JP5951523B2 - 燃料電池システム、及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、炭化水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池モジュールを備えている燃料電池システム、及びその制御方法に関する。
燃料電池システムは、低公害で発電効率が高いため、近年、各種分野での利用が期待されている。この燃料電池システムの構成要素である燃料電池モジュールは、炭化水素を含む燃料ガスと空気とを用いて発電を行うセルスタックの束と、このセルスタックの束を覆う圧力容器とを備えている。
以上のような燃料電池モジュールを備えている燃料電池システムとしては、例えば、以下の特許文献１に開示されているものがある。この燃料電池システムにおけるセルスタックは、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する改質能を有する触媒を含み、空気中の酸素と改質により得られた水素との反応で発電しつつ水蒸気を生成する。そこで、この燃料電池システムでは、起動時において、ボイラーからの水蒸気、及び燃料ガス供給源からの炭化水素を含む燃料ガスを燃料電池モジュールに供給すると共に、空気圧縮機から圧縮空気を燃料電池モジュールに供給して、この燃料電池モジュールでの発電を開始させる。ところで、燃料電池モジュールでの発電が開示されると、前述したように、この発電に伴って水蒸気が生成される。このため、この燃料電池システムでは、燃料電池モジュールでの発電が開始されると、ボイラーからの水蒸気の供給を停止し、発電に伴って燃料電池モジュールで生成された水蒸気を再び燃料電池モジュールに戻すことで、炭化水素の改質に必要な水蒸気を確保している。
特開平９−３０６５２５号公報
ところで、燃料電池モジュールでの発電量を増加させるために燃料電池モジュールに供給する燃料ガスの流量を増加させた場合、燃料電池モジュールで生成された水蒸気が再び燃料電池モジュールに戻るまでに、タイムラグがある。このため、燃料電池モジュールに供給する燃料ガスの流量を増加させた場合、一時的に、流量を増加させた燃料ガス中の炭化水素を改質するための水蒸気の量が足りなくなる。この結果、燃料ガスの流量を増加させても、発電量が増加するまでの時間がかかる。すなわち、発電量の増加を示す発電量指令に対する発電量の増加の応答性がよくない、という問題点がある。
そこで、本発明は、発電量の増加を示す発電量指令に対する発電量の増加の応答性を高めることができる燃料電池システム、及びその制御方法を提供することを目的とする。
上記問題点を解決するための発明の一態様としての燃料電池システムは、
炭化水素と水蒸気とから水素を生成する改質能を有する触媒を含み、酸素を含む酸化剤ガスと水素との反応で発電しつつ水蒸気を生成する複数のセルスタックと、複数の該セルスタックを覆う圧力容器と、を有する燃料電池モジュールと、炭化水素を含む燃料ガスを複数の前記セルスタックに導く燃料ガス供給ラインと、前記酸化剤ガスを複数の前記セルスタックに導く酸化剤ガス供給ラインと、複数の前記セルスタックを通過した前記燃料ガスである排燃料ガスを排出する燃料ガス排出ラインと、前記燃料ガス排出ライン中の前記排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに戻す再循環ラインと、水から水蒸気を生成する蒸気発生器と、前記蒸気発生器で生成された前記水蒸気を複数の前記セルスタックに導く蒸気供給ラインと、前記燃料ガス供給ラインを通る前記燃料ガスの流量を調節する燃料流量調節弁と、前記蒸気発生器から複数の前記セルスタックに導かれる前記水蒸気の流量を調節する蒸気流量調節弁と、発電量指令に応じて、前記燃料流量調節弁及び前記蒸気流量調節弁にそれぞれ弁開度指令を出力する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記発電量指令が示す発電量に応じた前記燃料ガスの流量が得られる弁開度指令を前記燃料流量調節弁に出力する燃料流量制御部と、複数の前記セルスタックで発電が行われている際に前記燃料ガスの流量が増加する場合に、前記燃料流量制御部による前記発電量指令に基づく前記燃料流量調節弁への弁開度指令の出力タイミングに合わせて、弁開を示す弁開度指令を前記蒸気流量調節弁に出力する蒸気流量制御部と、を有し、前記蒸気流量制御部は、前記蒸気流量調節弁に対して弁開を示す前記弁開度指令を出力し始めてから、前記燃料ガスの流量が増加し始めてから増加しなくなるまでの時間が経過すると、前記蒸気流量調節弁に対して弁閉を示す弁開度指令を出力する、ことを特徴とする。
当該燃料電池システムでは、複数のセルスタックによる発電過程での反応で水蒸気が生成されるため、複数のセルスタックを通過した燃料ガスである排燃料ガスには水蒸気が含まれる。そこで、当該燃料電池システムでは、再循環ラインを介して、この排燃料ガスの一部を複数のセルスタックに戻すことで、燃料ガスの改質に必要な水蒸気を確保している。
しかしながら、複数のセルスタックでの反応で生成された水蒸気が、再循環ラインを介して、再び、複数のセルスタックに戻るまでには、多少の時間がかかる。このため、発電量指令が発電量の増加を示す場合、複数のセルスタックに供給する燃料ガスの流量を増加させても、増加した燃料ガスの改質に必要な水蒸気量を直ちに確保することができない。
そこで、当該燃料電池システムでは、複数のセルスタックで発電が行われている際に燃料ガスの流量が増加する場合に、燃料流量制御部による発電量指令に基づく燃料流量調節弁への弁開度指令の出力タイミングに合わせて、蒸気流量制御部は、弁開を示す弁開度指令を蒸気流量調節弁に出力する。この結果、当該燃料電池システムでは、発電量の増加を示す発電量指令に基づいて、燃料流量制御部が燃料ガスの流量を増加させても、直ちに、増加した分の燃料ガスを改質させるために必要な水蒸気が蒸気発生器からの水蒸気で補える。
よって、当該燃料電池システムでは、発電量の増加を示す発電量指令に基づき燃料ガスの流量が増加すると、これに伴って複数のセルスタックに供給される水蒸気流量も増加するので、発電量の増加の応答性を高めることができる。
当該燃料電池システムでは、蒸気発生器から複数のセルスタックへ余分に水蒸気を供給することがなく、システムのランニングコストを抑えることができる。
上記問題点を解決するための発明の他の態様としての燃料電池システムは、
炭化水素と水蒸気とから水素を生成する改質能を有する触媒を含み、酸素を含む酸化剤ガスと水素との反応で発電しつつ水蒸気を生成する複数のセルスタックと、複数の該セルスタックを覆う圧力容器と、を有する燃料電池モジュールと、炭化水素を含む燃料ガスを複数の前記セルスタックに導く燃料ガス供給ラインと、前記酸化剤ガスを複数の前記セルスタックに導く酸化剤ガス供給ラインと、複数の前記セルスタックを通過した前記燃料ガスである排燃料ガスを排出する燃料ガス排出ラインと、前記燃料ガス排出ライン中の前記排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに戻す再循環ラインと、水から水蒸気を生成する蒸気発生器と、前記蒸気発生器で生成された前記水蒸気を複数の前記セルスタックに導く蒸気供給ラインと、前記燃料ガス供給ラインを通る前記燃料ガスの流量を調節する燃料流量調節弁と、前記蒸気発生器から複数の前記セルスタックに導かれる前記水蒸気の流量を調節する蒸気流量調節弁と、発電量指令に応じて、前記燃料流量調節弁及び前記蒸気流量調節弁にそれぞれ弁開度指令を出力する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記発電量指令が示す発電量に応じた前記燃料ガスの流量が得られる弁開度指令を前記燃料流量調節弁に出力する燃料流量制御部と、複数の前記セルスタックで発電が行われている際に前記燃料ガスの流量が増加する場合に、前記燃料流量制御部による前記発電量指令に基づく前記燃料流量調節弁への弁開度指令の出力タイミングに合わせて、弁開を示す弁開度指令を前記蒸気流量調節弁に出力する蒸気流量制御部と、を有し、前記蒸気流量制御部は、前記燃料ガスの流量が増加する場合に、該燃料ガスの増加量が予め定められた値未満であるときには、前記蒸気流量調節弁に対して弁開を示す前記弁開度指令を出力せず、該燃料ガスの増加量が予め定められた値以上であるときに、前記蒸気流量調節弁に対して弁開を示す前記弁開度指令を出力する、ことを特徴とする。
当該燃料電池システムでは、燃料電池システムの制御安定性を高めることができる。
また、以上のいずれかの前記燃料電池システムにおいて、前記蒸気流量制御部は、前記燃料ガスの流量が増加する場合に、前記燃料ガスの流量の増加に伴う複数の前記セルスタックでの発電に必要な水蒸気の各時刻での流量から、該当時刻で複数の該セルスタックに前記再循環ラインを介して供給される水蒸気の流量を引いた流量である追加水蒸気流量を求め、各時刻で該追加水蒸気流量が得られる前記弁開度指令を前記蒸気流量調節弁に出力してもよい。
当該燃料電池システムでは、燃料ガスの流量の増加に伴う複数のセルスタックでの発電に必要な水蒸気の流量を確保することができる。
