WO2022092054A1 - 燃料電池発電システム - Google Patents

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WO2022092054A1
WO2022092054A1 PCT/JP2021/039396 JP2021039396W WO2022092054A1 WO 2022092054 A1 WO2022092054 A1 WO 2022092054A1 JP 2021039396 W JP2021039396 W JP 2021039396W WO 2022092054 A1 WO2022092054 A1 WO 2022092054A1
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fuel cell
cell module
fuel
power generation
fuel gas
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PCT/JP2021/039396
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長生 久留
光由 岩田
考洋 町田
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三菱重工業株式会社
三菱パワー株式会社
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present disclosure relates to a fuel cell power generation system.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2020-183269 filed with the Japan Patent Office on October 30, 2020, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • a fuel cell that generates electricity by chemically reacting a fuel gas with an oxidizing gas has characteristics such as excellent power generation efficiency and environmental friendliness.
  • solid oxide fuel cells Solid Oxide Fuel Cell: SOFC
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • ceramics such as zirconia ceramics as the electrolyte, and gasify hydrogen, city gas, natural gas, petroleum, methanol, and carbon-containing raw materials.
  • Gas such as gasified gas produced in the above method is supplied as a fuel gas and reacted in a high temperature atmosphere of about 700 ° C. to 1000 ° C. to generate power.
  • Patent Document 1 is an example of a fuel cell power generation system using this type of fuel cell.
  • Patent Document 1 by connecting a plurality of fuel cell modules in cascade to the flow path of the fuel gas, the utilization rate of the supplied fuel in each fuel cell module can be improved and the system efficiency can be improved.
  • the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell module in the front stage is used in the fuel cell module in the rear stage. Therefore, the exhaust fuel gas supplied to the fuel cell module in the subsequent stage has a lower fuel component concentration than the fuel gas supplied to the fuel cell module in the previous stage. As a result, the output of the fuel cell module in the latter stage is suppressed and the amount of heat generated by power generation is smaller than that in the fuel cell module in the previous stage, and as a result, it becomes difficult to maintain the temperature for proper operation of the fuel cell module. May be. Such a situation is likely to occur especially during partial load operation or transient operation in which the system required load changes, and the system stability may be impaired.
  • the methane component contained in the fuel gas is reformed using water vapor and used for the power generation reaction, but the fuel exhaust gas from the fuel cell module in the previous stage is supplied to the fuel cell module in the latter stage. Therefore, depending on the power generation state of the fuel cell module in the previous stage, sufficient steam vapor required for reforming may not be obtained.
  • the S / of the exhaust fuel gas is determined by determining the amount of the fuel gas additionally supplied to the rear fuel cell module based on the water vapor contained in the exhaust fuel gas from the fuel cell module in the previous stage.
  • At least one aspect of the present disclosure has been made in view of the above circumstances, and the operating state is stable in a fuel cell power generation system including a plurality of fuel cell modules connected in series (cascade) with respect to the flow of fuel gas. It is an object of the present invention to provide a fuel cell power generation system capable of achieving good system efficiency.
  • the first fuel cell module that can generate electricity using fuel gas
  • the first exhaust fuel gas line through which the first exhaust fuel gas discharged from the first fuel cell module flows
  • a second fuel cell module capable of generating electricity using the first exhaust fuel gas
  • the second exhaust fuel gas line through which the second exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell module flows
  • a first recirculation line that recirculates from the second exhaust fuel gas line in order to supply the second exhaust fuel gas to the fuel side electrode of the second fuel cell module.
  • the operating state is stable and the system is good. It is possible to provide a fuel cell power generation system that can achieve efficiency.
  • the positional relationship of each component described using the expressions "upper” and “lower” with respect to the paper surface indicates the vertically upper side and the vertically lower side, respectively.
  • the one that can obtain the same effect in the vertical direction and the horizontal direction is not necessarily limited to the vertical vertical direction on the paper surface, but may correspond to the horizontal direction orthogonal to the vertical direction, for example. good.
  • a solid oxide fuel cell Solid Oxide Fuel Cell, SOFC
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • a fuel cell power generation system is configured.
  • a fuel cell of a type other than SOFC for example, a molten carbonate fuel cell (MCFC) or the like
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an SOFC module (fuel cell module) according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an SOFC cartridge (fuel cell cartridge) constituting the SOFC module (fuel cell module) according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a cell stack constituting the SOFC module (fuel cell module) according to the embodiment.
  • the SOFC module (fuel cell module) 210 includes, for example, a plurality of SOFC cartridges (fuel cell cartridges) 203 and a pressure vessel 205 for accommodating the plurality of SOFC cartridges 203.
  • FIG. 1 illustrates a cylindrical SOFC cell stack 101, this is not necessarily the case, and a flat plate cell stack may be used, for example.
  • the fuel cell module 210 includes a fuel gas supply pipe 207, a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a, a fuel gas discharge pipe 209, and a plurality of fuel gas discharge branch pipes 209a.
  • the fuel cell module 210 includes an oxidizing gas supply pipe (not shown), an oxidizing gas supply branch pipe (not shown), an oxidizing gas discharge pipe (not shown), and a plurality of oxidizing gas discharging branch pipes (not shown). ) And.
  • the fuel gas supply pipe 207 is provided outside the pressure vessel 205 and is connected to a fuel gas supply unit (not shown) that supplies fuel gas having a predetermined gas composition and a predetermined flow rate according to the amount of power generated by the fuel cell module 210. At the same time, it is connected to a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a.
  • the fuel gas supply pipe 207 recirculates and guides the fuel gas of a predetermined flow rate supplied from the above-mentioned fuel gas supply unit to the plurality of fuel gas supply branch pipes 207a. Further, the fuel gas supply branch pipe 207a is connected to the fuel gas supply pipe 207 and is also connected to a plurality of SOFC cartridges 203.
  • the fuel gas supply branch pipe 207a guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply pipe 207 to the plurality of SOFC cartridges 203 at a substantially equal flow rate, and substantially equalizes the power generation performance of the plurality of SOFC cartridges 203. ..
  • the fuel gas discharge branch pipe 209a is connected to a plurality of SOFC cartridges 203 and is also connected to the fuel gas discharge pipe 209.
  • the fuel gas discharge branch pipe 209a guides the exhaust fuel gas discharged from the SOFC cartridge 203 to the fuel gas discharge pipe 209. Further, the fuel gas discharge pipe 209 is connected to a plurality of fuel gas discharge branch pipes 209a, and a part of the fuel gas discharge pipe 209 is arranged outside the pressure vessel 205.
  • the fuel gas discharge pipe 209 guides the exhaust fuel gas derived from the fuel gas discharge branch pipe 209a at a substantially equal flow rate to the outside of the pressure vessel 205.
  • the pressure vessel 205 Since the pressure vessel 205 is operated at an internal pressure of 0.1 MPa to about 3 MPa and an internal temperature of an atmospheric temperature of about 550 ° C., it has a proof stress and corrosion resistance against an oxidizing agent such as oxygen contained in an oxidizing gas.
  • an oxidizing agent such as oxygen contained in an oxidizing gas.
  • the material you have is used.
  • a stainless steel material such as SUS304 is suitable.
  • the present invention is not limited to this, and for example, the SOFC cartridge 203 is not aggregated and the pressure is increased. It can also be stored in the container 205.
  • the SOFC cartridge 203 includes a plurality of cell stacks 101, a power generation chamber 215, a fuel gas supply header 217, a fuel gas discharge header 219, an oxidizing gas (air) supply header 221 and an oxidizing property. It is provided with a gas discharge header 223. Further, the SOFC cartridge 203 includes an upper tube plate 225a, a lower tube plate 225b, an upper heat insulating body 227a, and a lower heat insulating body 227b.
  • the fuel gas supply header 217, the fuel gas discharge header 219, the oxidizing gas supply header 221 and the oxidizing gas discharge header 223 are arranged as shown in FIG.
  • the structure is such that the fuel gas and the oxidizing gas flow opposite to the inside and the outside of the cell stack 101, but this is not always necessary, and for example, the fuel gas and the oxidizing gas flow in parallel to the inside and the outside of the cell stack 101. , Or the oxidizing gas may be allowed to flow in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the cell stack 101.
  • the power generation chamber 215 is a region formed between the upper heat insulating body 227a and the lower heat insulating body 227b.
  • the power generation chamber 215 is a region in which the fuel cell 105 of the cell stack 101 is arranged, and is a region in which the fuel gas and the oxidizing gas are electrochemically reacted to generate electric power.
  • the temperature near the central portion of the cell stack 101 in the longitudinal direction of the power generation chamber 215 is monitored by a temperature measuring unit (for example, a temperature sensor such as a thermocouple), and is approximately 700 ° C. to 1000 ° C. during steady operation of the fuel cell module 210. It becomes a high temperature atmosphere of °C.
  • the fuel gas supply header 217 is an area surrounded by the upper casing 229a and the upper tube plate 225a of the SOFC cartridge 203, and the fuel gas supply branch pipe 207a is provided by the fuel gas supply hole 231a provided in the upper part of the upper casing 229a. Is communicated with. Further, the plurality of cell stacks 101 are joined to the upper pipe plate 225a by the seal member 237a, and the fuel gas supply header 217 is a fuel gas supplied from the fuel gas supply branch pipe 207a through the fuel gas supply hole 231a. Is guided into the base tube 103 of the plurality of cell stacks 101 at a substantially uniform flow rate, and the power generation performance of the plurality of cell stacks 101 is substantially made uniform.
  • the fuel gas discharge header 219 is an area surrounded by the lower casing 229b and the lower pipe plate 225b of the SOFC cartridge 203, and the fuel gas discharge branch pipe 209a (not shown) is provided by the fuel gas discharge hole 231b provided in the lower casing 229b. Is communicated with. Further, the plurality of cell stacks 101 are joined to the lower pipe plate 225b by the seal member 237b, and the fuel gas discharge header 219 passes through the inside of the base pipe 103 of the plurality of cell stacks 101 and the fuel gas discharge header 219. The exhaust fuel gas supplied to the fuel gas is collected and guided to the fuel gas discharge branch pipe 209a through the fuel gas discharge hole 231b.
  • the oxidizing gas having a predetermined gas composition and a predetermined flow rate is recirculated to the oxidizing gas supply branch pipe and supplied to a plurality of SOFC cartridges 203.
  • the oxidizing gas supply header 221 is a region surrounded by the lower casing 229b, the lower pipe plate 225b, and the lower heat insulating body (support) 227b of the SOFC cartridge 203, and is an oxidizing gas provided on the side surface of the lower casing 229b.
  • the supply hole 233a communicates with an oxidizing gas supply branch pipe (not shown).
  • the oxidizing gas supply header 221 generates an oxidizing gas having a predetermined flow rate supplied from an oxidizing gas supply branch pipe (not shown) through the oxidizing gas supply hole 233a through the oxidizing gas supply gap 235a described later. It leads to room 215.
  • the oxidizing gas discharge header 223 is a region surrounded by the upper casing 229a, the upper pipe plate 225a, and the upper heat insulating body (support) 227a of the SOFC cartridge 203, and the oxidizing gas provided on the side surface of the upper casing 229a.
  • the discharge hole 233b communicates with an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown).
  • the oxidizing gas discharge header 223 transfers the oxidative gas supplied from the power generation chamber 215 to the oxidative gas discharge header 223 via the oxidative gas discharge gap 235b, which will be described later, through the oxidative gas discharge hole 233b. It leads to an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown).
  • the upper casing 229a is provided so that the upper tube plate 225a, the top plate of the upper casing 229a, and the upper heat insulating body 227a are substantially parallel to each other between the top plate of the upper casing 229a and the upper heat insulating body 227a. It is fixed to the side plate of. Further, the upper tube plate 225a has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into the holes, respectively.
  • the upper tube plate 225a airtightly supports one end of the plurality of cell stacks 101 via either one or both of the sealing member 237a and the adhesive member, and also provides a fuel gas supply header 217 and an oxidizing gas discharge header. It separates from 223.
  • the upper heat insulating body 227a is arranged at the lower end of the upper casing 229a so that the upper heat insulating body 227a, the top plate of the upper casing 229a, and the upper pipe plate 225a are substantially parallel to each other, and is fixed to the side plate of the upper casing 229a. There is. Further, the upper heat insulating body 227a is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203. The diameter of this hole is set to be larger than the outer diameter of the cell stack 101.
