JP6993489B1 - 燃料電池発電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料ガスの流れに対して直列（カスケード）に接続された複数の燃料電池モジュールを備える燃料電池発電システムにおいて、動作状態が安定であり、且つ、良好なシステム効率を実現する。【解決手段】燃料電池発電モジュールは、第１燃料電池モジュールと、第１燃料電池モジュールから排出される第１排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池モジュールとを備える。第２燃料電池モジュールから排出される第２排燃料ガスが流れる第２排燃料ガスラインから第１再循環ラインが再循環し、第２排燃料ガスを第２燃料電池モジュールの燃料側電極に供給するように構成される。【選択図】図４

Description

本開示は、燃料電池発電システムに関する。
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：ＳＯＦＣ）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。
この種の燃料電池を利用した燃料電池発電システムの一例として、特許文献１がある。特許文献１では、燃料ガスの流路に対して複数の燃料電池モジュールをカスケード接続することにより、各燃料電池モジュールにおける供給燃料の利用率が改善され、システム効率を向上させることができる。
特許第３９２４２４３号公報
上記特許文献１のように複数の燃料電池モジュールをカスケード接続した燃料電池発電システムでは、前段の燃料電池モジュールから排出される排燃料ガスが後段の燃料電池モジュールで利用される。そのため、後段の燃料電池モジュールに供給される排燃料ガスは、前段の燃料電池モジュールに供給される燃料ガスに比べて燃料成分濃度が減少する。その結果、後段の燃料電池モジュールでは前段の燃料電池モジュールに比べて出力が抑制され発電に伴う発熱量が小さくなった結果、燃料電池モジュールを適正に運用するための温度を維持することが困難になる場合がある。このような状況は、特に部分負荷運転時やシステム要求負荷が変化する過渡運転時に生じやすく、システム安定性が損なわれるおそれがある。
また各燃料電池モジュールでは、燃料ガスに含まれるメタン成分を水蒸気を利用して改質して発電反応に使用するが、後段の燃料電池モジュールには前段の燃料電池モジュールからの排燃料ガスが供給されるため、前段の燃料電池モジュールの発電状態によっては改質に必要な水蒸気を十分に得られないおそれがある。上記特許文献１では、前段の燃料電池モジュールからの排燃料ガスに含まれる水蒸気に基づいて、後段の燃料電池モジュールに対して追加供給される燃料ガス量を決定することで排燃料ガスのＳ／Ｃ（水蒸気／燃料成分の比率）を制御しているが、前段の燃料電池モジュールの発電状態（負荷率や燃料利用率など）によって排燃料ガスに含まれる水分量が異なるため、特にシステム要求負荷が変化する過渡時に適切なＳ／Ｃを維持することが難しい。
本開示の少なくとも一態様は上述の事情に鑑みなされたものであり、燃料ガスの流れに対して直列（カスケード）に接続された複数の燃料電池モジュールを備える燃料電池発電システムにおいて、動作状態が安定であり、且つ、良好なシステム効率を実現可能な燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
本開示の少なくとも一態様は、上記課題を解決するために、
燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池モジュールと、
前記第１燃料電池モジュールから排出される第１排燃料ガスが流れる第１排燃料ガスラインと、
前記第１排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池モジュールと、
前記第２燃料電池モジュールから排出される第２排燃料ガスが流れる第２排燃料ガスラインと、
前記第２排燃料ガスを前記第２燃料電池モジュールの燃料側電極に供給するために、前記第２排燃料ガスラインから再循環する第１再循環ラインと、
を備える。
本開示の少なくとも一態様によれば、燃料ガスの流れに対して直列（カスケード）に接続された複数の燃料電池モジュールを備える燃料電池発電システムにおいて、動作状態が安定であり、且つ、良好なシステム効率を実現可能な燃料電池発電システムを提供できる。
一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの概略図である。 一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを構成するＳＯＦＣカートリッジの概略的な断面図である。 一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを構成するセルスタックの概略的な断面図である。 一実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。 他の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。 図４に示す燃料電池発電システムに対するシステム要求負荷Ｌｓと発電出力値との関係を示す図である。 システム要求負荷が定格負荷(１００％)である場合における図４の燃料電池発電システムの動作状態を示す図である。 システム要求負荷が最低負荷(例えば２０％の場合)である場合における図４の燃料電池発電システムの動作状態を示す図である。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
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。
以下において、燃料電池発電システムを構成する燃料電池として固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ， ＳＯＦＣ）を採用した実施形態について説明するが、幾つかの実施形態では、燃料電池発電システムを構成する燃料電池として、ＳＯＦＣ以外のタイプの燃料電池（例えば溶融炭酸塩型燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ－ｃａｒｂｏｎａｔｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌｓ， ＭＣＦＣ）等）を採用してもよい。
（燃料電池モジュールの構成）
まず、図１～図３を参照して、幾つかの実施形態に係る燃料電池発電システムを構成する燃料電池モジュールについて説明する。図１は、一実施形態に係るＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）の概略図である。図２は、一実施形態に係るＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）を構成するＳＯＦＣカートリッジ（燃料電池カートリッジ）の概略的な断面図である。図３は、一実施形態に係るＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）を構成するセルスタックの概略的な断面図である。
ＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）２１０は、図１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１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、燃料電池モジュール２１０は、燃料ガス供給管２０７と、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａ、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、燃料電池モジュール２１０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、燃料電池モジュール２１０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（不図示）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に再循環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２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。
尚、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２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（例えば熱電対等の温度センサ）で監視され、燃料電池モジュール２１０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。
燃料電池モジュール２１０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再循環して、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（支持体）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（支持体）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なるが、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、金属材料からなる上部管板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なるが、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、金属材料からなる下部管板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、燃料電池モジュール２１０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。
図３に示すように、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、燃料側電極１０９と固体電解質膜（電解質）１１１と酸素側電極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の酸素側電極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の燃料側電極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側電極１０９に拡散させるものである。
燃料側電極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。燃料側電極１０９の厚さは５０μｍ～２５０μｍであり、燃料側電極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、燃料側電極１０９は、燃料側電極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、燃料側電極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側電極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、酸素側電極で生成される酸素イオン（Ｏ２－）を燃料側電極に移動させるものである。燃料側電極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。
酸素側電極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成され、酸素側電極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。この酸素側電極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。
酸素側電極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側の酸素側電極層（酸素側電極中間層）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。酸素側電極中間層上の酸素側電極層（酸素側電極導電層）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の酸素側電極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料側電極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るものである。
幾つかの実施形態では、上述のように燃料側電極又は酸素側電極と基体管を別々に設けるのではなく、燃料側電極又は酸素側電極を厚く形成して基体管を兼用するようにしてもよい。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。
（燃料電池発電システムの構成）
次に、上記構成を有する燃料電池モジュール２１０を利用した燃料電池発電システム１について説明する。図４は、一実施形態に係る燃料電池発電システム１の概略構成図である。
