(57)【要約】【課題】カートリッジから流出した酸化性ガスの圧力容器内における自然対流を抑えて圧力容器外への放熱量を低減し、発電効率の低下を低コストかつ効果的に抑えることを目的とする。【解決手段】セルスタックに燃料ガスと酸化性ガスを供給して発電を行う燃料電池モジュール２０１であって、断熱材２０８に囲まれるとともに、複数のセルスタック１０１を備えたＳＯＦＣカートリッジ２０３と、ＳＯＦＣカートリッジ２０３を収容し、内部の空間に酸化性ガスが存在する圧力容器２０５と、断熱材２０８の外側で、圧力容器２０５の内部の鉛直下方から鉛直上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させる気流発生機構２４０と、を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルスタックに燃料ガスと酸化性ガスを供給して発電を行う燃料電池モジュールであって、
断熱材に囲まれるとともに、複数の前記セルスタックを備えたカートリッジと、
前記カートリッジを収容し、内部の空間に酸化性ガスが存在する容器と、
前記断熱材の外側で、前記容器の内部の鉛直下方から鉛直上方に向かう前記酸化性ガスの流れを発生させる気流発生機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記気流発生機構は、前記容器の内部の鉛直方向下部に前記容器の長手方向に沿って設けられ、前記容器の外部から供給した前記酸化性ガスを鉛直上方に向かって流出させる酸化性ガス供給部と、
前記容器の内部の鉛直方向上部に前記容器の長手方向に沿って設けられ、前記断熱材の外側の前記酸化性ガスを回収して前記容器の外部に排出させる酸化性ガス排出部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記酸化性ガス供給部と前記酸化性ガス排出部との間に、前記容器の内面に接続されるとともに前記断熱材の外面との間を鉛直上下方向に仕切るよう前記容器の長手方向に沿って延在するとともに、前記酸化性ガスを鉛直上方向に流通させる流通隙間が形成された仕切板を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記酸化性ガス排出部は、前記断熱材の外側の前記酸化性ガスを前記容器の外部に排出させる管体を備え、前記管体は、容器内で前記容器の長手方向に沿って設けられるとともに鉛直上方側に向かって開口し、前記酸化性ガスを前記管体内に取り込む酸化性ガス取込口を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記管体は、前記カートリッジの鉛直上方に配置され、
幅方向が前記管体の側方から延びるとともに長手方向が前記容器の長手方向に沿って延在する案内板を備え、
前記酸化性ガス取込口は、前記案内板の鉛直上方で開口していることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記カートリッジの鉛直方向上部に設けられ、前記セルスタックの発電部から排出された前記酸化性ガスを導入するヘッダ部材と、
前記容器の内部の鉛直方向上部に設けられ、前記断熱材の外側の前記酸化性ガスを前記ヘッダ部材に取り込む酸化性ガス取込部と、
前記ヘッダ部材に接続され、前記ヘッダ部材に取り込まれた前記酸化性ガスを前記容器の外部に排出する排出管と、
を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスの少なくとも一部とを用いて回転動力を生成するガスタービンとを備え、
前記燃料電池モジュールは、前記回転動力を用いて圧縮された前記酸化性ガスが供給され、
前記複数のセルスタックは、燃料ガスと前記酸化性ガスとを用いて発電することを特徴とする複合発電システム。
【請求項８】
前記容器の内部の鉛直下方で前記容器の外部から前記断熱材の外側に送り込む前記酸化性ガスの流量を調整するバルブと、
前記容器の内部及び前記セルスタックの発電部の少なくとも一方の温度に基づいて、前記バルブの開度を調整する制御装置と、
を備えることを特徴とする請求項７に記載の複合発電システム。
【請求項９】
前記容器の内部の鉛直上部で、前記断熱材の外側から回収した前記酸化性ガスを、前記ガスタービンの燃焼器に供給する酸化性ガス供給ラインをさらに備えることを特徴とする請求項７又は８に記載の複合発電システム。
【請求項１０】
セルスタックに燃料ガスと酸化性ガスを供給して発電を行う燃料電池モジュールは、
断熱材に囲まれるとともに、複数のセルスタックを備えたカートリッジと、
前記カートリッジを収容し、内部の空間に酸化性ガスが存在する容器と、
前記断熱材の外側で、前記容器の内部の鉛直下方から鉛直上方に向かう前記酸化性ガスの流れを発生させる気流発生機構と、を備え、
前記複数のセルスタックの温度が予め定めた温度範囲になるように、前記気流発生機構によって、前記容器の内部の下方から上方に向かう前記酸化性ガスの流量を調整する工程を備えることを特徴とする燃料電池モジュールの温度調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池モジュール、これを備えた複合発電システム及び燃料電池モジュールの温度調整方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化性ガス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：ＳＯＦＣ）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。このようなＳＯＦＣは、イオン伝導率を高めるために作動温度が約７００〜１０００℃程度と高く、用途の広い高効率な高温型燃料電池として知られている。このようなＳＯＦＣは、例えばマイクロガスタービン（以下、「ＭＧＴ」と呼ぶ）等の内燃機関と組み合わせた複合発電システムが構成されており、圧縮機から吐出される圧縮空気を酸化性ガスとしてＳＯＦＣの空気極に供給するとともに、ＳＯＦＣから排出される高温の排燃料ガスを、ＭＧＴの燃焼器に供給して燃焼させ、燃焼器で発生した高温の燃焼ガスでタービンを回転させることで、発電効率の高い発電が可能とされている。
【０００３】
ＳＯＦＣにおける発電時には、ＳＯＦＣの発電部が発熱する。発電部は、発電効率や構成材の耐久性等の観点に基づいて、予め設定された温度範囲で発電を行うのが好ましい。
このため、例えば特許文献１には、ＳＯＦＣの発電部を備えるカートリッジを収容する圧力容器内で、ＳＯＦＣの発電部を備えるカートリッジの内部空間とカートリッジの外部空間（圧力容器内の空間）とを接続する流路と、この流路を通る酸化性ガス（空気）の流量を調整する流量調整装置と、を備える構成が開示されている。この構成によれば、カートリッジの内部の温度に応じて、カートリッジの内部空間から外部空間に流出させる酸化性ガスの流量を調整し、カートリッジの内部の温度を適切な温度範囲内に維持している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−９１９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、酸化性ガスの供給変動があっても発電への影響を少なくするために、カートリッジの外周を覆う構造として、供給した酸化性ガスの一部はカートリッジ内部空間と外部空間（圧力容器内の空間）との間で少流量が流通することを可能としている。発電の為にカートリッジ内に供給された酸化性ガスは、発電部の発熱によって昇温され、カートリッジ内を上昇する。このとき、酸化性ガスの一部はカートリッジ上部の隙間から外部空間に漏出する。外部空間に漏出した酸化性ガスは、圧力容器を介して圧力容器の外部との熱交換による放熱によって冷却され、外部空間内を下降し、カートリッジの下部の隙間からカートリッジの内部空間に吸い込まれる。これにより、圧力容器内においては、カートリッジの内部空間における上昇流と、カートリッジの外部空間における下降流とによって、酸化性ガスの自然対流が生じている。
