(57)【要約】【課題】断水時でもフェールセーフ運転に移行して水蒸気改質反応（SR）運転を経て安全に運転停止を行うことができる固体電解質型燃料電池（SOFC）を提供する。【解決手段】本発明は、改質器20に供給する水を貯水するための貯水タンク26a,26b、この貯水タンク内の水量を検出する水量検出手段136a,136b,136c,136d、及び、貯水タンクに水を供給する給水手段152を備えた水供給手段28と、制御手段110と、を有し、この制御手段は、水蒸気改質反応（SR）運転を経て運転を停止させる通常停止運転モードと、水供給手段の給水側の異常時に貯水タンクに所定量以上の水が貯水された状態になっているように給水手段152,154,158を制御すると共に、この貯水を用いた水蒸気改質反応（SR）運転を経て運転を停止させるフェールセーフ運転へ移行させる第１のフェールセーフ運転モードと、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気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の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、
燃料ガスを水蒸気改質して上記燃料電池セル集合体に供給する改質器と、
上記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
純水を生成して上記改質器に供給する水供給手段であって、上記改質器に供給する水を貯水するための貯水タンク、この貯水タンク内の水量を検出する水量検出手段、及び、上記貯水タンクに水を供給する給水手段を備えた上記水供給手段と、
上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、
上記燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、
起動時に、改質器内に燃料ガスと改質用空気を供給して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）運転を行い、改質器内に燃料と水を供給して水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行い、その後上記燃料電池セル集合体による発電運転を行う制御手段と、を有し、
上記制御手段は、上記水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て運転を停止させる通常停止運転モードと、上記水供給手段の給水側の異常時に上記貯水タンクに所定量以上の水が貯水された状態になっているように上記給水手段を制御すると共に、この貯水された水を用いた水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て運転を停止させるフェールセーフ運転へ移行させる第１のフェールセーフ運転モードと、を備え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】
上記制御手段は、更に、上記水供給手段の給水側の異常時に上記貯水タンクに所定量以上の水が貯水された状態になっていない、もしくは給水側の異常によって上記貯水タンクに所定量以上の水が貯水できないと判断した場合に燃料ガスの供給を停止するように上記燃料ガス供給手段を制御してフェールセーフ運転へ移行させる第２のフェールセーフ運転モードを備え、上記第１のフェールセーフ運転モードによる運転期間が上記第２のフェールセーフ運転モードによる運転期間よりも長くなるように制御する請求項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、上記第１のフェールセーフ運転モードによる運転期間が上記通常停止運転モードによる運転期間よりも短くなるように制御する請求項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、上記第１のフェールセーフ運転モード及び上記通常停止運転モードにおいて、燃料ガスの供給を維持した状態で水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行った後に運転を停止させるように上記燃料ガス供給手段を制御する請求項３記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
上記水供給手段は、その貯水タンクが第１の貯水タンクと第２の貯水タンクとを備え、
上記制御手段は、これらの第１の貯水タンクの貯水量と第２の貯水タンクの貯水量の合計量が所定量以上になるように上記給水手段を制御する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
上記水供給手段は、上記第１の貯水タンクが上記第２の貯水タンクの上流側に配置されると共に上記給水手段の下流側に配置され、上記制御手段は、上記第１の貯水タンクから上記第２の貯水タンクに上記給水手段による給水が行われた後、上記第１の貯水タンクが満水になるように上記給水手段による給水を制御する請求項５記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
上記水供給手段は、その水量検出手段が上記第１の貯水タンクの所定の上限貯水量を検出する第１の水量検出手段と、上記第２の貯水タンクの所定の下限貯水量を検出する第２の水量検出手段と、を備え、上記制御手段は、上記第２の水量検出手段が上記第２の貯水タンクの所定の下限貯水量を検出したとき、上記第１の貯水タンクから上記第２の貯水タンクに給水が行われ、上記第１の貯水タンクの所定の上限貯水量まで給水が行われるように上記給水手段を制御する請求項６記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項８】
上記制御手段は、上記第１のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転が上記通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転とは異なるように制御する請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項９】
上記制御手段は、上記第１のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる燃料ガスの量を上記通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる燃料ガスの量よりも低下させるように上記燃料ガス供給手段を制御する請求項８記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１０】
上記制御手段は、更に、上記第１のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる水の量を上記通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる水の量よりも低下させるように上記水供給手段を制御する請求項９記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１１】
