(57)【要約】      （修正有）【課題】改質触媒の偏った劣化による燃料電池の耐久性低下を抑制した固体酸化物型燃料電池を提供する。【解決手段】固体酸化物型燃料電池装置であって、発電に利用されなかった残余ガスを燃焼させる燃焼部と、上記燃焼部の上方に設けられ、上記燃焼部で生じた燃焼熱及び燃焼ガスによって加えられた熱を利用して、改質反応を生じさせる改質器２０と、上記燃料電池セル、上記燃焼部及び上記改質器を内包する発電・燃焼室１８と、上記発電・燃焼室の壁面で、且つ前記改質器の天面よりも上方に設けられ、上記発電・燃焼室内の上記燃焼ガスを集約して排出する開口部２１ａと、を有する固体酸化物型燃料電池装置において、上記改質器は、上記燃焼部から上記開口部に向かう上記燃焼ガスが、上記改質器の側面から天面に回り込むことを妨げるよう、上記改質器の側面から上記発電・燃焼室の天面に向かって延びる遮蔽部を有する。【選択図】図３
2014191970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを利用して固体酸化物型の燃料電池セルで発電反応を生じさせ、発電反応により生じた電力を負荷に供給する固体酸化物型燃料電池装置であって、
発電に利用されなかった残余ガスを燃焼させる燃焼部と、
上記燃焼部の上方に設けられ、上記燃焼部で生じた燃焼熱及び燃焼ガスによって加えられた熱を利用して、供給された原燃料を上記燃料ガスに改質する改質反応を、内部に充填された改質触媒を用いて、生じさせる改質器と、
上記燃料電池セル、上記燃焼部及び上記改質器を内包する発電・燃焼室と、
上記発電・燃焼室の壁面で、且つ前記改質器の天面よりも上方に設けられ、上記発電・燃焼室内の上記燃焼ガスを集約して排出する開口部と、を有する固体酸化物型燃料電池装置において、
上記改質器は、上記燃焼部から上記開口部に向かう上記燃焼ガスが、上記改質器の側面から天面に回り込むことを妨げるよう、上記改質器の側面から上記発電・燃焼室の天面に向かって延びる遮蔽部を有することを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項２】
上記遮蔽部を上記改質器の側面のうち上記改質器の長手方向を覆う一対の側面それぞれに設け、
上記開口部を、上記遮蔽部の間に対応する上記発電・燃焼室の壁面の位置に配設したことを特徴とする請求項１に記載された固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項３】
上記開口部はさらに、上記改質器の長手方向中央を含む範囲に設けられていることを特徴とする請求項２に記載された固体酸化物型燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池に関し、特に、燃料を水蒸気改質して生成した水素と酸化剤ガスを反応させることにより発電する固体酸化物型燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池（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】
このような従来の固体酸化物型燃料電池として、例えば、特許文献１に記載されているように、燃料ガスタンクの上方に燃料電池セルが直立するよう接続し、燃料ガスタンクから供給された燃料ガスが燃料電池セル内部の燃料ガス通路を燃料電池セルの下方端から上方端に向かって流れつつ発電反応に利用され、発電反応に利用されなかった余剰の燃料ガスは燃料電池セルの上方端からモジュール室に噴出された後、燃料電池セルの上端の上方に配置された燃焼部にて、発電用に別の供給経路を介して供給されている酸素含有ガスと燃焼させられ、燃焼部で生じた燃焼熱は、燃料電池セルの上方に設けられ、燃料ガスタンクに供給する燃料ガスを改質反応によって生成する燃料改質器に対して、改質反応に必要となる熱量を与えるよう燃料改質器を加熱し、そして燃焼ガスは、同様にして燃料改質器に熱を与えながら上昇し、これらを内包する発電室の側壁でかつ燃料改質器よりも上方に設けられた排気ガス配管から燃料電池の外部へと排気されるよう構成されている固体酸化物型燃料電池が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−０１９２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１に記載されている従来の固体酸化物型燃料電池においては、燃焼部で生じた燃焼ガスの流れが、発電室の側壁でかつ燃料改質器よりも上方に設けられた燃焼ガス配管に向かって集中するよう偏って流れ、偏った流れが燃料改質器の底面から燃料改質器の側面をなぞり、燃料改質器の天面に回りこむことで燃料改質器の底面、側面及び天面の偏った一部分を高温の燃焼ガスが覆い燃料改質器を加熱するため、燃料改質器内で改質される被改質ガスは燃焼ガス配管側で集中的に加熱され、燃焼ガス配管側以外は低温になってしまう。
【０００６】
このような状態では、燃料改質器による改質反応が、高温側では促進されるものの低温側では抑制されてしまうため、高温側における改質触媒の劣化が早まり、高温側に配置された改質触媒の耐久性が低下する。その結果、改質触媒全体では耐久性が低下し、燃料電池の耐久性が低下する懸念があった。
【０００７】
したがって、本発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、改質触媒の偏った劣化による燃料電池の耐久性低下を抑制した固体酸化物型燃料電池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】
上述した課題を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを利用して固体酸化物型の燃料電池セルで発電反応を生じさせ、発電反応により生じた電力を負荷に供給する固体酸化物型燃料電池装置であって、発電に利用されなかった残余ガスを燃焼させる燃焼部と、上記燃焼部の上方に設けられ、上記燃焼部で生じた燃焼熱及び燃焼ガスによって加えられた熱を利用して、供給された原燃料を上記燃料ガスに改質する改質反応を、内部に充填された改質触媒を用いて、生じさせる改質器と、上記燃料電池セル、上記燃焼部及び上記改質器を内包する発電・燃焼室と、上記発電・燃焼室の壁面で、且つ前記改質器の天面よりも上方に設けられ、上記発電・燃焼室の壁面で、且つ前記改質器の天面よりも上方に設けられ、上記発電・燃焼室内の上記燃焼ガスを集約して排出する開口部と、を有する固体酸化物型燃料電池装置において、上記改質器は、上記燃焼部から上記開口部に向かう上記燃焼ガスが、上記改質器の側面から天面に回り込むことを妨げるよう、上記改質器の側面から上記発電・燃焼室の天面に向かって延びる遮蔽部を有することを特徴としている。
【０００９】
