(57)【要約】【課題】緊急停止時において、空気極が還元されるリスクを確実に回避することができる固体酸化物型燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明は、固体酸化物型燃料電池システム(1)であって、発電室(10)内に燃料電池セルスタック(14)を収容した燃料電池モジュール(2)と、燃料供給装置(38)と、水供給装置(28)と、空気供給装置(45)と、燃料供給装置(38)から供給された燃料を、水供給装置から供給された水を使用して水蒸気改質し、改質された燃料を燃料電池セルスタックの燃料極側に供給する改質器(20)と、燃料供給装置、水供給装置、空気供給装置、及び燃料電池モジュールからの電力の取り出しの制御を実行するようにプログラムされたコントローラ(110)と、緊急停止によりコントローラの作動が停止された状態において、発電室内の気体の排出を促進する緊急排出手段(46)と、を有することを特徴としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を水蒸気改質して生成した水素と空気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システムであって、
発電室内に燃料電池セルスタックを収容した燃料電池モジュールと、
この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給装置と、
上記燃料電池モジュールに水蒸気改質用の水を供給する水供給装置と、
上記燃料電池セルスタックの空気極側に空気を供給する空気供給装置と、
上記燃料供給装置から供給された燃料を、上記水供給装置から供給された水を使用して水蒸気改質し、改質された燃料を上記燃料電池セルスタックの燃料極側に供給する改質器と、
上記燃料供給装置、上記水供給装置、上記空気供給装置、及び上記燃料電池モジュールからの電力の取り出しの制御を実行するようにプログラムされたコントローラと、
緊急停止により上記コントローラの作動が停止された状態において、上記発電室内の気体の排出を促進する緊急排出手段と、
を有することを特徴とする固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項２】
上記緊急停止は、燃料の供給及び商用電源の供給が停止された場合における第１緊急停止、及び燃料の供給のみ停止された場合における第２緊急停止を含み、上記コントローラは、上記第２緊急停止においては、上記燃料供給装置による燃料供給及び上記燃料電池モジュールからの電力の取り出しを停止させるシャットダウン停止を実行した後、上記空気供給装置を所定時間作動させるようにプログラムされ、上記第１緊急停止の場合には、上記コントローラの作動停止により燃料供給及び電力の取り出しが停止した後、上記緊急排出手段が自律的に上記発電室内の気体の排出を促進する請求項１記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項３】
上記緊急排出手段は、上記第２緊急停止の場合には作動されない請求項２記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項４】
上記緊急排出手段は、上記発電室の内部と大気の間を連通させ、上記発電室内の自然対流を促進することにより上記発電室内の気体の排出を促進する請求項３記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項５】
上記緊急排出手段は、商用電源の供給が停止されると自動的に開放される常開型バルブにより構成され、この常開型バルブが開放されることにより、大気から上記発電室内に空気を取り込む流路の流路抵抗が低下される請求項４記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項６】
上記常開型バルブは、大気から上記空気供給装置を介して上記発電室内に空気を供給する空気供給系統の少なくとも一部をバイパスするように設けられている請求項５記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項７】
発電運転時において上記発電室内の気体を排出する排気ポートが、上記発電室の上部に設けられ、上記常開型バルブを通過した外気が流入する空気流入ポートは、上記発電室の上記排気ポートよりも下方に設けられている請求項６記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項８】
大気から上記常開型バルブを介して上記発電室に至る流路の流路抵抗は、上記常開型バルブが開放されたとき、自然対流により上記発電室内の気体が上記排気ポートから排出され、外気が上記空気流入ポートから上記発電室内に吸入されるように設定されている請求項７記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項９】
上記発電室内の気体を上記排気ポートを介して外気に排出する流路の流路抵抗は、上記燃料電池セルスタックの燃料極側から空気極側に至る流路の流路抵抗よりも小さく構成されている請求項１記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項１０】
上記燃料電池セルスタックは複数の燃料電池セルユニットから構成され、上記各燃料電池セルユニットの上端には燃料極側と空気極側を連通させる細管が設けられ、この細管は、出口が上記排気ポートに近接するように、上方に向けて延びている請求項９記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【請求項１１】
上記緊急排出手段は、上記発電室内の気体を強制的に排出させる排出用ファンにより構成され、この排出用ファンは、上記コントローラの作動が停止した後、蓄電池の電力により自律的に所定時間作動される請求項２記載の固体酸化物型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池システムに関し、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システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池システム（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システムである。
【０００３】
特開２０１０−２７５７９号公報（特許文献１）には、燃料電池システムが記載されている。この燃料電池システムでは、緊急停止時において、改質器に燃料を供給する送出ポンプ、水蒸気改質用の水を供給する改質水ポンプ、及びセルスタックの空気極側に空気を送る空気ブロアを停止させる。その後、緊急停止時作動制御により送出ポンプ及び改質水ポンプが再び作動されると、燃料供給源からの燃料ガスの供給が遮断された状態であっても、吸着器に吸着されていた燃料ガスが改質器に送られ、改質水ポンプから供給された水により、水蒸気改質が行われる。これにより、燃料ガスの供給が遮断された後も、所定期間に亘ってセルスタックの燃料極に改質燃料が供給され、空気が逆流することによる燃料極の酸化が防止される。
【０００４】
