(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質形の燃料電池セルを含み、起動運転を行ってから前記燃料電池セルにおいて発電を行う発電運転に運転状態を遷移させる燃料電池システムであって、
燃料ガスがアノード側に供給され、酸化ガスがカソード側に供給されることで発電反応を行うように構成され、鉛直方向に沿って複数立設される管状の燃料電池セルと、
前記発電運転において主に用いられ、被改質ガスの改質を行って燃料ガスを生成する第１改質器と、
前記起動運転において主に用いられ、被改質ガスの改質を行って燃料ガスを生成する第２改質器と、
前記燃料電池セルに対して昇温された酸化ガスを供給する空気加熱部と、
前記第１改質器と前記第２改質器と前記空気加熱部とを制御し、起動運転から発電運転へと運転を移行させる制御部と、を備え、
前記制御部は、前記起動運転では前記第２改質器に部分酸化改質反応による発熱を利用した高温の燃料ガスを生成させて前記燃料電池セルに供給するように制御し、前記発電運転では前記第１改質器に主に水蒸気改質反応を行わせて生成される燃料ガスを前記燃料電池セルに供給するように制御するものであって、
前記第２改質器において改質された燃料ガスは前記燃料電池セルの下方から供給され、前記空気加熱部において昇温された酸化ガスは前記燃料電池セルの上方から供給されるようにそれぞれ構成され、
前記燃料電池セルの前記下部における温度を測定する下部温度測定部と、前記燃料電池セルの前記中部における温度を測定する中部温度測定部と、前記燃料電池セルの前記上部における温度を測定する上部温度測定部と、を更に備え、
前記制御部は、前記下部温度測定部、前記中部温度測定部、及び前記上部温度測定部が測定した前記燃料電池セルの温度に基づいて、前記燃料電池セルの下部における温度と前記燃料電池セルの前記下部よりも上方の特定位置における温度との差が第１所定温度差内に収まるように、前記第２改質器及び前記空気加熱部の少なくとも一方を制御して温度偏差緩和制御を実行し、
前記温度偏差緩和制御では、前記燃料電池セルの前記下部における温度と前記燃料電池セルの前記下部よりも上方の中部における温度との差が第２所定温度差内に収まり、前記燃料電池セルの前記中部における温度と前記燃料電池セルの前記中部よりも上方の上部における温度との差が第３所定温度差内に収まるように、前記第２改質器及び前記空気加熱部の少なくとも一方を制御するものであり、
前記燃料電池セルは、内側に酸化ガスが供給されるように構成されているものであって、前記制御部は、前記空気加熱部を制御することで前記温度偏差緩和制御を実行することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記燃料電池セルの内側に供給する酸化ガスの熱量を低減するように前記空気加熱部を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御部は、前記燃料電池セルの内側に供給する酸化ガスへの熱投入量を低減するように前記空気加熱部を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記空気加熱部は、ヒータによって予熱された酸化ガスを燃料の燃焼によって更に昇温するための燃焼触媒を有しており、燃料を優先的に減少させることで酸化ガスへの熱投入量を低減することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質形の燃料電池セルを含む燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
このような燃料電池システムとして、固体電解質形の燃料電池セルを無底又は有底の筒形状等に構成し、その燃料電池セルの内側又は外側に水素を含む燃料ガスを通すと共に、反対側には空気といった酸化ガスを通すことで発電反応を行わせるものが知られている（例えば、下記特許文献１参照）。下記特許文献１に記載されている燃料電池システムは、発電開始時や停止時において燃料電池セルの酸化を防止するためのものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２９３９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、固体電解質形の燃料電池セルを複数組み合わせて構成される固体電解質形の燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、発電効率が高く、使用する燃料ガスが少なくて済むため、主に業務用として大型化が図られる場合がある。その場合であって、個々の燃料電池セルを管状に構成する場合には、管状の長手方向に長くすることが行われる。
【０００５】
このように大型化が図られた固体電解質形の燃料電池システムでは、完全に停止した冷間状態からの起動に際して様々な解決すべき課題がある。その課題の一つとして、冷間状態からの起動では燃料電池セルに破損が起きやすいという課題がある。この破損の原因としては、複数の燃料電池セルが組み合わされた場合の各燃料電池セル間の温度差や、個々の燃料電池セルにおける温度ムラが想定される。燃料電池セルが層状に構成されている場合には、燃料電池セルにおける上方の温度と下方の温度とが乖離する温度ムラが発生すると、層間剥離が進行しやがては燃料電池セルの破損に繋がる場合もある。このような破損の恐れは、長い燃料電池セルを冷間状態から発電可能な高温状態へと遷移させる途中において特に顕著なものである。
【０００６】
具体的には、燃料電池セルが長くなると、その途中にヒータといった昇温手段を設けることが困難になるため、いずれか若しくは双方の端部近傍に昇温手段を設けて高温状態に遷移させることが考えられる。しかしながら、昇温手段を設けた近傍の温度は上昇するものの、昇温手段から離れた部分の温度を同じように上昇させることは困難である。特に、燃料電池セルを鉛直方向に沿って上下に延びるように配置した場合、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）は下から上に流れるため、反応オフガスを燃焼させる領域が上方に位置することや、熱は上昇するものであるといった性質によって、燃料電池セルの下方は温度が上昇し難い傾向にある。これに対して、上述した従来の技術では、運転開始時において燃料電池セルをバーナーで予熱している。燃料電池セルに対するバーナーの位置は、燃料電池セルの下方であるが（特許文献１の図１参照）、このようにバーナーを下方に配置して燃料電池セルを加熱すると輻射熱によって燃料電池セルの下方のみが局所的に高温状態となってしまう恐れがある。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、長い燃料電池セルを用いる燃料電池システムにおいても、冷間状態から起動して発電状態へと遷移させる過程において燃料電池セルの破損を防止することができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、固体電解質形の燃料電池セルを含み、起動運転を行ってから前記燃料電池セルにおいて発電を行う発電運転に運転状態を遷移させる燃料電池システムであって、燃料ガスがアノード側に供給され、酸化ガスがカソード側に供給されることで発電反応を行うように構成され、鉛直方向に沿って複数立設される管状の燃料電池セルと、前記発電運転において主に用いられ、被改質ガスの改質を行って燃料ガスを生成する第１改質器と、前記起動運転において主に用いられ、被改質ガスの改質を行って燃料ガスを生成する第２改質器と、前記燃料電池セルに対して昇温された酸化ガスを供給する空気加熱部と、前記第１改質器と前記第２改質器と前記空気加熱部とを制御し、起動運転から発電運転へと運転を移行させる制御部と、を備え、前記制御部は、前記起動運転では前記第２改質器に部分酸化改質反応による発熱を利用した高温の燃料ガスを生成させて前記燃料電池セルに供給するように制御し、前記発電運転では前記第１改質器に主に水蒸気改質反応を行わせて生成される燃料ガスを前記燃料電池セルに供給するように制御するものであって、前記第２改質器において改質された燃料ガスは前記燃料電池セルの下方から供給され、前記空気加熱部において昇温された酸化ガスは前記燃料電池セルの上方から供給されるようにそれぞれ構成されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明における第１改質器は、主に水を用いた被改質ガスの改質、すなわちオートサーマル改質反応又は水蒸気改質反応による改質を行うものである。