固体電解質型燃料電池
【課題】燃料電池セル集合体の構造自体（燃料電池セル）を着火しやすいように加工したりする等の対策を施すことなく簡易な構造により、着火不良を確実に抑制することができると共に、着火後の失火を確実に防止することができる固体電解質型燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明は、燃料電池セル集合体１２と、改質器２０と、この改質器に燃料ガスを供給する燃料流量調整ユニット３８と、点火装置８３と、この点火装置８３により着火させて燃料ガスを発電用空気により燃焼させる燃焼運転を行い、次に、部分酸化改質反応運転を行い、次に、オートサーマル改質反応運転を行い、次に、水蒸気改質反応運転を行う制御部１１０と、を有し、この制御部は、点火装置による着火タイミングの前及び後を含む所定期間の間、燃料ガスの供給量を増量させてその状態を保持し、この所定期間経過後に燃料ガスの供給量を減量させるように燃料流量調整ユニットを制御する。
【解決手段】本発明は、燃料電池セル集合体１２と、改質器２０と、この改質器に燃料ガスを供給する燃料流量調整ユニット３８と、点火装置８３と、この点火装置８３により着火させて燃料ガスを発電用空気により燃焼させる燃焼運転を行い、次に、部分酸化改質反応運転を行い、次に、オートサーマル改質反応運転を行い、次に、水蒸気改質反応運転を行う制御部１１０と、を有し、この制御部は、点火装置による着火タイミングの前及び後を含む所定期間の間、燃料ガスの供給量を増量させてその状態を保持し、この所定期間経過後に燃料ガスの供給量を減量させるように燃料流量調整ユニットを制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型燃料電池に係わり、特に、燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。
【０００３】
このＳＯＦＣにおいては、酸化物イオン導電性固体電解質を通過した酸素イオンと燃料との反応によって水蒸気又は二酸化炭素を生成し、電気エネルギー及び熱エネルギーが発生する。電気エネルギーは、ＳＯＦＣ外部に取り出されて、各種電気的用途に使用される。一方、熱エネルギーは、燃料、ＳＯＦＣ及び酸化剤等に伝達され、これらの温度上昇に使用される。
【０００４】
従来のＳＯＦＣにおいては、燃料電池モジュール内の密閉空間の下方部分に発電室が配置され、この発電室内に複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体が配置されている。そして、これらの燃料電池セル集合体の上方には燃焼室が形成され、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ガス（空気）とが燃料電池セル集合体の上部自体で直に燃焼し、燃焼室内で排気ガスが生成されるようになっている。
また、燃焼室の上方には、燃料ガスを水素に改質する改質器が配置され、燃焼室内の燃焼熱によって改質器が改質可能な温度となるように加熱されるようになっている。
【０００５】
しかしながら、このような従来のＳＯＦＣにおいては、燃料電池セル集合体の上部自体で直に残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスを燃焼させる以外には、燃焼室や改質器を別途加熱したり、冷間起動時の着火や失火防止を支援したりするバーナー等の加熱手段が設けられていない。したがって、セル自体の構造のばらつきによる着火部分の形状不良や冷間起動時の燃焼室内の不安定性等起因して、１００本を越える複数の燃料電池セルの全体にまんべんなく確実に着火させることは非常に難しく、着火しても気流等が少し乱れるだけですぐに失火してしまう等、安定した着火、及び安定した着火状態を維持することは非常に困難性が高いものであった。
【０００６】
そこで、このような着火不良を抑制するために、従来のＳＯＦＣにおいては、例えば、特許文献１に記載されているように、着火時に燃料電池セルの火炎を吹き消すおそれのある空気の供給量を減らすことにより、気流による着火不良を抑制したものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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】
【０００８】
しかしながら、本件発明者らは、上述した特許文献１のＳＯＦＣにおいて、着火不良を抑制するための対策として着火の直前に燃料電池セルに供給する空気の量を低下させただけでは、気流が安定しておらず、また複数のうちの一部のセルに着火したとしても確実にその後セルの全体に亘って確実に火移りさせることが難しく、さらに着火後の気流増加によって気流の乱れが生じてしまって、着火性の悪いセル上部では簡単に失火してしまうという重要な課題を見出した。
このように、上述した特許文献１においては、着火時の燃料電池セルへ供給する燃料を増加させる一方で気流の安定化を図るという技術思想について何ら開示も示唆もされておらず、上述した新たな課題を解決するものではない。
【０００９】
そこで、本発明は、上述した新たな課題を解決するためになされたものであり、燃料電池セル集合体（燃料電池セル）の構造自体を着火しやすいように加工したりする等の対策を施すことなく簡易な構造により、着火不良を確実に抑制することができると共に、着火後の失火を確実に防止することができる固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）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】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、複数の固体電解質型の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、燃料ガスを水蒸気改質して上記燃料電池セル集合体に供給する改質器と、上記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、純水を生成して上記改質器に供給する水供給手段と、上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、上記燃料電池セル集合体の燃料電池セルの間の空間を経て上記燃料電池セル集合体の上部に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、上記改質器から燃料電池セル集合体の上部に至る燃料ガスを着火して燃焼させる着火手段と、上記着火手段により着火させて燃料ガスを発電用空気により燃焼させる燃焼運転を行い、次に、改質器内に燃料ガスと改質用空気を供給して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）運転を行い、次に、改質器内に燃料ガス、空気、水を供給してオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）運転を行い、次に、改質器内に燃料と水を供給して水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行う制御手段と、を有し、上記制御手段は、上記着火手段による着火タイミングの前及び後を含む所定期間の間、燃料ガスの供給量を増量させてその状態を保持し、この所定期間経過後に燃料ガスの供給量を減量させるように上記燃料ガス供給手段を制御することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、先ず、着火手段による着火タイミングの前及び後を含む所定期間の間、燃料ガスの供給量を増量させたので、着火を行い難い燃料電池セル集合体の上部でも燃料が濃くなるため直接的に着火を行うことが容易になる。次に、着火タイミングの前及び後を含む所定期間の間燃料ガスの供給量が増量された状態を維持して気流の安定状態を作り出していることによって、燃料電池セルの集合体における各燃料電池セルにおける火移りが容易となり、これにより、複数の燃料電池セルのうちのいずれかが着火されると、確実に濃い燃料の作用もあって他の複数の燃料電池セルの全体に確実に火移りさせることができる。また、着火手段による着火タイミングの前及び後を含む所定期間の間、燃料ガスの供給量を増量させてその状態を保持したので、燃料ガスの流量変化を抑えて安定化を図ることができるため、着火を一層容易にすることができ、さらに、燃料電池セル集合体の構造自体を着火しやすいように加工したりする等の対策を施すことなく簡易な構造により、着火不良を確実に抑制することができると共に着火後の燃焼不安定及びＣＯの発生を確実に防止することができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、更に、上記燃料電池セル集合体の着火状態を判定する着火判定手段を有し、上記所定期間は、着火タイミングの所定時間前から上記着火判定手段が着火状態を判定した後の所定期間までを含む。
このように構成された本発明においては、着火判定手段が着火状態を判定した後の所定期間まで燃料ガスを増量させて着火を安定させているので、確実な着火を行うことができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、上記所定期間は、上記改質器内の温度が上記部分酸化改質反応（ＰＯＸ）運転が可能となる所定温度以上となるまでの期間を含む。