さらに、特開２０１２−１３８１８６号公報（特許文献２）には、高温作動型燃料電池システムが記載されている。この高温作動型燃料電池システムでは、緊急停止時において、燃料ガスを供給する原燃料ポンプを停止する一方、改質器に水を供給する改質水ポンプを作動させる。改質水ポンプが作動されると、供給された水は、改質器内において蒸発されることにより体積膨張する。このため、燃料供給源からの源燃料ガスの供給が遮断された状態であっても、改質器よりも下流側の燃料ガス供給ラインに残存していた燃料ガスが、体積膨張した水蒸気の圧力により燃料電池（セルスタック）側に押し出される。これにより、空気が逆流することによる燃料極の酸化が防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−２７５７９号公報
【特許文献２】特開２０１２−１３８１８６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、本件発明者は、固体酸化物型燃料電池システムの緊急停止後において、燃料電池セルの燃料極側から空気極側に流出した残余の燃料ガスが燃料電池セルの空気極に接触し、空気極が還元されることにより、劣化又は損傷される場合がある、という新たな技術課題を見出した。上述した特許文献に記載された燃料電池システムにおいては、緊急停止後に空気が燃料極側に逆流して燃料極が酸化されるという問題を解決しようとするものであるが、空気極の還元に対しては何ら対策が施されていない。
【０００７】
燃料電池システムが緊急停止された直後の一定期間においては、燃料電池セルの燃料極側の圧力が空気極側の圧力よりも高く、残余の燃料ガスは、燃料極側から空気極側に流出している。流出した燃料ガスは、燃料電池セル（スタック）を収容した発電室内に滞留し、その後、排気管路を通って燃料電池モジュールの外部へ排出される。燃料ガスに含まれる水素ガスは空気よりも軽いため、発電室上方に滞留するので、空気極側に流出する燃料ガスが少量であれば、発電室の下部に配置された燃料電池セルの空気極に燃料ガスが接触することは起こりにくい。しかしながら、大量の燃料ガスが流出すると、発電室内が燃料ガスに充満し、燃料ガスが空気極に接触する虞がある。
【０００８】
また、発電室内に滞留している燃料ガスは、強制的な排気（発電用空気の供給）が喪失された状態であっても、自然対流により排気管路を通って燃料電池モジュールの外部へ排出される。しかしながら、一般に、発電室からの排気管路には熱交換器等が設けられているため、流路抵抗が大きく、自然対流だけでは発電室内の燃料ガスを十分に排出することができない場合がある。このような場合には、発電室内に滞留する燃料ガスが多くなり、燃料ガスが燃料電池セルの空気極に接触する虞がある。特に、発電室からの排気の熱を十分に回収し、燃料電池システムのエネルギー効率を向上させるには、排気管路の熱交換器等が必須となるため、排気管路の流路抵抗が大きくなる傾向があり、緊急停止時において燃料ガスが空気極に接触するリスクが高くなる。
【０００９】
従って、本発明は、排気の熱を十分に回収してエネルギー効率を高めながら、緊急停止時においては、空気極が還元されるリスクを確実に回避することができる固体酸化物型燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明は、燃料を水蒸気改質して生成した水素と空気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システムであって、発電室内に燃料電池セルスタックを収容した燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールに燃料を供給する燃料供給装置と、燃料電池モジュールに水蒸気改質用の水を供給する水供給装置と、燃料電池セルスタックの空気極側に空気を供給する空気供給装置と、燃料供給装置から供給された燃料を、水供給装置から供給された水を使用して水蒸気改質し、改質された燃料を燃料電池セルスタックの燃料極側に供給する改質器と、燃料供給装置、水供給装置、空気供給装置、及び燃料電池モジュールからの電力の取り出しの制御を実行するようにプログラムされたコントローラと、緊急停止によりコントローラの作動が停止された状態において、発電室内の気体の排出を促進する緊急排出手段と、を有することを特徴としている。
【００１１】
このように構成された本発明においては、燃料及び水が、燃料供給装置及び水供給装置によって、改質器に夫々供給され、改質器は燃料を水蒸気改質する。改質された燃料は、燃料電池モジュールの発電室内に収容された燃料電池セルスタックの燃料極側に供給される。一方、空気が、空気供給装置によって、燃料電池セルスタックの空気極側に供給される。コントローラは、燃料供給装置、水供給装置、空気供給装置、及び燃料電池モジュールからの電力の取り出しの制御を実行するようにプログラムされている。緊急排出手段は、緊急停止によりコントローラの作動が停止された状態において、発電室内の気体の排出を促進する。
【００１２】
一般に、固体酸化物型燃料電池システムにおいては、緊急停止によりコントローラの作動が停止された後も、燃料電池セルスタックの燃料極側の圧力が空気極側の圧力よりも高い状態にある。このため、コントローラの停止後も、燃料極側に残留している燃料ガスが、空気極側に流出する。空気極側に流出した燃料ガスは発電室内に滞留した後、燃料電池モジュールの外へ排出される。流出した燃料ガスは発電室の上部に滞留するため、通常、流出した燃料ガスが燃料電池セルスタックの空気極に接触することはない。しかしながら、本件発明者は、流出した燃料ガスが多い場合や、燃料電池モジュールからの排気系統の流路抵抗が大きい場合には、流出した燃料ガスが発電室内に充満し、空気極に接触して、燃料電池セルスタックの空気極を劣化させ、又は損傷する危険があるという、緊急停止時における新たな技術課題を見出した。
【００１３】
上記のように構成された本発明によれば、緊急停止によりコントローラの作動が停止された状態において、発電室内の気体の排出を促進する緊急排出手段が備えられているので、コントローラによる制御が喪失された状態においても、発電室内に流出した燃料ガスを効果的に排出することができる。これにより、緊急停止後に発電室内に流出した燃料ガスが空気極に接触して、燃料電池セルスタックの空気極を劣化させ、又は損傷するリスクをより確実に回避することができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、緊急停止は、燃料の供給及び商用電源の供給が停止された場合における第１緊急停止、及び燃料の供給のみ停止された場合における第２緊急停止を含み、コントローラは、第２緊急停止においては、燃料供給装置による燃料供給及び燃料電池モジュールからの電力の取り出しを停止させるシャットダウン停止を実行した後、空気供給装置を所定時間作動させるようにプログラムされ、第１緊急停止の場合には、コントローラの作動停止により燃料供給及び電力の取り出しが停止した後、緊急排出手段が自律的に発電室内の気体の排出を促進する。
【００１５】
