JP2016085927A - 複合発電システム及び複合発電システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に供給される混合ガスのＳ／Ｃ比を簡易かつ適切に調整することが可能な複合発電システム及び複合発電システムの制御方法を提供することを目的とする。
【解決手段】複合発電システム１０は、ＳＯＦＣ１２及びＳＯＦＣ１２から排出される排燃料ガスを用いて運転されるガスタービン１６を備え、ＳＯＦＣ１２からガスタービン１６へ排燃料ガスを供給する排燃料供給ライン３２と、排燃料供給ライン３２から分岐して設けられ、排燃料ガスをＳＯＦＣ１２に戻す再循環ライン３３と、ＳＯＦＣ１２に対し、排燃料ガスを含む混合ガスを供給する燃料供給ライン２４と、混合ガス中の炭素１個に対する水蒸気のモル比率であるＳ／Ｃ比と、ＳＯＦＣ１２の運転状況に応じて要求される規定のＳ／Ｃ比とに基づいて、燃料供給ライン２４内に水を噴霧するスプレイ３８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池と内燃機関を組み合わせて行う複合発電システム及び複合発電システムの制御方法に関するものである。

燃料ガスと酸素とを化学反応させることにより発電する燃料電池が知られている。このうち、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell、以下「ＳＯＦＣ」という。）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、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。

また、ＳＯＦＣと内燃機関である例えばガスタービンとを組み合わせて発電を行う複合発電システムも知られている。

下記の特許文献１には、燃料電池システム及び複合発電システムにおいて、燃料利用率の向上と、燃料供給に伴い必要となる水蒸気の供給の効率化を図るため、複数の燃料電池で燃料及び水蒸気の再利用を行う技術が開示されている。また、特許文献２には、燃料電池システムにおける燃料電池の停止動作において、セルスタックを確実に保護するため、気化器がセルスタックの有する顕熱で水を加熱し、セルスタックの燃料極側に水蒸気を供給する技術が開示されている。

特許第３９１７８３８号公報 特開２０１４−１３７９７６号公報

ＳＯＦＣとガスタービンとを組み合わせて発電を行う複合発電システムにおいて、発電によって生じた水を燃料の改質に再利用する、及び、排燃料の顕熱を供給燃料の昇温に用いるため、排燃料ガスの一部をＳＯＦＣに戻し（再循環させ）ている。そのため、ＳＯＦＣから排出された排燃料ガスをガスタービンに供給する排燃料供給ラインには、排燃料ガスの一部をＳＯＦＣに戻す再循環ラインが設けられている。

再循環ラインを経由した排燃料ガスの再循環を行う場合において、Ｃ析出防止と改質率促進のためにＳＯＦＣに供給される混合ガスのＳ／Ｃ比（混合ガス中の炭素１個に対する水蒸気のモル比率）が規定値よりも低いとき、燃料供給ラインを介して水蒸気を供給することによって、不足する水蒸気を補っていた。

また、定格発電時の負荷よりも低い部分負荷時に、ＳＯＦＣから排出された排燃料ガスの再循環だけで水蒸気供給を行う場合、負荷が低いと発電反応で生成される水の量も少なくなるので再循環流量を多くする必要がある。その結果、再循環ブロワは、定格発電時以上の流量を供給可能な容量を備えなければならない。

