KR102119441B1 - 연료 전지 시스템 및 복합 발전 시스템, 그리고 연료 전지 시스템의 제어 방법 - Google Patents

연료 전지 시스템 및 복합 발전 시스템, 그리고 연료 전지 시스템의 제어 방법 Download PDF

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미츠비시 히타치 파워 시스템즈 가부시키가이샤
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Abstract

간이하면서 또한 설치 스페이스를 억제하여 구성할 수 있고, 설치 비용을 억제할 수 있는 것을 목적으로 한다. 연료 전지 시스템(300)은, 공기극(113)에 산화성 가스가 공급됨과 함께 연료극(109)에 연료 가스가 공급됨으로써 발전을 행하는 SOFC(313)와, 연료극(109)으로부터 배출된 배출 연료 가스를 대기에 배출하는 복수의 배출 연료 가스 배출 라인(394)과, 복수의 배출 연료 가스 배출 라인(394) 각각에 설치된 배출 연료 가스 배출 밸브(395, 396)와, 공기극(113)으로부터 배출된 배출 산화성 가스를 대기에 배출하는 복수의 배출 산화성 가스 배출 라인(391)과, 복수의 배출 산화성 가스 배출 라인(391) 각각에 설치된 배출 산화성 가스 배출 밸브(392, 393)와, SOFC(313)를 정지할 때, 배출 연료 가스 배출 밸브(395, 396)보다 먼저, 배출 산화성 가스 배출 밸브(392, 393)를 개방 상태로 하는 제어 장치(380)를 구비한다.

Description

연료 전지 시스템 및 복합 발전 시스템, 그리고 연료 전지 시스템의 제어 방법{FUEL CELL SYSTEM, COMBINED POWER GENERATION SYSTEM, AND CONTROL METHOD FOR FUEL CELL SYSTEM}
본 발명은, 연료 전지 시스템 및 복합 발전 시스템, 그리고 연료 전지 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
연료 가스와 산화성 가스를 화학 반응시킴으로써 발전하는 연료 전지가 알려져 있다. 이 중, 고체 산화물형 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)는, 전해질로서 지르코니아 세라믹스 등의 세라믹스가 사용되고, 탄소 함유 고체 연료를 가스화 설비에 의해 제조한 석탄 가스화 가스 등의 가스, 수소, 도시가스, 천연가스, 석유, 메탄올 등을 연료 가스로 하여 운전되는 연료 전지이다. SOFC에서는, 공기극에 산화성 가스가 공급됨과 함께, 전해질을 사이에 두고 설치한 연료극에 연료 가스가 공급된다. 이러한 SOFC는, 예를 들어 가스 터빈이나 마이크로 가스 터빈(이하, 「MGT」라고 칭함) 등의 내연 기관과 조합하여 복합 발전 시스템을 구축함으로써, 발전 효율이 높은 발전이 가능하다고 하고 있다.
SOFC에는 내부의 압력이 0.1㎫ 내지 약 3㎫인 가압 상태에서 운전되는 것이 있고, SOFC의 정지 동작에 있어서는, 연료극 출구로부터의 배출 연료 가스측의 계통 및 공기극 출구로부터의 배출 산화성 가스측의 계통의 벤트 라인을 개방하여, 각 계통 내의 배출 연료 가스 및 배출 산화성 가스를 계외로 배출하고, SOFC 내를 감압한다. SOFC를 정지할 때에는, 셀을 손상시키지 않기 위해, SOFC에 있어서의 연료극측 계통과 공기극측 계통의 차압(이하, 「연료 공기 차압」이라고 함)을 소정의 범위로 되도록 하는 경우가 있다(예를 들어, 특허문헌 1).
특허문헌 1에서는, 연료 가스 벤트 라인 및 산화성 가스 벤트 라인이 연통된 균압 배출 라인을 구비한 연료 전지 시스템이 개시되어 있다. 이 시스템에서는, 균압 배출 라인에 의해 연료극측과 공기극측의 계통 차압을 균압화하고 있다.
일본 특허 공개 제2016-95940호 공보
또한, 특허문헌 1의 시스템에서는, 균압 배출 라인에 촉매 연소기를 설치하여, 배출 연료 가스 중의 가연 가스의 연소 처리를 행하고 있다. 그러나 특허문헌 1과 같이, 배출 산화성 가스와 배출 연료 가스를 연통시키는 균압 배출 라인에서는, 배출 연료 가스 중의 가연성 가스 성분의 급속 연소를 억제하면서 연소 처리를 행해야 해, 시스템 구성이 복잡하고 설치 스페이스의 증대를 초래할 가능성이 있다. SOFC 시스템이 대형화되면, 이 경향은 현저하여, 연료 가스의 연소 처리를 행하는 시스템 구성이 더 대형화됨과 함께, 연소 처리도 더 복잡화될 가능성이 있으므로, SOFC 시스템 전체의 설치 스페이스 면적의 증대나, 설치 비용의 증대를 초래할 가능성이 있었다.
본 발명은, 이러한 사정에 비추어 이루어진 것이며, 연료 전지에 있어서의 연료극측 계통 및 공기극측 계통의 적절한 차압 제어를 행할 수 있고, 간이하면서 또한 설치 스페이스를 억제하여 구성할 수 있고, 설치 비용을 억제할 수 있는 연료 전지 시스템 및 복합 발전 시스템, 그리고 연료 전지 시스템의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 연료 전지 시스템 및 복합 발전 시스템, 그리고 연료 전지 시스템의 제어 방법은 이하의 수단을 채용한다.
본 발명의 일 양태에 관한 연료 전지 시스템은, 공기극과, 고체 전해질과, 연료극을 구비하고, 상기 공기극에 산화성 가스가 공급됨과 함께 상기 연료극에 연료 가스가 공급됨으로써 발전을 행하는 연료 전지와, 상기 연료극으로부터 배출된 배출 연료 가스를 계외로 배출하는 복수의 배출 연료 가스 배출 라인과, 복수의 상기 배출 연료 가스 배출 라인 각각에 설치된 배출 연료 가스 배출 밸브와, 상기 공기극으로부터 배출된 배출 산화성 가스를 계외로 배출하는 복수의 배출 산화성 가스 배출 라인과, 복수의 상기 배출 산화성 가스 배출 라인 각각에 설치된 배출 산화성 가스 배출 밸브와, 상기 연료 전지를 정지할 때, 상기 배출 연료 가스 배출 밸브보다 먼저, 상기 배출 산화성 가스 배출 밸브를 개방 상태로 하는 제어 장치를 구비하고 있다.
연료 전지는, 가압 상태에서 운전을 하고 있으므로, 운전을 정지하는 경우에는, 연료 전지의 공기극 출구로부터의 배출 산화성 가스측의 계통(이하, 「공기극측 배기 계통」이라고 함) 및 연료극 출구로부터의 배출 연료 가스측의 계통(이하, 「연료극측 배기 계통」이라고 함)으로부터 가스를 배출하여, 공기극 내 및 연료극 내를 감압할 필요가 있다.
상기 구성에서는, 배출 연료 가스 배출 라인이 복수 설치되고, 각 배출 연료 가스 배출 라인에, 배출 연료 가스 배출 밸브가 설치되어 있다. 이에 의해, 각 배출 연료 가스 배출 밸브의 개방도(완전 개방 상태 및 완전 폐쇄 상태를 포함함)를 변경함으로써, 배출 연료 가스 배출 라인마다, 유통하는 연료 가스의 유량을 변경할 수 있다. 이와 같이, 계외로 배출되는 연료 가스의 유량을, 복수의 배출 연료 가스 배출 라인에 의해 변경하여 조정할 수 있으므로, 단수의 배출 연료 가스 배출 라인에 의해 연료 가스의 유량을 조정하는 구조와 비교하여, 연료극 배기측 계통으로부터의 감압 속도를 미세하게 조정할 수 있다. 또한, 배출 산화성 가스 배출 라인도 복수 설치되고, 각 배출 산화성 가스 배출 라인에 배출 산화성 가스 배출 밸브가 설치되어 있다. 따라서 배출 연료 가스 배출 라인과 마찬가지로, 공기극측 배기 계통으로부터의 감압 속도를 미세하게 조정할 수 있다.
이와 같이, 연료 전지를 정지할 때, 연료극측 배기 계통 및 공기극측 배기 계통으로부터의 감압 속도를 조정할 수 있다. 이에 의해, 연료 전지를 정지할 때, 연료 전지의 공기극 내를 포함하는 산화성 가스측의 계통(이하, 「공기극측 계통」이라고 함) 및 연료 전지의 연료극 내를 포함하는 연료 가스측의 계통(이하, 「연료극측 계통」이라고 함)에 있어서, 연료극측 계통과 공기극측 계통의 연료 공기 차압을 소정 범위 내로 억제한 상태에서 감압을 행할 수 있다. 따라서 연료극측 계통과 공기극측 계통의 차압에 기인하는 연료 전지 시스템의 손상을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 배출 연료 가스 배출 라인 및 배출 산화성 가스 배출 라인이, 병렬로 설치된 복수의 라인을 구비하고 있으므로, 연료 가스 및 산화성 가스를 계외로 배출하는 구조에 대해 용장성을 갖게 할 수 있다. 따라서 배출 연료 가스 배출 라인 또는 배출 산화성 가스 배출 라인에 있어서, 가령 어느 쪽의 배출 라인이 파손 등에 의해 사용할 수 없게 되었다고 해도, 다른 한쪽의 배출 라인에 의해 연료 가스 또는 산화성 가스를 계외로 배출할 수 있다. 따라서 연료 전지 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 공기극측 배기 계통은, 연료극측 배기 계통보다 용적이 크다. 따라서 공기극측 배기 계통의 쪽이, 연료극측 계통보다, 계통 내에 존재하는 가스의 양이 많아, 계외로 배출되는 가스의 유량이 동일 정도인 경우는, 공기극 내의 압력이 저하되기 어렵다. 상기 구성에서는, 배출 연료 가스 배출 밸브보다, 배출 산화성 가스 배출 밸브의 쪽이 먼저 개방된다. 이에 의해, 연료극측 배기 계통보다 먼저, 압력이 내려가기 어려운 공기극측 배기 계통으로부터 배출이 행해져, 압력의 저하가 개시된다. 이와 같이, 압력이 내려가기 어려운 공기극측 배기 계통의 압력이 먼저 저하되고, 그 후에 압력이 내려가기 쉬운 연료극측 배기 계통의 압력이 저하되므로, 연료극측 계통과 공기극측 계통의 연료 공기 차압을 소정 범위 내로 억제할 수 있다.
또한, 나중에 감압하는 연료극측 배기 계통으로부터의 감압 속도를, 공기극측 배기 계통으로부터의 감압 속도와 대략 동일해지도록 설정해 둠으로써, 감압 중인 연료 공기 차압을 소정의 범위 내로 할 수 있다. 이와 같이, 연료극측 계통을 감압할 때, 공기극 배기측 계통의 감압 속도를 목표 속도로 하고, 당해 목표 속도를 추종하도록 감압할 수 있으므로, 연료극측 계통의 감압 제어를 용이화할 수 있다. 따라서 연료극측 계통과 공기극측 계통의 연료 공기 차압의 제어도 용이화할 수 있다.
또한, 공기극측 배기 계통으로부터 감압되므로, 연료 전지의 감압 시에 있어서, 공기극측 배기 계통의 압력보다, 연료극측 배기 계통의 압력의 쪽이 높아진다. 이에 의해, 공기극측 계통으로부터 연료극측 계통으로의 산화성 가스의 유입을 억제할 수 있다. 따라서, 연료극측 계통으로의 산화성 가스의 유입에 기인한 연료 전지의 열화나 손상을 방지할 수 있다.
또한, 통상 존재하는 배출 연료 가스 배출 라인 및 배출 산화성 가스 배출 라인을 복수 설치할 뿐이므로, 연료 공기 차압을 소정 범위 내로 억제하는 구조를 간이하게 실현할 수 있다. 따라서 배출 연료 가스 중의 가연성 가스 성분의 급속 연소를 억제하기 위한 연소 처리가 불필요해지고, 연료 전지 시스템 전체의 설치 스페이스를 억제할 수 있음과 함께, 설치 비용도 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 양태에 관한 연료 전지 시스템은, 상기 연료 전지에 있어서, 상기 공기극측의 계통인 공기극측 계통과, 상기 연료극측의 계통인 연료극측 계통의 차압을 측정하는 차압 측정 수단을 구비하고, 복수의 상기 배출 연료 가스 배출 라인은, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브가 설치되는 제1 배출 연료 가스 배출 라인과, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 라인과 병렬로 설치되고, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브가 설치되는 제2 배출 연료 가스 배출 라인을 포함하고, 복수의 상기 배출 산화성 가스 배출 라인은, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브가 설치되는 제1 배출 산화성 가스 배출 라인 및 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 라인과 병렬로 설치되고, 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브가 설치되는 제2 배출 산화성 가스 배출 라인을 포함하고, 상기 제어 장치는, 상기 연료 전지를 정지할 때, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 밸브 및 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브를 개방한 상태에서, 상기 차압 측정 수단이 측정한 차압에 기초하여, 상기 제2 배출 연료 가스 배출 밸브 및/또는 상기 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브를 소정의 개방도로 변경하는 제어를 행해도 된다.
상기 구성에서는, 배출 연료 가스 배출 라인 및 배출 산화성 가스 배출 라인에 있어서, 복수 설치된 배출 라인 중 하나의 배출 라인(제1 배출 연료 가스 배출 라인 및 제1 배출 산화성 가스 배출 라인)으로 배출을 행하면서, 다른 배출 라인(제2 배출 연료 가스 배출 라인 및 제2 배출 산화성 가스 배출 라인)에 설치된 배출 밸브의 개방도를 연료 공기 차압에 기초하여 소정의 개방도(완전 개방 상태 및 완전 폐쇄 상태를 포함함)로 변경하고 있다. 다른 배출 라인에 설치된 배출 밸브의 개방도를 크게 한 경우에는, 당해 배출 라인이 접속되는 극측의 배기 계통의 감압 속도가 빨라지고, 배출 밸브의 개방도를 작게 한 경우에는, 당해 배출 라인이 접속되는 극측의 배기 계통의 감압 속도가 느려진다. 이와 같이, 각 배기 계통의 감압 속도를 변경하여 설정할 수 있다. 이에 의해, 연료 전지를 정지할 때의 연료극측 계통과 공기극측 계통의 연료 공기 차압을 소정 범위 내로 억제하는 것이 가능해진다. 또한, 상기 구성에서는, 이러한 제어를, 공기극측 배기 계통과 연료극측 배기 계통으로부터의 배기 유량을 변경함으로써, 연료 공기 차압에 기초하여 행하고 있으므로, 연료 공기 차압을 더 적합하게 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명의 일 양태에 관한 연료 전지 시스템은, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 밸브를 구동하는 구동원과, 상기 제2 배출 연료 가스 배출 밸브를 구동하는 구동원은 상이하고, 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브를 구동하는 구동원과, 상기 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브를 구동하는 구동원은 상이해도 된다.
