JP6113480B2 - 燃料電池及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば高温型燃料電池等の燃料電池と内燃機関であるガスタービン、マイクロガスタービンやガスエンジンとを組み合わせた複合発電システムに適用される燃料電池及びその運転方法に関する。

燃料電池は、電気化学反応による発電方式を利用した発電装置であり、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このため、２１世紀を担う都市型のエネルギー供給システムとして、実用化に向けた研究開発が進んでいる。
このような燃料電池は、燃料側の電極である燃料極と、空気（酸化剤）側の電極である空気極と、これらの間にありイオンのみを通す電解質とにより構成されており、電解質の種類によって様々な形式が開発されている。

このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」と呼ぶ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。このＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。
このようなＳＯＦＣにおいては、発電室内の温度を検知して制御に反映させることが行われている。

例えば下記の特許文献１には、燃料電池本体内の温度を検出して空気ライン及びバイパスラインの流量調整手段を調整し、燃料電池の目標運転温度を維持しつつ自動運転を行うことが開示されている。
また、下記の特許文献２には、燃料電池セルの少なくとも一方の端部と略中央部との間の温度差を検出し、燃料ガスと空気との圧力差を制御することが開示されている。
また、下記の特許文献３では、複数の部位に熱伝対を設けて得た温度情報に基づいて、温度分布を均一にすべく各部位の熱収支を制御可能とすることが開示されている。

特開２００１−２０２９８１号公報 特開２００８−３１１１４０号公報 特開２００６−３０９９８４号公報

さて、従来の複合発電システムでは、燃焼電池側の運転制御に酸化剤流量や燃料流量等のパラメータが関与している。このため、複合発電システムの高効率運転を実現するためには、上述したパラメータの偏差が、内燃機関側の圧力変化に、例えばガスタービンにおける圧力変化のスピードに対応することが必要となる。
一方、燃料電池側における発電室内の温度調整は、上述したパラメータの偏差に与える影響が少ない。従って、複数のカートリッジを組み合わせて構成される燃料電池においては、複数あるカートリッジの軸方向に対する温度分布を運転状態の制御に反映させることが望まれる。

すなわち、燃料電池及び内燃機関を組み合わせた複合発電システムにおいては、効率を高く保ちながら安定した運転を実現するため、燃料電池側の設定圧力や温度が内燃機関側の運転に影響をできるだけ少なくするような運転制御が望まれることから、上記パラメータの偏差に与える影響の小さい発電室内の温度調整が必要となる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池側の運転制御に関与するパラメータの偏差に対する関与が小さい発電室内の温度調整により、高効率な運転を実現できる燃料電池及びその運転方法を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る燃料電池は、複数のカートリッジを備える複数の燃料電池ユニットにより構成され、前記燃料電池ユニットから排出されたガスの少なくとも一部を内燃機関へ導入し発電を行う複合発電システムの燃料電池であって、燃料が供給される燃料供給室と、酸化性ガスが供給される酸化性ガス供給室と、前記カートリッジ間の間隙部に設置した複数の温度センサーと、前記温度センサーから検出値の入力を受けるとともに、前記燃料電池ユニットの前記酸化性ガス供給室に供給する前記酸化性ガス流量、及び前記燃料電池ユニットの発電電力値を調整し交流に変換するインバータ出力の少なくとも一つのパラメータを操作する制御部とを備え、前記制御部は、前記温度センサーで閾値以上の温度を検出した前記燃料電池ユニットの発電室温度を、前記パラメータを操作して燃料電池ユニット単位で低下させる温度制御運転モードを備えていることを特徴とするものである。

このような燃料電池によれば、カートリッジ間の間隙部に設置した複数の温度センサーと、温度センサーから検出値の入力を受けるとともに、燃料電池ユニットに供給する酸化性ガス流量、及び燃料電池ユニットの発電電力値を調整し交流に変換するインバータ出力の少なくとも一つのパラメータを操作する制御部とを備え、制御部は、温度センサーで閾値以上の温度を検出した燃料電池ユニットの発電室温度を、パラメータを操作して燃料電池ユニット単位で低下させる温度制御運転モードを備えているので、燃料電池側のパラメータ操作により、内燃機関側に影響を及ぼすことなく必要以上に高温となった燃料電池ユニットの温度を低下させる運転制御が可能になる。

