(57)【要約】      （修正有）【課題】圧力損失の変動等に伴う燃料オフガスのリサイクル率の変化に適応した燃料利用率に設定することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供する。【解決手段】固体酸化物形燃料電池システムは、改質燃料ガス及び空気中の酸素の酸化及び還元によって発電を行うセルスタック６と、セルスタック６からの燃料オフガスを燃焼させるための燃焼器４６と、燃料オフガスを燃焼器４６に送給するための燃料オフガス送給流路４４と、燃料オフガス送給流路４４を流れる燃料オフガスの一部を燃料ガス供給流路１４に戻すためのリサイクル流路７０とを備える。燃料オフガス中の一酸化炭素と水蒸気とが反応して二酸化炭素と水素とに変換する際の反応熱による温度変化を検知するための発熱検知手段７４が燃料オフガス送給流路４４に設けられる。コントローラは、この発熱検知手段７４の検知温度に基づいて燃料ガス供給手段２４を制御して燃料利用率を補正する。【選択図】図１
2020107401.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、水蒸気改質に用いる水蒸気を発生させるための気化器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び空気中の酸素の酸化及び還元によって発電を行うセルスタックと、前記改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記セルスタックに空気を供給するための空気供給手段と、前記セルスタックでの発電反応後の燃料オフガス及び空気オフガスを燃焼させるための燃焼器と、前記セルスタックからの燃料オフガスを前記燃焼器に送給するための燃料オフガス送給流路と、前記セルスタックからの空気オフガスを前記燃焼器に送給するための空気オフガス送給流路と、前記燃料オフガス送給流路を流れる燃料オフガスに含まれる水蒸気を結露させて除去するための冷却凝縮器と、前記冷却凝縮器にて冷却された後の燃料オフガスの一部を前記燃料ガス供給手段の上流側に導くためのリサイクル流路と、前記燃料ガス供給手段及び前記空気供給手段の作動を制御するためのコントローラと、を備えており、
更に、前記燃料オフガス送給流路における前記冷却凝縮器の配設部位よりも上流側に発熱検知域が設けられ、燃料オフガス中の一酸化炭素と水蒸気とが反応して二酸化炭素と水素とに変換する際の反応熱による温度変化を検知するための発熱検知手段が前記発熱検知域に設けられ、前記燃料オフガス送給流路を流れる燃料オフガスの一部又は全部が前記発熱検知域を通して前記冷却凝縮器に送給され、前記コントローラは、前記発熱検知手段の検知温度に基づいて前記燃料ガス供給手段を制御して燃料利用率を補正することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、水蒸気改質に用いる水蒸気を発生させるための気化器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び空気中の酸素の酸化及び還元によって発電を行うセルスタックと、前記改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記セルスタックに空気を供給するための空気供給手段と、前記セルスタックでの発電反応後の燃料オフガス及び空気オフガスを燃焼させるための燃焼器と、前記セルスタックからの燃料オフガスを前記燃焼器に送給するための燃料オフガス送給流路と、前記セルスタックからの空気オフガスを前記燃焼器に送給するための空気オフガス送給流路と、前記燃料オフガス送給流路を流れる燃料オフガスの一部を前記燃料ガス供給手段の上流側に導くためのリサイクル流路と、前記リサイクル流路を流れる燃料オフガスに含まれる水蒸気を結露させて除去するための冷却凝縮器と、前記燃料ガス供給手段及び前記空気供給手段の作動を制御するためのコントローラと、を備えており、
更に、前記リサイクル流路における前記冷却凝縮器の配設部位よりも上流側に発熱検知域が設けられ、燃料オフガス中の一酸化炭素と水蒸気とが反応して二酸化炭素と水素とに変換する際の反応熱による温度変化を検知するための発熱検知手段が前記発熱検知域に設けられ、前記リサイクル流路を流れる燃料オフガスの一部又は全部が前記発熱検知域を通して前記燃料ガス供給手段の上流側に送給され、前記コントローラは、前記発熱検知手段の検知温度に基づいて前記燃料ガス供給手段を制御して燃料利用率を補正することを特徴とする固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記発熱検知手段は、前記発熱検知域に流入する燃料オフガスの温度を検知するための流入側温度検知手段と、前記発熱検知域から流出する燃料オフガスの温度を検知するための流出側温度検知手段とを備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記発熱検知域には、一酸化炭素及び水蒸気と二酸化炭素及び水素との平衡反応に対する選択性のある選択性触媒が配設されていることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
前記セルスタックに関連して、セルスタックの温度状態を検知するためのスタック温度検知手段が設けられ、前記スタック温度検知手段は、前記セルスタック又はその近傍の温度或いは前記セルスタックの出口又はその出口近傍の温度を検知し、前記コントローラは、前記スタック温度検知手段の検知温度に基づいて前記発熱検知手段の検知温度を補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料オフガス送給流路における前記発熱検知手段の配設部位より上流側に燃料オフガス用熱交換器が配設され、前記燃料オフガス用熱交換器は、前記セルスタックから前記発熱検知域に流れる燃料オフガスと前記冷却凝縮器を通った後に前記燃焼器に流れる燃料オフガスとの間で熱交換を行うことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項７】
前記リサイクル流路の下流側は、前記燃料ガス供給手段の上流側に生成される減圧域に接続され、前記減圧域にて生成される減圧を利用して、前記リサイクル流路を流れる燃料オフガスが前記燃料ガス供給手段の上流側に戻されることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原燃料を改質した改質燃料ガス及び酸化材ガスの酸化及び還元によって発電を行うセルスタックを備えた固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、酸化物イオンを伝導する膜として固体電解質を用いた固体酸化物形のセルスタックを収納容器内に収納した固体酸化物形燃料電池システムが知られている。この固体酸化物形燃料電池システムにおいては、セルスタックは複数の燃料電池セルを積層して構成され、各燃料電池セルにおける固体電解質の片面側に燃料ガスを酸化するための燃料極が設けられ、その他面側に空気（酸化材ガス）中の酸素を還元するための酸素極が設けられている。この燃料電池セルの作動温度は約７００〜９００℃と比較的高く、このような高温下において、燃料ガス（改質燃料ガス）中の水素や一酸化炭素、炭化水素と空気中の酸素とが電気化学反応を起こすことによって発電が行われる。
【０００３】
家庭用の小型燃料電池システムとしては、代表的なものとして固体酸化物形燃料電池システム（所謂、ＳＯＦＣ）、固体高分子形燃料電池システム（所謂、ＰＥＦＣ）などがある。この固体高分子形燃料電池システム（ＰＥＦＣ）では、家庭の温水需要に対して、燃料電池システムからの回収熱（換言すると、貯湯タンクに蓄えられる温水）のバランスを監視して、燃料電池システムの運転を停止させたり、その発電出力を絞ったりする運転制御が行われる。また、固体酸化物形燃料電池システム（ＳＯＦＣ）では、システムの発電効率が高く、熱と発電出力との比が小さいことから、熱需要の多寡にかかわらず電気需要に追従するように運転制御が行われる。そして、このような運転制御は、セルスタックの発電温度（所謂、作動温度）が高いために、頻繁な起動停止に向いていないことにも起因している。
【０００４】