このように構成された本発明においては、改質器において部分酸化改質が行われる高温の安定期間まで燃料ガスの供給量を増量させた状態が保持されるので、着火が不安定な期間のすべてにおいて燃料の状態、気流の状態の安定化が図れ、確実な着火を行うことができる。さらに、燃料電池セル集合体を部分的に着火した状態であっても、すべての燃料電池セルに対して火移りを速やかに生じさせて完全着火とすることが確実なものとなる。これにより不安定になりがちな着火後の燃焼を安定化させてＣＯの発生を抑制することができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記発電用空気供給手段により所定の大風量で一定量の発電用空気を供給する。
このように構成された本発明においては、セルの直上部という着火安定性の悪い状態下では全てのセルで完全燃焼の状態を瞬時に作り出すことが難しく、ＣＯの発生を抑えることが難しい。しかし、本発明にあっては、所定の大風量の発電用空気を供給しているので、ＣＯ濃度を低く抑えることができ安全性を高めることができる。一方で発電用空気の量を多くすると気流が不安定となり着火性が一層悪化するが、本発明にあっては、大風量を変化させるのではなく一定の状態で保持して気流を安定させるという技術思想を採用したことによって、着火性の影響を防止し、反対に燃料電池セル集合体における火移り性を高め、燃料電池セル集合体で部分的に着火した状態であっても、全ての燃料電池セルに対して火移りを速やかに生じさせて完全着火させることができるようになったものである。また、燃料増加状態を所定期間保持するようにしているため、発電空気の風量増加による着火性への影響もこれによっても軽減でき、ＣＯの発生抑制及び確実な着火を確保することができたものである。
【００１４】
本発明において、好ましくは、上記制御手段は、少なくとも上記所定期間の間において、上記発電用空気供給手段により上記所定の大風量で一定量の発電用空気を供給する。
このように構成された本発明においては、所定期間の間は、燃料ガスの供給量が増量されているので着火性が良く、さらに、この良好な着火性を維持した状態で大風量の発電用空気を供給することにより、着火性の悪いセル直上の環境であるが故にＣＯの発生を確実に抑制することは非常に難しいが、ＣＯ濃度を確実に安全な状態まで低下させることができるとともに、気流の安定化を図るという思想によって風量増加による影響を抑えて火移り性を向上させて燃料電池セル集合体の上部での完全着火を確実なものとできる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記燃焼運転の期間中は、上記改質用空気及び発電用空気の供給量を変動させずに一定に保持する。
このように構成された本発明においては、燃焼運転の期間中は、改質用空気及び発電用空気の供給量を変動させずに一定に保持することにより、燃料電池セル集合体の上部の気流を安定させることができるため、確実な着火及び火移り性向上を図ることができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、上記改質用空気の供給量は、上記発電用空気の供給量よりも少なく且つＰＯＸ運転の期間の改質用空気の供給量よりも減量されている。
このように構成された本発明においては、発電用空気を多く供給することにより、ＣＯ濃度の抑制、燃料電池セル集合体における火移り性を維持することができ、燃料ガスの供給量を増量した状態で改質用空気を減量して燃料ガスを濃くすることにより、着火性の悪い燃料電池セル集合体の上部において確実な着火性を担保することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃料電池セル集合体（燃料電池セル）の構造自体を着火しやすいように加工したりする等の対策を施すことなく簡易な構造により、着火不良を確実に抑制することができると共に、着火後の失火を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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。
【図２】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正面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿った断面図である。
【図４】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５】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６】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７】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。
【図８】本発明の一実施形態による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９】本発明の一実施形態において、固体電解質型燃料電池の起動処理手順の一例を示す動作テーブルである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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）とを備えている。
なお、本実施形態のＳＯＦＣにおいては、改質器２０に供給される改質用空気や発電室１０に供給される発電用空気を加熱して起動時の昇温を効率よく行うためのヒータ等の加熱手段や、改質器２０を別途加熱する加熱手段は設けられていない。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。また、燃焼室１８は、燃焼室１８や燃料電池セルユニット１６を別途加熱して起動時の着火や失火防止を支援したりするバーナー等の加熱手段は設けられていない。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
着火センサ１５２は、図３に示すように、燃料電池セル集合体１２の上端部の近傍に数ヵ所設けられ、点火装置８３を点火したときにおける燃料電池セル集合体１２の上端部近傍の温度を検出して、この温度に基づいて着火状態を判定するものである。
【００４４】
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。
【００４５】
次に図７により本実施形態による固体電解質型燃料電池（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。
【００４６】
先ず、改質用空気流量調整ユニット４４から改質用空気を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。
【００４７】
次に、点火装置８３により着火して、燃焼室１８に供給された燃料ガスと空気（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。
【００４８】
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。
【００４９】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５０】
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、燃焼室１８では燃焼反応が継続して行われている。
【００５１】
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。
【００５２】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５３】
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。
【００５４】
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。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を作動させる定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
【００５５】
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。
【００５６】
次に、図８により本実施形態による固体電解質型燃料電池（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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
次に、図９と共に図７を再び参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池１の起動処理を詳細に説明する。図９は、固体電解質型燃料電池１の起動処理手順を示す動作テーブルである。
図７の時刻ｔ０において固体電解質型燃料電池１を起動すると、制御部１１０は、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気供給手段である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１０Ｌ／ｍｉｎ、発電用空気の供給量は１００Ｌ／ｍｉｎに設定されている。
