(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端より燃料ガスを排出する燃料電池セルと、
複数の前記燃料電池セルより構成され、略同一平面上から略同一方向へ燃料ガスが排出されるよう前記燃料電池セルが併設して配置された燃料電池セル集合体と、
前記燃料電池セル集合体を覆うケーシングと、
前記燃料電池セルへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池セルの外周へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記ケーシング内部であって、燃料電池セル外周を経由した酸化剤ガスと燃料電池セルより排出された燃料ガスを燃焼させるよう、前記燃料電池セルの燃料ガス排出方向側に前記燃料電池セル集合体に隣接して設けられた燃焼室と、
前記燃料電池セルより排出された燃料ガスに着火する着火手段と、
を有する燃料電池において、
前記着火手段による着火動作時に、着火動作前よりも前記燃焼室内の気体の流れを乱す乱れ増幅手段を有することを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記乱れ増幅手段は、前記燃料ガス供給手段および前記酸化剤ガス供給手段、ならびに、前記燃料ガス供給手段および前記酸化剤ガス供給手段の供給量を制御する制御手段から構成され、
前記制御手段は、前記着火手段による前記着火動作時に、前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段の少なくともどちらか一方より供給されるガスの供給量を変動させることにより前記燃焼室内の気体の流れを乱すことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記着火動作時に、前記燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスの供給量を一定に保ち、なおかつ、前記酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスの供給量を変動させることにより前記燃焼室内の気体の流れを乱すことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記制御手段は、着火動作前に前記酸化剤ガス供給手段により供給される所定の供給量以下の範囲で、前記着火動作時に、前記酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスの供給量を変動させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスの供給量を、異なる２つの供給量へ交互に変化させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記酸化剤ガス供給手段は、酸化剤ガスが前記燃料電池セル集合体を構成する燃料電池セルの外周面に衝突する方向へ酸化剤ガスを供給することを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
前記燃焼室には、燃焼室内の温度を検出する温度検出手段が設けられており、前記制御手段は、前記温度検出手段が検出した温度に基づき、着火状態が、前記燃料電池セル集合体を構成する全ての燃料電池セルの燃料ガス排出側先端に燃焼が生じている完全着火状態に至ったと判定するまで、前記酸化剤ガス供給手段により酸化剤ガスの供給量を変動させ続けることを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
【請求項８】
前記制御手段は、着火動作の開始から所定時間以内に着火状態が前記完全着火状態に至ったと判定しなかった場合のみ、前記酸化剤ガス供給手段により酸化剤ガスの供給量を変動させることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池装置。
【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により発電を行う燃料電池装置に関する。 
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）とを用いて電力を得ることができる複数の燃料電池セルをケーシング内に収容し、それら複数の燃料電池セルに燃料ガスと発電用空気とを供給して発電する燃料電池装置が種々提案されている。このような燃料電池装置では、起動初期時等の低温時において、迅速に昇温し、少しでも早く発電状態に移行することが要求される。その要求に応えるために、燃料ガスと発電用空気を燃焼させ、その燃焼熱を利用して燃料電池セルの昇温を図る燃料電池装置が知られている。その一つとして、特許文献１に開示されている燃料電池装置が挙げられる。
【０００３】
