(57)【要約】【課題】燃料極に含まれる金属酸化物の還元不足に起因して発電工程の際に燃料極が破損してしまうこと防止する燃料電池システムを提供する。【解決手段】固体電解質型の燃料電池セルを備える燃料電池システムにおいて、固体電解質の片面に空気極、他方の面に金属酸化物を材料として含む燃料極が配置された複数の燃料電池セルと、炭化水素を含む被改質ガスを改質して水素リッチな燃料ガスにする改質器と、改質器で改質された燃料ガスを燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、加熱された空気を前記空気極に供給する空気供給手段と、燃料電池セルから電流の供給を行う発電工程の前に、燃料ガス供給手段および空気供給手段を駆動させて燃料電池セルを加熱する起動工程を行う制御手段と、を備え、制御手段は、初回の起動工程を、２回目以降の起動工程に比べて燃料極の材料が還元されやすい条件で行う。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質型の燃料電池セルを備える燃料電池システムにおいて、
固体電解質の片面に空気極、他方の面に金属酸化物を材料として含む燃料極が配置された複数の燃料電池セルと、
炭化水素を含む被改質ガスを改質して水素リッチな燃料ガスにする改質器と、
前記改質器で改質された燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、
加熱された空気を前記空気極に供給する空気供給手段と、
前記燃料電池セルから電流の供給を行う発電工程の前に、前記燃料ガス供給手段および前記空気供給手段を駆動させて前記燃料電池セルを加熱する起動工程を行う制御手段と、を備え、
前記制御手段は、初回の起動工程を、２回目以降の起動工程に比べて前記燃料極の材料が還元されやすい条件で行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記初回の起動工程において、前記２回目以降の起動工程に比べて前記燃料電池セルの温度を高くすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記初回の起動工程を行う時間を、前記２回目以降の起動工程を行う時間に比べて長くすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記初回の起動工程において、前記２回目以降の起動工程に比べて前記燃料電池セルを収容する容器内の水素分圧を高めることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記初回の起動工程のみ、水素ガスを封入したガスタンクから前記燃料電池セルに水素ガスを供給することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記初回の起動工程中に前記燃料電池セルから試験電流を取り出し、その際の前記燃料電池セルの電圧降下が所定値以上の場合は当該起動工程を継続し、電圧降下が所定値より小さい場合は当該起動工程を完了して前記発電工程に移行することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質形の燃料電池セルを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
このような燃料電池システムとして、固体電解質形の燃料電池セルを無底又は有底の筒形状等に構成し、その燃料電池セルの内側又は外側の燃料極に水素を含む燃料ガスを通すと共に、反対側の空気極には酸素を含む酸化ガスを通すことで発電反応を行わせるものが提案されている。
【０００３】
ここで、燃料電池セルの燃料極はＮｉＯ等の金属酸化物を材料として含んだ状態で製造され、こうした金属酸化物は、燃料電池システムの運転中に還元雰囲気にさらされて還元されることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２９３８２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃料極中の金属酸化物の還元が不十分であると、次のような問題を生じることが判明した。
【０００６】
すなわち、金属酸化物の還元が不十分であると、燃料極は、金属酸化物（例えば、ＮｉＯ）と還元された金属（例えば、Ｎｉ）とが偏在する状態となる。この状態で燃料電池セルからの電流供給を行う発電工程を開始すると、金属酸化物と還元された金属との電気抵抗の違いにより、燃料極内に大きな温度分布が生じてしまう。この温度分布による局所的な熱膨張量の違いは、燃料極内に歪みを生じさせ、燃料極の劣化、破損の原因となってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、燃料極に含まれる金属酸化物の還元不足に起因して発電工程の際に燃料極が劣化、破損してしまうことを防止する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは以下の手段を採用した。すなわち、固体電解質型の燃料電池セルを備える燃料電池システムにおいて、固体電解質の片面に空気極、他方の面に金属酸化物を材料として含む燃料極が配置された複数の燃料電池セルと、炭化水素を含む被改質ガスを改質して水素リッチな燃料ガスにする改質器と、前記改質器で改質された燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、加熱された空気を前記空気極に供給する空気供給手段と、前記燃料電池セルから電流の供給を行う発電工程の前に、前記燃料ガス供給手段および前記空気供給手段を駆動させて前記燃料電池セルを加熱する起動工程を行う制御手段と、を備え、前記制御手段は、初回の起動工程を、２回目以降の起動工程に比べて前記燃料極の材料が還元されやすい条件で行うことを特徴とする。
【０００９】
上記構成によれば、初回の起動工程において、燃料極の材料に含まれる金属酸化物の還元が促進される。そのため、初回の起動工程から初回の発電工程に移行し、燃料極に電流が流れる際には、燃料極の金属酸化物は還元され、ほとんどまたは全く残留していない。金属単体に比べて電気抵抗の大きい金属酸化物の局所的な残留がほとんどまたは全くないので、発電工程の開始時には、燃料極内の電気抵抗がほぼ均一化されている。そのため、発電工程が開始され燃料極に電流が流れても、燃料極内の温度分布はほぼ均一に保たれ、燃料極内の熱膨張量の差異によるひずみも生じ難い。これにより、発電工程の際に燃料極が劣化、破損することを防止できる。また２回目以降の起動工程は、初回の起動工程に比べて燃料極の材料が還元しやすい条件で行う必要がないので、起動工程に要するエネルギーを抑制した運転が可能になる。そして、このような運転を行っても、燃料極の材料に含まれる金属酸化物は初回の起動工程で一度還元すれば再び酸化されることはないので、２回目以降の起動工程後の発電工程においても、上述した燃料極の劣化、破損を防止する効果を得ることができる。
【００１０】
尚、本発明において「初回の起動工程」は、燃料電池システムが運転可能な状態におかれ、最初に行われる起動工程を示し、典型的には、燃料電池システムの製造後に工場等で試験運転をする際に行われる最初の起動工程や、（工場等で試験運転を行わない場合）燃料電池システムを設置した現場で実運転を行う際の最初の起動工程が、「初回の起動工程」に該当する。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記初回の起動工程において、前記２回目以降の起動工程に比べて前記燃料電池セルの温度を高くするようにしてもよい。
【００１２】
