(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極および空気極を備える燃料電池本体と、
燃料ガス源から前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統と、
該燃料ガス供給系統に設けられ前記燃料電池本体に供給される燃料ガスを貯留する燃料ガスバッファタンクと、
前記燃料ガス源からの燃料ガスの供給停止を検知する燃料ガス供給停止検知部と、
前記燃料極出口の排燃料ガスの圧力を低下させる燃料ガス圧力低下手段と、
前記燃料ガス供給停止検知部によって前記燃料ガス源からの燃料ガスの供給停止が検知された場合に、前記燃料ガス圧力低下手段によって前記燃料電池本体の圧力を低下させることで前記燃料ガス供給系統内の燃料ガス圧力を低下させ、前記燃料ガスバッファタンクから燃料ガスを供給する制御部と、
を備えていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記空気極出口の排酸化性ガスの圧力を低下させる空気圧力低下手段と、
前記排燃料ガスと前記排酸化性ガスの差圧を所定値内に保持しながら、前記排燃料ガスと前記排酸化性ガスを排出する均圧化手段とを備え、
前記燃料ガス供給停止検知部によって前記燃料ガス源からの燃料ガスの供給停止が検知された場合に、前記燃料ガス圧力低下手段と前記空気圧力低下手段は、前記均圧化手段を用いて前記燃料電池本体の圧力を低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料ガスバッファタンクから供給される燃料ガスの流量を制御する流量制御弁と、
前記燃料電池本体の温度を計測する温度センサと、
を備え、
前記制御部は、前記燃料ガス供給停止検知部によって燃料ガスの供給停止が検知された場合に、前記温度センサによって計測された前記燃料電池本体の温度変化に応じて、前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料ガス供給系統に水を供給する水供給部を備え、
前記制御部は、前記燃料ガス供給停止検知部によって燃料ガスの供給停止が検知された場合に、前記水供給部から前記燃料ガス供給系統に水を供給することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料ガス供給系統に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池本体が所定温度まで降下した場合に、前記燃料ガスバッファタンクから前記燃料ガス供給系統への燃料ガスの供給を、前記不活性ガス供給部から前記燃料ガス供給系統への不活性ガスの供給に切り換えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記所定温度は、水による燃料ガスの改質が可能であり、かつ、不活性ガスによる前記燃料極の劣化を回避できる温度とされていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池と、
前記燃料電池本体から導かれた排燃料ガスを燃焼することによって動作するガスタービン装置と、
該ガスタービン装置によって駆動される発電機と、
を備えていることを特徴とする燃料電池複合発電システム。
【請求項８】
燃料極および空気極を備える燃料電池本体と、
燃料ガス源から前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統と、
該燃料ガス供給系統に設けられ前記燃料電池本体に供給される燃料ガスを貯留する燃料ガスバッファタンクと、
前記燃料ガス源からの燃料ガスの供給停止を検知する燃料ガス供給停止検知部と、
前記燃料極出口の排燃料ガス圧力を低下させる燃料ガス圧力低下手段と、
前記燃料ガス供給系統に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部と、
を備えた燃料電池の停止方法であって、
前記燃料ガス供給停止検知部によって前記燃料ガス源からの燃料ガスの供給停止が検知された場合に、前記燃料ガス圧力低下手段によって前記燃料電池本体の圧力を低下させることで前記燃料ガス供給系統内の燃料ガス圧力を低下させ、前記燃料ガスバッファタンクから燃料ガスを供給し、
前記燃料電池本体が所定温度まで降下した場合に、前記燃料ガスバッファタンクから前記燃料ガス供給系統への燃料ガスの供給を、不活性ガス供給部から前記燃料ガス供給系統への不活性ガスの供給に切り換えることを特徴とする燃料電池の停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の異常停止時に伴う停止動作を行う燃料電池及び燃料電池複合発電システム並びに燃料電池の停止方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｃｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、高効率な燃料電池として知られている。固体酸化物形燃料電池（以下、単に「燃料電池」という。）は、イオン電導率を高めるために作動温度が例えば７００℃から１０００℃といったように高くされているので、マイクロガスタービン装置と組み合わせた燃料電池（ＳＯＦＣ）複合発電システムがある。このとき、酸化性ガスとしての空気は、マイクロガスタービン装置の圧縮器から吐出され、マイクロガスタービン装置の排ガス熱を利用して加熱された吐出空気を燃料電池の空気極側に供給して熱エネルギを利用することが有効である。また、燃料電池で利用できなかった高温の排出燃料の一部をマイクロガスタービン装置の燃焼器の燃料として使用することで、燃料電池複合発電システムの効率向上ができる。
【０００３】
このような燃料電池を通常停止する場合、燃料極は成分であるＮｉが酸化して堆積変化を生じることで、燃料極をはじめ固体電解質、空気極、インターコネクタなどが損傷を生じないように燃料ガス供給系統を還元性雰囲気に維持することで、燃料電池セルが破損することなく停止することが求められる。燃料電池は、発電を停止した直後は、発電室温度が高い（すなわち燃料電池セルの温度が高い）ので、都市ガス（燃料ガス）と水蒸気を供給することで内部改質させて水素と一酸化炭素を発生させ、燃料ガス供給系統を還元性雰囲気に維持するとともに、内部改質による吸熱も利用しながら燃料電池の発電室を降温させることで停止動作させているものがある。
【０００４】
一方、通常停止ではない停電等の異常停止時には、下記特許文献１及び２のように種々の停止動作が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１４６４７６号公報
