部では、燃料ガスに含まれるメタンが水素に改質される。即ち、
ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ２ −Ｑ
の反応が起きる。燃料ガス中の水素ガス及び一酸化炭素とエアーコンプレッサー２６から供給される酸化剤ガスとに基づいて反応式（２）による反応が進行する。こうして、定格負荷電流ａを取り出すことができる。換言すれば、定格負荷電流ａを取り出すことにより、反応の進行を制御することができる。
【００６７】
このとき、時間Ｔ４から時間Ｔ５の間でホットバンキングが起きたとする。ほっとバンキングとは、以上要因によるインターロック作動及び温度維持状態での発電停止等である。従って、図（ａ）に示されるように、負荷電流ａの取り出しは停止される。時間Ｔ４からＴ５の間では、固体電解質型燃料電池２内のヒーターによる温度調節が開始される。また、図２（ｃ）に示されるように、都市ガスの供給ｅは停止される。代わって、水素ガスと窒素ガスの混合ガスｄが供給される。制御弁３８は一定の開度ｊを維持する。また、図２（ｄ）に示されるように、再循環ブロワ２２は動作を続ける。また、制御弁４２は一定の開度ｇを維持する。酸化剤ガスの供給ｉは停止される。
【００６８】
時間Ｔ５でホットバンキングが終了すると、都市ガスの供給ｅが再開され、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給ｄは停止される。また、制御弁２８は、閉じられていたとしても元の開度に戻され、供給酸素量ｉは元の状態に戻される。こうして、システム全体として定格運転の状態に戻される。
【００６９】
時間Ｔ６で、定格運転が終了される。このとき、直ちに電源が切られると、配管内に排燃料ガスと酸化剤ガスが残ったままになってしまう。また、都市ガスが残っていれば、改質が行われないので、都市ガスがそのまま燃料電池モジュールに入ることになる。都市ガスがそのまま燃料電池モジュールに入ると炭化水素ガスが熱分解されて炭素が燃料電池モジュールに付着することになる。この炭素は、燃料電池モジュールの効率を低下させることになる。そのため、運転終了時には、配管内の燃料ガスをすべて排気することが必要である。
【００７０】
時間Ｔ６では、図２（ｃ）に示されるように、制御弁１２が制御され、都市ガスの供給ｅは急激に減少される。代わって、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給ｄが開始される。この供給量は、時間Ｔ１からＴ２の間の供給量とほぼ同じである。図２（ｄ）に示されるように、供給酸素量ｉも徐々に減らされる。図２（ａ）に示されるように、都市ガスが流れている間に負荷電流ａが下げられる。また、制御弁４２の開度も減らされる。一方、再循環ブロワ２２の動作は定格運転の時と同じである。
【００７１】
こうして、固体電解質型燃料電池２の内部温度ｂは徐々に下がり始める。また、このとき、都市ガスの供給が停止されると、固体電解質型燃料電池２内のヒーターは温度調整を開始する。
【００７２】
こうして、固体電解質型燃料電池２の内部温度が７００℃以下となると、時間Ｔ７で、降圧プロセスが始まる。固体電解質型燃料電池２内のヒーターは温度調整したままである。図２（ｃ）に示されるように、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ｄが徐々に減るように制御弁１４、１６が制御される。同時に再循環ブロワ２２の循環量が減らされる。一方、制御弁３８は一定の低い開度ｊを保ったままである。また、図２（ｄ）に示されるように、供給酸素量ｉは絞られる。一方、制御弁４２の開度ｇは増加される。こうして、酸化剤ガスの圧力が下がり、固体電解質型燃料電池２内の燃料ガスは排出される。最終的に、固体電解質型燃料電池２の温度ｂが常温近くに戻り、また、内部圧力ｃが大気圧に戻ったとき（時間Ｔ８）、システムの運転は終了される。
【００７３】
次に、本発明の第１実施の形態による固体電解質型燃料電池システムの第２の動作例を説明する。図３は固体電解質型燃料電池システムの第２の動作状況を示すタイミング図である。図３(a）は、固体電解質型燃料電池２の負荷電流ｏを示す。図３（ｂ）は、固体電解質型燃料電池２内の温度ｐと圧力ｑを示す。図３（ｃ）は、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ｒと都市ガスの流量ｓと、制御弁３８の開度ｕを示す。また、蒸気ボイラ６２が使用される場合の蒸気の供給量をｔで示す。図３（ｄ）は、制御弁４２の開度（圧力調節弁）ｖ、再循環ブロワ２２の動作（再循環ガス）ｘ、及び制御弁２８の開度に対応する供給空気（酸化剤ガス）量）ｗを示している。
【００７４】
はじめに、起動時Ｔ１０からＴ１１までの昇圧昇温期間の動作について説明する。
【００７５】
時間Ｔ１０からＴ１１までの間において、固体電解質型燃料電池２内のヒーターにより温度調節が行われている。また、図３（ｃ）を参照して、制御弁１４と１６が制御され、水素ガスと窒素ガスの混合ガスｒは増加し続ける。図３（ｄ）を参照して、制御弁４２の開度ｖは一定に保たれる。また、制御弁２８の状態ｗは、徐々に開度が増加され、供給酸素量ｗは増加する。再循環ブロワ２２による循環ガスｘも徐々に増加する。こうして、図３（ｂ）に示されるように、時間Ｔ１０からＴ１１間での間、固体電解質型燃料電池２内の温度ｂと圧力ｃは増加し続ける。
【００７６】
時間Ｔ１０では、固体電解質型燃料電池２内のヒーターにより温度調節が行われているので、図３（ｂ）に示されるように、固体電解質型燃料電池２内の温度ｂは上昇する。また、制御弁４２の開度ｖは一定に保たれているので、エアーコンプレッサー２６からの酸化剤ガスは外部熱交換器２４を介して固体電解質型燃料電池２に供給される。更に、混合ガスｒが供給されている。こうして、また圧力ｑも増加する。このとき、制御弁４２は一定の開度ｖにあるので、固体電解質型燃料電池２内の常温の酸化剤ガスは制御弁４２を介して排出される。
