JP5980144B2

JP5980144B2 - Power generation system, power generation system operation method, and control device

Info

Publication number: JP5980144B2
Application number: JP2013035829A
Authority: JP
Inventors: 陽喜椋本; 眞竹　徳久; 徳久眞竹; 勝仁桐木平; 森　龍太郎; 龍太郎森; 大澤　弘行; 弘行大澤; 昌弘水原; 雄一寺本
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2033-02-26
Also published as: JP2014163318A

Description

本発明は、燃料電池とタービンを備える発電システム、当該発電システムの運転方法、及び当該発電システムの制御装置に関する。 The present invention relates to a power generation system including a fuel cell and a turbine, a method for operating the power generation system, and a control device for the power generation system.

燃料電池、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）は、低公害で発電効率が高いため、近年、各種分野での利用が期待されている。燃料電池を用いた高効率発電システムとしては、燃料電池とガスタービンとを連携したコンバインド発電システムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。 2. Description of the Related Art Fuel cells, such as solid oxide fuel cells (SOFCs), are expected to be used in various fields in recent years because of low pollution and high power generation efficiency. As a high-efficiency power generation system using a fuel cell, a combined power generation system in which a fuel cell and a gas turbine are linked is known (see, for example, Patent Document 1).

このようなコンバインド発電システムにおいて、燃料電池はガスタービンの燃焼器の上流に設置され、燃料電池から排出される未燃分の燃料（残燃料）を含む排燃料ガスをガスタービンの燃焼器に導入している。すなわち、燃料電池とガスタービンの燃焼器とが配管にて接続されている。これにより、コンバインド発電システムは、燃料を無駄なく発電に利用することができる。また、ガスタービンの圧縮機で圧縮された空気は、燃料電池に供給され、燃料の燃焼に利用される。 In such a combined power generation system, the fuel cell is installed upstream of the combustor of the gas turbine, and exhaust fuel gas including unburned fuel (residual fuel) discharged from the fuel cell is introduced into the combustor of the gas turbine. doing. That is, the fuel cell and the combustor of the gas turbine are connected by piping. Thereby, the combined power generation system can use the fuel for power generation without waste. The air compressed by the compressor of the gas turbine is supplied to the fuel cell and used for fuel combustion.

特開２０１０−１４６９３４号公報JP 2010-146934 A

ところで、コンバインド発電システムにおいて燃料電池から排出される排空気と排燃料をガスタービンの燃焼器に供給するため、燃料電池の運転圧力とガスタービンの運転圧力とを等しくする必要がある。このため、コンバインド発電システムの起動時には、燃料電池の内圧を、ガスタービンの運転圧力まで昇圧させる必要があり、またコンバインド発電システムの停止時には、燃料電池の内圧を減圧させる必要がある。 By the way, in order to supply exhaust air discharged from the fuel cell and exhaust fuel to the combustor of the gas turbine in the combined power generation system, it is necessary to make the operating pressure of the fuel cell equal to the operating pressure of the gas turbine. For this reason, when the combined power generation system is started, it is necessary to increase the internal pressure of the fuel cell to the operating pressure of the gas turbine, and when the combined power generation system is stopped, it is necessary to reduce the internal pressure of the fuel cell.

燃料電池の内圧を変化させる場合、燃料電池を構成するセルスタックからのガスリークを防ぐため、燃料側と空気側とで圧力のバランスを保ちつつ変化させる必要がある。したがって、燃料電池の内圧を調整する場合、燃料側及び空気側を流れるガスの流量を細かに制御する必要がある。 When the internal pressure of the fuel cell is changed, it is necessary to change the pressure while keeping the balance of pressure between the fuel side and the air side in order to prevent gas leakage from the cell stack constituting the fuel cell. Therefore, when adjusting the internal pressure of the fuel cell, it is necessary to finely control the flow rate of the gas flowing through the fuel side and the air side.

特許文献１に示すコンバインド発電システムにおいて、燃料電池の内圧は、ベント調整弁の開度によって制御される。ベント調整弁とは、燃料電池に循環される排燃料ガス及びガスタービンに供給される排燃料ガスの流量を制御する弁のことである。しかしながら、ベント調整弁は一般的に、定常運転時のガス条件（流量、温度など）に合わせて設計されるため、起動時や停止時などガス条件が定常運転時と大きく異なる場合、当該弁によって流量制御を行うことが困難であるという問題がある。 In the combined power generation system shown in Patent Document 1, the internal pressure of the fuel cell is controlled by the opening degree of the vent adjustment valve. The vent adjustment valve is a valve that controls the flow rate of the exhaust fuel gas circulated to the fuel cell and the exhaust fuel gas supplied to the gas turbine. However, vent adjustment valves are generally designed according to the gas conditions (flow rate, temperature, etc.) during steady operation, so if the gas conditions are significantly different from those during steady operation, such as when starting or stopping, There is a problem that it is difficult to control the flow rate.

本発明の目的は、上述した課題を解決するためになされたものであり、起動時や停止時において燃料電池の内圧を適切に制御する発電システム、発電システムの運転方法、及び制御装置を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-described problems, and provides a power generation system, an operation method of the power generation system, and a control device that appropriately control the internal pressure of the fuel cell at the time of start and stop. There is.

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、燃料ガスと圧縮酸化剤ガスとで発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させて駆動するタービンと、前記タービンの駆動により駆動し、前記燃料電池に供給する圧縮酸化剤ガスを生成する圧縮機と、前記燃料電池へ前記燃料ガスを供給する燃料供給ラインを通るガスの流量を調節する流量調節弁と、弁の動作を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記燃料電池の起動時または停止時において、前記燃料電池の内圧が前記タービンの運転圧力未満であるときに、前記排燃料ガスと前記圧縮酸化剤ガスとの圧力差が所定範囲内になるように前記流量調節弁の開度を制御することを特徴とする発電システムである。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and includes a fuel cell that generates electric power using fuel gas and compressed oxidant gas, and a turbine that is driven by burning exhaust fuel gas discharged from the fuel cell. A compressor that drives the turbine to generate compressed oxidant gas that is supplied to the fuel cell, and a flow rate adjustment valve that adjusts the flow rate of the gas passing through a fuel supply line that supplies the fuel gas to the fuel cell. And a control device for controlling the operation of the valve, and the control device is configured to control the exhaust fuel when the internal pressure of the fuel cell is less than the operating pressure of the turbine when the fuel cell is started or stopped. In the power generation system, the opening degree of the flow control valve is controlled so that a pressure difference between the gas and the compressed oxidant gas is within a predetermined range.

また、本発明は、前記排燃料ガスの流量を調整することで前記燃料電池の燃料側の圧力を制御する運転圧力制御弁を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の起動時において前記燃料電池の内圧が前記タービンの運転圧力まで上昇すると、前記排燃料ガスと前記圧縮酸化剤ガスとの圧力差によらずに前記流量調節弁の開度を制御し、前記排燃料ガスと前記圧縮酸化剤ガスとの圧力差が所定範囲内になるように前記運転圧力制御弁の開度を制御することを特徴とする。 The present invention further includes an operation pressure control valve that controls the pressure on the fuel side of the fuel cell by adjusting the flow rate of the exhaust fuel gas, and the control device is configured to control the fuel cell when the fuel cell is started up. When the internal pressure of the engine rises to the operating pressure of the turbine, the opening of the flow control valve is controlled regardless of the pressure difference between the exhaust fuel gas and the compressed oxidant gas, and the exhaust fuel gas and the compressed oxidant are controlled. The opening degree of the operation pressure control valve is controlled so that the pressure difference with the gas is within a predetermined range.

また、本発明において前記制御装置は、前記燃料電池の起動時において前記燃料電池の内圧が前記タービンの運転圧力まで上昇するまでの間、前記運転圧力制御弁の開度を一定にすることを特徴とする。 In the present invention, the control device makes the opening of the operation pressure control valve constant until the internal pressure of the fuel cell rises to the operation pressure of the turbine at the time of starting the fuel cell. And

また、本発明において前記流量調節弁は、前記燃料供給ラインに供給する燃料ガスの流量を調節することを特徴とする。 In the present invention, the flow rate adjusting valve adjusts the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel supply line.

また、本発明において前記流量調節弁は、前記燃料供給ラインに供給する圧縮酸化剤ガスの流量を調節することを特徴とする。 In the present invention, the flow rate adjusting valve adjusts the flow rate of the compressed oxidant gas supplied to the fuel supply line.

また、本発明は、燃料ガスと圧縮酸化剤ガスとで発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させて駆動するタービンとを備える発電システムの運転方法であって、前記燃料電池の起動時または停止時において、前記燃料電池の内圧が前記タービンの運転圧力未満であるときに、前記燃料電池から排出される排燃料ガスと前記タービンの駆動により駆動する圧縮機が精製する圧縮酸化剤ガスとの圧力差が所定範囲内になるように、前記燃料電池へ前記燃料ガスを供給する燃料供給ラインを通るガスの流量を調節する流量調節弁の開度を制御することを特徴とする。 Further, the present invention is a method for operating a power generation system comprising a fuel cell that generates power with fuel gas and compressed oxidant gas, and a turbine that is driven by burning exhaust fuel gas discharged from the fuel cell, When starting or stopping the fuel cell, when the internal pressure of the fuel cell is less than the operating pressure of the turbine, the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell and the compressor driven by driving the turbine are purified. Controlling the opening of a flow rate adjusting valve for adjusting the flow rate of the gas passing through the fuel supply line for supplying the fuel gas to the fuel cell so that the pressure difference with the compressed oxidant gas is within a predetermined range. Features.