この固体酸化物形燃料電池システムでは、基本的に昼夜連続運転が行われ、熱利用に関しては、貯湯タンクが活用され、貯湯タンクに貯湯された温水を熱需要に対応させることにより、高い運転効率を保っている。現状の固体酸化物形燃料電池システムにおいては、７００Ｗ程度の発電出力規模でも高い発電効率を得ることができ、２０１８年時点で市販されている家庭用の固体酸化物形燃料電池システムでは、定格発電効率が５２％程度（ＡＣ送電端、低位発熱量基準）となっている。発電効率が高いと、熱需要の少ない住宅に設置しても設置者は経済的メリットが得られ対象市場の拡大が見込めるので、発電効率の向上が貯湯タンクの小型化とセットで市場拡大策として推進されている。今後、さらに発電向上が向上すれば、熱利用なし、もしくは貯湯タンクなしの簡易な熱利用形態で、設置者は経済的メリット、環境性が得られることになり、発電効率の一層の向上が重要となっている。
【０００５】
家庭用システムとしても適した固体酸化物形燃料電池システムとして、原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、改質器にて改質された改質燃料ガス及び酸化材ガスの酸化及び還元によって発電を行うセルスタックと、セルスタックの酸素極（空気極）側に酸化材ガスとしての空気を供給するための空気供給手段と、改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段とを備え、セルスタック及び改質器が高温状態に保たれる高温空間に収容されているものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの上側に燃焼域が設けられ、この燃焼域の上方に改質器が配設されている。そして、改質器からの改質燃料ガスがセルスタックの燃料極側に送給され、空気供給手段からの空気がセルスタックの空気極側に送給され、このセルスタックにおける電気化学反応により発電が行われる。セルスタックの燃料極側からの燃料オフガス（即ち、アノードオフガス）及び空気極側からの空気オフガス（即ち、カソードオフガス）は燃焼域に送給されて燃焼され、この燃焼熱を利用して高温空間が高温状態に保たれるとともに、改質器などが加熱される。
【０００７】
固体酸化物形燃料電池システムとして、セルスタックの上側に燃焼域を設けることに代えて、専用の燃焼器を備えたものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。この固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの燃料極側からの燃料オフガス（アノードオフガス）が燃料オフガス送給流路を通して燃焼器に送給され、またセルスタックの空気極側からの空気オフガス（カソードオフガス）が空気オフガス送給流路を通して燃焼器に送給され、この燃焼器において燃料オフガスが空気オフガスにより燃焼され、この燃焼熱を利用して高温空間が高温状態に保たれるとともに、改質器などが加熱される。
【０００８】
このような固体酸化物燃料電池システムの発電効率は、燃料電池セルの平均発電電圧と燃料利用率との積にほぼ比例しており、この燃料利用率を高めていくと、燃料電池セルの燃料極側ガス中の水素（Ｈ２）が消費されて水（Ｈ２Ｏ）が生成されていく。一般的に、固体酸化物形の燃料電池セルの燃料極は、金属ニッケル粒子がセラミックス粒子とともに存在するサーメット（金属ニッケルとセラミックスの混合物）が用いられており、それ故に、燃料利用率を高めて水に対する水素の比率（Ｈ２／Ｈ２Ｏ）が下がっていくと、金属ニッケル粒子が酸化しはじめることになる。燃料電池セルの燃料極側の金属ニッケル粒子が酸化すると、その電気抵抗が増大するので、燃料電池セルの燃料極側出口付近では発電が行われなくなり、これにより、燃料電池セルの燃料極側のニッケル粒子が酸化する領域が広がり、発電が困難な領域が拡大していくことになる。尚、この明細書を通して、「燃料利用率」とは、燃料ガス供給流路を通して供給される原燃料ガスのうちセルスタックにて発電に寄与する（即ち、セルスタックにて発電により消費される）割合をいう。
【０００９】
また、このように酸化した燃料極は、発電時の他の条件（部分負荷運転状態、起動状態、停止状態など）において還元されて再びニッケル状態に戻り、このニッケル粒子の酸化及び還元が繰り返し行われ、この繰返し回数が多くなると、燃料電池セルの燃料極側材料に寸法変化が生じるおそれがある。この燃料極側材料に寸法変化が生じると、この燃料極と接合されている固体電解質に割れが生じ、その割れが原因となって剥離が起こり、セルスタックが破損に至るおそれが生じる。このようなことから、固体酸化物燃料電池システムの燃料利用率を高めることは、システムの発電効率を高めるためには必要であるが、高すぎるとセルスタックのダメージを招くおそれが生じる。
【００１０】
また、反応平衡上、固体酸化物形の燃料電池セル（セルスタック）の作動温度範囲において、水素（Ｈ２）：水（Ｈ２０）が５：９５より水素（Ｈ２）が少ない状態になると燃料極が酸化することが知られている。実際には、燃料電池セルの電解質／燃料極界面で発電によって水蒸気が生成されるので、バルク（ガス流路）よりも電解質／燃料極界面ではＨ２／Ｈ２０の値が下がる傾向にある。更に、燃料ガスの各燃料電池セルへの分配状態、燃料電池セル内での燃料ガス分配状態といったものも加わって、実際に使える燃料利用率の上限は、水素（Ｈ２）：水（Ｈ２０）が５：９５よりもかなり低い値に制限されている。
【００１１】
固体酸化物形燃料電池システムの燃料利用率を向上させる方法としては、セルスタックで発電に使われた燃料オフガス（即ち、アノードオフガス）の一部をセルスタックの供給側に戻し、この戻した燃料オフガスを燃料ガスに混合させて再びセルスタックに供給することがよく知られている。この場合、燃料オフガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ２）や水（Ｈ２Ｏ）を除去することにより、更に燃料電池システムの燃料利用率を高くすることができることが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−２８５３４０号公報
【特許文献２】特開２００８−２１５９６号公報
【特許文献３】特許第２９８１５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献３の燃料電池システムは、数十ＫＷ以上の発電出力を想定した構成であって、家庭用コージェネレーションシステムなどに用いる数百Ｗ程度の燃料電池システムでは、どのようにして燃料オフガス（アノードオフガス）を燃料ガスの供給側に戻すか、燃料オフガスのリサイクル率をどのように把握するかなどが課題となる。尚、この明細書全体を通して、「リサイクル率」とは、セルスタックの燃料極側から流出する燃料オフガスのうち燃料ガスの供給側に戻される比率であり、例えば、セルスタックから流出するアノードオフガスの３割（３０％）が燃料供給側に戻され、残りの７割（７０％）が下流の燃焼器に流れるように配分される場合、リサイクル率０．３と表現している。
【００１４】
このリサイクル率は、リサイクル流路、気化器・改質器からセルスタックまでの流路及びセルスタックから大気排出に至る流路などの流路の圧力損失特性並びに燃料ガス供給手段（例えば、燃料ガスポンプ）の作動により生じる上流側の負圧などによって決定され、このリサイクル率が高いと燃料利用率を高く設定することが可能となる。しかし、リサイクル率が低い状態であるのに、セルスタックの燃料利用率を高く設定すると、セルスタックの燃料側出口付近における水素（Ｈ２）／水（Ｈ２Ｏ）が低くなりすぎ、このことが原因となって、セルスタックの寿命短縮につながるおそれがある。
【００１５】
家庭用コージェネレーションシステムなどに用いられる小型の燃料電池システムは一台あたりの発電出力は小さいが、多くの家庭に設置されるとその台数が多くなるため、メンテナンスフリーであることが商品力のためには重要とされている。２０１６年時点での家庭用燃料電池コージェネレーションシステムでは、固体高分子形燃料電池システム（ＰＥＦＣ）や固体酸化物形燃料電池システム（ＳＯＦＣ）はほぼ１０年間メンテナンスフリーの仕様として国内販売されている。１０年にわたる長期間の動作においては、気化器内に改質用水に含まれる微量不純物のスケール析出や、改質器内の触媒割れといったことが起こり、これら原因となって閉塞には至らないが初期状態よりも圧力損失が増大することが往々にして生じる。このようなことが原因で圧力損失が増大すると、燃料オフガスのリサイクル率が初期よりも低下することになる。また、固体酸化物形燃料電池システムでは、セルスタックの温度、空気流量といった状態量や操作条件によっても各流路での圧力差などが変化するので、これらもリサイクル率に影響を与える。このようなことから、燃料オフガスを燃料ガス供給手段の上流側に戻すようにした固体酸化物形燃料電池システムでは、適正な燃料利用率を保ちながら燃料オフガスをリサイクルするようにすることが望まれ、そのために簡易に燃料オフガスのリサイクル率を把握、もしくはその時点のリサイクル率に対応した燃料利用率を設定できる制御方法が望まれている。