図４に示すように、燃料電池発電システム１は、第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂを含む燃料電池部１０と、燃料電池部１０に燃料ガスＧｆを供給するための燃料ガス供給ライン２０と、第１燃料電池モジュール２１０Ａから排出される第１排燃料ガスＧｅｆ１が流れる第１排燃料ガスライン２２Ａと、第２燃料電池モジュール２１０Ｂから排出される第２排燃料ガスＧｅｆ２が流れる第２排燃料ガスライン２２Ｂと、燃料電池部１０に酸化性ガスＧｏを供給するための酸化性ガス供給ライン４０と、第１燃料電池モジュール２１０Ａから排出される第１排酸化性ガスＧｅｏ１が流れる第１排酸化性ガスライン４２Ａと、第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排酸化性ガスＧｅｏ２が流れる第２排酸化性ガスライン４２Ｂと、を備える。
尚、酸化性ガス供給ライン４０には、燃料電池部１０に供給される酸化性ガスＧｏを昇圧するための昇圧機（不図示）が設けられていてもよい。昇圧機は、例えば圧縮機又は再循環ブロワである。
第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂは、前述したように１以上の燃料電池カートリッジ２０３を備えており、燃料電池カートリッジ２０３は、複数の燃料電池セル１０５をそれぞれ含む複数のセルスタック１０１により構成されている（図１及び図２を参照）。燃料電池セル１０５の各々は、燃料側電極１０９、固体電解質膜１１１及び酸素側電極１１３を含む（図３を参照）。
図４では、燃料電池部１０は、燃料ガス供給ライン２０に対して第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂが直列（カスケード）接続されることにより、前段の第１燃料電池モジュール２１０Ａから排出された第１排燃料ガスＧｅｆ１が、第１排燃料ガスライン２２Ａを介して、後段の第２燃料電池モジュール２１０Ｂに供給されるように構成される。また、第１排燃料ガスライン２２Ａを流れる第１排燃料ガスＧｅｆ１の一部は第１再循環ガス再循環ブロワ２８Ａにより第２再循環ライン２４Ａを介して第１燃料電池モジュール２１０Ａの燃料ガス入口に供給される。後段の第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排燃料ガスＧｅｆ２は、第２排燃料ガスライン２２Ｂを介して外部に排出される。また、第２排燃料ガスライン２２Ｂを流れる第２排燃料ガスＧｅｆ２の一部は第２再循環ガス再循環ブロワ２８Ｂにより第１再循環ライン２４Ｂを介して第２燃料電池モジュール２１０Ｂの燃料ガスガス入口に供給されてもよい。
尚、本実施形態では、燃料ガス供給ライン２０に対して２つの燃料電池モジュールが直列（カスケード）接続された場合を例示しているが、直列（カスケード）接続される燃料電池モジュールの数は任意（３以上）でもよい。
また図４では、第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂは、酸化性ガス供給ライン４０に対して並列（パラレル）接続された場合が例示されている。すなわち、前段の第１燃料電池モジュール２１０Ａと後段の第２燃料電池モジュール２１０Ｂには、上流側で分岐した酸化剤ガス供給ライン４２Ａ、４２Ｂから空気が個別に供給されるように構成される。前段の第１燃料電池２１０Ａからの第１排酸化性ガスＧｅｏ１は第１排酸化性ガスライン４２Ｃを介して、後段の第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排酸化性ガスＧｅｏ２は、第２排酸化性ガスライン４２Ｄを介して外部に排出される。
他の実施形態では、酸化性ガス供給ライン４０は、燃料電池部１０を構成する第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂに直列(カスケード)接続されていてもよい。すなわち、第１燃料電池モジュール２１０Ａからの第１排酸化性ガスＧｅｏ１の一部または全てが第２燃料電池モジュール２１０Ｂに供給されてもよい。
尚、燃料ガス供給ライン２０は図１に示す燃料ガス供給管２０７に対応し、第１排燃料ガスライン２２Ａは図１に示す燃料ガス排出管２０９に接続される。また第２排燃料ガスライン２２Ｂは図１に示す第２燃料電池モジュールの燃料ガス排出管２０９に接続される。
尚、酸化性ガス供給ライン４２Ａ、４２Ｂは図１で不図示の酸化性ガス供給管に対応し、第１排酸化性ガスライン４２Ｃは図１で不図示の酸化性ガス排出管に接続される。また第２排酸化性ガスライン４２Ｄは図１で不図示の酸化性ガス排出管に対応する。
燃料電池発電システム１は、第２排燃料ガスライン２２Ｂから再循環する第１再循環ライン２４Ｂを備える。第１再循環ライン２４Ｂは、第１排燃料ガスライン２２Ａに接続されており、第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排燃料ガスＧｅｆ２を、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの上流側に供給可能に構成される（つまり、第１再循環ライン２４Ｂは、第２排燃料ガスＧｅｆ２を第２燃料電池モジュール２１０Ｂに循環供給可能に構成される）。
これにより、前段の第１燃料電池モジュール２１０Ａの動作状態に関わらず、第１再循環ライン２４Ｂを介した第２排燃料ガスＧｅｆ２からのリサイクル供給量を調整することで、第２燃料電池モジュール２１０Ｂに供給される燃料ガスの改質に必要な水蒸気を適切に確保できる。これにより、第１燃料電池モジュール２１０Ａの動作状態に関わらず、システム要求負荷Ｌｓが変化した場合においても第２燃料電池モジュール２１０Ｂの動作状態を安定化できる。
尚、第１再循環ライン２４Ｂには、第１再循環ライン２４Ｂを流れる第２排燃料ガスＧｅｆ２の流量を調整するためのバルブが設けられてもよい。この場合、当該バルブの開度は後述の制御装置３８０によって制御可能である。
また燃料電池発電システム１は、第１排燃料ガスライン２２Ａから再循環する第２再循環ライン２４Ａを備える。第２再循環ライン２４Ａは、燃料ガス供給ライン２０に接続されており、第１燃料電池モジュール２１０Ａからの第１排燃料ガスＧｅｆ１を、第１燃料電池モジュール２１０Ａの上流側に供給可能に構成される（つまり、第２再循環ライン２４Ａああは、第１排燃料ガスＧｅｆ１を第１燃料電池モジュール２１０Ａに循環供給可能に構成される）。これにより、第２再循環ライン２４Ａを介した第１排燃料ガスＧｅｆ１の供給量を調整することで、第１燃料電池モジュール２１０Ａにおいて、燃料ガスの改質に必要な水分を適切に確保できる。
尚、第２再循環ライン２４Ａには、第２再循環ライン２４Ａを流れる第１排燃料ガスＧｅｆ１の流量を調整するためのバルブが設けられてもよい。この場合、当該バルブの開度は後述の制御装置３８０によって制御可能である。
第１再循環ライン２４Ｂとの第１合流部２６Ａは、第１排燃料ガスライン２２Ａのうち、第２再循環ライン２４Ａの第２分岐部２６Ｂより上流に設けられる。これにより第１燃料電池モジュール２１０Ａが非発電(ホットスタンバイ)状態においても第２燃料電池モジュール２１０Ｂの発電により発生した水蒸気を第１燃料電池モジュール２０１Ａへ供給することが可能となる。