また、以上のいずれかの前記燃料電池システムにおいて、前記蒸気流量制御部は、前記発電量指令が前記燃料電池モジュールでの発電開始を示す場合に、前記燃料流量制御部による該発電量指令に基づく前記燃料流量調節弁への弁開度指令の出力タイミングに合わせて、弁開を示す弁開度指令を前記蒸気流量調節弁に出力してもよい。
当該燃料電池システムでは、燃料電池モジュールの起動時に必要な水蒸気を蒸気発生器からの水蒸気で確保することができる。
また、以上のいずれかの前記燃料電池システムにおいて、前記蒸気流量調節弁は、複数の前記セルスタックでの発電停止で開く調節弁であってもよい。
何らかの事故等で、複数のセルスタックでの発電が停止すると、発電過程での反応で生成されていた水蒸気が生成されなくなる。水蒸気が生成されなくなると、燃料ガス中の炭化水素と水蒸気との反応による水素が生成されなくなり、セルスタックが酸化して損傷するおそれが生じる。当該燃料電池システムでは、複数のセルスタックでの発電が停止すると、蒸気流量調節弁が開くので、複数のセルスタックで水蒸気が生成されなくなっても、複数のセルスタックに対して水蒸気が供給され、この水蒸気から複数のセルスタックで水素を生成することができる。このため、当該燃料電池システムでは、複数のセルスタックでの発電が停止しても、複数のセルスタックの還元性雰囲気を維持することができ、セルスタックの酸化による損傷を抑えることができる。
また、以上のいずれかの前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、前記燃料ガス供給ラインを通る前記燃料ガスと前記燃料ガス排出ラインを通る前記排燃料ガスとを熱交換させて、該燃料ガスを該排燃料ガスで加熱する燃料ガス予熱器を有し、前記蒸気供給ラインは、前記燃料ガス供給ライン中で前記燃料ガス予熱器よりも複数の前記セルスタック側の位置に接続されていてもよい。
当該燃料電池システムでは、燃料ガス予熱器により加熱されて、より高温になった燃料ガス中に、蒸気発生器からの水蒸気を供給するので、燃料ガス中に供給された水蒸気のドレン化を防止することができる。
また、以上のいずれかの前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池モジュールは、前記圧力容器内に配置され、複数の前記セルスタックによる発電による熱で、前記蒸気発生器から複数の前記セルスタックへ送られる水蒸気を過熱する過熱器を有してもよい。
当該燃料電池システムでは、蒸気発生器からの水蒸気を過熱器で過熱した後に、この水蒸気を複数のセルスタックに供給するので、蒸気発生器からの水蒸気の温度が低い場合でも、この水蒸気をセルスタックでの改質対象としての水蒸気に利用することができる。
また、以上のいずれかの燃料電池システムにおいて、前記排燃料ガスを燃焼させて駆動するガスタービンと、前記ガスタービンからの排気ガスの熱で水蒸気を発生させる排熱回収ボイラーと、を備え、前記蒸気発生器は、前記排熱回収ボイラーであってもよい。
当該燃料電池システムでは、燃料電池システムが有している排熱回収ボイラーを、複数のセルスタックに蒸気を供給する蒸気発生器として利用するので、設備コストを抑えることができる。さらに、この排熱回収ボイラーは、排燃料ガスの燃焼で得られた排気ガスの熱を利用して水蒸気を発生させているので、専用の蒸気発生器を用いる場合よりも、燃料コストを抑えることができる。
また、以上のいずれかの燃料電池システム（但し、排熱回収ボイラーを蒸気発生器として利用するものを除く）において、前記蒸気発生器は、前記圧力容器内に配置され、複数の前記セルスタックによる発電による熱で、水を加熱して水蒸気を生成し、前記蒸気流量調節弁は、前記蒸気発生器に供給する水の流量を調節することで、複数の前記セルスタックへの前記水蒸気の流量を調節する調節弁であってもよい。
当該燃料電池システムでは、圧力容器内において、複数のセルスタックの発電による熱で水蒸気を発生させるので、燃料電池システムの小型化及び簡素化を図ることができると共に、燃料コストを抑えることができる。
上記問題点を解決するための発明の一態様としての燃料電池システムの制御方法は、
炭化水素と水蒸気とから水素を生成する改質能を有する触媒を含み、酸素を含む酸化剤ガスと水素との反応で発電しつつ水蒸気を生成する複数のセルスタックと、複数の該セルスタックを覆う圧力容器と、を有する燃料電池モジュールと、炭化水素を含む燃料ガスを複数の前記セルスタックに導く燃料ガス供給ラインと、前記酸化剤ガスを複数の前記セルスタックに導く酸化剤ガス供給ラインと、複数の前記セルスタックを通過した前記燃料ガスである排燃料ガスを排出する燃料ガス排出ラインと、前記燃料ガス排出ライン中の前記排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに戻す再循環ラインと、水から水蒸気を生成する蒸気発生器と、前記蒸気発生器で生成された前記水蒸気を複数の前記セルスタックに導く蒸気供給ラインと、を備えている燃料電池システムの制御方法において、発電量指令が示す発電量に応じた前記燃料ガスの流量が得られるよう、前記燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御工程と、複数の前記セルスタックで発電が行われている際に前記燃料ガスの流量が増加する場合に、該燃料ガスの流量が増加するタイミングに合わせて、前記蒸気発生器からの水蒸気を複数の前記セルスタックに供給する蒸気流量制御工程と、を実行し、前記蒸気流量制御工程では、前記蒸気発生器からの水蒸気を複数の前記セルスタックに供給開始してから、前記燃料ガスの流量が増加し始めてから増加しなくなるまでの時間が経過すると、前記蒸気発生器から複数の前記セルスタックへの水蒸気の供給を停止する、ことを特徴とする。
当該制御方法でも、以上で説明した燃料電池システムと同様、発電量の増加を示す発電量指令に基づき燃料ガスの流量が増加すると、これに伴って複数のセルスタックに供給される水蒸気流量も増加するので、発電量の増加の応答性を高めることができる。また、当該制御方法では、蒸気発生器から複数のセルスタックへ余分に水蒸気を供給することがなく、システムのランニングコストを抑えることができる。
上記問題点を解決するための発明の他の態様としての燃料電池システムの制御方法は、
炭化水素と水蒸気とから水素を生成する改質能を有する触媒を含み、酸素を含む酸化剤ガスと水素との反応で発電しつつ水蒸気を生成する複数のセルスタックと、複数の該セルスタックを覆う圧力容器と、を有する燃料電池モジュールと、炭化水素を含む燃料ガスを複数の前記セルスタックに導く燃料ガス供給ラインと、前記酸化剤ガスを複数の前記セルスタックに導く酸化剤ガス供給ラインと、複数の前記セルスタックを通過した前記燃料ガスである排燃料ガスを排出する燃料ガス排出ラインと、前記燃料ガス排出ライン中の前記排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに戻す再循環ラインと、水から水蒸気を生成する蒸気発生器と、前記蒸気発生器で生成された前記水蒸気を複数の前記セルスタックに導く蒸気供給ラインと、を備えている燃料電池システムの制御方法において、発電量指令が示す発電量に応じた前記燃料ガスの流量が得られるよう、前記燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御工程と、複数の前記セルスタックで発電が行われている際に前記燃料ガスの流量が増加する場合に、該燃料ガスの流量が増加するタイミングに合わせて、前記蒸気発生器からの水蒸気を複数の前記セルスタックに供給する蒸気流量制御工程と、を実行し、
前記蒸気流量制御工程では、前記燃料ガスの流量が増加する場合に、該燃料ガスの増加量が予め定められた値未満であるときには、前記蒸気発生器からの水蒸気を複数の前記セルスタックに供給せず、該燃料ガスの増加量が予め定められた値以上であるときに、前記蒸気発生器からの水蒸気を複数の前記セルスタックに供給する、ことを特徴とする。
当該制御方法では、燃料電池システムの制御安定性を高めることができる。
本発明によれば、発電量の増加を示す発電量指令に対する発電量の増加の応答性を高めることができる。
本発明に係る第一実施形態における燃料電池システムの系統図である。 本発明に係る第一実施形態におけるセルスタックの要部断面図である。 本発明に係る第一実施形態におけるカートリッジの断面図である。 本発明に係る第一実施形態における発電量指令を受けた際の各種状態量の変化を示すタイミングチャートである。 本発明に係る第二実施形態における燃料電池システムの系統図である。 本発明に係る第三実施形態における燃料電池システムの系統図である。 本発明に係る第四実施形態における燃料電池システムの系統図である。 本発明に係る第五実施形態における燃料電池システムの系統図である。
以下、本発明に係る燃料電池システムの各種実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
「第一実施形態」
