JP7446113B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
本開示は、燃料電池により発電を行う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。
このような燃料電池により発電を行う燃料電池発電システムは、各々が複数のセルスタックが燃料供給ヘッダ等によって集合化された複数の燃料電池カートリッジをモジュール化した燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールから出力される直流電力を所定の交流電力へと変換して電力供給先（例えば、負荷設備や電力系統）に供給するためのパワーコンディショナ（ＰＣＳ）等の電力変換装置（インバータなど）と、を備える（特許文献１～３参照）。例えば特許文献１の電力システムでは、燃料電池モジュール毎にＰＣＳが設けられていると共に、これらの複数のＰＣＳが母線に並列に接続され、切替部を介して電力系統に連系するように構成されている。
例えば特許文献１に示すように、燃料電池発電システムは１以上の燃料電池モジュールを用いて所定出力を得るように構成されるが、具体的な燃料電池モジュールの構成として例えば図６に示すようなシステム構成が考えられる。図６では、燃料電池発電システムを構成する複数の燃料電池カートリッジを１以上のグループにグループ分けし（図６では４グループ）、各グループ内で燃料電池カートリッジを直列接続する。この際、各燃料電池カートリッジが有する複数のセルスタックを電気出力の最小単位となる複数のグループ（以下、セルグループ）にグループ分けした上で、各セルグループが他の燃料電池カートリッジのセルグループのいずれかと接続されるようにして、直列接続される。そして、上述した燃料電池カートリッジのグループ毎に設けられたチョッパー（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を介して１つのインバータに接続し、このインバータを介して電力系統などの電力供給先に出力する。よって、ＰＣＳは、複数のチョッパーおよびインバータで構成される。
しかしながら、図６に示すような燃料電池発電システムでは、燃料電池モジュールを構成する全ての燃料電池カートリッジに対して１つのＰＣＳ（インバータ）を設けており、電気系統は１系統となる。よって、ＰＣＳや、直列に接続された複数の燃料電池カートリッジのうちの１つに故障などのトラブルが生じると、燃料電池モジュールからの電気出力ができなくなる可能性がある。さらに、各燃料電池カートリッジでは複数のセルグループが並列に接続されているため、燃料電池カートリッジの出力電流が大きく、燃料電池カートリッジ間を接続する配線がその分だけ太くなり、送電ロスも大きくなる。また、ＰＣＳは、燃料電池モジュールの出力に合わせて選定あるいは特注する必要があり、コストの増大を招きやすい。
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、信頼性が高く低コストで構築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、
複数の燃料電池カートリッジを有する燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池カートリッジに内蔵されている複数のセルスタックにより電気出力の最小単位としてそれぞれ形成された２以上のセルグループで構成された複数の燃料電池ユニットと、
前記複数の燃料電池ユニットの各々に対して設けられる、前記燃料電池ユニットの出力電力の電力変換を行う複数の電力変換装置と、を備え、
前記燃料電池ユニットにおいて前記２以上のセルグループは直列に接続されている。
複数の燃料電池カートリッジを有する燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池カートリッジに内蔵されている複数のセルスタックにより電気出力の最小単位としてそれぞれ形成された２以上のセルグループで構成された複数の燃料電池ユニットと、
前記複数の燃料電池ユニットの各々に対して設けられる、前記燃料電池ユニットの出力電力の電力変換を行う複数の電力変換装置と、を備え、
前記燃料電池ユニットにおいて前記２以上のセルグループは直列に接続されている。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、信頼性が高く低コストで構築可能な燃料電池発電システムが提供される。
以下に、本発明に係る燃料電池発電システム１の一実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池発電システム１の構成を概略的に示す図である。図２は、本発明の一実施形態に係る燃料電池カートリッジ２０３の構成を概略的に示す図である。また、図３は、本発明の一実施形態に係る２つの燃料電池カートリッジ２０３が有するセルグループＧで構成される燃料電池ユニット３を概略的に示す図である。
