(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池モジュールの発電運転の状態を変えることなく安定に保ちながら、燃料電池モジュール内全体を迅速に冷却することができる固体酸化物型燃料電池装置を提供する。【解決手段】固体酸化物型燃料電池装置１は、燃料電池セルスタック１４の上方に設けられた燃焼部１８と、燃料電池セルスタック及び燃焼部から熱を受けるように配置された燃料ガス供給流路２０と、燃焼部において燃焼された燃焼ガスを排気ガスとして排出する排ガス排出流路２１と、この排ガス排出流路との間で熱交換可能に設けられ、発電用の酸化剤ガスを燃料電池セルスタックへ向けて導く酸化剤ガス供給流路２２と、排ガス排出流路内の排気ガスと酸化剤ガス供給流路内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量を、排気ガスの総熱量を変えることなく低減させるように変更する熱交換量変更手段６０，１５２，１５６，１５８とを有する。【選択図】図１
2014072052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系の原燃料ガスを改質し、改質された燃料ガスにより発電する固体酸化物型燃料電池装置であって、
改質された燃料ガスにより発電する燃料電池モジュールと、
この燃料電池モジュールに原燃料ガスを供給する燃料供給装置と、
この燃料供給装置により供給された原燃料ガスを水蒸気改質するための水を上記燃料電池モジュールに供給する水供給装置と、
発電用の酸化剤ガスを上記燃料電池モジュールに供給する酸化剤ガス供給装置と、
この酸化剤ガス供給装置により供給された発電用の酸化剤ガスと改質された燃料ガスを反応させることにより電力を生成する燃料電池セルスタックと、
この燃料電池セルスタックの上方に設けられ、上記燃料電池セルスタックにおいて発電に利用されずに残った燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、
この燃焼部において燃焼された燃焼ガスを排気ガスとして排出する排ガス排出流路と、
この排ガス排出流路との間で熱交換可能に設けられ、上記酸化剤ガス供給装置から供給された発電用の酸化剤ガスを上記燃料電池セルスタックへ向けて導く酸化剤ガス供給流路と、
上記排ガス排出流路内の排気ガスと上記酸化剤ガス供給流路内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量を、上記排気ガスの総熱量を変えることなく低減させるように変更する熱交換量変更手段と、
を有することを特徴とする固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項２】
更に、上記燃料電池モジュール内の温度が過剰に上昇する過昇温状態を検知する過昇温検知手段を有し、上記熱交換量変更手段は、上記過昇温検知手段が上記過昇温状態を検知したことを条件として、上記排ガス排出流路内の排気ガスと上記酸化剤ガス供給流路内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量を低減させる熱交換量変更制御を行う請求項１記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項３】
上記熱交換量変更手段は、上記過昇温検知手段が上記過昇温状態を検知した場合には、上記燃料供給装置及び上記酸化剤ガス供給装置のそれぞれから上記燃料電池モジュールに供給する原燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの量を調整する制御を行う前に、上記熱交換量変更制御を行う請求項２記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項４】
上記熱交換量変更手段は、上記熱交換量変更制御を行った後、上記燃料電池モジュール内のさらなる温度低下が要求される所定の条件を満たしている場合には、上記燃料供給装置及び上記酸化剤ガス供給装置のそれぞれから上記燃料電池モジュールに供給する原燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの量を調整する制御を行う請求項３記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項５】
上記熱交換量変更手段は、上記熱交換量変更制御を行う際に低減させる熱交換量を調整する熱交換量調整手段を備えている請求項４記載の固体酸化物型燃料電池装置。
【請求項６】
上記熱交換量変更手段は、上記酸化剤ガス供給流路と上記排ガス排出流路との間で熱交換される熱交換部よりも上流側に配置され、冷媒と排気ガスとを混合させて排ガス温度を低減させる排ガス温度低減手段を備え、この排ガス温度低減手段により温度が低下した排気ガスを上記排ガス排出流路の熱交換部に導入する請求項５記載の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装置に関し、特に、炭化水素系の原燃料ガスを改質し、改質された燃料ガス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、他方の側に酸化剤ガス（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】
従来の燃料電池装置では、例えば、特許文献１に記載されているように、発電中の燃料電池モジュール内の温度が過剰に上昇する過昇温状態となるときに、発電量や燃料電池モジュール内に供給する燃料量及び発電用の空気量を変えることなく運転状態を維持するために、燃料電池モジュール内の温度を冷却するための冷媒を循環させる冷媒循環通路を設けたものが知られている。この冷媒循環通路には、冷媒流量制御弁が設けられており、この制御弁の開度を変えることにより、燃料電池モジュール内の温度を冷却する冷媒の流量を制御するようになっている。
また、特許文献２に記載されている従来の燃料電池装置では、燃料電池モジュール内の燃料電池セルスタックの下方に配置されている空気供給部材から空気を直接的に導入することにより、燃料電池セルスタックを冷却しているものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−６７４６０号公報
【特許文献２】特表２００５−３１７２３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１及び２に記載されている従来の燃料電池装置においては、燃料電池モジュール内の温度を空気やその他の冷媒で冷却し続けると、燃料電池モジュール内の燃料電池セルスタックの温度が局所的に低下したり、大幅に低下し、温度ムラが生じるため運転状態が不安定になってしまう。したがって、このような燃料電池モジュール内の温度を低下させる制御は、運転状態に影響を及ぼさないように必要に応じて行わなければならないが、それでも燃料電池セルスタックの温度が要求通りに低下しない場合には、燃料電池モジュール内に供給する燃料ガスの量や酸化剤ガスの量を調整して燃料電池モジュールの発電量を調整する必要もある。
しかしながら、燃料電池モジュール内に供給する燃料ガスの量や燃料電池モジュールの発電量を調整して燃料電池モジュール内を冷却しようとした場合には、発熱量が抑えられるものの、放熱がなされるのを待つ必要があるため、迅速な冷却が難しい。また、燃料電池モジュール内に供給する燃料ガスや酸化剤ガスの量等を調整して冷却しようとした場合には、発電に必要な最低限の燃料ガスの量や酸化剤ガスの量よりも減らすことができないため、迅速な冷却が難しい。さらに、急激に燃料ガスの供給量や酸化剤ガスの供給量を減らしてしまうと、発電反応のムラを引き起こし、発電運転を不安定にしたり、燃料電池セルスタックを局部的に劣化させてしまうため、耐久性が悪化することが懸念される。
【０００６】
そこで、本発明は、本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、燃料電池モジュールの発電運転の状態を変えることなく安定に保ちながら、燃料電池モジュール内全体を迅速に冷却することができる固体酸化物型燃料電池装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するために、本発明は、炭化水素系の原燃料ガスを改質し、改質された燃料ガスにより発電する固体酸化物型燃料電池装置であって、改質された燃料ガスにより発電する燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールに原燃料ガスを供給する燃料供給装置と、この燃料供給装置により供給された原燃料ガスを水蒸気改質するための水を上記燃料電池モジュールに供給する水供給装置と、発電用の酸化剤ガスを上記燃料電池モジュールに供給する酸化剤ガス供給装置と、この酸化剤ガス供給装置により供給された発電用の酸化剤ガスと改質された燃料ガスを反応させることにより電力を生成する燃料電池セルスタックと、この燃料電池セルスタックの上方に設けられ、上記燃料電池セルスタックにおいて発電に利用されずに残った燃料ガスを燃焼させる燃焼部と、この燃焼部において燃焼された燃焼ガスを排気ガスとして排出する排ガス排出流路と、この排ガス排出流路との間で熱交換可能に設けられ、上記酸化剤ガス供給装置から供給された発電用の酸化剤ガスを上記燃料電池セルスタックへ向けて導く酸化剤ガス供給流路と、上記排ガス排出流路内の排気ガスと上記酸化剤ガス供給流路内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量を、上記排気ガスの総熱量を変えることなく低減させるように変更する熱交換量変更手段と、を有することを特徴としている。
このように構成された本発明においては、従来の固体酸化物型燃料電池装置の場合、例えば、燃料電池モジュール内に供給する燃料ガスの量や燃料電池モジュールの発電量を調整して燃料電池モジュール内を冷却しようとした場合には、発熱量が抑えられるものの、放熱がなされるのを待つ必要があるため、迅速な冷却が難しい。また、燃料電池モジュール内に供給する燃料ガスや酸化剤ガスの量等を調整して冷却しようとした場合には、発電に必要な最低限の燃料ガスの量や酸化剤ガスの量よりも減らすことができないため、迅速な冷却が難しい。さらに、急激に燃料ガスの供給量や酸化剤ガスの供給量を減らしてしまうと、発電反応のムラを引き起こし、発電運転を不安定にしたり、燃料電池セルスタックを局部的に劣化させてしまうため、耐久性が悪化することが懸念される。しかしながら、本発明では、熱交換量変更手段により、排気ガスの総熱量を変えることなく、排ガス排出流路内の排気ガスと酸化剤ガス供給流路内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量を低減させて変更することができるため、燃料電池モジュール内に供給する燃料ガスや酸化剤ガスの量、燃料電池モジュールの発電量等、燃料電池モジュールの運転状態を変えることなく、酸化剤ガスを冷却することができる。したがって、この冷却された酸化剤ガスが燃料電池モジュール内に供給され、この燃料電池モジュール内で分散した際に、燃料電池モジュール内全体が迅速に冷却されるため、燃料電池モジュールの運転状態を安定に保つことができると共に、燃料電池モジュール内の温度が過剰に上昇して過昇温状態になることを確実に防ぐことができる。
