(57)【要約】【課題】ＤＳＳ運転などの起動および停止を繰り返す運転に対応することができる固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料供給部４から燃料の供給、および、酸化剤供給部４１から酸化剤を含む流体の供給を受けて発電を行う発電セルが収納された発電室１１と、発電室１１が収納され、内部が加圧状態とされる耐圧容器１２と耐圧容器１２の内部に加圧用の流体を供給して、内部を加圧状態に保つ加圧部１３と、酸化剤供給部４１から発電セルへの酸化剤を含む流体の供給を遮断する遮断部２３と、が設けられていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給部から燃料の供給、および、酸化剤供給部から酸化剤を含む流体の供給を受けて発電を行う発電セルが収納された発電室と、
該発電室が収納され、内部が加圧状態とされる耐圧容器と、
該耐圧容器の内部に加圧用の流体を供給して、内部を加圧状態に保つ加圧部と、
前記酸化剤供給部から前記発電セルへの前記酸化剤を含む流体の供給を遮断する遮断部と、
が設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記加圧部には、
前記耐圧容器の内部に前記加圧用の流体を流入させる加圧配管と、
前記耐圧容器の内部から前記加圧用の流体を流出させる排気配管と、
前記加圧配管を流れる前記加圧用の流体の流れを制御する加圧制御部と、
前記排気配管を流れる前記加圧用の流体の流れを制御する排気制御部と、
が設けられていることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記加圧配管には、前記耐圧容器の内部に供給される前記加圧用の流体を加熱する昇温部が設けられていることを特徴とする請求項２記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記加圧配管は、前記酸化剤供給部から前記発電室に前記酸化剤を含む流体を供給する酸化剤供給配管に接続され、
前記排気配管は、前記発電室から前記発電セルにおける発電に用いられた後の前記酸化剤を含む流体を流出させる酸化剤排出配管に接続されていることを特徴とする請求項２または３に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池と、
少なくともコンプレッサ部、燃焼器、タービン部を有するガスタービンと、
が設けられ、
前記酸化剤供給部は、前記コンプレッサ部により圧縮された空気を用いることを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
前記発電室から排出された流体を、前記燃焼器に導く排出燃料配管と、
該排出燃料配管の内部の流体を外部に放出する燃料放出配管と、
該放出配管における流体の流れを制御する燃料排出調整部と、
が設けられていることを特徴とする請求項５記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」を表記する。）などの燃料電池は、単独で運転される場合であっても、高効率な運転が可能である。
しかし、通常では、燃料電池の運転により発生する熱や排ガスを利用するコジェネレーションシステム（以下、「燃料電池システム」と表記する。）を組むことにより、燃料電池システム全体として、より高効率な運転を行うことができる。
【０００３】
燃料電池システムの一つとして、燃料電池と、ガスタービンもしくはガスタービンコンバインドシステムと、を連携させたシステムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００５−４４５７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、大容量発電を行うガスタービンおよびガスタービンコンバインドシステムは、他の発電方法と比較しても起動時間や停止時間が短いため、十分にＤＳＳ（Ｄａｉｌｙ  Ｓｔａｒｔ  ａｎｄ  Ｓｔｏｐ）運転に対応できる。言い換えると、夜にガスタービン等を停止し、翌朝にガスタービン等を起動する運転に対応できる。
【０００５】
その一方で、ＳＯＦＣは、定常運転時における作動温度が６００℃から１０００℃程度と、他の燃料電池などと比較しても高温となる。そのため、発電容量が大きな発電設備であってＳＯＦＣを用いた場合には、ＳＯＦＣの熱容量も大きくなることから、ガスタービンコンバインドシステム等と比較して、設備の起動や停止に要する時間が長くなるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、ＤＳＳ運転などの起動および停止を繰り返す運転に対応することができる固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の固体酸化物形燃料電池は、燃料供給部から燃料の供給、および、酸化剤供給部から酸化剤を含む流体の供給を受けて発電を行う発電セルが収納された発電室と、該発電室が収納され、内部が加圧状態とされる耐圧容器と該耐圧容器の内部に加圧用の流体を供給して、内部を加圧状態に保つ加圧部と、前記酸化剤供給部から前記発電セルへの前記酸化剤を含む流体の供給を遮断する遮断部と、が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池の運転が停止されている場合であっても、遮断部により発電セルと酸化剤供給部との間の流体の流れを遮断するとともに、加圧部により耐圧容器の内部を加圧状態に保つことができる。そのため、固体酸化物形燃料電池の運転を再開する場合、耐圧容器内の圧力を定常運転時における圧力に昇圧させる工程を省略することができる。