  • the upper heat insulating body 227a includes an oxidizing gas discharge gap 235b formed between the inner surface of the hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the upper heat insulating body 227a.
  • the upper heat insulating body 227a partitions the power generation chamber 215 and the oxidizing gas discharge header 223, and the atmosphere around the upper tube plate 225a becomes high in temperature, resulting in a decrease in strength and corrosion by the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. Suppress the increase.
  • the upper tube plate 225a and the like are made of a metal material having high temperature durability such as Inconel, but the upper tube plate 225a and the like are exposed to the high temperature in the power generation chamber 215 and the temperature difference in the upper tube plate 225a and the like becomes large. It prevents thermal deformation. Further, the upper heat insulating body 227a guides the oxidative gas that has passed through the power generation chamber 215 and exposed to high temperature to the oxidative gas discharge header 223 by passing through the oxidative gas discharge gap 235b.
  • the fuel gas and the oxidizing gas flow toward the inside and the outside of the cell stack 101.
  • the oxidative gas exchanges heat with the fuel gas supplied to the power generation chamber 215 through the inside of the base tube 103, and the upper tube plate 225a and the like made of a metal material buckle and the like. It is cooled to a temperature at which it does not deform and is supplied to the oxidizing gas discharge header 223. Further, the fuel gas is heated by heat exchange with the oxidative gas discharged from the power generation chamber 215 and supplied to the power generation chamber 215. As a result, the fuel gas preheated to a temperature suitable for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.
  • the lower pipe plate 225b is provided on the side plate of the lower casing 229b so that the bottom plate of the lower pipe plate 225b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower heat insulating body 227b are substantially parallel to each other between the bottom plate of the lower casing 229b and the lower heat insulating body 227b. It is fixed. Further, the lower tube plate 225b has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into the holes, respectively.
  • the lower tube plate 225b airtightly supports the other end of the plurality of cell stacks 101 via either or both of the sealing member 237b and the adhesive member, and also provides a fuel gas discharge header 219 and an oxidizing gas supply header. It is intended to isolate 221.
  • the lower heat insulating body 227b is arranged at the upper end of the lower casing 229b so that the bottom plate of the lower heat insulating body 227b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower pipe plate 225b are substantially parallel to each other, and is fixed to the side plate of the lower casing 229b. .. Further, the lower heat insulating body 227b is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203. The diameter of this hole is set to be larger than the outer diameter of the cell stack 101.
  • the lower heat insulating body 227b includes an oxidizing gas supply gap 235a formed between the inner surface of the hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the lower heat insulating body 227b.
  • the lower heat insulating body 227b separates the power generation chamber 215 and the oxidizing gas supply header 221, and the atmosphere around the lower tube plate 225b becomes high in temperature, resulting in a decrease in strength and corrosion by the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. Suppress the increase.
  • the lower tube plate 225b or the like is made of a metal material having high temperature durability such as Inconel, but the lower tube plate 225b or the like is exposed to a high temperature and the temperature difference in the lower tube plate 225b or the like becomes large, so that the lower tube plate 225b or the like is thermally deformed. It is something to prevent. Further, the lower heat insulating body 227b guides the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply header 221 to the power generation chamber 215 through the oxidizing gas supply gap 235a.
  • the fuel gas and the oxidizing gas flow toward the inside and the outside of the cell stack 101.
  • the exhaust fuel gas that has passed through the inside of the base tube 103 and passed through the power generation chamber 215 is heat-exchanged with the oxidizing gas supplied to the power generation chamber 215, and the lower tube plate 225b made of a metal material is exchanged.
  • Etc. are cooled to a temperature at which deformation such as buckling does not occur and are supplied to the fuel gas discharge header 219.
  • the oxidizing gas is heated by heat exchange with the exhaust fuel gas and supplied to the power generation chamber 215.
  • the oxidizing gas heated to the temperature required for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.
  • the DC power generated in the power generation chamber 215 is led out to the vicinity of the end of the cell stack 101 by a lead film 115 made of Ni / YSZ or the like provided in the plurality of fuel cell 105, and then the current collector rod of the SOFC cartridge 203 (not available).
  • the current is collected by the current collector plate (not shown) on the (shown), and is taken out to the outside of each SOFC cartridge 203.
  • the DC power led out to the outside of the SOFC cartridge 203 by the current collector rod interconnects the generated power of each SOFC cartridge 203 to a predetermined number of series and parallel numbers, and is led out to the outside of the fuel cell module 210.
  • It is converted into a predetermined AC power by a power conversion device (inverter or the like) such as a power conditioner (not shown), and is supplied to a power supply destination (for example, a load facility or a power system).
  • the cell stack 101 is formed between a cylindrical base tube 103, a plurality of fuel cell 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103, and adjacent fuel cell 105. It also has an interconnector 107.
  • the fuel cell 105 is formed by laminating a fuel side electrode 109, a solid electrolyte membrane (electrolyte) 111, and an oxygen side electrode 113.
  • the cell stack 101 is an oxygen side electrode 113 of the fuel cell 105 formed at one end of the plurality of fuel cell 105 formed on the outer peripheral surface of the substrate tube 103 in the axial direction of the substrate tube 103.
  • the substrate tube 103 is made of a porous material, for example, CaO stabilized ZrO 2 (CSZ), a mixture of CSZ and nickel oxide (NiO) (CSZ + NiO), or Y2O 3 stabilized ZrO 2 (YSZ), or The main component is MgAl 2 O 4 and the like.
  • the substrate tube 103 supports the fuel cell 105, the interconnector 107, and the lead film 115, and the fuel gas supplied to the inner peripheral surface of the substrate tube 103 is supplied to the inner peripheral surface of the substrate tube 103 through the pores of the substrate tube 103. It is diffused to the fuel side electrode 109 formed on the outer peripheral surface of the fuel cell.
  • the fuel side electrode 109 is composed of an oxide of a composite material of Ni and a zirconia-based electrolyte material, and for example, Ni / YSZ is used.
  • the thickness of the fuel side electrode 109 is 50 ⁇ m to 250 ⁇ m, and the fuel side electrode 109 may be formed by screen printing the slurry.
  • Ni which is a component of the fuel side electrode 109, has a catalytic action on the fuel gas. This catalytic action reacts a fuel gas supplied via the substrate tube 103, for example, a mixed gas of methane (CH 4 ) and water vapor, and reforms it into hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). It is a thing.
  • the fuel side electrode 109 is a solid electrolyte membrane 111 in which hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming and oxygen ions (O 2- ) supplied via the solid electrolyte membrane 111 are combined. It reacts electrochemically in the vicinity of the interface with and produces water ( H2O ) and carbon dioxide ( CO2 ). At this time, the fuel cell 105 generates electricity by the electrons emitted from the oxygen ions.
  • the fuel gas that can be supplied to and used for the fuel side electrode 109 of the solid oxide fuel cell includes hydrocarbon gas such as hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), and methane (CH 4 ), city gas, and natural gas.
  • hydrocarbon gas such as hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), and methane (CH 4 ), city gas, and natural gas.
  • gasification gas produced by a gasification facility for carbon-containing raw materials such as petroleum, methanol, and coal can be mentioned.
  • the solid electrolyte membrane 111 As the solid electrolyte membrane 111, YSZ having airtightness that makes it difficult for gas to pass through and high oxygen ion conductivity at high temperatures is mainly used.
  • the solid electrolyte membrane 111 moves oxygen ions (O 2- ) generated in the oxygen side electrode to the fuel side electrode.
  • the film thickness of the solid electrolyte film 111 located on the surface of the fuel side electrode 109 is 10 ⁇ m to 100 ⁇ m, and the solid electrolyte film 111 may be formed by screen printing a slurry.
  • the oxygen side electrode 113 is composed of, for example, a LaSrMnO 3 series oxide or a LaCoO 3 series oxide, and the oxygen side electrode 113 is coated with a slurry by screen printing or using a dispenser.
  • the oxygen side electrode 113 dissociates oxygen in an oxidizing gas such as supplied air in the vicinity of the interface with the solid electrolyte film 111 to generate oxygen ions (O -2- ).
  • the oxygen side electrode 113 may have a two-layer structure.
  • the oxygen-side electrode layer (oxygen-side electrode intermediate layer) on the solid electrolyte membrane 111 side is made of a material having high ionic conductivity and excellent catalytic activity.
  • the oxygen-side electrode layer (oxygen-side electrode conductive layer) on the oxygen-side electrode intermediate layer may be composed of a perovskite-type oxide represented by Sr and Ca-doped LaMnO 3 . By doing so, the power generation performance can be further improved.
  • the oxidizing gas is a gas containing approximately 15% to 30% of oxygen, and air is typically preferable. However, in addition to air, a mixed gas of combustion exhaust gas and air, a mixed gas of oxygen and air, and the like are used. Can be used.
  • the interconnector 107 is composed of a conductive perovskite-type oxide represented by M 1-x L x TiO 3 (M is an alkaline earth metal element and L is a lanthanoid element) such as SrTiO 3 system, and screen prints a slurry. do.
  • M is an alkaline earth metal element and L is a lanthanoid element
  • the interconnector 107 has a dense film so that the fuel gas and the oxidizing gas do not mix with each other. Further, the interconnector 107 has stable durability and electrical conductivity in both an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere.
  • the interconnector 107 electrically connects the oxygen side electrode 113 of one fuel cell 105 and the fuel side electrode 109 of the other fuel cell 105, and the adjacent fuel cell cells are adjacent to each other.
  • the 105s are connected in series.
  • the lead film 115 Since the lead film 115 needs to have electron conductivity and a coefficient of thermal expansion close to that of other materials constituting the cell stack 101, Ni and a zirconia-based electrolyte material such as Ni / YSZ need to be used. It is composed of M1-xLxTiO 3 (M is an alkaline earth metal element and L is a lanthanoid element) such as a composite material and an SrTiO 3 system.
  • M1-xLxTiO 3 M is an alkaline earth metal element and L is a lanthanoid element
  • the lead film 115 derives the DC power generated by the plurality of fuel cell 105s connected in series by the interconnector 107 to the vicinity of the end portion of the cell stack 101.
  • the fuel side electrode or the oxygen side electrode may be thickly formed so as to be used as the substrate tube. good.
  • the substrate tube in the present embodiment will be described using a cylindrical shape, the substrate tube may be tubular, and the cross section is not necessarily limited to a circular shape, and may be, for example, an elliptical shape.
  • a cell stack such as a flat cylinder in which the peripheral side surface of the cylinder is vertically crushed may be used.
  • FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the fuel cell power generation system 1 according to the embodiment.
  • the fuel cell unit 10 including the first fuel cell module 210A and the second fuel cell module 210B and the fuel gas for supplying the fuel gas Gf to the fuel cell unit 10 are supplied.
  • the oxidizing gas supply line 40 may be provided with a booster (not shown) for boosting the oxidizing gas Go supplied to the fuel cell unit 10.
  • the booster is, for example, a compressor or a recirculation blower.
  • the first fuel cell module 210A and the second fuel cell module 210B include one or more fuel cell cartridges 203 as described above, and the fuel cell cartridge 203 includes a plurality of cell stacks including a plurality of fuel cell cells 105, respectively. It is composed of 101 (see FIGS. 1 and 2).
  • Each of the fuel cell 105 includes a fuel side electrode 109, a solid electrolyte membrane 111 and an oxygen side electrode 113 (see FIG. 3).
  • the first fuel cell module 210A and the second fuel cell module 210B are connected in series (cascade) to the fuel gas supply line 20, so that the first fuel cell module 210A in the previous stage is connected.
  • the first exhaust fuel gas Gef1 discharged from the above is configured to be supplied to the second fuel cell module 210B in the subsequent stage via the first exhaust fuel gas line 22A.
  • a part of the first exhaust fuel gas Gef1 flowing through the first exhaust fuel gas line 22A is a fuel gas inlet of the first fuel cell module 210A via the second recirculation line 24A by the first recirculation gas recirculation blower 28A. Is supplied to.
  • the second exhaust fuel gas Gef2 from the second fuel cell module 210B in the subsequent stage is discharged to the outside via the second exhaust fuel gas line 22B. Further, a part of the second exhaust fuel gas Gef2 flowing through the second exhaust fuel gas line 22B is a fuel gas gas inlet of the second fuel cell module 210B via the first recirculation line 24B by the second recirculation gas recirculation blower 28B. May be supplied to.
