(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電する燃料電池セルが収容された圧力容器を備えた燃料電池本体と、
前記燃料電池本体と燃料供給部との間に設けられ、前記燃料ガスを前記燃料電池本体に供給する燃料供給ラインと、
前記燃料電池本体と酸化剤供給部との間に設けられ、前記酸化剤ガスを前記燃料電池本体に供給する酸化剤供給ラインと、
前記燃料ガスを前記燃料電池本体の内部から外部に排出する燃料排出ラインと、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池本体の内部から外部に排出する酸化剤排出ラインと、
前記圧力容器内の前記酸化剤供給ライン及び前記酸化剤排出ラインと前記圧力容器内との間にそれぞれ設けられ、前記燃料電池の発電室内と前記圧力容器内との間で酸化剤ガスを循環させる酸化剤循環ラインと、
前記燃料供給ラインに設けられ、前記燃料供給ラインを流れる燃料ガスの流量を制御する第１流量制御弁と、
前記酸化剤供給ラインに設けられ、前記酸化剤供給ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第２流量制御弁と、
前記燃料排出ラインに設けられ、前記燃料排出ラインを流れる燃料ガスの流量を制御する第３流量制御弁と、
前記酸化剤排出ラインに設けられ、前記酸化剤排出ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第４流量制御弁と、
前記酸化剤循環ラインに設けられ、前記酸化剤循環ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第５流量制御弁と、を具備し、
前記酸化剤循環ラインは、前記圧力容器の外部に設けられた熱交換部を有することを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電する燃料電池セルが収容された圧力容器を備えた燃料電池本体と、
前記燃料電池本体と燃料供給部との間に設けられ、前記燃料ガスを前記燃料電池本体に供給する燃料供給ラインと、
前記燃料電池本体と酸化剤供給部との間に設けられ、前記酸化剤ガスを前記燃料電池本体に供給する酸化剤供給ラインと、
前記燃料ガスを前記燃料電池本体の内部から外部に排出する燃料排出ラインと、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池本体の内部から外部に排出する酸化剤排出ラインと、
前記圧力容器内の前記酸化剤供給ラインと前記酸化剤排出ラインとの間に設けられ、前記酸化剤供給ラインと前記酸化剤排出ラインとの間で酸化剤ガスを循環させる酸化剤循環ラインと、
前記燃料供給ラインに設けられ、前記燃料供給ラインを流れる燃料ガスの流量を制御する第１流量制御弁と、
前記酸化剤供給ラインに設けられ、前記酸化剤供給ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第２流量制御弁と、
前記燃料排出ラインに設けられ、前記燃料排出ラインを流れる燃料ガスの流量を制御する第３流量制御弁と、
前記酸化剤排出ラインに設けられ、前記酸化剤排出ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第４流量制御弁と、
前記酸化剤循環ラインに設けられ、前記酸化剤循環ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第５流量制御弁と、を具備し、
前記酸化剤循環ラインは、前記圧力容器の外部に設けられた熱交換部を有することを特徴とする、燃料電池。
【請求項３】
前記第１流量制御弁、前記第２流量制御弁、前記第３流量制御弁、前記第４流量制御弁、及び前記第５流量制御弁の開度を制御する制御部を備えた、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記熱交換部は、前記酸化剤循環ラインに設けられたフィンである、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記熱交換部は、前記酸化剤循環ラインに設けられた冷却器である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電する燃料電池セルが収容された圧力容器を備えた燃料電池本体と、
前記燃料電池本体と燃料供給部との間に設けられ、前記燃料ガスを前記燃料電池本体に供給する燃料供給ラインと、
前記燃料電池本体と酸化剤供給部との間に設けられ、前記酸化剤ガスを前記燃料電池本体に供給する酸化剤供給ラインと、
前記燃料ガスを前記燃料電池本体の内部から外部に排出する燃料排出ラインと、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池本体の内部から外部に排出する酸化剤排出ラインと、
前記酸化剤供給ライン及び前記酸化剤排出ラインと前記圧力容器内との間にそれぞれ設けられ、前記燃料電池の発電室内と前記圧力容器内との間で酸化剤ガスを循環させる酸化剤循環ラインと、
前記燃料供給ラインに設けられ、前記燃料供給ラインを流れる燃料ガスの流量を制御する第１流量制御弁と、
前記酸化剤供給ラインに設けられ、前記酸化剤供給ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第２流量制御弁と、