上記の発明において、前記温度センサーは、前記間隙部の発電室中央部付近に各々設置した中央センサーと、前記間隙部の上部及び下部に設置した上部センサー及び下部センサーと、を備えていることが好ましく、これにより、複数あるカートリッジの軸方向に対する温度分布を運転状態の制御に反映させることができる。

上記の発明において、前記温度制御運転モードは、前記温度センサーから前記制御部に入力される温度の中から前記燃料電池ユニットの最高温度検出値を選択する最高温度選出段階と、前記最高温度検出値を予め設定された閾値と比較する閾値比較段階と、前記最高温度検出値が前記閾値以上となった前記燃料電池ユニットの発電室温度を低下させる温度低減運転段階と、を備えていることが好ましい。

この場合、前記温度低減運転段階は、前記酸化性ガス流量を増加させる操作及び前記インバータ出力を低減する操作の中から、少なくとも一つを選択して実施することが好ましい。

本発明に係る燃料電池の運転方法は、複数のカートリッジを備えている複数の燃料電池ユニットにより構成され、前記燃料電池から排出されたガスの少なくとも一部を内燃機関へ導入し発電を行う複合発電システムに用いられる燃料電池の運転方法であって、前記カートリッジ間の間隙部に設置された複数の温度センサーの検出値に基づいて、前記燃料電池ユニットの中から発電室温度が閾値以上の対象ユニットを特定し、前記対象ユニットに供給する酸化性ガス流量を増加させる操作及び前記燃料電池ユニットの発電電力値を調整し交流に変換するインバータ出力を低減する操作の中から少なくとも一つを選択して発電室温度を低下させることを特徴とするものである。

このような燃料電池の運転方法によれば、カートリッジ間の間隙部に設置された複数の温度センサーの検出値に基づいて、燃料電池ユニットの中から発電室温度が閾値以上の対象ユニットを特定し、対象ユニットに供給する酸化性ガス流量を増加させる操作及び燃料電池ユニットの発電電力値を調整し交流に変換するインバータ出力を低減する操作の中から少なくとも一つを選択して発電室温度を低下させるので、燃料電池側のパラメータ操作により、内燃機関側に影響を及ぼすことなく必要以上に高温となった燃料電池ユニットの温度を低下させる運転制御が可能になる。

上述した本発明によれば、燃料電池及び内燃機関を組み合わせた複合発電システムにおいて、複数あるカートリッジの軸方向に対する温度分布を運転状態の制御に反映させることにより、内燃機関側の運転が燃料電池側の設定圧力や温度の影響を受けないため効率を高く保ちながら安定した運転を実現できる。

本発明に係る燃料電池及びその運転方法に関する一実施形態を示すブロック図であり、４組のカートリッジにより構成された固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）ユニット周辺に関するブロック図を例示している。 燃料電池の一例として、４組のＳＯＦＣカートリッジを備えた４セットのＳＯＦＣユニットにより構成されるＳＯＦＣの概略構成図（正面図）である。 図１及び２に示したＳＯＦＣユニットのＳＯＦＣカートリッジについて、電気的な接続状況を示す図である。 本発明に係る複合発電システム及び複合発電システムの運転方法に関する一実施形態を示す系統図である。 図４に示した複合発電システムを構成する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）について、カートリッジ周辺を拡大した系統図である。 図４に示した複合発電システムを構成する内燃機関（マイクロガスタービン）周辺を拡大した系統図である。 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）について、カートリッジの構造例及び各要素の機能を示す説明図である。

以下、本発明に係る燃料電池及びその運転方法について、その一実施形態を図面に基づいて説明する。
図４に示す複合発電システム（燃料電池及び内燃機関による発電システム）１は、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣ１０と、内燃機関であるガスタービンやガスエンジンの一例としてマイクロガスタービン（以下、「ＭＧＴ」と呼ぶ）５０とを組み合わせることにより、効率のよい発電を行うものである。