【００６０】
次いで、時刻ｔ１において、制御部１１０は、燃料ガス供給手段である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上端から夫々流出する。なお、本実施形態においては、時刻ｔ１において供給が開始される燃料ガスの供給量は６Ｌ／ｍｉｎに設定されている（図９の「燃焼運転」状態参照）。
【００６１】
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の燃料ガス流路９８上端から流出した燃料ガスに点火する。これにより、燃焼室１８内で燃料ガスが燃焼され、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の温度も上昇する（図７の時刻ｔ２〜ｔ３及び図９の「燃焼運転」状態参照）。
改質器２０が加熱されることにより、改質器２０の温度が３００゜Ｃ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）。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９の「ＰＯＸ１」状態参照）。
【００６２】
なお、時刻ｔ２においては、すべての燃料電池セルユニット１６が完全に着火されたか否かにかかわらず、点火装置８３による点火が行われた時刻を暫定的に「着火タイミング」の時刻としてみなしている。したがって、すべての燃料電池セルユニット１６が完全に着火されたか否かの実質的な着火状態の判定については、制御部１１０が、着火センサ１５２により検出された燃料電池セル集合体１２の上端部近傍の温度が所定温度以上であった場合に完全に着火されたものと判定している。
また、このような着火センサ１５２による着火状態（燃焼状態）の判定については、改質器２０への燃料供給を開始される時刻ｔ１から着火タイミングの時刻ｔ２を経て部分酸化改質反応（ＰＯＸ１）が開始する時刻ｔ３までの期間（以下「燃焼運転期間」）内と、時刻ｔ３でＰＯＸ１が開始してから時刻ｔ４でＰＯＸ２に変更されるまでの期間（以下「ＰＯＸ１期間」）内で実質的に行われている。
【００６３】
さらに、ＰＯＸ１期間において、温度が上昇し、改質器２０の温度が３５０゜Ｃに達すると、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料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４４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ｔ４参照）。
これにより、燃料供給量は５Ｌ／ｍｉｎに変更され、改質用空気供給量は１８Ｌ／ｍｉｎに変更される（図９の「ＰＯＸ２」状態参照）。これらの供給量は、部分酸化改質反応（ＰＯＸ２）を安定的に発生させるために適正な供給量である。
即ち、暫定的な部分酸化改質反応（ＰＯＸ１）が発生し始める初期の温度領域までにおいては、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れる状態を形成すると共に、燃焼運転期間とＰＯＸ１期間において燃料ガスの供給量を維持して着火を安定させる（図９の「ＰＯＸ１」状態参照）。
【００６４】
特に、燃焼運転期間とＰＯＸ１期間においては、着火センサ１５２により着火状態が判定されたとしても、ＰＯＸ１期間が終了するまでは、ＰＯＸ２よりも燃料ガスを増量させて且つ供給量を維持することにより、着火を安定させている。
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安定的に生成するために必要にして十分な燃料供給量として、燃料の浪費を抑えている（図９の「ＰＯＸ２」状態参照）。
【００６５】
また、燃焼運転期間からＳＲ１（詳細は後述する）が行われる期間に亘って、発電用空気の供給量が所定の大風量（１００Ｌ／ｍｉｎ）で維持されており、特に、着火タイミングを含む燃焼運転期間において火移り性を高めて、燃料電池セルスタック１４のうちの一部の燃料電池セルユニット１６の燃料ガス流路９８上端が着火した状態であっても、燃料電池セルスタック１４の全体に対して速やかに火移りを生じさせて完全着火とすることができるようになっている。これにより不安定になりがちな着火直後であっても燃焼を安定させてＣＯの発生を確実に抑制できる。
さらに、発電用空気の風量を増量させた当初（図７の時刻ｔ０〜ｔ１）は、燃料電池セル集合体１２の上端部の気流が乱れる傾向にあるが、気流が安定する期間を待ってから着火を行うことにより（図７の時刻ｔ２）、確実な着火を確保している。
【００６６】
また、燃焼運転期間と暫定的な部分酸化改質（ＰＯＸ１）が行われているＰＯＸ１期間において、改質用空気及び発電用空気の供給量を共に変動させずに一定に保持することにより、燃料電池セル集合体１２の上端部における気流の安定化が図られている。
さらに、燃焼運転期間とＰＯＸ１期間における改質用空気の供給量が、発電用空気の供給量よりも少なく且つ安定的な部分酸化改質（ＰＯＸ２）に用いられる改質用空気の量よりも少ない量で保持されており、これによって速やかな火移り性を実現し、着火後の燃焼も安定させることができるため着火後の不安定な状況にあっても燃焼を安定させてＣＯの発生を抑制できる。
また、着火タイミングを含む燃焼運転期間において、燃料ガスを増やした状態で改質用空気は減らして燃料ガスを濃くすることにより、着火性の悪い燃料電池セル集合体１２の上端部において確実な着火性を担保している。
【００６７】
次に、図７の時刻ｔ５において、改質器２０の温度が６００゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が２５０゜Ｃ以上になると、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、水供給手段である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。これにより、改質用空気供給量は８Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は２ｃｃ／ｍｉｎにされる（図９の「ＡＴＲ１」状態参照）。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」状態においては、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。
【００６８】
本実施形態においては、燃料電池セルユニット１６の温度は、発電室１０内に配置された温度検出手段である発電室温度センサ１４２によって測定されている。発電室１０内の温度と燃料電池セルユニットの温度は、厳密には同一ではないが、発電室温度センサ１４２によって検出される温度は燃料電池セルユニット１６の温度を反映したものであり、発電室１０内に配置された発電室温度センサ１４２により燃料電池セルユニット１６の温度を把握することができる。なお、本明細書において、燃料電池セルユニットの温度とは、燃料電池セルユニットの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。
【００６９】
さらに、図７の時刻ｔ６において、改質器２０の温度が６００゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が４００゜Ｃ以上になると、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料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。これにより、燃料ガス供給量は４Ｌ／ｍｉｎに変更され、改質用空気供給量は４Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は３ｃｃ／ｍｉｎにされる（図９の「ＡＴＲ２」状態参照）。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、部分酸化改質反応の割合が減少し、水蒸気改質反応の割合が増加する。
【００７０】
次に、図７の時刻ｔ７において、改質器２０の温度が６５０゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が６００゜Ｃ以上になると、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。これにより、燃料ガス供給量は３Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は８ｃｃ／ｍｉｎに変更される（図９の「ＳＲ１」状態参照）。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。
【００７１】
さらに、図７の時刻ｔ８において、改質器２０の温度が６５０゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が７００゜Ｃ以上になると、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、発電用空気の供給量も減少させる。これにより、燃料ガス供給量は発電待機燃料ガス供給量である２．３Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は６．３ｃｃ／ｍｉｎに変更され、発電用空気供給量は８０Ｌ／ｍｉｎに変更される（図９の「ＳＲ２」状態参照）。
