WO2023188858A1 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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WO2023188858A1
WO2023188858A1 PCT/JP2023/004307 JP2023004307W WO2023188858A1 WO 2023188858 A1 WO2023188858 A1 WO 2023188858A1 JP 2023004307 W JP2023004307 W JP 2023004307W WO 2023188858 A1 WO2023188858 A1 WO 2023188858A1
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exhaust
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combustion
fuel
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研太 荒木
希美 河戸
優人 三谷
弘行 大澤
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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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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present disclosure relates to a fuel cell system and a method of controlling the fuel cell system.
  • Fuel cells that generate electricity by chemically reacting fuel gas and oxidizing gas have characteristics such as excellent power generation efficiency and environmental friendliness.
  • solid oxide fuel cells SOFC
  • ceramics such as zirconia ceramics as the electrolyte, and supply hydrogen, ammonia, natural gas, petroleum gas, synthetic gas, etc. as fuel gas. Electricity is generated by reacting in a high-temperature atmosphere of about 700°C to 1000°C.
  • oxidizing gas is compressed by a turbocharger compressor and supplied to the SOFC, and the exhaust oxidizing gas and exhaust fuel gas discharged from the SOFC are combusted in a catalytic combustor.
  • gas exhaust gas
  • Patent Document 1 gas (exhaust gas) is supplied to a turbine of a turbocharger to drive a compressor.
  • the system of Patent Document 1 in addition to the system that supplies exhaust fuel gas discharged from the SOFC to the catalytic combustor, a part of the fuel gas supplied to the fuel electrode of the SOFC is branched and directly supplied to the catalytic combustor. It is now possible to supply
  • the system of Patent Document 1 includes a heat exchanger that heats the oxidizing gas supplied to the air electrode of the SOFC by heat exchange between the combustion gas discharged from the turbine and the oxidizing gas compressed by the compressor. is provided.
  • the exhaust oxidizing gas and exhaust fuel gas discharged from the SOFC operated at the rated load are controlled so that the rotation speed of the turbine becomes a predetermined rotation speed when the SOFC is operated at the rated load. It is desirable to set the amount of emissions.
  • in order to operate the turbine stably it is desirable to maintain the turbine at a speed exceeding a predetermined minimum rotation speed.
  • the SOFC is operating at a partial load that is less than the rated load
  • the amount of exhaust oxidizing gas and exhaust fuel gas discharged from the SOFC is smaller than the amount of exhaust gas released at the rated load. Therefore, the amount of heat of the combustion gas generated in the catalytic combustor may be less than the amount of heat at the rated load, and the number of revolutions of the turbine may fall below a predetermined minimum number of revolutions.
  • the rotational speed of the turbine in addition to the system that supplies the exhaust fuel gas discharged from the SOFC to the catalytic combustor, by increasing the calorific value of the fuel gas that is directly supplied to the catalytic combustor, the rotational speed of the turbine can be reduced to a predetermined minimum. It is possible to exceed the rotational speed. However, since the amount of fuel gas consumed increases, the thermal efficiency of the entire system decreases.
  • the present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object of the present disclosure is to provide a fuel cell system and a method for controlling the fuel cell system that can stably operate a turbine without reducing the thermal efficiency of the entire system. With the goal.
  • a fuel cell system includes a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, a fuel gas line that supplies fuel gas to the fuel electrode, and combustion of the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell.
  • a first combustor that supplies the exhaust gas to the first combustor; a turbine to which the combustion gas generated in the first combustor is supplied;
  • a combustion gas supply line that supplies the combustion gas from the first combustor to the turbine, a combustion exhaust gas line that discharges the combustion gas that has passed through the turbine, and from the exhaust gas supply line to the combustion gas supply line or the combustion exhaust gas line.
  • a bypass line for guiding the exhaust fuel gas and a bypass control valve disposed in the bypass line are provided.
  • a method for controlling a fuel cell system is a method for controlling a fuel cell system, the fuel cell system including a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, and supplying fuel gas to the fuel electrode.
  • a first combustor that combusts the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell; an exhaust fuel gas supply line that supplies the exhaust fuel gas to the first combustor; and a first combustor.
  • a combustion gas supply line that supplies the combustion gas from the first combustor to the turbine; and a combustion exhaust gas line that discharges the combustion gas that has passed through the turbine.
  • the method further includes a control step of controlling the opening degree of the bypass control valve so that the opening degree of the bypass control valve becomes equal to the number of openings of the bypass control valve.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a power generation system according to a first embodiment of the present disclosure. It is a flowchart which shows the operation
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a power generation system according to a second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a power generation system according to a third embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a power generation system according to a fourth embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a power generation system according to a fifth embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a power generation system according to a sixth embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a power generation system 310 according to this embodiment.
  • the power generation system 310 includes a turbocharger 311 and a fuel cell 313.
  • the fuel cell 313 is configured by combining one or more fuel cell modules (not shown), and will be simply referred to as a "fuel cell” hereinafter.
  • the turbocharger 311 includes a compressor 321 and a turbine 323, and the compressor 321 and the turbine 323 are connected by a rotating shaft 324 so that they can rotate together.
  • the rotational speed (rpm) of the rotating shaft 324 is detected by, for example, a rotational speed meter 324a and transmitted to the control device 380.
  • the rotation speed detected by the rotation speed meter 324a indicates the rotation speed of the turbine 323.
  • the rotation of the turbine 323 drives the compressor 321 to rotate.
  • This embodiment is an example in which air is used as the oxidizing gas, and the compressor 321 compresses the air A taken in from the air intake line 325.
  • the rotation speed of the turbine 323 may be calculated from the flow rate of air passing through the compressor 321, the pressure before and after the compressor 321, and the like.
  • a part of the exhaust fuel gas L3 discharged from the fuel electrode 109 of the fuel cell 313 is supplied to the first combustor 322 through the exhaust fuel gas supply line 345.
  • the exhaust fuel gas supply line 345 is provided with a control valve (exhaust fuel gas control valve) 347 for adjusting the amount of exhaust fuel gas supplied to the first combustor 322 .
  • the exhaust oxidizing gas discharge line 333 is connected to the exhaust fuel gas supply line 345, and the exhaust oxidizing gas A3 discharged from the air electrode 113 of the fuel cell 313 is mixed with a part of the exhaust fuel gas L3. and is supplied to the first combustor 322. Further, a first oxidizing gas supply line 326 is connected to the exhaust oxidizing gas discharge line 333, and air A1, which is at least a part of the air A compressed by the compressor 321, is supplied to the first combustor 322. supplied to The first oxidizing gas supply line 326 is provided with a control valve 327 for adjusting the amount of air A1 supplied to the first combustor 322.
  • the fuel gas L1 is supplied to the first combustor 322 via the first fuel gas supply line 351.
  • the first fuel gas supply line 351 is provided with a control valve 352 for adjusting the amount of fuel gas supplied to the first combustor 322 .
  • the first combustor 322 combusts a mixture of fuel gas L1, a portion of air A (air A1), exhaust fuel gas L3, and exhaust oxidizing gas A3 to generate combustion gas G.
  • a combustor that can stably burn the exhaust fuel gas L3, such as a catalytic combustor, is used as the first combustor 322.
  • Combustion gas G is supplied from the first combustor 322 to the turbine 323 through a combustion gas supply line 328.
  • the turbine 323 is rotationally driven by the combustion gas G.
  • the fuel gas L1 supplied to the first combustor 322 and the fuel gas L2 described below are flammable gases, such as hydrogen, ammonia, carbon monoxide synthesis gas, and hydrocarbon gases (natural gas, petroleum gas, etc.). etc. are used. It is desirable that the calorific value of the fuel gas is adjusted within a predetermined range.
  • the heat exchanger 330 performs heat exchange between the exhaust gas discharged from the turbine 323 and the air A supplied from the compressor 321.
  • the exhaust gas that has passed through the heat exchanger 330 is guided to the combustion exhaust gas line 329.
  • the fuel cell 313 is, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC), and is maintained at a predetermined operating temperature by being supplied with fuel gas L2 as a reducing agent and air A2 as an oxidizing agent. reacts and generates electricity.
  • This fuel cell 313 is composed of a fuel cell module (not shown), and houses an assembly of a plurality of cell stacks provided in a pressure vessel of the fuel cell module.
  • the cell stack (not shown) includes a fuel electrode 109 and an air It includes an electrode 113 and a solid electrolyte membrane (not shown). Note that the fuel cell 313 is not limited to SOFC.
  • the fuel cell 313 generates electricity by supplying air A2 to the air electrode 113 and supplying fuel gas L2 to the fuel electrode 109, and converts the fuel cell 313 into a predetermined alternating current by a power converter (such as an inverter) such as a power conditioner (not shown). converted into electricity.
  • a power converter such as an inverter
  • a power conditioner not shown
  • air A2 is supplied as an oxidizing gas to an oxidizing gas introduction part (not shown) of the air electrode 113 through a second oxidizing gas supply line 331 branched from the first oxidizing gas supply line 326.
  • This second oxidizing gas supply line 331 is provided with a control valve 335 for adjusting the flow rate of the supplied air A2.
  • a heat exchanger 330 is provided on the upstream side of the air A2 (in other words, on the compressor 321 side) from the branch point of the second oxidizing gas supply line 331. There is. Heat exchanger 330 is arranged in second oxidizing gas supply line 331 and combustion exhaust gas line 329.
  • the air A is heated by exchanging heat with the exhaust gas discharged from the combustion exhaust gas line 329.
  • the second oxidizing gas supply line 331 is provided with a bypass line 332 that bypasses the heat exchanger 330.
  • a control valve 336 is provided in the bypass line 332, and the bypass flow rate of the air A can be adjusted.
  • the flow rate ratio of air A passing through the heat exchanger 330 and air A bypassing the heat exchanger 330 is adjusted, and the air A
  • the temperature of air A2 supplied to the fuel cell 313 through the second oxidizing gas supply line 331, which is a part of the fuel cell 313, is adjusted.
  • the upper limit of the temperature of the air A2 supplied to the fuel cell 313 is limited so as not to damage the materials of each component inside the fuel cell module (not shown) that constitutes the fuel cell 313.
  • an air electrode fuel supply line 371 that supplies fuel gas L2 as a combustible gas is connected to the second oxidizing gas supply line 331.
  • the air electrode fuel supply line 371 is provided with a control valve 372 for adjusting the amount of fuel gas supplied to the second oxidizing gas supply line 331.
  • a control valve 372 for adjusting the amount of fuel gas supplied to the second oxidizing gas supply line 331.
  • the amount of fuel gas L2 added to air A2 is supplied at a flammable limit concentration or less, more preferably at 3% by volume or less.
