JP6012485B2

JP6012485B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6012485B2
Application number: JP2013007757A
Authority: JP
Inventors: 眞竹　徳久; 徳久眞竹
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2013-01-18
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2016-10-25
Anticipated expiration: 2033-01-18
Also published as: JP2014137976A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、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。燃料電池を用いた燃料電池システムとしては、燃料電池単体の運転システムや、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。

また、燃料電池は、燃料ガスと空気等の酸化性ガスとから発電を行うカートリッジが圧力容器内に収容された構成である。カートリッジは、燃料電池セル集合体であるセルスタックの束で構成されている。

ところで、燃料電池システムでは、電力負荷系統との電気的接続が断たれるなどして燃料電池モジュールでの発電が停止した場合、セルスタックの燃料極が損傷することを防止する観点から、セルスタックの燃料極側に還元性ガスに供給している。即ち、停止時において、セルスタックの燃料極側に還元性ガスが供給されることによって、セルスタックが保護される。
そこで、特許文献２では、気化器、改質器、及びこれらを加熱するためのバーナを設け、停止時においても改質器により生成される水素をセルスタックの燃料極側に供給してセルスタックを保護する技術が開示されている。

特開２０１０−８０１９２号公報

ところで、上記従来のシステムにおいては、水素を発生させるために、改質器、気化器、及び加熱バーナが設けられた構成であり、内部改質を利用する燃料電池システムであり発電システムに改質器を有していない場合は従来のシステムを適用することができない。また、内部改質を利用する燃料電池システムにおいて、改質器等の水素供給設備を附帯させることもできるが、設備コスト、及び商品性の面で好ましくない。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、燃料電池の停止動作において、セルスタックの保護を確実にできると共に、内部改質を利用する燃料電池システムにおいて、設備コストを抑えられる燃料電池システムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
即ち、本発明の燃料電池システムは、酸素を含む酸化剤ガスと水素との反応で発電するセルを有し、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する改質能を有する触媒を含む長尺状の複数のセルスタックと、前記セルスタックにおける発電の停止時に、前記セルスタックに水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、前記セルスタックが発生する熱で水を加熱し、水蒸気を発生させる気化器と、を備え、前記気化器は板状をなす気化器本体と、前記気化器本体の内部を蛇行するように形成され、前記水が導入される蛇行孔と、を有し、前記気化器は、前記気化器本体の主面が複数の前記セルスタックが束ねられることで構成されたカートリッジに沿い、かつ、前記カートリッジの近傍に配置されていることを特徴とする。

上記構成によれば、停止時において、セルスタックの有する顕熱で水を加熱し、セルスタックに水蒸気を燃料極側に供給することで、セルスタックの触媒機能を利用した改質による水素の生成が可能となり、水蒸気から水素を生成する改質器や、水素ボンベなどの水素を保有するための設備が不用となり、設備コストの増大を抑えることができる。
また、セルスタックに供給される水蒸気は、セルスタックが発する熱で水を加熱することによって発生させるため、停電時においても水蒸気を発生させることが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムは、前記セルスタックが収容される圧力容器を備え、前記水蒸気供給手段は、前記圧力容器の内部に設けられた前記気化器と、前記圧力容器の外部に設けられた水供給源と前記気化器とを接続する配管と、を有することが好ましい。

上記構成によれば、気化器が圧力容器の内部であって、セルスタックの周囲に配置されることによって、セルスタックが発する熱が気化器により伝わり、水蒸気の発生効率を向上させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記水蒸気供給手段は、前記配管に設けられ、停止時に開状態となる弁を有することが好ましい。

上記燃料電池システムにおいて、内部に気体が圧縮状態で封入され、前記水供給源から供給される水を加圧する蓄圧器を備えていることが好ましい。

本発明によれば、内部改質を利用する発電システムのトリップ時を含む停止動作において、セルスタックの燃料極側に水蒸気を供給し、燃料極の触媒作用によって、燃料ガスと水蒸気から水素が生成されることで燃料極側の還元雰囲気を確保することができるため、改質器や水素ボンベなどの水素供給設備を保有するための設備が不用となり、発電室の熱を利用して設備コストを抑える燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムを含むコンバインド発電システムの系統図である。本発明の実施形態に係る気化器の構成を説明する斜視図である。本発明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。本発明の実施形態に係るセルスタックの要部断面図である。本発明の実施形態に係るカートリッジの断面図である。本発明の実施形態に係るカートリッジの斜視図である。本発明の実施形態に係る燃料電池システムのトリップ発生後の発電室温度を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
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を含む燃料電池システム７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、外気を吸入して圧縮する空気圧縮機４と、空気圧縮機４の下流側に設けられた燃焼器５と、燃焼器５の下流側に設けられたタービン６とを主な構成要素として有している。さらに、ガスタービン３には、発電機８が接続されている。

