JP2016095940A - 固体酸化物形燃料電池システム及びこれを備える複合発電システム、並びに、固体酸化物形燃料電池システムの停止方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料極の破損を確実に防止できる固体酸化物形燃料電池システム及びこれを備える複合発電システム、並びに、固体酸化物形燃料電池システムの停止方法を提供する。【解決手段】燃料ガス及び酸化性ガスの送給が停止されてトリップに移行することにより、第１遮断弁６１及び第２遮断弁６３が開放して固体酸化物形燃料電池１５内での燃料ガス及び酸化性ガスの圧力を低下させる。酸化性ガスの送給が遮断された直後に、または、固体酸化物形燃料電池１５内の酸化性ガスの圧力が所定値に到達した時に、第３遮断弁７７が開放して空気極側に不活性ガスまたは酸素以外の酸化性ガスのいずれかであるパージガスが送給され、空気極内の酸素分圧を低下させる。【選択図】図１

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池システム及び該固体酸化物形燃料電池システムを備える複合発電システム、並びに、固体酸化物形燃料電池システムの停止方法に関する。

固体酸化物形燃料電池の例として、円筒型固体酸化物形燃料電池や平板型固体酸化物形燃料電池が知られている。例えば円筒型固体酸化物形燃料電池では、複数の円筒形状のセルスタックが電気的に並列または直列に接続されて燃料電池内部に収容される。各セルスタックにおいて、例えばカルシウム安定化ジルコニア（ＣＳＺ）製の多孔質の基体管上に、燃料極、固体電解質膜、及び、空気極が積層されたセルが複数形成され、隣接するセルがインターコネクタで連結される。
複数のセルスタックは圧力容器内に収容されて、モジュール化される。

上記セルにおいて、燃料極は、一般にＮｉとイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）との混合物である。空気極は、導電性を有する酸化物であり、例えばＬａＭｎＯ_３系材料、ＬａＦｅＯ_３系材料、ＬａＣｏＯ_３系材料などが用いられる。

上記構成の固体酸化物形燃料電池は、９００℃近傍で運転される。固体酸化物形燃料電池の運転時では、基体管内部に燃料ガス（Ｈ_２ガス、ＣＨ_４ガス、ＣＯガス等）が流通し、圧力容器内部に酸化性ガス（空気等）が流通する。燃料ガスと酸化性ガスとが固体電解質膜の界面で反応することによって発電する。

燃料電池の異常が検知されると、燃料電池の停止動作を行うトリップ状態に移行する。緊急停止時などの燃料電池の停止時においては、燃料ガスの供給が遮断されるトリップ状態に移行する。トリップ状態に移行する原因としては、軽故障と重故障とがある。軽故障は、電圧異常や温度異常の場合である。重故障は運転継続が不可であり、且つ、軽故障時のトリップ動作が不可能であり、ガスの封じ込めが必要な場合である。例えば、重故障とは、火災や燃料ガス系統の故障など可燃性ガスが使用できない場合、停電や制御装置の故障により制御装置への電源が喪失する場合、再循環ブロワの故障などである。

燃料電池の運転時において燃料極は燃料ガスに曝されるため、燃料極のＮｉは還元状態に保たれている。しかし、重故障によりトリップ状態に移行すると、燃料ガスの供給が停止される。トリップ状態の際に空気極側に酸素を含む酸化性ガスが存在していると、酸化性ガス中の酸素が固体電解質膜を通過して燃料極に到達し、残存する燃料ガスが酸化反応により消費される。トリップ状態が継続して燃料極側の燃料ガスが欠乏してくると、運転温度に近い高温状態で燃料極材料のＮｉが酸素と反応してＮｉＯが生成する。この反応は大きな体積変化を伴うものであるため、燃料極において大きな応力が発生し、燃料極や空気極をはじめとした電極膜や基体管の破損に繋がる。上記構成のように圧力容器内に酸化性ガスが存在する場合には、固体酸化物形燃料電池の発電室内では、酸化性ガスの容積が燃料ガスの容積よりも大きいため、燃料極の酸化反応が特に発生しやすい。

トリップ時に燃料極を保護する方法として、可燃性ガスなどの還元性ガスが使用可能な状況では燃料極に還元性ガスを流通させて燃料極側を還元性雰囲気に保持する方法が採用される。
特許文献１は、トリップ時に燃料極側に不活性ガスなどのパージガスを供給して燃料極の損傷を防止する方法を開示する。
特許文献２は、燃料電池の停止時に本体が降温するまでの間に燃料をアノード内に封止し、封止後のアノード内部の圧力を制御することによって燃料極の破損を防止することを開示する。