さらに、ＳＯＦＣの運転中において、Ｓ／Ｃ比は、規定値（例えば４、又は水蒸気供給などによるＳ／Ｃ比の調整が難しい場合は、４よりも高い値を所定値としてもよい。）となるように制御される。しかし、ＳＯＦＣの起動時又は停止動作時、再循環流量に対して供給される燃料の流量が少ないと、相対的にＳ／Ｃ比が高くなり、場合によってはＳ／Ｃ比が１０まで到達することもあった。Ｓ／Ｃ値が高すぎると、最終的に排出される排ガス中のＨ_２Ｏ含有量が増加し、この潜熱分が無駄な熱量として系外に排出されるためシステム効率が低下する。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池に供給される混合ガスのＳ／Ｃ比を簡易かつ適切に調整することが可能な複合発電システム及び複合発電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、本発明の複合発電システム及び複合発電システムの制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る複合発電システムは、燃料電池及び前記燃料電池から排出される排燃料ガスを用いて運転される内燃機関を備える複合発電システムであって、前記燃料電池から前記内燃機関へ前記排燃料ガスを供給する排燃料供給系統と、前記排燃料供給系統の分岐点から分岐して設けられ、前記排燃料ガスを前記燃料電池に戻す再循環系統と、前記燃料電池に対し、燃料ガスと前記排燃料ガスを含む混合ガスを供給する燃料供給系統と、前記混合ガス中の水蒸気量と炭素量の比であるＳ／Ｃ比と、前記燃料電池の運転状況に応じて要求される規定のＳ／Ｃ比とによって算出された、前記再循環系統に供給する水の流量に基づいて、前記再循環系統内に前記水を噴霧する噴霧器とを備える。

この構成によれば、混合ガス中のＳ／Ｃ比と要求される規定のＳ／Ｃ比が異なるとき、両方のＳ／Ｃ比に基づいて、噴霧器によって、燃料供給系統内に水が噴霧されることから、適切な水量を燃料供給系統内に供給でき、混合ガスを適切なＳ／Ｃ比に調整することができる。

上記発明において、前記排燃料供給系統にて、前記分岐点よりも上流側に設けられるブロワを更に備え、前記ブロワの容量は、前記燃料電池が定格発電時に前記再循環系統を流れるガスの流量を最大流量として決定されている。

この構成によれば、ブロワによって再循環系統に排燃料ガスが供給され、ＳＯＦＣに排燃料の一部が戻される。そして、噴霧器によって、燃料供給系統に水が噴霧されることから、再循環流量を増加させることなく、混合ガスを適切なＳ／Ｃ比に調整することができるため、ブロワの容量を低く抑えることができる。

上記発明において、前記排燃料供給系統にて、前記ブロワよりも上流側に設けられるオリフィスと、前記排燃料供給系統にて、前記分岐点よりも下流側に設けられる制御弁とを更に備える。

この構成によれば、オリフィスによって圧損が生じ、燃料系統の圧力が上がりやすくなるため空気系統と燃料系統の系統差圧を設けることができ、再循環系統との分岐点よりも下流側に設けられる制御弁によって、空気系統と燃料系統の系統差圧及び再循環流量が調整される。上記構成において、噴霧器によって、燃料供給系統に水が噴霧されることから、再循環流量を増加させることなく、混合ガスを必要なＳ／Ｃ比に調整することができ、再循環流量の流量範囲が限定される。したがって、再循環流量の範囲を限定されるため、差圧調整範囲が小さくなり、ブロワよりも上流側（ＳＯＦＣと再循環ラインの分岐点との間）に設けられていた差圧制御弁の代わりにオリフィスを設置し、再循環ラインの分岐点よりも下流側に設けられる制御弁によって、系統差圧及び再循環流量を調整するため、システムの簡素化を図ることができる。

上記発明において、前記燃料電池の起動時又は停止動作において、前記燃料供給系統に水蒸気の供給を行わず、前記噴霧器によって前記混合ガスのＳ／Ｃ比を調整する。

この構成によれば、起動時又は停止動作において、水蒸気の供給ではなく、噴霧器による水の供給が行われることから、新たに供給する燃料ガスが少ないときにも混合ガスのＳ／Ｃ比の制御を容易に行うことができる。また、停止動作時には、燃料電池を冷却することができ、停止までの時間を短縮できる。

本発明に係る複合発電システムの制御方法は、燃料電池及び前記燃料電池から排出される排燃料ガスを用いて運転される内燃機関を備える複合発電システムの制御方法であって、排燃料供給系統にて、前記燃料電池から前記内燃機関へ前記排燃料ガスを供給するステップと、前記排燃料供給系統の分岐点から分岐して設けられる再循環系統にて、前記分岐点よりも上流側に設けられるブロワにより前記排燃料ガスを前記燃料電池に戻すステップと、燃料供給系統にて、前記燃料電池に対し、燃料ガスと前記排燃料ガスを含む混合ガスを供給するステップと、噴霧器が、前記混合ガス中の水蒸気量と炭素量の比であるＳ／Ｃ比と、前記燃料電池の運転状況に応じて要求される規定のＳ／Ｃ比とに基づいて、前記再循環系統内に水を噴霧するステップとを含む。

