固体酸化物形燃料電池装置
【課題】起動工程において燃料電池モジュール内の温度が上昇し過ぎることを防止する固体酸化物形燃料電池装置を提供する。
【解決手段】制御部１１０は、起動工程において、セルスタック温度及び改質器温度に基づいて、改質器に供給する燃料ガス、酸化剤ガス、水蒸気の供給量を制御し、前記改質器で行われる燃料ガス改質反応工程をＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程へ移行させた後、発電工程へ移行させ、各工程においてセルスタック温度及び改質器温度がそれぞれに対して設定された移行条件を満足した場合に、次の工程に移行させるように制御するよう構成されており、判定手段である制御部１１０が昇温助長状態であると判定した場合、移行条件を満足していなくても次工程へ早期に移行させるように、移行条件を緩和する。
【解決手段】制御部１１０は、起動工程において、セルスタック温度及び改質器温度に基づいて、改質器に供給する燃料ガス、酸化剤ガス、水蒸気の供給量を制御し、前記改質器で行われる燃料ガス改質反応工程をＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程へ移行させた後、発電工程へ移行させ、各工程においてセルスタック温度及び改質器温度がそれぞれに対して設定された移行条件を満足した場合に、次の工程に移行させるように制御するよう構成されており、判定手段である制御部１１０が昇温助長状態であると判定した場合、移行条件を満足していなくても次工程へ早期に移行させるように、移行条件を緩和する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池装置に係わり、特に、起動中における改質器等の過昇温を防止する固体酸化物形燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）は、起動工程において、燃料ガスを改質器において改質する複数の工程、すなわち、部分酸化改質反応工程（ＰＯＸ工程）、オートサーマル改質反応工程（ＡＴＲ工程）、水蒸気改質反応工程（ＳＲ工程）を経て、発電工程へ移行するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ＳＯＦＣでは、これらの工程を順に実行することにより、燃料電池モジュール収納室内に配置された改質器や燃料電池セルスタック等を動作温度まで昇温させることができる。
また、ＳＯＦＣは、動作温度が６００〜８００℃と高温であり、燃料電池モジュール収納室周囲に蓄熱材が配置されている。したがって、この蓄熱材は、動作中に多量の熱量を保持し、動作中の熱効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３１９４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、動作中であったＳＯＦＣを一旦停止動作に移行させた後、再起動させる場合、上述のように蓄熱材には多量の熱量が蓄えられているため、通常の起動工程で起動させると、改質器や燃料電池セルスタックの温度が上昇し過ぎてしまうという問題があった。
【０００６】
例えば、通常の起動動作中において、改質器内での改質反応工程のうち、発熱反応であるＰＯＸ工程で発生した熱は、改質器自体を昇温させるが、改質器外の構成部材である蓄熱材等をも昇温させる。
【０００７】
これに対して、再起動動作中には、改質器外の構成部材が既にある程度の温度まで昇温されており、また、蓄熱材が多量の熱量を保持しているため、ＰＯＸ工程で発生した熱が、主に改質器を昇温するために用いられる。その結果、再起動動作中には、改質器が、通常の起動動作中よりも大きな昇温速度で昇温し、所定の動作温度を超えた状態となる過昇温が引き起こされるおそれがあった。そして、この過昇温により改質器が劣化したり破損したりするおそれがあった。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、起動工程において、燃料電池モジュール内の温度が上昇し過ぎることを防止する固体酸化物形燃料電池装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明は、固体酸化物形燃料電池装置において、複数の燃料電池セルを組み合わせてなるセルスタックと、燃料電池セルに供給する燃料ガスを改質する改質器と、燃料電池セルを通過した余剰の燃焼ガス又は改質された燃焼ガスを燃焼させることにより発生する排気ガスによって改質器及びセルスタックを加熱する燃焼部と、セルスタックの温度及び改質器の温度をそれぞれ検出する温度検出器と、セルスタック及び改質器を収納するモジュール収納室と、モジュール収納室の周囲に配置された蓄熱手段と、燃料電池装置の起動中に蓄熱手段が蓄積している熱量によって改質器及び／又はセルスタックの昇温が助長される状態である昇温助長状態であるか否かを判定する判定手段と、燃料電池装置の起動を制御する制御手段と、を備えており、制御手段は、燃料電池装置の起動工程において、セルスタックの温度及び改質器の温度に基づいて、改質器に供給する燃料ガス、酸化剤ガス、水蒸気の供給量を制御し、改質器で行われる燃料ガス改質反応工程をＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程へ移行させた後、発電工程へ移行させ、各工程においてセルスタックの温度及び改質器の温度がそれぞれに対して設定された移行条件を満足した場合に、次の工程に移行させるように制御するよう構成されており、判定手段が昇温助長状態であると判定した場合、制御手段は、移行条件を満足していなくても次工程へ早期に移行させるように、移行条件を緩和することを特徴としている。
【００１０】
蓄熱手段に残存熱量が所定以上ある状況において燃料電池装置を起動する際、例えば、改質器内での部分酸化改質反応で生じた発生熱が蓄熱手段に奪われ難くなる。このため、特に、部分酸化改質反応が行われるＰＯＸ工程やＡＴＲ工程において、改質器の温度上昇速度が大きくなり、通常の起動時と比べて改質器温度とセルスタック温度との温度差が大きくなる。
【００１１】
このような場合に通常起動時と同じ方法及び移行条件で起動を行うと、セルスタック温度の上昇を待っていると、改質器の温度が上昇し過ぎてしまい、例えば改質器の温度が異常判定温度以上に過昇温し、改質器の劣化・損傷が生じるおそれがあった。また、逆に、残存熱量の影響によって、セルスタック温度が上昇し過ぎることにより、燃料電池セルスタックに劣化が生じるおそれがあった。
【００１２】
本発明によれば、判定手段により、改質器及び／又はセルスタックが燃料電池装置の起動中に蓄熱手段が蓄積している残存熱量によって昇温される状態である昇温助長状態であるか否かを判定し、昇温助長状態であることが推定された場合は、各工程間での移行条件を緩和することにより、早めに次工程へ移行することで、改質器又はセルスタックの温度が上昇し過ぎること、すなわち過昇温を防止することができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、制御手段は、判定手段が昇温助長状態であると判定した場合、改質器の温度及びセルスタックの温度の少なくとも一方が移行条件を満たしていない場合であっても次工程に移行する。
このように構成された本発明によれば、昇温助長状態であると推定される場合には、改質器の温度及びセルスタックの温度の少なくとも一方が工程間の移行温度条件を満たさない低温の時点で早めに移行するため、改質器の温度及びセルスタックの温度のうち、移行条件を満たしていない温度の上昇を待つ間に、移行条件を満たしている温度が上昇し過ぎてしまうことを防止し、過昇温の発生を確実に防止することができる。また、昇温助長状態であるので、燃料電池モジュール内の残存熱量が、次工程以降において移行条件を満たしていない温度の不足分を補うことができる。これにより、次工程以降において温度上昇不足を補償することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、判定手段は、少なくとも１つの工程から次工程への移行時において改質器の温度が第１の所定温度以上である場合に昇温助長状態であると判定し、この判定に基づいて、制御手段は、セルスタックの温度が次工程へ移行するための移行条件を満たしていない場合であっても次工程へ移行させる。
【００１５】
再起動時には、ＰＯＸ工程及びＡＴＲ工程における部分酸化改質反応による発生熱が、残存熱量の存在によって蓄熱手段に奪われ難いため、起動工程における改質器温度の上昇速度がセルスタック温度の上昇より速くなる。よって、セルスタック温度が移行条件を満たすまで待つと、改質器が過昇温してしまうおそれがある。このため、本発明では、改質器温度が強制移行温度に到達した場合には、セルスタック温度が移行条件を満足するのを待つことなく早めに次工程へ移行することにより、改質器の過昇温を防止することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、第１の所定温度は、改質器の移行条件の温度よりも高い温度に設定されている。
このように構成された本発明によれば、セルスタック温度が未だ移行条件の温度よりも低い状態であるにもかかわらず、改質器温度が移行条件の温度を超えて高温状態（すなわち、第１の所定温度である強制移行温度）に達している場合には、スタック温度の上昇をこれ以上待つべきではなく、残存熱量が大きい昇温助長状態であるとの判断を誤りなく行うことができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、判定手段は、ＳＲ工程において、改質器の温度が第１の所定温度以上である場合に昇温助長状態であると判定し、この判定に基づいて、制御手段は、セルスタックの温度が次工程へ移行するための移行条件を満たしていない場合であっても発電工程へ移行させ、第１の所定温度は、改質器の発電工程への移行条件の温度よりも高く、且つ、改質器の異常判定温度である第２の所定温度よりも低く設定されている。
【００１８】
発電工程へ移行する時点（ＳＲ工程）は、起動工程（すなわち昇温工程）の最期であるため、改質器温度が最も高温になりやすい。このため、本発明によれば、残存熱量が大きい昇温助長状態である場合に、改質器の異常判定温度より低い時点で発電に移行させることにより、発電工程移行後も改質器を異常判定温度以下に抑えて、正常動作温度範囲で動作させることができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、制御手段は、発電工程へ移行後において、改質器の温度が改質器の異常判定温度である第２の所定温度を超えないように、燃料電池装置の運転を規制する温度監視制御を実行する。
残存熱量が大きい昇温助長状態である場合には、改質器温度が通常の起動時と比べて異常判定温度に近づいた状態となる。このため、本発明では、発電工程移行後においても改質器の温度が改質器の異常判定温度を超えないように温度監視制御を実行することにより、発電開始に伴って改質器温度が更に高温になって異常判定温度を超えてしまうことを防止することができる。これにより、本発明では、起動工程から発電工程への強制移行しても、過昇温を確実に防止することが可能となる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、判定手段は、ＰＯＸ工程又はＡＴＲ工程における改質器の温度により昇温助長状態であるか否かを判定し、昇温助長状態であると判定したとき、その工程以降における移行条件を緩和する。
残存熱量による改質器温度の上昇は、発熱反応が行われるＰＯＸ工程及びＡＴＲ工程（特に、ＰＯＸ工程）において顕著に現れ、そのとき生じた改質器温度とセルスタック温度との温度差が以降の工程において維持されてしまう傾向がある。
したがって、本発明では、残存熱量による昇温助長状態の判定を正確に行うことができるＰＯＸ工程又はＡＴＲ工程において、判定を行うこととしている。更に、判定以後における改質工程の切替温度条件をＰＯＸ工程又はＡＴＲ工程の時点で切り替えるため、以後のＡＴＲ工程からＳＲ工程及び／又はＳＲ工程から発電工程への各切替時点では残存熱量による昇温助長状態の判定を行わなくても、起動工程全体において過昇温の発生を防止することができる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、判定手段は、改質器の温度の測定値に基づいて、昇温助長状態であるか否かを判定する。
ＳＯＦＣの停止動作では、モジュール収納室内部の冷却は局所的ではなく、全体に対する空気冷却にて行われる。このため、蓄熱手段に蓄熱された熱量は局所的ではなく、全体に略均一に残る。その結果、本発明者は、改質器温度に影響を与える残存熱量だけでなく、セルスタックに影響する残存熱量も改質器温度の測定のみによって推定できることを発見した。これにより、本発明では、残存熱量による昇温助長状態の判定を行うために専用の温度センサなどを別途設けることなく、既存の改質器温度を測定する温度センサからの測定値のみから、残存熱量による昇温助長状態の判定を行うことができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の固体酸化物形燃料電池装置によれば、起動工程において、燃料電池モジュール内の温度が上昇し過ぎることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿う断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セル単体を示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による燃料電池装置の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動処理手順の動作テーブルである。
【図１０】本発明の一実施形態による燃料電池装置の過昇温抑制制御の動作テーブルである。
【図１１】本発明の第２の実施形態による燃料電池装置の起動時における過昇温抑制制御の説明図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態による燃料電池装置の起動時における過昇温抑制制御の説明図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態による燃料電池装置の過昇温抑制制御の動作テーブルである。
【図１４】本発明の第３の実施形態による燃料電池装置の過昇温抑制制御の動作テーブルである。
【図１５】本発明の第４の実施形態による燃料電池装置の制御テーブルである。
【図１６】制御部により実行される制御のフローチャートである。
【図１７】制御部により実行される制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池装置又は固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００２５】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６周囲には、蓄熱材７を介して密封空間８が形成されている。なお、蓄熱材７は、燃料モジュール２内で発生した熱を蓄熱することができるようになっており、燃料電池モジュール２の熱効率を向上させることができる。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４（図５参照）を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（図４参照）から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。
【００２６】
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【００２７】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００２８】
次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００２９】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿って断面図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内の密閉空間８には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体１２、改質器２０、空気用熱交換器２２が配置されている。
【００３０】
改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
【００３１】
この改質器２０の下流端側には、燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。
【００３２】
このマニホールド６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。
【００３３】
次に、改質器２０の上方には、空気用熱交換器２２が設けられている。この空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図３に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ，７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。
【００３４】
空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室７２のそれぞれには、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。
【００３５】
次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
図２に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。
【００３６】
次に図４により燃料電池セルユニット１６について説明する。図４は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図４に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００３７】
燃料電池セル１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。
【００３８】
内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００３９】
電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００４０】
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００４１】
次に図５により燃料電池セルスタック１４について説明する。図５は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図５に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板６８及び上支持板１００により支持されている。これらの下支持板６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴６８ａ及び１００ａがそれぞれ形成されている。
【００４２】
さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、空気極である外側電極層９２の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとにより一体的に形成されている。空気極用接続部１０２ｂは、外側電極層９２の表面を上下方向に延びる鉛直部１０２ｃと、この鉛直部１０２ｃから外側電極層９２の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部１０２ｄとから形成されている。また、燃料極用接続部１０２ａは、空気極用接続部１０２ｂの鉛直部１０２ｃから燃料電池セルユニット１６の上下方向に位置する内側電極端子８６に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。
【００４３】
さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図５では左端の奥側及び手前側）に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４（図示せず）に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。
【００４４】
次に図６により本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に取り付けられたセンサ類等について説明する。図６は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体電解質型燃料電池１は、制御部１１０を備え、この制御部１１０には、使用者が操作するための「ＯＮ」や「ＯＦＦ」等の操作ボタンを備えた操作装置１１２、発電出力値（ワット数）等の種々のデータを表示するための表示装置１１４、及び、異常状態のとき等に警報（ワーニング）を発する報知装置１１６が接続されている。なお、この報知装置１１６は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
【００４５】
次に、制御部１１０には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ１２０は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４に取り付けられている。
ＣＯ検出センサ１２２は、本来排気ガス通路８０等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４を覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ１２４は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
【００４６】
電力状態検出センサ１２６は、インバータ５４及び分電盤（図示せず）の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ１２８は、発電室１０に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ１３０は、改質器２０に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ１３２は、改質器２０に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
【００４７】
水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水（水蒸気）の流量を検出するためのものである。