このように構成された本発明においては、改質器は、開口部に向けて集約されながら流れる燃焼ガスにより、改質反応に利用される熱が偏って加えられることを軽減することができる。すなわち、上記燃焼部から上記開口部に向かう上記燃焼ガスが、上記改質器の側面から天面に回り込むことを妨げるよう、上記改質器の側面から上記発電・燃焼室の天面に向かって延びる遮蔽部を有することにより、改質器の底面、側面及び天面から加えられる偏った熱量のうち、天面から加えられる偏った熱について、遮蔽部によって燃焼ガスの改質器の側面から天面への回り込みを妨ぐことで、天面に燃焼ガスが回り込まなくなり、天面からの加熱を抑制することができる。そのため、偏って加熱される部位の熱量が軽減され、偏って加熱される高温部位と他の低温部位との差が少なくなり、改質触媒の偏った劣化による燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。
【００１０】
本発明において、好ましくは、上記遮蔽部を上記改質器の側面のうち上記改質器の長手方向を覆う一対の側面それぞれに設け、上記開口部を、上記遮蔽部の間に対応する上記発電・燃焼室の壁面の位置に配設されている。
このように構成された本発明によれば、上記遮蔽部を上記改質器の側面のうち上記改質器の長手方向を覆う一対の側面それぞれに設け、上記開口部を、上記遮蔽部の間に対応する上記発電・燃焼室の壁面の位置に配設されていることにより、燃焼部から開口部に流れる燃焼ガスが、直接開口部に流れ込み難くなり、代わりに改質器の側面のうち改質器の長手方向以外の側面、例えば長手方向の両端に位置する短手方向の両側面から遮蔽部の間に燃料ガスが流れ込みやすくなる。燃料電池では一般的に燃料電池セルが密集する中央部分が高温になりやすく、その影響を受けて改質器の長手方向の両端は、中央部分に比べて温度が低くなるため、この温度が低い長手方向の両端部分から高温の燃焼ガスが流れ込むことによって、温度が低い長手方向の両端部分が加熱され、中央部分との温度差が軽減される。すると、改質触媒の偏った劣化による燃料電池の耐久性低下を一層抑制することができる。
本発明において、好ましくは、上記開口部はさらに、上記改質器の長手方向中央を含む範囲に設けられている。このように構成された本発明においては、上記開口部はさらに、上記改質器の長手方向中央を含む範囲に設けられているため、燃焼ガスが遮蔽部の間に改質器の長手方向の両端側から流れ込んだ後、長手方向の中央付近で衝突し、開口部に流入するようになる。改質器の長手方向両端側から流入するときの流速は衝突を起こす中央付近の流速よりも速く、温度の低い改質器の長手方向両端側での熱交換が効率よく行えることに加えて、改質器の長手方向中央付近では燃焼ガスが衝突することによって流速が落ち、温度の高い改質器の長手方向中央付近での熱交換効率が低下する。これによって、改質触媒の偏った劣化による燃料電池の耐久性低下をより一層抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の固体酸化物型燃料電池によれば、改質触媒の偏った劣化による燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池を示す全体構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池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】本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池を示すブロック図である。
【図７】本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池の改質器の斜視図である。
【図８】本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池の改質器の天板を取り除いて改質器の内部を示した斜視図である。
【図９】本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池のハウジング内に収納された金属製のケース及び空気用熱交換器を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池の改質器と開口部との位置関係を示す断面図である。
【図１１】本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池の熱交換器用断熱材と、蒸発部の位置関係を示す断面図である。
【図１２】本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池の起動工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度の一例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、添付図面を参照して、本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池（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。
【００１４】
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７を介して金属製のケース８が内蔵されている。この密閉空間であるケース８の下方部分である発電室１０には、燃料と酸化剤ガス（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。
【００１５】
燃料電池モジュール２のケース８の上述した発電室１０の上方には、燃焼部である燃焼室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。さらに、ケース８は断熱材７により覆われており、燃料電池モジュール２内部の熱が、外気へ発散するのを抑制している。
また、この燃焼室１８の上方には、燃料を改質する改質器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、残余ガスの燃焼ガスにより発電用の空気を加熱し、発電用の空気を予熱する熱交換器である空気用熱交換器２２が配置されている。
【００１６】
次に、補機ユニット４は、燃料電池モジュール２からの排気中に含まれる水分を結露させた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）と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット３８から流出する燃料ガスを遮断するバルブ３９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ガス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、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６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４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８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。