図５は他の実施形態に係る燃料電池発電システム１の概略構成図である。尚、図５では、特段の記載がない限りにおいて、図４に対応する構成には共通の符号を付しており、重複する説明は適宜省略することとする。
図５に示すように、他の実施形態では、第１排燃料ガスライン２２Ａのうち、第１再循環ライン２４Ｂとの第１合流部２６Ａ、第２再循環ライン２４Ａの第２分岐部２６Ｂとの間には、再循環ブロワ２８を設けてもよい。再循環ブロワ２８は、第２分岐部２６Ｂより上流側に設けられることで、第２再循環ライン２４Ａを介して第１燃料電池モジュール２１０Ａに対して第１排燃料ガスＧｅｆ１の循環供給を行う。また再循環ブロワ２８は、第１合流部２６Ａより下流側に設けられることで、第１再循環ライン２４Ｂに対して負圧を印加し、第１再循環ライン２４Ｂを介した第２排燃料ガスＧｅｆ２の第２燃料電池モジュール２１０Ｂに対する循環供給を行う。このように第１排燃料ガスライン２２Ａに設けられた１台の再循環ブロワ２８によって、前述した第１再循環ライン２４Ｂ及び第２再循環ライン２４Ａを介した第２燃料電池モジュール２１０Ｂ及び第１燃料電池モジュール２１０Ａにおける燃料ガスの循環供給を実現できる（すなわち第１再循環ライン２４Ｂ及び第２再循環ライン２４Ａにそれぞれ再循環ブロワを配置する場合に比べて、再循環ブロワの台数を削減しシステム構成を簡略化できる）。
また燃料電池発電システム１は、第２排燃料ガスＧｅｆ２を第１燃料電池モジュール２１０Ａの酸化性ガス供給ライン４２Ａに供給可能なように第２排燃料ガスライン２２Ｂと酸化性ガス供給ライン４２Ａとを接続する第２排燃料ガス供給ライン２４Ｃを備える。燃料電池セルの酸素側電極１１３は、燃料成分と酸素との触媒燃焼反応における触媒として作用する機能を有する。上述の実施形態によれば、第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排燃料ガスＧｅｆ２を、第１燃料電池モジュール２１０Ａの酸素側電極１１３に供給するようにしたので、排燃料ガスに含まれる未利用燃料成分を酸素側電極１１３の触媒作用を利用して適切に燃焼させ第１燃料電池モジュールが非発電(ホットスタンバイ)状態においても所定の温度を維持することができる。
上記についてさらに詳細に説明する。固体酸化物形燃料電池では運用中の発電室２１５の温度は６００～１０００℃程度の高温であり、その高温状態は発電に伴う発熱により自律的に維持されるが、例えばシステム要求負荷Ｌｓが減少することにより非発電(ホットスタンバイ)状態になると、発電反応の停止に伴い温度が低下してしまう。そのため、システム要求負荷Ｌｓが再び増加して発電を再開する場合には、発電室２１５を発電可能な温度まで昇温しなければならず、システム要求負荷Ｌｓの変化に対して迅速な追従が難しくなる。
このような課題に対して、本実施形態では、第１燃料電池モジュール２１０Ａが非発電（ホットスタンバイ）状態にある場合においても、第２排燃料ガス供給ライン２４Ｃを介して、第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排燃料ガスＧｅｆ２を第１燃料電池モジュール２１０Ａの酸素側電極１１３に供給して燃焼させることで、第１燃料電池モジュール２１０Ａの発電室２１５を発電に必要な温度に維持することができる。これにより、非発電（ホットスタンバイ）状態にある第１燃料電池モジュール２１０Ａを迅速に発電状態に切り替えることができ、良好な負荷応答性能が得られる。また、このような非発電（ホットスタンバイ）状態の温度維持は、第１燃料電池モジュール２１０Ａに対して外部から余分な燃料ガスを追加することなく行うことができるため、エネルギ消費を抑え、システム要求負荷が低下した場合のシステム発電効率の向上に有効である。
尚、非発電（ホットスタンバイ）状態における発電室２１５の温度は、例えば６００～９００℃程度である。
尚、第２排燃料ガス供給ライン２４Ｃを介した第２排燃料ガスＧｅｆ２の第１燃料電池モジュール２１０Ａへの供給は、上述のような第１燃料電池モジュール２１０Ａを非発電（ホットスタンバイ）状態に維持する場合に加えて、第２排燃料ガスＧｅｆ２に含まれる未利用燃料成分(水素、ＣＯ、メタンなど)を外部に排出しないために、第１燃料電池モジュール２１０Ａで燃焼消費させる場合に行われてもよい。この場合、第２排燃料ガスＧｅｆ２に含まれる未利用燃料成分を処理するための排ガス処理装置を簡略化することが可能な点で有利である。
また第３再循環ライン２４Ｃには、第３再循環ライン２４Ｃを流れる第２排燃料ガスＧｅｆ２の流量を調整するためのバルブが設けられていてもよい。この場合、当該バルブの開度は後述の制御装置３８０によって制御可能である。
また燃料電池発電システム１は、第２排燃料ガスＧｅｆ２を第２燃料電池モジュール２１０Ｂの酸化性ガス供給ライン４２Ｂに供給可能なように第２排燃料ガスライン２２Ｂと酸化性ガス供給ライン４２Ｂを接続する第２排燃料ガス供給ライン２４Ｄをさらに備える。燃料電池セルの酸素側電極１１３は、燃料成分と酸素との触媒燃焼反応における触媒として作用する構造を有することがある。上述の実施形態によれば、第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排燃料ガスＧｅｆ２を、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの酸素側電極１１３に供給するようにしたので、排燃料ガスに含まれる未利用燃料成分を酸素側電極１１３の触媒作用を利用して適切に燃焼させ第２燃料電池モジュールが非発電(ホットスタンバイ)あるいは最低負荷運転状態においても所定の温度を維持することができる。
本実施形態では、第２燃料電池モジュール２１０Ｂが非発電（ホットスタンバイ）あるいは最低負荷運転状態にある場合においても、第２排燃料ガス供給ライン２４Ｄを介して、第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排燃料ガスＧｅｆ２を第２燃料電池モジュール２１０Ｂの酸素側電極１１３に供給して燃焼させることで、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの発電室２１５を発電に必要な温度に維持することができる。これにより、非発電(ホットスタンバイ)状態にある第２燃料電池モジュール２１０Ｂを迅速に発電状態に切り替えることができ、良好な負荷応答性能が得られる。また、このような非発電(ホットスタンバイ)あるいは最低負荷状態の温度維持は、第２燃料電池モジュール２１０Ａに対して外部から余分な燃料ガスを追加することなく行うことができるため、燃料消費を抑え、システム要求負荷が低下した場合のシステム発電効率の向上に有効である。
また第２排燃料ガス供給ライン２４Ｄには、第２排燃料ガス供給ライン２４Ｄを流れる第２排燃料ガスＧｅｆ２の流量を調整するためのバルブが設けられていてもよい。この場合、当該バルブの開度は後述の制御装置３８０によって制御可能である。