前記燃料排出ラインに設けられ、前記燃料排出ラインを流れる燃料ガスの流量を制御する第３流量制御弁と、
前記酸化剤排出ラインに設けられ、前記酸化剤排出ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第４流量制御弁と、
前記酸化剤循環ラインに設けられ、前記酸化剤循環ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第５流量制御弁と、
を具備し、
前記酸化剤循環ラインは、前記圧力容器の外部に設けられた熱交換部を有する燃料電池の運転停止方法であって、
前記燃料電池の運転停止時に、前記第２流量制御弁及び前記第４流量制御弁を閉止すると共に、前記第５流量制御弁を開放して前記酸化剤循環ラインを介して前記酸化剤ガスを前記燃料電池の発電室内と前記圧力容器内との間で循環させて前記燃料電池本体を冷却することを特徴とする、燃料電池の運転停止方法。
【請求項７】
燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電する燃料電池セルが収容された圧力容器を備えた燃料電池本体と、
前記燃料電池本体と燃料供給部との間に設けられ、前記燃料ガスを前記燃料電池本体に供給する燃料供給ラインと、
前記燃料電池本体と酸化剤供給部との間に設けられ、前記酸化剤ガスを前記燃料電池本体に供給する酸化剤供給ラインと、
前記燃料ガスを前記燃料電池本体の内部から外部に排出する燃料排出ラインと、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池本体の内部から外部に排出する酸化剤排出ラインと、
前記酸化剤供給ラインと前記酸化剤排出ラインとの間に設けられ、前記酸化剤供給ラインと前記酸化剤排出ラインとの間で酸化剤ガスを循環させる酸化剤循環ラインと、
前記燃料供給ラインに設けられ、前記燃料供給ラインを流れる燃料ガスの流量を制御する第１流量制御弁と、
前記酸化剤供給ラインに設けられ、前記酸化剤供給ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第２流量制御弁と、
前記燃料排出ラインに設けられ、前記燃料排出ラインを流れる燃料ガスの流量を制御する第３流量制御弁と、
前記酸化剤排出ラインに設けられ、前記酸化剤排出ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第４流量制御弁と、
前記酸化剤循環ラインに設けられ、前記酸化剤循環ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第５流量制御弁と、を具備し、
前記酸化剤循環ラインは、前記圧力容器の外部に設けられた熱交換部を有する燃料電池の運転停止方法であって、
前記燃料電池の運転停止時に、前記第１流量制御弁及び前記第２流量制御弁を閉止すると共に、前記第５流量制御弁を開放して前記酸化剤ガス循環ラインを介して前記燃料電池の発電室内の酸化剤ガスを循環させて前記燃料電池本体を冷却することを特徴とする、燃料電池の運転停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び燃料電池の運転停止方法に関し、例えば、複数の燃料電池を収容した発電室及び当該発電室を収容する圧力容器を備えた燃料電池及び燃料電池の運転停止方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）とガスタービンとのコンバインド発電システムにおける燃料電池の運転停止方法が提案されている。この燃料電池の運転停止方法においては、コンバインド発電システムのシステム故障が発生した場合などの燃料電池の緊急運転停止時には、燃料ガス流路からパージガスを供給して固体酸化物形燃料電池の圧力容器内の空気を排出して冷却することにより、燃料電池の損傷を防ぎつつ安全に燃料電池の運転停止が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２２７０６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、高温で運転される固体酸化物形燃料電池の緊急停止時には、燃料電池セルの損傷を防ぐために、燃料極の酸化速度及び空気極の還元速度が速く、かつ、燃料電池セルの短絡電流が大きい運転停止後の一定時間の高温時に燃料極側を還元性雰囲気に維持すると共に、空気極側を酸化雰囲気に維持する必要がある。このため、従来の固体酸化物形燃料電池では、緊急運転停止時などの燃料電池セルの保護のために、運転停止後の一定時間、空気極側に空気を供給する空気供給設備及び燃料極側に都市ガス及び水素などの燃料を供給する燃料供給設備を別途設ける必要があり、コンバインド発電システムの発電設備全体のコスト増大の要因となっている。
【０００５】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、緊急停止をした場合であっても、燃料電池セルの損傷を防ぐことができ、しかも、発電設備全体のコスト削減が可能な燃料電池及び燃料電池の運転停止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】
【０００６】