図１に示すように、この燃料電池発電システム１は、複数の燃料電池カートリッジ２０３を有する発電システムである。これらの複数の燃料電池カートリッジ２０３はモジュール化されていても良く、燃料電池発電システム１は、１以上の燃料電池モジュール２０１を備えていても良い。上記の燃料電池カートリッジ２０３は、複数のセルスタック１０１が、例えば後述するケーシング２２９（２２９ａ、２２９ｂ）といった燃料供給ヘッダ等によって集合化されたものである（図２、図９参照）。また、燃料電池モジュール２０１は、燃料電池カートリッジ２０３及び圧力容器２０５を含む燃料電池の最大単位である。
そして、図１に示すように、燃料電池発電システム１は、１以上の燃料電池カートリッジ２０３が有するセルグループＧによりそれぞれ構成される複数の燃料電池ユニット３と、これら複数の燃料電池ユニット３の各々に対して設けられた複数の電力変換装置４（ＰＣＳなど）と、を備える。これらの構成について、それぞれ説明する。
なお、燃料電池モジュール２０１や燃料電池カートリッジ２０３の詳細な説明については、最後にまとめて説明する。
なお、燃料電池モジュール２０１や燃料電池カートリッジ２０３の詳細な説明については、最後にまとめて説明する。
燃料電池ユニット３は、燃料電池カートリッジ２０３に内蔵されている複数のセルスタック１０１の一部により形成されたセルグループＧの２以上により構成される。より詳細には、図２に示すように、各燃料電池カートリッジ２０３が有する複数のセルスタック１０１は複数のセルグループＧにグループ分けされた上で、セルグループＧ毎に集電板２４１に接続される。そして、各集電板２４１には集電棒２４２が接続されており、各集電棒２４２から発電された直流電力を外部に取り出すことが可能となっている。つまり、セルグループＧは、燃料電池カートリッジ２０３からの電気出力の最小単位となる。
例えば、図１、図３に示すように、各燃料電池ユニット３は、１以上の燃料電池カートリッジ２０３が有するセルグループＧで構成される。すなわち、図１に示すように、各燃料電池ユニット３は、１つの燃料電池カートリッジ２０３が有する複数のセルグループＧで構成されても良い。あるいは、図３に示すように、各燃料電池ユニット３は、複数の燃料電池カートリッジ２０３の各々が有するセルグループＧで構成されても良い。また、図１、図３では、１つの燃料電池カートリッジ２０３が有する全てのセルグループＧは、いずれかの燃料電池ユニット３に属しているが、他の幾つかの実施形態では、１つの燃料電池カートリッジ２０３が有する複数のセルグループＧの各々は、互いに異なる複数の燃料電池ユニット３のいずれかに属しても良い。換言すれば、複数の燃料電池ユニット３が、同一の燃料電池カートリッジ２０３の有する異なるセルグループＧをそれぞれ含むように構成されても良い。
これによって、燃料電池ユニット３が有するセルグループＧを所望の数に設定することが可能となる。後述するように、燃料電池ユニット３において複数のセルグループＧは直列に接続される。このため、燃料電池ユニット３が有するセルグループＧの数を、接続される電力変換装置４の動作点に合わせて設定することで、その動作点に合わせて燃料電池ユニット３を高電圧化することが可能となる。よって、汎用的な低価格の電力変換装置４を採用することが可能となり、図６の場合と比べて、燃料電池発電システム１を低コストで構築することが可能となる。
図１、図３に示す実施形態では、燃料電池モジュール２０１は、２０個の燃料電池カートリッジ２０３を備えている。また、各燃料電池カートリッジ２０３は、４つのセルグループＧを備えている。そして、図１に示す実施形態では、各燃料電池ユニット３は、１つの燃料電池カートリッジ２０３が有する全て（合計で４つ）のセルグループＧで１つの燃料電池ユニット３が組まれている。つまり、１つの燃料電池カートリッジ２０３毎に燃料電池ユニット３が組まれている。他方、図３に示す実施形態では、各燃料電池ユニット３は、２つの燃料電池カートリッジ２０３がそれぞれ有する全てのセルグループＧで組まれており、合計で８つのセルグループＧで組まれている。つまり、２つの燃料電池カートリッジ２０３毎に燃料電池ユニット３が組まれている。
電力変換装置４は、上述した複数の燃料電池ユニット３の各々に対して設けられる、燃料電池ユニット３の出力電力の電力変換を行う装置である。より詳細には、各電力変換装置４は、各燃料電池ユニット３に接続される例えばチョッパーなどのＤＣ／ＤＣコンバータ（不図示）と、このＤＣ／ＤＣコンバータに接続されたインバータ（不図示）とを備えた装置であり、例えばパワーコンディショナ（ＰＣＳ：Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｕｂｓｙｓｕｔｅｍ）などである。
図１に示す実施形態では、燃料電池ユニット３は１つの燃料電池カートリッジ２０３で構成されているので、燃料電池モジュール２０１は、燃料電池カートリッジ２０３と同数となる合計で２０の燃料電池ユニット３を備えている。よって、電力変換装置４の数も合計で２０となる。一方、図３に示す実施形態では、燃料電池ユニット３は２つの燃料電池カートリッジ２０３で構成されているので、燃料電池モジュール２０１は合計で１０の燃料電池ユニット３を備えている。よって、電力変換装置４の数も合計で１０となる。