【特許文献２】特開２０１４−１４６４７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、例えば停電のような異常停止時には、都市ガス導管（燃料ガス源）からの燃料ガス供給や、電力系統からの電力供給が遮断され、停止動作が適切に行われずに燃料電池の燃料極の還元雰囲気を維持できなかったり、温度変化による温度分布が発生したりして、燃料電池セルが破損するおそれがある。
これに対しては、都市ガスや代替ガス（例えば水素）を供給できる予備設備を備えておけばよいが、予備設備を追加設置するには、コストが増大する。さらには、予備設備が大型化した場合や予備とする代替ガスの種類によっては設置場所の法令ないし基準に合致しない場合がある。したがって、燃料ガス源からの燃料ガスの供給が停止された場合に、設置の自由度が高い簡便な設備によって燃料電池を適切に停止できることが望まれる。
【０００７】
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、燃料ガス源からの燃料ガスの供給が停止された場合に、簡便な構成によって適切に停止動作を行うことができる燃料電池及び燃料電池複合発電システム並びに燃料電池の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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池及び複合発電システム並びに燃料電池の停止方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる燃料電池は、燃料極および空気極を備える燃料電池本体と、燃料ガス源から前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統と、該燃料ガス供給系統に設けられ前記燃料電池本体に供給される燃料ガスを貯留する燃料ガスバッファタンクと、前記燃料ガス源からの燃料ガスの供給停止を検知する燃料ガス供給停止検知部と、前記燃料極出口の排燃料ガスの圧力を低下させる燃料ガス圧力低下手段と、前記燃料ガス供給停止検知部によって前記燃料ガス源からの燃料ガスの供給停止が検知された場合に、前記燃料ガス圧力低下手段によって前記燃料電池本体の圧力を低下させることで前記燃料ガス供給系統内の燃料ガス圧力を低下させ、前記燃料ガスバッファタンクから燃料ガスを供給する制御部とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
燃料ガスバッファタンクに燃料ガスが貯留されているので、燃料ガス源からの燃料ガスの供給が停止されると、燃料ガスバッファタンク内の燃料ガスが、燃料ガス供給系統を通り燃料電池本体の燃料極へと供給されることになる。これにより、燃料ガス供給が停止した後であっても燃料電池の停止動作に支障を来すことがない。さらに、本発明では、燃料ガスの供給停止を検知した場合に、燃料ガス圧力低下手段によって燃料ガス供給系統内の燃料ガス圧力を低下させることとしたので、燃料ガスバッファタンク内の圧力が、低下させた燃料ガス圧力となるまで燃料ガスバッファタンク内の燃料ガスを燃料ガス供給系統に供給し続けることができる。これにより、燃料ガス供給系統内の圧力を低下させない場合に比べて、多くの燃料ガスを燃料ガス供給系統に供給することができるので、燃料ガスバッファタンクの容量を可及的に小さくすることができる。したがって、燃料ガスバッファタンクをコンパクトにできることで、設置場所の自由度が広がる。
また、燃料ガスの供給停止を検知する前の通常運転で用いていた燃料ガスをそのまま停止動作で使用することができるので、例えば水素等の代替ガスを使用する必要がなくなり、水素ガスといった代替ガスに対する使用制限等がある設置場所（例えば一般家庭）に対しても適用することができる。
燃料電池としては、例えば固体酸化物形燃料電池が挙げられる。
【００１０】
さらに、本発明の燃料電池では、前記空気極出口の排酸化性ガスの圧力を低下させる空気圧力低下手段と、前記排燃料ガスと前記排酸化性ガスの差圧を所定値内に保持しながら、前記排燃料ガスと前記排酸化性ガスを排出する均圧化手段とを備え、前記燃料ガス供給停止検知部によって前記燃料ガス源からの燃料ガスの供給停止が検知された場合に、前記燃料ガス圧力低下手段と前記空気圧力低下手段は、前記均圧化手段を用いて前記燃料電池本体の圧力を低下させることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明の燃料電池では、前記燃料ガスバッファタンクから供給される燃料ガスの流量を制御する流量制御弁と、前記燃料電池本体の温度を計測する温度センサとを備え、前記制御部は、前記燃料ガス供給停止検知部によって燃料ガスの供給停止が検知された場合に、前記温度センサによって計測された前記燃料電池本体の温度変化に応じて、前記流量制御弁の開度を調整することを特徴とする。
【００１２】
燃料電池本体の温度に応じて、停止動作のために必要な燃料ガスの流量が決まる。たとえば、燃料電池本体の温度が高ければ多めの燃料ガス流量が必要となり、燃料電池本体の温度が低ければ少なめの燃料ガス流量が必要となる。そこで、本発明では、燃料電池本体の温度を計測し、計測した温度に応じて流量制御弁の開度を調整することしたので、各温度における必要十分な流量の燃料ガスを供給することができる。これにより、停止動作の際に無駄に燃料ガスを消費することを回避できるので、燃料ガスバッファタンクの容量をさらに小さくすることができる。
【００１３】
さらに、本発明の燃料電池では、前記燃料ガス供給系統に水を供給する水供給部を備え、前記制御部は、前記燃料ガス供給停止検知部によって燃料ガスの供給停止が検知された場合に、前記水供給部から前記燃料ガス供給系統に水を供給することを特徴とする。
【００１４】
燃料ガス源からの燃料ガスの供給が停止すると、燃料ガスの供給停止前の通常の発電時のように燃料電池反応によって十分な水が発生しないので、燃料ガスの改質のための水（水蒸気）が不足するおそれがある。そこで、本発明では、燃料ガスの供給が停止した場合に、水を燃料ガス供給系統に供給することとして、燃料ガスの改質反応を維持させることとした。これにより、吸熱反応である燃料ガスの改質を維持することができ、効果的に停止動作を行うことができる。
水の供給量としては、Ｓ／Ｃ（燃料ガス中の炭素量に対する水蒸気素量の比）が３．５以上になるように調整することが好ましい。
【００１５】
さらに、本発明の燃料電池では、前記燃料ガス供給系統に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部を備え、前記制御部は、前記燃料電池本体が所定温度まで降下した場合に、前記燃料ガスバッファタンクから前記燃料ガス供給系統への燃料ガスの供給を、前記不活性ガス供給部から前記燃料ガス供給系統への不活性ガスの供給に切り換えることを特徴とする。