また燃料電池発電システム１は、燃料電池発電システム１の各構成を制御するための制御装置３８０を備える。制御装置３８０は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ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、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭ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。
ここで図６～図８を参照して、制御装置３８０による燃料電池発電システム１の制御内容について説明する。尚、本制御内容は実施例の一つを示すものであり制御方法を規定するものではない。
図６は図４に示す燃料電池発電システム１に対するシステム要求負荷Ｌｓと発電出力値との関係を示す図である。図７はシステム要求負荷Ｌｓが１００％である場合における図４の燃料電池発電システム１の動作状態を示す図である。図８はシステム要求負荷Ｌｓが２０％である場合における図４の燃料電池発電システム１の動作状態を示す図である。
図６では、燃料電池発電システム１のシステム全体の発電出力値Ｐ、第１燃料電池モジュール２１０Ａの発電出力値ＰＡ、及び、第２燃料電池モジュールの発電出力値ＰＢが、システム全体の定格出力に対するそれぞれの割合で示されている。
制御装置３８０は、システム要求負荷Ｌｓに基づいて、第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂをそれぞれ制御する。システム要求負荷Ｌｓは、燃料電池発電システム１の外部から指令され、燃料電池発電システム１に対する電力需要に基づいて変動するパラメータである。例えば、燃料電池発電システム１の電力供給先である電力系統に接続されている他の発電システム（再生エネルギ発電システム）の発電状況や、電力系統に対する電力需要に応じて、システム要求負荷Ｌｓは変化する。制御装置３８０は、このようなシステム要求負荷Ｌｓに基づいて、第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂの動作状態をそれぞれ制御することにより、システム要求負荷Ｌｓに対応するように、システム全体の発電出力値Ｐを調整する。
ここで一般的な燃料電池のカスケード発電システムでは、システム要求負荷Ｌｓに応じた燃料が第１燃料電池モジュール２１０Ａに供給され、第２燃料電池モジール２１０Ｂでは第一燃料電池モジュール２１０Ａから排出される第一排燃料ガスＧｅｆ１に含まれる未利用燃料に応じた発電を行う。このため、第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂによる発電出力の割合はシステム要求負荷Ｌｓによらずほぼ一定となる。例えば、第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂの定格出力値の比率が８：２である場合、システム要求負荷Ｌｓの８０％が第１燃料電池モジュール２１０Ａに分配され、残りの２０％が第２燃料電池モジュール２１０Ｂに分配される。
これに対して本実施形態では、制御装置３８０は、図６に示すように、第１燃料電池モジュール２１０Ａの出力ＰＡをシステム要求負荷Ｌｓに応じて可変制御するが、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの出力ＰＢは予め設定されたほぼ一定出力となるよう制御する。つまり、後段の第２燃料電池モジュール２１０Ｂの発電出力値ＰＢは、システム要求負荷Ｌｓに関わらず略一定目標値に制御され、システム要求負荷Ｌｓの変化に対しては、前段の第１燃料電池モジュール２１０Ａの動作状態を制御することで対応する。このように、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの発電出力値ＰＢをシステム要求負荷Ｌｓに関わらず略一定に制御することで、システム要求負荷Ｌｓが変化した場合においても、定格出力が第１燃料電池モジュールに対して小さい後段の第２燃料電池モジュール２１０Ｂはほぼ一定の出力で発電し発電室温度を維持することでシステム要求負荷Ｌｓの影響を最小限とし、システムの負荷応答性能を改善できる。
第２燃料電池モジュール２１０Ｂの発電出力値ＰＢの一定目標値は、例えば、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの定格出力値に設定される。これにより、第２燃料電池モジュール２１０Ｂでは、システム要求負荷Ｌｓに関わらず、定格運転がなされるため、効率のよい発電が可能となる。これにより、システム要求負荷Ｌｓが変化した場合においても、後段の第２燃料電池モジュール２１０Ｂの動作状態を安定化しつつ、良好なシステム効率を実現できる。
本実施形態では、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの定格出力値は、第１燃料電池モジュール２１０Ａの定格出力値より小さい。そのため、第２燃料電池モジュール２１０Ｂは第１燃料電池モジュール２１０Ａより発電に伴う発熱量が少なくまた第１燃料電池モジュール２１０Ａに比べ熱容量が小さいため、システム要求負荷Ｌｓに対して発電室温度を常に適正温度に維持することが難しいが、前述のように、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの発電出力値ＰＢを一定目標値になるように制御することで適正温度への維持が容易になり、システム要求負荷Ｌｓが変化したり、部分負荷運転時においても安定したシステム運転が可能となる。
図７及び図８では、一例として燃料電池発電システム１の全体定格出力値が１００ｋＷであり、第１燃料電池モジュール２１０Ａの定格出力値は８０ｋＷであり、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの定格出力値は２０ｋＷである場合が示されている。図７に示すように、システム要求負荷Ｌｓが１００％（すなわち、１００ｋＷ）である場合、燃料ガス供給ライン２０を流れる燃料ガスＧｆを１００とすると、前段の第１燃料電池モジュール２１０Ａでは、燃料利用率Ｕｆ＝８０％として燃料ガスＧｆの８０％が消費され、残りの２０％が第１排燃料ガスＧｅｆ１として排出される。第１排燃料ガスＧｅｆ１は、後段の第２燃料電池モジュール２１０Ｂに供給される。第２燃料電池モジュール２１０Ｂでは、燃料利用率Ｕｆ＝５０％として第１排燃料ガスＧｅｆ１の５０％が消費され、残りの１０％が第２排燃料ガスＧｅｆ２として排出され、システム全体の燃料利用率は９０％となる。
尚、この１０％の第２排燃料ガスＧｅｆ２は、そのまま外部に排出されてもよいが、図７では、第２排燃料ガス供給ライン２４Ｃを介して、第１燃料電池モジュール２１０Ａの酸化性ガス供給ライン４２Ａ供給することで、第２排燃料ガスＧｅｆ２に含まれる未利用燃料成分を燃焼させた後、外部に排出されている。