【００７７】
この状態で、図３（ｃ）に示されるように、制御ユニット２００により水素ガスと窒素ガスの供給量が徐々に増加するように制御弁１４と１６が制御される。こうして、水素ガスと窒素ガスの混合ガス、即ち窒素ガスで希釈された水素ガスが燃料ガスとして供給される。水素ガスを含むガスが供給されるので、前処理器２０では改質の必要性はない。そのため、水素ガスを含む燃料ガスは、そのまま固体電解質型燃料電池２に供給される。
【００７８】
固体電解質型燃料電池２は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて上記の反応式（２）に基づいてわずかではあるが電力を生成し、また水分（蒸気）を生成する。結果として、生成された水分（蒸気）は配管１００−１２に供給される。このとき、図３（ｃ）に示されるように、制御弁３８は一定の開度ｕであいているが、固体電解質型燃料電池２内の圧力が低いので配管１００−１２内の排燃料ガスはそれほど制御弁３８を介しては外部に排出されない。
【００７９】
再循環ブロワ２２が徐々に循環量をｘ増やすように動作するので、配管１００−１２内の水分を含む循環ガスは循環され、水素ガスと窒素ガスの混合ガスと混合されて固体電解質型燃料電池２に再び供給されることになる。
【００８０】
こうして、プロセスは、時間Ｔ１１に進む。時間Ｔ１１では、固体電解質型燃料電池２内の圧力ｑが所定の値（この例では３ａｔｇ）に達する。また、固体電解質型燃料電池２の内部温度ｐも９００に上昇する。しかしながら、この状態は都市ガスを使用する定格運転ではない。
【００８１】
時間Ｔ１１からＴ１２間での間では、外部熱交換器２４の出力は保たれる。図３（ｃ）に示されるように、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ｒは一定に保たれる。また、都市ガスｓは供給されていない。図３（ｄ）に示されるように、制御弁４２は、一定の開度ｕを保っている。また、図３（ｄ）に示されるように、制御弁２８は、大きい開度ｗで保たれ、大量の空気が供給されている。再循環ブロワ２２は、一定の循環ガスを循環させるように動作する。これにより、時間Ｔ１２で都市ガス（またはメタンガス）での運転が開始されるまでの過渡的処理（ホットスタンバイ処理）が行われる。こうして、時間Ｔ１１からＴ１２間での間では、図３（ｂ）に示されるように、固体電解質型燃料電池２内の圧力ｑは一定値に保たれ、温度ｐも一定に保たれるホットスタンバイ状態が保たれる。
【００８２】
時間Ｔ１２から時間Ｔ１３までの間に、燃料の切り替えが行われる。すなわち、時間Ｔ１２に達すると、固体電解質型燃料電池２内のヒーターによる温度調整は停止される。また、図３（ｃ）に示されるように、都市ガスの供給ｓが始まり、その供給量が徐々に増やされる。また、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給量ｒは徐々に減らされる。更に、必要があれば、蒸気ボイラ６２から蒸気ｔが供給される。なお、制御弁３８は一定の開度ｊを保ったままである。また、図３（ｄ）を参照して、制御弁２８の開度ｗは、大きな開度で保たれる。こうして、固体電解質型燃料電池２へは十分に酸化剤ガスｗが供給されることができる。また、制御弁４２の開度ｖは、制御ユニット２００により一定に保たれる。こうして、固体電解質型燃料電池２内の圧力は調整されることができる。
【００８３】
時間Ｔ１２では、再循環経路内に水分がだいぶ含まれていることになる。しかしながら、その量は定格運転するには不十分な量である。そのため、都市ガスｓが徐々に供給され、前処理器２０により予備改質されて固体電解質型燃料電池２に供給される。また、負荷電流ｏが徐々に増やされる。こうして、固体電解質型燃料電池２内では反応式（２）により電力が発生され、水分が生成される。反応式（２）は発熱反応なので、その反応熱により固体電解質型燃料電池２は加熱される。
【００８４】
すなわち、時間Ｔ１３にかけて再循環経路内の水分が十分に確保されることになる。すなわち、外部熱交換器２４を介して酸化剤ガスｗが固体電解質型燃料電池２に供給され続ける。また、再循環ブロワ２２は排燃料ガスを再循環している。この状態で、制御弁１２が開けられ、都市ガスｓが燃料ガスとして供給され始める。都市ガスの供給量が徐々に増加するように制御弁１２は制御される。一方、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給量ｒは、都市ガスの供給量ｓが増えるにつれて減少される。
【００８５】
このとき、再循環経路内に十分水分があれば、都市ガス（メタンガス）は、反応式（１）により水素ガスを含む燃料ガスが前処理器２０により生成される。しかしながら、水分が不足している場合には、上記ボイラ６２から水分ｔを補充する必要がある。本発明では、都市ガスの供給量は当初押さえられている。これは、再循環経路内に存在する水分に見合う量の都市ガスを供給するためである。こうして、都市ガス（メタンガス）は、水素ガスを含む燃料ガスに改質されることができる。また、その水素ガスが電力発生に使用され、水分が生成される。生成された水分は、都市ガスの改質に使用されるという循環が始まることになる。また、このとき、固体電解質型燃料電池２の負荷電流ｏが徐々に増加されている。これにより、固体電解質型燃料電池２での反応式（２）による反応の速度が制御される。
【００８６】
時間Ｔ１３では、固体電解質型燃料電池２の内部温度は９００℃に達する。言い換えれば、固体電解質型燃料電池２の内部温度は９００℃に達する時間がＴ１３である。このときには、上記のように、固体電解質型燃料電池２内の圧力ｑはすでに所定値に達しており、また、固体電解質型燃料電池２内の温度ｐも９００℃に達しているので、定格運転が開始される。
【００８７】
