燃料電池システム
【課題】燃料電池セルが酸化することを防止し、且つ、起動当初に燃料電池セルやセルスタック全体に熱ムラが生じることを抑制すると共に、水蒸気改質反応から部分酸化改質反応へと円滑に効率よく移行することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】複数の燃料電池セルＣＥが配置された発電室ＦＣ１と、発電室ＦＣ１の上方に配設された燃焼室ＦＣ２と、発電モードの際に燃料ガスの水蒸気改質を行う水蒸気改質器ＲＦＳを有する燃料電池モジュールＦＣＭと、起動モードの際及び運転停止モードの際に燃料ガスの部分酸化改質を行う部分酸化改質器ＲＦＰとを有する燃料電池モジュールを備え、部分酸化改質器ＲＦＰは、発電室ＦＣ１、燃焼室ＦＣ２及び水蒸気改質器ＲＦＳが収容された容器の外部に配設されると共に、水蒸気改質器ＲＦＳの下流側に水蒸気改質器ＲＦＳと直列に配設されてなる燃料電池システムＦＣＳである。
【解決手段】複数の燃料電池セルＣＥが配置された発電室ＦＣ１と、発電室ＦＣ１の上方に配設された燃焼室ＦＣ２と、発電モードの際に燃料ガスの水蒸気改質を行う水蒸気改質器ＲＦＳを有する燃料電池モジュールＦＣＭと、起動モードの際及び運転停止モードの際に燃料ガスの部分酸化改質を行う部分酸化改質器ＲＦＰとを有する燃料電池モジュールを備え、部分酸化改質器ＲＦＰは、発電室ＦＣ１、燃焼室ＦＣ２及び水蒸気改質器ＲＦＳが収容された容器の外部に配設されると共に、水蒸気改質器ＲＦＳの下流側に水蒸気改質器ＲＦＳと直列に配設されてなる燃料電池システムＦＣＳである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルを含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池の一種として、固体電解質形燃料電池（以下、ＳＯＦＣともいう）がある。この燃料電池セルを含む燃料電池システムとしては、例えば、燃料電池セルを無底又は有底の筒形状等に構成し、その内側又は外側に水素を含む燃料ガスを通すと共に、反対側には酸化剤ガス（空気）を通すことで発電反応を行わせるものが知られている。前記燃料ガスの供給源としては、通常、都市ガス等の被改質ガスが使用されるため、改質器によって水蒸気改質反応（ＳＲ：Steam Reforming）を起こさせて水素リッチな燃料ガスを得ている。
【０００３】
このような燃料電池セルを含む燃料電池システムの運転に伴う問題として、起動当初（運転開始期）及び運転停止期における燃料電池セルの酸化が挙げられる。また、前記水蒸気改質反応（ＳＲ）は、吸熱反応であるから、燃料電池システムの起動当初において即座に水蒸気改質反応（ＳＲ）を行わせてしまうと、燃料電池モジュールの温度が上がらず、安定した運転温度まで上昇しないことも知られている。そこで、起動当初は、改質器に空気と被改質ガスのみを送り込み、発熱反応としての部分酸化改質反応（ＰＯＸ：Partial Oxidation Reforming）を行わせ、燃料電池セルの加熱が進み、発電温度である７００℃程度に達した際に水蒸気改質反応（ＳＲ）に切り替えて効率のよい発電を行わせ、運転停止期は、水蒸気改質反応（ＳＲ）から部分酸化改質反応（ＰＯＸ）に切り替えて、燃料電池セルの酸化防止を行う運転方法が行われている。（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２００５−２９３９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述した特許文献１に記載された燃料電池システムでは、起動当初に、部分酸化改質器で部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行わせ、水蒸気改質器の温度が改質温度に達した際に、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）から水蒸気改質反応（ＳＲ）に切り替えて、当該水蒸気改質器で効率のよい発電を行い、燃料電池システムを停止させる際は、水蒸気改質反応（ＳＲ）から部分酸化改質反応（ＰＯＸ）に切り替えて、部分酸化改質器で部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行わせている。
【０００６】
ところで、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は、約３００℃以上で行われるが、特許文献１に記載された燃料電池システムでは、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行う部分酸化改質器が燃料電池モジュール内に配設されていることから、水蒸気改質反応（ＳＲ）による効率のよい発電を行う発電モードから、燃料電池システムを停止させる運転停止モードに移行する際は、前記部分酸化改質器は、前記発電により生じる熱により部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行うことが可能な温度に保たれており、発電モードから運転停止モードに即座に移行させることができる。
【０００７】
一方、前記部分酸化改質器は、通常、起動開始から短時間で約３００℃以上に加熱されるが、燃料電池セルの発電温度領域は、約６５０℃以上、好ましくは７００℃以上であり、燃料電池セルの温度上昇速度は、部分酸化改質器の温度上昇速度に比べ非常に遅く、前記部分酸化改質器が３００℃以上になっても、燃料電池セルの温度が５０℃未満、あるいは室温程度であるのが通常である。
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池システムのように、燃料電池モジュール内に、水蒸気改質反応（ＳＲ）を行う水蒸気改質器と、部分酸化改質器の両者が配設され、部分酸化改質器に近接した位置に配設されている構成の場合、起動当初に部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行なわせるため、部分酸化改質器を加熱すると、燃料電池セルが昇温する前に、部分酸化改質器の温度が３００℃以上となり、燃料電池セルのうち、部分酸化改質器からの輻射熱を受ける領域が局所的に加熱されることになる。このため、燃料電池セルに高温の部分と低温の部分が生じ（熱ムラが生じ）、破損し易くなる虞がある。また、複数の燃料電池セルからなるセルスタック全体に着目すると、部分酸化改質器に近い位置に配置されている燃料電池セルの温度が高くなり、セルスタック全体にも局所的に高温部が偏在する温度分布が生じ、安定した運転が行えない虞がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、燃料電池セルを含む燃料電池システムにおいて、燃料電池セルが酸化することを防止することができると共に、発電モードから運転停止モードに移行する際に、水蒸気改質反応から部分酸化改質反応へと円滑に且つ効率よく移行することが可能であることに加え、起動当初に燃料電池セルやセルスタック全体に熱ムラが生じることを抑制することが可能である燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的を達成するため本発明は、固体電解質形の燃料電池セルを含む燃料電池システムであって、複数の燃料電池セルが配置された発電室と、前記発電室の上方に配設され且つ前記燃料電池セルによって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室の上方に配設され且つ発電時に燃料ガスの水蒸気改質を行う第１改質器と、前記燃料電池システムを起動させる起動モードの際及び前記発電を停止する運転停止モードの際に燃料ガスの部分酸化改質を行う第２改質器と、を有する燃料電池モジュールを備え、
前記第２改質器は、前記発電室、燃焼室を形成する容器の外部に配設されると共に、前記第１改質器の下流側に当該第１改質器と直列に配設されてなり、当該第１改質器から排出されたガスが通過可能である燃料電池システムを提供するものである。
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動モードの際及び運転停止モード（運転停止期）の際に燃料ガスの部分酸化改質を行う第２改質器が、前記発電室、燃焼室を形成する容器の外部に配設されているため、第２改質器の輻射熱が、前記容器内に配設されているセルに対し直接影響を及ぼすことがない。したがって、前記第２改質器が起動開始から短時間で部分酸化改質反応に適した温度（例えば、約３００℃）になり、この時点で、前記容器内に配設されているセルの温度が低温であっても、当該セルが前記第２改質器の輻射熱によって局所的に昇温することを防止でき、当該セルに熱ムラが生じることを抑制することができる。また、複数のセルからなるセルスタック全体に局所的な高温部が偏在する温度分布が生じることも防止することができる。そしてまた、本発明では、第１改質器は、燃焼室の上方に配設されており、当該燃焼室からの熱を効率よく受けることができるため、第１改質器の温度上昇を促進させることができる。さらにまた、第２改質器は、前記容器の外部に配設されているため、触媒交換を簡単に行うことができる。
【００１２】
ところで、前記容器の外部に配置された第２改質器は、前記容器の内部に配設されている場合に比べ、前記容器の内部から受ける熱の影響が少なく、発電時（発電モード）から運転停止モードに移行する際は、部分酸化改質反応に適した温度に達していない。したがって、発電モードから運転停止モードに移行させる際には、第２改質器を部分酸化改質反応に適した温度に昇温させる必要がある。本発明では、第２改質器が、第１改質器の下流側に当該第１改質器と直列に配設されており、当該第２改質器には、第１改質器から排出された高温のガスが通過可能であり、発電モードから運転停止モードに移行させる前に、第２改質器に第１改質器から排出された高温のガスを通過させることができるため、第２改質器を部分酸化改質反応に適した温度に予め昇温させ、当該第２改質器を待機させておくことができる。このため、発電モードから運転停止モードに効率よく円滑に移行させることができると共に、第２改質器を昇温させるための熱源を別途設ける必要がなく、経済的である。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第２改質器が圧損低減手段を備えた構成とすることができる。この構成により、第２改質器を流体（燃料ガス、空気、水蒸気等）が通過することによる圧損を低減させることができる。
【００１４】
前記圧損低減手段としては、例えば、前記第１改質器と第２改質器とを連通する配管から分岐され、当該第２改質器を迂回するバイパス管路が挙げられ、このバイパス管路は、前記発電モードの際に、前記第１改質器で改質された燃料ガスの流路となるよう構成することができる。この構成により、発電モードの際には、流体（燃料ガス、空気、水蒸気等）が第２改質器を通過せず、バイパス管路を通過することになるため、圧損をさらに低減させることができる。
【００１５】
さらにまた、前記圧損低減手段としてバイパス管路が配設されている構成の場合、前記第２改質器は、当該バイパス管路よりも前記容器から遠い位置に配設することができる。この構成により、発電モードから運転停止モードに移行させる前に、第２改質器を部分酸化改質反応に適した温度に予め昇温させておくことができることに加え、第２改質器から排出される流体（燃料ガス、空気、水蒸気等）が必要以上に昇温することを抑制でき、運転停止モードの際に、セルの冷却を効率よく行うことができる。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第２改質器が、燃料電池システムの起動モードの際に前記燃料ガスの部分酸化改質を行う起動用部分酸化改質器と、当該燃料電池システムの運転停止モードの際に前記燃料ガスの部分酸化改質を行う停止用部分酸化改質器とを備えた構成とすることもできる。このように構成することで、起動用部分酸化改質器は、起動モードの際に必要とされる最適な機能に特化させた構成とし、停止用部分酸化改質器は、運転停止モードの際に必要とされる最適な機能に特化させた構成とすることができ、起動モードから発電モードへの移行及び発電モードから運転停止モードへの移行をより円滑に行うことができる。また、発電モードから運転停止モードに移行させる前に部分酸化改質反応に適した温度に予め昇温させておきたい停止用部分酸化改質器のみを、前記第１改質器と直列に配設させればよいため、起動モードの際の圧損を低減させることもできる。
【００１７】
そしてまた、起動用部分酸化改質器と停止用部分酸化改質器を配設した構成の場合、前記停止用部分酸化改質器は、前記起動用部分酸化改質器よりも前記容器から遠い位置に配設することができる。ここで、前記第２改質器は、前記容器の近傍に配設される程、放熱を防止することができる。したがって、このように構成することで、前記利点に加え、起動モードの際には、前記起動用部分酸化改質器からの放熱を効率よく防止して、前記容器内の加熱を促進させることができ、運転停止モードの際は、発電モードから運転停止モードに移行させる前に、第２改質器を部分酸化改質反応に適した温度に予め昇温させておくことができることに加え、第２改質器から排出される流体（燃料ガス、空気、水蒸気等）が必要以上に昇温することを抑制でき、セルの冷却を効率よく行うことができる。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第２改質器の下流側に配設され、当該第２改質器と前記容器とを連通させる配管を複数有し、当該複数の配管のうち、前記容器から最も遠い位置に配設されている配管が放熱手段を備えた構成とすることもできる。このように構成することで、前記利点に加え、起動モードの際には、前記第２改質器と前記容器とを連通させる配管のうち、前記前記容器に近い位置に配設されている配管に流体（燃料ガス、空気、水蒸気等）を通過させることができる。ここで、この前記容器に近い位置に配設されている配管は、前述したように放熱が抑制されるため、高温の流体（燃料ガス、空気、水蒸気等）を前記容器内に供給することができ、前記容器内の加熱を効率よく行うことができる。一方、運転停止モードの際は、前記容器から最も遠い位置に配設されている配管に燃料ガス、空気、水蒸気等）を通過させることができるため、第２改質器から排出される流体（燃料ガス、空気、水蒸気等）の温度を下げることができるため、セルの冷却を効率よく行うことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料電池セルを含む燃料電池システムにおいて、燃料電池セルが酸化することを防止することができると共に、起動当初に燃料電池セルやセルスタック全体に熱ムラが生じることを抑制することが可能であり、且つ、運転停止の際に、水蒸気改質反応から部分酸化改質反応へと円滑に且つ効率よく移行することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの起動モードにおける各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。
【図４】図１に示す燃料電池システムの燃料電池モジュール付近の構成をさらに具体的に示す概略構成図である。
【図５】図１に示す燃料電池システムの発電モード終了直前から運転停止モードにおける各部の温度や各部に供給する流体流量を示すグラフである。
【図６】本発明の他の実施例に係る燃料電池システムの燃料電池モジュール付近の構成をさらに具体的に示す概略構成図である。
