JP7064081B2 - 燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの運転方法 - Google Patents

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Description

本開示は、燃料電池発電システムに関する。
燃料電池を含む発電システムとして、加圧された酸化性ガス（例えば空気）が燃料電池の酸素側電極に供給されるように構成された加圧型の燃料電池発電システムが提案されている。
例えば、特許文献１には、タービンにより駆動される圧縮機で圧縮した空気を燃料電池の空気極に供給する加圧空気供給システムを含む燃料電池システムが開示されている。この加圧空気供給システムでは、燃料電池システムの通常運転時には、燃料電池の燃料極からの排燃料ガスと、燃料電池の空気極からの排空気との燃焼で生成される燃焼ガスにより、上述のタービンが駆動されるようになっている。また、特許文献１には、燃料電池システム及び加圧空気供給システムの起動時に、圧縮機を駆動するタービンの出力が十分高くなるまで、圧縮機の駆動をモータで補助することが記載されている。
特許第６５９１１１２号公報
ところで、加圧型の燃料電池発電システムの通常運転時において、出力要求に応じて燃料電池の出力を変化（増減）させることがある。このとき、燃料電池への燃料供給量については、燃料供給バルブの開度調節等により、出力要求に応じて比較的迅速に増減可能であるが、一方、燃料電池への酸化性ガス供給量については迅速に変化させることが難しい場合がある。これは、例えば燃料電池からの排ガスを用いてタービンを駆動する場合、タービンに駆動される圧縮機による燃料電池への酸化性ガス供給量は燃料電池からの排ガスの量や温度に依存するが、燃料電池の容積が比較的大きいため、燃料電池からの排ガス量や温度を迅速に増減させることが難しい等の理由による。したがって、燃料電池の出力変化速度を大きくすることができず、実運用において負荷追従性が十分でない場合がある。
特に太陽電池や風力発電などの再生可能エネルギのような負荷変動の大きな電力系統に組み込む場合にはより良好な負荷追従性と作動安定性が求められる。
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、燃料電池の出力変化速度を大きくすることが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。
本発明の少なくとも一実施形態に係る燃料電池発電システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池に酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給ラインに設けられる少なくとも１つの圧縮機と、
前記少なくとも１つの圧縮機のうち第１圧縮機を駆動可能に構成された第１モータと、
前記第１モータと電力系統との間に設けられ、前記第１モータのトルクを調節可能な電力変換器と、
を備える。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、燃料電池の出力変化速度を大きくすることが可能な燃料電池発電システムが提供される。
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。 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。 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。 一実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略図である。 一実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略図である。 一実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略図である。 一実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略図である。 一実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略図である。 一実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略図である。 一実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略図である。 典型的な燃料電池発電システムの構成を示す概略図である。
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について説明する。なお、本明細書における燃料電池は、以下に説明する燃料電池モジュール、燃料電池カートリッジ、又はセルスタックであってもよい。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）２０１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、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の内部に設けられ、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、耐圧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。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（温度センサや熱電対など）で監視され、燃料電池モジュール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（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。