一方、第２改質器は、発熱反応である部分酸化改質反応による発熱を利用した高温の燃料ガスを生成するものである。第２改質器は、部分酸化改質反応による被改質ガスの改質を行ったり、その部分酸化改質反応に繋げてオートサーマル改質反応による被改質ガスの改質を行ったりし、部分酸化改質反応による発熱を維持して高温の燃料ガスを生成する。本発明の燃料電池システムは、起動運転から発電運転に移行するものであって、起動運転においては発電運転に必要な温度まで燃料電池セルの温度を上昇させるものとしている。そこで本発明では、起動運転においては第２改質器から供給される燃料ガスを燃料電池セルに供給し、発電運転においては第１改質器から供給される燃料ガスを燃料電池セルに供給することで、起動運転において必要な熱を燃料電池セルに与えている。更に本発明では、第２改質器において改質された燃料ガスは燃料電池セルの下方から供給され、空気加熱部において昇温された酸化ガスは燃料電池の上方から供給されるようにすることで、燃料電池セルの上方と下方とからそれぞれ昇温された気体を供給し、この昇温された気体との熱交換によって燃料電池セルを暖めている。このように、燃料電池セルの上方及び下方からそれぞれ供給される昇温された気体によって燃料電池セルを暖めることで、輻射熱による局所的な温度上昇を抑制することができ、燃料電池セルの長手方向における温度ムラを解消することができる。
【００１０】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部は、前記燃料電池セルの下部における温度と前記燃料電池セルの前記下部よりも上方の特定位置における温度との差が第１所定温度差内に収まるように、前記第２改質器及び前記空気加熱部の少なくとも一方を制御して温度偏差緩和制御を実行することも好ましい。
【００１１】
本発明のように、管状の燃料電池セルを鉛直方向に沿って上下に延びるように配置した場合、反応オフガスを燃焼させる領域が上方に位置することや、熱は上昇するものであるといった性質によって、燃料電池セルの下方は温度が上昇し難い傾向にある。そこで本発明のこの態様では、燃料電池セルの下部における温度とその上方の特定位置における温度との差が第１所定温度差内に収まるように温度偏差緩和制御を行うことで、温度が上昇し難い燃料電池セルの下部が取り残されることなく、極端な温度ムラの発生を防止することができる。
【００１２】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部は、前記燃料電池セルの前記下部における温度と前記燃料電池セルの前記下部よりも上方の中部における温度との差が第２所定温度差内に収まり、前記燃料電池セルの前記中部における温度と前記燃料電池セルの前記中部よりも上方の上部における温度との差が第３所定温度差内に収まるように、前記第２改質器及び前記空気加熱部の少なくとも一方を制御して前記温度偏差緩和制御を実行することも好ましい。
【００１３】
上述したように本発明の構成では、燃料電池セルの下部温度が上昇し難い傾向にあるので、燃料電池セルの下部における温度が下部よりも上の特定位置の温度との差を所定範囲内に収める温度偏差緩和制御を行っている。更にこの好ましい態様では、燃料電池セルの下部温度と中部温度との差が第２所定温度差内に収まり、燃料電池セルの中部温度と上部温度との差が第２所定温度差内に収まるように第２改質器又は空気加熱部を制御する。この制御によって、燃料電池セルの中部を挟んで上方に向かう温度差と下方に向かう温度差とが大きく広がらないように構成することができるので、燃料電池セル全体の温度ムラを抑制することができる。
【００１４】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料電池セルの前記下部における温度を測定する下部温度測定部と、前記燃料電池セルの前記中部における温度を測定する中部温度測定部と、前記燃料電池セルの前記上部における温度を測定する上部温度測定部と、を備え、前記制御部は、前記下部温度測定部、前記中部温度測定部、及び前記上部温度測定部が測定した前記燃料電池セルの温度に基づいて前記温度偏差緩和制御を実行することも好ましい。
【００１５】
この態様では、下部温度測定部、中部温度測定部、及び上部温度測定部を備え、それぞれによって燃料電池セルの下部温度、中部温度、及び上部温度を測定することができるので、制御部はそれら測定温度に基づいて燃料電池セル全体の温度ムラを抑制するように正確に温度偏差緩和制御を実行することができる。
【００１６】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料電池セルは、内側に酸化ガスが供給されるように構成されているものであって、前記制御部は、前記空気加熱部を制御することで前記温度偏差緩和制御を実行することも好ましい。
【００１７】
この態様では、各燃料電池セルの内側に昇温された酸化ガスが供給されるように構成されているので、第２改質器において改質された燃料ガスは各燃料電池セルの外側に供給されることになる。制御部が空気加熱部を制御することで温度偏差緩和制御を行うので、各燃料電池セル内部に供給される気体の温度を調整することで直接的に燃料電池セルの温度ムラ解消を行うことになり、燃料電池セルの温度偏差緩和を確実に行うことができる。また、空気加熱部の制御のみによって温度偏差緩和制御を行うので、第２改質器における改質反応の制御を行う必要が無く、容易且つ効率的に温度偏差緩和制御を実行することができる。一方、第２改質器を制御することで温度偏差緩和制御を行えば、各燃料電池セルの外側から燃料電池セルの温度ムラ解消を行うことになり、燃料ガスが燃料電池セル以外の部分にも接触することになるため、複数の燃料電池セル相互の温度ムラが生じてしまう。そのため、この態様では、空気加熱部の制御によって、燃料電池セルの内側に上方から導入される酸化ガスの温度を調整し、燃料電池セルの温度ムラ解消を効率的且つ確実に行うものとしている。
【００１８】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部は、前記燃料電池セルの内側に供給する酸化ガスの熱量を低減するように前記空気加熱部を制御することも好ましい。上述したように本発明は、管状の燃料電池セルを鉛直方向に沿って上下に延びるように配置しているので、反応オフガスを燃焼させる領域が上方に位置することや、熱は上昇するものであるといった性質によって、燃料電池セルの下方は温度が上昇し難い傾向にある。そこでこの態様では、燃料電池セルの内側に供給する酸化ガスの熱量を低減することで燃料電池セル上方の温度上昇を抑制し、第２改質器における改質反応を制御する必要が無いので、簡便且つ効果的に燃料電池セルの温度ムラを抑制することができる。
【００１９】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部は、前記燃料電池セルの内側に供給する酸化ガスへの熱投入量を低減するように前記空気加熱部を制御することも好ましい。この態様では、酸化ガスへの熱投入量を低減することで、酸化ガスの熱量を低減するので、酸化ガスへ熱を投入するためのエネルギーを低減することができ、省エネルギーに資すると共に燃料電池セルの温度ムラを抑制することができる。
