(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池セルを収容する容器を構成する壁体の内側面に発生する結露を、起動運転時から抑制ないし防止する燃料電池システムを提供する。【解決手段】電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される複数の固体電解質形の燃料電池セルＣＥを備える燃料電池システムにおいて、壁体で構成され燃料電池セルＣＥを内部に収容する容器Ｃと、燃料電池セルＣＥのカソード電極にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、燃料電池セルＣＥのアノード電極にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、カソードガスまたはアノードガスを加熱された状態にする加熱手段ＡＨ２と、を備え、加熱されたカソードガスまたはアノードガスが、容器Ｃを構成する壁体の外側面を加熱した後に燃料電池セルＣＥに供給される。【選択図】図３
2011049105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される複数の固体電解質形の燃料電池セルを備える燃料電池システムにおいて、
壁体で構成され前記燃料電池セルを内部に収容する容器と、
前記燃料電池セルのカソード電極にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、
前記燃料電池セルのアノード電極にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、
前記カソードガスまたは前記アノードガスを加熱された状態にする加熱手段と、を備え、
前記加熱されたカソードガスまたはアノードガスが、前記容器を構成する壁体の外側面を加熱した後に前記燃料電池セルに供給されるよう構成されている燃料電池システム。
【請求項２】
前記カソードガスは空気であり、
前記加熱された空気で前記壁体の外側面を加熱する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記カソードガス供給手段は、前記容器の周囲に配設され、その流路の少なくとも一部が前記壁体で構成されている空気供給流路を有し、該空気供給流路の内部に前記加熱された空気を流す請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記容器の内部には、前記燃料電池セルが配置される発電室と、該発電室の上方に配置され前記燃料電池セルにおける発電反応に利用されなかった燃料ガスを燃焼させる燃焼室とが配置され、
前記空気供給流路は、前記壁体の外側面の下部から上部に向けて前記加熱された空気を流すよう構成されている請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記空気供給流路は、少なくとも前記燃料電池セルからの距離が最も小さい壁体の外側面に配設されている請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
炭化水素を含む被改質ガスを水蒸気改質によって水素リッチなアノードガスに改質する水蒸気改質器と、該水蒸気改質器で改質されたアノードガスの供給及び空気の供給を制御する制御手段とを備え、
該制御手段は前記水蒸気改質器によって改質されたアノードガスの前記燃料電池セルへの供給開始に先駆けて、前記加熱手段で加熱された空気を供給する請求項２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】
従来、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に水素を含む燃料ガス（アノードガス）を通すと共に、反対側には酸素を含む酸化ガス（カソードガス）を通すことで発電反応を行わせるものが知られている。
【０００３】
こうした燃料電池セルは、例えば７００度から１０００度といった高温で動作し、燃料電池セルを収容する容器内では水分のほとんどは水蒸気として存在している。そのため、容器内に低温の部分があると、こうした低温部分において水分が結露してしまう（例えば、特許文献１参照）。特許文献１においては、結露により生じる絶縁不良を防止するために、燃料電池セルから電力を取り出すための導電体端部を、結露を生じない雰囲気中に設ける電極構造が提案されている。
【０００４】
また、結露の防止を目的とするものではないが、特許文献２には、燃料電池セルスタックが配置された発電・燃焼室の周囲に燃焼ガス流路を配設し、この燃焼ガス流路に発電・燃焼室から排出された高温の燃焼ガスを流す燃料電池組立体が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２３１２７５号公報
【特許文献２】特開２００４−３１９４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来の技術は、燃料電池セルを収容する容器内の結露対策としては問題が残る。特許文献１に記載された電極構造は、そもそも容器内の結露の発生自体を抑制ないし防止するものではない点で問題がある。燃料電池セルを収容する容器内においては、特許文献１で言及された導電体端部以外でも結露が生じ、種々の問題を引き起こすからである。とりわけ、容器内外の温度差によって、容器を構成する壁体の内側面に結露が生じやすく、この結露による水滴が燃料電池セルに付着すると、燃料電池セル間が電気的に短絡され、結果として燃料電池セルが破損してしまうおそれがある。そのため、容器を構成する壁体の内側面に発生する結露自体を抑制ないし防止する必要がある。
【０００７】
そもそも結露とは、水蒸気を含んだガスが比較的低温の物体に接触し、露点以下に温度が下がることで発生するものであるから、その防止策としてはガス中の水蒸気を減らすか、接触する物体（壁体）の温度を上昇させるかが考えられる。燃料ガスとして水蒸気を用いた改質を行ったガスを用いる場合、容器内の水蒸気を減らすことは困難である。一方、容器を構成する壁体の温度を上昇させるためには、上記特許文献２に記載されている技術の応用が考えられる。