すなわち、都市ガス（天然ガス）等を改質した燃料ガス及び空気等の酸化性ガスの供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電するＳＯＦＣ１０に加えて、ＳＯＦＣ１０から発電後に排出される高温の排燃料や排出空気を導入してＭＧＴ５０を運転し、ＭＧＴ５０の出力軸に連結された不図示の発電機を駆動して発電を行うものである。
さらに、ＭＧＴ５０から排出される高温の燃焼排ガスを排熱回収ボイラに導入すれば、蒸気タービンによる発電も組み合わせた複合発電システムの構築も可能である。

以下では、上述したＳＯＦＣ１０を採用した複合発電システム１について説明する。このＳＯＦＣ１０は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスを用い、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転（発電）するものであり、イオン伝導率を高めるため、作動温度が約７００〜１０００℃程度と高く設定されている。
このようなＳＯＦＣ１０は、例えば図１〜図３に示すように、１または複数のＳＯＦＣユニット（ＳＯＦＣモジュール）ＳＵを適宜組み合わせた構成とされる。また、ＳＯＦＣユニットＳＵは、複数のＳＯＦＣカートリッジ１１（図５及び図７参照）と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ１１を収納する圧力容器８１とを有している。

ＳＯＦＣユニットＳＵ内に設置された複数のＳＯＦＣカートリッジ１１は、各カートリッジの電極が直列に接続されている。また、複数を直列に接続したＳＯＦＣカートリッジ１１の正極及び負極は、ＳＯＦＣユニットＳＵ毎に設けたインバータ３５と配線３６を介して接続されている。このインバータ３５は、ＳＯＦＣユニットＳＵから出力する電力値の調整（増減）を行うものである。
なお、図１〜図３に示す構成例では、４組のＳＯＦＣカートリッジ１１によりＳＯＦＣユニットＳＵを構成し、さらに、４セットのＳＯＦＣユニットＳＵによりＳＯＦＣ１０を構成しているが、特に限定されるものではい。

ＳＯＦＣカートリッジ１１は、図７に示す通り、複数のセルスタック１２と、発電室１３と、燃料ガス供給室１４と、燃料ガス排出室１５と、酸化性ガス供給室１６と、酸化性ガス排出室１７とを有する。また、ＳＯＦＣカートリッジ１１は、上部管板１８ａと、下部管板１８ｂと、上部断熱体１９ａと、下部断熱体１９ｂとを有する。
本実施形態のＳＯＦＣカートリッジ１１は、燃料ガス供給室１４と燃料ガス排出室１５と酸化性ガス供給室１６と酸化性ガス排出室１７とが図示のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１２の内側と外側とを対向して流れる構造となっている。しかし、必ずしもこの配置や構成に限定されることはなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または、酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしてもよい。

また、上述した酸化性ガスは、１５〜３０％程度の酸素を含むガスのことであり、代表的には空気が好適である。しかし、空気以外にも、燃焼排ガスと空気との混合ガスや、酸素と空気の混合ガス等が使用可能である。
以下の説明では、燃料として都市ガスをＳＯＦＣ１０の外部または内部で改質して使用し、酸化性ガスとして空気を使用する場合について説明するが、この場合の空気は、ＭＧＴ５０から供給される圧縮空気となる。

ＭＧＴ５０は、例えば図６に示すように、圧縮機５１と、燃焼器５２と、タービン５３とを備えている。なお、図中の符号５４はフィルタ、５５は再生熱交換器である。
圧縮機５１は、フィルタ５４を介して導入した大気（空気）を圧縮するもので、この場合の駆動源はタービン５３となる。圧縮機５１で圧縮された圧縮空気は、燃焼器５２や再生熱交換器５５を介してＳＯＦＣ等へ供給される。
燃焼器５２は、圧縮空気の供給を受けて燃料の都市ガスを燃焼させ、高温高圧の燃焼排ガスを生成してタービン５３へ供給する。

タービン５３は、燃焼排ガスのエネルギーにより回転して軸出力を発生し、この軸出力を利用して圧縮機５１及び図示しない発電機が駆動される。
タービン５３で仕事をした燃焼排ガスは、再生熱交換器５５で圧縮空気との熱交換により昇温させた後、煙突６０から大気へと放出される。

