JP5161497B2

JP5161497B2 - 高温型燃料電池および高温型燃料電池の制御方法

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Publication number: JP5161497B2
Application number: JP2007159120A
Authority: JP
Inventors: 重徳古賀; 達雄加幡
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2027-06-15
Also published as: JP2008311140A

Description

本発明は、高温型燃料電池および高温型燃料電池の制御方法に関する。

一般に、固体酸化物型燃料電池（ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ、以下、ＳＯＦＣと表記する。）などの高温型の燃料電池は、動作温度が高く、熱エネルギの回収効率向上が図れる等の利点を備えている（例えば、特許文献１参照。）。
一方で、燃料電池は作動温度が上昇するに伴って、発電効率などの性能が向上するという利点を備えている。
特開平５−６２６９５号公報

ＳＯＦＣの場合、作動温度を高くすると出力が上昇する。しかし，１０００℃以上の高温で運転すると材料特性が劣化しやすくなり運転できなくなる。
また、上述の燃料電池における発電反応は発熱反応であるため、外部からのヒータ等による温度調節を行わない場合には、燃料電池中心部は温度が高くなり、周辺部は温度が低くなるという温度分布が生じていた。
このような温度分布が生じると、燃料電池中心部の最高温度を１０００℃以下とする制限があるため、燃料電池周辺部での温度を十分に高温とすることが出来ず、燃料電池の平均温度が低下して、燃料電池全体が発揮する性能が低下し、発電効率などの性能の向上が十分に図れないという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、燃料電池の性能向上を図ることができる高温型燃料電池および高温型燃料電池の制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の高温型燃料電池は、筒状の燃料電池セルと、該燃料電池セルの一方の開口端から前記燃料電池セルの内部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給室と、前記燃料電池セルの他方の開口端から燃料極排ガスを受け取る燃料ガス排出室と、前記燃料ガス供給室および前記燃料ガス排出室の間に前記燃料電池セルの外周面に空気を供給する発電室と、前記ガス供給室または前記ガス排出室と前記発電室との間を仕切るとともに、シール層を介して前記燃料電池セルを支持する仕切板と、前記燃料電池セルにおける前記一方または他方のうち少なくとも１つの端部と、略中央部との間の温度差を検出する温度検出部と、該温度検出部の出力に基づいて、前記燃料ガスと前記空気との圧力差を制御する圧力制御部を有し、前記圧力制御部は、前記圧力差を制御することで前記燃料ガスを前記シール層から前記発電室に流入させることを特徴とする。

本発明によれば、燃料ガスが流れる燃料ガス流通部内の圧力と空気が流れる空気流通部内の圧力の間に圧力差が設けられることにより、燃料ガス供給室および燃料ガス排出室の少なくとも一方から発電室に燃料ガスが流入する。発電室に流入した燃料ガスは、燃料電池セルの一方および他方のうち少なくとも１つの端部近傍で燃焼され、燃料電池セルの一方および他方のうち少なくとも１つの端部の温度を上昇させる。そのため、燃料電池セルにおける一方および他方のうち少なくとも１つの端部と、略中央部との間の温度差が小さくなる。

燃料ガス流通部内の燃料ガスと、空気流通部内の空気との間の圧力差を上述の温度差に基づいて制御する。そして、圧力差を制御することで燃料ガスをシール層から発電室に流入させることにより、燃料ガス供給室および燃料ガス排出室の少なくとも一方から発電室に流入する燃料ガスの流量が制御される。すると、燃料電池セルの一方および他方のうち少なくとも１つの端部において燃料ガスが燃焼されて発生する熱量を制御することができ、燃料電池セルにおける一方および他方のうち少なくとも１つの端部と、略中央部との間の温度差を制御することができる。

上記発明においては、前記圧力制御部は、前記温度差が予め定められた範囲内に収まるように前記圧力差を制御することが望ましい。

本発明によれば、温度差が所定の範囲内に収められるため、燃料電池セル全体における平均温度を高くすることができ、高温型燃料電池における出力を高めることができる。

本発明の高温型燃料電池の制御方法は、筒状の燃料電池セルと、該燃料電池セルの一方の開口端から前記燃料電池セルの内部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給室と、前記燃料電池セルの他方の開口端から燃料極排ガスを受け取る燃料ガス排出室と、前記燃料ガス供給室および前記燃料ガス排出室の間に前記燃料電池セルの外周面に空気を供給する発電室と、前記ガス供給室または前記ガス排出室と前記発電室との間を仕切るとともに、シール層を介して前記燃料電池セルを支持する仕切板と、が設けられている高温型燃料電池の制御方法であって、前記燃料電池セルにおける前記一方または他方のうち少なくとも１つの端部と、略中央部との間の温度差を検出する検出ステップと、前記検出された温度差に基づいて、前記燃料ガスと前記空気との圧力差を制御する圧力差制御ステップを有し、前記圧力差制御ステップは、前記燃料ガスの圧力を前記空気の圧力よりも高くすることで燃料ガスを前記シール層から前記発電室に流入させて燃焼させることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池セルにおける一方または他方のうち少なくとも１つの端部と、略中央部との間の温度差に基づいて、燃料ガス流通部内の燃料ガスと、空気流通部内の空気との間の圧力差を制御することにより、燃料電池セルにおける一方および他方のうち少なくとも１つの端部と、略中央部との間の温度差を制御することができる。

