(57)【要約】【課題】失火しやすい燃料電池セル構造において燃料電池セル集合体や燃料電池モジュールの温度状態に応じて失火判定を正確に且つ迅速に行うことができる固体電解質型燃料電池(ＳＯＦＣ)を提供する。【解決手段】本発明は燃料電池セル集合体１２と、改質器２０と、燃料ガス供給手段３８と、改質用空気供給手段４４と、発電用空気供給手段４５と、着火手段８３と、燃焼ガスの燃焼に起因する温度を検出する温度検出手段１４０，１５２と、起動時に、この着火手段により着火させて燃料ガスを発電用空気により燃焼させる燃焼運転を行い、ＰＯＸ運転、ＡＴＲ運転、ＳＲ運転を順次行う制御部１１０と、を有し、この制御部は、燃焼ガスの燃焼に起因する温度が所定時間内に所定の温度降下量しきい値以上に降下したとき失火と判定すると共に上記所定の温度降下量しきい値を上記燃焼ガスの燃焼に起因する温度が低温である程大きな値となるように設定することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、
燃料電池モジュール内の発電室に配置され、複数の固体電解質型の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、
燃料ガスを水蒸気改質して上記燃料電池セル集合体に供給する改質器と、
上記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
純水を生成して上記改質器に供給する水供給手段と、
上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、
上記燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、
上記改質器から燃料電池セル集合体の上部に至る燃料ガスを着火して燃焼させる着火手段と、
燃焼ガスの燃焼に起因する温度を検出する温度検出手段と、
起動時に、上記着火手段により着火させて燃料ガスを改質用空気により燃焼させる燃焼運転を行い、次に、改質器内に燃料ガスと改質用空気を供給して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）運転を行い、次に、改質器内に燃料ガス、空気、水を供給してオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）運転を行い、次に、改質器内に燃料と水を供給して水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行う制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記燃焼ガスの燃焼に起因する温度が所定時間内に所定の温度降下量しきい値以上に降下したとき失火と判定すると共に上記所定の温度降下量しきい値を上記燃焼ガスの燃焼に起因する温度が低温である程大きな値となるように設定することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
上記制御手段は、上記燃焼ガスの燃焼に起因する温度が所定の温度しきい値以下であるとき失火と判定する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
上記制御手段は、上記燃焼ガスの燃焼に起因する温度が所定の温度降下量しきい値以上に降下した状態が所定時間継続した場合において失火と判定する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
更に、燃料ガスが燃焼して生成された排気ガスの温度を検出する排気温度検出手段を有し、上記制御手段は、この排気温度検出手段により検出された排気ガス温度を上記燃焼ガスの燃焼に起因する温度として用い、失火を判定する請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
更に、上記燃料電池セル集合体の上端に着火された燃焼の状態を直接検出することにより温度を検出する着火検出手段を有し、上記制御手段は、この着火検出手段により検出された燃料電池セル集合体の上端の温度を上記燃焼ガスの燃焼に起因する温度として用い、失火を判定する請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
上記温度しきい値の継続時間が上記温度降下量しきい値の継続時間より短い請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
上記制御手段は、上記排気温度検出手段により検出された排気ガス温度により失火判定を行う場合、上記燃料電池モジュール内の発電室温度が高い程上記温度降下量しきい値の値が大きくなるように補正する請求項４記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項８】
上記制御手段は、上記排気温度検出手段により検出された排気ガス温度により失火判定を行う場合、上記燃料電池モジュール内の発電室温度が高い程上記継続時間が長くなるように補正する請求項７記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項９】
上記制御手段は、失火と判定したとき、燃料ガスを増量して供給し、このとき、上記燃焼ガスの燃焼に起因する温度が上昇しない場合に本失火と判断し、この時点で着火による再起動を行う請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１０】
上記制御手段は、更に、改質器の温度を検出する改質器温度検出手段を備え、上記排気温度検出手段により検出された排気ガス温度を燃焼ガスの燃焼に起因する温度として失火を判定し、上記改質器温度検出手段により検出された改質器の温度によって着火を判定する請求項４記載の固体電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型燃料電池に係わり、特に、燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。
【０００３】
このＳＯＦＣにおいては、酸化物イオン導電性固体電解質を通過した酸素イオンと燃料との反応によって水蒸気又は二酸化炭素を生成し、電気エネルギー及び熱エネルギーが発生する。電気エネルギーは、ＳＯＦＣ外部に取り出されて、各種電気的用途に使用される。一方、熱エネルギーは、燃料、ＳＯＦＣ及び酸化剤等に伝達され、これらの温度上昇に使用される。
【０００４】
従来のＳＯＦＣにおいては、燃料電池モジュール内の密閉空間の下方部分に発電室が配置され、この発電室内に複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体が配置されている。そして、これらの燃料電池セル集合体の上方には燃焼室が形成され、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガス（空気）とが燃料電池セル集合体の上部自体で直に燃焼し、燃焼室内で排気ガスが生成されるようになっている。
また、燃焼室の上方には、燃料ガスを水素に改質する改質器が配置され、燃焼室内の燃焼熱によって改質器が改質可能な温度となるように加熱されるようになっている。
【０００５】
しかしながら、このような従来のＳＯＦＣにおいては、燃料電池セル集合体の上部自体で直に残余の燃料ガスと残余の酸化剤ガスを燃焼させる以外には、燃焼室や改質器を別途加熱したり、冷間起動時の着火や失火防止を支援したりするバーナー等の加熱手段が設けられていない。したがって、セル自体の構造のばらつきによる着火部分の形状相違や冷間起動時の燃焼室内の不安定性等起因して、１００本を越える複数の燃料電池セルの全体にまんべんなく確実に着火させることは非常に難しく、着火しても気流等が少し乱れるだけですぐに失火してしまう等、安定した着火、及び安定した着火状態を維持することは非常に困難性が高いものであった。
【０００６】
そこで、このような着火不良を抑制するために、従来のＳＯＦＣにおいては、例えば、特許文献１に記載されているように、着火時に燃料電池セルの火炎を吹き消すおそれのある空気の供給量を減らすことにより、気流による着火不良を抑制したものが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１３５２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１のＳＯＦＣにおいては、着火不良を抑制するための対策として着火時の燃料電池セルに供給する空気の量を低下させただけでは、複数のセルのうちの一部のセルに着火した後にセルの全体に亘って確実に火移りさせることが難しく、失火もしやすいという問題がある。
