JP6352147B2

JP6352147B2 - Combined power generation system and control method of combined power generation system

Info

Publication number: JP6352147B2
Application number: JP2014219666A
Authority: JP
Inventors: 雄一寺本
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2018-07-04
Anticipated expiration: 2034-10-28
Also published as: JP2016085928A

Description

本発明は、燃料電池と内燃機関を組み合わせて行う複合発電システム及び複合発電システムの制御方法に関するものである。 The present invention relates to a combined power generation system that combines a fuel cell and an internal combustion engine, and a control method for the combined power generation system.

燃料ガスと酸素とを化学反応させることにより発電する燃料電池が知られている。このうち、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell、以下「ＳＯＦＣ」という。）は、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として運転される燃料電池である。 2. Description of the Related Art Fuel cells that generate electricity by chemically reacting fuel gas and oxygen are known. Among these, solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as “SOFC”) use ceramics such as zirconia ceramics as an electrolyte, such as city gas, natural gas, petroleum, methanol, and coal gasification gas. Is a fuel cell operated using as a fuel.

また、ＳＯＦＣと内燃機関である例えばガスタービンとを組み合わせて発電を行う複合発電システムも知られている。 A combined power generation system that generates power by combining a SOFC and an internal combustion engine such as a gas turbine is also known.

下記の特許文献１には、発電停止操作時にＳＯＦＣの通気ガスを系内に封じ込めることでＳＯＦＣを保護するため、燃料供給系及び酸化性ガス供給系に圧力調整ガスを供給することによって、燃料系統と空気系統の圧力差を抑制することを防止する技術が開示されている。
また、特許文献２には、通常又は緊急の停止時においてセルスタックの破損を防止するため、まず、燃料系統を不活性ガスでパージしつつ空気系統では酸化ガスの送給を継続して、空気極の還元膨張を防止し、次に、セル電圧が所定電圧に到達した後、空気系統を不活性ガスでパージして、燃料極の酸化膨張を防止する技術が開示されている。 In Patent Document 1 below, in order to protect the SOFC by confining the SOFC aeration gas in the system when the power generation is stopped, the fuel system is supplied by supplying a pressure adjustment gas to the fuel supply system and the oxidizing gas supply system. And a technique for preventing the pressure difference between the air system from being suppressed.
Further, in Patent Document 2, in order to prevent the cell stack from being damaged during a normal or emergency stop, first, the air system is continuously supplied with oxidizing gas while purging the fuel system with an inert gas. A technique for preventing reductive expansion of the electrode and then purging the air system with an inert gas after the cell voltage reaches a predetermined voltage to prevent oxidative expansion of the fuel electrode is disclosed.

特開２０１４−８９８２３号公報JP 2014-89823 A 特開２０１３−１７１７８２号公報JP 2013-171882 A

ＳＯＦＣとガスタービンとを組み合わせて発電を行う複合発電システムにおいて、ＳＯＦＣから排出された排燃料ガスをガスタービンに供給する排燃料供給ラインには、発電によって生じた水を燃料の改質に再利用する、及び、排燃料の顕熱を供給燃料の昇温に用いるため、排燃料ガスの一部をＳＯＦＣに戻す再循環ラインが設けられている。 In a combined power generation system that generates power by combining an SOFC and a gas turbine, water generated by power generation is reused for fuel reforming in the exhaust fuel supply line that supplies the exhaust fuel gas discharged from the SOFC to the gas turbine. In order to use the sensible heat of the exhausted fuel to raise the temperature of the supplied fuel, a recirculation line for returning a part of the exhausted fuel gas to the SOFC is provided.

排燃料供給ラインには、再循環ラインとの分岐点よりも上流側、すなわちＳＯＦＣ側に制御弁Ａが設けられ、再循環ラインとの分岐点よりも下流側、すなわちガスタービン側に流量調整弁Ｂが設けられる。 The exhaust fuel supply line is provided with a control valve A on the upstream side of the branch point with the recirculation line, that is, on the SOFC side, and on the downstream side of the branch point with the recirculation line, that is, on the gas turbine side. B is provided.

通常運転時、ＳＯＦＣのセルスタックの空気系統に対して燃料系統のほうが所定圧力分（例えば０．５ｋＰａ）高くなるように制御されている。この差圧制御は、制御弁Ａを用いて行われる。差圧を上げるためには、制御弁Ａは閉方向に調節される。 During normal operation, the fuel system is controlled to be higher by a predetermined pressure (for example, 0.5 kPa) than the SOFC cell stack air system. This differential pressure control is performed using the control valve A. In order to increase the differential pressure, the control valve A is adjusted in the closing direction.

ＳＯＦＣのセルスタック又はセルカートリッジに損傷が生じた場合、燃料系統から空気系統へ燃料のリークが発生する。 When the SOFC cell stack or cell cartridge is damaged, fuel leaks from the fuel system to the air system.

微小リークが発生すると、再循環流量を一定に制御しようとして、流量調整弁Ｂで調整が行われる。このとき、制御弁Ａは、開いたままである。
一方、差圧に変化が生じるような燃料系統から空気系統へ燃料のリークが発生すると、差圧が低下したことを検知して、差圧を上げるため制御弁Ａが部分的に閉鎖又は全閉する。その結果、燃料系統の燃料の供給が継続しているものの、排燃料供給ラインには、燃料が流れなくなりＳＯＦＣの燃料系統は閉塞した状態となる。このとき、リーク箇所によっては、セルスタックの下流側に燃料が流れなくなり、その部分は燃料欠乏となって燃料極の還元状態が維持できなくなる。その結果、燃料極の一部が再酸化して体積膨張を起こし、応力が発生するため、空気極などの膜の一部が剥離を生じるなど、セルスタックを損傷又は損傷を拡大させてしまう可能性があった。 When a minute leak occurs, adjustment is performed by the flow rate adjustment valve B in an attempt to keep the recirculation flow rate constant. At this time, the control valve A remains open.
On the other hand, when fuel leaks from the fuel system to the air system where the differential pressure changes, the control valve A is partially closed or fully closed in order to detect that the differential pressure has decreased and increase the differential pressure. To do. As a result, although the fuel supply of the fuel system continues, the fuel does not flow in the exhaust fuel supply line, and the SOFC fuel system is closed. At this time, depending on the leak location, the fuel does not flow to the downstream side of the cell stack, and the portion becomes deficient in fuel and the reduced state of the fuel electrode cannot be maintained. As a result, a part of the fuel electrode is reoxidized to cause volume expansion and stress is generated, so that a part of the film such as the air electrode may be peeled off, thereby damaging or expanding the cell stack. There was sex.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、セルスタックにリークが発生したとき、燃料系統の燃料の流れを止めることなく、燃料欠乏による燃料極の還元状態維持ができなくなることによるセルスタックの更なる損傷拡大のリスクを低減することが可能な複合発電システム及び複合発電システムの制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and when a leak occurs in the cell stack, it is impossible to maintain the reduced state of the fuel electrode due to fuel shortage without stopping the flow of fuel in the fuel system. An object of the present invention is to provide a combined power generation system and a control method for the combined power generation system that can reduce the risk of further damage expansion of the cell stack.

上記課題を解決するために、本発明の複合発電システム及び複合発電システムの制御方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る複合発電システムは、燃料電池及び前記燃料電池から排出される排燃料ガスを用いて運転される内燃機関を備える複合発電システムであって、前記燃料電池から前記内燃機関へ前記排燃料ガスを供給する排燃料供給系統と、前記排燃料供給系統の分岐点から分岐して設けられ、前記排燃料ガスを前記燃料電池に戻す再循環系統と、前記排燃料供給系統にて、前記分岐点よりも上流側に設けられ、前記燃料電池の空気系統の圧力に対して、前記燃料電池の内部に設けられたセルスタックの燃料系統が所定圧力差で高くなるように圧力を調整する制御弁と、前記排燃料供給系統にて、前記分岐点よりも下流側に設けられ、前記再循環系統を流れる前記排燃料ガスの流量を調整する流量調整弁と、前記制御弁の開度が規定値以下、又は、前記制御弁の閉鎖動作時の開閉速度が規定値以上であることが検知されたとき、前記セルスタックにて前記燃料系統より前記空気系統への燃料ガスの漏れが生じていると判断する漏れ判断部とを備える。 In order to solve the above problems, the combined power generation system and the control method for the combined power generation system of the present invention employ the following means.
That is, the combined power generation system according to the present invention is a combined power generation system including a fuel cell and an internal combustion engine that is operated using exhaust fuel gas discharged from the fuel cell. An exhaust fuel supply system that supplies exhaust fuel gas, a recirculation system that is branched from the branch point of the exhaust fuel supply system, and returns the exhaust fuel gas to the fuel cell, and the exhaust fuel supply system, The pressure is adjusted so that the fuel system of the cell stack provided inside the fuel cell is higher than the pressure of the air system of the fuel cell by a predetermined pressure difference. A control valve, a flow rate adjusting valve provided downstream of the branch point in the exhaust fuel supply system, for adjusting a flow rate of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation system, and an opening degree of the control valve. Specified value Or when it is detected that the opening / closing speed during the closing operation of the control valve is equal to or higher than a specified value, the fuel gas leaks from the fuel system to the air system in the cell stack. A leakage determination unit for determining.