上記発明においては、前記圧力差制御ステップにおいて、前記圧力差は、前記温度差が予め定められた範囲内に収まるように制御されることが望ましい。

本発明によれば、温度差が予め定められた範囲内に収められるため、燃料電池セル全体における平均温度を高くすることができ、高温型燃料電池における出力を高めることができる。

上記発明においては、前記予め定められた範囲は、より範囲の狭い第１の所定範囲と、より範囲の広い第２の所定範囲とがあることが望ましい。

本発明によれば、予め定められた範囲として第１の所定範囲を用いることにより、第２の所定範囲を用いた場合と比較して、燃料電池セル全体における平均温度を高くすることができ、高温型燃料電池における出力を高めることができる。
一方、予め定められた範囲として第２の所定範囲を用いることにより、第１の所定範囲を用いた場合と比較して、発電室に流入する燃料ガスの流量を減らすことができ、高温型燃料電池における発電効率を高めることができる。

上記発明においては、前記燃料電池セルの温度が定常運転時の温度より低い場合には、前記第１の所定範囲が部分的に用いられることが望ましい。

本発明によれば、予め定められた範囲として第１の所定範囲を用いることで、燃料電池セルの一方および他方のうち少なくとも１つの端部近傍で燃料ガスを燃焼させ、一方および他方のうち少なくとも１つの端部の温度を高くすることができる。そのため、燃料電池セルの温度が定常運転時の温度より低い場合、例えば、高温型燃料電池の起動時において、燃料電池セルの温度を短時間に定常運転時の温度まで上げることができる。

本発明の高温型燃料電池および高温型燃料電池の制御方法によれば、燃料ガス供給室および燃料ガス排出室の少なくとも一方から発電室に燃料ガスを流入させ、燃料電池セルの一方および他方のうち少なくとも１つの端部近傍で燃焼させるため、燃料電池セルにおける一方および他方のうち少なくとも１つの端部と略中央部との間の温度差を小さくでき、燃料電池の性能向上を図ることができるという効果を奏する。

この発明の一実施形態に係るＳＯＦＣ複合発電システムについて、図１から図６を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るＳＯＦＣ複合発電システムの概略を説明する模式図である。
ＳＯＦＣ複合発電システム１には、図１に示すように、ＳＯＦＣ発電部２と、マイクロガスタービン発電部３と、が設けられている。

ＳＯＦＣ発電部２には、ＳＯＦＣ（高温型燃料電池）４と、ＳＯＦＣインバータ部５と、が設けられている。
ＳＯＦＣ４には、空気と燃料ガスである都市ガスとが供給されることにより発電を行うセルチューブ４１が設けられている（図２参照）。
ＳＯＦＣインバータ部５はセルチューブ４１と電気的に接続され、ＳＯＦＣ４により発電された電力を、外部の系統に供給するために直流電流を交流電流へ変換するものである。具体的には、発電された直流電力を外部系統の周波数等と一致した交流電力に変換するものである。

ＳＯＦＣ４には、コンプレッサ３４により圧縮された空気を供給する圧縮空気配管８が接続されている。圧縮空気配管８には、圧縮空気の供給を制御するＳＯＦＣ空気供給弁９が設けられている。一方、ＳＯＦＣ４には、ＳＯＦＣ４の空気極（図示せず）から排出された空気を燃焼器３５に導く空気極排ガス配管１０が接続されている。

圧縮空気配管８と空気極排ガス配管１０との間には、圧縮空気配管８内の圧縮空気の一部を空気極排ガス配管１０に導く空気バイパス配管１１が接続されている。空気バイパス配管１１には、内部を流れる空気の流量を制御する空気バイパス弁１２が設けられている。空気バイパス弁１２には、ＳＯＦＣ４の温度を検出する温度センサ１３の出力が入力されている。このような構成とすることで、ＳＯＦＣ４に流入する圧縮空気の流量を制御して、ＳＯＦＣ４の温度を制御することができる。
空気極排ガス配管１０におけるＳＯＦＣ４と空気バイパス配管１１の接続部との間には、燃焼器３５への空気極排ガスの流入を制御する空気極排ガス用遮断弁１４が設けられている。