  • FIG. 4 illustrates a case where the first fuel cell module 210A and the second fuel cell module 210B are connected in parallel to the oxidizing gas supply line 40. That is, the first fuel cell module 210A in the front stage and the second fuel cell module 210B in the rear stage are configured to be individually supplied with air from the oxidant gas supply lines 42A and 42B branched on the upstream side.
  • the first oxidative gas Geo1 from the first fuel cell 210A in the first stage passes through the first oxidative gas line 42C, and the second oxidative gas Geo2 from the second fuel cell module 210B in the latter stage is in the second stage. It is discharged to the outside via the oxidative gas line 42D.
  • the oxidizing gas supply line 40 may be connected in series (cascade) to the first fuel cell module 210A and the second fuel cell module 210B constituting the fuel cell unit 10. That is, a part or all of the first oxidative gas Geo1 from the first fuel cell module 210A may be supplied to the second fuel cell module 210B.
  • the fuel gas supply line 20 corresponds to the fuel gas supply pipe 207 shown in FIG. 1, and the first exhaust fuel gas line 22A is connected to the fuel gas discharge pipe 209 shown in FIG. Further, the second exhaust fuel gas line 22B is connected to the fuel gas discharge pipe 209 of the second fuel cell module shown in FIG.
  • the oxidizing gas supply lines 42A and 42B correspond to the oxidizing gas supply pipe (not shown in FIG. 1), and the first oxidative gas line 42C is connected to the oxidizing gas discharge pipe (not shown in FIG. 1). ..
  • the second oxidative gas line 42D corresponds to an oxidative gas discharge pipe (not shown in FIG. 1).
  • the fuel cell power generation system 1 includes a first recirculation line 24B that recirculates from the second exhaust fuel gas line 22B.
  • the first recirculation line 24B is connected to the first exhaust fuel gas line 22A, and the second exhaust fuel gas Gef2 from the second fuel cell module 210B can be supplied to the upstream side of the second fuel cell module 210B. (That is, the first recirculation line 24B is configured to be able to circulate and supply the second exhaust fuel gas Gef2 to the second fuel cell module 210B).
  • the recycle supply amount from the second exhaust fuel gas Gef2 via the first recirculation line 24B is adjusted to adjust the second fuel cell module 210B. It is possible to appropriately secure the steam required for reforming the fuel gas supplied to the fuel cell. Thereby, regardless of the operating state of the first fuel cell module 210A, the operating state of the second fuel cell module 210B can be stabilized even when the system required load Ls changes.
  • the first recirculation line 24B may be provided with a valve for adjusting the flow rate of the second exhaust fuel gas Gef2 flowing through the first recirculation line 24B.
  • the opening degree of the valve can be controlled by the control device 380 described later.
  • the fuel cell power generation system 1 includes a second recirculation line 24A that recirculates from the first exhaust fuel gas line 22A.
  • the second recirculation line 24A is connected to the fuel gas supply line 20, and is configured to be able to supply the first exhaust fuel gas Gef1 from the first fuel cell module 210A to the upstream side of the first fuel cell module 210A. (That is, the second recirculation line 24A ah is configured to be able to circulate and supply the first exhaust fuel gas Gef1 to the first fuel cell module 210A).
  • the water required for reforming the fuel gas can be appropriately secured in the first fuel cell module 210A.
  • the second recirculation line 24A may be provided with a valve for adjusting the flow rate of the first exhaust fuel gas Gef1 flowing through the second recirculation line 24A.
  • the opening degree of the valve can be controlled by the control device 380 described later.
  • the first confluence portion 26A with the first recirculation line 24B is provided upstream of the second branch portion 26B of the second recirculation line 24A in the first exhaust fuel gas line 22A.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram of the fuel cell power generation system 1 according to another embodiment.
  • the configurations corresponding to FIG. 4 are designated by a common reference numeral, and duplicate description will be omitted as appropriate.
  • the first confluence portion 26A with the first recirculation line 24B and the second branch portion 26B of the second recirculation line 24A may be provided between them.
  • the recirculation blower 28 is provided on the upstream side of the second branch portion 26B to circulate and supply the first exhaust fuel gas Gef 1 to the first fuel cell module 210A via the second recirculation line 24A.
  • the recirculation blower 28 is provided on the downstream side of the first confluence portion 26A, so that a negative pressure is applied to the first recirculation line 24B, and the second exhaust fuel gas via the first recirculation line 24B is applied.
  • Circulation supply is performed to the second fuel cell module 210B of Gef2.
  • a system that can realize the circulation supply of fuel gas in the fuel cell module 210A that is, the number of recirculation blowers is reduced as compared with the case where the recirculation blowers are arranged in the first recirculation line 24B and the second recirculation line 24A, respectively.
  • the configuration can be simplified).
  • the fuel cell power generation system 1 has a second exhaust fuel gas line 22B and an oxidizing gas supply line 42A so that the second exhaust fuel gas Gef2 can be supplied to the oxidizing gas supply line 42A of the first fuel cell module 210A.
  • a second exhaust fuel gas supply line 24C to be connected is provided.
  • the oxygen side electrode 113 of the fuel cell has a function of acting as a catalyst in the catalytic combustion reaction between the fuel component and oxygen. According to the above-described embodiment, since the second exhaust fuel gas Gef2 from the second fuel cell module 210B is supplied to the oxygen side electrode 113 of the first fuel cell module 210A, it is not included in the exhaust fuel gas.
  • the fuel component to be used can be appropriately burned by utilizing the catalytic action of the oxygen side electrode 113, and a predetermined temperature can be maintained even when the first fuel cell module is in a non-power generation (hot standby) state.
  • the temperature of the power generation chamber 215 in operation is as high as 600 to 1000 ° C., and the high temperature state is autonomously maintained by the heat generated by the power generation, but the system required load Ls is reduced, for example.
  • the temperature drops as the power generation reaction stops. Therefore, when the system required load Ls increases again and power generation is restarted, the temperature of the power generation chamber 215 must be raised to a temperature at which power can be generated, and it is difficult to quickly follow the change in the system required load Ls. Become.
  • the second fuel cell module is passed through the second exhaust fuel gas supply line 24C.
  • the power generation chamber 215 of the first fuel cell module 210A is maintained at the temperature required for power generation. Can be done.
  • the first fuel cell module 210A in the non-power generation (hot standby) state can be quickly switched to the power generation state, and good load response performance can be obtained.
  • the temperature of the power generation chamber 215 in the non-power generation (hot standby) state is, for example, about 600 to 900 ° C.
  • the supply of the second exhaust fuel gas Gef2 to the first fuel cell module 210A via the second exhaust fuel gas supply line 24C puts the first fuel cell module 210A in a non-power generation (hot standby) state as described above. In addition to the case of maintenance, it is performed when the first fuel cell module 210A burns and consumes unused fuel components (hydrogen, CO, methane, etc.) contained in the second exhaust fuel gas Gef2 to the outside. You may. In this case, it is advantageous in that it is possible to simplify the exhaust gas treatment device for treating the unused fuel component contained in the second exhaust fuel gas Gef2.
  • the third recirculation line 24C may be provided with a valve for adjusting the flow rate of the second exhaust fuel gas Gef2 flowing through the third recirculation line 24C.
  • the opening degree of the valve can be controlled by the control device 380 described later.
  • the fuel cell power generation system 1 connects the second exhaust fuel gas line 22B and the oxidizing gas supply line 42B so that the second exhaust fuel gas Gef2 can be supplied to the oxidizing gas supply line 42B of the second fuel cell module 210B.
  • a second exhaust fuel gas supply line 24D is further provided.
  • the oxygen side electrode 113 of the fuel cell may have a structure that acts as a catalyst in the catalytic combustion reaction between the fuel component and oxygen. According to the above-described embodiment, since the second exhaust fuel gas Gef2 from the second fuel cell module 210B is supplied to the oxygen side electrode 113 of the second fuel cell module 210B, it is not included in the exhaust fuel gas.
  • the fuel component to be used can be appropriately burned by utilizing the catalytic action of the oxygen side electrode 113, and the second fuel cell module can maintain a predetermined temperature even in a non-power generation (hot standby) or a minimum load operating state.
  • the second fuel cell module 210B is connected to the second fuel cell module 210B via the second exhaust fuel gas supply line 24D. 2
  • the power generation chamber 215 of the second fuel cell module 210B can be maintained at a temperature required for power generation.
  • the second fuel cell module 210B in the non-power generation (hot standby) state can be quickly switched to the power generation state, and good load response performance can be obtained.
  • non-power generation (hot standby) or temperature maintenance in the minimum load state can be performed without adding extra fuel gas from the outside to the second fuel cell module 210A, so that fuel consumption is suppressed. , It is effective for improving the system power generation efficiency when the system demand load is reduced.
  • the second exhaust fuel gas supply line 24D may be provided with a valve for adjusting the flow rate of the second exhaust fuel gas Gef2 flowing through the second exhaust fuel gas supply line 24D.
  • the opening degree of the valve can be controlled by the control device 380 described later.
  • the fuel cell power generation system 1 includes a control device 380 for controlling each configuration of the fuel cell power generation system 1.
  • the control device 380 is composed of, for example, a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a computer-readable storage medium, and the like.
  • a series of processes for realizing various functions are stored in a storage medium or the like in the form of a program, and the CPU reads this program into a RAM or the like to execute information processing / arithmetic processing. As a result, various functions are realized.
  • the program is installed in a ROM or other storage medium in advance, is provided in a state of being stored in a computer-readable storage medium, or is distributed via a wired or wireless communication means. Etc. may be applied.
  • the computer-readable storage medium is a magnetic disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a semiconductor memory, or the like.
  • control contents of the fuel cell power generation system 1 by the control device 380 will be described. It should be noted that the content of this control indicates one of the embodiments and does not specify the control method.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the system required load Ls for the fuel cell power generation system 1 shown in FIG. 4 and the power generation output value.
  • FIG. 7 is a diagram showing an operating state of the fuel cell power generation system 1 of FIG. 4 when the system required load Ls is 100%.
  • FIG. 8 is a diagram showing an operating state of the fuel cell power generation system 1 of FIG. 4 when the system required load Ls is 20%.
  • the power generation output value P of the entire system of the fuel cell power generation system 1, the power generation output value PA of the first fuel cell module 210A, and the power generation output value PB of the second fuel cell module are relative to the rated output of the entire system. It is shown in each ratio.
  • the control device 380 controls the first fuel cell module 210A and the second fuel cell module 210B, respectively, based on the system required load Ls.
  • the system required load Ls is a parameter that is commanded from the outside of the fuel cell power generation system 1 and fluctuates based on the power demand for the fuel cell power generation system 1. For example, the system required load Ls changes according to the power generation status of another power generation system (regenerated energy power generation system) connected to the power system to which the power supply of the fuel cell power generation system 1 is supplied and the power demand for the power system. do.
  • the control device 380 controls the operating states of the first fuel cell module 210A and the second fuel cell module 210B based on such a system required load Ls, so as to correspond to the system required load Ls. Adjust the overall power output value P.
  • fuel corresponding to the system required load Ls is supplied to the first fuel cell module 210A, and in the second fuel cell model 210B, the fuel is discharged from the first fuel cell module 210A.
  • Power is generated according to the unused fuel contained in the exhaust fuel gas Gef1. Therefore, the ratio of the power generation output by the first fuel cell module 210A and the second fuel cell module 210B is almost constant regardless of the system required load Ls.
  • the ratio of the rated output values of the first fuel cell module 210A and the second fuel cell module 210B is 8: 2
  • 80% of the system required load Ls is distributed to the first fuel cell module 210A
  • the remaining 20 % Is distributed to the second fuel cell module 210B.
  • the control device 380 variably controls the output PA of the first fuel cell module 210A according to the system required load Ls, but the second fuel cell module 210B.
  • the output PB is controlled so as to have a preset substantially constant output. That is, the power generation output value PB of the second fuel cell module 210B in the subsequent stage is controlled to a substantially constant target value regardless of the system required load Ls, and the first fuel cell module in the previous stage responds to changes in the system required load Ls. This is handled by controlling the operating state of 210A.
  • the rated output of the first fuel cell module is the first fuel cell module even when the system required load Ls changes.
  • the second fuel cell module 210B in the latter stage which is small in size, generates power at a substantially constant output and maintains the temperature of the power generation chamber, thereby minimizing the influence of the system required load Ls and improving the load response performance of the system.
  • the constant target value of the power generation output value PB of the second fuel cell module 210B is set to, for example, the rated output value of the second fuel cell module 210B.
  • the rated operation is performed regardless of the system required load Ls, so that efficient power generation becomes possible.