この構成によれば、制御弁がセルスタックの燃料系統が空気系統よりも圧力が高くなるように制御していることから、制御弁の開度が規定値以下、又は、制御弁の閉鎖時の開閉速度が規定値以上であることが検知されたとき、燃料系統と空気系統の差圧が０kPaに近づいている、つまり、セルスタックにて燃料ガスの漏れが生じていると判断できる。その結果、セルスタックの損傷拡大のリスクを低減できる。 According to this configuration, since the control valve controls the fuel system of the cell stack so that the pressure is higher than that of the air system, the opening degree of the control valve is less than a specified value or when the control valve is closed. When it is detected that the opening / closing speed is equal to or higher than the specified value, it can be determined that the differential pressure between the fuel system and the air system is approaching 0 kPa, that is, fuel gas leaks in the cell stack. As a result, the risk of cell stack damage expansion can be reduced.

上記発明において、前記排燃料供給系統にて、前記分岐点よりも上流側、かつ、前記制御弁よりも下流側に設けられるブロワと、前記制御弁の開度が規定値以下、又は、前記制御弁の閉鎖動作時の開閉速度が規定値以上であることが検知されたとき、前記ブロワの回転数を所定の最低回転数に設定する回転数設定部とを更に備えてもよい。 In the above invention, in the exhaust fuel supply system, a blower provided upstream from the branch point and downstream from the control valve, and an opening degree of the control valve is equal to or less than a specified value, or the control A rotation speed setting unit that sets the rotation speed of the blower to a predetermined minimum rotation speed when it is detected that the opening / closing speed during the closing operation of the valve is equal to or higher than a specified value may be further provided.

この構成によれば、制御弁の開度が規定値以下、又は、制御弁の閉鎖時の開閉速度が規定値以上であることが検知されたとき、ブロワの回転数が最低回転数に設定されることから、セルスタックのリーク箇所からの空気系統から燃料系統への酸化剤ガスの漏れを最低限に抑制できる。 According to this configuration, when it is detected that the opening degree of the control valve is equal to or less than the specified value or the opening / closing speed when the control valve is closed is equal to or greater than the specified value, the rotational speed of the blower is set to the minimum rotational speed. Therefore, leakage of the oxidant gas from the air system to the fuel system from the leaked portion of the cell stack can be minimized.

上記発明において、前記セルスタックにて前記燃料系統より前記空気系統への燃料ガスの漏れが生じていると判断する前の前記制御弁の開度を正常開度として記憶し、前記ブロワの回転数が前記所定の最低回転数に設定されたとき、前記制御弁の開度を前記正常開度に戻す制御弁制御部を更に備えてもよい。 In the above invention, the opening degree of the control valve before determining that the fuel gas leaks from the fuel system to the air system in the cell stack is stored as a normal opening degree, and the rotational speed of the blower May be further provided with a control valve control section for returning the opening degree of the control valve to the normal opening degree when the predetermined minimum rotational speed is set.

この構成によれば、再循環ブロワの回転数が最低回転数に設定されたまま、制御弁の開度が元に戻されることから、燃料系統に燃料ガスの流れがつくられるため、セルスタック内部で燃料ガスの淀みが生じない。 According to this configuration, since the opening degree of the control valve is returned to the original state while the rotation speed of the recirculation blower is set to the minimum rotation speed, the flow of fuel gas is created in the fuel system. No stagnation of fuel gas occurs.

上記発明において、前記ブロワの回転数が前記最低回転数に設定されたとき、前記流量調整弁を遮断する流量調整弁制御部を更に備え、前記制御弁制御部は、前記再循環系統を流れる前記排燃料ガスの流量を所定流量になるよう前記制御弁の開度を調整してもよい。 In the above invention, when the number of rotations of the blower is set to the minimum number of rotations, it further includes a flow rate adjusting valve control unit that shuts off the flow rate adjusting valve, and the control valve control unit flows through the recirculation system. The opening degree of the control valve may be adjusted so that the flow rate of the exhaust fuel gas becomes a predetermined flow rate.

この構成によれば、内燃機関へ排燃料ガスが流れず、排燃料ガスが再循環系統を介して燃料電池へ戻る。また、燃料系統側のほうが空気系統よりも圧力が低くなり、セルスタックのリーク箇所にて、空気系統から燃料系統へと流通する。ただし、ブロワの回転数が最低回転数に設定されていることから、空気極から燃料極への流通の増加は抑制できる。 According to this configuration, the exhaust fuel gas does not flow to the internal combustion engine, and the exhaust fuel gas returns to the fuel cell via the recirculation system. Further, the pressure on the fuel system side is lower than that on the air system, and the fuel system is distributed from the air system to the fuel system at the leak location of the cell stack. However, since the rotation speed of the blower is set to the minimum rotation speed, an increase in circulation from the air electrode to the fuel electrode can be suppressed.

上記発明において、前記排燃料供給系統を流れる前記排燃料ガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出部で検出された前記水素濃度、又は、前記燃料電池の電圧を検出する電池電圧検出部で検出された前記電圧に基づいて、前記燃料電池の運転の継続の可否を判断する運転判断部を更に備えてもよい。 In the above invention, the hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration detection unit for detecting the hydrogen concentration in the exhaust fuel gas flowing through the exhaust fuel supply system, or detected by the battery voltage detection unit for detecting the voltage of the fuel cell. An operation determination unit that determines whether or not the fuel cell can continue to be operated may be further provided based on the voltage that has been generated.

この構成によれば、例えば、排燃料ガス中の水素濃度又は燃料電池の電圧が所定値よりも低下する場合は、損傷の程度が大きいと判断できることから、運転の継続を停止する。 According to this configuration, for example, when the hydrogen concentration in the exhaust fuel gas or the voltage of the fuel cell is lower than a predetermined value, it can be determined that the degree of damage is large, so the continuation of operation is stopped.

上記発明において、前記運転判断部の判断結果に基づいて、前記燃料電池の運転を継続する場合、前記再循環系統を流れる前記排燃料ガスの流量が所定流量になるように前記制御弁制御部は、前記制御弁の開度を増加させ、前記回転数設定部は、前記制御弁が全開になった後、前記ブロワの回転数を上昇させてもよい。 In the above invention, when the operation of the fuel cell is continued based on the determination result of the operation determination unit, the control valve control unit is configured so that the flow rate of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation system becomes a predetermined flow rate. The opening degree of the control valve may be increased, and the rotation speed setting unit may increase the rotation speed of the blower after the control valve is fully opened.

この構成によれば、制御弁を開くことで、再循環流量を増加させることができ、その状態で、ブロワの回転数を上昇させることで、さらに再循環流量を増加させることができる。このように、再循環流量を増加させることで、空気系統に対して燃料系統の圧力を上昇させたり、Ｓ／Ｃ比を上げたり、各セルスタックへの燃料分配性を上昇させることができる。
なお、制御弁を開く前に、ブロワの回転数を上昇させると、燃料系統側のほうが空気系統よりも圧力が更に低くなり、空気系統側から燃料系統側へのリークが増加するので好ましくない。 According to this configuration, the recirculation flow rate can be increased by opening the control valve, and in this state, the recirculation flow rate can be further increased by increasing the rotational speed of the blower. In this way, by increasing the recirculation flow rate, it is possible to increase the pressure of the fuel system relative to the air system, increase the S / C ratio, and increase the fuel distribution to each cell stack.
If the rotational speed of the blower is increased before the control valve is opened, the pressure on the fuel system side becomes lower than that on the air system, and leakage from the air system side to the fuel system side increases, which is not preferable.

本発明に係る複合発電システムの制御方法は、燃料電池及び前記燃料電池から排出される排燃料ガスを用いて運転される内燃機関を備える複合発電システムの制御方法であって、排燃料供給系統にて、前記燃料電池から前記内燃機関へ前記排燃料ガスを供給するステップと、前記排燃料供給系統の分岐点から分岐して設けられた再循環系統にて、前記排燃料ガスを前記燃料電池に戻すステップと、前記排燃料供給系統にて、前記分岐点よりも上流側に設けられ制御弁が、前記燃料電池の空気系統の圧力に対して、前記燃料電池の内部に設けられたセルスタックの燃料系統が所定圧力差で高くなるように圧力を調整するステップと、前記排燃料供給系統にて、前記分岐点よりも下流側に設けられた流量調整弁が、前記再循環系統を流れる前記排燃料ガスの流量を調整するステップと、前記制御弁の開度が規定値以下、又は、前記制御弁の閉鎖動作時の開閉速度が規定値以上であることが検知されたとき、漏れ判断部が、前記セルスタックにて前記燃料系統より前記空気系統への燃料ガスの漏れが生じていると判断するステップとを備え、前記燃料ガスの漏れが生じていると判断した場合には、前記排燃料供給系統にて、前記分岐点よりも上流側、かつ、前記制御弁よりも下流側に設けられるブロワの回転数を所定の最低回転数に設定するステップと、前記燃料ガスの漏れが生じていると判断する前の前記制御弁の開度を正常開度として記憶しておき、前記制御弁の開度を前記正常開度に戻すステップと、前記流量調整弁を遮断した後に、前記再循環系統を流れる前記排燃料ガスの流量が所定流量になるよう前記制御弁の開度を調整するステップとを備える。 A control method for a combined power generation system according to the present invention is a control method for a combined power generation system that includes a fuel cell and an internal combustion engine that is operated using exhaust fuel gas discharged from the fuel cell. And supplying the exhaust fuel gas to the fuel cell in a step of supplying the exhaust fuel gas from the fuel cell to the internal combustion engine and a recirculation system provided by branching from a branch point of the exhaust fuel supply system. And a control valve provided upstream of the branch point in the exhaust fuel supply system with respect to the pressure of the air system of the fuel cell, of the cell stack provided in the fuel cell. Adjusting the pressure so that the fuel system is increased by a predetermined pressure difference; and in the exhaust fuel supply system, a flow rate adjusting valve provided downstream of the branch point is configured to cause the exhaust gas flowing through the recirculation system to flow. The step of adjusting the flow rate of the feed gas, and when it is detected that the opening of the control valve is equal to or less than a specified value or the opening and closing speed during the closing operation of the control valve is equal to or greater than a specified value, Determining that fuel gas leaks from the fuel system to the air system in the cell stack, and if it is determined that the fuel gas leaks, the exhaust fuel In the supply system, there is a step of setting the rotational speed of a blower provided upstream of the branch point and downstream of the control valve to a predetermined minimum rotational speed, and leakage of the fuel gas. Storing the opening of the control valve before determining as a normal opening, returning the opening of the control valve to the normal opening, and shutting off the flow regulating valve, Flow rate of the exhaust fuel gas flowing through And a step of adjusting an opening degree of the control valve so that a predetermined flow rate.