水位センサ１３６は、純水タンク２６の水位を検出するためのものである。
圧力センサ１３８は、改質器２０の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ１４０は、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
【００４８】
発電室温度センサ１４２は、図３に示すように、燃料電池セル集合体１２の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック１４の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４自体）の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ１４４は、燃焼室１８の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ１４６は、排気ガス室７８の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ１４８は、改質器２０の温度を検出するためのものであり、改質器２０の入口温度と出口温度から改質器２０の温度を算出する。
外気温度センサ１５０は、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
【００４９】
これらのセンサ類からの信号は、制御部１１０に送られ、制御部１１０は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８、改質用空気流量調整ユニット４４、発電用空気流量調整ユニット４５に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
また、制御ユニット１１０は、インバータ５４に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
【００５０】
次に図７により本実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）による起動時の動作を説明する。図７は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール２を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール２を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール２は発電を行わない。
【００５１】
先ず、改質用空気流量調整ユニット４４から改質用空気を第１ヒータ４６を経由して燃料電池モジュール２の改質器２０へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット４５から発電用空気を第２ヒータ４８を経由して燃料電池モジュール２の空気用熱交換器２２へ供給し、この発電用空気が、発電室１０及び燃焼室１８に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット３８からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器２０及び燃料電池セルスタック１４、燃料電池セルユニット１６を通過して、燃焼室１８に到達する。
【００５２】
次に、点火装置８３により着火して、燃焼室１８にある燃料ガスと空気（改質用空気及び発電用空気）とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室１０が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール２の密封空間８内を上昇する際、改質器２０内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器２２内の発電用空気も暖める。
【００５３】
このとき、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器２０に供給されているので、改質器２０において、式（１）に示す部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。この部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管６４により燃料電池セルスタック１４の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック１４が下方から加熱され、また、燃焼室１８も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック１４は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック１４は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応ＰＯＸが進行しても、燃焼室１８では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。
【００５４】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５５】
部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器温度センサ１４８により検出された改質器２０の温度、及び発電室温度センサ１４２により検出された燃料電池セルスタック１４の温度に基づいて、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスの改質器２０への供給が開始される。このとき、改質器２０においては、上述した部分酸化改質反応ＰＯＸと後述する水蒸気改質反応ＳＲとが併用されたオートサーマル改質反応ＡＴＲが進行する。このオートサーマル改質反応ＡＴＲは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器２０内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素（空気）が多い場合には部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室１０内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ＡＴＲが進行中も、燃焼室１８では燃焼反応が継続して行われている。
【００５６】
式（２）に示すオートサーマル改質反応ＡＴＲの開始後、改質器温度センサ１４６により検出された改質器２０の温度、及び発電室温度センサ１４２により検出された燃料電池セルスタック１４の温度に基づいて、改質用空気流量調整ユニット４４による改質用空気の供給が停止されると共に、水流量調整ユニット２８による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器２０には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器２０において、式（３）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
【００５７】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５８】
この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室１８からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール２の起動の最終段階であるため、発電室１０内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室１０が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応ＳＲが進行しても、燃焼室１８では継続して燃焼反応が進行する。
【００５９】
このようにして、燃料電池モジュール２は、点火装置８３により点火した後、部分酸化改質反応ＰＯＸ、オートサーマル改質反応ＡＴＲ、水蒸気改質反応ＳＲが、順次進行することにより、発電室１０内の温度が徐々に上昇する。以上の起動処理が終了した後、燃料電池モジュール２からインバータ５４に電力が取り出される。即ち、発電が開始される。燃料電池モジュール２の発電により、燃料電池セル８４自体も発熱し、燃料電池セル８４の温度も上昇する。
【００６０】
発電開始後においても、改質器２０の温度を維持するために、燃料電池セル８４で発電に消費される燃料ガス及び発電用空気の量よりも多い燃料ガス及び発電用空気を供給し、燃焼室１８での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応ＳＲで発電が進行する。
【００６１】
次に、図８により本実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を説明する。図８は、本実施形態により固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
図８に示すように、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット３８及び水流量調整ユニット２８を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させる。
【００６２】
また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、発電室温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応ＳＲを終了する。この発電用空気の供給は、改質器２０の温度が所定温度、例えば、２００℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。
【００６３】
このように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２の運転停止を行うとき、改質器２０による水蒸気改質反応ＳＲと発電用空気による冷却とを併用しているので、比較的短時間に、燃料電池モジュールの運転を停止させることができる。
【００６４】
次に、図７及び図９を参照して、本実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を詳細に説明する。
図９は、燃料電池１の起動処理手順を示す基本となる動作テーブルであり、起動開始時に燃料電池モジュール２に残存する熱量が所定量以下で、後述する過昇温のおそれがない場合に用いられるものである。
図９に示すように、起動工程では、制御部１１０が各運転制御状態（燃焼運転工程、ＰＯＸ１工程、ＰＯＸ２工程、ＡＴＲ１工程、ＡＴＲ２工程、ＳＲ１工程、ＳＲ２工程）を時間的に順に実行し、発電工程へ移行するように構成されている。
【００６５】
なお、ＰＯＸ１工程及びＰＯＸ２工程は、改質器２０内で部分酸化改質反応が行われる工程である。また、ＡＴＲ１工程及びＡＴＲ２工程は、改質器２０内でオートサーマル改質反応が行われる工程である。また、ＳＲ１工程及びＳＲ２工程は、改質器２０内で水蒸気改質反応が行われる工程である。上記各ＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程は、それぞれ２つに細分化されているが、これに限らず、３つ以上に細分化してもよいし、細分化しない構成とすることもできる。
【００６６】
まず、時刻ｔ0において燃料電池１を起動すると、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送って、これらを起動させ、改質用空気（酸化剤ガス）及び発電用空気を燃料電池モジュール２に供給する。なお、本実施形態においては、時刻ｔ0において供給が開始される改質用空気の供給量は１０．０（L/min）、発電用空気の供給量は１００．０（L/min）に設定される（図９の「燃焼運転」工程参照）。
【００６７】
次いで、時刻ｔ1において、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送って、改質器２０への燃料ガス供給を開始する。これにより、改質器２０へ送り込まれた燃料ガス及び改質用空気は、改質器２０、燃料ガス供給管６４、マニホールド６６を介して各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれる。各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれた燃料ガス及び改質用空気は、各燃料電池セルユニット１６の燃料ガス流路９８上端から流出する。なお、本実施形態において、時刻ｔ1において供給が開始される燃料ガスの供給量は６．０（L/min）に設定されている（図９の「燃焼運転」工程参照）。
【００６８】
さらに、時刻ｔ2において、制御部１１０は、点火装置８３に信号を送り、燃料電池セルユニット１６から流出する燃料ガスに点火する。これにより、燃料室１８内で燃料ガスが燃焼され、これによって生成した排気ガスにより、その上方に配置された改質器２０が加熱されると共に、燃焼室１８、発電室１０、及びその中に配置された燃料電池セルスタック１４の温度（以下「セルスタック温度」という）も上昇する（図７の時刻ｔ2〜ｔ3参照）。燃料ガス流路９８を含む燃料電池セルユニット１６及びその上端部位は燃焼部に相当する。
【００６９】
改質器２０が加熱されることにより、改質器２０の温度（以下「改質器温度」という）が３００℃程度まで上昇すると、改質器２０内においては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が発生する（図７の時刻ｔ3：ＰＯＸ１工程開始）。部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質器２０は、部分酸化改質反応の発生により、その反応熱によっても加熱されるようになる（図７の時刻ｔ3〜ｔ5）。
【００７０】
さらに温度が上昇し、改質器温度が３５０℃に達すると（ＰＯＸ２移行条件）、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させると共に、改質用空気流量調整ユニット３８に信号を送り、改質用空気供給量を増加させる（図７の時刻ｔ4：ＰＯＸ２工程開始）。これにより、燃料ガス供給量は５．０（L/min）に変更され、改質用空気供給量は１８．０（L/min）に変更される（図９の「ＰＯＸ２」工程参照）。これらの供給量は、部分酸化改質反応を発生させるために適切な供給量である。即ち、部分酸化改質反応が発生し始める初期の温度領域においては、供給する燃料ガスの割合を多くすることにより、燃料ガスに確実に着火させる状態を形成すると共に、その供給量を維持して着火を安定させる（図９の「ＰＯＸ１」工程参照）。さらに、安定して着火され、温度が上昇した後には、部分酸化改質反応を生成するために必要にして十分な燃料ガス供給量として、燃料の浪費を抑えている（図９の「ＰＯＸ２」工程参照）。
【００７１】
次に、図７の時刻ｔ5において、改質器温度が６００℃以上、且つ、セルスタック温度が２５０℃以上になると（ＡＴＲ１移行条件）、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給を開始させる（ＡＴＲ１工程開始）。これにより、改質用空気供給量は８．０（L/min）に変更され、水供給量は２．０（cc/min）にされる（図９の「ＡＴＲ１」工程参照）。改質器２０内に水（水蒸気）が導入されることにより、改質器２０内で水蒸気改質反応も発生するようになる。即ち、図９の「ＡＴＲ１」工程においては、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在したオートサーマル改質（ＡＴＲ）が発生するようになる。
【００７２】
本実施形態においては、セルスタック温度は、発電室１０内に配置された発電室温度センサ１４２によって測定されている。発電室内の温度とセルスタック温度は、厳密には同一ではないが、発電室温度センサによって検出される温度はセルスタック温度を反映したものであり、発電室内に配置された発電室温度センサによりセルスタック温度を把握することができる。なお、本明細書において、セルスタック温度とは、セルスタック温度を反映した値を指示する任意のセンサにより測定された温度を意味するものとする。
【００７３】
さらに、図７の時刻ｔ6において、改質器温度が６００℃以上、且つ、スタック温度が４００℃以上になると（ＡＴＲ２移行条件）、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させる。また、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量を増加させる（ＡＴＲ２工程開始）。これにより、燃料ガス供給量は４．０（L/min）に変更され、改質用空気供給量は４．０（L/min）に変更され、水供給量は３．０（cc/min）に変更される（図９の「ＡＴＲ２」工程参照）。改質用空気供給量が減少され、水供給量が増加されることにより、改質器２０内においては、発熱反応である部分酸化改質反応の割合が減少し、吸熱反応である水蒸気改質反応の割合が増加する。これにより、改質器温度の上昇は抑制され、一方、改質器２０から受けるガス流により燃料電池セルスタック１４が昇温されることによって、セルスタック温度は改質器温度に追い付くように昇温していくので、両者の温度差が縮小され、両者は安定的に昇温されていく。
【００７４】
次に、図７の時刻ｔ7において、改質器温度とセルスタック温度の温度差が縮まり、改質器温度が６５０℃以上、且つ、スタック温度が６００℃以上になると（ＳＲ１移行条件）、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気の供給を停止する。また、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量を増加させる（ＳＲ１工程開始）。これにより、燃料ガス供給量は３．０（L/min）に変更され、水供給量は８．０（cc/min）に変更される（図９の「ＳＲ１」工程参照）。改質用空気の供給が停止されることにより、改質器２０内においては部分酸化改質反応は発生しなくなり、水蒸気改質反応のみが発生するＳＲが開始される。
【００７５】
さらに、図７の時刻ｔ8において、改質器温度とセルスタック温度の温度差がさらに縮まり、改質器温度が６５０℃以上、且つ、セルスタック温度が６５０℃以上になると（ＳＲ２移行条件）、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量も減少させる。また、制御部１１０は、発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送り、発電量空気の供給量も減少させる（ＳＲ２工程開始）。これにより、燃料ガス供給量は２．３（L/min）に変更され、水供給量は６．３（cc/min）に変更され、発電用空気供給量は８０．０（L/min）に変更される（図９の「ＳＲ２」工程参照）。
【００７６】
ＳＲ１工程では、改質器温度及びスタック温度を発電可能な温度付近まで上昇させるため、燃料ガス供給量及び水供給量を高めに保持している。その後、ＳＲ２工程では、燃料ガス流量及び水供給量を低減して、改質器温度及びセルスタック温度の温度分布を落ち着かせ、発電可能な温度に安定化させる。
【００７７】
制御部１１０は、ＳＲ２工程において、各供給量を所定の発電移行時間以上維持した後、図７の時刻ｔ9において、改質器温度が６５０℃以上、且つ、スタック温度が７００℃以上になると（発電工程移行条件）、燃料電池モジュール２からインバータ５４に電力を出力させ、発電工程に移行して発電を開始する（図７の時刻ｔ9：発電工程開始）。発電工程では、制御部１１０は、時刻ｔ9から時刻ｔ10の間は燃料ガス供給量及び水供給量を一定に維持する。
【００７８】
その後、制御部１１０は、出力電力に追従させるように、燃料流量調整ユニット３８及び水流量調整ユニット２８に信号を送って燃料ガス供給量及び水の供給量を変更する。よって、時刻ｔ10から時刻ｔ11にかけて、燃料ガス供給量及び水の供給量が減少し、時刻ｔ11以降は、要求出力電力に応じて、燃料ガス供給量及び水の供給量が調整され、負荷追従運転が実行される。
【００７９】
次に、図１０を参照して、本実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の過昇温抑制制御を説明する。
上述のように、燃料電池モジュール２は、熱効率向上のためにモジュール収納室としてのハウジング６の周囲に蓄熱手段としての蓄熱材７が設けられており、内部で発生した熱を外部へ逃がさずに有効利用できるように構成されている。
【００８０】
しかしながら、燃料電池装置１を稼動し、蓄熱材７を含む燃料電池モジュール２全体が昇温した状態で停止動作に入り、その後、蓄熱材７等が多量の熱量を蓄積した状態で再起動工程に入ると、燃料電池モジュール２内の構成部品（特に改質器２０）が通常の室温状態からの起動時に比べて昇温し易くなる。例えば、発熱反応である部分酸化改質反応において改質器２０で発生した熱は、通常の室温状態からの起動時には、改質器２０そのものを昇温する以外に、他の構成部品や蓄熱材７を昇温するために改質器２０外へ放出される。しかしながら、蓄熱材７が多量の熱量を保持している状況では、部分酸化改質反応で発生した熱は、主に改質器２０を昇温するために用いられることになり、改質器２０の昇温速度が速められる。これにより、例えば、改質器２０が過昇温により劣化するおそれがある。
【００８１】
このため、本実施形態では、このような過昇温が発生するおそれがある状態（すなわち、昇温助長状態）であるか否かを検知して、この状態に応じて、過昇温抑制制御を実行し、過昇温を防止した適切な再起動が行われる。
本実施形態では、改質器温度の上昇速度が通常の室温状態からの上昇速度よりも速い場合に、昇温助長状態であると判定し、過昇温抑制制御を実行する。この過昇温抑制制御では、昇温助長状態の検知により、早期に次工程へ移行するように、図９に示した動作テーブルの移行温度条件を緩和するように構成されている。
【００８２】
図１０は、本実施形態の過昇温抑制制御で用いられる動作テーブルであり、図９と比べて、移行温度条件のみが異なり、各工程における燃料ガス等の供給量は同一に設定されている。なお、図１０以降の動作テーブルでは、図９と異なる部分を四角で囲ってある。
【００８３】
起動工程において、通常起動時と比べて改質器温度の上昇速度がセルスタック温度の上昇速度よりも速い状態で、燃焼運転工程、ＰＯＸ１工程、ＰＯＸ２工程、ＡＴＲ１工程、ＡＴＲ２工程、ＳＲ１工程を順に移行してくると、ＳＲ１工程において、改質器温度とセルスタック温度の温度差が通常の起動時よりも大きくなる。
【００８４】
図９の動作テーブルでは、ＳＲ１工程からＳＲ２工程への通常の移行条件は、改質器温度が６５０℃以上、且つ、セルスタック温度が６５０℃以上である（通常のＳＲ２移行条件）。