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、図４～図１０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（以下、「発電システム」ともいう。）について説明する。図４～図１０は、それぞれ、一実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す概略図である。
図４～図１０に示すように、一実施系形態に係る発電システム（燃料電池発電システム）１は、燃料電池モジュール２０１（図１参照）を含む燃料電池部２（燃料電池）と、燃料電池部２と電力系統９０との間に設けられるインバータ２０と、を備えている。
インバータ２０は、燃料電池部２の出力端子と電力系統９０とを接続する送電ライン２７上に設けられる。送電ライン２７は、燃料電池部２とインバータ２０との間の直流電線である第１直流電路２１と、インバータ２０と電力系統９０との間の交流電路２８と、を含む。インバータ２０は、燃料電池部２からの直流電力を交流電力に変換して、送電ライン２７を介して電力系統９０に供給可能に構成される。インバータ２０と電力系統９０との間には、インバータ２０と電力系統９０との接続状態を切替えるための開閉器２９が設けられていてもよい。
電力系統９０は、電力事業者が管理する電力系統９１であってもよく、あるいは、電力系統９１とは別の独立電源系統９２であってもよい。また、開閉器２９は、インバータ２０の接続先を、上述の電力系統９１と独立電源系統９２との間で切替え可能に構成されていてもよい。
インバータ２０と燃料電池部２との間の第１直流電路２１には、燃料電池部２により生成された電力を蓄電するための負荷変動吸収用蓄電池（不図示）が接続されていてもよい。燃料電池部２による生成電力を予め負荷変動吸収用蓄電池に蓄電することで、電力系統９０からの出力需要に柔軟に対応することが可能となる。
燃料電池部２には、燃料供給ライン４０、排燃料ガスライン４２、酸化性ガス供給ライン４４、及び、排酸化性ガスライン４６が接続される。
燃料供給ライン４０は、燃料電池モジュール２０１（燃料電池部２）の燃料側電極１０９（すなわち、燃料電池モジュール２０１を構成する燃料電池セル１０５の燃料側電極１０９）に燃料ガスを供給するように構成される。燃料供給ライン４０には、燃料電池モジュール２０１への燃料供給量を調節するための燃料調節バルブ（不図示）が設けられている。排燃料ガスライン４２は、燃料電池部２からの排燃料ガスが流れるように構成される。
酸化性ガス供給ライン４４は、燃料電池モジュール２０１（燃料電池部２）の酸素側電極１１３（すなわち、燃料電池モジュール２０１を構成する燃料電池セル１０５の酸素側電極１１３）に酸化性ガス（例えば空気）を供給するように構成される。排酸化性ガスライン４６は、燃料電池部２からの排酸化性ガスが流れるように構成される。
なお、上述の燃料供給ライン４０は、燃料電池モジュール２０１における燃料ガス供給管２０７又は燃料ガス供給枝管２０７ａ（図１参照）に対応する。また、上述の酸化性ガス供給ライン４４は、燃料電池モジュール２０１における酸化性ガス供給管又は酸化性ガス供給枝管（図１において不図示）に対応する。
図４～図１０に示す発電システム１は、酸化性ガス供給ライン４４に設けられる少なくとも１つの圧縮機４と、少なくとも１つの圧縮機４のうち、第１圧縮機６を駆動可能に構成された第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）と、第１モータと電力系統９０との間に設けられる少なくとも１つの電力変換器２３と、備えている。図４、図５、図６、図９及び図１０に示す例示的な実施形態では、第１モータは、発電機としても使用可能なモータ／発電機１８を含む。図７及び図８に示す例示的な実施形態では、第１モータはモータ１７を含む。
少なくとも１つの圧縮機４は、酸化性ガス供給ライン４４を流れる酸化性ガス（即ち燃料電池部２に供給される酸化性ガス）を圧縮するように構成される。圧縮機４で加圧された酸化性ガスを、酸化性ガス供給ライン４４を介して燃料電池部２の酸素側電極１１３に供給することで、酸化性ガスを加圧しない場合に比べて、燃料電池部２での発電効率を高めることができる。
幾つかの実施形態では、発電システム１は、酸化性ガス供給ライン４４において直列に設けられる複数の圧縮機４を含んでいてもよい。複数の圧縮機４は、第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）によって駆動可能な第１圧縮機６に加えて、第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）以外の駆動源によって駆動されるように構成された第２圧縮機８を含んでいてもよい。
図４～図６に示す例示的な実施形態では、酸化性ガス供給ライン４４上に１つの圧縮機４が設けられており、該圧縮機４が第１圧縮機６である。
図７～図１０に示す例示的な実施形態では、酸化性ガス供給ライン４４上に２つの圧縮機４が直列に設けられており、これらのうち一方が第１圧縮機６であり、他方は第２圧縮機８である。図７、図９及び図１０に示す例示的な実施形態では、第１圧縮機６は、酸化性ガス供給ライン４４にて第２圧縮機８の上流側に設けられている。図８に示す例示的な実施形態では、第１圧縮機６は、酸化性ガス供給ライン４４にて第２圧縮機８の下流側に設けられている。
発電システム１は、燃料電池部２からの排ガスによって駆動されるとともに、少なくとも１つの圧縮機４のうち何れかを駆動するように構成されたタービン１０を備えていてもよい。ここで、燃料電池部２からの排ガスとは、燃料電池部２からの排燃料ガス又は排酸化性ガスに由来するガスのことであり、例えば、燃料電池部２からの排燃料ガスを燃焼させて生成される燃焼ガスであってもよい。タービン１０を設けることで、燃料電池部２からの排ガスのエネルギーを用いて圧縮機４を駆動することができ、これにより燃料電池部２を含む発電システム１を連続的に運転することができる。
図４～図１０に示す例示的な実施形態では、発電システム１は、燃料電池部２からの排燃料ガスに含まれる未利用燃料成分（メタン、水素又は一酸化炭素等）を燃焼させるように構成された燃焼器１６を含み、燃焼器１６で生成される燃焼ガスによってタービン１０が駆動されるようになっている。燃焼器１６には、排燃料ガスライン４２及び排酸化性ガスライン４６をそれぞれ介して、燃料電池部２からの排燃料ガス及び排酸化性ガスが供給されるようになっており、排酸化性ガス中の酸素を酸化剤として排燃料ガス中の未利用燃料成分が燃焼されるようになっている。
