JP2017152314A - Fuel cell, fuel cell hybrid power generation system, and method for stopping fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of appropriately stopping the fuel cell with a simple configuration when a fuel gas supply from a fuel gas source is stopped.SOLUTION: A fuel cell comprises: an SOFC (solid oxide fuel cell) 12 including a fuel electrode and an air electrode; a fuel gas supply system 24 which supplies a city gas from a fuel gas supply source 25 to the fuel electrode; a fuel gas buffer tank 27 provided in the fuel gas supply system 24 and for storing the city gas supplied to the SOFC 12; a fuel gas supply stop detecting unit which detects supply stop of the city gas from the fuel gas supply source 25; a fuel gas vent tube 42 which reduces a pressure of an exhaust fuel gas in a fuel electrode exit; and a control unit 15 which reduces a fuel gass pressure in the fuel gas supply system 24 by the fuel gas vent tube 42 when the fuel gas supply stop detecting unit detects supply stop of the fuel gas, and supplies the fuel gas from the fuel gas buffer tank 27.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

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。   The present invention relates to a fuel cell, a combined fuel cell power generation system, and a method for stopping a fuel cell, which perform a stop operation associated with an abnormal stop of the fuel cell.

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。   A solid oxide fuel cell (SOFC) is known as a highly efficient fuel cell. A solid oxide fuel cell (hereinafter simply referred to as a “fuel cell”) has an operating temperature as high as 700 ° C. to 1000 ° C., for example, in order to increase ionic conductivity. Fuel cell (SOFC) combined power generation system. At this time, the air as the oxidizing gas is discharged from the compressor of the micro gas turbine device, and the discharged air heated by using the exhaust gas heat of the micro gas turbine device is supplied to the air electrode side of the fuel cell to generate heat. It is effective to use energy. Moreover, the efficiency of the fuel cell combined power generation system can be improved by using a part of the high-temperature exhaust fuel that could not be used in the fuel cell as the fuel for the combustor of the micro gas turbine device.

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。   When such a fuel cell is normally stopped, the fuel electrode is oxidized so that Ni, which is a component, is oxidized and changes in deposition, so that the fuel electrode, solid electrolyte, air electrode, interconnector, etc. are not damaged. By maintaining the gas supply system in a reducing atmosphere, it is required that the fuel cell be stopped without being damaged. Immediately after power generation is stopped, the fuel cell has a high temperature in the power generation chamber (that is, the temperature of the fuel cell is high). Therefore, the fuel cell is internally reformed by supplying city gas (fuel gas) and water vapor to produce hydrogen and monoxide. Some of them generate carbon, maintain the fuel gas supply system in a reducing atmosphere, and stop the operation by lowering the temperature of the power generation chamber of the fuel cell while utilizing the heat absorption by internal reforming.

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。   On the other hand, at the time of an abnormal stop such as a power failure that is not a normal stop, various stop operations are proposed as in Patent Documents 1 and 2 below.

特開２０１４−１４６４７６号公報JP 2014-146476 A 特開２０１４−１４６４７７号公報JP 2014-146477 A

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。 However, at the time of an abnormal stop such as a power failure, the fuel gas supply from the city gas conduit (fuel gas source) and the power supply from the power system are shut off, and the stop operation is not performed properly and the fuel cell fuel electrode There is a possibility that the fuel cell may be damaged because the reducing atmosphere cannot be maintained or a temperature distribution due to a temperature change occurs.
For this, it is sufficient to provide a spare facility capable of supplying city gas or alternative gas (for example, hydrogen). However, additional cost is required to install the spare facility. Furthermore, when the spare equipment is enlarged, or depending on the type of alternative gas to be reserved, there may be cases where it does not meet the laws or standards of the installation site. Therefore, when the supply of the fuel gas from the fuel gas source is stopped, it is desirable that the fuel cell can be appropriately stopped by a simple facility with a high degree of freedom of installation.

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。   The present invention has been made in view of such circumstances, and a fuel cell capable of appropriately performing a stop operation with a simple configuration when the supply of fuel gas from a fuel gas source is stopped, and An object of the present invention is to provide a combined fuel cell power generation system and a method for stopping a fuel cell.

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。 In order to solve the above problems, the fuel cell and the combined power generation system and the fuel cell stopping method of the present invention employ the following means.
That is, a fuel cell according to the present invention includes a fuel cell body including a fuel electrode and an air electrode, a fuel gas supply system that supplies fuel gas from a fuel gas source to the fuel electrode, and the fuel gas supply system that is provided in the fuel gas supply system. A fuel gas buffer tank that stores fuel gas supplied to the fuel cell body, a fuel gas supply stop detection unit that detects a supply stop of fuel gas from the fuel gas source, and a pressure of the exhaust fuel gas at the fuel electrode outlet And when the fuel gas supply stop detecting unit detects the stop of the supply of fuel gas from the fuel gas source, the fuel gas pressure reducing means reduces the pressure of the fuel cell main body. A controller for reducing the fuel gas pressure in the fuel gas supply system by reducing the fuel gas and supplying fuel gas from the fuel gas buffer tank. The features.

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。 Since the fuel gas is stored in the fuel gas buffer tank, when the supply of the fuel gas from the fuel gas source is stopped, the fuel gas in the fuel gas buffer tank passes through the fuel gas supply system and the fuel in the fuel cell main body. Will be supplied to the pole. Thereby, even after the fuel gas supply is stopped, the stopping operation of the fuel cell is not hindered. Furthermore, in the present invention, when the fuel gas supply stop is detected, the fuel gas pressure in the fuel gas supply system is reduced by the fuel gas pressure reducing means, so the pressure in the fuel gas buffer tank is reduced. The fuel gas in the fuel gas buffer tank can continue to be supplied to the fuel gas supply system until the fuel gas pressure is reached. As a result, a larger amount of fuel gas can be supplied to the fuel gas supply system than when the pressure in the fuel gas supply system is not reduced, so that the capacity of the fuel gas buffer tank can be made as small as possible. it can. Accordingly, the fuel gas buffer tank can be made compact, and the degree of freedom of installation location is expanded.
Further, since the fuel gas used in the normal operation before detecting the supply stop of the fuel gas can be used as it is in the stop operation, it is not necessary to use an alternative gas such as hydrogen, for example, and an alternative gas such as hydrogen gas. The present invention can also be applied to an installation location (for example, a general household) where there is a use restriction on the.
An example of the fuel cell is a solid oxide fuel cell.

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。   Further, in the fuel cell of the present invention, the air pressure reducing means for reducing the pressure of the exhaust oxidizing gas at the air electrode outlet, while maintaining the differential pressure between the exhaust fuel gas and the exhaust oxidizing gas within a predetermined value. And a pressure equalizing means for discharging the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas, and when the fuel gas supply stop detection unit detects the supply stop of the fuel gas from the fuel gas source, the fuel The gas pressure reduction means and the air pressure reduction means reduce the pressure of the fuel cell main body using the pressure equalization means.

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。   Furthermore, the fuel cell of the present invention includes a flow rate control valve that controls the flow rate of the fuel gas supplied from the fuel gas buffer tank, and a temperature sensor that measures the temperature of the fuel cell body, and the control unit includes: When the fuel gas supply stop detection unit detects the supply stop of the fuel gas, the opening degree of the flow control valve is adjusted according to the temperature change of the fuel cell main body measured by the temperature sensor. Features.