そして、着火時およびその直後は、燃料ガスと空気の混合ガスによる燃焼であるが、この燃焼による温度上昇に伴い改質器内での改質反応が開始され、それによって燃料ガスの成分が変化し、水素成分が増加を始める。しかしながら、改質器の温度が低温領域の間は特に改質器内部での改質反応が均一に発生されることが無く、燃料ガスの成分変化もそれに伴い不安定に変動するため、改質器が低温領域の間は、失火しやすい。
また、このような従来のＳＯＦＣでは、燃焼ガスの燃焼に起因する温度が低温である程、燃料電池セル集合体や燃料電池モジュールも蓄熱量が少ないため、失火が生じた場合は素早く温度降下が生じる一方、燃焼温度が比較的高温のときには、燃料電池セル集合体や燃料電池モジュールの蓄熱量が大きいため、失火が生じた場合でも燃料電池モジュール内の温度が顕著に下がりにくく、失火状態を判定することが非常に難しいという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、上述した従来技術の問題を解決するためになされたものであり、失火しやすい燃料電池セル構造において燃料電池セル集合体や燃料電池モジュールの温度状態（蓄熱量）に応じて失火判定を正確に且つ迅速に行うことができる固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、燃料電池モジュール内の発電室に配置され、複数の固体電解質型の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、燃料ガスを水蒸気改質して上記燃料電池セル集合体に供給する改質器と、上記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、純水を生成して上記改質器に供給する水供給手段と、上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、上記燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、上記改質器から燃料電池セル集合体の上部に至る燃料ガスを着火して燃焼させる着火手段と、起動時に、上記着火手段により着火させて燃料ガスを改質用空気により燃焼させる燃焼運転を行い、次に、改質器内に燃料ガスと改質用空気を供給して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）運転を行い、次に、改質器内に燃料ガス、空気、水を供給してオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）運転を行い、次に、改質器内に燃料と水を供給して水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行う制御手段と、を有し、上記制御手段は、上記燃焼ガスの燃焼に起因する温度が所定時間内に所定の温度降下量しきい値以上に降下したとき失火と判定すると共に上記所定の温度降下量しきい値を上記燃焼ガスの燃焼に起因する温度が低温である程大きな値となるように設定することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、燃焼ガスの燃焼に起因する温度（排気温度センサ、着火温度センサにより検出された温度等）が低温である程、燃料電池セル集合体や燃料電池モジュールも蓄熱量が少ないため、失火が生じた場合は素早く温度降下が生じ、一方、燃焼ガスの燃焼に起因する温度が比較的高温のときには、燃料電池セル集合体や燃料電池モジュールの蓄熱が大きいため温度降下が生じ難いことに着目して、失火の判定に用いられる温度降下量しきい値を燃焼ガスの燃焼に起因する温度が低温である程大きな値となるように設定している。この結果、本発明によれば、燃料電池セル集合体や燃料電池モジュールの温度状態、言い換えると蓄熱量に応じて正確で迅速な失火判定を行うことができ、失火から素早く回復させることができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、制御手段は、燃焼ガスの燃焼に起因する温度が所定の温度しきい値以下であるとき失火と判定する。
このように構成された本発明においては、燃料ガスの燃焼熱のゆらぎによっても温度降下が発生し、それにより失火を誤判定することがあり、そのため、失火判定のための時間を長くとる必要があるが、失火以外には考えられない燃焼ガスの燃焼に起因する温度を失火判定のための温度しきい値とすることにより、確実に失火を判定することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、制御手段は、燃焼ガスの燃焼に起因する温度が所定の温度降下量しきい値以上に降下した状態が所定時間継続した場合において失火と判定する。
このように構成された本発明においては、燃焼ガスの燃焼に起因する温度が所定の温度降下量しきい値以上に降下した状態が所定時間継続した場合に失火と判定するため、確実で迅速な失火判定を行うことが可能となり、誤判断を確実に防止することができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、更に、燃料ガスが燃焼して生成した排気ガスの温度を検出する排気温度検出手段を有し、上記制御手段は、この排気温度検出手段により検出された排気ガス温度を上記燃焼ガスの燃焼に起因する温度として用い、失火を判定する。
このように構成された本発明においては、排気温度検出手段により検出された排気ガス温度を燃焼ガスの燃焼に起因する温度として用いているので、燃料電池セル集合体の熱容量や蓄熱量の影響を受けないので、迅速かつ正確に失火を判定することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、更に、上記燃料電池セル集合体の上端に着火された燃焼の状態を直接検出することにより温度を検出する着火検出手段を有し、上記制御手段は、この着火検出手段により検出された燃料電池セル集合体の上端の温度を上記燃焼ガスの燃焼に起因する温度として用い、失火を判定する。
このように構成された本発明においては、着火検出手段により検出された燃料電池セル集合体の上端の温度を燃焼ガスの燃焼に起因する温度として用いて、燃料電池セル集合体の上端の着火状態を直接検出しているので、確実に失火を判定することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、温度しきい値の継続時間が温度降下量しきい値の継続時間より短い。
このように構成された本発明においては、温度しきい値を用いて失火判定を行う場合には、比較的継続時間が短くても失火判定を行うことができ、迅速に失火判定を行うことができ、一方、温度降下量しきい値を用いて失火判定を行う場合には比較的長い継続時間より正確に失火判定を行うことができる。すなわち、温度しきい値と温度降下量しきい値のそれぞれが持つ確実な失火判定を行うための得意な継続時間の領域を活かしながら、不得意な領域を互いに担保し合うことにより、一層の誤判定防止と迅速で正確な失火判定を行うことができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、制御手段は、排気温度検出手段により検出された排気ガス温度により失火判定を行う場合、上記燃料電池モジュール内の発電室温度が高い程上記温度降下量しきい値の値が大きくなるように補正する。
このように構成された本発明においては、排気温度検出手段により検出された排気ガス温度を用いて失火判定を行う場合、発電室温度が高い程温度降下量しきい値の値が大きくなるように補正したので、より正確に失火を判定することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、制御手段は、排気温度検出手段により検出された排気ガス温度により失火判定を行う場合、燃料電池モジュール内の発電室温度が高い程継続時間が長くなるように補正する。
このように構成された本発明においては、同様に、より正確に失火を判定することができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、制御手段は、失火と判定したとき、燃料ガスを増量して供給し、このとき、燃焼ガスの燃焼に起因する温度が上昇しない場合に本失火と判断し、この時点で着火による再起動を行う。
このように構成された本発明においては、燃料電池セルの本数が非常に多く、失火の判定が非常に難しい場合においても、燃料ガスを増量して供給して燃焼ガスの燃焼に起因する温度が上がらないことを確認することにより、確実に本失火を判定することができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、上記制御手段は、更に、改質器の温度を検出する改質器温度検出手段を備え、上記排気温度検出手段により検出された排気ガス温度を燃焼ガスの燃焼に起因する温度として失火を判定し、上記改質器温度検出手段により検出された改質器の温度によって着火を判定する。