時間Ｔ１３から時間Ｔ１４の間では、泥各運転が開始される。固体電解質型燃料電池２内のヒーターはオフされる。図３（ｃ）を参照して、都市ガスの供給量ｓは一定に保たれる。制御弁３８は一定の開度ｕを保つ。水素ガスと窒素ガスの混合ガスは供給されない。図３（ｄ）を参照して、供給酸素量ｗも一定である。再循環ブロワ２２の循環量ｘも一定に保たれる。なお、制御弁４２の開度ｖは一定に保たれたままである。
【００８８】
こうして、都市ガスは前処理器２０により水素ガスを含む燃料ガスに予備改質されて固体電解質型燃料電池２に供給される。固体電解質型燃料電池２の内部では、燃料ガスに含まれる改質されていないメタンガスがさらに水素ガスに改質される。燃料ガス中の水素ガスと一酸化炭素ガスとエアーコンプレッサー２６から供給される酸化剤ガスとに基づいて反応式（２）による反応が進行する。こうして、定格負荷電流ｏを取り出すことができる。換言すれば、定格負荷電流ｏを取り出すことにより、反応の進行を制御することができる。
【００８９】
時間Ｔ１４で、定格運転が終了される。このとき、直ちに電源が切られると、配管内に排燃料ガスと酸化剤ガスが残ったままになってしまう。また、都市ガスが残っていれば、改質が行われないので、都市ガスがそのまま燃料電池モジュールに入ることになる。都市ガスがそのまま燃料電池モジュールに入ると炭化水素ガスが熱分解されて炭素が燃料電池モジュールに付着することになる。この炭素は、燃料電池モジュールの効率を低下させることになる。そのため、運転終了時には、配管内の燃料ガスをすべて排気することが必要である。
【００９０】
時間Ｔ１４では、負荷電流０が減少される。こうして、図３（ｃ）に示されるように、制御弁１２が制御され、都市ガスの供給ｓは急激に減少される。代わって、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給量ｒが急激に増加される。また、図３（ｄ）に示されるように、制御弁２８の開度ｗは一定に保たれる。制御弁４２の開度ｖは一定に保たれたままである。再循環ブロワ２２の動作は定格運転の時と同じである。このため、固体電解質型燃料電池２内の温度ｐと圧力ｑは変化しない。
【００９１】
こうして、負荷電流ｏが無くなり、都市ガスの供給が無くなると、時間Ｔ１５で図３（ｄ）に示されるように、混合ガスの供給量ｒと酸素供給量ｗは徐々に減らされる。再循環ブロワ２２の循環される排燃料ガスの量も徐々に減らされる。一方、制御弁４２の開度ｖは一定に保たれたままである。また、固体電解質型燃料電池２内のヒーターによる温度調整が再開される。こうして、固体電解質型燃料電池２の内部温度ｐは徐々に下がり始める。こうして、最終的に、固体電解質型燃料電池２の温度ｐが常温近くに戻り、また、内部圧力ｑが大気圧に戻ったとき（時間Ｔ１６）、システムの運転は終了される。
【００９２】
図４は、本発明の第２の実施の形態による固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この固体電解質型燃料電池システムは発電量は１００ＫＷ級であり、燃料電池とガスタービン発電機とがコンバインドされている。なお、簡略化のため、図１に示された制御ユニット２００内の一部のユニットは図面では省略されている。
【００９３】
図４を参照して、第２の実施の形態による固体電解質型燃料電池システムは、主に、固体電解質型燃料電池２、都市ガス供給ユニット４、蒸気供給ユニット７２、水素ガス供給ユニット６、窒素ガス供給ユニット６、置換ガス供給ユニット１０、制御弁１２−１８、前処理器７６、再循環ブロワ２２、外部熱交換器９４、エアーコンプレッサー２６、制御ユニット２００（図示せず）、燃焼器８２，ガスタービン（Ｇ／Ｔ）８８，温水ボイラ９２からなる。第１の実施の形態におけるヒーターに代えて起動用バーナー７８が固体電解質型燃料電池２には設けられている。都市ガス供給ユニット４、水素ガス供給ユニット、６、窒素ガス供給ユニット８、置換ガス供給ユニット１０に対して制御ユニット２００により制御される制御弁が設けられているが、図面では省略されている。制御ユニット２００は、固体電解質型燃料電池システムの全体の動作を制御する。
【００９４】
都市ガス供給ユニット４から出力される都市ガスは制御弁を介して配管１００−１に燃料ガスとして供給される。水素ガス供給ユニット６から出力される水素ガスは制御弁を介して配管１００−１に燃料ガスとして供給される。窒素ガス供給ユニット８から出力される窒素ガスは制御弁を介して配管１００−１に供給される。この制御弁は、制御ユニット２００により制御され、固体電解質型燃料電池２の起動時及び運転終了時に窒素ガスを配管１００−１に供給する。この窒素ガスは、水素ガス供給ユニット６から配管１００−１に供給される水素ガスを希釈するために使用される。置換ガス供給ユニット１０から出力される置換ガスは制御弁を介して配管１００−１に供給される。蒸気供給ユニット７２から出力される蒸気は制御弁を介して配管１００−１に供給される。
【００９５】
水素供給ユニット６と窒素供給ユニット８の制御弁は、制御ユニット２００により制御され、固体電解質型燃料電池２に異常が発生したとき、あるいは固体電解質型燃料電池２の運転を停止するとき、固体電解質型燃料電池２内、及び関連する配管内の燃料ガスを排出するために使用される。
【００９６】
配管１００−１に供給されたガスは、配管１００−１４内の循環ガスと共に配管１００−４を介して前処理器７６に供給される。前処理器７６は、第１の実施の形態における前処理器２０と同じ機能を有する。燃料ガスが固体電解質型燃料電池２に供給される前に、配管１００−４内のガスに含まれる都市ガス（炭化水素ガス）を上記反応式（１）に従って予備改質する。改質されたガスは配管１００−６を介して固体電解質型燃料電池２に供給される。
【００９７】