ＳＯＦＣ４には、燃料ガスである都市ガスを供給する燃料配管１５が接続されている。燃料配管１５には、ＳＯＦＣ４の燃料極（図示せず）への燃料ガスの供給を制御するＳＯＦＣ燃料供給弁１６が設けられている。

一方、ＳＯＦＣ４には、ＳＯＦＣ４から排出された燃料ガスを燃焼器３５に導く燃料極排ガス配管１８が接続されている。燃料極排ガス配管１８には、内部を流れる燃料極排ガスの流量を制御する差圧制御弁１９が設けられている。差圧制御弁１９は、後述する制御部４５により制御されている。
ＳＯＦＣ４には、ＳＯＦＣ４内における燃料ガスが流れる燃料ガス流通部１５Ａ内の圧力と、圧縮空気が流れる空気流通部８Ａ内の圧力との差圧を検出するＳＯＦＣ差圧センサ２０が設けられ、ＳＯＦＣ差圧センサ２０の出力が制御部４５に入力されている。

ここで、燃料ガス流通部１５Ａには、後述する燃料ガス供給室４２、セルチューブ４１および燃料ガス排出室４３などが含まれている。一方、空気流通部８Ａには、後述する発電室４４などが含まれている。

燃料極排ガス配管１８における差圧制御弁１９の下流側には、再循環ブロア２１および燃料極排ガス配管１８と燃料配管１５とを繋ぐ燃料バイパス配管２２が接続されている。このような構成とすることで、ＳＯＦＣ４から排出された燃料極排ガスの一部を再びＳＯＦＣ４に導くことができる。ＳＯＦＣ４から排出された燃料極排ガスには、未反応の燃料ガスが含まれているため、このように再循環させることにより、燃料ガスの利用率を上げることができる。

燃料極排ガス配管１８における燃料バイパス配管２２の接続部の下流側には、マイクロガスタービン３０に供給される燃料極排ガスの圧力を制御するガスタービン圧力センサ２３および燃料圧力制御弁２４が設けられている。このような構成とすることで、ＳＯＦＣ４とは独立してマイクロガスタービン３０に供給される燃料極排ガスの圧力を制御することができる。

燃料極排ガス配管１８における燃料圧力制御弁２４の下流側には、ベントライン２５が接続され、ベントライン２５にはベントライン用遮断弁２６が設けられている。燃料極排ガス配管１８におけるベントライン２５との接続部の下流側には、燃焼器３５への燃料極排ガスの流入を制御する燃料極排ガス用調整弁２７が設けられている。

マイクロガスタービン発電部３には、マイクロガスタービン３０と、再生熱交換器３１と、タービン発電機３２と、タービンインバータ部３３と、が設けられている。
マイクロガスタービン３０には、コンプレッサ３４と、燃焼器３５と、タービン３６と、回転軸３７と、が設けられている。

コンプレッサ３４は、回転軸３７を介してタービン３６により回転駆動されることにより、空気を圧縮するものである。
コンプレッサ３４には、外部から空気が供給される供給流路３８と、圧縮された空気をＳＯＦＣ４に導く圧縮空気配管８とが接続されている。圧縮空気配管８には、タービン３６から流出した排ガスとの間で熱交換を行う再生熱交換器３１が設けられている。このようにすることで、圧縮空気の温度をさらに上昇させることができ、ＳＯＦＣ複合発電システム１の発電効率の向上を図ることができる。

燃焼器３５は、ＳＯＦＣ４から供給される空気極排ガスおよび燃料極排ガス、さらに、燃料配管１５から供給される燃料ガスを内部で燃焼させるものである。燃焼器３５で生成された高温の燃焼ガスはタービン３６に導かれている。
燃焼器３５には、上述の空気極排ガス配管１０および燃料極排ガス配管１８と、ガスタービン用燃料配管１５Ｇとが接続されている。
ガスタービン用燃料配管１５Ｇは、燃料配管１５と燃焼器３５との間を繋ぐ配管であり、ガスタービン用燃料配管１５Ｇには、燃焼器３５に流入する燃料ガスの流量を制御するガスタービン用調整弁３９が設けられている。

タービン３６は燃焼器３５から供給された燃焼ガスにより回転駆動されるものであり、回転軸３７を介してコンプレッサ３４およびタービン発電機３２を回転駆動するものである。
タービン３６には、タービン３６から排出された排ガスを外部に導く排ガス流路４０が設けられ、排ガス流路４０には、上述の再生熱交換器３１が設けられている。

タービン発電機３２は、図１に示すように、マイクロガスタービン３０の回転軸３７により回転駆動され、発電を行うものである。タービン発電機３２は、タービンインバータ部３３と電気的に接続されている。

タービンインバータ部３３は、タービン発電機３２が発電した電力を、外部系統の周波数に変換し送電するとともに、マイクロガスタービン３０の起動時にタービン発電機３２に電力を受電供給し、コンプレッサ３４を回転駆動させるものである。