本発明の燃料電池は、燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電する燃料電池セルが収容された圧力容器を備えた燃料電池本体と、前記燃料電池本体と燃料供給部との間に設けられ、前記燃料ガスを前記燃料電池本体に供給する燃料供給ラインと、前記燃料電池本体と酸化剤供給部との間に設けられ、前記酸化剤ガスを前記燃料電池本体に供給する酸化剤供給ラインと、前記燃料ガスを前記燃料電池本体の内部から外部に排出する燃料排出ラインと、前記酸化剤ガスを前記燃料電池本体の内部から外部に排出する酸化剤排出ラインと、前記圧力容器内の前記酸化剤供給ライン及び前記酸化剤排出ラインと前記圧力容器内との間にそれぞれ設けられ、前記燃料電池の発電室内と前記圧力容器内との間で酸化剤ガスを循環させる酸化剤循環ラインと、前記燃料供給ラインに設けられ、前記燃料供給ラインを流れる燃料ガスの流量を制御する第１流量制御弁と、前記酸化剤供給ラインに設けられ、前記酸化剤供給ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第２流量制御弁と、前記燃料排出ラインに設けられ、前記燃料排出ラインを流れる燃料ガスの流量を制御する第３流量制御弁と、前記酸化剤排出ラインに設けられ、前記酸化剤供給ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第４流量制御弁と、前記酸化剤循環ラインに設けられ、前記酸化剤循環ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第５流量制御弁と、を具備することを特徴とする。
【０００７】
本発明の燃料電池によれば、燃料電池の運転停止時に、第１流量制御弁及び第２流量制御弁を閉止すると共に、第５流量制御弁を開放することにより、発電室内の酸化剤ガスを発電室内と当該発電室内より低温の圧力容器内との間で循環させて燃料電池本体を冷却できるので、燃料電池が緊急停止をした場合であっても、別途設けられた空気供給設備から空気供給ラインを介して燃料電池本体に空気を供給する必要がない。これにより、燃料電池は、緊急停止をした場合であっても、燃料電池セルの損傷を防ぐことがでるだけでなく、緊急停止用の空気供給設備を設ける必要がないので、発電設備全体のコスト削減が可能となる。
【０００８】
本発明の燃料電池は、燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電する燃料電池セルが収容された圧力容器を備えた燃料電池本体と、前記燃料電池本体と燃料供給部との間に設けられ、前記燃料ガスを前記燃料電池本体に供給する燃料供給ラインと、前記燃料電池本体と酸化剤供給部との間に設けられ、前記酸化剤ガスを前記燃料電池本体に供給する酸化剤供給ラインと、前記燃料ガスを前記燃料電池本体の内部から外部に排出する燃料排出ラインと、前記酸化剤ガスを前記燃料電池本体の内部から外部に排出する酸化剤排出ラインと、前記圧力容器内の前記酸化剤供給ラインと前記酸化剤排出ラインとの間に設けられ、前記酸化剤供給ラインとの間で酸化剤ガスを循環させる酸化剤循環ラインと、前記燃料供給ラインに設けられ、前記燃料供給ラインを流れる燃料ガスの流量を制御する第１流量制御弁と、前記酸化剤供給ラインに設けられ、前記酸化剤供給ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第２流量制御弁と、前記燃料排出ラインに設けられ、前記燃料排出ラインを流れる燃料ガスの流量を制御する第３流量制御弁と、前記酸化剤排出ラインに設けられ、前記酸化剤供給ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第４流量制御弁と、前記酸化剤循環ラインに設けられ、前記酸化剤循環ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第５流量制御弁と、を具備することを特徴とする。
【０００９】
本発明の燃料電池によれば、燃料電池の運転停止時に、第１流量制御弁及び第２流量制御弁を閉止すると共に、第５流量制御弁を開放することにより、発電室内の酸化剤ガスを発電室内と当該発電室内より低温の発電室外との間で循環させて燃料電池本体を冷却できるので、燃料電池が緊急停止をした場合であっても、別途設けられた空気供給設備から空気供給ラインを介して燃料電池本体に空気を供給する必要がない。これにより、燃料電池は、緊急停止をした場合であっても、燃料電池セルの損傷を防ぐことがでるだけでなく、緊急停止用の空気供給設備を設ける必要がないので、発電設備全体のコスト削減が可能となる。
【００１０】
本発明の燃料電池においては、前記第１流量制御弁、前記第２流量制御弁、前記第３流量制御弁、前記第４流量制御弁、及び前記第５流量制御弁の開度を制御する制御部を備えたことが好ましい。この構成により、緊急停止時に第１流量制御弁、第２流量制御弁、第３流量制御弁、第４流量制御弁、及び第５流量制御弁をそれぞれ任意に制御できるので、燃料電池本体をより一層効率よく冷却することができる。
【００１１】
本発明の燃料電池においては、前記酸化剤循環ラインは、前記圧力容器の外部に設けられた熱交換部を有することが好ましい。この構成により、圧力容器内より低温の圧力容器外に設けられた熱交換部によって酸化剤循環ラインを流れる酸化剤ガスを冷却できるので、燃料電池本体をより一層効率よく冷却することができる。
【００１２】