特許文献１に開示された燃料電池装置は、多数の円筒型燃料電池セルが列を成すようにして配置された燃料電池セル集合体の一端側に位置する一の燃料電池セルの先端上方に着火プラグが配置されている。上記一の燃料電池セル内部の燃料ガス流路を経由して、燃料電池セル先端から排出された燃料ガスは、この着火プラグが発した火花により着火され、この着火により生じた上記一の燃料電池セル先端の燃焼炎が、燃料電池セル集合体上部の一端側から他端側に向かって、順次、隣接する燃料電池セル先端から排出された燃料ガスに引火（火移り）していくことで、全ての燃料電池セル先端に燃焼が生じるよう構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−６７５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記構成においては、燃料電池セル集合体を構成している一部の燃料電池セルの燃料ガス排出部の形状不良や、燃料電池セル集合体へ供給される燃料ガスおよび発電用空気の分散不良等により、一部の燃料電池セルより排出される燃料ガスが所望の方向へ、あるいは、所望の量で排出されず、これによって、燃料電池集合体を構成する一部の燃料電池セルにおいて、燃料電池セルより排出された燃料ガスが、付近に生じている燃焼炎と接触できず、接触により生じる燃焼炎の燃料ガスへの引火が起こらなくなってしまうことがあった。同様に、燃料電池セルの設置角度や燃料電池セル間のピッチのばらつきに起因して、燃料電池セル集合体を構成する一部の燃料電池セルにおいて、引火が起らなくなってしまうことがあった。引火が起こらなくなるということは、つまり、火移りが途中で止まってしまうことであり、火移りが途中で止まってしまうと、先端に燃焼が生じていない燃料電池セルより排出された未燃の燃料ガスが、燃料電池装置外部に放出されてしまうため、それらの燃料ガスを無駄にしてしまう。また、火移りが途中で止まってしまった場合、先端に燃焼が生じていない燃料電池セルが存在するため、その分、燃料電池セル集合体に加えられる熱量が減少し、燃料電池装置の昇温速度が低下してしまう。したがって、燃料電池装置が発電可能な温度に達するまでの時間がより長くなってしまう。これは、使用者にとっては大変不便である。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、着火動作時の燃焼炎の火移り性を向上させることが可能な燃料電池装置の提供を目的とする。  
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池装置は、一端より燃料ガスを排出する燃料電池セルと、複数の前記燃料電池セルより構成され、略同一平面上から略同一方向へ燃料ガスが排出されるよう燃料電池セルが併設して配置された燃料電池セル集合体と、燃料電池セル集合体を覆うケーシングと、燃料電池セルへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池セルの外周へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、ケーシング内部であって、燃料電池セル外周を経由した酸化剤ガスと燃料電池セルより排出された燃料ガスを燃焼させるよう、燃料電池セルの燃料ガス排出方向側に燃料電池セル集合体に隣接して設けられた燃焼室と、燃料電池セルより排出された燃料ガスに着火するために火花を発生する着火手段と、を有する燃料電池において、着火手段により火花を発生させる着火動作時に、着火動作前よりも燃焼室内の気体の流れを乱す乱れ増幅手段を有することを特徴とする。
【０００８】
このように構成された本発明においては、燃焼室に燃料ガスおよび酸化剤ガスが所定の供給量で供給されている着火動作前よりも燃焼室内の気体の流れを乱すことにより、燃焼室内で生じている燃料電池セル先端の燃焼炎を前後左右により大きく揺らがせることができ、さらに、先端に燃焼が生じていない燃料電池セルより排出された燃料ガスを、その燃料電池セルの周囲へより拡散させやすくすることがきる。これにより、燃料電池セル先端の燃焼炎と、その燃料電池セルに隣接する燃料電池セルより排出された燃料ガスが、着火動作前よりも接触しやすくなるため、引火が起こりやすくなる。したがって、燃焼炎が、順次、先端に燃焼が生じていない燃料電池セルより排出される未燃の燃料ガスに引火しやすくなるため、着火動作時の燃焼炎の火移り性を向上させることができる。
【０００９】
本発明は、好ましくは、乱れ増幅手段は、燃料ガス供給手段および酸化剤ガス供給手段、ならびに、燃料ガス供給手段および酸化剤ガス供給手段の供給量を制御する制御手段から構成され、制御手段は、着火手段による着火動作時に、燃料ガス供給手段と酸化剤ガス供給手段の少なくともどちらか一方より供給されるガスの供給量を変動させることにより燃焼室内の気体の流れを乱す。
【００１０】
このように構成された本発明においては、着火動作時に、少なくとも燃料ガスと酸化剤ガスのどちらか一方の供給量を変動させることにより、燃焼室内へ流入するガスの流量を変化させ、燃焼室内の気体の流れを乱す。したがって、発電を行う上で必須の燃料ガスや酸化剤ガスの供給量を変動させるだけでよく、別途、気体の流れを乱すための装置を設ける必要がないため、設備コストを上昇させることなく、容易に火移り性を向上させることができる。
【００１１】
本発明は、好ましくは、制御手段は、着火動作時に、燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスの供給量を一定に保ち、なおかつ、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスの供給量を変動させる。
【００１２】
このように構成された本発明においては、被着火物である燃料ガスの供給量を一定に保つことにより、燃料電池セルより排出される燃料ガスの排出流量が安定する。したがって、燃焼炎に大きな揺らぎを生じさせたとしても、失火しづらくなるため、より確実に火移り性を向上させることが可能となる。また、酸化剤ガスの供給量のみを変化させるため、酸化剤ガスに比べ高価な燃料ガスの供給量を、燃焼に必要な最低限の供給量に抑えることができ、経済的である。
【００１３】