상기 구성에서는, 배출 연료 가스 배출 라인 및 배출 산화성 가스 배출 라인에 있어서, 구동원이 상이한 2종류의 밸브를 구비할 수 있다. 이에 의해, 배출 연료 가스 및 배출 산화성 가스를 계외로 배출하는 구조에 대해 용장성을 갖게 할 수 있다. 따라서, 가령 어느 쪽의 구동원이 고장나거나 하여 작동하지 않게 된 경우라도, 다른 한쪽의 구동원에 의해 구동되는 밸브부를 구동함으로써, 배출 연료 가스 및 배출 산화성 가스의 계외로의 배출을 더 확실하게 행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 양태에 관한 연료 전지 시스템은, 상기 제어 장치는, 상기 차압 측정 수단이 측정한 차압이 소정의 역치 이상인지를 판정하는 판정부와, 상기 판정부에 의해 차압이 소정의 역치 이상이라고 판정된 경우에, 상기와 상기 연료극측 계통 중 어느 쪽의 압력이 높은지를 판단하는 판단부와, 상기 제2 배출 연료 가스 배출 밸브와 상기 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브 중, 상기 판단부에 의해 압력이 높다고 판단된 계통측에 설치된 배출 밸브의 개방도를, 현재의 개방도보다 크게 하는 배출 밸브 제어부를 구비해도 된다.
상기 구성에서는, 차압 측정 수단이 측정한 차압이 소정의 역치보다 높은 경우에는, 압력이 높다고 판단된 계통측 출구의 배기 계통의 배출 라인에 설치된 배출 밸브의 개방도를, 현재의 개방도보다 크게 하고 있다. 이에 의해, 압력이 높다고 판단된 계통측의 감압 속도를 빠르게 하여, 연료극측 계통과 공기극측 계통의 연료 공기 차압을 저감할 수 있다.
또한, 개방도를 크게 한다고 하는 것은, 완전 폐쇄 상태를 완전 개방 상태로 하는 것도 포함한다.
또한, 본 발명의 일 양태에 관한 연료 전지 시스템은, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 밸브 및 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브는, 소정의 개방도로 변경하는 것이 가능한 밸브이며, 상기 제어 장치는, 상기 연료 전지를 정지할 때, 상기 차압 측정 수단이 측정한 차압에 기초하여, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 밸브 및/또는 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브의 개방도를 변경하고, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 라인 및/또는 상기 제2 배출 산화성 가스 배출 라인으로부터 배출되는 가스의 유량을 변경해도 된다.
상기 구성에서는, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브 및 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브의 개방도를 변경함으로써, 배출되는 가스의 유량을 변경하여 설정하여, 각 계통의 감압 속도를 조정할 수 있다. 이와 같이, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브 및 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브에 의해, 연료 전지를 정지할 때의 연료극측 계통과 공기극측 계통의 연료 공기 차압을 소정 범위 내로 억제할 수 있으므로, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브 및 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브의 구동 횟수를 저감할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 양태에 관한 연료 전지 시스템은, 상기 연료 전지에 있어서, 상기 공기극측의 계통인 공기극측 계통 및 상기 연료극측의 계통인 연료극측 계통의 압력을 측정하는 압력 측정 수단을 구비하고, 복수의 상기 배출 연료 가스 배출 라인은, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브가 설치되는 제1 배출 연료 가스 배출 라인과, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 라인과 병렬로 설치되고, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브가 설치되는 제2 배출 연료 가스 배출 라인을 포함하고, 복수의 상기 배출 산화성 가스 배출 라인은, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브가 설치되는 제1 배출 산화성 가스 배출 라인 및 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 라인과 병렬로 설치되고, 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브가 설치되는 제2 배출 산화성 가스 배출 라인을 포함하고, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 밸브 및 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브는, 소정의 설정 개방도로 변경하는 것이 가능한 밸브이며, 상기 제어 장치는, 상기 연료 전지를 정지할 때, 상기 공기극측 계통의 압력이 소정의 역치 이하로 된 경우에, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 밸브 및 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브의 개방도를 커지도록 변경해도 된다.
상기 구성에서는, 연료 전지를 정지할 때, 연료 전지의 압력을 단계적으로 감압하고 있다. 이에 의해, 연료 전지를 정지할 때, 연료 전지 내의 압력이 급격하게 저하되지 않으므로, 연료 전지에 발생하는 연료 공기 차압의 급속한 변화를 저감할 수 있다. 또한, 단계적으로 감압해 감으로써, 차압의 제어를 용이화할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 관한 복합 발전 시스템은, 상기 어느 연료 전지 시스템과, 터빈과, 당해 터빈에 연결되는 발전기와, 상기 터빈에 연소 가스를 송급하는 연소기와, 상기 연소기 및 상기 공기극에 산화성 가스를 공급 가능하게 하는 압축기를 구비하는 가스 터빈 장치를 구비하고, 상기 연료 전지의 상기 연료극으로부터 배출된 상기 배출 연료 가스의 일부가 상기 연소기에 공급되고, 상기 압축기에서 압축된 산화성 가스가 상기 연료 전지의 상기 공기극에 공급되고, 상기 공기극으로부터 배출된 상기 배출 산화성 가스의 적어도 일부가 상기 연소기에 공급된다.
본 발명의 일 양태에 관한 연료 전지 시스템의 제어 방법은, 공기극에 산화성 가스가 공급됨과 함께 고체 전해질을 사이에 두고 설치한 연료극에 연료 가스가 공급됨으로써 발전을 행하는 연료 전지를 구비한 연료 전지 시스템의 제어 방법이며, 상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료극으로부터 배출된 배출 연료 가스를 계외로 배출 가능한 복수의 배출 연료 가스 배출 라인과, 복수의 상기 배출 연료 가스 배출 라인 각각에 설치된 배출 연료 가스 배출 밸브와, 상기 공기극으로부터 배출된 배출 산화성 가스를 계외로 배출 가능한 복수의 배출 산화성 가스 배출 라인과, 복수의 상기 배출 산화성 가스 배출 라인 각각에 설치된 배출 산화성 가스 배출 밸브를 구비하고, 상기 연료 전지를 정지할 때, 상기 배출 산화성 가스 배출 밸브를 개방 상태로 하는 제1 스텝과, 상기 제1 스텝 후에, 상기 배출 연료 가스 배출 밸브를 개방 상태로 하는 제2 스텝을 구비한다.
본 발명에 따르면, 연료 전지에 있어서의 연료 전지 시스템의 연료극측 계통 및 공기극측 계통의 적절한 차압 제어를 행하고, 연료 전지 시스템을, 간이하면서 또한 설치 스페이스를 억제하여 구성할 수 있음과 함께, 설치 비용을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 셀 스택의 일 양태를 나타내는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 SOFC 모듈의 일 양태를 나타내는 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 SOFC 카트리지의 단면의 일 양태를 나타내는 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 발전 시스템의 일 양태를 나타내는 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 발전 시스템의 주요부의 일 양태를 나타내는 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 제어 장치의 일 양태를 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 발전 시스템의 차압 제어 처리를 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 발전 시스템의 연료 전지의 정지 방법을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 연료 전지에 있어서의 연료극측 계통의 압력 및 공기극측 계통의 압력과 시간의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하에, 본 발명에 관한 연료 전지 시스템 및 복합 발전 시스템, 그리고 연료 전지 시스템의 제어 방법의 일 실시 형태에 대해, 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시 형태에서는, 연료 전지로서, 고체 산화물형 연료 전지(SOFC)를 적용한 예에 대해 설명한다.
이하에 있어서는, 설명의 편의상, 지면을 기준으로 하여 「상」 및 「하」라는 표현을 사용하여 설명한 각 구성 요소의 위치 관계는, 각각 연직 상방측, 연직 하방측을 나타내는 것이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 상하 방향과 수평 방향에서 마찬가지의 효과를 얻을 수 있는 것은, 지면에 있어서의 상하 방향이 반드시 연직 상하 방향에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 연직 방향에 직교하는 수평 방향에 대응해도 된다.
또한, 이하에 있어서는, 고체 산화물형 연료 전지(SOFC)의 셀 스택으로서 원통형을 예로 들어 설명하지만, 반드시 이것에 한정될 필요는 없고, 예를 들어 평판형의 셀 스택이어도 된다. 기체 상에 연료 전지 셀을 형성하지만, 기체가 아닌 전극(연료극 혹은 공기극)이 두껍게 형성되어, 기체를 겸용한 것이어도 된다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 실시 형태에 관한 일례로서, 기체관을 사용하는 원통형 셀 스택에 대해 설명한다. 여기서, 도 1은, 실시 형태에 관한 셀 스택의 일 양태를 나타내는 것이다. 셀 스택(101)은, 원통 형상의 기체관(103)과, 기체관(103)의 외주면에 복수 형성된 연료 전지 셀(105)과, 인접하는 연료 전지 셀(105)의 사이에 형성된 인터커넥터(107)를 구비한다. 연료 전지 셀(105)은, 연료극(109)과 고체 전해질(111)과 공기극(113)이 적층되어 형성되어 있다. 또한, 셀 스택(101)은 기체관(103)의 외주면에 형성된 복수의 연료 전지 셀(105) 중, 기체관(103)의 축 방향에 있어서 가장 끝의 일단에 형성된 연료 전지 셀(105)의 공기극(113)에, 인터커넥터(107)를 개재하여 전기적으로 접속된 리드 막(115)을 구비하고, 가장 끝의 타단에 형성된 연료 전지 셀(105)의 연료극(109)에 전기적으로 접속된 리드 막(115)을 구비한다.
기체관(103)은, 다공질 재료로 이루어지고, 예를 들어 CaO 안정화 ZrO2(CSZ), CSZ와 산화니켈(NiO)의 혼합물(CSZ+NiO), 또는 Y2O3 안정화 ZrO2(YSZ), 또는 MgAl2O4 등을 주성분으로 한다. 이 기체관(103)은, 연료 전지 셀(105)과 인터커넥터(107)와 리드 막(115)을 지지함과 함께, 기체관(103)의 내주면에 공급되는 연료 가스를 기체관(103)의 세공을 통해 기체관(103)의 외주면에 형성되는 연료극(109)으로 확산시키는 것이다.
연료극(109)은, Ni와 지르코니아계 전해질 재료의 복합재의 산화물로 구성되고, 예를 들어 Ni/YSZ가 사용된다. 연료극(109)의 두께는 50 내지 250㎛이고, 연료극(109)은 슬러리를 스크린 인쇄하여 형성되어도 된다. 이 경우, 연료극(109)은, 연료극(109)의 성분인 Ni가 연료 가스에 대해 촉매 작용을 구비한다. 이 촉매 작용은, 기체관(103)을 통해 공급된 연료 가스, 예를 들어 메탄(CH4)과 수증기의 혼합 가스를 반응시켜, 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 개질하는 것이다. 또한, 연료극(109)은, 개질에 의해 얻어지는 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)와, 고체 전해질(111)을 통해 공급되는 산소 이온(O2-)을 고체 전해질(111)과의 계면 부근에 있어서 전기 화학적으로 반응시켜 물(H2O) 및 이산화탄소(CO2)를 생성하는 것이다. 또한, 연료 전지 셀(105)은, 이때, 산소 이온으로부터 방출되는 전자에 의해 발전한다.
SOFC(10)의 연료극(109)에 공급하여 이용할 수 있는 연료 가스로서는, 수소(H2) 및 일산화탄소(CO), 메탄(CH4) 등의 탄화수소계 가스, 도시가스, 천연가스 외에, 석유, 메탄올, 석탄 등의 탄소질 원료를 가스화 설비에 의해 제조한 가스 등을 들 수 있다.
고체 전해질(111)은, 가스를 통과시키기 어려운 기밀성과, 고온에서 높은 산소 이온 도전성을 구비하는 YSZ가 주로 사용된다. 이 고체 전해질(111)은, 공기극에서 생성되는 산소 이온(O2-)을 연료극으로 이동시키는 것이다. 연료극(109)의 표면 상에 위치하는 고체 전해질(111)의 막 두께는 10 내지 100㎛이고 고체 전해질(111)은 슬러리를 스크린 인쇄하여 형성되어도 된다.
공기극(113)은, 예를 들어 LaSrMnO3계 산화물, 또는 LaCoO3계 산화물로 구성되고, 공기극(113)은 슬러리를 스크린 인쇄 또는 디스펜서를 사용하여 도포된다. 이 공기극(113)은, 고체 전해질(111)과의 계면 부근에 있어서, 공급되는 공기 등의 산화성 가스 중의 산소를 해리시켜 산소 이온(O2-)을 생성하는 것이다.
공기극(113)은, 2층 구성으로 할 수도 있다. 이 경우, 고체 전해질(111)측의 공기극층(공기극 중간층)은 높은 이온 도전성을 나타내고, 촉매 활성이 우수한 재료로 구성된다. 공기극 중간층 상의 공기극층(공기극 도전층)은, Sr 및 Ca 도핑 LaMnO3으로 표시되는 페로브스카이트형 산화물로 구성되어도 된다. 이와 같이 함으로써, 발전 성능을 더 향상시킬 수 있다.
산화성 가스라 함은, 산소를 대략 15％ 내지 30％ 포함하는 가스이며, 대표적으로는 공기가 적합하지만, 공기 이외에도 연소 배출 가스와 공기의 혼합 가스나, 산소와 공기의 혼합 가스 등이 사용 가능하다.
인터커넥터(107)는 SrTiO3계 등의 M1- xLxTiO3(M은 알칼리 토류 금속 원소, L은 란타노이드 원소)으로 표시되는 도전성 페로브스카이트형 산화물로 구성되고, 슬러리를 스크린 인쇄한다. 인터커넥터(107)는, 연료 가스와 산화성 가스가 혼합되지 않도록 치밀한 막으로 되어 있다. 또한, 인터커넥터(107)는, 산화 분위기와 환원 분위기의 양 분위기하에서 안정된 내구성과 전기 도전성을 구비한다. 이 인터커넥터(107)는, 인접하는 연료 전지 셀(105)에 있어서, 한쪽 연료 전지 셀(105)의 공기극(113)과 다른 쪽 연료 전지 셀(105)의 연료극(109)을 전기적으로 접속하고, 인접하는 연료 전지 셀(105)끼리를 직렬로 접속하는 것이다.