【図７】本発明の他の実施例に係る燃料電池システムの燃料電池モジュール付近の構成をさらに具体的に示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００２１】
次に、本発明の実施例に係る燃料電池システムについて図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施例は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施例にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【００２２】
図１は、本発明の実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。図１に示すように、本実施例に係る燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、補器ユニットＡＤＵと、貯水タンクＷＰ２と、温水製造装置ＨＷとを備えて構成されている。
【００２３】
燃料電池モジュールＦＣＭは、燃料電池ＦＣと、改質器ＲＦと、制御ボックスＣＢと、一酸化炭素検知器ＣＯＤと、可燃ガス検知器ＧＤ１とを備えている。燃料電池ＦＣは、固体電解質形の燃料電池（ＳＯＦＣ）であって、発電室ＦＣ１と、燃焼室ＦＣ２とを備えている。発電室ＦＣ１には複数本の燃料電池セルＣＥが配置されている。燃料電池セルＣＥは、電解質を挟んで燃料極と空気極とが設けられているものであって、燃料極側に燃料ガスを通し、空気極側に酸化剤ガスとしての空気を通すことで発電反応を起こすことができるように構成されている。
【００２４】
なお、本実施例に係る燃料電池ＦＣは、固体電解質形の燃料電池（ＳＯＦＣ）であるので、電解質を構成する材料としては、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といった酸素イオン導電性酸化物を用いている。
【００２５】
燃料極を構成する材料としては、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トとの混合体といった材料が用いられる。
【００２６】
空気極を構成する材料としては、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる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から選ばれる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から選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀といった材料が用いられる。もっとも、電解質や燃料極及び空気極を構成する材料はこれらに限られるものではない。
【００２７】
発電室ＦＣ１において発電された電気は、電力取出ラインＥＰ１によって発電電力として取り出されて利用される。燃焼室ＦＣ２は、発電室ＦＣ１に配置された燃料電池セルＣＥによって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる部分である。燃焼室ＦＣ２において燃料ガスが燃焼した結果生じる排気ガスは、改質器ＲＦと熱交換をした後に温水製造装置ＨＷへと供給される。温水製造装置ＨＷへと供給された排気ガスはさらに熱交換を行い、水道水を昇温して温水とした後に外部へと排出される。
【００２８】
改質器ＲＦは、例えば、都市ガス等の被改質ガスを改質して燃料ガスとし、燃料電池ＦＣの発電室ＦＣ１へと供給する部分である。被改質ガスの改質態様としては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ；Auto Thermal Reforming）、水蒸気改質反応（ＳＲ）があり、運転状況に応じて選択的に実行される（詳細は後述する）。改質器ＲＦは、改質部ＲＦ１と、蒸発部ＲＦ２とを備えている。なお、改質器ＲＦについての詳細は、後に詳述する。
【００２９】
蒸発部ＲＦ２は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を改質部ＲＦ１に供給する部分である。改質部ＲＦ１は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される被改質ガス、空気及び蒸発部ＲＦ２から供給される水蒸気を用いて被改質ガスを改質して燃料ガスとする部分である。改質部ＲＦ１には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にＮｉを付与したもの、アルミナの球体表面にＲｕを付与したもの、が適宜用いられる。本実施例の場合、これらの改質触媒は球体である。
【００３０】
制御ボックスＣＢは、燃料電池システム制御部をその内部に収納し、操作装置や表示装置、報知装置が設けられているものである。燃料電池システム制御部、操作装置、表示装置、報知装置については後述する。
【００３１】
一酸化炭素検知器ＣＯＤは、燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスの不完全燃焼が起きてしまい、一酸化炭素が燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。可燃ガス検知器ＧＤ１は、燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスが燃え残ってしまい、いわゆる生ガスが燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。
【００３２】
続いて、補器ユニットＡＤＵについて説明する。補器ユニットＡＤＵは、燃料電池モジュールＦＣＭに水、被改質ガス及び空気を供給するための補器を備えるユニットである。補器ユニットＡＤＵは、空気供給部として空気ブロワや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂ、及び電磁弁ＡＰ２と、燃料供給部として燃料ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＦＰ１、脱硫器ＦＰ２、ガス遮断弁ＦＰ４、及びガス遮断弁ＦＰ５と、水供給部として水ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＷＰ１と、可燃ガス検知器ＧＤ２と、を備えている。
【００３３】
外部の空気供給源から供給される空気は、電磁弁ＡＰ２が閉じていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給されず、電磁弁ＡＰ２が開いていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ａによって流量調整された空気は改質用空気として、ヒータＡＨ１によって昇温され、被改質ガスとの混合部ＭＶに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ｂによって流量調整された空気は発電用空気として、ヒータＡＨ２によって昇温され、発電室ＦＣ１に供給される。発電室ＦＣ１に供給された発電用空気は、燃料電池セルＣＥの空気極に供給され、燃料電池セルＣＥの発電に用いられる。
【００３４】
外部の燃料供給源から供給される都市ガスは、２連電磁弁であるガス遮断弁ＦＰ４及びガス遮断弁ＦＰ５によってその流入が制御される。ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５の両者が開いていれば、都市ガスは脱硫器ＦＰ２に供給され、ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５のいずれか一方が閉じていれば、都市ガスは遮断される。脱硫器ＦＰ２に供給された都市ガスは、硫黄成分を除去されて被改質ガスとなり、流量調整ユニットＦＰ１に供給される。流量調整ユニットＦＰ１によって流量調整された被改質ガスは、改質用空気との混合部ＭＶに供給される。混合部ＭＶにおいて混合された被改質ガスと改質用空気とは、改質器ＲＦに供給される。
【００３５】
外部の水供給源から供給される水道水は、純水とされてから貯水タンクＷＰ２に貯水される。貯水タンクＷＰ２に貯水されている純水は、流量調整ユニットＷＰ１によって流量が調整されて改質器ＲＦへと供給される。
【００３６】
可燃ガス検知器ＧＤ２は、燃料供給部としての系統であるガス遮断弁ＦＰ５、ガス遮断弁ＦＰ４、脱硫器ＦＰ２、流量調整ユニットＦＰ１において、ガス漏れが発生していわゆる生ガスが外部に放出されないか検知するためのセンサである。
【００３７】
次に、図２を参照しながら本実施例の燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成について説明する。図２は、燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成を示すブロック図である。図２に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、燃料電池モジュールＦＣＭに空気を供給する空気供給部ＡＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに燃料ガスとなる被改質ガスを供給する燃料供給部ＦＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに水を供給する水供給部ＷＰと、燃料電池モジュールＦＣＭから電力を取り出す電力取出部ＥＰとを備えている。空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは補器ユニットＡＤＵに収められている。
【００３８】
燃料電池モジュールＦＣＭ、空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池システム制御部ＣＳから出力される制御信号に基づいて制御される。燃料電池システム制御部ＣＳは、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭといったメモリ、及び制御信号やセンサ信号を授受するためのインターフェイスによって構成されている。燃料電池システム制御部ＣＳには、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３が取り付けられている。操作装置ＣＳ１から入力される操作指示信号は、燃料電池システム制御部ＣＳに出力され、燃料電池システム制御部ＣＳは、その操作指示信号に基づいて、燃料電池モジュールＦＣＭ等を制御する。燃料電池システム制御部ＣＳが制御した情報や、所定の警告情報は、表示装置ＣＳ２及び報知装置ＣＳ３に出力される。操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３の具体的なハードウェア構成は特に限定されるものではなく、必要となる機能に応じて最適なハードウェア構成が選択される。一例としては、操作装置ＣＳ１として、キーボード、マウス、タッチパネルといったハードウェアが用いられる。表示装置ＣＳ２としては、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイといった表示系のハードウェアが用いられる。報知装置ＣＳ３としては、スピーカー、点灯器といったハードウェアが用いられる。燃料電池システム制御部ＣＳ、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、報知装置ＣＳ３は、制御ボックスＣＢに収められている。
【００３９】
燃料電池システム制御部ＣＳには、燃料電池システムＦＣＳの各所に設けられたセンサからセンサ信号が出力される。燃料電池システム制御部ＣＳに信号を出力するセンサとしては、改質器温度センサＤＳ１、スタック温度センサＤＳ２、排気温度センサＤＳ３、改質器内圧力センサＤＳ４、水位センサＤＳ５、水流量センサＤＳ６、燃料流量センサＤＳ７、改質用空気流量センサＤＳ８、発電用空気流量センサＤＳ９、電力状態検出部ＤＳ１０、貯湯状態検出センサＤＳ１１、一酸化炭素検出センサＤＳ１２、可燃ガス検出センサＤＳ１３が設けられている。
【００４０】
改質器温度センサＤＳ１は、改質器ＲＦの温度を測定するためのセンサであって、本実施例の場合は２つ設けられている。スタック温度センサＤＳ２は、発電室ＦＣ１に配置されている燃料電池セルＣＥの温度を測定するためのセンサであって、複数の燃料電池セルＣＥからなる燃料電池セルスタック近傍に配置されている。排気温度センサＤＳ３は、燃焼室ＦＣ２から排出される排気ガスの温度を測定するためのセンサであって、燃焼室ＦＣ２から改質器ＲＦ近傍を通って温水製造装置ＨＷに至る経路に配置されている。改質器内圧力センサＤＳ４は、改質器ＲＦ内の圧力を測定するためのセンサである。なお、ここでは改質器ＲＦ内の圧力をセンサで測定するようにしているが、改質器ＲＦの前段で燃料と水が混合される部分の圧力を検出するものであってもよい。
【００４１】
水位センサＤＳ５は、貯水タンクＷＰ２の水位を測定するためのセンサであって、本実施例の場合は４つ設けられている。水流量センサＤＳ６は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される純水の流量を測定するためのセンサである。燃料流量センサＤＳ７は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される被改質ガスの流量を測定するためのセンサである。改質用空気流量センサＤＳ８は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される改質用空気の流量を測定するためのセンサである。発電用空気流量センサＤＳ９は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される発電用空気の流量を測定するためのセンサである。
【００４２】
電力状態検出部ＤＳ１０は、センシング手段の集合体であって、燃料電池モジュールＦＣＭから取り出す発電電力の状態を検出する部分である。貯湯状態検出センサＤＳ１１は、センシング手段の集合体であって、温水製造装置ＨＷの貯湯状態を検出する部分である。
【００４３】
一酸化炭素検出センサＤＳ１２は、一酸化炭素検知器ＣＯＤに備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ内における一酸化炭素の発生を検出するセンサである。可燃ガス検出センサＤＳ１３は、可燃ガス検知器ＧＤ１、ＧＤ２に備えられているセンサであって、可燃ガス検知器ＧＤ１においては、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスが燃え残ってしまい、いわゆる生ガスが排気ガスとして外部に放出されないか検知し、可燃ガス検知器ＧＤ２においては、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵ内における可燃ガスの漏洩を検出するセンサである。
【００４４】
続いて、燃料電池システムＦＣＳの起動時（起動モード）における各種改質反応の切り替えについて図３を参照しながら説明する。図３は、燃料電池システムＦＣＳの起動モードにおける各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。
【００４５】