燃焼器５は、空気に燃料ガスを噴射して、高温燃焼ガスを生成する。本実施形態の燃焼器５には、後述する排酸化剤ガス配管３４０から供給される排酸化剤ガスＯ２と、排燃料配管３２０から供給される排燃料ガスＦ２と、第二燃料供給源２１から供給される燃料ガスが供給される。
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、圧縮機４を回転駆動させるとともに、発電機８を駆動する。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。

燃料電池システム７は、燃料電池モジュール２と、燃料電池モジュール２が停止した際に燃料電池モジュール２の燃料配管３１０に水蒸気を供給する水蒸気供給装置３０とを有している。ここで、停止とはセルスタック１０１での電気化学反応を停止し、燃料電池モジュールによる発電を停止させることを意味している。
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、セルスタック１０１が複数束ねられることで構成されており、燃料ガスＦ１及び酸化剤ガスＯ１の供給を受けて発電を行うものである。セルスタック１０１の詳細については後述する。

カートリッジ２０１には、ガスタービン３から酸化剤ガスＯ１を供給する酸化剤ガス配管３３０と、燃料供給源２０から燃料ガスＦ１を供給する燃料配管３１０が接続されている。燃料配管３１０には、燃料配管３１０を介してカートリッジ２０１に供給される燃料ガスＦ１の流量を調整する流量調整弁２２が設けられている。

なお、本実施形態のコンバインド発電システム１においては、燃料供給源２０はカートリッジ２０１のみに燃料ガスを供給する構成となっているが、燃料供給源２０からカートリッジ２０１に加えて、燃焼器５に燃料ガスを供給する構成としてもよい。即ち、前述した第二燃料供給源２１を廃して、燃料供給源２０と燃焼器５とを接続する構成としてもよい。

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、酸化剤ガスＯ１としては、例えば、酸素を１５〜３０ｖｏｌ％含むガス等が利用される。代表的な酸化剤ガスＯ１としては、空気であるが、排燃焼ガス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。

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後の排酸化剤ガスＯ２を、ガスタービン３の燃焼器５に供給する排酸化剤ガス配管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。排燃料ガスＦ２とは、燃料電池モジュール２において発電に用いられた後の燃料ガスである。

酸化剤ガス配管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酸化剤ガスをカートリッジ２０１に導く配管である。
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３２５が接続されている。即ち、燃料再循環配管３２５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。燃料再循環配管３２５には、燃料再循環配管３２５を流れる排燃料ガスＦ２を燃料配管３１０に送給する為の燃料再循環ブロア１５が設けられている。

そして、本実施形態の燃料電池システム７を含むコンバインド発電システム１は、燃料電池モジュール２のセルスタック１０１に水蒸気を供給する水蒸気供給装置３０（水蒸気供給手段）を備えている。

水蒸気供給装置３０は、圧力容器１０の内部に配置された気化器３１と、圧力容器１０の外部に配置された水供給源３２と、気化器３１と水供給源３２とを接続する第一配管３３と、気化器３１と燃料配管３１０とを接続する第二配管３４とを有している。水供給源３２は蓄圧器３８を有しており、蓄圧器３８の圧力によって、水が第一配管３３に供給される。蓄圧器３８の内部には気体が圧縮状態で封入されており、水を加圧することができる。

また、第一配管３３には弁３９が設けられている。弁３９はシステムの停止時に開状態となるように構成されている。即ち、システムの停止時に弁３９が開状態となり、第一配管３３に加圧された水が流入する。

気化器３１は、圧力容器１０の内部であって、セルスタック１０１を構成するカートリッジ２０１の近傍に配置されている。即ち、発電室の温度が７００℃以上の高温型の燃料電池の停止時において、カートリッジ２０１の発する熱が気化器３１に十分伝わるような位置に配置されている。

図２に示すように、気化器３１は、例えば、ＳＵＳなどの金属によって形成された矩形の板部材である気化器本体３５と、気化器本体３５の内部を蛇行するように形成された蛇行孔３６とから構成されている。蛇行孔３６は、その両端が気化器本体３５の端面で開口されており、蛇行孔３６の一端に第一配管３３が接続されているとともに、蛇行孔３６の他端に第二配管３４が接続されている。なお、気化器本体３５の形状は、矩形に限ることはなく、配置箇所の形状により適宜変更することができる。