【０００８】
特許文献２に記載された燃料電池組立体は、燃焼ガス流路に発電・燃焼室から排出された高温の燃焼ガスを流すものであるから、燃焼ガスの発生中は、燃焼ガス流路を流れる高温の燃焼ガスにより容器（発電・燃焼室）が暖められることで、容器内外の温度差に起因する結露の防止効果が得られるものと思われる。
【０００９】
しかしながら、特許文献２に記載された燃料電池組立体では、燃焼ガスが発生していない間、とりわけ燃料電池システムの起動運転の初期には、このような結露の防止効果は得られない点で問題が残る。上記結露に起因する燃料電池セルの短絡のおそれは、起動運転の初期であっても燃料電池セルが電位を持ちはじめた段階で生じるので、起動運転の初期から結露を抑制ないし防止する必要があるからである。
【００１０】
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、燃料電池セルを収容する容器を構成する壁体の内側面に発生する結露を、起動運転の初期から抑制ないし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】
【００１１】
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、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される複数の固体電解質形の燃料電池セルを備える燃料電池システムにおいて、壁体で構成され前記燃料電池セルを内部に収容する容器と、前記燃料電池セルのカソード電極にカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、前記燃料電池セルのアノード電極にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、前記カソードガスまたは前記アノードガスを加熱された状態にする加熱手段と、を備え、前記加熱されたカソードガスまたはアノードガスが、前記容器を構成する壁体の外側面を加熱した後に前記燃料電池セルに供給されるよう構成されている。
【００１２】
固体電解質形の燃料電池セルは、例えば７００度から１０００度といった高温で効率よく発電が可能になるので、燃料電池セルから電力を取り出す発電運転を開始する前に、燃料電池セルを加熱する起動運転が行われる。起動運転においては、燃料電池セルを上記７００度から１０００度といった高温になるまで加熱していくので、燃料電池セルを収容する容器内外の温度差は大きくなる。このとき、壁体の内側面は、壁体を介して容器外の雰囲気の影響を受けるため、容器内の他の部分に比べて低温になり、結果として結露が生じやすい。
【００１３】
この点、本構成によれば、加熱されたカソードガスまたはアノードガスが壁体の外側面を加熱した後で燃料電池セルに供給されるので、壁体の内側面は壁体内を伝わる熱によって暖められ、これにより、結露を抑制ないし防止することができる。
【００１４】
従って、カソードオフガス及びアノードオフガスが燃焼した燃焼ガス（排気ガス）を用いずとも、燃料電池システムの起動運転の初期から壁体を暖めることができ、これにより、結露を抑制ないし防止することができる。起動運転時であっても燃料電池セルが電位を有した段階で結露による燃料電池セル間の電気的短絡のおそれが生じることに鑑みれば、起動運転の初期から結露を抑制ないし防止できる利点は大きい。尚、本発明において、「カソードガス又はアノードガスを加熱された状態にする」ことは、カソードガス又はアノードガスを直接加熱することによりカソードガス又はアノードガスを加熱された状態とすること、またはカソードガス又はアノードガスに改質される被改質ガスを加熱することによりカソードガス又はアノードガスを加熱された状態とすることを含む。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記カソードガスは空気であり、前記加熱された空気で前記壁体の外側面を加熱するようにしてもよい。
【００１６】
燃料電池セルのカソード電極に供給される空気のうち、発電反応に利用される酸素は約２割程度である。従って、発電反応を進めるために、多量の空気が燃料電池セルに供給されることになる。本構成では、この多量に供給される空気を加熱して壁体の外側面を加熱するので、壁体の外側面及び内側面に迅速に大きな熱量を加えることができ、より確実に結露を抑制ないし防止することができる。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記カソードガス供給手段は、前記容器の周囲に配設され、その流路の少なくとも一部が前記壁体で構成されている空気供給流路を有し、該空気供給流路の内部に前記加熱された空気を流すようにしてもよい。
【００１８】
本構成によれば、空気供給流路の流路の少なくとも一部が、壁体で構成されているので、空気供給流路の内部を加熱された空気が流れる際に、この加熱された空気が壁体の外側面と直接接するので、壁体の外側面及び内側面に効率的に熱を伝達できる。これにより、簡易な構成としながら、より確実に結露を抑制ないし防止することができる。
【００１９】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、前記容器の内部には、前記燃料電池セルが配置される発電室と、該発電室の上方に配置され前記燃料電池セルにおける発電反応に利用されなかった燃料ガスを燃焼させる燃焼室とが配置され、前記空気供給流路は、前記壁体の外側面の下部から上部に向けて前記加熱された空気を流すよう構成されていてもよい。
【００２０】
容器内においては、発電室の上方に配置された燃焼室が、アノードオフガスの燃焼により高温になるため、相対的に、容器上部が高温になり、容器下部が低温になりやすい。そのため、結露は壁体の内側面の下部に発生しやすい。本構成によれば、空気供給流路が壁体の外側面の下部から上部に向けて加熱された空気を流すので、結露が生じやすい壁体の内側面の下部に優先して熱量が投入され、より効率的に結露を抑制ないし防止できる。
【００２１】
また、前記空気供給流路は、少なくとも前記燃料電池セルからの距離が最も小さい壁体の外側面に配設されているようにしてもよい。
【００２２】
