JP6961736B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本開示は、燃料電池システム及びその制御方法に関するものである。
燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池は、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」という）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、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、及び炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガス等のガスなどを燃料ガスとして供給して、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気で反応させて発電を行っている。（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、及び特許文献４）
特開２０１３−２１１２６５号公報 特開２０１６−９５９４０号公報 特開２０１８−３２４７２号公報 特許第６５９１１１２号公報
ＳＯＦＣは、内燃機関と組み合せることで発電効率を向上でき、例えばガスタービン（例えばマイクロガスタービン）と組み合せるものがある。また、ＳＯＦＣは、燃料極と空気極との差圧状態を適切に維持する必要がある。しかしながら、ＳＯＦＣをとマイクロガスタービンと組み合わせた発電システムが何らかの理由でトリップを発生した場合には、マイクロガスタービンの発電機が無負荷となり、マイクロガスタービンの保護対策が必要となる場合がある。このため、トリップ発生時に備えて、ＳＯＦＣの空気極から排出された排酸化性ガスを大気（系外）に放出する排出系統および遮断弁等を設ける必要がある。しかしながら、遮断弁は高価な機器であるとともに、空気極と燃料極との差圧が所定値以内になるような制御が必要である。このため、ＳＯＦＣを含むシステムにおいて、安定した運転状態を維持しつつ、構成を簡素化することが望まれている。
本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、安定的に差圧制御を行うとともに構成を簡素化することの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。
本開示の第１態様は、空気極と燃料極を有する燃料電池と、タービン及び圧縮機を有するターボチャージャと、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼器へ供給する排燃料ガスラインと、前記燃料電池から排出された排酸化性ガスを前記燃焼器へ供給する排酸化性ガスラインと、前記燃焼器から排出された燃焼ガスを前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、前記タービンの回転駆動により前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記排燃料ガスラインに設けられた調整弁と、前記調整弁を制御して前記燃料電池における前記空気極の圧力と前記燃料極の圧力との差圧を制御する制御装置と、を備え、前記排酸化性ガスラインには、排酸化性ガスを系外へ放出するベント系統が設けられていない燃料電池システムである。
本開示の第２態様は、空気極と燃料極を有する燃料電池と、タービン及び圧縮機を有するターボチャージャと、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼器へ供給する排燃料ガスラインと、前記燃料電池から排出された排酸化性ガスを前記燃焼器へ供給する排酸化性ガスラインと、前記燃焼器から排出された燃焼ガスを前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、前記タービンの回転駆動により前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記排燃料ガスラインに設けられた調整弁と、を備え、前記排酸化性ガスラインには、排酸化性ガスを系外へ放出するベント系統が設けられていない燃料電池システムの制御方法であって、前記調整弁を制御して前記燃料電池における前記空気極の圧力と前記燃料極の圧力との差圧を制御する制御方法である。
本開示によれば、安定的に差圧制御を行うとともに構成を簡素化することができるという効果を奏する。
本開示の一実施形態に係るセルスタックの例を示す図である。 本開示の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの例を示す図である。 本開示の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの例を示す図である。 本開示の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示した図である。 本開示の一実施形態に係る触媒燃焼器の構成例を示した図である。 本開示の一実施形態に係る制御装置のハードウェア構成の一例を示した図である。 本開示の一実施形態に係る差圧制御処理の手順の一例を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態に係る異常処理の手順の一例を示すフローチャートである。 本開示の一実施形態に係る差圧制御処理の手順の一例を示すフローチャートである。
以下に、本開示に係る燃料電池システム及びその制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものであり、鉛直方向は厳密ではなく誤差を含むものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。
また、以下においては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルスタックとして円筒形（筒状）を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。基体上に燃料電池セルを形成するが、基体ではなく電極（燃料極１０９もしくは空気極１１３）が厚く形成されて、基体を兼用したものでも良い。
まず、図１を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。基体管を用いない場合は、例えば燃料極１０９を厚く形成して基体管を兼用してもよく、基体管の使用に限定されることはない。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒（Ｆｌａｔ ｔｕｂｕｌａｒ）等のセルスタックでもよい。ここで、図１は、本実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック１０１は、一例として円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを備える。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質膜１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル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たリード膜１１５を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル１０５の燃料極１０９に電気的に接続されたリード膜１１５を備える。
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とされる。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とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。
燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。燃料極１０９の厚さは５０μｍ〜２５０μｍであり、燃料極１０９はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質膜１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２−）とを固体電解質膜１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
固体酸化物形燃料電池の燃料極１０９に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、及び石炭などの炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガスなどが挙げられる。
固体電解質膜１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質膜１１１は、空気極１１３で生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極１０９に移動させるものである。燃料極１０９の表面上に位置する固体電解質膜１１１の膜厚は１０μｍ〜１００μｍであり固体電解質膜１１１はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成され、空気極１１３はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。この空気極１１３は、固体電解質膜１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）を生成するものである。
空気極１１３は２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜１１１側の空気極層（空気極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層（空気極導電層）は、Ｓｒ及びＣａドープＬａＭｎＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
酸化性ガスとは，酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。
インターコネクタ１０７は、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から構成され、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ１０７は、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。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１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。
リード膜１１５は、電子伝導性を備えること、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、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材や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）で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により直列に接続され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ものである。
燃料極１０９、固体電解質膜１１１及びインターコネクタ１０７のスラリーの膜が形成された基体管１０３を、大気中にて共焼結する。焼結温度は、具体的に１３５０℃〜１４５０℃とされる。
つぎに、共焼結された基体管１０３上に、空気極１１３のスラリーの膜が形成された基体管１０３が、大気中にて焼結される。焼結温度は、具体的に１１００℃〜１２５０℃とされる。ここでの焼結温度は、基体管１０３〜インターコネクタ１０７を形成した後の共焼結温度よりも低温とされる。
次に、図２と図３とを参照して本実施形態に係るＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。ここで、図２は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。また、図３は、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図を示すものである。
ＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）２０１は、図２に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ（燃料電池カートリッジ）２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを備える。なお、図２には円筒形のＳＯＦＣのセルスタック１０１を例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａ及び燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを備える。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）及び酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを備える。
燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。
燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。
圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約３ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。
ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図３に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給ヘッダ２１７と、燃料ガス排出ヘッダ２１９と、酸化性ガス（空気）供給ヘッダ２２１と、酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを備える。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを備える。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給ヘッダ２１７と燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とが図３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１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック１０１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１０１の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置された領域であり、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、温度計測部（温度センサや熱電対など）で監視され、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。