また制御装置３８０は、システム要求負荷Ｌｓが第２燃料電池モジュール２１０Ｂの定格出力値以下である場合（例えば燃料電池発電システム１の電力供給先である電力系統に接続された再生エネルギ発電システムによる余剰電力発生時や、電力需要が低減する夜間時など）、第１燃料電池モジュール２１０Ａの出力を投入燃料によるカーボン析出を抑制するのに必要な最低負荷運転まで低減することができる。この場合、第１燃料電池モジュール２１０Ａの温度維持は、上述したように、第１燃料電池モジュール２１０Ａの酸素側電極１１３に対して、第２排燃料ガス供給ライン２４Ｃを介して第２排燃料ガスＧｅｆ２を供給して燃焼させることで実現される。第１燃料電池モジュール２１０Ａの最低負荷運転状態では、改質用蒸気を定格負荷で運転している第２燃料電池モジュール２１０Ｂの排燃料ガス中に含まれる水蒸気を再循環ブロワ２８で第１燃料電池モジュール２１０Ａの燃料供給ライン２０に供給することでより低負荷もしくは無負荷での運転が可能となる。この場合も燃料電池の動作に必要な温度、又は、それに近い温度に第１燃料電池モジュール２１０Ａが維持されるため、将来的にシステム要求負荷Ｌｓが増加した際に、第１燃料電池モジュール２１０Ａによる発電を再開し、第１燃料電池モジュール２１０Ａの起動停止に伴うエネルギ消費を回避しつつ、良好な負荷追従性が得られる。
図８では、部分負荷運転の一例としてシステム要求負荷Ｌｓを２０％とし第１燃料電池モジュール２１０Ａが無負荷運転(ホットスタンバイ)状態及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂの定格出力値である２０ｋＷの場合における、燃料電池発電システム１の動作状態が示されている。この場合、燃料ガス供給ライン２０を流れる燃料ガスＧｆを２０とすると、前段の第１燃料電池モジュール２１０Ａは無負荷運転(ホットスタンバイ)状態に制御され、カーボン析出防止に必要な水蒸気は第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排燃料ガスＧｅｆ２を第１再循環ガスライン２４Ｂ及び第２再循環ガスライン２４Ｂを介して供給される。第２燃料電池モジュール２１０Ｂでは、燃料利用率Ｕｆ＝８０％として第１燃料電池へ供給される燃料ガスＧｆの８０％が消費され、システム要求負荷Ｌｓの定格時を１００とした場合、４％相当の燃料が第２排燃料ガスＧｅｆ２として排出される。この４％の第２排燃料ガスＧｅｆ２は、第２排燃料ガス供給ライン２４Ｃを介して第１燃料電池モジュール２１０Ａの酸素側電極１１３に供給されることで、第１燃料電池モジュール２１０Ａの無負荷運転（ホットスタンバイ）状態の温度維持に利用される。
また制御装置３８０は、システム要求負荷Ｌｓが第２燃料電池モジュール２１０Ｂの定格出力値未満に低下した場合（例えば燃料電池発電システム１の電力供給先である電力系統に接続された再生エネルギ発電システムによる余剰電力発生時や、電力需要が低減する夜間時など）、第１燃料電池モジュール２１０Ａに加えて第２燃料電池モジュール２１０Ｂをさらに低負荷運転状態になるように制御してもよい。このとき第１燃料電池モジュール２１０Ａは無負荷運転(ホットスタンバイ)状態、第２燃料電池モジュール２１０Ｂは低負荷運転状態に制御される。第１燃料電池モジュール２１０Ａの無負荷運転(ホットスタンバイ)状態は、上述したように、第１燃料電池モジュール２１０Ａの酸素側電極１１３に対して、第２排燃料ガス供給ライン２４Ｃを介して第２排燃料ガスＧｅｆ２を供給して燃焼させることで実現される。また第２燃料電池モジュール２１０Ｂの低負荷運転状態は、上述したように、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの酸素側電極１１３に対して、第４再循環ライン２４Ｄを介して第２排燃料ガスＧｅｆ２を供給して燃焼させることで実現される。
低負荷運転状態では、第２燃料電池モジュール２１０Ｂで発電によりカーボン析出防止に必要な水蒸気の供給を行い、燃料電池の動作に必要な温度、又は、それに近い温度に燃料電池モジュールが維持しており、燃料供給系統や燃料再循環系統は運転を継続するため、将来的にシステム要求負荷が増加した際に、短時間で各燃料電池モジュールによる発電を再開し、燃料電池モジュールの起動停止に伴うエネルギ消費を回避しつつ、良好な負荷追従性が得られる。
このように第１燃料電池モジュール２１０Ａは無負荷運転(ホットスタンバイ)状態、第２燃料電池モジュール２１０Ｂは低負荷運転状態に制御される場合、制御装置３８０は、燃料電池発電システム１が無負荷運転(ホットスタンバイ)状態を維持するための所内電力を発電するように第２燃料電池モジュール２１０Ｂを制御してもよい。この場合、第２燃料電池モジュール２１０Ｂは燃料電池発電システム１が無負荷運転(ホットスタンバイ)状態または自らの最低負荷運転状態を維持するために必要な所内電力を発生するように最小限の発電が行われる。これにより、将来的にシステム要求負荷Ｌｓが増加した際に、各燃料電池モジュールで速やかに発電を再開することができ、燃料電池モジュールの起動停止に伴うエネルギ消費を回避しつつ、良好な負荷追従性が得られる。
また、システム全体を外部(系統)からの電力の供給を受けることなく最小限の燃料で常時発電可能な状態に保持するが可能となり独立電源としての運用性が改善される。
以上説明したように上記各実施形態によれば、燃料ガスの流れに対して直列（カスケード）に接続された複数の燃料電池モジュールを備える燃料電池発電システム１において、動作状態が安定であり、且つ、良好な負荷追従性とシステム効率を実現可能な燃料電池発電システム１を提供できる。
上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
（１）一態様に係る燃料電池発電システムは、
燃料ガス（例えば上記実施形態の燃料ガスＧｆ１）を用いて発電可能な第１燃料電池モジュール（例えば上記実施形態の第１燃料電池モジュール２１０Ａ）と、
前記第１燃料電池モジュールから排出される第１排燃料ガス（例えば上記実施形態の第１排燃料ガスＧｅｆ１）が流れる第１排燃料ガスライン（例えば上記実施形態の第１排燃料ガスライン２２Ａ）と、
前記第１排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池モジュール（例えば上記実施形態の第２燃料電池モジュール２１０Ｂ）と、
前記第２燃料電池モジュールから排出される第２排燃料ガス（例えば上記実施形態の第２排燃料ガスＧｅｆ２）が流れる第２排燃料ガスライン（例えば上記実施形態の第２排燃料ガスライン２２Ｂ）と、
前記第２排燃料ガスを前記第２燃料電池モジュールの燃料側電極に供給するために、前記第２排燃料ガスラインから再循環する第１再循環ライン（例えば上記実施形態の第１再循環ライン２４Ｂ）と、
を備える。