【００２０】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記空気加熱部は、ヒータによって予熱された酸化ガスを燃料の燃焼によって更に昇温するための燃焼触媒を有しており、燃料を優先的に減少させることで酸化ガスへの熱投入量を低減することも好ましい。この態様では、燃料を優先的に減少させて酸化ガスへの熱投入量を低減させているので、無駄な燃料を消費することなく効果的に燃料電池セルの温度ムラを抑制することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、長い燃料電池セルを用いる燃料電池システムにおいても、冷間状態から起動して発電状態へと遷移させる過程において燃料電池セルの破損を防止することができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本願発明の実施形態である燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。
【図２】図１に示す燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの、燃料電池モジュールを中心とした詳細な構成を示す構成図である。
【図４】図１〜３に示す燃料電池システムの起動運転について説明するための図である。
【図５】図１〜３に示す燃料電池システムの温度偏差緩和制御について説明するためのフローチャートである。
【図６】図５に示す温度偏差緩和制御を説明するために燃料電池セルの温度分布の例を示す図である。
【図７】図５に示す温度偏差緩和制御を説明するために燃料電池セルの温度分布の例を示す図である。
【図８】図５に示す温度偏差緩和制御を説明するために燃料電池セルの温度分布の例を示す図である。
【図９】図５に示す温度偏差緩和制御を説明するために燃料電池セルの温度分布の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２４】
図１を参照しながら、本発明の一実施形態である燃料電池システムについて説明する。図１は、一実施形態としての燃料電池システムＦＣＳの全体構成を示す概略構成図である。図１に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、補器ユニットＡＤＵと、貯水タンクＷＰ２と、温水製造装置ＨＷとを備えている。
【００２５】
まず、燃料電池モジュールＦＣＭについて説明する。燃料電池モジュールＦＣＭは、燃料電池ＦＣと、改質器ＲＦと、制御ボックスＣＢと、一酸化炭素検知器ＣＯＤと、可燃ガス検知器ＧＤ１とを備えている。燃料電池ＦＣは、固体電解質形の燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）であって、発電室ＦＣ１と燃焼室ＦＣ２とを備えている。
【００２６】
発電室ＦＣ１には複数本の燃料電池セルＣＥが配置されている。燃料電池セルＣＥは、電解質を挟んで燃料極（アノード）と空気極（カソード）とが設けられているものであって、燃料極側に燃料ガスを通し、空気極側に酸化ガスとしての空気を通すことで発電反応を起こすことができるように構成されている。本実施形態の燃料電池ＦＣは固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるので、電解質を構成する材料としては、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といった酸素イオン導電性酸化物を用いている。
【００２７】
燃料極を構成する材料としては、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といった材料が用いられる。空気極を構成する材料としては、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、銀といった材料が用いられる。もっとも、電解質や燃料極及び空気極を構成する材料はこれらに限られるものではない。
【００２８】
発電室ＦＣ１において発電された電気は電力取出ラインＥＰ１によって発電電力として取り出されて利用される。燃焼室ＦＣ２は、発電室ＦＣ１に配置された燃料電池セルＣＥによって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる部分である。燃焼室ＦＣ２において燃料ガスが燃焼した結果生じる排気ガスは、改質器ＲＦと熱交換をした後に温水製造装置ＨＷへと供給される。温水製造装置ＨＷへと供給された排気ガスは更に熱交換を行い、水道水を昇温して温水とした後に外部へと排出される。
【００２９】
改質器ＲＦは、被改質ガスを改質して燃料ガスとし、燃料電池ＦＣの発電室ＦＣ１へと供給する部分である。被改質ガスの改質態様としては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ：Ｐａｒｔｉａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ：Ａｕｔｏ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、水蒸気改質反応（ＳＲ：Ｓｔｅａｍ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）があり、運転状況に応じて選択的に実行される。改質器ＲＦは、改質部ＲＦ１と、蒸発部ＲＦ２とを備えている。
【００３０】
蒸発部ＲＦ２は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を改質部ＲＦ１に供給する部分である。改質部ＲＦ１は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される被改質ガス、空気及び蒸発部ＲＦ２から供給される水蒸気を用いて被改質ガスを改質して燃料ガスとする部分である。改質部ＲＦ１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。本実施形態の場合、これらの改質触媒は球体である。
【００３１】
制御ボックスＣＢは、燃料電池システム制御部をその内部に収納し、操作装置や表示装置、報知装置が設けられているものである。燃料電池システム制御部、操作装置、表示装置、報知装置については後述する。
【００３２】
一酸化炭素検知器ＣＯＤは、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスの不完全燃焼が起きてしまい、一酸化炭素が燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。可燃ガス検知器ＧＤ１は、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスが燃え残ってしまい、いわゆる生ガスが燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。
【００３３】
続いて、補器ユニットＡＤＵについて説明する。補器ユニットＡＤＵは、燃料電池モジュールＦＣＭに水、被改質ガス、及び空気を供給するための補器を備えるユニットである。補器ユニットＡＤＵは、空気供給部として空気ブロワや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂ、及び電磁弁ＡＰ２と、燃料供給部として燃料ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＦＰ１、脱硫器ＦＰ２、ガス遮断弁ＦＰ４、及びガス遮断弁ＦＰ５と、水供給部として水ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＷＰ１と、可燃ガス検知器ＧＤ２と、を備えている。
【００３４】
