特許 5980144 発電システム、発電システムの運転方法、及び制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5980144

(24)【登録日】2016年8月5日

(45)【発行日】2016年8月31日

(54)【発明の名称】発電システム、発電システムの運転方法、及び制御装置

(51)【国際特許分類】

   F02C 6/10 20060101AFI20160818BHJP

   F02C 6/00 20060101ALI20160818BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20160818BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20160818BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20160818BHJP

   H01M 8/04228 20160101ALI20160818BHJP

   H01M 8/04303 20160101ALI20160818BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20160818BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20160818BHJP

   F02C 3/20 20060101ALI20160818BHJP

   F02C 7/22 20060101ALI20160818BHJP

   F02C 9/40 20060101ALI20160818BHJP

   F02C 9/00 20060101ALI20160818BHJP

【ＦＩ】

   F02C6/10

   F02C6/00 E

   H01M8/04 J

   H01M8/04 X

   H01M8/04 Y

   H01M8/00 Z

   H01M8/12

   F02C3/20

   F02C7/22 Z

   F02C9/40 Z

   F02C9/00 A

【請求項の数】7

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-35829(P2013-35829)

(22)【出願日】2013年2月26日

(65)【公開番号】特開2014-163318(P2014-163318A)

(43)【公開日】2014年9月8日

【審査請求日】2015年2月6日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２４年度 独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 固体酸化物形燃料電池を用いた事業用発電システム要素技術開発の研究開発共同研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】514030104

【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100134544

【弁理士】

【氏名又は名称】森 隆一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(72)【発明者】

【氏名】椋本 陽喜

(72)【発明者】

【氏名】眞竹 徳久

(72)【発明者】

【氏名】桐木平 勝仁

(72)【発明者】

【氏名】森 龍太郎

(72)【発明者】

【氏名】大澤 弘行

(72)【発明者】

【氏名】水原 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】寺本 雄一

【審査官】 橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−１４６９３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２０５９３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２０５９３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ１３／００−１５／１２

２３／００−２５／３６

Ｆ０２Ｃ１／００−９／５８

Ｆ２３Ｒ３／００−７／００

Ｈ０１Ｍ８／００−８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガスと圧縮酸化剤ガスとで発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させて駆動するタービンと、
前記タービンの駆動により駆動し、前記燃料電池に供給する圧縮酸化剤ガスを生成する圧縮機と、
前記燃料電池へ前記燃料ガスを供給する燃料供給ラインを通るガスの流量を調節する流量調節弁と、
弁の動作を制御する制御装置と
を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池の起動時または停止時において、前記燃料電池の内圧が前記タービンの運転圧力未満であるときに、前記排燃料ガスと前記圧縮酸化剤ガスとの圧力差が所定範囲内になるように前記流量調節弁の開度を制御する
ことを特徴とする発電システム。

【請求項2】

前記排燃料ガスの流量を調整することで前記燃料電池の燃料側の圧力を制御する運転圧力制御弁を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池の起動時において前記燃料電池の内圧が前記タービンの運転圧力まで上昇すると、前記排燃料ガスと前記圧縮酸化剤ガスとの圧力差によらずに前記流量調節弁の開度を制御し、前記排燃料ガスと前記圧縮酸化剤ガスとの圧力差が所定範囲内になるように前記運転圧力制御弁の開度を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の発電システム。

【請求項3】

前記制御装置は、前記燃料電池の起動時において前記燃料電池の内圧が前記タービンの運転圧力まで上昇するまでの間、前記運転圧力制御弁の開度を一定にする
ことを特徴とする請求項２に記載の発電システム。

【請求項4】

前記流量調節弁は、前記燃料供給ラインに供給する燃料ガスの流量を調節する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発電システム。

【請求項5】

前記流量調節弁は、前記燃料供給ラインに供給する圧縮酸化剤ガスの流量を調節する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発電システム。

【請求項6】

燃料ガスと圧縮酸化剤ガスとで発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させて駆動するタービンとを備える発電システムの運転方法であって、
前記燃料電池の起動時または停止時において、前記燃料電池の内圧が前記タービンの運転圧力未満であるときに、前記燃料電池から排出される排燃料ガスと前記タービンの駆動により駆動する圧縮機が精製する圧縮酸化剤ガスとの圧力差が所定範囲内になるように、前記燃料電池へ前記燃料ガスを供給する燃料供給ラインを通るガスの流量を調節する流量調節弁の開度を制御する
ことを特徴とする発電システムの運転方法。

【請求項7】

燃料ガスと圧縮酸化剤ガスとで発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させて駆動するタービンとを備える発電システムの弁の動作を制御する制御装置であって、
前記燃料電池の起動時または停止時において、前記燃料電池の内圧が前記タービンの運転圧力未満であるときに、前記燃料電池から排出される排燃料ガスと前記タービンの駆動により駆動する圧縮機が精製する圧縮酸化剤ガスとの圧力差が所定範囲内になるように、前記燃料電池へ前記燃料ガスを供給する燃料供給ラインを通るガスの流量を調節する流量調節弁の開度を制御する
ことを特徴とする制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池とタービンを備える発電システム、当該発電システムの運転方法、及び当該発電システムの制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、低公害で発電効率が高いため、近年、各種分野での利用が期待されている。燃料電池を用いた高効率発電システムとしては、燃料電池とガスタービンとを連携したコンバインド発電システムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