燃料ガス供給ヘッダ２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、上部管板２２５ａとシール部材２３７ａにより接合されており、燃料ガス供給ヘッダ２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。
燃料ガス排出ヘッダ２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、図示しない燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、燃料ガス排出ヘッダ２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出ヘッダ２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。
ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの側面に設けられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。
酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの側面に設けられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。
上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材２３７ａ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給ヘッダ２１７と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを隔離するものである。
上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを備える。
この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に導くものである。
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。
下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材２３７ｂ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを隔離するものである。
下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを備える。
この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給ヘッダ２２１に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出ヘッダ２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。
発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された直流電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先（例えば、負荷設備や電力系統）へと供給される。
本開示の一実施形態に係る燃料電池システム３１０の概略構成について説明する。
図４は、本開示の一実施形態に係る燃料電池システム３１０の概略構成を示した概略構成図である。図４に示すように、燃料電池システム３１０は、ターボチャージャ４１１、及びＳＯＦＣ３１３を備えている。ＳＯＦＣ３１３は、図示しないＳＯＦＣモジュールが１つまたは複数が組み合わされて構成され、以降は単に「ＳＯＦＣ」と記載する。この燃料電池システム３１０は、ＳＯＦＣ３１３により発電を行っている。そして、燃料電池システム３１０は、制御装置２０によって制御が行われている。
ターボチャージャ４１１は、圧縮機４２１、及びタービン４２３を備えており、圧縮機４２１とタービン４２３とは回転軸４２４により一体回転可能に連結されている。後述するタービン４２３が回転することで圧縮機４２１が回転駆動する。本実施形態は酸化性ガスとして空気を用いた例であり、圧縮機４２１は、空気取り込みライン３２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。
ターボチャージャ４１１を構成する圧縮機４２１に空気Ａを取り込んで圧縮し、圧縮された空気Ａを酸化性ガスＡ２としてＳＯＦＣの空気極１１３へと供給する。ＳＯＦＣで発電のための化学反応に用いられた後の排酸化性ガスＡ３は、排酸化性ガスライン３３３を介して触媒燃焼器（燃焼器）４２２へ送られ、及びＳＯＦＣで発電のための化学反応に用いられた後の排燃料ガスＬ３は再循環ブロワ３４８で昇圧して、一部は燃料ガス再循環ライン３４９を介して燃料ガスライン３４１に再循環して供給するが、他部は排燃料ガスライン３４３を介して触媒燃焼器４２２へ送られる。
このように、触媒燃焼器４２２には、排酸化性ガスＡ３及び排燃料ガスＬ３の一部とが供給されて触媒燃焼部４６１において燃焼触媒を用いて比較的低温でも安定に燃焼させ（後述参照）、燃焼ガスＧを生成する。このとき、触媒燃焼器４２２には、図５に示すように均圧部（以下、「均圧空間」という）４６２が設けられている。均圧空間４６２は、排酸化性ガスＡ３と排燃料ガスとを共通空間で均圧化する領域であり、併せて該ガスを混合する領域である。すなわち、均圧空間４６２では、触媒燃焼器４２２へ供給された排酸化性ガスＡ３と排燃料ガスとの圧力が同一になり均圧化される。換言すると、排酸化性ガスライン３３３と排燃料ガスライン３４３の出口圧力が均圧化されることとなる。なお、圧力の均圧化が可能であれば、均圧空間４６２が触媒燃焼器４２２に隣接して設けられる場合に限定されない。
触媒燃焼器４２２は、排燃料ガスＬ３、排酸化性ガスＡ３、及び必要に応じて燃料ガスＬ１を混合して触媒燃焼部４６１において燃焼させ、燃焼ガスＧを生成する。触媒燃焼部４６１には、例えばプラチナやパラジウムを主成分とする燃焼触媒が充填されており、比較的低い温度でかつ低酸素濃度で安定燃焼が可能となっている。排燃料ガスＬ３、排酸化性ガスＡ３、及び必要に応じて燃料ガスＬ１は、均圧空間４６２において混合される。燃焼ガスＧは燃焼ガス供給ライン３２８を通じてタービン４２３に供給される。タービン４２３は、燃焼ガスＧが断熱膨張することにより回転駆動し、燃焼ガスＧが燃焼排ガスライン３２９から排出される。
触媒燃焼器４２２へは、制御弁３５２で流量を制御されて燃料ガスＬ１が供給される。燃料ガスＬ１は可燃性ガスであり、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）を気化させたガスあるいは天然ガス、都市ガス、水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）等の炭化水素ガス、及び炭素質原料（石油や石炭等）のガス化設備により製造されたガス等が用いられる。燃料ガスとは、予め発熱量が略一定に調整された燃料ガスを意味する。
触媒燃焼器４２２で燃焼により高温化した燃焼ガスＧは、燃焼ガス供給ライン３２８を通じてターボチャージャ４１１を構成するタービン４２３に送られ、タービン４２３を回転駆動させて回転動力が発生する。この回転動力で圧縮機４２１を駆動することで、空気取り込みライン３２５から取り込んだ空気Ａを圧縮して圧縮空気が発生する。酸化性ガス（空気）を圧縮して送風する回転機器の動力をターボチャージャ４１１で発生させることができるため、所要動力を低減して発電システムの発電効率を向上できる。