特開２０１２−２２７０６４号公報 特開２０１３−１６５０４２号公報

例えば災害、燃料ガス系統異常、可燃性ガス漏洩、制御装置故障などが原因でトリップ状態に移行した場合には、可燃性ガスを使用することができない。

特許文献２では、災害や制御装置の重故障時などにより制御装置の電源を喪失すると、適切な燃料極保護を行うことができないことから、制御装置を介さないで固体酸化物形燃料電池を停止させる機構が求められている。

また、特許文献２の手段では、トリップ時に空気極側に酸素を含む酸化性ガスが流通するため酸化性ガスの一部が燃料極に到達して燃料極が酸化される恐れが高い。特に圧力容器内に酸化性ガスを流通させる構成では、圧力容器内に酸化性ガスが満たされて空気極側を流通することから酸化性ガス量が多い状況にあるため、トリップ時に未反応の酸素が燃料極側に拡散し、封止された燃料ガスと反応して燃料ガスを消費してしまうために燃料極が酸化されてしまうことが問題となっていた。
特許文献１の手段を採用した場合でも、トリップ時に空気極側に酸素を含む酸化性ガスが流通するので、特許文献２と同様の問題が発生する恐れがあった。

本発明は、セルスタック、特に燃料極の破損を防止することができる固体酸化物形燃料電池システム及びこれを備える複合発電システム、並びに、固体酸化物形燃料電池システムの停止方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、複数のセルを有する１つまたは複数のセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池と、セルスタックの燃料極側に燃料ガスを送給する燃料ガス送給ラインと、燃料ガスをセルスタックの燃料極側から排出する燃料ガス排出ラインと、セルスタックの空気極側に酸素を含む酸化性ガスを送給する酸化性ガス送給ラインと、酸化性ガスをセルスタックの空気極側から排出する酸化性ガス排出ラインと、燃料ガス排出ラインから分岐する燃料ガスベントラインと、燃料ガスベントラインに設けられるフェイルオープンの第１遮断弁と、酸化性ガス排出ラインから分岐する酸化性ガスベントラインと、酸化性ガスベントラインに設けられるフェイルオープンの第２遮断弁と、燃料ガスベントライン及び酸化性ガスベントラインがガス下流側で合流する排出ラインと、を有するベント部と、酸化性ガス送給ラインに接続し、不活性ガスまたは酸素以外の酸化性ガスのいずれかであるパージガスを酸化性ガス送給ラインに送給するパージガスラインと、パージガスラインに設けられるフェイルオープンの第３遮断弁とを有するパージガス供給部と、を備え、燃料ガス送給ラインからの燃料ガスの送給及び酸化性ガス送給ラインからの酸化性ガスの送給が遮断されることにより、第１遮断弁及び第２遮断弁が開放されることで、ベント部が固体酸化物形燃料電池内の燃料ガスおよび酸化性ガスを固体酸化物形燃料電池から排出させて燃料極ガスの圧力及び酸化性ガスの圧力を低下させ、酸化性ガス送給ラインからの酸化性ガスの送給が遮断されることにより第３遮断弁が開放され、酸化性ガスの送給が遮断された直後に、または、固体酸化物形燃料電池内の酸化性ガスの圧力が所定値に到達した時に、パージガス供給部がセルスタックの空気極側にパージガスを送給する固体酸化物形燃料電池システムである。

本発明の第２の態様は、複数のセルを有する１つまたは複数のセルスタックを含み、セルスタックの燃料極側に燃料ガスを送給し、セルスタックの空気極側に酸素を含む酸化性ガスを送給して、セルの固体電解質膜において燃料ガスと酸化性ガスとを反応させて発電する固体酸化物形燃料電池システムの停止方法であって、燃料ガスの送給及び酸化性ガスの送給が停止されることにより、燃料極から燃料ガスが排出され、空気極から酸化性ガスが排出されて、固体酸化物形燃料電池内で燃料ガスの圧力及び酸化性ガスの圧力が低下する工程と、燃料ガスの送給が停止されることにより、セルスタックの空気極側に不活性ガスまたは酸素以外の酸化性ガスのいずれかであるパージガスが送給される工程と、を含む固体酸化物形燃料電池システムの停止方法である。

本発明の第３の態様は、第１の態様の固体酸化物形燃料電池システムと、タービンと、該タービンに連結される発電機と、タービンに燃焼ガスを送給する燃焼器と、燃焼器及びセルスタックの空気極に酸化性ガスを送給可能とする圧縮機とを有する発電装置と、を備え、燃料ガス排出ラインが燃焼器に連結し、固体酸化物形燃料電池の燃料極から排出された燃料ガスが燃焼器に送給され、酸化性ガス排出ラインが圧縮機及び燃焼器に連結し、圧縮機で圧縮された酸化性ガスが固体酸化物形燃料電池の空気極に送給され、空気極から排出された酸化性ガスが燃焼器に送給される複合発電システムである。