【０００８】
本発明において、好ましくは、更に、上記燃料電池モジュール内の温度が過剰に上昇する過昇温状態を検知する過昇温検知手段を有し、上記熱交換量変更手段は、上記過昇温検知手段が上記過昇温状態を検知したことを条件として、上記排ガス排出流路内の排気ガスと上記酸化剤ガス供給流路内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量を低減させる熱交換量変更制御を行う。
このように構成された本発明においては、排ガス排出流路内の排気ガスと酸化剤ガス供給流路内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量を常に低下させた状態にしてしまうと、燃料電池モジュール内の温度が大幅に下がり、燃料電池モジュールの運転状態が不安定になってしまうため、燃料電池モジュール内の温度を低下させる制御は必要に応じて行うことが望ましい。そこで、本発明では、熱交換量変更手段が、排気ガスの総熱量を変えることなく、排ガス排出流路内の排気ガスと酸化剤ガス供給流路内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量を低減させることにより、燃料電池モジュールの運転状態への影響を抑えつつ燃料電池モジュール内の温度を低下させることができるため、過昇温検知手段が燃料電池モジュール内の過昇温状態を検知したことを条件に、燃料電池モジュール内が過昇温状態になる前の運転状態を保ちながら燃料電池モジュール内の温度を低下させることができ、燃料電池モジュール内が過昇温状態になることをより確実に防ぐことができる。
【０００９】
本発明において、好ましくは、上記熱交換量変更手段は、上記過昇温検知手段が上記過昇温状態を検知した場合には、上記燃料供給装置及び上記酸化剤ガス供給装置のそれぞれから上記燃料電池モジュールに供給する原燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの量を調整する制御を行う前に、上記熱交換量変更制御を行う。
このように構成された本発明においては、過昇温検知手段が燃料電池モジュール内の過昇温状態を検知した場合には、燃料供給装置及び酸化剤ガス供給装置のそれぞれから燃料電池モジュールに供給する原燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの量を調整する制御を行う前に、排ガス排出流路内の排気ガスと酸化剤ガス供給流路内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量を低減させる熱交換量変更制御を行うことができるため、燃料電池セルスタックにダメージを与えることなく燃料電池モジュール内の温度を低下させることができる。
【００１０】
本発明において、好ましくは、上記熱交換量変更手段は、上記熱交換量変更制御を行った後、上記燃料電池モジュール内のさらなる温度低下が要求される所定の条件を満たしている場合には、上記燃料供給装置及び上記酸化剤ガス供給装置のそれぞれから上記燃料電池モジュールに供給する原燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの量を調整する制御を行う。
このように構成された本発明においては、熱交換量変更制御を行った後、燃料電池モジュール内のさらなる温度低下が要求される場合には、熱交換量変更手段により、燃料供給装置及び酸化剤ガス供給装置のそれぞれから燃料電池モジュールに供給する原燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの量を調整する制御を行うことができるため、熱交換量変更制御を実施してもなお、燃料電池モジュール内が過昇温状態となる可能性があったり、燃料電池モジュール内の温度低下が不足している場合には、燃料電池セルスタックに対するダメージのリスクを覚悟した上で、燃料供給装置及び酸化剤ガス供給装置のそれぞれから燃料電池モジュールに供給する原燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの量を調整し、燃料電池モジュールの過昇温状態のリスクを回避することができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、上記熱交換量変更手段は、上記熱交換量変更制御を行う際に低減させる熱交換量を調整する熱交換量調整手段を備えている。
このように構成された本発明においては、熱交換量変更制御を行う際に低減させる熱交換量を熱交換量調整手段によって調整することにより、排気ガスの温度を微調整することもできるため、燃料電池モジュール内の温度低下をいち早く行うことができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、上記熱交換量変更手段は、上記酸化剤ガス供給流路と上記排ガス排出流路との間で熱交換される熱交換部よりも上流側に配置され、冷媒と排気ガスとを混合させて排ガス温度を低減させる排ガス温度低減手段を備え、この排ガス温度低減手段により温度が低下した排気ガスを上記排ガス排出流路の熱交換部に導入する。
このように構成された本発明においては、熱交換効率を低減する方法としては、排ガス排出流路の上流側（入口側）の温度を下げる、熱交換を行うための流路を短くする、熱交換を行う面積を減らす等の方法がある。しかしながら、熱交換を行うための流路を短くしたり、熱交換を行う面積を減らす方法に比べて、排気ガスの温度を低下させる方法によれば、冷媒との熱交換の量を調整することによって、より繊細に排ガス温度を調整することが可能となり、熱交換量をより細かに調整することができる。したがって、燃料電池モジュール内の温度を低下させる制御をより早い時期から行うことも、温度低下量が大きい場合には温度低下量を軽減することもでき、運転状態を安定に保つことができると共に、燃料電池モジュール内の温度が過剰に上昇して過昇温状態になることを確実に防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の固体酸化物型燃料電池装置によれば、燃料電池モジュールの発電運転の状態を変えることなく安定に保ちながら、燃料電池モジュール内全体を迅速に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置（ＳＯＦＣ）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固体酸化物型燃料電池装置に備えられた燃料電池セル収容容器の外観を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置に備えられた燃料電池セル収容容器の断面図である。
【図４】図３のIV−IV線に沿う平面断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置に備えられた燃料電池セル収容容器の上部を拡大して示す概略断面図である。
【図６】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置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固体酸化物型燃料電池の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】図８は、各位置における、燃料ガス供給流路内の温度、及び排ガス排出流路内の温度を示すグラフであり、（ａ）起動１０分後、（ｂ）起動２０分後、（ｃ）起動３０分後の温度を夫々示す。
【図９】需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。
【図１０】発電電流に対する適正な燃料電池セルスタックの温度を示すグラフである。
【図１１】本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の発電時の動作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】
【００１５】
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装置（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装置（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装置（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。
【００１６】
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を介して燃料電池セル収容容器８が配置されている。この燃料電池セル収容容器８内の下部には発電室１０が構成され、この発電室１０の中には、燃料ガスと酸化剤ガスである空気により発電反応を行う燃料電池セルスタック１４が収容されている。この燃料電池セルスタック１４は、同心円状に配置された１００本の燃料電池セルユニット１６から構成されている。
【００１７】
燃料電池セル収容容器８内の発電室１０の上方（燃料電池セルスタック１４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ずに残った残余の燃料（オフガス）と残余の空気とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
【００１８】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この純水タンクから供給される水の流量を調整する水供給装置であ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から供給された炭化水素系の原燃料ガスの流量を調整する燃料供給装置である燃料ブロア３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）と、この燃料ブロア３８から送られた原燃料ガスを分配する比例弁３２を備えている。
【００１９】
なお、比例弁３２を通過した原燃料ガスは、燃料電池モジュール２内に配置された脱硫器３６と、熱交換器３４、電磁弁３５を介して燃料電池セル収容容器８の内部に導入される。脱硫器３６は、燃料電池セル収容容器８の周囲を取り囲むように環状に形成されており、原燃料ガスから硫黄を除去するようになっている。また、熱交換器３４は、脱硫器３６において温度上昇した高温の原燃料ガスが直接電磁弁３５に流入し、電磁弁３５が劣化されるのを防止するために設けられている。電磁弁３５は、燃料電池セル収容容器８内への原燃料ガスの供給を停止するために設けられている。