上記構成によれば、初回の起動工程において燃料電池セルの温度を高くすることで、燃料極の材料が還元しやすい雰囲気が形成されるので、初回の起動工程において燃料極の材料に含まれる金属酸化物の還元を確実に促進させることができる。結果として、発電工程（２回目以降の起動工程後の発電工程も含む）の際に燃料極が劣化、破損することを防止できる。一方で、２回目以降の起動工程では、燃料電池セルの温度を初回の起動工程に比べて低くできるので、起動工程に要するエネルギーを抑制した運転が可能になるとともに、燃料電池セルが起動工程で加熱されることによる劣化を抑えることもできる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記初回の起動工程を行う時間を、前記２回目以降の起動工程を行う時間に比べて長くするようにしてもよい。
【００１４】
上記構成によれば、初回の起動工程を行う時間を長くすることで、燃料極の材料が還元雰囲気にさらされている時間が長くなるので、初回の起動工程において、燃料極の材料に含まれる金属酸化物の還元を確実に促進させることができる。結果として、発電工程（２回目以降の起動工程後の発電工程も含む）の際に燃料極が劣化、破損することを防止できる。一方で、２回目以降の起動工程では、初回の起動工程に比べて起動工程を行う時間を短くできるので、起動工程から発電工程にすみやかに移行することもできる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記初回の起動工程において、前記２回目以降の起動工程に比べて前記燃料電池セルを収容する容器内の水素分圧を高めるようにしてもよい。
【００１６】
上記構成によれば、初回の起動工程において、燃料電池セルを収容する容器内の水素分圧を高くすることで、燃料極の材料が還元しやすい雰囲気が形成されるので、初回の起動工程において、燃料極の材料に含まれる金属酸化物の還元を確実に促進させることができる。結果として、発電工程（２回目以降の起動工程後の発電工程も含む）の際に燃料極が劣化、破損することを防止できる。一方で、２回目以降の起動工程では、初回の起動工程に比べて、水素分圧を低く抑えることができるので、水素を含む燃料ガスの供給量を抑制できる。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記初回の起動工程のみ、水素ガスを封入したガスタンクから前記燃料電池セルに水素ガスを供給するようにしてもよい。
【００１８】
改質器で改質された燃料ガスは、水素ガス以外のガスも含むため、改質された燃料ガスを燃料電池セルに供給すると、燃料電池セルを収容する容器内の水素分圧は、水素ガスのみを直接供給した場合に比べて低くなる。この点、上記構成によれば、初回の起動工程では、水素ガスを封入したガスタンクから燃料電池セルに水素ガスを供給するので、容器内の水素分圧を高めることができ、燃料極の材料に含まれる金属酸化物の還元が促進され、結果として、発電工程（２回目以降の起動工程後の発電工程も含む）の際に燃料極が劣化、破損することを防止できる。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記初回の起動工程中に前記燃料電池セルから試験電流を取り出し、その際の前記燃料電池セルの電圧降下が所定値以上の場合は当該起動工程を継続し、電圧降下が所定値より小さい場合は当該起動工程を完了して前記発電工程に移行するようにしてもよい。
【００２０】
金属酸化物は還元された金属単体に比べて電気抵抗が大きいため、燃料極に金属酸化物が還元されずに残存していると、試験電流を取り出した際の電圧降下は大きくなる。上記構成においては、初回の起動工程において試験電流を取り出した際の電圧降下が大きく金属酸化物の還元が不十分である場合は起動工程が継続される一方で、電圧降下が小さく金属酸化物の還元が十分である場合は、起動工程を終了し発電工程に移行する。そのため、初回の起動工程において、金属酸化物の還元を確実に完了させてから発電工程に移行することができる。また、金属酸化物の還元が完了しているのに起動工程を不必要に継続させてしまうこともないので、起動工程から発電工程へ移行するまでに余分な時間やエネルギーを費やすこともない。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、燃料極に含まれる金属酸化物の還元不足に起因して発電工程の際に燃料極が劣化、破損してしまうこと防止する燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態である燃料電池システムの全体構成を示す概略構成図である。
【図２】同燃料電池システムの制御的な構成を示すブロック図である。
【図３】同燃料電池システムの燃料電池モジュールを中心とした詳細な構成を示す図である。
【図４】同燃料電池システムの初回及び２回目以降の起動・発電工程における各部の温度や流量を示す図である。
【図５】同燃料電池システムの初回の起動工程から発電工程へと移行する際の判断フローを示すフローチャートである。
【図６】本発明の変形例に係る燃料電池システムの燃料電池モジュールを中心とした詳細な構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
はじめに、図１を参照しながら、本発明の一実施形態である燃料電池システムについて説明する。図１は、一実施形態としての燃料電池システムＦＣＳの全体構成を示す概略構成図である。図１に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、補器ユニットＡＤＵと、貯水タンクＷＰ２と、温水製造装置ＨＷとを備えている。
【００２５】
まず、燃料電池モジュールＦＣＭについて説明する。燃料電池モジュールＦＣＭは、燃料電池ＦＣと、改質器ＲＦと、制御ボックスＣＢと、一酸化炭素検知器ＣＯＤと、可燃ガス検知器ＧＤ１とを備えている。燃料電池ＦＣは、固体電解質形の燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）であって、発電室ＦＣ１と燃焼室ＦＣ２とを備えている。
【００２６】
発電室ＦＣ１には複数本の燃料電池セルＣＥが配置されている。燃料電池セルＣＥは、電解質を挟んで燃料極（アノード）と空気極（カソード）とが設けられているものであって、燃料極側に燃料ガスを通し、空気極側に酸化ガスとしての空気を通すことで発電反応を起こすことができるように構成されている。本実施形態の燃料電池ＦＣは固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）であるので、電解質を構成する材料としては、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といった酸素イオン導電性酸化物を用いている。
【００２７】
燃料極を構成する材料は、ＮｉＯやＣｏＯ等の金属酸化物を含み、例えば、ＮｉＯ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、ＮｉＯ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、ＮｉＯ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トとの混合体といった材料が用いられる。詳細は後述するように、ＮｉＯ等の金属酸化物は、燃料電池システムの初回の起動工程中にＮｉ等に還元される。
【００２８】