また、本実施形態のコンバインド発電システム１は、燃料配管３１０に窒素（Ｎ２）を供給する窒素発生源８１を備えている。窒素発生源８１は、配管を介して燃料配管３１０に接続されている。窒素発生源８１は、例えば窒素ボンベを採用することができる。
また、酸化剤ガス配管３３０からは、酸化剤ガスＯ１を排酸化剤ガス配管３４０へ分岐する空気分岐配管１８が設けられている。

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３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。

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、酸化剤ガス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ため、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス系材で形成されている。

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４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。

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、外周側に酸化剤ガスＯ１が通る。

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。

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。

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、供給される酸化剤ガスＯ１中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ^２−）を生成する。

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。

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。

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と酸化剤ガス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。

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。

カートリッジ２０１は、図５及び図６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。

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、インコネル（ニッケル基合金に対するスペシャルメタルズ社の登録商標）等の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。

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。

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内を通過した燃料ガスＦ１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内を通過した燃料ガスＦ１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。

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、酸化剤ガス供給室２１６を形成している。このケーシング２２９ｂには、酸化剤ガス配管３３０からの酸化剤ガスＯ１を酸化剤ガス供給室２１６に導くための酸化剤ガス供給孔２３３ｂが形成されている。この酸化剤ガス供給室２１６内に導かれた酸化剤ガス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。

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と酸化剤ガス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。

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を通った排酸化剤ガス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に流れ込んだ排酸化剤ガスＯ２を排酸化剤ガス配管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中の酸化剤ガス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、排酸化剤ガス配管３４０を通って、圧力容器１０外へ排酸化剤ガスＯ２として排出される。

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酸化剤ガス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。

前述したように、発電室２１５中の酸化剤ガス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。

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。

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の外周側を流れる酸化剤ガス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、酸化剤ガスＯ１により加熱され、酸化剤ガス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と酸化剤ガス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と酸化剤ガスＯ１との熱交換率が高まり、燃料ガスＦ１による酸化剤ガスＯ１の冷却効率、及び酸化剤ガス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、酸化剤ガス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の酸化剤ガス排出室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。

なお、本実施形態では、燃料ガスＦ１と酸化剤ガス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と酸化剤ガス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と酸化剤ガス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、酸化剤ガス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。

円柱形状の複数のカートリッジ２０１は、図３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。

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。

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。
コンバインド発電システム１が定常運転されている場合には、ガスタービン３の運転により、空気圧縮機４は空気供給部より酸化剤ガスＯ１を吸入して圧縮する。圧縮された酸化剤ガスＯ１は空気圧縮機４から酸化剤ガス配管３３０を介して燃料電池モジュール２のカートリッジ２０１に流入する。

一方、燃料供給源２０より供給された燃料ガスＦ１は、燃料配管３１０を介して燃料電池モジュール２のカートリッジ２０１に供給される。カートリッジ２０１は、酸化剤ガスＯ１、及び燃料ガスＦ１を用いて発電を行う。発電に使用された排酸化剤ガスＯ２は、カートリッジ２０１から排酸化剤ガス配管３４０を介して燃焼器５に導入される。

一方、排燃料ガスＦ２は、排燃料配管３２０を介して燃焼器５に導入される。排燃料ガスＦ２の一部は、燃料再循環ブロア１５が駆動していることによって、燃料再循環配管３２５を介して燃料配管３１０に流入する。

燃焼器５では、排燃料ガスＦ２が燃焼され、高温高圧の排気ガスが生成される。高温高圧の排気ガスは、燃焼器５からタービン６に導入され、タービン６を回転駆動させる。タービン６は、導入された高温燃焼ガスによって回転駆動力を発生させ、ロータの一端に設けられたタービン６の駆動力がロータの他端に設けられた圧縮機４を回転駆動させる。回転駆動力は発電機８にも伝達され、発電が行われる。
このように、コンバインド発電システム１では、燃料電池モジュール２とガスタービン３とで発電が行われる。

次に、電力負荷系統との電気的接続が断たれるなどして燃料電池モジュール２が停止した場合の動作について説明する。電力負荷系統との電気的接続が断たれると、運転を継続することができないので、コンバイン発電システム１を停止する動作に移行する。まず、図示しない開閉弁を閉じることで、燃料電池システム７とガスタービン３との連携を解除する。
それと同時に、燃料電池モジュール２からの電力の取り出しを停止することで、即ちセルスタック１０１での水素と酸素との電気化学反応を停止させる。この状態において燃料電池システム７のカートリッジ２０１の温度は発電温度であることから、７００℃以上を保持している。また、燃料電池モジュールの停止前に燃料配管３１０を流れていた燃料ガスＦ１と再循環された排燃料ガスＦ２の混合ガス中には、セルスタック１０１における電気化学反応で生成される水蒸気を多量に含んでいる。しかし、電気化学反応が停止することで、水蒸気が発生しなくなる。よって、燃料電池モジュール２が停止した後において、燃料極における改質反応を継続すると、燃料配管３１０の水蒸気（水分）量が少なくなり、炭化水素を含む燃料ガスＦ１がセルスタック１０１に供給されても水素が生成されないばかりか、炭素が析出する可能性がある。なお、水蒸気の供給量としては燃料配管３１０における水蒸気と炭素の比（Ｓ／Ｃ）がＳ／Ｃ＞3であることが望ましい。