【００１７】
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。
【００１８】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池（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内のケース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。
【００１９】
改質器２０は、その上流端側の端部側面に純水、改質される燃料ガス、及び改質用空気を導入するための改質器導入管６２が取り付けられている。
改質器導入管６２は、改質器２０の一端の側壁面から延びる円管であり、９０゜屈曲されて概ね鉛直方向に延び、ケース８の上端面を貫通している。なお、改質器導入管６２は、改質器２０に水を導入する水導入管として機能している。また、改質器導入管６２の上端には、Ｔ字管６２ａが接続されており、このＴ字管６２ａの概ね水平方向に延びる管の両側の端部には、燃料ガス及び純水を供給するための配管が夫々接続されている。水供給用配管６３ａはＴ字管６２ａの一方の側端から斜め上方に向けて延びている。燃料ガス供給用配管６３ｂはＴ字管６２ａの他方の側端から水平方向に延びた後、Ｕ字型に屈曲され、水供給用配管６３ａと同様の方向に、概ね水平に延びている。
【００２０】
一方、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａ、混合部２０ｂ、改質部２０ｃが形成され、この改質部２０ｃ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。
【００２１】
（請求項１のサポート）
なお、本実施形態においては、例として、蒸発部２０ａと改質器２０ｃとの間に混合部２０ｂを設けた形態について説明するが、混合部２０ｂについては省略してもよい。
【００２２】
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。また、燃料ガス供給管６４の鉛直部の途中には、流路が狭められた圧力変動抑制用流路抵抗部６４ｃが設けられ、燃料ガスの供給流路の流路抵抗が調整されている。流路抵抗の調整については後述する。
【００２３】
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。
【００２４】
一方、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。
また、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。
【００２５】
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、本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池（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の両端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子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。
【００２６】
燃料電池セル８４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細管９８が形成されている。
【００２７】
この燃料ガス流路細管９８は、内側電極端子８６の中心から燃料電池セル８４の軸線方向に延びるように設けられた細長い細管である。このため、マニホールド６６（図２）から、下側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８を通って燃料ガス流路８８に流入する燃料ガスの流れには、所定の圧力損失が発生する。従って、下側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８は、流入側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。また、燃料ガス流路８８から、上側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８を通って燃焼室１８（図２）に流出する燃料ガスの流れにも所定の圧力損失が発生する。従って、上側の内側電極端子８６の燃料ガス流路細管９８は、流出側流路抵抗部として作用し、その流路抵抗は所定の値となるように設定されている。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池（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は、８本ずつ２列に並べて配置されている。各燃料電池セルユニット１６は、下端側がセラミック製の長方形の下支持板６８（図２）により支持され、上端側は、両端部の燃料電池セルユニット１６が４本ずつ、概ね正方形の２枚の上支持板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がそれぞれ形成されている。
【００３２】
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の外周面と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとを接続するように一体的に形成されている。また、各燃料電池セルユニット１６の外側電極層９２（空気極）の外表面全体には、空気極側の電極として、銀製の薄膜が形成されている。この薄膜の表面に空気極用接続部１０２ｂが接触することにより、集電体１０２は空気極全体と電気的に接続される。
【００３３】
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）に位置する燃料電池セルユニット１６の空気極８６には、２つの外部端子１０４がそれぞれ接続されている。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の内側電極端子８６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。
【００３４】