このように構成された本発明においては、失火と共に着火の判定も確実に行うことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、失火しやすい燃料電池セル構造において燃料電池セル集合体や燃料電池モジュールの温度状態に応じて失火判定を正確に且つ迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿った断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の運転停止時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の一実施形態において、固体電解質型燃料電池の起動処理手順の一例を示す動作テーブルである。
【図１０】本発明の一実施形態において、固体電解質型燃料電池の起動処理における失火着火判定制御の手順の一例を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の一実施形態において、固体電解質型燃料電池の起動処理における失火着火判定制御に用いられる失火判定しきい値に関するマップ（排気温度と温度降下量との関係）の一例を示す。
【図１２】本発明の一実施形態において、固体電解質型燃料電池の起動処理における失火着火判定制御に用いられる失火判定しきい値に関するマップ（着火センサ温度と温度降下量との関係）の一例を示す。
【図１３】本発明の一実施形態において、固体電解質型燃料電池の起動処理における失火着火判定制御に用いられる失火判定しきい値に関するマップ（着火センサ温度と絶対温度との関係）の一例を示す。
【図１４】本発明の一実施形態において、固体電解質型燃料電池の起動処理における失火着火判定制御に用いられる着火判定しきい値に関するマップ（改質器温度センサ温度と温度降下量との関係）の一例を示す。
【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）とを備えている。
なお、本実施形態のＳＯＦＣにおいては、改質器２０に供給される改質用空気や発電室１０に供給される発電用空気を加熱して起動時の昇温を効率よく行うためのヒータ等の加熱手段や、改質器２０を別途加熱する加熱手段は設けられていない。
【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。また、燃焼室１８は、燃焼室１８や燃料電池セルユニット１６を別途加熱して起動時の着火や失火防止を支援したりするバーナー等の加熱手段は設けられていない。
【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。なお、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る発電室温度センサ１４２は、一つでもよいが、正確性を高めるために複数設けられることが好ましい。
燃焼室温度センサ１４４は、燃焼室１８の温度を検出するためのものである。
排気ガス室温度センサ１４６は、排気ガス室７８の排気ガスの温度を検出するためのものである。
改質器温度センサ１４８は、改質器２０の温度を検出するためのものであり、改質器２０の入口温度と出口温度から改質器２０の温度を算出する。
外気温度センサ１５０は、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
着火センサ１５２は、図３に示すように、燃料電池セル集合体１２の上端部の近傍に数ヵ所設けられ、点火装置８３を点火したときにおける燃料電池セル集合体１２の上端部近傍の温度を検出して、この温度に基づいて着火状態を判定するものである。なお、着火センサ１５２は、一つでもよいが、正確性を高めるために複数設けられることが好ましい。
【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から改質用空気を燃料電池モジュール２の改質器２０へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット４５から発電用空気を燃料電池モジュール２の空気用熱交換器２２へ供給し、この発電用空気が、発電室１０及び燃焼室１８に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット３８からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器２０及び燃料電池セルスタック１４、燃料電池セルユニット１６を通過して、燃焼室１８に到達する。
【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、改質器温度センサ１４８により改質器２０が所定温度（例えば、６００℃）になったことを検知したとき、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器２０に供給する。このとき、改質器２０においては、上述した部分酸化改質反応ＰＯＸと後述する水蒸気改質反応ＳＲとが併用されたオートサーマル改質反応ＡＴＲが進行する。このオートサーマル改質反応ＡＴＲは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器２０内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素（空気）が多い場合には部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱反応が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室１０内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。また、オートサーマル改質反応ＡＴＲが進行中も、燃焼室１８では燃焼反応が継続して行われている。
【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と共に図７を再び参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池１の起動処理を詳細に説明する。図９は、固体電解質型燃料電池１の起動処理手順を示す動作テーブルである。
図７の時刻ｔ０において固体電解質型燃料電池１を起動すると、制御部１１０は、改質用空気供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気供給手段である発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送ってこれらを起動させ、改質用空気及び発電用空気を燃料電池モジュール２に供給する。なお、本実施形態においては、時刻ｔ０において供給が開始される改質用空気の供給量は１０Ｌ／ｍｉｎ、発電用空気の供給量は１００Ｌ／ｍｉｎに設定されている。
【００６３】
次いで、時刻ｔ１において、制御部１１０は、燃料ガス供給手段である燃料流量調整ユニット３８に信号を送って、改質器２０への燃料供給を開始する。これにより、改質器２０へ送り込まれた燃料ガス及び改質用空気は、改質器２０、燃料ガス供給管６４、マニホールド６６を介して各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれる。各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれた燃料ガス及び改質用空気は、各燃料電池セルユニット１６の燃料ガス流路９８上端から夫々流出する。なお、本実施形態においては、時刻ｔ１において供給が開始される燃料ガスの供給量は６Ｌ／ｍｉｎに設定されている（図９の「燃焼運転」状態参照）。
【００６４】
さらに、時刻ｔ２において、制御部１１０は、点火装置８３に信号を送り、燃料電池セルユニット１６の燃料ガス流路９８上端から流出した燃料ガスに点火する。これにより、燃焼室１８内で燃料ガスが燃焼され、その上方に配置された改質器２０が加熱されると共に、燃焼室１８、発電室１０、及びその中に配置された燃料電池セルスタック１４の温度も上昇する（図７の時刻ｔ２〜ｔ３及び図９の「燃焼運転」状態参照）。
改質器２０が加熱されることにより、改質器２０の温度が３００゜Ｃ程度まで上昇すると、改質器２０内においては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が発生する（図７の時刻ｔ３）。部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質器２０は、部分酸化改質反応の発生により、その反応熱によっても加熱されるようになる（図９の「ＰＯＸ１」状態参照）。
【００６５】
なお、時刻ｔ２においては、すべての燃料電池セルユニット１６が完全に着火されたか否かにかかわらず、点火装置８３による点火が行われた時刻を暫定的に「着火タイミング」の時刻としてみなしている。