本発明の燃料電池においては、前記熱交換部は、前記酸化剤循環ラインに設けられたフィンであることが好ましい。この構成により、熱交換部に設けられたフィンによって酸化剤循環ラインを流れる酸化剤ガスを冷却できるので、燃料電池本体をより一層効率よく冷却することができる。
【００１３】
本発明の燃料電池においては、前記熱交換部は、前記酸化剤循環ラインに設けられた冷却器であることが好ましい。この構成により、熱交換部に供給された熱媒によって酸化剤循環ラインを流れる酸化剤ガスを冷却できるので、燃料電池本体をより一層効率よく冷却することができる。
【００１４】
本発明の燃料電池の運転停止方法は、燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電する燃料電池セルが収容された発電室及び前記発電室が収容された圧力容器を備えた燃料電池本体と、前記燃料電池本体と燃料供給部との間に設けられ、前記燃料ガスを前記燃料電池本体に供給する燃料供給ラインと、前記燃料電池本体と酸化剤供給部との間に設けられ、前記酸化剤ガスを前記燃料電池本体に供給する酸化剤供給ラインと、前記燃料ガスを前記燃料電池本体の内部から外部に排出する燃料排出ラインと、前記酸化剤ガスを前記燃料電池本体の内部から外部に排出する酸化剤排出ラインと、前記酸化剤供給ライン及び前記酸化剤排出ラインと前記圧力容器内との間にそれぞれ設けられ、前記燃料電池の発電室と前記圧力容器内との間で酸化剤ガスを循環させる酸化剤循環ラインと、前記燃料供給ラインに設けられ、前記燃料供給ラインを流れる燃料ガスの流量を制御する第１流量制御弁と、前記酸化剤供給ラインに設けられ、前記酸化剤供給ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第２流量制御弁と、前記燃料排出ラインに設けられ、前記燃料排出ラインを流れる燃料ガスの流量を制御する第３流量制御弁と、前記酸化剤排出ラインに設けられ、前記酸化剤供給ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第４流量制御弁と、前記酸化剤循環ラインに設けられ、前記酸化剤循環ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第５流量制御弁と、を具備する燃料電池の運転停止方法であって、前記燃料電池の運転停止時に、前記第１流量制御弁及び前記第２流量制御弁を閉止すると共に、前記第５流量制御弁を開放して前記酸化剤循環ラインを介して前記酸化剤ガスを前記発電室内と前記圧力容器内との間で循環させて前記燃料電池本体を冷却することを特徴とする。
【００１５】
本発明の燃料電池の停止方法によれば、燃料電池が運転停止時に、発電室内の酸化剤ガスを発電室内と当該発電室内より低温の圧力容器内との間で循環させて燃料電池本体を冷却できるので、燃料電池が緊急停止をした場合であっても、別途設けられた空気供給設備から空気供給ラインを介して燃料電池本体に空気を供給する必要がない。これにより、燃料電池の運転方法は、緊急停止をした場合であっても、燃料電池セルの損傷を防ぐことがでるだけでなく、緊急停止用の空気供給設備を設ける必要がないので、発電設備全体のコスト削減が可能となる。
【００１６】
本発明の燃料電池の運転停止方法は、燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電する燃料電池セルが収容された圧力容器を備えた燃料電池本体と、前記燃料電池本体と燃料供給部との間に設けられ、前記燃料ガスを前記燃料電池本体に供給する燃料供給ラインと、前記燃料電池本体と酸化剤供給部との間に設けられ、前記酸化剤ガスを前記燃料電池本体に供給する酸化剤供給ラインと、前記燃料ガスを前記燃料電池本体の内部から外部に排出する燃料排出ラインと、前記酸化剤ガスを前記燃料電池本体の内部から外部に排出する酸化剤排出ラインと、前記酸化剤供給ラインに設けられ、前記酸化剤供給ラインとの間で酸化剤ガスを循環させる酸化剤循環ラインと、前記燃料供給ラインに設けられ、前記燃料供給ラインを流れる燃料ガスの流量を制御する第１流量制御弁と、前記酸化剤供給ラインに設けられ、前記酸化剤供給ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第２流量制御弁と、前記燃料排出ラインに設けられ、前記燃料排出ラインを流れる燃料ガスの流量を制御する第３流量制御弁と、前記酸化剤排出ラインに設けられ、前記酸化剤供給ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第４流量制御弁と、前記酸化剤循環ラインに設けられ、前記酸化剤循環ラインを流れる酸化剤ガスの流量を制御する第５流量制御弁と、を具備する燃料電池の運転停止方法であって、前記燃料電池の運転停止時に、前記第１流量制御弁及び前記第２流量制御弁を閉止すると共に、前記第５流量制御弁を開放して前記酸化剤ガス循環ラインを介して前記発電室内の酸化剤ガスを循環させて前記燃料電池本体を冷却することを特徴とする。
【００１７】