図４に示す複合発電システム１は、燃料極へ燃料を供給する燃料供給系２０と、空気極へ酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給系７０とを備えている。
燃料供給系２０は、開閉弁２１ａを備えた都市ガス（燃料ガス）供給ライン２１と、開閉弁２１ａの下流側に接続された窒素ガス供給ライン２２及び水蒸気供給ライン２３とを備えている。

窒素ガス供給ライン２２は、ＳＯＦＣ１０を起動停止する際に、燃料供給系２０に窒素ガスを送給するための流路であり、都市ガス供給ライン２１との合流点より上流側に設置された開閉弁２２ａを備えている。
また、水蒸気供給ライン２３には、都市ガス供給ライン２１との合流点より上流側に設置された開閉弁２３ａを備えている。

燃料ガス排出系２６は、ＳＯＦＣ１０に供給された燃料をＭＧＴ５０に送給する流路であり、ＳＯＦＣ１０を通過した燃料は一般的に排燃料と呼ばれている。
燃料ガス排出系２６は、流量調整弁２７と、排燃料ブロワ２８を有する排燃料ライン２６ａと、排燃料ライン２６ａを経由してＳＯＦＣ５０に排燃料ガスを再循環させる再循環ライン２６ｂと、排燃料ライン２６ａを経由してＭＧＴ５０と接続する排燃料供給ライン２６ｃとにより構成されている。
再循環ライン２６ｂは、流量調整弁２９を介してＳＯＦＣ１０から流出した排燃料のガスを燃料供給系２０に戻しており、このようにして戻される排燃料流量を再循環流量と呼ぶ。この再循環流量は、流量調整弁２９の開度調整により制御可能である。

図示の酸化性ガス供給系７０は、ＭＧＴ５０の圧縮機５１で圧縮された圧縮空気の一部をＳＯＦＣ１０の空気極へ供給する流路である。この酸化性ガス供給系７０は、再生熱交換器５５で熱交換した圧縮空気をＳＯＦＣ１０へ供給するが、流路途中には流量調整弁７１が設けられている。
また、酸化性ガス排出系７５は、ＳＯＦＣ１０から排出された酸化性ガスをＭＧＴ５０へ供給する流路であり、ＳＯＦＣ１０とＭＧＴ５０との間が開閉弁７６を備えた流路を介して連結されている。

さて、図４に示す複合発電システム１は、ＳＯＦＣ１０及びＭＧＴ５０を組み合わせて発電を行うシステムであるが、複数のＳＯＦＣカートリッジ１１を組み合わせて構成されるＳＯＦＣユニットＳＵは、ＭＧＴ５０の運転への影響を抑制するため、複数あるＳＯＦＣカートリッジ１１の軸方向に対する温度分布を運転状態の制御に反映させた運転を行っている。
具体的に説明すると、複合発電システム１の運転中において、各ＳＯＦＣカートリッジ１１の発電室内温度を検出するため、本実施形態では、各ＳＯＦＣユニットＳＵに複数個の温度センサー３０を適宜配置して設け、各温度センサー３０が検出した発電室内温度に基づいて「温度制御運転モード」を実施する。

図１〜図３に示すＳＯＦＣユニットＳＵの構成例では、４組のＳＯＦＣカートリッジ１１が用いられ、ＳＯＦＣユニットＳＵ内において水平方向へ略等ピッチに並んだ状態に配置されている。
従って、図１に示すように、隣接するＳＯＦＣカートリッジ１１の間には、ＳＯＦＣカートリッジ１１の上下（軸）方向に延びる間隙部３１が合計３本形成されている。

このように配置されたＳＯＦＣカートリッジ１１に対し、水平方向中央となる間隙部３１には、すなわち最も発電室温度が高くなりやすい位置にある間隙部３１には、上下方向に合計３個の温度センサー３０が設置されている。
さらに、左右の間隙部３１には、上下方向の中央位置付近にそれぞれ１個の温度センサー３０が設置されている。