熱交換器（再生熱交換器）４３０は、タービン４２３から排出された排ガスと圧縮機４２１から供給される酸化性ガスＡ２との間で熱交換を行う。排ガスは、酸化性ガスＡ２との熱交換で冷却された後に、例えば排熱回収装置４４２を介して、煙突（不図示）を通して外部に放出される。
ＳＯＦＣ３１３は、還元剤として燃料ガスＬ１と、酸化剤として酸化性ガスＡ２とが供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行う。
ＳＯＦＣ３１３は、図示しないＳＯＦＣモジュールから構成され、ＳＯＦＣモジュールの圧力容器内に設けた複数のセルスタックの集合体が収容されており、図示しないセルスタックには、燃料極１０９と空気極１１３と固体電解質膜１１１を備えている。
ＳＯＦＣ３１３は、空気極１１３に酸化性ガスＡ２が供給され、燃料極１０９に燃料ガスＬ１が供給されることで発電して、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の電力へと変換されて、電力需要先へ供給される。
ＳＯＦＣ３１３には、圧縮機４２１で圧縮した酸化性ガスＡ２を空気極１１３へ供給する酸化性ガス供給ライン３３１が接続されている。酸化性ガス供給ライン３３１を通じて酸化性ガスＡ２が空気極１１３の図示しない酸化性ガス導入部に供給される。この酸化性ガス供給ライン３３１には、供給する酸化性ガスＡ２の流量を調整するための制御弁３３５が設けられている。熱交換器４３０において、酸化性ガスＡ２は、燃焼排ガスライン３２９から排出される燃焼ガスとの間で熱交換されて昇温される。更に、酸化性ガス供給ライン３３１には、熱交換器４３０の伝熱部分をバイパスする熱交換器バイパスライン３３２が設けられている。熱交換器バイパスライン３３２には、制御弁３３６が設けられ、酸化性ガスのバイパス流量が調整可能とされている。制御弁３３５及び制御弁３３６の開度が制御されることで、熱交換器４３０を通過する酸化性ガスと熱交換器４３０をバイパスする酸化性ガスとの流量割合が調整され、ＳＯＦＣ３１３に供給される酸化性ガスＡ２の温度が調整される。ＳＯＦＣ３１３に供給される酸化性ガスＡ２の温度は、ＳＯＦＣ３１３の燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う温度を維持するとともに、ＳＯＦＣ３１３を構成する図示しないＳＯＦＣモジュール内部の各構成機器の材料に損傷を与えないよう温度の上限が制限されている。
ＳＯＦＣ３１３には、空気極１１３で用いられて排出された排酸化性ガスＡ３を触媒燃焼器４２２を介してタービン４２３へ供給する排酸化性ガスライン３３３が接続されている。排酸化性ガスライン３３３は、排空気冷却器３５１が設けられている。具体的には、排酸化性ガスライン３３３において、後述するオリフィス４４１よりも上流側に排空気冷却器３５１が設けられており、酸化性ガス供給ライン３３１を流れる酸化性ガスＡ２との熱交換によって排酸化性ガスＡ３を冷却する。
また、排酸化性ガスライン３３３には、圧損部が設けられている。本実施形態では、圧損部として、オリフィス４４１が設けられている。オリフィス４４１は、排酸化性ガスライン３３３を流通する排酸化性ガスＡ３に対して圧損を付加する。なお、圧損部としては、オリフィス４４１に限らず、例えばベンチュリ管など絞り部を設けてもよく、排酸化性ガスＡ３に圧力損失を付加することが可能な手段であれば用いることが可能である。また、圧損部としては例えば、追設バーナを設けることでもよい。追設バーナにより排酸化性ガスに圧力損出を発生させるとともに、触媒燃焼器４２２での燃焼容量を超える燃焼が必要になった際に追加燃料分を燃焼させることができるので、排酸化性ガスに充分な熱量を供給可能となる。燃料電池システム３１０では空気極１１３側と燃料極１０９側の圧力差が所定の範囲内となるように排燃料ガスライン３４３に設けた調整弁３４７によって制御するため、排燃料ガスライン３４３と合流する排酸化性ガスライン３３３に対して圧力損失を付加することで、排燃料ガスライン３４３に設けた調整弁３４７を安定的に制御するのに必要な動作差圧を確保することができる。
また、排酸化性ガスライン３３３に対しては、排酸化性ガスＡ３を大気（系外）へ放出するベント系統およびベント弁は設けられていない。例えば、ＳＯＦＣと空気極１１３から排出される排酸化性ガスＡ３と燃料極１０９から排出される排燃料ガスＬ３を燃焼させるガスタービン（例えばマイクロガスタービン）とを組み合わせる発電システムの場合には、起動時や停止時などに、マイクロガスタービンの状態の変化に応じて空気極１１３へ供給される酸化性ガスの圧力状態が変化する場合があり、更には圧力の急変動により燃料極１０９と空気極１１３の差圧制御が不調となる可能性があるため、また、何らかの理由でトリップを発生した場合には、マイクロガスタービンの発電機が無負荷となり、マイクロガスタービンの保護対策が必要となる場合がある。そのため、排酸化性ガスＡ３を大気など系外へ放出するベント系統およびベント弁が必要となるが、本実施形態では、ターボチャージャ４１１を用いており、回転軸に連通した発電機がなく負荷を負っていないので、トリップ時に負荷が消失して過回転となり急激に圧力が上昇するということもなく、調整弁３４７によって差圧状態を安定的に制御することが可能であるため、排酸化性ガスＡ３を大気放出する機構（べント系統およびベント弁）を省略することができる。
ＳＯＦＣ３１３には、更に、燃料ガスＬ１を燃料極１０９の図示しない燃料ガス導入部に供給する燃料ガスライン３４１と、燃料極１０９で反応に用いられて排出された排燃料ガスＬ３を触媒燃焼器４２２を介してタービン４２３へ供給する排燃料ガスライン３４３とが接続されている。燃料ガスライン３４１には、燃料極１０９に供給する燃料ガスＬ１の流量を調整するための制御弁３４２が設けられている。
燃料電池システム３１０は、図４に示すように、燃料極１０９と空気極１１３との差圧を計測する差圧計３７０を備えている。差圧計３７０で計測された燃料極１０９と空気極１１３との差圧値の情報は、制御装置２０に出力される。また、空気極１１３と燃料極１０９のそれぞれの系統に圧力計を設け、空気極１１３の圧力と燃料極１０９の圧力をそれぞれ取得して差圧を算出してもよい。なお、図４の圧力計測位置は模式的に示したものであり、各圧力の計測位置は、図４の位置に限定されない。
排燃料ガスライン３４３には、再循環ブロワ３４８が設けられている。また、排燃料ガスライン３４３には、触媒燃焼器４２２に供給する排燃料ガスＬ３の一部の流量を調整するための調整弁３４７が設けられている。換言すると調整弁３４７は、排燃料ガスＬ３の圧力状態を調整していることとなる。このため、後述するように、制御装置２０によって、調整弁３４７を制御することにより、燃料極１０９と空気極１１３の差圧を調整することができる。
排燃料ガスライン３４３には、再循環ブロワ３４８の下流側に、排燃料ガスＬ３を大気（系外）へ放出する排燃料ガス放出ライン３５０が接続されている。そして、排燃料ガス放出ライン３５０には遮断弁（燃料ベント弁）３４６が設けられている。すなわち、遮断弁３４６を開とすることによって、排燃料ガスライン３４３の排燃料ガスＬ３の一部を排燃料ガス放出ライン３５０から放出することができる。排燃料ガスＬ３を系外に排出することで過剰になった圧力を素早く調整することができる。また、排燃料ガスライン３４３には、排燃料ガスＬ３をＳＯＦＣ３１３の燃料極１０９の燃料ガス導入部へと再循環させるための燃料ガス再循環ライン３４９が燃料ガスライン３４１に接続されている。
更に、燃料ガス再循環ライン３４９には、燃料極１０９に燃料ガスＬ１を改質するための純水を供給する純水供給ライン３６１が設けられている。純水供給ライン３６１にはポンプ３６２が設けられている。ポンプ３６２の吐出流量が制御されることにより、燃料極１０９に供給される純水量が調整される。発電中には燃料極にて水蒸気が生成されるので排燃料ガスライン３４３の排燃料ガスＬ３には水蒸気が含まれるので、燃料ガス再循環ライン３４９で水蒸気を再循環して供給することによって、純水供給ライン３６１で供給する純水流量を低減もしくは遮断することができる。