外部の空気供給源から供給される空気は、電磁弁ＡＰ２が閉じていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂに供給されず、電磁弁ＡＰ２が開いていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ａによって流量調整された空気は改質用空気として、ヒータＡＨ１によって昇温され、被改質ガスとの混合部ＭＶに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ｂによって流量調整された空気は発電用空気として、ヒータＡＨ２（空気加熱部）によって昇温され、燃料電池モジュールＦＣＭの発電室ＦＣ１に供給される。発電室ＦＣ１に供給された発電用空気は、燃料電池セルＣＥの空気極に供給される。
【００３５】
外部の燃料供給源から供給される都市ガスは、２連電磁弁であるガス遮断弁ＦＰ４及びガス遮断弁ＦＰ５によってその流入が制御される。ガス遮断弁ＦＰ４，ＦＰ５のいずれもが開いていれば、都市ガスは脱硫器ＦＰ２に供給され、ガス遮断弁ＦＰ４，ＦＰ５のいずれかが閉じていれば、都市ガスは遮断される。脱硫器ＦＰ２に供給された都市ガスは、硫黄成分を除去されて被改質ガスとなり、流量調整ユニットＦＰ１に供給される。流量調整ユニットＦＰ１によって流量調整された被改質ガスは、改質用空気との混合部ＭＶに供給される。混合部ＭＶにおいて混合された被改質ガスと改質用空気とは、燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦに供給される。
【００３６】
外部の水供給源から供給される水道水は、純水とされてから貯水タンクＷＰ２に貯水される。貯水タンクＷＰ２に貯水されている純水は、流量調整ユニットＷＰ１によって流量が調整されて燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される。
【００３７】
可燃ガス検知器ＧＤ２は、燃料供給部としての系統であるガス遮断弁ＦＰ５、ガス遮断弁ＦＰ４、脱硫器ＦＰ２、流量調整ユニットＦＰ１において、ガス漏れが発生していわゆる生ガスが外部に放出されないか検知するためのセンサである。
【００３８】
続いて、図２を参照しながら本実施形態の燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成について説明する。図２は、燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成を示すブロック図である。図２に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、燃料電池モジュールＦＣＭに空気を供給する空気供給部ＡＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに燃料ガスとなる被改質ガスを供給する燃料供給部ＦＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに水を供給する水供給部ＷＰと、燃料電池モジュールＦＣＭから電力を取り出す電力取出部ＥＰとを備えている。空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは補器ユニットＡＤＵに収められている。
【００３９】
燃料電池モジュールＦＣＭ、空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池システム制御部ＣＳから出力される制御信号に基づいて制御される。燃料電池システム制御部ＳＣは、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭといったメモリ、及び制御信号やセンサ信号を授受するためのインターフェイスによって構成されている。燃料電池システム制御部ＳＣには、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３が取り付けられている。
【００４０】
操作装置ＣＳ１から入力される操作指示信号は燃料電池システム制御部ＣＳに出力され、燃料電池システム制御部ＣＳは、その操作指示信号に基づいて、燃料電池モジュールＦＣＭ等を制御する。燃料電池システム制御部ＣＳが制御した情報や、所定の警告情報は、表示装置ＣＳ２及び報知装置ＣＳ３に出力される。操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３の具体的なハードウェア構成は特に限定されるものではなく、必要となる機能に応じて最適なハードウェア構成が選択される。一例としては、操作装置ＣＳ１として、キーボード、マウス、タッチパネルといったハードウェアが用いられる。表示装置ＣＳ２としては、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイといった表示系のハードウェアが用いられる。報知装置ＣＳ３としては、スピーカー、点灯器といったハードウェアが用いられる。燃料電池システム制御部ＣＳは制御ボックスＣＢに収められている。また操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、報知装置ＣＳ３は、図示しないボックスに収められ屋内に配置されている。
【００４１】
燃料電池システム制御部ＣＳには、燃料電池システムＦＣＳの各所に設けられたセンサからセンサ信号が出力される。燃料電池システム制御部ＣＳに信号を出力するセンサとしては、改質器温度センサＤＳ１、スタック温度センサＤＳ２、排気温度センサＤＳ３、改質器内圧力センサＤＳ４、水位センサＤＳ５、水流量センサＤＳ６、燃料流量センサＤＳ７、改質用空気流量センサＤＳ８、発電用空気流量センサＤＳ９、電力状態検出部ＤＳ１０、貯湯状態検出センサＤＳ１１、一酸化炭素検出センサＤＳ１２、可燃ガス検出センサＤＳ１３が設けられている。
【００４２】
改質器温度センサＤＳ１は、改質器ＲＦの温度を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は２つ設けられている。スタック温度センサＤＳ２は、発電室ＦＣ１に配置されている燃料電池セルＣＥの温度を測定するためのセンサであって、複数の燃料電池セルＣＥからなる燃料電池セルスタック近傍に配置されている。排気温度センサＤＳ３は、燃焼室ＦＣ２から排出される排気ガスの温度を測定するためのセンサであって、燃焼室ＦＣ２から改質器ＲＦ近傍を通って温水製造装置ＨＷに至る経路に配置されている。改質器内圧力センサＤＳ４は、改質器ＲＦ内の圧力を測定するためのセンサである。なお、ここでは改質器ＲＦ内の圧力をセンサで測定するようにしているが、改質器ＲＦの前段で燃料と水が混合される部分の圧力を検出するものであっても良い。
【００４３】
水位センサＤＳ５は、貯水タンクＷＰ２の水位を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は４つ設けられている。水流量センサＤＳ６は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される純水の流量を測定するためのセンサである。燃料流量センサＤＳ７は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される被改質ガスの流量を測定するためのセンサである。改質用空気流量センサＤＳ８は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される改質用空気の流量を測定するためのセンサである。発電用空気流量センサＤＳ９は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される発電用空気の流量を測定するためのセンサである。
【００４４】
電力状態検出部ＤＳ１０は、センシング手段の集合体であって、燃料電池モジュールＦＣＭから取り出す発電電力の状態を検出する部分である。貯湯状態検出センサＤＳ１１は、センシング手段の集合体であって、温水製造装置ＨＷの貯湯状態を検出する部分である。
【００４５】
