燃料電池システム
【課題】再起動時に生じ得る炭素析出や改質触媒劣化等の発生を防止し、長寿命運転を可能とした燃料電池システムを提供する。
【解決手段】改質器２０と制御部１１０とを備えた燃料電池システム１であって、制御部１１０は、燃料電池システム１の起動制御において、(1)改質器の温度が部分酸化改質反応開始温度（Ｔ１）未満の場合に、燃料ガスによる燃焼熱によって改質器を加熱する制御と、(2)記改質器の温度がＴ１以上で水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満の場合にＰＯＸ工程と、(3)改質器の温度がＴ２以上の場合にＡＴＲ工程と、を順に実行するように構成されており、制御部１１０は、燃料電池システム１の起動制御を開始する時における改質器２０の温度がＴ２以上である場合には、ＡＴＲ工程から起動制御を開始することなく、改質器２０の温度がＴ２未満に低下した後に、ＰＯＸ工程を実行する。
【解決手段】改質器２０と制御部１１０とを備えた燃料電池システム１であって、制御部１１０は、燃料電池システム１の起動制御において、(1)改質器の温度が部分酸化改質反応開始温度（Ｔ１）未満の場合に、燃料ガスによる燃焼熱によって改質器を加熱する制御と、(2)記改質器の温度がＴ１以上で水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満の場合にＰＯＸ工程と、(3)改質器の温度がＴ２以上の場合にＡＴＲ工程と、を順に実行するように構成されており、制御部１１０は、燃料電池システム１の起動制御を開始する時における改質器２０の温度がＴ２以上である場合には、ＡＴＲ工程から起動制御を開始することなく、改質器２０の温度がＴ２未満に低下した後に、ＰＯＸ工程を実行する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係わり、特に、再起動時の起動時間を短縮可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）では、起動時に、改質器において燃料ガスの部分酸化改質反応（ＰＯＸ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）、水蒸気改質反応（ＳＲ）を各起動段階に応じて順に実行し改質器等を昇温していくものが知られている。
【０００３】
このような燃料電池において、稼動状態からの運転停止動作中又はその後の運転停止状態において再起動する場合、燃料電池モジュールに余熱が依然として蓄積されている状態では、上記のＰＯＸ、ＡＴＲ、ＳＲのすべての反応工程を順に実行せずに、すなわちＰＯＸを行わずに、ＳＲ（又はＡＴＲ）に移行することができる（例えば、特許文献１参照）。このようにＰＯＸを省略することにより、再起動時間を短縮化することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１５９４６３号公報
【特許文献２】特開２００５−３４００７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、再起動時に改質器が高温状態であるときにＳＲから開始すると、炭素析出や改質触媒の劣化が生じるといった問題があった。すなわち、ＳＲから開始する場合には、燃料ガスと水との供給開始タイミングを確実に一致させる必要があり、これらの供給タイミングが一致せず、水の供給が遅れたり供給過少であると炭素析出が生じ、一方、水が過剰に供給されると改質触媒の劣化が生じる。
【０００６】
例えば、特許文献２は燃料電池の停止方法に関するものであるが、特許文献２は、停止時に高温領域で水蒸気のみが触媒層に供給されると、水蒸気が酸素源となって触媒を酸化してしまうという問題点を指摘している。
【０００７】
また、改質器は、例えば燃料電池モジュール内に配置されており、再起動時において、燃料電池モジュール内の温度ばらつきにより、改質器が局所的に高温になっている場合がある。したがって、改質器の測定温度が低い場合であっても、局所的に高温部位が存在する可能性があり、このような状態で水蒸気改質（ＳＲ）を開始すると、上述の炭素析出等が発生してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、再起動時に生じ得る炭素析出や改質触媒劣化等の発生を防止し、長寿命運転を可能とした燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明は、燃料電池セルに改質した燃料ガスを供給するための改質器と、制御手段とを備えた燃料電池システムであって、制御手段は、燃料電池システムの起動制御において、(1) 改質器の温度が部分酸化改質反応開始温度（Ｔ１）未満の場合に、燃料ガスによる燃焼熱によって改質器を加熱する加熱工程と、(2) 改質器の温度が部分酸化改質反応開始温度（Ｔ１）以上で水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満の場合に、燃料ガスの部分酸化改質反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱によって改質器を加熱するＰＯＸ工程と、(3) 改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）以上の場合に、燃料ガスの部分酸化改質反応と水蒸気改質反応とを併用するオートサーマル改質反応を実行して、燃料ガスの部分酸化改質反応の反応熱と燃料ガスによる燃焼熱と燃料ガスの水蒸気改質反応の吸熱を制御して改質器を加熱するＡＴＲ工程と、を順に実行するように構成されており、制御手段は、燃料電池システムの起動制御を開始する時における改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）以上である場合には、ＡＴＲ工程から起動制御を開始することなく、改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に低下した後に、ＰＯＸ工程を実行することを特徴としている。
【００１０】
改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）以上（すなわち、ＡＴＲ工程に対応する温度帯域）のときに燃料電池システムを起動又は再起動する場合、高温環境における改質器の劣化（すなわち、水供給量の不足状態又は過剰状態に起因する炭素析出や触媒劣化の発生）を防止するために、水と燃料ガスとを改質触媒に同時に到達させる必要がある。しかしながら、再起動時に水と燃料ガスとを改質触媒に同時に到達させるように制御することは困難である。
【００１１】
そこで、本発明では、再起動制御を開始する時の改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）以上である場合には、低温又は常温の状態から起動制御を開始する通常の起動時とは異なり、改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）以上であってもＡＴＲ工程から起動制御を開始せず、改質器の温度が水蒸気改質可能温度（Ｔ２）未満に低下した後に、ＰＯＸ工程から起動制御を開始するように構成されている。ＰＯＸ工程では、水供給を必要とする水蒸気改質反応は行われず、水と燃料ガスの供給タイミングを精緻に制御する必要がないため、上述の炭素析出と触媒劣化の発生といった問題を確実に回避することができる。また、ＰＯＸ工程では、水蒸気改質反応に代えて、空気による燃料ガスの酸化反応が行われるが、この反応では空気と燃料ガスの供給タイミングが同時である必要が無いため、制御を簡単にすることができる。
また、本発明では、水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に改質器の温度が低下した時点で昇温工程に移行するため、改質器の温度が常温まで低下してから通常の起動制御を実行する場合と比べて、起動時間を短縮することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、制御手段は、改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満まで低下してから行うＰＯＸ工程を、改質器の温度が部分酸化改質反応開始温度（Ｔ１）未満の状態から開始した通常の起動制御におけるＰＯＸ工程とは制御内容を異ならせて実行する。
【００１３】
改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に低下したとしても、燃料電池モジュー全体には余熱が蓄積されている。このため、通常のＰＯＸ工程（発熱反応）を行うと、燃料電池セルに比べて改質器の昇温速度が大きくなり過ぎる場合があり、この場合、改質器が過昇温して改質器が劣化するおそれがある。このため、本発明では、再起動制御においては、ＰＯＸ工程を実行できる温度まで改質器が冷却されても、通常のＰＯＸ工程を行わず、通常とは異なるＰＯＸ起動を行うことにより、再起動時における過昇温を防止することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、制御手段は、改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に低下してから行うＰＯＸ工程を、通常の起動制御におけるＰＯＸ工程よりも時間当たりの発熱量が少なくなるように制御する。
再起動時においては、改質器に余熱が既に蓄積されているので、改質器の昇温速度が大きくなり過ぎる傾向があるが、本発明では、発熱量を低減したＰＯＸ工程を実行することにより、改質器の過昇温を確実に防止することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、制御手段は、改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に低下してから行うＰＯＸ工程を、通常の起動制御におけるＰＯＸ工程より時間を短くするように構成されている。