【００７２】
制御部１１０は、これらの供給量を所定の発電移行時間以上維持した後、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、発電を開始する（図７の時刻ｔ９参照）。
【００７３】
上述した本発明の実施形態の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃料電池モジュール２による発電が開始される前の起動時において、着火タイミングとその前後の期間を含む燃焼運転期間とＰＯＸ１が行われるＰＯＸ１期間において、それ以後の期間よりも燃料ガスを増加させることにより、着火を行い難い燃料電池セル集合体１２の上端でも直接的に着火を行うことが容易になると共に、火移りが容易となる。この結果、燃料電池セルスタック１４のうちのいずれかの燃料電池セルユニット１６に着火されることにより、確実に燃料電池セルスタック１４全体に火移りさせることができる。また、着火タイミングとその前後の期間を含む燃焼運転期間とＰＯＸ１期間において、それ以後の期間よりも燃料ガスを増量して供給する状態を保持したことにより、燃料ガスの流量変化を抑えて安定化を図ることができるため、着火を一層容易にすることができる。
また、これらの結果、燃料電池セルユニット１６の構造自体を着火しやすいように加工したりする等の対策を施すことなく簡易な構造により、着火不良を確実に抑制することができると共に、着火後の失火を確実に防止することができる。
【００７４】
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃焼運転期間において着火センサ１５２により着火状態が判定された後ＰＯＸ１が行われる所定期間に亘って、燃料ガスを増量させて安定した供給をすることができるため、確実な着火を行うことができる。
【００７５】
さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃焼運転期間と改質器２０において暫定的な部分酸化改質（ＰＯＸ１）が行われているＰＯＸ１期間において、燃焼運転の燃料ガスを増量させた状態を保持することにより、着火が不安定な期間のすべてにおいて燃料ガスを増量させた状態を保持することができ、確実な着火を行うことができる。また、燃料電池セルスタック１４のうちの一部の燃料電池セルユニット１６が着火した状態であっても、燃料電池セルスタック１４の全体に対して速やかに火移りを生じさせて完全着火とすることができるため、不安定になりがちな着火後の燃焼を安定させてＣＯの発生を抑制することができる。
【００７６】
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃料電池モジュール２による発電が開始される前の起動時において、着火タイミングとその前後の期間を含む燃焼運転期間からＳＲ１が行われる期間に亘って、発電用空気を所定の大風量で確保することにより、火移り性を高めて速やかな着火が可能となり、燃料電池セルスタック１４のうちの一部の燃料電池セルユニット１６が着火した状態であっても、燃料電池セルスタック１４の全体に対して速やかに火移りを生じさせて完全着火とすることができる。また、発電用空気が大風量で燃料電池セル集合体１２の上端部に供給される当初では気流が乱れる傾向にあるが、着火タイミングを含む燃焼運転期間において発電用空気を所定の大風量で一定に保持して気流が安定する期間を待ってから着火を行うことにより、確実な着火を確保することができる。
【００７７】
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃焼運転期間と改質器２０において暫定的な部分酸化改質（ＰＯＸ１）が行われている期間において、改質用空気及び発電用空気の供給量を共に変動させずに一定に保持することにより、燃料電池セル集合体１２の上端部の気流を安定させることができるため、確実な着火を確保することができる。
【００７８】
さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃焼運転期間と改質器２０において暫定的な部分酸化改質（ＰＯＸ１）が行われている期間における改質用空気の供給量が、発電用空気の供給量よりも少なく且つ安定的な部分酸化改質（ＰＯＸ２）に用いられる改質用空気の量よりも少ない量で保持され、発電用空気を多い状態に維持することにより、火移り性を維持することができる。また、特に、燃焼運転期間の着火タイミングの前後において、燃料ガスを増やした状態で改質用空気は減らして燃料ガスを濃くすることにより、着火性の悪い燃料電池セル集合体１２の上端部において確実な着火性を担保することができる。
【００７９】
なお、上述した本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）においては、一例として、燃焼運転期間からＳＲ１が行われる期間に亘って、発電用空気の供給量が所定の大風量（１００Ｌ／ｍｉｎ）で維持される起動処理について説明したが、このような起動処理に限定されず、他の起動処理についても適用可能である。
例えば、燃料ガスの供給量が増量される燃焼運転期間とＰＯＸ１期間の間において、他の期間よりも増量させた所定の大風量の発電用空気を一定量で供給することにより、火移り性を向上させて燃料電池セル集合体１２の上部での完全着火を確保することができるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１ 固体電解質型燃料電池
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
８ 密封空間
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
２４ 水供給源
２６ 純水タンク
２８ 水流量調整ユニット
３０ 燃料供給源
３８ 燃料流量調整ユニット
４０ 空気供給源
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
５０ 温水製造装置
５２ 制御ボックス
５４ インバータ
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部
１１２ 操作装置
１１４ 表示装置
１１６ 警報装置
１２６ 電力状態検出センサ
１４２ 発電室温度センサ
１５０ 外気温度センサ
１５２ 着火センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型燃料電池に係わり、特に、燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。
【０００３】
このＳＯＦＣにおいては、酸化物イオン導電性固体電解質を通過した酸素イオンと燃料との反応によって水蒸気又は二酸化炭素を生成し、電気エネルギー及び熱エネルギーが発生する。電気エネルギーは、ＳＯＦＣ外部に取り出されて、各種電気的用途に使用される。一方、熱エネルギーは、燃料、ＳＯＦＣ及び酸化剤等に伝達され、これらの温度上昇に使用される。
【０００４】
従来のＳＯＦＣにおいては、燃料電池モジュール内の密閉空間の下方部分に発電室が配置され、この発電室内に複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体が配置されている。そして、これらの燃料電池セル集合体の上方には燃焼室が形成され、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ガス（空気）とが燃料電池セル集合体の上部自体で直に燃焼し、燃焼室内で排気ガスが生成されるようになっている。
また、燃焼室の上方には、燃料ガスを水素に改質する改質器が配置され、燃焼室内の燃焼熱によって改質器が改質可能な温度となるように加熱されるようになっている。
【０００５】
しかしながら、このような従来のＳＯＦＣにおいては、燃料電池セル集合体の上部自体で直に残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスを燃焼させる以外には、燃焼室や改質器を別途加熱したり、冷間起動時の着火や失火防止を支援したりするバーナー等の加熱手段が設けられていない。したがって、セル自体の構造のばらつきによる着火部分の形状不良や冷間起動時の燃焼室内の不安定性等起因して、１００本を越える複数の燃料電池セルの全体にまんべんなく確実に着火させることは非常に難しく、着火しても気流等が少し乱れるだけですぐに失火してしまう等、安定した着火、及び安定した着火状態を維持することは非常に困難性が高いものであった。
【０００６】
そこで、このような着火不良を抑制するために、従来のＳＯＦＣにおいては、例えば、特許文献１に記載されているように、着火時に燃料電池セルの火炎を吹き消すおそれのある空気の供給量を減らすことにより、気流による着火不良を抑制したものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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】
【０００８】
しかしながら、本件発明者らは、上述した特許文献１のＳＯＦＣにおいて、着火不良を抑制するための対策として着火の直前に燃料電池セルに供給する空気の量を低下させただけでは、気流が安定しておらず、また複数のうちの一部のセルに着火したとしても確実にその後セルの全体に亘って確実に火移りさせることが難しく、さらに着火後の気流増加によって気流の乱れが生じてしまって、着火性の悪いセル上部では簡単に失火してしまうという重要な課題を見出した。
