KR20190101852A - 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템, 연료 전지 및 온도 분포 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

운전 상태를 최적화하여 발전 출력을 향상시킬 수 있는 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템, 연료 전지 및 온도 분포 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
공기극과 고체 전해질과 연료극(109)이 적층되어 형성되어 있는 연료 전지 셀에 있어서 공기극측을 흐르는 산화성 가스와 연료극측을 흐르는 연료 가스를 반응시켜 발전을 행하는 발전부를 갖는 셀 스택을 구비하는 연료 전지(313)의 온도 분포 제어 시스템이며, 발전부에 있어서의 연료 가스의 공급부의 온도를 계측하는 온도 계측부와, 온도 계측부에 의한 계측 결과에 기초하여, 연료 가스의 공급부의 온도를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어함으로써, 발전부에 있어서의 연료 가스 흐름 방향의 온도 분포 상태를 제어하는 제어부를 구비한다.

Description

연료 전지의 온도 분포 제어 시스템, 연료 전지 및 온도 분포 제어 방법{TEMPERATURE DISTRIBUTION CONTROL SYSTEM FOR FUEL CELL, FUEL CELL, AND TEMPERATURE DISTRIBUTION CONTROL METHOD FOR FUEL CELL}
본 발명은, 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템, 연료 전지 및 온도 분포 제어 방법에 관한 것이다.
연료 전지의 일 방식인 고체 산화물형 연료 전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)는, 전해질로서 지르코니아 세라믹스 등의 세라믹스가 사용되고, 도시가스, 천연가스, 석유, 메탄올, 석탄 가스화 가스 등을 연료로 하여 운전되는 연료 전지이다. SOFC의 셀 스택(발전부)에 있어서, 공기극측에 공기 등의 산화성 가스가 공급됨과 함께, 전해질을 사이에 두고 설치한 연료극측에 전술한 연료 가스를 공급하여, 약 700℃ 내지 1000℃의 고온 분위기에서 반응시켜 발전을 행하고 있다. SOFC에 있어서, 산화성 가스와 연료 가스의 반응에 의한 발전량은 온도 의존 특성을 갖고 있으므로, 발전량은 온도 저하에 따라서 저하된다.
특허문헌 1에는, 셀 스택에 있어서의 연료 가스 입구측의 온도가 소정 온도보다 낮아지지 않도록 제어하여, 발전 성능 저하를 억제하는 것이 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2017-142919호 공보
그러나 SOFC 셀 스택은 긴 구조이며, 셀 스택에 있어서의 연료 가스 흐름 방향(길이 방향)에 있어서의 온도 분포 상태는, 셀 스택의 발전 영역의 중앙 부근의 온도에 대해 발전 영역의 연료 가스 공급구 부근의 온도 및 발전 영역의 연료 가스 배출구 부근의 온도가 저하된 상태인 활형 온도 분포 상태가 된다. 즉, 셀 스택에 있어서의 발전 영역의 중앙 부근의 온도를 고온 상태로 유지해도, 발전 영역의 연료 가스 입구측 부근의 온도나, 연료 가스의 배출구측 부근의 온도가 저하되어 있었던 경우에는, 온도가 낮은 영역 부근의 셀의 저항이 커져 발전량이 저하되어, SOFC 셀 스택의 출력이 저하될 가능성이 있다.
본 발명은, 이러한 사정에 비추어 이루어진 것이며, 운전 상태를 최적화하여 발전 출력을 향상시킬 수 있는 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템, 연료 전지 및 온도 분포 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 양태는, 공기극과 고체 전해질과 연료극이 적층되어 형성되어 있는 연료 전지 셀에 있어서 상기 공기극측을 흐르는 산화성 가스와 상기 연료극측을 흐르는 연료 가스를 반응시켜 발전을 행하는 발전부를 갖는 셀 스택을 구비하는 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템이며, 상기 발전부에 있어서의 상기 연료 가스의 공급부의 온도를 계측하는 온도 계측부와, 상기 온도 계측부에 의한 계측 결과에 기초하여, 상기 연료 가스의 공급부의 온도를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어함으로써, 상기 발전부에 있어서의 연료 가스 흐름 방향의 온도 분포 상태를 제어하는 제어부를 구비하는 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템이다.
상기와 같은 구성에 의하면, 발전부(셀 스택의 발전 영역)에 있어서의 연료 가스의 공급부의 온도를 제어 대상으로 하였다. 발전부에 있어서의 연료 가스 흐름 방향의 온도 분포 상태는, 발전부의 중앙부의 온도에 대해 연료 가스의 공급부의 온도 및 연료 가스의 배출부의 온도가 저하된 상태인 활형 온도 분포 상태로 되어 있고, 당해 활형 온도 분포의 온도차나 온도 분포 상태는, 발전부에 있어서의 연료 가스의 공급부의 온도에 의해 대략 일의적으로 추정할 수 있다. 즉, 발전부에 있어서의 연료 가스의 공급부의 온도 제어에 의해, 발전부 전체의 온도 분포 상태를 제어할 수 있다. 예를 들어, 발전부에 있어서의 연료 가스 흐름 방향의 온도 분포 상태에 있어서, 발전부에 있어서의 연료 가스의 공급부의 온도가 과도하게 낮은 경우에는, 연료 가스의 배출부의 온도도 과도하게 저하되어, 발전부 전체의 발전량이 저하된다. 한편, 연료 가스의 공급부의 온도가 과도하게 높은 경우라도, 연료 가스의 배출부의 온도가 낮아져, 발전부 전체의 발전량이 저하된다. 이와 같이, 발전부에 있어서의 연료 가스의 공급부의 온도에 따라서, 연료 가스의 배출부의 온도가 낮아져, 발전부 전체의 발전량 저하를 초래할 가능성이 있다. 그래서 연료 가스의 공급부의 온도를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어함으로써, 발전부에 있어서의 연료 가스 흐름 방향의 온도 분포 상태를 적절하게 제어하고, 연료 가스 배출부의 온도도 적정 온도(고온 상태)로 할 수 있다. 이 때문에, 발전부에 있어서의 연료 가스의 공급부의 온도를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어함으로써, 발전부에 있어서의 운전 상태를 최적화하여, 발전 출력을 향상시키는 것이 가능해진다. 또한, 발전부에 있어서의 연료 가스의 공급부의 온도라 함은, 발전부에 있어서의 연료 가스의 공급구 부근의 온도이다.
또한, 종래에는, 연료 전지 발전 시스템의 시운전 조정 시나 연료의 종류나 조건 등이 변경되었을 때에는, 셀 스택의 발전부의 온도 분포 상태가 바뀌어, 이 발전부의 온도 분포에 의한 발전량 저하를 억제하기 위해, 운전자가 시행착오를 반복하면서 각 운전 조건의 조정을 행하고 있었다. 이 때문에, 운전 조건 조정에 시간을 요하여, 효율적으로 발전부 전체에 있어서의 운전 온도 상태를 최적화하는 것이 곤란하였다. 그러나 연료 가스의 공급부의 온도를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어함으로써 발전부에 있어서의 온도 분포 상태를 최적화할 수 있기 때문에, 연료 종류의 다양화에 대해 발전 출력을 향상시키고, 운전 조건 조정에 걸리는 시간을 단축시켜, 운전원의 작업 부담을 경감할 수 있다.
상기 온도 분포 제어 시스템에 있어서, 상기 적정 온도 범위는, 상기 발전부에 있어서의 중앙부의 온도에 기초하여 결정되는 것으로 해도 된다.
상기와 같은 구성에 의하면, 적정 온도 범위를 발전부에 있어서의 중앙 부근의 온도에 기초하여 결정하는 것으로 하였기 때문에, 적정 온도 범위를 용이하게 설정하는 것이 가능해진다. 예를 들어, 적정 온도 범위는, 발전부의 연료 가스 흐름 방향에 있어서의 중앙부의 온도에 대해, 80％ 이상 또한 90％ 이하의 범위로 설정된다.
상기 온도 분포 제어 시스템에 있어서, 상기 연료극에 공급되는 상기 연료 가스는, 상기 발전부의 연료극측으로부터 배출된 배출 연료 가스의 적어도 일부를 배출 연료 가스의 재순환 유량으로서 포함하고, 상기 제어부는, 상기 배출 연료 가스의 재순환 유량을 증감시킴으로써, 상기 연료 가스의 공급부의 온도를 미리 설정된 상기 적정 온도 범위 내로 제어하는 배출 연료 가스 재순환 유량 제어부를 구비하는 것으로 해도 된다.
상기와 같은 구성에 의하면, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 증감시킴으로써, 연료 가스의 공급부의 온도를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어한다. 배출 연료 가스는, 발전부에서 발전 반응에 기여하지 않은 가연성 가스인 메탄(CH4) 등을 포함하고 있다. 이 때문에, 연료 가스의 공급부에서는, 배출 연료 가스의 개질 반응(예를 들어, 가연성 가스인 메탄(CH4)과 수증기가 반응하여, 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 개질함)에 의한 흡열 작용에 의해, 온도 저하가 발생한다. 즉, 배출 연료 가스의 재순환 유량과, 발전부에 있어서의 연료 가스의 공급부의 온도는 상관관계를 갖는다. 이 때문에, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 제어함으로써, 발전부에 있어서의 연료 가스의 공급부의 온도를 조정할 수 있다. 예를 들어, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 저감시킴으로써, 배출 연료 가스의 개질 반응, 즉 흡열 작용을 억제하여, 연료 가스의 공급부의 온도를 상승시킬 수 있다. 이상으로부터, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 증감시킴으로써, 발전부에 있어서의 운전 상태를 최적화하여, 발전 출력을 향상시키는 것이 가능해진다.
상기 온도 분포 제어 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 연료 이용률을 증감시킴으로써, 상기 연료 가스의 공급부의 온도를 미리 설정된 상기 적정 온도 범위 내로 제어하는 연료 이용률 제어부를 구비하는 것으로 해도 된다.
상기와 같은 구성에 의하면, 연료 이용률을 증감시킴으로써 연료 가스의 공급부의 온도를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어하기 때문에, 발전부에 있어서의 운전 상태를 최적화하여, 발전 출력을 향상시키는 것이 가능해진다. 연료 가스의 공급부에서는, 연료 가스의 개질(예를 들어, 가연성 가스인 메탄(CH4)과 수증기가 반응하여, 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 개질함)에 의한 흡열 작용에 의해, 온도 저하가 발생한다. 즉, 연료 가스에 포함되는 가연성 가스를 발전 반응에 사용하는 비율인 연료 이용률의 증감에 수반하여 개질 반응량도 증감의 변화를 하기 때문에, 연료 이용률과 발전부에 있어서의 연료 가스의 공급부의 온도와는 상관관계를 갖는다. 이 때문에, 총 연료 가스의 연료 이용률을 제어함으로써, 발전부에 있어서의 연료 가스의 공급부의 온도를 조정할 수 있다. 예를 들어, 가연성 가스의 유량을 증가시켜 연료 이용률을 저감시키는 것, 가연성 가스의 개질 반응, 즉 흡열 작용을 촉진하여, 연료 가스의 공급부의 온도를 저하시킬 수 있다. 또한, 연료 이용률이라 함은, 외부로부터 공급한 연료에 대해 발전 반응에 이용된 연료의 비율이다.
상기 온도 분포 제어 시스템에 있어서, 상기 제어부는, 상기 산화성 가스의 온도를 제어함으로써, 상기 연료 가스의 공급구 부근의 온도를 미리 설정된 상기 적정 온도 범위 내로 제어하는 산화성 가스 온도 제어부를 구비하는 것으로 해도 된다.
상기와 같은 구성에 의하면, 산화성 가스의 온도를 제어함으로써 연료 가스의 공급구 부근(공급부)의 온도를 미리 설정된 상기 적정 온도 범위 내로 제어하기 때문에, 발전부에 있어서의 운전 상태를 최적화하여, 발전 출력을 향상시키는 것이 가능해진다. 일반적으로, 산화성 가스는 발전부 전체의 냉각원으로 되어 있어, 연료 전지에 있어서의 발전부 전체의 온도에 영향을 미치고 있다. 이 때문에, 산화성 가스의 온도를 제어함으로써, 연료 가스의 공급부를 포함하는 발전부 전체의 온도를 제어할 수 있다.
본 발명의 제2 양태는, 산화성 가스와 연료 가스를 반응시켜 발전을 행하는 발전부와, 상기한 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템을 구비한 연료 전지이다.
본 발명의 제3 양태는, 공기극과 고체 전해질과 연료극이 적층되어 형성되어 있는 연료 전지 셀에 있어서 상기 공기극측을 흐르는 산화성 가스와 상기 연료극측을 흐르는 연료 가스를 반응시켜 발전을 행하는 발전부를 갖는 복수의 셀 스택을 구비하는 연료 전지의 온도 분포 제어 방법이며, 상기 발전부에 있어서의 상기 연료 가스의 공급부의 온도를 계측하는 온도 계측 공정과, 상기 온도 계측 공정에 의한 계측 결과에 기초하여, 상기 연료 가스의 공급부의 온도를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어함으로써, 상기 발전부에 있어서의 연료 가스 흐름 방향의 온도 분포 상태를 제어하는 제어 공정을 포함하는 연료 전지의 온도 분포 제어 방법이다.
본 발명에 따르면, 연료 전지에 있어서, 운전 상태를 최적화하여 발전 출력을 향상시킬 수 있다고 하는 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 셀 스택의 일 양태를 나타내는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 SOFC 모듈의 일 양태를 나타내는 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 SOFC 카트리지의 단면의 일 양태를 나타내는 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 발전 시스템의 일 양태를 나타내는 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 발전 시스템에 있어서의 제어 장치가 구비하는 기능을 나타낸 기능 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 발전 시스템의 셀 스택에 있어서의 온도 분포 상태를 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 발전 시스템에 관한 배출 연료 가스 유량 제어와 연료 이용률 제어에 있어서의 셀 스택에 있어서의 온도 T2와 온도 T3의 관계를 예시한 도면이다(유량이 어느 일정한 값 이상인 경우).
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 발전 시스템에 관한 배출 연료 가스 유량 제어와 연료 이용률 제어에 있어서의 셀 스택에 있어서의 온도 T2와 온도 T3의 관계를 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 발전 시스템에 관한 산화성 가스 유량 제어에 있어서의 셀 스택에 있어서의 온도 T2와 온도 T3의 관계를 예시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 온도 분포 제어부에 의한 온도 분포 제어의 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 온도 분포 제어부에 의한 배출 연료 가스 유량 제어의 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 온도 분포 제어부에 의한 연료 이용률 제어의 흐름도를 나타낸 도면이다.
이하에, 본 발명에 관한 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템, 연료 전지 및 온도 분포 제어 방법의 일 실시 형태에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.