燃料電池セルからの距離が小さい壁体の内側面においては、壁体の内側面に結露が生じると、結露によって生じた水滴が表面張力等により燃料電池セルに付着してしまうおそれが大きい。この点、本構成によれば、少なくとも燃料電池セルからの距離が最も小さい壁体の外側面に空気供給流路を配設し、空気により加熱して、当該壁体の内側面に結露が発生することを抑制ないし防止する。これにより、結露により生じる燃料電池セル間の電気的短絡及びこれに起因する燃料電池セルの破損を効果的に防止しながらも、燃料電池システムを無用に大型化させることなくコンパクトに設計することができる。
【００２３】
また、本発明に係る燃料電池システムでは、炭化水素を含む被改質ガスを水蒸気改質によって水素リッチなアノードガスに改質する水蒸気改質器と、該水蒸気改質器で改質されたアノードガスの供給及び空気の供給を制御する制御手段とを備え、該制御手段は前記水蒸気改質によって改質されたアノードガスの前記燃料電池セルへの供給開始に先駆けて、前記加熱手段で加熱された空気を供給するようにしてもよい。
【００２４】
炭化水素を含む被改質ガスを水蒸気改質によって水素リッチなアノードガスに改質し、そのアノードガスを燃料電池セルに供給されると、容器内はアノードガスとともに入ってくる水蒸気により多湿状態となり、結露が発生しやすくなる。この点、本構成によれば、制御手段は、水蒸気改質器によって改質されたアノードガスが燃料電池セルに供給される前に、加熱された空気により壁体の外側面を予め加熱しておくので、改質されたアノードガスが供給され容器内が多湿雰囲気となったとしても、壁体の内側面は暖まっており、壁体の内側面での結露発生が抑制ないし防止できる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、燃料電池セルを収容する容器を構成する壁体の内側面に発生する結露を、起動運転時から抑制ないし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】
【００２６】
【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】図３に示した燃料電池モジュールのＳ−Ｓ線に沿った断面を模式的に示す図である。
【図５】同燃料電池システムの起動運転時における各部の温度や流量を示す図である。
【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】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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（アノード電極）と空気極（カソード電極）とが設けられているものであって、燃料極側に燃料ガス（アノードガス）を通し、空気極側に酸化ガス（カソードガス）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。
【００３１】
燃料極を構成する材料としては、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トとの混合体といった材料が用いられる。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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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（加熱手段）によって昇温され、詳細は後述する空気供給流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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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ＳＣ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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。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、空気供給流路ＡＰ３が配設されている。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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、改質部ＲＦＳ３と分散室ＤＢとを連通する配管（アノードガス供給手段）を介して分散室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。
【００５４】
部分酸化改質器ＲＦＰは、容器Ｃおよび空気供給流路ＡＰ３（カソードガス供給手段）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（アノードガス供給手段）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運転の際と、発電運転の停止の際に、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。
【００５５】
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）値を上回る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。
【００５６】
本実施形態においては、ヒータＡＨ２で昇温された空気は、空気供給流路ＡＰ３を流れて触媒燃焼器１０に供給される。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。これにより、簡易な構成で空気供給流路ＡＰ３を構成できる。また空気供給流路ＡＰ３の内部を加熱された空気が流れる際には、この加熱された空気が容器壁体の外側面と直接接するので、容器壁体の外側面及び内側面に効率的に熱を伝達できる。
【００５７】