【００２０】
補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される空気の流量を調整する酸化剤ガス供給装置である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）を備えている。
【００２１】
さらに、補機ユニット４には、燃料電池モジュール２からの排気ガスの熱を回収するための温水製造装置５０が備えられている。この温水製造装置５０には、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。
さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュール２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。
【００２２】
次に、燃料電池セルユニット１６について説明する。
本発明の実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１においては、燃料電池セルユニット１６として、固体酸化物を用いた円筒横縞型セルが採用されている。
燃料電池セルユニット１６は、円筒形の内側電極層（図示せず）と、内側電極層の周囲に設けられた電解質層（図示せず）と、この電解質層の周囲に設けられた外側電極層（図示せず）と、を備えている。内側電極層（図示せず）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（図示せず）は、空気と接触する空気極であり、（＋）極となっている。これら内側電極層（図示せず）、電解質層（図示せず）、外側電極層（図示せず）から構成された円筒状の部材に、各種電極端子（図示せず）を取り付けることにより燃料電池セルユニット１６が構成される。実使用時においては、円筒形の内側電極層（図示せず）の内側の通路（図示せず）に燃料ガスが流され、外側電極層（図示せず）の周囲に発電用の酸化剤ガスとして空気が流される。
【００２３】
内側電極層（図示せず）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。
【００２４】
電解質層（図示せず）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。
【００２５】
外側電極層（図示せず）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。
【００２６】
燃料電池セルスタック１４は、燃料電池セル収容容器８の発電室１０内に同心円上に配列された１００本の燃料電池セルユニット１６から構成されている。各燃料電池セルユニット１６に取り付けられた各種電極端子（図示せず）、集電体（図示せず）を導電体（図示せず）により相互に電気的に接続することにより、燃料電池セルスタック１４が構成される。各燃料電池セルユニット１６を接続した導電体（図示せず）は、バスバー８０（図３）に接続され、燃料電池セル収容容器８から引き出される。
【００２７】
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装置（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールに内蔵された燃料電池セル収容容器の内部構造を説明する。図２は、燃料電池セル収容容器の外観を示す斜視図であり、図３は燃料電池セル収容容器の断面図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池セル収容容器８内の密閉空間には、複数の燃料電池セルユニット１６が同心円状に配列された燃料電池セルスタック１４が配置され、その周囲を取り囲むように燃料ガス供給流路２０、排ガス排出流路２１、酸化剤ガス供給流路２２が順に同心円状に形成されている。
【００２８】
まず、図２に示すように、燃料電池セル収容容器８は、概ね円筒状の密閉容器であり、その下部の外径が太くなっている。また、燃料電池セル収容容器８の下部側面には、発電用の空気を供給する酸化剤ガス流入口である酸化剤ガス導入パイプ５６、及び排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８が接続されている。さらに、燃料電池セル収容容器８の上端面には、内蔵された燃焼バーナーに原燃料ガスを供給するためのバーナー用ガス供給パイプ６０が接続され、また、上端面からは、燃焼バーナーに点火するための点火プラグ６２が突出している。
【００２９】
図３に示すように、燃料電池セル収容容器８の内部には、燃料電池セルスタック１４の周囲を取り囲むように、内側から順に、内側円筒部材６４、外側円筒部材６６、内側円筒容器６８、外側円筒容器７０が配置されている。上述した燃料ガス供給流路２０、排ガス排出流路２１、及び酸化剤ガス供給流路２２は、これらの円筒部材及び円筒容器の間に夫々構成される流路であり、隣り合う流路の間で熱交換が行われる。即ち、排ガス排出流路２１は燃料ガス供給流路２０を取り囲むように配置され、酸化剤ガス供給流路２２は排ガス排出流路２１を取り囲むように配置されている。また、燃料電池セル収容容器８の底面は、概ね円形のベース部材７２により密閉されている。
【００３０】
内側円筒部材６４は、上部の小径部と、下部の大径部と、それらを接続するテーパー部からなる概ね円筒状の管である。
外側円筒部材６６は、内側円筒部材６４の周囲に配置される円筒状の管であり、内側円筒部材６４との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、内側円筒部材６４と概ね相似形に形成されている。内側円筒部材６４の外周面と、外側円筒部材６６の内周面の間の円環状の空間は、燃料ガス供給流路２０として機能する。このため、燃料ガス供給流路２０は、取り囲んでいる燃料電池セルスタック１４及び燃焼室１８から熱を受ける。また、内側円筒部材６４の上端部と外側円筒部材６６の上端部は接合されており、燃料ガス供給流路２０の上端は閉鎖されている。
【００３１】
内側円筒容器６８は、外側円筒部材６６の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、外側円筒部材６６との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が外側円筒部材６６と概ね相似形に形成されている。外側円筒部材６６の外周面と、内側円筒容器６８の内周面の間の円環状の空間は、排ガス排出流路２１として機能する。この排ガス排出流路２１は、外側円筒部材６６の上端部で、内側円筒部材６４の内側の空間と連通する。また、内側円筒容器６８の下部側面には、排ガス流出口である排ガス排出パイプ５８が接続されており、排ガス排出流路２１が排ガス排出パイプ５８に連通される。
【００３２】
外側円筒容器７０は、内側円筒容器６８の周囲に配置される円形断面のカップ状の部材であり、内側円筒容器６８との間にほぼ一定幅の円環状の流路が形成されるように、側面が内側円筒容器６８と概ね相似形に形成されている。内側円筒容器６８の外周面と、外側円筒容器７０の内周面の間の円環状の空間は、酸化剤ガス供給流路２２として機能する。また、外側円筒容器７０の下部側面には、酸化剤ガス導入パイプ５６が接続されており、酸化剤ガス供給流路２２が酸化剤ガス導入パイプ５６に連通される。
【００３３】
ベース部材７２は、概ね円板状の部材であり、内側円筒容器６８の下端に設けられたフランジに、パッキンを介して固定されることにより、密封された燃料電池セル収容容器８を構成している。また、内側円筒部材６４及び外側円筒部材６６の下端も、ベース部材７２まで延びている。
【００３４】
内側円筒容器６８の天井面から垂下するように、発電用の空気を噴射するための、円形断面の酸化剤ガス噴射用パイプ７４が取り付けられている。この酸化剤ガス噴射用パイプ７４は、内側円筒容器６８の中心軸線上を鉛直方向に延び、その周囲の同心円上に各燃料電池セルユニット１６が配置される。酸化剤ガス噴射用パイプ７４の上端が内側円筒容器６８の天井面に取り付けられることにより、内側円筒容器６８と外側円筒容器７０の間に形成されている酸化剤ガス供給流路２２と酸化剤ガス噴射用パイプ７４が連通される。一方、酸化剤ガス噴射用パイプ７４の下端面は閉鎖されると共に、下端部側面には複数の噴射口７４ａが設けられている。酸化剤ガス供給流路２２から供給された空気は、酸化剤ガス噴射用パイプ７４に流入し、下端部側面に設けられた複数の噴射口７４ａから周囲の各燃料電池セルユニット１６に向けて放射状に噴射される。
【００３５】
ベース部材７２の上面には、ドーナツ形断面の燃料ガス分散室７６が設けられている。燃料ガス分散室７６は、ベース部材７２と同心円を為すように、ベース部材７２上に設けられた気密性のあるチャンバであり、その上面に各燃料電池セルユニット１６が林立されている。燃料ガス分散室７６の上面に取り付けられた各燃料電池セルユニット１６は、その内側の燃料極が、燃料ガス分散室７６の内部と連通されている。
【００３６】
一方、内側円筒部材６４と、燃料ガス分散室７６の上面とを接続するように、改質ガス移送パイプ７８が設けられている。改質ガス移送パイプ７８は、内側円筒部材６４の内側上部から、燃料ガス分散室７６の上面へ、概ね鉛直方向に延びる管である。改質ガス移送パイプ７８の上端は、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間の燃料ガス供給流路２０と連通され、下端は、燃料ガス分散室７６の上面を貫通して、燃料ガス分散室７６の内部まで延びている。これにより、燃料ガス供給流路２０内を上昇した燃料ガスは、改質ガス移送パイプ７８を通って下方に下り、燃料ガス分散室７６の中に流入する。燃料ガス分散室７６に流入した燃料ガスは、各燃料電池セルユニット１６の燃料極に分配される。
【００３７】
さらに、ベース部材７２の中央には、ベース部材７２を貫通するようにバスバー８０が取り付けられている。バスバー８０は、燃料電池セルスタック１４により生成された電力を、燃料電池セル収容容器８の外部へ取り出すための細長い金属プレート導体であり、ベース部材７２には絶縁体を介して取り付けられている。バスバー８０は、燃料電池セル収容容器８の内部において、後述する各燃料電池セルユニット１６に取り付けられた集電体と電気的に接続されている。また、バスバー８０は、燃料電池セル収容容器８の外部において、インバータ５４（図１）に接続される。
【００３８】