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。   The flow rate of the fuel gas necessary for the stop operation is determined according to the temperature of the fuel cell main body. For example, a higher fuel gas flow rate is required if the temperature of the fuel cell body is high, and a lower fuel gas flow rate is required if the temperature of the fuel cell body is low. Therefore, in the present invention, the temperature of the fuel cell body is measured, and the opening degree of the flow rate control valve is adjusted according to the measured temperature, so that a fuel gas having a necessary and sufficient flow rate at each temperature can be supplied. . As a result, wasteful consumption of fuel gas during the stop operation can be avoided, and the capacity of the fuel gas buffer tank can be further reduced.

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。   Furthermore, in the fuel cell of the present invention, the fuel cell includes a water supply unit that supplies water to the fuel gas supply system, and when the fuel gas supply stop detection unit detects the fuel gas supply stop detection unit, Water is supplied from the water supply unit to the fuel gas supply system.

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。 When the supply of fuel gas from the fuel gas source is stopped, sufficient water is not generated by the fuel cell reaction as in normal power generation before the supply of fuel gas is stopped. ) May be insufficient. Therefore, in the present invention, when the supply of the fuel gas is stopped, the fuel gas reforming reaction is maintained by supplying water to the fuel gas supply system. Thereby, the reforming of the fuel gas, which is an endothermic reaction, can be maintained, and the stop operation can be effectively performed.
The amount of water supplied is preferably adjusted so that S / C (ratio of the amount of water vapor to the amount of carbon in the fuel gas) is 3.5 or more.

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。   Furthermore, the fuel cell of the present invention includes an inert gas supply unit that supplies an inert gas to the fuel gas supply system, and the control unit is configured to supply the fuel gas when the fuel cell main body drops to a predetermined temperature. The supply of the fuel gas from the buffer tank to the fuel gas supply system is switched to the supply of the inert gas from the inert gas supply unit to the fuel gas supply system.

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。   When the fuel cell body drops to a predetermined temperature, the gas supplied to the fuel gas supply system is switched from the fuel gas supplied from the fuel gas buffer tank to the inert gas. As a result, the use of the fuel gas in the fuel gas buffer tank can be limited, so that the capacity of the fuel gas buffer tank can be further reduced.

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。   Furthermore, in the fuel cell of the present invention, the predetermined temperature is a temperature at which the fuel gas can be reformed by water and the deterioration of the fuel electrode by an inert gas can be avoided. .

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。 The gas supplied to the fuel gas supply system is switched from the fuel gas to the inert gas at a temperature at which the fuel gas can be reformed with water and the deterioration of the fuel electrode due to the inert gas can be avoided. Therefore, the stop operation can be performed without causing deterioration of the fuel cell.
Specifically, when the fuel gas is a city gas, the predetermined temperature is 400 ° C. to 600 ° C., preferably 500 ° C.

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。   According to another aspect of the present invention, there is provided a combined power generation system including a fuel cell according to any one of the above, a gas turbine device that operates with exhaust fuel gas guided from the fuel cell body, and a generator driven by the gas turbine device. It is characterized by having.

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。   The fuel cell stopping method of the present invention includes a fuel cell main body having a fuel electrode and an air electrode, a fuel gas supply system for supplying fuel gas from a fuel gas source to the fuel electrode, and a fuel gas supply system. A fuel gas buffer tank for storing the fuel gas supplied to the fuel cell main body, a fuel gas supply stop detection unit for detecting a supply stop of the fuel gas from the fuel gas source, and an exhaust fuel gas at the fuel electrode outlet A fuel cell stop method comprising: a fuel gas pressure reducing means for reducing pressure; and an inert gas supply unit for supplying an inert gas to the fuel gas supply system, wherein the fuel gas supply stop detection unit When the supply stop of the fuel gas from the fuel gas source is detected, the fuel gas pressure reducing means reduces the pressure of the fuel cell main body to reduce the fuel in the fuel gas supply system. The fuel gas is supplied from the fuel gas buffer tank to the fuel gas supply system when the gas pressure is reduced, the fuel gas is supplied from the fuel gas buffer tank, and the fuel cell main body is lowered to a predetermined temperature. It is characterized by switching to the supply of the inert gas from the inert gas supply unit to the fuel gas supply system.

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。   Adopt a fuel gas buffer tank with a relatively small capacity by lowering the operating pressure of the fuel cell and lowering the pressure of the fuel gas supply system when the supply of fuel gas from the fuel gas source is stopped Therefore, the stop operation can be appropriately performed with a simple configuration.

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。1 illustrates one aspect of a cell stack according to an embodiment of the present invention. 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。1 illustrates one aspect of a SOFC module according to an embodiment of the present invention. 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。1 illustrates one aspect of a cross-section of an SOFC cartridge according to an embodiment of the present invention. 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。1 is a schematic configuration diagram illustrating a combined power generation system according to an embodiment of the present invention. 停止動作時の温度変化等を示したグラフである。It is the graph which showed the temperature change etc. at the time of a stop operation. 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。It is the graph which showed the capacity | capacitance required for a fuel gas buffer tank. 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。It is the figure which showed the relationship between the pressure of a fuel gas buffer tank, and the pressure of a fuel gas supply pipe | tube.

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。   Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

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。 In the following, for convenience of explanation, the positional relationship of each component is specified using the expressions “upper” and “lower” on the basis of the paper surface, but this is not necessarily limited to the vertical direction. For example, the upward direction on the paper surface may correspond to the downward direction in the vertical direction. Moreover, you may respond | correspond to the horizontal direction where the up-down direction in a paper surface goes orthogonally to a perpendicular direction.
In the following description, a cylindrical shape is described as an example of a cell stack of a solid oxide fuel cell (SOFC). However, the cell stack is not necessarily limited to this, and may be a flat cell stack, for example.

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。   A cylindrical cell stack according to this embodiment will be described with reference to FIG. Here, FIG. 1 shows one mode of the cell stack according to the present embodiment. The cell stack 101 includes a cylindrical base tube 103, a plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103, and an interconnector 107 formed between adjacent fuel cells 105. The fuel cell 105 is formed by stacking a fuel electrode 109, a solid electrolyte 111, and an air electrode 113. The cell stack 101 is connected to the air electrode 113 of the fuel cell 105 formed at the end in the axial direction of the base tube 103 among the plurality of fuel cells 105 formed on the outer peripheral surface of the base tube 103. A lead film 115 electrically connected via the connector 107 is provided, and a lead film (not shown) electrically connected to the fuel electrode 109 of the fuel cell 105 formed at the other end of the fuel cell is provided. .

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。 The base tube 103 is made of a porous material, for example, CaO stabilized ZrO 2 (CSZ), Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 (YSZ), or MgAl 2 O 4 . The base tube 103 supports the fuel battery cell 105, the interconnector 107, and the lead film 115, and supplies the fuel gas supplied to the inner peripheral surface of the base tube 103 through the pores of the base tube 103. Is diffused to the fuel electrode 109 formed on the outer peripheral surface of the electrode.