空気極を構成する材料としては、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれる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から選ばれる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から選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀といった材料が用いられる。もっとも、電解質や燃料極及び空気極を構成する材料はこれらに限られるものではない。
【００２９】
発電室ＦＣ１において発電された電気は電力取出ラインＥＰ１によって発電電力として取り出されて利用される。燃焼室ＦＣ２は、発電室ＦＣ１に配置された燃料電池セルＣＥによって発電反応に利用された残余の燃料ガスを燃焼させる部分である。燃焼室ＦＣ２において燃料ガスが燃焼した結果生じる排気ガスは、改質器ＲＦと熱交換をした後に温水製造装置ＨＷへと供給される。温水製造装置ＨＷへと供給された排気ガスは更に熱交換を行い、水道水を昇温して温水とした後に外部へと排出される。
【００３０】
改質器ＲＦは、被改質ガスを改質して燃料ガスとし、燃料電池ＦＣの発電室ＦＣ１へと供給する部分である。被改質ガスの改質態様としては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ：Ｐａｒｔｉａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ：Ａｕｔｏ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、水蒸気改質反応（ＳＲ：Ｓｔｅａｍ  Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）があり、運転状況に応じて選択的に実行される。改質器ＲＦは、改質部ＲＦ１と、蒸発部ＲＦ２とを備えている。
【００３１】
蒸発部ＲＦ２は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される純水を蒸発させて水蒸気とし、その水蒸気を改質部ＲＦ１に供給する部分である。改質部ＲＦ１は、補器ユニットＡＤＵ側から供給される被改質ガス、空気及び蒸発部ＲＦ２から供給される水蒸気を用いて被改質ガスを改質して燃料ガスとする部分である。改質部ＲＦ１には、改質触媒が封入されている。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、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。本実施形態の場合、これらの改質触媒は球体である。
【００３２】
制御ボックスＣＢは、燃料電池システム制御部（制御手段）をその内部に収納し、操作装置や表示装置、報知装置が設けられているものである。燃料電池システム制御部、操作装置、表示装置、報知装置については後述する。
【００３３】
一酸化炭素検知器ＣＯＤは、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスの不完全燃焼が起きてしまい、一酸化炭素が燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。可燃ガス検知器ＧＤ１は、燃料電池モジュールＦＣＭの燃焼室ＦＣ２において残余の燃料ガスが燃え残ってしまい、いわゆる生ガスが燃料電池モジュールＦＣＭ内に発生していないか検知するためのセンサである。
【００３４】
続いて、補器ユニットＡＤＵについて説明する。補器ユニットＡＤＵは、燃料電池モジュールＦＣＭに水、被改質ガス、及び空気を供給するための補器を備えるユニットである。補器ユニットＡＤＵは、空気供給部として空気ブロワや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂ、及び電磁弁ＡＰ２と、燃料供給部として燃料ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＦＰ１、脱硫器ＦＰ２、ガス遮断弁ＦＰ４、及びガス遮断弁ＦＰ５と、水供給部として水ポンプや流量調整弁等を含む流量調整ユニットＷＰ１と、可燃ガス検知器ＧＤ２と、を備えている。
【００３５】
外部の空気供給源から供給される空気は、電磁弁ＡＰ２が閉じていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給されず、電磁弁ＡＰ２が開いていれば流量調整ユニットＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ａによって流量調整された空気は改質用空気として、ヒータＡＨ１によって昇温され、被改質ガスとの混合部ＭＶに供給される。流量調整ユニットＡＰ１ｂによって流量調整された空気は発電用空気として、ヒータＡＨ２によって昇温され、空気供給路を通って燃料電池モジュールＦＣＭの発電室ＦＣ１に供給される。発電室ＦＣ１に供給された発電用空気は、燃料電池セルＣＥの空気極に供給される。
【００３６】
外部の燃料供給源から供給される都市ガスは、２連電磁弁であるガス遮断弁ＦＰ４及びガス遮断弁ＦＰ５によってその流入が制御される。ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５のいずれもが開いていれば、都市ガスは脱硫器ＦＰ２に供給され、ガス遮断弁ＦＰ４、ＦＰ５のいずれかが閉じていれば、都市ガスは遮断される。脱硫器ＦＰ２に供給された都市ガスは、硫黄成分を除去されて被改質ガスとなり、流量調整ユニットＦＰ１に供給される。流量調整ユニットＦＰ１によって流量調整された被改質ガスは、改質用空気との混合部ＭＶに供給される。混合部ＭＶにおいて混合された被改質ガスと改質用空気とは、燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦに供給される。
【００３７】
外部の水供給源から供給される水道水は、純水とされてから貯水タンクＷＰ２に貯水される。貯水タンクＷＰ２に貯水されている純水は、流量調整ユニットＷＰ１によって流量が調整されて燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される。
【００３８】
可燃ガス検知器ＧＤ２は、燃料供給部としての系統であるガス遮断弁ＦＰ５、ガス遮断弁ＦＰ４、脱硫器ＦＰ２、流量調整ユニットＦＰ１において、ガス漏れが発生していわゆる生ガスが外部に放出されないか検知するためのセンサである。
【００３９】
続いて、図２を参照しながら本実施形態の燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成について説明する。図２は、燃料電池システムＦＣＳの制御的な構成を示すブロック図である。図２に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣＭと、燃料電池モジュールＦＣＭに空気を供給する空気供給部ＡＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに燃料ガスとなる被改質ガスを供給する燃料供給部ＦＰと、燃料電池モジュールＦＣＭに水を供給する水供給部ＷＰと、燃料電池モジュールＦＣＭから電力を取り出す電力取出部ＥＰとを備えている。空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは補器ユニットＡＤＵに収められている。
【００４０】