なお、１つの電力変換装置４が備えるＤＣ／ＤＣコンバータの数は任意であり、コストや、制御可能な電力有範囲、耐圧などを考慮して決定しても良い。つまり、コストを低減するためにはＤＣ／ＤＣコンバータの数が少ない方が良いが、１つのＤＣ／ＤＣコンバータに入力可能な直流電流の大きさには限界があり、その兼ね合いで決定される。また、１つの燃料電池ユニット３に対して設けられる電力変換装置４の数も任意であり、１つの燃料電池ユニット３に対して複数の電力変換装置４を並列に接続しても良い。
上述したように各燃料電池ユニット３は２以上のセルグループＧにより構成されるが、図１、図３に示すように、各燃料電池ユニット３において、各燃料電池ユニット３が有する２以上のセルグループＧは直列に接続されている。
具体的には、図１に示す実施形態では、１つの燃料電池カートリッジ２０３内で互いに平行に並んだ複数（４つ）のセルグループＧが直列接続となるように、隣接するセルグループＧ同士が配線（第１配線４１）で接続されている。また、各燃料電池カートリッジ２０３の両端に位置するセルグループＧがそれぞれ電力変換装置４に配線（第３配線４３）で接続されている。これによって、各燃料電池ユニット３が有する合計で４つのセルグループＧの直列接続、および、燃料電池ユニット３と電力変換装置４との接続が形成されている。
具体的には、図１に示す実施形態では、１つの燃料電池カートリッジ２０３内で互いに平行に並んだ複数（４つ）のセルグループＧが直列接続となるように、隣接するセルグループＧ同士が配線（第１配線４１）で接続されている。また、各燃料電池カートリッジ２０３の両端に位置するセルグループＧがそれぞれ電力変換装置４に配線（第３配線４３）で接続されている。これによって、各燃料電池ユニット３が有する合計で４つのセルグループＧの直列接続、および、燃料電池ユニット３と電力変換装置４との接続が形成されている。
他方、図３に示す実施形態では、２つの燃料電池カートリッジ２０３が備える合計で８つのセルグループＧが直列接続となるように、各燃料電池カートリッジ２０３内で互いに平行に並んだ複数（４つ）のセルグループＧの隣接間が第１配線４１で直列に接続されると共に、２つの燃料電池カートリッジ２０３間の同じ側の端に位置するセルグループＧが互いに配線（第２配線４２）により接続されている。また、２つの燃料電池カートリッジ２０３における第２配線４２がある側とは反対側の端に位置する２つのセルグループＧがそれぞれ第３配線４３により電力変換装置４に接続されている。これによって、各燃料電池ユニット３が有する合計で８つのセルグループＧの直列接続、および、燃料電池ユニット３と電力変換装置４との接続が形成されている。
なお、図１、図３に示す実施形態では、１つの燃料電池カートリッジ２０３が有する複数のセルグループＧがその並び順に第１配線４１で接続されているが、他の順番に直列接続が形成されていても良い。また、図３に示す実施形態では、２つの燃料電池カートリッジ２０３で１つの燃料電池ユニット３が構成されている場合において、第２配線４２は１本であるが、２本以上の第２配線４２が用いられるような配線により直列接続が形成されていても良い。
上述した構成を備える燃料電池発電システム１において、いずれかの電力変換装置４あるいは燃料電池カートリッジ２０３に故障などのトラブルが生じたとしても、燃料電池ユニット３毎に燃料電池カートリッジ２０３が電気的に独立しているため、他の燃料電池カートリッジ２０３のセルグループＧにより構成されている燃料電池ユニット３には影響がなく、発電電力の供給を継続することが可能となる。具体的には、いずれか１つの燃料電池カートリッジ２０３が故障しても、図１では残りの１９の燃料電池カートリッジ２０３（燃料電池ユニット３）からの電力出力が可能であり、図２では残りの１８の燃料電池カートリッジ２０３（残りの９つの燃料電池ユニット３）からの電力出力が可能であり、システムの冗長性が向上されている。また、各燃料電池ユニット３を構成するセルグループＧの数を調整して出力電圧を調整することで、例えば太陽電池用のＰＣＳ（電力変換装置４）を用いることが可能となる。
上記の構成によれば、燃料電池発電システム１は複数の燃料電池カートリッジ２０３を備えており、各燃料電池カートリッジ２０３に内蔵されている複数のセルスタック１０１は、電気出力の最小単位である複数のセルグループＧにグループ分けされている。燃料電池ユニット３は、このようなセルグループＧの２以上によって構成されており、各燃料電池ユニット３に対してそれぞれ電力変換装置４が設けられることで、燃料電池ユニット３毎に電力変換を行うように構成される。そして、各燃料電池ユニット３に属する全てのセルグループＧは直列に接続される。
これによって、複数の電力変換装置４や燃料電池カートリッジ２０３のいずれかに故障などのトラブルが発生した場合であっても、残りの電力変換装置４および残りの燃料電池カートリッジ２０３によって構成される燃料電池ユニット３からの電力を電力系統などの電力供給先７に出力することができると共に、システムに冗長性を持たせることができ、信頼性の高い燃料電池発電システム１を提供することができる。例えば、燃料電池モジュール２０１に対して１つの電力変換装置４を設ける場合（電気系統が一系統である場合）には、電力変換装置４が故障すると燃料電池発電システム１は出力ができなくなるが、上記の構成によれば燃料電池発電システム１は電力供給を継続することが可能となる。また、各燃料電池カートリッジ２０３を直列接続（図６参照）するのに比べて、各燃料電池ユニット３から出力される出力電流を小さくすることができる。よって、このような低電流化によって集電ロスを低減することができると共に、より細い配線を用いることによって送電ロスを低減することもできる。