本発明に係る燃料電池システムの第一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、酸素を含む酸化剤ガスＯ１と炭化水素を含む燃料ガスＦ１とを用いて発電を行う燃料電池モジュールＭと、燃料電池モジュールＭに水蒸気を供給する蒸気発生器１０と、燃料電池モジュールＭを通過した燃料ガスである排燃料ガスＦ２を燃焼させて駆動するガスタービン２０と、このガスタービン２０からの排気ガスの熱を回収する排熱回収設備３０と、これらの動作を制御する制御装置６０と、を備えている。
燃料電池モジュールＭは、圧力容器３０１と、この圧力容器３０１内に配置されているカートリッジ２０１とを備えている。カートリッジ２０１は、燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とで発電を行うセルスタック１０１の束を有している。なお、図１中、圧力容器３０１内には１個のカートリッジ２０１のみが描かれているが、圧力容器３０１内には、実際に複数のカートリッジ２０１が配置されている。
ガスタービン２０は、空気を吸い込んで、この空気を加圧して燃料電池モジュールＭに供給する空気圧縮機２１と、排燃料ガスＦ２を排酸化剤ガスＯ２中で燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器２３と、燃焼ガスで駆動するタービン２２と、を備えている。このタービン２２には、例えば、タービン２２の駆動で発電する発電機２４が接続されている。
排熱回収設備３０は、ガスタービン２０から排気された燃焼ガスである排気ガスと水との熱交換で蒸気を発生させる排熱回収ボイラー３１と、排熱回収ボイラー３１で発生した蒸気で駆動する蒸気タービン３２と、蒸気タービン３２を駆動させた蒸気を水に戻す復水器３３と、復水器３３中の水を排熱回収ボイラー３１に戻す給水ポンプ３４と、を備えている。蒸気タービン３２には、例えば、この蒸気タービン３２の駆動で発電する発電機が接続されている。
燃料ガス供給源１とガスタービン２０の燃焼器２３とは、第一燃料ガス供給ライン４１で接続されている。この第一燃料ガス供給ライン４１には、ここを通る燃料ガスＦ１の流量を調節する第一燃料流量調節弁５１が設けられている。燃料ガス供給源１と燃料電池モジュールＭのカートリッジ２０１とは、第二燃料ガス供給ライン４２で接続されている。この第二燃料ガス供給ライン４２には、ここを通る燃料ガスＦ１の流量を調節する第二燃料流量調節弁５２が設けられている。燃料電池モジュールＭのカートリッジ２０１とガスタービン２０の燃焼器２３とは、カートリッジ２０１を通過した燃料ガスである排燃料ガスＦ２を燃焼器２３に送るための燃料ガス排出ライン４３で接続されている。燃料ガス排出ライン４３と第二燃料ガス供給ライン４２とは、燃料ガス排出ライン４３中の排燃料ガスＦ２を第二燃料ガス供給ライン４２に戻す再循環ライン４４で接続されている。この再循環ライン４４には、燃料ガス排出ライン４３中の排燃料ガスＦ２を昇圧して第二燃料ガス供給ライン４２に送り込む再循環圧縮機５４が設けられている。
ガスタービン２０の空気圧縮機２１の吐出口と燃焼器２３とは、空気供給ライン４５で接続されている。この空気供給ライン４５は、途中で分岐している。この分岐しているラインは、酸化剤ガス供給ライン４６として、燃料電池モジュールＭのカートリッジ２０１に接続されている。空気供給ライン４５には、空気圧縮機２１から燃焼器２３に供給される空気の流量を調節する空気流量調節弁５５が設けられている。また、酸化剤ガス供給ライン４６には、空気圧縮機２１からカートリッジ２０１に供給される空気である酸化剤ガスＯ１の流量を調節する酸化剤ガス流量調節弁５６が設けられている。カートリッジ２０１と燃焼器２３とは、カートリッジ２０１を通過した酸化剤ガスである排酸化剤ガスＯ２を燃焼器２３へ送る酸化剤ガス排出ライン４７で接続されている。
蒸気発生器１０には、第二燃料ガス供給ライン４２を介して、ここで発生した水蒸気を燃料電池モジュールＭのカートリッジ２０１に導く蒸気供給ライン４８が接続されている。この蒸気供給ライン４８には、ここを通る水蒸気の流量を調節する蒸気流量調節弁５８が設けられている。
制御装置６０は、外部からの発電量（負荷）指令を受け付ける受付部６１と、発電量指令が示す発電量に応じて第二燃料流量調節弁５２を制御する燃料流量制御部６２と、発電量指令が示す発電量に応じて蒸気流量調節弁５８を制御する蒸気流量制御部６３と、を有している。なお、この制御装置６０は、図示されていないが、第一燃料流量調節弁５１を制御する制御部、空気流量調節弁５５の制御する制御部、再循環圧縮機５４を制御する制御部等も有している。なお、ここでの制御装置は、外部から発電量指令を受け付ける例であるが、制御装置が外部の状況等に応じて発電指令を自ら作成してもよい。
燃料電池モジュールＭのセルスタック１０１に供給される燃料ガスＦ１としては、例えば、水素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素系ガス、石炭等の炭素質原料のガス化により得られた炭化水素を含むガス、又は、これらの２以上の成分を含むガス等が利用される。また、燃料電池モジュールＭのセルスタック１０１に供給される酸化剤ガスＯ１としては、例えば、酸素を１５〜３０vol％含むガス等が利用される。代表的な酸化剤ガスＯ１としては、空気であるが、燃焼排気ガスと空気との混合ガスや、酸素と空気との混合ガスを利用してもよい。
燃料電池モジュールＭの圧力容器３０１は、例えば、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約５ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用される。このため、この圧力容器３０１は、耐圧性を考慮して、円筒形状を成している。この圧力容器３０１は、その容器中心軸が上下方向に延びるよう設置されている。また、この圧力容器３０１は、耐圧性と共に、酸化剤ガスＯ１中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性も要求されるため、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス系材で形成されている。
燃料電池モジュールＭのカートリッジ２０１は、前述したように、セルスタック１０１の束を有して構成されている。図２に示すように、セル集合体であるセルスタック１０１は、円筒形状（又は管形状）の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されているインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１１２と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して、基体管１０３の外周面に沿う環状に形成されている。セルスタック１０１は、さらに、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５のうちで、基体管１０３の軸方向において最も端に形成されている燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されているリード膜１１５を有する。
本実施形態では、この円筒形状（又は管形状）のセルスタック１０１の内周側に燃料ガスＦ１が通り、外周側に酸化剤ガスＯ１が通る。
基体管１０３は、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、Ｙ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、ＭｇＡｌ２Ｏ４等のいずれかで形成されている多孔質体である。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持する役目を担っている。さらに、この基体管１０３は、内周側に供給された燃料ガスＦ１を基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料電池セル１０５に拡散させる役目も担っている。
燃料極１１２は、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で形成されている。この場合、燃料極１１２は、燃料極１１２の成分であるＮｉが燃料ガスＦ１に対して触媒として作用する。この触媒としての作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガスＦ１中に、例えば、メタン（ＣＨ４）等の炭化水素と水蒸気とが含まれている場合、これら相互を反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する作用である。
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で形成されている。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される酸化剤ガスＯ１中の酸素を酸素イオン（Ｏ２−）と電子（２ｅ−）に解離させる。
