(57)【要約】【課題】簡単な構成及び工程で、熱自立の促進を図るとともに、排ガスを良好に処理することを可能にする。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１２及び制御装置２０を備える。制御装置２０は、燃焼装置５５の温度と燃焼装置温度範囲とを比較する燃焼装置温度比較部１２０と、前記燃焼装置温度比較部１２０による比較結果に基づいて、前記燃焼装置５５が失火しているか否かを判断する燃焼装置失火判断部１２２と、前記燃焼装置失火判断部１２２による判断結果に基づいて、起動用燃焼器５４の起動又は停止を行う燃焼装置制御部１２４とを備える。【選択図】図１
2014032823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
燃焼ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する熱交換器と、
前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器、及び、前記燃料ガス又は該燃料ガスを生成する原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器を有する燃焼装置と、
前記燃料電池スタックの発電量を制御する制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記燃焼装置の温度と予め設定された燃焼装置温度範囲とを比較する燃焼装置温度比較部と、
前記燃焼装置温度比較部による比較結果に基づいて、前記燃焼装置が失火しているか否かを判断する燃焼装置失火判断部と、
前記燃焼装置失火判断部による判断結果に基づいて、前記起動用燃焼器の起動又は停止を行う燃焼装置制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの温度と予め設定された燃料電池スタック温度範囲とを比較する燃料電池スタック温度比較部と、
前記燃料電池スタック温度比較部による比較結果に基づいて、前記燃料電池スタックが発電可能な温度であるか否かを判断する燃料電池スタック発電判断部と、
を備え、
前記燃焼装置制御部は、前記燃料電池スタック発電判断部による判断結果に基づいて、前記起動用燃焼器の起動又は停止を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの温度と予め設定された燃料電池スタック温度範囲とを比較する燃料電池スタック温度比較部と、
前記燃料電池スタック温度比較部による比較結果に基づいて、前記燃料電池スタックが発電可能な温度であるか否かを判断する燃料電池スタック発電判断部と、
を備え、
前記燃焼装置制御部は、前記燃焼装置温度比較部により、前記燃焼装置の温度ＢＴが、設定最低温度ＢＴｍｉｎ未満であることが検出され、且つ、前記燃料電池スタック温度比較部により、前記燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘ以下であることが検出された際、前記起動用燃焼器を起動させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの温度と予め設定された燃料電池スタック温度範囲とを比較する燃料電池スタック温度比較部と、
前記燃料電池スタック温度比較部による比較結果に基づいて、前記燃料電池スタックが発電可能な温度であるか否かを判断する燃料電池スタック発電判断部と、
を備え、
前記燃焼装置制御部は、前記燃焼装置温度比較部により、前記燃焼装置の温度ＢＴが、設定最低温度ＢＴｍｉｎから設定最高温度ＢＴｍａｘの間であることが検出され、且つ、前記燃料電池スタック温度比較部により、前記燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最低温度ＳＴｍｉｎ未満であることが検出された際、前記起動用燃焼器を起動させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの温度と予め設定された燃料電池スタック温度範囲とを比較する燃料電池スタック温度比較部と、
前記燃料電池スタック温度比較部による比較結果に基づいて、前記燃料電池スタックが発電可能な温度であるか否かを判断する燃料電池スタック発電判断部と、
を備え、
前記制御装置は、前記燃焼装置温度比較部により、前記燃焼装置の温度ＢＴが、設定最低温度ＢＴｍｉｎから設定最高温度ＢＴｍａｘの間であることが検出され、且つ、前記燃料電池スタック温度比較部により、前記燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えることが検出された際、前記燃料電池スタックに供給される前記酸化剤ガスを増加させ、又は前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを減少させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの温度と予め設定された燃料電池スタック温度範囲とを比較する燃料電池スタック温度比較部と、
前記燃料電池スタック温度比較部による比較結果に基づいて、前記燃料電池スタックが発電可能な温度であるか否かを判断する燃料電池スタック発電判断部と、
を備え、
前記制御装置は、前記燃焼装置温度比較部により、前記燃焼装置の温度ＢＴが、設定最高温度ＢＴｍａｘを超えることが検出され、且つ、前記燃料電池スタック温度比較部により、前記燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えることが検出された際、前記燃料電池スタックに供給される前記酸化剤ガスを増加させ、又は前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを減少させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの温度と予め設定された燃料電池スタック温度範囲とを比較する燃料電池スタック温度比較部と、
前記燃料電池スタック温度比較部による比較結果に基づいて、前記燃料電池スタックが発電可能な温度であるか否かを判断する燃料電池スタック発電判断部と、
を備え、
前記制御装置は、前記燃焼装置温度比較部により、前記燃焼装置の温度ＢＴが、設定最高温度ＢＴｍａｘを超えることが検出され、且つ、前記燃料電池スタック温度比較部により、前記燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えることが検出された際、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを減少させ、又は前記燃料電池スタックの発電量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池スタックであることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、
燃焼ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する熱交換器と、
前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器、及び、前記燃料ガス又は該燃料ガスを生成する原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器を有する燃焼装置と、
前記燃料電池スタックの発電量を制御する制御装置と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃焼装置の温度と予め設定された燃焼装置温度範囲とを比較する燃焼装置温度比較工程と、
前記燃焼装置温度比較工程による比較結果に基づいて、前記燃焼装置が失火しているか否かを判断する燃焼装置失火判断工程と、
前記燃焼装置失火判断工程による判断結果に基づいて、前記起動用燃焼器の起動又は停止を行う起動用燃焼器制御工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
請求項９記載の制御方法において、前記燃料電池スタックの温度と予め設定された燃料電池スタック温度範囲とを比較する燃料電池スタック温度比較工程と、
前記燃料電池スタック温度比較工程による比較結果に基づいて、前記燃料電池スタックが発電可能な温度であるか否かを判断する燃料電池スタック発電判断工程と、
前記燃料電池スタック発電判断工程による判断結果に基づいて、前記起動用燃焼器の起動又は停止を行う起動用燃焼器制御工程と、
を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の制御方法において、前記燃焼装置温度比較工程により、前記燃焼装置の温度ＢＴが、設定最低温度ＢＴｍｉｎ未満であることが検出され、且つ、前記燃料電池スタック温度比較工程により、前記燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘ以下であることが検出された際、前記起動用燃焼器制御工程では、前記起動用燃焼器を起動させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
請求項１０記載の制御方法において、前記燃焼装置温度比較工程により、前記燃焼装置の温度ＢＴが、設定最低温度ＢＴｍｉｎから設定最高温度ＢＴｍａｘの間であることが検出され、且つ、前記燃料電池スタック温度比較工程により、前記燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最低温度ＳＴｍｉｎ未満であることが検出された際、前記起動用燃焼器制御工程では、前記起動用燃焼器を起動させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１３】
請求項１０記載の制御方法において、前記燃焼装置温度比較工程により、前記燃焼装置の温度ＢＴが、設定最低温度ＢＴｍｉｎから設定最高温度ＢＴｍａｘの間であることが検出され、且つ、前記燃料電池スタック温度比較工程により、前記燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えることが検出された際、前記燃料電池スタックに供給される前記酸化剤ガスを増加させ、又は前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを減少させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１４】
請求項１０記載の制御方法において、前記燃焼装置温度比較工程により、前記燃焼装置の温度ＢＴが、設定最高温度ＢＴｍａｘを超えることが検出され、且つ、前記燃料電池スタック温度比較工程により、前記燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えることが検出された際、前記燃料電池スタックに供給される前記酸化剤ガスを増加させ、又は前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを減少させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１５】