【００１６】
本発明の目的は、圧力損失の変動等に伴う燃料オフガスのリサイクル率の変化に適応した燃料利用率に設定することができる固体酸化物形燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の請求項１記載の固体酸化物形燃料電池システムは、原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、水蒸気改質に用いる水蒸気を発生させるための気化器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び空気中の酸素の酸化及び還元によって発電を行うセルスタックと、前記改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記セルスタックに空気を供給するための空気供給手段と、前記セルスタックでの発電反応後の燃料オフガス及び空気オフガスを燃焼させるための燃焼器と、前記セルスタックからの燃料オフガスを前記燃焼器に送給するための燃料オフガス送給流路と、前記セルスタックからの空気オフガスを前記燃焼器に送給するための空気オフガス送給流路と、前記燃料オフガス送給流路を流れる燃料オフガスに含まれる水蒸気を結露させて除去するための冷却凝縮器と、前記冷却凝縮器にて冷却された後の燃料オフガスの一部を前記燃料ガス供給手段の上流側に導くためのリサイクル流路と、前記燃料ガス供給手段及び前記空気供給手段の作動を制御するためのコントローラと、を備えており、
更に、前記燃料オフガス送給流路における前記冷却凝縮器の配設部位よりも上流側に発熱検知域が設けられ、燃料オフガス中の一酸化炭素と水蒸気とが反応して二酸化炭素と水素とに変換する際の反応熱による温度変化を検知するための発熱検知手段が前記発熱検知域に設けられ、前記燃料オフガス送給流路を流れる燃料オフガスの一部又は全部が前記発熱検知域を通して前記冷却凝縮器に送給され、前記コントローラは、前記発熱検知手段の検知温度に基づいて前記燃料ガス供給手段を制御して燃料利用率を補正することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムは、原燃料ガスを水蒸気改質するための改質器と、水蒸気改質に用いる水蒸気を発生させるための気化器と、前記改質器にて改質された改質燃料ガス及び空気中の酸素の酸化及び還元によって発電を行うセルスタックと、前記改質器に原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給手段と、前記セルスタックに空気を供給するための空気供給手段と、前記セルスタックでの発電反応後の燃料オフガス及び空気オフガスを燃焼させるための燃焼器と、前記セルスタックからの燃料オフガスを前記燃焼器に送給するための燃料オフガス送給流路と、前記セルスタックからの空気オフガスを前記燃焼器に送給するための空気オフガス送給流路と、前記燃料オフガス送給流路を流れる燃料オフガスの一部を前記燃料ガス供給手段の上流側に導くためのリサイクル流路と、前記リサイクル流路を流れる燃料オフガスに含まれる水蒸気を結露させて除去するための冷却凝縮器と、前記燃料ガス供給手段及び前記空気供給手段の作動を制御するためのコントローラと、を備えており、
更に、前記リサイクル流路における前記冷却凝縮器の配設部位よりも上流側に発熱検知域が設けられ、燃料オフガス中の一酸化炭素と水蒸気とが反応して二酸化炭素と水素とに変換する際の反応熱による温度変化を検知するための発熱検知手段が前記発熱検知域に設けられ、前記リサイクル流路を流れる燃料オフガスの一部又は全部が前記発熱検知域を通して前記燃料ガス供給手段の上流側に送給され、前記コントローラは、前記発熱検知手段の検知温度に基づいて前記燃料ガス供給手段を制御して燃料利用率を補正することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記発熱検知手段は、前記発熱検知域に流入する燃料オフガスの温度を検知するための流入側温度検知手段と、前記発熱検知域から流出する燃料オフガスの温度を検知するための流出側温度検知手段とを備えていることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記発熱検知域には、一酸化炭素及び水蒸気と二酸化炭素及び水素との平衡反応に対する選択性のある選択性触媒が配設されていることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記セルスタックに関連して、セルスタックの温度状態を検知するためのスタック温度検知手段が設けられ、前記スタック温度検知手段は、前記セルスタック又はその近傍の温度或いは前記セルスタックの出口又はその出口近傍の温度を検知し、前記コントローラは、前記スタック温度検知手段の検知温度に基づいて前記発熱検知手段の検知温度を補正することを特徴とする。
【００２２】
更に、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記燃料オフガス送給流路における前記発熱検知手段の配設部位より上流側に燃料オフガス用熱交換器が配設され、前記燃料オフガス用熱交換器は、前記セルスタックから前記発熱検知域に流れる燃料オフガスと前記冷却凝縮器を通った後に前記燃焼器に流れる燃料オフガスとの間で熱交換を行うことを特徴とする。
【００２３】
更にまた、本発明の請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システムでは、前記リサイクル流路の下流側は、前記燃料ガス供給手段の上流側に生成される減圧域に接続され、前記減圧域にて生成される減圧を利用して、前記リサイクル流路を流れる燃料オフガスが前記燃料ガス供給手段の上流側に戻されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、セルスタックからの燃料オフガス及び空気オフガスを燃焼させるための燃焼器が設けられ、このセルスタックから燃焼器に燃料オフガスを送給する燃料オフガス送給流路が設けられ、この燃料オフガス送給流路に燃料オフガスに含まれる水蒸気を結露させて除去するための冷却凝縮器が設けられ、この凝縮器にて水蒸気が除去された燃料オフガスが燃料オフガス送給流路からから分岐するリサイクル流路を通して燃料ガス供給手段の上流側に戻されて原燃料ガスに混合される。冷却凝縮器の配設部位の上流側には発熱検出域が設けられ、この発熱検知域に発熱検知手段が設けられ、この発熱検知手段が燃料オフガス中の一酸化炭素と水蒸気とが反応し二酸化炭素と水素とに変換する際の反応熱による温度変化を検知するので、燃料オフガス中に含まれる一酸化炭素及び水蒸気の分圧の和に基づき燃料利用率を把握することができる。そして、コントローラは、この発熱検知手段の検知温度に基づいて燃料ガス供給手段を制御して燃料利用率を補正するので、リサイクル流路を通して戻される燃料オフガスのリサイクル率が変動したとしても燃料利用率を補正して所定範囲に維持することができ、システムに適合した高燃料利用率で運転を行うことが可能となり、システムの長期間の信頼性と高発電効率の運用を両立させることができる。
【００２５】
また、本発明の請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料オフガス送給流路から分岐するリサイクル流路に燃料オフガスに含まれる水蒸気を結露させて除去するための冷却凝縮器が設けられ、この凝縮器にて水蒸気が除去された燃料オフガスがリサイクル流路を通して燃料ガス供給手段の上流側に戻されて原燃料ガスに混合される。また、このリサイクル流路における冷却凝縮器の配設部位の上流側には発熱検出域が設けられ、この発熱検知域に発熱検知手段が設けられ、この固体酸化物形燃料電池システムの基本的構成は、上述の請求項１に記載のものと同様であるので、リサイクル流路を通して戻される燃料オフガスのリサイクル率が変動したとしても燃料利用率を補正して所定範囲に維持することができ、システムに適合した高燃料利用率での運転が可能となる。
【００２６】
また、本発明の請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、発熱検知手段は、発熱検知域に流入する燃料オフガスの温度を検知するための流入側温度検知手段と、発熱検知域から流出する燃料オフガスの温度を検知するための流出側温度検知手段とを備えているので、流入側温度検知手段及び流出側温度検知手段の検知温度を用いて、この発熱検知域での一酸化炭素と水蒸気とが反応して二酸化炭素と水素とに変換する際の反応熱による温度変化を検知することができる。
【００２７】
