(57)【要約】【課題】メタンを主成分とする燃料ガスを水素に切り替える場合であっても運転継続ができる燃料電池複合発電システムを提供する。【解決手段】メタンを主成分とする燃料ガス及び酸化性ガスが供給されるＳＯＦＣ１２と、ＳＯＦＣ１２から排出された排燃料ガスが供給される燃焼器２０を備えたマイクロガスタービン装置１６と、マイクロガスタービン装置１６によって駆動される発電機１７と、炭素含有ガスが供給されて少なくとも一部をメタンへと生成するメタネーション装置７０と、ＳＯＦＣ１２に水素を供給する水素供給ライン７２と、水素供給ライン７２からＳＯＦＣ１２に水素を供給する際に、メタネーション装置７０にて生成されたメタンを含むガスを燃焼器２０に供給する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタンを主成分とする燃料ガス及び酸化性ガスが供給される燃料電池と、
前記燃料電池から排出された排燃料ガスが供給される燃焼器を備えた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、
炭素含有ガスと水素含有ガスが供給されて少なくとも一部をメタンへと生成するメタネーション装置と、
前記燃料電池に水素を供給する水素供給系統と、
該水素供給系統から前記燃料電池に水素を供給する際に、前記メタネーション装置にて生成されたメタンを含むガスを前記燃焼器に供給する制御部と、
を備えていることを特徴とする燃料電池複合発電システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記燃料ガスの前記燃料電池への供給が停止されたことを検知した後に、
所定の期間に前記メタネーション装置にて生成されたメタンを含むガスを前記燃料電池に供給し、
前記所定の期間内に前記水素供給系統から水素を前記燃料電池に供給を開始することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池複合発電システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記メタネーション装置に、前記燃料電池からの排燃料ガスの少なくとも一部を供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池複合発電システム。
【請求項４】
前記炭素含有ガスは、ＣｎＨｍガス、ＣＯ２、および炭素含有燃料の燃焼または部分燃焼ガスのいずれかを含む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複合発電システム。
【請求項５】
メタンを主成分とする燃料ガス及び酸化性ガスが供給される燃料電池と、
前記燃料電池から排出された排燃料ガスが供給される燃焼器を備えた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、
炭素含有ガスと水素含有ガスが供給されて少なくとも一部をメタンへと生成するメタネーション装置と、
前記燃料電池に水素を供給する水素供給系統と、
を備えた燃料電池複合発電システムの運転方法であって、
前記燃料電池への供給をメタンを主成分とする燃料ガスから水素を供給へ変更する際に、
一時的に前記メタネーション装置にて生成されたメタンを含むガスを前記燃料電池に供給し、
前記メタネーション装置にて生成されたメタンを含むガスを前記燃焼器に供給し、
その後に該水素供給系統から前記燃料電池に水素を供給することを特徴とする燃料電池複合発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスを、メタンを主成分とするガスから水素に切り替えることができる燃料電池とガスタービン装置を備えた燃料電池複合発電システム及びその運転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機から吐出され、マイクロガスタービン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（下記特許文献１及び２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【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】
【０００４】
固体酸化物形燃料電池とマイクロガスタービン装置を連携させて発電を行う燃料電池複合発電システムでは、燃料ガスとしてメタンを主成分とする都市ガスが使用されるものがあるが、この都市ガスが一次中断された場合などには代替として水素を供給する場合がある。燃料を都市ガスとした場合と異なり、水素を燃料とした場合の固体酸化物形燃料電池の排燃料ガスは、炭素含有燃料ガス分を含まずに水素ガスを含むので、マイクロガスタービン装置の燃焼器で燃焼させるには、水素ガスの発熱量、ガス密度、燃焼特性が都市ガスを含む場合と大きく異なるので、安定した燃焼が維持できずに、燃焼器が失火することも想定される。このような事情により、都市ガスのようにメタンガスを主とする燃料を用いる燃料電池複合発電システムでは、マイクロガスタービン装置の燃焼器を特別な改造をすることなくそのまま使用する場合では、燃料電池複合発電システムの燃料ガスを都市ガスから水素に切り替えることが困難であった。