次に図６により本実施形態による固体酸化物型燃料電池（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、本発明の第１実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体酸化物型燃料電池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。また、制御部１１０には、マイクロプロセッサ、メモリ、及びこれらを作動させるプログラム（以上、図示せず）が内蔵されており、これらにより、各センサからの入力信号に基づいて、補機ユニット４、インバータ５４等が制御される。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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
水流量センサ１３４は、改質器２０に供給される純水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。
【００３８】
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。
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、固体酸化物型燃料電池（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。
【００３９】
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。
【００４０】
次に、図７乃至８を参照して、改質器２０の詳細な構成を説明する。
図７は改質器２０の斜視図であり、図８は、天板を取り除いて改質器２０の内部を示した斜視図である。
【００４１】
図７に示すように、改質器２０は、直方体状の金属製の箱であり、内部には燃料を改質するための改質触媒が充填されている。また、改質器２０の上流側には水、燃料及び改質用空気を導入するための改質器導入管６２が接続されている。さらに、改質器２０の下流側には、内部で改質された燃料を流出させる燃料ガス供給管６４が接続されている。また、直方体の側面のうち、長手方向の側面２０２を覆う側壁は、紙面手前側、奥側の両方において、改質器２０の長辺方向全域に渡って改質器２０の天面２０１よりも上方に向かって延びる延在部２０４をそれぞれ備えている。一方、短手方向の側面２０３を覆う側壁の高さは長手方向の側面２０２よりも低く、改質器２０の天面２０１と略同一の高さとなっている。
【００４２】
図８に示すように、改質器２０の内部には、その上流側に蒸発室である蒸発部２０ａが設けられ、この蒸発部２０ａに隣接して、下流側には混合部２０ｂが設けられている。さらに、混合部２０ｂに隣接して、下流側には改質部２０ｃが設けられている。蒸発部２０ａの内部には、複数の仕切り板２０ｄが配置されることにより、曲がりくねって平面視で蛇行するように形成された蛇行通路２０ｅが設けられている。改質器２０に導入された水は、温度が上昇した状態では蒸発部２０ａ内で蒸発され、水蒸気となる。さらに、混合部２０ｂは所定の容積を有するチャンバーから構成され、その内部にも、複数の仕切り板２０ｆが配置されることにより、曲がりくねって蛇行するように形成された蛇行通路２０ｇが形成されている。改質器２０に導入された燃料ガス、改質用空気は、混合部２０ｂの曲がりくねった通路を通りながら蒸発部２０ａで生成された水蒸気と混合される。
【００４３】
一方、改質部２０ｃの内部にも、複数の仕切り板２０ｈが配置されることにより曲がりくねった通路２０ｉが形成され、この通路に触媒が充填されている。蒸発部２０ａ、混合部２０ｂを通って燃料ガス、水蒸気及び改質用空気の混合物が導入されると、改質部２０ｃでは、部分酸化改質反応及び水蒸気改質反応が発生する。さらに、燃料ガス、及び水蒸気の混合物が導入されると、改質部２０ｃでは、水蒸気改質反応のみが発生する。
なお、本実施形態においては、蒸発部、混合部、改質部が一体に構成され、１つの改質器を形成しているが、変形例として、改質部のみを備えた改質器を設け、この上流側に隣接して混合部、蒸発室を設けることもできる。
【００４４】
次に、図９及び図１１を新たに参照すると共に、図２及び図３を再び参照して、発電酸化剤ガス用熱交換器である空気用熱交換器２２の構造を詳細に説明する。図９は、ハウジング６内に収納された金属製のケース８及び空気用熱交換器２２を示す斜視図である。図１１は、蒸発室用断熱材と、蒸発部の位置関係を示す断面図である。
【００４５】
図９に示すように、空気用熱交換器２２は、燃料電池モジュール２内のケース８の上方に配置された熱交換器である。また、図２及び図３に示すように、ケース８の内部には燃焼室１８が形成され、複数の燃料電池セルユニット１６、改質器２０等が収納されているので、空気用熱交換器２２は、これらの上方に位置する。空気用熱交換器２２は、燃焼室１８内で燃焼され、排気として排出される燃焼ガスの熱を回収、利用して、燃料電池モジュール２内に導入された発電用の空気を予熱するように構成されている。また、図９に示すように、ケース８の上面と空気用熱交換器２２の底面との間には、内部断熱材である蒸発室用断熱材２３が、これらの間に挟まれるように配置されている。即ち、蒸発室用断熱材２３は、改質器２０と空気用熱交換器２２の間に配置されている。さらに、図９に示されている空気用熱交換器２２及びケース８の外側を、外側断熱材である断熱材７が覆っている（図２）。
【００４６】
図２及び図３に示すように、空気用熱交換器２２は、複数の燃焼ガス配管７０と発電用空気流路７２と、を有する。また、図２に示すように、複数の燃焼ガス配管７０の一方の端部には、排気ガス集約室７８が設けられており、この排気ガス集約室７８は、各燃焼ガス配管７０に連通されている。また、排気ガス集約室７８には、排気ガス排出管８２が接続されている。さらに、各燃焼ガス配管７０の他方の端部は開放されており、この開放された端部は、ケース８の上面に形成された連通開口８ａを介して、ケース８内の燃焼室１８に連通されている。
【００４７】
燃焼ガス配管７０は、水平方向に向けられた複数の金属製の円管であり、各円管は夫々平行に配置されている。一方、発電用空気流路７２は、各燃焼ガス配管７０の外側の空間によって構成されている。また、発電用空気流路７２の、排気ガス排出管８２側の端部には、発電用空気導入管７４（図９）が接続されており、燃料電池モジュール２の外部の空気が、発電用空気導入管７４を通って発電用空気流路７２に導入される。なお、図９に示すように、発電用空気導入管７４は、排気ガス排出管８２と平行に、空気用熱交換器２２から水平方向に突出している。さらに、発電用空気流路７２の他方の端部の両側面には、一対の連絡流路７６（図３、図９）が接続されており、発電用空気流路７２と各連絡流路７６は、夫々、出口ポート７６ａを介して連通されている。
【００４８】
図３に示すように、ケース８の両側面には、発電用空気供給路７７が夫々設けられている。空気用熱交換器２２の両側面に設けられた各連絡流路７６は、ケース８の両側面に設けられた発電用空気供給路７７の上部に夫々連通されている。また、各発電用空気供給路７７の下部には、多数の吹出口７７ａが水平方向に並べて設けられている。各発電用空気供給路７７を通って供給された発電用の空気は、多数の吹出口７７ａから、燃料電池モジュール２内の燃料電池セルスタック１４の下部側面に向けて噴射される。