請求項１０記載の制御方法において、前記燃焼装置温度比較工程により、前記燃焼装置の温度ＢＴが、設定最高温度ＢＴｍａｘを超えることが検出され、且つ、前記燃料電池スタック温度比較工程により、前記燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えることが検出された際、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを減少させ、又は前記燃料電池スタックの発電量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項１６】
請求項９〜１５のいずれか１項に記載の制御方法において、前記燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池スタックであることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この固体電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックを組み込むシステムとして、例えば、特許文献１に開示された燃料電池発電システムが知られている。この燃料電池発電システムは、図１６に示すように、燃料電池本体の燃料極１ａから排出した燃料排ガスを、燃料予熱器２ａ内で熱交換に利用した後、リサイクルライン３ａにより外部から供給される燃料と混合して再利用している。一方、燃料電池本体の空気極４ａから排出した排空気を、空気予熱器５ａ内で熱交換に利用した後、リサイクルライン６ａにより外部から供給される空気と混合して再利用している。
【０００４】
さらに、残りの燃料排ガス及び排空気は、燃焼器７ａで燃焼され、前記燃焼器７ａでの高温の燃焼排ガスは、ボトミングサイクルにおける排ガス発電手段８ａの発電効率の向上に寄与している、としている。
【０００５】
また、特許文献２に開示された燃料電池システムでは、図１７に示すように、外部から導入される燃料ガス１ｂを起動時に改質、あるいは不完全燃焼させて還元性ガス２ｂとして燃料極に供給する起動燃焼器３ｂと、燃料極側より排出される燃料極オフガス４ｂを燃焼させる排ガス燃焼器５ｂと、前記排ガス燃焼器５ｂから発生する熱で空気６ｂを加熱する熱交換器７ｂとを備えている。
【０００６】
さらに、特許文献３に開示された燃料電池では、図１８に示すように、発電単位である板状の固体酸化物形燃料電池セルが上下方向に複数個積層された燃料電池スタック１ｃと、前記燃料電池スタック１ｃの上下両側に配置される空気予熱器２ｃ、燃焼器３ｃ及び改質器４ｃとを備えている。
【０００７】
改質器４ｃの下方には、原料ガス及び空気の供給を受けて燃料電池スタック１ｃを加熱するバーナ５ｃが配置されるとともに、これらが断熱容器６ｃ内に収容されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−５２７２７号公報
【特許文献２】特開２００５−１６６４３９号公報
【特許文献３】特開２０１２−３８６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の特許文献１では、燃料排ガス及び排空気は、燃料予熱器２ａ及び空気予熱器５ａ内で熱交換された後、燃焼器７ａに供給されている。このため、燃焼器７ａに供給される排ガス（燃料排ガス及び排空気）温度が低下し、失火し易く、前記排ガスが燃焼されずにそのまま外部に排出されるという問題がある。
【００１０】
また、上記の特許文献２では、排ガス燃焼器５ｂを備えているが、この排ガス燃焼器５ｂが失火した際に良好に対応することができない。従って、排ガス燃焼器５ｂから未燃焼の排ガスが排出されてしまうという問題がある。
【００１１】
さらに、上記の特許文献３では、燃焼器３ｃとバーナ５ｃとの間に改質器４ｃが配置されている。これにより、燃焼器３ｃが失火した際、バーナ５ｃにより前記燃焼器３ｃに熱量を付与しようとすると、改質器４ｃが高温になり過ぎてしまい、前記改質器４ｃの性能低下が惹起されるという問題がある。
【００１２】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び工程で、熱自立の促進を図るとともに、排ガスを良好に処理することが可能な燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックと、燃焼ガスとの熱交換により前記酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する熱交換器と、前記燃料電池スタックから排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器、及び、前記燃料ガス又は該燃料ガスを生成する原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器を有する燃焼装置と、前記燃料電池スタックの発電量を制御する制御装置と、を備える燃料電池システム及びその制御方法に関するものである。
【００１４】
この燃料電池システムでは、制御装置は、燃焼装置の温度と予め設定された燃焼装置温度範囲とを比較する燃焼装置温度比較部と、前記燃焼装置温度比較部による比較結果に基づいて、前記燃焼装置が失火しているか否かを判断する燃焼装置失火判断部と、前記燃焼装置失火判断部による判断結果に基づいて、起動用燃焼器の起動又は停止を行う燃焼装置制御部と、を備えている。
【００１５】
また、この燃料電池システムでは、制御装置は、燃料電池スタックの温度と予め設定された燃料電池スタック温度範囲とを比較する燃料電池スタック温度比較部と、前記燃料電池スタック温度比較部による比較結果に基づいて、前記燃料電池スタックが発電可能な温度であるか否かを判断する燃料電池スタック発電判断部と、を備え、燃焼装置制御部は、前記燃料電池スタック発電判断部による判断結果に基づいて、起動用燃焼器の起動又は停止を行うことが好ましい。
【００１６】
このため、燃料電池スタック温度が、燃料電池スタック温度範囲未満である際には、起動用燃焼器の起動を行って前記燃料電池スタック温度を昇温させる。一方、燃料電池スタック温度が、燃料電池スタック温度範囲を超える際には、起動用燃焼器の停止を行って前記燃料電池スタック温度を降温させる。従って、燃料電池スタック温度は、最適な稼働温度域に維持することができ、熱自立の向上を図ることが可能になる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることがなく、自ら発生する熱のみで燃料電池スタックの動作温度を維持することをいう。
【００１７】
さらに、この燃料電池システムでは、制御装置は、燃料電池スタックの温度と予め設定された燃料電池スタック温度範囲とを比較する燃料電池スタック温度比較部と、前記燃料電池スタック温度比較部による比較結果に基づいて、前記燃料電池スタックが発電可能な温度であるか否かを判断する燃料電池スタック発電判断部と、を備え、燃焼装置制御部は、燃焼装置温度比較部により、燃焼装置の温度ＢＴが、設定最低温度ＢＴｍｉｎ未満であることが検出され、且つ、前記燃料電池スタック温度比較部により、前記燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘ以下であることが検出された際、起動用燃焼器を起動させることが好ましい。
【００１８】
これにより、起動用燃焼器を起動させることにより、燃焼装置の温度ＢＴ及び燃料電池スタックの温度ＳＴを昇温させることができる。このため、燃焼装置及び燃料電池スタックを最適な稼働温度域に維持することが可能になり、熱自立の向上を図ることができる。しかも、燃焼装置から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま（燃焼されることがなく）排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することが可能になる。
【００１９】
さらにまた、この燃料電池システムでは、制御装置は、燃料電池スタックの温度と予め設定された燃料電池スタック温度範囲とを比較する燃料電池スタック温度比較部と、前記燃料電池スタック温度比較部による比較結果に基づいて、前記燃料電池スタックが発電可能な温度であるか否かを判断する燃料電池スタック発電判断部と、を備え、燃焼装置制御部は、燃焼装置温度比較部により、燃焼装置の温度ＢＴが、設定最低温度ＢＴｍｉｎから設定最高温度ＢＴｍａｘの間であることが検出され、且つ、前記燃料電池スタック温度比較部により、前記燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最低温度ＳＴｍｉｎ未満であることが検出された際、起動用燃焼器を起動させることが好ましい。
【００２０】
従って、起動用燃焼器を起動させることにより、燃料電池スタックの温度ＳＴを昇温させることができる。これにより、燃焼装置及び燃料電池スタックを最適な稼働温度域に維持することが可能になり、熱自立の向上を図ることができる。しかも、燃焼装置から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することが可能になる。
【００２１】
また、この燃料電池システムでは、制御装置は、燃料電池スタックの温度と予め設定された燃料電池スタック温度範囲とを比較する燃料電池スタック温度比較部と、前記燃料電池スタック温度比較部による比較結果に基づいて、前記燃料電池スタックが発電可能な温度であるか否かを判断する燃料電池スタック発電判断部と、を備え、前記制御装置は、燃焼装置温度比較部により、燃焼装置の温度ＢＴが、設定最低温度ＢＴｍｉｎから設定最高温度ＢＴｍａｘの間であることが検出され、且つ、前記燃料電池スタック温度比較部により、前記燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えることが検出された際、前記燃料電池スタックに供給される前記酸化剤ガスを増加させ、又は前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを減少させることが好ましい。
【００２２】
このため、Ａ／Ｆ（酸化剤ガス／燃料ガス）が上昇し、燃料電池スタックの温度ＳＴを降温させることができる。従って、燃料電池スタック及び燃焼装置は、最適な稼働温度域に維持することが可能になり、熱自立の向上を図ることができる。しかも、燃焼装置から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することが可能になる。
【００２３】