【０００５】
特に、何らかの原因によって都市ガスの供給が停止された場合、燃料電池複合発電システムの代替燃料として水素を燃料ガスとして用いることが想定されるが、燃焼器の燃焼安定性が問題となりマイクロガスタービン装置の運転が継続できないという問題が生じる可能性がある。この場合では、燃料電池複合発電システムを停止せざるを得ず、都市ガスの供給が復旧しても燃料電池複合発電システムの再起動に過大な時間を要してしまう。
【０００６】
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、燃料電池複合発電システムの燃料ガスを都市ガスなどのメタンを主成分とする燃料ガスから水素に切り替える場合であっても運転継続ができる燃料電池複合発電システム及びその運転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】
【０００７】
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その運転方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる複合発電システムは、メタンを主成分とする燃料ガス及び酸化性ガスが供給される燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガスが供給される燃焼器を備えた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、炭素含有ガスと水素含有ガスが供給されて少なくとも一部をメタンへと生成するメタネーション装置と、前記燃料電池に水素を供給する水素供給系統と、該水素供給系統から前記燃料電池に水素を供給する際に、前記メタネーション装置にて生成されたメタンを含むガスを前記燃焼器に供給する制御部とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
燃料電池に水素を供給すると、燃料電池から排出される排燃料ガス中の水素濃度が上昇し、相対的に一酸化炭素やメタン等の炭素含有ガスが減少するので、排燃料ガスの発熱量が低下する。そうすると、排燃料ガスを燃焼させる燃焼器の燃焼安定性が損なわれるおそれがある。そこで、本発明では、燃料電池に水素を供給する際に、メタネーション装置にて生成されたメタンを含むガスを燃焼器に供給することとし、ガス性状が変化した排燃料ガスが燃焼器に供給されても、燃焼器の助燃料としてメタネーション装置由来のメタンを含むガスを利用することができるので、燃焼器の燃焼安定性を維持することができる。これにより、燃料電池の燃料ガスを水素に切り替える場合であっても、主としてメタンを含むガスを燃料とする燃焼器の燃焼の安定性を維持して、この燃焼器を備えたガスタービン装置の運転を継続し、発電を行い、燃料電複合発電システムを停止させることなく運転の継続を行うことができる。
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。
【０００９】
さらに、本発明の複合発電システムでは、前記制御部は、前記燃料ガスの前記燃料電池への供給が停止されたことを検知した後に、所定の期間に前記メタネーション装置にて生成されたメタンを含むガスを前記燃料電池に供給し、前記所定の期間内に前記水素供給系統から水素を前記燃料電池に供給を開始することを特徴とする。
【００１０】
燃料ガスの供給が停止された場合に、燃料電池に水素を供給して水素ガスに切り替えることとした。上述のように、メタネーション装置からのメタンを含むガスによって燃焼器の燃焼安定性が維持されるので、燃料ガスの供給が停止した場合であっても運転を継続することができる。
特に、燃料ガスの供給が停止されて、燃料ガスの供給が復帰するまでの間にわたって継続して運転することができるので、複合発電システムを停止させる必要がない。したがって、時間がかかる複合発電システムの再起動を回避することができる。
【００１１】
さらに、本発明の複合発電システムでは、前記制御部は、前記メタネーション装置に、前記燃料電池からの排燃料ガスの少なくとも一部を供給することを特徴とする。
【００１２】
メタネーション装置におけるメタネーション反応には、炭素以外に水素が必要とされる。本発明では、水素を含む排燃料ガスをメタネーション装置に供給することとしたので、水素不足に陥るおそれを解消できる。
炭素含有ガスは、例えば、ＣｎＨｍガス、ＣＯ２、および炭素含有燃料の燃焼または部分燃焼ガスのいずれかを含む。