리드 막(115)은, 전자 전도성을 구비하는 것, 및 셀 스택(101)을 구성하는 다른 재료와의 열팽창 계수가 가까운 것이 필요하다는 점에서, Ni/YSZ 등의 Ni와 지르코니아계 전해질 재료의 복합재나 SrTiO3계 등의 M1- xLxTiO3(M은 알칼리 토류 금속 원소, L은 란타노이드 원소)으로 구성되어 있다. 이 리드 막(115)은, 인터커넥터에 의해 직렬로 접속되는 복수의 연료 전지 셀(105)에서 발전된 직류 전력을 셀 스택(101)의 단부 부근까지 도출하는 것이다.
연료극(109), 고체 전해질(111) 및 인터커넥터(107)의 슬러리 막이 형성된 기체관(103)을, 대기 중에서 공소결한다. 소결 온도는, 구체적으로 1350℃ 내지 1450℃로 된다.
다음으로, 공소결된 기체관(103) 상에, 공기극(113)의 슬러리 막이 형성된 기체관(103)이, 대기 중에서 소결된다. 소결 온도는, 구체적으로 1100℃ 내지 1250℃로 된다. 여기서의 소결 온도는, 기체관(103) 내지 인터커넥터(107)를 형성한 후의 공소결 온도보다 저온이 된다.
다음으로, 도 2와 도 3을 참조하여 본 실시 형태에 관한 SOFC 모듈 및 SOFC 카트리지에 대해 설명한다. 여기서, 도 2는, 실시 형태에 관한 SOFC 모듈의 일 양태를 나타내는 것이다. 또한, 도 3은, 실시 형태에 관한 SOFC 카트리지의 일 양태의 단면도를 나타내는 것이다.
SOFC 모듈(201)은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 복수의 SOFC 카트리지(203)와, 이들 복수의 SOFC 카트리지(203)를 수납하는 압력 용기(205)를 구비한다. 또한, 도 2에는 원통형의 SOFC의 셀 스택을 예시하고 있지만, 반드시 이것에 한정될 필요는 없고, 예를 들어 평판형의 셀 스택이어도 된다. 또한, SOFC 모듈(201)은, 연료 가스 공급관(207)과 복수의 연료 가스 공급 지관(207a) 및 연료 가스 배출관(209)과 복수의 연료 가스 배출 지관(209a)을 구비한다. 또한, SOFC 모듈(201)은, 산화성 가스 공급관(도시하지 않음)과 산화성 가스 공급 지관(도시하지 않음) 및 산화성 가스 배출관(도시하지 않음)과 복수의 산화성 가스 배출 지관(도시하지 않음)을 구비한다.
연료 가스 공급관(207)은, 압력 용기(205)의 외부에 설치되고, SOFC 모듈(201)의 발전량에 대응하여 소정 가스 조성과 소정 유량의 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급부에 접속됨과 함께, 복수의 연료 가스 공급 지관(207a)에 접속되어 있다. 이 연료 가스 공급관(207)은, 상술한 연료 가스 공급부로부터 공급되는 소정 유량의 연료 가스를, 복수의 연료 가스 공급 지관(207a)으로 분기하여 유도하는 것이다. 또한, 연료 가스 공급 지관(207a)은, 연료 가스 공급관(207)에 접속됨과 함께, 복수의 SOFC 카트리지(203)에 접속되어 있다. 이 연료 가스 공급 지관(207a)은, 연료 가스 공급관(207)으로부터 공급되는 연료 가스를 복수의 SOFC 카트리지(203)에 대략 균등한 유량으로 유도하여, 복수의 SOFC 카트리지(203)의 발전 성능을 대략 균일화시키는 것이다.
연료 가스 배출 지관(209a)은, 복수의 SOFC 카트리지(203)에 접속됨과 함께, 연료 가스 배출관(209)에 접속되어 있다. 이 연료 가스 배출 지관(209a)은, SOFC 카트리지(203)로부터 배출되는 배출 연료 가스를 연료 가스 배출관(209)으로 유도하는 것이다. 또한, 연료 가스 배출관(209)은, 복수의 연료 가스 배출 지관(209a)에 접속됨과 함께, 일부가 압력 용기(205)의 외부에 배치되어 있다. 이 연료 가스 배출관(209)은, 연료 가스 배출 지관(209a)으로부터 대략 균등한 유량으로 도출되는 배출 연료 가스를 압력 용기(205)의 외부로 유도하는 것이다.
압력 용기(205)는, 내부의 압력이 0.1㎫ 내지 약 3㎫, 내부의 온도가 대기 온도 내지 약 550℃에서 운용되므로, 내력성과 산화성 가스 중에 포함되는 산소 등의 산화제에 대한 내식성을 보유하는 재질이 이용된다. 예를 들어, SUS304 등의 스테인리스계 재가 적합하다.
여기서, 본 실시 형태에 있어서는, 복수의 SOFC 카트리지(203)가 집합화되어 압력 용기(205)에 수납되는 양태에 대해 설명하고 있지만, 이것에 한정되지 않고 예를 들어, SOFC 카트리지(203)가 집합화되지 않고 압력 용기(205) 내에 수납되는 양태로 할 수도 있다.
SOFC 카트리지(203)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 복수의 셀 스택(101)과, 발전실(215)과, 연료 가스 공급실(217)과, 연료 가스 배출실(219)과, 산화성 가스 공급실(221)과, 산화성 가스 배출실(223)을 구비한다. 또한, SOFC 카트리지(203)는, 상부관판(225a)과, 하부관판(225b)과, 상부 단열체(227a)와, 하부 단열체(227b)를 구비한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, SOFC 카트리지(203)는, 연료 가스 공급실(217)과 연료 가스 배출실(219)과 산화성 가스 공급실(221)과 산화성 가스 배출실(223)이 도 3과 같이 배치됨으로써, 연료 가스와 산화성 가스가 셀 스택(101)의 내측과 외측을 대향하여 흐르는 구조로 되어 있지만, 반드시 이와 같이 할 필요는 없고, 예를 들어 셀 스택의 내측과 외측을 평행하게 흐르거나, 또는 산화성 가스가 셀 스택의 길이 방향과 직교하는 방향으로 흐르도록 해도 된다.
발전실(215)은, 상부 단열체(227a)와 하부 단열체(227b) 사이에 형성된 영역이다. 이 발전실(215)은, 셀 스택(101)의 연료 전지 셀(105)이 배치된 영역이고, 연료 가스와 산화성 가스를 전기 화학적으로 반응시켜 발전을 행하는 영역이다. 또한, 이 발전실(215)의 셀 스택(101) 길이 방향의 중앙부 부근에서의 온도는, 온도 센서 등에 의해 감시되고, SOFC 모듈(201)의 정상 운전 시에, 약 700℃ 내지 1000℃의 고온 분위기가 된다.
연료 가스 공급실(217)은, SOFC 카트리지(203)의 상부 케이싱(229a)과 상부관판(225a)에 둘러싸인 영역이며, 상부 케이싱(229a)의 상부에 마련된 연료 가스 공급 구멍(231a)에 의해, 연료 가스 공급 지관(207a)과 연통되어 있다. 또한, 복수의 셀 스택(101)은, 상부관판(225a)과 시일 부재(237a)에 의해 접합되어 있고, 연료 가스 공급실(217)은 연료 가스 공급 지관(207a)으로부터 연료 가스 공급 구멍(231a)을 통해 공급되는 연료 가스를, 복수의 셀 스택(101)의 기체관(103)의 내부에 대략 균일 유량으로 유도하여, 복수의 셀 스택(101)의 발전 성능을 대략 균일화시키는 것이다.
연료 가스 배출실(219)은, SOFC 카트리지(203)의 하부 케이싱(229b)과 하부관판(225b)에 둘러싸인 영역이며, 하부 케이싱(229b)에 구비된 연료 가스 배출 구멍(231b)에 의해, 연료 가스 배출 지관(209a)과 연통되어 있다. 또한, 복수의 셀 스택(101)은, 하부관판(225b)과 시일 부재(237b)에 의해 접합되어 있고, 연료 가스 배출실(219)은 복수의 셀 스택(101)의 기체관(103)의 내부를 통과하여 연료 가스 배출실(219)에 공급되는 배출 연료 가스를 집약하여, 연료 가스 배출 구멍(231b)을 통해 연료 가스 배출 지관(209a)으로 유도하는 것이다.
SOFC 모듈(201)의 발전량에 대응하여 소정 가스 조성과 소정 유량의 산화성 가스를 산화성 가스 공급 지관으로 분기하여, 복수의 SOFC 카트리지(203)로 공급한다. 산화성 가스 공급실(221)은, SOFC 카트리지(203)의 하부 케이싱(229b)과 하부관판(225b)과 하부 단열체(227b)에 둘러싸인 영역이며, 하부 케이싱(229b)의 측면에 마련된 산화성 가스 공급 구멍(233a)에 의해, 도시하지 않은 산화성 가스 공급 지관과 연통되어 있다. 이 산화성 가스 공급실(221)은, 도시하지 않은 산화성 가스 공급 지관으로부터 산화성 가스 공급 구멍(233a)을 통해 공급되는 소정 유량의 산화성 가스를, 후술하는 산화성 가스 공급 간극(235a)을 통해 발전실(215)로 유도하는 것이다.
산화성 가스 배출실(223)은, SOFC 카트리지(203)의 상부 케이싱(229a)과 상부관판(225a)과 상부 단열체(227a)에 둘러싸인 영역이며, 상부 케이싱(229a)의 측면에 마련된 산화성 가스 배출 구멍(233b)에 의해, 도시하지 않은 산화성 가스 배출 지관과 연통되어 있다. 이 산화성 가스 배출실(223)은, 발전실(215)로부터, 후술하는 산화성 가스 배출 간극(235b)을 통해 산화성 가스 배출실(223)에 공급되는 배출 산화성 가스를, 산화성 가스 배출 구멍(233b)을 통해 도시하지 않은 산화성 가스 배출 지관으로 유도하는 것이다.
상부관판(225a)은, 상부 케이싱(229a)의 천장판과 상부 단열체(227a) 사이에, 상부관판(225a)과 상부 케이싱(229a)의 천장판과 상부 단열체(227a)가 대략 평행하게 되도록, 상부 케이싱(229a)의 측판에 고정되어 있다. 또한 상부관판(225a)은, SOFC 카트리지(203)에 구비되는 셀 스택(101)의 개수에 대응한 복수의 구멍을 갖고, 당해 구멍에는 셀 스택(101)이 각각 삽입되어 있다. 이 상부관판(225a)은, 복수의 셀 스택(101)의 한쪽 단부를 시일 부재 및 접착 부재 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 통해 기밀하게 지지함과 함께, 연료 가스 공급실(217)과 산화성 가스 배출실(223)을 격리하는 것이다.
상부 단열체(227a)는, 상부 케이싱(229a)의 하단부에, 상부 단열체(227a)와 상부 케이싱(229a)의 천장판과 상부관판(225a)이 대략 평행하게 되도록 배치되고, 상부 케이싱(229a)의 측판에 고정되어 있다. 또한, 상부 단열체(227a)에는, SOFC 카트리지(203)에 구비되는 셀 스택(101)의 개수에 대응하여, 복수의 구멍이 마련되어 있다. 이 구멍의 직경은 셀 스택(101)의 외경보다 크게 설정되어 있다. 상부 단열체(227a)는, 이 구멍의 내면과, 상부 단열체(227a)에 삽입 관통된 셀 스택(101)의 외면 사이에 형성된 산화성 가스 배출 간극(235b)을 구비한다.
이 상부 단열체(227a)는, 발전실(215)과 산화성 가스 배출실(223)을 구획하는 것이며, 상부관판(225a)의 주위의 분위기가 고온화되어 강도 저하나 산화성 가스 중에 포함되는 산화제에 의한 부식이 증가하는 것을 억제한다. 상부관판(225a) 등은 인코넬 등의 고온 내구성이 있는 금속 재료로 이루어지지만, 상부관판(225a) 등이 발전실(215) 내의 고온에 노출되어 상부관판(225a) 등 내의 온도차가 커짐으로써 열변형되는 것을 방지하는 것이다. 또한, 상부 단열체(227a)는, 발전실(215)을 통과하여 고온에 노출된 배출 산화성 가스를, 산화성 가스 배출 간극(235b)을 통과시켜 산화성 가스 배출실(223)로 유도하는 것이다.
본 실시 형태에 따르면, 상술한 SOFC 카트리지(203)의 구조에 의해, 연료 가스와 산화성 가스가 셀 스택(101)의 내측과 외측을 대향하여 흐르는 것으로 되어 있다. 이것에 의해, 배출 산화성 가스는, 기체관(103)의 내부를 통해 발전실(215)에 공급되는 연료 가스와의 사이에서 열 교환이 이루어지고, 금속 재료로 이루어지는 상부관판(225a) 등이 좌굴 등의 변형을 하지 않는 온도로 냉각되어 산화성 가스 배출실(223)에 공급된다. 또한, 연료 가스는, 발전실(215)로부터 배출되는 배출 산화성 가스와의 열 교환에 의해 승온되어, 발전실(215)에 공급된다. 그 결과, 히터 등을 사용하는 일 없이 발전에 적합한 온도로 예열 승온된 연료 가스를 발전실(215)에 공급할 수 있다.
하부관판(225b)은, 하부 케이싱(229b)의 저판과 하부 단열체(227b) 사이에, 하부관판(225b)과 하부 케이싱(229b)의 저판과 하부 단열체(227b)가 대략 평행하게 되도록 하부 케이싱(229b)의 측판에 고정되어 있다. 또한 하부관판(225b)은, SOFC 카트리지(203)에 구비되는 셀 스택(101)의 개수에 대응한 복수의 구멍을 갖고, 당해 구멍에는 셀 스택(101)이 각각 삽입되어 있다. 이 하부관판(225b)은, 복수의 셀 스택(101)의 다른 쪽 단부를 시일 부재 및 접착 부재 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 통해 기밀하게 지지함과 함께, 연료 가스 배출실(219)과 산화성 가스 공급실(221)을 격리하는 것이다.
하부 단열체(227b)는, 하부 케이싱(229b)의 상단부에, 하부 단열체(227b)와 하부 케이싱(229b)의 저판과 하부관판(225b)이 대략 평행하게 되도록 배치되고, 하부 케이싱(229b)의 측판에 고정되어 있다. 또한, 하부 단열체(227b)에는, SOFC 카트리지(203)에 구비되는 셀 스택(101)의 개수에 대응하여, 복수의 구멍이 마련되어 있다. 이 구멍의 직경은 셀 스택(101)의 외경보다 크게 설정되어 있다. 하부 단열체(227b)는, 이 구멍의 내면과, 하부 단열체(227b)에 삽입 관통된 셀 스택(101)의 외면 사이에 형성된 산화성 가스 공급 간극(235a)을 구비한다.