このように構成された本発明によれば、燃料の供給のみ停止された場合における第２緊急停止では、商用電源の供給が喪失されていないので、シャットダウン停止を実行した後、空気供給装置を所定時間作動させる。これにより、発電室内に流出した燃料ガスを強制的に排気し、空気極の劣化、損傷を確実に防止することができる。また、空気供給装置はシャットダウン停止後所定時間だけ作動させるので、燃料供給が停止された後、燃料極側の圧力が低下した状態において空気が供給されることによる、空気の燃料極側への逆流を防止することができる。さらに、燃料及び商用電源の供給が停止された場合における第１緊急停止では、コントローラの作動が停止された状態において、緊急排出手段が自律的に発電室内の気体の排出を促進する。これにより、燃料及び商用電源の供給が停止された場合においても空気極の劣化、損傷を確実に防止することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、緊急排出手段は、第２緊急停止の場合には作動されない。
このように構成された本発明によれば、商用電源の供給が喪失されていない第２緊急停止の場合には、緊急排出手段を使用せず、空気供給装置の作動のみで流出した燃料ガスを確実に排気することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、緊急排出手段は、発電室の内部と大気の間を連通させ、発電室内の自然対流を促進することにより発電室内の気体の排出を促進する。
このように構成された本発明によれば、緊急排出手段が発電室内の自然対流の促進により発電室内の気体の排出するので、発電室内の気体を強制的に排出するための動力を使用することなく、気体の排出を促進することができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、緊急排出手段は、商用電源の供給が停止されると自動的に開放される常開型バルブにより構成され、この常開型バルブが開放されることにより、大気から発電室内に空気を取り込む流路の流路抵抗が低下される。
このように構成された本発明によれば、緊急排出手段が常開型バルブにより構成されているので、簡単な構成により確実に緊急排出手段を作動させることができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、常開型バルブは、大気から空気供給装置を介して発電室内に空気を供給する空気供給系統の少なくとも一部をバイパスするように設けられている。
このように構成された本発明によれば、空気の供給に通常使用されている空気供給系統の一部をバイパスするだけで、大気から発電室内に空気を取り込む流路抵抗を低下させることができ、簡単な構造で緊急排出手段を構成することができる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、発電運転時において発電室内の気体を排出する排気ポートが、発電室の上部に設けられ、常開型バルブを通過した外気が流入する空気流入ポートは、発電室の排気ポートよりも下方に設けられている。
このように構成された本発明によれば、外気を発電室の下方から流入させ、温度の高い発電室内の気体を上部の排気ポートから排出するので、自然対流により効率的に燃料を排出することができる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、大気から常開型バルブを介して発電室に至る流路の流路抵抗は、常開型バルブが開放されたとき、自然対流により発電室内の気体が排気ポートから排出され、外気が空気流入ポートから発電室内に吸入されるように設定されている。
このように構成された本発明によれば、常開型バルブが開放された際に、発電室内の気体が常開型バルブを逆流して外気に排出されることがなく、高温の気体が通常の排気経路ではない出口から外気に排出されるのを防止することができる。
【００２２】
本発明において、好ましくは、発電室内の気体を排気ポートを介して外気に排出する流路の流路抵抗は、燃料電池セルスタックの燃料極側から空気極側に至る流路の流路抵抗よりも小さく構成されている。
このように構成された本発明によれば、燃料極側から空気極側へ流出する燃料の流量を、排気ポートを通って外気に排出される気体の流量よりも少なくすることができ、流出した燃料が発電室内に充満するのを防止することができる。
【００２３】
本発明において、好ましくは、燃料電池セルスタックは複数の燃料電池セルユニットから構成され、各燃料電池セルユニットの上端には燃料極側と空気極側を連通させる細管が設けられ、この細管は、出口が上記排気ポートに近接するように、上方に向けて延びている。
【００２４】
このように構成された本発明によれば、シャットダウン停止後に、燃料は燃料電池セルユニット上端の細管を通って燃料極側から空気極側に噴射され、細管の出口は排気ポートに近接するように延びているので、各燃料電池セルユニットから空気極側に噴射された燃料が速やかに排気ポートに流入し、噴射された燃料が空気極に接触するリスクをより低下させることができる。また、細管の流路断面積の変更により、排気ポートを介して排気する流路の流路抵抗が、燃料極側から空気極側に至る流路の流路抵抗よりも小さくなるように、容易に調整することができる。
【００２５】
本発明において、好ましくは、緊急排出手段は、発電室内の気体を強制的に排出させる排出用ファンにより構成され、この排出用ファンは、コントローラの作動が停止した後、蓄電池の電力により自律的に所定時間作動される。
【００２６】
このように構成された本発明によれば、燃料の供給及び商用電源の供給が停止された場合においても、発電室内の気体を強制的に排出させることができ、燃料ガスが空気極に接触するリスクをより確実に回避することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の固体酸化物型燃料電池システムによれば、排気の熱を十分に回収してエネルギー効率を高めながら、緊急停止時においては、空気極が還元されるリスクを確実に回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す正面断面図である。
【図３】図２のIII-III線に沿った断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による燃料電池システムの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による燃料電池システムを示すブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による燃料電池システムの改質器の斜視図である。
【図８】本発明の一実施形態による燃料電池システム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】本発明の一実施形態による燃料電池システムの改質器内部の燃料の流れを示す平面断面図である。
【図１０】本発明の一実施形態による燃料電池システム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１１】本発明の一実施形態による燃料電池システム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】本発明の一実施形態による燃料電池システム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。