  • good system efficiency can be realized while stabilizing the operating state of the second fuel cell module 210B in the subsequent stage.
  • the rated output value of the second fuel cell module 210B is smaller than the rated output value of the first fuel cell module 210A. Therefore, the second fuel cell module 210B has a smaller calorific value associated with power generation than the first fuel cell module 210A and a smaller heat capacity than the first fuel cell module 210A, so that the power generation chamber temperature is always appropriate for the system required load Ls. It is difficult to maintain the temperature, but as described above, by controlling the power generation output value PB of the second fuel cell module 210B so as to be a constant target value, it becomes easy to maintain the proper temperature, and the system required load. Stable system operation is possible even when Ls changes or partial load operation is performed.
  • the overall rated output value of the fuel cell power generation system 1 is 100 kW
  • the rated output value of the first fuel cell module 210A is 80 kW
  • the rated output value of the second fuel cell module 210B is.
  • the case of 20 kW is shown.
  • the system required load Ls is 100% (that is, 100 kW)
  • the first fuel cell module 210A in the previous stage uses fuel.
  • a rate Uf 80%
  • 80% of the fuel gas Gf is consumed, and the remaining 20% is discharged as the first exhaust fuel gas Gef1.
  • the first exhaust fuel gas Gef1 is supplied to the second fuel cell module 210B in the subsequent stage.
  • the 10% second exhaust fuel gas Gef2 may be discharged to the outside as it is, but in FIG. 7, the oxidizing gas of the first fuel cell module 210A via the second exhaust fuel gas supply line 24C.
  • the supply line 42A By supplying the supply line 42A, the unused fuel component contained in the second exhaust fuel gas Gef2 is burned and then discharged to the outside.
  • the control device 380 when the system required load Ls is equal to or less than the rated output value of the second fuel cell module 210B (for example, the surplus due to the regenerative energy power generation system connected to the power system to which the fuel cell power generation system 1 is supplied).
  • the output of the first fuel cell module 210A can be reduced to the minimum load operation required to suppress carbon precipitation due to the input fuel (when power is generated, at night when power demand is reduced, etc.).
  • the temperature of the first fuel cell module 210A is maintained with respect to the oxygen side electrode 113 of the first fuel cell module 210A via the second exhaust fuel gas supply line 24C as described above. It is realized by supplying and burning Gef2.
  • the steam contained in the exhaust fuel gas of the second fuel cell module 210B operating the reforming steam at the rated load is recirculated by the recirculation blower 28 to the first fuel cell.
  • the first fuel cell module 210A is maintained at or near the temperature required for the operation of the fuel cell. Therefore, when the system required load Ls increases in the future, the first fuel cell module 210A is used. Good load followability can be obtained while restarting power generation and avoiding energy consumption due to starting and stopping of the first fuel cell module 210A.
  • the system required load Ls is set to 20%
  • the first fuel cell module 210A is in the no-load operation (hot standby) state
  • the rated output value of the second fuel cell module 210B is 20 kW.
  • the operating state of the fuel cell power generation system 1 is shown. In this case, assuming that the fuel gas Gf flowing through the fuel gas supply line 20 is 20, the first fuel cell module 210A in the previous stage is controlled to the no-load operation (hot standby) state, and the water vapor required to prevent carbon precipitation is the second fuel.
  • the second exhaust fuel gas Gef2 from the battery module 210B is supplied via the first recirculation gas line 24B and the second recirculation gas line 24B.
  • Fuel is discharged as the second exhaust fuel gas Gef2.
  • This 4% second exhaust fuel gas Gef2 is supplied to the oxygen side electrode 113 of the first fuel cell module 210A via the second exhaust fuel gas supply line 24C, so that no load is applied to the first fuel cell module 210A. It is used to maintain the temperature in the operating (hot standby) state.
  • control device 380 is based on a regenerative energy power generation system connected to a power system to which the power supply destination of the fuel cell power generation system 1 is supplied, when the system required load Ls drops below the rated output value of the second fuel cell module 210B (for example, the control device 380 is used.
  • the second fuel cell module 210B may be controlled to be in a lower load operation state in addition to the first fuel cell module 210A (when surplus power is generated, at night when the power demand is reduced, etc.). At this time, the first fuel cell module 210A is controlled to the no-load operation (hot standby) state, and the second fuel cell module 210B is controlled to the low load operation state.
  • the no-load operation (hot standby) state of the first fuel cell module 210A is in the second state with respect to the oxygen side electrode 113 of the first fuel cell module 210A via the second exhaust fuel gas supply line 24C. It is realized by supplying and burning the exhaust fuel gas Gef2. Further, in the low load operating state of the second fuel cell module 210B, as described above, the second exhaust fuel gas Gef2 is sent to the oxygen side electrode 113 of the second fuel cell module 210B via the fourth recirculation line 24D. It is realized by supplying and burning.
  • the second fuel cell module 210B supplies water vapor necessary for preventing carbon precipitation by power generation, and the fuel cell module maintains the temperature required for the operation of the fuel cell or a temperature close to it. Since the fuel supply system and fuel recirculation system continue to operate, when the system demand load increases in the future, power generation by each fuel cell module will be resumed in a short time, and the energy associated with the start and stop of the fuel cell module will be resumed. Good load followability can be obtained while avoiding consumption.
  • the fuel cell power generation system 1 When the first fuel cell module 210A is controlled to the no-load operation (hot standby) state and the second fuel cell module 210B is controlled to the low-load operation state, the fuel cell power generation system 1 is operated without load in the control device 380.
  • the second fuel cell module 210B may be controlled to generate internal power for maintaining the (hot standby) state. In this case, the second fuel cell module 210B generates a minimum amount of power so that the fuel cell power generation system 1 generates the internal power required to maintain the no-load operation (hot standby) state or its own minimum load operation state. Will be done.
  • the operating state is stable and the operating state is stable. It is possible to provide a fuel cell power generation system 1 capable of realizing good load followability and system efficiency.
  • the fuel cell power generation system is A first fuel cell module (for example, the first fuel cell module 210A of the above embodiment) capable of generating power using a fuel gas (for example, the fuel gas Gf1 of the above embodiment) and The first exhaust fuel gas line (for example, the first exhaust fuel gas line 22A of the above embodiment) through which the first exhaust fuel gas discharged from the first fuel cell module (for example, the first exhaust fuel gas Gef1 of the above embodiment) flows.
  • a fuel gas for example, the fuel gas Gf1 of the above embodiment
  • the first exhaust fuel gas line for example, the first exhaust fuel gas line 22A of the above embodiment
  • a second fuel cell module capable of generating electricity using the first exhaust fuel gas for example, the second fuel cell module 210B of the above embodiment
  • a second exhaust fuel gas line for example, the second exhaust fuel gas line 22B of the above embodiment
  • the second exhaust fuel gas discharged from the second fuel cell module for example, the second exhaust fuel gas Gef2 of the above embodiment
  • a first recirculation line for example, the first recirculation line of the above embodiment
  • a first recirculation line that recirculates from the second exhaust fuel gas line in order to supply the second exhaust fuel gas to the fuel side electrode of the second fuel cell module. 24B
  • the fuel cell power generation system in which the first fuel cell module and the second fuel cell module are connected in series (cascade) with respect to the flow of fuel gas, from the second fuel cell module.
  • the discharged second exhaust fuel gas is configured to be able to be supplied to the fuel side electrode of the second fuel cell module via the first recirculation line.
  • a second recirculation line that recirculates from the first exhaust fuel gas line is further provided in order to supply the first exhaust fuel gas to the fuel side electrode of the first fuel cell module.
  • the first recirculation line is connected to the first exhaust fuel gas line so as to join upstream from the branch portion of the second recirculation line.
  • a recirculation blower is provided in each of the first recirculation line and the second recirculation line.
  • the circulation amount in the first recirculation line and the second recirculation line can be independently controlled.
  • a second branch portion (for example, the above) between the first confluence portion with the first recirculation line (for example, the first confluence portion 26A of the above embodiment) and the second recirculation line.
  • a recirculation blower for pumping the first exhaust fuel gas (for example, the recirculation blower 28 of the above embodiment) is provided between the second branch portion 26B) of the embodiment.
  • the second exhaust fuel via the second recirculation line with respect to the fuel side electrode of the first fuel cell module is provided.
  • the gas can be supplied and the second exhaust fuel gas can be supplied to the fuel side electrode of the second fuel cell module via the first recirculation line.
  • a control device for example, the control device 380 of the above embodiment for controlling the first fuel cell module and the second fuel cell module, respectively, based on the system required load (for example, the system required load Ls of the above embodiment).
  • the control device variably controls the output of the first fuel cell module according to the system required load, and sets the output of the second fuel cell module to a preset constant target value regardless of the system required load. Control.
  • the output of the second fuel cell module is maintained at a constant target value, while the output of the first fuel cell module is variably controlled.
  • the system required load is followed. In this way, by controlling the output of the second fuel cell module to a constant target value regardless of the system required load, the operating state of the second fuel cell module is stably maintained even when the system required load changes. At the same time, the load response performance of the system can be improved.
  • the constant target value is a substantially rated output value of the second fuel cell module.
  • the output of the second fuel cell power generation module is maintained at almost the rated output value regardless of the system required load. As a result, even when the system required load changes, the operating state of the second fuel cell module is stabilized and good power generation efficiency can be obtained.
  • the rated output value of the second fuel cell module is smaller than the rated output value of the first fuel cell module.
  • the second fuel cell module since the second fuel cell module has a smaller rated output value than the first fuel cell module, the amount of heat generated by power generation is small.
  • the calorific value of the second fuel cell module is smaller than that of the first fuel cell module, and the heat capacity of the fuel cell module is small, so that it is difficult to maintain an appropriate temperature at the time of load change or partial load.
  • the control device controls the first fuel cell module so as to be in a no-load operation (hot standby) state when the system required load is equal to or less than the rated output value of the second fuel cell module.
  • the first fuel cell module when the system required load is equal to or less than the rated output value of the second fuel cell module, the first fuel cell module whose output is variably controlled based on the system required load is operated without load (no load operation). It is controlled to be in the hot standby) state.
  • the no-load operation although power generation is not performed, the fuel cell module is maintained at or near the temperature required for the operation of the fuel cell, so that the load required for the system will increase in the future. At that time, power generation by the first fuel cell module is promptly restarted, and good load followability can be obtained while avoiding energy consumption due to starting and stopping of the fuel cell module.
  • control device recirculates the reforming steam necessary for maintaining the no-load operation (hot standby) state of the first fuel cell module with the second exhaust fuel gas of the second fuel cell module.
  • the second fuel cell module is controlled to generate power so that it can be supplied.
  • the water vapor contained in the second exhaust fuel gas is supplied without supplying water vapor from the outside.
  • the no-load operation (hot standby) state of the second fuel cell module can be maintained with good efficiency.
  • control device controls the second fuel cell module so that it can supply the reforming steam necessary for maintaining the no-load operation (hot standby) state of the first fuel cell module.
  • the second fuel cell module generates the in-house power required to supply the reformed steam and to maintain the fuel cell power generation system 1 in the no-load operation (hot standby) state.
  • the second exhaust fuel gas can be supplied to the oxygen side electrode of the first fuel cell module via the second exhaust fuel gas supply line.
  • the second exhaust fuel gas burns at the oxygen side electrode of the first fuel cell module, and the first fuel cell module can be controlled to the no-load operation (hot standby) state.
  • the first fuel cell module can be efficiently operated without load (hot) while suppressing energy consumption. Standby) state can be realized.
  • a second exhaust fuel gas supply that connects the second exhaust fuel gas line 22B and the oxidizing gas supply line 42B so that the second exhaust fuel gas Gef2 can be supplied to the oxidizing gas supply line 42B of the second fuel cell module 210B. Further provided with a line (eg, 24D of the above embodiment).
  • the second exhaust fuel gas can be supplied to the oxygen side electrode of the second fuel cell module via the second exhaust fuel gas supply line.
  • the second exhaust fuel gas is burned at the oxygen side electrode of the second fuel cell module, and the second fuel cell module can be controlled to the minimum necessary low load operating state.
  • the second fuel cell module can be efficiently operated at a low load while suppressing energy consumption. The state can be realized.
