(57)【要約】【課題】燃料電池の起動時や発電時に、改質部の温度を個別に制御することができる燃料電池モジュール及びプログラムを提供する。【解決手段】燃料電池モジュール１００は、筒状の外周壁１２によって断熱空間１４が形成された筒状部材１０と、酸化剤ガスＧ１が流れる酸化剤ガス流路２０と、原燃料Ｇ２を気化して原燃料ガスを生成する気化部３０と、原燃料ガスから改質ガスＧ４を生成する改質触媒層４２が設けられた改質部４０と、燃料電池セルスタック５２を収容する筒状の収容部５０と、酸化剤ガス流路２０の酸化剤ガスＧ１の流通方向に沿って設けられた複数の酸化剤ガス供給管９０と、燃料電池セルスタック５２の起動時及び発電時の少なくとも一方において、複数の酸化剤ガス供給管９０の各々に分配する酸化剤ガスＧ１の量を調整することにより、改質部４０の温度を制御する制御部と、を備える。【選択図】図１
2020013660.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の外周壁によって断熱空間が形成された筒状部材と、
前記外周壁を囲んで前記外周壁と同軸上に設けられ、かつ、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路と、
前記酸化剤ガス流路と前記筒状部材との間に設けられ、かつ、原燃料を気化して原燃料ガスを生成する気化部と、
前記酸化剤ガスが流れる流通方向に沿って前記気化部の下流側でかつ前記酸化剤ガス流路と前記筒状部材との間に設けられ、かつ、前記原燃料ガスから改質ガスを生成するための改質触媒層が設けられた改質部と、
前記流通方向に沿って前記改質部の下流側に設けられ、かつ、前記酸化剤ガスと前記改質ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルスタックを収容する筒状の収容部と、
前記酸化剤ガス流路の前記流通方向に沿って設けられた複数の酸化剤ガス供給管と、
前記燃料電池セルスタックの起動時及び発電時の少なくとも一方において、前記複数の酸化剤ガス供給管の各々に分配する酸化剤ガスの量を調整することにより、前記改質部の温度を制御する制御部と、
を備えた燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記複数の酸化剤ガス供給管は、
前記気化部の前記流通方向の上流側の端部に対応する位置に設けられた酸化剤ガス第１供給管と、
前記流通方向に沿って前記酸化剤ガス第１供給管よりも下流側において前記気化部又は前記改質部に対応する位置に設けられた酸化剤ガス第２供給管と、
を含む請求項１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記制御部は、前記燃料電池セルスタックの起動時において、前記改質部の温度が第１温度よりも低い予め定められた閾値温度まで上昇した場合に、前記酸化剤ガス第２供給管に分配する酸化剤ガスの量を増加させ、前記酸化剤ガス第１供給管に分配する酸化剤ガスの量を減少させることにより、前記燃料電池セルスタックの温度が前記閾値温度よりも低い第２温度を超えるまで、前記改質部の温度を前記第１温度未満に制御する請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記第１温度は、前記改質部で炭素の析出が開始する温度であり、
前記第２温度は、前記燃料電池セルスタックで水蒸気の凝縮が発生する上限の温度である請求項３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記制御部は、前記燃料電池セルスタックの温度が前記第２温度以下の場合に、改質用の水を含まない前記原燃料を前記気化部に供給し、前記燃料電池セルスタックの温度が前記第２温度を超える場合に、改質用の水を含む前記原燃料を前記気化部に供給する制御を更に行う請求項３又は４に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記酸化剤ガス第２供給管は、複数であり、
前記複数の酸化剤ガス第２供給管の各々は、前記流通方向に沿って前記酸化剤ガス第１供給管よりも下流側において前記気化部及び前記改質部の各々に対応する位置に設けられている請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記制御部は、前記燃料電池セルスタックの起動時において、前記改質部の温度が第１温度よりも低い予め定められた閾値温度まで上昇した場合に、前記気化部に対応する位置に設けられた酸化剤ガス第２供給管に酸化剤ガスの全量を分配し、その後、前記改質部の温度の上昇が継続する場合に、前記改質部に対応する位置に設けられた酸化剤ガス第２供給管への酸化剤ガスの分配を開始することにより、前記燃料電池セルスタックの温度が前記閾値温度よりも低い第２温度を超えるまで、前記改質部の温度を前記第１温度未満に制御する請求項６に記載の燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記制御部は、前記燃料電池セルスタックの発電時において、前記改質部の温度が第３温度よりも低い予め定められた閾値温度まで上昇した場合に、前記酸化剤ガス第２供給管に分配する酸化剤ガスの量を増加させ、前記酸化剤ガス第１供給管に分配する酸化剤ガスの量を減少させることにより、前記改質部の温度を前記第３温度未満に制御する請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項９】
前記第３温度は、前記改質触媒層が破損する温度である請求項８に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１０】
前記複数の酸化剤ガス供給管は、前記燃料電池セルスタックの前記流通方向の上流側の端部に対応する位置に設けられた酸化剤ガス第３供給管を更に含む請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１１】
前記制御部は、前記燃料電池セルスタックの発電時において、前記改質部の温度が第４温度まで上昇しない場合に、前記酸化剤ガス第３供給管に分配する酸化剤ガスの量を増加させ、前記酸化剤ガス第１供給管及び前記酸化剤ガス第２供給管の少なくとも一方に分配する酸化剤ガスの量を減少させることにより、前記改質部の温度を前記第４温度以上に制御する請求項１０に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１２】
前記第４温度は、前記改質部での改質割合が基準値以上となる温度である請求項１１に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１３】
前記筒状部材と前記気化部との間及び前記筒状部材と前記改質部との間に設けられ、かつ、前記燃料電池セルスタックから排出されるスタック排ガスを燃焼して得られた燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路を更に備え、
前記気化部は、前記燃焼排ガスの熱を利用して前記原燃料を気化し、
前記改質部は、前記燃焼排ガスの熱を利用して前記改質触媒層が加熱される請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項１４】