이 하부 단열체(227b)는, 발전실(215)과 산화성 가스 공급실(221)을 구획하는 것이며, 하부관판(225b)의 주위의 분위기가 고온화되어 강도 저하나 산화성 가스 중에 포함되는 산화제에 의한 부식이 증가하는 것을 억제한다. 하부관판(225b) 등은 인코넬 등의 고온 내구성이 있는 금속 재료로 이루어지지만, 하부관판(225b) 등이 고온에 노출되어 하부관판(225b) 등 내의 온도차가 커짐으로써 열변형되는 것을 방지하는 것이다. 또한, 하부 단열체(227b)는, 산화성 가스 공급실(221)에 공급되는 산화성 가스를, 산화성 가스 공급 간극(235a)을 통과시켜 발전실(215)로 유도하는 것이다.
본 실시 형태에 따르면, 상술한 SOFC 카트리지(203)의 구조에 의해, 연료 가스와 산화성 가스가 셀 스택(101)의 내측과 외측을 대향하여 흐르는 것으로 되어 있다. 이것에 의해, 기체관(103)의 내부를 통해 발전실(215)을 통과한 배출 연료 가스는, 발전실(215)에 공급되는 산화성 가스와의 사이에서 열 교환이 이루어지고, 금속 재료로 이루어지는 하부관판(225b) 등이 좌굴 등의 변형을 하지 않는 온도로 냉각되어 연료 가스 배출실(219)에 공급된다. 또한, 산화성 가스는 배출 연료 가스와의 열 교환에 의해 승온되어, 발전실(215)에 공급된다. 그 결과, 히터 등을 사용하는 일 없이 발전에 필요한 온도로 승온된 산화성 가스를 발전실(215)에 공급할 수 있다.
발전실(215)에서 발전된 직류 전력은, 복수의 연료 전지 셀(105)에 설치한 Ni/YSZ 등으로 이루어지는 리드 막(115)에 의해 셀 스택(101)의 단부 부근까지 도출한 후에, SOFC 카트리지(203)의 집전봉(도시하지 않음)에 집전판(도시하지 않음)을 통해 집전하여, 각 SOFC 카트리지(203)의 외부로 취출된다. 상기 집전봉에 의해 SOFC 카트리지(203)의 외부로 도출된 직류 전력은, 각 SOFC 카트리지(203)의 발전 전력을 소정의 직렬 수 및 병렬 수로 서로 접속되고, SOFC 모듈(201)의 외부로 도출되어, 도시하지 않은 파워 컨디셔너 등의 전력 변환 장치(인버터 등)에 의해 소정의 교류 전력으로 변환되어, 전력 공급처(예를 들어, 부하 설비나 전력 계통)로 공급된다.
이상 서술한 바와 같이, 본 실시 형태의 SOFC(313)에서는, 공급된 연료 가스는 주로 셀 스택(101)의 내부 공간 등을 유통한다. 한편, 공급된 산화성 가스(공기)는 주로 셀 스택(101)의 외부측에 해당되는 SOFC 카트리지(203)의 발전실(215) 및 압력 용기(205)의 내부 공간을 유통한다. 공기극측 배기 계통은, 공기극측 계통의 용적은, 연료극측 계통의 용적보다 크게 되어 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 관한 발전 시스템의 개략 구성에 대해 설명한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 복합 발전 시스템(이하, 「발전 시스템」이라고 함)(310)의 개략 구성을 나타낸 개략 구성도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 발전 시스템(310)은, 마이크로 가스 터빈(가스 터빈 장치, 이하 「MGT」라고 함)(311)과, 발전기(312)와, SOFC(313)를 갖는 연료 전지 시스템(300)을 구비하고 있다. SOFC(313)는, 도시하지 않은 SOFC 모듈이 1개 또는 복수가 조합되어 구성되고, 이후에는 단순히 「SOFC」라고 기재한다. 이 발전 시스템(310)은, MGT(311)에 의한 발전과, SOFC(313)에 의한 발전을 조합함으로써, 높은 발전 효율을 얻도록 구성되어 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 마이크로 가스 터빈(MGT)(311)을 사용한 시스템을 설명하고 있지만, MGT(311) 대신에 터보 차저를 사용해도 된다. MGT(311)는, 연소 가스 G에 의해 터빈(323)이 회전하고, 압축기(321)에 의한 공기 A의 압축과, 발전기(312)에 의한 발전을 행하여, 연소 가스 G의 에너지를 회수한다.
또한, 도시하지 않은 터보 차저는, 연소 가스 G에 의해 터빈(323)이 회전하고, 압축기(321)에 의한 공기 A의 압축을 행하여, 연소 가스 G의 에너지를 회수한다.
MGT(311)는, 압축기(321), 연소기(322), 터빈(323)을 구비하고 있고, 압축기(321)와 터빈(323)은 회전축(324)에 의해 일체 회전 가능하게 연결되어 있다. 후술하는 터빈(323)이 회전함으로써 압축기(321)가 회전 구동한다. 압축기(321)는, 공기 도입 라인(325)으로부터 도입한 공기 A를 압축한다.
연소기(322)에는, 제1 산화성 가스 공급 라인(326)을 통해 압축기(321)로부터의 공기 A의 적어도 일부인 공기 A1이 공급됨과 함께, 제1 연료 가스 공급 라인(351)을 통해 연료 가스 L1이 공급된다. 제1 산화성 가스 공급 라인(326)에는, 연소기(322)에 공급하는 공기 A1의 공기량을 조정하기 위한 제어 밸브(327)가 설치되고, 제1 연료 가스 공급 라인(351)에는, 연소기(322)에 공급하는 연료 가스 유량을 조정하기 위한 제어 밸브(352)가 설치되어 있다. 또한, 연소기(322)에는, 후술하는 SOFC(313)의 연료 가스 재순환 라인(349)을 순환하는 배출 연료 가스 L3의 일부가 배출 연료 가스 공급 라인(345)을 통해 공급된다. 배출 연료 가스 공급 라인(345)에는, 연소기(322)에 공급하는 배출 연료 가스량을 조정하기 위한 제어 밸브(347)가 설치되어 있다. 또한, 연소기(322)에는, 후술하는 배출 산화성 가스 공급 라인(334)을 통해 SOFC(313)의 공기극(113)에서 사용된 배출 공기 A3의 일부가 공급된다.
연소기(322)는, 연료 가스 L1, 공기 A의 일부(공기 A1), 배출 연료 가스 L3 및 배출 공기 A3을 혼합하여 연소시켜, 연소 가스 G를 생성한다. 연소 가스 G는, 연소 가스 공급 라인(328)을 통해 터빈(323)에 송급된다. 터빈(323)은, 연소 가스 G가 단열 팽창됨으로써 회전하고, 배출 가스가 연소 배출 가스 라인(329)으로부터 배출된다. 발전기(312)는, 터빈(323)과 동축 상에 설치되어 있고, 터빈(323)이 회전 구동함으로써 발전한다.
연소기(322)에 공급하는 연료 가스 L1 및 후술하는 연료 가스 L2는 가연성 가스이며, 예를 들어 액화 천연 가스(LNG)를 기화시킨 가스 또는 천연가스, 도시가스, 수소(H2) 및 일산화탄소(CO), 메탄(CH4) 등의 탄화수소가스 및 탄소질 원료(석유나 석탄 등)의 가스화 설비에 의해 제조된 가스 등이 사용된다. 연료 가스라 함은, 미리 발열량이 대략 일정하게 조정된 연료 가스를 의미한다.
열 교환기(330)는, 터빈(323)으로부터 배출된 배출 가스와 압축기(321)로부터 공급되는 공기 A 사이에서 열 교환을 행한다. 배출 가스는, 공기 A와의 열 교환에 의해 냉각된 후에, 도시하지 않은 굴뚝을 통해 외부로 방출된다.
SOFC(313)는, 환원제로서 연료 가스 L2와, 산화제로서 공기 A2가 공급됨으로써, 소정의 작동 온도에서 반응하여 발전을 행한다. 이 SOFC(313)는, 도시하지 않은 SOFC 모듈로 구성되고, SOFC 모듈의 압력 용기 내에 설치한 복수의 셀 스택의 집합체가 수용되어 있고, 도시하지 않은 셀 스택에는, 연료극(109)과 공기극(113)과 고체 전해질(111)을 구비하고 있다.
SOFC(313)는, 공기극(113)에 공기 A2가 공급되고, 연료극(109)에 연료 가스 L2가 공급됨으로써 발전하여, 도시하지 않은 파워 컨디셔너 등의 전력 변환 장치(인버터 등)에 의해 소정의 교류 전력으로 변환된다. 실시 형태에서는, SOFC(313)에 공급되는 산화성 가스로서, 압축기(321)에 의해 압축된 공기 A의 적어도 일부(공기 A2)를 채용하는 경우를 예시하여 설명한다.
또한, SOFC(313)는, 차압계(차압 측정 수단, 압력 측정 수단)(90)를 구비하고 있다. 차압계(90)는, SOFC(13)에 있어서, 연료극측 계통과 공기극측 계통의 차압인 연료 공기 차압을 계측한다. 또한, 차압계(90)는, 연료 공기 차압의 절대값 외에도, 연료극측 계통과 공기극측 계통 중 어느 쪽의 압력이 높은지를 검출한다. 또한, 차압계(90)는, 연료극측 계통 및 공기극측 계통 각각의 압력값을 검출한다. 차압계(90)에 의해 계측 또는 검출된 정보는, 후술하는 제어 장치(380)로 송신된다.
SOFC(313)에는, 제1 산화성 가스 공급 라인(326)으로부터 분기된 제2 산화성 가스 공급 라인(331)을 통해 산화성 가스로서 공기 A2가 공기극(113)의 도시하지 않은 산화성 가스 도입부에 공급된다. 이 제2 산화성 가스 공급 라인(331)에는, 공급하는 공기 A2의 유량을 조정하기 위한 제어 밸브(335)가 설치되어 있다. 또한, 제1 산화성 가스 공급 라인(326)에 있어서, 제2 산화성 가스 공급 라인(331)의 분기점보다 공기 A2의 상류측(바꾸어 말하면, 압축기(321)측)에는, 열 교환기(330)가 설치되어 있다. 열 교환기(330)에 있어서, 공기 A는, 연소 배출 가스 라인(329)으로부터 배출되는 배출 가스와의 사이에서 열 교환되어 승온된다. 또한, 제2 산화성 가스 공급 라인(331)에는, 열 교환기(330)를 바이패스하는 바이패스 라인(332)이 설치되어 있다. 바이패스 라인(332)에는, 제어 밸브(336)가 설치되고, 공기 A의 바이패스 유량이 조정 가능하게 되어 있다. 제어 밸브(335, 336)의 개방도가 후술하는 제어 장치(380)에 의해 제어됨으로써, 열 교환기(330)를 통과하는 공기 A와 열 교환기(330)를 바이패스하는 공기 A의 유량 비율이 조정되고, 공기 A의 일부인 제2 산화성 가스 공급 라인(331)을 통해 SOFC(313)에 공급되는 공기 A2의 온도가 조정된다. SOFC(313)에 공급되는 공기 A2의 온도는, SOFC(313)를 구성하는 도시하지 않은 SOFC 모듈 내부의 각 구성 기기의 재료에 손상을 주지 않도록 온도의 상한이 제한되어 있다.
또한, 제2 산화성 가스 공급 라인(331)에는, 가연성 가스로서 연료 가스 L2를 공급하는 공기극 연료 공급 라인(371)이 접속되어 있다. 공기극 연료 공급 라인(371)에는, 제2 산화성 가스 공급 라인(331)에 공급하는 연료 가스량을 조정하기 위한 제어 밸브(372)가 설치되어 있다. 제어 밸브(372)의 밸브 개방도가 후술하는 제어 장치(380)에 의해 제어됨으로써, 공기 A2에 첨가되는 연료 가스 L2의 공급량이 조정된다. 공기 A2에 첨가되는 연료 가스 L2의 양은, 가연 한계 농도 이하로 공급되고, 보다 바람직하게는 3체적％ 이하로 공급된다.
SOFC(313)에는, 공기극(113)의 출구로부터 배출 공기 A3을 배출하는 배출 산화성 가스 라인(333)이 접속되어 있다. 이 배출 산화성 가스 라인(333)은, 연소기(322)에 배출 공기 A3을 공급하기 위한 배출 산화성 가스 공급 라인(334)과, 공기극(113)의 출구로부터의 배출 공기 A3의 일부를 대기(계외)로 배출 가능하게 하는 배출 산화성 가스 배출 라인(391)으로 분기되어 있다. 배출 산화성 가스 공급 라인(334)에는, SOFC(313)와 MGT(311) 사이의 계통을 분리하기 위한 차단 밸브(338)가 설치되어 있다. 배출 산화성 가스 배출 라인(391)은, 복수(본 실시 형태에서는, 예를 들어 2개) 설치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 구체적으로는, 복수의 배출 산화성 가스 배출 라인(391)은, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392)가 설치되는 제1 배출 산화성 가스 배출 라인(391a)과, 제1 배출 산화성 가스 배출 라인(391a)과 병렬로 설치되고, 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)가 설치되는 제2 배출 산화성 가스 배출 라인(391b)에 의해 구성되어 있다(도 5도 참조). 제1 배출 산화성 가스 배출 라인(391a)의 유로 단면적과 제2 배출 산화성 가스 배출 라인(391b)의 유로 단면적은, 어느 것을 사용해도 마찬가지로 유량 제어가 가능하도록 대략 동일하게 설정되어 있다.
본 실시 형태에서는, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392)는, 도시하지 않은 모터에 의해 구동되는 모터 밸브이며, 개방도 지령을 도중에서 정지함으로써 밸브 개방도를 도중에 로크함으로써 유량 계수를 변경하고, 소정의 개방도로 변경함으로써 내부를 흐르는 배출 공기 A3의 유량을 소정의 유량으로 변경 가능한 차단 밸브이다. 또한, 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)는, 도시하지 않은 컴프레서에 의해 압축된 압축 공기에 의해 구동되는 공기식 개폐 밸브(소정 개방도로 설정 가능한 차단 밸브)이다. 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)에 의해, 대기로 배출하는 배출 공기 A3의 유량을 변경하여 설정 가능하게 하고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392)와 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)는 차단 밸브를 사용함으로써 비용을 절감시키고 있지만, 차단 밸브에 한정하지 않고 유량 조정 밸브를 사용해도 된다.