また、ベース部材７２の上面には、燃料ガス分散室７６を取り囲むように、円筒状のセルスタック保温用断熱材８２が取り付けられている。セルスタック保温用断熱材８２は、燃料ガス分散室７６全体、及び燃料電池セルスタック１４の下部約２／３程度の周囲を取り囲むように構成された円筒形の断熱材である。また、セルスタック保温用断熱材８２の上部約１／３の部分は、上端に向けて断熱材の厚さが次第に薄くなるように、テーパが付けられている。この構成により、燃料電池セルスタック１４と、その周囲の内側円筒部材６４との間の断熱性は、セルスタック保温用断熱材８２の上端に向けて少しずつ低下する。
【００３９】
次に、図４、図５を新たに参照して、燃焼バーナーの構成を説明する。
図４は、図３のIV−IV線に沿う平面断面図である。図５は、燃料電池セル収容容器の上部を拡大して示す概略断面図である。
【００４０】
図３乃至図５に示すように、燃焼バーナー８４は、燃料電池セル収容容器８内の上端部に配置された概ねドーナツ形のバーナーであり、その中心軸線上に酸化剤ガス噴射用パイプ７４が貫通されている。燃焼バーナー８４の外周部には、複数のガス噴射口８４ａが設けられており、図４に示すように、燃焼バーナー８４から概ね水平方向に放射状に炎が形成される。また、燃焼バーナー８４の上面には、エジェクター８４ｂが設けられている。エジェクター８４ｂは、燃焼バーナー８４内に燃料ガスを導入する導入口として形成されており、この導入口に向けてバーナー用ガス供給パイプ６０の先端から燃料ガスが噴射される。バーナー用ガス供給パイプ６０の先端から噴射された燃料ガスは、周囲の空気や排気ガスを引き込みながら、燃焼バーナー８４の内部に導入される。燃焼バーナー８４内に流入した燃料ガス及び空気は内部で混合され、各ガス噴射口８４ａから噴射される。
【００４１】
また、点火プラグ６２（図３）は、その先端部がガス噴射口８４ａの近傍に位置するように配置されており、点火プラグ６２の先端部で火花を発生させることにより、ガス噴射口８４ａから噴射された燃料ガス及び空気の混合気に点火される。燃焼バーナー８４の炎は、ガス噴射口８４ａと向かい合う内側円筒部材６４の上端部を加熱する。この燃焼バーナー８４により加熱される内側円筒部材６４の上端部は、加熱部６４ａ（図５）として機能する。
【００４２】
次に、図３を参照して、燃料供給源３０から供給される原燃料ガスを改質するための構成について説明する。
まず、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間の空間で構成されている燃料ガス供給流路２０の下部には、水蒸気改質用の水を蒸発させるための蒸発部８６が設けられている。蒸発部８６は、外側円筒部材６６の下部内周に取り付けられたリング状の傾斜板８６ａ及び水供給パイプ８８から構成されている。また、蒸発部８６は、発電用の空気を導入するための酸化剤ガス導入パイプ５６よりも下方で、排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８よりも上方に配置されている。傾斜板８６ａは、リング状に形成された金属の薄板であり、その外周縁が外側円筒部材６６の内壁面に取り付けられる。一方、傾斜板８６ａの内周縁は外周縁よりも上方に位置し、傾斜板８６ａの内周縁と、内側円筒部材６４の外壁面との間には隙間が設けられている。
【００４３】
水供給パイプ８８はベース部材７２を貫通して鉛直方向に延びるパイプであり、水流量調整ユニット２８から供給された水蒸気改質用の水が、水供給パイプ８８を介して蒸発部８６に供給される。水供給パイプ８８の上端は、傾斜板８６ａを貫通して傾斜板８６ａの上面側まで延び、傾斜板８６ａの上面側に供給された水は、傾斜板８６ａの上面と外側円筒部材６６の内壁面の間に留まる。傾斜板８６ａの上面側に供給された水は、そこで蒸発され水蒸気が生成される。このように、水供給パイプ８８の上端部は、水導入部８８ａとして機能する。
【００４４】
また、蒸発部８６の下方には、原燃料ガスを燃料ガス供給流路２０内に導入するための燃料ガス導入部が設けられている。燃料ブロア３８から送られた原燃料ガスは、燃料ガス供給パイプ９０を介して燃料ガス供給流路２０に導入される。燃料ガス供給パイプ９０はベース部材７２を貫通して鉛直方向に延びるパイプであり、水供給パイプ８８の近傍に配置されている。また、燃料ガス供給パイプ９０の上端は、傾斜板８６ａよりも下方に位置している。従って、燃料ガス供給パイプ９０の上端部は、燃料ガス導入部９０ａとして機能する。燃料ブロア３８から送られた原燃料ガスは、傾斜板８６ａの下側に導入され、傾斜板８６ａの傾斜により流路を絞られながら傾斜板８６ａの上側へ上昇する。傾斜板８６ａの上側へ上昇した原燃料ガスは、蒸発部８６で生成された水蒸気と共に上昇する。
【００４５】
燃料ガス供給流路２０内の蒸発部８６上方には、混合部９２が設けられている。混合部９２は、内側円筒部材６４の外壁面に取り付けられた３つの螺旋羽根９２ａにより構成されている。各螺旋羽根９２ａは、内側円筒部材６４の周りを概ね１周するＣ形の薄板から構成されており、この板が螺旋を描くように内側円筒部材６４の外壁面に取り付けられている。また、各螺旋羽根９２ａの外周縁は、外側円筒部材６６の内壁面近傍まで延びているため、燃料ガス供給流路２０内には、各螺旋羽根９２ａにより、概ね螺旋を描く流路が形成される。この螺旋状の流路を通過することにより、燃料ガス導入部９０ａから導入された原燃料ガスと、蒸発部８６で生成された水蒸気が十分に混合される。
【００４６】
さらに、燃料ガス供給流路２０内の混合部９２上方、且つ燃料ガス供給流路２０上端の加熱部６４ａ（図５）の下方には、改質部９４が設けられている。改質部９４は、燃料電池セルスタック１４の上部と、その上方の燃焼室１８の周囲を取り囲むように配置されている。改質部９４は、内側円筒部材６４の外壁面に取り付けられた６つの触媒保持螺旋板９４ａと、触媒保持螺旋板９４ａの上部および下部で内側円筒部材６４の外壁面に取り付けられた２つの触媒保持通気板９４ｂと、これらにより保持された改質触媒９６によって構成されている。各触媒保持螺旋板９４ａは、内側円筒部材６４の周りを概ね１周するＣ形の薄板から構成されており、この板が螺旋を描くように内側円筒部材６４の外壁面に取り付けられている。また、各触媒保持螺旋板９４ａの外周縁は、外側円筒部材６６の内壁面近傍まで延びているため、燃料ガス供給流路２０内には、各触媒保持螺旋板９４ａにより、概ね螺旋を描く流路が形成される。各触媒保持通気板９４ｂには、多数の細孔が設けられ通気性が確保される。その細孔の大きさは、改質触媒６４を通過させないように保持しかつ原燃料ガスと水蒸気が改質部９４へ流入させ、そして流出させることのできる通気性が確保される程度である。改質触媒９６は、上述の各触媒保持螺旋板９４ａ、各触媒保持通気板９４ｂの内部に充填される。
【００４７】
このように、改質部９４内に充填された改質触媒９６に、混合部９２において混合された原燃料ガス及び水蒸気が接触すると、改質部９４内においては、式（１）に示す水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2              （１）
【００４８】
改質部９４において改質された燃料ガスは、改質ガス移送パイプ７８を通って下方に流れ、燃料ガス分散室７６に流入して、各燃料電池セルユニット１６に供給される。なお、水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるが、反応に要する熱は、燃焼バーナー８４により加熱された加熱部６４ａ（図５）から伝導する熱、燃焼室１８において生成される燃焼熱、及び燃料電池セルスタック１４において発生する発電熱により供給される。
【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装置（ＳＯＦＣ）に備えられている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装置１（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装置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。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。また、制御部１１０には、マイクロコンピュータ、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、制御部１１０に接続された各機器が制御される。
【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、改質部９４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、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、排ガス排出流路２１内を流れる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、改質部９４の温度を検出するためのものであり、改質部９４の入口温度と出口温度から改質部９４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装置１（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、燃料ブロア３８、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により本実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を説明する。図７は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートであり、燃料電池セルスタック１４の温度が反映される発電室１０の温度、及び改質部９４の温度の推移を示している。また、図７には、これらの温度と併せて、発電用の空気の供給流量、燃焼バーナー８４への燃料ガスの供給流量、改質部９４への燃料ガスの供給流量、及び蒸発部８６への水の供給流量が示されているが、これらは各供給流量の増減の傾向を模式的に表すものであり、具体的な供給量を表すものではない。
【００５６】
固体酸化物型燃料電池装置１の起動時においては、燃料電池モジュール２内の燃料電池セルスタック１４を発電可能な温度まで昇温させるために起動工程を実行する。この起動工程においては、燃料電池モジュール２からインバータ５４へ電力が取り出されることはない。従って、起動工程においては、燃料電池モジュール２は発電を行わない。
【００５７】