  • Fuel cell power generation system 10 Fuel cell unit 20 Fuel gas supply line 22A 1st exhaust fuel gas line 22B 2nd exhaust fuel gas line 24A 2nd recirculation line 24B 1st recirculation line 24C 2nd exhaust fuel supply line (1st For fuel cell modules) 24D 2nd exhaust fuel supply line (for 2nd fuel cell module) 26A 1st confluence 26B 2nd branch 28 Recirculation blower 28A 1st recirculation blower 28B 2nd recirculation blower 40 Oxidizing gas supply line 42A 1st oxidizing gas supply line 42B 2nd oxidizing gas supply line 42C 1 Oxidizing gas line 42D 2nd Oxidizing gas line 101 Cell stack 103 Base tube 105 Fuel cell cell 107 Interconnector 109 Fuel side electrode 111 Solid electrolyte film 113 Oxygen side electrode 115 Lead film 210 Fuel cell module (SOFC module) 210A 1st fuel cell module 210B 2nd fuel cell module 203 Fuel cell cartridge (SOFC cartridge) 205 Pressure vessel 207

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Abstract

燃料電池発電モジュールは、第１燃料電池モジュールと、第１燃料電池モジュールから排出される第１排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池モジュールとを備える。第２燃料電池モジュールから排出される第２排燃料ガスが流れる第２排燃料ガスラインから第１再循環ラインが再循環し、第２排燃料ガスを第２燃料電池モジュールの燃料側電極に供給するように構成される。

Description

燃料電池発電システム
　本開示は、燃料電池発電システムに関する。
　本願は、２０２０年１０月３０日に日本国特許庁に出願された特願２０２０－１８３２６９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　燃料ガスと酸化性ガスとを化学反応させることにより発電する燃料電池は、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。このうち、固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、水素、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、及び炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガス等のガスなどを燃料ガスとして供給して、およそ７００℃～１０００℃の高温雰囲気で反応させて発電を行っている。
　この種の燃料電池を利用した燃料電池発電システムの一例として、特許文献１がある。特許文献１では、燃料ガスの流路に対して複数の燃料電池モジュールをカスケード接続することにより、各燃料電池モジュールにおける供給燃料の利用率が改善され、システム効率を向上させることができる。
特許第３９２４２４３号公報
　上記特許文献１のように複数の燃料電池モジュールをカスケード接続した燃料電池発電システムでは、前段の燃料電池モジュールから排出される排燃料ガスが後段の燃料電池モジュールで利用される。そのため、後段の燃料電池モジュールに供給される排燃料ガスは、前段の燃料電池モジュールに供給される燃料ガスに比べて燃料成分濃度が減少する。その結果、後段の燃料電池モジュールでは前段の燃料電池モジュールに比べて出力が抑制され発電に伴う発熱量が小さくなった結果、燃料電池モジュールを適正に運用するための温度を維持することが困難になる場合がある。このような状況は、特に部分負荷運転時やシステム要求負荷が変化する過渡運転時に生じやすく、システム安定性が損なわれるおそれがある。
　また各燃料電池モジュールでは、燃料ガスに含まれるメタン成分を水蒸気を利用して改質して発電反応に使用するが、後段の燃料電池モジュールには前段の燃料電池モジュールからの排燃料ガスが供給されるため、前段の燃料電池モジュールの発電状態によっては改質に必要な水蒸気を十分に得られないおそれがある。上記特許文献１では、前段の燃料電池モジュールからの排燃料ガスに含まれる水蒸気に基づいて、後段の燃料電池モジュールに対して追加供給される燃料ガス量を決定することで排燃料ガスのＳ／Ｃ（水蒸気／燃料成分の比率）を制御しているが、前段の燃料電池モジュールの発電状態（負荷率や燃料利用率など）によって排燃料ガスに含まれる水分量が異なるため、特にシステム要求負荷が変化する過渡時に適切なＳ／Ｃを維持することが難しい。
　本開示の少なくとも一態様は上述の事情に鑑みなされたものであり、燃料ガスの流れに対して直列（カスケード）に接続された複数の燃料電池モジュールを備える燃料電池発電システムにおいて、動作状態が安定であり、且つ、良好なシステム効率を実現可能な燃料電池発電システムを提供することを目的とする。
　本開示の少なくとも一態様は、上記課題を解決するために、
　燃料ガスを用いて発電可能な第１燃料電池モジュールと、
　前記第１燃料電池モジュールから排出される第１排燃料ガスが流れる第１排燃料ガスラインと、
　前記第１排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池モジュールと、
　前記第２燃料電池モジュールから排出される第２排燃料ガスが流れる第２排燃料ガスラインと、
　前記第２排燃料ガスを前記第２燃料電池モジュールの燃料側電極に供給するために、前記第２排燃料ガスラインから再循環する第１再循環ラインと、
を備える。
　本開示の少なくとも一態様によれば、燃料ガスの流れに対して直列（カスケード）に接続された複数の燃料電池モジュールを備える燃料電池発電システムにおいて、動作状態が安定であり、且つ、良好なシステム効率を実現可能な燃料電池発電システムを提供できる。
一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの概略図である。 一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを構成するＳＯＦＣカートリッジの概略的な断面図である。 一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを構成するセルスタックの概略的な断面図である。 一実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。 他の実施形態に係る燃料電池発電システムの概略構成図である。 図４に示す燃料電池発電システムに対するシステム要求負荷と発電出力値との関係を示す図である。 システム要求負荷が定格負荷（１００％）である場合における図４の燃料電池発電システムの動作状態を示す図である。 システム要求負荷が最低負荷（例えば２０％の場合）である場合における図４の燃料電池発電システムの動作状態を示す図である。
　以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
　以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。
　以下において、燃料電池発電システムを構成する燃料電池として固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ，　ＳＯＦＣ）を採用した実施形態について説明するが、幾つかの実施形態では、燃料電池発電システムを構成する燃料電池として、ＳＯＦＣ以外のタイプの燃料電池（例えば溶融炭酸塩型燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ－ｃａｒｂｏｎａｔｅ　ｆｕｅｌ　ｃｅｌｌｓ，　ＭＣＦＣ）等）を採用してもよい。
（燃料電池モジュールの構成）
　まず、図１～図３を参照して、幾つかの実施形態に係る燃料電池発電システムを構成する燃料電池モジュールについて説明する。図１は、一実施形態に係るＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）の概略図である。図２は、一実施形態に係るＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）を構成するＳＯＦＣカートリッジ（燃料電池カートリッジ）の概略的な断面図である。図３は、一実施形態に係るＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）を構成するセルスタックの概略的な断面図である。
　ＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）２１０は、図１に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ（燃料電池カートリッジ）２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを備える。なお、図１には円筒形のＳＯＦＣのセルスタック１０１を例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。また、燃料電池モジュール２１０は、燃料ガス供給管２０７と、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａ、燃料ガス排出管２０９と、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを備える。また、燃料電池モジュール２１０は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）及び酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを備える。
　燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、燃料電池モジュール２１０の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部（不図示）に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに再循環して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。
　燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。
　圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ～約３ＭＰａ、内部の温度が大気温度～約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。
　ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。
　ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図２に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給ヘッダ２１７と、燃料ガス排出ヘッダ２１９と、酸化性ガス（空気）供給ヘッダ２２１と、酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを備える。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを備える。
　尚、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給ヘッダ２１７と燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とが図２のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタック１０１の内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタック１０１の長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
　発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置された領域であり、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、温度計測部（例えば熱電対等の温度センサ）で監視され、燃料電池モジュール２１０の定常運転時に、およそ７００℃～１０００℃の高温雰囲気となる。
　燃料ガス供給ヘッダ２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、上部管板２２５ａとシール部材２３７ａにより接合されており、燃料ガス供給ヘッダ２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。
　燃料ガス排出ヘッダ２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、図示しない燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、複数のセルスタック１０１は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、燃料ガス排出ヘッダ２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出ヘッダ２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。
　燃料電池モジュール２１０の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと再循環して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体（支持体）２２７ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの側面に設けられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給ヘッダ２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。
　酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体（支持体）２２７ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの側面に設けられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出ヘッダ２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。