【0003】

このようなコンバインド発電システムにおいて、燃料電池はガスタービンの燃焼器の上流に設置され、燃料電池から排出される未燃分の燃料（残燃料）を含む排燃料ガスをガスタービンの燃焼器に導入している。すなわち、燃料電池とガスタービンの燃焼器とが配管にて接続されている。これにより、コンバインド発電システムは、燃料を無駄なく発電に利用することができる。また、ガスタービンの圧縮機で圧縮された空気は、燃料電池に供給され、燃料の燃焼に利用される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１０−１４６９３４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、コンバインド発電システムにおいて燃料電池から排出される排空気と排燃料をガスタービンの燃焼器に供給するため、燃料電池の運転圧力とガスタービンの運転圧力とを等しくする必要がある。このため、コンバインド発電システムの起動時には、燃料電池の内圧を、ガスタービンの運転圧力まで昇圧させる必要があり、またコンバインド発電システムの停止時には、燃料電池の内圧を減圧させる必要がある。

【0006】

燃料電池の内圧を変化させる場合、燃料電池を構成するセルスタックからのガスリークを防ぐため、燃料側と空気側とで圧力のバランスを保ちつつ変化させる必要がある。したがって、燃料電池の内圧を調整する場合、燃料側及び空気側を流れるガスの流量を細かに制御する必要がある。

【0007】

特許文献１に示すコンバインド発電システムにおいて、燃料電池の内圧は、ベント調整弁の開度によって制御される。ベント調整弁とは、燃料電池に循環される排燃料ガス及びガスタービンに供給される排燃料ガスの流量を制御する弁のことである。しかしながら、ベント調整弁は一般的に、定常運転時のガス条件（流量、温度など）に合わせて設計されるため、起動時や停止時などガス条件が定常運転時と大きく異なる場合、当該弁によって流量制御を行うことが困難であるという問題がある。

【0008】

本発明の目的は、上述した課題を解決するためになされたものであり、起動時や停止時において燃料電池の内圧を適切に制御する発電システム、発電システムの運転方法、及び制御装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、燃料ガスと圧縮酸化剤ガスとで発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させて駆動するタービンと、前記タービンの駆動により駆動し、前記燃料電池に供給する圧縮酸化剤ガスを生成する圧縮機と、前記燃料電池へ前記燃料ガスを供給する燃料供給ラインを通るガスの流量を調節する流量調節弁と、弁の動作を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記燃料電池の起動時または停止時において、前記燃料電池の内圧が前記タービンの運転圧力未満であるときに、前記排燃料ガスと前記圧縮酸化剤ガスとの圧力差が所定範囲内になるように前記流量調節弁の開度を制御することを特徴とする発電システムである。

【0010】

また、本発明は、前記排燃料ガスの流量を調整することで前記燃料電池の燃料側の圧力を制御する運転圧力制御弁を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の起動時において前記燃料電池の内圧が前記タービンの運転圧力まで上昇すると、前記排燃料ガスと前記圧縮酸化剤ガスとの圧力差によらずに前記流量調節弁の開度を制御し、前記排燃料ガスと前記圧縮酸化剤ガスとの圧力差が所定範囲内になるように前記運転圧力制御弁の開度を制御することを特徴とする。

【0011】

また、本発明において前記制御装置は、前記燃料電池の起動時において前記燃料電池の内圧が前記タービンの運転圧力まで上昇するまでの間、前記運転圧力制御弁の開度を一定にすることを特徴とする。

【0012】

また、本発明において前記流量調節弁は、前記燃料供給ラインに供給する燃料ガスの流量を調節することを特徴とする。

【0013】

また、本発明において前記流量調節弁は、前記燃料供給ラインに供給する圧縮酸化剤ガスの流量を調節することを特徴とする。

【0014】

また、本発明は、燃料ガスと圧縮酸化剤ガスとで発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させて駆動するタービンとを備える発電システムの運転方法であって、前記燃料電池の起動時または停止時において、前記燃料電池の内圧が前記タービンの運転圧力未満であるときに、前記燃料電池から排出される排燃料ガスと前記タービンの駆動により駆動する圧縮機が精製する圧縮酸化剤ガスとの圧力差が所定範囲内になるように、前記燃料電池へ前記燃料ガスを供給する燃料供給ラインを通るガスの流量を調節する流量調節弁の開度を制御することを特徴とする。

【0015】

また、本発明は、燃料ガスと圧縮酸化剤ガスとで発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼させて駆動するタービンとを備える発電システムの弁の動作を制御する制御装置であって、前記燃料電池の起動時または停止時において、前記燃料電池の内圧が前記タービンの運転圧力未満であるときに、前記燃料電池から排出される排燃料ガスと前記タービンの駆動により駆動する圧縮機が精製する圧縮酸化剤ガスとの圧力差が所定範囲内になるように、前記燃料電池へ前記燃料ガスを供給する燃料供給ラインを通るガスの流量を調節する流量調節弁の開度を制御することを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、燃料電池の起動時または停止時に、排燃料ガスと圧縮酸化剤ガスとの圧力差が所定範囲内になるように、燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給ラインを通るガスの流量を調節する流量調節弁の開度を制御する。このように、起動時や停止時に運転圧力制御弁に代えて流量調節弁を調整することで燃料電池の内圧を制御することで、適切な圧力制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の第１の実施形態に係るコンバインド発電システムの系統図である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成を示す模式図である。

