固体酸化物形燃料電池装置
【課題】改質器における局所的な過昇温を防止することを可能とした固体酸化物形燃料電池装置を提供する。
【解決手段】複数の燃料電池セルからなるセルスタックと、改質器と、前記燃料電池セルから排出される燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱により前記改質器を加熱する燃焼部と、前記燃焼部への着火を行う着火装置と、前記燃焼部において前記燃料電池セル間の火移りが進行し、前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知する燃焼状態確認手段と、制御手段と、を備えており、前記燃焼部の燃焼熱と、前記改質器内における部分酸化改質反応の反応熱と、によって前記改質器を加熱しながら起動を行うものであって、前記制御手段は、前記着火装置により前記燃焼部への着火を行った後、前記燃焼状態確認手段により前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知するまでの期間においては、前記改質器内における部分酸化改質反応の発熱量を抑制した状態で運転する。
【解決手段】複数の燃料電池セルからなるセルスタックと、改質器と、前記燃料電池セルから排出される燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱により前記改質器を加熱する燃焼部と、前記燃焼部への着火を行う着火装置と、前記燃焼部において前記燃料電池セル間の火移りが進行し、前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知する燃焼状態確認手段と、制御手段と、を備えており、前記燃焼部の燃焼熱と、前記改質器内における部分酸化改質反応の反応熱と、によって前記改質器を加熱しながら起動を行うものであって、前記制御手段は、前記着火装置により前記燃焼部への着火を行った後、前記燃焼状態確認手段により前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知するまでの期間においては、前記改質器内における部分酸化改質反応の発熱量を抑制した状態で運転する。
【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、起動時の過昇温を抑制可能な固体酸化物形燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）では、起動時に、複数の燃料電池セルから排出される燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱によって改質器を加熱しながら、改質器において燃料ガスの部分酸化改質反応（ＰＯＸ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）、水蒸気改質反応（ＳＲ）を各起動段階に応じて順に実行し改質器等を昇温していくものが知られている。
【０００３】
このような燃料電池においては、着火ヒータやイグナイタ等の着火装置によって燃料電池セルから排出される燃料ガスに着火を行い、燃焼を開始する。
しかし、複数の燃料電池セル全てに対して着火装置を設けることはコスト等の関係で現実的でない。このため、一部の燃料電池セルから排出される燃料ガスに対してのみ着火装置による着火を行い、その後は、隣接するセルに火移りさせていくことで、最終的に全ての燃料電池セルに対して着火が行われる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１３５２６８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、隣接する燃料電池セル間の火移りがスムーズに行われず、全ての燃料電池セルに対する着火が完了するまでに長時間を要してしまう場合がある。このように一部の燃料電池セルにのみ着火し、他の燃料電池セルでは未着火である状態において、通常時と同じ流量の燃料ガス、及び改質用空気を改質器に対し供給して部分酸化改質反応を生じせしめると、改質器全体が加熱されずに局所的な加熱となり、改質器が破損してしまうという現象が生じていた。
【０００６】
その原因を以下に述べる。改質器内部では発熱反応である部分酸化反応が生じるが、部分酸化反応は、改質器内に供給された燃料ガスが最初に高温の触媒に触れる部分（通常は燃料ガス入口部分）で最も生じやすいため、改質器内部においては局所的に発熱反応が生じることとなる。その際、もし火移りが完了している状態であれば、燃焼部からの燃焼熱により改質器全体が外部からも加熱されていくため、改質器の温度は燃料ガス入口部分が他の部分より温度が高い状態にはなるが、改質器全体の温度が上昇して行き、局所的に過昇温となることは無い。
一方、もし火移りが完了していない状態であれば、燃焼部による外部からの改質器の加熱も局所的となり、改質器内における発熱反応も当該部分で局所的に生じることとなる。従って、その状態が継続すると、改質器の一部においてのみ温度が上昇して行く結果、局所的な過昇温によって改質器の破損に至ってしまう。
【０００７】
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、火移り完了までに時間を要するような場合であっても、改質器における局所的な過昇温を防止することを可能とした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】
【０００８】
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、原料ガスを改質し、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料電池セルから排出される前記燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱により前記改質器を加熱する燃焼部と、前記燃焼部への着火を行う着火装置と、前記燃焼部において前記燃料電池セル間の火移りが進行し、前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知する燃焼状態確認手段と、制御手段と、を備えており、前記燃焼部の燃焼熱と、前記改質器内における部分酸化改質反応の反応熱と、によって前記改質器を加熱しながら起動を行うものであって、前記制御手段は、前記着火装置により前記燃焼部への着火を行った後、前記燃焼状態確認手段により前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知するまでの期間においては、前記改質器内における部分酸化改質反応の発熱量を抑制した状態で運転するように構成されていることを特徴としている。
【０００９】
本発明ではこのような構成とすることにより、前記燃焼状態確認手段により前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知するまでの期間、即ち、火移りが未だ完了しておらず、燃焼部からの改質器の加熱が局所的でしかない期間においては、前記改質器内における部分酸化改質反応の発熱量を抑制した状態で運転するため、改質器内部からの局所的な発熱が抑制される。従って、改質器が局所的に過昇温となってしまうことを防止することができる。
【００１０】
本発明において、好ましくは、前記燃焼状態確認手段により前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知するまでの期間においては、前記原料ガスの供給量、改質用空気の供給量、のうち少なくともいずれか一方を低減することにより、前記改質器内における部分酸化改質反応の発熱量を抑制した状態で運転するように構成されていることを特徴としている。
【００１１】