本発明では、固体酸化物形燃料電池がトリップ状態に移行し燃料ガス及び酸化性ガスが遮断されることにより、固体酸化物形燃料電池内から燃料ガス及び酸化性ガスを排出して燃料電池内のガス圧力を下げるとともに、空気極側にパージガスを流通させる。こうすることにより、空気極側での酸素分圧を低下させて、拡散により燃料極に到達する酸素量を低減させることができる。酸化性ガスの遮断と同時にパージガスの流通を実施すれば、空気極側の酸素分圧を早期に減少させることができる。また、空気極側での酸化性ガス圧力がある程度減圧されてからパージガスを流通させれば、酸素希釈に必要なパージガス量を削減することができる。
また、燃料極内で燃料ガスを膨張させながら燃料ガスを排出することにより、燃料ガスの圧力が低下し、燃料ガスの温度を低下させて、燃料ガスと酸素との反応性（反応速度）を低下させる。この結果、トリップ時に燃料極が酸化されて損傷することが防止される。
上記の減圧及びパージガスの供給は、制御装置等からの制御に依らず、燃料ガス及び酸化性ガスのガス遮断や、ガス圧力の低下により自発的に実施される。また、オペレータがバルブの開閉を行うことが無いため、トリップ移行直後に燃料極保護のための上記停止工程が実施される。このため、災害や制御装置が使用できないような重篤なトリップ要因であっても、確実に燃料極を保護することが可能である。

第１の態様において、パージガスラインにパージガス流量制御手段を更に備え、パージガス流量制御手段が、固体酸化物形燃料電池内の酸化性ガスの圧力が所定値に到達した時に、セルスタックの空気極側にパージガスを送給させることが好ましい。
第２の態様において、固体酸化物形燃料電池内の酸化性ガスの圧力が所定値に到達すると、パージガスが供給されることが好ましい。
このようにパージガス供給を調整することにより、パージガスによる希釈効果が大きくなるため、酸素置換のために使用するパージガス量を低減させることができる。

第１の態様において、排出ラインにオリフィスが設置されることが好ましい。
第２の態様において、燃料ガス及び酸化性ガスが排出されて、固体酸化物形燃料電池内で燃料ガスの圧力及び酸化性ガスの圧力が均圧化されることが好ましい。
トリップ時に燃料極側と空気極側との圧力差を小さくすることにより、セルの損傷が防止される。

第１の態様において、排出ラインに触媒燃焼器が設置されることが好ましい。
第２の態様において、固体酸化物形燃料電池から排出された燃焼ガス中のＣＯガスまたはＨ_２ガスが完全燃焼してから系外に放出されることが好ましい。
こうすることにより、固体酸化物形燃料電池システムの停止時の安全性を高めることが可能である。

本発明によれば、制御装置を介することなく簡易な工程によって空気極側の酸素分圧を低下させることができる。この結果、固体酸化物形燃料電池システムが如何なる要因で停止した場合でも、燃料極の酸化を確実に防止することができ、セルスタックの破損を防止することが可能となる。

一実施形態に係る複合発電システムの概略図である。 円筒型の固体酸化物形燃料電池のセルスタックの一態様を示す概略図である。 ＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図である。 固体酸化物形燃料電池システムの停止方法を説明するためのグラフである。

本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池システム及び複合発電システムを図面を参照して説明する。
図１は、複合発電システムの一例の概略図である。複合発電システム１は、固体酸化物型燃料電池システム１１と、ガスタービン発電装置１３から構成される。
なお、本実施形態の複合発電システムは、固体酸化物形燃料電池システムと、ガスタービンと蒸気タービンとを組み合わせたガスタービンコンバインドサイクル（ＧＴＣＣ）とを備える構成としても良い。

固体酸化物形燃料電池システム１１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）１５、燃料系統としての燃料ガス送給ライン２１及び燃料ガス排出ライン２３、空気系統としての酸化性ガス送給ライン２５及び酸化性ガス排出ライン２７を備える。

以下では円筒形のセルスタックを有する固体酸化物形燃料電池の構成を詳細に説明する。但し本実施形態では、固体酸化物形燃料電池１５の種類は特に限定されず、例えば平板形のセルスタックであっても良い。

以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて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。