起動用エアーコンプレッサ９８は、空気を制御弁１２０を介して配管１１０−２２，１１０−２４を介して配管１１０−３０に送る。エアーコンプレッサー（Ａ／Ｃ）２６、制御ユニット２００の制御の下、空気を圧縮して酸化剤ガスとして配管１１０−３０に供給する。配管１１０−３０内の酸化剤ガスは、外部熱交換器（ＡＨ）９４に供給される。外部熱交換器９４は、制御ユニット２００の制御の下、配管１１０−３０を介して供給される酸化剤ガスを配管１１０−２８から供給される高温ガスの熱により加熱して配管１１０−３２に供給する。
【００９８】
制御ユニット２００は、温度制御を行い、外部熱交換器９４からの酸化剤ガスの温度が高いときには、制御弁３２を開けて加熱前の空気を配管１１０−３２に供給する。こうして、固体電解質型燃料電池２に供給されるべき酸化剤ガスの温度を調整することができる。
【００９９】
配管１１０−３２内の空気は、制御ユニット２００により制御される制御弁１２８を介して燃焼器８２に供給される。また、配管１１０−３２内の酸化剤ガスは、制御ユニット２００により制御される流量調節弁（流調弁）２８を介して固体電解質型燃料電池２に供給される。この例では、流調弁２８と並列にバイパス弁１２２が設けられている。制御ユニット２００の圧力調整器は、センサーにより検出された空気圧に基づいて制御弁２８の開閉度を制御する。
【０１００】
固体電解質型燃料電池２は、第１の実施の形態と同様に、内部に改質機能を有している。例えば、反応式（１）に従って、都市ガス中に含まれるメタンガスを水素ガスと一酸化炭素ガスを含むガスに改質することができる。固体電解質型燃料電池２は、高温動作型の燃料電池であり、動作温度は、約８００℃から１０００℃である。固体電解質型燃料電池２は、配管１００−６を介して供給される燃料ガスと外部熱交換器９４から供給される加熱酸化剤ガスとを用いて、上記反応式（２）に従って水素ガスと酸化剤ガスから電力を発生し、水を生成する。発生された電力は外部に取り出されるが、図示はしていない。
【０１０１】
この反応は発熱反応であるが、固体電解質型燃料電池２の起動時には固体電解質型燃料電池２は常温にある。従って、起動時には固体電解質型燃料電池２を動作温度に保つための熱源として上記反応熱を利用することはできない。このため、起動時にはバーナー７８により固体電解質型燃料電池２を加熱している。外部熱交換器９４で酸化剤ガスを加熱し、その熱を用いて固体電解質型燃料電池２の温度を維持する。同時に、反応式（２）の発熱反応による反応熱を利用して固体電解質型燃料電池２の温度を維持する。
【０１０２】
上記反応式（２）に従う反応後の排燃料ガスは、配管１００−８に出力される。また、上記反応式に従う反応後の排酸化剤ガスは、配管１１０−４０に出力される。
【０１０３】
排酸化剤ガスは、外部熱交換器９４を介して配管１１０−４０に出力される。排酸化剤ガスもかなりの高温状態にあるので、この排酸化剤ガスは外部熱交換器９４に供給される酸化剤ガスを加熱するために使用される。従って、外部熱交換器９４から出力される排酸化剤ガスは温度が下がっている。また、排酸化剤ガスは、制御ユニット２００により制御される遮断弁１２６を介して燃焼器８２に供給される。遮断弁１２６の開閉を制御することにより、燃焼器８２とガスタービン８８を通るラインと通らないバイパスラインとの切り替えが可能となる。従って、固体電解質型燃料電池２の起動とガスタービンの起動を別々に行う際に有効である。
【０１０４】
その後、排酸化剤ガスは、制御ユニット２００により制御される圧力調節弁４２を介して排気筒４６から排気される。制御ユニット２００の圧力調整器は、固体電解質型燃料電池２内のガスの圧力を検出し、圧力調節弁４２の開閉度を制御する。こうして、固体電解質型燃料電池２内の圧力が一定に保たれることになる。
【０１０５】
また、反応後の排燃料ガスは、固体電解質型燃料電池２から配管１００−８に出力される。排燃料ガスには、上記の反応により生成された水分としての蒸気と、改質器により生成されたが反応に使用されなかった水素ガス、改質により生成された一酸化炭素ガス、改質されないままの燃料ガスなどが含まれている。
【０１０６】
排燃料ガスは、配管１００−１２に供給され、また、制御ユニット２００により制御される制御弁８６と配管１１０−４４を介して燃焼器８２に供給される。更に、制御ユニット２００により制御される制御弁８４を介して冷却器３４に供給され、冷却器３４により冷却された後、トラップ３６を介して排気筒４４から排気される。トラップ３４は、排燃料ガスに含まれている蒸気、及び可溶性のガスなどを除去するために使用される。こうして、制御弁８６と８４を切り換えることにより、燃焼器８２とガスタービンＧ／Ｔ８８を通るラインと通らないバイパスラインとの切り換えが可能となり、固体電解質型燃料電池２の起動とガスタービンＧ／Ｔ８８の起動を別々に実行する際に有効である。
【０１０７】
トラップ３６と排気筒４４の間には制御ユニット２００により制御される差圧調節弁３８が設けられている。制御ユニット２００の圧力差調整器は供給燃料ガスの圧力と固体電解質型燃料電池２の内部圧力との差に基づいて差圧調節弁３８の開閉度を制御する。この結果、固体電解質型燃料電池２に供給される燃料ガスの圧力は、酸化剤ガスの圧力より所定値、この例では５０っｍＡｑだけ高い状態に保たれることができる。
【０１０８】
配管１００−１２に供給された排燃料ガスは、再循環ブロワ２２により配管１００−１４と制御ユニット２００により制御される制御弁１３２を介して配管１００−４に供給される。配管１００−４内の燃料ガスは、供給ユニット４，６，８，１０，７２から供給される燃料ガスと共に前処理器７６に供給される。
【０１０９】
制御弁（図示せず）は、再循環ブロワ２２をバイパスする経路に設けられている。制御ユニット２００の圧力調整器は、この制御弁の開閉度を制御する。これにより、配管１００−１２内の燃料ガスは、流量制御されて配管１００−４に供給されることになる。
【０１１０】