【０００９】
上記発明においては、前記加圧部には、前記耐圧容器の内部に前記加圧用の流体を流入させる加圧配管と、前記耐圧容器の内部から前記加圧用の流体を流出させる排気配管と、前記加圧配管を流れる前記加圧用の流体の流れを制御する加圧制御部と、前記排気配管を流れる前記加圧用の流体の流れを制御する排気制御部と、が設けられていることが望ましい。
【００１０】
本発明によれば、加圧配管および加圧制御部により、耐圧容器の内部に流入される加圧用の流体の流量、または、耐圧容器の内部の圧力を調節することができる。同様に、排気配管および排気制御部により、耐圧容器の内部から流出される加圧用の流体の流量、または、耐圧容器の内部の圧力を調節することができる。
加圧配管および加圧制御部と、排気配管および排気制御部とが設けられていることにより、耐圧容器の内部の圧力を一定に保ちつつ、耐圧容器の内部の流体を入れ替えることができる。
【００１１】
上記発明においては、前記加圧配管には、前記耐圧容器の内部に供給される前記加圧用の流体を加熱する昇温部が設けられていることが望ましい。
【００１２】
本発明によれば、耐圧容器の内部に供給される加圧用の流体の温度が高くなるため、固体酸化物形燃料電池の運転が停止されている場合であっても、耐圧容器の内部の温度低下を抑制することができる。そのため、固体酸化物形燃料電池の運転を再開する場合、耐圧容器の内部温度を定常運転時における温度に昇温させる工程を短縮することができる。
【００１３】
上記発明においては、前記加圧配管は、前記酸化剤供給部から発電室に前記酸化剤を含む流体を供給する酸化剤供給配管に接続され、前記排気配管は、前記発電室から前記発電セルにおける発電に用いられた後の前記酸化剤を含む流体を流出させる酸化剤排出配管に接続されていることが望ましい。
【００１４】
本発明によれば、酸化剤供給配管および酸化剤排出配管を介して、耐圧容器の内部を加圧する加圧用の流体を供給するとともに排出することができる。そのため、当該流体を直接耐圧容器の内部に供給する方法と比較して、当該流体を発電セルが収納された発電室であるＳＯＦＣ発電室の内部に行き渡らせやすく、圧力差が発生しにくい。
特に、昇温部により昇温された加圧用の流体を耐圧容器に供給する場合には、昇温された当該流体をＳＯＦＣ発電室の内部に行き渡らせることが容易であるため、ＳＯＦＣ発電室の温度低下をより効率的に抑制できる。
【００１５】
本発明の固体酸化物形燃料電池システムは、上記本発明の固体酸化物形燃料電池と、少なくともコンプレッサ部、燃焼器、タービン部を有するガスタービンと、が設けられ、前記酸化剤供給部は、前記コンプレッサ部により圧縮された空気を用いることを特徴とする。
【００１６】
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池とガスタービンとを組み合わせた固体酸化物形燃料電池システムであっても、上記本発明の固体酸化物形燃料電池を用いることにより、固体酸化物形燃料電池システム全体として起動および停止を繰り返す運転に対応することができる。
【００１７】
上記発明においては、前記発電室から排出された流体を、前記燃焼器に導く排出燃料配管と、該排出燃料配管の内部の流体を外部に放出する燃料放出配管と、該放出配管における流体の流れを制御する燃料排出調整部と、が設けられていることが望ましい。
【００１８】
本発明によれば、例えば、固体酸化物形燃料電池の運転が停止されている場合、発電室に燃料、若しくはパージ用の流体を供給し、発電室から排出燃料配管、燃料放出配管および燃料排出調整部を介して当該流体を外部に放出させることにより、発電室燃料側の圧力を一定に保つことが出来る。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池システムによれば、固体酸化物形燃料電池の運転が停止されている場合であっても、遮断部により発電セルと酸化剤供給部との間の流体の流れを遮断するとともに、加圧部により耐圧容器の内部を加圧状態に保つことができるうえ、発電室燃料側の圧力を一定に保つことが出来るため、ＤＳＳ運転などの起動および停止を繰り返す運転に対応することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係るＳＯＦＣシステムついて図１および図２を参照して説明する。
図１は、本実施形態のＳＯＦＣシステムの構成を説明する模式図である。
ＳＯＦＣシステム（固体酸化物形燃料電池システム）１は、図１に示すように、都市ガスなどの燃料の供給を受けて発電するものである。
ＳＯＦＣシステム１には、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）２と、ガスタービン３と、が主に設けられている。
【００２１】
ＳＯＦＣ２には、ＳＯＦＣ発電室（発電室）１１と、ＳＯＦＣ発電室１１を内部に収納するＳＯＦＣ容器（耐圧容器）１２と、ＳＯＦＣ容器１２の内部を加圧する加圧部１３と、が主に設けられている。