　上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材２３７ａ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給ヘッダ２１７と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを隔離するものである。
　上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを備える。
　この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出ヘッダ２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料からなるが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に導くものである。
　本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料からなる上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出ヘッダ２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。
　下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材２３７ｂ及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出ヘッダ２１９と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを隔離するものである。
　下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを備える。
　この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給ヘッダ２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料からなるが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給ヘッダ２２１に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。
　本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料からなる下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出ヘッダ２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。
　発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された直流電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、燃料電池モジュール２１０の外部へと導出されて、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先（例えば、負荷設備や電力系統）へと供給される。
　図３に示すように、セルスタック１０１は、一例として円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを備える。燃料電池セル１０５は、燃料側電極１０９と固体電解質膜（電解質）１１１と酸素側電極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル１０５の酸素側電極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル１０５の燃料側電極１０９に電気的に接続されたリード膜１１５を備える。
　基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料側電極１０９に拡散させるものである。
　燃料側電極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。燃料側電極１０９の厚さは５０μｍ～２５０μｍであり、燃料側電極１０９はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。この場合、燃料側電極１０９は、燃料側電極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料側電極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質膜１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２－）とを固体電解質膜１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
　固体酸化物形燃料電池の燃料側電極１０９に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、及び石炭などの炭素含有原料をガス化設備により製造したガス化ガスなどが挙げられる。
　固体電解質膜１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質膜１１１は、酸素側電極で生成される酸素イオン（Ｏ２－）を燃料側電極に移動させるものである。燃料側電極１０９の表面上に位置する固体電解質膜１１１の膜厚は１０μｍ～１００μｍであり固体電解質膜１１１はスラリーをスクリーン印刷して形成されてもよい。
　酸素側電極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成され、酸素側電極１１３はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。この酸素側電極１１３は、固体電解質膜１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２－）を生成するものである。
　酸素側電極１１３は２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質膜１１１側の酸素側電極層（酸素側電極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。酸素側電極中間層上の酸素側電極層（酸素側電極導電層）は、Ｓｒ及びＣａドープＬａＭｎＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
　酸化性ガスとは，酸素を略１５％～３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。
　インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ１０７は、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の酸素側電極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料側電極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。
　リード膜１１５は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材やＳｒＴｉＯ３系などのＭ１－ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出するものである。
　幾つかの実施形態では、上述のように燃料側電極又は酸素側電極と基体管を別々に設けるのではなく、燃料側電極又は酸素側電極を厚く形成して基体管を兼用するようにしてもよい。また、本実施形態での基体管は円筒形状を用いたもので説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも断面が円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒（Ｆｌａｔ　ｔｕｂｕｌａｒ）等のセルスタックでもよい。
（燃料電池発電システムの構成）
　次に、上記構成を有する燃料電池モジュール２１０を利用した燃料電池発電システム１について説明する。図４は、一実施形態に係る燃料電池発電システム１の概略構成図である。
　図４に示すように、燃料電池発電システム１は、第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂを含む燃料電池部１０と、燃料電池部１０に燃料ガスＧｆを供給するための燃料ガス供給ライン２０と、第１燃料電池モジュール２１０Ａから排出される第１排燃料ガスＧｅｆ１が流れる第１排燃料ガスライン２２Ａと、第２燃料電池モジュール２１０Ｂから排出される第２排燃料ガスＧｅｆ２が流れる第２排燃料ガスライン２２Ｂと、燃料電池部１０に酸化性ガスＧｏを供給するための酸化性ガス供給ライン４０と、第１燃料電池モジュール２１０Ａから排出される第１排酸化性ガスＧｅｏ１が流れる第１排酸化性ガスライン４２Ａと、第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排酸化性ガスＧｅｏ２が流れる第２排酸化性ガスライン４２Ｂと、を備える。
　尚、酸化性ガス供給ライン４０には、燃料電池部１０に供給される酸化性ガスＧｏを昇圧するための昇圧機（不図示）が設けられていてもよい。昇圧機は、例えば圧縮機又は再循環ブロワである。
　第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂは、前述したように１以上の燃料電池カートリッジ２０３を備えており、燃料電池カートリッジ２０３は、複数の燃料電池セル１０５をそれぞれ含む複数のセルスタック１０１により構成されている（図１及び図２を参照）。燃料電池セル１０５の各々は、燃料側電極１０９、固体電解質膜１１１及び酸素側電極１１３を含む（図３を参照）。
　図４では、燃料電池部１０は、燃料ガス供給ライン２０に対して第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂが直列（カスケード）接続されることにより、前段の第１燃料電池モジュール２１０Ａから排出された第１排燃料ガスＧｅｆ１が、第１排燃料ガスライン２２Ａを介して、後段の第２燃料電池モジュール２１０Ｂに供給されるように構成される。また、第１排燃料ガスライン２２Ａを流れる第１排燃料ガスＧｅｆ１の一部は第１再循環ガス再循環ブロワ２８Ａにより第２再循環ライン２４Ａを介して第１燃料電池モジュール２１０Ａの燃料ガス入口に供給される。後段の第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排燃料ガスＧｅｆ２は、第２排燃料ガスライン２２Ｂを介して外部に排出される。また、第２排燃料ガスライン２２Ｂを流れる第２排燃料ガスＧｅｆ２の一部は第２再循環ガス再循環ブロワ２８Ｂにより第１再循環ライン２４Ｂを介して第２燃料電池モジュール２１０Ｂの燃料ガスガス入口に供給されてもよい。
　尚、本実施形態では、燃料ガス供給ライン２０に対して２つの燃料電池モジュールが直列（カスケード）接続された場合を例示しているが、直列（カスケード）接続される燃料電池モジュールの数は任意（３以上）でもよい。
　また図４では、第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂは、酸化性ガス供給ライン４０に対して並列（パラレル）接続された場合が例示されている。すなわち、前段の第１燃料電池モジュール２１０Ａと後段の第２燃料電池モジュール２１０Ｂには、上流側で分岐した酸化剤ガス供給ライン４２Ａ、４２Ｂから空気が個別に供給されるように構成される。前段の第１燃料電池２１０Ａからの第１排酸化性ガスＧｅｏ１は第１排酸化性ガスライン４２Ｃを介して、後段の第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排酸化性ガスＧｅｏ２は、第２排酸化性ガスライン４２Ｄを介して外部に排出される。
　他の実施形態では、酸化性ガス供給ライン４０は、燃料電池部１０を構成する第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂに直列（カスケード）接続されていてもよい。すなわち、第１燃料電池モジュール２１０Ａからの第１排酸化性ガスＧｅｏ１の一部または全てが第２燃料電池モジュール２１０Ｂに供給されてもよい。
　尚、燃料ガス供給ライン２０は図１に示す燃料ガス供給管２０７に対応し、第１排燃料ガスライン２２Ａは図１に示す燃料ガス排出管２０９に接続される。また第２排燃料ガスライン２２Ｂは図１に示す第２燃料電池モジュールの燃料ガス排出管２０９に接続される。
　尚、酸化性ガス供給ライン４２Ａ、４２Ｂは図１で不図示の酸化性ガス供給管に対応し、第１排酸化性ガスライン４２Ｃは図１で不図示の酸化性ガス排出管に接続される。また第２排酸化性ガスライン４２Ｄは図１で不図示の酸化性ガス排出管に対応する。
　燃料電池発電システム１は、第２排燃料ガスライン２２Ｂから再循環する第１再循環ライン２４Ｂを備える。第１再循環ライン２４Ｂは、第１排燃料ガスライン２２Ａに接続されており、第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排燃料ガスＧｅｆ２を、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの上流側に供給可能に構成される（つまり、第１再循環ライン２４Ｂは、第２排燃料ガスＧｅｆ２を第２燃料電池モジュール２１０Ｂに循環供給可能に構成される）。
　これにより、前段の第１燃料電池モジュール２１０Ａの動作状態に関わらず、第１再循環ライン２４Ｂを介した第２排燃料ガスＧｅｆ２からのリサイクル供給量を調整することで、第２燃料電池モジュール２１０Ｂに供給される燃料ガスの改質に必要な水蒸気を適切に確保できる。これにより、第１燃料電池モジュール２１０Ａの動作状態に関わらず、システム要求負荷Ｌｓが変化した場合においても第２燃料電池モジュール２１０Ｂの動作状態を安定化できる。
　尚、第１再循環ライン２４Ｂには、第１再循環ライン２４Ｂを流れる第２排燃料ガスＧｅｆ２の流量を調整するためのバルブが設けられてもよい。この場合、当該バルブの開度は後述の制御装置３８０によって制御可能である。
　また燃料電池発電システム１は、第１排燃料ガスライン２２Ａから再循環する第２再循環ライン２４Ａを備える。第２再循環ライン２４Ａは、燃料ガス供給ライン２０に接続されており、第１燃料電池モジュール２１０Ａからの第１排燃料ガスＧｅｆ１を、第１燃料電池モジュール２１０Ａの上流側に供給可能に構成される（つまり、第２再循環ライン２４Ａああは、第１排燃料ガスＧｅｆ１を第１燃料電池モジュール２１０Ａに循環供給可能に構成される）。これにより、第２再循環ライン２４Ａを介した第１排燃料ガスＧｅｆ１の供給量を調整することで、第１燃料電池モジュール２１０Ａにおいて、燃料ガスの改質に必要な水分を適切に確保できる。
　尚、第２再循環ライン２４Ａには、第２再循環ライン２４Ａを流れる第１排燃料ガスＧｅｆ１の流量を調整するためのバルブが設けられてもよい。この場合、当該バルブの開度は後述の制御装置３８０によって制御可能である。