  • the air electrode fuel supply line 371 is used to raise the temperature of the fuel cell 313 when the power generation system 310 is started.
  • the fuel cell 313 is connected to an exhaust oxidizing gas discharge line 333 that discharges the exhaust oxidizing gas A3 used in the air electrode 113.
  • the fuel cell 313 further includes a second fuel gas supply line 341 for supplying the fuel gas L2 to a fuel gas inlet (not shown) of the fuel electrode 109, and a second fuel gas supply line 341 for supplying the fuel gas L2 to a fuel gas inlet (not shown) of the fuel electrode 109, and a second fuel gas supply line 341 for supplying the exhaust fuel gas L3 after being used for reaction at the fuel electrode 109. It is connected to an exhaust fuel gas line 343 for discharging.
  • the second fuel gas supply line 341 is provided with a control valve 342 for adjusting the flow rate of the fuel gas L2 supplied to the fuel electrode 109
  • the exhaust gas line 343 is provided with a control valve 342 for adjusting the flow rate of the fuel gas L2 supplied to the fuel electrode 109.
  • a control valve (or cutoff valve) 346 is provided for adjusting the amount of exhaust fuel gas L3 to be discharged outside the system.
  • the exhaust fuel gas line 343 is used when the power generation system 310 is stopped in an emergency.
  • a fuel gas recirculation line 349 is connected to the exhaust fuel gas line 343 for recirculating the exhaust fuel gas L3 to the fuel gas introduction part of the fuel electrode 109 of the fuel cell 313.
  • the fuel gas recirculation line 349 is provided with a recirculation blower 348 for recirculating the exhaust fuel gas L3.
  • the fuel gas recirculation line 349 is provided with a pure water supply line 361 that supplies pure water for reforming the fuel gas L2 to the fuel electrode 109.
  • the power generation system 310 of this embodiment includes a bypass line 391, a bypass control valve 392 disposed in the bypass line 391, a second combustor 393, and an exhaust heat recovery device 394.
  • a part of the exhaust fuel gas L3 and the exhaust oxidizing gas are mixed in the bypass line 391 from downstream of the confluence with the exhaust oxidizing gas discharge line 333 on the downstream side of the control valve 347 of the exhaust fuel gas supply line 345.
  • This is a pipe that branches off the gas and guides it to the combustion exhaust gas line 329. That is, a part of the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 bypasses the first combustor 322, the turbine 323, and the heat exchanger 330.
  • the second combustor 393 is a device that is disposed in the combustion exhaust gas line 329 and combusts a mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 supplied from the bypass line 391.
  • the second combustor 393 generates combustion gas and supplies it to the exhaust heat recovery device 394 .
  • the exhaust heat recovery device 394 is disposed on the downstream side of the second combustor 393 in the combustion exhaust gas line 329, and is a device that recovers heat from the combustion gas generated in the second combustor 393.
  • the exhaust heat recovery device 394 is used, for example, to exchange heat between the combustion gas generated in the second combustor 393 and the oxidizing gas flowing through the second oxidizing gas supply line 331, or to improve the overall efficiency of the system.
  • combustion gas may be used to raise the temperature of water or the like, creating a so-called combined heat and power generation (cogeneration) system.
  • the combustion gas that has passed through the exhaust heat recovery device 394 is discharged to the outside.
  • the control device 380 is a device that controls each part of the power generation system 310.
  • the control device 380 executes various processes by having an arithmetic device such as a CPU read and execute programs stored in a storage device such as a hard disk drive.
  • FIG. 2 is a flowchart showing the operation by which the control device 380 controls the bypass control valve 392 when operating the power generation system 310.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the operating load of the power generation system 310 and the target rotation speed Rt of the turbine 323.
  • step S101 the control device 380 sets the target rotation speed Rt of the turbine 323 based on the operating load of the power generation system 310.
  • a table corresponding to a graph showing the relationship between the operating load of the power generation system 310 and the target rotation speed Rt of the turbine 323 shown in FIG. 3 is stored in a storage unit (not shown) in advance.
  • Control device 380 updates the set value of target rotation speed Rt in response to changes in the operating load of power generation system 310 when executing the processing after step S102.
  • the control device 380 refers to the current operating load of the power generation system 310 and sets the target rotation speed Rt of the turbine 323 corresponding to the operating load. As shown in FIG. 3, the target rotation speed Rt gradually increases as the current operating load of the power generation system 310 approaches 100%.
  • the operating load of the power generation system 310 is determined, for example, by calculating the ratio of the current output power to the rated power that the power generation system 310 can output.
  • step S102 the control device 380 measures the rotation speed Ra of the turbine 323 by referring to the rotation speed (rpm) of the rotating shaft 324 output by the rotation speed meter 324a.
  • step S103 the control device 380 determines whether the difference between the rotation speed Ra of the turbine 323 measured in step S102 and the target rotation speed Rt is greater than or equal to a predetermined allowable value. If the control device 380 determines YES, it advances the process to step S104, and if it determines NO, it executes step S102 again.
  • step S104 the control device 380 determines whether the rotation speed Ra of the turbine 323 is larger than the target rotation speed Rt.
  • the process proceeds to step S105, and when the control device 380 determines NO, the process proceeds to step S106.
  • step S105 the control device 380 controls the rotation speed of the turbine 323 because the difference between the rotation speed Ra of the turbine 323 and the target rotation speed Rt is less than the allowable value, and the rotation speed Ra of the turbine 323 is larger than the target rotation speed Rt.
  • the bypass control valve 392 is opened (or its opening degree is increased) so that the number Ra decreases.
  • the bypass control valve 392 is opened, a portion of the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 flowing through the exhaust gas supply line 345 is guided to the combustion exhaust gas line 329.
  • step S104 and step S105 the control device 380 determines that the difference between the rotation speed Ra of the turbine 323 and the target rotation speed Rt of the turbine 323 set based on the operating load of the power generation system 310 is less than the allowable value.
  • the opening degree of the bypass control valve 392 is controlled so that.
  • the control device 380 changes the bypass control valve 392 from a closed state to an open state (fully open, or an open state in which the difference between the rotation speed Ra and the target rotation speed Rt of the turbine 323 is within the range of an allowable value). It may be possible to switch between the two modes (degrees), but other modes may also be used.
  • the opening degree to be increased when step S105 is executed once may be set in advance, and the opening degree may be increased by the preset opening degree. In this case, as the difference between the rotational speed Ra and the target rotational speed Rt of the turbine 323 continues to be larger than the allowable value, the opening degree of the bypass control valve 392 is increased multiple times, and the final It becomes fully open.
  • step S106 the control device 380 controls the rotation speed of the turbine 323 because the difference between the rotation speed Ra of the turbine 323 and the target rotation speed Rt is less than the allowable value, and the rotation speed Ra of the turbine 323 is smaller than the target rotation speed Rt.
  • the bypass control valve 392 is closed (or its opening degree is lowered) so that the number Ra increases. When the bypass control valve 392 is in the closed state, the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 flowing through the exhaust gas supply line 345 is not guided to the combustion exhaust gas line 329.
  • the control device 380 changes the bypass control valve 392 from an open state to a closed state (fully closed, or the difference between the rotation speed Ra and the target rotation speed Rt of the turbine 323 is within an allowable value range. (opening degree), but other modes may also be used.
  • the opening degree to be decreased when step S106 is executed once may be set in advance, and the opening degree may be decreased by the preset opening degree. In this case, as the difference between the rotational speed Ra and the target rotational speed Rt of the turbine 323 continues to be smaller than the allowable value, the opening degree of the bypass control valve 392 is decreased multiple times, and the final becomes fully closed.
  • the control device 380 opens the control valve 352,
  • the fuel gas L1 may be supplied to the first combustor 322.
  • the amount of combustion gas generated in the first combustor 322 can be increased, and the rotation speed of the turbine 323 can be increased.
  • step S107 the control device 380 determines whether an instruction to stop the operation of the power generation system 310 has been input, and if YES, the process proceeds to step S108, and if NO, it executes step S102 again.
  • the difference between the rotation speed Ra of the turbine 323 and the target rotation speed Rt is greater than or equal to a predetermined tolerance value, and the rotation speed Ra of the turbine 323 is the target rotation speed Rt. If it is larger, the bypass control valve 392 is opened so that the rotation speed Ra of the turbine 323 is reduced. Further, in the power generation system 310 of the present embodiment, when the difference between the rotation speed Ra of the turbine 323 and the target rotation speed Rt is equal to or larger than a predetermined tolerance value, and the rotation speed Ra of the turbine 323 is smaller than the target rotation speed Rt. , the bypass control valve 392 is closed so that the rotation speed Ra of the turbine 323 increases.
  • the exhaust fuel gas L3 supplied to the first combustor 322 is adjusted so that the turbocharger 311 exceeds a predetermined minimum rotation speed. Set the supply amount of mixed gas containing. In this case, since it is not necessary to directly supply the fuel gas L1 to the first combustor 322, the thermal efficiency of the entire power generation system does not decrease.
  • the amount of heat of the combustion gas G supplied from the first combustor 322 to the turbine 323 becomes excessive, and the rotation speed of the turbocharger 311 increases by adding an allowable value to the target rotation speed Rt. There is a possibility that the predetermined rotation speed may be exceeded.
  • the exhaust gas is transferred from the exhaust fuel gas supply line 345 to the combustion exhaust gas line 329 via the bypass line 391.
  • a mixed gas including fuel gas L3 can be introduced. Since the amount of mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 supplied to the first combustor 322 decreases, the amount of heat of the combustion gas G supplied from the first combustor 322 to the turbine 323 becomes excessive, causing the turbocharger 311 to rotate. It is possible to prevent the number Ra from exceeding a predetermined rotation speed obtained by adding an allowable value to the target rotation speed Rt.
  • the turbocharger 311 can be operated stably without reducing the thermal efficiency of the entire power generation system. Moreover, according to the power generation system 310 of this embodiment, the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 supplied from the bypass line 391 can be combusted in the second combustor 393 and then discharged to the outside.
  • the exhaust heat recovery device 394 can recover heat from the combustion gas generated in the second combustor 393, thereby improving the thermal efficiency of the entire power generation system.
  • the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 is guided from the exhaust gas supply line 345 to the combustion exhaust gas line 329 via the bypass line 391, thereby being supplied to the turbine 323. It is possible to prevent the rotational speed of the turbocharger 311 from exceeding a predetermined rotational speed due to an excessive amount of heat in the combustion gas. Furthermore, by reducing the amount of heat and flow rate of the combustion gas G passing through the turbine 323, the control range of the rotation speed of the turbocharger 311, which can be adjusted by using the bypass line 391, can be expanded.