本発明は、好ましくは、制御手段は、着火動作前に酸化剤ガス供給手段により供給される所定の供給量以下の範囲で、着火動作時に酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスの供給量を変動させる。
【００１４】
このように構成された本発明においては、着火動作前の所定の供給量以下の範囲で酸化剤ガスの供給量を変動させるため、着火動作前よりも酸化剤ガスの供給量が大きくなることがない。したがって、供給量を大きくすることにより発生する燃焼炎の失火を防止することができ、より確実に火移り性を向上させることが可能となる。
【００１５】
本発明は、好ましくは、制御手段は、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスの供給量を、異なる２つの供給量へ交互に変化させる。
【００１６】
このように構成された本発明においては、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスの供給量を、異なる２つの供給量へ交互に変化させるだけで良いので、簡単な制御で火移り性を向上させることができる。
【００１７】
本発明は、好ましくは、酸化剤ガス供給手段は、酸化剤ガスが燃料電池セル集合体を構成するセルの外周面に衝突する方向へ酸化剤ガスを供給する。
。
【００１８】
このように構成された本発明においては、燃料電池セル集合体を構成する燃料電池セルの外周面に衝突することによって流れが乱された酸化剤ガスが燃焼室へ向かうため、燃焼室内の気体の流れをより乱すことが可能となり、より一層、火移り性を向上させることができる。
【００１９】
本発明は、好ましくは、燃焼室には、燃焼室内の温度を検出する温度検出手段が設けられており、制御手段は、温度検出手段が検出した温度に基づき、着火状態が燃料電池セル集合体を構成する全ての燃料電池セルの燃料ガス排出側先端に燃焼が生じている完全着火状態に至ったと判定するまで、酸化剤ガス供給手段により酸化剤ガスの供給量を変動させ続ける。
【００２０】
このように構成された本発明においては、燃料電池セル集合体を構成する全ての燃料電池セルの排出側先端に燃焼が生じるまで燃焼室内の気体の流れを乱し続けるため、確実に全ての燃料電池セルより排出された燃料ガスへ火移りさせることが可能となる。
【００２１】
本発明は、好ましくは、制御手段は、着火動作の開始から所定時間以内に着火状態が完全着火状態に至ったと判定しなかった場合のみ、酸化剤ガス供給手段により酸化剤ガスの供給量を変動させる。
【００２２】
このように構成された本発明においては、着火状態が完全着火状態でない場合のみ、酸化剤ガス供給手段により酸化剤ガスの供給量を変動させることによって燃焼室内の気体の流れを乱すため、酸化剤ガス供給手段に必要以上に負荷をかけることなく、効率的に火移り性を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の燃料電池装置によれば、着火動作時における火移り性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池装置１を示す全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール２の外観を示す斜視図である。
【図３】図２の中央近傍における断面図であって、図２のＡ方向から見た断面を示す断面図である。
【図４】図２の中央近傍における断面図であって、図２のＢ方向から見た断面を示す断面図である。
【図５】図２のケーシング５６から一部の外板を取り除いた状態を示す斜視図である。
【図６】図３に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。
【図７】図４に相当する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す模式図である。
【図８】本発明の実施形態に用いられる燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。
【図９】本発明の実施形態に係る燃料電池セルスタック１４の構成を示す斜視図である。
【図１０】本発明の実施形態に係るイグナイタ４２と温度センサ４８の配置位置を示す平面図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る制御部１０周辺の電気的構成および制御部１０の機能的構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る燃料電池装置の制御内容を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の実施形態に係る燃料電池装置の制御内容を示すタイムチャートである。
【図１４】本発明の実施形態に係る燃料電池装置の引火時の様子を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００２６】
図１は、本発明の一実施形態である燃料電池装置の全体構成図である。図１に示すように、本発明の一実施形態における燃料電池装置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。
【００２７】