図２は、図１におけるＳＯＦＣの構成を説明する模式図である。
ＳＯＦＣ４には、図２に示すように、発電を行うセルチューブ（燃料電池セル）４１と、セルチューブ４１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給室４２と、セルチューブ４１から燃料ガスが流入する燃料ガス排出室４３と、圧縮空気が流入する発電室４４と、燃料ガスと圧縮空気との差圧を制御する制御部（圧力制御部）４５と、が設けられている。

セルチューブ４１は略円筒状に形成された部材であり、例えば、セラミックから形成されたものである。セルチューブ４１には、空気と接する空気極と、燃料ガスと接する燃料極と、空気極および燃料極との間に配置された電解質層（図示せず）とが設けられ、これら空気極、燃料極および電解質層により発電が行われる。上述のＳＯＦＣインバータ部５は、空気極および燃料極に電気的に接続されている。

セルチューブ４１はＳＯＦＣ４の内部に配置され、複数本のセルチューブ４１が略平行に並んで配置されている。
セルチューブ４１は、一方の開口端４１Ａが燃料ガス供給室４２内に開口し、他方の開口端４１Ｂが燃料ガス排出室４３内に開口するように配置されている。このように構成することで、セルチューブ４１の内部の燃料極に燃料ガスが供給される。

セルチューブ４１には、セルチューブ４１の温度を検出するセル温度センサ４６が配置されている。セル温度センサ４６は、セルチューブ４１の略中央部４１Ｃ、一方の開口端４１Ａの近傍、および、他方の開口端４１Ｂの近傍に配置され、検出された温度は、制御部４５に出力されている。
なお、セル温度センサ４６は、上述のように、一つのセルチューブ４１に対して複数配置してもよいし、一つのセルチューブ４１に一つのセル温度センサ４６を配置してもよいし、一つのＳＯＦＣ４に一つのセル温度センサ４６を配置してもよく、特に限定するものではない。

燃料ガス供給室４２は、上述の燃料配管１５から供給された燃料ガスを、セルチューブ４１の内部に導くものである。
燃料ガス供給室４２には燃料配管１５が接続され、発電室４４との間に、燃料ガス供給室４２と発電室４４とを仕切る仕切板４７が配置されている。

図３は、図２のセルチューブと燃料ガス供給室および燃料ガス排出室との接続部の構成を説明する概略図である。
仕切板４７は、図２および図３に示すように、上述のように燃料ガス供給室４２と発電室４４とを仕切るとともに、セルチューブ４１を支持するものである。仕切板４７を形成する材料としては、例えば、耐熱性を有する金属（例えば、耐熱合金鋼や、ステンレス鋼など）が挙げられる。
仕切板４７には、図３に示すように、セルチューブ４１が挿入される貫通孔４８が形成され、仕切板４７とセルチューブ４１との間には円筒部４９が配置されている。

貫通孔４８は内周が燃料ガス供給室４２側に円錐状に曲げられ、円筒部４９が嵌め合わされている。
円筒部４９は、耐熱性を有する金属から形成された部材であり、内部にセルチューブ４１が挿通されるものである。
円筒部４９とセルチューブ４１との間には接着性があるシール層５０が設けられ、円筒部４９はシール層５０を介してセルチューブ４１を支持している。

シール層５０としては、無機系接着剤、例えばセラミックス系接着剤が用いられている。
なお、シール層５０は、上述のように無機系接着剤の他に、ガラス系接着剤や、樹脂系接着剤などを用いてもよいし、これらの接着剤を組み合わせて用いてもよく、特に限定するものではない。これら接着剤の組み合わせは、シール層５０に要求される接着強度やシール性能や、電気的な絶縁性や、燃料ガスの透過性を考慮して定められる。

燃料ガス排出室４３は、図２に示すように、セルチューブ４１において発電に用いられた後の燃料極排ガスが流入するものである。
燃料ガス排出室４３には燃料極排ガス配管１８が接続され、燃料ガス供給室４２と同様に、発電室４４との間に燃料ガス供給室４２と発電室４４とを仕切る仕切板４７が配置されている。

発電室４４は、内部にセルチューブ４１が配置され、セルチューブ４１の外周面の空気極に空気を供給するものである。発電室４４には、圧縮空気配管８および空気極排ガス配管１０が接続され、圧縮空気配管８から圧縮空気が空気供給室５１に供給される。空気供給室５１は内部に燃料ガス排出室４３を配置しており、また空気供給室５１と発電室４４の境界には断熱材（図示せず）が設置されている。空気供給室５１へ供給された圧縮空気は、内部に配置された燃料ガス供給室４２の周囲を通り、さらに断熱材とセルチューブ４１の間を通過して発電室４４へ供給される。
空気排出室５２は発電室４４を挟んで空気供給室５１と対向する位置に設置されている。空気排出室５２と発電室４４の境界には断熱材（図示せず）が設置されている。発電に用いられた後の空気極排ガスは断熱材とセルチューブ４１の間を通過して空気排出室５２へ流入し、空気極排ガス配管１０から流出する。