このように、上述した特許文献１においては、着火時の燃料電池セルへ供給する燃料を増加させる一方で気流の安定化を図るという技術思想について何ら開示も示唆もされておらず、上述した新たな課題を解決するものではない。
【０００９】
そこで、本発明は、上述した新たな課題を解決するためになされたものであり、燃料電池セル集合体（燃料電池セル）の構造自体を着火しやすいように加工したりする等の対策を施すことなく簡易な構造により、着火不良を確実に抑制することができると共に、着火後の失火を確実に防止することができる固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）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】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、複数の固体電解質型の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、燃料ガスを水蒸気改質して上記燃料電池セル集合体に供給する改質器と、上記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、純水を生成して上記改質器に供給する水供給手段と、上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、上記燃料電池セル集合体の燃料電池セルの間の空間を経て上記燃料電池セル集合体の上部に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、上記改質器から燃料電池セル集合体の上部に至る燃料ガスを着火して燃焼させる着火手段と、上記着火手段により着火させて燃料ガスを発電用空気により燃焼させる燃焼運転を行い、次に、改質器内に燃料ガスと改質用空気を供給して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）運転を行い、次に、改質器内に燃料ガス、空気、水を供給してオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）運転を行い、次に、改質器内に燃料と水を供給して水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行う制御手段と、を有し、上記制御手段は、上記着火手段による着火タイミングの前及び後を含む所定期間の間、燃料ガスの供給量を増量させてその状態を保持し、この所定期間経過後に燃料ガスの供給量を減量させるように上記燃料ガス供給手段を制御することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、先ず、着火手段による着火タイミングの前及び後を含む所定期間の間、燃料ガスの供給量を増量させたので、着火を行い難い燃料電池セル集合体の上部でも燃料が濃くなるため直接的に着火を行うことが容易になる。次に、着火タイミングの前及び後を含む所定期間の間燃料ガスの供給量が増量された状態を維持して気流の安定状態を作り出していることによって、燃料電池セルの集合体における各燃料電池セルにおける火移りが容易となり、これにより、複数の燃料電池セルのうちのいずれかが着火されると、確実に濃い燃料の作用もあって他の複数の燃料電池セルの全体に確実に火移りさせることができる。また、着火手段による着火タイミングの前及び後を含む所定期間の間、燃料ガスの供給量を増量させてその状態を保持したので、燃料ガスの流量変化を抑えて安定化を図ることができるため、着火を一層容易にすることができ、さらに、燃料電池セル集合体の構造自体を着火しやすいように加工したりする等の対策を施すことなく簡易な構造により、着火不良を確実に抑制することができると共に着火後の燃焼不安定及びＣＯの発生を確実に防止することができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、更に、上記燃料電池セル集合体の着火状態を判定する着火判定手段を有し、上記所定期間は、着火タイミングの所定時間前から上記着火判定手段が着火状態を判定した後の所定期間までを含む。
このように構成された本発明においては、着火判定手段が着火状態を判定した後の所定期間まで燃料ガスを増量させて着火を安定させているので、確実な着火を行うことができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、上記所定期間は、上記改質器内の温度が上記部分酸化改質反応（ＰＯＸ）運転が可能となる所定温度以上となるまでの期間を含む。
このように構成された本発明においては、改質器において部分酸化改質が行われる高温の安定期間まで燃料ガスの供給量を増量させた状態が保持されるので、着火が不安定な期間のすべてにおいて燃料の状態、気流の状態の安定化が図れ、確実な着火を行うことができる。さらに、燃料電池セル集合体を部分的に着火した状態であっても、すべての燃料電池セルに対して火移りを速やかに生じさせて完全着火とすることが確実なものとなる。これにより不安定になりがちな着火後の燃焼を安定化させてＣＯの発生を抑制することができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記発電用空気供給手段により所定の大風量で一定量の発電用空気を供給する。
このように構成された本発明においては、セルの直上部という着火安定性の悪い状態下では全てのセルで完全燃焼の状態を瞬時に作り出すことが難しく、ＣＯの発生を抑えることが難しい。しかし、本発明にあっては、所定の大風量の発電用空気を供給しているので、ＣＯ濃度を低く抑えることができ安全性を高めることができる。一方で発電用空気の量を多くすると気流が不安定となり着火性が一層悪化するが、本発明にあっては、大風量を変化させるのではなく一定の状態で保持して気流を安定させるという技術思想を採用したことによって、着火性の影響を防止し、反対に燃料電池セル集合体における火移り性を高め、燃料電池セル集合体で部分的に着火した状態であっても、全ての燃料電池セルに対して火移りを速やかに生じさせて完全着火させることができるようになったものである。また、燃料増加状態を所定期間保持するようにしているため、発電空気の風量増加による着火性への影響もこれによっても軽減でき、ＣＯの発生抑制及び確実な着火を確保することができたものである。
【００１４】
本発明において、好ましくは、上記制御手段は、少なくとも上記所定期間の間において、上記発電用空気供給手段により上記所定の大風量で一定量の発電用空気を供給する。
このように構成された本発明においては、所定期間の間は、燃料ガスの供給量が増量されているので着火性が良く、さらに、この良好な着火性を維持した状態で大風量の発電用空気を供給することにより、着火性の悪いセル直上の環境であるが故にＣＯの発生を確実に抑制することは非常に難しいが、ＣＯ濃度を確実に安全な状態まで低下させることができるとともに、気流の安定化を図るという思想によって風量増加による影響を抑えて火移り性を向上させて燃料電池セル集合体の上部での完全着火を確実なものとできる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記燃焼運転の期間中は、上記改質用空気及び発電用空気の供給量を変動させずに一定に保持する。
このように構成された本発明においては、燃焼運転の期間中は、改質用空気及び発電用空気の供給量を変動させずに一定に保持することにより、燃料電池セル集合体の上部の気流を安定させることができるため、確実な着火及び火移り性向上を図ることができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、上記改質用空気の供給量は、上記発電用空気の供給量よりも少なく且つＰＯＸ運転の期間の改質用空気の供給量よりも減量されている。
このように構成された本発明においては、発電用空気を多く供給することにより、ＣＯ濃度の抑制、燃料電池セル集合体における火移り性を維持することができ、燃料ガスの供給量を増量した状態で改質用空気を減量して燃料ガスを濃くすることにより、着火性の悪い燃料電池セル集合体の上部において確実な着火性を担保することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃料電池セル集合体（燃料電池セル）の構造自体を着火しやすいように加工したりする等の対策を施すことなく簡易な構造により、着火不良を確実に抑制することができると共に、着火後の失火を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】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。
【図２】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正面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿った断面図である。
【図４】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５】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６】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７】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。