【図3】本発明の第１の実施形態に係るセルスタックの要部断面図である。

【図4】本発明の第１の実施形態に係るカートリッジの断面図である。

【図5】本発明の第１の実施形態に係るカートリッジの斜視図である。

【図6】本発明の第１の実施形態に係るコンバインド発電システムの起動方法を示すフローチャートである。

【図7】本発明の第１の実施形態に係るコンバインド発電システムの起動時における各バルブの開度の遷移を示すタイムチャートである。

【図8】本発明の第２の実施形態に係るコンバインド発電システムの系統図である。

【図9】本発明の第２の実施形態に係るコンバインド発電システムの起動方法を示すフローチャートである。

【図10】本発明の第２の実施形態に係るコンバインド発電システムの起動時における各バルブの開度の遷移を示すタイムチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
《第１の実施形態》
図１は、本発明の第１の実施形態に係るコンバインド発電システムの系統図である。
図１に示すように、本実施形態のコンバインド発電システム１は燃料電池モジュール２と、ガスタービン３とを組み合わせた発電システムである。
ガスタービン３は、空気圧縮機４と、燃焼器５と、タービン６とを主な構成要素として有している。空気圧縮機４及びタービン６のロータ７は、互いに連結されており、空気圧縮機４は外気を吸入して圧縮する。さらに、ガスタービン３には、発電機８が接続されている。

【0019】

燃焼器５は、空気圧縮機４で圧縮された空気（酸化剤ガス）に燃料ガスを噴射して、高温燃焼ガスを生成する。タービン６は、燃焼器５により生成された高温燃焼ガスの供給を受けて回転駆動力を発生させ、この回転駆動力をロータ７に伝達するものである。タービン６には、タービン６を回転駆動した後の高温燃焼ガス、即ち、排ガスが導入されるガスタービン排ガスダクト９が設けられている。ガスタービン排ガスダクト９は、排ガスを外部に導く配管である。

【0020】

燃料電池モジュール２は圧力容器１０と圧力容器１０の内部に収納された複数のカートリッジ２０１とを有している。
カートリッジ２０１は、燃料ガスＦ１及び空気Ｏ１の供給を受けて発電を行うものであって、燃料電池モジュール２に少なくとも一つ設けられている。
カートリッジ２０１には、ガスタービン３から空気Ｏ１を供給する空気配管３３０と、燃料供給部２０から燃料ガスＦ１を供給する燃料配管３１０（燃料供給ライン）が接続されている。

【0021】

燃料ガスＦ１としては、例えば、水素、一酸化炭素、メタン等の炭化水素系ガス、石炭等の炭素質原料のガス化により得られたガス、又は、これらの２以上の成分を含むガス等が利用される。また、本実施形態では、燃料電池モジュール２における酸化剤ガスとして、空気圧縮機４が圧縮した空気Ｏ１を用いているが、これに限られない。例えば、酸化剤ガスとしては、酸素を１５〜３０ｖｏｌ％含むガス等を利用することができ、例えば排燃料ガスＦ２と空気との混合ガスや、酸素と空気との混合ガスを利用してもよい。

【0022】

さらに、コンバインド発電システム１には、カートリッジ２０１における発電に用いられた排空気Ｏ２を、ガスタービン３の燃焼器５に供給する排空気配管３４０と、カートリッジ２０１から排出される燃料ガス（排燃料ガスＦ２）を燃焼器５に供給する排燃料配管３２０とが設けられている。排燃料配管３２０には、排燃料配管３２０を流れる排燃料ガスＦ２を加圧するブロワ１４が設けられている。ここで、排燃料ガスＦ２とは、カートリッジ２０１を通過したガスであるが、カートリッジ２０１の通過時点においては、排燃料ガスＦ２に燃焼成分が残っている。

【0023】

燃料配管３１０には、燃料電池モジュール２に供給する燃料ガスＦ１の流量を調整する燃料流量調整バルブ４０１（流量調節弁）が設けられている。また、燃料配管３１０からは、燃料ガスＦ１を燃焼器５に直接導入する燃料分岐配管３１１が設けられている。燃料分岐配管３１１には、燃焼器５に供給する燃料ガスの流量を調整する燃料分岐調整バルブ４０２が設けられている。

【0024】

排燃料配管３２０には、排燃料ガスＦ２の一部を燃料配管３１０に再循環させる燃料再循環配管３２１が接続されている。即ち、燃料再循環配管３２１の一方の端部は排燃料配管３２０に接続され、他方の端部は燃料配管３１０に接続されている。

【0025】

また、排燃料配管３２０には、排燃料ガスＦ２の一部を外部に放出する配管であるベント配管３２２が接続されている。即ち、ベント配管３２２の一方の端部は排燃料配管３２０に接続され、他方の端部は外部に開放されている。ベント配管３２２には、外部に放出される排燃料ガスＦ２の流量を制御する排気バルブ４０３が設けられている。

【0026】

燃料配管３１０には、燃料供給部２０から燃料電池モジュール２に向かって順に、燃料分岐配管３１１との接続部、燃料流量調整バルブ４０１、燃料再循環配管３２１との接続部が設けられている。
排燃料配管３２０には、カートリッジ２０１から燃焼器５に向かって順に、運転圧力制御バルブ４０４（運転圧力制御弁）、ベント配管３２２との接続部、ブロワ１４、燃料再循環配管３２１との接続部、排燃料バルブ４０５が設けられている。運転圧力制御バルブ４０４は、排燃料配管３２０に流れる排燃料ガスＦ２の流量を調整することで、燃料電池モジュール２の燃料側の運転圧力を調整する。また、排燃料バルブ４０５は、燃焼器５に供給する排燃料ガスＦ２の流量を調整する。