制御部４５は、ＳＯＦＣ差圧センサ２０と、セル温度センサ４６と、の入力に基づいて差圧制御弁１９を制御するものである。制御部４５における制御方法については、以下に説明する。

次に、上記の構成からなるＳＯＦＣ複合発電システム１における発電の概略について説明する。まず、ＳＯＦＣ発電部２が効率優先モードで運転されている場合について説明する。

ＳＯＦＣ複合発電システム１が効率優先モードで運転されている場合には、図１に示すように、ＳＯＦＣ燃料供給弁１６が開かれ、燃料配管１５からＳＯＦＣ４の燃料極７に燃料ガスが供給される。一方、ＳＯＦＣ空気供給弁９が開かれ、マイクロガスタービン３０のコンプレッサ３４により圧縮された圧縮空気が、圧縮空気配管８を介してＳＯＦＣ４に供給される。

図２および図３に示すように、燃料ガスは燃料ガス供給室４２に流入し、燃料ガス供給室４２からセルチューブ４１の内部に流入し燃料極と接する。一方、圧縮空気は発電室４４に流入し、セルチューブ４１の外周面の空気極と接する。燃料ガスおよび圧縮空気が供給されたセルチューブ４１では発電が行われ、発電された電力はＳＯＦＣインバータ部５を介して外部系統４８に供給される。ＳＯＦＣインバータ部５は、発電された電力を外部系統４８に供給できるように変換するものである。

発電に用いられた燃料ガスは、燃料極排ガスとして燃料ガス排出室４３に流入し、燃料ガス排出室４３から燃料極排ガス配管１８に流出する。一方、発電に用いられた圧縮空気は、空気極排ガスとして空気極排ガス配管１０に流出する。

ＳＯＦＣ４の温度は、ＳＯＦＣ４に供給される圧縮空気の流量、つまり、空気バイパス配管１１を流れる圧縮空気の流量により制御される。
具体的には、温度センサ１３の出力に基づいて開度が制御される空気バイパス弁１２により空気バイパス配管１１を流れる圧縮空気の流量が制御される。空気バイパス配管１１を流れる圧縮空気の流量が増えると、ＳＯＦＣ４に供給される圧縮空気の流量が減少し、空気バイパス配管１１を流れる圧縮空気の流量が減ると、ＳＯＦＣ４に供給される圧縮空気の流量が増加する。

一方、ＳＯＦＣ４内における燃料ガス流通部１５Ａ内の燃料ガスと空気流通部８Ａ内の圧縮空気との間の差圧は、差圧制御弁１９により制御される。
具体的には、ＳＯＦＣ差圧センサ２０の出力、および、セル温度センサ４６の出力に基づいて差圧制御弁１９の開度が制御され、燃料ガス供給室４２、セルチューブ４１および燃料ガス排出室４３における燃料ガスの圧力が制御される。

図４は、効率優先モードにおける図３のセルチューブの温度分布を説明するグラフである。
効率優先モードにおけるセルチューブ４１の温度分布は、図４に示すように、セルチューブ４１の略中央部４１Ｃと、一方および他方の開口端４１Ａ，４１Ｂとの温度差が約５０℃から１００℃の効率優先の範囲（第２の所定範囲、予め定められた範囲）となっている。

セルチューブ４１における発電反応は発熱反応であるため、セルチューブ４１の略中央部４１Ｃは、一方および他方の開口端４１Ａ，４１Ｂと比較して高温となる。
一方、図３に示すように、一方および他方の開口端４１Ａ，４１Ｂの熱はシール層５０を介して円筒部４９および仕切板４７に伝わるため、セルチューブ４１の略中央部４１Ｃと比較して、一方および他方の開口端４１Ａ，４１Ｂは低温となる。

セルチューブ４１における略中央部４１Ｃと、一方および他方の開口端４１Ａ，４１Ｂとの温度差が上述の範囲より大きくなった場合、制御部４５はセル温度センサ４６の出力から上述の温度差が大きくなったことを検出する。
制御部４５は、検出結果に基づいて燃料ガス流通部１５Ａ内の燃料ガスと、空気流通部８Ａ内の圧縮空気との間の圧力差を制御し、上述の温度差が上述の範囲内に収まるように制御する。

具体的には、制御部４５は、差圧制御弁１９の開度を小さくする制御信号を出力し、燃料ガス供給室４２および燃料ガス排出室４３における燃料ガスの圧力を高くする。すると、燃料ガス供給室４２等における燃料ガスと、発電室４４における圧縮空気との間の圧力差が大きくなり、シール層５０を透過して燃料ガスが発電室４４内に流入する。
流入した燃料ガスはシール層５０の近傍領域で燃焼され、セルチューブ４１の一方および他方のうち少なくとも１つの開口端４１Ａ，４１Ｂの近傍領域の温度を上昇させる。そのため、セルチューブ４１における上述の温度差が上述の範囲内に収まるように制御される。