このような構成とすることにより、燃焼部からの改質器の加熱が局所的でしかない期間においては、前記原料ガスの供給量、改質用空気の供給量、のうち少なくともいずれか一方を低減するという簡便な制御によって、改質器内における部分酸化改質反応の発熱量を抑制できる。その結果、改質器が局所的に過昇温となってしまうことを防止することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、前記燃焼状態確認手段は、前記燃焼部の温度により前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知することを特徴としている。
【００１３】
このような構成とすることにより、改質器の外部からの加熱源である燃焼部の温度を測定することで、改質器全体の加熱が開始されたかどうかを誤り無く確実に検知することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、前記燃焼状態確認手段は、前記改質器の温度を検知する改質器温度検知手段であり、前記改質器の温度に基づいて前記燃焼部の温度を検知することを特徴としている。
【００１５】
このような構成とすることにより、燃焼状態確認手段により改質器全体の加熱が開始されたことを、加熱対象である改質器の温度によって直接的に検知するため、改質器全体の加熱が開始されたかどうかを誤り無く確実に検知することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、前記燃焼状態確認手段は、前記改質器の入口温度、及び出口温度を検知するものであって、前記制御手段は、前記着火装置により前記燃焼部への着火を行った後、前記改質器の入口温度と出口温度のいずれもが所定温度以上となったことをもって、前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知することを特徴としている。
【００１７】
このような構成とすることにより、燃料電池セル間の火移りが進行し、改質器の温度上昇が局所的でなく全体で開始されたことを直接的に検知することができるので、改質器内における部分酸化改質反応の発熱量の抑制を解除する適切なタイミングを正確に図ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の固体酸化物形燃料電池装置によれば、火移りに時間を要する場合であっても、改質器における局所的な過昇温を防止することを可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）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固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）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固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）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固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）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固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態（第一の実施形態）による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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。
【００２１】
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内部には、断熱材（図示せず但し断熱材は必須の構成ではなく、なくても良いものである。）を介して密封空間８が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。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。
【００２２】
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、燃焼部１８が形成され、この燃焼部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、この燃焼部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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、燃焼部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。
【００３１】
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着火装置８３が、燃焼部１８に設けられている。
【００３２】
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酸化物型燃料電池（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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酸化物型燃料電池（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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
次に図６により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体酸化物型燃料電池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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
燃焼部温度センサ１４４は、燃焼部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。
改質器入口温度センサ１４８は、改質器２０の入口温度を検出するためのものであり、改質器出口温度センサ１４９は、改質器２０の出口温度を検出するためのものである。
外気温度センサ１５０は、固体酸化物型燃料電池（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。
【００４５】
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。
【００４６】
次に図７及び図９により、本実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。また、図９は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すフローチャートである。
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。
【００４７】
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及び燃焼部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、燃焼部１８に到達する。
【００４８】
次に、着火装置８３により着火して、燃焼部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。
【００４９】
燃焼部温度の上昇によって着火したことが確認されたら、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の動作により、改質器２０に供給する燃料流量、及び改質用空気流量が低減される（ステップＳ１１）。