本実施例における燃料電池システムＦＣＳの起動モードにおいては、燃焼運転と、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）と、第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）と、水蒸気改質反応（ＳＲ）とを順次切り替えながら改質反応を進行している。図３を説明するのに先立って、各改質反応について説明する。
【００４６】
部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は、改質器ＳＲに被改質ガスと空気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（１）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
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高く、燃料電池システムＦＣＳの起動当初において好適な改質反応である。但し、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は、水素収率が理論上少なく、発熱反応を制御するのも難しいことから、燃料電池モジュールＦＣＭへ熱供給が必要な起動当初においてのみ利用されるのが好ましい改質反応である。なお、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）のみに着目すれば、空間速度を高く設定するので、例えば改質器ＲＦを分割形成して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）専用の改質器を設ける場合には、その専用の改質器を小型化することができる。
【００４７】
水蒸気改質反応（ＳＲ）は、改質器ＳＲに被改質ガスと水蒸気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（２）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
水蒸気改質反応（ＳＲ）は、水素収率が最も高く、高効率な反応である。ただし、水蒸気改質反応（ＳＲ）は、吸熱反応であるので熱源が必要であり、燃料電池システムＦＣＳの起動当初よりはある程度温度が上昇した段階において好適な改質反応である。なお、水蒸気改質反応（ＳＲ）のみに着目すれば、空間速度を低く設定するので、改質器ＲＦが大型化する傾向にある。
【００４８】
第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）と第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）とからなるオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）とが併用された改質反応であって、改質器ＲＦに被改質ガスと空気と水蒸気とを供給して行われる改質反応であり、化学反応式（３）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、水素収率が部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）との併用であり、反応熱のバランスが取りやすく、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）とを繋ぐ反応として好適な改質反応である。本実施例の場合は、水を少なく供給して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）により近い第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）を先に行い、温度が上昇した後に水を増やすように供給して水蒸気改質反応（ＳＲ）により近い第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）を後に行っている。
【００４９】
次に、燃料電池システムＦＣＳの起動モードについて説明する。図３は、横軸に起動開始後の経過時間を取り、左縦軸には各部の温度を取っている。制御電圧であるため特段の目盛りは付していないが、改質用空気を供給するための流量調整ユニットＡＰ１ａに含まれる改質用空気ブロワの制御電圧、発電用空気を供給するための流量調整ユニットＡＰ１ｂに含まれる発電用空気ブロワの制御電圧、被改質ガスを供給するための流量調整ユニットＦＰ１に含まれる燃料ポンプの制御電圧、及び純水を供給するための流量調整ユニットＷＰ１に含まれる水ポンプの制御電圧は、図中上方に行くほど電圧が高くなる（供給量が増える）ように示している。図３には、改質器ＲＦの温度、燃料電池セルＣＥのスタック温度、燃焼室ＦＣ２の温度（改質器ＲＦの温度等から推定している）、流量調整ユニットＡＰ１ａに含まれる改質用空気ブロワの制御電圧、流量調整ユニットＡＰ１ｂに含まれる発電用空気ブロワの制御電圧、流量調整ユニットＦＰ２に含まれる燃料ポンプの制御電圧、流量調整ユニットＷＰ１に含まれる水ポンプの制御電圧を示している。
【００５０】
まず、改質用空気を増やすように流量調整ユニットＡＰ１ａ、電磁弁ＡＰ２、ヒータＡＨ１、及び混合部ＭＶを制御し、改質器ＲＦに空気を供給する。また、被改質ガスの供給を増やすように流量調整ユニットＦＰ１、ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５、及び混合部ＭＶを制御し、改質器ＲＦに被改質ガスを供給する。このように、空気と被改質ガスを供給し、イグナイタによって着火して燃焼運転を実行する。また、燃焼運転の実行は、燃焼室ＦＣ２の温度を上昇させて、空気と被改質ガスを自然着火させることで行ってもよい。なお、発電室ＦＣ１上方の燃焼室ＦＣ２においては、改質器ＲＦを通過した燃料ガスと発電用空気とが混合して燃焼しており、燃焼室ＦＣ２の温度が徐々に上昇する。
【００５１】
続いて、改質器ＲＦの温度が約３００℃程度になった際に、改質器ＲＦが部分酸化改質反応運転（ＰＯＸ運転）可能な状態になることから、改質器ＲＦが３００℃前後になった時に成行きで部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が進行する。部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は発熱反応なので、各部の温度が上昇する。部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を開始してから所定時間が経過した後、改質用空気の供給量をさらに増やして部分酸化改質反応（ＰＯＸ）をより進行させる。
【００５２】
続いて、改質器ＲＦの温度が約６００℃以上になり、且つ燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度が約２５０℃を超えたことを条件として、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１へと移行させる。第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１では、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量を減らし、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量はそのまま維持し、極微量な純水を改質器ＲＦに供給する。オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、部分酸化改質反応（ＡＴＲ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）とを混合した反応であって、熱的に内部バランスが取れるので改質器ＲＦ内では熱自立しながら反応が進行する。また、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）は、空気が比較的多く部分酸化改質反応（ＰＯＸ）に近い反応であり、発熱が支配的な反応となっている。なお、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）中において、燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度は約２５０〜約４００℃である。
【００５３】
続いて、改質器ＲＦの温度が６００℃以上となり、且つ燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度が約４００℃を超えたことを条件として、第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）へと移行させる。第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）では、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量を減らし、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量も減らし、微量な純水を改質器ＲＦに供給する。第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）は、空気が比較的少なく水が多いため水蒸気改質反応（ＳＲ）に近い反応であり、吸熱が支配的な反応となっている。しかしながら、発電室ＦＣ１内の温度を示すセルスタック温度が約４００℃を超えているため、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を招くことはない。なお、第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）中における蒸発部ＲＦ２の温度は約１００℃以上である。
【００５４】
続いて、改質器ＲＦの温度が６５０℃以上となり、且つ燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度が約６００℃を超えたことを条件として、水蒸気改質反応（ＳＲ）へと移行させる。水蒸気改質反応（ＳＲ）では、改質器ＲＦに供給する改質用空気は遮断し、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量を減らし、所定量の純水を改質器ＲＦに供給する。この水蒸気改質反応（ＳＲ）は、吸熱反応であるので、燃焼室ＦＣ２からの燃焼熱による熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、既に起動の最終段階であるため、発電室ＦＣ１内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応を主体としても大幅な温度低下を招くことはない。また水蒸気改質反応（ＳＲ）が進行しても燃焼室ＦＣ２では継続して燃焼反応が持続する。
【００５５】
上述したように着火から燃焼工程の進行に合わせて改質工程を切り替えていくことで、発電室ＦＣ１内の温度が徐々に上昇する。発電室ＦＣ１の温度（セルスタックの温度）が、燃料電池モジュールＦＣＭを安定的に作動させる定格温度（約７００℃）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ＦＣＭを含む電気回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュールＦＣＭは発電を開始し、回路に電流が流れて外部に電力を供給することができる。燃料電池セルＣＥの発電により、燃料電池セルＣＥ自体も発熱し、更に、燃料電池セルＣＥの温度が上昇する。その結果、燃料電池モジュールＦＣＭを作動させる定格温度、例えば７００〜８００℃になる。
【００５６】
その後、定格温度を維持するために、燃料電池セルＣＥで消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い量の燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室ＦＣ２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。水蒸気改質反応（ＳＲ）自体は、厳密には４００〜８００℃程度で行われるが、燃料電池セルＣＥとの組み合わせにおいては５００〜７００℃程度で反応が進行する。
【００５７】
次に、図４を参照して、本実施例に係る燃料電池モジュールについてさらに詳細に説明する。図４は、本実施例に係る燃料電池モジュール付近の構成をさらに具体的に示す概略構成図である。
【００５８】
図４に示すように、本実施例に係る燃料電池モジュールＦＣＭは、発電室ＦＣ１と、分散室ＤＢと、燃焼室ＦＣ２と、水蒸気改質器ＲＦＳと、予熱器ＰＨと、蒸発部ＲＦ２と、部分酸化改質器ＲＦＰとを備えており、発電室ＦＣ１と、分散室ＤＢと、燃焼室ＦＣ２と、水蒸気改質器ＲＦＳと、予熱器ＰＨと、蒸発部ＲＦ２は同一の容器Ｃ内に収容されており、部分酸化改質器ＲＦＰは、容器Ｃの外部に配設されている。
【００５９】
分散室ＤＢは、発電室ＦＣ１の下部に配設されている。この分散室ＤＢは、改質器ＲＦで改質された燃料ガスを分散させ、発電室ＦＣ１内に燃料ガスを均一に供給するためのものであり、その上壁には、燃料ガスを発電室ＦＣ１内に供給する複数の穴（図示せず）が貫通形成されている。また、分散室ＤＢの底面には、後に詳述する部分酸化改質器ＲＦＰから供給される燃料ガスを分散室ＤＢ内に導入するための導入穴（図示せず）が貫通形成されている。これにより、分散室ＤＢの底面側（下側）から導入された燃料ガスは、ここで分散され、発電室ＦＣ１の底面側（下側）から発電室ＦＣ１内に導入され、図１及び図４に示すように、発電室ＦＣ１内に立設された燃料電池セルＣＥの燃料極に供給される。なお、容器Ｃの側壁外面と底面の外面には、断熱材ＨＩが配設されている。
【００６０】
改質器ＲＦは、前述したように、改質部ＲＦ１と、蒸発部ＲＦ２とを備えており、改質部ＲＦ１は、さらに燃料ガスの水蒸気改質を行う水蒸気改質器ＲＦＳと、燃料ガスの部分酸化改質を行う部分酸化改質器ＲＦＰとから構成されている。
【００６１】
水蒸気改質器ＲＦＳは、燃焼室ＦＣ２の上部に配設されている。水蒸気改質器ＲＦＳの上部には、予熱器ＰＨが配設されており、水蒸気改質器ＲＦＳに供給される純水及び被改質ガスは、予熱器ＰＨを介して水蒸気改質器ＲＦＳに供給される。なお、蒸発部ＲＦ２は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を水蒸気改質器ＲＦＳに供給する。この水蒸気改質器ＲＦＳは、容器Ｃ内に配設されており、且つ同じ容器Ｃ内に配設された燃焼室ＦＣ２の上方に配設されているため、燃焼室ＦＣ２で生じる熱を用いて吸熱反応を効率よく行うことができる。
【００６２】
部分酸化改質器ＲＦＰは、容器Ｃの外部下方に配設されている。この部分酸化改質器ＲＦＰは、水蒸気改質器ＲＦＳと直列に配設されており、且つ水蒸気改質器ＲＦＳの下流側に位置している。即ち、部分酸化改質器ＲＦＰは、水蒸気改質器ＲＦＳで改質された燃料ガスが流通する配管ＰＰ１に連通し、水蒸気改質器ＲＦＳで改質された燃料ガスが通過可能となっている。また、部分酸化改質器ＲＦＰには、配管ＰＰ１を介して被改質ガス、空気、純水が供給されるようになっている。そして、部分酸化改質器ＲＦＰで改質された燃料ガスは、配管ＰＰ２を介して分散室ＤＢの底面に形成された図示しない導入穴から分散室ＤＢに供給されるようになっている。なお、部分酸化改質器ＲＦＰは、起動モードの際と、後に詳述する運転停止モードの際に、被改質ガスに部分酸化改質を行うが、水を必要としない部分酸化改質反応（ＰＯＸ）時には、燃料電池システム制御部ＣＳによって、部分酸化改質器ＲＦＰに純水が供給されないように制御される。