その一方で、制御部４５は、ＳＯＦＣ４内における燃料ガス流通部１５Ａ内の燃料ガスと、空気流通部８Ａ内の圧縮空気との差圧が、所定の範囲内に収まるようにＳＯＦＣ４内の燃料ガス圧力を制御することができる。ここで、所定の範囲内とは、例えば、約１ｋＰａ以内の範囲を挙げることができる。

燃料極排ガス配管１８に流入した燃料極排ガスは、差圧制御弁１９を通過し、再循環ブロア２１により燃料バイパス配管２２側に送出される。再循環ブロア２１により送出された燃料極排ガスの一部は、燃料バイパス配管２２および燃料配管１５を介して、再び燃料極７に導かれる。

残りの燃料極排ガスは、燃料圧力制御弁２４により圧力が調整された後にマイクロガスタービン３０の燃焼器３５に導かれる。
具体的には、燃料圧力制御弁２４の上流側に配置されたガスタービン圧力センサ２３の出力に基づいて燃料圧力制御弁２４の開度が制御され、燃焼器３５に導かれる燃料極排ガスの圧力が調節される。

なお、図１において、白抜きで示された弁等はＳＯＦＣ４の発電時に開かれた弁等を示し、黒塗りで示された弁等はＳＯＦＣ４の発電時に閉じられた弁等を示している。つまり、ベントライン用遮断弁２６は閉じられ、燃料極排ガス用調整弁２７および空気極排ガス用遮断弁１４は開かれている。

一方、空気極６から排出された空気極排ガスは、空気バイパス配管１１を通過した圧縮空気と合流した後に燃焼器３５に導かれている。燃焼器３５に導かれる空気極排ガスの温度は、約６００℃程度である。

マイクロガスタービン発電部３では、タービン発電機３２がマイクロガスタービン３０により回転駆動され発電を行っている。

マイクロガスタービン３０は、コンプレッサ３４が回転軸３７を介してタービン３６に回転駆動され、外部の空気を圧縮する。圧縮された空気は圧縮空気配管８に流入し、再生熱交換器３１において排ガスと熱交換することにより加熱される。
その後、圧縮空気は、圧縮空気配管８を介してＳＯＦＣ４に供給される。

一方、燃焼器３５には、ＳＯＦＣ４から流出した空気極排ガスおよび燃料極排ガスが供給されるとともに、ガスタービン用燃料配管１５Ｇから燃料ガスが供給される。燃料ガスはガスタービン用調整弁３９により流量が制御される。
燃焼器３５内では、燃料ガスおよび燃料極排ガスに含まれる未燃の燃料ガスが燃焼され、高温の燃焼ガスが形成される。

燃焼ガスはタービン３６に導かれ、タービン３６を回転駆動させ、タービン３６から排ガス流路４０に流入する。タービン３６の回転は回転軸３７を介してコンプレッサ３４およびタービン発電機３２に伝達される。
排ガス流路４０を流れる排ガスは、再生熱交換器３１において圧縮空気と熱交換することにより圧縮空気を加熱し、外部に放出される。

タービン発電機３２は、回転軸３７により回転駆動され発電を行う。発電された電力は、タービンインバータ部３３により所定の周波数（例えば６０Ｈｚや５０Ｈｚ）の交流電力に変換され、外部系統４８に出力される。

次に、ＳＯＦＣ発電部２が出力優先モードで運転されている場合について説明する。なお、燃料ガスおよび圧縮空気等の流れや、マイクロガスタービン発電部３の運転方法等は、上述の効率優先モードの場合と同様であるので、その説明を省略する。

図５は、出力優先モードにおける図３のセルチューブの温度分布を説明するグラフである。
出力優先モードにおけるセルチューブ４１の温度分布は、図５に示すように、セルチューブ４１の略中央部４１Ｃと、一方および他方の開口端４１Ａ，４１Ｂとの温度差が約５０℃以内の出力優先の範囲（第１の所定範囲、予め定められた範囲）となっている。

ＳＯＦＣ発電部２の運転モードが効率優先モードから出力優先モードに切り替わった場合等において、セルチューブ４１における略中央部４１Ｃと、一方および他方の開口端４１Ａ，４１Ｂとの温度差が上述の範囲より大きくなった場合、制御部４５はセル温度センサ４６の出力から上述の温度差が大きくなったことを検出する（検出ステップ）。
制御部４５は、検出結果に基づいて燃料ガス流通部１５Ａ内の燃料ガスと、空気流通部８Ａ内の圧縮空気との間の圧力差を制御し、上述の温度差が出力優先の範囲内に収まるように制御する（圧力差制御ステップ）。