図４～図６、図９及び図１０に示す例示的な実施形態では、タービン１０は、第１圧縮機６を駆動するように構成された第１タービン１２を含む。第１タービン１２と第１圧縮機６とは回転シャフトを介して接続され、燃焼器１６からの燃焼ガスによって第１タービン１２が回転駆動されると、回転シャフトを介して第１タービン１２に接続される第１圧縮機６が回転駆動される。すなわち、第１タービン１２は、第１圧縮機６とともにターボチャージャを構成する。
図７～図１０に示す例示的な実施形態では、タービン１０は、第２圧縮機８を駆動するように構成された第２タービン１４を含む。第２タービン１４と第２圧縮機８とは回転シャフトを介して接続され、燃焼器１６からの燃焼ガスによって第２タービン１４が回転駆動されると、回転シャフトを介して第２タービン１４に接続される第２圧縮機８が回転駆動される。すなわち、第２タービン１４は、第２圧縮機８とともにターボチャージャを構成する。
第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）は、電力変換器２３を介して、電力系統９０（図示する例においては電力系統９１）又は第１直流電路２１（送電ライン２７のうち、インバータ２０と燃料電池部２との間の部分）に接続されてもよい。
図４及び図１０に示す例示的な実施形態では、電力変換器２３は、第１モータ（モータ／発電機１８）と電力系統９０との間に設けられる交流交流変換器２５を含み、第１モータ（モータ／発電機１８）は、交流交流変換器２５を介して電力系統９１に接続される。交流交流変換器２５は、電源系統９１からの交流電力の電圧及び／又は周波数を適切に変換して第１モータ（モータ／発電機１８）に供給可能に構成される。このように第１モータ（モータ／発電機１８）を駆動することで、第１圧縮機６を駆動することができる。すなわち、第１モータ（モータ／発電機１８）には、電力系統９０からの電力を、交流交流変換器２５を介して、また、インバータ２０及び第１直流電路２１を経由せず、供給可能である。
図５～図９に示す例示的な実施形態では、電力変換器２３は、第１直流電路２１（送電ライン２７のうち、インバータ２０と燃料電池部２との間の部分）に接続される第２直流電路２２と第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）との間に設けられる直流交流変換器２６と、インバータ２０と、を含み、第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）は、直流交流変換器２６及び第２直流電路２２を介して第１直流電路２１に接続される。直流交流変換器２６は、第２直流電路２２からの直流電力を交流電力に変換して第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）に供給可能に構成される。このように第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）を駆動することで、第１圧縮機６を駆動することができる。すなわち、第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）には、インバータ２０（電力変換器２３）、第１直流電路２１、第２直流電路２２及び直流交流変換器２６（電力変換器２３）を介して電力系統９０からの電力を供給可能であるとともに、第１直流電路２１、第２直流電路２２及び直流交流変換器２６（電力変換器２３）を介して燃料電池部２からの電力を供給可能である。
第１モータは、例えば図５、図６及び図９に示すように、第１圧縮機６に接続される第１タービン１２によって駆動される発電機として機能するモータ／発電機１８であってもよい。すなわち、第１モータ（モータ／発電機１８）は、回生運転可能に構成されていてもよい。これにより、第１タービン１２にて必要以上の出力が発生する場合に、第１モータ（モータ／発電機１８）で回生運転をすることで余剰エネルギーを回収することができ、発電システム１の効率を向上させることができる。発電機として動作する第１モータ（モータ／発電機１８）によって生成される交流電力は、直流交流変換器２６によって直流電力に変換され、第２直流電路２２に送られるようになっていてもよい。なお、第２直流電路２２上にて、直流交流変換器２６と第１直流電路２１との間には、直流交流変換器２６からの直流電力の電圧を調節するためのＤＣ／ＤＣチョッパ２４が設けられていてもよい。
上述のように、燃料電池部２からの排ガスによりターボチャージャ（第１タービン１２及び第１圧縮機６、又は、第２タービン１４及び第２圧縮機８）を駆動することで加圧された酸化性ガスを燃料電池部２に供給する発電システム１では、タービン１０（第１タービン１２又は第２タービン１４）の出力は、タービン１０入口の排ガス量や排ガス温度に依存する。したがって、発電システム１の起動後に、燃料電池部２の発電室２１５（図２参照）の温度及び排ガスの温度が適度に高くなってターボチャージャの自立運転が確立した後は、燃料電池部２の発電量に変化がなければ、該ターボチャージャは所定範囲内の回転数で自立運転を継続できる。なお、ターボチャージャの自立運転とは、モータや起動用圧縮機等の補助を得ずに、燃料電池部２からの排ガスだけでターボチャージャが安定して動作する状態を意味する。これに対し、発電システム１の起動時には、ターボチャージャはモータや起動用圧縮機等の補助を得ながら回転数及び酸化性ガスの吐出量を増加させていく。
一方、燃料電池部２への酸化性ガス供給量は、発電出力に応じて燃料電池部２の発電室２１５の温度を適正範囲内（燃料電池部２による発電効率が低下しない、あるいは、燃料電池部２を過剰な高温から保護するような温度範囲内）に維持するため、燃料電池部２の出力要求値に見合う供給量にする必要がある。したがって、電力需要の変化に伴い燃料電池部２の出力要求値が変更されるときには、変更後の出力要求値に見合う量の酸化性ガスを燃料電池部２に供給する必要があり、このため、所望の酸化性ガス供給量を実現すべく、圧縮機４（第１圧縮機６又は第２圧縮機８）の回転数を増減させる必要がある。