配管１００−１内の水素ガスあるいは都市ガスは、固体電解質型燃料電池２のバーナー７８に供給され、固体電解質型燃料電池２を加熱するために使用される。また、配管１００−１内の水素ガスあるいは都市ガスは制御ユニット２００により制御される制御弁８０を介して燃焼器２に供給される。
【０１１１】
燃焼器８２からの燃焼ガスはガスタービン８８に供給され、発電のために使用される。ガスタービンＧ／Ｔ８８には、エアーコンプレッサー２６から圧縮空気も供給されている。ガスタービン８８からの排ガスは外部熱交換器９４に供給され、それに供給される空気を加熱するために使用される。熱交換器９４を通過した排ガスは温水ボイラ９２に供給される。温水ボイラ９２は温水を生成する。温水ボイラに代えて蒸気ボイラを使用すれば、生成された蒸気により、蒸気タービンを回すことも可能である。まあ、その蒸気の一部を固体電解質型燃料電池２の入口側に供給すれば、改質よう蒸気として使用することもできる。
【０１１２】
次に、本発明の第２実施の形態による固体電解質型燃料電池システムの動作を説明する。図５は固体電解質型燃料電池システムの動作状況を示すタイミング図である。図５(a）は、固体電解質型燃料電池２の負荷電流（ａａ）を示す。図５（ｂ）は、固体電解質型燃料電池２内の温度（ａｂ）と圧力（ａｃ）を示す。図５（ｃ）は、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ａｅと、都市ガス流量ａｇと、差圧調節弁３８の開度ａｄと、蒸気供給ユニット７２の供給量をａｆで示す。図５（ｄ）は、ガスタービン８８の出口空気量ａｈ、酸化剤ガスのための圧力調節弁４２の開度ａｉ、及び流調弁２８による供給空気（酸化剤ガス）量ａｊを示している。また、図５（ｅ）は、再循環ブロワ２２の動作（再循環ガス）ａｌ、ガスタービン８８の燃焼器８２に水素ガスまたは都市ガスを供給するための制御弁８０、１２８の複合の開度ａｋ、バーナー７８に供給される水素ガスまたは都市ガスの流量ａｍを示す。
【０１１３】
はじめに、起動時Ｔ２０からＴ２１まで期間の動作からシステムの動作を説明する。
【０１１４】
時間Ｔ２０で固体電解質型燃料電池システムが起動されるときには、固体電解質型燃料電池２は常温常圧にある。上記反応式（２）により電力の発生を達成するためには、８００℃から１０００℃の温度が必要である。また、都市ガス（高水素ガス）を水素ガスと一酸化炭素ガスに改質するためには水分が必要である。しかしながら、水蒸気を供給しなければ、起動時にはシステム内に蒸気は存在しない。そこで、本発明では、都市ガスを改質するために必要な水分は固体電解質型燃料電池２での電力の発生時に生成される水分を用いている。
【０１１５】
時間Ｔ２０では、図５（ｅ）に示されるように制御弁８０は開いており、図５（ｃ）に示されるように、水素ガスと窒素ガスの混合ガスａｅは、一定量が出力されていて、制御弁８０を介して燃焼器８２に供給されている。燃焼器には、起動用エアーコンプレッサー９８からの空気が制御弁１２０、外部熱交換器９４、制御弁１２８を介して燃焼器８２に供給されている。燃焼器８２の燃焼ガスはガスタービン８８に供給される。こうして、ガスタービンによる発電は起動される。
【０１１６】
時間Ｔ２０からＴ２１までの間において、図５（ｃ）を参照して、水素ガスと窒素ガスの混合ガスａｅは一定量が供給され続けている。また、差圧調節弁３８は開度ａｄが徐々に減少されている。図５（ｄ）を参照して、ガスタービン８８の出口の空気ａｈは一定量が供給されている。また、圧力調節弁４２の開度ａｉは徐々に減少される。一方、空気供給量ａｊで低いレベルで一定である。図５（ｅ）に示されるように、再循環ブロワ２２は再循環量を徐々に増やす。こうして、図５（ｂ）を参照して、時間Ｔ２０からＴ２１間での間、固体電解質型燃料電池２内の温度ａｂと圧力ａｃは増加し続ける。
【０１１７】
次に、時間Ｔ２１から時間Ｔ２２までは、図５（ｃ）に示されるように、差圧調節弁３８の開度ａｄは引き続き減少している。混合ガスａｅの供給量は一定である。図５（ｄ）を参照して、圧力調節弁４２の開度ａｉは引き続き減少している。空気供給量ａｊは一定である。
【０１１８】
図５（ｅ）を参照して、混合ガスａｅの一部はバーナ燃料ａｍとしてバーナー７８に供給され、燃焼される。これにより固体電解質型燃料電池２の内部温度は上昇される。また、図５（ｄ）に示されるように、時間Ｔ２０からＴ２２の間では、制御弁２８は開いているので、エアーコンプレッサー９８からの酸化剤ガスは外部熱交換器９４で加温された後、固体電解質型燃料電池２に供給される。こうして、図５（ｂ）に示されるように、固体電解質型燃料電池２内の温度ａｂは上昇し、また圧力ａｃも増加する。このとき、圧力調節弁４２は大きく開いているので、固体電解質型燃料電池２内の常温の空気は圧力調節弁４２を介して排出される。
【０１１９】
この状態で、水素ガスと窒素ガスの供給量ａｅは一定に保たれている。こうして、窒素ガスで希釈された水素ガスが燃料ガスとして供給される。水素ガスが供給されるので、前処理器７６では改質の必要性はない。そのため、水素ガスを含む燃料ガスは、固体電解質型燃料電池２に供給される。
【０１２０】
固体電解質型燃料電池２は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて上記の反応式（２）に基づいてわずかではあるが電力を生成し、また水分（蒸気）を生成する。結果として、生成された水分（蒸気）は配管１００−１２に供給される。このとき、図５（ｃ）に示されるように、差圧調節弁３８の開度ａｄは下がっているが、固体電解質型燃料電池２内の圧力が低いので配管１００−１２内の排燃料ガスはそれほど差圧調節弁３８を介しては外部に排出されない。
【０１２１】
再循環ブロワ２２が徐々に循環量を増やすように動作しているので、配管１００−１２内の水分を含む循環ガスは、水素ガスと窒素ガスの混合ガスと混合されて固体電解質型燃料電池２に再び供給されることになる。圧力調節弁４２は徐々に閉じる方向に制御されるので、固体電解質型燃料電池２内の圧力ｃが増加する。
【０１２２】