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。 The fuel electrode 109 is made of an oxide of a composite material of Ni and a zirconia-based electrolyte material. For example, Ni / YSZ is used. In this case, in the fuel electrode 109, Ni which is a component of the fuel electrode 109 has a catalytic action on the fuel gas. This catalytic action reacts with a fuel gas supplied through the base tube 103, for example, a mixed gas of methane (CH 4 ) and water vapor, and reforms it into hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). Is. Further, the fuel electrode 109 has an interface between the solid electrolyte 111 and hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) obtained by reforming and oxygen ions (O 2− ) supplied via the solid electrolyte 111. It reacts electrochemically in the vicinity to produce water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). At this time, the fuel cell 105 generates electric power by electrons emitted from oxygen ions.
Fuel gas that can be used for SOFC includes hydrocarbon gas such as hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), methane (CH 4 ), city gas, natural gas, petroleum, methanol, coal gasification gas, etc. It is operated using as a fuel a gas produced by gasification equipment of the carbonaceous raw material.
The fuel gas in the present embodiment uses a fuel gas mainly composed of methane such as city gas.

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。 As the solid electrolyte 111, YSZ having gas tightness that prevents gas from passing and high oxygen ion conductivity at high temperature is mainly used. The solid electrolyte 111 moves oxygen ions (O 2− ) generated at the air electrode to the fuel electrode.

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。 The air electrode 113 is made of, for example, a LaSrMnO 3 oxide or a LaCoO 3 oxide. The air electrode 113 generates oxygen ions (O 2− ) by dissociating oxygen in an oxidizing gas such as air supplied near the interface with the solid electrolyte 111.

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。 The interconnector 107 is composed of a conductive perovskite oxide represented by M 1-x L x TiO 3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanoid element) such as SrTiO 3 system, and is composed of fuel gas and air. It is a dense film so as not to mix. Further, the interconnector 107 has stable electrical conductivity in both an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere. The interconnector 107 electrically connects the air electrode 113 of one fuel battery cell 105 and the fuel electrode 109 of the other fuel battery cell 105 in adjacent fuel battery cells 105 so that the adjacent fuel battery cells 105 are connected to each other. Are connected in series. Since the lead film 115 needs to have electronic conductivity and a thermal expansion coefficient close to that of the other materials constituting the cell stack 101, the lead film 115 is made of Ni such as Ni / YSZ and a zirconia-based electrolyte material. Composed of composite material. The lead film 115 leads direct current power generated by the plurality of fuel cells 105 connected in series by the interconnector to the vicinity of the end of the cell stack 101.

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。   Next, the SOFC module and the SOFC cartridge according to this embodiment will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 2 shows one mode of the SOFC module according to the present embodiment. FIG. 3 shows a cross-sectional view of one aspect of the SOFC cartridge according to the present embodiment.

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。   As shown in FIG. 2, the SOFC module 12 includes, for example, a plurality of SOFC cartridges 203 and a pressure vessel 14 that stores the plurality of SOFC cartridges 203. The SOFC module 12 includes a fuel gas supply pipe (fuel gas supply system) 24 and a plurality of fuel gas supply branch pipes (fuel gas supply system) 24a. The SOFC module 12 includes a fuel gas discharge pipe 30 and a plurality of fuel gas discharge branch pipes 30a. The SOFC module 12 includes an air supply pipe (not shown) for supplying air as an oxidizing gas and an air supply branch pipe (not shown). The SOFC module 12 includes an air discharge pipe (not shown) and a plurality of air discharge branch pipes (not shown).

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。   The fuel gas supply pipe 24 is provided outside the pressure vessel 14 and is connected to a fuel gas supply unit (fuel gas supply source) that supplies a predetermined gas composition and a predetermined flow rate of fuel gas corresponding to the power generation amount of the SOFC module 12. In addition, it is connected to a plurality of fuel gas supply branch pipes 24a. The fuel gas supply pipe 24 branches and guides a predetermined amount of fuel gas supplied from the fuel gas supply section described above to a plurality of fuel gas supply branch pipes 24a. The fuel gas supply branch pipe 24 a is connected to the fuel gas supply pipe 24 and is connected to a plurality of SOFC cartridges 203. The fuel gas supply branch pipe 24a guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply pipe 24 to the plurality of SOFC cartridges 203 at a substantially equal flow rate, and makes the power generation performance of the plurality of SOFC cartridges 203 substantially uniform. .

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。   The fuel gas discharge branch pipe 30 a is connected to the plurality of SOFC cartridges 203 and is connected to the fuel gas discharge pipe 30. The fuel gas discharge branch pipe 30 a guides the exhaust fuel gas discharged from the SOFC cartridge 203 to the fuel gas discharge pipe 30. The fuel gas discharge pipe 30 is connected to a plurality of fuel gas discharge branch pipes 30 a and a part thereof is disposed outside the pressure vessel 14. The fuel gas discharge pipe 30 guides the exhaust fuel gas derived from the fuel gas discharge branch pipe 30a at a substantially equal flow rate to the outside of the pressure vessel 14.

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。   The pressure vessel 14 is operated at an internal pressure of 0.1 MPa to about 1 MPa and an internal temperature of atmospheric temperature to about 550 ° C., so that it has strength resistance and corrosion resistance to oxidizing agents such as oxygen contained in the air. Material is used. For example, a stainless steel material such as SUS304 is suitable.

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。   Here, in the present embodiment, a mode in which a plurality of SOFC cartridges 203 are assembled and stored in the pressure vessel 14 is described, but the present invention is not limited to this. It can also be set as the aspect accommodated in the container 14. FIG.

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。   As shown in FIG. 3, the SOFC cartridge 203 includes a plurality of cell stacks 101, a power generation chamber 215, a fuel gas supply chamber 217, a fuel gas discharge chamber 219, an air supply chamber 221, and an air discharge chamber 223. . The SOFC cartridge 203 includes an upper tube plate 225a, a lower tube plate 225b, an upper heat insulator 227a, and a lower heat insulator 227b. In the present embodiment, the SOFC cartridge 203 has the fuel gas supply chamber 217, the fuel gas discharge chamber 219, the air supply chamber 221, and the air discharge chamber 223 arranged as shown in FIG. Air is structured to flow inside and outside of the cell stack 101, but this is not always necessary. For example, air flows in parallel between the inside and outside of the cell stack, or air flows in the cell stack. You may make it flow in the direction orthogonal to a longitudinal direction.

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。   The power generation chamber 215 is an area formed between the upper heat insulator 227a and the lower heat insulator 227b. The power generation chamber 215 is an area where the fuel cells 105 of the cell stack 101 are arranged and the fuel gas and air are electrochemically reacted to generate power. Further, the temperature in the vicinity of the central portion of the power generation chamber 215 in the longitudinal direction of the cell stack 101 is a high temperature atmosphere of approximately 700 ° C. to 1000 ° C. during the steady operation of the SOFC module 12.

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。   The fuel gas supply chamber 217 is an area surrounded by the upper casing 229a and the upper tube plate 225a of the SOFC cartridge 203. The fuel gas supply chamber 217 communicates with the fuel gas supply branch pipe 24a through a fuel gas supply hole 231a provided in the upper casing 229a. In the fuel gas supply chamber 217, one end of the cell stack 101 is disposed with the inside of the base tube 103 of the cell stack 101 open to the fuel gas discharge chamber 219. The fuel gas supply chamber 217 guides the fuel gas supplied from the fuel gas supply branch pipe 24a through the fuel gas supply hole 231a into the base tube 103 of the plurality of cell stacks 101 at a substantially uniform flow rate. The power generation performance of the cell stack 101 is made substantially uniform.