この発明によれば、セルスタックにリークが発生したとき、セルスタックにリークが発生したとき、燃料欠乏による燃料極の還元状態維持ができなくなることによるセルスタックの更なる損傷拡大のリスクを低減することができる。 According to the present invention, when a leak occurs in the cell stack, when the leak occurs in the cell stack, the risk of further damage expansion of the cell stack due to failure to maintain the reduced state of the fuel electrode due to fuel depletion is reduced. be able to.

本発明の一実施形態に係る複合発電システムを示す構成図である。It is a block diagram which shows the combined power generation system which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る複合発電システムの運転制御装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the operation control apparatus of the combined power generation system which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る複合発電システムの運転制御装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the operation control apparatus of the combined power generation system which concerns on one Embodiment of this invention. 制御弁の開度と時間の関係、及び、再循環ブロワの回転数と時間の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the opening degree of a control valve, and time, and the rotation speed of a recirculation blower, and time. 本発明の一実施形態に係るセルスタックを示す部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view which shows the cell stack which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the SOFC module which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the SOFC cartridge which concerns on one Embodiment of this invention.

以下に、本発明の一実施形態に係る複合発電システムについて、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る複合発電システム１０の構成図である。
複合発電システム１０は、燃料電池及び燃料電池から排出される燃料ガスを用いて運転される内燃機関を組み合わせて発電を行う。なお、複合発電システム１０は、常時監視が行われている。 Hereinafter, a combined power generation system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of a combined power generation system 10 according to the present embodiment.
The combined power generation system 10 generates power by combining a fuel cell and an internal combustion engine that is operated using fuel gas discharged from the fuel cell. The combined power generation system 10 is constantly monitored.

燃料電池であるＳＯＦＣ１２は、空気極に酸化性ガス（本実施形態では空気）が供給されるとともに燃料極に燃料ガスが供給されることにより発電を行う。ＳＯＦＣ１２は、圧力容器１４に覆われている。また、ＳＯＦＣ１２は、圧力容器１４内の圧力を計測する圧力センサ１５Ａ及び圧力容器１４内の温度を計測する温度センサ１５Ｂが備えられる。 The SOFC 12, which is a fuel cell, generates power by supplying an oxidizing gas (air in the present embodiment) to the air electrode and supplying a fuel gas to the fuel electrode. The SOFC 12 is covered with the pressure vessel 14. The SOFC 12 is provided with a pressure sensor 15A that measures the pressure in the pressure vessel 14 and a temperature sensor 15B that measures the temperature in the pressure vessel 14.

内燃機関は、一例として小型のガスタービン（以下「マイクロガスタービン」又は「ＭＧＴ」という。）１６である。
ＭＧＴ１６は、圧縮した空気をＳＯＦＣ１２の空気極に供給するコンプレッサ１８、空気極から排出された排出空気、燃料極から排出された排燃料ガス及び燃料ガス（本実施形態では都市ガス）が供給され、高温の燃焼ガスを生成する燃焼器２０、燃焼器２０から排出された燃焼ガスにより回転駆動するタービン２２が設けられる。 The internal combustion engine is a small gas turbine (hereinafter referred to as “micro gas turbine” or “MGT”) 16 as an example.
The MGT 16 is supplied with a compressor 18 that supplies compressed air to the air electrode of the SOFC 12, exhaust air discharged from the air electrode, exhaust fuel gas and fuel gas (city gas in this embodiment) discharged from the fuel electrode, A combustor 20 that generates high-temperature combustion gas, and a turbine 22 that is rotationally driven by the combustion gas discharged from the combustor 20 are provided.

ＳＯＦＣ１２には、燃料供給ライン２４を介して、還元性ガス（本実施形態では水素ガス）、水蒸気、不活性ガス（本実施形態では窒素ガス）、及び燃料ガス（本実施形態では都市ガス）が供給可能とされる。また、還元性ガス供給ラインには減圧弁２８Ａが設けられ、各ガスに対応する供給ラインには開閉弁２８Ｂ〜２８Ｅが設けられている。
燃料ガスとしては、都市ガス（ＣＮＧ）のほか、例えば、液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素ガス系ガス、石炭など炭素質原料のガス化設備により製造したガスも用いることが可能である。なお、燃料ガスは、燃料予熱器２６で余熱された後に、ＳＯＦＣ１２へ供給される。 The SOFC 12 is supplied with reducing gas (hydrogen gas in the present embodiment), water vapor, inert gas (nitrogen gas in the present embodiment), and fuel gas (city gas in the present embodiment) via the fuel supply line 24. It can be supplied. The reducing gas supply line is provided with a pressure reducing valve 28A, and the supply lines corresponding to the respective gases are provided with on-off valves 28B to 28E.
As fuel gas, in addition to city gas (CNG), for example, liquefied natural gas (LNG), hydrocarbon gas such as hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO), methane (CH4), and carbonaceous materials such as coal It is also possible to use a gas produced by raw material gasification equipment. The fuel gas is preheated by the fuel preheater 26 and then supplied to the SOFC 12.

ＳＯＦＣ１２から排出された排燃料ガスは、冷却器３０で冷却され、排燃料供給ライン３２によって燃焼器２０へ供給されると共に、一部の排燃料ガスが燃料再循環ライン３３を介してＳＯＦＣ１２へ戻される。排燃料供給ライン３２には、制御弁３４、及びＳＯＦＣ１２から排出されるガスをＳＯＦＣ１２へ循環させつつ、燃焼器２０にガスを供給する再循環ブロワ３６が備えられる。制御弁３４は、通常運転時、ＳＯＦＣ１２のセルスタックの空気系統に対して燃料系統のほうが所定圧力分（例えば０．５ｋＰａ）高くなるように差圧制御を行う。
排燃料供給ライン３２には、燃料再循環ライン３３との分岐点よりも後流側にて開閉弁４０と流量調整弁４１が備えられる。流量調整弁４１は、通常運転時、再循環ライン３３に流れる排燃料ガスの流量が一定になるように調整する。 The exhaust fuel gas discharged from the SOFC 12 is cooled by the cooler 30 and supplied to the combustor 20 by the exhaust fuel supply line 32, and part of the exhaust fuel gas is returned to the SOFC 12 through the fuel recirculation line 33. It is. The exhaust fuel supply line 32 includes a control valve 34 and a recirculation blower 36 that supplies gas to the combustor 20 while circulating the gas discharged from the SOFC 12 to the SOFC 12. During normal operation, the control valve 34 performs differential pressure control so that the fuel system is higher than the air system of the cell stack of the SOFC 12 by a predetermined pressure (for example, 0.5 kPa).
The exhaust fuel supply line 32 is provided with an on-off valve 40 and a flow rate adjustment valve 41 on the downstream side of the branch point with the fuel recirculation line 33. The flow rate adjustment valve 41 adjusts the flow rate of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation line 33 to be constant during normal operation.

排燃料供給ライン３２は、燃料予熱器２６と冷却器３０の間で分岐され、排出ライン４２によって排燃料ガスをパージ（系外へ排出）可能とされている。排出ライン４２には、開閉弁４４が設けられている。これにより、複合発電システム１０内の燃料ガスは、開閉弁４４が開かれるとパージされる。 The exhaust fuel supply line 32 is branched between the fuel preheater 26 and the cooler 30, and the exhaust fuel gas can be purged (discharged out of the system) by the exhaust line 42. The discharge line 42 is provided with an open / close valve 44. Thereby, the fuel gas in the combined power generation system 10 is purged when the on-off valve 44 is opened.

また、ＳＯＦＣ１２は、コンプレッサ１８で圧縮され、空気予熱器（再生熱交換器）４８で予熱された空気が空気供給ライン４６を介して供給される。空気供給ライン４６には、コンプレッサ１８からの空気の流量を制御する制御弁５０が備えられる。
制御弁５０の下流には、減圧弁４７及び開閉弁４９を備えた空気／窒素ガス供給ラインが接続されている。なお、図示の空気／窒素ガス供給ラインは、空気又は窒素ガスのいずれか一方を供給する流路である。 The SOFC 12 is compressed by the compressor 18, and air preheated by the air preheater (regenerative heat exchanger) 48 is supplied via the air supply line 46. The air supply line 46 is provided with a control valve 50 that controls the flow rate of air from the compressor 18.
An air / nitrogen gas supply line including a pressure reducing valve 47 and an opening / closing valve 49 is connected downstream of the control valve 50. The illustrated air / nitrogen gas supply line is a flow path for supplying either air or nitrogen gas.