また、本発明は、燃料ガスと圧縮酸化剤ガスとで発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させて駆動するタービンとを備える発電システムの弁の動作を制御する制御装置であって、前記燃料電池の起動時または停止時において、前記燃料電池の内圧が前記タービンの運転圧力未満であるときに、前記燃料電池から排出される排燃料ガスと前記タービンの駆動により駆動する圧縮機が精製する圧縮酸化剤ガスとの圧力差が所定範囲内になるように、前記燃料電池へ前記燃料ガスを供給する燃料供給ラインを通るガスの流量を調節する流量調節弁の開度を制御することを特徴とする。 In addition, the present invention controls the operation of a valve of a power generation system that includes a fuel cell that generates power with fuel gas and compressed oxidant gas, and a turbine that is driven by burning exhaust fuel gas discharged from the fuel cell. When the fuel cell is started or stopped, when the internal pressure of the fuel cell is lower than the operating pressure of the turbine, the control device is configured to control exhaust gas discharged from the fuel cell and drive of the turbine. Opening a flow control valve for adjusting the flow rate of the gas passing through the fuel supply line for supplying the fuel gas to the fuel cell so that the pressure difference with the compressed oxidant gas to be purified by the driven compressor is within a predetermined range It is characterized by controlling the degree.

本発明によれば、燃料電池の起動時または停止時に、排燃料ガスと圧縮酸化剤ガスとの圧力差が所定範囲内になるように、燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給ラインを通るガスの流量を調節する流量調節弁の開度を制御する。このように、起動時や停止時に運転圧力制御弁に代えて流量調節弁を調整することで燃料電池の内圧を制御することで、適切な圧力制御を行うことができる。 According to the present invention, when the fuel cell is started or stopped, the gas passing through the fuel supply line for supplying the fuel gas to the fuel cell so that the pressure difference between the exhaust fuel gas and the compressed oxidant gas is within a predetermined range. It controls the opening of the flow control valve that adjusts the flow rate. Thus, appropriate pressure control can be performed by controlling the internal pressure of the fuel cell by adjusting the flow rate regulating valve instead of the operating pressure control valve at the time of starting or stopping.

本発明の第１の実施形態に係るコンバインド発電システムの系統図である。1 is a system diagram of a combined power generation system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing a schematic structure of a fuel cell module concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第１の実施形態に係るセルスタックの要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the cell stack which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態に係るカートリッジの断面図である。It is sectional drawing of the cartridge which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態に係るカートリッジの斜視図である。1 is a perspective view of a cartridge according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第１の実施形態に係るコンバインド発電システムの起動方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the starting method of the combined electric power generation system which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第１の実施形態に係るコンバインド発電システムの起動時における各バルブの開度の遷移を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the transition of the opening degree of each valve | bulb at the time of starting of the combined electric power generation system which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態に係るコンバインド発電システムの系統図である。It is a systematic diagram of the combined power generation system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態に係るコンバインド発電システムの起動方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the starting method of the combined electric power generation system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態に係るコンバインド発電システムの起動時における各バルブの開度の遷移を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the transition of the opening degree of each valve | bulb at the time of starting of the combined electric power generation system which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
《第１の実施形態》
図１は、本発明の第１の実施形態に係るコンバインド発電システムの系統図である。
図１に示すように、本実施形態のコンバインド発電システム１は燃料電池モジュール２と、ガスタービン３とを組み合わせた発電システムである。
ガスタービン３は、空気圧縮機４と、燃焼器５と、タービン６とを主な構成要素として有している。空気圧縮機４及びタービン６のロータ７は、互いに連結されており、空気圧縮機４は外気を吸入して圧縮する。さらに、ガスタービン３には、発電機８が接続されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<< First Embodiment >>
FIG. 1 is a system diagram of a combined power generation system according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the combined power generation system 1 of the present embodiment is a power generation system in which a fuel cell module 2 and a gas turbine 3 are combined.
The gas turbine 3 has an air compressor 4, a combustor 5, and a turbine 6 as main components. The air compressor 4 and the rotor 7 of the turbine 6 are connected to each other, and the air compressor 4 sucks outside air and compresses it. Furthermore, a generator 8 is connected to the gas turbine 3.

燃焼器５は、空気圧縮機４で圧縮された空気（酸化剤ガス）に燃料ガスを噴射して、高温燃焼ガスを生成する。タービン６は、燃焼器５により生成された高温燃焼ガスの供給を受けて回転駆動力を発生させ、この回転駆動力をロータ７に伝達するものである。タービン６には、タービン６を回転駆動した後の高温燃焼ガス、即ち、排ガスが導入されるガスタービン排ガスダクト９が設けられている。ガスタービン排ガスダクト９は、排ガスを外部に導く配管である。 The combustor 5 injects fuel gas into the air (oxidant gas) compressed by the air compressor 4 to generate high-temperature combustion gas. The turbine 6 receives the supply of high-temperature combustion gas generated by the combustor 5 to generate a rotational driving force, and transmits this rotational driving force to the rotor 7. The turbine 6 is provided with a gas turbine exhaust gas duct 9 into which high-temperature combustion gas after rotating the turbine 6, that is, exhaust gas is introduced. The gas turbine exhaust gas duct 9 is a pipe that guides the exhaust gas to the outside.

燃料電池モジュール２は圧力容器１０と圧力容器１０の内部に収納された複数のカートリッジ２０１とを有している。
カートリッジ２０１は、燃料ガスＦ１及び空気Ｏ１の供給を受けて発電を行うものであって、燃料電池モジュール２に少なくとも一つ設けられている。
カートリッジ２０１には、ガスタービン３から空気Ｏ１を供給する空気配管３３０と、燃料供給部２０から燃料ガスＦ１を供給する燃料配管３１０（燃料供給ライン）が接続されている。 The fuel cell module 2 includes a pressure vessel 10 and a plurality of cartridges 201 housed in the pressure vessel 10.
The cartridge 201 generates power by receiving the supply of the fuel gas F1 and the air O1, and at least one cartridge 201 is provided in the fuel cell module 2.
An air pipe 330 that supplies air O1 from the gas turbine 3 and a fuel pipe 310 (fuel supply line) that supplies fuel gas F1 from the fuel supply unit 20 are connected to the cartridge 201.

燃料ガスＦ１としては、例えば、水素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素系ガス、石炭等の炭素質原料のガス化により得られたガス、又は、これらの２以上の成分を含むガス等が利用される。また、本実施形態では、燃料電池モジュール２における酸化剤ガスとして、空気圧縮機４が圧縮した空気Ｏ１を用いているが、これに限られない。例えば、酸化剤ガスとしては、酸素を１５〜３０ｖｏｌ％含むガス等を利用することができ、例えば排燃料ガスＦ２と空気との混合ガスや、酸素と空気との混合ガスを利用してもよい。 Examples of the fuel gas F1 include hydrocarbon gases such as hydrogen, carbon monoxide, and methane, gases obtained by gasification of carbonaceous raw materials such as coal, and gases containing two or more of these components. Used. In the present embodiment, the air O1 compressed by the air compressor 4 is used as the oxidant gas in the fuel cell module 2, but the present invention is not limited to this. For example, as the oxidant gas, a gas containing 15 to 30% by volume of oxygen can be used. For example, a mixed gas of exhaust fuel gas F2 and air or a mixed gas of oxygen and air may be used. .

さらに、コンバインド発電システム１には、カートリッジ２０１における発電に用いられた排空気Ｏ２を、ガスタービン３の燃焼器５に供給する排空気配管３４０と、カートリッジ２０１から排出される燃料ガス（排燃料ガスＦ２）を燃焼器５に供給する排燃料配管３２０とが設けられている。排燃料配管３２０には、排燃料配管３２０を流れる排燃料ガスＦ２を加圧するブロワ１４が設けられている。ここで、排燃料ガスＦ２とは、カートリッジ２０１を通過したガスであるが、カートリッジ２０１の通過時点においては、排燃料ガスＦ２に燃焼成分が残っている。 Further, the combined power generation system 1 includes exhaust air piping 340 that supplies exhaust air O 2 used for power generation in the cartridge 201 to the combustor 5 of the gas turbine 3, and fuel gas (exhaust fuel gas) exhausted from the cartridge 201. An exhaust fuel pipe 320 for supplying F2) to the combustor 5 is provided. The exhaust fuel pipe 320 is provided with a blower 14 that pressurizes the exhaust fuel gas F 2 flowing through the exhaust fuel pipe 320. Here, the exhaust fuel gas F2 is a gas that has passed through the cartridge 201. However, when the cartridge 201 passes, the combustion component remains in the exhaust fuel gas F2.

燃料配管３１０には、燃料電池モジュール２に供給する燃料ガスＦ１の流量を調整する燃料流量調整バルブ４０１（流量調節弁）が設けられている。また、燃料配管３１０からは、燃料ガスＦ１を燃焼器５に直接導入する燃料分岐配管３１１が設けられている。燃料分岐配管３１１には、燃焼器５に供給する燃料ガスの流量を調整する燃料分岐調整バルブ４０２が設けられている。 The fuel pipe 310 is provided with a fuel flow rate adjustment valve 401 (flow rate adjustment valve) for adjusting the flow rate of the fuel gas F1 supplied to the fuel cell module 2. Further, a fuel branch pipe 311 for directly introducing the fuel gas F1 into the combustor 5 is provided from the fuel pipe 310. The fuel branch pipe 311 is provided with a fuel branch adjustment valve 402 that adjusts the flow rate of the fuel gas supplied to the combustor 5.