【００１６】
燃料電池本体が所定温度まで降下した場合に、燃料ガス供給系統に供給するガスを、燃料ガスバッファタンクから供給される燃料ガスから不活性ガスに切り換えることにした。これにより、燃料ガスバッファタンク内の燃料ガスの使用を限定的に抑えることができるので、燃料ガスバッファタンクの容量をさらに小さくすることができる。
【００１７】
さらに、本発明の燃料電池では、前記所定温度は、水による燃料ガスの改質が可能であり、かつ、不活性ガスによる前記燃料極の劣化を回避できる温度とされていることを特徴とする。
【００１８】
水による燃料ガスの改質が可能であり、かつ、不活性ガスによる燃料極の劣化を回避できる温度にて、燃料ガス供給系統に供給するガスを、燃料ガスから不活性ガスに切り換えることとしたので、燃料電池の劣化を招かずに停止動作を行うことができる。
所定温度は、具体的には、燃料ガスが都市ガスとされている場合、４００℃〜６００℃、好ましくは５００℃とされる。
【００１９】
また、本発明の複合発電システムは、上記のいずれかに記載の燃料電池と、前記燃料電池本体から導かれた排燃料ガスによって動作するガスタービン装置と、該ガスタービン装置によって駆動される発電機とを備えていることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の燃料電池の停止方法は、燃料極および空気極を備える燃料電池本体と、燃料ガス源から前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統と、該燃料ガス供給系統に設けられ前記燃料電池本体に供給される燃料ガスを貯留する燃料ガスバッファタンクと、前記燃料ガス源からの燃料ガスの供給停止を検知する燃料ガス供給停止検知部と、前記燃料極出口の排燃料ガス圧力を低下させる燃料ガス圧力低下手段と、記燃料ガス供給系統に不活性ガスを供給する不活性ガス供給部とを備えた燃料電池の停止方法であって、前記燃料ガス供給停止検知部によって前記燃料ガス源からの燃料ガスの供給停止が検知された場合に、前記燃料ガス圧力低下手段によって前記燃料電池本体の圧力を低下させることで前記燃料ガス供給系統内の燃料ガス圧力を低下させ、前記燃料ガスバッファタンクから燃料ガスを供給し、前記燃料電池本体が所定温度まで降下した場合に、前記燃料ガスバッファタンクから前記燃料ガス供給系統への燃料ガスの供給を、不活性ガス供給部から前記燃料ガス供給系統への不活性ガスの供給に切り換えることを特徴とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
燃料ガス源からの燃料ガスの供給が停止された場合に、燃料電池の運転圧力を低下させて、燃料ガス供給系統の圧力を下げることで、比較的容量の小さな燃料ガスバッファタンクを採用することとしたので、簡便な構成により適切に停止動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】本発明の一実施形態に係る複合発電システムを示した概略構成図である。
【図５】停止動作時の温度変化等を示したグラフである。
【図６】燃料ガスバッファタンクに必要な容量を示したグラフである。
【図７】燃料ガスバッファタンクの圧力と燃料ガス供給管の圧力との関係を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２４】
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。
【００２５】
図１を参照して本実施形態に係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を有し、最も端の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（不図示）を備える。
【００２６】
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４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。
【００２７】
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。
ＳＯＦＣに利用できる燃料ガスは、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、石炭ガス化ガス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を燃料として運転される。
本実施形態での燃料ガスは、都市ガスなどのメタンを主成分とする燃料ガスを用いたものである。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、燃料ガスと空気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。
【００３１】
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。
【００３２】
ＳＯＦＣモジュール１２は、図２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１４とを備える。また、ＳＯＦＣモジュール１２は、燃料ガス供給管（燃料ガス供給系統）２４と複数の燃料ガス供給枝管（燃料ガス供給系統）２４ａとを備える。またＳＯＦＣモジュール１２は、燃料ガス排出管３０と複数の燃料ガス排出枝管３０ａとを備える。また、ＳＯＦＣモジュール１２は、酸化性ガスである空気を供給する空気供給管（不図示）と空気供給枝管（不図示）とを備える。また、ＳＯＦＣモジュール１２は、空気排出管（不図示）と複数の空気排出枝管（不図示）とを備える。
【００３３】
燃料ガス供給管２４は、圧力容器１４の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール１２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（燃料ガス供給源）に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２４ａに接続されている。この燃料ガス供給管２４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２４ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２４ａは、燃料ガス供給管２４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２４ａは、燃料ガス供給管２４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。