このように、燃料流量、及び改質用空気流量を低減した状態は、改質器入口温度センサ１４８、及び改質器出口温度センサ１４９の検出温度が、それぞれ３００℃、２５０℃を超えるまで継続される（ステップＳ１２、ステップＳ１３）。このように制御することで、式（１）に示す部分酸化改質反応ＰＯＸの進行が抑制される。この部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので、部分酸化改質反応ＰＯＸの抑制によって、改質器２０の温度上昇が抑制されることとなる。
【００５０】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５１】
その後、燃焼部１８における火移りが進行すれば、改質器２０全体が燃焼部１８からの熱によって加熱されて行く。改質器入口温度センサ１４８、及び改質器出口温度センサ１４９の検出温度が、それぞれ３００℃、２５０℃を超えたことが確認された時点（ステップＳ１４、ステップＳ１５）、即ち、燃焼部１８からの燃焼熱によって改質器２０全体の加熱が開始されたことを検知した時点で、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の動作により、改質器２０に供給する燃料流量、及び改質用空気流量を増加する（ステップＳ１６）。本実施例においては、改質器入口温度センサ１４８、及び改質器出口温度センサ１４９が、燃焼状態確認手段に該当する。
【００５２】
改質器２０に供給する燃料流量、及び改質用空気流量を増加した結果、部分酸化改質反応ＰＯＸの発熱量が増加される。改質器２０は内部からも十分に加熱されることとなり、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、燃焼部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、燃焼部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。
【００５３】
部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器温度センサ１４８により改質器２０が所定温度（例えば、６００℃）になったことを検知したとき、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を改質器２０に供給する。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、燃焼部１８では燃焼反応が継続して行われている。
【００５４】
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により改質器２０が所定温度（例えば、７００℃）になったことを検知したとき、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を停止すると共に、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。
【００５５】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５６】
この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼部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、燃焼部１８では継続して燃焼反応が進行する。
【００５７】
このようにして、燃料電池モジュール２は、着火装置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。次に、発電室１０内及び燃料電池セル８４の温度が燃料電池モジュール２を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール２を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール２による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。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。この結果、燃料電池モジュール２を作動させる定格定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
【００５８】
この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル８４で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼部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。
【００５９】
次に、図８により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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。
【００６０】
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、発電室の温度が所定温度、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。
【００６１】
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。
【符号の説明】
【００６２】
１ 固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
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 燃焼部
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 着火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部
１４４ 燃焼部温度センサ
【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、起動時の過昇温を抑制可能な固体酸化物形燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）では、起動時に、複数の燃料電池セルから排出される燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱によって改質器を加熱しながら、改質器において燃料ガスの部分酸化改質反応（ＰＯＸ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）、水蒸気改質反応（ＳＲ）を各起動段階に応じて順に実行し改質器等を昇温していくものが知られている。
【０００３】
このような燃料電池においては、着火ヒータやイグナイタ等の着火装置によって燃料電池セルから排出される燃料ガスに着火を行い、燃焼を開始する。
しかし、複数の燃料電池セル全てに対して着火装置を設けることはコスト等の関係で現実的でない。このため、一部の燃料電池セルから排出される燃料ガスに対してのみ着火装置による着火を行い、その後は、隣接するセルに火移りさせていくことで、最終的に全ての燃料電池セルに対して着火が行われる（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１３５２６８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、隣接する燃料電池セル間の火移りがスムーズに行われず、全ての燃料電池セルに対する着火が完了するまでに長時間を要してしまう場合がある。このように一部の燃料電池セルにのみ着火し、他の燃料電池セルでは未着火である状態において、通常時と同じ流量の燃料ガス、及び改質用空気を改質器に対し供給して部分酸化改質反応を生じせしめると、改質器全体が加熱されずに局所的な加熱となり、改質器が破損してしまうという現象が生じていた。
【０００６】