【図１３】本発明の一実施形態による燃料電池システムにおいて、緊急停止モードの選択を行う停止判断のフローチャートである。
【図１４】本発明の一実施形態による燃料電池システムにおいて、第１緊急停止モードが実行された場合の停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。
【図１５】本発明の一実施形態による燃料電池システムにおいて、第２緊急停止モードが実行された場合の停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。
【図１６】本発明の変形実施形態による固体酸化物型燃料電池システムの全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池システム（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池システム（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池システム（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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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の逆流を防止する逆止弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）とを備えている。
【００３３】
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。
【００３４】
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システム（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池システム（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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
この改質器２０の下流端側には、燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
次に図４により燃料電池セルユニット１６について説明する。図４は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池システム（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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
次に図５により燃料電池セルスタック１４について説明する。図５は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池システム（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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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システム（ＳＯＦＣ）に取り付けられたセンサ類等について説明する。図６は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池システム（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システム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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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システム（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。
【００５４】
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。
【００５５】
次に、図７乃至図９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。図９は、改質器２０内部の燃料の流れを示す平面断面図である。
【００５６】
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。
【００５７】
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、複数の仕切り板が配置されることにより、曲がりくねって蛇行する通路が形成されている。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、複数の仕切り板が配置されることにより、曲がりくねって蛇行する通路が形成されている。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。
【００５８】
一方、改質部２０ｃの内部にも、複数の仕切り板が配置されることにより曲がりくねった通路が形成され、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。
【００５９】
図８及び図９に示すように、改質器２０の蒸発部２０ａに導入された燃料ガス、水及び改質用空気は、改質器２０の横断方向に蛇行して流れ、この間に、導入された水は蒸発し、水蒸気となる。蒸発部２０ａと混合部２０ｂの間には、蒸発／混合部隔壁２０ｄが設けられ、この蒸発／混合部隔壁２０ｄには隔壁開口２０ｅが設けられている。この隔壁開口２０ｅは、蒸発／混合部隔壁２０ｄの片側約半分のうちの、上側約半分の領域に設けられた長方形の開口部である。
また、混合部２０ｂと改質部２０ｃの間には、混合／改質部隔壁２０ｆが設けられ、この混合／改質部隔壁２０ｆには多数の連通孔２０ｇを設けることにより狭小流路が形成されている。混合部２０ｂ内において混合された燃料ガス等は、これらの連通孔２０ｇを通って改質部２０ｃに流入する。
【００６０】
改質部２０ｃに流入した燃料等は、改質部２０ｃの中央を長手方向に流れた後、２つに分岐して折返し、２つの通路は再び折り返して改質部２０ｃの下流端に向かい、そこで合流されて燃料ガス供給管６４に流入する。燃料は、このように蛇行した通路を通過しながら、通路に充填された触媒により改質される。なお、蒸発部２０ａ内においては、或る量の水が短時間に急激に蒸発する突沸が発生し、内部の圧力が上昇する場合がある。しかしながら、混合部２０ｂには所定容積のチャンバーが構成され、混合／改質部隔壁２０ｆには狭小流路が形成されているため、改質部２０ｃには、蒸発部２０ａ内の急激な圧力変動の影響が及びにくい。従って、混合部２０ｂのチャンバー及び混合／改質部隔壁２０ｆの狭小流路は圧力変動吸収手段として機能する。
【００６１】