一酸化炭素検出センサＤＳ１２は、一酸化炭素検知器ＣＯＤに備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ内における一酸化炭素のハウジング内への漏れを検出するセンサである。可燃ガス検出センサＤＳ１３は、可燃ガス検知器ＧＤ１，ＧＤ２に備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵ内における可燃ガスの漏洩を検出するセンサである。
【００４６】
続いて、図３を参照しながら本実施形態の燃料電池システムＦＣＳを構成する燃料電池モジュールＦＣＭの詳細な構成について説明する。図３は、燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成を示すブロック図である。
【００４７】
図３に示すように、燃料電池モジュールＦＣＭは、発電室ＦＣ１と、分散室ＤＢと、燃焼室ＦＣ２と、水蒸気改質器ＲＦＳ（第１改質器）と、部分酸化改質器ＲＦＰ（第２改質器）とを備えている。発電室ＦＣ１、分散室ＤＢ、燃焼室ＦＣ２、及び水蒸気改質器ＲＦＳは同一の容器Ｃ内に収容されており、部分酸化改質器ＲＦＰは、容器Ｃの外部に配設されている。
【００４８】
分散室ＤＢは、発電室ＦＣ１の下部に配設されている。この分散室ＤＢは、水蒸気改質器ＲＦＳ又は部分酸化改質器ＲＦＰで改質された燃料ガスを分散させ、発電室ＦＣ１内に燃料ガスを均一に供給するためのものであり、その上壁には、燃料ガスを発電室ＦＣ１内に供給する複数の穴（図示せず）が貫通形成されている。また、分散室ＤＢの底面には、水蒸気改質器ＲＦＳ又は部分酸化改質器ＲＦＰから供給される燃料ガスを分散室ＤＢ内に導入するための導入穴（図示せず）が貫通形成されている。これにより、分散室ＤＢの底面側（下側）から導入された燃料ガスは、ここで分散され、発電室ＦＣ１の底面側（下側）から発電室ＦＣ１内に導入され、発電室ＦＣ１内に立設された燃料電池セルＣＥの燃料極に供給される。
【００４９】
図３に示す形態の場合、改質器ＲＦは、水蒸気改質器ＲＦＳと部分酸化改質器ＲＦＰとに分けて設けられている。まず、水蒸気改質器ＲＦＳの構成について説明する。水蒸気改質器ＲＦＳは、蒸発部ＲＦＳ１、予熱部ＲＦＳ２、及び改質部ＲＦＳ３を備えている。
【００５０】
改質部ＲＦＳ３は、燃焼室ＦＣ２の上部に配設されている。改質部ＲＦＳ３の上部には、予熱部ＲＦＳ２が配設され、更にその上方には蒸発部ＲＦＳ１が配設されている。蒸発部ＲＦＳ１は、補器ユニットＡＤＵ側から純水が供給され、その純水を蒸発させて水蒸気となし、その水蒸気を予熱部ＲＦＳ２に送り込む。予熱部ＲＦＳ２は、蒸発部ＲＦＳ１から水蒸気が供給されると共に、補器ユニットＡＤＵ側から被改質ガスとしての都市ガスが供給される。予熱部ＲＦＳ２においては水蒸気と被改質ガスである都市ガスとが混合され、その混合されたガスは改質部ＲＦＳ３に送り込まれる。改質部ＲＦＳ３は、予熱部ＲＦＳ２から水蒸気及び被改質ガスが供給され、改質触媒の作用によって被改質ガスを改質して燃料ガスとなし、分散室ＤＢへと送り込んでいる。このように、水蒸気改質器ＲＦＳ（改質部ＲＦＳ３）は、容器Ｃ内に配設されており、且つ同じ容器Ｃ内に配設された燃焼室ＦＣ２の上方に配設されているため、燃焼室ＦＣ２で生じる熱を用いて吸熱反応である水蒸気改質反応を効率よく行うことができる。
【００５１】
部分酸化改質器ＲＦＰは、容器Ｃの外側面下部に断熱材を介して配設されている。部分酸化改質器ＲＦＰは、被改質ガス、空気、純水が供給されるように構成されている。部分酸化改質器ＲＦＰで改質された燃料ガスは、分散室ＤＢの底面に形成された前述した図示しない導入穴から分散室ＤＢに供給される。部分酸化改質器ＲＦＰと分散室ＤＢとを連通して燃料ガスを流通させる配管は断熱材ＨＩで包まれている。部分酸化改質器ＲＦＰは、起動モードの際と、運転停止モードの際に、被改質ガスに部分酸化改質又は水を用いた改質を行うが、水を必要としない部分酸化改質反応（ＰＯＸ）時には、燃料電池システム制御部ＣＳによって、部分酸化改質器ＲＦＰに純水が供給されないように制御される。
【００５２】
発電室ＦＣ１に配置されている燃料電池セルＣＥの温度を測るため、スタック温度センサＤＳ２ａ（上部温度測定部）、スタック温度センサＤＳ２ｂ（中部温度測定部）、スタック温度センサＤＳ２ｃ（下部温度測定部）が配置されている。スタック温度センサＤＳ２ａは、燃料電池セルＣＥの上部温度を測定するために、スタック温度センサＤＳ２ｂよりも上方に配置されている。スタック温度センサＤＳ２ｃは、燃料電池セルＣＥの下部温度を測定するために、スタック温度センサＤＳ２ｂよりも下方に配置されている。スタック温度センサＤＳ２ｂは、燃料電池セルＣＥの中部温度を測定するために、スタック温度センサＤＳ２ａとスタック温度センサＤＳ２ｃとの間であって、燃料電池セルＣＥの中央部近傍に配置されている。
【００５３】
各燃料電池セルＣＥに高温の酸化ガスを供給するために、触媒燃焼器１０及び空気ヘッダ１５が設けられている。触媒燃焼器１０には、触媒が充填されており、空気と燃料ガスとが供給され、所定のＳＶ（空間速度）値を上回る着火条件を満たした場合に着火して燃焼するように構成されている。触媒燃焼器１０には、流量調整ユニットＡＰ１ｂから送出され、ヒータＡＨ２によって昇温された空気が供給されるように構成されている。また、触媒燃焼器１０には、都市ガスが直接供給されるように構成されている。触媒燃焼器１０によって更に昇温された空気は空気ヘッダ１５に供給される。空気ヘッダ１５は、複数の燃料電池セルＣＥそれぞれに空気を分配供給するように構成されている。
【００５４】
続いて、燃料電池システムＦＣＳの起動運転及び発電運転における各種改質反応の切り替えについて図４を参照しながら説明する。図４は、燃料電池システムＦＣＳの起動時における各部の温度や流量を示すグラフである。図４の（ａ）は、燃料電池セルＣＥの空気極（カソード）側に供給する空気の流量等を示し、図４の（ｂ）は、部分酸化改質器ＲＦＰに関するガス流量等を示し、図４の（ｃ）は、水蒸気改質器ＲＦＳに関するガス流量等を示している。
【００５５】
具体的には、図４の（ａ）は、触媒燃焼器１０に供給される空気の流量（発電用空気流量センサＤＳ９によって検出）２０と、触媒燃焼器１０に直接供給される都市ガスの流量（図示しない都市ガス流量センサによって検出）２１と、ヒータＡＨ２の温度（ヒータＡＨ２の仕様と印加電圧によって算出）２２と、触媒燃焼器１０の出口温度（図示しない温度センサによって検出）２３と、燃焼室ＦＣ２の温度（図示しない温度センサによって検出）２４とを示している。横軸は時間を示し、左側の縦軸は温度（℃）及び空気流量（ＮＬＭ：Ｎｏｒｍａｌ  Ｌｉｔｔｅｒ  ｐｅｒ  Ｍｉｎｕｔｅ）を示し、右側の縦軸は都市ガスの流量（ＮＬＭ）を示している。
【００５６】
図４の（ｂ）は、部分酸化改質器ＲＦＰに供給される空気の流量（改質用空気流量センサＤＳ８によって検出）２５と、部分酸化改質器ＲＦＰに供給される都市ガスの流量（燃料流量センサＤＳ７によって検出）２６と、部分酸化改質器ＲＦＰに供給される水の流量（水流量センサＤＳ６によって検出）２７と、ヒータＡＨ１の温度（ヒータＡＨ１の仕様と印加電圧によって算出）２８と、部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度（改質器温度センサＤＳ１によって検出）２９と、部分酸化改質器ＲＦＰの反応管出口温度（改質器温度センサＤＳ１によって検出）３０とを示している。横軸は時間を示し、左側の縦軸は温度（℃）を示し、右側の縦軸は空気の流量及び都市ガスの流量（ＮＬＭ）及び水の流量（ｍｌＭ：ｍｌ  ｐｅｒ  Ｍｉｎｕｔｅ）を示している。
【００５７】
図４の（ｃ）は、燃料電池セルＣＥの温度（スタック温度センサＤＳ２によって検出）３１と、水蒸気改質器ＲＦＳに供給される都市ガスの流量（燃料流量センサＤＳ７によって検出）３２と、水蒸気改質器ＲＦＳに供給される水の流量（水流量センサＤＳ６によって検出）３３と、電力取出ラインＥＰ１から取り出す電流（電力状態検出部ＤＳ１０によって検出）３４とを示している。横軸は時間を示し、左側の縦軸は温度（℃）を示し、右側の縦軸は燃料ガスの流量（ＮＬＭ）及び水の流量（ｍｌＭ）を示している。