コンピュータを、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールが備える制御部として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池モジュール及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池モジュールの１つとして、発電効率に優れ、かつ、高温で動作する固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）が知られている。このＳＯＦＣは、炭化水素系の原燃料ガスを改質用の水を用いて水蒸気改質した改質ガスと、空気等の酸化剤ガスとの電気化学反応により発電するセルスタックを備えている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、セルスタックに導入される空気の温度を制御する燃料電池が記載されている。この燃料電池は、燃料と空気とを反応させて発電する発電セルを複数積層してなるセルスタックと、セルスタックから排出された排燃料及び排空気を燃焼させて熱を発生させる燃焼器と、を備えている。また、この燃料電池は、外部から導入された燃料を、燃焼器で発生した熱を利用して水蒸気改質することにより改質燃料を生成し、この改質燃料をセルスタックに供給する改質器と、外部から導入された空気を、燃焼器で発生した熱によって加熱してセルスタックに供給する空気予熱器と、を備えている。そして、この燃料電池は、空気予熱器で加熱される空気の流量と、空気予熱器を迂回して直接セルスタックに導入される空気の流量との流量比を調整することにより、セルスタックに供給される空気の温度を制御する空気温度制御機構を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１９８９９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池の起動時や発電時においては、改質部の温度を個別に制御できることが望ましい。例えば、燃料電池の起動時には、改質用の水を、セルスタック内部の温度が水蒸気の凝縮が発生する上限の温度ＴＣＳを超えるまで供給できないという制約がある。改質用の水が供給できないことで、改質部で高温に加熱された炭化水素系燃料が分解され、炭素析出が発生する場合がある。このため、セルスタック内部の温度が温度ＴＣＳを超えるまで、改質部の温度を炭素析出が開始する温度未満にする必要がある。また、燃料電池の発電時には、改質部の内部が過昇温となり、改質部内の改質触媒が破損してしまう場合がある。このため、改質部の過昇温を抑制する必要がある。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載の技術によれば、セルスタックに導入される空気の温度を制御することにより、起動時での急激な加熱による発電セルの損傷を回避することはできるが、改質部の温度を個別に制御することについては考慮されていない。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、燃料電池の起動時や発電時に、改質部の温度を個別に制御することができる燃料電池モジュール及びプログラ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】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の燃料電池モジュールは、筒状の外周壁によって断熱空間が形成された筒状部材と、前記外周壁を囲んで前記外周壁と同軸上に設けられ、かつ、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス流路と前記筒状部材との間に設けられ、かつ、原燃料を気化して原燃料ガスを生成する気化部と、前記酸化剤ガスが流れる流通方向に沿って前記気化部の下流側でかつ前記酸化剤ガス流路と前記筒状部材との間に設けられ、かつ、前記原燃料ガスから改質ガスを生成するための改質触媒層が設けられた改質部と、前記流通方向に沿って前記改質部の下流側に設けられ、かつ、前記酸化剤ガスと前記改質ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルスタックを収容する筒状の収容部と、前記酸化剤ガス流路の前記流通方向に沿って設けられた複数の酸化剤ガス供給管と、前記燃料電池セルスタックの起動時及び発電時の少なくとも一方において、前記複数の酸化剤ガス供給管の各々に分配する酸化剤ガスの量を調整することにより、前記改質部の温度を制御する制御部と、を備えている。
【０００９】
請求項１に記載の燃料電池モジュールによれば、燃料電池の起動時や発電時に、改質部の温度を個別に制御することができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の燃料電池モジュールは、請求項１に記載の発明において、前記複数の酸化剤ガス供給管が、前記気化部の前記流通方向の上流側の端部に対応する位置に設けられた酸化剤ガス第１供給管と、前記流通方向に沿って前記酸化剤ガス第１供給管よりも下流側において前記気化部又は前記改質部に対応する位置に設けられた酸化剤ガス第２供給管と、を含んでいる。
【００１１】
請求項２に記載の燃料電池モジュールによれば、気化部又は改質部に対応して酸化剤ガス第２供給管を設けない場合と比較して、より適切に改質部の温度を制御することができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の燃料電池モジュールは、請求項２に記載の発明において、前記制御部が、前記燃料電池セルスタックの起動時において、前記改質部の温度が第１温度よりも低い予め定められた閾値温度まで上昇した場合に、前記酸化剤ガス第２供給管に分配する酸化剤ガスの量を増加させ、前記酸化剤ガス第１供給管に分配する酸化剤ガスの量を減少させることにより、前記燃料電池セルスタックの温度が前記閾値温度よりも低い第２温度を超えるまで、前記改質部の温度を前記第１温度未満に制御する。
【００１３】
請求項３に記載の燃料電池モジュールによれば、第１温度及び第２温度を考慮しない場合と比較して、燃料電池の起動時において、より適切に改質部の温度を制御することができる。
【００１４】
また、請求項４に記載の燃料電池モジュールは、請求項３に記載の発明において、前記第１温度が、前記改質部で炭素の析出が開始する温度とされ、前記第２温度が、前記燃料電池セルスタックで水蒸気の凝縮が発生する上限の温度とされている。
【００１５】
請求項４に記載の燃料電池モジュールによれば、第１温度及び第２温度を考慮しない場合と比較して、燃料電池の起動時において、改質部での炭素の析出を抑制することができる。
【００１６】
また、請求項５に記載の燃料電池モジュールは、請求項３又は４に記載の発明において、前記制御部が、前記燃料電池セルスタックの温度が前記第２温度以下の場合に、改質用の水を含まない前記原燃料を前記気化部に供給し、前記燃料電池セルスタックの温度が前記第２温度を超える場合に、改質用の水を含む前記原燃料を前記気化部に供給する制御を更に行う。
【００１７】
請求項５に記載の燃料電池モジュールによれば、第２温度を考慮しない場合と比較して、より適切に改質用の水を気化させて水蒸気を得ることができる。
【００１８】
また、請求項６に記載の燃料電池モジュールは、請求項２に記載の発明において、前記酸化剤ガス第２供給管が、複数とされ、前記複数の酸化剤ガス第２供給管の各々が、前記流通方向に沿って前記酸化剤ガス第１供給管よりも下流側において前記気化部及び前記改質部の各々に対応する位置に設けられている。
【００１９】
請求項６に記載の燃料電池モジュールによれば、複数の酸化剤ガス第２供給管を設けない場合と比較して、より適切に改質部の温度を制御することができる。
【００２０】
また、請求項７に記載の燃料電池モジュールは、請求項６に記載の発明において、前記制御部が、前記燃料電池セルスタックの起動時において、前記改質部の温度が第１温度よりも低い予め定められた閾値温度まで上昇した場合に、前記気化部に対応する位置に設けられた酸化剤ガス第２供給管に酸化剤ガスの全量を分配し、その後、前記改質部の温度の上昇が継続する場合に、前記改質部に対応する位置に設けられた酸化剤ガス第２供給管への酸化剤ガスの分配を開始することにより、前記燃料電池セルスタックの温度が前記閾値温度よりも低い第２温度を超えるまで、前記改質部の温度を前記第１温度未満に制御する。