SOFC(313)에는 또한, 연료 가스 L2를 연료극(109)의 도시하지 않은 연료 가스 도입부에 공급하는 제2 연료 가스 공급 라인(341)과, 연료극(109)에서 반응에 사용된 후의 배출 연료 가스 L3을 배출하는 배출 연료 가스 라인(343)이 접속되어 있다. 제2 연료 가스 공급 라인(341)에는, 연료극(109)에 공급하는 연료 가스 L2의 유량을 조정하기 위한 제어 밸브(342)가 설치되어 있다.
또한, 배출 연료 가스 라인(343)은, 배출 연료 가스 L3을 SOFC(313)의 연료극(109)의 연료 가스 도입부로 재순환시키기 위한 연료 가스 재순환 라인(349)과, 연료극(109)에서 사용된 배출 연료 가스 L3을 대기(계외)로 배출하는 배출 연료 가스 배출 라인(394)으로 분기하고 있다. 연료 가스 재순환 라인(349)에는, 배출 연료 가스 L3을 재순환시키기 위한 재순환 블로워(348)가 설치되어 있다. 배출 연료 가스 배출 라인(394)은, 복수(본 실시 형태에서는, 예를 들어 2개) 설치되어 있다. 구체적으로는, 복수의 배출 연료 가스 배출 라인(394)은, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)가 설치되는 제1 배출 연료 가스 배출 라인(394a)과, 제1 배출 연료 가스 배출 라인(394a)과 병렬로 설치되고, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)가 설치되는 제2 배출 연료 가스 배출 라인(394b)에 의해 구성되어 있다(도 5도 참조). 제1 배출 연료 가스 배출 라인(394a)의 유로 단면적과 제2 배출 연료 가스 배출 라인(394b)의 유로 단면적은 대략 동일하게 설정되어, 어느 것을 사용해도 마찬가지로 유량 제어가 가능하도록 하고 있다.
제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)는, 도시하지 않은 모터에 의해 구동되는 모터 밸브이며, 개방도 지령을 도중에 정지함으로써 밸브 개방도를 도중에 정지 유지함으로써 유량 계수를 변경하고, 소정의 개방도로 변경함으로써 내부를 흐르는 배출 연료 가스 L3의 유량을 변경 가능한 차단 밸브이다. 또한, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)는, 도시하지 않은 컴프레서에 의해 압축된 압축 공기에 의해 구동되는 공기식 개폐 밸브(소정 개방도로 설정 가능한 차단 밸브)이다. 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395) 및 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)에 의해, 대기로 배출하는 배출 연료 가스 L3의 유량을 변경하고 있다. 또한, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)와 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)는, 차단 밸브에 의해 비용을 절감시키고 있지만, 차단 밸브에 한정하지 않고 유량 조정 밸브를 사용해도 된다.
제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392), 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393), 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395) 및 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)에 의해, 배출 연료 가스 L3 혹은 배출 공기 A3을 대기로 배출함으로써 과도하게 높아진 압력을 신속하게 조정할 수 있다. 또한, SOFC(313)를 정지할 때, SOFC(313)의 연료극(109)과 공기극(113)의 차압(이하, 연료 공기 차압)은 연료극(109)측이 소정의 압력 범위에서 높아지도록(예를 들어, 연료극(109)측이 0.1㎪ 내지 30㎪ 높아지도록), 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392), 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393), 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395) 및 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)에 의해 제어된다.
또한, 연료 가스 재순환 라인(349)에는, 연료극(109)에 연료 가스 L2를 개질하기 위한 물이 부족한 경우에 순수를 공급하는 순수 공급 라인(361)이 설치되어 있다. 순수 공급 라인(361)에는 펌프(362)가 설치되어 있다. 펌프(362)의 토출 유량이 제어 장치(380)에 의해 제어됨으로써, 연료극(109)에 공급되는 순수량이 조정된다.
제어 장치(380)는, 예를 들어 발전 시스템(복합 발전 시스템)(310)에 구비하는 차압계(90), 압력계, 각 온도 센서, 유량계 등의 계측값 등에 기초하여, 각 밸브의 제어를 행한다. 제어 장치(380)는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 차압계(90)가 측정한 연료 공기 차압이 소정의 역치 이상인지를 판정하는 판정부(381)와, 판정부(381)에 의해 연료 공기 차압이 소정의 역치 이상이라고 판정된 경우에, 공기극측 계통과 연료극측 계통 중 어느 쪽의 압력이 높은지를 판단하는 판단부(382)와, 차압계(90)가 측정한 공기극측 계통의 압력이 연료극측 계통의 압력에 대해 소정의 역치 이하로 된 경우에, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 밸브 및 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브의 개방도를 크게 하는 제1 배출 밸브 제어부(383)와, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)와 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393) 중, 판단부(382)에 의해 압력이 높다고 판단된 계통측 출구의 배기 계통에 설치된 배출 밸브의 개방도를, 현재의 개방도보다 크게 하는 제2 배출 밸브 제어부(384)를 갖고 있다.
제어 장치(380)는, 예를 들어 CPU(Central Processing Unit), RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), 및 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체 등으로 구성되어 있다. 그리고 각종 기능을 실현하기 위한 일련의 처리는, 일례로서, 프로그램의 형식으로 기억 매체 등에 기억되어 있고, 이 프로그램을 CPU가 RAM 등에 판독하여, 정보의 가공·연산 처리를 실행함으로써, 각종 기능이 실현된다. 또한, 프로그램은, ROM이나 그 밖의 기억 매체에 미리 인스톨해 두는 형태나, 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체에 기억된 상태로 제공되는 형태, 유선 또는 무선에 의한 통신 수단을 통해 배신되는 형태 등이 적용되어도 된다. 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체라 함은, 자기 디스크, 광자기 디스크, CD-ROM, DVD-ROM, 반도체 메모리 등이다.
연료 가스 중의 탄소에 대한 수증기의 몰 비율을 S/C(스팀 카본비)라고 한다. SOFC(313)의 연료극(109)측의 계통 입구 부근에 있어서, S/C는 연료의 내부 개질을 행하기 위해서는 양론적으로 1.0 이상이 필요하고, 또한 도시하지 않은 셀 스택의 부근에서 S/C가 낮아지는 영역이 있으면 탄소가 석출될 우려가 있다. 탄소 석출 방지와 개질률 촉진을 위해 S/C≥3.0인 것이 바람직하다. 한편, S/C가 지나치게 많으면, 최종적으로 발전 시스템(310)의 계외로 배출되는 배출 가스 중의 수증기 함유량이 증가하고, 이 잠열분이 불필요한 열량으로서 계외로 배출되어 시스템 효율이 저하된다. 이 때문에, S/C의 운전 상태에 맞추어 과잉이 되지 않는 적절한 양의 S/C를 설정할 수 있는 것이 바람직하고, SOFC(313)의 정격 운전 시에는, 예를 들어 S/C가 3.0 내지 5.0, 바람직하게는 3.5 내지 5.0이 되도록 설정되어 있다.
연료 가스 재순환 라인(349)을 경유한 배출 연료 가스 L3의 재순환을 행하는 경우에 있어서는, 제2 연료 가스 공급 라인(341)에 의해 SOFC(313)에 공급되는 연료 가스 L2의 S/C가 규정값(예를 들어 S/C가 3.0 내지 5.0)보다 낮을 때, 제2 연료 가스 공급 라인(341)에 순수 공급 라인(361)을 통해 순수를 공급하고, 순수가 제2 연료 가스 공급 라인(341) 내에서 수증기로 되어 공급됨으로써, 부족한 수증기를 보충한다. 또한, SOFC의 기동 시 또는 정지 동작 시 등, 재순환 유량에 대해 공급되는 연료 가스 L2의 유량이 적으면, 상대적으로 S/C가 높아지기 때문에, SOFC(313)로 공급하는 연료 가스 L2를 증가시키거나 혹은 순수량을 저감시켜도 된다.
여기서, 본 실시 형태의 발전 시스템(310)의 기동 방법에 대해, 도 4를 참조하여 설명한다. 발전 시스템(310)을 기동하는 경우, MGT(311)가 기동한 후에 SOFC(313)가 기동한다. 발전 시스템(310)의 기동 시에 있어서, 제어 장치(380)는 먼저 MGT(311)를 기동시키고, MGT(311)의 출력이 어느 일정한 부하(발전 출력)에서 안정되고 나서, 압축기(321)로부터 공급되는 공기 A의 일부(공기 A2)를 SOFC(313)에 공급함으로써, SOFC(313)의 공기극(113)을 가압해 갈 수 있다.
먼저, MGT(311)의 기동에서는, 압축기(321)가 공기 A를 압축하고, 연소기(322)가 공기 A1과 연료 가스 L1을 혼합하여 연소하고, 터빈(323)이 연소 가스 G에 의해 회전함으로써, 발전기(312)가 발전을 개시한다. 공기 A의 전량을 연소기(322)로 공급하기 때문에, 제어 밸브(335), 제어 밸브(336), 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)는, 완전 폐쇄로 되는 것이 바람직하다.
SOFC(313)의 기동에서는, 먼저, 공기 A의 적어도 일부(공기 A2)를 SOFC(313)의 공기극(113)으로 공급하여 승압을 개시하고, 승온을 개시한다. 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392), 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393) 및 차단 밸브(338)를 폐지하고, 제어 밸브(327)를 소정 개방도만큼 개방한다. 또한, 여기서 승압 속도를 제어하기 위한 개방도 조정을 행한다. 또한, 제어 밸브(327)는, 소정 개방도로 유지하고, 제어 밸브(336)는 폐쇄로 한다. 그러면, 압축기(321)에서 압축된 공기 A의 적어도 일부인 공기 A2가 제2 산화성 가스 공급 라인(331)으로부터 SOFC(313)측으로 공급된다. 공기 A2는, 열 교환기(330)에 의해 온도가 300 내지 500℃로 승온되어 있고, 이에 의해 SOFC(313)는, 공기 A2가 공급됨으로써 승온과 함께 압력이 상승한다.
한편, SOFC(313)의 연료극(109)에서는, 연료극측에 질소 등의 불활성 가스를 공급하여 승압을 개시한다. 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395), 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396) 및 제어 밸브(347)를 폐지하고, 재순환 블로워(348)를 정지한 상태에서, 불활성 가스를 공급함과 함께, 소정의 타이밍에 연료 가스 재순환 라인(349)의 재순환 블로워(348)를 구동한다. 또한, 재순환 블로워(348)는 연료극(109)측의 가압 전에 기동하고 있어도 된다. 그러면, 불활성 가스가 제2 연료 가스 공급 라인(341)으로부터 SOFC(313)측으로 공급됨과 함께 연료 가스 재순환 라인(349)에 의해 재순환된다. 이에 의해, SOFC(313)측은, 불활성 가스가 공급됨으로써 압력이 상승한다.
그리고 SOFC(313)의 공기극(113)측의 압력이 압축기(321)의 출구 압력과 동등해지면, 제어 밸브(327)에 의해 SOFC(313)로의 공급 공기 유량을 제어함과 함께, 차단 밸브(338)를 개방하여 SOFC(313)로부터의 배출 공기 A3을 배출 산화성 가스 공급 라인(334)으로부터 연소기(322)에 공급한다. SOFC(313)와 MGT(311)를 연결시키고, SOFC(313)를 경유하여 MGT(311)의 연소기(322)에 공기를 공급하는 콤바인드 상태로 이행한다. 이때, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및/또는 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)도 개방도를 변경하는 제어를 행하고, SOFC(313)로부터의 배출 공기 A3의 일부를 계통 밖으로 배출해도 된다. 그와 동시에 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395) 및/또는 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)의 개방도를 변경하는 제어를 행하고, SOFC(313)로부터의 불활성 가스를 계통 밖으로 배출해도 된다. 그리고 SOFC(313)에 있어서의 공기극(113)측의 압력과 연료극(109)측의 압력이 목표 압력에 도달하면, SOFC(313)의 승압이 완료된다.
콤바인드 상태로의 이행 후에, 제어 밸브(327) 및 제어 밸브(336)를 개방도 조정함으로써, SOFC(313)를 승온하기 위해 SOFC(313)에 공급되는 공기 A2의 유량을 증가시키고, 제1 산화성 가스 공급 라인(326)을 통해 연소기(322)에 공급되는 공기 A1의 유량을 감소시킨다. 그리고 소정의 조건이 된 후에 SOFC(313)가 발전을 개시할 때까지는 공기 A의 전량이 SOFC(313)를 경유하여, 배출 산화성 가스 라인(333)으로부터 배출 산화성 가스 공급 라인(334)을 경유하여, 연소기(322)에 공급되도록 제어하여, SOFC(313)를 가능한 한 균일한 온도에서 빠르게 승온할 수 있도록 해도 된다.
그 후, SOFC(313)의 압력 제어가 안정되고 나서, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)가 개방으로 되어 있는 경우는 폐지하는 한편, 차단 밸브(338)의 개방을 유지한다. 이 때문에, SOFC(313)로부터의 배출 공기 A3이 배출 산화성 가스 공급 라인(334)으로부터 연소기(322)에 계속 공급된다.
제어 장치(380)는, SOFC(313)의 기동에 있어서, 제1 승온 모드, 제2 승온 모드 및 부하 상승 모드를 차례로 실행하고, 도시하지 않은 셀 스택 주위의 온도인 발전실 온도를 정격 온도까지 상승시킴과 함께, 목표 부하까지 부하(발전 출력)를 상승시킨다.
먼저, 제1 승온 모드에서는, 전술한 바와 같이 열 교환기(330)에 의한 열 교환에 의해 가열된 공기 A2를 공기극(113)에 공급함으로써, 공기극(113)을 비롯한 발전실을 승온시킨다. 제1 승온 모드에 의해, 제1 온도 역치에 도달하면, 제1 승온 모드로부터 제2 승온 모드로 전환한다. 여기서, 제1 온도 역치는, 공기극(113)이 가연성 가스로서의 연료 가스 L2와의 연소 반응에 대해 촉매로서 기능하는 온도이며, 예를 들어 약 400℃ 내지 450℃의 범위로 설정되어 있다.
제2 승온 모드에서는, 제1 승온 모드와 마찬가지로 공기극(113)에 공기 A2를 공급함과 함께, 공기극 연료 공급 라인(371)에 설치한 제어 밸브(372)를 개방함으로써 연료 가스 L2를 공기 A2에 첨가 공급한다. 공기 A2와 연료 가스 L2가 유입된 공기극(113)에서는, 공기극(113)의 촉매 작용에 의해 연료 가스 L2가 공기극(113)에서 촉매 연소되어, 연소열이 발생한다. 이와 같이, 제2 승온 모드에서는, 촉매 연소에 의한 발열을 사용하여 공기극(113)을 상승시킨다.
제어 장치(380)는, 발전실 온도가 제2 온도 역치에 도달하면, 제2 승온 모드로부터 부하 상승 모드로 전환한다.
