(57)【要約】      （修正有）【課題】固体酸化物形燃料電池システムの停止制御において、燃料電池スタックの劣化を抑制する。【解決手段】発電停止後に、燃料電池スタック６に燃料ガスおよび空気の供給を継続する固体酸化物形燃料電池システム１００の停止制御において、アノードオフガス中の水素成分のモル分率がアノードオフガス中の原料成分のモル分率よりも大きい場合における、改質器２に供給する原料に対する空気比の平均値を第一平均値とし、アノードオフガス中の水素成分のモル分率がアノードオフガス中の原料成分のモル分率よりも小さい場合における、改質器に供給する原料に対する空気比の平均値を第二平均値とした場合、第一平均値が第二平均値よりも大きくなるように空気供給器４４を制御する制御器４０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび空気を用いて発電する燃料電池スタックと、
原料を改質することで前記燃料ガスを生成する改質器と、
前記燃料電池スタックに前記空気を供給する空気供給器と、
前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスを燃焼する燃焼器と、
発電停止後に、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスおよび前記空気の供給を継続する固体酸化物形燃料電池システムの停止制御において、前記アノードオフガス中の水素成分のモル分率が前記アノードオフガス中の原料成分のモル分率よりも大きい場合における、前記改質器に供給する原料に対する空気比の平均値を第一平均値とし、前記アノードオフガス中の水素成分のモル分率が前記アノードオフガス中の原料成分のモル分率よりも小さい場合における、前記改質器に供給する原料に対する空気比の平均値を第二平均値とした場合、第一平均値が第二平均値よりも大きくなるように前記空気供給器を制御する制御器と、を備える固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質器の温度を検知する温度検知器を備え、
前記制御器は、前記停止制御において、前記温度検知器の検知温度に基づいて前記空気供給器を制御する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御器は、前記停止制御において、前記空気供給器を制御して、前記温度検知器の検知温度の低下に連れて、前記空気比を小さくする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項４】
前記温度検知器は、前記改質器に設けられている請求項２または３に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項５】
前記温度検知器は、前記燃料電池スタックまたはその周囲に設けられている請求項２または３に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項６】
前記改質器に前記原料を供給する原料供給器を備え、
前記制御器は、前記停止制御において、前記原料供給器を制御して、前記改質器に供給する原料の供給量を３００Ｗの発熱量相当の流量以上にする請求項１から５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項７】
前記改質器に水を供給する水供給器を備え、
前記制御器は、前記停止制御において、前記水供給器を制御して、前記改質器におけるＳ／Ｃを２．０以上にする請求項１から６のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃焼器に点火する点火装置を備え、
前記制御器は、前記停止制御において、前記温度検知器の検知温度が所定時間内に所定値以上低下した場合、又は、所定時間間隔毎に、前記点火装置を制御して、前記燃焼器に点火する請求項２から５のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃焼器は拡散燃焼器である、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は固体酸化物形燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発電停止後に、燃料電池スタックに燃料ガスおよび空気の供給を継続する固体酸化物形燃料電池システムの停止制御（以下、ＳＯＦＣシステムの停止制御）において、燃料電池スタックの劣化を抑制するための様々な検討が行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、ＳＯＦＣシステムの停止制御において、燃料電池スタックに定格発電時の流量に対して所望の一定比率の流量で燃料ガスおよび空気を供給することにより、燃料電池スタックのニッケルの酸化劣化を抑制することが提案されている。
【０００４】
特許文献２では、ＳＯＦＣシステムの停止制御において、燃料電池スタックのカソードに空気を供給するとともに、改質器を通じてアノードに原料ガスおよび水蒸気の混合ガスを供給する際に、改質器の温度が、改質触媒の「酸化発生温度±１５０℃」の範囲まで降温したとき、混合ガスの供給を停止することが提案されている。また、混合ガスの供給を停止した後、空気または炭化水素ガスを、パージガスとして改質器を通じて燃料電池スタックに流すことが提案されている。これにより、改質触媒を酸化劣化させずに、ＳＯＦＣシステムの停止制御を適切に行うことができると開示している。
【０００５】
特許文献３では、ＳＯＦＣシステムの停止制御において、燃料電池スタックのカソードに空気を供給するとともに、改質器を通じてアノードに水（水蒸気）および原料ガスを、これらの流量を減少させながら供給を継続することが提案されている。これにより、アノードを還元雰囲気に保ちながら、燃料電池スタックの温度を適切に低下させることができると開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０６９６３２号
【特許文献２】特許第４９０６２４２号公報
【特許文献３】特許第４９６１６８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、従来例は、発電停止後に、燃料電池スタックに燃料ガスおよび空気の供給を継続するＳＯＦＣシステムの停止制御において、燃焼器の燃焼特性を考慮して空気流量をどのように設定するかについては検討されていない。
【０００８】
本開示の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、発電停止後に、燃料電池スタックに燃料ガスおよび空気の供給を継続するＳＯＦＣシステムの停止制御において、燃焼器の燃焼特性を考慮して空気流量を適切に設定することにより、従来に比べて燃料電池スタックの耐久性劣化を抑制し得るＳＯＦＣシステムを提供する。また、本開示の一態様は、上記の停止制御における停止時間を従来よりも短縮し得るＳＯＦＣシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本開示の一態様のＳＯＦＣシステムは、燃料ガスおよび空気を用いて発電する燃料電池スタックと、原料を改質することで前記燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料電池スタックに前記空気を供給する空気供給器と、前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスを燃焼する燃焼器と、発電停止後に、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスおよび前記空気の供給を継続するＳＯＦＣシステムの停止制御において、前記アノードオフガス中の水素成分のモル分率が前記アノードオフガス中の原料成分のモル分率よりも大きい場合における、前記改質器に供給する原料に対する空気比の平均値を第一平均値とし、前記アノードオフガス中の水素成分のモル分率が前記アノードオフガス中の原料成分のモル分率よりも小さい場合における、前記改質器に供給する原料に対する空気比の平均値を第二平均値とした場合、第一平均値が第二平均値よりも大きくなるように前記空気供給器を制御する制御器と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の一態様のＳＯＦＣシステムは、発電停止後に、燃料電池スタックに燃料ガスおよび空気の供給を継続するＳＯＦＣシステムの停止制御において、燃焼器の燃焼特性を考慮して空気流量を適切に設定することにより、従来に比べて燃料電池スタックの耐久性劣化を抑制し得るという効果を奏する。また、本開示の一態様のＳＯＦＣシステムは、上記の停止制御における停止時間を従来よりも短縮し得るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１実施形態のＳＯＦＣシステムの一例を示す図である。
【図２】図２は、単体燃焼実験装置による模擬オフガスの燃焼実験の結果の一例を示す図である。
【図３】図３は、第１実施形態のＳＯＦＣシステム１００における発電動作に伴う燃料電池スタックの温度変化の一例を示す図である。
【図４】図４は、第１実施形態のＳＯＦＣシステムの停止制御の一例を示す図である。
【図５】図５は、第１実施形態のＳＯＦＣシステムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図６】図６は、第２実施形態のＳＯＦＣシステムの一例を示す図である。
【図７】図７は、第２実施形態のＳＯＦＣシステムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図８】図８は、第３実施形態のＳＯＦＣシステムの一例を示す図である。
【図９】図９は、第４実施形態のＳＯＦＣシステムの一例を示す図である。
【図１０】図１０は、第５実施形態のＳＯＦＣシステムの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
発電停止後に、燃料電池スタックに燃料ガスおよび空気の供給を継続するＳＯＦＣシステムの停止制御において、燃焼器の燃焼特性を考慮して空気流量をどのように設定するかについて鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。
【００１３】