まず、燃料電池モジュール２の主要な構成について説明する。燃料電池モジュール２は、ケーシング５６を備え、このケーシング５６内部下方の発電室６には、燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）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。発電室６の上方には、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気（酸化剤ガス）とが燃焼される燃焼室１８が設けられており、燃焼室１８における燃焼により燃焼ガスが発生するようになっている。また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置されており、燃焼室１８における燃焼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、燃焼熱により内部を通過する発電用空気を加熱するための熱交換器２２が配置されている。
【００２８】
次に、補機ユニット４について説明する。補機ユニット４は、水道等の水供給源２６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２８と、この純水タンク２８から燃料電池モジュール２へ供給する水の流量を調整する水流量調整ユニット３０（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３２から燃料電池モジュール２へ供給する燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３４（燃料ガス供給手段に相当するものであり、モータで駆動される「燃料ポンプ」等）と、空気供給源３６から燃料電池モジュール２へ供給する発電反応用の空気の流量を調整する発電用空気流量調整ユニット３８（酸化剤ガス供給手段に相当するものであり、モータで駆動される「空気ブロア」等）と、空気供給源３６から燃料電池モジュール２へ供給する改質反応用の空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４０（モータで駆動される「空気ブロア」等）を備えている。さらに、補機ユニット４には、燃料ガスや発電用空気の供給量等を制御するための制御手段である制御部１０が設置されている。
【００２９】
次に、図２〜図５に基づき、本実施形態における燃料電池モジュール２の構造について、詳しく説明する。図２は、本実施形態における燃料電池モジュール２の斜視図であり、燃料電池モジュール２の高さ方向をｙ軸方向としている。このｙ軸に直交する平面に沿ってｘ軸及びｚ軸を定義し、燃料電池モジュール２の短手方向に沿った方向をｘ軸方向とし、燃料電池モジュール２の長手方向に沿った方向をｚ軸方向としている。図３以降において図中に記載しているｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸は、図２におけるｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を基準としている。また、ｚ軸の負方向に沿った方向をＡ方向とし、ｘ軸の正方向に沿った方向をＢ方向としている。図３は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図２のＡ方向から見た断面図である。図４は、燃料電池モジュール２をその中央近傍において図２のＢ方向から見た断面図である。図５は、図２に示す燃料電池モジュール２から燃料電池セル集合体１２を覆うケーシング５６の一部を取り外した状態を示す斜視図である。
【００３０】
燃料電池モジュール２は、上述したように、燃料電池セル集合体１２を収容するケーシング５６と、ケーシング５６の上部に設けられている熱交換器２２を備えている。ケーシング５６の一方の長辺側面には、イグナイタ挿入口４４が形成されており、このイグナイタ挿入口４４に、燃焼室１８での燃焼を誘発するために火花を発生するイグナイタ４２（着火手段）が挿入設置されている。
【００３１】
そして、もう一方の長辺側面には、温度センサ挿入口４６が形成されており、この温度センサ挿入口４６に、燃焼室１８内部の温度を検出する熱電対等の温度センサ４８（温度検出手段）が挿入設置されている。また、このケーシング５６には、燃料ガス・改質用空気供給管６０と、水供給管６２とが繋げられている。一方、熱交換器２２には、発電用空気導入管７４と、燃焼ガス排出管８２とが繋げられている。
【００３２】
燃料ガス・改質用空気供給管６０は、ケーシング５６の内部に燃料ガス（都市ガス等の改質用の被改質ガス）と、燃料ガスを改質する際に用いられる空気を供給する管路であり、上流端が、燃料流量調整ユニット３４と改質用空気流量調整ユニット４０に繋げられている。水供給管６２は、燃料ガスを改質する際に用いられる水を供給する管路であり、上流端は、水流量調整ユニット３０に繋げられている。燃焼ガス排出管８２は、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと発電用空気とを燃焼した結果生じる燃焼ガスを排出する管路である。発電用空気導入管７４は、改質後の燃料ガスと発電反応を起こさせるための発電用空気を供給する管路であり、上流端は、発電用空気流量調整ユニット３８へ繋げられている。  
【００３３】
本実施形態の場合、水供給管６２から供給される水を蒸発させるための蒸発混合器（図に明示しない）は、改質器２０の内部に設けられている。蒸発混合器は、燃焼ガスにより加熱され、水を水蒸気にすると共に、この水蒸気と、燃料ガス（被改質ガス）と空気とを混合するためのものである。
【００３４】
燃料ガス・改質用空気供給管６０及び水供給管６２は、ケーシング５６の内部に導かれた後、共に改質器２０に繋がれている。より具体的には、図４に示すように、改質器２０の上流端である図中右側の端部に繋がれている。
【００３５】