【００５８】
まず、スタートと同時にカソード側への空気供給を開始する（図４の（ａ））。この空気流量２０は４００ＮＬＭである。また、スタートと同時に部分酸化改質器ＲＦＰへの空気供給を開始する（図４の（ｂ））。この空気流量２５は２０ＮＬＭである。カソード側への空気が流れ始めたことを確認し、ヒータＡＨ２をＯＮする（図４の（ａ）における時刻ｔ１）。時刻ｔ１からヒータＡＨ２への通電を開始し、時刻ｔ２までにヒータＡＨ２の温度２２が７５０℃になるように制御する。一方、部分酸化改質器ＲＦＰへの空気が流れ始めたことを確認し、ヒータＡＨ１をＯＮする（図４の（ｂ）における時刻ｔ１）。時刻ｔ１からヒータＡＨ１への通電を開始し、時刻ｔ２までにヒータＡＨ１の温度２８が６００℃になるように制御する。
【００５９】
カソード側において、ヒータＡＨ２によって昇温された空気が供給されるので、触媒燃焼器１０の出口温度２３と燃焼室ＦＣ２の温度２４が上昇する。触媒燃焼器１０の出口温度２３が４００℃に到達すると、空気の供給流量２０を１５０ＮＬＭに落とし、燃料電池セルＣＥへのヒートショックを極力抑えるような着火条件を設定する（図４の（ａ）における時刻ｔ３から時刻ｔ４）。その後、時刻ｔ４において、都市ガスを触媒燃焼器１０へ直接供給開始する。この都市ガスの流量２１は０．５ＮＬＭである。その後、燃料電池セルＣＥへのヒートショックを防ぐように、時刻ｔ５から徐々に空気と都市ガスの供給量を増やしていく。空気の供給流量２０は４００ＮＬＭに戻し、都市ガスの供給流量２１は２ＮＬＭへと増やす。この結果、触媒燃焼器１０の出口温度２３が７００℃以上９００℃以下となって、燃料電池セルＣＥを上部から加熱する。尚、燃料電池セルＣＥの上下の温度差は１５０℃以内となるように制御し、燃焼室ＦＣ２の温度と燃料電池セルＣＥの上部の温度との差が１５０℃以内となるように制御する。
【００６０】
図４の（ｂ）に示すように、部分酸化改質器ＲＦＰでは、ヒータＡＨ１によって昇温された空気が供給されるので、部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度２９及び反応管出口温度３０が上昇する。部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度２９が４００℃以上となったことを条件として、時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて空気の供給流量２５を減らし、５ＮＬＭ程度まで低減し、燃料電池セルＣＥへのヒートショックを極力抑えるような着火条件を設定する。部分酸化改質器ＲＦＰへ被改質ガスとしての都市ガスを供給する（図４の（ｂ）の時刻ｔ６）。この供給流量２６は、１ＮＬＭである。更に、時刻ｔ７からは、水も供給される。この供給流量２７は、１ｍｌＭである。
【００６１】
このように、被改質ガスとしての都市ガス、空気、水が供給されて所定温度が確保された部分酸化改質器ＲＦＰでは、部分酸化改質反応ＰＯＸとオートサーマル改質反応ＡＴＲとが行われているものと想定される。
【００６２】
部分酸化改質反応ＰＯＸは、部分酸化改質器ＲＦＰに被改質ガスと空気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（１）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2                （１）
部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので起動性が高く、燃料電池システムＦＣＳの起動当初において好適な改質反応である。ただし、部分酸化改質反応ＰＯＸは、水素収率が理論上少なく、発熱反応を制御するのも難しいことから、燃料電池モジュールＦＣＭへ熱供給が必要な起動当初においてのみ利用されるのが好ましい改質反応である。
【００６３】
オートサーマル改質反応ＡＴＲは、部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとの中間的な改質反応であって、部分酸化改質器ＲＦＰに被改質ガスと空気と水蒸気とを供給して行う改質反応であり、化学反応式（２）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2        （２）
オートサーマル改質反応ＡＴＲは、水素収率が部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとの中間であり、反応熱のバランスが取りやすく、部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとを繋ぐ反応として好適な改質反応である。本実施形態の場合は、水を少なく供給して部分酸化改質反応ＰＯＸにより近いオートサーマル改質反応ＡＴＲ１を先に行い、温度が上昇した後に水を増やすように供給して水蒸気改質反応ＳＲにより近いオートサーマル改質反応ＡＴＲ２を後に行っている。
【００６４】
図４の（ｂ）に示すように、部分酸化改質反応ＰＯＸが支配的に進行していると思われる時刻ｔ６から時刻ｔ７では、部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度２９や反応管出口温度３０が急激に上昇している。その後、時刻ｔ８から時刻ｔ９にかけて、空気、都市ガス、水を徐々に増やし、部分酸化改質反応ＰＯＸに近いオートサーマル改質反応ＡＴＲ１から水蒸気改質反応により近いオートサーマル改質反応ＡＴＲ２へと移行することで、温度バランスを取りながら、部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度２９及び反応管出口温度３０を徐々に上昇させている。尚、時刻ｔ９において、空気の供給流量２５は２０ＮＬＭ、都市ガスの供給流量２６は４ＮＬＭ、水の供給流量２７は４ｍｌＭである。
【００６５】
上述したように、燃料電池セルＣＥの上方からは、触媒燃焼器１０によって昇温された酸化ガスとしての空気が供給され、燃料電池セルＣＥの下方からは、部分酸化改質器ＲＦＰによって昇温された燃料ガスが供給され、燃料電池セルＣＥの温度がバランスよく徐々に上昇する（図４の（ｃ））。蒸発部ＲＦ２の温度が所定温度を上回った時刻ｔ１０から、水蒸気改質器ＲＦＳへと水の供給を開始する。この際の水の供給流量は、１〜３ｍｌＭである。その後、水蒸気改質器ＲＦＳの温度が所定温度を上回った時刻ｔ１１から、水蒸気改質器ＲＦＳへと被改質ガスとしての都市ガスの供給を開始する。この際の都市ガスの供給流量は、１ＮＬＭである。時刻ｔ１１の後、水及び都市ガスの供給流量を徐々に上昇させていく。この水蒸気改質器ＲＦＳにおいては、水蒸気改質反応ＳＲが支配的に進行していると想定される。
【００６６】
水蒸気改質反応ＳＲは、水蒸気改質器ＲＦＳに被改質ガスと水蒸気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（３）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2              （３）
水蒸気改質反応ＳＲは、水素収率が最も高く、高効率な反応である。ただし、水蒸気改質反応ＳＲは、吸熱反応であるので熱源が必要であり、燃料電池システムＦＣＳの起動当初よりはある程度温度が上昇した段階において好適な改質反応である。
【００６７】
このようにして発電準備を整えた後の時刻ｔ１２から、電力の取出を開始し、発電運転を開始する。これに呼応するように、時刻ｔ１２の後の時刻ｔ１３において、触媒燃焼器１０への直接の都市ガス供給を停止する（図４の（ａ））。その後、ヒータＡＨ２も停止させる（図４の（ａ）の時刻ｔ１６）。
【００６８】