また、本発明の請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、発熱検知域に選択性触媒が配設されているので、一酸化炭素及び水蒸気が二酸化炭素及び水素に変換する反応を選択的に促進させることができる。
【００２８】
また、本発明の請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、セルスタックの温度状態を検知するためのスタック温度検知手段がセルスタック又はその近傍の温度（或いはセルスタックの出口又はその出口近傍の温度）を検知し、このスタック温度検知手段の検知温度に基づいて発熱検知手段の検知温度が補正されるので、かかる温度補正によりシステムの燃料利用率が補正され、これにより、燃料ガス供給手段により供給される原燃料ガスの供給量が補正制御される。セルスタックの作動温度状態、特に出口近傍の温度は燃料オフガスの組成に影響を与えるので、この補正を追加することにより、より適切な燃料利用率に補正してシステムに適合した高燃料利用率で運転を行うことができる。
【００２９】
更に、本発明の請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、燃料オフガス送給流路における発熱検知手段の配設部位より上流側に燃料オフガス用熱交換器が配設され、燃料オフガス用熱交換器は、セルスタックからの燃料オフガスと冷却凝縮器を通った後の燃料オフガスとの間で熱交換を行うので、発熱検知域に流入する燃料オフガスの温度を３００℃前後にすることができるととともに、冷却凝縮器にて水蒸気を除去した後の燃料オフガスを加熱して燃焼器に送給することができる。
【００３０】
更にまた、本発明の請求項７に記載の固体酸化物形燃料電池システムによれば、リサイクル流路の下流側が燃料ガス供給手段の上流側に生成される減圧域に接続されているので、この減圧域にて生成される減圧を利用して、リサイクル流路を流れる燃料オフガスを燃料ガス供給手段の上流側に戻すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第１の実施形態を簡略的に示す全体図。
【図２】図１の固体酸化物形燃料電池システムにおける燃料オフガス送給流路の発熱検知域及びその近傍の一例を拡大して示す部分拡大断面図。
【図３】燃料オフガス送給流路の発熱検知域及びその近傍の他の例を示す部分拡大断面図。
【図４】システムの燃料利用率と燃料オフガス中に含まれる一酸化炭素及び水素の合計分圧との関係を示す図。
【図５】システムの燃料利用率と発熱検知域での反応熱による上昇温度との関係を示す図。
【図６】図１の固体酸化物形燃料電池システムの制御系を簡略的に示すブロック図。
【図７】図６の制御系による燃料利用率の補正の流れを示すフローチャート。
【図８】本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの第２の実施形態を簡略的に示す全体図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、添付図面を参照して、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの各種実施形態について説明する。まず、図１を参照して、第１の実施形態の固体酸化物形燃料電池システムについて説明する。
【００３３】
図１において、図示の固体酸化物形燃料電池システム２は、原燃料ガス（例えば、都市ガス、ＬＰガスなど）を消費して発電を行うものであり、燃料ガスを改質するための改質器４と、この改質器４にて改質された燃料ガス及び酸化材としての空気の酸化及び還元によって発電を行う固体酸化物形のセルスタック６とを備えている。
【００３４】
セルスタック６は、燃料電池反応によって発電を行うための複数の固体酸化物形の燃料電池セルを集電部材を介して積層して構成されており、図示していないが、酸素イオンを伝導する固体電解質と、この固体電解質の一方側に設けられた燃料極と、固体電解質の他方側に設けられた空気極とを備え、固体電解質として例えばイットリアをドープしたジルコニアが用いられる。
【００３５】
このセルスタック６の燃料極側８は、改質燃料ガス送給流路１０介して改質器４に接続され、この形態では、改質器４は、改質用水を気化するための気化器１２と一体的に構成されている。尚、気化器１２は、改質器４と別体に構成し、気化器１２にて気化された水蒸気を、水蒸気送給流路（図示せず）を通して改質器４に送給するようにしてもよい。
【００３６】
気化器１２は、燃料ガス供給流路１４を介して原燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源（図示せず）（例えば、埋設管や貯蔵タンクなどから構成される）に接続され、燃料ガス供給源からの原燃料ガスが燃料ガス供給流路１４を通して気化器１２に供給される。尚、この燃料ガス供給流路１４を改質器４に接続し、燃料ガス供給源からの原燃料ガスを改質器４に直接的に供給するようにしてもよい。
【００３７】
また、この気化器１２は、水供給流路１８を介して水供給源（図示せず）（例えば、水タンクや水回収タンクなどから構成される）に接続され、水供給源からの改質用水が水供給流路１８を通して気化器１２に供給される。改質器４には改質触媒が収容され、改質触媒として例えばアルミナにルテニウムを担持させたものが用いられ、この改質触媒によって、燃料ガス供給流路１４を通して供給される燃料ガスが気化器１２にて気化された水蒸気でもって水蒸気改質される。
【００３８】
燃料ガス供給流路１４には、気化器１２から上流側に向けて順に脱硫器２０、第１絞り部材２２、燃料ガスポンプ２４（燃料ガス供給手段を構成する）、第２絞り部材２６、圧力調整部材としてのゼロガバナ２８、燃料流量センサ３０（燃料流量計測手段を構成する）及び遮断弁３２が配設されている。脱硫器２０は、原燃料ガスに含まれる硫黄成分（付臭剤中の硫黄成分）を除去し、燃料ガスポンプ２４は、燃料ガス供給流路１４を流れる原燃料ガスを昇圧して気化器１２に供給する。
【００３９】
また、ゼロガバナ２８は、燃料ガス供給源（図示せず）から燃料ガス供給流路１４を通して供給される原燃料ガスを所定圧力（大気圧付近）に調整し、燃料流量センサ３０は、燃料ガス供給流路１４を通して供給される原燃料ガスの流量を測定し、遮断弁３２は、閉状態になると燃料ガス供給流路１４を遮断して燃料ガスの供給を停止する。また、燃料ガスポンプ２４の両側に位置する第１及び第２絞り部材２２，２６は、燃料ガス供給流路１４を流れる原燃料ガスの流量を安定させるために設けられ、第１絞り部材２２は例えばキャピラリー管から構成され、第２絞り部材２６は、例えば小さいオリフィスを有する絞り部材から構成される。また、燃料ガス流量センサ３０は、例えば熱式流量センサから構成することができる。
【００４０】
更に、水供給流路１８には水ポンプ３４が配設され、この水ポンプ３４によって、水供給源（図示せず）からの改質用水が水供給流路１８を通して気化器１２に供給される。尚、原燃料ガスを安定的して供給することができるときには、第１絞り部材２２を省略するようにしてもよく、また第２絞り部材２６に代えてバッファ−タンクを用いるようにしてもよい。
【００４１】
このセルスタック６の空気極側３６は、空気供給流路３８を介して空気供給手段としての空気ブロア４０に接続され、この空気供給流路３８に空気流量センサ４２（空気流量計測手段を構成する）が配設されている。空気ブロア４０は、酸化材としての空気を空気供給流路３８を通してセルスタック６の空気極側３６に供給し、空気流量センサ４２は、空気供給流路３８を流れる空気の流量を計測する。
【００４２】
この実施形態では、燃料ガスポンプ２４（及び水ポンプ３４、空気ブロア４０）の回転制御は、駆動電流のデューティ比（所謂、駆動デューティ比）でもって制御され、駆動デューティ比が大きくなると、燃料ガスポンプ２４（及び水ポンプ３４、空気ブロア４０）の回転数が大きくなって原燃料ガス（及び改質用水、空気）の供給流量が増え、一方駆動デューティ比が小さくなると、燃料ガスポンプ２４（及び水ポンプ３４、空気ブロア４０）の回転数が小さくなって原燃料ガス（及び改質用水、空気）の供給流量が少し、このようにして原燃料ガス（及び改質用水、空気）の供給流量が制御される。
【００４３】
セルスタック６の燃料極側８から排出される燃料オフガス（即ち、アノードオフガス）は、後に詳述するように、燃料オフガス送給流路４４を通して燃焼器４６に送給され、またセルスタック６の空気極側３６から排出される空気オフガス（即ち、カソードオフガス）は、空気オフガス送給流路４８を通して燃焼器４６に送給され、この燃焼器４６において、セルスタック６の燃料極側８からの燃料オフガス（燃料ガスを含んでいる）と空気極側３６からの空気オフガス（酸素を含んでいる）とが燃焼され、この燃料オフガスの燃焼熱を利用して気化器１２及び改質器４が加熱される。燃焼器４６からの燃焼排気ガスは、排気ガス排出流路５０を通して大気に排出される。