図２は、円筒型の燃料電池のセルスタックの一態様を示すものである。円筒型の燃料電池は、発電室内に本実施形態のセルスタック１０１を複数本収容したものである。但し、セルスタック１０１を１本収容した場合も採用し得る。
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と固体電解質膜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。

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。

固体電解質膜１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを有するＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質膜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、固体電解質膜１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（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１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。

固体酸化物形燃料電池１５では、複数のセルスタックが圧力容器１７に収容される。例えば、複数のセルスタックが図３に示すようにＳＯＦＣカートリッジとして集合され、複数のカートリッジが圧力容器１７内に収容される。

燃料系統及び空気系統が固体酸化物形燃料電池１５の圧力容器１７に接続する。燃料ガス送給ライン２１は燃料極側に燃料ガスを送給する。燃料ガス排出ライン２３は燃料極側から燃料ガスを排出する。酸化性ガス送給ライン２５は空気極側に酸化性ガスを送給する。酸化性ガス排出ライン２７は空気極側から酸化性ガスを排出する。

図３はＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図である。ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図３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。

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、固体酸化物形燃料電池１５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と連通され、燃料ガス送給ライン２１に接続されている。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１０３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、燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導くものである。

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と連通され、燃料ガス排出ライン２３に接続されている。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１０３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１０３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を介して燃料ガス排出ライン２３に導くものである。

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、酸化性ガス送給ライン２５に接続されている。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発電室２１５に導くものである。

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、酸化性ガス排出ライン２７に接続されている。この酸化性ガス排出室２２３は、排酸化性ガスを発電室２１５から酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して酸化性ガス排出ライン２７に導くものである。

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３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。
図２〜３の構成では、燃料ガスがセルスタック１０１内側を流通し、酸化性ガスがセルスタック１０１外側を流通するので、発電室２１５内では酸化性ガスの量の方が燃料ガスの量よりも多い状態となっている。

本実施形態の複合発電システム１は、図１に示すように、燃料ガス供給部３１を備える。図１の燃料ガス供給部３１は、燃料ガス源３３及び燃料ガス配管３５ａ，３５ｂを備える。燃料ガス配管３５ａは燃料ガス送給ライン２１に接続し、燃料ガス配管３５ｂがガスタービン発電装置１３の燃焼器９３に接続する。燃料ガス源３３は、複合発電システム１の運転時に燃料ガスとしてＨ_２ガス、ＣＨ_４ガス、及び、ＣＯガス等を、固体酸化物形燃料電池システム１１及びガスタービン発電装置１３に供給する。

燃料ガス排出ライン２３は、ガスタービン発電装置１３の燃焼器９３に接続される。燃料ガス排出ライン２３には再循環ブロワ４１及び流量調整バルブＶ１が設置される。燃料ガス排出ライン２３は固体酸化物形燃料電池１５から排出された燃料ガスを燃焼器９３に送給する。流量調整バルブＶ１は、燃焼器９３に送給される燃料ガスの流量を制御している。
また、燃料ガス排出ライン２３の途中位置にベントライン４３が接続する。ベントライン４３にバルブＶ２が設置される。複合発電システム１の運転時にはバルブＶ２は閉鎖されている。

再循環ブロア４１のガス下流側で燃料ガス排出ライン２３に再循環ライン４５が接続されている。再循環ライン４５は燃料ガス送給ライン２１に接続する。再循環ブロワ４１は、固体酸化物形燃料電池１５から燃料ガス排出ライン２３に排出される燃料ガスに含まれる未利用燃料を再循環ライン４５及び燃料ガス送給ライン２１を通じて固体酸化物形燃料電池１５に再循環させている。

本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１１はベント部５１を備える。ベント部５１は、燃料ガスベントライン５３と、酸化性ガスベントライン５５と、燃料ガスベントライン５３及び酸化性ガスベントライン５５がガス下流側で合流した排出ライン５７とを備える。燃料ガスベントライン５３は燃料ガス排出ライン２３に接続する。酸化性ガスベントライン５５は酸化性ガス排出ライン２７に接続する。固体酸化物形燃料電池システム１１の系統内に流通する燃料ガス及び酸化性ガスは、燃料ガスベントライン５３及び酸化性ガスベントライン５５により系外に排出される。

燃料ガスベントライン５３及び酸化性ガスベントライン５５には、それぞれ第１遮断弁６１及び第２遮断弁６３が設置される。第１遮断弁６１及び第２遮断弁６３は、フェイルオープンのバルブである。複合発電システム１の運転時に第１遮断弁６１及び第２遮断弁６３は閉鎖されている。