燃料電池モジュールＦＣＭ、空気供給部ＡＰ、燃料供給部ＦＰ、水供給部ＷＰ及び電力取出部ＥＰは、燃料電池システム制御部ＣＳから出力される制御信号に基づいて制御される。燃料電池システム制御部ＣＳは、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭといったメモリ、及び制御信号やセンサ信号を授受するためのインターフェイスによって構成されている。燃料電池システム制御部ＣＳには、操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３が取り付けられている。
【００４１】
操作装置ＣＳ１から入力される操作指示信号は燃料電池システム制御部ＣＳに出力され、燃料電池システム制御部ＣＳは、その操作指示信号に基づいて、燃料電池モジュールＦＣＭ等を制御する。燃料電池システム制御部ＣＳが制御した情報や、所定の警告情報は、表示装置ＣＳ２及び報知装置ＣＳ３に出力される。操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、及び報知装置ＣＳ３の具体的なハードウェア構成は特に限定されるものではなく、必要となる機能に応じて最適なハードウェア構成が選択される。一例としては、操作装置ＣＳ１として、キーボード、マウス、タッチパネルといったハードウェアが用いられる。表示装置ＣＳ２としては、ＣＲＴディスプレイ、液晶ディスプレイといった表示系のハードウェアが用いられる。報知装置ＣＳ３としては、スピーカー、点灯器といったハードウェアが用いられる。燃料電池システム制御部ＣＳは制御ボックスＣＢに収められている。また操作装置ＣＳ１、表示装置ＣＳ２、報知装置ＣＳ３は、図示しないボックスに収められ屋内に配置されている。
【００４２】
燃料電池システム制御部ＣＳには、燃料電池システムＦＣＳの各所に設けられたセンサからセンサ信号が出力される。燃料電池システム制御部ＣＳに信号を出力するセンサとしては、改質器温度センサＤＳ１、スタック温度センサＤＳ２、排気温度センサＤＳ３、改質器内圧力センサＤＳ４、水位センサＤＳ５、水流量センサＤＳ６、燃料流量センサＤＳ７、改質用空気流量センサＤＳ８、発電用空気流量センサＤＳ９、電力状態検出部ＤＳ１０、貯湯状態検出センサＤＳ１１、一酸化炭素検出センサＤＳ１２、可燃ガス検出センサＤＳ１３が設けられている。
【００４３】
改質器温度センサＤＳ１は、改質器ＲＦの温度を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は２つ設けられている。スタック温度センサＤＳ２は、発電室ＦＣ１に配置されている燃料電池セルＣＥの温度を測定するためのセンサであって、複数の燃料電池セルＣＥからなる燃料電池セルスタック近傍に配置されている。排気温度センサＤＳ３は、燃焼室ＦＣ２から排出される排気ガスの温度を測定するためのセンサであって、燃焼室ＦＣ２から改質器ＲＦ近傍を通って温水製造装置ＨＷに至る経路に配置されている。改質器内圧力センサＤＳ４は、改質器ＲＦ内の圧力を測定するためのセンサである。なお、ここでは改質器ＲＦ内の圧力をセンサで測定するようにしているが、改質器ＲＦの前段で燃料と水が混合される部分の圧力を検出するものであっても良い。
【００４４】
水位センサＤＳ５は、貯水タンクＷＰ２の水位を測定するためのセンサであって、本実施形態の場合は４つ設けられている。水流量センサＤＳ６は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される純水の流量を測定するためのセンサである。燃料流量センサＤＳ７は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される被改質ガスの流量を測定するためのセンサである。改質用空気流量センサＤＳ８は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭの改質器ＲＦへと供給される改質用空気の流量を測定するためのセンサである。発電用空気流量センサＤＳ９は、補器ユニットＡＤＵから燃料電池モジュールＦＣＭへと供給される発電用空気の流量を測定するためのセンサである。
【００４５】
電力状態検出部ＤＳ１０は、センシング手段の集合体であって、燃料電池モジュールＦＣＭから取り出す発電電力の状態を検出する部分である。貯湯状態検出センサＤＳ１１は、センシング手段の集合体であって、温水製造装置ＨＷの貯湯状態を検出する部分である。
【００４６】
一酸化炭素検出センサＤＳ１２は、一酸化炭素検知器ＣＯＤに備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ内における一酸化炭素のハウジング内への漏れを検出するセンサである。可燃ガス検出センサＤＳ１３は、可燃ガス検知器ＧＤ１、ＧＤ２に備えられているセンサであって、燃料電池モジュールＦＣＭ及び補器ユニットＡＤＵ内における可燃ガスの漏洩を検出するセンサである。
【００４７】
続いて、図３を参照しながら本実施形態の燃料電池システムＦＣＳを構成する燃料電池モジュールＦＣＭの詳細な構成について説明する。
【００４８】
図３に示すように、燃料電池モジュールＦＣＭは、発電室ＦＣ１と、分散室ＤＢと、燃焼室ＦＣ２と、水蒸気改質器ＲＦＳと、部分酸化改質器ＲＦＰとを備えている。発電室ＦＣ１、分散室ＤＢ、燃焼室ＦＣ２、及び水蒸気改質器ＲＦＳは、壁体で構成された容器Ｃ内に収容されており、部分酸化改質器ＲＦＰは、容器Ｃの外部に配設されている。容器Ｃの壁体の外側面には、空気供給路ＡＰ３が配設されている。
【００４９】
分散室ＤＢは、発電室ＦＣ１の下部に配設されている。この分散室ＤＢは、水蒸気改質器ＲＦＳ又は部分酸化改質器ＲＦＰで改質された燃料ガスを分散させ、発電室ＦＣ１内に燃料ガスを均一に供給するためのものであり、その上壁には、燃料ガスを発電室ＦＣ１内に供給する複数の穴（図示せず）が貫通形成されている。また、分散室ＤＢの底面には、水蒸気改質器ＲＦＳ又は部分酸化改質器ＲＦＰから供給される燃料ガスを分散室ＤＢ内に導入するための導入穴（図示せず）が貫通形成されている。これにより、分散室ＤＢの底面側（下側）から導入された燃料ガスは、ここで分散され、発電室ＦＣ１の底面側（下側）から発電室ＦＣ１内に導入され、発電室ＦＣ１内に立設された燃料電池セルＣＥの燃料極に供給される。
【００５０】
改質器ＲＦは、水蒸気改質器ＲＦＳと部分酸化改質器ＲＦＰとに分けて設けられている。まず、水蒸気改質器ＲＦＳの構成について説明する。水蒸気改質器ＲＦＳは、蒸発部ＲＦＳ１、予熱部ＲＦＳ２、及び改質部ＲＦＳ３を備えている。
【００５１】
改質部ＲＦＳ３は、燃焼室ＦＣ２の上部に配設されている。改質部ＲＦＳ３の上部には、予熱部ＲＦＳ２が配設され、更にその上方には蒸発部ＲＦＳ１が配設されている。蒸発部ＲＦＳ１は、補器ユニットＡＤＵ側から純水が供給され、その純水を蒸発させて水蒸気となし、その水蒸気を予熱部ＲＦＳ２に送り込む。予熱部ＲＦＳ２は、蒸発部ＲＦＳ１から水蒸気が供給されると共に、補器ユニットＡＤＵ側から被改質ガスとしての都市ガスが供給される。予熱部ＲＦＳ２においては水蒸気と被改質ガスである都市ガスとが混合され、その混合されたガスは改質部ＲＦＳ３に送り込まれる。改質部ＲＦＳ３は、予熱部ＲＦＳ２から水蒸気及び被改質ガスが供給され、改質触媒の作用によって被改質ガスを改質して燃料ガスとなし、分散室ＤＢへと送り込んでいる。このように、水蒸気改質器ＲＦＳ（改質部ＲＦＳ３）は、容器Ｃ内に配設されており、且つ同じ容器Ｃ内に配設された燃焼室ＦＣ２の上方に配設されているため、燃焼室ＦＣ２で生じる熱を用いて吸熱反応である水蒸気改質反応を効率よく行うことができる。
【００５２】