固体電解質１１１は、例えば、主としてＹＳＺで形成されている。このＹＳＺは、ガスを通しにくい気密性と、高温下での高い酸素イオン導電性とを有している。この固体電解質１１１は、空気極１１３で生成された酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極１１２に移動させる。
前述の燃料極１１２では、固体電解質１１１との界面付近において、改質により得られた水素（H２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１から供給された酸素イオン（Ｏ２−）とが反応し、水蒸気（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）が生成される。この燃料電池セル１０５では、この反応過程で電子が放出されて、発電が行われる。
インターコネクタ１０７は、例えば、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物で形成されている。このインターコネクタ１０７は、燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とが混合しないように緻密な膜で、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１１２とを電気的に接続する。つまり、このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５同士を電気的に直列接続する。
リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で形成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により電気的に直列接続されている複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出する役目を担っている。
カートリッジ２０１は、図３に示すように、複数のセルスタック１０１と、複数のセルスタック１０１の束の一方の端部を覆う第一カートリッジヘッダ２２０ａと、複数のセルスタック１０１の束の他方の端部を覆う第二カートリッジヘッダ２２０ｂと、を有している。複数のセルスタック１０１は、互いに平行で且つその長手方向における互いの位置が揃って、全体として円柱形状を成している。また、第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、円柱形状を成している複数のセルスタック１０１の束の外径よりわずかに大きな外径の円筒形状を成している。このため、カートリッジ２０１は、全体として、セルスタック１０１の長手方向に長い円柱形状を成している。なお、カートリッジ２０１は、円柱形状でなくてもよく、例えば、角柱形状であってもよい。
第一カートリッジ２０１の第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、いずれも、複数のセルスタック１０１の束の端部が開口２２８から内部に入り込む円筒形状のケーシング２２９ａ，２２９ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの開口２２８を塞ぐ仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの内部空間をセルスタック１０１の長手方向で２つの空間に仕切る管板２２５ａ，２２５ｂと、を有している。管板２２５ａ，２２５ｂ等は、高温耐久性のある金属材料で形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂ及び仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂには、複数のセルスタック１０１の端部のそれぞれが挿通可能な貫通孔が形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂは、その貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の端部をシール部材又は接着剤２３７を介して支持する。このため、この管板２２５ａ，２２５ｂには貫通孔が形成されているものの、この管板２２５ａ，２２５ｂを基準にしてケーシング２２９ａ，２２９ｂ内の一方の空間に対する他方の空間の気密性が確保されている。仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内径は、ここに挿通されるセルスタック１０１の外径よりも大きく形成されている。つまり、仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の外周面との間には隙間２３５ａ，２３５ｂが存在する。
第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、燃料ガスＦ１が供給される燃料ガス供給室２１７を形成している。このケーシング２２９ａには、第二燃料ガス供給ライン４２からの燃料ガスＦ１を燃料ガス供給室２１７に導くための燃料ガス供給孔２３１ａが形成されている。この燃料ガス供給室２１７内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。第二燃料ガス供給ライン４２から燃料ガス供給室２１７に導かれた燃料ガスＦ１は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に流れ込む。この際、燃料ガスＦ１は、燃料ガス供給室２１７により、複数のセルスタック１０１の各基体管１０３に対してほぼ均等流量に配分される。このため、複数のセルスタック１０１における各発電量の均一化を図ることができる。
第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、セルスタック１０１の基体管１０３内を通過した排燃料ガスＦ２が流れ込む燃料ガス排出室２１９を形成している。このケーシング２２９ｂには、燃料ガス排出室２１９に流れ込んだ排燃料ガスＦ２を燃料ガス排出ライン４３に導くための燃料ガス排出孔２３１ｂが形成されている。この燃料ガス排出室２１９内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。複数のセルスタック１０１の各基体管１０３内を通過した排燃料ガスＦ２は、前述したように、燃料ガス排出室２１９に流入した後、燃料ガス排出ライン４３を通って、圧力容器３０１外へ排出される。
第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと仕切断熱板２２７ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、酸化剤ガス供給室２１６を形成している。このケーシング２２９ｂには、酸化剤ガス供給ライン４６からの酸化剤ガスＯ１を酸化剤ガス供給室２１６に導くための酸化剤ガス供給孔２３３ｂが形成されている。この酸化剤ガス供給室２１６内に導かれた酸化剤ガスＯ１は、仕切断熱板２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ｂから、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５へと流出する。
第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５には、複数のセルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置されている。このため、この発電室２１５では、燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とが電気化学的反応して、発電が行われる。なお、この発電室２１５で、セルスタック１０１の長手方向における中央部付近の温度は、燃料電池モジュールＭの定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気になる。また、この発電室２１５は、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間であって、外周側が断熱材１５で囲まれた空間である。この断熱材１５は、例えば、アルミナシリカ系の材料で形成されている。
第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと仕切断熱板２２７ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、発電室２１５を通った排酸化剤ガスＯ２が流入する酸化剤ガス排出室２１８を形成している。このケーシング２２９ａには、酸化剤ガス排出室２１８に流れ込んだ排酸化剤ガスＯ２を酸化剤ガス排出ライン４７に導くための酸化剤ガス排出孔２３３ａが形成されている。発電室２１５中の酸化剤ガスＯ１は、仕切断熱板２２７ａの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ａから酸化剤ガス排出室２１８内に流入した後、排酸化剤ガスＯ２として酸化剤ガス排出ライン４７を通って、圧力容器３０１外へ排出される。