また、上記のように燃料電池ユニット３毎に電力変換装置４を設けることで、例えば太陽光発電用などの汎用的な低価格の電力変換装置４を採用することができる。よって、燃料電池発電システム１が備える全ての燃料電池カートリッジ２０３の電力変換が可能な電力変換装置４を特注などして用意する必要がなく、燃料電池発電システム１をより低コストで構築することができる。
幾つかの実施形態では、図１、図３に示すように、上述した燃料電池ユニット３を構成するセルグループＧの数は偶数であっても良い。この数が偶数であることによって、燃料電池ユニット３からの電力の取出し部（集電棒２４２）を燃料電池カートリッジ２０３の上部または下部のどちらかに統一することが可能となる。
図１、図３に示す実施形態では、燃料電池カートリッジ２０３において４つのセルグループＧは、そのプラス端子（＋）とマイナス端子（－）の向きが、燃料電池カートリッジ２０３の上部または下部において交互に並ぶように配置されている。そして、図１に示す実施形態では、燃料電池カートリッジ２０３が有するセルグループＧの数が偶数なので、燃料電池カートリッジ２０３の両端側のセルグループＧ同士では、端子の向きが逆になっている。つまり、一端側のセルグループＧのプラス端子が燃料電池カートリッジ２０３の上部にある場合に、他端側のセルグループＧのマイナス端子が同じ上部にある。同様に、図３に示す実施形態では、燃料電池ユニット３は、図１のものと同じ燃料電池カートリッジ２０３の２つにより構成されることで８つのセルグループＧを有しており、電力変換装置４に接続される２つのセルグループＧの端子の向きが逆になっている。このため、電力変換装置４と燃料電池ユニット３とを接続する２本の第３配線４３がいずれも上部に統一されている。
上記の構成によれば、燃料電池カートリッジ２０３からの電力取り出し部を、燃料電池カートリッジ２０３の上部または下部のどちらかに統一することができ、施工の容易化を図ることができる。
また、幾つかの実施形態では、図１に示すように、燃料電池発電システム１は、上述した複数の電力変換装置４が出力する出力電力の少なくとも一部を、例えば電力系統や負荷設備なとどなる電力供給先７に出力するための電力出力回路５を、さらに備えている。つまり、電力出力回路５は、燃料電池発電システム１が備える複数の電力変換装置４と電力供給先７との間に設けられている。そして、この電力出力回路５は、複数の電力変換装置４と電力供給先７との接続状態をそれぞれ切り替えることが可能な複数のスイッチ５１を有している。つまり、各電力変換装置４は、スイッチ５１を介して電力供給先７に接続されており、スイッチ５１がオン状態になると電力変換装置４が電力供給先７に電気的に接続され、オフ状態になるとその接続が解除される。これによって、燃料電池発電システム１からの複数の燃料電池ユニット３の切り離しを個別に行うことが可能となっている。
図１に示す実施形態では、電力供給先７は電力系統である。また、電力出力回路５は、ＡＣ昇圧トランス５２を備えており、上記の複数のスイッチ５１はそれぞれＡＣ昇圧トランス５２に接続されている。そして、ＡＣ昇圧トランス５２は、燃料電池モジュール２０１の出力電圧を電力系統の電圧に合わせるように昇圧することで、燃料電池発電システム１から電力系統とするようになっている。
上記の構成によれば、複数の電力変換装置４の各々と電力供給先７との接続は、電力出力回路が有するスイッチにより、個別に切断可能となっている。これによって、故障が発生した燃料電池ユニット３を容易に切り離すことができる。よって、残りの燃料電池ユニット３を用いて電力供給先への電力供給を継続させることができると共に、故障した燃料電池ユニット３の交換、修理などの保守作業の容易化を図ることができる。
次に、燃料電池カートリッジ２０３から出力する電流値の制御に関する実施形態について、図４Ａ～図５Ｂを用いて説明する。図４Ａは、本発明の一実施形態に係る制御装置６により制御される各燃料電池カートリッジ２０３の温度を示す図である。図４Ｂは、図４Ａの場合の各燃料電池カートリッジ２０３の出力を示す図である。図５Ａは、図５Ｂのように電流を制御した場合の各燃料電池カートリッジ２０３の温度を示す図であり、図４Ａに対する参考図である。また、図５Ｂは、図５Ａに対応する各燃料電池カートリッジ２０３の出力を示す参考図であり、図４Ｂに対する参考図である。
例えば後述するＳＯＦＣセルなどの燃料電池の単電池は温度が高いほど出力が高くなるが、自己反応発熱のためその温度は電流値に対応する。ただし、単電池の耐久性から上限温度が決まっており、それを超えないように、燃料電池カートリッジ２０３が接続される電力変換装置４の負荷（抵抗値）を調整することで燃料電池カートリッジ２０３から出力される電流を調整する必要がある。