ＳＯＦＣの発電出力を高めるため、カートリッジ内の高圧化を図ろうとすると、カートリッジの内部空間から外部空間に漏出する酸化性ガスの量が増える。これにともなって、圧力容器内における酸化性ガスの自然対流量が増大し、酸化性ガスがカートリッジの外部空間を通るときに圧力容器を介して圧力容器の外部に放出する放熱量も増える。その結果、カートリッジの内部空間の発電部の温度が必要以上に低下し、発電効率の低下が生じる。
【０００６】
特許文献１に開示されたような構成において、カートリッジの内部の温度に応じてカートリッジの内部空間から外部空間に漏出する酸化性ガスの流量を調整した場合であっても、高圧化にともなって、カートリッジの外部空間に漏出した酸化性ガスから圧力容器の外部に放出する放熱量が増えるのは変わりが無い。
【０００７】
また、カートリッジ内の高圧化にともない、カートリッジの内部空間から外部空間に漏出する酸化性ガスの量が増えると、この酸化性ガスによって流量調整装置を構成するダンパーに作用する圧力も増える。このため、ダンパーを作動させるためのモータのトルクも増大しなければならず、装置コストの上昇に繋がる。
さらに、流量調整装置を構成するダンパーや、このダンパーを作動させるモータは、圧力容器の内部に設けられているため、故障発生時やメンテナンス等を行う際に、手間がかかり、メンテナンスコストが掛かる。
【０００８】
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、カートリッジから漏出した酸化性ガスの圧力容器内における自然対流を抑えて圧力容器から外への放熱量を低減し、発電効率の低下を低コストかつ効果的に抑えることができる燃料電池モジュール、これを備えた複合発電システム及び燃料電池モジュールの温度調整方法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】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池モジュール、これを備えた複合発電システム及び燃料電池モジュールの温度調整方法は以下の手段を採用する。
本発明の第１態様に係る燃料電池モジュールは、セルスタックに燃料ガスと酸化性ガスを供給して発電を行う燃料電池モジュールであって、断熱材に囲まれるとともに、複数の前記セルスタックを備えたカートリッジと、前記カートリッジを収容し、内部の空間に酸化性ガスが存在する容器と、前記断熱材の外側で、前記容器の内部の鉛直下方から鉛直上方に向かう前記酸化性ガスの流れを発生させる気流発生機構と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、セルスタックの発電部によって昇温された酸化性ガスがカートリッジの断熱材の内側から外側に漏れ出ると、この酸化性ガスは、容器内で冷却されて自然対流によって上方から下方に向かおうとする。これに対し、気流発生機構によって、断熱材の外側で、容器の内部の下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させることで、断熱材から流出した酸化性ガスが上方から下方に向かう自然対流が発生するのを抑える。これによって、断熱材内から漏れ出る酸化性ガスの容器外への放熱を抑えることができる。
また、気流発生機構は、特に可動部分を備える必要が無いので、断熱材内の圧力が高圧化しても、高圧化に対応するために装置コストが上昇することもなく、メンテナンスも不要であるため、効果的である。
【００１１】
上記第１態様において、前記気流発生機構は、前記容器の内部の鉛直方向下部に前記容器の長手方向に沿って設けられ、前記容器の外部から供給した前記酸化性ガスを鉛直上方に向かって流出させる酸化性ガス供給部と、前記容器の内部の鉛直方向上部に前記容器の長手方向に沿って設けられ、前記断熱材の外側の前記酸化性ガスを回収して前記容器の外部に排出させる酸化性ガス排出部と、を備えるとさらに好適である。
【００１２】
この構成によれば、容器の内部の下部に設けた酸化性ガス供給部から、酸化性ガスを上方に流出させ、容器の内部の上部に設けた酸化性ガス排出部により、カートリッジの断熱材の外側の酸化性ガスを回収する。これにより、断熱材の外側で、容器の内部で下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させることができる。また、酸化性ガス排出部では、酸化性ガス供給部から上方に向かって流出させた酸化性ガスに加えて、断熱材内から漏れ出た酸化性ガスも回収され、容器の外部に排出される。このようにして容器の外部に排出された酸化性ガスから熱エネルギーを回収することも可能となる。
【００１３】
上記第１態様において、前記酸化性ガス供給部と前記酸化性ガス排出部との間に、前記容器の内面に接続されるとともに前記断熱材の外面との間を鉛直上下方向に仕切るよう前記容器の長手方向に沿って延在するとともに、前記酸化性ガスを鉛直上方向に流通させる流通隙間が形成された仕切板を備えるとさらに好適である。
【００１４】
この構成によれば、仕切板を設けることで、断熱材の内部から外部に流出した酸化性ガスが断熱材の外側で上方から下方に流れるのを、さらに抑えることができる。また、気流発生機構によって容器の内部で発生させた下方から上方に向かう酸化性ガスの流れは、仕切板に形成した流通孔を通して維持することができる。
【００１５】
上記第１態様において、前記酸化性ガス排出部は、前記断熱材の外側の前記酸化性ガスを前記容器の外部に排出させる管体を備え、前記管体は、容器内で前記容器の長手方向に沿って設けられるとともに鉛直上方側に向かって開口し、前記酸化性ガスを前記管体内に取り込む酸化性ガス取込口を備えるとさらに好適である。
【００１６】
この構成によれば、温度の高い酸化性ガスは、容器の上部に溜まる。酸化性ガス取込口を上方に向かって開口させることで、温度の高い酸化性ガスを効率良く管体に取り込むことができる。
【００１７】
上記第１態様において、前記管体は、前記カートリッジの鉛直上方に配置され、幅方向が前記管体の側方から延びるとともに長手方向が前記容器の長手方向に沿って延在する案内板を備え、前記酸化性ガス取込口は、前記案内板の鉛直上方で開口しているとさらに好適である。
【００１８】
この構成によれば、案内板を設けることで、温度の高い酸化性ガスは案内板の上側を通り、案内板の上方で開口した酸化性ガス取込口から管体内に取り込まれる。これにより、温度の高い酸化性ガスを効率良く管体に取り込むことができる。
【００１９】