【００３４】
燃料ガス排出枝管３０ａ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３０に接続されている。この燃料ガス排出枝管３０ａ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３０に導くものである。また、燃料ガス排出管３０は、複数の燃料ガス排出枝管３０ａに接続されると共に、一部が圧力容器１４の外部に配置されている。この燃料ガス排出管３０は、燃料ガス排出枝管３０ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器１４の外部に導くものである。
【００３５】
圧力容器１４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、耐力性と空気中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保備え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。
【００３６】
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１４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１４内に収納される態様とすることもできる。
【００３７】
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と、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、空気供給室２２１と、空気排出室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と空気供給室２２１と空気排出室２２３とが図３のように配置されることで、燃料ガスと空気とがセルスタック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、または空気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。
【００３８】
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、燃料ガスと空気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、ＳＯＦＣモジュール１２の定常運転時に、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。
【００３９】
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、燃料ガス供給枝管２４ａ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１０３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、燃料ガス供給枝管２４ａ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ものである。
【００４０】
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、燃料ガス排出枝管３０ａ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１０３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３０ａに導くものである。
【００４１】
ＳＯＦＣモジュール１２の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の空気を空気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。空気供給室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る。また、空気供給室２２１は、下部ケーシング２２９ｂに備えられた空気供給孔２３３ａによって、図示しない空気供給枝管と連通されている。この空気供給室２２１は、図示しない空気供給枝管から空気供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の空気を、後述する空気供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に導くものである。
【００４２】
空気排出室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る。また、空気排出室２２３は、上部ケーシング２２９ａに備えられた空気排出孔２３３ｂによって、図示しない空気排出枝管と連通されている。この空気排出室２２３は、発電室２１５から、後述する空気排出隙間２３５ｂを介して空気排出室２２３に供給される排空気を、空気排出孔２３３ｂを介して図示しない空気排出枝管に導くものである。
【００４３】
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と空気排出室２２３とを隔離するものである。
【００４４】
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と空気供給室２２１とを隔離するものである。
【００４５】
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空気排出隙間２３５ｂを備える。
【００４６】
この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と空気排出室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空気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空気を、空気排出隙間２３５ｂを通過させて空気排出室２２３に導くものである。
【００４７】
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、燃料ガスと空気とがセルスタック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、排空気は、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空気排出室２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排空気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。