先ず、図７の時刻ｔ１において、制御部１１０により空気流量調整ユニット４５が起動され、燃料電池モジュール２への空気の供給が開始される。供給された空気は、酸化剤ガス導入パイプ５６から酸化剤ガス供給流路２２に流入し、酸化剤ガス供給流路２２内を上方に向かって流れた後、酸化剤ガス噴射用パイプ７４に流入する。酸化剤ガス噴射用パイプ７４に流入した空気は下降し、酸化剤ガス噴射用パイプ７４下端の噴射口７４ａから、酸化剤ガス噴射用パイプ７４を取り囲むように配置された各燃料電池セルユニット１６の下部に吹き付けられる。各燃料電池セルユニット１６の下部（燃料電池セルスタック１４の下部）に吹き付けられた空気は、発電室１０内を上昇して燃焼室１８内に流入し、燃焼バーナー８４と内側円筒部材６４の内壁面の間の環状の空間を通って、内側円筒容器６８の天井面に到達する。内側円筒容器６８の天井面に到達した空気は、放射方向に流れて、内側円筒容器６８と外側円筒部材６６の間に形成された排ガス排出流路２１に流入する。排ガス排出流路２１に流入した空気は、下降して、排ガス排出パイプ５８から燃料電池モジュール２の外へ排出される。これにより、燃料電池モジュール２の発電室１０内、燃焼室１８内に滞留していた気体も燃料電池モジュール２の外へ排出される。
【００５８】
次に、時刻ｔ１において、制御部１１０により燃料ブロア３８が起動される。燃料ブロア３８が起動されることにより、燃料供給源３０から供給された原燃料ガスは、比例弁３２に送り込まれる。時刻ｔ１においては、比例弁３２は、供給された全ての原燃料ガスが、燃焼バーナー８４へ送り込まれる状態に設定されている。従って、比例弁３２から流出した原燃料ガスは、バーナー用ガス供給パイプ６０に流入する。バーナー用ガス供給パイプ６０に流入した原燃料ガスは、その下端から燃焼バーナー８４のエジェクター８４ｂに向けて噴射される。エジェクター８４ｂに噴射された原燃料ガスは、周囲の空気を巻き込みながら、空気と共に燃焼バーナー８４の内部に流入する。燃焼バーナー８４に流入した原燃料ガスは、その各ガス噴射口８４ａから概ね水平方向に、放射状に噴射される。
【００５９】
さらに、時刻ｔ２において、制御部１１０により点火プラグ６２に信号が送られ、ガス噴射口８４ａから噴射されている原燃料ガスに点火される。これにより、燃焼バーナー８４の燃焼熱により燃料電池モジュール２内の温度を上昇させる燃焼運転が開始される。燃焼バーナー８４の炎は、燃焼バーナー８４の外周面と対向するように配置されている内側円筒部材６４の上端部である加熱部６４ａを加熱する。加熱部６４ａが加熱されると、熱伝導により内側円筒部材６４全体の温度が上昇すると共に、内側円筒部材６４と接合されている外側円筒部材６６の温度も上昇する。これにより、内側円筒部材６４と外側円筒部材６６の間に配置されている改質部９４内の改質触媒９６も加熱され温度上昇する。
【００６０】
また、内側円筒部材６４に取り囲まれている発電室１０内、燃焼室１８内の温度も上昇する。さらに、燃焼バーナー８４により生成された高温の燃焼ガスは、燃焼バーナー８４と加熱部６４ａの間の空間を通って排ガス排出流路２１に流入する。即ち、燃焼により生じた排気ガスは、外側円筒部材６６と内側円筒容器６８の間の排ガス排出流路２１を通って排出される。この際、外側円筒部材６６の内側に設けられた改質部９４を周囲から加熱すると共に、内側円筒容器６８の外側に設けられている酸化剤ガス供給流路２２内を流れる空気を加熱する。これにより、酸化剤ガス噴射用パイプ７４を通って発電室１０内に流入する空気の温度も上昇し、発電室１０内の温度も上昇する。これらの作用により、時刻ｔ２以降、発電室１０内の温度、及び改質部９４の温度が上昇する。
【００６１】
改質部９４の温度が十分に上昇すると、制御部１１０は、時刻ｔ３において、改質部９４への燃料及び水蒸気の供給を開始する。これにより、燃焼バーナー８４の燃焼熱で燃料電池モジュール２内を加熱しながら、改質部９４内においては水蒸気改質反応ＳＲを発生させるＳＲ１工程が開始される。具体的には、制御部１１０により比例弁３２の設定が変更され、流入した原燃料ガスが燃焼バーナー８４及び改質部９４へ供給されるようになる。また、制御部１１０により、水流量調整ユニット２８が起動され、蒸発部８６への水の供給が開始される。
【００６２】
比例弁３２の設定が変更されることにより、比例弁３２へ流入した原燃料ガスは、燃焼バーナー８４の他に、脱硫器３６へも供給されるようになる。脱硫器３６へ流入した原燃料ガスは、そこで硫黄分が除去される。なお、時刻ｔ３においては、燃料電池セル収容容器８を取り囲むように配置されている脱硫器３６内の触媒（図示せず）の温度も、脱硫が可能な温度まで上昇されており、十分に硫黄分を除去することができる。脱硫器３６から流出した原燃料ガスは、熱交換器３４により温度が低下され、電磁弁３５を通って燃料電池セル収容容器８内に流入する。なお、脱硫器３６から流出した原燃料ガスの温度を熱交換器３４で低下させることにより、後続の電磁弁３５の劣化が防止される。
【００６３】
電磁弁３５を通過した原燃料ガスは、燃料ガス供給パイプ９０の先端の燃料ガス導入部９０ａから、燃料ガス供給流路２０に流入する。燃料ガス供給流路２０の内部は、その上端の加熱部６４ａが加熱されているため、上方の温度が高い状態にある。また、排ガス排出流路２１の排ガス排出パイプ５８は、燃料ガス導入部９０ａよりも上方に設けられているため、燃料ガス導入部９０ａの上方の部分までが排気ガスの熱により加熱されるので、燃料ガス導入部９０ａの上方の温度が高くなる。このため、燃料ガス供給流路２０内には上昇気流が存在するので、燃料ガス導入部９０ａから流入した原燃料ガスは、上昇気流と共に上昇する。この際、燃料ガス導入部９０ａの上方に取り付けられた傾斜板８６ａにより、原燃料ガスの流路は上方が狭くなるように絞られるため、ここで原燃料ガスの流速が上昇する。
【００６４】
一方、水流量調整ユニット２８により送り出された改質用の水は、水供給パイプ８８先端の水導入部８８ａから流出し、傾斜板８６ａの上側の面に流入する。ここで、傾斜板８６ａが取り付けられている外側円筒部材６６の外側は、排ガス排出流路２１であり、上方で改質部９４を加熱した高温の排気ガスが、傾斜板８６ａの周囲まで流下している。この高温の排気ガスの流れにより、蒸発部８６を構成する傾斜板８６ａ及びその近傍の外側円筒部材６６の温度も上昇しているため、水導入部８８ａから蒸発部８６に流入した水は蒸発され、水蒸気が生成される。なお、排ガス排出流路２１内を流下する排気ガスは、上方で改質部９４を加熱することにより温度が低下しているが、蒸発部８６は、改質部９４ほど高温まで加熱する必要はないため、改質部９４を加熱した後の排気ガスによっても十分に加熱することができる。また、蒸発部８６は、燃料電池セルスタック１４の側からも熱を受けるが、燃料電池セルスタック１４と蒸発部８６の間には、セルスタック保温用断熱材８２が配置されているので、蒸発部８６は主に排ガス排出流路２１からの熱により加熱される。
【００６５】
また、排気ガスを排出する排ガス排出パイプ５８は、蒸発部８６よりも下方に配置されているため、排気ガスは蒸発部８６を加熱した後、排ガス排出パイプ５８から排出される。これにより、蒸発部８６は、排ガス排出流路２１内を流れる排気ガスの熱により十分に加熱される。また、蒸発部８６は、発電用の空気を導入するための酸化剤ガス導入パイプ５６よりも下方に配置されている。このため、排ガス排出流路２１の、蒸発部８６を取り囲んでいる部分は、酸化剤ガス供給流路２２内を流れる空気により熱を奪われにくく、蒸発部８６は排気ガスの熱により確実に加熱される。
【００６６】
ここで、燃料ガス導入部９０ａと水導入部８８ａは近傍に配置されている。このため、燃料ガス導入部９０ａから流入し、傾斜板８６ａの内周縁と内側円筒部材６４の外壁面の間から上昇した原燃料ガスは、水導入部８８ａから導入され、傾斜板８６ａの上面の水導入部８８ａ近傍で蒸発された水蒸気と即座に混ざり合いながら、上昇気流と共に燃料ガス供給流路２０内を上昇する。原燃料ガス及び水蒸気は、蒸発部８６の上方に配置された混合部９２に到達し、ここで、各螺旋羽根９２ａによって形成されている螺旋状の流路に沿って、内側円筒部材６４の周囲を回りながら上昇する。螺旋状の流路を旋回しながら上昇することにより、原燃料ガスと水蒸気は十分に混合される。
【００６７】
混合部９２において十分に混合された原燃料ガス及び水蒸気は更に上昇し、混合部９２の上方に配置されている改質部９４に到達する。改質部９４においては、原燃料ガス及び水蒸気は、螺旋を為すように配置された触媒保持螺旋板９４ａに沿って螺旋状に流れ、ここで、改質触媒９６に接触する。これにより、上記式（１）に示した水蒸気改質反応ＳＲが発生し、原燃料ガスは、水素を豊富に含む燃料ガスに改質される。
【００６８】
改質部９４において改質された燃料ガスは、改質ガス移送パイプ７８を通って下方に流れ、燃料ガス分散室７６に流入する。燃料ガス分散室７６に流入した燃料ガスは、燃料ガス分散室７６の上面に配置された各燃料電池セルユニット１６内側の燃料極に流入する。燃料極に流入した燃料ガスは、各燃料電池セルユニット１６内を上昇し、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する。時刻ｔ３においては、発電室１０内の温度は十分に上昇しているため、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出した燃料ガスは燃焼され、各燃料電池セルユニット１６の上端には炎が形成される。この各燃料電池セルユニット１６上方の燃焼室１８内における燃料ガスの燃焼熱によっても、燃焼室１８を取り囲むように配置されている改質部９４が加熱される。
【００６９】
上述したように、改質部９４内で発生する水蒸気改質反応ＳＲは、吸熱反応であるが、この反応に要する熱は、燃焼バーナー８４による加熱部６４ａへの加熱、燃焼室１８内における燃焼熱、及び燃焼室１８から改質部９４周囲の排ガス排出流路２１を通って流れる排気の熱によって賄われる。
【００７０】
燃料電池モジュール２内の温度が所定の温度まで上昇すると、制御部１１０は、時刻ｔ４において、ＳＲ２工程を開始させる。ＳＲ２工程においては、制御部１１０により比例弁３２の設定が変更され、燃焼バーナー８４への燃料ガス供給量が減少される一方、改質部９４への燃料ガス供給量が増加される。また、水流量調整ユニット２８により蒸発部８６へ供給される水の流量も増加される。これにより、燃焼バーナー８４による加熱が減少し、各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料ガスの燃焼熱による加熱が増加する。
【００７１】
燃料電池モジュール２内の温度が更に上昇して、所定の温度に到達すると、制御部１１０は、時刻ｔ５において、ＳＲ３工程を開始させる。ＳＲ３工程においては、制御部１１０により比例弁３２の設定が変更され、燃焼バーナー８４への燃料ガスの供給が停止される一方、改質部９４への燃料ガス供給量が増加される。また、水流量調整ユニット２８により蒸発部８６へ供給される水の流量も増加される。これにより、燃焼バーナー８４による加熱が停止され、専ら各燃料電池セルユニット１６の上端から流出する燃料ガスの燃焼熱により加熱されるようになる。
【００７２】