  • the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 is guided from the downstream side of the control valve 347, which has a lower pressure than the upstream side of the control valve 347, to the combustion exhaust gas line 329. Therefore, compared to the case where the exhaust fuel gas L3 is guided from the upstream side of the control valve 347 to the combustion exhaust gas line 329, it is possible to appropriately adjust the amount of air supplied to the turbine 323 and widen the control range of the rotation speed of the turbine 323. I can do it.
  • the amount of heat input to the heat exchanger 330 is adjusted by guiding the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 from the downstream side of the control valve 347 to the downstream side of the heat exchanger 330,
  • the control range of the entire power generation system 310 can be widened.
  • the second combustor 393 is disposed in the combustion exhaust gas line 329, but other aspects may be used.
  • the second combustor 393 may be arranged downstream of the bypass control valve 392 in the bypass line 391.
  • the second combustor 393 a small combustor having the capacity necessary to combust only the exhaust fuel gas L3 guided to the bypass line 391 can be employed.
  • the power generation system 310A of the present embodiment is a modification of the power generation system 310 of the first embodiment, and is the same as the first embodiment except as specifically described below.
  • the power generation system 310 of the first embodiment guides the exhaust fuel gas L3 from the downstream side of the control valve 347, which has a lower pressure than the upstream side of the control valve 347, to the combustion exhaust gas line 329.
  • the power generation system 310A of the present embodiment guides the exhaust fuel gas L3 from the upstream side of the control valve 347, which has a higher pressure than the downstream side of the control valve 347, to the combustion exhaust gas line 329. That is, a portion of the exhaust fuel gas L3 bypasses the control valve 347, the first combustor 322, the turbine 323, and the heat exchanger 330.
  • one end of the bypass line 391 is connected to the exhaust gas supply line 345 on the upstream side of the control valve 347, and the other end of the bypass line 391 is connected to the heat exchanger 330. It is connected to the combustion exhaust gas line 329 on the downstream side of the combustion exhaust gas line 329 .
  • the bypass line 391 guides the exhaust fuel gas L3 from the upstream side of the control valve 347 in the exhaust gas supply line 345 to the downstream side of the heat exchanger 330 in the combustion exhaust gas line 329.
  • the exhaust fuel gas L3 is guided from the upstream side of the control valve 347 to the combustion exhaust gas line 329 via the bypass line 391. Therefore, compared to the case where the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 is introduced from the downstream side of the control valve 347 to the combustion exhaust gas line 329, the flow rate of only the exhaust fuel gas L3 out of the mixed gas supplied to the first combustor 322 is reduced. In order to decrease the rotation speed of the turbocharger 311, the rotation speed of the turbocharger 311 can be adjusted more finely.
  • the bypass line 391 guides the exhaust fuel gas L3 from the upstream side of the control valve 347 of the exhaust gas supply line 345 to the downstream side of the heat exchanger 330 of the combustion exhaust gas line 329.
  • the power generation system 310A of this embodiment by guiding the exhaust fuel gas L3 from the downstream side of the control valve 347 to the downstream side of the heat exchanger 330, the amount of heat input to the heat exchanger 330 is adjusted, and the power generation system 310A The overall control range can be widened.
  • the second combustor 393 is disposed in the combustion exhaust gas line 329, but other aspects may be used.
  • the second combustor 393 may be arranged downstream of the bypass control valve 392 in the bypass line 391.
  • the second combustor 393 a small combustor having the capacity necessary to combust only the exhaust fuel gas L3 guided to the bypass line 391 can be employed.
  • the power generation system 310B of the present embodiment is a modification of the power generation system 310 of the first embodiment, and is the same as the first embodiment except as specifically described below.
  • the power generation system 310 of the first embodiment guides the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 from the downstream side of the control valve 347 to the combustion exhaust gas line 329.
  • the power generation system 310B of this embodiment guides the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 from the downstream side of the control valve 347 to the combustion gas supply line 328. That is, the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 bypasses the first combustor 322.
  • the bypass line 391 of this embodiment guides the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 from the downstream side of the control valve 347 of the exhaust gas supply line 345 to the combustion gas supply line 328.
  • the combustion gas G generated in the first combustor 322 can be reduced. It is possible to prevent the rotation speed Ra of the turbocharger 311 from exceeding a predetermined rotation speed obtained by adding an allowable value to the target rotation speed Rt due to an excessive amount of heat. Further, by maintaining the amount of heat of the combustion gas G supplied to the turbine 323 within a predetermined range, the control characteristics of the rotation speed of the turbocharger 311 can be maintained.
  • the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 is guided from the exhaust fuel gas supply line 345 to the combustion gas supply line 328 (upstream side of the turbine 323). Therefore, compared to the case where the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 is guided to the combustion exhaust gas line 329 (downstream side of the turbine 323), the amount of heat of the combustion gas G supplied to the turbine 323 changes, but the flow rate does not change.
  • the rotation speed of turbocharger 311 can be adjusted more finely.
  • the bypass line 391 supplies a mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 from the downstream side of the control valve 347 of the exhaust gas supply line 345 to the combustion gas supply line 328. lead.
  • the exhaust fuel gas L3 is guided from the downstream side of the control valve 347, which has a lower pressure than the upstream side of the control valve 347, to the combustion gas supply line 328. Therefore, compared to the case where the exhaust fuel gas L3 is introduced from the upstream side of the control valve 347 to the combustion gas supply line 328, the amount of air supplied to the turbine 323 is appropriately adjusted, and the control range of the rotation speed of the turbine 323 is widened. be able to.
  • the power generation system 310C of this embodiment is a modification of the power generation system 310B of the third embodiment, and is the same as the third embodiment except as specifically described below.
  • the power generation system 310B of the third embodiment guides the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 from the downstream side of the control valve 347 to the combustion gas supply line 328 via the bypass line 391.
  • the power generation system 310C of this embodiment guides the exhaust fuel gas L3 from the upstream side of the control valve 347 to the combustion gas supply line 328. That is, a portion of the exhaust fuel gas L3 bypasses the first combustor 322.
  • one end of the bypass line 391 is connected to the exhaust gas supply line 345 on the upstream side of the control valve 347, and the other end of the bypass line 391 is connected to the combustion gas supply line 345. 328.
  • the bypass line 391 guides the exhaust fuel gas L3 from the upstream side of the control valve 347 of the exhaust fuel gas supply line 345 to the combustion gas supply line 328.
  • the exhaust fuel gas L3 is guided from the upstream side of the control valve 347 to the combustion gas supply line 328. Therefore, compared to the case where the mixed gas including the exhaust fuel gas L3 is introduced from the downstream side of the control valve 347 to the combustion gas supply line 328, only the flow rate of the exhaust fuel gas L3 out of the mixed gas supplied to the first combustor 322 is reduced. In order to reduce the rotation speed of the turbocharger 311, the rotation speed of the turbocharger 311 can be adjusted more finely.
  • the power generation system 310D of this embodiment is a modification of the power generation system 310A of the second embodiment, and is the same as the second embodiment except as specifically described below.
  • the power generation system 310A of the second embodiment guides the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 from the upstream side of the control valve 347 to the downstream side of the heat exchanger 330 of the combustion exhaust gas line 329.
  • the power generation system 310D of this embodiment guides the exhaust fuel gas L3 from the upstream side of the control valve 347 to the upstream side of the heat exchanger 330 of the combustion exhaust gas line 329 via the bypass line 391. That is, a portion of the exhaust fuel gas L3 bypasses the first combustor 322 and the turbine 323.
  • the bypass line 391 connects the exhaust gas from the upstream side of the control valve 347 of the exhaust gas supply line 345 to the upstream side of the heat exchanger 330 of the combustion exhaust gas line 329.
  • Guide gas L3 By guiding the exhaust fuel gas L3 to the upstream side of the heat exchanger 330, the amount of gas passing through the heat exchanger 330 can be maintained within a predetermined range.
  • the second combustor 393 is disposed in the combustion exhaust gas line 329, but other aspects may be used.
  • the second combustor 393 may be arranged downstream of the bypass control valve 392 in the bypass line 391.
  • the second combustor 393 a small combustor having the capacity necessary to combust only the exhaust fuel gas L3 guided to the bypass line 391 can be employed.
  • the power generation system 310E of the present embodiment is a modification of the power generation system 310 of the first embodiment, and is the same as the first embodiment except as specifically described below.
  • the power generation system 310 of the first embodiment guides the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 from the downstream side of the control valve 347 to the downstream side of the heat exchanger 330 of the combustion exhaust gas line 329.
  • the power generation system 310E of this embodiment guides the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 from the downstream side of the control valve 347 to the upstream side of the heat exchanger 330 of the combustion exhaust gas line 329. That is, a portion of the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 bypasses the first combustor 322 and the turbine 323.
  • the bypass line 391 connects the exhaust gas from the downstream side of the control valve 347 of the exhaust gas supply line 345 to the upstream side of the heat exchanger 330 of the combustion exhaust gas line 329.
  • a mixed gas containing gas L3 is introduced.
  • the second combustor 393 is disposed in the combustion exhaust gas line 329, but other aspects may be used.
  • the second combustor 393 may be arranged downstream of the bypass control valve 392 in the bypass line 391.
  • a small combustor having the necessary capacity to combust only the mixed gas containing the exhaust fuel gas L3 guided to the bypass line 391 can be employed.
  • a fuel cell system (310) includes a fuel cell (313) having an air electrode (113) and a fuel electrode (109), and a fuel gas line (341) that supplies fuel gas to the fuel electrode.
  • a first combustor (422) that combusts the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell, an exhaust fuel gas supply line (345) that supplies the exhaust fuel gas to the first combustor, and a turbine (323) to which the combustion gas generated in the first combustor is supplied; a combustion gas supply line (328) that supplies the combustion gas from the first combustor to the turbine; and a combustion gas supply line (328) that supplies the combustion gas from the first combustor to the turbine.
  • a combustion exhaust gas line (329) that discharges gas
  • a bypass line (391) that guides the exhaust gas from the exhaust gas supply line to the combustion gas supply line or the combustion exhaust gas line
  • a bypass line (391) arranged in the bypass line.
  • the amount of exhaust fuel gas supplied to the first combustor is set so that the turbine exceeds a predetermined minimum rotation speed when operating the fuel cell at partial load.
  • the thermal efficiency of the entire system does not decrease.
  • the amount of heat of the combustion gas supplied from the first combustor to the turbine may become excessive, and the rotation speed of the turbine may exceed a predetermined rotation speed.
  • the turbine when the bypass control valve disposed in the bypass line is opened, the exhaust gas is transferred from the exhaust fuel gas supply line to the combustion gas supply line or the combustion exhaust gas through the bypass line. Exhaust fuel gas can be led to the line. Since the exhaust fuel gas supplied to the first combustor decreases, the amount of heat in the combustion gas supplied from the first combustor to the turbine becomes excessive, thereby preventing the rotational speed of the turbine from exceeding a predetermined rotational speed. be able to. In this way, according to the fuel cell system according to the first aspect of the present disclosure, the turbine can be operated stably without reducing the thermal efficiency of the entire system.