時刻ｔ１３の後の時刻ｔ１４から、部分酸化改質器ＲＦＰへの空気を昇温させるヒータＡＨ１の通電量を徐々に低下させ、時刻ｔ１５において停止する。その時刻ｔ１５から部分酸化改質器ＲＦＰへの空気、都市ガス、水の供給も低減させる。時刻ｔ１５の後の時刻ｔ１６において、空気、都市ガス、水の供給流量を所定値に維持した後、時刻ｔ１７において空気の供給を停止する。その後、時刻ｔ１８までは都市ガスと水を供給し続けて、水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱反応を起こさせて降温させる。時刻ｔ１８において都市ガスの供給を停止し、水蒸気によって部分酸化改質器ＲＦＰの反応管内をパージした後、時刻ｔ１９において水の供給を停止する。
【００６９】
尚、図４に示す形態では、ヒータＡＨ１への通電量を低下させて、ヒータＡＨ１の発熱を徐々に低下させた後に、空気の供給流量を低減させたけれども、これとは逆に空気の供給流量を増やすように制御することも好ましい。ヒータＡＨ１による発熱を徐々に低下させることで、部分酸化改質器ＲＦＰへ供給する空気の温度の急変を防止することができ、ひいては部分酸化改質器ＲＦＰから供給する燃料ガスの温度の急変も防止することができる。更に、ヒータＡＨ１による発熱の抑制に合わせて部分酸化改質器ＲＦＰへの空気供給量を増やすことで、投入される熱量が急変することも防止することができる。
【００７０】
また、発電運転の開始後（図４に示す形態では、時刻ｔ１２の後）に、水蒸気改質器ＲＦＳから供給する燃料ガスに含まれる水素量と部分酸化改質器ＲＦＰから供給する燃料ガスに含まれる水素量との総和が略一定となるように、部分酸化改質器ＲＦＰによる燃料ガスの供給を徐々に減少させている。発電運転の開始後に部分酸化改質器ＲＦＰによる燃料ガスの供給を徐々に減少させるにあたって、水蒸気改質器ＲＦＳ及び部分酸化改質器ＲＦＰから供給される燃料ガスに含まれる水素量の総和を維持することで、発電運転の開始後にまで部分酸化改質器ＲＦＰの稼動を継続させることによる発電運転への影響を低減させることができる。
【００７１】
また、本実施形態では、発電運転の開始後に、燃料電池セルＣＥに供給される酸化ガスの温度が略一定となるように、空気加熱媒体である触媒燃焼器１０による昇温を徐々に低下させている。発電運転に移行すると、水蒸気改質器ＲＦＳによって改質された燃料ガスも供給され、燃料電池セルＣＥ上方において残余の燃料ガスと残余の酸化ガスとが燃焼する量も増え、結果として燃料電池セルＣＥ上方がより高温化する傾向にある。そこでこの態様では、触媒燃焼器１０による酸化ガスの昇温を低下させ、燃料電池セルＣＥに供給される酸化ガスの温度を略一定とすることで、燃料電池セルＣＥの上下方向における温度差を抑制することができる。
【００７２】
本実施形態では、発電室ＦＣ１に配置されている燃料電池セルＣＥの温度を測るため、燃料電池セルＣＥの上部温度を測定するスタック温度センサＤＳ２ａ（上部温度測定部）、燃料電池セルＣＥの中部温度を測定するスタック温度センサＤＳ２ｂ（中部温度測定部）、燃料電池セルＣＥの下部温度を測定するスタック温度センサＤＳ２ｃ（下部温度測定部）が配置されているので、燃料電池セルＣＥの温度バランスをより高度に保った運転が可能である。続いて、燃料電池セルＣＥの温度バランスをより高度に保つように制御する温度偏差緩和制御の詳細について、図５を参照しながら説明する。図５は、温度偏差緩和制御を説明するためのフローチャートである。
【００７３】
ステップＳ０１では、起動制御中であるか判断する。起動制御中であるとは、発電運転の前の起動運転である場合を示すものであり、例えば図４に示すような運転例では、時刻が０からｔ１２の間の場合である。起動制御中でなければリターンし、起動制御中であればステップＳ０２の処理に進む。
【００７４】
ステップＳ０２では、燃料電池セルＣＥの温度を計測する。燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１はスタック温度センサＤＳ２ａで計測し、燃料電池セルＣＥの中部温度Ｔ２はスタック温度センサＤＳ２ｂで計測し、燃料電池セルＣＥの下部温度Ｔ３はスタック温度センサＤＳ２ｃで計測する。
【００７５】
ステップＳ０２に続くステップＳ０３では、空気加熱運転中であるか判断する。空気加熱運転中であるとは、触媒燃焼器１０において燃焼が始まる前の段階を示すものであり、例えば図４に示すような運転例では、時刻０から時刻ｔ４の間の場合である。空気加熱運転中でなければリターンし、空気加熱運転中であればステップＳ０４の処理に進む。
【００７６】
ステップＳ０４では、部分酸化改質器ＲＦＰが運転開始温度まで昇温されたか判断する。例えば図４に示すような運転例では、部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度が４００℃以上となったか否かで判断している。部分酸化改質器ＲＦＰが運転開始温度まで昇温されていなければリターンし、部分酸化改質器ＲＦＰが運転開始温度まで昇温されていればステップＳ０５の処理に進む。
【００７７】
ステップＳ０５では、燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と中部温度Ｔ２との差が６０℃以内であるか判断する。燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と中部温度Ｔ２との差が６０℃以内でなければステップＳ１６の処理に進み、燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と中部温度Ｔ２との差が６０℃以内であればステップＳ０６の処理に進む。
【００７８】
ステップＳ０６では、燃料電池セルＣＥの中部温度Ｔ２と下部温度Ｔ３との差が６０℃以内であるか判断する。燃料電池セルＣＥの中部温度Ｔ２と下部温度Ｔ３との差が６０℃以内でなければステップＳ１６の処理に進み、燃料電池セルＣＥの中部温度Ｔ２と下部温度Ｔ３との差が６０℃以内であればステップＳ０７の処理に進む。尚、本実施形態では、燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と中部温度Ｔ２とを比較し、更に燃料電池セルＣＥの中部温度Ｔ２と下部温度Ｔ３とを比較したけれども、これらをまとめて燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と下部温度Ｔ３とを比較するようにしても構わない。その場合、燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と下部温度Ｔ３との差が１２０℃以内であるか否かで判断する。
【００７９】
ステップＳ０７では、燃焼運転への移行許可がなされる。ステップＳ０７に続くステップＳ０８では、燃焼運転中であるか判断する。燃焼運転中であるとは、触媒燃焼器１０において燃焼が始まった後の段階を示すものであり、例えば図４に示すような運転例では時刻ｔ４から時刻ｔ１０までの間である。燃焼運転中でなければリターンし、燃焼運転中であればステップＳ０９の処理に進む。
【００８０】
ステップＳ０９では、燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と中部温度Ｔ２との差が７５℃以内であるか判断する。燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と中部温度Ｔ２との差が７５０℃以内でなければステップＳ１６の処理に進み、燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と中部温度Ｔ２との差が７５℃以内であればステップＳ１０の処理に進む。
【００８１】