【図８】本発明の一実施形態による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９】本発明の一実施形態において、固体電解質型燃料電池の起動処理手順の一例を示す動作テーブルである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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）とを備えている。
なお、本実施形態のＳＯＦＣにおいては、改質器２０に供給される改質用空気や発電室１０に供給される発電用空気を加熱して起動時の昇温を効率よく行うためのヒータ等の加熱手段や、改質器２０を別途加熱する加熱手段は設けられていない。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。また、燃焼室１８は、燃焼室１８や燃料電池セルユニット１６を別途加熱して起動時の着火や失火防止を支援したりするバーナー等の加熱手段は設けられていない。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
着火センサ１５２は、図３に示すように、燃料電池セル集合体１２の上端部の近傍に数ヵ所設けられ、点火装置８３を点火したときにおける燃料電池セル集合体１２の上端部近傍の温度を検出して、この温度に基づいて着火状態を判定するものである。
【００４４】
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。
【００４５】
次に図７により本実施形態による固体電解質型燃料電池（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。
【００４６】
先ず、改質用空気流量調整ユニット４４から改質用空気を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。
【００４７】
次に、点火装置８３により着火して、燃焼室１８に供給された燃料ガスと空気（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。
【００４８】
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。
【００４９】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５０】
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、燃焼室１８では燃焼反応が継続して行われている。
【００５１】
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。
【００５２】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５３】
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。
【００５４】
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。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を作動させる定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
【００５５】
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。
【００５６】
次に、図８により本実施形態による固体電解質型燃料電池（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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
次に、図９と共に図７を再び参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池１の起動処理を詳細に説明する。図９は、固体電解質型燃料電池１の起動処理手順を示す動作テーブルである。
図７の時刻ｔ０において固体電解質型燃料電池１を起動すると、制御部１１０は、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気供給手段である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１０Ｌ／ｍｉｎ、発電用空気の供給量は１００Ｌ／ｍｉｎに設定されている。
【００６０】
次いで、時刻ｔ１において、制御部１１０は、燃料ガス供給手段である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上端から夫々流出する。なお、本実施形態においては、時刻ｔ１において供給が開始される燃料ガスの供給量は６Ｌ／ｍｉｎに設定されている（図９の「燃焼運転」状態参照）。
【００６１】
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の燃料ガス流路９８上端から流出した燃料ガスに点火する。これにより、燃焼室１８内で燃料ガスが燃焼され、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の温度も上昇する（図７の時刻ｔ２〜ｔ３及び図９の「燃焼運転」状態参照）。
改質器２０が加熱されることにより、改質器２０の温度が３００゜Ｃ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）。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９の「ＰＯＸ１」状態参照）。
【００６２】
なお、時刻ｔ２においては、すべての燃料電池セルユニット１６が完全に着火されたか否かにかかわらず、点火装置８３による点火が行われた時刻を暫定的に「着火タイミング」の時刻としてみなしている。したがって、すべての燃料電池セルユニット１６が完全に着火されたか否かの実質的な着火状態の判定については、制御部１１０が、着火センサ１５２により検出された燃料電池セル集合体１２の上端部近傍の温度が所定温度以上であった場合に完全に着火されたものと判定している。
また、このような着火センサ１５２による着火状態（燃焼状態）の判定については、改質器２０への燃料供給を開始される時刻ｔ１から着火タイミングの時刻ｔ２を経て部分酸化改質反応（ＰＯＸ１）が開始する時刻ｔ３までの期間（以下「燃焼運転期間」）内と、時刻ｔ３でＰＯＸ１が開始してから時刻ｔ４でＰＯＸ２に変更されるまでの期間（以下「ＰＯＸ１期間」）内で実質的に行われている。
【００６３】
さらに、ＰＯＸ１期間において、温度が上昇し、改質器２０の温度が３５０゜Ｃに達すると、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料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４４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ｔ４参照）。
これにより、燃料供給量は５Ｌ／ｍｉｎに変更され、改質用空気供給量は１８Ｌ／ｍｉｎに変更される（図９の「ＰＯＸ２」状態参照）。これらの供給量は、部分酸化改質反応（ＰＯＸ２）を安定的に発生させるために適正な供給量である。
即ち、暫定的な部分酸化改質反応（ＰＯＸ１）が発生し始める初期の温度領域までにおいては、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れる状態を形成すると共に、燃焼運転期間とＰＯＸ１期間において燃料ガスの供給量を維持して着火を安定させる（図９の「ＰＯＸ１」状態参照）。
【００６４】
特に、燃焼運転期間とＰＯＸ１期間においては、着火センサ１５２により着火状態が判定されたとしても、ＰＯＸ１期間が終了するまでは、ＰＯＸ２よりも燃料ガスを増量させて且つ供給量を維持することにより、着火を安定させている。
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安定的に生成するために必要にして十分な燃料供給量として、燃料の浪費を抑えている（図９の「ＰＯＸ２」状態参照）。
【００６５】
また、燃焼運転期間からＳＲ１（詳細は後述する）が行われる期間に亘って、発電用空気の供給量が所定の大風量（１００Ｌ／ｍｉｎ）で維持されており、特に、着火タイミングを含む燃焼運転期間において火移り性を高めて、燃料電池セルスタック１４のうちの一部の燃料電池セルユニット１６の燃料ガス流路９８上端が着火した状態であっても、燃料電池セルスタック１４の全体に対して速やかに火移りを生じさせて完全着火とすることができるようになっている。これにより不安定になりがちな着火直後であっても燃焼を安定させてＣＯの発生を確実に抑制できる。
さらに、発電用空気の風量を増量させた当初（図７の時刻ｔ０〜ｔ１）は、燃料電池セル集合体１２の上端部の気流が乱れる傾向にあるが、気流が安定する期間を待ってから着火を行うことにより（図７の時刻ｔ２）、確実な着火を確保している。
【００６６】