이하에 있어서는, 설명의 편의상, 지면을 기준으로 하여 「상」 및 「하」라는 표현을 사용하여 설명한 각 구성 요소의 위치 관계는, 각각 연직 상방측, 연직 하방측을 나타내는 것이다. 또한, 본 실시 형태에서는, 상하 방향과 수평 방향에서 마찬가지의 효과를 얻을 수 있는 것은, 지면에 있어서의 상하 방향이 반드시 연직 상하 방향에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 연직 방향에 직교하는 수평 방향에 대응해도 된다.
또한, 이하에 있어서는, 고체 산화물형 연료 전지(SOFC)의 셀 스택으로서 원통형을 예로 들어 설명하지만, 반드시 이것에 한정될 필요는 없고, 예를 들어 평판형의 셀 스택이어도 된다. 기체 상에 연료 전지 셀을 형성하지만, 기체가 아닌 전극(연료극 혹은 공기극)이 두껍게 형성되어, 기체를 겸용한 것이어도 된다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 실시 형태에 관한 일례로서, 기체관을 사용하는 원통형 셀 스택에 대해 설명한다. 여기서, 도 1은, 실시 형태에 관한 셀 스택의 일 양태를 나타내는 것이다. 셀 스택(101)은, 원통 형상의 기체관(103)과, 기체관(103)의 외주면에 복수 형성된 연료 전지 셀(105)과, 인접하는 연료 전지 셀(105)의 사이에 형성된 인터커넥터(107)를 구비한다. 연료 전지 셀(105)은, 연료극(109)과 고체 전해질(111)과 공기극(113)이 적층되어 형성되어 있다. 또한, 셀 스택(101)은 기체관(103)의 외주면에 형성된 복수의 연료 전지 셀(105) 중, 기체관(103)의 축 방향에 있어서 가장 끝의 일단에 형성된 연료 전지 셀(105)의 공기극(113)에, 인터커넥터(107)를 개재하여 전기적으로 접속된 리드 막(115)을 구비하고, 가장 끝의 타단에 형성된 연료 전지 셀(105)의 연료극(109)에 전기적으로 접속된 리드 막(115)을 구비한다.
기체관(103)은, 다공질 재료로 이루어지고, 예를 들어 CaO 안정화 ZrO2(CSZ), CSZ와 산화니켈(NiO)의 혼합물(CSZ+NiO), 또는 Y2O3 안정화 ZrO2(YSZ), 또는 MgAl2O4 등을 주성분으로 한다. 이 기체관(103)은, 연료 전지 셀(105)과 인터커넥터(107)와 리드 막(115)을 지지함과 함께, 기체관(103)의 내주면에 공급되는 연료 가스를 기체관(103)의 세공을 통해 기체관(103)의 외주면에 형성되는 연료극(109)으로 확산시키는 것이다.
연료극(109)은, Ni와 지르코니아계 전해질 재료의 복합재의 산화물로 구성되고, 예를 들어 Ni/YSZ가 사용된다. 연료극(109)의 두께는 50 내지 250㎛이고, 연료극(109)은 슬러리를 스크린 인쇄하여 형성되어도 된다. 이 경우, 연료극(109)은, 연료극(109)의 성분인 Ni가 연료 가스에 대해 촉매 작용을 구비한다. 이 촉매 작용은, 기체관(103)을 통해 공급된 연료 가스, 예를 들어 메탄(CH4)과 수증기의 혼합 가스를 반응시켜, 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 개질하는 것이다. 또한, 연료극(109)은, 개질에 의해 얻어지는 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)와, 고체 전해질(111)을 통해 공급되는 산소 이온(O2-)을 고체 전해질(111)과의 계면 부근에 있어서 전기 화학적으로 반응시켜 물(H2O) 및 이산화탄소(CO2)를 생성하는 것이다. 또한, 연료 전지 셀(105)은, 이때, 산소 이온으로부터 방출되는 전자에 의해 발전한다.
SOFC(10)의 연료극(109)에 공급하여 이용할 수 있는 연료 가스로서는, 수소(H2) 및 일산화탄소(CO), 메탄(CH4) 등의 탄화수소계 가스, 도시가스, 천연가스 외에, 석유, 메탄올, 석탄 등의 탄소질 원료를 가스화 설비에 의해 제조한 가스 등을 들 수 있다.
고체 전해질(111)은, 가스를 통과시키기 어려운 기밀성과, 고온에서 높은 산소 이온 도전성을 구비하는 YSZ가 주로 사용된다. 이 고체 전해질(111)은, 공기극에서 생성되는 산소 이온(O2-)을 연료극으로 이동시키는 것이다. 연료극(109)의 표면 상에 위치하는 고체 전해질(111)의 막 두께는 10 내지 100㎛이고 고체 전해질(111)은 슬러리를 스크린 인쇄하여 형성되어도 된다.
공기극(113)은, 예를 들어 LaSrMnO3계 산화물, 또는 LaCoO3계 산화물로 구성되고, 공기극(113)은 슬러리를 스크린 인쇄 또는 디스펜서를 사용하여 도포된다. 이 공기극(113)은, 고체 전해질(111)과의 계면 부근에 있어서, 공급되는 공기 등의 산화성 가스 중의 산소를 해리시켜 산소 이온(O2-)을 생성하는 것이다.
공기극(113)은, 2층 구성으로 할 수도 있다. 이 경우, 고체 전해질(111)측의 공기극층(공기극 중간층)은 높은 이온 도전성을 나타내고, 촉매 활성이 우수한 재료로 구성된다. 공기극 중간층 상의 공기극층(공기극 도전층)은, Sr 및 Ca 도핑 LaMnO3으로 표시되는 페로브스카이트형 산화물로 구성되어도 된다. 이와 같이 함으로써, 발전 성능을 더 향상시킬 수 있다.
산화성 가스라 함은, 산소를 대략 15％ 내지 30％ 포함하는 가스이며, 대표적으로는 공기가 적합하지만, 공기 이외에도 연소 배출 가스와 공기의 혼합 가스나, 산소와 공기의 혼합 가스 등이 사용 가능하다.
인터커넥터(107)는 SrTiO3계 등의 M1- xLxTiO3(M은 알칼리 토류 금속 원소, L은 란타노이드 원소)으로 표시되는 도전성 페로브스카이트형 산화물로 구성되고, 슬러리를 스크린 인쇄한다. 인터커넥터(107)는, 연료 가스와 산화성 가스가 혼합되지 않도록 치밀한 막으로 되어 있다. 또한, 인터커넥터(107)는, 산화 분위기와 환원 분위기의 양 분위기하에서 안정된 내구성과 전기 도전성을 구비한다. 이 인터커넥터(107)는, 인접하는 연료 전지 셀(105)에 있어서, 한쪽 연료 전지 셀(105)의 공기극(113)과 다른 쪽 연료 전지 셀(105)의 연료극(109)을 전기적으로 접속하고, 인접하는 연료 전지 셀(105)끼리를 직렬로 접속하는 것이다.
리드 막(115)은, 전자 전도성을 구비하는 것, 및 셀 스택(101)을 구성하는 다른 재료와의 열팽창 계수가 가까운 것이 필요하다는 점에서, Ni/YSZ 등의 Ni와 지르코니아계 전해질 재료의 복합재나 SrTiO3계 등의 M1- xLxTiO3(M은 알칼리 토류 금속 원소, L은 란타노이드 원소)으로 구성되어 있다. 이 리드 막(115)은, 인터커넥터에 의해 직렬로 접속되는 복수의 연료 전지 셀(105)에서 발전된 직류 전력을 셀 스택(101)의 단부 부근까지 도출하는 것이다.
다음으로, 도 2와 도 3을 참조하여 본 실시 형태에 관한 SOFC 모듈 및 SOFC 카트리지에 대해 설명한다. 여기서, 도 2는, 실시 형태에 관한 SOFC 모듈의 일 양태를 나타내는 것이다. 또한, 도 3은, 실시 형태에 관한 SOFC 카트리지의 일 양태의 단면도를 나타내는 것이다.
SOFC 모듈(201)은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 예를 들어 복수의 SOFC 카트리지(203)와, 이들 복수의 SOFC 카트리지(203)를 수납하는 압력 용기(205)를 구비한다. 또한, 도 2에는 원통형의 SOFC의 셀 스택을 예시하고 있지만, 반드시 이것에 한정될 필요는 없고, 예를 들어 평판형의 셀 스택이어도 된다. 또한, SOFC 모듈(201)은, 연료 가스 공급관(207)과 복수의 연료 가스 공급 지관(207a) 및 연료 가스 배출관(209)과 복수의 연료 가스 배출 지관(209a)을 구비한다. 또한, SOFC 모듈(201)은, 산화성 가스 공급관(도시하지 않음)과 산화성 가스 공급 지관(도시하지 않음) 및 산화성 가스 배출관(도시하지 않음)과 복수의 산화성 가스 배출 지관(도시하지 않음)을 구비한다.
연료 가스 공급관(207)은, 압력 용기(205)의 외부에 설치되고, SOFC 모듈(201)의 발전량에 대응하여 소정 가스 조성과 소정 유량의 연료 가스를 공급하는 연료 가스 공급부에 접속됨과 함께, 복수의 연료 가스 공급 지관(207a)에 접속되어 있다. 이 연료 가스 공급관(207)은, 상술한 연료 가스 공급부로부터 공급되는 소정 유량의 연료 가스를, 복수의 연료 가스 공급 지관(207a)으로 분기하여 유도하는 것이다. 또한, 연료 가스 공급 지관(207a)은, 연료 가스 공급관(207)에 접속됨과 함께, 복수의 SOFC 카트리지(203)에 접속되어 있다. 이 연료 가스 공급 지관(207a)은, 연료 가스 공급관(207)으로부터 공급되는 연료 가스를 복수의 SOFC 카트리지(203)에 대략 균등한 유량으로 유도하여, 복수의 SOFC 카트리지(203)의 발전 성능을 대략 균일화시키는 것이다.
연료 가스 배출 지관(209a)은, 복수의 SOFC 카트리지(203)에 접속됨과 함께, 연료 가스 배출관(209)에 접속되어 있다. 이 연료 가스 배출 지관(209a)은, SOFC 카트리지(203)로부터 배출되는 배출 연료 가스를 연료 가스 배출관(209)으로 유도하는 것이다. 또한, 연료 가스 배출관(209)은, 복수의 연료 가스 배출 지관(209a)에 접속됨과 함께, 일부가 압력 용기(205)의 외부에 배치되어 있다. 이 연료 가스 배출관(209)은, 연료 가스 배출 지관(209a)으로부터 대략 균등한 유량으로 도출되는 배출 연료 가스를 압력 용기(205)의 외부로 유도하는 것이다.
압력 용기(205)는, 내부의 압력이 0.1㎫ 내지 약 3㎫, 내부의 온도가 대기 온도 내지 약 550℃에서 운용되므로, 내력성과 산화성 가스 중에 포함되는 산소 등의 산화제에 대한 내식성을 보유하는 재질이 이용된다. 예를 들어, SUS304 등의 스테인리스계 재가 적합하다.
여기서, 본 실시 형태에 있어서는, 복수의 SOFC 카트리지(203)가 집합화되어 압력 용기(205)에 수납되는 양태에 대해 설명하고 있지만, 이것에 한정되지 않고 예를 들어, SOFC 카트리지(203)가 집합화되지 않고 압력 용기(205) 내에 수납되는 양태로 할 수도 있다.
SOFC 카트리지(203)는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 복수의 셀 스택(101)과, 발전실(215)과, 연료 가스 공급실(217)과, 연료 가스 배출실(219)과, 산화성 가스 공급실(221)과, 산화성 가스 배출실(223)을 구비한다. 또한, SOFC 카트리지(203)는, 상부관판(225a)과, 하부관판(225b)과, 상부 단열체(227a)와, 하부 단열체(227b)를 구비한다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, SOFC 카트리지(203)는, 연료 가스 공급실(217)과 연료 가스 배출실(219)과 산화성 가스 공급실(221)과 산화성 가스 배출실(223)이 도 3과 같이 배치됨으로써, 연료 가스와 산화성 가스가 셀 스택(101)의 내측과 외측을 대향하여 흐르는 구조로 되어 있지만, 반드시 이와 같이 할 필요는 없고, 예를 들어 셀 스택의 내측과 외측을 평행하게 흐르거나, 또는 산화성 가스가 셀 스택의 길이 방향과 직교하는 방향으로 흐르도록 해도 된다.
발전실(215)은, 상부 단열체(227a)와 하부 단열체(227b) 사이에 형성된 영역이다. 이 발전실(215)은, 셀 스택(101)의 연료 전지 셀(105)이 배치된 영역이고, 연료 가스와 산화성 가스를 전기 화학적으로 반응시켜 발전을 행하는 영역이다. 또한, 이 발전실(215)의 셀 스택(101) 길이 방향의 중앙부 부근에서의 온도는, 온도 계측부(온도 센서나 열전대 등)에 의해 감시되고, SOFC 모듈(201)의 정상 운전 시에, 약 700℃ 내지 1000℃의 고온 분위기가 된다.
연료 가스 공급실(217)은, SOFC 카트리지(203)의 상부 케이싱(229a)과 상부관판(225a)에 둘러싸인 영역이며, 상부 케이싱(229a)의 상부에 마련된 연료 가스 공급 구멍(231a)에 의해, 연료 가스 공급 지관(207a)과 연통되어 있다. 또한, 복수의 셀 스택(101)은, 상부관판(225a)과 시일 부재(237a)에 의해 접합되어 있고, 연료 가스 공급실(217)은 연료 가스 공급 지관(207a)으로부터 연료 가스 공급 구멍(231a)을 통해 공급되는 연료 가스를, 복수의 셀 스택(101)의 기체관(103)의 내부에 대략 균일 유량으로 유도하여, 복수의 셀 스택(101)의 발전 성능을 대략 균일화시키는 것이다.
연료 가스 배출실(219)은, SOFC 카트리지(203)의 하부 케이싱(229b)과 하부관판(225b)에 둘러싸인 영역이며, 하부 케이싱(229b)에 구비된 연료 가스 배출 구멍(231b)에 의해, 연료 가스 배출 지관(209a)과 연통되어 있다. 또한, 복수의 셀 스택(101)은, 하부관판(225b)과 시일 부재(237b)에 의해 접합되어 있고, 연료 가스 배출실(219)은 복수의 셀 스택(101)의 기체관(103)의 내부를 통과하여 연료 가스 배출실(219)에 공급되는 배출 연료 가스를 집약하여, 연료 가스 배출 구멍(231b)을 통해 연료 가스 배출 지관(209a)으로 유도하는 것이다.
SOFC 모듈(201)의 발전량에 대응하여 소정 가스 조성과 소정 유량의 산화성 가스를 산화성 가스 공급 지관으로 분기하여, 복수의 SOFC 카트리지(203)로 공급한다. 산화성 가스 공급실(221)은, SOFC 카트리지(203)의 하부 케이싱(229b)과 하부관판(225b)과 하부 단열체(227b)에 둘러싸인 영역이며, 하부 케이싱(229b)의 측면에 마련된 산화성 가스 공급 구멍(233a)에 의해, 도시하지 않은 산화성 가스 공급 지관과 연통되어 있다. 이 산화성 가스 공급실(221)은, 도시하지 않은 산화성 가스 공급 지관으로부터 산화성 가스 공급 구멍(233a)을 통해 공급되는 소정 유량의 산화성 가스를, 후술하는 산화성 가스 공급 간극(235a)을 통해 발전실(215)로 유도하는 것이다.