  • a fuel cell system in the first aspect, includes a second combustor (393) that is disposed in the combustion exhaust gas line and burns the exhaust fuel gas supplied from the bypass line.
  • the exhaust fuel gas supplied from the bypass line can be combusted in the second combustor and then discharged.
  • the fuel cell system according to a third aspect of the present disclosure is arranged downstream of the second combustor in the flue gas line, and recovers heat from the combustion gas generated in the second combustor. Equipped with an exhaust heat recovery device (394). According to the fuel cell system according to the third aspect of the present disclosure, the exhaust heat recovery device can recover heat from the combustion gas generated in the second combustor to improve the thermal efficiency of the entire system.
  • the bypass line guides the exhaust fuel gas from the exhaust fuel gas supply line to the combustion exhaust gas line.
  • the bypass line guides the exhaust fuel gas from the exhaust fuel gas supply line to the combustion exhaust gas line.
  • the fuel cell system according to a fifth aspect of the present disclosure is arranged in the oxidizing gas supply line and the combustion exhaust gas line, and is configured to combine the combustion gas that has passed through the turbine with the oxidizing gas that is supplied to the air electrode. and a heat exchanger (330) that performs heat exchange with the exhaust gas, and the bypass line guides the exhaust fuel gas from the exhaust gas supply line to the downstream side of the heat exchanger in the combustion exhaust gas line. .
  • the amount of heat input to the heat exchanger is adjusted by guiding the exhaust fuel gas from the exhaust gas supply line to the downstream side of the heat exchanger in the combustion exhaust gas line. , it is possible to widen the control range of the entire power generation system.
  • the fuel cell system according to a sixth aspect of the present disclosure is arranged in the oxidizing gas supply line and the combustion exhaust gas line, and is configured to combine the combustion gas that has passed through the turbine with the oxidizing gas that is supplied to the air electrode.
  • the bypass line guides the exhaust fuel gas from the exhaust gas supply line to the combustion exhaust gas line upstream of the heat exchanger.
  • the amount of gas passing through the heat exchanger is controlled at a predetermined level by guiding the exhaust fuel gas from the exhaust gas supply line to the upstream side of the heat exchanger in the combustion exhaust gas line. can be maintained within range.
  • the bypass line supplies gas containing the exhaust fuel gas from the exhaust fuel gas supply line to the combustion exhaust gas line. lead.
  • the bypass line since the bypass line guides gas containing exhaust fuel gas from the exhaust gas supply line to the combustion exhaust gas line, the amount of air supplied to the turbine can be appropriately adjusted. , it is possible to widen the control range of the rotation speed of the turbine.
  • the fuel cell system according to an eighth aspect of the present disclosure is arranged in the oxidizing gas supply line and the combustion exhaust gas line, and is configured to combine the combustion gas that has passed through the turbine with the oxidizing gas that is supplied to the air electrode. and a heat exchanger that exchanges heat with the exhaust gas, and the bypass line guides the gas containing the exhaust fuel gas from the exhaust gas supply line to the combustion exhaust gas line downstream of the heat exchanger. .
  • the amount of heat input to the heat exchanger is adjusted by guiding gas containing exhaust fuel gas from the exhaust gas supply line to the downstream side of the heat exchanger, The control range of the entire power generation system can be widened.
  • the fuel cell system according to a ninth aspect of the present disclosure is arranged in the oxidizing gas supply line and the combustion exhaust gas line, and is configured to combine the combustion gas that has passed through the turbine with the oxidizing gas that is supplied to the air electrode.
  • the bypass line includes a heat exchanger that exchanges heat with the exhaust gas, and the bypass line extends from the downstream side of the exhaust fuel gas control valve in the exhaust gas supply line to the upstream side of the heat exchanger in the combustion exhaust gas line.
  • the exhaust fuel gas is guided to.
  • the amount of gas passing through the heat exchanger can be maintained by guiding the exhaust fuel gas to the upstream side of the heat exchanger.
  • the bypass line guides the exhaust fuel gas from the exhaust fuel gas supply line to the combustion gas supply line.
  • the combustion gas generated in the first combustor becomes excessive and It is possible to prevent the rotation speed of the charger from exceeding a predetermined rotation speed. Further, by maintaining the amount of gas supplied to the turbine within a predetermined range, the control characteristics of the rotation speed of the turbocharger can be maintained.
  • the bypass line connects a gas containing the exhaust fuel gas from the exhaust fuel gas supply line to the combustion gas supply line. guide.
  • exhaust fuel gas is guided from the exhaust fuel gas supply line to the combustion gas supply line.
  • the mixed gas supplied to the first combustor only the flow rate of the exhaust fuel gas is reduced, so the rotation speed of the turbine can be adjusted more finely.
  • a method for controlling a fuel cell system is a method for controlling a fuel cell system, the fuel cell system including a fuel cell having an air electrode and a fuel electrode, and supplying fuel gas to the fuel electrode.
  • a combustion gas supply line that supplies the combustion gas from the first combustor to the turbine; and a combustion exhaust gas line that discharges the combustion gas that has passed through the turbine.
  • the method further includes a control step of controlling the opening degree of the bypass control valve so that the opening degree of the bypass control valve becomes equal to the number of openings of the bypass control valve.