【００２２】
ＳＯＦＣ発電室１１は、図１に示すように、内部に発電を行うＳＯＦＣ発電セル（図示せず）が収納されたものである。ＳＯＦＣ発電室１１は内部と外部、言い換えると、ＳＯＦＣ発電室１１の内部空間と、ＳＯＦＣ発電室１１とＳＯＦＣ容器１２との間の空間との間を気密に区切るものではなく、両空間の間を所定の流量で流体が流通可能とするものである。
【００２３】
さらに、ＳＯＦＣ発電室１１には、ガスタービン３から圧縮された空気（酸化剤を含む流体）を供給する第１供給配管（空気供給部）２１と、燃料供給部４から燃料を供給する第２供給配管（燃料供給部）３１が接続されている。
【００２４】
さらに、ＳＯＦＣ発電室１１における発電に用いられた後の空気を、ガスタービン燃焼器４２に供給する第１排出配管２２と、発電に用いられた燃料である排ガス、および、発電に用いられなかった燃料（以下、「発電に用いられた後の燃料」と表記する。）を、ガスタービン燃焼器４２に供給する第２排出配管（排出燃料配管）３２と、が設けられている。
【００２５】
なお、ＳＯＦＣ発電室１１の構成としては公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
【００２６】
第１供給配管２１は、ガスタービン３のコンプレッサ部４１において圧縮された空気をＳＯＦＣ発電室１１に導く配管であるとともに、後述する分岐配管４５にも上述の圧縮された空気を導く配管である。
言い換えると、第１供給配管２１の一方の端部はコンプレッサ部４１に接続され、他方の端部はＳＯＦＣ発電室１１に接続されていとともに、第１供給配管２１には、分岐配管４５の端部が接続されている。
【００２７】
さらに、第１供給配管２１には、コンプレッサ部４１からＳＯＦＣ発電室１１に向かって順に、ガスタービン空気予熱器４８、分岐配管４５との接続部、供給側調整弁（遮断部）２３、ＳＯＦＣ空気予熱器１４、ＳＯＦＣ燃焼器１５が設けられている。
【００２８】
供給側調整弁２３は、ＳＯＦＣ容器１２の外部に配置され、後述する排出側調整弁２４とともに、ＳＯＦＣ２とガスタービン３と間の空気の流通を制御する弁である。言い換えると、ＳＯＦＣ２とガスタービン３との接続や切り離しを制御するものである。ＳＯＦＣ発電室１１に導かれる圧縮された空気の流量を制御することも可能である。
【００２９】
ＳＯＦＣ空気予熱器１４は、第１供給配管２１と、第１排出配管２２との間であって、ＳＯＦＣ容器１２の内部に配置され、ＳＯＦＣ発電室１１に供給される圧縮された空気と、発電に用いられた後の空気との間で熱交換を行うものである。言い換えると、発電に用いられた後の空気の熱を用いて、ＳＯＦＣ発電室１１に供給される圧縮された空気を予熱するものである。
なお、ＳＯＦＣ空気予熱器１４としては、公知の空気予熱器を用いることができ、特に限定するものではない。
【００３０】
ＳＯＦＣ燃焼器１５は、ＳＯＦＣ容器１２の内部に配置された燃焼器である。ＳＯＦＣ燃焼器１５は、例えば、ＳＯＦＣ２の起動時にＳＯＦＣ発電室１１の昇温を加速させる場合に、外部から供給された燃料を燃焼させることにより、ＳＯＦＣ発電室１１に導かれる圧縮された空気を昇温させるものである。
なお、ＳＯＦＣ燃焼器１５としては、公知の燃焼器を用いることができ、特に限定するものではない。
【００３１】
第２供給配管３１は、燃料供給部４から供給された燃料をＳＯＦＣ発電室１１に導く配管である。言い換えると、第２供給配管３１の一方の端部は燃料供給部に接続され、他方の端部はＳＯＦＣ発電室１１に接続されている。
【００３２】
さらに、第２供給配管３１には、ＳＯＦＣ発電室１１に向かって順に、燃料再循環配管３３との接続部、燃料予熱器１６が設けられている。
【００３３】
燃料再循環配管３３は、発電に用いられた後の燃料の一部を、第２供給配管３１に再循環させる配管である。言い換えると、燃料再循環配管３３の一方の端部は第２供給配管３１接続され、他方の端部は第２排出配管３２に接続されている。
【００３４】
さらに、燃料再循環配管３３には、燃料再循環配管３３を流れる発電に用いられた後の燃料の流量を制御する燃料再循環ブロア３４が設けられている。
燃料再循環ブロア３４としては、公知のブロアを用いることができ、特に限定するものではない。
【００３５】
燃料予熱器１６は、第２供給配管３１と第２排出配管３２との間であって、ＳＯＦＣ容器１２の内部に配置され、ＳＯＦＣ発電室１１に供給される燃料と、発電に用いられた後の燃料との間で熱交換を行うものである。言い換えると、燃料予熱器１６は、発電に用いられた後の燃料の熱を用いて、ＳＯＦＣ発電室１１に供給される燃料を予熱するものである。
なお、燃料予熱器１６としては、公知の熱交換器を用いることができ、特に限定するものではない。
【００３６】
第１排出配管２２は、発電に用いられた後の空気をガスタービン燃焼器４２に導く配管である。言い換えると、第１排出配管２２の一方の端部はＳＯＦＣ発電室１１に接続され、他方の端部はガスタービン燃焼器４２に接続されている。
さらに、第１排出配管２２には、ＳＯＦＣ発電室１１からガスタービン燃焼器４２に向かって順に、ＳＯＦＣ空気予熱器、排出側調整弁２４が設けられている。
【００３７】