さらに、この燃料電池システムでは、制御装置は、燃料電池スタックの温度と予め設定された燃料電池スタック温度範囲とを比較する燃料電池スタック温度比較部と、前記燃料電池スタック温度比較部による比較結果に基づいて、前記燃料電池スタックが発電可能な温度であるか否かを判断する燃料電池スタック発電判断部と、を備え、制御装置は、燃焼装置温度比較部により、燃焼装置の温度ＢＴが、設定最高温度ＢＴｍａｘを超えることが検出され、且つ、前記燃料電池スタック温度比較部により、前記燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えることが検出された際、前記燃料電池スタックに供給される前記酸化剤ガスを増加させ、又は前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを減少させることが好ましい。
【００２４】
これにより、Ａ／Ｆ（酸化剤ガス／燃料ガス）が上昇し、燃料電池スタックの温度ＳＴ及び燃焼装置の温度ＢＴを降温させることができる。このため、燃料電池スタック及び燃焼装置は、最適な稼働温度域に維持することが可能になり、熱自立の向上を図ることができる。しかも、燃焼装置から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することが可能になる。
【００２５】
さらにまた、この燃料電池システムでは、制御装置は、燃料電池スタックの温度と予め設定された燃料電池スタック温度範囲とを比較する燃料電池スタック温度比較部と、前記燃料電池スタック温度比較部による比較結果に基づいて、前記燃料電池スタックが発電可能な温度であるか否かを判断する燃料電池スタック発電判断部と、を備え、前記制御装置は、燃焼装置温度比較部により、燃焼装置の温度ＢＴが、設定最高温度ＢＴｍａｘを超えることが検出され、且つ、前記燃料電池スタック温度比較部により、前記燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えることが検出された際、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを減少させ、又は前記燃料電池スタックの発電量を増加させることが好ましい。
【００２６】
従って、燃料利用率が上昇し、燃料電池スタックの温度ＳＴ及び燃焼装置の温度ＢＴを降温させることができる。これにより、燃料電池スタック及び燃焼装置は、最適な稼働温度域に維持することが可能になり、熱自立の向上を図ることができる。しかも、燃焼装置から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することが可能になる。
【００２７】
さらに、この燃料電池システムでは、燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池スタックであることが好ましい。これにより、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池スタックに最適である。
【００２８】
さらにまた、この燃料電池システムの制御方法は、燃焼装置の温度と予め設定された燃焼装置温度範囲とを比較する燃焼装置温度比較工程と、前記燃焼装置温度比較工程による比較結果に基づいて、前記燃焼装置が失火しているか否かを判断する燃焼装置失火判断工程と、前記燃焼装置失火判断工程による判断結果に基づいて、起動用燃焼器の起動又は停止を行う起動用燃焼器制御工程と、を有している。
【００２９】
また、この制御方法では、燃料電池スタックの温度と予め設定された燃料電池スタック温度範囲とを比較する燃料電池スタック温度比較工程と、前記燃料電池スタック温度比較工程による比較結果に基づいて、前記燃料電池スタックが発電可能な温度であるか否かを判断する燃料電池スタック発電判断工程と、前記燃料電池スタック発電判断工程による判断結果に基づいて、起動用燃焼器の起動又は停止を行う起動用燃焼器制御工程と、を有することが好ましい。
【００３０】
このため、燃料電池スタック温度が、燃料電池スタック温度範囲未満である際には、起動用燃焼器の起動を行って前記燃料電池スタック温度を昇温させる。一方、燃料電池スタック温度が、燃料電池スタック温度範囲を超える際には、起動用燃焼器の停止を行って前記燃料電池スタック温度を降温させる。従って、燃料電池スタック温度は、最適な稼働温度域に維持することができ、熱自立の向上を図ることが可能になる。
【００３１】
さらに、この制御方法では、燃焼装置温度比較工程により、燃焼装置の温度ＢＴが、設定最低温度ＢＴｍｉｎ未満であることが検出され、且つ、燃料電池スタック温度比較工程により、燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘ以下であることが検出された際、起動用燃焼器制御工程では、起動用燃焼器を起動させることが好ましい。
【００３２】
このため、起動用燃焼器を起動させることにより、燃焼装置の温度ＢＴ及び燃料電池スタックの温度ＳＴを昇温させることができる。これにより、燃焼装置及び燃料電池スタックを最適な稼働温度域に維持することが可能になり、熱自立の向上を図ることができる。しかも、燃焼装置から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま（燃焼されることがなく）排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することが可能になる。
【００３３】
さらにまた、この制御方法では、燃焼装置温度比較工程により、燃焼装置の温度ＢＴが、設定最低温度ＢＴｍｉｎから設定最高温度ＢＴｍａｘの間であることが検出され、且つ、燃料電池スタック温度比較工程により、燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最低温度ＳＴｍｉｎ未満であることが検出された際、起動用燃焼器制御工程では、起動用燃焼器を起動させることが好ましい。
【００３４】
このため、起動用燃焼器を起動させることにより、燃料電池スタックの温度ＳＴを昇温させることができる。従って、燃焼装置及び燃料電池スタックを最適な稼働温度域に維持することが可能になり、熱自立の向上を図ることができる。しかも、燃焼装置から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することが可能になる。
【００３５】
また、この制御方法では、燃焼装置温度比較工程により、燃焼装置の温度ＢＴが、設定最低温度ＢＴｍｉｎから設定最高温度ＢＴｍａｘの間であることが検出され、且つ、燃料電池スタック温度比較工程により、燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えることが検出された際、前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスを増加させ、又は前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを減少させることが好ましい。
【００３６】
これにより、Ａ／Ｆ（酸化剤ガス／燃料ガス）が上昇し、燃料電池スタックの温度ＳＴを降温させることができる。このため、燃料電池スタック及び燃焼装置は、最適な稼働温度域に維持することが可能になり、熱自立の向上を図ることができる。しかも、燃焼装置から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することが可能になる。
【００３７】
さらに、この制御方法では、燃焼装置温度比較工程により、燃焼装置の温度ＢＴが、設定最高温度ＢＴｍａｘを超えることが検出され、且つ、燃料電池スタック温度比較工程により、燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えることが検出された際、前記燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスを増加させ、又は前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを減少させることが好ましい。
【００３８】
従って、Ａ／Ｆ（酸化剤ガス／燃料ガス）が上昇し、燃料電池スタックの温度ＳＴ及び燃焼装置の温度ＢＴを降温させることができる。これにより、燃料電池スタック及び燃焼装置は、最適な稼働温度域に維持することが可能になり、熱自立の向上を図ることができる。しかも、燃焼装置から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することが可能になる。
【００３９】
さらにまた、この制御方法では、燃焼装置温度比較工程により、燃焼装置の温度ＢＴが、設定最高温度ＢＴｍａｘを超えることが検出され、且つ、燃料電池スタック温度比較工程により、燃料電池スタックの温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えることが検出された際、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを減少させ、又は前記燃料電池スタックの発電量を増加させることが好ましい。
【００４０】
このため、燃料利用率が上昇し、燃料電池スタックの温度ＳＴ及び燃焼装置の温度ＢＴを降温させることができる。従って、燃料電池スタック及び燃焼装置は、最適な稼働温度域に維持することが可能になり、熱自立の向上を図ることができる。しかも、燃焼装置から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することが可能になる。
【００４１】
また、この制御方法では、燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池スタックであることが好ましい。これにより、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池スタックに最適である。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、燃焼装置の温度から前記燃焼装置が失火していると判断されると、起動用燃焼器が起動される。このため、燃焼装置が昇温されて、前記燃焼装置は、最適な稼働温度域に維持することができ、熱自立の向上を図ることが可能になる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることがなく、自ら発生する熱のみで燃焼装置の動作温度を維持することをいう。しかも、燃焼装置から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。
【図３】前記ＦＣ周辺機器の要部分解斜視説明図である。
【図４】前記ＦＣ周辺機器の要部拡大斜視説明図である。
【図５】前記ＦＣ周辺機器内の燃焼ガス流通状態の説明図である。
【図６】前記燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャートである。
【図７】前記制御方法を説明する制御マップである。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図９】前記燃料電池システムを構成するＦＣ周辺機器の一部省略斜視説明図である。
【図１０】前記ＦＣ周辺機器内の燃焼ガス流通状態の説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図１２】前記燃料電池システムを構成するＦＣ周辺機器の概略斜視説明図である。