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。   The fuel gas discharge chamber 219 is an area surrounded by the lower casing 229b and the lower tube plate 225b of the SOFC cartridge 203. The fuel gas discharge chamber 219 communicates with the fuel gas discharge branch pipe 30a through a fuel gas discharge hole 231b provided in the lower casing 229b. In the fuel gas discharge chamber 219, the other end of the cell stack 101 is disposed with the inside of the base tube 103 of the cell stack 101 open to the fuel gas discharge chamber 219. The fuel gas discharge chamber 219 collects exhaust fuel gas that passes through the inside of the base tube 103 of the plurality of cell stacks 101 and is supplied to the fuel gas discharge chamber 219, and passes through the fuel gas discharge hole 231b. It leads to the discharge branch pipe 30a.

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。   Corresponding to the power generation amount of the SOFC module 12, a predetermined gas composition and a predetermined flow rate of air are branched into an air supply branch pipe and supplied to a plurality of SOFC cartridges 203. The air supply chamber 221 is a region surrounded by the lower casing 229b, the lower tube plate 225b, and the lower heat insulator 227b of the SOFC cartridge 203. The air supply chamber 221 communicates with an air supply branch pipe (not shown) through an air supply hole 233a provided in the lower casing 229b. The air supply chamber 221 guides a predetermined flow rate of air supplied from an air supply branch pipe (not shown) through the air supply hole 233a to the power generation chamber 215 through an air supply gap 235a described later.

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。   The air discharge chamber 223 is a region surrounded by the upper casing 229a, the upper tube sheet 225a, and the upper heat insulator 227a of the SOFC cartridge 203. The air discharge chamber 223 is communicated with an air discharge branch pipe (not shown) through an air discharge hole 233b provided in the upper casing 229a. The air discharge chamber 223 guides exhaust air supplied from the power generation chamber 215 to the air discharge chamber 223 through an air discharge gap 235b described later to an air discharge branch pipe (not shown) through the air discharge hole 233b. is there.

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。   The upper tube plate 225a is arranged between the top plate of the upper casing 229a and the upper heat insulator 227a so that the upper tube plate 225a, the top plate of the upper casing 229a and the upper heat insulator 227a are substantially parallel to each other. It is fixed to the side plate. The upper tube sheet 225a has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into the holes, respectively. The upper tube sheet 225a hermetically supports one end portion of the plurality of cell stacks 101 through one or both of a sealing member and an adhesive member, and also supports the fuel gas supply chamber 217 and the air discharge chamber 223. It is something to isolate.

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。   The lower tube plate 225b is disposed on the side plate of the lower casing 229b so that the lower tube plate 225b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower heat insulator 227b are substantially parallel between the bottom plate of the lower casing 229b and the lower heat insulator 227b. It is fixed. The lower tube sheet 225b has a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203, and the cell stacks 101 are inserted into the holes, respectively. The lower tube sheet 225b hermetically supports the other end of the plurality of cell stacks 101 through one or both of a sealing member and an adhesive member, and also supports the fuel gas discharge chamber 219 and the air supply chamber 221. It is something to isolate.

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。   The upper heat insulator 227a is disposed at the lower end of the upper casing 229a so that the upper heat insulator 227a, the top plate of the upper casing 229a and the upper tube plate 225a are substantially parallel to each other, and is fixed to the side plate of the upper casing 229a. Yes. Further, the upper heat insulator 227a is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203. The diameter of the hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 101. The upper heat insulator 227a includes an air discharge gap 235b formed between the inner surface of this hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the upper heat insulator 227a.

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。   The upper heat insulator 227a separates the power generation chamber 215 and the air discharge chamber 223 from the fact that the atmosphere around the upper tube sheet 225a is heated to increase the strength and the corrosion due to the oxidizing agent contained in the air. Suppress. The upper tube sheet 225a and the like are made of a metal material having high temperature durability such as Inconel, but the upper tube sheet 225a and the like are exposed to the high temperature in the power generation chamber 215, and the temperature difference in the upper tube sheet 225a and the like becomes large. This prevents thermal deformation. The upper heat insulator 227a guides the exhaust air that has passed through the power generation chamber 215 and has been exposed to high temperature to the air discharge chamber 223 through the air discharge gap 235b.

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。   According to this embodiment, due to the structure of the SOFC cartridge 203 described above, fuel gas and air flow between the inner side and the outer side of the cell stack 101. As a result, the exhaust air exchanges heat with the fuel gas supplied to the power generation chamber 215 through the inside of the base tube 103, and the upper tube plate 225a made of a metal material undergoes deformation such as buckling. It is cooled to a temperature not to be supplied and supplied to the air discharge chamber 223. In addition, the temperature of the fuel gas is raised by heat exchange with the exhaust air discharged from the power generation chamber 215 and supplied to the power generation chamber 215. As a result, the fuel gas preheated to a temperature suitable for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

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。   The lower heat insulator 227b is disposed at the upper end of the lower casing 229b so that the lower heat insulator 227b, the bottom plate of the lower casing 229b, and the lower tube plate 225b are substantially parallel to each other, and is fixed to the side plate of the lower casing 229b. . Also, the lower heat insulator 227b is provided with a plurality of holes corresponding to the number of cell stacks 101 provided in the SOFC cartridge 203. The diameter of the hole is set larger than the outer diameter of the cell stack 101. The lower heat insulator 227b includes an air supply gap 235a formed between the inner surface of the hole and the outer surface of the cell stack 101 inserted through the lower heat insulator 227b.

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。   The lower heat insulator 227b separates the power generation chamber 215 and the air supply chamber 221 from the fact that the atmosphere around the lower tube sheet 225b becomes high temperature and decreases in strength and increases corrosion due to oxidants contained in the air. Suppress. The lower tube plate 225b and the like are made of a metal material having high temperature durability such as Inconel. However, the lower tube plate 225b and the like are exposed to a high temperature and the temperature difference in the lower tube plate 225b and the like is increased, so that the heat is deformed. It is something to prevent. The lower heat insulator 227b guides the air supplied to the air supply chamber 221 to the power generation chamber 215 through the air supply gap 235a.

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。   According to this embodiment, due to the structure of the SOFC cartridge 203 described above, fuel gas and air flow between the inner side and the outer side of the cell stack 101. As a result, the exhaust fuel gas that has passed through the power generation chamber 215 through the inside of the base tube 103 is heat-exchanged with the air supplied to the power generation chamber 215, and the lower tube plate 225b made of a metal material or the like Cooled to a temperature that does not cause deformation such as buckling, and supplied to the fuel gas discharge chamber 219. In addition, the temperature of the air is raised by heat exchange with the exhaust fuel gas and supplied to the power generation chamber 215. As a result, air heated to a temperature necessary for power generation can be supplied to the power generation chamber 215 without using a heater or the like.

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。   The direct-current power generated in the power generation chamber 215 is led out to the vicinity of the end of the cell stack 101 by the lead film 115 made of Ni / YSZ or the like provided in the plurality of fuel cells 105, and then the current collector rod (non-current) of the SOFC cartridge 203 is used. The current is collected via a current collecting plate (not shown) to the outside of each SOFC cartridge 203. The power derived to the outside of the SOFC cartridge 203 by the current collector rod is connected to the power generated by each SOFC cartridge 203 in a predetermined series number and parallel number, and is derived to the outside of the SOFC module 12 to provide power. It is converted into predetermined AC power by a conditioner 60 (see FIG. 4) and supplied to the power system.

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。 FIG. 4 shows a schematic configuration of the SOFC combined power generation system (fuel cell combined power generation system) 10 according to the present embodiment.
The combined power generation system 10 generates power by combining a fuel cell (SOFC) and an internal combustion engine that is operated using part of exhaust fuel gas that is fuel gas discharged from the fuel cell. The SOFC combined power generation system 10 is constantly monitored by the control unit 15.