【００２１】
請求項７に記載の燃料電池モジュールによれば、複数の酸化剤ガス第２供給管を設けずに、第１温度及び第２温度を考慮しない場合と比較して、燃料電池の起動時において、より適切に改質部の温度を制御することができる。
【００２２】
また、請求項８に記載の燃料電池モジュールは、請求項２に記載の発明において、前記制御部が、前記燃料電池セルスタックの発電時において、前記改質部の温度が第３温度よりも低い予め定められた閾値温度まで上昇した場合に、前記酸化剤ガス第２供給管に分配する酸化剤ガスの量を増加させ、前記酸化剤ガス第１供給管に分配する酸化剤ガスの量を減少させることにより、前記改質部の温度を前記第３温度未満に制御する。
【００２３】
請求項８に記載の燃料電池モジュールによれば、第３温度を考慮しない場合と比較して、燃料電池の発電時において、より適切に改質部の温度を制御することができる。
【００２４】
また、請求項９に記載の燃料電池モジュールは、請求項８に記載の発明において、前記第３温度が、前記改質触媒層が破損する温度とされている。
【００２５】
請求項９に記載の燃料電池モジュールによれば、第３温度を考慮しない場合と比較して、燃料電池の発電時において、改質部での改質触媒の破損を防止することができる。
【００２６】
また、請求項１０に記載の燃料電池モジュールは、請求項２に記載の発明において、前記複数の酸化剤ガス供給管が、前記燃料電池セルスタックの前記流通方向の上流側の端部に対応する位置に設けられた酸化剤ガス第３供給管を更に含んでいる。
【００２７】
請求項１０に記載の燃料電池モジュールによれば、燃料電池セルスタックに対応して酸化剤ガス第３供給管を設けない場合と比較して、より適切に改質部の温度を制御することができる。
【００２８】
また、請求項１１に記載の燃料電池モジュールは、請求項１０に記載の発明において、前記制御部が、前記燃料電池セルスタックの発電時において、前記改質部の温度が第４温度まで上昇しない場合に、前記酸化剤ガス第３供給管に分配する酸化剤ガスの量を増加させ、前記酸化剤ガス第１供給管及び前記酸化剤ガス第２供給管の少なくとも一方に分配する酸化剤ガスの量を減少させることにより、前記改質部の温度を前記第４温度以上に制御する。
【００２９】
請求項１１に記載の燃料電池モジュールによれば、第４温度を考慮しない場合と比較して、燃料電池の発電時において、より適切に改質部の温度を制御することができる。
【００３０】
また、請求項１２に記載の燃料電池モジュールは、請求項１１に記載の発明において、前記第４温度が、前記改質部での改質割合が基準値以上となる温度とされている。
【００３１】
請求項１２に記載の燃料電池モジュールによれば、第４温度を考慮しない場合と比較して、燃料電池の発電時において、より高い効率で改質部での改質を行うことができる。
【００３２】
また、請求項１３に記載の燃料電池モジュールは、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の発明において、前記筒状部材と前記気化部との間及び前記筒状部材と前記改質部との間に設けられ、かつ、前記燃料電池セルスタックから排出されるスタック排ガスを燃焼して得られた燃焼排ガスが流れる燃焼排ガス流路を更に備え、前記気化部が、前記燃焼排ガスの熱を利用して前記原燃料を気化し、前記改質部が、前記燃焼排ガスの熱を利用して前記改質触媒層が加熱される。
【００３３】
請求項１３に記載の燃料電池モジュールによれば、燃焼排ガスを利用しない場合と比較して、モジュールの構造を小型化することができる。
【００３４】
更に、上記目的を達成するために、請求項１４に記載のプログラムは、コンピュータを、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールが備える制御部として機能させる。
【００３５】
請求項１４に記載のプログラムによれば、請求項１〜１３のいずれか１項に係る燃料電池モジュールと同様の効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００３６】
以上詳述したように、本発明によれば、燃料電池の起動時や発電時に、改質部の温度を個別に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施形態に係る燃料電池モジュールの構造の一例を示す縦断面図である。
【図２】実施形態に係る燃料電池モジュールの構造の一例を示す横断面図である。
【図３】実施形態に係る燃料電池モジュールの構造の一例を示す横断面図である。
【図４】実施形態に係る燃料電池モジュールの電気的な構成の一例を示すブロック図である。
【図５】実施形態に係る燃料電池モジュールの起動時における温度制御処理プログラムによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図６】実施形態に係る燃料電池モジュールの起動時に実行される起動動作制御のタイミングチャートである。
【図７】実施形態に係る燃料電池モジュールの発電時における温度制御処理プログラムによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。
【図８】実施形態に係る燃料電池モジュールの発電時における温度制御処理プログラムによる処理の流れの他の例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の一例について詳細に説明する。
【００３９】
図１は、本実施形態に係る燃料電池モジュール１００の構造の一例を示す縦断面図である。
また、図２及び図３は、本実施形態に係る燃料電池モジュール１００の構造の一例を示す横断面図である。図２は、図１に示す燃料電池モジュール１００のＸＸ断面を示し、図３は、図１に示す燃料電池モジュール１００のＹＹ断面を示す。
【００４０】
図１〜図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池モジュール１００は、筒状部材１０と、酸化剤ガス流路２０と、気化部３０と、改質部４０と、収容部５０と、燃焼排ガス流路６０と、燃焼部７０と、燃焼排ガス排出管８０と、原燃料供給管８２と、複数本の酸化剤ガス供給管９０と、断熱材７８と、を備えている。本実施形態に係る複数本の酸化剤ガス供給管９０は、酸化剤ガス第１供給管９１、複数本（本実施形態では３本）の酸化剤ガス第２供給管９２Ａ〜９２Ｃ、及び酸化剤ガス第３供給管９３により構成されている。
【００４１】
なお、本実施形態では、５本の酸化剤ガス供給管９０が設けられた場合について説明するが、酸化剤ガス第１供給管９１と、酸化剤ガス第２供給管９２Ａ〜９２Ｃのうちの少なくとも１本と、が含まれていればよい。つまり、少なくとも２本の酸化剤ガス供給管９０が設けられていればよい。
【００４２】
筒状部材１０は、筒状の外周壁１２によって断熱空間１４が形成されている。ここでいう筒状には、一例として、円筒状や楕円筒状等が適用されるが、矩形筒状あるいは三角筒状等であってもよい。また、断熱空間１４は、ここでは空洞とされているが、断熱材（図示省略）が充填されていてもよい。本実施形態に係る筒状部材１０は、一例として、鉛直方向（図１の上下方向）に長い形状とされている。
【００４３】
酸化剤ガス流路２０は、外周壁１２を囲み、外周壁１２と同軸上に設けられている。酸化剤ガス流路２０は、空気等の酸化剤ガスＧ１が流れる流路であり、収容部５０に収容されている燃料電池セルスタック５２と連結されている。酸化剤ガス流路２０には、酸化剤ガスＧ１の流れる流通方向（図１の上から下に向かう方向）に沿って、筒状部材１０の径方向（図１の左右方向）外側に向けて延びる複数本の酸化剤ガス供給管９０が設けられている。