上記（１）の態様によれば、第１燃料電池モジュール及び第２燃料電池モジュールが、燃料ガスの流れに対して直列（カスケード）に接続された燃料電池発電システムにおいて、第２燃料電池モジュールから排出される第２排燃料ガスが、第１再循環ラインを介して、第２燃料電池モジュールの燃料側電極に供給可能に構成される。これにより、第１燃料電池モジュールの動作状態に関わらず、第１再循環ラインを介した第２排燃料ガスの供給量を調整することで、第２燃料電池モジュールにおいて、燃料ガスの改質に必要な水分を適切に確保できる。これにより、第１燃料電池モジュールの動作状態に関わらず、システム要求負荷が変化した場合においても第２燃料電池モジュールの動作状態を安定化できる。
（２）他の態様では、上記（１）の態様において、
前記第１排燃料ガスを前記第１燃料電池モジュールの燃料側電極に供給するために、前記第１排燃料ガスラインから再循環する第２再循環ラインを更に備え、
前記第１再循環ラインは、前記第１排燃料ガスラインに対して前記第２再循環ラインの分岐部より上流で合流するように接続される。
上記（２）の態様によれば、第１燃料電池モジュールが非発電(ホットスタンバイ)状態においても第２燃料電池モジュールの発電により発生した水蒸気を第１燃料電池モジュールへ供給することが可能となる。
（３）他の態様では、上記（２）の態様において、
前記第１再循環ライン及び前記第２再循環ラインにはそれぞれ再循環ブロワが設けられている。
上記（３）の態様によれば、第１再循環ライン及び前記第２再循環ラインにおける循環量を独立的に制御できる。
（４）他の態様では、上記（２）の態様において、
前記第１排燃料ガスラインのうち、前記第１再循環ラインとの第１合流部（例えば上記実施形態の第１合流部２６Ａ）と前記第２再循環ラインとの第２分岐部（例えば上記実施形態の第２分岐部２６Ｂ）との間に、前記第１排燃料ガスを圧送するための再循環ブロワ（例えば上記実施形態の再循環ブロワ２８）が設けられる。
上記（４）の態様によれば、第１排燃料ガスラインの上記位置に再循環ブロワを設けることで、第１燃料電池モジュールの燃料側電極に対する第２再循環ラインを介した第２排燃料ガスの供給、及び、第２燃料電池モジュールの燃料側電極に対する第１再循環ラインを介した第２排燃料ガスの供給を行うことができる。
（５）他の態様では、上記（１）から（４）のいずれか一態様において、
システム要求負荷（例えば上記実施形態のシステム要求負荷Ｌｓ）に基づいて、前記第１燃料電池モジュール及び前記第２燃料電池モジュールをそれぞれ制御するための制御装置（例えば上記実施形態の制御装置３８０）を備え、
前記制御装置は、前記第１燃料電池モジュールの出力を前記システム要求負荷に応じて可変制御するとともに、前記第２燃料電池モジュールの出力を前記システム要求負荷に関わらず予め設定された一定目標値に制御する。
上記（５）の態様によれば、システム要求負荷が変化した場合に、第２燃料電池モジュールの出力が一定目標値に維持される一方で、第１燃料電池モジュールの出力を可変制御することにより、システム要求負荷への追従が行われる。このように、第２燃料電池モジュールの出力をシステム要求負荷に関わらず一定目標値に制御することで、システム要求負荷が変化した場合においても、第２燃料電池モジュールの動作状態を安定に維持しつつ、システムの負荷応答性能を改善できる。
（６）他の態様では、上記（５）の態様において、
前記一定目標値は、前記第２燃料電池モジュールのほぼ定格出力値である。
上記（６）の態様によれば、システム要求負荷に関わらず、第２燃料電池発電モジュールの出力がほぼ定格出力値に維持される。これにより、システム要求負荷が変化した場合においても、第２燃料電池モジュールでは動作状態が安定化されるとともに、良好な発電効率が得られる。
（７）他の態様では、上記（５）又は（６）の態様において、
前記第２燃料電池モジュールの定格出力値は、前記第１燃料電池モジュールの定格出力値より小さい。
上記（７）の態様によれば、第２燃料電池モジュールは第１燃料電池モジュールより定格出力値が小さいため、発電に伴う発熱量が少ない。このようなシステムでは、第２燃料電池モジュールにおける発熱量が第１燃料電池モジュールに比べて少なく燃料電池モジュールの熱容量が小さいため負荷変化時や部分負荷時に適正温度に維持することが難しいが、前述のように、第２燃料電池モジュールの出力を一定目標値に制御することで適正温度の維持が容易になり、システム要求負荷が変化したり、部分負荷運転時においても安定したシステム運転が可能となる。
（８）他の態様では、上記（５）から（７）のいずれか一態様において、
前記制御装置は、前記システム要求負荷が前記第２燃料電池モジュールの定格出力値以下である場合、前記第１燃料電池モジュールを無負荷運転(ホットスタンバイ)状態になるように制御する。
上記（８）の態様によれば、システム要求負荷が第２燃料電池モジュールの定格出力値以下である場合、システム要求負荷に基づいて出力が可変制御される第１燃料電池モジュールは無負荷運転(ホットスタンバイ)状態になるように制御される。無負荷運転(ホットスタンバイ)状態では、発電が行われないものの、燃料電池の動作に必要な温度、又は、それに近い温度に燃料電池モジュールが維持されるため、将来的にシステム要求負荷が増加した際に、速やかに第１燃料電池モジュールによる発電を再開し、燃料電池モジュールの起動停止に伴うエネルギ消費を回避しつつ、良好な負荷追従性が得られる。
（９）他の態様では、上記（５）から（８）のいずれか一態様において、
前記制御装置は、前記第１燃料電池モジュールの無負荷運転(ホットスタンバイ)状態を維持するのに必要な改質用蒸気を、前記第２燃料電池モジュールの前記第２排燃料ガスを再循環させることで供給可能なように前記第２燃料電池モジュールが発電を行うように制御する。
上記（９）の態様によれば、第２排燃料ガスを再循環させて第１燃料電池モジュールに供給することで、外部から水蒸気を供給することなく、第２排燃料ガスに含まれる水蒸気を利用して、第２燃料電池モジュールの無負荷運転（ホットスタンバイ）状態を良好な効率で維持できる。
（１０）他の態様では、上記（５）から（９）のいずれか一態様において、
前記制御装置は、前記第１燃料電池モジュールを無負荷運転(ホットスタンバイ)状態を維持するための必要な改質用蒸気を供給できるよう前記第２燃料電池モジュールを制御する。
上記（１０）の態様によれば、燃料電池発電システムが備える第１燃料電池モジュールを無負荷運転(ホットスタンバイ)状態に維持する際に、第１燃料電池モジュール２１０Ａでのカーボン析出防止に必要な改質蒸気を供給可能とすると共に燃料電池発電システム１を無負荷運転(ホットスタンバイ)状態に維持するために必要な所内電力が、第２燃料電池モジュールで発電される。これにより、将来的にシステム要求負荷が増加した際に、各燃料電池モジュールで速やかに発電を再開することができ、燃料電池モジュールの起動停止に伴うエネルギ消費を回避しつつ、良好な負荷追従性が得られる。
（１１）他の態様では、上記（１）から（１０）のいずれか一態様において、
第２排燃料ガスＧｅｆ２を第１燃料電池モジュール２１０Ａの酸化性ガス供給ライン４２Ａに供給可能なように第２排燃料ガスライン２２Ｂと酸化性ガス供給ライン４２Ａを接続する第２排燃料ガス供給ライン（例えば上記実施形態の２４Ｃ）を更に備える。