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(図３の点線矢印参照）。これにより、容器壁体の内側面における結露の発生を起動運転時から抑制ないし防止できる。以下、詳細に説明する。
【００５８】
はじめに、従来の燃料電池システムにおいて結露が発生していた理由を説明する。燃料電池システムの起動運転が開始されると、燃料電池セルは７００度から１０００度といった高温になるまで加熱されるので、燃料電池セルを収容する容器内外の温度差は大きくなる。そして、容器内外の温度差が大きくなることに起因して、容器壁体の内側面の温度は容器内部の他の部分に比べて低くなる。燃焼室での燃焼反応や高温の反応ガスの滞留等により容器上部（燃焼室及び発電室上部）が高温になる傾向があるので、特に容器下部（発電室下部、分散室）における壁体の内側面の温度が他の部分に比べて低くなる。そのため、従来の燃料電池システムにおいては、容器壁体の内側面、特にその下部において結露が発生してしまっていた。
【００５９】
これに対し、本実施形態においては、ヒータＡＨ２で加熱された空気により、容器壁体の外側面がその下部から上部に向かって加熱されるので、容器壁体の内側面（特に容器壁体の内側面下部）が、容器壁体内を伝わる熱によって暖められ、これにより、結露を抑制ないし防止することができる。
【００６０】
特に本実施形態では、空気供給流路ＡＰ３に、ヒータＡＨ２を用いて必要とするタイミング（ここでは起動運転時）で加熱された空気を供給することができる。従って、起動運転の初期から結露を抑制ないし防止することができる。起動運転時であっても燃料電池セルＣＥが電位を有した段階で結露による燃料電池セルＣＥ間の電気的短絡のおそれが生じることに鑑みれば、起動運転の初期から結露を抑制ないし防止できる利点は大きい。空気を用いて容器壁体の外側面を加熱するので、ヒータ等で直接加熱した場合と異なり容器壁体の内側面に温度むらが生じることもない点も、結露を抑制ないし防止する上で有効な点の一つである。
【００６１】
尚、燃料電池セルＣＥの空気極に供給される空気のうち、発電反応に利用される酸素は約２割程度であり、発電反応を進めるために、燃料ガスに比べて多量の流量の空気が燃料電池セルに供給される。本実施形態においては、この多量に供給される空気を加熱して容器壁体の外側面を加熱するので、燃料ガスを熱媒体とする場合に比べ、容器壁体に迅速に大きな熱量を加えることができ、より確実に結露を抑制ないし防止することができる。
【００６２】
本実施形態においては、空気供給流路ＡＰ３は、容器Ｃの側部の４つの面を構成する壁体のうち燃料電池セルＣＥから距離が最も小さい２つの面を構成する壁体にのみ配設されている。これを、図４を用いて説明する。図４は、図３に示した燃料電池モジュールのＳ−Ｓ線に沿った断面を模式的に示す図である。図４においては、複数の燃料電池セルＣＥは、接続端子（図示せず）により互いに電気的に直列に接続され、所定の行列数（図４では６行２列の計１２本）毎に一つの燃料電池セルスタックＣＥＳを形成している。ここで、最外端に配置されている燃料電池セルＣＥと容器Ｃの側部を構成する壁体との距離は、Ｌ１、Ｌ２（Ｌ２＜Ｌ１）で表わされる。
【００６３】
図４に示すように、空気供給流路ＡＰ３が配設されているのは、容器Ｃの側部の４つの面を構成する壁体のうち、燃料電池セルＣＥとの距離が最小（Ｌ２）である２つの面を構成する壁体の周囲のみである。これは、燃料電池セルＣＥと容器Ｃとの距離が小さい壁体の内側面で結露が発生すると、発生した水滴が表面張力等で燃料電池セルＣＥに付着して燃料電池セルＣＥ間の電気的短絡が発生しやすいからであり、また逆に、燃料電池セルＣＥと容器Ｃとの距離が大きい壁体の内側面で結露が発生しても、発生した水滴が燃料電池セルＣＥに付着するおそれは小さいからである。図４に示す例においては、結露による不具合を生じない距離（距離Ｌ１）にある壁体には空気供給流路ＡＰ３を設けないので、結露による不具合が生じる距離（距離Ｌ２）にある壁体に加熱空気を集中させ、加熱空気が有する熱量を結露防止ひいては燃料電池セルＣＥ間の電気的短絡の防止に最大限に利用することができる。また、燃料電池セルＣＥと壁体の内側面との距離が最も小さい箇所でも結露による電気的短絡の恐れが生じないので、燃料電池セルＣＥと容器Ｃとの間の距離を小さくすることができる。これにより、容器Ｃを小型化し、燃料電池システムＦＣＳをコンパクトに設計することができる。
【００６４】
尚、容器Ｃ内の水分量が多く結露が多量に発生する場合や容器Ｃ内の他の構造物を伝達して燃料電池セルに水分が付着する場合等、結果として燃料電池セルＣＥに水分が付着するおそれが大きい場合は、容器Ｃの側部を構成する壁体と燃料電池セルＣＥとの距離に関係なく、容器Ｃの側部の４つの面を構成する壁体の周囲すべてに空気供給流路ＡＰ３を設けるようにしてもよい。
【００６５】
続いて、上記加熱空気の導入タイミングについて図５を参照しながら説明する。図５は、燃料電池システムＦＣＳの起動運転時における各部の温度や流量を示す図である。図５の（ａ）は、燃料電池セルＣＥの空気極（カソード電極）側に供給する空気の流量等を示し、図５の（ｂ）は、部分酸化改質器ＲＦＰに関するガス流量等を示し、図５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。
【００６６】
具体的には、図５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）２０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）２１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）２２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）２３と、燃焼室ＦＣ２の温度（図示しない温度センサによって検出）２４とを示している。横軸は時間を示し、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。
【００６７】