　第１再循環ライン２４Ｂとの第１合流部２６Ａは、第１排燃料ガスライン２２Ａのうち、第２再循環ライン２４Ａの第２分岐部２６Ｂより上流に設けられる。これにより第１燃料電池モジュール２１０Ａが非発電（ホットスタンバイ）状態においても第２燃料電池モジュール２１０Ｂの発電により発生した水蒸気を第１燃料電池モジュール２０１Ａへ供給することが可能となる。
　図５は他の実施形態に係る燃料電池発電システム１の概略構成図である。尚、図５では、特段の記載がない限りにおいて、図４に対応する構成には共通の符号を付しており、重複する説明は適宜省略することとする。
　図５に示すように、他の実施形態では、第１排燃料ガスライン２２Ａのうち、第１再循環ライン２４Ｂとの第１合流部２６Ａ、第２再循環ライン２４Ａの第２分岐部２６Ｂとの間には、再循環ブロワ２８を設けてもよい。再循環ブロワ２８は、第２分岐部２６Ｂより上流側に設けられることで、第２再循環ライン２４Ａを介して第１燃料電池モジュール２１０Ａに対して第１排燃料ガスＧｅｆ１の循環供給を行う。また再循環ブロワ２８は、第１合流部２６Ａより下流側に設けられることで、第１再循環ライン２４Ｂに対して負圧を印加し、第１再循環ライン２４Ｂを介した第２排燃料ガスＧｅｆ２の第２燃料電池モジュール２１０Ｂに対する循環供給を行う。このように第１排燃料ガスライン２２Ａに設けられた１台の再循環ブロワ２８によって、前述した第１再循環ライン２４Ｂ及び第２再循環ライン２４Ａを介した第２燃料電池モジュール２１０Ｂ及び第１燃料電池モジュール２１０Ａにおける燃料ガスの循環供給を実現できる（すなわち第１再循環ライン２４Ｂ及び第２再循環ライン２４Ａにそれぞれ再循環ブロワを配置する場合に比べて、再循環ブロワの台数を削減しシステム構成を簡略化できる）。
　また燃料電池発電システム１は、第２排燃料ガスＧｅｆ２を第１燃料電池モジュール２１０Ａの酸化性ガス供給ライン４２Ａに供給可能なように第２排燃料ガスライン２２Ｂと酸化性ガス供給ライン４２Ａとを接続する第２排燃料ガス供給ライン２４Ｃを備える。燃料電池セルの酸素側電極１１３は、燃料成分と酸素との触媒燃焼反応における触媒として作用する機能を有する。上述の実施形態によれば、第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排燃料ガスＧｅｆ２を、第１燃料電池モジュール２１０Ａの酸素側電極１１３に供給するようにしたので、排燃料ガスに含まれる未利用燃料成分を酸素側電極１１３の触媒作用を利用して適切に燃焼させ第１燃料電池モジュールが非発電（ホットスタンバイ）状態においても所定の温度を維持することができる。
　上記についてさらに詳細に説明する。固体酸化物形燃料電池では運用中の発電室２１５の温度は６００～１０００℃程度の高温であり、その高温状態は発電に伴う発熱により自律的に維持されるが、例えばシステム要求負荷Ｌｓが減少することにより非発電（ホットスタンバイ）状態になると、発電反応の停止に伴い温度が低下してしまう。そのため、システム要求負荷Ｌｓが再び増加して発電を再開する場合には、発電室２１５を発電可能な温度まで昇温しなければならず、システム要求負荷Ｌｓの変化に対して迅速な追従が難しくなる。
　このような課題に対して、本実施形態では、第１燃料電池モジュール２１０Ａが非発電（ホットスタンバイ）状態にある場合においても、第２排燃料ガス供給ライン２４Ｃを介して、第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排燃料ガスＧｅｆ２を第１燃料電池モジュール２１０Ａの酸素側電極１１３に供給して燃焼させることで、第１燃料電池モジュール２１０Ａの発電室２１５を発電に必要な温度に維持することができる。これにより、非発電（ホットスタンバイ）状態にある第１燃料電池モジュール２１０Ａを迅速に発電状態に切り替えることができ、良好な負荷応答性能が得られる。また、このような非発電（ホットスタンバイ）状態の温度維持は、第１燃料電池モジュール２１０Ａに対して外部から余分な燃料ガスを追加することなく行うことができるため、エネルギ消費を抑え、システム要求負荷が低下した場合のシステム発電効率の向上に有効である。
　尚、非発電（ホットスタンバイ）状態における発電室２１５の温度は、例えば６００～９００℃程度である。
　尚、第２排燃料ガス供給ライン２４Ｃを介した第２排燃料ガスＧｅｆ２の第１燃料電池モジュール２１０Ａへの供給は、上述のような第１燃料電池モジュール２１０Ａを非発電（ホットスタンバイ）状態に維持する場合に加えて、第２排燃料ガスＧｅｆ２に含まれる未利用燃料成分（水素、ＣＯ、メタンなど）を外部に排出しないために、第１燃料電池モジュール２１０Ａで燃焼消費させる場合に行われてもよい。この場合、第２排燃料ガスＧｅｆ２に含まれる未利用燃料成分を処理するための排ガス処理装置を簡略化することが可能な点で有利である。
　また第３再循環ライン２４Ｃには、第３再循環ライン２４Ｃを流れる第２排燃料ガスＧｅｆ２の流量を調整するためのバルブが設けられていてもよい。この場合、当該バルブの開度は後述の制御装置３８０によって制御可能である。
　また燃料電池発電システム１は、第２排燃料ガスＧｅｆ２を第２燃料電池モジュール２１０Ｂの酸化性ガス供給ライン４２Ｂに供給可能なように第２排燃料ガスライン２２Ｂと酸化性ガス供給ライン４２Ｂを接続する第２排燃料ガス供給ライン２４Ｄをさらに備える。燃料電池セルの酸素側電極１１３は、燃料成分と酸素との触媒燃焼反応における触媒として作用する構造を有することがある。上述の実施形態によれば、第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排燃料ガスＧｅｆ２を、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの酸素側電極１１３に供給するようにしたので、排燃料ガスに含まれる未利用燃料成分を酸素側電極１１３の触媒作用を利用して適切に燃焼させ第２燃料電池モジュールが非発電（ホットスタンバイ）あるいは最低負荷運転状態においても所定の温度を維持することができる。
　本実施形態では、第２燃料電池モジュール２１０Ｂが非発電（ホットスタンバイ）あるいは最低負荷運転状態にある場合においても、第２排燃料ガス供給ライン２４Ｄを介して、第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排燃料ガスＧｅｆ２を第２燃料電池モジュール２１０Ｂの酸素側電極１１３に供給して燃焼させることで、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの発電室２１５を発電に必要な温度に維持することができる。これにより、非発電（ホットスタンバイ）状態にある第２燃料電池モジュール２１０Ｂを迅速に発電状態に切り替えることができ、良好な負荷応答性能が得られる。また、このような非発電（ホットスタンバイ）あるいは最低負荷状態の温度維持は、第２燃料電池モジュール２１０Ａに対して外部から余分な燃料ガスを追加することなく行うことができるため、燃料消費を抑え、システム要求負荷が低下した場合のシステム発電効率の向上に有効である。
　また第２排燃料ガス供給ライン２４Ｄには、第２排燃料ガス供給ライン２４Ｄを流れる第２排燃料ガスＧｅｆ２の流量を調整するためのバルブが設けられていてもよい。この場合、当該バルブの開度は後述の制御装置３８０によって制御可能である。
　また燃料電池発電システム１は、燃料電池発電システム１の各構成を制御するための制御装置３８０を備える。制御装置３８０は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
　ここで図６～図８を参照して、制御装置３８０による燃料電池発電システム１の制御内容について説明する。尚、本制御内容は実施例の一つを示すものであり制御方法を規定するものではない。
　図６は図４に示す燃料電池発電システム１に対するシステム要求負荷Ｌｓと発電出力値との関係を示す図である。図７はシステム要求負荷Ｌｓが１００％である場合における図４の燃料電池発電システム１の動作状態を示す図である。図８はシステム要求負荷Ｌｓが２０％である場合における図４の燃料電池発電システム１の動作状態を示す図である。
　図６では、燃料電池発電システム１のシステム全体の発電出力値Ｐ、第１燃料電池モジュール２１０Ａの発電出力値ＰＡ、及び、第２燃料電池モジュールの発電出力値ＰＢが、システム全体の定格出力に対するそれぞれの割合で示されている。
　制御装置３８０は、システム要求負荷Ｌｓに基づいて、第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂをそれぞれ制御する。システム要求負荷Ｌｓは、燃料電池発電システム１の外部から指令され、燃料電池発電システム１に対する電力需要に基づいて変動するパラメータである。例えば、燃料電池発電システム１の電力供給先である電力系統に接続されている他の発電システム（再生エネルギ発電システム）の発電状況や、電力系統に対する電力需要に応じて、システム要求負荷Ｌｓは変化する。制御装置３８０は、このようなシステム要求負荷Ｌｓに基づいて、第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂの動作状態をそれぞれ制御することにより、システム要求負荷Ｌｓに対応するように、システム全体の発電出力値Ｐを調整する。
　ここで一般的な燃料電池のカスケード発電システムでは、システム要求負荷Ｌｓに応じた燃料が第１燃料電池モジュール２１０Ａに供給され、第２燃料電池モジール２１０Ｂでは第一燃料電池モジュール２１０Ａから排出される第一排燃料ガスＧｅｆ１に含まれる未利用燃料に応じた発電を行う。このため、第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂによる発電出力の割合はシステム要求負荷Ｌｓによらずほぼ一定となる。例えば、第１燃料電池モジュール２１０Ａ及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂの定格出力値の比率が８：２である場合、システム要求負荷Ｌｓの８０％が第１燃料電池モジュール２１０Ａに分配され、残りの２０％が第２燃料電池モジュール２１０Ｂに分配される。
　これに対して本実施形態では、制御装置３８０は、図６に示すように、第１燃料電池モジュール２１０Ａの出力ＰＡをシステム要求負荷Ｌｓに応じて可変制御するが、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの出力ＰＢは予め設定されたほぼ一定出力となるよう制御する。つまり、後段の第２燃料電池モジュール２１０Ｂの発電出力値ＰＢは、システム要求負荷Ｌｓに関わらず略一定目標値に制御され、システム要求負荷Ｌｓの変化に対しては、前段の第１燃料電池モジュール２１０Ａの動作状態を制御することで対応する。このように、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの発電出力値ＰＢをシステム要求負荷Ｌｓに関わらず略一定に制御することで、システム要求負荷Ｌｓが変化した場合においても、定格出力が第１燃料電池モジュールに対して小さい後段の第２燃料電池モジュール２１０Ｂはほぼ一定の出力で発電し発電室温度を維持することでシステム要求負荷Ｌｓの影響を最小限とし、システムの負荷応答性能を改善できる。
　第２燃料電池モジュール２１０Ｂの発電出力値ＰＢの一定目標値は、例えば、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの定格出力値に設定される。これにより、第２燃料電池モジュール２１０Ｂでは、システム要求負荷Ｌｓに関わらず、定格運転がなされるため、効率のよい発電が可能となる。これにより、システム要求負荷Ｌｓが変化した場合においても、後段の第２燃料電池モジュール２１０Ｂの動作状態を安定化しつつ、良好なシステム効率を実現できる。
　本実施形態では、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの定格出力値は、第１燃料電池モジュール２１０Ａの定格出力値より小さい。そのため、第２燃料電池モジュール２１０Ｂは第１燃料電池モジュール２１０Ａより発電に伴う発熱量が少なくまた第１燃料電池モジュール２１０Ａに比べ熱容量が小さいため、システム要求負荷Ｌｓに対して発電室温度を常に適正温度に維持することが難しいが、前述のように、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの発電出力値ＰＢを一定目標値になるように制御することで適正温度への維持が容易になり、システム要求負荷Ｌｓが変化したり、部分負荷運転時においても安定したシステム運転が可能となる。
　図７及び図８では、一例として燃料電池発電システム１の全体定格出力値が１００ｋＷであり、第１燃料電池モジュール２１０Ａの定格出力値は８０ｋＷであり、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの定格出力値は２０ｋＷである場合が示されている。図７に示すように、システム要求負荷Ｌｓが１００％（すなわち、１００ｋＷ）である場合、燃料ガス供給ライン２０を流れる燃料ガスＧｆを１００とすると、前段の第１燃料電池モジュール２１０Ａでは、燃料利用率Ｕｆ＝８０％として燃料ガスＧｆの８０％が消費され、残りの２０％が第１排燃料ガスＧｅｆ１として排出される。第１排燃料ガスＧｅｆ１は、後段の第２燃料電池モジュール２１０Ｂに供給される。第２燃料電池モジュール２１０Ｂでは、燃料利用率Ｕｆ＝５０％として第１排燃料ガスＧｅｆ１の５０％が消費され、残りの１０％が第２排燃料ガスＧｅｆ２として排出され、システム全体の燃料利用率は９０％となる。
　尚、この１０％の第２排燃料ガスＧｅｆ２は、そのまま外部に排出されてもよいが、図７では、第２排燃料ガス供給ライン２４Ｃを介して、第１燃料電池モジュール２１０Ａの酸化性ガス供給ライン４２Ａ供給することで、第２排燃料ガスＧｅｆ２に含まれる未利用燃料成分を燃焼させた後、外部に排出されている。
　また制御装置３８０は、システム要求負荷Ｌｓが第２燃料電池モジュール２１０Ｂの定格出力値以下である場合（例えば燃料電池発電システム１の電力供給先である電力系統に接続された再生エネルギ発電システムによる余剰電力発生時や、電力需要が低減する夜間時など）、第１燃料電池モジュール２１０Ａの出力を投入燃料によるカーボン析出を抑制するのに必要な最低負荷運転まで低減することができる。この場合、第１燃料電池モジュール２１０Ａの温度維持は、上述したように、第１燃料電池モジュール２１０Ａの酸素側電極１１３に対して、第２排燃料ガス供給ライン２４Ｃを介して第２排燃料ガスＧｅｆ２を供給して燃焼させることで実現される。第１燃料電池モジュール２１０Ａの最低負荷運転状態では、改質用蒸気を定格負荷で運転している第２燃料電池モジュール２１０Ｂの排燃料ガス中に含まれる水蒸気を再循環ブロワ２８で第１燃料電池モジュール２１０Ａの燃料供給ライン２０に供給することでより低負荷もしくは無負荷での運転が可能となる。この場合も燃料電池の動作に必要な温度、又は、それに近い温度に第１燃料電池モジュール２１０Ａが維持されるため、将来的にシステム要求負荷Ｌｓが増加した際に、第１燃料電池モジュール２１０Ａによる発電を再開し、第１燃料電池モジュール２１０Ａの起動停止に伴うエネルギ消費を回避しつつ、良好な負荷追従性が得られる。