【００１３】
また、本発明の複合発電システムの運転方法は、メタンを主成分とする燃料ガス及び酸化性ガスが供給される燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガスが供給される燃焼器を備えた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、炭素含有ガスと水素含有ガスが供給されて少なくとも一部をメタンへと生成するメタネーション装置と、前記燃料電池に水素を供給する水素供給系統とを備えた燃料電池複合発電システムの運転方法であって、前記燃料電池への供給をメタンを主成分とする燃料ガスから水素を供給へ変更する際に、一時的に前記メタネーション装置にて生成されたメタンを含むガスを前記燃料電池に供給し、前記メタネーション装置にて生成されたメタンを含むガスを前記燃焼器に供給し、その後に該水素供給系統から前記燃料電池に水素を供給することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
燃料電池複合発電システムの燃料としてメタンを主成分とする燃料ガスから水素に切り替える場合であっても、燃焼器の助燃料としてメタネーション装置から導かれたメタンを利用することができるので、運転を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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部分拡大縦断面図である。
【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分解斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様を示す縦断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣ複合発電システムを示した概略構成図である。
【図５】燃料ガスとして都市ガスと水素との切り替えを示したタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明にかかる一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１７】
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。
【００１８】
まず、図１を参照して本実施形態に係るＳＯＦＣ複合発電システム（燃料電池複合発電システム）のＳＯＦＣに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の長手軸方向において最も端の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。
【００１９】
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。
【００２０】
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と水素を用いたものである。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
次に、図２と図３とを参照して本実施形態に係る複合発電システムに用いる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、ＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。また、図３は、ＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図を示すものである。
【００２５】
ＳＯＦＣモジュール２０１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２０５とを備える。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とを備える。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とを備える。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）とを備える。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）とを備える。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、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。
【００３１】
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、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。