ＳＯＦＣ１２から排出された空気は、排出空気供給ライン５６によって燃焼器２０へ供給される。排出空気供給ライン５６には、開閉弁６０が備えられる。
排出空気供給ライン５６は、分岐され、排出ライン６２によって空気をパージ可能とされている。排出ライン６２には、開閉弁６４が設けられている。これにより、複合発電システム１０内の空気は、開閉弁６４が開かれるとパージされる。 The air exhausted from the SOFC 12 is supplied to the combustor 20 through the exhaust air supply line 56. The exhaust air supply line 56 is provided with an on-off valve 60.
The exhaust air supply line 56 is branched, and air can be purged by the exhaust line 62. The discharge line 62 is provided with an open / close valve 64. Thereby, the air in the combined power generation system 10 is purged when the on-off valve 64 is opened.

図２は、本実施形態に係る運転制御装置８０の電気的構成を示すブロック図である。運転制御装置８０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。 FIG. 2 is a block diagram showing an electrical configuration of the operation control device 80 according to the present embodiment. The operation control device 80 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), and a computer-readable recording medium. A series of processes for realizing various functions is recorded on a recording medium or the like in the form of a program as an example, and the CPU reads the program into a RAM or the like to execute information processing / arithmetic processing. As a result, various functions are realized.

運転制御装置８０は、開度検知部８１と、リーク判断部８２と、再循環ブロワ回転数設定部８３と、制御弁制御部８４と、流量調整弁制御部８５と、運転判断部８８とを備える。 The operation control device 80 includes an opening degree detection unit 81, a leak determination unit 82, a recirculation blower rotation speed setting unit 83, a control valve control unit 84, a flow rate adjustment valve control unit 85, and an operation determination unit 88. Prepare.

開度検知部８１は、制御弁３４の開度、又は、制御弁３４の閉鎖時の開閉速度を検知する。検知された開度又は閉鎖時の開閉速度は、リーク判断部８２に送られる。 The opening detection unit 81 detects the opening of the control valve 34 or the opening / closing speed when the control valve 34 is closed. The detected opening degree or the opening / closing speed at the time of closing is sent to the leak determination unit 82.

リーク判断部８２は、開度検知部８１で検知された制御弁３４の開度が規定値以下となったとき、又は、制御弁３４の閉鎖時の開閉速度が規定値以上となったとき、セルスタックにて燃料ガスの漏れが生じていると判断する。一方、リーク判断部８２は、開度検知部８１で検知された制御弁３４の開度が規定値を超えているとき、又は、制御弁３４の閉鎖時の開閉速度が規定値未満であるときは、セルスタックにて燃料ガスの漏れが生じているとは判断しない。この場合、通常の運転が継続される。リーク判断部８２の判断結果は、再循環ブロワ回転数設定部８３に送られる。 When the opening degree of the control valve 34 detected by the opening degree detection unit 81 is equal to or less than a specified value or when the opening / closing speed when the control valve 34 is closed is equal to or more than a specified value, It is determined that fuel gas leaks in the cell stack. On the other hand, when the opening degree of the control valve 34 detected by the opening degree detection unit 81 exceeds a specified value, or the opening / closing speed when the control valve 34 is closed is less than the specified value, the leak determination unit 82 Does not determine that fuel gas leaks in the cell stack. In this case, normal operation is continued. The determination result of the leak determination unit 82 is sent to the recirculation blower speed setting unit 83.

再循環ブロワ回転数設定部８３は、リーク判断部８２からリークが発生している旨の信号を受信すると、再循環ブロワ３６の回転数を、複合発電システム１０として維持するべき再循環流量を確保するための回転数である最低回転数に設定する。再循環ブロワ回転数設定部８３は、再循環ブロワ３６の回転数が最低回転数に設定されたことを確認する。また、再循環ブロワ３６の回転数が最低回転数に設定されたことを確認できたとき、制御弁制御部８４に、再循環ブロワ３６の回転数が最低回転数に設定されたことを送信する。 When the recirculation blower rotation speed setting unit 83 receives a signal indicating that a leak has occurred from the leak determination unit 82, the recirculation blower rotation speed setting unit 83 ensures a recirculation flow rate to maintain the rotation speed of the recirculation blower 36 as the combined power generation system 10. Set to the minimum number of revolutions. The recirculation blower rotation speed setting unit 83 confirms that the rotation speed of the recirculation blower 36 is set to the minimum rotation speed. Further, when it is confirmed that the rotation speed of the recirculation blower 36 is set to the minimum rotation speed, the control valve control unit 84 is notified that the rotation speed of the recirculation blower 36 is set to the minimum rotation speed. .

制御弁制御部８４は、再循環ブロワ３６の回転数が設定された最低回転数になり、再循環ブロワ回転数設定部８３から再循環ブロワ３６の回転数が最低回転数に設定された旨の信号を受信すると、閉鎖された状態の制御弁３４の開度を、閉鎖前の通常運転時の開度に戻す。このとき、制御弁制御部８４は、別途メモリ等の記憶部に保存されている制御弁３４の通常運転時の開度を参照する。 The control valve controller 84 indicates that the rotation speed of the recirculation blower 36 is set to the minimum rotation speed, and the recirculation blower rotation speed setting section 83 sets the rotation speed of the recirculation blower 36 to the minimum rotation speed. When the signal is received, the opening degree of the control valve 34 in the closed state is returned to the opening degree during the normal operation before closing. At this time, the control valve control unit 84 refers to the opening degree during normal operation of the control valve 34 separately stored in a storage unit such as a memory.

流量調整弁制御部８５は、再循環ブロワ３６の回転数が設定された最低回転数になり、再循環ブロワ回転数設定部８３から再循環ブロワ３６の回転数が最低回転数に設定された旨の信号を受信すると、流量調整弁４１を遮断する。 The flow rate adjusting valve control unit 85 is set to the minimum rotation speed at which the recirculation blower 36 is set, and the recirculation blower rotation speed setting unit 83 sets the rotation speed of the recirculation blower 36 to the minimum rotation speed. Is received, the flow rate adjustment valve 41 is shut off.

水素濃度検出部８６は、排燃料供給ライン３２に設けられ、排燃料ガス中の水素濃度を検出する。水素濃度検出部８６は、検出結果を運転判断部８８に送る。
電池電圧検出部８７は、ＳＯＦＣ１２の電圧を検出する。電池電圧検出部８７は、検出結果を運転判断部８８に送る。 The hydrogen concentration detection unit 86 is provided in the exhaust fuel supply line 32 and detects the hydrogen concentration in the exhaust fuel gas. The hydrogen concentration detection unit 86 sends the detection result to the operation determination unit 88.
The battery voltage detection unit 87 detects the voltage of the SOFC 12. The battery voltage detection unit 87 sends the detection result to the operation determination unit 88.

運転判断部８８は、燃料を規定量供給している状態において、水素濃度検出部８６で検出された濃度値が所定値よりも低下したとき、又は、電池電圧検出部８７で検出された電圧値が所定値よりも低下したとき、ＳＯＦＣ１２へ供給する燃料を増加する。
運転判断部８８は、再循環ブロワ３６の回転数、再循環流量、水素濃度検出部８６で検出された濃度値、電池電圧検出部８７で検出された電圧値のうち少なくとも一つに基づいて、運転継続の可否を判断してもよい。たとえば、再循環ブロワ３６の回転数を所定値以上に上昇させても、再循環流量が所定値以下の場合、または、再循環ブロワ３６の回転数を所定値以上に上昇させても、水素濃度検出部８６で検出された濃度値が所定値よりも低下したとき、又は、電池電圧検出部８７で検出された電圧値が所定値よりも低下した場合、ＳＯＦＣ１２の運転は継続不可能であると判断する。
運転判断部８８は、判断結果を制御弁制御部８４及び再循環ブロワ回転数設定部８３に送る。 The operation determination unit 88 is configured to supply a specified amount of fuel, and when the concentration value detected by the hydrogen concentration detection unit 86 falls below a predetermined value, or the voltage value detected by the battery voltage detection unit 87. When the value falls below a predetermined value, the fuel supplied to the SOFC 12 is increased.
The operation determination unit 88 is based on at least one of the rotational speed of the recirculation blower 36, the recirculation flow rate, the concentration value detected by the hydrogen concentration detection unit 86, and the voltage value detected by the battery voltage detection unit 87. It may be determined whether or not the operation can be continued. For example, even if the rotational speed of the recirculation blower 36 is increased to a predetermined value or more, even when the recirculation flow rate is lower than a predetermined value, or even if the rotational speed of the recirculation blower 36 is increased to a predetermined value or more, the hydrogen concentration When the concentration value detected by the detection unit 86 is lower than the predetermined value, or when the voltage value detected by the battery voltage detection unit 87 is lower than the predetermined value, the operation of the SOFC 12 cannot be continued. to decide.
The operation determination unit 88 sends the determination result to the control valve control unit 84 and the recirculation blower rotation speed setting unit 83.