【図１３】前記ＦＣ周辺機器の要部斜視説明図である。
【図１４】前記ＦＣ周辺機器の要部分解斜視説明図である。
【図１５】前記ＦＣ周辺機器を構成する起動用燃焼器の一部断面側面図である。
【図１６】特許文献１に開示されている燃料電池発電システムの概略説明図である。
【図１７】特許文献２に開示されている燃料電池システムの概略説明図である。
【図１８】特許文献３に開示されている燃料電池の概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられる。
【００４５】
燃料電池システム１０は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１２と、前記燃料電池モジュール１２に原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１４と、前記燃料電池モジュール１２に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１２に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１２の発電量を制御する制御装置２０とを備える。
【００４６】
燃料電池モジュール１２は、複数の固体酸化物形の燃料電池２２が鉛直方向（又は水平方向）に積層される固体酸化物形の燃料電池スタック２４を備える。燃料電池２２は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質２６の両面に、カソード電極２８及びアノード電極３０が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３２を備える。
【００４７】
電解質・電極接合体３２の両側には、カソード側セパレータ３４とアノード側セパレータ３６とが配設される。カソード側セパレータ３４には、カソード電極２８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３８が形成されるとともに、アノード側セパレータ３６には、アノード電極３０に燃料ガスを供給する燃料ガス流路４０が形成される。なお、燃料電池２２としては、従来より使用されている種々のＳＯＦＣを用いることができる。
【００４８】
燃料電池２２は、作動温度が数百℃と高温であり、アノード電極３０では、燃料ガス中のメタンが改質されて水素、ＣＯが得られ、この水素、ＣＯが電解質２６の前記アノード電極３０側に供給される。
【００４９】
燃料電池スタック２４には、各酸化剤ガス流路３８の入口側に一体に連通する酸化剤ガス入口連通孔４２ａ、前記酸化剤ガス流路３８の出口側に一体に連通する酸化剤ガス出口連通孔４２ｂ、各燃料ガス流路４０の入口側に一体に連通する燃料ガス入口連通孔４４ａ、及び前記燃料ガス流路４０の出口側に一体に連通する燃料ガス出口連通孔４４ｂが設けられる。
【００５０】
燃料電池モジュール１２は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合ガスを改質し、燃料電池スタック２４に供給される燃料ガスを生成する改質器４６と、水を蒸発させるとともに、前記水蒸気を前記改質器４６に供給する蒸発器４８と、燃焼ガスとの熱交換により酸化剤ガスを昇温させるとともに、前記燃料電池スタック２４に前記酸化剤ガスを供給する熱交換器５０と、前記燃料電池スタック２４から排出される前記燃料ガスである燃料排ガスと前記酸化剤ガスである酸化剤排ガスとを燃焼させ、前記燃焼ガスを発生させる排ガス燃焼器５２、及び、前記原燃料と前記酸化剤ガスとを燃焼させて前記燃焼ガスを発生させる起動用燃焼器５４と有する燃焼装置５５とを備える。
【００５１】
燃料電池モジュール１２は、基本的には、燃料電池スタック２４とＦＣ周辺機器５６とにより構成される。このＦＣ周辺機器５６は、改質器４６、蒸発器４８、熱交換器５０及び燃焼装置（排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４）５５を備える。なお、改質器４６及び蒸発器４８は、必要に応じて設ければよく、不要にすることもできる。その際、原燃料供給装置１４に代えて、水素ガスを含む燃料ガスを直接供給する燃料ガス供給装置（図示せず）を用いることが可能である。
【００５２】
図２に示すように、ＦＣ周辺機器５６は、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４（すなわち、燃焼装置５５）が構成される、例えば、開口形状円形の第１領域Ｒ１と、熱交換器５０が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、改質器４６が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備える。
【００５３】
図２及び図３に示すように、起動用燃焼器５４は、空気供給管５７及び原燃料供給管５８を備える。起動用燃焼器５４は、エゼクタ機能を有し、空気供給管５７から導入される空気流により原燃料供給管５８に負圧を発生させて、原燃料を吸引する。
【００５４】
ＦＣ周辺機器５６は、図２及び図４に示すように、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に配置される第１仕切り板６０ａ、前記第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との間に配置される第２仕切り板６０ｂ及び前記第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との間に配置される第３仕切り板６０ｃとを備える。第４領域Ｒ４の外周には、外板である第４仕切り板６０ｄが設けられる。
【００５５】
図２及び図３に示すように、排ガス燃焼器５２は、起動用燃焼器５４を収容する第１仕切り板６０ａ内に構成される。第１仕切り板６０ａは、円筒形状を有しており、前記第１仕切り板６０ａの外周部には、燃料電池スタック２４側の端部に近接して複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａが形成される。
【００５６】
第２仕切り板６０ｂには、燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して複数の第２燃焼ガス連通孔６２ｂが形成される。第３仕切り板６０ｃには、燃料電池スタック２４側の端部に近接して複数の第３燃焼ガス連通孔６２ｃが形成される。第４仕切り板６０ｄには、燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して複数の第４燃焼ガス連通孔６２ｄが形成される。第４燃焼ガス連通孔６２ｄは、燃焼ガスを外部に排出する。
【００５７】
第１仕切り板６０ａには、酸化剤排ガス通路６３ａの一端と燃料排ガス通路６３ｂの一端とが配置される。第１仕切り板６０ａ内では、燃料ガス（具体的には、燃料排ガス）と酸化剤ガス（具体的には、酸化剤排ガス）との燃焼反応により、燃焼ガスが生成される。
【００５８】
図１に示すように、酸化剤排ガス通路６３ａの他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス出口連通孔４２ｂに接続されるとともに、燃料排ガス通路６３ｂの他端は、前記燃料電池スタック２４の燃料ガス出口連通孔４４ｂに接続される。
【００５９】
図２及び図３に示すように、熱交換器５０は、第１仕切り板６０ａの外周に配設される複数本の熱交換管路（伝熱パイプ）６４を備える。熱交換管路６４の一端部（燃料電池スタック２４とは反対側の他方の端部、以下同様）は、第１内側リング６６ａに固定されるとともに、前記熱交換管路６４の他端部（燃料電池スタック２４側の一方の端部、以下同様）は、第１内側リング６６ｂに固定される。
【００６０】
第１内側リング６６ａ、６６ｂの外方には、第１外側リング６８ａ、６８ｂが配設される。第１内側リング６６ａ、６６ｂ及び第１外側リング６８ａ、６８ｂは、第１仕切り板６０ａの外周面と第２仕切り板６０ｂの内周面とに固着される。
【００６１】
第１内側リング６６ａと第１外側リング６８ａとの間には、酸化剤ガスが供給される環状の酸化剤ガス供給室７０ａが形成される。第１内側リング６６ｂと第１外側リング６８ｂとの間には、昇温された酸化剤ガスが排出される環状の酸化剤ガス排出室７０ｂが形成される（図２〜図４参照）。熱交換管路６４の両端は、酸化剤ガス供給室７０ａと酸化剤ガス排出室７０ｂとに開放される。
【００６２】
酸化剤ガス供給室７０ａには、酸化剤ガス供給管７２が配設される。酸化剤ガス排出室７０ｂには、酸化剤ガス通路７４の一端が配設されるとともに、前記酸化剤ガス通路７４の他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに接続される（図１参照）。
【００６３】
改質器４６は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）及びブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の高級炭化水素（Ｃ２＋）を、主としてメタン（ＣＨ４）、水素、ＣＯを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
【００６４】
改質器４６は、図２及び図３に示すように、熱交換器５０の外周に配設される複数本の改質管路（伝熱パイプ）７６を備える。改質管路７６の一端部は、第２内側リング７８ａに固定されるとともに、前記改質管路７６の他端部は、第２内側リング７８ｂに固定される。
【００６５】
第２内側リング７８ａ、７８ｂの外方には、第２外側リング８０ａ、８０ｂが配設される。第２内側リング７８ａ、７８ｂ及び第２外側リング８０ａ、８０ｂは、第２仕切り板６０ｂの外周面と第３仕切り板６０ｃの内周面とに固着される。
【００６６】
第２内側リング７８ａと第２外側リング８０ａとの間には、混合ガス（原燃料と水蒸気）が供給される環状の混合ガス供給室８２ａが形成される。第２内側リング７８ｂと第２外側リング８０ｂとの間には、生成された燃料ガス（改質ガス）が排出される環状の改質ガス排出室８２ｂが形成される。
【００６７】
改質管路７６の両端は、混合ガス供給室８２ａと改質ガス排出室８２ｂとに開放される。各改質管路７６内には、改質用のペレット状触媒８４が充填される。改質管路７６の両端には、ペレット状触媒８４を保持するための金網８６が配設される。
【００６８】
混合ガス供給室８２ａには、原燃料供給路８８が接続されるとともに、前記原燃料供給路８８の途上には、後述する蒸発リターン管路１０２が接続される。改質ガス排出室８２ｂには、燃料ガス通路９０の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路９０の他端は、燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する（図１参照）。
【００６９】