【００３２】
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ものである。
【００３３】
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２０９ａに導くものである。
【００３４】
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と下部断熱体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。
【００３５】
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ものである。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
図４には、上述したＳＯＦＣを備えた本実施形態に係るＳＯＦＣ複合発電システム１０が示されている。
ＳＯＦＣ複合発電システム１０は、ＳＯＦＣ１２と、ＳＯＦＣ１２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マイクロガスタービン装置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、制御装置（図示せず）により常時監視が行われている。
【００４６】
ＳＯＦＣ１２は、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である都市ガスが供給されることにより発電を行う。ＳＯＦＣ１２は、圧力容器２０５内の圧力を計測する圧力センサ１５Ａ及び圧力容器２０５内の温度を計測する温度センサ１５Ｂが備えられる。
【００４７】
マイクロガスタービン装置１６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と、空気極から排出された排出空気及び燃料極から排出さ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を断熱膨張することにより回転駆動するタービン２２とを備えている。
マイクロガスタービン装置１６には、タービン２２の回転動力を得て発電する発電機１７が設けられている。発電機１７にて発電された電力は、図示しない電力系統へと送られる。
【００４８】
ＳＯＦＣ１２には、燃料ガス供給ライン２４を介して、還元性ガスである水素ガス、改質用ガスとなる水蒸気、不活性ガスである窒素ガス、及び燃料ガスである都市ガスが供給可能とされる。また、各ガスに対応してガスの流量を調整する流量調整弁（以下、「流調弁」という。）２８Ａ〜２８Ｄが設けられている。
都市ガス等の燃料ガスは、燃料ガス供給ライン２４に導かれた後にＳＯＦＣ１２へ供給される。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。
【００４９】
ＳＯＦＣ１２の燃料極側から排出された排燃料ガスは、燃料ガス排出ライン３１を通り燃焼器２０へと導かれる。燃料ガス排出ライン３１を通る燃料ガスの一部は、燃料再循環ライン３２によってＳＯＦＣ１２へ戻される。燃料ガス排出ライン３１には、ＳＯＦＣ１２内の差圧を制御する制御弁３４、及びＳＯＦＣ１２から排出される排燃料ガスの一部をＳＯＦＣ１２へ循環させる再循環ブロワ３６が設けられている。
【００５０】
また、燃料再循環ライン３２には流調弁３８が設けられ、燃焼器２０へ燃料を供給する燃料ガス排出ライン３１には遮断弁４０が設けられている。
さらに、排燃料ガスは、排燃料ガスパージライン４２によって、排燃料ガスの一部を外部へとパージ可能とされている。排燃料ガスパージライン４２には、減圧弁４４が設けられている。すなわち、ＳＯＦＣ１２の燃料極内の燃料ガスは、減圧弁４４が開かれるとパージライン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が微調整される。
【００５１】
ＳＯＦＣ１２には、空気極に空気を供給する空気供給ライン４６が接続されている。空気供給ライン４６の上流側は、マイクロガスタービン装置１６のコンプレッサ１８に接続されている。コンプレッサ１８で圧縮され、空気予熱器（再生熱交換器）４８で予熱された圧縮空気が、空気供給ライン４６を介してＳＯＦＣ１２の空気極へと供給される。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調整する流調弁５０が設けられている。空気供給ライン４６は、分岐されたバイパスライン５４によって一部の空気をＳＯＦＣ１２へ供給せずに、排出空気供給ライン５６を介して燃焼器２０へ供給されるようになっている。バイパスライン５４にはバイパスライン５４を通過する空気の流量を調整する流調弁５８が備えられている。
【００５２】