산화성 가스 배출실(223)은, SOFC 카트리지(203)의 상부 케이싱(229a)과 상부관판(225a)과 상부 단열체(227a)에 둘러싸인 영역이며, 상부 케이싱(229a)의 측면에 마련된 산화성 가스 배출 구멍(233b)에 의해, 도시하지 않은 산화성 가스 배출 지관과 연통되어 있다. 이 산화성 가스 배출실(223)은, 발전실(215)로부터, 후술하는 산화성 가스 배출 간극(235b)을 통해 산화성 가스 배출실(223)에 공급되는 배출 산화성 가스를, 산화성 가스 배출 구멍(233b)을 통해 도시하지 않은 산화성 가스 배출 지관으로 유도하는 것이다.
상부관판(225a)은, 상부 케이싱(229a)의 천장판과 상부 단열체(227a) 사이에, 상부관판(225a)과 상부 케이싱(229a)의 천장판과 상부 단열체(227a)가 대략 평행하게 되도록, 상부 케이싱(229a)의 측판에 고정되어 있다. 또한 상부관판(225a)은, SOFC 카트리지(203)에 구비되는 셀 스택(101)의 개수에 대응한 복수의 구멍을 갖고, 당해 구멍에는 셀 스택(101)이 각각 삽입되어 있다. 이 상부관판(225a)은, 복수의 셀 스택(101)의 한쪽 단부를 시일 부재 및 접착 부재 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 통해 기밀하게 지지함과 함께, 연료 가스 공급실(217)과 산화성 가스 배출실(223)을 격리하는 것이다.
상부 단열체(227a)는, 상부 케이싱(229a)의 하단부에, 상부 단열체(227a)와 상부 케이싱(229a)의 천장판과 상부관판(225a)이 대략 평행하게 되도록 배치되고, 상부 케이싱(229a)의 측판에 고정되어 있다. 또한, 상부 단열체(227a)에는, SOFC 카트리지(203)에 구비되는 셀 스택(101)의 개수에 대응하여, 복수의 구멍이 마련되어 있다. 이 구멍의 직경은 셀 스택(101)의 외경보다 크게 설정되어 있다. 상부 단열체(227a)는, 이 구멍의 내면과, 상부 단열체(227a)에 삽입 관통된 셀 스택(101)의 외면 사이에 형성된 산화성 가스 배출 간극(235b)을 구비한다.
이 상부 단열체(227a)는, 발전실(215)과 산화성 가스 배출실(223)을 구획하는 것이며, 상부관판(225a)의 주위의 분위기가 고온화되어 강도 저하나 산화성 가스 중에 포함되는 산화제에 의한 부식이 증가하는 것을 억제한다. 상부관판(225a) 등은 인코넬 등의 고온 내구성이 있는 금속 재료로 이루어지지만, 상부관판(225a) 등이 발전실(215) 내의 고온에 노출되어 상부관판(225a) 등 내의 온도차가 커짐으로써 열변형되는 것을 방지하는 것이다. 또한, 상부 단열체(227a)는, 발전실(215)을 통과하여 고온에 노출된 배출 산화성 가스를, 산화성 가스 배출 간극(235b)을 통과시켜 산화성 가스 배출실(223)로 유도하는 것이다.
본 실시 형태에 따르면, 상술한 SOFC 카트리지(203)의 구조에 의해, 연료 가스와 산화성 가스가 셀 스택(101)의 내측과 외측을 대향하여 흐르는 것으로 되어 있다. 이것에 의해, 배출 산화성 가스는, 기체관(103)의 내부를 통해 발전실(215)에 공급되는 연료 가스와의 사이에서 열 교환이 이루어지고, 금속 재료로 이루어지는 상부관판(225a) 등이 좌굴 등의 변형을 하지 않는 온도로 냉각되어 산화성 가스 배출실(223)에 공급된다. 또한, 연료 가스는, 발전실(215)로부터 배출되는 배출 산화성 가스와의 열 교환에 의해 승온되어, 발전실(215)에 공급된다. 그 결과, 히터 등을 사용하는 일 없이 발전에 적합한 온도로 예열 승온된 연료 가스를 발전실(215)에 공급할 수 있다.
하부관판(225b)은, 하부 케이싱(229b)의 저판과 하부 단열체(227b) 사이에, 하부관판(225b)과 하부 케이싱(229b)의 저판과 하부 단열체(227b)가 대략 평행하게 되도록 하부 케이싱(229b)의 측판에 고정되어 있다. 또한 하부관판(225b)은, SOFC 카트리지(203)에 구비되는 셀 스택(101)의 개수에 대응한 복수의 구멍을 갖고, 당해 구멍에는 셀 스택(101)이 각각 삽입되어 있다. 이 하부관판(225b)은, 복수의 셀 스택(101)의 다른 쪽 단부를 시일 부재 및 접착 부재 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 통해 기밀하게 지지함과 함께, 연료 가스 배출실(219)과 산화성 가스 공급실(221)을 격리하는 것이다.
하부 단열체(227b)는, 하부 케이싱(229b)의 상단부에, 하부 단열체(227b)와 하부 케이싱(229b)의 저판과 하부관판(225b)이 대략 평행하게 되도록 배치되고, 하부 케이싱(229b)의 측판에 고정되어 있다. 또한, 하부 단열체(227b)에는, SOFC 카트리지(203)에 구비되는 셀 스택(101)의 개수에 대응하여, 복수의 구멍이 마련되어 있다. 이 구멍의 직경은 셀 스택(101)의 외경보다 크게 설정되어 있다. 하부 단열체(227b)는, 이 구멍의 내면과, 하부 단열체(227b)에 삽입 관통된 셀 스택(101)의 외면 사이에 형성된 산화성 가스 공급 간극(235a)을 구비한다.
이 하부 단열체(227b)는, 발전실(215)과 산화성 가스 공급실(221)을 구획하는 것이며, 하부관판(225b)의 주위의 분위기가 고온화되어 강도 저하나 산화성 가스 중에 포함되는 산화제에 의한 부식이 증가하는 것을 억제한다. 하부관판(225b) 등은 인코넬 등의 고온 내구성이 있는 금속 재료로 이루어지지만, 하부관판(225b) 등이 고온에 노출되어 하부관판(225b) 등 내의 온도차가 커짐으로써 열변형되는 것을 방지하는 것이다. 또한, 하부 단열체(227b)는, 산화성 가스 공급실(221)에 공급되는 산화성 가스를, 산화성 가스 공급 간극(235a)을 통과시켜 발전실(215)로 유도하는 것이다.
본 실시 형태에 따르면, 상술한 SOFC 카트리지(203)의 구조에 의해, 연료 가스와 산화성 가스가 셀 스택(101)의 내측과 외측을 대향하여 흐르는 것으로 되어 있다. 이것에 의해, 기체관(103)의 내부를 통해 발전실(215)을 통과한 배출 연료 가스는, 발전실(215)에 공급되는 산화성 가스와의 사이에서 열 교환이 이루어지고, 금속 재료로 이루어지는 하부관판(225b) 등이 좌굴 등의 변형을 하지 않는 온도로 냉각되어 연료 가스 배출실(219)에 공급된다. 또한, 산화성 가스는 배출 연료 가스와의 열 교환에 의해 승온되어, 발전실(215)에 공급된다. 그 결과, 히터 등을 사용하는 일 없이 발전에 필요한 온도로 승온된 산화성 가스를 발전실(215)에 공급할 수 있다.
발전실(215)에서 발전된 직류 전력은, 복수의 연료 전지 셀(105)에 설치한 Ni/YSZ 등으로 이루어지는 리드 막(115)에 의해 셀 스택(101)의 단부 부근까지 도출한 후에, SOFC 카트리지(203)의 집전봉(도시하지 않음)에 집전판(도시하지 않음)을 통해 집전하여, 각 SOFC 카트리지(203)의 외부로 취출된다. 상기 집전봉에 의해 SOFC 카트리지(203)의 외부로 도출된 직류 전력은, 각 SOFC 카트리지(203)의 발전 전력을 소정의 직렬 수 및 병렬 수로 서로 접속되고, SOFC 모듈(201)의 외부로 도출되어, 도시하지 않은 파워 컨디셔너 등의 전력 변환 장치(인버터 등)에 의해 소정의 교류 전력으로 변환되어, 전력 공급처(예를 들어, 부하 설비나 전력 계통)로 공급된다.
본 발명의 일 실시 형태에 관한 발전 시스템의 개략 구성에 대해 설명한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 복합 발전 시스템(이하 「발전 시스템」이라고 함)(310)의 개략 구성을 나타낸 개략 구성도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 발전 시스템(310)은, 마이크로 가스 터빈(이하 「MGT」라고 함)(311), 발전기(312), SOFC(313)(연료 전지(313)) 및 제어 장치(380)를 구비하고 있다. SOFC(313)는, 도시하지 않은 SOFC 모듈이 1개 또는 복수가 조합되어 구성되고, 이후에는 단순히 「SOFC」라고 기재한다. 이 발전 시스템(310)은, MGT(311)에 의한 발전과, SOFC(313)에 의한 발전을 조합함으로써, 높은 발전 효율을 얻도록 구성되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는 마이크로 가스 터빈(MGT)(311)을 사용한 시스템을 설명하고 있지만, MGT(311) 대신에 터보 차저를 사용해도 된다. MGT(311)는, 연소 가스 G에 의해 터빈(323)이 회전하고, 압축기(321)에 의한 공기 A의 압축과, 발전기(312)에 의한 발전을 행하여, 연소 가스 G의 에너지를 회수한다. 또한, 도시하지 않은 터보 차저는, 연소 가스 G에 의해 터빈(323)이 회전하고, 압축기(321)에 의한 공기 A의 압축을 행하여, 연소 가스 G의 에너지를 회수한다.
MGT(311)는, 압축기(321), 연소기(322), 터빈(323)을 구비하고 있고, 압축기(321)와 터빈(323)은 회전축(324)에 의해 일체 회전 가능하게 연결되어 있다. 후술하는 터빈(323)이 회전함으로써 압축기(321)가 회전 구동한다. 압축기(321)는, 공기 도입 라인(325)으로부터 도입한 공기 A를 압축한다.
연소기(322)에는, 제1 산화성 가스 공급 라인(326)을 통해 압축기(321)로부터의 공기 A의 적어도 일부인 공기 A1이 공급됨과 함께, 제1 연료 가스 공급 라인(351)을 통해 연료 가스 L1이 공급된다. 제1 산화성 가스 공급 라인(326)에는, 연소기(322)에 공급하는 공기 A1의 공기량을 조정하기 위한 제어 밸브(327)가 설치되고, 제1 연료 가스 공급 라인(351)에는, 연소기(322)에 공급하는 연료 가스 유량을 조정하기 위한 제어 밸브(352)가 설치되어 있다. 또한, 연소기(322)에는, 후술하는 SOFC(313)의 연료 가스 재순환 라인(349)을 순환하는 배출 연료 가스 L3의 일부가 배출 연료 가스 공급 라인(345)을 통해 공급된다. 배출 연료 가스 공급 라인(345)에는, 연소기(322)에 공급하는 배출 연료 가스량을 조정하기 위한 제어 밸브(347)가 설치되어 있다. 또한, 연소기(322)에는, 후술하는 배출 산화성 가스 공급 라인(334)을 통해 SOFC(313)의 공기극(113)에서 사용된 배출 공기 A3의 일부가 공급된다.
연소기(322)는, 연료 가스 L1, 공기 A의 일부(공기 A1), 배출 연료 가스 L3 및 배출 공기 A3을 혼합하여 연소시켜, 연소 가스 G를 생성한다. 연소 가스 G는, 연소 가스 공급 라인(328)을 통해 터빈(323)에 공급된다. 터빈(323)은, 연소 가스 G가 단열 팽창됨으로써 회전하고, 배출 가스가 연소 배출 가스 라인(329)으로부터 배출된다.
발전기(312)는, 터빈(323)과 동축 상에 설치되어 있고, 터빈(323)이 회전 구동함으로써 발전한다.
연소기(322)에 공급하는 연료 가스 L1 및 후술하는 연료 가스 L2는 가연성 가스이며, 예를 들어 액화 천연 가스(LNG)를 기화시킨 가스 또는 천연가스, 도시가스, 수소(H2) 및 일산화탄소(CO), 메탄(CH4) 등의 탄화수소가스 및 탄소질 원료(석유나 석탄 등)의 가스화 설비에 의해 제조된 가스 등이 사용된다. 연료 가스라 함은, 미리 발열량이 대략 일정하게 조정된 연료 가스를 의미한다.
열 교환기(330)는, 터빈(323)으로부터 배출된 배출 가스와 압축기(321)로부터 공급되는 공기 A 사이에서 열 교환을 행한다. 배출 가스는, 공기 A와의 열 교환에 의해 냉각된 후에, 도시하지 않은 굴뚝을 통해 외부로 방출된다.
SOFC(313)는, 환원제로서 연료 가스 L2와, 산화제로서 공기 A2가 공급됨으로써, 소정의 작동 온도에서 반응하여 발전을 행한다. 이 SOFC(313)는, 도시하지 않은 SOFC 모듈로 구성되고, SOFC 모듈의 압력 용기 내에 설치한 복수의 셀 스택의 집합체가 수용되어 있고, 도시하지 않은 셀 스택에는, 연료극(109)과 공기극(113)과 고체 전해질(111)을 구비하고 있다.
SOFC(313)는, 공기극(113)에 공기 A2가 공급되고, 연료극(109)에 연료 가스 L2가 공급됨으로써 발전하여, 도시하지 않은 파워 컨디셔너 등의 전력 변환 장치(인버터 등)에 의해 소정의 교류 전력으로 변환된다.
본 실시 형태에서는, SOFC(313)에 공급되는 산화성 가스로서, 압축기(321)에 의해 압축된 공기 A의 적어도 일부(공기 A2)를 채용하는 경우를 예시하여 설명한다.