排燃料配管３２０には、排燃料ガスＦ２の一部を燃料配管３１０に再循環させる燃料再循環配管３２１が接続されている。即ち、燃料再循環配管３２１の一方の端部は排燃料配管３２０に接続され、他方の端部は燃料配管３１０に接続されている。 A fuel recirculation pipe 321 for recirculating a part of the exhaust fuel gas F2 to the fuel pipe 310 is connected to the exhaust fuel pipe 320. That is, one end of the fuel recirculation pipe 321 is connected to the exhaust fuel pipe 320 and the other end is connected to the fuel pipe 310.

また、排燃料配管３２０には、排燃料ガスＦ２の一部を外部に放出する配管であるベント配管３２２が接続されている。即ち、ベント配管３２２の一方の端部は排燃料配管３２０に接続され、他方の端部は外部に開放されている。ベント配管３２２には、外部に放出される排燃料ガスＦ２の流量を制御する排気バルブ４０３が設けられている。 The exhaust fuel pipe 320 is connected to a vent pipe 322 that is a pipe that discharges a part of the exhaust fuel gas F2 to the outside. That is, one end of the vent pipe 322 is connected to the exhaust fuel pipe 320, and the other end is opened to the outside. The vent pipe 322 is provided with an exhaust valve 403 that controls the flow rate of the exhaust fuel gas F2 discharged to the outside.

燃料配管３１０には、燃料供給部２０から燃料電池モジュール２に向かって順に、燃料分岐配管３１１との接続部、燃料流量調整バルブ４０１、燃料再循環配管３２１との接続部が設けられている。
排燃料配管３２０には、カートリッジ２０１から燃焼器５に向かって順に、運転圧力制御バルブ４０４（運転圧力制御弁）、ベント配管３２２との接続部、ブロワ１４、燃料再循環配管３２１との接続部、排燃料バルブ４０５が設けられている。運転圧力制御バルブ４０４は、排燃料配管３２０に流れる排燃料ガスＦ２の流量を調整することで、燃料電池モジュール２の燃料側の運転圧力を調整する。また、排燃料バルブ４０５は、燃焼器５に供給する排燃料ガスＦ２の流量を調整する。 The fuel pipe 310 is provided with a connection part to the fuel branch pipe 311, a fuel flow rate adjustment valve 401, and a fuel recirculation pipe 321 in order from the fuel supply unit 20 toward the fuel cell module 2.
In the exhaust fuel pipe 320, the operation pressure control valve 404 (operation pressure control valve), a connection part with the vent pipe 322, a blower 14, and a connection part with the fuel recirculation pipe 321 are sequentially provided from the cartridge 201 toward the combustor 5. An exhaust fuel valve 405 is provided. The operation pressure control valve 404 adjusts the fuel-side operation pressure of the fuel cell module 2 by adjusting the flow rate of the exhaust fuel gas F 2 flowing through the exhaust fuel pipe 320. Further, the exhaust fuel valve 405 adjusts the flow rate of the exhaust fuel gas F2 supplied to the combustor 5.

空気配管３３０は、ガスタービン３の空気圧縮機４において圧縮された空気Ｏ１をカートリッジ２０１に導く配管である。空気配管３３０からは、空気Ｏ１を排空気配管３４０へ分岐する空気分岐配管３３１が設けられており、空気分岐配管３３１には、排空気配管３４０へバイパスする空気Ｏ１の流量を調整する空気分岐調整バルブ４０６が設けられている。また、空気配管３３０には、燃料電池モジュール２に供給する空気Ｏ１の流量を調整する空気流量調整バルブ４０７が設けられている。また、排空気配管３４０には、燃焼器５に供給する空気Ｏ２の流量を調整する排空気流量調整バルブ４０８が設けられている。 The air pipe 330 is a pipe that guides the air O1 compressed in the air compressor 4 of the gas turbine 3 to the cartridge 201. From the air pipe 330, an air branch pipe 331 for branching the air O1 to the exhaust air pipe 340 is provided, and the air branch pipe 331 has an air branch adjustment for adjusting the flow rate of the air O1 bypassed to the exhaust air pipe 340. A valve 406 is provided. The air pipe 330 is provided with an air flow rate adjustment valve 407 that adjusts the flow rate of the air O1 supplied to the fuel cell module 2. The exhaust air pipe 340 is provided with an exhaust air flow rate adjustment valve 408 that adjusts the flow rate of the air O2 supplied to the combustor 5.

そして、コンバインド発電システム１は、各バルブの開度を制御する制御装置９００を備える。制御装置９００は、排燃料配管３２０に設けられた圧力計９０１と排空気配管３４０に設けられた圧力計９０２の計測結果に基づいて燃料電池モジュール２の内圧を管理し、各バルブの開度を制御する。 And the combined electric power generation system 1 is provided with the control apparatus 900 which controls the opening degree of each valve | bulb. The control device 900 manages the internal pressure of the fuel cell module 2 based on the measurement results of the pressure gauge 901 provided in the exhaust fuel pipe 320 and the pressure gauge 902 provided in the exhaust air pipe 340, and sets the opening of each valve. Control.

次に、燃料電池モジュール２の詳細構造について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成を示す模式図である。
図２に示すように、燃料電池モジュール２は、容器中心軸Ａｖを中心として容器中心軸方向Ｄｖに延びる円筒形状の圧力容器１０と、この圧力容器１０内に配置されている複数のカートリッジ２０１を有している。 Next, the detailed structure of the fuel cell module 2 will be described.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the fuel cell module according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 2, the fuel cell module 2 includes a cylindrical pressure vessel 10 that extends in the vessel center axis direction Dv around the vessel center axis Av, and a plurality of cartridges 201 arranged in the pressure vessel 10. Have.

圧力容器１０は、例えば、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約５ＭＰａ、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用される。このため、この圧力容器１０は、耐圧性を考慮して、円筒形状の胴部１１と、胴部１１の中心軸方向における両端部に形成されている半球状の鏡部１２とを有している。この圧力容器１０は、全体として円筒形状を成し、その容器中心軸Ａｖが上下方向に延びるよう設置されている。また、この圧力容器１０は、耐圧性と共に、使用条件によって空気Ｏ１中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性も要求される場合は、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス系材で形成しても良い。 The pressure vessel 10 is operated, for example, at an internal pressure of 0.1 MPa to about 5 MPa and an internal temperature of atmospheric temperature to about 550 ° C. For this reason, in consideration of pressure resistance, the pressure vessel 10 has a cylindrical body 11 and hemispherical mirrors 12 formed at both ends in the central axis direction of the body 11. Yes. The pressure vessel 10 has a cylindrical shape as a whole, and is installed such that the vessel central axis Av extends in the vertical direction. Further, the pressure vessel 10 may be formed of, for example, a stainless steel material such as SUS304 when corrosion resistance against an oxidizing agent such as oxygen contained in the air O1 is required in addition to pressure resistance.

図３は、本発明の第１の実施形態に係るセルスタックの要部断面図である。
カートリッジ２０１は、複数のセルスタックの束で構成されている。図３に示すように、セル集合体であるセルスタック１０１は、円筒形状（又は管形状）の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されているインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１１２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。セルスタック１０１は、さらに、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５のうちで、基体管１０３の軸方向において最も端に形成されている燃料電池セル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ているリード膜１１５を有する。 FIG. 3 is a cross-sectional view of the main part of the cell stack according to the first embodiment of the present invention.
The cartridge 201 is composed of a bundle of a plurality of cell stacks. As shown in FIG. 3, a cell stack 101 that is a cell assembly includes a cylindrical (or tube-shaped) base tube 103 and a plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103. And an interconnector 107 formed between the matching fuel cells 105. The fuel cell 105 is formed by stacking a fuel electrode 112, a solid electrolyte 111, and an air electrode 113. The cell stack 101 further includes an air electrode 113 of the fuel cell 105 formed at the end in the axial direction of the base tube 103 among the plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103. The lead film 115 is electrically connected through the interconnector 107.

本実施形態では、この円筒形状（又は管形状）のセルスタック１０１の内周側に燃料ガスＦ１が通り、外周側に空気Ｏ１が通る。 In the present embodiment, the fuel gas F1 passes through the inner peripheral side of the cylindrical (or tube-shaped) cell stack 101, and the air O1 passes through the outer peripheral side.

基体管１０３は、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、Ｙ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ_２（ＹＳＺ）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等のいずれかで形成されている多孔質体である。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とを支持する役目を担っている。さらに、この基体管１０３は、内周側に供給された燃料ガスＦ１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電池セル１０５に拡散させる役目も担っている。 The base tube 103 is a porous body formed of, for example, any one of CaO stabilized ZrO ₂ (CSZ), Y ₂ O ₃ stabilized ZrO ₂ (YSZ), MgAl ₂ O _{4, and the} like. The base tube 103 plays a role of supporting the fuel cell 105, the interconnector 107, and the lead film 115. Further, the base tube 103 also has a function of diffusing the fuel gas F1 supplied to the inner peripheral side to the fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103 through the pores of the base tube 103. .

燃料極１１２は、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で形成されている。この場合、燃料極１１２は、燃料極１１２の成分であるＮｉが燃料ガスＦ１に対して触媒としても作用する。この触媒としての作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガスＦ１中に、例えば、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気とが含まれている場合、これら相互を反応させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する作用である。 The fuel electrode 112 is made of, for example, an oxide of a composite material of Ni and zirconia-based electrolyte material such as Ni / YSZ. In this case, in the fuel electrode 112, Ni that is a component of the fuel electrode 112 also acts as a catalyst for the fuel gas F1. For example, when the fuel gas F1 supplied through the base tube 103 contains methane (CH ₄ ) and water vapor, the catalyst acts as a hydrogen (H ₂ ). And carbon monoxide (CO).