本実施形態の燃料電池システム７は、セルスタック１０１による発電が停止した場合、水蒸気供給装置３０を作動させる。即ち、水蒸気供給装置３０の水供給源３２から第一配管３３を介して気化器３１に水が供給される。気化器３１に供給された水は、圧力容器内部の顕熱を気化器３１が回収することによって水蒸気となる。即ち、図７に示すように、停止時直後から徐々に低下するが、発電室の温度の熱を利用して、気化器３１内の水を加熱し、水蒸気を発生させる。

また、コンバインド発電システム１が停止すると、窒素発生源８１から燃料配管３１０に窒素が導入される。
気化器３１で発生した水蒸気は、第二配管３４を介して燃料配管３１０に流入し、窒素とともに、カートリッジ２０１のセルスタック１０１内に流入する。上述したように、セルスタック１０１の燃料極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作用する。よって、水蒸気は、燃料ガスＦ１中に含まれるメタン（炭化水素、ＣＨ_４）と反応し、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する。
改質によって発生した水素は、窒素とともにセルスタック１０１内に流入し、セルスタック１０１内を還元性雰囲気に保持する。

上記実施形態によれば、トリップ発生時などのコンバインド発電システム１の停止時において、水蒸気供給装置３０よりセルスタック１０１に水蒸気が供給され、セルスタック１０１の燃料極１１２の触媒によってこの水蒸気から水素が生成される。これにより、水素ボンベなどの水素を保有するための設備が不用となり、発電室の熱を利用して設備コストを抑える水蒸気の供給手段を提供することができる。

また、停止時においてセルスタック１０１に供給される水蒸気は、セルスタック１０１が発する熱で水を加熱することによって発生させるため、コンバインド発電システム１の停電時においても水蒸気を発生させることが可能となる。また、セルスタック１０１の熱を利用するのでセルスタック１０１の冷却にも寄与することができる。

さらに、気化器３１が圧力容器１０の内部であって、セルスタック１０１の周囲に配置されることによって、セルスタック１０１が発する熱が気化器３１により伝わり、水蒸気の発生効率を向上させることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態においては、燃料電池モジュール２を含む燃料電池システム７と、ガスタービン３とを有するコンバインドサイクル発電システム１を用いて、本発明の燃料電池システム７を説明したが、これに限ることはない。本発明の燃料電池システムは、単体の燃料電池モジュールを有する燃料電池システムや、マイクロガスタービン複合発電システムにも応用可能である。

１コンバインド発電システム
２燃料電池モジュール（燃料電池）
７燃料電池システム
１０圧力容器
３０水蒸気供給装置（水蒸気供給手段）
３１気化器
３２水供給源
３３第一配管（配管）
１０１セルスタック
１１２燃料極（触媒）
Ｆ１燃料ガス
Ｆ２排燃料ガス
Ｏ１酸化剤ガス
Ｏ２排酸化剤ガス

Claims

酸素を含む酸化剤ガスと水素との反応で発電するセルを有し、炭化水素と水蒸気とから水素を生成する改質能を有する触媒を含む長尺状の複数のセルスタックと、
前記セルスタックにおける発電の停止時に、前記セルスタックに水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
前記セルスタックが発生する熱で水を加熱し、水蒸気を発生させる気化器と、を備え、
前記気化器は板状をなす気化器本体と、前記気化器本体の内部を蛇行するように形成され、前記水が導入される蛇行孔と、を有し、
前記気化器は、前記気化器本体の主面が複数の前記セルスタックが束ねられることで構成されたカートリッジに沿い、かつ、前記カートリッジの近傍に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池システムは、前記セルスタックが収容される圧力容器を備え、
前記水蒸気供給手段は、前記圧力容器の内部に設けられた前記気化器と、前記圧力容器の外部に設けられた水供給源と前記気化器とを接続する配管と、を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記水蒸気供給手段は、前記配管に設けられ、前記停止時に開状態となる弁を有することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記配管に接続され、内部に気体が圧縮状態で封入されて、前記水供給源から供給される水を加圧する蓄圧器を備えていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。