このように構成された本発明においては、発熱反応であるＰＯＸ工程を短時間で終了させて、ＡＴＲ工程に移行することで、過昇温を防止することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、制御手段は、改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）よりも低い所定温度に低下するまでの間、ＰＯＸ工程を開始しないように構成されている。
改質器の温度測定値が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に低下しても、測定部位以外の特定部位で局所的にＴ２以上となっているおそれがある。したがって、この時点でＰＯＸ工程に移行してしまうと、ＰＯＸの発熱反応により、当該特定部位が昇温し過ぎて、改質触媒の酸化が生じてしまうおそれがある。
このため、本発明では、改質器全体が確実にＴ２以下となっているような所定温度まで測定温度値が低下してからＰＯＸ工程へ移行するように構成し、これにより、局所的な部位での過昇温を防止することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）は３５０℃以上であって、所定温度は水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）より１００℃以上低く設定されている。
このように構成された本発明においては、改質器の測定温度がＴ２よりも１００℃以上低い温度に低下するまでは、ＰＯＸ工程へ移行しないので、改質器内に局所的な高温部位があったとしても、当該部位で触媒酸化する温度（３５０℃）を超えてしまうことを防止することができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、制御手段は、改質器の入口温度と出口温度をそれぞれ取得し、入口温度が所定温度まで低下してからＰＯＸ工程へ移行し、出口温度が所定温度より高い第２の所定温度以上となったときに、ＰＯＸ工程における燃料ガスと空気の供給量を増加させるように構成されている。
【００１９】
ＰＯＸ反応による発熱は改質器の入口付近で最も生じやすい。このため、本発明では、入口温度が所定温度まで低下したことを確認してからＰＯＸ工程へ移行することにより、局所的な過昇温による不具合を防止することができる。更に、本発明では、出口温度が上昇するまでは（すなわち、燃焼の炎による昇温が全体に行き渡ったことを確認するまでは）、燃料量及び空気量を少量とすることで、局所的な過昇温をより確実に抑制することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料電池システムによれば、再起動時に生じ得る炭素析出や改質触媒劣化等の発生を防止し、長寿命運転を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿う断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池セル単体を示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による燃料電池システムを示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による燃料電池システムの起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による燃料電池システムの運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による燃料電池システムの再起動制御処理フローである。
【図１０】本発明の他の実施形態による燃料電池システムの再起動制御処理フローである。
【図１１】本発明の一実施形態による燃料電池システムの通常時の起動モードと再起動時の起動モードを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
改質器入口温度センサ１４８は、改質器２０の入口温度を検出するためのものであり、改質器出口温度センサ１４９は、改質器２０の出口温度を検出するためのものである。
外気温度センサ１５０は、固体電解質型燃料電池（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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
先ず、改質用空気流量調整ユニット４４から改質用空気を第１ヒータ４６を経由して燃料電池モジュール２の改質器２０へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット４５から発電用空気を第２ヒータ４８を経由して燃料電池モジュール２の空気用熱交換器２２へ供給し、この発電用空気が、発電室１０及び燃焼室１８に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット３８からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器２０及び燃料電池セルスタック１４、燃料電池セルユニット１６を通過して、燃焼室１８に到達する。
【００５０】
次に、点火装置８３により着火して、燃焼室１８にある燃料ガスと空気（改質用空気及び発電用空気）とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室１０が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール２の密封空間８内を上昇する際、改質器２０内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器２２内の発電用空気も暖める。
【００５１】
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。
【００５２】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５３】
部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器入口温度センサ１４８及び改質器出口温度センサ１４９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。
【００５４】
式（２）に示すオートサーマル改質反応ＡＴＲの開始後、改質器温度センサ１４６により改質器２０が所定温度（例えば、７００℃）になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット４４による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット２８による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器２０には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器２０において、式（３）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
【００５５】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５６】
この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室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。
【００５７】
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を作動させる定格定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
【００５８】
この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル８４で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室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。
【００５９】
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。
【００６０】
また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、発電室の温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応ＳＲを終了する。この発電用空気の供給は、改質器２０の温度が所定温度、例えば、２００℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。
【００６１】
このように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２の運転停止を行うとき、改質器２０による水蒸気改質反応ＳＲと発電用空気による冷却とを併用しているので、比較的短時間に、燃料電池モジュールの運転を停止させることができる。
【００６２】
次に、図９を参照して、本実施形態による燃料電池システム１の再起動時の動作を説明する。
本実施形態の燃料電池システム１は、上述の図７で示される通常起動時の動作を実行する制御モード（通常起動モード）を備えている。
また、本実施形態の燃料電池システム１は、図８に示す運転停止動作の実行中に運転の起動（すなわち、再起動）が要求された場合に、この運転の再起動を実行する再起動制御モード（再起動モード）を備えている。
【００６３】
図９は、再起動モードの処理フローの一実施形態を示している。
まず、この再起動制御処理フローが開始されると、制御部１１０は、改質器入口温度センサ１４８及び改質器出口温度センサ１４９の検出信号に基づいて、改質器温度Ｔｒを取得する（ステップＳ１）。改質器温度Ｔｒは、例えば、改質器入口温度センサ１４８及び改質器出口温度センサ１４９の検出信号に基づいて算出した改質器２０の入口温度と出口温度の平均温度である。
【００６４】