部分酸化改質器ＲＦＰは、容器Ｃおよび空気供給路ＡＰ３の外側に断熱材を介して配設されている。部分酸化改質器ＲＦＰは、被改質ガス、空気、純水が供給されるように構成されている。部分酸化改質器ＲＦＰで改質された燃料ガスは、分散室ＤＢの底面に形成された前述した図示しない導入穴から分散室ＤＢに供給される。部分酸化改質器ＲＦＰと分散室ＤＢとを連通して燃料ガスを流通させる配管は断熱材（図示せず）で包まれている。部分酸化改質器ＲＦＰは、燃料電池システムの起動工程の際と、発電工程を停止する際に、被改質ガスに部分酸化改質又は水を用いた改質を行うが、水を必要としない部分酸化改質反応（ＰＯＸ）時には、燃料電池システム制御部ＣＳによって、部分酸化改質器ＲＦＰに純水が供給されないように制御される。
【００５３】
各燃料電池セルＣＥに高温の酸化ガスを供給するために、触媒燃焼器１０及び空気ヘッダ１５が設けられている。触媒燃焼器１０には、触媒が充填されており、空気と燃料ガスとが供給され、所定のＳＶ（空間速度）値と温度の着火条件を満たした場合に着火して燃焼するように構成されている。触媒燃焼器１０には、流量調整ユニットＡＰ１ｂから送出され、ヒータＡＨ２によって昇温された空気が供給されるように構成されている。また、触媒燃焼器１０には、都市ガスが直接供給されるように構成されている。触媒燃焼器１０によって更に昇温された空気は空気ヘッダ１５に供給される。空気ヘッダ１５は、複数の燃料電池セルＣＥそれぞれに空気を分配供給するように構成されている。
【００５４】
空気供給流路ＡＰ３は、容器Ｃの底部（分散室ＤＢ底部を構成する部分）及び側部（分散室ＤＢ側部、発電室ＦＣ１側部、燃焼室ＦＣ２側部を構成する部分）の周囲に配設された流路である。図３に示すように、容器Ｃの底部及び側部を構成する壁体が、空気供給流路ＡＰ３の流路の一部を構成している。空気供給流路ＡＰ３の下部（分散室ＤＢの下方に位置する部分）には、ヒータＡＨ２からの空気を導入するための導入口（図示せず）が配設され、空気供給流路ＡＰ３の上部（燃焼室ＦＣ２側部）には、触媒燃焼器１０に空気を供給するための供給口（図示せず）が配設されている。そのため、ヒータＡＨ２で昇温された空気が空気供給流路ＡＰ３内を流れると、容器Ｃの分散室ＤＢ底部を構成する壁体の外側面、分散室ＤＢ側部を構成する壁体の外側面、発電室ＦＣ１を構成する壁体の外側面及び燃焼室ＦＣ２を構成する壁体の外側面が、この順に鉛直方向下から上に向かって加熱される。これにより、容器Ｃ（特に発電室ＦＣ１を含む容器Ｃの下部）の壁体の内側面が暖められる。そのため、改質ガスが供給され容器Ｃ内が水蒸気を多く含む多湿状態となったとしても、容器Ｃの壁体の内側面に結露が発生することを抑制ないし防止できる。
【００５５】
本実施の形態においては、燃料電池システムＦＣＳは、初回の起動工程を２回目以降の起動工程に比べて燃料電池セルＣＥの燃料極の金属酸化物が還元しやすい条件で行う。より具体的には、初回の起動工程における燃料電池セルＣＥの温度を、２回目以降の起動工程に比べて高温にし、かつ当該高温の時間を一定時間維持した後に発電工程に移行するようにしている。これを、図４を参照しながら説明する。ここで、図４は、燃料電池システムＦＣＳの初回及び２回目以降の起動・発電工程における各部の温度や流量を示す図である。図４の（ａ）は、燃料電池セルＣＥの空気極（カソード）側に供給する空気の流量等を示し、図４の（ｂ）は、部分酸化改質器ＲＦＰに関するガス流量等を示し、図４の（ｃ）は、水蒸気改質器ＲＦＳに関するガス流量等を示している。
【００５６】
具体的には、図４の（ａ）は、触媒燃焼器１０に供給される空気の流量（発電用空気流量センサＤＳ９によって検出）２０Ａ、２０Ｂ（図４においては、数字の後につけた「Ａ」、「Ｂ」により初回の起動・発電工程と２回目以降の起動・発電工程とを区別するものとする。以下の説明においても同様とする）と、触媒燃焼器１０に直接供給される都市ガスの流量（図示しない都市ガス流量センサによって検出）２１Ａ、２１Ｂと、ヒータＡＨ２の温度（ヒータＡＨ２の仕様と印加電圧によって算出または温度センサによる検出）２２Ａ、２２Ｂと、触媒燃焼器１０の出口温度（図示しない温度センサによって検出）２３Ａ、２３Ｂと、燃焼室ＦＣ２の温度（図示しない温度センサによって検出）２４Ａ、２４Ｂと、を示している。横軸は時間を示し、図面左から右に向かって、初回の起動工程、初回の発電工程、２回目以降の起動工程及び２回目以降の発電工程を示している。また、左側の縦軸は温度（℃）及び空気流量（ＮＬＭ：Ｎｏｒｍａｌ  Ｌｉｔｔｅｒ  ｐｅｒ  Ｍｉｎｕｔｅ）を示し、右側の縦軸は都市ガスの流量（ＮＬＭ）を示している。
【００５７】
図４の（ｂ）は、部分酸化改質器ＲＦＰに供給される空気の流量（改質用空気流量センサＤＳ８によって検出）２５Ａ、２５Ｂと、部分酸化改質器ＲＦＰに供給される都市ガスの流量（燃料流量センサＤＳ７によって検出）２６Ａ、２６Ｂと、部分酸化改質器ＲＦＰに供給される水の流量（水流量センサＤＳ６によって検出）２７Ａ、２７Ｂと、ヒータＡＨ１の温度（ヒータＡＨ１の仕様と印加電圧によって算出または温度センサによる検出）２８Ａ、２８Ｂと、部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度（改質器温度センサＤＳ１によって検出）２９Ａ、２９Ｂと、部分酸化改質器ＲＦＰの反応管出口温度（改質器温度センサＤＳ１によって検出）３０Ａ、３０Ｂとを示している。横軸は時間を示し、図面左から右に向かって、初回の起動工程、初回の発電工程、２回目以降の起動工程及び２回目以降の発電工程を示している。また、左側の縦軸は温度（℃）を示し、右側の縦軸は空気の流量及び都市ガスの流量（ＮＬＭ）及び水の流量（ｍｌＭ：ｍｌ  ｐｅｒ  Ｍｉｎｕｔｅ）を示している。
【００５８】
図４の（ｃ）は、燃料電池セルＣＥの温度（スタック温度センサＤＳ２によって検出）３１Ａ、３１Ｂと、水蒸気改質器ＲＦＳに供給される都市ガスの流量（燃料流量センサＤＳ７によって検出）３２Ａ、３２Ｂと、水蒸気改質器ＲＦＳに供給される水の流量（水流量センサＤＳ６によって検出）３３Ａ、３３Ｂと、電力取出ラインＥＰ１から取り出す電流（電力状態検出部ＤＳ１０によって検出）３４Ａ、３４Ｂとを示している。横軸は時間を示し、図面左から右に向かって、初回の起動工程、初回の発電工程、２回目以降の起動工程及び２回目以降の発電工程を示している。また、左側の縦軸は温度（℃）を示し、右側の縦軸は燃料ガスの流量（ＮＬＭ）及び水の流量（ｍｌＭ）を示している。
【００５９】
尚、図４（ａ）乃至（ｃ）においては、初回の起動工程の開始時刻を０としたときの経過時間を時刻ｔ１〜ｔ１９とし、また、２回目以降の起動工程の開始時刻を０としたときの経過時間を時刻ｔ１'〜ｔ１９'としている。
【００６０】
はじめに、初回の起動・発電工程（図４（ａ）乃至（ｃ）の左側部分）について詳細に説明する。まず、初回の起動工程のスタートと同時に空気極側への空気供給を開始する（図４の（ａ））。この空気流量２０Ａは４００ＮＬＭである。また、スタートと同時に部分酸化改質器ＲＦＰへの空気供給を開始する（図４の（ｂ））。この空気流量２５Ａは２０ＮＬＭである。空気極側への空気が流れ始めたことを確認し、ヒータＡＨ２をＯＮする（図４の（ａ）における時刻ｔ１）。時刻ｔ１からヒータＡＨ２への通電を開始し、時刻ｔ２までにヒータＡＨ２の温度２２Ａが７５０℃になるように制御する。一方、部分酸化改質器ＲＦＰへの空気が流れ始めたことを確認し、ヒータＡＨ１をＯＮする（図４の（ｂ）における時刻ｔ１）。時刻ｔ１からヒータＡＨ１への通電を開始し、時刻ｔ２までにヒータＡＨ１の温度２８Ａが６００℃になるように制御する。
【００６１】