次に、圧縮機４２１から吐出された酸化性ガスを放出する構成について説明する。具体的には、圧縮機４２１の下流側における酸化性ガス供給ライン３３１において、酸化性ガスが熱交換器４３０をバイパス放出するように流通可能な酸化性ガスブローライン４４４が設けられている。酸化性ガスブローライン４４４は、一端が酸化性ガス供給ライン３３１の熱交換器４３０の上流側に接続されており、他端は、タービン４２３の後流側となる燃焼排ガスライン３２９の熱交換器４３０の下流側に接続されている。そして、酸化性ガスブローライン４４４には、放出弁（抽気ブロー弁）４４５が設けられている。すなわち、放出弁４４５を開とすることによって、圧縮機４２１から吐出された酸化性ガスの一部が、酸化性ガスブローライン４４４を介して煙突（不図示）を通して系外部の大気などに放出される。
次に、燃料電池システム３１０の起動に用いる構成について説明する。酸化性ガス供給ライン３３１には、酸化性ガスブローライン４４４との接続点の下流側に制御弁４５１が設けられており、制御弁４５１の下流側（熱交換器４３０の上流側）に、起動用空気を供給するブロワ（送風機）４５２及び制御弁４５３を有する起動用空気供給ライン４５４が接続されている。燃料電池システム３１０の起動を行う場合に、ブロワ４５２により起動用空気を酸化性ガス供給ライン３３１へ供給しつつ、制御弁４５１及び制御弁４５３によって圧縮機４２１からの酸化性ガスと切り替えを行う。また、酸化性ガス供給ライン３３１において、熱交換器４３０の下流側（制御弁３３５の上流側）には起動用空気加熱ライン４５５が接続されており、制御弁４５６を介して排空気冷却器３５１の下流側の排酸化性ガスライン３３３へ接続されると共に、制御弁４５７を介して酸化性ガス供給ライン３３１（空気極１１３の入口側）へ接続されている。また、起動用空気加熱ライン４５５には、起動用加熱器４５８が設けられており、燃料ガスＬ１が制御弁４５９を介して供給され、起動用空気加熱ライン４５５を流通する酸化性ガスの加熱が行われる。
なお、制御弁４５７は、起動用加熱器４５８へ供給する酸化性ガスの流量を調整し、ＳＯＦＣ３１３へ供給する酸化性ガスの温度を制御する。
また、燃料ガスＬ１は、制御弁４６０を介して空気極１１３へも供給される。制御弁４６０は、例えばＳＯＦＣ３１３の起動時に起動用空気加熱ライン４５５における制御弁４５７の下流側から空気極１１３へ燃料ガスＬ１が供給され、触媒燃焼により発電室温度が昇温される際の、空気極１１３へ供給する燃料ガスＬ１の流量を制御する。
制御装置２０は、燃料電池システム３１０における制御を行う。特に、ＳＯＦＣに対する差圧制御を行う。
図６は、本実施形態に係る制御装置２０のハードウェア構成の一例を示した図である。
図６に示すように、制御装置２０は、コンピュータシステム（計算機システム）であり、例えば、ＣＰＵ１１と、ＣＰＵ１１が実行するプログラム等を記憶するためのＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１２と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１３と、大容量記憶装置としてのハードディスクドライブ（ＨＤＤ）１４と、ネットワーク等に接続するための通信部１５とを備えている。なお、大容量記憶装置としては、ソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）を用いることとしてもよい。これら各部は、バス１８を介して接続されている。
また、制御装置２０は、キーボードやマウス等からなる入力部や、データを表示する液晶表示装置等からなる表示部などを備えていてもよい。
なお、ＣＰＵ１１が実行するプログラム等を記憶するための記憶媒体は、ＲＯＭ１２に限られない。例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等の他の補助記憶装置であってもよい。
後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式でハードディスクドライブ１４等に記録されており、このプログラムをＣＰＵ１１がＲＡＭ１３等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭ１２やその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
制御装置２０は、調整弁３４７を制御して燃料電池における空気極１１３の圧力と燃料極１０９の圧力との差圧を制御する。燃料電池においては、通常運転時には燃料極１０９の圧力が空気極１１３の圧力よりも所定差圧（例えば０．１ｋＰａ以上１ｋＰａ以下）だけ大きくなるような差圧状態が好ましい。このため、制御装置２０では、調整弁３４７で燃料極１０９側の圧力を制御し、空気極１１３の圧力と燃料極１０９の圧力との差圧を調整する。なお、空気極１１３の圧力とは空気極系統を流通する酸化性ガスもしくは排酸化性ガスＡ３の圧力であり、例えば、ＳＯＦＣモジュール２０１内の酸化性ガスの圧力である。
また、燃料極１０９の圧力とは燃料極系統を流通する燃料ガスＬ１もしくは排燃料ガスＬ３の圧力であり、例えばＳＯＦＣモジュール２０１内の燃料ガスＬ１の圧力である。
本実施形態では、排燃料ガスライン３４３及び排酸化性ガスライン３３３は、触媒燃焼器４２２の均圧空間４６２に接続されている。すなわち、排燃料ガスライン３４３から排出された燃料成分を含むガスと、排酸化性ガスライン３３３から排出された酸化性ガス成分を含むガスとが均圧空間４６２という共通の空間に接続されて均圧化され、また該ガスどうしが混合される。すなわち、排燃料ガスライン３４３と排酸化性ガスライン３３３の出口側（均圧空間４６２側）は圧力状態が均圧化される。そしてさらに、排酸化性ガスライン３３３には、オリフィス４４１が設けられているため、排酸化性ガスライン３３３において、内部を流通する排酸化性ガスＡ３の流量に応じた一定の圧力損失を付加している。このため、均圧空間４６２の圧力を基準として、オリフィス４４１の圧力損失が付加され、更に排酸化性ガスライン３３３等の空気極１１３出口までの配管の圧力損失などが付加されて、空気極１１３側の圧力状態が決まる。一方で、燃料極１０９は、排燃料ガスライン３４３において調整弁３４７を介して均圧空間４６２に接続されている。このため、均圧空間４６２の圧力を基準として、調整弁３４７の開度調整に伴う圧力損失が付加され、更に排燃料ガスライン３４３等の燃料極１０９出口までの配管の圧力損失などが付加されて、燃料極１０９側の圧力状態が決まる。すなわち、調整弁３４７の開度調整に伴う圧力損失の調整を行うことにより、燃料極１０９側の圧力を調整することができる。このように、均圧空間４６２とオリフィス４４１を用いることによって、均圧空間４６２における圧力を基準として、排酸化性ガスにオリフィス４４１の圧力損失を付加することで、排燃料ガスライン３４３に設けた調整弁３４７による圧力調整を効果的に安定的に制御することが可能とするのに十分な圧力差が得られる。
なお、本実施形態では、調整弁３４７と均圧空間４６２とオリフィス４４１とを用いて調整弁３４７により効果的に差圧制御が可能な場合について説明するが、均圧空間４６２及びオリフィス４４１のいずれか一方と、調整弁３４７によって差圧を制御することも可能である。また、オリフィス（圧損部）４４１を設置することなく、排燃料ガスライン３４３の調整弁３４７による圧力調整のための動作差圧を確保できるならば、調整弁３４７のみを設けて、差圧を制御することも可能である。
制御装置２０は、空気極１１３側の圧力と燃料極１０９側の圧力とを取得する。そして、空気極１１３の圧力と燃料極１０９の圧力との差を差圧として、差圧が所定差圧となるように、調整弁３４７の開度制御を行う。空気極１１３の圧力と燃料極１０９の圧力とを個別に取得してもよいし、差圧計３７０を用いて差圧を取得してもよい。なお、本実施形態においては、差圧は燃料極１０９の圧力から空気極１１３の圧力を引いた値とする。すなわち、燃料極１０９側の方が圧力が高い場合には、差圧は正の値となり、空気極１１３側の方が圧力が高い場合には差圧は負の値となるものとする。例えば、燃料極１０９の圧力の方が空気極１１３の圧力に対して所定差圧より高い場合には、燃料極１０９の圧力が下がるように、調整弁３４７の開度を開く方向に制御を行う。