次に、制御部１１０は、改質器温度Ｔｒが水蒸気改質反応可能温度Ｔ２（以下、「ＳＲ可能温度Ｔ２」とも言う）よりも低いか否かを判定する（ステップＳ２）。なお、ＳＲ可能温度Ｔ２は、３５０℃以上であり、通常は４５０℃から６００℃の範囲内に設定される。
【００６５】
改質器温度ＴｒがＳＲ可能温度Ｔ２よりも低い場合（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、制御部１１０は、ステップＳ４の処理へ移行する。
一方、改質器温度ＴｒがＳＲ可能温度Ｔ２よりも低くない場合（ステップＳ２；Ｎｏ）、制御部１１０は、燃料電池モジュール２内への発電用空気流量調整ユニット４５による発電用空気の供給量を増大させることにより、改質器温度ＴｒがＳＲ可能温度Ｔ２より低くなるまで改質器２０を空気により強制冷却し（ステップＳ３）、ステップＳ４の処理へ移行する。
【００６６】
ステップＳ４の処理では、制御部１１０は、燃料電池システム１の再起動制御を部分酸化改質反応ＰＯＸの運転制御状態（ＰＯＸ工程）から開始し（ステップＳ４）、処理を終了する。再起動用のＰＯＸ工程へ移行後は、所定の条件に応じて、オートサーマル改質反応ＡＴＲの運転制御状態（ＡＴＲ工程）、水蒸気改質反応ＳＲの運転制御状態（ＳＲ工程）へ運転制御状態を順次移行することができる。
【００６７】
なお、本実施形態では、再起動時におけるＰＯＸ工程では、通常起動時のＰＯＸ工程と比べて、燃料ガス及び改質用空気の供給量が減量され、単位時間当たりの発熱量が少なくなるように、制御内容が異なって設定される。燃料ガスおよび／または改質用空気の供給量を減少させることにより、単位時間当たりの発熱量を減少させることができる。これにより、燃料電池モジュール２内に余熱が蓄積されていることに起因する改質器２０等の全体的な又は局所的な過昇温を防止することができる。
【００６８】
このように、本実施形態では、再起動時に、改質器温度ＴｒがＳＲ可能温度Ｔ２以上であっても、ＡＴＲ工程又はＳＲ工程から起動を開始することが禁止されている。そして、本実施形態では、再起動時に改質器温度ＴｒがＳＲ可能温度Ｔ２以上である場合には、高温状態の改質器２０を強制冷却して、改質器温度ＴｒをＳＲ可能温度Ｔ２より低温にした後、ＰＯＸ工程から起動制御を行う。
なお、本実施形態では、ステップＳ３の処理で、改質器２０を強制空冷しているが、これに限らず、強制空冷せずに、通常の運転停止動作又は自然冷却により改質器２０が冷却されるのを待つように構成してもよい。
【００６９】
このように構成することにより、本実施形態では、再起動時にＰＯＸ工程から再起動制御を開始することにより、従来のようにＡＴＲ工程及びＳＲ工程での水と燃料の供給タイミング制御を精緻に行う必要がないので、制御を簡単化することができると共に、ＡＴＲ工程及びＳＲ工程での水と燃料の供給タイミング制御の困難さに起因する炭素析出や触媒劣化といった問題の発生を回避することができる。
【００７０】
次に、図１０を参照して、他の実施形態による燃料電池システム１の再起動時の動作を説明する。
図１０は、図９に代えて実行される再起動制御の処理フローを示している。
まず、この再起動制御処理フローが開始されると、制御部１１０は、改質器入口温度センサ１４８からの検出信号に基づいて、改質器入口温度Ｔｒ１を取得する（ステップＳ１１）。
【００７１】
次に、制御部１１０は、改質器入口温度Ｔｒ１が所定温度（本例では２００℃）よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１２）。なお、この所定温度は、ＳＲ可能温度Ｔ２よりも１００℃以上低く設定された温度である。
燃料電池モジュール２内の温度分布にはばらつきがあるため、改質器２０の任意の特定部位が局所的に測定部位よりも高温である可能性がある。このため、再起動制御の開始時において、改質器入口温度Ｔｒ１がＳＲ可能温度Ｔ２よりも低い場合であっても、改質器２０内の特定部位がＳＲ可能温度Ｔ２以上であるおそれがある。
【００７２】
したがって、本実施形態では、燃料電池モジュール２内及び改質器２０内の温度分布のばらつきを考慮して、上記所定温度は、運転停止動作中において改質器入口温度Ｔｒ１がこの所定温度であるときに、改質器２０内のすべての部位がＳＲ可能温度Ｔ２より低くなるように設定されている。本実施形態では、改質器入口温度Ｔｒ１がＳＲ可能温度Ｔ２よりも１００℃以上低い場合に、改質器２０内のすべての部位がＳＲ可能温度Ｔ２より確実に低くなることが確認されている。
【００７３】
改質器入口温度Ｔｒ１が所定温度よりも低い場合（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、制御部１１０は、ステップＳ１４の処理へ移行する。
一方、改質器入口温度Ｔｒ１が所定温度よりも低くない場合（ステップＳ１２；Ｎｏ）、制御部１１０は、燃料電池モジュール２内への発電用空気流量調整ユニット４５による発電用空気の供給量を増大させることにより、改質器入口温度Ｔｒ１が所定温度より低くなるまで改質器２０を空気により強制冷却し（ステップＳ１３）、ステップＳ１４の処理へ移行する。
【００７４】
ステップＳ１４の処理では、制御部１１０は、燃料電池システム１の再起動制御をＰＯＸ工程から開始する（ステップＳ１４）。ただし、ステップＳ１４で開始されるＰＯＸ工程は、本格的なＰＯＸ工程を開始する前の予備的な又は制限的なＰＯＸ工程（以下「制限的ＰＯＸ工程」という）である。本実施形態では、この制限的ＰＯＸ工程において、部分酸化改質反応ＰＯＸを行うために必要な燃料ガス及び改質用空気の供給量を、その後のＰＯＸ工程（ステップＳ１７）よりも少量に設定している。
【００７５】
燃料電池モジュール２は、運転停止動作中からの再起動時には、常温からの起動時に比べて、大量の余熱を蓄積している。すなわち、ステップＳ１２及びＳ１３で改質器入口温度Ｔｒ１が所定温度より低温であるとしても、改質器２０を含む燃料電池モジュール２は大量の余熱を内部に蓄積している。したがって、ステップＳ１４の処理の時点で、通常又はそれに近いＰＯＸ工程から開始した場合、改質器２０等が過昇温し劣化してしまうおそれがある。
【００７６】
このため、本実施形態では、当初から通常又はそれに近いＰＯＸ工程を開始するのではなく、部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱反応を当初は抑制するために、制限的ＰＯＸ工程を実行することにより、燃料ガス及び改質用空気の供給量を少量に制限している。この少量の燃料ガス及び改質用空気を用いた制限的ＰＯＸ工程により、ＰＯＸによる反応熱と燃料ガスの燃焼熱によって改質器２０が徐々に昇温される。
【００７７】
次いで、制御部１１０は、改質器出口温度センサ１４９からの検出信号に基づいて、改質器出口温度Ｔｒ２を取得し（ステップＳ１５）、改質器出口温度Ｔｒ２が第２の所定温度（本例では、２５０℃）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。
【００７８】
改質器出口温度Ｔｒ２が第２の所定温度以上でない場合（ステップＳ１６；Ｎｏ）、制御部１１０は、ステップＳ１５の処理を繰り返し、改質器出口温度Ｔｒ２を算出する。このようにして、制御部１１０は、改質器出口温度Ｔｒ２が第２の所定温度以上になるまで（ステップＳ１６；Ｙｅｓ）、ステップＳ１５及びＳ１６の処理を繰り返す。
【００７９】
改質器出口温度Ｔｒ２が第２の所定温度以上になると（ステップＳ１６；Ｙｅｓ）、制御部１１０は、制限的ＰＯＸ工程から本格的な再起動用のＰＯＸ工程へ移行し、この再起動用のＰＯＸ工程に従って、燃料ガス及び改質用空気の供給量を増量して再起動用のＰＯＸ工程に移行し（ステップＳ１７）、処理を終了する。再起動用のＰＯＸ工程へ移行後は、所定の条件に応じて、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程へ順次移行することができる。
【００８０】
上述の制限的ＰＯＸ工程により改質器２０の温度は徐々に又全体的に上昇していくが、本実施形態では、改質器２０の出口温度Ｔｒ２が第２の所定温度以上に上昇すれば、燃焼の炎による昇温が全体に行き渡り、改質器２０が全体的に第２の所定温度以上に昇温されたことを確認できるので、改質器出口温度Ｔｒ２が第２の所定温度以上に上昇するまでは、燃料ガス量及び改質用空気量を少量とすることで、局所的な過昇温をより確実に抑制することができる。
【００８１】
このように、本実施形態では、再起動時に、改質器２０全体が確実にＳＲ可能温度Ｔ２以下まで冷却された後、制限的ＰＯＸ工程により徐々に改質器２０を昇温して行くことにより、改質器２０全体を昇温し、そして、十分に昇温された時点で燃料ガス及び改質用空気を増量して本格的にＰＯＸ工程を実行する。これにより、ＡＴＲ工程及びＳＲ工程での水と燃料の供給タイミング制御の困難さに起因する炭素析出や触媒劣化といった問題の発生を回避すると共に、昇温工程における改質器２０の過昇温を防止することができる。
【００８２】
次に、図１１を参照して、通常起動モードと再起動モードの各運転制御状態について説明する。
まず、通常起動モードについて説明する。図１１に示すように、通常起動モードは、制御部１１０が各運転制御状態（着火工程、燃焼運転工程、通常起動ＰＯＸ工程、通常起動ＡＴＲ工程、通常起動ＳＲ工程）を時間的に順に実行するように構成されている。通常起動モードによる改質器温度等のパラメータの時間変化は、図７に基づいて説明した通りである。
【００８３】
まず、着火工程では、燃料流量調整ユニット３８による燃料ガスの供給量は６．０（L/min）、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量は１０．０（L/min）、発電用空気流量調整ユニット４５による発電用空気の供給量は１００．０（L/min）、水流量調整ユニット２８による水の供給量は０．０（cc/min）に設定される。
【００８４】
この状態で、着火工程において、点火装置８３により燃料ガスが着火され、燃焼運転工程（加熱工程）に移行する。燃焼運転工程では、燃料ガスの供給量、改質用空気の供給量、発電用空気の供給量、水供給量は、着火工程と同じであり、燃料ガスによる燃焼熱によって改質器２０を加熱する。