上記制御手段は、更に、上記第１のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる発電用空気の量を上記通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる発電用空気の量よりも低下させるように上記発電用空気供給手段を制御する請求項９又は１０に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係わり、特に、燃料ガスと空気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、ＳＯＦＣ及び酸化剤等に伝達され、これらの温度上昇に使用される。
【０００４】
ここで、従来の燃料電池の一つとして、外部から水補給を行わない、いわゆる水自立を可能とする燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池システムは、燃料電池の排ガス及び燃料改質装置の排ガスの中に含まれる水蒸気から水を回収する凝縮器と、この凝縮器によって得られた凝縮水を一旦溜める回収水タンクとを備え、この回収水タンク内の水を改質用の水蒸気として再利用することができるようになっている。
しかしながら、このような燃料電池システムでは、起動直後等の水自立が困難な状態において断水が生じたような場合には、凝縮器による凝縮水も十分に得られず、水自立を可能とすることが極めて難しいという問題がある。
【０００５】
さらに、従来の燃料電池として、燃料電池で発生した熱を回収して貯湯槽に蓄熱する燃料電池発電システムについても知られている（例えば、特許文献２参照）。この燃料電池発電システムは、発電中に断水が発生した場合、発電運転を停止すると共に、貯湯槽の低温水が加熱されて無くなるまで貯湯水循環ポンプによって熱交換手段と貯湯槽との間で循環させることによって、燃料電池を急速冷却することができるようになっている。
しかしながら、このような燃料電池発電システムは、断水が起こると、貯湯槽の低温水も少なくなるため、冷却効果も低下してしまうという問題がある。また、この燃料電池発電システムは、発電運転を停止する際に水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て運転を停止させることで固体電解質型燃料電池のセル等に悪影響を与えることなく安定的にかつ安全に運転停止させるという技術の基本構成が根本的に異なっているものである。
【０００６】
さらに、従来の燃料電池として、断水時に貯水タンクから水供給手段に水を継続的に供給することにより、発電を安定して継続的に行うことができる燃料電池装置についても知られている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２３４８６９号公報
【特許文献２】特開２００８−１５２９９９号公報
【特許文献３】特開２００８−５３２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここで、詳細は後述するが、従来の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）においては、まず、起動時に、改質器内に燃料ガスと改質用空気を供給して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）運転を行い、次に、改質器内に燃料と水を供給して水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行い、燃料電池モジュールによる発電運転を行う。
一方、この燃料電池モジュールの運転を停止する際には、燃料ガス及び水蒸気の改質器への供給量を減少させると同時に、発電用空気の燃料電池モジュール内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体及び改質器を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後、発電室の温度が所定温度まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器への供給を停止し、改質器における水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を終了して燃料電池モジュールの運転を停止する。
【０００９】
しかしながら、このような固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）において、改質器への水の供給が瞬時停止された場合には、改質器における水蒸気改質反応（ＳＲ）運転が行うことができない状態となるため、高温状態で緊急停止が行われると、燃料電池セルが酸化して大きなダメージを受けるという問題がある。
また、断水時にも水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て運転停止が可能となるためには、この水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に要する水の量を常に一定量以上確保しておく工夫が必要であるが、上述した特許文献１〜３に記載された燃料電池を含め、従来の燃料電池には、このような工夫について何ら開示も示唆もされていない。
【００１０】
そこで、本発明は、上述した従来技術の問題を解決するためになされたものであり、断水時でもフェールセーフ運転に移行して水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て安全に運転停止を行うことができる固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）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】
上記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと空気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の燃料電池セルを備えた燃料電池セル集合体と、燃料ガスを水蒸気改質して上記燃料電池セル集合体に供給する改質器と、上記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、純水を生成して上記改質器に供給する水供給手段であって、上記改質器に供給する水を貯水するための貯水タンク、この貯水タンク内の水量を検出する水量検出手段、及び、上記貯水タンクに水を供給する給水手段を備えた上記水供給手段と、上記改質器に改質用空気を供給する改質用空気供給手段と、上記燃料電池セル集合体に発電用空気を供給する発電用空気供給手段と、起動時に、改質器内に燃料ガスと改質用空気を供給して部分酸化改質反応（ＰＯＸ）運転を行い、次に、改質器内に燃料と水を供給して水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行い、その後上記燃料電池セル集合体による発電運転を行う制御手段と、を有し、上記制御手段は、上記水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て運転を停止させる通常停止運転モードと、上記水供給手段の給水側の異常時に上記貯水タンクに所定量以上の水が貯水された状態になっているように上記給水手段を制御すると共に、この貯水された水を用いた水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て運転を停止させるフェールセーフ運転へ移行させる第１のフェールセーフ運転モードと、を備えてい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、水自立が困難な状態（起動時等）において水供給手段の給水側の異常（断水等）が生じたとしても、制御手段が第１のフェールセーフ運転モードを実行し、水供給手段の貯水タンクに所定量以上の水が貯水された状態になっているように給水手段を制御すると共に、この貯水された水を用いた水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て運転を停止させるフェールセーフ運転へ移行させることができるため、水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て安全に運転停止を行うことができる。