燃料電池スタックの発電制御運転中に、ＳＯＦＣシステムにおいて発電を停止する指示が行われた場合、ＳＯＦＣシステムの停止制御に移行する。ここで、燃料電池スタックは、高温状態（例えば、約６００℃程度）で発電を行っているので、ＳＯＦＣシステムを適切に停止するには、システム内の温度を高温から常温まで迅速かつ安定的に低下させる必要がある。
【００１４】
具体的には、ＳＯＦＣシステムの燃料電池スタックのアノード（燃料極）で使用されることが多いニッケルが、高温状態で空気に触れることにより酸化すると、燃料電池スタックの耐久性が劣化することが知られている。そこで、燃料電池スタックの温度が、ニッケルが酸化しない適温（例えば、約４００℃）に至るまで、燃料電池スタックのアノードへの空気混入が発生しない方策を講じる必要があり、従来から主として、以下の２通りの方法が知られている。
【００１５】
第１の方法は、発電停止後、燃料電池スタックのカソード（空気極）にのみ、空冷のための空気の供給を継続するとともに、燃料電池スタックのアノードへの燃料ガス供給は停止する方法である。これにより、水素含有の燃料ガスが燃料電池スタックのアノードに満たされるので、アノードのニッケルの酸化を抑制し得る。この方法は、単純な停止制御であるという利点を備えるが、燃料電池スタックのアノードの温度低下に伴い、アノードの内外の圧力差が発生するので、アノード内に空気が流入する恐れがある。よって、このような第１の方法では、アノードのニッケルの酸化を完全に抑制することが困難であると考えられる。
【００１６】
第２の方法は、発電停止後も、燃料電池スタックのカソードに、空気の供給を継続するとともに、燃料電池スタックのアノードのニッケルが酸化しない適温（例えば、約４００℃程度）に至るまで、水素含有の燃料ガスをアノードに供給する方法である。これにより、燃料電池スタックの温度が、上記の適温に至るまで、水素含有の燃料ガスが、燃料電池スタックのアノードを流れるので、アノードのニッケルの酸化を抑制し得る。この方法は、第１の方法に比べてアノードのニッケルの酸化抑制効果に優れているが、可燃成分を含むアノードオフガスがアノードから外部に排出される。そこで、アノードから排出されるアノードオフガスを、例えば、燃焼器で、カソードから排出されるカソードオフガス（空気）と混合して燃焼処理することが多い。
【００１７】
第２の方法では、ＳＯＦＣシステムの停止制御において、燃料電池スタックのカソードに供給する空気の流量を増やすと、ＳＯＦＣシステムの温度を迅速に低下できるが、燃焼器に流入するカソードオフガスの流量増加により、燃焼器で希薄燃焼が生じることで燃焼器の火炎が失火しやすくなる。仮に燃焼器の火炎が失火すると、燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給できずに、アノードに空気が流入する可能性があるので、アノードのニッケルの酸化により、燃料電池スタックの耐久性が劣化する場合がある。
【００１８】
逆に、燃料電池スタックのカソードに供給する空気の流量を減らすと、燃焼器の燃焼安定性を向上できるが、ＳＯＦＣシステムの停止制御における停止時間が増加する。
【００１９】
つまり、第２の方法では、燃料電池スタックの耐久性劣化の抑制と停止時間短縮とがトレードオフの関係にあると考えられる。
【００２０】
ところで、ＳＯＦＣシステムの停止制御中であっても、改質器が高温状態の場合、改質器で原料を改質することで水素含有の燃料ガスが生成される。そして、この改質器を通じて燃料電池スタックのアノードに水素含有の燃料ガスが供給される。
【００２１】
そこで、発明者らは、燃料電池スタックのアノードから燃焼器に流入するアノードオフガスの組成が、改質器の温度が低下するに連れて、改質器の転化率などが変化することで水素成分が支配的な組成から原料成分が支配的な組成に変化することに着目し、以下の本開示の一態様を完成させるに至った。つまり、発明者らは、燃料電池スタックのアノードから燃焼器に流入するアノードオフガスの組成の変化に対応して、燃料電池スタックのカソードに供給する空気の流量を適切に設定することで上記の第２の方法の問題点を改善し得ることを見出した。
【００２２】
すなわち、本開示の第１態様のＳＯＦＣシステムは、燃料ガスおよび空気を用いて発電する燃料電池スタックと、原料を改質することで燃料ガスを生成する改質器と、燃料電池スタックに空気を供給する空気供給器と、燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスを燃焼する燃焼器と、発電停止後に、燃料電池スタックに燃料ガスおよび空気の供給を継続するＳＯＦＣシステムの停止制御において、アノードオフガス中の水素成分のモル分率がアノードオフガス中の原料成分のモル分率よりも大きい場合における、改質器に供給する原料に対する空気比の平均値を第一平均値とし、アノードオフガス中の水素成分のモル分率がアノードオフガス中の原料成分のモル分率よりも小さい場合における、改質器に供給する原料に対する空気比の平均値を第二平均値とした場合、第一平均値が第二平均値よりも大きくなるように空気供給器を制御する制御器と、を備える。
【００２３】
なお、本明細書において、「改質器に供給する原料に対する空気比」（以下、単に「空気比」という場合がある）とは、原料を完全燃焼するのに最低限必要な空気量を「１」とする場合における燃料電池スタックのカソードに供給する空気流量の割合をいう。
【００２４】
例えば、原料が、都市ガス主成分のメタンガスである場合における「改質器に供給するメタンに対する空気比」について、以下、説明する。
【００２５】
メタンガスの燃焼反応は、以下の式（１）で表される。
【００２６】
ＣＨ４＋２Ｏ２ → ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ・・・（１）
よって、改質器に供給するメタンガスの流量Ｌが完全燃焼するのに最低限必要な空気流量Ｑは、空気中に酸素が２１％含まれていると仮定すると、以下の式（２）で表される。よって、「改質器に供給するメタンに対する空気比」は、この空気流量Ｑを「１」とする場合における燃料電池スタックのカソードに供給する空気流量の割合であるので、以下の式（３）で表される。
【００２７】
Ｑ＝２×Ｌ／０．２１・・・（２）
空気比＝（燃料電池スタックのカソードに供給する空気流量）／Ｑ・・・（３）
以上の構成によると、本態様のＳＯＦＣシステムは、発電停止後に、燃料電池スタックに燃料ガスおよび空気の供給を継続するＳＯＦＣシステムの停止制御において、燃焼器の燃焼特性を考慮して空気流量を適切に設定することにより、従来に比べて燃料電池スタックの耐久性劣化を抑制し得る。また、本態様のＳＯＦＣシステムは、この停止制御における停止時間を従来よりも短縮し得る。
【００２８】
ここでは、改質器に供給する原料として、例えば、メタンガスを用いる場合について、以下、第１態様の作用効果を説明する。
【００２９】
アノードオフガス中の水素成分のモル分率がアノードオフガス中のメタン成分のモル分率よりも大きい場合、燃焼器に流入するアノードオフガスの組成は、水素成分が支配的な組成であるので、燃焼器で希薄燃焼が生じても失火しにくい。つまり、燃焼器の燃料が希薄化した場合であっても、燃焼速度が速い水素燃焼による火炎は、燃焼速度が遅いメタン燃焼による火炎よりも失火しにくい。よって、この段階では、燃料電池スタックのカソードに供給する空気の流量を増やすことで（つまり、空気比の第一平均値を大きくすることで）、ＳＯＦＣシステムの温度を迅速に低下できるので、ＳＯＦＣシステムの停止制御における停止時間を従来よりも短縮し得る。
【００３０】
逆に、アノードオフガス中の水素成分のモル分率がアノードオフガス中のメタン成分のモル分率よりも小さい場合、燃焼器に流入するアノードオフガスの組成は、メタン成分が支配的な組成であるので、燃焼器で希薄燃焼が生じると失火しやすい。つまり、燃焼器の燃料が希薄化した場合、燃焼速度が遅いメタン燃焼による火炎は、燃焼速度が速い水素燃焼による火炎よりも失火しやすい。よって、この段階では、燃料電池スタックのカソードに供給する空気の流量を減らすことで（つまり、空気比の第二平均値を小さくすることで）、燃焼器の燃焼安定性を向上できる。すると、燃焼器の火炎の失火により燃料電池スタックのアノードに燃料ガスを供給できずに、アノードに空気が流入する可能性を低減できるので、従来に比べて燃料電池スタックの耐久性劣化を抑制し得る。
【００３１】
本開示の第２態様のＳＯＦＣシステムは、第１態様のＳＯＦＣシステムにおいて、改質器の温度を検知する温度検知器を備え、制御器は、ＳＯＦＣシステムの停止制御において、この温度検知器の検知温度に基づいて空気供給器を制御してもよい。
【００３２】
燃料電池スタックのアノードから燃焼器に流入するアノードオフガスの組成が、水素成分が支配的な組成であるか、原料成分が支配的な組成であるかについては、改質器の温度を検知することにより知ることができる。よって、本態様のＳＯＦＣシステムは、温度検知器の検知温度に基づいて空気供給器を制御することで、燃料電池スタックのカソードに供給する空気の流量を適切に設定することができる。
【００３３】
本開示の第３態様のＳＯＦＣシステムは、第２態様のＳＯＦＣシステムにおいて、制御器は、ＳＯＦＣシステムの停止制御において、空気供給器を制御して、温度検知器の検知温度の低下に連れて、空気比を小さくしてもよい。
【００３４】
燃料電池スタックのアノードから燃焼器に流入するアノードオフガスの組成は、改質器の温度が低下するに連れて、改質器の転化率などが変化することで水素成分が支配的な組成から原料成分が支配的な組成に変化する。よって、本態様のＳＯＦＣシステムは、上記の温度検知器の検知温度の低下に連れて、空気供給器を制御して、燃料電池スタックに供給する空気流量を小さくすることで、燃料電池スタックのカソードに供給する空気の流量を適切に設定することができる。
【００３５】
本開示の第４態様のＳＯＦＣシステムは、第２態様または第３態様のＳＯＦＣシステムにおいて、温度検知器は、改質器に設けられていてもよい。
【００３６】
本開示の第５態様のＳＯＦＣシステムは、第２態様または第３態様のＳＯＦＣシステムにおいて、温度検知器は、燃料電池スタックまたはその周囲に設けられていてもよい。
【００３７】
本開示の第６態様のＳＯＦＣシステムは、第１態様から第５態様のいずれかのＳＯＦＣシステムにおいて、改質器に原料を供給する原料供給器を備え、制御器は、ＳＯＦＣシステムの停止制御において、原料供給器を制御して、改質器に供給する原料の供給量を３００Ｗの発熱量相当の流量以上してもよい。
【００３８】
改質器に供給する原料として、例えば、メタンガスを用いる場合について、以下、第６態様の作用効果を説明する。
【００３９】