【００４４】
気化部３０は、酸化剤ガス流路２０と筒状部材１０との間に設けられている。気化部３０の上端部には、筒状部材１０の径方向外側に向けて延びる原燃料供給管８２が設けられている。気化部３０は、原燃料供給管８２から供給される原燃料Ｇ２を気化して原燃料ガスを生成する。この原燃料Ｇ２としては、一例として、都市ガスやバイオガス等の炭化水素系ガス又は炭化水素系液体である炭化水素系燃料と、改質用の水とを含んだものが用いられる。
【００４５】
改質部４０は、酸化剤ガスＧ１の流通方向に沿って気化部３０の下流側に設けられ、かつ、酸化剤ガス流路２０と筒状部材１０との間に設けられている。改質部４０は、気化部３０と連結されており、気化部３０で原燃料Ｇ２を気化して得られた原燃料ガスから改質ガスＧ４を生成するための改質触媒層４２が設けられている。
【００４６】
収容部５０は、酸化剤ガスＧ１の流通方向に沿って改質部４０の下流側に設けられ、下端が閉じた筒状の部材である。収容部５０は、内部に燃料電池セルスタック５２を収容している。燃料電池セルスタック５２は、酸化剤ガス流路２０と連結され、かつ、改質ガス配管４４を介して改質部４０と連結されている。燃料電池セルスタック５２は、酸化剤ガス流路２０から供給される酸化剤ガスＧ１と改質部４０から改質ガス配管４４を介して供給される改質ガスＧ４との電気化学反応により発電すると共に、この発電に伴い発熱する。本実施形態に係る燃料電池セルスタック５２には、一例として、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）が適用される。
【００４７】
燃焼部７０は、筒状部材１０と燃料電池セルスタック５２との間に設けられている。燃焼部７０は、燃焼排ガス流路６０と連通しており、燃料電池セルスタック５２から排出されるスタック排ガスを燃焼して燃焼排ガスＧ３を生成し、生成した燃焼排ガスＧ３を燃焼排ガス流路６０に送出する。なお、燃焼部７０の中心部には、点火電極７２が配置されている。この点火電極７２は、燃料電池セルスタック５２の上方に燃料電池セルスタック５２と離間して設けられている。また、筒状部材１０の内側にはパイプ７４が収容されており、このパイプ７４の内側には、点火電極７２と接続され、かつ、碍子で絶縁された導電部７６が挿入されている。つまり、燃料電池セルスタック５２から排出されるスタック排ガスは、点火電極７２とパイプ７４との間に形成されるスパークによって燃焼され、燃焼排ガスＧ３が生成される。
【００４８】
燃焼排ガス流路６０は、筒状部材１０と気化部３０との間及び筒状部材１０と改質部４０との間に設けられ、かつ、筒状部材１０の上端部まで延びて設けられている。燃焼排ガス流路６０の上端部には、筒状部材１０の径方向外側に向けて延びる燃焼排ガス排出管８０が設けられている。燃焼部７０によりスタック排ガスを燃焼して得られた燃焼排ガスＧ３は、燃焼排ガス流路６０を上方に向けて流れ、燃焼排ガス排出管８０から外部に排出される。このとき、気化部３０では、燃焼排ガスＧ３の熱を利用して原燃料Ｇ２が気化される。また、改質部４０では、燃焼排ガスＧ３の熱を利用して改質触媒層４２が加熱され、改質反応が促進される。
【００４９】
断熱材７８は、断熱性及び遮熱性の少なくとも一方を有する部材で形成されており、上述したモジュール本体の外側を覆っている。また、断熱材７８の外側には、複数本の酸化剤ガス供給管９０の各々に接続されたバルブＶが配置されている。これら複数個のバルブＶには、一例として、開度を調整可能な二方弁型のバルブが用いられる。本実施形態に係る複数個のバルブＶは、第１バルブＶ１、複数個（本実施形態では３個）の第２バルブＶ２Ａ〜Ｖ２Ｃ、及び第３バルブＶ３により構成されている。第１バルブＶ１は、酸化剤ガス第１供給管９１に接続されている。複数個の第２バルブＶ２Ａ〜Ｖ２Ｃの各々は、酸化剤ガス第２供給管９２Ａ〜９２Ｃの各々に接続されている。第３バルブＶ３は、酸化剤ガス第３供給管９３に接続されている。
【００５０】
本実施形態においては、酸化剤ガス第１供給管９１は、気化部３０の上段（流通方向の上流側の端部）に対応する位置に設けられている。酸化剤ガス第２供給管９２Ａは、気化部３０の中段に対応する位置に設けられている。酸化剤ガス第２供給管９２Ｂは、改質部４０の上段に対応する位置に設けられている。酸化剤ガス第２供給管９２Ｃは、改質部４０の中段に対応する位置に設けられている。酸化剤ガス第３供給管９３は、燃料電池セルスタック５２の上段（流通方向の上流側の端部）に対応する位置に設けられている。なお、酸化剤ガス第２供給管９２Ａ〜９２Ｃは、複数本でなくてもよく、いずれか１本のみを用いてもよい。
【００５１】
また、酸化剤ガス第３供給管９３を設けない構成としてもよい。例えば、酸化剤ガス第３供給管９３を設けずに、酸化剤ガス第１供給管９１及び酸化剤ガス第２供給管９２Ａの２本のみの構成とする場合、バルブＶは、上述の二方弁型ではなく、開度の微調整が可能な三方弁型のバルブを用いてもよい。
【００５２】
図１〜図３に示すモジュール構造によれば、少なくとも気化部３０、改質部４０、及び、燃料電池セルスタック５２が上下方向に同軸上に配置される。この配置により、幅方向への拡がりが抑制され、幅方向に小型化することができる。
【００５３】
次に、図４を参照して、本実施形態に係る燃料電池モジュール１００の電気的な構成について説明する。
【００５４】
図４は、本実施形態に係る燃料電池モジュール１００の電気的な構成の一例を示すブロック図である。
図４に示すように、本実施形態に係る燃料電池モジュール１００は、主要構造部１１０と、制御装置１１２と、を備えている。主要構造部１１０には、上述した気化部３０、改質部４０、燃料電池セルスタック５２、及び燃焼部７０等が含まれている。なお、これらの燃焼部７０、燃料電池セルスタック５２、及び改質部４０は特に高温になることから高温部（ホットボックス）５８とも呼ばれる。
【００５５】
制御装置１１２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１４Ａ、ＲＡＭ（Random Access Memory）１１４Ｂ、及びＲＯＭ（Read Only Memory）１１４Ｃを備えたマイクロコンピュータ１１４を主体とし、制御対象の各部から情報を得ると共に各部の動作を制御する。また、制御装置１１２は、記憶部１１６を備えている。この記憶部１１６には、例えば、ＳＳＤ（Solid State Drive）、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリが用いられる。
【００５６】
制御装置１１２は、主要構造部１１０の各部と信号線Ｓを介して接続されており、メタンを気化部３０へ供給するブロワＢ１の駆動を制御し、改質用の水を気化部３０へ供給するポンプＰの駆動を制御し、酸化剤ガスを燃料電池セルスタック５２へ供給するブロワＢ２の駆動を制御する。
【００５７】
気化部３０には、上述したように、原燃料供給管８２が接続されている。原燃料供給管８２には、内側供給管８２Ａと、外側供給管８２Ｂとが設けられている。
【００５８】
外側供給管８２Ｂには、図示しない炭化水素系燃料源が接続されており、ブロワＢ１により炭化水素系燃料の一例としてのメタンが流入される。一方、内側供給管８２Ａには、図示しない水源が接続されており、ポンプＰにより改質用の水（液相）が流入される。原燃料供給管８２へは、メタンと水とが並行（同方向）に流れるように流入される。メタン及び水を含む原燃料Ｇ２は、原燃料供給管８２を介して気化部３０へ供給される。気化部３０では、水が気化されて水蒸気とされ、メタン及び水蒸気を含む原燃料ガスが生成される。この気化には、燃焼部７０から排出された燃焼排ガスＧ３の熱が用いられる。