ここで、燃料電池部２の系内容積は比較的大きいことから、燃料電池部２からの排ガス量や排ガス温度を急速に増減することは難しく、タービン１０（第１タービン１２又は第２タービン１４）の出力を急速に変更させることは難しい。よって、図１１に示すようなタービン１０によってのみ圧縮機が駆動されるような発電システムでは、燃料電池部２の出力要求値の変化に合わせて酸化性ガス供給量を急速に変化させることができず、その結果、燃料電池部２の出力変化速度を大きくすることが難しい。
この点、上述の実施形態では、電力系統９０又は燃料電池部２から供給される電力により第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）を補助（アシスト）することで、第１圧縮機６で圧縮される酸化性ガスを出力要求値の変化に応じた所望の変化量となるよう燃料電池部２に供給可能となるよう構成される。そして、電力変換器２３（交流交流変換器２５又は直流交流変換器２６）により第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）のトルクを制御することで、燃料電池部２の出力要求値に対応する酸化性ガス供給量に応じて第１圧縮機６の回転数を調節することができるので、これにより燃料電池部２への酸化性ガス供給量を迅速に変化させることができる。例えば、燃料電池部２の出力を変化させる必要が生じたときに、タービン１０を駆動する燃料電池部２からの排ガスが十分なエネルギーを有しない場合であっても、不足分を第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）で補うことで、第１圧縮機６の回転数を迅速に調節して、燃料電池部２への酸化性ガス供給量を迅速に変化させることができる。よって、燃料電池部２の出力変化速度を大きくすることができ、燃料電池部２を含む発電システム１の負荷応答性を向上することができる。また、このため、燃料電池部２により生成された電力を蓄電することで、出力要求の変化に応じて応答性良く電力を出力可能となるため、負荷変動吸収用の大容量の蓄電池の設置を省略できる場合がある。
また、例えば図５～図９に示す実施形態のように、燃料電池部２と第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）とでインバータ２０を共用する場合は、設備コストを低減できる。よって、設備コストを低減しながら、燃料電池部２の出力変化速度を大きくして燃料電池部２の負荷追従性を向上させることができる。
図４～図１０に示すように、発電システム１は、電力変換器２３（交流交流変換器２５又は直流交流変換器２６）を制御するためのコントローラ５０をさらに備えていてもよい。コントローラ５０は、燃料電池部２の出力要求値に対応する燃料電池部２への酸化性ガスの供給量が実現されるように、すなわち、このような酸化性ガスの供給量が実現される第１圧縮機６の回転数となるように、第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）のトルクを調節するように電力変換器２３（交流交流変換器２５又は直流交流変換器２６）を制御するように構成されていてもよい。
より具体的に、一実施形態では、コントローラ５０は以下のように構成されていてもよい。すなわち、コントローラ５０は、中央配電所（ディスパッチセンター）からの燃料電池の出力要求値（デマンド）を受け付ける。そして、出力要求値に対応する酸化性ガスの供給量を得るために必要な第１圧縮機６の目標回転数を実現するための第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）のトルクを演算し、算出された第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）のトルクを得るために必要な有効電流から電力変換器２３（交流交流変換器２５又は直流交流変換器２６）に与えるべきＰＷＭ制御指令を生成する。このように生成されたＰＷＭ制御指令に基づき、電力変換器２３（交流交流変換器２５又は直流交流変換器２６）のスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）のスイッチング制御を行うことで、第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）のトルクが所望の値に調節される。
このように、コントローラ５０により電力変換器２３（交流交流変換器２５又は直流交流変換器２６）を制御するようにしたので、燃料電池部２の出力要求値に対応する酸化性ガス供給量に応じて第１圧縮機６の回転数を適切に調節することができる。よって、燃料電池部２への酸化性ガス供給量を迅速に変化させることができ、燃料電池部２の出力変化速度を大きくすることができ、負荷追従性を向上させることができる。
なお、電力需要増加に伴い燃料電池部２の出力要求値が増加されるときには、出力要求値に対応して燃料電池部２への酸化性ガスの目標供給量も増加するので、コントローラ５０によって、この目標供給量を実現する第１圧縮機６の回転数が得られるような第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）のトルクが演算され、該トルクに基づいて電力変換器２３（交流交流変換器２５又は直流交流変換器２６）が制御されることにより、第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）に電圧が印加される。
また、電力需要低減に伴い燃料電池部２の出力要求値が低減されるときには、出力要求値に対応して燃料電池部２への酸化性ガスの目標供給量も低減するので、この目標供給量を実現する第１圧縮機６の回転数が得られるように、第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）のトルクが演算され、該トルクに基づいて電力変換器２３（交流交流変換器２５又は直流交流変換器２６）が制御される。この際、図５、図６及び図９に示す実施形態のように、第１モータ（モータ／発電機１８）がタービン１０によって駆動されて発電機として機能するように構成されている場合には、第１モータ（モータ／発電機１８）のトルクが演算された目標値となるまで、第１モータ（モータ／発電機１８）に回生運転をさせるようにしてもよい。あるいは、一実施形態では、第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）のトルクが演算された目標値となるように、酸化性ガス供給ライン４４から分岐して燃料電池部２をバイパスするように設けられるバイパスライン（不図示）のバイパス弁（不図示）の開度を調節することにより、燃料電池部２への酸化性ガス供給量及び燃料電池部２からの排酸化性ガス量を低減するようにしてもよい。
