(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
を備える複合発電システム。
【請求項２】
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、
を更に備える請求項１に記載の複合発電システム。
【請求項３】
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る請求項２に記載の複合発電システム。
【請求項４】
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する請求項２又は３に記載の複合発電システム。
【請求項５】
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る請求項４に記載の複合発電システム。
【請求項６】
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る請求項５に記載の複合発電システム。
【請求項７】
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、
を備える複合発電システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−８９８２３号公報
【特許文献２】特開２０１３−１７１７８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【発明の効果】
【００２５】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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）。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
（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。
【００６４】
（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。
【００６５】
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（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。
【００６６】
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（Ｏ２−）を燃料極に移動させるものである。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
（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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
（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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【符号の説明】
【００９０】
１０  複合発電システム
１２  ＳＯＦＣ（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
【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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