SOFC(313)에는, 제1 산화성 가스 공급 라인(326)으로부터 분기된 제2 산화성 가스 공급 라인(331)을 통해 산화성 가스로서 공기 A2가 공기극(113)의 도시하지 않은 산화성 가스 도입부에 공급된다. 이 제2 산화성 가스 공급 라인(331)에는, 공급하는 공기 A2의 유량을 조정하기 위한 제어 밸브(335)가 설치되어 있다. 또한, 제1 산화성 가스 공급 라인(326)에 있어서, 제2 산화성 가스 공급 라인(331)의 분기점보다 공기 A2의 상류측(바꾸어 말하면, 압축기(321)측)에는, 열 교환기(330)가 설치되어 있다. 열 교환기(330)에 있어서, 공기 A는, 연소 배출 가스 라인(329)으로부터 배출되는 배출 가스와의 사이에서 열 교환되어 승온된다. 또한, 제2 산화성 가스 공급 라인(331)에는, 열 교환기(330)를 바이패스하는 바이패스 라인(332)이 설치되어 있다. 바이패스 라인(332)에는, 제어 밸브(336)가 설치되고, 공기 A의 바이패스 유량이 조정 가능하게 되어 있다. 제어 밸브(335, 336)의 개방도가 후술하는 제어 장치(380)에 의해 제어됨으로써, 열 교환기(330)를 통과하는 공기 A와 열 교환기(330)를 바이패스하는 공기 A의 유량 비율이 조정되고, 공기 A의 일부인 제2 산화성 가스 공급 라인(331)을 통해 SOFC(313)에 공급되는 공기 A2의 온도가 조정된다. SOFC(313)에 공급되는 공기 A2의 온도는, SOFC(313)를 구성하는 도시하지 않은 SOFC 모듈 내부의 각 구성 기기의 재료에 손상을 주지 않도록 온도의 상한이 제한되어 있다.
또한, 제2 산화성 가스 공급 라인(331)에는, 가연성 가스로서 연료 가스 L2를 공급하는 공기극 연료 공급 라인(371)이 접속되어 있다. 공기극 연료 공급 라인(371)에는, 제2 산화성 가스 공급 라인(331)에 공급하는 연료 가스량을 조정하기 위한 제어 밸브(372)가 설치되어 있다. 제어 밸브(372)의 밸브 개방도가 후술하는 제어 장치(380)에 의해 제어됨으로써, 공기 A2에 첨가되는 연료 가스 L2의 공급량이 조정된다. 공기 A2에 첨가되는 연료 가스 L2의 양은, 가연 한계 농도 이하로 공급되고, 보다 바람직하게는 3체적％ 이하로 공급된다.
SOFC(313)에는, 공기극(113)에서 사용된 배출 공기 A3을 배출하는 배출 산화성 가스 배출 라인(333)이 접속되어 있다. 이 배출 산화성 가스 배출 라인(333)에는, 연소기(322)에 배출 공기 A3을 공급하기 위한 배출 산화성 가스 공급 라인(334)이 접속되어 있다. 배출 산화성 가스 공급 라인(334)에는, SOFC(313)와 MGT(311) 사이의 계통을 분리하기 위한 차단 밸브(338)가 설치되어 있다.
또한, 배출 산화성 가스 배출 라인(333)에는, 공기극(113)에서 사용된 배출 공기 A3을 계통 밖으로 배출하는 배출 산화성 가스량을 조정하기 위한 제어 밸브(혹은 차단 밸브)(337)가 설치되어 있다.
SOFC(313)에는 또한, 연료 가스 L2를 연료극(109)의 도시하지 않은 연료 가스 도입부에 공급하는 제2 연료 가스 공급 라인(341)과, 연료극(109)에서 반응에 사용된 후의 배출 연료 가스 L3을 배출하는 배출 연료 가스 라인(343)이 접속되어 있다. 제2 연료 가스 공급 라인(341)에는, 연료극(109)에 공급하는 연료 가스 L2의 유량을 조정하기 위한 제어 밸브(342)가 설치되고, 배출 연료 가스 라인(343)에는 연료극(109)에서 반응에 사용된 후의 배출 연료 가스 L3을 계통 밖으로 배출하는 배출 연료 가스량을 조정하기 위한 제어 밸브(혹은 차단 밸브)(346)가 설치되어 있다. 배출 연료 가스 라인(343)의 제어 밸브(346)와, 배출 산화성 가스 배출 라인(333)의 제어 밸브(337)를 제어함으로써, 배출 연료 가스 L3 혹은 배출 공기 A3을 계외로 배출함으로써 과잉이 된 압력을 빠르게 조정할 수 있다. 또한, SOFC(313)의 연료극(109)과 공기극(113)의 차압(이하, 연료 공기 차압)은 연료극(109)측이 소정의 압력 범위에서 높아지도록, 제어 밸브(347)에 의해 제어한다. 또한, 배출 연료 가스 라인(343)에는, 배출 연료 가스 L3을 SOFC(313)의 연료극(109)의 연료 가스 도입부로 재순환시키기 위한 연료 가스 재순환 라인(349)이 접속되어 있다. 연료 가스 재순환 라인(349)에는, 배출 연료 가스 L3을 재순환시키기 위한 재순환 블로워(348)가 설치되어 있다. 즉, SOFC(313)에 공급되는 연료 가스는, 제2 연료 가스 공급 라인(341)을 통해 공급되는 연료 가스 L2(가연성 가스)와, 연료 가스 재순환 라인(349)을 통해 공급되는 배출 연료 가스 L3의 혼합 가스이다.
또한, 연료 가스 재순환 라인(349)에는, 연료극(109)에 연료 가스 L2를 개질하기 위한 순수를 공급하는 순수 공급 라인(361)이 설치되어 있다. 순수 공급 라인(361)에는 펌프(362)가 설치되어 있다. 펌프(362)의 토출 유량이 제어 장치(380)에 의해 제어됨으로써, 연료극(109)에 공급되는 순수량이 조정된다.
연료 가스 중의 탄소에 대한 수증기의 몰 비율을 S/C(스팀 카본비)라고 한다. SOFC(313)의 연료극(109)측의 계통 입구 부근에 있어서, S/C는 연료의 내부 개질을 행하기 위해서는 양론적으로 1.0 이상이 필요하고, 또한 도시하지 않은 셀 스택의 부근에서 S/C가 낮아지는 영역이 있으면 탄소가 석출될 우려가 있다. 탄소 석출 방지와 개질률 촉진을 위해 S/C≥3.0인 것이 바람직하다. 한편, S/C가 지나치게 많으면, 최종적으로 발전 시스템(310)의 계외로 배출되는 배기 가스 중의 수증기 함유량이 증가하고, 이 잠열분이 불필요한 열량으로서 계외로 배출되어 시스템 효율이 저하된다. 이 때문에, S/C의 운전 상태에 맞추어 과잉이 되지 않는 적절한 양의 S/C를 설정할 수 있는 것이 바람직하고, SOFC(313)의 정격 운전 시에는, 예를 들어 S/C가 3.0 내지 5.0, 바람직하게는 3.5 내지 5.0이 되도록 설정되고 있다.
연료 가스 재순환 라인(349)을 경유한 배출 연료 가스 L3의 재순환을 행하는 경우에 있어서는, 제2 연료 가스 공급 라인(341)에 의해 SOFC(313)에 공급되는 연료 가스 L2의 S/C가 규정값보다 낮을 때, 제2 연료 가스 공급 라인(341)에 순수 공급 라인(361)을 통해 순수를 공급하고, 순수가 제2 연료 가스 공급 라인(341) 내에서 수증기로 되어 공급됨으로써, 부족한 수증기를 보충한다. 또한, SOFC의 기동 시 또는 정지 동작 시 등, 재순환 유량에 대해 공급되는 연료 가스 L2의 유량이 적으면, 상대적으로 S/C가 높아지기 때문에, SOFC(313)로 공급하는 연료 가스 L2를 증가시키거나 또는 순수량을 저감시켜도 된다.
제어 장치(380)는, 예를 들어 발전 시스템(복합 발전 시스템)(310)에 구비하는 압력계 및 각 온도 계측부, 유량계 등의 계측값 등에 기초하여, 각 차단 밸브 및 각 유량 조정 밸브의 제어를 행한다. 구체적으로는, 제어 장치(380)는 발전 시스템(310)의 기동 및 정지의 제어 및 SOFC의 운전 상태의 최적화 제어를 행한다.
제어 장치(380)는, 예를 들어 CPU(Central Processing Unit), RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory) 및 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체 등으로 구성되어 있다. 그리고 각종 기능을 실현하기 위한 일련의 처리는, 일례로서, 프로그램의 형식으로 기억 매체 등에 기억되어 있고, 이 프로그램을 CPU가 RAM 등에 판독하여, 정보의 가공·연산 처리를 실행함으로써, 각종 기능이 실현된다. 또한, 프로그램은, ROM이나 그 밖의 기억 매체에 미리 인스톨해 두는 형태나, 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체에 기억된 상태로 제공되는 형태, 유선 또는 무선에 의한 통신 수단을 통해 배신되는 형태 등이 적용되어도 된다. 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체라 함은, 자기 디스크, 광자기 디스크, CD-ROM, DVD-ROM, 반도체 메모리 등이다.
도 5는 제어 장치(380)가 구비하는 기능을 도시한 기능 블록도이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 제어 장치(380)는, 기동 정지 제어부(2)와, 온도 분포 제어부(3)를 구비하고 있다.
기동 정지 제어부(2)는, 발전 시스템(310)의 기동 및 정지를 제어하고 있다. 구체적으로는, 기동 정지 제어부(2)는 발전 시스템(310)을 기동하는 경우, MGT(311)가 기동한 후에 SOFC(313)를 기동한다. 또한, 발전 시스템(310)의 기동 및 정지의 상세는 후술한다.
도 6은, 발전 시스템(310)의 셀 스택(101)의 발전 영역(120)에 있어서의 온도 분포 상태를 예시하고 있다. 셀 스택(101)은, 연료 전지 셀(105)이 배치된 발전 영역(발전부)(120)을 갖고 있고, 발전 영역(120)의 연료 가스 공급측의 일단에 연료 가스의 공급부(120a)가 있고, 발전 영역(120)의 길이 방향의 중앙 부근에 중앙부(120b)가 있고, 발전 영역(120)의 연료 가스의 배출측의 타단에 연료 가스의 배출부(120c)가 있다.
온도 분포 제어부(3)(도 5 참조)는, 온도 계측부에 의한 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2의 계측 결과에 기초하여, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어함으로써, 셀 스택(101) 전체에 있어서의 연료 가스 흐름 방향(길이 방향)의 발전 영역(120)의 온도 분포 상태를 제어한다. 이 때문에, 온도 분포 제어부(3)는, 배출 연료 가스 유량 제어부(4)와 연료 이용률 제어부(5)와, 산화성 가스 온도 제어부(6)를 구비하고 있다. 또한, 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)라 함은, 바꾸어 말하면, 셀 스택(101)의 연료 전지 셀(105)이 배치된 영역에 있어서의 연료 가스 흐름의 상류측의 영역(바람직하게는 최상류측의 영역)이다. 본 실시 형태에서는, 발전실(215) 내에 있어서의 상부 단열체(227a) 근방의 영역(혹은, 셀 스택(101)의 길이 방향에 있어서 연료 가스 공급실(217) 근방의 영역으로 해도 됨)이며, 셀 스택(101) 길이 방향에 있어서 비교적 낮은 온도 분위기의 영역이다. 또한, 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 배출부(120c)라 함은, 바꾸어 말하면, 셀 스택(101)의 연료 전지 셀(105)이 배치된 영역에 있어서의 연료 가스 흐름의 하류측의 영역(바람직하게는 최하류측의 영역)이다. 본 실시 형태에서는, 발전실(215) 내에 있어서의 하부 단열체(227b) 근방의 영역(혹은 셀 스택(101)의 길이 방향에 있어서 연료 가스 배출실(219) 근방의 영역으로 해도 됨)이며, 셀 스택(101) 길이 방향에 있어서 비교적 낮은 온도 분위기의 영역이다. 또한, 셀 스택(101)의 발전 영역(120)의 중앙부(120b)라 함은, 바꾸어 말하면, 셀 스택(101)의 연료 전지 셀(105)이 배치된 발전 영역(120)에 있어서의 연료 가스 흐름 방향에 대한 대략 중앙 혹은 대략 중앙으로부터 약간 연료 가스 흐름의 상류측을 포함하는 영역이며, 발전 영역(120)의 길이 방향에 있어서 가장 높은 온도 분위기 혹은 비교적 높은 온도 분위기의 영역이다.
또한, 온도 계측부는, 예를 들어 SOFC 카트리지(203)의 사이에 복수 설치하여 온도를 계측해도 되고, 본 실시 형태에서의 예를 들어 도 3 및 도 6에 있어서, 발전실(215) 내에 있어서의 상부 단열체(227a) 근방의 영역에 있어서의 온도 T2(셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도)를 계측하도록 설치되어 있고, 온도 계측부에 의한 계측 결과는, 온도 분포 제어부(3)로 출력된다. 또한, 온도 계측부는, SOFC 모듈(201)을 구성하는 셀 스택(101)군 중, 복수의 셀 스택(101)에 배치되거나, 혹은 SOFC 카트리지(203)의 사이(간극 부분)에서 셀 스택 길이 방향에 있어서의 원하는 개소에 설치하여 온도를 계측하고, 계측된 복수의 계측 결과의 평균값을 온도 분포 제어부(3)로 출력하는 것으로 해도 된다. 또한, 도 6에 있어서의 온도 T1(셀 스택(101)의 발전 영역(120)의 중앙부(120b)의 온도)을 계측하기 위한 온도 계측부, 온도 T3(셀 스택(101)의 발전 영역(120)의 연료 가스 배출부(120c)의 온도)을 계측하기 위한 온도 계측부도 설치되어 있고, 온도 계측부에 의한 계측 결과는, 온도 분포 제어부(3)로 출력된다.
셀 스택(101)의 발전 영역(120)의 온도 분포는, 예를 들어 도 6과 같이 활형 온도 분포로 되어 있다. 구체적으로는, 셀 스택(101)에 있어서의 연료 가스 흐름 방향의 온도 분포 상태는, 발전 영역(120)의 중앙부(120b)의 온도 T1에 대해, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2 및 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3이 저하된 상태인 활형 온도 분포 상태로 되어 있다. 또한, 발전 영역(120)의 온도 분포 상태라 함은, 주로, 셀 스택(101)의 연료 전지 셀(105)이 배치된 발전 영역(120)에 있어서의 연료 가스 흐름 방향의 온도 분포 상태이다. 발전 영역(120)에 있어서, 온도가 낮은 영역에서는, 연료 전지 셀(105)에 의한 산화성 가스와 연료 가스의 반응이 억제되어, 셀 전압이 저하되어 버린다. 즉, 발전 출력을 향상시키기 위해서는, 셀 스택(101)에 있어서의 연료 가스 흐름 방향의 발전 영역(120)에서의 온도 분포 상태를 전체적으로 최적화(전체를 고온 상태화)하여, 발전 영역(120)에 있어서 온도가 낮은 영역을 가능한 한 중앙부(120b)에 근접하도록 고온화하는 것이 바람직하다.
본 실시 형태에서는, 셀 스택(101)의 발전 영역(120)에 있어서의 활형 온도 분포 상태를, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2에 의해 대략 일의적으로 추정할 수 있음에 착안하였다. 즉, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도의 제어에 의해, 발전 영역(120) 전체의 온도 분포 상태를 제어한다. 이 때문에, 본 실시 형태에서는, 온도 분포 제어부(3)가 구비하는 배출 연료 가스 유량 제어부(4)(배출 연료 가스 재순환 유량 제어), 연료 이용률 제어부(5) 및 산화성 가스 온도 제어부(6)에 의해 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2를 제어하여, 발전 영역(120) 전체의 온도 분포 상태를 최적화한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 온도 분포 제어부(3)는, 배출 연료 가스 유량 제어부(4)와, 연료 이용률 제어부(5)와, 산화성 가스 온도 제어부(6)를 구비하는 것으로 하고 있지만, 배출 연료 가스 유량 제어부(4), 연료 이용률 제어부(5) 및 산화성 가스 온도 제어부(6) 중 적어도 하나를 구비하는 구성으로 해도 된다.