【００４８】
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空気供給隙間２３５ａを備える。
【００４９】
この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と空気供給室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空気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、空気供給室２２１に供給される空気を、空気供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。
【００５０】
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、燃料ガスと空気とがセルスタック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に供給される空気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、空気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空気を発電室２１５に供給することができる。
【００５１】
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１２の外部へと導出されて、パワーコンディショナ６０（図４参照）などにより所定の交流電力へと変換されて、電力系統へと供給される。
【００５２】
図４には、本実施形態に係るＳＯＦＣ複合発電システム（燃料電池複合発電システム）１０の概略構成が示されている。
複合発電システム１０は、燃料電池（ＳＯＦＣ）及び燃料電池から排出される燃料ガスである排燃料ガスの一部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、ＳＯＦＣ複合発電システム１０は、制御部１５により常時監視が行われている。
【００５３】
ＳＯＦＣモジュール１２は、上述のように、空気極に酸化性ガスである空気が供給されるとともに燃料極に燃料ガス（本実施形態では都市ガス）が供給されることにより発電を行う。都市ガス（１３Ａ）は、メタンが約９０％、残りがエタン、プロパン、ブタンなどの炭化水素ガスである。
ＳＯＦＣモジュール１２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（発電室温度）を計測する温度センサ１５Ｂを備えている。これらセンサ１５Ａ，１５Ｂの出力は、制御部１５へと送られる。
圧力容器１４内には、図２を用いて説明したように、ＳＯＦＣカートリッジ（燃料電池本体）２０３が設けられている。ＳＯＦＣカートリッジ２０３には、燃料ガス供給管２４と、燃料ガス排出管３０と、空気供給管４０と、空気排出管４１とが接続されている。
【００５４】
ＳＯＦＣモジュール１２には、燃料ガス供給管２４を介して、都市ガス（燃料ガス）が供給可能とされる。燃料ガス供給管２４は、都市ガス導管とされた燃料ガス供給源２５に接続されており、燃料ガス供給源２５側から、都市ガスを圧縮する燃料ガス圧縮機２６と、都市ガスが貯留される燃料ガスバッファタンク２７と、都市ガス中の硫黄分を除去する脱硫器２８と、ＳＯＦＣモジュール１２に供給する都市ガスの流量を調整する燃料ガス流量調整弁２９とが設けられている。燃料ガスバッファタンク２７には常に都市ガスが充満されるようになっている。燃料ガス流量調整弁２９をバイパスするように、停止時燃料ガス供給管３１が設けられている。停止時燃料ガス供給管３１には、燃料ガス供給源２５が停止時に供給される燃料ガスバッファタンク２７からの都市ガスの流量を調整する停止時流量調整弁３４が設けられている。燃料ガス流量調整弁２９及び停止時流量調整弁３４の開度は、制御部１５によって制御される。
なお、燃料ガスバッファタンク２７の容積は、ＳＯＦＣの出力あたり、２５×１０-３ｍ３／ｋＷ以上５０×１０-３ｍ３／ｋＷ以下とされ、好ましくは４０×１０-３ｍ３／ｋＷとされる。２５×１０-３ｍ３／ｋＷより小さいと、燃料ガスの供給圧力を最低供給圧力（本実施形態では０．２ＭＰａ）より高い圧力で供給することが出来なくなる。また、５０×１０-３ｍ３／ｋＷより大きいとＳＯＦＣのサイズに対して燃料ガスバッファタンクの大きさに配慮が必要になる。
【００５５】
燃料ガス供給管２４には、窒素ガス（不活性ガス）をＳＯＦＣモジュール１２の燃料極側に供給するための窒素ガス供給管３７が接続されている。窒素ガス供給管３７には、窒素ガス流量調整弁３８が設けられている。窒素ガス流量調整弁３８の開度は、制御部１５によって制御される。
【００５６】
ＳＯＦＣモジュール１２を通過した排燃料ガスの一部は、燃料ガス排出管３０を介して、マイクロガスタービン装置１６の燃焼器２０へと導かれる。燃料ガス排出管３０の下流側には、燃焼器２０の上流側に、排燃料ガスの供給量を調整するＭＧＴ用流量調整弁３３が設けられている。ここで、ＭＧＴはマイクロガスタービンの略称である。
【００５７】
燃料ガス排出管３０には、再循環ブロワ３６が設けられている。再循環ブロワ３６の下流側には、燃料ガス再循環管３２の上流端が接続されている。燃料ガス再循環管３２の下流側は、燃料ガス供給管２４に接続されている。これにより、再循環ブロワ３６から吐出された排燃料ガスの一部が、燃料ガス排出管３０から分岐して燃料ガス再循環管３２を通り、ＳＯＦＣモジュール１２へ戻される。
【００５８】
燃料ガス再循環管３２には、上水を供給する上水供給管（水供給部）３９が接続されている。上水供給管３９には、上水タンク３９ａ及び上水供給ポンプ３９ｂが設けられている。上水供給ポンプ３９ｂの運転は、制御部１５によって制御される。
上水供給管３９から上水が燃料ガス再循環管３２内にスプレーされることによって、燃料ガス再循環管を通過する排燃料ガスの顕熱で上水が気化して水蒸気となり、燃料ガス供給管２４を通りＳＯＦＣモジュール１２へと水（水蒸気）が供給される。
【００５９】
燃料ガス排出管３０の再循環ブロワ３６の上流側には、排燃料ガスを抜き出して外部へと排出するための燃料ガスベント管（燃料ガス圧力低下手段）４２が接続されている。燃料ガスベント管４２には、燃料ガスベント弁（燃料ガス圧力低下手段）４２ａが設けられている。ＳＯＦＣ１２の燃料極内の燃料ガスは、燃料ガスベント弁４２ａが開かれると燃料ガスベント管４２によって燃料ガスの一部が排出されることで、減圧して燃料極の圧力を微調整することが出来る。燃料ガスベント管４２における燃料ガスベント弁４２ａの上流側には、燃料ガス均圧ベント管４３が設けられている。燃料ガス均圧ベント管４３には、燃料ガス均圧弁４３ａが設けられている。燃料ガス均圧弁４３ａを開けることによって、燃料極出口側の排燃料ガス圧力と空気極出口側の排空気圧力とを均圧させるようになっている。燃料ガス均圧ベント管を流れた排燃料ガスは、触媒燃焼器４４にて後述するＳＯＦＣモジュール１２の空気極からの排空気とともに焼却処理された後に、外部へと排出される。