【００８５】
燃焼運転工程中に改質器温度Ｔｒが部分酸化改質反応開始温度Ｔ１である３００℃以上になると、制御部１１０は、運転制御状態を通常起動ＰＯＸ工程に移行する。このとき、燃料ガスの供給量は５．０（L/min）に減量され、改質用空気の供給量は１８．０（L/min）に増量され、燃料ガスの部分酸化改質反応ＰＯＸの反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱によって改質器２０を加熱する。
【００８６】
次に、通常起動ＰＯＸ工程中に改質器温度Ｔｒが水蒸気改質反応可能温度Ｔ２（ＳＲ可能温度Ｔ２）である６００℃以上になり、且つ、発電室温度センサ１４２により測定された燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４自体）の近傍の温度であるスタック温度Ｔｓが２５０℃以上になると、制御部１１０は、運転制御状態を通常起動ＰＯＸ工程から通常起動ＡＴＲ工程に移行する。このとき、燃料ガスの供給量は４．０（L/min）に減量され、改質用空気の供給量は４．０（L/min）に更に減量され、水供給量は３．０（cc/min）に増量され、オートサーマル改質反応ＡＴＲが行われる。オートサーマル改質反応ＡＴＲでは、部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとが併用され、燃料ガスの部分酸化改質反応ＰＯＸの反応熱と、燃料ガスによる燃焼熱と、燃料ガスの水蒸気改質反応ＳＲの吸熱とを制御して改質器２０を加熱する。
【００８７】
次に、通常起動ＡＴＲ工程中に改質器温度Ｔｒが６５０℃以上になり、且つ、スタック温度Ｔｓが６００℃以上になると、制御部１１０は、運転制御状態を通常起動ＡＴＲ工程から通常起動ＳＲ工程に移行する。このとき、燃料ガスの供給量は３．０（L/min）に更に減量され、改質用空気の供給量は０．０（L/min）に減量され、水供給量は８．０（cc/min）に更に増量され、水蒸気改質反応ＳＲが行われる。
その後、通常起動ＳＲ工程中に改質器温度Ｔｒが６５０℃以上になり、且つ、スタック温度Ｔｓが７００℃以上になると、制御部１１０は、通常起動ＳＲ工程を終了して、これにより通常起動モードを終了して、通常運転モードに移行する。
【００８８】
次に、再起動モードについて説明する。図１１に示すように、再起動モードは、制御部１１０が各運転制御状態（着火工程、再起動ＰＯＸ工程、通常起動ＡＴＲ工程、通常起動ＳＲ工程）を必要に応じて時間的に順に実行するように構成されている。
【００８９】
まず、着火工程では、燃料ガスの供給量、改質用空気の供給量、発電用空気の供給量、水供給量は、通常起動モードの着火工程と同じに設定される。
この状態で、着火工程において、点火装置８３により燃料ガスが着火される。ただし、再起動モードでは、制御部１１０は、改質器温度ＴｒがＳＲ可能温度Ｔ２よりも低い温度（本例では、２００℃以下）になるまで待ってから着火を行い、着火後、再起動ＰＯＸ工程へ移行する。なお、図１０の例では、改質器温度Ｔｒとして、改質器温度Ｔｒ１が用いられる。
【００９０】
再起動ＰＯＸ工程では、燃料ガスの供給量は４．５（L/min）に減量され、改質用空気の供給量は１７．０（L/min）に増量され、燃料ガスの部分酸化改質反応ＰＯＸの反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱によって改質器２０を加熱する。
なお、本実施形態では、再起動ＰＯＸ工程において、通常起動ＰＯＸ工程と比べて、燃料ガス及び改質用空気の供給量が減量され、時間当たりの発熱量が少なくなるように、制御内容が異なって設定されている。これにより、燃料電池モジュール２内に余熱が蓄積されていることに起因する改質器２０等の過昇温を防止することができる。
【００９１】
また、図１０の例と同様に、再起動ＰＯＸ工程を実行する前に、制限的ＰＯＸ工程を実行し、改質器出口温度Ｔｒ２が第２の所定温度（２５０℃）以上になったときに、再起動ＰＯＸ工程へ移行するように構成してもよい。
【００９２】
次に、再起動ＰＯＸ工程中に改質器温度Ｔｒが５００℃以上になると、制御部１１０は、運転制御状態を再起動ＰＯＸ工程から通常起動ＡＴＲ工程に移行する。このとき、燃料ガスの供給量は４．０（L/min）に減量され、改質用空気の供給量は４．０（L/min）に減量され、水供給量は３．０（cc/min）に増量され、オートサーマル改質反応ＡＴＲが行われる。なお、このときの燃料ガスの供給量、改質用空気の供給量、発電用空気の供給量、水供給量は、通常起動モードにおける通常起動ＡＴＲと同じに設定されている。
【００９３】
本実施形態の再起動ＰＯＸ工程では、改質器温度Ｔｒが５００℃以上になると、運転制御状態が通常起動ＡＴＲ工程に切り替わるように構成されており、通常起動モードにおける通常起動ＰＯＸ工程から通常起動ＡＴＲ工程への切り替わりの温度条件（６００℃）よりも低く設定されている。すなわち、通常起動モードでは改質器温度Ｔｒの切り替わり温度が、６００℃であるのに対し、再起動モードでは５００℃に低減されている。これにより、再起動ＰＯＸ工程は、通常起動ＰＯＸ工程よりも実行時間が短くされており、再起動モードでは発熱反応である部分酸化改質反応ＰＯＸを短時間で終了させて、次のオートサーマル改質反応ＡＴＲへ移行することにより、過昇温を防止することができる。
【００９４】
次に、再起動モードでの通常起動ＡＴＲ工程中に改質器温度Ｔｒが６００℃以上になり、且つ、スタック温度Ｔｓが６００℃以上になると、制御部１１０は、運転制御状態を通常起動ＡＴＲ工程から通常起動ＳＲ工程に移行する。このとき、燃料ガスの供給量は３．０（L/min）に更に減量され、改質用空気の供給量は０．０（L/min）に減量され、水供給量は８．０（cc/min）に更に増量され、水蒸気改質反応ＳＲが行われる。なお、このときの燃料ガスの供給量、改質用空気の供給量、発電用空気の供給量、水供給量は、通常起動モードにおける通常起動ＳＲと同じに設定されている。
【００９５】
なお、本実施形態では、再起動モードでの通常起動ＡＴＲ工程から通常起動ＳＲ工程への移行する条件としての改質器温度Ｔｒが、６００℃であり、通常起動モードの場合（６５０℃）よりも低く設定されている。再起動時には、上述のように燃料電池モジュール２内に余熱が蓄積されているので、本実施形態では、再起動モードにおいて改質器温度Ｔｒが６５０℃よりも低い温度である６００℃以上になったことを条件に通常起動ＳＲ工程へ早期に移行することができる。
【００９６】
その後、再起動モードにおける通常起動ＳＲ工程中に改質器温度Ｔｒが６５０℃以上になると（更にスタック温度Ｔｓが７００℃以上になると）、制御部１１０は、通常起動モード、すなわち通常起動ＳＲ工程を終了して、通常運転モードに移行する。
【符号の説明】
【００９７】
１ 固体電解質形燃料電池（燃料電池システム）
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２２ 空気用熱交換器
２８ 水流量調整ユニット
３８ 燃料流量調整ユニット
４４ 改質用空気流量調整ユニット
４５ 発電用空気流量調整ユニット
５４ インバータ
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係わり、特に、再起動時の起動時間を短縮可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）では、起動時に、改質器において燃料ガスの部分酸化改質反応（ＰＯＸ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）、水蒸気改質反応（ＳＲ）を各起動段階に応じて順に実行し改質器等を昇温していくものが知られている。
【０００３】
このような燃料電池において、稼動状態からの運転停止動作中又はその後の運転停止状態において再起動する場合、燃料電池モジュールに余熱が依然として蓄積されている状態では、上記のＰＯＸ、ＡＴＲ、ＳＲのすべての反応工程を順に実行せずに、すなわちＰＯＸを行わずに、ＳＲ（又はＡＴＲ）に移行することができる（例えば、特許文献１参照）。このようにＰＯＸを省略することにより、再起動時間を短縮化することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１５９４６３号公報
【特許文献２】特開２００５−３４００７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、再起動時に改質器が高温状態であるときにＳＲから開始すると、炭素析出や改質触媒の劣化が生じるといった問題があった。すなわち、ＳＲから開始する場合には、燃料ガスと水との供給開始タイミングを確実に一致させる必要があり、これらの供給タイミングが一致せず、水の供給が遅れたり供給過少であると炭素析出が生じ、一方、水が過剰に供給されると改質触媒の劣化が生じる。
【０００６】
例えば、特許文献２は燃料電池の停止方法に関するものであるが、特許文献２は、停止時に高温領域で水蒸気のみが触媒層に供給されると、水蒸気が酸素源となって触媒を酸化してしまうという問題点を指摘している。
【０００７】