本発明の燃料電池の運転方法によれば、燃料電池の運転停止時に、発電室内の酸化剤ガスを発電室内と当該発電室内より低温の発電室外との間で循環させて燃料電池本体を冷却できるので、燃料電池が緊急停止をした場合であっても、別途設けられた空気供給設備から空気供給ラインを介して燃料電池本体に空気を供給する必要がない。これにより、燃料電池の運転方法は、緊急停止をした場合であっても、燃料電池セルの損傷を防ぐことがでるだけでなく、緊急停止用の空気供給設備を設ける必要がないので、発電設備全体のコスト削減が可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、緊急停止をした場合であっても、燃料電池セルの損傷を防ぐことができ、しかも、発電設備全体のコスト削減が可能な燃料電池及び燃料電池の運転停止方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係るコンバインド発電システムの系統図である。
【図２】図２は、一般的な燃料電池モジュールの模式図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池モジュールの模式図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池モジュールの運転停止方法の説明図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池モジュールの緊急時の運転停止方法の説明図である。
【図６】図６は、燃料電池モジュール２の燃料電池セルのセルスタックの温度と時間との関係を示す図である。
【図７】図７は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池モジュールの模式図である。
【図８】図８は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池モジュールの緊急時の運転停止方法の説明図である。
【図９】図９は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池モジュールの他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態に限定されるものではなく、適宜変更して実施可能である。また、以下の各実施の形態は適宜組み合わせて実施可能である。また、各実施の形態において共通する構成要素には同一の符号を付し、説明の重複を避ける。
【００２１】
図１は、本発明の実施の形態に係るコンバインド発電システムの系統図である。図１に示すように、本実施の形態のコンバインド発電システム１は、水素及び都市ガスなどの燃料ガス及び空気などの酸化剤ガスにより発電する固体酸化物形燃料電池を備えた燃料電池モジュール２と、発電機Ｇが接続されたマイクロガスタービン３とを具備する。このコンバインド発電システム１においては、イオン導電率を高めるために作動温度が高くされた固体酸化物形燃料電池を用いることにより、マイクロガスタービン３の排ガス熱を利用して高温とされた吐出空気を空気極側に供給する酸化剤ガスとして使用できる。また、固体酸化物形燃料電池で使用されなかった高温の燃料をマイクロガスタービン３の燃料として使用できるので、優れた発電効率を実現することが可能となる。
【００２２】
ガスタービン３は、外気を吸入して圧縮する空気圧縮機３１と、空気圧縮機３１で圧縮された空気に燃料ガスを噴射して、高温燃焼ガスを生成する燃焼機３２と、燃焼機３２により生成された高温燃焼ガスの供給を受けて回転駆動力を発生させ、この回転駆動力をロータ３３に伝達するタービン３４とを備える。空気圧縮機３１とタービン３４のロータ３３とは、互いに連結されている。タービン３４には、タービン３４を回転駆動した後の高温燃焼ガスを排ガスとして外部に導くガスタービン排ガスダクト３５が設けられている。
【００２３】
燃料電池モジュール２は、圧力容器２１と、圧力容器２１の内部に収納された少なくとも一つのカートリッジ２２とを備える。カートリッジ２２は、燃料ガスＦ１及び空気Ｏ１の供給を受けて発電する。カートリッジ２２には、燃料供給部４１から燃料ガスＦ１を供給する燃料供給配管（燃料供給ライン）Ｌ１と、ガスタービン３から空気Ｏ１を供給する空気供給配管（酸化剤ガス供給ライン）Ｌ２とが接続されている。
【００２４】
また、コンバインド発電システム１は、カートリッジ２２における発電に用いられた排空気Ｏ２を、カートリッジ２２から排出される排出燃料ガスＦ２を燃焼機３２に供給する燃料排出配管（燃料排出ライン）Ｌ３と、ガスタービン３の燃焼機３２に供給する空気排出配管（酸化剤ガス排出ライン）Ｌ４と、を備える。この排出燃料ガスＦ２には、カートリッジ２２の通過後も燃焼ガスの成分が残存している。
【００２５】
燃料供給配管Ｌ２には、燃料供給部２０から燃料電池モジュール２に向かって順に、燃料分岐配管Ｌ５との接続部、燃料流量調整弁Ｖ１、及び燃料再循環配管Ｌ６との接続部が設けられている。燃料流量調整弁Ｖ１は、燃料電池モジュール２に供給する燃料ガスＦ１の流量を調整する。
【００２６】
燃料排出配管Ｌ３には、カートリッジ２２から燃焼機３２に向かって順に、燃料排出量制御弁Ｖ３、ベント配管Ｌ７との接続部、燃料再循環配管Ｌ６との接続部、排出流量制御弁Ｖ５が設けられている。燃料排出量制御弁Ｖ３は、燃料排出配管Ｌ３に流れる排出燃料ガスＦ２の流量を調整することで、燃料電池モジュール２の燃料側の運転圧力を調整する。また、排出流量制御弁Ｖ５は、燃焼機３２に供給する排出燃料ガスＦ２の流量を調整する。
【００２７】