こうして、プロセスは、時間Ｔ２２に進む。時間Ｔ２２から時間Ｔ２３では、固体電解質型燃料電池２内の圧力が所定の値に達する。しかしながら、固体電解質型燃料電池２内の温度が十分にはあがっていないので、まだ定格運転は行われない。
【０１２３】
時間Ｔ２２からＴ２３間での間では、外部熱交換器９４は動作状態を維持する。また、図５（ｅ）に示されるように、バーナー７８は燃焼を続けている。このため、図５（ｂ）に示されるように、固体電解質型燃料電池２内の温度ａｂは徐々に上昇する。
【０１２４】
図５（ｃ）に示されるように、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ａｅは一定に保たれている。また、都市ガスａｇは供給されていない。都市ガスａｇは、第１の実施の形態と同様に、定格運転が開始されるように供給される。図５（ｄ）に示されるように、圧力調節弁４２は、閉じられ、そのままの状態を運転停止まで保持する。制御弁２８は期間Ｔ２１からＴ２２までのときより大きい開度ａｊを保つように制御される。再循環ブロワ２２は、一定量の循環ガスを循環させるように動作する。これにより、時間Ｔ２３で都市ガス（またはメタンガス）での運転が開始されるまでの過渡的処理が行われる。
【０１２５】
時間Ｔ２２からＴ２５の間では、制御弁の制御により、固体電解質型燃料電池２内の圧力は一定値に保たれる。時間Ｔ２３では、固体電解質型燃料電池２内の温度が７００℃に達する。言い換えれば、固体電解質型燃料電池２内の温度が７００℃に達する時間がＴ２３である。時間Ｔ２３からＴ２５まで、まだ固体電解質型燃料電池２の昇温期間が続く。
【０１２６】
時間Ｔ２３に達すると、バーナー７８による加熱は押さえられる。また、図５（ｃ）に示されるように、都市ガスの供給ａｇが始まり、その供給量が徐々に増やされる。また、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給量は徐々に減らされる。更に、必要があれば、蒸気ボイラ６２から蒸気ａｆが供給される。なお、差圧調節弁３８は時間Ｔ２３で閉じられ、運転停止まで保持される。また、図５（ｄ）を参照して、固体電解質型燃料電池２への空気供給量ａｊが徐々に増やされる。また、圧力調節弁４２の開度ａｉは、時間Ｔ２２から閉じられたままである。また、再循環ブロワ２２は、時間Ｔ２２から全開で運転されている。
【０１２７】
図５（ｅ）を参照して、燃焼器８２への燃料ガスと酸化剤ガスの供給は時間Ｔ２３からＴ２５の間で徐々に減らされる。また、制御ユニット２００により制御弁８０，８４，８６，１２２，１２６、１２８は連携して制御される。こうして固体電解質型燃料電池２に供給される酸化剤ガスの量ａｊの増加と同時に、バイパス経由での燃料ガスの供給は減少される。一方、別の経路での排燃料ガスの燃焼器８２への供給量、及び排酸化剤ガスの燃焼器８２への供給量が制御される。
こうして、固体電解質型燃料電池２内の圧力は調整されることができる。
【０１２８】
このとき、時間Ｔ２３以後バーナー７８での燃焼は徐々に減らされ、時間Ｔ２３とＴ２５の間のＴ２４でバーナー７８は停止される。これにより、固体電解質型燃料電池２の外的な加温は止まり、反応熱により加温され、また保たれることになる。
【０１２９】
すなわち、再循環経路内に水分がだいぶ含まれていることになる。しかしながら、その量は定格運転するには不十分な量である。そのため、都市ガスが徐々に供給され、前処理器７６により予備改質されて固体電解質型燃料電池２に供給される。また、負荷電流ａａが徐々に増やされる。こうして、固体電解質型燃料電池２内では反応式（２）により電力が発生され、水分が生成される。反応式（２）は発熱反応なので、その反応熱により固体電解質型燃料電池２は加熱される。
【０１３０】
Ｔ２５にかけて固体電解質型燃料電池２の昇温が完了される。また、再循環ブロワ２２は排燃料ガスを再循環している。時間時間Ｔ２３からＴ２５にかけて都市ガスａｇが供給され始める。都市ガスの供給量が徐々に増加するように制御される。一方、水素ガスと窒素ガスの混合ガスａｅの供給量は、都市ガスの供給量ａｇが増えるにつれて減少される。
【０１３１】
このとき、再循環経路内に十分水分があれば、都市ガス（メタンガス）は、反応式（１）により水素ガスを含む燃料ガスが前処理器７６により生成される。しかしながら、水分が不足している場合には、蒸気供給ユニット７２から水分を補充する必要がある。本発明では、都市ガスの供給量は当初押さえられている。これは、再循環経路内に存在する水分に見合う量の都市ガスを供給するためである。こうして、都市ガスは、水素ガスと一酸化炭素ガスを含む燃料ガスに改質されることができる。また、その水素ガスと一酸化炭素ガスが電力発生に使用され、水分が生成される。生成された水分は、都市ガスの改質に使用されるという循環が始まることになる。また、このとき、固体電解質型燃料電池２の負荷電流が徐々に増加されている。
【０１３２】
時間Ｔ２５では、固体電解質型燃料電池２の内部温度は９００℃に達する。言い換えれば、固体電解質型燃料電池２の内部温度は９００℃に達する時間がＴ２５である。このときには、上記のように、固体電解質型燃料電池２内の圧力ａｃはすでに所定値に達しており、また、固体電解質型燃料電池２内の温度ｂも９００℃に達するので定格運転が開始される。
【０１３３】
時間Ｔ２５から時間Ｔ２８の間では、バーナー７８は、オフされる。図５（ｃ）を参照して、都市ガスの供給量ａｇは一定に保たれる。差圧調節弁３８は閉じられたままである。水素ガスと窒素ガスの混合ガスａｅは供給されない。図５（ｄ）を参照して、圧力調節弁４２は閉じられたままである。酸素供給量ａｊ一定にに保たれる。図５（ｅ）に示されるように、再循環ブロワ２２の循環量ａｌも一定に保たれる。
【０１３４】