制御弁制御部８４は、運転可能である旨の判断結果を受けた場合、制御弁３４の開度が所定値になるまで開いていく。制御弁制御部８４は、制御弁３４の開度が所定値まで開いたことが確認できたとき、再循環ブロワ回転数設定部８３に制御弁３４の開度が所定値まで開いたことを送信する。制御弁３４の開度の所定値とは、漏れが発生する前の開度、つまり複合発電システム１０にセルスタックにリークが発生していない正常運転時の制御弁３４の開度である。正常運転時の制御弁３４の開度は、制御弁制御部８４等が備えるメモリ等の記憶部において記録されている。 When the control valve control unit 84 receives the determination result indicating that the operation is possible, the control valve control unit 84 opens until the opening degree of the control valve 34 reaches a predetermined value. When it is confirmed that the opening degree of the control valve 34 has been opened to a predetermined value, the control valve control unit 84 transmits to the recirculation blower rotation speed setting unit 83 that the opening degree of the control valve 34 has been opened to a predetermined value. To do. The predetermined value of the opening degree of the control valve 34 is the opening degree before the leak occurs, that is, the opening degree of the control valve 34 at the time of normal operation in which no leak occurs in the cell stack in the combined power generation system 10. The opening degree of the control valve 34 during normal operation is recorded in a storage unit such as a memory provided in the control valve control unit 84 or the like.

また、再循環ブロワ回転数設定部８３は、運転可能である旨の判断結果を受け、かつ、制御弁３４の開度が所定値まで開いたとの信号を受けたとき、再循環ブロワ３６の回転数を上昇させる。 When the recirculation blower rotation speed setting unit 83 receives the determination result that the operation is possible and receives a signal that the opening degree of the control valve 34 is opened to a predetermined value, the recirculation blower 36 rotates. Increase the number.

次に、図３及び図４を参照して、本実施形態に係る運転制御装置８０、制御弁３４、再循環ブロワ３６、及び流量調整弁４１の動作について説明する。 Next, operations of the operation control device 80, the control valve 34, the recirculation blower 36, and the flow rate adjustment valve 41 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

ＳＯＦＣ１２の空気系統に対する燃料系統の計測圧力差（差圧）と、規定の圧力差（差圧）（例えば0.5kPa）との間に偏差が生じたことにより、制御弁３４の開度が規定値以下（例えば全開に対して10%以下、正常動作の弁開度の２０％以下等）となった場合、又は、制御弁３４の閉鎖時の開閉速度が規定値（例えば、リーク発生時に正常時の開度５０％が１０％に下がる場合の開閉速度など）以上となった場合、セルスタックにて燃料ガスのリークが発生していると判断する（ステップＳ１）。 Due to the deviation between the measured pressure difference (differential pressure) of the fuel system relative to the air system of the SOFC 12 and a specified pressure difference (differential pressure) (for example, 0.5 kPa), the opening of the control valve 34 is a specified value. When the value is below (for example, 10% or less with respect to full opening, 20% or less of the valve opening degree of normal operation), or the opening / closing speed when the control valve 34 is closed is a specified value (for example, normal when a leak occurs) When the opening degree is 50% or more and the opening / closing speed is reduced to 10%), it is determined that fuel gas leaks in the cell stack (step S1).

このとき、排燃料供給ライン３２に設けられた制御弁３４が閉じられると、セルスタック内を燃料が流通しない状況となる。そこで、再循環ブロワ３６を最低回転数に設定して運転させ（ステップＳ２）、制御弁３４を一定開度（例えば、通常運転時の開度）に戻し（ステップＳ３）、流量調整弁４１を遮断する（ステップＳ４）。この制御により、図４に示す＜２＞の範囲の状態となる。 At this time, when the control valve 34 provided in the exhaust fuel supply line 32 is closed, the fuel does not flow through the cell stack. Therefore, the recirculation blower 36 is set to the minimum rotational speed and operated (step S2), the control valve 34 is returned to a certain opening (for example, the opening during normal operation) (step S3), and the flow rate adjustment valve 41 is turned on. Shut off (step S4). By this control, the state is in the range <2> shown in FIG.

このとき、排燃料ガスがＳＯＦＣ１２へ戻され、燃料系統の圧力が空気系統に対して低くなるため、セルスタックのリーク箇所において空気系統から燃料系統へガスが流通することになる。しかし、再循環ブロワ３６が最低回転数で運転しているため、空気系統から燃料系統へのリークの増加は抑制される。この時点で、空気系統に対する燃料系統の計測圧力差（差圧）が回復した場合は、運転継続とする。ＳＯＦＣ１２の電圧、モジュール温度、又は、排燃料ガスの水素濃度を測定して、大きな異常が認められないときは運転を継続する。一方、差圧が回復できない場合や、差圧が回復した場合でも損傷の程度により、停止運転へ移行する。 At this time, the exhaust fuel gas is returned to the SOFC 12 and the pressure of the fuel system becomes lower than that of the air system, so that the gas flows from the air system to the fuel system at the leak location of the cell stack. However, since the recirculation blower 36 is operating at the minimum rotational speed, an increase in leakage from the air system to the fuel system is suppressed. If the measured pressure difference (differential pressure) of the fuel system with respect to the air system recovers at this time, the operation is continued. When the SOFC 12 voltage, module temperature, or hydrogen concentration of the exhaust fuel gas is measured and no major abnormality is observed, the operation is continued. On the other hand, even when the differential pressure cannot be recovered or when the differential pressure recovers, the operation shifts to the stop operation depending on the degree of damage.

差圧を上げたい場合、Ｓ／Ｃ比を上げたい場合、又は、セルスタックへの燃料分配性を上げたい場合等において、排燃料ガスの再循環量を上昇させるとき、まず、再循環流量が規定値になるまで、制御弁３４を徐々に開き、全開にする（ステップＳ５）。この制御により、図４に示す＜３＞の範囲の状態となる。 When you want to increase the differential pressure, increase the S / C ratio, increase the fuel distribution to the cell stack, etc. The control valve 34 is gradually opened and fully opened until it reaches a specified value (step S5). By this control, the state is in the range <3> shown in FIG.

更に再循環量を上昇させるときは、再循環ブロワ３６の回転数を徐々に増加させ、再循環流量を確保する（ステップＳ６）。この制御により、図４に示す＜４＞の範囲の状態となる。なお、制御弁３４を開く前に、再循環ブロワ３６の回転数を上昇させると、燃料系統側のほうが空気系統よりも圧力が更に低くなり、空気系統側から燃料系統側へのリークが増加するので好ましくない。
一方、再循環流量を確保できない場合は、ＳＯＦＣ１２の停止動作へと移行させる。 When the recirculation amount is further increased, the rotational speed of the recirculation blower 36 is gradually increased to secure the recirculation flow rate (step S6). By this control, the state in the range <4> shown in FIG. 4 is obtained. If the rotational speed of the recirculation blower 36 is increased before the control valve 34 is opened, the pressure on the fuel system side becomes lower than that on the air system, and leakage from the air system side to the fuel system side increases. Therefore, it is not preferable.
On the other hand, when the recirculation flow rate cannot be secured, the operation is shifted to the stop operation of the SOFC 12.

燃料ガスを規定量供給しても、セルスタック下流の排燃料供給ライン３２の水素濃度や、ＳＯＦＣ１２の電圧が規定値よりも低下した場合は、燃料ガスの供給量を増加させる。発電している状態で水蒸気の供給ができない場合は、燃料改質に必要なＳ／Ｃ比を確保できるように再循環流量を増加させる必要がある。 Even if the fuel gas is supplied in a specified amount, the supply amount of the fuel gas is increased if the hydrogen concentration in the exhaust fuel supply line 32 downstream of the cell stack or the voltage of the SOFC 12 falls below a specified value. If steam cannot be supplied while power is being generated, it is necessary to increase the recirculation flow rate so as to ensure the S / C ratio required for fuel reforming.

また、再循環ブロワ３６の回転数を所定回転数以上に増加させた際に、セルスタック下流の排燃料供給ライン３２の水素濃度や、ＳＯＦＣ１２の電圧が規定値よりも低下する場合は、再循環ブロワ３６の回転数は増加させないで、損傷の程度が大きいと判断して停止動作へと移行する。 In addition, when the rotation speed of the recirculation blower 36 is increased to a predetermined rotation speed or more, if the hydrogen concentration in the exhaust fuel supply line 32 downstream of the cell stack or the voltage of the SOFC 12 falls below a specified value, recirculation is performed. Without increasing the rotation speed of the blower 36, it is determined that the degree of damage is large, and the operation proceeds to the stop operation.

次に、運転状況に応じて要求される規定のＳ／Ｃ比とするため、ＳＯＦＣ１２の再循環ライン３３、すなわち燃料供給側に投入される水の供給量について説明する。水は、例えば水蒸気によって供給される。
水蒸気の供給量は、以下のとおり、起動時、定格運転時、停止動作時ごとにそれぞれ望ましい値に設定される。 Next, the amount of water supplied to the recirculation line 33 of the SOFC 12, that is, the fuel supply side, will be described in order to obtain a prescribed S / C ratio required in accordance with the operating situation. Water is supplied by, for example, water vapor.
The supply amount of water vapor is set to a desired value for each start-up, rated operation, and stop operation as follows.

起動時の水蒸気供給量は、排燃料ガスの再循環流量と、ＳＯＦＣ１２へ新たに供給する燃料ガスの流量に基づいて、ＳＯＦＣ１２での改質反応に必要な流量、例えば、Ｓ／Ｃ比が４となるように水蒸気供給量が決定される。 The amount of water vapor supplied at the time of start-up is based on the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas and the flow rate of the fuel gas newly supplied to the SOFC 12, and the flow rate required for the reforming reaction in the SOFC 12, for example, the S / C ratio is 4 The water vapor supply amount is determined so that

なお、起動時の排燃料ガスの再循環流量は、（１）各カートリッジへの分配性を確保できる流量、又は、（２）ドレン化防止のため、再循環ライン３３の配管放熱によるガス温度低下を抑制できる流量のいずれかに設定される。なお、再循環ライン３３の配管に保温装置（例えばトレースヒータ）を設置している場合は、（２）の流量設定は、除外してよく、（１）による流量設定が行われる。 In addition, the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas at the time of start-up is (1) a flow rate that can ensure distribution to each cartridge, or (2) a gas temperature drop due to heat radiation of the piping of the recirculation line 33 to prevent drainage. Is set to one of the flow rates that can suppress the above. In addition, when the heat retention apparatus (for example, trace heater) is installed in the piping of the recirculation line 33, the flow rate setting in (2) may be excluded, and the flow rate setting in (1) is performed.