排出側調整弁２４は、ＳＯＦＣ容器１２の外部に配置され、供給側調整弁２３とともに、ＳＯＦＣ２とガスタービン３と間の空気の流通を制御する弁である。言い換えると、ＳＯＦＣ２とガスタービン３との接続や切り離しを制御するものである。ＳＯＦＣ発電室１１から排出される空気の流量を制御することも可能である。
【００３８】
第２排出配管３２は、発電に用いられた後の燃料をガスタービン燃焼器４２に導く配管である。言い換えると、第２排出配管３２の一方の端部はＳＯＦＣ発電室１１に接続され、他方の端部はガスタービン燃焼器４２に接続されている。
【００３９】
さらに、第２排出配管３２には、ＳＯＦＣ発電室１１からガスタービン燃焼器４２に向かって順に、燃料予熱器１６、燃料再循環配管３３との接続部、ベント配管（燃料放出配管）３５との接続部、ベント調整弁（燃料排出調整部）３７が設けられている。
【００４０】
ベント配管３５は、第２排出配管３２を流れる流体の少なくとも一部を、外部に放出する配管である。
ベント配管３５には、ベント調整弁３７とともにベント配管３５から外部に放出される流体の流量または圧力を制御するベント調整弁（燃料排出調整部）３６が設けられている。
【００４１】
ベント調整弁３６およびベント調整弁３７により、第２排出配管３２を流れる流体の流通を制御できる。言い換えると、ベント調整弁３６が開かれ、ベント調整弁３７が閉じられた状態の場合、第２排出配管３２を流れる流体はベント配管３５から外部へ放出される。その一方で、ベント調整弁３６が閉じられ、ベント調整弁３７が開かれた状態の場合、第２排出配管３２を流れる流体はガスタービン燃焼器４２に供給される。
【００４２】
ＳＯＦＣ容器１２は、内部にＳＯＦＣ容器１２、ＳＯＦＣ空気予熱器１４、ＳＯＦＣ燃焼器１５、燃料予熱器１６などを収納する容器であり、加圧部１３によって、内部に酸化剤を含む加圧用の流体である加圧された空気が満たされる容器である。
なお、ＳＯＦＣ容器１２としては、公知の耐圧性を有する容器であればよく、特に限定するものではない。
【００４３】
加圧部１３は、ＳＯＦＣ容器１２の内部に加圧用の流体を供給等するものである。
加圧部１３には、第１加圧用配管（加圧配管）１３Ａと、第２加圧用配管（排気配管）１３Ｂと、第１加圧用調整弁（加圧制御部）１３Ｃと、第２加圧用調整弁（排気制御部）１３Ｄと、が設けられている。
【００４４】
第１加圧用配管１３Ａは、第１加圧用調整弁１３ＣとともにＳＯＦＣ容器１２に加圧用の流体を供給する配管である。言い換えると、第１加圧用配管１３Ａの一方の端部は、ＳＯＦＣ容器１２に接続され、他方の端部は加圧用の流体を供給する供給部（図示せず）に接続されている。
【００４５】
第２加圧用配管１３Ｂは、第２加圧用調整弁１３ＤとともにＳＯＦＣ容器１２の内部から加圧用の流体を排出する配管である。言い換えると、第２加圧用配管１３Ｂの一方の端部は、ＳＯＦＣ容器１２に接続され、他方の端部は外部に開放される等されている。
【００４６】
第１加圧用調整弁１３Ｃは、第１加圧用配管１３Ａに配置され、ＳＯＦＣ容器１２に供給される加圧用の流体の流量、または、ＳＯＦＣ容器１２の内部圧力を調整する弁である。
第２加圧用調整弁１３Ｄは、第２加圧用配管１３Ｂに配置され、ＳＯＦＣ容器１２から排出される加圧用の流体の流量、または、ＳＯＦＣ容器１２の内部圧力を調整する弁である。
【００４７】
ガスタービン３は、図１に示すように、少なくともＳＯＦＣ発電室１１に圧縮された空気を導くものである。
ガスタービン３には、コンプレッサ部（酸化剤供給部）４１と、ガスタービン燃焼器（燃焼器）４２と、タービン部４３と、回転軸４４と、が主に設けられている。さらにガスタービン３には発電機が接続されているものが一般的である。
【００４８】
コンプレッサ部４１は、図１に示すように、回転軸４４により回転駆動されて空気を圧縮するとともに、圧縮された空気を、第１供給配管２１を介してＳＯＦＣ発電室１１に供給するとともに、第１供給配管２１および分岐配管４５を介してガスタービン燃焼器４２に供給するものである。
コンプレッサ部４１としては、公知の構成を用いることができ、特に限定するものではない。
【００４９】
分岐配管４５は、コンプレッサ部４１から送り出された圧縮された空気を、ガスタービン燃焼器４２に導く配管である。言い換えると、分岐配管の一方の端部は、第１供給配管におけるガスタービン空気予熱器４８と、供給側調整弁２３との間に接続され、他方の端部は、第１排出配管２２における排出側調整弁２４とガスタービン燃焼器４２との間に接続されている。
さらに、分岐配管４５には、分岐配管４５を流れる圧縮された空気の流量を調整するガスタービン側調整弁４６が設けられている。分岐配管４５を流れる空気の流量を調整することで間接的にＳＯＦＣ発電室１１へ通気する空気流量の調整も可能である。
【００５０】
ガスタービン燃焼器４２は、図１に示すように、発電に用いられた後の燃料と、発電に用いられた後の空気が供給され、発電に用いられた後の燃料に含まれる未燃燃料を燃焼させるものである。
【００５１】
ガスタービン燃焼器４２には、発電に用いられた後の空気が流れる第１排出配管２２と、発電に用いられた後の燃料が流れる第２排出配管３２と、が接続されている。さらに、ガスタービン燃焼器４２における燃料の燃焼により生成された高温排気ガスは、タービン部４３に導かれている。
なお、ガスタービン燃焼器４２は、公知のものを用いることができ、特に限定するものではない。
【００５２】