排出ライン５７にはオリフィス６５が設置される。燃料ガスとしてＣＯガス、Ｈ_２ガスが用いられる場合には、排出ライン５７に触媒燃焼器６７が設置されても良い。

本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１１は、パージガス供給部７１を備える。パージガス供給部７１は酸化性ガス送給ライン２５に接続する。パージガス供給部７１は、パージガス源７３、パージガス配管７５、及び、第３遮断弁７７を備える。第３遮断弁７７はフェイルオープンのバルブである。複合発電システム１の運転時に酸化性ガスが酸化性ガス送給ライン２５を流通している間は、図示しない制御装置により第３遮断弁７７は閉鎖されている。

パージガス供給部７１はパージガス流量制御手段８１を更に備えていても良い。図１の固体酸化物形燃料電池システム１１では、パージガス流量制御手段８１として、ガス上流側から順に減圧弁８３、ニードルバルブ８５、背圧弁８７が設置される。減圧弁８３及び背圧弁８７は、自立式圧力調整弁である。

パージガスは、不活性ガスまたは酸素以外の酸化性ガスのいずれかである。不活性ガスとして、窒素ガス、二酸化炭素などが利用できる。酸素以外の酸化性ガスとして、蒸気、燃焼排ガスなどが利用できる。

ガスタービン発電装置１３は、燃焼ガスを膨張させて回転するガスタービン９１ａと、酸化性ガスを圧縮する圧縮機９１ｂと、ガスタービン９１ａを駆動させるための燃焼ガスを生成する燃焼器９３と、熱交換器９５とを備える。圧縮機９１ｂは、ガスタービン９１ａと同軸に連結されている。

圧縮機９１ｂは、酸素を含む酸化性ガスを取り込み圧縮する。圧縮された酸化性ガスは、圧縮ガス搬送ライン９７を通じて燃焼器９３に搬送される。圧縮ガス搬送ライン９７に流量調整バルブＶ３が設置される。
ここで、「酸化性ガス」とは酸素を略１５％〜３０％含むガスである。代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。

燃焼器９３は、燃料ガス配管３５ｂを介して燃料ガス源３３と接続されている。また、燃焼器９３は、燃料ガス排出ライン２３を介して固体酸化物形燃料電池１５の燃料極側と接続されている。燃焼器９３は、複合発電システム１の運転時に、燃料ガスと酸化性ガスとを燃焼させて、高温高圧の燃焼ガスをガスタービン９１ａに供給している。
ガスタービン９１ａには発電機（不図示）が同軸に連結され、ガスタービン９１ａの駆動により発電が行われる。

熱交換器９５は、ガスタービン９１ａからの排ガスと圧縮機９１ｂからの空気との間で熱交換を行う。冷却された排ガスは、煙突９９を通じて外部に放出される。

酸化性ガス送給ライン２５は、圧縮ガス搬送ライン９７の途中位置に接続する。酸化性ガス送給ライン２５に流量調整バルブＶ４が設置される。酸化性ガス送給ライン２５は、圧縮機９１ｂから排出された酸化性ガスの一部を固体酸化物形燃料電池１５の空気極側に送給する。

酸化性ガス排出ライン２７は圧縮ガス搬送ライン９７に接続する。酸化性ガス排出ライン２７にはバルブＶ５が設置される。固体酸化物形燃料電池１５から排出された排酸化性ガスは、酸化性ガス排出ライン２７及び圧縮ガス搬送ライン９７を通じて燃焼器９３に搬送される。
バルブＶ５のガス上流側で酸化性ガス排出ライン２７は分岐する。分岐した酸化性ガス排出ライン２７’は煙突９９に接続される。分岐した酸化性ガス排出ライン２７’にバルブＶ６が設置される。固体酸化物形燃料電池１５から排出された排酸化性ガスは、酸化性ガス排出ライン２７’を通じて煙突９９から系外に放出され得る。

次に、本実施形態の固体酸化物形燃料電池システム１１の停止方法について説明する。
運転状態にある複合発電システム１に、重故障（例えば停電や制御装置の故障などにより制御装置への電源が喪失する異常、火災や燃料ガス系統の異常など可燃性ガスが使用できない異常、再循環ブロワの故障など）が発生すると、固体酸化物形燃料電池１５がトリップ状態に移行する。本実施形態における「トリップ状態」は、燃料ガス供給部３１からの燃料ガス供給が遮断されるとともに、燃料ガス排出ライン２３のバルブＶ１及びベントライン４３のバルブＶ２が閉鎖された状態である。すなわち、固体酸化物形燃料電池システム１１内に燃料ガスが封じ込められる。
燃焼ガスの遮断によりガスタービン発電装置１３が停止し、酸化性ガス送給ライン２５のＶ４、酸化性ガス排出ライン２７のＶ５が遮断し、圧縮ガス搬送ライン９７のＶ３が開となる。これにより、圧縮機９１ｂから固体酸化物形燃料電池１５への酸化性ガスの供給が停止される。