発電室２１５の高温化に伴って、各カートリッジヘッダ２２０ａ，２２０ｂの管板２２５ａ，２２５ｂが高温化する。第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂの仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂは、この管板２２５ａ，２２５ｂが高温化による強度低下や酸化剤ガスＯ１中に含まれている酸化剤による腐食を抑える。さらに、この仕切断熱板２２７ａ，２２７ｂは、管板２２５ａ，２２５ｂの熱変形も抑える。
前述したように、発電室２１５中の酸化剤ガスＯ１と、この発電室２１５に配置されている複数のセルスタック１０１の内側を通る燃料ガスＦ１とは、セルスタック１０１における複数の燃料電池セル１０５で電気化学反応する。この結果、複数の燃料電池セル１０５で発電が行われる。
複数の燃料電池セル１０５での発電で得られた直流電流は、複数の燃料電池セル１０５相互間に設けられているインターコネクタ１０７を経て、セルスタック１０１の端部側へ流れ、このセルスタック１０１のリード膜１１５に流れ込む。そして、この直流電流は、リード膜１１５から、集電板（不図示）を介して、カートリッジ２０１の集電棒（不図示）に流れ、カートリッジ２０１外部へ取り出される。複数の集電棒は、互いに直列及び／又は並列接続されている。集電棒のうち、最も下流側の集電棒は、例えば、図示されていないインバータに接続されている。カートリッジ２０１外部に取り出された直流電流は、直列及び／又は並列接続されている複数の集電棒を経て、例えば、インバータに流れ、ここで交流電流に変換された後、遮断器（不図示）を介して、例えば、系統電力負荷へと供給される。
セルスタック１０１の内周側を流れる燃料ガスＦ１とセルスタック１０１の外周側を流れる酸化剤ガスＯ１とは、このセルスタック１０１を介して熱交換する。この結果、燃料ガスＦ１は、酸化剤ガスＯ１により加熱され、酸化剤ガスＯ１は、逆に燃料ガスＦ１により冷却される。本実施形態では、これら燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる。このため、燃料ガスと酸化剤ガスとの熱交換率が高まり、セルスタック１０１の上部において、燃料ガスによる酸化剤ガスの冷却効率、及び、セルスタック１０１の下部において、酸化剤ガスによる燃料ガスの冷却効率が高まる。よって、本実施形態において、酸化剤ガスＯ１は、第一カートリッジヘッダ２２０ａを形成する管板２２５ａ等が座屈変形等しない温度に冷却されてから、排酸化剤ガスＯ２として、この第一カートリッジヘッダ２２０ａの酸化剤ガス排出室２１８に流れ込む。また、本実施形態において、燃料ガスＦ１は、発電室２１５内のセルスタック１０１内で、ヒータ等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温される。
なお、本実施形態では、燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる、つまり燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とが逆向きに流れる。しかしながら、必ずしもこの必要はなく、例えば、燃料ガスＦ１と酸化剤ガスＯ１とがセルスタック１０１の内周側と外周側で同じ向きに流れてもよいし、酸化剤ガスＯ１が燃料ガスＦ１の流れに対して直交する方向に流れてもよい。
次に、以上で説明した燃料電池システムの動作について説明する。
燃料電池システムを起動させる場合、まず、ガスタービン２０を起動させる。ガスタービン２０の燃焼器２３には、燃料ガス供給源１からの燃料ガスＦ１が第一燃料ガス供給ライン４１を介して供給される。この際、第一燃料流量調節弁５１は開いている一方で、第二燃料ガス供給ライン４２中の第二燃料流量調節弁５２は閉じている。また、ガスタービン２０の燃焼器２３には、空気圧縮機２１からの空気が空気供給ライン４５を介して供給される。この際、空気流量調節弁５５は開いている一方で、酸化剤ガス供給ライン４６中の酸化剤ガス流量調節弁５６は閉じている。
燃焼器２３では、燃料ガスＦ１が空気圧縮機２１からの空気中で燃焼する。この燃焼で生成された燃焼ガスは、タービン２２に送られ、タービン２２を駆動する。このタービン２２の駆動で、空気圧縮機２１が駆動力を得ると共に、発電機２４による発電が行われる。
排熱回収ボイラー３１には、タービン２２を駆動した燃焼ガス、つまり排気ガスが流入し、ここで、この排気ガスと水とが熱交換されて、水が加熱されて水蒸気となる。この水蒸気は、蒸気タービン３２に供給され、蒸気タービン３２を駆動する。蒸気タービン３２を駆動した水蒸気は、復水器３３で水に戻されてから、給水ポンプ３４により排熱回収ボイラー３１に戻される。
ガスタービン２０が駆動すると、燃料電池モジュールＭを起動させる。燃料電池モジュールＭのカートリッジ２０１には、酸化剤ガス供給ライン４６を介して、ガスタービン２０の空気圧縮機２１からの空気が酸化剤ガスＯ１として供給される。この際、酸化剤ガス供給ライン４６中の酸化剤ガス流量調節弁５６が制御装置６０からの指示で開く一方で、空気供給ライン４５中の空気流量調節弁５５が閉じるか、又はその弁開度が小さくなる。
また、燃料電池モジュールＭの起動時には、燃料ガス供給源１からの燃料ガスＦ１が、第二燃料ガス供給ライン４２を介して、燃料電池モジュールＭのカートリッジ２０１に供給される。この際、第二燃料ガス供給ライン４２中の第二燃料流量調節弁５２が制御装置６０からの指示で開く一方で、第一燃料ガス供給ライン４１中の第一燃料流量調節弁５１が閉じるか、又はその弁開度が小さくなる。さらに、蒸気発生器１０からの水蒸気が、蒸気供給ライン４８及び第二燃料ガス供給ライン４２を介して、燃料電池モジュールＭのカートリッジ２０１に供給される。この際、蒸気供給ライン４８中に設けられている蒸気流量調節弁５８が制御装置６０からの指示で開く。
カートリッジ２０１に供給された燃料ガスＦ１及び水蒸気は、前述したように、セルスタック１０１の燃料極１１２による改質能により、水素（H２）及び一酸化炭素（ＣＯ）等に改質される。また、カートリッジ２０１に供給された酸化剤ガスＯ１中の酸素は、セルスタック１０１の空気極１１３で、酸素イオン（Ｏ２−）と電子（２ｅ−）に解離される。燃料極１１２の固体電解質１１１との界面付近では、改質により得られた水素（H２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、空気極１１３からの酸素イオン（Ｏ２−）及び電子（２ｅ−）とが反応し、水蒸気（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）が生成される。この燃料電池セル１０５では、以上の反応過程で電子が放出されて、発電が行われる。
カートリッジ２０１を通過した燃料ガスＦ１である排燃料ガスＦ２は、燃料ガスＦ１排出ラインを介して、ガスタービン２０の燃焼器２３に送られる。また、カートリッジ２０１を通過した酸化剤ガスＯ１である排酸化剤ガスＯ２も、酸化剤ガス排出ライン４７を介して、ガスタービン２０の燃焼器２３に送られる。燃焼器２３では、排燃料ガスＦ２中の燃料成分が排酸化剤ガスＯ２中の酸素中に燃焼する。この燃焼で生成された燃焼ガスは、タービン２２に送られ、タービン２２を駆動する。このタービン２２の駆動で、空気圧縮機２１が駆動力を得ると共に、発電機による発電が行われる。
カートリッジ２０１を通過した燃料ガスである排燃料ガスＦ２の一部は、再循環ライン４４中に設けられている再循環圧縮機５４で昇圧されて、第二燃料ガス供給ライン４２に戻される。そして、この排燃料ガスＦ２は、燃料ガス供給源１からの燃料ガスＦ１と共に、燃料電池モジュールＭのカートリッジ２０１に供給される。燃料電池モジュールＭ内で発電が開始されると、先に説明したように、発電に伴う反応で水蒸気が生成されるため、排燃料ガスＦ２には、水蒸気が含まれることになる。従って、本実施形態のように、排燃料ガスＦ２をカートリッジ２０１に戻すことで、カートリッジ２０１において、燃料ガスＦ１中の炭化水素の改質に必要な水蒸気を確保できるようになる。このため、カートリッジ２０１で発電か開始され、このカートリッジ２０１において、燃料ガスＦ１中の炭化水素の改質に必要な水蒸気を確保できるようになると、制御装置６０からの指示で蒸気流量調節弁５８が閉じ、蒸気発生器１０からの水蒸気は、カートリッジ２０１に供給されなくなる。
燃料電池モジュールＭの発電中、制御装置６０の受付部６１が外部から発電量を示す発電量（負荷）指令を受けると、燃料流量制御部６２は、発電量指令が示す発電量に応じた燃料ガスＦ１の流量が得られる弁開度指令を第二燃料流量調節弁５２に出力する。具体的に、制御装置６０の受付部６１が発電量の増加を示す発電量指令を受けると、燃料流量制御部６２は、第二燃料流量調節弁５２に対して、燃料ガスＦ１の流量が増加するよう、弁開度を広げる旨の弁開度指令を出力する。この結果、燃料電池モジュールＭのセルスタック１０１に供給される燃料ガスＦ１の流量が増加する。燃料ガスＦ１の流量が増加すると、発電量が増加する結果、排燃料ガスＦ２中に含まれる水蒸気の量も増加する。