배출 연료 가스 유량 제어부(4)는, SOFC(313)의 연료극(109)측으로부터 배출되는 배출 연료 가스 라인(343)의 배출 연료 가스 L3의 적어도 일부를, SOFC(313)의 연료 가스 공급부(120a)로 재순환되는 배출 연료 가스(배출 연료 가스 재순환 가스)의 유량을 증감시킴으로써, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어한다(배출 연료 가스 유량 제어). 구체적으로는, 배출 연료 가스 유량 제어부(4)는, 연료 가스 재순환 라인(349)에 설치된 재순환 블로워(348)의 송기 능력(회전수 등)을 제어함으로써, 연료 가스 재순환 라인(349)을 통해 SOFC(각 셀 스택(101))로 공급되는 배출 연료 가스의 재순환 유량을 제어한다. 배출 연료 가스는, SOFC에 있어서 발전 반응이 행해진 후의 가스이지만, 각 셀 스택(101)에 있어서 발전 반응에 기여하지 않은 가연성 가스(예를 들어, 메탄(CH4) 등)를 포함하고 있다. 이 때문에, 연료 가스의 공급부(120a) 부근(주로, 셀 스택(101)의 발전 영역(120)의 연료 전지 셀(105)이 배치된 영역에 있어서의 연료 가스 흐름의 상류측의 영역)에서는, 연료 가스와 배출 연료 가스 재순환 가스에 포함되는 가연성 가스의 개질 반응에 수반되는 흡열 작용에 의해, 온도가 저하된다. 즉, 배출 연료 가스의 재순환 유량의 증감이 개질 반응에 의한 흡열 작용에 영향을 미치므로, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2와 연료 가스 재순환 라인(349)을 통해 공급되는 배출 연료 가스의 재순환 유량과는 상관관계를 갖고 있다. 이 때문에, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 제어함으로써, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 조정할 수 있다. 예를 들어, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 저감시킴으로써, 배출 연료 가스의 재순환 가스의 개질 반응, 즉 흡열 작용을 억제하여, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 상승시킬 수 있다.
그러나 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2를 상승시키기 위해, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 지나치게 감소시키면, 연료 가스의 배출부(120c)의 온도가 저하된다. 구체적으로는, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 어느 일정한 값 이하로 저하시킨 경우에, 도 7에 나타낸 바와 같이, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2는 상승하기는 하지만, 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3은 저하되게 된다. 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3은 저하되는 이유는, 배출 연료 가스의 재순환 유량이 지나치게 감소하면, 연료 가스와 배출 연료 가스 재순환 가스를 합친 가스 유량이 감소하여, 발전 영역(120)의 중앙부(120b) 부근에 있어서의 고온 영역의 열량을 연료 가스의 배출부(120c)로 열 반송하는 가스 유량이 감소하기 때문이다. 한편, 배출 연료 가스 재순환의 유량이 어느 일정한 값 이상의 범위에 있어서는, 그 범위 내에 있어서 배출 연료 가스의 유량을 저하시키면, 개질 반응에 의한 흡열량이 감소하여 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2는 상승하고, 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3은 조금 상승한다.
즉, 배출 연료 가스의 유량을 제어한 경우에는, 셀 스택(101)에 있어서의 연료 가스의 공급구 부근의 온도 T2와 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3은, 도 8과 같이 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2에 대해 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3이 최댓값을 갖는 관계가 된다. 이 때문에, 셀 스택(101)에 있어서의 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2의 제어에는, 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3과의 관계로부터 적정 온도 범위가 존재하고, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 적정 온도 범위 내로 제어함으로써, 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3에 대해서도 더 최적의 상태로 할 수 있다. 즉, 발전 영역(120)의 연료 가스의 공급부(120a)의 온도를 적정 온도 범위 내로 제어함으로써, 셀 스택(101)의 연료 가스의 흐름 방향의 발전 영역(120)의 온도 분포 상태(활형 온도 분포 상태)를 최적화, 즉 셀 스택(101)에 있어서의 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2와 연료 가스의 배출부(120c)의 온도를 대략 균일화할 수 있다. 즉, 셀 스택의 길이 방향에 있어서의 발전 영역(120)의 비교적 낮은 온도 분위기가 되는 영역(연료 가스의 공급부(120a) 및 배출부(120c))을 고온화할 수 있어, 셀 스택(101)의 발전 출력을 향상시킬 수 있다.
셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2의 적정 온도 범위라 함은, 중앙부(120b)의 온도 T1에 기초하여 결정된다. 또한, 적정 온도 범위의 하한 온도는 온도 TL1로 하고, 상한 온도는 온도 TL2로 하고 있다. 셀 스택(101)에 있어서의 연료 가스 흐름 방향(길이 방향)에 있어서, 발전 영역(120)의 중앙 부근이 가장 고온 상태가 된다. 이 때문에, 발전 영역(120)의 중앙부(120b)의 온도 T1을 온도 계측부에 의해 계측함으로써, 셀 스택(101)에 있어서의 대략 최고 온도를 계측할 수 있다. 이 경우에, 예를 들어 중앙부(120b)의 온도의 80％의 온도를 하한 온도 TL1로 하고, 90％의 온도를 상한 온도 TL2로 함으로써, 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 적정 온도 범위를 결정할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 예를 들어 중앙부(120b)의 온도 T1이 930℃ 정도인 경우에는, 적정 온도 범위는 약 750℃ 내지 850℃로서 설정된다. 또한, 적정 온도 범위는, 미리 실험 등에 의해, 도 8과 같은 셀 스택(101)에 있어서의 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2와 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3의 관계를 얻어 두고, 실험 데이터에 기초하여 적정 온도 범위를 설정하는 것으로 해도 된다.
또한, 배출 연료 가스는 발전 반응에서 생성된 수증기를 포함하고 있기 때문에, 배출 연료 가스 재순환 가스는 수증기를 SOFC에 공급하는 역할을 담당하고 있다. 이 때문에, 배출 연료 가스의 재순환 유량이 감소하면 SOFC에 공급되는 수증기의 양도 감소해 버린다. SOFC의 정격 운전 시에서는, 예를 들어 S/C가 3.0 내지 5.0으로 설정되어 있기 때문에, SOFC의 정격 운전 시 S/C에 기초하여 배출 연료 가스의 재순환 유량의 하한값이 결정된다. 또한, 배출 연료 가스의 재순환 가스 유량은 재순환 블로워(348)의 회전수 등으로 제어하고 있기 때문에, 재순환 블로워(348)의 정격 회전수(최대 토출 압력 등)에 기초하여, 배출 연료 가스 재순환 가스의 유량의 상한값이 결정된다. 즉, 배출 연료 가스 유량 제어부(4)에서 제어할 수 있는 배출 연료 가스의 재순환 유량에는, 상한값과 하한값이 있고, 배출 연료 가스의 재순환 유량의 상한값 및 하한값에 소정의 여유도(마진)를 고려한 유량 범위가, 배출 연료 가스 유량 제어부(4)에 의한 배출 연료 가스 재순환 유량 제어 범위로서 설정된다.
연료 이용률 제어부(5)는, SOFC(313)의 연료 이용률을 제어함으로써, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어한다(연료 이용률 제어). 여기서, 연료 이용률이라 함은, 외부로부터 공급한 연료 가스에 대해, 발전 반응(개질 반응은 아님)에 이용된 연료의 비율이다. 본 실시 형태에서는, SOFC 발전 시스템에서 연료극(109)측에 배출 연료 가스 L3이 연료 가스 재순환 라인(349)에 의해 재순환되므로, 연료극(109)에 공급한 총 연료로서 재순환 가스 중의 연료를 포함하여 평가하는 것으로 한다. 구체적으로는, 연료 이용률을 제어하기 위해서는, 셀 스택(101)으로부터 발전 출력되는 발전 전류(발전 반응에서 발생하는 전류)에 대해, 연료 가스 L2의 유량을 제어함(제어 밸브(342)를 제어)으로써 행해지고, 연료 이용률을 저하하기 위해서는 연료 가스의 유량을 증가시킨다. 상세하게는, 연료 가스 L2의 유량을 증가시키면, SOFC(313)에 공급되는 연료 가스의 유량이 증가하지만, 셀 스택(101)으로부터 발전 출력되는 발전 전류가 일정한 경우에는, 발전 반응을 일정하게 하여 개질 반응만을 증가시킬 수 있다. 이 때문에, 연료 가스 L2의 유량을 증가시키면, 연료 이용률의 분모, 즉 외부로부터 SOFC(313)에 공급한 연료 가스의 양이 증가하는 한편, 연료 이용률의 분자, 즉 발전 반응에 이용된 연료는 대략 일정하게 유지되므로(개질 반응은 촉진됨), 결과적으로, 연료 이용률이 저하되게 된다. 즉, 연료 이용률 제어부(5)에서는, 연료 가스 L2의 유량을 증가(감소)시킴으로써, 연료 이용률을 저하(상승)시키고 있다.
그리고 연료 가스 L2의 유량이 증가하면, 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)에서는, 총 연료 가스 중의 가연성 가스의 개질 반응에 수반되는 흡열 작용에 의해, 온도가 저하된다. 연료 가스의 연료 이용률이 작을수록, 포함되는 가연성 가스의 개질 반응에 수반하는 흡열이 증가하여, 온도가 더 저하되게 된다. 즉, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2와 연료 이용률은 상관관계를 갖고 있다. 이 때문에, 연료 이용률을 제어함으로써, 발전 영역(120)에서의 총 연료 가스의 개질 반응을 제어하게 된다. 즉, 연료 이용률을 제어함으로써 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 조정할 수 있다. 예를 들어, 연료 이용률을 증가시킴으로써, 총 연료 가스의 개질 반응, 즉 흡열 작용을 억제하여, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도를 상승시킬 수 있다. 한편, 연료 이용률을 감소시킴으로써, 총 연료 가스의 개질 반응, 즉 흡열 작용을 촉진하여, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도를 저하시킬 수 있다.
그러나 연료 이용률의 제어에 있어서도, 상기 배출 연료 가스 재순환 유량 제어와 마찬가지로, 셀 스택(101)에 있어서의 연료 가스의 공급구 부근의 온도 T2와 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3은, 도 8과 같이 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2에 대해, 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3이 최댓값을 갖는 관계가 된다. 연료 이용률을 저하시킨 경우에는, 개질 흡열이 증가하여, 연료 가스의 공급부(120a)에 가까울수록 개질 흡열이 행해지고, 발전 영역(120)에 있어서의 연료 가스의 공급부(120a)에 가까울수록 온도 T2가 저하된다. 연료 이용률을 저하시키기 위해서는 연료 가스 L2의 유량을 증가시키지만, 연료 가스 L2의 유량을 증가시키면, 발전 영역(120)에 있어서의 고온 분위기의 중앙부(120b) 등의 영역으로부터 연료 가스의 배출부(120c)로의 열량의 반송량이 증가한다. 이 때문에, 연료 가스 L2의 유량을 증가시키면(연료 이용률을 저하시킴), 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3이 증가한다. 한편, 연료 이용률을 증가시키면, 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2는 상승한다. 그러나 연료 이용률을 증가시키기 위해서는, 연료 가스 L2의 유량을 감소시키기 때문에, 고온 분위기의 중앙부(120b) 등의 영역으로부터 연료 가스의 배출부(120c)로의 열량의 반송량이 감소하여, 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3은 저하된다. 한편, 연료 이용률이 어느 일정한 값 이하의 범위(연료 가스 L2의 유량이 어느 일정한 값 이상의 범위)에 있어서는, 그 범위 내에 있어서 연료 이용률을 증가(연료 가스 L2의 유량을 감소)시키면, 개질 반응에 의한 흡열량이 감소하여 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2는 상승하고, 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3은 조금 상승한다.
즉, 연료 이용률을 제어한 경우에는, 상기 배출 연료 가스 재순환 유량 제어와 마찬가지로, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2와 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3은, 도 7과 같이, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 높게 할수록 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3이 낮아지는 관계가 되고, 또한 도 8과 같이, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2에 대해, 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3이 최댓값을 갖는 관계가 된다. 즉, 도 8에 있어서, 연료 가스 L2의 유량을 감소시켜 연료 이용률을 상승시키면, 온도 T2 및 온도 T3의 양쪽이 상승하지만, 연료 이용률을 지나치게 상승시키면(연료 가스 L2의 유량을 지나치게 감소시킴), 온도 T2는 상승하기는 하지만, 온도 T3이 저하되게 된다. 이 때문에, 연료 이용률을 제어하여 연료 가스의 공급부(120a)의 온도를 적정 온도 범위 내로 제어함으로써, 셀 스택(101)의 연료 가스 흐름 방향의 발전 영역(120)의 온도 분포 상태(활형 온도 분포 상태)를 최적화할 수 있어, 셀 스택(101)의 출력을 향상시킬 수 있다.
또한, 연료 이용률이 지나치게 증가하면, SOFC(313)의 셀 스택(101)은 길기 때문에 발전 영역(120)의 연료 가스 흐름 방향의 하류측 영역에 있어서 연료가 결핍되어 발전을 행할 수 없는 상태가 되어 버린다. 이 때문에, 연료 이용률의 상한값은, SOFC(313)에 있어서 필요한 최저 연료량(연료 가스 L2의 공급량)에 기초하여 결정된다. 또한, 연료 이용률이 지나치게 낮으면 개질 반응도 많아져, 연료극(109)의 일부 영역에서 S/C가 저하되어 탄소 석출 등을 초래할 가능성이 있기 때문에, 연료 이용률의 하한값은, 탄소 석출이 발생하지 않는 연료량(연료 가스 L2의 공급량)에 기초하여 결정된다. 연료 이용률의 상한값 및 하한값에 소정의 여유도(마진)를 고려한 범위가, 연료 이용률 제어부(5)에 의한 연료 이용률 제어 범위로서 설정된다.