ところが、上述のようにＳＲ１工程において、改質器温度とセルスタック温度との温度差が大きい場合、先に改質器温度が６５０℃以上に達した後、セルスタック温度が６５０℃以上に達するまでには時間が掛かるため、セルスタック温度が６５０℃に達したときには、改質器温度が過昇温により異常判定温度である８００℃に達してしまうおそれがある。異常判定温度は、改質器２０の劣化・損傷のおそれのため、燃料電池１を強制的に異常停止させる設定温度である。
【００８５】
判定手段としての制御部１１０は、ＳＲ１工程において、セルスタック温度がＳＲ２工程への移行温度条件（６５０℃）に到達していないにもかかわらず、改質器温度が第１の強制移行温度（本例では７００℃）に到達した場合には、図９の動作テーブルで示した改質器温度及びセルスタック温度の基準となる移行温度の昇温過程から外れ、改質器温度の昇温速度が速まっているので、燃料電池モジュール２に多量の熱量が蓄積されており、この熱量に起因して改質器２０の昇温が助長されている状態、又は、昇温速度が通常の起動時よりも速まっている状態、すなわち昇温助長状態であると判定する。
【００８６】
すなわち、本実施形態では、セルスタック温度の昇温速度に比べて改質器温度の昇温速度が速く、両者の温度差が通常よりも大きくなり、セルスタック温度が移行条件の温度に達する前に改質器温度が移行条件の温度よりも所定温度以上高い第１の強制移行温度に達した場合に、昇温助長状態であると判定される。
【００８７】
これにより、制御部１１０は、ＳＲ１工程からＳＲ２工程への移行温度条件を、改質器温度が６５０℃以上、且つ、セルスタック温度が６５０℃以上であることに加えて、セルスタック温度にかかわらず、改質器温度が７００℃以上であることを付加する（変更後のＳＲ２移行条件）。
【００８８】
セルスタック温度が６５０℃に到達していないので、通常のＳＲ２移行条件は満たされないので、制御部１１０は、通常のＳＲ２移行条件によっては、ＳＲ２工程へ移行することができない。しかしながら、改質器温度が第１の強制移行温度（７００℃）に到達することにより、全体として移行条件が緩和された変更後のＳＲ２移行条件を満たすことになり、制御部１１０は、変更後のＳＲ２移行条件によって、ＳＲ１工程からＳＲ２工程へ早期に移行させることができる。
【００８９】
したがって、燃料ガス供給量及び水供給量がＳＲ２工程よりも多いＳＲ１工程の期間が短くなり、改質器２０の温度上昇が抑制される。さらに、ＳＲ２工程へ移行後は、燃料ガス供給量及び水供給量がＳＲ１工程よりも低減されるので、改質器温度の上昇が抑制される。
【００９０】
ＳＲ２工程ではＳＲ１工程よりも燃料ガス供給量及び水供給量が低減されるので、吸熱反応である水蒸気改質反応が抑えられる点では、改質器温度の上昇抑制効果としては不利である。しかしながら、ＳＲ２工程で燃料ガス供給量が低減されることにより、燃料電池セルユニット１６から流出する改質後の燃料ガスの流出量も減少し、改質器２０を加熱する燃焼部からの排気ガス量が減少するので、改質器温度の上昇は全体として抑制される。
一方、セルスタック温度は、ＳＲ２工程において改質器２０からガス流を受けることにより、徐々に改質器温度に追い付くように上昇させることができる。
【００９１】
また、図９の動作テーブルでは、ＳＲ２工程から発電工程への通常の移行条件は、改質器温度が６５０℃以上、且つ、セルスタック温度が７００℃以上である（通常の発電工程移行条件）。
ところが、ＳＲ２工程においても、改質器温度とセルスタック温度との温度差が依然として大きい場合、改質器温度はＳＲ２移行時点で６５０℃以上に達しているので、セルスタック温度が７００℃以上に達するまで待つと、セルスタック温度が７００℃に達したときには、改質器温度が異常判定温度である８００℃に達してしまうおそれがある。
【００９２】
よって、この場合も判定手段としての制御部１１０は、ＳＲ２工程において、セルスタック温度が発電工程への移行温度条件（７００℃）に到達していないにもかかわらず、改質器温度が第２の強制移行温度（本例では７２０℃）に到達した場合には、昇温助長状態であると判定する。
【００９３】
これにより、制御部１１０は、ＳＲ２工程から発電工程への移行温度条件を、改質器温度が６５０℃以上、且つ、セルスタック温度が７００℃以上であることに加えて、セルスタック温度にかかわらず、改質器温度が７２０℃以上であることを付加する（変更後の発電工程移行条件）。よって、制御部１１０は、セルスタック温度が７００℃に到達していないが、改質器温度が第２の強制移行温度（７２０℃）に到達することにより、緩和された変更後の発電工程移行条件を満たすことになり、ＳＲ２工程から発電工程へ早期に移行させることができる。なお、第１及び第２の強制移行温度は、異常判定温度よりも低く設定されている。
【００９４】
発電工程に移行すると、セルスタック温度は、徐々に改質器２０からの流入ガスにより改質器温度に追い付くように昇温すると共に、燃料電池セルスタック１４での発電反応及びジュール熱によって昇温する。これにより、セルスタック温度は、７００℃以上に達することができる。一方、改質器温度は、発電工程において、燃料ガス供給量及び水供給量が低減されるので、発電工程移行直後の一時的な昇温後には、温度上昇が抑制され、適切な温度範囲に維持される。また、ＳＲ２工程から発電工程へ早期に移行することにより、発電工程移行時において改質器温度は異常判定温度に対して温度余裕があるので、発電開始後の直後の期間における一時的な昇温によって、改質器温度が異常判定温度に到達することが防止される。
【００９５】
このように、本実施形態の過昇温抑制制御では、改質器温度の上昇速度がセルスタック温度の上昇速度よりも速い場合、移行温度条件を緩和することにより、セルスタック温度が移行温度条件を満たしていなくても、改質器温度が通常の移行温度条件よりも高温に設定された第１又は第２の強制移行温度に到達することにより、次工程へ早期に移行される。これにより、本実施形態では、改質器温度の上昇を抑制し、ＳＲ工程を含む起動工程及び発電工程、特に、発電工程への移行時及び発電工程移行後の所定期間において、改質器温度やセルスタック温度が劣化・損傷を引き起こす所定値（異常判定温度）以上に過昇温してしまうことを防止することができる。
【００９６】
なお、本実施形態では、ＳＲ工程中に昇温助長状態を判定して、ＳＲ１工程からＳＲ２工程へ、及び、ＳＲ２工程から発電工程への移行温度条件を変更しているが、これに限らず、ＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程においても同様に昇温助長状態を判定して、移行温度条件を変更するように構成してもよい。
【００９７】
次に、図１１を参照して、第２の実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の過昇温抑制制御を説明する。
図１０による実施形態では、改質器温度とセルスタック温度の一方の移行温度条件が満たされていない場合であっても、所定の条件を加味することによって、次工程へ早期に移行させていたが、図１１による実施形態では、改質器温度及びセルスタック温度の双方の移行温度条件が満たされていない場合であっても、所定の条件が満たされることにより、次工程へ早期に移行させるように構成されている。
【００９８】
図１１に示す起動時の動作中、起動の初期段階において、時刻ｔ20に起動が開始され、時刻ｔ21に燃料ガスの供給が開始され、時刻ｔ22に着火され、時刻ｔ23にＰＯＸ１工程に移行し、その後時刻ｔ24にＰＯＸ２工程に移行している。また、図１１には、図７で示した通常時の起動工程における改質器温度の時間変化が比較のために細い一点鎖線で付加されている。
【００９９】
本実施形態においても、用いられる基本的な動作テーブルは、図９に示したものである。したがって、ＰＯＸ２工程からＡＴＲ１工程への移行温度条件は、改質器温度が６００℃以上、且つ、セルスタック温度が２５０℃である（通常のＡＴＲ１移行条件）。
しかしながら、本実施形態では、判定手段としての制御部１１０は、ＰＯＸ工程において、改質器温度の上昇速度が通常よりも速く、ＰＯＸ工程開始から所定制限期間Ｔ内に改質器温度が強制移行温度（本例では５５０℃）に達した場合には、昇温助長状態であると判定する。
【０１００】
本実施形態では、強制移行温度は、ＳＲ２工程からＡＴＲ１工程への改質器温度の移行温度条件よりも低く設定されているが、ＰＯＸ工程開始から制限期間Ｔ内に改質器温度が強制移行温度に達した場合は、改質器温度の上昇速度が通常よりも速いことが予測される。このため、制御部１１０は、通常のＡＴＲ１移行条件が満たされる前に、ＰＯＸ工程開始から制限期間Ｔ内に改質器温度が強制移行温度に達した場合は、過昇温が発生するおそれが高い昇温助長状態であると判定する。
【０１０１】
これにより、図１１に示すように、通常のＡＴＲ１移行条件が満たされていないが、ＰＯＸ工程開始から制限時間Ｔが経過した時刻ｔ25にＳＲ２工程からＡＴＲ１工程へ移行される。これにより、発熱反応である部分酸化改質反応に加えて、吸熱反応である水蒸気改質反応が実行されるので、改質器温度の上昇速度が低減され、改質器温度とセルスタック温度との温度差が大きくなるのを抑制することができる。
【０１０２】
このように本実施形態では、改質器温度及びセルスタック温度が双方とも移行温度条件を満たしていない場合であっても、改質器温度の昇温速度に基づいて、昇温助長状態を判定することにより次工程へ移行し、過昇温を防止することができる。
【０１０３】
なお、本実施形態では、制限時間Ｔの間の改質器温度の昇温速度に基づいて、昇温助長状態を判定しているが、これに限らず、所定短時間毎の改質器温度の時間変化率から昇温速度を算出し、算出した昇温速度に基づいて、昇温助長状態を判定してもよい。
また、本実施形態では、ＰＯＸ工程における改質器温度の昇温速度に基づいて、過昇温抑制制御を実行しているが、これに限らず、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程においても同様の過昇温抑制制御を実行するように構成することができる。
さらに、本実施形態では、改質器温度の昇温速度に基づいて、過昇温抑制制御を実行しているが、これに限らず、セルスタック温度の昇温速度に基づいて同様の過昇温抑制制御を実行するように構成することができる。
【０１０４】
次に、図１２乃至図１４を参照して、第３の実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の過昇温抑制制御を説明する。
本実施形態の過昇温抑制制御は、改質器温度の昇温速度がセルスタック温度の昇温速度よりも速く、ＰＯＸ工程終了時又はＡＴＲ工程終了時において、改質器温度が第１又は第２の移行条件変更温度（本例ではそれぞれ６５０℃、７００℃）に到達している場合に、これ以降の移行温度条件を通常の動作テーブルから変更するように構成されている。
【０１０５】
図１２に示す起動時の動作中、起動の初期段階において、時刻ｔ40に起動が開始され、時刻ｔ41に燃料ガスの供給が開始され、時刻ｔ42に着火され、時刻ｔ43にＰＯＸ１工程に移行し、時刻ｔ44にＰＯＸ２工程に移行し、その後時刻ｔ45にＡＴＲ１工程に移行している。また、図１２には、図７で示した通常時の起動工程における改質器温度の時間変化が比較のために細い一点鎖線で付加されている。
【０１０６】
本実施形態においても、用いられる基本的な動作テーブルは、図９に示したものである。
しかしながら、本実施形態では、判定手段としての制御部１１０は、改質器温度の上昇速度が通常の起動時よりも速く、ＰＯＸ２工程からＡＴＲ１工程への移行時において、セルスタック温度がＡＴＲ１工程への移行温度条件（２５０℃）に到達した時点で、改質器温度がＡＴＲ１工程への移行温度条件である６００℃よりも高い第１の移行条件変更温度（６５０℃）に達している場合には、昇温助長状態であると判定する。
【０１０７】
ＰＯＸ２工程終了時に昇温助長状態であると判定すると、制御部１１０は、それ以降のセルスタック温度の移行温度条件を緩和し、図１３に示す動作テーブルを用いて動作制御を行う。図１３の動作テーブルでは、ＡＴＲ１工程以降のセルスタック温度の移行温度条件が緩和され、それぞれ５０℃ずつ低減されている。すなわち、ＡＴＲ２工程移行時の温度条件が４００℃から３５０℃へ低減され、ＳＲ１工程移行時の温度条件が６００℃から５５０℃へ低減され、ＳＲ２工程移行時の温度条件が６５０℃から６００℃へ低減され、発電工程移行時の温度条件が７００℃から６５０℃へ低減される。
【０１０８】
また、本実施形態では、判定手段としての制御部１１０は、改質器温度の上昇速度が通常よりも速く、ＡＴＲ２工程からＳＲ１工程への移行時において、セルスタック温度がＳＲ１工程への移行温度条件（６００℃）に到達した時点で、改質器温度がＳＲ１工程への移行温度条件である６５０℃よりも高い第２の移行条件変更温度（７００℃）に達している場合には、昇温助長状態であると判定する。
【０１０９】
ＡＴＲ２工程終了時に昇温助長状態であると判定すると、制御部１１０は、それ以降のセルスタック温度の移行温度条件を緩和し、図１４に示す動作テーブルを用いて動作制御を行う。図１４の動作テーブルでは、ＳＲ１工程以降のセルスタック温度の移行温度条件が緩和され、それぞれ５０℃ずつ低減されている。すなわち、ＳＲ２工程移行時の温度条件が６５０℃から６００℃へ低減され、発電工程移行時の温度条件が７００℃から６５０℃へ低減される。
【０１１０】
改質器温度の昇温幅が大きいＰＯＸ工程又はＡＴＲ工程（特にＰＯＸ工程で改質器温度の昇温が顕著である）の終了時に、改質器温度が所定の第２の移行条件変更温度に達していた場合、引き続き実行されるＡＴＲ工程及びＳＲ工程においても、改質器温度とセルスタック温度との間の大きな温度差が維持され、過昇温が発生するおそれが高くなる。
【０１１１】
そこで、本実施形態では、ＰＯＸ工程又はＡＴＲ工程の終了時に改質器温度が第１又は第２の移行条件変更温度まで達していた場合には、昇温助長状態であると判定して、それ以降の移行温度条件を緩和して、早期に工程を移行させ、最終的に発電工程まで移行させることにより、過昇温を防止することができる。
【０１１２】
なお、本実施形態では、改質器温度が第１又は第２の移行条件変更温度に達することにより過昇温抑制制御を実行しているが、これに限らず、セルスタック温度が移行条件変更温度に達することにより、改質器温度の移行温度条件を緩和するように構成することができる。
【０１１３】
次に、図１５乃至図１７を参照して、第４の実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の過昇温抑制制御を説明する。
本実施形態では、残存熱量の影響によって、通常よりも改質器温度が異常判定温度（本例では８００℃）に接近した状態で発電工程移行した場合に、過昇温抑制制御の一環として、温度監視制御を行うように構成されている。この温度監視制御は、上記実施形態における起動工程中の過昇温抑制制御をバックアップするものであり、発電工程において確実に過昇温が防止されるようになっている。
【０１１４】
まず、本実施形態の燃料電池１の発電工程の処理フローを説明する。図１５は、制御部１１０により取出可能電流値Ｉｉｎｖを設定するための制御テーブルである。図１６及び図１７は、図１６に示す制御テーブルを適用して取出可能電流値Ｉｉｎｖを決定するフローチャートである。
【０１１５】
制御部１１０は、各種センサからの入力信号、及び需要電力モニター信号に基づいて、取出可能電流値Ｉｉｎｖを設定し、この値をインバータ制御部（図示せず）に出力するように構成されている。
図１５に示すように、制御部１１０は、発電室温度（セルスタック温度）Ｔｆｃ、燃料電池モジュール２から出力される発電電圧Ｖｄｃ、商用電源から住宅等の施設へ供給されている電力である系統電力Ｗｌ、インバータ５４から出力される電力である連系電力Ｗｉｎｖ、取出可能電流値Ｉｉｎｖの現在値、及び燃料供給電流値Ｉｆに基づいて、取出可能電流値Ｉｉｎｖの増加、低下、又は維持を決定する。
なお、本明細書においては、発電室温度Ｔｆｃ等、燃料電池モジュール２の発電能力の指標となる温度を「燃料電池モジュールの温度」ということにする。
【０１１６】
発電電圧Ｖｄｃは、燃料電池モジュール２から出力される出力電圧である。
系統電力Ｗｌは、住宅等の施設に対して商用電源から供給されている電力であり、施設の総需要電力から燃料電池によって供給されている電力を差し引いた電力がこれに相当し、需要電力モニター信号に基づいて検出される。
連系電力Ｗｉｎｖは、インバータ５４から出力される電力である。燃料電池モジュール２からインバータ５４に実際に取り出される電力は電力状態検出センサ１２６によって検出され、この電力から変換された電力がインバータ５４から出力される。燃料電池モジュール２から実際に出力される実取出電流Ｉｃ［Ａ］は電力状態検出センサ１２６によって検出された電力に基づいて求められる。従って、電力状態検出センサ１２６は、取出電流検出手段として機能する。
【０１１７】
燃料供給電流値Ｉｆは、燃料ガス供給量を求めるための基にする電流値であって、燃料電池モジュール２に供給されている燃料ガス供給量（Ｌ／ｍｉｎ）によって発電することが可能な電流値に相当する。そのため、燃料供給電流値Ｉｆは、常に必ず取出可能電流値Ｉｉｎｖを下回ることのない様に設定する。
制御部１１０は、燃料電池モジュール２の現在の状態が、図１５の番号１〜９の何れに該当するかを判定し、図１５の右端欄に示されている取出可能電流値Ｉｉｎｖの変更又は維持を実行する。
【０１１８】
例えば、図１５の番号１欄に記載されている条件の全てが同時に満足された場合には、番号１欄の右端にあるように、制御部１１０は、取出可能電流値Ｉｉｎｖを５［ｍＡ］低下させるように変更する。上記のように、本実施形態においては、制御部１１０の制御周期は５００［ｍｓｅｃ］であるので、番号１欄の条件が満たされる状態が連続した場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは５００［ｍｓｅｃ］毎に５［ｍＡ］ずつ低下する。この場合、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
【０１１９】
同様に、図１５の番号８欄に記載されている条件の全てが同時に満足された場合には、番号８欄の右端にあるように、制御部１１０は、取出可能電流値Ｉｉｎｖを１０［ｍＡ］増加させるように変更する。従って、番号８欄の条件が満たされる状態が連続した場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、第１電流上昇変化率である２０［ｍＡ／ｓｅｃ］の変化率で上昇されることになる。
【０１２０】
また、図１５の番号１〜８欄に記載されている条件が何れも満足されない場合には、番号９欄の条件に該当し、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値は変更されずに維持される。
【０１２１】
次に、図１６及び図１７を参照して、図１５の制御テーブルの条件の判断手順を説明する。なお、図１６及び図１７における符号Ａ〜Ｄは、処理の移行先を示している。例えば、フローの処理は、図１６の符号「Ｃ」から図１７の符号「Ｃ」へ移行する。
【０１２２】
また、以下に説明するように、制御部１１０は、需要電力が上昇している場合等、取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させるべき状況にあっても、所定の複数の増加規制条件に該当しない場合にのみ、取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させるように構成されている。さらに、増加規制条件は、複数の電流低下条件及び電流維持条件を含んでおり、これらの条件に該当すると、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、低下され、又は維持される。また、複数の電流低下条件（図１６のステップＳ５、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１１、Ｓ１３）は、複数の電流維持条件（図１７のステップＳ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ１９）よりも先に、優先的に適用される。
【０１２３】
まず、図１６のステップＳ１は、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流値Ｉｃとの間で非常に大きな偏差が生まれたかどうかを判断するステップであって、両者の間に１０００［ｍＡ］よりも大きいような偏差が生まれたか否かが判断される。取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流値Ｉｃとの差が短い制御周期の中で１０００［ｍＡ］よりも大きいような偏差が初めて生まれるような場合というのは、インバータ５４が、総需要電力の急激な低下、もしくは何らかの理由によって実取出電力Ｉｃを急激に低下させたことによって偏差が生じた状況であるとしてステップＳ２に進む。
【０１２４】
ステップＳ２においては、系統電力Ｗｌが５０［Ｗ］よりも少ないか否かが判断される。系統電力Ｗｌが５０［Ｗ］よりも少ない場合というのは、系統電力Ｗｌがこれ以上減少すると、インバータ５４からの出力電力が、商用電源に流れ込む「逆潮流（系統電力Ｗ１がマイナスになる状態）」が発生する可能性が高くなる状態である。よってＳ２の判定とＳ１の判定によって総重要電力のとても大きな落ち込みによって逆潮流が生じることを防止するために、インバータ５４が実取出電流値Ｉｃを急激に下げた状態であると判断できる。なお、Ｓ２で系統電力Ｗ１の値を５０Ｗに設定しているのは逆潮流が万が一にも発生することがないように５０Ｗ分のマージンを設けているものである。
【０１２５】
次にＳ１、Ｓ２の双方でＹＥＳと判断された場合、即ち、とても大きな総重要電力の落ち込みに伴うインバータ５４による逆潮流防止制御が行われた場合は、ステップＳ３において、制御部１１０は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を実取出電流Ｉｃの値まで急激に低下させる（図１５の番号６に対応）。ステップＳ３の処理の終了により、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。インバータ５４は取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を超えない範囲で実取出電流値Ｉｃを取り出すので、取出可能電流値Ｉｉｎｖを低下させて取出可能電流値ｌｉｎｖ＝実取出電流値Ｉｃとすることにより、インバータ５４は現在の取出電流値Ｉｃより取出電流を勝手に増やすような対応が規制される。これは、総需要電力の急激な低下があったような場合は、その後すぐに総需要電力が急激に回復する（増える）ような状況が起こる可能性が高いが、１０００［ｍＡ］を超えるような大きな偏差量がある中で、インバータ５４が回復した総需要電力に応えるべく電力取出を急激に行なってしまうと、制御オーバーシュート等によって需要電力や取出可能電流値ｌｉｎｖを誤って超えるような電力取出をインバータ５４が行ってしまうことを未然に防止できるようにした工夫である。言い換えると１０００［ｍＡ］以下のような小さな偏差では取出可能電流値ｌｉｎｖを実取出電流値Ｉｃにするような制御を行っていないため、インバータ５４は実取出電流値Ｉｃより高い所にある取出可能電流値ｌｉｎｖまでの間で自由に電力取出を迅速に行えるように許容したものである。これはこのような小さな偏差であればオーバーシュートによる過剰な電力取出等の問題を生じないため、総重要電力の回復に速やかに追従できるように配慮した更なる工夫である。