【００４９】
また、ケース８内部の天井面には、隔壁である整流板２１が取り付けられており、この整流板２１には開口部２１ａが設けられている。
整流板２１は、ケース８の天井面と改質器２０の間に、水平に配置された板材である。この整流板２１は、燃焼室１８から上方に流れる気体の流れを整え、空気用熱交換器２２の入り口（図２の連通開口８ａ）に導くように構成されている。燃焼室１８から上方へ向かう発電用空気及び燃焼ガスは、整流板２１の中央に設けられた開口部２１ａを通って整流板２１の上側に流入し、整流板２１の上面とケース８の天井面の間の排気通路２１ｂを図２における左方向に流れ、空気用熱交換器２２の入り口に導かれる。また、図１１に示すように、開口部２１ａは、改質器２０の改質部２０ｃの上方に設けられており、開口部２１ａを通って上昇した気体は、蒸発部２０ａとは反対側の、図２、図１１における左側の排気通路２１ｂに流れる。このため、蒸発部２０ａの上方の空間（図２、図１１における右側）は、改質部２０ｃの上方の空間よりも排気の流れが遅く、排気の流れが淀む気体滞留空間２１ｃとして作用する。
【００５０】
また、整流板２１の開口部２１ａの縁には、全周に亘って縦壁２１ｄが設けられており、この縦壁２１ｄにより、整流板２１の下側の空間から整流板２１の上側の排気通路２１ｂに流入する流路が狭められている。さらに、排気通路２１ｂと空気用熱交換器２２を連通させる連通開口８ａの縁にも、全周に亘って下がり壁８ｂ（図２）が設けられており、この下がり壁８ｂにより、排気通路２１ｂから空気用熱交換器２２に流入する流路が狭められている。これらの縦壁２１ｄ、下がり壁８ｂを設けることにより、燃焼室１８から空気用熱交換器２２を通って燃料電池モジュール２の外部に至る排気の通路における流路抵抗が調整されている。流路抵抗の調整については後述する。
【００５１】
蒸発室用断熱材２３は、空気用熱交換器２２の底面に、概ねその全体を覆うように取り付けられた断熱材である。従って、蒸発室用断熱材２３は、蒸発部２０ａ全体の上方に亘って配置されている。この蒸発室用断熱材２３は、整流板２１の上面とケース８の天井面の間に形成された排気通路２１ｂ及び気体滞留空間２１ｃ内の高温の気体が、空気用熱交換器２２の底面を直接加熱するのを抑制するように配置されている。このため、燃料電池モジュール２の運転中においては、蒸発部２０ａの上方の排気通路に滞留している排気から、空気用熱交換器２２の底面に直接伝わる熱が少なくなり、蒸発部２０ａ周囲の温度は上昇しやすくなる。また、燃料電池モジュール２の停止後においては、蒸発室用断熱材２３が配置されていることにより、改質器２０からの熱の発散が抑制され、即ち、蒸発部２０ａ周囲の熱が空気用熱交換器２２に奪われにくくなり、蒸発部２０ａの温度低下が緩やかになる。
【００５２】
なお、蒸発室用断熱材２３は、外気への熱の散逸を抑制するために、燃料電池モジュール２のケース８及び空気用熱交換器２２全体を覆っている外側断熱材である断熱材７とは別に、断熱材７の内部に配置された断熱材である。また、断熱材７は、蒸発室用断熱材２３よりも断熱性が高く構成されている。即ち、断熱材７の内面と外面の間の熱抵抗は、蒸発室用断熱材２３の上面と下面の間の熱抵抗よりも大きくなっている。即ち、断熱材７と蒸発室用断熱材２３を同一の材料で構成する場合には、断熱材７を蒸発室用断熱材２３よりも厚く構成する。
【００５３】
次に、固体酸化物型燃料電池１の発電運転時における燃料、発電用空気、及び排気ガスの流れを説明する。
まず、燃料は、燃料ガス供給用配管６３ｂ、Ｔ字管６２ａ、改質器導入管６２を介して改質器２０の蒸発部２０ａに導入されると共に、純水は、水供給用配管６３ａ、Ｔ字管６２ａ、改質器導入管６２を介して蒸発部２０ａに導入される。従って、供給された燃料及び水はＴ字管６２ａにおいて合流され、改質器導入管６２を通って蒸発部２０ａに導入される。発電運転中においては、蒸発部２０ａは高温に加熱されているため、蒸発部２０ａに導入された純水は、比較的速やかに蒸発され水蒸気となる。蒸発された水蒸気及び燃料は、混合部２０ｂ内で混合され、改質器２０の改質部２０ｃに流入する。水蒸気と共に改質部２０ｃに導入された燃料は、ここで水蒸気改質され、水素を豊富に含む燃料ガスに改質される。改質部２０ｃにおいて改質された燃料は、燃料ガス供給管６４を通って下方に下り、分散室であるマニホールド６６に流入する。
【００５４】
マニホールド６６は、燃料電池セルスタック１４の下側に配置された比較的体積の大きい直方体状の空間であり、その上面に設けられた多数の穴が燃料電池セルスタック１４を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側に連通している。マニホールド６６に導入された燃料は、その上面に設けられた多数の穴を通って、燃料電池セルユニット１６の燃料極側、即ち、燃料電池セルユニット１６の内部を通って、その上端から流出する。また、燃料である水素ガスが燃料電池セルユニット１６の内部を通過する際、空気極（酸化剤ガス極）である燃料電池セルユニット１６の外側を通る空気中の酸素と反応して電荷が生成される。この発電に使用されずに残った残余燃料は、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出し、燃料電池セルスタック１４の上方に設けられた燃焼室１８内で燃焼される。
【００５５】
一方、酸化剤ガスである発電用の空気は、発電用の酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット４５によって、発電用空気導入管７４を介して燃料電池モジュール２内に送り込まれる。燃料電池モジュール２内に送り込まれた空気は、発電用空気導入管７４を介して空気用熱交換器２２の発電用空気流路７２に導入され、予熱される。予熱された空気は、各出口ポート７６ａ（図３）を介して各連絡流路７６に流出する。各連絡流路７６に流入した発電用の空気は、燃料電池モジュール２の両側面に設けられた発電用空気供給路７７を通って下方に流れ、多数の吹出口７７ａから、燃料電池セルスタック１４に向けて発電室１０内に噴射される。
【００５６】
