(57)【要約】【課題】負荷追従運転を行っても燃焼部の燃焼安定性を維持することができる燃料電池装置を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池装置（ＦＣＳ）は、制御手段が、負荷追従時に、燃料電池セル（４）へ供給される燃料の総熱量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される熱量の割合である燃料利用率を、小さな電流値を出力する低負荷領域では大きな電流値を出力する高負荷領域より低くなるようにする。【選択図】図１１
2010092836.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
要求される負荷に追従して発電を行う燃料電池装置において、
モジュール内に配置された複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、
モジュール内の燃料電池セル集合体の上部の燃焼部内に配置され燃料を改質する改質器と、
上記改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
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、
上記燃料電池セル集合体から出力される電流値に基づいて上記燃料供給手段及び発電用空気供給手段を制御する制御手段と、を有し、
上記燃料電池セル集合体の燃料電池セルの流路内に燃料及び発電用空気の一方が供給され且つ燃料電池セルの流路外に燃料及び発電用空気の他方が供給され、
上記燃焼部にて、発電反応に使用されなかった残余の燃料及び残余の発電用空気が燃焼し、
上記制御手段は、負荷追従時に、燃料電池セルへ供給される燃料の総熱量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される熱量の割合である燃料利用率を、小さな電流値を出力する低負荷領域では大きな電流値を出力する高負荷領域より低くする燃料利用率変更手段を備えていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
上記制御手段の燃料利用率変更手段は、上記燃料供給手段による燃料供給量を増大させることにより、燃料利用率を低くする請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】
上記制御手段の燃料利用率変更手段は、上記燃料電池セル集合体から出力される電流値を下げることにより、燃料利用率を低くする請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項４】
上記制御手段の燃料利用率変更手段は、上記燃料供給手段による燃料供給量を増大させ且つ上記燃料電池セル集合体から出力される電流値を下げることにより、燃料利用率を低くする請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項５】
上記制御手段は、負荷追従時に、燃料電池セルへ供給される発電用空気の総流量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される流量の割合である空気利用率が、上記低負荷領域では上記高負荷領域より低くなるように、上記発電用空気供給手段を制御する請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
上記制御手段の燃料利用率変更手段は、燃料利用率の低下割合を、所定の負荷より小さい負荷領域では、高負荷側ほど小さくする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
上記制御手段は、空気利用率の低下割合が、所定の負荷より小さい負荷領域では、高負荷側ほど小さくなるように、上記発電用空気供給手段を制御する請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
上記制御手段は、所定の負荷より小さい負荷領域では、燃料利用率の低下割合が高負荷側ほど小さくなるように、且つ、空気利用率の低下割合が高負荷側ほど小さくなるように、更に、低負荷側ほど上記空気利用率の低下割合が上記燃料利用率の低下割合より小さくなるように、上記燃料供給手段及び上記発電用空気供給手段を制御する請求項５に記載の燃料電池装置。
【請求項９】
上記制御手段は、負荷追従時に、上記所定の負荷より大きな負荷領域では、上記空気利用率の低下割合がほぼゼロとなるように、上記発電用空気供給手段を制御する請求項７に記載の燃料電池装置。
【請求項１０】
更に、上記燃焼部の温度を検出する燃料部温度検出手段を備え、
上記制御手段は、上記燃焼部の温度が燃料である水素の自己着火温度以上となるように、上記燃料供給手段を制御する請求項１乃至９の何れか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項１１】
要求される負荷に追従して発電を行う燃料電池装置において、
モジュール内に配置された複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、
モジュール内の燃料電池セル集合体の上部の燃焼部内に配置され燃料を改質する改質器と、
上記改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、
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、
上記燃料電池セル集合体から出力される電流値に基づいて上記燃料供給手段を制御する制御手段と、を有し、
上記燃料電池セル集合体の燃料電池セルの流路内に燃料及び発電用空気の一方が供給され且つ燃料電池セルの流路外に燃料及び発電用空気の他方が供給され、
上記燃焼部にて、発電反応に使用されなかった残余の燃料及び残余の発電用空気が燃焼し、
上記制御手段は、負荷追従時に、燃料電池セルへ供給される燃料の総熱量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される熱量の割合である燃料利用率が、小さな電流値を出力する低負荷領域では大きな電流値を出力する高負荷領域より低くなるように、上記燃料供給手段を制御することを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に係わり、特に、要求される負荷に追従して発電を行う燃料電池装置に関する。
【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、比較的高温で発電反応を生じさせて発電を行う燃料電池装置である。
【０００３】
この燃料電池装置（ＳＯＦＣ）は、具体的には、燃料ガスと酸化剤（空気、酸素等）とが一端側から他端側へと流れることによって作動する複数の燃料電池セルを含む燃料電池モジュールを備え、外部から燃料である被改質ガス（都市ガス等）が供給され、その都市ガス等を改質触媒が収められた改質器に導入し、水素リッチな燃料ガスに改質した後に複数の燃料電池セルへと供給している。
【０００４】
ところで、このような燃料電池モジュールを含む燃料電池装置では、取り出す電力量に応じて、燃料電池セルに供給する燃料ガスや酸化剤ガス（空気）の量を増減し、いわゆる負荷追従運転を行うものが、下記の特許文献１〜３に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２８５４３３号公報
【特許文献２】特開２００７−１０３１９４号公報
【特許文献３】特開２００７−１２３１３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の燃料電池装置においては、図１１に示すように、負荷追従するとき、出力される電流値が変化しても、燃料利用率（＝燃料電池セルへ供給される燃料の総熱量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される熱量の割合）は、発電効率を一定にすると共に燃料の供給量を少なくして省エネを達成するために、一定となっていた。しかしながら、実際上は、負荷追従時に、高負荷領域から低負荷領域へ移行すると、燃焼室（燃焼部）への燃料供給が急激に少なくなるので、燃焼室での燃焼状態が不安定となり、さらに、これに伴い、燃料電池モジュール内の温度が急激に低下するので、燃料電池セルの温度を発電反応に必要な狭い温度帯域に保持することが難しくなるという問題があった。
さらに、燃焼室内に改質器が配置されているので、改質反応に必要な温度保持も難しくなり、改質反応のバランス（水蒸気改質反応の場合、吸熱量と燃焼熱量のバランス）が崩れ、改質ガス組成が不均一となり、燃料電池セルへ供給される燃料にも悪影響がある。
【０００７】
そこで、本発明は、従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、負荷追従時に、高負荷領域から低負荷領域に移行するとき、燃焼部の燃焼安定性を維持すると共に燃料電池セルの温度を所望の温度帯域に維持することができる燃料電池装置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】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明は、要求される負荷に追従して発電を行う燃料電池装置において、モジュール内に配置された複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、モジュール内の燃料電池セル集合体の上部の燃焼部内に配置され燃料を改質する改質器と、改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、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、燃料電池セル集合体から出力される電流値に基づいて燃料供給手段及び発電用空気供給手段を制御する制御手段と、を有し、燃料電池セル集合体の燃料電池セルの流路内に燃料及び発電用空気の一方が供給され且つ燃料電池セルの流路外に燃料及び発電用空気の他方が供給され、燃焼部にて、発電反応に使用されなかった残余の燃料及び残余の発電用空気が燃焼し、制御手段は、負荷追従時に、燃料電池セルへ供給される燃料の総熱量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される熱量の割合である燃料利用率を、小さな電流値を出力する低負荷領域では大きな電流値を出力する高負荷領域より低くする燃料利用率変更手段を備えていることを特徴としている。
負荷追従時に、高負荷領域から低負荷領域へ移行すると、燃焼部への燃料供給が急激に少なくなるので、燃焼状態が不安定となり、さらに、これに伴い、モジュール内の温度が急激に低下するので、燃料電池セルの温度を発電反応に必要な狭い温度帯域に維持することが難しくなる。
さらに、燃焼部に改質器が配置されているので、改質反応に必要な温度保持も難しくなり、改質反応のバランスが崩れ、燃料電池セルへ供給される燃料にも悪影響がある。
これに対し、本発明においては、燃料利用率が、低負荷領域では、高負荷領域より、低くなるようにしたので、発電反応に使用されなかった残余の燃料の熱量が増大し、燃焼部における燃料の熱量はほぼ一定に維持される。また、燃料電池セルの温度も維持されるので、再加熱のための時間を要することもない。さらに、改質器においても、燃焼部における燃料の熱量はほぼ一定に維持されるので、改質反応のバランスが維持され、最適な燃料を燃料電池セルへ供給することができる。この結果、本発明によれば、高負荷領域から低負荷領域へ移行するとき、燃料電池セルの温度を狭い温度帯域に維持することができ、且つ、最適な燃料が燃料電池セルへ供給され、効率の良い発電反応を行うことができる。
【０００９】
本発明において、好ましくは、制御手段の燃料利用率変更手段は、燃料供給手段による燃料供給量を増大させることにより、燃料利用率を低くする。
このように構成された本発明においては、電流値を変更又は大幅に変更することなく、燃料利用率を低くすることができるので、要求電力を満たすような制御が可能となる。
【００１０】