蒸発器４８は、改質器４６の外周に配設される複数本の蒸発管路（伝熱パイプ）９２を備える。蒸発管路９２の一端部は、第３内側リング９４ａに固定されるとともに、前記蒸発管路９２の他端部は、第３内側リング９４ｂに固定される。
【００７０】
第３内側リング９４ａ、９４ｂの外方には、第３外側リング９６ａ、９６ｂが配設される。第３内側リング９４ａ、９４ｂ及び第３外側リング９６ａ、９６ｂは、第３仕切り板６０ｃの外周面と第４仕切り板６０ｄの内周面とに固着される。
【００７１】
第３内側リング９４ａと第３外側リング９６ａとの間には、水が供給される環状の水供給室９８ａが形成される。第３内側リング９４ｂと第３外側リング９６ｂとの間には、水蒸気が排出される環状の水蒸気排出室９８ｂが形成される。蒸発管路９２の両端は、水供給室９８ａと水蒸気排出室９８ｂとに開放される。
【００７２】
水供給室９８ａには、水通路１００が配設される。水蒸気排出室９８ｂには、少なくとも１本以上の蒸発管路９２により構成される蒸発リターン管路１０２の一端が配設されるとともに、前記蒸発リターン管路１０２の他端は、原燃料供給路８８の途上に接続される（図１参照）。原燃料供給路８８は、エゼクタ機能を有しており、流通される原燃料によって負圧を発生させ、水蒸気の吸引を行う。
【００７３】
図１に示すように、原燃料供給装置１４は、原燃料通路１０４を備える。原燃料通路１０４は、原燃料用調整弁１０６を介して原燃料供給路８８と原燃料供給管５８とに分岐する。原燃料供給路８８には、都市ガス（原燃料）中に含まれる硫黄化合物を除去するための脱硫器１０８が配設される。
【００７４】
酸化剤ガス供給装置１６は、酸化剤ガス通路１１０を備える。酸化剤ガス通路１１０は、酸化剤ガス用調整弁１１２を介して酸化剤ガス供給管７２と空気供給管５７とに分岐する。水供給装置１８は、水通路１００を介して蒸発器４８に接続される。
【００７５】
図５に概略的に示すように、第１領域Ｒ１には、燃焼ガスが流通する第１燃焼ガス通路１１６ａが形成され、第２領域Ｒ２には、前記燃焼ガスが矢印Ａ１方向に流通する第２燃焼ガス通路１１６ｂが形成され、第３領域Ｒ３には、前記燃焼ガスが矢印Ａ２方向に流通する第３燃焼ガス通路１１６ｃが形成され、第４領域Ｒ４には、前記燃焼ガスが矢印Ａ１方向に流通する第４燃焼ガス通路１１６ｄが形成される。
【００７６】
図１に示すように、制御装置２０は、燃焼装置５５の温度と予め設定された燃焼装置温度範囲とを比較する燃焼装置温度比較部１２０と、前記燃焼装置温度比較部１２０による比較結果に基づいて、前記燃焼装置５５が失火しているか否かを判断する燃焼装置失火判断部１２２と、前記燃焼装置失火判断部１２２による判断結果に基づいて、起動用燃焼器５４の起動又は停止を行う燃焼装置制御部１２４とを備える。
【００７７】
制御装置２０は、さらに燃料電池スタック２４の温度と予め設定された燃料電池スタック温度範囲とを比較する燃料電池スタック温度比較部１２６と、前記燃料電池スタック温度比較部１２６による比較結果に基づいて、前記燃料電池スタック２４が発電可能な温度であるか否かを判断する燃料電池スタック発電判断部１２８とを備える。燃焼装置制御部１２４は、燃料電池スタック発電判断部１２８による判断結果に基づいて、起動用燃焼器５４の起動又は停止を行う。
【００７８】
燃焼装置５５には、前記燃焼装置５５内の温度を検出するために、例えば、熱電対等の第１温度検出器１２９ａが配設される。燃料電池スタック２４には、前記燃料電池スタック２４内の温度を検出するために、例えば、熱電対等の第２温度検出器１２９ｂが配設される。
【００７９】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００８０】
燃料電池システム１０の起動時には、空気（酸化剤ガス）及び原燃料が起動用燃焼器５４に供給される。具体的には、酸化剤ガス供給装置１６では、空気ポンプの駆動作用下に酸化剤ガス通路１１０に空気が供給される。この空気は、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度調整作用下に、空気供給管５７に供給される。
【００８１】
一方、原燃料供給装置１４では、燃料ガスポンプの駆動作用下に原燃料通路１０４に、例えば、都市ガス（ＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、Ｃ４Ｈ１０を含む）等の原燃料が供給される。原燃料は、原燃料用調整弁１０６の開度調整作用下に、原燃料供給管５８に導入される。この原燃料は、空気と混合されるとともに、起動用燃焼器５４内に供給される（図２参照）。
【００８２】
このため、起動用燃焼器５４内には、原燃料と空気との混合ガスが供給され、この混合ガスが着火されることにより、燃焼が開始される。従って、起動用燃焼器５４に直接接続されている排ガス燃焼器５２では、前記起動用燃焼器５４から第１仕切り板６０ａ内に燃焼ガスが導入される。
【００８３】
図５に示すように、第１仕切り板６０ａには、燃料電池スタック２４側の端部に近接して複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａが形成されている。これにより、第１仕切り板６０ａの内部に供給された燃焼ガスは、複数の第１燃焼ガス連通孔６２ａを通過して、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に導入される。
【００８４】
燃焼ガスは、第２領域Ｒ２を矢印Ａ１方向に流通した後、第２仕切り板６０ｂに形成された複数の第２燃焼ガス連通孔６２ｂを通って第３領域Ｒ３に導入される。第３領域Ｒ３では、燃焼ガスは、矢印Ａ２方向に流通した後、第３仕切り板６０ｃに形成された複数の第３燃焼ガス連通孔６２ｃを通って第４領域Ｒ４に導入される。燃焼ガスは、第４領域Ｒ４を矢印Ａ１方向に流通した後、第４仕切り板６０ｄに形成された第４燃焼ガス連通孔６２ｄから外部に排出される。
【００８５】
その際、第２領域Ｒ２には、熱交換器５０が配置されており、第３領域Ｒ３には、改質器４６が配置されており、第４領域Ｒ４には、蒸発器４８が配置されている。このため、第１領域Ｒ１から排出される燃焼ガスは、熱交換器５０、改質器４６及び蒸発器４８の順に加熱する。
【００８６】
そして、燃料電池モジュール１２が設定温度に昇温されると、熱交換器５０に酸化剤ガスが供給される一方、改質器４６には、原燃料及び水蒸気の混合ガスが供給される。
【００８７】
具体的には、図１に示すように、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度が調整されて、酸化剤ガス供給管７２への空気供給量が増加されるとともに、原燃料用調整弁１０６の開度が調整されて、原燃料供給路８８への原燃料供給量が増加される。また、水供給装置１８の作用下に、水通路１００に水が供給される。
【００８８】
従って、図２及び図３に示すように、熱交換器５０に導入された空気は、酸化剤ガス供給室７０ａに一旦供給された後、複数の熱交換管路６４内を移動する間に、第２領域Ｒ２に導入された燃焼ガスにより加熱（熱交換）される。加熱された空気は、一旦酸化剤ガス排出室７０ｂに供給された後、酸化剤ガス通路７４を介して燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに供給される（図１参照）。
【００８９】
燃料電池スタック２４では、加熱された空気は、酸化剤ガス流路３８を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂから酸化剤排ガス通路６３ａに排出される。酸化剤排ガス通路６３ａは、排ガス燃焼器５２を構成する第１仕切り板６０ａの内部に開口しており、前記第１仕切り板６０ａ内に酸化剤排ガスが導入される。
【００９０】
また、図１に示すように、水供給装置１８から供給される水は、蒸発器４８に供給されるとともに、脱硫器１０８で脱硫された原燃料は、原燃料供給路８８を流通して改質器４６に向かう。
【００９１】
蒸発器４８では、水が一旦水供給室９８ａに供給された後、複数本の蒸発管路９２内を移動する間、第４領域Ｒ４を流通する燃焼ガスにより昇温されて、水蒸気化される。この水蒸気は、水蒸気排出室９８ｂに一旦導入された後、前記水蒸気排出室９８ｂに連通する蒸発リターン管路１０２に供給される。これにより、水蒸気は、蒸発リターン管路１０２内を流通して原燃料供給路８８に導入され、原燃料と混合して混合ガスが得られる。
【００９２】
混合ガスは、原燃料供給路８８から改質器４６を構成する混合ガス供給室８２ａに一旦供給される。混合ガスは、複数の改質管路７６内を移動する。その間に、混合ガスは、第３領域Ｒ３を流通する燃焼ガスにより加熱されるとともに、ペレット状触媒８４を介して水蒸気改質され、Ｃ２＋の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。
【００９３】
この改質ガスは、加熱された燃料ガスとして、一旦改質ガス排出室８２ｂに供給された後、燃料ガス通路９０を介して燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに供給される（図１参照）。
【００９４】
燃料電池スタック２４では、加熱された燃料ガスは、燃料ガス流路４０を流通した後、燃料ガス出口連通孔４４ｂから燃料排ガス通路６３ｂに排出される。燃料排ガス通路６３ｂは、排ガス燃焼器５２を構成する第１仕切り板６０ａの内部に開口しており、前記第１仕切り板６０ａ内に燃料排ガスが導入される。
【００９５】
なお、起動用燃焼器５４による昇温作用下に、排ガス燃焼器５２内が燃料ガスの自己着火温度を超えると、第１仕切り板６０ａ内で酸化剤排ガスと燃料排ガスとによる燃焼が開始される。
【００９６】
次いで、第１の実施形態に係る制御方法について、図６に示すフローチャート及び図７に示す制御マップに沿って、以下に説明する。
【００９７】
先ず、燃焼装置５５の温度ＢＴにおいて、予め、下限値温度である設定最低温度ＢＴｍｉｎと、上限値である設定最高温度ＢＴｍａｘとが設定される。例えば、設定最低温度ＢＴｍｉｎは、７５０℃であり、設定最高温度ＢＴｍａｘは、１１５０℃である。
【００９８】
燃料電池スタック２４の温度ＳＴにおいて、予め、下限値である設定最低温度ＳＴｍｉｎと、上限値である設定最高温度ＳＴｍａｘとが設定される。例えば、設定最低温度ＳＴｍｉｎは、６５０℃であり、設定最高温度ＳＴｍａｘは、８００℃である。
【００９９】
上記のように、燃料電池システム１０が運転（発電）されている際、制御装置２０では、第１温度検出器１２９ａにより燃焼装置５５の温度が検出されるとともに、第２温度検出器１２９ｂにより燃料電池スタック２４の温度が検出されている。
【０１００】
そこで、ステップＳ１では、燃焼装置５５の温度ＢＴが、設定最高温度ＢＴｍａｘ以下であるか否かが判断される（燃焼装置温度比較工程）。燃焼装置温度比較部１２０では、燃焼装置５５の温度ＢＴが、設定最高温度ＢＴｍａｘ以下であると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、前記温度ＢＴが設定最低温度ＢＴｍｉｎ以上であるか否かが判断される。
【０１０１】