次に、図１０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１０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。
【００６２】
図１０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１０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１０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）。
【００６３】
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。
【００６４】
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１０）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１０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１０）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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
次に、固体酸化物型燃料電池システム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。
【００７１】
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。
【００７２】
一方、酸化剤ガスである発電用の空気は、発電用の空気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。
【００７３】
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。
【００７４】
次に、図１２を新たに参照して、固体酸化物型燃料電池システム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。
【００７５】
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、発電用の空気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、改質用の空気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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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）
【００８４】
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）
【００８５】
このように、本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池システム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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
次に、図１を再び参照して、燃料電池モジュール２の発電室１０と外気の間を連通させる常開型バルブ４６を説明する。
図１に示すように、発電用の空気は、空気供給源４０から逆止弁４２、発電用空気流量調整ユニット４５を介して燃料電池モジュール２の発電室１０内に供給される。一方、常開型バルブ４６は、空気供給源４０と発電室１０を直接連通させる管路の途中に設けられており、これが開放されると、空気供給系統のうちの逆止弁４２及び発電用空気流量調整ユニット４５がバイパスされ、空気供給源４０である外気と発電室１０が直接連通される。これにより、大気から発電室１０内に空気を取り込む流路の流路抵抗が低下される。なお、空気供給源４０と常開型バルブ４６の間には空気フィルター（図示せず）等が設けられており、常開型バルブ４６が開放された状態においても、空気供給源４０と発電室１０との間には所定の流路抵抗が存在する。常開型バルブ４６は、所謂ノーマルオープン型のバルブであり、これを作動させる電源が喪失されると開放された状態となる。固体酸化物型燃料電池システム１の通常動作中は、常開型バルブ４６は常に閉鎖された状態にあり、緊急停止により常開型バルブ４６への給電が不可能な状態となると自動的に開放される。即ち、常開型バルブ４６は、給電が途切れると、制御部１１０からの制御信号を受けることなく自律的に開放される。
【００９２】
次に、図１３乃至図１５を参照して、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池システム１の停止について説明する。
図１３は、本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池システム１における緊急停止モードの選択を行う停止判断のフローチャートである。図１３のフローチャートは、所定の条件に基づいて、何れの緊急停止モードを選択するかを判断するためのフローチャートであり、固体酸化物型燃料電池システム１の運転中において、所定の時間間隔で繰り返し実行される。
【００９３】
まず、図１３のステップＳ１においては、燃料供給源３０（図１）からの燃料ガスの供給、及び商用電源からの電力の供給が停止されているか否かが判断される。燃料ガス及び電力の両方の供給が停止されている場合には、ステップＳ２に進み、ステップＳ２においては、第１緊急停止モードが選択されて、図１３のフローチャートの１回の処理が終了する。第１緊急停止モードが選択される場合としては、自然災害等により、燃料ガス及び電力の供給が停止された場合が想定され、このような停止が行われる頻度は極めて少ないと考えられる。
【００９４】
一方、燃料ガス及び電力の少なくとも一方が供給されている場合には、ステップＳ３に進み、ステップＳ３においては、燃料ガスの供給が停止され、且つ電力が供給されている状態であるか否かが判断される。燃料ガスの供給が停止され、且つ電力が供給されている場合にはステップＳ４に進み、それ以外の場合には図１３のフローチャートの１回の処理が終了する。ステップＳ４においては、第２緊急停止モードが選択されて、図１３のフローチャートの１回の処理が終了する。第２緊急停止モードが選択される場合としては、燃料ガス供給経路の工事等により、一時的に燃料ガスの供給が停止された場合等が想定され、このような停止が行われる頻度は少ないと考えられる。
【００９５】
なお、電力の供給が停止され、燃料ガスの供給が継続されている場合には、図１３のフローチャートによっては、何れの緊急停止モードも選択されない。このような場合においては、本実施形態による固体酸化物型燃料電池システム１は、燃料電池セルスタック１４によって生成された電力によって補機ユニット４を作動させることにより、発電を継続することができる。なお、電力の供給停止が所定の長時間に亘って継続した場合において、発電が停止されるように本発明を構成することもできる。