本発明において、好ましくは、制御手段の燃料利用率変更手段は、燃料電池セル集合体から出力される電流値を下げることにより、燃料利用率を低くする。
このように構成された本発明においては、要求電力に対しては少ない発電電力を発揮することになるが、燃料供給量が少なくなるので経済性が向上する。
【００１１】
本発明において、好ましくは、制御手段の燃料利用率変更手段は、燃料供給手段による燃料供給量を増大させ且つ燃料電池セル集合体から出力される電流値を下げることにより、燃料利用率を低くする。
このように構成された本発明においては、燃料供給量を増大させると共に電流値も下げるようにしているので、燃料供給量の大幅な増大を抑制でき、経済性が向上する。さらに電流値を小さく変更しているため燃料電池セル集合体に対する負荷が小さくなり、耐久性を向上しつつ、精度良く燃料利用率を低くすることができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、制御手段は、負荷追従時に、燃料電池セルへ供給される発電用空気の総流量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される流量の割合である空気利用率が、上記低負荷領域では上記高負荷領域より低くなるように、上記発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、上述したように、燃料利用率を低負荷領域で高負荷領域より低くなるようにしたことに対応させて、空気利用率も、同様に、低負荷領域で高負荷領域より低くなるようにした。この結果、本発明によれば、低負荷領域であっても燃焼部で燃料が燃焼し易くなる。さらに、高負荷領域においては、空気利用率を高くしても、既に十分な量の発電用空気が供給されているので問題がなく、さらに、過剰な空気の供給によりモジュール内が冷却されることを防止することができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、制御手段の燃料利用率変更手段は、燃料利用率の低下割合を、所定の負荷より小さい負荷領域では、高負荷側ほど小さくする。
このように構成された本発明においては、所定の負荷より小さい負荷領域（例えば、電流値が４Ａ以下の負荷領域）では、高負荷側では供給される燃料の絶対量も比較的多く、燃料電池セルの温度も十分に維持され、改質器にも十分な熱量が供給されていると考えられるので、燃料利用率の低下割合を高負荷側ほど小さく（緩やかに）することにより、無駄な燃料が燃焼部で燃焼して消費されることを防止することができ、発電効率を上げることができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、制御手段は、空気利用率の低下割合が、所定の負荷より小さい負荷領域では、高負荷側ほど小さくなるように、発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、上述したように、所定の負荷より小さい負荷領域では、燃料利用率の低下割合を高負荷側ほど小さくしたことに対応させて、空気利用率の低下割合も、同様に、高負荷側ほど小さくなるようにした。この結果、本発明によれば、燃料部において燃料の燃焼に必要な量の空気を確保することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、制御手段は、所定の負荷より小さい負荷領域では、燃料利用率の低下割合が高負荷側ほど小さくなるように、且つ、空気利用率の低下割合が高負荷側ほど小さくなるように、更に、低負荷側ほど空気利用率の低下割合が燃料利用率の低下割合より小さくなるように、燃料供給手段及び発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、所定の負荷より小さい負荷領域（例えば、電流値が４Ａ以下の負荷領域）では、空気利用率の低下割合が燃料利用率の低下割合より小さくなるようにしているので、低負荷領域において、燃焼部で燃料が燃焼するために最低限必要な空気量を確保することができ、さらに、過剰な空気の供給によりモジュール内が冷却されることを防止することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、制御手段は、負荷追従時に、所定の負荷より大きな負荷領域では、上記空気利用率の低下割合がほぼゼロとなるように、発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、所定の負荷より大きな負荷領域では、既に十分な量の発電用空気が供給されているので問題がなく、さらに、空気供給量を変動させることにより生じる不安定な燃焼により燃料電池セルの温度維持とのバランスが崩れることを防止することができる。
【００１７】
本発明は、好ましくは、更に、燃焼部の温度を検出する燃料部温度検出手段を備え、制御手段は、燃焼部の温度が燃料である水素の自己着火温度以上となるように、燃料供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、燃焼部の温度が燃料である水素の自己着火温度以上となるようにしているので、燃料部において燃料の燃焼性がより確実となり、その結果、燃料電池セルの温度も必要な狭い温度帯域に保持することができ、改質器では最適な改質反応を維持することができ、効率的な発電反応を維持することができる。
【００１８】
本発明は、要求される負荷に追従して発電を行う燃料電池装置において、モジュール内に配置された複数の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、モジュール内の燃料電池セル集合体の上部の燃焼部内に配置され燃料を改質する改質器と、改質器に燃料を供給する燃料供給手段と、改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、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、燃料電池セル集合体から出力される電流値に基づいて燃料供給手段を制御する制御手段と、を有し、燃料電池セル集合体の燃料電池セルの流路内に燃料及び発電用空気の一方が供給され且つ燃料電池セルの流路外に燃料及び発電用空気の他方が供給され、燃焼部にて、発電反応に使用されなかった残余の燃料及び残余の発電用空気が燃焼し、制御手段は、負荷追従時に、燃料電池セルへ供給される燃料の総熱量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される熱量の割合である燃料利用率が、小さな電流値を出力する低負荷領域では大きな電流値を出力する高負荷領域より低くなるように、燃料供給手段を制御することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池装置によれば、負荷追従時に、高負荷領域から低負荷領域に移行するとき、燃焼部の燃焼安定性を維持すると共に燃料電池セルの温度を所望の温度帯域に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料電池装置のカバー部材が外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図１のＡ方向から見た断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図１のＢ方向から見た断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す正面図である。
【図５】本発明の第１実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】図１に示す燃料電池モジュールから流路部材を取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。
【図７】図６に示す燃料電池モジュールから燃料電池セルユニット及び改質器等を取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。
【図８】本発明の第１実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す概略図である。
【図９】本発明の第１実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第１実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図１１】本発明の第１実施形態による燃料電池装置における発電運転時の電流値と燃料利用率との関係を示す線図である。
【図１２】本発明の第２実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。
【図１３】本発明の第２実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図１４】図１３のXIV- XIV 線に沿って断面図である。
【図１５】本発明の第２実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図１６】本発明の第２実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図１７】本発明の第２実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。
【図１８】本発明の第２実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図１９】本発明の第２実施形態による燃料電池装置の要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時の運転状態を示すタイムチャートである。
【図２０】本発明の第２実施形態による燃料電池装置における燃料供給制御特性（目標発電量と燃料ガス供給量との関係）を示す図である。
【図２１】本発明の第２実施形態による燃料電池装置における燃料供給制御特性（目標発電量と発電用空気供給量との関係）を示す図である。
【図２２】本発明の第２実施形態による燃料電池装置における発電運転時の電流値と燃料利用率及び空気利用率との関係を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態による燃料電池装置を説明する。
先ず、図１乃至図１１により、本発明の第１実施形態による燃料電池装置を説明する。図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池装置のカバー部材が外された状態の燃料電池モジュールを示す斜視図であり、図２は、本発明の第１実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図１のＡ方向から見た断面図であり、図３は、本発明の第１実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを図１のＢ方向から見た断面図である。
【００２２】
カバー部材（図１及び図３には明示せず、図２にその外形を二点鎖線で示す）は、正面側の側壁と、長手方向の一対の側壁と、背面側の側壁と、天井とによって直方体状に形成される。各側壁の下端部には、フランジ部が形成され、そのフランジ部をベース部材２に当接させることで、カバー部材とベース部材２とによって密閉される空間が形成されている。カバー部材とベース部材２とはボルト（図示せず）によって固定され、そのボルトがカバー部材に設けられた取り付け穴を貫通し、ベース部材２に設けられた取り付け穴２ａを貫通することで固定されている。
【００２３】
カバー部材とベース部材２とによって形成される内部空間は、仕切り板１５によって二つの空間に分離されている。仕切り板１５によって分離されている空間の内、燃料電池セルスタック９０が配置されている空間が発電室１６である。仕切り板１５によって分離されている空間の内、他方の空間が排出ガス室１７（排出ガス室）である。尚、カバー部材の内壁面と仕切り板１５とは、直接若しくは何らかの密着用部材（例えば、可撓性のある薄板部材）を介して間接的に密着している。
【００２４】