幾つかの実施形態では、例えば図６～図９に示すように、発電システム１は、インバータ２０と第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）との間の第２直流電路２２に接続されるモータ用蓄電池３４を備えていてもよい。なお、モータ用蓄電池３４と第２直流電路２２との間には、モータ用蓄電池３４からの直流電力の電圧を調節するためのＤＣ／ＤＣチョッパ３６が設けられていてもよい。
上述の実施形態によれば、インバータ２０と第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）との間の第２直流電路２２に接続されるモータ用蓄電池３４から供給される電力により第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）を駆動することができる。よって、系統遮断時等、電力系統９０からの電力供給を受けられない場合であっても、モータ用蓄電池３４からの電力供給により第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）を駆動し、これにより第１圧縮機６を駆動することで、燃料電池部２を含む発電システム１を適切に運転することができる。また、燃料電池部２と電力系統９０との間に設けられるインバータ２０と、第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）との間の第２直流電路２２にモータ用蓄電池３４を接続するようにしたので、インバータ２０とは別のモータ用蓄電池３４用のインバータを個別に設ける必要がない。また、モータ用蓄電池３４は、第１圧縮機６の駆動を補助するために必要な電力を賄うことができれば十分であり、比較的小容量のもので足りる。このため、コスト増大を抑制することができる。
なお、幾つかの実施形態（例えば図５及び図８に示す実施形態）では、第１モータ（モータ／発電機１８）による回生運転によって生成される電力を、モータ用蓄電池３４に蓄電するように構成されていてもよい。
既に説明したように、図７～図１０に示す例示的な実施形態では、発電システム１は、酸化性ガス供給ライン４４上にて第１圧縮機６と直列に設けられる第２圧縮機８を含む。
上述の実施形態では、第１圧縮機６と、第１圧縮機６と直列に設けられる第２圧縮機８と、を併用するようにしたので、第１圧縮機６として比較的低容量の圧縮機を採用することができる。このため、第１圧縮機６を駆動するための第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）も比較的出力が小さいものを採用することができ、これにより、コスト増加を効果的に抑制しながら、燃料電池の負荷追従性を向上させることができる。
また、図７～図１０に示す例示的な実施形態では、発電システム１は、第２圧縮機８を駆動するように構成された第２タービン１４を含む。すなわち、該発電システム１は、酸化性ガス供給ライン４４に設けられる第２圧縮機８と、回転シャフトを介して第２圧縮機８に接続され、燃料電池部２からの排ガスによって駆動されるように構成された第２タービン１４と、を含むターボチャージャを備える。
上述の実施形態によれば、第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）によって駆動される第１圧縮機６と、第２タービン１４によって駆動される第２圧縮機８と、を併用する。よって、燃料電池部２の出力を変化させる必要が生じたときに、第２タービン１４を駆動する燃料電池部２の排ガスが十分なエネルギーを有しない場合であっても、不足分を第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）で補うことで、第１圧縮機６の回転数を迅速に調節して、燃料電池部２への酸化性ガス供給量を迅速に変化させることができる。よって、燃料電池部２の出力変化速度を大きくすることができ、燃料電池部２の負荷追従性を向上させることができる。
また、図１０に示す実施形態では、発電システム１は、第２圧縮機８を駆動するように構成された第２タービン１４および第２モータ１９を含む。すなわち、該発電システム１は、酸化性ガス供給ライン４４に設けられる第２圧縮機８と、回転シャフトを介して第２圧縮機８に接続され、燃料電池部２からの排ガスおよび第２モータ１９によって駆動されるように構成された第２タービン１４と、を含むターボチャージャを備える。
上述の実施形態によれば、第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）によって駆動される第１圧縮機６と、第２タービン１４および第２モータ１９によって駆動される第２圧縮機８と、を併用する。よって、起動時など、第２タービン１４を駆動する燃料電池部２の排ガスが十分なエネルギーを有しない場合であっても、不足分を系統からの電力等で駆動する第２モータ１９で補うことで、第１圧縮機６の回転数を必要な値に調節して、燃料電池部２への酸化性ガス供給量を所望の量とすることができる。よって、よりスムーズな起動と燃料電池部２の出力変化速度を大きくすることができ、燃料電池部２の負荷追従性を向上させることができる。なお、第２モータ１９は、発電機としても使用可能なモータ／発電機であってもよい。
図７及び図８に示す発電システム１は、第２圧縮機８及び第２タービン１４（ターボチャージャ）を含む既存の発電システムに対して、第１圧縮機６及び第１モータ（モータ１７）を追加設置することで得られる。また、図９及び図１０に示す発電システム１は、第２圧縮機８及び第２タービン１４（ターボチャージャ）を含む既存の発電システムに対して、第１圧縮機及び第１タービン（ターボチャージャ）並びに第１モータ（モータ／発電機１８）を追加設置することで得られる。