上述のように、ベント部５１の第１遮断弁６１及び第２遮断弁６３はフェイルオープンのバルブである。トリップ状態に移行することにより燃料ガス排出ライン２３及び酸化性ガス排出ライン２７でのガス流通が停止すると、第１遮断弁６１及び第２遮断弁６３が開放し、固体酸化物形燃料電池１５内のベントが開始される。これにより、固体酸化物形燃料電池１５の燃料極側に封じ込められていた燃料ガスが、燃料ガスベントライン５３及び排出ライン５７を通じて系外に放出される。また、固体酸化物形燃料電池１５の空気極側に封じ込められていた酸化性ガスが、酸化性ガスベントライン５５及び排出ライン５７を通じて系外に放出される。

図４は固体酸化物形燃料電池システム１１の停止方法を説明するためのグラフである。図４（ａ）は固体酸化物形燃料電池１５内のガス圧力（具体的に、空気極側の酸化性ガス圧力）の経時変化を示している。図４（ｂ）はパージガス流量制御手段８１を設置する場合のパージガス流量の経時変化を示すグラフである。図４（ｃ）は固体酸化物形燃料電池１５の空気極側における酸素分圧の経時変化を示すグラフである。

図４（ａ）に示すように、固体酸化物形燃料電池１５内のガス圧力は、ベント開始により初期圧力Ｐ_０から時間経過とともに減少する。固体酸化物形燃料電池１５内では燃料極側と空気極側とは均圧化される。ここでの「均圧化」とは、圧力差が±２０ｋＰａの範囲内であることを言う。燃料ガスベントライン５３と酸化性ガスベントライン５５が排出ライン５７で合流しているため、排出ライン５７では固体酸化物形燃料電池１５内よりも均圧化されている。また、合流後の排出ライン５７にオリフィス６５が設置されているため、燃料極側と空気極側の系統差圧は更に均圧化される。
本実施形態では固体酸化物形燃料電池１５内に燃料ガスが封じ込められた状態からベントされるため、燃料ガスの圧力が低下し、燃料ガスの温度が低下する。温度が低下することにより燃料ガスの消費反応速度が抑制されセルスタックの損傷を防止されることとなる。

燃料ガスがＨ_２ガス、ＣＯガスである場合、触媒燃焼器６７において燃料ガスを完全燃焼させてから、排ガスが系外に排出される。

第２遮断弁６３が開放されて空気極側の酸化性ガスが排出されることにより、図４（ｃ）に示すように酸素分圧が低下する。

トリップ状態に移行すると、第３遮断弁７７が開放される。第３遮断弁７７はフェイルオープンバルブであるため、第３遮断弁７７の開放は弁駆動力が途絶えると自動的に行われる。

パージガス流量制御手段８１を設ける場合は、図４（ｂ）に示すようにベント開始直後はパージガス供給部７１からパージガスは供給されない。固体酸化物形燃料電池１５内のガス圧力（空気極側の酸化性ガス圧力）が所定値（図４（ａ）ではＰ_１（例えば定格運転時の６０％））に到達すると、一定の流量でパージガスを供給する。
背圧弁８７の１次圧をＰ_１として、定格における空気極側の酸化性ガスの圧力よりも低くなるように背圧弁８７を調整しておく。トリップ時に空気極側の酸化性ガス圧力が低下して背圧弁８７の１次圧よりも低くなった時に、パージガスの供給が開始されることになる。供給されるパージガスの流量が一定となるように、減圧弁８３及び背圧弁８７を予め設定しておく。なお、パージガスの供給を窒素ボンベにて行う場合は、残圧が徐々に低下する為、一定の流量で供給されていたパージガス流量が途中より徐々に低下することになる。

第３遮断弁７７及びパージガス流量制御手段８１により、パージガス源７３からパージガス配管７５を通じてパージガスが酸化性ガス送給ライン２５に流入し、固体酸化物形燃料電池１５の空気極側に搬送される。固体酸化物形燃料電池１５の空気極側が酸素を含む酸化性ガスから酸素を含まないパージガスに置換される。

パージガス流量制御手段８１を設置する場合は、ベントにより空気極側の酸化性ガス中の酸素濃度がある程度低下してからパージガスを供給するので、パージガスによる希釈効果が大きい。従って、酸素置換のために使用するパージガス量を低減させることができる。また、パージガスを図４（ｂ）に示す一定流量で供給すれば、パージガスの使用量を大幅に削減することが可能であり、パージガス設備の容量を適正に縮小することができる。