温度ＢＴが設定最低温度ＢＴｍｉｎ以上であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、すなわち、温度ＢＴが設定最低温度ＢＴｍｉｎから設定最高温度ＢＴｍａｘの範囲内であると判断されると（ＢＴｍｉｎ≦ＢＴ≦ＢＴｍａｘ）、ステップＳ３に進む。
【０１０２】
ステップＳ３では、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘ以下であるか否かが判断される（燃料電池スタック温度比較工程）。燃料電池スタック温度比較部１２６では、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘ以下であると判断すると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、前記温度ＳＴが設定最低温度ＳＴｍｉｎ以上であるか否かを判断する。
【０１０３】
温度ＳＴが設定最低温度ＳＴｍｉｎ以上であると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、すなわち、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが設定最低温度ＳＴｍｉｎから設定最高温度ＳＴｍａｘの範囲内であると判断されると（ＳＴｍｉｎ≦ＳＴ≦ＳＴｍａｘ）、ステップＳ５に進んで、燃焼装置５５における処理が行われない（図７参照）。すなわち、燃焼装置５５及び燃料電池スタック２４は、最適な稼働温度域を維持しているからである。
【０１０４】
一方、ステップＳ４において、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、設定最低温度ＳＴｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、ステップＳ６に進む。その際、燃焼装置５５が稼働温度域であり、且つ、燃料電池スタック２４が稼働温度域未満であると判断されている。ステップＳ６では、燃焼装置５５における処理なし工程と、起動用燃焼器５４を起動して燃料電池スタック２４に供給される燃料ガスや酸化剤ガスを加熱することにより、前記燃料電池スタック２４を昇温アシストする工程とが、選択的に行われる（図７参照）。
【０１０５】
また、ステップＳ３において、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えると判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ７に進む。ステップＳ７では、燃料電池スタック２４に供給される酸化剤ガスを増加させ、又は、前記燃料電池スタック２４に供給される燃料ガスを減少させる（図７参照）。このため、Ａ／Ｆ（酸化剤ガス／燃料ガス）が上昇し、燃料電池スタック２４の温度ＳＴを降温させることができる。
【０１０６】
ステップＳ２において、燃焼装置５５の温度ＢＴが、設定最低温度ＢＴｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ８に進む。ステップＳ８では、ステップＳ３と同様に、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘ以下であるか否かが判断される。そして、温度ＳＴが設定最高温度ＳＴｍａｘ以下であると判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進む。
【０１０７】
ステップＳ９では、上記のステップＳ４と同様に、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、設定最低温度ＳＴｍｉｎ以上であると判断されると（ステップＳ９中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０に進む。一方、温度ＳＴが設定最低温度ＳＴｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ９中、ＮＯ）、ステップＳ１１に進む。
【０１０８】
ステップＳ１０及びステップＳ１１では、図７に示すように、燃焼装置５５が稼働温度域未満である。従って、いずれの場合にも、起動用燃焼器５４を起動して、着火処理や燃料ガスや酸化剤ガスの加熱によるアシスト処理が選択的に行われる。
【０１０９】
ステップＳ８では、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えると判断されると（ステップＳ８中、ＮＯ）、ステップＳ１２に進んで、燃料電池システム１０の運転が停止される。燃料電池スタック２４の温度ＳＴが稼働温度域を超える一方、燃焼装置５５の温度ＢＴが稼働温度域未満であり、設備に不具合等が生じていると判断されるからである。
【０１１０】
一方、ステップＳ１において、燃焼装置５５の温度ＢＴが、設定最高温度ＢＴｍａｘを超えると判断されると（ステップＳ１中、ＮＯ）、ステップＳ１３以降に進む。そして、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、設定最低温度ＳＴｍｉｎから設定最高温度ＳＴｍａｘの間にあると判断されると（ステップＳ１３中、ＹＥＳ及びステップＳ１４中、ＹＥＳ）、ステップＳ１５に進む。
【０１１１】
また、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、設定最低温度ＳＴｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ１４中、ＮＯ）、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１５及びステップＳ１６では、図７に示すように、燃焼装置５５が温度超過であるため、処理が行われない。
【０１１２】
さらに、ステップＳ１３では、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えていると判断されると（ステップＳ１３中、ＮＯ）、ステップＳ１７に進む。
【０１１３】
ステップＳ１７では、燃料利用率の上昇処理又はＡ／Ｆの上昇処理の少なくともいずれかの処理が行われる（図７参照）。具体的には、燃料電池スタック２４に供給される酸化剤ガスを増加させ、又は、前記燃料電池スタック２４に供給される燃料ガスを減少させることにより、Ａ／Ｆを上昇させる。また、燃料電池スタック２４に供給される燃料ガスを減少させ、又は、前記燃料電池スタック２４の発電量を増加させることにより、燃料利用率を上昇させる。
【０１１４】
この場合、第１の実施形態では、制御装置２０は、燃焼装置５５の温度と予め設定された燃焼装置温度範囲とを比較する燃焼装置温度比較部１２０と、前記燃焼装置温度比較部１２０による比較結果に基づいて、前記燃焼装置５５が失火しているか否かを判断する燃焼装置失火判断部１２２と、前記燃焼装置失火判断部１２２による判断結果に基づいて、起動用燃焼器５４の起動又は停止を行う燃焼装置制御部１２４とを備えている。
【０１１５】
このため、燃焼装置５５の温度ＢＴが、設定最低温度ＢＴｍｉｎ未満であると判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、制御装置２０では、燃焼装置失火判断部１２２により、前記燃焼装置５５が失火していると判断される。従って、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘ以下であれば（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、燃焼装置制御部１２４により、起動用燃焼器５４が起動される（ステップＳ１０及びＳ１１）。
【０１１６】
起動用燃焼器５４が起動されることにより、燃焼装置５５が昇温されるため、前記燃焼装置５５は、最適な稼働温度域に維持することができる。これにより、燃焼装置５５は、熱自立の向上を図ることが可能になる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることがなく、自ら発生する熱のみで燃焼装置５５の動作温度を維持することをいう。
【０１１７】
しかも、燃焼装置５５から燃料排ガスや酸化剤排ガスが燃焼に使用されることなく排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することができるという効果が得られる。
【０１１８】
また、制御装置２０は、燃料電池スタック２４の温度と予め設定された燃料電池スタック温度範囲とを比較する燃料電池スタック温度比較部１２６と、前記燃料電池スタック温度比較部１２６による比較結果に基づいて、前記燃料電池スタック２４が発電可能な温度であるか否かを判断する燃料電池スタック発電判断部１２８とを備えている。
【０１１９】
そして、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、燃料電池スタック温度範囲未満である際には（ステップＳ４中、ＮＯ）、起動用燃焼器５４の起動を行って前記燃料電池スタック２４の温度ＳＴを昇温させている（ステップＳ６）。
【０１２０】
一方、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、燃料電池スタック温度範囲を超える際には（ステップＳ８中、ＮＯ）、起動用燃焼器５４の停止を行って前記燃料電池スタック２４の温度ＳＴを降温させている（ステップＳ１２）。このため、燃料電池スタック２４の温度ＳＴは、最適な稼働温度域に維持することができ、熱自立の向上を図ることが可能になる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることがなく、自ら発生する熱のみで燃料電池スタック２４の動作温度を維持することをいう。
【０１２１】
さらに、第１の実施形態では、燃焼装置温度比較工程により、燃焼装置５５の温度ＢＴが、設定最低温度ＢＴｍｉｎ未満であることが検出され（ステップＳ２中、ＮＯ）、且つ、燃料電池スタック温度比較工程により、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘ以下であることが検出された際（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、起動用燃焼器制御工程では、起動用燃焼器５４を起動させている（ステップＳ１０及びステップＳ１１）。
【０１２２】
従って、起動用燃焼器５４を起動させることにより、燃焼装置５５の温度ＢＴ及び燃料電池スタック２４の温度ＳＴを昇温させることができる。これにより、燃焼装置５５及び燃料電池スタック２４を最適な稼働温度域に維持することが可能になり、熱自立の向上を図ることができる。しかも、燃焼装置５５から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま（燃焼されることがなく）排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することが可能になる。
【０１２３】