改質器２０は、燃料電池セル集合体１２の上方に形成された燃焼室１８の更に上方に配置されている。したがって、改質器２０は、燃料ガス及び発電用空気による燃焼熱によって熱せられ、蒸発混合器としての役割と、改質反応を起こす改質器２０としての役割とを果たすように構成されている。
【００３６】
改質器２０の下流端（図４の左端）には、燃料供給管６６の上端が接続されている。この燃料供給管６６の下端側６６ａは、燃料ガスタンク６８内に入り込むように配置されている。
【００３７】
図３〜図５に示すように、燃料ガスタンク６８は、燃料電池セル集合体１２の真下に設けられている。また、燃料ガスタンク６８内に挿入された燃料供給管６６の下端側６６ａの外周には、長手方向（Ａ方向）に沿って複数の小穴（図示せず）が形成されている。改質器２０を経由した燃料ガスは、これら複数の小穴（図示せず）によって燃料ガスタンク６８内に長手方向に均一に供給されるようになっている。燃料ガスタンク６８に供給された燃料ガスは、燃料電池セル集合体１２を構成する各燃料電池セルユニット１６の内側にある燃料ガス流路８８（詳細は後述する）内に供給され、燃料電池セルユニット１６内を上昇して、燃焼室１８に至るようになっている。
【００３８】
続いて、発電用空気を燃料電池モジュール２の内部へ供給するための構造を、図３〜図５及び図６、図７に基づき説明する。図６は、図３に対応する模式図であって、発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。図７は、図４に対応する模式図であって、同様に発電用空気及び燃焼ガスの流れを示す図である。これらの図に示すように、改質器２０の上方に、熱交換器２２が設けられている。熱交換器２２には、複数の燃焼ガス配管７０と、この燃焼ガス配管７０の周囲に形成された発電用空気流路７２とが設けられている。
【００３９】
熱交換器２２の上面における一端側（図４における右端）には、発電用空気導入管７４が取り付けられている。この発電用空気導入管７４により、発電用空気流量調整ユニット３８から、発電用空気が、熱交換器２２内に導入されるようになっている。
【００４０】
熱交換器２２の上側の他端側（図４における左端）には、図３に示すように、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａが一対形成されている。この出口ポート７６ａは、一対の連絡流路７６につながっている。さらに、燃料電池モジュール２のケーシング５６の幅方向（Ｂ方向：短辺側面方向）の両側の外側には、発電用空気供給路７７が形成されている。
【００４１】
したがって、発電用空気供給路７７には、発電用空気流路７２の出口ポート７６ａ及び連絡流路７６から、発電用空気が供給されるようになっている。この発電用空気供給路７７は、燃料電池セル集合体１２の長手方向に沿って形成されている。さらに、その下方側であり且つ燃料電池セル集合体１２の下方側に対応する位置に、発電室６内の燃料電池セル集合体１２の各燃料電池セルユニット１６に向けて発電用空気を吹き出すための複数の吹出口７８ａ、７８ｂが形成されている。これらの吹出口７８ａ、７８ｂから吹き出された発電用空気は、各燃料電池セルユニット１６の外側面に沿って、下方から上方へ流れるようになっている。
【００４２】
続いて、燃料ガスと発電用空気とが燃焼して生成される燃焼ガスを排出するための構造を説明する。燃料電池セルユニット１６の上方にある燃焼室１８では、発電反応に使用されなかった燃料ガスと発電用空気とが燃焼することで、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは、燃焼室１８内を上昇し、燃焼ガス集合部２１に至る。燃焼ガス集合部２１には、図７に示すように、開口２１ａが設けられており、開口２１ａ内に燃焼ガスが導かれる。この開口２１ａを通った燃焼ガスは、熱交換器２２の他端側に至る。熱交換器２２内には、燃焼ガスを排出するための複数の燃焼ガス配管７０（燃焼ガス流路）が設けられている。これらの燃焼ガス配管７０の下流端側には、燃焼ガス排出管８２が接続され、燃焼ガスが外部に排出されるようになっている。
【００４３】
次に、図８に基づき、燃料電池セルユニット１６について説明する。図８は、本実施形態の燃料電池セルユニット１６を示す部分断面図である。図８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の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子８６とを備えている。
【００４４】
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。
【００４５】
燃料電池セルユニット１６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と連通する連通流路９８が形成されている。
【００４６】
続いて、図９に基づき、燃料電池セルスタック１４について説明する。図９は、本実施形態における燃料電池セルスタック１４を示す斜視図である。
【００４７】
図９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の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の燃料ガスタンク上板６８ａ及び上支持板１００により支持されている。これらの燃料ガスタンク上板６８ａ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。
【００４８】
さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２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、隣接する燃料電池セルユニット１６の空気極である外側電極層９２の外周面とを電気的に接続するものであり、これにより燃料電池セルユニット１６が全て直列接続されるようになっている。
【００４９】
図１０は、燃料電池セル集合体１２上方における、イグナイタ４２と温度センサ４８の配置位置を説明するための平面図である。図１０に示すように、イグナイタ４２は、Ａ方向末端側に配置されている。イグナイタ４２は、陽極４３ａと陰極（接地電極）４３ｂよりなる着火プラグ４３を先端に有し、図示しない電源から、これらの電極間に高電圧を印加することにより、陽極４３ａ先端と陰極４３ｂ先端の隙間に火花放電を発生させ、このとき生じた火花によって、Ａ方向末端側の燃料電池セルユニット１６の排出口９９から排出された燃料ガスに着火を行う。
【００５０】
本実施形態においては、イグナイタ４２はＡ方向末端より２列目、Ｂ方向基端より２列目に配置された燃料電池セルユニット１６の排出口９９より排出された燃料ガスに着火を行うよう配置されている。なお、この着火により燃料電池セルユニット１６先端に生じた燃焼炎が、順次、隣接するセルより排出される燃料ガスに引火していくことにより、燃料電池セル集合体１２の上部全体で燃焼が生じるようになっている。
【００５１】
一方、温度センサ４８は、Ａ方向基端側に配置され、Ａ方向基端側の燃料電池セル集合体１２上方の温度の検出を行っており、本実施形態においては、この温度センサ４８により検出された温度が、燃焼室１８内の温度と同等であるとみなしている。
【００５２】
次に、図１１に基づき、制御部１０について説明する。図１１は、本実施形態における制御部１０周辺の電気的構成および制御部１０の機能的構成を示すブロック図である。図１１に示すように、制御部１０には複数のセンサが接続されている。発電用空気流量検出センサ１０８は、発電室６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り、発電用空気流量調整ユニット３８に設けられている。改質用空気流量センサ１１０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り、改質用空気流量調整ユニット４０に設けられている。燃料流量センサ１１２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り、燃料流量調整ユニット３４に設けられている。水流量センサ１１４は、改質器２０に供給される純水（水蒸気）の流量を検出するためのものであり、水流量調整ユニット３０に設けられている。また、温度センサ４８は、上述した通り、Ａ方向基端側の燃料電池セル集合体１２上方の温度の検出を行うものである。
【００５３】
制御部１０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよびタイマ等を内蔵しており、ＣＰＵは、各種センサが検出した結果をデータとして取り込むとともに、ＲＯＭに記憶された各種のプログラムやＲＡＭに記憶されたデータ等に基づいて、後述する各種処理や制御を行う。
【００５４】
本実施形態における制御部１０は、これを機能的に捉えた場合、図１１に示すように、流量比較処理部１０ａと、発電用空気流量制御部１０ｂと、改質用空気流量制御部１０ｃと、燃料流量制御部１０ｄと、水流量制御部１０ｅと、着火状態判定処理部１０ｆと、着火制御部１０ｇを有している。流量比較処理部１０ａは、各種流量センサ（１０８、１１０、１１２、１１４）の検出結果と、予めＲＡＭに記憶されている各々の供給物の目標供給量とを比較して、それらの差を、各種流量調整ユニット（３０、３４、３８、４０）に対応する制御部（１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ）へ出力する。
【００５５】
各種流量調整ユニット（３０、３４、３８、４０）に対応する制御部（１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ）は、流量比較処理部１０ａからの出力に基づき、各種流量調整ユニット（３０、３４、３８、４０）へ制御信号を出力し、それらの流量調整ユニットにおける供給量を制御する。例えば、発電用空気流量調整ユニット３８が空気ブロワにより構成されている場合には、発電用空気流量制御部１０ｂは、流量比較処理部１０ａからの出力に基づき、空気ブロワの回転数を制御する。同様に、燃料流量調整ユニット３４が燃料ポンプにより構成されている場合には、燃料制御部１０ｄは、流量比較処理部１０ａからの出力に基づき、燃料ポンプの回転数を制御する。
【００５６】
着火状態判定処理部１０ｆは、温度センサ４８の検出結果が、予めＲＡＭに記憶されている所定の温度以上である場合、燃料電池セル集合体１２を構成する全ての燃料電池セルユニット１６の先端に燃焼が生じている状態（完全着火状態）であると判定し、その判定結果を、着火制御部１０ｇへ出力する。一方、温度センサ４８の検出結果が、予めＲＡＭに記憶されている所定の温度よりも低い場合は、完全着火状態ではないと判定し、その判定結果を発電用空気流量制御部１０ｂへ出力する。
【００５７】
着火状態判定処理部１０ｆからの出力を受けた着火制御部１０ｇは、イグナイタ４２をＯＦＦ状態にする。一方、着火状態判定処理部１０ｆからの出力を受けた発電用空気流量制御部１０ｂは、発電用空気の供給量が変動するよう、発電用空気流量調整ユニット３８を制御する。
【００５８】