このようにして、調整弁３４７の制御によって効果的に差圧状態が調整される。
制御装置２０は、差圧状態に異常が発生した場合には、異常対応制御を行う。異常状態とは、燃料極１０９の方が空気極１１３に対して所定値以上となった場合である。所定値とは、燃料極１０９の方が空気極１１３に対して高い場合に異常状態と想定される下限値として設定される。本実施形態では例えば所定値は、差圧１ｋＰａ以上５０ｋＰａ以下の範囲で設定される。
具体的には、制御装置２０は、燃料極１０９の圧力が空気極１１３の圧力に対して所定値以上となった場合に、排燃料ガス放出ライン３５０に設けられた遮断弁３４６を開とする。これによって、燃料極１０９から排出された排燃料ガスの一部を大気放出して燃料極１０９側の圧力を早急に低下させることができる。このため、差圧状態が異常状態となり持続してしまうことを抑制して安定状態へ戻すことが可能となる。
また、異常状態としては、空気極１１３の方が燃料極１０９に対して所定値以上となった場合とすることとしてもよい。このような場合には、所定値は、空気極１１３の方が燃料極１０９に対して高い場合に異常状態と想定される下限値として設定される。本実施形態では例えば所定値は、差圧−５０ｋＰａ以上−１ｋＰａ以下の範囲で設定される。
具体的には、制御装置２０は、空気極１１３の圧力が燃料極１０９の圧力に対して所定値以上となった場合に、酸化性ガスブローライン４４４に設けられた放出弁４４５を開とする。これによって、空気極１１３に供給される酸化性ガス量を減少させ、空気極１１３の圧力を早急に低下させることができる。このため、差圧状態が異常状態となり持続してしまうことを抑制して安定状態へ戻すことが可能となる。
次に、上述の制御装置２０による差圧制御処理の一例について図７を参照して説明する。図７は、本実施形態に係る差圧制御処理の手順の一例を示すフローチャートである。図７に示すフローは、例えば、所定の制御周期で繰り返し実行される。
まず、空気極１１３の圧力と燃料極１０９の圧力とを取得して差圧を確認する。もしくは、燃料極１０９と空気極１１３の差圧を取得してもよい（Ｓ１０１）。
次に、差圧が所定差圧であるか否かを判定する（Ｓ１０２）。なお、Ｓ１０２においては、目的の差圧を所定差圧範囲（所定差圧を含む）とし設定しておき、差圧が所定差圧範囲内か否かを判定することとしてもよい。
差圧が所定差圧である場合（Ｓ１０２のＹＥＳ判定）には、処理を終了する。
差圧が所定差圧でない場合（Ｓ１０２のＮＯ判定）には、調整弁３４７の開度を制御して差圧調整制御を実行する（Ｓ１０３）。
このようにして燃料極１０９と空気極１１３との差圧状態が適切な値に維持される。
次に、上述の制御装置２０による異常処理の一例について図８を参照して説明する。図８は、本実施形態に係る異常処理の手順の一例を示すフローチャートである。図８に示すフローは、例えば、所定の制御周期で繰り返し実行される。
まず、空気極１１３の圧力と燃料極１０９の圧力とを取得する（Ｓ２０１）。もしくは、燃料極１０９と空気極１１３の差圧を取得してもよい。
燃料極１０９の方が空気極１１３に対して所定値以上であるか否かを判定する（Ｓ２０２）。
燃料極１０９の方が空気極１１３に対して所定値以上でない場合（Ｓ２０２のＮＯ判定）には、処理を終了する。
燃料極１０９の方が空気極１１３に対して所定値以上である場合（Ｓ２０２のＹＥＳ判定）には、排燃料ガス放出ライン３５０に設けられた遮断弁（燃料ベント弁）３４６を開とする（Ｓ２０３）。このようにして燃料ガスの早急な大気放出制御が行われる。
燃料極１０９の方が空気極１１３に対して所定値未満となった場合、遮断弁（燃料ベント弁）３４６を閉とする（Ｓ２０４）。
次に、上述の制御装置２０による異常処理の一例について図９を参照して説明する。図９は、本実施形態に係る異常処理の手順の一例を示すフローチャートである。図９に示すフローは、例えば、所定の制御周期で繰り返し実行される。
まず、空気極１１３の圧力と燃料極１０９の圧力とを取得する（Ｓ３０１）。もしくは、燃料極１０９と空気極１１３の差圧を取得してもよい。
空気極１１３の方が燃料極１０９に対して所定値以上であるか否かを判定する（Ｓ３０２）。
空気極１１３の方が燃料極１０９に対して所定値以上でない場合（Ｓ３０２のＮＯ判定）には、処理を終了する。
空気極１１３の方が燃料極１０９に対して所定値以上である場合（Ｓ３０２のＹＥＳ判定）には、酸化性ガスブローライン４４４に設けられた放出弁（抽気ブロー弁）４４５を開とする（Ｓ３０３）。このようにして酸化性ガスの早急な大気放出制御が行われる。
空気極１１３の方が燃料極１０９に対して所定値未満となった場合、放出弁（抽気ブロー弁）４４５を閉とする（Ｓ３０４）。
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム及びその制御方法によれば、燃料電池から排出された排燃料ガスと燃料電池から排出された酸化性ガスをターボチャージャ４１１へ供給する場合に、排燃料ガスライン３４３に設けられた調整弁３４７を制御して燃料電池における空気極１１３の圧力と燃料極１０９の圧力との差圧を制御することで、燃料電池における空気極１１３と燃料極１０９との圧力差を適切に調整することが可能となる。
また、燃料電池にガスタービン（例えばマイクロガスタービン）を組み合わせた発電システムへ適用する場合には、起動時や停止時などにマイクロガスタービンの状態の変化に応じて空気極１１３へ供給される酸化性ガスの圧力状態が変化するため、更には圧力の急変動により燃料極１０９と空気極１１３の差圧制御が不調となる可能性があるため、また、何らかの理由でトリップを発生した場合には、マイクロガスタービンの発電機が無負荷となり、マイクロガスタービンの保護対策が必要となる場合がある。そのため、排酸化性ガスライン３３３に対して酸化性ガスを大気（系外）へ放出するベント系統およびベント弁を設ける必要があるが、燃料電池にターボチャージャ４１１を適用し、調整弁３４７によって差圧が調整されることによって、酸化性ガスを大気放出するベント系統およびベント弁を不要とすることが可能となる。このため、構成の簡略化やコスト抑制を図ることが可能となる。
また、排燃料ガスライン３４３及び排酸化性ガスライン３３３に接続され、排燃料ガスと酸化性ガスとを混合して均圧化する均圧空間４６２が設けられることによって、排燃料ガスライン３４３の出口と排酸化性ガスライン３３３の出口との圧力状態を容易に等しくすることができる。このため、調整弁３４７によって燃料極１０９と空気極１１３との圧力差をより効率的に制御することが可能となる。
また、排燃料ガスライン３４３において排燃料ガスを大気放出する排燃料ガス放出ライン３５０が設けられており、排燃料ガス放出ライン３５０に遮断弁３４６が設けられることによって、排燃料ガスライン３４３における排燃料ガスの圧力が所定値以上に高くなる異常状態となった場合でも、遮断弁３４６により大気放出をすることが可能となる。燃料極１０９の圧力が空気極１１３の圧力に対して所定値以上となった場合に、遮断弁３４６を開とすることにより、燃料極１０９の圧力を遮断弁３４６によって調整し、異常状態を抑制することができる。
また、酸化性ガス供給ライン３３１に酸化性ガスが流通可能な酸化性ガスブローライン４４４が設けられ、酸化性ガスブローライン４４４に放出弁４４５が設けられている場合に、空気極１１３の圧力が燃料極１０９の圧力に対して所定値以上となった場合に放出弁４４５を開とすることで、燃料極１０９の圧力に対して空気極１１３の圧力が所定値以上に高くなり異常状態となることを抑制することができる。
本開示は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々変形実施が可能である。