また、燃焼運転期間と暫定的な部分酸化改質（ＰＯＸ１）が行われているＰＯＸ１期間において、改質用空気及び発電用空気の供給量を共に変動させずに一定に保持することにより、燃料電池セル集合体１２の上端部における気流の安定化が図られている。
さらに、燃焼運転期間とＰＯＸ１期間における改質用空気の供給量が、発電用空気の供給量よりも少なく且つ安定的な部分酸化改質（ＰＯＸ２）に用いられる改質用空気の量よりも少ない量で保持されており、これによって速やかな火移り性を実現し、着火後の燃焼も安定させることができるため着火後の不安定な状況にあっても燃焼を安定させてＣＯの発生を抑制できる。
また、着火タイミングを含む燃焼運転期間において、燃料ガスを増やした状態で改質用空気は減らして燃料ガスを濃くすることにより、着火性の悪い燃料電池セル集合体１２の上端部において確実な着火性を担保している。
【００６７】
次に、図７の時刻ｔ５において、改質器２０の温度が６００゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が２５０゜Ｃ以上になると、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、水供給手段である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。これにより、改質用空気供給量は８Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は２ｃｃ／ｍｉｎにされる（図９の「ＡＴＲ１」状態参照）。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」状態においては、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。
【００６８】
本実施形態においては、燃料電池セルユニット１６の温度は、発電室１０内に配置された温度検出手段である発電室温度センサ１４２によって測定されている。発電室１０内の温度と燃料電池セルユニットの温度は、厳密には同一ではないが、発電室温度センサ１４２によって検出される温度は燃料電池セルユニット１６の温度を反映したものであり、発電室１０内に配置された発電室温度センサ１４２により燃料電池セルユニット１６の温度を把握することができる。なお、本明細書において、燃料電池セルユニットの温度とは、燃料電池セルユニットの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。
【００６９】
さらに、図７の時刻ｔ６において、改質器２０の温度が６００゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が４００゜Ｃ以上になると、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料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。これにより、燃料ガス供給量は４Ｌ／ｍｉｎに変更され、改質用空気供給量は４Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は３ｃｃ／ｍｉｎにされる（図９の「ＡＴＲ２」状態参照）。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、部分酸化改質反応の割合が減少し、水蒸気改質反応の割合が増加する。
【００７０】
次に、図７の時刻ｔ７において、改質器２０の温度が６５０゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が６００゜Ｃ以上になると、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。これにより、燃料ガス供給量は３Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は８ｃｃ／ｍｉｎに変更される（図９の「ＳＲ１」状態参照）。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。
【００７１】
さらに、図７の時刻ｔ８において、改質器２０の温度が６５０゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が７００゜Ｃ以上になると、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、発電用空気の供給量も減少させる。これにより、燃料ガス供給量は発電待機燃料ガス供給量である２．３Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は６．３ｃｃ／ｍｉｎに変更され、発電用空気供給量は８０Ｌ／ｍｉｎに変更される（図９の「ＳＲ２」状態参照）。
【００７２】
制御部１１０は、これらの供給量を所定の発電移行時間以上維持した後、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、発電を開始する（図７の時刻ｔ９参照）。
【００７３】
上述した本発明の実施形態の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃料電池モジュール２による発電が開始される前の起動時において、着火タイミングとその前後の期間を含む燃焼運転期間とＰＯＸ１が行われるＰＯＸ１期間において、それ以後の期間よりも燃料ガスを増加させることにより、着火を行い難い燃料電池セル集合体１２の上端でも直接的に着火を行うことが容易になると共に、火移りが容易となる。この結果、燃料電池セルスタック１４のうちのいずれかの燃料電池セルユニット１６に着火されることにより、確実に燃料電池セルスタック１４全体に火移りさせることができる。また、着火タイミングとその前後の期間を含む燃焼運転期間とＰＯＸ１期間において、それ以後の期間よりも燃料ガスを増量して供給する状態を保持したことにより、燃料ガスの流量変化を抑えて安定化を図ることができるため、着火を一層容易にすることができる。
また、これらの結果、燃料電池セルユニット１６の構造自体を着火しやすいように加工したりする等の対策を施すことなく簡易な構造により、着火不良を確実に抑制することができると共に、着火後の失火を確実に防止することができる。
【００７４】
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃焼運転期間において着火センサ１５２により着火状態が判定された後ＰＯＸ１が行われる所定期間に亘って、燃料ガスを増量させて安定した供給をすることができるため、確実な着火を行うことができる。
【００７５】
さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃焼運転期間と改質器２０において暫定的な部分酸化改質（ＰＯＸ１）が行われているＰＯＸ１期間において、燃焼運転の燃料ガスを増量させた状態を保持することにより、着火が不安定な期間のすべてにおいて燃料ガスを増量させた状態を保持することができ、確実な着火を行うことができる。また、燃料電池セルスタック１４のうちの一部の燃料電池セルユニット１６が着火した状態であっても、燃料電池セルスタック１４の全体に対して速やかに火移りを生じさせて完全着火とすることができるため、不安定になりがちな着火後の燃焼を安定させてＣＯの発生を抑制することができる。
【００７６】
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃料電池モジュール２による発電が開始される前の起動時において、着火タイミングとその前後の期間を含む燃焼運転期間からＳＲ１が行われる期間に亘って、発電用空気を所定の大風量で確保することにより、火移り性を高めて速やかな着火が可能となり、燃料電池セルスタック１４のうちの一部の燃料電池セルユニット１６が着火した状態であっても、燃料電池セルスタック１４の全体に対して速やかに火移りを生じさせて完全着火とすることができる。また、発電用空気が大風量で燃料電池セル集合体１２の上端部に供給される当初では気流が乱れる傾向にあるが、着火タイミングを含む燃焼運転期間において発電用空気を所定の大風量で一定に保持して気流が安定する期間を待ってから着火を行うことにより、確実な着火を確保することができる。
【００７７】
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃焼運転期間と改質器２０において暫定的な部分酸化改質（ＰＯＸ１）が行われている期間において、改質用空気及び発電用空気の供給量を共に変動させずに一定に保持することにより、燃料電池セル集合体１２の上端部の気流を安定させることができるため、確実な着火を確保することができる。
【００７８】
さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃焼運転期間と改質器２０において暫定的な部分酸化改質（ＰＯＸ１）が行われている期間における改質用空気の供給量が、発電用空気の供給量よりも少なく且つ安定的な部分酸化改質（ＰＯＸ２）に用いられる改質用空気の量よりも少ない量で保持され、発電用空気を多い状態に維持することにより、火移り性を維持することができる。また、特に、燃焼運転期間の着火タイミングの前後において、燃料ガスを増やした状態で改質用空気は減らして燃料ガスを濃くすることにより、着火性の悪い燃料電池セル集合体１２の上端部において確実な着火性を担保することができる。