【００４４】
この実施形態では、排気ガス排出流路５０に関連して第１熱交換器５２（空気用熱交換器として機能する）が設けられている。この第１熱交換器５２は、排気ガス排出流路５０を通して排出される燃焼排気ガスと空気供給流路３８を通してセルスタック６に供給される空気との間で熱交換を行い、この熱交換により加熱された空気がセルスタック６の空気極側３６に送給される。
【００４５】
また、燃料オフガス送給流路４４に関連して第２熱交換器５４が配設されている。この第２熱交換器５４は、セルスタック６から延びる燃料オフガス送給流路４４の上流側部（後述する高温ハウジング５６内に位置する部分）を流れる燃料オフガスと、燃焼器４６に向けて延びる燃料オフガス送給流路４４の下流側部（後述する高温ハウジング５６内に位置する部分）を流れる燃料オフガスとの間で熱交換を行い、この熱交換により加熱された燃料オフガスが燃焼器４６に送給される。
【００４６】
この実施形態では、改質器４、セルスタック６、気化器１２、燃焼器３８、第１熱交換器５２及び第２熱交換器５４が高温ハウジング５６に収容されている。この高温ハウジング５４は、金属製（例えば、ステンレス鋼製）であり、その内面は内側断熱部材５８で覆われ、その外面は外側断熱部材６０で覆われており（図２参照）、その内側に高温空間６２を規定し、改質器４、セルスタック６、気化器１２、燃焼器３０、第１熱交換器５２及び第２熱交換器５４がかかる高温空間６２内で高温状態に保たれる。
【００４７】
この固体酸化物形燃料電池システム２では、更に、セルスタック６の燃料極側８からの燃料オフガスを一次的に冷却するために、燃料オフガス送給流路４４の一部（この形態では、その中間部）が高温ハウジング５４外に配設され、セルスタック６からの燃料オフガスは、燃料オフガス送給流路４４の上流側部を通して、高温ハウジング５４の外側に位置するその中間部に流れ、この中間部を流れた後に再び高温ハウジング５６内に導かれて燃料オフガス送給流路４４の下流側部を通して燃焼器４６に流れる。
【００４８】
そして、このことに関連して、更に、燃料オフガス送給流路４４の中間部（具体的には、高温ハウジング５４外に位置する部分）に第３熱交換器６４（冷却凝縮器として機能する）が配設されている。この第３熱交換器６４は、例えば、燃料オフガスの熱を温水として貯湯するためのコ−ジェネレーションシステム用の貯湯装置（図示せず）の循環流路６６と組み合わせて用いられ、燃料ガスオフ送給流路４４を流れる燃料オフガスと貯湯装置からの水との間で熱交換を行い、第３熱交換器６０にて加温された温水は、循環流路６６を通して貯湯装置の貯湯タンク（図示せず）に貯えられる。
【００４９】
燃料オフガスは冷却凝縮器６６にて冷却され、燃料オフガスに含まれる水蒸気の相当割合が結露して凝縮するので、第３熱交換器６６の下流側にドレンセパレータ６８が配設される。ドレンセパレータ６８は、この凝縮水を燃料オフガスから分離して外部に排水し、水分が除去された燃料オフガスが燃料オフガス送給流路４４を通して燃焼器４６に送給される。尚、この凝縮水を外部に排出するのではなく、水回収タンク（図示せず）に回収し、この回収した凝縮水を改質用水として利用するようにしてもよい。
【００５０】
この固体酸化物形燃料電池システム２では、更に、燃料オフガスの一部を燃料ガス供給流路１４に戻してリサイクルするように構成されている。更に説明すると、燃料オフガスの一部を戻すためのリサイクル流路７０が設けられ、このリサイクル流路７０の一端部（上流側端部）が燃料オフガス送給流路４４（具体的には、高温ハウジング５４の外側に位置するその中間部であって、ドレンセパレータ６８の配設部位よりも下流側の部位）に接続され、その他端部（下流側端部）が燃料ガス供給流路１４（具体的には、燃料ガスポンプ２４と第２絞り部材２６との間の部位）に接続されている。
【００５１】
リサイクル流路７０がこのように接続されているので、燃料ガスポンプ２４が作動して原燃料ガスが供給されると、燃料ガス供給流路１４におけるリサイクル流路７０との接続部位（具体的には、燃料ガスポンプ２４と第２絞り部材２６との間の領域であって、この領域が減圧域として作用する）が減圧され、この減圧がリサイクル流路７０を通して燃料オフガス送給流路４４を流れる燃料オフガスに作用し、かくして、燃料ガスポンプ２４の作動により発生する減圧を利用して燃料オフガスの一部を、このリサイクル流路６６を通して燃料ガス供給流路１４における燃料ガスポンプ２４の上流側に戻すことができる。
【００５２】
次に、この固体酸化物形燃料電池システム２の発電運転について説明する。発電運転のときには、燃料ガス供給源（図示せず）からの原燃料ガスが、燃料ガスポンプ２４によって燃料ガス供給流路１４を通して供給され、かく供給される原燃料ガスには、上述したようにしてリサイクル流路７０を通してリサイクルされる燃料オフガスが混合され、混合された混合燃料ガスが燃料ガスポンプ２４に送給され、燃料ガスポンプ２４により昇圧された混合燃料ガスが燃料ガス供給流路１４を通して脱硫器２０に送給される。
【００５３】
脱硫器２０においては、脱硫剤によって混合燃料ガス中に含まれた硫黄成分が除去される。脱硫すべき混合燃料ガス中には水素が含まれている（換言すると、燃料オフガスを含んでいる）ので、脱硫剤は優れた脱硫作用を安定して発揮し、混合燃料ガス中に含まれた硫黄成分を所望の通りに除去することができる。尚、脱硫器２０に用いる脱硫剤として脱硫作用の高い脱硫剤が用いられ、このような脱硫剤として、例えば銅−亜鉛系脱硫剤、銅−亜鉛−ニッケル系脱硫剤などを用いることができる。
【００５４】
脱硫器２０にて脱硫された原燃料ガス（混合燃料ガス）は、燃料ガス供給流路１４を通して気化器１２に送給される。この気化器１２には、また、水供給流路１８を通して改質用水が供給され、かかる気化器１２にて気化されて水蒸気となり、発生した水蒸気及び原燃料ガス（混合燃料ガス）が混合されて改質器４に送給される。
【００５５】
改質器４においては、原燃料ガス（混合燃料ガス）が水蒸気により水蒸気改質され、水蒸気改質された原燃料ガスが改質燃料ガス送給流路１０を通してセルスタック６の燃料極側８に送給される。また、このセルスタック６の空気極側３６には、空気供給流路３８を通して空気が送給される。
【００５６】
セルスタック６においては、燃料極側８を流れる改質燃料ガス及び空気極側３６を流れる空気（空気中の酸素）の酸化及び還元によって発電が行われ、発電により得られた直流の電力は、図示していないが、パワーコンディショナーを通して交流電力に変換されて家庭用の需要端に供給される。
【００５７】
セルスタック６の燃料極側８からの燃料オフガス（燃料ガスを含んでいる）は燃料オフガス送給流路４４を通して燃焼器４６に送給され、また空気極側３６からの空気オフガスは空気オフガス送給流路４８を通して燃焼器４６に送給され、この燃焼器４６にて燃料オフガスが空気オフガスにより燃焼され、燃焼器４６からの燃焼排気ガスが排気ガス排出流路５０を通して大気に排出される。
【００５８】
この発電運転中においては、第１熱交換器５２において、排気ガス排出流路５０を流れる燃焼排気ガスと空気供給流路３８を流れる空気との間で熱交換が行われ、この熱交換により加熱された空気がセルスタック６の空気極側３６に送給される。
【００５９】
また、第２熱交換器５４において、セルスタック６から燃料オフガス送給流路４４の上流側部を通してその中間部に流れる燃料オフガスとこの中間部から燃料オフガス送給流路４４の下流側部を通して燃焼器４６に流れる燃料オフガスとの間で熱交換が行われ、この熱交換により加熱された燃料オフガスが燃焼器４６に送給される。
【００６０】
更に、第３熱交換器６４において、燃料オフガス送給流路４４を流れる燃料オフガスと例えば貯湯装置の循環流路６６を流れる水との間で熱交換が行われ、この熱交換により加温された温水が例えば貯湯装置の貯湯タンク（図示せず）に貯えられる。
【００６１】
更にまた、燃料オフガス送給流路４４を流れる燃料オフガス（具体的には、ドレンセパレータ６８にて凝縮水が分離された後の燃料オフガス）の一部は、リサイクル流路６６を通して燃料ガス供給流路１４に戻され、この戻された燃料オフガスが燃料ガス供給流路１４を流れる原燃料ガスに混合される。
【００６２】
この固体酸化物形燃料電池システム２においては、リサイクル流路７０を通してリサイクルされる燃料オフガスの割合（即ち、リサイクル率）が変化することに伴う燃料利用率の変動を抑えるために、更に、次のように構成されている。尚、この明細書を通して、「リサイクル率」とは、セルスタック６の燃料極側８から流出する燃料オフガスのうちリサイクル流路７０を通して燃料ガス供給流路１４に戻される割合であり、例えば３０％の燃料オフガスが燃料ガス供給流路１４に戻されるときにはリサイクル率が０．３となる。