また、改質器は、例えば燃料電池モジュール内に配置されており、再起動時において、燃料電池モジュール内の温度ばらつきにより、改質器が局所的に高温になっている場合がある。したがって、改質器の測定温度が低い場合であっても、局所的に高温部位が存在する可能性があり、このような状態で水蒸気改質（ＳＲ）を開始すると、上述の炭素析出等が発生してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、再起動時に生じ得る炭素析出や改質触媒劣化等の発生を防止し、長寿命運転を可能とした燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明は、燃料電池セルに改質した燃料ガスを供給するための改質器と、制御手段とを備えた燃料電池システムであって、制御手段は、燃料電池システムの起動制御において、(1) 改質器の温度が部分酸化改質反応開始温度（Ｔ１）未満の場合に、燃料ガスによる燃焼熱によって改質器を加熱する加熱工程と、(2) 改質器の温度が部分酸化改質反応開始温度（Ｔ１）以上で水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満の場合に、燃料ガスの部分酸化改質反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱によって改質器を加熱するＰＯＸ工程と、(3) 改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）以上の場合に、燃料ガスの部分酸化改質反応と水蒸気改質反応とを併用するオートサーマル改質反応を実行して、燃料ガスの部分酸化改質反応の反応熱と燃料ガスによる燃焼熱と燃料ガスの水蒸気改質反応の吸熱を制御して改質器を加熱するＡＴＲ工程と、を順に実行するように構成されており、制御手段は、燃料電池システムの起動制御を開始する時における改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）以上である場合には、ＡＴＲ工程から起動制御を開始することなく、改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に低下した後に、ＰＯＸ工程を実行することを特徴としている。
【００１０】
改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）以上（すなわち、ＡＴＲ工程に対応する温度帯域）のときに燃料電池システムを起動又は再起動する場合、高温環境における改質器の劣化（すなわち、水供給量の不足状態又は過剰状態に起因する炭素析出や触媒劣化の発生）を防止するために、水と燃料ガスとを改質触媒に同時に到達させる必要がある。しかしながら、再起動時に水と燃料ガスとを改質触媒に同時に到達させるように制御することは困難である。
【００１１】
そこで、本発明では、再起動制御を開始する時の改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）以上である場合には、低温又は常温の状態から起動制御を開始する通常の起動時とは異なり、改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）以上であってもＡＴＲ工程から起動制御を開始せず、改質器の温度が水蒸気改質可能温度（Ｔ２）未満に低下した後に、ＰＯＸ工程から起動制御を開始するように構成されている。ＰＯＸ工程では、水供給を必要とする水蒸気改質反応は行われず、水と燃料ガスの供給タイミングを精緻に制御する必要がないため、上述の炭素析出と触媒劣化の発生といった問題を確実に回避することができる。また、ＰＯＸ工程では、水蒸気改質反応に代えて、空気による燃料ガスの酸化反応が行われるが、この反応では空気と燃料ガスの供給タイミングが同時である必要が無いため、制御を簡単にすることができる。
また、本発明では、水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に改質器の温度が低下した時点で昇温工程に移行するため、改質器の温度が常温まで低下してから通常の起動制御を実行する場合と比べて、起動時間を短縮することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、制御手段は、改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満まで低下してから行うＰＯＸ工程を、改質器の温度が部分酸化改質反応開始温度（Ｔ１）未満の状態から開始した通常の起動制御におけるＰＯＸ工程とは制御内容を異ならせて実行する。
【００１３】
改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に低下したとしても、燃料電池モジュー全体には余熱が蓄積されている。このため、通常のＰＯＸ工程（発熱反応）を行うと、燃料電池セルに比べて改質器の昇温速度が大きくなり過ぎる場合があり、この場合、改質器が過昇温して改質器が劣化するおそれがある。このため、本発明では、再起動制御においては、ＰＯＸ工程を実行できる温度まで改質器が冷却されても、通常のＰＯＸ工程を行わず、通常とは異なるＰＯＸ起動を行うことにより、再起動時における過昇温を防止することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、制御手段は、改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に低下してから行うＰＯＸ工程を、通常の起動制御におけるＰＯＸ工程よりも時間当たりの発熱量が少なくなるように制御する。
再起動時においては、改質器に余熱が既に蓄積されているので、改質器の昇温速度が大きくなり過ぎる傾向があるが、本発明では、発熱量を低減したＰＯＸ工程を実行することにより、改質器の過昇温を確実に防止することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、制御手段は、改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に低下してから行うＰＯＸ工程を、通常の起動制御におけるＰＯＸ工程より時間を短くするように構成されている。
このように構成された本発明においては、発熱反応であるＰＯＸ工程を短時間で終了させて、ＡＴＲ工程に移行することで、過昇温を防止することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、制御手段は、改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）よりも低い所定温度に低下するまでの間、ＰＯＸ工程を開始しないように構成されている。
改質器の温度測定値が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に低下しても、測定部位以外の特定部位で局所的にＴ２以上となっているおそれがある。したがって、この時点でＰＯＸ工程に移行してしまうと、ＰＯＸの発熱反応により、当該特定部位が昇温し過ぎて、改質触媒の酸化が生じてしまうおそれがある。
このため、本発明では、改質器全体が確実にＴ２以下となっているような所定温度まで測定温度値が低下してからＰＯＸ工程へ移行するように構成し、これにより、局所的な部位での過昇温を防止することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）は３５０℃以上であって、所定温度は水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）より１００℃以上低く設定されている。
このように構成された本発明においては、改質器の測定温度がＴ２よりも１００℃以上低い温度に低下するまでは、ＰＯＸ工程へ移行しないので、改質器内に局所的な高温部位があったとしても、当該部位で触媒酸化する温度（３５０℃）を超えてしまうことを防止することができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、制御手段は、改質器の入口温度と出口温度をそれぞれ取得し、入口温度が所定温度まで低下してからＰＯＸ工程へ移行し、出口温度が所定温度より高い第２の所定温度以上となったときに、ＰＯＸ工程における燃料ガスと空気の供給量を増加させるように構成されている。
【００１９】
ＰＯＸ反応による発熱は改質器の入口付近で最も生じやすい。このため、本発明では、入口温度が所定温度まで低下したことを確認してからＰＯＸ工程へ移行することにより、局所的な過昇温による不具合を防止することができる。更に、本発明では、出口温度が上昇するまでは（すなわち、燃焼の炎による昇温が全体に行き渡ったことを確認するまでは）、燃料量及び空気量を少量とすることで、局所的な過昇温をより確実に抑制することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料電池システムによれば、再起動時に生じ得る炭素析出や改質触媒劣化等の発生を防止し、長寿命運転を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿う断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池セル単体を示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による燃料電池システムを示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による燃料電池システムの起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による燃料電池システムの運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による燃料電池システムの再起動制御処理フローである。
【図１０】本発明の他の実施形態による燃料電池システムの再起動制御処理フローである。
【図１１】本発明の一実施形態による燃料電池システムの通常時の起動モードと再起動時の起動モードを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
改質器入口温度センサ１４８は、改質器２０の入口温度を検出するためのものであり、改質器出口温度センサ１４９は、改質器２０の出口温度を検出するためのものである。
外気温度センサ１５０は、固体電解質型燃料電池（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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
先ず、改質用空気流量調整ユニット４４から改質用空気を第１ヒータ４６を経由して燃料電池モジュール２の改質器２０へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット４５から発電用空気を第２ヒータ４８を経由して燃料電池モジュール２の空気用熱交換器２２へ供給し、この発電用空気が、発電室１０及び燃焼室１８に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット３８からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器２０及び燃料電池セルスタック１４、燃料電池セルユニット１６を通過して、燃焼室１８に到達する。