부하 상승 모드에서는, 승온 시간의 단축을 위해, 제1 승온 모드와 마찬가지로 공기극(113)에 공기 A2를 공급함과 함께, 제2 연료 가스 공급 라인(341)의 제어 밸브(342)를 개방함으로써 연료 가스 L2를 연료극(109)에 공급하고, 순수 공급 라인(361)의 펌프(362)를 구동함으로써 순수를 연료극(109)에 공급하여, 발전을 개시한다. 부하 상승 모드에서는, 공기극(113)에 연료 가스 L2를 첨가 공급하는 것에 의한 촉매 연소에 의한 발열과, 발전의 양쪽에 의한 발열에 의해 발전실 온도를 상승시킨다. 부하 상승 모드에서는, SOFC(313)의 발전실 온도가 발전에 의한 자기 발열로 온도 유지를 할 수 있을 때까지 온도 상승을 한 후에는, 공기극(113)으로 첨가 공급되는 연료 가스 L2의 공급량을 서서히 감소시켜, 예를 들어 목표 부하 도달과 동시에 공기극(113)으로의 연료 가스 L2의 첨가 공급이 제로가 되도록 제어된다.
상기 제2 온도 역치는, 예를 들어 750℃ 이상으로 설정되어 있다. 이것은, 연료극(109)이 충분한 온도에 도달해 있지 않을 때에 연료극(109)측에 연료 가스 L2를 투입해 버리면, 고체 전해질(111)이 고저항 상태 그대로 SOFC(313)를 발전시키게 되어, 전극 구성 재료가 조직 변화되어 열화되어, SOFC(313)의 성능 저하의 요인이 되기 때문이며, SOFC(313)의 성능 저하가 일어나기 어렵도록, 제2 온도 역치는 750℃ 부근으로 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 배출 연료 가스 L3의 성분이 연소기(322)에 투입 가능한 성분이 되면, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395) 및 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)를 폐지하는 한편, 제어 밸브(347)를 개방한다. 그러면, SOFC(313)로부터의 배출 연료 가스 L3이 배출 연료 가스 공급 라인(345)으로부터 연소기(322)에 공급된다. 이때, 제1 연료 가스 공급 라인(351)에 구비한 제어 밸브(352)에 의해 연소기(322)에 공급되는 연료 가스 L1을 감량한다.
부하 상승 모드에서, 발전실 온도가 발전실 목표 온도에 도달하고, 부하가 정격 부하 등 목표 부하에 도달하면, 기동 완료가 된다.
발전실 목표 온도는 SOFC(313)가 발전에 의한 발열에 의한 자기 발열로 온도를 유지할 수 있는 온도 이상이며, 예를 들어 800 내지 950℃로 설정된다.
이와 같이 하여, MGT(311)의 구동에 의한 발전기(312)에서의 발전, SOFC(313)의 승압·승온·기동에서의 발전이 행해지게 되어, 발전 시스템(310)이 정상 운전이 된다.
여기서, 본 실시 형태의 SOFC(313)의 정지 방법에 대해 설명한다. SOFC(313)를 정지하는 경우, SOFC(313)의 통상 정지 시, 또는 긴급 정지 시에는, 먼저, 연료극(109)측으로의 연료 가스 L2의 공급 계속, 및 공기극(113)측으로의 산화성 가스인 공기 A2의 공급을 정지한다.
SOFC(313)를 정지시키기 위해, 제어 밸브(335, 336, 347) 및 차단 밸브(338)를 폐지하여 연소기(322)를 정지시키는 한편, 제어 밸브(342)는 소정의 개방도로서 연료 가스 L2의 공급을 계속한다. 또한, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)를 소정의 타이밍에 개방 상태로 함과 함께, 연료 공기 차압에 따라서 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393) 혹은 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)를 간헐적으로 개방 상태로 함으로써 배출 공기 A3 및 배출 연료 가스 L3을 계외로 배출하고, SOFC(313)를 소정 내의 연료 공기 차압을 유지하면서 감압한다. 이때, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)보다 먼저, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392)를 개방 상태로 한다. 또한, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393), 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395) 및 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)로부터 배출 공기 A3 및 배출 연료 가스 L3을 계외로 배출하는 처리의 상세에 대해서는, 후술한다.
배출 공기 A3 및 배출 연료 가스 L3을 계외로 배출하는 데 있어서, SOFC(313)는, 공기극(113)으로의 공기 A2의 공급이 정지되는 한편, 연료극(109)으로의 소정 유량에서의 연료 가스 L2 및 S/C가 규정값(예를 들어, S/C가 3.0 내지 5.0)보다 낮을 때는 순수 공급 라인(361)을 통해 순수의 공급이 계속되고, 연료극의 환원 분위기가 유지된 상태에서 발전이 정지한다. 연료 가스 L2 및 순수가 연료극(109)으로 공급되고, 연료극(109)으로부터 배출 연료 가스 라인(343)으로 배출된 배출 연료 가스 L3의 일부는 연료 가스 재순환 라인(349)을 통해 연료극(109)에 순환되므로, 연료극측의 계통의 과잉의 압력 저하를 방지할 수 있다.
SOFC(313)의 온도의 냉각이 진행되어 소정 온도보다 저하되면, 발전 정지에 수반되는 공기극(113)의 환원이나 연료극(109)의 산화에 의한 열화를 방지하기 때문에, SOFC(313)의 운전 정지 후에 연료극(109)측의 계통으로 질소 등의 불활성 가스를 퍼지함으로써 SOFC(313)를 보호한다. SOFC(313)가 미리 설정된 소정 온도까지 냉각되면, 제어 밸브(342)를 폐지하여 연료 가스 L2의 공급을 정지하는 한편, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395) 및/또는 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)를 개방한 채로 하여 배출 연료 가스 L3의 일부를 계외로 배출한다. 또한, SOFC(313)는, 도시하지 않은 퍼지 가스 공급 라인으로부터 퍼지 가스(불활성 가스)가 연료극(109)에 공급되는 한편, 배출 연료 가스 라인(343) 및 연료 가스 재순환 라인(349)의 배출 연료 가스 L3이, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395) 및/또는 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)로부터 계통 외부로 배출된다. 그 때문에, 연료극(109)은, 퍼지 가스에 의해 환원 분위기가 불활성 분위기로 단시간에 치환된다. 연료극(109)측의 계통의 분위기를 불활성 가스로 치환함으로써, 잔존한 연료 가스가 공기극(113)으로 확산됨으로써 공기극(113)의 재료가 환원되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 연료극(109)측의 계통으로 질소 등의 불활성 가스를 공급하면서 연료 가스 재순환 라인(349)을 통해 연료극(109)에 순환되고 있으므로, 배출 연료 가스 L3이 계통 밖으로 배출되는 것에 의한 연료극측의 계통의 과잉의 압력 저하를 방지하면서 SOFC(313)를 냉각할 수 있다.
연료극(109)측의 계통에 공급하는 불활성 가스는, 질소(N2) 가스, 아르곤(Ar) 가스, He(헬륨) 가스 또는 연소 배출 가스 등이다. 불활성 가스는, N2 가스 및 H2 가스의 혼합 가스여도 된다. 불활성 가스에 포함되는 H2 가스는, 공기극(113)측으로부터 확산되어 온 산소(O2)와 반응한다. 따라서, 불활성 가스에 H2 가스를 포함시킴으로써, 확산되어 온 산소가 연료극(109)의 재료와 반응하는 것을 방지할 수 있다.
연료극(109)측의 계통으로의 불활성 가스의 공급과 병행하여, 공기극(113)측의 계통에 도시하지 않은 냉각 가스 공급 라인으로부터 냉각 가스를 공급한다. 냉각 가스는, 산소를 포함하는 것이 바람직하다. 냉각 가스의 온도는, 발전 시에 SOFC(313)에 공급되는 공기 A2보다 낮다. 냉각 가스는, 외기(상온의 공기) 등이 적합하다. 상온이라 함은, 0℃ 내지 40℃ 정도의 온도를 가리킨다. 도시하지 않은 냉각 가스 공급 라인은, SOFC(313)의 공기극(113)에 냉각 가스를 공급할 수 있도록, 예를 들어 제2 산화성 가스 공급 라인(331)에 접속되고, 냉각 가스는, 냉각 가스 공급 라인에 설치된 도시하지 않은 별도 설치된 컴프레서나 송풍기에서 공급해도 된다.
다음으로, SOFC(313)를 정지할 때, 제어 장치(380)가 행하는 차압 제어 처리에 대해, 도 7의 흐름도에 기초하여 설명한다.
S1에서 SOFC(313)의 감압 지령이 내려지면, 먼저, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392)를 개방 상태로 한다(S2). 제1 배출 산화성 가스 배출 라인(391a)에 설치되어 있는 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392)가 개방 상태로 되면, 공기극 배기측 계통의 압력이 저하된다(S3). 다음으로, 제어 장치(380)는, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)를 개방 상태로 하고(S4), 이미 개방 상태이면 개방 상태를 유지하거나, 또는 밸브 개방도를 더 개방 방향으로 변경하여 설정해도 된다(S6으로부터 이행 시). 제1 배출 연료 가스 배출 라인(394a)에 설치되어 있는 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)가 개방 상태로 되면, 연료극 배기측 계통의 압력이 저하된다. 다음으로, 제어 장치(380)는 차압계(90)로부터 송신된 정보에 기초하여, 연료 공기 차압 ΔP를 확인한다(S5). ΔP는, 하기 식(1)에 의해 구해진다.
ΔP＝(연료극측 계통의 압력)－(공기극측 계통의 압력) … (1)
연료 공기 차압을 확인하면, 제어 장치(380)는 S6으로 진행한다. S6에서는, 연료 공기 차압 ΔP의 절댓값이 역치 β(예를 들어, 25㎪) 이상인지 여부에 대해 판정한다. 이 판정은, 제어 장치(380)의 판정부(381)가 행한다. 연료 공기 차압 ΔP의 절댓값이, 역치 β 이상이 아니라고 판정된 경우에는, S4로 되돌아가, 감압을 계속한다. 연료 공기 차압 ΔP의 절댓값이, 역치 β 이상이라고 판정된 경우에는, 연료극측 계통의 압력의 쪽이, 공기극측 계통의 압력보다 높은지 여부를 판단한다(S7). 이 판단은, 제어 장치(380)의 판단부(382)가 행한다. S7에서 판단을 행하면, 제어 장치(380)는 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393) 및 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)의 제어 처리(S8)로 이행한다.
S8에서는, 연료극측 계통의 압력의 쪽이 공기극측 계통의 압력보다 높은지 여부에 따라, 처리가 상이하다. 공기극측 배기 계통의 압력보다, 연료극측 배기 계통의 압력의 쪽이 높아지도록 함으로써, 공기극측 계통으로부터 연료극측 계통으로의 산화성 가스의 유입을 억제할 수 있다. 이에 의해, 연료극측 계통으로의 산화성 가스의 유입에 기인한 SOFC(313)의 열화, 특히 연료극(109)의 손상을 방지할 수 있다. S7에서, 연료극측 계통의 압력의 쪽이, 공기극측 계통의 압력보다 높다고 판단한 경우에는, S11로 이행하여, ΔP≥+γ1이라고 확인한다(S11). 또한, γ1은 소정의 역치 β와 동일한 값으로 하고 있지만, 상한의 역치 β보다 조금 작은 역치(예를 들어, 20㎪ 내지 25㎪)로서, 역치 β의 관리값을 변경한 경우라도 그대로 γ1을 계속하여 값의 변경을 불필요하게 해도 된다. 다음으로, 제어 장치(380)는, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)를 개방 상태로 한다(S12). 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)를 개방 상태로 하면, 다음으로 제어 장치(380)는 S13으로 이행한다. S13에서는, 연료 공기 차압 ΔP가 소정의 역치 이하인지를 판단한다. 소정의 역치라 함은, +γ1보다 δ1만큼 작은 수치(즉, +γ1－δ1)이고, 연료 공기 차압 ΔP가 소정의 역치 +γ1보다 δ1만큼 저하되어 소정의 역치 +γ1보다 확실하게 저하되는 것을 확인할 때까지 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)의 개방 상태(S12)를 계속한다. 또한, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)는 스텝 형상으로 간헐적으로 개폐함으로써 연료 공기 차압 ΔP를 소정의 역치 이내로 완만하게 변화해도 된다.
또한, S13에서는, 연료 공기 차압 ΔP가 소정의 역치 이하가 아니라고 판단한 경우에는, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)의 개방 상태를 유지함과 함께, 연료 공기 차압 ΔP가 소정의 역치 이하라고 판단한 경우에는, S14로 이행한다. S14로 이행하면, 제어 장치(380)는, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)를 폐쇄 상태로 한다(S14). 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)를 폐쇄 상태로 하면, S9로 이행한다.
S7에서, 연료극측 계통의 압력의 쪽이, 공기극측 계통의 압력보다 높지 않다고(즉, 공기극측 계통의 압력의 쪽이 높다고) 판단한 경우에는, S15로 이행하여, ΔP≥-γ2라고 확인된다(S15). 또한, γ2는 소정의 역치 β와 동일한 값으로 하고 있지만, 하한의 역치 β보다 약간 큰 역치값(예를 들어, -25㎪ 내지 -20㎪)으로서, 역치 β의 관리값을 변경한 경우라도 그대로 γ2를 계속하여 값의 변경을 불필요하게 해도 된다. 다음으로, 제어 장치(380)는 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)를 개방 상태로 한다(S16). 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)를 개방 상태로 하면, 이어서 제어 장치(380)는 S17로 이행한다. S17에서는, ΔP가 소정의 역치 이상인지를 판단한다. 소정의 역치라 함은, -γ2보다 δ2만큼 큰 수치(즉, -γ2+δ2)이고, 연료 공기 차압 ΔP가 소정의 역치 -γ2보다 δ2만큼 상승하여 소정의 역치 -γ2보다 확실하게 상승하는 것을 확인할 때까지 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)의 개방 상태(S18)를 계속한다. 또한, 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)는 스텝 형상으로 간헐적으로 개폐함으로써 연료 공기 차압 ΔP를 소정의 역치 이내로 완만하게 변경해도 된다.
또한, S13에서는, 연료 공기 차압 ΔP가 소정의 역치 이상이 아니라고 판단한 경우에는, 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)의 개방 상태를 유지하는 처리를 행함과 함께, 연료 공기 차압 ΔP가 소정의 역치 이상이라고 판단한 경우에는, S18로 이행한다. S18로 이행하면, 제어 장치(380)는, 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)를 폐쇄 상태로 한다(S18). 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)를 폐쇄 상태로 하면, S9로 이행한다.