さらにまた、燃焼装置温度比較工程により、燃焼装置５５の温度ＢＴが、設定最低温度ＢＴｍｉｎから設定最高温度ＢＴｍａｘの間であることが検出され（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、且つ、燃料電池スタック温度比較工程により、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、設定最低温度ＳＴｍｉｎ未満であることが検出された際（ステップＳ４中、ＮＯ）、起動用燃焼器制御工程では、起動用燃焼器５４を起動させている（ステップＳ６）。
【０１２４】
このため、起動用燃焼器５４を起動させることにより、燃料電池スタック２４の温度ＳＴを昇温させることができる。従って、燃焼装置５５及び燃料電池スタック２４を最適な稼働温度域に維持することが可能になり、熱自立の向上を図ることができる。しかも、燃焼装置５５から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することが可能になる。
【０１２５】
また、燃焼装置温度比較工程により、燃焼装置５５の温度ＢＴが、設定最低温度ＢＴｍｉｎから設定最高温度ＢＴｍａｘの間であることが検出され（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、且つ、燃料電池スタック温度比較工程により、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えることが検出された際（ステップＳ３中、ＮＯ）、前記燃料電池スタック２４に供給される酸化剤ガスを増加させ、又は前記燃料電池スタック２４に供給される燃料ガスを減少させている（ステップＳ７）。
【０１２６】
これにより、Ａ／Ｆ（酸化剤ガス／燃料ガス）が上昇し、燃料電池スタック２４の温度ＳＴを降温させることができる。このため、燃料電池スタック２４及び燃焼装置５５は、最適な稼働温度域に維持することが可能になり、熱自立の向上を図ることができる。しかも、燃焼装置５５から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することが可能になる。
【０１２７】
さらに、燃焼装置温度比較工程により、燃焼装置５５の温度ＢＴが、設定最高温度ＢＴｍａｘを超えることが検出され（ステップＳ１中、ＮＯ）、且つ、燃料電池スタック温度比較工程により、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えることが検出された際（ステップＳ１３中、ＮＯ）、前記燃料電池スタック２４に供給される酸化剤ガスを増加させ、又は前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを減少させている（ステップＳ１７）。
【０１２８】
従って、Ａ／Ｆ（酸化剤ガス／燃料ガス）が上昇し、燃料電池スタック２４の温度ＳＴ及び燃焼装置５５の温度ＢＴを降温させることができる。これにより、燃料電池スタック２４及び燃焼装置５５は、最適な稼働温度域に維持することが可能になり、熱自立の向上を図ることができる。しかも、燃焼装置５５から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することが可能になる。
【０１２９】
さらにまた、燃焼装置温度比較工程により、燃焼装置５５の温度ＢＴが、設定最高温度ＢＴｍａｘを超えることが検出され（ステップＳ１中、ＮＯ）、且つ、燃料電池スタック温度比較工程により、燃料電池スタック２４の温度ＳＴが、設定最高温度ＳＴｍａｘを超えることが検出された際（ステップＳ１３中、ＮＯ）、前記燃料電池スタック２４に供給される燃料ガスを減少させ、又は前記燃料電池スタック２４の発電量を増加させている（ステップＳ１７）。
【０１３０】
このため、燃料利用率が上昇し、燃料電池スタック２４の温度ＳＴ及び燃焼装置５５の温度ＢＴを降温させることができる。従って、燃料電池スタック２４及び燃焼装置５５は、最適な稼働温度域に維持することが可能になり、熱自立の向上を図ることができる。しかも、燃焼装置５５から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することが可能になる。
【０１３１】
また、燃料電池スタック２４は、固体酸化物形燃料電池スタックであるため、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池スタックに最適である。
【０１３２】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１３０を示す。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【０１３３】
燃料電池システム１３０を構成する燃料電池モジュール１３２は、図９に示すように、排ガス燃焼器５２及び起動用燃焼器５４が構成される、例えば、開口形状円形の第１領域Ｒ１と、改質器４６が構成されるとともに、前記第１領域Ｒ１を環状に周回する第２領域Ｒ２と、熱交換器５０が構成されるとともに、前記第２領域Ｒ２を環状に周回する第３領域Ｒ３と、蒸発器４８が構成されるとともに、前記第３領域Ｒ３を環状に周回する第４領域Ｒ４とを備える。
【０１３４】
ＦＣ周辺機器５６は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に配置される第１仕切り板１３４ａ、前記第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との間に配置される第２仕切り板１３４ｂ、前記第３領域Ｒ３と第４領域Ｒ４との間に配置される第３仕切り板１３４ｃ、及び前記第４領域Ｒ４の外周に配置される第４仕切り板１３４ｄを備える。
【０１３５】
図９及び図１０に示すように、第１燃焼ガス連通孔６２ａは、第１仕切り板１３４ａの燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して設けられ、第２燃焼ガス連通孔６２ｂは、第２仕切り板１３４ｂの前記燃料電池スタック２４側の端部に近接して設けられ、第３燃焼ガス連通孔６２ｃは、第３仕切り板１３４ｃの前記燃料電池スタック２４とは反対側の端部に近接して設けられ、第４燃焼ガス連通孔６２ｄは、第４仕切り板１３４ｄの前記燃料電池スタック２４側の端部に近接して設けられる。
【０１３６】
第１仕切り板１３４ａには、第１燃焼ガス連通孔６２ａとは反対側に且つ前記第１燃焼ガス連通孔６２ａよりも小さな開口面積を有する複数の抽気孔部１３６ａが形成される。図１０に示すように、抽気孔部１３６ａは、第２仕切り板１３４ｂに形成された第２燃焼ガス連通孔６２ｂに対向する位置に設定される。第２仕切り板１３４ｂには、第３仕切り板１３４ｃに形成された第３燃焼ガス連通孔６２ｃに対向する位置に複数の抽気孔部１３６ｂが形成される。第３仕切り板１３４ｃには、第４仕切り板１３４ｄに形成された第４燃焼ガス連通孔６２ｄに対向する位置に複数の抽気孔部１３６ｃが形成される。なお、抽気孔部１３６ｂ、１３６ｃは、必要に応じて設けられていればよい。
【０１３７】
このように構成される第２の実施形態では、制御装置２０を介して第１の実施形態と同様に制御される。このため、燃焼装置５５の温度から前記燃焼装置５５が失火していると判断されると、起動用燃焼器５４が起動される。従って、燃焼装置５５及び燃料電池スタック２４は、最適な稼働温度域に維持することができ、熱自立の向上を図ることが可能になる。しかも、燃焼装置５５から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１３８】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１４０を示す。
【０１３９】
燃料電池システム１４０は、燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１４２を備えるとともに、前記燃料電池モジュール１４２は、改質器１４６、蒸発器１４８、熱交換器１５０、及び排ガス燃焼器１５２と起動用燃焼器１５４とを有する燃焼装置１５５を備える。
【０１４０】
燃料電池モジュール１４２は、基本的には、燃料電池スタック２４とＦＣ周辺機器１５６とにより構成される。このＦＣ周辺機器１５６は、改質器１４６、蒸発器１４８、熱交換器１５０及び燃焼装置１５５（排ガス燃焼器１５２及び起動用燃焼器１５４）を備えるとともに、後述するように、前記改質器１４６、前記熱交換器１５０、前記排ガス燃焼器１５２及び前記起動用燃焼器１５４間には、排ガス用の配管を設けていない。
【０１４１】
ＦＣ周辺機器１５６では、熱交換器１５０内には、排ガス燃焼器１５２が一体に設けられるとともに、起動用燃焼器１５４は、前記熱交換器１５０の一端に隣接して設けられる。改質器１４６は、熱交換器１５０の他端に隣接して設けられる。
【０１４２】
図１２〜図１４に示すように、熱交換器１５０は、立位姿勢に配置されており、後述するように、酸化剤ガスを鉛直下方向から鉛直上方向に流通させる。改質器１４６は、立位姿勢に配置されており、改質ガスを鉛直下方向から鉛直上方向に流通させる。熱交換器１５０の一方の側部（一端）には、起動用燃焼器１５４が直接装着されるとともに、前記熱交換器１５０の他方の側部（他端）には、改質器１４６が直接装着される。改質器１４６、熱交換器１５０（排ガス燃焼器１５２を含む）及び起動用燃焼器１５４は、水平方向（矢印Ａ方向）に積層される。図１２に示すように、熱交換器１５０及び改質器１４６の下方には、蒸発器１４８と、脱硫器１０８とが配設される。
【０１４３】
図１１に示すように、脱硫器１０８の出口には、原燃料通路１０４が接続されるとともに、前記原燃料通路１０４は、改質器１４６の改質ガス供給室１５８ａに接続される。図１３及び図１４に示すように、改質ガス供給室１５８ａは、複数の改質管路１６０の下端側に連通するとともに、前記改質管路１６０の上端側に改質ガス排出室１５８ｂが連通する。改質ガス排出室１５８ｂには、燃料ガス通路９０の一端が連通するとともに、前記燃料ガス通路９０の他端が燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する（図１１参照）。各改質管路１６０には、改質用にペレット状の触媒（図示せず）が充填されている。
【０１４４】
各改質管路１６０間には、加熱空間１６２が形成される。この加熱空間１６２には、排ガス配管１６４ａの一端が開口される一方、図１１に示すように、前記排ガス配管１６４ａの他端は、蒸発器１４８の加熱路１６６の入口に接続される。蒸発器１４８の加熱路１６６の出口には、排気配管１６４ｂが接続される。
【０１４５】
図１４に示すように、熱交換器１５０は、下部側に酸化剤ガス供給室１６８ａが設けられるとともに、上部側に酸化剤ガス排出室１６８ｂが設けられる。酸化剤ガス供給室１６８ａと酸化剤ガス排出室１６８ｂとには、複数の酸化剤ガス管路１７０の両端が連通する。
【０１４６】
酸化剤ガス供給室１６８ａには、酸化剤ガス供給管７２の一端が配設される。酸化剤ガス排出室１６８ｂには、酸化剤ガス通路７４の一端が配設されるとともに、前記酸化剤ガス通路７４の他端は、燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに接続される（図１１参照）。