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３系酸化物で形成されている。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Ｏ１中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ^２−）を生成する。 The air electrode 113 is made of, for example, a LaSrMnO ₃ oxide or a LaCoO ₃ oxide. This air electrode 113 generates oxygen ions (O ²⁻ ) by dissociating oxygen in the supplied air O 1 in the vicinity of the interface with the solid electrolyte 111.

固体電解質１１１は、例えば、主としてＹＳＺで形成されている。このＹＳＺは、ガスを通しにくい気密性と、高温下での高い酸素イオン導電性とを有している。この固体電解質１１１は、空気極１１３で生成された酸素イオン（Ｏ^２−）を燃料極１１２に移動させる。 The solid electrolyte 111 is mainly made of YSZ, for example. This YSZ has gas tightness that prevents gas from passing through and high oxygen ion conductivity at high temperatures. The solid electrolyte 111 moves oxygen ions (O ²⁻ ) generated at the air electrode 113 to the fuel electrode 112.

前述の燃料極１１２では、固体電解質１１１との界面付近において、改質により得られた水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１から供給された酸素イオン（Ｏ^２−）とが反応し、水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。この燃料電池セル１０５では、この反応過程で酸素イオンから電子が放出されて、発電が行われる。 In the fuel electrode 112 described above, in the vicinity of the interface with the solid electrolyte 111, hydrogen (H ₂ ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming, and oxygen ions (O ²⁻ ) supplied from the solid electrolyte 111. React with each other to produce water (H ₂ O) and carbon dioxide (CO ₂ ). In the fuel cell 105, electrons are released from oxygen ions during this reaction process, and electric power is generated.

インターコネクタ１０７は、例えば、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ_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で形成されている。このインターコネクタ１０７は、燃料ガスＦ１と空気Ｏ１とが混合しないように緻密な膜で、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１１２とを電気的に接続する。つまり、このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５同士を電気的に直列接続する。 The interconnector 107 is made of, for example, a conductive perovskite oxide represented by M1-xLxTiO ₃ such as SrTiO ₃ (M is an alkaline earth metal element and L is a lanthanoid element). The interconnector 107 is a dense film so that the fuel gas F1 and the air O1 are not mixed, and has stable electrical conductivity in both an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere. The interconnector 107 electrically connects the air electrode 113 of one fuel cell 105 and the fuel electrode 112 of the other fuel cell 105 in adjacent fuel cells 105. That is, the interconnector 107 electrically connects adjacent fuel cells 105 in series.

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、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で形成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により電気的に直列接続されている複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出する役目を担っている。 Since the lead film 115 needs to have electronic conductivity and a thermal expansion coefficient close to that of other materials constituting the cell stack 101, for example, Ni such as Ni / YSZ and a zirconia-based electrolyte material And a composite material. The lead film 115 plays a role of leading the direct-current power generated by the plurality of fuel cells 105 electrically connected in series by the interconnector 107 to the vicinity of the end portion of the cell stack 101.

図４は、本発明の第１の実施形態に係るカートリッジの断面図である。
図５は、本発明の第１の実施形態に係るカートリッジの斜視図である。
カートリッジ２０１は、図４及び図５に示すように、複数のセルスタック１０１と、複数のセルスタック１０１の束の一方の端部を覆う第一カートリッジヘッダ２２０ａと、複数のセルスタック１０１の束の他方の端部を覆う第二カートリッジヘッダ２２０ｂと、を有している。複数のセルスタック１０１は、互いに平行で且つその長手方向における互いの位置が揃って、全体として円柱形状を成している。また、第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、円柱形状を成している複数のセルスタック１０１の束の外径よりわずかに大きな外径の円筒形状を成している。このため、カートリッジ２０１は、全体として、セルスタック１０１の長手方向に長い円柱形状を成している。 FIG. 4 is a cross-sectional view of the cartridge according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view of the cartridge according to the first embodiment of the present invention.
4 and 5, the cartridge 201 includes a plurality of cell stacks 101, a first cartridge header 220a that covers one end of a bundle of the plurality of cell stacks 101, and a bundle of the plurality of cell stacks 101. And a second cartridge header 220b covering the other end. The plurality of cell stacks 101 are parallel to each other and aligned in the longitudinal direction thereof, and form a cylindrical shape as a whole. The first cartridge header 220a and the second cartridge header 220b have a cylindrical shape having an outer diameter slightly larger than the outer diameter of the bundle of the plurality of cell stacks 101 having a columnar shape. Therefore, the cartridge 201 as a whole has a cylindrical shape that is long in the longitudinal direction of the cell stack 101.

第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、いずれも、複数のセルスタック１０１の束の端部が開口２２８から内部に入り込む円筒形状のケーシング２２９ａ，２２９ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの開口２２８を塞ぐ断熱体２２７ａ，２２７ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの内部空間をセルスタック１０１の長手方向で２つの空間に仕切る管板２２５ａ，２２５ｂと、を有している。管板２２５ａ，２２５ｂ等は、高温耐久性のある金属材料で形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂ及び断熱体２２７ａ，２２７ｂには、複数のセルスタック１０１の端部のそれぞれが挿通可能な貫通孔が形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂは、その貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の端部をシール部材又は接着剤２３７を介して支持する。このため、この管板２２５ａ，２２５ｂには貫通孔が形成されているものの、この管板２２５ａ，２２５ｂを基準にしてケーシング２２９ａ，２２９ｂ内の一方の空間に対する他方の空間の気密性が確保されている。断熱体２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内径は、ここに挿通されるセルスタック１０１の外径よりも大きく形成されている。つまり、断熱体２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の外周面との間には隙間２３５ａ，２３５ｂが存在する。 Each of the first cartridge header 220a and the second cartridge header 220b includes cylindrical casings 229a and 229b in which end portions of a bundle of the plurality of cell stacks 101 enter the inside from the opening 228, and openings 228 of the casings 229a and 229b. The heat insulating bodies 227a and 227b to be closed and the tube plates 225a and 225b that partition the internal space of the casings 229a and 229b into two spaces in the longitudinal direction of the cell stack 101 are provided. The tube plates 225a, 225b and the like are formed of a metal material having high temperature durability. The tube plates 225a and 225b and the heat insulators 227a and 227b are formed with through holes through which the end portions of the plurality of cell stacks 101 can be inserted. The tube plates 225a and 225b support the end portion of the cell stack 101 inserted through the through holes via a seal member or an adhesive 237. Therefore, though the tube plates 225a and 225b are formed with through holes, the air tightness of the other space with respect to one space in the casings 229a and 229b is ensured with reference to the tube plates 225a and 225b. Yes. The inner diameters of the through holes of the heat insulators 227a and 227b are formed larger than the outer diameter of the cell stack 101 inserted therethrough. That is, gaps 235a and 235b exist between the inner peripheral surfaces of the through holes of the heat insulators 227a and 227b and the outer peripheral surface of the cell stack 101 inserted through the through holes.

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、燃料ガスＦ１が供給される燃料ガス供給室２１７を形成している。このケーシング２２９ａには、燃料配管３１０からの燃料ガスＦ１を燃料ガス供給室２１７に導くための燃料ガス供給孔２３１ａが形成されている。この燃料ガス供給室２１７内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。燃料配管３１０から燃料ガス供給室２１７に導かれた燃料ガスＦ１は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に流れ込む。この際、燃料ガスＦ１は、燃料ガス供給室２１７により、複数のセルスタック１０１の各基体管１０３に対してほぼ均等流量に配分される。このため、複数のセルスタック１０１における各発電量の均一化を図ることができる。 A space formed by the casing 229a and the tube plate 225a of the first cartridge header 220a forms a fuel gas supply chamber 217 to which the fuel gas F1 is supplied. A fuel gas supply hole 231a for guiding the fuel gas F1 from the fuel pipe 310 to the fuel gas supply chamber 217 is formed in the casing 229a. In the fuel gas supply chamber 217, the ends of the base tube 103 in the plurality of cell stacks 101 are located and open here. The fuel gas F 1 guided from the fuel pipe 310 to the fuel gas supply chamber 217 flows into the base tube 103 of the plurality of cell stacks 101. At this time, the fuel gas F 1 is distributed at a substantially uniform flow rate to the base tube 103 of the plurality of cell stacks 101 by the fuel gas supply chamber 217. For this reason, each power generation amount in the plurality of cell stacks 101 can be made uniform.

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、セルスタック１０１の基体管１０３内を通過した排燃料ガスＦ２が流れ込む燃料ガス排出室２１９を形成している。このケーシング２２９ｂには、燃料ガス排出室２１９に流れ込んだ排燃料ガスＦ２を排燃料配管３２０に導くための燃料ガス排出孔２３１ｂが形成されている。この燃料ガス排出室２１９内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。複数のセルスタック１０１の各基体管１０３内を通過した排燃料ガスＦ２は、前述したように、燃料ガス排出室２１９に流入した後、排燃料配管３２０を通って、圧力容器１０外へ排出される。 A space formed by the casing 229b and the tube plate 225b of the second cartridge header 220b forms a fuel gas discharge chamber 219 into which the exhaust fuel gas F2 that has passed through the base tube 103 of the cell stack 101 flows. The casing 229b has a fuel gas discharge hole 231b for guiding the exhaust fuel gas F2 flowing into the fuel gas discharge chamber 219 to the exhaust fuel pipe 320. In the fuel gas discharge chamber 219, the ends of the base tube 103 in the plurality of cell stacks 101 are located and open here. As described above, the exhaust fuel gas F2 that has passed through the substrate tubes 103 of the plurality of cell stacks 101 flows into the fuel gas discharge chamber 219, and then is discharged out of the pressure vessel 10 through the exhaust fuel pipe 320. The

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと断熱体２２７ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、空気供給室２１６を形成している。このケーシング２２９ｂには、空気配管３３０からの空気Ｏ１を空気供給室２１６に導くための空気供給孔２３３ｂが形成されている。この空気供給室２１６内に導かれた空気Ｏ１は、断熱体２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ｂから、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５へと流出する。 A space formed by the casing 229b, the heat insulator 227b, and the tube plate 225b of the second cartridge header 220b forms an air supply chamber 216. In the casing 229b, an air supply hole 233b for guiding the air O1 from the air pipe 330 to the air supply chamber 216 is formed. The air O1 introduced into the air supply chamber 216 passes through the gap 235b between the inner peripheral surface of the through hole of the heat insulator 227b and the outer peripheral surface of the cell stack 101 inserted through the through hole. It flows out into the power generation chamber 215 between the cartridge header 220a and the second cartridge header 220b.