燃料ガスベント弁４２ａ及び燃料ガス均圧弁４３ａの開度は、制御部１５によって制御される。
【００６０】
ＳＯＦＣモジュール１２には、空気供給管４０を介して、酸化性ガスとして空気が供給される。空気供給管４０の上流側は、マイクロガスタービン装置１６の空気圧縮機１８に接続されている。空気圧縮機１８によって圧縮された圧縮空気は、タービン２２からの燃焼排ガスを用いて再生熱交換器４５にて加熱された後に、ＳＯＦＣモジュール１２へと導かれる。
空気供給管４０には、空気流量を調整する供給空気流量調整弁４０ａが設けられている。また、空気供給管４０に対して、再生熱交換器４５及び供給空気流量調整弁４０ａをバイパスするように、供給空気バイパス管４６が接続されている。供給空気バイパス管４６には、供給空気バイパス流量調整弁４６ａが設けられている。
供給空気流量調整弁４０ａ及び供給空気バイパス流量調整弁４６ａの開度は、制御部１５によって制御される。
【００６１】
空気供給管４０には、供給空気流量調整弁４０ａの下流側に、冷却用空気供給管４７が接続されている。冷却用空気供給管４７には、冷却用空気流量調整弁４７ａが設けられている。冷却用空気供給管４７から導かれる冷却空気は、停止動作時に空気極側を冷却するために使用される。
【００６２】
冷却用空気供給管４７の上流側は、空気タンク４８に接続されている。空気タンク４８には、マイクロガスタービン装置１６の空気圧縮機１８が停止している際に、ＳＯＦＣモジュール１２を冷却する空気量を得るための冷却用空気圧縮機４９が設けられている。
【００６３】
また、空気供給管４０には、非常用空気供給管５１が接続されている。非常用空気供給管５１には、非常用空気圧縮機５２が設けられている。非常用空気圧縮機５２は、非常用発電機１７にから供給される電力によって駆動される。非常用空気圧縮機５２の運転は、制御部１５によって制御される。
【００６４】
ＳＯＦＣモジュール１２の空気極を通過した排空気は、空気排出管４１を介して燃焼器２０へと導かれる。空気排出管４１の下流側は、燃焼器２０に接続されている。
また、空気排出管４１には、Ａ点にてＳＯＦＣモジュールバイパス管５３が接続されている。ＳＯＦＣモジュールバイパス管５３の上流側は、空気供給管４０に接続されており、ＳＯＦＣモジュール内へ供給する空気の流量の一部をＡ点より燃焼器２０へとバイパスすることで調整できるようになっている。ＳＯＦＣモジュールバイパス管５３には、ＳＯＦＣモジュールバイパス流量調整弁５３ａが設けられている。ＳＯＦＣモジュールバイパス流量調整弁５３ａの開度は、制御部１５によって制御される。
【００６５】
空気排出管４１のＡ点よりも上流側には、排空気遮断弁４１ａが設けられ、さらにその上流側には、Ｂ点にて分岐する排空気ベント管５４が接続されている。排空気ベント管５４の下流側には、タービン２２に接続された燃焼ガス排出管５５に接続されている。排空気ベント管５４には、排空気ベント弁５４ａが設けられている。ＳＯＦＣ１２の空気極内の空気は、排空気ベント弁５４ａが開かれると排空気ベント管５４によって排空気の一部が排出されることで、減圧して空気極の圧力を微調整することが出来る。排空気ベント弁５４ａの上流側には、空気均圧管５６が接続されている。空気均圧管５６には空気均圧弁５６ａが設けられており、その下流側は触媒燃焼器４４に接続されている。空気均圧弁５６ａを開けることによって、燃料極出口側の排燃料ガス圧力と空気極出口側の排空気圧力とを均圧させるようになっている。
【００６６】
燃料電池複合発電システム１０は、ガスタービン装置であるマイクロガスタービン装置１６を備えている。マイクロガスタービン装置１６は、圧縮した空気をＳＯＦＣモジュール１２の空気極に供給する空気圧縮機１８と、空気排出管４１を介して導かれた排空気及び燃料ガス排出管３０を介して導かれた排燃料ガスが供給され、高温の燃焼ガスを生成する燃焼器２０と、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とを備えている。
タービン２２の回転出力は、空気圧縮機１８に伝達されるとともに、タービン側発電機５８へと導かれる。タービン側発電機５８で発電された電力は、開閉器５７を介して電力系統へと供給される。
【００６７】
ＳＯＦＣ１２にて発電された電力は、電源パネル１９によって制御されるパワーコンディショナ６０へと導かれて交流に変換された後に、開閉器６１を介して電力系統へと供給される。
【００６８】
制御部１５は、例えば、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶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憶媒体等に記憶されており、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。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
【００６９】
次に、図５を用いて、燃料ガス供給源２５から都市ガスの供給が停止された場合の停止動作について説明する。
制御部１５は、図示しない燃料ガス供給停止検知部によって停電等の検出や都市ガス流量の検出が行われ、都市ガスの供給停止を検知すると、時刻ｔ０にてトリップ動作に入る。トリップ動作に入ると、ＳＯＦＣモジュール１２による発電出力を０とする。また、マイクロガスタービン装置１６も停止させ、マイクロガスタービン装置１６の発電出力を０とするとともに、燃焼器２０への排燃料ガスと排空気の供給が停止され、空気圧縮機１８による圧縮空気のＳＯＦＣモジュール１２への供給も停止される。
【００７０】
これと同時に、ＳＯＦＣモジュール１２の燃料ガス供給管２４内の圧力を低下させる。具体的には、燃料ガス均圧弁４３ａを開けて、燃料ガス排出管３０から燃料ガスを導いて排燃料ガスを触媒燃焼器４４で燃焼させながら外部へと排出する。このとき、空気均圧弁５６ａも開けて、空気排出管４１から排空気ベント管５４及び空気均圧管５６を介して排空気を外部へと排出する。このように、燃料ガス均圧弁４３ａと空気均圧弁５６ａの両方を開けて、触媒燃焼器４４の上流側で合流させることで均圧化し、ＳＯＦＣモジュール１２の燃料極と空気極との圧力差を所定範囲内に抑えて、簡易な手法により差圧が増加することによるＳＯＦＣモジュール１２の破損を防止する。なお、ＳＯＦＣモジュール１２の燃料極と空気極との所定範囲の圧力差は燃料極側が空気極側よりも所定範囲で高くなるように調整される。