発電室１０内に噴射された空気は、燃料電池セルスタック１４の空気極側（酸化剤ガス極側）である各燃料電池セルユニット１６の外側面に接触し、空気中の酸素の一部が発電に利用される。また、吹出口７７ａを介して発電室１０の下部に噴射された空気は、発電に利用されながら発電室１０内を上昇する。発電室１０内を上昇した空気は、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料を燃焼させる。この燃焼による燃焼熱は、燃料電池セルスタック１４の上方に配置された改質器２０の蒸発部２０ａ、混合部２０ｂ及び改質部２０ｃを加熱する。燃料が燃焼され、生成された燃焼ガスは、上方の改質器２０を加熱した後、改質器２０上方の開口部２１ａを通って整流板２１の上側に流入する。整流板２１の上側に流入した燃焼ガスは、整流板２１によって構成された排気通路２１ｂを通って空気用熱交換器２２の入り口である連通開口８ａに導かれる。連通開口８ａから空気用熱交換器２２に流入した燃焼ガスは、開放された各燃焼ガス配管７０の端部に流入し、各燃焼ガス配管７０外側の発電用空気流路７２を流れる発電用空気との間で熱交換を行い、排気ガス集約室７８に集約される。排気ガス集約室７８に集約された排気ガスは、排気ガス排出管８２を介して燃料電池モジュール２の外部に排出される。これにより、蒸発部２０ａにおける水の蒸発、及び改質部２０ｃにおける吸熱反応である水蒸気改質反応が促進されると共に、空気用熱交換器２２内の発電用空気が予熱される。
【００５７】
次に、燃焼ガスが改質器２０を加熱した後、改質器２０上方の開口部２１ａに至るまでの燃焼ガスの流れと、燃焼ガスによって加熱される改質器２０の様子とを図２、図３、図１０及び図１２を参考にしながら説明する。
燃焼室１８で生成された燃焼ガスは開口部２１ａに向かって流れる際、まず改質器２０の底部に当たり、改質器２０の長手方向の側面２０２側には抜けずに短手方向の両側面２０３に向けて分かれて、底部に沿って流れる。これは、長手方向の側面２０２から天面２０１に回り込もうとする燃焼ガスを延在部２０４によって遮蔽することで、燃焼ガスが遮蔽部のない短手方向の側面２０３から天面２０１に回り込もうとするためである。つまり、延在部２０４は、燃焼ガスの回り込みを遮る遮蔽部の役割を持っている。
燃焼ガスは改質器２０内部を流れる被改質ガスと熱交換を行いながら、改質器２０の短手方向の両側面２０３に沿って、改質器２０の天面２０１へ回りこむ。天面２０１へ回り込んだ燃焼ガスは改質器２０の天面２０１および、天面２０１よりも上方に延在する延在部２０４に沿って改質器２０の中央に向かって流れ、延在部２０４の間に相当する位置に配置された開口部２１aに導かれる。このときもまた改質器２０内部を流れる被改質ガスと熱交換を行う。
【００５８】
燃焼室１８から開口部２１ａに向かう燃焼ガスが、改質器２０の長手方向の側面２０２から天面２０１に回り込むことを妨ぐよう、改質器２０の長手方向の側面２０２から上方、すなわち開口部２１aが配置された発電室１０及び燃焼室１８を構成する部材の天面に向かって延びる延在部２０４を有することにより、改質器２０の底面、側面２０２及び天面２０１から加えられる偏った熱量のうち、天面２０１から加えられる偏った熱について、延在部２０４によって燃焼ガスが改質器２０の長手方向の側面２０２から天面２０１への回り込みを妨ぐことで、天面２０１に燃焼ガスが回り込まなくなり、天面２０１からの加熱を抑制することができる。そのため、偏って加熱される部位の熱量が軽減され、偏って加熱される高温部位と他の低温部位との差が少なくなり、改質触媒の偏った劣化による燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。
【００５９】
また、延在部２０４を改質器２０の側面のうち改質器２０の長手方向を覆う一対の側面２０２それぞれに設け、上記開口部２１aを、延在部２０４の間に対応する位置に配設したことにより、燃焼室１８から開口部２１aに流れる燃焼ガスが、直接開口部２１aに流れ込み難くなり、代わりに改質器２０の側面のうち改質器２０の長手方向以外の側面、例えば長手方向の両端に位置する短手方向の両側面２０３から延在部２０４の間に燃料ガスが流れ込みやすくなる。燃料電池では一般的に燃料電池セルユニット１６が密集する中央部分が高温になりやすく、その影響を受けて改質器２０の長手方向の両端は、中央部分に比べて温度が低くなるため、この温度が低い長手方向の両端部分から高温の燃焼ガスが流れ込むことによって、温度が低い長手方向の両端部分が加熱され、中央部分との温度差が軽減される。改質器２０の短手方向の両側面２０３から天面２０１に燃焼ガスが回り込むよう熱交換をされた被改質ガスは、中央付近に比べて温度が比較的低い改質器２０の長手方向の両端部においても改質に必要な熱量を十分に受け取ることができ、中央付近と長手方向の両端部とでバランスよく改質性能を発揮することができる。また、蒸発部２０ａおよび改質部２０ｃを十分に予熱することもできる。
【００６０】
開口部２１aはさらに、改質器２０の長手方向中央を含む範囲に設けられているため、燃焼ガスが延在部２０４の間に改質器２０の長手方向の両端側から流れ込んだ後、長手方向の中央付近で衝突し、開口部２１aに流入するようになる。改質器２０の長手方向両端側から流入するときの流速は衝突を起こす中央付近の流速よりも速く、温度の低い改質器２０の長手方向両端側での熱交換が効率よく行えることに加えて、改質器の長手方向中央付近では燃焼ガスが衝突することによって流速が落ち、温度の高い改質器の長手方向中央付近での熱交換効率が低下する。
このように、改質器２０の中央付近での改質効率を抑えて長手方向両端における改質効率を高めるようにしているため、改質触媒の偏った劣化による燃料電池の耐久性低下を抑制することができる。
【００６１】
次に、図１２を新たに参照して、固体酸化物型燃料電池１の起動工程における制御を説明する。
図１２は、起動工程における燃料等の各供給量、及び各部の温度の一例を示すタイムチャートである。なお、図１２の縦軸の目盛りは温度を示しており、燃料等の各供給量は、それらの増減を概略的に示したものである。
【００６２】
図１２に示す起動工程においては、常温の状態にある燃料電池セルスタック１４の温度を、発電が可能な温度まで上昇させる。
まず、図１２の時刻ｔ０において、発電用空気及び改質用空気の供給が開始される。具体的には、コントローラである制御部１１０が、発電用の酸化剤ガス供給装置である発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送って、これを作動させる。上述したように、発電用空気は、発電用空気導入管７４を介して燃料電池モジュール２内に導入され、空気用熱交換器２２、発電用空気供給路７７を経て発電室１０内に流入する。また、制御部１１０は、改質用の酸化剤ガス供給装置である改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送って、これを作動させる。燃料電池モジュール２内に導入された改質用空気は、改質器２０、マニホールド６６を経て、各燃料電池セルユニット１６の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻ｔ０においては、まだ燃料が供給されていないため、改質器２０内において改質反応は発生しない。本実施形態においては、図１２の時刻ｔ０において開始される発電用空気の供給量は約１００L/minであり、改質用空気の供給量は約１０．０L/minである。
【００６３】