しかしながら、カートリッジ２０１での反応で生成された水蒸気が、再循環ライン４４を介して、再び、カートリッジ２０１に戻るまでには、多少の時間がかかるため、増加した燃料ガスＦ１の改質に必要な水蒸気量を直ちに確保することができない。このため、制御装置６０が発電量の増加を示す発電量指令を受けて、燃料ガスＦ１の流量を増加させても、直ちに、燃料ガスＦ１の流量増加見合いの発電量は得られない。
そこで、本実施形態では、燃料ガスＦ１の流量増加に伴って、増加した分の燃料ガスＦ１を改質させるために必要な水蒸気を蒸気発生器１０からの水蒸気で補うようにしている。
次に、図４に示すタイミングチャートを用いて、燃料ガスＦ１の流量増加に伴う蒸気発生器１０からの水蒸気の供給について、具体的に説明する。
図４に示すように、制御装置６０の受付部６１が外部から発電量を示す発電量指令を受けると（ｔ３）、前述したように、燃料流量制御部６２は、発電量指令が示す発電量に応じた燃料ガスＦ１の流量が得られる弁開度指令を第二燃料流量調節弁５２に出力する。この結果、燃料電池モジュールＭのカートリッジ２０１に供給される燃料ガスＦ１の流量が増加する（ｔ４）。
仮に、カートリッジ２０１での反応で生成された水蒸気が、再循環ライン４４を介して、再び、カートリッジ２０１に戻るまでの時間をｘとすると、燃料ガスＦ１の流量が増加し始めてから（ｔ４）、ｘ時間後の時点（ｔ５）で、再循環ライン４４を介して、カートリッジ２０１に流れ込む水蒸気流量が増加し始める。すなわち、燃料ガスＦ１の流量の増加開始時点（ｔ４）と、再循環ライン４４を介してカートリッジ２０１に流れ込む水蒸気の流量の増加開始時点（ｔ５）とに、ｘ時間のタイムラグが生じる。本実施形態では、このタイムラグによって生じる水蒸気の流量の不足分を追加水蒸気流量Ｖａとして求め、前述したように、この追加水蒸気流量Ｖａ分の水蒸気をカートリッジ２０１に供給し、不足分を補うようにしている。
ここで、追加水蒸気流量Ｖａの求め方について説明する。
カートリッジ２０１に流入する燃料ガスＦ１の流量と、この流量の燃料ガスＦ１がカートリッジ２０１に流入した場合にカートリッジ２０１での発電に必要な水蒸気の流量とは、一定の関係がある。このため、燃料ガスＦ１の流量が増加する場合、この一定の関係を用いて、燃料ガスＦ１の流量の増加に伴うカートリッジ２０１での発電に必要な水蒸気の流量を求めることができる。
そこで、本実施形態の蒸気流量制御部６３は、発電量指令が発電量の増加を示し、燃料ガスＦ１の流量が増加する場合、まず、この増加に伴うカートリッジ２０１での発電に必要な水蒸気の流量（以下、必要水蒸気流量Ｖｎとする）を求める。この際、蒸気流量制御部６３は、燃料ガスＦ１の流量が増加開始する時点（ｔ４）から、燃料ガスＦ１の流量が増加しなくなるまでの時点（ｔ６）後、さらに所定時間ｘ経過する時点（ｔ７）までの間（以下、燃料ガス増加時間帯Ｔとする）の各時刻ｔにおける必要水蒸気流量Ｖｎを求める。
次に、蒸気流量制御部６３は、燃料ガス増加時間帯Ｔの各時刻ｔで、再循環ライン４４を介してカートリッジ２０１に供給される水蒸気流量Ｖｒを推定する。この水蒸気流量Ｖｒの推定では、まず、当該時刻ｔよりもｘ時間前にカートリッジ２０１で生成された水蒸気の量を求める。この水蒸気量は、この時にカートリッジ２０１に供給される燃料ガスＦ１の流量と水蒸気の流量とから推定する。次に、推定した水蒸気の流量のうちで、再循環ライン４４を通る水蒸気の流量を求める。この際、燃料ガス排出ライン４３の圧力損失と再循環ライン４４の圧力損失等を考慮して、カートリッジ２０１で生成されて燃料ガス排出ライン４３に流れ込む水蒸気の流量のうちで、燃料ガス排出ライン４３をそのまま流れて燃焼器２３に流れ込む水蒸気の流量と、再循環ライン４４に流れ込む水蒸気の流量との割合を定める。そして、先に推定した水蒸気の流量にこの割合を掛けて、再循環ライン４４を介してカートリッジ２０１に供給される水蒸気流量Ｖｒを求める。なお、当該時刻ｔでカートリッジ２０１で生成される水蒸気の量は、当該時刻ｔで燃料ガスの改質に必要な水蒸気の量よりも多い。
次に、蒸気流量制御部６３は、以下の式に示すように、燃料ガス増加時間帯Ｔの各時刻ｔにおける必要水蒸気流量Ｖｎから、再循環ライン４４を介してカートリッジ２０１に供給される各時刻ｔにおける水蒸気流量Ｖｒを引いて、各時刻ｔにおける追加水蒸気流量Ｖａを求める。
Ｖａ＝Ｖｎ−Ｖｒ
なお、以上において、タイムラグの時間ｘは、予め調べておき、この時間ｘを制御装置６０に記憶させておくことになる。制御装置６０の蒸気流量制御部６３は、この記憶されている時間ｘを用いて、以上の処理を行う。また、以上では、セルスタック１０１で生成されて酸化剤ガス排出ライン４７に流れ込む水蒸気の流量のうちで、燃料ガス排出ライン４３をそのまま流れて燃焼器２３に流れ込む水蒸気の流量と、再循環ライン４４に流れ込む水蒸気の流量との割合を、燃料ガス排出ライン４３の圧力損失と再循環ライン４４の圧力損失等を考慮して定めるようにしている。しかしながら、この割合を予め制御装置６０に記憶させておいてもよい。この場合、制御装置６０の蒸気流量制御部６３は、この記憶されている割合を用いて、再循環ライン４４に流れ込む水蒸気の流量を求める。
蒸気流量制御部６３は、以上のようにして、燃料ガス増加時間帯Ｔの各時刻ｔにおける追加水蒸気流量Ｖａを求めると、燃料ガスＦ１の流量が増加開始するタイミング（ｔ４）に合わせて、この追加水蒸気流量Ｖａが得られる弁開度指令を蒸気流量調節弁５８に出力する。この結果、図４（ｄ）に示すように、カートリッジ２０１に供給される燃料ガスＦ１の増加に伴って、蒸気流量調節弁５８が開き、蒸気発生器１０から追加水蒸気流量Ｖａ分の水蒸気が蒸気供給ライン４８を介してカートリッジ２０１に供給される。そして、蒸気流量制御部６３は、蒸気流量調節弁５８に対して弁開を示す弁開度指令を出力してから燃料ガス増加時間帯Ｔの時間分経過すると（ｔ７）、蒸気流量調節弁５８に対して弁閉を示す弁開度指令を出力する。
したがって、本実施形態では、燃料ガスＦ１の流量を増加させると、カートリッジ２０１に供給される水蒸気の流量も直ちに増加するので、燃料ガスＦ１の流量増加見合いの発電量を直ちに得ることができる。
ところで、発電量指令が発電量の増加を示す場合に、発電量の増加量が極めて小さい場合でも、燃料ガスＦ１の流量の増加に伴って蒸気発生器１０からの水蒸気をカートリッジ２０１に供給すると、システム全体の安定性が低下する。また、前述したように、ある時刻ｔでカートリッジ２０１で生成される水蒸気の量は、この時刻ｔで燃料ガスＦ１の改質に必要な水蒸気の量よりも多いため、燃料ガスＦ１の流量が多少増加しても、この燃料ガスＦ１の改質に必要な水蒸気が不足することはない。
そこで、本実施形態では、仮に、制御装置６０が発電量指令を受け（ｔ１）、この発電量指令が発電量の増加を示す場合でも、図４（ａ）（ｄ）に示すように、発電量の増加量Ｌ１が予め定めらえた値Ｌ０未満のときには、制御装置６０は、第二燃料流量調節弁５２に対して流量増加を示す弁開度指令を出力するものの、蒸気流量調節弁５８に対して弁開を示す弁開度指令を出力しない。言い換えると、制御装置６０は、この発電量指令が発電量の増加を示す場合でも、発電量の増加量が予め定めらえた値Ｌ０以上のときに、蒸気流量調節弁５８に対して弁開を示す弁開度指令を出力する。このため、発電量指令が発電量の増加を示す場合でも、発電量の増加量Ｌ１が予め定めらえた値Ｌ０未満のときには、図４（ｄ）に示すように、追加水蒸気流量Ｖａは「０」のままである。
また、例えば、系統電力負荷側になんらかの事故等が生じる等で、燃料電池モジュールＭと系統電力負荷とを電気的に接続している遮断器が開き、燃料電池モジュールＭから系統電力負荷への電力供給が遮断されると、言い換えると、燃料電池システムがトリップすると、燃料電池モジュールＭでの発電が停止する。すなわち、燃料電池モジュールＭのセルスタック１０１において、燃料ガスＦ１の改質で得られた水素（H２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１から供給された酸素イオン（Ｏ２−）との反応が停止する。この結果、この反応で生成されていた水蒸気（Ｈ２Ｏ）が生成されなくなる。水蒸気（Ｈ２Ｏ）が生成されなくなると、燃料極１１２において、燃料ガスＦ１と水蒸気との反応による水素（Ｈ２）が生成されなくなり、セルスタック１０１が酸化して損傷するおそれが生じる。
このため、本実施形態では、燃料電池システムがトリップする等によりセルスタック１０１で発電されなくなると、制御装置６０は、これを認識して、蒸気流量制御部６３が蒸気流量調節弁５８に対して、弁開を示す弁開度指令を出力する。この結果、蒸気流量調節弁５８が開き、蒸気発生器１０からの水蒸気が蒸気供給ライン４８を介して燃料電池モジュールＭに供給され、セルスタック１０１の燃料極において、この水蒸気から水素が生成される。したがって、本実施形態では、セルスタック１０１で発電されなくなっても、セルスタック１０１の燃料極側が還元性雰囲気を維持することができ、セルスタック１０１の酸化による損傷を抑えることができる。