【００５９】
なお、本実施形態では、炭化水素系燃料としてメタンを用いるが、改質が可能なガスであれば特に限定されず、他の炭化水素系燃料を用いることができる。他の炭化水素系燃料としては、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。低級炭化水素ガスとしては、メタン、エタン、エチレン、プロパン、ブタン等の炭素数４以下の低級炭化水素が挙げられ、本実施形態で用いるメタンが好ましい。なお、炭化水素系燃料としては、上述した低級炭化水素ガスを混合したものであってもよい。
【００６０】
メタン及び水蒸気を含む原燃料ガスは、気化部３０から改質部４０へ送出される。改質部４０では、メタンを水蒸気改質し、水素を含む６００℃程度の温度の改質ガスＧ４を生成する。改質部４０には、改質ガス配管４４の一端が接続されている。改質ガス配管４４の他端は、燃料電池セルスタック５２のアノード（燃料極）５２Ａと接続されている。改質部４０で生成された改質ガスＧ４は、改質ガス配管４４を介してアノード５２Ａに供給される。
【００６１】
本実施形態に係る燃料電池セルスタック５２は、固体酸化物形のセルスタックであり、積層された複数の燃料電池セルを有している。燃料電池セルスタック５２は、作動温度が例えば６００℃以上７００℃以下とされ、ここでは一例として６５０℃程度に設定されている。
【００６２】
燃料電池セルスタック５２の個々の燃料電池セルは、電解質膜と、当該電解質膜の表裏面にそれぞれ積層されたアノード（燃料極）５２Ａ、及びカソード（空気極）５２Ｂと、を有している。
【００６３】
燃料電池セルスタック５２のカソード５２Ｂには、酸化剤ガス流路２０の一端が接続され、酸化剤ガス流路２０の他端には、複数の酸化剤ガス供給管９０を介してブロワＢ２が接続されている。ブロワＢ２から送出された酸化剤ガスＧ１は、複数の酸化剤ガス供給管９０の少なくとも１本及び酸化剤ガス流路２０を介してカソード５２Ｂへ供給される。
【００６４】
カソード５２Ｂでは、下記（１）式に示すように、空気中の酸素と電子とが反応して酸素イオンが生成される。生成された酸素イオンは電解質膜を通って燃料電池セルスタック５２のアノード５２Ａに到達する。
【００６５】
（空気極反応）
１／２Ｏ２＋２ｅ− →Ｏ２−  ・・・（１）
【００６６】
カソード５２Ｂからは、カソードオフガスＧ６が排出される。
【００６７】
一方、燃料電池セルスタック５２のアノード５２Ａでは、下記（２）式及び（３）式に示すように、電解質膜を通ってきた酸素イオンが改質ガス中の水素及び一酸化炭素と反応し、水(水蒸気)及び二酸化炭素と電子が生成される。アノード５２Ａで生成された電子がアノード５２Ａから外部回路（図示省略）を通ってカソード５２Ｂに移動することで、各燃料電池セルにおいて発電される。また、各燃料電池セルは、発電時に発熱する。
【００６８】
（燃料極反応）
Ｈ２ ＋Ｏ２− →Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  ・・・(２)
ＣＯ＋Ｏ２− →ＣＯ２＋２ｅ−  ・・・(３)
【００６９】
アノード５２Ａには、アノードオフガス管５４Ａの一端が接続されている。アノード５２Ａからアノードオフガス管５４Ａへ、アノードオフガスＧ５が排出される。アノードオフガスＧ５には、未反応の水素、未反応の一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気等が含まれている。また、アノードオフガス管５４Ａの他端は、燃焼部７０と接続されており、アノードオフガスＧ５は燃焼部７０へ送出される。
【００７０】
一方、カソード５２Ｂには、カソードオフガス管５４Ｂの一端が接続されている。カソードオフガス管５４Ｂの他端は、燃焼部７０と接続されており、カソードオフガスＧ６は燃焼部７０へ送出される。
【００７１】
燃焼部７０では、燃料電池セルスタック５２のアノード５２Ａから排出されたアノードオフガスＧ５が燃焼される。燃焼部７０の出口側には、燃焼排ガス流路６０の一端が接続されている。燃焼排ガス流路６０を上方に流れる燃焼排ガスＧ３は、気化部３０及び改質部４０の各々との間で熱交換が行われた後に、燃焼排ガス排出管８０（図１参照）を介して外部に排出される。
【００７２】
次に、本実施形態に係る燃料電池モジュール１００の起動時における動作について説明する。
【００７３】
本実施形態に係る燃料電池モジュール１００を起動させる場合、炭化水素系燃料と酸化剤ガスＧ１との燃焼によりモジュール内を加熱し、燃料電池セルスタック５２の温度を上昇させる。そして、上述したように、燃料電池セルスタック５２の温度が一定温度（温度ＴＣＳ）を超えた場合に、改質用の水を、気化部３０を介して改質部４０へ供給するようにしている。
【００７４】
次に、本実施形態の燃料電池モジュール１００の発電時における動作について説明する。
【００７５】
本実施形態に係る燃料電池モジュール１００を発電させる場合、ブロワＢ２により所定の空気吐出量で送出された酸化剤ガスＧ１は、酸化剤ガス流路２０を介してカソード５２Ｂへ供給され、発電に供された後、カソードオフガス管５４Ｂを経て燃焼部７０へ送出される。一方、ブロワＢ１により所定の吐出量で送出されたメタンは、原燃料供給管８２の外側供給管８２Ｂを経て気化部３０へ供給される。また、ポンプＰにより所定の吐出量で送出された水（液相）は、原燃料供給管８２の内側供給管８２Ａを経て気化部３０へ供給される。気化部３０へ供給された水及びメタンは、燃焼排ガスＧ３との熱交換により加熱される。これにより水は気化され水蒸気とされ、加熱されたメタンと水蒸気は改質部４０へ送出される。そして、改質部４０で改質ガスＧ４へ改質され、アノード５２Ａへ供給されて、発電に供される。アノード５２Ａからは、未反応の水素等の燃料を含むアノードオフガスＧ５が排出され、アノードオフガス管５４Ａを経て燃焼部７０へ送出される。また、カソードオフガスＧ６がカソードオフガス管５４Ｂを経て燃焼部７０へ送出される。燃焼部７０では、アノード５２Ａから排出されたアノードオフガスＧ５が燃焼され燃焼排ガスＧ３とされ、この燃焼排ガスＧ３が燃焼排ガス流路６０を上方に向けて流れる。燃焼排ガス流路６０を上方に流れる燃焼排ガスＧ３は、気化部３０及び改質部４０の各々との間で熱交換が行われた後に、燃焼排ガス排出管８０を介して外部に排出される。
【００７６】
ところで、上述したように、燃料電池の起動時や発電時においては、改質部４０の温度を個別に制御できることが望ましい。
【００７７】
このため、制御装置１１２が備えるＲＯＭ１１４Ｃには、本実施形態に係る温度制御処理を実行するための温度制御処理プログラムが予め記憶されている。この温度制御処理プログラムは、例えば、制御装置１１２に予めインストールされていてもよい。温度制御処理プログラムは、不揮発性の記憶媒体に記憶して、又は、ネットワークを介して配布して、制御装置１１２に適宜インストールすることで実現してもよい。なお、不揮発性の記憶媒体の例としては、ＣＤ-ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、光磁気ディスク、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＤＶＤ-ＲＯＭ（Digital Versatile Disc Read Only Memory）、フラッシュメモリ、メモリカード等が挙げられる。
【００７８】
ＣＰＵ１１４Ａは、ＲＯＭ１１４Ｃに記憶されている温度制御処理プログラムをＲＡＭ１１４Ｂに書き出して実行することにより、本実施形態に係る制御部として機能する。
【００７９】