図５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）２５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）２６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）２７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）２８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）２９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）３０とを示している。横軸は時間を示し、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。
【００６８】
図５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）３１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）３２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）３３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）３４とを示している。横軸は時間を示し、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。
【００６９】
まず、起動運転の開始と同時に空気極側への空気供給を開始する（図５の（ａ））。この空気流量２０は４００ＮＬＭである。また起動運転の開始と同時に部分酸化改質器ＲＦＰへの空気供給を開始する（図５の（ｂ））。この空気流量２５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５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２２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５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２８が６００℃になるように制御する。
【００７０】
空気極側において、ヒータＡＨ２によって昇温された空気が空気供給流路ＡＰ３を介して触媒燃焼器１０及び空気ヘッダ１５に供給されるので、容器Ｃの壁体の外側面がその下部から上部に向かって加熱されるとともに、触媒燃焼器１０の出口温度２３と燃焼室ＦＣ２の温度２４が上昇する。触媒燃焼器１０の出口温度２３が４００℃に到達すると、空気の供給流量２０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５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２１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２０は４００ＮＬＭに戻し、都市ガスの供給流量２１は２ＮＬＭへと増やす。この結果、触媒燃焼器１０の出口温度２３が７００℃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。
【００７１】
図５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２９及び反応管出口温度３０が上昇する。部分酸化改質器ＲＦＰの反応管入口温度２９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２５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５の（ｂ）の時刻ｔ６）。この供給流量２６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２７は、１ｍｌＭである。
【００７２】
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。
【００７３】
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の起動運転の初期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運転の初期においてのみ利用されるのが好ましい改質反応である。
【００７４】
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。
【００７５】
図５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２９や反応管出口温度３０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２９及び反応管出口温度３０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２５は２０ＮＬＭ、都市ガスの供給流量２６は４ＮＬＭ、水の供給流量２７は４ｍｌＭである。
【００７６】
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の温度がバランスよく徐々に上昇する（図５の（ｃ））。蒸発部ＲＦ２の温度が所定温度を上回った時刻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った時刻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。
【００７７】
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。
【００７８】
上述したように、本実施形態においては、時刻ｔ１からヒータＡＨ２が通電されるから、時刻ｔ１以降は、ヒータＡＨ２により加熱された空気が空気供給流路ＡＰ３を流れ、容器Ｃの壁体の外側面を下部から上部に向かって加熱していく。一方、水蒸気を含む改質された燃料ガスが容器Ｃ内に流入する時刻（容器Ｃ内が多湿状態になり結露が発生しやすくなる時刻、かつ改質ガスの供給による還元反応が開始されることにより燃料電池セルが電位を有する時刻）は、時刻ｔ７または時刻ｔ１１以降であり、時刻ｔ１よりも後の時刻である。このタイミングの差、すなわち、改質ガスが燃料電池セルＣＥに供給される前に容器Ｃの壁体の外側面が加熱されることで、燃料ガスが容器Ｃ内に供給され内部が多湿雰囲気となったとしても、容器Ｃの壁体の内側面における結露の発生が抑制ないし防止される。