次に、本実施形態に係る燃料電池装置１の起動時の制御内容について説明する。なお、本実施形態にかかる燃料電池装置１は、起動を開始すると、燃料ガスに着火する燃焼運転、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）、水蒸気改質反応（ＳＲ）を経て、発電運転に移行するものであるが、以下の説明では、本発明の要旨と直接関係のある、起動開始から着火動作が完了するまでの制御内容のみを取り上げ、その他の制御内容については説明を省略する。
【００５９】
図１２は、本実施形態における燃料電池装置１の起動開始から着火動作が完了するまでの制御内容を示すフローチャートである。
【００６０】
ステップ１３１は、燃料電池装置１の起動開始のステップであり、燃料電池の起動を開始すると、制御部１０は、改質用空気流量調整ユニット４０により、所定の供給量で改質用空気の燃料電池モジュール２への供給を開始する（Ｓ１３２）。続いて、発電用空気流量調整ユニット３８により、所定の供給量で発電用空気の燃料電池モジュール２への供給を開始する（Ｓ１３３）。次に、燃料流量調整ユニット３４により所定の供給量で燃料ガスの燃料電池モジュール２への供給を開始する（Ｓ１３４）。
【００６１】
これらのステップ（Ｓ１３１〜Ｓ１３３）を完了することにより、燃焼室１８内での燃焼の準備が整うと、次に、イグナイタ４２をＯＮ状態にして（Ｓ１３５）、着火動作を開始する。これにより、燃料電池セル集合体１２の上記所定の燃料電池セルユニット１６の排出口９９より排出される燃料ガスへの着火が開始される。着火動作を開始した後、制御部１０に内蔵されているタイマの動作を開始し、着火動作開始からの経過時間を計測する。その後、このタイマの計測した経過時間が、所定時間を越えたか否かの判定を行う（Ｓ１３６）。所定時間を越えていない場合（Ｓ１３６でＮＯ）は、所定時間を越えたか否かの判定を繰り返し、所定時間を越えた場合（Ｓ１３６でＹＥＳ）は、温度センサ４８により検出された温度に基づき、着火状態が、完全着火状態であるか否かの判定を行う（Ｓ１３７）。
【００６２】
完全着火状態であると判定した場合（Ｓ１３７でＹＥＳ）は、イグナイタ４２をＯＦＦ状態とし（Ｓ１４０）、着火動作を終了する（Ｓ１４１）。一方、完全着火状態でないと判定した場合（Ｓ１３７でＮＯ）は、後述する発電用空気供給量変動制御を開始し、燃焼室１８内の気体の流れを乱す（Ｓ１３８）。そして、発電用空気供給量変動制御を開始した後、再び、着火状態が完全着火状態であるか否かの判定を行う（Ｓ１３９）。完全着火状態でないと判定した場合（Ｓ１３９でＮＯ）は、同一の判定を繰り返し、完全着火状態であると判定した場合（Ｓ１３９はＹＥＳ）は、イグナイタ４２をＯＦＦ状態とし（Ｓ１４０）、着火動作を終了する（Ｓ１４１）。
【００６３】
次に、上記制御内容について、図１３に示すタイムチャートに基づき、説明する。なお、以下説明する制御内容は、あくまでも一具体例に基づく制御内容であって、制御部１０により、完全着火状態であると判定されるタイミングは、当然、起動の度に異なるものである。
【００６４】
図１３の時刻ｔ０において、燃料電池装置１の起動を開始すると、まず、改質用空気流量調整ユニット４０及び発電用空気流量調整ユニット３８により、改質用空気及び発電用空気の供給を開始する。本実施形態においては、このときの改質用空気および発電用空気の供給量は、それぞれ５Ｌ／ｍｉｎおよび６５Ｌ／ｍｉｎに設定されている。
【００６５】
次に、時刻ｔ１において、燃料流量調整ユニット３４により、改質器２０への燃料ガスの供給を開始する。各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれた燃料ガス及び改質用空気は、各燃料電池セルユニット１６の上端からそれぞれ流出する。なお、本実施形態においては、時刻ｔ１において供給が開始される燃料ガスの供給量は４Ｌ／ｍｉｎに設定されている。
【００６６】
次に、時刻ｔ２において、イグナイタ４２をＯＮ状態とし、着火動作を開始する。着火動作開始より所定時間経過した時刻ｔ３において、着火状態が完全着火状態ではないと判定すると、発電用空気の供給量を５５Ｌ／ｍｉｎまで減少させる。その後、所定時間ｔａが経過した、時刻ｔ４にて、発電用空気の供給量を再び６５Ｌ／ｍｉｎに戻す。さらに、再び所定時間ｔｂが経過した、時刻ｔ５において、再び発電用空気の供給量を５５Ｌ／ｍｉｎまで低下させ、さらに所定時間ｔａが経過した時刻ｔ６において、再び発電用空気の供給量を６５Ｌ／ｍｉｎに戻す。その後、同様の操作を、着火状態が、完全着火状態に至ったと判定するまで繰り返す。そして、完全着火状態に至ったと判定した時刻ｔ９において、イグナイタ４２をＯＦＦ状態とし、着火動作を終了する。
【００６７】
上記本実施形態に係る燃料電池装置１においては、図１３に示すタイムチャートにおける時刻ｔ３から完全着火状態に至る（時刻ｔ９）までの間、制御部１０が、発電用空気の供給量を、異なる２つの供給量（６５Ｌ／ｍｉｎおよび５５Ｌ／ｍｉｎ）へ周期的に変化させている。（本明細書においては、このように発電用空気供給量を異なる２つの供給量へ変化させる制御を「発電用空気供給量変動制御」と呼ぶ。）
【００６８】
これにより、燃焼室１８に流入する発電用空気の流量が周期的に変化するため、この流量変化によって、燃焼室１８内部の気体の流れは、燃焼に必要な所定の供給量で改質用空気や発電用空気や燃料ガスを供給する着火動作前よりも乱される。したがって、この乱れにより、燃料電池セル集合体１２上部に生じている燃焼炎が、着火動作前よりも前後左右により大きく揺らぐと共に、先端に燃焼が生じていない燃料電池セルユニット１６より排出される燃料ガスが周囲に拡散しやすくなる。よって、先端に燃焼が生じている燃料電池セルユニット１６の燃焼炎と、燃焼が生じていない隣接する燃料電池セルユニットより排出される燃料ガスが、より接触しやすくなるため、燃焼炎が燃料ガスへ引火しやすい状態となり、これにより、着火動作時の火移り性を向上させることができる。