さらに、燃料電池セルスタック１４の温度が、発電可能な温度に到達すると、制御部１１０は、時刻ｔ６において、起動工程を終了し、発電工程を開始する。具体的には、制御部１１０により、燃料電池モジュール２がインバータ５４に接続され、バスバー８０を介してインバータ５４に電流が取り出される。これにより、各燃料電池セルユニット１６の燃料極側（内側）を流れる燃料ガスと、空気極側（外側）を流れる空気の間で発電反応が発生し、電力が生成される。なお、発電工程においては、燃料ガス供給流量、水供給流量、及び発電用の空気流量は、要求される発電量に応じて決定される。本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１においては、ＳＲ３工程における燃料ガス供給流量、水供給流量、及び発電用の空気流量は、最大定格電力を生成するために必要な各流量よりも多く設定されている。従って、ＳＲ３工程から発電工程に移行すると、燃料ガス供給流量、水供給流量、及び空気流量は低下される。
【００７３】
発電工程では、各燃料電池セルユニット１６において、発電熱が発生する。従って、燃料電池モジュール２の内部は、各燃料電池セルユニット１６の発電熱によっても加熱される。特に、燃料電池セルスタック１４の上部の周囲を取り囲むように配置されている改質部９４は、発電熱により加熱される。このため、発電工程中においても、燃料ガス供給流路２０は、上部の温度が高く、下部の温度が低くなり、その内部において上昇気流が発生し、供給された原燃料ガスが容易に上方へ送られる。
【００７４】
また、発電室１０内の温度は、その上部が燃焼室１８における燃焼熱により加熱されるため、上部において温度が高く、下部において温度が低くなる傾向があり、これにより、各燃料電池セルユニット１６においても、その上部と下部の間で温度ムラが発生しやすい。
【００７５】
しかしながら、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１においては、燃料電池セルスタック１４の下部がセルスタック保温用断熱材８２によって包囲されているため、各燃料電池セルユニット１６の下部で発生した発電熱が、周囲の内側円筒部材６４（燃料ガス供給流路２０）へ移りにくく、各燃料電池セルユニット１６の下部が保温される。一方、温度が上昇しやすい各燃料電池セルユニット１６の上部は、内部で吸熱反応が発生している改質部９４と直接対向しているため、周囲に発電熱が奪われやすくなっている。これにより、各燃料電池セルユニット１６における上部と下部の間での温度ムラが抑制される。
【００７６】
さらに、燃料電池セルスタック１４を取り囲むセルスタック保温用断熱材８２は、上端に向かって次第に薄くなるように形成されている。これにより、各燃料電池セルユニット１６において、セルスタック保温用断熱材８２に囲まれている部分と、囲まれていない部分で急激に断熱性が変化することによる温度ムラの発生が抑制される。また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１においては、内側円筒部材６４の下部の内径が大きく、上部の内径が小さく形成されている。このため、燃料電池セルスタック１４の下部においては、燃料電池セルスタック１４から周囲の内側円筒部材６４までの距離が離れており、上部においては内側円筒部材６４までの距離が近接し、下方ほど燃料電池セルスタックから内側円筒部材６４までの距離が離れている。これにより、燃料ガス供給流路２０は、燃料電池セルスタック１４の下部からは、燃料電池セルスタック１４の上部からよりも、燃料電池セルスタック１４の熱を受けにくくなる。換言すれば、燃料電池セルスタック１４の下部においては、発電熱が奪われにくくなり、各燃料電池セルユニット１６における上部と下部の間での温度ムラが抑制される。
【００７７】
また、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１においては、発電用の空気は、燃料電池セルスタック１４の中央に配置された酸化剤ガス噴射用パイプ７４から放射状に噴射され、発電室１０内を上昇した後、内側円筒部材６４の上端縁から、環状の排ガス排出流路２１に流入する。このため、発電室１０内及び燃焼室１８内の空気の流れは、ほぼ完全に軸対称の流れとなり、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の周囲には、ムラなく空気が流れる。これにより、各燃料電池セルユニット１６間の温度差が抑制され、各燃料電池セルユニット１６で均等な起電力を発生することができる。
【００７８】
次に、図８を参照して、起動工程における燃料電池セル収容容器８内の温度分布を説明する。図８（ａ）乃至（ｃ）は、図３に示す位置Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄにおける、燃料ガス供給流路２０内の温度、及び排ガス排出流路２１内の温度を示すグラフであり、燃料ガス供給流路２０内の温度を実線で、排ガス排出流路２１内の温度を破線で示している。図８（ａ）は起動１０分後の温度分布を示し、（ｂ）は２０分後、（ｃ）は３０分後を示している。図３に示すように、位置Ａは、燃料電池セル収容容器８の上端部近傍であり、燃料ガス供給流路２０内の位置Ａは加熱部６４ａ近傍であり、排ガス排出流路２１内の位置Ａは排ガス排出流路２１の入り口近傍である。位置Ｂは、燃料ガス供給流路２０内において改質部９４が形成された部分に該当する。位置Ｃは、混合部９２と改質部９４の間の部分に該当する。位置Ｄは、燃料ガス供給流路２０内において蒸発部８６が形成された部分に該当する。
【００７９】
まず、図８（ａ）に示すように、起動１０分後においては、燃焼バーナー８４で加熱されている加熱部６４ａ近傍の位置Ａにおける温度は上昇しているが、下方の位置Ｂ乃至Ｄにおける温度は、あまり上昇していない。また、破線で示す排ガス排出流路２１内の温度の方が、実線で示す燃料ガス供給流路２０内の温度よりも高くなっている。
【００８０】
次に、図８（ｂ）に示すように、起動２０分後においては、加熱部６４ａ近傍の位置Ａにおける熱が、下方の位置Ｂ、Ｃに伝導され、温度が上昇しており、改質部９４の温度が上昇し始めている。これに対して、位置Ｄにおける温度は、まだあまり上昇していない。また、図８（ｂ）から明らかなように、排ガス排出流路２１内の温度は、燃料ガス供給流路２０内の温度よりも高く、排ガス排出流路２１内を流れる排気ガスにより、燃料ガス供給流路２０内の燃料ガス、水、改質触媒９６が加熱される。また、図８（ｂ）において、燃料ガス供給流路２０内の位置Ｄの温度が１００℃程度まで上昇しており、蒸発部８６内における水蒸気の生成が可能になる。
【００８１】
さらに、図８（ｃ）に示すように、起動３０分後においては、位置Ｂにおける温度が位置Ａに接近し、改質触媒９６が十分に加熱されていることが分かる。また、図８（ｂ）（ｃ）から明らかなように、燃料ガス供給流路２０内の温度は、上方ほど高くなっており、これにより生じる上昇気流により、燃料ガスは、ブロア等によりあまり加圧されていなくとも、燃料ガス供給流路２０内で上昇し改質部９４へ送り込まれる。また、蒸発部８６において発生した水蒸気も上昇気流により、燃料ガスと混合されながら、改質部９４へ送り込まれる。このように、燃料ガス供給流路２０内においては、大きな温度勾配が発生している一方、燃料ガス供給流路２０により取り囲まれている燃料電池セルスタック１４の上部と下部の間の温度ムラは、上述したように抑制される。
【００８２】
次に、図９は、需要電力の変化と、燃料供給量、及び燃料電池モジュールから実際に取り出される電流の関係を模式的に示したグラフである。
図９に示すように、燃料電池モジュール２は、図９の最上段に示す需要電力に応じた電力を生成できるように制御される。制御部１１０は、需要電力に基づいて、燃料電池モジュール２が生成すべき目標の電流である燃料供給電流値Ｉｆを、図９の２段目のグラフに示すように設定する。燃料供給電流値Ｉｆは、概ね需要電力の変化に追従するように設定されるが、燃料電池モジュール２の応答速度は需要電力の変化に対して極めて緩慢であるため、需要電力の短周期の急激な変化には追従せず、需要電力に緩やかに追従するように設定される。また、需要電力が固体酸化物型燃料電池装置１の最大定格電力を超えた場合には、燃料供給電流値Ｉｆは最大定格電力に対応する電流値まで追従し、それ以上の電流値に設定されることはない。
【００８３】
制御部１１０は、図９の３段目のグラフに示すように、燃料供給装置である燃料ブロア３８を制御して、燃料供給電流値Ｉｆに対応する電力が生成できる流量の燃料供給量Ｆｒを燃料電池モジュール２に供給する。なお、燃料供給量に対する実際に発電に使用される燃料の割合である燃料利用率が一定であるとすれば、燃料供給電流値Ｉｆと燃料供給量Ｆｒは比例する。図１９のグラフは、燃料供給電流値Ｉｆと燃料供給量Ｆｒが比例するものとして描かれているが、実際には本実施形態においても燃料利用率は一定ではない。
【００８４】
さらに、図９の最下段のグラフに示すように、制御部１１０は、燃料電池モジュール２から取り出すことができる電流値である取出可能電流Ｉｉｎｖをインバータ５４に対して指示する信号を出力する。インバータ５４は、時々刻々急激に変化する需要電力に応じ、取出可能電流Ｉｉｎｖの範囲内で燃料電池モジュール２から電流（電力）を取り出す。
需要電力が取出可能電流Ｉｉｎｖを上回る部分については、系統電力から供給される。ここで、図９に示すように、制御部１１０がインバータ５４に指示する取出可能電流Ｉｉｎｖは、電流が増加傾向にある場合、燃料供給量Ｆｒの変化に対して所定時間遅れて変化するように設定される。例えば、図９の時刻ｔ７においては、燃料供給電流値Ｉｆ及び燃料供給量Ｆｒが上昇を始めた後、遅れて、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加が開始される。また、時刻ｔ９においても、燃料供給電流値Ｉｆ及び燃料供給量Ｆｒの増加の後、遅れて、取出可能電流Ｉｉｎｖの増加が開始される。このように、燃料供給量Ｆｒを増加させた後、実際に燃料電池モジュール２から取り出す電力を増加させるタイミングを遅らせることにより、燃料電池モジュール２に供給された燃料が改質器２０等を通って燃料電池セルスタック１４に到達するまでの時間遅れや、燃料が電池セルスタック１４に到達した後、実際の発電反応が可能になるまでの時間遅れに対処している。これにより、各燃料電池セルユニット１６において燃料枯れが発生し、燃料電池セルユニット１６が損傷されるのを確実に防止している。
【００８５】
次に、図１０は、発電電流に対する適正な燃料電池セルスタック１４の温度を示すグラフである。
図１０に一点鎖線で示すように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２によって生成すべき電流に対して、適正な燃料電池セルスタック１４の温度Ｔｓ（Ｉ）が規定されている。制御部１１０は、燃料電池セルスタック１４の温度が、適正な温度Ｔｓ（Ｉ）に近づくように、燃料供給量等を制御する。即ち、制御部１１０は、概略的には、発電電流に対して燃料電池セルスタック１４の温度が高い場合（燃料電池セルスタック１４の温度が図１０の一点鎖線よりも上にある場合）には、燃料利用率を高め、セルスタック保温用断熱材８２等に蓄積されている熱量を積極的に消費して、燃料電池モジュール２内の温度を低下させる。逆に、発電電流に対して燃料電池セルスタック１４の温度が低い場合には、燃料利用率を低下させ、燃料電池モジュール２内の温度が低下しないようにする。