燃料電池スタックのアノードから燃焼器に流入するアノードオフガスの組成が、メタン成分が支配的な組成であると、メタンガス流量を３００Ｗの発熱量相当の流量未満に設定する場合、燃焼器の可燃ガス燃焼の熱量不足により可燃ガス燃焼を維持できない可能性がある。しかし、本態様のＳＯＦＣシステムは、上記の構成により、このような可能性を低減できる。
【００４０】
本開示の第７態様のＳＯＦＣシステムは、第１態様から第６態様のいずれかのＳＯＦＣシステムにおいて、改質器に水を供給する水供給器を備え、制御器は、ＳＯＦＣシステムの停止制御において、水供給器を制御して、改質器におけるＳ／Ｃを２．０以上にしてもよい。ここで、Ｓ ／ Ｃとは、改質反応で使用する水蒸気のモル量と、 原料炭化水素を構成する炭素のモル量の比を示す。
【００４１】
改質器におけるＳ／Ｃを２．０未満にすると、改質触媒で炭素析出が発生することにより改質触媒が劣化する可能性があるが、本態様のＳＯＦＣシステムは、上記の構成により、このような可能性を低減できる。
【００４２】
本開示の第８態様のＳＯＦＣシステムは、第２態様から第５態様のいずれかのＳＯＦＣシステムにおいて、燃焼器に点火する点火装置を備え、制御器は、ＳＯＦＣシステムの停止制御において、温度検知器の検知温度が所定時間内に所定値以上低下した場合、又は、所定時間間隔毎に、点火装置を制御して、燃焼器に点火してもよい。
【００４３】
温度検知器の検知温度が所定時間内に所定値以上低下した場合、燃焼器の火炎が失火した可能性がある。よって、この場合、本態様のＳＯＦＣシステムは、燃焼器に点火することで、燃焼器の火炎が失火した状態が継続することを抑制することができる。つまり、燃焼器の火炎が失火した状態から正常燃焼状態に迅速に復帰することができる。
【００４４】
また、本態様のＳＯＦＣシステムは、所定時間間隔毎に、燃焼器に点火することで、燃焼器の火炎が失火した状態に至る可能性を低減することができる。
【００４５】
本開示の第９態様のＳＯＦＣシステムは、第１態様から第８態様のいずれかのＳＯＦＣシステムにおいて、燃焼器は拡散燃焼器であってもよい。
【００４６】
この構成により、燃焼器の火炎が失火した状態に至る可能性を低減することができる。
【００４７】
以下、添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、数値、構成要素、および、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、上記の各態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。
【００４８】
動作においては、必要に応じて、各工程の順序などを変更できる。また、必要に応じて、他の公知の工程を追加できる。
【００４９】
（第１実施形態）
［装置構成］
図１は、第１実施形態のＳＯＦＣシステムの一例を示す図である。
【００５０】
なお、図１において、便宜上、同図のように「上」および「下」が取られ、重力は上から下に作用するものとする（図６、図８、図９および図１０においても同じ）。
【００５１】
図１に示す例では、ＳＯＦＣシステム１００は、改質器２と、燃料電池スタック６と、燃焼器２０と、制御器４０、空気供給器４４と、を備える。
【００５２】
なお、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、ＳＯＦＣシステム１００の内部を改質器２、蒸発器４および燃焼器２０などが収容される上部領域５０Ａと、燃料電池スタック６などが収容される下部領域５０Ｂとに仕切る隔壁部５１が設けられている。
【００５３】
改質器２は、炭化水素系の原料を改質することで水素含有の燃料ガス（改質ガス）を生成する装置である。ここでは、改質器２は、燃焼器２０の上方に配置されており、内壁２Ａと外壁２Ｂとから形成されている側壁部を備えるが、必ずしも、この構成に限定されない。
【００５４】
但し、改質器２が側壁部を備えた構成とした場合、側壁部の厚みを適切に設定することで、改質器２の側壁部に充填された改質触媒２Ｅ全体に対して燃焼排ガスからの熱を効率よく伝えることができる。
【００５５】
例えば、改質器２内に改質触媒２Ｅの量を必要量（例えば、約２００g程度）、確保したうえで、燃焼排ガスが保有する熱が改質触媒２Ｅ全体へ十分に伝わるように、内壁２Ａと外壁２Ｂとの間隔（つまり、側壁部の厚み）を、約１０ｍｍ程度に設定した構成とすることができる。
【００５６】
ここで、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、改質器２の内壁２Ａおよび外壁２Ｂは、径の異なる円筒体であるであるが、これに限らない。これらの内壁２Ａおよび外壁２Ｂは、例えば、矩形筒体であってもよい。
【００５７】
但し、ＳＯＦＣシステム１００の如く、改質器２の内壁２Ａおよび外壁２Ｂを円筒体で構成した場合、これらを矩形筒体で構成した場合と比べ、製造時の溶接長さおよび溶接箇所を削減できる。このため、改質器２の製造コストの低減を図ることができる。また、改質器２の内壁２Ａおよび外壁２Ｂを円筒体で構成した場合、ガス圧力への耐性、熱応力への耐性が向上し、円筒体の薄板化が可能となる。
【００５８】
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、改質器２の側壁部の上端領域は上板部材２Ｕで覆われ、側壁部の下端領域は下板部材２Ｄで覆われている。なお、上板部材２Ｕの周辺部は、改質触媒２Ｅへ送るためのガスが通過する複数の開口部（図示せず）が形成されている。
【００５９】
図１に示すように、高温の燃焼排ガスが、改質器２の外壁２ＢとＳＯＦＣシステム１００の容器の内壁５４との間の空間を通過する。これにより、改質器２の改質触媒２Ｅが燃焼排ガスの熱で加熱されている。
【００６０】
改質器２の内壁２Ａの下端部近傍には、折り返し部１６が設けられている。折り返し部１６は、内壁２Ａの周囲に沿って設けられた複数の開口部（図示せず）を備える。なお、この開口部は、改質触媒２Ｅの触媒粒子の通過を阻止し、燃料ガスの通気を許すような大きさ（例えば、直径１ｍｍ−３ｍｍ程度の丸穴）で内壁２Ａに形成されている。
【００６１】
また、燃料ガス供給経路１３が、下板部材２Ｄを気密状態で貫通し、改質器２内の空間を鉛直上方に伸びている。なお、燃料ガス供給経路１３の上端部は、改質器２内の空間から燃料ガス供給経路１３への燃料ガスの流入を阻害しない位置であって、上板部材２Ｕよりも下方に位置している。燃料ガス供給経路１３の下端部は、燃料電池スタック６に接続されている。
【００６２】
改質器２の改質反応は、いずれの形態であってもよい。例えば、ＳＯＦＣシステム１００の発電制御運転中は、改質器２の改質反応として、水蒸気改質反応が行われている。改質触媒２Ｅの触媒金属には、一般的に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈなどの貴金属系触媒およびＮｉからなる群の中から選択される少なくとも１種を用いることができる。
【００６３】
なお、原料として、メタンガスを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなどの少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含む炭化水素系の原料ガスを用いてもよいし、アルコール、バイオ燃料、軽油などの炭化水素系の液体燃料を用いてもよい。
【００６４】
ここで、水（水蒸気）と原料とは、高温状態（例えば、約４００〜７００℃程度）で改質器２に供給する必要がある。
【００６５】
そこで、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、改質器２の上板部材２Ｕの直上に、蒸発器４が設けられ、水（水蒸気）および原料はそれぞれ、蒸発器４を介して、改質器２に供給されている。そして、改質器２では、その内部に充填された改質触媒２Ｅの層内で水蒸気改質反応によって生成されたＨ２、ＣＯ２およびＣＯと、一部未改質ガスと、水蒸気とを含む燃料ガスが生成される。燃料ガスは、燃料ガス供給経路１３を通じて燃料電池スタック６のアノードに供給される。
【００６６】
蒸発器４は、内壁４Ａと外壁４Ｂとで形成されている側壁部と、改質器２の上板部材２Ｕと下板部材４Ｄとで形成されている底部４Ｅとを備える。蒸発器４の側壁部の上端領域は、ＳＯＦＣシステム１００の容器の上壁５２で覆われ、側壁部の下端領域は下板部材４Ｄで覆われている。よって、蒸発器４の側壁部および底部４Ｅの内部はいずれも空間となっている。そして、この側壁部内に、らせん状の流路を構成する流路部材４Ｃ（例えば、ワイヤー）が巻き付けられている。
【００６７】
なお、蒸発器４の外壁４Ｂと改質器２の外壁２Ｂは、同一筒体で構成されている。これにより、ＳＯＦＣシステム１００の部品点数を削減できる。
【００６８】
ここでは、蒸発器４の内壁４Ａおよび外壁４Ｂは、径の異なる円筒体であるが、これに限らない。これらの内壁４Ａおよび外壁４Ｂは、例えば、矩形筒体でもよい。
【００６９】
但し、ＳＯＦＣシステム１００の如く、蒸発器４の内壁４Ａおよび外壁４Ｂを円筒体で構成した場合、これらを矩形筒体で構成した場合と比べ、製造時の溶接長さおよび箇所を削減できるので、蒸発器４の製造コストの低減を図ることができる。また、蒸発器４の内壁４Ａおよび外壁４Ｂを円筒体で構成した場合、ガス圧力への耐性、熱応力への耐性が向上し、円筒体の薄板化が可能となる。
【００７０】
図１に示すように、高温の燃焼排ガスは、蒸発器４の外壁４ＢとＳＯＦＣシステム１００の容器の内壁５４との間の空間を通過する。これにより、蒸発器４の側壁部内が燃焼排ガスの熱で加熱されている。
【００７１】
蒸発器４の内壁４Ａの下端部近傍には、折り返し部１７が設けられている。折り返し部１７は、内壁４Ａの周囲に沿って設けられた複数の開口部（図示せず）を備える。また、原料および水蒸気の混合ガスが流通する混合ガス供給経路１４が、下板部材４Ｄを気密状態で貫通し、蒸発器４内の空間を鉛直上方に伸びている。なお、混合ガス供給経路１４の上端部は、蒸発器４内の空間から混合ガス供給経路１４への混合ガスの流入を阻害しない位置であって、上壁５２よりも下方に位置している。混合ガス供給経路１４の下端部は、蒸発器４の底部４Ｅ内の空間から改質触媒２Ｅへの混合ガスの流入を阻害しない位置であって、上板部材２Ｕよりも上方に位置している。
【００７２】
なお、蒸発器４は、改質器２と接触して配置されていれば、どのような構成であっても構わない。例えば、ＳＯＦＣシステム１００の如く、蒸発器４と改質器２とが、上から下に向かう方向においてこの順に並んでおり、蒸発器４の側壁部と改質器２の側壁部とが、蒸発器４の底部４Ｅを介して接触する構成であってもよい。