次いで、図１２の時刻ｔ０から所定時間後の時刻ｔ１において、燃料の供給が開始される。具体的には、制御部１１０が、燃料供給装置である燃料流量調整ユニット３８に信号を送って、これを作動させる。本実施形態においては、時刻ｔ１において開始される燃料の供給量は約５．０L/minである。燃料電池モジュール２内に導入された燃料は、改質器２０、マニホールド６６を経て、各燃料電池セルユニット１６の内部に流入し、その上端から流出する。なお、時刻ｔ１においては、まだ改質器の温度が低温であるため、改質器２０内において改質反応は発生しない。
【００６４】
次に、図１２の時刻ｔ１から所定時間経過した時刻ｔ２において、供給されている燃料への点火工程が開始される。具体的には、点火工程においては、制御部１１０が、点火手段である点火装置８３（図２）に信号を送り、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料に点火する。点火装置８３は、燃料電池セルスタック１４の上端近傍で繰り返し火花を発生させ、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料に点火する。
【００６５】
図１２の時刻ｔ３において着火が完了すると、改質用の水の供給が開始される。具体的には、制御部１１０が、水供給装置である水流量調整ユニット２８（図６）に信号を送り、これを作動させる。本実施形態においては、時刻ｔ３に開始される水の供給量は、２．０cc/minである。時刻ｔ３においては、燃料供給量は、従前の約５．０L/minに維持される。また、発電用空気及び改質用空気の供給量も、従前の値に維持される。なお、この時刻ｔ３において、改質用空気中の酸素Ｏ２と燃料中の炭素Ｃの比Ｏ２／Ｃは約０．３２になる。
【００６６】
図１２の時刻ｔ３において着火された後、供給された燃料は、各燃料電池セルユニット１６の上端からオフガスとして流出し、ここで燃焼される。この燃焼熱は、燃料電池セルスタック１４の上方に配置された改質器２０を加熱する。ここで、改質器２０の上方（ケース８の上）には、蒸発室用断熱材２３が配置されており、これにより、燃料の燃焼開始直後において、改質器２０の温度は常温から急激に上昇する。蒸発室用断熱材２３の上に配置されている空気用熱交換器２２には外気が導入されているため、空気用熱交換器２２は、特に燃焼開始直後においては温度が低く、冷却源となりやすい。本実施形態においては、ケース８の上面と空気用熱交換器２２の底面の間に蒸発室用断熱材２３が配置されていることにより、ケース８内の上部に配置された改質器２０から空気用熱交換器２２への熱の移動が抑制され、ケース８内の改質器２０付近には熱が籠もりやすくなる。加えて、蒸発部２０ａの上方の、整流板２１の上側の空間は、燃焼ガスの流れが遅くなる気体滞留空間２１ｃ（図２）として構成されているため、蒸発部２０ａ付近は二重に断熱され、より急速に温度が上昇する。
【００６７】
このように、蒸発部２０ａの温度が急速に上昇することにより、オフガスの燃焼開始後短時間で水蒸気を生成することが可能になる。また、蒸発部２０ａには、改質用の水が少量ずつ供給されているため、多量の水が蒸発部２０ａに貯留されている場合に比べ、わずかな熱で水を沸点まで加熱することができ、早急に水蒸気の供給を開始することができる。さらに、水流量調整ユニット２８の作動開始直後から水が流入するため、水の供給遅れによる、蒸発部２０ａの過剰な温度上昇、及び水蒸気の供給遅れを回避することができる。
【００６８】
なお、オフガスの燃焼開始後、或る程度の時間が経過すると、燃焼室１８から空気用熱交換器２２に流入する排気ガスにより、空気用熱交換器２２の温度も上昇する。改質器２０と空気用熱交換器２２の間を断熱する蒸発室用断熱材２３は、断熱材７の内側に設けられた断熱材である。従って、蒸発室用断熱材２３は、燃料電池モジュール２からの熱の散逸を抑制するものではなく、オフガスの燃焼開始直後において、改質器２０、特に、その蒸発部２０ａの温度を急速に上昇させる。
【００６９】
このようにして、改質器２０の温度が上昇した時刻ｔ４において、蒸発部２０ａを経て改質部２０ｂに流入した燃料と改質用空気が、式（１）に示す部分酸化改質反応を起こすようになる。
ＣｍＨｎ＋ｘＯ２  →  aＣＯ２＋ｂＣＯ＋ｃＨ２                （１）
この部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質部２０ｂ内で部分酸化改質反応が発生すると、その周囲の温度が局部的に急上昇する。
【００７０】
一方、本実施形態においては、着火が確認された直後の時刻ｔ３から改質用の水の供給が開始されており、また、蒸発部２０ａの温度が急速に上昇するように構成されているため、時刻ｔ４においては、既に蒸発部２０ａ内で水蒸気が生成され、改質部２０ｂに供給されている。即ち、オフガスに着火された後、改質部２０ｂの温度が部分酸化改質反応が発生する温度に到達する所定時間前から水の供給が開始され、部分酸化改質反応が発生する温度に到達した時点においては、蒸発部２０ａに所定量の水が貯留され、水蒸気が生成されている。このため、部分酸化改質反応の発生により温度が急上昇すると、改質部２０ｂに供給されている改質用の水蒸気と燃料が反応する水蒸気改質反応が発生する。この水蒸気改質反応は、式（２）に示す吸熱反応であり、部分酸化改質反応よりも高い温度で発生する。
ＣｍＨｎ＋ｘＨ２Ｏ  →  aＣＯ２＋ｂＣＯ＋ｃＨ２              （２）
【００７１】
このように、図１２の時刻ｔ４に到達すると、改質部２０ｂ内では部分酸化改質反応が発生するようになり、また、部分酸化改質反応が発生することによる温度上昇で、水蒸気改質反応も同時に発生するようになる。従って、時刻ｔ４以降に改質部２０ｂ内で発生する改質反応は、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在した式（３）に示すオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）となる。即ち、時刻ｔ４においてＡＴＲ１工程が開始される。
ＣｍＨｎ＋ｘＯ２＋ｙＨ２Ｏ  →  aＣＯ２＋ｂＣＯ＋ｃＨ２       （３）
【００７２】
このように、本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池１では、起動工程の全期間において水が供給されており、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が単独で発生することはない。なお、図１２に示すタイムチャートでは、時刻ｔ４における改質器温度は約２００℃である。この改質器温度は部分酸化改質反応が発生する温度よりも低いが、改質器温度センサ１４８（図６）により検出されている温度は改質部２０ｂの平均的な温度である。実際には、時刻ｔ４においても、改質部２０ｂは部分的には部分酸化改質反応が発生する温度に到達しており、発生した部分酸化改質反応の反応熱により、水蒸気改質反応をも誘発される。このように、本実施形態においては、着火された後、改質部２０ｂが部分酸化改質が発生する温度に到達する前から、水の供給が開始されており、部分酸化改質反応が単独で発生することがない。