本実施形態に係るＣＰＵ１１４Ａは、燃料電池セルスタック５２の起動時及び発電時の少なくとも一方において、複数の酸化剤ガス供給管９０の各々に分配する酸化剤ガスの量を調整することにより、改質部４０の温度を制御する。具体的には、ＣＰＵ１１４Ａは、改質部４０の温度及び燃料電池セルスタック５２の温度の各々を監視しながら、複数のバルブＶの各々の開度をフィードバック制御する。
【００８０】
図４に示すように、改質部４０には、改質部４０の内部の温度を検出する改質部温度センサ４６が取り付けられている。この改質部温度センサ４６で検出した温度情報は、制御装置１１２へ送られる。
【００８１】
燃料電池セルスタック５２には、燃料電池セルスタック５２の内部の温度を検出するセルスタック温度センサ５６が取り付けられている。このセルスタック温度センサ５６で検出した温度情報は、制御装置１１２へ送られる。
【００８２】
制御装置１１２のＣＰＵ１１４Ａは、改質部４０の温度情報及び燃料電池セルスタック５２の温度情報に基づいて、複数のバルブＶの各々の開度をフィードバック制御して、複数の酸化剤ガス供給管９０の各々に分配する酸化剤ガスの量を調整する。
【００８３】
ここで、制御装置１１２の記憶部１１６には、改質部４０の内部で炭素の析出が開始する下限の温度である第１温度Ｔｒｅｆ１と、燃料電池セルスタック５２の内部で水蒸気の凝縮が発生する上限の温度である第２温度ＴＣＳと、が記憶されている。第１温度Ｔｒｅｆ１は、一例として３５０℃以上４５０℃以下の範囲とされ、例えば、４００℃とされる。この場合、４００℃以上で炭素の析出が発生することを意味する。また、第２温度ＴＣＳは、一例として９０℃以上１１０℃以下の範囲とされ、例えば、１００℃とされる。この場合、１００℃以下で水蒸気の凝縮が発生することを意味する。また、記憶部１１６には、改質触媒層４２が破損する温度である第３温度Ｔｒｅｆ３と、改質部４０での改質割合が基準値（一例として８０％）以上となる温度である第４温度Ｔｒｅｆ４と、が記憶されている。
【００８４】
本実施形態に係るＣＰＵ１１４Ａは、燃料電池セルスタック５２の起動時において、改質部４０の温度が第１温度Ｔｒｅｆ１よりも低い予め定められた閾値温度Ｔｒｅｆ２まで上昇した場合に、第２バルブＶ２Ａの開度を制御して、酸化剤ガス第２供給管９２Ａに分配する酸化剤ガスの量を増加させ、第１バルブＶ１の開度を制御して、酸化剤ガス第１供給管９１に分配する酸化剤ガスの量を減少させる。なお、この場合、第２バルブＶ２Ｂ、Ｖ２Ｃ、及び第３バルブＶ３は「全閉」とされる。また、閾値温度Ｔｒｅｆ２としては、例えば、第１温度Ｔｒｅｆ１よりも若干低い温度である（Ｔｒｅｆ１−Ａ）℃が用いられる。この一定値Ａは、予め記憶部１１６に記憶されており、必要に応じて適宜変更可能な値である。ここでは、一例として「Ａ＝３０」等とする。これらの第２バルブＶ２Ａ及び第１バルブＶ１の各々の開度を制御することで、酸化剤ガス第２供給管９２Ａと酸化剤ガス第１供給管９１との間で酸化剤ガスの分配量を調整し、燃料電池セルスタック５２の温度が第２温度ＴＣＳを超えるまで、改質部４０の温度を第１温度Ｔｒｅｆ１未満に制御する。
【００８５】
また、ＣＰＵ１１４Ａは、燃料電池セルスタック５２の温度が第２温度ＴＣＳ以下の場合に、ブロワＢ１及びポンプＰの各々の駆動を制御して、改質用の水を含まない原燃料Ｇ２を気化部３０に供給する。一方、ＣＰＵ１１４Ａは、燃料電池セルスタック５２の温度が第２温度ＴＣＳを超える場合に、ブロワＢ１及びポンプＰの各々の駆動を制御して、改質用の水を含む原燃料Ｇ２を気化部３０に供給する制御を行う。
【００８６】
また、ＣＰＵ１１４Ａは、燃料電池セルスタック５２の起動時において、改質部４０の温度が閾値温度Ｔｒｅｆ２まで上昇した場合に、第２バルブＶ２Ａの開度を制御して、酸化剤ガス第２供給管９２Ａに酸化剤ガスの全量を分配し、その後、改質部４０の温度の上昇が継続する場合に、更に、第２バルブＶ２Ｂの開度を制御して、酸化剤ガス第２供給管９２Ｂへの酸化剤ガスの分配を開始し、第２バルブＶ２Ａの開度を制御して、酸化剤ガス第２供給管９２Ａに分配する酸化剤ガスの量を減少させてもよい。なお、この場合、第１バルブＶ１、第２バルブＶ２Ｃ、及び第３バルブＶ３は「全閉」とされる。これらの第２バルブＶ２Ａ及び第２バルブＶ２Ｂの各々の開度を制御することで、酸化剤ガス第２供給管９２Ａと酸化剤ガス第２供給管９２Ｂとの間で酸化剤ガスの分配量を調整し、燃料電池セルスタック５２の温度が第２温度ＴＣＳを超えるまで、改質部４０の温度を第１温度Ｔｒｅｆ１未満に制御する。
【００８７】
一方、ＣＰＵ１１４Ａは、燃料電池セルスタック５２の発電時において、改質部４０の温度が第３温度Ｔｒｅｆ３よりも低い予め定められた閾値温度Ｔｒｅｆ５まで上昇した場合に、第２バルブＶ２Ａの開度を制御して、酸化剤ガス第２供給管９２Ａに分配する酸化剤ガスの量を増加させ、第１バルブＶ１の開度を制御して、酸化剤ガス第１供給管９１に分配する酸化剤ガスの量を減少させる。なお、この場合、第２バルブＶ２Ｂ、Ｖ２Ｃ、及び第３バルブＶ３は「全閉」とされる。また、閾値温度Ｔｒｅｆ５としては、例えば、第３温度Ｔｒｅｆ３よりも若干低い温度である（Ｔｒｅｆ３−Ｂ）℃が用いられる。この一定値Ｂは、予め記憶部１１６に記憶されており、上述の一定値Ａと同様に、必要に応じて適宜変更可能な値である。ここでは、一例として「Ｂ＝３０」等とする。これらの第２バルブＶ２Ａ及び第１バルブＶ１の各々の開度を制御することで、酸化剤ガス第２供給管９２Ａと酸化剤ガス第１供給管９１との間で酸化剤ガスの分配量を調整し、改質部４０の温度を第３温度Ｔｒｅｆ３未満に制御する。
【００８８】
また、ＣＰＵ１１４Ａは、燃料電池セルスタック５２の発電時において、改質部４０の温度が第４温度Ｔｒｅｆ４まで上昇しない場合に、第３バルブＶ３の開度を制御して、酸化剤ガス第３供給管９３に分配する酸化剤ガスの量を増加させ、第１バルブＶ１及び第２バルブＶ２Ａの少なくとも一方の開度を制御して、酸化剤ガス第１供給管９１及び酸化剤ガス第２供給管９２Ａの少なくとも一方に分配する酸化剤ガスの量を減少させてもよい。なお、この場合、第２バルブＶ２Ｂ、Ｖ２Ｃは「全閉」とされる。これらの第３バルブＶ３、第１バルブＶ１、及び第２バルブＶ２Ａの各々の開度を制御することで、酸化剤ガス第３供給管９３、酸化剤ガス第１供給管９１、及び酸化剤ガス第２供給管９２Ａの間で酸化剤ガスの分配量を調整し、改質部４０の温度を第４温度Ｔｒｅｆ４以上に制御する。
【００８９】
次に、酸化剤ガス第１供給管９１、複数の酸化剤ガス第２供給管９２Ａ〜９２Ｃ、及び酸化剤ガス第３供給管９３を用いて酸化剤ガスＧ１の分配量を制御する場合に得られる効果について説明する。
【００９０】
（Ａ）気化部３０の中段に設けられた酸化剤ガス第２供給管９２Ａから酸化剤ガスＧ１を供給：起動時においては、改質部４０の温度を下げ、炭素析出のリスクを低減する効果が得られる。また、発電時においては、改質部４０の過昇温による改質触媒の破損（熱応力による破瓜など）を回避する効果が得られる。また、副次的な効果として、起動時における気化部３０の温度を下げ、改質水の気化安定度を向上させる効果が得られる。
【００９１】
（Ｂ）改質部４０の上段に設けられた酸化剤ガス第２供給管９２Ｂ又は改質部４０の中段に設けられた酸化剤ガス第２供給管９２Ｃからの酸化剤ガスＧ１を供給：起動時においては、上記（Ａ）と同様に、改質部４０の温度を下げ、炭素析出のリスクを低減する効果が得られる。また、発電時においては、上記（Ａ）と同様に、改質触媒の破損のリスクを低減する効果が得られる。
【００９２】
（Ｃ）燃料電池セルスタック５２の上段に設けられた酸化剤ガス第３供給管９３から酸化剤ガスＧ１を供給：改質部４０の温度が上がらず、改質が十分に行われない場合に、酸化剤ガス第３供給管９３に酸化剤ガスＧ１の一部を分配することで、改質部４０の外側を通過する酸化剤ガスＧ１の流量を減少させ、改質部４０の温度を上げる効果が得られる。一方、発電時においては、燃料電池セルスタック５２の発熱に伴うセルスタック内部温度の上昇を抑制し、セルスタックの過昇温による破損リスクを低減する効果が得られる。また、最も高温になるセルスタックからの熱回収量が増加するため、ホットボックス全体の熱効率を向上させ、効率の改善にも寄与する。