こうして、都市ガスは前処理器７６により水素ガスを含む燃料ガスに予備改質されて固体電解質型燃料電池２に供給される。固体電解質型燃料電池２の内部では、燃料ガスに含まれる改質されていない都市ガス成分（メタンガス）がさらに水素ガスに改質される。燃料ガス中の水素ガス、一酸化炭素ガスとエアーコンプレッサー９８から供給される酸化剤ガスとに基づいて反応式（２）による反応が進行する。
【０１３５】
このとき、時間Ｔ２６から時間Ｔ２７の間でホットバンキングが起きたとする。時間Ｔ２６からＴ２７の間では、図５（ｃ）に示されるように、都市ガスの供給ａｇは停止される。代わって、水素ガスと窒素ガスの混合ガスａｅが一定量供給される。差圧調節弁３８は一定の開度ａｄを維持するように制御される。このとき、弁３８が使用されるときは、弁８６と８４との間で切り換えが必要である。また、図５（ｄ）に示されるように、圧力調節弁４２は閉じられたままである。供給空気量ａｊは一定のままである。図５（ｅ）を参照して、制御弁８０と１２８が開けられ、燃焼ガスが燃焼器８２に供給される。また、再循環ブロワ２２は動作を続ける。
【０１３６】
時間Ｔ２７でホットバンキングが終了すると、図５（ｃ）に示されるように、都市ガスの供給ａｇが再開され、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの供給ａｅは停止される。また、差圧調節弁３８は、閉じられる。こうして、システム全体として定格運転の状態に戻される。
【０１３７】
時間Ｔ２８で、定格運転が終了される。このとき、直ちに電源が切られると、配管内に排燃料ガスと酸化剤ガスが残ったままになってしまう。また、都市ガスが残っていれば、改質が行われないので、都市ガスがそのまま燃料電池モジュールに入ることになる。都市ガスがそのまま燃料電池モジュールに入ると炭化水素ガスが熱分解されて炭素が燃料電池モジュールに付着することになる。この炭素は、燃料電池モジュールの効率を低下させることになる。そのため、運転終了時には、配管内の燃料ガスをすべて排気することが必要である。
【０１３８】
時間Ｔ２８では、図５（ａ）に示されるように、負荷電流ａａは当然減少される。図５（ｃ）に示されるように、都市ガス４の供給ａｇは急激に減少される。代わって、水素ガスと窒素ガスの混合ガスａｅは一定量供給される。この供給量は、時間Ｔ２０からＴ２３の間の供給量とほぼ同じである。また、都市ガスの供給が止まると、差圧調節弁３８はＴ２２とＴ２３の期間とほぼ同じ開度を持って開けられる。また、図５（ｄ）に示されるように、空気供給量ａｊが徐々に減らされるように、制御弁２８が制御され、同時に制御弁１２８も制御される。また、圧力調節弁４２は閉じられたままである。図５（ｅ）を参照して、再循環ブロワ２２の動作は定格運転の時と同じである。また、制御弁８０が開けられる。
【０１３９】
こうして、固体電解質型燃料電池２の内部温度が７００℃以下となると、時間Ｔ２９で、降圧プロセスが始まる。図５（ｃ）に示されるように、水素ガスと窒素ガスの混合ガスの流量ａｅは一定のままである。同時に差圧調節弁３８の開度ａｄは所定の開度に向かって増加される。また、図５（ｄ）を参照して、圧力調節弁４２の開度ａｉも所定の開度に向かって増加される。こうして、燃料ガスと酸化剤ガスは排出され、固体電解質型燃料電池２内の圧力が下がる。最終的に、固体電解質型燃料電池２の温度ｂが常温近くに戻り、また、内部圧力ｃが大気圧に戻ったとき（時間Ｔ３０）、システムの運転は終了される。この結果、混合ガスａｅの供給は停止される。制御弁８０も閉じられる。
【０１４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体電解質型燃料電池システムによれば、安定に電力を取り出すことができる。また、起動時に水蒸気を供給する必要が無く、ボイラーなどの付帯設備を設ける必要がない。更に、起動時及び停止時に炭素による燃料電池モジュールの汚染を防止することができる。
【０１４１】
また、最小限のシステム構成でガスタービンを用いて燃料ガスを有効に利用することにより発電効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態による１０ＫＷ級固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態による固体電解質型燃料電池システムの第１の動作例を示すタイミング図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態による固体電解質型燃料電池システムの第２の動作例を示すタイミング図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態による１００ＫＷ級固体電解質型燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施の形態による固体電解質型燃料電池システムの動作例を示すタイミング図である。
【符号の説明】
２：固体電解質型燃料電池
４：都市ガス
６：水素ガス
８：窒素ガス
２０：前処理器
２２：再循環ブロワ
２４、９４：外部熱交換器
２６：エアーコンプレッサー
８２：燃焼器
８８：ガスタービン
９２：温水ボイラ
Claims (11)
- 水素ガスを含む第１の供給ガスを供給するための第１の燃料供給部と、
炭化水素ガスを含む第２の供給ガスを供給するための第２の燃料供給部と、
酸素ガスを含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
水分を含む第３の供給ガスを受け取り、前記第３の供給ガスが前記第２の供給ガスを含むとき、前記水分を用いて前記炭化水素ガスを水素ガスを含む燃料ガスに改質し、前記第３の供給ガスが前記第１の供給ガスを含むとき、そのまま前記燃料ガスとして使用し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとから発電しながら前記水分を発生し、前記水分を含む排燃料ガスと排酸化剤ガスを排出する固体電解質型燃料電池と、