また、系統電力負荷側になんらかの事故等が生じる等で、セルスタック１０１で発電されなくなった場合、燃料電池システムに電力が供給されなくなる可能性が高い。つまり、燃料電池システムの電力喪失する可能性が高い。このため、蒸気流量調節弁５８として、例えば、電源喪失で開く電磁弁等を用いることで、電源喪失時でも、セルスタック１０１の燃料極側が還元性雰囲気を維持することができ、セルスタック１０１の酸化による損傷を抑えることができる。但し、バックアップ電源がある場合には、蒸気流量調節弁５８として、電源喪失で開く電磁弁等を用いなくてもよい。
「第二実施形態」
本発明に係る燃料電池システムの第二実施形態について、図５を参照して説明する。
本実施形態の燃料電池システムは、蒸気発生器として排熱回収ボイラー３１を用いたもので、その他の構成は第一実施形態の燃料電池システムと同様である。本実施形態において、排熱回収ボイラー３１で発生した水蒸気を蒸気タービン３２に導く蒸気ライン３５には、蒸気供給ライン４８ａが接続されている。この蒸気供給ライン４８ａは、第一実施形態と同様、第二燃料ガス供給ライン４２に接続されている。また、この蒸気供給ライン４８ａには、第一実施形態と同様、蒸気流量調節弁５８が設けられている。
以上、本実施形態でも、第一実施形態と同様、制御装置６０による制御により、燃料ガスＦ１の流量増加見合いの発電量を直ちに得ることができる。また、本実施形態では、第一実施形態のように、燃料電池モジュールＭに水蒸気を供給する専用の蒸気発生器１０ではなく、燃料電池システムが有している排熱回収ボイラー３１を蒸気発生器として利用しているので、設備コストを抑えることができる。さらに、この排熱回収ボイラー３１は、排燃料ガスＦ２の燃焼で得られた排気ガスの熱を利用して水蒸気を発生させているので、専用の蒸気発生器１０を用いる場合よりも、燃料コストを抑えることができる。
「第三実施形態」
本発明に係る燃料電池システムの第三実施形態について、図６を参照して説明する。
本実施形態の燃料電池システムは、第二実施形態の燃料電池システムに、燃料ガスＦ１を予熱する燃料ガス予熱器３２０を追加したものであり、その他の構成は第二実施形態の燃料電池システムと同様である。この燃料ガス予熱器３２０は、燃料電池モジュールＭの圧力容器３０１内に配置されている。この燃料ガス予熱器３２０は、第二燃料ガス供給ライン４２を通る燃料ガスＦ１と燃料ガス排出ライン４３を通る排燃料ガスＦ２とを熱交換させて、燃料ガスＦ１を排燃料ガスＦ２で加熱する。蒸気供給ライン４８ａは、第二燃料ガス供給ライン４２中で燃料ガス予熱器３２０よりもカートリッジ２０１側の位置に接続されている。
以上、本実施形態でも、第一及び第二実施形態と同様、制御装置６０による制御により、燃料ガスＦ１の流量増加見合いの発電量を直ちに得ることができる。また、本実施形態では、燃料ガス予熱器３２０により加熱されて、より高温になった燃料ガスＦ１中に、排熱回収ボイラー３１からの水蒸気を供給するので、燃料ガスＦ１中に供給された水蒸気のドレン化を防止することができる。
なお、本実施形態は、第二実施形態の燃料電池システムに燃料ガス予熱器３２０を追加したものであるが、第一実施形態の燃料電池システムに燃料ガス予熱器３２０を追加してもよい。
「第四実施形態」
本発明に係る燃料電池システムの第四実施形態について、図７を参照して説明する。
本実施形態の燃料電池システムは、第三実施形態の燃料電池システムに、水蒸気を過熱する過熱器３３０を追加したものであり、その他の構成は第三実施形態の燃料電池システムと同様である。この過熱器３３０は、燃料電池モジュールＭの圧力容器３０１内に配置されている。この過熱器３３０は、燃料電池モジュールＭにおけるカートリッジ２０１の発電による熱で、蒸気供給ライン４８ａを通る水蒸気を過熱する。
以上、本実施形態でも、以上の各実施形態と同様、制御装置６０による制御により、燃料ガスＦ１の流量増加見合いの発電量を直ちに得ることができる。また、本実施形態では、排熱回収ボイラー３１からの水蒸気を過熱器３３０で過熱した後に、この水蒸気をカートリッジ２０１に供給するので、排熱回収ボイラー３１からの水蒸気の温度が低い場合でも、この水蒸気をセルスタック１０１での改質対象としての水蒸気に利用することができる。
なお、本実施形態は、第三実施形態の燃料電池システムに過熱器３３０を追加したものであるが、第一実施形態及び第二実施形態の燃料電池システムに過熱器３３０を追加してもよい。
「第五実施形態」
本発明に係る燃料電池システムの第五実施形態について、図８を参照して説明する。
本実施形態の燃料電池システムは、第二実施形態の燃料電池システムにおける蒸気発生器１０としての排熱回収ボイラー３１の替りに、燃料電池モジュールＭにおけるカートリッジ２０１の発電による熱で水蒸気を発生させる蒸気発生器３１０を圧力容器３０１内に配置したものである。
蒸気発生器３１０には、この蒸気発生器３１０に水を供給する水供給ライン４９と、この蒸気発生器１０で発生した水蒸気をカートリッジ２０１に供給する蒸気供給ライン４８ｃとが接続されている。水供給ライン４９には、蒸気発生器３１０に供給する水の流量を調節することで、カートリッジ２０１への水蒸気の流量を調節する蒸気流量調節弁５８ｃが設けられている。
以上、本実施形態でも、以上の各実施形態と同様、制御装置６０による制御により、燃料ガスＦ１の流量増加見合いの発電量を直ちに得ることができる。また、本実施形態では、圧力容器３０１内において、カートリッジ２０１の発電による熱で水蒸気を発生させるので、第一実施形態よりも、燃料電池システムの小型化及び簡素化を図ることができると共に、燃料コストを抑えることができる。
なお、本実施形態は、第二実施形態の燃料電池システムにおける排熱回収ボイラー３１の替りとして圧力容器３０１内に蒸気発生器１０を設けたものであるが、第一実施形態の燃料電池システムにおける蒸気発生器１０の替りとして圧力容器３０１内に蒸気発生器１０を設けてもよい。
また、本実施形態や第二〜第四実施形態においても、第一実施形態の説明で前述したように、燃料電池システムの電源喪失時に対応できるようにするため、蒸気流量調節弁５８として、例えば、電源喪失で開く電磁弁等を用いてもよい。但し、これらの実施形態に適用する場合でも、バックアップ電源がある場合には、蒸気流量調節弁５８として、電源喪失で開く電磁弁等を用いなくてもよい。
また、本実施形態において、燃料電池システムの電源喪失時に蒸気発生器３１０への水の供給を確保するために、水供給ライン４９中に水を加圧する蓄圧タンクを設けてもよいし、水供給ライン４９への水供給源２として、水道を用いてもよい。
１：燃料ガス供給源、２：水供給源、１０，３１０：蒸気発生器、２０：ガスタービン、３０：排熱回収設備、３１：排熱回収ボイラー、４１：第一燃料ガス供給ライン、４２：第二燃料ガス供給ライン（燃料ガス供給ライン）、４３：燃料ガス排出ライン、４４：再循環ライン、４５：空気供給ライン、４６：酸化剤ガス供給ライン、４７：酸化剤ガス排出ライン、４８，４８ａ，４８ｃ：蒸気供給ライン、４９：水供給ライン、５１：第一燃料流量調節弁、５２：第二燃料流量調節弁（燃料流量調節弁）、５４：再循環圧縮機、５５：空気流量調節弁、５６：酸化剤ガス流量調節弁、５８,５８ｃ：蒸気流量調節弁、６０：制御装置、６１：受付部、６２：燃料流量制御部、６３：蒸気流量制御部、１０１：セルスタック１０１、１０３：基体管、１０５：燃料電池セル、２０１：カートリッジ、３０１：圧力容器、３２０：燃料ガス予熱器、３３０：過熱器、Ｍ：燃料電池モジュール

Claims (11)

  1. 炭化水素と水蒸気とから水素を生成する改質能を有する触媒を含み、酸素を含む酸化剤ガスと水素との反応で発電しつつ水蒸気を生成する複数のセルスタックと、複数の該セルスタックを覆う圧力容器と、を有する燃料電池モジュールと、
    炭化水素を含む燃料ガスを複数の前記セルスタックに導く燃料ガス供給ラインと、
    前記酸化剤ガスを複数の前記セルスタックに導く酸化剤ガス供給ラインと、
    複数の前記セルスタックを通過した前記燃料ガスである排燃料ガスを排出する燃料ガス排出ラインと、
    前記燃料ガス排出ライン中の前記排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに戻す再循環ラインと、
    水から水蒸気を生成する蒸気発生器と、
    前記蒸気発生器で生成された前記水蒸気を複数の前記セルスタックに導く蒸気供給ラインと、
    前記燃料ガス供給ラインを通る前記燃料ガスの流量を調節する燃料流量調節弁と、
    前記蒸気発生器から複数の前記セルスタックに導かれる前記水蒸気の流量を調節する蒸気流量調節弁と、
    発電量指令に応じて、前記燃料流量調節弁及び前記蒸気流量調節弁にそれぞれ弁開度指令を出力する制御装置と、
    を備え、
    前記制御装置は、前記発電量指令が示す発電量に応じた前記燃料ガスの流量が得られる弁開度指令を前記燃料流量調節弁に出力する燃料流量制御部と、複数の前記セルスタックで発電が行われている際に前記燃料ガスの流量が増加する場合に、前記燃料流量制御部による前記発電量指令に基づく前記燃料流量調節弁への弁開度指令の出力タイミングに合わせて、弁開を示す弁開度指令を前記蒸気流量調節弁に出力する蒸気流量制御部と、を有し、