本発明によれば、燃料電池に供給される混合ガスのＳ／Ｃ比を簡易かつ適切に調整することができる。

本発明の一実施形態に係る複合発電システムを示す構成図である。 本発明の一実施形態に係る複合発電システムの運転制御装置を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る複合発電システムの運転制御装置及びスプレイの動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るセルスタックを示す部分拡大断面図である。 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジを示す断面図である。

以下に、本発明の一実施形態に係る複合発電システムについて、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る複合発電システム１０の構成図である。
複合発電システム１０は、燃料電池及び燃料電池から排出される燃料ガスを用いて運転される内燃機関を組み合わせて発電を行う。なお、複合発電システム１０は、常時監視が行われている。

燃料電池であるＳＯＦＣ１２は、空気極に酸化性ガス（本実施形態では空気）が供給されるとともに燃料極に燃料ガスが供給されることにより発電を行う。ＳＯＦＣ１２は、圧力容器１４に覆われている。また、ＳＯＦＣ１２は、圧力容器１４内の圧力を計測する圧力センサ１５Ａ及び圧力容器１４内の温度を計測する温度センサ１５Ｂが備えられる。

内燃機関は、一例として小型のガスタービン（以下「マイクロガスタービン」又は「ＭＧＴ」という。）１６である。
ＭＧＴ１６は、圧縮した空気をＳＯＦＣ１２の空気極に供給するコンプレッサ１８、空気極から排出された排出空気、燃料極から排出された排燃料ガス及び燃料ガス（本実施形態では都市ガス）が供給され、高温の燃焼ガスを生成する燃焼器２０、燃焼器２０から排出された燃焼ガスにより回転駆動するタービン２２が設けられる。

ＳＯＦＣ１２には、燃料供給ライン２４を介して、還元性ガス（本実施形態では水素ガス）、水蒸気、不活性ガス（本実施形態では窒素ガス）、及び燃料ガス（本実施形態では都市ガス）の混合ガスが供給可能とされる。また、還元性ガス供給ラインには減圧弁２８Ａが設けられ、各ガスに対応する供給ラインには開閉弁２８Ｂ〜２８Ｅが設けられている。
燃料ガスとしては、都市ガス（ＣＮＧ）のほか、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素ガス系ガス、石炭など炭素質原料のガス化設備により製造したガスも用いることが可能である。

ＳＯＦＣ１２から排出された排燃料ガスは、排燃料供給ライン３２によって燃焼器２０へ供給されると共に、一部の排燃料ガスが再循環ライン３３を介してＳＯＦＣ１２へ戻される。再循環ライン３３にはスプレイ３８が設けられる。スプレイ３８は、再循環ライン３３に水を直接噴霧して、再循環ライン３３を流れる排燃料ガスに水を供給する。

排燃料供給ライン３２には、ＳＯＦＣ１２と再循環ライン３３の分岐点との間に、オリフィス３４及び再循環ブロワ３６が上流側から順に設けられる。オリフィス３４は、排燃料供給ライン３２内で、オリフィス３４の上流側と下流側との間に圧力差を生じさせる。再循環ブロワ３６は、ＳＯＦＣ１２から排出されるガスをＳＯＦＣ１２へ循環させつつ、燃焼器２０にガスを供給する。

排燃料供給ライン３２には、再循環ライン３３との分岐点よりも後流側にて、すなわち、再循環ライン３３の分岐点と燃焼器２０の間に、開閉弁４０と制御弁４１が上流側から順に設けられる。

排燃料供給ライン３２は、ＳＯＦＣ１２とオリフィス３４の間で分岐され、排出ライン４２によって排燃料ガスをパージ（系外へ排出）可能とされている。排出ライン４２には、開閉弁４４が設けられている。これにより、複合発電システム１０内の燃料ガスは、開閉弁４４が開かれるとパージされる。