パージガス流量制御手段８１を設置しない場合は、第３遮断弁７７の開放と同時に、パージガス源７３からパージガス配管７５及び酸化性ガス送給ライン２５を通じて固体酸化物形燃料電池１５の空気極側にパージガスが供給される。
この場合、パージガスの供給量は一定であるとは限らない。空気極側が減圧している間は、パージガス圧と空気極側の圧力との差が拡大するので、パージガス流量は増加する。一方、パージガスの供給を窒素ボンベにて行う場合は、残圧が低下した場合にパージガス流量が途中より徐々に低下する。

パージガスが供給されると、図４（ｃ）に示すように空気極側での酸素分圧が急激に減少する。なお、パージガス流量調整手段８１を設けない場合でも、パージガスの供給より空気極側の酸素分圧が急激に減少する。

本実施形態に依れば、トリップ移行直後に固体酸化物形燃料電池１５内のガス圧力を低下させるとともに、酸化性ガスをパージガスと置換することにより、空気極側での酸素分圧を低減させて、燃料電池セル（図２の符号１０５）を介した燃料極側への酸素の拡散量を抑制する。更に、燃料ガスの温度低下により燃料ガス中の未反応燃料（Ｈ_２等）と酸化性ガス中の酸素との反応速度を低下させることにより、トリップ開始後の燃料極へ移動する酸素量は大幅に抑制され、燃料ガスとの酸化反応も更に抑制され、燃料ガスが酸化反応で消費されこともなくなるので、燃料極側に燃料ガスが欠乏することなく、燃料極の酸化損傷を発生することが防止される。
本実施形態における第１遮断弁６１、第２遮断弁６３、第３遮断弁７７の開放は、上述のように、制御装置等からの制御に依らず、弁動作供給電源の停止により自発的に実施することが可能である。従って、災害や制御装置が使用できないような重篤なトリップ要因であっても、確実に燃料極１０９を保護することが可能である。

なお、上記では固体酸化物形燃料電池システムと別の発電装置とを組み合わせた複合発電システムを例に挙げて固体酸化物形燃料電池システムの停止方法を説明したが、本発明の停止方法は固体酸化物形燃料電池システムのみの構成とした場合にも適用可能である。

１ 複合発電システム
１１ 固体酸化物形燃料電池システム
１３ ガスタービン発電装置
１５ 固体酸化物形燃料電池
１７ 圧力容器
２１ 燃料ガス送給ライン
２３ 燃料ガス排出ライン
２５ 酸化性ガス送給ライン
２７ 酸化性ガス排出ライン
３１ 燃料ガス供給部
３３ 燃料ガス源
３５ａ，３５ｂ 燃料ガス配管
４１ 再循環ブロワ
４３ ベントライン
４５ 再循環ライン
５１ ベント部
５３ 燃料ガスベントライン
５５ 酸化性ガスベントライン
５７ 排出ライン
６１ 第１遮断弁
６３ 第２遮断弁
６５ オリフィス
６７ 触媒燃焼器
７１ パージガス供給部
７３ パージガス源
７５ パージガス配管
７７ 第３遮断弁
８１ パージガス流量制御手段
８３ 減圧弁
８５ ニードルバルブ
８７ 背圧弁
９１ａ ガスタービン
９１ｂ 圧縮機
９３ 燃焼器
９５ 熱交換器
９７ 圧縮ガス搬送ライン
９９ 煙突
１０１ セルスタック
１０３ 基体管
１０５ 燃料電池セル
１０７ インターコネクタ
１０９ 燃料極
１１１ 固体電解質膜
１１３ 空気極
１１５ リード膜
２０３ ＳＯＦＣカートリッジ
２１５ 発電室
２１７ 燃料ガス供給室
２１９ 燃料ガス排出室
２２１ 酸化性ガス供給室
２２３ 酸化性ガス排出室
２２９ａ 上部ケーシング
２２９ｂ 下部ケーシング
２３１ａ 燃料ガス供給孔
２３１ｂ 燃料ガス排出孔
２３３ａ 酸化性ガス供給孔
２３３ｂ 酸化性ガス排出孔

Claims (9)