【０１２６】
一方、ステップＳ１とＳ２の判定でとても大きな総重要電力低下に伴う逆潮流が起こるような状況ではないと判断された場合には、ステップＳ４に進む。ステップＳ４においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］よりも大きいか否かが判断される。取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］よりも大きい場合には、ステップＳ５に進み、発電電圧Ｖｄｃが９５［Ｖ］よりも低いか否かが判断される。発電電圧Ｖｄｃが９５［Ｖ］よりも低い場合には、ステップＳ６に進む。
【０１２７】
ステップＳ６においては、制御部１１０は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を１０［ｍＡ］低下させる（図１５の番号４に対応）。ステップＳ６の処理の終了により、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。図１６のフローチャートが実行されるごとにステップＳ６の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、２０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。発電電圧Ｖｄｃが９５［Ｖ］よりも低い場合には、燃料電池モジュール２からインバータ５４に電力が取り出される際に燃料電池モジュールの劣化等により、電圧降下が生じていると考えられるため、取出可能電流値Ｉｉｎｖを低下させることにより、インバータ５４に取り出される電流を抑制して、燃料電池モジュール２にかかる負担を軽減する。
【０１２８】
一方、ステップＳ５において、発電電圧Ｖｄｃが９５［Ｖ］以上の場合には、ステップＳ７に進む。ステップＳ７においては、連系電力Ｗｉｎｖが７１０［Ｗ］を超えているか否かが判断される。連系電力Ｗｉｎｖが７１０［Ｗ］を超えている場合にはステップＳ８に進み、ステップＳ８においては、制御部１１０は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を５［ｍＡ］低下させる（図１５の番号５に対応）。即ち、連系電力Ｗｉｎｖが７１０［Ｗ］を超えている場合には、燃料電池モジュール２からの出力電力が定格電力を超えているので、燃料電池モジュール２から取り出す電流を低下させて定格電力を超えないようにする。ステップＳ８の処理の終了により、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。図１６のフローチャートが実行されるごとにステップＳ８の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
このように、制御部１１０は、複数の電流低下条件のうち該当した電流低下条件により、取出可能電流値Ｉｉｎｖを減少させる変化率が異なるように、取出可能電流値Ｉｉｎｖを変化させる。
【０１２９】
一方、ステップＳ７において、連系電力Ｗｉｎｖが７１０［Ｗ］以下の場合には、ステップＳ９に進む。ステップＳ９においては、発電室温度Ｔｆｃが８５０［℃］を超えているか否かが判断される。発電室温度Ｔｆｃが８５０［℃］を超えている場合にはステップＳ１０に進み、ステップＳ１０においては、制御部１１０は、インバータ制御部（図示せず）に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を５［ｍＡ］低下させる（図１５の番号２に対応）。即ち、発電室温度Ｔｆｃが８５０［℃］を超えている場合には、燃料電池モジュール２の適正な作動温度を超えているため、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を低下させて、温度の低下を待つ。ステップＳ１０の処理の終了により、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。図１６のフローチャートが実行されるごとにステップＳ１０の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
【０１３０】
一方、ステップＳ９において、発電室温度Ｔｆｃが８５０［℃］以下の場合には、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１１においては、発電室温度Ｔｆｃが５５０［℃］よりも低いか否かが判断される。発電室温度Ｔｆｃが５５０［℃］よりも低い場合にはステップＳ１２に進み、ステップＳ１２においては、制御部１１０は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を５［ｍＡ］低下させる（図１５の番号３に対応）。即ち、発電室温度Ｔｆｃが５５０［℃］よりも低い場合には、燃料電池モジュール２が適正な発電を行うことができる温度を下回っているため、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を低下させる。これにより、発電に消費される燃料を減少させ、燃料を燃料電池セルユニット１６の加熱に振り向け、温度を上昇させる。ステップＳ１２の処理の終了により、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。図１６のフローチャートが実行されるごとにステップＳ１２の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
【０１３１】
一方、ステップＳ１１において、発電室温度Ｔｆｃが５５０［℃］以上の場合には、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が４００［ｍＡ］を超え、且つ取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］を超えているか否かが判断される。取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が４００［ｍＡ］を超え、且つ取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］を超えている場合には、ステップＳ１４に進み、ステップＳ１４においては、制御部１１０は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を５［ｍＡ］低下させる（図１５の番号１に対応）。即ち、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が４００［ｍＡ］を超えている場合には、取り出し可能な電流である取出可能電流値Ｉｉｎｖに対して、燃料電池モジュール２から実際に取り出されている実取出電流Ｉｃが少なすぎ、燃料が無駄に供給されるので、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を低下させて燃料の浪費を抑制する。ステップＳ１４の処理の終了により、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。図１６のフローチャートが実行されるごとにステップＳ１４の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
【０１３２】
このように、制御部１１０は、複数の電流低下条件（図１６のステップＳ５、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１１、Ｓ１３）のうち１つでも該当した場合においては、需要電力が上昇している状況においても取出可能電流値Ｉｉｎｖを減少させる（ステップＳ６、Ｓ８、Ｓ１０、Ｓ１２、Ｓ１４）。
【０１３３】
一方、ステップＳ４において、取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］以下の場合、及びステップＳ１３において、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が４００［ｍＡ］以下の場合には、図１７のステップＳ１５に進む。
ステップＳ１５においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が３００［ｍＡ］以下であるか否かが判断され、ステップＳ１６においては、発電電圧Ｖｄｃが１００［Ｖ］以上であるか否かが判断され、ステップＳ１７においては、連系電力Ｗｉｎｖが６９０［Ｗ］以下であるか否かが判断され、ステップＳ１８においては、発電室温度Ｔｆｃが６００［℃］以上であるか否かが判断され、ステップＳ１９においては、系統電力Ｗｌが４０［Ｗ］を超えているか否かが判断される。これらの条件が全て満足された場合にはステップＳ２０に進み、これらのうちの１つでも満足されない条件がある場合（図１５の番号９に対応）には、ステップＳ２１進む。ステップＳ２１においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値は変更されずに従前の値に維持され、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。
【０１３４】
このように、本実施形態の固体電解質型燃料電池１においては、需要電力が上昇している状況においても、所定の条件が満たされない場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖが一定に維持される（図１７のステップＳ２１）。また、発電室温度Ｔｆｃに着目すると、発電室温度Ｔｆｃが上限の閾値である８５０［℃］を超えている場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは低下され（図１６のステップＳ９、Ｓ１０）、発電室温度Ｔｆｃが下限の閾値である６００［℃］よりも低いと、取出可能電流値Ｉｉｎｖは維持される（図１７のステップＳ１８、Ｓ２１）。また、発電室温度Ｔｆｃが更に低く、５５０［℃］よりも低いと、取出可能電流値Ｉｉｎｖは低下される（図１６のステップＳ１１、Ｓ１２）。
【０１３５】
一方、ステップＳ２０以下の処理では、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値は上昇される。制御部１１０は、複数の電流維持条件（図１７のステップＳ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ１９）の何れにも該当しない場合にのみ、取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させる（図１７のステップＳ２２、Ｓ２３）。
【０１３６】
即ち、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が３００［ｍＡ］を超えている場合（ステップＳ１５）には、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が比較的大きいため、取出可能電流値Ｉｉｎｖを上昇させるべきではない。また、発電電圧Ｖｄｃが１００［Ｖ］よりも低い場合（ステップＳ１６）には、取出可能電流値Ｉｉｎｖを上昇させて、燃料電池モジュール２から取り出され得る電流を増加させるべきではない。さらに、連系電力Ｗｉｎｖが６９０［Ｗ］を超えている場合（ステップＳ１７）には、燃料電池モジュール２からの出力電力は既にほぼ定格出力電力に到達しているため、燃料電池モジュール２から取り出され得る電流を増加させるべきではない。
【０１３７】
さらに、発電室温度Ｔｆｃが６００［℃］よりも低い場合（ステップＳ１８）には、燃料電池モジュール２が十分に発電を行うことができる温度に達していないため、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を上昇させ、燃料電池モジュール２から取り出され得る電流を増加させて、燃料電池セルユニット１６に負担をかけるべきではない。また、系統電力Ｗｌが４０［Ｗ］以下の場合（ステップＳ１９）には、「逆潮流」が発生しやすい状況にあるため、燃料電池モジュール２から取り出され得る電流を増加させるべきではない。
【０１３８】
ステップＳ１５乃至ステップＳ１９の条件が全て満足された場合には、ステップＳ２０に進む。ステップＳ２０においては、燃料供給電流値Ｉｆと実取出電流Ｉｃの差が１０００［ｍＡ］以上か否かが判断される。燃料供給電流値Ｉｆに対応した燃料ガス供給量を求めて、燃料電池モジュール２に供給して発電運転している。そのため、換言すれば、その燃料により燃料電池モジュール２が発電可能な電流値を換算した値である。例えば、燃料供給電流値Ｉｆ＝５［Ａ］に相当する燃料ガス供給量［Ｌ／ｍｉｎ］が供給されている場合には、燃料電池モジュール２は、潜在的に５［Ａ］の電流を安全に安定して出力する能力がある。従って、燃料供給電流値Ｉｆと実取出電流Ｉｃの差が１０００［ｍＡ］である場合には、実際に発電している実取出電流Ｉｃよりも１［Ａ］分多い電流を出力することができる分量の燃料が燃料電池モジュール２に供給されていることになる。
【０１３９】
ステップＳ２０において、燃料供給電流値Ｉｆと実取出電流Ｉｃの差が１０００［ｍＡ］以上である場合にはステップＳ２２進み、１０００［ｍＡ］よりも少ない場合にはステップＳ２３進む。ステップＳ２２においては、多くの余分な燃料が燃料電池モジュール２に供給されている状態であるため、制御部１１０は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を１００［ｍＡ］増加させ（図１５の番号７に対応）、取出可能電流値Ｉｉｎｖを急速に上昇させる。ステップＳ２２の処理の終了により、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。図１７のフローチャートが実行されるごとにステップＳ２２の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、第２電流上昇変化率である２００［ｍＡ／ｓｅｃ］の変化率で上昇されることになる。
【０１４０】
一方、ステップＳ２３においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖを上昇させる状況にあるが、多くの余分な燃料が燃料電池モジュール２に供給されている状態ではないので、制御部１１０は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を１０［ｍＡ］増加させ（図１５の番号８に対応）、取出可能電流値Ｉｉｎｖを緩やかに上昇させる。ステップＳ２３の処理の終了により、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。図１７のフローチャートが実行されるごとにステップＳ２３の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、第１電流上昇変化率である２０［ｍＡ／ｓｅｃ］の変化率で上昇されることになる。
【０１４１】
このように本実施形態では、発電工程において、制御部１１０は、セルスタック温度Ｔｆｃが８５０℃を超えないように、取出可能電流値Ｉｉｎｖを制御する。セルスタック温度Ｔｆｃと改質器温度は関連しており、発電工程において、セルスタック温度Ｔｆｃが８５０℃である場合、改質器温度が８００℃であるという相関がある。したがって、セルスタック温度Ｔｆｃが８５０℃を超えないように制御することにより、改質器温度が異常判定温度である８００℃を超えないようにすることができる。
【０１４２】
これにより、本実施形態では、発電工程移行後においても温度監視制御によって改質器温度が異常判定温度に到達しないようにバックアップされている。したがって、発電工程移行前における過昇温抑制制御が十分に過昇温を抑制できない場合であっても、改質器２０等の劣化・損傷を確実に防止することができる。
【０１４３】
また、上記実施形態は以下のように改変することができる。
上記実施形態では、判定手段としての制御部１１０が改質器温度及びセルスタック温度に基づいて、燃料電池モジュール２に蓄積している熱量によって、改質器２０、燃料電池セルスタック１４が過昇温される状態（昇温助長状態）であるか否かを判定していたが、これに限らず、他の方法によって判定するように構成してもよい。
【０１４４】
例えば、各工程において、改質器温度とセルスタック温度の温度差に応じて昇温助長状態を判定してもよいし、改質器温度やセルスタック温度や蓄熱材７の温度を含む他の温度、その温度変化率又は温度変化速度に応じて判定してもよいし、燃料ガス供給量に対する改質器温度やスタック温度の温度上昇から起動時に残存していた熱量を推定し、この推定した熱量に応じて判定してもよいし、再起動前の動作状態に応じて判定してもよい。このように、種々の方法で、残存熱量に起因する過昇温の発生のおそれの程度を判定することができるが、上記実施形態では、各工程での改質器温度及びセルスタック温度の測定値から判定するという簡単な方法を採用している。
【０１４５】
なお、図８の停止動作の時間変化において示されているように、改質器温度、発電室温度、燃焼部温度がほぼ同じ温度で低下しており、残留熱量は燃料電池モジュール２内に局所的ではなく全体にほぼ均一に残ると考えられる。このため、改質器温度に影響を与える残存熱量だけでなく、セルスタック温度に影響を与える残存熱量も、改質器温度の測定のみによって推定できる。したがって、上記実施形態において、図１１の例のように、判定手段としての制御部１１０が改質器温度のみの測定値に基づいて、昇温助長状態を判定するように構成することができる。
【０１４６】
また、判定手段としての制御部１１０が昇温助長状態の判定を行う時期は任意に設定することができる。また、上述の温度差、温度、温度変化率又は温度変化速度、推定熱量に応じて判定する場合においても、任意の時期に判定することができる。
【０１４７】
また、上記実施形態では、改質器温度がセルスタック温度よりも温度上昇速度が速い場合であったが、これに限らず、蓄熱材７等に対する配置によっては、セルスタック温度が改質器温度よりも温度上昇速度が速い場合があり、この場合には、上記実施形態において改質器温度とセルスタック温度とを入れ替えた構成にすることにより、同様の技術思想によって、セルスタック温度の過昇温を防止するように構成することができる。
【符号の説明】
【０１４８】
１ 固体電解質形燃料電池（固体酸化物形燃料電池装置）
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
６ ハウジング（モジュール収納室）
７ 蓄熱材（蓄熱手段）
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２２ 空気用熱交換器
２８ 水流量調整ユニット
３８ 燃料流量調整ユニット
４４ 改質用空気流量調整ユニット
４５ 発電用空気流量調整ユニット
５４ インバータ
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部（制御手段、判定手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池装置に係わり、特に、起動中における改質器等の過昇温を防止する固体酸化物形燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）は、起動工程において、燃料ガスを改質器において改質する複数の工程、すなわち、部分酸化改質反応工程（ＰＯＸ工程）、オートサーマル改質反応工程（ＡＴＲ工程）、水蒸気改質反応工程（ＳＲ工程）を経て、発電工程へ移行するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ＳＯＦＣでは、これらの工程を順に実行することにより、燃料電池モジュール収納室内に配置された改質器や燃料電池セルスタック等を動作温度まで昇温させることができる。
また、ＳＯＦＣは、動作温度が６００〜８００℃と高温であり、燃料電池モジュール収納室周囲に蓄熱材が配置されている。したがって、この蓄熱材は、動作中に多量の熱量を保持し、動作中の熱効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３１９４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、動作中であったＳＯＦＣを一旦停止動作に移行させた後、再起動させる場合、上述のように蓄熱材には多量の熱量が蓄えられているため、通常の起動工程で起動させると、改質器や燃料電池セルスタックの温度が上昇し過ぎてしまうという問題があった。
【０００６】
例えば、通常の起動動作中において、改質器内での改質反応工程のうち、発熱反応であるＰＯＸ工程で発生した熱は、改質器自体を昇温させるが、改質器外の構成部材である蓄熱材等をも昇温させる。
【０００７】
これに対して、再起動動作中には、改質器外の構成部材が既にある程度の温度まで昇温されており、また、蓄熱材が多量の熱量を保持しているため、ＰＯＸ工程で発生した熱が、主に改質器を昇温するために用いられる。その結果、再起動動作中には、改質器が、通常の起動動作中よりも大きな昇温速度で昇温し、所定の動作温度を超えた状態となる過昇温が引き起こされるおそれがあった。そして、この過昇温により改質器が劣化したり破損したりするおそれがあった。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、起動工程において、燃料電池モジュール内の温度が上昇し過ぎることを防止する固体酸化物形燃料電池装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明は、固体酸化物形燃料電池装置において、複数の燃料電池セルを組み合わせてなるセルスタックと、燃料電池セルに供給する燃料ガスを改質する改質器と、燃料電池セルを通過した余剰の燃焼ガス又は改質された燃焼ガスを燃焼させることにより発生する排気ガスによって改質器及びセルスタックを加熱する燃焼部と、セルスタックの温度及び改質器の温度をそれぞれ検出する温度検出器と、セルスタック及び改質器を収納するモジュール収納室と、モジュール収納室の周囲に配置された蓄熱手段と、燃料電池装置の起動中に蓄熱手段が蓄積している熱量によって改質器及び／又はセルスタックの昇温が助長される状態である昇温助長状態であるか否かを判定する判定手段と、燃料電池装置の起動を制御する制御手段と、を備えており、制御手段は、燃料電池装置の起動工程において、セルスタックの温度及び改質器の温度に基づいて、改質器に供給する燃料ガス、酸化剤ガス、水蒸気の供給量を制御し、改質器で行われる燃料ガス改質反応工程をＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程へ移行させた後、発電工程へ移行させ、各工程においてセルスタックの温度及び改質器の温度がそれぞれに対して設定された移行条件を満足した場合に、次の工程に移行させるように制御するよう構成されており、判定手段が昇温助長状態であると判定した場合、制御手段は、移行条件を満足していなくても次工程へ早期に移行させるように、移行条件を緩和することを特徴としている。