【００７３】
燃料電池スタック６は、燃料ガスおよび空気を用いて発電する固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ；図示せず）を備える。
【００７４】
空気供給器４４は、燃料電池スタック６に空気を供給する装置である。空気供給器４４は、燃料電池スタック６に空気を供給できれば、どのような構成であってもよい。空気供給器４４として、例えば、ブロアを挙げることができるが、これに限定されない。
【００７５】
つまり、燃料電池スタック６のカソードには、空気供給器４４と接続された空気供給経路５を通じて空気が供給され、燃料電池スタック６のアノードには、改質器２と接続された燃料ガス供給経路１３を通じて燃料ガスが供給されている。なお、空気供給経路５の詳細は後で説明する。
【００７６】
燃料電池スタック６では、燃料電池スタック６の単セル（図示せず）を、例えば、複数個集合し、直列に接続している。燃料電池スタック６は、複数の平板形の単セルを積層して形成されていてもよいし、複数の円筒形の単セルを集合して形成されていてもよい。
【００７７】
燃料電池スタック６の単セルはそれぞれ、固体酸化物電解質と、アノードと、カソードと、を備える。
【００７８】
固体酸化物電解質としては、酸化物イオン伝導体電解質であってもよいし、プロトン伝導体電解質であってもよい。
【００７９】
単セルのアノードは、固体酸化物電解質の一方の主面に設けられ、単セルのカソードは、固体酸化物電解質の一方の主面に設けられている。単セルのアノードは、少なくともニッケル（Ｎｉ）を含む組成の物質から構成されているが、このような単セルの構成は、一般的なＳＯＦＣと同様であるので詳細な構成の説明は省略する。
【００８０】
空気供給経路５は、燃料電池スタック６のカソードに送るための空気が流通する流路である。具体的には、空気供給器４４により空気が、空気供給経路５に供給された後、燃料電池スタック６へと送られる。
【００８１】
空気供給経路５は、ＳＯＦＣシステム１００の容器の内壁５４と外壁５３との間に形成され、内壁５４は、ＳＯＦＣシステム１００の容器の上壁５２から燃料電池スタック６の下方へ延伸し、ＳＯＦＣシステム１００の底部を覆っている。ＳＯＦＣシステム１００の運転温度が、高温（例えば、６００℃以上）となるので、ＳＯＦＣシステム１００の容器の周囲を、図示しない断熱材で覆い、外部への放熱を抑える構成を取ることが多い。
【００８２】
アノードオフガス排出経路１１は、燃料電池スタック６のアノードから排出されるアノードオフガスが流通する流路である。具体的には、燃料電池スタック６の発電に使用しなかった水素ガス（Ｈ２）、水蒸気（Ｈ２Ｏ）、一酸化炭素ガス（ＣＯ）、未改質の原料ガスなどを含むアノードオフガスがアノードオフガス排出経路１１を通過した後、燃焼器２０へと送られる。
【００８３】
ここでは、アノードオフガス排出経路１１は、燃料電池スタック６のアノードから下部領域５０Ｂおよび隔壁部５１を通過して燃焼器２０へ至るように延伸している。なお、アノードオフガス排出経路１１の本数は、２本であるが、これに限らない。
【００８４】
カソードオフガス排出経路は、燃料電池スタック６のカソードから排出されるカソードオフガスが流通する流路である。具体的には、燃料電池スタック６の発電に使用しなかった空気（カソードオフオフガス）が、このカソードオフガス排出経路を通過した後、燃焼空間２５に送られる。
【００８５】
ここでは、カソードオフガス排出経路は、燃料電池スタック６が収容される下部領域５０Ｂ内の空間と、第１カソードオフガス通過領域２３と第２カソードオフガス通過領域３０とによって形成されている。
【００８６】
空気熱交換器７は、空気供給経路５を流れる空気と内壁５４内を流れる燃焼排ガスとがもっている熱を交換する装置である。つまり、空気熱交換器７では、燃焼排ガスに曝される内壁５４の部分が伝熱面として機能する。これにより、常温の空気は、空気供給経路５を上から下へと流れるとき、内壁５４内を下から上へと流れる燃焼排ガスとの熱交換により、高温（例えば、約６００℃〜７００℃程度）まで加熱される。さらに、空気は、燃料電池スタック６の内部改質の反応熱を利用し、燃料電池スタック６の発電反応に必要な温度まで加熱され、燃料電池スタック６を収容する容器の下部から燃料電池スタック６のカソードに供給される。なお、燃焼排ガスは、適温（例えば、約１００℃〜２００℃程度）まで冷却された後、ＳＯＦＣシステム１００外へ排出される。この燃焼排ガスは、例えば、給湯用の温水を生成するための図示しない熱交換器に送られてもよい。
【００８７】
燃焼器２０は、燃料電池スタック６から排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスを燃焼する装置である。
【００８８】
具体的には、燃料電池スタック６から排出されたカソードオフガスとアノードオフガスとをそれぞれ燃焼空間２５に噴出させる。すると、これらのガスが燃焼空間２５で拡散燃焼する。
【００８９】
燃焼器２０はアノードオフガス集合部２２を備える。アノードオフガス集合部２２には、燃料電池スタック６のアノードから排出されたアノードオフガスを集合させるとともに、集合したアノードオフガスを燃焼空間２５に噴出させるための複数のアノードオフガス噴出孔２１が設けられている。アノードオフガス集合部２２は、燃料電池スタック６のカソードから排出されたカソードオフガスが通過する第１カソードオフガス通過領域２３を囲むように形成されている。
【００９０】
図１に示すように、アノードオフガス集合部２２は、中空構造の円環体で形成されている。そして、この円環体の内側の空間と下部領域５０Ｂとが連通するように隔壁部５１には、開口部が形成されている。
【００９１】
この開口部を含む円環体の内側の空間を、第１カソードオフガス通過領域２３とする。一方、隔壁部５１においてアノードオフガス集合部２２の外周であって、かつ内壁５４よりも内側となる位置に形成された開口部を第２カソードオフガス通過領域３０とする。
【００９２】
第１カソードオフガス通過領域２３では、カソードオフガスはアノードオフガス集合部２２の内側を通過し、アノードオフガス噴出孔２１で火炎Ｆが燃料ガス供給経路１３に接近する内向きに形成される。よって、火炎Ｆの外周にカソードオフガスを行き届かせることが困難な場合がある。
【００９３】
そこで、カソードオフガスの一部を、アノードオフガス集合部２２よりも外側に位置する第２カソードオフガス通過領域３０を通過させることで、火炎Ｆの外周でもカソードオフガスとアノードオフガスとの混合性を改善させることができる。また、カソードオフガスとアノードオフガスとの混合性を改善させることにより、燃焼器２０の燃焼特性をさらに向上させることができる。例えば、燃料電池スタック６のカソードから排出されるカソードオフガスのトータル量の半分程度が、第２カソードオフガス通過領域３０を通過する構成としてもよい。
【００９４】
また、アノードオフガス噴出孔２１は、アノードオフガス噴出孔２１から上方へ噴出するアノードオフガスが、第１カソードオフガス通過領域２３を下から上へ通過するカソードオフガスに対して接近するように設けられている。つまり、アノードオフガス集合部２２は、第１カソードオフガス通過領域２３に向かって下方に傾斜するテーパ面２２Ｔを備え、テーパ面２２Ｔに、アノードオフガス噴出孔２１が形成されている。
【００９５】
このようにして、アノードオフガス噴出孔２１から噴出したアノードオフガスと第１カソードオフガス通過領域２３を通過したカソードオフガスとが拡散燃焼する。
【００９６】
なお、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、アノードオフガス集合部２２を円環体で構成しているが、これに限らない。アノードオフガス集合部２２を、例えば、矩形環体で構成してもよい。
【００９７】
但し、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００の如く、アノードオフガス集合部２２を円環体で構成することにより、アノードオフガス集合部２２を、例えば、矩形環体で構成する場合に比べ、製造時の溶接長さおよび箇所を削減できるので、アノードオフガス集合部２２の製造コストが低減する。また、ガス圧力への耐性、熱応力への耐性が向上し、円環体の薄板化が可能となる。
【００９８】
制御器４０は、発電停止後に、燃料電池スタック６に燃料ガスおよび空気の供給を継続するＳＯＦＣシステム１００の停止制御において、アノードオフガス中の水素成分のモル分率（β）がアノードオフガス中の原料成分のモル分率（α）よりも大きい場合（β＞α）における、改質器２に供給する原料に対する空気比の平均値を第一平均値とし、アノードオフガス中の水素成分のモル分率（β）がアノードオフガス中の原料成分のモル分率（α）よりも小さい場合（β＜α）における、改質器２に供給する原料に対する空気比の平均値を第二平均値とした場合、第一平均値が第二平均値よりも大きくなるように空気供給器４４を制御する。
【００９９】
制御器４０は、ＳＯＦＣシステム１００の全体の動作を制御してもよい。
【０１００】
制御器４０は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であってもよい。制御器４０は、例えば、演算回路（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶回路（図示せず）と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを例示できる。記憶回路として、例えば、メモリなどを例示できる。
【０１０１】
制御器４０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
【０１０２】
なお、図１に図示されていないが、ＳＯＦＣシステム１００の運転において必要となる機器は適宜設けられる。
【０１０３】
例えば、改質器２の改質反応が水蒸気改質反応であれば、蒸発器４に水を供給する水供給器（例えば、ポンプ）、蒸発器４に原料を供給する原料供給器（例えば、ポンプ）などが設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、ＳＯＦＣシステム１００には、さらに、改質器２に改質用の空気を供給する空気供給器（例えば、ブロア）などが設けられる。また、例えば、燃焼器２０に点火する点火装置（例えば、点火ヒーター）が、燃焼空間２５の適所に設けられている。また、改質器２および燃料電池スタック６などの温度を検知する温度検知器が、ＳＯＦＣシステム１００の適所に設けられている。