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。 As described above, the SOFC module 12 generates power by supplying air, which is an oxidizing gas, to the air electrode and supplying fuel gas (city gas in the present embodiment) to the fuel electrode. City gas (13A) is about 90% of methane, and the remainder is hydrocarbon gas such as ethane, propane, butane.
The SOFC module 12 includes a pressure sensor 15A that measures the pressure in the pressure vessel 14 and a temperature sensor 15B that measures the temperature in the pressure vessel 14 (power generation chamber temperature). The outputs of these sensors 15A and 15B are sent to the control unit 15.
As described with reference to FIG. 2, the SOFC cartridge (fuel cell main body) 203 is provided in the pressure vessel 14. A fuel gas supply pipe 24, a fuel gas discharge pipe 30, an air supply pipe 40, and an air discharge pipe 41 are connected to the SOFC cartridge 203.

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。 A city gas (fuel gas) can be supplied to the SOFC module 12 via a fuel gas supply pipe 24. The fuel gas supply pipe 24 is connected to a fuel gas supply source 25 that is a city gas conduit. A fuel gas compressor 26 that compresses city gas and a city gas are stored from the fuel gas supply source 25 side. A fuel gas buffer tank 27, a desulfurizer 28 that removes sulfur in the city gas, and a fuel gas flow rate adjustment valve 29 that adjusts the flow rate of the city gas supplied to the SOFC module 12 are provided. The fuel gas buffer tank 27 is always filled with city gas. A stop-time fuel gas supply pipe 31 is provided so as to bypass the fuel gas flow rate adjustment valve 29. The stop-time fuel gas supply pipe 31 is provided with a stop-time flow rate adjustment valve 34 that adjusts the flow rate of the city gas from the fuel gas buffer tank 27 supplied when the fuel gas supply source 25 is stopped. The opening degree of the fuel gas flow rate adjustment valve 29 and the stop time flow rate adjustment valve 34 is controlled by the control unit 15.
The volume of the fuel gas buffer tank 27 is 25 × 10 −3 m 3 / kW or more and 50 × 10 −3 m 3 / kW or less, preferably 40 × 10 −3 m 3 / kW per SOFC output. It is said. If it is smaller than 25 × 10 −3 m 3 / kW, the supply pressure of the fuel gas cannot be supplied at a pressure higher than the minimum supply pressure (0.2 MPa in this embodiment). Further, if it is larger than 50 × 10 −3 m 3 / kW, it is necessary to consider the size of the fuel gas buffer tank with respect to the size of the SOFC.

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。   A nitrogen gas supply pipe 37 for supplying nitrogen gas (inert gas) to the fuel electrode side of the SOFC module 12 is connected to the fuel gas supply pipe 24. The nitrogen gas supply pipe 37 is provided with a nitrogen gas flow rate adjustment valve 38. The opening degree of the nitrogen gas flow rate adjustment valve 38 is controlled by the control unit 15.

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。   Part of the exhaust fuel gas that has passed through the SOFC module 12 is guided to the combustor 20 of the micro gas turbine device 16 through the fuel gas discharge pipe 30. On the downstream side of the fuel gas discharge pipe 30, an MGT flow rate adjustment valve 33 that adjusts the supply amount of the exhaust fuel gas is provided on the upstream side of the combustor 20. Here, MGT is an abbreviation for micro gas turbine.

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。   A recirculation blower 36 is provided in the fuel gas discharge pipe 30. An upstream end of the fuel gas recirculation pipe 32 is connected to the downstream side of the recirculation blower 36. The downstream side of the fuel gas recirculation pipe 32 is connected to the fuel gas supply pipe 24. Thereby, a part of the exhaust fuel gas discharged from the recirculation blower 36 is branched from the fuel gas discharge pipe 30, passes through the fuel gas recirculation pipe 32, and is returned to the SOFC module 12.

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。 The fuel gas recirculation pipe 32 is connected with a water supply pipe (water supply section) 39 for supplying the water. The water supply pipe 39 is provided with a water tank 39a and a water supply pump 39b. The operation of the water supply pump 39b is controlled by the control unit 15.
When the clean water is sprayed from the clean water supply pipe 39 into the fuel gas recirculation pipe 32, the clean water is vaporized by the sensible heat of the exhaust fuel gas passing through the fuel gas recirculation pipe, and the fuel gas is supplied. Water (water vapor) is supplied to the SOFC module 12 through the pipe 24.

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。 A fuel gas vent pipe (fuel gas pressure lowering means) 42 is connected upstream of the recirculation blower 36 of the fuel gas discharge pipe 30 for extracting the exhaust fuel gas and discharging it to the outside. The fuel gas vent pipe 42 is provided with a fuel gas vent valve (fuel gas pressure lowering means) 42a. When the fuel gas vent valve 42a is opened, the fuel gas in the fuel electrode of the SOFC 12 is partly discharged by the fuel gas vent pipe 42, so that the pressure of the fuel electrode can be finely adjusted. A fuel gas pressure equalizing vent pipe 43 is provided upstream of the fuel gas vent valve 42 a in the fuel gas vent pipe 42. The fuel gas pressure equalizing vent pipe 43 is provided with a fuel gas pressure equalizing valve 43a. By opening the fuel gas pressure equalizing valve 43a, the exhaust fuel gas pressure on the fuel electrode outlet side and the exhaust air pressure on the air electrode outlet side are equalized. The exhaust fuel gas that has flowed through the fuel gas equalization vent pipe is incinerated together with exhaust air from the air electrode of the SOFC module 12 described later in the catalyst combustor 44, and then discharged to the outside.
The opening degree of the fuel gas vent valve 42a and the fuel gas pressure equalizing valve 43a is controlled by the control unit 15.

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。 The SOFC module 12 is supplied with air as an oxidizing gas via the air supply pipe 40. The upstream side of the air supply pipe 40 is connected to the air compressor 18 of the micro gas turbine device 16. The compressed air compressed by the air compressor 18 is heated by the regenerative heat exchanger 45 using the combustion exhaust gas from the turbine 22 and then guided to the SOFC module 12.
The air supply pipe 40 is provided with a supply air flow rate adjustment valve 40a for adjusting the air flow rate. Further, a supply air bypass pipe 46 is connected to the air supply pipe 40 so as to bypass the regenerative heat exchanger 45 and the supply air flow rate adjustment valve 40a. The supply air bypass pipe 46 is provided with a supply air bypass flow rate adjustment valve 46a.
The opening degree of the supply air flow rate adjustment valve 40 a and the supply air bypass flow rate adjustment valve 46 a is controlled by the control unit 15.

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。   A cooling air supply pipe 47 is connected to the air supply pipe 40 on the downstream side of the supply air flow rate adjustment valve 40a. The cooling air supply pipe 47 is provided with a cooling air flow rate adjustment valve 47a. The cooling air guided from the cooling air supply pipe 47 is used to cool the air electrode side during the stop operation.

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。   The upstream side of the cooling air supply pipe 47 is connected to an air tank 48. The air tank 48 is provided with a cooling air compressor 49 for obtaining an air amount for cooling the SOFC module 12 when the air compressor 18 of the micro gas turbine device 16 is stopped.

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。   An emergency air supply pipe 51 is connected to the air supply pipe 40. The emergency air supply pipe 51 is provided with an emergency air compressor 52. The emergency air compressor 52 is driven by electric power supplied from the emergency generator 17. The operation of the emergency air compressor 52 is controlled by the control unit 15.