【００６３】
図１とともに図２を参照して更に説明すると、燃料オフガス送給流路４４における第３熱交換器６４の配設部位よりも上流側に発熱検知域７２（図２参照）が設けられ、この発熱検知域７２に発熱検知手段７４が設けられている。この発熱検知手段７４は、燃料オフガス中の一酸化炭素と水蒸気とが反応して二酸化炭素と水素とに変換する際のその反応熱による温度変化を検知し、この反応熱による温度変化を検知するために、発熱検知域７２に流入する燃料オフガスの温度を検知するための流入側温度検知手段７６と、この発熱検知域７２から流出する燃料オフガスの温度を検知するための流出側温度検知手段７８とを含み、流出側温度検知手段７８の検知温度Ｔ２と流入側温度検知手段７６の検知温度Ｔ１との温度差ΔＴ（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）が反応熱による温度変化、換言すると発熱検知手段７４が検知すべき温度となる。
【００６４】
この発熱検知手段７４は、図２に示すように、高温ハウジング５６、内側断熱部材５８及び外側断熱部材６０により囲まれた部位に配設するのが好ましく、このような部位に配設することにより、発熱検知域７２にて発生した反応熱の周囲への放散を抑えて正確に検知することができる。
【００６５】
この発熱検知手段７４は、更に、選択性触媒８０を含んでいるのが好ましく、この選択性触媒８０は、流入側温度検知手段７６と流出側温度検知手段７８との間の領域に配設される。この選択性触媒８０としては、一酸化炭素変成触媒として知られている例えば銅−亜鉛触媒などを用いることができ、その特性が経時的に安定するように、アルミナを添加したり、予めある程度熱劣化させておくのが望ましい。発熱検知手段７４（流入側温度検知手段７６及び流出側温度検知手段７８）からの検知信号は、コントローラ８２（図６参照）に送給される。
【００６６】
この発熱検知域及びその近傍に関連する構成は、図３に示すように構成することもできる。発熱検知域及びその近傍の他の例を示す図３において、この例においては、燃料オフガス送給流路４４の一部が主送給流路部８２とバイパス流路部８４とに分岐され、この主送給流路部８２に発熱検知域７２Ａが設けられ、この発熱検知域７２Ａに発熱検知手段７４Ａが配設される。従って、燃料オフガス送給流路４４を流れる燃料オフガスは、その一部が主送給流路部８２を通して流れ、その残部がバイパス流路部８４を通して流れ、それらの下流側において合流して高温ハウジング５６外に流れるようになる。
【００６７】
この例では、発熱検知手段７４Ａの選択性触媒８０は、この主送給流路部８２を流れる燃料オフガスに対して上述した反応を選択的に促進し、その流入側温度検知手段７６は、発熱検知域７２Ａに流入する燃料オフガスの温度を検知し、流出側温度検知手段７８は、この発熱検知域７２Ａから流出する燃料オフガスの温度を検知する。このように構成した場合、燃料オフガスの一部が燃料オフガス送給流路４４の主送給流路部８２を流れるようになるために、発熱検知部７２Ａに設ける選択性触媒８０の量を少なくすることができる。尚、この例では、発熱検知域７２Ａ（発熱検知手段７４Ａ）を燃料オフガス送給流路４４の主送給流路部８２に設けているが、これとは反対に、バイパス流路部８４に設けるようにしてもよい。
【００６８】
燃料オフガスの一部を燃料ガス供給流路１４側に戻す形態の固体酸化物形燃料電池システムにおいては、システムの燃料利用率、燃料オフガスのリサイクル率により、発熱検知手段７４（７４Ａ）における検知温度（ΔＴ）は大きく変化するので、この検知温度（ΔＴ）を検知することで、経時的な状態変化で初期からずれてしまうリサイクル率に対応した適切な燃料利用率を設定することが可能になる（即ち、リサイクル率を測定しなくても燃料利用率を補正して適切な燃料利用率を維持することが可能となる）。
【００６９】
ここで、この固体酸化物形燃料電池システム２において燃料利用率を把握して補正するための原理について説明する。セルスタック６の燃料極側８は水蒸気改質反応等の触媒能力を有するニッケルが多量に含まれており、燃料電池セルの温度が高いことと燃料電池セル内の流速が大きくないこともあって、この燃料電池セルの出口（換言すると、セルスタック６の出口）の燃料極側８の燃料オフガスのガス組成は、その温度での平衡組成になっている。
【００７０】
セルスタック６の通常発電時においては、燃料オフガスのガス組成は、炭化水素は０．１％以下であり、このときの燃料オフガスのガス組成（ガス成分）は、水素（Ｈ２）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ２）及び水（Ｈ２Ｏ）という４つの成分になる。この４つの成分のうち、Ｈ２とＣＯ（Ｈ２＋ＣＯ）の分圧の和（即ち、合計分圧）は、システムの燃料利用率が高くなるほどセルスタック６にて燃料ガスが消費されるために下がるようになる。また、これら４つのガス成分（Ｈ２、ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ）とはＣＯシフト平衡といわれる平衡関係があり、次のように表すことができる。
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣＯ２＋Ｈ２          ・・・（１）
上記（１）式においては、温度を上げるとＣＯシフト平衡は左側に進み、つまりＣＯ濃度が高く、Ｈ２濃度が低くなり、逆に温度を下げると右側に進み、Ｈ２濃度が高く、ＣＯ濃度が低くなるが、この（１）式から理解されるように、Ｈ２とCOの分圧の和は、温度によらず同じという関係になる。
【００７１】
一般的に、固体酸化物形燃料電池システムにおけるセルスタック６の出口温度は７００〜７７０℃程度になる。このセルスタック６の出口温度（即ち、燃料電池の出口温度）が例えば７５０℃とすると、燃料オフガスをスタック６（即ち、燃料電池セルの出口）から冷却凝縮器６８に抜き出して水蒸気を除去するためには２５０〜４００℃程度まで温度を低下させる必要があり、そのために、セルスタック６の近傍の断熱領域の中で放熱、熱交換を行って温度を低下させることになる。
【００７２】
冷却凝縮器６４の上流側（セルスタック６側）に発熱検知域７２（７２Ａ）を設け、この発熱検知域７２（７２Ａ）に、上記（１）式の平衡反応に対する選択性のある触媒能力を有する触媒（即ち、選択性触媒８０）を含む発熱検知手段７４（７４Ａ）を設け、２５０〜４００℃に温度が下がった燃料オフガスの全部（又はその一部）を通過させると、燃料オフガスの組成が発熱検知域７２の流入側では、セルスタック６出口温度（例えば、７５０℃）で平衡組成になっている例えば３００℃（例示の値である）の燃料オフガスが、３００℃＋α℃になるとともにその温度での平衡組成になる。ここで、α℃とは、発熱検知域８０を通過する燃料オフガスで、上記（１）式の平衡反応が右に進行する際に発生する発熱と燃料オフガスの熱容量との関係によって決まる上昇温度である。
【００７３】
更に具体的に説明すると、セルスタック６の出口からこの発熱検知域７２（７２Ａ）までの間は、燃料オフガス送給流路４４で触媒性を持たないので、セルスタック６出口温度（例えば、７５０℃）で平衡組成になっているものが、組成変化せずに例えば３００℃（例示の温度です）まで下がることになる。つまり、触媒がないところで温度が下がった結果、平衡状態からずれているので、ここで選択性触媒８０上を通してやれば、その温度（ここでは約３００℃）での平衡組成になるように反応が進む（上記（１）式で右に進むようになる）。その結果、この反応に伴い発熱が生じ、発熱検知手段７２（７２Ａ）の検知温度が上昇することになる（換言すると、流出側温度検知手段７８の検知温度Ｔ２が流入側温度検知手段７６の検知温度Ｔ１よりも高くなる（Ｔ２＞Ｔ１））。
【００７４】
この発熱による燃料オフガスの温度上昇は  発熱検知手段７４（７４Ａ）が断熱されているとすると、システムの燃料利用率や燃料オフガスのリサイクル率に依存し、例えば、リサイクル率が例えば０．４で、システムの燃料利用率が例えば８５％、９０％である（原燃料ガス中のCと気化器１２に供給する水の比率Ｓ／Ｃが例えば２．５と同じとする）ときの温度上昇は、例えば３２℃と例えば２２℃となり、このように燃料利用率の5ポイントの差によって、発熱検知手段７４（７４Ａ）での温度上昇が例えば１０℃となり、温度上昇幅の比率でいうと４５％も異なり、システムの燃料利用率を検知する検知手段（即ち、検知パラメータ）として十分な感度を持つことになる。
【００７５】