したがって、すべての燃料電池セルユニット１６が完全に着火されたか否か、及び、失火しているか否かについての実質的な着火状態及び失火状態の判定については、制御部１１０による所定の失火着火判定制御（詳細は後述する）によって行われる。
【００６６】
さらに、ＰＯＸ１期間において、温度が上昇し、改質器２０の温度が３５０゜Ｃに達すると、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８及び発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送り、燃料供給量及び発電用空気供給量を一定量に維持した状態で、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気供給量を増加させる（図７の時刻ｔ４参照）。
これにより、燃料供給量は６Ｌ／ｍｉｎに維持され、発電用空気供給量は１００Ｌ／ｍｉｎに維持され、改質用空気供給量は１８Ｌ／ｍｉｎに変更される（図９の「ＰＯＸ２」状態参照）。これらの供給量は、部分酸化改質反応（ＰＯＸ２）を安定的に発生させるために適正な供給量である。
【００６７】
また、特に、燃料供給量ついては、燃焼運転期間からＰＯＸ１、ＰＯＸ２、及び、ＡＴＲ１（詳細は後述する）を経てＡＴＲ２（詳細は後述する）が開始される時刻ｔ６までの期間において変化させずに一定量（６Ｌ／ｍｉｎ）に保持され、
さらに、発電用空気供給量ついては、燃焼運転期間からＰＯＸ１、ＰＯＸ２、ＡＴＲ１（詳細は後述する）、ＡＴＲ２（詳細は後述する）、及び、ＳＲ１（詳細は後述する）を経てＳＲ２（詳細は後述する）が開始される時刻ｔ８までの期間において一定量（１００Ｌ／ｍｉｎ）に保持される。
即ち、燃焼運転期間及び暫定的な部分酸化改質反応（ＰＯＸ１）が発生し始める初期の温度領域に相当するＰＯＸ１期間においては、燃料供給量をＡＴＲ２よりも多い一定量にすると共に、発電用空気供給量をＳＲ２よりも多い一定の大風量にし、改質用空気供給量をＰＯＸ２よりも少ない一定量にすることにより、燃料ガスに確実に着火される状態を形成し、燃料電池セルユニット１６の上端部における気流を安定させている。これにより、安定した火移りを生じさせ、着火を安定させている（図９の「ＰＯＸ１」状態参照）。
【００６８】
また、発電用空気供給量ついては、燃焼運転期間からＰＯＸ１、ＰＯＸ２、ＡＴＲ１（詳細は後述する）、ＡＴＲ２（詳細は後述する）、及び、ＳＲ１（詳細は後述する）を経てＳＲ２（詳細は後述する）が開始される時刻ｔ８までの期間において一定の大風量（１００Ｌ／ｍｉｎ）に保持されており、特に、着火タイミングを含む燃焼運転期間において火移り性を高めて、燃料電池セルスタック１４のうちの一部の燃料電池セルユニット１６の燃料ガス流路９８上端が着火した状態であっても、燃料電池セルスタック１４の全体に対して火移りを生じさせて完全着火とすることができるようになっている。
さらに、発電用空気の風量を増量させた当初（図７の時刻ｔ０〜ｔ１）は、燃料電池セルユニット１６の上端部の気流が乱れる傾向にあるが、気流が安定する期間を待ってから着火を行うことにより（図７の時刻ｔ２）、確実な着火を確保している。
【００６９】
また、燃焼運転期間と暫定的な部分酸化改質（ＰＯＸ１）が行われているＰＯＸ１期間において、改質用空気及び発電用空気の供給量を共に変動させずに一定に保持することにより、燃料電池セルユニット１６の上端部における気流の安定化が図られている。
さらに、燃焼運転期間とＰＯＸ１期間における改質用空気の供給量が、発電用空気の供給量よりも少なく且つ安定的な部分酸化改質（ＰＯＸ２）に用いられる改質用空気の量よりも少ない量で保持されており、火移り性を高めている。
また、着火タイミングを含む燃焼運転期間とＰＯＸ１期間において、ＡＴＲ２よりも燃料ガスを増やした状態で改質用空気をＰＯＸ２よりも減らして燃料ガスを濃くすることにより、着火性の悪い燃料電池セルユニット１６の上端部において確実な着火性を担保している。
【００７０】
次に、図７の時刻ｔ５において、改質器２０の温度が６００゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が２５０゜Ｃ以上になると、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水供給手段である水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給を開始させる。これにより、改質用空気供給量は８Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は２ｃｃ／ｍｉｎにされる（図９の「ＡＴＲ１」状態参照）。改質器２０内に水（水蒸気）が導入されることにより、改質器２０内で水蒸気改質反応も発生するようになる。
即ち、図９の「ＡＴＲ１」状態においては、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在したオートサーマル改質（ＡＴＲ）が発生するようになる。
【００７１】
本実施形態においては、燃料電池セルユニット１６の温度は、発電室１０内に配置された温度検出手段である発電室温度センサ１４２によって測定されている。発電室１０内の温度と燃料電池セルユニットの温度は、厳密には同一ではないが、発電室温度センサ１４２によって検出される温度は燃料電池セルユニット１６の温度を反映したものであり、発電室１０内に配置された発電室温度センサ１４２により燃料電池セルユニット１６の温度を把握することができる。なお、本明細書において、燃料電池セルユニットの温度とは、燃料電池セルユニットの温度を反映した値を指示する任意のセンサにより測定された温度を意味するものとする。
【００７２】
さらに、図７の時刻ｔ６において、改質器２０の温度が６００゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が４００゜Ｃ以上になると、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料供給量を減少させる。
また、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量を増加させる。これにより、燃料ガス供給量は４Ｌ／ｍｉｎに変更され、改質用空気供給量は４Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は３ｃｃ／ｍｉｎにされる（図９の「ＡＴＲ２」状態参照）。改質用空気供給量が減少され、水供給量が増加されることにより、改質器２０内においては、部分酸化改質反応の割合が減少し、水蒸気改質反応の割合が増加する。
【００７３】
次に、図７の時刻ｔ７において、改質器２０の温度が６５０゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が６００゜Ｃ以上になると、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気の供給を停止する。
また、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量を増加させる。これにより、燃料ガス供給量は３Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は８ｃｃ／ｍｉｎに変更される（図９の「ＳＲ１」状態参照）。改質用空気の供給が停止されることにより、改質器２０内においては、部分酸化改質反応は発生しなくなり、水蒸気改質反応のみが発生するＳＲが開始される。
【００７４】
さらに、図７の時刻ｔ８において、改質器２０の温度が６５０゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が７００゜Ｃ以上になると、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料ガス供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量も減少させる。
また、制御部１１０は、発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送り、発電用空気の供給量も減少させる。これにより、燃料ガス供給量は発電待機燃料ガス供給量である２．３Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は５．８ｃｃ／ｍｉｎに変更され、発電用空気供給量は８０Ｌ／ｍｉｎに変更される（図９の「ＳＲ２」状態参照）。
【００７５】
制御部１１０は、これらの供給量を所定の発電移行時間以上維持した後、燃料電池モジュール２からインバータ５４に電力を出力させ、発電を開始する（図７の時刻ｔ９参照）。
【００７６】