산화성 가스 온도 제어부(6)는, 산화성 가스의 온도를 제어함으로써, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어한다(산화성 가스 온도 제어). 구체적으로는, 산화성 가스 온도 제어부(6)는, 제2 산화성 가스 공급 라인(331)에 설치된 제어 밸브(335) 및 바이패스 라인(332)에 설치된 제어 밸브(336)의 개방도를 제어함으로써, SOFC(313)로 공급되는 산화성 가스(공기 A2)의 온도를 제어한다. 산화성 가스에서는 개질 반응에 의한 흡열 작용은 일어나지 않지만, SOFC(313)로 공급되는 산화성 가스의 온도는 발전실(215) 내의 온도보다 낮기 때문에, 발전 영역(120)과 셀 스택(101) 전체의 온도 분포에 영향을 미친다. 구체적으로는, 산화성 가스의 온도가 낮을수록 발전실(215) 내의 온도가 저하된다. 또한, 산화성 가스 온도 제어에 수반되는 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2와 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3의 관계는, 도 9와 같이 된다. 즉, 산화성 가스의 온도를 제어함으로써, 연료 가스의 공급부(120a)를 포함하는 발전 영역(120)과 셀 스택(101) 전체의 온도를 제어할 수 있다. 예를 들어, 발전실(215)에 공급되는 산화성 가스의 온도를 상승시킴으로써, 산화성 가스에 의한 셀 스택(101)의 냉각이 억제되어, 결과적으로 연료 가스의 공급부(120a)를 포함하는 발전 영역(120)과 셀 스택(101) 전체의 온도를 상승시킬 수 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서는, 발전실(215)에 공급되는 산화성 가스의 상류측은, 발전 영역(120)의 연료 가스 배출부(120c)측이 되므로, 산화성 가스 온도 제어에 수반하여, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2보다 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3으로의 온도 제어 효과가 커진다. 이 때문에, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2의 온도 제어를 행해도, 연료 가스의 배출부(120c)의 온도 T3을 충분히 온도 조정할 수 없는 경우에는, 산화성 가스 온도 제어는 더 효과적이 된다.
산화성 가스 온도 제어에서는, 예를 들어 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2와 연료 가스의 배출부(120c) 부근을 포함하는 발전 영역(120)과 셀 스택(101) 전체의 온도를 상승시킬 수 있다. 그러나 발전실의 열용량이 크기 때문에, 온도 변화에의 시상수가 커, 즉응성 및 제어성이 낮다. 한편, 배출 연료 가스 재순환 유량 제어는, 배출 연료 가스 재순환 유량 제어 범위를 비교적 넓게 운용하는 것이 가능하기 때문에, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2의 제어 레인지가 넓어진다. 이 때문에, 본 실시 형태에서는, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내가 아닌 경우(최적 운전 상태가 아닌 경우)에, 먼저, 배출 연료 가스 재순환 유량 제어를 행하고, 다음 스텝에, 연료 이용률 제어를 행하고, 마지막 스텝에, 산화성 가스 온도 제어를 행한다. 구체적으로는, 배출 연료 가스 재순환 유량 제어 범위 내에서 배출 연료 가스의 재순환 유량 제어를 행하고, 배출 연료 가스 재순환 유량 제어 범위에서는 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내가 되지 않는 경우에는, 다음 스텝으로서, 연료 이용률 제어 범위 내에서 연료 이용률 제어를 행하고, 연료 이용률 제어 범위에서는 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내가 되지 않는 경우에는, 마지막 스텝으로서 필요에 따라서 산화성 가스 온도 제어를 행하는 스텝의 순서로 진행하면, 더욱 바람직하다.
또한, 온도 분포 제어부(3)에 의한 배출 연료 가스 재순환 유량 제어, 연료 이용률 제어 및 산화성 가스 온도 제어의 순서는 적절하게 변경해도 되고, 또한 배출 연료 가스 유량 제어부(4), 연료 이용률 제어부(5) 및 산화성 가스 온도 제어부(6) 중 적어도 하나를 구비하는 구성으로 해도 된다. 또한, 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2를 제어할 수 있으면, 배출 연료 가스 재순환 유량 제어, 연료 이용률 제어 및 산화성 가스 온도 제어에 한정되지 않고, 적용 가능하다.
다음으로, 상술한 온도 분포 제어부(3)에 의한 온도 분포 제어에 대해 도 10을 참조하여 설명한다. 또한, 도 10에 나타낸 플로우는, SOFC가 기동하고 있는 동안에 있어서 소정의 제어 주기로 반복하여 실행된다.
먼저, 셀 스택(101)의 발전 영역(120)의 중앙부(120b)의 온도 T1을 계측한다(S101). 그리고 중앙부(120b)의 온도 T1이 소정 온도 T0 이상인지 여부를 판정한다(S102). 이것은, 발전 영역(120)이, 온도 분포 제어부(3)에 의해 적정한 온도 분포 상태로 제어 가능한 상태인지 여부를 판정하는 것이며, 소정 온도 T0이라 함은, 본 실시 형태에서는 예를 들어 900℃ 내지 950℃의 범위 내에서 설정된다. 중앙부(120b)의 온도 T1이 소정 온도 T0에 도달해 있으면, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 적정 온도 범위 내로 조정함으로써, 발전 영역(120) 전체의 온도 분포를 최적 온도 상태로 할 수 있다. 또한, 중앙부(120b)의 온도 T1이 소정 온도 T0을 초과하여 과도하게 고온 상태로 되면 SOFC(313)의 파손 등을 초래할 가능성이 있기 때문에, 중앙부(120b)의 온도 T1≒소정 온도 T0으로 하는 것이 바람직하다.
셀 스택(101)의 발전 영역(120)의 중앙부(120b)의 온도 T1이 소정 온도 T0 미만인 경우(S102의 "아니오" 판정)에는, 온도 T1의 조정을 행한다(S103). 구체적으로는, 중앙부(120b)의 온도 T1이 소정 온도 T0 미만인 경우에는, 중앙부(120b)의 온도 T1을 상승시키기 위해, 발전 영역(120)에 흐르는 전류를 제어함으로써(예를 들어, 전류 증가 지령) 전류를 증가시켜 발열시킨다. 또한, 중앙부(120b)의 온도 T1이 소정 온도 T0보다 크게 낮은 경우에는, 이후의 스텝에 있는 산화성 가스 온도 제어(S107)를 먼저 실시함으로써, SOFC(313)에 공급하는 산화성 가스의 온도를 상승시켜도 된다.
셀 스택(101)의 발전 영역(120)의 중앙부(120b)의 온도 T1이 소정 온도 T0 이상인 경우(S102의 "예" 판정)에는, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내(TL1≤T2≤TL2)인지 여부를 판정한다(S104). 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내인 경우(S104의 "예" 판정)에는, 발전 영역(120) 전체의 온도 분포 상태가 최적으로 되어 있다고 추정되므로, 온도 분포 제어를 종료하고, 소정의 제어 주기로 도 10에 나타낸 플로우를 반복하여 실행한다.
셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내가 아닌 경우(S104의 "아니오" 판정)에는, 배출 연료 가스 재순환 유량 제어 범위에서 배출 연료 가스의 재순환 유량을 제어하여, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 되는지 여부를 판정한다(S105). 또한, S105의 배출 연료 가스 재순환 유량 제어에 대해서는, 도 11을 사용하여 별도로 설명한다.
배출 연료 가스 재순환 유량 제어 범위에서 배출 연료 가스 L3으로부터 일부를 배출 연료 가스의 재순환 유량으로서 재순환시키는 제어를 행하고, 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 된 경우(S105의 "예" 판정)에는, 발전 영역(120) 전체의 온도 분포 상태가 최적으로 되었다고 추정되므로, 온도 분포 제어를 종료한다. 배출 연료 가스 재순환 유량 제어 범위에서 배출 연료 가스의 재순환 유량을 제어하여, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 되지 않은 경우(S105의 "아니오" 판정)에는, 배출 연료 가스의 재순환 유량의 제어만으로는 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 적정 온도 범위로 할 수 없다는 것이 된다.
이 때문에, 다음으로 연료 이용률 제어 범위에서 연료 이용률을 제어하여, 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 되는지 여부를 판정한다(S106). 또한, S106의 연료 이용률 제어에 대해서는, 도 12를 사용하여 별도로 설명한다.
연료 이용률 제어 범위에서 연료 이용률을 제어하여, 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 된 경우(S106의 "예" 판정)에는, 발전 영역(120) 전체의 온도 분포 상태가 최적으로 되었다고 추정되므로, 온도 분포 제어를 종료한다. 연료 이용률 제어 범위에서 연료 이용률을 제어하여, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 되지 않은 경우(S106의 "아니오" 판정)에는, 연료 이용률의 제어만으로는 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 적정 온도 범위로 할 수 없다는 것이 된다.
이 때문에, 다음으로 산화성 가스의 온도를 제어하여(S107), 셀 스택(101)에 있어서의 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 되도록 조정한다. 또한, 산화성 가스의 온도 제어는 리스폰스가 늦기 때문에, 전술한 배출 연료 가스 재순환 유량 및 연료 이용률에 의한 제어를 우선하여 행하고, 산화성 가스의 온도 제어는 필요에 따라서 행하면 더욱 좋다. 또한, S107을 행하지 않고, S106이 "아니오" 판정으로 된 경우에, 온도 분포 제어를 종료하는 것으로 해도 된다. 또한, S106 또는 S107이 실행된 단계에서, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 되지 않은 경우에는, 예를 들어 발전 영역(120) 전체의 온도 분포 상태가 최적으로 되어 있지 않은 것을, 운전자에게 통지하는 것으로 해도 된다.
다음으로, 상술한 온도 분포 제어부(3)에 의한 배출 연료 가스 재순환 유량 제어(S105)에 대해 도 11을 참조하여 설명한다. 또한, 도 11에 나타낸 플로우는, 도 10에 있어서의 온도 분포 제어의 배출 연료 가스 재순환 유량 제어(S105)의 상세이며, 배출 연료 가스 재순환 유량 제어(S105)가 실행될 때에 개시된다.
먼저, 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위의 하한 온도 TL1 미만인지 여부를 판정한다(S201). 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위의 하한 온도 TL1 미만인 경우(S201의 "예" 판정)에는, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 소정량씩 감소시켜 가는 경우에, 감소 후의 배출 연료 가스의 재순환 유량이 배출 연료 가스 재순환 유량 제한 범위 내인지 여부를 판정한다(S202). 그리고 배출 연료 가스의 재순환 유량을 소정량 감소시키는 경우에, 감소 후의 배출 연료 가스의 재순환 유량이 배출 연료 가스 재순환 유량 제한 범위 내인 경우(S202의 "예" 판정)에, 실제로 배출 연료 가스의 재순환 유량을 소정량 감소시킨다(S203). 또한, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 감소시키는 경우의 소정량이라 함은, 1회의 배출 연료 가스 재순환 유량의 감소에 의해 변화시키고자 하는 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2와 온도 T2의 적정 온도 범위의 차의 대소에 기초하여 결정되어도 된다. 즉, 소정량을 많이 설정하면, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 크게 변화시킬 수 있다.
다음으로, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 소정량 감소시킨 후에, 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 되었는지 여부를 판정한다(S204). 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 되어 있지 않은 경우(S204의 "아니오" 판정)에는, S202로 되돌아가, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 감소하는 제어를 다시 실행한다.
셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급구 부근의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 된 경우(S204의 "예" 판정)에는, 배출 연료 가스의 재순환 유량의 제어에 의해, 발전 영역(120) 전체의 온도 분포 상태가 최적으로 된 것을 나타내고 있고, S105의 "예" 판정으로 이행하여, 온도 분포 제어를 종료한다.
또한, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 소정량 감소시키는 경우에, 감소 후의 배출 연료 가스의 재순환 유량이 배출 연료 가스 재순환 유량 제한 범위 내가 아니게 되는 경우(S202의 "아니오" 판정)에는, 배출 연료 가스의 재순환 유량의 제어는 더이상 행할 수 없음을 나타내고 있으므로, 배출 연료 가스의 재순환 유량 제어(S105)의 "아니오" 판정으로 이행하여, 연료 이용률 제어(S106)가 실행된다.
한편, 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위의 하한 온도 TL1 미만이 아닌 경우(S201의 "아니오" 판정)에는, S104에 의해 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내가 아닌 경우(S104의 "아니오" 판정)인 것이 판정 완료이므로, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2는, 적정 온도 범위의 상한 온도 TL2 이상이다. 이 때문에, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 저하시키는 처리를 행한다. 먼저, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 소정량 증가시켜 가는 경우에, 증가 후의 배출 연료 가스의 재순환 유량이 배출 연료 가스 재순환 유량 제한 범위 내인지 여부를 판정한다(S205). 그리고 배출 연료 가스의 재순환 유량을 소정량 증가시키는 경우에, 증가 후의 배출 연료 가스의 재순환 유량이 배출 연료 가스 재순환 유량 제한 범위 내인 경우(S205의 "예" 판정)에, 실제로 배출 연료 가스의 재순환 유량을 소정량 증가시킨다(S206). 또한, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 증가시키는 경우의 소정량이라 함은, 1회의 배출 연료 가스 재순환 유량의 증가에 의해 변화시키고자 하는 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2와 온도 T2의 적정 온도 범위의 차의 대소에 기초하여 결정되어도 된다. 즉, 소정량을 많이 설정하면, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 크게 변화시킬 수 있다.
다음으로, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 소정량 증가시킨 후에, 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 되었는지 여부를 판정한다(S207). 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 되어 있지 않은 경우(S207의 "아니오" 판정)에는, S205로 되돌아가, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 증가시키는 제어를 다시 실행한다.
셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 된 경우(S207의 "예" 판정)에는, 배출 연료 가스의 재순환 유량의 제어에 의해, 발전 영역(120) 전체의 온도 분포 상태가 최적으로 된 것을 나타내고 있고, 배출 연료 가스의 재순환 유량 제어(S105)의 "예" 판정으로 이행하여, 온도 분포 제어를 종료한다.
또한, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 소정량 증가시킨 경우에, 증가 후의 배출 연료 가스의 재순환 유량이 배출 연료 가스 재순환 유량 제한 범위 내가 아닌 경우(S205의 "아니오" 판정)에는, 배출 연료 가스의 재순환 유량의 제어는 더이상 행할 수 없음을 나타내고 있으므로, 배출 연료 가스의 재순환 유량 제어(S105)의 "아니오" 판정으로 이행하여, 연료 이용률 제어(S106)가 실행된다.
다음으로, 상술한 온도 분포 제어부(3)에 의한 연료 이용률 제어(S106)에 대해 도 12를 참조하여 설명한다. 또한, 도 12에 나타낸 플로우는, 도 10에 있어서의 온도 분포 제어의 연료 이용률 제어(S106)의 상세이며, 연료 이용률 제어(S106)가 실행될 때에 개시된다.
먼저, 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위의 하한 온도 TL1 미만인지 여부를 판정한다(S301). 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위의 하한 온도 TL1 미만인 경우(S301의 "예" 판정)에는, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 상승시키는 처리를 행한다. 이 때문에, 연료 이용률을 소정량 증가시켜 온도 T2를 상승시키는 경우에, 증가 후의 연료 이용률이 연료 이용률 제한 범위 내인지 여부를 판정한다(S302). 그리고 연료 이용률을 소정량 증가시키는 경우에, 증가 후의 연료 이용률이 연료 이용률 제한 범위 내인 경우(S302의 "예" 판정)에, 실제로 연료 이용률을 소정량 증가시킨다(S303). 또한, 연료 이용률을 증가시키는 경우의 소정량이라 함은, 1회의 연료 이용률의 증가에 의해 변화시키고자 하는 공급부(120a)의 온도 T2와 온도 T2의 적정 온도 범위의 차의 대소에 기초하여 결정되어도 된다.