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。 Exhaust air that has passed through the air electrode of the SOFC module 12 is guided to the combustor 20 via the air discharge pipe 41. A downstream side of the air discharge pipe 41 is connected to the combustor 20.
Further, the SOFC module bypass pipe 53 is connected to the air discharge pipe 41 at the point A. The upstream side of the SOFC module bypass pipe 53 is connected to the air supply pipe 40 and can be adjusted by bypassing a part of the flow rate of the air supplied into the SOFC module from the point A to the combustor 20. ing. The SOFC module bypass pipe 53 is provided with a SOFC module bypass flow rate adjustment valve 53a. The opening degree of the SOFC module bypass flow rate adjustment valve 53 a is controlled by the control unit 15.

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。   An exhaust air shutoff valve 41 a is provided upstream of the air discharge pipe 41 from the point A, and further, an exhaust air vent pipe 54 that branches at the point B is connected to the upstream side thereof. A downstream side of the exhaust air vent pipe 54 is connected to a combustion gas exhaust pipe 55 connected to the turbine 22. The exhaust air vent pipe 54 is provided with an exhaust air vent valve 54a. When the exhaust air vent valve 54a is opened, a part of the exhaust air is exhausted by the exhaust air vent pipe 54, and the pressure in the air electrode of the SOFC 12 can be finely adjusted. . An air pressure equalizing pipe 56 is connected to the upstream side of the exhaust air vent valve 54a. An air pressure equalizing valve 56 a is provided in the air pressure equalizing pipe 56, and its downstream side is connected to the catalytic combustor 44. By opening the air pressure equalizing valve 56a, the exhaust fuel gas pressure on the fuel electrode outlet side and the exhaust air pressure on the air electrode outlet side are equalized.

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。 The combined fuel cell power generation system 10 includes a micro gas turbine device 16 that is a gas turbine device. The micro gas turbine device 16 is guided through an air compressor 18 that supplies compressed air to the air electrode of the SOFC module 12, and exhaust air that is guided through an air discharge pipe 41 and a fuel gas discharge pipe 30. A combustor 20 that is supplied with exhaust fuel gas and generates high-temperature combustion gas, and a turbine 22 that is rotationally driven by the combustion gas discharged from the combustor 20 are provided.
The rotational output of the turbine 22 is transmitted to the air compressor 18 and guided to the turbine-side generator 58. The electric power generated by the turbine generator 58 is supplied to the power system via the switch 57.

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。   The electric power generated by the SOFC 12 is led to a power conditioner 60 controlled by the power supply panel 19 and converted into alternating current, and then supplied to the power system via the switch 61.

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。   The control unit 15 includes, for example, a central processing unit (CPU), a random access memory (RAM), a read only memory (ROM), and a computer-readable storage medium. A series of processes for realizing various functions is stored in a storage medium or the like in the form of a program as an example, and the CPU reads the program into a RAM or the like to execute information processing / arithmetic processing. As a result, various functions are realized. The program is preinstalled in a ROM or other storage medium, provided in a state stored in a computer-readable storage medium, or distributed via wired or wireless communication means. Etc. may be applied. The computer-readable storage medium is a magnetic disk, a magneto-optical disk, a CD-ROM, a DVD-ROM, a semiconductor memory, or the like.

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。 Next, referring to FIG. 5, a stop operation when the supply of city gas from the fuel gas supply source 25 is stopped will be described.
When the detection of a power failure or the like is detected by a fuel gas supply stop detection unit (not shown) and the city gas flow rate is detected, the control unit 15 starts a trip operation at time t0. When the trip operation starts, the power generation output by the SOFC module 12 is set to zero. Further, the micro gas turbine device 16 is also stopped, the power generation output of the micro gas turbine device 16 is set to 0, the supply of exhaust fuel gas and exhaust air to the combustor 20 is stopped, and the compressed air generated by the air compressor 18 is stopped. Supply to the SOFC module 12 is also stopped.

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。 At the same time, the pressure in the fuel gas supply pipe 24 of the SOFC module 12 is reduced. Specifically, the fuel gas pressure equalizing valve 43 a is opened, the fuel gas is guided from the fuel gas discharge pipe 30, and the exhaust fuel gas is discharged outside while being burned by the catalyst combustor 44. At this time, the air pressure equalization valve 56 a is also opened, and the exhaust air is discharged to the outside from the air discharge pipe 41 through the exhaust air vent pipe 54 and the air pressure equalization pipe 56. In this way, both the fuel gas pressure equalizing valve 43a and the air pressure equalizing valve 56a are opened, and the pressure is equalized by joining the upstream side of the catalytic combustor 44, and the pressure difference between the fuel electrode and the air electrode of the SOFC module 12 is made. By limiting the pressure within the predetermined range, the SOFC module 12 is prevented from being damaged due to an increase in the differential pressure by a simple method. The pressure difference in a predetermined range between the fuel electrode and the air electrode of the SOFC module 12 is adjusted so that the fuel electrode side is higher in the predetermined range than the air electrode side.
In this way, the pressure in the fuel gas supply pipe 24 is quickly reduced, and at time t0 as shown in the module pressure graph of FIG. 5 showing the pressure on the fuel electrode side in the SOFC module 12. Reduced quickly. At this time, the city gas remaining in the fuel gas supply pipe 24 continues to be supplied to the SOFC module 12 until time t1 described later.
Further, as shown in FIG. 5, in response to the stop of the supply of compressed air to the SOFC module 12 by the air compressor 18 of the micro gas turbine device 16 according to the command of the control unit 15, the SOFC module 12 Reduce the amount of air supply and stop. As will be described later, the supply of air with a small flow rate to compensate for the pressure drop of the air electrode of the SOFC module 12 is performed by cooling air from the air tank 48.
Moreover, the water supply pump 39b is started by the instruction | command of the control part 15, and water is sprayed in the fuel gas recirculation pipe | tube 32 from the water tank 39a. Thereby, water (water vapor) is guided to the fuel electrode side of the SOFC module 12 through the fuel gas supply pipe 24. Thus, heat is absorbed by the reforming reaction together with the city gas remaining in the fuel gas supply pipe 24, and the fuel electrode side is maintained in a reducing atmosphere.
The amount of water supplied from the water supply pump 39b may be lower than that during normal operation when the SOFC module 12 is generating power. However, the S / C (ratio of the amount of water vapor to the amount of carbon in the fuel gas) ) Is preferably adjusted to 3.5 or more.

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。 At time t1, the city gas remaining in the fuel gas supply pipe 24 is almost consumed. At this timing, the fuel gas flow rate adjustment valve 29 is closed and the stop flow rate adjustment valve 34 is opened. As described above, the city gas in the fuel gas buffer tank 27 is used after the city gas remaining in the fuel gas supply pipe 24 is consumed, and the city gas in the fuel gas buffer tank 27 is not used unnecessarily. To. Then, the city gas stored in the fuel gas buffer tank 27 is guided to the fuel electrode side of the SOFC module 12 through the fuel gas supply pipe 24 through the fuel gas supply pipe 31 when stopped. Thus, even when the supply of city gas is stopped, the stop operation can be continued by using the city gas in the fuel gas buffer tank 27. Furthermore, since the pressure in the fuel gas supply pipe 24 has already decreased, the fuel gas can be started to be supplied into the SOFC module 12 from the fuel gas buffer tank 27 under a large differential pressure.
At this time, as shown in FIG. 5, the supply of water from the water supply pump 39 b is continued and supplied to the internal reforming reaction of the city gas supplied from the fuel gas buffer tank 27. In addition, a minute amount of fuel on the fuel electrode side maintained higher than the air electrode side by a predetermined pressure may flow into the air electrode side. Then, the air on the air electrode side reacts and is consumed, and the pressure may drop, so that the cooling air is supplied from the air tank 48 to the air of the SOFC module 12 so as to compensate for the pressure drop. It is supplied to the pole side. Therefore, in the SOFC module 12, the endothermic reaction due to the reforming of the city gas can be continued, and the fuel electrode side can be maintained in a reducing atmosphere.
As described above, the temperature of the power generation chamber in the SOFC module (for example, the temperature indicated by the temperature sensor 15B in FIG. 4) gradually decreases.