  • the control method for a fuel cell system by controlling the opening degree of the bypass control valve disposed in the bypass line so that the turbine reaches a predetermined rotation speed, Via the bypass line, the exhaust gas can be conducted from the exhaust gas supply line to the combustion gas supply line or the combustion exhaust gas line. Since the exhaust fuel gas supplied to the first combustor is reduced, it is possible to prevent the turbine rotation speed from exceeding a predetermined rotation speed due to excessive combustion gas supplied from the first combustor to the turbine. can. In this way, according to the fuel cell system according to the first aspect of the present disclosure, the turbine can be operated stably without reducing the thermal efficiency of the entire system.
  • a fuel cell system control method is such that in the first aspect, the control step includes a target rotation of the turbine set based on a rotation speed of the turbine and an operating load of the fuel cell system.
  • the opening degree of the bypass control valve is controlled so that the difference with the number is less than an allowable value.
  • the difference between the rotation speed of the turbine and the target rotation speed is made to be less than an allowable value by controlling the opening degree of the bypass control valve. be able to.

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Abstract

燃料電池（３１３）と、燃料ガスを燃料極（１０９）へ供給する第２燃料ガス供給ライン（３４１）と、排燃料ガス（Ｌ３）を燃焼させる第１燃焼器（３２２）と、第１燃焼器（３２２）へ排燃料ガス（Ｌ３）を供給する排燃料ガス供給ライン（３４５）と、燃焼ガスが供給されるタービン（３２３）と、燃焼ガスを第１燃焼器（３２２）からタービン（３２３）へ供給する燃焼ガス供給ライン（３２８）と、タービン（３２３）を通過した燃焼ガスを排出する燃焼排ガスライン（３２９）と、排燃料ガス供給ライン（３４５）から燃焼排ガスライン（３２９）へ排燃料ガス（Ｌ３）を導くバイパスライン（３９１）と、バイパスライン（３９１）に配置されるバイパス制御弁（３９２）と、を備える発電システム（３１０）を提供する。

Description

燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
　本開示は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関するものである。
　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、アンモニア、天然ガス、石油ガス、及び合成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。
　ＳＯＦＣを用いたシステムとして、ターボチャージャの圧縮機によって酸化性ガスを圧縮してＳＯＦＣへ供給し、ＳＯＦＣから排出された排酸化性ガスと排燃料ガスを触媒燃焼器で燃焼させ、燃焼させた燃焼ガス（排ガス）をターボチャージャのタービンへ供給して圧縮機を駆動するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１のシステムでは、ＳＯＦＣから排出された排燃料ガスを触媒燃焼器へ供給する系統とは別に、ＳＯＦＣの燃料極へ供給される燃料ガスの一部を分岐させて触媒燃焼器へ直接的に供給することが可能となっている。また、特許文献１のシステムには、タービンから排出される燃焼ガスと圧縮機で圧縮される酸化性ガスとの熱交換により、ＳＯＦＣの空気極へ供給される酸化性ガスを加熱する熱交換器が設けられている。
特許第６９４６４９０号公報
　特許文献１のシステムにおいて、ＳＯＦＣを定格負荷で運転する際にタービンの回転数が所定の回転数となるように、定格負荷で運転されるＳＯＦＣから排出される排酸化性ガスと排燃料ガスの排出量を設定するのが望ましい。一方、特許文献１のシステムにおいて、タービンを安定運転させるためには、タービンを所定の最低回転数を上回るように維持することが望ましい。
　しかしながら、ＳＯＦＣが定格負荷に満たない部分負荷での運転中は、ＳＯＦＣから排出される排酸化性ガスと排燃料ガスの排出量が定格負荷における排出量よりも少なくなる。そのため、触媒燃焼器で生成される燃焼ガスの熱量が定格負荷における熱量よりも少なくなり、タービンの回転数が所定の最低回転数を下回ってしまう可能性がある。
　この場合、ＳＯＦＣから排出された排燃料ガスを触媒燃焼器へ供給する系統とは別に、触媒燃焼器へ直接的に供給する燃料ガスの熱量を増加させることにより、タービンの回転数が所定の最低回転数を上回るようにすることが可能である。しかしながら、燃料ガスの消費量が増加してしまうためシステム全体の熱効率が低下してしまう。
　本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、システム全体の熱効率を低下させることなくタービンを安定運転させることが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本開示は以下の手段を採用する。
　本開示の一態様に係る燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料電池から排出された前記排燃料ガスを燃焼させる第１燃焼器と、前記第１燃焼器へ前記排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、前記第１燃焼器で生成された燃焼ガスが供給されるタービンと、前記燃焼ガスを前記第１燃焼器から前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、前記タービンを通過した前記燃焼ガスを排出する燃焼排ガスラインと、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインまたは前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導くバイパスラインと、前記バイパスラインに配置されるバイパス制御弁と、を備える。
　本開示の一態様に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料電池から排出された前記排燃料ガスを燃焼させる第１燃焼器と、前記第１燃焼器へ前記排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、前記第１燃焼器で生成された燃焼ガスが供給されるタービンと、前記燃焼ガスを前記第１燃焼器から前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、前記タービンを通過した前記燃焼ガスを排出する燃焼排ガスラインと、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインまたは前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導くバイパスラインと、前記バイパスラインに配置されるバイパス制御弁と、を備え、前記タービンが所定の回転数となるように前記バイパス制御弁の開度を制御する制御工程を備える。
　本開示によれば、システム全体の熱効率を低下させることなくタービンを安定運転させることが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することができる。
本開示の第１実施形態の発電システムを示す概略構成図である。 発電システムを運転する際に制御装置がバイパス制御弁を制御する動作を示すフローチャートである。 発電システムの運転負荷とタービンの目標回転数との関係を示すグラフである。 本開示の第２実施形態の発電システムを示す概略構成図である。 本開示の第３実施形態の発電システムを示す概略構成図である。 本開示の第４実施形態の発電システムを示す概略構成図である。 本開示の第５実施形態の発電システムを示す概略構成図である。 本開示の第６実施形態の発電システムを示す概略構成図である。
〔第１実施形態〕
　以下、本開示の第１実施形態に係る燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法について、図面を参照して説明する。
　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。
　本実施形態に係る発電システムの概略構成について説明する。
　図１は、本実施形態に係る発電システム３１０を示す概略構成図である。図１に示すように、発電システム３１０は、ターボチャージャ３１１と燃料電池３１３を備えている。燃料電池３１３は、図示しない燃料電池モジュールが１つまたは複数が組み合わされて構成され、以降は単に「燃料電池」と記載する。
　ターボチャージャ３１１は、圧縮機３２１、タービン３２３を備えており、圧縮機３２１とタービン３２３とは回転軸３２４により一体回転可能に連結されている。回転軸３２４の回転数（ｒｐｍ）は、例えば、回転数計３２４ａにより検知され、制御装置３８０に伝達される。回転数計３２４ａが検知する回転数は、タービン３２３の回転数を示す。タービン３２３が回転することで圧縮機３２１が回転駆動する。本実施形態は酸化性ガスとして空気を用いた例であり、圧縮機３２１は、空気取り込みライン３２５から取り込んだ空気Ａを圧縮する。なお、タービン３２３の回転数は、圧縮機３２１を通過する空気の流量や圧縮機３２１の前後の圧力などから算出してもよい。
　第１燃焼器３２２には、排燃料ガス供給ライン３４５を通じて燃料電池３１３の燃料極１０９から排出される排燃料ガスＬ３の一部が供給される。排燃料ガス供給ライン３４５には、第１燃焼器３２２に供給する排燃料ガス量を調整するための制御弁（排燃料ガス制御弁）３４７が設けられている。
排燃料ガス供給ライン３４５には、排酸化性ガス排出ライン３３３が接続されており、燃料電池３１３の空気極１１３から排出される排酸化性ガスＡ３が、排燃料ガスＬ３の一部と混合されて第１燃焼器３２２に供給される。また、排酸化性ガス排出ライン３３３には、第１酸化性ガス供給ライン３２６が接続されており、圧縮機３２１で圧縮された空気Ａの少なくとも一部である空気Ａ１が、第１燃焼器３２２に供給される。第１酸化性ガス供給ライン３２６には、第１燃焼器３２２へ供給する空気Ａ１の空気量を調整するための制御弁３２７が設けられている。
　また、第１燃焼器３２２には、第１燃料ガス供給ライン３５１を介して燃料ガスＬ１が供給される。第１燃料ガス供給ライン３５１には、第１燃焼器３２２へ供給する燃料ガス量を調整するための制御弁３５２が設けられている。
　第１燃焼器３２２は、燃料ガスＬ１、空気Ａの一部（空気Ａ１）、排燃料ガスＬ３、及び排酸化性ガスＡ３が混合されたガスを燃焼させ、燃焼ガスＧを生成する。第１燃焼器３２２には、排燃料ガスＬ３を安定して燃焼可能な燃焼器、例えば、触媒燃焼器などが用いられる。燃焼ガスＧは燃焼ガス供給ライン３２８を通じて第１燃焼器３２２からタービン３２３に供給される。タービン３２３は、燃焼ガスＧにより回転駆動される。
　第１燃焼器３２２に供給する燃料ガスＬ１及び後述する燃料ガスＬ２は可燃性ガスであり、例えば、水素、アンモニア、一酸化炭素合成ガス、及び、炭化水素系ガス（天然ガス、石油ガス等）などが用いられる。燃料ガスの発熱量は、所定の範囲内に調製されていることが望ましい。
　熱交換器３３０は、タービン３２３から排出された排ガスと圧縮機３２１から供給される空気Ａとの間で熱交換を行う。熱交換器３３０を通過した排ガスは、燃焼排ガスライン３２９に導かれる。
　燃料電池３１３は、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ）であり、還元剤として燃料ガスＬ２と、酸化剤として空気Ａ２とが供給されることで、所定の作動温度にて反応して発電を行う。この燃料電池３１３は、図示しない燃料電池モジュールから構成され、燃料電池モジュールの圧力容器内に設けた複数のセルスタックの集合体が収容されており、図示しないセルスタックには、燃料極１０９と空気極１１３と固体電解質膜（図示略）を備えている。なお、燃料電池３１３は、ＳＯＦＣに限定されない。
　燃料電池３１３は、空気極１１３に空気Ａ２が供給され、燃料極１０９に燃料ガスＬ２が供給されることで発電して、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る。本実施形態では、燃料電池３１３に供給される酸化性ガスとして、圧縮機３２１によって圧縮された空気Ａの少なくとも一部（空気Ａ２）を採用する場合を例示して説明する。
　燃料電池３１３には、第１酸化性ガス供給ライン３２６から分岐した第２酸化性ガス供給ライン３３１を通じて酸化性ガスとして空気Ａ２が空気極１１３の図示しない酸化性ガス導入部に供給される。この第２酸化性ガス供給ライン３３１には、供給する空気Ａ２の流量を調整するための制御弁３３５が設けられている。また、第１酸化性ガス供給ライン３２６において、第２酸化性ガス供給ライン３３１の分岐点よりも空気Ａ２の上流側（換言すると、圧縮機３２１側）には、熱交換器３３０が設けられている。熱交換器３３０は、第２酸化性ガス供給ライン３３１および燃焼排ガスライン３２９に配置される。
　熱交換器３３０において、空気Ａは、燃焼排ガスライン３２９から排出される排ガスとの間で熱交換されて昇温される。更に、第２酸化性ガス供給ライン３３１には、熱交換器３３０をバイパスするバイパスライン３３２が設けられている。バイパスライン３３２には、制御弁３３６が設けられ、空気Ａのバイパス流量が調整可能とされている。
　制御弁３３５、３３６の開度が後述する制御装置３８０によって制御されることで、熱交換器３３０を通過する空気Ａと熱交換器３３０をバイパスする空気Ａとの流量割合が調整され、空気Ａの一部である第２酸化性ガス供給ライン３３１を通じて燃料電池３１３に供給される空気Ａ２の温度が調整される。燃料電池３１３に供給される空気Ａ２の温度は、燃料電池３１３を構成する図示しない燃料電池モジュール内部の各構成機器の材料に損傷を与えないよう温度の上限が制限されている。