1. 複数のセルを有する１つまたは複数のセルスタックを備える固体酸化物形燃料電池と、
   前記セルスタックの燃料極側に燃料ガスを送給する燃料ガス送給ラインと、
   前記燃料ガスを前記セルスタックの前記燃料極側から排出する燃料ガス排出ラインと、
   前記セルスタックの空気極側に酸素を含む酸化性ガスを送給する酸化性ガス送給ラインと、
   前記酸化性ガスを前記セルスタックの前記空気極側から排出する酸化性ガス排出ラインと、
   前記燃料ガス排出ラインから分岐する燃料ガスベントラインと、前記燃料ガスベントラインに設けられるフェイルオープンの第１遮断弁と、前記酸化性ガス排出ラインから分岐する酸化性ガスベントラインと、前記酸化性ガスベントラインに設けられるフェイルオープンの第２遮断弁と、前記燃料ガスベントライン及び前記酸化性ガスベントラインがガス下流側で合流する排出ラインと、を有するベント部と、
   前記酸化性ガス送給ラインに接続し、不活性ガスまたは酸素以外の酸化性ガスのいずれかであるパージガスを前記酸化性ガス送給ラインに送給するパージガスラインと、前記パージガスラインに設けられるフェイルオープンの第３遮断弁とを有するパージガス供給部と、を備え、
   前記燃料ガス送給ラインからの前記燃料ガスの送給及び前記酸化性ガス送給ラインからの前記酸化性ガスの送給が遮断されることにより、前記第１遮断弁及び前記第２遮断弁が開放されることで、前記ベント部が前記固体酸化物形燃料電池内の前記燃料ガスおよび前記酸化性ガスを前記固体酸化物形燃料電池から排出させて前記燃料極ガスの圧力及び前記酸化性ガスの圧力を低下させ、
   前記酸化性ガス送給ラインからの前記酸化性ガスの送給が遮断されることにより前記第３遮断弁が開放され、前記酸化性ガスの送給が遮断された直後に、または、前記固体酸化物形燃料電池内の前記酸化性ガスの圧力が所定値に到達した時に、前記パージガス供給部が前記セルスタックの前記空気極側に前記パージガスを送給する固体酸化物形燃料電池システム。
2. 前記パージガスラインにパージガス流量制御手段を更に備え、
   前記パージガス流量制御手段が、前記固体酸化物形燃料電池内の前記酸化性ガスの圧力が所定値に到達した時に、前記セルスタックの前記空気極側に前記パージガスを送給させる請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
3. 前記排出ラインにオリフィスが設置される請求項１または請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
4. 前記排出ラインに触媒燃焼器が設置される請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システムと、
   タービンと、該タービンに連結される発電機と、前記タービンに燃焼ガスを送給する燃焼器と、前記燃焼器及び前記セルスタックの空気極に酸化性ガスを送給可能とする圧縮機とを有する発電装置と、を備え、
   前記燃料ガス排出ラインが前記燃焼器に連結し、前記固体酸化物形燃料電池の前記燃料極から排出された前記燃料ガスが前記燃焼器に送給され、
   前記酸化性ガス排出ラインが前記圧縮機及び前記燃焼器に連結し、前記圧縮機で圧縮された前記酸化性ガスが前記固体酸化物形燃料電池の前記空気極に送給され、前記空気極から排出された前記酸化性ガスが前記燃焼器に送給される複合発電システム。
6. 複数のセルを有する１つまたは複数のセルスタックを含み、前記セルスタックの燃料極側に燃料ガスを送給し、前記セルスタックの空気極側に酸素を含む酸化性ガスを送給して、前記セルの固体電解質膜において前記燃料ガスと前記酸化性ガスとを反応させて発電する固体酸化物形燃料電池システムの停止方法であって、
   前記燃料ガスの送給及び前記酸化性ガスの送給が停止されることにより、前記燃料極から前記燃料ガスが排出され、前記空気極から前記酸化性ガスが排出されて、前記固体酸化物形燃料電池内で前記燃料ガスの圧力及び前記酸化性ガスの圧力が低下する工程と、
   前記燃料ガスの送給が停止されることにより、前記セルスタックの前記空気極側に不活性ガスまたは酸素以外の酸化性ガスのいずれかであるパージガスが送給される工程と、
   を含む固体酸化物形燃料電池システムの停止方法。
7. 前記固体酸化物形燃料電池内の前記酸化性ガスの圧力が所定値に到達すると、前記パージガスが供給される請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムの停止方法。
8. 前記燃料ガス及び前記酸化性ガスが排出されて、前記固体酸化物形燃料電池内で前記燃料ガスの圧力及び前記酸化性ガスの圧力が均圧化される請求項６または請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システムの停止方法。
9. 前記固体酸化物形燃料電池から排出された前記燃焼ガス中のＣＯガスまたはＨ_２ガスが完全燃焼してから系外に放出される請求項６乃至請求項８のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システムの停止方法。

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