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。   From time t1 to time t2, the flow rate of the city gas supplied from the fuel gas buffer tank 27 is stepwise by controlling the stop-time flow rate adjusting valve 34 according to the command of the control unit 15, as shown in FIG. Reduced. Since the pressure in the SOFC module 12 is lowered, the flow rate of the city gas supplied from the fuel gas buffer tank 27 from time t1 to time t2 can be reduced, thereby reducing the required capacity of the fuel gas buffer tank 27. I can do it.

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。 At time t <b> 2, the city gas supply from the fuel gas buffer tank 27 is stopped by closing the stop flow rate adjusting valve 34 according to a command from the control unit 15. At the same time, nitrogen gas is supplied to the fuel gas supply pipe 24 by opening the nitrogen gas flow rate adjustment valve 38 in accordance with a command from the control unit 15. Thereby, the gas supplied to the fuel electrode side of the SOFC module 12 is switched from city gas to nitrogen gas. The timing for switching the gas in this way is determined by the control unit 15 based on the power generation chamber temperature measured by the temperature sensor 15B. Specifically, it is switched at a temperature of 400 ° C. to 600 ° C., preferably 500 ° C. This temperature is determined in advance as a temperature that is equal to or higher than the temperature at which the city gas can be reformed by water vapor and that can avoid deterioration of the fuel electrode due to nitrogen gas.
After the time t2, after the gas supplied to the fuel gas supply pipe 24 is switched to the nitrogen gas, the nitrogen gas continues to flow as it is, and cooling is performed until the predetermined temperature is reached at the time t3.

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。 FIG. 6 shows a concept for determining the capacity of the fuel gas buffer tank 27. In the figure, the horizontal axis represents the pressure [MPa] in the fuel gas supply pipe 24, and the vertical axis represents the capacity [m 3 / kW] of the fuel gas buffer tank 27. The graph of FIG. 6 shows the tank volume for storing the amount of city gas necessary for the stop operation shown in FIG. 5 when the pressure in the fuel gas supply pipe 24 is reduced to a predetermined value after tripping. ing. The design pressure P of the fuel gas buffer tank 27 is preferably less than 1 MPa, which does not lead to the application of the high-pressure gas safety method.

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。 The graph of FIG. 6 is derived from the following equation based on Boyle-Charles's law, where V is the capacity of the fuel gas buffer tank 27.
V = V ′ × (T + 273) /273×1.1013× ((P−M) −x) (1)
In the above equation, V ′ is the required fuel gas amount, T is the temperature (° C.) of the fuel gas buffer tank 27, P is the design pressure of the fuel gas buffer tank 27, M is the margin, and x is the fuel gas supply after the trip. This is the supply pressure after decompression in the tube 24.

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。   FIG. 7 shows the concept of the pressure margin M. As shown in the figure, the pressure margin M is a pressure that allows for a predetermined safety factor with respect to the operating range of the fuel gas compressor 26. The pressure obtained by subtracting the pressure margin M from the design pressure P becomes the trip pressure of the fuel gas buffer tank 27 when the trip occurs. That is, the trip pressure is a pressure obtained by subtracting the pressure margin M from the design pressure P. The amount of city gas that can be used when a trip occurs is an amount that is proportional to the difference between the trip pressure and the supply pressure x of the fuel gas supply pipe 24 that has been reduced after the trip.

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。   Referring to FIG. 6 again, as a result of calculation based on the formula (1), the capacity of the fuel gas buffer tank 27 when the supply pressure x of the fuel gas supply pipe 24 is, for example, 0.6 [MPa] after the occurrence of the trip. Becomes the conventional standard. On the other hand, in this embodiment, the supply pressure x of the fuel gas supply pipe 24 decompressed after the occurrence of the trip is 0.2 [MPa], so that the capacity of the fuel gas buffer tank 27 is the above-described conventional standard capacity. The capacity is about 1/5 of the above. That is, after the trip occurs, the pressure of the SOFC module 12 is reduced to a pressure close to normal pressure, and the supply pressure x of the fuel gas supply pipe 24 is set to a low pressure (0.2 MPa). This is a size that can be installed even in ordinary households. Thus, it can be seen that the size of the fuel gas buffer tank 27 can be reduced by reducing the pressure of the fuel gas supply pipe 24 after the trip.

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。 As described above, according to the present embodiment, the following operational effects are obtained.
When the supply of the city gas from the fuel gas supply source 25 is stopped, the city gas stored in the fuel gas buffer tank 27 is supplied to the fuel electrode of the SOFC module 12 through the fuel gas supply pipe 24. Thus, even after the city gas supply is stopped, the SOFC stop operation is not hindered. Further, when it is detected that the supply of city gas has been stopped, the fuel gas in the fuel gas supply pipe 24 is discharged to the outside to reduce the pressure of the SOFC module 12, thereby reducing the fuel gas pressure. The city gas in the fuel gas buffer tank 27 can be supplied to the fuel gas supply pipe 24 until the pressure in the buffer tank 27 reaches the lowered fuel gas pressure. Thereby, compared with the case where the pressure in the fuel gas supply pipe 24 is not reduced, a lot of city gas can be supplied to the fuel gas supply pipe 24, so that the capacity of the fuel gas buffer tank 27 is made as small as possible. can do. Therefore, the degree of freedom of the installation location of the fuel gas buffer tank 27 is expanded.
In addition, since the city gas used in the normal operation before detecting the supply stop of the fuel gas can be used as it is in the stop operation after the trip, it is not necessary to use an alternative gas such as hydrogen, for example. The present invention can also be applied to an installation location (for example, a general household) where there are use restrictions on such alternative gas.
Furthermore, when the city gas supply from the fuel gas supply source 25 is temporarily stopped and then the city gas supply is restored, the SOFC module 12 is not actively cooled. The decrease is in a small state and can be restarted in a relatively short time.

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。   When the supply of city gas from the fuel gas supply source 25 is stopped, sufficient water is not generated by the fuel cell reaction as in normal power generation before the supply of city gas is stopped. May be insufficient. Therefore, when the supply of city gas is stopped, the city gas reforming reaction is maintained by supplying water from the water supply pump 39b to the fuel gas supply pipe 24. Thereby, the reforming of the city gas which is an endothermic reaction can be maintained, and the stop operation can be effectively performed.

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。   The temperature of the power generation chamber of the SOFC module 12 is equal to or higher than a temperature at which the city gas can be reformed by water vapor and is equal to or lower than a temperature at which deterioration of the fuel electrode due to nitrogen gas can be avoided (in this embodiment, about 500 ° C.). In the case of descending, the gas supplied to the fuel gas supply pipe 24 is switched from city gas supplied from the fuel gas buffer tank 27 to nitrogen gas. Thereby, since the use of the city gas in the fuel gas buffer tank 27 can be limited, the capacity of the fuel gas buffer tank 27 can be further reduced.