【００６３】
ここで、図３に示すように、部分酸化改質器ＲＦＰは起動モードにおいて、着火から約１０分程度で約３００℃となり、この時点では、セルスタックの温度は、約１００℃程度であり、両者には大幅な温度差が生じている。この時、従来の燃料電池システムのように、部分酸化改質器ＲＦＰが容器Ｃ内に配設されていると、部分酸化改質器ＲＦＰの輻射熱により燃料電池セルＣＥが局所的に加熱され、燃料電池セルＣＥに熱ムラが生じて破損し易くなる。また、セルスタック全体に、局所的な高温部が偏在する温度分布が生じ、発電効率が低下する虞もある。これに対し、本実施例では、部分酸化改質器ＲＦＰを容器Ｃの外側下方（分散室ＤＢの底面の外面）に配設したため、起動モードの際に、部分酸化改質器ＲＦＰの輻射熱により燃料電池セルＣＥが局所的に加熱されることを防止することができると共に、セルスタック全体にも局所的な高温部が偏在する温度分布が生じることを防止することができる。そしてまた、容器Ｃの側壁外面と底面の外面には、断熱材ＨＩが配設されているため、起動モードの際に、部分酸化改質器ＲＦＰの輻射熱により燃料電池セルＣＥ及びセルスタック全体が影響を受けることをさらに防止することができる。
【００６４】
また、配管ＰＰ１の被改質ガス、空気、純水が供給される位置より下流側には、配管ＰＰ１から分岐され、部分酸化改質器ＲＦＰを迂回するバイパス管路を構成する分岐管ＰＰ３が配設されている。なお、本実施例では、部分酸化改質器ＲＦＰは、分岐管ＰＰ３よりも容器Ｃから遠い位置に配設されており、その下流端は、配管ＰＰ２に連通（合流）されている。配管ＰＰ１と分岐管ＰＰ３との分岐点には、流体の流路を切り替える切替弁ＣＮＧが配設されており、燃料電池システム制御部ＣＳから出力される制御信号に基づいてこの切替弁ＣＮＧを切り替えることで、流体の流路を変更している。
【００６５】
具体的には、起動モードの際は、配管ＰＰ１と部分酸化改質器ＲＦＰとが流通するように切替弁ＣＮＧを切り替え、容器Ｃ内に部分酸化改質器ＲＦＰで改質された燃料ガスが供給されるようにし、発電モードの際は、配管ＰＰ１と分岐管ＰＰ３とが流通するように切替弁ＣＮＧを切り替え、水蒸気改質器ＲＦＳで改質された燃料ガスが部分酸化改質器ＲＦＰを通らずに、分岐管ＰＰ３を介して容器Ｃ内に供給されるようにする。したがって、発電モードの際に、水蒸気改質器ＲＦＳで改質された燃料ガスが部分酸化改質器ＲＦＰを通過する場合に比べ、圧損を低減することができる。即ち、分岐管ＰＰ３（バイパス管路）は、圧損低減手段として機能する。
【００６６】
また、発電モードから運転停止モードに移行する際は、この移行を行う所定時間前に、その準備段階として、配管ＰＰ１と部分酸化改質器ＲＦＰとが流通するように切替弁ＣＮＧを切り替え、水蒸気改質器ＲＦＳで改質された燃料ガスが部分酸化改質器ＲＦＰを通過するようにし、部分酸化改質器ＲＦＰを通過した燃料ガス（水蒸気改質された燃料ガス）が容器Ｃ内に供給されるようにする。この時、部分酸化改質器ＲＦＰでは、まだ部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は行わず、水蒸気改質された燃料ガスが通過するのみであり、この水蒸気改質された燃料ガスによって部分酸化改質器ＲＦＰの温度を部分酸化改質反応（ＰＯＸ）に適した温度に上昇させる。これにより、部分酸化改質器ＲＦＰは、発電モードから運転停止モードに移行する際に、即座に部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を開始することができる状態となる。
【００６７】
次に、燃料電池システムＦＣＳの発電モードから運転停止モードに移行した際の各種改質反応の切り替えについて図５を参照しながら説明する。図５は、燃料電池システムＦＣＳの発電モード終了直前から運転停止モードにおける各部の温度や各部に供給する流体流量を示すグラフである。なお、図５は、横軸に運転停止モードの経過時間を取り、左縦軸には各部に供給する流体流量を取っている。流体流量であるため特段の目盛りは付していないが、図中上方に行くほど流量が増えるように示している。
【００６８】
図５には、部分酸化改質器ＲＦＰの温度、燃料電池セルＣＥのスタック温度、水蒸気改質器ＲＦＳへ供給する純水の流量、水蒸気改質器ＲＦＳへ供給する燃料ガスの流量、部分酸化改質器ＲＦＰへ供給する空気の流量、部分酸化改質器ＲＦＰへ供給する純水の流量、部分酸化改質器ＲＦＰへ供給する燃料ガスの流量、及び燃料電池ＦＣの発電電流量を示している。
【００６９】
先ず、発電モードから運転停止モードに移行する前の準備段階として、発電モード終了時から所定時間前に、配管ＰＰ１と部分酸化改質器ＲＦＰとが流通するように切替弁ＣＮＧを切り替え、水蒸気改質器ＲＦＳで改質された燃料ガスを部分酸化改質器ＲＦＰに通過させる。この動作により、部分酸化改質器ＲＦＰの温度は、図５に示すように、水蒸気改質器ＲＦＳで改質された高温の燃料ガスの通過に伴って約３００℃から約５００℃に上昇し、即座に部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を開始することができる状態となる。
【００７０】
次に、水蒸気改質反応（ＳＲ）から部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を含む反応に移行するため、流量調整ユニットＷＰ１を制御し、水蒸気改質器ＲＦＳへの純水流量を減少させる。また、水蒸気改質器ＲＦＳへ供給する被改質ガスの流量を減少させるように流量調整ユニットＦＰ１、ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５、及び混合部ＭＶを制御する。さらに、発電室ＦＣ１に供給する発電用空気の流量を減少させるように流量調整ユニットＡＰ１が制御される。燃料電池ＦＣによる発電電流は、水蒸気改質器ＲＦＳへの純水流量及び燃料ガス流量の減少に伴って減少する。なお、前記準備段階により、部分酸化改質器ＲＦＰは約５００℃となっているが、この時点では、燃料電池セルＣＥが部分酸化改質器ＲＦＰよりも高温になっているため、部分酸化改質器ＲＦＰの温度によって、燃料電池セルＣＥが局所的に高温になることはない。また、前述したように、部分酸化改質器ＲＦＰは、分岐管ＰＰ３よりも容器Ｃから遠い位置に配設されているため、部分酸化改質器ＲＦＰから排出される流体（燃料ガス、空気、水蒸気等）が必要以上に昇温することを抑制でき、燃料電池セルの冷却を効率よく行うことができる。
【００７１】
次に、水蒸気改質器ＲＦＳへの純水流量及び燃料ガス流量が所定量となり、この状態で所定時間が経過し、且つ発電室ＦＣ１に供給する発電用空気の流量が所定量になったことを条件として、部分酸化改質器ＲＦＰに微量な純水を供給し、次いで、所定量の燃料ガス及び改質用空気を供給し、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を含む反応を行わせる。なお、図５に示すように、部分酸化改質器ＲＦＰへの純水、燃料ガス、改質用空気の供給初期には、水蒸気改質器ＲＦＳへの純水及び燃料ガスの供給が継続して行われているが、水蒸気改質器ＲＦＳへの純水及び燃料ガスの供給は、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を含む反応がある程度進んだ時点で停止される。この部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を含む反応時には、発電室ＦＣ１に約３００℃の発電用空気が供給されるため、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を含む反応の当初に９５０℃程度まで昇温されていたセルスタックは、主にこの発電用空気によって冷却され、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を含む反応は、セルスタック温度が約３００℃になるまで行われる。また、このように、燃料電池セルＣＥが酸化し易いセル酸化温度領域に部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を含む反応を行わせることで、燃料電池セルＣＥの酸化を防止することができる。
【００７２】
セルスタックの温度が、約３００℃になったことを条件として、部分酸化改質器ＲＦＰに対する空気の供給を停止し、次いで、燃料ガスの供給、純水の供給を順に停止する。この動作に伴って、セルスタック温度が徐々に低下し、部分酸化改質器ＲＦＰの温度は、燃料ガスの供給が停止された時点から低下し、１００℃以下となる。セルスタックの温度及び部分酸化改質器ＲＦＰの温度が１００℃以下になってから所定時間経過後、発電用空気の供給を停止する。
【００７３】
なお、本実施例では、発電モード中に切替弁ＣＮＧを切り替えていたが、これに限らず、切替弁ＣＮＧは、発電が終了した直後に切り替えてもよい。発電終了直後では燃焼室ＦＣ２の熱がまだ高く、水蒸気改質器ＲＦＳがその熱を受けることができるため、上記実施例同様に部分酸化改質器ＲＦＰの温度を部分酸化改質反応（ＰＯＸ）の温度に適した温度に上昇させることができる。また、その際には、さらに緊急停止時における燃料電池セルの酸化防止に寄与することができる。
【００７４】
なお、本実施例では、配管ＰＰ１の下流側を分岐させて、部分酸化改質器ＲＦＰを迂回する分岐管ＰＰ３（バイパス管路）を配設した場合について説明したが、これに限らず、部分酸化改質器ＲＦＰが、容器Ｃの外部に配設されると共に、水蒸気改質器ＲＦＳの下流側に、水蒸気改質器ＲＦＳと直列に配設されていれば、分岐管ＰＰ３は必ずしも配設しなくてもよい。
【００７５】
また、本発明に係る燃料電池システムＦＣＳは、例えば、図６に示すように、容器Ｃ内の外部に配設した部分酸化改質器ＲＦＰを、起動モードの際に部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行う起動用部分酸化改質器ＲＦＰ１と、運転停止モードの際に部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行う停止用部分酸化改質器ＲＦＰ２とから構成してもよい。図６に示す構成では、停止用部分酸化改質器ＲＦＰ２が、配管ＰＰ１を介して水蒸気改質器ＲＦＳと直列に配設されているため、発電モードから運転停止モードに移行させる前に、水蒸気改質器ＲＦＳで昇温された燃料ガスを停止用部分酸化改質器ＲＦＰ２に導入し、停止用部分酸化改質器ＲＦＰ２を部分酸化改質反応に適した温度に予め昇温させておくことができ、発電モードから運転停止モードに効率よく円滑に移行させることができる。なお、起動用部分酸化改質器ＲＦＰ１には、配管ＰＰ４を介して、空気、燃料ガス、純水が供給される。
【００７６】
また、図６に示す構成では、停止用部分酸化改質器ＲＦＰ２を、起動用部分酸化改質器ＲＦＰ１よりも容器Ｃ内から遠い位置に配設している。この構成により、起動モードの際には、起動用部分酸化改質器ＲＦＰ１からの放熱を効率よく防止して、容器Ｃ内の加熱を促進させ、運転停止モードの際は、容器Ｃ内に、起動モードの際よりも低温の流体を供給することができるため、燃料電池セルＣＥをさらに効率よく冷却させることができる。
【００７７】
そしてまた、本発明に係る燃料電池システムＦＣＳは、例えば、図７に示すように、部分酸化改質器ＲＦＰの下流側に、部分酸化改質器ＲＦＰと容器Ｃとを連通させる複数（図７に示す構成では２つ）の配管ＰＰ５及びＰＰ６を配設し、切替弁ＣＮＧを切り替えることによって、部分酸化改質器ＲＦＰから配管ＰＰ５を通って容器Ｃ内に到達する流路と、部分酸化改質器ＲＦＰから配管ＰＰ６を通って容器Ｃ内に到達する流路を選択するようにしてもよい。図７に示す構成の場合、配管ＰＰ６が配管ＰＰ５よりも容器Ｃから遠い位置に配設されているため、配管ＰＰ６の流路の長さは、配管ＰＰ５の流路の長さよりも長く構成されるため、配管ＰＰ６の方が配管ＰＰ５よりも放熱し易い構成、即ち、配管ＰＰ６が放熱手段を備えた構成となる。したがって、容器Ｃ内の加熱を促進させたい起動モードの際には、部分酸化改質器ＲＦＰから排出された流体が、放熱の少ない配管ＰＰ５を介して容器Ｃ内に供給されるように、燃料電池システム制御部ＣＳによって切替弁ＣＮＧを切り替え、燃料電池セルＣＥを効率よく冷却させたい運転停止モードの際は、部分酸化改質器ＲＦＰから排出された流体が配管ＰＰ６で放熱されて容器Ｃ内に供給されるように、燃料電池システム制御部ＣＳによって切替弁ＣＮＧを切り替えることで、燃料電池システムＦＣＳの効率を向上することができる。
【００７８】
なお、図７に示す構成では、配管ＰＰ６の長さを配管ＰＰ５よりも長くすることで配管ＰＰ６からの放熱量を大きくし、これを放熱手段とした場合について説明したが、これに限らず、例えば、容器Ｃから最も遠い位置に配設されている配管（図７では配管ＰＰ６）を構成する材料の熱伝導率を高くする等、容器Ｃから最も遠い位置に配設されている配管に他の放熱手段を配設してもよい。
【符号の説明】
【００７９】
ＡＤＵ：補器ユニット
Ｃ：容器
ＣＥ：燃料電池セル
ＣＳ：燃料電池システム制御部
ＤＢ：分散室
ＦＣ：燃料電池
ＦＣ１：発電室
ＦＣ２：燃焼室
ＦＣＭ：燃料電池モジュール
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＦＰ：燃料供給部
ＦＰ４、ＦＰ５、ＦＰ６、ＦＰ７：ガス遮断弁
ＨＩ：断熱材
ＰＯＸ：部分酸化改質反応
ＰＰ１〜ＰＰ６：配管
ＲＦ：改質器
ＲＦ１：改質部
ＲＦ２：蒸発部
ＲＦＰ：部分酸化改質器
ＲＦＰ１：起動用部分酸化改質器
ＲＦＰ２：停止用部分酸化改質器
ＲＦＳ：水蒸気改質器
ＳＲ：水蒸気改質反応
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルを含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池の一種として、固体電解質形燃料電池（以下、ＳＯＦＣともいう）がある。この燃料電池セルを含む燃料電池システムとしては、例えば、燃料電池セルを無底又は有底の筒形状等に構成し、その内側又は外側に水素を含む燃料ガスを通すと共に、反対側には酸化剤ガス（空気）を通すことで発電反応を行わせるものが知られている。前記燃料ガスの供給源としては、通常、都市ガス等の被改質ガスが使用されるため、改質器によって水蒸気改質反応（ＳＲ：Steam Reforming）を起こさせて水素リッチな燃料ガスを得ている。
【０００３】