また、ＳＯＦＣ１２は、コンプレッサ１８で圧縮され、空気予熱器（再生熱交換器）４８で予熱された空気が空気供給ライン４６を介して供給される。空気供給ライン４６には、コンプレッサ１８からの空気の流量を制御する制御弁５０が備えられる。
制御弁５０の下流には、減圧弁４７及び開閉弁４９を備えた空気／窒素ガス供給ラインが接続されている。なお、図示の空気／窒素ガス供給ラインは、空気又は窒素ガスのいずれか一方を供給する流路である。

ＳＯＦＣ１２から排出された空気は、排出空気供給ライン５６によって燃焼器２０へ供給される。排出空気供給ライン５６には、開閉弁６０が備えられる。
排出空気供給ライン５６は、分岐され、排出ライン６２によって空気をパージ可能とされている。排出ライン６２には、開閉弁６４が設けられている。これにより、複合発電システム１０内の空気は、開閉弁６４が開かれるとパージされる。

図２は、本実施形態に係る運転制御装置８０の電気的構成を示すブロック図である。運転制御装置８０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。

運転制御装置８０は、Ｓ／Ｃ比算出部８１と、Ｓ／Ｃ比比較部８２と、スプレイ制御部８３を備える。

Ｓ／Ｃ比算出部８１は、例えば、ＳＯＦＣ１２に供給する水蒸気流量、燃料ガス流量、再循環流量などに基づいて、現時点においてＳＯＦＣ１２に供給されている混合ガスのＳ／Ｃ比を算出する。混合ガスのＳ／Ｃ比の算出方法は、一般的に用いられる方法を適用することができ、メモリ等に保存されたテーブルや算出式を参照して運転条件から算出してもよいし、運転時に実際に配管に流れる水蒸気流量や燃料ガス流量を測定して算出してもよい。算出結果は、Ｓ／Ｃ比比較部８２に送られる。

Ｓ／Ｃ比比較部８２は、運転状況、例えば起動時、ＳＯＦＣ発電負荷状況、停止動作時などに応じて要求される規定のＳ／Ｃ比と、Ｓ／Ｃ比算出部８１で算出された現時点におけるＳ／Ｃ比を比較する。比較結果は、スプレイ制御部８３に送られる。

スプレイ制御部８３は、Ｓ／Ｃ比比較部８２における比較結果に基づいて、スプレイ３８が再循環ライン３３に供給する水量を算出する。そして、スプレイ制御部８３は、算出された水量を供給できるスプレイ３８の開度を算出する。スプレイ制御部８３は、算出された開度に関する制御信号をスプレイ３８に送信する。制御信号を受信したスプレイ３８は、開度が調整されて、算出されたＳ／Ｃ比に基づいて求められた水量を再循環ライン３３に供給できる。

以下、図３を参照して、運転制御装置８０及びスプレイ３８の動作について説明する。
まず、Ｓ／Ｃ比算出部８１において、現時点でＳＯＦＣ１２に供給されている混合ガスのＳ／Ｃ比が算出される（ステップＳ１）。

次に、Ｓ／Ｃ比比較部８２において、運転状況に応じて要求される規定のＳ／Ｃ比と、Ｓ／Ｃ比算出部８１で算出された現時点におけるＳ／Ｃ比が比較される（ステップＳ２）。

そして、スプレイ制御部８３において、Ｓ／Ｃ比比較部８２における比較結果に基づいて、スプレイ３８が再循環ライン３３に供給する水量が算出される（ステップＳ３）。

また、算出された水量を供給できるスプレイ３８の開度が算出され（ステップＳ４）、スプレイ制御部８３からスプレイ３８へ、算出された開度に関する制御信号が送られる（ステップＳ５）。

