(57)【要約】【課題】起動から発電開始までの時間を短縮しつつ、十分に安定した状態で発電を開始することができる固体電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】本発明は、固体電解質型燃料電池(1)であって、複数の固体電解質型燃料電池セル(16)を備えた燃料電池モジュール(2)と、燃料を供給する燃料供給手段(38)と、発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段(45)と、固体電解質型燃料電池セルの一端部に設けられ、燃料を燃焼させる燃焼部と、燃料供給手段及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御して、固体電解質型燃料電池セルを所定温度まで昇温させる起動モード運転、及び電力を出力する発電モード運転を実行する制御手段(110)と、を有し、制御手段は、起動モード運転中において、発電開始電力よりも小さい微弱電力を発電させて、発電熱により固体電解質型燃料電池セルの温度を上昇させることを特徴としている。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、
複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、
上記燃料と酸化剤ガスを化学反応させることにより燃料を部分酸化改質する改質反応であるＰＯＸ、及び、燃料と水蒸気を化学反応させることにより燃料を水蒸気改質する改質反応であるＳＲ、及び、上記部分酸化改質及び上記水蒸気改質を同時に発生させることにより燃料をオートサーマル改質する改質反応であるＡＴＲによって水素を生成する改質器と、
この改質器に燃料を供給することにより、上記改質器で改質された燃料を上記固体電解質型燃料電池セルに送り込む燃料供給手段と、
上記改質器に改質用の酸化剤ガスを供給する改質用酸化剤ガス供給手段と、
上記改質器に改質用の水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
上記固体電解質型燃料電池セルに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、
上記固体電解質型燃料電池セルの一端部に設けられ、発電に使用されなかった燃料を燃焼させる燃焼部と、
上記燃料供給手段、上記改質用酸化剤ガス供給手段、上記水蒸気供給手段、及び上記発電用酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と、
を有し、
上記制御手段は、予め決定された温度帯域において、上記改質器内で上記ＰＯＸ、上記ＡＴＲ、上記ＳＲの順序で改質反応を生じさせて上記燃料電池モジュールから電力を取出可能な発電開始温度まで上記固体電解質型燃料電池セルを昇温させる起動モード運転を実行する一方で、上記発電開始温度を超えた時点で上記起動モード運転を終了して上記燃料電池モジュールから電力を取出す発電モード運転を実行するように構成され、
更に、上記制御手段は、上記発電開始温度に到達する以前の上記起動モード運転中において、上記発電モード運転中における上記燃料電池モジュールからの取出電力よりも小さい微弱電力を上記燃料電池モジュールから取り出すことにより、上記固体電解質型燃料電池セルに発電熱を発生させて上記固体電解質型燃料電池セルを昇温させる起動時発電を実行するように構成されていることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
上記起動時発電において上記燃料電池モジュールから取り出される微弱電力は、ほぼ一定の電力である請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
上記制御手段は、上記起動モード運転中の、上記改質器内における上記ＡＴＲによる改質の開始以降に、上記起動時発電を開始させる請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
上記制御手段は、上記改質器内における上記ＡＴＲによる改質として、上記改質器に供給される水蒸気が少ないＡＴＲ１、及び、このＡＴＲ１の後に行われ、供給される水蒸気が上記ＡＴＲ１よりも多いＡＴＲ２を生じさせ、このＡＴＲ２による改質の開始以降に、上記起動時発電を開始させる請求項３記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
上記制御手段は、上記改質器内における上記ＳＲによる改質が開始された後に、上記起動時発電を開始させる請求項３記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
上記制御手段は、上記発電モード運転中において上記燃料電池モジュールから取り出された電力を、上記固体電解質型燃料電池の外部に出力する一方、上記起動モード運転中において上記燃料電池モジュールから取り出された微弱電力は、上記固体電解質型燃料電池の外部には出力しない請求項３記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
さらに、上記燃料電池モジュールを作動させる補機を有し、上記起動モード運転中において上記燃料電池モジュールから取り出された微弱電力は、上記補機によって全て消費される請求項６記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項８】
上記発電開始温度は６００℃以上に設定されており、上記制御手段は、上記起動モード運転中において、上記固体電解質型燃料電池セルの温度が５００℃以上、６００℃未満の所定の温度に到達したとき、上記起動時発電を開始する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型燃料電池に関し、特に、燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させて発電する固体電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤（空気、酸素等）を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。
【０００３】
このＳＯＦＣにおいては、酸化物イオン導電性固体電解質を通過した酸素イオンと燃料との反応によって水蒸気又は二酸化炭素を生成し、電気エネルギー及び熱エネルギーが発生する。電気エネルギーは、ＳＯＦＣ外部に取り出されて、各種電気的用途に使用される。一方、熱エネルギーは、燃料、改質器、水及び酸化剤等の温度を上昇させるために使用される。
【０００４】
特開２００５−５２１３号公報（特許文献１）には、固体電解質型燃料電池を含む発電・給湯コジェネレーションシステムが記載されている。ここに記載されている燃料電池においては、長尺の電池スタックが鉛直方向に立てられ、ここに燃料ガス及び酸素含有ガスが供給される。これらのガスが電池スタックにおいて反応し、電力が生成される。また、反応に使用されなかった燃料ガス及び酸素含有ガスは電池スタックの上端部において燃焼され、この燃焼熱が、改質器、電池スタック等の加熱に利用されている。
【０００５】
また、特開２００９−３２５５５号公報（特許文献２）には、燃料電池装置が記載されている。この燃料電池装置では、起動処理工程において、燃料ガスを供給するための改質器、及び燃料電池セルが所定の温度まで昇温される。また、起動処理工程において、改質器内では、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）が温度の上昇と共に切り替えて実行され、燃料の改質が行われる。
【０００６】
さらに、特開２００９−３２５５５号公報に記載されている燃料電池装置では、セルスタックの温度が発電開始可能な温度に達するとセルスタックによる発電が開始される。これにより、セルスタックが十分に加熱され、安定した状態になったところで、発電が開始される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−５２１３号公報