【００７９】
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、発電運転
を開始する。これに呼応するように、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５の（ａ））。その後、ヒータＡＨ２も停止
させる（図５の（ａ）の時刻ｔ１６）。これにより、発電運転の開始後に、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、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なるようにしている。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、結果として容器Ｃの上方がより高温化する傾向にある。そこで、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、容器Ｃの上下方向の温度差を抑制している。これにより、容器Ｃの上下方向の温度差に起因する結露を抑制できる。もっとも、ヒータＡＨ２の温度を低下させることにより、空気供給流路ＡＰ３を流れる空気の温度は低下する。このことにより、容器壁体の内側面の温度が容器内の他の部分に比べて低下し、容器Ｃ内外の温度差に起因する結露が発生する可能性がある場合は、発電運転の開始後もヒータＡＨ２を停止させず、例えば起動運転時の７５０度を維持してもよい。または発電運転時にヒータＡＨ２を定期的にＯＮ、ＯＦＦするようにしてもよい。
【００８０】
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。
【００８１】
尚、図５に示す形態では、ヒータＡＨ１への通電量を低下させて、ヒータＡＨ１の発熱を徐々に低下させた後に、空気の供給流量を低減させたけれども、これとは逆に空気の供給流量を増やすように制御することも好ましい。ヒータＡＨ１による発熱を徐々に低下させることで、部分酸化改質器ＲＦＰへ供給する空気の温度の急変を防止することができ、ひいては部分酸化改質器ＲＦＰから供給する燃料ガスの温度の急変も防止することができる。更に、ヒータＡＨ１による発熱の抑制に合わせて部分酸化改質器ＲＦＰへの空気供給量を増やすことで、投入される熱量が急変することも防止することができる。
【００８２】
また、発電運転の開始後（図５に示す形態では、時刻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。
【００８３】
以上本発明の実施形態を示したが、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。
【００８４】
例えば、本実施形態においては、容器壁体の外側面を加熱する熱媒体として空気を用い、空気供給流路ＡＰ３内を流通させる構成としたが、熱媒体として燃料ガス（アノードガス）を選択してもよい。たとえば、図６の変形例に示すように、空気供給流路ＡＰ３のかわりに、燃料ガス供給流路ＦＰ６を配設し、内部を燃料ガスが流通するようにしてもよい。
【００８５】
図６に示すとおり、燃料ガス供給流路ＦＰ６は、容器Ｃの下側側部（発電室ＦＣ１下側側部及び分散室ＤＢ側部を構成する部分）及び底部（分散室ＤＢ底部を構成する部分）の周囲に配設された流路である。図６に示すように、容器Ｃの下側側部及び底部を構成する壁体が、燃料ガス供給流路ＦＰ６の流路の一部を構成している。燃料ガス供給流路ＦＰ６の上部（発電室ＦＣ１下側側部の側方に位置する部分）には、部分酸化改質器ＲＦＰからの燃料ガスを導入するための導入口（図示せず）が配設され、燃料供給流路ＦＰ６の下部（分散室ＤＢ底部）には、分散室ＤＢに燃料ガスを供給するための供給口（図示せず）が配設されている。本変形例においては、部分酸化改質器ＲＦＰは、本発明における加熱手段を構成し、部分酸化改質器ＲＦＰから、加熱された燃料ガス（アノードガス）が、燃料ガス供給流路ＦＰ６に供給されるようになっている。これにより、加熱された燃料ガスが、容器Ｃの発電室ＦＣ１下側側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及び分散室ＤＢ底部を構成する壁体の外側面をこの順で加熱した後に、分散室ＤＢに供給される（図６の点線矢印参照）。これにより、部分酸化改質器ＲＦＰから供給された加熱された燃料ガスを結露防止のために利用することができる。
【符号の説明】
【００８６】
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：空気供給流路
ＣＢ：制御ボックス
ＣＥ：燃料電池セル
ＣＥＳ：燃料電池セルスタック
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
ＦＰ６：燃料ガス供給流路
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
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
２０：空気流量（触媒燃焼器）
２１：都市ガス流量（触媒燃焼器）
２２：ヒータ温度
２３：触媒燃焼器出口温度
２４：燃焼室温度
２５：空気流量（部分酸化改質器）
２６：都市ガス流量（部分酸化改質器）
２７：水流量（部分酸化改質器）
２８：ヒータ温度
２９：反応管入口温度（部分酸化改質器）
３０：反応管出口温度（部分酸化改質器）
３１：燃料電池セル温度
３２：都市ガス流量（水蒸気改質器）
３３：水流量（水蒸気改質器）
３４：電流
【図１】
2011049105.tif 000003
【図２】
2011049105.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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