【００５０】
次に、点火装置８３により着火して、燃焼室１８にある燃料ガスと空気（改質用空気及び発電用空気）とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室１０が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール２の密封空間８内を上昇する際、改質器２０内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器２２内の発電用空気も暖める。
【００５１】
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。
【００５２】
ＣmＨn＋ｘＯ2 → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （１）
【００５３】
部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器入口温度センサ１４８及び改質器出口温度センサ１４９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。
【００５４】
式（２）に示すオートサーマル改質反応ＡＴＲの開始後、改質器温度センサ１４６により改質器２０が所定温度（例えば、７００℃）になったことを検知したとき、改質用空気流量調整ユニット４４による改質用空気の供給を停止すると共に、水流量調整ユニット２８による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器２０には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器２０において、式（３）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
【００５５】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ → aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2 （３）
【００５６】
この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室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。
【００５７】
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を作動させる定格定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
【００５８】
この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル８４で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、燃焼室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。
【００５９】
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。
【００６０】
また、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、改質用空気流量調整ユニット４４による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、発電室の温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応ＳＲを終了する。この発電用空気の供給は、改質器２０の温度が所定温度、例えば、２００℃まで低下するまで、継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。
【００６１】
このように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２の運転停止を行うとき、改質器２０による水蒸気改質反応ＳＲと発電用空気による冷却とを併用しているので、比較的短時間に、燃料電池モジュールの運転を停止させることができる。
【００６２】
次に、図９を参照して、本実施形態による燃料電池システム１の再起動時の動作を説明する。
本実施形態の燃料電池システム１は、上述の図７で示される通常起動時の動作を実行する制御モード（通常起動モード）を備えている。
また、本実施形態の燃料電池システム１は、図８に示す運転停止動作の実行中に運転の起動（すなわち、再起動）が要求された場合に、この運転の再起動を実行する再起動制御モード（再起動モード）を備えている。
【００６３】
図９は、再起動モードの処理フローの一実施形態を示している。
まず、この再起動制御処理フローが開始されると、制御部１１０は、改質器入口温度センサ１４８及び改質器出口温度センサ１４９の検出信号に基づいて、改質器温度Ｔｒを取得する（ステップＳ１）。改質器温度Ｔｒは、例えば、改質器入口温度センサ１４８及び改質器出口温度センサ１４９の検出信号に基づいて算出した改質器２０の入口温度と出口温度の平均温度である。
【００６４】
次に、制御部１１０は、改質器温度Ｔｒが水蒸気改質反応可能温度Ｔ２（以下、「ＳＲ可能温度Ｔ２」とも言う）よりも低いか否かを判定する（ステップＳ２）。なお、ＳＲ可能温度Ｔ２は、３５０℃以上であり、通常は４５０℃から６００℃の範囲内に設定される。
【００６５】
改質器温度ＴｒがＳＲ可能温度Ｔ２よりも低い場合（ステップＳ２；Ｙｅｓ）、制御部１１０は、ステップＳ４の処理へ移行する。
一方、改質器温度ＴｒがＳＲ可能温度Ｔ２よりも低くない場合（ステップＳ２；Ｎｏ）、制御部１１０は、燃料電池モジュール２内への発電用空気流量調整ユニット４５による発電用空気の供給量を増大させることにより、改質器温度ＴｒがＳＲ可能温度Ｔ２より低くなるまで改質器２０を空気により強制冷却し（ステップＳ３）、ステップＳ４の処理へ移行する。
【００６６】
ステップＳ４の処理では、制御部１１０は、燃料電池システム１の再起動制御を部分酸化改質反応ＰＯＸの運転制御状態（ＰＯＸ工程）から開始し（ステップＳ４）、処理を終了する。再起動用のＰＯＸ工程へ移行後は、所定の条件に応じて、オートサーマル改質反応ＡＴＲの運転制御状態（ＡＴＲ工程）、水蒸気改質反応ＳＲの運転制御状態（ＳＲ工程）へ運転制御状態を順次移行することができる。
【００６７】
なお、本実施形態では、再起動時におけるＰＯＸ工程では、通常起動時のＰＯＸ工程と比べて、燃料ガス及び改質用空気の供給量が減量され、単位時間当たりの発熱量が少なくなるように、制御内容が異なって設定される。燃料ガスおよび／または改質用空気の供給量を減少させることにより、単位時間当たりの発熱量を減少させることができる。これにより、燃料電池モジュール２内に余熱が蓄積されていることに起因する改質器２０等の全体的な又は局所的な過昇温を防止することができる。
【００６８】
このように、本実施形態では、再起動時に、改質器温度ＴｒがＳＲ可能温度Ｔ２以上であっても、ＡＴＲ工程又はＳＲ工程から起動を開始することが禁止されている。そして、本実施形態では、再起動時に改質器温度ＴｒがＳＲ可能温度Ｔ２以上である場合には、高温状態の改質器２０を強制冷却して、改質器温度ＴｒをＳＲ可能温度Ｔ２より低温にした後、ＰＯＸ工程から起動制御を行う。
なお、本実施形態では、ステップＳ３の処理で、改質器２０を強制空冷しているが、これに限らず、強制空冷せずに、通常の運転停止動作又は自然冷却により改質器２０が冷却されるのを待つように構成してもよい。
【００６９】
このように構成することにより、本実施形態では、再起動時にＰＯＸ工程から再起動制御を開始することにより、従来のようにＡＴＲ工程及びＳＲ工程での水と燃料の供給タイミング制御を精緻に行う必要がないので、制御を簡単化することができると共に、ＡＴＲ工程及びＳＲ工程での水と燃料の供給タイミング制御の困難さに起因する炭素析出や触媒劣化といった問題の発生を回避することができる。
【００７０】
次に、図１０を参照して、他の実施形態による燃料電池システム１の再起動時の動作を説明する。
図１０は、図９に代えて実行される再起動制御の処理フローを示している。
まず、この再起動制御処理フローが開始されると、制御部１１０は、改質器入口温度センサ１４８からの検出信号に基づいて、改質器入口温度Ｔｒ１を取得する（ステップＳ１１）。
【００７１】
次に、制御部１１０は、改質器入口温度Ｔｒ１が所定温度（本例では２００℃）よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１２）。なお、この所定温度は、ＳＲ可能温度Ｔ２よりも１００℃以上低く設定された温度である。
燃料電池モジュール２内の温度分布にはばらつきがあるため、改質器２０の任意の特定部位が局所的に測定部位よりも高温である可能性がある。このため、再起動制御の開始時において、改質器入口温度Ｔｒ１がＳＲ可能温度Ｔ２よりも低い場合であっても、改質器２０内の特定部位がＳＲ可能温度Ｔ２以上であるおそれがある。
【００７２】
したがって、本実施形態では、燃料電池モジュール２内及び改質器２０内の温度分布のばらつきを考慮して、上記所定温度は、運転停止動作中において改質器入口温度Ｔｒ１がこの所定温度であるときに、改質器２０内のすべての部位がＳＲ可能温度Ｔ２より低くなるように設定されている。本実施形態では、改質器入口温度Ｔｒ１がＳＲ可能温度Ｔ２よりも１００℃以上低い場合に、改質器２０内のすべての部位がＳＲ可能温度Ｔ２より確実に低くなることが確認されている。
【００７３】
改質器入口温度Ｔｒ１が所定温度よりも低い場合（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、制御部１１０は、ステップＳ１４の処理へ移行する。