すなわち、図７～図１０に示す実施形態に係る発電システム１は、第２圧縮機８及び第２タービン１４（ターボチャージャ）を含む既存の加圧型の燃料電池発電システムに対して、第１モータ（モータ／発電機１８又はモータ１７）で駆動可能な第１圧縮機６又はターボチャージャ（第１圧縮機６及び第１タービン１２）を追加設置することで得られる。したがって、第１圧縮機６又は第１圧縮機６を含むターボチャージャは、既存のターボチャージャ（第２圧縮機８及び第２タービン１４）とは独立して設置可能であるため、自由な設備配置や機種選定が可能である。
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）本発明の少なくとも一実施形態に係る燃料電池発電システム（１）は、
燃料電池（例えば上述の燃料電池部２）と、
前記燃料電池に酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給ライン（４４）に設けられる少なくとも１つの圧縮機（４）と、
前記少なくとも１つの圧縮機のうち第１圧縮機（６）を駆動可能に構成された第１モータ（例えば上述のモータ／発電機１８又はモータ１７）と、
前記第１モータと電力系統（９０）との間に設けられ、前記第１モータのトルクを調節可能な１以上の電力変換器（２３）と、
を備える。
上記（１）の構成によれば、電力系統から供給される電力により第１モータを駆動することで、第１圧縮機で圧縮される酸化性ガスを燃料電池に供給可能となる。また、電力変換器により第１モータのトルクを制御することで、燃料電池の出力要求値に対応する酸化性ガス供給量に応じて第１圧縮機の回転数を調節することができるので、これにより燃料電池への酸化性ガス供給量を迅速に変化させることができ、燃料電池の出力変化速度を大きくすることができる。よって、燃料電池の負荷追従性を向上させることができる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記燃料電池発電システムは、
前記燃料電池の出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量が実現されるように、前記第１モータのトルクを調節するように前記電力変換器を制御するためのコントローラ（５０）を備える。
上記（２）の構成によれば、コントローラにより電力変換器を制御するようにしたので、燃料電池の出力要求値に対応する酸化性ガス供給量に応じて第１圧縮機の回転数を適切に調節することができる。よって、燃料電池への酸化性ガス供給量を迅速に変化させることができ、燃料電池の出力変化速度を大きくすることができ、負荷追従性を向上させることができる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記１以上の電力変換器は、前記電力系統と前記第１モータとの間に設けられた交流交流変換器（２５）を含む。
上記（３）の構成によれば、交流電路に設けられた交流交流変換器により第１モータのトルクを適切に制御することができる。これにより、燃料電池の出力要求値に対応する酸化性ガス供給量に応じて第１圧縮機の回転数を調節することができるので、燃料電池への酸化性ガス供給量を迅速に変化させることができ、燃料電池の出力変化速度を大きくすることができる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記１以上の電力変換器は、
前記燃料電池と前記電力系統との間に設けられるインバータ（２０）と、
前記燃料電池と前記インバータとの間の第１直流電路との間に設けられる直流交流変換器（２５）と、
を含む。
上記（４）の構成によれば、電力系統又は燃料電池から供給される電力により第１モータを駆動することで、第１圧縮機で圧縮される酸化性ガスを燃料電池に供給可能となる。また、インバータ及び／又は直流交流変換器により第１モータのトルクを適切に制御することができる。これにより、燃料電池の出力要求値に対応する酸化性ガス供給量に応じて第１圧縮機の回転数を調節することができるので、燃料電池への酸化性ガス供給量を迅速に変化させることができ、燃料電池の出力変化速度を大きくすることができる。また、燃料電池と第１モータとでインバータを共用するようにしたので、設備コストを低減できる。よって、設備コストを低減しながら、燃料電池の出力変化速度を大きくして燃料電池の負荷追従性を向上させることができる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、
前記燃料電池発電システムは、
前記インバータと前記第１モータとの間の第２直流電路（２２）に接続されるモータ用蓄電池（３４）を備える。
上記（５）の構成によれば、インバータと第１モータとの間の第２直流電路に接続されるモータ用蓄電池から供給される電力により第１モータを駆動することができる。よって、系統遮断時等、電力系統からの電力供給を受けられない場合であっても、モータ用蓄電池からの電力供給により第１モータを駆動し、これにより第１圧縮機の駆動を補助することで、燃料電池の出力変化速度を大きくすることが可能である。また、燃料電池と電力系統との間に設けられるインバータと、第１モータとの間の第２直流電路にモータ用蓄電池を接続するようにしたので、前述のインバータとは別のモータ用蓄電池用のインバータを個別に設ける必要がない。また、モータ用蓄電池は、第１圧縮機の駆動を補助するために必要な電力を賄うことができれば十分であり、比較的小容量のもので足りる。このため、コスト増大を抑制することができる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、
前記燃料電池発電システムは、
前記燃料電池からの排ガスにより駆動されるとともに、前記少なくとも１つの圧縮機のうちいずれかを駆動するように構成された少なくとも１つのタービン（１０）を備える。
上記（６）の構成によれば、燃料電池からの排ガスで駆動されるタービンにより駆動される圧縮機で圧縮した酸化性ガスを燃料電池に供給可能である。また、燃料電池の出力を変化させる必要が生じたときに、タービンを駆動する燃料電池の排ガスが十分なエネルギーを有しない場合であっても、不足分を第１モータで補うことで、第１圧縮機の回転数を迅速に調節して、燃料電池への酸化性ガス供給量を迅速に変化させることができる。よって、燃料電池の出力変化速度を大きくすることができ、燃料電池の負荷追従性を向上させることができる。