燃料ガスは全部が発熱検知手段７４を通過する必要はなく、一部であっても断熱状態での温度上昇幅は変わらなく、燃料オフガスのリサイクル率についていえば、燃料利用率が例えば８６％であるとすると、リサイクル率が例えば０．４と例えば０．２とではリサイクル率が例えば０．４であるときの方が温度上昇の幅が大きく、例えば９℃程度大きくなる。
【００７６】
燃料オフガスを冷却して凝縮水を抜いた後に燃料ガス供給流路１４にリサイクルする形態の固体酸化物形燃料電池システムでは、このリサイクル率が高いほど、高い燃料利用率にすることができるが、この発熱検知手段７４（７４Ａ）での温度上昇幅をパラメータとして用い、この温度上昇幅を演算することによって、燃料オフガスのリサイクル率を直接計測する方法が装備されずリサイクル率を把握することができなくても、セルスタック６を壊さずに高発電効率が得られる燃料利用率に調整して維持することが可能となる。
【００７７】
ここで、上記（１）式の平衡反応に対する選択性ある触媒能力について説明すると、この選択性触媒として、例えばＣＯ変成触媒として知られている銅-亜鉛触媒を用いることができ、このＣＯ変成触媒は上記（１）式の反応の選択性が高く、一方、次のメタン化反応、
ＣＯ＋３Ｈ２→ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ          ・・・（２）
が進行し難いという性質から選ばれて適している。
【００７８】
次に、図４及び図５を参照して、発熱検知手段７４（７４Ａ）による検知温度、この実施形態では、流入側温度検知手段７６の検知温度Ｔ１と流出側温度検知手段７８の検知温度Ｔ２との温度差ΔＴ（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）とシステムの燃料利用率との関係をより具体的に説明する。
【００７９】
図４は、システムの燃料利用率とセルスタック６の燃料極側８における出口ガス（即ち、燃料オフガス）の水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）の分圧の和（合計分圧）との関係を示したもので、この燃料利用率を横軸に、セルスタック６の出口側の燃料オフガスの水素及び一酸化炭素（Ｈ２＋ＣＯ）の合計分圧を縦軸にし、各リサイクル率（リサイクル率：「０」、「０．２」、「０．３」、「０．４」）毎にプロットしたものである。これらの関係は、固体酸化物形燃料電池システム２における燃料ガスの流量、セルスタック６での発電量から計算で正確に求められるものである。
【００８０】
図４において、縦軸の（Ｈ２＋ＣＯ）の合計分圧は、数値が低いほどセルスタック６の燃料オフガス（出口ガス）の燃料として機能するガス種（H2及びCO）が薄くなっていることを示し、このような場合、セルスタック６の燃料ガス欠乏による破損が起こるおそれがあるために低すぎる値で発電することは難しくなる。
【００８１】
図４から理解されるように、例えば、燃料オフガス中の（Ｈ２＋ＣＯ）の分圧の和（合計分圧）が例えば０．１２で固体酸化物形燃料電池システム２の運転を管理するならば、リサイクル率が例えば０．４であるときには、燃料利用率は例えば０．８８になる。このリサイクル率が例えば０．２であるときは、燃料利用率は例えば０．８５５となる。仮に、初期にリサイクル率が例えば０．４で、燃料利用率が例えば０．８８に設定していた条件が、固体酸化物形燃料電池システム２内の圧力損失の変化などでリサイクル率が例えば０．３0以下になっていたとすると、燃料利用率０．８８での運用はセルスタック６の信頼性にとって不適切な数値ということになる。
【００８２】
例えば、図２に示すように、発熱検知域７２の流入側の温度（流入側温度検知手段７６の検知温度Ｔ１）とその流出側の温度（流出側温度検知手段７８の検知温度Ｔ２）を検知する発熱検知手段７４があるとすると、発熱検知域７２の流入側の温度（流入側温度検知手段７６の検知温度Ｔ１）が例えば３００℃とすると、温度差（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）は、セルスタック６の出口温度（直接計測するのが望ましいが、セルスタック６付近の温度計測値より推定可能であり、多くの場合、例えば７５０℃のように固定値としてもよい。）、システムの燃料利用率とリサイクル率をセットすると、断熱が十分なされている場合の計算上の温度上昇は図５に示すようになる。実際には若干の放熱により、この温度差△Tは少し下がることになるが、製品になる前の試作段階でガスサンプリングしてガス組成分析をすることにより、検量・補正しておくことができる。尚、図４及び図５は、流入側温度検知手段７６の検知温度Ｔ１が例えば３００℃で、セルスタック６の出口温度が例えば７５０℃であるときのものであるが、発熱検知域７２の流入側の温度及びセルスタック６の出口温度毎に予め算出しておくことができる。
【００８３】
この固体酸化物形燃料電池システム２において、システムの燃料利用率の補正については、例えば、図６に示す制御系を用い、例えば図７に示すフローチャートに従って行われる。図６を参照して、図示の制御系は、例えば、マイクロプロセッサから構成されるコントローラ９２を備え、このコントローラ９２は、作動制御手段９４、燃料利用率設定手段９６、燃料利用率補正手段９８、温度差演算手段１００、温度差比較手段１０２、補正信号生成手段１０４及びメモリ手段１０６を含み、作動制御手段９４は、燃料ガスポンプ２４、空気ブロア４０及び水ポンプ３４などを制御する。
【００８４】
また、燃料利用率設定手段９６は、セルスタック６の発電出力に基づき設定される原燃料ガスの供給量に基づいて燃料利用率を設定し、燃料利用率補正手段９８は、発熱検知手段７４の検知温度（換言すると、流出側温度検知手段７８の検知温度Ｔ２と流入側温度検知手段７６の検知温度Ｔ１との温度差ΔＴ）に基づいて燃料利用率を後述する如く補正する。また、温度差演算手段１００は流出側温度検知手段７８の検知温度Ｔ２と流入側温度検知手段７６の検知温度Ｔ１との温度差ΔＴ（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１）を演算し、温度差比較手段１０２は、温度差演算手段１００により演算した温度差値（ΔＴ）と基準温度差値Ｔ０とを比較する。そして、この演算温度差値ΔＴが基準温度差値Ｔ０に対して所定範囲内である、例えばＴ０±１℃の範囲であると、燃料利用率が所定範囲内に収まっているとしてその補正は行われないが、この演算温度差値ΔＴがこの所定範囲から外れると、燃料利用率の補正が後述する如くして行われ、補正信号生成手段１０４は、後述する如くして燃料利用率を補正するための燃料利用率補正信号（アップ補正信号、ダウン補正信号）を生成する。
【００８５】
メモリ手段１０６には、燃料利用率を設定する際の基準となる燃料利用率設定情報（この実施形態では、燃料利用率マップ）及び燃料利用率を補正する際の基準となる燃料利用率補正情報（この実施形態では、燃料利用率補正マップ）が登録されている。
【００８６】
この固体酸化物形燃料電池システム２では、燃料利用率の補正は、例えば次のようにして行われる。図６とともに図７を参照して、初期に燃料オフガスのリサイクル率が例えば０．４０に設定され、セルスタック６の発電出力に基づき燃料利用率が０．９０に設定されている場合を一例として説明する。この場合、メモリ手段１０６には、図５のリサイクル率０．４の場合のグラフがマップとして登録されるが、リサイクル率が例えば０．３に設定されている場合、このメモリ手段１０６には、図５のリサイクル率０．３の場合のグラフがマップとして登録される。
【００８７】
この固体酸化物形燃料電池システム２の発電運転中においては、発熱検知手段７４が発熱検知域７２の発熱温度を検知する（この実施形態では、流入側温度検知手段７６が発熱検知域７２に流入する燃料オフガスの温度Ｔ１を検知するとともに、流出側温度検知手段７８が発熱検知域７２から流出する燃料オフガスの温度Ｔ２を検知する）（ステップＳ１）。そして、これら検知温度Ｔ１，Ｔ２の温度差の演算が行われ（ステップＳ２）、演算した温度差値ΔＴと基準温度差値Ｔ０（例えば、２２℃）との対比が行われる（ステップＳ３）。
【００８８】
この温度差値ΔＴが基準温度差値（２２℃）に対して所定温度範囲（例えば、２２±１℃の範囲）内にあるときには、燃料オフガス中の（Ｈ２＋ＣＯ）の合計分圧が適切な範囲内にあって、発熱検知域７２を通して流れたときの反応による発熱が適切な範囲内に収まっており、このことはシステムの燃料利用率が適切な範囲に収まっているということであり、従って、このときにはこの燃料利用率が維持され、ステップＳ４からステップＳ１に戻る。
【００８９】