定格運転時の水蒸気供給は、ＳＯＦＣ１２の発電反応で生成された水が再循環ライン３３を介してＳＯＦＣ１２に供給されるため、原則、不要である。なお、定格運転時の排燃料ガスの再循環流量は、ＳＯＦＣ１２での改質反応に必要な流量、例えば、Ｓ／Ｃ比が４となる流量に設定される。 In principle, the steam supply during the rated operation is unnecessary because the water generated by the power generation reaction of the SOFC 12 is supplied to the SOFC 12 via the recirculation line 33. Note that the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas during the rated operation is set to a flow rate required for the reforming reaction in the SOFC 12, for example, a flow rate at which the S / C ratio is 4.

停止動作時の水蒸気供給量は、排燃料ガスの再循環流量と、ＳＯＦＣ１２へ新たに供給する燃料ガスの流量に基づいて、ＳＯＦＣ１２での改質反応に必要な流量、例えば、Ｓ／Ｃ比が４となるように水蒸気供給量が決定される。 The amount of water vapor supply during the stop operation is determined based on the recirculation flow rate of the exhaust fuel gas and the flow rate of the fuel gas newly supplied to the SOFC 12, such as the flow rate required for the reforming reaction in the SOFC 12, for example, the S / C ratio. The water vapor supply amount is determined to be 4.

なお、停止動作時の排燃料ガスの再循環流量は、（１）各カートリッジへの分配性を確保できる流量、又は、（２）セルスタックを冷却するために必要な流量のいずれかに設定される。なお、（２）については、完全停止となるまでに掛かる時間を短縮したい場合に設定される。その他の放熱により冷却させる場合は、（２）の流量設定は、除外してよく、（１）による流量設定が行われる。 The recirculation flow rate of the exhaust fuel gas during the stop operation is set to either (1) a flow rate that can ensure distribution to each cartridge, or (2) a flow rate that is necessary for cooling the cell stack. The Note that (2) is set when it is desired to shorten the time required for a complete stop. When cooling by other heat radiation, the flow rate setting in (2) may be excluded, and the flow rate setting in (1) is performed.

また、上記説明では、Ｓ／Ｃ比が４となるように、水蒸気供給量や再循環流量を調整することが望ましいと説明しているが、本発明は、この例に限定されない。
例えば、Ｓ／Ｃ比は、２以上であれば、炭素析出防止の効果が得られるため、Ｓ／Ｃ≧２であることが好ましい。また、Ｓ／Ｃ比の値が大きすぎると、例えば、Ｓ／Ｃ≧１０以上であると、排燃料ガス中の水が増加し、この潜熱分が無駄な熱量として系外に排出されることになるため、システム効率が低下する。したがって、Ｓ／Ｃ比は１０未満であるとよい。 In the above description, it is described that it is desirable to adjust the steam supply amount and the recirculation flow rate so that the S / C ratio is 4, but the present invention is not limited to this example.
For example, if the S / C ratio is 2 or more, it is preferable that S / C ≧ 2 because an effect of preventing carbon deposition is obtained. Further, if the value of the S / C ratio is too large, for example, if S / C ≧ 10 or more, the water in the exhaust fuel gas increases, and this latent heat is discharged out of the system as wasted heat. As a result, the system efficiency decreases. Therefore, the S / C ratio is preferably less than 10.

以上、本実施形態によれば、セルスタックにおいて損傷が生じて燃料ガスの漏れが発生している場合でも、排燃料供給ライン３２への排燃料ガスの流れを継続している。そのため、セルスタック内において燃料ガスの淀みが無くなくなる。そのため、従来のように、燃料欠乏となって燃料極の還元状態が維持できなくなり、燃料極の一部が再酸化して体積膨張を起こし応力が発生し、空気極などの膜の一部が剥離を生じることによるセルスタックの損傷拡大のリスクを低減することができる。また、セルスタックの損傷の拡大を最小限にして、必要な場合は、ＳＯＦＣ１２を安全に停止することができる。 As described above, according to the present embodiment, the flow of the exhaust fuel gas to the exhaust fuel supply line 32 is continued even when the cell stack is damaged and the fuel gas leaks. Therefore, there is no stagnation of fuel gas in the cell stack. Therefore, as in the conventional case, the fuel electrode is deficient and the reduced state of the fuel electrode cannot be maintained, and a part of the fuel electrode is reoxidized to cause volume expansion and stress is generated. The risk of expanding damage to the cell stack due to peeling can be reduced. Further, the expansion of damage to the cell stack can be minimized, and the SOFC 12 can be safely stopped if necessary.

以下、本実施形態に係る複合発電システム１０に適用されるＳＯＦＣの一例について説明する。
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。
また、以下においては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。 Hereinafter, an example of the SOFC applied to the combined power generation system 10 according to the present embodiment will be described.
In the following, for convenience of explanation, the positional relationship of each component is specified using the expressions “upper” and “lower” on the basis of the paper surface, but this is not necessarily limited to the vertical direction. For example, the upward direction on the paper surface may correspond to the downward direction in the vertical direction. Moreover, you may respond | correspond to the horizontal direction where the up-down direction in a paper surface goes orthogonally to a perpendicular direction.
In the following description, a cylindrical shape is described as an example of a cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC).

（円筒形セルスタックの構造）
まず、図５を参照して本実施例に係る円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図５は、実施例１に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を有する。 (Cylindrical cell stack structure)
First, a cylindrical cell stack according to the present embodiment will be described with reference to FIG. Here, FIG. 5 shows one mode of the cell stack according to the first embodiment. The cell stack 101 includes a cylindrical base tube 103, a plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103, and an interconnector 107 formed between adjacent fuel cells 105. The fuel cell 105 is formed by stacking a fuel electrode 109, a solid electrolyte 111, and an air electrode 113. The cell stack 101 is connected to the 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. A lead film 115 is electrically connected through the connector 107.

（セルスタックの各構成要素の材料と機能の説明）
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、又はＹ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ₂（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ_２Ｏ_４とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。 (Explanation of materials and functions of each component of cell stack)
The base tube 103 is made of a porous material, for example, CaO stabilized ZrO ₂ (CSZ), Y ₂ O ₃ stabilized ZrO ₂ (YSZ), or MgAl ₂ O ₄ . The base tube 103 supports the fuel battery cell 105, the interconnector 107, and the lead film 115, and supplies the fuel gas supplied to the inner peripheral surface of the base tube 103 through the pores of the base tube 103. Is diffused to the fuel electrode 109 formed on the outer peripheral surface of the electrode.

燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を有する。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（H_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ^２−）とを固体電解質１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。 The fuel electrode 109 is made of an oxide of a composite material of Ni and a zirconia-based electrolyte material. For example, Ni / YSZ is used. In this case, in the fuel electrode 109, Ni that is a component of the fuel electrode 109 has a catalytic action on the fuel gas. This catalytic action reacts with a fuel gas supplied through the base tube 103, for example, a mixed gas of methane (CH ₄ ) and water vapor, and reforms it into hydrogen (H ₂ ) and carbon monoxide (CO). Is. Further, the fuel electrode 109 is an interface between the solid electrolyte 111 and hydrogen (H ₂ ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming and oxygen ions (O ²⁻ ) supplied via the solid electrolyte 111. It reacts electrochemically in the vicinity to produce water (H ₂ O) and carbon dioxide (CO ₂ ). At this time, the fuel cell 105 generates electric power by electrons emitted from oxygen ions.

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

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３系酸化物で構成される。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ^２−）を生成するものである。 The air electrode 113 is made of, for example, a LaSrMnO ₃ oxide or a LaCoO ₃ oxide. The air electrode 113 generates oxygen ions (O ²⁻ ) by dissociating oxygen in an oxidizing gas such as air supplied near the interface with the solid electrolyte 111.

インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ_１−ｘＬ_ｘＴｉＯ_３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１１１とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。 The interconnector 107 is composed of a conductive perovskite oxide represented by M _1-x L _x TiO ₃ (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanoid element) such as SrTiO ₃ system, and is composed of a fuel gas and an oxidizer. It is a dense film so that it does not mix with sex gases. Further, the interconnector 107 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 battery cell 105 and the fuel electrode 111 of the other fuel battery cell 105 in adjacent fuel battery cells 105, so that the adjacent fuel battery cells 105 are connected to each other. Are connected in series. 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, the lead film 115 is made of Ni such as Ni / YSZ and a zirconia-based electrolyte material. Composed of composite material. The lead film 115 leads direct current power generated by the plurality of fuel cells 105 connected in series by the interconnector to the vicinity of the end of the cell stack 101.

（ＳＯＦＣモジュールの構造と各要素の機能の説明）
次に、図６と図７とを参照して本実施例に係るＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。ここで、図６は、実施例１に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。また、図７は、実施例１に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図を示すものである。 (Description of SOFC module structure and function of each element)
Next, the SOFC module and the SOFC cartridge according to this embodiment will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 6 illustrates one mode of the SOFC module according to the first embodiment. FIG. 7 shows a cross-sectional view of one aspect of the SOFC cartridge according to the first embodiment.