　更に、第２酸化性ガス供給ライン３３１には、可燃性ガスとして燃料ガスＬ２を供給する空気極燃料供給ライン３７１が接続されている。空気極燃料供給ライン３７１には、第２酸化性ガス供給ライン３３１へ供給する燃料ガス量を調整するための制御弁３７２が設けられている。制御弁３７２の弁開度が後述する制御装置３８０によって制御されることにより、空気Ａ２に添加される燃料ガスＬ２の供給量が調整される。
　空気Ａ２に添加される燃料ガスＬ２の量は、可燃限界濃度以下で供給され、より好ましくは３体積％以下で供給される。空気極燃料供給ライン３７１は、発電システム３１０の起動時に燃料電池３１３を昇温する際などに用いられる。燃料電池３１３には、空気極１１３で用いられた排酸化性ガスＡ３を排出する排酸化性ガス排出ライン３３３が接続されている。
　燃料電池３１３には、更に、燃料ガスＬ２を燃料極１０９の図示しない燃料ガス導入部に供給する第２燃料ガス供給ライン３４１と、燃料極１０９で反応に用いられた後の排燃料ガスＬ３を排出する排燃料ガスライン３４３とが接続されている。第２燃料ガス供給ライン３４１には、燃料極１０９に供給する燃料ガスＬ２の流量を調整するための制御弁３４２が設けられ、排燃料ガスライン３４３には燃料極１０９で反応に用いられた後の排燃料ガスＬ３を系統外へ排出する排燃料ガス量を調整するための制御弁（もしくは遮断弁）３４６が設けられている。排燃料ガスライン３４３は、発電システム３１０の緊急停止時などに用いられる。
　また、燃料電池３１３の燃料極１０９と空気極１１３の差圧（以下、燃料空気差圧）は、燃料極１０９側が所定の圧力範囲で高くなるように、制御弁３４７により制御する。また、排燃料ガスライン３４３には、排燃料ガスＬ３を燃料電池３１３の燃料極１０９の燃料ガス導入部へと再循環させるための燃料ガス再循環ライン３４９が接続されている。燃料ガス再循環ライン３４９には、排燃料ガスＬ３を再循環させるための再循環ブロワ３４８が設けられている。更に、燃料ガス再循環ライン３４９には、燃料極１０９に燃料ガスＬ２を改質するための純水を供給する純水供給ライン３６１が設けられている。
　図１に示すように、本実施形態の発電システム３１０は、バイパスライン３９１と、バイパスライン３９１に配置されるバイパス制御弁３９２と、第２燃焼器３９３と、排熱回収装置３９４と、を備える。バイパスライン３９１は、排燃料ガス供給ライン３４５の制御弁３４７の下流側の排酸化性ガス排出ライン３３３との合流点より下流側から、排燃料ガスＬ３の一部と排酸化性ガスが混合されたガスを分岐させて燃焼排ガスライン３２９へ導く配管である。つまり、排燃料ガスＬ３を含む混合ガスの一部は、第１燃焼器３２２とタービン３２３および熱交換器３３０をバイパスする。
　第２燃焼器３９３は、燃焼排ガスライン３２９に配置され、バイパスライン３９１から供給される排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを燃焼させる装置である。第２燃焼器３９３は、燃焼ガスを生成して排熱回収装置３９４へ供給する。
　排熱回収装置３９４は、燃焼排ガスライン３２９の第２燃焼器３９３の下流側に配置され、第２燃焼器３９３で生成された燃焼ガスから熱回収する装置である。排熱回収装置３９４は、例えば、第２燃焼器３９３で生成された燃焼ガスと第２酸化性ガス供給ライン３３１を流通する酸化性ガスとを熱交換させたり、システムの総合効率を向上させるために燃焼ガスを水などの昇温に利用して、いわゆる熱電併給（コジェネレーション）システムとしてもよい。排熱回収装置３９４を通過した燃焼ガスは、外部へ排出される。
　制御装置３８０は、発電システム３１０の各部を制御する装置である。制御装置３８０は、ハードディスクドライブ等の記憶装置に記憶されたプログラムをＣＰＵ等の演算装置が読み出して実行することにより、各種の処理を実行する。
　次に、図２および図３を参照して、発電システム３１０を運転する際に制御装置３８０がバイパス制御弁３９２を制御する動作について説明する。図２は、発電システム３１０を運転する際に制御装置３８０がバイパス制御弁３９２を制御する動作を示すフローチャートである。図３は、発電システム３１０の運転負荷とタービン３２３の目標回転数Ｒｔとの関係を示すグラフである。
　ステップＳ１０１で、制御装置３８０は、発電システム３１０の運転負荷に基づいてタービン３２３の目標回転数Ｒｔを設定する。制御装置３８０には、図３に示す発電システム３１０の運転負荷とタービン３２３の目標回転数Ｒｔとの関係を示すグラフに対応するテーブルを予め記憶部（図示略）に記憶させておく。制御装置３８０は、ステップＳ１０２以降の処理を実行する際に、発電システム３１０の運転負荷が変化することに応じて目標回転数Ｒｔの設定値を更新する。
　制御装置３８０は、発電システム３１０の現在の運転負荷を参照し、運転負荷に対応するタービン３２３の目標回転数Ｒｔを設定する。図３に示すように、発電システム３１０の現在の運転負荷が１００％に近づくにつれて目標回転数Ｒｔが漸次増加するようになっている。発電システム３１０の運転負荷は、例えば、発電システム３１０が出力可能な定格電力に対する現在の出力電力の割合を算出することにより決定される。
　ステップＳ１０２で、制御装置３８０は、回転数計３２４ａが出力する回転軸３２４の回転数（ｒｐｍ）を参照することにより、タービン３２３の回転数Ｒａを計測する。
　ステップＳ１０３で、制御装置３８０は、ステップＳ１０２で計測されたタービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔとの差が、予め定めた許容値以上であるかを判断する。制御装置３８０は、ＹＥＳと判断した場合はステップＳ１０４に処理を進め、ＮＯと判断した場合はステップＳ１０２を再び実行する。
　ステップＳ１０４で、制御装置３８０は、タービン３２３の回転数Ｒａが目標回転数Ｒｔより大きいかどうかを判断する。制御装置３８０は、ＹＥＳと判断した場合はステップＳ１０５に処理を進め、ＮＯと判断した場合はステップＳ１０６に処理を進める。
　ステップＳ１０５で、制御装置３８０は、タービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔとの差が許容値未満であり、かつタービン３２３の回転数Ｒａが目標回転数Ｒｔより大きいため、タービン３２３の回転数Ｒａが低下するようにバイパス制御弁３９２を開状態（もしくは開度を上げる）とする。バイパス制御弁３９２が開状態となると、排燃料ガス供給ライン３４５を流通する排燃料ガスＬ３を含む混合ガスの一部が燃焼排ガスライン３２９へ導かれる。
　以上のように、ステップＳ１０４およびステップＳ１０５において、制御装置３８０は、タービン３２３の回転数Ｒａと発電システム３１０の運転負荷に基づいて設定されたタービン３２３の目標回転数Ｒｔとの差が許容値未満となるようにバイパス制御弁３９２の開度を制御する。
　制御装置３８０は、ステップＳ１０５を１度実行する際にバイパス制御弁３９２を閉状態から開状態（全開、もしくはタービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔの差が許容値の範囲内となる開度）に切り替えるようにしてもよいが、他の態様としてもよい。例えば、ステップＳ１０５を１度実行する際に増加させる開度を予め設定し、予め設定した開度だけ増加させるようにしてもよい。この場合、タービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔとの差の許容値より大きい状態が継続することに応じて、複数回のバイパス制御弁３９２の開度の増加動作が行われ、最終的に全開の状態となる。
　ステップＳ１０６で、制御装置３８０は、タービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔとの差が許容値未満であり、かつタービン３２３の回転数Ｒａが目標回転数Ｒｔより小さいため、タービン３２３の回転数Ｒａが増加するようにバイパス制御弁３９２を閉状態（もしくは開度を下げる）とする。バイパス制御弁３９２が閉状態となると、排燃料ガス供給ライン３４５を流通する排燃料ガスＬ３を含む混合ガスは、燃焼排ガスライン３２９へは導かれない。
　制御装置３８０は、ステップＳ１０６を１度実行する際にバイパス制御弁３９２を開状態から閉状態（全閉、もしくはタービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔの差が許容値の範囲内となる開度）に切り替えるようにしてもよいが、他の態様としてもよい。例えば、ステップＳ１０６を１度実行する際に減少させる開度を予め設定し、予め設定した開度だけ減少させるようにしてもよい。この場合、タービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔとの差の許容値より小さい状態が継続することに応じて、複数回のバイパス制御弁３９２の開度の減少動作が行われ、最終的に全閉の状態となる。
　なお、バイパス制御弁３９２を全閉状態としても、タービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔの差が許容値範囲より小さい状態が続く場合、制御装置３８０は、制御弁３５２を開状態とし、第１燃焼器３２２へ燃料ガスＬ１が供給されるようにしてもよい。第１燃焼器３２２に燃料ガスＬ１を供給することにより、第１燃焼器３２２で生成される燃焼ガスを増加させ、タービン３２３の回転数を増加させることができる。
　ステップＳ１０７で、制御装置３８０は、発電システム３１０の運転を停止する指示が入力されたかどうかを判断し、ＹＥＳであればステップＳ１０８に処理を進め、ＮＯであればステップＳ１０２を再び実行する。
　以上のように、本実施形態の発電システム３１０は、タービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔとの差が予め定めた許容値以上であり、かつタービン３２３の回転数Ｒａが目標回転数Ｒｔより大きい場合、タービン３２３の回転数Ｒａが低下するようにバイパス制御弁３９２を開状態とする。また、本実施形態の発電システム３１０は、タービン３２３の回転数Ｒａと目標回転数Ｒｔとの差が予め定めた許容値以上であり、かつタービン３２３の回転数Ｒａが目標回転数Ｒｔより小さい場合、タービン３２３の回転数Ｒａが増加するようにバイパス制御弁３９２を閉状態とする。
　以上説明した本実施形態の発電システム３１０が奏する作用および効果について説明する。
　例えば、ターボチャージャ３１１を安定運転させるために、燃料電池３１３を部分負荷で運転する際にターボチャージャ３１１を所定の最低回転数を上回るように第１燃焼器３２２に供給される排燃料ガスＬ３を含む混合ガスの供給量を設定する。この場合、第１燃焼器３２２に燃料ガスＬ１を直接的に供給する必要がないため、発電システム全体の熱効率が低下することがない。一方、燃料電池３１３を定格負荷で運転する際に第１燃焼器３２２からタービン３２３に供給される燃焼ガスＧの熱量が過剰となり、ターボチャージャ３１１の回転数が目標回転数Ｒｔに許容値を加算した所定の回転数を上回ってしまう可能性がある。
　本実施形態の発電システム３１０によれば、バイパスライン３９１に配置されるバイパス制御弁３９２を開状態とすれば、バイパスライン３９１を介して、排燃料ガス供給ライン３４５から燃焼排ガスライン３２９へ、排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くことができる。第１燃焼器３２２に供給される排燃料ガスＬ３を含む混合ガス量が減少するため、第１燃焼器３２２からタービン３２３に供給される燃焼ガスＧの熱量が過剰となってターボチャージャ３１１の回転数Ｒａが目標回転数Ｒｔに許容値を加算した所定の回転数を上回ることを防止することができる。
　このように、本実施形態の発電システム３１０によれば、発電システム全体の熱効率を低下させることなくターボチャージャ３１１を安定運転させることができる。また、本実施形態の発電システム３１０によれば、バイパスライン３９１から供給される排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを、第２燃焼器３９３で燃焼させてから外部へ排出することができる。
　また、本実施形態の発電システム３１０によれば、排熱回収装置３９４により、第２燃焼器３９３で生成された燃焼ガスから熱回収して発電システム全体の熱効率を向上させることができる。
　また、本実施形態の発電システム３１０によれば、排燃料ガス供給ライン３４５からバイパスライン３９１を介して燃焼排ガスライン３２９へ、排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くことにより、タービン３２３に供給される燃焼ガスの熱量が過剰となってターボチャージャ３１１の回転数が所定の回転数を上回ることを防止することができる。また、タービン３２３を通過する燃焼ガスＧの熱量と流量を減少させることにより、バイパスライン３９１を用いることにより調整可能なターボチャージャ３１１の回転数の制御範囲を拡大させることができる。
　また、本実施形態の発電システム３１０によれば、制御弁３４７の上流側よりも低圧力の制御弁３４７の下流側から燃焼排ガスライン３２９へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導く。そのため、制御弁３４７の上流側から燃焼排ガスライン３２９へ排燃料ガスＬ３を導く場合に比べ、タービン３２３に供給される空気量を適切に調整し、タービン３２３の回転数の制御範囲を広くすることができる。
　本実施形態の発電システム３１０によれば、制御弁３４７の下流側から熱交換器３３０の下流側へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くことにより熱交換器３３０への入熱量を調整し、発電システム３１０全体の制御範囲を広くすることができる。
　本実施形態の発電システム３１０は、燃焼排ガスライン３２９に第２燃焼器３９３を配置するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、バイパスライン３９１のバイパス制御弁３９２の下流側に第２燃焼器３９３を配置しても良い。この場合、第２燃焼器３９３として、バイパスライン３９１へ導かれた排燃料ガスＬ３のみを燃焼させるのに必要な能力を有する小型の燃焼器を採用することができる。
〔第２実施形態〕
　次に、本開示の第２実施形態に係る発電システム３１０Ａについて、図４を参照して説明する。本実施形態の発電システム３１０Ａは、第１実施形態の発電システム３１０の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとする。