仕切り板１５は、ベース部材２に設けられた支持部材１５ａに戴置され、ベース部材２と所定距離を保って保持されている。支持部材１５ａは、仕切り板１５を長手方向の両端において支持するように一対設けられている。従って、一対の支持部材１５ａ，１５ａ間には隙間１５ｂ（流入口）が形成されている。カバー部材の壁面に設けられた排気ガス通路（図示しない）を通った排出ガスは、この隙間１５ｂから排出ガス室１７へと導入される。排出ガス室１７へと導入された排出ガスは、排気口１１（流出口）から外部へと排出される。
【００２５】
仕切り板１５にはガスタンク３が載置されている。ガスタンク３には、燃料電池セルスタック９０が１０個並べて配置されており、ガスタンク３から燃料ガスが、それぞれの燃料電池セルスタック９０を構成する燃料電池セル４に供給される。
【００２６】
より具体的には、ガスタンク３の上面には、燃料電池セルスタック９０の下支持板９０ｂとほぼ同じ形状の開口部（図示しない）が設けられており、その開口部に下支持板９０ｂを密接させてガスタンク３と各燃料電池セルスタック９０とが接続されている。従って、燃料電池セルスタック９０を構成する燃料電池セル４は、その先端部分を上部側に向けてガスタンク３に立設されている。
【００２７】
各燃料電池セル４は、管状であり、燃料電池セル４の管内を燃料電池セル４の一方の端部から他方の端部へと流れるガスと、その管外を一方の端部から他方の端部へと流れるガスの作用により作動する。本実施形態では、燃料電池セル４の管内を流れるガスは、水素又は炭化水素燃料等を改質した改質ガス等の燃料ガスであり、燃料電池セル４の管外を流れるガスは、酸素を含む空気等の酸化剤ガス（発電用空気）である。
【００２８】
次に、燃料電池セル４を含む燃料電池セルユニット３０について、図４を参照しながら説明する。図４は、本発明の第１実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す正面図である。図４に示すように、燃料電池セルユニット３０は、燃料電池セル４によって形成され且つ上下方向に延びる管状構造体であり、円筒形の燃料電池セル４と、燃料電池セル４の一方の端部４ａに取り付けられた内側電極端子４０と、他方の端部４ｂに取り付けられた外側電極端子４２と、を有している。
【００２９】
燃料電池セル４は、円筒形の内側の電極層４４と、円筒形の外側の電極層４８と、これらの電極層４４、４８の間に配置された円筒形の電解質層４６と、内側の電極層４４の内側に構成される貫通流路５０とを有している。また、燃料電池セル４の一方の端部４ａに、内側の電極層４４が電解質層４６及び外側の電極層４８に対して露出した内側電極露出周面４４ａと、電解質層４６が外側の電極層４８に対して露出した電解質露出周面４６ａとが設けられている。燃料電池セル４の他方の端部４ｂは、外側の電極層４８が露出した外側電極露出周面４８ａによって構成されている。貫通流路５０は、燃料ガス流路として機能する。内側電極露出周面４４ａは、内側の電極層４４と電気的に通じる内側電極外周面でもある。外側電極露出周面４８ａは、外側の電極層４８と電気的に通じる外側電極外周面でもある。
【００３０】
内側の電極層４４は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。電解質層４６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。外側の電極層４８は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。この場合、内側の電極層４４が燃料極になり、外側の電極層４８が空気極になる。内側の電極層４４の厚さは、例えば、１ｍｍであり、電解質層４６の厚さは、例えば、３０μｍであり、外側の電極層４８の厚さは、例えば、３０μｍであり、その外径は、例えば、１〜１０ｍｍである。
【００３１】
内側電極端子４０は、内側電極露出周面４４ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４０ａと、本体部分４０ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４０ｂとを有している。本体部分４０ａ及び管状部分４０ｂは、円筒形であり且つ同心に配置され、管状部分４０ｂの管径は、本体部分４０ａの管径よりも細くなっている。管状部分４０ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４０ｃを有している。本体部分４０ａと管状部分４０ｂとの間の段部４０ｄは、内側の電極層４４の端面４４ｂと当接している。
【００３２】
外側電極端子４２は、外側電極露出周面４８ａを全周にわたって外側から覆うように配置され且つそれと電気的に接続された本体部分４２ａと、本体部分４２ａから燃料電池セル４の長手方向に延びる管状部分４２ｂとを有している。本体部分４２ａ及び管状部分４２ｂは、円筒形であり且つ同心であり、管状部分４２ｂの管径は、本体部分４２ａの管径よりも細くなっている。管状部分４２ｂは、貫通流路５０と連通し且つ外部と通じる接続流路４２ｃを有している。本体部分４２ａと管状部分４２ｂとの間の段部４２ｄは、環状の絶縁部材５２を介して外側の電極層４８、電解質層４６及び内側の電極層４４の端面４４ｃと当接している。
【００３３】
内側電極端子４０の全体形状と外側電極端子４２の全体形状とは同一である。また、内側電極端子４０と燃料電池セル４、及び、外側電極端子４２と燃料電池セル４とは、その全周にわたって導電性のシール材５４によってシールされ且つ固定されている。シール材５４は、例えば、銀、銀とガラスの混合物、金、ニッケル、銅、チタンなどを含む各種ロウ材である。
【００３４】
内側電極端子４０の接続流路４０ｃ、燃料電池セル４の貫通流路５０、及び外側電極端子４２の接続流路４２ｃは、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを構成する。
【００３５】
続いて、燃料電池セルユニット３０を含む燃料電池セルスタック９０について、図５を参照しながら説明する。図５は、本発明の第１実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。燃料電池セルスタック９０は、１６本の燃料電池セルユニット３０と、上支持板９０ａと、下支持板９０ｂと、接続部材９０ｃと、外部端子９０ｄとを備えている。
【００３６】
上支持板９０ａ及び下支持板９０ｂは矩形であり、それぞれ、燃料電池セルユニット３０を２列×８行で支持するように燃料電池セルユニット３０の管状部分４０ｂ、４２ｂに嵌合する貫通孔（図に明示しない）を有している。上支持板９０ａ及び下支持板９０ｂは、電気絶縁性材料で形成されており、例えば、耐熱性のセラミックスで形成されている。具体的には、アルミナ、ジルコニア、スピネル、フォルステライト、マグネシア、チタニアなどを用いることが好ましい。
【００３７】
１６本の燃料電池セルユニット３０は、それらが電気的に直列に接続されるように配列されている。詳細には、燃料電池セルユニット３０は、隣接した燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が交互に上側及び下側に配置されるように配列されている。更に、１６本の燃料電池セルユニット３０を電気的に直列に接続するための接続部材９０ｃが設けられている。接続部材９０ｃは、隣接した１つの内側電極端子４０と１つの外側電極端子４２とを電気的に接続する。直列に接続された１６本の燃料電池セルユニット３０の両端部の内側電極端子４０及び外側電極端子４２にはそれぞれ、外部と電気的な接続を行うための外部端子９０ｄが設けられている。接続部材９０ｃ、外部端子９０ｄは、例えば、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金などの耐熱金属や、ランタンクロマイトなどのセラミック材料で形成される。各燃料電池セルスタック９０の外部端子９０ｄは電気的に直列に接続されていて、その両端には電極棒１３，１４に接続されている。
【００３８】
図４及び図５を参照しながら説明したように、燃料電池セルスタック９０において、燃料電池セルユニット３０の内側電極端子４０が設けられている端部４ａと外側電極端子４２が設けられている端部４ｂとは上下交互になるように配置されている。
【００３９】
ここで、図１〜３に戻り、燃料電池モジュールＦＣの説明を続ける。更に、引き続く説明においては、図６及び図７も参照する。図６は、図１に示す燃料電池モジュールから流路部材７を取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図であり、図７は、図６に示す燃料電池モジュールから燃料電池セルユニット及び改質器５、燃料電池セルスタック９０、ガスタンク３を取り外した状態を示す燃料電池モジュールの斜視図である。本実施形態では、燃料電池セルスタック９０の上方に位置するように、改質器５が配置されている。改質器５には、配管６Ｃ（管路）と配管６Ｄとが繋がれていて、これらの配管６Ｃ及び配管６Ｄによって、改質器５は燃料電池セルスタック９０と所定間隔をおいて上方に位置するように保持されている。配管６Ｃは、改質器５に被改質ガスとしての都市ガス、空気（改質用空気）、及び水蒸気を供給するための配管であって、仕切り板１５に対して立設されている。配管６Ｄは、改質器５において改質された燃料ガスをガスタンク３に供給するための配管であって、ガスタンク３に対して立設されている。
【００４０】
配管６Ｃを通して改質器５に供給される都市ガス及び空気は、被改質ガス供給管６Ａを通って燃料電池モジュールＦＣ内に導入される。また、配管６Ｃを通して改質器５に供給される水蒸気は、水蒸気供給管６Ｂ（管路）を通って燃料電池モジュールＦＣ内に導入される。被改質ガス供給管６Ａ及び水蒸気供給管６Ｂは、仕切り板１５を挟んで配管６Ｃとは反対側に設けられている混合室１５ｃに繋がっている。被改質ガス供給管６Ａから供給される都市ガス及び空気と、水蒸気供給管６Ｂから供給される水蒸気とは、この混合室１５ｃにおいて混合され、配管６Ｃへと供給される。
【００４１】
図１〜３には明示しないが本実施形態では、被改質ガス供給管６Ａと水蒸気供給管６Ｂとのそれぞれに電磁弁が取り付けられていて、それぞれの電磁弁は制御部としてのＣＰＵから出力される指示信号に応じて開閉し、改質器５に供給する被改質ガスと空気と水蒸気の比率を変更可能なように構成されている。
【００４２】
改質器５に導入された被改質ガスとしての都市ガス（水蒸気が混合されている場合もあり）及び空気（被改質ガスのみの場合もあり）は、改質器５内に収められている改質触媒によって改質される。改質された燃料ガスは、配管６Ｄを通ってガスタンク３へと供給される。改質器５に対して配管６Ｃが繋がっている部分と、改質器５に対して配管６Ｄが繋がっている部分とは、長手方向において一端近傍と他端近傍とに引き離されている。これによって、改質器５に供給された燃料ガス及び空気は改質触媒に十分に触れることが可能となる。
【００４３】
改質器５には、改質触媒が封入されている。改質触媒としては、アルミナの球体表面にニッケルを付与したもの、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。これらの改質触媒は球体である。
【００４４】
本実施形態では、改質器５及び各燃料電池セルスタック９０を覆うように、流路部材７が設けられている。流路部材７は、空気流路外壁７１，７２と、空気分配室７３と、空気集約室７４，７５と、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂと、外壁７８，７９を有している。流路部材７は、長手方向に空気流路外壁７１，７２が、短手方向に外壁７８，７９が、それぞれ配置され、それらの部材によって箱状となるように形成されている。流路部材７は、改質器５及び各燃料電池セルスタック９０を覆うように、仕切り板１５に立設されている。続く説明では、流路部材７の仕切り板１５に当接する側を下方とし、その下方と反対側を上方として説明する。
【００４５】
空気分配室７３は、外壁７９の外側上方に取り付けられている。すなわち、空気分配室７３は、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の外側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気分配室７３には、空気供給管７Ａが繋がれており、酸化剤ガスとしての空気が供給される。空気分配室７３には、空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂも繋がれている。