【００７３】
次に、改質器温度センサ１４８による検出温度が約５００℃以上に到達すると、図１２の時刻ｔ５において、ＡＴＲ１工程からＡＴＲ２工程に移行される。時刻ｔ５において、水供給量が２．０cc/minから３．０cc/minに変更される。また、燃料供給量、改質用空気供給量及び発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ＡＴＲ２工程における水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃは０．６４に増加される一方、改質用空気と炭素の比Ｏ２／Ｃは０．３２に維持される。このように、改質用空気と炭素の比Ｏ２／Ｃを一定に維持しながら、水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃを増加させることにより、部分酸化改質可能な炭素の量を低下させずに、水蒸気改質可能な炭素の量が増加される。これにより、改質部２０ｂにおける炭素析出のリスクを確実に回避しながら、改質部２０ｂの温度上昇と共に、水蒸気改質される炭素の量を増加させることができる。
【００７４】
さらに、図１２の時刻ｔ６本実施形態において、発電室温度センサ１４２による検出温度が約４００℃以上に到達すると、ＡＴＲ２工程からＡＴＲ３工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が５．０L/minから４．０L/minに変更され、改質用空気供給量が９．０L/minから６．５L/minに変更される。また、水供給量及び発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ＡＴＲ３工程における水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃは０．８０に増加される一方、改質用空気と炭素の比Ｏ２／Ｃは０．２９に減少される。
【００７５】
さらに、図１２の時刻ｔ７において、発電室温度センサ１４２による検出温度が約５５０℃以上に到達すると、ＳＲ１工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が４．０L/minから３．０L/minに変更され、水供給量が３．０cc/minから７．０cc/minに変更される。また、改質用空気の供給は停止され、発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ＳＲ１工程では、改質部２０ｂ内で専ら水蒸気改質が発生するようになり、水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃは、供給された燃料の全量を水蒸気改質するために適切な２．４９に設定される。図１２の時刻ｔ７においては、改質器２０、燃料電池セルスタック１４とも、十分に温度が上昇しているので、改質部２０ｂにおいて部分酸化改質反応が発生していなくとも、水蒸気改質反応を安定して発生させることができる。
【００７６】
次に、図１２の時刻ｔ８において、発電室温度センサ１４２による検出温度が約６００℃以上に到達すると、ＳＲ２工程に移行される。これに伴い、燃料供給量が３．０L/minから２．５L/minに変更され、水供給量が７．０cc/minから６．０cc/minに変更される。また、発電用空気供給量は従前の値が維持される。これにより、ＳＲ２工程では、水蒸気と炭素の比Ｓ／Ｃは、２．５６に設定される。
【００７７】
さらに、ＳＲ２工程を所定時間実行した後、発電工程に移行する。発電工程においては、燃料電池セルスタック１４からインバータ５４（図６）に電力が取り出され、発電が開始される。なお、発電工程では、改質部２０ｂにおいて、専ら水蒸気改質により燃料が改質される。また、発電工程においては、燃料電池モジュール２に対して要求される出力電力に対応して、燃料供給量、発電用空気供給量、及び水供給量が変更される。
【００７８】
また、発電工程において発電を実行後、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、改質器２０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。
【符号の説明】
【００７９】
１    固体酸化物型燃料電池
２    燃料電池モジュール
４    補機ユニット
７    断熱材
８    ケース
８ａ  連通開口
８ｂ  下がり壁
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（固体酸化物型燃料電池セル）
１８    燃焼室
２０    改質器
２０ａ  蒸発部
２０ｂ  混合部
２０ｃ  改質部
２０ｄ  蒸発部の仕切り板
２０ｅ  蒸発部の蛇行通路
２０ｆ  混合部の仕切り板
２０ｇ  混合部の蛇行通路
２０ｈ  改質部の仕切り板
２０ｉ  改質部の通路
２０ｊ  蒸発／混合部隔壁（熱交換抑制壁部）
２０ｋ  隔壁開口
２０ｌ  壁部本体
２０ｍ  フィン（突出部）
２０ｎ  蒸発部の入口
２０ｏ  混合／改質部隔壁
２０ｐ  連通孔
２０１  天面
２０２  側面
２０３  側面
２０４  延在部（遮蔽部）
２１    整流板
２１ａ  開口部
２１ｂ  排気通路
２１ｃ  気体滞留空間
２１ｄ  縦壁
２２    空気用熱交換器
２３    蒸発室用断熱材
２４    水供給源
２６    純水タンク
２８    水流量調整ユニット（水供給装置）
３０    燃料供給源
３８    燃料流量調整ユニット（燃料供給装置）
３９    バルブ
４０    空気供給源
４４    改質用空気流量調整ユニット（改質用の酸化剤ガス供給装置）
４５    発電用空気流量調整ユニット（発電用の酸化剤ガス供給装置）
４６    第１ヒータ
４８    第２ヒータ
５０    温水製造装置
５２    制御ボックス
５４    インバータ
６２    改質器導入管
６２ａ  Ｔ字管
６３ａ  水供給用配管
６３ｂ  燃料ガス供給用配管
６４    燃料ガス供給管
６４ｃ  圧力変動抑制用流路抵抗部
６６    マニホールド
７６    空気導入管
７６ａ  吹出口
８２    排気ガス排出管
８３    点火装置
８４    燃料電池セル
８５    排気バルブ
８６    内側電極端子
９８    燃料ガス流路細管
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
１３２    燃料流量センサ
１３８    圧力センサ
１４２    発電室温度センサ
１４８    改質器温度センサ
１５０    外気温度センサ
【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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