　第１実施形態の発電システム３１０は、制御弁３４７の上流側よりも低圧力の制御弁３４７の下流側から燃焼排ガスライン３２９へ排燃料ガスＬ３を導くものであった。それに対して、本実施形態の発電システム３１０Ａは、制御弁３４７の下流側よりも高圧力の制御弁３４７の上流側から燃焼排ガスライン３２９へ排燃料ガスＬ３を導くものである。つまり、排燃料ガスＬ３の一部は制御弁３４７と第１燃焼器３２２とタービン３２３および熱交換器３３０をバイパスする。
　図４に示すように、本実施形態の発電システム３１０Ａは、バイパスライン３９１の一端が制御弁３４７の上流側で排燃料ガス供給ライン３４５に接続され、バイパスライン３９１の他端が熱交換器３３０の下流側で燃焼排ガスライン３２９に接続されている。バイパスライン３９１は、排燃料ガス供給ライン３４５の制御弁３４７の上流側から燃焼排ガスライン３２９の熱交換器３３０の下流側へ排燃料ガスＬ３を導く。
　本実施形態の発電システム３１０Ａによれば、制御弁３４７の上流側からバイパスライン３９１を介して燃焼排ガスライン３２９へ排燃料ガスＬ３を導く。そのため、制御弁３４７の下流側から燃焼排ガスライン３２９へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導く場合に比べ、第１燃焼器３２２に供給される混合ガスのうち、排燃料ガスＬ３の流量のみを減少させるため、ターボチャージャ３１１の回転数をより細かに調整することができる。
　本実施形態の発電システム３１０Ａによれば、バイパスライン３９１は、排燃料ガス供給ライン３４５の制御弁３４７の上流側から燃焼排ガスライン３２９の熱交換器３３０の下流側へ排燃料ガスＬ３を導く。本実施形態の発電システム３１０Ａによれば、制御弁３４７の下流側から熱交換器３３０の下流側へ排燃料ガスＬ３を導くことにより、熱交換器３３０への入熱量を調整し、発電システム３１０全体の制御範囲を広くすることができる。
　本実施形態の発電システム３１０Ａは、燃焼排ガスライン３２９に第２燃焼器３９３を配置するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、バイパスライン３９１のバイパス制御弁３９２の下流側に第２燃焼器３９３を配置しても良い。この場合、第２燃焼器３９３として、バイパスライン３９１へ導かれた排燃料ガスＬ３のみを燃焼させるのに必要な能力を有する小型の燃焼器を採用することができる。
〔第３実施形態〕
　次に、本開示の第３実施形態に係る発電システム３１０Ｂについて、図５を参照して説明する。本実施形態の発電システム３１０Ｂは、第１実施形態の発電システム３１０の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとする。
　第１実施形態の発電システム３１０は、制御弁３４７の下流側から燃焼排ガスライン３２９へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くものであった。それに対して、本実施形態の発電システム３１０Ｂは、制御弁３４７の下流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くものである。つまり、排燃料ガスＬ３を含む混合ガスは第１燃焼器３２２をバイパスする。
　図５に示すように、本実施形態のバイパスライン３９１は、排燃料ガス供給ライン３４５の制御弁３４７の下流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導く。
　本実施形態の発電システム３１０Ｂによれば、排燃料ガス供給ライン３４５から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くことにより、第１燃焼器３２２で生成される燃焼ガスＧの熱量が過剰となってターボチャージャ３１１の回転数Ｒａが目標回転数Ｒｔに許容値を加算した所定の回転数を上回ることを防止することができる。また、タービン３２３に供給される燃焼ガスＧの熱量を所定範囲内で維持することにより、ターボチャージャ３１１の回転数の制御特性を維持することができる。
　また、本実施形態の発電システム３１０Ａによれば、排燃料ガス供給ライン３４５から燃焼ガス供給ライン３２８（タービン３２３の上流側）へ、排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導く。そのため、燃焼排ガスライン３２９（タービン３２３の下流側）へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導く場合に比べ、タービン３２３に供給される燃焼ガスＧの熱量は変化するが、流量は変化しないため、ターボチャージャ３１１の回転数をより細かに調整することができる。
　図５に示すように、本実施形態の発電システム３１０Ｂにおいて、バイパスライン３９１は、排燃料ガス供給ライン３４５の制御弁３４７の下流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導く。このようにすることで、制御弁３４７の上流側よりも低圧力の制御弁３４７の下流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３が導かれる。そのため、制御弁３４７の上流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を導く場合に比べ、タービン３２３に供給される空気量を適切に調整し、タービン３２３の回転数の制御範囲を広くすることができる。
〔第４実施形態〕
　次に、本開示の第４実施形態に係る発電システム３１０Ｃについて、図６を参照して説明する。本実施形態の発電システム３１０Ｃは、第３実施形態の発電システム３１０Ｂの変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第３実施形態と同様であるものとする。
　第３実施形態の発電システム３１０Ｂは、制御弁３４７の下流側からバイパスライン３９１を介して燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くものであった。それに対して、本実施形態の発電システム３１０Ｃは、制御弁３４７の上流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を導くものである。つまり、排燃料ガスＬ３の一部は第１燃焼器３２２をバイパスする。
　図６に示すように、本実施形態の発電システム３１０Ｃは、バイパスライン３９１の一端が制御弁３４７の上流側で排燃料ガス供給ライン３４５に接続され、バイパスライン３９１の他端が燃焼ガス供給ライン３２８に接続されている。バイパスライン３９１は、排燃料ガス供給ライン３４５の制御弁３４７の上流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を導く。
　本実施形態の発電システム３１０Ｃによれば、制御弁３４７の上流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を導く。そのため、制御弁３４７の下流側から燃焼ガス供給ライン３２８へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導く場合に比べ、第１燃焼器３２２に供給される混合ガスのうち、排燃料ガスＬ３の流量のみを減少させるため、ターボチャージャ３１１の回転数をより細かに調整することができる。
〔第５実施形態〕
　次に、本開示の第５実施形態に係る発電システム３１０Ｄについて、図７を参照して説明する。本実施形態の発電システム３１０Ｄは、第２実施形態の発電システム３１０Ａの変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第２実施形態と同様であるものとする。
　第２実施形態の発電システム３１０Ａは、制御弁３４７の上流側から燃焼排ガスライン３２９の熱交換器３３０の下流側へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くものであった。それに対して、本実施形態の発電システム３１０Ｄは、制御弁３４７の上流側からバイパスライン３９１を介して燃焼排ガスライン３２９の熱交換器３３０の上流側へ排燃料ガスＬ３を導くものである。つまり、排燃料ガスＬ３の一部は第１燃焼器３２２とタービン３２３をバイパスする。
　図７に示すように、本実施形態の発電システム３１０Ｄにおいて、バイパスライン３９１は、排燃料ガス供給ライン３４５の制御弁３４７の上流側から燃焼排ガスライン３２９の熱交換器３３０の上流側へ排燃料ガスＬ３を導く。熱交換器３３０の上流側へ排燃料ガスＬ３を導くことにより、熱交換器３３０を通過するガス量を所定範囲内に維持することができる。
　本実施形態の発電システム３１０Ｄは、燃焼排ガスライン３２９に第２燃焼器３９３を配置するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、バイパスライン３９１のバイパス制御弁３９２の下流側に第２燃焼器３９３を配置しても良い。この場合、第２燃焼器３９３として、バイパスライン３９１へ導かれた排燃料ガスＬ３のみを燃焼させるのに必要な能力を有する小型の燃焼器を採用することができる。
〔第６実施形態〕
　次に、本開示の第６実施形態に係る発電システム３１０Ｅについて、図８を参照して説明する。本実施形態の発電システム３１０Ｅは、第１実施形態の発電システム３１０の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとする。
　第１実施形態の発電システム３１０は、制御弁３４７の下流側から燃焼排ガスライン３２９の熱交換器３３０の下流側へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くものであった。それに対して、本実施形態の発電システム３１０Ｅは、制御弁３４７の下流側から燃焼排ガスライン３２９の熱交換器３３０の上流側へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くものである。つまり、排燃料ガスＬ３を含む混合ガスの一部は第１燃焼器３２２とタービン３２３をバイパスする。
　図８に示すように、本実施形態の発電システム３１０Ｅにおいて、バイパスライン３９１は、排燃料ガス供給ライン３４５の制御弁３４７の下流側から燃焼排ガスライン３２９の熱交換器３３０の上流側へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導く。熱交換器３３０の上流側へ排燃料ガスＬ３を含む混合ガスを導くことにより、熱交換器３３０を通過するガス量を所定範囲内に維持することができる。
　本実施形態の発電システム３１０Ｅは、燃焼排ガスライン３２９に第２燃焼器３９３を配置するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、バイパスライン３９１のバイパス制御弁３９２の下流側に第２燃焼器３９３を配置しても良い。この場合、第２燃焼器３９３として、バイパスライン３９１へ導かれた排燃料ガスＬ３を含む混合ガスのみを燃焼させるのに必要な能力を有する小型の燃焼器を採用することができる。
　以上説明した実施形態は、例えば以下のように把握される。
　本開示の第１態様に係る燃料電池システム（３１０）は、空気極（１１３）と燃料極（１０９）を有する燃料電池（３１３）と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスライン（３４１）と、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させる第１燃焼器（４２２）と、前記第１燃焼器へ前記排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ライン（３４５）と、前記第１燃焼器で生成された燃焼ガスが供給されるタービン（３２３）と、前記燃焼ガスを前記第１燃焼器から前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ライン（３２８）と、前記タービンを通過した前記燃焼ガスを排出する燃焼排ガスライン（３２９）と、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインまたは前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導くバイパスライン（３９１）と、前記バイパスラインに配置されるバイパス制御弁（３９２）と、を備える。
　例えば、タービンを安定運転させるために、燃料電池を部分負荷で運転する際にタービンを所定の最低回転数を上回るように第１燃焼器に供給される排燃料ガスの供給量を設定する。この場合、第１燃焼器に燃料ガスを直接的に供給する必要がないため、システム全体の熱効率が低下することがない。一方、燃料電池を定格負荷で運転する際に第１燃焼器からタービンに供給される燃焼ガスの熱量が過剰となり、タービンの回転数が所定の回転数を上回ってしまう可能性がある。
　本開示の第１態様に係る燃料電池システムによれば、バイパスラインに配置されるバイパス制御弁を開状態とすれば、バイパスラインを介して、排燃料ガス供給ラインから燃焼ガス供給ラインまたは燃焼排ガスラインへ排燃料ガスを導くことができる。第１燃焼器に供給される排燃料ガスが減少するため、第１燃焼器からタービンに供給される燃焼ガスの熱量が過剰となってタービンの回転数が所定の回転数を上回ることを防止することができる。このように、本開示の第１態様に係る燃料電池システムによれば、システム全体の熱効率を低下させることなくタービンを安定運転させることができる。
　本開示の第２態様に係る燃料電池システムは、第１態様において、前記燃焼排ガスラインに配置され、前記バイパスラインから供給される前記排燃料ガスを燃焼させる第２燃焼器（３９３）を備える。
　本開示の第２態様に係る燃料電池システムによれば、バイパスラインから供給される排燃料ガスを第２燃焼器で燃焼させてから排出することができる。
　本開示の第３態様に係る燃料電池システムは、第２態様において、前記燃焼排ガスラインの前記第２燃焼器の下流側に配置され、前記第２燃焼器で生成された燃焼ガスから熱回収する排熱回収装置（３９４）を備える。
　本開示の第３態様に係る燃料電池システムによれば、排熱回収装置により、第２燃焼器で生成された燃焼ガスから熱回収してシステム全体の熱効率を向上させることができる。
　本開示の第４態様に係る燃料電池システムは、第１態様から第３態様のいずれかにおいて、前記バイパスラインが、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導く。
　本開示の第４態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから燃焼排ガスラインへ排燃料ガスを導くことにより、タービンに供給される燃焼ガスの熱量が過剰となってターボチャージャの回転数が所定の回転数を上回ることを防止することができる。また、タービンを通過する燃焼ガスの熱量を減少させることにより、バイパスラインを用いることにより調整可能なターボチャージャの回転数の制御範囲を拡大させることができる。