【００４６】
空気流路管７６ａ，７６ｂは、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁７１に沿うように配置されている。空気流路管７６ａは、空気流路外壁７１側に、空気流路管７６ｂは、空気流路管７６ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７６ａ，７６ｂの一端は外壁７９を貫通して空気分配室７３に繋がれており、他端は空気集約室７４に繋がれている。従って、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７６ａ，７６ｂを通り、空気集約室７４へと流れ込んで再合流する。
【００４７】
空気流路管７７ａ，７７ｂは、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ長手側の上方に、空気流路外壁７２に沿うように配置されている。空気流路管７７ａは、空気流路外壁７２側に、空気流路管７７ｂは、空気流路管７７ａよりも内側に、それぞれ配置されている。空気流路管７７ａ，７７ｂの一端は外壁７９を貫通して空気分配室７３に繋がれており、他端は空気集約室７５に繋がれている。従って、空気分配室７３に流入した空気は、空気流路管７７ａ，７７ｂを通り、空気集約室７５へと流れ込んで再合流する。
【００４８】
空気集約室７４，７５は、外壁７８の内側上方に取り付けられている。すなわち、空気集約室７４，７５は、空気流路外壁７１，７２と外壁７８，７９とによって形成される箱状体の内側且つ短手側の上方に取り付けられている。空気集約室７４は空気流路外壁７１と密着するように配置されており、空気集約室７４に流れ込んだ空気は空気流路外壁７１へと流れ出すように構成されている。一方、空気集約室７５は空気流路外壁７２と密着するように配置されており、空気集約室７５に流れ込んだ空気は空気流路外壁７２へと流れ出すように構成されている。
【００４９】
空気流路外壁７１，７２は、それぞれが二重壁構造となっていて、それぞれの内部を空気が流れることができるように構成されている。より具体的には、空気流路外壁７１は、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室９１、第二室９２、第三室９３として形成されている。空気集約室７４から流れ込んだ空気は、第一室９１に流れ込んだ後、第二室９２に流れ込み、その後第三室９３に流れ込む。同様に、空気流路外壁７２も、上方から三室に分割された構造となっており、上方から順に、第一室９４、第二室９５、第三室９６として形成されている。空気集約室７５から流れ込んだ空気は、第一室９４に流れ込んだ後、第二室９５に流れ込み、その後第三室９６に流れ込む。
【００５０】
第三室９３，９６にはそれぞれ、所定間隔をおいて複数の空気流入孔９３ａ，９６ａが形成されている。空気流入孔９３ａ，９６ａは、燃料電池セルスタック９０が連設されている方向に、各燃料電池セル４間の間隙に向かう位置であって、燃料電池セル４に対する上下方向の位置が略同一となるように、複数個形成されている。
【００５１】
空気流路外壁７１，７２に流れ込んだ空気は、空気流入孔９３ａ，９６ａを通って発電室１６内の燃料電池セル４近傍へと流れ込むように構成されている。空気流入孔９３ａ，９６ａを通って流れ込んだ空気（発電用空気）は、燃料電池セル４の外側を通って各燃料電池セル４の下方から上方へと流れる。各燃料電池セル４の上方に至った空気（発電用空気）は、各燃料電池セル４の管内流路を通った燃料ガスと合わせて燃焼される。
【００５２】
各燃料電池セルスタック９０の上方は、空気（発電用空気）と燃料ガスとが混合して燃焼する燃焼部１８となっている。燃料ガスは、ガスタンク３から、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを通り、燃焼部１８に向けて上昇する。また、燃料電池セル４の外側を流れる空気も、燃焼部１８に向けて上昇する。空気流路外壁７２の燃焼部１８に対応する部分には点火装置挿入穴９７が設けられ、燃焼ガスと空気との燃焼を開始させるための点火装置（図示しない）が点火装置挿入穴９７から燃焼部１８に突出されている。この点火装置により燃料ガスと空気とが混合して燃焼する。燃料電池セルスタック９０を構成する燃料電池セル４は、燃焼部１８によって上方から加熱される。また、空気流入孔９３ａ，９６ａを通って流れ込む空気も、上述したように空気流路管７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ、空気流路外壁７１，７２を通る間に、燃焼部１８における燃焼によって加熱される。
【００５３】
上述したように、燃焼部１８において、燃料ガスと空気とが混合して燃焼したことにより発生した排出ガスは、隙間１５ｂから排出ガス室１７へと流入する。この流入経路について、図８を参照しながら説明する。図８は、本発明の第１実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す概略図である。図８に示すように、燃焼部１８において、燃料ガスと空気（発電用空気）とが混合して燃焼したことにより発生した排出ガスは、カバー１に形成された排出ガス流路１ａを通って下方に向い、隙間１５ｂから排出ガス室１７へと流入する。排出ガス室１７に流入した排出ガスは、排気口１１から外部へ排出される。
【００５４】
続いて、図９を参照しながら、燃料電池モジュールＦＣを用いた燃料電池ＦＣＳの構成について説明する。図９は、本発明の第１実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。図９に示すように、燃料電池ＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣと、燃料供給部ＦＰと、第１空気供給部（発電用空気供給部）ＡＰ１と、第２空気供給部（改質用空気供給部）ＡＰ２と、水供給部ＷＰと、電力取出部ＥＰと、温度取得部ＴＤ（温度取得部）と、制御部ＣＳ（制御部）とを備えている。燃料供給部ＦＰ、第１空気供給部ＡＰ１、第２空気供給部ＡＰ２、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池ＦＣＳの補器ＡＤを構成している。
【００５５】
燃料供給部ＦＰは、燃料供給源としての都市ガス配管から都市ガスを被改質ガスとして燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、燃料ポンプ、電磁弁を有している。燃料供給部ＦＰから供給される被改質ガスは被改質ガス供給管６Ａへと送り出される。
【００５６】
第１空気供給部（発電用空気供給部）ＡＰ１は、空気供給源としての大気中から空気を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、空気ブロア、電磁弁を有している。第１空気供給部ＡＰ１から供給される空気は空気供給管７Ａへと送り出される。
【００５７】
第２空気供給部（改質用空気供給部）ＡＰ２は、空気供給源としての大気中から空気を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、空気ブロア、電磁弁を有している。第２空気供給部ＡＰ２から供給される空気は被改質ガス供給管６Ａへと送り出され、燃料供給部ＦＰから供給される被改質ガスと混合される。
【００５８】
水供給部ＷＰは、水供給源としての水道管から水を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、水ポンプ、電磁弁を有している。水供給部ＷＰから供給される水は、燃料電池モジュールＦＣ内部で水蒸気となって水蒸気供給管６Ｂへと送り出される。
【００５９】
電力取出部ＥＰは、燃料電池モジュールＦＣから電力を取り出す部分であって、インバータ等の電力変換装置を有している。電力取出部ＥＰは、電極棒１３，１４と繋がっていて、変換した電力は電力供給先へと送り出すように構成されている。
【００６０】
温度取得部ＴＤは、燃焼部１８の温度を直接的若しくは間接的に取得する部分である。本実施形態の場合、温度取得部ＴＤは燃焼部１８の温度を間接的に取得するように構成されていて、改質器５の温度を検知し、改質器５の温度を示す信号を制御部ＣＳに出力する。制御部ＣＳでは、この信号に基づいて、燃焼部１８の温度を推測する。この燃焼部１８の温度を推測する根拠は、事前に計測された燃焼部温度と改質器温度との相関関係によるものである。尚、温度取得部ＴＤが改質器５の温度を検知する態様としては、温度センサを改質器５の上面に当接させることが好ましい態様である。この場合、改質器５内の温度は、事前に計測された改質器内温度と改質器外温度との相関関係に基づいて算出される。
また、温度取得部ＴＤが燃焼部１８の温度を直接的に取得する場合には、燃焼部１８に温度センサを配置する。制御部ＣＳは、燃料供給部ＦＰ、第１空気供給部ＡＰ１、第２空気供給部ＡＰ２、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰのそれぞれを制御するための部分であって、ＣＰＵやＲＯＭを有している。上述したような燃料電池モジュールＦＣの動作は、制御部ＣＳからの指示信号に基づいて実行される。制御部ＣＳは、少なくとも温度取得部ＴＤにより改質器５が水蒸気改質可能な温度であると検知された際に、改質器５に被改質ガスと水蒸気だけを供給するよう制御する。これにより、改質器５では、後述するオートサーマル改質反応が進行することとなる。
【００６１】
続いて、図１０を参照しながら、本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣを含む燃料電池システムＦＣＳ（燃料電池装置）の動作及びその運転方法について説明する。図１０は、本発明の第１実施形態による燃料電池装置の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【００６２】
燃料電池システムＦＣＳ（燃料電池装置）の起動時には、先ず、燃料電池モジュールＦＣを温めるために、燃料電池モジュールＦＣを含む回路に負荷をかけない状態、即ち、燃料電池モジュールＦＣを含む回路を開いた状態で、燃料電池モジュールＦＣに燃料ガスと空気を供給する。この段階では、燃料ガスと空気が存在しても、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュールＦＣは、発電を行わない。
【００６３】
詳細には、燃料ガスを供給する。具体的には、燃料供給部ＦＰから被改質ガスを被改質ガス供給管６Ａに供給する。このとき、制御部ＣＳは、都市ガス及び空気（改質用空気）を含む燃料ガスを供給するように、燃料ポンプ及び燃料供給部ＦＰの空気ブロア等に信号を出力する。図１０には、燃料ポンプの制御電圧及び燃料供給部ＦＰの空気ブロアの制御電圧を示している。被改質ガス供給管６Ａから供給された被改質ガスは改質器５を通過して燃料ガスとして、ガスタンク３内に貯まる。それにより、各燃料電池セルユニット３０への均一且つ一様な燃料ガスの供給を確保する。ガスタンク３内に溜まった燃料ガスが、燃料電池セルユニット３０の管内流路３０ｃを通って流れ、内側の電極層４４に作用する。作用しなかった燃料ガスが、各燃料電池セルユニット３０の上部空間に達する。
【００６４】
また、大気中の空気（発電用空気）を供給する。具体的には、空気供給部ＡＰによって空気供給管７Ａに供給し、上述したような経路を通って、空気流入孔９３ａ，９６ａから発電室１６内へと導く。発電室１６内へと導かれた空気（発電用空気）は、外側の電極層４８と作用する。作用しなかった空気（発電用空気）は、各燃料電池セルユニット３０（燃料電池セル４）の上方に達する。
【００６５】
次いで、点火装置（図示しない）を用いて、燃料ガスと空気（発電用空気）とを燃焼させる。それにより生じた排出ガスは、高温になる。排出ガスは、カバー１（図８参照）を通って、排出ガス室１７へと流入する。排出ガス室１７へと流入した排出ガスは、排気口１１から排出される。
【００６６】