また、断水時でもこの貯水された水を用いた水蒸気改質反応（ＳＲ）運転によって安定した冷却状態を維持しながら運転を停止させることができるため、水の供給が瞬時停止して水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行えずに高温状態で緊急停止させることにより、燃料電池セルが酸化して大きなダメージを受けるのを防ぐことができ、燃料電池セルの耐久性の低下を確実に防止できる。
【００１２】
上記制御手段は、更に、上記水供給手段の給水側の異常時に上記貯水タンクに所定量以上の水が貯水された状態になっていない、もしくは給水側の異常によって上記貯水タンクに所定量以上の水が貯水できないと判断した場合に燃料ガスの供給を停止するように上記燃料ガス供給手段を制御してフェールセーフ運転へ移行させる第２のフェールセーフ運転モードを備え、上記第１のフェールセーフ運転モードによる運転期間が上記第２のフェールセーフ運転モードによる運転期間よりも長くなるように制御する。
このように構成された本発明においては、高い頻度で生ずる可能性のある断水等の給水異常に対して、第１のフェールセーフ運転モードによる運転が、貯水タンクに所定量以上の水が貯水された状態になっていない、もしくは給水側の異常によって上記貯水タンクに所定量以上の水が貯水できないと判断した場合に瞬時停止（緊急停止）を図る第２のフェールセーフ運転モードよりも長い期間行われるため、安定した冷却状態を維持しながらフェールセーフ運転を行うことができ、燃料電池セルが酸化して大きなダメージを受けてしまうのを防ぐことができ、燃料電池セルの耐久性の低下を確実に防止できる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記第１のフェールセーフ運転モードによる運転期間が上記通常停止運転モードによる運転期間よりも短くなるように制御する。
このように構成された本発明においては、制御手段が第１のフェールセーフ運転モードによる運転期間が通常停止運転モードによる運転期間よりも短くなるように制御しているため、断水等の給水異常時に備えて貯水タンクの容量を大きくすることなく、燃料電池セルにも酸化によるダメージを与えずに安定的に第１のフェールセーフ運転モードによってフェールセーフ運転へ移行させることができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記第１のフェールセーフ運転モード及び上記通常停止運転モードにおいて、燃料ガスの供給を維持した状態で水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行った後に運転を停止させるように上記燃料ガス供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、瞬時停止が必要な異常時には第２のフェールセーフ運転モードによってフェールセーフ運転へ移行させて燃料ガスの供給を瞬時停止させることができるが、断水等の給水異常時や通常停止時には、第１のフェールセーフ運転モードや通常停止運転モードによって、燃料ガスの供給を瞬時停止させることなく、燃料ガス供給手段による燃料供給を維持した状態でフェールセーフ運転へ移行させることができ、水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て運転を停止させることができる。したがって、断水等の給水異常時や通常停止時に、燃料ガスの供給が瞬時停止して水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行えずに高温状態で緊急停止し、燃料電池セルが酸化して大きなダメージを受けてしまうのを防ぐことができ、燃料電池セルの耐久性の低下を確実に防止できる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、上記水供給手段は、その貯水タンクが第１の貯水タンクと第２の貯水タンクとを備え、上記制御手段は、これらの第１の貯水タンクの貯水量と第２の貯水タンクの貯水量の合計量が所定量以上になるように上記給水手段を制御する。
このように構成された本発明においては、第１の貯水タンクの貯水量と第２の貯水タンクの貯水量の合計量が所定量以上になるように水量を確保することにより、第１の貯水タンク及び第２の貯水タンクの水管理を一元化して簡易にすることができる。
【００１６】
本発明において、好ましくは、上記水供給手段は、上記第１の貯水タンクが上記第２の貯水タンクの上流側に配置されると共に上記給水手段の下流側に配置され、上記制御手段は、上記第１の貯水タンクから上記第２の貯水タンクに上記給水手段による給水が行われた後、上記第１の貯水タンクが満水になるように上記給水手段による給水を制御する。
このように構成された本発明においては、第２の貯水タンクの上流側に配置された第１の貯水タンクが満水になるように給水手段による給水を行う簡単な制御により、給水異常時にも第１のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に必要な水量を確実に保持しておくことができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、上記水供給手段は、その水量検出手段が上記第１の貯水タンクの所定の上限貯水量を検出する第１の水量検出手段と、上記第２の貯水タンクの所定の下限貯水量を検出する第２の水量検出手段と、を備え、上記制御手段は、上記第２の水量検出手段が上記第２の貯水タンクの所定の下限貯水量を検出したとき、上記第１の貯水タンクから上記第２の貯水タンクに給水が行われ、上記第１の貯水タンクの所定の上限貯水量まで給水が行われるように上記給水手段を制御する。
このように構成された本発明においては、第２の水量検出手段が第２の貯水タンクの所定の下限貯水量を検出したとき、第１の貯水タンクから第２の貯水タンクに給水が行われ、第１の貯水タンクが所定の上限貯水量（満水）になるように給水手段による給水を行う簡単な制御により、水供給手段の給水側の異常時にも第１のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に必要な水量を確実に保持しておくことができる。
【００１８】
本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記第１のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転が上記通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転とは異なるように制御する。