ここで、燃料電池モジュール２０１が備える複数の燃料電池カートリッジ２０３は、後述する圧力容器２０５に収容されており（図７参照）、圧力容器２０５の中央部よりも端部に位置する燃料電池カートリッジの方の放熱が相対的に大きい。このため、圧力容器２０５の端部に位置する燃料電池カートリッジ２０３の温度は中央部の物よりも相対的に低い状態になる。また、組立精度や燃料電池セル１０５の性能バラつき等による燃料電池カートリッジ２０３の性能差がある場合には、圧力容器２０５の中央部に位置する燃料電池カートリッジ２０３の温度にもバラツキが生じる。
この際、例えば、図５Ｂに示すように、電力変換装置４（ＤＣ／ＤＣコンバータ）において電流が例えば最大値などの一定になるように制御すると、図５Ａに示すように放熱が相対的に大きい圧力容器２０５の端部側の燃料電池カートリッジ２０３の温度が低下する。また、図５Ｂに示すように圧力容器２０５の中央部に生じる温度のバラツキが生じる。この結果、上限温度に満たない温度を有する各燃料電池カートリッジ２０３は、最大の性能を出し切れていない状態で発電していることになる。
そこで、幾つかの実施形態では、図１に示すように、燃料電池発電システム１は、複数の燃料電池カートリッジ２０３の各々の温度を検出するための複数の温度計測部６２と、これらの複数の燃料電池カートリッジ２０３の各々の温度が規定温度Ｔｃになるように（図４Ａ参照）、複数の電力変換装置４の各々の出力（出力電力）を制御するよう構成された制御装置６と、をさらに備えても良い。具体的には、制御装置６は、複数の電力変換装置４の各々の負荷をそれぞれ調整することで、その各々の出力を制御しても良い。このように制御すれば、各燃料電池カートリッジ２０３の温度を上限温度に近づけて発電することができるので、最大性能を引き出すことが可能となる。
上記の規定温度Ｔｃは、例えば上記の上限温度以下の温度である。規定温度Ｔｃが上限温度に近いほど、燃料電池カートリッジ２０３の出力が高くなるので、規定温度Ｔｃは上限温度や、その上限温度を超えるのを回避可能なように上限温度からα温度だけ小さい値に設定されても良い。
また、制御装置６は、電力変換装置４毎に制御を実行する。この制御装置６は、コンピュータで構成されても良い。すなわち、図示しないＣＰＵ（プロセッサ）や、ＲＯＭやＲＡＭなどの記憶部を備えている。そして、メモリ（主記憶装置）にロードされたプログラムの命令に従ってＣＰＵが動作（データの演算など）することで、上記の制御を実行する。
図１に示す実施形態では、温度計測部６２は熱電対であり、後述する燃料電池カートリッジ２０３の発電室２１５の中央に設置されて、各々の温度を計測するようになっている。また、制御装置６には、例えば複数の温度計測部６２に接続されるなどすることで、各燃料電池カートリッジ２０３の計測温度が入力されるようになっている。そして、制御装置６は、図４Ａに示すように、各燃料電池カートリッジ２０３の計測温度の温度がそれぞれ規定温度Ｔｃになるように、各電力変換装置の負荷を制御する。より具体的には、制御装置６は、上記の圧力容器２０５の端部側に位置する燃料電池カートリッジ２０３に対して設けられた電力変換装置４の負荷を、圧力容器２０５の中央部に位置する、燃料電池カートリッジ２０３に対して設けられた電力変換装置４の負荷よりも小さくしている。
図４Ａの横軸（Ｎｏ．）は各燃料電池カートリッジ２０３を示し、縦軸がその温度に対応する。図４Ａに示すように、燃料電池発電システム１が備える合計で２０の燃料電池カートリッジ２０３の温度は、制御装置６による制御によって一定になっている。その結果、図４Ｂに示すように、圧力容器２０５の両端部に位置する１番目（Ｎｏ．１）および２０番目（Ｎｏ．２０）の燃料電池カートリッジ２０３の電流が他の物（Ｎｏ．２～Ｎｏ，１９）よりも高くなっており、その分だけ電流が高くなっており、発電性能が向上されている。
上記の構成によれば、各燃料電池ユニット３の温度が規定温度Ｔｃになるように、各電力変換装置４の出力電力を調整する。これによって、燃料電池カートリッジ２０３の出力がその温度が高いほど高くなる場合において、燃料電池発電システム１の出力性能を向上させることができる。
以下、燃料電池カートリッジ２０３や燃料電池モジュール２０１の構成について、図７～図９を用いて詳細に説明する。
なお、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。
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（燃料極もしくは空気極）が厚く形成されて、基体を兼用したものでも良い。
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（燃料極もしくは空気極）が厚く形成されて、基体を兼用したものでも良い。
まず、図７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７は、本発明の一実施形態に係るセルスタック１０１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、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ２－）を燃料極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。
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。