その後、スプレイ３８において、開度が調整されて（ステップＳ６）、再循環ライン３３に水が噴霧される（ステップＳ７）。以上より、運転状況に応じて要求される規定のＳ／Ｃ比となるように、水が再循環ライン３３に供給される。例えば、Ｓ／Ｃ比が不足する場合は、スプレイ３８の開度が開く方向に調整されて、供給する水量を増加させる。一方、Ｓ／Ｃ比が過剰である場合は、開度が閉じる方向に調整されて、供給する水量を減少させるか、スプレイ３８が完全に閉じられて、水の供給を停止する。

次に、運転状況に応じて要求される規定のＳ／Ｃ比とするため、ＳＯＦＣ１２の再循環ライン３３、すなわち燃料供給側に投入される水の供給量について説明する。水は、スプレイ３８によって供給される。また、再循環ライン３３のガス温度は、スプレイで供給された水を加熱して蒸気とするのに十分高い温度である。
水の供給量は、以下のとおり、起動時、定格運転時、停止動作時ごとにそれぞれ望ましい値に設定される。

起動時の水供給量は、排燃料ガスの再循環流量と、ＳＯＦＣ１２へ新たに供給する燃料ガスの流量に基づいて、ＳＯＦＣ１２での改質反応に必要な流量、例えば、Ｓ／Ｃ比が４となるように水供給量が決定される。

なお、起動時の排燃料ガスの再循環流量は、（１）各カートリッジへの分配性を確保できる流量、又は、（２）ドレン化防止のため、再循環ライン３３の配管放熱によるガス温度低下を抑制できる流量のいずれかに設定される。なお、再循環ライン３３の配管に保温装置（例えばトレースヒータ）を設置している場合は、（２）の流量設定は、除外してよく、（１）による流量設定が行われる。

定格運転時の水供給は、ＳＯＦＣ１２の発電反応で生成された水が再循環ライン３３を介してＳＯＦＣ１２に供給されるため、原則、不要である。なお、定格運転時の排燃料ガスの再循環流量は、ＳＯＦＣ１２での改質反応に必要な流量、例えば、Ｓ／Ｃ比が４となる流量に設定される。

停止動作時の水供給量は、排燃料ガスの再循環流量と、ＳＯＦＣ１２へ新たに供給する燃料ガスの流量に基づいて、ＳＯＦＣ１２での改質反応に必要な流量、例えば、Ｓ／Ｃ比が４となるように水供給量が決定される。また、停止動作時の水供給量は、セルスタックを冷却するのに必要な流量となるように水供給量が決定されてもよい。供給された水の蒸発潜熱を利用することによって、再循環ライン３３を流れるガスの温度を低下させることができ、セルスタックの冷却が可能となる。

なお、停止動作時の排燃料ガスの再循環流量は、（１）各カートリッジへの分配性を確保できる流量、又は、（２）セルスタックを冷却するのに必要な流量のいずれかに設定される。なお、（２）については、完全停止となるまでに掛かる時間を短縮したい場合に設定される。その他の放熱により冷却させる場合は、（２）の流量設定は、除外してよく、（１）による流量設定が行われる。

また、上記説明では、Ｓ／Ｃ比が４となるように、水供給量や再循環流量を調整することが望ましいと説明しているが、本発明は、この例に限定されない。
例えば、Ｓ／Ｃ比は、２以上であれば、炭素析出防止の効果が得られるため、Ｓ／Ｃ≧２であることが好ましい。また、Ｓ／Ｃ比の値が大きすぎると、例えば、Ｓ／Ｃ≧１０以上であると、排燃料ガス中の水が増加し、この潜熱分が無駄な熱量として系外に排出されることになるため、システム効率が低下する。したがって、Ｓ／Ｃ比は１０未満であるとよい。

以上、本実施形態によれば、スプレイ３８による水供給を行うことによって、ＳＯＦＣ１２の低負荷運転時などにおいてＳＯＦＣ１２に供給される混合ガスのＳ／Ｃ比が低下したとき、Ｓ／Ｃ比を高めることができる。また、停止動作時などにおいてＳＯＦＣ１２の発電室を冷却することができる。すなわち、水の蒸発潜熱を利用して発電室の冷却を促進し、ＳＯＦＣが停止するまでの時間を短縮できる。