【特許文献２】特開２００９−３２５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特開２００５−５２１３号公報に記載されている固体電解質型燃料電池のように、燃料電池セルの一端部で発電に使用されなかった燃料が燃焼され、この燃焼熱により燃料電池セルを加熱する燃料電池においては、燃料電池セルの燃焼部から離れた部分が加熱されにくいという問題がある。即ち、特開２００５−５２１３号公報記載の固体電解質型燃料電池のように、燃料電池セルの上端部で燃料が燃焼され、この燃焼熱で燃料電池セルを加熱する燃料電池においては、燃料電池セルの下部が加熱されにくく、燃料電池セルに温度ムラが発生しやすいという問題がある。この温度ムラは、燃料電池セルが長尺である場合に特に問題になる。
【０００９】
ここで、燃料電池の起動から実際に発電が開始されるまでの間、燃料電池セルに供給された燃料を燃焼させて燃料電池セルを発電可能な温度に昇温させる燃料電池においては、特開２００９−３２５５５号公報に記載されているように、燃料電池セルの温度状態を十分に安定させるには長時間を要するという問題がある。即ち、燃料電池セルの一端部が集中的に加熱される燃料電池においては、燃料電池セル全体が温度ムラなく十分に昇温されるまでには、長い時間を要するので、起動から発電を開始できるまでの起動時間が長くなるという問題がある。
【００１０】
従って、本発明は、起動から発電開始までの時間を短縮しつつ、十分に安定した状態で発電を開始することができる固体電解質型燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、本発明は、燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させて発電する固体電解質型燃料電池であって、複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、燃料と酸化剤ガスを化学反応させることにより燃料を部分酸化改質する改質反応であるＰＯＸ、及び、燃料と水蒸気を化学反応させることにより燃料を水蒸気改質する改質反応であるＳＲ、及び、部分酸化改質及び水蒸気改質を同時に発生させることにより燃料をオートサーマル改質する改質反応であるＡＴＲによって水素を生成する改質器と、この改質器に燃料を供給することにより、改質器で改質された燃料を固体電解質型燃料電池セルに送り込む燃料供給手段と、改質器に改質用の酸化剤ガスを供給する改質用酸化剤ガス供給手段と、改質器に改質用の水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、固体電解質型燃料電池セルに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、固体電解質型燃料電池セルの一端部に設けられ、発電に使用されなかった燃料を燃焼させる燃焼部と、燃料供給手段、改質用酸化剤ガス供給手段、水蒸気供給手段、及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、予め決定された温度帯域において、改質器内で上記ＰＯＸ、ＡＴＲ、ＳＲの順序で改質反応を生じさせて燃料電池モジュールから電力を取出可能な発電開始温度まで固体電解質型燃料電池セルを昇温させる起動モード運転を実行する一方で、発電開始温度を超えた時点で起動モード運転を終了して燃料電池モジュールから電力を取出す発電モード運転を実行するように構成され、更に、制御手段は、発電開始温度に到達する以前の起動モード運転中において、発電モード運転中における燃料電池モジュールからの取出電力よりも小さい微弱電力を燃料電池モジュールから取り出すことにより、固体電解質型燃料電池セルに発電熱を発生させて固体電解質型燃料電池セルを昇温させる起動時発電を実行するように構成されていることを特徴としている。
【００１２】
このように構成された本発明においては、制御手段は、燃料供給手段、改質用酸化剤ガス供給手段、水蒸気供給手段、及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御して、固体電解質型燃料電池セルに燃料及び発電用の酸化剤ガスを供給する。発電に使用されなかった燃料は燃焼部において燃焼され、固体電解質型燃料電池セルを一端部から加熱する。制御手段は、予め決定された温度帯域において、改質器内で上記ＰＯＸ、ＡＴＲ、ＳＲの順序で改質反応を生じさせて燃料電池モジュールから電力を取出可能な発電開始温度まで固体電解質型燃料電池セルを昇温させる起動モード運転、及び発電開始温度を超えた時点で起動モード運転を終了して燃料電池モジュールから電力を取出す発電モード運転を実行する。また、制御手段は、発電開始温度に到達する以前の起動モード運転中において、発電モード運転中における燃料電池モジュールからの取出電力よりも小さい微弱電力を燃料電池モジュールから取り出すことにより、固体電解質型燃料電池セルに発電熱を発生させて固体電解質型燃料電池セルを昇温させる起動時発電を実行する。
【００１３】
このように構成された本発明によれば、起動モード運転中の固体電解質型燃料電池セルが十分に昇温していない段階において、起動時発電を実行することにより微弱電力を燃料電池モジュールから取り出すので、この発電の発電熱により固体電解質型燃料電池セルの昇温を促進することができる。さらに、燃焼部における燃料の燃焼による固体電解質型燃料電池セルの加熱は、その一端部から行われるのに対し、起動時発電による発電熱は固体電解質型燃料電池セルの中央部で顕著に発生する。従って、本発明によれば、燃焼部による加熱に加えて起動時発電による加熱を行うので、固体電解質型燃料電池セルの温度ムラを抑制することができる。また、固体電解質型燃料電池セルが低温の状態で発電が行われると、固体電解質型燃料電池セルは劣化が著しく早まったり、損傷する場合がある。本発明によれば、起動時発電による発電は、微弱電力を取り出すものであるため、固体電解質型燃料電池セルの温度が発電開始温度に到達する前に燃料電池モジュールから電力を取り出しても固体電解質型燃料電池セルは劣化が著しく早まったり、損傷することはない。
【００１４】
本発明において、好ましくは、起動時発電において燃料電池モジュールから取り出される微弱電力は、ほぼ一定の電力である。
【００１５】
このように構成された本発明によれば、起動時発電において取り出される微弱電力が、ほぼ一定の電力であるので、起動時発電を実行するために燃料供給量、水蒸気供給量等を大きく変動させる必要が無いため、燃料、水蒸気等を安定的に供給することができる。これにより、十分な量の水素が供給されていない状態で発電が行われる（いわゆる「水素枯れ」）ことによる固体電解質型燃料電池セルの損傷を確実に防止しながら、起動時発電を実行することができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、制御手段は、起動モード運転中の、改質器内におけるＡＴＲによる改質の開始以降に、起動時発電を開始させる。
このように構成された本発明によれば、改質器内において、改質効率が高く、十分な水素を生成することができる水蒸気改質が開始されるＡＴＲ以降に起動時発電が開始されるので、固体電解質型燃料電池セルが発電開始温度に到達する以前に発電を行っても水素枯れの虞がない。さらに、ＡＴＲに先駆けて生じるＰＯＸでは、発熱反応である部分酸化改質反応によって生成された高温の水素が固体電解質型燃料電池セルに供給され、固体電解質型燃料電池セルが加熱されている。したがって、改質器内におけるＡＴＲによる改質の開始以降には、微弱電力を取り出しても問題の無い程度まで固体電解質型燃料電池セルが昇温しているため、発電による固体電解質型燃料電池セルの損傷を確実に防止することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、制御手段は、改質器内におけるＡＴＲによる改質として、改質器に供給される水蒸気が少ないＡＴＲ１、及び、このＡＴＲ１の後に行われ、供給される水蒸気がＡＴＲ１よりも多いＡＴＲ２を生じさせ、このＡＴＲ２による改質の開始以降に、起動時発電を開始させる。
【００１８】