【０１４７】
熱交換器１５０の内部には、複数の酸化剤ガス管路１７０が収容された空間からなるとともに、排ガス燃焼器１５２を構成する燃焼室１７２が形成される。燃焼室１７２は、燃料ガス（具体的には、燃料排ガス）と酸化剤ガス（具体的には、酸化剤排ガス）との燃焼反応により、酸化剤ガスを昇温させる熱源として機能する。燃焼室１７２には、酸化剤ガス排出室１６８ｂ側から酸化剤排ガス通路６３ａの一端と燃料排ガス通路６３ｂの一端とが配置される。
【０１４８】
図１４に示すように、改質器１４６と熱交換器１５０との間には、壁板（壁部）１７４が配設される。改質器１４６のフランジ部１７６と熱交換器１５０のフランジ部１７８との間に、壁板１７４が挟持されるとともに、これらが複数のボルト１８０及びナット１８２により一体的に固定される。壁板１７４には、熱交換器１５０の燃焼室１７２に発生した燃焼ガスを、改質器１４６の加熱空間１６２に供給するための開口部１８４が形成される。
【０１４９】
図１５に示すように、起動用燃焼器１５４は、内部ケーシング１８６を介して燃焼室１８８が形成されるとともに、前記内部ケーシング１８６の外方には、前記燃焼室１８８を冷却するための冷却通路１９０が形成される。冷却通路１９０の上部には、酸化剤ガス供給装置１６を構成する第１酸化剤ガス通路１１０ａが接続される一方、前記冷却通路１９０の下部には、第２酸化剤ガス通路１１０ｂが接続される（図１１参照）。
【０１５０】
燃焼室１８８は、排ガス燃焼器１５２を構成する燃焼室１７２に対応して矩形状の火炎領域Ｓが設定される（図１４参照）。この燃焼室１８８には、原燃料供給管５８が接続される。図１４に示すように、起動用燃焼器１５４と熱交換器１５０とは、それぞれに設けられたフランジ部１７６、１７８が複数のボルト１８０及びナット１８２により一体的に固定される。
【０１５１】
このように構成される燃料電池システム１４０の動作について、以下に説明する。
【０１５２】
燃料電池システム１４０の起動時には、空気（酸化剤ガス）及び原燃料が起動用燃焼器１５４に供給される。具体的には、酸化剤ガス供給装置１６では、空気ポンプの駆動作用下に第１酸化剤ガス通路１１０ａに空気が供給される。この空気は、起動用燃焼器１５４の冷却通路１９０を通って第２酸化剤ガス通路１１０ｂに導入された後、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度調整作用下に、前記第２酸化剤ガス通路１１０ｂから空気供給管５７に供給される。
【０１５３】
一方、原燃料供給装置１４では、燃料ガスポンプの駆動作用下に原燃料通路１０４の上流に原燃料が供給される。原燃料は、原燃料用調整弁１０６の開度調整作用下に、原燃料供給管５８に導入される。この原燃料は、空気供給管５７に供給されて空気と混合されるとともに、起動用燃焼器１５４内の燃焼室１８８に供給される。
【０１５４】
このため、燃焼室１８８内には、原燃料と空気との混合ガスが供給され、この混合ガスが着火されることにより、燃焼が開始される。従って、起動用燃焼器１５４に直接接続されている熱交換器１５０には、図１４に示すように、前記起動用燃焼器１５４の火炎領域Ｓから排ガス燃焼器１５２を構成する燃焼室１７２に燃焼ガスが供給される。
【０１５５】
燃焼室１７２に供給された燃焼ガスは、熱交換器１５０を加温するとともに、壁板１７４に形成された開口部１８４を介して改質器１４６の加熱空間１６２に移動する。これにより、改質器１４６が加温される。加熱空間１６２には、排ガス配管１６４ａが配設されており、この排ガス配管１６４ａは、蒸発器１４８の加熱路１６６に連通している。このため、図１１に示すように、燃焼ガスは、蒸発器１４８を昇温させた後、排気配管１６４ｂから排出される。
【０１５６】
次いで、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度が調整されて酸化剤ガス供給管７２への空気供給量が増加されるとともに、原燃料用調整弁１０６の開度が調整されて原燃料供給管５８への原燃料供給量が増加される。従って、起動用燃焼器１５４による燃焼量が増加して発生する熱量が増加する。なお、水供給装置１８では、蒸発器１４８に供給される水量が調整される。
【０１５７】
そして、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度が調整されて空気供給管５７への空気供給量が減少されるとともに、原燃料用調整弁１０６の開度が調整されて原燃料供給管５８への原燃料供給量が減少される。これにより、起動用燃焼器１５４による燃焼量が減少して発生する熱量が削減される。なお、水供給装置１８では、蒸発器４８に供給される水量が調整される。
【０１５８】
このため、酸化剤ガス供給装置１６では、酸化剤ガス用調整弁１１２を介して酸化剤ガス供給管７２に供給される空気流量が増加し、熱交換器１５０の酸化剤ガス供給室１６８ａに空気が導入される。
【０１５９】
図１４に示すように、酸化剤ガス供給室１６８ａに導入された空気は、複数の酸化剤ガス管路１７０内を下端側から上端側に移動する間に、燃焼室１７２に導入された燃焼ガスにより加熱（熱交換）される。加熱された空気は、一旦酸化剤ガス排出室１６８ｂに供給された後、酸化剤ガス通路７４を介して燃料電池スタック２４の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに供給される（図１１参照）。
【０１６０】
燃料電池スタック２４では、加熱された空気は、酸化剤ガス流路３８を流通した後、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂから酸化剤排ガス通路６３ａに排出される。酸化剤排ガス通路６３ａは、図１４に示すように、排ガス燃焼器１５２を構成する燃焼室１７２に開口しており、前記燃焼室１７２に空気が導入される。
【０１６１】
また、原燃料供給装置１４では、図１１に示すように、原燃料用調整弁１０６を介して原燃料通路１０４から脱硫器１０８に供給される原燃料流量が増加される。脱硫器１０８で脱硫された原燃料は、改質器１４６の改質ガス供給室１５８ａに供給される。一方、水供給装置１８から供給される水は、蒸発器１４８で蒸発された後、原燃料通路１０４を流通して改質ガス供給室１５８ａに供給される。
【０１６２】
図１３に示すように、改質ガス供給室１５８ａに供給された原燃料と水蒸気との混合ガスは、複数の改質管路１６０内を下端側から上端側に移動する。その間に、混合ガスは、加熱空間１６２に導入された燃焼ガスにより加熱されるとともに、ペレット状の触媒を介して水蒸気改質され、Ｃ２＋の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、加熱された燃料ガスとして、一旦改質ガス排出室１５８ｂに供給された後、燃料ガス通路９０を介して燃料電池スタック２４の燃料ガス入口連通孔４４ａに供給される（図１１参照）。
【０１６３】
燃料電池スタック２４では、加熱された燃料ガスは、燃料ガス流路４０を流通した後、燃料ガス出口連通孔４４ｂから燃料排ガス通路６３ｂに排出される。燃料排ガス通路６３ｂは、図１４に示すように、排ガス燃焼器１５２を構成する燃焼室１７２に開口しており、前記燃焼室１７２に燃料ガスが導入される。燃料電池スタック２４は、加熱された空気及び加熱された燃料ガスが流通することにより、昇温される。
【０１６４】
排ガス燃焼器１５２を構成する燃焼室１７２には、酸化剤排ガス通路６３ａを介して空気が供給されるとともに、燃料排ガス通路６３ｂを介して燃料ガスが供給されている。従って、起動用燃焼器１５４による昇温作用下に、排ガス燃焼器１５２内が燃料ガスの自己着火温度を超えると、燃焼室１７２で空気と燃料ガスとによる燃焼が開始される。
【０１６５】
排ガス燃焼器１５２における燃焼が開始されると、酸化剤ガス用調整弁１１２の開度及び原燃料用調整弁１０６の開度が調整され、起動用燃焼器１５４への空気及び原燃料の供給が停止される。さらに、燃料電池スタック２４による発電が開始される。
【０１６６】
この場合、第３の実施形態では、制御装置２０を備えており、上記の第１及び第２の実施形態と同様に、燃料電池システム１４０の制御が行われる。これにより、燃焼装置５５及び燃料電池スタック２４は、最適な稼働温度域に維持することができ、熱自立の向上を図ることが可能になる。しかも、燃焼装置５５から燃料排ガスや酸化剤排ガスがそのまま排出されることがなく、環境への影響を可及的に阻止することができる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【０１６７】
１０、１３０、１４０…燃料電池システム
１２、１３２、１４２…燃料電池モジュール
１４…原燃料供給装置                １６…酸化剤ガス供給装置
１８…水供給装置                    ２０…制御装置
２２…燃料電池                      ２４…燃料電池スタック
２６…電解質                        ２８…カソード電極
３０…アノード電極                  ３２…電解質・電極接合体
３８…酸化剤ガス流路                ４０…燃料ガス流路
４６、１４６…改質器                ４８、１４８…蒸発器
５０、１５０…熱交換器              ５２、１５２…排ガス燃焼器
５４、１５４…起動用燃焼器          ５５、１５５…燃焼装置
５６、１５６…ＦＣ周辺機器          ５７…空気供給管
５８…原燃料供給管
６０ａ〜６０ｄ、１３４ａ〜１３４ｄ…仕切り板
６２ａ〜６２ｄ…燃焼ガス連通孔      ６４…熱交換管路
７０ａ、１６８ａ…酸化剤ガス供給室  ７０ｂ、１６８ｂ…酸化剤ガス排出室
７４、１１０…酸化剤ガス通路        ８２ａ…混合ガス供給室
８２ｂ、１５８ｂ…改質ガス排出室    ８４…ペレット状触媒
８８…原燃料供給路                  ９０…燃料ガス通路
９２…蒸発管路                      ９８ａ…水供給室
９８ｂ…水蒸気排出室                １００…水通路
１０２…蒸発リターン管路            １１６ａ〜１１６ｄ…燃焼ガス通路
１２０…燃焼装置温度比較部          １２２…燃焼装置失火判断部
１２４…燃焼装置制御部              １２６…燃料電池スタック温度比較部
１２８…燃料電池スタック発電判断部  １２９ａ、１２９ｂ…温度検出器
１３６ａ〜１３６ｃ…抽気孔部        １５８ａ…改質ガス供給室
１６０…改質管路                    １６２…加熱空間
１６４ａ…排ガス配管                １６４ｂ…排気配管
１７０…酸化剤ガス管路              １７２、１８８…燃焼室
１９０…冷却通路
【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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