上記第１態様において、前記カートリッジの鉛直方向上部に設けられ、前記セルスタックの発電部から排出された前記酸化性ガスを導入するヘッダ部材と、前記容器の内部の鉛直方向上部に設けられ、前記断熱材の外側の前記酸化性ガスを前記ヘッダ部材に取り込む酸化性ガス取込部と、前記ヘッダ部材に接続され、前記ヘッダ部材に取り込まれた前記酸化性ガスを前記容器の外部に排出する排出管と、を備えるとさらに好適である。
【００２０】
この構成によれば、気流発生機構によって容器内で下方から上方に向かって流れる酸化性ガスを、酸化性ガス取込部からヘッダ部材に取り込むことができる。ヘッダ部材に取り込まれた酸化性ガスは、発電部から排出された酸化性ガスとともに、排出管を通して容器の外部に排出される。このようにして、容器の外部に排出された酸化性ガスから熱エネルギーを回収することも可能となる。
【００２１】
本発明の第２態様に係る複合発電システムは、上記第１態様の燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールから排気される排燃料ガスと排酸化性ガスの少なくとも一部とを用いて回転動力を生成するガスタービンとを備え、前記燃料電池モジュールは、前記回転動力を用いて圧縮された前記酸化性ガスが供給され、前記複数のセルスタックは、燃料ガスと前記酸化性ガスとを用いて発電することを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、燃料電池モジュールの断熱材の外側で、容器の内部の下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させることで、断熱材内から漏れ出る酸化性ガスの放熱を抑えることができる。また、燃料電池モジュールの容器から排出される排酸化性ガスは、放熱を抑えることによって、高い熱エネルギーを有している。ガスタービンでは、この熱エネルギーを回収することで、効率が高まる。
【００２３】
上記第２態様において、前記容器の内部の鉛直下方で前記容器の外部から前記断熱材の外側に送り込む前記酸化性ガスの流量を調整するバルブと、前記容器の内部及び前記セルスタックの発電部の少なくとも一方の温度に基づいて、前記バルブの開度を調整する制御装置と、を備えるとさらに好適である。
【００２４】
この構成によれば、容器の内部や発電部の温度に応じて、断熱材の外側に送り込む酸化性ガスの流量を調整することで、容器の内部や発電部の温度を適切に調整することができる。
【００２５】
上記第２態様において、前記容器の内部の鉛直上部で、前記断熱材の外側から回収した前記酸化性ガスを、前記ガスタービンの燃焼器に供給する酸化性ガス供給ラインをさらに備えるとさらに好適である。
【００２６】
この構成によれば、断熱材の外側から回収した、放熱が抑えられた酸化性ガスを燃焼器に供給することで、酸化性ガスが有する高い熱エネルギーをガスタービンの動力として回収することが可能となる。これにより、複合発電システムのエネルギー効率を高めることができる。
【００２７】
本発明の第３態様に係る燃料電池モジュールの温度調整方法は、セルスタックに燃料ガスと酸化性ガスを供給して発電を行う燃料電池モジュールが、断熱材に囲まれるとともに、複数のセルスタックを備えたカートリッジと、前記カートリッジを収容し、内部の空間に酸化性ガスが存在する容器と、前記断熱材の外側で、前記容器の内部の鉛直下方から鉛直上方に向かう前記酸化性ガスの流れを発生させる気流発生機構と、を備え、前記複数のセルスタックの温度が予め定めた温度範囲になるように、前記気流発生機構によって、前記容器の内部の下方から上方に向かう前記酸化性ガスの流量を調整する工程を備える。
【００２８】
この構成によれば、断熱材の外側に送り込む酸化性ガスの流量を調整することで、発電部の温度を適切に調整する。これによって、カートリッジから流出した酸化性ガスの圧力容器内における自然対流を抑えて圧力容器外への放熱量を低減するとともに、発電効率が低下するのを抑えることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、カートリッジから漏出した酸化性ガスの圧力容器内における自然対流を抑えて圧力容器から外への放熱量を低減し、発電効率の低下を低コストかつ効果的に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。
【図２】本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。
【図３】本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの断面の一態様を示すものである。
【図４】本発明の第１実施形態に係る気流発生機構を備えたＳＯＦＣモジュールを示す縦断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを備えた複合発電システムの概略構成を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る気流発生機構を備えたＳＯＦＣモジュールを示す縦断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る気流発生機構を構成するヘッダ部材の斜視図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを備えた複合発電システムの概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下に、本発明に係る燃料電池モジュール、これを備えた複合発電システム及び燃料電池モジュールの温度調整方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
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鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また本実施形態では、鉛直方向に対して上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、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。基体上に燃料電池セルを形成するが、基体なく電極（燃料極もしくは空気極）が厚く形成されて、基体を兼用しても良い。
【００３２】
まず、図１を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図１は、本実施形態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とを備える。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の軸方向において一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を備え、他端に形成された燃料電池セル１０５の燃料極１０９に電気的に接続されたリード膜１１５を備える。
【００３３】
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とされる。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。
【００３４】