このように構成された本発明によれば、改質器内において、より多くの水蒸気改質が行われるＡＴＲ２以降に起動時発電が開始されるので、より確実に水素枯れを回避することができ、固体電解質型燃料電池セルの損傷を確実に防止することができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、制御手段は、改質器内におけるＳＲによる改質が開始された後に、起動時発電を開始させる。
ＡＴＲからＳＲへ移行すると、改質器内において発熱反応である部分酸化改質反応が終息すると共に、吸熱反応である水蒸気改質反応が増大するので、改質器とともに固体電解質型燃料電池セルにも温度低下が発生しやすい状況になる。上記のように構成された本発明によれば、温度低下が発生しやすいＳＲによる改質の開始時、或いはＳＲによる改質の開始後、所定時間経過した後に、起動時発電が開始される。これにより、温度低下が発生しやすくなるＳＲの開始と共に、或いは、ＳＲによる改質の開始後所定時間経過して改質器内における改質反応が安定した後に、起動時発電が開始されることになり、発電開始温度に到達する前に起動時発電を行いながら、固体電解質型燃料電池セルの温度低下を抑制することができる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、制御手段は、発電モード運転中において燃料電池モジュールから取り出された電力を、固体電解質型燃料電池の外部に出力する一方、起動モード運転中において燃料電池モジュールから取り出された微弱電力は、固体電解質型燃料電池の外部には出力しない。
【００２１】
一般に、固体電解質型燃料電池の外部に出力される電力は、需要電力の変動に伴って、常に変動する。上記のように構成された本発明によれば、起動モード運転中における起動時発電により生成された微弱電力は固体電解質型燃料電池の外部には出力されないので、需要電力の変動の悪影響により、燃料電池モジュールから取り出される起動時発電による電力が変動して、固体電解質型燃料電池セルが損傷す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、さらに、燃料電池モジュールを作動させる補機を有し、起動モード運転中において燃料電池モジュールから取り出された微弱電力は、補機によって全て消費される。
【００２３】
補機は、燃料電池モジュールを作動させるために制御手段により制御されて作動される。上記のように構成された本発明によれば、制御手段により制御される補機によって、起動時発電による微弱電力が消費されるので、消費電力が外部的な要因によって変動されることがなく、起動時発電の発電電力を安定させることができる。これにより、固体電解質型燃料電池セルの損傷を防止しながら、起動時発電を実行することができる。
【００２４】
本発明において、好ましくは、発電開始温度は６００℃以上に設定されており、制御手段は、起動モード運転中において、固体電解質型燃料電池セルの温度が５００℃以上、６００℃未満の所定の温度に到達したとき、起動時発電を開始する。
【００２５】
このように構成された本発明によれば、起動モード運転中において、改質器内における水蒸気改質反応が安定する５００℃以上、６００℃未満の温度において起動時発電が開始されるので、固体電解質型燃料電池セルの損傷を確実に防止しながら、発電熱による加熱を行うことができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の固体電解質型燃料電池によれば、起動から発電開始までの時間を短縮しつつ、十分に安定した状態で発電を開始することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（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電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）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線に沿って断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セル単体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固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）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電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
【図８】本発明の一実施形態において、固体電解質型燃料電池の起動モード運転、及び発電モード運転の一例を示す動作テーブルである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。この図１に示すように、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００２９】
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（図示せず但し断熱材は必須の構成ではなく、なくても良いものである。）を介して密封空間８が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密閉空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤（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。
【００３０】
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、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ガスと残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。
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、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、燃焼熱を受けて空気を加熱するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【００３１】
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ガス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）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である空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００３２】
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と、発電された電力を、補機ユニット４又はインバータ５４に送られるように切り換える切換器５６が接続されている。
【００３３】
次に、図２及び図３により、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のIII-III線に沿って断面図である。
図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内の密閉空間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。
【００３４】
改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂを形成され、改質部２０ｂ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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