このようにして、燃料ガス供給管２４内の圧力は迅速に減少させられ、ＳＯＦＣモジュール１２内の燃料極側の圧力を示す図５のモジュール圧力のグラフに示されているように、時刻ｔ０において迅速に低下させられる。このとき、後述の時刻ｔ１までの間は、燃料ガス供給管２４に残留する都市ガスがＳＯＦＣモジュール１２に供給され続ける。
また、図５に示すように、制御部１５の指令により、マイクロガスタービン装置１６の空気圧縮機１８による圧縮空気のＳＯＦＣモジュール１２への供給が停止されることに対応して、ＳＯＦＣモジュール１２への空気の供給量を減少させ、停止する。後述するようにＳＯＦＣモジュール１２の空気極の圧力低下分を補う小流量の空気の供給は、空気タンク４８からの冷却用空気により行われる。
また、制御部１５の指令により、上水供給ポンプ３９ｂを起動して、上水タンク３９ａから燃料ガス再循環管３２内に水をスプレーする。これにより、水（水蒸気）が燃料ガス供給管２４を介してＳＯＦＣモジュール１２の燃料極側に導かれる。これにより、燃料ガス供給管２４内に残っている都市ガスとともに改質反応によって吸熱するとともに、燃料極側を還元雰囲気に維持する。
上水供給ポンプ３９ｂからの水の供給量としては、ＳＯＦＣモジュール１２が発電している通常運転時よりも低減させても良いが、Ｓ／Ｃ（燃料ガス中の炭素量に対する水蒸気素量の比）が３．５以上になるように調整することが好ましい。
【００７１】
そして、時刻ｔ１になると、燃料ガス供給管２４内に残存した都市ガスがほぼ消費される。このタイミングで、燃料ガス流量調整弁２９を閉じて、停止時流量調整弁３４を開く。このように、燃料ガス供給管２４内に残存した都市ガスが消費されてから燃料ガスバッファタンク２７内の都市ガスを使用することとして、無駄に燃料ガスバッファタンク２７内の都市ガスを使用しないことにする。そして、燃料ガスバッファタンク２７に貯留された都市ガスが、停止時燃料ガス供給管３１を通り燃料ガス供給管２４を介して、ＳＯＦＣモジュール１２の燃料極側へと導かれる。このようにして、都市ガスの供給が停止された場合であっても、燃料ガスバッファタンク２７内の都市ガスを用いることによって停止動作を継続することができる。さらに、燃料ガス供給管２４内の圧力が既に低下しているので、燃料ガスバッファタンク２７からは大きな差圧の下で燃料ガスをＳＯＦＣモジュール１２内へ供給を開始することができる。
このとき、図５に示すように、上水供給ポンプ３９ｂから水の供給が継続されており、燃料ガスバッファタンク２７から供給される都市ガスの内部改質反応に供与される。また、空気極側よりも所定の圧力分だけ高く維持される燃料極側の燃料が、空気極側へと微量分が流入する場合がある。すると空気極側の空気が反応して消費されて、圧力が低下する場合があるので、圧力低下分を補うよう、小流量の空気の供給を空気タンク４８から冷却用空気がＳＯＦＣモジュール１２の空気極側に供給されている。したがって、ＳＯＦＣモジュール１２内では、都市ガスの改質による吸熱反応が継続するとともに、燃料極側を還元雰囲気に維持することができる。
以上により、ＳＯＦＣモジュール内の発電室温度（例えば図４の温度センサ１５Ｂが示す温度）が徐々に低下し出す。
【００７２】
時刻ｔ１から時刻ｔ２では、燃料ガスバッファタンク２７から供給される都市ガスの流量は、図５に示すように、制御部１５の指令によって停止時流量調整弁３４が制御されることによって段階的に減少させられる。ＳＯＦＣモジュール１２内の圧力を低下させるので、これにより時刻ｔ１から時刻ｔ２に燃料ガスバッファタンク２７から供給される都市ガス流量を減らすことが出来るので、燃料ガスバッファタンク２７の必要な容量も小さくすることが出来る。
【００７３】
そして、時刻ｔ２になると、燃料ガスバッファタンク２７からの都市ガス供給は制御部１５の指令によって停止時流量調整弁３４を閉じることで停止される。これと同時に、制御部１５の指令によって、窒素ガス流量調整弁３８を開けることで、窒素ガスを燃料ガス供給管２４に供給する。これにより、ＳＯＦＣモジュール１２の燃料極側に供給されるガスは、都市ガスから窒素ガスに切り換えられる。このようにガスを切り換えるタイミングは、温度センサ１５Ｂによって計測された発電室温度によって制御部１５が判断する。具体的には、４００℃〜６００℃、好ましくは５００℃といった温度で切り換えられる。この温度は、水蒸気による都市ガスの改質が可能である温度以上であり、かつ、窒素ガスによる燃料極の劣化を回避できる温度以下として予め決定される。
時刻ｔ２以降は、燃料ガス供給管２４に供給するガスを窒素ガスに切り換えた後は、そのまま窒素ガスを流し続け、時刻ｔ３にて所定温度に到達するまで冷却が行われる。
【００７４】
図６には、燃料ガスバッファタンク２７の容量を決定する際の考え方が示されている。同図において、横軸は燃料ガス供給管２４内の圧力［ＭＰａ］であり、縦軸は燃料ガスバッファタンク２７の容量［ｍ３／ｋＷ］である。図６のグラフは、トリップした後に燃料ガス供給管２４内の圧力を所定値まで減圧したときに、図５に示した停止動作時に必要な都市ガス量を蓄えておくためのタンク容積が示されている。なお、燃料ガスバッファタンク２７の設計圧力Ｐは、高圧ガス保安法適用に至らない１ＭＰａ未満とするのが好ましい。
【００７５】
図６のグラフは、燃料ガスバッファタンク２７の容量をＶとして、ボイル・シャルルの法則に基づき、以下の式から導かれる。
Ｖ＝Ｖ’×（Ｔ＋２７３）／２７３×１．１０１３×（（Ｐ−Ｍ）−ｘ）・・・（１）
上式において、Ｖ’は必要燃料ガス量、Ｔは燃料ガスバッファタンク２７の温度（℃）、Ｐは燃料ガスバッファタンク２７の設計圧力、圧力のＭはマージン、ｘはトリップ後の燃料ガス供給管２４内の減圧後の供給圧力である。
【００７６】
図７には、圧力マージンＭの考え方が示されている。同図に示されているように、燃料ガス圧縮機２６の作動範囲に対して所定の安全率を見込んだ圧力が圧力マージンＭとされている。この圧力マージンＭを設計圧力Ｐから減じた圧力が、トリップ発生時の燃料ガスバッファタンク２７のトリップ圧となる。すなわち、トリップ圧は、設計圧力Ｐから圧力マージンＭを引いた圧力となる。そして、トリップが発生した時に使用可能となる都市ガス量は、トリップ圧とトリップ発生の後に減圧した燃料ガス供給管２４の供給圧力ｘとの差の圧力に比例した量となる。
【００７７】