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。燃料極１０９の厚さは５０〜２５０μｍである。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備える。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（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）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（Ｈ２）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（Ｏ２−）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（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）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。
ＳＯＦＣ１０の燃料極１０９に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭などの炭素質原料をガス化設備により製造したガスなどが挙げられる。
【００３５】
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備える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（Ｏ２−）を燃料極に移動させるものである。燃料極１０９の表面上に位置する固体電解質１１１の膜厚は１０〜１００μｍである。
【００３６】
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３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（Ｏ２−）を生成するものである。
空気極１１３は２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質１１１側の空気極層（空気極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層（空気極導電層）は、Ｓｒ及びＣａドープＬａＭｎＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
酸化性ガスとは、酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。
【００３７】
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（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る。インターコネクタ１０７は、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耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。リード膜１１５は、電子伝導性を備えること、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。
【００３８】
次に、図２と図３とを参照して本実施形態に係る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２は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。また、図３は、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図を示すものである。
【００３９】
ＳＯＦＣモジュール２０１（燃料電池モジュール）は、図２に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３（カートリッジ）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（容器）とを備える。なお、図２には円筒形のＳＯＦＣのセルスタックを例示しているが、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。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及び燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを備える。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管２１１（図４参照）と酸化性ガス供給枝管２１２（図４参照）及び酸化性ガス排出管２１３（図４参照）と複数の酸化性ガス排出枝管２１４（図４参照）とを備える。
【００４０】
燃料ガス供給管２０７は、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。
【００４１】
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。この燃料ガス排出枝管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、複数の燃料ガス排出枝管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。
【００４２】
圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約３ＭＰa、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。
【００４３】
ここで、本実施形態においては、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。
【００４４】
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図３に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５（発電部）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とを備える。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とを備える。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１と酸化性ガス排出室２２３とが図３のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
【００４５】
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が配置された領域であり、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長手軸方向の中央部付近での温度は、温度センサなどで監視され、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。
【００４６】