燃料ガスと空気（発電用空気）とが燃焼する際に、発電室１６内が昇温される。外部から導入される空気（発電用空気）は、上述した経路を流れる間に、発電室１６内と熱交換を行って暖められる。高温の排出ガスは、排出ガス室１７へと流入し、排出ガス室１７内を昇温する。
【００６７】
続いて、炭化水素系の都市ガスと空気（改質用空気）とを予め混合したガスを改質器５に供給する（改質工程）。改質器５においては、式（１）の部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。この部分酸化改質反応は発熱反応であるので、起動性が良好である。部分酸化改質反応ＰＯＸが進行しても燃焼部１８では継続して燃焼反応が持続する。
【００６８】
ＣmＨn＋m/2Ｏ2  →  mＣＯ＋n/2Ｈ2      （１）
【００６９】
本実施形態では、この式（１）による部分酸化改質反応ＰＯＸの前に、式（１−１）による部分酸化改質反応ＰＯＸを行うことで、部分酸化改質反応ＰＯＸを２段階で行っている。改質器５の温度が所定温度（例えば、４５０度程度）を下回っている場合には、式（１−１）のように、改質器５へ供給する空気の量を減らして、メタンが水素に転換しすぎることを抑制する。
【００７０】
ＣmＨn＋m/8Ｏ2  →  m/4ＣＯ＋n/8Ｈ2＋3m/4ＣmＨn        （１−１）
【００７１】
この式（１−１）による部分酸化改質反応ＰＯＸを行って、改質器５の温度が所定温度（例えば、４５０度程度）以上となった場合には、上述した式（１）のように、改質器５へ供給する空気の量を増やして、水素の量を増やすように制御する。この制御で用いる所定温度は、燃焼部１８の温度が基準温度となる場合の改質器５の温度として事前に設定されている温度である。基準温度とは、水素の拡散速度よりも水素の燃焼速度が大きくなる場合の温度に対応するものであって、実験等で事前に設定されている温度である。
【００７２】
部分酸化改質反応ＰＯＸの実行開始から所定時間経過後、都市ガスと空気と水蒸気とを予め混合したガスを改質器５に供給する。このとき、制御部ＣＳは、都市ガス及び空気を含む燃料ガスに加えて水蒸気を供給するように、燃料ポンプ、燃料供給部ＦＰの空気ブロア、及び水ポンプ等に信号を出力する。図１０には、水ポンプの制御電圧を示している。改質器５においては、上述の部分酸化改質反応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５内では熱自立しながら反応が進行する。すなわち、酸素が多い場合は部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合は水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱が支配的となる。この段階では、既に起動の初期段階を過ぎており、発電室１６内がある程度の温度に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招くことはない。また、オートサーマル改質反応ＡＴＲが進行しても燃焼部１８では継続して燃焼反応が持続する。
【００７３】
オートサーマル改質反応の実行開始から所定時間経過後、温度取得部ＴＤにより改質器５が水蒸気改質可能な温度であると検知されると、都市ガスと水蒸気とを予め混合したガスを改質器５に供給する。このとき、制御部ＣＳは、都市ガスだけを含む燃料ガスに加えて水蒸気を供給するように、燃料ポンプ及び水ポンプ等に信号を出力すると共に第２空気供給部ＡＰ２の空気ブロアを停止させるよう信号を出力する。
【００７４】
改質器５においては、式（２）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼部１８からの燃焼熱による熱バランスをとりながら反応が進行する。この段階では、既に起動の最終段階であるため、発電室１６内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応を主体としても大幅な温度低下を招くことはない。また水蒸気改質反応ＳＲが進行しても燃焼部１８では継続して燃焼反応が持続する。
【００７５】
ＣｍＨｎ＋ｍＨ２Ｏ  →  ｍＣＯ＋（ｎ/2＋ｍ）Ｈ２      （２）
【００７６】
上述したように着火工程から燃焼工程の進行に合わせて改質工程を切り替えていくことで、発電室１６内の温度が徐々に上昇する。発電室１６内及び燃料電池セル４の温度が、燃料電池モジュールＦＣ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ＦＣを含む回路を閉じる。それにより、燃料電池モジュールＦＣは発電を開始し、回路に電流が流れる。燃料電池の発電により、燃料電池セル４自体も発熱し、更に、燃料電池セル４の温度が上昇する。その結果、燃料電池モジュールＦＣを作動させる定格温度、例えば、６００〜８００℃になる。
【００７７】
その後、定格温度を維持するために、燃料電池セル４で消費される燃料ガス及び空気（発電用空気）の量よりも多い量の燃料ガス及び空気を供給し、発電室１６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で発電が進行せしめられる。水蒸気改質反応ＳＲ自体は（厳密に言えば）４００℃〜８００℃程度で行われるが、燃料電池との組み合わせにおいては５００℃〜７００℃程度で運転される。
【００７８】
この発電時においては、負荷追従運転を実行する。本実施形態の場合、定格電流は７Ａとしているので、必要とされる電流値がその定格電流値よりも少ない場合に、発生させる電流値を抑制する運転を負荷追従運転としている。本実施形態の場合、制御部ＣＳは、電流値が７Ａの場合に供給する被改質ガス量（都市ガス量）を２．７Ｌ／ｍｉｎとし、電流値が２Ａの場合に供給する被改質ガス量（都市ガス量）を１．５Ｌ／ｍｉｎとしている。燃料利用率で比較すると、電流値が７Ａの場合には燃料利用率が約６８％であり、電流値が２Ａの場合には燃料利用率が約３５％である。
【００７９】
電流値と燃料利用率との関係をグラフに示すと図１１に示すようになる。ここで、燃料利用率は、上述したように、燃料電池セルへ供給される燃料の総熱量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される熱量の割合である。図１１に示すように、従来は、上述したように燃料利用率が一定になるように制御していたので、発生させる電流値が小さい場合に、供給される被改質ガスの量が少なくなるため、燃料電池セル４に供給される燃料ガスも少なくなり、ひいては残余の燃料ガスとして燃焼部１８に至る燃料ガスの量が不足する事態となっていた。そこで本実施形態では、発生させる電流値が小さい場合にあえて燃料利用率を引き下げるように制御することで、供給される被改質ガスの量を増やし、燃料電池セル４に供給される燃料ガスも多くし、ひいては残余の燃料ガスとして燃焼部１８に至る燃料ガスの量を確保するようにしている。このため、本実施形態の燃料電池モジュールＦＣの燃焼部１８においては、燃焼不良等の不具合の発生を抑制することができる。
【００８０】
また、本実施形態の制御部ＣＳは、燃焼部１８の温度を取得しており、その取得した温度が水素の着火温度を下回らないように、供給する被改質ガスの量を調整している。そのため、上述した制御と併せて、より燃焼部１８の燃焼安定性を確保することができる。
【００８１】
次に、図１２乃至図２２を参照して、本発明の第２実施形態による燃料電池装置を説明する。
図１２は、本発明の第２実施形態による燃料電池装置を示す全体構成図である。この図１２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）である燃料電池装置１０１は、燃料電池モジュール１０２と、補機ユニット１０４を備えている。
【００８２】
燃料電池モジュール１０２は、ハウジング１０６を備え、このハウジング１０６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１０８が形成されている。この密閉空間１０８の下方部分である発電室１１０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１１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１１２は、１０個の燃料電池セルスタック１１４（図１６参照）を備え、この燃料電池セルスタック１１４は、１６本の燃料電池セルユニット１１６（図１５参照）から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１１６の全てが直列接続されている。
【００８３】
燃料電池モジュール１０２の密封空間１０８の上述した発電室１１０の上方には、燃焼室１１８が形成され、この燃焼室１１８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１１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器１２０が配置され、上述した残余ガスの燃焼熱によって改質器１２０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１２０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１２２が配置されている。
【００８４】
次に、補機ユニット１０４は、水道等の水供給源１２４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１２６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１２８（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１０４は、都市ガス等の燃料供給源１３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁１３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器１３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット１３８（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１０４は、空気供給源１４０から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁１４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット１４４（モータで駆動される「空気ブロア」等）及び発電用空気流量調整ユニット１４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器１２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ１４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ１４８とを備えている。これらの第１ヒータ１４６と第２ヒータ１４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００８５】
次に、燃料電池モジュール１０２には、排気ガスが供給される温水製造装置１５０が接続されている。この温水製造装置１５０には、水供給源１２４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１０２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１５２が取り付けられている。
さらに、燃料電池モジュール１０２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１５４が接続されている。
【００８６】
次に、図１３及び図１４により、本発明の実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図１３は、本発明の第２実施形態による燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図１４は、図１３のXIV- XIV線に沿って断面図である。