【０１０４】
［ＳＯＦＣシステムの停止制御］
以下、図表を参照しながら、ＳＯＦＣシステム１００の停止制御の詳細について説明する。
【０１０５】
上記のとおり、ＳＯＦＣシステム１００の停止制御において、燃料電池スタック６のカソードに供給する空気の流量を増やすと、ＳＯＦＣシステム１００の温度を迅速に低下できるが、燃焼器２０に流入するカソードオフガスの流量増加により、燃焼器２０で希薄燃焼が生じることで燃焼器の火炎が失火しやすくなる。仮に燃焼器２０の火炎が失火すると、燃料電池スタック６のアノードに燃料ガスを供給できずに、アノードに空気が流入する可能性がある。
【０１０６】
例えば、図１のＳＯＦＣシステム１００で説明すると、アノードオフガス排出経路１１の下流端は燃焼器２０内の空間で開放されている。よって、燃料電池スタック６のアノードに燃料ガスを供給できない場合、アノードオフガス排出経路１１にアノードオフガスを流すことができないので、アノードオフガス排出経路１１を通じて燃焼器２０内に存在する空気がアノードに流入する恐れがある。すると、アノードのニッケルの酸化により、燃料電池スタックの耐久性が劣化する場合がある。
【０１０７】
逆に、燃料電池スタック６のカソードに供給する空気の流量を減らすと、燃焼器２０の燃焼安定性を向上できるが、ＳＯＦＣシステム１００の停止制御における停止時間が増加する。
【０１０８】
そこで、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、例えば、メタンガスが主成分である都市ガスを原料に用いる場合、燃料電池スタック６のアノードから燃焼器２０に流入するアノードオフガスの組成が、改質器２の温度が低下するに連れて、改質器２の転化率などが変化することで水素成分が支配的な組成からメタン成分が支配的な組成に変化することに着目した。つまり、燃焼速度が速い水素燃焼と燃焼速度が遅いメタン燃焼との燃焼特性の違いに着目した。
【０１０９】
下記表１には、ＳＯＦＣシステム１００の停止制御におけるＳＯＦＣシステム１００の各機器の動作条件の一例が示されている。ここでは、ＳＯＦＣシステム１００の停止制御のシーケンスを、便宜上、燃料電池スタック６および改質器２の温度低下に対応してステージ１からステージ５に分けて、ステージ１からステージ５毎の動作条件が記載されている。例えば、ＳＯＦＣシステム１００の発電停止から燃料電池スタック６および改質器２の温度が徐々に低下するに連れて、都市ガスおよび水の流量を低減する必要がある。これは、都市ガスの流量を低減しないと、燃焼器２０の発熱により燃料電池スタック６および改質器２の温度をさらに低下させることが困難になるからである。また、水の流量を低減しないと、Ｓ／Ｃの値が大きくなり過ぎて、燃焼器２０の燃焼特性に悪影響を与える可能性があるからである。なお、以下の表１の動作条件は例示であって、本例に限定されない。
【０１１０】
【表１】
2019164988.tif 000003
【０１１１】
下記表２には、表１のステージ１からステージ５のそれぞれの動作条件において、アノードオフガスの組成を計算（シミュレーション）した結果の一例が示されている。具体的には、表２中の改質器２の温度、都市ガスの流量および水の流量が既知であると、改質器２における改質反応をシミュレーションすることができる。すると、ＳＯＦＣシステム１００の停止制御では燃料電池スタック６の発電が行われていないので、このシミュレーションによりアノードオフガスの組成を導出することができる。
【０１１２】
表２に示すように、改質器２の温度が、約５５０℃から徐々に低下するに連れて、改質器２の転化率などが変化することでアノードオフガス中のメタン濃度に対する水素濃度の比率（Ｈ２／ＣＨ４；モル比）が４．３０から徐々に低下することがわかる。改質器２の温度が約４５０℃程度（ステージ３）に達すると、両者が、ほぼ同比率（１．３９）になることがわかる。改質器２の温度が約４００℃程度（ステージ４）に達すると、アノードオフガス中のメタン濃度に対する水素濃度の比率が０．６７であるので、アノードオフガス中のメタン濃度が、水素濃度よりも高くなることがわかる。
【０１１３】
【表２】
2019164988.tif 000004
【０１１４】
そこで、表２のステージ１からステージ５のそれぞれのアノードオフガスの組成に対応する下記表３の模擬オフガスをそれぞれ製作した。そして、模擬オフガスをそれぞれ、空気比を変化させながら、図１の燃焼器２０の部分のみから構成される単体燃焼実験装置（図示せず）で燃焼する実験を行った。
【０１１５】
なお、実験の使用に適さない表２のアノードオフガス中のＣＯガスは、表３の模擬オフガスでは水素（Ｈ２）の成分の一部として置き換えている。また、実験の簡略化のため、表２のアノードオフガス中の二酸化炭素ガス（ＣＯ２）および水蒸気（Ｈ２０）は、表３の模擬オフガスでは窒素ガス（Ｎ２）で置き換えている。
【０１１６】
【表３】
2019164988.tif 000005
【０１１７】
図２は、単体燃焼実験装置による模擬オフガスの燃焼実験の結果の一例を示す図である。
【０１１８】
図２では、横軸に、空気比が取られ、縦軸に、単体燃焼実験装置から排出される燃焼排ガス中のメタン濃度（ｐｐｍ）が取られている。なお、ここでは、表１に示す如く、ステージ４およびステージ５において、都市ガスを０．４０ＮＬＭの流量で供給しているので、これらのステージ４およびステージ５における単体燃焼実験装置の発熱量は約３００Ｗ程度である。
【０１１９】
図２において、燃焼排ガス中のメタン濃度が高いことは、単体燃焼実験装置の可燃ガス燃焼が不完全燃焼であること示しており、このメタン濃度は、所定値以下に抑制する必要がある。
【０１２０】
図２から理解できるとおり、ステージ１の如く、改質器２の温度が高い場合（５５０℃）は、空気比の大小に寄らずに、燃焼排ガス中のメタン濃度は十分に低い。
【０１２１】
しかし、改質器２の温度が低下するに連れて（ステージ２からステージ５に移行するに連れて）、空気比の増加に対応して、燃焼排ガス中のメタン濃度が急上昇していることがわかる。
【０１２２】
例えば、燃焼排ガス中のメタン濃度の上限を２０ｐｐｍに設定する場合、改質器２の温度が５００℃のとき（ステージ２）、空気比が１６．３を上回ると、単体燃焼実験装置の可燃ガス燃焼が不完全燃焼になる可能性が生じる。
【０１２３】
改質器２の温度が４５０℃のとき（ステージ３）、空気比が１２．８を上回ると、単体燃焼実験装置の可燃ガス燃焼が不完全燃焼になる可能性が生じる。
【０１２４】
改質器２の温度が３５０℃、４００℃のとき（ステージ４、ステージ５）、空気比が１０．０を上回ると、単体燃焼実験装置の可燃ガス燃焼が不完全燃焼になる可能性が生じる。
【０１２５】
このように、単体燃焼実験装置による可燃ガス燃焼実験により、改質器２の温度が低下するに連れて、燃焼器２０でアノードオフガスを適切に燃焼し得る空気比の上限が低減することがわかった。すなわち、アノードオフガス中の水素成分のモル分率（β）が小さくなるに連れて（換言すると、アノードオフガス中のメタン成分のモル分率（α）が大きくなるに連れて）、燃焼器２０でアノードオフガスを適切に燃焼し得る空気比の上限が低減することを見出した。
【０１２６】
［動作］
以下、図面を参照しながら、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００の動作の一例を説明する。以下の動作は、制御器４０の演算回路が、制御器４０の記憶回路から制御プログラムにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器４０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。
【０１２７】
＜ＳＯＦＣシステムの発電に伴う燃料電池スタックの温度変化＞
まず、ＳＯＦＣシステム１００の起動から停止に至るまでの一連の発電動作に伴う燃料電池スタック６のスタック温度変化について説明する。
【０１２８】
図３は、第１実施形態のＳＯＦＣシステム１００における発電動作に伴う燃料電池スタックの温度変化の一例を示す図である。
【０１２９】
図３に示すように、ＳＯＦＣシステム１００を負荷に応じた発電を行う場合、常温（２０℃程度）から安定発電温度（例えば、約６００℃程度）まで加温させる必要がある。すなわち、ＳＯＦＣシステム１００の制御運転（運転モード）が起動制御運転（起動制御モード）の際には、常温の燃料電池スタック６のアノードに改質用空気および都市ガスなどの原料が導入される。つまり、制御器４０は、原料と改質用空気とを予め混合させて、蒸発器４および改質器２を経由して燃料電池スタック６のアノードに供給する。また、制御器４０は、空気供給器４４を制御して、燃料電池スタック６のカソードに空気を導入する。そして、制御器４０は、燃料電池スタック６のアノードから排出されたアノードオフガスに点火するとともに、燃焼器２０で燃料電池スタック６のカソードから排出されたカソードオフガスと燃焼させる。
【０１３０】
燃焼熱により改質器２が加熱され温度が上昇すると、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、この反応熱をＳＯＦＣシステム１００の温度上昇に寄与させ得る。すると、ＳＯＦＣシステム１００の起動性を良好とすることができる。部分酸化改質反応（ＰＯＸ）が進行しても、燃焼空間２５におけるアノードオフガスとカソードオフガスとの燃焼反応は持続する。
【０１３１】
部分酸化改質反応（ＰＯＸ）の実行開始から所定時間経過後、あるいは所定温度以上に改質器２が加熱された後、原料と改質用空気と蒸発器４で蒸発させた水蒸気とが、予め混合させた状態で改質器２に供給される。改質器２においては、部分酸化改質反応（ＰＯＸ）と水蒸気改質反応（ＳＲ）とが併用されたオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）が行われる。このオートサーマル改質反応（ＡＴＲ）は、熱的にバランスが取れるため改質器２内では熱自立しながら反応が進行する。
【０１３２】
オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）の実行開始から所定時間経過後、あるいは所定温度以上に改質器２が加熱された後、改質用空気の供給が停止される。これにより、原料と水蒸気とが混合状態で改質器２に供給される。これにより、オートサーマル改質反応（ＡＴＲ）から水蒸気改質反応（ＳＲ）に移行する。この水蒸気改質反応（ＳＲ）は、吸熱反応であるが、この時点では既に改質器２の周囲は十分高温（例えば、約５００℃〜６００℃）になっているため、燃料電池スタック６を安定的に温度上昇させることができる。