【0027】

空気配管３３０は、ガスタービン３の空気圧縮機４において圧縮された空気Ｏ１をカートリッジ２０１に導く配管である。空気配管３３０からは、空気Ｏ１を排空気配管３４０へ分岐する空気分岐配管３３１が設けられており、空気分岐配管３３１には、排空気配管３４０へバイパスする空気Ｏ１の流量を調整する空気分岐調整バルブ４０６が設けられている。また、空気配管３３０には、燃料電池モジュール２に供給する空気Ｏ１の流量を調整する空気流量調整バルブ４０７が設けられている。また、排空気配管３４０には、燃焼器５に供給する空気Ｏ２の流量を調整する排空気流量調整バルブ４０８が設けられている。

【0028】

そして、コンバインド発電システム１は、各バルブの開度を制御する制御装置９００を備える。制御装置９００は、排燃料配管３２０に設けられた圧力計９０１と排空気配管３４０に設けられた圧力計９０２の計測結果に基づいて燃料電池モジュール２の内圧を管理し、各バルブの開度を制御する。

【0029】

次に、燃料電池モジュール２の詳細構造について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成を示す模式図である。
図２に示すように、燃料電池モジュール２は、容器中心軸Ａｖを中心として容器中心軸方向Ｄｖに延びる円筒形状の圧力容器１０と、この圧力容器１０内に配置されている複数のカートリッジ２０１を有している。

【0030】

圧力容器１０は、例えば、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約５ＭＰａ、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用される。このため、この圧力容器１０は、耐圧性を考慮して、円筒形状の胴部１１と、胴部１１の中心軸方向における両端部に形成されている半球状の鏡部１２とを有している。この圧力容器１０は、全体として円筒形状を成し、その容器中心軸Ａｖが上下方向に延びるよう設置されている。また、この圧力容器１０は、耐圧性と共に、使用条件によって空気Ｏ１中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性も要求される場合は、例えば、ＳＵＳ３０４などのステンレス系材で形成しても良い。

【0031】

図３は、本発明の第１の実施形態に係るセルスタックの要部断面図である。
カートリッジ２０１は、複数のセルスタックの束で構成されている。図３に示すように、セル集合体であるセルスタック１０１は、円筒形状（又は管形状）の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されているインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１１２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。セルスタック１０１は、さらに、基体管１０３の外周面に形成されている複数の燃料電池セル１０５のうちで、基体管１０３の軸方向において最も端に形成されている燃料電池セル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ているリード膜１１５を有する。

【0032】

本実施形態では、この円筒形状（又は管形状）のセルスタック１０１の内周側に燃料ガスＦ１が通り、外周側に空気Ｏ１が通る。

【0033】

基体管１０３は、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ_２（ＣＳＺ）、Ｙ_２Ｏ_３安定化ＺｒＯ_２（ＹＳＺ）、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等のいずれかで形成されている多孔質体である。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とを支持する役目を担っている。さらに、この基体管１０３は、内周側に供給された燃料ガスＦ１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電池セル１０５に拡散させる役目も担っている。

【0034】

燃料極１１２は、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で形成されている。この場合、燃料極１１２は、燃料極１１２の成分であるＮｉが燃料ガスＦ１に対して触媒としても作用する。この触媒としての作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガスＦ１中に、例えば、メタン（ＣＨ_４）と水蒸気とが含まれている場合、これら相互を反応させ、水素（Ｈ_２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質する作用である。

【0035】

空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ_３系酸化物、又はＬａＣｏＯ_３系酸化物で形成されている。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Ｏ１中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ^２−）を生成する。

【0036】

固体電解質１１１は、例えば、主としてＹＳＺで形成されている。このＹＳＺは、ガスを通しにくい気密性と、高温下での高い酸素イオン導電性とを有している。この固体電解質１１１は、空気極１１３で生成された酸素イオン（Ｏ^２−）を燃料極１１２に移動させる。

【0037】

前述の燃料極１１２では、固体電解質１１１との界面付近において、改質により得られた水素（Ｈ_２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１から供給された酸素イオン（Ｏ^２−）とが反応し、水（Ｈ_２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。この燃料電池セル１０５では、この反応過程で酸素イオンから電子が放出されて、発電が行われる。

【0038】

インターコネクタ１０７は、例えば、ＳｒＴｉＯ_３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ_３（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で形成されている。このインターコネクタ１０７は、燃料ガスＦ１と空気Ｏ１とが混合しないように緻密な膜で、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１１２とを電気的に接続する。つまり、このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５同士を電気的に直列接続する。

【0039】

リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で形成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタ１０７により電気的に直列接続されてい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る役目を担っている。

【0040】

図４は、本発明の第１の実施形態に係るカートリッジの断面図である。
図５は、本発明の第１の実施形態に係るカートリッジの斜視図である。
カートリッジ２０１は、図４及び図５に示すように、複数のセルスタック１０１と、複数のセルスタック１０１の束の一方の端部を覆う第一カートリッジヘッダ２２０ａと、複数のセルスタック１０１の束の他方の端部を覆う第二カートリッジヘッダ２２０ｂと、を有している。複数のセルスタック１０１は、互いに平行で且つその長手方向における互いの位置が揃って、全体として円柱形状を成している。また、第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、円柱形状を成している複数のセルスタック１０１の束の外径よりわずかに大きな外径の円筒形状を成している。このため、カートリッジ２０１は、全体として、セルスタック１０１の長手方向に長い円柱形状を成している。