　図８では、部分負荷運転の一例としてシステム要求負荷Ｌｓを２０％とし第１燃料電池モジュール２１０Ａが無負荷運転（ホットスタンバイ）状態及び第２燃料電池モジュール２１０Ｂの定格出力値である２０ｋＷの場合における、燃料電池発電システム１の動作状態が示されている。この場合、燃料ガス供給ライン２０を流れる燃料ガスＧｆを２０とすると、前段の第１燃料電池モジュール２１０Ａは無負荷運転（ホットスタンバイ）状態に制御され、カーボン析出防止に必要な水蒸気は第２燃料電池モジュール２１０Ｂからの第２排燃料ガスＧｅｆ２を第１再循環ガスライン２４Ｂ及び第２再循環ガスライン２４Ｂを介して供給される。第２燃料電池モジュール２１０Ｂでは、燃料利用率Ｕｆ＝８０％として第１燃料電池へ供給される燃料ガスＧｆの８０％が消費され、システム要求負荷Ｌｓの定格時を１００とした場合、４％相当の燃料が第２排燃料ガスＧｅｆ２として排出される。この４％の第２排燃料ガスＧｅｆ２は、第２排燃料ガス供給ライン２４Ｃを介して第１燃料電池モジュール２１０Ａの酸素側電極１１３に供給されることで、第１燃料電池モジュール２１０Ａの無負荷運転（ホットスタンバイ）状態の温度維持に利用される。
　また制御装置３８０は、システム要求負荷Ｌｓが第２燃料電池モジュール２１０Ｂの定格出力値未満に低下した場合（例えば燃料電池発電システム１の電力供給先である電力系統に接続された再生エネルギ発電システムによる余剰電力発生時や、電力需要が低減する夜間時など）、第１燃料電池モジュール２１０Ａに加えて第２燃料電池モジュール２１０Ｂをさらに低負荷運転状態になるように制御してもよい。このとき第１燃料電池モジュール２１０Ａは無負荷運転（ホットスタンバイ）状態、第２燃料電池モジュール２１０Ｂは低負荷運転状態に制御される。第１燃料電池モジュール２１０Ａの無負荷運転（ホットスタンバイ）状態は、上述したように、第１燃料電池モジュール２１０Ａの酸素側電極１１３に対して、第２排燃料ガス供給ライン２４Ｃを介して第２排燃料ガスＧｅｆ２を供給して燃焼させることで実現される。また第２燃料電池モジュール２１０Ｂの低負荷運転状態は、上述したように、第２燃料電池モジュール２１０Ｂの酸素側電極１１３に対して、第４再循環ライン２４Ｄを介して第２排燃料ガスＧｅｆ２を供給して燃焼させることで実現される。
　低負荷運転状態では、第２燃料電池モジュール２１０Ｂで発電によりカーボン析出防止に必要な水蒸気の供給を行い、燃料電池の動作に必要な温度、又は、それに近い温度に燃料電池モジュールが維持しており、燃料供給系統や燃料再循環系統は運転を継続するため、将来的にシステム要求負荷が増加した際に、短時間で各燃料電池モジュールによる発電を再開し、燃料電池モジュールの起動停止に伴うエネルギ消費を回避しつつ、良好な負荷追従性が得られる。
　このように第１燃料電池モジュール２１０Ａは無負荷運転（ホットスタンバイ）状態、第２燃料電池モジュール２１０Ｂは低負荷運転状態に制御される場合、制御装置３８０は、燃料電池発電システム１が無負荷運転（ホットスタンバイ）状態を維持するための所内電力を発電するように第２燃料電池モジュール２１０Ｂを制御してもよい。この場合、第２燃料電池モジュール２１０Ｂは燃料電池発電システム１が無負荷運転（ホットスタンバイ）状態または自らの最低負荷運転状態を維持するために必要な所内電力を発生するように最小限の発電が行われる。これにより、将来的にシステム要求負荷Ｌｓが増加した際に、各燃料電池モジュールで速やかに発電を再開することができ、燃料電池モジュールの起動停止に伴うエネルギ消費を回避しつつ、良好な負荷追従性が得られる。
　また、システム全体を外部（系統）からの電力の供給を受けることなく最小限の燃料で常時発電可能な状態に保持するが可能となり独立電源としての運用性が改善される。
　以上説明したように上記各実施形態によれば、燃料ガスの流れに対して直列（カスケード）に接続された複数の燃料電池モジュールを備える燃料電池発電システム１において、動作状態が安定であり、且つ、良好な負荷追従性とシステム効率を実現可能な燃料電池発電システム１を提供できる。
　上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
（１）一態様に係る燃料電池発電システムは、
　燃料ガス（例えば上記実施形態の燃料ガスＧｆ１）を用いて発電可能な第１燃料電池モジュール（例えば上記実施形態の第１燃料電池モジュール２１０Ａ）と、
　前記第１燃料電池モジュールから排出される第１排燃料ガス（例えば上記実施形態の第１排燃料ガスＧｅｆ１）が流れる第１排燃料ガスライン（例えば上記実施形態の第１排燃料ガスライン２２Ａ）と、
　前記第１排燃料ガスを用いて発電可能な第２燃料電池モジュール（例えば上記実施形態の第２燃料電池モジュール２１０Ｂ）と、
　前記第２燃料電池モジュールから排出される第２排燃料ガス（例えば上記実施形態の第２排燃料ガスＧｅｆ２）が流れる第２排燃料ガスライン（例えば上記実施形態の第２排燃料ガスライン２２Ｂ）と、
　前記第２排燃料ガスを前記第２燃料電池モジュールの燃料側電極に供給するために、前記第２排燃料ガスラインから再循環する第１再循環ライン（例えば上記実施形態の第１再循環ライン２４Ｂ）と、
を備える。
　上記（１）の態様によれば、第１燃料電池モジュール及び第２燃料電池モジュールが、燃料ガスの流れに対して直列（カスケード）に接続された燃料電池発電システムにおいて、第２燃料電池モジュールから排出される第２排燃料ガスが、第１再循環ラインを介して、第２燃料電池モジュールの燃料側電極に供給可能に構成される。これにより、第１燃料電池モジュールの動作状態に関わらず、第１再循環ラインを介した第２排燃料ガスの供給量を調整することで、第２燃料電池モジュールにおいて、燃料ガスの改質に必要な水分を適切に確保できる。これにより、第１燃料電池モジュールの動作状態に関わらず、システム要求負荷が変化した場合においても第２燃料電池モジュールの動作状態を安定化できる。
（２）他の態様では、上記（１）の態様において、
　前記第１排燃料ガスを前記第１燃料電池モジュールの燃料側電極に供給するために、前記第１排燃料ガスラインから再循環する第２再循環ラインを更に備え、
　前記第１再循環ラインは、前記第１排燃料ガスラインに対して前記第２再循環ラインの分岐部より上流で合流するように接続される。
　上記（２）の態様によれば、第１燃料電池モジュールが非発電（ホットスタンバイ）状態においても第２燃料電池モジュールの発電により発生した水蒸気を第１燃料電池モジュールへ供給することが可能となる。
（３）他の態様では、上記（２）の態様において、
　前記第１再循環ライン及び前記第２再循環ラインにはそれぞれ再循環ブロワが設けられている。
　上記（３）の態様によれば、第１再循環ライン及び前記第２再循環ラインにおける循環量を独立的に制御できる。
（４）他の態様では、上記（２）の態様において、
　前記第１排燃料ガスラインのうち、前記第１再循環ラインとの第１合流部（例えば上記実施形態の第１合流部２６Ａ）と前記第２再循環ラインとの第２分岐部（例えば上記実施形態の第２分岐部２６Ｂ）との間に、前記第１排燃料ガスを圧送するための再循環ブロワ（例えば上記実施形態の再循環ブロワ２８）が設けられる。
　上記（４）の態様によれば、第１排燃料ガスラインの上記位置に再循環ブロワを設けることで、第１燃料電池モジュールの燃料側電極に対する第２再循環ラインを介した第２排燃料ガスの供給、及び、第２燃料電池モジュールの燃料側電極に対する第１再循環ラインを介した第２排燃料ガスの供給を行うことができる。
（５）他の態様では、上記（１）から（４）のいずれか一態様において、
　システム要求負荷（例えば上記実施形態のシステム要求負荷Ｌｓ）に基づいて、前記第１燃料電池モジュール及び前記第２燃料電池モジュールをそれぞれ制御するための制御装置（例えば上記実施形態の制御装置３８０）を備え、
　前記制御装置は、前記第１燃料電池モジュールの出力を前記システム要求負荷に応じて可変制御するとともに、前記第２燃料電池モジュールの出力を前記システム要求負荷に関わらず予め設定された一定目標値に制御する。
　上記（５）の態様によれば、システム要求負荷が変化した場合に、第２燃料電池モジュールの出力が一定目標値に維持される一方で、第１燃料電池モジュールの出力を可変制御することにより、システム要求負荷への追従が行われる。このように、第２燃料電池モジュールの出力をシステム要求負荷に関わらず一定目標値に制御することで、システム要求負荷が変化した場合においても、第２燃料電池モジュールの動作状態を安定に維持しつつ、システムの負荷応答性能を改善できる。
（６）他の態様では、上記（５）の態様において、
　前記一定目標値は、前記第２燃料電池モジュールのほぼ定格出力値である。
　上記（６）の態様によれば、システム要求負荷に関わらず、第２燃料電池発電モジュールの出力がほぼ定格出力値に維持される。これにより、システム要求負荷が変化した場合においても、第２燃料電池モジュールでは動作状態が安定化されるとともに、良好な発電効率が得られる。
（７）他の態様では、上記（５）又は（６）の態様において、
　前記第２燃料電池モジュールの定格出力値は、前記第１燃料電池モジュールの定格出力値より小さい。
　上記（７）の態様によれば、第２燃料電池モジュールは第１燃料電池モジュールより定格出力値が小さいため、発電に伴う発熱量が少ない。このようなシステムでは、第２燃料電池モジュールにおける発熱量が第１燃料電池モジュールに比べて少なく燃料電池モジュールの熱容量が小さいため負荷変化時や部分負荷時に適正温度に維持することが難しいが、前述のように、第２燃料電池モジュールの出力を一定目標値に制御することで適正温度の維持が容易になり、システム要求負荷が変化したり、部分負荷運転時においても安定したシステム運転が可能となる。
（８）他の態様では、上記（５）から（７）のいずれか一態様において、
　前記制御装置は、前記システム要求負荷が前記第２燃料電池モジュールの定格出力値以下である場合、前記第１燃料電池モジュールを無負荷運転（ホットスタンバイ）状態になるように制御する。
　上記（８）の態様によれば、システム要求負荷が第２燃料電池モジュールの定格出力値以下である場合、システム要求負荷に基づいて出力が可変制御される第１燃料電池モジュールは無負荷運転（ホットスタンバイ）状態になるように制御される。無負荷運転（ホットスタンバイ）状態では、発電が行われないものの、燃料電池の動作に必要な温度、又は、それに近い温度に燃料電池モジュールが維持されるため、将来的にシステム要求負荷が増加した際に、速やかに第１燃料電池モジュールによる発電を再開し、燃料電池モジュールの起動停止に伴うエネルギ消費を回避しつつ、良好な負荷追従性が得られる。
（９）他の態様では、上記（５）から（８）のいずれか一態様において、
　前記制御装置は、前記第１燃料電池モジュールの無負荷運転（ホットスタンバイ）状態を維持するのに必要な改質用蒸気を、前記第２燃料電池モジュールの前記第２排燃料ガスを再循環させることで供給可能なように前記第２燃料電池モジュールが発電を行うように制御する。
　上記（９）の態様によれば、第２排燃料ガスを再循環させて第１燃料電池モジュールに供給することで、外部から水蒸気を供給することなく、第２排燃料ガスに含まれる水蒸気を利用して、第２燃料電池モジュールの無負荷運転（ホットスタンバイ）状態を良好な効率で維持できる。
（１０）他の態様では、上記（５）から（９）のいずれか一態様において、
　前記制御装置は、前記第１燃料電池モジュールを無負荷運転（ホットスタンバイ）状態を維持するための必要な改質用蒸気を供給できるよう前記第２燃料電池モジュールを制御する。
　上記（１０）の態様によれば、燃料電池発電システムが備える第１燃料電池モジュールを無負荷運転（ホットスタンバイ）状態に維持する際に、第１燃料電池モジュール２１０Ａでのカーボン析出防止に必要な改質蒸気を供給可能とすると共に燃料電池発電システム１を無負荷運転（ホットスタンバイ）状態に維持するために必要な所内電力が、第２燃料電池モジュールで発電される。これにより、将来的にシステム要求負荷が増加した際に、各燃料電池モジュールで速やかに発電を再開することができ、燃料電池モジュールの起動停止に伴うエネルギ消費を回避しつつ、良好な負荷追従性が得られる。
（１１）他の態様では、上記（１）から（１０）のいずれか一態様において、
　第２排燃料ガスＧｅｆ２を第１燃料電池モジュール２１０Ａの酸化性ガス供給ライン４２Ａに供給可能なように第２排燃料ガスライン２２Ｂと酸化性ガス供給ライン４２Ａを接続する第２排燃料ガス供給ライン（例えば上記実施形態の２４Ｃ）を更に備える。
　上記（１１）の態様によれば、第１燃料電池モジュールの酸素側電極には、第２排燃料ガス供供給ラインを介して第２排燃料ガスを供給可能である。これにより、第２排燃料ガスが第１燃料電池モジュールの酸素側電極で燃焼し、第１燃料電池モジュールを無負荷運転（ホットスタンバイ）状態に制御できる。このように、外部から燃料ガスを追加することなく、第２燃料電池モジュールからの排燃料ガスを有効利用することで、エネルギ消費を抑えながら効率的に第１燃料電池モジュールの無負荷運転（ホットスタンバイ）状態を実現できる。
（１２）他の態様では、上記（１）から（１１）のいずれか一態様において、
　前記第２排燃料ガスＧｅｆ２を第２燃料電池モジュール２１０Ｂの酸化性ガス供給ライン４２Ｂに供給可能なように第２排燃料ガスライン２２Ｂと酸化性ガス供給ライン４２Ｂを接続する第２排燃料ガス供給ライン（例えば上記実施形態の２４Ｄ）を更に備える。
　上記（１２）の態様によれば、第２燃料電池モジュールの酸素側電極には、第２排燃料ガス供給ラインを介して第２排燃料ガスを供給可能である。これにより、第２排燃料ガスが第２燃料電池モジュールの酸素側電極で燃焼し、第２燃料電池モジュールを必要最小限の低負荷運転状態に制御できる。このように、外部からの燃料ガスの供給を最小限とし、第２燃料電池モジュールからの排燃料ガスを有効利用することで、エネルギ消費を抑えながら効率的に第２燃料電池モジュールの低負荷運転状態を実現できる。
１　燃料電池発電システム
１０　燃料電池部
２０　燃料ガス供給ライン
２２Ａ　第１排燃料ガスライン
２２Ｂ　第２排燃料ガスライン
２４Ａ　第２再循環ライン
２４Ｂ　第１再循環ライン
２４Ｃ　第２排燃料供給ライン（第１燃料電池モジュール用）
２４Ｄ　第２排燃料供給ライン（第２燃料電池モジュール用）
２６Ａ　第１合流部
２６Ｂ　第２分岐部
２８　再循環ブロワ
２８Ａ　第１再循環ブロワ
２８Ｂ　第２再循環ブロワ
４０　酸化性ガス供給ライン
４２Ａ　第１酸化性ガス供給ライン
４２Ｂ　第２酸化性ガス供給ライン
４２Ｃ　第１排酸化性ガスライン
４２Ｄ　第２排酸化性ガスライン
１０１　セルスタック
１０３　基体管
１０５　燃料電池セル
１０７　インターコネクタ
１０９　燃料側電極
１１１　固体電解質膜
１１３　酸素側電極
１１５　リード膜
２１０　燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）
２１０Ａ　第１燃料電池モジュール
２１０Ｂ　第２燃料電池モジュール
２０３　燃料電池カートリッジ（ＳＯＦＣカートリッジ）
２０５　圧力容器
２０７　燃料ガス供給管
２０７ａ　燃料ガス供給枝管
２０９　燃料ガス排出管
２０９ａ　燃料ガス排出枝管
２１５　発電室
２１７　燃料ガス供給ヘッダ
２１９　燃料ガス排出ヘッダ
２２１　酸化性ガス供給ヘッダ
２２３　酸化性ガス排出ヘッダ
２２５ａ　上部管板
２２５ｂ　下部管板
２２７ａ　上部断熱体
２２７ｂ　下部断熱体
２２９ａ　上部ケーシング
２２９ｂ　下部ケーシング
２３１ａ　燃料ガス供給孔
２３１ｂ　燃料ガス排出孔
２３３ａ　酸化性ガス供給孔
２３３ｂ　酸化性ガス排出孔
２３５ａ　酸化性ガス供給隙間
２３５ｂ　酸化性ガス排出隙間
２３７ａ，２３７ｂ　シール部材
３８０　制御装置
Ｇｅｆ１　第１排燃料ガス
Ｇｅｆ２　第２排燃料ガス
Ｇｅｏ１　第１排酸化性ガス
Ｇｅｏ２　第２排酸化性ガス
Ｇｆ　燃料ガス
Ｇｏ　酸化性ガス

Claims (12)

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