一方、改質器入口温度Ｔｒ１が所定温度よりも低くない場合（ステップＳ１２；Ｎｏ）、制御部１１０は、燃料電池モジュール２内への発電用空気流量調整ユニット４５による発電用空気の供給量を増大させることにより、改質器入口温度Ｔｒ１が所定温度より低くなるまで改質器２０を空気により強制冷却し（ステップＳ１３）、ステップＳ１４の処理へ移行する。
【００７４】
ステップＳ１４の処理では、制御部１１０は、燃料電池システム１の再起動制御をＰＯＸ工程から開始する（ステップＳ１４）。ただし、ステップＳ１４で開始されるＰＯＸ工程は、本格的なＰＯＸ工程を開始する前の予備的な又は制限的なＰＯＸ工程（以下「制限的ＰＯＸ工程」という）である。本実施形態では、この制限的ＰＯＸ工程において、部分酸化改質反応ＰＯＸを行うために必要な燃料ガス及び改質用空気の供給量を、その後のＰＯＸ工程（ステップＳ１７）よりも少量に設定している。
【００７５】
燃料電池モジュール２は、運転停止動作中からの再起動時には、常温からの起動時に比べて、大量の余熱を蓄積している。すなわち、ステップＳ１２及びＳ１３で改質器入口温度Ｔｒ１が所定温度より低温であるとしても、改質器２０を含む燃料電池モジュール２は大量の余熱を内部に蓄積している。したがって、ステップＳ１４の処理の時点で、通常又はそれに近いＰＯＸ工程から開始した場合、改質器２０等が過昇温し劣化してしまうおそれがある。
【００７６】
このため、本実施形態では、当初から通常又はそれに近いＰＯＸ工程を開始するのではなく、部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱反応を当初は抑制するために、制限的ＰＯＸ工程を実行することにより、燃料ガス及び改質用空気の供給量を少量に制限している。この少量の燃料ガス及び改質用空気を用いた制限的ＰＯＸ工程により、ＰＯＸによる反応熱と燃料ガスの燃焼熱によって改質器２０が徐々に昇温される。
【００７７】
次いで、制御部１１０は、改質器出口温度センサ１４９からの検出信号に基づいて、改質器出口温度Ｔｒ２を取得し（ステップＳ１５）、改質器出口温度Ｔｒ２が第２の所定温度（本例では、２５０℃）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。
【００７８】
改質器出口温度Ｔｒ２が第２の所定温度以上でない場合（ステップＳ１６；Ｎｏ）、制御部１１０は、ステップＳ１５の処理を繰り返し、改質器出口温度Ｔｒ２を算出する。このようにして、制御部１１０は、改質器出口温度Ｔｒ２が第２の所定温度以上になるまで（ステップＳ１６；Ｙｅｓ）、ステップＳ１５及びＳ１６の処理を繰り返す。
【００７９】
改質器出口温度Ｔｒ２が第２の所定温度以上になると（ステップＳ１６；Ｙｅｓ）、制御部１１０は、制限的ＰＯＸ工程から本格的な再起動用のＰＯＸ工程へ移行し、この再起動用のＰＯＸ工程に従って、燃料ガス及び改質用空気の供給量を増量して再起動用のＰＯＸ工程に移行し（ステップＳ１７）、処理を終了する。再起動用のＰＯＸ工程へ移行後は、所定の条件に応じて、ＡＴＲ工程、ＳＲ工程へ順次移行することができる。
【００８０】
上述の制限的ＰＯＸ工程により改質器２０の温度は徐々に又全体的に上昇していくが、本実施形態では、改質器２０の出口温度Ｔｒ２が第２の所定温度以上に上昇すれば、燃焼の炎による昇温が全体に行き渡り、改質器２０が全体的に第２の所定温度以上に昇温されたことを確認できるので、改質器出口温度Ｔｒ２が第２の所定温度以上に上昇するまでは、燃料ガス量及び改質用空気量を少量とすることで、局所的な過昇温をより確実に抑制することができる。
【００８１】
このように、本実施形態では、再起動時に、改質器２０全体が確実にＳＲ可能温度Ｔ２以下まで冷却された後、制限的ＰＯＸ工程により徐々に改質器２０を昇温して行くことにより、改質器２０全体を昇温し、そして、十分に昇温された時点で燃料ガス及び改質用空気を増量して本格的にＰＯＸ工程を実行する。これにより、ＡＴＲ工程及びＳＲ工程での水と燃料の供給タイミング制御の困難さに起因する炭素析出や触媒劣化といった問題の発生を回避すると共に、昇温工程における改質器２０の過昇温を防止することができる。
【００８２】
次に、図１１を参照して、通常起動モードと再起動モードの各運転制御状態について説明する。
まず、通常起動モードについて説明する。図１１に示すように、通常起動モードは、制御部１１０が各運転制御状態（着火工程、燃焼運転工程、通常起動ＰＯＸ工程、通常起動ＡＴＲ工程、通常起動ＳＲ工程）を時間的に順に実行するように構成されている。通常起動モードによる改質器温度等のパラメータの時間変化は、図７に基づいて説明した通りである。
【００８３】
まず、着火工程では、燃料流量調整ユニット３８による燃料ガスの供給量は６．０（L/min）、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量は１０．０（L/min）、発電用空気流量調整ユニット４５による発電用空気の供給量は１００．０（L/min）、水流量調整ユニット２８による水の供給量は０．０（cc/min）に設定される。
【００８４】
この状態で、着火工程において、点火装置８３により燃料ガスが着火され、燃焼運転工程（加熱工程）に移行する。燃焼運転工程では、燃料ガスの供給量、改質用空気の供給量、発電用空気の供給量、水供給量は、着火工程と同じであり、燃料ガスによる燃焼熱によって改質器２０を加熱する。
【００８５】
燃焼運転工程中に改質器温度Ｔｒが部分酸化改質反応開始温度Ｔ１である３００℃以上になると、制御部１１０は、運転制御状態を通常起動ＰＯＸ工程に移行する。このとき、燃料ガスの供給量は５．０（L/min）に減量され、改質用空気の供給量は１８．０（L/min）に増量され、燃料ガスの部分酸化改質反応ＰＯＸの反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱によって改質器２０を加熱する。
【００８６】
次に、通常起動ＰＯＸ工程中に改質器温度Ｔｒが水蒸気改質反応可能温度Ｔ２（ＳＲ可能温度Ｔ２）である６００℃以上になり、且つ、発電室温度センサ１４２により測定された燃料電池セルスタック１４（即ち燃料電池セル８４自体）の近傍の温度であるスタック温度Ｔｓが２５０℃以上になると、制御部１１０は、運転制御状態を通常起動ＰＯＸ工程から通常起動ＡＴＲ工程に移行する。このとき、燃料ガスの供給量は４．０（L/min）に減量され、改質用空気の供給量は４．０（L/min）に更に減量され、水供給量は３．０（cc/min）に増量され、オートサーマル改質反応ＡＴＲが行われる。オートサーマル改質反応ＡＴＲでは、部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとが併用され、燃料ガスの部分酸化改質反応ＰＯＸの反応熱と、燃料ガスによる燃焼熱と、燃料ガスの水蒸気改質反応ＳＲの吸熱とを制御して改質器２０を加熱する。
【００８７】
次に、通常起動ＡＴＲ工程中に改質器温度Ｔｒが６５０℃以上になり、且つ、スタック温度Ｔｓが６００℃以上になると、制御部１１０は、運転制御状態を通常起動ＡＴＲ工程から通常起動ＳＲ工程に移行する。このとき、燃料ガスの供給量は３．０（L/min）に更に減量され、改質用空気の供給量は０．０（L/min）に減量され、水供給量は８．０（cc/min）に更に増量され、水蒸気改質反応ＳＲが行われる。
その後、通常起動ＳＲ工程中に改質器温度Ｔｒが６５０℃以上になり、且つ、スタック温度Ｔｓが７００℃以上になると、制御部１１０は、通常起動ＳＲ工程を終了して、これにより通常起動モードを終了して、通常運転モードに移行する。
【００８８】
次に、再起動モードについて説明する。図１１に示すように、再起動モードは、制御部１１０が各運転制御状態（着火工程、再起動ＰＯＸ工程、通常起動ＡＴＲ工程、通常起動ＳＲ工程）を必要に応じて時間的に順に実行するように構成されている。
【００８９】
まず、着火工程では、燃料ガスの供給量、改質用空気の供給量、発電用空気の供給量、水供給量は、通常起動モードの着火工程と同じに設定される。
この状態で、着火工程において、点火装置８３により燃料ガスが着火される。ただし、再起動モードでは、制御部１１０は、改質器温度ＴｒがＳＲ可能温度Ｔ２よりも低い温度（本例では、２００℃以下）になるまで待ってから着火を行い、着火後、再起動ＰＯＸ工程へ移行する。なお、図１０の例では、改質器温度Ｔｒとして、改質器温度Ｔｒ１が用いられる。
【００９０】
再起動ＰＯＸ工程では、燃料ガスの供給量は４．５（L/min）に減量され、改質用空気の供給量は１７．０（L/min）に増量され、燃料ガスの部分酸化改質反応ＰＯＸの反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱によって改質器２０を加熱する。
なお、本実施形態では、再起動ＰＯＸ工程において、通常起動ＰＯＸ工程と比べて、燃料ガス及び改質用空気の供給量が減量され、時間当たりの発熱量が少なくなるように、制御内容が異なって設定されている。これにより、燃料電池モジュール２内に余熱が蓄積されていることに起因する改質器２０等の過昇温を防止することができる。
【００９１】
また、図１０の例と同様に、再起動ＰＯＸ工程を実行する前に、制限的ＰＯＸ工程を実行し、改質器出口温度Ｔｒ２が第２の所定温度（２５０℃）以上になったときに、再起動ＰＯＸ工程へ移行するように構成してもよい。
【００９２】
次に、再起動ＰＯＸ工程中に改質器温度Ｔｒが５００℃以上になると、制御部１１０は、運転制御状態を再起動ＰＯＸ工程から通常起動ＡＴＲ工程に移行する。このとき、燃料ガスの供給量は４．０（L/min）に減量され、改質用空気の供給量は４．０（L/min）に減量され、水供給量は３．０（cc/min）に増量され、オートサーマル改質反応ＡＴＲが行われる。なお、このときの燃料ガスの供給量、改質用空気の供給量、発電用空気の供給量、水供給量は、通常起動モードにおける通常起動ＡＴＲと同じに設定されている。
【００９３】