【0041】

第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂは、いずれも、複数のセルスタック１０１の束の端部が開口２２８から内部に入り込む円筒形状のケーシング２２９ａ，２２９ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの開口２２８を塞ぐ断熱体２２７ａ，２２７ｂと、ケーシング２２９ａ，２２９ｂの内部空間をセルスタック１０１の長手方向で２つの空間に仕切る管板２２５ａ，２２５ｂと、を有している。管板２２５ａ，２２５ｂ等は、高温耐久性のある金属材料で形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂ及び断熱体２２７ａ，２２７ｂには、複数のセルスタック１０１の端部のそれぞれが挿通可能な貫通孔が形成されている。管板２２５ａ，２２５ｂは、その貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の端部をシール部材又は接着剤２３７を介して支持する。このため、この管板２２５ａ，２２５ｂには貫通孔が形成されているものの、この管板２２５ａ，２２５ｂを基準にしてケーシング２２９ａ，２２９ｂ内の一方の空間に対する他方の空間の気密性が確保されている。断熱体２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内径は、ここに挿通されるセルスタック１０１の外径よりも大きく形成されている。つまり、断熱体２２７ａ，２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されたセルスタック１０１の外周面との間には隙間２３５ａ，２３５ｂが存在する。

【0042】

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、燃料ガスＦ１が供給される燃料ガス供給室２１７を形成している。このケーシング２２９ａには、燃料配管３１０からの燃料ガスＦ１を燃料ガス供給室２１７に導くための燃料ガス供給孔２３１ａが形成されている。この燃料ガス供給室２１７内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。燃料配管３１０から燃料ガス供給室２１７に導かれた燃料ガスＦ１は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に流れ込む。この際、燃料ガスＦ１は、燃料ガス供給室２１７により、複数のセルスタック１０１の各基体管１０３に対してほぼ均等流量に配分される。このため、複数のセルスタック１０１における各発電量の均一化を図ることができる。

【0043】

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、セルスタック１０１の基体管１０３内を通過した排燃料ガスＦ２が流れ込む燃料ガス排出室２１９を形成している。このケーシング２２９ｂには、燃料ガス排出室２１９に流れ込んだ排燃料ガスＦ２を排燃料配管３２０に導くための燃料ガス排出孔２３１ｂが形成されている。この燃料ガス排出室２１９内には、複数のセルスタック１０１における基体管１０３の端部が位置し、ここで開放している。複数のセルスタック１０１の各基体管１０３内を通過した排燃料ガスＦ２は、前述したように、燃料ガス排出室２１９に流入した後、排燃料配管３２０を通って、圧力容器１０外へ排出される。

【0044】

第二カートリッジヘッダ２２０ｂのケーシング２２９ｂと断熱体２２７ｂと管板２２５ｂとで形成されている空間は、空気供給室２１６を形成している。このケーシング２２９ｂには、空気配管３３０からの空気Ｏ１を空気供給室２１６に導くための空気供給孔２３３ｂが形成されている。この空気供給室２１６内に導かれた空気Ｏ１は、断熱体２２７ｂの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ｂから、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５へと流出する。

【0045】

第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間の発電室２１５には、複数のセルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置されている。このため、この発電室２１５では、燃料ガスＦ１と空気Ｏ１とが電気化学的反応して、発電が行われる。なお、この発電室２１５で、セルスタック１０１の長手方向における中央部付近の温度は、燃料電池モジュール２の定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気になる。また、この発電室２１５は、第一カートリッジヘッダ２２０ａと第二カートリッジヘッダ２２０ｂとの間であって、外周側が後述の内側断熱材１６で囲まれた空間である。

【0046】

第一カートリッジヘッダ２２０ａのケーシング２２９ａと断熱体２２７ａと管板２２５ａとで形成されている空間は、発電室２１５を通った排空気Ｏ２が流入する空気排出室２１８を形成している。このケーシング２２９ａには、空気排出室２１８に流れ込んだ排空気Ｏ２を排空気配管３４０に導くための空気排出孔２３３ａが形成されている。発電室２１５中の空気Ｏ１は、断熱体２２７ａの貫通孔の内周面と、この貫通孔に挿通されているセルスタック１０１の外周面との間の隙間２３５ａから空気排出室２１８内に流入した後、排空気配管３４０を通って、圧力容器１０外へ排空気Ｏ２として排出される。

【0047】

発電室２１５の高温化に伴って、各カートリッジヘッダ２２０ａ，２２０ｂの管板２２５ａ，２２５ｂが高温化する。第一カートリッジヘッダ２２０ａ及び第二カートリッジヘッダ２２０ｂの断熱体２２７ａ，２２７ｂは、この管板２２５ａ，２２５ｂが高温化による強度低下や空気Ｏ１中に含まれている酸化剤による腐食を抑える。さらに、この断熱体２２７ａ，２２７ｂは、管板２２５ａ，２２５ｂの熱変形も抑える。

【0048】

前述したように、発電室２１５中の空気Ｏ１と、この発電室２１５に配置されている複数のセルスタック１０１の内側を通る燃料ガスＦ１とは、セルスタック１０１における複数の燃料電池セル１０５で電気化学反応する。この結果、複数の燃料電池セル２０５で発電が行われる。

【0049】

複数の燃料電池セル２０５での発電で得られた直流電流は、複数の燃料電池セル２０５相互間に設けられているインターコネクタ１０７を経て、セルスタック１０１の端部側へ流れ、このセルスタック１０１のリード膜１１５に流れ込む。そして、この直流電流は、リード膜１１５から、集電板（不図示）を介して、カートリッジ２０１の集電棒（不図示）に流れ、カートリッジ２０１外部へ取り出される。複数の集電棒は、互いに直列及び／又は並列接続されている。集電棒のうち、最も下流側の集電棒は、例えば、図示されていないインバータに接続されている。カートリッジ２０１外部に取り出された直流電流は、直列及び／又は並列接続されている複数の集電棒を経て、例えば、インバータに流れ、ここで交流電流に変換されて、電力負荷へと供給される。

【0050】

セルスタック１０１の内周側を流れる燃料ガスＦ１とセルスタック１０１の外周側を流れる空気Ｏ１とは、このセルスタック１０１を介して熱交換する。この結果、燃料ガスＦ１は、空気Ｏ１により加熱され、空気Ｏ１は、逆に燃料ガスＦ１により冷却される。本実施形態では、これら燃料ガスＦ１と空気Ｏ１とがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる。このため、燃料ガスＦ１と空気Ｏ１との熱交換率が高まり、燃料ガスＦ１による空気Ｏ１の冷却効率、及び空気Ｏ１による燃料ガスＦ１の加熱効率が高まる。よって、本実施形態において、空気Ｏ１は、第一カートリッジヘッダ２２０ａを形成する管板２２５ａ等が座屈変形等しない温度に冷却されてから、この第一カートリッジヘッダ２２０ａの空気排出室２１８に流れ込む。また、本実施形態において、燃料ガスＦ１は、発電室２１５内のセルスタック１０１内で、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る。

【0051】

なお、本実施形態では、燃料ガスＦ１と空気Ｏ１とがセルスタック１０１の内周側と外周側とを対向して流れる、つまり燃料ガスＦ１と空気Ｏ１とが逆向きに流れるが、必ずしもこの必要はなく、例えば、燃料ガスＦ１と空気Ｏ１とがセルスタック１０１の内周側と外周側で同じ向きに流れてもよいし、空気Ｏ１が燃料ガスＦ１の流れに対して直交する方向に流れてもよい。

【0052】

円柱形状の複数のカートリッジ２０１は、図２に示すように、いずれも、カートリッジ中心軸Ａｃが圧力容器１０の容器中心軸Ａｖと平行になるよう、圧力容器１０内に配置されている。つまり、本実施形態では、カートリッジ中心軸Ａｃは、容器中心軸Ａｖと同様、上下方向に延びている。

【0053】

なお、カートリッジ２０１の構成は上記したものに限らず、カートリッジを圧力容器の中心軸と直交する方向に延びるように配置してもよい。また、カートリッジは円柱形状に限らず、角柱形状としてもよい。

【0054】

次に、上記の構成からなるコンバインド発電システム１の動作について説明する。
まず、起動時におけるコンバインド発電システム１の動作について説明する。
コンバインド発電システム１の起動は、まずガスタービン３のみを起動させ、燃料電池モジュール２の内圧がガスタービン３の運転圧力に達したときに、燃料電池モジュール２を起動させることで行う。なお、コンバインド発電システム１の起動前には、全てのバルブの開度を０にしておく。

【0055】

図６は、本発明の第１の実施形態に係るコンバインド発電システムの起動方法を示すフローチャートである。
図７は、本発明の第１の実施形態に係るコンバインド発電システムの起動時における各バルブの開度の遷移を示すタイムチャートである。
まず、制御装置９００は、空気分岐調整バルブ４０６を全開にする（ステップＳ１）。これにより、空気圧縮機４によって圧縮された全ての空気Ｏ１は、空気分岐配管３３１を介して燃焼器５へ供給される。次に、制御装置９００は、燃焼器５の稼動に必要な流量だけ燃料ガスＦ１が供給されるよう、燃料分岐調整バルブ４０２の開度を制御する（ステップＳ２）。これにより、ガスタービン３は、燃料供給部２０から燃料分岐配管３１１を介して供給される燃料ガスＦ１、及び空気供給部２１から供給される空気Ｏ１によって起動される。

【0056】

ガスタービン３が起動すると、制御装置９００は、圧力計９０１と圧力計９０２が測定した圧力の差圧の算出を開始する（ステップＳ３）。また、制御装置９００は、ステップＳ３で算出した差圧に基づく燃料流量調整バルブ４０１の開度の制御を開始する（ステップＳ４）。具体的には、制御装置９００は、ステップＳ３で算出した差圧が所定の値になるように燃料流量調整バルブ４０１の開度制御を行う。このとき、制御装置９００は、排気バルブ４０３及び運転圧力制御バルブ４０４を所定の開度に固定する（ステップＳ５）。

【0057】

次に、制御装置９００は、空気流量調整バルブ４０７を低開度で開度固定することで、燃料電池モジュール２の空気側の内圧を徐々に上昇させる（ステップＳ６）。これにより、圧力計９０２が測定する圧力が徐々に高まるため、ステップＳ４で開度の制御を開始した燃料流量調整バルブ４０１の開度は徐々に大きくなる。