このような燃料電池セルを含む燃料電池システムの運転に伴う問題として、起動当初（運転開始期）及び運転停止期における燃料電池セルの酸化が挙げられる。また、前記水蒸気改質反応（ＳＲ）は、吸熱反応であるから、燃料電池システムの起動当初において即座に水蒸気改質反応（ＳＲ）を行わせてしまうと、燃料電池モジュールの温度が上がらず、安定した運転温度まで上昇しないことも知られている。そこで、起動当初は、改質器に空気と被改質ガスのみを送り込み、発熱反応としての部分酸化改質反応（ＰＯＸ：Partial Oxidation Reforming）を行わせ、燃料電池セルの加熱が進み、発電温度である７００℃程度に達した際に水蒸気改質反応（ＳＲ）に切り替えて効率のよい発電を行わせ、運転停止期は、水蒸気改質反応（ＳＲ）から部分酸化改質反応（ＰＯＸ）に切り替えて、燃料電池セルの酸化防止を行う運転方法が行われている。（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２００５−２９３９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述した特許文献１に記載された燃料電池システムでは、起動当初に、部分酸化改質器で部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行わせ、水蒸気改質器の温度が改質温度に達した際に、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）から水蒸気改質反応（ＳＲ）に切り替えて、当該水蒸気改質器で効率のよい発電を行い、燃料電池システムを停止させる際は、水蒸気改質反応（ＳＲ）から部分酸化改質反応（ＰＯＸ）に切り替えて、部分酸化改質器で部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行わせている。
【０００６】
ところで、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は、約３００℃以上で行われるが、特許文献１に記載された燃料電池システムでは、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行う部分酸化改質器が燃料電池モジュール内に配設されていることから、水蒸気改質反応（ＳＲ）による効率のよい発電を行う発電モードから、燃料電池システムを停止させる運転停止モードに移行する際は、前記部分酸化改質器は、前記発電により生じる熱により部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行うことが可能な温度に保たれており、発電モードから運転停止モードに即座に移行させることができる。
【０００７】
一方、前記部分酸化改質器は、通常、起動開始から短時間で約３００℃以上に加熱されるが、燃料電池セルの発電温度領域は、約６５０℃以上、好ましくは７００℃以上であり、燃料電池セルの温度上昇速度は、部分酸化改質器の温度上昇速度に比べ非常に遅く、前記部分酸化改質器が３００℃以上になっても、燃料電池セルの温度が５０℃未満、あるいは室温程度であるのが通常である。
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池システムのように、燃料電池モジュール内に、水蒸気改質反応（ＳＲ）を行う水蒸気改質器と、部分酸化改質器の両者が配設され、部分酸化改質器に近接した位置に配設されている構成の場合、起動当初に部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行なわせるため、部分酸化改質器を加熱すると、燃料電池セルが昇温する前に、部分酸化改質器の温度が３００℃以上となり、燃料電池セルのうち、部分酸化改質器からの輻射熱を受ける領域が局所的に加熱されることになる。このため、燃料電池セルに高温の部分と低温の部分が生じ（熱ムラが生じ）、破損し易くなる虞がある。また、複数の燃料電池セルからなるセルスタック全体に着目すると、部分酸化改質器に近い位置に配置されている燃料電池セルの温度が高くなり、セルスタック全体にも局所的に高温部が偏在する温度分布が生じ、安定した運転が行えない虞がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、燃料電池セルを含む燃料電池システムにおいて、燃料電池セルが酸化することを防止することができると共に、発電モードから運転停止モードに移行する際に、水蒸気改質反応から部分酸化改質反応へと円滑に且つ効率よく移行することが可能であることに加え、起動当初に燃料電池セルやセルスタック全体に熱ムラが生じることを抑制することが可能である燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的を達成するため本発明は、固体電解質形の燃料電池セルを含む燃料電池システムであって、複数の燃料電池セルが配置された発電室と、前記発電室の上方に配設され且つ前記燃料電池セルによって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室の上方に配設され且つ発電時に燃料ガスの水蒸気改質を行う第１改質器と、前記燃料電池システムを起動させる起動モードの際及び前記発電を停止する運転停止モードの際に燃料ガスの部分酸化改質を行う第２改質器と、を有する燃料電池モジュールを備え、
前記第２改質器は、前記発電室、燃焼室を形成する容器の外部に配設されると共に、前記第１改質器の下流側に当該第１改質器と直列に配設されてなり、当該第１改質器から排出されたガスが通過可能である燃料電池システムを提供するものである。
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムの起動モードの際及び運転停止モード（運転停止期）の際に燃料ガスの部分酸化改質を行う第２改質器が、前記発電室、燃焼室を形成する容器の外部に配設されているため、第２改質器の輻射熱が、前記容器内に配設されているセルに対し直接影響を及ぼすことがない。したがって、前記第２改質器が起動開始から短時間で部分酸化改質反応に適した温度（例えば、約３００℃）になり、この時点で、前記容器内に配設されているセルの温度が低温であっても、当該セルが前記第２改質器の輻射熱によって局所的に昇温することを防止でき、当該セルに熱ムラが生じることを抑制することができる。また、複数のセルからなるセルスタック全体に局所的な高温部が偏在する温度分布が生じることも防止することができる。そしてまた、本発明では、第１改質器は、燃焼室の上方に配設されており、当該燃焼室からの熱を効率よく受けることができるため、第１改質器の温度上昇を促進させることができる。さらにまた、第２改質器は、前記容器の外部に配設されているため、触媒交換を簡単に行うことができる。
【００１２】
ところで、前記容器の外部に配置された第２改質器は、前記容器の内部に配設されている場合に比べ、前記容器の内部から受ける熱の影響が少なく、発電時（発電モード）から運転停止モードに移行する際は、部分酸化改質反応に適した温度に達していない。したがって、発電モードから運転停止モードに移行させる際には、第２改質器を部分酸化改質反応に適した温度に昇温させる必要がある。本発明では、第２改質器が、第１改質器の下流側に当該第１改質器と直列に配設されており、当該第２改質器には、第１改質器から排出された高温のガスが通過可能であり、発電モードから運転停止モードに移行させる前に、第２改質器に第１改質器から排出された高温のガスを通過させることができるため、第２改質器を部分酸化改質反応に適した温度に予め昇温させ、当該第２改質器を待機させておくことができる。このため、発電モードから運転停止モードに効率よく円滑に移行させることができると共に、第２改質器を昇温させるための熱源を別途設ける必要がなく、経済的である。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第２改質器が圧損低減手段を備えた構成とすることができる。この構成により、第２改質器を流体（燃料ガス、空気、水蒸気等）が通過することによる圧損を低減させることができる。
【００１４】
前記圧損低減手段としては、例えば、前記第１改質器と第２改質器とを連通する配管から分岐され、当該第２改質器を迂回するバイパス管路が挙げられ、このバイパス管路は、前記発電モードの際に、前記第１改質器で改質された燃料ガスの流路となるよう構成することができる。この構成により、発電モードの際には、流体（燃料ガス、空気、水蒸気等）が第２改質器を通過せず、バイパス管路を通過することになるため、圧損をさらに低減させることができる。
【００１５】
さらにまた、前記圧損低減手段としてバイパス管路が配設されている構成の場合、前記第２改質器は、当該バイパス管路よりも前記容器から遠い位置に配設することができる。この構成により、発電モードから運転停止モードに移行させる前に、第２改質器を部分酸化改質反応に適した温度に予め昇温させておくことができることに加え、第２改質器から排出される流体（燃料ガス、空気、水蒸気等）が必要以上に昇温することを抑制でき、運転停止モードの際に、セルの冷却を効率よく行うことができる。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第２改質器が、燃料電池システムの起動モードの際に前記燃料ガスの部分酸化改質を行う起動用部分酸化改質器と、当該燃料電池システムの運転停止モードの際に前記燃料ガスの部分酸化改質を行う停止用部分酸化改質器とを備えた構成とすることもできる。このように構成することで、起動用部分酸化改質器は、起動モードの際に必要とされる最適な機能に特化させた構成とし、停止用部分酸化改質器は、運転停止モードの際に必要とされる最適な機能に特化させた構成とすることができ、起動モードから発電モードへの移行及び発電モードから運転停止モードへの移行をより円滑に行うことができる。また、発電モードから運転停止モードに移行させる前に部分酸化改質反応に適した温度に予め昇温させておきたい停止用部分酸化改質器のみを、前記第１改質器と直列に配設させればよいため、起動モードの際の圧損を低減させることもできる。
【００１７】
そしてまた、起動用部分酸化改質器と停止用部分酸化改質器を配設した構成の場合、前記停止用部分酸化改質器は、前記起動用部分酸化改質器よりも前記容器から遠い位置に配設することができる。ここで、前記第２改質器は、前記容器の近傍に配設される程、放熱を防止することができる。したがって、このように構成することで、前記利点に加え、起動モードの際には、前記起動用部分酸化改質器からの放熱を効率よく防止して、前記容器内の加熱を促進させることができ、運転停止モードの際は、発電モードから運転停止モードに移行させる前に、第２改質器を部分酸化改質反応に適した温度に予め昇温させておくことができることに加え、第２改質器から排出される流体（燃料ガス、空気、水蒸気等）が必要以上に昇温することを抑制でき、セルの冷却を効率よく行うことができる。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記第２改質器の下流側に配設され、当該第２改質器と前記容器とを連通させる配管を複数有し、当該複数の配管のうち、前記容器から最も遠い位置に配設されている配管が放熱手段を備えた構成とすることもできる。このように構成することで、前記利点に加え、起動モードの際には、前記第２改質器と前記容器とを連通させる配管のうち、前記前記容器に近い位置に配設されている配管に流体（燃料ガス、空気、水蒸気等）を通過させることができる。ここで、この前記容器に近い位置に配設されている配管は、前述したように放熱が抑制されるため、高温の流体（燃料ガス、空気、水蒸気等）を前記容器内に供給することができ、前記容器内の加熱を効率よく行うことができる。一方、運転停止モードの際は、前記容器から最も遠い位置に配設されている配管に燃料ガス、空気、水蒸気等）を通過させることができるため、第２改質器から排出される流体（燃料ガス、空気、水蒸気等）の温度を下げることができるため、セルの冷却を効率よく行うことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料電池セルを含む燃料電池システムにおいて、燃料電池セルが酸化することを防止することができると共に、起動当初に燃料電池セルやセルスタック全体に熱ムラが生じることを抑制することが可能であり、且つ、運転停止の際に、水蒸気改質反応から部分酸化改質反応へと円滑に且つ効率よく移行することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの起動モードにおける各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。
【図４】図１に示す燃料電池システムの燃料電池モジュール付近の構成をさらに具体的に示す概略構成図である。
【図５】図１に示す燃料電池システムの発電モード終了直前から運転停止モードにおける各部の温度や各部に供給する流体流量を示すグラフである。
【図６】本発明の他の実施例に係る燃料電池システムの燃料電池モジュール付近の構成をさらに具体的に示す概略構成図である。
【図７】本発明の他の実施例に係る燃料電池システムの燃料電池モジュール付近の構成をさらに具体的に示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００２１】
次に、本発明の実施例に係る燃料電池システムについて図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施例は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施例にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【００２２】
図１は、本発明の実施例に係る燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。図１に示すように、本実施例に係る燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、補器ユニットＡＤＵと、貯水タンクＷＰ２と、温水製造装置ＨＷとを備えて構成されている。
【００２３】
燃料電池モジュールＦＣＭは、燃料電池ＦＣと、改質器ＲＦと、制御ボックスＣＢと、一酸化炭素検知器ＣＯＤと、可燃ガス検知器ＧＤ１とを備えている。燃料電池ＦＣは、固体電解質形の燃料電池（ＳＯＦＣ）であって、発電室ＦＣ１と、燃焼室ＦＣ２とを備えている。発電室ＦＣ１には複数本の燃料電池セルＣＥが配置されている。燃料電池セルＣＥは、電解質を挟んで燃料極と空気極とが設けられているものであって、燃料極側に燃料ガスを通し、空気極側に酸化剤ガスとしての空気を通すことで発電反応を起こすことができるように構成されている。
【００２４】
なお、本実施例に係る燃料電池ＦＣは、固体電解質形の燃料電池（ＳＯＦＣ）であるので、電解質を構成する材料としては、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といった酸素イオン導電性酸化物を用いている。
【００２５】
燃料極を構成する材料としては、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トとの混合体といった材料が用いられる。
【００２６】
空気極を構成する材料としては、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる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から選ばれる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から選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀といった材料が用いられる。もっとも、電解質や燃料極及び空気極を構成する材料はこれらに限られるものではない。
【００２７】
発電室ＦＣ１において発電された電気は、電力取出ラインＥＰ１によって発電電力として取り出されて利用される。燃焼室ＦＣ２は、発電室ＦＣ１に配置された燃料電池セルＣＥによって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる部分である。燃焼室ＦＣ２において燃料ガスが燃焼した結果生じる排気ガスは、改質器ＲＦと熱交換をした後に温水製造装置ＨＷへと供給される。温水製造装置ＨＷへと供給された排気ガスはさらに熱交換を行い、水道水を昇温して温水とした後に外部へと排出される。