タービン部４３は、図１に示すように、ガスタービン燃焼器４２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、当該回転駆動力を回転軸４４に伝達するものである。
タービン部４３には、タービン部４３を回転駆動した後の高温燃焼ガス、つまり排気ガスが流入するタービン排気部４７が設けられている。
タービン部４３としては、公知の構成のものを用いることができ、特に限定するものではない。
【００５３】
タービン排気部４７は排気ガスを外部に導く配管であり、タービン排気部４７には、ガスタービン空気予熱器４８が設けられている。
ガスタービン空気予熱器４８は、第１供給配管２１と、後述するガスタービン排気部４７との間には、コンプレッサ部４１において圧縮された空気と、タービン部４３から排気された排気との間で熱交換を行うものである。言い換えると、ガスタービン空気予熱器４８は、タービン部４３から排出された排気ガスの熱を用いて、コンプレッサ部４１において圧縮された空気、つまり、ＳＯＦＣ発電室１１に供給される圧縮された空気を予熱するものである。
【００５４】
次に、上記の構成からなるＳＯＦＣシステム１における発電方法について説明する。
まず、ＳＯＦＣシステム１が定常運転されている場合の発電方法について説明する。
ＳＯＦＣシステム１が定常運転されている場合には、図１に示すように、供給側調整弁２３、排出側調整弁２４、および、ベント調整弁３７は開かれ、第１加圧用調整弁１３Ｃと、第２加圧用調整弁１３Ｄ、ガスタービン側調整弁４６、および、ベント調整弁３６は閉じられている。
【００５５】
図１に示す状態では、ガスタービン３の運転により、コンプレッサ部４１は外部から空気を吸入して圧縮する。圧縮された空気はコンプレッサ部４１から第１供給配管２１に流入し、ガスタービン空気予熱器４８において予熱される。
具体的には、圧縮された空気は、ガスタービン空気予熱器４８において、タービン排気部４７を流れる排気ガスの熱を吸収することにより昇温される。
【００５６】
ガスタービン空気予熱器４８において予熱された空気は、第１供給配管２１をＳＯＦＣ発電室１１に向かって流れる。このとき、ガスタービン側調整弁４６は必要に応じた開度まで閉じられ、供給側調整弁２３は開かれているため、予熱された空気のうちＳＯＦＣ発電に必要な量の空気が供給側調整弁２３を通過する。
【００５７】
供給側調整弁２３を通過した空気は、ＳＯＦＣ容器１２の内部に配置されたＳＯＦＣ空気予熱器１４に流入し、さらに予熱される。
具体的には、ＳＯＦＣ空気予熱器１４に流入した空気は、第１排出配管２２を流れるＳＯＦＣ発電室１１から排出された空気の熱を吸収することにより、さらに昇温される。
【００５８】
ＳＯＦＣ空気予熱器１４により予熱された空気は、ＳＯＦＣ燃焼器１５を介してＳＯＦＣ発電室１１の発電セルに供給される。
【００５９】
その一方で、燃料供給部４から供給された燃料は、第２供給配管３１をＳＯＦＣ発電室１１に向かって流れ、ＳＯＦＣ容器１２の内部に配置された燃料予熱器１６に流入する。燃料は燃料予熱器１６において、第２排出配管３２を流れる発電に用いられた後の燃料の熱を吸収することにより昇温される。
【００６０】
燃料予熱器１６において予熱された燃料は、その後、ＳＯＦＣ発電室１１の発電セルに供給される。
【００６１】
ＳＯＦＣ発電室１１の発電セルは、予熱された圧縮された空気、および、予熱された燃料を用いて発電を行うとともに、熱を発生する。
発電により発生した熱を吸収して昇温された空気は、ＳＯＦＣ発電室１１から第１排出配管２２に流入し、ガスタービン燃焼器４２に向かって流れる。
【００６２】
第１排出配管２２を流れる発電に用いられた後の空気は、ＳＯＦＣ空気予熱器１４に流入し、第１供給配管２１を流れる空気に熱を与えて昇温させる。
その後、ＳＯＦＣ空気予熱器１４を通過した発電に用いられた後の空気は、排出側調整弁２４を通過して、ガスタービン燃焼器４２に流入する。
【００６３】
その一方で、発電により発生した熱を吸収して昇温された未燃燃料および発電に用いられた燃料の排気（以下、「発電に用いられた後の燃料」と表記する。）は、第２排出配管３２に流入し、ガスタービン燃焼器４２に向かって流れる。
【００６４】
第２排出配管３２を流れる発電に用いられた後の燃料は、ＳＯＦＣ燃料予熱器１６に流入し、第２供給配管３１を流れる燃料の熱を与えて昇温させる。
その後、ＳＯＦＣ燃料予熱器１６を通過した発電に用いられた後の燃料の一部は、燃料再循環ブロア３４が駆動されているため、燃料再循環配管３３を介して第１供給配管２１に流入する。
【００６５】
残りの発電に用いられた後の燃料は、第２排出配管３２を介してガスタービン燃焼器４２に流入する。
ガスタービン燃焼器４２では、流入した発電に用いられた後の燃料が燃焼され、高温の排気ガスが生成される。高温の排気ガスは、ガスタービン燃焼器４２からタービン部４３に流入し、タービン部４３を回転駆動させる。
【００６６】
タービン部４３では、流入した高温の排気ガスから回転駆動力を発生させ、発生した回転駆動力を回転軸４４に伝達する。
回転軸４４は、伝達された回転駆動力をコンプレッサ部４１に伝達して、コンプレッサ部４１を回転駆動する。
【００６７】
なお、本実施形態では、回転軸４４はコンプレッサ部４１を回転駆動するのみであるが、発電機に回転駆動力を伝達し、発電を行わせてもよく、特に限定するものではない。