次に、図８と図９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８は、本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。また、図９は、本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図を示すものであり、図示された上部分は図２に対応する。
ＳＯＦＣモジュール（上記の燃料電池モジュール２０１に対応）２０１は、図８に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ（上記の燃料電池カートリッジ２０３に対応）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８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９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９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６２（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（シールリング）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７（例えば、負荷設備や電力系統）へと供給される。
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。
（付記）
（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、
複数の燃料電池カートリッジ（２０３）を有する燃料電池発電システム（１）であって、
前記燃料電池カートリッジ（２０３）に内蔵されている複数のセルスタック（１０１）の一部により電気出力の最小単位としてそれぞれ形成された２以上のセルグループ（Ｇ）で構成された複数の燃料電池ユニット（３）と、
前記複数の燃料電池ユニット（３）の各々に対して設けられる、前記燃料電池ユニット（３）の出力電力の電力変換を行う複数の電力変換装置（４）と、を備え、
前記燃料電池ユニット（３）において前記２以上のセルグループ（Ｇ）は直列に接続されている。
（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、
複数の燃料電池カートリッジ（２０３）を有する燃料電池発電システム（１）であって、
前記燃料電池カートリッジ（２０３）に内蔵されている複数のセルスタック（１０１）の一部により電気出力の最小単位としてそれぞれ形成された２以上のセルグループ（Ｇ）で構成された複数の燃料電池ユニット（３）と、
前記複数の燃料電池ユニット（３）の各々に対して設けられる、前記燃料電池ユニット（３）の出力電力の電力変換を行う複数の電力変換装置（４）と、を備え、
前記燃料電池ユニット（３）において前記２以上のセルグループ（Ｇ）は直列に接続されている。
上記（１）の構成によれば、燃料電池発電システム（１）は複数の燃料電池カートリッジ（２０３）を備えており、各燃料電池カートリッジ（２０３）に内蔵されている複数のセルスタック（１０１）は、電気出力の最小単位である複数のセルグループ（Ｇ）にグループ分けされている。燃料電池ユニット（３）は、このようなセルグループ（Ｇ）の２以上によって構成されており、各燃料電池ユニット（３）に対してそれぞれ電力変換装置（４）（パワーコンディショナなど）が設けられることで、燃料電池ユニット（３）毎に電力変換を行うように構成される。そして、各燃料電池ユニット（３）に属する全てのセルグループ（Ｇ）は、直列に接続される。
これによって、複数の電力変換装置（４）や燃料電池カートリッジ（２０３）のいずれかに故障などのトラブルが発生した場合であっても、残りの電力変換装置（４）および残りの燃料電池カートリッジ（２０３）によって構成される燃料電池ユニット（３）からの電力を電力系統などの電力供給先（７）に出力することができると共に、システムに冗長性を持たせることができ、信頼性の高い燃料電池発電システム（１）を提供することができる。例えば、燃料電池モジュール（２０１）に対して１つの電力変換装置（４）を設ける場合（電気系統が一系統である場合）には、電力変換装置（４）が故障すると燃料電池発電システム（１）は出力ができなくなるが、上記の構成によれば燃料電池発電システム（１）は電力供給を継続することが可能となる。また、各燃料電池カートリッジ（２０３）を直列接続（図６参照）するのに比べて、各燃料電池ユニット（３）から出力される出力電流を小さくすることができる。よって、このような低電流化によって集電ロスを低減することができると共に、より細い配線を用いることによって送電ロスを低減することもできる。