従来、ＳＯＦＣの起動時（昇温段階）など、開閉弁２８Ｃを介した燃料供給ライン２４側の水蒸気供給を行う場合、新たに供給する燃料ガスの流量が少ないと、放熱によりドレン化しやすく流量や圧力が不安定となるため、水蒸気の流量調整が難しい。例えば、ＳＯＦＣ１２の起動時又は停止動作時、再循環流量に対して供給される燃料の流量が少ないため、相対的にＳ／Ｃ比が高くなってしまう。

一方、本実施形態のように、スプレイ３８による水供給を行う場合、液体を制御し、再循環ライン３３に水を直接噴霧することから、水蒸気供給に比べて流量を調整しやすい。そのため、燃料ガスの流量に応じて、適切な量の水を供給することができることから、Ｓ／Ｃ比が過剰になることを防止できる。

また、ＳＯＦＣ１２の低負荷運転時など、ＳＯＦＣ１２から排出された排燃料ガスの再循環だけで運転を行う場合、負荷が低いときは発電反応で生成される水の量も少なくなるので、Ｓ／Ｃ比を高くするためには再循環流量を多くする必要がある。そのため、再循環ブロワ３６は、定格発電時以上の流量を供給可能な容量を備えなければならない。

一方、本実施形態のように、スプレイ３８による水供給を行う場合、水蒸気供給に比べて流量を調整しやすいことから、再循環流量を上げてＳ／Ｃ比を高めに設定しておく必要がない。そのため、ＳＯＦＣ１２の低負荷運転時における再循環流量は、通常運転条件範囲内で増加させ、定格発電時の流量を最大とするように制御すればよく、従来に比べて再循環ブロワ３６の小容量化を図ることができる。

また、再循環流量の流量範囲が限定されるため、ＳＯＦＣ１２と再循環ライン３３の分岐点との間に設けられる差圧制御弁の代わりにオリフィス３４を設け、再循環ライン３３の分岐点と燃焼器２０の間に設けられる制御弁４１で、系統差圧及び再循環流量を調整できる。したがって、差圧制御弁を設ける代わりにオリフィス３４を設置することから、差圧制御弁を省略でき、システムの簡素化を図ることができる。

また、Ｓ／Ｃ比の調整は、スプレイ３８で行うため、燃料供給側の水供給を最低流量又はゼロにすることができる。従来、水蒸気を供給するため、水を加熱する補助ボイラを用いていたが、本実施形態によれば補助ボイラが不要となり、かつ、コストも低減できる。さらに、緊急トリップ時などの停止動作時において、補助ボイラの立ち上げを待つ時間も不要になる。

以下、本実施形態に係る複合発電システム１０に適用されるＳＯＦＣの一例について説明する。
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」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。
また、以下においては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。

（円筒形セルスタックの構造）
まず、図４を参照して本実施形態に係る円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図４は、本実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を有する。

（セルスタックの各構成要素の材料と機能の説明）
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、又はＹ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ₂（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ_２Ｏ_４とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。

燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を有する。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（H_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ^２−）とを固体電解質１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。

固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを有するＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ^２−）を燃料極に移動させるものである。

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３系酸化物で構成される。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ^２−）を生成するものである。

インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ_１−ｘＬ_ｘＴｉＯ_３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１１１とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。

（ＳＯＦＣモジュールの構造と各要素の機能の説明）
次に、図５と図６とを参照して本実施形態に係るＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。ここで、図５は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。また、図６は、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図を示すものである。

ＳＯＦＣモジュール２０１は、図５に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａとを有する。またＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを有する。

燃料ガス供給管２０７は、図示しない圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。

燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス供給枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。

圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約１ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。

ここで、本実施例においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。

（ＳＯＦＣカートリッジの構造と各要素の機能の説明）
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図６に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室２２１と、酸化性ガス排出室２２３とを有する。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを有する。なお、本実施例においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１と酸化性ガス排出室２２３とが図６のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。

発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置され、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、燃料電池モジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気となる。

燃料ガス供給室２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域である。また、燃料ガス供給室２１７は、上部ケーシング２２９ａに備えられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、図示しない燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、燃料ガス供給室２１７には、セルスタック１０１の一方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０５の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給室２１７は、図示しない燃料ガス供給管枝２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０５の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。