その原因を以下に述べる。改質器内部では発熱反応である部分酸化反応が生じるが、部分酸化反応は、改質器内に供給された燃料ガスが最初に高温の触媒に触れる部分（通常は燃料ガス入口部分）で最も生じやすいため、改質器内部においては局所的に発熱反応が生じることとなる。その際、もし火移りが完了している状態であれば、燃焼部からの燃焼熱により改質器全体が外部からも加熱されていくため、改質器の温度は燃料ガス入口部分が他の部分より温度が高い状態にはなるが、改質器全体の温度が上昇して行き、局所的に過昇温となることは無い。
一方、もし火移りが完了していない状態であれば、燃焼部による外部からの改質器の加熱も局所的となり、改質器内における発熱反応も当該部分で局所的に生じることとなる。従って、その状態が継続すると、改質器の一部においてのみ温度が上昇して行く結果、局所的な過昇温によって改質器の破損に至ってしまう。
【０００７】
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、火移り完了までに時間を要するような場合であっても、改質器における局所的な過昇温を防止することを可能とした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】
【０００８】
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、原料ガスを改質し、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料電池セルから排出される前記燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱により前記改質器を加熱する燃焼部と、前記燃焼部への着火を行う着火装置と、前記燃焼部において前記燃料電池セル間の火移りが進行し、前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知する燃焼状態確認手段と、制御手段と、を備えており、前記燃焼部の燃焼熱と、前記改質器内における部分酸化改質反応の反応熱と、によって前記改質器を加熱しながら起動を行うものであって、前記制御手段は、前記着火装置により前記燃焼部への着火を行った後、前記燃焼状態確認手段により前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知するまでの期間においては、前記改質器内における部分酸化改質反応の発熱量を抑制した状態で運転するように構成されていることを特徴としている。
【０００９】
本発明ではこのような構成とすることにより、前記燃焼状態確認手段により前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知するまでの期間、即ち、火移りが未だ完了しておらず、燃焼部からの改質器の加熱が局所的でしかない期間においては、前記改質器内における部分酸化改質反応の発熱量を抑制した状態で運転するため、改質器内部からの局所的な発熱が抑制される。従って、改質器が局所的に過昇温となってしまうことを防止することができる。
【００１０】
本発明において、好ましくは、前記燃焼状態確認手段により前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知するまでの期間においては、前記原料ガスの供給量、改質用空気の供給量、のうち少なくともいずれか一方を低減することにより、前記改質器内における部分酸化改質反応の発熱量を抑制した状態で運転するように構成されていることを特徴としている。
【００１１】
このような構成とすることにより、燃焼部からの改質器の加熱が局所的でしかない期間においては、前記原料ガスの供給量、改質用空気の供給量、のうち少なくともいずれか一方を低減するという簡便な制御によって、改質器内における部分酸化改質反応の発熱量を抑制できる。その結果、改質器が局所的に過昇温となってしまうことを防止することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、前記燃焼状態確認手段は、前記燃焼部の温度により前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知することを特徴としている。
【００１３】
このような構成とすることにより、改質器の外部からの加熱源である燃焼部の温度を測定することで、改質器全体の加熱が開始されたかどうかを誤り無く確実に検知することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、前記燃焼状態確認手段は、前記改質器の温度を検知する改質器温度検知手段であり、前記改質器の温度に基づいて前記燃焼部の温度を検知することを特徴としている。
【００１５】
このような構成とすることにより、燃焼状態確認手段により改質器全体の加熱が開始されたことを、加熱対象である改質器の温度によって直接的に検知するため、改質器全体の加熱が開始されたかどうかを誤り無く確実に検知することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、前記燃焼状態確認手段は、前記改質器の入口温度、及び出口温度を検知するものであって、前記制御手段は、前記着火装置により前記燃焼部への着火を行った後、前記改質器の入口温度と出口温度のいずれもが所定温度以上となったことをもって、前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知することを特徴としている。
【００１７】
このような構成とすることにより、燃料電池セル間の火移りが進行し、改質器の温度上昇が局所的でなく全体で開始されたことを直接的に検知することができるので、改質器内における部分酸化改質反応の発熱量の抑制を解除する適切なタイミングを正確に図ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の固体酸化物形燃料電池装置によれば、火移りに時間を要する場合であっても、改質器における局所的な過昇温を防止することを可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）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固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）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固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）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固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）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固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態（第一の実施形態）による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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。
【００２１】
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内部には、断熱材（図示せず但し断熱材は必須の構成ではなく、なくても良いものである。）を介して密封空間８が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。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。
【００２２】
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、燃焼部１８が形成され、この燃焼部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、この燃焼部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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、燃焼部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。