本実施形態の再起動ＰＯＸ工程では、改質器温度Ｔｒが５００℃以上になると、運転制御状態が通常起動ＡＴＲ工程に切り替わるように構成されており、通常起動モードにおける通常起動ＰＯＸ工程から通常起動ＡＴＲ工程への切り替わりの温度条件（６００℃）よりも低く設定されている。すなわち、通常起動モードでは改質器温度Ｔｒの切り替わり温度が、６００℃であるのに対し、再起動モードでは５００℃に低減されている。これにより、再起動ＰＯＸ工程は、通常起動ＰＯＸ工程よりも実行時間が短くされており、再起動モードでは発熱反応である部分酸化改質反応ＰＯＸを短時間で終了させて、次のオートサーマル改質反応ＡＴＲへ移行することにより、過昇温を防止することができる。
【００９４】
次に、再起動モードでの通常起動ＡＴＲ工程中に改質器温度Ｔｒが６００℃以上になり、且つ、スタック温度Ｔｓが６００℃以上になると、制御部１１０は、運転制御状態を通常起動ＡＴＲ工程から通常起動ＳＲ工程に移行する。このとき、燃料ガスの供給量は３．０（L/min）に更に減量され、改質用空気の供給量は０．０（L/min）に減量され、水供給量は８．０（cc/min）に更に増量され、水蒸気改質反応ＳＲが行われる。なお、このときの燃料ガスの供給量、改質用空気の供給量、発電用空気の供給量、水供給量は、通常起動モードにおける通常起動ＳＲと同じに設定されている。
【００９５】
なお、本実施形態では、再起動モードでの通常起動ＡＴＲ工程から通常起動ＳＲ工程への移行する条件としての改質器温度Ｔｒが、６００℃であり、通常起動モードの場合（６５０℃）よりも低く設定されている。再起動時には、上述のように燃料電池モジュール２内に余熱が蓄積されているので、本実施形態では、再起動モードにおいて改質器温度Ｔｒが６５０℃よりも低い温度である６００℃以上になったことを条件に通常起動ＳＲ工程へ早期に移行することができる。
【００９６】
その後、再起動モードにおける通常起動ＳＲ工程中に改質器温度Ｔｒが６５０℃以上になると（更にスタック温度Ｔｓが７００℃以上になると）、制御部１１０は、通常起動モード、すなわち通常起動ＳＲ工程を終了して、通常運転モードに移行する。
【符号の説明】
【００９７】
１ 固体電解質形燃料電池（燃料電池システム）
２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
１０ 発電室
１２ 燃料電池セル集合体
１４ 燃料電池セルスタック
１６ 燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２２ 空気用熱交換器
２８ 水流量調整ユニット
３８ 燃料流量調整ユニット
４４ 改質用空気流量調整ユニット
４５ 発電用空気流量調整ユニット
５４ インバータ
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
１１０ 制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルに改質した燃料ガスを供給するための改質器と、制御手段とを備えた燃料電池システムであって、
前記制御手段は、燃料電池システムの起動制御において、(1) 前記改質器の温度が部分酸化改質反応開始温度（Ｔ１）未満の場合に、燃料ガスによる燃焼熱によって前記改質器を加熱する加熱工程と、(2) 前記改質器の温度が部分酸化改質反応開始温度（Ｔ１）以上で水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満の場合に、燃料ガスの部分酸化改質反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱によって前記改質器を加熱するＰＯＸ工程と、(3) 前記改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）以上の場合に、燃料ガスの部分酸化改質反応と水蒸気改質反応とを併用するオートサーマル改質反応を実行して、燃料ガスの部分酸化改質反応の反応熱と燃料ガスによる燃焼熱と燃料ガスの水蒸気改質反応の吸熱を制御して前記改質器を加熱するＡＴＲ工程と、を順に実行するように構成されており、
前記制御手段は、燃料電池システムの起動制御を開始する時における前記改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）以上である場合には、前記ＡＴＲ工程から起動制御を開始することなく、前記改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に低下した後に、前記ＰＯＸ工程を実行することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満まで低下してから行うＰＯＸ工程を、前記改質器の温度が部分酸化改質反応開始温度（Ｔ１）未満の状態から開始した通常の起動制御におけるＰＯＸ工程とは制御内容を異ならせて実行することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に低下してから行うＰＯＸ工程を、通常の起動制御におけるＰＯＸ工程よりも時間当たりの発熱量が少なくなるように制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に低下してから行うＰＯＸ工程を、通常の起動制御におけるＰＯＸ工程より時間を短くするように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）よりも低い所定温度に低下するまでの間、前記ＰＯＸ工程を開始しないように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）は３５０℃以上であって、前記所定温度は水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）より１００℃以上低く設定されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記改質器の入口温度と出口温度をそれぞれ取得し、入口温度が前記所定温度まで低下してから前記ＰＯＸ工程へ移行し、出口温度が前記所定温度より高い第２の所定温度以上となったときに、前記ＰＯＸ工程における燃料ガスと空気の供給量を増加させるように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池セルに改質した燃料ガスを供給するための改質器と、制御手段とを備えた燃料電池システムであって、
前記制御手段は、燃料電池システムの起動制御において、(1) 前記改質器の温度が部分酸化改質反応開始温度（Ｔ１）未満の場合に、燃料ガスによる燃焼熱によって前記改質器を加熱する加熱工程と、(2) 前記改質器の温度が部分酸化改質反応開始温度（Ｔ１）以上で水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満の場合に、燃料ガスの部分酸化改質反応の反応熱と燃焼ガスによる燃焼熱によって前記改質器を加熱するＰＯＸ工程と、(3) 前記改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）以上の場合に、燃料ガスの部分酸化改質反応と水蒸気改質反応とを併用するオートサーマル改質反応を実行して、燃料ガスの部分酸化改質反応の反応熱と燃料ガスによる燃焼熱と燃料ガスの水蒸気改質反応の吸熱を制御して前記改質器を加熱するＡＴＲ工程と、を順に実行するように構成されており、
前記制御手段は、燃料電池システムの起動制御を開始する時における前記改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）以上である場合には、前記ＡＴＲ工程から起動制御を開始することなく、前記改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に低下した後に、前記ＰＯＸ工程を実行することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満まで低下してから行うＰＯＸ工程を、前記改質器の温度が部分酸化改質反応開始温度（Ｔ１）未満の状態から開始した通常の起動制御におけるＰＯＸ工程とは制御内容を異ならせて実行することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に低下してから行うＰＯＸ工程を、通常の起動制御におけるＰＯＸ工程よりも時間当たりの発熱量が少なくなるように制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）未満に低下してから行うＰＯＸ工程を、通常の起動制御におけるＰＯＸ工程より時間を短くするように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記改質器の温度が水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）よりも低い所定温度に低下するまでの間、前記ＰＯＸ工程を開始しないように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）は３５０℃以上であって、前記所定温度は水蒸気改質反応可能温度（Ｔ２）より１００℃以上低く設定されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記改質器の入口温度と出口温度をそれぞれ取得し、入口温度が前記所定温度まで低下してから前記ＰＯＸ工程へ移行し、出口温度が前記所定温度より高い第２の所定温度以上となったときに、前記ＰＯＸ工程における燃料ガスと空気の供給量を増加させるように構成されていることを特徴とする請求項６に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８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−７９４０９（Ｐ２０１２−７９４０９Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２０４３２（Ｐ２０１０−２２０４３２）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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