以上説明した各実施形態に記載の燃料電池システム及びその制御方法は例えば以下のように把握される。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、空気極（１１３）と燃料極（１０９）を有する燃料電池（３１３）と、タービン（４２３）及び圧縮機（４２１）を有するターボチャージャ（４１１）と、前記燃料電池（３１３）から排出された排燃料ガス（Ｌ３）を燃焼器（４２２）へ供給する排燃料ガスライン（３４３）と、前記燃料電池（３１３）から排出された排酸化性ガス（Ａ３）を前記燃焼器（４２２）へ供給する排酸化性ガスライン（３３３）と、前記燃焼器（４２２）から排出された燃焼ガス（Ｇ）を前記タービン（４２３）へ供給する燃焼ガス供給ライン（３２８）と、前記タービンの回転駆動により前記圧縮機（４２１）で圧縮した酸化性ガス（Ａ２）を前記空気極（１１３）へ供給する酸化性ガス供給ライン（３３１）と、前記排燃料ガスライン（３４３）に設けられた調整弁（３４７）と、前記調整弁（３４７）を制御して前記燃料電池（３１３）における前記空気極（１１３）の圧力と前記燃料極（１０９）の圧力との差圧を制御する制御装置（２０）と、を備え、前記排酸化性ガスライン（３３３）には、排酸化性ガス（Ａ３）を系外へ放出するベント系統が設けられていない。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、燃料電池（３１３）から排出された排燃料ガス（Ｌ３）と燃料電池（３１３）から排出された酸化性ガスをターボチャージャ（４１１）へ供給する場合に、排燃料ガスライン（３４３）に設けられた調整弁（３４７）を制御して燃料電池（３１３）における空気極（１１３）の圧力と燃料極（１０９）の圧力との差圧を制御することで、燃料電池（３１３）における燃料極（１０９）と空気極（１１３）との圧力差を適切に調整することが可能となる。
また、燃料電池（３１３）にガスタービン（４１１）（例えばマイクロガスタービン（４１１））を組み合わせた発電システムへ適用する場合には、マイクロガスタービン（４１１）の起動時や停止時などにマイクロガスタービンの状態の変化に応じて空気極（１１３）へ供給される酸化性ガスの圧力状態が変化するため、更には圧力の急変動により燃料極１０９と空気極１１３の差圧制御が不調となる可能性があるため、また、何らかの理由でトリップを発生した場合には、マイクロガスタービンの発電機が無負荷となり、マイクロガスタービンの保護対策が必要となる場合がある。そのため、排酸化性ガスライン（３３３）に対して酸化性ガスを大気放出するベント系統にベント弁を設ける必要があるが、燃料電池（３１３）にターボチャージャ（４１１）を適用し、調整弁（３４７）によって差圧が調整されることによって、酸化性ガスを大気放出するベント系統のベント弁を不要とすることが可能となる。このため、構成の簡略化やコスト抑制を図ることが可能となる。なお、ベント系統は、排酸化性ガスを運転中に系外へ放出する。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記排燃料ガスライン（３４３）及び前記排酸化性ガスライン（３３３）に接続され、排燃料ガス（Ｌ３）と排酸化性ガス（Ａ３）とを均圧化する均圧部（４６２）を備えることとしてもよい。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、排燃料ガスライン（３４３）及び排酸化性ガスライン（３３３）が共通した空間部分に接続され、排燃料ガス（Ｌ３）と排酸化性ガスとを均圧化する均圧部（４６２）となることによって、排燃料ガスライン（３４３）の出口と排酸化性ガスライン（３３３）の出口との圧力状態を等しくすることができる。このため、調整弁（３４７）によって空気極（１１３）と燃料極（１０９）との圧力差をより効率的に制御することが可能となる。また、この均圧部（４６２）で排燃料ガス（Ｌ３）と排酸化性ガスとを混合することもできるので、燃焼させるに好適となる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記均圧部（４６２）は、前記燃焼器（４２２）において、前記排燃料ガスと前記排酸化性ガスとが供給される共通した空間として設けられていることとしてもよい。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、燃焼器（４２２）において、排燃料ガスと排酸化性ガスとが供給される共通した空間として均圧部を設けることによって排燃料ガス（Ｌ３）と酸化性ガスとを均圧化して、あわせて該ガスどうしを混合することができる。燃焼器としては、具体的には触媒燃焼器を用いることができる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記燃焼器（４２２）は、前記均圧部（４６２）で前記排燃料ガス（Ｌ３）と前記排酸化性ガス（Ａ３）とを混合させ、燃焼触媒を用いた触媒燃焼部（４６１）で燃焼させることとしてもよい。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、燃焼器において均圧及び触媒燃焼を行うことができる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記排酸化性ガスライン（３３３）に設けられ、排酸化性ガス（Ａ３）に対して圧力損失を付加する圧損部（４４１）を備えることとしてもよい。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、排酸化性ガスライン（３３３）において酸化性ガスに対して圧力損失を付加する圧損部（例えばオリフィス等）を設けることで、調整弁（３４７）によってより効率的に差圧制御を行うことが可能となる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記排燃料ガスライン（３４３）に接続されており、排燃料ガス（Ｌ３）を大気放出する排燃料ガス放出ライン（３５０）と、前記排燃料ガス放出ライン（３５０）に設けられた遮断弁（３４６）と、を備えることとしてもよい。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、排燃料ガスライン（３４３）において燃料ガスを大気放出する排燃料ガス放出ライン（３５０）が設けられており、排燃料ガス放出ライン（３５０）に遮断弁（３４６）が設けられることによって、排燃料ガスライン（３４３）における燃料ガスの圧力が所定値以上に高くなる異常状態となった場合でも、遮断弁（３４６）により大気放出をすることが可能となる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記制御装置（２０）は、前記燃料極（１０９）の圧力が前記空気極（１１３）の圧力に対して所定値以上となった場合に、前記遮断弁（３４６）を開とすることとしてもよい。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、燃料極（１０９）の圧力が空気極（１１３）の圧力に対して所定値以上となった場合に、遮断弁（３４６）を開とすることにより、燃料極（１０９）の圧力を遮断弁（３４６）によって調整し、異常状態を抑制することができる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）は、前記酸化性ガス供給ライン（３３１）に接続されており、酸化性ガス（Ａ２）が流通可能なブローライン（４４４）と、前記ブローライン（４４４）に設けられた放出弁（４４５）と、を備え、前記制御装置（２０）は、前記空気極（１１３）の圧力が前記燃料極（１０９）の圧力に対して所定値以上となった場合に、前記放出弁（４４５）を開とすることとしてもよい。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）によれば、酸化性ガス供給ライン（３３１）に酸化性ガスが流通可能な酸化性ガスブローライン（４４４）が設けられ、酸化性ガスブローライン（４４４）に放出弁（４４５）が設けられている場合に、空気極（１１３）の圧力が燃料極（１０９）の圧力に対して所定値以上となった場合に放出弁（４４５）を開とすることで、燃料極（１０９）の圧力に対して空気極（１１３）の圧力が所定値以上に高くなり異常状態となることを抑制することができる。