一方、この温度差値ΔＴが基準温度差値（２２℃）に対して所定温度範囲から低い方に外れている（ΔＴ＜２１℃）ときには、上記（１）式において反応が右側に進んで燃料オフガス中のＣＯ濃度が低下している状態であり、このような状態では、ＣＯ濃度が低いので発熱検知域７２を通して流れたときの反応による発熱が小さくなっている。このような状態は、セルスタック６での燃料ガスの消費が多くて燃料オフガス中に残っている燃料ガスが少なく、システムの燃料利用率が適切な範囲を越えて大きくなっているということである。
【００９０】
従って、この場合には、ステップＳ４からステップＳ５及びステップＳ６を経てステップＳ７に移り、燃料利用率を下げるダウン補正信号が生成される。即ち、補正信号生成手段１０４は、燃料利用率補正信号としてダウン補正信号を生成し、このダウン補正信号に基づいて、燃料利用率補正手段９８は、燃料利用率を例えば０．５ポイント下げるように補正し（ステップＳ８）、この０．５ポイントダウン補正により、作動制御手段９４は駆動デューティ比が大きくなるように燃料ガスポンプ２４を制御し、燃料ガスポンプ２４による原燃料ガスの供給流量が増大し（ステップＳ９）、その結果、固体酸化物形燃料電池システム２は、燃料利用率が下がるように制御される。その後、ステップＳ９からステップＳ１に戻る。
【００９１】
また、この温度差値ΔＴが基準温度差値（２２℃）に対して所定温度範囲から高い方に外れている（ΔＴ＞２３℃）ときには、上記（１）式において反応が左側に進んで燃料オフガス中のＣＯ濃度が高くなっている状態であり、このような状態では、ＣＯ濃度が高いので発熱検知域７２を通して流れたときの反応による発熱が大きくなっている。このような状態は、セルスタック６での燃料ガスの消費が少なくて燃料オフガス中に残っている燃料ガスが多く、システムの燃料利用率が適切な範囲を越えて小さくなっているということである。
【００９２】
従って、この場合には、ステップＳ４からステップＳ５を経てステップＳ１０に移り、燃料利用率を上げるアップ補正信号が生成される。即ち、補正信号生成手段１０４は、燃料利用率補正信号としてアップ補正信号を生成し、このアップ補正信号に基づいて、燃料利用率補正手段９８は、燃料利用率を例えば０．５ポイント上げるように補正し（ステップＳ１１）、この０．５ポイントアップ補正により、作動制御手段９４は駆動デューティ比が小さくなるように燃料ガスポンプ２４を制御し、燃料ガスポンプ２４による原燃料ガスの供給流量が減少し（ステップＳ１２）、その結果、固体酸化物形燃料電池システム２は、燃料利用率が上がるように制御される。その後、ステップＳ１２からステップＳ１に戻る。
【００９３】
このように、この固体酸化物形燃料電池システム２においては、システムの燃料利用率を求めるのではく、燃料オフガス中の一酸化炭素と水蒸気とが反応して二酸化炭素と水素とに変換する際の反応熱による温度変化を発熱検知手段７４により検知し、この検知温度の変動を利用して設定された燃料利用率を維持するように補正しているので、システムの燃料利用率を適切な範囲に保つことができる。
【００９４】
尚、発熱検知手段７４の検知温度（換言すると、燃料オフガスが発熱検知域７２を流れたときの反応による上昇温度ΔＴ）は、セルスタック６の作動温度に基づいて補正するのが好ましい。この場合、セルスタック６に関連してスタック温度検知手段（図示せず）が設けられ、このスタック温度検知手段８０は、セルスタック６の温度を直接的に検知するようにしてもよいが、セルスタック６近傍の温度を検知するようにしてもよく、或いはセルスタック６の出口（例えば、燃料オフガスの流出部）又はその近傍の温度を検知するようにしてもよい。
【００９５】
このセルスタック６の作動温度に基づく発熱検知手段７４の検知温度ΔＴ（流出側温度検知手段７８の検知温度Ｔ２と流入側温度検知手段７６の検知温度Ｔ１との温度差）の補正は、セルスタック６の作動温度が標準的な温度範囲よりも高い（又は低い）ときにはこの検知温度ΔＴが大きくなる（又は小さくなる）ように補正され、この補正された検知温度ΔＴを用いてシステムの燃料利用率の補正が上述したように行われる。
【００９６】
次に、図８を参照して、固体酸化物形燃料電池システムの第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、セルスタック６での発電反応後の燃料オフガスの全量を冷却凝縮させて水蒸気を除去した後にその一部をリサイクル流路７０を通して燃料ガス供給流路１４に戻しているが、この第２の実施形態では、セルスタック６からの燃料オフガスの一部をリサイクル流路を通して燃料ガス供給流路に戻し、このリサイクル流路を通して戻す燃料オフガスに含まれる水蒸気を冷却凝縮させて除去している。尚、この第２の実施形態において、上述した第１の実施形態と実質上同一のものには同一の参照番号を付し、その説明を省略する。
【００９７】
図８において、この第２の実施形態では、セルスタック６から燃焼器４６に延びる燃料オフガス送給流路４４Ｂから分岐してリサイクル流路７０Ａが設けられ、このリサイクル流路７０Ａは、高温ハウジング５６を貫通して外側に延び、燃料ガス供給流路１４の所定部位（第１の実施形態と同様の部位であって、燃料ガスポンプ２４の作動により負圧が発生する負圧域）に接続される。
【００９８】
この第２の実施形態では、また、このリサイクル流路７０Ａに冷却凝縮器６０及びドレンセパレータ６８が配設されている。また、第１の実施形態と略同様に、冷却凝縮器６０の配設部位より上流側に発熱検知域が設けられ、この発熱検知域に発熱検知手段８４が設けられ、この発熱検知手段８４については第１の実施形態のものと同様のものでよい。この固体酸化物形燃料電池システム２Ｂのその他の構成は、上述の第１の実施形態のものと同様である。
【００９９】
この第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム２Ｂでは、セルスタック６の燃料極側８から燃料オフガス送給流路４４Ｂを通して燃焼器４６に流れる燃料オフガスの一部がリサイクル流路７０Ａを通して燃料ガス供給流路１４に戻され、その残部は燃料オフガス送給流路４４Ｂを通して燃焼器４６に送給されて燃焼される。このとき、リサイクル流路７０Ａを下流側に流れる燃料オフガスが発熱検知域を通ると、その選択性触媒（図示せず）により反応して発熱し、発熱検知手段７４Ｂ（流入側温度検知手段及び流出側温度検知手段）はこの反応熱による上昇温度を検知する（流入側温度検知手段は発熱検知域に流入する燃料オフガスの温度Ｔ１を検知し、流出側温度検知手段は発熱検知域から流出する燃料オフガスの温度Ｔ２を検知する）。そして、この発熱検知手段７４の検知温度を利用して上述したと同様にしてシステムの燃料利用率の補正が行われ、第１の実施形態と同様の作用効果を達成することができる。
【０１００】
尚、リサイクル流路７０Ａを流れる燃料オフガスは、冷却凝縮器６４において循環流路６６を流れる水との間で熱交換されて冷却され、この冷却により、この燃料オフガスに含まれた水蒸気が結露して凝縮され、ドレンセパレータ６８は、この凝縮水を燃料オフガスから分離して外部に排水し、水分が除去された燃料オフガスがこのリサイクル流路７０Ｂを通して燃料ガス供給流路１４に戻される。
【０１０１】
尚、この第２の実施形態の固体酸化物形燃料電池システム２Ｂにおいても、このリサイクル流路７０Ｂに関連して図３に示すように構成するようにしてもよい。即ち、リサイクル流路７０Ｂの一部に、主流路部とこの主流路部をバイパスするバイパス流路部とを設け、主流路部及びバイパス流路部のいずれか一方に発熱検知部設け、この発熱検知部に発熱検知手段７４Ｂを配設するようにしてもよい。
【０１０２】
以上、本発明に従う固体酸化物形燃料電池システムの各種実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変更乃至修正が可能である。
【符号の説明】
【０１０３】
２，２Ｂ  固体酸化物形燃料電池システム
４  改質器
６  セルスタック
１２  気化器
１４  燃料ガス送給流路
２４  燃料ガスポンプ（燃料ガス供給手段）
４４，４４Ｂ  燃料オフガス送給流路
４６  燃焼器
５２  第１熱交換器（空気用熱交換器）
５４  第２熱交換器（燃料オフガス用熱交換器）
５６  高温ハウジング
５８，６０  断熱部材
７０，７０Ｂ  リサイクル流路
７２，７２Ａ  発熱検知域
７４，７４Ａ，７４Ｂ  発熱検知手段
７６  流入側温度検知手段
７８  流出側温度検知手段
８０  選択性触媒
８２  コントローラ
９６  燃料利用率設定手段
９８  燃料利用率補正手段
１００  温度差演算手段
１０２  温度差比較手段
１０４  補正信号生成手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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