【００６８】
タービン部４３を回転駆動した後の排気ガスはタービン排気部４７に流入し、ガスタービン空気予熱器４８において、第１供給配管２１を流れる圧縮された空気を予熱する。
【００６９】
次に、上記の構成からなるＳＯＦＣシステム１が停止された状態について説明する。
図２は、図１のＳＯＦＣシステムにおいて、運転が停止された状態を説明する模式図である。
ＳＯＦＣシステム１の運転が停止された場合には、図２に示すように、供給側調整弁２３、排出側調整弁２４、および、ベント調整弁３７は閉じられ、ガスタービン側調整弁４６は開かれる。さらに、第１加圧用調整弁１３Ｃ、第２加圧用調整弁１３Ｄ、およびベント調整弁３６は開かれる。
【００７０】
図２に示す状態では、第１供給配管２１および第１排出配管２２を介したＳＯＦＣ２とガスタービン３との間の空気の流通は遮断されている。また、第２排出配管３２を介したＳＯＦＣ２とガスタービン３との間の発電に用いられた後の燃料の流通は遮断されている。言い換えると、ＳＯＦＣ２とガスタービン３とは切り離されている。
【００７１】
その一方で、第１加圧用配管１３Ａおよび第１加圧用調整弁１３Ｃを介して加圧用の流体がＳＯＦＣ容器１２の内部に供給される。そのため、ＳＯＦＣ容器１２の内部は、所定の圧力に保持される。
さらに、ＳＯＦＣ発電室１１の内部と、ＳＯＦＣ発電室１１とＳＯＦＣ容器１２との間の空間とは気密に区切られていないため、ＳＯＦＣ発電室１１の内部と、ＳＯＦＣ発電室１１とＳＯＦＣ容器１２との間の空間とは略同じ圧力に保たれている。
【００７２】
第２加圧用配管１３Ｂおよび第２加圧用調整弁１３Ｄからは、ＳＯＦＣ容器１２の内部の加圧用の流体が所定の流量で外部に放出することも可能である。言い換えると、ＳＯＦＣ容器１２の内部の加圧用の流体は一定の割合で入れ替えることも可能である。
また、第１加圧用調整弁１３ＣでＳＯＦＣ容器１２に供給する加圧用の流体の流量を調整し、第２加圧用調整弁１３ＤでＳＯＦＣ容器１２の内部を所定の圧力に保ってもよい。
【００７３】
燃料供給部４からは、燃料、若しくは、パージ用の流体（例えば不活性ガス）が供給される。パージ用の流体等は、第２供給配管３１、ＳＯＦＣ発電室１１、第２排出配管３２、燃料再循環配管３３を満たし、ベント配管３５から外部に放出される。
【００７４】
ベント配管３５を流れるパージ用の流体等の流量はベント調整弁３６により制御されるため、第２供給配管３１、ＳＯＦＣ発電室１１、第２排出配管３２、燃料再循環配管３３内の圧力は、ベント調整弁３６により制御することができる。
【００７５】
なお、ＳＯＦＣ発電室１１における発電セルの酸化を防止する必要がある場合は、パージ用の流体には還元剤を含む不活性ガスを供給することが望ましい。
【００７６】
上述の状態から、ＳＯＦＣシステム１の再起動は、以下の順序により行われる。
【００７７】
まず、ガスタービン３の再起動が行われる。
具体的には、外部の駆動源（図示せず）により回転軸４４を回転駆動することにより、コンプレッサ部４１を駆動する。コンプレッサ部４１は、外部の空気を吸入して圧縮し、圧縮された空気を第１供給配管２１に流入させる。
【００７８】
圧縮された空気は、第１供給配管２１から分岐配管４５を介して第１排出配管２２に流入し、ガスタービン燃焼器４２に供給される。ガスタービン燃焼器４２は、外部から供給された燃料を燃焼させて、高温の排気ガスを生成する。
【００７９】
高温の排気ガスは、ガスタービン燃焼器４２からタービン部４３に流入し、タービン部４３を駆動する。タービン部４３で発生した回転駆動力は回転軸４４に伝達され、回転軸４４はコンプレッサ部４１を回転駆動する。
回転軸４４の回転数が所定の回転数に到達すると、上述の外部の駆動源による回転軸４４の駆動は停止される。
【００８０】
その後、コンプレッサ部４１により圧縮された空気の圧力が、ＳＯＦＣ容器１２の内部の圧力と略等しくなると、第１供給配管２１および第１排出配管２２を介したＳＯＦＣ２とガスタービン３との間の空気の流通が再開される。言い換えると、ＳＯＦＣ２とガスタービン３との接続が行われる。
【００８１】
具体的には、第１加圧用調整弁１３Ｃおよび第２加圧用調整弁１３Ｄが閉じられ、供給側調整弁２３および排出側調整弁２４が開かれる。
続いて、ガスタービン側調整弁４６が閉じられＳＯＦＣ発電に必要な量の空気を通気する。
さらに、ベント調整弁３６が閉じられるとともに、ベント調整弁３７が開かれる。
【００８２】
これにより、コンプレッサ部４１により圧縮された空気は、ＳＯＦＣ発電室１１に供給されるとともに、ＳＯＦＣ発電室１１から排出された空気は、ガスタービン燃焼器４２に供給される。
【００８３】
また、燃料供給部４から供給された燃料はＳＯＦＣ発電室１１に供給されるとともに、ＳＯＦＣ発電室１１から排出された発電に用いられた後の燃料は、ガスタービン燃焼器４２に供給される。言い換えると、ＳＯＦＣ２の運転が再開される。
その一方で、第１加圧用配管１３Ａおよび第２加圧用配管１３Ｂにおける加圧用の流体の流通は遮断される。
【００８４】
上記の構成によれば、起動に要する時間が異なるＳＯＦＣ２とガスタービン３とを組み合わせたＳＯＦＣシステム１であっても、ＳＯＦＣシステム１全体として起動および停止を繰り返す運転に対応することができる。
【００８５】