次に、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。この空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図３に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ，７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。
【００３８】
空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。
空気分配室７２のそれぞれには、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。
【００３９】
次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス室通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。
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電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。
図４に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の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。
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と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
図５に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板６８及び上支持板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６８ａ及び１００ａがそれぞれ形成されている。
【００４６】
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の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとにより一体的に形成されている。空気極用接続部１０２ｂは、外側電極層９２の表面を上下方向に延びる鉛直部１０２ｃと、この鉛直部１０２ｃから外側電極層９２の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部１０２ｄとから形成されている。また、燃料極用接続部１０２ａは、空気極用接続部１０２ｂの鉛直部１０２ｃから燃料電池セルユニット１６の上下方向に位置する内側電極端子８６に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。
【００４７】
さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図５では左端の奥側及び手前側）に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。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の外部端子１０４（図示せず）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。
【００４８】
次に図６により本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）に取り付けられたセンサ類等について説明する。図６は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）を示すブロック図である。
図６に示すように、固体電解質型燃料電池１は、制御部１１０を備え、この制御部１１０には、使用者が操作するための「ＯＮ」や「ＯＦＦ」等の操作ボタンを備えた操作装置１１２、発電出力値（ワット数）等の種々のデータを表示するための表示装置１１４、及び、異常状態のとき等に警報（ワーニング）を発する報知装置１１６が接続されている。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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
水流量センサ１３４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。
【００５２】
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、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）が屋外に配置された場合、外気の温度を検出するためのものである。また、外気の湿度等を測定するセンサを設けるようにしても良い。
【００５３】
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。
また、制御ユニット１１０は、切換器５６及びインバータ５４に、夫々制御信号を送り、電力の出力先、及び電力供給量を制御するようになっている。
【００５４】
次に図７により本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）による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電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の起動時の動作を示すタイムチャートである。
最初は、燃料電池モジュール２を温めるために、無負荷状態で、即ち、燃料電池モジュール２を含む回路を開いた状態で、運転を開始する。このとき、回路に電流が流れないので、燃料電池モジュール２は発電を行わない。
【００５５】
先ず、改質用空気流量調整ユニット４４から改質用空気を第１ヒータ４６を経由して燃料電池モジュール２の改質器２０へ供給する。また、同時に、発電用空気流量調整ユニット４５から発電用空気を第２ヒータ４８を経由して燃料電池モジュール２の空気用熱交換器２２へ供給し、この発電用空気が、発電室１０及び燃焼室１８に到達する。
この直ぐ後、燃料流量調整ユニット３８からも燃料ガスが供給され、改質用空気が混合された燃料ガスが、改質器２０及び燃料電池セルスタック１４、燃料電池セルユニット１６を通過して、燃焼室１８に到達する。
【００５６】
次に、点火装置８３により着火して、燃焼室１８に供給された燃料ガスと空気（改質用空気及び発電用空気）とを燃焼させる。この燃料ガスと空気との燃焼により排気ガスが生じ、この排気ガスにより、発電室１０が暖められ、また、排気ガスが燃料電池モジュール２の密封空間８内を上昇する際、改質器２０内の改質用空気を含む燃料ガスを暖めると共に、空気熱交換器２２内の発電用空気も暖める。
【００５７】
このとき、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、改質用空気が混合された燃料ガスが改質器２０に供給されているので、改質器２０において、式（１）に示す部分酸化改質反応ＰＯＸが進行する。この部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので、起動性が良好となる。また、燃焼室１８は燃料ガスと空気が燃焼して昇温されているので、燃料電池セルスタック１４は、上方から加熱され、昇温される。この部分酸化改質反応ＰＯＸが進行しても、燃焼室１８では継続して燃料ガスと空気との燃焼反応が持続される。
【００５８】
ＣmＨn＋ｘＯ2  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2                （１）
【００５９】