第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５には、複数のセルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置されている。このため、この発電室２１５では、燃料ガスＦ１と空気Ｏ１とが電気化学的反応して、発電が行われる。なお、この発電室２１５で、セルスタック１０１の長手方向における中央部付近の温度は、燃料電池モジュール２の定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気になる。また、この発電室２１５は、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間であって、外周側が後述の内側断熱材１６で囲まれた空間である。 In the power generation chamber 215 between the first cartridge header 220a and the second cartridge header 220b, the fuel cells 105 of the plurality of cell stacks 101 are arranged. Therefore, in the power generation chamber 215, the fuel gas F1 and the air O1 react electrochemically to generate power. In this power generation chamber 215, the temperature near the center in the longitudinal direction of the cell stack 101 becomes a high temperature atmosphere of about 700 ° C. to 1100 ° C. during steady operation of the fuel cell module 2. Further, the power generation chamber 215 is a space between the first cartridge header 220a and the second cartridge header 220b and whose outer peripheral side is surrounded by an inner heat insulating material 16 described later.

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと断熱体２２７ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、発電室２１５を通った排空気Ｏ２が流入する空気排出室２１８を形成している。このケーシング２２９ａには、空気排出室２１８に流れ込んだ排空気Ｏ２を排空気配管３４０に導くための空気排出孔２３３ａが形成されている。発電室２１５中の空気Ｏ１は、断熱体２２７ａの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ａから空気排出室２１８内に流入した後、排空気配管３４０を通って、圧力容器１０外へ排空気Ｏ２として排出される。 A space formed by the casing 229a, the heat insulator 227a, and the tube plate 225a of the first cartridge header 220a forms an air discharge chamber 218 into which the exhaust air O2 that has passed through the power generation chamber 215 flows. The casing 229a has an air discharge hole 233a for guiding the exhaust air O2 flowing into the air discharge chamber 218 to the exhaust air pipe 340. The air O1 in the power generation chamber 215 flows into the air discharge chamber 218 through a gap 235a between the inner peripheral surface of the through hole of the heat insulator 227a and the outer peripheral surface of the cell stack 101 inserted through the through hole. After that, the exhausted air is exhausted out of the pressure vessel 10 as exhausted air O2 through the exhausted air piping 340.

発電室２１５の高温化に伴って、各カートリッジヘッダ２２０ａ，２２０ｂの管板２２５ａ，２２５ｂが高温化する。第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂの断熱体２２７ａ，２２７ｂは、この管板２２５ａ，２２５ｂが高温化による強度低下や空気Ｏ１中に含まれている酸化剤による腐食を抑える。さらに、この断熱体２２７ａ，２２７ｂは、管板２２５ａ，２２５ｂの熱変形も抑える。 As the temperature of the power generation chamber 215 increases, the tube plates 225a and 225b of the cartridge headers 220a and 220b increase in temperature. The heat insulating bodies 227a and 227b of the first cartridge header 220a and the second cartridge header 220b suppress the strength reduction of the tube plates 225a and 225b and the corrosion caused by the oxidizing agent contained in the air O1. Further, the heat insulators 227a and 227b suppress thermal deformation of the tube plates 225a and 225b.

前述したように、発電室２１５中の空気Ｏ１と、この発電室２１５に配置されている複数のセルスタック１０１の内側を通る燃料ガスＦ１とは、セルスタック１０１における複数の燃料電池セル１０５で電気化学反応する。この結果、複数の燃料電池セル２０５で発電が行われる。 As described above, the air O 1 in the power generation chamber 215 and the fuel gas F 1 passing through the inside of the plurality of cell stacks 101 arranged in the power generation chamber 215 are electrically generated by the plurality of fuel cells 105 in the cell stack 101. It reacts chemically. As a result, power generation is performed by the plurality of fuel cells 205.

複数の燃料電池セル２０５での発電で得られた直流電流は、複数の燃料電池セル２０５相互間に設けられているインターコネクタ１０７を経て、セルスタック１０１の端部側へ流れ、このセルスタック１０１のリード膜１１５に流れ込む。そして、この直流電流は、リード膜１１５から、集電板（不図示）を介して、カートリッジ２０１の集電棒（不図示）に流れ、カートリッジ２０１外部へ取り出される。複数の集電棒は、互いに直列及び／又は並列接続されている。集電棒のうち、最も下流側の集電棒は、例えば、図示されていないインバータに接続されている。カートリッジ２０１外部に取り出された直流電流は、直列及び／又は並列接続されている複数の集電棒を経て、例えば、インバータに流れ、ここで交流電流に変換されて、電力負荷へと供給される。 The direct current obtained by the power generation in the plurality of fuel cells 205 flows to the end side of the cell stack 101 through the interconnector 107 provided between the plurality of fuel cells 205, and this cell stack 101 Into the lead film 115. Then, this direct current flows from the lead film 115 to the current collecting rod (not shown) of the cartridge 201 via the current collecting plate (not shown), and is taken out of the cartridge 201. The plurality of current collecting rods are connected in series and / or in parallel to each other. Of the current collecting rods, the most downstream current collecting rod is connected to, for example, an inverter not shown. The direct current taken out of the cartridge 201 flows through, for example, an inverter through a plurality of current collector rods connected in series and / or in parallel, where it is converted into an alternating current and supplied to an electric power load.

セルスタック１０１の内周側を流れる燃料ガスＦ１とセルスタック１０１の外周側を流れる空気Ｏ１とは、このセルスタック１０１を介して熱交換する。この結果、燃料ガスＦ１は、空気Ｏ１により加熱され、空気Ｏ１は、逆に燃料ガスＦ１により冷却される。本実施形態では、これら燃料ガスＦ１と空気Ｏ１とがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる。このため、燃料ガスＦ１と空気Ｏ１との熱交換率が高まり、燃料ガスＦ１による空気Ｏ１の冷却効率、及び空気Ｏ１による燃料ガスＦ１の加熱効率が高まる。よって、本実施形態において、空気Ｏ１は、第一カートリッジヘッダ２２０ａを形成する管板２２５ａ等が座屈変形等しない温度に冷却されてから、この第一カートリッジヘッダ２２０ａの空気排出室２１８に流れ込む。また、本実施形態において、燃料ガスＦ１は、発電室２１５内のセルスタック１０１内で、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る。 The fuel gas F 1 flowing on the inner peripheral side of the cell stack 101 and the air O 1 flowing on the outer peripheral side of the cell stack 101 exchange heat through this cell stack 101. As a result, the fuel gas F1 is heated by the air O1, and the air O1 is cooled by the fuel gas F1. In the present embodiment, the fuel gas F1 and the air O1 flow oppositely on the inner peripheral side and the outer peripheral side of the cell stack 101. For this reason, the heat exchange rate between the fuel gas F1 and the air O1 is increased, and the cooling efficiency of the air O1 by the fuel gas F1 and the heating efficiency of the fuel gas F1 by the air O1 are increased. Therefore, in this embodiment, the air O1 flows into the air discharge chamber 218 of the first cartridge header 220a after being cooled to a temperature at which the tube plate 225a and the like forming the first cartridge header 220a are not buckled and deformed. In the present embodiment, the fuel gas F1 is preheated to a temperature suitable for power generation in the cell stack 101 in the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

なお、本実施形態では、燃料ガスＦ１と空気Ｏ１とがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる、つまり燃料ガスＦ１と空気Ｏ１とが逆向きに流れるが、必ずしもこの必要はなく、例えば、燃料ガスＦ１と空気Ｏ１とがセルスタック１０１の内周側と外周側で同じ向きに流れてもよいし、空気Ｏ１が燃料ガスＦ１の流れに対して直交する方向に流れてもよい。 In this embodiment, the fuel gas F1 and the air O1 flow oppositely on the inner peripheral side and the outer peripheral side of the cell stack 101, that is, the fuel gas F1 and the air O1 flow in opposite directions. For example, the fuel gas F1 and the air O1 may flow in the same direction on the inner peripheral side and the outer peripheral side of the cell stack 101, or the air O1 flows in a direction orthogonal to the flow of the fuel gas F1. Also good.

円柱形状の複数のカートリッジ２０１は、図２に示すように、いずれも、カートリッジ中心軸Ａｃが圧力容器１０の容器中心軸Ａｖと平行になるよう、圧力容器１０内に配置されている。つまり、本実施形態では、カートリッジ中心軸Ａｃは、容器中心軸Ａｖと同様、上下方向に延びている。 As shown in FIG. 2, the plurality of cylindrical cartridges 201 are all arranged in the pressure vessel 10 such that the cartridge central axis Ac is parallel to the vessel central axis Av of the pressure vessel 10. That is, in the present embodiment, the cartridge center axis Ac extends in the vertical direction, like the container center axis Av.