ＳＯＦＣモジュール２０１は、図６に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａとを有する。またＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを有する。 As illustrated in FIG. 6, the SOFC module 201 includes, for example, a plurality of SOFC cartridges 203 and a pressure vessel 205 that stores the plurality of SOFC cartridges 203. The SOFC module 201 has a fuel gas supply pipe 207 and a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a. The SOFC module 201 includes a fuel gas discharge pipe 209 and a plurality of fuel gas discharge branch pipes 209a. The SOFC module 201 includes an oxidizing gas supply pipe (not shown) and an oxidizing gas supply branch pipe (not shown). The SOFC module 201 includes an oxidizing gas discharge pipe (not shown) and a plurality of oxidizing gas discharge branch pipes (not shown).

燃料ガス供給管２０７は、図示しない圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。 The fuel gas supply pipe 207 is provided outside the pressure vessel 205 (not shown), and is connected to a fuel gas supply unit that supplies a predetermined gas composition and a predetermined flow rate of fuel gas corresponding to the power generation amount of the SOFC module 201. The plurality of fuel gas supply branch pipes 207a are connected. The fuel gas supply pipe 207 is configured to branch and guide a predetermined flow rate of fuel gas supplied from the fuel gas supply unit described above to a plurality of fuel gas supply branch pipes 207a. The fuel gas supply branch pipe 207 a is connected to the fuel gas supply pipe 207 and is connected to a plurality of SOFC cartridges 203. The fuel gas supply branch pipe 207a guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply pipe 207 to the plurality of SOFC cartridges 203 at a substantially equal flow rate, and makes the power generation performance of the plurality of SOFC cartridges 203 substantially uniform. .

燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス供給枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。 The fuel gas discharge branch pipe 209 a is connected to the plurality of SOFC cartridges 203 and also connected to the fuel gas discharge pipe 209. The fuel gas supply branch pipe 209 a guides the exhaust fuel gas discharged from the SOFC cartridge 203 to the fuel gas discharge pipe 209. The fuel gas discharge pipe 209 is connected to a plurality of fuel gas supply branch pipes 209 a and a part thereof is disposed outside the pressure vessel 205. The fuel gas discharge pipe 209 guides the exhaust fuel gas led out from the fuel gas discharge branch pipe 209a at a substantially equal flow rate to the outside of the pressure vessel 205.

圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約１ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。 Since the pressure vessel 205 is operated at an internal pressure of 0.1 MPa to about 1 MPa and an internal temperature of atmospheric temperature to about 550 ° C., the pressure vessel 205 is resistant to corrosion and resistance to oxidizing agents such as oxygen contained in the oxidizing gas. The possessed material is used. For example, a stainless steel material such as SUS304 is suitable.

ここで、本実施例においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。 Here, in the present embodiment, a mode has been described in which a plurality of SOFC cartridges 203 are assembled and stored in the pressure vessel 205. However, the present invention is not limited to this. It can also be set as the aspect accommodated in the container 205. FIG.

（ＳＯＦＣカートリッジの構造と各要素の機能の説明）
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図７に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室２２１と、酸化性ガス排出室２２３とを有する。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを有する。なお、本実施例においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１と酸化性ガス排出室２２３とが図７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。 (Description of SOFC cartridge structure and functions of each element)
As shown in FIG. 7, the SOFC cartridge 203 includes a plurality of cell stacks 101, a power generation chamber 215, a fuel gas supply chamber 217, a fuel gas discharge chamber 219, an oxidizing gas supply chamber 221, and an oxidizing gas discharge chamber. 223. The SOFC cartridge 203 includes an upper tube plate 225a, a lower tube plate 225b, an upper heat insulator 227a, and a lower heat insulator 227b. In this embodiment, the SOFC cartridge 203 includes a fuel gas supply chamber 217, a fuel gas discharge chamber 219, an oxidizing gas supply chamber 221, and an oxidizing gas discharge chamber 223 as shown in FIG. The fuel gas and the oxidizing gas have a structure that flows between the inside and the outside of the cell stack 101, but this is not always necessary, for example, the inside and the outside of the cell stack flow in parallel. Alternatively, the oxidizing gas may flow in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the cell stack.

発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置され、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室２１５のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、燃料電池モジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気となる。 The power generation chamber 215 is an area formed between the upper heat insulator 227a and the lower heat insulator 227b. The power generation chamber 215 is an area in which the fuel cell 105 of the cell stack 101 is disposed, and electricity is generated by electrochemically reacting the fuel gas and the oxidizing gas. Further, the temperature in the vicinity of the central portion of the power generation chamber 215 in the longitudinal direction of the cell stack 101 is a high temperature atmosphere of about 700 ° C. to 1100 ° C. during the steady operation of the fuel cell module 201.

燃料ガス供給室２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域である。また、燃料ガス供給室２１７は、上部ケーシング２２９ａに備えられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、図示しない燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。また、燃料ガス供給室２１７には、セルスタック１０１の一方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０５の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給室２１７は、図示しない燃料ガス供給管枝２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０５の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。 The fuel gas supply chamber 217 is an area surrounded by the upper casing 229a and the upper tube plate 225a of the SOFC cartridge 203. The fuel gas supply chamber 217 communicates with a fuel gas supply branch pipe 207a (not shown) through a fuel gas supply hole 231a provided in the upper casing 229a. In the fuel gas supply chamber 217, one end of the cell stack 101 is arranged with the inside of the base tube 105 of the cell stack 101 open to the fuel gas discharge chamber 219. The fuel gas supply chamber 217 guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply pipe branch 207a (not shown) through the fuel gas supply hole 231a into the base pipe 105 of the plurality of cell stacks 101 at a substantially uniform flow rate. The power generation performance of the plurality of cell stacks 101 is made substantially uniform.

燃料ガス排出室２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域である。また、燃料ガス排出室２１９は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、図示しない燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。また、燃料ガス排出室２１９には、セルスタック１０１の他方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０５の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０５の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して図示しない燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。 The fuel gas discharge chamber 219 is an area surrounded by the lower casing 229b and the lower tube plate 225b of the SOFC cartridge 203. The fuel gas discharge chamber 219 communicates with a fuel gas discharge branch pipe 209a (not shown) through a fuel gas discharge hole 231b provided in the lower casing 229b. In the fuel gas discharge chamber 219, the other end of the cell stack 101 is disposed with the inside of the base tube 105 of the cell stack 101 open to the fuel gas discharge chamber 219. The fuel gas discharge chamber 219 collects the exhaust fuel gas that passes through the inside of the base tube 105 of the plurality of cell stacks 101 and is supplied to the fuel gas discharge chamber 219, and is not shown through the fuel gas discharge hole 231b. It leads to the fuel gas discharge branch pipe 209a.

ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給室２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部支持体２２７ｂとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス供給室２２１は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給室２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。 Corresponding to the power generation amount of the SOFC module 201, a predetermined gas composition and a predetermined flow rate of oxidizing gas are branched to the oxidizing gas supply branch pipe and supplied to a plurality of SOFC cartridges 203. The oxidizing gas supply chamber 221 is a region surrounded by the lower casing 229b, the lower tube plate 225b, and the lower support 227b of the SOFC cartridge 203. The oxidizing gas supply chamber 221 communicates with an oxidizing gas supply branch pipe (not shown) through an oxidizing gas supply hole 233a provided in the lower casing 229b. The oxidizing gas supply chamber 221 generates a predetermined flow rate of oxidizing gas supplied from an oxidizing gas supply branch pipe (not shown) through an oxidizing gas supply hole 233a through an oxidizing gas supply gap 235a described later. It leads to the chamber 215.

酸化性ガス排出室２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部支持体２２７ａとに囲まれた領域である。また、酸化性ガス排出室２２３は、上部ケーシング２２９ａに備えられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出室２２３は、発電室２１５から、後述する酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して燃料ガス排出室２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない第３酸化性ガス排出枝管２０９ｂに導くものである。 The oxidizing gas discharge chamber 223 is a region surrounded by the upper casing 229a, the upper tube plate 225a, and the upper support 227a of the SOFC cartridge 203. The oxidizing gas discharge chamber 223 communicates with an oxidizing gas discharge branch pipe (not shown) through an oxidizing gas discharge hole 233b provided in the upper casing 229a. The oxidant gas discharge chamber 223 is shown through the oxidant gas discharge hole 233b for the exhaust oxidant gas supplied from the power generation chamber 215 to the fuel gas discharge chamber 223 via an oxidant gas discharge gap 235b described later. The third oxidizing gas discharge branch pipe 209b is not led.

上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給室２１７と酸化性ガス排出室２２３とを隔離するものである。 The upper tube plate 225a is arranged between the top plate of the upper casing 229a and the upper heat insulator 227a so that the upper tube plate 225a, the top plate of the upper casing 229a and the upper heat insulator 227a are substantially parallel to each other. It is fixed to the side plate. The upper tube sheet 225a has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into the holes, respectively. The upper tube sheet 225a hermetically supports one end of the plurality of cell stacks 101 through one or both of a sealing member and an adhesive member, and also includes a fuel gas supply chamber 217 and an oxidizing gas discharge chamber 223. And is to be isolated.

下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１とを隔離するものである。 The lower tube plate 225b is disposed on the side plate of the lower casing 229b so that the lower tube plate 225b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower heat insulator 227b are substantially parallel between the bottom plate of the lower casing 229b and the lower heat insulator 227b. It is fixed. The lower tube sheet 225b has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into the holes, respectively. The lower tube sheet 225b hermetically supports the other end of the plurality of cell stacks 101 through one or both of a sealing member and an adhesive member, and also includes a fuel gas discharge chamber 219 and an oxidizing gas supply chamber 221. And is to be isolated.