部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器温度センサ１４８により検出された改質器２０の温度に基づいて、水流量調整ユニット２８、燃料流量調整ユニット３８及び改質用空気流量調整ユニット４４により、燃料ガスと改質用空気と水蒸気とを予め混合したガスの改質器２０への供給が開始される。このとき、改質器２０においては、上述した部分酸化改質反応ＰＯＸと後述する水蒸気改質反応ＳＲとが併用されたオートサーマル改質反応ＡＴＲが進行する。このオートサーマル改質反応ＡＴＲは、熱的に内部バランスが取れるので、改質器２０内では熱的に自立した状態で反応が進行する。即ち、酸素（空気）が多い場合には部分酸化改質反応ＰＯＸによる発熱が支配的となり、水蒸気が多い場合には水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱反応が支配的となる。また、オートサーマル改質反応ＡＴＲが進行中も、燃焼室１８では燃焼反応が継続して行われている。
【００６０】
式（２）に示すオートサーマル改質反応ＡＴＲの開始後、改質器温度センサ１４６により検出された改質器２０の温度に基づいて、改質用空気流量調整ユニット４４による改質用空気の供給が停止されると共に、水流量調整ユニット２８による水蒸気の供給を増加させる。これにより、改質器２０には、空気を含まず燃料ガスと水蒸気のみを含むガスが供給され、改質器２０において、式（３）の水蒸気改質反応ＳＲが進行する。
【００６１】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2       （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2              （３）
【００６２】
この水蒸気改質反応ＳＲは吸熱反応であるので、燃焼室１８からの燃焼熱と熱バランスをとりながら反応が進行する。また、水蒸気改質反応ＳＲが進行しても、燃焼室１８では継続して燃焼反応が進行する。
【００６３】
このようにして、燃料電池モジュール２は、点火装置８３により点火した後、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が、順次進行することにより、発電室１０内の温度が徐々に上昇する。以上の起動処理が終了した後、燃料電池モジュール２からインバータ５４に電力が取り出される。即ち、発電が開始される。燃料電池モジュール２の発電により、燃料電池セル８４自体も発熱し、燃料電池セル８４の温度も上昇する。
【００６４】
発電開始後においても、改質器２０の温度を維持するために、燃料電池セル８４で発電に消費される燃料ガス及び発電用空気の量よりも多い燃料ガス及び発電用空気を供給し、燃焼室１８での燃焼を継続させる。なお、発電中は、改質効率の高い水蒸気改質反応ＳＲで発電が進行する。
以上の起動モード運転の詳細は後述する。
【００６５】
次に、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池１の発電モード運転時における負荷追従運転を説明する。
固体電解質型燃料電池１は、起動モード運転の後（図７における時刻ｔ１０の後）、発電モード運転においては、インバータ５４（図６）からの要求発電量に応じた出力電力が得られるように、負荷追従運転を実行する。即ち、図６に示すように、制御手段である制御部１１０は、インバータ５４からの要求発電量に応じて、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８、酸化剤ガス供給手段である発電用空気流量調整ユニット４５、及び水蒸気供給手段である水流量調整ユニット２８に信号を送り、必要な流量の燃料、空気、水を燃料電池モジュール２に供給している。これにより、インバータ５４からの要求発電量に追従するように固体電解質型燃料電池１の出力電力が変化される。
【００６６】
ここで、燃料供給量等を急激に変化させると、安定した発電モード運転が困難になるため、燃料供給量等は緩慢に変化するように運転される。このため、要求電力に急激な変化があった場合にも、出力電力をこれに急激に追従させることはなく、出力電力の応答は要求電力に対して遅れて変化される。本実施形態の固体電解質型燃料電池１では、発電モード運転における出力電力の最大の増加率は２００Ｗ／ｍｉｎに設定されている。
【００６７】
次に、図８と共に図７を再び参照して、本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池１の起動モード運転を詳細に説明する。
図８は固体電解質型燃料電池１の起動モード運転の処理手順を示す動作テーブルである。
図７の時刻ｔ０において固体電解質型燃料電池１の起動モード運転が開始されると、制御部１１０は、改質用酸化剤ガス供給手段である改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用酸化剤ガス供給手段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らを起動させ、改質用空気及び発電用空気を燃料電池モジュール２に供給する。なお、本実施形態においては、時刻ｔ０において供給が開始される改質用空気の供給量は１０Ｌ／ｍｉｎ、発電用空気の供給量は１００Ｌ／ｍｉｎに設定されている（図８）。
【００６８】
次いで、時刻ｔ１において、制御部１１０は、燃料供給手段である燃料流量調整ユニット３８に信号を送って、改質器２０への燃料供給を開始する。これにより、改質器２０へ送り込まれた燃料及び改質用空気は、改質器２０、燃料ガス供給管６４、マニホールド６６を介して各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれる。各燃料電池セルユニット１６内に送り込まれた燃料及び改質用空気は、各燃料電池セルユニット１６の燃料ガス流路９８上端から夫々流出する。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の供給量は６Ｌ／ｍｉｎに設定されている（図８の「燃焼運転」状態）。
【００６９】
さらに、時刻ｔ２において、制御部１１０は、点火装置８３に信号を送り、燃料電池セルユニット１６の上端部から流出する燃料に点火する。これにより、燃焼室１８内の燃焼部において燃料が燃焼され、長尺で細長い燃料電池セルユニット１６は、燃焼熱により上方から加熱される。また、燃料電池セルユニット１６の上方に配置された改質器２０が加熱されると共に、燃焼室１８、発電室１０の温度も上昇する（図７の時刻ｔ２〜ｔ３）。改質器２０が加熱されることにより、改質器２０の温度が３００゜Ｃ程度まで上昇すると、改質器２０内においては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が発生する（図７の時刻ｔ３）。部分酸化改質反応は発熱反応であるため、改質器２０は、部分酸化改質反応の発生により、その反応熱によっても加熱されるようになる（図８の「ＰＯＸ１」状態）。
【００７０】
さらに温度が上昇し、改質器２０の温度が３５０゜Ｃに達すると、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料供給量を減少させると共に、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気供給量を増加させる（図７の時刻ｔ４）。これにより、燃料供給量は５Ｌ／ｍｉｎに変更され、改質用空気供給量は１８Ｌ／ｍｉｎに変更される（図８の「ＰＯＸ２」状態）。これらの供給量は、部分酸化改質反応を発生させるために適正な供給量である。即ち、部分酸化改質反応が発生し始める初期の温度領域においては、供給する燃料の割合を多くすることにより、燃料に確実に着火される状態を形成すると共に、その供給量を維持して着火を安定させる（図８の「ＰＯＸ１」状態）。さらに、安定して着火され、温度が上昇した後には、部分酸化改質反応を生成するために必要にして十分な燃料供給量として、燃料の浪費を抑えている（図８の「ＰＯＸ２」状態）。
【００７１】