【0058】

次に、制御装置９００は、圧力計９０１が測定した圧力がガスタービン３の運転圧力に達したか否かを判定する（ステップＳ７）。これにより、制御装置９００は、燃料電池モジュール２の内圧がガスタービンの運転圧力に達したか否かを判定する。圧力がガスタービン３の運転圧力に達していないと判定した場合（ステップＳ７：ＮＯ）、圧力がガスタービン３の運転圧力に達するまで燃料流量調整バルブ４０１の制御を継続する。

【0059】

他方、圧力がガスタービン３の運転圧力に達したと判定した場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、制御装置９００は、燃料流量調整バルブ４０１の開度制御を、差圧を一定にする制御から、燃料ガスＦ１の流量を一定にする制御に変更する（ステップＳ８）。次に、制御装置９００は、ベント配管３２２の圧力（図示せず）が一定値になるように、排気バルブ４０３の開度制御を開始する（ステップＳ９）。次に、制御装置９００は、ステップＳ３で算出を開始した差圧が所定の値になるように運転圧力制御バルブ４０４の開度の制御を開始する（ステップＳ１０）。

【0060】

次に、制御装置９００は、空気流量調整バルブ４０７及び排空気流量調整バルブ４０８を全開にとする（ステップＳ１１）。次に、燃料電池モジュール２に必要な空気量を調整するため、空気分岐調整バルブ４０６の開度を調整する。空気圧縮機４によって圧縮された空気Ｏ１の全てが必要な場合は、空気分岐調整バルブ４０６の開度を０にする（ステップＳ１２）。そして、排燃料バルブ４０５の開度を徐々に上げる（ステップＳ１３）。なお、燃料分岐調整バルブ４０２は、燃焼器５の稼動に必要な流量だけ燃料ガスＦ１が供給されるよう制御されているため、排燃料バルブ４０５の開度が上がるにつれ、燃料分岐調整バルブ４０２の開度は下がっていく。また、圧力計９０１が測定した圧力が一定値になるよう制御されている排気バルブ４０３の開度も下がり、０となる。
その後、排燃料バルブ４０５の開度が全開になった時点で、コンバインド発電システム１の起動が終了する。

【0061】

このように、本実施形態によれば、制御装置９００は、燃料電池モジュール２のガス条件が運転圧力制御バルブ４０４によって制御できる状態になるまで、燃料電池モジュール２の内圧を燃料流量調整バルブ４０１によって制御する。燃料流量調整バルブ４０１は、燃料電池モジュール２の定常運転時より低圧・低流量のガス条件で適切に制御できるように設計されるため、制御装置９００は、コンバインド発電システム１の起動時において燃料電池モジュール２の内圧を適切に制御することができる。

【0062】

なお、本実施形態では、コンバインド発電システム１の起動時の動作について説明したが、コンバインド発電システム１の停止時にも同様の制御により燃料電池モジュール２の内圧を適切に制御することができる。

【0063】

また、本実施形態では、燃料電池モジュール２の内圧がガスタービンの運転圧力に達した後の制御として、排気バルブ４０３の開度制御を開始してから（ステップＳ９）運転圧力制御バルブ４０４の開度の制御を開始する（ステップＳ１０）場合について説明したが、これに限られない。例えば、ステップＳ９とステップＳ１０の実行順序を逆にしても良い。

【0064】

なお、本実施形態では、燃料電池モジュール２の内圧がガスタービンの運転圧力に達するまで、排気バルブ４０３の開度を固定開度とする場合について説明したが、これに限られない。例えば、燃料流量調整バルブ４０１のレンジが狭い場合、燃料流量調整バルブ４０１と排気バルブ４０３の開度をそれぞれ制御することで燃料電池モジュール２の内圧の制御を行っても良い。

【0065】

《第２の実施形態》
図８は、本発明の第２の実施形態に係るコンバインド発電システムの系統図である。
第２の実施形態に係るコンバインド発電システム１は、第１の実施形態に係るコンバインド発電システム１に、パージガス供給部２２、加圧用空気配管３３２と加圧用空気調整バルブ４０９（流量調節弁）とをさらに設けたものである。

【0066】

パージガス供給部２２は、燃料配管３１０にパージガスを供給する。なお、パージガスとしてはＮ_２などの不活性ガスが用いられる。
燃料配管３１０からは、空気Ｏ１を燃料再循環配管３２１に導入する加圧用空気配管３３２が設けられている。加圧用空気配管３３２には、燃料再循環配管３２１を介して燃料配管３１０に供給する空気Ｏ１の流量を調整する加圧用空気調整バルブ４０９が設けられている。

【0067】

図９は、本発明の第２の実施形態に係るコンバインド発電システムの起動方法を示すフローチャートである。
図１０は、本発明の第２の実施形態に係るコンバインド発電システムの起動時における各バルブの開度の遷移を示すタイムチャートである。
まず、制御装置９００は、空気分岐調整バルブ４０６を全開にする（ステップＳ２１）。これにより、空気圧縮機４によって圧縮された全ての空気Ｏ１は、空気分岐配管３３１を介して燃焼器５へ供給される。次に、制御装置９００は、燃焼器５の稼動に必要な流量だけ燃料ガスＦ１が供給されるよう、燃料分岐調整バルブ４０２の開度を制御する（ステップＳ２２）。これにより、ガスタービン３は、燃料供給部２０から燃料分岐配管３１１を介して供給される燃料ガスＦ１、及び空気供給部２１から供給される空気Ｏ１によって起動される。