【０１３３】
燃料電池スタック６のスタック温度が定格負荷で安定的に発電動作させる際のスタックの温度である定格温度よりも低い所定の発電温度に達したら、制御器４０は不図示の開閉器などを制御して燃料電池スタック６を含む発電回路を閉じる。これにより、燃料電池スタック６は発電を開始し、発電回路に電流が流れる。発電に伴って、発熱反応の発生により、燃料電池スタック６自体は発熱することで、燃料電池スタック６の温度を速やかに昇温することができる。
【０１３４】
つまり、図３に示すように、ＳＯＦＣシステム１００における起動制御運転後であって、燃料電池スタック６の温度が、外部負荷に対して安定的に電力が供給されるように発電が行われる際の温度（約６００℃）に達する前までの期間では起動発電制御運転が行われる。起動発電制御運転は、燃料電池スタック６の温度が約５３０℃以上で６００℃未満となる範囲で実施される。これは、燃焼器２０の直上に配置されている改質器２よりも温度上昇が遅い燃料電池スタック６の昇温をアシストするために、本格的な発電開始前に所定値以下の発電を開始する動作である。
【０１３５】
その後、ＳＯＦＣシステム１００において、制御器４０が定格温度以上を安定して維持できると判定すると、負荷追従運転（発電制御運転）を開始させる。なお、この負荷追従運転の状態にあるときを正常運転という。
【０１３６】
以上の燃料電池スタック６の発電制御運転中に、ＳＯＦＣシステム１００において発電を停止する指示が行われた場合、以下のＳＯＦＣシステム１００の停止制御（発電を停止する制御）に移行する。
【０１３７】
図４は、第１実施形態のＳＯＦＣシステムの停止制御の一例を示す図である。
【０１３８】
図４（ｂ）には、改質器２の温度に対応して変化するアノードオフガス中のメタン成分のモル分率（α）およびアノードオフガス中の水素成分のモル分率（β）のプロファイルの一例が示されている。
【０１３９】
図４（ａ）には、改質器２の温度に対応して設定された空気流量および原料流量の一例が示されている。つまり、図２の単体燃焼実験装置による燃焼実験結果が、図４（ａ）に示す如く、ＳＯＦＣシステム１００の停止制御に反映されている。
【０１４０】
具体的には、上記のとおり、改質器２の温度が約５００℃程度のとき、空気比が１６．３を上回ると、燃焼器２０の可燃ガス燃焼が不完全燃焼になる可能性が生じる。よって、この段階で、原料流量を０．５０ＮＬＭから０．４５ＮＬＭに変化させるとともに、空気流量を８５ＮＬＭから７０ＮＬＭに変化させる。これにより、空気比を１７．９から１６．３に下げることができる。また、ＳＯＦＣシステム１００の温度低下に伴って、原料流量を低下することでＳＯＦＣシステム１００の温度を効果的に下げることができる。
【０１４１】
なお、燃料電池スタック６の発電停止の直後に、空気比を１７．９としている理由は、この空気比が、空気供給器４４（例えば、ブロア）の定格出力の最大値であったからである。
【０１４２】
また、改質器２の温度が約４５０℃程度のとき、空気比が１２．８を上回ると、燃焼器２０の可燃ガス燃焼が不完全燃焼になる可能性が生じる。よって、この段階で、空気流量７０ＮＬＭから５５ＮＬＭに変化させる。これにより、空気比を１６．３から１２．８に下げることができる。
【０１４３】
また、改質器２の温度が約４００℃程度のとき、空気比が１０．０を上回ると、燃焼器２０の可燃ガス燃焼が不完全燃焼になる可能性が生じる。よって、この段階で、原料流量を０．４５ＮＬＭから０．４０ＮＬＭに変化させるとともに、空気流量を５５ＮＬＭから３８ＮＬＭに変化させる。これにより、空気比を１２．８から１０．０に下げることができる。また、ＳＯＦＣシステム１００の温度低下に伴って、原料流量を低下することでＳＯＦＣシステム１００の温度を効果的に下げることができる。
【０１４４】
ここで、時間Ａ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥをそれぞれ、図４に示す如く取る場合、アノードオフガス中の水素成分のモル分率（β）がアノードオフガス中のメタン成分のモル分率（α）よりも大きい場合（β＞α）における空気比の第一平均値は、「（１７．９×Ａ＋１６．３×Ｂ＋１２．８×Ｃ）／（Ａ＋Ｂ＋Ｃ）」で計算できる。
【０１４５】
また、アノードオフガス中の水素成分のモル分率（β）がアノードオフガス中のメタン成分のモル分率よりも小さい場合（β＜α）における空気比の第二平均値は、「（１２．８×Ｄ＋１０．０×Ｅ）／（Ｄ＋Ｅ）」で計算できる。
【０１４６】
よって、図４から容易に理解できるとおり、後者の場合（β＜α：Ｄ＋Ｅ）間は、前者の主たる場合（β＞α：Ａ＋Ｂ）と比べて常に空気比が小さい値であるので、後者の場合（β＜α）の空気比の第二平均値は、前者の場合（β＞α）の空気比の第一平均値に比べて、空気比の平均値が小さくなっている。すなわち、第一平均値が第二平均値より大きくなっている。
【０１４７】
次に、燃料電池スタック６の温度が約４００℃を下回ると、仮に、燃料電池スタック６のアノードに空気が流入しても、アノードのニッケルの酸化が発生しにくくなる。よって、この段階で、原料流量をゼロにして、燃焼器２０の可燃ガス燃焼を停止させる。但し、この場合、図示を省略するが、燃料電池スタック６のカソードに空気供給を継続することで（例えば、空気流量を６０．０ＮＬＭ程度に増加）、このような空気供給を継続しない場合に比べて、ＳＯＦＣシステム１００の温度を迅速に低下することができる。
【０１４８】
その後、ＳＯＦＣシステム１００を適切に再起動し得るように、ＳＯＦＣシステム１００の温度が適温にまで低下したとき、または、空気流量を６０．０ＮＬＭ程度に増加してから所定時間（例えば、数時間）経過したとき、燃料電池スタック６のカソードへの空気供給を停止し、ＳＯＦＣシステム１００の停止制御を終了させる。
【０１４９】
そして、ＳＯＦＣシステム１００を、次回の再起動指示を待つ待機モードに移行させる。
【０１５０】
なお、図示を省略しているが、燃料電池スタック６の発電停止直後の空気流量（８５ＮＬＭ）は、燃料電池スタック６の発電制御運転中の空気流量（例えば、４５ＮＬＭ）よりも十分に多い値に設定されている。また、燃料電池スタック６の発電停止直後の原料流量（０．５０ＮＬＭ）は、燃料電池スタック６の発電制御運転中の原料流量（例えば、２．０８ＮＬＭ）よりも十分に少ない値に設定されている。これにより、燃料電池スタック６の発電停止後、ＳＯＦＣシステム１００の温度を迅速に低下できる。
【０１５１】
また、改質器２に供給する水の流量は、改質器２におけるＳ／Ｃが所定値（例えば、約２．０〜２．５程度）になるように設定されている。
【０１５２】
なお、以上の流量、温度などの数値は例示であって、本例に限定されない。
【０１５３】
図５は、第１実施形態のＳＯＦＣシステムの動作の一例を示すフローチャートである。
【０１５４】
まず、燃料電池スタック６の発電制御運転中に、ＳＯＦＣシステム１００において発電を停止する指示が行われた場合（ステップＳ１）、ステップＳ２で、改質器２に供給する原料の流量、改質器２に供給する水の流量および燃料電池スタック６のカソードに供給する空気の流量がそれぞれ、燃料電池スタック６の発電停止直後の適宜の値に設定される。
【０１５５】
例えば、図４に示す如く、原料流量を０．５ＮＬＭ、空気流量を８５ＮＬＭに設定してもよいが、これらに限定されない。また、水の流量は、例えば、改質器２におけるＳ／Ｃが２．０となるように設定してもよいが、これに限定されない。
【０１５６】
次に、ステップＳ３で、アノードオフガス中の水素成分のモル分率（β）およびアノードオフガス中のメタン成分のモル分率（α）の計算が行われる。具体的には、かかるモル分率（α）およびモル分率（β）は、改質器２の温度およびステップＳ２の原料流量および水流量が既知であるとき、改質器２における改質反応のシミュレーションにより導出することができる。
【０１５７】
次に、ステップＳ４で、アノードオフガス中の水素成分のモル分率（β）とアノードオフガス中のメタン成分のモル分率（α）との間の大小関係が比較され、モル分率（β）がモル分率（α）よりも小さいか否かが判定される。
【０１５８】
モル分率（β）がモル分率（α）よりも大きい場合（ステップＳ４で「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ３に戻って、ステップＳ３以降の動作が繰り返される。
【０１５９】
モル分率（β）がモル分率（α）よりも小さい場合（ステップＳ４で「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ５で、空気比が低下される。なお、空気比の低下は、例えば、ステップＳ２の原料流量を一定に保ち、ステップＳ２の空気流量を下げることで行ってもよいし、ステップＳ２の空気流量の低下量をステップＳ２の原料流量の低下量よりも大きくすることで行ってもよい。
【０１６０】
次に、ステップＳ６で、燃料電池スタック６の温度が所定値に到達したかどうかが判定される。ステップＳ６の所定値は、例えば、燃料電池スタック６のアノードのニッケルが酸化しない適温（例えば、約４００℃）に設定されていてもよい。なお、この温度は例示であって、本例に限定されない。
【０１６１】
燃料電池スタック６の温度が所定値に到達しない場合（ステップＳ６で「Ｎｏ」の場合）、そのままの状態が維持される。
【０１６２】
燃料電池スタック６の温度が所定値に到達した場合（ステップＳ６で「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ７で、改質器２への原料の供給および水の供給が停止される。但し、燃料電池スタック６のカソードへの空気供給は、空気流量を適量に変更して継続される。例えば、図４に示す如く、空気流量を３８ＮＬＭ程度から６０．０ＮＬＭ程度に増加することで、ＳＯＦＣシステム１００の温度を迅速に低下することができるが、これらに限定されない。
【０１６３】
次に、ステップＳ８で、ＳＯＦＣシステム１００の温度が所定温度以下に低下したか否かが判定されるとともに、ステップＳ７の動作から所定時間（例えば、数時間）が経過したか否かが判定される。なお、ステップＳ８の所定温度は、例えば、ＳＯＦＣシステム１００を適切に再起動し得るような適温に設定されている。
【０１６４】
ＳＯＦＣシステム１００の温度が所定温度以下に低下しない場合、かつ、ステップＳ７の動作から所定時間が経過しない場合（ステップＳ８で「Ｎｏ」の場合）、そのままの状態が維持される。