なお、カートリッジ２０１の構成は上記したものに限らず、カートリッジを圧力容器の中心軸と直交する方向に延びるように配置してもよい。また、カートリッジは円柱形状に限らず、角柱形状としてもよい。 The configuration of the cartridge 201 is not limited to that described above, and the cartridge may be arranged so as to extend in a direction orthogonal to the central axis of the pressure vessel. Further, the cartridge is not limited to a cylindrical shape, and may be a prismatic shape.

次に、上記の構成からなるコンバインド発電システム１の動作について説明する。
まず、起動時におけるコンバインド発電システム１の動作について説明する。
コンバインド発電システム１の起動は、まずガスタービン３のみを起動させ、燃料電池モジュール２の内圧がガスタービン３の運転圧力に達したときに、燃料電池モジュール２を起動させることで行う。なお、コンバインド発電システム１の起動前には、全てのバルブの開度を０にしておく。 Next, the operation of the combined power generation system 1 having the above configuration will be described.
First, the operation of the combined power generation system 1 at startup will be described.
The combined power generation system 1 is started by starting only the gas turbine 3 and starting the fuel cell module 2 when the internal pressure of the fuel cell module 2 reaches the operating pressure of the gas turbine 3. Before the combined power generation system 1 is activated, all the valve openings are set to zero.

図６は、本発明の第１の実施形態に係るコンバインド発電システムの起動方法を示すフローチャートである。
図７は、本発明の第１の実施形態に係るコンバインド発電システムの起動時における各バルブの開度の遷移を示すタイムチャートである。
まず、制御装置９００は、空気分岐調整バルブ４０６を全開にする（ステップＳ１）。これにより、空気圧縮機４によって圧縮された全ての空気Ｏ１は、空気分岐配管３３１を介して燃焼器５へ供給される。次に、制御装置９００は、燃焼器５の稼動に必要な流量だけ燃料ガスＦ１が供給されるよう、燃料分岐調整バルブ４０２の開度を制御する（ステップＳ２）。これにより、ガスタービン３は、燃料供給部２０から燃料分岐配管３１１を介して供給される燃料ガスＦ１、及び空気供給部２１から供給される空気Ｏ１によって起動される。 FIG. 6 is a flowchart showing a method for starting the combined power generation system according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a time chart showing the transition of the opening degree of each valve when the combined power generation system according to the first embodiment of the present invention is started.
First, the control device 900 fully opens the air branch adjustment valve 406 (step S1). Thereby, all the air O1 compressed by the air compressor 4 is supplied to the combustor 5 through the air branch pipe 331. Next, the control device 900 controls the opening degree of the fuel branch adjustment valve 402 so that the fuel gas F1 is supplied at a flow rate necessary for the operation of the combustor 5 (step S2). Thereby, the gas turbine 3 is started by the fuel gas F1 supplied from the fuel supply unit 20 via the fuel branch pipe 311 and the air O1 supplied from the air supply unit 21.

ガスタービン３が起動すると、制御装置９００は、圧力計９０１と圧力計９０２が測定した圧力の差圧の算出を開始する（ステップＳ３）。また、制御装置９００は、ステップＳ３で算出した差圧に基づく燃料流量調整バルブ４０１の開度の制御を開始する（ステップＳ４）。具体的には、制御装置９００は、ステップＳ３で算出した差圧が所定の値になるように燃料流量調整バルブ４０１の開度制御を行う。このとき、制御装置９００は、排気バルブ４０３及び運転圧力制御バルブ４０４を所定の開度に固定する（ステップＳ５）。 When the gas turbine 3 is activated, the control device 900 starts calculating the differential pressure between the pressures measured by the pressure gauge 901 and the pressure gauge 902 (step S3). Further, the control device 900 starts control of the opening degree of the fuel flow rate adjustment valve 401 based on the differential pressure calculated in step S3 (step S4). Specifically, the control device 900 controls the opening degree of the fuel flow rate adjustment valve 401 so that the differential pressure calculated in step S3 becomes a predetermined value. At this time, the control device 900 fixes the exhaust valve 403 and the operating pressure control valve 404 at predetermined opening degrees (step S5).

次に、制御装置９００は、空気流量調整バルブ４０７を低開度で開度固定することで、燃料電池モジュール２の空気側の内圧を徐々に上昇させる（ステップＳ６）。これにより、圧力計９０２が測定する圧力が徐々に高まるため、ステップＳ４で開度の制御を開始した燃料流量調整バルブ４０１の開度は徐々に大きくなる。 Next, the control device 900 gradually increases the internal pressure on the air side of the fuel cell module 2 by fixing the air flow rate adjustment valve 407 at a low opening degree (step S6). As a result, the pressure measured by the pressure gauge 902 gradually increases, so that the opening of the fuel flow rate adjustment valve 401 that started the opening control in step S4 gradually increases.

次に、制御装置９００は、圧力計９０１が測定した圧力がガスタービン３の運転圧力に達したか否かを判定する（ステップＳ７）。これにより、制御装置９００は、燃料電池モジュール２の内圧がガスタービンの運転圧力に達したか否かを判定する。圧力がガスタービン３の運転圧力に達していないと判定した場合（ステップＳ７：ＮＯ）、圧力がガスタービン３の運転圧力に達するまで燃料流量調整バルブ４０１の制御を継続する。 Next, the control device 900 determines whether or not the pressure measured by the pressure gauge 901 has reached the operating pressure of the gas turbine 3 (step S7). Thereby, the control device 900 determines whether or not the internal pressure of the fuel cell module 2 has reached the operating pressure of the gas turbine. When it is determined that the pressure has not reached the operating pressure of the gas turbine 3 (step S7: NO), the control of the fuel flow rate adjustment valve 401 is continued until the pressure reaches the operating pressure of the gas turbine 3.

他方、圧力がガスタービン３の運転圧力に達したと判定した場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、制御装置９００は、燃料流量調整バルブ４０１の開度制御を、差圧を一定にする制御から、燃料ガスＦ１の流量を一定にする制御に変更する（ステップＳ８）。次に、制御装置９００は、ベント配管３２２の圧力（図示せず）が一定値になるように、排気バルブ４０３の開度制御を開始する（ステップＳ９）。次に、制御装置９００は、ステップＳ３で算出を開始した差圧が所定の値になるように運転圧力制御バルブ４０４の開度の制御を開始する（ステップＳ１０）。 On the other hand, when it is determined that the pressure has reached the operating pressure of the gas turbine 3 (step S7: YES), the control device 900 performs the opening control of the fuel flow rate adjustment valve 401 from the control for making the differential pressure constant, to the fuel. The control is changed to make the flow rate of the gas F1 constant (step S8). Next, the control device 900 starts opening control of the exhaust valve 403 so that the pressure (not shown) in the vent pipe 322 becomes a constant value (step S9). Next, the control device 900 starts control of the opening degree of the operation pressure control valve 404 so that the differential pressure that has been calculated in step S3 becomes a predetermined value (step S10).

次に、制御装置９００は、空気流量調整バルブ４０７及び排空気流量調整バルブ４０８を全開にとする（ステップＳ１１）。次に、燃料電池モジュール２に必要な空気量を調整するため、空気分岐調整バルブ４０６の開度を調整する。空気圧縮機４によって圧縮された空気Ｏ１の全てが必要な場合は、空気分岐調整バルブ４０６の開度を０にする（ステップＳ１２）。そして、排燃料バルブ４０５の開度を徐々に上げる（ステップＳ１３）。なお、燃料分岐調整バルブ４０２は、燃焼器５の稼動に必要な流量だけ燃料ガスＦ１が供給されるよう制御されているため、排燃料バルブ４０５の開度が上がるにつれ、燃料分岐調整バルブ４０２の開度は下がっていく。また、圧力計９０１が測定した圧力が一定値になるよう制御されている排気バルブ４０３の開度も下がり、０となる。
その後、排燃料バルブ４０５の開度が全開になった時点で、コンバインド発電システム１の起動が終了する。 Next, the control device 900 fully opens the air flow rate adjustment valve 407 and the exhaust air flow rate adjustment valve 408 (step S11). Next, in order to adjust the amount of air required for the fuel cell module 2, the opening degree of the air branch adjustment valve 406 is adjusted. When all of the air O1 compressed by the air compressor 4 is necessary, the opening degree of the air branch adjustment valve 406 is set to 0 (step S12). Then, the opening degree of the exhaust fuel valve 405 is gradually increased (step S13). Note that the fuel branch adjustment valve 402 is controlled so that the fuel gas F1 is supplied at a flow rate necessary for the operation of the combustor 5, and therefore, as the opening of the exhaust fuel valve 405 increases, the fuel branch adjustment valve 402 The opening will go down. Further, the opening degree of the exhaust valve 403 which is controlled so that the pressure measured by the pressure gauge 901 becomes a constant value also decreases and becomes zero.
Thereafter, when the opening of the exhaust fuel valve 405 is fully opened, the start-up of the combined power generation system 1 is completed.