【００９３】
次に、図５及び図６を参照して、本実施形態に係る燃料電池モジュール１００の起動時における作用について説明する。なお、図５は、本実施形態に係る燃料電池モジュール１００の起動時における温度制御処理プログラムによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。図６は、本実施形態に係る燃料電池モジュール１００の起動時に実行される起動動作制御のタイミングチャートである。
【００９４】
まず、燃料電池モジュール１００の電源がオンにされると、ＣＰＵ１１４ＡによりＲＯＭ１１４Ｃに記憶されている温度制御処理プログラムが実行され、以下に示す各ステップが実行される。
【００９５】
図５のステップ２００では、ＣＰＵ１１４Ａが、第１温度Ｔｒｅｆ１から一定値Ａを減算した閾値温度Ｔｒｅｆ２を設定する。第１温度Ｔｒｅｆ１は、上述したように、改質部４０の内部で、炭素析出が開始する温度であり、起動動作中に、この第１温度Ｔｒｅｆ１以上とならないように制御することが重要である。このため、図６の最上段に示すように、この第１温度Ｔｒｅｆ１から一定値Ａを減算した閾値温度Ｔｒｅｆ２を設定し、この閾値温度Ｔｒｅｆ２を上限として、改質部４０の内部温度ＴＫを監視する。
【００９６】
ステップ２０２では、ＣＰＵ１１４Ａが、第１バルブＶ１を「全開」、第２バルブＶ２Ａ〜Ｖ２Ｃ及び第３バルブＶ３を全て「全閉」に制御して、図６の上から３段目に示すように、酸化剤ガスＧ１を一定流量で酸化剤ガス第１供給管９１から供給開始する。
【００９７】
ステップ２０４では、ＣＰＵ１１４Ａが、ブロワＢ１の駆動を制御して、図６の下から２段目に示すように、炭化水素系燃料（ここではメタン）を一定流量で供給開始する。
【００９８】
なお、酸化剤ガスＧ１の一定流量は、燃焼部７０で燃焼する際に、火炎が完全に失火せず、かつ燃焼を維持可能な最大流量以下とする。また、炭化水素系燃料の一定流量は、燃焼部７０で燃焼する際に、火炎が完全に失火せず、かつ燃焼を維持可能な最小流量以上とする。
【００９９】
ステップ２０６では、ＣＰＵ１１４Ａが、燃焼部７０での燃焼を制御する。燃焼部７０では、供給される一定流量の酸化剤ガスＧ１と一定流量の炭化水素系燃料によって、一定の燃焼状態で燃焼が実行される。
【０１００】
ステップ２０８では、ＣＰＵ１１４Ａが、燃料電池セルスタック５２の内部温度ＴＳをセルスタック温度センサ５６によって検出する。
【０１０１】
ステップ２１０では、ＣＰＵ１１４Ａが、図６の上から２段目に示すように、ステップ２０８で検出した燃料電池セルスタック５２の内部温度ＴＳが、上述した燃料電池セルスタック５２の内部で水蒸気の凝縮が発生する上限の温度である第２温度ＴＣＳ以上であるか否かを判定する。内部温度ＴＳが第２温度ＴＣＳ以上であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２１２に移行する。一方、内部温度ＴＳが第２温度ＴＣＳ未満であると判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２１６に移行する。
【０１０２】
ステップ２１２では、ＣＰＵ１１４Ａが、起動処理が終了したと判断し、図６の最下段に示すように、ポンプＰの駆動を制御して、改質水を一定流量で供給開始する。
【０１０３】
ステップ２１４では、ＣＰＵ１１４Ａが、通常動作への移行を指示し、起動時における温度制御処理プログラムによる一連の処理を終了する。この通常動作への移行により、改質部４０で改質が実行され、燃料電池セルスタック５２で発電が開始される。このとき、図６の下から２段目に示すように、改質部４０の内部温度ＴＫが一定となるように、炭化水素系燃料の供給流量が制御される。また、図６の上から３段目及び４段目に示すように、一例として、酸化剤ガス第１供給管９１と酸化剤ガス第２供給管９２Ａとの間で酸化剤ガスＧ１が分配されている場合には、酸化剤ガス第１供給管９１に酸化剤ガスＧ１の全量を分配するように制御される。
【０１０４】
一方、ステップ２１６では、ＣＰＵ１１４Ａが、改質部４０の内部温度ＴＫを改質部温度センサ４６によって検出する。
【０１０５】
ステップ２１８では、ＣＰＵ１１４Ａが、図６の最上段に示すように、ステップ２１６で検出した改質部４０の内部温度ＴＫが、上述した閾値温度Ｔｒｅｆ２以上であるか否かを判定する。内部温度ＴＫが閾値温度Ｔｒｅｆ２以上であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２２０に移行する。一方、内部温度ＴＫが閾値温度Ｔｒｅｆ２未満であると判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２０８に戻り処理を繰り返す。
【０１０６】
ステップ２２０では、ＣＰＵ１１４Ａが、複数の酸化剤ガス供給管９０の各々に分配する酸化剤ガスＧ１の量を調整する制御を行う。ここでは、説明を簡単にするために、酸化剤ガス第１供給管９１と酸化剤ガス第２供給管９２Ａとの間で酸化剤ガスＧ１の分配量を調整する。具体的には、図６の上から３段目に示すように、第１バルブＶ１の開度を小さくし、酸化剤ガス第１供給管９１への酸化剤ガスＧ１の分配量を減少させ、図６の上から４段目に示すように、第２バルブＶ２Ａの開度を大きくし、酸化剤ガス第２供給管９２Ａへの酸化剤ガスＧ１の分配量を増加させる。なお、図６の最上段に示すように、再び内部温度ＴＫが閾値温度Ｔｒｅｆ２以上になる場合には、第１バルブＶ１を「全閉」とし、第２バルブＶ２Ａを「全開」に制御する。
【０１０７】
つまり、改質部４０の温度を第１温度Ｔｒｅｆ１未満に制御する場合、改質部４０の内部温度が閾値温度Ｔｒｅｆ２以上となった場合に、それを下回るまで別の酸化剤ガス供給管９０への酸化剤ガスＧ１の分配量を増加させる。例えば、上段に位置する酸化剤ガス供給管９０から優先的に分配するものとし、全量分配に至っても温度上昇が止まらない場合、更に下段に位置する酸化剤ガス供給管９０への分配を開始する。ただし、酸化剤ガス供給管９０は４本全てを追加する必要はなく、３本以下の範囲で追加してもよい。
【０１０８】
また、酸化剤ガスＧ１の流量制御には、例えば、改質部４０の入口温度のフィードバックを用いた制御を行うようにしてもよい。改質部４０の入口温度が１００℃以下まで下がってしまうと気化部３０に水が供給されていた場合、結露が発生する可能性がある。このため、適切な閾値温度（例えば、１３０℃程度）を設定し、その閾値温度まで改質部４０の入口温度が下がったら、酸化剤ガスＧ１の分配を停止するか、あるいは、近づくに連れて酸化剤ガスＧ１の分配量を減じる制御を行っても良い。なお、この場合、安定性を高めるためにフィードバック制御にはＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）等を用いても良い。
【０１０９】
次に、図７及び図８を参照して、本実施形態に係る燃料電池モジュール１００の発電時における作用について説明する。なお、図７は、本実施形態に係る燃料電池モジュール１００の発電時における温度制御処理プログラムによる処理の流れの一例を示すフローチャートである。図７では、改質部４０の過昇温による改質触媒の破損を回避する形態について説明する。なお、この発電時では、第１バルブＶ１が「全開」とされ、第２バルブＶ２Ａ〜Ｖ２Ｃ及び第３バルブＶ３が全て「全閉」とされている。
【０１１０】