【００７９】
なお、上述した本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）においては、一例として、燃焼運転期間からＳＲ１が行われる期間に亘って、発電用空気の供給量が所定の大風量（１００Ｌ／ｍｉｎ）で維持される起動処理について説明したが、このような起動処理に限定されず、他の起動処理についても適用可能である。
例えば、燃料ガスの供給量が増量される燃焼運転期間とＰＯＸ１期間の間において、他の期間よりも増量させた所定の大風量の発電用空気を一定量で供給することにより、火移り性を向上させて燃料電池セル集合体１２の上部での完全着火を確保することができるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１ 固体電解質型燃料電池
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
８ 密封空間
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
２４ 水供給源
２６ 純水タンク
２８ 水流量調整ユニット
３０ 燃料供給源
３８ 燃料流量調整ユニット
４０ 空気供給源
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
５０ 温水製造装置
５２ 制御ボックス
５４ インバータ
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部
１１２ 操作装置
１１４ 表示装置
１１６ 警報装置
１２６ 電力状態検出センサ
１４２ 発電室温度センサ
１５０ 外気温度センサ
１５２ 着火センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、
複数の固体電解質型の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、
燃料ガスを水蒸気改質して上記燃料電池セル集合体に供給する改質器と、
上記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
純水を生成して上記改質器に供給する水供給手段と、
上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、
上記燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、
上記改質器から燃料電池セル集合体の上部に至る燃料ガスを着火して燃焼させる着火手段と、
上記着火手段により着火させて燃料ガスを改質用空気により燃焼させる燃焼運転を行い、次に、改質器内に燃料ガスと改質用空気を供給して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）運転を行い、次に、改質器内に燃料ガス、空気、水を供給してオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）運転を行い、次に、改質器内に燃料ガスと水を供給して水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行う制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記着火手段による着火タイミングの前及び後を含む所定期間の間、燃料ガスの供給量を増量させてその状態を保持し、この所定期間経過後に燃料ガスの供給量を減量させるように上記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
更に、上記燃料電池セル集合体の着火状態を判定する着火判定手段を有し、上記所定期間は、着火タイミングの所定時間前から上記着火判定手段が着火状態を判定した後の所定期間までを含む請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
上記所定期間は、上記改質器内の温度が上記部分酸化改質反応（ＰＯＸ）運転が可能となる所定温度以上となるまでの期間を含む請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
上記制御手段は、上記発電用空気供給手段により所定の大風量で一定量の発電用空気を供給する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
上記制御手段は、少なくとも上記所定期間の間において、上記発電用空気供給手段により上記所定の大風量で一定量の発電用空気を供給する請求項４記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
上記制御手段は、上記燃焼運転の期間中は、上記改質用空気及び発電用空気の供給量を変動させずに一定に保持する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
上記改質用空気の供給量は、上記発電用空気の供給量よりも少なく且つＰＯＸ運転の期間の改質用空気の供給量よりも減量されている請求項６記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１】
燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、
複数の固体電解質型の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、
燃料ガスを水蒸気改質して上記燃料電池セル集合体に供給する改質器と、
上記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
純水を生成して上記改質器に供給する水供給手段と、
上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、
上記燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、
上記改質器から燃料電池セル集合体の上部に至る燃料ガスを着火して燃焼させる着火手段と、
上記着火手段により着火させて燃料ガスを改質用空気により燃焼させる燃焼運転を行い、次に、改質器内に燃料ガスと改質用空気を供給して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）運転を行い、次に、改質器内に燃料ガス、空気、水を供給してオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）運転を行い、次に、改質器内に燃料ガスと水を供給して水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行う制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記着火手段による着火タイミングの前及び後を含む所定期間の間、燃料ガスの供給量を増量させてその状態を保持し、この所定期間経過後に燃料ガスの供給量を減量させるように上記燃料ガス供給手段を制御することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
更に、上記燃料電池セル集合体の着火状態を判定する着火判定手段を有し、上記所定期間は、着火タイミングの所定時間前から上記着火判定手段が着火状態を判定した後の所定期間までを含む請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
上記所定期間は、上記改質器内の温度が上記部分酸化改質反応（ＰＯＸ）運転が可能となる所定温度以上となるまでの期間を含む請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
上記制御手段は、上記発電用空気供給手段により所定の大風量で一定量の発電用空気を供給する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
上記制御手段は、少なくとも上記所定期間の間において、上記発電用空気供給手段により上記所定の大風量で一定量の発電用空気を供給する請求項４記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
上記制御手段は、上記燃焼運転の期間中は、上記改質用空気及び発電用空気の供給量を変動させずに一定に保持する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
上記改質用空気の供給量は、上記発電用空気の供給量よりも少なく且つＰＯＸ運転の期間の改質用空気の供給量よりも減量されている請求項６記載の固体電解質型燃料電池。
【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２０１０−２７７８４３（Ｐ２０１０−２７７８４３Ａ）
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２９１６３（Ｐ２００９−１２９１６３）
【出願日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２８日（２００９．５．２８）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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