【００２８】
改質器ＲＦは、例えば、都市ガス等の被改質ガスを改質して燃料ガスとし、燃料電池ＦＣの発電室ＦＣ１へと供給する部分である。被改質ガスの改質態様としては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ；Auto Thermal Reforming）、水蒸気改質反応（ＳＲ）があり、運転状況に応じて選択的に実行される（詳細は後述する）。改質器ＲＦは、改質部ＲＦ１と、蒸発部ＲＦ２とを備えている。なお、改質器ＲＦについての詳細は、後に詳述する。
【００２９】
蒸発部ＲＦ２は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を改質部ＲＦ１に供給する部分である。改質部ＲＦ１は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される被改質ガス、空気及び蒸発部ＲＦ２から供給される水蒸気を用いて被改質ガスを改質して燃料ガスとする部分である。改質部ＲＦ１には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にＮｉを付与したもの、アルミナの球体表面にＲｕを付与したもの、が適宜用いられる。本実施例の場合、これらの改質触媒は球体である。
【００３０】
制御ボックスＣＢは、燃料電池システム制御部をその内部に収納し、操作装置や表示装置、報知装置が設けられているものである。燃料電池システム制御部、操作装置、表示装置、報知装置については後述する。
【００３１】
一酸化炭素検知器ＣＯＤは、燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスの不完全燃焼が起きてしまい、一酸化炭素が燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。可燃ガス検知器ＧＤ１は、燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスが燃え残ってしまい、いわゆる生ガスが燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。
【００３２】
続いて、補器ユニットＡＤＵについて説明する。補器ユニットＡＤＵは、燃料電池モジュールＦＣＭに水、被改質ガス及び空気を供給するための補器を備えるユニットである。補器ユニットＡＤＵは、空気供給部として空気ブロワや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂ、及び電磁弁ＡＰ２と、燃料供給部として燃料ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＦＰ１、脱硫器ＦＰ２、ガス遮断弁ＦＰ４、及びガス遮断弁ＦＰ５と、水供給部として水ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＷＰ１と、可燃ガス検知器ＧＤ２と、を備えている。
【００３３】
外部の空気供給源から供給される空気は、電磁弁ＡＰ２が閉じていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給されず、電磁弁ＡＰ２が開いていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ａによって流量調整された空気は改質用空気として、ヒータＡＨ１によって昇温され、被改質ガスとの混合部ＭＶに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ｂによって流量調整された空気は発電用空気として、ヒータＡＨ２によって昇温され、発電室ＦＣ１に供給される。発電室ＦＣ１に供給された発電用空気は、燃料電池セルＣＥの空気極に供給され、燃料電池セルＣＥの発電に用いられる。
【００３４】
外部の燃料供給源から供給される都市ガスは、２連電磁弁であるガス遮断弁ＦＰ４及びガス遮断弁ＦＰ５によってその流入が制御される。ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５の両者が開いていれば、都市ガスは脱硫器ＦＰ２に供給され、ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５のいずれか一方が閉じていれば、都市ガスは遮断される。脱硫器ＦＰ２に供給された都市ガスは、硫黄成分を除去されて被改質ガスとなり、流量調整ユニットＦＰ１に供給される。流量調整ユニットＦＰ１によって流量調整された被改質ガスは、改質用空気との混合部ＭＶに供給される。混合部ＭＶにおいて混合された被改質ガスと改質用空気とは、改質器ＲＦに供給される。
【００３５】
外部の水供給源から供給される水道水は、純水とされてから貯水タンクＷＰ２に貯水される。貯水タンクＷＰ２に貯水されている純水は、流量調整ユニットＷＰ１によって流量が調整されて改質器ＲＦへと供給される。
【００３６】
可燃ガス検知器ＧＤ２は、燃料供給部としての系統であるガス遮断弁ＦＰ５、ガス遮断弁ＦＰ４、脱硫器ＦＰ２、流量調整ユニットＦＰ１において、ガス漏れが発生していわゆる生ガスが外部に放出されないか検知するためのセンサである。
【００３７】
次に、図２を参照しながら本実施例の燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成について説明する。図２は、燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成を示すブロック図である。図２に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、燃料電池モジュールＦＣＭに空気を供給する空気供給部ＡＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに燃料ガスとなる被改質ガスを供給する燃料供給部ＦＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに水を供給する水供給部ＷＰと、燃料電池モジュールＦＣＭから電力を取り出す電力取出部ＥＰとを備えている。空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは補器ユニットＡＤＵに収められている。
【００３８】
燃料電池モジュールＦＣＭ、空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池システム制御部ＣＳから出力される制御信号に基づいて制御される。燃料電池システム制御部ＣＳは、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭといったメモリ、及び制御信号やセンサ信号を授受するためのインターフェイスによって構成されている。燃料電池システム制御部ＣＳには、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３が取り付けられている。操作装置ＣＳ１から入力される操作指示信号は、燃料電池システム制御部ＣＳに出力され、燃料電池システム制御部ＣＳは、その操作指示信号に基づいて、燃料電池モジュールＦＣＭ等を制御する。燃料電池システム制御部ＣＳが制御した情報や、所定の警告情報は、表示装置ＣＳ２及び報知装置ＣＳ３に出力される。操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３の具体的なハードウェア構成は特に限定されるものではなく、必要となる機能に応じて最適なハードウェア構成が選択される。一例としては、操作装置ＣＳ１として、キーボード、マウス、タッチパネルといったハードウェアが用いられる。表示装置ＣＳ２としては、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイといった表示系のハードウェアが用いられる。報知装置ＣＳ３としては、スピーカー、点灯器といったハードウェアが用いられる。燃料電池システム制御部ＣＳ、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、報知装置ＣＳ３は、制御ボックスＣＢに収められている。
【００３９】
燃料電池システム制御部ＣＳには、燃料電池システムＦＣＳの各所に設けられたセンサからセンサ信号が出力される。燃料電池システム制御部ＣＳに信号を出力するセンサとしては、改質器温度センサＤＳ１、スタック温度センサＤＳ２、排気温度センサＤＳ３、改質器内圧力センサＤＳ４、水位センサＤＳ５、水流量センサＤＳ６、燃料流量センサＤＳ７、改質用空気流量センサＤＳ８、発電用空気流量センサＤＳ９、電力状態検出部ＤＳ１０、貯湯状態検出センサＤＳ１１、一酸化炭素検出センサＤＳ１２、可燃ガス検出センサＤＳ１３が設けられている。
【００４０】
改質器温度センサＤＳ１は、改質器ＲＦの温度を測定するためのセンサであって、本実施例の場合は２つ設けられている。スタック温度センサＤＳ２は、発電室ＦＣ１に配置されている燃料電池セルＣＥの温度を測定するためのセンサであって、複数の燃料電池セルＣＥからなる燃料電池セルスタック近傍に配置されている。排気温度センサＤＳ３は、燃焼室ＦＣ２から排出される排気ガスの温度を測定するためのセンサであって、燃焼室ＦＣ２から改質器ＲＦ近傍を通って温水製造装置ＨＷに至る経路に配置されている。改質器内圧力センサＤＳ４は、改質器ＲＦ内の圧力を測定するためのセンサである。なお、ここでは改質器ＲＦ内の圧力をセンサで測定するようにしているが、改質器ＲＦの前段で燃料と水が混合される部分の圧力を検出するものであってもよい。
【００４１】
水位センサＤＳ５は、貯水タンクＷＰ２の水位を測定するためのセンサであって、本実施例の場合は４つ設けられている。水流量センサＤＳ６は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される純水の流量を測定するためのセンサである。燃料流量センサＤＳ７は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される被改質ガスの流量を測定するためのセンサである。改質用空気流量センサＤＳ８は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される改質用空気の流量を測定するためのセンサである。発電用空気流量センサＤＳ９は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される発電用空気の流量を測定するためのセンサである。
【００４２】
電力状態検出部ＤＳ１０は、センシング手段の集合体であって、燃料電池モジュールＦＣＭから取り出す発電電力の状態を検出する部分である。貯湯状態検出センサＤＳ１１は、センシング手段の集合体であって、温水製造装置ＨＷの貯湯状態を検出する部分である。
【００４３】
一酸化炭素検出センサＤＳ１２は、一酸化炭素検知器ＣＯＤに備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ内における一酸化炭素の発生を検出するセンサである。可燃ガス検出センサＤＳ１３は、可燃ガス検知器ＧＤ１、ＧＤ２に備えられているセンサであって、可燃ガス検知器ＧＤ１においては、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスが燃え残ってしまい、いわゆる生ガスが排気ガスとして外部に放出されないか検知し、可燃ガス検知器ＧＤ２においては、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵ内における可燃ガスの漏洩を検出するセンサである。
【００４４】
続いて、燃料電池システムＦＣＳの起動時（起動モード）における各種改質反応の切り替えについて図３を参照しながら説明する。図３は、燃料電池システムＦＣＳの起動モードにおける各部の温度や各部の制御電圧を示すグラフである。
【００４５】
本実施例における燃料電池システムＦＣＳの起動モードにおいては、燃焼運転と、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）と、第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）と、水蒸気改質反応（ＳＲ）とを順次切り替えながら改質反応を進行している。図３を説明するのに先立って、各改質反応について説明する。
【００４６】
部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は、改質器ＳＲに被改質ガスと空気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（１）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
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高く、燃料電池システムＦＣＳの起動当初において好適な改質反応である。但し、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は、水素収率が理論上少なく、発熱反応を制御するのも難しいことから、燃料電池モジュールＦＣＭへ熱供給が必要な起動当初においてのみ利用されるのが好ましい改質反応である。なお、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）のみに着目すれば、空間速度を高く設定するので、例えば改質器ＲＦを分割形成して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）専用の改質器を設ける場合には、その専用の改質器を小型化することができる。
【００４７】
水蒸気改質反応（ＳＲ）は、改質器ＳＲに被改質ガスと水蒸気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（２）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
水蒸気改質反応（ＳＲ）は、水素収率が最も高く、高効率な反応である。ただし、水蒸気改質反応（ＳＲ）は、吸熱反応であるので熱源が必要であり、燃料電池システムＦＣＳの起動当初よりはある程度温度が上昇した段階において好適な改質反応である。なお、水蒸気改質反応（ＳＲ）のみに着目すれば、空間速度を低く設定するので、改質器ＲＦが大型化する傾向にある。
【００４８】
第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）と第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）とからなるオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）とが併用された改質反応であって、改質器ＲＦに被改質ガスと空気と水蒸気とを供給して行われる改質反応であり、化学反応式（３）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、水素収率が部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）との併用であり、反応熱のバランスが取りやすく、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）とを繋ぐ反応として好適な改質反応である。本実施例の場合は、水を少なく供給して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）により近い第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）を先に行い、温度が上昇した後に水を増やすように供給して水蒸気改質反応（ＳＲ）により近い第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）を後に行っている。