【００３１】
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着火装置８３が、燃焼部１８に設けられている。
【００３２】
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酸化物型燃料電池（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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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酸化物型燃料電池（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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
次に図６により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体酸化物型燃料電池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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
燃焼部温度センサ１４４は、燃焼部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。
改質器入口温度センサ１４８は、改質器２０の入口温度を検出するためのものであり、改質器出口温度センサ１４９は、改質器２０の出口温度を検出するためのものである。
外気温度センサ１５０は、固体酸化物型燃料電池（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。
【００４５】
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。
【００４６】
次に図７及び図９により、本実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。また、図９は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すフローチャートである。
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。
【００４７】
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及び燃焼部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、燃焼部１８に到達する。
【００４８】
次に、着火装置８３により着火して、燃焼部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。
【００４９】
燃焼部温度の上昇によって着火したことが確認されたら、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の動作により、改質器２０に供給する燃料流量、及び改質用空気流量が低減される（ステップＳ１１）。
このように、燃料流量、及び改質用空気流量を低減した状態は、改質器入口温度センサ１４８、及び改質器出口温度センサ１４９の検出温度が、それぞれ３００℃、２５０℃を超えるまで継続される（ステップＳ１２、ステップＳ１３）。このように制御することで、式（１）に示す部分酸化改質反応ＰＯＸの進行が抑制される。この部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので、部分酸化改質反応ＰＯＸの抑制によって、改質器２０の温度上昇が抑制されることとなる。
【００５０】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５１】
その後、燃焼部１８における火移りが進行すれば、改質器２０全体が燃焼部１８からの熱によって加熱されて行く。改質器入口温度センサ１４８、及び改質器出口温度センサ１４９の検出温度が、それぞれ３００℃、２５０℃を超えたことが確認された時点（ステップＳ１４、ステップＳ１５）、即ち、燃焼部１８からの燃焼熱によって改質器２０全体の加熱が開始されたことを検知した時点で、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の動作により、改質器２０に供給する燃料流量、及び改質用空気流量を増加する（ステップＳ１６）。本実施例においては、改質器入口温度センサ１４８、及び改質器出口温度センサ１４９が、燃焼状態確認手段に該当する。
【００５２】
改質器２０に供給する燃料流量、及び改質用空気流量を増加した結果、部分酸化改質反応ＰＯＸの発熱量が増加される。改質器２０は内部からも十分に加熱されることとなり、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、燃焼部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、燃焼部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。
【００５３】
部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器温度センサ１４８により改質器２０が所定温度（例えば、６００℃）になったことを検知したとき、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を改質器２０に供給する。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、燃焼部１８では燃焼反応が継続して行われている。
【００５４】
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により改質器２０が所定温度（例えば、７００℃）になったことを検知したとき、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を停止すると共に、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。
【００５５】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５６】
この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼部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、燃焼部１８では継続して燃焼反応が進行する。
【００５７】
このようにして、燃料電池モジュール２は、着火装置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。次に、発電室１０内及び燃料電池セル８４の温度が燃料電池モジュール２を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール２を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール２による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。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。この結果、燃料電池モジュール２を作動させる定格定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
【００５８】