つまり、ＳＯＦＣ２の運転が停止されている場合であっても、供給側調整弁２３および排出側調整弁２４によりＳＯＦＣ発電室１１とコンプレッサ部４１との間の空気の流れを遮断するとともに、加圧部１３によりＳＯＦＣ容器１２の内部を加圧状態に保つことができる。そのため、ＳＯＦＣ２の運転を再開する場合、ＳＯＦＣ容器１２内の圧力を定常運転時における圧力に昇圧させる工程を省略することができる。
そのため、ＳＯＦＣ２の起動に要する時間を短縮することができ、起動および停止を繰り返す運転に対応することができる。
【００８６】
加圧部１３は、第１加圧用配管１３Ａおよび第１加圧用調整弁１３Ｃと、第２加圧用配管１３Ｂおよび第２加圧用調整弁１３Ｄと、備えることにより、ＳＯＦＣ容器１２の内部に流入される加圧用の流体の流量を調節でき、ＳＯＦＣ容器１２の内部の圧力を調節することができる。
【００８７】
さらに、第１加圧用配管１３Ａおよび第１加圧用調整弁１３Ｃと、第２加圧用配管１３Ｂおよび第２加圧用調整弁１３Ｄとが設けられていることにより、ＳＯＦＣ容器１２の内部の圧力を一定に保ちつつ、ＳＯＦＣ容器１２の内部の加圧用の流体を所定の割合で入れ替えることができる。
【００８８】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図３を参照して説明する。
本実施形態のＳＯＦＣシステムの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、加圧部の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図３を用いて加圧部の周辺のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図３は、本実施形態に係るＳＯＦＣシステムの構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００８９】
ＳＯＦＣシステム（固体酸化物形燃料電池システム）１０１におけるＳＯＦＣ２には、図３に示すように、ＳＯＦＣ容器１２の内部を加圧する加圧部１１３が設けられている。
加圧部１１３には、第１加圧用配管１３Ａと、第２加圧用配管１３Ｂと、第１加圧用調整弁１３Ｃと、第２加圧用調整弁１３Ｄと、昇温部１３Ｅと、が設けられている。
【００９０】
昇温部１３Ｅは、図３に示すように、第１加圧用配管１３Ａに配置され、第１加圧用配管１３Ａを流れる加圧用の流体を昇温させるものである。
なお、昇温部１３Ｅとしては、公知の加熱装置を用いることができ、特に限定するものではない。
【００９１】
次に、上記の構成からなるＳＯＦＣシステム１０１が停止された状態について説明する。
なお、ＳＯＦＣシステム１０１が定常運転されている場合の発電方法については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００９２】
ＳＯＦＣシステム１０１の運転が停止された場合には、第１の実施形態と同様に、供給側調整弁２３、排出側調整弁２４、および、ベント調整弁３７は閉じられ、ガスタービン側調整弁４６は開かれる。さらに、第１加圧用調整弁１３Ｃ、第２加圧用調整弁１３Ｄ、およびベント調整弁３６は開かれる。
【００９３】
ＳＯＦＣ容器１２の内部には、第１加圧用配管１３Ａ、第１加圧用調整弁１３Ｃおよび昇温部１３Ｅを介して昇温された加圧用の流体が供給される。そのため、ＳＯＦＣ容器１２の内部は、所定の圧力に保持されるとともに、所定の温度に保たれる。
さらに、ＳＯＦＣ発電室１１の内部と、ＳＯＦＣ発電室１１とＳＯＦＣ容器１２との間の空間とは気密に区切られていないため、ＳＯＦＣ発電室１１の内部と、ＳＯＦＣ発電室１１とＳＯＦＣ容器１２との間の空間とは略同じ圧力に保たれているとともに、略同じ温度に保たれている。
【００９４】
上述の状態から、ＳＯＦＣシステム１０１の再起動は、第１の実施形態と同じ順序により行われる。
【００９５】
上記の構成によれば、昇温部１３Ｅを介することにより、ＳＯＦＣ容器１２の内部に供給される加圧用の流体の温度が高くなる。そのため、ＳＯＦＣ２の運転が停止されている場合であっても、ＳＯＦＣ容器１２の内部の温度低下を抑制することができる。
【００９６】
つまり、ＳＯＦＣ２の運転を再開する場合、ＳＯＦＣ容器１２の内部温度を定常運転時における温度に昇温させる工程を短縮することができる。そのため、ＳＯＦＣ２の起動に要する時間を短縮することができ、ＳＯＦＣシステム１全体として起動および停止を繰り返す運転に対応することができる。
【００９７】
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について図４を参照して説明する。
本実施形態のＳＯＦＣシステムの基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、加圧部の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図４を用いて加圧部の周辺のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図４は、本実施形態に係るＳＯＦＣシステムの構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００９８】