［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。 [Modification]
This embodiment can be modified as follows. That is, in the above-described embodiment, as shown in FIG. 5, the flow rate of the city gas supplied from the fuel gas buffer tank 27 is decreased stepwise. In this modification, this is further advanced, and the flow rate of the city gas supplied from the fuel gas buffer tank 27 is changed according to the power generation chamber temperature of the SOFC module 12. Specifically, the measurement value of the temperature sensor 15B (see FIG. 4) is acquired by the control unit 15 as the power generation chamber temperature. Then, data on the relationship between the power generation chamber temperature and the necessary city gas flow rate is acquired by a prior test, and incorporated in the control unit 15 as a reference value. During the stop operation, the control unit 15 refers to the city gas flow rate according to the power generation chamber temperature in accordance with the power generation chamber temperature detected by the temperature sensor 15B, and controls the stop flow rate adjustment valve 34 to provide a necessary and sufficient city gas amount. Supply. Thereby, the amount of city gas held in the fuel gas buffer tank 27 is optimized, and the capacity of the fuel gas buffer tank 27 can be further reduced.

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。   When a power failure occurs with the fuel gas supply source 25 being stopped, the emergency generator 17 is used to start the emergency air compressor 52 and supply cooling air to the air supply pipe 40. It may be. Furthermore, you may make it supply the electric power of the emergency generator 17 to the other apparatus required for a stop operation.

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 10 SOFC combined power generation system (fuel cell combined power generation system)
12 SOFC module (fuel cell)
14 Pressure vessel 15 Control unit 16 Micro gas turbine device (gas turbine device)
17 Emergency generator 18 Air compressor 24 Fuel gas supply pipe (fuel gas supply system)
24a Fuel gas supply branch (fuel gas supply system)
25 Fuel gas supply source 26 Fuel gas compressor 27 Fuel gas buffer tank 28 Desulfurizer 29 Fuel gas flow rate adjustment valve 30 Fuel gas discharge pipe 30a Fuel gas discharge branch pipe 31 Fuel gas supply pipe 32 when stopped Fuel gas recirculation pipe 33 MGT Flow rate adjusting valve 34 Stop flow rate adjusting valve 36 Recirculation blower 37 Nitrogen gas supply pipe 38 Nitrogen gas flow rate adjusting valve 39 Water supply pipe (water supply part)
39a Water supply tank 39b Water supply pump (water supply unit)
40 Air supply pipe 40a Supply air flow rate adjustment valve 41 Air discharge pipe 42 Fuel gas vent pipe (fuel gas pressure lowering means)
42a Fuel gas vent valve (Fuel gas pressure lowering means)
43 Fuel gas pressure equalization vent pipe (Fuel gas pressure lowering means)
43a Fuel gas pressure equalizing valve (fuel gas pressure reducing means)
44 Catalytic combustor 45 Regenerative heat exchanger 46 Supply air bypass pipe 46a Supply air bypass flow rate adjustment valve 47 Cooling air supply pipe 47a Cooling air flow rate adjustment valve 48 Air tank 49 Cooling air compressor 51 Emergency air supply pipe 52 Emergency air compressor 53 SOFC module bypass pipe 53a SOFC module bypass flow rate adjustment valve 54 Exhaust air vent pipe 54a Exhaust air vent valve 55 Combustion gas discharge pipe 56 Air pressure equalization pipe 56a Air pressure equalization valve 57 Switch 58 Turbine side generator

Claims (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。 A fuel cell body comprising a fuel electrode and an air electrode;
A fuel gas supply system for supplying fuel gas from a fuel gas source to the fuel electrode;
A fuel gas buffer tank provided in the fuel gas supply system and storing fuel gas supplied to the fuel cell main body;
A fuel gas supply stop detection unit that detects a supply stop of fuel gas from the fuel gas source;
Fuel gas pressure lowering means for lowering the pressure of the exhaust fuel gas at the fuel electrode outlet;
When the fuel gas supply stop detection unit detects the supply stop of the fuel gas from the fuel gas source, the fuel gas pressure reducing means reduces the pressure of the fuel cell main body to reduce the pressure inside the fuel gas supply system. A control unit for lowering the fuel gas pressure of the fuel gas and supplying fuel gas from the fuel gas buffer tank;
A fuel cell comprising: 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。 Air pressure lowering means for lowering the pressure of the exhaust oxidizing gas at the air electrode outlet;
Pressure equalizing means for discharging the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas while maintaining a differential pressure between the exhaust fuel gas and the exhaust oxidant gas within a predetermined value;
When the supply stop of the fuel gas from the fuel gas source is detected by the fuel gas supply stop detection unit, the fuel gas pressure reduction means and the air pressure reduction means use the pressure equalization means to The fuel cell according to claim 1, wherein the pressure of the battery body is reduced. 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。 A flow rate control valve for controlling the flow rate of the fuel gas supplied from the fuel gas buffer tank;
A temperature sensor for measuring the temperature of the fuel cell body;
With
When the fuel gas supply stop detector detects the fuel gas supply stop, the control unit opens the flow rate control valve according to the temperature change of the fuel cell body measured by the temperature sensor. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is adjusted. 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。 A water supply unit for supplying water to the fuel gas supply system;
The said control part supplies water to the said fuel gas supply system from the said water supply part, when the supply stop of a fuel gas is detected by the said fuel gas supply stop detection part. The fuel cell according to any one of the above. 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。 An inert gas supply unit for supplying an inert gas to the fuel gas supply system;
The control unit supplies fuel gas from the fuel gas buffer tank to the fuel gas supply system from the inert gas supply unit to the fuel gas supply system when the fuel cell body drops to a predetermined temperature. 5. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is switched to supply an inert gas. 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。   6. The fuel cell according to claim 5, wherein the predetermined temperature is a temperature at which reforming of the fuel gas by water is possible and deterioration of the fuel electrode by an inert gas can be avoided. 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。 A fuel cell according to any one of claims 1 to 6;
A gas turbine device that operates by burning exhaust fuel gas guided from the fuel cell body; and
A generator driven by the gas turbine device;
A fuel cell combined power generation system comprising: 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。 A fuel cell body comprising a fuel electrode and an air electrode;
A fuel gas supply system for supplying fuel gas from a fuel gas source to the fuel electrode;
A fuel gas buffer tank provided in the fuel gas supply system and storing fuel gas supplied to the fuel cell main body;
A fuel gas supply stop detection unit that detects a supply stop of fuel gas from the fuel gas source;
Fuel gas pressure lowering means for lowering the exhaust fuel gas pressure at the fuel electrode outlet;
An inert gas supply unit for supplying an inert gas to the fuel gas supply system;
A fuel cell stopping method comprising:
When the fuel gas supply stop detection unit detects the supply stop of the fuel gas from the fuel gas source, the fuel gas pressure reducing means reduces the pressure of the fuel cell main body to reduce the pressure inside the fuel gas supply system. Reducing the fuel gas pressure of the fuel gas from the fuel gas buffer tank,
When the fuel cell main body drops to a predetermined temperature, the fuel gas is supplied from the fuel gas buffer tank to the fuel gas supply system, and the inert gas supply unit supplies the inert gas to the fuel gas supply system. To stop the fuel cell.
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