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、
前記少なくとも１つのタービンは、前記第１圧縮機を駆動するように構成された第１タービン（１２）を含む。
上記（７）の構成によれば、第１圧縮機は、燃料電池からの排ガスで駆動される第１タービンにより駆動されるのに加え、第１モータにより駆動されることが可能である。よって、燃料電池の出力を変化させる必要が生じたときに、第１タービンを駆動する燃料電池の排ガスが十分なエネルギーを有しない場合であっても、不足分を第１モータで補うことで、第１圧縮機の回転数を迅速に調節して、燃料電池への酸化性ガス供給量を迅速に変化させることができる。よって、燃料電池の出力変化速度を大きくすることができ、燃料電池の負荷追従性を向上させることができる。
（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、
前記第１モータは、前記第１タービンに駆動されて回生運転可能に構成される。
上記（８）の構成によれば、第１タービンにて必要以上の出力が発生する場合に、第１モータで回生運転をすることで余剰エネルギーを回収することができる。これにより、燃料電池発電システムの効率を向上させることができる。
（９）幾つかの実施形態では、上記（６）乃至（８）の何れかの構成において、
前記少なくとも１つの圧縮機は、前記酸化性ガス供給ライン上にて前記第１圧縮機と直列に設けられる第２圧縮機（８）を含む。
上記（９）の構成によれば、第１圧縮機と、第１圧縮機と直列に設けられる第２圧縮機と、を併用するようにしたので、第１圧縮機として比較的低容量の圧縮機を採用することができる。このため、第１圧縮機を駆動するための第１モータも比較的出力が小さいものを採用することができ、これにより、コスト増大を効果的に抑制しながら、燃料電池の負荷追従性を向上させることができる。
（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）の構成において、
前記少なくとも１つのタービンは、前記第２圧縮機を駆動するように構成された第２タービン（１４）を含む。
上記（１０）の構成によれば、第１モータによって駆動される第１圧縮機と、第２タービンによって駆動される第２圧縮機と、を併用する。よって、燃料電池の出力を変化させる必要が生じたときに、第２タービンを駆動する燃料電池の排ガスが十分なエネルギーを有しない場合であっても、不足分を第１モータで補うことで、第１圧縮機の回転数を迅速に調節して、燃料電池への酸化性ガス供給量を迅速に変化させることができる。よって、燃料電池の出力変化速度を大きくすることができ、燃料電池の負荷追従性を向上させることができる。
（１１）幾つかの実施形態では、上記（９）又は（１０）の構成において、
前記発電システムは、
前記第２圧縮機を駆動するための第２モータ（１９）を備える。
上記（１１）の構成によれば、第１モータによって駆動される第１圧縮機と、第２モータによって駆動される第２圧縮機８と、を併用する。よって、起動時など、第２タービンを駆動する燃料電池からの排ガスが十分なエネルギーを有しない場合であっても、不足分を第２モータで補うことで、第１圧縮機の回転数を必要な値に調節して、燃料電池への酸化性ガス供給量を所望の量とすることができる。よって、よりスムーズな起動と燃料電池部の出力変化速度を大きくすることができ、燃料電池の負荷追従性を向上させることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
１ 発電システム（燃料電池発電システム）
２ 燃料電池部
４ 圧縮機
６ 第１圧縮機
８ 第２圧縮機
１０ タービン
１２ 第１タービン
１４ 第２タービン
１６ 燃焼器
１７ モータ（第１モータ）
１８ モータ／発電機（第１モータ）
１９ 第２モータ
２０ インバータ
２１ 第１直流電路
２２ 第２直流電路
２３ 電力変換器
２４ ＤＣ／ＤＣチョッパ
２５ 交流交流変換器
２６ 直流交流変換器
２７ 送電ライン
２８ 交流電路
２９ 開閉器
３０ 蓄電池
３４ モータ用蓄電池
３６ ＤＣ／ＤＣチョッパ
４０ 燃料供給ライン
４２ 排燃料ガスライン
４４ 酸化性ガス供給ライン
４６ 排酸化性ガスライン
５０ コントローラ
９０ 電力系統
９１ 電力系統
９２ 独立電源系統
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
２０１ ＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）
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

Claims (15)

  1. 燃料電池と、
    前記燃料電池に酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給ラインに設けられる少なくとも１つの圧縮機と、
    前記少なくとも１つの圧縮機のうち第１圧縮機を駆動可能に構成された第１モータと、
    前記第１モータと電力系統との間に設けられ、前記第１モータのトルクを調節可能な１以上の電力変換器と、
    を備え、
    前記１以上の電力変換器は、前記電力系統と前記第１モータとの間に設けられた交流交流変換器を含み、
    前記第１モータは、前記電力系統と前記燃料電池とを接続するための電路を介さずに前記電力系統に接続されている
    燃料電池発電システム。
  2. 前記燃料電池の出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量が実現されるように、前記第１モータのトルクを調節するように前記１以上の電力変換器を制御するためのコントローラを備える
    請求項１に記載の燃料電池発電システム。
  3. 前記コントローラは、前記出力要求値から前記第１モータのトルクを算出し、前記トルクを得るために必要な有効電流に基づき前記電力変換器に与えるＰＷＭ制御指令を生成し、前記ＰＷＭ制御指令に基づき電力変換器を制御するように構成された