図１３及び図１４に示すように、燃料電池モジュール１０２のハウジング１０６内の密閉空間１０８には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体１１２、改質器１２０、空気用熱交換器１２２が配置されている。
【００８７】
改質器１２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管１６０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１６２が取り付けられ、また、改質器１２０の内部には、上流側から順に、蒸発部１２０ａと改質部１２０ｂを形成され、改質部１２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器１２０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１２０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。
【００８８】
この改質器１２０の下流端側には、燃料ガス供給管１６４が接続され、この燃料ガス供給管１６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１１２の下方に形成されたマニホールド１６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管１６４の水平部１６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔１６４ｂが形成されており、この燃料供給孔１６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド１６６内に供給される。
【００８９】
このマニホールド１６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板１６８が取り付けられており、マニホールド１６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１１６内に供給される。
【００９０】
次に、改質器１２０の上方には、空気用熱交換器１２２が設けられている。この空気用熱交換器１２２は、上流側に空気集約室１７０、下流側に２つの空気分配室１７２を備え、これらの空気集約室１７０と空気分配室１７２は、６個の空気流路管１７４により接続されている。ここで、図１４に示すように、３個の空気流路管１７４が一組（１７４ａ，１７４ｂ，１７４ｃ，１７４ｄ，１７４ｅ，１７４ｆ）となっており、空気集約室１７０内の空気が各組の空気流路管１７４からそれぞれの空気分配室１７２へ流入する。
【００９１】
空気用熱交換器１２２の６個の空気流路管１７４内を流れる空気は、燃焼室１１８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１７２のそれぞれには、空気導入管１７６が接続され、この空気導入管１７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１１０の下方空間に連通し、発電室１１０に余熱された空気を導入する。
【００９２】
次に、マニホールド１６６の下方には、排気ガス室１７８が形成されている。また、図１４に示すように、ハウジング１０６の長手方向に沿った面である前面１０６ａと後面１０６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路１８０が形成され、この排気ガス通路１８０の上端側は、空気用熱交換器１２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室１７８と連通している。また、排気ガス室１７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管１８２が接続され、この排気ガス排出管１８２の下流端は、図１２に示す上述した温水製造装置１５０に接続されている。
図１３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１８３が、燃焼室１１８に設けられている。
【００９３】
次に図１５により燃料電池セルユニット１１６について説明する。図１５は、本発明の第２実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図１５に示すように、燃料電池セルユニット１１６は、燃料電池セル１８４と、この燃料電池セル１８４の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子１８６とを備えている。
燃料電池セル１８４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１８８を形成する円筒形の内側電極層１９０と、円筒形の外側電極層１９２と、内側電極層１９０と外側電極層１９２との間にある電解質層１９４とを備えている。この内側電極層１９０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１９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。
【００９４】
燃料電池セル１１６の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子１８６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１８６について具体的に説明する。内側電極層１９０の上部１９０ａは、電解質層１９４と外側電極層１９２に対して露出された外周面１９０ｂと上端面１９０ｃとを備えている。内側電極端子１８６は、導電性のシール材１９６を介して内側電極層１９０の外周面１９０ｂと接続され、さらに、内側電極層１９０の上端面１９０ｃとは直接接触することにより、内側電極層１９０と電気的に接続されている。内側電極端子１８６の中心部には、内側電極層１９０の燃料ガス流路１８８と連通する燃料ガス流路１９８が形成されている。
【００９５】
内側電極層１９０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。
【００９６】
電解質層１９４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。
【００９７】
外側電極層１９２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。
【００９８】
次に図１６により燃料電池セルスタック１４について説明する。図１６は、本発明の第２実施形態による燃料電池装置の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図１６に示すように、燃料電池セルスタック１１４は、１６本の燃料電池セルユニット１１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１１６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１６８及び上支持板２００により支持されている。これらの下支持板１８及び上支持板２００には、内側電極端子１８６が貫通可能な貫通穴１６８ａ及び２００ａがそれぞれ形成されている。
【００９９】
さらに、燃料電池セルユニット１１６には、集電体２０２及び外部端子２０４が取り付けられている。この集電体２０２は、燃料極である内側電極層１９０に取り付けられた内側電極端子１８６と電気的に接続される燃料極用接続部２０２ａと、空気極である外側電極層１９２の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部２０２ｂとにより一体的に形成されている。空気極用接続部２０２ｂは、外側電極層１９２の表面を上下方向に延びる鉛直部２０２ｃと、この鉛直部２０２ｃから外側電極層１９２の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部２０２ｄとから形成されている。また、燃料極用接続部２０２ａは、空気極用接続部２０２ｂの鉛直部２０２ｃから燃料電池セルユニット１１６の上下方向に位置する内側電極端子１８６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。
【０１００】
さらに、燃料電池セルスタック１１４の端（図１６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１１６の上側端及び下側端の内側電極端子１８６には、それぞれ外部端子２０４が接続されている。これらの外部端子２０４は、隣接する燃料電池セルスタック１１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子２０４（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１１６の全てが直列接続されるようになっている。
【０１０１】
次に図１７により本発明の第２実施形態による燃料電池装置に取り付けられたセンサ類等について説明する。図１７は、本発明の第２実施形態による燃料電池装置を示すブロック図である。
図１７に示すように、燃料電池装置（ＳＯＦＣ）１０１は、制御部２１０を備え、この制御部２１０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２１２、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２１４、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２１６が接続されている。なお、この報知装置２１６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。
【０１０２】
次に、制御部２１０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２２０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１０２及び補機ユニット１０４に取り付けられている。
ＣＯ検出センサ２２２は、本来排気ガス通路１８０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１０２及び補機ユニット１０４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２２４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。
【０１０３】
電力状態検出センサ２２６は、インバータ１５４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２２８は、発電室１１０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２３０は、改質器１２０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２３２は、改質器１２０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。
【０１０４】
水流量センサ２３４は、改質器１２０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２３６は、純水タンク１２６の水位を検出するためのものである。
圧力センサ２３８は、改質器１２０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２４０は、温水製造装置１５０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。
【０１０５】
発電室温度センサ２４２は、図１４に示すように、燃料電池セル集合体１１２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１１４の近傍の温度を検出して、燃料電池セルスタック１１４（即ち燃料電池セル１８４自体）の温度を推定するためのものである。