前記排燃料ガスと前記第１の供給ガスまたは前記第２の供給ガスとが混合され前記第３の供給ガスとして前記固体電解質型燃料電池に供給されるように前記排燃料ガスを循環する循環部と、
前記固体電解質型燃料電池の内部の圧力と温度に基づいて、前記第１の燃料供給部と前記第２の燃料供給部を制御して前記第１の供給ガスと前記第２の供給ガスの供給を制御する制御部と
を具備し、
前記制御部は、システムの起動時から前記固体電解質型燃料電池内の圧力が定格値に達した後、前記固体電解質型燃料電池の内部温度が所定値に達して定格運転が始まるまで、前記第１の供給ガスを供給し、前記固体電解質型燃料電池内の圧力が定格値に達した後前記第２の供給ガスの供給を開始するように制御する
固体電解質型燃料電池システム。 - 水素ガスを含む第１の供給ガスを供給するための第１の燃料供給部と、
炭化水素ガスを含む第２の供給ガスを供給するための第２の燃料供給部と、
酸素ガスを含む酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
水分を含む第３の供給ガスを受け取り、前記第３の供給ガスが前記第２の供給ガスを含むとき、前記水分を用いて前記炭化水素ガスを水素ガスを含む燃料ガスに予備改質し、前記第３の供給ガスが前記第１の供給ガスを含むとき、そのまま前記燃料ガスとして出力する予備改質器と、
前記水分を用いて前記燃料ガスに更に改質し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとから発電しながら水分を発生し、前記水分を含む排燃料ガスと排酸化剤ガスを排出する固体電解質型燃料電池と、
前記排燃料ガスと前記第１の供給ガスまたは前記第２の供給ガスとが混合され前記第３の供給ガスとして前記改質器に供給されるように前記排燃料ガスを循環する循環部と、
前記固体電解質型燃料電池の内部の圧力と温度に基づいて、前記第１の燃料供給部と前記第２の燃料供給部を制御して前記第１の供給ガスと前記第２の供給ガスの供給を制御する制御部と
を具備し、
前記制御部は、システムの起動時から前記固体電解質型燃料電池内の圧力が定格値に達した後、前記固体電解質型燃料電池の内部温度が所定値に達して定格運転が始まるまで、前記第１の供給ガスを供給し、前記固体電解質型燃料電池内の圧力が定格値に達した後前記第２の供給ガスの供給を開始するように制御する
固体電解質型燃料電池システム。 - 請求項２に記載の固体電解質型燃料電池システムにおいて、
前記固体電解質型燃料電池は、燃料ガス中の都市ガス成分を水素ガスを含むガス成分に改質する機能を有する固体電解質型燃料電池システム。 - 請求項１乃至３のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池システムにおいて、
前記固体電解質型燃料電池に供給される前記酸化剤ガスを加熱して、前記固体電解質型燃料電池の前記内部温度を上げる熱交換器を更に具備する固体電解質型燃料電池システム。 - 請求項１乃至４のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池システムにおいて、
前記固体電解質型燃料電池に設けられ、前記固体電解質型燃料電池の内部温度を上げるための加熱手段を更に具備する固体電解質型燃料電池システム。 - 請求項１乃至５のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料ガスの圧力が前記酸化剤ガスの圧力より所定値だけ高いように制御する固体電解質型燃料電池システム。 - 請求項１乃至６のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池システムにおいて、
前記第１の供給ガスまた第２の供給ガス及び前記排燃料ガスの一部を燃焼させ、燃焼ガスを用いてガスタービンを回転させて発電を行うガスタービン発電機を更に具備する固体電解質型燃料電池システム。 - 請求項７に記載の固体電解質型燃料電池システムにおいて、
前記ガスタービン発電機からの排ガスは前記酸化剤ガスを加熱するために使用される固体電解質型燃料電池システム。 - 請求項１乃至８のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、システムを停止するために、前記第２の供給ガスの供給を停止し、代わって前記第１の供給ガスを供給し、前記固体電解質型燃料電池内の圧力及び温度が所定値に下がったとき、前記第１の供給ガスの供給を停止する固体電解質型燃料電池システム。 - 起動時において、水素ガスを含み炭化水素ガスを含まない第１の供給ガスを燃料ガスとして固体電解質型燃料電池に供給するステップと、
酸素ガスを含む酸化剤ガスを前記固体電解質型燃料電池に供給するステップと、前記固体電解質型燃料電池は、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスにより発電し、水分を生成し、前記水分を含む排燃料ガスを出力し、
前記固体電解質型燃料電池内の圧力が定格値に達した後、前記固体電解質型燃料電池の内部温度が所定値に達して定格運転が始まるとき、前記第１の供給ガスの供給を停止するステップと、
炭化水素ガスを含む第２の供給ガスを供給するステップと、
前記第２の供給ガスを前記排燃料ガス中の水分を用いて改質して水素ガスを含む前記燃料ガスを生成するステップと、
停止時に前記第２の供給ガスの供給を停止するステップと、
前記第２の供給ガスに代えて、前記第１の供給ガスを供給するステップと、
を具備する固体電解質型燃料電池システムの運転方法。 - 請求項１０に記載の固体電解質型燃料電池システムの運転方法において、
前記第２の供給ガスの供給量は前記排燃料ガス中の水分の量に基づいて制御される固体電解質型燃料電池システムの運転方法。
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