また、上記のように燃料電池ユニット（３）毎に電力変換装置（４）を設けることで、例えば太陽光発電用などの汎用的な低価格の電力変換装置（４）を採用することができる。よって、燃料電池発電システム（１）が備える全ての燃料電池カートリッジ（２０３）の電力変換が可能な電力変換装置（４）を特注などして用意する必要がなく、図６の場合と比べて、燃料電池発電システム（１）をより低コストで構築することができる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記燃料電池ユニット（３）は、１以上の前記燃料電池カートリッジ（２０３）が有する前記セルグループ（Ｇ）で構成される。
前記燃料電池ユニット（３）は、１以上の前記燃料電池カートリッジ（２０３）が有する前記セルグループ（Ｇ）で構成される。
上記（２）の構成によれば、例えば１または複数の燃料電池カートリッジ（２０３）の有するセルグループ（Ｇ）により１つの燃料電池ユニット（３）が構成される。これによって、燃料電池ユニット（３）が有するセルグループ（Ｇ）を所望の数に設定することができる。燃料電池カートリッジ（２０３）内に設けることが可能なセルグループ（Ｇ）の数（分割数）には制限があるが、１以上の燃料電池カートリッジ（２０３）のセルグループ（Ｇ）を用いて燃料電池ユニット（３）を組むことで、燃料電池ユニット（３）を所望の範囲に高電圧化することができる。このため、燃料電池ユニット（３）が有するセルグループ（Ｇ）の数を、接続される電力変換装置（４）の動作点に合わせて設定することができるので、汎用的な低価格の電力変換装置（４）を採用することができ、燃料電池発電システム（１）をより低コストで構築することができる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）～（２）の構成において、
前記燃料電池ユニット（３）を構成する前記セルグループ（Ｇ）の数は偶数である。
上記（３）の構成によれば、燃料電池カートリッジ（２０３）からの電力取り出し部を、燃料電池カートリッジ（２０３）の上部または下部のどちらかに統一することができ、施工の容易化を図ることができる。
前記燃料電池ユニット（３）を構成する前記セルグループ（Ｇ）の数は偶数である。
上記（３）の構成によれば、燃料電池カートリッジ（２０３）からの電力取り出し部を、燃料電池カートリッジ（２０３）の上部または下部のどちらかに統一することができ、施工の容易化を図ることができる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）～（３）の構成において、
前記複数の電力変換装置（４）が出力する出力電力の少なくとも一部を電力供給先（７）に出力可能な電力出力回路（５）を、さらに備え、
前記電力出力回路（５）は、前記複数の電力変換装置（４）と前記電力供給先（７）との接続状態をそれぞれ切り替えることが可能な複数のスイッチ（５１）を有する。
前記複数の電力変換装置（４）が出力する出力電力の少なくとも一部を電力供給先（７）に出力可能な電力出力回路（５）を、さらに備え、
前記電力出力回路（５）は、前記複数の電力変換装置（４）と前記電力供給先（７）との接続状態をそれぞれ切り替えることが可能な複数のスイッチ（５１）を有する。
上記（４）の構成によれば、複数の電力変換装置（４）の各々と電力供給先（７）との接続は、電力出力回路（５）が有するスイッチ（５１）により、個別に切断可能となっている。これによって、故障が発生した燃料電池ユニット（３）を容易に切り離すことができる。よって、残りの燃料電池ユニット（３）を用いて電力供給先（７）への電力供給を継続させることができると共に、故障した燃料電池ユニット（３）の交換、修理などの保守作業の容易化を図ることができる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）～（４）の構成において、
前記複数の燃料電池カートリッジ（２０３）の各々の温度を検出するための複数の温度検出手段と、
前記複数の燃料電池カートリッジ（２０３）の各々の温度が規定温度（Ｔｃ）になるように、前記複数の電力変換装置（４）の各々の出力を制御するよう構成された制御装置（６）と、をさらに備える。
前記複数の燃料電池カートリッジ（２０３）の各々の温度を検出するための複数の温度検出手段と、
前記複数の燃料電池カートリッジ（２０３）の各々の温度が規定温度（Ｔｃ）になるように、前記複数の電力変換装置（４）の各々の出力を制御するよう構成された制御装置（６）と、をさらに備える。
上記（５）の構成によれば、各燃料電池ユニット（３）の温度が規定温度（Ｔｃ）になるように、各電力変換装置（４）の出力電力を調整する。これによって、燃料電池カートリッジ（２０３）の出力がその温度が高いほど高くなる場合において、燃料電池発電システム（１）の出力性能を向上させることができる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記制御装置（６）は、前記電力変換装置（４）の負荷を調整することで、前記複数の電力変換装置（４）の各々の出力を制御するよう構成されている。
上記（６）の構成によれば、各電力変換装置（４）の負荷を調整することで、各燃料電池ユニット（３）の温度が規定温度（Ｔｃ）になるように制御することができる。
前記制御装置（６）は、前記電力変換装置（４）の負荷を調整することで、前記複数の電力変換装置（４）の各々の出力を制御するよう構成されている。
上記（６）の構成によれば、各電力変換装置（４）の負荷を調整することで、各燃料電池ユニット（３）の温度が規定温度（Ｔｃ）になるように制御することができる。