このように構成された本発明においては、水供給手段の給水側の異常時に、通常停止運転モードの水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に必要な水量を貯蓄しておくことは大変であるが、第１のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転とは異なるように制御しているため、燃料電池セルが酸化して大きなダメージを受けてしまうのを防ぐと共に、第１のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる水量を節約することができる。
【００１９】
本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記第１のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる燃料ガスの量を上記通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる燃料ガスの量よりも低下させるように上記燃料ガス供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、第１のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て運転を停止させる際、燃料ガスの量を通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる燃料ガスの量よりも低下させることにより、燃料電池セルの温度低下が図られ、第１のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応（ＳＲ）運転が開始されてから燃料ガスが消費されて停止するまでの時間を通常停止運転モードよりも短縮することができる。したがって、第１のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる水量を節約することができる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、上記制御手段は、更に、上記第１のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる水の量を上記通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる水の量よりも低下させるように上記水供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、第１のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て運転を停止させる際、燃料ガスの量を通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる燃料ガスの量よりも低下させると共に、水の量も通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる水の量よりも積極的に減らしているため、断水等の異常があっても貯水の備蓄量で安全に運転を停止させることができる。
【００２１】
本発明において、好ましくは、上記制御手段は、更に、上記第１のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる発電用空気の量を上記通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる発電用空気の量よりも低下させるように上記発電用空気供給手段を制御する。
このように構成された本発明においては、第１のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て運転を停止させる際、燃料ガスの量を通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる燃料ガスの量よりも低下させることにより、燃料電池セルの温度低下が図られるが、このような燃料電池セルの温度低下が急速に行われた場合には、セル自身にも影響を与えてしまうため、第１のフェールセーフ運転モードによるフェールセーフ運転へ移行させて水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て運転を停止させる際、発電用空気の量を低下させることにより、燃料電池セルの温度低下を抑制し、セル自身への影響を緩和することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、断水時でもフェールセーフ運転に移行して水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て安全に運転停止を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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線に沿った断面図である。
【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よる固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の通常停止運転モードによる通常停止運転時の動作を示すタイムチャートである。
【図９】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の水流量調整ユニットを示す概略図である。
【図１０】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）のフェールセーフ運転モードによる運転を行う際に燃料流量、水流量、及び、発電用空気流量を制御するための制御内容を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）のフェールセーフ運転モードによる運転を行う際に第１の貯水タンク及び第２の貯水タンクのそれぞれの貯水量を制御するための制御内容を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水する第１の貯水タンク２６ａと、この第１の貯水タンク２６ａから供給される水をフィルターにより純水とする第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂとを含む水流量調整ユニット２８（詳細は後述する）を備え、この水流量調整ユニット２８がこの第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂから供給される純水の流量を調整して改質器２０に純水を供給するようになっている。
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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（詳細は後述する）は、第１の貯水タンク２６ａと第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂのそれぞれ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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、インバータ５４に、制御信号を送り、電力供給量を制御するようになっている。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