つぎに、図１０〜図１４を参照して、上述した本実施形態の固体電解質型燃料電池１の起動処理における失火着火判定制御の内容について詳細に説明する。
図１０は本実施形態の固体電解質型燃料電池の起動処理における失火着火判定制御の手順の一例を示すフローチャートである。
また、図１１は本実施形態の固体電解質型燃料電池の起動処理における失火判定制御に用いられる失火判定しきい値に関するマップ（排気温度と温度降下量との関係）の一例を示し、図１２は本実施形態の固体電解質型燃料電池の起動処理における失火着火判定制御に用いられる失火判定しきい値に関するマップ（着火センサ温度と温度降下量との関係）の一例を示し、図１３は本実施形態の固体電解質型燃料電池の起動処理における失火着火判定制御に用いられる失火判定しきい値に関するマップ（着火センサ温度と絶対温度との関係）の一例を示す。
さらに、図１４は本実施形態の固体電解質型燃料電池の起動処理における着火判定制御に用いられる着火判定しきい値に関するマップ（改質器温度センサ温度と温度降下量との関係）の一例を示す。
【００７７】
まず、図１０において、Ｓは各ステップを示している。Ｓ１において、排気温度センサ１４０が、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度（以下「排気温度（Ｔａ）」）を検出する。また、着火センサ１５２が燃料電池セル集合体１２の上端部近傍の温度（以下「着火センサ温度（Ｔｂ）」）を検出する。ここで、排気温度センサ１４０が検出した排気温度（Ｔａ）、及び、着火センサ１５２が検出した着火センサ温度（Ｔｂ)の双方は、燃焼ガスの燃焼に起因する温度を意味している。
さらに、発電室温度センサ１４２が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（以下「スタック温度（Ｔｃ）」）を推定する。また、改質器温度センサ１４８が改質器２０の温度（以下「改質器温度（Ｔｄ）」）を検出する。
【００７８】
つぎに、Ｓ２に進み、フラグＦが０か否かを判定し、Ｓ２において、フラグＦが０であると判定した場合にはＳ３に進む。
Ｓ３では、Ｓ１において検出された排気温度（Ｔａ）が図１１に示す失火判定しきい値に関するマップ（排気温度と温度降下量との関係）に当てはめられ、失火判定の判断に用いられる温度降下量（ΔＴ１）とこの温度降下量（ΔＴ１）を判定する判定時間（ｔ１）が設定される。
より具体的に説明すると、排気温度（Ｔａ）がＴａ１未満の温度帯域にある場合には、温度降下量（ΔＴ１）が１００℃に設定されると共にその判定時間（ｔ１）が３ｓｅｃに設定される。また、排気温度（Ｔａ）がＴａ１以上Ｔａ２未満の温度帯域にある場合には、温度降下量（ΔＴ１）が７０℃に設定されると共にその判定時間（ｔ１）が１ｍｉｎに設定される。さらに、排気温度（Ｔａ）がＴａ２以上の温度帯域にある場合には、温度降下量（ΔＴ１）が３０℃に設定されると共にその判定時間（ｔ１）が３ｍｉｎに設定される。
すなわち、排気温度センサ１４０によって検出された排気温度（Ｔａ）によって設定される失火判定のしきい値（ΔＴ１、ｔ１）については、検出された排気温度（Ｔａ）が低温側の温度帯域に属する程、温度降下量（ΔＴ１）が大きく、検出された排気温度（Ｔａ）が高温側の温度帯域に属する程、温度降下量（ΔＴ１）を判定する判定時間（ｔ１）が長くなるように設定されている。
【００７９】
さらに、Ｓ３では、Ｓ１において検出された着火センサ温度（Ｔｂ）が図１２に示す失火判定しきい値に関するマップ（着火センサ温度と温度降下量との関係）に当てはめられ、失火判定の判断に用いられる温度降下量（ΔＴ２）とこの温度降下量（ΔＴ２）を判定する判定時間（ｔ２）が設定される。
より具体的に説明すると、着火センサ温度（Ｔｂ）がＴｂ１未満の温度帯域にある場合には、温度降下量（ΔＴ２）が１００℃に設定されると共にその判定時間（ｔ２）が５ｓｅｃに設定される。また、着火センサ温度（Ｔｂ）がＴｂ１以上Ｔｂ２未満の温度帯域にある場合には、温度降下量（ΔＴ２）が７０℃に設定されると共にその判定時間（ｔ２）が１ｍｉｎに設定される。さらに、着火センサ温度（Ｔｂ）がＴｂ２以上の温度帯域にある場合には、温度降下量（ΔＴ２）が３０℃に設定されると共にその判定時間（ｔ１）が３ｍｉｎに設定される。
【００８０】
すなわち、着火センサ１５２によって検出された着火センサ温度（Ｔｂ）によって設定される失火判定のしきい値（ΔＴ２、ｔ２）については、検出された着火センサ温度（Ｔｂ）が低温側の温度帯域に属する程、温度降下量（ΔＴ２）が大きく、検出された着火センサ温度（Ｔｂ）が高温側の温度帯域に属する程、温度降下量（ΔＴ２）を判定する判定時間（ｔ２）が長くなるように設定されている。
また、図１１の排気温度（Ｔａ）がＴａ１未満の温度帯域にある場合においては、温度降下量（ΔＴ１）が１００℃に設定されると共にその判定時間（ｔ１）が３ｓｅｃに設定されているのに対して、図１２の着火センサ温度（Ｔｂ）がＴｂ１未満の温度帯域にある場合においては温度降下量（ΔＴ２）が１００℃に設定されると共にその判定時間（ｔ２）が５ｓｅｃに設定されており、着火センサ温度（Ｔｂ）が低温である状態における温度降下量（ΔＴ２）の判定時間（ｔ２）が排気温度（Ｔａ）による温度降下量（ΔＴ１）の判定時間（ｔ１）よりも長く設定されることにより、誤判断を防ぐようにしている。
【００８１】
また、Ｓ３では、Ｓ１において検出された着火センサ温度（Ｔｂ）が図１３に示す失火判定しきい値に関するマップ（着火センサ温度と絶対温度との関係）に当てはめられ、失火判定の判断に用いられる絶対温度（Ｔ３）とこの絶対温度（Ｔ３）を判定する判定時間（ｔ３）が設定される。
より具体的に説明すると、着火センサ温度（Ｔｂ）がＴｂ１未満の温度帯域にある場合には、絶対温度（Ｔ３）が１００℃に設定されると共にその判定時間（ｔ３）が１ｓｅｃに設定される。また、着火センサ温度（Ｔｂ）がＴｂ１以上Ｔｂ２未満の温度帯域にある場合には、絶対温度（Ｔ３）が３００℃に設定されると共にその判定時間（ｔ３）が２０ｓｅｃに設定される。さらに、着火センサ温度（Ｔｂ）がＴｂ２以上の温度帯域にある場合には、絶対温度（Ｔ３）が４００℃に設定されると共にその判定時間（ｔ３）が４０ｓｅｃに設定される。
すなわち、着火センサ１５２によって検出された着火センサ温度（Ｔｂ）によって設定される失火判定のしきい値（Ｔ３、ｔ３）については、検出された着火センサ温度（Ｔｂ）が高温側の温度帯域に属する程、絶対温度（Ｔ３）が高くその判定時間（ｔ３）が長くなるように設定されている。
なお、着火センサ温度（Ｔｂ）がＴｂ１以上の温度領域、一例として、１００℃以上の中高温領域にある場合には、失火判定のしきい値である絶対温度（Ｔ３）と判定時間（ｔ３）に基づく失火判定を省略してもよい。
【００８２】
さらに、図１２及び図１３に示すように、着火センサ温度（Ｔｂ）の同一の温度帯域における失火判定しきい値の温度降下量（ΔＴ２）を判定する判定時間ｔ２と失火判定しきい値の絶対温度（ｔ３）を判定する判定時間ｔ３を比較すると、ｔ３がｔ２よりも短くなっている。
【００８３】
つぎに、Ｓ３からＳ４へ進み、Ｓ１で検出されたスタック温度（Ｔｃ）が５００℃以上である場合には、図１１に示す排気温度（Ｔａ）の失火判定しきい値に関するマップの温度降下量（ΔＴ１）と判定時間（ｔ１）のそれぞれに補正係数１．２５を乗じて、排気温度（Ｔａ）の失火判定しきい値に関するマップを変更し、Ｓ５へ進む。
一方、Ｓ４では、Ｓ１において検出されたスタック温度（Ｔｃ）が５００℃未満である場合には、図１１に示す排気温度（Ｔａ）の失火判定しきい値に関するマップを変更せずに、Ｓ５へ進む。
すなわち、燃料電池モジュール２内のスタック温度（Ｔｃ）が高くなる程、排気温度（Ｔａ）の失火判定しきい値（ΔＴ１、ｔ１）が大きく設定されるようになっている。
【００８４】
つぎに、Ｓ５において、所定時間間隔における排気温度センサ１４０が検出した排気温度（Ｔａ）に基づいて温度降下量を測定し、この温度降下量の測定値とＳ４で設定された排気温度（Ｔａ）の失火判定しきい値の温度降下量（ΔＴ１）（図１１参照）とを比較する。
同様に、所定時間間隔における着火センサ１５２が検出した着火センサ温度（Ｔｂ）に基づいて温度降下量を測定し、この温度降下量の測定値とＳ４で設定された着火センサ温度（Ｔｂ）の失火判定しきい値の温度降下量（ΔＴ２）（図１２参照）とを比較する。
そして、排気温度（Ｔａ）に関する温度降下量の測定値がＳ４で設定された排気温度（Ｔａ）の失火判定しきい値の温度降下量（ΔＴ１）以上である場合、又は、着火センサ温度（Ｔｂ）に関する温度降下量の測定値がＳ４で設定された着火センサ温度（Ｔｂ）の失火判定しきい値の温度降下量（ΔＴ２）以上である場合には、Ｓ６に進み、フラグＦが１として判定される。
一方、Ｓ５において、排気温度（Ｔａ）に関する温度降下量の測定値がＳ４で設定された排気温度（Ｔａ）の失火判定しきい値の温度降下量（ΔＴ１）未満である場合、及び、着火センサ温度（Ｔｂ）に関する温度降下量の測定値がＳ４で設定された着火センサ温度（Ｔｂ）の失火判定しきい値の温度降下量（ΔＴ２）未満の温度降下であった場合には、Ｓ７に進む。