【0068】

ガスタービン３が起動すると、制御装置９００は、圧力計９０１と圧力計９０２が測定した圧力の差圧の算出を開始する（ステップＳ２３）。また、制御装置９００は、ステップＳ３で算出した差圧に基づく加圧用空気調整バルブ４０９の開度の制御を開始する（ステップＳ２４）。具体的には、制御装置９００は、ステップＳ３で算出した差圧が所定の値になるように加圧用空気調整バルブ４０９の開度制御を行う。このとき、制御装置９００は、排気バルブ４０３及び運転圧力制御バルブ４０４を所定の開度に固定する（ステップＳ２５）。

【0069】

次に、制御装置９００は、空気流量調整バルブ４０７を低開度で開度固定することで、燃料電池モジュール２の空気側の内圧を徐々に上昇させる（ステップＳ２６）。これにより、圧力計９０２が測定する圧力が徐々に高まるため、ステップＳ２４で開度の制御を開始した加圧用空気調整バルブ４０９の開度は徐々に大きくなる。

【0070】

次に、制御装置９００は、圧力計９０１が測定した圧力がガスタービン３の運転圧力に達したか否かを判定する（ステップＳ２７）。これにより、制御装置９００は、燃料電池モジュール２の内圧がガスタービンの運転圧力に達したか否かを判定する。圧力がガスタービン３の運転圧力に達していないと判定した場合（ステップＳ２７：ＮＯ）、圧力がガスタービン３の運転圧力に達するまで加圧用空気調整バルブ４０９の制御を継続する。

【0071】

他方、圧力がガスタービン３の運転圧力に達したと判定した場合（ステップＳ２７：ＹＥＳ）、制御装置９００は、加圧用空気調整バルブ４０９の開度を０にする（ステップＳ２８）。次に、制御装置９００は、燃料ガスＦ１の流量が一定になるように燃料流量調整バルブ４０１の開度制御を開始する（ステップＳ２９）。次に、制御装置９００は、ベント配管３２２の圧力（図示せず）が一定値になるように、排気バルブ４０３の開度制御を開始する（ステップＳ３０）。次に、制御装置９００は、ステップＳ３で算出を開始した差圧が所定の値になるように運転圧力制御バルブ４０４の開度の制御を開始する（ステップＳ３１）。

【0072】

次に、制御装置９００は、空気流量調整バルブ４０７及び排空気流量調整バルブ４０８を全開とする（ステップＳ３２）。次に、燃料電池モジュール２に必要な空気量を調整するため、空気分岐調整バルブ４０６の開度を調整する。空気圧縮機４によって圧縮された空気Ｏ１の全てが必要な場合は、空気分岐調整バルブ４０６の開度を０にする（ステップＳ３３）。

【0073】

次に、制御装置９００は、パージガス供給部２２によるパージガスの供給を開始し、燃料配管３１０、排燃料配管３２０及び燃料再循環配管３２１をパージガスで充填し、空気Ｏ１を全て排気する（ステップＳ３４）。パージガスの充填に十分な時間が経過すると、制御装置９００は、パージガス供給部２２によるパージガスの供給を停止する。そして、制御装置９００は、排燃料バルブ４０５の開度を徐々に上げる（ステップＳ３５）。なお、燃料分岐調整バルブ４０２は、燃焼器５の稼動に必要な流量だけ燃料ガスＦ１が供給されるよう制御されているため、排燃料バルブ４０５の開度が上がるにつれ、燃料分岐調整バルブ４０２の開度は下がっていく。また、圧力計９０１が測定した圧力が一定値になるよう制御されている排気バルブ４０３の開度も下がり、０となる。
その後、排燃料バルブ４０５の開度が全開になった時点で、コンバインド発電システム１の起動が終了する。

【0074】

このように、本実施形態によれば、制御装置９００は、燃料電池モジュール２のガス条件が運転圧力制御バルブ４０４によって制御できる状態になるまで、燃料電池モジュール２の内圧を加圧用空気調整バルブ４０９によって制御する。したがって、加圧用空気調整バルブ４０９を、燃料電池モジュール２の定常運転時より低圧・低流量のガス条件で適切に制御できるように設計しておくことで、制御装置９００は、コンバインド発電システム１の起動時において燃料電池モジュール２の内圧を適切に制御することができる。

【0075】

また、本実施形態によれば、燃料電池モジュール２の内圧を上昇させるために燃料ガスを用いる必要がないため、燃料ガスの保有量を小さくすることができる。

【0076】

なお、本実施形態では、加圧用空気配管３３２が燃料配管３１０と燃料再循環配管３２１とを接続する場合について説明したが、これに限られない。例えば、加圧用空気配管３３２は、燃料配管３１０に直接接続されていても良い。

【0077】

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

【0078】

なお、上述の制御装置９００は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した各動作は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

【0079】

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

【符号の説明】

【0080】

１…コンバインド発電システム ２…燃料電池モジュール ３…ガスタービン ４…空気圧縮機 ５…燃焼器 ６…タービン ３１０…燃料配管 ３２０…排燃料配管 ３３０…空気配管 ３４０…排空気配管 ３３２…加圧用空気配管 ４０１…燃料流量調整バルブ ４０４…運転圧力制御バルブ ４０９…加圧用空気調整バルブ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】