このように、本実施形態によれば、制御装置９００は、燃料電池モジュール２のガス条件が運転圧力制御バルブ４０４によって制御できる状態になるまで、燃料電池モジュール２の内圧を燃料流量調整バルブ４０１によって制御する。燃料流量調整バルブ４０１は、燃料電池モジュール２の定常運転時より低圧・低流量のガス条件で適切に制御できるように設計されるため、制御装置９００は、コンバインド発電システム１の起動時において燃料電池モジュール２の内圧を適切に制御することができる。 Thus, according to the present embodiment, the control device 900 controls the internal pressure of the fuel cell module 2 by the fuel flow rate adjustment valve 401 until the gas condition of the fuel cell module 2 can be controlled by the operation pressure control valve 404. Control. Since the fuel flow rate adjustment valve 401 is designed so that it can be appropriately controlled under a low pressure and low flow rate gas condition during steady operation of the fuel cell module 2, the control device 900 is configured to start the fuel cell when the combined power generation system 1 is started. The internal pressure of the module 2 can be appropriately controlled.

なお、本実施形態では、コンバインド発電システム１の起動時の動作について説明したが、コンバインド発電システム１の停止時にも同様の制御により燃料電池モジュール２の内圧を適切に制御することができる。 In the present embodiment, the operation at the time of starting the combined power generation system 1 has been described. However, the internal pressure of the fuel cell module 2 can be appropriately controlled by the same control even when the combined power generation system 1 is stopped.

また、本実施形態では、燃料電池モジュール２の内圧がガスタービンの運転圧力に達した後の制御として、排気バルブ４０３の開度制御を開始してから（ステップＳ９）運転圧力制御バルブ４０４の開度の制御を開始する（ステップＳ１０）場合について説明したが、これに限られない。例えば、ステップＳ９とステップＳ１０の実行順序を逆にしても良い。 In the present embodiment, as control after the internal pressure of the fuel cell module 2 reaches the operating pressure of the gas turbine, the opening control of the exhaust valve 403 is started (step S9), and the operating pressure control valve 404 is opened. However, the present invention is not limited to this. For example, the execution order of step S9 and step S10 may be reversed.

なお、本実施形態では、燃料電池モジュール２の内圧がガスタービンの運転圧力に達するまで、排気バルブ４０３の開度を固定開度とする場合について説明したが、これに限られない。例えば、燃料流量調整バルブ４０１のレンジが狭い場合、燃料流量調整バルブ４０１と排気バルブ４０３の開度をそれぞれ制御することで燃料電池モジュール２の内圧の制御を行っても良い。 In the present embodiment, the case where the opening degree of the exhaust valve 403 is set to a fixed opening degree until the internal pressure of the fuel cell module 2 reaches the operating pressure of the gas turbine has been described, but the present invention is not limited thereto. For example, when the range of the fuel flow rate adjustment valve 401 is narrow, the internal pressure of the fuel cell module 2 may be controlled by controlling the opening amounts of the fuel flow rate adjustment valve 401 and the exhaust valve 403, respectively.

《第２の実施形態》
図８は、本発明の第２の実施形態に係るコンバインド発電システムの系統図である。
第２の実施形態に係るコンバインド発電システム１は、第１の実施形態に係るコンバインド発電システム１に、パージガス供給部２２、加圧用空気配管３３２と加圧用空気調整バルブ４０９（流量調節弁）とをさらに設けたものである。 << Second Embodiment >>
FIG. 8 is a system diagram of a combined power generation system according to the second embodiment of the present invention.
The combined power generation system 1 according to the second embodiment includes a purge gas supply unit 22, a pressurization air pipe 332, and a pressurization air adjustment valve 409 (flow rate control valve) in addition to the combined power generation system 1 according to the first embodiment. Furthermore, it is provided.

パージガス供給部２２は、燃料配管３１０にパージガスを供給する。なお、パージガスとしてはＮ_２などの不活性ガスが用いられる。
燃料配管３１０からは、空気Ｏ１を燃料再循環配管３２１に導入する加圧用空気配管３３２が設けられている。加圧用空気配管３３２には、燃料再循環配管３２１を介して燃料配管３１０に供給する空気Ｏ１の流量を調整する加圧用空気調整バルブ４０９が設けられている。 The purge gas supply unit 22 supplies purge gas to the fuel pipe 310. Note that an inert gas such as N ₂ is used as the purge gas.
From the fuel pipe 310, a pressurizing air pipe 332 for introducing the air O1 into the fuel recirculation pipe 321 is provided. The pressurization air pipe 332 is provided with a pressurization air adjustment valve 409 that adjusts the flow rate of the air O1 supplied to the fuel pipe 310 via the fuel recirculation pipe 321.

図９は、本発明の第２の実施形態に係るコンバインド発電システムの起動方法を示すフローチャートである。
図１０は、本発明の第２の実施形態に係るコンバインド発電システムの起動時における各バルブの開度の遷移を示すタイムチャートである。
まず、制御装置９００は、空気分岐調整バルブ４０６を全開にする（ステップＳ２１）。これにより、空気圧縮機４によって圧縮された全ての空気Ｏ１は、空気分岐配管３３１を介して燃焼器５へ供給される。次に、制御装置９００は、燃焼器５の稼動に必要な流量だけ燃料ガスＦ１が供給されるよう、燃料分岐調整バルブ４０２の開度を制御する（ステップＳ２２）。これにより、ガスタービン３は、燃料供給部２０から燃料分岐配管３１１を介して供給される燃料ガスＦ１、及び空気供給部２１から供給される空気Ｏ１によって起動される。 FIG. 9 is a flowchart showing a method for starting the combined power generation system according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a time chart showing the transition of the opening degree of each valve when the combined power generation system according to the second embodiment of the present invention is started.
First, the control device 900 fully opens the air branch adjustment valve 406 (step S21). Thereby, all the air O1 compressed by the air compressor 4 is supplied to the combustor 5 through the air branch pipe 331. Next, the control device 900 controls the opening degree of the fuel branch adjustment valve 402 so that the fuel gas F1 is supplied at a flow rate necessary for the operation of the combustor 5 (step S22). Thereby, the gas turbine 3 is started by the fuel gas F1 supplied from the fuel supply unit 20 via the fuel branch pipe 311 and the air O1 supplied from the air supply unit 21.

ガスタービン３が起動すると、制御装置９００は、圧力計９０１と圧力計９０２が測定した圧力の差圧の算出を開始する（ステップＳ２３）。また、制御装置９００は、ステップＳ３で算出した差圧に基づく加圧用空気調整バルブ４０９の開度の制御を開始する（ステップＳ２４）。具体的には、制御装置９００は、ステップＳ３で算出した差圧が所定の値になるように加圧用空気調整バルブ４０９の開度制御を行う。このとき、制御装置９００は、排気バルブ４０３及び運転圧力制御バルブ４０４を所定の開度に固定する（ステップＳ２５）。 When the gas turbine 3 is activated, the control device 900 starts calculating the differential pressure between the pressures measured by the pressure gauge 901 and the pressure gauge 902 (step S23). Further, the control device 900 starts control of the opening degree of the pressurizing air adjustment valve 409 based on the differential pressure calculated in step S3 (step S24). Specifically, the control device 900 controls the opening degree of the pressurizing air adjustment valve 409 so that the differential pressure calculated in step S3 becomes a predetermined value. At this time, the control device 900 fixes the exhaust valve 403 and the operating pressure control valve 404 at predetermined opening degrees (step S25).

次に、制御装置９００は、空気流量調整バルブ４０７を低開度で開度固定することで、燃料電池モジュール２の空気側の内圧を徐々に上昇させる（ステップＳ２６）。これにより、圧力計９０２が測定する圧力が徐々に高まるため、ステップＳ２４で開度の制御を開始した加圧用空気調整バルブ４０９の開度は徐々に大きくなる。 Next, the control apparatus 900 gradually increases the internal pressure on the air side of the fuel cell module 2 by fixing the air flow rate adjustment valve 407 at a low opening degree (step S26). Thereby, since the pressure measured by the pressure gauge 902 gradually increases, the opening degree of the pressurizing air adjustment valve 409 whose opening degree control is started in step S24 gradually increases.

次に、制御装置９００は、圧力計９０１が測定した圧力がガスタービン３の運転圧力に達したか否かを判定する（ステップＳ２７）。これにより、制御装置９００は、燃料電池モジュール２の内圧がガスタービンの運転圧力に達したか否かを判定する。圧力がガスタービン３の運転圧力に達していないと判定した場合（ステップＳ２７：ＮＯ）、圧力がガスタービン３の運転圧力に達するまで加圧用空気調整バルブ４０９の制御を継続する。 Next, the control device 900 determines whether or not the pressure measured by the pressure gauge 901 has reached the operating pressure of the gas turbine 3 (step S27). Thereby, the control device 900 determines whether or not the internal pressure of the fuel cell module 2 has reached the operating pressure of the gas turbine. When it is determined that the pressure has not reached the operating pressure of the gas turbine 3 (step S27: NO), the control of the pressurizing air adjustment valve 409 is continued until the pressure reaches the operating pressure of the gas turbine 3.

他方、圧力がガスタービン３の運転圧力に達したと判定した場合（ステップＳ２７：ＹＥＳ）、制御装置９００は、加圧用空気調整バルブ４０９の開度を０にする（ステップＳ２８）。次に、制御装置９００は、燃料ガスＦ１の流量が一定になるように燃料流量調整バルブ４０１の開度制御を開始する（ステップＳ２９）。次に、制御装置９００は、ベント配管３２２の圧力（図示せず）が一定値になるように、排気バルブ４０３の開度制御を開始する（ステップＳ３０）。次に、制御装置９００は、ステップＳ３で算出を開始した差圧が所定の値になるように運転圧力制御バルブ４０４の開度の制御を開始する（ステップＳ３１）。 On the other hand, when it is determined that the pressure has reached the operating pressure of the gas turbine 3 (step S27: YES), the control device 900 sets the opening degree of the pressurizing air adjustment valve 409 to 0 (step S28). Next, the control device 900 starts the opening degree control of the fuel flow rate adjustment valve 401 so that the flow rate of the fuel gas F1 becomes constant (step S29). Next, the control device 900 starts the opening degree control of the exhaust valve 403 so that the pressure (not shown) in the vent pipe 322 becomes a constant value (step S30). Next, the control device 900 starts control of the opening degree of the operation pressure control valve 404 so that the differential pressure that has been calculated in step S3 becomes a predetermined value (step S31).