燃料分岐配管Ｌ５は、燃料ガスＦ１を燃焼機３２に直接導入する。燃料分岐配管Ｌ５には、燃焼機３２に供給する燃料ガスの流量を調整する燃料分岐調整弁Ｖ２が設けられている。燃料再循環配管Ｌ６は、燃料排出配管Ｌ３と燃料供給配管Ｌ２との間に接続されている。この燃料再循環配管Ｌ６は、排出燃料ガスＦ２の一部を燃料供給配管Ｌ２に再循環させる。燃料再循環配管Ｌ６には、燃料再循環配管Ｌ６を流れる排出燃料ガスＦ２の流量を調整する再循環流量調整弁Ｖ４が設けられている。
【００２８】
ベント配管Ｌ７は、一方の端部が燃料排出配管Ｌ３に接続され、他方の端部が外部に開放されている。ベント配管Ｌ７は、排出燃料ガスＦ２の一部を外部に放出する配管であるが接続されている。ベント配管Ｌ７には、外部に放出される排出燃料ガスＦ２の流量を制御する排出流量制御弁Ｖ６が設けられている。
【００２９】
空気供給配管Ｌ１は、ガスタービン３の空気圧縮機３１で圧縮された空気Ｏ１をカートリッジ２２に導く配管である。空気供給配管Ｌ１には、燃料電池モジュール２に供給する空気Ｏ１の流量を調整する空気流量調整弁Ｖ７が設けられている。空気供給配管Ｌ１からは、空気Ｏ１を空気排出配管Ｌ４へ分岐する空気分岐配管Ｌ８が設けられており、空気分岐配管Ｌ８には、空気排出配管Ｌ４へバイパスする空気Ｏ１の流量を調整する空気分岐調整弁Ｖ８が設けられている。また、また、空気排出配管Ｌ４には、燃焼機３２に供給する空気Ｏ２の流量を調整する排空気流量調整弁Ｖ９が設けられている。
【００３０】
また、コンバインド発電システム１は、各弁の開度を制御する制御装置４３を備える。制御装置４３は、燃料電池モジュール２の内圧を管理し、各弁の開度を制御する。
【００３１】
燃料ガスＦ１としては、例えば、水素、一酸化炭素、メタンなどの炭化水素系ガス、石炭などの炭素質原料のガス化により得られたガス化ガスなどを用いることができる。これらの燃料ガスＦ１は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００３２】
酸化剤ガスとしては、空気圧縮機３１が圧縮した空気Ｏ１だけでなく、例えば、排燃焼ガスと空気との混合ガス及び酸素と空気との混合ガスなどの酸素を１５体積％以上３０体積％以下含むガスなどを用いることができる。
【００３３】
次に、燃料電池モジュール２の構成について説明する。図２は、一般的な燃料電池モジュール２００の模式図である。図２に示すように、燃料電池モジュール２００は、略円筒形状をなしており、円筒形状の胴部と、この胴部の筒軸方向における両端部に設けられた半球状の鏡部とを有する圧力容器２１と、この圧力容器２１内に配置された複数のカートリッジ２２を備える。
【００３４】
圧力容器２１は、例えば、内部の圧力が０．１ＭＰａ以上約５ＭＰａ以下、内部の温度が大気温度以上約５５０℃以下で用いられる。圧力容器２１は、空気Ｏ１中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性の観点から、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス系材料で形成される。
【００３５】
カートリッジ２２は、内部に燃料電池セルの集合体である複数のセルスタック２２１を備える。このセルスタック２２１は、円筒形状の基体管と、この基体管の外周面に形成された複数の燃料電池セルと、隣り合う燃料電池セルの間に形成されているインターコネクタとを有する。燃料電池セルは、燃料極と固体電解質と空気極とが積層して形成される。本実施の形態では、この円筒形状（又は管形状）のセルスタック２２１の内周側に燃料ガスＦ１が通り、外周側に空気Ｏ１が通る。複数の燃料電池セルが設けられたセルスタック２２１の中央部は、カートリッジ２２内の発電室２２２内に配置される。この発電室２２２では、セルスタック２２２の長手方向における中央部付近の温度は、燃料電池モジュール２の定常運転時に、例えば、７００℃以上１１００℃以下の高温雰囲気となる。
【００３６】
燃料電池モジュール２００の燃料供給配管Ｌ１には、燃料電池モジュール２の運転停止時に別途設けられた水素供給設備５１から燃料供給配管Ｌ１に水素ガスを供給する水素供給配管Ｌ９が接続される。この水素供給配管Ｌ９には、水素供給配管Ｌ９を流れる水素ガスの流量を制御する流量制御弁Ｖ１０が設けられている。
【００３７】
燃料電池モジュール２００の空気供給配管Ｌ２には、燃料電池モジュール２の運転停止時に別途設けられた空気供給設備５２から空気供給配管Ｌ２に空気を供給する空気供給配管Ｌ１０が接続される。この空気供給配管Ｌ１０には、空気供給配管Ｌ１０を流れる水素ガスの流量を制御する流量制御弁Ｖ１１が設けられている。
【００３８】
次に、一般的な燃料電池モジュール２００の緊急時の運転停止方法について説明する。一般的な燃料電池モジュール２では、制御部４３が、緊急時に燃料供給配管Ｌ１の流量制御弁Ｖ１及び空気供給配管Ｌ２の流量制御弁Ｖ７を閉止し、燃料排出配管Ｌ３の流量制御弁Ｖ３、空気排出配管Ｌ４の流量制御弁Ｖ９、水素供給配管Ｌ９の流量制御弁Ｖ１０及び空気供給配管Ｌ１０の流量制御弁Ｖ１１を開放する。そして、制御部４３は、燃料電池モジュール２に水素供給設備５１から燃料供給配管Ｌ１に水素を供給すると共に、及び空気供給設備５２から空気を供給する。これにより、緊急時の運転停止時直後に高温（例えば、９００℃）の発電室２２内の燃料電池セルの空気極に十分な空気が供給されると共に、燃料極に十分な空気が供給されるので、燃料電池セルの燃料極及び空気極の損傷を防ぐことが可能となる。
【００３９】