空気極側において、ヒータＡＨ２によって昇温された空気が供給されるので、触媒燃焼器１０の出口温度２３Ａと燃焼室ＦＣ２の温度２４Ａが上昇する。触媒燃焼器１０の出口温度２３Ａが４００℃に到達すると、空気の供給流量２０Ａを１５０ＮＬＭに落とし、燃料電池セルＣＥへのヒートショックを極力抑えるような着火条件を設定する（図４の（ａ）における時刻ｔ３から時刻ｔ４）。その後、時刻ｔ４において、都市ガスを触媒燃焼器１０へ直接供給開始する。この都市ガスの流量２１Ａは０．５ＮＬＭである。その後、燃料電池セルＣＥへのヒートショックを防ぐように、時刻ｔ５から徐々に空気と都市ガスの供給量を増やしていく。空気の供給流量２０Ａは４５０ＮＬＭまで増やし、都市ガスの供給流量２１Ａは２．５ＮＬＭへと増やす。この結果、触媒燃焼器１０の出口温度２３Ａが８５０℃以上９００℃以下となって、燃料電池セルＣＥを上部から加熱する。尚、燃料電池セルＣＥの上下の温度差は１５０℃以内となるように制御し、燃焼室ＦＣ２の温度と燃料電池セルＣＥの上部の温度との差が１５０℃以内となるように制御する。
【００６２】
図４の（ｂ）に示すように、部分酸化改質器ＲＦＰでは、ヒータＡＨ１によって昇温された空気が供給されるので、部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度２９Ａ及び反応管出口温度３０Ａが上昇する。部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度２９Ａが４００℃以上となったことを条件として、時刻ｔ４から時刻ｔ５にかけて空気の供給流量２５Ａを減らし、５ＮＬＭ程度まで低減し、燃料電池セルＣＥへのヒートショックを極力抑えるような着火条件を設定する。部分酸化改質器ＲＦＰへ被改質ガスとしての都市ガスを供給する（図４の（ｂ）の時刻ｔ６）。この供給流量２６Ａは、１ＮＬＭである。更に、時刻ｔ７からは、水も供給される。この供給流量２７Ａは、１ｍｌＭである。
【００６３】
このように、被改質ガスとしての都市ガス、空気、水が供給されて所定温度が確保された部分酸化改質器ＲＦＰでは、部分酸化改質反応ＰＯＸとオートサーマル改質反応ＡＴＲとが行われているものと想定される。
【００６４】
部分酸化改質反応ＰＯＸは、部分酸化改質器ＲＦＰに被改質ガスと空気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（１）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2                （１）
部分酸化改質反応ＰＯＸは、発熱反応であるので起動性が高く、燃料電池システムＦＣＳの起動工程当初において好適な改質反応である。ただし、部分酸化改質反応ＰＯＸは、水素収率が理論上少なく、発熱反応を制御するのも難しいことから、燃料電池モジュールＦＣＭへ熱供給が必要な起動当初においてのみ利用されるのが好ましい改質反応である。
【００６５】
オートサーマル改質反応ＡＴＲは、部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとの中間的な改質反応であって、部分酸化改質器ＲＦＰに被改質ガスと空気と水蒸気とを供給して行う改質反応であり、化学反応式（２）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＯ2＋ｙＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2        （２）
オートサーマル改質反応ＡＴＲは、水素収率が部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとの中間であり、反応熱のバランスが取りやすく、部分酸化改質反応ＰＯＸと水蒸気改質反応ＳＲとを繋ぐ反応として好適な改質反応である。本実施形態の場合は、水を少なく供給して部分酸化改質反応ＰＯＸにより近いオートサーマル改質反応ＡＴＲ１を先に行い、温度が上昇した後に水を増やすように供給して水蒸気改質反応ＳＲにより近いオートサーマル改質反応ＡＴＲ２を後に行っている。
【００６６】
図４の（ｂ）に示すように、部分酸化改質反応ＰＯＸが支配的に進行していると思われる時刻ｔ６から時刻ｔ７では、部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度２９Ａや反応管出口温度３０Ａが急激に上昇している。その後、時刻ｔ８から時刻ｔ９にかけて、空気、都市ガス、水を徐々に増やし、部分酸化改質反応ＰＯＸに近いオートサーマル改質反応ＡＴＲ１から水蒸気改質反応により近いオートサーマル改質反応ＡＴＲ２へと移行することで、温度バランスを取りながら、部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度２９Ａ及び反応管出口温度３０Ａを徐々に上昇させている。尚、時刻ｔ９において、空気の供給流量２５Ａは２２ＮＬＭ、都市ガスの供給流量２６Ａは４ＮＬＭ、水の供給流量２７Ａは４ｍｌＭ、ヒータＡＨ１の温度２８Ａは、３５０℃である。
【００６７】
上述したように、燃料電池セルＣＥの上方からは、触媒燃焼器１０によって昇温された酸化ガスとしての空気が供給され、燃料電池セルＣＥの下方からは、部分酸化改質器ＲＦＰによって昇温された燃料ガスが供給され、燃料電池セルＣＥの温度３１Ａがバランスよく徐々に上昇する（図４の（ｃ））。蒸発部ＲＦ２の温度が所定温度を上回りかつ所定時間が経過した時刻ｔ１０から、水蒸気改質器ＲＦＳへと水の供給を開始する。この際の水の供給流量は、１〜３ｍｌＭである。その後、水蒸気改質器ＲＦＳの温度が所定温度を上回りかつ所定時間が経過した時刻ｔ１１から、水蒸気改質器ＲＦＳへと被改質ガスとしての都市ガスの供給を開始する。この際の都市ガスの供給流量は、１ＮＬＭである。時刻ｔ１１の後、水及び都市ガスの供給流量を徐々に上昇させていく。この水蒸気改質器ＲＦＳにおいては、水蒸気改質反応ＳＲが支配的に進行していると想定される。
【００６８】
水蒸気改質反応ＳＲは、水蒸気改質器ＲＦＳに被改質ガスと水蒸気とを供給して行う改質反応であって、化学反応式（３）に示す反応が進行する。
ＣmＨn＋ｘＨ2Ｏ  →  aＣＯ2＋ｂＣＯ＋ｃＨ2              （３）
水蒸気改質反応ＳＲは、水素収率が最も高く、高効率な反応である。ただし、水蒸気改質反応ＳＲは、吸熱反応であるので熱源が必要であり、燃料電池システムＦＣＳの起動当初よりはある程度温度が上昇した段階において好適な改質反応である。
【００６９】
このようにして発電準備を整えた後の時刻ｔ１２から、電力の取出を開始し、初回の発電工程を開始する。また、時刻ｔ１２の後の時刻ｔ１３において、触媒燃焼器１０への直接の都市ガス供給を停止する（図４の（ａ））。その後、ヒータＡＨ２も停止させる（図４の（ａ）の時刻ｔ１６）。
【００７０】
時刻ｔ１３の後の時刻ｔ１４から、部分酸化改質器ＲＦＰへの空気を昇温させるヒータＡＨ１の通電量を徐々に低下させ、時刻ｔ１５において停止する。その時刻ｔ１５から部分酸化改質器ＲＦＰへの空気、都市ガス、水の供給も低減させる。時刻ｔ１５の後の時刻ｔ１６において、空気、都市ガス、水の供給流量を所定値に維持した後、時刻ｔ１７において空気の供給を停止する。その後、時刻ｔ１８までは都市ガスと水を供給し続けて、水蒸気改質反応ＳＲによる吸熱反応を起こさせて降温させる。時刻ｔ１８において都市ガスの供給を停止し、水蒸気によって部分酸化改質器ＲＦＰの反応管内をパージした後、時刻ｔ１９において水の供給を停止する。
【００７１】
次に、２回目以降の起動・発電工程（図４（ａ）乃至（ｃ）の右側部分）について、説明する。ここで、２回目以降の起動・発電工程の時刻ｔ１'〜ｔ１９'における制御は、初回の起動・発電工程の時刻ｔ１〜ｔ１９における制御とそれぞれ対応している。起動工程の開始から時刻ｔ５、ｔ５'までの時刻における制御及びｔ１２、ｔ１２'以降の発電工程における制御は、初回も２回目以降も特に変りはない。以下、２回目以降の起動工程と初回の起動工程との相違点を中心に説明する。