次に、制御装置９００は、空気流量調整バルブ４０７及び排空気流量調整バルブ４０８を全開とする（ステップＳ３２）。次に、燃料電池モジュール２に必要な空気量を調整するため、空気分岐調整バルブ４０６の開度を調整する。空気圧縮機４によって圧縮された空気Ｏ１の全てが必要な場合は、空気分岐調整バルブ４０６の開度を０にする（ステップＳ３３）。 Next, the control device 900 fully opens the air flow rate adjustment valve 407 and the exhaust air flow rate adjustment valve 408 (step S32). Next, in order to adjust the amount of air required for the fuel cell module 2, the opening degree of the air branch adjustment valve 406 is adjusted. When all of the air O1 compressed by the air compressor 4 is necessary, the opening degree of the air branch adjustment valve 406 is set to 0 (step S33).

次に、制御装置９００は、パージガス供給部２２によるパージガスの供給を開始し、燃料配管３１０、排燃料配管３２０及び燃料再循環配管３２１をパージガスで充填し、空気Ｏ１を全て排気する（ステップＳ３４）。パージガスの充填に十分な時間が経過すると、制御装置９００は、パージガス供給部２２によるパージガスの供給を停止する。そして、制御装置９００は、排燃料バルブ４０５の開度を徐々に上げる（ステップＳ３５）。なお、燃料分岐調整バルブ４０２は、燃焼器５の稼動に必要な流量だけ燃料ガスＦ１が供給されるよう制御されているため、排燃料バルブ４０５の開度が上がるにつれ、燃料分岐調整バルブ４０２の開度は下がっていく。また、圧力計９０１が測定した圧力が一定値になるよう制御されている排気バルブ４０３の開度も下がり、０となる。
その後、排燃料バルブ４０５の開度が全開になった時点で、コンバインド発電システム１の起動が終了する。 Next, the control device 900 starts supply of the purge gas by the purge gas supply unit 22, fills the fuel pipe 310, the exhaust fuel pipe 320, and the fuel recirculation pipe 321 with the purge gas, and exhausts all the air O1 (step S34). . When a sufficient time has elapsed for filling the purge gas, the control device 900 stops the supply of the purge gas by the purge gas supply unit 22. Then, the control device 900 gradually increases the opening degree of the exhaust fuel valve 405 (step S35). Note that the fuel branch adjustment valve 402 is controlled so that the fuel gas F1 is supplied at a flow rate necessary for the operation of the combustor 5, and therefore, as the opening of the exhaust fuel valve 405 increases, the fuel branch adjustment valve 402 The opening will go down. Further, the opening degree of the exhaust valve 403 which is controlled so that the pressure measured by the pressure gauge 901 becomes a constant value also decreases and becomes zero.
Thereafter, when the opening of the exhaust fuel valve 405 is fully opened, the start-up of the combined power generation system 1 is completed.

このように、本実施形態によれば、制御装置９００は、燃料電池モジュール２のガス条件が運転圧力制御バルブ４０４によって制御できる状態になるまで、燃料電池モジュール２の内圧を加圧用空気調整バルブ４０９によって制御する。したがって、加圧用空気調整バルブ４０９を、燃料電池モジュール２の定常運転時より低圧・低流量のガス条件で適切に制御できるように設計しておくことで、制御装置９００は、コンバインド発電システム１の起動時において燃料電池モジュール２の内圧を適切に制御することができる。 As described above, according to this embodiment, the control device 900 controls the internal pressure of the fuel cell module 2 to the pressurizing air adjustment valve 409 until the gas condition of the fuel cell module 2 can be controlled by the operation pressure control valve 404. Control by. Therefore, the control device 900 is configured so that the pressurizing air adjustment valve 409 can be appropriately controlled under a low pressure and low flow rate gas condition during the steady operation of the fuel cell module 2. The internal pressure of the fuel cell module 2 can be appropriately controlled at the time of startup.

また、本実施形態によれば、燃料電池モジュール２の内圧を上昇させるために燃料ガスを用いる必要がないため、燃料ガスの保有量を小さくすることができる。 Moreover, according to this embodiment, since it is not necessary to use fuel gas in order to raise the internal pressure of the fuel cell module 2, the amount of fuel gas possessed can be reduced.

なお、本実施形態では、加圧用空気配管３３２が燃料配管３１０と燃料再循環配管３２１とを接続する場合について説明したが、これに限られない。例えば、加圧用空気配管３３２は、燃料配管３１０に直接接続されていても良い。 In the present embodiment, the case where the pressurizing air pipe 332 connects the fuel pipe 310 and the fuel recirculation pipe 321 has been described, but the present invention is not limited thereto. For example, the pressurization air pipe 332 may be directly connected to the fuel pipe 310.

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。 As described above, the embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to the above, and various design changes and the like can be made without departing from the scope of the present invention. It is possible to

なお、上述の制御装置９００は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した各動作は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。 The above-described control device 900 has a computer system inside. Each operation described above is stored in a computer-readable recording medium in the form of a program, and the above processing is performed by the computer reading and executing the program. Here, the computer-readable recording medium means a magnetic disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a semiconductor memory, or the like. Alternatively, the computer program may be distributed to the computer via a communication line, and the computer that has received the distribution may execute the program.

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。 The program may be for realizing a part of the functions described above. Furthermore, what can implement | achieve the function mentioned above in combination with the program already recorded on the computer system, and what is called a difference file (difference program) may be sufficient.

１…コンバインド発電システム２…燃料電池モジュール３…ガスタービン４…空気圧縮機５…燃焼器６…タービン３１０…燃料配管３２０…排燃料配管３３０…空気配管３４０…排空気配管３３２…加圧用空気配管４０１…燃料流量調整バルブ４０４…運転圧力制御バルブ４０９…加圧用空気調整バルブ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Combined power generation system 2 ... Fuel cell module 3 ... Gas turbine 4 ... Air compressor 5 ... Combustor 6 ... Turbine 310 ... Fuel piping 320 ... Exhaust fuel piping 330 ... Air piping 340 ... Exhaust air piping 332 ... Pressurization air piping 401 ... Fuel flow rate adjusting valve 404 ... Operating pressure control valve 409 ... Pressurizing air adjusting valve

Claims

A fuel cell that generates electricity with fuel gas and compressed oxidant gas;
A turbine that is driven by burning exhaust fuel gas discharged from the fuel cell;
A compressor that is driven by driving of the turbine to generate a compressed oxidant gas to be supplied to the fuel cell;
A flow rate adjusting valve for adjusting a flow rate of gas passing through a fuel supply line for supplying the fuel gas to the fuel cell;
A control device for controlling the operation of the valve,
When the fuel cell is started or stopped, the control device is configured such that when the internal pressure of the fuel cell is lower than the operating pressure of the turbine, the pressure difference between the exhaust fuel gas and the compressed oxidant gas is within a predetermined range. The power generation system is characterized in that the opening of the flow control valve is controlled so as to be within.

An operation pressure control valve for controlling the pressure on the fuel side of the fuel cell by adjusting the flow rate of the exhaust fuel gas;
When the internal pressure of the fuel cell rises to the operating pressure of the turbine at the time of startup of the fuel cell, the control device controls the flow control valve regardless of the pressure difference between the exhaust fuel gas and the compressed oxidant gas. The opening degree of the operation pressure control valve is controlled so that the opening degree is controlled so that the pressure difference between the exhaust fuel gas and the compressed oxidant gas is within a predetermined range. Power generation system.

The control device makes the opening degree of the operation pressure control valve constant until the internal pressure of the fuel cell rises to the operation pressure of the turbine at the time of starting the fuel cell. The power generation system described in 1.

The power generation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the flow rate adjustment valve adjusts a flow rate of fuel gas supplied to the fuel supply line.

The power generation system according to any one of claims 1 to 3, wherein the flow rate adjustment valve adjusts a flow rate of a compressed oxidant gas supplied to the fuel supply line.

An operation method of a power generation system comprising: a fuel cell that generates electric power with a fuel gas and a compressed oxidant gas; and a turbine that is driven by burning exhaust fuel gas discharged from the fuel cell,
When starting or stopping the fuel cell, when the internal pressure of the fuel cell is less than the operating pressure of the turbine, the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell and the compressor driven by driving the turbine are purified. Controlling the opening of a flow rate adjusting valve for adjusting the flow rate of the gas passing through the fuel supply line for supplying the fuel gas to the fuel cell so that the pressure difference with the compressed oxidant gas is within a predetermined range. A method for operating a power generation system.

A control device for controlling the operation of a valve of a power generation system comprising: a fuel cell that generates power with fuel gas and a compressed oxidant gas; and a turbine that is driven by burning exhaust fuel gas discharged from the fuel cell,
When starting or stopping the fuel cell, when the internal pressure of the fuel cell is less than the operating pressure of the turbine, the exhaust fuel gas discharged from the fuel cell and the compressor driven by driving the turbine are purified. Controlling the opening of a flow rate adjusting valve for adjusting the flow rate of the gas passing through the fuel supply line for supplying the fuel gas to the fuel cell so that the pressure difference with the compressed oxidant gas is within a predetermined range. Control device characterized.