次に、図７の時刻ｔ５において、改質器２０の温度が６００゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が２５０゜Ｃ以上になると、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水蒸気供給手段である水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給を開始させる。これにより、改質用空気供給量は８Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は２ｃｃ／ｍｉｎにされる（図８の「ＡＴＲ１」状態）。改質器２０内に水（水蒸気）が導入されることにより、改質器２０内で水蒸気改質反応も発生するようになる。即ち、図８の「ＡＴＲ１」状態においては、部分酸化改質反応と水蒸気改質反応が混在したオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）が発生するようになる。
【００７２】
本実施形態においては、燃料電池セルユニット１６の温度は、発電室１０内に配置された温度検出手段である発電室温度センサ１４２によって測定されている。発電室内の温度と燃料電池セルユニットの温度は、厳密には同一ではないが、発電室温度センサによって検出される温度は燃料電池セルユニットの温度を反映したものであり、発電室内に配置された発電室温度センサにより燃料電池セルユニットの温度を把握することができる。なお、本明細書において、燃料電池セルユニットの温度とは、燃料電池セルユニットの温度を反映した値を指示する任意のセンサにより測定された温度を意味するものとする。
【００７３】
さらに、図７の時刻ｔ６において、改質器２０の温度が６００゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が４００゜Ｃ以上になると、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料供給量を減少させる。また、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量を増加させる。これにより、燃料供給量は４Ｌ／ｍｉｎに変更され、改質用空気供給量は４Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は３ｃｃ／ｍｉｎにされる（図８の「ＡＴＲ２」状態）。改質用空気供給量が減少され、水供給量が増加されることにより、改質器２０内においては、部分酸化改質反応の割合が減少し、水蒸気改質反応の割合が増加する。
【００７４】
次に、図７の時刻ｔ７において、燃料電池セルユニット１６の温度が５００゜Ｃ以上になると、制御部１１０は切換器５６に信号を送り、切換器５６を切り換える。これにより、起動時発電が開始され、燃料電池モジュール２から補機ユニット４に少量の電力が供給されるようになる（図８の「発電形態」欄）。この起動時発電として取り出された微弱電力は、補機ユニット４に内蔵されている補機である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等を作動させる電力として利用される。なお、本実施形態においては、燃料電池モジュール２からの起動時発電による電力の供給が開始されるまでは、補機ユニット４を作動させる電力は全て系統電力から供給される。
また、燃料電池モジュール２への燃料供給量、発電用空気の供給量は、起動時発電の開始前と同じ量に維持される。或いは、起動時発電を実行するために使用される分量に応じて燃料供給量、発電用空気供給量を増加させても良い。
【００７５】
本実施形態においては、起動時発電による電力は約５０Ｗ一定であり、この電力は専ら補機ユニット４を作動させるために使用され、固体電解質型燃料電池１の外部には出力されない。この起動時発電による電力は、発電開始時において、燃料電池モジュール２が備える発電能力（定格電力）よりも十分に小さい値に設定するのが良く、好ましくは、定格電力の１／１０〜１／３０程度に設定する。従って、起動時発電による電力は固体電解質型燃料電池１から外部に出力される固体電解質型燃料電池１の出力電力とは異なるものである。起動時発電による電力が補機ユニット４に供給されるようになると、燃料電池セルユニット１６による発電が開始される。なお、本実施形態においては、起動時発電による電力は、時刻ｔ７における起動時発電による電力の発電開始から、約１００Ｗ／ｓｅｃの増加率で増加されるので、約０．５ｓｅｃで、５０Ｗの一定値に到達する。このように、起動時発電による電力は、負荷追従時における電力の増加率よりも遙かに大きい増加率で増加される。
【００７６】
起動時発電が開始されると、燃料電池セルユニット１６の内部に電流が流れ、燃料電池セルユニット１６の内部抵抗によるジュール熱が発生する。これにより、燃料電池セルユニット１６は、上端から流出する燃料が燃焼することによる燃焼熱に加え、燃料電池セルユニット１６に電流が流れることによる自己発熱により加熱されるようになる。
【００７７】
燃料電池セルユニット１６の自己発熱は燃料電池セルユニット１６の中間部で大きくなるため、特に、燃料電池セルユニット１６の中間部が強く加熱される。燃料の燃焼熱による燃料電池セルユニット１６の上方からの加熱に加え、中間部の自己発熱により、燃料電池セルユニット１６の温度は、より均一に上昇されるようになる。
【００７８】
次に、図７の時刻ｔ８において、改質器２０の温度が６５０゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が６００゜Ｃ以上になると、制御部１１０は、改質用空気流量調整ユニット４４に信号を送り、改質用空気の供給を停止する。また、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量を増加させる。これにより、燃料供給量は３Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は８ｃｃ／ｍｉｎに変更される（図８の「ＳＲ１」状態）。改質用空気の供給が停止されることにより、改質器２０内においては、部分酸化改質反応は発生しなくなり、水蒸気改質反応のみが発生するＳＲが開始される。なお、起動時発電による昇温は、ＳＲ１に移行された後も継続される。
【００７９】
さらに、図７の時刻ｔ９において、改質器２０の温度が６５０゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が６５０゜Ｃ以上になると、制御部１１０は、燃料流量調整ユニット３８に信号を送り、燃料供給量を減少させると共に、水流量調整ユニット２８に信号を送り、水の供給量も減少させる。また、制御部１１０は、発電用空気流量調整ユニット４５に信号を送り、発電用空気の供給量も減少させる。これにより、燃料供給量は発電待機燃料供給量である２．９Ｌ／ｍｉｎに変更され、水供給量は６．３ｃｃ／ｍｉｎに変更され、発電用空気供給量は８０Ｌ／ｍｉｎに変更される（図８の「ＳＲ２」状態）。
【００８０】
次に、図７の時刻ｔ１０において、改質器２０の温度が６５０゜Ｃ以上、且つ、燃料電池セルユニット１６の温度が、所定の発電開始電力の発電が可能な７００゜Ｃに到達すると、制御部１１０は固体電解質型燃料電池１の発電モード運転を開始する。発電モード運転が開始されると、制御部１１０は切換器５６に信号を送り、切換器５６を切り換える。これにより、燃料電池モジュール２から補機ユニット４及びインバータ５４に電流が流れるようになる（図８の「発電形態」欄）。なお、本実施形態においては、発電開始電力は、定格出力電力である７００Ｗに設定されている。即ち、制御部１１０は、燃料電池モジュール２が定格出力電力を出力し得る状態に到達したとき、発電モード運転を開始する。
【００８１】
時刻ｔ１０において発電モード運転が開始されると、燃料電池モジュール２から、切換器５６を介してインバータ５４に電流が流れ、この電力が固体電解質型燃料電池１の出力電力として、外部に出力される。出力電力は、要求発電量に追従するように、時刻ｔ１０における０Ｗから漸増される。上述したように、この際の出力電力の増加率は最大２００Ｗ／ｍｉｎに制限されている。
【００８２】