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り、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。複数のセルスタック１０１は、上部管板２２５ａとシール部材２３７ａにより接合されており、燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給枝管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１０３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。
【００４７】
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り、下部ケーシング２２９ｂの下部に設けられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。複数のセルスタック１０１は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くことができる。
【００４８】
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２１２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と下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの側面に設け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、酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に略均一流量で導くことが出来る。
【００４９】
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と上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの側面に設け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、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出室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酸化性ガス排出枝管に導くことが出来る。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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２２９ａ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を備える。
【００５３】
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。
【００５４】
本実施形態によれば、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１０３の内部を通って発電室２１５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。
【００５５】
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、下部ケーシング２２９ｂ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を備える。
【００５６】
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２２１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。
【００５７】
本実施形態によれば、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１０３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。
【００５８】
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直流電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数及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、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先（例えば、負荷設備や電力系統）へと供給される。
【００５９】
図４は、本発明の第１実施形態に係る気流発生機構を備えたＳＯＦＣモジュールを示す縦断面図である。圧力容器２０５は紙面垂直方向に長手方向があり、この断面図を示している。したがい、圧力容器２０５の内部に配設された各機器は、圧力容器２０５の長手方向に沿って延在している。
図４に示すように、ＳＯＦＣモジュール２０１は、さらに、圧力容器側断熱材２０６と電池側断熱材（断熱材）２０８とを備えている。
圧力容器側断熱材２０６は、圧力容器２０５の内周壁を覆うように配置されている。
【００６０】
電池側断熱材２０８は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電室２１５を取り囲むように設けられ、枠部材２０４で外周を囲んで取り付けられている。
電池側断熱材２０８は、断熱材から形成された複数のボード（もしくは板）が積層され、接合されて形成されている。枠部材２０４及び電池側断熱材２０８は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を囲むように、圧力容器２０５の内部に配置されている。このとき、枠部材２０４及び電池側断熱材２０８は、圧力容器２０５の内部を外側空間Ｓ１と内側空間Ｓ２とに仕切り、外側空間Ｓ１と内側空間Ｓ２とを隔てている。ここで、酸化性ガスの供給変動があっても発電への影響を少なくするために、カートリッジの外周を覆う構造として供給した酸化性ガスの一部はカートリッジ内部空間Ｓ２と外部空間Ｓ１との間で少流量が流通することを可能としている。すなわち、外側空間Ｓ１は、相互にガスが流通可能としながら、圧力容器２０５と電池側断熱材２０８との間に形成されている。内側空間Ｓ２は、枠部材２０４及び電池側断熱材２０８に囲まれ、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が配置されている。このため、内側空間Ｓ２は、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電室２１５に繋がっている。
【００６１】
ＳＯＦＣモジュール２０１は、気流発生機構２４０を備えている。この気流発生機構２４０は、電池側断熱材２０８の外側で、圧力容器２０５の内部の下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させる。気流発生機構２４０は、圧力容器２０５の内部の下部に設けられた酸化性ガス供給部２４１と、圧力容器２０５の内部の上部に設けられた酸化性ガス排出部２４３と、を備えている。
【００６２】