すなわち、温度センサー３０は、複数あるＳＯＦＣカートリッジ１１の軸方向に対する温度分布を検出するため、ＳＯＦＣユニットＳＵを構成する複数のＳＯＦＣカートリッジ１１において、発電室１３の中央部付近に設けられた温度センサー３０と、中央に位置して隣接するＳＯＦＣカートリッジ１１の間で上部及び下部に設けられた温度センサー３０と、を備えている。
なお、以下の説明において、合計５個設置されている温度センサー３０を区別する必要がある場合には、５個の温度センサー３０について中央上部センサー３０ａ、中央部センサー３０ｂ、中央下部センサー３０ｃ、右中央センサー３０ｄ、左中央センサー３０ｅと呼ぶことにする。

上述した５個の温度センサー３０は、図１に示すように、各々独立して検出した発電室内温度を制御部４０に入力する。
また、各ＳＯＦＣユニットＳＵは、燃料供給系２０から分岐した燃料供給配管３２に設けた供給燃料制御弁３３を備えている。この供給燃料制御弁３３は、ＳＯＦＣユニットＳＵ内に設置された４組のＳＯＦＣカートリッジ１１に供給する都市ガス流量について、総流量（４組へ供給する合計ガス流量）の流量制御を行うために設けた流量制御弁である。なお、供給燃料制御弁３３で流量制御された都市ガスは、ＳＯＦＣカートリッジ１１毎に分岐する燃料供給枝管３４を介して、各ＳＯＦＣカートリッジ１１に対して略均等に分配される。

さらに、各ＳＯＦＣユニットＳＵは、酸化性ガス供給系７０から分岐した酸化性ガス供給配管７２に設けた供給酸化性ガス制御弁７３を備えている。この供給酸化性ガス制御弁７３は、ＳＯＦＣユニットＳＵ内に設置された４組のＳＯＦＣカートリッジ１１に供給する酸化性ガス流量について、総流量（４組へ供給する合計ガス流量）の流量制御を行うために設けた流量制御弁である。なお、供給酸化性ガス制御弁７３で流量制御された酸化性ガスは、ＳＯＦＣカートリッジ１１毎に分岐する酸化性ガス供給枝管７４を介して、各ＳＯＦＣカートリッジ１１に対して略均等に分配される。

制御部４０は、温度センサー３０から入力された発電室内温度に基づいて温度制御運転モードを実施し、都市ガスの供給流量、酸化性ガスの供給流量、排燃料の再循環流量及びインバータ３５の出力を制御する。
都市ガスの供給流量は、制御部４０から出力される供給燃料制御弁３３の開度信号により制御される。同様に、酸化性ガスの供給流量は、制御部４０から出力される供給酸化性ガス制御弁７３の開度信号により制御される。また、再循環流量を制御する流量調整弁２９の開度やインバータ３５の出力についても、制御部４０から開度信号や出力増減の制御信号により制御される。
なお、複数あるＳＯＦＣユニットＳＣについては、ひとつの制御部４０が全てを制御するようにしてもよいし、あるいは、個別の制御部４０を各々備えていてもよい。

以下、上述した制御部４０において、発電室温度の検出値に基づいてＳＯＦＣユニットＳＵに対して実施される温度制御運転モードの運転制御を具体的に説明する。この温度制御運転モードは、ＳＯＦＣユニットＳＣ単位で実施する。
さて、温度制御運転モードにおいて、操作（制御）対象となるパラメータは、燃料である都市ガス流量、酸化性ガスである空気流量、ＳＯＦＣユニットＳＵを通過して排燃料と呼ばれる都市ガスの再循環流量、及びインバータ３５により設定される発電負荷（「インバータ出力」ともいう）であり、これらのパラメータを適宜操作することにより、燃料利用率及び／または空気利用率を変動させることができ、この結果、発電室温度をＳＯＦＣユニットＳＣ単位で所望の方向へ変動させることが可能になる。

本実施形態の温度制御運転モードは、以下に説明する最高温度選出段階、閾値比較段階及び温度低減運転段階を備えている。
最初の最高温度選出段階は、各温度センサー３０から制御部４０に入力される発電室温度の中から、ＳＯＦＣユニットＳＵ内で検出された最高温度検出値を選択する制御段階である。すなわち、最高温度選出段階では、各ＳＯＦＣユニットＳＣ内に設置された５個の温度センサー３０から検出温度が制御部４０に入力されるので、この検出温度の中から最も高い温度を選択することにより、発電室温度が異常に高いＳＯＦＣユニットＳＣを特定する。