次に、点火装置８３により着火して、燃焼室１８にある燃料ガスと空気（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。
【００５３】
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、この昇温した燃料ガスが燃料ガス供給管６４により燃料電池セルスタック１４の下方に供給され、これにより、燃料電池セルスタック１４が下方から加熱され、また、燃焼室１８も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、上方からも加熱され、この結果、燃料電池セルスタック１４は、上下方向において、ほぼ均等に昇温可能となっている。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。
【００５４】
ＣmＨn＋ｘＯ2  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2                （１）
【００５５】
部分酸化改質反応ＰＯＸの開始後、改質器温度センサ１４８により改質器２０が所定温度（例えば、６００℃）になったことを検知したとき、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を改質器２０に供給する。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。この段階では、既に起動の初期段階は過ぎており、発電室１０内がある程度の温度まで昇温されているので、吸熱反応が支配的であっても大幅な温度低下を引き起こすことはない。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。
【００５６】
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により改質器２０が所定温度（例えば、７００℃）になったことを検知したとき、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を停止すると共に、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。
【００５７】
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2       （２）
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2              （３）
【００５８】
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。この段階では、燃料電池モジュール２の起動の最終段階であるため、発電室１０内が十分高温に昇温されているので、吸熱反応が進行しても、発電室１０が大幅な温度低下を招くこともない。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。
【００５９】
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。次に、発電室１０内及び燃料電池セル８４の温度が燃料電池モジュール２を安定的に作動させる定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、燃料電池モジュール２を含む回路を閉じ、燃料電池モジュール２による発電を開始し、それにより、回路に電流が流れる。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。この結果、燃料電池モジュール２を作動させる定格温度、例えば、６００℃〜８００℃になる。
【００６０】
この後、定格温度を維持するために、燃料電池セル８４で消費される燃料ガス及び空気の量よりも多い燃料ガス及び空気を供給し、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。
【００６１】
次に、図８により本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の通常停止運転モードによる通常停止運転時の動作を説明する。図８は、本実施形態により固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の通常停止運転モードによる通常停止運転時の動作を示すタイムチャートである。
図８に示すように、燃料電池モジュール２の運転停止を行う場合には、先ず、制御部１１０が通常停止運転モードを選択し、燃料流量調整ユニット３８及び水流量調整ユニット２８を操作して、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させる。
【００６２】
また、通常停止運転モードによる燃料電池モジュール２の通常停止運転を行う場合には、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給量を減少させると同時に、発電用空気流量調整ユニット４５による発電用空気の燃料電池モジュール２内への供給量を増大させて、燃料電池セル集合体１２及び改質器２０を空気により冷却し、これらの温度を低下させる。その後（例えば、通常停止運転モードの水蒸気改質反応（ＳＲ）運転が開始されてから５時間後）、発電室の温度が所定温度、例えば、４００℃まで低下したとき、燃料ガス及び水蒸気の改質器２０への供給を停止し、改質器２０の水蒸気改質反応（ＳＲ）運転が終了することにより、通常停止運転モードによる運転期間が終了する。また、発電用空気の供給は、通常停止運転モードによる運転期間が終了後においても改質器２０の温度（発電室の温度でも可）が所定温度、例えば、２００℃に低下するまで継続し、この所定温度となったとき、発電用空気流量調整ユニット４５からの発電用空気の供給を停止する。
【００６３】
一方、水道等の水供給源２４から水流量調整ユニット２８に供給される水の供給が所定の水量を下回るか、或いは、水が供給されず、いわゆる断水状態となった場合には、以下に詳細に説明する、通常停止運転モードによる運転とは異なる運転（以下「フェールセーフ運転モードによる運転」）を行う。
【００６４】
つぎに、図９により、上述した本実施形態による水流量調整ユニット２８について詳細に説明する。図９は、本発明の一実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）の水流量調整ユニットを示す概略図である。
図９に示すように、純水を生成して改質器２０に供給する水供給手段である水流量調整ユニット２８は、上流側から順に、水供給源２４からの水道水の流量を調整する流量調整弁１５２と、水供給源２４からの水道水を一時的に貯蔵する第１の貯水タンク２６ａと、この第１の貯水タンク２６ａ内の水を供給するポンプ１５４と、この供給された水を浄化して純水を生成するためのＲＯ膜（逆浸透膜）１５６と、生成された純水を一時的に貯蔵する第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂと、この純水を燃料電池モジュール２の改質器２０にパルス制御により間欠的に供給するパルスポンプ１５８とを備えている。