다음으로, 연료 이용률을 소정량 증가시킨 후에, 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 되었는지 여부를 판정한다(S304). 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 되어 있지 않은 경우(S304의 "아니오" 판정)에는, S302로 되돌아가, 연료 이용률을 증가시키는 제어를 다시 실행한다.
셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 된 경우(S304의 "예" 판정)에는, 연료 이용률의 제어에 의해, 발전 영역(120) 전체의 온도 분포 상태가 최적으로 된 것을 나타내고 있고, 연료 이용률 제어(S106)의 "예" 판정으로 이행하여, 온도 분포 제어를 종료한다.
연료 이용률을 소정량 증가시키는 경우에, 증가 후의 연료 이용률이 연료 이용률 제한 범위 내가 아닌 경우(S302의 "아니오" 판정)에는, 연료 이용률의 제어는 더이상 행할 수 없음을 나타내고 있으므로, 연료 이용률 제어(S106)의 "아니오" 판정으로 이행하여, 산화성 가스 온도 제어(S107)가 실행된다.
한편, 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위의 하한 온도 TL1 미만이 아닌 경우(S301의 "아니오" 판정)에는, S104에 의해 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내가 아닌 경우(S104의 "아니오" 판정)인 것이 판정 완료이기 때문에, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2는, 적정 온도 범위의 상한 온도 TL2 이상이다. 이 때문에, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 저하시키는 처리를 행한다. 먼저, 연료 이용률을 소정량 감소시켜 가는 경우에, 증가 후의 연료 이용률이 연료 이용률 제한 범위 내인지 여부를 판정한다(S305). 그리고 연료 이용률을 소정량 감소시키는 경우에, 저하 후의 연료 이용률이 연료 이용률 제한 범위 내인 경우(S305의 "예" 판정)에, 실제로 연료 이용률을 소정량 감소시킨다(S306). 또한, 연료 이용률을 감소시키는 경우의 소정량이라 함은, 1회의 연료 이용률의 감소에 의해 변화시키고자 하는 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2와 온도 T2의 적정 온도 범위의 차의 대소에 기초하여 결정되어도 된다.
다음으로, 연료 이용률을 소정량 감소시킨 후에, 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 되었는지 여부를 판정한다(S307). 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 되어 있지 않은 경우(S307의 "아니오" 판정)에는, S305로 되돌아가, 연료 이용률을 감소시키는 제어를 다시 실행한다.
셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 공급부(120a)의 온도 T2가 적정 온도 범위 내로 된 경우(S307의 "예" 판정)에는, 연료 이용률의 제어에 의해, 발전 영역(120) 전체의 온도 분포 상태가 최적으로 된 것을 나타내고 있고, 연료 이용률 제어(S106)의 "예" 판정으로 이행하여, 온도 분포 제어를 종료한다.
연료 이용률을 소정량 증가시켜 가는 경우에, 증가 후의 연료 이용률이 연료 이용률 제한 범위 내가 아닌 경우(S305의 "아니오" 판정)에는, 연료 이용률의 제어는 더이상 행할 수 없음을 나타내고 있으므로, 연료 이용률 제어(S106)의 "아니오" 판정으로 이행하여, 산화성 가스 온도 제어(S107)가 실행된다.
다음으로, 본 실시 형태의 발전 시스템(310)의 기동 방법에 대해 설명한다. 또한, 발전 시스템(310)의 기동은, 제어 장치(380)가 구비하는 기동 정지 제어부(2)에 의해 제어된다. 발전 시스템(310)을 기동하는 경우, MGT(311)가 기동한 후에 SOFC(313)가 기동한다. 발전 시스템(310)의 기동 시에 있어서, 제어 장치(380)는 먼저 MGT(311)를 기동시키고, MGT(311)의 출력이 어느 일정한 부하에서 안정되고 나서, 압축기(321)로부터 공급되는 공기 A의 일부(공기 A2)를 SOFC(313)에 공급함으로써, SOFC(313)의 공기극(113)을 가압해 갈 수 있다.
먼저, MGT(311)의 기동에서는, 압축기(321)가 공기 A를 압축하고, 연소기(322)가 공기 A1과 연료 가스 L1을 혼합하여 연소하고, 터빈(323)이 연소 가스 G에 의해 회전함으로써, 발전기(312)가 발전을 개시한다. 공기 A의 전량을 연소기(322)로 공급하기 때문에, 제어 밸브(335, 336, 337)는 완전 폐쇄로 되는 것이 바람직하다.
SOFC(313)의 기동에서는, 먼저, 공기 A의 적어도 일부(공기 A2)를 SOFC(313)의 공기극(113)으로 공급하여 승압을 개시하고, 승온을 개시한다. 배출 산화성 가스 배출 라인(333)의 제어 밸브(337)와 배출 산화성 가스 공급 라인(334)의 차단 밸브(338)를 폐지하고, 제어 밸브(327)를 소정 개방도만큼 개방한다. 또한, 여기서 승압 속도를 제어하기 위한 개방도 조정을 행한다. 또한, 제어 밸브(327)는, 소정 개방도로 유지하고, 제어 밸브(336)는 폐쇄로 한다. 그러면, 압축기(321)에서 압축한 공기 A의 적어도 일부인 공기 A2가 제2 산화성 가스 공급 라인(331)으로부터 SOFC(313)측으로 공급된다. 공기 A2는, 열 교환기(330)에 의해 온도가 300 내지 500℃에서 승온되어 있고, 이에 의해 SOFC(313)는, 공기 A2가 공급됨으로써 승온과 함께 압력이 상승한다.
한편, SOFC(313)의 연료극(109)에서는, 연료극측에 질소 등의 불활성 가스를 공급하여 승압을 개시한다. 제어 밸브(346)와 제어 밸브(347)를 폐지하고, 재순환 블로워(348)를 정지한 상태에서, 불활성 가스를 공급함과 함께, 연료 가스 재순환 라인(349)의 재순환 블로워(348)를 구동한다. 또한, 재순환 블로워(348)는 연료극(109)측의 가압 전에 기동하고 있어도 된다. 그러면, 불활성 가스가 제2 연료 가스 공급 라인(341)으로부터 SOFC(313)측으로 공급됨과 함께 연료 가스 재순환 라인(349)에 의해 재순환된다. 이에 의해, SOFC(313)측은, 불활성 가스가 공급됨으로써 압력이 상승한다.
그리고 SOFC(313)의 공기극(113)측의 압력이 압축기(321)의 출구 압력과 동등해지면, 제어 밸브(327)에서 SOFC(313)로의 공급 공기 유량을 제어함과 함께, 차단 밸브(338)를 개방하여 SOFC(313)로부터의 배출 공기 A3을 배출 산화성 가스 공급 라인(334)으로부터 연소기(322)에 공급한다. SOFC(313)와 MGT(311)를 연결시키고, SOFC(313)를 경유하여 MGT(311)의 연소기(322)에 공기를 공급하는 콤바인드 상태로 이행한다. 이때, 제어 밸브(337)도 개방도를 제어하여 SOFC(313)로부터의 배출 공기 A3의 일부를 계통 밖으로 배출해도 된다. 그와 동시에 제어 밸브(346)의 개방도를 제어하여 SOFC(313)로부터의 불활성 가스를 계통 밖으로 배출해도 된다. 그리고 SOFC(313)에 있어서의 공기극(113)측의 압력과 연료극(109)측의 압력이 목표 압력에 도달하면, SOFC(313)의 승압이 완료된다.
콤바인드 상태로의 이행 후에, 제어 밸브(327) 및 제어 밸브(336)를 개방도 조정함으로써, SOFC(313)를 승온하기 위해 SOFC(313)에 공급되는 공기 A2의 유량을 증가시키고, 제1 산화성 가스 공급 라인(326)을 통해 연소기(322)에 공급되는 공기 A1의 유량을 감소시킨다. 그리고 소정의 조건이 된 후에 SOFC(313)가 발전을 개시할 때까지는 공기 A의 전량이 SOFC(313)를 경유하여, 배출 산화성 가스 배출 라인(333)으로부터 배출 산화성 가스 공급 라인(334)을 경유하여, 연소기(322)에 공급되도록 제어하여, SOFC(313)를 가능한 한 균일한 온도에서 빠르게 승온할 수 있도록 해도 된다.
그 후, SOFC(313)의 압력 제어가 안정되고 나서, 제어 밸브(337)가 개방으로 되어 있는 경우는 폐지하는 한편, 차단 밸브(338)의 개방을 유지한다. 이 때문에, SOFC(313)로부터의 배출 공기 A3이 배출 산화성 가스 공급 라인(334)으로부터 연소기(322)에 계속 공급된다.
제어 장치(380)는, SOFC(313)의 기동에 있어서, 제1 승온 모드, 제2 승온 모드 및 부하 상승 모드를 차례로 실행하고, 도시하지 않은 셀 스택 주위의 온도인 발전실 온도를 정격 온도까지 상승시킴과 함께, 목표 부하까지 부하를 상승시킨다.
먼저, 제1 승온 모드에서는, 전술한 바와 같이 열 교환기(330)에 의한 열 교환에 의해 가열된 공기 A2를 공기극(113)에 공급함으로써, 공기극(113)을 비롯한 발전실을 승온시킨다. 제1 승온 모드에 의해, 제1 온도 역치에 도달하면, 제1 승온 모드로부터 제2 승온 모드로 전환한다. 여기서, 제1 온도 역치는, 공기극(113)이 가연성 가스로서의 연료 가스 L2와의 연소 반응에 대해 촉매로서 기능하는 온도이며, 예를 들어 약 400℃ 내지 450℃의 범위로 설정되어 있다.
제2 승온 모드에서는, 제1 승온 모드와 마찬가지로 공기극(113)에 공기 A2를 공급함과 함께, 공기극 연료 공급 라인(371)에 설치한 제어 밸브(372)를 개방함으로써 연료 가스 L2를 공기 A2에 첨가 공급한다. 공기 A2와 연료 가스 L2가 유입된 공기극(113)에서는, 공기극(113)의 촉매 작용에 의해 연료 가스 L2가 공기극(113)에서 촉매 연소되어, 연소열이 발생한다. 이와 같이, 제2 승온 모드에서는, 촉매 연소에 의한 발열을 사용하여 공기극(113)을 상승시킨다.
제어 장치(380)는, 발전실 온도가 제2 온도 역치에 도달하면, 제2 승온 모드로부터 부하 상승 모드로 전환한다.
부하 상승 모드에서는, 승온 시간의 단축을 위해, 제1 승온 모드와 마찬가지로 공기극(113)에 공기 A2를 공급함과 함께, 제2 연료 가스 공급 라인(341)의 제어 밸브(342)를 개방함으로써 연료 가스 L2를 연료극(109)에 공급하고, 순수 공급 라인(361)의 펌프(362)를 구동함으로써 순수를 연료극(109)에 공급하여, 발전을 개시한다. 부하 상승 모드에서는, 공기극(113)에 연료 가스 L2를 첨가 공급하는 것에 의한 촉매 연소에 의한 발열과, 발전의 양쪽에 의한 발열에 의해 발전실 온도를 상승시킨다. 부하 상승 모드에서는, SOFC(313)의 발전실 온도가 발전에 의한 자기 발열로 온도 유지를 할 수 있을 때까지 온도 상승을 한 후에는, 공기극(113)으로 첨가 공급되는 연료 가스 L2의 공급량을 서서히 감소시켜, 예를 들어 목표 부하 도달과 동시에 공기극(113)으로의 연료 가스 L2의 첨가 공급이 제로가 되도록 제어된다.
상기 제2 온도 역치는, 예를 들어 750℃ 이상으로 설정되어 있다. 이것은, 연료극(109)이 충분한 온도에 도달해 있지 않을 때에 연료극(109)측에 연료 가스 L2를 투입해 버리면, 고체 전해질(111)이 고저항 상태 그대로 SOFC(313)를 발전시키게 되어, 전극 구성 재료가 조직 변화되어 열화되어, SOFC(313)의 성능 저하의 요인이 되기 때문이며, SOFC(313)의 성능 저하가 일어나기 어렵도록, 제2 온도 역치는 750℃ 부근으로 설정되는 것이 바람직하다.
또한, 배출 연료 가스 L3의 성분이 연소기(322)에 투입 가능한 성분이 되면, 제어 밸브(346)를 폐지하는 한편, 제어 밸브(347)를 개방한다. 그러면, SOFC(313)로부터의 배출 연료 가스 L3이 배출 연료 가스 공급 라인(345)으로부터 연소기(322)에 공급된다. 이때, 제1 연료 가스 공급 라인(351)에 구비한 제어 밸브(352)에 의해 연소기(322)에 공급되는 연료 가스 L1을 감량한다.
부하 상승 모드에서, 발전실 온도가 발전실 목표 온도에 도달하고, 부하가 정격 부하 등 목표 부하에 도달하면, 기동 완료가 된다.
발전실 목표 온도는 SOFC(313)가 발전에 의한 발열에 의한 자기 발열로 온도를 유지할 수 있는 온도 이상이며, 예를 들어 800 내지 950℃로 설정된다.
이와 같이 하여, MGT(311)의 구동에 의한 발전기(312)에서의 발전, SOFC(313)의 승압·승온·기동에서의 발전이 행해지게 되어, 발전 시스템(310)이 정상 운전이 된다.
여기서, 본 실시 형태의 SOFC(313)의 정지 방법에 대해 설명한다. 또한, SOFC(313)의 정지에 대해서도, 제어 장치(380)가 구비하는 기동 정지 제어부(2)에 의해 제어된다. SOFC(313)를 정지하는 경우, SOFC(313)의 통상 정지 시 또는 긴급 정지 시에는, 먼저, 연료극(109)측으로의 연료 가스 L2의 공급 계속, 및 공기극(113)측으로의 산화성 가스인 공기 A2의 공급을 정지한다.
SOFC(313)를 정지하기 위해, 제어 밸브(335, 336, 347) 및 차단 밸브(338)를 폐지하여 연소기(322)를 정지하는 한편, 제어 밸브(342)는 소정의 개방도로 하고, 각 제어 밸브(337, 346)를 개방(제어 밸브(337, 346)는, 예를 들어 반개방)하여 배출 공기 A3 및 배출 연료 가스 L3을 계외로 배출한다. 그러면, SOFC(313)는, 공기극(113)으로의 공기 A2의 공급이 정지되는 한편, 연료극(109)으로의 연료 가스 L2 및 순수 공급 라인(361)을 통해 순수의 공급이 계속되고, 연료극의 환원 분위기가 유지된 상태에서 발전이 정지한다. 연료 가스 L2 및 순수가 연료극(109)으로 공급되고, 연료극(109)으로부터 배출 연료 가스 라인(343)에 배출된 배출 연료 가스 L3의 일부는 연료 가스 재순환 라인(349)을 통해 연료극(109)에 순환되므로, 연료극측의 계통의 과잉의 압력 저하를 방지할 수 있다.