    請求項２に記載の燃料電池発電システム。
  4. 前記コントローラは、前記出力要求値が増加されるとき、前記出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量が実現されるように、前記第１モータのトルクを増加させる
    請求項２又は３に記載の燃料電池発電システム。
  5. 前記コントローラは、前記出力要求値が低減されるとき、前記出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量が実現されるように、前記第１モータに回生運転をさせることで前記第１モータのトルクを減少させる
    請求項２乃至４の何れか一項に記載の燃料電池発電システム。
  6. 前記酸化性ガス供給ラインから分岐して前記燃料電池をバイパスするように設けられるバイパスラインと、
    前記バイパスラインに設けられるバイパス弁と、を備え、
    前記コントローラは、前記出力要求値が低減されるとき、前記出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量が実現されるように、前記バイパス弁の開度を調節することで前記第１モータのトルクを減少させる
    請求項２乃至４の何れか一項に記載の燃料電池発電システム。
  7. 前記燃料電池からの排ガスにより駆動されるとともに、前記少なくとも１つの圧縮機のうちいずれかを駆動するように構成された少なくとも１つのタービンを備える
    請求項１乃至６の何れか一項に記載の燃料電池発電システム。
  8. 前記少なくとも１つのタービンは、前記第１圧縮機を駆動するように構成された第１タービンを含む
    請求項７に記載の燃料電池発電システム。
  9. 前記第１モータは、前記第１タービンに駆動されて回生運転可能に構成された
    請求項８に記載の燃料電池発電システム。
  10. 前記少なくとも１つの圧縮機は、前記酸化性ガス供給ライン上にて前記第１圧縮機と直列に設けられる第２圧縮機を含む
    請求項７乃至９の何れか一項に記載の燃料電池発電システム。
  11. 燃料電池と、
    前記燃料電池に酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給ラインに設けられる少なくとも１つの圧縮機と、
    前記少なくとも１つの圧縮機のうち第１圧縮機を駆動可能に構成された第１モータと、
    前記第１モータと電力系統との間に設けられ、前記第１モータのトルクを調節可能な１以上の電力変換器と、
    前記燃料電池の出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量が実現されるように、前記第１モータのトルクを調節するように前記１以上の電力変換器を制御するためのコントローラと、
    前記燃料電池からの排ガスにより駆動されるとともに、前記少なくとも１つの圧縮機のうちいずれかを駆動するように構成された少なくとも１つのタービンと、
    を備え、
    前記少なくとも１つの圧縮機は、前記酸化性ガス供給ライン上にて前記第１圧縮機と直列に設けられる第２圧縮機を含み、
    前記コントローラは、前記出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量のうち、前記第２圧縮機の運転では不足する供給量を算出し、前記不足する供給量を前記第１圧縮機の運転で補うように、前記１以上の電力変換器を制御して第１モータのトルクを調節するように構成された
    燃料電池発電システム。
  12. 前記少なくとも１つのタービンは、前記第２圧縮機を駆動するように構成された第２タービンを含む
    請求項１０又は１１に記載の燃料電池発電システム。
  13. 前記第２圧縮機を駆動するためのモータを備える
    請求項１０乃至１２の何れか一項に記載の燃料電池発電システム。
  14. 燃料電池と、
    前記燃料電池に酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給ラインに設けられる少なくとも１つの圧縮機と、
    前記少なくとも１つの圧縮機のうち第１圧縮機を駆動可能に構成された第１モータと、
    前記第１モータと電力系統との間に設けられ、前記第１モータのトルクを調節可能な１以上の電力変換器と、
    を含む燃料電池発電システムの運転方法であって、
    前記１以上の電力変換器は、前記電力系統と前記第１モータとの間に設けられた交流交流変換器を含み、
    前記電力系統からの電力を、前記電力系統と前記燃料電池とを接続するための電路を介さずに、かつ、前記交流交流変換器を介して、前記第１モータに供給するステップ
    を備える燃料電池発電システムの運転方法。
  15. 燃料電池と、
    前記燃料電池に酸化性ガスを供給するための酸化性ガス供給ラインに設けられる少なくとも１つの圧縮機と、
    前記少なくとも１つの圧縮機のうち第１圧縮機を駆動可能に構成された第１モータと、
    前記第１モータと電力系統との間に設けられ、前記第１モータのトルクを調節可能な１以上の電力変換器と、
    前記燃料電池からの排ガスにより駆動されるとともに、前記少なくとも１つの圧縮機のうちいずれかを駆動するように構成された少なくとも１つのタービンと、
    を含む燃料電池発電システムの運転方法であって、
    前記少なくとも１つの圧縮機は、前記酸化性ガス供給ライン上にて前記第１圧縮機と直列に設けられる第２圧縮機を含み、
    前記燃料電池の出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量が実現されるように、前記第１モータのトルクを調節するように前記１以上の電力変換器を制御するステップを備え、
    前記ステップでは、前記出力要求値に対応する前記燃料電池への前記酸化性ガスの供給量のうち、前記第２圧縮機の運転では不足する供給量を算出し、前記不足する供給量を前記第１圧縮機の運転で補うように、前記１以上の電力変換器を制御して第１モータのトルクを調節する
    燃料電池発電システムの運転方法。
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