酸化性ガス供給部２４１は、管体２４２からなり、その長手方向に間隔をあけた複数個所に、上方に向かって開口する吹出口（不図示）が形成されている。酸化性ガス供給部２４１は、圧力容器２０５の外部から供給した酸化性ガスを、吹出口（不図示）から上方に向かって流出させる。
【００６３】
酸化性ガス排出部２４３は、電池側断熱材２０８の外側の酸化性ガスを圧力容器２０５の外部に排出させる管体２４４と、案内板２５１と、からなる。酸化性ガス排出部２４３は、圧力容器２０５内のＳＯＦＣカートリッジ２０３の上方に配置されている。
管体２４４は、圧力容器２０５内で上方（天井）側に向かって開口し、酸化性ガスを管体２４４内に取り込む酸化性ガス取込口２４４ａが形成されている。    
【００６４】
案内板２５１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上方に設けられている。この案内板２５１は、管体２４４のの側方から延びている。これにより、圧力容器内の空気を上方（天井）側から選択的に吸い込むことが可能となる。
【００６５】
また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給部２４１と酸化性ガス排出部２４３との間に、上下方向に間隔をあけて複数枚の仕切板２４５を備えている。各仕切板２４５は、水平方向に延び、圧力容器２０５の内面に設けられた圧力容器側断熱材２０６に接続されるとともに電池側断熱材２０８との間を上下に仕切るように設けられている。各仕切板２４５には、酸化性ガスを流通させる流通隙間２４７が形成されている。
【００６６】
このようなＳＯＦＣモジュール２０１は、電池側断熱材２０８内の発電室２１５によって昇温された酸化性ガスが電池側断熱材２０８の外側に漏れ出ると、この酸化性ガスは、圧力容器２０５内で冷却されて自然対流によって上方から下方に向かおうとする。これに対し、上記の気流発生機構２４０によって、電池側断熱材２０８の外側で、圧力容器２０５の内部の下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させることで、電池側断熱材２０８の外側に漏れ出た酸化性ガスが圧力容器２０５で冷却されながら上方から下方に向かおうとする自然対流を抑制させる。これにより圧力容器２０５の外への放熱量が低減する。
【００６７】
次に、上述したＳＯＦＣモジュール２０１を採用した複合発電システム１について説明する。
図５は、本発明の第１実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを備えた複合発電システムの概略構成を示す図である。
図５に示すように、複合発電システム１は、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣモジュール２０１と、内燃機関であるガスタービンやガスエンジンの一例としてマイクロガスタービン（以下、「ＭＧＴ」と呼ぶ）５０と、制御装置９０と、を備えている。
【００６８】
すなわち、都市ガス（天然ガス）等を改質した燃料ガス及び空気等の酸化性ガスの供給を受けて電解質を介した電気化学反応により発電するＳＯＦＣモジュール２０１に加えて、ＳＯＦＣモジュール２０１から発電後に排出される高温の排燃料ガスや排酸化性ガスを燃焼器５２に導入して燃焼ガスによってＭＧＴ５０を運転し、ＭＧＴ５０の出力軸に連結された発電機５６を駆動して発電を行うものである。なお、酸化性ガスとは、酸素を略１５％〜３０％含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用できる。
さらに、ＭＧＴ５０から排出される高温の燃焼排ガスを排熱回収ボイラに導入すれば、発生した蒸気によって蒸気タービンを駆動することによる発電も組み合わせた複合発電システムの構築も可能である。
【００６９】
以下の説明では、燃料ガスとして都市ガスをＳＯＦＣモジュール２０１の外部又は内部で改質して使用し、酸化性ガスとして空気を使用する場合について説明するが、この場合の空気は、ＭＧＴ５０から供給される圧縮空気となる。又は、別に空気圧縮機を設けて空気を供給することとしても良い。
【００７０】
ＭＧＴ５０は、例えば、図８に示されるように、圧縮機５１と、燃焼器５２と、ガスタービン５３とを備えている。
圧縮機５１は、外部からフィルタ（図示無し）を介して導入した大気（空気）を圧縮するもので、この場合の駆動源はガスタービン５３となる。圧縮機５１で圧縮された圧縮空気は、燃焼器５２や再生熱交換器５５を介してＳＯＦＣモジュール２０１等へ供給される。燃焼器５２は、圧縮空気の供給を受けて燃料の都市ガスを燃焼させ、高温高圧の燃焼排ガスを生成してガスタービン５３へ供給する。この燃焼器５２には、後述する排燃料ガス供給ライン２７ｃと、都市ガス供給ライン２２から直接に都市ガス（燃料ガス）を供給する燃料ガス供給系４０とが接続されている。
【００７１】
ガスタービン５３は、燃焼排ガスを断熱膨張させた際のエネルギーにより回転して軸出力（回転動力）を発生し、この軸出力を利用して圧縮機５１及び発電機５６が駆動される。ガスタービン５３で仕事をして排出された燃焼排ガスは、再生熱交換器５５で圧縮空気を熱交換により昇温させた後、煙突６０から大気へと放出される。
【００７２】
複合発電システム１は、ＳＯＦＣモジュール２０１及びＭＧＴ５０を組み合わせて発電を行うシステムであり、燃料極１０９に燃料を供給する燃料供給系２０及び空気極１１３に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給系７０を備えている。
燃料供給系２０は、都市ガス（燃料ガス）供給ライン２２を備えている。また、図１には、燃料供給系２０として、都市ガス供給ライン２２のみを記載しているが、燃料供給系２０からＳＯＦＣモジュール２０１に供給されるのは都市ガスに限られず、図示しないラインから供給される窒素や蒸気（水）等も含まれる。
【００７３】
燃料ガス排出系２７は、ＳＯＦＣモジュール２０１に供給され発電に利用された後の排燃料ガスをＭＧＴ５０に送給する流路である。この燃料ガス排出系２７は、排燃料ブロワ２９を有し、ＳＯＦＣモジュール２０１から排出された排燃料ガスを排燃料ブロワ２９により送気する排燃料ガスライン２７ａと、排燃料ガスライン２７ａを経由してＭＧＴ５０と接続し、排燃料ガスライン２７ａの分岐点より分岐して、ＭＧＴ５０に排燃料ガスを供給する排燃料ガス供給ライン２７ｃと、排燃料ガスライン２７ａを経由して排燃料ガス供給ライン２７ｃとの分岐点から分岐して、ＳＯＦＣモジュール２０１に排燃料ガスを流通（再循環）させる再循環ライン２７ｂとを備えている。
【００７４】
酸化性ガス供給系７０は、ＭＧＴ５０の圧縮機５１で圧縮され、再生熱交換器５５で熱交換した圧縮空気（酸化性ガス）をＳＯＦＣモジュール２０１の空気極１１３に供給する流路である。
また、酸化性ガス排出系７２は、ＳＯＦＣモジュール２０１に供給され発電に利用された排酸化性ガスをＭＧＴ５０に供給する流路であって、ＳＯＦＣモジュール２０１とＭＧＴ５０との間を連結する。
【００７５】
複合発電システム１は、ＳＯＦＣモジュール２０１の気流発生機構２４０に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給系７４を備えている。酸化性ガス供給系７４は、酸化性ガス供給系７０から分岐し、酸化性ガスの一部を気流発生機構２４０の酸化性ガス供給部２４１（図４参照）に供給する。