【００４９】
次に、燃料電池システムＦＣＳの起動モードについて説明する。図３は、横軸に起動開始後の経過時間を取り、左縦軸には各部の温度を取っている。制御電圧であるため特段の目盛りは付していないが、改質用空気を供給するための流量調整ユニットＡＰ１ａに含まれる改質用空気ブロワの制御電圧、発電用空気を供給するための流量調整ユニットＡＰ１ｂに含まれる発電用空気ブロワの制御電圧、被改質ガスを供給するための流量調整ユニットＦＰ１に含まれる燃料ポンプの制御電圧、及び純水を供給するための流量調整ユニットＷＰ１に含まれる水ポンプの制御電圧は、図中上方に行くほど電圧が高くなる（供給量が増える）ように示している。図３には、改質器ＲＦの温度、燃料電池セルＣＥのスタック温度、燃焼室ＦＣ２の温度（改質器ＲＦの温度等から推定している）、流量調整ユニットＡＰ１ａに含まれる改質用空気ブロワの制御電圧、流量調整ユニットＡＰ１ｂに含まれる発電用空気ブロワの制御電圧、流量調整ユニットＦＰ２に含まれる燃料ポンプの制御電圧、流量調整ユニットＷＰ１に含まれる水ポンプの制御電圧を示している。
【００５０】
まず、改質用空気を増やすように流量調整ユニットＡＰ１ａ、電磁弁ＡＰ２、ヒータＡＨ１、及び混合部ＭＶを制御し、改質器ＲＦに空気を供給する。また、被改質ガスの供給を増やすように流量調整ユニットＦＰ１、ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５、及び混合部ＭＶを制御し、改質器ＲＦに被改質ガスを供給する。このように、空気と被改質ガスを供給し、イグナイタによって着火して燃焼運転を実行する。また、燃焼運転の実行は、燃焼室ＦＣ２の温度を上昇させて、空気と被改質ガスを自然着火させることで行ってもよい。なお、発電室ＦＣ１上方の燃焼室ＦＣ２においては、改質器ＲＦを通過した燃料ガスと発電用空気とが混合して燃焼しており、燃焼室ＦＣ２の温度が徐々に上昇する。
【００５１】
続いて、改質器ＲＦの温度が約３００℃程度になった際に、改質器ＲＦが部分酸化改質反応運転（ＰＯＸ運転）可能な状態になることから、改質器ＲＦが３００℃前後になった時に成行きで部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が進行する。部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は発熱反応なので、各部の温度が上昇する。部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を開始してから所定時間が経過した後、改質用空気の供給量をさらに増やして部分酸化改質反応（ＰＯＸ）をより進行させる。
【００５２】
続いて、改質器ＲＦの温度が約６００℃以上になり、且つ燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度が約２５０℃を超えたことを条件として、第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１へと移行させる。第１オートサーマル改質反応ＡＴＲ１では、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量を減らし、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量はそのまま維持し、極微量な純水を改質器ＲＦに供給する。オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、部分酸化改質反応（ＡＴＲ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）とを混合した反応であって、熱的に内部バランスが取れるので改質器ＲＦ内では熱自立しながら反応が進行する。また、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）は、空気が比較的多く部分酸化改質反応（ＰＯＸ）に近い反応であり、発熱が支配的な反応となっている。なお、第１オートサーマル改質反応（ＡＴＲ１）中において、燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度は約２５０〜約４００℃である。
【００５３】
続いて、改質器ＲＦの温度が６００℃以上となり、且つ燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度が約４００℃を超えたことを条件として、第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）へと移行させる。第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）では、改質器ＲＦに供給する改質用空気の流量を減らし、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量も減らし、微量な純水を改質器ＲＦに供給する。第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）は、空気が比較的少なく水が多いため水蒸気改質反応（ＳＲ）に近い反応であり、吸熱が支配的な反応となっている。しかしながら、発電室ＦＣ１内の温度を示すセルスタック温度が約４００℃を超えているため、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を招くことはない。なお、第２オートサーマル改質反応（ＡＴＲ２）中における蒸発部ＲＦ２の温度は約１００℃以上である。
【００５４】
続いて、改質器ＲＦの温度が６５０℃以上となり、且つ燃料電池セルＣＥによって構成されるセルスタックの温度が約６００℃を超えたことを条件として、水蒸気改質反応（ＳＲ）へと移行させる。水蒸気改質反応（ＳＲ）では、改質器ＲＦに供給する改質用空気は遮断し、改質器ＲＦに供給する被改質ガスの流量を減らし、所定量の純水を改質器ＲＦに供給する。この水蒸気改質反応（ＳＲ）は、吸熱反応であるので、燃焼室ＦＣ２からの燃焼熱による熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、既に起動の最終段階であるため、発電室ＦＣ１内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応を主体としても大幅な温度低下を招くことはない。また水蒸気改質反応（ＳＲ）が進行しても燃焼室ＦＣ２では継続して燃焼反応が持続する。
【００５５】
上述したように着火から燃焼工程の進行に合わせて改質工程を切り替えていくことで、発電室ＦＣ１内の温度が徐々に上昇する。発電室ＦＣ１の温度（セルスタックの温度）が、燃料電池モジュールＦＣＭを安定的に作動させる定格温度（約７００℃）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ＦＣＭを含む電気回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュールＦＣＭは発電を開始し、回路に電流が流れて外部に電力を供給することができる。燃料電池セルＣＥの発電により、燃料電池セルＣＥ自体も発熱し、更に、燃料電池セルＣＥの温度が上昇する。その結果、燃料電池モジュールＦＣＭを作動させる定格温度、例えば７００〜８００℃になる。
【００５６】
その後、定格温度を維持するために、燃料電池セルＣＥで消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い量の燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室ＦＣ２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。水蒸気改質反応（ＳＲ）自体は、厳密には４００〜８００℃程度で行われるが、燃料電池セルＣＥとの組み合わせにおいては５００〜７００℃程度で反応が進行する。
【００５７】
次に、図４を参照して、本実施例に係る燃料電池モジュールについてさらに詳細に説明する。図４は、本実施例に係る燃料電池モジュール付近の構成をさらに具体的に示す概略構成図である。
【００５８】
図４に示すように、本実施例に係る燃料電池モジュールＦＣＭは、発電室ＦＣ１と、分散室ＤＢと、燃焼室ＦＣ２と、水蒸気改質器ＲＦＳと、予熱器ＰＨと、蒸発部ＲＦ２と、部分酸化改質器ＲＦＰとを備えており、発電室ＦＣ１と、分散室ＤＢと、燃焼室ＦＣ２と、水蒸気改質器ＲＦＳと、予熱器ＰＨと、蒸発部ＲＦ２は同一の容器Ｃ内に収容されており、部分酸化改質器ＲＦＰは、容器Ｃの外部に配設されている。
【００５９】
分散室ＤＢは、発電室ＦＣ１の下部に配設されている。この分散室ＤＢは、改質器ＲＦで改質された燃料ガスを分散させ、発電室ＦＣ１内に燃料ガスを均一に供給するためのものであり、その上壁には、燃料ガスを発電室ＦＣ１内に供給する複数の穴（図示せず）が貫通形成されている。また、分散室ＤＢの底面には、後に詳述する部分酸化改質器ＲＦＰから供給される燃料ガスを分散室ＤＢ内に導入するための導入穴（図示せず）が貫通形成されている。これにより、分散室ＤＢの底面側（下側）から導入された燃料ガスは、ここで分散され、発電室ＦＣ１の底面側（下側）から発電室ＦＣ１内に導入され、図１及び図４に示すように、発電室ＦＣ１内に立設された燃料電池セルＣＥの燃料極に供給される。なお、容器Ｃの側壁外面と底面の外面には、断熱材ＨＩが配設されている。
【００６０】
改質器ＲＦは、前述したように、改質部ＲＦ１と、蒸発部ＲＦ２とを備えており、改質部ＲＦ１は、さらに燃料ガスの水蒸気改質を行う水蒸気改質器ＲＦＳと、燃料ガスの部分酸化改質を行う部分酸化改質器ＲＦＰとから構成されている。
【００６１】
水蒸気改質器ＲＦＳは、燃焼室ＦＣ２の上部に配設されている。水蒸気改質器ＲＦＳの上部には、予熱器ＰＨが配設されており、水蒸気改質器ＲＦＳに供給される純水及び被改質ガスは、予熱器ＰＨを介して水蒸気改質器ＲＦＳに供給される。なお、蒸発部ＲＦ２は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を水蒸気改質器ＲＦＳに供給する。この水蒸気改質器ＲＦＳは、容器Ｃ内に配設されており、且つ同じ容器Ｃ内に配設された燃焼室ＦＣ２の上方に配設されているため、燃焼室ＦＣ２で生じる熱を用いて吸熱反応を効率よく行うことができる。
【００６２】
部分酸化改質器ＲＦＰは、容器Ｃの外部下方に配設されている。この部分酸化改質器ＲＦＰは、水蒸気改質器ＲＦＳと直列に配設されており、且つ水蒸気改質器ＲＦＳの下流側に位置している。即ち、部分酸化改質器ＲＦＰは、水蒸気改質器ＲＦＳで改質された燃料ガスが流通する配管ＰＰ１に連通し、水蒸気改質器ＲＦＳで改質された燃料ガスが通過可能となっている。また、部分酸化改質器ＲＦＰには、配管ＰＰ１を介して被改質ガス、空気、純水が供給されるようになっている。そして、部分酸化改質器ＲＦＰで改質された燃料ガスは、配管ＰＰ２を介して分散室ＤＢの底面に形成された図示しない導入穴から分散室ＤＢに供給されるようになっている。なお、部分酸化改質器ＲＦＰは、起動モードの際と、後に詳述する運転停止モードの際に、被改質ガスに部分酸化改質を行うが、水を必要としない部分酸化改質反応（ＰＯＸ）時には、燃料電池システム制御部ＣＳによって、部分酸化改質器ＲＦＰに純水が供給されないように制御される。
【００６３】
ここで、図３に示すように、部分酸化改質器ＲＦＰは起動モードにおいて、着火から約１０分程度で約３００℃となり、この時点では、セルスタックの温度は、約１００℃程度であり、両者には大幅な温度差が生じている。この時、従来の燃料電池システムのように、部分酸化改質器ＲＦＰが容器Ｃ内に配設されていると、部分酸化改質器ＲＦＰの輻射熱により燃料電池セルＣＥが局所的に加熱され、燃料電池セルＣＥに熱ムラが生じて破損し易くなる。また、セルスタック全体に、局所的な高温部が偏在する温度分布が生じ、発電効率が低下する虞もある。これに対し、本実施例では、部分酸化改質器ＲＦＰを容器Ｃの外側下方（分散室ＤＢの底面の外面）に配設したため、起動モードの際に、部分酸化改質器ＲＦＰの輻射熱により燃料電池セルＣＥが局所的に加熱されることを防止することができると共に、セルスタック全体にも局所的な高温部が偏在する温度分布が生じることを防止することができる。そしてまた、容器Ｃの側壁外面と底面の外面には、断熱材ＨＩが配設されているため、起動モードの際に、部分酸化改質器ＲＦＰの輻射熱により燃料電池セルＣＥ及びセルスタック全体が影響を受けることをさらに防止することができる。
【００６４】
また、配管ＰＰ１の被改質ガス、空気、純水が供給される位置より下流側には、配管ＰＰ１から分岐され、部分酸化改質器ＲＦＰを迂回するバイパス管路を構成する分岐管ＰＰ３が配設されている。なお、本実施例では、部分酸化改質器ＲＦＰは、分岐管ＰＰ３よりも容器Ｃから遠い位置に配設されており、その下流端は、配管ＰＰ２に連通（合流）されている。配管ＰＰ１と分岐管ＰＰ３との分岐点には、流体の流路を切り替える切替弁ＣＮＧが配設されており、燃料電池システム制御部ＣＳから出力される制御信号に基づいてこの切替弁ＣＮＧを切り替えることで、流体の流路を変更している。
【００６５】
具体的には、起動モードの際は、配管ＰＰ１と部分酸化改質器ＲＦＰとが流通するように切替弁ＣＮＧを切り替え、容器Ｃ内に部分酸化改質器ＲＦＰで改質された燃料ガスが供給されるようにし、発電モードの際は、配管ＰＰ１と分岐管ＰＰ３とが流通するように切替弁ＣＮＧを切り替え、水蒸気改質器ＲＦＳで改質された燃料ガスが部分酸化改質器ＲＦＰを通らずに、分岐管ＰＰ３を介して容器Ｃ内に供給されるようにする。したがって、発電モードの際に、水蒸気改質器ＲＦＳで改質された燃料ガスが部分酸化改質器ＲＦＰを通過する場合に比べ、圧損を低減することができる。即ち、分岐管ＰＰ３（バイパス管路）は、圧損低減手段として機能する。
【００６６】
また、発電モードから運転停止モードに移行する際は、この移行を行う所定時間前に、その準備段階として、配管ＰＰ１と部分酸化改質器ＲＦＰとが流通するように切替弁ＣＮＧを切り替え、水蒸気改質器ＲＦＳで改質された燃料ガスが部分酸化改質器ＲＦＰを通過するようにし、部分酸化改質器ＲＦＰを通過した燃料ガス（水蒸気改質された燃料ガス）が容器Ｃ内に供給されるようにする。この時、部分酸化改質器ＲＦＰでは、まだ部分酸化改質反応（ＰＯＸ）は行わず、水蒸気改質された燃料ガスが通過するのみであり、この水蒸気改質された燃料ガスによって部分酸化改質器ＲＦＰの温度を部分酸化改質反応（ＰＯＸ）に適した温度に上昇させる。これにより、部分酸化改質器ＲＦＰは、発電モードから運転停止モードに移行する際に、即座に部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を開始することができる状態となる。
【００６７】