【００８６】
また、発電室温度センサ１４２の検出温度Ｔｄ及び発電電流が、図１０に一定鎖線で示されている適正な温度Ｔｓ（Ｉ）よりも温度が高い領域には、電流維持領域が設定されている。この電流維持領域の最低の温度は、燃料電池モジュール２による発電電力に応じて異なるように設定されており、発電電力が大きいほど電流維持領域の最低の温度が高く設定されている。
そして、発電室温度センサ１４２の検出温度Ｔｄ及び発電電流が、電流維持領域内にあるか否かが判断され、電流維持領域内にある場合には、発電電流の増加が禁止され、以後、需要電力が増加しても、発電電流は増加させずに維持される。また、需要電力が低下した場合には、需要電力の低下に追従して発電電流（電力）の上限値を低下させ、需要電力が増加しても、発電電流（電力）の上限値は上昇させずに維持される。このような発電電流の制限は、検出温度Ｔｄ及び発電電流が、電流維持領域から外れ、燃料電池モジュール２の過剰な温度上昇の状態（過昇温状態）が解消されるまで継続される。
さらに、発電室温度センサ１４２は、このような燃料電池モジュール２内の過昇温状態を検知する手段として、発電室温度センサ１４２が用いられ、この発電室温度センサ１４２の検出温度Ｔｄの温度に基づいて、制御部１１０が、燃料電池モジュール２内が過昇温状態であるか否かについて判断するようになっている。
【００８７】
つぎに、図１及び図１１を参照して、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の発電時の動作の一例について説明する。
図１１は、本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置の発電時の動作の一例を示すタイムチャートである。
まず、図１に示すように、補機ユニット４の空気流量調整ユニット４５と酸化剤ガス導入パイプ５６との間には、空気流量調整ユニット４５から送られた空気を分配する比例弁１５２が設けられている。この比例弁１５２の下流側には、逆止弁１５４が設けられており、この逆止弁１５４の下流側且つ比例弁３２の下流側には、切替弁１５６が設けられている。
また、補機ユニット４の排ガス排出パイプ５８と温水製造装置５０との間には、排ガス排出パイプ５８から排出された排気ガスを分配する比例弁１５８が設けられている。この比例弁１５８の下流側には、ポンプ等の昇圧器１６０が設けられており、この昇圧器１６０の下流側は、切替弁１５６に接続されている。
【００８８】
さらに、切替弁１５６の下流側は、バーナー用ガス供給パイプ６０に接続されており、切替弁１５６の切替動作により、比例弁３２から切替弁１５６を経てバーナー用ガス供給パイプ６０に原燃料ガスが送られる経路と、比例弁１５２から逆止弁１５４及び切替弁１５６を経てバーナー用ガス供給パイプ６０に冷媒用の空気が送られる経路と、比例弁１５８から昇圧器１６０及び切替弁１５６を経てバーナー用ガス供給パイプ６０に冷媒用の排気ガスが送られる経路が形成されるようになっている。
また、バーナー用ガス供給パイプ６０は、酸化剤ガス供給流路２２内の発電用の酸化剤ガスと排ガス排出流路２１内の排気ガスとの間で熱交換される熱交換部よりも上流側に配置されており、バーナー用ガス供給パイプ６０から送出される冷媒と発電室１０内の排気ガスとを混合させて排ガス排出流路２１内の排ガス温度を低減させる排ガス温度低減手段として機能し、比例弁１５８から昇圧器１６０及び切替弁１５６を経てバーナー用ガス供給パイプ６０に供給された冷媒用の排気ガスは、排ガス排出流路２１内の熱交換部に導入されるようになっている。
【００８９】
つぎに、図１１に示すように、まず、図１１の時刻ｔ１２においては、制御部１１０が、発電室温度センサ１４２の検出温度Ｔｄの温度に基づいて、燃料電池モジュール２内が過昇温状態であると判断した場合には、空気ブロア４５と酸化剤ガス導入パイプ５６との間に設けられた比例弁１５２（図１参照）が作動し、冷媒用の空気が逆止弁１５４（図１参照）及び切替弁１５６（図１参照）を経てバーナー用ガス供給パイプ６０に供給される。このとき、比例弁１５２から逆止弁１５４及び切替弁１５６を経てバーナー用ガス供給パイプ６０に冷媒用の空気が送られた分だけ、比例弁１５２から酸化剤ガス導入パイプ５６に供給される発電用の空気が減少しないように、空気流量調整ユニット４５と比例弁１５２を調整することにより、比例弁１５２から酸化剤ガス導入パイプ５６に供給される発電用の空気の流量が一定に維持される。また、比例弁３２からバーナー用ガス供給パイプ６０への経路は切替弁１５６により閉鎖されるため、比例弁３２からバーナー用ガス供給パイプ６０へは原燃料ガスが供給されておらず、比例弁３２から脱硫器３６に供給される原燃料ガスの流量が維持される。
【００９０】
一方、図１１の時刻ｔ１２では、比例弁１５２から逆止弁１５４を経て切替弁１５６までの経路のみが、切替弁１５６によりバーナー用ガス供給パイプ６０に連通接続され、比例弁１５８から昇圧器１６０から切替弁１５６までの経路は、比例弁１５８により閉鎖されている。したがって、図１１の時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの間、バーナー用ガス供給パイプ６０には、比例弁１５２からの冷媒用の空気のみが供給され、この冷媒用の空気の流量を増加させる。そして、バーナー用ガス供給パイプ６０の先端から供給された冷媒用の空気が、燃料電池モジュール２の発電室１０内から排ガス排出流路２１へ排出される排気ガスを冷却する。また、図１１の時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までの間では、冷媒用の空気と排ガス排出流路２１へ排出される冷媒用の排気ガスとを合計した流量（図１１の「冷媒用空気と冷媒用排気ガスの合計流量」）は、冷媒用の排気ガスの流量が零であるため、冷媒用の空気の流量が増加する分だけ増加する。
これらにより、排ガス排出流路２１内の排気ガスの温度が下がるため、排ガス排出流路２１内の排気ガスと酸化剤ガス供給流路２２内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量が低減し、発電用の酸化剤ガスの温度も低下する。そして、燃料電池セルスタック１４の温度も緩やかに低下する。
【００９１】
つぎに、時刻ｔ１３で冷媒用の空気の流量（冷媒流量）が所定の流量に達すると、時刻ｔ１４まで冷媒用の空気の流量を一定に維持するように、比例弁１５２が調整される。また、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までの間、比例弁１５２から酸化剤ガス導入パイプ５６に供給される発電用の空気の流量と、比例弁３２から脱硫器３６に供給される原燃料ガスの流量のそれぞれは、依然として一定に維持される。また、このとき、冷媒用の排気ガスの流量が零であり、冷媒用の空気の流量が一定であるため、図１１に示す冷媒用空気と冷媒用排気ガスの合計流量についても、一定に維持される。
【００９２】
つぎに、図１１の時刻ｔ１４において、発電室温度センサ１４２の検出温度Ｔｄの温度に基づいて、なおも燃料電池モジュール２内が過昇温状態であると判断した場合には、燃料電池モジュール２内の温度低下が足りないため、燃料ブロア３８及び空気流量調整ユニット４５を調整することにより、比例弁３２から脱硫器３６に供給される原燃料ガスの流量を低減させると共に、比例弁１５２から酸化剤ガス導入パイプ５６に供給される発電用の空気の流量を増加させ、強制的な冷却による温度低下を図る。
また、時刻ｔ１４から時刻ｔ１５までの間、酸化剤ガス導入パイプ５６に供給される冷媒用の空気と冷媒用の排気ガスの合計流量についても一定に維持される。さらに、時刻ｔ１２から時刻ｔ１５までの間、酸化剤ガス導入パイプ５６に供給される冷媒用の空気の温度（図１１の「冷媒温度」）は一定となる。
【００９３】
つぎに、図１１の時刻ｔ１５において、発電室温度センサ１４２の検出温度Ｔｄの温度が低下している傾向にあり、燃料電池モジュール２内の過昇温状態が改善している傾向にある場合には、原燃料ガス及び発電用の空気のそれぞれの流量を調節することよる強制的な冷却を中止し、原燃料ガス及び発電用の空気のそれぞれの流量を時刻ｔ１４以前の一定の流量に戻す。これと同時に、比例弁１５８を調整し、この比例弁１５８から昇圧器１６０及び切替弁１５６を経てバーナー用ガス供給パイプ６０に冷媒用の排気ガスを導入する。このとき、バーナー用ガス供給パイプ６０には、比例弁１５２からの冷媒用の空気と比例弁１５８からの冷媒用の排気ガスが混合された状態で供給される。
また、冷媒用の空気は、この冷媒用の空気よりも温度が高い排気ガスが混合されたことにより、温度（図１１の「冷媒温度」）が時刻ｔ１６まで高められるため、冷媒用の空気による発電室１０の温度低下を緩慢にする。
【００９４】
さらに、時刻ｔ１５から時刻ｔ１６までの間、燃料電池モジュール２の発電室１０内から排ガス排出流路２１へ排出される排気ガスの一部が、比例弁１５８からバーナー用ガス供給パイプ６０に供給される冷媒用の排気ガスとして利用されるため、この冷媒用の排気ガスの流量（図１１の「冷媒用排ガス流量」）は増加する。また、比例弁１５２から酸化剤ガス導入パイプ５６に供給される発電用の空気の流量は減少し、冷媒用の空気の流量も減少するため、図１１に示す冷媒用空気と冷媒用排気ガスの合計流量も減少する。このとき、発電運転中の排ガス排出流路２１内の排気ガスと酸化剤ガス供給流路２２内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量が、排ガス排出流路２１内の排気ガスの総熱量を変えることなく低減するように変更される。
【００９５】
つぎに、時刻ｔ１６において、比例弁１５２から酸化剤ガス導入パイプ５２に発電用の空気が１００％供給されるように比例弁１５２が調整され、比例弁１５２からバーナー用ガス供給パイプ６０に供給される冷媒用の空気が零に設定される。これにより、バーナー用ガス供給パイプ６０に供給される冷媒は、比例弁１５８からの昇圧器１６０及び切替弁１５６を経てバーナー用ガス供給パイプ６０に供給される冷媒用の排気ガスのみとなり、この冷媒用の排気ガスの温度（図１１の時刻ｔ１６から時刻ｔ１７までの「冷媒温度」）は、時刻ｔ１５以前の冷媒用の空気の温度（図１１の時刻ｔ１６の「冷媒温度」）よりも高められ、冷却効果が最も緩慢となる。
【００９６】
つぎに、時刻ｔ１６から時刻ｔ１７までの間においては、冷媒用の排気ガスの流量（図１１の「冷媒用排ガス流量」）を減少させ、時刻ｔ１７において、制御部１１０が、発電室温度センサ１４２の検出温度Ｔｄの温度に基づいて、燃料電池モジュール２内の過昇温状態が解消されていると判断した場合には、比例弁１５８から昇圧器１６０及び切替弁１５６を経てバーナー用ガス供給パイプ６０に冷媒用の排気ガスの流量が零になるように比例弁１５８を調整し、通常の発電運転に復帰させる。