    前記蒸気流量制御部は、前記蒸気流量調節弁に対して弁開を示す前記弁開度指令を出力し始めてから、前記燃料ガスの流量が増加し始めてから増加しなくなるまでの時間が経過すると、前記蒸気流量調節弁に対して弁閉を示す弁開度指令を出力する、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 炭化水素と水蒸気とから水素を生成する改質能を有する触媒を含み、酸素を含む酸化剤ガスと水素との反応で発電しつつ水蒸気を生成する複数のセルスタックと、複数の該セルスタックを覆う圧力容器と、を有する燃料電池モジュールと、
    炭化水素を含む燃料ガスを複数の前記セルスタックに導く燃料ガス供給ラインと、
    前記酸化剤ガスを複数の前記セルスタックに導く酸化剤ガス供給ラインと、
    複数の前記セルスタックを通過した前記燃料ガスである排燃料ガスを排出する燃料ガス排出ラインと、
    前記燃料ガス排出ライン中の前記排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに戻す再循環ラインと、
    水から水蒸気を生成する蒸気発生器と、
    前記蒸気発生器で生成された前記水蒸気を複数の前記セルスタックに導く蒸気供給ラインと、
    前記燃料ガス供給ラインを通る前記燃料ガスの流量を調節する燃料流量調節弁と、
    前記蒸気発生器から複数の前記セルスタックに導かれる前記水蒸気の流量を調節する蒸気流量調節弁と、
    発電量指令に応じて、前記燃料流量調節弁及び前記蒸気流量調節弁にそれぞれ弁開度指令を出力する制御装置と、
    を備え、
    前記制御装置は、前記発電量指令が示す発電量に応じた前記燃料ガスの流量が得られる弁開度指令を前記燃料流量調節弁に出力する燃料流量制御部と、複数の前記セルスタックで発電が行われている際に前記燃料ガスの流量が増加する場合に、前記燃料流量制御部による前記発電量指令に基づく前記燃料流量調節弁への弁開度指令の出力タイミングに合わせて、弁開を示す弁開度指令を前記蒸気流量調節弁に出力する蒸気流量制御部と、を有し、
    前記蒸気流量制御部は、前記燃料ガスの流量が増加する場合に、該燃料ガスの増加量が予め定められた値未満であるときには、前記蒸気流量調節弁に対して弁開を示す前記弁開度指令を出力せず、該燃料ガスの増加量が予め定められた値以上であるときに、前記蒸気流量調節弁に対して弁開を示す前記弁開度指令を出力する、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記蒸気流量制御部は、前記燃料ガスの流量が増加する場合に、前記燃料ガスの流量の増加に伴う複数の前記セルスタックでの発電に必要な水蒸気の各時刻での流量から、該当時刻で複数の該セルスタックに前記再循環ラインを介して供給される水蒸気の流量を引いた流量である追加水蒸気流量を求め、各時刻で該追加水蒸気流量が得られる前記弁開度指令を前記蒸気流量調節弁に出力する、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記蒸気流量制御部は、前記発電量指令が前記燃料電池モジュールでの発電開始を示す場合に、前記燃料流量制御部による該発電量指令に基づく前記燃料流量調節弁への弁開度指令の出力タイミングに合わせて、弁開を示す弁開度指令を前記蒸気流量調節弁に出力する、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記蒸気流量調節弁は、複数の前記セルスタックでの発電停止で開く調節弁である、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池モジュールは、前記燃料ガス供給ラインを通る前記燃料ガスと前記燃料ガス排出ラインを通る前記排燃料ガスとを熱交換させて、該燃料ガスを該排燃料ガスで加熱する燃料ガス予熱器を有し、
    前記蒸気供給ラインは、前記燃料ガス供給ライン中で前記燃料ガス予熱器よりも複数の前記セルスタック側の位置に接続されている、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池モジュールは、前記圧力容器内に配置され、複数の前記セルスタックによる発電による熱で、前記蒸気発生器から複数の前記セルスタックへ送られる水蒸気を過熱する過熱器を有する、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記排燃料ガスを燃焼させて駆動するガスタービンと、
    前記ガスタービンからの排気ガスの熱で水蒸気を発生させる排熱回収ボイラーと、
    を備え、
    前記蒸気発生器は、前記排熱回収ボイラーである、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記蒸気発生器は、前記圧力容器内に配置され、複数の前記セルスタックによる発電による熱で、水を加熱して水蒸気を生成し、
    前記蒸気流量調節弁は、前記蒸気発生器に供給する水の流量を調節することで、複数の前記セルスタックへの前記水蒸気の流量を調節する調節弁である、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  10. 炭化水素と水蒸気とから水素を生成する改質能を有する触媒を含み、酸素を含む酸化剤ガスと水素との反応で発電しつつ水蒸気を生成する複数のセルスタックと、複数の該セルスタックを覆う圧力容器と、を有する燃料電池モジュールと、
    炭化水素を含む燃料ガスを複数の前記セルスタックに導く燃料ガス供給ラインと、
    前記酸化剤ガスを複数の前記セルスタックに導く酸化剤ガス供給ラインと、
    複数の前記セルスタックを通過した前記燃料ガスである排燃料ガスを排出する燃料ガス排出ラインと、
    前記燃料ガス排出ライン中の前記排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに戻す再循環ラインと、
    水から水蒸気を生成する蒸気発生器と、
    前記蒸気発生器で生成された前記水蒸気を複数の前記セルスタックに導く蒸気供給ラインと、
    を備えている燃料電池システムの制御方法において、
    発電量指令が示す発電量に応じた前記燃料ガスの流量が得られるよう、前記燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御工程と、
    複数の前記セルスタックで発電が行われている際に前記燃料ガスの流量が増加する場合に、該燃料ガスの流量が増加するタイミングに合わせて、前記蒸気発生器からの水蒸気を複数の前記セルスタックに供給する蒸気流量制御工程と、
    を実行し、
    前記蒸気流量制御工程では、前記蒸気発生器からの水蒸気を複数の前記セルスタックに供給開始してから、前記燃料ガスの流量が増加し始めてから増加しなくなるまでの時間が経過すると、前記蒸気発生器から複数の前記セルスタックへの水蒸気の供給を停止する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  11. 炭化水素と水蒸気とから水素を生成する改質能を有する触媒を含み、酸素を含む酸化剤ガスと水素との反応で発電しつつ水蒸気を生成する複数のセルスタックと、複数の該セルスタックを覆う圧力容器と、を有する燃料電池モジュールと、
    炭化水素を含む燃料ガスを複数の前記セルスタックに導く燃料ガス供給ラインと、
    前記酸化剤ガスを複数の前記セルスタックに導く酸化剤ガス供給ラインと、
    複数の前記セルスタックを通過した前記燃料ガスである排燃料ガスを排出する燃料ガス排出ラインと、
    前記燃料ガス排出ライン中の前記排燃料ガスを前記燃料ガス供給ラインに戻す再循環ラインと、
    水から水蒸気を生成する蒸気発生器と、
    前記蒸気発生器で生成された前記水蒸気を複数の前記セルスタックに導く蒸気供給ラインと、
    を備えている燃料電池システムの制御方法において、
    発電量指令が示す発電量に応じた前記燃料ガスの流量が得られるよう、前記燃料ガスの流量を制御する燃料ガス流量制御工程と、
    複数の前記セルスタックで発電が行われている際に前記燃料ガスの流量が増加する場合に、該燃料ガスの流量が増加するタイミングに合わせて、前記蒸気発生器からの水蒸気を複数の前記セルスタックに供給する蒸気流量制御工程と、
    を実行し、
    前記蒸気流量制御工程では、前記燃料ガスの流量が増加する場合に、該燃料ガスの増加量が予め定められた値未満であるときには、前記蒸気発生器からの水蒸気を複数の前記セルスタックに供給せず、該燃料ガスの増加量が予め定められた値以上であるときに、前記蒸気発生器からの水蒸気を複数の前記セルスタックに供給する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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