【００７２】
２回目以降の起動工程は、初回の起動工程とは制御量が以下３つの点で異なる。
（Ｘ１）：初回の起動工程では、時刻ｔ５後の時間（ｔ５〜ｔ１２）が長くとられているのに対し、２回目以降の起動工程の時刻ｔ５'後の時間（ｔ５'〜ｔ１２'）は初回の起動工程に比べて短くなっている。
（Ｘ２）：初回の起動工程では、時刻ｔ５以降に触媒燃焼器１０に供給する空気と都市ガスの供給量２０Ａ、２０Ｂをそれぞれ４５０ＮＬ及び２．５ＮＬまで増加させているのに対し、２回目以降の起動工程では、時刻ｔ５'以降に触媒燃焼器１０に供給する空気と都市ガスの供給量２０Ｂ、２１Ｂは、それぞれ４００ＮＬ及び２．０ＮＬまで増加させている（図４（ａ））。
（Ｘ３）：初回の起動工程では、時刻ｔ９以降、部分酸化改質器ＲＦＰに供給する空気の流量２５Ａを２２ＮＬＭまで増加させヒータＡＨ１の温度を３５０℃としているのに対し、２回目以降の起動工程では、時刻ｔ９'以降に部分酸化改質器ＲＦＰに供給する空気の流量２５Ｂを２０ＮＬＭまで増加させ、またヒータＡＨ１の温度は３００℃としている（図４（ｂ））。
【００７３】
上記（Ｘ１）乃至（Ｘ３）の制御量の違いにより、２回目以降の起動工程は、初回の起動工程とは現象面において以下３つの点で相違する。
（Ｙ１）：上記（Ｘ１）及び（Ｘ２）により、初回の起動工程では触媒燃焼器１０の出口温度２３Ａ及び燃焼室ＦＣ２の温度２４Ａはより高温になり（２３Ａ：８５０℃〜９００℃、２４Ａ：７５０℃〜８００℃）かつ高温になってから発電工程が開始するまでの時間も長いのに対し、２回目以降の起動工程では、触媒燃焼器１０の出口温度２３Ｂ及び燃焼室ＦＣ２の温度２４Ｂは初回に比べて低く（２３Ｂ：７５０℃〜８００℃、２４Ｂ：６５０℃〜７００℃）また高温になってから発電工程が開始するまでの時間も短い（図４（ａ））。
（Ｙ２）：上記（Ｘ１）及び（Ｘ３）により、初回の起動工程では部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度２９Ａ及び出口温度３０Ａはより高温になり（２９Ａ：７５０℃〜８５０℃、３０Ａ：５００℃〜６００℃）かつ高温になってから発電工程が開始するまでの時間も長いのに対し、２回目以降の起動工程では、部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度２９Ａ及び出口温度３０Ａは初回に比べて低く（２９Ｂ：７００℃〜７５０℃、３０Ｂ：４５０℃〜５００℃）また高温になってから発電工程が開始するまでの時間も短い（図４（ｂ））
（Ｙ３）：上記（Ｙ１）及び（Ｙ２）より、初回の起動工程では、燃料電池セルＣＥの温度３１Ａは、速やかに約８００℃近傍まで上昇しかつこの状態が一定時間維持されるのに対し、２回目以降の起動工程では、燃料電池セルＣＥの温度３１Ｂは、起動工程の最後でも約７００℃近傍であり初回の起動工程に比べて低く、かつ燃料電池セルＣＥの温度３１Ｂが当該７００度近傍に達した段階ですぐ発電工程に移行する（図４（ｃ））。
【００７４】
本実施の形態においては、上記（Ｙ３）で述べたとおり、初回の起動工程における燃料電池セルＣＥの温度３１Ａを、２回目以降の起動工程に比べて高温の約８００℃まで上昇させ、かつ当該高温の時間を一定時間維持した後に、発電工程に移行するようにしている。初回の起動工程で、燃料電池セルＣＥにおいて高温の時間が一定時間維持されることで、この間に燃料極の材料に含まれるＮｉＯやＣｏＯといった金属酸化物が還元される。そのため、時刻ｔ１２において発電工程に移行し、燃料極に電流が流れる際には、燃料極には金属酸化物はほとんどまたは全く残留していない。発電工程の開始時には、金属単体に比べて電気抵抗の大きい金属酸化物が局所的にほとんどまたは全く残留していないので、燃料極内の電気抵抗は均一化されている。そのため、時刻ｔ１２において発電工程が開始され燃料極に電流が流れても、燃料極内の温度分布は均一に保たれ、燃料極内の熱膨張量の差異によるひずみも生じない。これにより、発電工程の際に燃料極が劣化または破損することを防止できる。
【００７５】
また、本実施の形態においては、上述したとおり、２回目以降の起動工程は、初回の起動工程に比べて、燃料電池セルＣＥの温度３１Ｂが低く、また起動工程の時間も短いので、起動工程時の加熱による燃料電池セルＣＥの劣化が抑制できるし、起動工程に要するエネルギーを抑制した運転も可能になる。そして、このような運転を行っても、燃料極の材料に含まれる金属酸化物は初回の起動工程で一度還元すれば再び酸化されることはないので、２回目以降の起動工程後の発電工程においても、上述した燃料極の劣化または破損を防止する効果を得ることができる。
【００７６】
また、発電運転の開始後（図４に示す形態では、時刻ｔ１２、ｔ１２'の後）に、水蒸気改質器ＲＦＳから供給する燃料ガスに含まれる水素量と部分酸化改質器ＲＦＰから供給する燃料ガスに含まれる水素量との総和が略一定となるように、部分酸化改質器ＲＦＰによる燃料ガスの供給を徐々に減少させている。発電運転の開始後に部分酸化改質器ＲＦＰによる燃料ガスの供給を徐々に減少させるにあたって、水蒸気改質器ＲＦＳ及び部分酸化改質器ＲＦＰから供給される燃料ガスに含まれる水素量の総和を維持することで、発電運転の開始後にまで部分酸化改質器ＲＦＰの稼動を継続させることによる発電運転への影響を低減させることができる。
【００７７】
また、本実施形態では、発電運転の開始後に、燃料電池セルＣＥに供給される酸化ガスの温度が略一定となるように、空気加熱媒体である触媒燃焼器１０による昇温を徐々に低下させている。発電運転に移行すると、水蒸気改質器ＲＦＳによって改質された燃料ガスも供給され、燃料電池セルＣＥ上方において残余の燃料ガスと残余の酸化ガスとが燃焼する量も増え、結果として燃焼室ＦＣ２の温度が高まり、触媒燃焼器１０および空気ヘッダー１５で熱交換された空気が特に燃料電池セルＣＥ上方を加熱し、より高温化する傾向にある。そこでこの態様では、触媒燃焼器１０による酸化ガスの昇温を低下させ、燃料電池セルＣＥに供給される酸化ガスの温度を略一定とすることで、燃料電池セルＣＥの上下方向における温度差を抑制することができる。
【００７８】
以上説明したとおり、本実施の形態では、初回の起動工程における燃料電池セルＣＥの温度３１Ａを約８００℃まで上昇させ一定時間この温度を維持し、その後発電工程に移行している。ここで当該８００℃の高温を維持する「一定時間」は、燃料極の還元反応が完了するのに必要十分な時間であり、例えば、実験等に基づいて予め設定しておいてもよいし、また例えば、以下図５を用いて説明するように、初回の起動工程において試験電流を取り出し、発電工程への移行の有無を判断することによって決定してもよい。ここで、図５は、燃料電池システムＦＣＳの初回の起動工程から発電工程へと移行する際の判断フローを示すフローチャートである。なお、以降の各ステップにおける判断は、燃料電池システム制御部ＣＳによってなされる。
【００７９】
ステップＳ１において、スタック温度センサＤＳ２によって検出される燃料電池セルＣＥの温度３１Ａ（図３（ｃ）参照）が８００℃以上であるか（すなわち、燃料極における金属酸化物の還元を促進するのに十分な温度環境に到達したか）を判断する。燃料電池セルＣＥの温度３１Ａが８００℃に達している場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）は、ステップＳ２の処理に進み、８００℃に達していない場合（ステップＳ１：Ｎｏ）は、８００℃に達するまでステップＳ１を繰り返す。
【００８０】