【００８５】
つぎに、Ｓ７において、着火センサ１５２が検出した着火センサ温度（Ｔｂ）の測定値とＳ３で設定された着火センサ温度（Ｔｂ）の失火判定しきい値の絶対温度（Ｔ３）（図１３参照）とを比較し、着火センサ温度（Ｔｂ）の測定値が失火判定しきい値の絶対温度（Ｔ３）以下である場合には、Ｓ６に進み、フラグＦが１として判定される。
【００８６】
つぎに、Ｓ２において、フラグＦが０でないと判定した場合にはＳ８に進み、フラグＦが１か否かを判定する。
Ｓ８において、フラグＦが１であると判定した場合にはＳ９に進み、排気温度センサ１４０が検出した排気温度（Ｔａ）に基づく温度降下量の測定値、及び、着火センサ１５２が検出した着火センサ温度（Ｔｂ）の測定値とこの着火センサ温度（Ｔｂ）の測定値に基づく温度降下量の測定値のそれぞれがＳ３及びＳ４で設定された各失火判定しきい値（ΔＴ１、ΔＴ２、Ｔ３）と抵触しているか否かを判定し、抵触していると判定した場合には、失火判定しきい値の所定の判定時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３）が経過しているか否かを判定する。
【００８７】
さらに、Ｓ９において、各失火判定しきい値（ΔＴ１、ΔＴ２、Ｔ３）と抵触している状態で失火判定しきい値の所定の判定時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３）が経過した場合には、Ｓ１０に進む。
Ｓ１０においては、制御部１１０が、燃料ガス供給手段である燃料流量調整ユニット３８に信号を送って、改質器２０への所定量の燃料ガスの追加供給が行われ、Ｓ１１に進み、排気温度センサ１４０及び着火センサ１５２のそれぞれが検出した排気温度（Ｔａ）及び着火センサ温度（Ｔｂ）が所定温度上昇したか否かについて判定される。
【００８８】
つぎに、Ｓ１１において、排気温度センサ１４０及び着火センサ１５２のそれぞれが検出した排気温度（Ｔａ）及び着火センサ温度（Ｔｂ）が、Ｓ１０で燃料ガスの追加供給が行われてからも所定温度上昇していない場合には、Ｓ１２に進み、失火状態であることが判定され、着火制御が実行される。そして、Ｓ１３に進み、フラグＦが２として判定される。
一方、Ｓ１１において、排気温度センサ１４０及び着火センサ１５２のそれぞれが検出した排気温度（Ｔａ）及び着火センサ温度（Ｔｂ）の少なくともいずれか一方が、Ｓ１０で燃料ガスの追加供給が行われてから所定温度上昇している場合には、Ｓ１４に進み、フラグＦが０として判定される。
【００８９】
つぎに、Ｓ８において、フラグが２であると判定した場合にはＳ１５に進む。
Ｓ１５では、Ｓ１において改質器温度センサ１４８によって検出された改質器温度（Ｔｄ）が図１４に示す着火判定しきい値に関するマップ（改質器温度センサ温度と温度降下量との関係）に当てはめられ、着火判定の判断に用いられる温度上昇量（ΔＴ４）とこの温度上昇量（ΔＴ４）を判定する判定時間（ｔ４）が設定される。
より具体的に説明すると、改質器温度（Ｔｄ）がＴｄ１未満の温度帯域にある場合には、温度上昇量（ΔＴ４）が１００℃に設定されると共にその判定時間（ｔ４）が３ｓｅｃに設定される。また、改質器温度（Ｔｄ）がＴｄ１以上Ｔｄ２未満の温度帯域にある場合には、温度上昇量（ΔＴ４）が７０℃に設定されると共にその判定時間（ｔ４）が６ｓｅｃに設定される。さらに、改質器温度（Ｔｄ）がＴｄ２以上の温度帯域にある場合には、温度上昇量（ΔＴ４）が３０℃に設定されると共にその判定時間（ｔ４）が１０ｓｅｃに設定される。
すなわち、改質器温度センサ１４８によって検出された改質器温度（Ｔｄ）によって設定される着火判定のしきい値（ΔＴ４、ｔ４）については、検出された改質器温度（Ｔｄ）が高温側の温度帯域に属する程、温度上昇量（ΔＴ４）が少なくその判定時間（ｔ４）が長くなるように設定されている。
【００９０】
つぎに、Ｓ１６に進み、所定時間間隔における改質器温度センサ１４８が検出した改質器温度（Ｔｄ）に基づいて温度上昇量を測定し、この温度上昇量の測定値とＳ１５で設定された改質器温度（Ｔｄ）の着火判定のしきい値の温度上昇量（ΔＴ４）（図１４参照）とを比較する。
そして、改質器温度（Ｔｄ）の温度上昇量の測定値がＳ１５で設定された改質器温度（Ｔｄ）の着火判定のしきい値の温度上昇量（ΔＴ４）以上していると判定された場合には、Ｓ１７に進む。
【００９１】
つぎに、Ｓ１７において、改質器温度センサ１４８が検出した改質器温度（Ｔｄ）に基づく温度上昇量の測定値がＳ１５で設定された着火判定のしきい値の温度上昇量（ΔＴ４）と抵触しているか否かを判定し、抵触していると判定した場合には、着火判定のしきい値の所定の判定時間（ｔ４）が経過しているか否かを判定する。
また、Ｓ１７において、着火判定のしきい値の温度上昇量（ΔＴ４）と抵触している状態で着火判定のしきい値の所定の判定時間（ｔ４）が経過した場合には、Ｓ１８に進み、着火状態であることが判定され、フラグＦが０として判定される。
【００９２】
一方、Ｓ１６において、改質器温度（Ｔｄ）の温度上昇量の測定値がＳ１５で設定された改質器温度（Ｔｄ）の着火判定のしきい値の温度上昇量（ΔＴ４）以上していないと判定された場合には、Ｓ１９に進み、制御部１１０が点火装置８３に信号を送り、着火をリトライする。なお、この着火のリトライについては５回まで行われ、その後は着火異常として処理される。
【００９３】
上述した本発明の実施形態の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、燃料ガスの燃焼に伴う燃焼温度が低温である程、燃料電池セル集合体１２や燃料電池モジュール２も低温となり、失火によって素早く温度降下が生じやすくなる一方、燃焼温度が比較的高温である状態では、燃料電池セル集合体１２や燃料電池モジュール２の蓄熱が大きいため温度降下が生じにくいが、失火の判定に用いられる失火判定しきい値（ΔＴ１、ΔＴ２）を燃焼温度が低温である程大きくなるように構成されているため、燃料電池セル集合体１２や燃料電池モジュール２の温度状態に応じて正確で迅速な失火判定を行うことができ、失火から素早く回復させることができる。
【００９４】
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、失火の判定に用いられる失火判定しきい値（ΔＴ１、ｔ１、ΔＴ２、ｔ２、Ｔ３、ｔ３）が各センサ１４０、１５２、１４２によって検出される排気温度（Ｔａ）、着火センサ温度（Ｔｂ）、及び、スタック温度（Ｔｃ）のそれぞれに依存して設定されているため、確実で迅速な失火判定を行うことが一層可能となり、誤判断を一層防止することができる。
【００９５】
さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、温度降下に基づく失火判定では、燃焼熱のゆらぎによっても温度降下が発生するため、誤判定をすることがあり、判定時間を長くとる必要があるが、失火以外には考えられない所定の失火判定のしきい値の絶対温度（Ｔ３）を下回った状態を判定して失火とみなすことにより、確実に判定することができる。
【００９６】
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、比較的低温の雰囲気中においては、燃料電池セル集合体１２や燃料電池モジュール２内の温度も低く、この低い絶対温度に基づいて失火判定をすることもできるが、比較的高温の雰囲気中においては、絶対温度による失火判定が難しいため、失火判定のしきい値を温度降下量とすることにより、失火時に確実に小さな量でも降下を生じるため確実に判定することができる。
【００９７】
さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、失火判定のしきい値（ΔＴ１、ｔ１、ΔＴ２、ｔ２、Ｔ３、ｔ３）が各センサ１４０、１５２、１４２によって検出される排気温度（Ｔａ）、着火センサ温度（Ｔｂ）、及び、スタック温度（Ｔｃ）のそれぞれに依存して設定され、それぞれの失火判定のしきい値が持つ得意な領域を活かしつつ、不得意な領域を互いに担保し合うことができるため、確実な失火判定を行うことができる。さらに、判定時間（ｔ１、ｔ２、ｔ３）をそれぞれに最適化することにより、誤判定をより一層防止することができ、迅速で正確な失火判定を行うことができる。
【００９８】
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、排気ガス温度（Ｔａ）を検出することにより、迅速な判定を行うことができ、スタック温度（Ｔｃ）が５００℃以上である場合には、図１１に示す排気温度（Ｔａ）の失火判定しきい値に関するマップの温度降下量（ΔＴ１）と判定時間（ｔ１）のそれぞれに補正係数１．２５を乗じて、排気温度（Ｔａ）の失火判定しきい値に関するマップを変更することができるため、、一層正確に失火を判定することができる。