【００１０】
蓄熱手段に残存熱量が所定以上ある状況において燃料電池装置を起動する際、例えば、改質器内での部分酸化改質反応で生じた発生熱が蓄熱手段に奪われ難くなる。このため、特に、部分酸化改質反応が行われるＰＯＸ工程やＡＴＲ工程において、改質器の温度上昇速度が大きくなり、通常の起動時と比べて改質器温度とセルスタック温度との温度差が大きくなる。
【００１１】
このような場合に通常起動時と同じ方法及び移行条件で起動を行うと、セルスタック温度の上昇を待っていると、改質器の温度が上昇し過ぎてしまい、例えば改質器の温度が異常判定温度以上に過昇温し、改質器の劣化・損傷が生じるおそれがあった。また、逆に、残存熱量の影響によって、セルスタック温度が上昇し過ぎることにより、燃料電池セルスタックに劣化が生じるおそれがあった。
【００１２】
本発明によれば、判定手段により、改質器及び／又はセルスタックが燃料電池装置の起動中に蓄熱手段が蓄積している残存熱量によって昇温される状態である昇温助長状態であるか否かを判定し、昇温助長状態であることが推定された場合は、各工程間での移行条件を緩和することにより、早めに次工程へ移行することで、改質器又はセルスタックの温度が上昇し過ぎること、すなわち過昇温を防止することができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、制御手段は、判定手段が昇温助長状態であると判定した場合、改質器の温度及びセルスタックの温度の少なくとも一方が移行条件を満たしていない場合であっても次工程に移行する。
このように構成された本発明によれば、昇温助長状態であると推定される場合には、改質器の温度及びセルスタックの温度の少なくとも一方が工程間の移行温度条件を満たさない低温の時点で早めに移行するため、改質器の温度及びセルスタックの温度のうち、移行条件を満たしていない温度の上昇を待つ間に、移行条件を満たしている温度が上昇し過ぎてしまうことを防止し、過昇温の発生を確実に防止することができる。また、昇温助長状態であるので、燃料電池モジュール内の残存熱量が、次工程以降において移行条件を満たしていない温度の不足分を補うことができる。これにより、次工程以降において温度上昇不足を補償することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、判定手段は、少なくとも１つの工程から次工程への移行時において改質器の温度が第１の所定温度以上である場合に昇温助長状態であると判定し、この判定に基づいて、制御手段は、セルスタックの温度が次工程へ移行するための移行条件を満たしていない場合であっても次工程へ移行させる。
【００１５】
再起動時には、ＰＯＸ工程及びＡＴＲ工程における部分酸化改質反応による発生熱が、残存熱量の存在によって蓄熱手段に奪われ難いため、起動工程における改質器温度の上昇速度がセルスタック温度の上昇より速くなる。よって、セルスタック温度が移行条件を満たすまで待つと、改質器が過昇温してしまうおそれがある。このため、本発明では、改質器温度が強制移行温度に到達した場合には、セルスタック温度が移行条件を満足するのを待つことなく早めに次工程へ移行することにより、改質器の過昇温を防止することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、第１の所定温度は、改質器の移行条件の温度よりも高い温度に設定されている。
このように構成された本発明によれば、セルスタック温度が未だ移行条件の温度よりも低い状態であるにもかかわらず、改質器温度が移行条件の温度を超えて高温状態（すなわち、第１の所定温度である強制移行温度）に達している場合には、スタック温度の上昇をこれ以上待つべきではなく、残存熱量が大きい昇温助長状態であるとの判断を誤りなく行うことができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、判定手段は、ＳＲ工程において、改質器の温度が第１の所定温度以上である場合に昇温助長状態であると判定し、この判定に基づいて、制御手段は、セルスタックの温度が次工程へ移行するための移行条件を満たしていない場合であっても発電工程へ移行させ、第１の所定温度は、改質器の発電工程への移行条件の温度よりも高く、且つ、改質器の異常判定温度である第２の所定温度よりも低く設定されている。
【００１８】
発電工程へ移行する時点（ＳＲ工程）は、起動工程（すなわち昇温工程）の最期であるため、改質器温度が最も高温になりやすい。このため、本発明によれば、残存熱量が大きい昇温助長状態である場合に、改質器の異常判定温度より低い時点で発電に移行させることにより、発電工程移行後も改質器を異常判定温度以下に抑えて、正常動作温度範囲で動作させることができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、制御手段は、発電工程へ移行後において、改質器の温度が改質器の異常判定温度である第２の所定温度を超えないように、燃料電池装置の運転を規制する温度監視制御を実行する。
残存熱量が大きい昇温助長状態である場合には、改質器温度が通常の起動時と比べて異常判定温度に近づいた状態となる。このため、本発明では、発電工程移行後においても改質器の温度が改質器の異常判定温度を超えないように温度監視制御を実行することにより、発電開始に伴って改質器温度が更に高温になって異常判定温度を超えてしまうことを防止することができる。これにより、本発明では、起動工程から発電工程への強制移行しても、過昇温を確実に防止することが可能となる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、判定手段は、ＰＯＸ工程又はＡＴＲ工程における改質器の温度により昇温助長状態であるか否かを判定し、昇温助長状態であると判定したとき、その工程以降における移行条件を緩和する。
残存熱量による改質器温度の上昇は、発熱反応が行われるＰＯＸ工程及びＡＴＲ工程（特に、ＰＯＸ工程）において顕著に現れ、そのとき生じた改質器温度とセルスタック温度との温度差が以降の工程において維持されてしまう傾向がある。
したがって、本発明では、残存熱量による昇温助長状態の判定を正確に行うことができるＰＯＸ工程又はＡＴＲ工程において、判定を行うこととしている。更に、判定以後における改質工程の切替温度条件をＰＯＸ工程又はＡＴＲ工程の時点で切り替えるため、以後のＡＴＲ工程からＳＲ工程及び／又はＳＲ工程から発電工程への各切替時点では残存熱量による昇温助長状態の判定を行わなくても、起動工程全体において過昇温の発生を防止することができる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、判定手段は、改質器の温度の測定値に基づいて、昇温助長状態であるか否かを判定する。
ＳＯＦＣの停止動作では、モジュール収納室内部の冷却は局所的ではなく、全体に対する空気冷却にて行われる。このため、蓄熱手段に蓄熱された熱量は局所的ではなく、全体に略均一に残る。その結果、本発明者は、改質器温度に影響を与える残存熱量だけでなく、セルスタックに影響する残存熱量も改質器温度の測定のみによって推定できることを発見した。これにより、本発明では、残存熱量による昇温助長状態の判定を行うために専用の温度センサなどを別途設けることなく、既存の改質器温度を測定する温度センサからの測定値のみから、残存熱量による昇温助長状態の判定を行うことができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の固体酸化物形燃料電池装置によれば、起動工程において、燃料電池モジュール内の温度が上昇し過ぎることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿う断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セル単体を示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による燃料電池装置の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による燃料電池装置の起動処理手順の動作テーブルである。
【図１０】本発明の一実施形態による燃料電池装置の過昇温抑制制御の動作テーブルである。
【図１１】本発明の第２の実施形態による燃料電池装置の起動時における過昇温抑制制御の説明図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態による燃料電池装置の起動時における過昇温抑制制御の説明図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態による燃料電池装置の過昇温抑制制御の動作テーブルである。
【図１４】本発明の第３の実施形態による燃料電池装置の過昇温抑制制御の動作テーブルである。
【図１５】本発明の第４の実施形態による燃料電池装置の制御テーブルである。
【図１６】制御部により実行される制御のフローチャートである。
【図１７】制御部により実行される制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物形燃料電池装置又は固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００２５】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６周囲には、蓄熱材７を介して密封空間８が形成されている。なお、蓄熱材７は、燃料モジュール２内で発生した熱を蓄熱することができるようになっており、燃料電池モジュール２の熱効率を向上させることができる。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４（図５参照）を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（図４参照）から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。
【００２６】
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【００２７】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００２８】
次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００２９】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿って断面図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内の密閉空間８には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体１２、改質器２０、空気用熱交換器２２が配置されている。
【００３０】
改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気（純水）が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したものや、アルミナの球体表面にルテニウムを付与したものが適宜用いられる。
【００３１】
この改質器２０の下流端側には、燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。
【００３２】
このマニホールド６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。
【００３３】
次に、改質器２０の上方には、空気用熱交換器２２が設けられている。この空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図３に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ，７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。
【００３４】
空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室７２のそれぞれには、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。
【００３５】
次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
図２に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。
【００３６】
次に図４により燃料電池セルユニット１６について説明する。図４は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図４に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の内側電極層９０と、円筒形の外側電極層９２と、内側電極層９０と外側電極層９２との間にある電解質層９４とを備えている。この内側電極層９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極となり、一方、外側電極層９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００３７】
燃料電池セル１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。内側電極層９０の上部９０ａは、電解質層９４と外側電極層９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、導電性のシール材９６を介して内側電極層９０の外周面９０ｂと接続され、さらに、内側電極層９０の上端面９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層９０と電気的に接続されている。内側電極端子８６の中心部には、内側電極層９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。
【００３８】
内側電極層９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
【００３９】
電解質層９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００４０】
外側電極層９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００４１】
次に図５により燃料電池セルスタック１４について説明する。図５は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図５に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板６８及び上支持板１００により支持されている。これらの下支持板６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴６８ａ及び１００ａがそれぞれ形成されている。
【００４２】
さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極層９０に取り付けられた内側電極端子８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、空気極である外側電極層９２の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとにより一体的に形成されている。空気極用接続部１０２ｂは、外側電極層９２の表面を上下方向に延びる鉛直部１０２ｃと、この鉛直部１０２ｃから外側電極層９２の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部１０２ｄとから形成されている。また、燃料極用接続部１０２ａは、空気極用接続部１０２ｂの鉛直部１０２ｃから燃料電池セルユニット１６の上下方向に位置する内側電極端子８６に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。
【００４３】
さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図５では左端の奥側及び手前側）に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４（図示せず）に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。
【００４４】
次に図６により本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に取り付けられたセンサ類等について説明する。図６は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体電解質型燃料電池１は、制御部１１０を備え、この制御部１１０には、使用者が操作するための「ＯＮ」や「ＯＦＦ」等の操作ボタンを備えた操作装置１１２、発電出力値（ワット数）等の種々のデータを表示するための表示装置１１４、及び、異常状態のとき等に警報（ワーニング）を発する報知装置１１６が接続されている。なお、この報知装置１１６は、遠隔地にある管理センタに接続され、この管理センタに異常状態を通知するようなものであっても良い。
【００４５】
次に、制御部１１０には、以下に説明する種々のセンサからの信号が入力されるようになっている。
先ず、可燃ガス検出センサ１２０は、ガス漏れを検知するためのもので、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４に取り付けられている。
ＣＯ検出センサ１２２は、本来排気ガス通路８０等を経て外部に排出される排気ガス中のＣＯが、燃料電池モジュール２及び補機ユニット４を覆う外部ハウジング（図示せず）へ漏れたかどうかを検知するためのものである。
貯湯状態検出センサ１２４は、図示しない給湯器におけるお湯の温度や水量を検知するためのものである。
【００４６】
電力状態検出センサ１２６は、インバータ５４及び分電盤（図示せず）の電流及び電圧等を検知するためのものである。
発電用空気流量検出センサ１２８は、発電室１０に供給される発電用空気の流量を検出するためのものである。
改質用空気流量センサ１３０は、改質器２０に供給される改質用空気の流量を検出するためのものである。
燃料流量センサ１３２は、改質器２０に供給される燃料ガスの流量を検出するためのものである。
【００４７】
水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水（水蒸気）の流量を検出するためのものである。
水位センサ１３６は、純水タンク２６の水位を検出するためのものである。
圧力センサ１３８は、改質器２０の外部の上流側の圧力を検出するためのものである。
排気温度センサ１４０は、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度を検出するためのものである。
【００４８】
発電室温度センサ１４２は、図３に示すように、燃料電池セル集合体１２の近傍の前面側と背面側に設けられ、燃料電池セルスタック１４の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４自体）の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ１４４は、燃焼室１８の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ１４６は、排気ガス室７８の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ１４８は、改質器２０の温度を検出するためのものであり、改質器２０の入口温度と出口温度から改質器２０の温度を算出する。
外気温度センサ１５０は、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
【００４９】
これらのセンサ類からの信号は、制御部１１０に送られ、制御部１１０は、これらの信号によるデータに基づき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８、改質用空気流量調整ユニット４４、発電用空気流量調整ユニット４５に、制御信号を送り、これらのユニットにおける各流量を制御するようになっている。
また、制御ユニット１１０は、インバータ５４に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
【００５０】
次に図７により本実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）による起動時の動作を説明する。図７は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール２を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール２を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール２は発電を行わない。
【００５１】
先ず、改質用空気流量調整ユニット４４から改質用空気を第１ヒータ４６を経由して燃料電池モジュール２の改質器２０へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット４５から発電用空気を第２ヒータ４８を経由して燃料電池モジュール２の空気用熱交換器２２へ供給し、この発電用空気が、発電室１０及び燃焼室１８に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット３８からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器２０及び燃料電池セルスタック１４、燃料電池セルユニット１６を通過して、燃焼室１８に到達する。
【００５２】
次に、点火装置８３により着火して、燃焼室１８にある燃料ガスと空気（改質用空気及び発電用空気）とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室１０が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール２の密封空間８内を上昇する際、改質器２０内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器２２内の発電用空気も暖める。
【００５３】