【００９６】
次に、図１４及び図１５を参照して、各緊急停止モードおける停止処理を説明する。
図１４は本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池システム１において、第１緊急停止モード（図１３のステップＳ２）により停止された場合の停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。
【００９７】
まず、図１４の時刻ｔ１０１において、燃料供給源３０（図１）からの燃料ガスの供給、及び商用電源からの電力の供給が停止され、これが図１３に示したフローチャートのステップＳ１において判定されると、第１緊急停止モード（ステップＳ２）により制御部１１０の作動は直ちに停止される。制御部１１０の作動が停止されると、燃料流量調整ユニット３８による燃料の供給、水流量調整ユニット２８による水の供給、及び発電用空気流量調整ユニット４５による発電用空気の供給が短時間に停止する。また、インバータ５４による燃料電池モジュール２からの電力の取り出しも停止する（出力電流＝０）。第１緊急停止モードにより固体酸化物型燃料電池システム１が停止されると、常開型バルブ４６（図１）への電力供給が喪失され、常開型バルブ４６が開放される。
【００９８】
燃料供給及び電力の取り出しが停止されるシャットダウン停止の後、燃料電池モジュール２は、この状態で自然放置される。このため、各燃料電池セルユニット１６内部の燃料極側に存在していた燃料は、外部の空気極側との圧力差に基づいて、燃料ガス流路細管９８（図４）を通って空気極側に噴出される。また、各燃料電池セルユニット１６の空気極側に存在していた空気（及び燃料極側から噴出した燃料）は、空気極側の圧力（発電室１０（図１）内の圧力）と大気圧との圧力差に基づいて、排気通路２１ｂ、空気用熱交換器２２等を通って、燃料電池モジュール２の外部に排出される。従って、図１４に示すように、時刻ｔ１０１のシャットダウン停止の後、各燃料電池セルユニット１６の燃料極側及び空気極側の圧力は、自然に低下する。なお、上記のように、時刻ｔ１０１においてシャットダウン停止されると常開型バルブ４６も開放され、発電室１０と外気（空気供給源４０）の間は、この経路によっても連通される。しかしながら、常開型バルブ４６を介して外気と発電室１０を連通させる流路の流路抵抗は、空気用熱交換器２２等を通って外気に至る流路の流路抵抗よりも大きく設定されている。このため、発電室１０内の気体のほぼ全量が空気用熱交換器２２等を通って排出され、常開型バルブ４６を介して外気と連通される流路からは空気が吸入される。
【００９９】
また、図１４に示すように、時刻ｔ１０１のシャットダウン停止の直後においては、各燃料電池セルユニット１６の燃料極側と空気極側の圧力差が最も大きく、燃料極側に存在している燃料が燃料電池セルユニット１６上端部の燃料ガス流路細管９８を通って空気極側に大量に流出する。シャットダウン停止直後の燃料電池セルユニット１６の温度が高い状態において、燃料中の水素等が燃料電池セルユニット１６の空気極に触れると、空気極が還元され、損傷される虞がある。しかしながら、燃料極側から空気極側に流出した水素は空気よりも軽いため、燃料電池モジュール２内の燃料電池セルスタック１４よりも上方に滞留し、空気極への接触が回避される。また、燃料電池モジュール２内の上部に滞留した燃料ガスは、燃料電池セルスタック１４上方の整流板２１の開口部２１ａ（図２）を通って空気用熱交換器２２に流入し、燃料電池モジュール２外へ排出される。従って、整流板２１の開口部２１ａは、発電室１０内の気体を空気用熱交換器２２側に排出する排気ポートとして機能する。
【０１００】
さらに、燃料極側の燃料は、細管である燃料ガス流路細管９８を通って空気極側に噴出する。この燃料ガス流路細管９８は出口が排気ポートである開口部２１ａに近接するように上方に向けて延びている。燃料は、上方の開口部２１ａに向けて噴射されるため、噴射された燃料は空気極側から遠ざけられ、空気極還元のリスクが軽減される。また、燃料極側の燃料が燃料ガス流路細管９８を通って空気極側に噴出する流路抵抗は、発電室１０内の気体が排気ポート（開口部２１ａ）を通って外気に排出される流路の流路抵抗よりも大きく構成されている。このため、燃料極側から空気極側へ流出する燃料の流量は、開口部２１ａを通って外気に排出される気体の流量よりも少なくなり、流出した燃料が発電室１０内に充満するのを防止することができる。
【０１０１】
加えて、時刻ｔ１０１のシャットダウン停止後においては、常開型バルブ４６（図１）が開放されている。外気（空気供給源４０）から常開型バルブ４６を通って燃料電池モジュール２に至る流路は、発電用空気導入管７４（図１０）、空気用熱交換器２２の発電用空気流路７２（図３）、出口ポート７６ａ（図３）、発電用空気供給路７７（図３）を通って、発電室１０に開口している多数の吹出口７７ａに連通している。従って、各燃料電池セルユニット１６から流出した温度の高い燃料が、自然対流により発電室１０上方の開口部２１ａ（図２）から排出されると、常開型バルブ４６を通って取り込まれた外気が発電室１０下部に設けられた吹出口７７ａから発電室１０内に引き込まれる。換言すれば、常開型バルブ４６を介して吹出口７７ａから発電室１０内に空気が吸入されることにより、各燃料電池セルユニット１６から流出した燃料が、発電室１０から排出されやすくなる。従って、吹出口７７ａは常開型バルブ４６を通過した外気が流入する空気流入ポートとして機能する。また、常開型バルブ４６は、緊急停止により制御部１１０の作動が停止された状態において、自然対流を促進することによって発電室１０内の気体の排出を促進する緊急排出手段として機能する。このように、第１緊急停止モードによりシャットダウン停止が行われた際に常開型バルブ４６が開放されることにより、燃料極側から空気極側に流出した燃料が空気極に触れ、これを損傷するリスクがより確実に回避される。
【０１０２】
次に、図１５を参照して、第２緊急停止モードを説明する。
図１５は本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池システム１において、第２緊急停止モード（図１３のステップＳ４）が実行された場合の停止挙動の一例を模式的に時系列で表したタイムチャートである。
【０１０３】
まず、第２緊急停止モードは、燃料ガスの供給のみが停止された場合に実行される停止モードである。図１５の時刻ｔ２０１において、シャットダウン停止が行われると、燃料流量調整ユニット３８による燃料の供給、及び水流量調整ユニット２８による水の供給が短時間に停止する。また、インバータ５４による燃料電池モジュール２からの電力の取り出しも停止する（出力電流＝０）。第２緊急停止モードが実行された場合には、商用電源の供給は喪失されていないため、制御部１１０の作動が停止されることはなく、また、常開型バルブ４６も閉鎖されたままである。第２緊急停止モードでは、制御部１１０に内蔵されたシャットダウン停止回路１１０ａは、時刻ｔ２０１のシャットダウン停止の直後に、温度降下制御を実行し、発電用空気流量調整ユニット４５を所定時間に亘って最大出力で作動させる。なお、本実施形態においては、発電用空気流量調整ユニット４５を作動させる時間は約２分間である。さらに、図１５の時刻ｔ２０２において、発電用空気流量調整ユニット４５が停止された後は、第１緊急停止モードと同様に自然放置されるが、常開型バルブ４６は閉鎖された状態に維持される。即ち、第２緊急停止モードでは、緊急排出手段は作動されない。