燃焼室温度センサ２４４は、燃焼室１１８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２４６は、排気ガス室１７８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２４８は、改質器１２０の温度を検出するためのものであり、改質器１２０の入口温度と出口温度から改質器１２０の温度を算出する。
外気温度センサ２５０は、燃料電池装置（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。
【０１０６】
これらのセンサ類からの信号は、制御部２１０に送られ、制御部２１０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１２８、燃料流量調整ユニット１３８、改質用空気流量調整ユニット１４４、発電用空気流量調整ユニット１４５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２１０は、インバータ１５４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。
【０１０７】
次に図１８により本発明の第２実施形態による燃料電池装置（ＳＯＦＣ）による起動時の動作を説明する。図１８は、本発明の第２実施形態による燃料電池装置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。
【０１０８】
先ず、改質用空気流量調整ユニット１４４から改質用空気を第１ヒータ１４６を経由して燃料電池モジュール１０２の改質器１２０へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット１４５から発電用空気を第２ヒータ１４８を経由して燃料電池モジュール１０２の空気用熱交換器１２２へ供給し、この発電用空気が、発電室１１０及び燃焼室１１８に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット１３８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１２０及び燃料電池セルスタック１１４、燃料電池セルユニット１１６を通過して、燃焼室１１８に到達する。
【０１０９】
次に、点火装置１８３により着火して、燃焼室１１８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１１０が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール１０２の密封空間１０８内を上昇する際、改質器１２０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１２２内の発電用空気も暖める。
【０１１０】
このとき、燃料流量調整ユニット１３８及び改質用空気流量調整ユニット１４４により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器１２０に供給されているので、改質器１２０において、式（３）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１６４により燃料電池セルスタック１１４の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック１１４が下方から加熱され、また、燃焼室１１８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１１４は、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック１１４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１１８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。
【０１１１】
ＣmＨn＋ｘＯ2  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2                （３）
【０１１２】
部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器温度センサ２４８により改質器１２０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１２８、燃料流量調整ユニット１３８及び改質用空気流量調整ユニット１４４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１２０に供給する。このとき、改質器１２０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１２０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。
【０１１３】
式（４）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２４６により改質器１２０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１４４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１２８による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器１２０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１２０において、式（５）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
【０１１４】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2      （４）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2             （５）
【０１１５】
この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室１１８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１０２の起動の最終段階であるため、発電室１１０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１１０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１１８では継続して燃焼反応が進行する。
【０１１６】
このようにして、燃料電池モジュール１０２は、点火装置１８３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１１０内の温度が徐々に上昇する。次に、発電室１１０内及び燃料電池セル１８４の温度が燃料電池モジュール１０２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１０２を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール１０２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１０２の発電により、燃料電池セル１８４自体も発熱し、燃料電池セル１８４の温度も上昇する。この結果、燃料電池モジュール１０２を作動させる定格定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
【０１１７】
この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル１８４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１１８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。
【０１１８】
次に、図１９乃至図２１により、本発明の第２実施形態による燃料電池装置（ＳＯＦＣ）の要求発電量に対応して発電出力値を変更して負荷追従するときの運転状態を説明する。
図１９は本発明の第２実施形態による燃料電池装置の要求発電量に対応して発電出力値を変更する負荷追従時の運転状態を示すタイムチャートであり、図２０は第２実施形態による燃料電池装置における燃料供給制御特性（要求発電量と燃料ガス供給量との関係）を示す図であり、図２１は第２実施形態による燃料電池装置における燃料供給制御特性（要求発電量と発電用空気供給量との関係）を示す図である。
【０１１９】
先ず、図１９において、縦軸は、発電室温度（Ｔ１）、燃料ガス供給量、発電用空気供給量を示し、横軸は、時間（ｔ）を示している。
第２実施形態による燃料電池装置（ＳＯＦＣ）１０１は、要求発電量が１００Ｗ〜７００Ｗの燃料電池であり、この範囲で、要求発電量に対して発電出力値を変更して負荷追従することができるようになっている。
【０１２０】
次に、燃料電池セル１８４は、１００Ｗ〜７００Ｗの定格発電出力値を発電するとき発電反応が良好に行えるため温度帯域に保持する必要があり、この温度帯域は、固体差の無い設計時の標準の燃料電池セルを所定の基準運転状態において動作させるという条件の下で、１００Ｗ〜７００Ｗの定格発電出力値に対応したものとなっている。
【０１２１】
次に、下限定格発電量１００Ｗに対応する燃料電池セル８４の温度より所定温度だけ低い温度である下限温度値（Ｔａ）を６９０℃に設定し、上限定格発電量７００Ｗに対応する燃料電池セル８４の温度より所定温度だけ高い温度である上限温度値（Ｔｂ）を７１０℃に設定し、この下限温度値（Ｔａ）と上限温度値（Ｔｂ）の温度範囲を温度監視帯域Ｗとする。なお、下限定格発電量１００Ｗに対応する燃料電池セル８４の温度を下限温度値とし、上限定格発電量７００Ｗに対応する燃料電池セル８４の温度を上限温度値とし、これらの下限温度値と上限温度値の温度範囲を温度監視帯域Ｗとしても良い。
【０１２２】
このように、下限定格発電量及び上限定格発電量を考慮して下限温度値及び下限温度値を決定し、後述するように、発電室温度がこれらの下限温度値と上限温度値を持つ監視温度帯域Ｗ外となったとき燃料ガスや発電用空気の供給量を補正するようにしているので、要求発電量に対応して燃料供給量を変更して負荷追従する際、燃料供給制御特性を変更するような複雑な制御を行う必要がなく、簡易でかつ十分な制御が可能となる。
【０１２３】
また、第２実施形態においては、燃料電池装置（ＳＯＦＣ）の設置時に、定格運転を行い、このときの燃料電池セルの発電室温度を定格基準温度（Ｔ０）とし、この定格基準温度を中心にして上下方向に１０℃だけ離れた下限温度値と上限温度値を設定するようにしてもよい。これにより、燃料電池セル８４の固体差を、運転の初期段階で、吸収することができる。
【０１２４】
次に、第２実施形態においては、図２０に示すように、燃料供給制御特性である「要求発電量と燃料ガス供給量の関係」が予め決定されており、また、図２１に示すように、燃料供給制御特性である「要求発電量と発電用空気供給量との関係」が予め決定されている。
第２実施形態においては、燃料電池モジュール２が定常運転に移行後、要求発電量に対応して発電出力値を変更して負荷追従するとき、燃料ガスの供給量及び発電用空気の供給量を、図２０及び図２１に示す燃料供給制御特性に基づき、増大又は減少させて、要求された負荷に追従することができるようになっている。
【０１２５】
この負荷追従するとき、燃料電池モジュール１０２の燃料電池セル１８４は、燃料電池セル１８４の持つ個々の固体差、及び、燃料電池モジュール２が設置された外気環境（温度、湿度等）により、燃料電池セル８４の温度（Ｔ１）が、温度監視帯域Ｗ外となることがある。そのため、第２実施形態においては、燃料電池セル１８４の発電室温度（Ｔ１）が、下限温度値（Ｔａ）を下回った場合には、燃料ガス及び発電用空気の供給量を、それぞれ所定量（燃料供給制御特性における供給量の１０％）だけ増大する増量補正をし、一方、燃料電池セル８４の発電室温度（Ｔ１）が、上限温度値（Ｔｂ）を超えた場合には、燃料ガス及び発電用空気の供給量を、それぞれ所定量（燃料供給制御特性における供給量の１０％）だけ減少させる減量補正をして、燃料電池セル８４の発電室温度（Ｔ１）が温度監視帯域Ｗ内となるような適応制御（adaptive control）を実行する。