SOFC(313)의 온도의 냉각이 진행하여 소정 온도보다 저하되면, 발전 정지에 수반되는 공기극(113)의 환원이나 연료극(109)의 산화에 의한 열화를 방지하기 위해, SOFC(313)의 운전 정지 후에 연료극(109)측의 계통으로 질소 등의 불활성 가스를 퍼지함으로써 SOFC(313)를 보호한다. SOFC(313)가 미리 설정된 소정 온도까지 냉각되면, 제어 밸브(342)를 폐지하여 연료 가스 L2의 공급을 정지하는 한편, 제어 밸브(346)를 개방한 채로 두고 배출 연료 가스 L3의 일부를 계외로 배출한다. 또한, SOFC(313)는, 도시하지 않은 퍼지 가스 공급 라인으로부터 퍼지 가스(불활성 가스)가 연료극(109)에 공급되는 한편, 배출 연료 가스 라인(343) 및 연료 가스 재순환 라인(349)의 배출 연료 가스 L3이 제어 밸브(346)로부터 계통 밖으로 배출된다. 그 때문에, 연료극(109)은, 퍼지 가스에 의해 환원 분위기가 불활성 분위기로 단시간에 치환된다. 연료극(109)측의 계통 분위기를 불활성 가스로 치환함으로써, 잔존한 연료 가스가 공기극(113)으로 확산됨으로써 공기극(113)의 재료가 환원되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 연료극(109)측의 계통에 질소 등의 불활성 가스를 공급하면서 연료 가스 재순환 라인(349)을 통해 연료극(109)에 순환되고 있기 때문에, 배출 연료 가스 L3이 계통 밖으로 배출되는 것에 의한 연료극측의 계통의 과잉의 압력 저하를 방지하면서 SOFC(313)를 냉각할 수 있다.
연료극(109)측의 계통에 공급하는 불활성 가스는, 질소(N2) 가스, 아르곤(Ar) 가스, He(헬륨) 가스 또는 연소 배출 가스 등이다. 불활성 가스는, N2 가스 및 H2 가스의 혼합 가스여도 된다. 불활성 가스에 포함되는 H2 가스는, 공기극(113)측으로부터 확산되어 온 산소(O2)와 반응한다. 따라서, 불활성 가스에 H2 가스를 포함시킴으로써, 확산되어 온 산소가 연료극(109)의 재료와 반응하는 것을 방지할 수 있다.
연료극(109)측의 계통으로의 불활성 가스의 공급과 병행하여, 공기극(113)측의 계통에 도시하지 않은 냉각 가스 공급 라인으로부터 냉각 가스를 공급한다. 냉각 가스는, 산소를 포함하는 것이 바람직하다. 냉각 가스의 온도는, 발전 시에 SOFC(313)에 공급되는 공기 A2보다 낮다. 냉각 가스는, 외기(상온의 공기) 등이 적합하다. 상온이라 함은, 0℃ 내지 40℃ 정도의 온도를 가리킨다. 도시하지 않은 냉각 가스 공급 라인은, SOFC(313)의 공기극(113)에 냉각 가스를 공급할 수 있도록, 예를 들어 제2 산화성 가스 공급 라인(331)에 접속되고, 냉각 가스는, 냉각 가스 공급 라인에 설치된 도시하지 않은 별도 설치된 컴프레서나 송풍기에서 공급해도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템, 연료 전지 및 온도 분포 제어 방법에 의하면, 셀 스택(101)의 길이 방향의, 발전 영역(120)의 길이 방향에 있어서의 연료 가스의 공급부(120a)의 온도를 제어 대상으로 하였다. 셀 스택(101)에 있어서의 연료 가스 흐름 방향의 발전 영역(120)의 온도 분포 상태는, 셀 스택(101)의 발전 영역(120)의 중앙부(120b)의 온도에 대해 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 및 연료 가스의 배출부(120c)의 온도가 저하된 상태인 활형 온도 분포 상태로 되어 있고, 당해 활형 온도 분포 상태는, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도에 의해 대략 일의적으로 추정할 수 있다. 즉, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도의 제어에 의해, 발전 영역(120)의 전체의 온도 분포 상태를 제어할 수 있다.
예를 들어, 셀 스택(101)에 있어서의 연료 가스 흐름 방향의 온도 분포 상태에 있어서, 발전 영역(120)의 중앙부(120b)의 온도 T1이 적정 온도 범위에 있었던 경우라도, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 과도하게 낮은 경우에는, 운전 조건으로서 배출 연료 가스의 재순환 유량이 많거나 또는 연료 이용률이 낮기 때문에, 연료 가스의 공급부(120a)의 흡열량이 많은 상황이며, 또한 연료 가스의 배출부(120c)에는 중앙부(120b) 부근의 고온 영역의 열량이 열 반송되기 쉬운 상황이 되어, 연료 가스의 배출부(120c)의 온도는 상승하고, 셀 스택(101) 전체의 발전량이 저하되어 있는 상태가 된다. 한편, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2가 과도하게 높은 경우에는, 운전 조건으로서, 배출 연료 가스의 재순환 유량이 적거나, 또는 연료 이용률이 높기 때문에, 연료 가스의 공급부(120a)의 흡열량이 적은 상황이며, 또한 연료 가스의 배출부(120c)에 중앙부(120b) 부근의 고온 영역의 열량이 열 반송이 적은 상황에 있고, 연료 가스의 배출부(120c)의 온도가 낮아져, 셀 스택(101) 전체의 발전량이 저하되어 있는 상태가 된다. 이와 같이, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2에 따라서, 연료 가스의 배출부(120c)의 온도도 변화되어, 셀 스택(101) 전체의 발전량의 저하를 초래할 가능성이 있다. 그래서, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어함으로써, 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 연료 가스 흐름 방향의 온도 분포 상태를 적절하게 제어하고, 연료 가스의 배출부(120c)의 온도도 적정 온도로 할 수 있다. 이 때문에, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어함으로써, 셀 스택(101)에 있어서의 운전 상태를 최적화하고, 발전 출력을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 종래에는, 발전 시스템(310)의 시운전 조정 시에는, 셀 스택(101)의 발전 영역(120)의 온도 분포 상태에 의한 발전량 저하를 억제하기 위해, 운전자가 시행착오를 반복하면서 운전 조건 조정을 행하고 있었다. 이 때문에, 운전 조건 조정에 시간을 요하여, 효율적으로 발전 영역(120) 전체에 있어서의 운전 온도 상태를 최적화하는 것이 곤란하였다. 그러나 연료 가스의 공급부(120a)의 온도를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어함으로써 발전 영역(120)의 온도 분포 상태를 최적화할 수 있기 때문에, 운전 조건 조정에 걸리는 시간을 단축하여, 운전자의 작업 부담을 경감시킬 수 있다.
또한, 셀 스택(101)의 발전 영역(120)의 온도 분포는 연료의 종류에도 의존한다. 그러나 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어함으로써 발전 영역(120)의 온도 분포 상태를 최적화할 수 있으므로, 적정 온도 범위를 사용하는 연료종마다 적절하게 설정함으로써, 다양한 연료의 종류에 대응할 수 있다. 즉, 간단한 설정만으로, 연료의 다양화에 대응할 수 있다.
또한, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2의 적정 온도 범위를, 셀 스택(101)에 있어서의 발전 영역(120)의 중앙부(120b)의 온도 T1에 기초하여 결정하는 것으로 하였으므로, 적정 온도 범위를 용이하게 설정하는 것이 가능해진다.
또한, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 증감시킴으로써, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어한다. 배출 연료 가스는, 셀 스택(101)의 발전 영역(120)에서 발전 반응에 기여하지 않은 가연성 가스인 메탄(CH4) 등을 포함하고 있다. 이 때문에, 연료 가스의 공급부(120a)에서는, 배출 연료 가스의 개질 반응(예를 들어, 가연성 가스인 메탄(CH4)과 수증기가 반응하여, 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 개질함)에 의한 흡열 작용에 의해, 온도 저하가 발생한다. 즉, 배출 연료 가스의 재순환 유량과, 셀 스택(101)에 있어서의 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2는 상관관계를 갖는다. 이 때문에, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 제어함으로써, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 조정할 수 있다. 예를 들어, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 저감시킴으로써, 배출 연료 가스의 개질 반응, 즉 흡열 작용을 억제하여, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 상승시킬 수 있다. 이상으로부터, 배출 연료 가스의 재순환 유량을 증감시킴으로써, 셀 스택(101)에 있어서의 운전 상태를 최적화하여, 발전 출력을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 연료 이용률을 증감시킴으로써 연료 가스의 공급부(120a)의 온도를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어하기 위해, 셀 스택(101)에 있어서의 운전 상태를 최적화하여, 발전 출력을 향상시키는 것이 가능해진다. 연료 가스의 공급부(120a)에서는, 연료 가스의 개질 반응(예를 들어, 가연성 가스인 메탄(CH4)과 수증기가 반응하여, 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 개질함)에 의한 흡열 작용에 의해, 온도 저하가 발생한다. 즉, 연료 가스에 포함되는 가연성 가스를 발전 반응에 사용하는 비율인 연료 이용률의 증감에 따라서 개질 반응량도 증감의 변화를 하므로, 연료 이용률과 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2와는 상관관계를 갖는다. 이 때문에, 연료 가스의 연료 이용률을 제어함으로써, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도 T2를 조정할 수 있다. 예를 들어, 연료 이용률을 증가시킴으로써, 가연성 가스의 개질 반응, 즉 흡열 작용을 억제하여, 연료 가스의 공급부(120a)의 온도를 상승시킬 수 있다.
또한, 산화성 가스의 온도를 제어함으로써 연료 가스의 공급부(120a)의 온도를 미리 설정된 상기 적정 온도 범위 내로 제어하기 때문에, 셀 스택(101)에 있어서의 운전 상태를 최적화하여, 발전 출력을 향상시키는 것이 가능해진다. 일반적으로, 산화성 가스는 셀 스택(101) 전체의 냉각원으로 되어 있어, SOFC(313)에 있어서의 발전 영역(120) 전체의 온도에 영향을 미치고 있다. 이 때문에, 산화성 가스의 온도를 제어함으로써, 연료 가스의 공급부(120a)를 포함하는 발전 영역(120) 전체의 온도를 제어할 수 있다.
본 발명은, 상술한 실시 형태에만 한정되는 것은 아니며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서, 다양한 변형 실시가 가능하다.
2 : 기동 정지 제어부
3 : 온도 분포 제어부(제어부)
4 : 배출 연료 가스 유량 제어부(배출 연료 가스 재순환 유량 제어부)
5 : 연료 이용률 제어부
6 : 산화성 가스 온도 제어부
101 : 셀 스택
105 : 연료 전지 셀
109 : 연료극
111 : 고체 전해질
113 : 공기극
120 : 발전 영역(발전부)
120a : 연료 가스의 공급부
120b : 연료 가스의 중앙부
120c : 연료 가스의 배출부
201 : SOFC 모듈
203 : SOFC 카트리지
207 : 연료 가스 공급관
209 : 연료 가스 배출관
215 : 발전실
217 : 연료 가스 공급실
219 : 연료 가스 배출실
221 : 산화성 가스 공급실
223 : 산화성 가스 배출실
310 : 발전 시스템
312 : 발전기
321 : 압축기
322 : 연소기
323 : 터빈
325 : 공기 도입 라인
326 : 제1 산화성 가스 공급 라인
328 : 연소 가스 공급 라인
329 : 연소 배출 가스 라인
330 : 열 교환기
331 : 제2 산화성 가스 공급 라인
332 : 바이패스 라인
333 : 배출 산화성 가스 배출 라인
334 : 배출 산화성 가스 공급 라인
327, 335-337, 342, 346, 347, 352, 372 : 제어 밸브
338 : 차단 밸브
341 : 제2 연료 가스 공급 라인
343 : 배출 연료 가스 라인
345 : 배출 연료 가스 공급 라인
348 : 재순환 블로워
349 : 연료 가스 재순환 라인
351 : 제1 연료 가스 공급 라인
361 : 순수 공급 라인
362 : 펌프
371 : 공기극 연료 공급 라인
380 : 제어 장치

Claims (7)

  1. 공기극과 고체 전해질과 연료극이 적층되어 형성되어 있는 연료 전지 셀에 있어서 상기 공기극측을 흐르는 산화성 가스와 상기 연료극측을 흐르는 연료 가스를 반응시켜 발전을 행하는 발전부를 갖는 셀 스택을 구비하는 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템이며,
    상기 발전부에 있어서의 상기 연료 가스의 공급부의 온도를 계측하는 온도 계측부와,
    상기 온도 계측부에 의한 계측 결과에 기초하여, 상기 연료 가스의 공급부의 온도를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어함으로써, 상기 발전부에 있어서의 연료 가스 흐름 방향의 온도 분포 상태를 제어하는 제어부를 구비하는, 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적정 온도 범위는, 상기 발전부에 있어서의 중앙부의 온도에 기초하여 결정되는, 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연료극으로 공급되는 상기 연료 가스는, 상기 발전부의 연료극측으로부터 배출된 배출 연료 가스의 적어도 일부를 배출 연료 가스의 재순환 유량으로서 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 배출 연료 가스의 재순환 유량을 증감시킴으로써, 상기 연료 가스의 공급부의 온도를 미리 설정된 상기 적정 온도 범위 내로 제어하는 배출 연료 가스 재순환 유량 제어부를 구비하는, 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 연료 이용률을 증감시킴으로써, 상기 연료 가스의 공급부의 온도를 미리 설정된 상기 적정 온도 범위 내로 제어하는 연료 이용률 제어부를 구비하는, 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 산화성 가스의 온도를 제어함으로써, 상기 연료 가스의 공급구 부근의 온도를 미리 설정된 상기 적정 온도 범위 내로 제어하는 산화성 가스 온도 제어부를 구비하는, 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템.
  6. 산화성 가스와 연료 가스를 반응시켜 발전을 행하는 발전부와,
    제1항 또는 제2항에 기재된 연료 전지의 온도 분포 제어 시스템을 구비한, 연료 전지.
  7. 공기극과 고체 전해질과 연료극이 적층되어 형성되어 있는 연료 전지 셀에 있어서 상기 공기극측을 흐르는 산화성 가스와 상기 연료극측을 흐르는 연료 가스를 반응시켜 발전을 행하는 발전부를 갖는 복수의 셀 스택을 구비하는 연료 전지의 온도 분포 제어 방법이며,
    상기 발전부에 있어서의 상기 연료 가스의 공급부의 온도를 계측하는 온도 계측 공정과,
    상기 온도 계측 공정에 의한 계측 결과에 기초하여, 상기 연료 가스의 공급부의 온도를 미리 설정된 적정 온도 범위 내로 제어함으로써, 상기 발전부에 있어서의 연료 가스 흐름 방향의 온도 분포 상태를 제어하는 제어 공정을 포함하는, 연료 전지의 온도 분포 제어 방법.
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