S9에서는, 연료 공기 차압 ΔP의 절댓값이 역치 α(예를 들어, 0.1㎪ 내지 1㎪) 이하인지 여부에 대해 판정한다. 연료 공기 차압 ΔP의 절댓값이, 역치 α 이하가 아니라고 판정된 경우에는, S4로 되돌아가, 연료 공기 차압 ΔP의 확인(S5)을 행하고, 연료 공기 차압 ΔP의 절댓값이 역치 β 이상인지 여부에 대한 판정(S6)을 실시한다. 연료 공기 차압 ΔP의 절댓값이, 역치 α 이하라고 판정된 경우에는, S10으로 진행한다. S10에서는, 각 밸브의 개폐 상태를 현상의 상태로 유지하여, 감압을 계속한다.
이와 같이 하여, SOFC(313)를 정지할 때, 제어 장치(380)에 의해 차압 제어 처리가 행해진다.
또한, 본 실시 형태의 발전 시스템(310)에서는, SOFC(313)를 정지할 때, SOFC(313)를 감압하기 위해, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)를 개방 상태로 하지만, 각 밸브의 당초의 설정 개방도를 예를 들어 50％로 한다. 또한, 감압이 진행되어, 차압계(90)가 측정하는 공기극측 계통의 압력이 소정의 역치(본 실시 형태에서는, 예를 들어 100㎪ 내지 500㎪) 이하가 되면, 제어 장치(380)가 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)의 설정 개방도를 50％로부터 더욱 개방 방향으로 제어하여, 설정 개방도를 예를 들어 100％로 해도 된다.
SOFC(313)의 정지 시의 각 계통의 압력과, 배출 산화성 가스 배출 라인(391) 및 배출 연료 가스 배출 라인(394)에 설치된 밸브의 개폐 상태에 대해, 도 8을 사용하여 설명한다. 도 8의 최상부의 그래프는, 종축이 압력을 나타내고, 횡축이 시간을 나타낸다. 또한, 도 8의 최상부 이외의 그래프는, 종축이 각 밸브의 개방도를 나타내고, 횡축이 시간을 나타낸다.
도 8에 나타낸 바와 같이, SOFC(313)의 정지 시에, SOFC(313)의 감압을 행하는 경우에는, 먼저, 본 실시 형태에서는 시간이 T1의 타이밍에 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392)의 설정 개방도를 0％(완전 폐쇄 상태)로부터 예를 들어 50％로 변경한다(제1 스텝). 이에 의해, 공기극 배기측 계통의 감압이 개시된다. 다음으로, T1로부터 소정의 시간을 둔 T2의 타이밍에, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)의 설정 개방도를 0％(완전 폐쇄 상태)로부터 예를 들어 50％로 변경한다(제2 스텝). 이에 의해, 연료극 배기측 계통의 감압이 개시된다. 계통으로서 용량이 큰 공기극 배기측 계통으로부터 감압하고, 공기극 배기측 계통보다 용량이 작은 연료극 배기측 계통의 감압이 추종하여 제어되기 때문에, 공기극 배기측 계통의 감압 속도를 목표 속도가 되도록 유지하면서 연료 공기 차압이 소정의 값 이내로 되도록 제어가 용이해진다.
각 계통의 감압을 행하고 있을 때, 연료극측 계통의 감압 속도가 느려져, 연료 공기 차압이 증대되어 연료극측 계통의 압력이 공기극측 계통의 압력보다 소정의 값 이상에 높아진 경우에는, 그 타이밍(본 실시 형태에서는, 예를 들어 시간이 T3의 타이밍)에, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)의 설정 개방도를 0％로부터 예를 들어 100％(완전 개방 상태)로 한다. 이에 의해, 연료극측 계통의 감압 속도가 빨라져, 연료 공기 차압의 증대가 수정되어, 연료 공기 차압이 저감된다. 연료 공기 차압이 소정의 값의 범위가 되면(본 실시 형태에서는, 예를 들어 시간이 T4의 타이밍), 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)의 설정 개방도를 100％로부터 0％(완전 개방 상태)로 한다. 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)의 설정 개방도가 스텝 형상으로 개폐된다. 이에 의해, 연료극측 계통의 감압 속도가 시간 T3 이전의 상태로 되돌아간다. 또한, 도 8에서는, 도시의 관계상, 연료 공기 차압이 증대되어 있는 상태는 도시하고 있지 않다(연료 공기 차압이 증대되어 있는 상태에 대해서는, 도 9 참조). 이하의 설명에 있어서도 마찬가지이다.
각 계통의 감압을 행하고 있을 때, 공기극측 계통의 감압 속도가 느려져, 연료 공기 차압이 증대되어 공기극측 계통의 압력이 연료극측 계통의 압력보다 소정의 값 이상으로 높아진 경우에는, 그 타이밍(본 실시 형태에서는, 예를 들어 시간이 T5의 타이밍)에, 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)의 설정 개방도를 0％로부터 예를 들어 100％(완전 개방 상태)로 한다. 이에 의해, 공기극측 계통의 감압 속도가 빨라져, 연료 공기 차압의 증대가 수정되어, 연료 공기 차압이 저감된다. 연료 공기 차압이 소정의 값의 범위로 되면(본 실시 형태에서는, 예를 들어 시간이 T6의 타이밍), 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)의 설정 개방도를 100％로부터 0％(완전 개방 상태)로 한다. 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)의 설정 개방도가 스텝 형상으로 개폐된다. 이에 의해, 공기극측 계통의 감압 속도가 시간 T5 이전의 상태로 되돌아간다.
공기극측 계통의 감압이 진행되어, 공기극측 계통의 압력이 소정의 역치(본 실시 형태에서는, 예를 들어 100㎪ 내지 500㎪) 이하로 된 타이밍의 시간 T7에, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)의 설정 개방도를 예를 들어 50％로부터 100％(완전 개방 상태)로 한다.
본 실시 형태의 연료 전지 시스템(300)에서는, 이와 같이 SOFC(313)의 감압이 행해진다. 또한, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396) 및 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)의 개폐는, 1회가 아닌 복수 회에 걸쳐 행해져도 된다. 즉, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396) 및 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)의 개폐 동작은, 스텝 형상으로 간헐적으로 행해져도 된다.
본 실시 형태에 따르면, 이하의 작용 효과를 발휘한다.
본 실시 형태에서는, 배출 연료 가스 배출 라인(394)이 복수(본 실시 형태에서는, 일례로서 2개) 설치되고, 각 배출 연료 가스 배출 라인(394)에, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395) 및 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)가 설치되어 있다. 이에 의해, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395) 및 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)를 설정한 개방도(완전 개방 상태 및 완전 폐쇄 상태를 포함함)로 변경함으로써, 배출 연료 가스 배출 라인(394)마다, 유통하는 배출 연료 가스의 유량을 변경할 수 있다. 이와 같이, 계외로 배출되는 배출 연료 가스의 유량을, 복수의 배출 연료 가스 배출 라인(394)에 의해 변경하여 조정할 수 있으므로, 단수의 배출 연료 가스 배출 라인에 의해 배출 연료 가스의 유량을 조정하는 구조와 비교하여, 배출되는 배출 연료 가스의 유량을 변경하여 조정함으로써, 연료극측 계통의 감압 속도를 미세하게 조정할 수 있다.
또한, 배출 산화성 가스 배출 라인(391)도, 복수(본 실시 형태에서는, 일례로서 2개) 설치되고, 각 배출 산화성 가스 배출 라인(391)에 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)가 설치되어 있다. 따라서, 연료극측 계통과 마찬가지로, 공기극측 계통의 감압 속도를 미세하게 조정할 수 있다.
이와 같이, SOFC(313)를 정지할 때, 연료극측 계통 및 공기극측 계통의 감압 속도를 미세하게 조정할 수 있다. 이에 의해, SOFC(313)를 정지할 때, 연료극측 계통과 공기극측 계통의 연료 공기 차압을 소정의 범위 내로 억제한 상태에서 감압을 행할 수 있다. 따라서, 연료극측 계통과 공기극측 계통의 연료 공기 차압에 기인하는 연료 전지 시스템(300)의 열화나 손상을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 배출 연료 가스 배출 라인(394) 및 배출 산화성 가스 배출 라인(391)이 병렬로 설치된 복수의 라인을 구비하고 있으므로, 연료 가스 및 산화성 가스를 대기로 배출하는 구조에 대해 용장성을 갖게 할 수 있다. 따라서 배출 연료 가스 배출 라인(394) 또는 배출 산화성 가스 배출 라인(391)에 있어서, 가령 어느 쪽의 배출 라인이 파손 등에 의해 사용할 수 없게 되었다고 해도, 다른 한쪽의 배출 라인에 의해 연료 가스 또는 산화성 가스를 대기로 배출할 수 있다. 따라서, 연료 전지 시스템(300)에 용장성을 갖게 하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 공기극 배기측 계통은, 연료극 배기측 계통보다 용적이 크다. 따라서, 공기극 배기측 계통의 쪽이, 연료극 배기측 계통보다, 계통 내에 존재하는 가스의 양이 많아, 계외로 배출되는 가스의 유량이 동일 정도인 경우는, 공기극측 계통의 압력이 저하되기 어렵다. 본 실시 형태에서는, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)보다, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392)의 쪽을 먼저 개방 상태로 하고, 이에 의해, 연료극 배기측 계통보다 먼저, 압력이 내려가기 어려운 공기극 배기측 계통으로부터 배출이 행해져, 압력의 저하가 개시된다. 이와 같이, 압력이 내려가기 어려운 공기극 배기측 계통으로 압력이 먼저 저하되고, 그 후에 압력이 내려가기 쉬운 연료극 배기측 계통의 압력이 저하되므로, 연료 공기 차압을 소정의 범위 내로 억제할 수 있다.
또한, 나중에 감압하는 연료극 배기측 계통이, 감압 속도를 공기극 배기측 계통의 감압 속도와 대략 동일해지도록 설정해 둠으로써, 감압 중인 연료 공기 차압을 소정의 범위 내로 할 수 있다. 이와 같이, 연료극측 계통을 감압할 때, 공기극측 계통의 감압 속도를 목표 속도로 하고, 당해 목표 속도를 추종하도록 감압할 수 있으므로, 연료극측 계통의 감압 제어를 용이화할 수 있다. 따라서, 연료 공기 차압의 제어도 용이화할 수 있다.
또한, 공기극 배기측 계통으로부터 감압되므로, SOFC(313)의 감압 시에 있어서, 공기극 배기측 계통의 압력보다, 연료극 배기측 계통의 압력의 쪽이 높아진다. 이에 의해, 공기극측 계통으로부터 연료극측 계통으로의 산화성 가스의 유입을 억제할 수 있다. 따라서, 연료극측 계통으로의 산화성 가스의 유입에 기인한 SOFC(313)의 열화나 손상을 방지할 수 있다. 또한, 계통으로서 용량이 큰 공기극 배기측 계통으로부터 감압하여, 공기극 배기측 계통보다 용량이 작은 연료극 배기측 계통의 감압에 의해 추종 제어하기 때문에, 공기극측 계통의 감압 속도를 목표 속도가 되도록 유지하면서 연료 공기 차압의 제어가 용이해진다.
또한, 연료 공기 차압을 소정 범위 내로 억제하는 구조로서는, 배출 연료 가스 배출 라인과 배출 산화성 가스 배출 라인을 연통하는 균압 라인을 설치하는 것도 생각할 수 있다. 그러나 균압 라인을 설치하는 구성에서는, 연료 가스와 산화성 가스가 혼합되므로, 연료 가스를 연소 처리할 때에 급속 연소를 억제하면서 연소 처리를 행해야 해, 구조가 복잡하거나 설치 스페이스가 증가될 가능성이 있다. SOFC 시스템이 대형화되면, 이 경향은 현저하고, 처리 장치도 더 대형화됨과 함께, 연소 처리도 더 복잡화되기 때문에, 연료 전지 시스템 전체의 설치 스페이스 면적의 증대나, 설치 비용의 증대를 초래할 가능성이 있다.
본 실시 형태에서는, 연료극 배기측 계통 및 공기극 배기측 계통의 배출 라인을 연통하지 않고, 배출 연료 가스 배출 라인(394) 및 배출 산화성 가스 배출 라인(391)에서 각 배출 라인을 병렬로 복수 설치함으로써, 연료 공기 차압을 소정 범위 내로 억제하는 구조를 간이하게 실현할 수 있다.
따라서, 균압 라인을 설치하는 구성과 비교하여, 연료 전지 시스템(300) 전체의 설치 스페이스를 억제할 수 있음과 함께, 설치 비용도 억제할 수 있다.
또한, 배출 연료 가스 배출 라인(394) 및 배출 산화성 가스 배출 라인(391)에 있어서, 병렬로 복수 설치된 배출 라인 중 하나의 배출 라인(제1 배출 연료 가스 배출 라인(394a) 및 제1 배출 산화성 가스 배출 라인(391a))에서 배출을 행하면서, 다른 배출 라인(제2 배출 연료 가스 배출 라인(394b) 및 제2 배출 산화성 가스 배출 라인(391b))에 설치된 배출 밸브(제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396) 및 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393))를 연료 공기 차압에 기초하여 개폐 제어하고 있다. 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396) 및 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)를 개방 상태로 하는 경우에는, 당해 배출 밸브가 설치된 배출 라인이 접속하는 극의 배기측 계통의 감압 속도가 빨라진다. 한편, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396) 및 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)를 폐쇄 상태로 하는 경우에는, 당해 배출 밸브가 설치된 배출 라인이 접속하는 극의 배기측 계통의 감압 속도가 느려진다. 이와 같이, 각 극의 배기 계통의 감압 속도를 변경할 수 있다. 이에 의해, 연료 공기 차압을 소정 범위 내로 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시 형태에서는, 이러한 제어를, 차압계(90)가 측정한 공기극측 계통과 연료극측 계통의 연료 공기 차압에 기초하여, 공기극측 배기 계통과 연료극측 배기 계통으로부터의 배기 유량을 변경함으로써 행하고 있으므로, SOFC(313)를 정지할 때의 연료극측 계통과 공기극측 계통의 연료 공기 차압을 더 적합하게 저감시키는 것이 가능해진다.