【０１６５】
ＳＯＦＣシステム１００の温度が所定温度以下に低下した場合、または、ステップＳ７の動作から所定時間が経過した場合（ステップＳ８で「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ９で、燃料電池スタック６のカソードへの空気供給が停止され、ＳＯＦＣシステム１００の停止制御が終了する。
【０１６６】
以上のとおり、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、発電停止後に、燃料電池スタック６に燃料ガスおよび空気の供給を継続するＳＯＦＣシステム１００の停止制御において、燃焼器２０の燃焼特性を考慮して空気流量を適切に設定することにより、従来に比べて燃料電池スタック６の耐久性劣化を抑制し得る。また、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、この停止制御における停止時間を従来よりも短縮し得る。
【０１６７】
具体的には、アノードオフガス中の水素成分のモル分率（β）がアノードオフガス中のメタン成分のモル分率（α）よりも大きい場合（β＞α）、燃焼器２０に流入するアノードオフガスの組成は、水素成分が支配的な組成であるので、燃焼器２０で希薄燃焼が生じても失火しにくい。つまり、燃焼器２０の燃料が希薄化した場合であっても、燃焼速度が速い水素燃焼による火炎は、燃焼速度が遅いメタン燃焼による火炎よりも失火しにくい。よって、この段階では、燃料電池スタックのカソードに供給する空気の流量を増やすことで（つまり、空気比の第一平均値を大きくすることで）、ＳＯＦＣシステム１００の温度を迅速に低下できるので、ＳＯＦＣシステムの停止制御における停止時間を従来よりも短縮し得る。
【０１６８】
逆に、アノードオフガス中の水素成分のモル分率（β）がアノードオフガス中のメタン成分のモル分率（α）よりも小さい場合（β＜α）、燃焼器２０に流入するアノードオフガスの組成は、メタン成分が支配的な組成であるので、燃焼器２０で希薄燃焼が生じると失火しやすい。つまり、燃焼器２０の燃料が希薄化した場合、燃焼速度が遅いメタン燃焼による火炎は、燃焼速度が速い水素燃焼による火炎よりも失火しやすい。よって、この段階では、燃料電池スタック６のカソードに供給する空気の流量を減らすことで（つまり、空気比の第二平均値を小さくすることで）、燃焼器２０の燃焼安定性を向上できる。すると、燃焼器２０の火炎の失火により燃料電池スタック６のアノードに燃料ガスを供給できずに、アノードに空気が流入する可能性を低減できるので、従来に比べて燃料電池スタック６の耐久性劣化を抑制し得る。
【０１６９】
（第２実施形態）
［装置構成］
図６は、第２実施形態のＳＯＦＣシステムの一例を示す図である。
【０１７０】
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、以下の第１温度検知器１２および第２温度検知器１５をさらに備えること以外、および、以下の制御器４０の制御内容以外は、第１実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様である。
【０１７１】
第１温度検知器１２は、改質器２の温度を検知するセンサである。第１温度検知器１２は、改質器２の温度を検知できれば、どのような構成であってもよい。
【０１７２】
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、第１温度検知器１２は、改質器２に設けられている。第１温度検知器１２として、例えば、熱電対、サーミスタを挙げることができるが、これらに限定されない。
【０１７３】
第２温度検知器１５は、燃料電池スタック６の温度を検知するセンサである。第２温度検知器１５は、燃料電池スタック６の温度を検知可能な位置であれば、いずれの箇所に設けられていてもよい。例えば、第２温度検知器１５は、燃料電池スタック６に設けられていてもよいし、燃料電池スタック６の周囲に設けられてもよい。本実施形態のＳＯＦＣシステム１００では、第２温度検知器１５は、燃料電池スタック６の周囲に設けられている。
【０１７４】
また、第２温度検知器１５は、燃料電池スタック６の温度を検知できれば、どのような構成であってもよい。第２温度検知器１５として、例えば、熱電対、サーミスタを挙げることができるが、これらに限定されない。
【０１７５】
ここで、改質器２の温度と燃料電池スタック６の温度とは、所定の相関関係が存在する。従って、第２温度検知器１５は、第１温度検知器１２の代わりに、改質器２の温度を間接的に検知してもよい。また、第１温度検知器１２は、第２温度検知器１５の代わりに、燃料電池スタック６の温度を間接的に検知してもよい。第１温度検知器１２および第２温度検知器１５の検知温度は適時に、制御器４０に送信される。
【０１７６】
制御器４０は、発電停止後に、燃料電池スタック６に燃料ガスおよび空気の供給を継続するＳＯＦＣシステム１００の停止制御において、第１温度検知器１２または第２温度検知器１５の検知温度に基づいて空気供給器４４を制御してもよい。具体的には、制御器４０は、この停止制御において、空気供給器４４を制御して、第１温度検知器１２または第２温度検知器１５の検知温度の低下に連れて、空気比を小さくしてもよい。
【０１７７】
［動作］
図７は、第２実施形態のＳＯＦＣシステムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、制御器４０の演算回路が、制御器４０の記憶回路から制御プログラムにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器４０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。
【０１７８】
図７のステップＳ１、ステップＳ２、ステップＳ５〜ステップＳ９は、図５のステップＳ１、ステップＳ２、ステップＳ５〜ステップＳ９と同様である。よって、これらのステップＳ１、ステップＳ２、ステップＳ５〜ステップＳ９の説明は省略ないし簡略化する。
【０１７９】
ステップＳ２で、原料流量、水流量および空気流量がそれぞれ、燃料電池スタック６の発電停止直後の適宜の値に設定された後、ステップＳ１０で、第１温度検知器１２により改質器２の温度が検知される。なお、第１温度検知器１２に代えて、第２温度検知器１５により改質器２の温度が間接的に検知されてもよい。
【０１８０】
次に、ステップＳ１０３で、改質器２の温度を検知することで、アノードオフガス中の水素成分のモル分率（β）およびアノードオフガス中のメタン成分のモル分率（α）の計算が行われる。具体的には、かかるモル分率（α）およびモル分率（β）は、ステップＳ２の原料流量および水流量が既知であるとき、改質器２の温度を検知することで正確に知ることができる。つまり、改質器２の検知温度と都市ガス流量および水流量とから、改質器２における改質反応をシミュレーションすることができる。
【０１８１】
よって、以下のステップＳ１０４で、アノードオフガス中の水素成分のモル分率（β）とアノードオフガス中のメタン成分のモル分率（α）との間の大小関係が正確に比較され、モル分率（β）がモル分率（α）よりも小さいか否かが判定される。
【０１８２】
モル分率（β）がモル分率（α）よりも大きい場合（ステップＳ１０４で「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ１０に戻って、ステップＳ１０以降の動作が繰り返される。
【０１８３】
モル分率（β）がモル分率（α）よりも小さい場合（ステップＳ１０４で「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ５で、空気比が低下される。
【０１８４】
上記のとおり、燃料電池スタック６のアノードから燃焼器２０に流入するアノードオフガスの組成が、水素成分が支配的な組成であるか、メタン成分が支配的な組成であるかについては、改質器２の温度を検知することにより知ることができる。よって、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、第１温度検知器１２または第２温度検知器１５の検知温度に基づいて空気供給器４４を制御することで、燃料電池スタック６のカソードに供給する空気の流量を適切に設定することができる。
【０１８５】
また、燃料電池スタック６のアノードから燃焼器２０に流入するアノードオフガスの組成は、改質器２の温度が低下するに連れて、改質器２の転化率などが変化することで水素成分が支配的な組成からメタン成分が支配的な組成に変化する。よって、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、第１温度検知器１２または第２温度検知器１５の検知温度の低下に連れて、空気供給器４４を制御して、燃料電池スタック６に供給する空気流量を小さくすることで、燃料電池スタック６のカソードに供給する空気の流量を適切に設定することができる。
【０１８６】
なお、「第１温度検知器１２または第２温度検知器１５の検知温度の低下に連れて、空気供給器４４を制御して、燃料電池スタック６に供給する空気流量を小さくする」とは、第１温度検知器１２または第２温度検知器１５の検知温度の低下に連れて、燃料電池スタック６のカソードに供給する空気流量を連続的に小さくなるように制御してもよいし、空気流量が階段状に小さくなるように制御してもよい。
【０１８７】
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、上記特徴以外は、第１実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様であってもよい。
【０１８８】
（第３実施形態）
図８は、第３実施形態のＳＯＦＣシステムの一例を示す図である。
【０１８９】
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、以下の原料供給器４１をさらに備えること以外、および、以下の制御器４０の制御内容以外は、第１実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様である。
【０１９０】
原料供給器４１は、改質器２に原料を供給する装置である。原料供給器４１は、改質器２に原料を供給できれば、どのような構成であってもよい。原料供給器４１として、例えば、ポンプを挙げることができるが、これに限定されない。
【０１９１】