次の閾値比較段階は、最高温度選出段階で選択された最高温度検出値について、予め設定された閾値と比較する制御段階である。すなわち、選択された最高温度検出値が、閾値以上（最高温度検出値≧閾値）であるか否かを判断する。ここで閾値としては、ＳＯＦＣ１０の定格運転時の発電室内の最高温度条件により決定される。その温度条件としては、例えば９５０℃として設定される。

閾値比較段階で最高温度検出値が閾値以上と判断されると、次の温度低減運転段階に進む。この温度低減運転段階は、最高温度検出値が閾値以上となったＳＯＦＣユニットＳＵの発電室温度を低下させる制御段階である。この温度低減運転段階には、以下に説明する複数の実施例（制御手法）がある。
なお、以下の説明では、最高温度検出値が閾値以上となって温度低減運転段階に進むＳＯＦＣユニットＳＵを「対象ユニット」と呼び、それ以外のＳＯＦＣユニットＳＣを「その他ユニット」と呼ぶことにする。

＜実施例１＞
この実施例１では、対象ユニットの最高温度検出値を下げるため、空気流量及び再循環流量を現状（定格運転）のまま維持し、供給燃料制御弁３３の開度を絞って都市ガス流量を定格運転時の供給量から低減するとともに、インバータ３５により設定される発電の負荷（インバータ出力）を下げて発電出力を低下させる。この場合、ＳＯＦＣ１０へ供給する都市ガス供給量については、総量を一定にして対象ユニットの供給量を低減する総量一定方式と、対象ユニットの供給量低減分だけ総量も減少させる総量低減方式とがある。
なお、総量一定方式の場合、その他ユニットの都市ガス供給量が対象ユニットの供給量低減分に応じて「供給量低減分／その他ユニットの数」だけ増加するのに対して、総量低減方式では都市ガス供給量に変化がない。

従って、総量一定方式を採用した実施例１の場合、対象ユニットにおいては、都市ガス供給量が減少して空気利用率も低下する。この場合、対象ユニットにおいては、燃料利用率の変動はない。
上述した空気利用率の低下は、都市ガス量の当量比に対して、空気量が多い空気量余剰の状態となっている。空気利用率の低下により生じた余剰空気についても発電室温度の低下に貢献する。

このような温度低減運転段階の実施後は、再度最高温度選出段階及び閾値比較段階に戻って同様の過程を繰り返し、最高温度検出値が閾値より低くなるまで継続される。このような温度制御運転モードは、最高温度検出値が閾値より低くなった段階で終了する。すなわち、最高温度検出値が閾値を下回って所定時間を経過することにより、制御部４０は、対象ユニットの都市ガス供給量を定格運転時の供給量に復帰させる。
一方、その他ユニットでは、燃料供給量の増加により燃料利用率が低下するので、発電室温度は上昇する方向となるが、発電室温度が閾値以下であれば問題はない。この場合、空気利用率については変動がない。

また、実施例１の変形例として総量低減方式を採用すると、対象ユニットにおいては総量一定方式と同様に空気利用率が低下するので、発電室温度を低下させる温度調整効果が得られる。この場合、その他ユニットでは、空気利用率及び燃料利用率に変化がなく、従って、発電室温度が上昇することはない。

＜実施例２＞
実施例２の温度低減運転段階では、対象ユニットの最高温度検出値を下げるため、再循環流量を現状のまま維持するとともに、都市ガス流量、空気流量及びインバータ出力を変化させる。
この実施例では、空気流量を変化させる点が上述した実施例１と異なっている。この空気流量調整は、供給酸化性ガス制御弁７３の開度を増すことで、対象ユニットの空気流量を定格運転時の供給量から増加させるものである。このような空気流量の増加は、対象ユニットの空気利用率を低下させることになり、しかも、増加分の空気が冷却に貢献するので、上述した実施例１と同様に発電室温度を低下させることができる。