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、循環させる空気の流量を制御する制御弁６０が設けられている。
排出空気供給ライン５６は、分岐され、排空気パージライン６２によって空気を外部へパージ可能とされている。排空気パージライン６２には、減圧弁６４が設けられている。すなわち、ＳＯＦＣ１２の空気極内の空気は、減圧弁６４が開かれると排空気パージライン６２によって酸化性ガスの一部が外部へと排出されることで、減圧して空気極の圧力が微調整される。
【００５３】
本実施形態での燃焼器２０には、メタネーション装置７０が接続されている。メタネーション装置７０によってメタン化されたメタンを含むガス（以下「メタネーション装置由来炭素含有燃料」という。）が燃焼器２０に供給される。メタネーション装置７０は、ニッケル系、ルテニウム系、鉄系、コバルト系などのメタネーション触媒を有しており、炭素原料タンク７１から炭素含有燃料（ＣｎＨｍガス、ＣＯ２、および炭素含有燃料の燃焼もしくは部分燃焼ガス等の炭素含有ガス）と、水素供給ライン７２からをＨ２ガスとを供給して、メタン化を行い、メタンを含むガスを生成する。
【００５４】
メタネーション装置７０に炭素含有燃料を供給する炭素原料タンク７１出口からメタネーション装置７０入口までの炭素含有ガスライン７３には、都市ガス流調弁７４ａが設けられた都市ガス供給ライン７４が接続されている。ＳＯＦＣ複合発電システム１０の燃料ガスとして都市ガスが供給されている間は、燃焼器２０の燃焼安定性を確保するために小流量の都市ガスが、助燃料として燃焼器２０に供給されている。助燃料ガスとして都市ガスを供給するに当たり、本実施形態ではメタネーション装置７０の上流側に都市ガスを供給している。都市ガスはこのままメタネーション装置７０を通過させても良いが、さらに助燃料として燃焼を安定させるために、水素ガスを混入することでメタンを増加させても良い。すなわち、都市ガスの約１０％は残りがエタン、プロパン、ブタンなどの高次の炭化水素ガスであるため、都市ガスの供給流量の１０％〜２０％の水素ガスを水素供給ライン７２から供給しても良い。都市ガス中の高次炭化水素がメタネーション装置７０でメタンへと分解されるため、燃焼器２０での更に安定した燃焼を得ることができる。
ＳＯＦＣ複合発電システム１０の燃料ガスとして都市ガスが中断されると、燃焼器２０の助燃料としての都市ガスも中断される。このため、メタネーション装置７０には、炭素原料タンク７１から炭素含有燃料（ＣｎＨｍガス、ＣＯ２、および炭素含有燃料の燃焼もしくは部分燃焼ガス等の炭素含有ガス）と水素含有ガスを各所定流量で導いてメタンを含むガスを生成するために、炭素含有ガスの供給として炭素含有ガスライン７３には、炭素含有ガス流調弁７３ａが設けられ、水素含有ガスの供給として水素供給ライン７２には水素流調弁７２ａが設けられている。
【００５５】
メタネーション装置７０では、以下の反応が発生して、炭素含有ガスの少なくとも一部をメタンに変換して、ガスの発熱量を増加させる。これにより、燃焼器２０に助燃料となるメタンを混入することが可能となり、ＳＯＦＣ１２の燃料極から排出された排ガス燃料ガスの一部を燃焼用の燃焼器２０に供給して、燃焼器２０を特別に追加調整することなく、そのまま使用しながら安定した燃焼性を維持させることができる。
ＣｎＨｍ＋（（４ｎ−ｍ）／２）Ｈ２→ｎＣＨ４
ＣＯ２＋４Ｈ２→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ
【００５６】
メタネーション装置７０に供給する炭素含有ガスは、本実施形態ではＣｎＨｍガス、ＣＯ２、および炭素含有燃料の燃焼もしくは部分燃焼ガス等としているが、炭素を含む炭素含有ガスであれば良く、詳しくは以下の通りである。
（１）ＣｎＨｍガス（都市ガスやＬＰＧボンベなど）
都市ガスに含まれるエタン(Ｃ２Ｈ６),プロパン(ｃ３Ｈ８),ブタン(ｃ４Ｈ１０)（合計で約１１％）やＬＰＧなどの高次炭化水素を水素ガスと反応させて、ＣＨ４を主体としたガスへと改質するメタネーションを行い、燃焼器２０の燃焼性を維持しながら発熱量を安定化させる。
都市ガスの場合は、都市ガスの供給接続先を炭素原料タンク７１出口の炭素含有ガスライン７３としてもよいが、都市ガスを供給する燃料供給系統にバッファタンクを設け、これを炭素原料タンク７１としてもよい。
なお、高次炭化水素は、燃焼器２０でもそのまま燃焼させることが可能ではあるが、メタネーション装置７０を経由して、ＣＨ４へ改質を一層促進させることで、燃焼器２０の燃焼性を更に安定化させることができる。
（２）二酸化炭素（ＣＯ２）
本実施形態のようにＣＯ２を炭素原料タンク７１に保有しておいても良いが、別プラントのＣＯ２回収装置から供給することとしてもよい。廃棄されるＣＯ２を助燃料の原料として活用するもので、低炭素社会へのＣＯ２処理に貢献できる。
（３）炭素含有燃料（灯油や石炭など）の燃焼ガス