ステップＳ１０では、燃料電池セルＣＥの中部温度Ｔ２と下部温度Ｔ３との差が７５℃以内であるか判断する。燃料電池セルＣＥの中部温度Ｔ２と下部温度Ｔ３との差が７５℃以内でなければステップＳ１６の処理に進み、燃料電池セルＣＥの中部温度Ｔ２と下部温度Ｔ３との差が７５℃以内であればステップＳ１１の処理に進む。尚、本実施形態では、燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と中部温度Ｔ２とを比較し、更に燃料電池セルＣＥの中部温度Ｔ２と下部温度Ｔ３とを比較したけれども、これらをまとめて燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と下部温度Ｔ３とを比較するようにしても構わない。その場合、燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と下部温度Ｔ３との差が１５０℃以内であるか否かで判断する。
【００８２】
ステップＳ１１では、水蒸気改質運転（ＳＲ運転）への移行許可がなされる。ステップＳ１１に続くステップＳ１２では、水蒸気改質運転（ＳＲ運転）中であるか判断する。水蒸気改質運転（ＳＲ運転）中であるとは、水蒸気改質器ＲＦＳにおいて改質反応が始まるように水及び都市ガスが供給された後で発電が始まる前の段階を示すものであり、例えば図４に示すような運転例では時刻ｔ１０から時刻ｔ１２の間である。水蒸気改質運転（ＳＲ運転）中でなければリターンし、水蒸気改質運転（ＳＲ運転）中であればステップＳ１３の処理に進む。
【００８３】
ステップＳ１３では、燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と中部温度Ｔ２との差が１００℃以内であるか判断する。燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と中部温度Ｔ２との差が１００℃以内でなければステップＳ１６の処理に進み、燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と中部温度Ｔ２との差が１００℃以内であればステップＳ１４の処理に進む。
【００８４】
ステップＳ１４では、燃料電池セルＣＥの中部温度Ｔ２と下部温度Ｔ３との差が１００℃以内であるか判断する。燃料電池セルＣＥの中部温度Ｔ２と下部温度Ｔ３との差が１００℃以内でなければステップＳ１６の処理に進み、燃料電池セルＣＥの中部温度Ｔ２と下部温度Ｔ３との差が１００℃以内であればステップＳ１５の処理に進む。尚、本実施形態では、燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と中部温度Ｔ２とを比較し、更に燃料電池セルＣＥの中部温度Ｔ２と下部温度Ｔ３とを比較したけれども、これらをまとめて燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と下部温度Ｔ３とを比較するようにしても構わない。その場合、燃料電池セルＣＥの上部温度Ｔ１と下部温度Ｔ３との差が２００℃以内であるか否かで判断する。このように本実施形態では、ステップＳ０５，Ｓ０６における初期の温度差制限を６０℃とし、ステップＳ１３，Ｓ１４における後期の温度差制限を１００℃としている。運転後期は上下方向の温度差がつきやすい状態であるので、後期の温度差制限を緩和することで実際の温度状態に即した制御が可能となっている。
【００８５】
ステップＳ１５では、発電運転への移行許可がなされる。一方、ステップＳ１６では、触媒燃焼器１０に空気を供給する空気ヒータＡＨ２への通電量を低下させ、空気ヒータＡＨ２から与えられる熱量を低減させる。ステップＳ１６に続くステップＳ１７では、発電運転への移行禁止がなされる。
【００８６】
尚、ステップＳ１６では、空気ヒータＡＨ２への通電量を低下させたけれども、触媒燃焼器１０への都市ガス供給量を低下させることも好ましい。空気ヒータＡＨ２への通電量を低下させることは、温度変更感度の観点からはより好ましいけれども、燃料電池セルＣＥの上下温度差が極めて大きい場合等には都市ガス供給量の低下と併用することも好ましい。
【００８７】
本実施形態ではこのように、燃料電池セルＣＥの上方からはヒータＡＨ２及び触媒燃焼器１０によって昇温された酸化ガスを供給し、燃料電池セルＣＥの下方からは部分酸化改質器ＲＦＰによって昇温された燃料ガスを供給することで、燃料電池セルＣＥの上方及び下方を昇温し、更には中央部との温度差や上方と下方との間の温度差が余りに開かないように制御している。この概念を図に示すと、図６に示すようになる。このようにするのは、発電後において燃料電池セルＣＥの上方及び下方の温度差が開かないようにするためである。燃料電池セルＣＥが発電状態になると、図７に示すように中央部の温度が高くなり、上方及び下方の温度が低下する。例えば、図６に示すような温度状態にせずに発電を開始すれば、図７に示すような温度状態となってしまい、燃料電池セルＣＥの軸方向における温度偏差大きくなり、燃料電池セルＣＥに剥離等の不具合が発生する恐れがある。そこで、発電状態になる前に図６に示すような温度状態とすることで、発電後には図８に示すような温度状態とすることができ、燃料電池セルＣＥの軸方向における温度偏差を緩和することができる。
【００８８】
また、本実施形態では、燃料電池セルＣＥの下方への加温を極力長く行うように制御を行っている。これは、燃料電池セルＣＥの上方には燃焼室ＦＣ２があるため、発電運転後においても上方からは加温されるのに対して、燃料電池セルＣＥの下方は加温する手段がなくなってしまうためである。そのため、燃料電池セルＣＥの下方には部分酸化改質器ＲＦＰからの高温の燃料ガスを供給することで、燃料電池セルＣＥの下方の温度が上方に比べて下がらないようにしている。燃料電池セルＣＥの下方の温度が上方の温度に比べて低い状態で発電を開始すれば、図９に示すような温度状態となり、燃料電池セルＣＥの上方のみが温度上昇してしまい、燃料電池セルＣＥに剥離等の不具合が発生する恐れがあるためである。
【符号の説明】
【００８９】
ＡＤＵ：補器ユニット
ＡＨ１：ヒータ
ＡＨ２：ヒータ
ＡＰ：空気供給部
ＡＰ１ａ，ＡＰ１ｂ：流量調整ユニット
ＡＰ２：電磁弁
ＣＢ：制御ボックス
ＣＥ：燃料電池セル
ＣＯＤ：一酸化炭素検知器
ＣＳ：燃料電池システム制御部
ＣＳ１：操作装置
ＣＳ２：表示装置
ＣＳ３：報知装置
ＤＳ１：改質器温度センサ
ＤＳ２：スタック温度センサ
ＤＳ３：排気温度センサ
ＤＳ４：改質器内圧力センサ
ＤＳ５：水位センサ
ＤＳ６：水流量センサ
ＤＳ７：燃料流量センサ
ＤＳ８：改質用空気流量センサ
ＤＳ９：発電用空気流量センサ
ＤＳ１０：電力状態検出部
ＤＳ１１：貯湯状態検出センサ
ＤＳ１２：一酸化炭素検出センサ
ＤＳ１３：可燃ガス検出センサ
ＥＰ：電力取出部
ＥＰ１：電力取出ライン
ＦＣ：燃料電池
ＦＣ１：発電室
ＦＣ２：燃焼室
ＦＣＭ：燃料電池モジュール
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＦＰ：燃料供給部
ＦＰ１：流量調整ユニット
ＦＰ２：脱硫器
ＦＰ４，ＦＰ５：ガス遮断弁
ＧＤ１，ＧＤ２：可燃ガス検知器
ＨＷ：温水製造装置
ＭＶ：混合部
ＲＦ：改質器
ＲＦ１：改質部
ＲＦ２：蒸発部
ＳＣ：燃料電池システム制御部
ＷＰ：水供給部
ＷＰ１：流量調整ユニット
ＷＰ２：貯水タンク
１０：触媒燃焼器
１５：空気ヘッダ
ＲＦＰ：部分酸化改質器
ＲＦＳ：水蒸気改質器
ＲＦＳ１：改質部
ＲＦＳ１：蒸発部
ＲＦＳ２：予熱部
ＲＦＳ３：改質部
２０：空気流量（触媒燃焼器）
２１：都市ガス流量（触媒燃焼器）
２２：ヒータ温度
２３：触媒燃焼器出口温度
２４：燃焼室温度
２５：空気流量（部分酸化改質器）
２６：都市ガス流量（部分酸化改質器）
２７：水流量（部分酸化改質器）
２８：ヒータ温度
２９：反応管入口温度（部分酸化改質器）
３０：反応管出口温度（部分酸化改質器）
３１：燃料電池セル温度
３２：都市ガス流量（水蒸気改質器）
３３：水流量（水蒸気改質器）
３４：電流
【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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