次に、燃料電池システムＦＣＳの発電モードから運転停止モードに移行した際の各種改質反応の切り替えについて図５を参照しながら説明する。図５は、燃料電池システムＦＣＳの発電モード終了直前から運転停止モードにおける各部の温度や各部に供給する流体流量を示すグラフである。なお、図５は、横軸に運転停止モードの経過時間を取り、左縦軸には各部に供給する流体流量を取っている。流体流量であるため特段の目盛りは付していないが、図中上方に行くほど流量が増えるように示している。
【００６８】
図５には、部分酸化改質器ＲＦＰの温度、燃料電池セルＣＥのスタック温度、水蒸気改質器ＲＦＳへ供給する純水の流量、水蒸気改質器ＲＦＳへ供給する燃料ガスの流量、部分酸化改質器ＲＦＰへ供給する空気の流量、部分酸化改質器ＲＦＰへ供給する純水の流量、部分酸化改質器ＲＦＰへ供給する燃料ガスの流量、及び燃料電池ＦＣの発電電流量を示している。
【００６９】
先ず、発電モードから運転停止モードに移行する前の準備段階として、発電モード終了時から所定時間前に、配管ＰＰ１と部分酸化改質器ＲＦＰとが流通するように切替弁ＣＮＧを切り替え、水蒸気改質器ＲＦＳで改質された燃料ガスを部分酸化改質器ＲＦＰに通過させる。この動作により、部分酸化改質器ＲＦＰの温度は、図５に示すように、水蒸気改質器ＲＦＳで改質された高温の燃料ガスの通過に伴って約３００℃から約５００℃に上昇し、即座に部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を開始することができる状態となる。
【００７０】
次に、水蒸気改質反応（ＳＲ）から部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を含む反応に移行するため、流量調整ユニットＷＰ１を制御し、水蒸気改質器ＲＦＳへの純水流量を減少させる。また、水蒸気改質器ＲＦＳへ供給する被改質ガスの流量を減少させるように流量調整ユニットＦＰ１、ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５、及び混合部ＭＶを制御する。さらに、発電室ＦＣ１に供給する発電用空気の流量を減少させるように流量調整ユニットＡＰ１が制御される。燃料電池ＦＣによる発電電流は、水蒸気改質器ＲＦＳへの純水流量及び燃料ガス流量の減少に伴って減少する。なお、前記準備段階により、部分酸化改質器ＲＦＰは約５００℃となっているが、この時点では、燃料電池セルＣＥが部分酸化改質器ＲＦＰよりも高温になっているため、部分酸化改質器ＲＦＰの温度によって、燃料電池セルＣＥが局所的に高温になることはない。また、前述したように、部分酸化改質器ＲＦＰは、分岐管ＰＰ３よりも容器Ｃから遠い位置に配設されているため、部分酸化改質器ＲＦＰから排出される流体（燃料ガス、空気、水蒸気等）が必要以上に昇温することを抑制でき、燃料電池セルの冷却を効率よく行うことができる。
【００７１】
次に、水蒸気改質器ＲＦＳへの純水流量及び燃料ガス流量が所定量となり、この状態で所定時間が経過し、且つ発電室ＦＣ１に供給する発電用空気の流量が所定量になったことを条件として、部分酸化改質器ＲＦＰに微量な純水を供給し、次いで、所定量の燃料ガス及び改質用空気を供給し、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を含む反応を行わせる。なお、図５に示すように、部分酸化改質器ＲＦＰへの純水、燃料ガス、改質用空気の供給初期には、水蒸気改質器ＲＦＳへの純水及び燃料ガスの供給が継続して行われているが、水蒸気改質器ＲＦＳへの純水及び燃料ガスの供給は、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を含む反応がある程度進んだ時点で停止される。この部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を含む反応時には、発電室ＦＣ１に約３００℃の発電用空気が供給されるため、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を含む反応の当初に９５０℃程度まで昇温されていたセルスタックは、主にこの発電用空気によって冷却され、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を含む反応は、セルスタック温度が約３００℃になるまで行われる。また、このように、燃料電池セルＣＥが酸化し易いセル酸化温度領域に部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を含む反応を行わせることで、燃料電池セルＣＥの酸化を防止することができる。
【００７２】
セルスタックの温度が、約３００℃になったことを条件として、部分酸化改質器ＲＦＰに対する空気の供給を停止し、次いで、燃料ガスの供給、純水の供給を順に停止する。この動作に伴って、セルスタック温度が徐々に低下し、部分酸化改質器ＲＦＰの温度は、燃料ガスの供給が停止された時点から低下し、１００℃以下となる。セルスタックの温度及び部分酸化改質器ＲＦＰの温度が１００℃以下になってから所定時間経過後、発電用空気の供給を停止する。
【００７３】
なお、本実施例では、発電モード中に切替弁ＣＮＧを切り替えていたが、これに限らず、切替弁ＣＮＧは、発電が終了した直後に切り替えてもよい。発電終了直後では燃焼室ＦＣ２の熱がまだ高く、水蒸気改質器ＲＦＳがその熱を受けることができるため、上記実施例同様に部分酸化改質器ＲＦＰの温度を部分酸化改質反応（ＰＯＸ）の温度に適した温度に上昇させることができる。また、その際には、さらに緊急停止時における燃料電池セルの酸化防止に寄与することができる。
【００７４】
なお、本実施例では、配管ＰＰ１の下流側を分岐させて、部分酸化改質器ＲＦＰを迂回する分岐管ＰＰ３（バイパス管路）を配設した場合について説明したが、これに限らず、部分酸化改質器ＲＦＰが、容器Ｃの外部に配設されると共に、水蒸気改質器ＲＦＳの下流側に、水蒸気改質器ＲＦＳと直列に配設されていれば、分岐管ＰＰ３は必ずしも配設しなくてもよい。
【００７５】
また、本発明に係る燃料電池システムＦＣＳは、例えば、図６に示すように、容器Ｃ内の外部に配設した部分酸化改質器ＲＦＰを、起動モードの際に部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行う起動用部分酸化改質器ＲＦＰ１と、運転停止モードの際に部分酸化改質反応（ＰＯＸ）を行う停止用部分酸化改質器ＲＦＰ２とから構成してもよい。図６に示す構成では、停止用部分酸化改質器ＲＦＰ２が、配管ＰＰ１を介して水蒸気改質器ＲＦＳと直列に配設されているため、発電モードから運転停止モードに移行させる前に、水蒸気改質器ＲＦＳで昇温された燃料ガスを停止用部分酸化改質器ＲＦＰ２に導入し、停止用部分酸化改質器ＲＦＰ２を部分酸化改質反応に適した温度に予め昇温させておくことができ、発電モードから運転停止モードに効率よく円滑に移行させることができる。なお、起動用部分酸化改質器ＲＦＰ１には、配管ＰＰ４を介して、空気、燃料ガス、純水が供給される。
【００７６】
また、図６に示す構成では、停止用部分酸化改質器ＲＦＰ２を、起動用部分酸化改質器ＲＦＰ１よりも容器Ｃ内から遠い位置に配設している。この構成により、起動モードの際には、起動用部分酸化改質器ＲＦＰ１からの放熱を効率よく防止して、容器Ｃ内の加熱を促進させ、運転停止モードの際は、容器Ｃ内に、起動モードの際よりも低温の流体を供給することができるため、燃料電池セルＣＥをさらに効率よく冷却させることができる。
【００７７】
そしてまた、本発明に係る燃料電池システムＦＣＳは、例えば、図７に示すように、部分酸化改質器ＲＦＰの下流側に、部分酸化改質器ＲＦＰと容器Ｃとを連通させる複数（図７に示す構成では２つ）の配管ＰＰ５及びＰＰ６を配設し、切替弁ＣＮＧを切り替えることによって、部分酸化改質器ＲＦＰから配管ＰＰ５を通って容器Ｃ内に到達する流路と、部分酸化改質器ＲＦＰから配管ＰＰ６を通って容器Ｃ内に到達する流路を選択するようにしてもよい。図７に示す構成の場合、配管ＰＰ６が配管ＰＰ５よりも容器Ｃから遠い位置に配設されているため、配管ＰＰ６の流路の長さは、配管ＰＰ５の流路の長さよりも長く構成されるため、配管ＰＰ６の方が配管ＰＰ５よりも放熱し易い構成、即ち、配管ＰＰ６が放熱手段を備えた構成となる。したがって、容器Ｃ内の加熱を促進させたい起動モードの際には、部分酸化改質器ＲＦＰから排出された流体が、放熱の少ない配管ＰＰ５を介して容器Ｃ内に供給されるように、燃料電池システム制御部ＣＳによって切替弁ＣＮＧを切り替え、燃料電池セルＣＥを効率よく冷却させたい運転停止モードの際は、部分酸化改質器ＲＦＰから排出された流体が配管ＰＰ６で放熱されて容器Ｃ内に供給されるように、燃料電池システム制御部ＣＳによって切替弁ＣＮＧを切り替えることで、燃料電池システムＦＣＳの効率を向上することができる。
【００７８】
なお、図７に示す構成では、配管ＰＰ６の長さを配管ＰＰ５よりも長くすることで配管ＰＰ６からの放熱量を大きくし、これを放熱手段とした場合について説明したが、これに限らず、例えば、容器Ｃから最も遠い位置に配設されている配管（図７では配管ＰＰ６）を構成する材料の熱伝導率を高くする等、容器Ｃから最も遠い位置に配設されている配管に他の放熱手段を配設してもよい。
【符号の説明】
【００７９】
ＡＤＵ：補器ユニット
Ｃ：容器
ＣＥ：燃料電池セル
ＣＳ：燃料電池システム制御部
ＤＢ：分散室
ＦＣ：燃料電池
ＦＣ１：発電室
ＦＣ２：燃焼室
ＦＣＭ：燃料電池モジュール
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＦＰ：燃料供給部
ＦＰ４、ＦＰ５、ＦＰ６、ＦＰ７：ガス遮断弁
ＨＩ：断熱材
ＰＯＸ：部分酸化改質反応
ＰＰ１〜ＰＰ６：配管
ＲＦ：改質器
ＲＦ１：改質部
ＲＦ２：蒸発部
ＲＦＰ：部分酸化改質器
ＲＦＰ１：起動用部分酸化改質器
ＲＦＰ２：停止用部分酸化改質器
ＲＦＳ：水蒸気改質器
ＳＲ：水蒸気改質反応
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質形の燃料電池セルを含む燃料電池システムであって、
複数の燃料電池セルが配置された発電室と、前記発電室の上方に配設され且つ前記燃料電池セルによって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室の上方に配設され且つ発電時に燃料ガスの水蒸気改質を行う第１改質器と、前記燃料電池システムを起動させる起動モードの際及び前記発電を停止する運転停止モードの際に燃料ガスの部分酸化改質を行う第２改質器と、を有する燃料電池モジュールを備え、
前記第２改質器は、前記発電室、燃焼室を形成する容器の外部に配設されると共に、前記第１改質器の下流側に当該第１改質器と直列に配設されてなり、当該第１改質器から排出されたガスが通過可能である燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２改質器は、圧損低減手段を備えてなる請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記圧損低減手段は、前記第１改質器と第２改質器とを連通する配管から分岐され、当該第２改質器を迂回するバイパス管路であり、
前記バイパス管路は、前記発電モードの際に、前記第１改質器で改質された燃料ガスの流路となる請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第２改質器は、前記バイパス管路よりも前記容器から遠い位置に配設されてなる請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２改質器は、燃料電池システムの起動モードの際に前記燃料ガスの部分酸化改質を行う起動用部分酸化改質器と、当該燃料電池システムの運転停止モードの際に前記燃料ガスの部分酸化改質を行う停止用部分酸化改質器と、を備えてなる請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記停止用部分酸化改質器は、前記起動用部分酸化改質器よりも前記容器から遠い位置に配設されてなる請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第２改質器の下流側に配設され、当該第２改質器と前記容器とを連通させる配管を複数有し、当該複数の配管のうち、前記容器から最も遠い位置に配設されている配管は、放熱手段を備えてなる請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１】
固体電解質形の燃料電池セルを含む燃料電池システムであって、
複数の燃料電池セルが配置された発電室と、前記発電室の上方に配設され且つ前記燃料電池セルによって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる燃焼室と、前記燃焼室の上方に配設され且つ発電時に燃料ガスの水蒸気改質を行う第１改質器と、前記燃料電池システムを起動させる起動モードの際及び前記発電を停止する運転停止モードの際に燃料ガスの部分酸化改質を行う第２改質器と、を有する燃料電池モジュールを備え、
前記第２改質器は、前記発電室、燃焼室を形成する容器の外部に配設されると共に、前記第１改質器の下流側に当該第１改質器と直列に配設されてなり、当該第１改質器から排出されたガスが通過可能である燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２改質器は、圧損低減手段を備えてなる請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記圧損低減手段は、前記第１改質器と第２改質器とを連通する配管から分岐され、当該第２改質器を迂回するバイパス管路であり、
前記バイパス管路は、前記発電モードの際に、前記第１改質器で改質された燃料ガスの流路となる請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第２改質器は、前記バイパス管路よりも前記容器から遠い位置に配設されてなる請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２改質器は、燃料電池システムの起動モードの際に前記燃料ガスの部分酸化改質を行う起動用部分酸化改質器と、当該燃料電池システムの運転停止モードの際に前記燃料ガスの部分酸化改質を行う停止用部分酸化改質器と、を備えてなる請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記停止用部分酸化改質器は、前記起動用部分酸化改質器よりも前記容器から遠い位置に配設されてなる請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第２改質器の下流側に配設され、当該第２改質器と前記容器とを連通させる配管を複数有し、当該複数の配管のうち、前記容器から最も遠い位置に配設されている配管は、放熱手段を備えてなる請求項１記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２３８５９３（Ｐ２０１０−２３８５９３Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−８６５８０（Ｐ２００９−８６５８０）
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２１日（２０１０．１０．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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