また、熱交換器１６０や、水及び純水が凍結するのを防止するためのヒーター１６２も備えている。
【００６５】
さらに、第１の貯水タンク２６ａは、その所定の上限水位と下限水位をそれぞれ検出する水位センサ１３６ａ，１３６ｂをそれぞれ備え、各水位センサ１３６ａ，１３６ｂがそれぞれの水位を検出することによって、これらの水位に相当する貯水量（例えば、第１の貯水タンク２６ａの満水量等）を検出することができるようになっている。
なお、第１の貯水タンク２６ａの貯水量については、少なくとも満水時の貯水量を検出することができればよく、第１の貯水タンク２６ａの所定の下限水位を検出する水位センサ１３６ｂについては、省略してもよい。
同様に、第２の貯水タンク２６ｂについても、その所定の上限水位と下限水位をそれぞれ検出する水位センサ１３６ｃ，１３６ｄをそれぞれ備え、各水位センサ１３６ｃ，１３６ｄがそれぞれの水位を検出することによって、これらの水位に相当する貯水量（例えば、第２の貯水タンク２６ｂの下限貯水量等）を検出することができるようになっている。
なお、第２の貯水タンク２６ｂの貯水量については、少なくとも下限の貯水量を検出することができればよく、第２の貯水タンク２６ｂの所定の上限水位を検出する水位センサ１３６ｃについては、省略してもよい。
【００６６】
つぎに、図１０及び図１１により本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）のフェールセーフ運転モードによる運転を行うための制御内容を説明する。図１０は、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）のフェールセーフ運転モードによる運転を行う際に燃料流量、水流量、及び、発電用空気流量を制御するための制御内容を示すフローチャートである。図１１は、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）のフェールセーフ運転モードによる運転を行う際に第１の貯水タンク及び第２の貯水タンクのそれぞれの貯水量を制御するための制御内容を示すフローチャートである。なお、図１０及び図１１において、Ｓは各ステップを示している。
【００６７】
まず、図１０に示すように、Ｓ１において、水道等の水供給源２４から水流量調整ユニット２８に供給される水の供給が所定の水量を下回るか、或いは、水が供給されず、いわゆる断水状態となっている等、水の供給に異常が起きているか否かを判定する。水の供給に異常が起きていると判定した場合には、Ｓ２に進み、制御部１１０が第１のフェールセーフ運転モードを選択する。
つぎに、Ｓ３において、第１の貯水タンク２６ａ及び第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂの両貯水量の合計量が所定量以上（例えば、第１の貯水タンク２６ａ及び第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂの少なくともいずれか一方が満水となる水量以上）であるか否かを判定する。そして、両貯水タンク２６ａ，２６ｂの両貯水量の合計量が所定量以上であれば、Ｓ４に進む。
【００６８】
つぎに、Ｓ４においては、制御部１１０が、第１のフェールセーフ運転モードにおいて行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転で用いられる燃料ガスの流量について、通常停止運転モードにおける水蒸気改質反応（ＳＲ）運転で用いられる燃料ガスの流量の３０％減量した値に設定するように燃料流量調整ユニット３８を制御する。
同時に、第１のフェールセーフ運転モードにおいて行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転で用いられる水の流量について、通常停止運転モードにおける水蒸気改質反応（ＳＲ）運転で用いられる水の流量の３０％減量した値に設定するように水流量調整ユニット２８を制御する。
さらに、同時に、発電用空気の流量について、通常停止運転モードにおける発電用空気の流量の１５％減量した値に設定するように発電用空気流量調整ユニット４５を制御する。
【００６９】
Ｓ４において、燃料ガスの流量、水の流量、及び、発電用空気の流量が設定されると、Ｓ５に進み、異常停止制御が実行され、第１のフェールセーフ運転モードによる運転が行われる。
ここで、第１のフェールセーフ運転モードによる運転ついては、通常停止運転モードよりも少ない流量の燃料ガスと水の供給を所定時間維持した状態で水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行った後に、燃料ガスと水の供給を停止することにより運転を停止するが、この第１のフェールセーフ運転モードによる運転が開始されてから停止するまでの運転期間（第１のフェールセーフ運転モードによる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転が開始されてから停止するまでの時間に相当）は、通常停止運転モードによる運転期間（通常停止運転モードによる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転が開始されてから停止するまでの時間に相当）よりも短くなる。
【００７０】
一方、Ｓ３において、両貯水タンク２６ａ，２６ｂの両貯水量の合計量が所定量未満であり、両貯水タンク２６ａ，２６ｂに所定量以上の水が貯水された状態になっていない、もしくは、水供給源２４等の給水側の異常によって両貯水タンク２６ａ，２６ｂに所定量以上の水が貯水できないと判断した場合には、Ｓ６に進み、制御部１１０が第２のフェールセーフ運転モードを選択する。
つぎに、Ｓ７において、制御部１１０が、第２のフェールセーフ運転モードによる運転で用いられる燃料ガスの流量について、通常停止運転モードにおける水蒸気改質反応（ＳＲ）運転で用いられる燃料ガスの流量の１００％減量した値（流量０）に設定するように燃料流量調整ユニット３８を制御する。
同時に、第２のフェールセーフ運転モードによる運転で用いられる水の流量について、通常停止運転モードにおける水蒸気改質反応（ＳＲ）運転で用いられる水の流量の１００％減量した値（流量０）に設定するように水流量調整ユニット２８を制御する。
さらに、同時に、発電用空気の流量について、通常停止運転モードにおける発電用空気の流量の１００％減量した値（流量０）に設定するように発電用空気流量調整ユニット４５を制御する。
Ｓ７において、燃料ガスの流量、水の流量、及び、発電用空気の流量がすべて零に設定されると、Ｓ５に進み、異常停止制御が実行され、第２のフェールセーフ運転モードによる運転が行われる。
【００７１】
すなわち、第２のフェールセーフ運転モードによる運転については、水の供給に関する異常時に、両貯水タンク２６ａ，２６ｂの両貯水量の合計量が所定量未満の場合には、燃料ガス、水、及び、発電用空気の供給を瞬時停止し、水蒸気改質反応（ＳＲ）運転は行われない。したがって、上述した通常停止運転モードや第１のフェールセーフ運転モードによる運転とは異なっており、第２のフェールセーフ運転モードによる運転期間についても、他の運転モードによる運転期間に比べて最も短くなっている。
【００７２】