灯油などを燃焼もしくは部分燃焼したガスを用いる。保管スペースが少なく貯蔵が容易となり、炭素原料タンク７１を設けることができない場合であっても、燃焼ガスを供給するラインを設けることで実現することができる。これにより、迅速な起動も可能で、燃料費用も低価格となる。また、供給するガス温度も高いので効率向上が望める。
【００５７】
上述した炭素含有ガス流調弁７３ａや水素流調弁７２ａ等の各弁は、図示しない制御部によって制御される。制御部は、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。
【００５８】
次に、都市ガスの供給が停止され、水素による運転に切り替える場合の動作について説明する。
例えば停電等によって都市ガスの供給が停止されると、制御部はこれを検知して、ＳＯＦＣ１２に供給する燃料ガスを都市ガスから水素へ切り替える。
具体的には、図５に示すように、都市ガスから水素へと切り替えをタイミングチャートで示す。時刻Ｔ０で都市ガスの燃料の供給が停止されて流量は０となる。このときに、メタネーション装置７０が制御部の指令によって起動され、メタネーション装置７０にてメタンを主成分とするメタネーション装置由来炭素含有燃料が生成される。すなわち、炭素含有ガス流調弁７３ａ及び水素流調弁７２ａが開けられ、メタネーション装置７０に炭素含有ガス及び水素が供給され、メタネーション反応によってメタネーション装置由来炭素含有燃料が生成される。
生成されたメタネーション装置由来炭素含有燃料は、燃焼器２０及びＳＯＦＣ１２の燃料極側に送られる。
図４に示すように、メタネーション装置７０出口のメタネーション装置由来炭素含有燃料は、一部がメタネーション装置由来炭素含有燃料ライン７５を介してメタネーション装置由来炭素含有燃料流調弁７５ａを経て、ＳＯＦＣ１２の燃料極へと供給される。これにより、図５の上段に示すように、ＳＯＦＣ投入流量は、時刻Ｔ０にて所定量のメタネーション装置由来炭素含有燃料が供給され始める。このとき、メタネーション装置由来炭素含有燃料の供給する所定量は、ＳＯＦＣ１２の発電量とメタネーション装置由来炭素含有燃料の組成により決定される。また、図５の中段に示すように、ＭＧＴ（マイクロガスタービン）投入流量、すなわち燃焼器２０への投入流量は、助燃料としての都市ガスの供給が停止されて、時刻Ｔ０にてメタネーション装置由来炭素含有燃料が供給され始める。なお、燃焼器２０へのＳＯＦＣ１２の燃料極からの排燃料ガスの一部は、継続して燃焼器２０に供給される。図５の下段には、ＳＯＦＣ１２からの排燃料ガスの組成が示されており、一酸化炭素やメタン等の炭素含有燃料と水素が所定割合で混合されたガス組成が、都市ガスの供給が停止されたことによる影響で、時刻Ｔ０以降では炭素含有燃料の割合が低下し始めている。
【００５９】
そして、図５の上段に示すように、ＳＯＦＣ投入流量は時刻Ｔ１にて、制御部の指令によって、流調弁２８Ａを開け、時刻Ｔ２に向かって水素の供給量を所定量まで増加させていく。また、時刻Ｔ１にて、制御部の指令によって、メタネーション装置由来炭素含有燃料流調弁７５ａを徐々に閉めることで、ＳＯＦＣ投入流量はメタネーション装置由来炭素含有燃料の流量を時刻Ｔ２に向かって減少させていく。そして、時刻Ｔ２にてＳＯＦＣ投入流量はメタネーション装置由来炭素含有燃料の流量を０として、ＳＯＦＣ１２における水素への切り替えを完了する。水素の供給する所定量は、ＳＯＦＣ１２の発電量より決定される。
【００６０】
燃焼器２０へ供給されるＭＧＴ投入燃料は、図５の中段に示すように、時刻Ｔ０にて助燃料が都市ガスからメタネーション装置由来炭素含有燃料へと供給が切り替わり、継続してメタネーション装置由来炭素含有燃料が供給され続け、ＳＯＦＣ１２の燃料極からの排燃料ガスの一部は、継続して燃焼器２０に供給される。このように、メタネーション装置由来炭素含有燃料が燃焼器２０の燃焼の助燃料として使用される。
また、燃焼器２０へのメタネーション装置由来炭素含有燃料の投入流量は、シミュレーションや事前運用で、各運転状況に対して必要流量を設定しておくことで対応が可能である。
さらに、ＭＧＴの出力や回転数といった運転状況から、燃焼器２０の燃焼安定性を間接的に検知し、メタネーション装置由来炭素含有燃料の投入流量の微調整を行うとより好ましい。
ＳＯＦＣ１２からの排燃料ガスの組成、特に可燃性ガスの組成は、図５の下段に示すように、ＳＯＦＣ１２へ供給する燃料ガスの切り替えによって、時刻Ｔ１から一酸化炭素やメタン等の炭素含有燃料が減少して時刻Ｔ３で０となる。また、水素は、時刻Ｔ１から増加して、時刻Ｔ３以降では可燃性ガスは水素が大部分を占めるようになる。
なお、時刻Ｔ０から時刻Ｔ３での各切り替えは、ＳＯＦＣ１２のセルスタックなどの温度状況、燃焼器２０の燃焼の安定性状況、ＳＯＦＣ１２の排燃料ガスの温度と組成状況を、制御部は検知して確認しながら、切り替えることがさらに好ましい。
ＳＯＦＣ１２の燃料ガスとして、都市ガスの中断が復旧された場合は、前述の逆の方法と工程で、水素から都市ガスへと切替えることが可能である。