このとき、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器２０に供給されているので、改質器２０において、式（１）に示す部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。この部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管６４により燃料電池セルスタック１４の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック１４が下方から加熱され、また、燃焼室１８も燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック１４は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック１４は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。この部分酸化改質反応ＰＯＸが進行しても、燃焼室１８では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。
【００５４】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５５】
部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器温度センサ１４８により検出された改質器２０の温度、及び発電室温度センサ１４２により検出された燃料電池セルスタック１４の温度に基づいて、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスの改質器２０への供給が開始される。このとき、改質器２０においては、上述した部分酸化改質反応ＰＯＸと後述する水蒸気改質反応ＳＲとが併用されたオートサーマル改質反応ＡＴＲが進行する。このオートサーマル改質反応ＡＴＲは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器２０内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素（空気）が多い場合には部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室１０内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ＡＴＲが進行中も、燃焼室１８では燃焼反応が継続して行われている。
【００５６】
式（２）に示すオートサーマル改質反応ＡＴＲの開始後、改質器温度センサ１４６により検出された改質器２０の温度、及び発電室温度センサ１４２により検出された燃料電池セルスタック１４の温度に基づいて、改質用空気流量調整ユニット４４による改質用空気の供給が停止されると共に、水流量調整ユニット２８による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器２０には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器２０において、式（３）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
【００５７】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５８】
この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室１８からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、燃料電池モジュール２の起動の最終段階であるため、発電室１０内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室１０が大幅な温度低下を招くこともない。また、水蒸気改質反応ＳＲが進行しても、燃焼室１８では継続して燃焼反応が進行する。
【００５９】
このようにして、燃料電池モジュール２は、点火装置８３により点火した後、部分酸化改質反応ＰＯＸ、オートサーマル改質反応ＡＴＲ、水蒸気改質反応ＳＲが、順次進行することにより、発電室１０内の温度が徐々に上昇する。以上の起動処理が終了した後、燃料電池モジュール２からインバータ５４に電力が取り出される。即ち、発電が開始される。燃料電池モジュール２の発電により、燃料電池セル８４自体も発熱し、燃料電池セル８４の温度も上昇する。
【００６０】
発電開始後においても、改質器２０の温度を維持するために、燃料電池セル８４で発電に消費される燃料ガス及び発電用空気の量よりも多い燃料ガス及び発電用空気を供給し、燃焼室１８での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応ＳＲで発電が進行する。
【００６１】
次に、図８により本実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を説明する。図８は、本実施形態により固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
図８に示すように、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、先ず、燃料流量調整ユニット３８及び水流量調整ユニット２８を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させる。
【００６２】
また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、発電室温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応ＳＲを終了する。この発電用空気の供給は、改質器２０の温度が所定温度、例えば、２００℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。
【００６３】
このように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２の運転停止を行うとき、改質器２０による水蒸気改質反応ＳＲと発電用空気による冷却とを併用しているので、比較的短時間に、燃料電池モジュールの運転を停止させることができる。
【００６４】
次に、図７及び図９を参照して、本実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を詳細に説明する。
図９は、燃料電池１の起動処理手順を示す基本となる動作テーブルであり、起動開始時に燃料電池モジュール２に残存する熱量が所定量以下で、後述する過昇温のおそれがない場合に用いられるものである。
図９に示すように、起動工程では、制御部１１０が各運転制御状態（燃焼運転工程、ＰＯＸ１工程、ＰＯＸ２工程、ＡＴＲ１工程、ＡＴＲ２工程、ＳＲ１工程、ＳＲ２工程）を時間的に順に実行し、発電工程へ移行するように構成されている。
【００６５】
なお、ＰＯＸ１工程及びＰＯＸ２工程は、改質器２０内で部分酸化改質反応が行われる工程である。また、ＡＴＲ１工程及びＡＴＲ２工程は、改質器２０内でオートサーマル改質反応が行われる工程である。また、ＳＲ１工程及びＳＲ２工程は、改質器２０内で水蒸気改質反応が行われる工程である。上記各ＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程は、それぞれ２つに細分化されているが、これに限らず、３つ以上に細分化してもよいし、細分化しない構成とすることもできる。
【００６６】
まず、時刻ｔ0において燃料電池１を起動すると、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送って、これらを起動させ、改質用空気（酸化剤ガス）及び発電用空気を燃料電池モジュール２に供給する。なお、本実施形態においては、時刻ｔ0において供給が開始される改質用空気の供給量は１０．０（L/min）、発電用空気の供給量は１００．０（L/min）に設定される（図９の「燃焼運転」工程参照）。
【００６７】
次いで、時刻ｔ1において、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送って、改質器２０への燃料ガス供給を開始する。これにより、改質器２０へ送り込まれた燃料ガス及び改質用空気は、改質器２０、燃料ガス供給管６４、マニホールド６６を介して各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれる。各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれた燃料ガス及び改質用空気は、各燃料電池セルユニット１６の燃料ガス流路９８上端から流出する。なお、本実施形態において、時刻ｔ1において供給が開始される燃料ガスの供給量は６．０（L/min）に設定されている（図９の「燃焼運転」工程参照）。
【００６８】
さらに、時刻ｔ2において、制御部１１０は、点火装置８３に信号を送り、燃料電池セルユニット１６から流出する燃料ガスに点火する。これにより、燃料室１８内で燃料ガスが燃焼され、これによって生成した排気ガスにより、その上方に配置された改質器２０が加熱されると共に、燃焼室１８、発電室１０、及びその中に配置された燃料電池セルスタック１４の温度（以下「セルスタック温度」という）も上昇する（図７の時刻ｔ2〜ｔ3参照）。燃料ガス流路９８を含む燃料電池セルユニット１６及びその上端部位は燃焼部に相当する。
【００６９】
改質器２０が加熱されることにより、改質器２０の温度（以下「改質器温度」という）が３００℃程度まで上昇すると、改質器２０内においては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が発生する（図７の時刻ｔ3：ＰＯＸ１工程開始）。部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質器２０は、部分酸化改質反応の発生により、その反応熱によっても加熱されるようになる（図７の時刻ｔ3〜ｔ5）。
【００７０】
さらに温度が上昇し、改質器温度が３５０℃に達すると（ＰＯＸ２移行条件）、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させると共に、改質用空気流量調整ユニット３８に信号を送り、改質用空気供給量を増加させる（図７の時刻ｔ4：ＰＯＸ２工程開始）。これにより、燃料ガス供給量は５．０（L/min）に変更され、改質用空気供給量は１８．０（L/min）に変更される（図９の「ＰＯＸ２」工程参照）。これらの供給量は、部分酸化改質反応を発生させるために適切な供給量である。即ち、部分酸化改質反応が発生し始める初期の温度領域においては、供給する燃料ガスの割合を多くすることにより、燃料ガスに確実に着火させる状態を形成すると共に、その供給量を維持して着火を安定させる（図９の「ＰＯＸ１」工程参照）。さらに、安定して着火され、温度が上昇した後には、部分酸化改質反応を生成するために必要にして十分な燃料ガス供給量として、燃料の浪費を抑えている（図９の「ＰＯＸ２」工程参照）。
【００７１】
次に、図７の時刻ｔ5において、改質器温度が６００℃以上、且つ、セルスタック温度が２５０℃以上になると（ＡＴＲ１移行条件）、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給を開始させる（ＡＴＲ１工程開始）。これにより、改質用空気供給量は８．０（L/min）に変更され、水供給量は２．０（cc/min）にされる（図９の「ＡＴＲ１」工程参照）。改質器２０内に水（水蒸気）が導入されることにより、改質器２０内で水蒸気改質反応も発生するようになる。即ち、図９の「ＡＴＲ１」工程においては、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在したオートサーマル改質（ＡＴＲ）が発生するようになる。
【００７２】
本実施形態においては、セルスタック温度は、発電室１０内に配置された発電室温度センサ１４２によって測定されている。発電室内の温度とセルスタック温度は、厳密には同一ではないが、発電室温度センサによって検出される温度はセルスタック温度を反映したものであり、発電室内に配置された発電室温度センサによりセルスタック温度を把握することができる。なお、本明細書において、セルスタック温度とは、セルスタック温度を反映した値を指示する任意のセンサにより測定された温度を意味するものとする。
【００７３】
さらに、図７の時刻ｔ6において、改質器温度が６００℃以上、且つ、スタック温度が４００℃以上になると（ＡＴＲ２移行条件）、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させる。また、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量を増加させる（ＡＴＲ２工程開始）。これにより、燃料ガス供給量は４．０（L/min）に変更され、改質用空気供給量は４．０（L/min）に変更され、水供給量は３．０（cc/min）に変更される（図９の「ＡＴＲ２」工程参照）。改質用空気供給量が減少され、水供給量が増加されることにより、改質器２０内においては、発熱反応である部分酸化改質反応の割合が減少し、吸熱反応である水蒸気改質反応の割合が増加する。これにより、改質器温度の上昇は抑制され、一方、改質器２０から受けるガス流により燃料電池セルスタック１４が昇温されることによって、セルスタック温度は改質器温度に追い付くように昇温していくので、両者の温度差が縮小され、両者は安定的に昇温されていく。
【００７４】
次に、図７の時刻ｔ7において、改質器温度とセルスタック温度の温度差が縮まり、改質器温度が６５０℃以上、且つ、スタック温度が６００℃以上になると（ＳＲ１移行条件）、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気の供給を停止する。また、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量を増加させる（ＳＲ１工程開始）。これにより、燃料ガス供給量は３．０（L/min）に変更され、水供給量は８．０（cc/min）に変更される（図９の「ＳＲ１」工程参照）。改質用空気の供給が停止されることにより、改質器２０内においては部分酸化改質反応は発生しなくなり、水蒸気改質反応のみが発生するＳＲが開始される。
【００７５】
さらに、図７の時刻ｔ8において、改質器温度とセルスタック温度の温度差がさらに縮まり、改質器温度が６５０℃以上、且つ、セルスタック温度が６５０℃以上になると（ＳＲ２移行条件）、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量も減少させる。また、制御部１１０は、発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送り、発電量空気の供給量も減少させる（ＳＲ２工程開始）。これにより、燃料ガス供給量は２．３（L/min）に変更され、水供給量は６．３（cc/min）に変更され、発電用空気供給量は８０．０（L/min）に変更される（図９の「ＳＲ２」工程参照）。
【００７６】
ＳＲ１工程では、改質器温度及びスタック温度を発電可能な温度付近まで上昇させるため、燃料ガス供給量及び水供給量を高めに保持している。その後、ＳＲ２工程では、燃料ガス流量及び水供給量を低減して、改質器温度及びセルスタック温度の温度分布を落ち着かせ、発電可能な温度に安定化させる。
【００７７】
制御部１１０は、ＳＲ２工程において、各供給量を所定の発電移行時間以上維持した後、図７の時刻ｔ9において、改質器温度が６５０℃以上、且つ、スタック温度が７００℃以上になると（発電工程移行条件）、燃料電池モジュール２からインバータ５４に電力を出力させ、発電工程に移行して発電を開始する（図７の時刻ｔ9：発電工程開始）。発電工程では、制御部１１０は、時刻ｔ9から時刻ｔ10の間は燃料ガス供給量及び水供給量を一定に維持する。
【００７８】
その後、制御部１１０は、出力電力に追従させるように、燃料流量調整ユニット３８及び水流量調整ユニット２８に信号を送って燃料ガス供給量及び水の供給量を変更する。よって、時刻ｔ10から時刻ｔ11にかけて、燃料ガス供給量及び水の供給量が減少し、時刻ｔ11以降は、要求出力電力に応じて、燃料ガス供給量及び水の供給量が調整され、負荷追従運転が実行される。
【００７９】
次に、図１０を参照して、本実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の過昇温抑制制御を説明する。
上述のように、燃料電池モジュール２は、熱効率向上のためにモジュール収納室としてのハウジング６の周囲に蓄熱手段としての蓄熱材７が設けられており、内部で発生した熱を外部へ逃がさずに有効利用できるように構成されている。
【００８０】
しかしながら、燃料電池装置１を稼動し、蓄熱材７を含む燃料電池モジュール２全体が昇温した状態で停止動作に入り、その後、蓄熱材７等が多量の熱量を蓄積した状態で再起動工程に入ると、燃料電池モジュール２内の構成部品（特に改質器２０）が通常の室温状態からの起動時に比べて昇温し易くなる。例えば、発熱反応である部分酸化改質反応において改質器２０で発生した熱は、通常の室温状態からの起動時には、改質器２０そのものを昇温する以外に、他の構成部品や蓄熱材７を昇温するために改質器２０外へ放出される。しかしながら、蓄熱材７が多量の熱量を保持している状況では、部分酸化改質反応で発生した熱は、主に改質器２０を昇温するために用いられることになり、改質器２０の昇温速度が速められる。これにより、例えば、改質器２０が過昇温により劣化するおそれがある。
【００８１】
このため、本実施形態では、このような過昇温が発生するおそれがある状態（すなわち、昇温助長状態）であるか否かを検知して、この状態に応じて、過昇温抑制制御を実行し、過昇温を防止した適切な再起動が行われる。
本実施形態では、改質器温度の上昇速度が通常の室温状態からの上昇速度よりも速い場合に、昇温助長状態であると判定し、過昇温抑制制御を実行する。この過昇温抑制制御では、昇温助長状態の検知により、早期に次工程へ移行するように、図９に示した動作テーブルの移行温度条件を緩和するように構成されている。
【００８２】
図１０は、本実施形態の過昇温抑制制御で用いられる動作テーブルであり、図９と比べて、移行温度条件のみが異なり、各工程における燃料ガス等の供給量は同一に設定されている。なお、図１０以降の動作テーブルでは、図９と異なる部分を四角で囲ってある。
【００８３】
起動工程において、通常起動時と比べて改質器温度の上昇速度がセルスタック温度の上昇速度よりも速い状態で、燃焼運転工程、ＰＯＸ１工程、ＰＯＸ２工程、ＡＴＲ１工程、ＡＴＲ２工程、ＳＲ１工程を順に移行してくると、ＳＲ１工程において、改質器温度とセルスタック温度の温度差が通常の起動時よりも大きくなる。
【００８４】
図９の動作テーブルでは、ＳＲ１工程からＳＲ２工程への通常の移行条件は、改質器温度が６５０℃以上、且つ、セルスタック温度が６５０℃以上である（通常のＳＲ２移行条件）。
ところが、上述のようにＳＲ１工程において、改質器温度とセルスタック温度との温度差が大きい場合、先に改質器温度が６５０℃以上に達した後、セルスタック温度が６５０℃以上に達するまでには時間が掛かるため、セルスタック温度が６５０℃に達したときには、改質器温度が過昇温により異常判定温度である８００℃に達してしまうおそれがある。異常判定温度は、改質器２０の劣化・損傷のおそれのため、燃料電池１を強制的に異常停止させる設定温度である。
【００８５】
判定手段としての制御部１１０は、ＳＲ１工程において、セルスタック温度がＳＲ２工程への移行温度条件（６５０℃）に到達していないにもかかわらず、改質器温度が第１の強制移行温度（本例では７００℃）に到達した場合には、図９の動作テーブルで示した改質器温度及びセルスタック温度の基準となる移行温度の昇温過程から外れ、改質器温度の昇温速度が速まっているので、燃料電池モジュール２に多量の熱量が蓄積されており、この熱量に起因して改質器２０の昇温が助長されている状態、又は、昇温速度が通常の起動時よりも速まっている状態、すなわち昇温助長状態であると判定する。
【００８６】
すなわち、本実施形態では、セルスタック温度の昇温速度に比べて改質器温度の昇温速度が速く、両者の温度差が通常よりも大きくなり、セルスタック温度が移行条件の温度に達する前に改質器温度が移行条件の温度よりも所定温度以上高い第１の強制移行温度に達した場合に、昇温助長状態であると判定される。
【００８７】
これにより、制御部１１０は、ＳＲ１工程からＳＲ２工程への移行温度条件を、改質器温度が６５０℃以上、且つ、セルスタック温度が６５０℃以上であることに加えて、セルスタック温度にかかわらず、改質器温度が７００℃以上であることを付加する（変更後のＳＲ２移行条件）。
【００８８】
セルスタック温度が６５０℃に到達していないので、通常のＳＲ２移行条件は満たされないので、制御部１１０は、通常のＳＲ２移行条件によっては、ＳＲ２工程へ移行することができない。しかしながら、改質器温度が第１の強制移行温度（７００℃）に到達することにより、全体として移行条件が緩和された変更後のＳＲ２移行条件を満たすことになり、制御部１１０は、変更後のＳＲ２移行条件によって、ＳＲ１工程からＳＲ２工程へ早期に移行させることができる。
【００８９】
したがって、燃料ガス供給量及び水供給量がＳＲ２工程よりも多いＳＲ１工程の期間が短くなり、改質器２０の温度上昇が抑制される。さらに、ＳＲ２工程へ移行後は、燃料ガス供給量及び水供給量がＳＲ１工程よりも低減されるので、改質器温度の上昇が抑制される。
【００９０】
ＳＲ２工程ではＳＲ１工程よりも燃料ガス供給量及び水供給量が低減されるので、吸熱反応である水蒸気改質反応が抑えられる点では、改質器温度の上昇抑制効果としては不利である。しかしながら、ＳＲ２工程で燃料ガス供給量が低減されることにより、燃料電池セルユニット１６から流出する改質後の燃料ガスの流出量も減少し、改質器２０を加熱する燃焼部からの排気ガス量が減少するので、改質器温度の上昇は全体として抑制される。
一方、セルスタック温度は、ＳＲ２工程において改質器２０からガス流を受けることにより、徐々に改質器温度に追い付くように上昇させることができる。
【００９１】
また、図９の動作テーブルでは、ＳＲ２工程から発電工程への通常の移行条件は、改質器温度が６５０℃以上、且つ、セルスタック温度が７００℃以上である（通常の発電工程移行条件）。
ところが、ＳＲ２工程においても、改質器温度とセルスタック温度との温度差が依然として大きい場合、改質器温度はＳＲ２移行時点で６５０℃以上に達しているので、セルスタック温度が７００℃以上に達するまで待つと、セルスタック温度が７００℃に達したときには、改質器温度が異常判定温度である８００℃に達してしまうおそれがある。
【００９２】
よって、この場合も判定手段としての制御部１１０は、ＳＲ２工程において、セルスタック温度が発電工程への移行温度条件（７００℃）に到達していないにもかかわらず、改質器温度が第２の強制移行温度（本例では７２０℃）に到達した場合には、昇温助長状態であると判定する。
【００９３】
これにより、制御部１１０は、ＳＲ２工程から発電工程への移行温度条件を、改質器温度が６５０℃以上、且つ、セルスタック温度が７００℃以上であることに加えて、セルスタック温度にかかわらず、改質器温度が７２０℃以上であることを付加する（変更後の発電工程移行条件）。よって、制御部１１０は、セルスタック温度が７００℃に到達していないが、改質器温度が第２の強制移行温度（７２０℃）に到達することにより、緩和された変更後の発電工程移行条件を満たすことになり、ＳＲ２工程から発電工程へ早期に移行させることができる。なお、第１及び第２の強制移行温度は、異常判定温度よりも低く設定されている。