上記（１１）の態様によれば、第１燃料電池モジュールの酸素側電極には、第２排燃料ガス供供給ラインを介して第２排燃料ガスを供給可能である。これにより、第２排燃料ガスが第１燃料電池モジュールの酸素側電極で燃焼し、第１燃料電池モジュールを無負荷運転(ホットスタンバイ)状態に制御できる。このように、外部から燃料ガスを追加することなく、第２燃料電池モジュールからの排燃料ガスを有効利用することで、エネルギ消費を抑えながら効率的に第１燃料電池モジュールの無負荷運転(ホットスタンバイ)状態を実現できる。
（１２）他の態様では、上記（１）から（１１）のいずれか一態様において、
前記第２排燃料ガスＧｅｆ２を第２燃料電池モジュール２１０Ｂの酸化性ガス供給ライン４２Ｂに供給可能なように第２排燃料ガスライン２２Ｂと酸化性ガス供給ライン４２Ｂを接続する第２排燃料ガス供給ライン（例えば上記実施形態の２４Ｄ）を更に備える。
上記（１２）の態様によれば、第２燃料電池モジュールの酸素側電極には、第２排燃料ガス供給ラインを介して第２排燃料ガスを供給可能である。これにより、第２排燃料ガスが第２燃料電池モジュールの酸素側電極で燃焼し、第２燃料電池モジュールを必要最小限の低負荷運転状態に制御できる。このように、外部からの燃料ガスの供給を最小限とし、第２燃料電池モジュールからの排燃料ガスを有効利用することで、エネルギ消費を抑えながら効率的に第２燃料電池モジュールの低負荷運転状態を実現できる。
１ 燃料電池発電システム
１０ 燃料電池部
２０ 燃料ガス供給ライン
２２Ａ 第１排燃料ガスライン
２２Ｂ 第２排燃料ガスライン
２４Ａ 第２再循環ライン
２４Ｂ 第１再循環ライン
２４Ｃ 第２排燃料供給ライン(第１燃料電池モジュール用)
２４Ｄ 第２排燃料供給ライン(第２燃料電池モジュール用)
２６Ａ 第１合流部
２６Ｂ 第２分岐部
２８ 再循環ブロワ
２８Ａ 第１再循環ブロワ
２８Ｂ 第２再循環ブロワ
４０ 酸化性ガス供給ライン
４２Ａ 第１酸化性ガス供給ライン
４２Ｂ 第２酸化性ガス供給ライン
４２Ｃ 第１排酸化性ガスライン
４２Ｄ 第２排酸化性ガスライン
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 燃料側電極
１１１ 固体電解質膜
１１３ 酸素側電極
１１５ リード膜
２１０ 燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）
２１０Ａ 第１燃料電池モジュール
２１０Ｂ 第２燃料電池モジュール
２０３ 燃料電池カートリッジ（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，２３７ｂ シール部材
３８０ 制御装置
Ｇｅｆ１ 第１排燃料ガス
Ｇｅｆ２ 第２排燃料ガス
Ｇｅｏ１ 第１排酸化性ガス
Ｇｅｏ２ 第２排酸化性ガス
Ｇｆ 燃料ガス
Ｇｏ 酸化性ガス

Claims (11)

  1. 燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池モジュールと、
    前記第１燃料電池モジュールから排出される第１排燃料ガスが流れる第１排燃料ガスラインと、
    前記第１排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池モジュールと、
    前記第２燃料電池モジュールから排出される第２排燃料ガスが流れる第２排燃料ガスラインと、
    前記第２排燃料ガスを前記第２燃料電池モジュールの燃料側電極に供給するために、前記第２排燃料ガスラインから再循環する第１再循環ラインと、
    前記第１排燃料ガスを前記第１燃料電池モジュールの燃料側電極に供給するために、前記第１排燃料ガスラインから再循環する第２再循環ラインと、
    を備え、
    前記第１再循環ラインは、前記第１排燃料ガスラインに対して前記第２再循環ラインの分岐部より上流で合流するように接続された、燃料電池発電システム。
  2. 前記第１再循環ライン及び前記第２再循環ラインにはそれぞれ再循環ブロワが設けられている、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
  3. 前記第１排燃料ガスラインのうち、前記第１再循環ラインとの第１合流部と前記第２再循環ラインの第２分岐部との間に、前記第１排燃料ガスを圧送するための再循環ブロワが設けられる、請求項１に記載の燃料電池発電システム。
  4. システム要求負荷に基づいて、前記第１燃料電池モジュール及び前記第２燃料電池モジュールをそれぞれ制御するための制御装置を備え、
    前記制御装置は、前記第１燃料電池モジュールの出力を前記システム要求負荷に応じて可変制御するとともに、前記第２燃料電池モジュールの出力を前記システム要求負荷に関わらず予め設定された一定目標値に制御する、請求項１から３に記載の燃料電池発電システム。
  5. 前記一定目標値は、前記第２燃料電池モジュールの定格出力値とする、請求項４に記載の燃料電池発電システム。
  6. 前記第２燃料電池モジュールの定格出力値は、前記第１燃料電池モジュールの定格出力値より小さい、請求項４又は５に記載の燃料電池発電システム。
  7. 前記制御装置は、前記システム要求負荷が前記第２燃料電池モジュールの定格出力値以下である場合、前記第１燃料電池モジュールを無負荷運転状態になるように制御する、請求項４から６のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
  8. 前記制御装置は、前記第１燃料電池モジュールの無負荷運転状態を維持するのに必要な改質用蒸気を、前記第２燃料電池モジュールの前記第２排燃料ガスを再循環させることで供給可能なように前記第２燃料電池モジュールが発電を行うように制御する、請求項４から７のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
  9. 前記制御装置は、前記燃料電池発電システムが無負荷運転状態を維持するために必要な最小限の電力を発電するように前記第２燃料電池モジュールを制御する、請求項４から８のいずか一項に記載の燃料電池発電システム。
  10. 前記第２排燃料ガスを前記第１燃料電池モジュールの酸化性ガス供給ラインに供給可能なように前記第２排燃料ガスラインと前記酸化性ガス供給ラインを接続する第２排燃料ガス供給ラインを更に備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
  11. 前記第２排燃料ガスを前記第２燃料電池モジュールの酸化性ガス供給ラインに供給可能なように前記第２排燃料ガスラインと前記酸化性ガス供給ラインを接続する第２排燃料ガス供給ラインを更に備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の燃料電池発電システム。
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