つぎに、上述した第１のフェールセーフ運転モードにおいては、図１１に示す制御内容によって第１の貯水タンク２６ａ及び第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂのそれぞれの貯水量を制御し、水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経由して安全な運転停止を可能にする。
まず、図１１に示すように、Ｓ１０１において、制御部１１０が第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂの水位センサ１３６ｄが検出した情報に基づいて、第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂが所定の下限の貯水量以下であるか否かを判定する。第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂが所定の下限の貯水量以下であると判定した場合には、Ｓ１０２に進む。
【００７３】
つぎに、Ｓ１０２において、制御部１１０が第１の貯水タンク２６ａの水位センサ１３６ａが検出した情報に基づいて、第１の貯水タンク２６ａが所定の上限の貯水量（例えば、満水量）に達しているか否かを判定する。第１の貯水タンク２６ａが所定の上限の貯水量（例えば、満水量）に達していないと判定した場合には、Ｓ１０３に進み、水供給源２４から第１の貯水タンク２６ａにさらなる給水が行われるように流量調整弁１５２を制御する。
【００７４】
つぎに、Ｓ１０４に進み、制御部１１０が第１の貯水タンク２６ａの水位センサ１３６ａが検出した情報に基づいて、第１の貯水タンク２６ａが所定の上限の貯水量に達しているか否かを再び判定する。第１の貯水タンク２６ａが所定の上限の貯水量（例えば、満水量）に達していると判定した場合には、Ｓ１０５に進み、ポンプ１５４を作動し、第１の貯水タンク２６ａ内の水をＲＯ膜（逆浸透膜）１５６に供給して純水を生成し、この純水を第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂに供給する。
【００７５】
つぎに、Ｓ１０６に進み、制御部１１０が第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂの水位センサ１３６ｃが検出した情報に基づいて、第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂが所定の上限の貯水量に達しているか否かを判定する。第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂが所定の上限の貯水量に達していると判定した場合には、Ｓ１０７に進み、水供給源２４から第１の貯水タンク２６ａにさらなる給水が行われるように流量調整弁１５２を制御する。同時に、ポンプ１５４を停止し、第１の貯水タンク２６ａから第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂへの水の供給を停止する。
【００７６】
つぎに、Ｓ１０８に進み、制御部１１０が第１の貯水タンク２６ａの水位センサ１３６ａが検出した情報に基づいて、第１の貯水タンク２６ａが所定の上限の貯水量（例えば、満水量）に達しているか否かを再び判定する。第１の貯水タンク２６ａが所定の上限の貯水量（例えば、満水量）に達していると判定した場合には、Ｓ１０９に進み、流量調整弁１５２を閉弁し、第１の貯水タンク２６ａへの給水を停止する。
【００７７】
上述した本発明の実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、例えば、起動時等の水自立が困難な状態において、水道等の水供給源２４から水流量調整ユニット２８に供給される水の供給が所定の水量を下回るか、或いは、水が供給されず、いわゆる断水状態となっている等、水の供給に異常が起きていても、制御部１１０が第１のフェールセーフ運転モードを実行し、第１の貯水タンク２６ａ及び第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂの両貯水量の合計量が所定量以上（例えば、第１の貯水タンク２６ａ及び第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂの少なくともいずれか一方が満水となる水量以上）貯水された状態になっているように流量調整弁１５２を制御しているため、この貯水を用いた水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経由して安全に運転停止を行うことができる。
また、断水時でもこの貯水を用いた水蒸気改質反応（ＳＲ）運転によって安定した冷却状態を維持しながらフェールセーフ運転を行うことができるため、水の供給が瞬時停止して水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行えずに高温状態で緊急停止させることにより、燃料電池セルユニット１６が酸化して大きなダメージを受けるのを防ぐことができ、燃料電池セルユニット１６の耐久性の低下を確実に防止できる。
【００７８】
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、高い頻度で生ずる可能性のある断水等の水供給異常に対して、第１のフェールセーフ運転モードによる運転が、第１の貯水タンク２６ａ及び第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂの両貯水量の合計量が所定量以上貯水された状態になっていない、もしくは水供給源２４等の給水側の異常によって第１の貯水タンク２６ａ及び第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂに所定量以上の水が貯水できないと判断した場合には、緊急停止（瞬時停止）を図る第２のフェールセーフ運転モードよりも長い期間行われるため、安定した冷却状態を維持しながらフェールセーフ運転を行うことができ、燃料電池セルユニット１６が酸化して大きなダメージを受けてしまうのを防ぐことができ、燃料電池セルユニット１６の耐久性の低下を確実に防止できる。
【００７９】
さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、第１のフェールセーフ運転モードにおける貯水を用いた水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経由した運転停止により、通常停止運転モードよりも短い期間で運転を停止させることができるため、断水異常時に備えて第１の貯水タンク２６ａ及び第２の貯水タンク２６ｂの容量を大きくすることなく、且つ、燃料電池セルユニット１６にも酸化によるダメージを与えずに安定的に第１のフェールセーフ運転モードによるフェールセーフ運転に移行させて運転を停止することができる。
【００８０】
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、瞬時停止が必要な異常時には第２のフェールセーフ運転モードによって燃料ガスの供給を瞬時停止させることができるが、断水等の水供給の異常時や通常停止時には、第１のフェールセーフ運転モードや通常停止運転モードによって、燃料ガスの供給を瞬時停止させることなく、燃料流量調整ユニット３８による燃料供給を維持した状態で水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て運転を停止させることができる。したがって、断水等の水供給の異常時や通常停止時に、燃料ガスの供給が瞬時停止して水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を行えずに高温状態で緊急停止し、燃料電池セルが酸化して大きなダメージを受けてしまうのを防ぐことができ、燃料電池セルの耐久性の低下を確実に防止できる。