【００９４】
発電工程に移行すると、セルスタック温度は、徐々に改質器２０からの流入ガスにより改質器温度に追い付くように昇温すると共に、燃料電池セルスタック１４での発電反応及びジュール熱によって昇温する。これにより、セルスタック温度は、７００℃以上に達することができる。一方、改質器温度は、発電工程において、燃料ガス供給量及び水供給量が低減されるので、発電工程移行直後の一時的な昇温後には、温度上昇が抑制され、適切な温度範囲に維持される。また、ＳＲ２工程から発電工程へ早期に移行することにより、発電工程移行時において改質器温度は異常判定温度に対して温度余裕があるので、発電開始後の直後の期間における一時的な昇温によって、改質器温度が異常判定温度に到達することが防止される。
【００９５】
このように、本実施形態の過昇温抑制制御では、改質器温度の上昇速度がセルスタック温度の上昇速度よりも速い場合、移行温度条件を緩和することにより、セルスタック温度が移行温度条件を満たしていなくても、改質器温度が通常の移行温度条件よりも高温に設定された第１又は第２の強制移行温度に到達することにより、次工程へ早期に移行される。これにより、本実施形態では、改質器温度の上昇を抑制し、ＳＲ工程を含む起動工程及び発電工程、特に、発電工程への移行時及び発電工程移行後の所定期間において、改質器温度やセルスタック温度が劣化・損傷を引き起こす所定値（異常判定温度）以上に過昇温してしまうことを防止することができる。
【００９６】
なお、本実施形態では、ＳＲ工程中に昇温助長状態を判定して、ＳＲ１工程からＳＲ２工程へ、及び、ＳＲ２工程から発電工程への移行温度条件を変更しているが、これに限らず、ＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程においても同様に昇温助長状態を判定して、移行温度条件を変更するように構成してもよい。
【００９７】
次に、図１１を参照して、第２の実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の過昇温抑制制御を説明する。
図１０による実施形態では、改質器温度とセルスタック温度の一方の移行温度条件が満たされていない場合であっても、所定の条件を加味することによって、次工程へ早期に移行させていたが、図１１による実施形態では、改質器温度及びセルスタック温度の双方の移行温度条件が満たされていない場合であっても、所定の条件が満たされることにより、次工程へ早期に移行させるように構成されている。
【００９８】
図１１に示す起動時の動作中、起動の初期段階において、時刻ｔ20に起動が開始され、時刻ｔ21に燃料ガスの供給が開始され、時刻ｔ22に着火され、時刻ｔ23にＰＯＸ１工程に移行し、その後時刻ｔ24にＰＯＸ２工程に移行している。また、図１１には、図７で示した通常時の起動工程における改質器温度の時間変化が比較のために細い一点鎖線で付加されている。
【００９９】
本実施形態においても、用いられる基本的な動作テーブルは、図９に示したものである。したがって、ＰＯＸ２工程からＡＴＲ１工程への移行温度条件は、改質器温度が６００℃以上、且つ、セルスタック温度が２５０℃である（通常のＡＴＲ１移行条件）。
しかしながら、本実施形態では、判定手段としての制御部１１０は、ＰＯＸ工程において、改質器温度の上昇速度が通常よりも速く、ＰＯＸ工程開始から所定制限期間Ｔ内に改質器温度が強制移行温度（本例では５５０℃）に達した場合には、昇温助長状態であると判定する。
【０１００】
本実施形態では、強制移行温度は、ＳＲ２工程からＡＴＲ１工程への改質器温度の移行温度条件よりも低く設定されているが、ＰＯＸ工程開始から制限期間Ｔ内に改質器温度が強制移行温度に達した場合は、改質器温度の上昇速度が通常よりも速いことが予測される。このため、制御部１１０は、通常のＡＴＲ１移行条件が満たされる前に、ＰＯＸ工程開始から制限期間Ｔ内に改質器温度が強制移行温度に達した場合は、過昇温が発生するおそれが高い昇温助長状態であると判定する。
【０１０１】
これにより、図１１に示すように、通常のＡＴＲ１移行条件が満たされていないが、ＰＯＸ工程開始から制限時間Ｔが経過した時刻ｔ25にＳＲ２工程からＡＴＲ１工程へ移行される。これにより、発熱反応である部分酸化改質反応に加えて、吸熱反応である水蒸気改質反応が実行されるので、改質器温度の上昇速度が低減され、改質器温度とセルスタック温度との温度差が大きくなるのを抑制することができる。
【０１０２】
このように本実施形態では、改質器温度及びセルスタック温度が双方とも移行温度条件を満たしていない場合であっても、改質器温度の昇温速度に基づいて、昇温助長状態を判定することにより次工程へ移行し、過昇温を防止することができる。
【０１０３】
なお、本実施形態では、制限時間Ｔの間の改質器温度の昇温速度に基づいて、昇温助長状態を判定しているが、これに限らず、所定短時間毎の改質器温度の時間変化率から昇温速度を算出し、算出した昇温速度に基づいて、昇温助長状態を判定してもよい。
また、本実施形態では、ＰＯＸ工程における改質器温度の昇温速度に基づいて、過昇温抑制制御を実行しているが、これに限らず、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程においても同様の過昇温抑制制御を実行するように構成することができる。
さらに、本実施形態では、改質器温度の昇温速度に基づいて、過昇温抑制制御を実行しているが、これに限らず、セルスタック温度の昇温速度に基づいて同様の過昇温抑制制御を実行するように構成することができる。
【０１０４】
次に、図１２乃至図１４を参照して、第３の実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の過昇温抑制制御を説明する。
本実施形態の過昇温抑制制御は、改質器温度の昇温速度がセルスタック温度の昇温速度よりも速く、ＰＯＸ工程終了時又はＡＴＲ工程終了時において、改質器温度が第１又は第２の移行条件変更温度（本例ではそれぞれ６５０℃、７００℃）に到達している場合に、これ以降の移行温度条件を通常の動作テーブルから変更するように構成されている。
【０１０５】
図１２に示す起動時の動作中、起動の初期段階において、時刻ｔ40に起動が開始され、時刻ｔ41に燃料ガスの供給が開始され、時刻ｔ42に着火され、時刻ｔ43にＰＯＸ１工程に移行し、時刻ｔ44にＰＯＸ２工程に移行し、その後時刻ｔ45にＡＴＲ１工程に移行している。また、図１２には、図７で示した通常時の起動工程における改質器温度の時間変化が比較のために細い一点鎖線で付加されている。
【０１０６】
本実施形態においても、用いられる基本的な動作テーブルは、図９に示したものである。
しかしながら、本実施形態では、判定手段としての制御部１１０は、改質器温度の上昇速度が通常の起動時よりも速く、ＰＯＸ２工程からＡＴＲ１工程への移行時において、セルスタック温度がＡＴＲ１工程への移行温度条件（２５０℃）に到達した時点で、改質器温度がＡＴＲ１工程への移行温度条件である６００℃よりも高い第１の移行条件変更温度（６５０℃）に達している場合には、昇温助長状態であると判定する。
【０１０７】
ＰＯＸ２工程終了時に昇温助長状態であると判定すると、制御部１１０は、それ以降のセルスタック温度の移行温度条件を緩和し、図１３に示す動作テーブルを用いて動作制御を行う。図１３の動作テーブルでは、ＡＴＲ１工程以降のセルスタック温度の移行温度条件が緩和され、それぞれ５０℃ずつ低減されている。すなわち、ＡＴＲ２工程移行時の温度条件が４００℃から３５０℃へ低減され、ＳＲ１工程移行時の温度条件が６００℃から５５０℃へ低減され、ＳＲ２工程移行時の温度条件が６５０℃から６００℃へ低減され、発電工程移行時の温度条件が７００℃から６５０℃へ低減される。
【０１０８】
また、本実施形態では、判定手段としての制御部１１０は、改質器温度の上昇速度が通常よりも速く、ＡＴＲ２工程からＳＲ１工程への移行時において、セルスタック温度がＳＲ１工程への移行温度条件（６００℃）に到達した時点で、改質器温度がＳＲ１工程への移行温度条件である６５０℃よりも高い第２の移行条件変更温度（７００℃）に達している場合には、昇温助長状態であると判定する。
【０１０９】
ＡＴＲ２工程終了時に昇温助長状態であると判定すると、制御部１１０は、それ以降のセルスタック温度の移行温度条件を緩和し、図１４に示す動作テーブルを用いて動作制御を行う。図１４の動作テーブルでは、ＳＲ１工程以降のセルスタック温度の移行温度条件が緩和され、それぞれ５０℃ずつ低減されている。すなわち、ＳＲ２工程移行時の温度条件が６５０℃から６００℃へ低減され、発電工程移行時の温度条件が７００℃から６５０℃へ低減される。
【０１１０】
改質器温度の昇温幅が大きいＰＯＸ工程又はＡＴＲ工程（特にＰＯＸ工程で改質器温度の昇温が顕著である）の終了時に、改質器温度が所定の第２の移行条件変更温度に達していた場合、引き続き実行されるＡＴＲ工程及びＳＲ工程においても、改質器温度とセルスタック温度との間の大きな温度差が維持され、過昇温が発生するおそれが高くなる。
【０１１１】
そこで、本実施形態では、ＰＯＸ工程又はＡＴＲ工程の終了時に改質器温度が第１又は第２の移行条件変更温度まで達していた場合には、昇温助長状態であると判定して、それ以降の移行温度条件を緩和して、早期に工程を移行させ、最終的に発電工程まで移行させることにより、過昇温を防止することができる。
【０１１２】
なお、本実施形態では、改質器温度が第１又は第２の移行条件変更温度に達することにより過昇温抑制制御を実行しているが、これに限らず、セルスタック温度が移行条件変更温度に達することにより、改質器温度の移行温度条件を緩和するように構成することができる。
【０１１３】
次に、図１５乃至図１７を参照して、第４の実施形態による固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の過昇温抑制制御を説明する。
本実施形態では、残存熱量の影響によって、通常よりも改質器温度が異常判定温度（本例では８００℃）に接近した状態で発電工程移行した場合に、過昇温抑制制御の一環として、温度監視制御を行うように構成されている。この温度監視制御は、上記実施形態における起動工程中の過昇温抑制制御をバックアップするものであり、発電工程において確実に過昇温が防止されるようになっている。
【０１１４】
まず、本実施形態の燃料電池１の発電工程の処理フローを説明する。図１５は、制御部１１０により取出可能電流値Ｉｉｎｖを設定するための制御テーブルである。図１６及び図１７は、図１６に示す制御テーブルを適用して取出可能電流値Ｉｉｎｖを決定するフローチャートである。
【０１１５】
制御部１１０は、各種センサからの入力信号、及び需要電力モニター信号に基づいて、取出可能電流値Ｉｉｎｖを設定し、この値をインバータ制御部（図示せず）に出力するように構成されている。
図１５に示すように、制御部１１０は、発電室温度（セルスタック温度）Ｔｆｃ、燃料電池モジュール２から出力される発電電圧Ｖｄｃ、商用電源から住宅等の施設へ供給されている電力である系統電力Ｗｌ、インバータ５４から出力される電力である連系電力Ｗｉｎｖ、取出可能電流値Ｉｉｎｖの現在値、及び燃料供給電流値Ｉｆに基づいて、取出可能電流値Ｉｉｎｖの増加、低下、又は維持を決定する。
なお、本明細書においては、発電室温度Ｔｆｃ等、燃料電池モジュール２の発電能力の指標となる温度を「燃料電池モジュールの温度」ということにする。
【０１１６】
発電電圧Ｖｄｃは、燃料電池モジュール２から出力される出力電圧である。
系統電力Ｗｌは、住宅等の施設に対して商用電源から供給されている電力であり、施設の総需要電力から燃料電池によって供給されている電力を差し引いた電力がこれに相当し、需要電力モニター信号に基づいて検出される。
連系電力Ｗｉｎｖは、インバータ５４から出力される電力である。燃料電池モジュール２からインバータ５４に実際に取り出される電力は電力状態検出センサ１２６によって検出され、この電力から変換された電力がインバータ５４から出力される。燃料電池モジュール２から実際に出力される実取出電流Ｉｃ［Ａ］は電力状態検出センサ１２６によって検出された電力に基づいて求められる。従って、電力状態検出センサ１２６は、取出電流検出手段として機能する。
【０１１７】
燃料供給電流値Ｉｆは、燃料ガス供給量を求めるための基にする電流値であって、燃料電池モジュール２に供給されている燃料ガス供給量（Ｌ／ｍｉｎ）によって発電することが可能な電流値に相当する。そのため、燃料供給電流値Ｉｆは、常に必ず取出可能電流値Ｉｉｎｖを下回ることのない様に設定する。
制御部１１０は、燃料電池モジュール２の現在の状態が、図１５の番号１〜９の何れに該当するかを判定し、図１５の右端欄に示されている取出可能電流値Ｉｉｎｖの変更又は維持を実行する。
【０１１８】
例えば、図１５の番号１欄に記載されている条件の全てが同時に満足された場合には、番号１欄の右端にあるように、制御部１１０は、取出可能電流値Ｉｉｎｖを５［ｍＡ］低下させるように変更する。上記のように、本実施形態においては、制御部１１０の制御周期は５００［ｍｓｅｃ］であるので、番号１欄の条件が満たされる状態が連続した場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは５００［ｍｓｅｃ］毎に５［ｍＡ］ずつ低下する。この場合、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
【０１１９】
同様に、図１５の番号８欄に記載されている条件の全てが同時に満足された場合には、番号８欄の右端にあるように、制御部１１０は、取出可能電流値Ｉｉｎｖを１０［ｍＡ］増加させるように変更する。従って、番号８欄の条件が満たされる状態が連続した場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、第１電流上昇変化率である２０［ｍＡ／ｓｅｃ］の変化率で上昇されることになる。
【０１２０】
また、図１５の番号１〜８欄に記載されている条件が何れも満足されない場合には、番号９欄の条件に該当し、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値は変更されずに維持される。
【０１２１】
次に、図１６及び図１７を参照して、図１５の制御テーブルの条件の判断手順を説明する。なお、図１６及び図１７における符号Ａ〜Ｄは、処理の移行先を示している。例えば、フローの処理は、図１６の符号「Ｃ」から図１７の符号「Ｃ」へ移行する。
【０１２２】
また、以下に説明するように、制御部１１０は、需要電力が上昇している場合等、取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させるべき状況にあっても、所定の複数の増加規制条件に該当しない場合にのみ、取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させるように構成されている。さらに、増加規制条件は、複数の電流低下条件及び電流維持条件を含んでおり、これらの条件に該当すると、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、低下され、又は維持される。また、複数の電流低下条件（図１６のステップＳ５、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１１、Ｓ１３）は、複数の電流維持条件（図１７のステップＳ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ１９）よりも先に、優先的に適用される。
【０１２３】
まず、図１６のステップＳ１は、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流値Ｉｃとの間で非常に大きな偏差が生まれたかどうかを判断するステップであって、両者の間に１０００［ｍＡ］よりも大きいような偏差が生まれたか否かが判断される。取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流値Ｉｃとの差が短い制御周期の中で１０００［ｍＡ］よりも大きいような偏差が初めて生まれるような場合というのは、インバータ５４が、総需要電力の急激な低下、もしくは何らかの理由によって実取出電力Ｉｃを急激に低下させたことによって偏差が生じた状況であるとしてステップＳ２に進む。
【０１２４】
ステップＳ２においては、系統電力Ｗｌが５０［Ｗ］よりも少ないか否かが判断される。系統電力Ｗｌが５０［Ｗ］よりも少ない場合というのは、系統電力Ｗｌがこれ以上減少すると、インバータ５４からの出力電力が、商用電源に流れ込む「逆潮流（系統電力Ｗ１がマイナスになる状態）」が発生する可能性が高くなる状態である。よってＳ２の判定とＳ１の判定によって総重要電力のとても大きな落ち込みによって逆潮流が生じることを防止するために、インバータ５４が実取出電流値Ｉｃを急激に下げた状態であると判断できる。なお、Ｓ２で系統電力Ｗ１の値を５０Ｗに設定しているのは逆潮流が万が一にも発生することがないように５０Ｗ分のマージンを設けているものである。
【０１２５】
次にＳ１、Ｓ２の双方でＹＥＳと判断された場合、即ち、とても大きな総重要電力の落ち込みに伴うインバータ５４による逆潮流防止制御が行われた場合は、ステップＳ３において、制御部１１０は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を実取出電流Ｉｃの値まで急激に低下させる（図１５の番号６に対応）。ステップＳ３の処理の終了により、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。インバータ５４は取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を超えない範囲で実取出電流値Ｉｃを取り出すので、取出可能電流値Ｉｉｎｖを低下させて取出可能電流値ｌｉｎｖ＝実取出電流値Ｉｃとすることにより、インバータ５４は現在の取出電流値Ｉｃより取出電流を勝手に増やすような対応が規制される。これは、総需要電力の急激な低下があったような場合は、その後すぐに総需要電力が急激に回復する（増える）ような状況が起こる可能性が高いが、１０００［ｍＡ］を超えるような大きな偏差量がある中で、インバータ５４が回復した総需要電力に応えるべく電力取出を急激に行なってしまうと、制御オーバーシュート等によって需要電力や取出可能電流値ｌｉｎｖを誤って超えるような電力取出をインバータ５４が行ってしまうことを未然に防止できるようにした工夫である。言い換えると１０００［ｍＡ］以下のような小さな偏差では取出可能電流値ｌｉｎｖを実取出電流値Ｉｃにするような制御を行っていないため、インバータ５４は実取出電流値Ｉｃより高い所にある取出可能電流値ｌｉｎｖまでの間で自由に電力取出を迅速に行えるように許容したものである。これはこのような小さな偏差であればオーバーシュートによる過剰な電力取出等の問題を生じないため、総重要電力の回復に速やかに追従できるように配慮した更なる工夫である。
【０１２６】
一方、ステップＳ１とＳ２の判定でとても大きな総重要電力低下に伴う逆潮流が起こるような状況ではないと判断された場合には、ステップＳ４に進む。ステップＳ４においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］よりも大きいか否かが判断される。取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］よりも大きい場合には、ステップＳ５に進み、発電電圧Ｖｄｃが９５［Ｖ］よりも低いか否かが判断される。発電電圧Ｖｄｃが９５［Ｖ］よりも低い場合には、ステップＳ６に進む。
【０１２７】
ステップＳ６においては、制御部１１０は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を１０［ｍＡ］低下させる（図１５の番号４に対応）。ステップＳ６の処理の終了により、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。図１６のフローチャートが実行されるごとにステップＳ６の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、２０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。発電電圧Ｖｄｃが９５［Ｖ］よりも低い場合には、燃料電池モジュール２からインバータ５４に電力が取り出される際に燃料電池モジュールの劣化等により、電圧降下が生じていると考えられるため、取出可能電流値Ｉｉｎｖを低下させることにより、インバータ５４に取り出される電流を抑制して、燃料電池モジュール２にかかる負担を軽減する。
【０１２８】
一方、ステップＳ５において、発電電圧Ｖｄｃが９５［Ｖ］以上の場合には、ステップＳ７に進む。ステップＳ７においては、連系電力Ｗｉｎｖが７１０［Ｗ］を超えているか否かが判断される。連系電力Ｗｉｎｖが７１０［Ｗ］を超えている場合にはステップＳ８に進み、ステップＳ８においては、制御部１１０は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を５［ｍＡ］低下させる（図１５の番号５に対応）。即ち、連系電力Ｗｉｎｖが７１０［Ｗ］を超えている場合には、燃料電池モジュール２からの出力電力が定格電力を超えているので、燃料電池モジュール２から取り出す電流を低下させて定格電力を超えないようにする。ステップＳ８の処理の終了により、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。図１６のフローチャートが実行されるごとにステップＳ８の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
このように、制御部１１０は、複数の電流低下条件のうち該当した電流低下条件により、取出可能電流値Ｉｉｎｖを減少させる変化率が異なるように、取出可能電流値Ｉｉｎｖを変化させる。
【０１２９】
一方、ステップＳ７において、連系電力Ｗｉｎｖが７１０［Ｗ］以下の場合には、ステップＳ９に進む。ステップＳ９においては、発電室温度Ｔｆｃが８５０［℃］を超えているか否かが判断される。発電室温度Ｔｆｃが８５０［℃］を超えている場合にはステップＳ１０に進み、ステップＳ１０においては、制御部１１０は、インバータ制御部（図示せず）に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を５［ｍＡ］低下させる（図１５の番号２に対応）。即ち、発電室温度Ｔｆｃが８５０［℃］を超えている場合には、燃料電池モジュール２の適正な作動温度を超えているため、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を低下させて、温度の低下を待つ。ステップＳ１０の処理の終了により、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。図１６のフローチャートが実行されるごとにステップＳ１０の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