【００６１】
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。
ＳＯＦＣ１２の燃料ガスとして、都市ガスが中断された場合に水素を供給すると、ＳＯＦＣ１２から排出される排燃料ガス中の水素濃度が上昇し、相対的に一酸化炭素やメタン等の炭素含有燃料が減少するので、排燃料ガスの発熱量が低下する。具体的には、都市ガス（１３Ａ）の発熱量が４５（ＭＪ／ｍ３）であるのに対して、Ｈ２ガスは１２．８（ＭＪ／ｍ３）、ＣＯガスは１２．６（ＭＪ／ｍ３）、ＣＨ４ガスは４０（ＭＪ／ｍ３）である。
そうすると、排燃料ガスを燃焼させる燃焼器２０の燃焼安定性が損なわれるおそれがある。そこで、本実施形態では、ＳＯＦＣ１２に水素を供給する際に、メタネーション装置７０にて生成されたメタンを含むメタネーション装置由来炭素含有燃料を燃焼器２０に供給することとし、ガス性状が変化した排燃料ガスが燃焼器２０に供給されても、燃焼器２０の燃焼の助燃料としてメタネーション装置７０由来のメタンを含むガスを利用することができるので、燃焼器２０の燃焼安定性を維持することができる。これにより、ＳＯＦＣ１２の燃料ガスを都市ガスから水素に切り替える場合であっても、メタンを含むガスを燃料とする燃焼器２０を安定して燃焼を継続し、この燃焼器２０を備えたガスタービン装置の運転を継続し、発電ならびにＳＯＦＣ１２への酸化性ガスである空気の供給を行うことができる。
【００６２】
また、都市ガスの供給が一時停止された場合でも、都市ガスの供給が復帰するまでの間にわたって水素を供給することで継続して運転することができるので、ＳＯＦＣ複合発電システム１０を停止させる必要がない。したがって、温度が低下してしまうと時間がかかるＳＯＦＣ複合発電システム１０の再起動を実施する必要がなくなる。
【００６３】
なお、本実施形態では、メタネーション装置７０に水素含有ガスとして水素供給ライン７２から水素を供給することとしたが、これに代えて或いはこれとともに、燃料ガス排出ライン３１からの排燃料ガスを水素含有ガスとしてメタネーション装置７０に供給することとしても良い。これにより、水素を含む排燃料ガスをメタネーション装置７０に供給することとしたので、水素不足に陥るおそれを解消できる。
さらに、排燃料ガスをメタネーション装置７０に供給することにより、以下のような有利点がある。
二酸化炭素と水素によるメタン合成反応は（１）式で示される。
ＣＯ２＋４Ｈ２→ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ      ΔＨ＝−３９．４kcal/mol      （１）
しかし、実際には、（２）式と（３）式で示される素反応の熱平衡関係から成る。
ＣＯ＋３Ｈ２→Ｈ２Ｏ＋ＣＨ４      ΔＨ＝−４９．３kcal/mol      （２）
ＣＯ２＋Ｈ２→ＣＯ＋Ｈ２Ｏ        ΔＨ＝＋９．８kcal/mol      （３）
（２）式はメタネーション反応、（３）式はＣＯシフト反応である。
上記の通り、（１）式のメタン合成反応は発熱反応であり、平衡反応としては温度が低い方が良いが反応速度が低下するので、反応促進からは温度がやや高い方が良い。このため、２００℃〜４００℃程度でメタネーション触媒（ニッケル系、ルテニウム系、鉄系、コバルト系など）によりＣＯ２をメタン化する。一方、式（１）のように、原料５molがメタン合成で３molへと分子数が減少するので、圧力が高い方が反応を促進できる。したがって、メタネーション装置７０は、排燃料ガス温度は５００℃前後が好適であり、マイクロガスタービン装置１６への排燃料ガス供給系統である燃料ガス排出ライン３１は常圧よりも高い高圧（例えば５００〜７００ｋＰａ）とされているので、燃料ガス排出ライン３１に接続することにより適切な運用が可能となる。
【００６４】
さらに、都市ガスを加圧して保有するバッファタンクを備えていても良い。これにより、都市ガスの供給が停止されても、都市ガスをバッファタンクから供給することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１０  燃料電池複合発電システム（ＳＯＦＣ複合発電システム）
１２  ＳＯＦＣ（燃料電池）
１６  マイクロガスタービン装置（ガスタービン装置）
１７  発電機
２０  燃焼器
２２  タービン
２４  燃料ガス供給ライン
３１  燃料ガス排出ライン
７０  メタネーション装置
７１  炭素原料タンク
７２  水素供給ライン（水素供給系統）
７２ａ  水素流調弁
７３  炭素含有ガスライン
７３ａ  炭素含有ガス流調弁
【図１】
2017152313.tif 000003
【図２】
2017152313.tif 000004
【図３】
2017152313.tif 000005
【図４】
2017152313.tif 000006
【図５】
2017152313.tif 000007