出力優先モードの場合、制御部４５はＳＯＦＣ４内における燃料ガス流通部１５Ａ内の燃料ガスと、空気流通部８Ａ内の圧縮空気との圧力差を効率優先モードの場合よりも大きな圧力差となるように制御する。制御の目標となる差圧としては、例えば、約１０ｋＰａを挙げることができる。

上述の圧力差が大きくなると、シール層５０から発電室４４内に流入する燃料ガスの量が増加し、シール層５０の近傍領域で発生する燃焼熱の熱量が増加する。すると、セルチューブ４１の一方および他方のうち少なくとも１つの開口端４１Ａ，４１Ｂの近傍領域における温度が高くなり、セルチューブ４１における上述の温度差が出力優先の範囲内に収まるように制御される。

次に、ＳＯＦＣ発電部２の起動時における運転について説明する。
図６は、ＳＯＦＣ発電部の起動時におけるセルチューブの温度と、燃料ガス流通部１５Ａ内の燃料ガスと、空気流通部８Ａ内の圧縮空気との圧力差との関係を説明するグラフである。
ＳＯＦＣ発電部２を起動する場合には、図２に示すように、高温の圧縮空気および燃料ガスがＳＯＦＣ４に供給される。セルチューブ４１の温度が約６００℃に到達するまでは、図６に示すように、燃料ガス流通部１５Ａ内の燃料ガスと、空気流通部８Ａ内の圧縮空気との圧力差は、効率優先モードの場合と同様の範囲に制御される。
この期間では、セルチューブ４１は圧縮空気等で加熱されるとともに、外部から供給される電力により発熱するＳＯＦＣ発電部２近傍に設置されたヒータ（図示されず）により加熱され、温度を上昇させてゆく。

その後、セルチューブ４１の温度が約６００℃を超えると、燃料ガス流通部１５Ａ内の燃料ガスと、空気流通部８Ａ内の圧縮空気との圧力差は、出力優先モードの場合と同様の範囲に制御される。
この期間では、さらに、セルチューブ４１の一方および他方のうち少なくとも１つの開口端４１Ａ，４１Ｂの近傍で燃料ガスが燃焼され、燃焼熱によりセルチューブ４１の一方および他方のうち少なくとも１つの開口端４１Ａ，４１Ｂは加熱される。

セルチューブ４１の温度が発電可能な温度にまで昇温すると、外部からヒータへの電力の供給が停止され、セルチューブ４１による発電が開始される。セルチューブ４１における発電は、発熱反応であるため、発電を開始することによりセルチューブ４１の温度はさらに上昇し続ける。
セルチューブ４１の温度が通常運転時の温度、例えば約１０００℃に到達すると、燃料ガス流通部１５Ａ内の燃料ガスと、空気流通部８Ａ内の圧縮空気との圧力差は、その後の運転モードに併せて制御される。

上記の構成によれば、燃料ガス流通部１５Ａ内の燃料ガスと、空気流通部８Ａ内の空気との間に圧力差が設けられることにより、燃料ガス供給室４２および燃料ガス排出室４３から発電室４４に燃料ガスが流入する。発電室４４に流入した燃料ガスは、セルチューブ４１の一方および他方のうち少なくとも１つの開口端４１Ａ，４１Ｂ近傍で燃焼され、セルチューブ４１の一方および他方のうち少なくとも１つの開口端４１Ａ，４１Ｂの温度を上昇させる。そのため、セルチューブ４１における一方および他方のうち少なくとも１つの開口端４１Ａ，４１Ｂと、略中央部４１Ｃとの間の温度差を小さくすることで、ＳＯＦＣ４の出力向上、つまり性能向上を図ることができる。

燃料ガス流通部１５Ａ内の燃料ガスと、空気流通部８Ａ内の空気との間の圧力差を上述の温度差に基づいて制御することにより、燃料ガス供給室４２および燃料ガス排出室４３から発電室４４に流入する燃料ガスの流量が制御される。すると、セルチューブ４１の一方および他方のうち少なくとも１つの開口端４１Ａ，４１Ｂにおいて燃料ガスが燃焼されて発生する熱量を制御することができ、セルチューブ４１における一方および他方のうち少なくとも１つの開口端４１Ａ，４１Ｂと、略中央部４１Ｃとの間の温度差を制御することができる。

セルチューブ４１における一方および他方のうち少なくとも１つの開口端４１Ａ，４１Ｂと、略中央部４１Ｃとの間の温度差に基づいて、燃料ガス流通部１５Ａ内の燃料ガスと、空気流通部８Ａ内の空気との間の圧力差を制御することにより、セルチューブ４１における一方および他方のうち少なくとも１つの開口端４１Ａ，４１Ｂと、略中央部４１Ｃとの間の温度差を制御することができる。