상세한 효과에 대해, 도 9를 사용하여 설명한다. 또한, 도 9는 SOFC(313)의 감압 시에 있어서의 각 계통의 압력과 시간의 관계를 나타낸 그래프이며, 종축이 압력을 나타내고, 횡축이 시간을 나타낸다. 또한, 그래프 중에서는, 실선으로 공기극측 계통의 감압 양태를 나타내고, 파선으로 연료극측 계통의 압력이 공기극측 계통의 압력보다 소정의 값만큼 압력이 높은 상태를 유지하였을 때의 연료극측 계통의 감압 양태를 나타내고, 일점쇄선으로 연료극측 계통의 압력이 공기극측 계통의 압력보다 소정의 값 이상으로 압력이 증대되었을 때의 연료극측 계통의 감압 양태를 나타내고 있다. 또한, 시간 T1은, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392)를 개방하여, 공기극측 계통의 감압을 개시하는 타이밍을 나타내고, 시간 T2는, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)를 개방하여, 연료극측 계통의 감압을 개시하는 타이밍을 나타낸다. 또한, 시간 T3은, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)를 스텝 형상으로 개방 상태로 하는 타이밍을 나타내고, 시간 T4는, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)를 폐쇄 상태로 하는 타이밍을 나타낸다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 연료 공기 차압 ΔP가 증대되었을 때, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)를 개방 상태로 하면, 연료극 배기측 계통의 감압 속도가 빨라져, 연료 공기 차압 ΔP의 증가가 수정되어 저감된다. 또한, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)를 폐쇄 상태로 하면, 연료극 배기측 계통의 감압 속도가 느려져, 연료 공기 차압 ΔP의 저감을 완화하여 소정의 범위 내로 할 수 있다. 이와 같이 하여, 소정 범위 내의 연료 공기 차압 ΔP를 유지할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 배출 연료 가스 배출 라인(394) 및 배출 산화성 가스 배출 라인(391)에 병렬로 복수 설치된 각 배출 라인에 있어서, 구동원이 상이한 2종류의 밸브를 구비할 수 있다. 즉, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)는, 모터에 의해 구동되는 모터 밸브이며, 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393) 및 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)는 압축 공기로 구동되는 공기식 밸브이다. 이에 의해, 연료 가스 및 산화성 가스를 계외로 배출하는 구조에 비해, 구동원에 대한 용장성을 갖게 할 수 있다. 따라서, 가령 어느 쪽의 구동원이 고장 하거나 하여 작동하지 않게 된 경우라도, 다른 한쪽의 구동원에 의해 구동되는 밸브부를 구동시킴으로써, 연료 가스 및 산화성 가스의 계외로의 배출을 더 확실하게 행할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서의 구동원은, 전기와 공기를 사용하고 있지만, 예를 들어 공기로서는 동일해도 공급원이 상이한 공기 계통으로서 상이한 구동원으로 해도 된다. 또한, 전기로서는 동일해도 공급원이 상이한 전기 계통으로서 상이한 구동원으로 해도 된다.
본 실시 형태에서는, SOFC(313)를 정지할 때, 감압 개시 시에는 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)의 설정 개방도를 예를 들어 50％로 하고, 그 후 소정의 타이밍에 각 밸브의 설정 개방도를 100％(완전 개방 상태)로 하고 있다. 즉, SOFC(313)의 압력을 단계적으로 감압하고 있다. 이에 의해, SOFC(313)를 정지할 때, SOFC(313) 내의 압력이 급격하게 저하되지 않으므로, SOFC(313)에 발생하는 연료 공기 차압의 급속한 변화를 저감할 수 있다. 또한, 단계적으로 감압해 감으로써, 연료 공기 차압의 제어를 용이화할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 각 실시 형태에 관한 발명에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 적절하게 변형이 가능하다.
예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 감압 개시 시에는, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)의 설정 개방도를 50％로 하고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)의 설정 개방도는, 50％보다 작아도 되고, 50％ 이상이어도 된다. 또한, 100％여도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393) 및 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)가 개폐 밸브인 예에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395), 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393) 및 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396)는 유량 조정 밸브여도 된다.
또한, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)의 설정 개방도를, 차압계(90)가 계측한 연료 공기 차압에 기초하여 변경하여 조정해도 된다.
이러한 구성에서는, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)의 설정 개방도를 변경하여 조정함으로써, 배출되는 가스의 유량을 조정하고, 각 극의 배기 계통의 감압 속도를 변경하여 조정할 수 있다. 이와 같이, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브(392) 및 제1 배출 연료 가스 배출 밸브(395)에 의해, SOFC(313)를 정지할 때의 연료극측 계통과 공기극측 계통의 연료 공기 차압을 소정 범위 내로 억제할 수 있으므로, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브(396) 및 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브(393)의 구동 횟수를 저감할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 배출 산화성 가스 배출 라인(391) 및 배출 연료 가스 배출 라인(394)을 각각 2개씩 설치하는 예에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 배출 산화성 가스 배출 라인(391) 및 배출 연료 가스 배출 라인(394)은, 복수 병렬로 설치되어 있으면 되고, 3개 이상이어도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 각 밸브가 제어 장치(380)에 의해 조작되는 예에 대해 설명하였지만, 각 밸브는 작업원에 의해 조작되어도 된다.
90 : 차압계(차압 측정 수단, 압력 측정 수단)
109 : 연료극
113 : 공기극
300 : 연료 전지 시스템
310 : 발전 시스템(복합 발전 시스템)
311 : 마이크로 가스 터빈, MGT(가스 터빈 장치)
312 : 발전기
313 : SOFC(연료 전지)
321 : 압축기
322 : 연소기
323 : 터빈
324 : 회전축
325 : 공기 도입 라인
326 : 제1 산화성 가스 공급 라인
328 : 연소 가스 공급 라인
329 : 연소 배출 가스 라인
330 : 열 교환기
331 : 제2 산화성 가스 공급 라인
332 : 바이패스 라인
333 : 배출 산화성 가스 라인
334 : 배출 산화성 가스 공급 라인
341 : 제2 연료 가스 공급 라인
343 : 배출 연료 가스 라인
345 : 배출 연료 가스 공급 라인
348 : 재순환 블로워
349 : 연료 가스 재순환 라인
351 : 제1 연료 가스 공급 라인
361 : 순수 공급 라인
362 : 펌프
371 : 공기극 연료 공급 라인
380 : 제어 장치
381 : 판정부
382 : 판단부
383 : 제1 배출 밸브 제어부(배출 밸브 제어부)
384 : 제2 배출 밸브 제어부
391 : 배출 산화성 가스 배출 라인
391a : 제1 배출 산화성 가스 배출 라인
391b : 제2 배출 산화성 가스 배출 라인
392 : 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브
393 : 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브
394 : 배출 연료 가스 배출 라인
394a : 제1 배출 연료 가스 배출 라인
394b : 제2 배출 연료 가스 배출 라인
395 : 제1 배출 연료 가스 배출 밸브
396 : 제2 배출 연료 가스 배출 밸브

Claims (9)

  1. 공기극과, 고체 전해질과, 연료극을 구비하고, 상기 공기극에 산화성 가스가 공급됨과 함께 상기 연료극에 연료 가스가 공급됨으로써 발전을 행하는 연료 전지와,
    상기 연료극으로부터 배출된 배출 연료 가스를 계외로 배출하는 복수의 배출 연료 가스 배출 라인과,
    복수의 상기 배출 연료 가스 배출 라인 각각에 설치된 배출 연료 가스 배출 밸브와,
    상기 공기극으로부터 배출된 배출 산화성 가스를 계외로 배출하는 복수의 배출 산화성 가스 배출 라인과,
    복수의 상기 배출 산화성 가스 배출 라인 각각에 설치된 배출 산화성 가스 배출 밸브와,
    상기 연료 전지를 정지할 때, 상기 배출 연료 가스 배출 밸브보다 먼저, 상기 배출 산화성 가스 배출 밸브를 개방 상태로 하는 제어 장치와,
    상기 공기극측의 계통인 공기극측 계통과, 상기 연료극측의 계통인 연료극측 계통의 차압을 측정하는 차압 측정 수단을 구비하고,
    복수의 상기 배출 연료 가스 배출 라인은, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브가 설치되는 제1 배출 연료 가스 배출 라인과, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 라인과 병렬로 설치되고, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브가 설치되는 제2 배출 연료 가스 배출 라인을 포함하고,
    복수의 상기 배출 산화성 가스 배출 라인은, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브가 설치되는 제1 배출 산화성 가스 배출 라인 및 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 라인과 병렬로 설치되고, 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브가 설치되는 제2 배출 산화성 가스 배출 라인을 포함하고,
    상기 제어 장치는, 상기 연료 전지를 정지할 때, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 밸브 및 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브를 개방한 상태에서, 상기 차압 측정 수단이 측정한 차압에 기초하여, 상기 제2 배출 연료 가스 배출 밸브 및/또는 상기 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브를 소정의 개방도로 변경하는 제어를 행하는, 연료 전지 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배출 연료 가스 배출 밸브를 구동하는 구동원과, 상기 제2 배출 연료 가스 배출 밸브를 구동하는 구동원은 상이하고,
    상기 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브를 구동하는 구동원과, 상기 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브를 구동하는 구동원은 상이한, 연료 전지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 차압 측정 수단이 측정한 차압이 소정의 역치 이상인지를 판정하는 판정부와,
    상기 판정부에 의해 차압이 소정의 역치 이상이라고 판정된 경우에, 상기 공기극측 계통과 상기 연료극측 계통 중 어느 쪽의 압력이 높은지를 판단하는 판단부와,
    상기 제2 배출 연료 가스 배출 밸브와 상기 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브 중, 상기 판단부에 의해 압력이 높다고 판단된 계통측에 설치된 배출 밸브의 개방도를, 현재의 개방도보다 크게 하는 배출 밸브 제어부를 구비하는, 연료 전지 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배출 연료 가스 배출 밸브 및 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브는, 소정의 개방도로 변경하는 것이 가능한 밸브이며,
    상기 제어 장치는, 상기 연료 전지를 정지할 때, 상기 차압 측정 수단이 측정한 차압에 기초하여, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 밸브 및/또는 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브의 개방도를 변경하고, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 라인 및/또는 상기 제2 배출 산화성 가스 배출 라인으로부터 배출되는 가스의 유량을 변경하는, 연료 전지 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연료 전지에 있어서, 상기 공기극측의 계통인 공기극측 계통 및 상기 연료극측의 계통인 연료극측 계통의 압력을 측정하는 압력 측정 수단을 구비하고,
    복수의 상기 배출 연료 가스 배출 라인은, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브가 설치되는 제1 배출 연료 가스 배출 라인과, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 라인과 병렬로 설치되고, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브가 설치되는 제2 배출 연료 가스 배출 라인을 포함하고,
    복수의 상기 배출 산화성 가스 배출 라인은, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브가 설치되는 제1 배출 산화성 가스 배출 라인 및 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 라인과 병렬로 설치되고, 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브가 설치되는 제2 배출 산화성 가스 배출 라인을 포함하고,
    상기 제1 배출 연료 가스 배출 밸브 및 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브는, 소정의 설정 개방도로 변경하는 것이 가능한 밸브이며,
    상기 제어 장치는, 상기 연료 전지를 정지할 때, 상기 공기극측 계통의 압력이 소정의 역치 이하로 된 경우에, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 밸브 및 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브의 개방도를 커지도록 변경하는, 연료 전지 시스템.
  7. 제1항 및 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 시스템과,
    터빈과, 당해 터빈에 연결되는 발전기와, 상기 터빈에 연소 가스를 송급하는 연소기와, 상기 연소기 및 상기 공기극에 상기 산화성 가스를 공급 가능하게 하는 압축기를 구비하는 가스 터빈 장치를 구비하고,
    상기 연료 전지의 상기 연료극으로부터 배출된 상기 배출 연료 가스의 일부가 상기 연소기에 공급되고,
    상기 압축기에서 압축된 상기 산화성 가스가 상기 연료 전지의 상기 공기극에 공급되고, 상기 공기극으로부터 배출된 상기 배출 산화성 가스의 적어도 일부가 상기 연소기에 공급되는, 복합 발전 시스템.
  8. 제1항 및 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 시스템과,
    터빈과, 당해 터빈에 연결되는 상기 공기극에 상기 산화성 가스를 공급 가능하게 하는 압축기를 구비하는 터보 차저 장치와,
    상기 터빈에 연소 가스를 송급하는 연소기를 구비하고,
    상기 연료 전지의 상기 연료극으로부터 배출된 상기 배출 연료 가스의 연소 가스의 적어도 일부가 상기 연소기에 공급되고,
    상기 압축기에서 압축된 상기 산화성 가스가 상기 연료 전지의 상기 공기극에 공급되고, 상기 공기극으로부터 배출된 상기 배출 산화성 가스의 적어도 일부가 상기 연소기에 공급되는, 복합 발전 시스템.
  9. 공기극에 산화성 가스가 공급됨과 함께 고체 전해질을 사이에 두고 설치한 연료극에 연료 가스가 공급됨으로써 발전을 행하는 연료 전지를 구비한 연료 전지 시스템의 제어 방법이며,
    상기 연료 전지 시스템은, 상기 연료극으로부터 배출된 배출 연료 가스를 계외로 배출 가능한 복수의 배출 연료 가스 배출 라인과, 복수의 상기 배출 연료 가스 배출 라인 각각에 설치된 배출 연료 가스 배출 밸브와, 상기 공기극으로부터 배출된 배출 산화성 가스를 계외로 배출 가능한 복수의 배출 산화성 가스 배출 라인과, 복수의 상기 배출 산화성 가스 배출 라인 각각에 설치된 배출 산화성 가스 배출 밸브를 구비하고,
    상기 공기극측의 계통인 공기극측 계통과, 상기 연료극측의 계통인 연료극측 계통의 차압을 측정하는 차압 측정 수단을 구비하고,
    복수의 상기 배출 연료 가스 배출 라인은, 제1 배출 연료 가스 배출 밸브가 설치되는 제1 배출 연료 가스 배출 라인과, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 라인과 병렬로 설치되고, 제2 배출 연료 가스 배출 밸브가 설치되는 제2 배출 연료 가스 배출 라인을 포함하고,
    복수의 상기 배출 산화성 가스 배출 라인은, 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브가 설치되는 제1 배출 산화성 가스 배출 라인 및 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 라인과 병렬로 설치되고, 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브가 설치되는 제2 배출 산화성 가스 배출 라인을 포함하고,
    상기 연료 전지를 정지할 때, 상기 배출 산화성 가스 배출 밸브를 개방 상태로 하는 제1 스텝과,
    상기 제1 스텝 후에, 상기 배출 연료 가스 배출 밸브를 개방 상태로 하는 제2 스텝을 구비하고,
    상기 연료 전지를 정지할 때, 상기 제1 배출 연료 가스 배출 밸브 및 상기 제1 배출 산화성 가스 배출 밸브를 개방한 상태에서, 상기 차압 측정 수단이 측정한 차압에 기초하여, 상기 제2 배출 연료 가스 배출 밸브 및/또는 상기 제2 배출 산화성 가스 배출 밸브를 소정의 개방도로 변경하는 제어를 행하는, 연료 전지 시스템의 제어 방법.
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