　本開示の第５態様に係る燃料電池システムは、第４態様において、前記酸化性ガス供給ラインおよび前記燃焼排ガスラインに配置され、前記タービンを通過した前記燃焼ガスと前記空気極へ供給される酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器（３３０）を備え、前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインの前記熱交換器の下流側へ前記排燃料ガスを導く。
　本開示の第５態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから燃焼排ガスラインの熱交換器の下流側へ排燃料ガスを導くことにより、熱交換器への入熱量を調整し、発電システム全体の制御範囲を広くすることができる。
　本開示の第６態様に係る燃料電池システムは、第４態様において、前記酸化性ガス供給ラインおよび前記燃焼排ガスラインに配置され、前記タービンを通過した前記燃焼ガスと前記空気極へ供給される酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインの前記熱交換器の上流側へ前記排燃料ガスを導く。
　本開示の第６態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから燃焼排ガスラインの熱交換器の上流側へ排燃料ガスを導くことにより、熱交換器を通過するガス量を所定範囲内に維持することができる。
　本開示の第７態様に係る燃料電池システムは、第１態様から第３態様のいずれかにおいて、前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを含むガスを導く。
　本開示の第７態様に係る燃料電池システムによれば、バイパスラインが排燃料ガス供給ラインから燃焼排ガスラインへ排燃料ガスを含むガスを導くため、タービンに供給される空気量を適切に調整し、タービンの回転数の制御範囲を広くすることができる。
　本開示の第８態様に係る燃料電池システムは、第７態様において、前記酸化性ガス供給ラインおよび前記燃焼排ガスラインに配置され、前記タービンを通過した前記燃焼ガスと前記空気極へ供給される酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインの前記熱交換器の下流側へ前記排燃料ガスを含むガスを導く。
　本開示の第８態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから熱交換器の下流側へ排燃料ガスを含むガスを導くことにより、熱交換器への入熱量を調整し、発電システム全体の制御範囲を広くすることができる。
　本開示の第９態様に係る燃料電池システムは、第７態様において、前記酸化性ガス供給ラインおよび前記燃焼排ガスラインに配置され、前記タービンを通過した前記燃焼ガスと前記空気極へ供給される酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインの前記排燃料ガス制御弁の下流側から前記燃焼排ガスラインの前記熱交換器の上流側へ前記排燃料ガスを導く。
　本開示の第９態様に係る燃料電池システムによれば、熱交換器の上流側へ排燃料ガスを導くことにより、熱交換器を通過するガス量を維持することができる。
　本開示の第１０態様に係る燃料電池システムは、第１態様から第３態様のいずれかにおいて、前記バイパスラインが、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインへ前記排燃料ガスを導く。
　本開示の第１０態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから燃焼ガス供給ラインへ排燃料ガスを導くことにより、第１燃焼器で生成される燃焼ガスが過剰となってターボチャージャの回転数が所定の回転数を上回ることを防止することができる。また、タービンに供給されるガス量を所定範囲内で維持することにより、ターボチャージャの回転数の制御特性を維持することができる。
　本開示の第１１態様に係る燃料電池システムは、第１態様から第３態様のいずれかにおいて、前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインへ前記排燃料ガスを含むガスを導く。
　本開示の第１１態様に係る燃料電池システムによれば、排燃料ガス供給ラインから燃焼ガス供給ラインへ排燃料ガスを導く。第１燃焼器に供給される混合ガスのうち、排燃料ガスの流量のみを減少させるため、タービンの回転数をより細かに調整することができる。
　本開示の第１態様に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムは、空気極と燃料極を有する燃料電池と、燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させる第１燃焼器と、前記第１燃焼器へ前記排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、前記第１燃焼器で生成された燃焼ガスが供給されるタービンと、前記燃焼ガスを前記第１燃焼器から前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、前記タービンを通過した前記燃焼ガスを排出する燃焼排ガスラインと、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインまたは前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導くバイパスラインと、前記バイパスラインに配置されるバイパス制御弁と、を備え、前記タービンが所定の回転数となるように前記バイパス制御弁の開度を制御する制御工程を備える。
　本開示の第１態様に係る燃料電池システムの制御方法によれば、制御工程において、タービンが所定の回転数となるようにバイパスラインに配置されるバイパス制御弁の開度を制御することにより、バイパスラインを介して、排燃料ガス供給ラインから燃焼ガス供給ラインまたは燃焼排ガスラインへ排燃料ガスを導くことができる。第１燃焼器に供給される排燃料ガスが減少するため、第１燃焼器からタービンに供給される燃焼ガスが過剰となってタービンの回転数が所定の回転数を上回ることを防止することができる。このように、本開示の第１態様に係る燃料電池システムによれば、システム全体の熱効率を低下させることなくタービンを安定運転させることができる。
　本開示の第２態様に係る燃料電池システムの制御方法は、第１態様において、前記制御工程は、前記タービンの回転数と前記燃料電池システムの運転負荷に基づいて設定された前記タービンの目標回転数との差が許容値未満となるように前記バイパス制御弁の開度を制御する。
　本開示の第２態様に係る燃料電池システムの制御方法によれば、バイパス制御弁の開度を制御することにより、タービンの回転数と目標回転数との差が許容値未満となるようにすることができる。
１０９　　　　燃料極
１１３　　　　空気極
３１０，３１０Ａ，３１０Ｂ，３１０Ｃ，３１０Ｄ，３１０Ｅ　発電システム
３１１　　　　ターボチャージャ
３２１　　　　圧縮機
３２２　　　　第１燃焼器
３２３　　　　タービン
３２６　　　　第１酸化性ガス供給ライン
３２７，３３５，３３６，３４２，３４６，３４７，３５２　制御弁
３２８　　　　燃焼ガス供給ライン
３２９　　　　燃焼排ガスライン
３３０　　　　熱交換器
３３１　　　　第２酸化性ガス供給ライン
３３２　　　　バイパスライン
３３３　　　　排酸化性ガス排出ライン
３４１　　　　第２燃料ガス供給ライン
３４３　　　　排燃料ガスライン
３４５　　　　排燃料ガス供給ライン
３４８　　　　再循環ブロワ
３４９　　　　燃料ガス再循環ライン
３５１　　　　第１燃料ガス供給ライン
３７２　　　　制御弁
３８０　　　　制御装置
３９１　　　　バイパスライン
３９２　　　　バイパス制御弁
３９３　　　　第２燃焼器
３９４　　　　排熱回収装置
 

Claims (13)

  1. 　空気極と燃料極を有する燃料電池と、
    　燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、
    　前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させる第１燃焼器と、
    　前記第１燃焼器へ前記排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、
    　前記第１燃焼器で生成された燃焼ガスが供給されるタービンと、
    　前記燃焼ガスを前記第１燃焼器から前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、
    　前記タービンを通過した前記燃焼ガスを排出する燃焼排ガスラインと、
    　前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインまたは前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導くバイパスラインと、
    　前記バイパスラインに配置されるバイパス制御弁と、を備える燃料電池システム。
  2. 　前記燃焼排ガスラインに配置され、前記バイパスラインから供給される前記排燃料ガスを燃焼させる第２燃焼器を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記燃焼排ガスラインの前記第２燃焼器の下流側に配置され、前記第２燃焼器で生成された前記燃焼ガスから熱回収する排熱回収装置を備える請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導く請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記空気極へ酸化性ガスを導く酸化性ガス供給ラインおよび前記燃焼排ガスラインに配置され、前記タービンを通過した前記燃焼ガスと前記空気極へ供給される酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、
    　前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインの前記熱交換器の下流側へ前記排燃料ガスを導く請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 　前記空気極へ酸化性ガスを導く酸化性ガス供給ラインおよび前記燃焼排ガスラインに配置され、前記タービンを通過した前記燃焼ガスと前記空気極へ供給される酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、
    　前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインの前記熱交換器の上流側へ前記排燃料ガスを導く請求項４に記載の燃料電池システム。
  7. 　前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを含むガスを導く請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  8. 　前記空気極へ酸化性ガスを導く酸化性ガス供給ラインおよび前記燃焼排ガスラインに配置され、前記タービンを通過した前記燃焼ガスと前記空気極へ供給される酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、
    　前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインの前記熱交換器の下流側へ前記排燃料ガスを含むガスを導く請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. 　前記空気極へ酸化性ガスを導く酸化性ガス供給ラインおよび前記燃焼排ガスラインに配置され、前記タービンを通過した前記燃焼ガスと前記空気極へ供給される酸化性ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を備え、
    　前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼排ガスラインの前記熱交換器の上流側へ前記排燃料ガスを含むガスを導く請求項７に記載の燃料電池システム。
  10. 　前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインへ前記排燃料ガスを導く請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  11. 　前記バイパスラインは、前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインへ前記排燃料ガスを含むガスを導く請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  12. 　燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記燃料電池システムは、
    　空気極と燃料極を有する燃料電池と、
    　燃料ガスを前記燃料極へ供給する燃料ガスラインと、
    　前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させる第１燃焼器と、
    　前記第１燃焼器へ前記排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ラインと、
    　前記第１燃焼器で生成された燃焼ガスが供給されるタービンと、
    　前記燃焼ガスを前記第１燃焼器から前記タービンへ供給する燃焼ガス供給ラインと、
    　前記タービンを通過した前記燃焼ガスを排出する燃焼排ガスラインと、
    　前記排燃料ガス供給ラインから前記燃焼ガス供給ラインまたは前記燃焼排ガスラインへ前記排燃料ガスを導くバイパスラインと、
    　前記バイパスラインに配置されるバイパス制御弁と、を備え、
    　前記タービンが所定の回転数となるように前記バイパス制御弁の開度を制御する制御工程を備える燃料電池システムの制御方法。
  13. 　前記制御工程は、前記タービンの回転数と前記燃料電池システムの運転負荷に基づいて設定された前記タービンの目標回転数との差が許容値未満となるように前記バイパス制御弁の開度を制御する請求項１２に記載の燃料電池システムの制御方法。
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