上述の温度差の範囲として出力優先の範囲を用いることにより、効率優先の範囲を用いた場合と比較して、セルチューブ４１全体における平均温度を高くすることができ、ＳＯＦＣ４における出力を高めることができる。
一方、上述の温度差の範囲として効率優先の範囲を用いることにより、出力優先の範囲を用いた場合と比較して、発電室４４に流入する燃料ガスの流量を減らすことができ、ＳＯＦＣ４における発電効率を高めることができる。

上述の温度差の範囲として出力優先の範囲を用いることで、セルチューブ４１の一方および他方のうち少なくとも１つの開口端４１Ａ，４１Ｂ近傍で燃料ガスを燃焼させ、一方および他方のうち少なくとも１つの開口端４１Ａ，４１Ｂの温度を高くすることができる。そのため、例えばＳＯＦＣ４の起動時において、セルチューブ４１の温度を短時間に定常運転時の温度まで上げることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、燃料ガスの圧力を制御する差圧制御弁を用いて燃料ガスと空気との差圧を制御する構成に適用して説明したが、ＳＯＦＣ４に供給される圧縮空気の圧力を制御する圧力制御弁を設け、当該圧力制御弁により上述の差圧を制御する構成に適用してもよく、特に限定するものではない。

本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣ複合発電システムの概略を説明する模式図である。図１におけるＳＯＦＣの構成を説明する模式図である。図２のセルチューブと燃料ガス供給室および燃料ガス排出室との接続部の構成を説明する概略図である。効率優先モードにおける図３のセルチューブの温度分布を説明するグラフである。出力優先モードにおける図３のセルチューブの温度分布を説明するグラフである。ＳＯＦＣ発電部の起動時におけるセルチューブの温度と、燃料ガス流通部内の燃料ガスと、空気流通部内の空気との間の圧力差との関係を説明するグラフである。

符号の説明

４ＳＯＦＣ（高温型燃料電池）
１９差圧制御弁
４１セルチューブ（燃料電池セル）
４１Ａ一方の開口端
４１Ｂ他方の開口端
４２燃料ガス供給室
４３燃料ガス排出室
４４発電室
４５制御部（圧力制御部）

Claims

筒状の燃料電池セルと、
該燃料電池セルの一方の開口端から前記燃料電池セルの内部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給室と、
前記燃料電池セルの他方の開口端から燃料極排ガスを受け取る燃料ガス排出室と、
前記燃料ガス供給室および前記燃料ガス排出室の間に前記燃料電池セルの外周面に空気を供給する発電室と、
前記ガス供給室または前記ガス排出室と前記発電室との間を仕切るとともに、シール層を介して前記燃料電池セルを支持する仕切板と、
前記燃料電池セルにおける前記一方または他方のうち少なくとも１つの端部と、略中央部との間の温度差を検出する温度検出部と、
該温度検出部の出力に基づいて、前記燃料ガスと前記空気との圧力差を制御する圧力制御部を有し、
前記圧力制御部は、前記圧力差を制御することで前記燃料ガスを前記シール層から前記発電室に流入させることを特徴とする高温型燃料電池。
筒状の燃料電池セルと、
該燃料電池セルの一方の開口端から前記燃料電池セルの内部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給室と、
前記燃料電池セルの他方の開口端から燃料極排ガスを受け取る燃料ガス排出室と、
前記燃料ガス供給室および前記燃料ガス排出室の間に前記燃料電池セルの外周面に空気を供給する発電室と、
前記ガス供給室または前記ガス排出室と前記発電室との間を仕切るとともに、シール層を介して前記燃料電池セルを支持する仕切板と、
が設けられている高温型燃料電池の制御方法であって、
前記燃料電池セルにおける前記一方または他方のうち少なくとも１つの端部と、略中央部との間の温度差を検出する検出ステップと、
前記検出された温度差に基づいて、前記燃料ガスと前記空気との圧力差を制御する圧力差制御ステップを有し、
前記圧力差制御ステップは、前記燃料ガスの圧力を前記空気の圧力よりも高くすることで燃料ガスを前記シール層から前記発電室に流入させて燃焼させることを特徴とする高温型燃料電池の制御方法。
前記圧力差制御ステップにおいて、前記圧力差は、前記温度差が予め定められた範囲内に収まるように制御されることを特徴とする請求項２記載の高温型燃料電池の制御方法。
前記予め定められた範囲は、より範囲の狭い第１の所定範囲と、より範囲の広い第２の所定範囲とがあることを特徴とする請求項３記載の高温型燃料電池の制御方法。
前記燃料電池セルの温度が定常運転時の温度より低い場合には、前記第１の所定範囲が部分的に用いられることを特徴とする請求項４記載の高温型燃料電池の制御方法。