（第１の実施の形態）
次に、本実施の第１の実施の形態に係る燃料電池モジュール２の構成について説明する。図３は、本実施の第１の実施の形態に係る燃料電池モジュール２の模式図である。図３に示すように、本実施の形態に係る燃料電池モジュール２は、上述した一般的な燃料電池モジュール２の構成に加えて、空気供給配管Ｌ２に接続された空気循環配管Ｌ２１と、空気排出配管Ｌ４に接続された空気循環配管Ｌ２２とを備える。空気循環配管Ｌ２１は、一端が空気供給配管Ｌ２に接続され、他端が圧力容器２１内で解放され、中央部が圧力容器２１外に設けられている。また、空気循環配管Ｌ２１には、当該空気循環配管Ｌ２１を流れる空気の流量を制御する流量制御弁Ｖ２１が設けられている。空気循環配管Ｌ２２は、一端が空気排出配管Ｌ４に接続され、他端が圧力容器２１内で解放され、中央部が圧力容器２１外に設けられている。また、空気循環配管Ｌ２２には、当該空気循環配管Ｌ２２を流れる空気の流量を制御する流量制御弁Ｖ２２が設けられている。このように空気循環配管Ｌ２１，Ｌ２２を設けることにより、水素供給設備５１及び空気供給設備５２を設けることなく、燃料電池モジュール２の緊急時の運転停止が可能となる。
【００４０】
次に、図４を参照して本実施の形態に係る燃料電池モジュール２の運転停止方法の原理について説明する。図４は、本実施の形態に係る燃料電池モジュール２の運転停止方法の説明図である。なお、図４においては、燃料電池モジュール２のカートリッジ２２の発電室２２２に通気孔２２２ａを設けた例について示している。図４に示すように、燃料電池モジュール２の運転停止直後には、カートリッジ２２の発電室２２２内は、高温（例えば、９００℃）になるのに対し、カートリッジ２２外の圧力容器２１内は、低温（例えば、４５０℃）となる。このため、発電室２２２内に存在する空気に対して、圧力容器２１外の空気は相対的に密度が高くなる。したがって、発電室２２２に通気孔２２２ａを設けた場合には、相対的に密度が小さい発電室２２２内の空気は、通気口２２２ａを介してカートリッジ２２外の圧力容器２１内に流れる一方、圧力容器２１内の空気は、通気口２２２ａを介して発電室２２２内に流れ込む。この結果、２つの通気口２２２ａを介して空気Ａが自然対流して循環する流れが生じるので、発電室２２２が冷却される。
【００４１】
図５は、本実施の形態に係る燃料電池モジュール２の緊急時の運転停止方法の説明図である。なお、図５においては、説明の便宜上、燃料供給配管Ｌ１及び燃料排出配管Ｌ３を省略して示している。図５に示すように、本実施の形態に係る燃料電池モジュール２の運転停止方法では、制御部４３が、緊急時に空気供給配管Ｌ２の流量制御弁Ｖ７及び空気排出配管Ｌ４の流量制御弁Ｖ９を閉止し、空気循環配管Ｌ２１の流量調整弁Ｖ２１及び空気循環配管Ｌ２２の流量制御弁Ｖ２２を開放する。これにより、緊急時の運転停止時直後に高温（例えば、９００℃）のカートリッジ２２内の発電室２２２内の空気Ａが、低温（例えば、４５０℃）の圧力容器２１内に排出されると共に、低温の（例えば、４５０℃）の圧力容器２１内の空気Ａが、カートリッジ２２内の発電室２２２内に侵入する。この結果、外部に別途空気供給設備を設けることなく、燃料電池セルを速やかに冷却することが可能となる。
【００４２】
図６は、燃料電池モジュール２の燃料電池セルのセルスタックの温度と時間との関係を示す図である。図６に示すように、燃料電池モジュール２の緊急停止時には、セルスタックの温度は、所定温度ｔａ（例えば、９００℃）での通常運転期間ｔ１後、所定時間後に冷却後に燃料電池セルの燃料極及び空気極の損傷を防ぐことができる所定温度ｔｂに冷却される。図２に示したような一般的な燃料電池モジュール２００の緊急時の運転停止方法では、セルスタックの温度は、図６の実線Ｌ１００に示すように、所定時間ｔ２を経過して緩やかに所定温度ｔｂまで硬化する。これに対して、本実施の形態に係る燃料電池モジュール２では、緊急停止後、上述したように、燃料電池モジュール２の各カートリッジ２２の発電室２２２内の高温の空気と圧力容器２１の低温の空気とが速やかに循環するので、図６の点線Ｌ２００に示すように、所定時間ｔ２より短い所定時間ｔ３で所定温度ｔ３まで降下する。このように、本実施の形態に係る燃料電池モジュール２の運転停止方法によれば、緊急停止時の運転停止後に速やかに燃料電池セルのセルスタックの温度を空気極及び燃料極の酸化還元速度が速い高温領域Ａ１内から高温領域Ａ１外に降下して高温速度が向上させることができるので、燃料電池モジュール２に対する緊急運転停止時用の水素供給設備５１及び空虚供給設備５２を設けることなく、燃料電池モジュール２の燃料電池セルの空気極及び燃料極の損傷を防いで安全に燃料電池モジュール２を停止することが可能となる。
【００４３】
以上説明したように、本実施の形態に係る燃料電池モジュール２によれば、燃料電池モジュール２の運転停止時に、空気供給配管Ｌ２の流量制御弁Ｖ７及び空気排出配管Ｌ４の流量制御弁Ｖ９を閉止すると共に、空気循環配管Ｌ２１，Ｌ２２の流量制御弁Ｖ２１，Ｖ２２を開放することにより、発電室２２２内の空気Ａを発電室２２２内と当該発電室２２２内より低温の圧力容器２１内との間で循環させて燃料電池モジュール２を冷却できるので、燃料電池モジュール２が緊急停止をした場合であっても、別途設けられた空気供給設備５２から空気供給配管を介して燃料電池本体に空気を供給する必要がない。これにより、燃料電池モジュール２は、緊急停止をした場合であっても、燃料電池セルの損傷を防ぐことがでるだけでなく、緊急停止用の空気供給設備５１を設ける必要がないので、発電設備全体のコスト削減が可能となる。