また、燃料電池モジュール２への燃料供給量、及び発電用空気の供給量は、発電モード運転移行後も所定時間、直前の起動モード運転時の供給量が維持される。このため、起動モード運転から発電モード運転に円滑に移行される。次いで、起動モード運転時の供給量が時刻ｔ１１まで維持された後、実際の出力電力に応じた供給量となるように、燃料供給量及び発電用空気供給量が変更される（図７の時刻ｔ１１〜ｔ１２）。図７の時刻ｔ１２以降は、図８の「発電モード」に示す出力電力に対応した量の燃料及び発電用空気が供給される。また、発電モード運転移行後は、燃料電池モジュール２の発電能力は、要求電力に関わらず、起動時発電による電力以上に維持される。
【００８３】
また、本発明の実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、起動モード運転中の燃料電池セルユニット１６の温度が十分に上昇していない段階において、起動時発電を実行することにより微弱電力を燃料電池モジュール２から取り出すので、この発電の発電熱により燃料電池セルユニット１６の昇温を促進することができる。さらに、燃焼部における燃料の燃焼による燃料電池セルユニット１６の加熱は、セルの上端部から行われため、燃料電池セルユニット１６に温度ムラを生じやすいのに対し、起動時発電による発電熱は燃料電池セルユニット１６の中央部で顕著に発生するので、温度ムラを生じにくい。従って、本実施形態によれば、燃料電池セルユニット１６及び燃料電池セルスタック１４の温度ムラを抑制することができる。また、燃料電池セルユニット１６に温度ムラが生じている場合には、燃料電池セルユニット１６の一部のみが発電可能な温度に達している状態で発電が行われたり、燃料電池セルユニット１６の一部が加熱されすぎた状態で発電が行われることになるので、燃料電池セルユニット１６の劣化を早めたり、セルを損傷する場合がある。本実施形態によれば、燃料電池セルユニット１６及び燃料電池セルスタック１４の温度ムラが抑制されるので、燃料電池セルユニット１６の耐用年数を延長するとができる。さらに、起動時発電による発電は、微弱電力を生成するものであるため、燃料電池セルユニット１６の温度が発電開始温度に到達する前に燃料電池モジュール２から電力を取り出しても燃料電池セルユニット１６を損傷することはない。
【００８４】
さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、起動時発電において取り出される微弱電力が、ほぼ一定の５０Ｗの電力であるので、起動時発電を実行するために燃料供給量、水蒸気供給量等が変動されることがなく、発電開始温度に到達する前に燃料電池モジュール２から電力を取り出しても燃料電池モジュール２の運転が不安定になるのを防止することができる。これにより、燃料電池セルユニット１６の損傷を確実に防止しながら、起動時発電を実行することができる。
【００８５】
また、本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、改質器２０内において、改質効率が高く、十分な水素を生成することができる水蒸気改質が開始されているＡＴＲの中の、より多くの水蒸気改質が行われるＡＴＲ２において起動時発電が開始されるので、燃料電池セルユニット１６が発電開始温度に到達する前に発電を行っても水素枯れの虞がなく、燃料電池セルユニット１６の損傷を確実に防止することができる。
【００８６】
一般に、固体電解質型燃料電池の外部に出力される電力は、需要電力の変動に伴って、常に変動する。本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、起動モード運転中における起動時発電により生成された微弱電力は固体電解質型燃料電池１の外部には出力されずに、補機ユニット４によって全て消費されるので、需要電力の変動の悪影響により、燃料電池モジュール２から取り出される起動時発電による電流が変動して、起動モード運転が不安定になるのを防止することができる。また、制御部１１０により制御される補機ユニット４によって、起動時発電による微弱電力が消費されるので、起動時発電の発電電力をより安定させることができる。
【００８７】
さらに、本実施形態の固体電解質型燃料電池１によれば、起動モード運転中において、燃料電池セルユニット１６の温度が５００℃に到達すると起動時発電が開始されるので、改質器２０内における水蒸気改質反応は安定しており、発電開始温度到達前の起動時発電を確実に実行することができ、発電熱による昇温を行うことができる。
【００８８】
また、本実施形態の固体電解質型燃料電池によれば、起動時発電による電力の増加率が、発電モード運転における負荷追従時の出力電力の最大増加率よりも遙かに大きく設定されているので、迅速に自己発熱を発生させることができ、燃料電池の起動時間を短縮することができる。また、起動時発電による電力は、発電開始時における発電能力よりも十分に小さく設定されているので、増加率を大きく設定しても燃料電池セルユニット１６の損傷を回避することができる。
【００８９】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、固体電解質型燃料電池は、要求電力に応じて出力電力を可変するように構成されていたが、常に一定の電力を出力する燃料電池に本発明を適用することもできる。また、上述した実施形態においては、起動時発電による電力は、補機ユニットに供給されていたが、固体電解質型燃料電池の外部でこれを消費するように、本発明を構成することもできる。
【００９０】
また、上述した実施形態においては、ＡＴＲ２中において、燃料電池セルユニット１６の温度が５００℃に到達した時点で起動時発電が開始されているが、変形例として、ＳＲ１の開始時、或いは、ＳＲ１の開始から所定時間経過した後に起動時発電を開始させても良い。ＡＴＲからＳＲへの移行時には、改質器２０内において発熱反応である部分酸化改質反応が終息すると共に、吸熱反応である水蒸気改質反応が増大するので、温度低下が発生しやすい状況になる。上記の変形例によれば、温度低下が発生しやすいＳＲによる改質の開始時、或いはＳＲによる改質の開始後、所定時間経過した後に、起動時発電が開始される。これにより、温度低下が発生しやすくなるＳＲの開始と共に、或いは、ＳＲによる改質の開始後所定時間経過して改質器２０内における改質反応が安定した後に、起動時発電が開始されることになり、発電開始温度に到達する前に起動時発電を行いながら、燃料電池モジュール２の温度低下を抑制することができる。
【符号の説明】
【００９１】
１  固体電解質型燃料電池
２  燃料電池モジュール
４  補機ユニット
８  密封空間
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（固体電解質型燃料電池セル）
１８  燃焼室
２０  改質器
２２  空気用熱交換器
２４  水供給源
２６  純水タンク
２８  水流量調整ユニット（水蒸気供給手段）
３０  燃料供給源
３８  燃料流量調整ユニット（燃料供給手段）
４０  空気供給源
４４  改質用空気流量調整ユニット（改質用酸化剤ガス供給手段）
４５  発電用空気流量調整ユニット（発電用酸化剤ガス供給手段）
４６  第１ヒータ
４８  第２ヒータ
５０  温水製造装置
５２  制御ボックス
５４  インバータ
５６  切換器
８３  点火装置
８４  燃料電池セル
１１０  制御部（制御手段）
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
１４２  発電室温度センサ（温度検出手段）
１５０  外気温度センサ
【図１】
2011096635.tif 000003
【図２】
2011096635.tif 000004
【図３】
2011096635.tif 000005
【図４】
2011096635.tif 000006
【図５】
2011096635.tif 000007
【図６】
2011096635.tif 000008
【図７】
2011096635.tif 000009
【図８】