【０１０４】
第２緊急停止モードによる停止では、シャットダウン停止の後、燃料電池セルユニット１６の空気極側に空気が送り込まれる。これにより、図１５のＡ部において、空気極側の温度が、第１緊急停止モードの場合（図１４）よりも急激に低下している。従来の燃料電池システムにおいては、燃料供給が完全に停止された後、燃料電池セルスタック１４の温度が酸化抑制温度に低下するまでは、空気が燃料極側に逆流して燃料極を酸化させ、損傷する危険があると考えられていたため、空気の供給は必ず停止されていた。しかしながら、燃料供給を停止した後でも、所定時間の間は安全に空気極側に発電用の空気を供給できることが、本件発明者により見出された。
【０１０５】
即ち、シャットダウン停止の直後においては、各燃料電池セルユニット１６の燃料極側に十分に燃料ガスが残存しており、これが各燃料電池セルユニット１６上端から噴出している状態であるため、空気極側に空気を送り込むことにより燃料極側に空気が逆流することはない。即ち、この状態においては、発電用空気流量調整ユニット４５によって空気を送り込むことにより、空気極側の圧力が上昇するが、依然として燃料極側の圧力が空気極側の圧力よりも高い状態にある。また、燃料極側から空気極側に流出した燃料ガスは、発電用空気流量調整ユニット４５によって空気が送り込まれることにより、送り込まれた空気と共に燃料電池モジュール２外に排出される。
【０１０６】
さらに、時刻ｔ２０２において空気の供給が停止された後は、第１緊急停止モードと同様に自然放置される。しかしながら、第２緊急停止モードにおいては、シャットダウン停止後に発電用空気流量調整ユニット４５が作動されるため、燃料極側から空気極側に流出した燃料ガスは、燃料電池モジュール２外に排出されている。また、図１５の時刻ｔ２０２においても、燃料極側の圧力は空気極側よりも高いため、発電用空気流量調整ユニット４５の停止後も燃料極側から燃料ガスが流出する。しかしながら、時刻ｔ２０２においては、燃料極側と空気極側の圧力が接近しているため、燃料極側から流出する燃料ガスは大幅に減少している。
【０１０７】
このため、発電用空気流量調整ユニット４５停止後に噴出された燃料ガスである水素は、燃料電池モジュール２内の上部（燃料電池セルスタック１４よりも上方）に滞留するが、噴出された燃料ガスは、各燃料電池セルユニット１６の空気極には、実質的に接触しない。従って、常開型バルブ４６が閉鎖された状態であっても、燃料ガスが高温の空気極に接触することにより還元され、空気極が劣化されることはない。
【０１０８】
本発明の実施形態の固体酸化物型燃料電池システム１によれば、緊急停止により制御部１１０の作動が停止された状態において、発電室１０内の気体の排出を促進する緊急排出手段として、常開型バルブ４６（図１）を開放させるので、制御部１１０による制御が喪失された状態においても、発電室１０内に流出した燃料ガスを効果的に排出することができる。これにより、緊急停止後に発電室１０内に流出した燃料ガスが空気極に接触して、燃料電池セルスタック１４の空気極を劣化させ、又は損傷するリスクをより確実に回避することができる。
【０１０９】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム１によれば、燃料の供給のみ停止された場合における第２緊急停止（図１３のステップＳ４）では、商用電源の供給が喪失されていないので、シャットダウン停止（図１５の時刻ｔ２０１）を実行した後、発電用空気流量調整ユニット４５を所定時間（図１５の時刻ｔ２０１〜ｔ２０２）作動させる。これにより、発電室１０内に流出した燃料ガスを強制的に排気し、空気極の劣化、損傷を確実に防止することができる。また、発電用空気流量調整ユニット４５はシャットダウン停止後所定時間だけ作動させるので、燃料供給が停止された後、燃料極側の圧力が低下した状態において空気が供給されることによる、空気の燃料極側への逆流を防止することができる。さらに、燃料及び商用電源の供給が停止された場合における第１緊急停止（図１３のステップＳ２）では、制御部１１０の作動が停止された状態（図１４の時刻ｔ１０１以降）において、常開型バルブ４６が自律的に開放されることにより発電室１０内の気体の排出が促進される。これにより、燃料及び商用電源の供給が停止された場合においても空気極の劣化、損傷を確実に防止することができる。
【０１１０】
さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム１によれば、商用電源の供給が喪失されていない第２緊急停止（図１３のステップＳ４）の場合には、緊急排出手段である常開型バルブ４６は開放されず、発電用空気流量調整ユニット４５の作動のみで流出した燃料ガスを確実に排気することができる。
【０１１１】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム１によれば、常開型バルブ４６（図１）の開放により発電室１０内の自然対流が促進され、発電室１０内の気体が排出されるので、発電室１０内の気体を強制的に排出するための動力を使用することなく、気体の排出を促進することができる。
【０１１２】
さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム１によれば、常開型バルブ４６（図１）を緊急排出手段として利用しているので、簡単な構成により確実に緊急の排出を行うことができる。
【０１１３】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム１によれば、空気の供給に通常使用されている空気供給系統の一部をバイパスする（図１）だけで、大気から発電室１０内に空気を取り込む流路抵抗を低下させることができ、簡単な構造で緊急排出手段を構成することができる。
【０１１４】
さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム１によれば、常開型バルブ４６（図１）を通った外気が発電室１０の下方から流入され、温度の高い発電室１０内の気体を上部の開口部２１ａ（図３）から排出するので、自然対流により効率的に燃料を排出することができる。
【０１１５】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム１において、大気から常開型バルブ４６（図１）を介して発電室１０に至る流路の流路抵抗は、常開型バルブ４６が開放されたとき、自然対流により発電室１０内の気体が開口部２１ａを通って排出され、外気が各吹出口７７ａ（図３）から発電室１０内に吸入されるように設定されている。これにより、常開型バルブ４６が開放された際に、発電室１０内の気体が常開型バルブ４６を逆流して外気に排出されることがなく、高温の気体が通常の排気経路ではない出口から外気に排出されるのを防止することができる。
【０１１６】