【００４４】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、以下においては、上述した第１の実施の形態との相違点について説明し、説明の重複を避ける。また、上述した第１の実施の形態と共通する構成要素には、同一の符号を付している。
【００４５】
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池モジュール２の模式図である。図７に示すように、本実施の形態に係る燃料電池モジュール２は、上述した第１の実施の形態に係る燃料電池モジュール２の空気循環配管Ｌ２１，Ｌ２２に代えて、一端が空気供給配管Ｌ２に接続され、他端が空気排出配管Ｌ４に接続された空気循環配管Ｌ２３を備える。この空気循環配管Ｌ２３は、圧力容器２１内の一端部から圧力容器２１外に配置された中央部を経て他端部が圧力容器２１内に配置されている。また、空気循環配管Ｌ２３には、当該空気循環配管Ｌ２３を流れる空気の流量を制御する流量制御弁Ｖ２３が設けられている。その他の構成については、上述した第１の実施の形態に係る燃料電池モジュール２と同一のため説明を省略する。
【００４６】
図８は、本実施の形態に係る燃料電池モジュール２の緊急時の運転停止方法の説明図である。なお、図８においては、説明の便宜上、燃料供給配管Ｌ１及び燃料排出配管Ｌ３を省略して示している。図８に示すように、本実施の形態に係る燃料電池モジュール２の運転停止方法では、制御部４３が、緊急時に空気供給配管Ｌ２の流量制御弁Ｖ７及び空気排出配管Ｌ４の流量制御弁Ｖ９を閉止し、空気循環配管Ｌ２３の流量調整弁Ｖ２３を開放する。これにより、緊急時の運転停止時直後に高温（例えば、９００℃）のカートリッジ２２内の発電室２２２内の空気Ａが、低温（例えば、４５０℃）の圧力容器２１内に排出されると共に、低温の（例えば、４５０℃）の圧力容器２１内の空気Ａが、カートリッジ２２内の発電室２２２内に侵入する。この結果、外部に別途空気供給設備を設けることなく、燃料電池セルを速やかに冷却することが可能となる。そして、本実施の形態においては、空気循環配管Ｌ２３の中央部が圧力容器２１外に配置されているので、圧力容器２１の空気をより効率良く冷却することが可能となる。また、本実施の形態においては、上述した空気循環配管Ｌ２１，Ｌ２２にそれぞれ流量制御弁Ｖ２１，Ｖ２２を設ける第１の実施の形態に対して、空気循環配管Ｌ２３に一つの流量制御弁Ｖ２３を設けるので、流量制御弁の数を削減してコストを削減することが可能となる。
【００４７】
図９は、本実施の形態に係る燃料電池モジュール２の他の例を示す図である。図９に示すように、本実施の形態においては、圧力容器２１外の空気循環配管Ｌ２３の一部に熱交換部が設けられている。この熱交換部２３は、例えば、空気循環配管Ｌ２３に設けられたフィン及び熱交換器などにより構成され、空気循環配管Ｌ２３内を流れる空気を冷却する。このように、空気循環配管Ｌ２３に熱交換部２３を設けることにより、空気循環配管Ｌ２３内を流れる空気Ａをより一層効率良く冷却できるので、燃料電池モジュール２の緊急運転停止時の降温速度を更に向上させることが可能となる。
【００４８】
なお、上述した各実施の形態においては、空気循環配管Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３の一部が圧力容器２１外に設けられる例について説明したが、空気循環配管Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３は、必ずしも一部を圧力容器２１外に設ける必要はなく、全体を圧力容器２１内に設けてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１  コンバインド発電システム
２，２００  燃料電池モジュール
２１  圧力容器
２２  カートリッジ
２２１  セルスタック
２２２  発電室
２２２ａ  通気孔
２３  熱交換部
３  マイクロガスタービン３
３１  空気圧縮機
３２  燃焼機３２
３３  ロータ
３４  タービン
３５  排ガスダクト３５
４１  燃料供給部
４２  空気供給部
４３  制御部
５１  水素供給設備
５２  空気供給設備
Ｆ１  燃料ガス
Ｌ１  燃料供給配管
Ｌ２  空気供給配管
Ｌ３  燃料排出配管
Ｌ４  空気排出配管
Ｌ５  燃料分岐配管
Ｌ６  燃料再循環配管
Ｌ７  ベント配管
Ｌ８  空気分岐配管
Ｌ９  水素供給配管
Ｌ１０  空気供給配管
Ｏ１  空気
Ｏ２  排出空気
Ｆ１  燃料ガス
Ｆ２  排出燃料ガス
Ｖ１  燃料流量調整弁
Ｖ２  燃料分岐調整弁
Ｖ４  再循環流量調整弁
Ｖ５  排出流量制御弁
Ｖ６  排出流量制御弁
Ｖ７  空気流量調整弁
Ｖ８  空気分岐調整弁
Ｖ９  排空気流量調整弁
Ｖ１０，Ｖ１１流量制御弁
【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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【図９】
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