【０１２６】
第２実施形態においては、この適応制御により、負荷追従時に燃料ガスの供給量及び発電用空気の供給量を増大又は減少させて補正した後は、所定の禁止期間（例えば、５時間）が経過するまで次回の補正を実行しないようにしている。これにより、燃料供給量を減量補正又は増量補正した後、燃料電池セル８４の温度が安定する程度の期間（ＳＯＦＣでは一般的に数時間を要する）まで燃料ガス及び発電用空気の供給量の補正を実行しないので、過剰補正による燃料電池セル１８４の悪影響を防止し、燃料電池セル１８４の固体差や外気環境変化により生じる燃料供給制御特性への影響に適応させることができる。
【０１２７】
次に、図１９に示すように、第２実施形態においては、温度監視帯域Ｗの上限温度値（Ｔｂ）よりも高い温度である７２０℃を冷却温度（Ｔｃ）とし、燃料電池セル１８４の発電室温度（Ｔ１）がこの冷却温度（Ｔｃ）を超えた場合には、空気流量調整ユニット１４４により、燃料電池モジュール１０２の発電室１１０に多量の発電用空気を導入し、この空気により、燃料電池セル集合体１１２を強制的に冷却するようにしている。
【０１２８】
更に、図１９に示すように、第２実施形態においては、温度監視帯域Ｗの上限温度値（Ｔｂ）及び冷却温度（Ｔｃ）よりも高い温度（８００℃以上）の帯域、及び、温度監視帯域Ｗの下限温度値（Ｔａ）よりも低い温度（５００℃以下）の帯域を異常温度帯域として設定し、燃料電池セル１８４の発電室温度（Ｔ１）がこの異常温度帯域になったとき、燃料電池の運転を規制するようにしている。具体的には、燃料電池の運転自体を停止する、燃料電池の発電運転を停止する、燃料ガスの供給量を低減させる、警報（ワーニング）を発する等である。これにより、第２実施形態によれば、燃料供給制御特性が外気環境（温度、湿度等）の変化や燃料電池セル８４の固体差に適応させることができない異状な状態の時であっても、燃料電池セル８４が異常状態となることを確実に防止することができる。
【０１２９】
次に、図２２により、本発明の第２実施形態による燃料電池装置における負荷追従時における電流値と燃料利用率及び空気利用率との関係を説明する。図２２は、本発明の第２実施形態による燃料電池装置における発電運転時の電流値と燃料利用率及び空気利用率との関係を示す線図である。
【０１３０】
ここで、燃料利用率は、上述したように、燃料電池セルへ供給される燃料の総熱量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される熱量の割合である。また、空気利用率は、燃料電池セルへ供給される発電用空気の総流量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される流量の割合である。
【０１３１】
本発明の第２実施形態においては、燃料利用率を以下の３つの態様（第１例〜第３例）により下げることができる。即ち、上述した第１実施形態と同様に、燃料電池セル集合体から出力される電流値が一定の場合に被改質ガスの流量（燃料供給量）を増加させること（第１例）、被改質ガスの流量が一定の場合に電流値を下げること（第２例）、及び、被改質ガスの流量を増大させると共に電流値を下げること（第３例）により、燃料利用率を下げることができる。
【０１３２】
上述した第１例を具体的に説明する。例えば、燃料電池セル集合体に流れる電流値が７Ａ、５Ａ、３Ａのとき、発電反応に使用される被改質ガス量（燃料量）が、７０ｃｃ／分、５０ｃｃ／分、３０ｃｃ／分であり、燃料利用率を７０％（一定）と設定した場合には、燃料供給総量がそれぞれ１００ｃｃ／分、約７１ｃｃ／分、約４３ｃｃ／分となるように制御する。一方、燃焼部で燃焼に使用される被改質ガス量（燃料量）は、燃料供給総量から発電反応に使用される量を引いた分に相当するので、３０ｃｃ／分、２１ｃｃ／分、１３ｃｃ／分となる。これでは、電流値が３Ａ（低負荷領域）のときに、燃焼に使用される燃料量（＝１３ｃｃ／分）が少なすぎるので、燃料に使用される燃料を更に１０ｃｃ／分だけ増量するように制御すると、燃焼に使用される燃料量が２３ｃｃ／分となり、燃料利用率が５７％まで下がる。
【０１３３】
上述した第２例を上記同様に説明する。例えば、燃料電池セル集合体に流れる電流値が５Ａのとき、燃料利用率を７０％と設定した場合には、燃料供給総量が約７１ｃｃ／分となるように制御する。このときの燃料供給総量を固定（＝約７１ｃｃ／分）しておいて、電流値を３Ａに変化させると、発電反応に使用される被改質ガス量（燃料量）が３０ｃｃ／分となるので、燃焼部で燃焼に使用される被改質ガス量（燃料量）が４１ｃｃ／分となり、そのときの燃料利用率が４１％まで下がる。電流値を下げることにより、発電反応に使用される被改質ガス量（燃料量）が少なり、その結果、燃焼部で燃焼に使用される被改質ガス量（燃料量）が多くなる。
【０１３４】
以下、第１例を用いた第２実施形態による燃料電池装置を説明する。まず、燃料利用率及び空気利用率は、負荷追従運転時に、出力される電流値に基づき、燃料流量調整ユニット１３８及び発電用空気流量調整ユニット１４５により、燃料ガスの流量及び発電用空気の流量が制御されることにより変更されるようになっている。
ここで、図２２において、便宜上、燃料利用率の出力電流値が４Ａ以上の領域をＡ１領域、これ未満の領域をＡ２領域と呼び、また、空気利用率の出力電流値が４Ａ以上の領域をＢ１領域、これ未満の領域をＢ２領域と呼ぶ。
【０１３５】
先ず、図２２に示すように、第２実施形態による燃料電池装置においては、上述した第１実施形態と同様に、負荷追従時に、燃料利用率が、小さな電流値を出力する低負荷領域（Ａ２領域）では大きな電流値を出力する高負荷領域（Ａ１領域）より低くなるように、燃料ガスの供給量が燃料流量調整ユニット１３８により制御される。
このように、第２実施形態の燃料電池装置においては、燃料利用率が、低負荷領域では、高負荷領域より、低くなるようにしたので、低負荷領域で、発電反応に使用されなかった残余の燃料の熱量が増大し、燃焼室（燃焼部）１１８における燃料の熱量はほぼ一定に維持される。また、燃料電池セル１８４の温度も維持されるので、再加熱のための時間を要することもない。さらに、改質器１２０においても、燃焼室１１８における燃料の熱量はほぼ一定に維持されるので、改質反応のバランスが維持され、最適な燃料を燃料電池セル１８４へ供給することができる。この結果、第２実施形態よる燃料電池装置によれば、高負荷領域から低負荷領域へ移行するとき、燃料電池セル１１８の温度を狭い温度帯域に維持することができ、且つ、最適な燃料が燃料電池セルへ供給され、効率の良い発電反応を行うことができる。
【０１３６】
次に、図２２に示すように、第２実施形態による燃料電池装置においては、燃料利用率と同様に、負荷追従時に、空気利用率が、低負荷領域（Ｂ１領域）では高負荷領域（Ｂ１領域）より低くなるように、発電用空気の供給量が発電用空気流量調整ユニット１４５により制御される。
このように、第２実施形態の燃料電池装置においては、燃料利用率を低負荷領域で高負荷領域より低くなるようにしたことに対応させて、空気利用率も、同様に、低負荷領域で高負荷領域より低くなるようにした。この結果、第２実施形態による燃料電池装置によれば、低負荷領域であっても燃焼室１１８で燃料が燃焼し易くなる。さらに、高負荷領域においては、空気利用率を高くしても、既に十分な量の発電用空気が供給されているので問題がなく、さらに、過剰な空気の供給により燃料電池モジュール２内が冷却されることを防止することができる。
【０１３７】
次に、図２２に示すように、第２実施形態による燃料電池装置においては、燃料利用率の低下割合が、出力電流値が４Ａよりも小さな負荷領域（Ａ２領域）では、高負荷側ほど小さくなるように、燃料ガスの供給量が燃料流量調整ユニット１３８により制御される。
このように、第２実施形態による燃料電池装置においては、出力電流値が４Ａよりも小さな負荷領域では、高負荷側では供給される燃料の絶対量も比較的多く、燃料電池セル１８４の温度も十分に維持され、改質器にも十分な熱量が供給されていると考えられるので、燃料利用率の低下割合を高負荷側ほど小さく（緩やかに）することにより、無駄な燃料が燃焼室１１８で燃焼して消費されることを防止することができ、発電効率を上げることができる。
【０１３８】
次に、図２２に示すように、第２実施形態による燃料電池装置においては、空気利用率の低下割合が、出力電流値が４Ａよりも小さな負荷領域（Ｂ２領域）では、高負荷側ほど小さくなるように、発電用空気の供給量が発電用空気供給ユニット１４５により制御される。
このように、第２実施形態による燃料電池装置においては、出力電流値が４Ａよりも小さな負荷領域では、燃料利用率の低下割合を高負荷側ほど小さくしたことに対応させて、空気利用率の低下割合も、同様に、高負荷側ほど小さくなるようにした。この結果、第２実施形態の燃料電池装置によれば、燃料室１１８において燃料の燃焼に必要な量の空気を確保することができる。
【０１３９】
次に、図２２に示すように、第２実施形態による燃料電池装置においては、出力電流値が４Ａより小さい負荷領域（Ａ２領域及びＢ２領域）では、上述した、燃料利用率の低下割合が高負荷側ほど小さくなるように、且つ、空気利用率の低下割合が高負荷側ほど小さくなるようにしたことに加えて、更に、低負荷側ほど空気利用率の低下割合が燃料利用率の低下割合より小さくなるように、燃料の流量及び発電用空気の流量が燃料流量調整ユニット１３８及び発電用空気流量調整ユニット１４５により制御される。
このように、第２実施形態による燃料電池装置においては、出力電流値が４Ａより小さい負荷領域では、空気利用率の低下割合が燃料利用率の低下割合より小さくなるようにしているので、低負荷領域において、燃焼部で燃料が燃焼するために最低限必要な空気量を確保することができ、さらに、過剰な空気の供給によりモジュール内が冷却されることを防止することができる。
【０１４０】
次に、図２２に示すように、第２実施形態による燃料電池装置においては、出力電流値が４Ａより大きな負荷領域（Ｂ１領域）では、空気利用率の低下割合がほぼゼロとなるように、発電用空気の供給量が発電用空気流量調整ユニット１４５により制御される。
このように、第２実施形態による燃料電池装置においては、出力電流値が４Ａより大きな負荷領域では、既に十分な量の発電用空気が供給されているので問題がなく、さらに、空気供給量を変動させることにより生じる不安定な燃焼により燃料電池セルの温度維持とのバランスが崩れることを防止することができる。
【０１４１】
次に、図２２に示すように、第２実施形態による燃料電池装置においても、上述した第１実施形態と同様に、燃焼室１１８の温度を検出する燃料室温度センサ２４４を備え、燃焼室１１８の温度が燃料である水素の自己着火温度以上となるように、燃料の供給量が燃料流量調ユニット１３８により制御される。
このように、第２実施形態による燃料電池装置においても、燃焼室１１８の温度が燃料である水素の自己着火温度以上となるようにしているので、燃料室１１８において燃料の燃焼性がより確実となり、その結果、燃料電池セル１８４の温度も必要な狭い温度帯域に保持することができ、改質器１２０では最適な改質反応を維持することができ、効率的な発電反応を維持することができる。
【符号の説明】
【０１４２】
４  燃料電池セル
５  改質器
１６ 発電室
１８ 燃焼部
３０  燃料電池セルユニット
９０  燃料電池セルスタック
ＦＣ  燃料電池モジュール
ＦＣＳ  燃料電池
ＦＰ  燃料供給部
ＡＰ１  第１空気供給部（発電用空気供給部）
ＡＰ１  第２空気供給部（改質用空気供給部）
ＷＰ  水供給部
１０１  燃料電池装置
１０２  燃料電池モジュール
１１０  発電室
１１２  燃料電池セル集合体
１１４  燃料電池セルスタック
１１６  燃料電池セルユニット
１１８  燃焼室（燃焼部）
１２０  改質器
１２８  水流量調整ユニット
１３０  燃料流量調整ユニット
１４４  改質空気流量調整ユニット
１４５  発電用空気流量調整ユニット
１８４  燃料電池セル
２４４  燃焼室温度センサ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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