さらに、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム１において、発電室１０内の気体を開口部２１ａ（図３）を介して外気に排出する流路の流路抵抗は、燃料電池セルスタック１４の燃料極側から空気極側へ燃料ガス流路細管９８（図４）を介して燃料が流出される流路の流路抵抗よりも小さく構成されている。これにより、燃料極側から空気極側へ流出する燃料の流量を、開口部２１ａを通って外気に排出される気体の流量よりも少なくすることができ、流出した燃料が発電室１０内に充満するのを防止することができる。
【０１１７】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池システム１によれば、シャットダウン停止（図１４の時刻ｔ１０１、図１５の時刻ｔ２０１）後に、燃料は燃料電池セルユニット１６上端の燃料ガス流路細管９８（図４）を通って燃料極側から空気極側に噴射され、燃料ガス流路細管９８の出口は開口部２１ａ（図３）に近接するように延びているので、各燃料電池セルユニット１６から空気極側に噴射された燃料が速やかに開口部２１ａに流入し、噴射された燃料が空気極に接触するリスクをより低下させることができる。また、燃料ガス流路細管９８の流路断面積の変更により、開口部２１ａを介して排気する流路の流路抵抗が、燃料極側から空気極側に至る流路の流路抵抗よりも小さくなるように、容易に調整することができる。
【０１１８】
次に、図１６を参照して、本発明の変形実施形態による固体酸化物型燃料電池システムを説明する。図１６は、本発明の変形実施形態による固体酸化物型燃料電池システムの全体構成図である。
上述した本発明の実施形態においては、緊急停止により制御部１１０の作動が停止された状態において、発電室１０内の気体の排出を促進する緊急排出手段として常開型バルブ４６が使用されていた。本変形例においては、緊急排出手段として、蓄電池により作動される排出用ファンが使用されている点が上述した実施形態とは異なり、その他の構成は上述した実施形態と同様である。
【０１１９】
図１６に示すように、本発明の変形実施形態による固体酸化物型燃料電池システム２００には、緊急排出手段として排出用ファン２０２が備えられている。排出用ファン２０２は、燃料電池モジュール２からの排気ガス排出管（図１０における「排気ガス排出管８２」に相当）に設けられた送風ファンである。排出用ファン２０２は、蓄電池２０２ａの電力により作動するように構成されており、第１緊急停止モードにより制御部の作動が停止された後、自律的に所定時間作動される。即ち、排出用ファン２０２は、制御部１１０からの制御信号や、電力の供給を受けることなく、蓄電池２０２ａの電力により所定時間作動し、発電室１０内の気体を排出する。排出用ファン２０２が作動されることにより、発電室１０内の気体（燃料極側から流出した燃料ガス及び空気）が、空気用熱交換器２２を介して強制的に燃料電池モジュール２の外に排出される。これにより、燃料の供給及び商用電源の供給が停止された場合においても、シャットダウン停止後に燃料極側から空気極側に流出した燃料ガスが燃料電池セルユニット１６の空気極に触れ、空気極を還元して損傷させるリスクをより確実に回避することができる。
【０１２０】
また、排出用ファン２０２は、燃料電池モジュール２の排気側に設けられているが、排出用ファン２０２の代わりに、或いは排出用ファン２０２に加えて、燃料電池モジュール２の吸気側に排出用ファンを設けることもできる。図１６に想像線で示すように、燃料電池モジュール２の吸気側に排出用ファン２０４を設けることができる。排出用ファン２０４も、排出用ファン２０２と同様に、蓄電池２０４ａの電力により作動するように構成されており、第１緊急停止モードにより制御部の作動が停止された後、自律的に所定時間作動される。排出用ファン２０４が作動されると、発電室１０の下部から外気が強制的に押し込まれ、発電室１０の上方に滞留している燃料ガスが、空気用熱交換器２２を通って燃料電池モジュール２の外に排出される。これにより、燃料極側から流出した燃料ガスが空気極に触れ、損傷させるリスクをより確実に回避することができる。
【０１２１】
さらに、上述した本発明の実施形態においては、固体酸化物型燃料電池システム１が第２緊急停止モードによりシャットダウン停止された場合には、常開型バルブ４６は閉鎖された状態に維持されていた。この実施形態の変形例として、第２緊急停止モードにより停止された場合においても、常開型バルブ４６が開放されるように、本発明を構成することもできる。また、上述した変形実施形態の更なる変形例として、固体酸化物型燃料電池システム２００が第２緊急停止モードにより停止された場合においても排出用ファン２０２及び／又は排出用ファン２０４を所定時間作動させるように、本発明を構成することもできる。
【符号の説明】
【０１２２】
１    固体酸化物型燃料電池システム
２    燃料電池モジュール
４    補機ユニット
７    断熱材（蓄熱材）
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（燃焼部）
２０    改質器
２０ａ  蒸発部（蒸発室）
２０ｂ  混合部（圧力変動吸収手段）
２０ｃ  改質部
２０ｄ  蒸発／混合部隔壁
２０ｅ  隔壁開口
２０ｆ  混合／改質部隔壁（圧力変動吸収手段）
２０ｇ  連通孔（狭小流路）
２１    整流板（隔壁）
２１ａ  開口部（排気ポート）
２１ｂ  排気通路
２１ｃ  気体滞留空間
２１ｄ  縦壁
２２    空気用熱交換器（熱交換器）
２３    蒸発室用断熱材（内部断熱材）
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
４２    逆止弁
４４    改質用空気流量調整ユニット（改質用の空気供給装置）
４５    発電用空気流量調整ユニット（発電用の空気供給装置）
４６    常開型バルブ（緊急排出手段）
５０    温水製造装置（排熱回収用の熱交換器）
５２    制御ボックス
５４    インバータ
６２    改質器導入管（水導入管、予熱部、結露部）
６２ａ  Ｔ字管（結露部）
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（分散室）
７６    空気導入管
７７ａ  吹出口（空気流入ポート）
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（キャップ）
９８    燃料ガス流路細管（細管）
１１０    制御部（コントローラ）
１１０ａ  シャットダウン停止回路
１１０ｂ  圧力保持制御回路
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（需要電力検出手段）
１３２    燃料流量センサ（燃料供給量検出センサ）
１３８    圧力センサ（改質器圧力センサ）
１４２    発電室温度センサ（温度検出手段）
１４８    改質器温度センサ
１５０    外気温度センサ
２００    本発明の変形実施形態による固体酸化物型燃料電池システム
２０２    排出用ファン（緊急排出手段）
２０２ａ  蓄電池
２０４    排出用ファン（緊急排出手段）
２０４ａ  蓄電池
【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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