酸化性ガス供給系７４には、圧力容器２０５の内部の下方に設けられた酸化性ガス供給部２４１に送り込む酸化性ガスの流量を調整するバルブ２７１が設けられている。このバルブ２７１は、その開度が制御装置９０によって制御される。
【００７６】
また、複合発電システム１は、酸化性ガス供給ライン７６をさらに備えている。この酸化性ガス供給ライン７６は、圧力容器２０５の内部の上部に設けた気流発生機構２４０の酸化性ガス排出部２４３（図４参照）によって、電池側断熱材２０８の外側から回収した酸化性ガスを、ガスタービン５３の燃焼器５２に供給する。この酸化性ガス供給ライン７６には、バルブ２７７が設けられている。このバルブ２７７は、その開度が制御装置９０によって制御される。
【００７７】
制御装置９０は、例えば、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、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。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、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、後述の各種機能が実現される。
【００７８】
具体的には、制御装置９０は、圧力容器２０５の内部及びセルスタック１０１の発電室２１５の少なくとも一方の温度に基づいて、バルブ２７１、２７７の開度を調整する。
図４に示すように、ＳＯＦＣモジュール２０１には、圧力容器２０５の内部の電池側断熱材２０８の外側空間Ｓ１と、電池側断熱材２０８の内側空間Ｓ２との温度を測定する温度センサ２７４，２７５が設けられている。制御装置９０は、温度センサ２７４，２７５で測定される外側空間Ｓ１，内側空間Ｓ２の温度に基づいて、バルブ２７１、２７７の開度を調整し、電池側断熱材２０８の外側で下方から上方に向かって流れる酸化性ガスの流量を調整する。
【００７９】
例えば、制御装置９０は、外側空間Ｓ１が予め定めた上限温度（例えば４００℃）以下であり、内側空間Ｓ２が予め定めた上限温度（例えば９００℃）以下であるように、バルブ２７１、２７７の開度を調整する。
また、外側空間Ｓ１の温度が予め定めた温度以上に上がった場合には、電池側断熱材２０８内から漏れている圧力容器２０５内自然対流による放熱が大きいと判断し、電池側断熱材２０８の外側で下方から上方に向かって流れる酸化性ガスの流量を増やすこともできる。
また、内側空間Ｓ２の温度が予め定めた温度以上に上がったときに、内側空間Ｓ２の酸化性ガスは通常よりも熱膨張するために電池側断熱材２０８内から漏れている酸化性ガスの量が通常運転状態よりも増えると推測判断し、外側区間Ｓ１の温度に係わらず電池側断熱材２０８の外側で下方から上方に向かって流れる酸化性ガスの流量を増やしてもよい。
また、複合発電システム１の停止動作をする時には、電池側断熱材２０８内から酸化性ガスが漏れ出ることにより発電室２１５内の降温を促進するため、電池側断熱材２０８の外側で下方から上方に向かって酸化性ガスを流すのを停止しても良い。
【００８０】
上述したような構成によれば、気流発生機構２４０によって、電池側断熱材２０８の外側で、圧力容器２０５の内部の下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させることで、圧力容器２０５の内部で冷却されて上方から下方に向かおうとする自然対流が発生するのを抑える。これによって、電池側断熱材２０８内から漏れ出る酸化性ガスの圧力容器２０５外への放熱量を低減するとともに、内の温度低下を抑えることができる。その結果、電池側断熱材２０８内の発電室２１５の温度が低下するのを抑え、発電効率の低下を効果的に抑えることができる。
また、気流発生機構２４０は、特に可動部分を備える必要が無いので、電池側断熱材２０８内の圧力が高圧化しても、高圧化に対応するために装置コストが上昇することもなく、メンテナンスも不要である。
したがって、発電室２１５の温度低下による発電効率の低下を、低コストかつ効果的に抑えることができる。
【００８１】
また、圧力容器２０５の内部の下部に設けた酸化性ガス供給部２４１から、酸化性ガスを上方に流出させ、圧力容器２０５の内部の上部に設けた酸化性ガス排出部２４３により、電池側断熱材２０８の外側の酸化性ガスを回収するようにした。これにより、電池側断熱材２０８の外側で、圧力容器２０５の内部で下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させることができる。また、酸化性ガス排出部２４３では、酸化性ガス供給部２４１から上方に向かって流出させた酸化性ガスに加えて、電池側断熱材２０８内から漏れ出た酸化性ガスも回収され、あわせて圧力容器２０５の外部に排出されて、酸化性ガス排出系７２と分けて他機器へと供給される。このようにして圧力容器２０５の外部に排出された酸化性ガスから、複合発電システム１において熱エネルギーを回収し、有効利用することが可能となる。
【００８２】
また、酸化性ガス供給部２４１と酸化性ガス排出部２４３との間に、圧力容器２０５の内面と電池側断熱材２０８の外面との間を上下に仕切るとともに、酸化性ガスを上下に流通させる流通隙間２４７を有した少なくとも１つの仕切板２４５を備えるようにした。仕切板２４５は圧力容器２０５の内面に接続されていて圧力容器２０５の内面付近での酸化性ガスが流通することを阻害する。これにより、電池側断熱材２０８の内部から外部に流出した酸化性ガスが電池側断熱材２０８の外側で上方から下方に流れる流路抵抗となり上方から下方への流れを抑えることができる。また、仕切板２４５に形成した流通隙間２４７を通し、気流発生機構２４０によって圧力容器２０５の内部で発生させた下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを維持させることができる。
【００８３】
また、酸化性ガス排出部２４３は、管体２４４と案内板２５１からなり、管体２４４は、圧力容器２０５内で上方に向かって開口する酸化性ガス取込口２４４ａを備えている。これにより、圧力容器２０５の上部に溜まる温度の高い酸化性ガスを、効率良く管体２４４に取り込むことができる。
【００８４】
さらに、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上方の圧力容器２０５内において、管体２４４の側方に案内板２５１を設けることで、相対的に温度の高い酸化性ガスは案内板２５１の上側を通り、流路の阻害を少なくして酸化性ガス取込口２４４ａから管体２４４内に取り込まれる。これにより、温度の高い酸化性ガスを効率良く選択的に管体２４４に取り込むことができる。
【００８５】
また、圧力容器２０５の内部や発電室２１５の温度に応じてバルブ２７１の開度を調整することで、電池側断熱材２０８の外側に送り込む酸化性ガスの流量を調整し、圧力容器２０５の内部や発電室２１５の温度を適切に調整することができる。その結果、発電室２１５の発電効率が低下するのを効果的に抑えることができる。
【００８６】
また、圧力容器２０５の内部の上部で、電池側断熱材２０８の外側から回収した酸化性ガスを、酸化性ガス供給ライン２７３によって、ガスタービン５３の燃焼器５２に供給するようにした。これにより、電池側断熱材２０８の外側から回収した酸化性ガスが有する熱エネルギーをガスタービン５３の回転動力として回収することが可能となり、複合発電システム１のエネルギー効率を高めることができる。