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、
前記制御装置（６）は、前記複数の燃料電池カートリッジ（２０３）を収容する圧力容器（２０５）の端部側に位置する前記燃料電池カートリッジ（２０３）に対して設けられた前記電力変換装置（４）の前記負荷を、前記圧力容器（２０５）の中央部に位置するものよりも小さくするよう構成されている。
前記制御装置（６）は、前記複数の燃料電池カートリッジ（２０３）を収容する圧力容器（２０５）の端部側に位置する前記燃料電池カートリッジ（２０３）に対して設けられた前記電力変換装置（４）の前記負荷を、前記圧力容器（２０５）の中央部に位置するものよりも小さくするよう構成されている。
上記（７）の構成によれば、圧力容器（２０５）における放熱の違いを考慮して、各電力変換装置の負荷を調整する。これによって、複数の燃料電池カートリッジ（２０３）の各々の温度が規定温度（Ｔｃ）になるように制御することができる。
１ 燃料電池発電システム
３ 燃料電池ユニット
４ 電力変換装置
４１ 第１配線
４２ 第２配線
４３ 第３配線
５ 電力出力回路
５１ スイッチ
５２ 昇圧トランス
６ 制御装置
６２ 温度計測部
７ 電力供給先
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 燃料電池モジュール（ＳＯＦＣ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
２２９ ケーシング
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
２４１ 集電板
２４２ 集電棒
Ｇ セルグループ
Ｔｃ 規定温度
３ 燃料電池ユニット
４ 電力変換装置
４１ 第１配線
４２ 第２配線
４３ 第３配線
５ 電力出力回路
５１ スイッチ
５２ 昇圧トランス
６ 制御装置
６２ 温度計測部
７ 電力供給先
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 燃料電池モジュール（ＳＯＦＣ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
２２９ ケーシング
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
２４１ 集電板
２４２ 集電棒
Ｇ セルグループ
Ｔｃ 規定温度
Claims (6)
- 複数の燃料電池カートリッジを有する燃料電池発電システムであって、
前記燃料電池カートリッジに内蔵されている複数のセルスタックにより電気出力の最小単位としてそれぞれ形成された２以上のセルグループで構成された複数の燃料電池ユニットと、
前記複数の燃料電池ユニットの各々に対して設けられる、前記燃料電池ユニットの出力電力の電力変換を行う複数の電力変換装置と、を備え、
前記燃料電池ユニットにおいて前記２以上のセルグループは直列に接続され、
前記複数のセルスタックの各々は、前記燃料電池カートリッジの一方側から他方側に沿って延在する長手方向を有し、
前記燃料電池ユニットを構成する前記セルグループの数は偶数であると共に、
前記複数の燃料電池ユニットのプラス端子およびマイナス端子は、前記複数の燃料電池カートリッジの前記一方側又は前記他方側のいずれか一方に統一して配置されている燃料電池発電システム。 - 前記燃料電池ユニットは、１以上の前記燃料電池カートリッジが有する前記セルグループで構成される請求項１に記載の燃料電池発電システム。
- 前記複数の電力変換装置が出力する出力電力の少なくとも一部を電力供給先に出力可能な電力出力回路を、さらに備え、
前記電力出力回路は、前記複数の電力変換装置と前記電力供給先との接続状態をそれぞれ切り替えることが可能な複数のスイッチを有する請求項１又は２に記載の燃料電池発電システム。 - 前記複数の燃料電池カートリッジの各々の温度を検出するための複数の温度検出手段と、
前記複数の燃料電池カートリッジの各々の温度が規定温度になるように、前記複数の電力変換装置の各々の出力を制御するよう構成された制御装置と、をさらに備える請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池発電システム。 - 前記制御装置は、前記電力変換装置の負荷を調整することで、前記複数の電力変換装置の各々の出力を制御するよう構成されている請求項４に記載の燃料電池発電システム。
- 前記制御装置は、前記複数の燃料電池カートリッジを収容する圧力容器の端部側に位置する前記燃料電池カートリッジに対して設けられた前記電力変換装置の前記負荷を、前記圧力容器の中央部に位置するものよりも小さくするよう構成されている請求項５に記載の燃料電池発電システム。
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| JP2020002448A JP7446113B2 (ja) | 2020-01-09 | 2020-01-09 | 燃料電池発電システム |
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