【００９９】
さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、排気温度センサ１４０によって検出された排気温度（Ｔａ）によって設定される失火判定のしきい値（ΔＴ１、ｔ１）については、検出された排気温度（Ｔａ）が低温側の温度帯域に属する程、温度降下量（ΔＴ１）が大きく、検出された排気温度（Ｔａ）が高温側の温度帯域に属する程、温度降下量（ΔＴ１）を判定する判定時間（ｔ１）が長くなるように設定され、検出された着火センサ温度（Ｔｂ）が低温側の温度帯域に属する程、温度降下量（ΔＴ２）が大きく、検出された着火センサ温度（Ｔｂ）が高温側の温度帯域に属する程、温度降下量（ΔＴ２）を判定する判定時間（ｔ２）が長くなるように設定されているため、より一層正確に失火を判定することができる。
【０１００】
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、排気温度センサ１４０及び着火センサ１５２のそれぞれが検出した排気温度（Ｔａ）及び着火センサ温度（Ｔｂ）が、燃料ガスの追加供給が行われてからも所定温度上昇していない場合には、失火状態であることが判定され、着火制御が実行される。この結果、燃料電池セル８４の本数が非常に多く、着火センサ１５２の取付数にも限度があり、失火の判定は非常に難しい場合においても、燃料ガスを増加して燃焼温度が上がらないことを確認することにより、確実に失火を判定することができる。
【０１０１】
さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、制御部１１０が、排気温度センサ１４０及び着火センサ１５２によって失火を判定し、改質器温度センサ１４８によって着火を判定するため、失火と着火の判定を確実に行うことができる。
【０１０２】
なお、上述した本実施形態の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）においては、一例として、排気温度センサ１４０及び着火センサ１５２によってそれぞれ検出される排気温度（Ｔａ）及び着火センサ温度（Ｔｂ）に基づいて失火判定しきい値を設定して失火の判定を行うような形態について説明したが、排気温度センサ１４０又は着火センサ１５２のいずれか一方による失火判定でもよい。
【符号の説明】
【０１０３】
１  固体電解質型燃料電池
２  燃料電池モジュール
４  補機ユニット
８  密封空間
１０  発電室
１２  燃料電池セル集合体
１４  燃料電池セルスタック
１６  燃料電池セルユニット
１８  燃焼室
２０  改質器
２２  空気用熱交換器
２４  水供給源
２６  純水タンク
２８  水流量調整ユニット
３０  燃料供給源
３８  燃料流量調整ユニット
４０  空気供給源
４４  改質用空気流量調整ユニット
４５  発電用空気流量調整ユニット
５０  温水製造装置
５２  制御ボックス
５４  インバータ
８３  点火装置
８４  燃料電池セル
１１０  制御部
１１２  操作装置
１１４  表示装置
１１６  警報装置
１２６  電力状態検出センサ
１４２  発電室温度センサ
１５０  外気温度センサ
１５２  着火センサ
【図１】
2010277845.tif 000003
【図２】
2010277845.tif 000004
【図３】
2010277845.tif 000005
【図４】
2010277845.tif 000006
【図５】
2010277845.tif 000007
【図６】
2010277845.tif 000008
【図７】
2010277845.tif 000009
【図８】
2010277845.tif 000010
【図９】
2010277845.tif 000011
【図１０】
2010277845.tif 000012
【図１１】
2010277845.tif 000013
【図１２】
2010277845.tif 000014
【図１３】
2010277845.tif 000015
【図１４】
2010277845.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成22年8月4日(2010.8.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、
燃料電池モジュール内の発電室に配置され、複数の固体電解質型の燃料電池セルを備え
た燃料電池セル集合体と、
燃料ガスを水蒸気改質して上記燃料電池セル集合体に供給する改質器と、
上記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
純水を生成して上記改質器に供給する水供給手段と、
上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、
上記燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、
上記改質器から燃料電池セル集合体の上部に至る燃料ガスを着火して燃焼させる着火手段と、
燃料ガスの燃焼に起因する温度を検出する温度検出手段と、
起動時に、上記着火手段により着火させて燃料ガスを改質用空気により燃焼させる燃焼運転を行い、次に、改質器内に燃料ガスと改質用空気を供給して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）運転を行い、次に、改質器内に燃料ガス、空気、水を供給してオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）運転を行い、次に、改質器内に燃料と水を供給して水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行う制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記燃料ガスの燃焼に起因する温度が所定時間内に所定の温度降下量しきい値以上に降下したとき失火と判定すると共に上記所定の温度降下量しきい値を上記燃料ガスの燃焼に起因する温度が低温である程大きな値となるように設定することを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
上記制御手段は、上記燃料ガスの燃焼に起因する温度が所定の温度しきい値以下であるとき失火と判定する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
上記制御手段は、上記燃料ガスの燃焼に起因する温度が所定の温度降下量しきい値以上に降下した状態が所定時間継続した場合において失火と判定する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
更に、燃料ガスが燃焼して生成された排気ガスの温度を検出する排気温度検出手段を有し、上記制御手段は、この排気温度検出手段により検出された排気ガス温度を上記燃料ガスの燃焼に起因する温度として用い、失火を判定する請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
更に、上記燃料電池セル集合体の上端に着火された燃焼の状態を直接検出することにより温度を検出する着火検出手段を有し、上記制御手段は、この着火検出手段により検出された燃料電池セル集合体の上端の温度を上記燃料ガスの燃焼に起因する温度として用い、失火を判定する請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
上記温度しきい値の継続時間が上記温度降下量しきい値の継続時間より短い請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
上記制御手段は、上記排気温度検出手段により検出された排気ガス温度により失火判定を行う場合、上記燃料電池モジュール内の発電室温度が高い程上記温度降下量しきい値の値が大きくなるように補正する請求項４記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項８】
上記制御手段は、上記排気温度検出手段により検出された排気ガス温度により失火判定を行う場合、上記燃料電池モジュール内の発電室温度が高い程上記継続時間が長くなるように補正する請求項７記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項９】
上記制御手段は、失火と判定したとき、燃料ガスを増量して供給し、このとき、上記燃料ガスの燃焼に起因する温度が上昇しない場合に本失火と判断し、この時点で着火による再起動を行う請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１０】