ＳＯＦＣシステム（固体酸化物形燃料電池システム）２０１におけるＳＯＦＣ２には、図４に示すように、ＳＯＦＣ容器１２の内部を加圧する加圧部２１３が設けられている。
加圧部２１３には、第１加圧用配管（加圧配管）２１３Ａと、第２加圧用配管（排気配管）２１３Ｂと、第１加圧用調整弁１３Ｃと、第２加圧用調整弁１３Ｄと、昇温部１３Ｅと、が設けられている。
【００９９】
第１加圧用配管２１３Ａは、第１加圧用調整弁１３ＣとともにＳＯＦＣ容器１２に加圧用の流体を供給する配管である。言い換えると、第１加圧用配管１３Ａの一方の端部は、第１供給配管２１における供給側調整弁２３とＳＯＦＣ空気予熱器１４との間に接続され、他方の端部は加圧用の流体を供給する供給部（図示せず）に接続されている。
【０１００】
第２加圧用配管２１３Ｂは、第２加圧用調整弁１３ＤとともにＳＯＦＣ容器１２の内部から加圧用の流体を排出する配管である。言い換えると、第２加圧用配管１３Ｂの一方の端部は、第１排出配管２２におけるＳＯＦＣ空気予熱器１４と排出側調整弁２４との間に接続され、他方の端部は外部に開放される等されている。
【０１０１】
次に、上記の構成からなるＳＯＦＣシステム２０１が停止された状態について説明する。
なお、ＳＯＦＣシステム２０１が定常運転されている場合の発電方法については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【０１０２】
ＳＯＦＣシステム１０１の運転が停止された場合には、第１の実施形態と同様に、供給側調整弁２３、排出側調整弁２４、および、ベント調整弁３７は閉じられ、ガスタービン側調整弁４６は開かれる。さらに、第１加圧用調整弁１３Ｃ、第２加圧用調整弁１３Ｄ、およびベント調整弁３６は開かれる。
【０１０３】
ＳＯＦＣ発電室１１には、第１加圧用配管１３Ａ、第１加圧用調整弁１３Ｃ、昇温部１３Ｅ、および、第１供給配管２１を介して昇温された加圧用の流体が供給される。そのため、ＳＯＦＣ発電室１１の内部は、所定の圧力に保持されるとともに、所定の温度に保たれる。
さらに、ＳＯＦＣ発電室１１の内部と、ＳＯＦＣ発電室１１とＳＯＦＣ容器１２との間の空間とは気密に区切られていないため、ＳＯＦＣ発電室１１の内部と、ＳＯＦＣ発電室１１とＳＯＦＣ容器１２との間の空間とは略同じ圧力に保たれているとともに、略同じ温度に保たれている。
【０１０４】
第２加圧用配管１３Ｂ、第２加圧用調整弁１３Ｄ、および、第１排出配管２２からは、ＳＯＦＣ発電室１１の内部の流体が所定の流量で外部に放出されている。言い換えると、ＳＯＦＣ発電室１１およびＳＯＦＣ容器１２の内部の流体は一定の割合で入れ替えられている。
【０１０５】
上述の状態から、ＳＯＦＣシステム２０１の再起動は、第１の実施形態と同じ順序により行われる。
【０１０６】
上記の構成によれば、第１供給配管２１および第１排出配管２２を介してＳＯＦＣ発電室１１およびＳＯＦＣ容器１２の内部を加圧する流体を供給するとともに排出することができる。そのため、加圧用の流体を直接ＳＯＦＣ容器１２の内部に供給する第１の実施形態および第２の実施形態と比較して、加圧用の流体をＳＯＦＣ発電室１１の内部に行き渡らせやすく、圧力差が発生しにくい。
特に、昇温部１３Ｅにより昇温された加圧用の流体をＳＯＦＣ容器１２に供給する場合には、昇温された加圧用の流体をＳＯＦＣ発電室１１およびＳＯＦＣ容器１２の内部に行き渡らせることが容易であるため、ＳＯＦＣ発電室１１の温度低下をより効率的に抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明の第１の実施形態のＳＯＦＣシステムの構成を説明する模式図である。
【図２】図１のＳＯＦＣシステムにおいて、運転が停止された状態を説明する模式図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るＳＯＦＣシステムの構成を説明する模式図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るＳＯＦＣシステムの構成を説明する模式図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１，１０１，２０１  ＳＯＦＣシステム（固体酸化物形燃料電池システム）
２  ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）
３  ガスタービン
４  燃料供給部
１１  ＳＯＦＣ発電室（発電室）
１２  ＳＯＦＣ容器（耐圧容器）
１３，１１３，２１３  加圧部
１３Ａ，２１３Ａ  第１加圧用配管（加圧配管）
１３Ｂ，２１３Ｂ  第２加圧用配管（排気配管）
１３Ｃ  第１加圧用調整弁（加圧制御部）
１３Ｄ  第２加圧用調整弁（排気制御部）
１３Ｅ  昇温部
２１  第１供給配管（空気供給部）
２３  供給側調整弁（遮断部）
３１  第２供給配管（燃料供給部）
３２  第２排出配管（排出燃料配管）
３５  ベント配管（燃料放出配管）
３６，３７  ベント調整弁（燃料排出調整部）
４１  コンプレッサ部（酸化剤供給部）
４２  ガスタービン燃焼器（燃焼器）
４３  タービン部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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