再び図６を参照すると、式（１）に基づいて計算した結果、トリップ発生の後に燃料ガス供給管２４の供給圧力ｘが、例えば０．６［ＭＰａ］の場合の燃料ガスバッファタンク２７の容量が従来の標準的なものとなる。一方、本実施形態では、トリップ発生の後に減圧した燃料ガス供給管２４の供給圧力ｘが０．２［ＭＰａ］とすることで、燃料ガスバッファタンク２７の容量は上記の従来の標準的な容量の約１／５の容量となる。すなわち、トリップ発生の後にＳＯＦＣモジュール１２の圧力を常圧に近い圧力へと減圧して、燃料ガス供給管２４の供給圧力ｘを低い圧力（０．２ＭＰａ）にすることで、燃料ガスバッファタンク２７の設置場所を選ばなくなり、例えば一般家庭であっても設置することができる大きさである。このように、トリップ後に燃料ガス供給管２４の圧力を低下させることにより、燃料ガスバッファタンク２７の大きさを小さくできることが分かる。
【００７８】
以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
燃料ガス供給源２５からの都市ガスの供給が停止されると、燃料ガスバッファタンク２７内に貯留された都市ガスが、燃料ガス供給管２４を通りＳＯＦＣモジュール１２の燃料極へと供給される。これにより、都市ガス供給が停止した後であってもＳＯＦＣの停止動作に支障を来すことがない。さらに、都市ガスの供給停止を検知した場合に、燃料ガス供給管２４内の燃料ガスを外部に排出してＳＯＦＣモジュール１２の圧力を低下させ、燃料ガス圧力を低下させることとしたので、燃料ガスバッファタンク２７内の圧力が、低下させた燃料ガス圧力となるまで燃料ガスバッファタンク２７内の都市ガスを燃料ガス供給管２４に供給することができる。これにより、燃料ガス供給管２４内の圧力を低下させない場合に比べて、多くの都市ガスを燃料ガス供給管２４に供給することができるので、燃料ガスバッファタンク２７の容量を可及的に小さくすることができる。したがって、燃料ガスバッファタンク２７の設置場所の自由度が広がる。
また、燃料ガスの供給停止を検知する前の通常運転で用いていた都市ガスをそのままトリップ後の停止動作で使用することができるので、例えば水素等の代替ガスを使用する必要がなくなり、水素ガスといった代替ガスに対する使用制限等がある設置場所（例えば一般家庭）に対しても適用することができる。
さらに、燃料ガス供給源２５からの都市ガスの供給が一時的に停止され、その後、都市ガスの供給が復旧した際は、ＳＯＦＣモジュール１２の積極的な冷却を行っていないために発電室温度の低下は少ない状態にあり、比較的短い時間で再起動が可能である。
【００７９】
燃料ガス供給源２５からの都市ガスの供給が停止すると、都市ガスの供給停止前の通常の発電時のように燃料電池反応によって十分な水が発生しないので、都市ガスの改質のための水が不足するおそれがある。そこで、都市ガスの供給が停止した場合に、上水供給ポンプ３９ｂから水を燃料ガス供給管２４に供給することとして、都市ガスの改質反応を維持させることとした。これにより、吸熱反応である都市ガスの改質を維持することができ、効果的に停止動作を行うことができる。
【００８０】
ＳＯＦＣモジュール１２の発電室温度が、水蒸気による都市ガスの改質が可能である温度以上であり、かつ、窒素ガスによる燃料極の劣化を回避できる温度以下（本実施形態では、５００℃程度）まで降下した場合に、燃料ガス供給管２４に供給するガスを、燃料ガスバッファタンク２７から供給される都市ガスから窒素ガスに切り換えることにした。これにより、燃料ガスバッファタンク２７内の都市ガスの使用を限定的に抑えることができるので、燃料ガスバッファタンク２７の容量をさらに小さくすることができる。
【００８１】
［変形例］
本実施形態は、以下のように変形することができる。すなわち、上述の実施形態では、図５に示したように、燃料ガスバッファタンク２７から供給される都市ガスの流量を段階的に減少させることとした。本変形例では、これをさらに進めて、ＳＯＦＣモジュール１２の発電室温度に応じて燃料ガスバッファタンク２７から供給する都市ガス流量を変化させる。具体的には、温度センサ１５Ｂ（図４参照）の計測値を発電室温度として制御部１５で取得する。そして、発電室温度と必要な都市ガス流量との関係を事前の試験によりデータ取得しておき、制御部１５に参照値として組込んでおく。停止動作時には、温度センサ１５Ｂで検出された発電室温度に従って、制御部１５にて発電室温度に従った都市ガス流量を参照し、停止時流量調整弁３４を制御して必要十分な都市ガス量を供給する。これにより、燃料ガスバッファタンク２７の都市ガスの保有量が最適化され、燃料ガスバッファタンク２７の容量をさらにコンパクトにすることができる。
【００８２】
また、燃料ガス供給源２５の停止とともに、停電が発生した場合は、非常用発電機１７を使用して、非常用空気圧縮機５２を起動して冷却用空気を空気供給管４０に供給するようにしてもよい。さらに、非常用発電機１７の電力を、停止動作に必要な他の機器に供給するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１０  ＳＯＦＣ複合発電システム（燃料電池複合発電システム）
１２  ＳＯＦＣモジュール（燃料電池）
１４  圧力容器
１５  制御部
１６  マイクロガスタービン装置（ガスタービン装置）
１７  非常用発電機
１８  空気圧縮機
２４  燃料ガス供給管（燃料ガス供給系統）
２４ａ  燃料ガス供給枝管（燃料ガス供給系統）
２５  燃料ガス供給源
２６  燃料ガス圧縮機
２７  燃料ガスバッファタンク
２８  脱硫器
２９  燃料ガス流量調整弁
３０  燃料ガス排出管
３０ａ  燃料ガス排出枝管
３１  停止時燃料ガス供給管
３２  燃料ガス再循環管
３３  ＭＧＴ用流量調整弁
３４  停止時流量調整弁
３６  再循環ブロワ
３７  窒素ガス供給管
３８  窒素ガス流量調整弁
３９  上水供給管（水供給部）
３９ａ  上水タンク
３９ｂ  上水供給ポンプ（水供給部）
４０  空気供給管
４０ａ  供給空気流量調整弁
４１  空気排出管
４２  燃料ガスベント管（燃料ガス圧力低下手段）
４２ａ  燃料ガスベント弁（燃料ガス圧力低下手段）
４３  燃料ガス均圧ベント管（燃料ガス圧力低下手段）
４３ａ  燃料ガス均圧弁（燃料ガス圧力低下手段）
４４  触媒燃焼器
４５  再生熱交換器
４６  供給空気バイパス管
４６ａ  供給空気バイパス流量調整弁
４７  冷却用空気供給管
４７ａ  冷却用空気流量調整弁
４８  空気タンク
４９  冷却用空気圧縮機
５１  非常用空気供給管
５２  非常用空気圧縮機
５３  ＳＯＦＣモジュールバイパス管
５３ａ  ＳＯＦＣモジュールバイパス流量調整弁
５４  排空気ベント管
５４ａ  排空気ベント弁
５５  燃焼ガス排出管
５６  空気均圧管
５６ａ  空気均圧弁
５７  開閉器
５８  タービン側発電機
【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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