【００８７】
〔第２実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池モジュール、これを備えた複合発電システム及び燃料電池モジュールの温度調整方法の第２実施形態について説明する。なお、以下の説明において、上記第１実施形態と共通する構成については同符号を付してその説明を省略する。
図６は、本実施形態に係る気流発生機構を備えたＳＯＦＣモジュールを示す縦断面図である。図７は、本実施形態に係る気流発生機構の一部を構成するヘッダ部材の斜視図である。図８は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールを備えた複合発電システムの概略構成を示す図である。
図６に示すように、本実施形態のＳＯＦＣモジュール２０１は、気流発生機構２４０Ｂを備えている。この気流発生機構２４０Ｂは、電池側断熱材２０８の外側で、圧力容器２０５の内部の下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させる。
気流発生機構２４０Ｂは、圧力容器２０５の内部の下部に設けられた酸化性ガス供給部２４１と、圧力容器２０５の内部の上部に設けられた酸化性ガス排出部２４３Ｂと、を備えている。
【００８８】
酸化性ガス排出部２４３Ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部に設けられたヘッダ部材２６０を備えている。
【００８９】
図７に示すように、ヘッダ部材２６０は、ヘッダ部材２６０の外周沿って設けられる額縁状のダクト２６１を備えている。このダクト２６１は、上下方向において枠部材２０４および電池側断熱材２０８と連続するように設けられている。ダクト２６１は、ヘッダ部材２６０の四方に沿って連続するよう形成された断面矩形の筒状の流路である。
【００９０】
ダクト２６１の内壁面には、ダクト２６１の長手方向に沿って多数の導入孔２６２により酸化性ガスを略均等に流通できるように設けてあり、例えば均等のピッチで穿孔されている。ダクト２６１は、発電室２１５から排出された酸化性ガスを、導入孔２６２を通してその内部に導入する。
ヘッダ部材２６０には、内部に導入した酸化性ガスを圧力容器２０５の外部に排出する排出管２６３が接続されている。
【００９１】
また、ヘッダ部材２６０には、電池側断熱材２０８の外側の酸化性ガスをヘッダ部材２６０に取り込む酸化性ガス取込部２６４が形成されている。酸化性ガス取込部２６４は、圧力容器２０５の内部の上部に配置され、圧力容器２０５内で上方に向かって開口している。
【００９２】
このようなＳＯＦＣモジュール２０１は、枠部材２０４内のセルスタック１０１の発電室２１５によって昇温された酸化性ガスが電池側断熱材２０８の外側に漏れ出ると、この酸化性ガスは、圧力容器２０５内で冷却されて自然対流によって上方から下方に向かおうとする。これに対し、気流発生機構２４０Ｂによって、電池側断熱材２０８の外側で、圧力容器２０５の内部の下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させることで、圧力容器２０５の内部で冷却されて上方から下方に向かおうとする自然対流が発生するのを抑える。これによって、電池側断熱材２０８内から漏れ出る酸化性ガスの放熱量を低減し、電池側断熱材２０８内の温度低下を抑える。
【００９３】
このようなＳＯＦＣモジュール２０１によれば、気流発生機構２４０Ｂによって圧力容器２０５内で下方から上方に向かって流れる酸化性ガスを、酸化性ガス取込部２６４からヘッダ部材２６０のダクト２６１に効果的に取り込むことができる。また、ダクト２６１に取り込まれた酸化性ガスは、発電室２１５から排出された酸化性ガスとともに、排出管２６３を通して圧力容器２０５の外部に排出されても良い。
【００９４】
次に、上述したＳＯＦＣモジュール２０１を採用した複合発電システム１について説明する。
図８に示すように、複合発電システム１は、上記第一実施形態と同様、ＳＯＦＣモジュール２０１の気流発生機構２４０Ｂに酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給系７４を備えている。酸化性ガス供給系７４は、酸化性ガス供給系７０から分岐し、酸化性ガスの一部を気流発生機構２４０Ｂの酸化性ガス供給部２４１に供給する。
【００９５】
また、この実施形態では、複合発電システム１は、気流発生機構２４０Ｂによって圧力容器２０５内で下方から上方に向かって流れる酸化性ガスは、酸化性ガス取込部２６４からヘッダ部材２６０に取り込まれる。ヘッダ部材２６０に取り込まれた酸化性ガスは、圧力容器２０５の外部へ排出される。この際に上記したように、発電室２１５から排出された酸化性ガスとともに、排出管２６３を経て排出しても良く、酸化性ガス排出系７２を通してＭＧＴ５０に供給される。
【００９６】
上述したような構成によれば、気流発生機構２４０Ｂによって、電池側断熱材２０８の外側で、圧力容器２０５の内部の下方から上方に向かう酸化性ガスの流れを発生させることで、圧力容器２０５の内部で冷却されて上方から下方に向かおうとする自然対流が発生するのを抑える。これによって、電池側断熱材２０８内から漏れ出る酸化性ガスの放熱量を低減するとともに、電池側断熱材２０８内の発電室２１５の温度低下を抑えることができ、発電効率の低下を抑えることができる。また、酸化性ガス排出部２４３Ｂでは、酸化性ガス供給部２４１から上方に向かって流出させた酸化性ガスに加えて、電池側断熱材２０８内から漏れ出た酸化性ガスも回収され、あわせて圧力容器２０５の外部に排出される。このようにして圧力容器２０５の外部に排出された酸化性ガスから、複合発電システム１において熱エネルギーを回収し、有効利用することが可能となり、複合発電システム１のエネルギ効率を高めることができる。
また、気流発生機構２４０Ｂは、特に可動部分を備える必要が無いので、電池側断熱材２０８内の圧力が高圧化しても、高圧化に対応するために装置コストが上昇することもなく、メンテナンスも不要である。
したがって、発電室２１５の温度低下による発電効率の低下を、低コストかつ効果的に抑えることができる
【符号の説明】
【００９７】
１  複合発電システム
５０  マイクロガスタービン（ＭＧＴ）
５１  圧縮機
５２  燃焼器
５３  ガスタービン
９０  制御装置
１０１  セルスタック
２０１  ＳＯＦＣモジュール（燃料電池モジュール）
２０３  ＳＯＦＣカートリッジ（カートリッジ）
２０４  枠部材
２０５  圧力容器（容器）
２０８  電池側断熱材（断熱材）
２１５  発電室（発電部）
２４０、２４０Ｂ  気流発生機構
２４１  酸化性ガス供給部
２４２  管体
２４３  酸化性ガス排出部
２４３Ｂ  酸化性ガス排出部
２４４  管体
２４４ａ  酸化性ガス取込口
２４５  仕切板
２４７  流通隙間
２５１  案内板
２６０  ヘッダ部材
２６１  ダクト
２６２  導入孔
２６３  排出管
２６４  酸化性ガス取込部
２７１  バルブ
２７３  気体供給ライン
２７４、２７５  温度センサ
Ｓ１  外側空間
Ｓ２  内側空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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