燃料ガス排出室２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域である。また、燃料ガス排出室２１９は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、図示しない燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、燃料ガス排出室２１９には、セルスタック１０１の他方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０５の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０５の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して図示しない燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。

ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給室２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部支持体２２７ｂとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス供給室２２１は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給室２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。

酸化性ガス排出室２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部支持体２２７ａとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス排出室２２３は、上部ケーシング２２９ａに備えられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出室２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して燃料ガス排出室２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない第３酸化性ガス排出枝管２０９ｂに導くものである。

上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給室２１７と酸化性ガス排出室２２３とを隔離するものである。

下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１とを隔離するものである。

上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２７ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを有する。

この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出室２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出室２２３に導くものである。

本実施例によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０５の内部を通って発電室１０５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。

下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２７ａの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを有する。

この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給室２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給室２３３に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。

本実施例によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０５の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。

発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないインバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。

１０ 複合発電システム
１２ ＳＯＦＣ（燃料電池）
１６ ガスタービン（内燃機関）
１８ コンプレッサ
２０ 燃焼器
２２ タービン
２４ 燃料供給ライン（燃料供給系統）
３２ 排燃料供給ライン（排燃料供給系統）
３３ 再循環ライン（再循環系統）
３４ オリフィス
３６ 再循環ブロワ（ブロワ）
３８ スプレイ（噴霧器）
４１ 制御弁

Claims (5)

1. 燃料電池及び前記燃料電池から排出される排燃料ガスを用いて運転される内燃機関を備える複合発電システムであって、
   前記燃料電池から前記内燃機関へ前記排燃料ガスを供給する排燃料供給系統と、
   前記排燃料供給系統の分岐点から分岐して設けられ、前記排燃料ガスを前記燃料電池に戻す再循環系統と、
   前記燃料電池に対し、燃料ガスと前記排燃料ガスを含む混合ガスを供給する燃料供給系統と、
   前記混合ガス中の水蒸気量と炭素量の比であるＳ／Ｃ比と、前記燃料電池の運転状況に応じて要求される規定のＳ／Ｃ比とによって算出された、前記再循環系統に供給する水の流量に基づいて、前記再循環系統内に前記水を噴霧する噴霧器と、
   を備える複合発電システム。
2. 前記排燃料供給系統にて、前記分岐点よりも上流側に設けられるブロワを更に備え、
   前記ブロワの容量は、前記燃料電池が定格発電時に前記再循環系統を流れるガスの流量を最大流量として決定されている請求項１に記載の複合発電システム。
3. 前記排燃料供給系統にて、前記ブロワよりも上流側に設けられるオリフィスと、
   前記排燃料供給系統にて、前記分岐点よりも下流側に設けられる制御弁と、
   を更に備える請求項２に記載の複合発電システム。
4. 前記燃料電池の起動時又は停止動作において、前記燃料供給系統に水蒸気の供給を行わず、前記噴霧器によって前記混合ガスのＳ／Ｃ比を調整する請求項１から３のいずれか１項に記載の複合発電システム。
5. 燃料電池及び前記燃料電池から排出される排燃料ガスを用いて運転される内燃機関を備える複合発電システムの制御方法であって、
   排燃料供給系統にて、前記燃料電池から前記内燃機関へ前記排燃料ガスを供給するステップと、
   前記排燃料供給系統の分岐点から分岐して設けられる再循環系統にて、前記分岐点よりも上流側に設けられるブロワにより前記排燃料ガスを前記燃料電池に戻すステップと、
   燃料供給系統にて、前記燃料電池に対し、燃料ガスと前記排燃料ガスを含む混合ガスを供給するステップと、
   噴霧器が、前記混合ガス中の水蒸気量と炭素量の比であるＳ／Ｃ比と、前記燃料電池の運転状況に応じて要求される規定のＳ／Ｃ比とに基づいて、前記再循環系統内に水を噴霧するステップと、
   を含む複合発電システムの制御方法。
   

Images