【００９７】
以上に説明したように、本実施形態においては、燃料電池モジュール２内の過昇温状態を考慮した発電運転を行う際に、発電運転中に排ガス排出流路２１内の排気ガスと酸化剤ガス供給流路２２内の発電用の酸化剤ガスとが熱交換される熱交換量を、排ガス排出流路２１内の排気ガスの総熱量を変えることなく低減させるように変更するために、各比例弁１５２，１５８、切替弁１５８、バーナー用ガス供給パイプ６０、及びこのバーナー用ガス供給パイプ６０から送出される冷媒（冷媒用の空気、冷媒用の排気ガス）が、このような排ガス排出流路２１内の排気ガスと酸化剤ガス供給流路２２内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量を変更するための手段として機能するようになっている。
【００９８】
上述した本発明の一実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１によれば、従来の固体酸化物型燃料電池装置の場合、例えば、燃料電池モジュール内に供給する燃料ガスの量や燃料電池モジュールの発電量を調整して燃料電池モジュール内を冷却しようとした場合には、発熱量が抑えられるものの、放熱がなされるのを待つ必要があるため、迅速な冷却が難しい。また、燃料電池モジュール内に供給する燃料ガスや酸化剤ガスの量等を調整して冷却しようとした場合には、発電に必要な最低限の燃料ガスの量や酸化剤ガスの量よりも減らすことができないため、迅速な冷却が難しい。さらに、急激に燃料ガスの供給量や酸化剤ガスの供給量を減らしてしまうと、発電反応のムラを引き起こし、発電運転を不安定にしたり、燃料電池セルスタックを局部的に劣化させてしまうため、耐久性が悪化することが懸念される。しかしながら、本実施形態の固体酸化物型燃料電池装置１では、各比例弁１５２，１５８、切替弁１５８、バーナー用ガス供給パイプ６０から送出される冷媒（冷媒用の空気、冷媒用の排気ガス）を調整することにより、排気ガスの総熱量を変えることなく、排ガス排出流路２１内の排気ガスと酸化剤ガス供給流路２２内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量を低減させて変更することができる。したがって、燃料電池モジュール２内に供給する燃料ガスや酸化剤ガスの量、燃料電池モジュール２の発電量等、燃料電池モジュール２の運転状態を変えることなく、酸化剤ガス供給流路２２内の発電用の酸化剤ガスを冷却することができる。よって、この冷却された酸化剤ガスが燃料電池モジュール２内に供給され、この燃料電池モジュール２内で分散した際に、燃料電池モジュール２内全体が迅速に冷却されるため、燃料電池モジュール２の運転状態を安定に保つことができると共に、燃料電池モジュール２内の温度が過剰に上昇して過昇温状態になることを確実に防ぐことができる。
【００９９】
また、本実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１によれば、排ガス排出流路２１内の排気ガスと酸化剤ガス供給流路２２内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量を常に低下させた状態にしてしまうと、燃料電池モジュール２内の温度が大幅に下がり、燃料電池モジュール２の運転状態が不安定になってしまうため、燃料電池モジュール２内の温度を低下させる制御は必要に応じて行うことが望ましい。そこで、本実施形態では、各比例弁１５２，１５８、切替弁１５８、バーナー用ガス供給パイプ６０から送出される冷媒（冷媒用の空気、冷媒用の排気ガス）を調整し、排気ガスの総熱量を変えることなく、排ガス排出流路２１内の排気ガスと酸化剤ガス供給流路２２内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量を低減させて変更することにより、燃料電池モジュール２の運転状態への影響を抑えつつ燃料電池モジュール２内の温度を低下させることができる。したがって、制御部１１０が発電室温度センサ１４２の検出温度Ｔｄの温度に基づいて、燃料電池モジュール２内が過昇温状態であると判断したことを条件に、燃料電池モジュール２内が過昇温状態になる前の運転状態を保ちながら燃料電池モジュール２内の温度を低下させることができ、燃料電池モジュール２内が過昇温状態になることをより確実に防ぐことができる。
【０１００】
さらに、本実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１によれば、制御部１１０が、発電室温度センサ１４２の検出温度Ｔｄの温度に基づいて、燃料電池モジュール２内が過昇温状態であると判断した場合には、燃料ブロア３８及び空気流量調整ユニット４５のそれぞれから燃料電池モジュール２に供給する原燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの量を調整する制御を行う前に、排ガス排出流路２１内の排気ガスと酸化剤ガス供給流路２２内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量を低減させることができるため、燃料電池セルスタック１４にダメージを与えることなく燃料電池モジュール２内の温度を低下させることができる。
【０１０１】
また、本実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１によれば、燃料ブロア３８及び空気流量調整ユニット４５のそれぞれから燃料電池モジュール２に供給する原燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの量を調整する制御を行う前に、排ガス排出流路２１内の排気ガスと酸化剤ガス供給流路２２内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量を低減させる熱交換量変更制御を行った後、燃料電池モジュール２内のさらなる温度低下が要求される場合には、燃料ブロア３８及び空気流量調整ユニット４５のそれぞれから燃料電池モジュール２に供給する原燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの量を調整する制御を行うことができる。したがって、排ガス排出流路２１内の排気ガスと酸化剤ガス供給流路２２内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換量を低減させる熱交換量変更制御を実施してもなお、燃料電池モジュール２内が過昇温状態となる可能性があったり、燃料電池モジュール２内の温度低下が不足している場合には、燃料電池セルスタック１４に対するダメージのリスクを覚悟した上で、燃料ブロア３８及び空気流量調整ユニット４５のそれぞれから燃料電池モジュール２に供給する原燃料ガス及び酸化剤ガスのそれぞれの量を調整し、燃料電池モジュール２の過昇温状態のリスクを回避することができる。
【０１０２】
さらに、本実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１によれば、熱交換量変更制御を行う際に低減させる熱交換量について、比例弁１５８を調整することにより冷媒用の排気ガスの温度を微調整することもできるため、燃料電池モジュール２内の温度低下をいち早く行うことができる。
【０１０３】
また、本実施形態による固体酸化物型燃料電池装置１によれば、排ガス排出流路内の排気ガスと酸化剤ガス供給流路内の発電用の酸化剤ガスとの熱交換の効率を低減する方法としては、排ガス排出流路の上流側（入口側）の温度を下げる、熱交換を行うための流路を短くする、熱交換を行う面積を減らす等の方法がある。しかしながら、熱交換を行うための流路を短くしたり、熱交換を行う面積を減らす方法に比べて、排気ガスの温度を低下させる方法によれば、冷媒との熱交換の量を調整することによって、より繊細に排ガス排出流路２１内の排気ガスの温度を調整することが可能となり、熱交換量をより細かに調整することができる。したがって、燃料電池モジュール２内の温度を低下させる制御をより早く行うことができ、運転状態を安定に保つことができると共に、燃料電池モジュール２内の温度が過剰に上昇して過昇温状態になることを確実に防ぐことができる。
【符号の説明】
【０１０４】
１    固体酸化物型燃料電池装置
２    燃料電池モジュール
４    補機ユニット
７    断熱材
８    燃料電池セル収容容器
１０    発電室
１４    燃料電池セルスタック
１６    燃料電池セルユニット
１８    燃焼室（燃焼部）
２０    燃料ガス供給流路
２１    排ガス排出流路
２２    酸化剤ガス供給流路
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
３２    比例弁
３４    熱交換器
３５    電磁弁
３６    脱硫器
３８    燃料ブロア（燃料供給装置）
４０    空気供給源
４５    空気流量調整ユニット（酸化剤ガス供給装置）
５０    温水製造装置
５４    インバータ
５６    酸化剤ガス導入パイプ
５８    排ガス排出パイプ
６０    バーナー用ガス供給パイプ（熱交換量変更手段、排ガス温度低減手段）
６２    点火プラグ
６４    内側円筒部材
６４ａ  加熱部
６６    外側円筒部材
６８    内側円筒容器
７０    外側円筒容器
７２    ベース部材
７４    酸化剤ガス噴射用パイプ
７４ａ  噴射口
７６    燃料ガス分散室
７８    改質ガス移送パイプ
８０    バスバー
８２    セルスタック保温用断熱材
８４    燃焼バーナー
８４ａ  ガス噴射口
８４ｂ  エジェクター
８６    蒸発部
８６ａ  傾斜板
８８    水供給パイプ
８８ａ  水導入部
９０    燃料ガス供給パイプ
９０ａ  燃料ガス導入部
９２    混合部
９２ａ  螺旋羽根
９４    改質部
９４ａ  触媒保持螺旋板
９４ｂ  触媒保持通気板
９６    改質触媒
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
１４０    排気温度センサ
１４２    発電室温度センサ（過昇温検知手段）
１４８    改質器温度センサ
１５０    外気温度センサ
１５２    比例弁（熱交換量変更手段）
１５４    逆止弁
１５６    切替弁（熱交換量変更手段）
１５８    比例弁（熱交換量変更手段、熱交換量調整手段）
１６０    昇圧器
【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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