ステップＳ２において、燃料電池セルＣＥの温度３１Ａが８００℃に達してから時間Ｔ１が経過しているか否かを判断し、時間Ｔ１が経過したと判断すると（ステップＳ２：Ｙｅｓ）ステップＳ３の処理に進む。時間Ｔ１が経過していない場合（ステップＳ２：Ｎｏ）は、ステップＳ２を繰り返す。ここで、時間Ｔ１は、燃料極の還元反応雰囲気に基づいて適宜設定可能であり、例えば、燃料電池セルＣＥの温度３１Ａに基づいて設定される。
【００８１】
ステップＳ３において、燃料電池セルＣＥから電力取出部ＥＰを介して微弱な試験電流の取り出しを開始する。ここで、試験電流は、当該試験電流が流れた際に（たとえ金属酸化物が還元されずに残っていたとしても）燃料極に大きなひずみを発生させることがない程度に十分小さい値に設定される。この後、ステップＳ４の処理に進む。
【００８２】
ステップＳ４において、試験電流の取り出しから時間Ｔ２が経過したか否かを判断する。ここで、時間Ｔ２は、取り出した試験電流の電圧値が安定するために必要な時間（例えば、１５秒〜３０秒）である。時間Ｔ２が経過したと判断した場合、ステップＳ５の処理に進む。時間Ｔ２が経過していない場合（ステップＳ４：Ｎｏ）は、ステップＳ４を繰り返す。
【００８３】
ステップＳ５において、電力状態検出部ＤＳ１０により燃料電池セルＣＥの電圧降下量を検出し、この検出された燃料電池セルＣＥの電圧降下量がΔＶ未満であるか否かを判断する。ここで、金属酸化物は還元された金属単体に比べて抵抗が大きいため、燃料極に金属酸化物が還元されずに残存していると、試験電流を取り出した際の電圧降下は大きくなる。一方、燃料極の金属酸化物が十分に還元されている場合は、試験電流を取り出した際の電圧降下は小さくなる。この点を加味し、上記ΔＶは、金属酸化物が十分に還元されている場合の電圧降下量に基づいて設定されている。従って、ステップＳ５において、燃料電池セルＣＥの電圧降下量がΔＶ未満である場合（ステップＳ５：Ｙｅｓ）は、燃料極の金属酸化物の還元が十分に完了している場合であり、発電工程を開始しても問題がないので、ステップＳ６の処理に進み発電工程へ移行する。一方、ステップＳ５において、燃料電池セルＣＥの電圧降下量がΔＶ以上である場合（ステップＳ５：Ｎｏ）は、燃料極の金属酸化物の還元が不十分であるので、燃料極の還元を継続する必要があり、ステップＳ７の処理に進む。
【００８４】
ステップＳ７において、電力状態検出部ＤＳ１０試験電流の取り出しをいったん停止させる。この間、起動工程は継続されるので、燃料極の還元は継続される。この後、ステップＳ８の処理に進む。
【００８５】
ステップＳ８において、試験電流の取り出しを停止してから時間Ｔ３が経過したか否かを判断する。ここで、時間Ｔ３は、ステップＳ５で不十分とされた燃料極の還元が完了するのに十分な時間であり、例えば、ステップＳ５で測定された燃料電池セルＣＥの電圧降下量に基づいて設定される。時間Ｔ３が経過したと判断すると（ステップＳ８：Ｙｅｓ）再びステップＳ３の処理に進み、試験電流の取り出しを開始する。一方、時間Ｔ３が経過していない場合（ステップＳ８：Ｎｏ）は、ステップＳ８を繰り返す。
【００８６】
以上説明した判断ステップを導入することにより、初回の起動工程において金属酸化物の還元を確実に完了させてから、発電工程に移行することができる。また、金属酸化物の還元が完了しているのに起動工程を不必要に継続させてしまうこともないので、起動工程から発電工程への移行するまでに余分な時間やエネルギーを費やすこともない。
【００８７】
以上本発明の各実施の形態を示したが、本発明はこれら実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において様々な態様での実施が可能であることはいうまでもない。
【００８８】
例えば、本実施の形態においては、初回の起動工程における燃料電池セルＣＥの温度と時間を２回目以降の起動工程と異ならせることで、燃料極の材料が還元しやすい雰囲気を形成しているが、これに限られず、例えば、図６を用いて説明する方法を用いて、燃料極の材料が還元しやすい雰囲気を形成してもよい。以下具体的に説明する。
【００８９】
図６は、本発明の変形例に係る燃料電池システムの燃料電池モジュールを中心とした詳細な構成を示す図である。図３に示した燃料電池モジュールとの相違点は、図６に示す燃料電池モジュールは、水素ガスが封入された水素ガスタンク５が着脱可能に配設されていることと、分散室ＤＢの底面に、水素ガスタンク５から供給される水素ガスを配管流路を介して分散室ＤＢ内に導入するための導入穴（図示せず）が貫通形成されていることである。水素ガスタンク５は、当該導入穴に着脱可能に配設されている。以下述べるように、水素ガスタンク５は、初回の起動工程にのみ用いられるので、燃料電池システムに常時配設されている必要はない。
【００９０】
水蒸気改質器ＲＦＳ又は部分酸化改質器ＲＦＰで改質された燃料ガスは、水素ガス以外のガスも含むため、改質された燃料ガスを燃料電池セルＣＥに供給すると、燃料電池セルを収容する容器Ｃ内の水素分圧は、水素ガスのみを直接供給した場合に比べて低くなる。そこで、本変形例においては、初回の起動工程においてのみ、水蒸気改質器ＲＦＳ又は部分酸化改質器ＲＦＰから燃料を供給するかわりに、あるいはこれに加えて水素ガスタンク５から直接水素ガスを供給する。そのため、初回の起動工程では、容器Ｃ内の水素分圧を高く維持することができ、これにより、（水蒸気改質器ＲＦＳ又は部分酸化改質器ＲＦＰから燃料を供給する）２回目以降の起動工程に比べて、燃料極の材料が還元しやすい雰囲気を形成することができる。
【符号の説明】
【００９１】
ＡＤＵ：補器ユニット
ＡＨ１：ヒータ
ＡＨ２：ヒータ
ＡＰ：空気供給部
ＡＰ１ａ、ＡＰ１ｂ：流量調整ユニット
ＡＰ２：電磁弁
ＡＰ３：空気供給路
ＣＢ：制御ボックス
ＣＥ：燃料電池セル
ＣＯＤ：一酸化炭素検知器
ＣＳ：燃料電池システム制御部
ＣＳ１：操作装置
ＣＳ２：表示装置
ＣＳ３：報知装置
ＤＳ１：改質器温度センサ
ＤＳ２：スタック温度センサ
ＤＳ３：排気温度センサ
ＤＳ４：改質器内圧力センサ
ＤＳ５：水位センサ
ＤＳ６：水流量センサ
ＤＳ７：燃料流量センサ
ＤＳ８：改質用空気流量センサ
ＤＳ９：発電用空気流量センサ
ＤＳ１０：電力状態検出部
ＤＳ１１：貯湯状態検出センサ
ＤＳ１２：一酸化炭素検出センサ
ＤＳ１３：可燃ガス検出センサ
ＥＰ：電力取出部
ＥＰ１：電力取出ライン
ＦＣ：燃料電池
ＦＣ１：発電室
ＦＣ２：燃焼室
ＦＣＭ：燃料電池モジュール
ＦＣＳ：燃料電池システム
ＦＰ：燃料供給部
ＦＰ１：流量調整ユニット
ＦＰ２：脱硫器
ＦＰ４、ＦＰ５：ガス遮断弁
ＧＤ１、ＧＤ２：可燃ガス検知器
ＨＷ：温水製造装置
ＭＶ：混合部
ＲＦ：改質器
ＲＦ１：改質部
ＲＦ２：蒸発部
ＳＣ：燃料電池システム制御部
ＷＰ：水供給部
ＷＰ１：流量調整ユニット
ＷＰ２：貯水タンク
５：水素ガスタンク
１０：触媒燃焼器
１５：空気ヘッダ
ＲＦＰ：部分酸化改質器
ＲＦＳ：水蒸気改質器
ＲＦＳ１：改質部
ＲＦＳ１：蒸発部
ＲＦＳ２：予熱部
ＲＦＳ３：改質部
２０Ａ、Ｂ：空気流量（触媒燃焼器）
２１Ａ、Ｂ：都市ガス流量（触媒燃焼器）
２２Ａ、Ｂ：ヒータ温度
２３Ａ、Ｂ：触媒燃焼器出口温度
２４Ａ、Ｂ：燃焼室温度
２５Ａ、Ｂ：空気流量（部分酸化改質器）
２６Ａ、Ｂ：都市ガス流量（部分酸化改質器）
２７Ａ、Ｂ：水流量（部分酸化改質器）
２８Ａ、Ｂ：ヒータ温度
２９Ａ、Ｂ：反応管入口温度（部分酸化改質器）
３０Ａ、Ｂ：反応管出口温度（部分酸化改質器）
３１Ａ、Ｂ：燃料電池セル温度
３２Ａ、Ｂ：都市ガス流量（水蒸気改質器）
３３Ａ、Ｂ：水流量（水蒸気改質器）
３４Ａ、Ｂ：電流
【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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