【００８１】
さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、第１の貯水タンク２６ａの貯水量と第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂの貯水量の合計量が所定量以上（例えば、第１の貯水タンク２６ａ及び第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂの少なくともいずれか一方が満水となる水量以上）になるように水量を確保することにより、第１の貯水タンク２６ａ及び第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂの水管理を一元化して簡易にすることができる。
【００８２】
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、第２の貯水タンク（純水タンク）２６ｂの上流側に配置された第１の貯水タンク２６ａが満水になるように流量調整弁１５２による給水を行う簡単な制御により、水道等の水供給源２４から水流量調整ユニット２８に供給される水の供給が所定の水量を下回るか、或いは、水が供給されず、いわゆる断水状態となっている等、水の供給に異常が起きていても、第１のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に必要な水量を確実に保持しておくことができる。
【００８３】
さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、水位センサ１３６ｄが第２の貯水タンク２６ｂの所定の下限貯水量を検出したとき、第１の貯水タンク２６ａから第２の貯水タンク２６ｂに給水が行われ、第１の貯水タンク２６ａが所定の上限貯水量（満水）になるように流量調整弁１５２による給水を行う簡単な制御により、水道等の水供給源２４から水流量調整ユニット２８に供給される水の供給が所定の水量を下回るか、或いは、水が供給されず、いわゆる断水状態となっている等、水の供給に異常が起きていても、第１のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に必要な水量を確実に保持しておくことができる。
【００８４】
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、水の供給の異常時に通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に必要な水量を貯蓄しておくことは大変であるが、第１のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転とは異なるように制御しているため、燃料電池セルユニット１６が酸化して大きなダメージを受けてしまうのを防ぐと共に、第１のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる水量を節約することができる。
【００８５】
さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、第１のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て運転を停止する際、燃料ガスの量を通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる燃料ガスの量よりも減量することにより、燃料電池セルユニット１６の温度低下が図られ、第１のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応（ＳＲ）運転が開始されてから燃料ガスが消費されて停止するまでの時間（第１のフェールセーフ運転モードによる運転期間）を通常停止運転モードによる運転期間よりも短縮することができる。したがって、第１のフェールセーフ運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる水量を節約することができる。
【００８６】
また、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、第１のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て運転を停止させる際、燃料ガスの量を通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる燃料ガスの量よりも減量すると共に、水の量も通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる水の量よりも積極的に減量しているため、断水等の異常があっても第１の貯水タンク２６ａ及び第２の貯水タンク２６ｂの貯水の備蓄量で安全に運転を停止させることができる。
【００８７】
さらに、本実施形態による固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）によれば、第１のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て運転を停止させる際、燃料ガスの量を通常停止運転モードで行われる水蒸気改質反応（ＳＲ）運転に用いられる燃料ガスの量よりも減量することにより、燃料電池セルユニット１６の温度低下が図られるが、このような燃料電池セルユニット１６の温度低下が急速に行われた場合には、セル自身にも影響を与えてしまうため、第１のフェールセーフ運転モードの水蒸気改質反応（ＳＲ）運転を経て運転を停止させる際、発電用空気の量を減量することにより、燃料電池セルユニット１６の温度低下を抑制し、セル自身への影響を緩和することができる。
【符号の説明】
【００８８】
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
１８  燃焼室
２０  改質器
２２  空気用熱交換器
２４  水供給源
２６ａ  第１の貯水タンク
２６ｂ  第２の貯水タンク（純水タンク）
２８  水流量調整ユニット
３０  燃料供給源
３８  燃料流量調整ユニット
４０  空気供給源
４４  改質用空気流量調整ユニット
４５  発電用空気流量調整ユニット
５０  温水製造装置
５２  制御ボックス
５４  インバータ
８３  点火装置
８４  燃料電池セル
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
１３６ａ，１３６ｂ，１３６ｃ，１３６ｄ  水位センサ
１４２  発電室温度センサ
１５０  外気温度センサ
１５２  流量調整弁
１５４  ポンプ
１５６  ＲＯ膜（逆浸透膜）
１５８  パルスポンプ
１６０  熱交換器
１６２  ヒーター
【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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