上記制御手段は、更に、改質器の温度を検出する改質器温度検出手段を備え、上記排気温度検出手段により検出された排気ガス温度を燃料ガスの燃焼に起因する温度として失火を判定し、上記改質器温度検出手段により検出された改質器の温度によって着火を判定する請求項４記載の固体電解質型燃料電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１のＳＯＦＣにおいては、着火不良を抑制するための対策として着火時の燃料電池セルに供給する空気の量を低下させただけでは、複数のセルのうちの一部のセルに着火した後にセルの全体に亘って確実に火移りさせることが難しく、失火もしやすいという問題がある。
そして、着火時およびその直後は、燃料ガスと空気の混合ガスによる燃焼であるが、この燃焼による温度上昇に伴い改質器内での改質反応が開始され、それによって燃料ガスの成分が変化し、水素成分が増加を始める。しかしながら、改質器の温度が低温領域の間は特に改質器内部での改質反応が均一に発生されることが無く、燃料ガスの成分変化もそれに伴い不安定に変動するため、改質器が低温領域の間は、失火しやすい。
また、このような従来のＳＯＦＣでは、燃料ガスの燃焼に起因する温度が低温である程、燃料電池セル集合体や燃料電池モジュールも蓄熱量が少ないため、失火が生じた場合は素早く温度降下が生じる一方、燃焼温度が比較的高温のときには、燃料電池セル集合体や燃料電池モジュールの蓄熱量が大きいため、失火が生じた場合でも燃料電池モジュール内の温度が顕著に下がりにくく、失火状態を判定することが非常に難しいという問題がある。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと空気を反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、燃料電池モジュール内の発電室に配置され、複数の固体電解質型の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、燃料ガスを水蒸気改質して上記燃料電池セル集合体に供給する改質器と、上記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、純水を生成して上記改質器に供給する水供給手段と、上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、上記燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、上記改質器から燃料電池セル集合体の上部に至る燃料ガスを着火して燃焼させる着火手段と、起動時に、上記着火手段により着火させて燃料ガスを改質用空気により燃焼させる燃焼運転を行い、次に、改質器内に燃料ガスと改質用空気を供給して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）運転を行い、次に、改質器内に燃料ガス、空気、水を供給してオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）運転を行い、次に、改質器内に燃料と水を供給して水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行う制御手段と、を有し、上記制御手段は、上記燃料ガスの燃焼に起因する温度が所定時間内に所定の温度降下量しきい値以上に降下したとき失火と判定すると共に上記所定の温度降下量しきい値を上記燃料ガスの燃焼に起因する温度が低温である程大きな値となるように設定することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、燃料ガスの燃焼に起因する温度（排気温度センサ、着火温度センサにより検出された温度等）が低温である程、燃料電池セル集合体や燃料電池モジュールも蓄熱量が少ないため、失火が生じた場合は素早く温度降下が生じ、一方、燃料ガスの燃焼に起因する温度が比較的高温のときには、燃料電池セル集合体や燃料電池モジュールの蓄熱が大きいため温度降下が生じ難いことに着目して、失火の判定に用いられる温度降下量しきい値を燃料ガスの燃焼に起因する温度が低温である程大きな値となるように設定している。この結果、本発明によれば、燃料電池セル集合体や燃料電池モジュールの温度状態、言い換えると蓄熱量に応じて正確で迅速な失火判定を行うことができ、失火から素早く回復させることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料ガスの燃焼に起因する温度が所定の温度しきい値以下であるとき失火と判定する。
このように構成された本発明においては、燃料ガスの燃焼熱のゆらぎによっても温度降下が発生し、それにより失火を誤判定することがあり、そのため、失火判定のための時間を長くとる必要があるが、失火以外には考えられない燃料ガスの燃焼に起因する温度を失火判定のための温度しきい値とすることにより、確実に失火を判定することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明において、好ましくは、制御手段は、燃料ガスの燃焼に起因する温度が所定の温度降下量しきい値以上に降下した状態が所定時間継続した場合において失火と判定する。
このように構成された本発明においては、燃料ガスの燃焼に起因する温度が所定の温度降下量しきい値以上に降下した状態が所定時間継続した場合に失火と判定するため、確実で迅速な失火判定を行うことが可能となり、誤判断を確実に防止することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明において、好ましくは、更に、燃料ガスが燃焼して生成した排気ガスの温度を検出する排気温度検出手段を有し、上記制御手段は、この排気温度検出手段により検出された排気ガス温度を上記燃料ガスの燃焼に起因する温度として用い、失火を判定する。
このように構成された本発明においては、排気温度検出手段により検出された排気ガス温度を燃料ガスの燃焼に起因する温度として用いているので、燃料電池セル集合体の熱容量や蓄熱量の影響を受けないので、迅速かつ正確に失火を判定することができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明において、好ましくは、更に、上記燃料電池セル集合体の上端に着火された燃焼の状態を直接検出することにより温度を検出する着火検出手段を有し、上記制御手段は、この着火検出手段により検出された燃料電池セル集合体の上端の温度を上記燃料ガスの燃焼に起因する温度として用い、失火を判定する。
このように構成された本発明においては、着火検出手段により検出された燃料電池セル集合体の上端の温度を燃料ガスの燃焼に起因する温度として用いて、燃料電池セル集合体の上端の着火状態を直接検出しているので、確実に失火を判定することができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
本発明において、好ましくは、制御手段は、失火と判定したとき、燃料ガスを増量して供給し、このとき、燃料ガスの燃焼に起因する温度が上昇しない場合に本失火と判断し、この時点で着火による再起動を行う。
このように構成された本発明においては、燃料電池セルの本数が非常に多く、失火の判定が非常に難しい場合においても、燃料ガスを増量して供給して燃料ガスの燃焼に起因する温度が上がらないことを確認することにより、確実に本失火を判定することができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
本発明において、好ましくは、上記制御手段は、更に、改質器の温度を検出する改質器温度検出手段を備え、上記排気温度検出手段により検出された排気ガス温度を燃料ガスの燃焼に起因する温度として失火を判定し、上記改質器温度検出手段により検出された改質器の温度によって着火を判定する。
このように構成された本発明においては、失火と共に着火の判定も確実に行うことができる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７７】
まず、図１０において、Ｓは各ステップを示している。Ｓ１において、排気温度センサ１４０が、温水製造装置５０に流入する排気ガスの温度（以下「排気温度（Ｔａ）」）を検出する。また、着火センサ１５２が燃料電池セル集合体１２の上端部近傍の温度（以下「着火センサ温度（Ｔｂ）」）を検出する。ここで、排気温度センサ１４０が検出した排気温度（Ｔａ）、及び、着火センサ１５２が検出した着火センサ温度（Ｔｂ)の双方は、燃料ガスの燃焼に起因する温度を意味している。
さらに、発電室温度センサ１４２が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（以下「スタック温度（Ｔｃ）」）を推定する。また、改質器温度センサ１４８が改質器２０の温度（以下「改質器温度（Ｔｄ）」）を検出する。