本開示に係る燃料電池システム（３１０）の制御方法は、空気極（１１３）と燃料極（１０９）を有する燃料電池（３１３）と、タービン（４２３）及び圧縮機（４２１）を有するターボチャージャ（４１１）と、前記燃料電池（３１３）から排出された排燃料ガス（Ｌ３）を燃焼器（４２２）へ供給する排燃料ガスライン（３４３）と、前記燃料電池（３１３）から排出された排酸化性ガス（Ａ３）を前記燃焼器（４２２）へ供給する排酸化性ガスライン（３３３）と、前記燃焼器（４２２）から排出された燃焼ガス（Ｇ）を前記タービン（４２３）へ供給する燃焼ガス供給ライン（３２８）と、前記タービンの回転駆動により前記圧縮機（４２１）で圧縮した酸化性ガス（Ａ２）を前記空気極（１１３）へ供給する酸化性ガス供給ライン（３３１）と、前記排燃料ガスライン（３４３）に設けられた調整弁（３４７）と、を備え、前記排酸化性ガスライン（３３３）には、排酸化性ガス（Ａ３）を系外へ放出するベント系統が設けられていない燃料電池システム（３１０）の制御方法であって、前記調整弁（３４７）を制御して前記燃料電池（３１３）における前記空気極（１１３）の圧力と前記燃料極（１０９）の圧力との差圧を制御する。
１１ ：ＣＰＵ
１２ ：ＲＯＭ
１３ ：ＲＡＭ
１４ ：ハードディスクドライブ
１５ ：通信部
１８ ：バス
２０ ：制御装置
１０１ ：セルスタック
１０３ ：基体管
１０５ ：燃料電池セル
１０７ ：インターコネクタ
１０９ ：燃料極
１１１ ：固体電解質膜
１１３ ：空気極
１１５ ：リード膜
２０１ ：ＳＯＦＣモジュール
２０３ ：ＳＯＦＣカートリッジ
２０５ ：圧力容器
２０７ ：燃料ガス供給管
２０７ａ ：燃料ガス供給枝管
２０９ ：燃料ガス排出管
２０９ａ ：燃料ガス排出枝管
２１５ ：発電室
２１７ ：燃料ガス供給ヘッダ
２１９ ：燃料ガス排出ヘッダ
２２１ ：酸化性ガス供給ヘッダ
２２３ ：酸化性ガス排出ヘッダ
２２５ａ ：上部管板
２２５ｂ ：下部管板
２２７ａ ：上部断熱体
２２７ｂ ：下部断熱体
２２９ａ ：上部ケーシング
２２９ｂ ：下部ケーシング
２３１ａ ：燃料ガス供給孔
２３１ｂ ：燃料ガス排出孔
２３３ａ ：酸化性ガス供給孔
２３３ｂ ：酸化性ガス排出孔
２３５ａ ：酸化性ガス供給隙間
２３５ｂ ：酸化性ガス排出隙間
２３７ａ ：シール部材
２３７ｂ ：シール部材
３１０ ：燃料電池システム
３１３ ：ＳＯＦＣ（燃料電池）
３２５ ：空気取り込みライン
３２８ ：燃焼ガス供給ライン
３２９ ：燃焼排ガスライン
３３１ ：酸化性ガス供給ライン
３３２ ：熱交換器バイパスライン
３３３ ：排酸化性ガスライン
３３５ ：制御弁
３３６ ：制御弁
３４１ ：燃料ガスライン
３４２ ：制御弁
３４３ ：排燃料ガスライン
３４６ ：遮断弁
３４７ ：調整弁
３４８ ：再循環ブロワ
３４９ ：燃料ガス再循環ライン
３５０ ：排燃料ガス放出ライン
３５１ ：排空気冷却器
３５２ ：制御弁
３６１ ：純水供給ライン
３６２ ：ポンプ
３７０ ：差圧計
４１１ ：ターボチャージャ
４２１ ：圧縮機
４２２ ：触媒燃焼器（燃焼器）
４２３ ：タービン
４２４ ：回転軸
４３０ ：熱交換器
４４１ ：オリフィス（圧損部）
４４２ ：排熱回収装置
４４３ ：制御弁
４４４ ：酸化性ガスブローライン
４４５ ：放出弁（抽気ブロー弁）
４５１ ：制御弁
４５２ ：ブロワ
４５３ ：制御弁
４５４ ：起動用空気供給ライン
４５５ ：起動用空気加熱ライン
４５６ ：制御弁
４５７ ：制御弁
４５８ ：起動用加熱器
４５９ ：制御弁
４６０ ：制御弁
４６１ ：触媒燃焼部
４６２ ：均圧空間（均圧部）

Claims (8)

  1. 空気極と燃料極を有する燃料電池と、
    タービン及び圧縮機を有するターボチャージャと、
    前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼器へ供給する排燃料ガスラインと、
    前記燃料電池から排出された排酸化性ガスを前記燃焼器へ供給する排酸化性ガスラインと、
    前記燃焼器から排出された燃焼ガスを前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、
    前記タービンの回転駆動により前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、
    前記排燃料ガスラインに設けられた調整弁と、
    前記排酸化性ガスラインに設けられ、排酸化性ガスに対して圧力損失を付加する圧損部と、
    前記圧損部による圧力損失、及び前記調整弁の制御により、前記燃料電池における前記空気極の圧力と前記燃料極の圧力との差圧を制御する制御装置と、
    を備え、
    前記排酸化性ガスラインには、排酸化性ガスを系外へ放出するベント系統が設けられていない燃料電池システム。
  2. 前記排燃料ガスライン及び前記排酸化性ガスラインに接続され、排燃料ガスと排酸化性ガスとを均圧化する均圧部を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記均圧部は、前記燃焼器において、前記排燃料ガスと前記排酸化性ガスとが供給される共通した空間として設けられている請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃焼器は、前記均圧部で前記排燃料ガスと前記排酸化性ガスとを混合させ、燃焼触媒を用いた触媒燃焼部で燃焼させる請求項２に記載の燃料電池システム。
  5. 前記排燃料ガスラインに接続されており、排燃料ガスを大気放出する排燃料ガス放出ラインと、
    前記排燃料ガス放出ラインに設けられた遮断弁と、
    を備える請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記制御装置は、前記燃料極の圧力が前記空気極の圧力に対して所定値以上となった場合に、前記遮断弁を開とする請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記酸化性ガス供給ラインに接続されており、酸化性ガスが流通可能なブローラインと、
    前記ブローラインに設けられた放出弁と、
    を備え、
    前記制御装置は、前記空気極の圧力が前記燃料極の圧力に対して所定値以上となった場合に、前記放出弁を開とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 空気極と燃料極を有する燃料電池と、タービン及び圧縮機を有するターボチャージャと、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼器へ供給する排燃料ガスラインと、前記燃料電池から排出された排酸化性ガスを前記燃焼器へ供給する排酸化性ガスラインと、前記燃焼器から排出された燃焼ガスを前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、前記タービンの回転駆動により前記圧縮機で圧縮した酸化性ガスを前記空気極へ供給する酸化性ガス供給ラインと、前記排燃料ガスラインに設けられた調整弁と、前記排酸化性ガスラインに設けられ、排酸化性ガスに対して圧力損失を付加する圧損部と、を備え、前記排酸化性ガスラインには、排酸化性ガスを系外へ放出するベント系統が設けられていない燃料電池システムの制御方法であって、
    前記圧損部による圧力損失、及び前記調整弁の制御により、前記燃料電池における前記空気極の圧力と前記燃料極の圧力との差圧を制御する制御方法。
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