2011096635.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成23年1月27日(2011.1.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させて発電するＳＯＦＣ型の固体電解質型燃料電池であって、
複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、
上記燃料と酸化剤ガスを化学反応させることにより燃料を部分酸化改質する改質反応であるＰＯＸ、及び、燃料と水蒸気を化学反応させることにより燃料を水蒸気改質する改質反応であるＳＲ、及び、上記部分酸化改質及び上記水蒸気改質を同時に発生させることにより燃料をオートサーマル改質する改質反応であるＡＴＲによって水素を生成する改質器と、
この改質器に燃料を供給することにより、上記改質器で改質された燃料を上記固体電解質型燃料電池セルの一端部から送り込む燃料供給手段と、
上記改質器に改質用の酸化剤ガスを供給する改質用酸化剤ガス供給手段と、
上記改質器に改質用の水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、
上記固体電解質型燃料電池セルに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、
上記固体電解質型燃料電池セルの一端部から送り込まれ、発電に使用されることなく上記固体電解質型燃料電池セルの他端部から流出する燃料を燃焼させる、上記固体電解質型燃料電池セルの他端部に設けられた燃焼部と、
上記燃料供給手段、上記改質用酸化剤ガス供給手段、上記水蒸気供給手段、及び上記発電用酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と、
を有し、
上記制御手段は、予め決定された上記改質器の温度帯域において、上記改質器内で上記ＰＯＸ、上記ＡＴＲ、上記ＳＲの順序で改質反応を生じさせて上記燃料電池モジュールから電力を取出可能な発電開始温度まで上記固体電解質型燃料電池セルを昇温させる起動モード運転を実行する一方で、上記発電開始温度を超えた時点で上記起動モード運転を終了して上記燃料電池モジュールから電力を取出す発電モード運転を実行するように構成され、
更に、上記制御手段は、上記発電開始温度に到達する以前の上記起動モード運転中において、上記発電モード運転中における上記燃料電池モジュールからの取出電力よりも小さい電力を上記燃料電池モジュールから取り出すことにより、上記固体電解質型燃料電池セルに発電熱を発生させて上記固体電解質型燃料電池セルを昇温させる起動時発電を実行するように構成されていることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
上記起動時発電において上記燃料電池モジュールから取り出される電力は、一定の電力である請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
上記制御手段は、上記起動モード運転中の、上記改質器内における上記ＡＴＲによる改質の開始以降に、上記起動時発電を開始させる請求項２記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
上記制御手段は、上記改質器内における上記ＡＴＲによる改質として、上記改質器に供給される水蒸気が少ないＡＴＲ１、及び、このＡＴＲ１の後に行われ、供給される水蒸気が上記ＡＴＲ１よりも多いＡＴＲ２を生じさせ、このＡＴＲ２による改質の開始以降に、上記起動時発電を開始させる請求項３記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
上記制御手段は、上記改質器内における上記ＳＲによる改質が開始された後に、上記起動時発電を開始させる請求項３記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
上記制御手段は、上記発電モード運転中において上記燃料電池モジュールから取り出された電力を、上記固体電解質型燃料電池の外部に出力する一方、上記起動モード運転中において上記燃料電池モジュールから取り出された電力は、上記固体電解質型燃料電池の外部には出力しない請求項３記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
さらに、上記燃料電池モジュールを作動させる補機を有し、上記制御手段は、上記起動モード運転中において上記燃料電池モジュールから取り出された電力を、上記補機のみに供給する請求項６記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項８】
上記発電開始温度は６００℃以上に設定されており、上記制御手段は、上記起動モード運転中において、上記固体電解質型燃料電池セルの温度が５００℃以上、６００℃未満の所定の温度に到達したとき、上記起動時発電を開始する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
上述した課題を解決するために、本発明は、燃料と発電用の酸化剤ガスを反応させて発電するＳＯＦＣ型の固体電解質型燃料電池であって、複数の固体電解質型燃料電池セルを備えた燃料電池モジュールと、燃料と酸化剤ガスを化学反応させることにより燃料を部分酸化改質する改質反応であるＰＯＸ、及び、燃料と水蒸気を化学反応させることにより燃料を水蒸気改質する改質反応であるＳＲ、及び、部分酸化改質及び水蒸気改質を同時に発生させることにより燃料をオートサーマル改質する改質反応であるＡＴＲによって水素を生成する改質器と、この改質器に燃料を供給することにより、改質器で改質された燃料を固体電解質型燃料電池セルの一端部から送り込む燃料供給手段と、改質器に改質用の酸化剤ガスを供給する改質用酸化剤ガス供給手段と、改質器に改質用の水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、固体電解質型燃料電池セルに発電用の酸化剤ガスを供給する発電用酸化剤ガス供給手段と、固体電解質型燃料電池セルの一端部から送り込まれ、発電に使用されることなく固体電解質型燃料電池セルの他端部から流出する燃料を燃焼させる、固体電解質型燃料電池セルの他端部に設けられた燃焼部と、燃料供給手段、改質用酸化剤ガス供給手段、水蒸気供給手段、及び発電用酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と、を有し、制御手段は、予め決定された改質器の温度帯域において、改質器内で上記ＰＯＸ、ＡＴＲ、ＳＲの順序で改質反応を生じさせて燃料電池モジュールから電力を取出可能な発電開始温度まで固体電解質型燃料電池セルを昇温させる起動モード運転を実行する一方で、発電開始温度を超えた時点で起動モード運転を終了して燃料電池モジュールから電力を取出す発電モード運転を実行するように構成され、更に、制御手段は、発電開始温度に到達する以前の起動モード運転中において、発電モード運転中における燃料電池モジュールからの取出電力よりも小さい電力を燃料電池モジュールから取り出すことにより、固体電解質型燃料電池セルに発電熱を発生させて固体電解質型燃料電池セルを昇温させる起動時発電を実行するように構成されていることを特徴としている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明において、好ましくは、起動時発電において燃料電池モジュールから取り出される電力は、一定の電力である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
本発明において、好ましくは、制御手段は、発電モード運転中において燃料電池モジュールから取り出された電力を、固体電解質型燃料電池の外部に出力する一方、起動モード運転中において燃料電池モジュールから取り出された電力は、固体電解質型燃料電池の外部には出力しない。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
本発明において、好ましくは、さらに、燃料電池モジュールを作動させる補機を有し、制御手段は、起動モード運転中において燃料電池モジュールから取り出された電力を、補機のみに供給する。