この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル８４で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼部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。
【００５９】
次に、図８により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（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酸化物型燃料電池（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。
【００６０】
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、発電室の温度が所定温度、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。
【００６１】
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。
【符号の説明】
【００６２】
１ 固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
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 燃焼部
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 着火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部
１４４ 燃焼部温度センサ
【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、
原料ガスを改質し、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料電池セルから排出される前記燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱により前記改質器を加熱する燃焼部と、
前記燃焼部への着火を行う着火装置と、
前記燃焼部において前記燃料電池セル間の火移りが進行し、前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知する燃焼状態確認手段と、
制御手段と、を備えており、
前記燃焼部の燃焼熱と、前記改質器内における部分酸化改質反応の反応熱と、によって前記改質器を加熱しながら起動を行うものであって、
前記制御手段は、前記着火装置により前記燃焼部への着火を行った後、前記燃焼状態確認手段により前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知するまでの期間においては、前記改質器内における部分酸化改質反応の発熱量を抑制した状態で運転するように構成されてい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】
前記燃焼状態確認手段により前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知するまでの期間においては、前記原料ガスの供給量、改質用空気の供給量、のうち少なくともいずれか一方を低減することにより、前記改質器内における部分酸化改質反応の発熱量を抑制した状態で運転するように構成されてい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】
前記燃焼状態確認手段は、前記燃焼部の温度により前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知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４】
前記燃焼状態確認手段は、前記改質器の温度を検知する改質器温度検知手段であり、前記改質器の温度に基づいて前記燃焼部の温度を検知す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】
前記燃焼状態確認手段は、前記改質器の入口温度、及び出口温度を検知するものであって、前記制御手段は、前記着火装置により前記燃焼部への着火を行った後、前記改質器の入口温度と出口温度のいずれもが所定温度以上となったことをもって、前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知す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、
原料ガスを改質し、前記燃料電池セルに供給する燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料電池セルから排出される前記燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱により前記改質器を加熱する燃焼部と、
前記燃焼部への着火を行う着火装置と、
前記燃焼部において前記燃料電池セル間の火移りが進行し、前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知する燃焼状態確認手段と、
制御手段と、を備えており、
前記燃焼部の燃焼熱と、前記改質器内における部分酸化改質反応の反応熱と、によって前記改質器を加熱しながら起動を行うものであって、
前記制御手段は、前記着火装置により前記燃焼部への着火を行った後、前記燃焼状態確認手段により前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知するまでの期間においては、前記改質器内における部分酸化改質反応の発熱量を抑制した状態で運転するように構成されてい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】
前記燃焼状態確認手段により前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知するまでの期間においては、前記原料ガスの供給量、改質用空気の供給量、のうち少なくともいずれか一方を低減することにより、前記改質器内における部分酸化改質反応の発熱量を抑制した状態で運転するように構成されてい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】
前記燃焼状態確認手段は、前記燃焼部の温度により前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知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４】
前記燃焼状態確認手段は、前記改質器の温度を検知する改質器温度検知手段であり、前記改質器の温度に基づいて前記燃焼部の温度を検知す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】
前記燃焼状態確認手段は、前記改質器の入口温度、及び出口温度を検知するものであって、前記制御手段は、前記着火装置により前記燃焼部への着火を行った後、前記改質器の入口温度と出口温度のいずれもが所定温度以上となったことをもって、前記改質器全体の加熱が開始されたことを検知す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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−７９４８７（Ｐ２０１２−７９４８７Ａ）
【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２０１０−２２２１０４（Ｐ２０１０−２２２１０４）
【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）】
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