ところで、上述した空気流量の増加についても、上述した都市ガスの場合と同様に、総量一定方式と総量増加方式とが可能である。
しかし、本実施例では、空気流量を総量一定方式としている。この方式では、対象ユニットの空気量増加に伴ってその他ユニットの空気流量は減少するが、対象ユニット及びその他ユニットを含めた全てのユニットの総空気流量に変化はない。従って、本実施例の場合、空気流量の観点から見れば、空気流量が減少するその他ユニットにおいては、空気利用率の増加により発電室温度が上昇する方向となるが、発電室温度が閾値以下であれば問題はない。

一方、総量増加方式を採用すれば、その他ユニットにおける空気利用率の変動はないので、発電室温度が上昇することはない。
また、この実施例では、都市ガス流量も変化させているので、空気流量及び都市ガス流量の増減に応じて空気利用率や燃料利用率も変化する。従って、空気流量及び都市ガス流量を適宜増減し、対象ユニットの空気利用率が低下する方向に調整すれば、発電室温度を低下させることができる。

また、本実施例の変形例として、対象ユニット及びその他ユニットの両方でインバータ出力を変化させてもよいし、あるいは、対象ユニットのみインバータ出力を低下させてもよい。対象ユニットのみでインバータ出力を低下させると、その他ユニットにおいては定格の発電量を確保できるので、温度制御運転モードにおける発電量の低下を最小限に抑えることができる。

＜実施例３＞
実施例３の温度低減運転段階では、対象ユニットの最高温度検出値を下げるため、都市ガス流量、空気流量及び再循環流量を現状のまま維持するとともに、対象ユニットのインバータ出力を低減する方向に変化させる。
このようなインバータ出力の低減は、対象ユニットの発電反応割合を相対的に低下させることになる。この結果、対象ユニットでは、発電反応による発熱量が低減するので、発電室温度を低下させることができる。この場合、インバータ出力の低減量は、排燃料の都市ガス成分をＭＧＴ５０の燃焼器５２で燃焼できる範囲に制御することが好ましい。

＜実施例４＞
実施例４の温度低減運転段階では、あるＳＯＦＣユニットＳＵで閾値を超える発電室温度を検出した場合、この対象ユニットに隣接する位置にある隣接ユニットの発電室温度を算出する。そして、隣接ユニットの算出値が設定値を超えていることを検知した場合、すなわち、対象ユニットとの温度差が所定値以上ある場合には、対象ユニット及び隣接ユニットの両方に対して上述した各実施例のいずれかにより温度調整制御を実行する。

具体例を示すと、対象ユニットが中央に位置している場合、温度の高い対象ユニットについては上述した実施例１〜３の温度低減運転段階により温度低下を図り、端部側となる隣接ユニットについては、通常運転のままとするか、あるいは、温度低減運転段階の制御パラメータを逆方向に変化させて温度上昇を図る。
一方、対象ユニットが端部に位置している場合、温度の高い対象ユニットについては、温度低減運転段階の制御パラメータを逆方向に変化させて温度上昇を図り、中央部の隣接ユニットについては通常運転のまま維持する。

上述した各実施例から明らかなように、酸化性ガスである空気流量、排燃料（都市ガス）の再循環流量、及びインバータ出力をパラメータとし、これらのパラメータを適宜操作して増減させることにより、空気利用率、燃料利用率、燃料利用率及び空気利用率を変動させることができる。この結果、発電室温度を所望の方向へ変化させることができるので、発電室温度が閾値以上のＳＯＦＣユニットＳＵについては、これを閾値以下に下げることができる。
上述したパラメータは、空気流量を低減することにより、再循環流量を増すことにより、そして、インバータ出力を低減することにより、それぞれ単独で、あるいは適宜組み合わせることにより、発電室温度を低減する効果を得ることができる。

換言すれば、ＳＯＦＣ１０のような燃料電池及びＭＧＴ５０のような内燃機関を組み合わせた複合発電システム１において、特に、燃料電池内に複数あるカートリッジの軸方向に対する温度分布について、例えば中央上部センサー３０ａ、中央部センサー３０ｂ及び中央下部センサー３０ｃのように軸方向に複数の温度センサー３０を配置することで、カートリッジ軸方向の温度分布を燃料電池の運転状態制御に反映させれば、内燃機関側の運転が燃料電池側の設定圧力や温度の影響を受けにくくすることができるため、高い効率を保ちながら安定した運転を実現できる。