まず、図７のステップ２３０では、ＣＰＵ１１４Ａが、第３温度Ｔｒｅｆ３から一定値Ｂを減算した閾値温度Ｔｒｅｆ５を設定する。第３温度Ｔｒｅｆ３は、上述したように、改質部４０の改質触媒層４２が破損する温度であり、発電動作中に、この第３温度Ｔｒｅｆ３以上とならないように制御することが重要である。このため、この第３温度Ｔｒｅｆ３から一定値Ｂを減算した閾値温度Ｔｒｅｆ５を設定し、この閾値温度Ｔｒｅｆ５を上限として、改質部４０の内部温度ＴＫを監視する。
【０１１１】
ステップ２３２では、ＣＰＵ１１４Ａが、改質部４０の内部温度ＴＫを改質部温度センサ４６によって検出する。
【０１１２】
ステップ２３４では、ＣＰＵ１１４Ａが、ステップ２３２で検出した改質部４０の内部温度ＴＫが、上述した閾値温度Ｔｒｅｆ５以上であるか否かを判定する。内部温度ＴＫが閾値温度Ｔｒｅｆ５以上であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２３６に移行する。一方、内部温度ＴＫが閾値温度Ｔｒｅｆ５未満であると判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２３８に移行する。
【０１１３】
ステップ２３６では、ＣＰＵ１１４Ａが、複数の酸化剤ガス供給管９０の各々に分配する酸化剤ガスＧ１の量を調整する制御を行い、ステップ２３２に移行する。ここでは、説明を簡単にするために、酸化剤ガス第１供給管９１と酸化剤ガス第２供給管９２Ａとの間で酸化剤ガスＧ１の分配量を調整する。具体的には、第１バルブＶ１の開度を小さくし、酸化剤ガス第１供給管９１への酸化剤ガスＧ１の分配量を減少させ、第２バルブＶ２Ａの開度を大きくし、酸化剤ガス第２供給管９２Ａへの酸化剤ガスＧ１の分配量を増加させる。
【０１１４】
ステップ２３８では、ＣＰＵ１１４Ａが、発電動作を終了するか否かを判定する。例えば、作業者から発電動作の終了を指示する操作入力を受け付けた場合に、発電動作を終了すると判定する。発電動作を終了すると判定した場合（肯定判定の場合）、発電時における温度制御処理プログラムによる一連の処理を終了する。一方、発電動作を終了しないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２３２に戻り処理を繰り返す。
【０１１５】
図８は、本実施形態に係る燃料電池モジュール１００の発電時における温度制御処理プログラムによる処理の流れの他の例を示すフローチャートである。図８では、改質部４０の温度が上がらず、改質が十分に行われない場合に、改質部４０の温度を上げる形態について説明する。
【０１１６】
図８のステップ２４０では、ＣＰＵ１１４Ａが、第４温度Ｔｒｅｆ４を設定する。第４温度Ｔｒｅｆ４は、上述したように、改質部４０での改質割合が基準値（一例として８０％）以上となる温度であり、発電動作中に、この第４温度Ｔｒｅｆ４以上に制御することが重要である。このため、この第４温度Ｔｒｅｆ４を下限として、改質部４０の内部温度ＴＫを監視する。
【０１１７】
ステップ２４２では、ＣＰＵ１１４Ａが、改質部４０の内部温度ＴＫを改質部温度センサ４６によって検出する。
【０１１８】
ステップ２４４では、ＣＰＵ１１４Ａが、ステップ２４２で検出した改質部４０の内部温度ＴＫが、上述した第４温度Ｔｒｅｆ４未満であるか否かを判定する。内部温度ＴＫが第４温度Ｔｒｅｆ４未満であると判定した場合（肯定判定の場合）、ステップ２４６に移行する。一方、内部温度ＴＫが第４温度Ｔｒｅｆ４以上であると判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２４８に移行する。
【０１１９】
ステップ２４６では、ＣＰＵ１１４Ａが、複数の酸化剤ガス供給管９０の各々に分配する酸化剤ガスＧ１の量を調整する制御を行い、ステップ２４２に移行する。ここでは、説明を簡単にするために、酸化剤ガス第１供給管９１と酸化剤ガス第３供給管９３との間で酸化剤ガスＧ１の分配量を調整する。具体的には、第１バルブＶ１の開度を小さくし、酸化剤ガス第２供給管９２Ａへの酸化剤ガスＧ１の分配量を減少させ、第３バルブＶ３の開度を大きくし、酸化剤ガス第３供給管９３への酸化剤ガスＧ１の分配量を増加させる。
【０１２０】
ステップ２４８では、ＣＰＵ１１４Ａが、発電動作を終了するか否かを判定する。例えば、作業者から発電動作の終了を指示する操作入力を受け付けた場合に、発電動作を終了すると判定する。発電動作を終了すると判定した場合（肯定判定の場合）、発電時における温度制御処理プログラムによる一連の処理を終了する。一方、発電動作を終了しないと判定した場合（否定判定の場合）、ステップ２４２に戻り処理を繰り返す。
【０１２１】
なお、最下段の酸化剤ガス供給管９０に酸化剤ガスＧ１を一部分配することで改質部４０の温度を上げる効果を活用して、改質部４０の出口温度を所定温度以上にする制御を行ってもよい。例えば、改質部４０の出口温度のフィードバックを用いて制御を行う。具体的には、適切な閾値温度（例えば、７００℃程度）を設定し、その閾値温度まで改質部４０の出口温度が上がったら、最下段の酸化剤ガス供給管９０への酸化剤ガスＧ１の分配を開始するか、あるいは、近づくに連れて酸化剤ガスＧ１の分配量を増加する制御を行う。なお、この場合、安定性を高めるためにフィードバック制御にはＰＩＤを用いても良い。
【０１２２】
また、上記各実施形態として燃料電池モジュールを例示して説明したが、実施形態は、燃料電池モジュールが備える各部の機能をコンピュータに実行させるためのプログラムの形態としてもよい。実施形態は、このプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体の形態としてもよい。
【０１２３】
その他、上記各実施形態で説明した燃料電池モジュールの各々の構成は、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において状況に応じて変更してもよい。
【０１２４】
また、上記各実施形態で説明したプログラムの処理の流れも、一例であり、主旨を逸脱しない範囲内において不要なステップを削除したり、新たなステップを追加したり、処理順序を入れ替えたりしてもよい。
【０１２５】
また、上記各実施形態では、プログラムを実行することにより、実施形態に係る処理がコンピュータを利用してソフトウェア構成により実現される場合について説明したが、これに限らない。実施形態は、例えば、ハードウェア構成や、ハードウェア構成とソフトウェア構成との組み合わせによって実現してもよい。
【符号の説明】
【０１２６】
１０  筒状部材
１２  外周壁
１４  断熱空間
２０  酸化剤ガス流路
３０  気化部
４０  改質部
４２  改質触媒層
４４  改質ガス配管
４６  改質部温度センサ
５０  収容部
５２  燃料電池セルスタック
５２Ａ  アノード（燃料極）
５２Ｂ  カソード（空気極）
５４Ａ  アノードオフガス管
５４Ｂ  カソードオフガス管
５６  セルスタック温度センサ
５８  高温部（ホットボックス）
６０  燃焼排ガス流路
７０  燃焼部
７２  点火電極
７４  パイプ
７６  導電部
７８  断熱材
８０  燃焼排ガス排出管
８２  原燃料供給管
９０、９１、９２Ａ〜９２Ｃ、９３  酸化剤ガス供給管
１００  燃料電池モジュール
１１０  主要構造部
１１２  制御装置
１１４  マイクロコンピュータ
１１４Ａ  ＣＰＵ（制御部）
１１４Ｂ  ＲＡＭ
１１４Ｃ  ＲＯＭ
１１６  記憶部
【図１】
2020013660.tif 000003
【図２】
2020013660.tif 000004
【図３】
2020013660.tif 000005
【図４】
2020013660.tif 000006
【図５】
2020013660.tif 000007
【図６】
2020013660.tif 000008
【図７】
2020013660.tif 000009
【図８】
2020013660.tif 000010