制御器４０は、発電停止後に、燃料電池スタック６に燃料ガスおよび空気の供給を継続するＳＯＦＣシステム１００の停止制御において、原料供給器４１を制御して、改質器２に供給する原料の供給量を３００Ｗの発熱量相当の流量以上にする。
【０１９２】
図２では、上記のとおり、ステージ４およびステージ５において、都市ガスを０．４０ＮＬＭの流量で供給しているので、これらのステージ４およびステージ５における単体燃焼実験装置の発熱量は約３００Ｗ程度である。
【０１９３】
しかし、ステージ４およびステージ５では、ＳＯＦＣシステム１００の温度が低下しているので、都市ガス流量が多い程、燃焼器２０の燃焼熱によりＳＯＦＣシステム１００の温度が下がりにくくなり、ＳＯＦＣシステム１００の停止時間の短縮が困難になる可能性がある。
【０１９４】
そこで、ステージ４およびステージ５において、都市ガスを０．３０ＮＬＭ（発熱量２１０Ｗ）の流量で供給する場合の単体燃焼実験装置による燃焼実験を行ったところ、空気比をどのように変化させても、燃焼排ガス中のメタン濃度は、２０ｐｐｍよりも高い状態のままで、空気比を変更しても完全燃焼させることができなかった。これは、メタンが分解する燃焼化学反応に必要な熱量を、この発熱量（２１０Ｗ）では得ることが困難であると推定されるからである。
【０１９５】
つまり、ＳＯＦＣシステム１００の停止制御において、燃焼器２０の可燃ガス燃焼を安定的に行うには、燃焼器２０の発熱量は、少なくとも約３００Ｗ程度必要である。なお、燃焼器２０の発熱量の上限値は、例えば、ＳＯＦＣシステム１００の発電制御運転中の最小発電量に相当する発熱量（７００Ｗ）程度に設定してもよい。
【０１９６】
以上のとおり、燃料電池スタック６のアノードから燃焼器２０に流入するアノードオフガスの組成が、メタン成分が支配的な組成であると、改質器２に供給するメタンガスの供給量を３００Ｗの発熱量相当の流量未満に設定する場合、燃焼器２０の可燃ガス燃焼の熱量不足により可燃ガス燃焼を維持できない可能性がある。しかし、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、上記の構成により、このような可能性を低減できる。
【０１９７】
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、上記特徴以外は、第１実施形態または第２実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様であってもよい。
【０１９８】
（第４実施形態）
図９は、第４実施形態のＳＯＦＣシステムの一例を示す図である。
【０１９９】
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、以下の水供給器４３をさらに備えること以外、および、以下の制御器４０の制御内容以外は、第１実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様である。
【０２００】
水供給器４３は、改質器２に水を供給する装置である。水供給器４３は、改質器２に水を供給できれば、どのような構成であってもよい。水供給器４３として、例えば、ポンプを挙げることができるが、これに限定されない。
【０２０１】
制御器４０は、発電停止後に、燃料電池スタック６に燃料ガスおよび空気の供給を継続するＳＯＦＣシステム１００の停止制御において、水供給器４３を制御して、改質器２におけるＳ／Ｃを２．０以上にする。
【０２０２】
ＳＯＦＣシステム１００の発電制御運転中および停止制御中は、改質触媒２Ｅでの炭素析出を抑制する必要性から、改質器２におけるＳ／Ｃが少なくとも１．５以上、水供給器４３の水供給動作の変動を考慮すると、Ｓ／Ｃが２．０以上になるように改質器２に水を供給する方が望ましい。なお、改質器２におけるＳ／Ｃが高くなり過ぎると、燃焼器２０の可燃ガス燃焼に悪影響を与えるので、Ｓ／Ｃの上限値は、例えば、３．０程度に設定する方が望ましい。
【０２０３】
以上のとおり、改質器２におけるＳ／Ｃを２．０未満にすると、改質触媒２Ｅで炭素析出が発生することにより改質触媒２Ｅが劣化する可能性があるが、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、上記の構成により、このような可能性を低減できる。
【０２０４】
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態のいずれかのＳＯＦＣシステム１００と同様であってもよい。
【０２０５】
（第５実施形態）
図１０は、第５実施形態のＳＯＦＣシステムの一例を示す図である。
【０２０６】
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、以下の点火装置６０をさらに備えること以外、および、以下の制御器４０の制御内容以外は、第２実施形態のＳＯＦＣシステム１００と同様である。
【０２０７】
点火装置６０は、燃焼器２０に点火する装置である。点火装置６０は、燃焼器２０に点火できれば、どのような構成であってもよい。点火装置６０として、例えば、点火ヒーター、点火フラグを挙げることができるが、これらに限定されない。
【０２０８】
ここでは、ＳＯＦＣシステム１００は、燃料電池スタック６から排出されたアノードオフガスを円環状の燃焼器２０に供給して燃焼空間２５へ所定の速度で噴出させるとともに、燃料電池スタック６から排出されたカソードオフガスを、燃焼器２０の周囲から燃焼空間２５へ吹き出させるように構成されている。そして、点火装置６０により、燃焼空間２５においてアノードオフガスに着火させ、燃焼器２０の中央部および周囲から吹き出されたカソードオフガスとともに拡散燃焼させる。
【０２０９】
制御器４０は、発電停止後に、燃料電池スタック６に燃料ガスおよび空気の供給を継続するＳＯＦＣシステム１００の停止制御において、第１温度検知器１２または第２温度検知器１５の検知温度が所定時間内に所定値以上低下した場合、又は、所定時間間隔毎に、点火装置６０を制御して、燃焼器２０に点火する。
【０２１０】
第１温度検知器１２または第２温度検知器１５の検知温度が所定時間内に所定値以上低下した場合、燃焼器２０の火炎が失火した可能性がある。例えば、検知温度が数分以内に約２０℃以上低下した場合は、燃焼器２０の火炎が失火した可能性があるが、これらの時間および温度は例示であって、本例に限定されない。よって、この場合、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、燃焼器２０に点火することで、燃焼器２０の火炎が失火した状態が継続することを抑制することができる。つまり、燃焼器２０の火炎が失火した状態から正常燃焼状態に迅速に復帰することができる。
【０２１１】
また、本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、所定時間間隔毎に、燃焼器２０に点火することで、燃焼器２０の火炎が失火した状態に至る可能性を低減することができる。例えば、約３０分毎に、燃焼器２０に点火することで、燃焼器２０の火炎が失火した状態に至る可能性を低減することができるが、この時間は例示であって、本例に限定されない。
【０２１２】
なお、燃焼器２０の火炎が正常燃焼中であっても、点火装置６０を短時間、動作させることに支障は生じない。
【０２１３】
本実施形態のＳＯＦＣシステム１００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態および第４実施形態のいずれかのＳＯＦＣシステム１００と同様であってもよい。
【０２１４】
なお、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態および第５実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。
【０２１５】
上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０２１６】
本開示の一態様は、発電停止後に、燃料電池スタックに燃料ガスおよび空気の供給を継続するＳＯＦＣシステムの停止制御において、燃焼器の燃焼特性を考慮して空気流量を適切に設定することにより、従来に比べて燃料電池スタックの耐久性劣化を抑制し得るＳＯＦＣシステムに利用することができる。また、本開示の一態様は、上記の停止制御における停止時間を従来よりも短縮し得るＳＯＦＣシステムに利用することができる。
【符号の説明】
【０２１７】
２          ：改質器
２Ａ        ：内壁
２Ｂ        ：外壁
２Ｄ        ：下板部材
２Ｅ        ：改質触媒
２Ｕ        ：上板部材
４          ：蒸発器
４Ａ        ：内壁
４Ｂ        ：外壁
４Ｃ        ：流路部材
４Ｄ        ：下板部材
４Ｅ        ：底部
５          ：空気供給経路
６          ：燃料電池スタック
７          ：空気熱交換器
１１        ：アノードオフガス排出経路
１２        ：第１温度検知器
１３        ：燃料ガス供給経路
１４        ：混合ガス供給経路
１５        ：第２温度検知器
１６        ：折り返し部
１７        ：折り返し部
２０        ：燃焼器
２１        ：アノードオフガス噴出孔
２２        ：アノードオフガス集合部
２２Ｔ      ：テーパ面
２３        ：第１カソードオフガス通過領域
２５        ：燃焼空間
３０        ：第２カソードオフガス通過領域
４０        ：制御器
４１        ：原料供給器
４３        ：水供給器
４４        ：空気供給器
５０Ａ      ：上部領域
５０Ｂ      ：下部領域
５１        ：隔壁部
５２        ：上壁
５３        ：外壁
５４        ：内壁
６０        ：点火装置
１００      ：ＳＯＦＣシステム
【図１】
2019164988.tif 000006
【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】
2019164988.tif 000012
【図８】
2019164988.tif 000013
【図９】
2019164988.tif 000014
【図１０】
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