また、上述した実施例の説明では、ＳＯＦＣユニットＳＵ毎に温度制御するものとしたが、複数のＳＯＦＣユニットＳＵをグループ化することにより、グループ単位での温度制御をしてもよい。このようなグループ単位の温度制御は、共通の再循環ライン２６ｂを有し、同一の流量調整弁２９により再循環流量を制御できる構成に有効であり、再循環流量を増すことで発電室温度の低減が可能になる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、例えば燃料電池がＳＯＦＣに、そして、内燃機関がＭＧＴに限定されないなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１ 複合発電システム（燃料電池・ガスタービン発電システム）
１０ ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）
１１ ＳＯＦＣカートリッジ
１２ セルスタック
１３ 発電室
１４ 燃料ガス供給室
１５ 燃料ガス排出室
１６ 酸化性ガス供給室
１７ 酸化性ガス排出室
２０ 燃料供給系
２１ 都市ガス（燃料ガス）供給ライン
２２ 窒素ガス供給ライン
２３ 水蒸気供給ライン
２６ 燃料ガス排出系
２６ａ 排燃料ライン
２６ｂ 再循環ライン
２６ｃ 排燃料供給ライン
２７，２９ 流量調整弁
２８ 排燃料ブロワ
３０ 温度センサー
３１ 間隙部
３２ 燃料供給配管
３３ 供給燃料制御弁
３４ 燃料供給枝管
３５ インバータ
４０ 制御部
５０ ＭＧＴ（マイクロガスタービン）
５１ 圧縮機
５２ 燃焼器
５３ タービン
６０ 煙突
７０ 酸化性ガス供給系
７２ 酸化性ガス供給配管
７３ 供給酸化性ガス供給弁
７４ 酸化性ガス供給枝管
ＳＵ ＳＯＦＣユニット

Claims (5)

1. 複数のカートリッジを備える複数の燃料電池ユニットにより構成され、前記燃料電池ユニットから排出されたガスの少なくとも一部を内燃機関へ導入し発電を行う複合発電システムの燃料電池であって、
   燃料が供給される燃料供給室と、
   酸化性ガスが供給される酸化性ガス供給室と、
   前記カートリッジ間の間隙部に設置した複数の温度センサーと、
   前記温度センサーから検出値の入力を受けるとともに、前記燃料電池ユニットの前記酸化性ガス供給室に供給する前記酸化性ガス流量、及び前記燃料電池ユニットの発電電力値を調整し交流に変換するインバータ出力の少なくとも一つのパラメータを操作する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記温度センサーで閾値以上の温度を検出した前記燃料電池ユニットの発電室温度を、前記パラメータを操作して燃料電池ユニット単位で低下させる温度制御運転モードを備えていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記温度センサーは、前記間隙部の発電室中央部付近に各々設置した中央センサーと、前記間隙部の上部及び下部に設置した上部センサー及び下部センサーと、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記温度制御運転モードは、前記温度センサーから前記制御部に入力される温度の中から前記燃料電池ユニットの最高温度検出値を選択する最高温度選出段階と、前記最高温度検出値を予め設定された閾値と比較する閾値比較段階と、前記最高温度検出値が前記閾値以上となった前記燃料電池ユニットの発電室温度を低下させる温度低減運転段階と、を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記温度低減運転段階は、前記酸化性ガス流量を増加させる操作及び前記インバータ出力を低減する操作の中から、少なくとも一つを選択して実施することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 複数のカートリッジを備えている複数の燃料電池ユニットにより構成され、前記燃料電池から排出されたガスの少なくとも一部を内燃機関へ導入し発電を行う複合発電システムに用いられる燃料電池の運転方法であって、
   前記カートリッジ間の間隙部に設置された複数の温度センサーの検出値に基づいて、前記燃料電池ユニットの中から発電室温度が閾値以上の対象ユニットを特定し、
   前記対象ユニットに供給する酸化性ガス流量を増加させる操作及び前記燃料電池ユニットの発電電力値を調整し交流に変換するインバータ出力を低減する操作の中から少なくとも一つを選択して発電室温度を低下させることを特徴とする燃料電池の運転方法。

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