【０１３０】
一方、ステップＳ９において、発電室温度Ｔｆｃが８５０［℃］以下の場合には、ステップＳ１１に進む。ステップＳ１１においては、発電室温度Ｔｆｃが５５０［℃］よりも低いか否かが判断される。発電室温度Ｔｆｃが５５０［℃］よりも低い場合にはステップＳ１２に進み、ステップＳ１２においては、制御部１１０は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を５［ｍＡ］低下させる（図１５の番号３に対応）。即ち、発電室温度Ｔｆｃが５５０［℃］よりも低い場合には、燃料電池モジュール２が適正な発電を行うことができる温度を下回っているため、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を低下させる。これにより、発電に消費される燃料を減少させ、燃料を燃料電池セルユニット１６の加熱に振り向け、温度を上昇させる。ステップＳ１２の処理の終了により、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。図１６のフローチャートが実行されるごとにステップＳ１２の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
【０１３１】
一方、ステップＳ１１において、発電室温度Ｔｆｃが５５０［℃］以上の場合には、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が４００［ｍＡ］を超え、且つ取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］を超えているか否かが判断される。取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が４００［ｍＡ］を超え、且つ取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］を超えている場合には、ステップＳ１４に進み、ステップＳ１４においては、制御部１１０は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を５［ｍＡ］低下させる（図１５の番号１に対応）。即ち、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が４００［ｍＡ］を超えている場合には、取り出し可能な電流である取出可能電流値Ｉｉｎｖに対して、燃料電池モジュール２から実際に取り出されている実取出電流Ｉｃが少なすぎ、燃料が無駄に供給されるので、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を低下させて燃料の浪費を抑制する。ステップＳ１４の処理の終了により、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。図１６のフローチャートが実行されるごとにステップＳ１４の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、１０［ｍＡ／ｓｅｃ］の電流減少変化率で減少されることになる。
【０１３２】
このように、制御部１１０は、複数の電流低下条件（図１６のステップＳ５、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１１、Ｓ１３）のうち１つでも該当した場合においては、需要電力が上昇している状況においても取出可能電流値Ｉｉｎｖを減少させる（ステップＳ６、Ｓ８、Ｓ１０、Ｓ１２、Ｓ１４）。
【０１３３】
一方、ステップＳ４において、取出可能電流値Ｉｉｎｖが１［Ａ］以下の場合、及びステップＳ１３において、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が４００［ｍＡ］以下の場合には、図１７のステップＳ１５に進む。
ステップＳ１５においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が３００［ｍＡ］以下であるか否かが判断され、ステップＳ１６においては、発電電圧Ｖｄｃが１００［Ｖ］以上であるか否かが判断され、ステップＳ１７においては、連系電力Ｗｉｎｖが６９０［Ｗ］以下であるか否かが判断され、ステップＳ１８においては、発電室温度Ｔｆｃが６００［℃］以上であるか否かが判断され、ステップＳ１９においては、系統電力Ｗｌが４０［Ｗ］を超えているか否かが判断される。これらの条件が全て満足された場合にはステップＳ２０に進み、これらのうちの１つでも満足されない条件がある場合（図１５の番号９に対応）には、ステップＳ２１進む。ステップＳ２１においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値は変更されずに従前の値に維持され、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。
【０１３４】
このように、本実施形態の固体電解質型燃料電池１においては、需要電力が上昇している状況においても、所定の条件が満たされない場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖが一定に維持される（図１７のステップＳ２１）。また、発電室温度Ｔｆｃに着目すると、発電室温度Ｔｆｃが上限の閾値である８５０［℃］を超えている場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは低下され（図１６のステップＳ９、Ｓ１０）、発電室温度Ｔｆｃが下限の閾値である６００［℃］よりも低いと、取出可能電流値Ｉｉｎｖは維持される（図１７のステップＳ１８、Ｓ２１）。また、発電室温度Ｔｆｃが更に低く、５５０［℃］よりも低いと、取出可能電流値Ｉｉｎｖは低下される（図１６のステップＳ１１、Ｓ１２）。
【０１３５】
一方、ステップＳ２０以下の処理では、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値は上昇される。制御部１１０は、複数の電流維持条件（図１７のステップＳ１５、Ｓ１６、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ１９）の何れにも該当しない場合にのみ、取出可能電流値Ｉｉｎｖを増加させる（図１７のステップＳ２２、Ｓ２３）。
【０１３６】
即ち、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が３００［ｍＡ］を超えている場合（ステップＳ１５）には、取出可能電流値Ｉｉｎｖと実取出電流Ｉｃの差が比較的大きいため、取出可能電流値Ｉｉｎｖを上昇させるべきではない。また、発電電圧Ｖｄｃが１００［Ｖ］よりも低い場合（ステップＳ１６）には、取出可能電流値Ｉｉｎｖを上昇させて、燃料電池モジュール２から取り出され得る電流を増加させるべきではない。さらに、連系電力Ｗｉｎｖが６９０［Ｗ］を超えている場合（ステップＳ１７）には、燃料電池モジュール２からの出力電力は既にほぼ定格出力電力に到達しているため、燃料電池モジュール２から取り出され得る電流を増加させるべきではない。
【０１３７】
さらに、発電室温度Ｔｆｃが６００［℃］よりも低い場合（ステップＳ１８）には、燃料電池モジュール２が十分に発電を行うことができる温度に達していないため、取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を上昇させ、燃料電池モジュール２から取り出され得る電流を増加させて、燃料電池セルユニット１６に負担をかけるべきではない。また、系統電力Ｗｌが４０［Ｗ］以下の場合（ステップＳ１９）には、「逆潮流」が発生しやすい状況にあるため、燃料電池モジュール２から取り出され得る電流を増加させるべきではない。
【０１３８】
ステップＳ１５乃至ステップＳ１９の条件が全て満足された場合には、ステップＳ２０に進む。ステップＳ２０においては、燃料供給電流値Ｉｆと実取出電流Ｉｃの差が１０００［ｍＡ］以上か否かが判断される。燃料供給電流値Ｉｆに対応した燃料ガス供給量を求めて、燃料電池モジュール２に供給して発電運転している。そのため、換言すれば、その燃料により燃料電池モジュール２が発電可能な電流値を換算した値である。例えば、燃料供給電流値Ｉｆ＝５［Ａ］に相当する燃料ガス供給量［Ｌ／ｍｉｎ］が供給されている場合には、燃料電池モジュール２は、潜在的に５［Ａ］の電流を安全に安定して出力する能力がある。従って、燃料供給電流値Ｉｆと実取出電流Ｉｃの差が１０００［ｍＡ］である場合には、実際に発電している実取出電流Ｉｃよりも１［Ａ］分多い電流を出力することができる分量の燃料が燃料電池モジュール２に供給されていることになる。
【０１３９】
ステップＳ２０において、燃料供給電流値Ｉｆと実取出電流Ｉｃの差が１０００［ｍＡ］以上である場合にはステップＳ２２進み、１０００［ｍＡ］よりも少ない場合にはステップＳ２３進む。ステップＳ２２においては、多くの余分な燃料が燃料電池モジュール２に供給されている状態であるため、制御部１１０は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を１００［ｍＡ］増加させ（図１５の番号７に対応）、取出可能電流値Ｉｉｎｖを急速に上昇させる。ステップＳ２２の処理の終了により、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。図１７のフローチャートが実行されるごとにステップＳ２２の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、第２電流上昇変化率である２００［ｍＡ／ｓｅｃ］の変化率で上昇されることになる。
【０１４０】
一方、ステップＳ２３においては、取出可能電流値Ｉｉｎｖを上昇させる状況にあるが、多くの余分な燃料が燃料電池モジュール２に供給されている状態ではないので、制御部１１０は、インバータ制御部に指示する取出可能電流値Ｉｉｎｖの値を１０［ｍＡ］増加させ（図１５の番号８に対応）、取出可能電流値Ｉｉｎｖを緩やかに上昇させる。ステップＳ２３の処理の終了により、図１６及び図１７のフローチャートの１回の処理が終了する。図１７のフローチャートが実行されるごとにステップＳ２３の処理が連続して実行された場合には、取出可能電流値Ｉｉｎｖは、第１電流上昇変化率である２０［ｍＡ／ｓｅｃ］の変化率で上昇されることになる。
【０１４１】
このように本実施形態では、発電工程において、制御部１１０は、セルスタック温度Ｔｆｃが８５０℃を超えないように、取出可能電流値Ｉｉｎｖを制御する。セルスタック温度Ｔｆｃと改質器温度は関連しており、発電工程において、セルスタック温度Ｔｆｃが８５０℃である場合、改質器温度が８００℃であるという相関がある。したがって、セルスタック温度Ｔｆｃが８５０℃を超えないように制御することにより、改質器温度が異常判定温度である８００℃を超えないようにすることができる。
【０１４２】
これにより、本実施形態では、発電工程移行後においても温度監視制御によって改質器温度が異常判定温度に到達しないようにバックアップされている。したがって、発電工程移行前における過昇温抑制制御が十分に過昇温を抑制できない場合であっても、改質器２０等の劣化・損傷を確実に防止することができる。
【０１４３】
また、上記実施形態は以下のように改変することができる。
上記実施形態では、判定手段としての制御部１１０が改質器温度及びセルスタック温度に基づいて、燃料電池モジュール２に蓄積している熱量によって、改質器２０、燃料電池セルスタック１４が過昇温される状態（昇温助長状態）であるか否かを判定していたが、これに限らず、他の方法によって判定するように構成してもよい。
【０１４４】
例えば、各工程において、改質器温度とセルスタック温度の温度差に応じて昇温助長状態を判定してもよいし、改質器温度やセルスタック温度や蓄熱材７の温度を含む他の温度、その温度変化率又は温度変化速度に応じて判定してもよいし、燃料ガス供給量に対する改質器温度やスタック温度の温度上昇から起動時に残存していた熱量を推定し、この推定した熱量に応じて判定してもよいし、再起動前の動作状態に応じて判定してもよい。このように、種々の方法で、残存熱量に起因する過昇温の発生のおそれの程度を判定することができるが、上記実施形態では、各工程での改質器温度及びセルスタック温度の測定値から判定するという簡単な方法を採用している。
【０１４５】
なお、図８の停止動作の時間変化において示されているように、改質器温度、発電室温度、燃焼部温度がほぼ同じ温度で低下しており、残留熱量は燃料電池モジュール２内に局所的ではなく全体にほぼ均一に残ると考えられる。このため、改質器温度に影響を与える残存熱量だけでなく、セルスタック温度に影響を与える残存熱量も、改質器温度の測定のみによって推定できる。したがって、上記実施形態において、図１１の例のように、判定手段としての制御部１１０が改質器温度のみの測定値に基づいて、昇温助長状態を判定するように構成することができる。
【０１４６】
また、判定手段としての制御部１１０が昇温助長状態の判定を行う時期は任意に設定することができる。また、上述の温度差、温度、温度変化率又は温度変化速度、推定熱量に応じて判定する場合においても、任意の時期に判定することができる。
【０１４７】
また、上記実施形態では、改質器温度がセルスタック温度よりも温度上昇速度が速い場合であったが、これに限らず、蓄熱材７等に対する配置によっては、セルスタック温度が改質器温度よりも温度上昇速度が速い場合があり、この場合には、上記実施形態において改質器温度とセルスタック温度とを入れ替えた構成にすることにより、同様の技術思想によって、セルスタック温度の過昇温を防止するように構成することができる。
【符号の説明】
【０１４８】
１ 固体電解質形燃料電池（固体酸化物形燃料電池装置）
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
６ ハウジング（モジュール収納室）
７ 蓄熱材（蓄熱手段）
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２２ 空気用熱交換器
２８ 水流量調整ユニット
３８ 燃料流量調整ユニット
４４ 改質用空気流量調整ユニット
４５ 発電用空気流量調整ユニット
５４ インバータ
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部（制御手段、判定手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池装置において、
複数の燃料電池セルを組み合わせてなるセルスタックと、
前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを改質する改質器と、
前記燃料電池セルを通過した余剰の燃焼ガス又は改質された燃焼ガスを燃焼させることにより発生する排気ガスによって前記改質器及び前記セルスタックを加熱する燃焼部と、
前記セルスタックの温度及び前記改質器の温度をそれぞれ検出する温度検出器と、
前記セルスタック及び前記改質器を収納するモジュール収納室と、
前記モジュール収納室の周囲に配置された蓄熱手段と、
前記燃料電池装置の起動中に前記蓄熱手段が蓄積している熱量によって前記改質器及び／又は前記セルスタックの昇温が助長される状態である昇温助長状態であるか否かを判定する判定手段と、
前記燃料電池装置の起動を制御する制御手段と、を備えており、
前記制御手段は、前記燃料電池装置の起動工程において、前記セルスタックの温度及び前記改質器の温度に基づいて、前記改質器に供給する燃料ガス、酸化剤ガス、水蒸気の供給量を制御し、前記改質器で行われる燃料ガス改質反応工程をＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程へ移行させた後、発電工程へ移行させ、各工程において前記セルスタックの温度及び前記改質器の温度がそれぞれに対して設定された移行条件を満足した場合に、次の工程に移行させるように制御するよう構成されており、
前記判定手段が昇温助長状態であると判定した場合、前記制御手段は、前記移行条件を満足していなくても次工程へ早期に移行させるように、前記移行条件を緩和することを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記判定手段が昇温助長状態であると判定した場合、前記改質器の温度及び前記セルスタックの温度の少なくとも一方が移行条件を満たしていない場合であっても次工程に移行することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項３】
前記判定手段は、少なくとも１つの前記工程から次工程への移行時において前記改質器の温度が第１の所定温度以上である場合に昇温助長状態であると判定し、この判定に基づいて、前記制御手段は、前記セルスタックの温度が次工程へ移行するための移行条件を満たしていない場合であっても次工程へ移行させることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項４】
前記第１の所定温度は、前記改質器の移行条件の温度よりも高い温度に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項５】
前記判定手段は、前記ＳＲ工程において、前記改質器の温度が第１の所定温度以上である場合に昇温助長状態であると判定し、この判定に基づいて、前記制御手段は、前記セルスタックの温度が次工程へ移行するための移行条件を満たしていない場合であっても前記発電工程へ移行させ、前記第１の所定温度は、前記改質器の前記発電工程への移行条件の温度よりも高く、且つ、前記改質器の異常判定温度である第２の所定温度よりも低く設定されていることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記発電工程へ移行後において、前記改質器の温度が前記改質器の異常判定温度である第２の所定温度を超えないように、前記燃料電池装置の運転を規制する温度監視制御を実行するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項７】
前記判定手段は、前記ＰＯＸ工程又は前記ＡＴＲ工程における前記改質器の温度により昇温助長状態であるか否かを判定し、昇温助長状態であると判定したとき、その工程以降における移行条件を緩和することを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項８】
前記判定手段は、前記改質器の温度の測定値に基づいて、昇温助長状態であるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池装置において、
複数の燃料電池セルを組み合わせてなるセルスタックと、
前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを改質する改質器と、
前記燃料電池セルを通過した余剰の燃焼ガス又は改質された燃焼ガスを燃焼させることにより発生する排気ガスによって前記改質器及び前記セルスタックを加熱する燃焼部と、
前記セルスタックの温度及び前記改質器の温度をそれぞれ検出する温度検出器と、
前記セルスタック及び前記改質器を収納するモジュール収納室と、
前記モジュール収納室の周囲に配置された蓄熱手段と、
前記燃料電池装置の起動中に前記蓄熱手段が蓄積している熱量によって前記改質器及び／又は前記セルスタックの昇温が助長される状態である昇温助長状態であるか否かを判定する判定手段と、
前記燃料電池装置の起動を制御する制御手段と、を備えており、
前記制御手段は、前記燃料電池装置の起動工程において、前記セルスタックの温度及び前記改質器の温度に基づいて、前記改質器に供給する燃料ガス、酸化剤ガス、水蒸気の供給量を制御し、前記改質器で行われる燃料ガス改質反応工程をＰＯＸ工程、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程へ移行させた後、発電工程へ移行させ、各工程において前記セルスタックの温度及び前記改質器の温度がそれぞれに対して設定された移行条件を満足した場合に、次の工程に移行させるように制御するよう構成されており、
前記判定手段が昇温助長状態であると判定した場合、前記制御手段は、前記移行条件を満足していなくても次工程へ早期に移行させるように、前記移行条件を緩和することを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記判定手段が昇温助長状態であると判定した場合、前記改質器の温度及び前記セルスタックの温度の少なくとも一方が移行条件を満たしていない場合であっても次工程に移行することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項３】
前記判定手段は、少なくとも１つの前記工程から次工程への移行時において前記改質器の温度が第１の所定温度以上である場合に昇温助長状態であると判定し、この判定に基づいて、前記制御手段は、前記セルスタックの温度が次工程へ移行するための移行条件を満たしていない場合であっても次工程へ移行させることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項４】
前記第１の所定温度は、前記改質器の移行条件の温度よりも高い温度に設定されていることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項５】
前記判定手段は、前記ＳＲ工程において、前記改質器の温度が第１の所定温度以上である場合に昇温助長状態であると判定し、この判定に基づいて、前記制御手段は、前記セルスタックの温度が次工程へ移行するための移行条件を満たしていない場合であっても前記発電工程へ移行させ、前記第１の所定温度は、前記改質器の前記発電工程への移行条件の温度よりも高く、且つ、前記改質器の異常判定温度である第２の所定温度よりも低く設定されていることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記発電工程へ移行後において、前記改質器の温度が前記改質器の異常判定温度である第２の所定温度を超えないように、前記燃料電池装置の運転を規制する温度監視制御を実行するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項７】
前記判定手段は、前記ＰＯＸ工程又は前記ＡＴＲ工程における前記改質器の温度により昇温助長状態であるか否かを判定し、昇温助長状態であると判定したとき、その工程以降における移行条件を緩和することを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項８】
前記判定手段は、前記改質器の温度の測定値に基づいて、昇温助長状態であるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１２−７９４２１（Ｐ２０１２−７９４２１Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２０７１０（Ｐ２０１０−２２０７１０）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]