【００６９】
より具体的に説明すると、例えば、図１３のタイムチャートにおいて、完全着火状態ではないと判定された時刻ｔ３では、燃料電池セル集合体１２を構成する多数の燃料電池セルユニット１６の内、一部の燃料電池セルユニット１６にのみ、燃焼が生じた状態となっている。したがって、この状態から、発電用空気供給量変動制御を行うことによって、図１４に示すように、先端に燃焼が生じている燃料電池セルユニット１６（図１４の中央に位置する燃料電池セルユニット）の燃焼炎が、先端に燃焼が生じていない燃料電池セルユニット１６（図１４の左右に位置する燃料電池セルユニット）より排出された燃料ガスに、より接触しやすくなる。よって、燃料ガスの排出方向が所望の排出方向と異なっていたり、排出量が所望の排出量と異なるなど、燃料ガスの排出状態が所望の状態でない場合であっても、着火動作時に、燃焼炎の燃料ガスへの引火が起りやすくなり、火移り性を向上させることができる。
【００７０】
このように、発電用空気供給量変動制御により、着火動作時における火移り性を向上させることによって、先端に燃焼が生じている燃料電池セルユニット１６の燃焼炎が、燃焼が生じていない燃料電池セルユニット１６より排出される燃料ガスへ、順次引火し、燃料電池セル集合体１２を構成する全ての燃料電池ユニット１６の先端に燃焼を生じさせることが可能となる。
【００７１】
また、本実施形態においては、イグナイタ４２をＯＮ状態にした後、所定時間経過しても、完全着火状態ではないと判定された場合のみ発電用空気の供給量を変動させるため、完全着火状態であるにも関わらず、発電用空気の供給量を変動させることがない。したがって、発電用空気流量調整ユニット３８に無駄に負荷をかけることがなく、効率的である。さらに、発電用空気供給量を変動させる際、一般的に、燃料電池セルユニット１６先端の燃焼炎を失火させない程度の供給量に設定されている着火動作前の発電用空気供給量以下の範囲で発電用空気の供給量を変動させているため、発電用空気の供給量が大きくなりすぎて、燃焼炎を失火させてしまう心配もない。その上、制御部１０が、着火状態が完全着火状態に至ったと判定するまで、発電用空気供給量変動制御を継続し続けるため、確実に燃料電池セル集合体１２を構成する全ての燃料電池セルユニット１６先端に燃焼を生じさせることができる。
【００７２】
なお、本実施形態においては、発電用空気が、燃料電池セル集合体１２を構成している燃料電池セルユニット１６間を通りぬけるようにケーシング５６側壁からケーシング５６内部へ供給されているため、ケーシング５６の側壁から供給された発電用空気は、燃料電池セルユニット１６の外周面に衝突し、その流れが乱れた状態で、燃焼室１８へ到達するようになっている。したがって、この構成により、燃焼室１８内の気体の流れをより大きく乱すことができる。
【００７３】
このように、着火動作時の火移り性を向上させることにより、着火状態が、より完全着火状態に至りやすくなるため、燃料電池セル集合体１２や改質器２０の昇温速度の低下に起因する起動速度の低下を防止することができる。
【００７４】
本実施形態においては、燃焼室１８内の気体の流れを乱すために、発電用空気供給量を変動させるよう構成されているが、もちろん、改質用空気供給量および燃料ガス供給量を変動させることにより、燃焼室１８内の気体の流れを乱すよう構成することもできる。また、本実施形態においては、発電用空気供給量変動制御を行う際、発電用空気の供給量を、周期的に２つの供給量へ変化させているが、本発明は、これに限られるものではなく、任意のタイミングで供給量を変化させてももちろん構わない。このように供給量を変化させるタイミングが任意のタイミングであっても、同一の作用効果を得ることができる。
【００７５】
また、本実施形態において、温度センサ４８は、燃焼室１８内の温度を検出して着火状態を判定しているが、改質器２０や熱交換器２２の温度を検出して着火状態を判定しても構わない。
【符号の説明】
【００７６】
１…燃料電池装置
２…燃料電池モジュール
４…補機ユニット
６…発電室
１０…制御部
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
１８…燃焼室
２０…改質器
２２…熱交換器
２６…水供給源
２８…純水タンク
３０…水流量調整ユニット
３２…燃料供給源
３４…燃料流量調整ユニット
３６…空気供給源
３８…発電用空気流量調整ユニット
４０…改質用空気流量調整ユニット
４２…イグナイタ
４３…着火プラグ
４３ａ…陽極
４３ｂ…陰極
４８…温度センサ
５６…ケーシング
６０…燃料ガス・改質用空気供給管
６２…水供給管
６６…燃料供給管
６８…燃料ガスタンク
７０…燃焼ガス配管
７２…発電用空気流路
７４…発電用空気導入管
７６…連絡流路
７６ａ…出口ポート
７７…発電用空気供給路
７８ａ、７８ｂ…吹出口
８２…燃焼ガス排出管
８４…燃料電池セル
８６…内側電極端子
８８…燃料ガス流路
９０…内側電極層
９２…外側電極層
９４…電解質層
９８…連通流路
９９…排出口
１０８…発電用空気流量検出センサ
１１０…改質用空気流量センサ
１１２…燃料流量センサ
１１４…水流量センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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