上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２７ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを有する。 The upper heat insulator 227a is disposed at the lower end of the upper casing 229a so that the upper heat insulator 227a, the top plate of the upper casing 229a and the upper tube plate 225a are substantially parallel to each other, and is fixed to the side plate of the upper casing 227a. Yes. Further, the upper heat insulator 227a is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203. The diameter of the hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 101. The upper heat insulator 227a has an oxidizing gas discharge gap 235b formed between the inner surface of this hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the upper heat insulator 227a.

この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出室２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出室２２３に導くものである。 The upper heat insulator 227a separates the power generation chamber 215 and the oxidizing gas discharge chamber 223, and the atmosphere around the upper tube sheet 225a is heated to reduce the strength and the corrosion caused by the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. Suppresses the increase. The upper tube sheet 225a and the like are made of a metal material having high temperature durability such as Inconel, but the upper tube sheet 225a and the like are exposed to the high temperature in the power generation chamber 215, and the temperature difference in the upper tube sheet 225a and the like becomes large. This prevents thermal deformation. The upper heat insulator 227a guides the exhaust oxidizing gas exposed to a high temperature through the power generation chamber 215 to the oxidizing gas exhaust chamber 223 through the oxidizing gas discharge gap 235b.

本実施例によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０５の内部を通って発電室１０５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。 According to this embodiment, due to the structure of the SOFC cartridge 203 described above, the fuel gas and the oxidizing gas flow so as to face the inside and the outside of the cell stack 101. As a result, the exhaust oxidizing gas exchanges heat with the fuel gas supplied to the power generation chamber 105 through the inside of the base tube 105, and the upper tube plate 225a made of a metal material is buckled. It is cooled to a temperature that does not cause deformation and supplied to the oxidizing gas discharge chamber 223. In addition, the temperature of the fuel gas is raised by heat exchange with the exhaust oxidizing gas discharged from the power generation chamber 215 and supplied to the power generation chamber 215. As a result, the fuel gas preheated to a temperature suitable for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２７ａの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを有する。 The lower heat insulator 227b is disposed at the upper end of the lower casing 229b so that the lower heat insulator 227b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower tube plate 225b are substantially parallel to each other, and is fixed to the side plate of the upper casing 227a. . Also, the lower heat insulator 227b is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203. The diameter of the hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 101. The lower heat insulator 227b has an oxidizing gas supply gap 235a formed between the inner surface of this hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the lower heat insulator 227b.

この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給室２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給室２３３に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。 The lower heat insulator 227b separates the power generation chamber 215 and the oxidizing gas supply chamber 221, and the atmosphere around the lower tube sheet 225b is heated to lower the strength and corrode by the oxidizing agent contained in the oxidizing gas. Suppresses the increase. The lower tube sheet 225b and the like are made of a metal material having a high temperature durability such as Inconel. It is something to prevent. The lower heat insulator 227b guides the oxidizing gas supplied to the oxidizing gas supply chamber 233 to the power generation chamber 215 through the oxidizing gas supply gap 235a.

本実施例によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０５の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。 According to this embodiment, due to the structure of the SOFC cartridge 203 described above, the fuel gas and the oxidizing gas flow so as to face the inside and the outside of the cell stack 101. As a result, the exhaust fuel gas that has passed through the power generation chamber 215 through the inside of the base tube 105 undergoes heat exchange with the oxidizing gas supplied to the power generation chamber 215, and the lower tube plate 225b made of a metal material. And the like are cooled to a temperature that does not cause deformation such as buckling, and supplied to the fuel gas discharge chamber 219. The oxidizing gas is heated by heat exchange with the exhaust fuel gas and supplied to the power generation chamber 215. As a result, the oxidizing gas heated to the temperature necessary for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないインバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。 The direct-current power generated in the power generation chamber 215 is led out to the vicinity of the end of the cell stack 101 by the lead film 115 made of Ni / YSZ or the like provided in the plurality of fuel cells 105, and then the current collector rod (non-current) of the SOFC cartridge 203 The current is collected via a current collecting plate (not shown) to the outside of each SOFC cartridge 203. The electric power derived to the outside of the SOFC cartridge 203 by the current collector rod is connected to the generated power of each SOFC cartridge 203 in a predetermined series number and parallel number, and is derived to the outside of the SOFC module 201 to be illustrated. It is converted into predetermined AC power by an inverter that does not, and supplied to the power load.

１０複合発電システム
１２ＳＯＦＣ（燃料電池）
１６ガスタービン（内燃機関）
１８コンプレッサ
２０燃焼器
２２タービン
２４燃料供給ライン（燃料供給系統）
３２排燃料供給ライン（排燃料供給系統）
３３再循環ライン（再循環系統）
３４制御弁
３６再循環ブロワ（ブロワ）
４１流量調整弁 10 Combined power generation system 12 SOFC (fuel cell)
16 Gas turbine (internal combustion engine)
18 Compressor 20 Combustor 22 Turbine 24 Fuel supply line (fuel supply system)
32 Exhaust fuel supply line (Exhaust fuel supply system)
33 Recirculation line (recirculation system)
34 Control valve 36 Recirculation blower (blower)
41 Flow control valve

Claims

A combined power generation system comprising a fuel cell and an internal combustion engine operated using exhaust fuel gas discharged from the fuel cell,
An exhaust fuel supply system for supplying the exhaust fuel gas from the fuel cell to the internal combustion engine;
A recirculation system provided by branching from a branch point of the exhaust fuel supply system and returning the exhaust fuel gas to the fuel cell;
In the exhaust fuel supply system, the fuel system of the cell stack provided inside the fuel cell is provided with a predetermined pressure difference with respect to the pressure of the air system of the fuel cell. A control valve that adjusts the pressure to be higher,
In the exhaust fuel supply system, a flow rate adjustment valve that is provided downstream of the branch point and adjusts the flow rate of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation system;
When it is detected that the opening degree of the control valve is equal to or less than a specified value or the opening / closing speed during the closing operation of the control valve is equal to or greater than a specified value, the fuel stack is connected to the air system in the cell stack. A leakage determination unit that determines that fuel gas leakage has occurred;
A combined power generation system comprising:

A blower provided upstream of the branch point and downstream of the control valve in the exhaust fuel supply system;
When it is detected that the opening degree of the control valve is equal to or less than a specified value, or the opening / closing speed during the closing operation of the control valve is equal to or greater than a specified value, the rotation speed of the blower is set to a predetermined minimum rotation speed. A rotation speed setting section;
The combined power generation system according to claim 1, further comprising:

The opening degree of the control valve before determining that fuel gas leaks from the fuel system to the air system in the cell stack is stored as a normal opening degree,
3. The combined power generation system according to claim 2, further comprising a control valve control unit that returns the opening degree of the control valve to the normal opening degree when the rotation speed of the blower is set to the predetermined minimum rotation speed.

A flow rate adjusting valve control unit that shuts off the flow rate adjusting valve when the rotation speed of the blower is set to the minimum speed;
The combined power generation system according to claim 2 or 3, wherein the control valve control unit adjusts an opening degree of the control valve so that a flow rate of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation system becomes a predetermined flow rate.

The hydrogen concentration detected by the hydrogen concentration detection unit for detecting the hydrogen concentration in the exhaust fuel gas flowing through the exhaust fuel supply system, or the voltage detected by the battery voltage detection unit for detecting the voltage of the fuel cell The combined power generation system according to claim 4, further comprising an operation determination unit that determines whether or not the operation of the fuel cell can be continued based on the above.

When continuing the operation of the fuel cell based on the determination result of the operation determination unit, the control valve control unit controls the control valve so that the flow rate of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation system becomes a predetermined flow rate. The combined power generation system according to claim 5, wherein the rotation speed setting unit increases the rotation speed of the blower after the control valve is fully opened.

A control method for a combined power generation system comprising a fuel cell and an internal combustion engine operated using exhaust fuel gas discharged from the fuel cell,
Supplying the exhaust fuel gas from the fuel cell to the internal combustion engine in an exhaust fuel supply system;
Returning the exhaust fuel gas to the fuel cell in a recirculation system provided by branching from a branch point of the exhaust fuel supply system;
In the exhaust fuel supply system, a control valve provided upstream from the branching point has a predetermined fuel system of a cell stack provided in the fuel cell with respect to the pressure of the air system of the fuel cell. Adjusting the pressure to increase with the pressure difference;
A step of adjusting a flow rate of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation system by a flow rate adjusting valve provided downstream of the branch point in the exhaust fuel supply system;
When it is detected that the opening degree of the control valve is equal to or less than a specified value or the opening / closing speed during the closing operation of the control valve is equal to or greater than a specified value, the leakage determination unit Determining that fuel gas leaks to the air system;
With
When it is determined that the fuel gas has leaked, a predetermined number of revolutions of a blower provided upstream of the branch point and downstream of the control valve is determined in the exhaust fuel supply system. Step to set the minimum number of revolutions,
Storing the opening degree of the control valve before determining that the fuel gas has leaked as a normal opening degree, and returning the opening degree of the control valve to the normal opening degree;
Adjusting the opening degree of the control valve so that the flow rate of the exhaust fuel gas flowing through the recirculation system becomes a predetermined flow rate after shutting off the flow rate adjustment valve;
A control method for a combined power generation system comprising: